JP5258576B2 - 金属繊維の断続的溶接 - Google Patents

Description

本発明は、金属繊維を溶接して所定幅のフィルタ材料とするための装置および方法に関する。このような金属フィルタ材料は、排出ガス再処理の分野において、例えばフィルタ材料又は減衰材料として有効に利用される。

国際公開第２００４／０３９５８０号パンフレットにより多孔質板状金属複合材料の製造方法が公知である。そこでは、金属繊維を１作業工程で加圧し互いに溶接することを提案している。溶接法を実施すべく、金属繊維はそれ用に設けた溶接装置に持ち込まれる。繊維を溶接するため、金属繊維集合体が２つの平面的に形成された電極の間に配置され、電極は集合体に関して溶接するのに十分な加圧力を提供する。溶接法としてインパルス溶接法、好適にはコンデンサ放電溶接法が提案されている。

このような金属フリースを製造するための公知の溶接法は確かに十分に実証されたが、連続生産を考慮して一部では、幅全体にわたり溶接条件を一様に維持できない虞があり、最終的にフリースは特定の材料特性値に関し望ましくない変動を示すことがある。

本発明の課題は、先行技術に関して指摘した技術的諸問題を少なくとも部分的に解決することである。特に、連続生産の枠内でも高品質の金属繊維フィルタ材料の製造を保証する装置を提供することにある。加えてこの装置は単純に構成され、高い溶接速度を可能とする。

これらの課題は、請求項１の特徴による装置と、請求項１０の特徴で述べた方法とで解決される。その他の有利な諸構成は、各々従属的に記述した請求項に示す。指摘しておくなら、特許請求の範囲に個々に列挙した特徴は、技術的に有意義な任意の方法で互いに組合せることができ、本発明のその他の諸構成を示すものである。

金属繊維を溶接して所定幅のフィルタ材料とするための本発明に係る装置は、
幅にわたって分散配置されて金属繊維を挿通させることのできる複数の溶接電極対と、
溶接電極対の少なくとも一方の溶接電極の相対移動を引き起こす少なくとも１つの昇降装置と、
溶接電極対と金属繊維との接触に依存して溶接電流を供給する少なくとも１つの溶接制御装置と、
少なくとも１つの昇降装置の状態に依存してフィルタ材料の送りを引き起こす、フィルタ材料を移動させるための送り制御装置とを含む。

溶接電極対に関し付記すれば、溶接電極対は、金属繊維のフィルタ材料又は緩い複合材料の全幅を、場合によっては追加的に処理するべき細い縁領域を例外として一緒に覆うように配置される。このため溶接電極対は好ましくは一直線に並べて配置できるが、これは必ずしも必要でなく、溶接電極対をフィルタ材料の送り方向でずらして配置してもよい。

ところで、昇降装置により少なくとも一方の溶接電極の相対移動が引き起こされる。これは、特に両方の溶接電極の一方が溶接過程中動かされないことを意味する。複合材料の下方に配置される溶接電極を、このような静止した溶接電極として構成するとよい。これに対し相対的に、上側に配置される溶接電極を昇降移動可能とすれば、溶接電極が最小の相互距離を有する変位位置で金属繊維の圧搾と溶接が行える。

各溶接電極対を、相互に独自に昇降装置により作動させることは基本的に可能であり、その場合、状況によっては、長いプロセス時間を甘受せねばならなくなる。しかし、特別に好ましい構成では、昇降装置によって全ての溶接電極対が同時に又は互いに平行に動かされる。更にその場合、なお一層良好に点検可能かつ再現可能な溶接プロセスを保証するために、各溶接電極対が独自の変圧器を装備していると好ましい。

溶接プロセスを実行すべく、各溶接電極対が個別の電力供給部を有し、更には個々に電流源を有すると好ましい。これらは共通の溶接制御装置を介して点検できるが、各溶接電極対用に個別の溶接制御装置を設けることも可能である。溶接制御装置は、特に繊維フィルタ材料と接触している溶接電極のみに電流を供給する役目を有する。

フィルタ材料が溶接過程自体の間静止し、中間段階のとき、規定された送り行程分だけ更に搬送されるように、送り制御装置はフィルタ材料を断続的に供給するのに役立つ。

装置の１構成によれば、溶接電極対は２〜１０ｃｍ²の作用範囲を持つ。全溶接電極対が同じ作用範囲を有するとよい。特に好ましいのは３〜６ｃｍ²の作用範囲である。１つの溶接電極対の作用範囲は、フィルタ材料の幅方向に約２〜３ｃｍにわたり延びているとよい。

更に、昇降装置が全ての溶接電極対を一緒に移動させてもよい。その際、昇降装置が偏心駆動部であると特に好ましい。このような昇降装置を用い、例えばカム軸の様式で、個々の溶接電極対相互の相対移動を高い周波数および厳密な案内で実行できる。

特に好ましい構成の装置では、溶接制御装置が各々１つの変圧器と１つの周波数制御式変換器とを含み、該変換器が昇降装置の移動を調節可能である。周波数制御式変換器は、好ましくは所謂「正弦波インバータ」である。こうして、全体として溶接周波数を任意に調整でき、繊維フィルタ材料の溶接に関して極めて高い処理速度が得られる。

連続生産を考慮してこのような諸利点を完全に利用すべく、溶接電極の少なくとも毎分３００行程の移動を実現するための手段を設けるとよい。溶接電極が毎分３００〜５００行程の移動を実現すると特に好ましい。

ここで現れる高い熱負荷時、一定した品質での溶接プロセスを維持すべく、溶接電極対に対する冷却部が有効である。このために、溶接電極が熱交換媒体で作動可能な機器を備えるとよい。

最後に、装置に前置して位置検知設備を設け、該設備により、装置に対し相対的な金属繊維の位置を少なくとも点検又は調整可能とすることができる。有利なことに、この位置検知設備は、溶接電極対に関して金属繊維の相対位置の点検をまず行い、必要ならこの位置を補正するのにも適している。これは例えば送りの横移動する縦駆動部で達成できる。こうして、溶接電極対の配置に対し、フィルタ材料を正確に位置合せすることが可能となる

更に、フィルタ材料の縁領域を少なくとも圧縮又は溶接し、加えて両方のプロセスを実行するトリミング設備を装置の下流側に設けるとよい。トリミング設備は、特に縁を補強し、こうして繊維フィルタ材料の継続処理を可能とする。このため縁領域に特別な溶接部を設けることができるが、繊維の一部をそこで切り取り、又は例えば箔状条片等の補助要素と結合することも可能である。

本発明の他の態様は、金属繊維を溶接して所定幅のフィルタ材料とするための方法を提案する。この方法は少なくとも以下の工程を含む。
ａ）繊維を溶接してフィルタ材料とするための装置に金属繊維から成る複合材料を供給する工程とｂ）複合材料の静止している時間区間内に複合材料の複数の部分区間を個別に溶接する工程。
この方法は、本発明に係る前記装置で実施すると特に好ましい。加えてこの方法は、連続操業で金属繊維フィルタ材料を断続的に製造するのに特に適している。

好適な方法では、工程ｂ）が４ミリ秒未満の単一の部分区間内での溶接過程を含む。これは、特に電力供給による溶接電極の昇降移動、それと結び付いた金属繊維の加圧、そして溶接をこの部分区間内で実行することを意味する。作用範囲が比較的小さく、例えば１０ｍｍ²未満の溶接電極対が利用される場合、工程ｂ）は好ましくは０．５〜２ミリ秒の範囲内で実行される。望ましくない熱伝導はこうして回避できる。

更に、工程ｂ）を少なくとも毎分３００溶接過程の繰返し速度で実行するとよい。毎分５００溶接過程以下の繰返し速度が特に好ましい。

本方法の１構成によれば、個々の溶接過程は、下記パラメータの少なくとも１つで実行される。
５０００〜５００００Ｎ／ｃｍ²の範囲内の溶接電極加圧力、
３００〜１２００Ａの範囲内の（有効）溶接電流、および
５００〜２００００Ｗの範囲内の溶接出力。
上記溶接パラメータの際、金属繊維の間に持続的かつ均一に分布した溶接継手を生成でき、最終的に同一品質のフィルタ材料を生成できる。溶接電極加圧力に関し付記すれば、ここでは溶接電極対の作用範囲が少なくとも２ｃｍ²のとき、２００００〜５００００Ｎ／ｃｍ²の範囲内で作業すると望ましい。前記（有効）溶接電流は、好ましくは４００〜８００Ａの範囲内で選択すべきである。場合によっては１行程中に多数のこのような溶接インパルス、例えば試験用インパルスを生成し得る。その際、例えば電流の強さおよび／又は電圧降下等の特性値を検出し、特性値に依存し、同じ作用範囲の内部で少なくとも１つの他の作業用インパルスを供給する。

工程ａ）を少なくとも３ｍ／分の平均送り速度で実行するとよい。それより高い送り、例えば６ｍ／分又は８ｍ／分以下の送り速度が特別好ましい。

溶接電極相互の誤接触又は作用範囲と複合材料との不十分な重なりを回避すべく、工程ａ）の前に、複合材料を溶接装置に対して相対的に位置合せすることが望ましい。これは特に複合材料を装置を横切って位置合せすることを意味する。送り方向における位置合せに関して付記すれば、溶接範囲の大きな重なりが現れるべきでなく、断続的送りは実質的に、送り方向での作用範囲の広がりに対応している。

本方法の１構成によれば、工程ｂ）後にフィルタ材料をトリミング設備に供給し、フィルタ材料の幅を所定値に調整する。このため、フィルタ材料の張り出した部分領域を取り除き、例えば切り取ることができる。しかし、最終的に所定幅が得られるように折返し、溶接又は単純な圧縮を行うこともできる。トリミング設備は、補強要素、密封材料等をフィルタ材料の縁領域で持続的に位置決めするために利用できる。

好ましい方法では、下記特性の少なくとも１つを有するフィルタ材料を生成する。
水力学的繊維直径１０〜１００μｍの繊維、
繊維長と水力学的繊維直径との比５０〜５０００の繊維、
繊維直径のばらつきが最高で５０％の繊維、
フィルタ材料の幅５〜５００ｍｍ、
フィルタ材料の高さ０．１〜１０ｍｍ、
フィルタ材料の面積比重量１００〜５０００ｇ／ｍ²、
複合材料からフィルタ材料にかけて強度上昇が少なくとも３、および
フィルタ材料の多孔率５０〜８５％。

繊維は基本的に任意の繊維横断面（円形、角形等）を有し得る。それ故に、その形状を考慮してここでは水力学的（hydraulischen）繊維直径に照準が合せられ、該直径は次式で算定できる。
４×Ａ／Ｕ
ここで、Ａは繊維横断面積、Ｕは繊維周長である。水力学的繊維直径は、好ましくは２０〜５０μｍの範囲内である。１つのフィルタ材料内で様々な繊維横断面積を、特に混合物として又は個々の積層した層として利用できる。繊維相互の配置は重要でなく、これに関連して用語「フィルタ材料」で何らかの限定がなされるものでない。繊維が互いに不規則な配置で設けられた、所謂不規則層が好ましい。

加えて、繊維が前記範囲内の繊維長と水力学的繊維直径との比（Ｌ／ｄ_hydr）を持っており、その際２００〜１０００の範囲が好ましい。

繊維直径のばらつきは、ごく一様なフィルタ材料特性用に、１０％に限定するとよい。ばらつきは、所望の繊維直径からの上方および下方への偏差を意味し、例えば±１０％である。

自動車分野でのこのようなフィルタ材料の利用を考慮し、またごく費用のかかる溶接設備を避けるべく、２０〜２００ｍｍの幅と０．２〜１．５ｍｍの高さとを有するフィルタ材料が好ましい。このようなフィルタ材料の面積比重量は、３００〜３０００ｇ／ｍ²の範囲が好ましい。

それに加えて、溶接品質又は生成した溶接継手の数と特性を表示すべく、複合材料からフィルタ材料にかけての強度の上昇を明示するとよい。これは、繊維から成る複合材料が既に一定程度引張荷重を受け得ることを意味する。それは、繊維はその湾曲又は層構成の故に、既に整えられているからである。ところで溶接時にこの「引張強度」が高まり、ここでは少なくとも３倍、特に少なくとも６倍の強度上昇が、状況によっては１０倍の強度上昇さえ達成される。

本発明に係る装置又は方法で製造したフィルタ材料は、排出ガスの濾過に適している。更に、排出ガス浄化用の排出ガス処理部品に、このフィルタ材料を適用することを提案する。

本発明と技術的範囲を、以下で図を基に詳しく説明する。図は特別好ましい実施形態を示すが、本発明はこれらに限定されない。

図１は、金属繊維２を溶接してフィルタ材料３とするための本発明に係る装置１を略示する。フィルタ材料３の幅４にわたり分散配置した複数、この例では４つの溶接電極対５、２９、３０、３１が存在し、これら溶接電極対に金属繊維２が挿通される。溶接電極対相互の相対移動を適切に行うべく昇降装置６が設けられており、下側の不動配置される第２溶接電極８に対し、上側に配置される第１溶接電極７の相対移動がこの昇降装置で生成される。各溶接電極対５、２９、３０、３１が共通の溶接制御装置９と結合されている。該制御装置９の部分は、溶接電極対５、２９、３０、３１毎に、変圧器１３と周波数制御式変換器１４からなる。こうして溶接電極７、８を介してフィルタ材料３への適切な電力供給を保証できる。

装置１が図示位置の際、第２溶接電極対２９はちょうど溶接プロセス中であり、上側に示す溶接電極７は第２作用範囲３２内でフィルタ材料３と接触しており、これを通して溶接継手を生成すべく電流を流す。偏心駆動部１２と協調して作動する図示の送り制御装置１０により、フィルタ材料３を溶接加工中静止させる。上記第１溶接電極７の高い加工速度又は高い相対速度を考慮し、補償手段および／又は絶縁手段を、例えばエラストマー４４の態様で設けている。エラストマー４４は一方で溶接電極７の下側反転個所で可動溶接電極の相対的静止状態を引き起こし、他方で残りの装置から溶接電極７の電気的絶縁を引き起こす。

図２は、フィルタ材料３に対する装置１の個々の作用範囲を具体的に示す。図２の上側に示してあるのは金属繊維２から成る緩い複合材料１９であり、この複合材料が最終的に装置１に供給される。ところで、作用範囲１１、３２、３３、３４を有する多数の溶接電極対が幅４にわたって複合材料１９に作用し、溶接継手を有する圧縮された部分区間２０、２１、２２、３５を生成する。最後に、フィルタ材料３を縁領域１８で更に圧縮又は付加的に処理する。場合によっては、フィルタ材料の幅全体にわたる完全な溶接継手が望ましくないこともあり、これは個々の溶接電極対間の距離によって達成できる。溶接電極対は補償のために後続の行程時に場合によってはずらして載置することができる。

図３は本発明に係る装置１の他の実施形態を側面図で示す。図示の第１溶接電極対５が第１溶接電極７と第２溶接電極８とを含み、それらの間をフィルタ材料３が断続的に挿通される。このため送り２４を実行する送り制御装置１０が設けられ、ここでは送り制御装置が位置検知設備１６および昇降装置６と協動する。所望の送り２４の実現後、（図示した）第１溶接電極７は（同時に装置の他の全ての溶接電極も）、図示した偏心駆動部１２により下方に動かされ、フィルタ材料３が圧搾され溶接される。その際、電極加圧力２３は２００００〜３００００Ｎ／ｃｍ²の好ましい範囲内で実現される。

それに加えて、所望の溶接を高い効率および一定した品質で実行可能とすべく、溶接電極７に冷却部１５が設けられる。

装置１の下流側に、トリミング設備１７がここではローラシーム溶接設備の態様で設けられている。金属縁箔３６が縁領域１８で巻き付けられ、フィルタ材料３と溶接される。

図４はフィルタ材料３の細部を示し、特に繊維長２６と繊維直径２５を示している。溶接操作中に互いに加圧される繊維２は、溶接電流による抵抗加熱の結果として接触領域で幾重もの溶接継手３８を形成する。それにも係らず、多数の開口部３７がフィルタ材料３内に実現されており、このフィルタ材料３は、特に減衰材料又はフィルタ材料として利用可能である。

図５は、排出ガスを濾過するための排出ガス処理部品２８を示す。排出ガスは流れ方向４３で排出ガス処理部品２８を通過し、例えばそれに含有された粒子状物質４１は所定高さ２７のフィルタ材料３の繊維２上に捕集される。排出ガス処理部品２８はこのため多数の層３９を有し、該層は排出ガスの流通可能な通路４２を形成する。非層流を生成すべく、フィルタ材料３に向かってガス流の偏向を引き起こす案内羽根４０を付加的に設け得る。このような排出ガス処理部品は、自動車の排出ガスシステムにおいて有効に利用できる。

本発明に係る装置の第１実施形態を示す。 フィルタ材料の平面図である。 本発明に係る装置の他の実施形態を示す。 繊維フィルタ材料の細部を示す。 排出ガス処理部品の実施形態を示す。

１ 装置、２ 繊維、３ フィルタ材料、４ 幅、５ 第１溶接電極対、６ 昇降装置、７ 第１溶接電極、８ 第２溶接電極、９ 溶接制御装置、１０ 送り制御装置、１１ 第１作用範囲、１２ 偏心駆動部、１３ 変圧器、１４ 変換器、１５ 冷却部、１６ 位置検知設備、１７ トリミング設備、１８ 縁領域、１９ 複合材料、２０ 第１部分区間、２１ 第２部分区間、２２ 第３部分区間、２３ 電極加圧力、２４ 送り、２５ 繊維直径、２６ 繊維長、２７ 高さ、２８ 排出ガス処理部品、２９ 第２溶接電極対、３０ 第３溶接電極対、３１ 第４溶接電極対、３２ 第２作用範囲、３３ 第３作用範囲、３４ 第４作用範囲、３５ 第４部分領域、３６ 縁箔、３７ 開口部、３８ 溶接継手、３９ 層、４０ 案内羽根、４１ 粒子状物質、４２ 通路、４３ 流れ方向、４４ エラストマー

Claims (17)

1. 金属繊維（２）が互いに不規則な配置となるように金属繊維（２）を溶接して所定の幅（４）のフィルタ材料（３）とする装置（１）であって、
   幅（４）にわたって分散配置されて金属繊維（２）を挿通させることができ、個別の電力供給部を有する複数の溶接電極対（５）と、
   溶接電極対（５）の少なくとも一方の溶接電極（７）の相対移動を引き起こす少なくとも１つの昇降装置（６）と、
   溶接電極対（５）と金属繊維（２）との接触に依存して溶接電流を供給する少なくとも１つの溶接制御装置（９）と、
   少なくとも１つの昇降装置（６）の状態に依存してフィルタ材料（３）の送りを引き起こす、フィルタ材料（３）を移動させるための送り制御装置（１０）と
   を含む装置。
2. 溶接電極対（５）が２〜１０ｃｍ²の作用範囲（１１）を有する請求項１記載の装置。
3. 昇降装置（６）が全ての溶接電極対（５）を一緒に移動させる請求項１又は２記載の装置。
4. 昇降装置（６）が偏心駆動部（１２）である請求項１から３の１つに記載の装置。
5. 溶接制御装置（９）が各々１つの変圧器（１３）と１つの周波数制御式変換器（１４）とを含み、該変換器が昇降装置（６）の移動に関し調節可能である請求項１から４の１つに記載の装置。
6. 溶接電極（７）の少なくとも毎分３００行程の移動を実現するための手段を備える請求項１から５の１つに記載の装置。
7. 溶接電極対（５）が冷却部（１５）を有する請求項１から６の１つに記載の装置。
8. 前置された位置検知設備（１６）を備え、該設備で装置（１）に対し相対的な金属繊維（２）の位置を点検又は調整可能である請求項１から７の１つに記載の装置。
9. フィルタ材料（３）の縁領域（１８）を圧縮又は溶接するトリミング設備（１７）が装置（１）の下流側に設けられている請求項１から８の１つに記載の装置。
10. 金属繊維（２）が互いに不規則な配置となるように金属繊維（２）を溶接して所定幅（４）のフィルタ材料（３）とするための方法であって、少なくとも以下の工程を含む方法。
    ａ）繊維（２）を溶接してフィルタ材料（３）とするための装置（１）に金属繊維（２）から成る複合材料（１９）を供給する工程、および
    ｂ）複合材料（１９）の静止している時間区間内に複合材料（１９）の複数の部分区間（２０）を個別に溶接する工程。
11. 工程ｂ）が、４ミリ秒未満の単一の部分区間（２０）内での溶接過程を含む請求項１０記載の方法。
12. 工程ｂ）を、少なくとも毎分３００溶接過程の繰返し速度で実行する請求項１０又は１１記載の方法。
13. 個々の溶接過程を、下記のパラメータの少なくとも１つで実行する請求項１０から１２の１つに記載の方法。
    ５０００〜５００００Ｎ／ｃｍ²の範囲内の溶接電極加圧力、
    ３００〜１２００Ａの範囲内の溶接電流、および
    ５００〜２００００Ｗの範囲内の溶接出力。
14. 工程ａ）を、少なくとも毎分３ｍの平均送り（２４）で実行する請求項１０から１３の１つに記載の方法。
15. 工程ａ）に先立って、複合材料（１９）を溶接装置（１）に対し相対的に位置合せする請求項１０から１４の１つに記載の方法。
16. 工程ｂ）の後にフィルタ材料（３）をトリミング設備（１７）に供給し、フィルタ材料（３）の幅（４）を調整する請求項１０から１５の１つに記載の方法。
17. 下記特性の少なくとも１つを持つフィルタ材料（３）を生成させる請求項１０から１６の１つに記載の方法。
    水力学的繊維直径（２５）１０〜１００μｍの繊維（２）、
    繊維長（２６）と水力学的繊維直径（２５）との比５０〜５０００の繊維（２）、
    繊維直径（２５）のばらつきが最高で５０％の繊維（２）、
    フィルタ材料（３）の幅（４）５〜５００ｍｍ、
    フィルタ材料（３）の高さ（２７）０．１〜１０ｍｍ、
    フィルタ材料（３）の面積比重量１００〜５０００ｇ／ｍ²、
    複合材料（１９）からフィルタ材料（３）にかけて強度上昇が少なくとも３倍、および
    フィルタ材料の多孔率５０〜８５％。

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