(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属で形成された溶接領域（３６）とねじ切りされたコネクタ領域とを有する溶接ナットとして形成される実質的に金属の部品（２８）を金属加工物（４０）に溶接する方法であって、
前記部品（２８）の前記金属溶接領域（３６）を溶接機械の溶接ヘッドにより保持し、前記部品（２８）のねじ切りされたコネクタ領域を溶接機械の流体流制御手段（１６）に係合させ、
前記部品（２８）の前記金属で形成された溶接領域（３６）と前記金属加工物（４０）との間に溶接アークを生成させて溶融金属の溶接池を形成し、
前記溶接機械と前記部品（２８）との間に加圧流体流を生成して、該加圧流体流を前記部品（２８）の前記コネクタ領域と前記溶接池との間に流し、空中に浮遊する前記溶接池の流動性残渣を前記部品から離れる方向に向ける、
ステップからなり、
前記加圧流体の流れは、前記ねじ切りされたコネクタ領域のねじ溝によって形成された通路を通るように向けられ、
前記加圧流体の流れは、螺旋状の通路を有する流体流制御手段（１６）により、流れの方向に垂直な平面に対して１０°から８０°の間の角度に向けられる
ことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記加圧流体を、少なくとも前記溶接アークの生成とほぼ同時に流れ始めさせることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記加圧流体を、前記溶接アークが生成される前に流れ始めさせることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記ナットの雌ねじと摩擦係合するように固体のインサートを配置して、前記ねじ切りされたコネクタ領域の前記ねじ溝と前記インサートとの間に密閉された通路を形成し、これにより流体の流れが導かれるようにすることを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
前記流体流制御手段が、中心軸の周りに等しい角度方向間隔で配置された６つの螺旋状の通路（２６）を有する制御弁（１６）を備え、前記流体流が、これら６つの螺旋状の通路（２６）に通されることを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
前記流体流の向けられる前記角度が、５０°から７０°の間であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項７】
金属で形成された溶接領域（３６）とねじ切りされたコネクタ領域とを有する溶接ナットとして形成される実質的に金属の部品（２８）を金属加工物（４０）に溶接するための溶接装置であって、
前記部品（２８）の前記溶接領域（３６）が前記加工物（４０）に向けられるように前記部品（２８）を保持し、前記溶接領域（３６）と前記加工物（４０）との間に溶接アークを生成させて溶融金属の溶接池を形成し、次いで前記溶接領域（３６）を前記溶接池の中に移動させる手段を有する溶接ヘッド（２０）と、
加圧流体の供給源と、
空中に浮遊する溶接池の流動性残渣を前記部品（２８）の前記コネクタ領域から離れる方向に向けるために、前記加圧流体を前記溶接ヘッド（２０）と前記部品（２８）の前記コネクタ領域との間に導くための流体流制御手段と、
を備え、
前記流体流制御手段は、前記コネクタ領域のねじの縁と係合してほぼ密封されたねじ通路を形成し、前記ねじ通路により前記流体の流れが導かれるようにするための方向付け部材（１８）と、前記流体供給源と前記ナットとの間に配置されて前記流体の流れに螺旋状の流れを生じさせる制御弁（１６）とを有し、
前記制御弁（１６）が、少なくとも１つの螺旋状の通路（２６）を有する中実体を備えており、前記少なくとも１つの螺旋状の通路（２６）が、流体の流れ方向に垂直な平面に対して１０°から８０°の間の角度で形成される
ことを特徴とする溶接装置。
【請求項８】
前記溶接アークの生成と少なくともほぼ同時に、又はその前に、流体を流し始めるための制御手段をさらに備えることを特徴とする請求項７に記載の溶接装置。
【請求項９】
前記流体流制御手段が、前記部品（２８）の中央穴を通り抜けるように前記流体の流れを導くために、前記部品（２８）の上面に対しほぼ密封された係合が可能な端部ストップ部（２２）を有するほぼ中空の流体移送部材（１４）を備えることを特徴とする、請求項７又は請求項８に記載の溶接装置。
【請求項１０】
前記方向付け部材（１８）が、前記部品（２８）の中央の穴に受け入れられる円筒形の本体を備えることを特徴とする請求項７から請求項９までのいずれか１項に記載の溶接装置。
【請求項１１】
前記制御弁（１６）が、その周囲に等しい角度方向間隔となるように形成された６つの螺旋状の通路（２６）を有する円筒形であることを特徴とする請求項７から請求項１０までのいずれか１項に記載の溶接装置。
【請求項１２】
前記制御弁には、流体流の流れ方向上流側の面に向かう前記流体の流れの中に転向部材（２１）が配置され、該転向部材（２１）は、流体の流れを前記螺旋状の通路の方に漸次向けるために、流体の流れ方向に対し角度をもって傾けられていることを特徴とする請求項７から請求項１１までのいずれか１項に記載の溶接装置。
【請求項１３】
前記転向部材（２１）が円錐台を含むことを特徴とする請求項１２に記載の溶接装置。
【請求項１４】
前記流体流制御手段が膨張室（５０）を備え、前記流体は前記制御弁（１６）を通り抜けて螺旋状の流れとなって前記膨張室（５０）に流入し、前記膨張室（５０）の中で膨張するようになったことを特徴とする請求項７から請求項１３までのいずれか１項に記載の溶接装置。
【請求項１５】
前記流体流制御手段が膨張室（５０）を備え、前記流体は前記制御弁（１６）を通り抜けて螺旋状の流れとなって前記膨張室（５０）に流入し、前記膨張室（５０）の中で膨張するようになっており、前記膨張室（５０）が、前記制御弁（１６）と前記円筒形の本体との間に形成されることを特徴とする請求項１０に記載の溶接装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（技術分野）
本発明は、金属部品を金属構造体にアーク溶接するための方法及び装置に関する。より詳細には、本発明は、金属のスタッド又はナットを、該スタッド又はナットがその上で固定手段として使用されることになる金属板に溶接することに関する。
【０００２】
（背景技術）
金属のスタッド及びナットをアーク溶接によって金属構造体に溶接することは、自動車産業の特定用途に見られる広く普及した工程である。溶接工程の具体的な方法は比較的変化に富むが、その一般的な原理は、スタッドと金属板の間に電気アークを生成させ、アーク領域において金属材料の相対的な溶融が与えられ、次いで、溶融領域中に形成された溶融物の中に金属部品を入れ、その後の冷却で、部品と金属構造体との間に強固な溶接接合が形成されることを含む。
【０００３】
溶接工程の形式の１つは、いわゆるドロー・アーク溶接工程であり、金属板に溶接する部品を溶接銃の内部に配置し、該部品を該金属の表面と電気的に接触させて、金属部品が金属板と接触していることを示す最初の回路を完成させることを含む。次いで、溶接サイクルが開始され、ここでは、スタッドが加工物表面から引き上げられてパイロットアークが生成され、このパイロットアークは、引き上げられた部品と金属板との間に溶接アークを生成させる主溶接電流が開始される前に、部品と加工物表面の両方を清掃するのを助けるように働く。溶接アークは、板状の材料の上に、そして金属部品の上にも、溶融した金属の池を形成するように働く。次いで、溶接装置が部品を溶融金属の中に挿入し、これにより、溶融池が固まるに伴い均質な接合部が形成される。工程全体にかかる時間は１秒よりも少なく、実際に溶接された材料よりも事実上強固な接合部が形成される。このようなドロー・アーク溶接工程は、溶接産業では一般的であり、スタッドとナットの両方を金属板に取り付けるのに使用され、更に別の留め具がそれに連結されるのを可能にする。このように、スタッド自体は、これと協働するねじ切りされたナットを受け入れるために、ねじ切りされることが多く、或いは、ナット自体が、ねじ溝を有するコネクタを受け入れるために、直接、板の上に溶接されることもある。通常は、このようなスタッド及びナットは、金属板とアース接続が形成されるのを可能にし、したがって、スタッド又はナットと、それに取り付けられた適当なコネクタ要素との間に良好な電気的接触が形成されることが必要とされる。しかしながら、パイロットアークの清掃作用をもってしても、溶接工程の間にアークによって発生した高熱により、気化した炭素及び他の不純物が生成し、これにより、溶融した材料から「煙」が発生することがあることが分かってきた。この煙及び気化した不純物は、溶接されたナット又はスタッドのねじ上に凝結すると、その後の接合部との電気的接触を妨害し、部品とねじ切りされたコネクタとの間のねじ係合を弱めるように働くことになる。
【０００４】
更に、アーク自体の生成と、溶融した金属の中に部品を挿入することによって生じる反力に起因して、溶融金属の飛沫が生じることがあり、これにより、この飛沫がナット又はスタッドのねじ上に落下した場合、飛沫が再び凝固して、ナット又はスタッドのねじの作用が阻害されることが見出された。したがって、本発明の目的は、溶接手順の速度も質も阻害しないような方法で前述の諸問題を軽減するための、改良された溶接工程と溶接装置を提供することである。
【０００５】
（発明の開示）
本発明の１つの態様によると、実質的に金属の部品を金属加工物に溶接する方法が提供され、該方法は、溶融した材料の溶融池を形成するために前記部品と金属加工物との間に溶接アークを生成し、部品を溶融池の中に移動する間に、空中に浮遊する溶融池の流動性残渣を前記部品から離れる方向に向けるために、前記部品と溶融池の上に加圧流体の流れを開始するステップを含む。
この方法が、金属溶接領域とコネクタ領域とを含む部品に利用可能である場合には、溶接アークは、溶融池を形成するために部品の金属溶接領域と金属加工物との間に生成され、溶融池の流動性残渣をコネクタ領域から反らための加圧流体の流れが、部品のコネクタ領域と溶融池との間の位置に向けて開始される。通常は、加圧流体の流れは、溶接アークの生成と少なくともほぼ同時に又は溶接アークの生成よりも前に開始される。
コネクタ領域がねじ切りされている場合には、この方法は通常、ねじ切りされた領域のねじ溝によって形成された通路を通るように流体の流れを向けるステップを含む。特に、部品が溶接ナットである場合には、加圧流体の流れは、ナットの中心穴を通して導かれ、ナットの穴の内部に正圧を生じ、溶融した溶接材料の飛沫又はガスがこの領域に浸入するのを防ぐ。この方法はまた、ねじとの間に密閉された通路が形成され、それを通じて流体の流れが導かれるようにするために、中実の円筒形インサートをナットの雌ねじと摩擦的に係合するように配置するステップを含むことが好ましい。このようにすると、加圧流体は、このねじ切りされた通路によって更に圧縮され、高い正圧を生じ、溶接手順から生成される空気中の微粒子がナットのねじ領域の中に投入されるか又は引き込まれるのを防ぐ。
【０００６】
加圧流体は、ナットを通して導かれる前に、直線的な流路を与えられることがある。この流路は、通常は、流体通路の中に配置された中実の制御弁の内部に形成された少なくとも１つの縦方向に延びる通路を通して流体を通過させることで形成され、より一般には、この流れは、流体流路の中心軸の周りに等しい角度方向間隔で配置された６つのこのような通路を通り抜けることで誘起される。
加圧流体はまた、ナットを通して導かれる前に、螺旋形の流路を与えられることもある。すなわち、流体の流れがナットの螺旋形のねじ溝に接触する際に、流体の流れは、既にこのようなねじ溝に部分的に整列しており、したがって、ナットのねじ溝の間に形成された通路に容易に引き込まれ、該通路に進入する。この螺旋形の流路は、通常は、流体通路の中に配置された中実の制御弁の内部に形成された少なくとも１つの螺旋形の通路を通して流体を通過させることによって形成されることが好ましく、より一般には、この螺旋形の流れは、流体流路の中心軸の周りに等しい角度方向間隔で配置された６つの通路を通り抜けることで誘起される。この螺旋形の通路は、通常は、流体の流れ方向に垂直な平面に対して１０°から８０°の間の角度に流体の流れを向けるように設定され、より詳細には、形成された偏向角は５０°から７０°の間である。
加圧流体はまた、螺旋形の流路が形成された後に膨張できるようにすることができる。この方法に使用される流体は、５から３０リットル毎平方メートル、好適には１０から２０リットル毎平方メートルの間の加圧空気供給源から導かれる圧縮空気であることが好ましい。
【０００７】
さらに、本発明の第２の態様によると、アーク溶接の間に、実質的に金属の部品の上に加圧流体の流れを導くための装置が提供され、この流体の流れは、前記装置によって溶接工程中に生成した空気中の如何なる流動性残渣も、部品から離れる方向に向けるように導かれる。
【０００８】
本発明の別の態様によると、同じく実質的に金属の部品を金属加工物に溶接するための溶接装置が提供され、前記部品は、金属溶接領域とコネクタ領域とを含み、前記装置は、前記部品の前記溶接領域を前記加工物に隣接して保持し、溶融した材料の溶融池を作るために前記溶接領域と加工物との間に溶接アークを生成し、次いで前記溶接領域を前記溶融池の中に移動させるための手段を有する溶接ヘッドと、加圧流体供給源と、溶融池の空気で運ばれる流動性残渣を前記部品の前記コネクタ領域から離れる方向に向けるように、前記加圧流体を前記部品と溶融池の上に導くための流体流制御手段とを含む。
この装置は通常、溶接アークの生成と少なくともほぼ同時に又はそれよりも前に流体の流れを開始するための制御手段を含む。この制御手段は、通常は、アーク溶接装置（自動化されたものと手持ち式の両方）では普通であるように、コンピュータ化された制御端末を使用しており、これにより、この制御装置は、試験電圧によっていつ溶接を始めればよいかを検出し、これにより、自動的に溶接電流を溶接ヘッドに流し、溶接アークを生成させる。このコンピュータ化された制御装置は、溶接電流が流れるのと同時に又はそれよりわずかに前に、弁を開くことのような従来の方法によって、又は加圧流体供給源から加圧流体を送出する他の従来の方法のいずれかにより、流体供給源から流体の流れを開始させることができる。このコンピュータ化された制御装置はまた、溶接ヘッドとノズルの移動を制御する。
この溶接装置は通常、ねじ切りされたコネクタ領域を有する部品と共に使用され、この場合、流体制御手段は、ねじの外縁上にあって該ねじとともにほぼ密閉された通路を形成する方向付け部材を備え、このねじ通路を通して流体の流れが導かれる。ねじ付きスタッドのような外ねじ部材とともに使用する場合には、この方向付け部材は、ねじと接触してスタッドの外面上を滑動する管状体とすることができるが、ねじ付きナットの場合には、ねじの外縁はナットの内部穴の内周周りに形成され、円筒形の本体は、ナットの中に挿入されこれらねじと係合することになる。
【０００９】
流体流制御手段は、通常、ほぼ中空の流体移送部材を含み、該移送部材は、溶接ナットの上面と密封係合を実質的に形成するための端部ストップ部を備え、これにより、流体の流れは、このナットの中心穴を通して導かれる。その後、この流体の流れは、円筒形の本体が挿入されているナットにより連続して移動するのを妨げられ、したがって、ナットのねじと円筒形の本体との間に形成された通路の中に押し込まれて、その中を通り抜ける。これは、ナットのねじを通して加圧流体の流れをはっきりと導くという利点を与え、また、これらの通路を通して流体の圧力を上昇させるように働き、これにより、溶融池からの空気で運ばれるあらゆる残渣粒子がナットのねじ溝に浸入するのを防ぐ。
この溶接装置はまた、好ましくは、流体の流れの中に流路を形成するために流体供給源とナットとの間に配置された制御弁を備える。この制御弁は通常、それを貫通して延びる少なくとも１つの通路を有する中実の本体を備える。この制御弁は円筒形であり、このような弁の軸の周りに等しい角度方向間隔となるようにその周囲に形成された６つの通路を有することができる。この通路は、螺旋形とすることができ、その場合には、通常は、流れの方向に垂直な平面に対し１０°から８０°の角度で形成される。
【００１０】
さらに、制御弁の前方の流体の流れの中に偏向部材を配置し、流体の流れの方向に対し角度をもって傾斜させて、螺旋形の通路の入口の方向に流体の流れを徐々に向けることもできる。これは、流体の螺旋状流れの形成を崩すことがある渦流の生成を減らすためであり、これにより螺旋形の通路の小さい穴の中に加圧流体が押し込まれる。このような転向部材は、通常は、円錐から形成される。
さらに、流体の流れが流体制御弁の通路の中で圧縮される場合には、流体制御手段は、流体が流体制御弁を通り抜けた後に流入可能な膨張室を備えることができ、これにより、該加圧流体は、螺旋形の流れが形成された後に膨張できるようになる。加圧流体のこの膨張は、螺旋形の流路を保持するのを可能にするが、制御弁の通路を通じて圧縮された後の圧力をわずかに減少させるので、加圧流体は、ナットのねじ切りされた領域とその中に配置されたシリンダとの間に形成される通路に一層容易に引き込まれ、該通路に進入することになる。
この溶接装置は、既存の溶接装置に大いに利用することができ、したがって、従来の溶接ヘッドのリーディング・アームを、実質的に気密性のシリンダを形成するのに利用可能であり、このシリンダを通して流体の流れを移送することができ、溶接作業の間に部品まで導くことができ、溶接制御弁をこの部材１４の端部の内部に簡単に組み込むことができる。
【００１１】
（発明を実施するための最良の形態）
次に本発明を、単なる例に基づく添付の例示的な図面に関して説明する。
最初に図１を参照すると、ドロー・アーク溶接に使用される従来の自動溶接ヘッドのノズル配置（８）が示されている。図１に示された図面には、部品は示されていないが、内部ローディングアーム（１４）は（スリーブ（１０）に対して）装填された位置で示されている。これは、従来の技術を説明する便宜のためである。
ノズル（８）は、銅又は黄銅のような電気伝導性の材料で作られた中空の細長い円筒形のスリーブ部材（１０）を含む。スリーブは更に、開放された最外端（１２）から上向きに延びる細長いスロット（図示せず）を含み、該スロットは、内部に半径方向の力が加わるときに、スリーブの遠方端が半径方向に拡張するのを許すように働く。スリーブの弾力性により、これらのスロットは、応力を受けていない状態におけるスリーブの直径よりも大きい直径を有する物体に十分な力が加えられる場合に、該物体の通過を許すように働く。この作用については、後でより詳細に説明する。
【００１２】
スリーブ部材（１０）は、この技術分野では慣習的であるように、コンピュータ化された溶接制御装置（図示せず）と電気的に接触するように取り付けられる。溶接制御装置は、適当な溶接電流の制御及び印加のために設けられる。
自動溶接ヘッドは更に、実質的に絶縁性の材料からなるローディング・アーム（１４）を含み、該ローディング・アームは、スリーブ部材（１０）の中で同軸に（図１及び図３において垂直に）変位可能である。ローディング・アームは、従来のサーボ機構又は電気機械的手段により変位させることができ、同じくこの技術分野では慣習的であり、これ以上詳しく説明する必要はない。駆動機構の作動も同様にコンピュータで制御され、このコンピュータ制御は、スイッチの起動のような入力動作に対する応答として行われる。
【００１３】
ローディング・アーム（１４）は実質的に中空であり、その自由端に、それと同軸に円筒形のストップ・ナット（１５）が取り付けられる。このナット（１５）は、その中に同軸にセラミック又は金属のピン（１８）が取り付けられる。
ピン（１８）は、該ピン（１８）の円筒部（１７）の直径よりもかなり大きい直径を有するヘッド（２０）を備えており、ヘッド（２０）はローディング・アーム（１４）の外側に突出している。
ローディング・アーム（１４）は更に、同様にそれと同軸に取り付けられた端部ストップ部（２２）を含み、該端部ストップ部（２２）は、適当な部品と係合するための半径方向に延びる端面（２４）を有する。
【００１４】
次に図２を参照すると、図には本発明のノズルが示されており、以下に説明する２つの例外を除き、従来技術にほぼ対応している。第一に、このノズル（８）の設計は、図１を参照して説明したものと同様のローディング・アーム（１４）を収容する同じく中空の細長い円筒形のスリーブ部材（１０）を備える。さらに、図２に示されたノズル（８）には、部品、この例では回転式の溶接ナット（２８）が、外側のスリーブ（１０）から軸方向に変位して装填されている。このナット（２８）を有するノズルの基本的な装填及び作動については、後で説明する。
【００１５】
本発明と従来技術との２つの主な相違点は、従来技術のストップ・ナット（１５）を円筒形の流体制御弁（１６）に置き換えることと、該流体制御弁が同じくその中に同軸に取り付けられたピン部材（１８）を有し、該ピン（１８）にも、その内側に向けられた端部（２１）がノズル（８）の自由端（１２）から遠ざかる方向に円錐台を形成するように、変更が加えられていることである。弁（１６）と端部ストップ部（２２）とアーム（１４）との間の係合は、ほぼ気密の嵌合を形成し、これにより、弁（１６）内のピン（１８）の係合もまた、ほぼ気密の嵌合を形成する。
【００１６】
分かり易くするために、図２においてノズル（８）が断面図で示されているのに対し、弁（１６）は、その外形がはっきりと見えるように側面から見た状態で示されている。
流体制御弁（１６）は、その半径方向外面に、一連の６本の溝（２６）（図２及び図３に示されている）を有し、該溝は、円周の周りに等角度（互いに６０°）で配置され、弁の軸（Ａ）に垂直に延びる平面に対し約６０°の角度（δ）でこの外面の周りに螺旋を描いている。これらの螺旋溝（２６）は、ローディング・アーム（１４）の中空の中心チャンバ（２９）とその外面との間に流体連通を与えるように働く。ピン（１８）は、円筒形の弁（１６）の内面（３１）と相対的なシールを形成するように働く。
ローディング・アーム（１４）は、同様に溶接制御装置によって制御された加圧流体供給源（図示せず）に連結されており、流体が圧力下で該ローディング・アーム（１４）の中に導かれ、適当な螺旋溝（２６）に沿って流体制御弁から流出することになる。
【００１７】
作動時に、自動溶接ヘッドは、モータ駆動又は油圧駆動手段によって機械的に移動可能であり、金属板のような加工物と係合される。溶接ヘッド自体は、休止位置において、ローディング・アーム（１４）をスリーブ部材（１０）から軸方向に引き込まれた状態に保持する。作動時に、溶接ナット（２８）は、自動フィーダによってノズルの入口ポート（図示せず）に送られ、この段階で、ローディング・アーム（１４）がナット（２８）と係合するように移動され、これにより、ピンヘッド（２０）がナット（２８）の中心のねじ穴の中に受け入れられ、ナットの内向きねじと実質的に摩擦嵌合して前記中心穴を部分的に貫通し、前記ナットの外側へ突き出るのに伴い、端部止め（２２）の端面（２４）が前記ナットの上面と係合することになる（図２参照）。ローディング・アームをスリーブ部材（１０）の中で連続的に移動させることで、ナット（２８）が効果的に前記スリーブ部材（１０）の中に押し込まれる。
【００１８】
ナット（２８）は、図２に最も良く示されているように、その下面（３９）に外周隆起部（３６）を有するという点で、従来のナットとは多少異なっている。溶接性能を向上させるために、この隆起部は、テーパさせて「Ｖ」字形の形状を有する環状の頂部とすることができる。ピン（１８）は、この隆起部（３６）によって形成されたチャンバ（４１）内に部分的に受け入れられるように、ナット（２８）のねじ部分の外側に突出している。
更に、ナット（２８）は、スリーブ部材（１０）の内径よりも僅かに大きい直径を有し、ナットとスリーブの間に摩擦係合を与えることができる。これは、ナットがローディング・アーム（１４）によって押し動かされる際に、スリーブ（１０）を通り抜けて単純に「落下する」ことがないようにナットを保持する役割を果たす。この摩擦的な嵌合は更に、ローディング・アーム（１４）のピンがその中を貫通して打ち込まれる際に、ナット（２８）を拘束する役割を果たす。前述のように、スリーブ（１０）は、縦方向に延びるスリットの列を有し、ナットがその中に押し込まれるに伴いスリーブ（１０）が拡張できるようになる。これは、ローディング・アーム（１４）によって加えられた力のもとで、ナットのスリーブ部材（１０）に沿う制御された移動を可能にする。
【００１９】
図１に最も良く示されているように、作動時に、ナットは、該ナットの外側の隆起部（３６）がスリーブ（１０）から所定の距離（Ｄ）だけ外に突出するように、スリーブ（１０）の中を所定の距離だけ移動される。
次に、自動溶接ヘッドが、ノズル（８）を金属加工物表面（４０）の方に移動させるように働く。加工物表面は通常、例えば自動車の車体に使用されるもののような金属板材料を含む。加工物表面は、スリーブ（１０）と溶接ナット（２８）との間の電気的接触によって、溶接ナット（２８）がそうであるのと同様に、溶接制御装置と電気的に接触した状態に維持される。この接触は、溶接制御装置によって形成された適当な電気回路を完成させ、溶接制御装置によって低い電圧が印加され、これにより、ナット（２８）と加工物表面（４０）との間の接触が判断できる。この位置において、溶接制御装置が、従来のように自動溶接ヘッドと、溶接ナットと、加工物表面との間の正確な相対位置を決定し、従来の溶接サイクルを開始し、これにより自動溶接ヘッドが、溶接ナットを加工物表面から引き揚げ、スリーブとナット（２８）に溶接電流を流し、該ナットと加工物表面との間に溶接アークが誘起され、溶接ナットの隆起部（３６）と加工物表面（４０）の上に溶融した金属の池が形成される。この後すぐに、溶接ヘッドは、溶融池の溶融金属の中にナット（２８）を挿入するように働く。溶融池が固まるのに伴い、ナットと金属加工物表面との間に均質な接合部が形成され、この接合部は通常、ナット又は加工物表面の金属成分よりも強固である。次いで溶接ヘッドは、スリーブ（１０）とローディング・アーム（１４）をナット（２８）との係合から外して引き揚げ、スリーブとナット、及び、ピン（１８）とナット（２８）の間の摩擦係合力は、ナットと加工物表面との強固な係合より弱い。図４に見られるように、溶融池は、ナット（２８）の隆起部（３６）の内側と外側の周囲に溶接接合部（４３）を形成する。
【００２０】
上で説明した溶接作業において、この手順は、激しく急速に金属を溶融することに起因して、ナットがそれらと係合する際に、溶融した金属が大量に飛散することになることが見出されている。このような飛散によって生成した溶融金属の液滴が、ナット（２８）の雌ねじの上に落下することがある。さらに、この種の溶接手順で発生した高温により、ナット表面と加工物表面の中及び上の両方の不純物、特に炭素に起因する、気化した不純物と煙の形態の焼けた粒子が発生することになる。これらの気化した不純物と煙は、その後、凝結してナット（２８）の雌ねじの上に堆積することになる。ナットは、ねじ又はボルトの形態の締付け要素を受け入れることを意図されており、また、ナットと該ナットに取り付けられたねじを有する締め具のいずれかとの間に電気的接触を形成することを意図されていることから、ナットの雌ねじの上に形成された不純物のいずれかが、電気的接触に悪影響を与えることがあり、同時に、ナットのねじの上に飛散した溶融材料のいずれかが、ねじを有する締め具とのねじ係合を妨害したり、困難にすることがある。したがって、空気で運ばれる溶融池からの流動性残渣のこれら形態の両方は、溶接工程の効率に対して悪影響を及ぼす。
【００２１】
この問題は、以前は、ナットの中心のねじ部分を貫通して突き出るピン（１８）を使用して、飛沫がねじに付着するのを防止しようとすることにより、部分的に対応されてきた。しかしながら、ピンヘッド（２０）は、ねじの最内縁と係合することができるだけであり、それゆえ、開放された通路が、ねじによってピンヘッドの周りに螺旋状に延びることになるので、このような構成は、部分的に成功しているだけである。これは、気化した不純物又は煙のいずれかが雌ねじを通り抜けるのを許し、また、飛沫のいずれかが溶接ナット（２８）のねじ領域の中に少なくとも部分的に入るのを許すことになる。
【００２２】
したがって、本発明の改良された工程は、実際のアーク溶接工程の間に付加的な工程段階を含む。図２及び図４の改良された溶接ノズルを参照すると、溶接アークを生成するために溶接ヘッドがノズル配置（８）を加工物表面から持ち上げる際に、溶接制御装置が加圧流体制御機構（普通は、弁又は他の標準的な流体制御装置）を作動させ、加圧流体、最も一般には、約１０から２０リットル毎平方メートルの圧力の加圧空気が、ローディング・アーム（１４）の中空の中心領域（２９）の中に流入し、螺旋溝（２６）を通じて空気制御弁（１６）を通り抜け、ピンヘッド（２０）と流体制御弁（１６）との間の（そして、ナット（２８）とストップ部（２２）との間の係合によって密閉された）領域（５０）（又は膨張室）の中に流出し、これにより、この加圧空気は、次いでピンヘッド（２０）の周りのナットのねじ溝を通して押し出され、正圧を生じて、煙又は気化した不純物又は金属飛沫がナット（２８）のねじ領域に浸入するのを防ぐ。
【００２３】
更に、図２及び図４から分かるように、ピン（１８）の最内端（２１）は、円錐台を有する。この円錐台の形成は、ローディング・アーム（１４）内部の流体の流れを、流体制御弁（１６）に形成された螺旋の周辺部入口の方向に向けるように働く。このような円錐面の使用によって流体の流れを偏向させることは、弁（１６）の螺旋の中に流体が流れるのを妨げることがある渦流の生成を低減するように働く。さらに、図２及び図４に示す本発明の一実施形態において、流体の流れは、流体制御弁（１６）の螺旋溝（２６）を通り抜けると、弁とピン（１８）のヘッドの間の領域（５０）において膨張できるようになる。加圧流体又は圧縮空気をこの領域で膨張させることは、螺旋溝によって生じた渦流の効果を増大するのに役立ち、渦流効果はまた、加圧流体又は加圧空気を移動させて、ナット（２８）のねじ溝とピンヘッド（２０）の間に形成された螺旋形の通路と係合するのを助けることが見出された。このことは、流体制御弁（１６）によって更に圧縮された後の、圧縮空気の圧力を、１０から２０リットル毎平方メートルの所望の範囲に戻すのにも役立つ。この圧力下での空気は、より容易にナットのねじ溝の中に受け入れられる。
【００２４】
制御弁（１６）に形成された螺旋溝の角度（δ）は、約６０°に設定される。しかしながら、この角度（δ）は、図６に示されているように１０°から９０°（即ち、同軸）までの範囲で変化させることができ、それでもなお、本発明の範囲内に含まれることが理解されるであろう。実際に、別の実施形態においてピン（１８’’）の同軸の溝（２６'’）は、煙又は気化した不純物或いは金属の飛沫がナットのねじ領域に浸入するのを防ぐ効果が、螺旋溝と同程度又はそれ以上であることが実験で示されている。
【００２５】
流体制御弁（１６）内部の螺旋の使用は、第１に、加圧空気流がナット（２８）の螺旋形のねじに接触する際に渦流効果を生じ、流体が効果的に弁からナットの該ねじ領域を通り抜けて流れるようにするために利用される。しかしながら、角度（δ）を９０°まで増加した場合、効率がわずかに低下することがあるにも拘らず、なおも圧力下の流体は、弁（１６）を通じて押し出されナット（２８）のねじ溝と接触する。図２及び図３に示されているように、弁（１６）は、弁（１６）の周囲に形成された一連の溝を利用しているが、この溝は、この円筒形の弁（１６）の内周壁（３１）に沿って等しく形成することもできるし、或いは、単にこのような弁の中実の部分を貫通して形成することもできる、ということも理解されるであろう。この場合の決定的な基準は、アーム（１４）の内部とナット（２８）の内部のねじ領域との間に流体連通が与えられることである。弁（１６）は、最も簡単な実施形態においては、完全に取り外すことができる。
【００２６】
図５は、本発明の別の実施形態を示す。この実施形態では、流体制御弁（１６’）は、図２の連結した弁（１６）とピンの配置（１８）に置き換えるために寸法が増加されており、このため、弁（１６’）は、ナット（２８’）の雌ねじを貫通して該雌ねじと摩擦的に係合するようにアーム（１４）の外側に突出している。この実施形態では、螺旋溝（２６’）は、ナットの雌ねじと直接係合し、同様に前記ナットのねじ領域の中に加圧流体（圧縮空気）を通し、正圧を生じ、気化した気体及び粒子又は溶融金属の飛沫がナットの雌ねじの中に侵入するのを防ぐ。ここでもまた、この工程における弁の効率は、溝（２６’）の角度を変化させることで変えることができる。
【００２７】
本発明を、既に説明したような金属板の表面に当接された溶接ナットに適用するためには、チャンバ（４１）と、アーム（１４）の中に導入された加圧流体よりも低い圧力を有する領域との間を連通して、適当な加圧流体の流れが与えられるように、この金属板材料を貫通する穴（１００）を形成することが必要である、ということが理解されるであろう。しかしながら、本発明は、単に溶接ナットのみに使用される溶接工程及び装置に限定されるものではなく、他の部品を金属表面に溶接することにも応用可能であることも理解されるであろう。例えば、本発明は、スタッド溶接の分野においても利点を有する。スタッド溶接は、金属表面へのナットの溶接に関して説明した工程とほぼ同一の工程を含むが、この部品は、ナットの代わりに、ほぼ円筒形のねじ切りされた本体を備えるスタッドであり、この本体は、通常円形でスタッドの本体と同軸の拡大ヘッドを有する。この状態では、ナットに関して既に説明したのと同一の方法で、ヘッド自体が直接、金属に溶接される。このようなスタッドは、金属板に溶接された時に、ナット又は他のねじ付き締め具を受け入れて、既に説明したナットと同様の機能を提供することを目的としている。同様に、飛散によるこのねじ領域での溶融金属の生成、又は煙と気化した不純物の生成による炭素堆積物上の不純物の生成も、この溶接作業にとって不利益となるであろう。それゆえ、本発明は、スタッドのねじ溝部分に加圧流体の流れを供給し、このような制御された加圧流体の流れにより、溶接工程で生成したガス、又は溶接工程の間に飛散によって形成された溶融金属の飛沫（空気で運ばれる流動性残渣）のいずれかをねじ領域から排除することで、このようなスタッド溶接にも等しく応用することができる。また、圧縮空気は、加圧流体の最も可能性の高い供給源である。ここでは、流体の流れは、ねじ領域と溶融池との間に「障壁」を形成するのに使用される。
【００２８】
最も簡単な形態において、本発明は、スタッドのねじ領域の上に配置された単純な管状の送出弁の配置によって具体化することができ、これにより、スタッドのねじ領域に沿って垂直方向下向きに空気を導き、これにより、該空気はスタッドのヘッドの後部と係合し、外側に偏向され、このようにして適当な流体障壁が与えられ、飛沫又は煙がねじ領域に向かって移動するのを防ぐ。或いは、一連の細いノズルを溶接ヘッドの周りに配置することも可能であり、前と同様に、加圧空気の噴流を、スタッドのヘッドの裏側（即ち、溶融池と溶接的に係合されていない方のスタッド・ヘッドの表面）に、このような角度で導き、次いで、加圧気体が、スタッド・ヘッドの表面を通り抜けるように向けられ、中心部分から半径方向外側に移動され、同様にねじ領域と溶融池との間に加圧流体の障壁が効果的に形成され、同時に、本発明の目標を満たす。したがって、圧縮空気は、溶接接合部自体へは導かれず、単にスタッドのねじ切りされた中心部分から半径方向に遠ざかるように流れ、如何なる煙又は溶融した飛沫をもこのねじ切りされた部分から遠ざかるように向けるが、溶融池とスタッドのヘッドの周囲の溶接接合部には、直接に又は不利に影響しない。より複雑な装置及び方法をスタッド溶接に使用して、同じ最終結果を達成することも可能であることは明らかである。
【００２９】
このようなスタッドの金属ヘッドと電気的な接触を達成することができるならば、ねじ切りされた部分それ自体は必ずしも金属である必要はなく、プラスチック又は他の材料でもよいことも、スタッド溶接に関して理解されるであろう。
さらに、溶接工程の間に溶融池を過度に強制的に冷却するのを防止するために、流体の流れ自体は予熱された空気（又は液体）を含むこともできる。
【００３０】
方法と装置の両方についての特定の実施形態が、自動溶接ヘッド・システムと共に使用することについて説明されたが、このシステムは、実際の溶接作業を制御するためにコンピュータ化された溶接制御装置を用いる方法と同様の方法で作動する手持ち式の溶接銃にも同様に適用することができ、この態様では、従来の手持ち式の溶接銃は、手動溶接を行うために引き金を操作するのと同時に、加圧流体を供給するために、付加的な制御装置を単に必要とするだけである。手持ち式の溶接銃は、オペレータが溶接ナット又は溶接スタッドを金属表面（４０）と当接するように設置し、次いで、引き金を押し下げることで溶接銃を作動させることを必要とする。次いで、溶接銃は、溶接アークを生じるためにノズル及びナットを金属表面から十分な距離まで引き揚げるための持ち上げ手段を含む。このような態様では、銃の引き金スイッチの作動はまた、自動化されたシステムについて既に説明した方法で、加圧ガスの適当な流れを供給する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  ナットのドロー・アーク溶接に使用される自動溶接ヘッドにおける従来のノズルの断面図である（従来技術）。
【図２】  装填された部品を伴った、本発明の自動化溶接ヘッドのノズルの断面図である。
【図３】  図２のノズルの流体制御弁を上方から見た平面図である。
【図４】  金属板に対する溶接ナットの作動的な接合を示す図２のノズルである。
【図５】  本発明の溶接ヘッドのノズルの第２の実施形態を示す。
【図６】  同軸の溝を有するピンの別の実施形態を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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