JP5595658B2 - 鍛接装置の動作パラメータを算出する装置及び方法 - Google Patents
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Description
鍛接工程は、結果として加熱により影響を受けた部分(heat affected zone: HAZ)を作り出す。このHAZは、金属の部分であって、鍛接の工程の間溶融しないが、その微細構造と機械的特性は工程中の加熱により変化する。
例えば図2において、点線118は、一般的な、鍛接による継ぎ目の両側にあるHAZの外側の境界線を示す。
実際には、HAZの外側の境界線は、鍛接部の長さ全体にわたって均一な直線ではないかもしれないが、HAZの幅は、通常、直線とした境界線によって近似される。
HAZの幅を最小化することは、一般に、加熱されていない金属の部分とは異なった特性を持っている金属の量を最小限にする。
この温度では、固相への拡散速度は大変速いものとなり、結果としてごく短時間で良質の接合ができる。
理想的には、溶融金属のすべては、接合面を溶接ビードの内径または外径から締め付けられるべきである。そして、接合剤は溶融金属でも鋳造金属でもない。
引き起こされた電流は、チューブの背後部を回り、そして、図2において破線で示された典型的な流れのライン119によって図示されているように、V字型の両辺を回って鍛接点115に流れる。
一般に、この距離は、特に鍛接装置と関係があるので、この距離のそのほかの定義も、その定義による距離が特に鍛接装置に使われるものである限りは、その定義を使用してもよい。距離“y”は、鍛接加熱長さと見なすことが出来る。図2においては、筒型コイルを表しているが、その他の種類のコイルを使用しても良い。
ρは金属部品の抵抗率、μは金属部品の比透磁率、fは供給電源の周波数、πは円周率(3.14159)である。
電気的基準深さとHAZの幅の値が、熱拡散深さによって規格化されたとき、これら両方の値の間には、関数関係が成り立つ。
この例では、適切な非線形曲線近似モデルがプロットデータを多項式の方程式である式(数4)にあわせるのに使用される。式(数4)は、図4において多項式曲線p1で示すように図式的に描かれている。
その多項式は、一般的に
で表され、式(数4)の係数a0, a1, a2 ,a3は、特定の材料について評価や試験によって得られたプロットデータから導かれたものである。
本発明の他の目的は、鍛接装置のオペレータによって周波数と電力の設定の入力をされることなく、所望の鍛接を成し遂げるために、鍛接工程における鍛接装置の動作周波数と動作電力の設定を行うことである。
本発明の他の形態は、1つ又はそれ以上の材料の鍛接を行う鍛接装置の動作周波数と動作電力との設定を算出する方法である。その方法は、鍛接装置の動作周波数と動作電力の設定を算出するための、HAZの幅の入力と、鍛接温度の入力とを含んでいる。動作周波数と動作電力の設定を算出するために、鍛接装置のデータとして、鍛接速度と、鍛接加熱長さと、1つ又はそれ以上の材料のパラメータが参照され、材料のパラメータとして、材料の厚み、材料の密度、材料のエンタルピーが参照される。測定されたHAZの幅と、測定された鍛接温度は、許容範囲内で、入力されたHAZ幅と、入力された鍛接温度と等しいので、算出された動作周波数又は動作電力を調整するために、HAZの幅と鍛接温度は、鍛接中に測定されてもよい。
本発明の他の形態としては、この明細書と添付の特許請求の範囲に記述されている。
その装置と方法は、金属の長尺部材や板の長尺辺同士の誘導鍛接(induction forge welding)を対象としているが、この技術に精通した者は、その装置や方法をHAZが形成されるどんな鍛接工程にも適用することができる。
「鍛接用電源」という言葉は、単純に、一般に鍛接のために金属を加熱するエネルギー源であって、(これに限定されないが)電気誘導電源を含む物を表現する言葉として使われる。
例えば、鍛接装置のオペレータは、適切な入力装置、例えば、キーボードからそれぞれのパラメータの値を入力することが出来る。また、オペレータは、特定の材料を表しているコードを入力しても良い。この場合、特定の材料の必要なパラメータは、適切な記憶装置に記憶されており、それらのデータは、本発明の装置や方法によって参照される。
ルーチン14では、鍛接パラメータが適切な手段によって入力される。例えば、鍛接装置のオペレータは、それぞれのパラメータを適切な入力装置から入力します。また、1つ又はそれ以上のパラメータの値は、適切な記憶装置に記憶されている参照用テーブルから入力されても良い。
記憶されている値は、入力された材料パラメータと特定の鍛接機の動作パラメータとの1つ又はそれ以上を基にしている。それらのデータは、本発明の装置や方法によって参照される。鍛接装置のパラメータは、鍛接加熱長さと鍛接速度を含んでも良い。
入力された鍛接パラメータは、HAZ(XE)の効果的 (実効的)な幅と、溶接点温度(TE)とを含んでいても良い。
ルーチン22では、試行電気的基準深さが、上記の本発明の限定しない例である式(数1)から算出される。ルーチン24では、試行規格化電気的基準深さZnが、上記の本発明の限定しない例である式(数3)から算出される。
ルーチン26では、HAZ(Xn)の対応する試行規格化幅を、上記の本発明の限定しない例であるHAZの規格化幅の式(数4)から算出する。
ルーチン28では、HAZ(Xn)の試行規格化幅は、ルーチン18で算出された試行熱的基準深さにXnを掛けることによって算出されたHAZ(Xc)の幅に変更される。ルーチン30では、計算されたHAZの幅は、前もって入力された効果的 (実効的)な幅XEと比較される。
その後の繰り返しでは、繰り返し作業は、最終的に計算されたXc = XE ± εで帰着するために、増分周波数変化ΔFは、例えば半分に減少します。ここで、εは、もし使用されるなら、許容誤差値であり、要求されるHAZの効果的 (実効的)な幅のためのものである。
ルーチン34では、XC = XE ± εのための試行値F0は、設置された周波数FSETと同じ値に設定される。別の種類の適切な繰り返し方法が設定周波数に収束させるために使われてもよい。
本発明の他の例として、そのシステムと方法は、鍛接装置の動作電力設定の算出を行うことが出来る。
ルーチン42は、試行したHAZの幅XTESTとHAZの実行幅XEの比較を行う。
XTESTとXEとが許容誤差範囲内で等しくなかったとき、HAZの評価による近似曲線の幅は、ルーチン44で変更されます。設定された、周波数FSET、電力PSETに起因するZnとXnとによって定義され、試行にも使用される点は、近似曲線を生成するために使用される点として加えられます。そして新しい曲線近似の解析が行われる。
実際の試行での鍛接温度は、適当なセンサー、例えば高温計(pyrometer)を使用してルーチン46で入力される。
例えば、Δεを許容誤差値としたとき、TMAX > TE + Δεの場合は、新しいエンタルピーHの値は、古い値から、選択された漸進的変化ΔHを引いた値となる。逆に言えば、TMAX > TE - Δεの場合は、新しいエンタルピーHの値は、古いエンタルピーHの値に選択された漸進的変化ΔHを加えた値になる。
その後の繰り返しにおいて、繰り返しのプロセスが最終的に計算されたTMAX > TE + Δεに帰着するために、エンタルピーの漸進的変化ΔHは、例えば半分に減少する。ここで、εは、もし使用されるなら、許容誤差値であり、要求されるHAZの実効的な幅のためのものである。
米国特許第5902506号と米国特許第5954985号とは、鍛接装置電源の周波数と電力の大きさの調整のための器具と方法を開示しており、それらは本発明で使用することが出来る。
上記発明の例は、これに限定されない鍛接装置のデータと、鍛接工程で鍛接される1つ又はそれ以上の材料のパラメータのデータと、であって、本発明の装置または方法で使用することが出来るものについて説明する。
103 プレート
105 プレート
109 鍛接プレート
111 プレート
113 チューブ
115 鍛接点
117 継ぎ目
118 境界線
119 流れのライン
121 誘導コイル
Claims (10)
- 熱拡散率、電気抵抗率、比透磁率、密度、厚み、の各値を各有する1つ又はそれ以上の材料の鍛接中における、接合速度下に鍛接点通過時の鍛接加熱長さ部分を形成するところの好ましい有効熱影響部幅のための、鍛接装置における動作周波数を設定するための方法であって、
(a)鍛接のコンピュータプログラムを実行するプロセッサに、好ましい有効熱影響部
幅の値を入力するステップと、
(b)前記プロセッサに、鍛接装置の試行動作周波数の値を入力するステップと、
(c)前記鍛接のコンピュータプログラム実行に際し、算出した試行規格化熱影響部幅に試行熱的基準深さを乗算し、かくして算出された熱影響部幅を決定するステップにして、前記試行規格化熱影響部幅が試行鍛接装置動作周波数の値から決定されたものである前記ステップと、
(d)算出された熱影響部幅と前記有効熱影響部幅との各値間の差が許容誤差値範囲内であるときは、鍛接装置動作周波数を試行鍛接装置動作周波数値に設定し、または、前記差が許容誤差値範囲外であるときは、前記鍛接コンピュータプログラム実行に際し、鍛接装置動作周波数を増分変化させると共に、該増分変化された鍛接装置動作周波数を試行鍛接装置動作周波数とする状況下に前記プロセッサにおける前記一連のステップ(b)〜(d)を反復するステップと、
を含む方法。 - 前記算出した前記試行規格化熱影響部幅が、鍛接のコンピュータプログラム実行に際し、メモリ装置に記憶させた熱影響部(HAZ)多項式における前記試行規格化電気的基準深さの値を使用して決定される請求項1に記載の方法。
- (e)PE=H・γ・XE・h・vにより確立される、算出された実効電力値PEを決定するステップにして、Hが試行鍛接エンタルピーの値、γが前記1つ又はそれ以上の材料の各1つにおける密度、XEが好ましい有効熱影響部幅の値、hが前記1つ又はそれ以上の材料の各1つにおける厚み、vが溶接速度であるステップと、
(f)動作周波数及び算出された実行電力下に動作する鍛接装置による電力試行鍛接からの電力試行熱影響部幅と、好ましい有効熱影響部幅の値との間の差を算出するステップと、
(g)前記電力試行熱影響部幅と好ましい有効熱影響部幅の値との間の差が許容誤差値範囲内であるときは、鍛接装置の動作電力を算出した実効電力に設定し、または、鍛接コンピュータプログラム実行に際し、電力試行規格化電気的基準深さの値と、電力試行規格化熱影響部幅の値とを入力することにより、電力試行鍛接からの熱影響部幅(HAZ)多項式を変更させ、かくして変更された熱影響部幅(HAZ)多項式を決定し、次いで該変更された熱影響部幅(HAZ)多項式を使用して、ステップ(e)〜(g)を含む一連のステップを反復するステップと、
を含む請求項1に記載の方法。 - (h)プロセッサに、好ましい実効鍛接点温度値を入力するステップと、
(i)試行鍛接温度からの試行鍛接点温度と、動作周波数及び動作電力下の鍛接装置により得られる好ましい実効鍛接点温度との間の差を比較するステップと、
(j)前記差が許容誤差値外であるときは試行鍛接エンタルピー値を増分変化させると共に、該増分変化された試行鍛接エンタルピー値を前記試行鍛接エンタルピー値として一連のステップ(e)〜(i)を反復するステップと、
を更に含む請求項3に記載の方法。 - 熱拡散率、電気抵抗率、比透磁率、密度、厚み、の各値を各有する1つ又はそれ以上の材料の鍛接中における、接合速度下での鍛接点通過時の鍛接加熱長さ部分を形成するところの好ましい有効熱影響部幅のための、鍛接装置における動作周波数を設定するための方法であって、
(a)鍛接コンピュータプログラムを実行するプロセッサに、好ましい有効熱影響部幅
値を入力するステップと、
(b)前記プロセッサに、鍛接装置の試行動作周波数値を入力するステップと、
(c)前記鍛接コンピュータプログラム実行に際し、算出した試行規格化熱影響部幅に試行熱的基準深さを乗算し、かくして熱影響部算出幅を決定するステップにして、前記試行規格化熱影響部幅が、前記鍛接コンピュータプログラム実行に際し、メモリ装置に記憶させた熱影響部(HAZ)多項式における前記試行規格化電気的基準深さの値を使用して決定され、前記試行規格化電気的基準深さの値が、前記鍛接のコンピュータプログラム実行に際し、試行電気的基準深さξを試行熱的基準深さで除算することにより決定され、該試行熱的基準深さξが、
前記ρが1つ又はそれ以上の材料の各1つにおける電気抵抗率、μが同比透磁率、fが試行鍛接装置動作周波数であり、また、前記試行熱的基準深さが、
(d)算出した熱影響部幅と、好ましい有効熱影響部幅との間の差が許容誤差値範囲内であるときは、鍛接装置の動作周波数を試行鍛接装置動作周波数に設定し、前記差が許容誤差値範囲内ではないときは、鍛接コンピュータプログラム実行に際して試行鍛接装置動作周波数を増分変化させると共に、該増分変化された試行鍛接動作周波数を試行鍛接装置周波数として、プロセッサによる前記ステップ(b)〜(d)を含む上記一連のステップを反復させるステップと、
(e)PE=H・γ・XE・h・vにより確立される、算出された実効電力値PEを決定するステップにして、Hが鍛接の試行エンタルピーの値、γが前記1つ又はそれ以上の材料の各1つにおける密度、XEが好ましい有効熱影響部幅の値、hが前記1つ又はそれ以上の材料の各1つにおける厚み、vが溶接速度であるステップと、
(f)動作周波数及び算出された実行電力下での電力試行鍛接からの電力試行熱影響部幅と、好ましい有効熱影響部幅の値とを比較するステップと、
(g)電力試行熱影響部幅と好ましい有効熱影響部幅との間の差が許容誤差値範囲内であるときは、鍛接装置の動作電力を算出した実行電力値に設定し、または、鍛接コンピュータプログラム実行に際し、電力試行規格化電気的基準深さの値と、電力試行規格化熱影響部幅の値とを入力することにより、電力試行鍛接からの熱影響部幅(HAZ)多項式を変更させ、かくして変更された熱影響部幅(HAZ)多項式を決定し、次いで該変更された熱影響部幅(HAZ)多項式を使用してステップ(e)〜(g)を反復することを含む一連のステップ反復するステップと、
を含む方法。 - (h)プロセッサに好ましい実効鍛接点温度値を入力するステップと、
(i)試行鍛接温度からの試行鍛接点温度と、動作周波数及び動作電力下での鍛接装置により得られる好ましい実行鍛接温度との間の差を比較するステップと、
(j)前記差が許容誤差値外であるときは試行鍛接エンタルピー値を増分変化させると共に、該増分変化された試行鍛接エンタルピー値を前記試行鍛接エンタルピー値として一連のステップ(e)〜(i)を反復するステップと、
を更に含む請求項5に記載の方法。 - 接合速度下に鍛接点を通過して鍛接加熱長さ部分を形成する、熱拡散率、電気抵抗率、比透磁率、密度、厚み、の各値を各有する1つ又はそれ以上の材料にして、鍛接中に熱影響部が形成される材料を鍛接する鍛接装置の動作周波数を制御するための鍛接システムであって、
コンピュータシステムを含み、該コンピュータが、一連の鍛接パラメータを入力するための1つまたはそれ以上の装置を含み、前記鍛接パラメータが、前記1つまたはそれ以上の材料の各々に対する熱拡散率、前記1つまたはそれ以上の材料の各々に対する電気抵抗率、前記1つまたはそれ以上の材料の各々に対する比透磁率、鍛接速度、好ましい有効熱影響幅、試行鍛接装置動作周波数、を含み、前記装置が、熱影響部(HAZ)多項式を記憶する1つまたはそれ以上のコンピュータメモリ記憶装置と、鍛接システムの一連の自己調節動作を含むコンピュータプログラムを実行するプロセッサにして、前記一連の自己調節動作が、
(a)
(b)
(c)試行電気的基準深さを試行熱的基準深さで除算した値に等しい試行規格化電気的基準深さを算出、
(d)HAZ多項式における試行規格化電気的基準深さの値を使用して試行規格化熱影響部幅計算値を算出、
(e)試行規格化熱影響部幅計算値に試行熱的基準深さを乗算することにより、試行規格化熱影響部幅計算値を、算出された熱影響部幅値とすること、
(f)熱影響部幅算出値と、好ましい有効熱影響部幅との間の差を比較、
(g)前記差が許容誤差値範囲内ではないときは、試行鍛接装置動作周波数を増分変化させると共に、該増分変化される試行鍛接装置動作周波数を使用してステップ(b)〜(g)を含む前記一連のステップを反復、
(h)前記差が許容誤差値範囲内であるときは、鍛接装置動作周波数を試行鍛接装置動作周波数に設定、
を含む前記自己調節動作を含むコンピュータプログラムを実行するプロセッサと、
を含むコンピュータシステムを含む鍛接システム。 - 接合速度下に鍛接点を通過して鍛接加熱長さ部分を形成する、熱拡散率、電気抵抗率、比透磁率、密度、厚み、の各値を各有する1つ又はそれ以上の材料にして、鍛接中に熱影響部が形成される材料を鍛接する鍛接装置の動作周波数及び動作電力を制御するための鍛接システムであって、
コンピュータシステムを含み、該コンピュータシステムが、一連の鍛接パラメータを入力するための1つまたはそれ以上の装置を含み、前記鍛接パラメータが、前記1つまたはそれ以上の材料の各々に対する熱拡散率、前記1つまたはそれ以上の材料の各々に対する電気抵抗率、前記1つまたはそれ以上の材料の各々に対する比透磁率、前記1つまたはそれ以上の材料の各々に対する密度、前記1つまたはそれ以上の材料の各々に対する厚み、鍛接速度、好ましい有効熱影響幅、試行鍛接装置動作周波数、試行鍛接エンタルピー、を含み、前記装置が、熱影響部(HAZ)多項式を記憶する1つまたはそれ以上のコンピュータメモリ記憶装置と、鍛接システムの一連の自己調節動作を含むコンピュータプログラムを実行するプロセッサにして、前記一連の自己調節動作が、
(a)
(b)
(c)試行電気的基準深さを試行熱的基準深さで除算した値に等しい試行規格化電気的基準深さを算出、
(d)HAZ多項式における試行規格化電気的基準深さの値を使用して試行規格化熱影響部幅計算値を算出、
(e)試行規格化熱影響部幅計算値に試行熱的基準深さを乗算することにより、試行規格化熱影響部幅計算値を、算出された熱影響部幅値とすること、
(f)熱影響部幅算出値と、好ましい有効熱影響部幅との間の差を比較、
(g)前記差が許容誤差値範囲内ではないときは、試行鍛接装置動作周波数を増分変化させると共に、該増分変化される試行鍛接装置動作周波数を使用して、ステップ(b)〜(g)を含む前記一連のステップを反復、
(h)前記差が許容誤差値範囲内であるときは、鍛接装置動作周波数を試行鍛接装置動作周波数に設定、
(i)PE=H・γ・XE・h・vにより確立される実効電力値PEにして、Hが試行鍛接エンタルピー値、γが前記1つ又はそれ以上の材料の各1つにおける密度、XEが好ましい有効熱影響部幅の値、hが前記1つ又はそれ以上の材料の各1つにおける厚み、vが溶接速度である実効電力値PEを算出、
(j)動作周波数及び算出された実行電力値での電力試行鍛接からの電力試行熱影響部幅と、好ましい有効熱影響部幅の値とを比較、
(k)電力試行熱影響部幅と好ましい有効熱影響部幅との間の差が許容誤差値範囲内ではないときは、電力試行規格化電気的基準深さの値と、電力試行規格化熱影響部幅の値とを入力することにより、電力試行鍛接からの熱影響部幅(HAZ)多項式を変更させ、かくして変更された熱影響部幅(HAZ)多項式を決定し、次いで該変更された熱影響部幅(HAZ)多項式を使用してステップ(i)〜(k)を含む一連のステップを反復、
(l)前記差が許容誤差値範囲内であるときは、鍛接装置の動作電力を算出された実行電力に設定、
を含む前記自己調節動作を含むコンピュータプログラムを実行するプロセッサと、
を含むコンピュータシステムを含む鍛接システム。 - 前記1つまたはそれ以上の材料により入力される一連の鍛接パラメータが、好ましい有効鍛接点温度を含み、鍛接システムの前記一連の自己調節動作が、
(m)動作周波数及び動作電力下に動作する鍛接装置を使用しての試行鍛接温度からの試行鍛接点温度を好ましい有効鍛接点温度と比較、
(n)前記試行鍛接点温度と好ましい有効鍛接点温度との間の差が許容誤差値範囲内ではないときは、試行鍛接エンタルピーを増分変化させると共に、前記ステップ(i)〜(n)を含む前記一連のステップを反復、
を更に含む請求項8に記載の鍛接システム。 - 1つ又はそれ以上のコンピュータメモリ記憶装置が、1つ又はそれ以上の一連の鍛接パラメータを記憶する請求項7または8に記載の鍛接システム。
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