JP2023503583A - フォークとフォーク上のハンガーとの間の接続 - Google Patents

Abstract

フォークとフォーク上のハンガーとの間の接続。少なくとも１つのハンガーをフォークに溶接する方法。摩擦溶接プロセスを使用してハンガーとフォークとの間に溶接部を作製し、その後、熱影響部（ＨＡＺ）を冷却することができる。好ましくは、冷却はマルテンサイトが形成されるまで行われ、その後、焼戻し後電流がＨＡＺに印加される。【選択図】 図１

Description

［関連出願の相互参照］

［０００１］本出願は、２０２０年１１月２７日に出願された米国仮特許出願第６２／９４１５１３号に対する米国特許法第１１９条（ｅ）に基づく優先権の利益を主張するものであり、その内容はその全体が参照により本明細書に組み込まれる。

［背景］

［０００２］本出願の主題は、材料取扱い車両用のフォークに関し、より詳細には、材料取扱い車両に対するアタッチメントのフォークと、フォークが荷重取扱い車両のキャリッジに取り付けられるハンガー（フック）との間の改良された接続構造、並びにフックをフォークに接続するための方法に関する。

［０００３］材料取扱い車両は、典型的には、マストを有し、マストは、このマストに取り付けられたキャリッジを介して所与の方向に伸縮する。材料取扱い車両は、マストに沿った運搬を誘導するように装備されている。荷物を運ぶために、一般的にＬ字型のフォークがキャリッジに取り付けられる。多くの場合、２つ以上のこのようなフォークがキャリッジに取り付けられ、フォークをパレットまたは取扱い商品が配置される他の便利な装置に挿入することによって荷物が運ばれる。他の例では、商品自体は、１つまたは複数のフォークによって直接的に接触され得る。しかし、たとえば圧延カーペットのような比較的長く管状の物品を運搬する場合には、単一のフォークを使用して荷物を運搬することができる。

［０００４］材料取扱い車両に積載される荷重の様々な構成および間隔に関して、キャリッジに対してフォークの場所を調整する手段を備えることが一般的である。２つ以上のフォークで荷物がピックアップされる場合、それらの間の間隔は、運搬される荷重の特定のパレットまたはその他の構成に適合するように調整する必要がある場合がある。カーペットロールを扱う場合のように単一のフォークを使用する場合には、フォークの１つを車両から取り外してもよく、次いで、通常、単一のフォークを車両の中央に移動させて、航空機・鉄道車輌・自動車・二輪自動車・自転車用車輪にかかる荷重を均等に分散させる。

［０００５］典型的には、キャリッジは、マストに対して延び、上部および下部装着バーを備える。上下の装着バーを有するキャリッジにフォークを設置する場合、フォークには、通常、一対のフック状のハンガーが設けられる。ハンガーは、マストに向かって、すなわち、フォークのブレードに支持された荷重から離れて延びる。ハンガーは、通常、垂直に延びており、上部ハンガーは上部装着バーにわたり下方に延び、下部ハンガーは下部装着バーにわたり上方に延びている。

［０００６］典型的には、ハンガー（フック）がフォークに接続される製作物は、フォークとハンガーとの間のジョイントに加えられる様々な重量および応力に耐えるのに十分な構造強度がなければならない。しかしながら、この目標を達成する既存の方法は、各ジョイントを安全に作製するために比較的長い時間を必要とする。従って、望ましいのは、材料取扱い車両に対するアタッチメントのフォークと、フォークが材料取扱い車両のキャリッジに装着されるハンガー（フック）との間の改良された接続構造、並びにフックをフォークに接続する方法である。

図１は、本発明の好ましい実施形態によるフォークの側面図を示し、フォークとキャリッジの取付けバーとの間の取り付けを例示する。 図２は、図１に例示するように、キャリッジの上部装着バーを示す。 図３は、図１のフォークの上部ハンガーを示す。 図４Ａは、ピンが１番目の位置にある図３のハンガーを示す。 図４Ｂは、図４Ａと同じ図であるが、ピンが２番目の位置にある。 図５は、フォークをフォークのハンガーに溶接するための典型的なプロセスを示す。 図６は、図５の方法で作られた単一溶接部の硬度と距離をプロットしたものである。 図７は、図５の方法を試行し、その硬度と電流および時間をプロットしたものである。 図８は、図５の方法の別の試行に対する硬度と電流および時間の理論焼戻し曲線を示す。 図９は、図８の試行から、等方焼戻し電流と硬度および時間をプロットしたものである。 図１０は、図８の試行から、電流の時間の関数として等硬度をプロットしたものである。

詳細な説明

［００１８］図１に全体的に示されているフォーク１０は、実質的に垂直なシャンク１２、実質的に水平なブレード１４である。シャンク１２に取り付けられるのは、上部ハンガー１６と下部ハンガー１８であり、それぞれが溶接によってシャンク１２に取り付けられてもよい。溶接部は、図１において、２０で示されている。ハンガー１６およびハンガー１８は、シャンクの後部から延びる部分を含み、シャンクは、ブレードから離れて材料取扱い車両（典型的にはリフトトラック車両）のキャリッジに向かっている。ハンガー１６は、フック２２を備え、フック２２は、下方に延びてリフトトラック車両の上部装着バー３０に係合する。また、下部ハンガー１８は、フック２４を備え、フック２４は、リフトトラック車両の下部装着バー３２に係合する。２つの装着バー３０、３２は、リフトトラック車両のキャリッジに取り付けられる。

［００１９］図２は、材料取扱い車両キャリッジの上部装着バー３０を示す。上部装着バーは、実質的に水平な表面３４と、表面３４に対して一定の角度で延びる表面３６と、表面３４に実質的に水平かつ平行に延びる表面３８とを備える。２つの表面３６、３８は、装着バーの前向き表面４０と共に、装着バー３０の最上縁に沿って延びるリブ４２を画定する。リブ４２には、複数のスロット４４が設けられている。スロット４４は、装着バーに沿ったフォークの場所に対して複数の固定場所を提供するための位置決めストップとして作用する。

［００２０］図３は、図１に示すように、フォーク１０のシャンク１２にハンガーを接続する前の上部ハンガー１６および１８を例示している。フック２２は、第１の表面５０ａおよび５０ｂを画定する。表面５０ａおよび５０ｂは、図２に示される装着バー３０の表面３４および表面３６と接触する。表面５０ａと表面５０ｂとの間の角度は、装着バー３０の表面３４と表面３６との間の角度と同じである。上部ハンガー１６は、本体６０を備える。本体６０は、本体６０を通してほぼ垂直に延びるボア６２を画定する。ボアは、図４Ａおよび図４Ｂに示されるピン６６の、ガイドされた長手方向移動のための軸線６４を画定する。ピン６６は、図４Ａに示す第１の位置から図４Ｂに示す第２の位置まで移動可能である。ピンは、ランド部６８を備える。バネ７０は、ランド部６８とハンガー１６の本体６０との間に作用して、ピンを図４Ａに示される第１の位置に付勢する。図４Ｂに示すように、ピンを第２の位置に移動するために、バネは、図４Ｂに示すように、圧縮されなければならない。

［００２１］前述したように、既存の技術は、ハンガー１６、ハンガー１８とフォーク１０のシャンク１２との間に十分に強いジョイントを形成することができる。既存の溶接プロセスは、定電位電源（定電圧）、ワイヤ（電気用のものを除く。）フィーダ、溶接ガンを用いたＧＭＡＷ（ガス金属アーク溶接）プロセスである。これは半自動的に、または機械によって行われる。半自動プロセスの場合、溶接機は手動で溶接ガンを操作し、溶接される２つの部品の間に充填材を堆積させる。溶接されるベース金属は、ベース金属と充填金属との融合をもたらすプロセスにおいて部分的に溶融される。機械応用のために、溶接ガンはロボットアームによって操作され、制御される。

［００２２］この既存のＧＭＡＷプロセス時間は、フォークの種類によって異なるが、最も一般的なフォークの場合、端から端までの時間は、洗浄、仮付け、加熱、溶接、および溶接部の洗浄に約６分かかる。この時間を大幅に短縮するために、本発明者らは、摩擦溶接プロセスと考えたが、この摩擦溶接プロセスは、融着溶接プロセスではなく、互いに相対的に移動するワークピース間の機械的な摩擦や変形によって発熱し、材料を塑性変形させて融着させる固体溶接プロセスである。このプロセスは、高い表面速度、圧力で生じ、融解することなく短い接合時間（数秒のオーダ）になる。さらに、（摩擦および変形関連の加熱を生じる）並進運動もまた、溶接される材料間の表面を「洗浄する」傾向があることを、当業者は理解するであろう。溶接プロセスの間、使用される方法に依存して、接合される少量のワークピースがワーク接合領域から押し出され、残留汚染を運び去る。次いで、このプロセスは、得られた結合領域の急速な加熱および冷却速度の両方をもたらす。

［００２３］しかしながら、実際には、既存のＧＭＡＷプロセスの代替としてのフォーク構成要素の摩擦溶接は期待外れの結果を示した。問題には、ジョイントの硬度が過剰であること、（ＧＭＡＷと比較して）機械的性能が比較的低いことなどがあった。特に、プロセスに関連した急速冷却速度は、二つの取付け材料の熱影響部（ＨＡＺ）と変形区域の両方で、非常に硬くて砕けやすいマルテンサイト微細構造を生成する。溶接されたままの状態では、これらの構成要素の生産に使用される材料の高い硬化性のために、ワークピースはフォークへの装着ハンガーの適用には受け入れられないであろう。

［００２４］摩擦溶接のプロセスに対して広く受け入れられている２つの変形例には、回転摩擦溶接と線形摩擦溶接がある。回転摩擦溶接（ＦＲＷ）は、スピン溶接としても知られており、溶接される材料を保持するための２つのチャックを有し、一方が固定され、他方が回転する機械を使用する。直接駆動型の回転摩擦溶接（連続駆動摩擦溶接とも呼ばれる）では、駆動モータとチャックとが接続される。駆動モータは、加熱段階の間、チャックを連続的に駆動する。通常、クラッチを使用して駆動モータをチャックから切り離し、次にブレーキを使用してチャックを停止する。慣性溶接（ＦＲＷ－Ｉ）プロセスでは、回転エネルギを保存するためにフライホイールが使用される。溶接では、フライホイールが高速になり、駆動モーターが結合解除され、ワークピースが互いに押し付けられる。回転フライホイールに保存された運動エネルギは、フライホイールの速度が低下するにつれて溶接界面で熱として消散される。加えられた力は、スピニングが停止した後も維持され、ワークピースの鍛造が完了する。

［００２５］回転摩擦溶接は一般に円形断面にのみ適用される。ハンガー・フォーク接続は、より複雑な形状（例えば、長方形）を意味し、したがって、回転摩擦溶接に貢献しない。

［００２６］線形摩擦溶接（ＬＦＷ）はＦＲＷに関連しているが、接合のための摩擦および変形関連の加熱を生じさせるために、回転運動ではなく並進振動運動を使用する。この技術は、上述した接合された構成部品のジオメトリの制限を克服する。この技術の変形例は、ＦＲＷと比較して同様のサイクル時間およびその結果得られる冷却速度を使用する。従来の線形摩擦溶接（ＬＦＷ）を用いた最初の実験において、サブサイズ試料の冶金学的検討から、ＨＡＺ微細構造は、９０％－１００％マルテンサイトであることが明らかになった。しかしながら、必要な荷重を維持することができるこの非常に硬くて砕けやすい微細構造は、衝撃または疲労に対して、ほとんど又は全く耐久性を示さない。

［００２７］次に、本発明者らの焦点は、従来のＬＦＷから低力線形摩擦溶接（ＬＦＬＦＷ）に移行した。対象とした材料は、高強度、低合金（ＨＳＬＡ）及び他の合金鋼である。低力摩擦溶接は、新しい技術であり、これは、ＬＦＷに類似した界面運動と結合した構成要素の抵抗ベースの予備加熱を用いる。この技術を用いた最初の試行は有望であったが、ＨＡＺの高硬度は依然として主要な関心事であった。最適パラメータを確立するために、種々の力／電流の組合せで試行試料が実行された。試験試料を検査したところ、ＨＡＺ硬度レベルは依然として許容限界をはるかに上回っていた。

［００２８］最初の試行が完了すると、本発明者らは、硬度の問題に焦点を当て始めた。高ＨＡＺ硬度を緩和するために、最初は二つのプロセス変動を考慮した。第１は、フォークブランクが熱処理プロセスからの残留熱を保持する場合に、フォーク生産において一度にＬＦＬＦＷを実施することであった。ＬＦＬＦＷを適切な時間に実施することができれば、フォークブランク温度を華氏４００度以上にすることができ、ジョイントのマルテンサイトの体積分率を低減し、靭性を向上させることができる。第２のプロセス変動は、冷却割合を低下させるために、溶接直後に部品を予熱するために使用される抵抗電流を再初期化するという考えを探求した。

［００２９］本発明者らは、フォーク温度によって制限されることを望まなかったので、第１のプロセス変動は迅速に排除され、最適な溶接プロセスは、フォークブランクが周囲温度に冷却された後に行われるであろうと決定した。溶接される材料の連続冷却変態図表を検査することにより、第二のプロセス変動を評価した。データの解析から、望ましい微細構造を達成するために必要な冷却速度は、フォーク溶接当たり約１２０－１５０秒であることが示唆された。これは、溶接ハンガーをフォークに加えるには実用的ではなかった。なぜなら、そうするための既存の手順は、すでに非常に短い期間であったからであり、即ち、第２のプロセス変動は、実際には、現行の生産溶接時間を短縮するのではなく、延長することになるからである。

［００３０］この時点で、継続的な失敗にもかかわらず、本発明者らは、直観に反して、溶接部が急速な冷却速度で冷却することを可能にし、それに付随する高硬度および許容できない脆性を有するマルテンサイトを完全に形成させる第３のアプローチを検討した。続いて、別個の制御された電流を部品に印加して、ＨＡＺ内に完全に形成されたマルテンサイトを焼き戻した（ｔｅｍｐｅｒ）。これはジョイントの靭性を改善する焼戻しマルテンサイト微細構造をもたらした。

［００３１］図５は、一般に、ステップ１０２で低力線形摩擦溶接プロセスを使用して適切な構成要素が互いに溶接される、上述した方法１００を示す。溶接が完了したら、ステップ１０４において、溶接された構成要素を冷却して、マルテンサイトが溶接ジョイントで完全に形成されるようにする。マルテンサイトが完全に形成されると、次いでステップ１０６において、電流「ｉ」の焼戻し後電流を時間「ｔ」だけ印加して、マルテンサイト硬度を適切な値に低下させる。

［００３２］したがって、フォークリフトのフォークに溶接されたハンガーの適用に適したマルテンサイト溶接ジョイントでハーネスを生成する「ｉ」および「ｔ」の値の組合せを見出すことを試みるために、図５に示される方法の後続の試行実行（第２の試行）が実施されたが、この試行運転は、様々な焼戻し電流および焼戻し時間を用いて、フォーク上のフォークおよびハンガーに典型的に使用される材料の種類を表す試験ブランクに適用される。次に、この試行からの試料を切断し、微細構造および硬度について評価した。以下の表１に示されるこれらの結果は、依然としてＨＡＺのある程度の軟化を示したが、一貫しておらず、かつ多くのバラツキがあり、多くの場合、ＨＡＺ硬度レベルは、溶接ハンガーをフォークに適用するには高すぎるままであった。

［００３３］表１に示す結果を生成する試験は、フォーク／ハンガーに使用される材料であるＡ５７２溶接の試料を１５Ｂ３７鋼に溶接するために、低力線形摩擦鋼プロセスを使用して実施された。この溶接プロセスを適用した後、溶接部を２０秒間冷却して、マルテンサイトが溶接接合ラインで完全に形成されるようにし、その後、溶接後焼戻しプロセスは、表に示すように、様々な時間に様々な焼戻し電流を印加した。当業者には理解されるように、この実験は２０秒の冷却時間で実施されたが、溶接接合部の十分な部分がマルテンサイトに変態するような時間である限り、他の値を使用してもよい。試行溶接が完了した後、試料を切断し、溶接接合ラインの両側の異なる場所で硬度を測定した。試料ＭＥ１６２－１４の測定結果の代表的な実施例を図６に示す。マルテンサイトゾーンは、約４７０ビッカース硬度（ＶＨＮ）の硬度の安定期（ｐｌａｔｅａｕ）として、この図で容易に見ることができる。マルテンサイトゾーンを横切る平均硬度を性能の適切な指標として用いた。

［００３４］図７は、等硬度トレースを示す表１に示される結果のプロットであり、ここで、表１のデータは、時間０において５５０ＶＨＮの推定マルテンサイト硬度に外挿され、各等硬度トレースについて最良適合線形回帰線が作り出された。このプロットから分かるように、硬度は、通常、線形回帰によって示されるように電流と時間の関数として減少するが、データは最良適合線の周囲に広く分散している。次に、これらのプロットを用いて焼戻し電流と時間間隔の組合せを推定し、特定の最終硬度を得た。これらの結果を図８に示す。ここに示したデータを用いて、以下に説明する理論的な焼戻し曲線を獲得した。これらの改良されたその場焼戻し曲線を利用して試料の溶接を行い、結果を検証した。

［００３５］検証には、金属学的評価のために完成した試料を切断することが含まれる。結果は、印象的であり、ＨＡＺの軟化は許容レベルに制御されていた。以下の表２はこれらの結果をまとめたものであるが、図９は、硬度および焼戻し時間の関数として、各曲線の二次回帰とともに、等方焼戻し電流曲線としてデータをプロットしている。この図から容易に理解できるように、第２の試行から得られた曲線とは異なり、それぞれについてプロットされた実験データは、関連する最良適合の等方電流曲線の周囲に非常に密に分布している。従って、第３の試行からの試験結果を使用して、焼戻し電流および焼戻し時間の有効な溶接後焼戻しパラメータを容易に選択して、ハンガーをフォークに効果的に取り付けることができるように、得られる溶接の所望の硬度を達成することができる。たとえば、この改良されたプロセスにおいて、一対のフォークを一度に溶接することができる場合には、一対のフォークにつき約３０秒、または一対のフォークにつき１５秒しか必要としないと予想される。これはフォークの製造プロセスにおける実質的な改善である。図１０も同様に焼戻し電流と焼戻し時間の関数として等硬度線の焼戻し曲線をプロットした。

［００３６］再び図１を参照すると、好ましい実施形態において、従って、溶接接続部２０は、それぞれ、好ましくは、先に説明した低力線形摩擦溶接手順を用いて形成することができる。従って、溶接接続部３０は、実質的にマルテンサイトである接合表面を有することが好ましい。即ち、マルテンサイト組織の溶接接合ラインにおいて、９０％以上の微小表面を有する。本発明者らは、一部の好ましい実施形態では硬度値が３７５－４５０ＶＨＮであるが、マルテンサイト構造は好ましくは３００－４５０ＶＨＮ、より好ましくは３５０－４５０ＶＨＮの平均硬度値を有するべきであると決定した。本明細書に記載した手順によって形成された溶接部の別の特徴は、溶接部の接合界面における硬度の大きなスパイク波形（尖頭：ｓｐｉｋｅ）である。これは図６で明確に見られ、そこでは硬度が接合ラインの周囲の０．０３インチ未満の間隔内で１００ＶＨＮをはるかに超えてジャンプしている。

［００３７］本発明は、記載された特定の実施形態に限定されるものではなく、また、特許請求の範囲に定義された本発明の範囲から逸脱することなく、特許請求の範囲に変更を加えることができることが理解されるであろう。この変更は、現行法の原則（クレームの行使可能な範囲をその文言上の範囲を超えて拡大する均討論の原則又はその他の原則を含む）に従って解釈される。文脈が別段の指示をしていない限り、クレームにおける要素の実例の数への言及は、それが１の実例への言及であるか又は２以上の実例への言及であるかを問わず、要素の少なくとも規定された数の実例を必要とするが、当該要素の規定よりも多くの実例を有する構造又は方法をクレームの範囲から除外することを意図しない。「備える」という語又はその誘導体は、クレームにおいて使用される場合、クレームされた構造又は方法における他の要素又はステップの存在を排除することを意図しない非排他的意味で使用される。

Claims (15)

1. 産業車両のキャリッジと選択的に係合および係合解除するように構成されたフォークであって、
   シャンクと、前記シャンクに溶接部で接続されたハンガーと、
   を備え、
   前記溶接部は実質的にマルテンサイトから形成される、フォーク。
2. 前記マルテンサイトが３００－４５０ＶＨＮの平均硬度を有する、請求項１に記載のフォーク。
3. 前記マルテンサイトが、前記溶接部の接合ラインの周囲にスパイク波形を伴う可変硬度を有する、請求項１に記載のフォーク。
4. 前記溶接部が、線形摩擦溶接プロセスによって形成される、請求項１に記載のフォーク。
5. 前記線形摩擦溶接プロセスが、溶接後強化プロセスを含む、請求項４に記載のフォーク。
6. リフトトラック取付け用のフォークに少なくとも１つのハンガーを溶接するための方法であって、
   摩擦溶接プロセスを適用して、フックとフォークの間に溶接部を作製するステップであって、前記溶接部は熱影響部（ＨＡＺ）を有する、ステップと、
   前記ＨＡＺを冷却してマルテンサイトを含む溶接表面を形成させるステップと、
   その後、前記ＨＡＺに焼戻し後電流を印加するステップと、
   を含む、方法。
7. 前記溶接表面を冷却する前記ステップが、前記溶接された接合ラインの少なくとも９０％をマルテンサイト構造にする、請求項６に記載の方法。
8. 前記焼戻し後電流が２０－４６ｋＡである、請求項６に記載の方法。
9. 前記焼戻し後電流が、電流と時間とを関連付ける曲線に従って変化する、請求項８に記載の方法。
10. 前記変化された焼戻し後電流が少なくとも０．２秒間印加される、請求項９に記載の方法。
11. 前記変化された焼戻し後電流が少なくとも０．５秒間印加される、請求項９に記載の方法。
12. 前記変化された焼戻し後電流が、少なくとも１秒間印加される、請求項９に記載の方法。
13. 前記摩擦溶接プロセスが、線形摩擦溶接プロセスである、請求項６に記載の方法。
14. 前記溶接表面の前記マルテンサイトが３００－４５０ＶＨＮの平均硬度を有する、請求項６に記載の方法。
15. 前記マルテンサイトが、前記溶接部の前記接合ラインの周囲にスパイク波形を伴う可変硬度を有する、請求項６に記載の方法。

Images