(57)【要約】  a)固定具を有する溶接装置を用意するステップと、b)溶接工具と連結される電源および制御器を用意するステップと、c)ワークピースを用意するステップと、d)溶接工具内で主溶接電流を通電し、ワークピースを局所的に溶融させ、溶接池を形成するステップと、e)通電電流を所定の押込み電流に変動させるステップと、f)所定の押込み電流で、固定具を局所的に溶融したワークピース中に押し込み、固定具とワークピースとの間で溶接を成すステップとを含む、ドロウンアーク溶接工程。
2012502799.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
a)ワークピースを用意するステップと、
b)金属物を前記ワークピース上に保持する溶接工具を用意するステップと、
c)前記溶接工具と連結される電源および制御器を用意するステップと、
d)アーク内で主溶接電流を通電し、前記固定具の端部を局所的に溶融させ、前記ワークピース中に溶接池を形成するステップと、
e)前記通電主電流を、前記主溶接電流とは異なる所定の押込み電流に調節するステップと、
f)前記所定の押込み電流で、前記固定具を局所的に溶融した前記ワークピース中に押し込み、前記固定具と前記ワークピースとの間で溶接を成すステップと、
g)前記電源によって供給される前記電流通電を停止し、前記溶接工具を溶接された前記固定具から引き抜くステップと
を含む、ドロウンアーク溶接工程。
【請求項２】
前記金属物が、固定具、金属スタッド、金属ナット、金属シャフト、および金属ブラケットから選択される、請求項1に記載のドロウンアーク溶接工程。
【請求項３】
前記主電流と前記押込み電流との間の移行部が、傾斜した電流減衰を含む、請求項1に記載のドロウンアーク溶接工程。
【請求項４】
前記主電流と前記押込み電流との間の移行部が、サイクルまたは曲線プロファイルを有する傾斜減衰を含む、請求項1に記載のドロウンアーク溶接工程。
【請求項５】
前記押込み電流が一定である、請求項1に記載のドロウンアーク溶接工程。
【請求項６】
前記所定の押込み電流が、前記溶接池を所望の温度に維持するのに十分な量に設定される、請求項1に記載のドロウンアーク溶接工程。
【請求項７】
前記溶接池からのスパッタが最小限に抑えられる、請求項1に記載のドロウンアーク溶接工程。
【請求項８】
前記溶接工具が、前記溶接工具を前記電源に連結するケーブルおよびコネクタを含み、前記ケーブルが、前記ケーブルを加熱させる抵抗を含む、請求項1に記載のドロウンアーク溶接工程。
【請求項９】
前記通電電流を下げる前記ステップが、前記ケーブルの加熱を低下させ、それによって溶接作業時間が延長される、請求項8に記載のドロウンアーク溶接工程。
【請求項１０】
前記溶接作業の全体的な消費エネルギーが、通電電流しか有しない溶接作業に比べて低減する、請求項1に記載のドロウンアーク溶接工程。
【請求項１１】
前記電源が、インバータおよびバックコンバータから選択されるスイッチ式電源である、請求項1に記載のドロウンアーク溶接工程。
【請求項１２】
溶接回路インダクタンス、固定具押込み速度、および電流量と固定具移動との同期に依存して溶接電流の時間を調整する必要が低減するように、前記押込み電流が設定される、請求項1に記載のドロウンアーク溶接工程。
【請求項１３】
前記固定具が、前記固定具端部に配置されたフラックス球、および前記固定具の前記端部周囲に配置されたフェルールを含む、請求項2に記載のドロウンアーク溶接工程。
【請求項１４】
ガスシールドを用いて、溶接部の酸化を保護する、請求項1に記載のドロウンアーク溶接工程。
【請求項１５】
a)固定具を有する溶接工具を用意するステップと、
b)前記溶接工具と連結される電源および制御器を用意するステップと、
c)ワークピースを用意するステップと、
d)前記溶接工具の実際の押込み時間を測定するステップであって、前記固定具を引き上げ、前記ワークピースの方に押し込み、タイマを始動させるステップと、前記固定具と前記ワークピースとの接触を検出し、前記タイマを停止するステップと、前記タイマの前記始動から前記停止までの時間を記録するステップとを含む、ステップと、
e)前記固定具を引き上げ、パイロットアークを通電し、前記溶接工具内で、予めプログラミングされた値によって規定された時間の間、主溶接電流を通電し、前記固定具端部および前記ワークピースを局所的に溶融させ、溶接池を形成するステップと、
f)前記固定具を、局所的に溶融した前記ワークピース中に押し込み、前記電源電流を押込み電流レベルに制御し、前記押込み電流をオフにする前に、前記固定具と前記ワークピースとが確実に接触するように、ステップd)の前記タイマ値によって決定された時間に追加の時間を加えた間、前記電流を維持するステップと、
g)前記押込み電流をオフにし、前記溶接工具を溶接された前記固定具から引き抜くステップと
を含む、ドロウンアーク溶接工程。
【請求項１６】
ステップd)が、外部電源を用いて、前記固定具と前記ワークピースとの溶接しない接触を測定する、請求項15に記載のドロウンアーク溶接工程。
【請求項１７】
ステップd)が、ドロウンアークを用いた実際の溶接工程であり、アーク電圧測定値の急落を用いて、前記固定具と前記ワークピースとの接触を検出し、溶接ごとに、検証後、次回の溶接で使用すべき実際の押込み時間を測定する、請求項15に記載のドロウンアーク溶接工程。
【請求項１８】
前記制御器が前記溶接工具の切断および再接続を検出すると、ステップd)を繰り返す、請求項15に記載のドロウンアーク溶接工程。
【請求項１９】
ステップd)を、所定の回数の溶接作業後に繰り返し、平均を取って、主アーク電流を命令し、押込みを命令する相対的なタイミングを決定する、請求項15に記載のドロウンアーク溶接工程。
【請求項２０】
ステップf)の前記押込み電流が、前記主アーク電流と同じである、請求項15に記載のドロウンアーク溶接工程。
【請求項２１】
ステップf)の前記押込み電流が、前記主アーク電流とは異なる、請求項15に記載のドロウンアーク溶接工程。
【請求項２２】
前記電源が、インバータおよびバックコンバータから選択されるスイッチ式電源である、請求項15に記載のドロウンアーク溶接工程。
【請求項２３】
前記固定具が、スタッド端部に配置されたフラックス球、および前記スタッドの前記端部周囲に配置されたフェルールを含むスタッド、金属スタッド、アルミニウムスタッド、金属ナット、および金属ブラケットから選択される、請求項15に記載のドロウンアーク溶接工程。
【請求項２４】
ガスシールドを用いて、溶接部の酸化を保護する、請求項15に記載のドロウンアーク溶接工程。
【請求項２５】
前記通電主電流を、前記主溶接電流とは異なる所定の押込み電流に変動させるステップを含む、請求項15に記載のドロウンアーク工程。
【請求項２６】
ステップd)が、外部電源を用いて、前記固定具と前記ワークピースとの溶接しない接触を測定する、請求項15に記載のドロウンアーク工程。
【請求項２７】
ステップd)が、ドロウンアークを用いた実際の溶接工程であり、アーク電圧測定値の急落を用いて、前記固定具と前記ワークピースとの接触を検出し、溶接ごとに、検証後、次回の溶接で使用すべき実際の押込み時間を測定する、請求項15に記載のドロウンアーク溶接工程。
【請求項２８】
前記主アークが、正弦鋸歯波形、台形波形、および矩形波形から選択された波形を含む、請求項1に記載のドロウンアーク溶接工程。
【請求項２９】
前記電流が、回路を短絡させて、前記固定具を前記ワークピース中に押し込むようにスケジューリングする前に、主アークから押込み電流レベルに移行させることができる、請求項15に記載のドロウンアーク溶接工程。
【請求項３０】
a)ワークピースを用意するステップと、
b)金属固定具を前記ワークピース上に保持する溶接工具を用意するステップと、
c)前記溶接工具と連結される電源および制御器を用意するステップと、
d)所定の押込み電流で、前記固定具を局所的に溶融した前記ワークピース中に押し込むステップと、
e)アーク内で主溶接電流を通電し、前記固定具の端部を局所的に溶融させ、前記ワークピース中に溶接池を形成するステップと、
f)前記通電主電流を、前記主溶接電流とは異なる所定の押込み電流に調節し、前記固定具と前記ワークピースとの溶接を成すステップと、
g)前記電源によって供給される前記電流通電を停止し、前記溶接工具を溶接された前記固定具から引き抜くステップと
を含む、ドロウンアーク溶接工程。
【請求項３１】
a)ワークピースを用意するステップと、
b)金属固定具を前記ワークピース上に保持する溶接工具を用意するステップと、
c)前記溶接工具と連結される電源および制御器を用意するステップと、
d)アーク内で主溶接電流を通電し、前記固定具の端部を局所的に溶融させ、前記ワークピース中に溶接池を形成するステップと、
e)所定の押込み電流で、前記固定具を局所的に溶融した前記ワークピース中に押し込むステップと、
f)前記通電主電流を、前記主溶接電流とは異なる所定の押込み電流に調節し、前記固定具と前記ワークピースとの溶接を成すステップと、
g)前記電源によって供給される前記電流通電を停止し、前記溶接工具を溶接された前記固定具から引き抜くステップと
を含む、ドロウンアーク溶接工程。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、参照により本明細書に組み込まれている、2008年9月16日に出願した米国特許仮出願第61/097351号の優先権利益を主張するものである。
【０００２】
本発明は、スタッド溶接工程に関する。
【背景技術】
【０００３】
一般に、ドロウンアークスタッド溶接は、電源によって供給される溶接電流を使用することができ、制御および調整を行うことができる。従来技術のドロウンアークスタッド溶接では、主電流アークの終わりに、アーク出力がゼロ値まで電流減衰するように、電源によって溶接装置をオフにする。次いで、溶接装置は、主アークの終わりに、スタッドを溶融池に押し込む(plunge)よう命令される。押込み中に、スタッドが溶接池に接触する際の実際の電流は、生成される溶接の品質に影響を及ぼし得る。例えば、電流が高すぎると、過剰な溶接スパッタが生じることがある。しかし、電流が低すぎると、溶接池が冷めることがあり、冷接が生じ、スタッドがワークピースに満足に溶接されないことになる。従来技術の応用例では、冷接を回避し、スタッドをワークピースに適切に取り付けることができるように、主アーク時間を、溶接池が形成されるのに必要となる時間よりも延長するよう遅延させる必要がしばしばある。こうした遅延をプログラミングすること、または電流遅延とスタッド押込み移動とを同期させることは困難であり、しばしば当て推量または試行錯誤のもととなる。上述のように、遅延が不十分であると、溶接電流のオフが早くなりすぎ、冷接が生じることになるが、一方遅延時間が過度であると、過剰なスパッタが生じ、また、溶接装置に附属するケーブルおよびコネクタに熱が追加されることになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許仮出願第61/097351号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
したがって、当技術分野では、低温押込み、遅延調整、および溶接装置に附属するケーブルからの過度発熱の除去の問題を解決するドロウンアークスタッド溶接工程が求められている。また、当技術分野では、ユーザが、溶接パラメータまたは溶接装置の徹底した訓練や、試行錯誤による調整なく、容易に高品質溶接を得ることができるように、溶接ガンシステムで容易に実施できるドロウンアークスタッド溶接工程が求められている。また、当技術分野では、実際の押込み挙動に影響を及ぼし得るガン構成要素の摩耗、および潤滑保守にも関わらず、良好な溶接品質が得られる、より許容性のある工程が求められている。さらに、当技術分野では、従来技術による装置および工程に比べて、より少ないエネルギーを使用するドロウンアーク溶接工程が求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
一態様では、a)固定具を有する溶接装置を用意するステップと、b)溶接工具と連結される電源および制御器を用意するステップと、c)ワークピースを用意するステップと、d)溶接工具内で主溶接電流を通電し、ワークピースを局所的に溶融させ、溶接池を形成するステップと、e)通電電流を所定の押込み電流まで下げるステップと、f)所定の押込み電流で、固定具を局所的に溶融したワークピース中に押し込み、固定具とワークピースとの間で溶接を成すステップとを含む、ドロウンアーク溶接工程が開示されている。
【０００７】
別の態様では、a)固定具を有する溶接工具を用意するステップと、b)溶接工具と連結される電源および制御器を用意するステップと、c)ワークピースを用意するステップと、d)溶接工具の実際の押込み時間を測定するステップであって、固定具を引き上げ、ワークピースの方に押し込み、タイマを始動させるステップと、固定具とワークピースとの接触を検出し、タイマを停止するステップと、タイマの始動から停止までの時間を記録するステップとを含む、ステップと、e)固定具を引き上げ、パイロットアークを通電し、溶接工具内で、予めプログラミングされた値によって規定された時間の間、主溶接電流を通電し、固定具端部およびワークピースを局所的に溶融させ、溶接池を形成するステップと、f)固定具を、局所的に溶融したワークピース中に押し込み、電源電流を押込み電流レベルに制御し、押込み電流をオフにする前に、固定具とワークピースとが確実に接触するように、ステップd)のタイマ値によって決定された時間に追加の時間を加えた間、その電流を維持するステップと、g)押込み電流をオフにし、溶接工具を溶接された固定具から引き抜くステップとを含む、ドロウンアーク溶接工程が開示されている。
【０００８】
別の態様では、a)ワークピースを用意するステップと、b)金属固定具をワークピース上に保持する溶接工具を用意するステップと、c)溶接工具と連結される電源および制御器を用意するステップと、d)所定の押込み電流で、固定具を局所的に溶融したワークピース中に押し込むステップと、e)アーク内で主溶接電流を通電し、固定具端部を局所的に溶融させ、ワークピース中に溶接池を形成するステップと、f)通電主電流を、主溶接電流とは異なる所定の押込み電流に調節し、固定具とワークピースとの溶接を成すステップと、g)電源によって供給される電流通電を停止し、溶接工具を溶接された固定具から引き抜くステップとを含む、ドロウンアーク溶接工程が開示されている。
【０００９】
さらなる態様では、a)ワークピースを用意するステップと、b)金属固定具をワークピース上に保持する溶接工具を用意するステップと、c)溶接工具と連結される電源および制御器を用意するステップと、d)アーク内で主溶接電流を通電し、固定具端部を局所的に溶融させ、ワークピース中に溶接池を形成するステップと、e)所定の押込み電流で、固定具を局所的に溶融したワークピース中に押し込むステップと、f)通電主電流を、主溶接電流とは異なる所定の押込み電流に調節し、固定具とワークピースとの溶接を成すステップと、g)電源によって供給される電流通電を停止し、溶接工具を溶接された固定具から引き抜くステップとを含む、ドロウンアーク溶接工程が開示されている。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】ドロウンアーク溶接工程の様々な実施形態の諸ステップの流れ図である。
【図２】従来技術のドロウンアーク溶接作業に関する、時間対電流、電圧、および固定具位置のプロットである。
【図３】溶接システムのブロック図である。
【図４】別個の押込み電流を有するドロウンアーク溶接工程に関する、電流、電圧、および固定具位置についての時間のプロットである。
【図５】別個の傾斜した移行押込み電流を有するドロウンアーク溶接工程に関する、電流、電圧、および固定具位置についての時間のプロットである。
【図６】主アークが鋸歯波形を有するドロウンアーク溶接工程に関する、時間の関数としての電流、電圧、および固定具位置のプロットである。
【図７】矩形波主電流アークを有するドロウンアーク溶接工程に関する、時間の関数としての電流、電圧、および固定具位置のプロットである。
【図８】実施例1のドロウンアーク溶接作業に関する、時間の関数としての電圧および電流のプロットである。
【図９】実施例1で詳細に説明する、150アンペアの設定押込み電流を有するドロウンアーク溶接作業に関する、時間の関数としての電圧およびアンペア数のプロットである。
【図１０】全て許容可能な溶接が得られる、150アンペアおよび100アンペアの押込み電流設定を有する、ワークピースに取り付けられた固定具の図である。
【図１１】パルス化主アークと、別個の押込み電流とを用いた、3/8インチのアルミニウムスタッドを有するドロウンアーク溶接工程に関する、時間の関数としての電流および電圧のプロットである。
【図１２】図11のプロットで溶接された固定具の図である。
【図１３】図11のプロットで溶接された固定具の、曲げ試験後の図である。
【図１４】パルス化主アークと、別個の押込み電流とを用いた、1/2インチのアルミニウムスタッドを有するドロウンアーク溶接工程に関する、時間の関数としての電流および電圧のプロットである。
【図１５】パルス化主アークと、別個の押込み電流とを用いた、1/2インチのアルミニウムスタッドを有するドロウンアーク溶接工程に関する、時間の関数としての電流および電圧のプロットである。
【図１６】図14のプロットで溶接された固定具の図である。
【図１７】図15のプロットで溶接された固定具の図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図1Bに示す第一の実施形態では、a)金属物または固定具を有する溶接装置を用意するステップと、b)溶接工具と連結される電源および制御器を用意するステップと、c)ワークピースを用意するステップと、d)溶接工具内で主溶接電流を通電し、ワークピースを局所的に溶融させ、溶接池を形成するステップと、e)通電電流を所定の押込み電流に変動させるステップと、f)所定の押込み電流で、固定具を局所的に溶融したワークピース中に押し込み、固定具とワークピースとの間で溶接を成すステップとを含む、ドロウンアーク溶接工程が開示されている。さらに、新しい固定具についてステップa)〜f)を繰り返して、ドロウンアーク溶接工程を続行することができる。ドロウンアーク溶接工程は、ドロウンアークまたはコンデンサ放電溶接工程を含むことができる。この工程では、CD溶接作業のための総エネルギー入力におけるタイミングチップ(timing tip)寸法の影響(significance)を排除することができる。別の態様では、ステップd)、e)、およびf)は、所望の用途に基づいて様々な順序で実施することができる。例えば、短サイクル溶接作業では、主アークを通電する前、または通電電流を下げて、特定の溶接作業に必要となる所望のアーク電流、押込み時間、または他のパラメータを得る前に、押込みステップを開始する必要が生じ得る。
【００１２】
図3を参照すると、後述の工程の様々な実施形態で利用することができる溶接システム15の概略図が示されている。入力電力17は、主アーク電力変換器19、およびパイロットアーク電源21と連結することができ、これらはどちらも固定具25を有する溶接工具23に接続されている。パイロットアーク電源21はシーケンサ27と連結され、このシーケンサ27は主アーク波形発生器29、および固定具移動制御装置31の両方に結合されている。主アーク波形発生器29は、溶接回路から電流帰還を受け取るPIDフィルタ33と連結されている。PWMモジュール35がPIDフィルタ33と連結され、また、主アーク発電装置29に接続されている。PWMモジュール35は、スイッチ式電源で使用される1つまたは複数の半導体スイッチを制御することができるパルス幅変調モジュールである。デジタル制御によって、パルストランスを駆動するこうしたPWMパルスを生成することができ、それによってスイッチを駆動する。PIDフィルタすなわち比例積分微分(Proportional-Integral-Differential)フィルタ33によって、溶接電流の閉ループ制御が実現される。一態様の溶接システム15は、アナログ式の従来技術とは対照的に、ソフトウェアを用いてデジタルに実施される。ソフトウェア論理を有するシーケンサ27によって、電流制御、固定具移動制御またはタイミング制御、ならびに電流と、固定具の引上げおよび押込みとの双方の協調を命令する。
【００１３】
図1Aおよび2を参照すると、従来技術の溶接作業に関する、時間の関数としての電流、電圧、および固定具位置の図が示されている。図2で分かるように、電流はグラフ上で箱状構造を辿っており、電流は20Aの低いパイロットアークから開始し、次いで1000Aの一定レベルまで上がり、溶接作業が進行する間そのレベルに維持され、次いで、主電流がオフになるとゼロになるように命令される。実際の電流は、回路インダクタンスに依存してゼロまで減衰する。図で分かるように、主電流は、固定具が引上げ位置から、元のゼロ位置よりも5mm下がった完全押込み位置に移動するまで維持される。さらに、記載のグラフでは、電流は、固定具溶接作業が完了するまで、約1000アンペアで一定であることが分かる。
【００１４】
図1Bおよび4を参照すると、ドロウンアーク溶接工程の第1の実施形態の電流、電圧、および固定具位置の図が示されている。図で分かるように、電流は、最初は図1の電流と同様のパターンを辿り、パイロットアーク後、約1000アンペアまで上がり、図示の約200アンペアの所定の押込み電流まで主溶接電流が下がる時間設定点まで一定に維持されるが、主電流よりも低い他の電流を利用することができ、こうした電流は、押込み作業時間にわたって一定に維持することができる。図で分かるように、押込み電流は、固定具の引上げ位置からその完全押込み位置までの移動開始前に達している。さらに、押込み電流は最初の主電流量よりも低い量に設定されている。一態様では、所定の押込み電流は、溶接池を所望の温度に維持するのに十分な量に設定される。別の態様では、押込み電流が主アーク電流よりも低いため、固定具押込み中の溶接池からの溶接スパッタが最小限に抑えられ、それによって、以下で詳細に述べるように、押込みに伴うスパッタまたは飛散(splatter)が減少する。
【００１５】
図5を参照すると、図4の代替実施形態が示されている。この代替実施形態では、アーク力が徐々に解放されるように、主電流と押込み電流との間の移行部に傾斜が含まれている。溶接池表面に印加されるアークプラズマ力は、アーク電流にほぼ比例する。電流またはアーク圧力を突如除去すると、陥凹していた溶接池表面がはね戻る、または振動することがあり、固定具端部に予測不能な短絡が生じ、その結果スパッタが生じることがある。こうしたはね戻りは、固定具の押込み速度を事実上増大させることになり、その理由は、固定具押込みと、溶接池のはね戻りとの両方から、アーク間隙が狭まるからである。この傾斜した移行部は、はねを最小限に抑えるために溶接工具に取り付けられる、固定具の移動を減速させる緩衝器と同様に、押込みを減衰させるものとして利用することができる。図5には、主電流と押込み電流との間で直線移行部が示されているが、回路インダクタンスから意図的に、または自然に形成される放物線状、または階段状など、他の形状の移行部も使用することができる。
【００１６】
本発明の工程の溶接工具は、溶接工具を電源に連結するケーブルを含む。このケーブルは、溶接作業の間、ケーブルを加熱するインダクタンスを含む。一態様では、通電電流を下げるステップによって、ケーブルの加熱が低減し、溶接作業時間が延長される。ドロウンアーク溶接作業では、溶接工具を電源に接続するケーブルおよびコネクタが過熱し、溶融または弛緩することがあり、最終的には、製造を続行するために、溶接作業を休止して、ケーブルおよびコネクタを修理する時間が必要となることがある。したがって、通電電流を下げるステップによって、溶接工具の寿命が増大し、溶接作業をより連続して行うことができ、かつ保守費用が下がる。さらに、押込み作業中の溶接電流が下がるので、図2に示すように、単一の通電電流しか有しない溶接作業に比べて、溶接作業の全体的なエネルギー消費量が減少する。一態様では、本工程の電源は、スイッチ式電源でよく、インバータおよびバックコンバータを含むことができ、マイクロプロセッサによって制御される。
【００１７】
本発明の工程はまた、溶接工具の使用期間にわたって特性が変わり得る溶接工具について、信頼性の高い工程を提供する。例えば、溶接ガンは、ピストンを有するチャックまたはチャックアダプタを含むことがあり、こうしたピストンは、溶接ガンの使用期間の間に行程が僅かに異なってくることがある。さらに、ばねおよびソレノイドを含めた、溶接工具の様々な構成要素によって、工具の使用期間の間に特性が変わることがある。本発明の工程を使用すると、押込み作業の間、押込み電流が維持され、その結果、溶接用の主アーク電流とは無関係に、所与の電流で溶接池と接触することになるので、特性が変動し、その結果押込み速度および溶接工具の動作が異なる溶接工具にも対処することができる。このようにすると、押込み作業の間、溶接電流または押込み電流が一定に維持されるため、従来技術における電流減衰および固定具押込みの移動タイミングの変動が回避される。さらに、固定具が溶融池表面に最初に接触(または橋絡(bridge))する際の電流が、溶接池を形成する主アーク電流よりも低いため、液架橋における高電流密度、および溶接池から溶融金属を圧搾する電磁ピンチ効果が低減することになり、溶接スパッタが最小限に抑えられる。一態様では、本工程で使用する固定具は、固定具端部に配置されたフラックス球、および固定具端部周囲に配置されたフェルールを含むことができる。代替形態では、フェルールまたはフラックス球の代わりにガスシールドを使用してもよい。
【００１８】
図1C、6、および7を参照すると、本工程のステップd)の代替実施形態に関する図が示されている。本工程の第2の実施形態は、溶接電流が、少なくとも2つのレベルを有する反復可能なパターンを有するプログラミングされたパルス化波形を有するドロウンアーク溶接工程を開示している。一態様では、波形は、正弦波形、鋸歯波形、および矩形波形から選択することができる。図6で分かるように、鋸歯プロファイルは、時間にわたって1000アンペアと800アンペアとの間で上下して、鋸歯プロファイルを形成する電流を示している。同様に図7では、矩形歯プロファイルが示されており、ここでは、溶接電流が、時間の関数として1000アンペアと800アンペアとの間で交番して、矩形歯プロファイルを成している。プログラミングされた波形によって、溶接アークが強化され、外部磁界からのアークブローが低減し、ワークピース縁部での不十分な接地または溶接が低減することが分かった。さらに、プログラミングされた波形によって、ワークピースに付着したスケール、油脂、または他の汚染物などの表面汚染物を貫通する効率が増大する。さらに、プログラミングされた波形によって、位置外溶接(out-of-position welding)作業の際に、アークの方向制御が増し、固定具の溶融が一様となる。典型的には、ドロウンアーク溶接作業は、固定具が縦向き姿勢にあり、溶接工具をその上に配置する下向き(または平坦)姿勢で行うことができ、したがって、固定具は、ワークピース上に形成された溶融池に垂直に押し込まれることになる。しかし、上向きまたは横向き姿勢で溶接作業を行うことがしばしば望ましく、こうした溶接は、位置外溶接と呼ばれることがある。さらに、プログラミングされた波形によって、ワークピースの裏面痕(back side marking)が低減するようにアークを通電するので、固定具およびワークピースへの総入熱が減少する。所与の固定具直径では、固定具端部の全領域および対向する母材ワークピースを溶融させる十分に大きいアーク柱が生成されるように、対応する電流レベルが必要となる。アーク柱の寸法は、電流レベルに伴って増大する。電流ピークを含むパルス波形では、平均電流または入熱を低く維持しながら、固定具端部領域およびワークピースを溶融させる一時的に拡大したアーク柱が形成される。
さらに、ワークピース内で生成される熱が減少し、それによって薄板(thin gauge)材料、アルミニウムなど熱の影響を受けやすい材料、および裏面に塗装面を備え、裏面加熱痕を許容できない部品など、熱の影響を受けやすい用途における溶接工程の適用が増大する。
【００１９】
パルス波形では利点が得られ、電流変動および引上げ変動に耐えるより大型の操作窓を有することで、工程がより堅固になる。上記で概説した工程では、プログラミング電流または命令電流を事前に命令して、溶接電流に有益なリップルを生成する。
【００２０】
図1C、E、およびFに示すように、a)金属物または固定具を有する溶接工具を用意するステップと、b)溶接工具と連結される電源および制御器を用意するステップと、c)ワークピースを用意するステップと、d)溶接工具を較正するステップであって、固定具をワークピースの方に押し込み、タイマを始動させるステップと、固定具をワークピースに接触させ、検知電圧を短絡させ、タイマを停止するステップと、タイマの開始から停止までの時間を記録するステップとを含むステップとを含む、アーク溶接工程の第2の工程の実施形態がやはり開示されている。ステップd)は、主溶接電流を通電しながら、または通電せずに実施することができるが、主電流(通電アーク)を用いると、較正がより精確になる。ステップe)で、主溶接電流を、溶接工具内で予めプログラミングされた値によって規定された時間の間通電し、ワークピースを局所的に溶融させ、溶接池を形成する。ステップf)で、固定具を局所的に溶融したワークピース中に物理的に押し込み、固定具とワークピースとの間で溶接を成す。押込みステップは、予めプログラミングされた主溶接電流時間値が維持されるように、ステップd)で記録した時間によって決定された時間に実施する。実際の最初の固定具押込み移動に対する、押込み命令(ガン引上げコイル電源への通電停止)の遅延または不感時間のため、ときとして、短い主アーク時間を得るために、主電流開始前のパイロットアーク期間中に、押込みを命令する必要がある。言い換えれば、ステップd)での測定結果に基づいて、主溶接電流が所望の主電流時間を実現するように命令する前に、押込み(引上げコイルへの通電停止)を命令することが可能である。さらに、ステップa)〜c)、およびe)〜f)は、溶接作業において複数回溶接を行うためにその後繰り返すことができる。さらに、主電流を、第1の実施形態で上述したように、押込み電流まで下げることができる。上記説明から分かるように、溶接工具の較正によって、固定具を溶融した溶接池中に押し込む時間が規定される。この時間は記録され、その後制御器によって利用され、したがって主溶接電流の予めプログラミングされた時間値を維持するように押込み作業が実施されることになる。このように、主溶接アークの通電と、固定具のワークピース中への押込みとのタイミングは、電源に接続された溶接工具(ガンまたはヘッド)の実際の挙動に適応できる。通電アークの較正もやはり、上述の較正ステップで使用することができる。通電アークは、溶接池がワークピース表面よりも下に陥凹しており、そのため投下時間が増大すること、また、(特にアルミニウムでは)スタッド端部の溶融によってスタッドが長くなり、そのため投下時間が減少することを考慮に入れた、より正確な落下時間を測定することができるという利点を有する。しかし、通電アークを使用する場合、固定具を溶接池中に押し込む前に、偶発的な短絡が生じ、そのため誤った検出、および過小評価された押込み時間測定値が得られる可能性があるため、注意力および判断力を働かせることになる。アークのない場合の測定値よりも低い通電アーク測定値は、誤測定値として無効になり、次回の溶接に使用されることはない。デッキとIビームとの間に間隙が存在する、デッキ貫通型溶接適用例でも��はり、誤った短絡検出が生じることがある。上側デッキに対する短絡によって、押込みタイマが停止することになり、その結果押込み時間が過小評価されることになる。デッキ貫通型溶接例では、通電アーク較正を次回の溶接に使用しなくてもよい。
【００２１】
一態様では、ステップd)の較正ステップは、異なる溶接工具を用意する場合に繰り返すことができる。このように、溶接作業中に、ある溶接工具から別の溶接工具に切り換える際、ガンコイル回路の切断および再構築によって、新しい溶接工具が認識された後、ごく最初の引金抗力(trigger pull)によって較正ステップが作動し、したがって、溶接工具間の変動を考慮に入れることができる。さらに、較正ステップd)は、所定の回数の溶接作業後に記録し(log)、トレンド表示して(trend)、溶接工具の使用期間にわたる溶接工具変動を反映させ、ガン点検の必要を警告する指標として働かせることができる。
【００２２】
別の態様では、較正ステップd)は、通電アークを用い、固定具溶接ごとに固有である。タイマによって、電流溶接の実際の押込み時間を記録し、その記録を次回の溶接のためのプログラミング押込み時間の基礎として使用する。こうすることによって、溶融した溶接池がアーク力によって陥凹している間に固定具がワークピースよりも下に移動するときの余分な押込み時間が考慮に入れられる。先の溶接の通電アークを用いたこうした較正によって、正確な較正が実現される。
【００２３】
先に説明した実施形態と同様に、電源は、インバータおよびバックコンバータから選択されるスイッチ式電源でよい。さらに、固定具は、固定具端部に配置されたフラックス球、および固定具端部周囲に配置されたフェルールを含むことができる。あるいは、フェルールまたはフラックス球の代わりにガスシールドを使用してもよい。
【００２４】
さらに、一態様では、電流は、スタッド投下時間の先の知識に基づいて、回路を短絡させ、固定具をワークピース中に押し込むようにスケジューリングする前に、主アークから押込み電流レベルに移行することができる。例えば、先の既知の値に基づいた較正値よりも実際の投下時間が確実に長くなるように、短絡の3ms前に電流を移行させることができる。この行為によって、実際の電流が変動するためのランプ時間が追加されるケーブルインダクタンスを補償することができる。
【００２５】
(実施例)
(実施例1)
この例では、H4L 5/8インチ固定具を、Nelson N1500i電源を用いて標準母材に溶接した。アーク電圧および溶接電流の波形を、データ取得インターフェイスおよびソフトウェア一式を用いて記録した。固定具は、H4L 5/8×2-11/16インチ固定具であった。母材は、軟鋼であった。Nelson NS20強力ガンを、9フィート4/0 AWGケーブル、25フィート4/0 AWG溶接ケーブル、および25フィート4/0 AWG接地ケーブルと共に使用した。主アーク溶接パラメータは、時間625ミリ秒で1100アンペアの電流、引上げ高さ3/32インチ、および押込み高さ3/16インチを含む。
【００２６】
図8を参照すると、別個の押込み電流を含まない、上記パラメータを有する第1の溶接作業が示されている。図で分かるように、溶接電流は、箱状パターンを辿っており、このパターンでは、電流を通電し、ある期間の間一定レベルで維持し、その後、溶接作業の押込みサイクル終了時に大幅に降下している。図で分かるように、アーク電圧は、電流がゼロまで低減する約50ms前に急落しており、したがって、固定具がすでに溶接池に押し込まれた後も、50msの間余分のエネルギーが1100Aで搬送されていた。形成された溶接では、ワークピースと固定具との間に形成されたフィレットに関して、固定具周辺に形成された大量のスパッタが含まれている。
【００２７】
図9を参照すると、150アンペアに設定された押込み溶接電流を有する溶接作業の電流および電圧の波形が示されている。図から分かるように、溶接電流は、約1100アンペアで維持され、次いで、押込み作業中に約150アンペアまで下がっているのが検出されている。図10で分かるように、100アンペアおよび150アンペアの様々な押込み電流設定の全てで許容可能な溶接が得られている。
【００２８】
(実施例2)
この例では、HBAアルミニウム3/8インチ固定具を、Nelson N1500i電源を用いて標準母材に溶接した。アーク電圧および溶接電流の波形を、データ取得インターフェイスおよびソフトウェア一式を用いて記録した。固定具は、HBA 3/8×1-3/4インチ固定具であった。母材は、厚さ1/8インチの5083材料であった。Nelson NS40ガンを、9フィート4/0 AWGケーブル、25フィート4/0 AWG溶接ケーブル、および25フィート4/0 AWG接地ケーブルと共に使用した。主アーク溶接パラメータは、引上げ高さ0.120〜3/8インチ、および押込み高さ3/16インチを含む。
【００２９】
図11を参照すると、パルス化された主アーク電流と、異なる設定を有する押込み溶接電流とを有する溶接作業の電流および電圧の波形が示されている。図から分かるように、溶接電流は、約400〜800アンペアで変動し、その後、押込み作業中に命令された約500アンペアに変動している。図12および13で分かるように、溶接された様々な固定具では、スタッドがその軸から少なくとも15度曲げられる曲げ試験に合格した許容可能な溶接が得られた。
【００３０】
(実施例3)
この例では、HBAアルミニウム1/2インチ固定具を、Nelson N1500i電源を用いて標準母材に溶接した。アーク電圧および溶接電流の波形を、データ取得インターフェイスおよびソフトウェア一式を用いて記録した。固定具は、HBA 1/2×2インチ固定具、またはTBA 1/2×7/8インチ固定具であった。母材は、厚さ1/4インチの6061T6材料であった。NelsonNS40ガンを、9フィート4/0 AWGケーブル、25フィート4/0 AWG溶接ケーブル、および25フィート4/0 AWG接地ケーブルと共に使用した。主アーク溶接パラメータは、引上げ高さ0.120〜3/8インチ、および押込み高さ3/16インチを含む。
【００３１】
図14および15を参照すると、パルス化された主アーク電流、および異なる設定を有する押込み溶接電流を有する溶接作業の電流および電圧の波形が示されている。図14で分かるように、溶接電流は、約400〜800アンペアで変動し、その後、押込み作業中に命令された約600アンペアに変動している。図16で分かるように、溶接された様々な固定具では、許容可能な溶接が得られた。
【００３２】
図15で分かるように、溶接電流は、約200〜800アンペアで変動し、その後、押込み作業中に命令された約700アンペアに変動している。図17で分かるように、溶接された様々な固定具では、許容可能な溶接が得られた。
【符号の説明】
【００３３】
15  溶接システム
17  入力電力
19  主アーク電力変換器
21  パイロットアーク電源
23  溶接工具
25  固定具
27  シーケンサ
29  主アーク波形発生器
31  固定具移動制御装置
33  PIDフィルタ
35  PWMモジュール
【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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【図７】
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【図１０】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１６】
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【図１７】
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【図８】
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【図９】
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【図１１】
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【図１４】
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【図１５】
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【国際調査報告】
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