(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶接端にフランジ（５）を有するボルト（３）を金属構造物（１）に案内し、溶接するに際し、まずボルト（３）と構造物（１）との間に形成されるアークによる、少なくとも２回の清浄段階において、構造物（１）の表面（７）の溶融部（２）が清浄され、その後に、前記ボルト（３）と前記構造物（１）との間にアークを発生させて前記ボルト（３）と前記構造物（１）を部分的に溶融させ、前記ボルト（３）を前記構造物（１）に接触させて冷却させるアークボルト溶接により金属結合が形成される、多段階アークボルト溶接方法であって、
構造物表面（７）の清浄が２回の連続した別々の清浄段階により行なわれ、多段階アーク溶接法全体の制御が、構造物（１）へのボルト（３）の接近運動及び構造物（１）からのボルト（３）の離脱運動並びにボルト（３）と溶接電源（１１）との電気的結合の開始及び持続により行なわれ、
前記２回の連続した別々の清浄段階は、
ａ）ボルト（３）が構造物（１）に案内され、該構造物（１）の溶融部（２）に接触させられ、
ｂ）ボルト（３）が遅くとも構造物（１）との接触時には溶接電源（１１）と電気的に接続され、発生したアークがフランジ断面積より小さい範囲の前記構造物（７）の表面を清浄するような間隔になるまで構造物表面（７）から離脱させられ、
ｃ）溶接電源（１１）との電気的接続が切られ、ボルト（３）がアークの消滅後までその構造物表面（７）から離れた位置に留まる
ようにすることにより第１回目の清浄段階が行われ、
次いで、前記第１回目の清浄段階より大きい面積の清浄を行う第２回目の清浄段階が行われる
ようにすることにより遂行されることを特徴とする溶接方法。
【請求項２】
前記第１回目の清浄段階においては、約１００ｍＡの電流強度で作業が行なわれ、第１清浄段階の期間が約４０ｍｓであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記第１回目の清浄段階中のボルト（３）と構造物表面（７）の溶融部（２）との間隔が約１．０〜３．０ｍｍであることを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記第１回目の清浄段階の終了時における前記構造物表面（７）から離れた前記ボルト（３）の静止状態が溶接電源（１１）の切断後少なくとも３０ｍｓは持続することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
第２回目の清浄段階が、
ａ）前記ボルト（３）を第１清浄段階の終了時における離れた静止位置から再び前記構造物（１）に案内し、前記構造物（１）の溶融部（２）に接触させ、
ｂ）前記ボルト（３）を遅くとも前記構造物（１）との接触時には再び溶接電源（１１）と電気的に接続させ、前記第１回目の清浄段階の場合以上の間隔になるまで前記構造物（７）の表面から離脱させ、その結果、発生したアークにより前記フランジ断面積を上回る構造物（７）の表面の面積を清浄し、
ｃ）アークの発生が中断されずに続いている場合には、構造物表面（７）の溶融に適した大きさまで、ボルト（３）と構造物表面（７）の溶融部（２）との間隔が縮小され、その結果、移行段階なしで、アークボルト溶接による金属結合のための工程が開始される
という経過をたどることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
第２清浄段階においては、約１００ｍＡの電流強度で作業が行なわれ、第２清浄段階の期間が約１５０ｍｓであることを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記金属構造物（１）がアルミニウム又はアルミニウム合金製であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
清浄の前に、まず溶接すべき表面の汚染度に比例したパラメータが測定され、それにより清浄段階の回数が決定されることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の背景】
本発明は、溶接端にフランジを有するボルトを金属構造物に案内し、溶接するための多段階アークボルト溶接法及び装置に関する。
【０００２】
アーク溶接による金属ボルトの金属構造物への溶接は広く普及している方法であり、特に自動車産業において利用されている。この場合、基本的には、ボルトをそれぞれ相応しい形状に成形した２種類の溶接法がある。
【０００３】
一方の溶接法、いわゆる持上げ点弧法においては、溶接ボルトの溶接端はフランジを有し、このフランジは、ほとんどの場合、その下側に、アーチ状であることもあり、又は切頭円錐形である隆起を有する。ボルトは、リフト点弧法においては、まず最初に隆起が構造物に案内され、電気的接触が行なわれる。溶接電源から大きな短絡電流がボルト及び構造物に流れる。続いて、ボルトは再び少し持上げられ、それにより、ボルトと構造物との間に、構造物の溶融部及び同様に隆起部を溶融させるアークが発生する。所定の時間の後に、ボルトは溶融部に生じた溶融物の中に沈められ、それにより、以降の冷却時に、ボルトと構造物との間に極めて安定した溶接結合が行なわれることになる。
【０００４】
ボルトを金属構造物にアーク溶接するためのもう一方の方法は、いわゆる先端点弧法である。ここでは、溶接ボルトの溶接端は、まず最初に構造物に案内される突起又は突出している先端を有する。この先端は、溶接電流が流れることにより高温のプラズマを形成しつつ急激に蒸発するような寸法にしてあり、それにより、残った溶接端及び構造物が溶融させられる。ボルトはその際高速度で溶融物の中に沈められる。かかる方法は例えばＤＥ第４２３６５２７号に記載されている。この工程には大きなエネルギーが必要とされるために、非常に大きな爆発音が生じる。さらに、高速度での溶接ボルトの当接が、溶接品質を低下させる振動を発生させる可能性があるので、構造物については、一般的に、熔融部の裏側を支持しなければならない。いずれにせよ、溶接の品質は先端の品質に大きく左右されることになる。
【０００５】
ボルト溶接法の利用が次第に普及するにつれて、上記の両方法のいずれも特に優れた結果を示すことができるわけではない適用例も生じている。例えば、構造物の溶融部がコーティングされている、又は汚染されており、特にワックス層又は油層を有する適用例、さらには、構造物の材質が酸化物層を有する材質、特にアルミニウムである事例がある。例えば、溶融亜鉛めっきのような、溶接作業にとって障害となるコーティングもある。これらの事例は複合的に生じることもある。
【０００６】
ボルト溶接の場合は２つの段階が用意されており、第１段階が表面状態の確認段階及び／又は清浄段階であり、第２段階が溶接結合を行なうことは公知である。しかし、１回限りの清浄段階においては、表面性状が異なる場合は、アークの最初の点弧が再現の非常に困難な結果をもたらすことになるので、再現可能な大きさの清浄面を必ずしも形成することができるわけではない。
【０００７】
かかる適用例のために、本発明の課題は、酸化物層及び／又はその他の表面被覆、特に油、ワックス又は亜鉛層を有する表面において質的に高価値かつ再現可能な溶接結合を可能にする、ボルトを金属構造物にアーク溶接するための包括的な方法及び装置を提供することにあり、しかも、この方法は耐え得る作業条件の下で経済的に実施されるものとする。
【０００８】
この課題の解決に役立つのが、請求項１記載の方法である。効果的な形態はそれぞれの従属請求項に示してある。
【０００９】
この方法によれば、課題は、まずボルトと構造物との間に形成されるアークにより、構造物表面の溶融部が少なくとも２回の清浄段階において清浄され、その後に初めてボルトと構造物との金属結合が通常のアークボルト溶接により行なわれることにより解決される。
【００１０】
ボルトと構造物の間隔とアークの持続期間との調整が正しく行なわれた場合は、アークを構造物表面からの油層又はワックス層の除去だけではなく、酸化物又は溶融亜鉛めっきの除去にも利用することができる。少なくともボルトの溶融部においては、この方法により、構造物の徹底的な清浄を実現することができ、その結果、アークボルト溶接による後続の金属結合を、特別のコストを伴わずに、それにもかかわらず、高い信頼性で実現することができる。ここで、第１清浄段階は、強力ではあるが、狭く限定されたアークの点弧により、ボルトを新たに上に置き、それを持上げた際に、後の溶融部全体を清浄する再現性の優れた第２清浄アークを可能にする精密な接触面を形成する。
【００１１】
従って、効果的な別の形態によれば、構造物表面の清浄が２回の連続した別々の清浄段階により行なわれ、多段階アーク溶接法全体の制御が、構造物へのボルトの接近運動及び構造物からのボルトの離脱運動並びにボルトと溶接電源との電気的結合の時点及び持続により行なわれる。このアークによる２段階清浄の場合は、各清浄段階を異なる形態にすることができる。
【００１２】
すなわち、第１清浄段階が行なわれた場合は、ほぼボルトのフランジ断面積の一部に相当する小さな面積が強力に清浄される。この清浄段階においては、特に油層及び酸化物が十分広範に除去される。
【００１３】
この第１清浄段階にとって効果的なパラメータが請求項２〜４に示してある。
第１清浄段階の終了後には、ボルトは構造物から持上げられた状態にあり、アークは消滅した状態にある。従って、両清浄段階は完全に分離されており、ボルト及び構造物の過熱も避けられ、その結果、ボルトは、新たに上に置かれた際に、溶融表面に当接することはない。請求項７記載の第２清浄段階においては、ボルトと構造物表面との間隔を拡大することにより、構造物表面のより大きな部分を清浄するアークが得られる。この部分はほぼボルトのフランジ断面積の大きさに相当する。この清浄段階は構造物表面からのワックス層の除去に特に適しており、この場合、これらのワックス層は１〜１０ｇ／ｍ2の厚さで存在していることがある。この方法により、後続のアークボルト溶接による金属結合のための全ての前提条件が与えられることになる。第２清浄段階においては、ボルトと構造物との間隔は、構造物の十分な大きさの部分を清浄できるように選択される。従って、最適な間隔は、ほぼ後の溶融部の大きさにより、すなわち、溶接フランジの直径により決まることになる。
【００１４】
いずれにせよ構造物表面は溶解させなければならないので、第２清浄段階は移行段階なしでアークボルト溶接工程に直接移行する。従って、これらの両工程においては、アークの発生が中断されることはない。
【００１５】
そこで、本発明の方法によれば、いずれの場合にも不可欠なアークを正しく案内することによってのみ、まず最初に構造物表面の重要な部分の徹底的な清浄を行ない、その後に特に高価値な金属結合を実現することが可能になる。
【００１７】
本発明の方法の実施に際しては、清浄の前に、まず溶接すべき表面の汚染度に比例したパラメータを測定し、それにより清浄段階の回数を決定することができる。これにより、必要な清浄の程度が決定され、表面の清浄の過不足が避けられる。パラメータとしては、表面の汚染に第１次近似で比例している表面電気抵抗が考えられる。溶接すべき表面間の電流及び／又は電圧測定により、表面抵抗が、それにより、清浄段階の必要回数が得られる。他の特殊な形態においては、ボルトと構造物との間の接触電位が測定される。
【００１８】
本発明の他の効果的な形態においては、清浄が、パラメータが第１閾値を下回る場合は、省略され、パラメータが第１閾値と第２閾値との間にある場合は、１回行なわれ、パラメータが第２閾値を上回る場合は、少なくとも２回行なわれる。少なくとも１つの、好ましくは２つ以上のパラメータ閾値により、清浄段階の回数についての判定基準が定められるが、これらの判定基準は、実現すべき溶接、表面の性状、使用される溶接すべき材質、ないしはその他の溶接固有のパラメータに応じて異なるものであってもよい。
【００１９】
本発明の方法を実施するための装置は、比較的強いインパルス電流を短時間の間正確に提供するのに適したものでなければならない。その後短時間、アークにとって不可欠な溶接電流を提供しなければならない。そのために、例えば１つ又は２つのコンデンサバッテリを含むことができる、適当な制御装置を備えた溶接電源が必要である。さらに、装置は、持上げ点弧法を実施するための全ての典型的な装備を、すなわち、ボルトホルダ、ボルトホルダを動かすためのリニア駆動装置（９）、並びに運動経過及び溶接電流推移を高精度で、特に２〜２０ｍｓの範囲の時間精度で制御することができる高速制御装置を有していなければならない。
【００２０】
この課題に特に適しているのが、リニア駆動装置、特に電磁駆動装置を備えたリニア駆動装置であることが明らかになっている。例えばＤＥ第４４３７２６４号Ａ１に記載されているような、かかる駆動装置は、溶接工程中におけるボルトの位置及び速度の極めて精密な制御及び調節を可能にする。
【００２１】
【発明を実施するための最良の形態】
以下、本発明を実施例によりさらに詳細に説明する。
符号１は、例えば車台の一部のような構造物を表している。この構造物は、アルミニウム又はアルミニウム合金製であり、表面被覆２ａにより覆われていることがある溶融部２を有することができる。ここでの表面被覆とは、酸化物、亜鉛層、油層又はワックス層の可能性がある。ボルトシャフト４及びフランジ５を備え、下端に隆起６を有する溶接ボルト３が構造物１の上方のボルトホルダ８に配設されている。ボルトホルダ８はリニア駆動装置９により、精密に調節又は制御されて、軸方向に動かされる。この調節又は制御を行なうのが、制御線１３経由でリニア駆動装置９に接続された制御装置１０である。さらに、制御装置１０は制御線１４経由で溶接電源１１にも接続されており、溶接電源１１は送電線１５経由で必要な溶接電流をボルトホルダ８に供給する。溶接電源１１は例えばコンデンサバッテリ１２を含んでいる。
【００２２】
本発明の方法を実施するために、ボルト３は、構造物表面７の溶融部２と電気的に接触するまで、ボルトホルダ８内で下降させられる。最初の放電により、ほぼボルトのフランジ断面積の一部に相当する構造物表面の小さな面積を清浄するアークを点弧することができる。溶接電源１１との接続は４０ｍｓ後には切断され、ボルト３はアークの完全な消滅後まで構造物表面から離れた位置に留まる。アークの静止相は約３０ｍｓ以上続くことがある。この方法により、ボルト及び構造物表面の過熱が避けられ、ボルトを次に上に置いた際にボルトが溶接されていまるのが防止される。この第１清浄段階中のボルト３と構造物表面７との間隔は約１．０〜３．０ｍｍである。
【００２３】
続いて、ボルトがその離れた静止位置から再び構造物表面７に案内され、構造物表面７の溶融部２に接触することにより、第２清浄段階が開始される。ここでアークが新たに点弧されるが、しかしボルトと構造物表面との間隔は以前より拡大され、その間隔が維持される。この方法により、構造物表面の清浄面積は第１清浄段階の場合よりも大きくなる。清浄面積は今回はボルト３のフランジ断面積を上回ることができる。
【００２４】
この第２清浄段階により、２ａにより表された溶融部の汚染を除去することができる。ここで、より小さな面積に強力に作用する第１清浄段階は特に酸化物及び油層を除去する役割を果たすのに対して、第２清浄段階においては、厚さ１〜１０ｇ／ｍ2のワックス層も除去される。電流強度は両清浄段階において約１００ｍＡとすることができる。
【００２５】
第２清浄段階の終了後にアークが中断されることはない。むしろ、溶接工程の開始に適した間隔になるまで、ボルトは再び構造物表面７に接近させられる。これにより、第２清浄段階は移行段階なしでアーク溶接による金属結合工程に直接移行する。最後に、ボルト３は金属的に純粋な溶融部２と接触させられる。溶接工程の終了時には、構造物１と溶接ボルト３とはしっかりと溶接結合されている。両清浄段階、冷却時間及び溶接工程の時間的連続性を正確に維持するために、ボルトホルダ８及び溶接電源１１の動きの精密な制御が必要になる。精密な調節に特に適しているのが、従来の持上げ点弧法の場合に用いられているような、リニアモータ付き駆動装置である。
【００２６】
上記の経過は、電流強度Ｉ及び溶接ボルト３と構造体１との間隔の時間推移を示した図２にも反映されている。まだ溶接ボルト３が構造物１上で静止している間に、電流Ｉが投入されることが、この図から分かる。溶接ボルト３が持上げられた際にアークが点弧し、それにより、電流Ｉは第１清浄段階のために上昇する。電流Ｉの切断後も、構造物１の表面が冷却されるまでは、溶接ボルトは持上げられた状態のままである。その後に、溶接ボルト３が新たに上に置かれ、電流Ｉが投入され、第２清浄段階のために溶接ボルト３が持上げられ、溶接電流を高めるために溶接ボルト３が下降させられ、最後に、電流の切断と同時に溶接ボルト３が溶融物の中に沈められる。
【００２７】
本発明は、多数の溶接ボルトを高い品質及び再現性を有するの溶接結合により特にアルミニウム又はアルミニウム合金製の構造物に取付けなければならない自動化溶接法に特に適している。
【図面の簡単な説明】
【図１】  ボルト溶接用配置の略断面図。
【図２】  ボルトと構造物との間隔ｓの時間関連推移及び電流強度Ｉの対応推移のグラフ。
【図１】
0004903336.tif 000002
【図２】
0004903336.tif 000003