JP5348957B2 - ワークピース同士を溶接するための装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、ワークピース(workpiece)同士を溶接するための装置及び方法に関する。

溶接の間に、溶接用添加物を用いて、又は用いないで、熱又は圧力を加えることでコンポーネント同士が永久的に接続される。熱を伴う溶接方法は、例えば鍛造溶接、ガス溶接、手動アーク溶接、抵抗溶接、レーザービーム溶接、テルミット溶接、及び電子ビーム溶接である。

金属製ワークピース、プラスチック部品、及びガラス部品は、公知の溶接方法を備えた手段によって互いに、永久的かつ確実に接続可能である。

深絞り加工及び／又は高圧で成形される金属製コンポーネントはさらに、頻繁に溶接方法を備えた手段によって処理される。

深絞り加工の間、打ち抜きされていない薄板が、引張及び圧縮の組合せの条件の下で単独で開口した空洞体に形成されるか、又は予め絞り加工がなされた空洞体が、引張及び圧縮の組合せの条件の下で、より少ない断面積で、かつ板厚の大きな変化が無い空洞体に形成される。

特に材料の裂け等の絞り加工時の欠陥を防止するために、実質的な歪によって発生する場合でさえ、脂肪、油、石鹸、及び被覆物等の絞り剤が使用される。これにより、ツールの磨耗の形跡が少なくなり、ワークピースの表面状態が改善される。成形工程の後、絞り剤は、その表面上に残留物として残る。絞り剤の物質は高品質の溶接を妨げるので、成形部品の溶接のためには、その成形部品から絞り剤の残留物を除去しなければならない。洗浄又はピックリングによる絞り剤の除去は、全てのコンポーネントを洗浄しなければならないため、大変に高価であり、かつ環境に有害である。

高圧成形の間には、絞り剤がアルミニウム表面に強く押圧され、洗浄又はピックリングによる完全な除去が不可能になる、ということが発生しうる。この結果として、例えば溶接による接合等のさらなる工程において、溶接継目の不良が生ずる。

ＣＯ_２ペレット及びＣＯ_２噴射による洗浄が表面洗浄のための方法として公知である。そのクライオジェニック媒介物の温度は、−５０℃から−１９６℃である。

特許文献１は、クライオジェニック噴射を用いた部分的な工程及び／又は溶接方法を開示している。その工程によれば、クライオジェニック媒介物を噴射するための直接的に隣接した１又は数個のノズルが配列する溶接装置が使用される。液体窒素又は固体ＣＯ_２がクライオジェニック媒介物として使用され得る。そのノズルから流出するクライオジェニック媒介物のために、溶接の間に成形された液状の金属製スパッタが急速に冷却されて固形化される。液状の金属製スパッタはワークピース表面に付着せず、その表面を汚染しない。そのため、ワークピースの仕上げ工程は不要である。溶接スパッタが冷却されるので、クライオジェニック媒介物は電子アークに対して直接的に隣接する位置に供給されなければならない。このことは、電子アークに対して相当な影響を及ぼし、溶接工程を相当に悪化させる。
欧州特許公開ＥＰ１３５６８９０Ａ１

上述した観点に鑑み、本発明の目的は、ワークピース表面上の絞り剤の残留物を、ワークピース全体を洗浄することなく除去することを可能にする装置及び方法を提供することにある。なお、この除去対象の残留物は、洗浄又はピックリングによっては除去されないのである。

上記目的は、請求項１の特徴を備えた装置と、請求項１０の特徴を備えた方法によって達成される。

有利である、さらなる展開は、各従属項に示されている。

本発明によれば、ワークピース同士を溶接するための溶接装置が提供される。この溶接装置は、ワークピース上に溶接継目を形成する溶接手段と、前記ワークピースの表面に対して、前記溶接継目が形成されるべき領域にクライオジェニック混合物を噴射するノズルと、を備える。溶接手段とノズルの距離が少なくとも５ｃｍである。

ワークピース表面は、本発明に係る装置によって溶接手順の前に洗浄及び冷却可能である。

いくつかの有利な効果は、クライオジェニック媒介物のワークピース表面に対する衝撃による結果として得られる。最初に生ずる、磨滅による分離剤、及び／又は絞り剤の残留物の機械的な除去に加えて、噴射の対象領域に対する強力なポイントでの冷却が生じ、その結果として有利な効果が生ずる。溶接対象の端部近傍の領域では完全に不純物が除去されており、それによって最適な溶接継目が得られる。可能であるならば溶接工程の直前に溶接対象の端部近傍の領域に対する冷却を行うことによって、溶接継目の品質はさらに改善され、ワークピースにおける歪が最小化され、それによって、後のドレッシング工程が低減され得、及び／又は部分的には完全に省略可能となる。さらに、大気圧下で表面に衝突するときには、クライオジェニック媒介物がガス状態へ遷移し、クライオジェニック媒介物の容積が６００倍に増加する状況が生ずる。これによって生ずるガスの渦巻きは、過冷却されて脆くなった分離剤、及び／又は絞り剤の残留物を、ワークピース表面に損傷を与えることなく除去する。

本発明に係る溶接装置はとりわけ、金属製ワークピースの溶接のために設計されている。しかしながら、本発明の枠組みでは、プラスチック材、又はガラスからなるワークピースを溶接するための溶接手段を提供することも可能である。これらのワークピースもまた、クライオジェニック媒介物で洗浄することが可能である。プラスチック材の場合にはとりわけ、射出（インジェクション）操作の結果物である射出成形プラスチック材の分離剤及び分離膜を除去可能である。プラスチック材を溶接するための適切な溶接工程は、高温ガス溶接、高熱ツール溶接（heated tool welding）、摩擦溶接、超音波溶接、高周波溶接、及びレーザー溶接である。

ノズルと溶接手段の間に少なくとも５ｃｍの距離が設けられることは、特に溶接工程が電子アークによって実装される場合に、溶接工程が妨害されないことを意味する。より小さな距離の場合には、プラズマであって、それ自体ガス状である電子アークは、ノズル経由で提供されるクライオジェニック媒介物によって相当に弱められる。少なくとも５ｃｍの距離というのは、溶接主体（電子アーク、レーザー、高熱ガス等）が、クライオジェニック媒介物の噴射器の中心に対して少なくとも５ｃｍの距離をもって、溶接対象のワークピース上に衝突することを意味する。それよりも小さい距離の場合には、溶接主体の効果は弱められ、低減した洗浄効果しか得られないか、全く洗浄効果が得られない。さらに、溶接主体で生成されたワークピースの溶融物を直接的に冷却するにも都合が良くない。これは、溶接の品質に対して悪影響を及ぼす。

本発明は、図面による例によって説明される。

本発明に係る溶接装置１は、実施形態の第１例によれば、切替システム２１を備えたロボット２０を有している。切替システム２１は、ロボットアームの端部に、様々なツールを保持するための保持部を構成する。溶接手段２とＣＯ_２ノズル７がツールとして設けられ、ロボット２０の切替システム２１によって保持される。ツール２，７は、別のマガジン装置に配置される。

溶接装置１は、ロボット２０を活性化させるための制御手段１９、切替システム２１及びツール２，７を備える。制御手段１９は、データ線２３を介して、ロボット２０、切替システム２１及びツール２，７に接続される。

溶接手段２は、例えば不活性ガスによるガスシールドアーク溶接として設計される。

ＣＯ_２ノズル７及び／又はガンは、ＣＯ_２と圧縮空気からなるクライオジェニック混合物(cryogenic mixture)８、及び／又はクライオジェニック媒介物(cryogenic medium)８を噴射する。クライオジェニック媒介物は特に、ドライアイスと圧縮空気の混合物である。圧縮空気ライン１１は圧縮空気弁１０を介してＣＯ_２ノズル７に接続され、ＣＯ_２ライン１３はＣＯ_２弁１２を介してＣＯ_２ノズル７に接続される。弁１０，１２はともに、ＣＯ_２ノズル７の混合用チャンバ１４に対して開口している。ＣＯ_２と圧縮空気からなるクライオジェニック混合物８は、液体ＣＯ_２、及び／又は冷ＣＯ_２ガス、及び／又はＣＯ_２ペレット、及び／又はＣＯ_２ドライアイス、及び圧縮空気に基づいて混合用チャンバ１４内で生成される。

圧縮空気ライン１１は、圧縮空気供給部１６と接続される。ＣＯ_２ライン１３は、ＣＯ_２貯蔵部１５に接続される。

ラバルノズル１７は、混合用チャンバ１４の下流に配置される。ＣＯ_２と圧縮空気からなるクライオジェニック混合物８は、ラバルノズル１７によってほぼ音速の速さまで加速させられる。

溶接継目３の成形と、ＣＯ_２と圧縮空気からなるクライオジェニック混合物の噴射量とは、制御手段１９によって制御される。ロボット２０の移動は、制御手段１９によって制御される。

以下で、上述した溶接装置１の使用方法を説明する。

制御手段１９は、ロボット２０、切替システム２１、ＣＯ_２ノズル７、及び溶接手段２を活性化させることにより、溶接装置１の操作における全体シーケンスを制御する。

ロボット２０の切替システム２１は、マガジン装置２２からＣＯ_２ノズル７を取り、そのノズルを、洗浄対象のワークピース６のワークピース表面５の上方に配置する。

ＣＯ_２ノズル７におけるＣＯ_２弁１２と圧縮空気弁１０は、制御手段１９によって活性化される。圧縮空気とクライオジェニックＣＯ_２がＣＯ_２ノズル７の混合用チャンバ１４に流れ込む。ＣＯ_２と圧縮空気からなるクライオジェニック混合物８は混合用チャンバ１４内で形成される。ＣＯ_２と圧縮空気からなるクライオジェニック混合物８は、ラバルノズル１７を通して流れるときには、ほぼ音速の速さにまで加速させられている。

ＣＯ_２と圧縮空気からなるクライオジェニック混合物８が、ラバルノズル１７及び／又はＣＯ_２ノズル７から噴出するときには、ワークピース表面５に付着する絞り剤１８に衝撃を与えることでこれを除去し、それによって高品質な溶接継目３が得られる。ロボット２０は、溶接方向４に沿ってＣＯ_２ノズル７を移動させる。

さらに、溶接継目３が成形される領域が冷却され、その結果、ワークピース６の歪が低減する。

洗浄対象の全領域が洗浄されると、ロボット２０及び／又は切替システム２１は再度、ＣＯ_２ノズル７をマガジン装置２２内に置き、マガジン２２から溶接手段２を取って、これをワークピース表面５の洗浄・冷却がなされた領域に配置する。そして、溶接手段２が制御手段１９によって活性化され、ワークピース表面５上で溶接方向４に沿って溶接継目３の生成を開始する。ワークピースは例えば、深絞り加工がなされたアルミニウム製コンポーネントである。

さらに、溶接継目３を洗浄し、及び／又は、歪を最小化するために、溶接継目３に対してＣＯ_２ノズル７で仕上げ処理を行ってもよい。

実施形態のさらなる例においては、本発明に係る溶接装置１は、溶接手段２を備える。溶接手段２は、例えば不活性ガスによるガスシールドアーク溶接として設計される。

溶接手段２は、ワークピース６のワークピース表面５上で溶接方向４に沿って溶接継目３を生成する。ワークピース６は例えば、深絞り加工がなされたアルミニウム製コンポーネントである。

ＣＯ_２と圧縮空気からなるクライオジェニック混合物８を噴射するためのＣＯ_２ノズル７は、溶接方向４に沿って溶接手段２の前に配置される。ＣＯ_２ノズル７は、接続要素９を介して溶接手段２に接続されている。溶接手段２とＣＯ_２ノズル７の距離は５ｃｍと２０ｃｍの間であり、好ましくは５ｃｍと１０ｃｍの間である。

圧縮空気を供給するための圧縮空気ライン１１は圧縮空気弁１０を介してＣＯ_２ノズル７に接続され、クライオジェニックＣＯ_２を供給するためのＣＯ_２ライン１３はＣＯ_２弁１２を介してＣＯ_２ノズル７に接続される。

両接続部、すなわち弁１０，１２はともに、混合用チャンバ１４に対して開口している。

クライオジェニックＣＯ_２は、ＣＯ_２貯蔵部１５、例えばＣＯ_２容器からＣＯ_２ライン１３を通してＣＯ_２ノズル７の混合用チャンバ１４に導入される。圧縮空気供給部１６からの圧縮空気は、圧縮空気ライン１１を通して混合用チャンバ１４に導入されることで得られる。ＣＯ_２と圧縮空気からなるクライオジェニック混合物８は、混合用チャンバ１４内でクライオジェニックＣＯ_２と圧縮空気とから形成される。

ラバルノズル１７は、混合用チャンバ１４の下流に配置される。ＣＯ_２と圧縮空気からなるクライオジェニック混合物８は、ラバルノズル１７によってほぼ音速の速さまで加速させられ、ワークピース表面５に噴射される。

溶接継目３が得られるワークピース表面５上の領域では、ＣＯ_２と圧縮空気からなるクライオジェニック混合物８が噴射されることによって、ワークピース表面５に付着する絞り剤１８が除去される。

溶接手段２とＣＯ_２ノズル７はともに、制御手段１９の接続されている。溶接継目３の厚み、ＣＯ_２と圧縮空気からなるクライオジェニック混合物８の噴射量等は、制御手段１９を通して制御される。

本発明に係る溶接装置の実施形態の別の例では、第２ＣＯ_２ノズル７が、溶接工程の後に表面被覆を除去し、かつワークピースの歪を取り除くことを目的として、溶接方向４に沿って溶接手段２の後方に配置される。これにより、接合後のワークピース６のドレッシングが省略される。

溶接手段２はまた、例えば鍛造溶接、ガス溶接、手動アーク溶接、抵抗溶接、レーザービーム溶接、テルミット溶接、摩擦溶接、及び電子ビーム溶接のための装置として設計され得る。

本発明に係る溶接装置はまた、例えばロボットと接続されるような、自動化された製造工程内で使用され得る。

ワークピースはいかなる溶接可能な金属からなるようにしてもよい。

本発明に係る溶接装置はまた、携帯型の装置として設計されていてもよい。

本発明に係る溶接装置はまた、すでに在る溶接手段のためのアドオンユニットとしてのＣＯ_２ノズルとしてのみ設計されていてもよい。

金属の接合の間のＣＯ_２洗浄のための上述した溶接装置の使用方法を、以下で説明する。

ＣＯ_２ノズル７におけるＣＯ_２弁１２と圧縮空気弁１０は、制御手段１９によって開口させられる。圧縮空気と液体ＣＯ_２がＣＯ_２ノズル７の混合用チャンバ１４に流れ込む。ＣＯ_２と圧縮空気からなるクライオジェニック混合物８は混合用チャンバ１４内で形成される。ＣＯ_２と圧縮空気からなるクライオジェニック混合物８は、ラバルノズル１７を通して流れるときには、ほぼ音速の速さにまで加速させられている。

ＣＯ_２と圧縮空気からなるクライオジェニック混合物８が、ラバルノズル１７から噴出するときには、ワークピース表面５に付着する絞り剤１８に衝撃を与えることでこれを除去し、それによって高品質な溶接継目３が得られる。さらに、溶接継目３が成形される領域が冷却され、その結果、ワークピース６の歪が低減する。

溶接装置１は例えば、溶接方向に沿ってロボットによって完全自動で移動させられる。溶接手段２が、ワークピース表面５の洗浄・冷却がなされた領域の上方に配置させられると、溶接手段２は制御手段１９によって活性化され、ワークピース表面５上で溶接継目３の生成を開始する。

溶接工程が完了すると、本発明に係る溶接装置を溶接方向４の反対方向に移動させ、溶接継目３の全体の延びを収縮させるようにしてもよい。これは、溶接継目３の周囲の領域と溶接継目３自体を冷却し、歪を最小化し、表面の被覆を除去するために行われる。

特にアルミニウムを溶接する場合には、上品な溶接継目を生成することと、事後の洗浄は重要である。これは、研磨又は光沢付け等の仕上げ処理がなされていない溶接継目はしばしば視認可能であるためである。

液体ＣＯ_２、又はＣＯ_２ドライアイス、又はＣＯ_２ペレット、又はガス状のＣＯ_２と、圧縮空気との混合物が特に、ＣＯ_２と圧縮空気からなるクライオジェニック混合物８として提供される。

溶接工程に先立って生ずる、クライオジェニック媒介物による衝撃の間には、いくつかの有利な効果が得られる。磨滅による分離剤、又は絞り剤の残留物の機械的な除去に加えて、衝撃が加えられた領域に対する強力な、ポイントでの冷却が、溶接工程の直前に行われる。溶接対象の端部近傍の領域では完全に不純物が除去されており、それによって最適な溶接継目が得られる。溶接対象の端部近傍の領域に対する冷却によってワークピースにおける歪が最小化され、それによって、後のドレッシング工程が部分的には、完全に省略可能となる。さらに、大気圧下で表面に衝突するときにはクライオジェニック剤がガス状態へ遷移し、それによってクライオジェニック媒介物の容積が６００倍に増加する状況が生ずる。これによって生ずるガスの渦巻きは、過冷却されて脆くなった分離剤、及び／又は絞り剤の残留物を、ワークピース表面に損傷を与えることなく除去する。

本発明について、金属製ワークピースの接合の場合を説明した。しかしながら、本発明は、金属製ワークピースの接合に限定されない。本発明の枠組みでは、プラスチック材、又はガラス等の他の材料を接合することや、それらの材料を予め、クライオジェニック媒介物によって接合継目の領域において冷却し、かつ洗浄することも可能である。ここで、接合主体（電子アーク、レーザービーム等）とクライオジェニック媒介物の噴射器の中心との間に少なくとも５ｃｍの距離が、特に熱溶接のために観測されなければならない。好ましくは、その距離は、少なくとも８ｃｍ、及び／又は少なくとも１０ｃｍである。

本発明に係る溶接装置は、以下のように簡潔に要約され得る。

本発明によれば、金属製ワークピースを溶接するための溶接装置が提供される。この溶接装置は、ワークピース上に溶接継目を生成するための溶接手段と、ワークピースの表面上で溶接継目が成形されるべき領域に、クライオジェニック媒介物を噴射するためのノズルとを備える。

溶接手段とＣＯ_２ノズルを操作するためのロボットを備えた溶接装置の実施形態の第１例を模式的に示す図。 溶接手段の前部に配列されるＣＯ_２ノズルを備えた溶接装置の実施形態の第２例を模式的に示す図。

符号の説明

１…溶接装置
２…溶接手段
３…溶接継目
４…溶接方向
５…ワークピース表面
６…ワークピース
７…ＣＯ_２ノズル
８…ＣＯ_２と圧縮空気からなるクライオジェニック混合物
９…接続要素
１０…圧縮空気弁
１１…圧縮空気ライン
１２…ＣＯ_２弁
１３…ＣＯ_２ライン
１４…混合用チャンバ
１５…ＣＯ_２貯蔵部
１６…圧縮空気供給部
１７…ラバルノズル
１８…絞り剤
１９…制御手段
２０…ロボット
２１…切替システム
２２…マガジン装置
２３…データ線

Claims (9)

1. ワークピース同士を溶接するための溶接装置であって、
   ワークピース（６）上に溶接継目（３）を形成する溶接手段（２）と、
   該ワークピースの表面（５）に対して、該溶接継目が形成されるべき領域にクライオジェニック混合物（８）を噴射するノズル（７）と、
   溶接用ロボット（２０）と、
   を備え、
   該溶接手段（２）と該ノズル（７）は、マガジン（２２）に置かれ、切替システム（２１）が該ロボット（２０）上に形成された、
   前記溶接装置。
2. 該ノズルはＣＯ _２ ノズルである、請求項１に記載の溶接装置。
3. 該ＣＯ _２ ノズルは混合用チャンバ（１４）を有し、該混合用チャンバ（１４）は、液体ＣＯ _２ 、及び／又は冷ＣＯ _２ ガス、及び／又はＣＯ _２ ペレット、及び／又はＣＯ _２ ドライアイス、及び圧縮空気から、ＣＯ _２ と圧縮空気からなるクライオジェニック混合物（８）を生成するように設計されている、請求項２に記載の溶接装置。
4. 該溶接手段（２）は、ガス溶接、手動アーク溶接、又はレーザビーム溶接のための手段として設計される、請求項１〜３のいずれかに記載の溶接装置。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の溶接装置を用いてワークピース同士を溶接するための方法であって、
   ロボット（２０）の切替システム（２１）がマガジン（２２）からノズル（７）を取り、ノズル（７）をワークピース表面（５）上に配置し、
   クライオジェニック混合物（８）をワークピース（６）の該ワークピース表面（５）上の溶接継目が形成されるべき領域に衝突させ、それによって当該領域を洗浄及び冷却し、
   該ロボット（２０）の該切替システム（２１）が、該マガジン（２２）に該ノズル（７）を再度置き、該マガジン（２２）から溶接手段（２）を取り、次いで該溶接手段（２）を該ワークピース表面（５）の洗浄及び冷却された領域の上に配置し、そして該溶接手段（２）が溶接継目（３）の形成を開始して、ワークピース同士が洗浄された領域で溶接される、
   前記方法。
6. ＣＯ_２と圧縮空気からなるクライオジェニック混合物が前記クライオジェニック混合物（８）として噴射される、請求項５に記載の方法。
7. 液体ＣＯ_２、又はＣＯ_２ドライアイス、又はＣＯ_２ペレット、又はＣＯ_２ガスが、ＣＯ_２と圧縮空気からなる該クライオジェニック混合物（８）において使用される、請求項５または６に記載の方法。
8. 深絞り加工がなされた金属製コンポーネントが溶接され、そのコンポーネントからは該クライオジェニック混合物によって絞り剤の残留物が除去される、請求項５〜７のいずれかに記載の方法。
9. 請求項５〜８のいずれかに記載の方法を実施するように設計された制御手段（１９）を有する、請求項１〜４のいずれかに記載の溶接装置。