JP5331965B2 - 自動肉盛熔接システム - Google Patents

Description

本発明は、表面改質法の１つとして用いられる肉盛熔接法に関し、自動化を図るのに効果的な新規熔接システムに係る。

金属製品においては、表面部に金属母材以上の耐摩耗性や高い硬度といった付加品質を付与する目的として肉盛熔接による表面改質技術が公知である。
金属表面に母材と異なる金属や合金を肉盛する方法としては、各種肉盛熔接法が提案されているが、母材の熔け込み量が多いとそれだけ肉盛用の金属や合金が母材に希釈されるために肉盛効果が不充分になる場合がある。
そこで、母材の熔け込み量を少なく抑える熔接方法としてアセチレンガス熔接法が採用されている。
しかし、アセチレンガス熔接法は、アセチレン過剰炎のフェザ炎により母材を予熱することで、母材表面の薄層部分が熔融し、いわゆる汗ばみ現象を確認し、その上に熔加材を熔融滴下し凝固することで冶金的接合が得られる肉盛方法であることから、高度な技術と熟練が必要であり、自動化は困難とされてきた。

特開平８−２５０４０号公報には、アーク熔接又はガス熔接における熔接部を赤外光発生手段と赤外光透過フィルタ付監視カメラで熔接状態を監視する技術を開示するが、この技術は映像信号を輝度信号として熔接部を識別するものであり、母材表面の汗ばみ現象を識別できるものではない。
特開２００５−３３４９５７号公報には、熔接部から発生するレーザやプラズマの散乱光よりも高輝度の照明用短パルスレーザ光及びファンビームを照射し、高速度シャッタカメラで熔接部を撮影する可視化装置を開示するが、この技術も熔融池及びその周辺の凹凸形状を可視化できても母材表面の汗ばみ現象を可視化できるものではない。
特開２０００−３５１０７１号公報には、熔融池の特徴を赤外線カメラでとり込んだ撮像データを画像処理し、目標値と比較制御する自動熔接システムを開示するが、この技術も母材表面の汗ばみ現象を識別できるものではない。
また、ガス熔接において、加熱された母材温度を検知して熔加材の供給を開始する技術（特開昭５２−７４５５３号公報）や、放射温度計により母材表面の融点を計測する技術も考えられるが、母材の融点を予め把握しておくことは容易でないことに加えて、予熱時に浸炭や酸化により予熱部の融点が変化する問題がある。
また、放射温度計の場合には、放射率が対象物の表面状態や材質により変化するために、正確な測定そのものが容易ではない。

特開平８−２５０４０号公報 特開２００５−３３４９５７号公報 特開２０００−３５１０７１号公報 特開昭５２−７４５５３号公報

本発明は、上記背景技術に鑑みて、肉盛熔接の自動化に効果的で、安定した品質を維持しやすい新規自動肉盛熔接システムの提供を目的とする。

本発明者らは、アセチレンガス熔接法における汗ばみ現象を詳細に観察したところ、図２に示すように、母材を予熱すると母材の表面に薄い熔融層を形成し、母材表面が平滑化し、これが汗ばみ現象として現れることが明らかになった。
即ち、本発明はこの汗ばみ現象により、母材表面からの光の反射が顕著になることに着目したことにより完成したものである。

本発明に係る自動肉盛熔接システムは、肉盛熔接による表面改質であって、熔加材供給手段と、母材表面部を予熱する火炎トーチと、火炎トーチにて予熱される母材表面部に向けて照射する光源と、当該母材表面部で反射した反射光を受光する受光器とを備え、母材表面薄層の熔融による表面平滑化現象を受光強度変化として検知し、熔接条件を自動制御する制御部を有していることを特徴とする。
光源から特定の波長の光を母材表面に照射し、その反射光を受光器で検知するようにすると、予熱された母材表面に熔融薄層ができ、汗ばみ現象が現れた際には、母材表面が平滑になり反射率が高くなるように変化するために、受光強度が高くなる。
従って、この受光強度が所定の値より高くなることで汗ばみ現象を検知することができる。
よって、照射する光の波長は、炎の光など外乱光の波長と異なる波長を選ぶのが好ましく、例えば緑色の波長であってもよい。
また、光源は、電気信号による照射強度変調手段を有し、受光器は、反射光強度を電気信号に変換する受光電気信号変換手段を有し、光源側の電気信号と受光電気信号との同期検波による信号処理部を有し、外乱光要因による影響を低減するとさらによい。
ここで、火炎トーチ、光源及び受光器の母材に対する相対的な位置を走査制御すれば母材表面全体を自動制御できる。

このようなシステムを活用した本発明に係る自動肉盛熔接方法は、熔加材供給手段と、母材表面部を予熱する火炎トーチと、火炎トーチにて予熱される母材表面部に向けて照射する光源と、当該母材表面部で反射した反射光を受光する受光器とを備え、母材表面薄層の熔融による表面平滑化現象を受光強度変化として検知し、熔接条件を自動制御する制御部を有し、母材表面部を火炎トーチにて予熱し、受光強度の検知により、母材表面の薄層が熔融状態になると、熔加材を火炎に挿入して、熔加材が所定量熔融滴下すると、熔加材を火炎から遠ざけ、肉盛下部から上部に向けて徐々に温度低下するように火炎トーチを位置制御する操作を、必要に応じてくり返し自動制御することを特徴とする。
これにより、光の反射強度から汗ばみ現象が検知できることになり、アセチレンガス熔接の自動化が可能になることから、従来は職人の技量差により生じていた品質のばらつきを低減できる。

また、母材表面部を予熱する火炎トーチと、火炎トーチにて予熱される母材表面部に向けて照射する光源と、当該母材表面部で反射した反射光を受光する受光器とを備え、母材表面薄層の熔融状態を受光強度変化として検知すると金属表面の熔融検出装置として使用もできる。
このような装置を用いると経験の浅い職人が汗ばみ現象を見極める際の参照装置として活用できる。

本発明においては、光源から照射される特定波長の反射強度を測定できるようにしたので、反射強度にてアセチレンガス熔接法における汗ばみ現象を自動検知できるようになり、火炎トーチの位置制御、熔加材の火炎挿入位置制御等にフィードバックさせることで肉盛熔接の自動化が可能になる。

また、本発明に係る熔接システムを用いると熔接条件を可変することで、最適な熔接条件を定量的に検討することができ、肉盛部の品質向上を目指した新製品の開発、研究等にも適用できる。

本発明に係る、自動肉盛熔接システムの構成例を以下、図面に基づいて説明する。
図１にシステムの構成を模式的に示す。
肉盛の対象となる金属の母材１に対して、アセチレンガスの火炎トーチ１１がトーチ位置制御手段１０にて位置制御されている。
肉盛に用いる熔加材２１も母材及び火炎トーチ１１との関係において、熔加材位置制御手段２０にて位置制御されている。
光源４１が熔接部２に向けて特定波長の光を照射するように位置制御され、熔接部２から反射してくる反射光を受光する受光器４２が位置制御されている。
これらの各構成部品は信号処理・制御装置３０にてシステム制御されている。

光源４１と受光器４２との関係は、火炎トーチ１１や熔加材２１に遮られない範囲で任意の照射角を採用でき、光源としては赤のレーザ光（波長６６０ｎｍ）、青のレーザ光（波長４７０ｎｍ）でもよいが、アセチレンガスの火炎による外乱光の影響を小さくするには、緑のレーザ光（波長５３０ｎｍ）を用いるのが好ましい。
光源から照射された緑のレーザ光の熔接部で反射した反射光をＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）センサで受光し、反射強度及びその変化を検知する。
なお、赤外線ＬＥＤを光源として、ＣＣＤセンサ又は、フォトダイオードで受光してもよく、紫外線ＬＥＤを光源として、例えばＧａＮ紫外線受光素子で受光してもよい。

光源側に照射の強度変調機構をもたせ、受光器で受光した光信号を電気信号に変換した後に、光源側の強度変調した電気信号とを同期検波すれば外乱光の影響を抑えることもできる。

次に、自動熔接手順を説明する。
図２の写真１に示すように、母材表面にアセチレンガスによるアセチレン過剰炎の外炎を当てて母材が十分赤熱するまで予熱した後、アセチレン過剰炎のフェザ炎を当てて母材の表面を加熱する。
すると、図２の写真２に示すように、母材表面に熔融した薄層が現われる。
これが汗ばみ現象といわれるものであり、写真１から写真２までの変化に際して、図３に示すように反射光の強度を測定したところ、母材の融点温度を境にして反射光の強度が強く変化するのが確認できた。
この汗ばみ状態を検知したとき、図２の写真３に示すように火炎内に熔加材２１を供給し、母材表面に熔解滴下する。
所定の量の滴下後に熔加材２１を火炎から遠ざけ、図２の写真４に示すように火炎トーチ１１を横向きとし上方に移動させ、肉盛の下部から上部に向けて徐々に冷却するように制御する。
この一連の操作により、肉盛下部から上部に向けて徐々に温度低下するように火炎トーチを遠ざけることで、残留応力を少なくでき、かつ、母材の溶け込み量を少なくし肉盛金属や合金が母材にて希釈されるのを低減でき、これにより品質のばらつきを低減できる。

本発明は、汗ばみ現象を光の反射強度として検知する点に特徴があり、自動化しやすく、安定した熔接品質の供給を可能にすることから、優れた耐摩耗性や高い硬度が要求される各種金属製品、部品に適用できる。
具体例としては、機械駆動部品、エンジン部品、バルブ類、加工工具類等が挙げられる。
さらには、金属表面の熔融状態を検知することから、汗ばみ現象以外にも試料表面の熔融状態の検知全般に応用できる可能性も有している。

本発明に係る自動肉盛熔接のシステム構成例を示す。 肉盛熔接の各工程の写真例を示す。 反射光の強度測定結果を示す。

符号の説明

１ 母材
２ 熔接部
１０ トーチ位置制御機構
１１ 火炎トーチ
１２ 火炎
２１ 熔加材
３０ 信号処理・制御装置
４１ 光源
４２ 受光器

Claims (1)

1. 肉盛熔接による表面改質であって、
   熔加材供給手段と、母材表面部を予熱する火炎トーチと、火炎トーチにて予熱される母材表面部に向けて照射する光源と、当該母材表面部で反射した反射光を受光する受光器とを備え、
   母材表面薄層の熔融による表面平滑化現象を受光強度変化として検知し、熔接条件を自動制御する制御部を有し、
   前記光源は、電気信号による照射強度変調手段を有し、
   前記受光器は、反射光強度を電気信号に変換する受光電気信号変換手段を有し、光源側の電気信号と受光電気信号との同期検波による信号処理部を有し、外乱光要因による影響を低減したものであり、
   母材表面部を火炎トーチにて予熱し、
   前記同期検波による信号処理部にて受光強度変化を検知し、母材表面薄層が熔融状態になると、
   熔加材を火炎に挿入して、
   熔加材が所定量熔融滴下すると、熔加材を火炎から遠ざけ、
   肉盛下部から上部に向けて徐々に冷却するように火炎トーチを横向きにして上方に移動させることで肉盛下部の方が上部よりも先に温度が低下するように前記火炎トーチを位置制御する操作において、
   前記母材表面部を火炎トーチにて予熱する操作から前記火炎トーチを上方に移動させる操作を肉盛熔接位置を変えながらくり返し自動制御することを特徴とする自動肉盛熔接システム。