JP2013535336A - 複雑な形状を有する部品の誘導加熱ろう付けのための方法、およびそれを実行するための単一または複数ろう付けステーション - Google Patents

Abstract

本発明は、複雑な形状を有する部品を、再現性のある実施の条件を定めながらろう付けすることに関する。特に、本発明は、ろう付けされるべき材料の放射係数を考慮に入れつつ熱の制御およびマッピングを行なうことによるろう付けの際の熱サイクルの調節を提供する。一実施形態によれば、本発明のろう付けステーションが、形状インダクタ（１１）を形成する回路へと接続されたトランス（６０）へと所定の電圧（Ｕ１）を供給することができる発電機（４０）を備え、前記回路が、ろう付けすべき部品（３、４）の全体形状を有している。圧力手段が、ろう付けすべき部品（３、４）に荷重を加える。カメラ（１３）が、熱のマップを確立させる。レーザ観察赤外光高温計（１２）が、放射係数のパラメータ化後に放射（Ｒ）によってろう付け温度を測定し、他のパラメータは固定される。コントローラ（５０）が、測定された温度にもとづいて発電機（４０）へと設定電力をもたらす。

Description

本発明は、複雑な形状を有する部品の誘導加熱ろう付け方法、およびそのような方法を実行するように構成されたろう付けステーションに関する。そのようなろう付けステーションは、種々のろう付け工程を同時に実行できるように複数であってもよい。

本発明の分野は、部品の組み立てのための誘導加熱ろう付けにあり、本発明は、組み立てるべき任意の部品形状に適用され、特に曲線を例えば有する複雑な形状の部品に適用される。材料は、特に自身の融点およびろうの融点に関して、ろう付けされるように構成されなければならず、ろう付けが効果を発揮できるように充分な導電率および透磁率を有さなければならない。

加熱の態様としての電磁誘導は、好都合であり、インダクタに組み合わせられた発電機によって従来から実行されており、少ない作業コストで迅速な温度上昇、およびきわめて局所的かつ再現性のある加熱を可能にする。そのような加熱の種類は、焼きなまし（管、ワイヤ）、溶接（管）、表面の焼き入れおよび焼きなまし（歯車）、矯正（軸）、などといった多数の事例に適用される。

ろう付けは、原則として、２つの金属部品を部品よりも低い融点を有する金属による接合部（すなわち、ろう）によって組み合わせることからなり、その加熱の態様がどのようであっても、以下のような厳しい条件の実行が必要である：
接合プラン（ｊｏｉｎｔ ｐｌａｎ）、プランオーバープラン（ｐｌａｎ ｏｖｅｒ ｐｌａｎ）に従って、部品を所定の遊びを間に持たせつつ組み合わせること、
部品の表面に油脂および酸化物が存在しないこと、
所定の熱サイクルが、部品の表面形状および部品／ろう材料の組み合わせにのみ加えられること。

そのような熱サイクルは、通常は、レベル温度（ろうの溶融温度よりもわずかに高い）までの温度上昇、所定の時間期間にわたる温度の保持、および所定の継続時間の冷却からなる。加熱の最中の酸化を防止するために、所望されるろう付けの強度に応じて、２つの手法が知られている。いわゆる「強」ろう付けの場合には、いわゆる「フラックス（ｆｌｕｘ）」の流れが、熱サイクルの最中の酸化からろう付け接合部を保護し、いわゆる「拡散」ろう付けの場合には、通常は雰囲気が中性ガス（例えば、アルゴン）のもとに制御される。

ろう付けのための加熱の態様としての誘導は、インダクタの表面形状ゆえに、アイソトープ（ｉｓｏｔｏｐｅ）型の用途、すなわち単純で規則的な形状の表面を有する部品の集合の回転部品集団（マニホールド、接続部、バルブ、など）について、制御された雰囲気のもとで知られている。

誘導加熱ろう付けは、一般に、ろう付けすべき部品を囲むソレノイド形状のインダクタを備える。インダクタは、ろう付けフラックスの融点に応じた温度調節のために、光学式の光高温計に組み合わせられる。

そのような手法では、誘導加熱ろう付けの適用範囲を、複雑な形状の部品集合体（特に、回転軸または対称軸を有しておらず、「発熱」接合プランを有しており、すなわちプランを有していない複雑な表面形状の部品）に広げることができない。

本発明は、詳しくは、複雑な形状の部品のろう付けを、部品間の遊びを変更可能にし、かつ熱サイクルをきわめて短くすることを可能にしつつ、したがって誘導式の加熱を使用することによって、製造において再現可能な実施の条件を定めることを可能にしつつ、実行することを目的とする。

そのような目的に達するために、本発明は、特に、ろう付けされるべき材料の放射係数を考慮に入れつつ、熱マッピングを通じて温度の一様性を調節およびチェックすることによってろう付けの際に熱サイクルを調整することを目的とする。

本発明の目的は、複雑な形状を有することができる部品のための誘導加熱ろう付け方法を提供することにある。そのような方法は、ろう付けすべき部品に応じて、温度の上昇、維持、および冷却の各段階を含む加熱の熱サイクルを定めるステップと、ろう付けすべき部品の間の接合プランにろう付けシームを配置するステップと、ひとたび組み合わせられたろう付けすべき部品へと実質的に一様な圧力を加えるステップと、サイクルの際に、加熱の一様性をチェックするために、ろう付けされる材料の熱マップであって、そのような材料の放射係数の変化を考慮に入れた熱マップを、利用可能にするステップと、を含む。次いで、そのような熱サイクルが、熱を表わす１つの点における該点の材料の放射係数の変化も考慮に入れた観察からの閉サーボループ、ならびにろう付けシームが配置されたろう付けすべき部品の接合プランに最も近い形状誘導による局所的な熱によって、調節される。

そのような状況において、本発明による方法は、熱サイクルの再現性のおかげで、工業の用途のための実施段階の開発を可能にする。継続時間および製造コストに関して「ボトルネック」なステーションであったろう付けステーションが、「流動性」のステーションになる。さらに、ろう付けの非品質率（短縮して、ＴＮＱ）が、３０〜４０％から３％未満へと低下し、ＮＱの残るコストが無視できるようになる。さらに、電気的、熱的、および磁気的なリスクが安全にされる。

特定の実施形態によれば、
ろう付けされる材料の温度につれての放射係数を考慮に入れるステップが、そのような材料の温度に応じた放射係数の変化を、黒体に関して、同じ温度で得られたそれぞれの放射の流れから較正することによって実行され、
熱の誘導が、接合プランに従って延びている形成すべきろう付け領域の近くに局所化され、
熱の代表点が、接合プランの近くで選択され、
ろう付けが、ろう付けすべき部品および形状誘導の形状および相対配置に関する所定のパラメータならびにろう付けすべき部品の表面の状態によって定められる。

好都合なことに、そのような方法が、作業の品質を改善しつつ、ろう付けの量を大きく減らすことを可能にする。さらに本発明は、上述の方法を実行するためのろう付けステーションに関する。そのようなステーションは、形状インダクタを形成する回路へと接続されたトランス（ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ）へと所定の電圧を供給することができる発電機を備える。前記回路が、ろう付け領域に関係するように構成された全体形状を有し、ろう付けすべき部品は、ツーリングの部品支持体に配置される。圧力手段が、ろう付けすべき部品に所定の実質的に一定な拘束を加えるように構成される。ろう付け時の部品の温度が、レーザ観察赤外光高温計によって測定され、コントローラが、測定される温度に応じて電力調節の設定点をもたらすように構成される。好都合には、ステーションが可搬であり、したがって、特にろう付けが中性ガスの存在を必要としない場合、現場での作業のために容易に持ち運ぶことができる。光高温計は、近傍の材料の加熱に関する調節の問題がないように、レーザ観察を備えている。

特定の実施形態によれば、
熱マップが、連続製造の開始前に、ろう付けパラメータの調節時に、そのようなろう付けパラメータを決定するために、赤外カメラによって測定され、
インダクタが、矩形の断面を有し、好ましくは辺が１ｃｍよりも短い正方形の断面を有し、溶接によって接続された直線状の長さ部材で形成され、全体としてろう付けすべき部品の接合プランの形状を有している金属構造体で構成され、
磁界コンセントレータが、漏れの領域をなくすためにインダクタの角の接続部のレベルに位置し、
インダクタが、ろう付けすべきカバーから２ｍｍを超えない距離に配置され、
圧力手段が、ろう付けすべき２つの部品の全体に所定の実質的に一定な拘束を加えるために、部品の片側に対して圧力を及ぼすばねが備えられた絶縁フィンガを備えるクランプ用チップで作られ、
圧縮空気ノズルが、好都合には、温度の値が材料の焼き入れのリスクについて集合体を解放するや否や、サイクル期間を低減するために冷却を加速させるように、ろう付けすべき部品の近くに位置する。

好都合には、複数ろう付けステーションが、同じ部品のいくつかの接合部を同時にろう付けするために、上述のとおりのいくつかのインダクタを備える。好都合には、発電機、トランス、およびレギュレータを、共通に使用することができる。

本発明は、特に、ノズル案内羽根とも呼ばれるタービンブレードのカバーのろう付けに関する。

本発明の他の特徴および利点が、添付の図面を参照する典型的な実施形態に関する以下の説明を検討することによって、明らかになるであろう。

本発明によるろう付けステーションの典型的なツーリングの概略図である。 適切な支持体上に配置されたろう付けすべきノズル案内羽根およびカバーの斜視図である。 本発明による形状インダクタを伴っている図２によるろう付けすべき部品の底面図である。 ろう付けの際の保持およびクランプツーリングの斜視概略図である。 本発明のろう付け方法を実行するためのブロック図である。

図１を参照すると、本発明による設備が、安全上の理由でロック９によってブロックすることができるアクセスドア３０が設けられた自由な雰囲気下の筐体１０に配置された加熱装置セットと、筐体の外側の電力装置、すなわち上流の電力コントローラ５０および下流のトランス６０に組み合わせられた表面電流を支持するための高周波発電機４０とを備えており、トランス６０を、図示の例のように加熱装置の近傍においてトランスヘッドとして筐体１０へと一体化させることができる。コントローラ５０が、調節を制御し、ろう付けされる部品の発熱に追随する。視覚化端末７２が設けられたデータ処理ユニット７０が、熱サイクルデータおよび温度に応じた主たるろう付け材料の放射係数の登録を可能にする。

加熱装置セットは、トランス６０に取り付けられたインダクタ１１と、コントローラ５０に組み合わせられた二色レーザ観察赤外光高温計（ｂｉｃｈｒｏｍａｔｉｃ ｌａｓｅｒ−ｓｉｇｈｔｅｄ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｐｙｒｏｍｅｔｅｒ）１２とからなる。インダクタ１１は、２軸の移動フレーム１４ａが設けられたテーブル１４の前に位置している。ろう付けすべき部品が、テーブル１４上に置かれた耐熱性の絶縁材料で作られた支持体５に配置される。圧縮空気ノズル１５ａおよび１５ｂが、好都合にはインダクタ１１とテーブル１４との間に配置される。そのようなノズルは、コントローラ５０によって操作される圧縮機１５ｃへと接続されている。圧力装置は、ばね（図４を参照）上に垂直に取り付けられたチップ１６を備えており、支持体５に被さるようにインダクタ１１を通過している。そのようなチップが、熱絶縁材料からなる６つのコンタクトフィンガ１８を備えており、そのようなコンタクトフィンガが、全体としてのフィンガによってろう付けすべき部品に実質的に一様な拘束を加えることができるよう、調節可能な高さのばねに取り付けられている。

以下の例は、ガスタービンのノズル案内羽根のためのカバーのろう付けに関する。タービンノズルは、一式の固定翼を形成する羽根と、２つのリングとで構成され、羽根が、内側リングに取り付けられる足を備えている。タービンノズルの機能は、回転する一式の可動翼の空気の流れの方向を合わせるために、羽根の側面の間の前縁において受け取られる空気の流れをそらすことである。

図２の斜視図が、ろう付けの開始前の耐熱材料製の支持体５への部品（１枚の羽根３およびそのカバー４）の配置を示している。羽根およびカバーは、全体的には、上面図において台形の形態を有している。羽根３は、２つの主要面、すなわち凹状の内弧面３２および凸状の外弧面（図では見て取ることができない）を有しており、前縁Ｂａおよび後縁Ｂｆが、これらの面を境界付けている。カバー４は、平たい壁として形成されている。

台形の底辺において、羽根はそれぞれ、頭部３４と、プラグ３７が突き出した足３６とを備えている。羽根３の内弧面３２は、羽根３の後縁Ｂｆの近傍につながるように並列に配置された一式の解放チャネル３８またはベントを備えている。

支持体５は、羽根が良好にブロックされるように羽根の外弧面に適合する上面５ａを有している。羽根の内弧面３２が、この面３２のための接合プランのカバー４の輪郭のすぐ内側の接合プランに配置された初期の帯の形態下のろう付けシーム６（破線で示されている）を受け取る。カバー４も、ろう付けシームを介して面３２の接合プランに配置される。この例では、ろうが、５０％の銀を主体とする合金であり、ろう付けされる部品が、銅−コバルト−ベリリウム合金で作られている。

インダクタ１１が、図３の上面図および図４の斜視図によって示されるとおり、カバーおよび羽根の接合プランの形態に全体的に合わせられた形態回路の形状のもとで存在している。そのような回路１１は、正方形の断面であり、辺が１ｃｍよりも短いが１ｃｍに近い銅管からなる長さ部材１１ａで構成されている。長さ部材は直線状であり、支持体５上に配置されたろう付けされるべき部品３の輪郭に全体として適合するように溶接によって接続されている。さらに図３は、コンタクトフィンガ１８のマークおよび接合プランの近傍の光高温計観察の代表点７を示している。

このようにして、インダクタ１１が、最大でも接触せずに長手方向のろう付け領域に近付くことを可能にする全体として適合させられた形態を有する。したがって、インダクタが、ここでは全体としてＸＯＹに平行な同じ水平プランＨ１に位置する４つの主たる長さ部材Ｔ１〜Ｔ４で構成される。一般的に言うと、インダクタのそのような形態および形状が、２ｍｍよりも小さい空隙にてろう付けすべき部品に近付くことを可能にする一方で、先行技術は、約２ｃｍの距離を保つことを必要とする。空隙は、ろうの組成および量、熱サイクル、部品の形状、および誘起される電流の強さ、などといった種々のパラメータに応じてさまざまであってもよい。

長さ部材Ｔ１〜Ｔ４が、上面図において「Ｕ」を形成し、端部においてトランス（図示せず）へと接続される。トランスによってもたらされる電流の強さおよび交流電圧は、材料にとって適切な強さの磁界、したがって誘導電流が生じるよう、ろう付けされる部品およびろうの寸法および性質に合わせて調整される。好都合には、後方の領域を制限し、誘導電流をろう付け領域に集中させるために、フェライト磁界コンセントレータ８が長さ部材に配置され、より詳しくはそのような長さ部材の接続部Ａのレベルに配置される。

図４によって示されるように、ばね１９が、チップ１６によって案内されたコンタクトフィンガ１８を延びた状態に保持する。さらに、チップ１６を、赤外光高温計（図示せず）のレーザ光線の通過を可能にする管腔８０が横切っている。

上述のツーリングを、図１を参照して開示した主たる装置、すなわち発電機４０、組み合わせられたトランス６０およびインダクタ１１、放熱Ｒを測定するための光高温計１２、発電機４０へと接続されたコントローラ５０、および熱サイクルのリアルタイムでの視覚化端末７２に組み合わせられた記録のためのデータ処理ユニット７０を列挙する図５に示されるブロック図に従って実現することができる。

インダクタ１１の寸法および形状、部品３および４の表面の状態（洗浄、酸洗い、など）、接合プランへの帯としてのろう６の配置、羽根へのカバーの配置、装置とろう付けすべき部品との間の空隙、圧力チップによって部品へと加えられる拘束、などといったろう付けパラメータが、熱サイクルの実施の前に設定される。この例では、空隙が実質的に１ｍｍに等しく、圧力がフィンガ１つにつき０．０２Ｎに設定され、すなわちフィンガ全体で０．１２Ｎに設定される。

ここでは６ｋＷに等しい出力を有する発電機６０が、電圧Ｕ１を供給し、これがトランス６０によって交流電圧に変換される。このトランスが、インダクタ１１に電圧Ｕ１を印加する。結果として、誘導電流が、ジュール効果によって、ろう付けすべき部品３および４の間のろう付けシーム６に充分な温度を放出し、そのような部品の間のろうを液化させ、ろう付けを生じさせる。

好都合には、形成されるろう付け接合部における温度の一様性が、ろう付けされる部品の領域の画像を処理ユニット７０へと送信する赤外カメラ１３によって注視される。好都合には、熱の一様性の監視を、加熱時にカメラによって送信される画像と、前もって確立される熱マップとの間の比較によって実行することができる。マップを、やはり処理ユニットにあらかじめ登録される種々の熱サイクルおよび種々のろう付け対象の材料について確立し、あらかじめ登録しておくことができる。

熱の制御のチェックは、光高温計１２によって実行され、コントローラ５０へと送信される温度測定から実行される。接合部の近傍において接合プランに位置する熱の代表点は、ＩＲカメラによって前もって確立されたマップのおかげで、光高温計の観察点７（図３）として選択される。

光高温計および赤外カメラによって測定された温度値が、温度につれての放熱の放射係数のばらつきがなくなるように、黒体によるシミュレーションによって調節段階において補正される。このために、集合体が、黒体を模擬するために「１」に近い放射係数を有する塗料で覆われる。その結果、再現性のある加熱の調節が定められる。次いで、初期値としての主要な合金の放射係数の算盤により、正確な係数が前もって得られたサイクルを再現するように調節される。

加えるべき熱サイクルが、温度の上昇、維持、および冷却の継続時間、ならびにこれらの期間の境界における温度など、コントローラ５０においてパラメータ化される。好都合には、サイクルを、前もって登録されたサイクルの中から選択することができる。光高温計による各々の温度測定において、放射係数による補正後の測定値と、サイクルの瞬間において期待される値との間のずれが、コントローラ５０によって評価される。そのようなずれをゼロへと減らすことができる電力調節の設定点が、コントローラ５０によって明らかにされ、発電機４０へと送信され、発電機４０が、そのようにして送信される設定点信号に従って自身の出力を調節する。

この例では、サイクルの総継続時間が５分を超えず、１分の温度上昇、１分の維持、および３分の冷却である。維持の温度は、銀を主体とするろう付けにおいては、６８０〜７２０℃の範囲に安定化される。冷却は、強制冷却は材料の「焼き入れ」につながる可能性があるため、約３００℃まで放置である。

本発明は、説明および図示された例に限定されない。例えば、手動によって断たれるように構成された直接数値制御、またはデータ処理ユニットからの任意の瞬間のオートマットにより、ろう付けの自動化を行なうことが可能である。作業の際に固定されたままとなるすべての所定のパラメータを入力し、使用されるろう付け材料およびろう付けされる部品の材料に関するデータを取得した後で、選択された熱サイクルの調節ループが制御部によって開始され、処理ユニットによってチェックされる。マップによる追跡が、この方法のロバストさの検証を可能にする。あらかじめ登録されたモデルとの一致が検証され、所定のしきい値を超える温度のずれが存在する場合に、視覚または音による警報を発することができる。

さらに、多数のろう付け作業、特に制御された雰囲気を必要としないろう付けを、本発明による方法およびツーリングによって達成することができる。さらに、部品のろう付けを、例えば５００〜８００℃の間など、重要な温度の範囲において行なうことができる。

Claims (14)

1. 複雑な形状を有することができる部品（３、４）のための誘導加熱ろう付け方法であって、
   ろう付けされる材料（６）に応じて、温度の上昇、維持、および冷却の各段階を含む加熱の熱サイクルを定めるステップと、
   ろう付けすべき部品（３、４）の間の接合プラン（Ｃ）にろう付けシームを配置するステップと、
   ろう付けすべき部品へと実質的に一様な圧力を加えるステップと、
   サイクルの際に、加熱の一様性をチェックするために、ろう付けされる材料の熱マップであって、そのような材料の放射係数の変化を考慮に入れた熱マップを、利用可能にするステップと、
   熱を表わす１つの点（７）における該点の材料の放射係数の変化も考慮に入れた観察からの閉サーボループ、ならびにろう付けシームが配置されたろう付けすべき部品（４）の接合プランに最も近い形状誘導（１１）による局所的な熱によって、前記熱サイクルを調節するステップと
   からなることを特徴とする、誘導加熱ろう付け方法。
2. ろう付けされる材料の温度につれての放射係数を考慮に入れるステップが、そのような材料の温度に応じた放射係数の変化を、黒体に関して、同じ温度で得られたそれぞれの放射の流れから較正することによって実行される、請求項１に記載の誘導加熱ろう付け方法。
3. 熱の誘導が、接合プラン（Ｃ）の縦長の各部分に従って延びているろう付け領域の近くに局所化される、請求項１または２に記載の誘導加熱ろう付け方法。
4. 熱の代表点（７）が、接合プラン（Ｃ）の近くで選択される、請求項１から３のいずれか一項に記載の誘導加熱ろう付け方法。
5. ろう付けが、ろう付けすべき部品および形状誘導の形状および相対配置に関する所定のパラメータならびにろう付けすべき部品の表面の状態によって定められる、請求項１から４のいずれか一項に記載の誘導加熱ろう付け方法。
6. 請求項１から５のいずれか一項に記載の方法を実行するためのろう付けステーションであって、
   形状インダクタ（１１）を形成する回路へと接続されたトランス（６０）へと所定の電圧（Ｕ１）を供給することができる発電機（４０）を備えており、前記回路が、支持体（５）上に位置したろう付けすべき部品の輪郭（Ｃ）によって定められる縦長のろう付け領域に関係するように構成された全体形状を有しており、圧力手段（１６〜１８）が、ろう付けすべき部品（３、４）に所定の実質的に一定な拘束を加えるように構成され、レーザ観察赤外光高温計（１２）が、ろう付け温度を測定し、コントローラ（５０）が、測定される温度に応じて発電機（４０）へと電力調節の設定点をもたらすように構成されていることを特徴とする、方法。
7. 熱マップが、連続製造の開始前に、ろう付けパラメータの調節段階において、そのようなろう付けパラメータを決定するために、赤外カメラ（１３）によって測定される、請求項６に記載のろう付けステーション。
8. インダクタ（１１）が、矩形の断面を有し、好ましくは正方形の断面を有し、溶接によってヒンジ接続された直線状の長さ部材（Ｔ１〜Ｔ４）で形成され、全体としてろう付けすべき部品（３、４）の接合プランの形状を有している金属構造体で構成されている、請求項６または７に記載のろう付けステーション。
9. インダクタ（１１）の金属構造体が、１ｃｍよりも小さい辺を有する正方形の断面を有している、請求項８に記載のろう付けステーション。
10. 磁界コンセントレータ（８）が、インダクタ（１１）の角の接続部（Ａ）のレベルに位置している、請求項８または９に記載のろう付けステーション。
11. 圧力手段が、ろう付けすべき２つの部品（３、４）の全体に所定の実質的に一定な拘束を加えるために、一方の部品（４）の片側に対して圧力を及ぼすばね（１９）が備えられた絶縁フィンガ（１８）を備えるクランプ用チップ（１６）で作られている、請求項６から１０のいずれか一項に記載のろう付けステーション。
12. 圧縮空気ノズル（１５ａ、１５ｂ）が、冷却を加速させるために、ろう付けすべき部品（３、４）の近くに位置している、請求項６から１１のいずれか一項に記載のろう付けステーション。
13. 請求項６から１２のいずれか一項に記載の１つのステーションのいくつかのインダクタを備えている複数ろう付けステーションであって、
    ただ１つの部品の種々の接合部を同時にろう付けすることができることを特徴とする、複数ろう付けステーション。
14. 発電機、トランス、およびコントローラが、すべてのツールに共通に使用される、請求項１３に記載の複数ろう付けステーション。

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