特許 6651449 工作物にスタッドを溶接するためのフェルール

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6651449

(24)【登録日】2020年1月24日

(45)【発行日】2020年2月19日

(54)【発明の名称】工作物にスタッドを溶接するためのフェルール

(51)【国際特許分類】

   B23K 9/20 20060101AFI20200210BHJP

【ＦＩ】

   B23K9/20 C

   B23K9/20 A

【請求項の数】26

【全頁数】24

(21)【出願番号】特願2016-539017(P2016-539017)

(86)(22)【出願日】2014年8月26日

(65)【公表番号】特表2016-529109(P2016-529109A)

(43)【公表日】2016年9月23日

(86)【国際出願番号】US2014052615

(87)【国際公開番号】WO2015031303

(87)【国際公開日】20150305

【審査請求日】2017年8月22日

(31)【優先権主張番号】61/870,002

(32)【優先日】2013年8月26日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】502301193

【氏名又は名称】ネルソン スタッド ウェルディング，インコーポレイテッド

(74)【代理人】

【識別番号】100094569

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 伸一郎

(74)【代理人】

【識別番号】100088694

【弁理士】

【氏名又は名称】弟子丸 健

(74)【代理人】

【識別番号】100103610

【弁理士】

【氏名又は名称】▲吉▼田 和彦

(74)【代理人】

【識別番号】100095898

【弁理士】

【氏名又は名称】松下 満

(74)【代理人】

【識別番号】100098475

【弁理士】

【氏名又は名称】倉澤 伊知郎

(74)【代理人】

【識別番号】100130937

【弁理士】

【氏名又は名称】山本 泰史

(74)【代理人】

【識別番号】100107537

【弁理士】

【氏名又は名称】磯貝 克臣

(72)【発明者】

【氏名】クラーク・ビー・チャンプニー

【審査官】 柏原 郁昭

(56)【参考文献】

【文献】 実開昭６１−２００６６６（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 特開２００６−２８９３９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第０２８９６０６５（ＵＳ，Ａ）

【文献】 実開昭５４−１３６４９１（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 特開平０４−２３１１７８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−１２００６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−２４０３７５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−２２５７６６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ２３Ｋ ９／２０

Ｂ２３Ｋ １１／００

Ｆ１６Ｂ ３５／０４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

上面、下面、及び前記上面から前記下面まで貫通して延びる穴を有する本体であって、前記穴は前記本体の内壁を規定し、前記下面は前記穴の周りに連続的に延びておりスタッドが溶接される工作物の面と面一に適合するように構成されている、という本体と、
前記上面に近い前記本体の前記内壁から内方に延び、前記穴の前記内壁周りに非等間隔に配置され、複数の溝を規定する複数のリブと、
からなるフェルールにおいて、
溶接作業中に、前記複数のリブは、前記フェルール内のスタッドを芯出しするように構成され、前記複数の溝は、溶接作業中に形成されるガスを前記フェルールの外に排気させるように構成されているフェルール。

【請求項2】

前記穴は円形断面を有する請求項１に記載のフェルール。

【請求項3】

４つのリブが前記上面に近い前記本体の前記内壁から内方に延び、前記４つのリブは４つの溝を形成する請求項２に記載のフェルール。

【請求項4】

上面、下面、及び前記上面から前記下面まで貫通して延びる穴を有する本体であって、前記穴は前記本体の内壁を規定し、前記下面はスタッドが溶接される工作物の面と面一に適合するように構成されている本体と、
前記上面に近い前記本体の前記内壁から内方に延び、少なくとも１つの溝を規定する少なくとも１つのリブと、
からなるフェルールにおいて、
溶接作業中に、前記少なくとも１つのリブは、前記フェルール内のスタッドを芯出しするように構成され、前記少なくとも１つの溝は、溶接作業中に形成されるガスを前記フェルールの外に排気させるように構成されており、
前記少なくとも１つのリブは前記上面から前記下面まで下方に延びているフェルール。

【請求項5】

前記穴は矩形断面を有する請求項４に記載のフェルール。

【請求項6】

前記穴は正方形断面を有する請求項５に記載のフェルール。

【請求項7】

６つのリブが前記上面に近い前記本体の前記内壁から内方に延び、前記６つのリブは６つの溝を形成する請求項５に記載のフェルール。

【請求項8】

前記穴は段付穴であって、前記段付穴は前記上面に近い径より大きい前記下面に近い径を有する請求項１に記載のフェルール。

【請求項9】

前記本体は上ネック部と下ベース部とを有し、前記複数のリブと前記複数の溝は前記上ネック部に設けられている請求項１に記載のフェルール。

【請求項10】

複数のリブが前記上面に近い前記本体の前記内壁から内方に延び、前記複数のリブは同数の溝を規定する請求項４に記載のフェルール。

【請求項11】

各リブは隣接するリブから離れて等間隔に配置されている請求項１０に記載のフェルール。

【請求項12】

上面、下面、及び前記上面から前記下面まで貫通して延びる穴を有する本体であって、前記穴は前記本体の内壁を規定し、前記下面はスタッドが溶接される工作物の面と面一に適合するように構成されている本体と、
前記上面に近い前記本体の前記内壁から内方に延び、少なくとも１つの溝を規定する少なくとも１つのリブと、
からなるフェルールにおいて、
溶接作業中に、前記少なくとも１つのリブは、前記フェルール内のスタッドを芯出しするように構成され、前記少なくとも１つの溝は、溶接作業中に形成されるガスを前記フェルールの外に排気させるように構成されており、
各リブは下端を有し、前記下端は前記下面に対して傾斜した面に設けられているフェルール。

【請求項13】

前記リブは前記下面に最も近くに配置された下端を有し、前記穴の外形の少なくとも半分の回りに延びている請求項１２に記載のフェルール。

【請求項14】

前記下面は凸状である請求項１に記載のフェルール。

【請求項15】

前記下面は凹状である請求項１に記載のフェルール。

【請求項16】

前記下面は凹状の角である請求項１に記載のフェルール。

【請求項17】

前記下面は凸状の角である請求項１に記載のフェルール。

【請求項18】

前記穴は前記下面に垂直でない請求項１に記載のフェルール。

【請求項19】

工作物にスタッドを溶接する方法であって、
ａ）ねじ無し端部と端を有するスタッドを準備し、
ｂ）前記スタッドの前記端が溶接される面を有する工作物を準備し、
ｃ）上面、下面、及び前記上面から前記下面まで貫通して延びる穴を有する本体であって、前記穴は前記本体の内壁を規定する本体を有し、さらに前記上面に近い前記本体の前記内壁の周りにおいて非等間隔に当該内壁から内方へ延びて複数の溝を規定する複数のリブを有するフェルールを準備し、
ｄ）前記スタッドの前記ねじ無し端部を前記フェルールの前記穴に位置決めし、前記フェルールの前記複数のリブが、前記スタッドが前記フェルール内に芯出しされることを保証し、
ｅ）前記フェルールの下面を前記工作物の前記面に対して面一に適合するように位置決めし、
ｆ）前記スタッドの前記端を前記工作物の前記面に溶接し、スタッド溶接作業中に、溶融溶接金属が前記フェルールの前記穴に閉じ込められ、溶接中に形成されるガスが前記複数の溝を通して前記フェルールから排気される、ステップからなる方法。

【請求項20】

工作物にスタッドを溶接する方法であって、
ａ）ねじ有り端部と端とを有するスタッドを準備し、
ｂ）前記スタッドの前記端が溶接される面を有する工作物を準備し、
ｃ）上面を規定する上ネック部と下面を規定する下ベース部とを有する本体を有し、前記上面から前記下面まで前記本体を貫通して延びる穴を有するフェルールを準備し、
ｄ）前記スタッドの前記ねじ有り端部を前記フェルールの前記穴に芯出しし、
ｅ）前記フェルールの下面を前記工作物の前記面に対して面一に適合するように位置決めし、
ｆ）前記スタッドの前記端を前記工作物の前記面に溶接し、スタッド溶接作業中に、溶融溶接金属が前記フェルールの前記穴に閉じ込められ、溶接中に形成されるガスが前記スタッドの前記ねじ有り端部のねじ間を通して前記フェルールから排気される、ステップからなる方法。

【請求項21】

前記複数のリブの少なくとも１つは、当該複数のリブの他のリブとは異なるサイズを有している請求項１に記載のフェルール。

【請求項22】

異なるサイズの前記複数のリブの前記少なくとも１つは、Ｃ形であり、
当該複数のリブの前記他のリブは、前記Ｃ形リブの間で等間隔である請求項２１に記載のフェルール。

【請求項23】

前記Ｃ形リブは、前記穴の周りに約１００度延びている請求項２２に記載のフェルール。

【請求項24】

前記Ｃ形リブは、前記下面に最も近接して位置決めされ前記穴の周縁の少なくとも半分の周りで延びている下端を有する請求項２２に記載のフェルール。

【請求項25】

前記本体は、前記複数のリブの前記他のリブが立向き溶接中に当該フェルールの上端部に位置決めされることを許容するため、前記複数のリブの前記他のリブに隣接して配置された方向付けキーを規定している請求項２２に記載のフェルール。

【請求項26】

前記本体は、前記下面に隣接して配置された下ベース部と、前記上面に隣接して配置された上ネック部と、を有し、
前記上ネック部は、前記下ベース部の下方外側径より小さい上方外側径を有し、前記下ベース部と前記上ネック部との間に肩を規定しており、
前記肩は、当該フェルールの外周回りに非連続に延びて、前記方向付けキーを規定している請求項２５に記載のフェルール。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は溶接作業で使用されるフェルールに関する。さらに詳しくは、本発明はスタッド溶接作業で使用されるフェルールに関する。フェルールはネックを有し、当該ネックは溶接されるスタッドを芯出しするとともに、溶接作業中の加熱ガスの排気（venting）を可能にし、これにより省エネルギーと熱節減をもたらすように構成されている。

【背景技術】

【0002】

フェルールは長い間、溶接作業で使用されてきた。例えば、米国特許第２，２６８，４１６号は、「溶接組織」と題し、１９４１年１２月３０日にネルソンに発行された。‘４１６特許は、溶接作業で使用される以前から知られたフェルールの一つを開示している。’４１６特許のフェルール（１８）は、該フェルール（１８）のネック部にスタッド（１１）をぴったりと受け入れる。フェルール（１８）へのスタッド（１１）の嵌合は、スタッド（１１）がフェルール（１８）内に芯出しされることを保証し、工作物へのスタッド（１１）の最終溶接が適切に位置決めされる（すなわち、工作物に対して望まれない角度では設けられない）ことを保証する。スタッド（１１）の端は、フェルール（１８）の座ぐり（counterbore）（１９）に配置される。フェルール（１８）は平坦な作業面（例えば、スタッドが溶接される工作物と接触するフェルールの面）を有する。スタッド（１１）の端を囲む座ぐり（１９）部は、スタッド（１１）が軸方向水平位置で溶接されるとき、大量の溶融材料がアークギャップから落ちるのを防止する。また、スタッド（１１）の溶融端が工作物のアーククレーターに押し込まれるとき、工作物の面と接触しているフェルール（１８）は、座ぐり（１９）の径への溶融金属の半径方向スパッタリングを制限する囲い込み（enclosure）を形成する。このため、大部分の金属はスタッド（１１）の接合部の近傍に閉じ込められ、この結果最大強度の溶接が得られる。

【0003】

米国特許第２，４１６，２０４号は、「電気スタッド溶接用ベント形成形フェルール」と題し、１９４７年２月１８日にネルソンに発行された。‘２０４特許は、‘４１６特許に教示されたフェルールへの改良を提供した。‘２０４特許のフェルール（４）もまた、フェルール（４）のネック部にスタッド（２）をぴったりと受け入れる。スタッド（２）の端は、これもまたフェルール（４）の座ぐり（７）に設けられる。フェルール（４）は、スタッド端を間近に包囲する空間にフラックス、溶融金属、及びホットガスを閉じ込める手段として設けられているが、ホットガスの閉じ込めは溶接部の近傍に接近することができず、閉じ込めは完全ではないことに気が付いた。‘２０４特許の改良は、フェルール（４）の平坦な作業面に、該作業面を半径方向に横切って延び、その回りに均等に配置される通路又は凹部（１８）を設けることであった。通路又は凹部（１８）は、ホットガスを一方又は他方から場当たり的に吹き出したり飛び散らせ（‘４１６特許のフェルール（１８）で生じるかもしれないが）、結果として良好な溶接に必要な金属の均一で完全な溶融を乱すような方法の代わりに、溶接時に形成されるホットガスを通路（１８）を通して逃がす機能を有する。結合の強度は、溶接部を包囲するチャンバ内の圧力を開放し均一にする排気の効果により向上する。

【0004】

米国特許第２，４９３，２８３号は、「溶接用フェルール」と題し、１９５０年１月３日にエバンズに発行された。‘２８３特許は、作業面（１０）にベントを有しないフェルールを教示したが、セラミックフェルールの壁（１２）を貫通して設けられた穴又は通路（１４）を介して加熱ガスを排気させている。‘２８３特許は、排気を設けることが好ましいが、このような形態は滑らかな隅肉（fillet）が望まれるときにむらのある隅肉を生じるので、排気がフェルールの縁で生じないことが好ましいことを教示している。しかし、‘２８３特許のフェルールは、溶接部位に近接する連続壁を有しないフェルールを提供し、また‘２８３特許のフェルールは製造するのが非常に困難である。粉末粘土をプレスする工具は、ベント通路を形成するピンを有する必要があり、加圧ダイは多くの部品を有する必要があり、ピンはプレス操作中に進退させる必要があり、粘土形成ダイは上部と下部に分離される必要がある。フェルールの壁を貫通するベントを形成するピンはさらに、粘土の圧縮を妨げる。

【0005】

米国特許第２，７８８，４３５号は、「フェルール」と題し、１９５４年１２月６日にマラスに発行された。‘４３５特許は、矩形のスタッド（１４）を溶接するための歯（２１）を備えるフェルール（１３）を示す。歯（２１）は溶接アークの存在中に形成されるガスの十分な排気を提供する。

【0006】

米国特許第３，００４，１３９号は、「電気アーク溶接のための溶接スタッド及びフェルール構造」と題し、１９６１年１０月１０日にダッシュに発行された。‘１３９特許は、‘２８３特許と同じで、フェルールの作業面に通路又は凹部を有するという欠点があることを教示している。さらに詳しくは、‘１３９特許は、これらの通路又は凹部はガスの排気を可能にするが、過剰な溶接金属の望まれない流出もまた可能にする。過剰な溶接金属の流出は溶融金属の飛び散りという形で生じ、人に危険であるだけでなく、溶接金属の浪費である。過剰の金属はフェルールが工作物から上昇することを引き起こし、溶融金属をフェルールの下方から漏出させ、（溶接金属を閉じ込めるという）フェルールの目的を無効にする。このような過剰な溶接金属の漏出は不満足な溶接を引き起こす。例えば、図１と２は、フェルールの作業面の排気手段による不満足な溶接を示し、図１は、溶接玉（welding berries）５０として当業者に知られているものを形成する溶接作業を示し、図２は、くも脚（spider legs）５５として当業者に知られているものを形成する溶接作業を示す（両者は除去する必要がある）。

【0007】

‘１３９特許の解決手段は、‘２８３特許と同様に、フェルール（３０）の作業面（３１）からベントを除去し、その代わりにネック部にフェルール（３０）の穴を有することである（すなわち、開口（３３）はスタッド（１１）の径より大きな径を有する）。このため、フェルール（３０）の開口（３３）はガスの放出を可能するが、溶接金属のすべては実際にはフェルール（３０）のチャンバに閉じ込められる。しかし、‘１３９特許のフェルール（３０）は、フェルール（３０）に対するスタッド（１１）の適切な芯出しと、そこに含まれる溶融溶接金属の溜まりを保証する能力を犠牲にしている。

【0008】

米国特許第３，０２１，４１８号は、「スタッド溶接フェルール」と題し、１９６２年２月１３日にバン・デン・ブリンクらに発行された。‘４１８特許は、端面にベントがないスタッド溶接用のセラミックフェルールの使用を提供している。フェルール（６）はスタッド（３）と協働して使用され、スタッドには、環状フェルール本体に嵌合する面の周りにバリ（burrs）（５）が形成されるように、長手溝（４）が形成されている。フェルール（６）の穴の内径とスタッド（３）の外径との間にバリ（５）によって形成される溝と空間が、溶接中の加熱ガスの排気のための通路を提供する。しかし、‘４１８特許は、スタッド溶接過程で必要とされるフェルール（６）でのスタッド（３）の前後移動を可能にするよりも、フェルール（６）とスタッド（３）の間の締りばめ（interference fit）が一方又は他方に対する角度により生じることを記載している。

【0009】

米国特許第３，１８２，１７３号は、「アーク溶接用溶接スタッド及びフェルールの構造」と題し、１９６５年５月４日にダッシュに発行された。‘１７３特許は、フェルールにおけるさらなる排気の特徴を提供している。例えば、‘１７３特許は、フェルールチャンバ（２４）の円筒壁（１９）（例えば、ネックの下方に設けられたフェルール（１８）の部分）がガスの排出を可能にする補助ベントを備えてもよいことを教示している。代案として、又は結合して、下部フェルールチャンバ（２４）の円筒壁（１９）は、上部自由開口（２２’）を通してガスの排出を可能する内部垂直溝（２５）を備えていてもよい。‘１７３特許に図示された各実施形態では、フェルール（１８）の上部（２１）（例えば、ネック部）は、スタッド（１０）の脚部（１１）より実質的に大きい同軸開口（２２）を備え、これによりスタッド（１０）の脚部（１１）は自由に又はゆっくりと開口（２２）を通ることができ、ガスはフェルールチャンバ（２４）から容易に出ることができる。したがって、‘１３９特許のフェルール（３０）のように、‘１７８特許のフェルール（１８）は、フェルール（１８）の穴又はチャンバに対するスタッド（１０）の適正な芯出しを保証する能力を犠牲にしている。

【0010】

米国特許第３，２９１，４３８号は、「溶接フェルール」と題し、１９６６年１２月１３日にローガンに発行された。‘４３８特許は、下縁に複数のサポート脚（２６）を有するセラミック溶接フェルール（１０）の使用を示し、当該サポート脚はフェルール（１０）の内側壁（３２）から外側壁（３３）まで延びる第１壁（３０）と第２壁（３１）を有する。サポート脚（２６）は下部穴部（１６）を貫通するスロット又は開口（３６）を規定している。面を通るベントに加えて、フェルール（１０）は、複数の上部穴（１５）の壁に周方向に配置されたベント又はＶ形ノッチ（２３）を有し、当該ベント又はＶ形ノッチは上部穴（１５）の全長の軸方向に延びている。したがって、‘４３８特許は、フェルール（１０）のネックにある複数の溝（２３）と協働してフェルール（１０）の面に複数のベント（３６）の使用を要求している。

【0011】

米国特許第４，１１７，２９７号は、「スタッド溶接用フェルール」と題し、１９７８年９月２６日にショーレに発行された。‘２９７特許は、接触面の一部の周りにベント用のノッチを有し、接触面の残りの部分にベントがない様々なセラミックフェルールを示している。接触面の一部にベントがないことは、垂直面に溶接するときに重力により溶接アークを不安定にし、縁、長い部品、及びグランド接続又はケーブルの位置により磁気アークブロー（magnetic arc blow）を生じさせる目的を有する。‘２９７特許のフェルールは、アークブローの方向と反対のベント又は小さな穴を塞いで配置することができる。‘２９７特許の図４−６は、スタッドをフェルールの上部通路（１５０，１６８，１８６）に芯出しするリブ又は突起（１５４，１７２，１９０）を示す。フェルールのネックに形成される空間は、フェルールの面の一部からベントをある程度除去するためのものと信じられている。

【0012】

他のフェルールもまた当業者に知られているが、異なるタイプの溶接作業に使用されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0013】

【特許文献1】米国特許第２，２６８，４１６号明細書

【特許文献2】米国特許第２，４１６，２０４号明細書

【特許文献3】米国特許第２，４９３，２８３号明細書

【特許文献4】米国特許第２，７８８，４３５号明細書

【特許文献5】米国特許第３，００４，１３９号明細書

【特許文献6】米国特許第３，０２１，４１８号明細書

【特許文献7】米国特許第３，１８２，１７３号明細書

【特許文献8】米国特許第３，２９１，４３８号明細書

【特許文献9】米国特許第４，１１７，２９７号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0014】

これまで当業者に知られているフェルールの問題は、以下の各点を適切に可能にするフェルールがなかったことである。（１）フェルールの特定の径のチャンバに溶接金属の閉じ込め；（２）溶接作業中の膨張する加熱ガスの排気；（３）フェルールに対するスタッドの芯出し；（４）バリ（weld flash）の金属がスタッドが溶接される母材と出会うノッチの排除；（５）溶接中に溶融溶接金属の排出の防止。したがって、最近特許されたフェルールデザイン（‘２９７特許に記載）が３５年以上前のものであり、フェルール技術の改良がなかったため、従来知られた全てのフェルールの欠点及び欠陥を克服するフェルールに対する要求がある。本願に開示されたフェルールの組み合わせはこのようなフェルールを提供する。

【課題を解決するための手段】

【0015】

本発明の好ましい実施形態は、
上面、下面、及び前記上面から前記下面まで貫通して延びる穴を有する本体であって、前記穴は前記本体の内壁を規定し、前記下面はスタッドが溶接される工作物の面と面一に適合するように構成されている本体と、
前記上面に近い前記本体の前記内壁から内方に延び、少なくとも１つの溝を規定する少なくとも１つのリブと、からなるフェルールにおいて、
溶接作業中に、前記少なくとも１つのリブは、前記フェルール内のスタッドを芯出しするように構成され、前記少なくとも１つの溝は、溶接作業中に形成されるガスを前記フェルールの外に排気させるように構成されている。

【0016】

好ましい実施形態では、前記穴は円形断面を有し、４つのリブが前記上面に近い前記本体の前記内壁から内方に延び、前記４つのリブは４つの溝を形成する。他の好ましい実施形態では、前記穴は矩形断面を有し、正方形断面でもよく、６つのリブが前記上面に近い前記本体の前記内壁から内方に延び、前記６つのリブは６つの溝を形成する。

【0017】

好ましい実施形態では、前記少なくとも１つのリブは前記上面から前記下面まで下方に延びている。

【0018】

好ましい実施形態では、前記穴は段付穴であって、前記段付穴は前記上面に近い径より大きい前記下面に近い径を有する。

【0019】

好ましい実施形態では、前記本体は上ネック部と下ベース部とを有し、前記少なくとも１つのリブと前記少なくとも１つの溝は前記上ネック部に設けられている。

【0020】

好ましい実施形態では、複数のリブが前記上面に近い前記本体の前記内壁から内方に延び、前記複数のリブは同数の溝を規定する。

【0021】

好ましい実施形態では、各リブは隣接するリブから離れて等間隔に配置されている。

【0022】

好ましい実施形態では、各リブは下端を有し、前記下端は前記下面に対して傾斜した面に設けられている。好ましい実施形態では、前記リブは前記下面に最も近くに配置された下端を有し、前記穴の外形の少なくとも半分の回りに延びている。

【0023】

好ましい実施形態では、前記下面は凸状、凹状、凸状の角、凹状の角である。

【0024】

好ましい実施形態では、前記穴は前記下面に垂直でない。

【0025】

本発明の好ましい実施形態は、工作物にスタッドを溶接する方法を提供している。前記方法は、ａ）ねじ無し端部と端を有するスタッドを準備し、ｂ）前記スタッドの前記端が溶接される面を有する工作物を準備し、ｃ）上面、下面、及び前記上面から前記下面まで貫通して延びる穴を有する本体であって、前記穴は前記本体の内壁を規定する本体を有し、さらに前記上面に近い前記本体の前記内壁から内方に延び、少なくとも１つの溝を規定する少なくとも１つのリブを有するフェルールを準備し、ｄ）前記スタッドの前記ねじ無し端部を前記フェルールの前記穴に位置決めし、前記フェルールの前記少なくとも１つのリブが、前記スタッドが前記フェルール内に芯出しされることを保証し、ｅ）前記フェルールの下面を前記工作物の前記面に対して面一に適合するように位置決めし、ｆ）前記スタッドの前記端を前記工作物の前記面に溶接し、スタッド溶接作業中に、溶融溶接金属が前記フェルールの前記穴に閉じ込められ、溶接中に形成されるガスが前記少なくとも１つの溝を通して前記フェルールから排気される、ステップからなる。

【0026】

本発明の好ましい実施形態は、工作物にスタッドを溶接する方法を提供している。前記方法は、ａ）端を有するスタッドを準備し、ｂ）前記スタッドの前記端が溶接される面を有する工作物を準備し、ｃ）上面を規定する上ネック部と下面を規定する下ベース部とを有する本体を有し、前記上面から前記下面まで前記本体を貫通して延びる穴を有するフェルールを準備し、ｄ）前記スタッドを前記フェルールの前記穴に芯出しし、ｅ）前記フェルールの下面を前記工作物の前記面に対して面一に適合するように位置決めし、ｆ）前記スタッドの前記端を前記工作物の前記面に溶接し、スタッド溶接作業中に、溶融溶接金属が前記フェルールの前記穴に閉じ込められ、溶接中に形成されるガスが前記上ネック部を通して前記フェルールから排気される、ステップからなる。

【0027】

前記方法の好ましい実施形態では、前記スタッドはねじ無し端部を有し、前記フェルールの前記穴は前記本体の内壁を形成し、前記フェルールは前記上面に近い前記本体の前記内壁から内方に延びる少なくとも１つのリブを有し、前記少なくとも１つのリブは少なくとも１つの溝を規定し、前記スタッドの前記ねじ無し端部は前記フェルールの前記穴に位置決めし、溶接中に形成される前記ガスは前記少なくとも１つの溝を通して前記フェルールから排気される。

【0028】

前記方法の好ましい実施形態では、前記スタッドはねじ有り端部を有し、前記スタッドの前記ねじ有り端部は前記フェルールの前記穴に位置決めし、溶接中に形成される前記ガスは前記スタッドの前記ねじ有り端部のねじ間を通して前記フェルールから排気される。

【0029】

本発明の構成及び作用の組織及び態様は、本発明のさらなる目的及び効果とともに、添付図面と関連してなされる以下の説明を参照することで理解される。添付図面では同一符号は同一要素を示す。

【図面の簡単な説明】

【0030】

【図1】従来のフェルールを使用する溶接作業の図であり、側壁を通して排気を可能にし、その結果溶接バリとして当業者に知られているものが形成され、当該溶接バリは望ましくないものであり、除去する必要がある。

【図2】従来のフェルールを使用する溶接作業の図であり、側壁を通して排気を可能にし、その結果クモ脚として当業者に知られているものが形成され、当該クモ脚は望ましくないものであり、除去する必要がある。

【図3】本発明の第１実施形態のフェルールの底面図である。

【図4】図３のフェルールの４−４線断面図である。

【図5】図３，４のフェルールを使用するネック排気溶接作業の断面図である。

【図6】図３，４のフェルールを使用するネック排気溶接作業の断面図である。

【図7】図３，４のフェルールを使用するネック排気溶接作業の断面図である。

【図8】図３，４のフェルールを使用するネック排気溶接作業の断面図である。

【図9】図３のフェルールの修正の断面図であり、フェルールは湾曲した（ほぼ凹状の）作業面を有する。

【図9A】図３のフェルールの修正の断面図であり、図９に示す修正と類似しているが、フェルールは一対の角のある作業面を有する。

【図10】図３のフェルールの修正の断面図であり、フェルールは湾曲した（ほぼ凸状の）作業面を有する。

【図10A】図３のフェルールの修正の断面図であり、図１０に示す修正と類似しているが、フェルールは一対の角のある作業面を有する。

【図11】図３のフェルールの修正の断面図であり、フェルールは円筒形内壁の穴を有し、穴はフェルールの作業面に対して垂直でない角度で設けられている。

【図12】本発明の第２実施形態のフェルールの底面図である。

【図13】図１２のフェルールの１３−１３線断面図である。

【図14】本発明の第３実施形態のフェルールの底面図である。

【図15】図１４のフェルールの１５−１５線断面図である。

【図16】図１４のフェルールの上面図である。

【図17】本発明の第４実施形態のフェルールの底面図である。

【図18】図１７のフェルールの１８−１８線断面図である。

【図19】本発明の第５実施形態のフェルールの底面図である。

【図20】図１９のフェルールの２０−２０線断面図である。

【図21】本発明の第６実施形態のフェルールの底面図である。

【図22】図２１のフェルールの２２−２２線断面図である。

【図23】図２１と２２のフェルールを用いたネック排気溶接作業で使用される完全ねじスタッドの断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0031】

以下の詳細な説明は本発明の一例を示すものであって、特許請求の範囲を限定するものではない。この説明は、特許請求の範囲に記載の発明を当業者が製造し使用できるように明確であり、特許請求の範囲に記載の発明のいくつかの実施例、適用例、変形例、代案、及び使用を記載し、特許請求の範囲に記載の発明を実施する最良の形態であると現在において信じられるものを含む。さらに、特許請求の範囲に記載の発明は、その適用において、以下の説明に記載され又は図面に記載された要素の構成及び配置の詳細に限定されるものではないことは理解されるべきである。特許請求の範囲に記載の発明は他の実施形態も可能であり、種々の方法で実施又は実行することができる。また、ここで使用される表現及び用語は説明目的であり、限定するものとみなしてはならないことは理解されるべきである。

【0032】

本発明の第１実施形態のフェルール１００は、標準のスタッド溶接作業での使用に提供される。フェルール１００は好ましくはセラミック材料で形成されるが、代案として如何なる他の適切な材料で形成されてもよい。フェルール１００の好ましい実施形態は図３−８に示されている。図３と４に最も良く示すように、フェルール１００は本体１０１を有し、該本体は下ベース部１０２と上ネック部１０４を有し、これらの各々は外側面１０６，１０８を有する。外側面１０６は外側面１０８の径より大きい径を有し、外側面１０６，１０８の間に肩１１０が規定されている。外側面１０６又は外側面１０８のいずれかと肩１１０との接続は、平坦であることが好ましいが、所望により湾曲していてもよいし、傾斜していてもよい。

【0033】

下ベース部１０２は平坦な作業面１１２を有する。平坦な作業面１１２は、溶接作業中に工作物１８０の平面１８５に対して面一に配置されるように構成されている。上ネック部１０４は平坦面１１４を有している。平坦面１１４と外側面１０８との接続は望まれるなら湾曲していてもよい。

【0034】

フェルール１００は、平坦な作業面１１２から平坦面１１４まで下ベース部１０２と上ネック部１０４を貫通して延びる穴１１６を含む。穴１１６はフェルール１００の円筒状内壁１１８を規定している。穴１１６は、一般に真直穴として言及される。円筒状内壁１１８は好ましくは穴１１６の一定の内径ＩＤ−Ｂを規定している。

【0035】

好ましい実施形態では、フェルール１００は、等間隔に配置された複数のリブ１２０を含み、該リブは円筒状内壁１１８から半径方向内方に所定距離延びて、リブ１２０の内径ＩＤ−Ｒを規定している。各リブ１２０は、好ましくは、平坦面１１４から下ベース部１０２に向かって下方に延びている。リブ１２０は、ネック部１０４とベース部１０２が接続する位置の上まで下方に延びるように示されているが、リブ１０２は、代案として、ネック部１０４とベース部１０２が接続する位置まで、又はネック部１０４とベース部１０２が接続する位置の下まで延ばすことができることは理解されるべきである。リブ１２０の存在は、隣接するリブ１２０の間に設けられる溝１２２を提供する。図３は、フェルール１００の最も好ましい実施形態を示し、該フェルールは４つのリブ１２０と４つの対応する溝１２２を有する。

【0036】

溶接作業中、図５−８に示すように、ねじ無し端部１５２を有するスタッド１５０がフェルール１００と関連して使用される。リブ１２０の内径ＩＤ−Ｒは、好ましくは、スタッド１５０のねじ無し端部１５２の外径ＯＤ−Ｓと実質的に同一又は僅かに大きいように構成される。したがって、スタッド１５０がフェルール１００内に配置されるとき、リブ１２０は、全溶接作業を通してフェルール１００に対してスタッド１５０の適切な位置決めを保証する（これによりスタッド１５０の工作物１８０への適正な溶接を保証する）一方、スタッド溶接作業中に必要なようにスタッド１５０がフェルール１００内で前後又は上下に移動するのに必要な自由度を許容する方法で、スタッド１５０をフェルール１００に対して適所に芯出しするように作動する。フェルール１００は、好ましくは、１／２インチ以下の外径ＯＤ−Ｓを有するねじ無し端部１５２を有するスタッド１５０と関連して使用される。

【0037】

工作物１８０に溶接されるスタッド１５０のねじ無し端部１５２は、フェルール１００の下ベース部１０２の真直穴１１６内に位置決めされ、これにより空洞（cavity）又は溶接チャンバ(weld chamber)１５４がリブ１２０の下であって、スタッド１５０のねじ無し端部１５２とフェルール１００の円筒状内壁１１８の間に形成される。フェルール１００の下ベース部１０２の平坦な作業面１１２と円筒状内壁１１８のいずれもベント、凹部又は通路を備えていないので、溶融溶接金属は全て溶接チャンバ１５４に閉じ込められる。しかし、溶接作業中に形成されるガスは、リブ１２０、スタッド１５０のねじ無し端部１５２、及び円筒状内壁１１８の間に設けられる溝又はベント１２２を通して、依然として溶接チャンバ１５４から排出又は排気することを許容される。フェルール１００は、例えば図１と２に示すような従来のフェルールを使用することで形成される溶接部に比べて、図８に示すように、クリーンな溶接部１９０を一貫して形成することができる。

【0038】

フェルール１００を使用する溶接方法は、図５−８に示されている。図５では、ガン１７０、スタッド１５０、フェルール１００、及び工作物１８０が全て適正に配置されている。図６では、ガン１７０が起動され、スタッド１５０が持ち上げられ、アークが形成される。図７では、アーク放電期間が完了し、スタッド１５０がアークの形成により工作物１８０に形成される溶融金属溜まり（molten pool of metal）１８２に押し込まれる。図８では、ガン１７０が溶接されたスタッド１５０から引き抜かれ、フェルール１００が除去される。

【0039】

フェルール１００は好ましくは複数のリブ１２０と溝１２２を有するが、ある状況では、フェルール１００は単一のリブ１２０と該単一のリブ１２０の両端の間に設けられる単一の溝１２２とを備えていてもよいことは理解されるべきである。このようなフェルール１００は、単一の溝１２２がその中でスタッド１５０の移動を防止するのに十分小さく、単一のリブ１２０によりスタッド１５０の適正な芯出しを保証するが、単一の溝１２２を通してガスの排気を可能にする限り、使用することができる。

【0040】

フェルール１００は、図９−１１に示すように、それに僅かな修正を行ってもよい。図９は、平坦な作業面１１２を有しないフェルール１００ａを示し、該フェルールは丸棒やパイプの外面のような平坦でない工作物で使用されるように構成されている。図９Ａは、凹状コーナー作業面と称する修正された凹状の作業面１１２ａ’を有するフェルール１００ａ’を示し、該フェルールは工作物の９０度外コーナーに溶接するのに使用されるように構成されている。図１０は、平坦な作業面１１２を有しないが、湾曲した（ほぼ凸状の）作業面１１２ｂを有するフェルール１００ｂを示し、該フェルールはパイプの内面やアングルの角（corner）の隅肉のような平坦でない工作物で使用するように構成されている。図１０Ａは、凸状コーナー作業面と称する修正された凸状の作業面１１２ｂ’を有するフェルール１００ｂ’を示し、該フェルールは、工作物の９０度内コーナーに溶接するのに使用されるように構成されている。図１１は、平坦な作業面１１２を有するフェルール１００ｃを示すが、該フェルールは平坦な作業面１１２に対して（フェルール１００のように）非直角で設けられる穴１１６ｃの円筒内壁１１８ｃを備える。

【0041】

本発明の第２実施形態のフェルール２００は、標準のスタッド溶接作業で使用するのに設けられている。フェルール２００は、好ましくはセラミック材料で形成されるが、代案として他の任意の適切な材料で形成することができる。フェルール２００の好ましい実施形態が図１２と１３に示されている。図１２と１３に最も良く示すように、フェルール２００は、下ベース部２０２と上ネック２０４を有する本体２０１を有し、これら各々はそれぞれ外側面２０６，２０８を有する。外側面２０６は外側面２０８の径より大きい径を有し、外側面２０６，２０８の間に肩２１０が規定されている。外側面２０８は傾斜するように示されているが、所望により湾曲していてもよいし、真直であってもよい。外側面２０６又は外側面２０８のいずれかと肩２１０との接続は、平坦であることが好ましいが、所望により湾曲していてもよいし、傾斜していてもよい。

【0042】

下ベース部２０２は平坦な作業面２１２を有する。平坦な作業面２１２は、溶接作業中に工作物１８０の平面１８５に対して面一に配置されるように構成されている。上ネック部２０４は平坦面２１４を有している。平坦面２１４と外側面２０８との接続は望まれるなら湾曲していてもよい。

【0043】

フェルール２００は、平坦な作業面２１２から平坦面２１４まで下ベース部２０２と上ネック部２０４を貫通して延びる穴２１６を含む。穴２１６は、フェルール２００の第１円筒状内壁２１８ａと、フェルール２００の円錐状内壁２１８ｂと、フェルール２００の第２円筒状内壁２１８ｃとを規定している。穴２１６は、一般に段付穴として言及される。第１円筒状内壁２１８ａは好ましくは穴２１６の一定の内径ＩＤ−Ｂ１を規定し、第２円筒状内壁２１８ｃは好ましくは穴２１６の一定の内径ＩＤ−Ｂ２を規定し、ここでＩＤ−Ｂ１はＩＤＢ２より大きい。第１円筒状内壁２１８ｂと第２円筒状内壁２１８ｃとの間の接続は、好ましくは型２１０の下方に設けられる。

【0044】

好ましい実施形態では、フェルール２００は、等間隔に配置された複数のリブ２２０を含み、該リブは第２円筒状内壁２１８ｃから半径方向内方に所定距離延びて、リブ２２０の内径ＩＤ−Ｒを規定している。各リブ２２０は、好ましくは、平坦面２１４から下ベース部２０２に向かって下方に延びている。リブ２２０は、ネック部２０４とベース部２０２が接続する位置の上まで下方に延びるように示されているが、リブ２０２は、代案として、ネック部２０４とベース部２０２が接続する位置まで、又はネック部２０４とベース部２０２が接続する位置の下まで延ばすことができることは理解されるべきである。しかし、リブ２２０は、好ましくは平坦な作業面２１２までずっと延びていなくてもよいし、また円錐状内壁２１８ｂ又は第１円筒状内壁２１８ａまで延びていなくてもよい。望まれるなら、リブ２２０の上端は平坦面２１４の下方に設けることもできる。リブ２２０の存在は、隣接するリブ２２０の間に設けられる溝２２２を提供する。図１３は、フェルール２００の最も好ましい実施形態を示し、該フェルールは４つのリブ２２０と４つの対応する溝２２２を有する。

【0045】

溶接作業中（図示されていないが、フェルール１００に関連して図５−８に示す溶接作業と同等であることは理解される）、スタッド（不図示）がフェルール２００と関連して使用される。リブ２２０の内径ＩＤ−Ｒは、好ましくは、スタッドの外径と実質的に同一又は僅かに大きいように構成される。したがって、スタッドがフェルール２００内に配置されるとき、リブ２２０は、全溶接作業を通してフェルール２００に対してスタッドの適切な位置決めを保証する（これによりスタッドの工作物（不図示）への適正な溶接を保証する）一方、スタッド溶接作業中に必要なようにスタッドがフェルール２００内で前後に移動するのに必要な自由度を許容する方法で、スタッドをフェルール２００に対して適所に芯出しするように作動する。フェルール２００は、好ましくは、１／２インチ以下の外径を有するスタッドと関連して使用される。

【0046】

工作物に溶接されるスタッドのねじ無し端部は、フェルール２００の下ベース部２０２の段付穴２１６内に位置決めされ、これにより空洞又は溶接チャンバ(不図示)がリブ２２０の下であって、スタッドとフェルール２００の内壁２１８ａ、２１８ｂ、２１８ｃの間に形成される。フェルール２００の下ベース部２０２の平坦な作業面２１２と内壁２１８ａ、２１８ｂ、２１８ｃのいずれもベント、凹部又は通路を備えていないので、溶融溶接金属は全て溶接チャンバに閉じ込められる。しかし、溶接作業中に形成されるガスは、リブ２２０、スタッド、及び第２円筒状内壁２１８ｃの間に設けられる溝又はベント２２２を通して、依然として溶接チャンバから排出又は排気することを許容される。フェルール２００は、例えば図１と２に示すような従来のフェルールを使用することで形成される溶接部に比べて、クリーンな溶接部を一貫して形成することができる。

【0047】

フェルール２００は、上に述べたように、フェルール１００の修正に類似した方法で修正することができることは理解される。

【0048】

本発明の第３実施形態のフェルール３００は、指向性の排気が要求される立向きスタッド溶接作業で使用するのに設けられている。フェルール３００は、好ましくはセラミック材料で形成されるが、代案として他の任意の適切な材料で形成することができる。フェルール３００の好ましい実施形態が図１４−１６に示されている。フェルール３００は、下ベース部３０２と上ネック３０４を有する本体３０１を有し、これら各々はそれぞれ外側面３０６，３０８を有する。外側面３０６は外側面３０８の径より大きい径を有し、外側面３０６，３０８の間に肩３１０が規定されている。外側面３０６又は外側面３０８のいずれかと肩３１０との接続は、平坦であることが好ましいが、所望により湾曲していてもよいし、傾斜していてもよい。フェルール３００が立向き溶接（すなわち側壁への溶接）で使用されることから、肩３１０はフェルール３００の周回りに連続して設けられていないが、むしろ上ネック部３０４の外側面３０８の一部は、図１７に示すように、フェルール３００の方向付けキー（orientation key）３４０を規定するように、下ベース部３０２の外側面３０６から真直に上方に延びるように設けられている。

【0049】

下ベース部３０２は平坦な作業面３１２を有する。平坦な作業面３１２は、溶接作業中に工作物（不図示）（好ましくは側壁等）の平面３９０に対して面一に配置されるように構成されている。上ネック部３０４は平坦面３１４を有している。平坦面３１４と外側面３０８との接続は望まれるなら湾曲していてもよい。

【0050】

フェルール３００は、平坦な作業面３１２から平坦面３１４まで下ベース部３０２と上ネック部３０４を貫通して延びる穴３１６を含む。穴３１６は、フェルール３００の円筒状内壁３１８を規定している。穴３１６は、一般に真直穴として言及される。円筒状内壁３１８は好ましくは穴３１６の一定の内径ＩＤ−Ｂを規定する。

【0051】

好ましい実施形態では、フェルール３００は、複数のリブ３２０を含み、該リブは第２円筒状内壁３１８から半径方向内方に所定距離延びて、リブ３２０の内径ＩＤ−Ｒを規定している。各リブ３２０は、好ましくは、平坦面３１４から下ベース部３０２に向かって下方に延びている。リブ３２０は、ネック部３０４とベース部３０２が接続する位置の下まで下方に延びるように示されているが、リブ３０２は、代案として、ネック部３０４とベース部３０２が接続する位置まで、又はネック部３０４とベース部３０２が接続する位置の上まで延ばすことができることは理解されるべきである。しかし、リブ３２０は、好ましくは平坦な作業面３１２までずっと延びていなくてもよい。望まれるなら、リブ３２０の上端は平坦面３１４の下方に設けることもできる。リブ３２０の存在は、隣接するリブ３２０の間に設けられる溝３２２を提供する。図１４は、フェルール３００の最も好ましい実施形態を示し、該フェルールは３つのリブ３２０と３つの対応する溝３２２を有する。

【0052】

フェルール１００，２００のリブ１２０，２２０と異なり、リブ３２０は、全て同じサイズではなく、互いに等間隔に配置されていない。むしろ、１つのリブ３２０ａは、Ｃ形形状を有し、穴１１６の周りに約１００度延びている。他の２つのリブ３２０ｂは、図１４に示すように、リブ３２０ａの端から互いに等間隔に配置されている。これにより、３つの溝３２２が設けられ、該全ての溝はフェルール３００の一方の側に設けられている。この形態は、ここでさらに詳細に説明するように、立向き溶接中に指向性のある排気を可能にする。また、フェルール１００，２００のリブ１２０，２２０と異なり、フェルール３００のリブ３２０は、傾斜/角度のある下端を有し、図１５に示すように、リブ３２０ａの端がリブ３２０ｂの端の下方に配置されている。

【0053】

溶接作業中（図示されていないが、フェルール１００に関連して図５−８に示す溶接作業と同等であることは理解される）、スタッド（不図示）がフェルール３００と関連して使用される。リブ３２０の内径ＩＤ−Ｒは、好ましくは、スタッドのねじ無し端部の外径と実質的に同一又は僅かに大きいように構成される。したがって、スタッドがフェルール３００内に配置されるとき、リブ３２０は、全溶接作業を通してフェルール３００に対してスタッドの適切な位置決めを保証する（これによりスタッドの工作物（不図示）への適正な溶接を保証する）一方、スタッド溶接作業に必要なようにスタッドがフェルール３００内で前後に移動するのを許容する方法で、スタッドをフェルール３００に対して適所に芯出しするように作動する。フェルール２００は、好ましくは、１／２インチ以下の外径を有するスタッドと関連して使用される。

【0054】

側壁のような工作物に立向きで溶接されるスタッドのねじ無し端部は、フェルール３００の下ベース部３０２の真直穴３１６内に位置決めされ、これにより空洞又は溶接チャンバ(不図示)がリブ３２０の隣であって、スタッドとフェルール３００の円筒状内壁３１８の間に形成される。フェルール３００の下ベース部３０２の平坦な作業面３１２と円筒状内壁３１８のいずれもベント、凹部又は通路を備えていないので、溶融溶接金属は全て溶接チャンバに閉じ込められる。しかし、溶接作業中に形成されるガスは、リブ３２０、スタッド、及び円筒状内壁３１８の間に設けられる溝又はベント３２２を通して、依然として溶接チャンバから排出又は排気することを許容される。フェルール３００は、例えば図１と２に示すような従来のフェルールを使用することで形成される溶接部に比べて、クリーンな溶接部を一貫して形成することができる。

【0055】

フェルール３００は好ましくは立向き溶接と関連して使用されるので、フェルール３００は指向性のキー３４０を備え、該指向性のキー３４０は作業時に常にフェルール３００の上端に位置している。この位置にある指向性のキー３４０により、溶接チャンバは、リブ３２０ａ、３２０ｂの傾斜端により、下端に上端より小さな容積を有する。溝３２２は、フェルール３００の上端に指向性のキー３４０に近接して設けられ、溶接作業中に形成される溶接バリ/溶融金属がフェルール３００の外に出ないことを保証し、また溶接作業中に形成されるガスが溶接チャンバから排気されることを保証している。

【0056】

フェルール３００は、上に述べたように、フェルール１００の修正に類似した方法で修正することができることは理解される。

【0057】

本発明の第４実施形態のフェルール４００は、標準の四角スタッド溶接作業で使用するのに設けられている。フェルール４００は、好ましくはセラミック材料で形成されるが、代案として他の任意の適切な材料で形成することができる。フェルール４００の好ましい実施形態が図１７と１８に示されている。フェルール４００は、下ベース部４０２と上ネック４０４を有する本体４０１を有し、これら各々はそれぞれ外側面４０６，４０８を有する。外側面４０６は外側面４０８の径より大きい径を有し、外側面４０６，４０８の間に肩４１０が規定されている。外側面４０６又は外側面４０８のいずれかと肩４１０との接続は、平坦であることが好ましいが、所望により湾曲していてもよい。

【0058】

下ベース部４０２は平坦な作業面４１２を有する。平坦な作業面４１２は、溶接作業中に工作物（不図示）（好ましくは側壁等）の平面に対して面一に配置されるように構成されている。上ネック部４０４は平坦面４１４を有している。平坦面４１４と外側面４０８との接続は望まれるなら湾曲していてもよい。

【0059】

フェルール４００は、平坦な作業面４１２から平坦面４１４まで下ベース部４０２と上ネック部４０４を貫通して延びる穴４１６を含む。穴４１６は、正方形断面を有し、フェルール４００の内壁４１８を規定し、該内壁は４つの内壁４１８ａ，４２８ｂ，４１８ｃ，４１８ｄにより規定され、壁４１８ａと４１８ｃが互いに対向し、壁４１８ｂと４１８ｄが互いに対向している。壁４１８ａから壁４１８ｃまでの直線距離は、壁４１８ｂから壁４１８ｄまでの直線距離と同一であり、穴４１６の直線距離ＩＤ−Ｂを規定する。

【0060】

好ましい実施形態では、フェルール４００は、複数の間隔のあいたリブ４２０を含み、該リブは内壁４１８から内方に所定距離延びている。壁４１８ａ，４１８ｃは好ましくは当該壁から内方に延びる２つのリブ４２０を有し、壁４１８ｂ，４１８ｄは好ましくは当該壁から内方に延びる単一のリブ４２０を有する。対向するリブ４２０からの直線距離は同一で、リブ４２０の直線距離ＩＤ−Ｒを規定している。各リブ４２０は、好ましくは、平坦面４１４から下ベース部４０２に向かって下方に延びている。リブ４２０は、ネック部４０４とベース部４０２が接続する位置の上まで下方に延びるように示されているが、リブ４０２は、代案として、ネック部４０４とベース部４０２が接続する位置まで、又はネック部４０４とベース部４０２が接続する位置の下まで延ばすことができることは理解されるべきである。しかし、リブ４２０は、好ましくは平坦な作業面４１２までずっと延びていなくてもよい。望まれるなら、リブ４２０の上端は平坦面４１４の下方に設けることもできる。リブ４２０の存在は、隣接するリブ４２０の間に設けられる溝４２２を提供する。図１７は、フェルール４００の最も好ましい実施形態を示し、該フェルールは６つのリブ４２０と６つの対応する溝４２２を有する。

【0061】

溶接作業中（不図示）、ねじ無し端部を有する正方形のスタッド（不図示）がフェルール４００と関連して使用される。リブ４２０の直線距離ＩＤ−Ｒは、好ましくは、スタッドのねじ無し端部の外周と実質的に同一又は僅かに大きいように構成される。したがって、正方形のスタッドがフェルール４００内に配置されるとき、リブ４２０は、全溶接作業を通してフェルール４００に対して正方形のスタッドの適切な位置決めを保証する（これによりスタッドの工作物（不図示）への適正な溶接を保証する）一方、スタッド溶接作業に必要なように正方形のスタッドがフェルール４００内で前後に移動するのを許容する方法で、正方形のスタッドをフェルール４００に対して適所に芯出しするように作動する。

【0062】

工作物に溶接される正方形のスタッドのねじ無し端部は、フェルール４００の下ベース部４０２の真直な正方形の穴４１６内に位置決めされ、これにより空洞又は溶接チャンバ(不図示)がリブ４２０の下方であって、正方形のスタッドのねじ無し端部とフェルール４００の内壁４１８の間に形成される。フェルール４００の下ベース部４０２の平坦な作業面４１２と内壁４１８のいずれもベント、凹部又は通路を備えていないので、溶融溶接金属は全て溶接チャンバに閉じ込められる。しかし、溶接作業中に形成されるガスは、リブ４２０、正方形のスタッドのねじ無し端部、及び内壁４１８の間に設けられる溝又はベント４２２を通して、依然として溶接チャンバから排出又は排気することを許容される。フェルール４００は、例えば図１と２に示すような従来のフェルールを使用することで形成される溶接部に比べて、クリーンな溶接部を一貫して形成することができる。

【0063】

フェルール４００は、上に述べたように、フェルール１００の修正に類似した方法で修正することができることは理解される。

【0064】

本発明の第５実施形態のフェルール４００は、標準の矩形スタッド溶接作業で使用するのに設けられている。フェルール５００は、好ましくはセラミック材料で形成されるが、代案として他の任意の適切な材料で形成することができる。フェルール５００の好ましい実施形態が図１９と２０に示されている。フェルール５００は、下ベース部５０２と上ネック５０４を有する本体５０１を有し、これら各々はそれぞれ外側面５０６，５０８を有する。外側面５０６は外側面５０８の外周より大きい外周を有し、外側面５０６，５０８の間に肩５１０が規定されている。外側面５０６又は外側面５０８のいずれかと肩５１０との接続は、平坦であることが好ましいが、所望により湾曲していてもよい。

【0065】

下ベース部５０２は平坦な作業面５１２を有する。平坦な作業面５１２は、溶接作業中に工作物（不図示）（好ましくは側壁等）の平面に対して面一に配置されるように構成されている。上ネック部５０４は平坦面５１４を有している。平坦面５１４と外側面５０８との接続は望まれるなら湾曲していてもよい。

【0066】

フェルール５００は、平坦な作業面５１２から平坦面５１４まで下ベース部５０２と上ネック部５０４を貫通して延びる穴５１６を含む。穴５１６は、矩形の断面を有し、フェルール５００の内壁５１８を規定し、該内壁は４つの内壁５１８ａ，５２８ｂ，５１８ｃ，５１８ｄにより規定され、壁５１８ａと５１８ｃが互いに対向し、壁５１８ｂと５１８ｄが互いに対向している。壁５１８ａと５１８ｃは、壁５１８ｂと５１８ｄの長さより大きい長さを有している。これにより、壁５１８ａから壁５１８ｃまでの直線距離は、壁５１８ｂから壁５１８ｄまでの直線距離と同一であり、穴５１６の第１と第２の内壁直線距離ＩＤ−Ｂ１とＩＤ−Ｂ２を規定する。

【0067】

好ましい実施形態では、フェルール５００は、複数の間隔のあいたリブ５２０を含み、該リブは内壁５１８から内方に所定距離延びている。長いほうの壁５１８ａ，５１８ｃは好ましくは当該壁から内方に延びる２つのリブ５２０を有し、短いほうの壁５１８ｂ，５１８ｄは好ましくは当該壁から内方に延びる単一のリブ５２０を有する。長いほうの壁５１８ａ，５１８ｃ上の対向するリブ５２０からの直線距離は、短いほうの壁５１８ｂ，５１８ｄ上の対向するリブ５２０からの直線距離より小さく、リブ５２０の第１と第２の直線距離ＩＤ−Ｒ１とＩＤ−Ｒ２を規定している。各リブ５２０は、好ましくは、平坦面５１４から下ベース部５０２に向かって下方に延びている。リブ５２０は、ネック部５０４とベース部５０２が接続する位置の上まで下方に延びるように示されているが、リブ５０２は、代案として、ネック部５０４とベース部５０２が接続する位置まで、又はネック部５０４とベース部５０２が接続する位置の下まで延ばすことができることは理解されるべきである。しかし、リブ５２０は、好ましくは平坦な作業面５１２までずっと延びていなくてもよい。望まれるなら、リブ５２０の上端は平坦面５１４の下方に設けることもできる。リブ５２０の存在は、隣接するリブ５２０の間に設けられる溝５２２を提供する。図１９は、フェルール５００の最も好ましい実施形態を示し、該フェルールは６つのリブ５２０と６つの対応する溝５２２を有する。

【0068】

溶接作業中（不図示）、ねじ無し端部を有する矩形のスタッド（不図示）がフェルール５００と関連して使用される。リブ５２０の第１と第２の直線距離ＩＤ−Ｒ１とＩＤ−Ｒ２は、好ましくは、矩形のスタッドのねじ無し端部の外周と実質的に同一又は僅かに大きいように構成される。したがって、矩形のスタッドがフェルール５００内に配置されるとき、リブ５２０は、全溶接作業を通してフェルール５００に対して矩形のスタッドの適切な位置決めを保証する（これによりスタッドの工作物（不図示）への適正な溶接を保証する）一方、スタッド溶接作業に必要なように矩形のスタッドがフェルール４００内で前後に移動するのに必要な自由度を許容する方法で、矩形のスタッドをフェルール５００に対して適所に芯出しするように作動する。

【0069】

工作物に溶接される矩形のスタッドのねじ無し端部は、フェルール５００の下ベース部５０２の真直な矩形の穴４１６内に位置決めされ、これにより空洞又は溶接チャンバ(不図示)がリブ５２０の下方であって、矩形のスタッドのねじ無し端部とフェルール５００の内壁５１８の間に形成される。フェルール５００の下ベース部５０２の平坦な作業面５１２と内壁５１８のいずれもベント、凹部又は通路を備えていないので、溶融溶接金属は全て溶接チャンバに閉じ込められる。しかし、溶接作業中に形成されるガスは、リブ５２０、矩形のスタッドのねじ無し端部、及び内壁５１８の間に設けられる溝又はベント５２２を通して、依然として溶接チャンバから排出又は排気することを許容される。フェルール５００は、例えば図１と２に示すような従来のフェルールを使用することで形成される溶接部に比べて、クリーンな溶接部を一貫して形成することができる。

【0070】

フェルール５００は、上に述べたように、フェルール１００の修正に類似した方法で修正することができることは理解される。

【0071】

フェルール技術における改良が３５年以上の間行われなかったことにより、スタッド溶接作業に使用される従来の面排気（face vented）のフェルールに対する不満が積もっていた。したがって、フェルール１００，２００，３００，４００，５００は、従来の面排気のフェルールに対して多大な効果を提供する。

【0072】

フェルールの壁を通って行く作業面排気（workface vent）を排除した結果、バリ（weld flash）の形成に対する以下の改良と利点を有する。フェルール１００，２００，３００，４００，５００は面にベントを有しないので、本発明のフェルールは、溶接部の周りの不規則な鋸歯の溶接金属を排除し、ベントから延びる溶接玉（図１）及びクモ脚（図２）も排除し、過剰な溶接金属を機械的に除去する必要性がなく、相手部品が溶接バリ（weld flash）に密着するのを保証する。本発明のフェルールの中実でベントが無い壁は、面ベントフェルールよりも魅力的な溶接外観を有するスタッド溶接を提供する。溶接バリの径は、フェルールの溶接チャンバ空間の径により正確に制御される径を有する滑らかな面である。溶接金属の一貫した（consistent）径及び形状は、溶接される相手部品の穴との一貫した嵌合を保証し、溶接部を覆うのに必要な座ぐり穴（counterbore holes）の径を減少する。フェルールチャンバの中実で途切れのない壁により、本発明のフェルールを使用して行われる溶接は、溶融溶接金属の母材すなわち工作物への滑らかな融合をもたらす。この母材と融合した溶接バリの優れた周縁の溶け込みは、応力亀裂開始部位を排除し、溶接部の軸方向及び横方向の繰り返し疲労負荷寿命を向上する。本発明のフェルールにセラミック材料を押し込むのに使用される工具を製造するのに必要な機械加工のコストが単純化され、従来の面ベントフェルールを形成するのに使用される工具を製造するのに必要なコストよりも安価になる。本発明のネック排気のサーマルフェルール（thermal ferrule）を製造する工具の寿命は、セラミックの置換（displacement）及び摩耗（abrasion）が少ないことにより、面排気フェルールの工具の寿命を超えて大きく伸びる。

【0073】

さらに、改良された溶接外観と本発明のフェルールの寸法制御により、スタッド溶接を行うエネルギーコストが低減する。エネルギーの低減により、フェルールの溶接チャンバに中実の壁を有することになる。フェルールの壁を貫通するベントの排除により、スタッド溶接中の溶接熱及び溶融溶接金属の損失が防止される。従来のフェルールは、６０度や７０度のベント開口を有するベントが設けられていた。より大きなさらに開口する９０度のベントを有するフェルールは、６０度のベントを有するフェルールを使用して適切に溶接するよりも、高温の溶接環境を必要とすることが観察され知られている。本発明のネック排気のサーマルフェルールの使用により、面排気のフェルールよりも、溶接アークをより良く遮断することができる。面ベントからの損失がなく溶接エネルギーが集中する結果、エネルギーが節約され、溶接のコストが低減し、溶融の領域が増加する。本発明のネック排気サーマルフェルールを用いると、溶接品質、強度及び信頼性を低下することなく、１０から１５％のエネルギー低減がなされた。

【0074】

フェルール１００，２００，３００，４００，５００は全て、穴１１６，２１６，３１６，４１６，５１６のネック部１０４，２０４，３０４，４０４，５０４に規定された溝１２２，２２２，３２２，４２２，５２２を通るガスの排気を提供する。換言すれば、ネック排気がフェルール１００，２００，３００，４００，５００により許容される。フェルール１００，２００，３００，４００，５００は、このネック排気を可能にするが、穴１１６，２１６，３１６，４１６，５１６のネック部１０４，２０４，３０４，４０４，５０４に設けられたリブ１２０，２２２，３２０，４２０，５２０の使用により、スタッド１５０のねじ無し端部１５２を適切に芯出しすることができるという追加の特徴を有する。

【0075】

これまで十分に気が付かず、実現できなかった排気の利点を理解すると、何十年もの間フェルールの技術が発展しなかった以上、本発明はネック排気方法に関連するさらなる利点を提供する。さらに具体的には、現在、フェルールを使用するスタッド溶接は、フェルールの穴に配置されるように構成されたねじ無し端部を有するスタッドに限定され、スタッドのねじ部はフェルールの穴の外側に設けられている。しかしながら、ネック排気の利点を理解することで、本発明はさらに、図２１−２３を参照して以下に説明するように、完全ねじスタッドに関連したネック排気を含む。

【0076】

図２１と２２に示すように、従来のフェルール６００が設けられている。フェルール６００は、上に述べたように芯出し及び排気の目的で穴６１６のネック部６０４にリブを設ける新規な特徴を含まないことを除き、フェルール２００と基本的に同一である。

【0077】

図２３に示すように、完全ねじ付きスタッド６５０が設けられている。スタッド６５０は、大ねじ径と小ねじ径を規定するねじ６５４を有し、大ねじ径は小ねじ径より大きい。

【0078】

溶接作業において、完全ねじ付きスタッド６５０は、他のフェルール１００，２００，３００，４００，５００に関して上に記載したものと同様に、フェルール６００の穴６１６内に配置される。しかし、フェルール６００は、他のフェルールでは排気及びスタッドの芯出しを可能にするのに使用されているリブを備えていない。この場合、大ねじ径は、
第２円筒状内壁６１８ｃの一定の内径ＩＤ−Ｂ２にほぼ等しいか僅かに小さい。したがって、スタッド６５０の芯出しはスタッド６５０の大ねじ径によって提供される。さらに、スタッド６５０のねじ６５４の形状により、スタッド６５０のねじ６５４は、第２円筒状内壁６１８ｃとスタッド６５０の小ねじ径との間の全ての空間を占めていない。スタッド６５０とフェルール６００の間の空間は、スタッド溶接作業中のガスのネック排気を可能にするのに十分な面積を有し、この利益は前記載した通りである。

【0079】

フェルール１００，２００，３００，４００，５００，６００は全て、肩１１０，２１０，３１０，４１０，５１０，６１０により互いに分離された下ベース部１０２，２０２，３０２，４０２，５０２，６０２と上ネック部１０４，２０４，３０４，４０４，５０４，６０４を有するように記載され図示されているが、この代わり、肩１１０，２１０，３１０，４１０，５１０，６１０がフェルール１００，２００，３００，４００，５００，６００に設けられないように、上ネック部１０４，２０４，３０４，４０４，５０４，６０４が下ベース部１０２，２０２，３０２，４０２，５０２，６０２と連続させることができることは理解される。したがって、上部を言及するときの「ネック」の用語の使用は、減少した径/外形/周の部分を示すが、本願では、「ネック」の用語はこの限定された事項に構成されるべきでなく、むしろ、フェルールの「ネック」の用語は正にフェルールの上部と考えるべきであることは理解されるべきである。

【0080】

以上から分かるように、本発明のフェルールは多くの変形/修正が可能であるが、これらは従来のフェルールを超える望ましい効果を提供する。さらに、リブ及び溝の用語の使用は、如何なるようにも限定して考えるべきでなく、本発明のフェルールを説明するのに使用される代表的な用語にすぎないことは理解されるべきである。

【0081】

本発明の好ましい実施形態が示され、記載されているが、当業者は本発明の精神及び範囲から逸脱することなく本発明を種々修正してもよいことが想定されている。ここに記載され請求された本発明の種々の方法は、必ずしも、ここに記載され請求されたのと同じ方法で行うステップを有する必要はないことは理解されるべきである。

【符号の説明】

【0082】

１００，２００，３００，４００，５００，６００…フェルール
１０１，２０１，３０１，４０１，５０１…本体
１０２，２０２，３０２，４０２，５０２，６０２…下ベース部
１０４，２０４，３０４，４０４，５０４，６０４…上ネック部
１１０，２１０，３１０，４１０，５１０，６１０…肩
１１２，２１２，３１２，４１２，５１２…作業面
１１４，２１４，３１４，４１４，５１４…平坦面
１１６，２１６，３１６，４１６，５１６，６１６…穴
１１８，２１８，３１８，４１８，５１８，６１８…内壁
１２０，２２０，３２０，４２０，５２０…リブ
１２２，２２２，３２２，４２２，５２２…溝
１５０，６５０…スタッド
１５２…ねじ無し端部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図9A】

【図10】

【図10A】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】

【図23】