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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2022190762
(43)【公開日】2022-12-27
(54)【発明の名称】アークスタッド溶接方法およびアークスタッド溶接装置
(51)【国際特許分類】
B23K 9/20 20060101AFI20221220BHJP
【ＦＩ】
B23K9/20 A
B23K9/20 D
【審査請求】未請求
【請求項の数】6
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2021099172
(22)【出願日】2021-06-15
(71)【出願人】
【識別番号】000003207
【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110000028
【氏名又は名称】弁理士法人明成国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】野村 浩二
(72)【発明者】
【氏名】松岡 祐介
(72)【発明者】
【氏名】木俣 裕貴
(57)【要約】
【課題】良好な溶接品質となるアークスタッド溶接方法を提供すること。
【解決手段】スタッドと母材との間に流れる溶接電流を第１電流値に設定し、パイロットアークを発生させる第１工程と、溶接電流を第１電流値よりも大きい第２電流値に設定し、メインアークを発生させる第２工程と、第２工程の後に、溶接電流を第２電流値よりも小さい第３電流値であって、メインアークを継続して発生させる第３電流値に切り替え、予め定められた期間、第３電流値の溶接電流を流す第３工程と、第３工程の後、スタッドを母材に押し込む第４工程と、を備えるアークスタッド溶接方法。
【選択図】図２
【解決手段】スタッドと母材との間に流れる溶接電流を第１電流値に設定し、パイロットアークを発生させる第１工程と、溶接電流を第１電流値よりも大きい第２電流値に設定し、メインアークを発生させる第２工程と、第２工程の後に、溶接電流を第２電流値よりも小さい第３電流値であって、メインアークを継続して発生させる第３電流値に切り替え、予め定められた期間、第３電流値の溶接電流を流す第３工程と、第３工程の後、スタッドを母材に押し込む第４工程と、を備えるアークスタッド溶接方法。
【選択図】図２
【特許請求の範囲】
【請求項1】
アークスタッド溶接方法であって、
スタッドと母材との間に流れる溶接電流を第１電流値に設定し、パイロットアークを発生させる第１工程と、
前記溶接電流を前記第１電流値よりも大きい第２電流値に設定し、メインアークを発生させる第２工程と、
前記第２工程の後に、前記溶接電流を前記第２電流値よりも小さい第３電流値であって、前記メインアークを継続して発生させる第３電流値に切り替え、予め定められた期間、前記第３電流値の前記溶接電流を流す第３工程と、
前記第３工程の後、前記スタッドを前記母材に押し込む第４工程と、を備えるアークスタッド溶接方法。
スタッドと母材との間に流れる溶接電流を第１電流値に設定し、パイロットアークを発生させる第１工程と、
前記溶接電流を前記第１電流値よりも大きい第２電流値に設定し、メインアークを発生させる第２工程と、
前記第２工程の後に、前記溶接電流を前記第２電流値よりも小さい第３電流値であって、前記メインアークを継続して発生させる第３電流値に切り替え、予め定められた期間、前記第３電流値の前記溶接電流を流す第３工程と、
前記第３工程の後、前記スタッドを前記母材に押し込む第４工程と、を備えるアークスタッド溶接方法。
【請求項2】
請求項１に記載のアークスタッド溶接方法であって、
前記第２電流値をＩｍ、前記第３電流値をＩａとした場合、前記Ｉａは、次の式（１）を満たす、アークスタッド溶接方法。
Ｉａ＝α×Ｉｍ・・・式（１）
ただし、０．１≦α≦０．３
前記第２電流値をＩｍ、前記第３電流値をＩａとした場合、前記Ｉａは、次の式（１）を満たす、アークスタッド溶接方法。
Ｉａ＝α×Ｉｍ・・・式（１）
ただし、０．１≦α≦０．３
【請求項3】
請求項１または２に記載のアークスタッド溶接方法であって、
前記予め定められた期間は、２ｍｓ以上１０ｍｓ以下である、アークスタッド溶接方法。
前記予め定められた期間は、２ｍｓ以上１０ｍｓ以下である、アークスタッド溶接方法。
【請求項4】
請求項１から３のいずれか一項に記載のアークスタッド溶接方法であって、
前記第４工程は、
第１速度で前記スタッドを前記母材に近づける第１移動工程と、
前記第１速度よりも小さい第２速度で前記スタッドを前記母材に押し込む第２移動工程と、を備える、アークスタッド溶接方法。
前記第４工程は、
第１速度で前記スタッドを前記母材に近づける第１移動工程と、
前記第１速度よりも小さい第２速度で前記スタッドを前記母材に押し込む第２移動工程と、を備える、アークスタッド溶接方法。
【請求項5】
請求項４に記載のアークスタッド溶接方法であって、
前記第１速度をＶ０、前記第２速度をＶ１とした場合、前記Ｖ１は、次の式（２）を満たす、アークスタッド溶接方法。
Ｖ１＝β×Ｖ０・・・式（２）
ただし、０．１≦β≦０．５、かつＶ１≦０．１ｍｍ／ｍｓ
前記第１速度をＶ０、前記第２速度をＶ１とした場合、前記Ｖ１は、次の式（２）を満たす、アークスタッド溶接方法。
Ｖ１＝β×Ｖ０・・・式（２）
ただし、０．１≦β≦０．５、かつＶ１≦０．１ｍｍ／ｍｓ
【請求項6】
アークスタッド溶接装置であって、
把持したスタッドを母材に押し込む溶接ガンと、
前記スタッドと前記母材とに溶接電流を供給する電源装置と、
前記溶接ガンと、前記電源装置とを制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、
前記溶接電流を第１電流値に設定し、パイロットアークを発生させる第１工程と、
前記溶接電流を前記第１電流値よりも大きい第２電流値に設定し、メインアークを発生させる第２工程と、
前記第２工程の後に、前記溶接電流を前記第２電流値よりも小さい第３電流値であって、前記メインアークを継続して発生させる第３電流値に切り替え、予め定められた期間、前記第３電流値の前記溶接電流を流す第３工程と、
前記第３工程の後、前記スタッドを前記母材に押し込む第４工程と、を実行する、アークスタッド溶接装置。
把持したスタッドを母材に押し込む溶接ガンと、
前記スタッドと前記母材とに溶接電流を供給する電源装置と、
前記溶接ガンと、前記電源装置とを制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、
前記溶接電流を第１電流値に設定し、パイロットアークを発生させる第１工程と、
前記溶接電流を前記第１電流値よりも大きい第２電流値に設定し、メインアークを発生させる第２工程と、
前記第２工程の後に、前記溶接電流を前記第２電流値よりも小さい第３電流値であって、前記メインアークを継続して発生させる第３電流値に切り替え、予め定められた期間、前記第３電流値の前記溶接電流を流す第３工程と、
前記第３工程の後、前記スタッドを前記母材に押し込む第４工程と、を実行する、アークスタッド溶接装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、アークスタッド溶接方法およびアークスタッド溶接装置に関する。
【背景技術】
【0002】
アークスタッド溶接では、まず、スタッドと母材との間にパイロットアークを発生させた後、パイロットアークにて流す電流よりも大きい電流を流してメインアークを発生させて母材の表面付近を溶融する。次に、溶融している母材表面に向かってスタッドを押し込むことにより、母材にスタッドを溶接する（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開２００５－２４６３９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
母材が薄板である場合、メインアークにおいて、溶融が母材の裏面にまで達する、いわゆる裏抜けが発生する場合がある。裏抜けした状態で、スタッドが押し込まれると、母材裏面に亀裂が生じるおそれがある。
【課題を解決するための手段】
【0005】
本開示は、以下の形態として実現することが可能である。
【0006】
（１）本開示の一形態によれば、アークスタッド溶接方法が提供される。このアークスタッド溶接方法は、スタッドと母材との間に流れる溶接電流を第１電流値に設定し、パイロットアークを発生させる第１工程と、前記溶接電流を前記第１電流値よりも大きい第２電流値に設定し、メインアークを発生させる第２工程と、前記第２工程の後に、前記溶接電流を前記第２電流値よりも小さい第３電流値であって、前記メインアークを継続して発生させる第３電流値に切り替え、予め定められた期間、前記第３電流値の前記溶接電流を流す第３工程と、前記第３工程の後、前記スタッドを前記母材に押し込む第４工程と、を備える。この形態によれば、スタッドを母材に押し込む第４工程の前の第３工程において、メインアークが発生する程度に電流値が小さく設定されることで、入熱が抑えられる。これにより、母材裏面が溶融していた場合にも、冷えて固まるため、その後の第４工程にてスタッドが押し込まれても母材裏面における亀裂の発生が抑制される。
（２）上記形態のアークスタッド溶接方法において、前記第２電流値をＩｍ、前記第３電流値をＩａとした場合、前記Ｉａは、次の式（１）を満たしてもよい。
Ｉａ＝α×Ｉｍ・・・式（１）
ただし、０．１≦α≦０．３
この形態によれば、メインアークを発生させつつ、入熱を抑えることができるため、母材の溶接面に形成された溶融池を維持しつつ、母材裏面を固めることができる。よって、母材裏面における亀裂の発生を抑制しつつ、スタッドを溶接することができる。
（３）上記形態のアークスタッド溶接方法において、前記予め定められた期間は、２ｍｓ以上１０ｍｓ以下としてもよい。この形態によれば、母材裏面が溶融していた場合にも、母材裏面を確実に固めることができる。
（４）上記形態のアークスタッド溶接方法において、前記第４工程は、第１速度で前記スタッドを前記母材に近づける第１移動工程と、前記第１速度よりも小さい第２速度で前記スタッドを前記母材に押し込む第２移動工程と、を備えてもよい。この形態によれば、第１速度よりも小さい第２速度でスタッドを母材に押し込むことで、母材がスタッドから受ける運動エネルギーは小さくなるため、亀裂の発生をさらに抑制することができる。また、スタッドを母材に近づける速度は、第２速度よりも大きい第１速度とすることで、第４工程の所要時間の増加を抑制することができる。
（５）上記形態のアークスタッド溶接方法において、前記第１速度をＶ０、前記第２速度をＶ１とした場合、前記Ｖ１は、次の式（２）を満たす、アークスタッド溶接方法。
Ｖ１＝β×Ｖ０・・・式（２）
ただし、０．１≦β≦０．５、かつＶ１≦０．１ｍｍ／ｍｓ
この形態によれば、第４工程における亀裂の発生を確実に抑制することができる。
（６）本開示の一形態によれば、アークスタッド溶接装置が提供される。このアークスタッド制御装置は、把持したスタッドを母材に押し込む溶接ガンと、前記スタッドと前記母材とに溶接電流を供給する電源装置と、前記溶接ガンと、前記電源装置とを制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記溶接電流を第１電流値に設定し、パイロットアークを発生させる第１工程と、前記溶接電流を前記第１電流値よりも大きい第２電流値に設定し、メインアークを発生させる第２工程と、前記第２工程の後に、前記溶接電流を前記第２電流値よりも小さい第３電流値であって、前記メインアークを継続して発生させる第３電流値に切り替え、予め定められた期間、前記第３電流値の前記溶接電流を流す第３工程と、前記第３工程の後、前記スタッドを前記母材に押し込む第４工程と、を実行する。この形態によれば、スタッドを母材に押し込む第４工程の前の第３工程において、メインアークが発生する程度に電流値が小さく設定されることで、入熱が抑えられる。これにより、母材裏面が溶融していた場合にも、冷えて固まるため、その後の第４工程にてスタッドが押し込まれても母材裏面における亀裂の発生が抑制される。
本開示は、アークスタッド溶接方法およびアークスタッド溶接装置以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、アークスタッド溶接装置の制御方法、その制御方法を実現するコンピュータプログラム、そのコンピュータプログラムを記録した一時的でない記録媒体等の形態で実現することができる。
（２）上記形態のアークスタッド溶接方法において、前記第２電流値をＩｍ、前記第３電流値をＩａとした場合、前記Ｉａは、次の式（１）を満たしてもよい。
Ｉａ＝α×Ｉｍ・・・式（１）
ただし、０．１≦α≦０．３
この形態によれば、メインアークを発生させつつ、入熱を抑えることができるため、母材の溶接面に形成された溶融池を維持しつつ、母材裏面を固めることができる。よって、母材裏面における亀裂の発生を抑制しつつ、スタッドを溶接することができる。
（３）上記形態のアークスタッド溶接方法において、前記予め定められた期間は、２ｍｓ以上１０ｍｓ以下としてもよい。この形態によれば、母材裏面が溶融していた場合にも、母材裏面を確実に固めることができる。
（４）上記形態のアークスタッド溶接方法において、前記第４工程は、第１速度で前記スタッドを前記母材に近づける第１移動工程と、前記第１速度よりも小さい第２速度で前記スタッドを前記母材に押し込む第２移動工程と、を備えてもよい。この形態によれば、第１速度よりも小さい第２速度でスタッドを母材に押し込むことで、母材がスタッドから受ける運動エネルギーは小さくなるため、亀裂の発生をさらに抑制することができる。また、スタッドを母材に近づける速度は、第２速度よりも大きい第１速度とすることで、第４工程の所要時間の増加を抑制することができる。
（５）上記形態のアークスタッド溶接方法において、前記第１速度をＶ０、前記第２速度をＶ１とした場合、前記Ｖ１は、次の式（２）を満たす、アークスタッド溶接方法。
Ｖ１＝β×Ｖ０・・・式（２）
ただし、０．１≦β≦０．５、かつＶ１≦０．１ｍｍ／ｍｓ
この形態によれば、第４工程における亀裂の発生を確実に抑制することができる。
（６）本開示の一形態によれば、アークスタッド溶接装置が提供される。このアークスタッド制御装置は、把持したスタッドを母材に押し込む溶接ガンと、前記スタッドと前記母材とに溶接電流を供給する電源装置と、前記溶接ガンと、前記電源装置とを制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記溶接電流を第１電流値に設定し、パイロットアークを発生させる第１工程と、前記溶接電流を前記第１電流値よりも大きい第２電流値に設定し、メインアークを発生させる第２工程と、前記第２工程の後に、前記溶接電流を前記第２電流値よりも小さい第３電流値であって、前記メインアークを継続して発生させる第３電流値に切り替え、予め定められた期間、前記第３電流値の前記溶接電流を流す第３工程と、前記第３工程の後、前記スタッドを前記母材に押し込む第４工程と、を実行する。この形態によれば、スタッドを母材に押し込む第４工程の前の第３工程において、メインアークが発生する程度に電流値が小さく設定されることで、入熱が抑えられる。これにより、母材裏面が溶融していた場合にも、冷えて固まるため、その後の第４工程にてスタッドが押し込まれても母材裏面における亀裂の発生が抑制される。
本開示は、アークスタッド溶接方法およびアークスタッド溶接装置以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、アークスタッド溶接装置の制御方法、その制御方法を実現するコンピュータプログラム、そのコンピュータプログラムを記録した一時的でない記録媒体等の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【0007】
【図1】アークスタッド溶接装置の構成を示す模式図である。
【図2】アークスタッド溶接工程を示すフローチャートである。
【図3】アークスタッド溶接工程における、溶接電流、溶接電圧、およびスタッド位置と、時間との関係を示す図である。
【図4】比較例におけるスタッドと母材との溶融状態を示す模式図である。
【図5】第２実施形態に係る第４工程におけるスタッドの位置と時間との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0008】
Ａ．第１実施形態：
Ａ１．アークスタッド溶接装置の構成
図１は、アークスタッド溶接装置１００の構成を示す模式図である。アークスタッド溶接装置１００は、スタッド１０と母材２０との間にアーク放電を発生させ、発生させたアーク放電により母材２０を溶融した後、スタッド１０を母材２０に押し込んで溶接する。スタッド１０は、具体的には、例えば、スタットボルトや丸棒である。母材２０は、スタッド１０が溶接される溶接面２０ａと、溶接面２０ａと対向する裏面２０ｂとを有する。母材２０としては、例えば、鋼、アルミニウム、アルミニウム合金などの種々の金属材料を用いることができる。本実施形態では、母材２０として、車両のボデーに用いられる鋼板が用いられ、スタッド１０としてスタッドボルトが用いられる。アークスタッド溶接装置１００は、溶接ガン４０と、電源装置６０と、制御装置７０とを備える。
Ａ１．アークスタッド溶接装置の構成
図１は、アークスタッド溶接装置１００の構成を示す模式図である。アークスタッド溶接装置１００は、スタッド１０と母材２０との間にアーク放電を発生させ、発生させたアーク放電により母材２０を溶融した後、スタッド１０を母材２０に押し込んで溶接する。スタッド１０は、具体的には、例えば、スタットボルトや丸棒である。母材２０は、スタッド１０が溶接される溶接面２０ａと、溶接面２０ａと対向する裏面２０ｂとを有する。母材２０としては、例えば、鋼、アルミニウム、アルミニウム合金などの種々の金属材料を用いることができる。本実施形態では、母材２０として、車両のボデーに用いられる鋼板が用いられ、スタッド１０としてスタッドボルトが用いられる。アークスタッド溶接装置１００は、溶接ガン４０と、電源装置６０と、制御装置７０とを備える。
【0009】
溶接ガン４０は、チャック４１と、移動機構４２と、レッグ４３とを有する。チャック４１は、導電体で形成されており、スタッド１０を把持する。溶接ガン４０は、チャック４１により把持されるスタッド１０の軸が母材２０の溶接面２０ａに対して略垂直となるように設置される。チャック４１は、移動機構４２によって、スタッド１０の軸方向に進退移動する。本実施形態では、移動機構４２は、図示しないコイルばねと、コイルとを有するソレノイドとして構成されている。コイルばねは、チャック４１を母材２０に向かって付勢する。そして、コイルが通電されている場合には、チャック４１およびスタッド１０は、電磁吸引により、図１に実線にて示す離隔位置Ｐ１に位置する。チャック４１およびスタッド１０が、離隔位置Ｐ１に位置している場合、コイルばねは、圧縮されている。コイルの通電が解除されると、磁気吸引は解除され、コイルばねの付勢力により、チャック４１およびスタッド１０は、母材２０に向かって移動する。図１では、スタッド１０が母材２０と接触する接触位置Ｐ０におけるスタッド１０およびチャック４１を破線で示している。なお、移動機構４２は、例えばリニアモータを用いてチャック４１を進退させる構成としてもよい。レッグ４３は、溶接工程において、母材２０を押さえるために設けられている。
【0010】
電源装置６０とチャック４１とは、第１電力ケーブル８２により通電可能に接続されている。電源装置６０と母材２０とは、第２電力ケーブル８３により通電可能に接続されている。電源装置６０は、第１電力ケーブル８２および第２電力ケーブル８３を通じて、チャック４１と導通するスタッド１０と母材２０とに直流電力を供給する。
【0011】
制御装置７０は、ＣＰＵおよびメモリを有するコンピュータとして構成されている。メモリには、後述するアークスタッド溶接工程を実行するためのプログラムおよびアークスタッド溶接工程にて使用される第１電流値Ｉｐなどの電流値および溶接時間Ｔｍなどの時間が記憶されている。制御装置７０は、機能部として、位置制御部７１と、電力制御部７２とを有する。位置制御部７１および電力制御部７２は、メモリに記憶されたプログラムを実行することにより実現される。なお、制御装置７０と、位置制御部７１および電力制御部７２とは、ハードウエア回路により実現されてもよく、コンピュータとハードウエア回路との併用により実現されてもよい。位置制御部７１と移動機構４２とは、通信可能に接続されている。位置制御部７１は、移動機構４２を制御する。電力制御部７２と電源装置６０とは、通信可能に接続されている。電力制御部７２は、電源装置６０から出力される電力の電流値が目標電流値となるように電源装置６０を制御する。
【0012】
Ａ２．アークスタッド溶接工程：
図２は、本実施形態に係るアークスタッド溶接工程のフローチャートである。図３は、アークスタッド溶接工程における、溶接電流、溶接電圧、およびスタッド位置と、時間との関係を示す図である。図３の上段は、時間と溶接電流との関係を示す図である。図３の中段は、時間と溶接電圧との関係を示す図である。図３の下段は、時間とスタッド位置との関係を示す図である。図３の上段、中段、下段にて示されている各時間は、互いに同じ時間を示しており、単位は［ｍｓ］である。溶接電流とは、電源装置６０から出力される電流であり、スタッド１０と母材２０との間に流れる電流と同等である。溶接電圧とは、電源装置６０から出力される電圧である。上記のように、電源装置６０は、溶接電流の電流値が目標電流値となるように制御される。溶接電流が一定の期間において、実際には、溶接電圧の電圧値は、スタッド１０と母材２０との間の電気抵抗値に応じて変動するが、図３および以下の説明では、便宜上、平坦な電圧値であるとみなして説明する。図３におけるスタッド位置は、スタッド１０と溶接面２０ａとが接触する接触位置Ｐ０を基準として、スタッド１０が溶接面２０ａから離れる方向をプラス方向、溶接面２０ａから、さらに押し込まれる方向をマイナス方向として表している。
図２は、本実施形態に係るアークスタッド溶接工程のフローチャートである。図３は、アークスタッド溶接工程における、溶接電流、溶接電圧、およびスタッド位置と、時間との関係を示す図である。図３の上段は、時間と溶接電流との関係を示す図である。図３の中段は、時間と溶接電圧との関係を示す図である。図３の下段は、時間とスタッド位置との関係を示す図である。図３の上段、中段、下段にて示されている各時間は、互いに同じ時間を示しており、単位は［ｍｓ］である。溶接電流とは、電源装置６０から出力される電流であり、スタッド１０と母材２０との間に流れる電流と同等である。溶接電圧とは、電源装置６０から出力される電圧である。上記のように、電源装置６０は、溶接電流の電流値が目標電流値となるように制御される。溶接電流が一定の期間において、実際には、溶接電圧の電圧値は、スタッド１０と母材２０との間の電気抵抗値に応じて変動するが、図３および以下の説明では、便宜上、平坦な電圧値であるとみなして説明する。図３におけるスタッド位置は、スタッド１０と溶接面２０ａとが接触する接触位置Ｐ０を基準として、スタッド１０が溶接面２０ａから離れる方向をプラス方向、溶接面２０ａから、さらに押し込まれる方向をマイナス方向として表している。
【0013】
アークスタッド溶接では、まず、スタッド１０と母材２０との間にパイロットアークを発生させた後、パイロットアークにて流す電流よりも大きい電流を流してメインアークを発生させて母材２０の溶接面２０ａ付近を溶融する。次に、溶融している母材２０の溶接面２０ａに向かってスタッド１０を押し込むことにより、母材２０とスタッド１０とを溶接する。ここで、母材２０が薄板である場合、メインアークにおいて、溶融池が母材の裏面２０ｂにまで達する、いわゆる裏抜けが発生する場合がある。裏抜けが発生した状態で、スタッド１０が押し込まれると、母材２０の裏面２０ｂの溶融金属の一部が飛散し、裏面２０ｂに亀裂が生じるおそれがある。そこで、本実施形態では、メインアークにおける溶接電流の制御に工夫が施されている。これにより、母材２０の裏面２０ｂにおける亀裂の発生を抑制することができる。本実施形態に係るアークスタッド溶接工程について、次に説明する。
【0014】
例えば、制御装置７０が備えるアークスタッド溶接工程の開始を受け付ける開始スイッチが押下されると、アークスタッド溶接工程が開始される。図２に示す工程Ｐ１０において、溶接ガン４０のチャック４１にスタッド１０が把持される。図３に示すように、工程Ｐ１０では、移動機構４２により、スタッド１０は、母材２０の溶接面２０ａから離れている離隔位置Ｐ１に位置される。図２に示す工程Ｐ２０において、移動機構４２により、チャック４１が母材２０に近づくように移動され、スタッド１０は母材２０と接触する。スタッド１０と母材２０とが接触した状態で、電源装置６０により、溶接電圧の出力が開始される。本実施形態では、溶接電流の電流値は、パイロットアーク発生時と同じ電流値に設定される。図３に示すように、工程Ｐ２０では、移動機構４２により、スタッド１０は、母材２０の溶接面２０ａと接触する接触位置Ｐ０に移動される。スタッド１０が接触位置Ｐ０に位置している状態で、溶接電流の電流値が第１電流値Ｉｐとなるように、第１電圧値Ｅｐの溶接電圧が電源装置６０から出力される。
【0015】
図２に示す第１工程Ｐ３０において、移動機構４２により、スタッド１０は母材２０から離される。また、電力制御部７２の制御により、溶接電流は第１電流値Ｉｐに設定される。図３に示すように、スタッド１０と母材２０とが通電している状態で、スタッド１０が母材２０から離れる方向に移動すると、スタッド１０と母材２０との間に、小電流が流れるアーク放電であるパイロットアークが発生する。
【0016】
図２に示す第２工程Ｐ４０において、電力制御部７２の制御により、溶接電流が第２電流値Ｉｍに設定される。第２電流値Ｉｍは、第１電流値Ｉｐよりも大きく、メインアークを発生させる程度に大きい電流値である。図３に示すように、第２工程Ｐ４０では、スタッド１０が離隔位置Ｐ１に位置している状態で、溶接電流の電流値が第２電流値Ｉｍとなるように、第２電圧値Ｅｍの溶接電圧が電源装置６０から出力される。これにより、スタッド１０と母材２０との間に、大電流が流れるアーク放電であるメインアークが発生する。メインアークが発生することにより、母材２０は溶融し、溶融池が形成される。
【0017】
図２に示す工程Ｐ５０において、電力制御部７２の制御により、溶接電流の設定値が、第２電流値Ｉｍよりも小さい第３電流値Ｉａに切り替えられる。第３電流値Ｉａは、メインアークが継続して発生する程度に大きい電流値であり、式（３）を満たす電流値である。
Ｉａ＝α×Ｉｍ・・・式（３）
ただし、０．１≦α≦０．３
上記式（３）を満たすことで、メインアークを安定して維持しつつ、裏面２０ｂを十分に冷却し、凝固することができる。工程Ｐ６０において、予め定められた時間としての後述する第３電流供給時間Ｔａ、第３電流値Ｉａの溶接電流の供給が継続されるため、メインアークは継続して発生する。工程Ｐ５０および工程Ｐ６０を第３工程とも呼ぶ。図３に示すように、工程Ｐ５０では、溶接電流の電流値が第３電流値Ｉａとなるように、第２電圧値Ｅｍより小さい第３電圧値Ｅａの溶接電圧が電源装置６０から出力される。工程Ｐ５０において、溶接電流の電流値が小さく設定されることにより、裏面２０ｂまで母材２０が溶融していた場合にも、母材２０への入熱が抑えられえるため、母材２０の裏面２０ｂ付近を凝固させることができる。よって、次の第４工程Ｐ７０において、スタッド１０が母材２０に押し込まれても、亀裂の発生を抑制することができる。
Ｉａ＝α×Ｉｍ・・・式（３）
ただし、０．１≦α≦０．３
上記式（３）を満たすことで、メインアークを安定して維持しつつ、裏面２０ｂを十分に冷却し、凝固することができる。工程Ｐ６０において、予め定められた時間としての後述する第３電流供給時間Ｔａ、第３電流値Ｉａの溶接電流の供給が継続されるため、メインアークは継続して発生する。工程Ｐ５０および工程Ｐ６０を第３工程とも呼ぶ。図３に示すように、工程Ｐ５０では、溶接電流の電流値が第３電流値Ｉａとなるように、第２電圧値Ｅｍより小さい第３電圧値Ｅａの溶接電圧が電源装置６０から出力される。工程Ｐ５０において、溶接電流の電流値が小さく設定されることにより、裏面２０ｂまで母材２０が溶融していた場合にも、母材２０への入熱が抑えられえるため、母材２０の裏面２０ｂ付近を凝固させることができる。よって、次の第４工程Ｐ７０において、スタッド１０が母材２０に押し込まれても、亀裂の発生を抑制することができる。
【0018】
図２に示す第４工程Ｐ７０において、移動機構４２により、スタッド１０が母材２０に押し込まれ、電源装置６０による溶接電圧の出力が停止され、溶接工程は終了する。図３に示すように、第４工程Ｐ７０では、スタッド１０は、接触位置Ｐ０からさらに母材２０へ向かう方向に移動される。これにより、母材２０に形成された溶融池にスタッド１０が押し込まれる。溶接電圧の出力は、スタッド１０の移動が開始される時期と同時期に停止される。溶接電圧の出力が停止されると、入熱は停止されるため、溶融金属は冷却されて凝固し、スタッド１０と母材２０とが接合される。
【0019】
図３に示す溶接時間Ｔｍ、具体的には、溶接電流の電流値を第１電流値Ｉｐから第２電流値Ｉｍに切り替える時から、スタッド１０の押し込みを開始する時までの時間は、母材２０の材料や板厚などにより調整される。溶接時間Ｔｍは、母材２０の材料および板厚に応じて予め実験などにより定められており、予め制御装置７０のメモリに記憶されている。そして、制御装置７０は、記憶されている溶接時間Ｔｍを用いて、電源装置６０を制御する。本実施形態では、溶接時間Ｔｍは、４０ｍｓ程度である。第３電流供給時間Ｔａ、具体的には、溶接電流の電流値を第２電流値Ｉｍから第３電流値Ｉａに切り替える時から、スタッド１０の押し込みを開始する時までの期間は、溶接時間Ｔｍの３割以下程度が好ましい。本実施形態では、第３電流供給時間Ｔａは、２ｍｓ以上１０ｍｓ以下である。第３電流供給時間Ｔａを上記の範囲とすることで、裏面２０ｂを十分に冷却して、裏面２０ｂの溶融金属を凝固しつつ、母材２０に形成される溶融池を十分に成長させることができる。スタッド１０の押し込みを開始する前に、溶接電流の電流値を小さくすることにより、裏面２０ｂまで母材２０が溶融していた場合にも、母材２０への入熱が抑えられえるため、母材２０の裏面２０ｂ付近を凝固させることができる。よって、裏面２０ｂにおける亀裂の発生を抑制することができる。
【0020】
図４を用いて、本実施形態に係るアークスタッド溶接工程における効果を説明する。図４は、比較例における、パイロットアーク発生時、メインアーク発生時、および溶接終了時におけるスタッド１０と母材２０との溶融状態を示す模式図である。図４の（ａ）は、パイロットアーク発生時における溶融状態を示す。図４の（ｂ）は、メインアーク発生時における溶融状態を示す。図４の（ｃ）は、溶接終了時における溶融状態を示す。比較例におけるアークスタッド溶接工程では、メインアーク発生時における溶接電流が、図３の破線で示すように、第２電流値Ｉｍに維持される。
【0021】
図４の（ａ）に示すように、パイロットアークは、スタッド１０の軸線付近に発生する。このため、スタッド１０の軸線と溶接面２０ａとの交点である、母材２０の中央部２０ｃに発熱が集中する。これにより、中央部２０ｃ付近に溶融池２００が形成される。次のメインアーク発生時では、スタッド１０の母材２０と対向する対向面の全面からアーク放電が発生する。メインアークにより、パイロットアークにて形成された溶融池２００は成長する。このため、中央部２０ｃ付近の溶融池２００は、中央部２０ｃの周囲の溶融池２００よりも、裏面２０ｂに近づく。図４の（ｂ）に示す状態から、さらに溶融池２００の成長が進むと、中央部２０ｃ付近の溶融池２００が裏面２０ｂから露出する裏抜け状態となる。図４の（ｃ）に示すように、裏抜けした状態でスタッド１０が押し込まれると、スタッド１０が与える運動エネルギーにより、裏面２０ｂの溶融金属の一部が飛散する。その後、裏面２０ｂが冷却され凝固すると、溶融金属が飛散した部分付近に亀裂が生じる。この点、本実施形態では、スタッド１０が母材２０に押し込まれる前に、溶接電流が第３電流値Ｉａに設定され、入熱が抑えられるため、裏面２０ｂ付近の溶融金属は凝固し、溶融池２００は、概ね図４の（ｃ）の破線で示す位置まで縮まる。よって、その後、スタッド１０が押し込まれても、裏抜けが抑制されているため、亀裂の発生を抑制することができる。
【0022】
以上、説明した第１実施形態に係るアークスタッド溶接方法は、パイロットアークを発生させる第１工程Ｐ３０と、メインアークを発生させる第２工程Ｐ４０と、第２工程Ｐ４０の後に、溶接電流を第３電流値Ｉａに切り替える工程Ｐ５０と、第３電流供給時間Ｔａ経過するまで第３電流値Ｉａの溶接電流を流す工程Ｐ６０とを含む第３工程と、スタッド１０を母材２０に押し込む第４工程Ｐ７０とを備える。第３工程では、溶接電流は、第２工程Ｐ４０における溶接電流である第２電流値Ｉｍよりも小さい第３電流値Ｉａに切り替えられる。よって、母材２０への入熱が抑えられ、母材２０の裏面２０ｂが溶融していた場合にも、裏面２０ｂの溶融金属は冷えて固まるため、その後の第４工程Ｐ７０にてスタッド１０が押し込まれても裏面２０ｂにおける亀裂の発生が抑制される。
【0023】
第３電流値Ｉａは、上記の式（３）を満たす。よって、工程Ｐ６０において、メインアークを発生させつつ、入熱を抑えることができるため、母材２０の溶接面２０ａに形成された溶融池２００を維持しつつ、裏面２０ｂを固めることができる。よって、裏面２０ｂにおける亀裂の発生を抑制しつつ、スタッド１０を溶接することができる。また、第３電流供給時間Ｔａは、２ｍｓ以上１０ｍｓ以下に設定される。よって、母材２０の裏面２０ｂが溶融していた場合にも、裏面２０ｂを確実に冷えて固めることができる。
【0024】
Ｂ．第２実施形態：
図５は、第２実施形態に係る第４工程Ｐ７０におけるスタッド１０の位置と時間との関係を示す図である。第２実施形態では、第１実施形態に対して、アークスタッド溶接工程の第４工程Ｐ７０において、さらに工夫が施されている。第４工程Ｐ７０を除く工程は、第１実施形態と同じであるため、説明を省略する。また、本実施形態では、移動機構４２は、ソレノイドではなく、リニアモータを用いて構成されており、チャック４１の移動速度は、位置制御部７１の指令によって制御される。
図５は、第２実施形態に係る第４工程Ｐ７０におけるスタッド１０の位置と時間との関係を示す図である。第２実施形態では、第１実施形態に対して、アークスタッド溶接工程の第４工程Ｐ７０において、さらに工夫が施されている。第４工程Ｐ７０を除く工程は、第１実施形態と同じであるため、説明を省略する。また、本実施形態では、移動機構４２は、ソレノイドではなく、リニアモータを用いて構成されており、チャック４１の移動速度は、位置制御部７１の指令によって制御される。
【0025】
図５に示すように、本実施形態では、第４工程Ｐ７０において、スタッド１０を母材２０に押し込む速度が２段階に調整される。具体的には、時刻ｔ１から時刻ｔ２までの期間は、第１速度Ｖ０で移動され、時刻ｔ２から時刻ｔ３までの期間は、第１速度Ｖ０よりも小さい第２速度Ｖ１で移動される。時刻ｔ１から時刻ｔ２までの期間における、第１速度Ｖ０でスタッド１０を母材２０に近づける工程を第１移動工程とも呼ぶ。第１速度Ｖ０よりも小さい第２速度Ｖ１でスタッド１０を母材２０に押し込む工程を第２移動工程とも呼ぶ。ここで、第２速度Ｖ１は、次の式（４）で示される。
Ｖ１＝β×Ｖ０・・・式（４）
ただし、０．１≦β≦０．５、かつＶ１≦０．１ｍｍ／ｍｓ
つまり、スタッド１０が母材２０に接触する時の第２速度Ｖ１は、スタッド１０の押し込み開始時の第１速度Ｖ０に対して小さく設定される。これにより、母材２０がスタッド１０から受ける運動エネルギーを小さくすることができる。よって、亀裂の発生をさらに、抑制することができる。第２速度Ｖ１が、上記式（４）を満たすことで、溶融金属の飛散を抑制しつつ、スタッド１０を十分な力で母材２０へ押し込み、十分な溶接強度とすることができる。
Ｖ１＝β×Ｖ０・・・式（４）
ただし、０．１≦β≦０．５、かつＶ１≦０．１ｍｍ／ｍｓ
つまり、スタッド１０が母材２０に接触する時の第２速度Ｖ１は、スタッド１０の押し込み開始時の第１速度Ｖ０に対して小さく設定される。これにより、母材２０がスタッド１０から受ける運動エネルギーを小さくすることができる。よって、亀裂の発生をさらに、抑制することができる。第２速度Ｖ１が、上記式（４）を満たすことで、溶融金属の飛散を抑制しつつ、スタッド１０を十分な力で母材２０へ押し込み、十分な溶接強度とすることができる。
【0026】
以上、説明した第２実施形態によれば、第４工程Ｐ７０は、第１速度Ｖ０でスタッド１０を母材２０に近づける第１移動工程と、第１速度Ｖ０よりも小さい第２速度Ｖ１でスタッド１０を母材２０に押し込む第２移動工程とを備える。第１速度Ｖ０よりも小さい第２速度Ｖ１でスタッド１０を母材２０に押し込むことで、母材２０がスタッド１０から受ける運動エネルギーは小さくなるため、さらに、亀裂の発生を抑制することができる。スタッド１０を母材２０に近づける速度は、第２速度Ｖ１よりも大きい第１速度Ｖ０とすることで、第４工程Ｐ７０の所要時間の増加を抑制することができる。また、第２速度Ｖ１は、上記の式（４）を満たす。これにより、第４工程Ｐ７０における亀裂の発生を確実に抑制することができる。
【0027】
Ｃ．他の実施形態：
（Ｃ１）上記第１実施形態では、第４工程Ｐ７０において、溶接電圧の出力は、スタッド１０の移動が開始される時期と同時期に停止される。つまり、溶接電圧の出力停止の時期と、スタッド１０の移動が開始される時期とは同じ時期である。これに対して、溶接電圧の出力停止の時期と、スタッド１０の移動が開始される時期とが異なっていてもよい。具体的には、例えば、スタッド１０の移動が開始された後に、溶接電圧の出力が停止されてもよい。スタッド１０の移動が開始される時期に対する溶接電圧の出力停止の時期に拘わらず、工程Ｐ５０と、その後の第３電流供給時間Ｔａ経過するまで、第３電流値Ｉａの溶接電流が流される工程Ｐ６０とが行われることにより、母材２０への入熱を抑えることができる。
（Ｃ１）上記第１実施形態では、第４工程Ｐ７０において、溶接電圧の出力は、スタッド１０の移動が開始される時期と同時期に停止される。つまり、溶接電圧の出力停止の時期と、スタッド１０の移動が開始される時期とは同じ時期である。これに対して、溶接電圧の出力停止の時期と、スタッド１０の移動が開始される時期とが異なっていてもよい。具体的には、例えば、スタッド１０の移動が開始された後に、溶接電圧の出力が停止されてもよい。スタッド１０の移動が開始される時期に対する溶接電圧の出力停止の時期に拘わらず、工程Ｐ５０と、その後の第３電流供給時間Ｔａ経過するまで、第３電流値Ｉａの溶接電流が流される工程Ｐ６０とが行われることにより、母材２０への入熱を抑えることができる。
【0028】
（Ｃ２）上記第２実施形態では、移動機構４２は、リニアモータを用いて構成されている。移動機構４２の構成の別例として、ボールねじとモータとを用いた構成としてもよい。
【0029】
本開示は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
【符号の説明】
【0030】
１０…スタッド、２０…母材、２０ａ…溶接面、２０ｂ…裏面、２０ｃ…中央部、４０…溶接ガン、４１…チャック、４２…移動機構、４３…レッグ、６０…電源装置、７０…制御装置、７１…位置制御部、７２…電力制御部、８２…第１電力ケーブル、８３…第２電力ケーブル、１００…アークスタッド溶接装置、２００…溶融池、Ｅｐ…第１電圧値、Ｅｍ…第２電圧値、Ｅａ…第３電圧値、Ｉｐ…第１電流値、Ｉｍ…第２電流値、Ｉａ…第３電流値、Ｐ０…接触位置、Ｐ１…離隔位置、Ｐ１０，Ｐ２０，Ｐ５０，Ｐ６０…工程、Ｐ３０…第１工程、Ｐ４０…第２工程、Ｐ７０…第４工程、Ｔｍ…溶接時間、Ｔａ…第３電流供給時間、Ｖ０…第１速度、Ｖ１…第２速度
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】