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Dec 29, 2023

スタッド溶接の新技術

La nuova saldatrice per perni a scarica di condensatori CD110 di Image Industries salda i perni.

Image Industries の新しい CD110 コンデンサ放電スタッド溶接機は、スタッドをわずか 0.01 秒で溶接します。 充電時間は 3 秒未満です。 写真提供：イメージインダストリーズ株式会社

Nelson Stud Welding の新しい NCD+ 3200 コンデンサ放電溶接機は、マイクロプロセッサ制御されています。 鋼、ステンレス鋼、アルミニウム、銅、真鍮に直径 3/8 インチまでのスタッドを溶接できます。 写真提供：Nelson Stud Welding Inc.

ねじ付きスタッドはスタッド溶接用の最も一般的な留め具ですが、この技術はピン、タブ、フック、ループ、ブラケット、油圧継手の取り付けにも使用できます。 写真提供：イメージインダストリーズ株式会社

Nelson Stud Welding の新しい KSE 1000 は、自動ドローアーク スタッド溶接アプリケーション用のサーボ駆動溶接ヘッドです。 写真提供：Nelson Stud Welding Inc.

ロボットは、ファスナーのサイズと材質に応じて、1 分間に複数のスタッドを溶接できます。 ネルソン スタッド ウェルディングは、1 分間に 20 個のスタッドを溶接できる新しい技術の開発に取り組んでいます。 写真提供：Nelson Stud Welding Inc.

スタッド溶接は自動車業界で数多くの用途に使用されています。 写真提供: ベーム プレス鋼

スタッド溶接は容易に自動化されます。 このセルでは、ロボットが固定された溶接工に部品を提示します。 ただし、溶接ガンはロボットに取り付けることもできます。 写真提供：The Roueche Co. LLC

自動化されたアプリケーションの場合、スタッドは振動ボウルから供給され、空気圧ホースを介して溶接ガンに吹き付けられます。 写真提供：ソリソル。

最近では、あらゆる種類のメーカーが、コスト削減の潜在的な源としてエネルギー消費量に注目しています。世界最大規模で最も高価な製品を製造しているメーカーも同様です。

メイン州バースにあるゼネラル ダイナミクス バース製鉄所は、アメリカ海軍の駆逐艦やその他の軍艦を建造しています。 駆逐艦 1 隻の価格は 6 億 4,000 万ドルを超えることもありますが、防衛大手は、そのボートに最も小さく最低の技術部品の 1 つ、つまりフレームや壁に溶接されたスタッド、ピン、ブラケット、その他の留め具の 1 つを取り付けるコストを検討することを止めませんでした。そして隔壁。

1 隻の海軍の艦船には、このような溶接留め具が何百万個も搭載されている可能性があります。 そこで数年前、ゼネラル・ダイナミクス社と同じく造船会社のハンティントン・インガルス・インダストリーズ社は、ネルソン・スタッド・ウェルディング社と協力して、古いスタッド溶接装置をよりエネルギー効率の高い新しいモデルに交換することでどれだけのエネルギーを節約できるかを定量化しました。 2012 年 5 月に発表された彼らの結果は驚くべきものでした。

具体的には、この研究では、ドローアーク式スタッド溶接機の新しいモデル（インバータ電源を搭載）と古いモデル（タイマーボックスまたは変圧器整流技術を搭載）を比較しました。 この研究では、コンデンサ放電スタッド溶接機の新しいモデル（スイッチモード電源を搭載）と古いモデル（変圧器整流技術を搭載）も比較しました。 この機器は、管理された実験室環境とさまざまな造船所の両方でテストされました。

研究者らは、スタッド溶接機はデューティサイクルが低いため、実際にアイドル状態のときに最も多くのエネルギーを消費することを発見しました。 対照的に、最新の機器はアイドル時の消費電力が 20 ～ 24 分の 1 です。 研究者らは、古いスタッド溶接技術が置き換えられた場合、電源あたり年間 842 ～ 1,013 ドル、またはスタッドあたり 0.128 ～ 0.154 ドルを節約できると見積もっています。 700 台の古いスタッド溶接機を新しいモデルにアップグレードすることで、造船所は合計で年間 589,000 ドルから 708,000 ドルを節約できます。 (レポートをダウンロードするには、ここをクリックしてください: http://bit.ly/1nCqtSp。)

スタッド溶接は、電気アークで両方の部品を加熱することによって、金属スタッドを金属ワークピースに接合するプロセスです。 ワークピースには片側からのみアクセスできる必要があります。

この方法では、ねじ付きスタッド、ピン、タブ、タップ付きソケット、フック、ループ、ブラケット、油圧継手、ホースやワイヤー ハーネスの固定などの特定の作業に適した特殊なハードウェアなど、さまざまな留め具を溶接できます。

このテクノロジーは無数の業界や用途で使用されています。 たとえば、自動車産業では、ヒートシールド、パワーステアリングアセンブリ、排気システム、その他のコンポーネントに使用されています。 また、航空宇宙アセンブリ、トラクター、業務用食器洗浄機、オフィス家具、エアコン、バーベキューグリル、調理器具にも使用されています。

スタッド溶接には、引出アークとコンデンサ放電という 2 つの基本技術があります。

描画アーク技術では、アークを生成するための DC 電源、溶接ガン、および熱を集中させて金属の溶融池を保持する使い捨てセラミック フェルールが必要です。 スタッドはガンのチャックに装着され、端にフェルールが取り付けられます。 次にガンをワークピースに当てます。

トリガーが引かれると、電源はガンの内部リフト機構を作動させる信号を送信し、スタッドを持ち上げてパイロット アークを描きます。 このアークは、直後に続く溶接電流の経路を確立します。

十分なアーク放電時間が経過すると、溶接池が形成され、リフト機構の電源が切られます。 これにより、スタッドが溶融金属に突入します。 スタッドと母材金属が結合すると、金属が冷えて溶接が形成されます。 スタッドに埋め込まれたフラックスは作業中に蒸発し、溶接部をきれいに保ちます。

コンデンサの放電技術では、急速な放電を生成するために溶接ガンとコンデンサ蓄電システムが必要です。 フェルールやフラックスは必要ありませんが、スタッドの溶接端に特別な突起が必要です。

コンデンサの放電溶接には接触溶接とギャップ溶接の 2 つの手法があります。 接触溶接では、スタッドがガンに装填され、ワー​​クピースに接触して配置されます。 エネルギーはスタッドの突起を通じてコン​​デンサから瞬時に放出されます。 突起が蒸発して隙間が生じ、アークが形成されます。 スタッドとワークピースが溶け始めると、それらは強制的に結合され、溶接が行われます。 ギャップ溶接では、スタッドはワークピースの上ではなくワークピースの上に配置されます。

「コンデンサの放電は非常に迅速なプロセスです」と Image Industries Inc. の共同所有者、Blake Hobson 氏は説明します。「溶接時間の範囲は 2 ～ 12 ミリ秒で、母材への浸透深さは 0.002 ～ 0.004 インチと浅いです。

「アーク溶接では、50 ミリ秒から 1.5 秒の溶接時間を実現できます。母材への溶け込みは 0.125 インチにも達します。

「コンデンサの放電は、美観を必要とする用途に最適です。ドローアーク溶接は、構造用途に適しています。」

技術的には、スタッド溶接技術における最大の変化は電源にあります。

「伝統的に、引出アークユニットは非常に大きな変圧器を備えた変圧器整流器によって電力を供給されてきました」とネルソン・スタッド・ウェルディング社の製品管理ディレクターであるダグ・フィリップス氏は述べています。 「ユニットに電源が入っている限り、変圧器を動かし続けるためだけに非常に高い割合で電力を消費します。そしてもちろん、溶接時には追加の電力も消費します。

「現在、インバータ電源を備えた描画アークユニットが利用可能です。これらの溶接機には、大幅に小型の変圧器が搭載されています。非常に高速で変圧器の一次電源を切り替えるため、変圧器からの損失は、ユニットが実際に溶接しているときにのみ発生します。ユニットは溶接を行っていないため、消費電力はほとんどありません。」

ただし、インバーター技術はより高価です。 「ほとんどのメーカーは依然として引出アークスタッド溶接に変圧器整流器を使用しています」とホブソン氏は認めます。 「インバータは依然として非常に高価です。」

電源供給の改善は別として、スタッド溶接技術の向上はほぼ段階的に行われています。 軽量のサーボ駆動溶接ヘッドにより、自動溶接アプリケーションが容易になります。 マイクロプロセッサ制御により、エンジニアは電流、電圧、時間などのプロセス変数を設定および監視できるようになります。 溶接中に消費されるエネルギー量の変化は、アセンブリの不良を示している可能性があります。

一部のサプライヤーは現在、複数の溶接ガンを実行できる装置を提供しています。 これにより、1 つの電源で複数の溶接ステーションにサービスを提供したり、1 つのステーションに複数のガンを装備したりすることができます。 たとえば、1 つのガンを 1/4 インチ ファスナー用に予約し、別のガンを 5/8 インチ ファスナー用に設定することができます。 これによりセットアップ時間が節約されます。

「チャックの交換はわずか 5 分の雑務ですが、それを 1 日に 10 ～ 15 回行うと、1 時間以上の生産が失われる可能性があります」とホブソン氏は指摘します。 あ

車両重量を軽減するために、自動車メーカーはボディ部品に高合金鋼を使用するケースが増えています。 この材料は非常に強いため、自動車メーカーは非常に薄いシートを使用する必要がなくなります。

ただし、軽量化に適したものでも、スタッド溶接には最適とは限りません。 コンデンサ放電スタッド溶接でも肉厚0.5ミリで限界に達します。 溶接が実行可能な場合でも、外観上の理由から望ましくないことがよくあります。

この問題を解決するために、DELO Industrial Adhesives LLC とファスナー製造会社 Böllhoff Inc. は、薄いシートにスタッドを取り付けるための溶接に代わる方法、つまり UV 硬化接着剤を使用した接着方法を開発しました。

ONSERT と呼ばれるこの新しい技術は、UV 硬化接着剤 (アクリレートまたはエポキシ) と特殊なバイマテリアルファスナーを組み合わせたものです。 ファスナーは、半透明または透明のプラスチックで成形されたフランジを備えた金属スタッドまたはインサートで構成されます。 プラスチックにより、UV 光が接合ラインに到達し、5 秒以内に接着剤が硬化します。

この技術は、ガラス、プラスチック、炭素繊維強化ポリマーなどの金属基板と非金属基板の両方に使用できます。 陰極浸漬塗装などの表面処理を施した金属にも使用できます。

スタッド接合のもう 1 つの利点は、必要なエネルギーが溶接よりも大幅に少ないことです。 直径 6 ミリメートルのスタッドを厚さ 1 ミリメートルの亜鉛メッキ鋼板に溶接するには、溶接機は 18 キロアンペアの電流を 100 ミリ秒間流す必要がある場合があります。 これには 3.6 キロジュールのエネルギーが消費されます。

対照的に、LED は、波長 400 ナノメートルの UV 光を関節に 5 秒間照射する必要がある場合があります。 消費するのはわずか0.6キロジュールです。

詳細については、www.boellhoff.com/en/de/assembly_systems/adhesion_of_fasteners.php をご覧ください。