JP2010510070A - 溶接接合部の加熱処理方法及び装置 - Google Patents

Abstract

スチールバンド（２）の溶接時において、溶接接合部の領域に亀裂が生じるか、或いは構造が変化する虞を最小化するために行われる、本来の溶接の前と後における溶接接合部とそれに隣接する溶接接合領域（６，７）のレーザーを用いた加熱処理を改善し、更に改良するために、本発明では、溶接接合領域（６，７）の加熱が、導体ループの長さが複数の段階に分割された形態、導体ループのパネル構造が異なる形態及びスチールバンド（２）との間隔を複数の異なる段階とする形態の中の一つ以上に構成された所定通り制御可能な複数段階式リニアインダクタ（４，５）を用いて、異なるエネルギー密度とした時間領域で行われることを提案している。その場合、第一の加熱段階での温度上昇が、それに続く加熱段階よりも急勾配で行われる。

Description

本発明は、本来の溶接の前と後に、溶接接合部及びそれに隣接する溶接接合領域の加熱プロセスをリニアインダクタを用いて行う、スチールバンドを接合するためのレーザー溶接ヘッドを備えた溶接機械内で溶接接合部を誘導方式により加熱処理する方法及び装置に関する。

金属板の溶接、特に、レーザー溶接時には、非常に大きなエネルギー量を接合ゾーンの非常に狭い領域に集中して投入している。そのような大きく加熱される領域に隣接する金属板の領域が周囲温度となっているので、溶接に続く大きな温度低下のために、非常に速く冷却されることとなる。それによって、そのような領域の機械的な特性を著しく劣化させる可能性の有る構造の変化が生じる。そのため、本来の溶接の前と後に、当該の溶接接合領域を所定通り加熱処理することによって、溶接プロセス後の冷却に対して影響を与えることが追求されている。その場合、事前加熱の目的は、溶接プロセス直後の亀裂防止であり、接合領域へのエネルギー投入量を増大するのは、冷却速度を遅らせるためである。そして、溶接後に行われる事後加熱は、冷却速度を一層遅らせる役割を果たす。

この場合、溶接接合領域の加熱処理は、熱による加熱、例えば、ガス又はプラズマバーナー、或いは誘導方式による加熱によって行うことができる。溶接接合部の加熱処理は、通常バンドの上側又は下側の片側にバーナー又はインダクタを配置する構成によって行われている。その結果、そのような方法に付随して不均一な温度分布が生じるとともに、その結果、溶接接合部の高さによる不均一な熱処理が行われることとなっている。そして、短い加熱時間と高い発熱効率によって、そのような非対称性が一層拡大している。

前述した理由から必要な加熱処理に関して、様々な方法と装置が知られている。即ち、特許文献１により、レーザー溶接ヘッドのレーザービームを用いて、溶接接合部の領域における事前加熱及び／又は事後加熱を行うレーザー溶接方法が周知であり、そのレーザービームは、溶接とほぼ同じ出力を必要とし、集束形態が同じでも、送り速度が速く、場合によっては、処理すべき接合領域の上を複数回移送される。そのような方法の代替形態は、デフォーカスを大きくしたレーザービームを移送すること、場合によっては、処理すべき接合領域の上をゆっくりと移送することである。

特許文献２には、回転する軸上でのレーザー・サーフェーシング法を記載しており、段階的な事前加熱のために、円形セグメント形状のインダクタを使用しており、それらのセグメントの位置は、軸に対して、レーザービーム処理ヘッドの前に置かれている。二つの事前加熱サイクルの実行は、互いに相対的に配置されるとともに、レーザービームの照射点に対して相対的に固定した位置に配置された二つの異なるインダクタを用いて行われ、第一のインダクタの熱流密度は、第二のインダクタの当該の値よりも小さく、第一のインダクタの加熱時間と加熱面積は、第二のインダクタの当該の値よりも大きい。そのため、第一の事前加熱サイクルでの温度上昇は、第二の事前加熱サイクルよりも平坦になっている。両方のインダクタは、異なる周波数で動作させることができるが、構造的に一つのインダクタに統合することもでき、異なる誘導電磁界密度が、磁界強化部品、インダクタの異なる横断面又は狭い巻線間隔によって実現されている。特に亀裂に弱い素材では、誘導方式による事後加熱サイクルを続けることもでき、そこで使用されるインダクタは、事前加熱サイクルの二つのインダクタを一つの共通のインダクタに統合したものである。

特許文献３には、溶接接合部と溶接接合部の両側に位置する熱影響ゾーンとに対して、オフライン動作時には固定した位置に、オンライン動作時には移動可能なように、溶接接合部に沿って順番に配置された一つ以上のリニアインダクタを用いて、溶接された加工物の誘導方式による局所的な加熱処理を行うことが可能な装置が提案されている。リニアインダクタの作用領域内には、リニアインダクタに対するシールド部品が配置されており、それらのシールド部品は、リニアインダクタによって生成される交番磁界に対して、動作時にリニアインダクタからの影響を受ける加工物の領域の一部を遮蔽している。

ドイツ特許公開第１０２００４００１１６６号明細書 欧州特許第１２８５７１９号明細書 ドイツ特許公開第１０１５２６８５号明細書

前述した従来技術を出発点として、本発明の課題は、冒頭に述べた種類の溶接接合部を加熱処理する方法及び装置を更に改良して、鋼板の溶接時に溶接接合部の領域において亀裂が生じる、或いは構造が変化する虞を十分に最小化することである。

この設定した課題は、方法に関して、請求項１の特徴部に記載した特徴にもとづき、溶接接合領域の加熱が、導体ループの長さが複数の段階に分割された形態、導体ループのパネル構造が異なる形態及びスチールバンドとの間隔を複数の異なる段階とする形態の中の一つ以上に構成された所定通り制御可能な複数段階式リニアインダクタを用いて、異なるエネルギー密度とした時間領域で行われることによって解決される。

この方法を実施するための装置は、請求項９の特徴によって規定される。

本発明では、複数段階による加熱は、加熱のために投入される全加熱エネルギー密度を幾つかの加熱段階に分けて行われ、第一の加熱段階では、それに続く加熱段階よりも急勾配の温度上昇が行われる。即ち、例えば、二段階による加熱では、第一と第二の加熱段階の間のエネルギー配分を３：１の比率で行うことができる。そのようにエネルギーを配分した結果、第二の加熱段階では、第一の加熱段階よりも温度上昇がゆっくりしたものとなる。そうすることによって、一段階による加熱段階と比べて、バンドの上側とバンドの下側の間の緩やかな温度勾配が実現されるだけでなく、所望の最終温度に近付いた際に構造が過熱する虞も最小化される。有利には、複数段階による加熱時の幾つかの加熱段階の間に、温度測定にもとづき算出した、特別に適合させた温度を維持する時間を設けて、それにより、事前に加熱した溶接接合領域を冷却し、その維持時間の後に再加熱を続けることもできる。そのような平均化のための時間領域を個々の加熱時間領域の間に設けるために、例えば、個々の導体ループを停止することができる。

本発明では、事前加熱と事後加熱のためのリニアインダクタは、任意選択により、個別に、或いは共通して駆動することが可能な形に構成され、レーザー溶接ヘッドとリニアインダクタは、固く連結すること無く、例えば、別個のワゴンで移動させることが可能である。

レーザー溶接ヘッドの後に続く溶接接合領域の複数段階で実行される加熱は、スチールバンドの構造に大きく依存する。そのため、レーザー溶接ヘッドは、プロセス要件に適合した、例えば、温度測定にもとづき算出したレーザー溶接ヘッドとの最適な間隔を開けて配置される。しかし、本発明では、例えば、溶接接合領域内での局所的な過熱を防止するために、レーザー溶接ヘッドと独立してリニアインダクタの動きを制御することも可能であり、そのために、例えば、レーザー溶接ヘッドとの間隔を周期的に変化させる。

レーザー溶接ヘッドの前に配置された段階的なリニアインダクタを用いて実行される、先行する溶接接合領域の複数段階による加熱は、その直後にレーザー溶接ヘッドによって加熱されるために、レーザー溶接ヘッドの速度で行われ、そのために、例えば、リニアインダクタをレーザー溶接ヘッドに固定的に組み込むか、或いはリニアインダクタをレーザー溶接ヘッドと直接連結することが可能であり、それは、場合によっては、有意義なことである。しかし、ここでも、プロセスに適合させるのに必要な場合、リニアインダクタとの間隔を周期的に変化させる形でレーザー溶接ヘッドを配置することも可能である。

従って、複数段階に構成されたリニアインダクタを用いて実現可能な利点は、次の通り集約される。
・エネルギー密度の配分とそれによる加熱領域の端部が過熱する虞の制御及び低減
・導体長を変更可能とする必要の無い固定的な構造
・スチールバンドの直ぐ近くの作用段階へのループの分割
・コンパクトな構造形態
以下において、模式的な図面に図示された実施例により本発明の更なる詳細を詳しく説明する。

溶接接合部を加熱処理するための装置 従来技術による一段階式リニアインダクタ 一段階による加熱時の温度・時間グラフ 二段階式リニアインダクタの電流配分 図４の電流配分による二段階式リニアインダクタ 二段階による加熱時の温度・時間グラフ 再加熱時の二段階による事後加熱の温度・時間グラフ

図１には、スチールバンド２の溶接接合部１を溶接及び加熱処理する装置（図４参照）が模式的に図示されている。この装置は、レーザー溶接ヘッド３と、その前に配置されたリニアインダクタ４と、その後に配置されたリニアインダクタ５とから構成されている。この実施例では、レーザー溶接ヘッド３と二つのリニアインダクタ４，５は、溶接プロセスと加熱処理のために移動方向又は溶接方向９に動かされる一方、スチールバンド２は、固定して保持されている。ここに図示されている実施形態は、リニアインダクタ４，５とレーザー溶接ヘッド３を固定した位置に配置した場合にスライドさせることが可能な金属板に対しても使用することができる。レーザー溶接ヘッド３に先行するリニアインダクタ４は、リニアインダクタ４の長さに対応する先行する溶接接合領域６において、スチールバンド２を加熱し、同様に、レーザー溶接ヘッド３に続く（後続する）溶接接合領域７は、レーザー溶接ヘッド３の後に配置された後続するリニアインダクタ５によって事後加熱される。

加熱処理に用いられるリニアインダクタは、従来技術では通常一段階に構成されている。そのような図２に例示された連続した段階部分の長さがＬである一つの導体ループしか備えていないリニアインダクタ８を用いて行われる一段階による加熱プロセスの結果、図３に図示されている基本的な温度・時間グラフが得られる。このグラフから分かる通り、バンドの上側の温度Ｔ_o とバンドの下側の温度Ｔ_u の間の温度差は、リニアインダクタの加熱エネルギー密度ｑと加熱時間ｔに正比例するので、その温度差が大きくなって行き、加熱時間ｔ_ges の終了時に最大となる。加熱時間領域１５の終了後で冷却時間領域１７の開始前の目標とするプロセス温度Ｔ_m に対する偏差は、部分的に大きすぎるために、構造が過熱する虞が生じる。

図４には、二つの段階部分の長さＬ₁ とＬ₂ が異なる長さに構成された二段階式リニアインダクタが図示されている。二段階式リニアインダクタ１０（図５参照）での目標とするプロセス温度Ｔ_m への加熱が、一段階式リニアインダクタ８と同じエネルギー投入量Ｑ・ｔ_ges ＝ｑ_h1・ｔ₁ ＋ｑ_h2・ｔ₂ （第一の加熱段階に対するｑ_h1・ｔ₁ と、第二の加熱段階に対するｑ_h2・ｔ₂ ）を必要とし、部分電流Ｉ₁ とＩ₂ への電流Ｉ_ges の配分比率が、二つの段階部分の長さＬ₁ とＬ₂ に対して逆比例するので、それらの段階部分の長さを相応に選定することによって、個々の加熱段階でのエネルギー投入量を制御することが可能である。

それにもとづく二段階式リニアインダクタ１０の異なる長さの段階部分の長さＬ₁ とＬ₂ への電流の配分の例が、図５に図示されている。長い方の段階部分Ｌ₂ と比べてエネルギー密度Ｉ₁ の大きい、短い方の段階部分Ｌ₁ は、溶接方向９に対して前の方に有る、即ち、処理すべき溶接接合領域は、最初大きい方のエネルギー密度を加えられる。更に、図４と５からは、如何にして、異なる長さの段階部分の長さＬ₁ とＬ₂ を備えた二つの導体ループの特別な配置と電流供給形態によって、二段階式リニアインダクタ１０での電流配分を実現することができるかが分かる。

そこで、そのようなリニアインダクタ１０を用いて行われる二段階による加熱プロセスの結果として、図６に図示されている基本的な温度・時間グラフが得られる。第一の加熱段階１５での急勾配の温度上昇に伴って、確かに第一の加熱段階の終了時点ｔ₁ までのバンド温度Ｔ_o とＴ_u の間の大きな温度差が同様に生じているが、それに続いて、第二の加熱段階１６では、時間間隔ｔ₂ に渡って、温度の平均化が行われており、その結果、そのような第二の加熱処理が進行した後の時点ｔ_ges では、バンド温度の目標とする平均値Ｔ_m からの温度偏差が、一段階による加熱と比べて大幅に低下している。

再加熱時の二段階による事後加熱の実際の結果が、図７に図示されている。ここに図示されている温度・時間グラフでは、温度曲線の推移は、時点ｔ＝０から溶接直後の時間領域２０で始まり、急勾配で推移する冷却１７が、それに続いている。再加熱の第一の加熱段階１５が、所定の温度、ここでは、例えば、３２０°Ｃで始まり、約１．７秒の時間間隔で約５２０°Ｃの温度にまで温度が急勾配で上昇している。その直後に、第二の加熱段階１６が続き、約３．３秒の全加熱時間で約６２０°Ｃの最終温度にまで、ここでは、より平坦に温度が上昇している。その後、最終的な冷却が続いており、冷却曲線１７’が、再加熱によって平坦になっている。しかし、時間領域１６が純然たる維持時間領域か、それどころか冷却を遅らせる時間領域である場合が有る。冷却を遅らせる場合、システム内に供給されるエネルギーが、周囲への放熱を平均化するには不十分となる。

１ 溶接接合部
２ スチールバンド
３ レーザー溶接ヘッド
４ 事前加熱用リニアインダクタ
５ 事後加熱用リニアインダクタ
６ 先行の溶接接合領域
７ 後続の溶接接合領域
８ 一段階式リニアインダクタ
９ 溶接方向、移動方向
１０ 二段階式リニアインダクタ
１５，１６ 加熱時間領域
１７，１７’ 冷却時間領域
２０ 溶接直後の時間領域
Ｌ ループの長さ
Ｌ₁ ，Ｌ₂ 直線導体のループ長
Ｉ₁ ，Ｉ₂ 電流の大きさ
Ｔ バンド温度
Ｔ_o バンドの上側の温度
Ｔ_u バンドの下側の温度
Ｔ_m 平均的なバンド温度
ｔ 時間
ｔ₁ 第一の加熱段階の終了時点
ｔ₂ 第二の加熱段階の終了時点
ｔ_ges 全加熱時間

Claims (15)

1. スチールバンド（２）を接合するためのレーザー溶接ヘッド（３）を備えた溶接機械内で溶接接合部を誘導方式により加熱処理する方法であって、本来の溶接の前と後における溶接接合部（１）とそれに隣接する溶接接合領域（６，７）の加熱プロセスが、リニアインダクタ（４，５）を用いて行われる方法において、
   当該の溶接接合領域（６，７）の加熱は、導体ループの長さが複数の段階に分割された形態、導体ループのパネル構造が異なる形態及びスチールバンド（２）との間隔を複数の異なる段階とする形態の中の一つ以上に構成された所定通り制御可能な複数段階式リニアインダクタ（４，５）を用いて、異なるエネルギー密度とした時間領域で行われることを特徴とする方法。
2. レーザー溶接ヘッド（３）とリニアインダクタ（４，５）が、溶接接合部（１）に対して、固定された位置に配置された接合すべきスチールバンド（２）の上を溶接方向に向けて移送されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. レーザー溶接ヘッド（３）が、固定された位置に配置されており、接合すべきスチールバンド（２）が、溶接接合部（１）に対して、溶接方向に向けて移送されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 先行する溶接接合領域（６）の加熱が、レーザー溶接ヘッド（３）の前に配置されたインダクタ（４）を用いて行われ、レーザー溶接ヘッド（３）の後に続く溶接接合領域（７）の加熱が、プロセスに適合した、かつ例えば、温度測定にもとづき算出された、レーザー溶接ヘッド（３）との最適な間隔を開けて行われ、後続のリニアインダクタ（５）が、レーザー溶接ヘッド（３）と直接連結されているのではなく、プロセス要件に応じて別個に制御されて移送されることを特徴とする請求項２又は３に記載の方法。
5. リニアインダクタ（４，５）が、レーザー溶接ヘッド（３）との間隔を周期的に変化させて移送されることを特徴とする請求項４に記載の方法。
6. 加熱のために投入される全加熱エネルギー密度ｑ_H の個々の加熱段階（ｔ₁ ，ｔ₂ ）への配分は、第一の加熱段階（ｔ₁ ）における温度上昇がそれに続く加熱段階（ｔ₂ ）よりも急勾配で起こるように行われることを特徴とする請求項１から５までのいずれか一つに記載の方法。
7. 二段階による加熱時の第一の加熱段階（ｔ₁ ）と第二の加熱段階（ｔ₂ ）の間のエネルギー配分が、３：１の比率で行われることを特徴とする請求項６に記載の方法。
8. 個々の加熱段階（ｔ₁ ，ｔ₂ ）の間に、温度測定にもとづき特別に適合させた温度を維持する時間を設けて、それによって、事前に加熱された溶接接合領域（７）を冷却し、その維持する時間に続いて、再加熱を行うことを特徴とする請求項６又は７に記載の方法。
9. スチールバンド（２）を接合するためのレーザー溶接ヘッド（３）を備えた溶接機械内で溶接接合部を誘導方式により加熱処理する装置であって、本来の溶接の前と後における溶接接合部（１）とそれに隣接する溶接接合領域（６，７）の加熱プロセスが、リニアインダクタ（４，５）を用いて行われる、特に、請求項１から８までのいずれか一つに記載の方法を実施するための装置において、
   事前加熱と事後加熱のために用いることが可能な複数段階式リニアインダクタ（４，５）は、それらの長さ部分に関するエネルギー密度が異なり、そのエネルギー密度の配分が、
   ・導体ループを複数として、それらの部分導体長を段階的に変えることと、
   ・それらの長さ部分に関する導体ループのパネル構造を異なる形態として、一つの導体ループ内においても、異なるエネルギー密度を実現可能とすることと、
   ・リニアインダクタ（４，５）とスチールバンド（２）の間の結合間隔を段階的に相違させて、それによって、一つの導体ループ内において、同じく異なるエネルギー密度を発生させることと、
   の中の一つ以上によって実現されることを特徴とする装置。
10. 個々の加熱時間領域の間に平均化時間領域を設けるために、個々の導体ループが停止されることを特徴とする請求項９に記載の装置。
11. 事前加熱と事後加熱のためのリニアインダクタ（４，５）が、任意選択により、個別に、或いは共通して駆動することが可能な形に構成されることを特徴とする請求項９又は１０に記載の装置。
12. レーザー溶接ヘッド（３）の前のリニアインダクタ（４）とレーザー溶接ヘッド（３）の後のリニアインダクタ（５）が、変更可能な間隔で配置されていることを特徴とする請求項９から１１までのいずれか一つに記載の装置。
13. リニアインダクタ（４）が、レーザー溶接ヘッド（３）と連結されていることを特徴とする請求項９から１１までのいずれか一つに記載の装置。
14. スチールバンドが固定して保持されており、レーザー溶接ヘッド（３）とリニアインダクタ（４，５）がスライドすることが可能であることを特徴とする請求項９から１３までのいずれか一つに記載の装置。
15. スチールバンドがスライドすることが可能であり、少なくともレーザー溶接ヘッド（３）が固定した位置に配置されていることを特徴とする請求項９から１３までのいずれか一つに記載の装置。

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