スタッド溶接用フェルール
【課題】発生する高温ガスをスタッド挿入孔の上端部から噴出させるようにしたスタッド溶接用フェルールにおいて、溶接部が最適な余盛形状となるようにして、溶接部の疲労強度を向上させることができるようにしたスタッド溶接用フェルールを提供すること。
【解決手段】スタッド挿入孔３の上部の内周面３ａに、この内周面３ａとスタッドＳの外周面との間隔を保持するための複数個の突出部６を形成するとともに、スタッド挿入孔３の下端部の内周面３ｃの内径Ｄ２を、溶融金属の滞留部２０となるスタッド挿入孔３の下部の内周面３ｂの円錐台面４の端部の内径Ｄ１より大きな円筒面５に形成する。
【解決手段】スタッド挿入孔３の上部の内周面３ａに、この内周面３ａとスタッドＳの外周面との間隔を保持するための複数個の突出部６を形成するとともに、スタッド挿入孔３の下端部の内周面３ｃの内径Ｄ２を、溶融金属の滞留部２０となるスタッド挿入孔３の下部の内周面３ｂの円錐台面４の端部の内径Ｄ１より大きな円筒面５に形成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スタッド溶接用フェルールに関し、特に、スタッドの溶接部の疲労強度を向上させることができるスタッド溶接用フェルールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、スタッド溶接を行う際に、溶接部近傍域の空気の流通を遮断することによって、発生したアークによって溶融した金属が空気と接触することによって酸化されることを防止し、良好な溶接を行うことができるようにすることを目的として、セラミック製のスタッド溶接用フェルールが使用されている。
【０００３】
このスタッド溶接用フェルールは、例えば、図６に示すように、母材Ｗに接するフェルール３０の周壁３１の端面３３にガス抜き溝３４を、周壁３１の内部に中空部３２を、さらに、端面３３の反対側にスタッド挿入孔３５をそれぞれ形成して構成し、フェルール３０の周壁３１によりスタッドＳの溶接部の外周を囲むように、スタッド溶接ガン（図示省略）に装着して使用するようにしている。
【０００４】
ところで、上記従来のスタッド溶接用フェルールは、溶接により発生する高温ガスの一部がフェルール３０の下端に放射状に形成したガス抜き溝３４から噴出するのに合わせて、溶融した金属が噴出し、溶接部の強度に寄与しないガス抜き溝３４に沿った溶接バリが生じたり、ガス抜き溝３４から噴出しきれないガス（以下、「余剰ガス」という。）が、フェルール３０のスタッド挿入孔３５の下端部の内周面に当たって、溶融した金属と母材Ｗとが接する箇所に回り込み、当該箇所で、余剰ガスのガス圧によって溶融した金属によって形成される溶接部が堰き止められ、広がりのある理想的な余盛形状と比較して、溶接部の疲労強度が低下するという問題があった。
また、フェルール３０のスタッド挿入孔３５の下端部の内周面に余剰ガスが当たることによって、フェルール３０の一部が溶解し、この溶解したガラス状の溶解成分が、溶融した金属と母材Ｗとが接する箇所に入り込むことによって、溶接部の疲労強度が低下するという問題もあった。
【０００５】
この問題に対処するため、溶接により発生する高温ガスを、スタッド挿入孔の上端部から噴出させる、上吹きタイプのスタッド溶接用フェルールが提案されている。
【０００６】
このスタッド溶接用フェルール４０は、図７に示すように、スタッド挿入孔４５の上部４５ａの内周面に、該内周面とスタッドＳの外周面との間隔を保持するための複数個の上下方向に延びる突出部４６を等間隔に形成し、スタッド挿入孔４５の内周面とスタッドＳの外周面との隙間から発生する高温ガスを噴出させるように構成したもので、スタッド挿入孔４５の下部に連なる周壁４１の内周面４３を、アークによって溶融した金属の滞留部４２を形成する余盛用の壁面となるようにしている。
【０００７】
そして、周壁４１の内周面４３を、スタッド挿入孔４５より大径とした円筒面からなる内周面４３Ａ（図７（ａ）参照）としたり、円錐台面からなる内周面４３Ｂ（図８（ａ）参照）、さらには、前記円錐台面の傾斜面を弧状に形成した内周面４３Ｃ（図８（ｂ）参照）とすることによって、滞留部４２を形成するようにしている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】実開昭６１−２００６６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、上記従来のスタッド溶接用フェルール４０のうち、フェルール４０の周壁４１の内周面を、図７（ａ）に示すように、スタッド挿入孔４５より大径とした円筒面からなる内周面４３Ａとして、滞留部４２を形成するようにしたものは、図６に示すフェルール３０のガス抜き溝３４から溶融した金属が噴出するという問題点を解消できるものの、ガス抜き溝３４がない分、発生した高温ガスのうちスタッド挿入孔４５の上端部から噴出しきれない余剰ガスが、フェルール４０のスタッド挿入孔４５の下端部の内周面に当たって、溶融した金属と母材Ｗとが接する箇所に回り込みやすく（図７（ｂ）に示す矢符方向）、当該箇所で、余剰ガスのガス圧によって溶融した金属によって形成される溶接部Ｕが堰き止められ、広がりのある理想的な余盛形状と比較して、溶接部の疲労強度が低下するという問題があった。
また、フェルール４０のスタッド挿入孔４５の下端部の内周面に余剰ガスが当たることによって、フェルール４０の一部が溶解し、この溶解したガラス状の溶解成分が、溶融した金属と母材Ｗとが接する箇所に入り込むことによって、溶接部の疲労強度が低下するという問題もあった。
また、フェルール４０の周壁４１の内周面を、図８（ａ）に示すように、円錐台面からなる内周面４３Ｂ、さらには、図８（ｂ）に示すように、前記円錐台面の傾斜面を弧状に形成した内周面４３Ｃとしたものは、余剰ガスがフェルール４０の周壁４１の内周面に沿って外周側に若干逃げやすくなるものの、余剰ガスのガス圧の影響によって溶融した金属が外周側に流れにくく、このため、溶接部の断面積が拡大しないため、溶接部の強度、特に、疲労強度を高めることができなかった。
また、フェルール４０のスタッド挿入孔４５の下端部の内周面に余剰ガスが当たることによってフェルール４０が溶解したガラス状の溶解成分を、フェルール４０の周壁４１の内周面と母材Ｗとの隙間で完全に吸収することができないため、溶解したガラス状の溶解成分が溶融した金属と母材Ｗとが接する箇所に入り込むことによって溶接部の疲労強度が低下するという問題を完全に解消できるものではなかった。
【００１０】
本発明は、上記従来のスタッド溶接用フェルールの有する問題点に鑑み、発生する高温ガスをスタッド挿入孔の上端部から噴出させるようにしたスタッド溶接用フェルールにおいて、溶接部が最適な余盛部分となるようにして、溶接部の疲労強度を向上させることができるようにしたスタッド溶接用フェルールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するため、本発明のスタッド溶接用フェルールは、スタッド挿入孔の上部の内周面に、該内周面とスタッドの外周面との間隔を保持するための複数個の突出部を形成するとともに、スタッド挿入孔の下端部の内周面の内径を、溶融金属の滞留部となるスタッド挿入孔の下部の内周面の内径より大きな円筒面に形成したことを特徴とする。
【００１２】
この場合において、溶融金属の滞留部となるスタッド挿入孔の下部の内周面の内径を、スタッド挿入孔の上部の内周面の内径と同一に形成することができる。
【００１３】
また、溶融金属の滞留部となるスタッド挿入孔の下部の内周面の内径を、スタッド挿入孔の上部の内周面の内径より大きく形成することができる。
【００１４】
また、前記スタッド挿入孔の下端部の円筒面に形成する内周面の内径を、溶融金属の滞留部となるスタッド挿入孔の下部の内周面の内径の１．２〜１．４倍に、該内周面の高さ方向の寸法を、１〜２ｍｍに設定することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明のスタッド溶接用フェルールによれば、スタッド挿入孔の上部の内周面に、該内周面とスタッドの外周面との間隔を保持するための複数個の突出部を形成するとともに、スタッド挿入孔の下端部の内周面の内径を、溶融金属の滞留部となるスタッド挿入孔の下部の内周面の内径より大きな円筒面に形成することにより、溶接により発生する高温ガスをスタッド挿入孔の上端部から噴出させる上吹きタイプのスタッド溶接用フェルールにおいて、溶融金属の滞留部となるスタッド挿入孔の下部の内周面の内径より大きい円筒面に形成したスタッド挿入孔の下端部の内周面によって、余剰ガスを逃がす大きな空間を形成して、余剰ガスのガス圧の影響を低減することができる。これにより、溶融した金属が外周側に流れやすくなり、このため、溶接部の断面積が拡大し、溶接部の強度、特に、疲労強度を高めることができる。
また、フェルールのスタッド挿入孔の下端部の内周面に余剰ガスが当たることによってフェルールが溶解したガラス状の溶解成分を、溶融金属の滞留部となるスタッド挿入孔の下部の内周面の内径より大きい円筒面に形成したスタッド挿入孔の下端部の内周面によって形成した空間で完全に吸収することができる。これにより、溶解したガラス状の溶解成分が溶融した金属と母材とが接する箇所に入り込むことがなく、溶接部の強度、特に、疲労強度を高めることができる。
【００１６】
また、溶融金属の滞留部となるスタッド挿入孔の下部の内周面の内径を、スタッド挿入孔の上部の内周面の内径と同一に形成することにより、溶接により発生する高温ガスをスタッド挿入孔の上端部から噴出させやすくして、余剰ガスのガス圧の影響を低減することができる。
【００１７】
また、溶融金属の滞留部となるスタッド挿入孔の下部の内周面の内径を、スタッド挿入孔の上部の内周面の内径より大きく形成することにより、溶融した金属が最適な余盛部分となるような滞留部を確実に形成するようにすることができる。
【００１８】
また、前記スタッド挿入孔の下端部の円筒面に形成する内周面の内径を、溶融金属の滞留部となるスタッド挿入孔の下部の内周面の内径の１．２〜１．４倍に、該内周面の高さ方向の寸法を、１〜２ｍｍに設定することにより、余剰ガスの逃げ部及びフェルールが溶解したガラス状の溶解成分の吸収部としての十分な空間（容積）を確保し、溶融した金属が最適な余盛部分となるようにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明のスタッド溶接用フェルールの一実施例を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【図２】同スタッド溶接用フェルールを用いた場合のスタッド溶接の説明図で、（ａ）はスタッドにフェルールを取り付けた状態を、（ｂ）はスタッドの溶接部の概略図である。
【図３】同スタッド溶接用フェルールを用いた場合と、従来のスタッド溶接用フェルールを用いた場合のスタッド溶接部の疲労強度を示す両対数疲労曲線図である。
【図４】本発明のスタッド溶接用フェルールの変形実施例を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【図５】同スタッド溶接用フェルールを用いた場合のスタッド溶接の説明図で、（ａ）はスタッドにフェルールを取り付けた状態を、（ｂ）はスタッドの溶接部の概略図である。
【図６】従来のスタッド溶接用フェルールを示す一部断面の正面図である。
【図７】従来の上吹きタイプのスタッド溶接用フェルールを示し、（ａ）は周壁の内周面を円筒面としたものを示す一部断面の正面図、（ｂ）はこのスタッド溶接用フェルールを用いた場合のスタッド溶接の説明図である。
【図８】従来の上吹きタイプのスタッド溶接用フェルールを示し、（ａ）は周壁の内周面を円錐台面としたものを示す一部断面の正面図、（ｂ）は周壁の内周面を前記円錐台面の傾斜面を弧状としたものを示す一部断面の正面図、（ｃ）は（ｂ）に示すスタッド溶接用フェルールを用いた場合のスタッド溶接の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明のスタッド溶接用フェルールの実施の形態を、図面に基づいて説明する。
【００２１】
図１〜図２に、本発明のスタッド溶接用フェルールの一実施例を示す。
【００２２】
このスタッド溶接用フェルール１は、スタッド挿入孔３の上部の内周面３ａに、この内周面３ａとスタッドＳの外周面との間隔を保持するための複数個の上下方向に延びる突出部６を形成するとともに、スタッド挿入孔３の下端部の内周面３ｃの内径Ｄ２を、溶融金属の滞留部２０となるスタッド挿入孔３の下部の内周面３ｂの内径Ｄ１より大きな円筒面５に形成するようにしている。
【００２３】
スタッド挿入孔３の下部の内周面３ｂは、スタッドＳの溶接部の余盛部分を決定する溶融金属の滞留部２０を形成するものである。
そして、溶融金属の滞留部２０が小さすぎる場合には、溶接部を十分な大きさの余盛部分とすることができず、また、大きすぎる場合には、スタッド溶接用フェルールの本来の機能を果たせないものとなるため、スタッド挿入孔３の下部の内周面３ｂの内径Ｄ１は、スタッドＳの直径Ｄｓの１．２〜１．４倍（図示の実施例（直径１６ｍｍスタッド溶接用フェルール）においては、溶融金属の滞留部２０となるスタッド挿入孔３の下部の内周面３ｂの内径Ｄ１を、スタッド挿入孔３の上部の内周面３ａの内径Ｄと同じ、２１ｍｍ）に設定するようにしている。
【００２４】
ところで、本実施例においては、溶融金属の滞留部２０となるスタッド挿入孔３の下部の内周面３ｂの内径Ｄ１を、スタッド挿入孔３の上部の内周面３ａの内径Ｄと同一に形成することにより、溶接により発生する高温ガスをスタッド挿入孔３の上端部から噴出させやすくしたが、図４〜図５に示す変形実施例のように、溶融金属の滞留部２０となるスタッド挿入孔３の下部の内周面３ｂの内径Ｄ１を、スタッド挿入孔３の上部の内周面３ａの内径Ｄより大きく形成する（この変形実施例においては、溶融金属の滞留部２０となるスタッド挿入孔３の下部の内周面３ｂを下方に向けて内径が漸次拡大する円錐台面４からなる内周面に形成するようにしている。）ことができる。
【００２５】
そして、図４〜図５に示す変形実施例においては、スタッド挿入孔３の下部の円錐台面４からなる内周面３ｂの下端の内径Ｄ１を、スタッド挿入孔３の内径Ｄの１．０５〜１．２５倍、より好ましくは、１．１〜１．２倍（図示の実施例（直径１６ｍｍスタッド溶接用フェルール）においては、スタッド挿入孔３の内径Ｄを１９ｍｍ、円錐台面４に形成する内周面３ｂの下端の内径Ｄ１を２１ｍｍ（スタッド挿入孔３の内径Ｄの１．１倍））に、内周面３ｂの高さ方向の寸法Ｈ１を、スタッド挿入孔３の内径Ｄの０．１〜０．４倍、より好ましくは、０．１５〜０．３倍（図示の実施例（直径１６ｍｍスタッド溶接用フェルール）においては、スタッド挿入孔３の内径を１９ｍｍ、円錐台面４に形成する内周面３ｂの下端の内径Ｄ１の内径を２１ｍｍ、スタッド挿入孔３の上部の内周面３ａに対する円錐台面４からなる内周面３ｂの傾斜角度θを１５°として、内周面３ｂの高さ方向の寸法Ｈ１を３．７ｍｍ（スタッド挿入孔３の内径Ｄの０．２倍））に、それぞれ設定するようにしている。
【００２６】
なお、スタッド挿入孔３の下部の内周面３ｂの形状は、図１〜図２に示す実施例の円筒面としたり、図４〜図５に示す変形実施例の円錐台面４とするほか、傾斜面を弧状に形成することができる。
この場合も、内周面３ｂの下端の内径Ｄ１及び内周面３ｂの高さ方向の寸法Ｈ１は、上記の数値を適用するようにする。
【００２７】
スタッド挿入孔３の下端部の円筒面５からなる内周面３ｃは、余剰ガスを逃がすための大きな空間を形成して、余剰ガスのガス圧の影響を低減するためのもので、この空間を形成することによって、溶融した金属が外周側に流れやすくなり、溶融した金属が最適な余盛部分となるようにすることができ、このため、溶接部の断面積が拡大し、溶接部の強度、特に、疲労強度を高めることができる。
また、併せて、フェルール１が溶解したガラス状の溶解成分を、上記空間で完全に吸収することができ、これによって、溶解したガラス状の溶解成分が溶融した金属と母材とが接する箇所に入り込むことがなく、溶接部の強度、特に、疲労強度を高めることができる。
そして、このような役割を果たす空間（容積）が形成されるように、その内径Ｄ２及び高さ方向の寸法Ｈ２を設定する必要がある。
そして、具体的には、スタッド挿入孔３の下端部の円筒面５からなる内周面３ｃの内径Ｄ２を、溶融金属の滞留部となるスタッド挿入孔３の下部の内周面３ｂの内径Ｄ１の１．２〜１．４倍（図示の実施例（直径１６ｍｍスタッド溶接用フェルール）においては、円筒面５からなる内周面３ｃの内径Ｄ２を２７．５ｍｍ（スタッド挿入孔３の下部の内周面３ｂの内径Ｄ１のスタッド挿入孔３の内径Ｄの１．３倍））に、内周面３ｂの高さ方向の寸法Ｈ２を、１〜２ｍｍ（図示の実施例（直径１６ｍｍスタッド溶接用フェルール）においては、１．２ｍｍ）に、それぞれ設定するようにしている。
【００２８】
また、スタッド挿入孔３の上部の内周面３ａに形成する、内周面３ａとスタッドＳの外周面との間隔を保持するための複数個の上下方向に延びる突出部６は、スタッドＳとスタッド挿入孔３との間に所定の隙間を形成し、発生する高温ガスをスタッド挿入孔３の上端部から噴出させるように構成するものであれば、特に限定されるものではなく、本実施例においては、内周面３ａに等間隔で４箇所に等間隔に突設して形成するようにしている。
突出部６のスタッド挿入孔３の内径方向の突出寸法は、スタッドＳがある程度の自由度を持ってスタッド挿入孔３に挿入される寸法であれば、特に限定されるものではなく、突出部６の内径方向の面とスタッド挿入孔３に挿入されたスタッドＳの周面との間に、０．２〜１．０ｍｍ程度の間隙が形成される寸法としている。
突出部６のスタッド挿入孔３の高さ方向の寸法は、余盛部分に影響を与えないように、円錐台面４に形成する内周面３ｂにかからない範囲の寸法であれば、特に限定されるものではなく、フェルール１の高さ方向の寸法の１０〜３０％程度の寸法としている。
【００２９】
以下、このスタッド溶接用フェルール１を用いて、母材Ｗに略垂直にスタッドＳを溶接する方法について説明する。
スタッド溶接ガン（図示省略）に、スタッドＳを装着するとともに、このスタッドＳに適合したスタッド挿入孔３を有するスタッド溶接用フェルール１を、フェルール１の周壁２によりスタッドＳの溶接部の外周を囲むようにして、装着するようにする。
【００３０】
次に、スタッド溶接ガンを操作することにより、スタッドＳを母材Ｗに一旦当接した後、離間して、スタッドＳと母材Ｗ間にアークを発生させる。
この場合、フェルール１により、アークによって溶融した金属が、空気と接触することによって酸化されることを防止することができる。
そして、このスタッド溶接用フェルール１は、溶接により発生する高温ガスを、突出部６によって形成されるスタッド挿入孔３の上端部の内周面３ａとスタッドＳの外周面との隙間から噴出させる、上吹きタイプのスタッド溶接用フェルールにおいて、スタッド挿入孔３の下端部に円筒面５からなる内周面３ｃによって余剰ガスを逃がすための大きな空間を形成して、余剰ガスのガス圧の影響を低減することによって、溶融した金属が外周側に流れやすくなり、溶融した金属が最適な余盛部分となるようにすることができ、このため、溶接部の断面積が拡大し、溶接部の強度、特に、疲労強度を高めることができる。
また、併せて、フェルール１が溶解したガラス状の溶解成分を、上記空間で完全に吸収することができ、これによって、溶解したガラス状の溶解成分が溶融した金属と母材とが接する箇所に入り込むことがなく、溶接部の強度、特に、疲労強度を高めることができる。
【００３１】
図３に、上記図１〜図２に示す実施例のスタッド溶接用フェルール及び従来のスタッド溶接用フェルールを用いて溶接したスタッドの溶接部の剪断力（スタッド軸に対して直角方向の力）を繰り返しかけた場合の疲労強度を測定した実験結果（両対数疲労曲線図）を示す。
図３から明らかなように、上記実施例のスタッド溶接用フェルールは、従来のスタッド溶接用フェルールに比べて、疲労強度を大幅に向上させることができた。
【００３２】
以上、本発明のスタッド溶接用フェルールについて、その実施例に基づいて説明したが、本発明は上記実施例に記載した構成に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において適宜その構成を変更することができるものである。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
本発明のスタッド溶接用フェルールは、溶接部が最適な余盛部分となるようにして、溶接部の疲労強度を向上させることができる特性を有していることから、橋梁用の合成ゲタに用いるスタッド等、母材に略垂直にスタッドを溶接する際に用いるスタッド溶接用フェルールの用途に広く好適に用いることができる。
【符号の説明】
【００３４】
１ スタッド溶接用フェルール
２ 周壁
３ スタッド挿入孔
３ａ 内周面
３ｂ 内周面
３ｃ 内周面
４ 円錐台面
５ 円筒面
６ 突出部
Ｄ スタッド挿入孔の内径
Ｄ１ 溶融金属の滞留部となるスタッド挿入孔の下部の内周面の内径
Ｄ２ スタッド挿入孔の下端部の内周面の内径
Ｈ１ 溶融金属の滞留部となるスタッド挿入孔の下部の高さ方向の寸法
Ｈ２ スタッド挿入孔の下端部の内周面の高さ方向の寸法
Ｓ スタッド
Ｗ 母材
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スタッド溶接用フェルールに関し、特に、スタッドの溶接部の疲労強度を向上させることができるスタッド溶接用フェルールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、スタッド溶接を行う際に、溶接部近傍域の空気の流通を遮断することによって、発生したアークによって溶融した金属が空気と接触することによって酸化されることを防止し、良好な溶接を行うことができるようにすることを目的として、セラミック製のスタッド溶接用フェルールが使用されている。
【０００３】
このスタッド溶接用フェルールは、例えば、図６に示すように、母材Ｗに接するフェルール３０の周壁３１の端面３３にガス抜き溝３４を、周壁３１の内部に中空部３２を、さらに、端面３３の反対側にスタッド挿入孔３５をそれぞれ形成して構成し、フェルール３０の周壁３１によりスタッドＳの溶接部の外周を囲むように、スタッド溶接ガン（図示省略）に装着して使用するようにしている。
【０００４】
ところで、上記従来のスタッド溶接用フェルールは、溶接により発生する高温ガスの一部がフェルール３０の下端に放射状に形成したガス抜き溝３４から噴出するのに合わせて、溶融した金属が噴出し、溶接部の強度に寄与しないガス抜き溝３４に沿った溶接バリが生じたり、ガス抜き溝３４から噴出しきれないガス（以下、「余剰ガス」という。）が、フェルール３０のスタッド挿入孔３５の下端部の内周面に当たって、溶融した金属と母材Ｗとが接する箇所に回り込み、当該箇所で、余剰ガスのガス圧によって溶融した金属によって形成される溶接部が堰き止められ、広がりのある理想的な余盛形状と比較して、溶接部の疲労強度が低下するという問題があった。
また、フェルール３０のスタッド挿入孔３５の下端部の内周面に余剰ガスが当たることによって、フェルール３０の一部が溶解し、この溶解したガラス状の溶解成分が、溶融した金属と母材Ｗとが接する箇所に入り込むことによって、溶接部の疲労強度が低下するという問題もあった。
【０００５】
この問題に対処するため、溶接により発生する高温ガスを、スタッド挿入孔の上端部から噴出させる、上吹きタイプのスタッド溶接用フェルールが提案されている。
【０００６】
このスタッド溶接用フェルール４０は、図７に示すように、スタッド挿入孔４５の上部４５ａの内周面に、該内周面とスタッドＳの外周面との間隔を保持するための複数個の上下方向に延びる突出部４６を等間隔に形成し、スタッド挿入孔４５の内周面とスタッドＳの外周面との隙間から発生する高温ガスを噴出させるように構成したもので、スタッド挿入孔４５の下部に連なる周壁４１の内周面４３を、アークによって溶融した金属の滞留部４２を形成する余盛用の壁面となるようにしている。
【０００７】
そして、周壁４１の内周面４３を、スタッド挿入孔４５より大径とした円筒面からなる内周面４３Ａ（図７（ａ）参照）としたり、円錐台面からなる内周面４３Ｂ（図８（ａ）参照）、さらには、前記円錐台面の傾斜面を弧状に形成した内周面４３Ｃ（図８（ｂ）参照）とすることによって、滞留部４２を形成するようにしている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】実開昭６１−２００６６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、上記従来のスタッド溶接用フェルール４０のうち、フェルール４０の周壁４１の内周面を、図７（ａ）に示すように、スタッド挿入孔４５より大径とした円筒面からなる内周面４３Ａとして、滞留部４２を形成するようにしたものは、図６に示すフェルール３０のガス抜き溝３４から溶融した金属が噴出するという問題点を解消できるものの、ガス抜き溝３４がない分、発生した高温ガスのうちスタッド挿入孔４５の上端部から噴出しきれない余剰ガスが、フェルール４０のスタッド挿入孔４５の下端部の内周面に当たって、溶融した金属と母材Ｗとが接する箇所に回り込みやすく（図７（ｂ）に示す矢符方向）、当該箇所で、余剰ガスのガス圧によって溶融した金属によって形成される溶接部Ｕが堰き止められ、広がりのある理想的な余盛形状と比較して、溶接部の疲労強度が低下するという問題があった。
また、フェルール４０のスタッド挿入孔４５の下端部の内周面に余剰ガスが当たることによって、フェルール４０の一部が溶解し、この溶解したガラス状の溶解成分が、溶融した金属と母材Ｗとが接する箇所に入り込むことによって、溶接部の疲労強度が低下するという問題もあった。
また、フェルール４０の周壁４１の内周面を、図８（ａ）に示すように、円錐台面からなる内周面４３Ｂ、さらには、図８（ｂ）に示すように、前記円錐台面の傾斜面を弧状に形成した内周面４３Ｃとしたものは、余剰ガスがフェルール４０の周壁４１の内周面に沿って外周側に若干逃げやすくなるものの、余剰ガスのガス圧の影響によって溶融した金属が外周側に流れにくく、このため、溶接部の断面積が拡大しないため、溶接部の強度、特に、疲労強度を高めることができなかった。
また、フェルール４０のスタッド挿入孔４５の下端部の内周面に余剰ガスが当たることによってフェルール４０が溶解したガラス状の溶解成分を、フェルール４０の周壁４１の内周面と母材Ｗとの隙間で完全に吸収することができないため、溶解したガラス状の溶解成分が溶融した金属と母材Ｗとが接する箇所に入り込むことによって溶接部の疲労強度が低下するという問題を完全に解消できるものではなかった。
【００１０】
本発明は、上記従来のスタッド溶接用フェルールの有する問題点に鑑み、発生する高温ガスをスタッド挿入孔の上端部から噴出させるようにしたスタッド溶接用フェルールにおいて、溶接部が最適な余盛部分となるようにして、溶接部の疲労強度を向上させることができるようにしたスタッド溶接用フェルールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するため、本発明のスタッド溶接用フェルールは、スタッド挿入孔の上部の内周面に、該内周面とスタッドの外周面との間隔を保持するための複数個の突出部を形成するとともに、スタッド挿入孔の下端部の内周面の内径を、溶融金属の滞留部となるスタッド挿入孔の下部の内周面の内径より大きな円筒面に形成したことを特徴とする。
【００１２】
この場合において、溶融金属の滞留部となるスタッド挿入孔の下部の内周面の内径を、スタッド挿入孔の上部の内周面の内径と同一に形成することができる。
【００１３】
また、溶融金属の滞留部となるスタッド挿入孔の下部の内周面の内径を、スタッド挿入孔の上部の内周面の内径より大きく形成することができる。
【００１４】
また、前記スタッド挿入孔の下端部の円筒面に形成する内周面の内径を、溶融金属の滞留部となるスタッド挿入孔の下部の内周面の内径の１．２〜１．４倍に、該内周面の高さ方向の寸法を、１〜２ｍｍに設定することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明のスタッド溶接用フェルールによれば、スタッド挿入孔の上部の内周面に、該内周面とスタッドの外周面との間隔を保持するための複数個の突出部を形成するとともに、スタッド挿入孔の下端部の内周面の内径を、溶融金属の滞留部となるスタッド挿入孔の下部の内周面の内径より大きな円筒面に形成することにより、溶接により発生する高温ガスをスタッド挿入孔の上端部から噴出させる上吹きタイプのスタッド溶接用フェルールにおいて、溶融金属の滞留部となるスタッド挿入孔の下部の内周面の内径より大きい円筒面に形成したスタッド挿入孔の下端部の内周面によって、余剰ガスを逃がす大きな空間を形成して、余剰ガスのガス圧の影響を低減することができる。これにより、溶融した金属が外周側に流れやすくなり、このため、溶接部の断面積が拡大し、溶接部の強度、特に、疲労強度を高めることができる。
また、フェルールのスタッド挿入孔の下端部の内周面に余剰ガスが当たることによってフェルールが溶解したガラス状の溶解成分を、溶融金属の滞留部となるスタッド挿入孔の下部の内周面の内径より大きい円筒面に形成したスタッド挿入孔の下端部の内周面によって形成した空間で完全に吸収することができる。これにより、溶解したガラス状の溶解成分が溶融した金属と母材とが接する箇所に入り込むことがなく、溶接部の強度、特に、疲労強度を高めることができる。
【００１６】
また、溶融金属の滞留部となるスタッド挿入孔の下部の内周面の内径を、スタッド挿入孔の上部の内周面の内径と同一に形成することにより、溶接により発生する高温ガスをスタッド挿入孔の上端部から噴出させやすくして、余剰ガスのガス圧の影響を低減することができる。
【００１７】
また、溶融金属の滞留部となるスタッド挿入孔の下部の内周面の内径を、スタッド挿入孔の上部の内周面の内径より大きく形成することにより、溶融した金属が最適な余盛部分となるような滞留部を確実に形成するようにすることができる。
【００１８】
また、前記スタッド挿入孔の下端部の円筒面に形成する内周面の内径を、溶融金属の滞留部となるスタッド挿入孔の下部の内周面の内径の１．２〜１．４倍に、該内周面の高さ方向の寸法を、１〜２ｍｍに設定することにより、余剰ガスの逃げ部及びフェルールが溶解したガラス状の溶解成分の吸収部としての十分な空間（容積）を確保し、溶融した金属が最適な余盛部分となるようにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明のスタッド溶接用フェルールの一実施例を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【図２】同スタッド溶接用フェルールを用いた場合のスタッド溶接の説明図で、（ａ）はスタッドにフェルールを取り付けた状態を、（ｂ）はスタッドの溶接部の概略図である。
【図３】同スタッド溶接用フェルールを用いた場合と、従来のスタッド溶接用フェルールを用いた場合のスタッド溶接部の疲労強度を示す両対数疲労曲線図である。
【図４】本発明のスタッド溶接用フェルールの変形実施例を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【図５】同スタッド溶接用フェルールを用いた場合のスタッド溶接の説明図で、（ａ）はスタッドにフェルールを取り付けた状態を、（ｂ）はスタッドの溶接部の概略図である。
【図６】従来のスタッド溶接用フェルールを示す一部断面の正面図である。
【図７】従来の上吹きタイプのスタッド溶接用フェルールを示し、（ａ）は周壁の内周面を円筒面としたものを示す一部断面の正面図、（ｂ）はこのスタッド溶接用フェルールを用いた場合のスタッド溶接の説明図である。
【図８】従来の上吹きタイプのスタッド溶接用フェルールを示し、（ａ）は周壁の内周面を円錐台面としたものを示す一部断面の正面図、（ｂ）は周壁の内周面を前記円錐台面の傾斜面を弧状としたものを示す一部断面の正面図、（ｃ）は（ｂ）に示すスタッド溶接用フェルールを用いた場合のスタッド溶接の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明のスタッド溶接用フェルールの実施の形態を、図面に基づいて説明する。
【００２１】
図１〜図２に、本発明のスタッド溶接用フェルールの一実施例を示す。
【００２２】
このスタッド溶接用フェルール１は、スタッド挿入孔３の上部の内周面３ａに、この内周面３ａとスタッドＳの外周面との間隔を保持するための複数個の上下方向に延びる突出部６を形成するとともに、スタッド挿入孔３の下端部の内周面３ｃの内径Ｄ２を、溶融金属の滞留部２０となるスタッド挿入孔３の下部の内周面３ｂの内径Ｄ１より大きな円筒面５に形成するようにしている。
【００２３】
スタッド挿入孔３の下部の内周面３ｂは、スタッドＳの溶接部の余盛部分を決定する溶融金属の滞留部２０を形成するものである。
そして、溶融金属の滞留部２０が小さすぎる場合には、溶接部を十分な大きさの余盛部分とすることができず、また、大きすぎる場合には、スタッド溶接用フェルールの本来の機能を果たせないものとなるため、スタッド挿入孔３の下部の内周面３ｂの内径Ｄ１は、スタッドＳの直径Ｄｓの１．２〜１．４倍（図示の実施例（直径１６ｍｍスタッド溶接用フェルール）においては、溶融金属の滞留部２０となるスタッド挿入孔３の下部の内周面３ｂの内径Ｄ１を、スタッド挿入孔３の上部の内周面３ａの内径Ｄと同じ、２１ｍｍ）に設定するようにしている。
【００２４】
ところで、本実施例においては、溶融金属の滞留部２０となるスタッド挿入孔３の下部の内周面３ｂの内径Ｄ１を、スタッド挿入孔３の上部の内周面３ａの内径Ｄと同一に形成することにより、溶接により発生する高温ガスをスタッド挿入孔３の上端部から噴出させやすくしたが、図４〜図５に示す変形実施例のように、溶融金属の滞留部２０となるスタッド挿入孔３の下部の内周面３ｂの内径Ｄ１を、スタッド挿入孔３の上部の内周面３ａの内径Ｄより大きく形成する（この変形実施例においては、溶融金属の滞留部２０となるスタッド挿入孔３の下部の内周面３ｂを下方に向けて内径が漸次拡大する円錐台面４からなる内周面に形成するようにしている。）ことができる。
【００２５】
そして、図４〜図５に示す変形実施例においては、スタッド挿入孔３の下部の円錐台面４からなる内周面３ｂの下端の内径Ｄ１を、スタッド挿入孔３の内径Ｄの１．０５〜１．２５倍、より好ましくは、１．１〜１．２倍（図示の実施例（直径１６ｍｍスタッド溶接用フェルール）においては、スタッド挿入孔３の内径Ｄを１９ｍｍ、円錐台面４に形成する内周面３ｂの下端の内径Ｄ１を２１ｍｍ（スタッド挿入孔３の内径Ｄの１．１倍））に、内周面３ｂの高さ方向の寸法Ｈ１を、スタッド挿入孔３の内径Ｄの０．１〜０．４倍、より好ましくは、０．１５〜０．３倍（図示の実施例（直径１６ｍｍスタッド溶接用フェルール）においては、スタッド挿入孔３の内径を１９ｍｍ、円錐台面４に形成する内周面３ｂの下端の内径Ｄ１の内径を２１ｍｍ、スタッド挿入孔３の上部の内周面３ａに対する円錐台面４からなる内周面３ｂの傾斜角度θを１５°として、内周面３ｂの高さ方向の寸法Ｈ１を３．７ｍｍ（スタッド挿入孔３の内径Ｄの０．２倍））に、それぞれ設定するようにしている。
【００２６】
なお、スタッド挿入孔３の下部の内周面３ｂの形状は、図１〜図２に示す実施例の円筒面としたり、図４〜図５に示す変形実施例の円錐台面４とするほか、傾斜面を弧状に形成することができる。
この場合も、内周面３ｂの下端の内径Ｄ１及び内周面３ｂの高さ方向の寸法Ｈ１は、上記の数値を適用するようにする。
【００２７】
スタッド挿入孔３の下端部の円筒面５からなる内周面３ｃは、余剰ガスを逃がすための大きな空間を形成して、余剰ガスのガス圧の影響を低減するためのもので、この空間を形成することによって、溶融した金属が外周側に流れやすくなり、溶融した金属が最適な余盛部分となるようにすることができ、このため、溶接部の断面積が拡大し、溶接部の強度、特に、疲労強度を高めることができる。
また、併せて、フェルール１が溶解したガラス状の溶解成分を、上記空間で完全に吸収することができ、これによって、溶解したガラス状の溶解成分が溶融した金属と母材とが接する箇所に入り込むことがなく、溶接部の強度、特に、疲労強度を高めることができる。
そして、このような役割を果たす空間（容積）が形成されるように、その内径Ｄ２及び高さ方向の寸法Ｈ２を設定する必要がある。
そして、具体的には、スタッド挿入孔３の下端部の円筒面５からなる内周面３ｃの内径Ｄ２を、溶融金属の滞留部となるスタッド挿入孔３の下部の内周面３ｂの内径Ｄ１の１．２〜１．４倍（図示の実施例（直径１６ｍｍスタッド溶接用フェルール）においては、円筒面５からなる内周面３ｃの内径Ｄ２を２７．５ｍｍ（スタッド挿入孔３の下部の内周面３ｂの内径Ｄ１のスタッド挿入孔３の内径Ｄの１．３倍））に、内周面３ｂの高さ方向の寸法Ｈ２を、１〜２ｍｍ（図示の実施例（直径１６ｍｍスタッド溶接用フェルール）においては、１．２ｍｍ）に、それぞれ設定するようにしている。
【００２８】
また、スタッド挿入孔３の上部の内周面３ａに形成する、内周面３ａとスタッドＳの外周面との間隔を保持するための複数個の上下方向に延びる突出部６は、スタッドＳとスタッド挿入孔３との間に所定の隙間を形成し、発生する高温ガスをスタッド挿入孔３の上端部から噴出させるように構成するものであれば、特に限定されるものではなく、本実施例においては、内周面３ａに等間隔で４箇所に等間隔に突設して形成するようにしている。
突出部６のスタッド挿入孔３の内径方向の突出寸法は、スタッドＳがある程度の自由度を持ってスタッド挿入孔３に挿入される寸法であれば、特に限定されるものではなく、突出部６の内径方向の面とスタッド挿入孔３に挿入されたスタッドＳの周面との間に、０．２〜１．０ｍｍ程度の間隙が形成される寸法としている。
突出部６のスタッド挿入孔３の高さ方向の寸法は、余盛部分に影響を与えないように、円錐台面４に形成する内周面３ｂにかからない範囲の寸法であれば、特に限定されるものではなく、フェルール１の高さ方向の寸法の１０〜３０％程度の寸法としている。
【００２９】
以下、このスタッド溶接用フェルール１を用いて、母材Ｗに略垂直にスタッドＳを溶接する方法について説明する。
スタッド溶接ガン（図示省略）に、スタッドＳを装着するとともに、このスタッドＳに適合したスタッド挿入孔３を有するスタッド溶接用フェルール１を、フェルール１の周壁２によりスタッドＳの溶接部の外周を囲むようにして、装着するようにする。
【００３０】
次に、スタッド溶接ガンを操作することにより、スタッドＳを母材Ｗに一旦当接した後、離間して、スタッドＳと母材Ｗ間にアークを発生させる。
この場合、フェルール１により、アークによって溶融した金属が、空気と接触することによって酸化されることを防止することができる。
そして、このスタッド溶接用フェルール１は、溶接により発生する高温ガスを、突出部６によって形成されるスタッド挿入孔３の上端部の内周面３ａとスタッドＳの外周面との隙間から噴出させる、上吹きタイプのスタッド溶接用フェルールにおいて、スタッド挿入孔３の下端部に円筒面５からなる内周面３ｃによって余剰ガスを逃がすための大きな空間を形成して、余剰ガスのガス圧の影響を低減することによって、溶融した金属が外周側に流れやすくなり、溶融した金属が最適な余盛部分となるようにすることができ、このため、溶接部の断面積が拡大し、溶接部の強度、特に、疲労強度を高めることができる。
また、併せて、フェルール１が溶解したガラス状の溶解成分を、上記空間で完全に吸収することができ、これによって、溶解したガラス状の溶解成分が溶融した金属と母材とが接する箇所に入り込むことがなく、溶接部の強度、特に、疲労強度を高めることができる。
【００３１】
図３に、上記図１〜図２に示す実施例のスタッド溶接用フェルール及び従来のスタッド溶接用フェルールを用いて溶接したスタッドの溶接部の剪断力（スタッド軸に対して直角方向の力）を繰り返しかけた場合の疲労強度を測定した実験結果（両対数疲労曲線図）を示す。
図３から明らかなように、上記実施例のスタッド溶接用フェルールは、従来のスタッド溶接用フェルールに比べて、疲労強度を大幅に向上させることができた。
【００３２】
以上、本発明のスタッド溶接用フェルールについて、その実施例に基づいて説明したが、本発明は上記実施例に記載した構成に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において適宜その構成を変更することができるものである。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
本発明のスタッド溶接用フェルールは、溶接部が最適な余盛部分となるようにして、溶接部の疲労強度を向上させることができる特性を有していることから、橋梁用の合成ゲタに用いるスタッド等、母材に略垂直にスタッドを溶接する際に用いるスタッド溶接用フェルールの用途に広く好適に用いることができる。
【符号の説明】
【００３４】
１ スタッド溶接用フェルール
２ 周壁
３ スタッド挿入孔
３ａ 内周面
３ｂ 内周面
３ｃ 内周面
４ 円錐台面
５ 円筒面
６ 突出部
Ｄ スタッド挿入孔の内径
Ｄ１ 溶融金属の滞留部となるスタッド挿入孔の下部の内周面の内径
Ｄ２ スタッド挿入孔の下端部の内周面の内径
Ｈ１ 溶融金属の滞留部となるスタッド挿入孔の下部の高さ方向の寸法
Ｈ２ スタッド挿入孔の下端部の内周面の高さ方向の寸法
Ｓ スタッド
Ｗ 母材
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スタッド挿入孔の上部の内周面に、該内周面とスタッドの外周面との間隔を保持するための複数個の突出部を形成するとともに、スタッド挿入孔の下端部の内周面の内径を、溶融金属の滞留部となるスタッド挿入孔の下部の内周面の内径より大きな円筒面に形成したことを特徴とするスタッド溶接用フェルール。
【請求項２】
溶融金属の滞留部となるスタッド挿入孔の下部の内周面の内径を、スタッド挿入孔の上部の内周面の内径と同一に形成したことを特徴とする請求項１記載のスタッド溶接用フェルール。
【請求項３】
溶融金属の滞留部となるスタッド挿入孔の下部の内周面の内径を、スタッド挿入孔の上部の内周面の内径より大きく形成したことを特徴とする請求項１記載のスタッド溶接用フェルール。
【請求項４】
前記スタッド挿入孔の下端部の円筒面に形成する内周面の内径を、溶融金属の滞留部となるスタッド挿入孔の下部の内周面の内径の１．２〜１．４倍に、該内周面の高さ方向の寸法を、１〜２ｍｍに設定するようにしたことを特徴とする請求項１、２又は３記載のスタッド溶接用フェルール。
【請求項１】
スタッド挿入孔の上部の内周面に、該内周面とスタッドの外周面との間隔を保持するための複数個の突出部を形成するとともに、スタッド挿入孔の下端部の内周面の内径を、溶融金属の滞留部となるスタッド挿入孔の下部の内周面の内径より大きな円筒面に形成したことを特徴とするスタッド溶接用フェルール。
【請求項２】
溶融金属の滞留部となるスタッド挿入孔の下部の内周面の内径を、スタッド挿入孔の上部の内周面の内径と同一に形成したことを特徴とする請求項１記載のスタッド溶接用フェルール。
【請求項３】
溶融金属の滞留部となるスタッド挿入孔の下部の内周面の内径を、スタッド挿入孔の上部の内周面の内径より大きく形成したことを特徴とする請求項１記載のスタッド溶接用フェルール。
【請求項４】
前記スタッド挿入孔の下端部の円筒面に形成する内周面の内径を、溶融金属の滞留部となるスタッド挿入孔の下部の内周面の内径の１．２〜１．４倍に、該内周面の高さ方向の寸法を、１〜２ｍｍに設定するようにしたことを特徴とする請求項１、２又は３記載のスタッド溶接用フェルール。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１１−２４０３７５（Ｐ２０１１−２４０３７５Ａ）
【公開日】平成２３年１２月１日（２０１１．１２．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１１５０８０（Ｐ２０１０−１１５０８０）
【出願日】平成２２年５月１９日（２０１０．５．１９）
【出願人】（５９７０７９６６９）
【出願人】（５９７０７９６７０）
【出願人】（０００２００３６７）川田工業株式会社 (41)
【出願人】（０００２２８９８１）日本スタッドウェルディング株式会社 (31)
【公開日】平成２３年１２月１日（２０１１．１２．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年５月１９日（２０１０．５．１９）
【出願人】（５９７０７９６６９）
【出願人】（５９７０７９６７０）
【出願人】（０００２００３６７）川田工業株式会社 (41)
【出願人】（０００２２８９８１）日本スタッドウェルディング株式会社 (31)
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