JP5639597B2 - 摩擦溶接振動品質モニタリング・システム - Google Patents

Description

本開示は、摩擦溶接用のシステムおよび方法に関する。特に、本開示は摩擦溶接中の振動のモニタリングに関する。

摩擦溶接システム、具体的には慣性または慣性溶接システムでは、結合すべき表面間の摩擦を用いて熱を発生させ、その熱によって、第１のワークピースと第２のワークピースとを接合して一つにする。接合すべき２つのワークピースを、慣性溶接機に取り付ける。あるタイプのシステムでは、第１のワークピースを静止保持する一方で、第２のワークピースを、フライ・ホイールに取り付けたスピンドル上で高速回転させる。フライ・ホイールが所定の速度に達したら、フライ・ホイールを引き離し、圧力を第１のワークピースに加えて第１のワークピースを第２のワークピースに強制的に接触させる。第１のワークピースと第２のワークピースとの間の動摩擦によって、第１のワークピースと第２のワークピースとの間の接合を形成するのに十分な熱が発生する。

第１のワークピースを第２のワークピースに強制的に接触させることを、油圧シリンダまたは同様の配置によって加えた圧力を用いて行なっても良い。慣性溶接機が動作すると、振動が生じる場合がある。この振動は、第１のワークピースと第２のワークピースとの接合から流れてきたエネルギーに関連し得る。この振動エネルギーは、ワークピースの他の領域および工具に流れていく。振動エネルギーによって、ワークピースおよび工具に対する損傷が生じる可能性がある。損傷は、溶接プロセスが完了した後の検査によって確認することができる。このような検査が行なわれると、複雑さおよびコストがプロセスに加わる。振動は、ダンピングによって低減または除去することができる。しかし、ダンピング用のシステムおよび機器は、高価であるとともに、信頼性が十分ではない。

米国特許第５，９８７，３６７号明細書

必要なのは、第１の部片を第２の部片に強制的に接触させる間の振動を防止することができる摩擦溶接システムおよび方法である。

典型的な実施形態においては、摩擦溶接システムは、第１のワークピースの少なくとも１つの表面と第２のワークピースの少なくとも１つの表面との間に動摩擦を与えて溶接部を形成するように構成された溶接配置と、第１のワークピースおよび第２のワークピースの一方または両方に力を加えるために調整および配設された力付与メカニズムと、溶接配置のパラメータを測定するように調整および配設されたセンサであって、測定パラメータから振動量が決定できるセンサと、を備えている。

別の典型的な実施形態においては、摩擦溶接システムは、第１のワークピースの少なくとも１つの表面と第２のワークピースの少なくとも１つの表面との間に動摩擦を与えて溶接部を形成するように構成された溶接配置と、第１のワークピースおよび第２のワークピースの一方または両方に力を付与するように調整および配設された力付与メカニズムと、溶接配置のパラメータを測定するように調整および配設されたセンサであって、測定パラメータから振動量が決定できるセンサと、力付与メカニズムが付与する力を測定パラメータに応じて調整するように構成されたコントローラと、溶接配置と流体連絡している圧力回路と、を備えている。この実施形態においては、センサは溶接配置の振動を測定するように構成され、コントローラはさらに、力付与メカニズムが付与する力の調整を、測定パラメータに基づいて圧力回路内に圧力パルスまたは変形を与えることによって行なうように構成されている。

別の典型的な実施形態においては、摩擦溶接のプロセスは、摩擦溶接システムを用意することと、力付与メカニズムが加える力をモニタすることと、測定パラメータに応じて振動量を決定することと、振動量を所定の振動量と比較することと、振動量に応じて信号を発生させることと、を含む。本実施形態においては、摩擦溶接システムは、第１のワークピースの少なくとも１つの表面と第２のワークピースの少なくとも１つの表面との間に動摩擦を与えて溶接部を形成するように構成された溶接配置と、第１のワークピースおよび第２のワークピースの一方または両方に力を加えるために調整および配設された力付与メカニズムと、溶接配置のパラメータを測定するように調整および配設されたセンサであって、測定パラメータから振動量が決定できるセンサと、を備える。

本開示の１つの優位性としては、摩擦溶接物品の高価な処理および機器が低減または除去されることが挙げられる。

本開示の別の優位性としては、振動ダンピング用の高価で信頼性の低い機器の必要性が低減または除去されることが挙げられる。

本開示の別の優位性は、溶接品質の向上およびプロセス制御の向上を実現してプロセス効率を高められることである。

本開示の他の特徴および優位性が、以下に示す好ましい実施形態の詳細な説明とともに添付図面から明らかとなる。添付図面では、一例として、開示内容の原理を例示している。

摩擦溶接システムの典型的な実施形態を示す図である。 摩擦溶接システムの別の典型的な実施形態を示す図である。 摩擦溶接プロセスの典型的な実施形態を示す図的表現である。 摩擦溶接プロセスの典型的な実施形態を示す別の図的表現である。

可能な限り、図面の全体に渡って同じ参照番号を用いて同じ部品を表わしている。

図１に摩擦溶接システム１００を示す。摩擦溶接システム１００は、慣性溶接配置１０７、力付与メカニズム１０９、およびセンサ１０２を備えていても良い。慣性溶接配置１０７は、第１のワークピース１０４の少なくとも１つの表面と第２のワークピース１０６の少なくとも１つの表面との間に動摩擦を与えるように構成されている。溶接配置１０７は、第１のワークピース１０４を受け取って固定するために調整および配設された第１の固定メカニズム１０８を備えることができる。図示したように、第１のワークピース１０４は、第１の固定メカニズム１０８によって着脱可能に固定されて、第１のワークピース１０４の回転が起こらないようになっている。第１の固定メカニズム１０８を、油圧シリンダ１１０に取り付けることもできるし、油圧シリンダ１１０と一体にすることもできる。溶接配置１０７はさらに、第２のワークピース１０６を受け取って固定するように調整および配設された第２の固定メカニズム１１２を備えることができる。図示したように、第２のワークピース１０６を第２の固定メカニズム１１２によって固定できると同時に、第２のワークピース１０６が回転できるようになっている（１０１を参照）。一実施形態においては、図１および２に示すように、第２の固定メカニズム１１２は油圧ベアリング１１４に取り付けられている。しかし、任意の好適な配置を用いて回転を容易にしても良い。たとえば、インテグラル・ベアリング・アセンブリである。

図２を参照して、摩擦溶接システム１００の力付与メカニズム１０９は、力を、第１のワークピース１０４および第２のワークピース１０６の一方または両方に付与することができる。力付与メカニズム１０９は、油圧シリンダ１１０および油圧ベアリング１１４を備えることができる。油圧シリンダ１１０から力の付与が、ピストン２０２が第１の固定メカニズム１０８したがって第１のワークピース１０４を第２のワークピース１０６の方に送ることによって、行なわれる。油圧ベアリング１１４によって第２のワークピース１０６が固定されると同時に、第２のワークピース１０６が回転できるようになっていることで、第１のワークピース１０４および第２のワークピース１０６が共に強制的に動かされて、表面が互いの上でスライドし、その結果、動摩擦が生じる。動摩擦によって熱が発生して、溶接部２０４が形成される。ピストン２０２から力が加わって、第１の固定メカニズム１０８が第２の固定メカニズム１１２の方に強制的に動かされることが、油圧シリンダ１１０と流体連絡している圧力回路２０８の作用によって行なわれる。図示した実施形態では、圧力回路２０８は、油圧シリンダ１１０および油圧ベアリング１１４と流体連絡していても良い。圧力回路２０８を、油圧シリンダ１１０または油圧ベアリング１１４の少なくとも一方に制御可能な圧力を与えるように調整および配設することができる。典型的な実施形態では、圧力回路２０８の制御を、圧力回路２０８の圧力を制御するように構成された圧力バルブ２１０によって行なっても良い。他の実施形態においては、さらなる制御を行なうために、圧力回路の全体に渡って設けられた付加的な圧力バルブを備えることができる。

摩擦溶接システム１００は、回転運動および圧力を用いて動摩擦に起因する熱を発生させ、第１のワークピース１０４および第２のワークピース１０６を接合して一つにする。第１のワークピース１０４および第２のワークピース１０６を、溶接配置１０７内に固定する。図１に示すように、溶接配置１０７は第２のワークピース１０６の回転運動を起こす。回転運動は、フライホイールをスピンドル配置上に備える任意の好適なメカニズムによって起こしても良い。これは、慣性溶接に対する技術分野で知られていることである。第１のワークピース１０４と第２のワークピース１０６との間の動摩擦によって、第１のワークピース１０４と第２のワークピース１０６との間の接合を形成するのに十分な熱が発生する。

第１のワークピース１０４を、力付与メカニズム１０９が付与する力によって第２のワークピース１０６に対して送る間に、振動が起こり得る。理論に束縛されるものではないが、振動は、第１のワークピース１０４と第２のワークピース１０６との間の接合によって形成される溶接部２０４からのエネルギーを流して、振動エネルギーをワークピースの他の領域および工具に与えるものと考えられる。このエネルギーによって、ワークピースおよび工具の損傷が起こり得る。製造後に損傷を確認すると、廃物、製造時間、労力および／または機器（たとえば、ダンピング）が増えるために、費用が増加する可能性がある。

典型的な実施形態においては、システム１００は、振動を判定するためのセンサ１０２を備えることができる。センサ１０２を、力付与メカニズム１０９に関するパラメータを測定して測定パラメータから振動量を決定するために、調整および配設することができる。パラメータとしては、限定することなく、以下のものを挙げても良い。流体圧力；温度；音響応答；装置、工具、もしくはワークピースの加速度；および／または装置、工具、もしくはワークピースの歪み。たとえば、振動は第１の固定メカニズム１０８上で起こる可能性があり、その結果、油圧シリンダ１１０の振動が発生する可能性がある。たとえば、センサ１０２は、油圧シリンダ１１０の振動のモニタリングを、圧力回路２０８内の流体圧力変動をモニタリングすることによって行なうことができる。

典型的な実施形態においては、システム１００は、コントローラ２１２を備えることができる。コントローラ２１２は、センサ１０２から、センサ１０２が測定したパラメータに対応する信号を受信する。たとえば、流体圧力変動をセンサ１０２が測定した場合、コントローラ２１２は、対応する振動を決定して、決定した振動に応じて圧力回路２０８の圧力を調整することができる。振動が増加するにつれ、所望の量の力を付与するためにコントローラ２１２が検出する圧力要求に一貫性がない場合があり、その結果、流体圧力変動が生じる場合がある。一貫性のない圧力要求が検出され、対応する振動が発生する結果、ワークピースの損傷が検出される可能性がある。

図３を参照して、摩擦溶接システムにおいてワークピース損傷を検出および防止するためのプロセス３００を示す。プロセス３００は、摩擦溶接システムにおけるパラメータをモニタすることを含む（ステップ３０２）。たとえば、モニタすることは、圧力回路内の流体圧力を、センサまたは他の好適な装置を用いて測定または検知することを含んでいても良い。プロセス３００はさらに、パラメータに応じて振動量を決定することを含む（ステップ３０４）。たとえば、振動量の決定を、圧力回路からの高周波（たとえば、２００ｋＨｚ）の流体圧力データに基づいて行なう。このような決定は、センサからマイクロプロセッサまたは他の好適な装置へ信号または情報を送信することを含んでいても良い。プロセス３００はさらに、振動量を所定の振動量と比較すること（ステップ３０６）、および決定に応じて信号を発生させることを含んでいる。たとえば、流体圧力データを用いて、振動量が所定レベルよりも上であるか否かを自動的に計算することができる。振動量が所定レベルよりも上であると判定されたら（たとえば、図３において「Ｙｅｓ」）、信号を送信することができ、その部品は拒否される（ステップ３１０）。振動量が所定レベルよりも下であると判定されたら（たとえば、図３において「Ｎｏ」）、信号を送信することができ、プロセス３００は、その部品の溶接が完了したか否かを判定する（ステップ３０８）。部品の溶接が完了しているならば（たとえば、図３において「Ｙｅｓ」）、その部品を受け入れることができる（ステップ３１２）。部品の溶接が完了していないならば（たとえば、図３において「Ｎｏ」）、プロセスを繰り返すことができる（ステップ３０２）。

図４を参照して、摩擦溶接システムにおいてワークピース損傷を検出および防止するためのプロセス４００を示す。プロセス４００は、摩擦溶接システムにおけるパラメータをモニタすることを含む（ステップ４０２）。たとえば、第１の固定メカニズムに作用する油圧シリンダ、したがって第１のワークピースを第２のワークピースの方に強制的に動かす油圧シリンダに付与される流体圧力をモニタすることである。プロセス４００はさらに、パラメータに応じて振動量を決定することを含む（ステップ４０４）。たとえば、振動量の決定を、圧力回路からの高周波（たとえば、２００ｋＨｚ）の圧力データに基づいて行なう。プロセス４００はさらに、振動量を所定の振動量と比較すること（ステップ４０６）、および決定に応じて信号を発生させることを含んでいる。たとえば、圧力データを用いて、振動量が所定レベルよりも上であるか否かを自動的に計算することができる。

振動が所定レベルよりも上であると判定されたら（たとえば、図４において「Ｙｅｓ」）、信号を送信することができ、プロセス４００は、振動を除去し得るか否かを判定する（ステップ４０８）。振動を除去し得るか否かの判定には、システムからの圧力データに基づいてプロセス限界を比較すること、予めプログラムされた仕様に基づいてプロセス限界を比較すること、プロセスが振動の除去を試みた時間を考慮すること、および／または他の好適な条件を含むことができる。システムが、振動を除去することはできないと判定した場合には（たとえば、図４において「Ｎｏ」）、その部品は拒否される（ステップ４１０）。システムが、振動は除去することができると判定した場合には（たとえば、図４において「Ｙｅｓ」）、システムは振動に対応して（ステップ４１２）、プロセスを繰り返す（ステップ４０２）。たとえば、信号コントローラは、振動量に対応した信号を出すことができる。この対応には、油圧シリンダを安定させるための圧力回路内の圧力パルスを含むことができ、プロセスを繰り返して、圧力パルスが油圧シリンダを安定させたか否かを判定することができる。

振動量を所定の振動量と比較する場合に（ステップ４０６）、振動量が所定レベルよりも下であると判定されたら（たとえば、図４において「Ｎｏ」）、システムは、部品の溶接が完了したか否かを判定することができる（ステップ４１４）。部品の溶接が完了しているならば（たとえば、図４において「Ｙｅｓ」）、その部品を受け入れることができる（ステップ４１６）。部品の溶接が完了していないならば（たとえば、図４において「Ｎｏ」）、プロセスを繰り返すことができる（ステップ４０２）。

本開示を、好ましい実施形態に関して説明してきたが、当業者であれば分かるように、本開示の範囲から逸脱することなく、種々の変形を施しても良く、また均等物を本開示の要素の代わりに用いても良い。加えて、本開示の本質的な範囲から逸脱することなく、特定の状況または材料を本開示の教示に適合させるように多くの変更を施しても良い。したがって本開示は、本開示を行なうために考えられたベスト・モードとして開示される特定の実施形態には限定されず、本開示には、添付の請求項の範囲に含まれるすべての実施形態が含まれることが意図されている。

Claims (17)

1. 摩擦溶接の方法であって、
   摩擦溶接システムを用意するステップを含み、
   前記摩擦溶接システムが、
   第１のワークピースの少なくとも１つの表面と第２のワークピースの少なくとも１つの表面との間に動摩擦を与えて溶接部を形成するように構成された溶接配置と、
   前記第１のワークピースおよび前記第２のワークピースの一方または両方に力を加えるために調整および配設された力付与メカニズムと、
   前記溶接配置の流体圧力変動を測定するように調整および配設されたセンサであって、前記測定流体圧力変動から前記摩擦溶接システムのパラメータのための振動量が決定できるセンサと、
   を備え、
   前記方法は、さらに、
   前記力付与メカニズムが加える前記力をモニタするステップと、
   前記測定流体圧力変動に応じて前記パラメータのための前記振動量を決定するステップと、
   前記振動量を所定の振動量と比較するステップと、
   前記振動量が前記パラメータのための前記所定の振動量より大きい場合には前記振動量に応じて信号を発生させ、信号が発生されないときは前記モニタするステップにもどるステップと、
   前記振動が除去できるか否かを判定するステップと、
   前記力付与メカニズムに信号を送信するステップであって、前記振動量が除去できる場合には、該信号に応じて前記力付与メカニズムが前記第１のワークピース及び前記第２のワークピースを共に強制的に動かす前記力を減少させるよう調整を行い、前記振動量が除去できない場合には、該信号に応じて前記力付与メカニズムが前記第１のワークピース及び前記第２のワークピースを拒否する、ステップと
   を含む方法。
2. 前記摩擦溶接システムの前記パラメータは、装置、第１及び第２のワークピースの歪み、ワークピースの加速度及びこれらの組み合わせである、請求項１に記載の方法。
3. 前記測定流体圧力変動は圧力回路からの周波数流体圧力データであって、前記圧力回路は、前記第１のワークピースを受け取り固定するように構成され配置された第１の固定メカニズムまたは前記第２のワークピースを受け取り固定し回転させるように構成され配置された第２の固定メカニズムの少なくとも一方と流体連絡している請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記発生信号に応じて前記圧力回路内に複数の流体圧力パルスを与えることをさらに含む請求項３に記載の方法。
5. 前記第１のワークピースと前記第２のワークピースとの間に形成された前記溶接部を、前記発生信号に応じて、受け入れるかまたは拒否することをさらに含む請求項１乃至４のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記振動が除去可能か否かの前記判定は、圧力データ、予めプログラムされた仕様、前記システムが前記振動の除去を試みた時間、およびそれらの組み合わせからなる群から選択されるデータから計算を行なうことを含む請求項１乃至５のいずれか１項に記載の方法。
7. 摩擦溶接の方法であって、
   摩擦溶接システムを用意するステップを含み、
   前記摩擦溶接システムが、
   第１のワークピースの少なくとも１つの表面と第２のワークピースの少なくとも１つの表面との間に動摩擦を与えて溶接部を形成するように構成された溶接配置と、
   前記第１のワークピースおよび前記第２のワークピースの一方または両方に力を加えるために調整および配設された力付与メカニズムと、
   前記溶接配置の流体変動を測定するように調整および配設されたセンサであって、前記流体変動からパラメータの振動量が決定できるセンサと、
   前記測定流体変動に応じて前記力付与メカニズムにより与えられる前記力を調整するコントローラであって、前記測定流体変動、前記パラメータ及び前記信号に基づいて、圧力回路内に圧力パルス又は変形を与えることによって前記力付与メカニズムが付与する前記力を調整するよう構成されたコントローラと
   を備え、
   前記方法は、さらに、
   前記力付与メカニズムが加える前記力の量をモニタするステップと、
   前記測定流体変動に応じて前記振動量を決定するステップと、
   前記振動量を所定の振動量と比較するステップと、
   前記振動量が前記パラメータのための前記所定の振動量より大きい場合には前記振動量に応じて信号を発生させるステップと、
   前記振動が除去できるか否かを判定するステップと、
   前記力付与メカニズムに信号を送信するステップであって、前記振動量が除去できる場合には、該信号に応じて前記力付与メカニズムが前記第１のワークピース及び前記第２のワークピースを強制的に動かす前記力の前記量を減少させるよう前記第１のワークピース及び前記第２のワークピースを強制的に動かし、前記振動量が除去できない場合には、該信号に応じて前記力付与メカニズムが前記第１のワークピース及び前記第２のワークピースを拒否する、ステップと
   を含む方法。
8. 前記測定流体変動は流体圧力である請求項７に記載の方法。
9. 前記測定流体変動は圧力回路からの周波数流体圧力データであって、前記圧力回路は、前記第１の固定メカニズムまたは前記第２の固定メカニズムの少なくとも一方と流体連絡している請求項７又は８に記載の方法。
10. 前記パラメータは、 音響応答、装置の加速度及びワークピースの加速度から選択される、請求項７乃至９のいずれか１項に記載の方法。
11. 前記振動量は、圧力回路からの高周波の流体圧力データに基づいて行なう、請求項７乃至１０のいずれか１項に記載の方法。
12. 前記付与される力が前記振動を除去する、請求項７乃至１１のいずれか１項に記載の方法。
13. 前記付与される力が、増加する振動量に応じて繰り返し調整される、請求項７乃至１２のいずれか１項に記載の方法。
14. 前記振動量は、一貫性のない圧力要求により決定される、請求項７乃至１３のいずれか１項に記載の方法。
15. 前記摩擦溶接システムが、前記第１及び第２のワークピースを共に強制的に動かすときに前記振動の発生を防止する、請求項７乃至１４のいずれか１項に記載の方法。
16. 前記力付与メカニズムが、前記付与される力の量の調整により安定化される、請求項７乃至１５のいずれか１項に記載の方法。
17. 前記力付与メカニズムが、圧力パルスを付与することにより安定化される、請求項７乃至１６のいずれか１項に記載の方法。
    

Images