JP2011245553A - 溶接接合部を熱処理するためのシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】溶接接合部を熱処理するためのシステム及び方法を提供する。
【解決手段】溶接接合部（４２）を熱処理するための本システム（８０）は、該溶接接合部（４２）に導かれるビーム（５２）を生成するビーム発生器（４４）を含む。ビーム発生器（４４）及び溶接接合部（４２）間におけるビームスプリッタ（４６）が、径路に沿ってビームの一部分（５８）を分岐させる。リフレクタ（４８）が、ビームの分岐部分（５８）を受けかつそれを溶接接合部（４２）におけるポイント（６０）に導く。径路内におけるモジュレータ（５０）が、ビームの分岐部分（５８）の通過を制御する。溶接接合部（４２）を熱処理する本方法は、溶接接合部（４２）にビーム（５２）を導くステップと、ビームの一部分（５８）を分岐させるステップと、ビームの分岐部分（５８）を溶接接合部（４２）の方向に反射させるステップとを含む。本方法はさらに、ビームの分岐部分（５８）を変調させて該ビームの分岐部分（５８）の通過を制御するステップを含む。
【選択図】 図２

Description

本発明は、総括的には溶接に関し、より具体的には、溶接接合部の熱処理のためのシステム及び方法に関する。

溶接は、金属部品を互いに取付けるために一般に使用するプロセスである。溶接プロセスでは、接合しようとする部品の隣接表面にフィラー材がある状態又はフィラー材がない状態で熱を加えて、隣接表面及びフィラー材を局所的に溶融させて溶接接合部を形成する。溶接プロセス時に加えられた熱は、金属部品の金属学的性質を変質させることが多い。例えば、溶接プロセスは、金属部品の材料強度、硬度、延性、耐用寿命及びその他の金属学的性質を変化させる可能性がある。変質領域には、溶接接合部だけでなく、局所的に高温を受けた該溶接接合部の周りの熱影響ゾーンも含まれる。

当技術分野では、溶接によって生じる金属学的変化を減少させ或いは最小にするための様々な溶接前及び溶接後処理が、知られている。例えば、本出願と同一出願人の米国特許第６１９１３７９号には、溶接接合部並びに熱影響ゾーン内の微細構造及び強度を改善するように溶接接合部を熱処理するためのシステム及び方法が記載されかつ特許請求されている。そこに示されているように、そのシステムには、溶接接合部の前方又は後方に熱を供給する従来型のレーザのような加熱手段が含まれる。その設計目的には有効であるが、米国特許第６１９１３７９号が教示しているシステムには、溶接接合部に加える熱処理を調整して異なる溶接タイプ或いは異なる種類の材料間の溶接部に適応するようにするための構造体又は部品が含まれていない。

米国特許第６６６４５０７号明細書

従って、特定の溶接タイプ又は材料に照らして、溶接接合部の溶接前及び溶接後熱処理の量を調整する改良型の熱処理システム及び方法を提供することが、望ましいと言える。

本発明の態様及び利点は、次の説明において以下に記載しており、或いはそれら説明から自明なものとして理解することができ、或いは本発明の実施により学ぶことができる。

本発明の一実施形態は、溶接接合部を熱処理するためのシステムである。本システムは、溶接接合部に導かれるビームを生成するビーム発生器と、ビーム発生器及び溶接接合部間に配置されかつ第１の径路に沿ってビームの第１の部分を分岐させる第１のビームスプリッタとを含む。第１のリフレクタが、ビームの第１の分岐部分を受けかつ該ビームの第１の分岐部分を溶接接合部に近接した第１のポイントに導く。ビームの第１の分岐部分の第１の径路内における第１のモジュレータが、該ビームの第１の分岐部分の通過を制御する。

本発明の別の実施形態は、溶接接合部を熱処理するためのシステムである。本システムは、ある方向へのビームを生成するビーム発生器を含む。ビーム発生器及び溶接接合部間における第１のビームスプリッタが、第１の径路に沿ってビームの第１の部分を分岐させる。第１のリフレクタが、ビームの第１の分岐部分を受けかつ該ビームの第１の分岐部分を溶接接合部に近接した第１のポイントに導く。ビームの第１の分岐部分の第１の径路内における第１のモジュレータが、該ビームの第１の分岐部分の通過を制御する。コントローラが、第１のリフレクタ又は第１のモジュレータの少なくとも１つを制御する。

本発明はまた、溶接接合部を熱処理する方法を含む。本方法は、溶接接合部にビームを導くステップと、ビームの第１の部分を分岐させるステップと、ビームの第１の分岐部分を溶接接合部の方向に反射させるステップとを含む。本方法はさらに、ビームの第１の分岐部分を変調させて該ビームの第１の分岐部分の通過を制御するステップを含む。

本明細書を精査することにより、当業者には、そのような実施形態の特徴及び態様並びにその他がより良好に理解されるであろう。

添付図面の図を参照することを含む本明細書の以下の残り部分において、当業者に対する本発明の最良の形態を含む本発明の完全かつ有効な開示をより具体的に説明する。

本発明の一実施形態によるシステムの簡略斜視図。 本発明の第２の実施形態によるシステムの簡略斜視図。 本発明の第３の実施形態によるシステムの簡略斜視図。

次に、その１つ又はそれ以上の実施例を添付図面に示している本発明の現時点での実施形態を詳細に説明する。詳細な説明では、図面中の特徴要素を示すために参照符号及び文字表示を使用している。本発明の同様な又は類似した部品を示すために、図面及び説明において同様な又は類似した表示を使用している。

各実施例は、本発明の限定ではなくて本発明の説明として示している。実際には、本発明においてその技術的範囲及び技術思想から逸脱せずに修正及び変更を加えることができることは、当業者には明らかであろう。例えば、一実施形態の一部として例示し又は説明した特徴要素は、別の実施形態で使用してさらに別の実施形態を構成することができる。従って、本発明は、そのような修正及び変更を特許請求の範囲及びその均等物の技術的範囲内に属するものとして保護することを意図している。

本発明の実施形態は、使用する材料及び特定の溶接接合部（継手）設計に応じて、溶接部の構造的一体性を高めることができる該溶接接合部の溶接前及び／又は溶接後熱処理のための使い易くかつ制御可能なシステム及び方法を提供する。具体的な実施形態では、溶接前及び／又は溶接後熱処理を調整して溶接接合部の区域に加えられる熱の量を正確に制御する。加えて、別の実施形態ではまた、溶接前及び／又は溶接後熱処理の位置並びに／或いは調整を対象として、溶接部間におけるハードウェア及び／又はソフトウェア変更を必要としないで異なる部品を効果的に溶接する能力を高めるようにした事前プログラム又はプログラム可能なコンピュータ制御を含むことができる。

図１は、本発明の一実施形態による、溶接接合部１２の溶接前又は溶接後熱処理のためのシステム１０の簡略斜視図を示している。溶接接合部１２は一般的に、接合することが望ましい２つの金属加工物間の共通又は隣接表面を含み、また必要に応じて２つの金属加工物間にフィラー材を含むことができる。この実施形態では、システム１０は一般的に、ビーム発生器１４、ビームスプリッタ１６、リフレクタ１８及びモジュレータ２０を含む。分かり易くするために、図１、図２及び図３では一般的に、様々な実施形態の部品を互いに所定の位置に保持するあらゆる構造体を省略している。これらの部品のいずれかは別の部品に連結することができる或いは連結することができないこと、また本発明の様々な実施形態は特許請求の範囲において特に記載しない限り個々の部品間のいかなる特定の連結にも限定されないことは、当業者には解かるであろう。

ビーム発生器１４は、溶接に好適な高強度ビーム２２を生成する当技術分野で公知のあらゆる装置とすることができる。例えば、ビーム発生器１４は、当技術分野で公知のようなレーザビーム発生器とすることができる。ビーム発生器１４は、固定式とすることができ、或いは図１に示すように加工物１３間の溶接接合部１２に対してビーム２２を導くための手段に結合することができる。溶接接合部１２に対してビーム２２を導くための構造には、１つの部品の別の部品に対する位置を変化させる当技術分野で公知のあらゆる機械式、空圧式、電気機械式、電気空圧式、手動式又は自動式システムを含むことができる。例えば、図１に示すように、溶接接合部１２に対してビーム２２を導くための手段は、ビーム発生器１４を乗せることができる軌道を構成するレール２６のような構造体に対してケーブル、プーリ又はその他の好適な装置によって取付けられたキャリッジ２４を含むことができる。このようにして、ビーム発生器１４は、レール２６に沿って移動させて、溶接接合部１２に対するビーム２２の方向を変化させることができる。他の実施形態では、溶接接合部１２に対してビーム２２を導くための構造には例えば、必要に応じてビーム発生器１４を枢動させて溶接接合部１２に対するビームの方向を変化させるのを可能にする該ビーム発生器１４に取付けられたボール及びソケット構成を含むことができる。逆に、溶接接合部１２に対してビーム２２を導くための同じ又は均等な構造は同様に、加工物１３又は該加工物１３をその上に載置した表面に連結して該加工物１３の移動により溶接接合部１２に対してビーム２２を導く同じ機能を生じるようにすることができることは当業者には分かるであろう。

ビームスプリッタ１６は、ビーム発生器１４によって生成されたビームを分割して径路に沿ってビームの一部分２８を分岐させるのに好適なあらゆる装置とすることができる。例えば、ビームスプリッタ１６は、その基部で互いに接着した２つの三角形プリズムで製作されたガラス立方体のような光学装置とすることができる。２つの三角形ガラスプリズムを接合する接着剤の厚さ及び内容物は、径路に沿ってビームの所望の波長又は一部分を反射或いは分岐させるように調整することができる。発生ビームの残りの部分は、プリズムを通って溶接接合部１２に進む。本発明の技術的範囲内の好適なビームスプリッタ１６の別の実施例は、半銀付けミラーとすることができる。半銀付けミラーは、その一側面に施工されたアルミニューム又は誘電体光学材料の薄い皮膜を備えたガラスのプレートを含むことができる。ガラス上の皮膜の厚さ及び位置は、入射ビームの所望の部分を反射又は分岐させかつ発生ビーム２２の残りの部分を溶接接合部１２に向けて通過させるように調整することができる。

リフレクタ１８は、ビームの分岐部分２８を受けかつ該ビームの分岐部分２８を溶接接合部１２に近接したポイント３０に導く。リフレクタ１８は、光又はエネルギービームを反射或いは導く当技術分野で公知のあらゆる好適な構造体を含むことができる。例えば、リフレクタ１８は、光又はエネルギービームを反射或いは導くミラー、金属プレート、プリズム、光ファイバケーブル、又はあらゆるその他の好適な材料のような平坦表面とすることができる。図１に示すように、リフレクタ１８は、溶接接合部１２に対して傾けることができ、またビームスプリッタ１６、リフレクタ１８及び溶接接合部１２間のジオメトリは、必要に応じてビームの分岐部分２８を所望のポイント３０に照準するように調整することができる。例えば、ポイント３０は、予想溶接接合部１２の前方に位置させて溶接前熱処理を行なうようにすることができる。逆に、ポイント３０は、丁度完了した溶接接合部１２の後方に位置させて溶接後熱処理を行なうようにすることができる。第３の実施例として、ポイント３０は、溶接接合部の両側に位置させて、局所的に高温を受けた溶接接合部１２の周りの熱影響ゾーンに対して溶接前及び溶接後熱処理を行なうようにすることができる。加えて、ポイント３０及び溶接接合部１２間の距離は、溶接プロセス前又は後における熱処理のタイミングを変化させるように調整することができる。

モジュレータ２０は、ビームの分岐部分２８内に設置して該ビームの分岐部分２８の通過を制御するようにする。ビームの分岐部分２８は一般的に真直ぐに移動するので、従ってモジュレータ２０は一般的に、ビームスプリッタ１６及びリフレクタ１８間又はリフレクタ１８及び溶接接合部１２間のいずれかにおいて視線内に設置される。モジュレータ２０は、ビームの分岐部分２８を交互に遮断及び通過させて該ビームの分岐部分２８を制御することができるあらゆる装置とすることができる。例えば、モジュレータ２０は、ビームの分岐部分２８の径路から外方に又は該径路内に移動して該ビームの分岐部分２８の通過をそれぞれ物理的に許容又は阻止することができる簡単な機械装置を含むことができる。別の実施形態では、電気光学モジュレータを使用してビームの分岐部分２８の周波数、振幅及び／又は方向を変調させることができる。本発明の技術的範囲内の電気光学モジュレータの実施例には、その屈折率が局所電場に応答して変化するニオブ酸リチウムのような結晶を含むことができる。

本発明の実施形態は、複数溶接源を含むハイブリッド溶接システムで使用することができることを、当業者には理解されたい。例えば、図１に示すようにアーク溶接機３２はまた、溶接接合部１２において別の溶接源を備えたものとすることができる。例えば、火炎、電気アーク、レーザ、電子ビーム、摩擦及び超音波のような他の溶接源を設けて本発明の様々な実施形態におけるハイブリッド溶接システムを形成することができる。

図２は、本発明の第２の実施形態による、溶接接合部４２の溶接前又は溶接後熱処理のためのシステム４０の簡略斜視図を示している。この実施形態でも同様に、図１に示す実施形態に関して前述した部品と同様な、ビーム発生器４４、第１のビームスプリッタ４６、第１のリフレクタ４８及び第１のモジュレータ５０を含む。具体的には、ビーム発生器４４は、ビーム５２を発生しかつその発生ビーム５２を溶接接合部４２に導く。第１のビームスプリッタ４６は、第１の径路に沿ってビームの第１の部分５８を分岐させまた第１のリフレクタ４８は、ビームの第１の分岐部分５８を受けかつ該ビームの第１の分岐部分５８を溶接接合部４２に近接した第１のポイント６０に導く。加えて、システム４０は同様に、ハイブリッド溶接システムを構成するアーク溶接機３２又はその他の溶接源を含むことができる。

図２に示すシステム４０はさらに、第２のビームスプリッタ６２、第２のリフレクタ６４及び第２のモジュレータ６６を含む。第２のビームスプリッタ６２は、ビーム発生器４４及び溶接接合部４２間に設置されかつ第２の径路に沿ってビームの第２の部分６８を分岐させる。第２のリフレクタ６４は、ビームの第２の分岐部分６８を受けかつ該ビームの第２の分岐部分６８を溶接接合部４２に近接した第２のポイント７０に導く。第２のモジュレータ６６は、ビームの第２の分岐部分６８の通過を制御する。このようにして、図２に示すシステム４０は、例えば溶接接合部４２の溶接前及び溶接後熱処理の両方を行なうことなど、該溶接接合部４２に近接した複数ポイントに対して熱処理を同時に又は別個に行なうことができる。

図３は、本発明の第３の実施形態による、溶接接合部４２の溶接前又は溶接後熱処理のためのシステム８０の簡略斜視図を示している。例示の目的として、この実施形態でも同様に、図２に示す実施形態に関して前述したのと同様な、ビーム発生器４４、第１及び第２のビームスプリッタ４６及び６４、第１及び第２のリフレクタ４８及び６４、並びに第１及び第２のモジュレータ５０及び６６を含む。加えて、システム８０はさらに、溶接接合部４２の特性、該溶接接合部４２の近傍の特性、及び／又は該システム８０を表す信号８４を受けるように構成されたコントローラ８２を含む。コントローラ８２は、この信号８４を使用してシステム８０の様々な部品に指示して、熱処理のタイミング、量及び／又は位置を制御する。

コントローラ８２は、データを記憶し、ソフトウェア命令を記憶しかつ／又はソフトウェア命令を実行するマイクロプロセッサ、コプロセッサ、及び／又は、メモリ／媒体要素のような様々な部品を含むことができる。様々なメモリ／媒体要素は、それに限定されないが揮発性メモリ（例えば、ＲＡＭ、ＤＲＡＭ、ＳＲＡＭなど）、不揮発性メモリ（例えば、フラッシュドライブ、ハードドライブ、磁気テープ、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭなど）並びに／或いは他のメモリ装置（例えば、ディスケット、磁気ベースの記憶媒体、光記憶媒体など）のあらゆる組合せのような１つ又はそれ以上の多様なコンピュータ可読媒体とすることができる。あらゆる実施可能かつ多様なデータ記憶及びプロセッサ構成が、当業者には分かるであろう。

溶接接合部４２の特性、溶接接合部４２の近傍の特性及びシステム８０を表す信号８４は、何らかの命令又はセンサによって生成することができる。例えば、赤外線、音波、レーザ又はエネルギーの他の形態を使用して、溶接接合部４２、該溶接接合部４２の近傍並びに／或いはシステム８０の厚さ、連続性、オクルージョン、温度及び／又はその他の物理特性を評価することができる。従って、溶接接合部４２の下流に配置したトランスデューサ及びセンサ８６を使用して該溶接接合部４２を検査しかつ該溶接接合部４２の１つ又はそれ以上の特性を表す信号８４を生成することができる。コントローラ８２は次に、この信号８４を処理してシステム８０の様々な部品を調整することができる。例えば、コントローラ８２は、モジュレータ５０、６６の１つ又は両方に対して第１の制御信号８８を発生して、変調の期間又は頻度を変更させることができる。それに代えて又はそれに加えて、コントローラ８２は、加工物１３に対してビーム５２を導くための手段に第２の制御信号９０を発生して溶接の速度、方向、継続時間、及び／又は溶接接合部４２の位置を変更させることができる。さらに別の実施例として、コントローラ８２は、リフレクタ４８、６４の１つ又は両方に対して第３の制御信号９２を発生して、ビームの第１及び／又は第２の分岐部分５８、６８の反射角度を変化させ、従って熱処理を受ける特定の区域を変化させることができる。

図１、図２、図３に関して前述した実施形態は各々、溶接接合部を熱処理する方法を提供する。各実施形態では、ビームが溶接接合部に導かれ、またビームの一部分が分岐されかつ溶接接合部に近接したポイントに反射される。必要に応じてビームの複数部分を分岐させかつ溶接接合部に近接したポイントに反射させて複数の熱影響区域に熱処理を行なうことができる。各実施形態では、ビームの１つ又は複数の分岐部分は、熱処理時に加えられるエネルギーの量を変化させるように変調させることができる。加えて、ビームの１つ又は複数の分岐部分の反射方向は、熱処理の１つ又は複数の特定の位置を変化させるように調整することができる。図３に示すように、コントローラ８２を使用して溶接接合部の経験的測定値又は検知特性に基づいて溶接プロセス及び／又は熱処理を動的に変更することができる。それに加えて又はそれに代えて、コントローラ８２は、溶接作業間におけるシステムのいかなる変更、置換え又はその他の修正を必要とせずに、多くの異なるタイプの溶接接合部或いは多くの異なる種類の材料に対してシステム８０を使用するのを可能にすることができる。

本明細書は最良の形態を含む実施例を使用して、本発明を開示し、また当業者が、あらゆる装置又はシステムを製作しかつ使用しまたあらゆる組込み方法を実行することを含む本発明の実施を行なうことを可能にもする。本発明の特許性がある技術的範囲は、特許請求の範囲により定めており、また当業者が想到するその他の実施例を含むことができる。そのようなその他の実施例は、それらが特許請求の範囲の文言と相違しない構造的要素を含むか又はそれらが特許請求の範囲の文言と本質的でない相違を有する均等な構造的要素を含む場合には、特許請求の範囲の技術的範囲内に属することになることを意図している。

１０ システム
１２ 溶接接合部
１３ 加工物
１４ ビーム発生器
１６ ビームスプリッタ
１８ モジュレータ
２０ リフレクタ
２２ 発生ビーム
２４ キャリッジ
２６ レール
２８ 分岐部分
３０ 溶接接合部の側におけるポイント
３２ アーク溶接機
４０ システム（図２）
４２ 溶接接合部
４４ ビーム発生器
４６ 第１のビームスプリッタ
４８ 第１のリフレクタ
５０ 第１のモジュレータ
５２ 発生ビーム
５８ 第１の分岐部分
６０ 第１のポイント
６２ 第２のビームスプリッタ
６４ 第２のリフレクタ
６６ 第２のモジュレータ
６８ 第２の分岐部分
７０ 第２のポイント
８０ システム（図３）
８２ コントローラ
８４ 信号
８６ センサ
８８ 第１の制御信号
９０ 第２の制御信号
９２ 第３の制御信号

Claims (12)

1. 溶接接合部（４２）を熱処理するためのシステム（８０）であって、
   ａ．前記溶接接合部（４２）に導かれるビーム（５２）を生成するビーム発生器（４４）と、
   ｂ．前記ビーム発生器（４４）及び溶接接合部（４２）間に配置されかつ第１の径路に沿って前記ビームの第１の部分（５８）を分岐させる第１のビームスプリッタ（４６）と、
   ｃ．前記ビームの第１の分岐部分（５８）を受けかつ該ビームの第１の分岐部分（５８）を前記溶接接合部（４２）に近接した第１のポイント（６０）に導く第１のリフレクタ（４８）と、
   ｄ．前記ビームの第１の分岐部分（５８）の第１の径路内に配置されかつ該ビームの第１の分岐部分（５８）の通過を制御する第１のモジュレータ（５０）と、を含む、
   システム（８０）。
2. 前記ビーム発生器（４４）が、レーザビーム発生器である、請求項１記載のシステム（８０）。
3. 前記溶接接合部（４２）においてアーク溶接を行なうように配置されたアーク溶接機（３２）をさらに含む、請求項１記載のシステム（８０）。
4. 前記溶接接合部（４２）に対して前記ビーム（５２）を導くための手段をさらに含む、請求項１記載のシステム（８０）。
5. 前記ビーム発生器（４４）及び溶接接合部（４２）間に配置されかつ第２の径路に沿って前記ビームの第２の部分（６８）を分岐させる第２のビームスプリッタ（６２）をさらに含む、請求項１記載のシステム（８０）。
6. 前記ビームの第２の分岐部分（６８）を受けかつ該ビームの第２の分岐部分（６８）を前記溶接接合部（４２）に近接した第２のポイント（７０）に導く第２のリフレクタ（６４）をさらに含む、請求項５記載のシステム（８０）。
7. 前記ビームの第２の分岐部分（６８）の第２の径路内に配置されかつ該ビームの第２の分岐部分（６８）の通過を制御する第２のモジュレータ（６６）をさらに含む、請求項５記載のシステム（８０）。
8. 前記溶接接合部（４２）又は該システム（８０）の少なくとも１つの特性を表す信号（８４）を受けるコントローラ（８２）をさらに含む、請求項１記載のシステム（８０）。
9. 前記コントローラ（８２）が、前記第１のリフレクタ（４８）又は第１のモジュレータ（５０）の少なくとも１つを制御する、請求項８記載のシステム（８０）。
10. 溶接接合部（４２）を熱処理する方法であって、
    ａ．前記溶接接合部（４２）にビーム（５２）を導くステップと、
    ｂ．前記ビームの第１の部分（５８）を分岐させるステップと、
    ｃ．前記ビームの第１の分岐部分（５８）を前記溶接接合部（４２）の方向に反射させるステップと、
    ｄ．前記ビームの第１の分岐部分（５８）を変調させて該ビームの第１の分岐部分（５８）の通過を制御するステップと、を含む、
    方法。
11. 前記溶接接合部（４２）又は該溶接接合部（４２）の近傍の特性を測定するステップをさらに含む、請求項１０記載の方法。
12. 前記溶接接合部（４２）の測定特性に基づいて前記ビーム（５２）の方向、継続時間又はエネルギーレベルの少なくとも１つを変更するステップをさらに含む、請求項１１記載の方法。