JP5735652B2 - 溶接プロセスで使用するための試験ブロックおよび製造ワークピース上の溶接プロセスを認定する方法 - Google Patents

Description

本発明は、ワークピースの溶接、特に溶接プロセスで使用するための試験ブロックに関するものである。

多くの状況において、精密部品の機械加工および製造を正確に制御することが望ましい。このようなデバイス１つとして、工業プロセスにおいてプロセス流体の圧力を測定するのに用いられる圧力トランスミッタがある。このようなトランスミッタに用いられる圧力センサは、圧力を含むためにともに溶接される金属の外部構造を含むことが多い。圧力センサ内の溶接部は、圧力センサの定格を超える感知圧力による力、言い換えると、故障状態下の過圧力による力を受ける。

圧力センサの生産に使用するための溶接プロセスを認定するさまざまな方法が知られている。一般的に、品質サンプリングプランにしたがって、製品圧力センサが準備および溶接され、パーツが試験される。試験結果に基づいて、溶接プロセスを、特定の圧力センサ生産プロセスで使用するために認定する場合もあり得るし、試験結果が欠陥を明らかにするときには、溶接プロセスに変更を加える場合もあり得る。多くの溶接試験は、危険な工程を伴う破壊試験である。これらの破壊試験は、大きな力を印加して溶接部を曲げるまたは折ること、溶接部の断面を切断して、断面を研磨およびエッチングして欠陥を明らかにすることを含んでもよい。その他の溶接試験は非破壊試験である。これらの非破壊試験は、Ｘ線撮像および超音波試験を含む。非破壊試験は、一般的に、実施するのが高価で時間がかかり、非破壊撮像設備に熟練したオペレータを要する。

下記の実施態様では、ワークピース内の溶接溶け込み深さを制御する方法および試験ブロックを開示する。試験ブロックにより、ワークピースの溶接プロセスに関してワークピースのシミュレーションを行なう。試験ブロックは、試験溶接経路を含む。試験溶接経路は、ワークピースの溶接表面上の製造溶接経路を複製する。試験ブロックは、試験溶接経路の下にある溶融領域を含む。溶融領域は、試験溶接経路に沿って変化する壁の厚みによって試験溶接経路から離間される。前記壁の厚みは、標準溶接溶け込み深さを越える値から標準溶接溶け込み深さ未満の値まで変化する。

試験ブロックの使用によって制御される溶接溶け込み深さで溶接される溶接圧力センサを含むプロセス変数トランスミッタを示す。 試験ブロックの使用によって制御される溶接溶け込み深さで溶接される溶接圧力センサを含むプロセス変数トランスミッタを示す。 試験ブロックの使用によって制御される溶接溶け込み深さで溶接される溶接圧力センサを含むプロセス変数トランスミッタのブロック図を示す。 試験ブロックの使用によって制御される溶接溶け込み深さで溶接される圧力センサを示す。 試験ブロックの使用によって制御される溶接溶け込み深さで溶接される圧力センサを示す。 試験ブロックの使用によって制御される溶接溶け込み深さで溶接される圧力センサを示す。 試験ブロックおよび製品圧力センサの溶接のための製品保持固定具を示す。 試験ブロックの実施形態を示す。 試験ブロックの実施形態を示す。 試験ブロックの実施形態を示す。 試験ブロックの実施形態を示す。 試験ブロックの実施形態を示す。 試験ブロックを使用しない溶接溶け込み深さの比較統計度数分布を示す。 試験ブロックを使用した溶接溶け込み深さの比較統計度数分布を示す。

下記の実施形態では、プロセストランスミッタ、特に溶接された圧力センサを含む圧力トランスミッタを製造するのに有用な品質管理プロセスおよび装置を説明する。しかしながら、本発明は、任意のワークピースに用いてもよく、本明細書において説明される具体例に限定されない。品質管理プロセスでは、溶接プロセスにおいて圧力センサのシミュレーションを行なう試験ブロックが提供される。試験ブロックは、ワークピース上の製造溶接経路を複製する試験溶接経路を有する。試験ブロックは、試験溶接経路に沿って変化する壁の厚みによって試験溶接経路から離間された溶融領域を備える。壁の厚みは、標準溶接溶け込み深さを越える値から標準溶接溶け込み深さ未満の値まで変化する。溶融場所の測定は、溶接溶け込み深さの数値を示し、製造ワークピースを破壊試験せずに溶接プロセスの統計プロセス制御を許容する。

図１Ａ、１Ｂは、プロセス変数トランスミッタ１６０の正面および側面図を示す。図１Ａ、１Ｂでは、トランスミッタ１６０の一部分をはがして、圧力センサ１６２の場所を示す。プロセス変数トランスミッタ１６０は、圧力センサ１６２を含む。圧力センサ１６２は、図３〜１１に示す例に関連してより詳細に下記で説明するように、試験ブロックの使用によって制御される溶接溶け込み深さで溶接される溶接圧力センサを含む。圧力センサ１６２は、電子機器１６６へのライン１６４上の圧力センサ信号を提供する。電子機器１６６は、図２に示す例に関連してより詳細に下記で説明する。圧力トランスミッタ１６０は、工業プロセス流体において差圧を感知するための圧力フランジ１６８へ接続可能である。

図２は、溶接圧力センサ５０２を含むプロセス変数トランスミッタ５００のブロック図を示す。溶接圧力センサ５０２は、試験ブロックの使用によって制御される溶接溶け込み深さを有する溶接部５０４で溶接される。試験ブロックは、図６〜９に示す例に関連してより詳細に下記で説明する。圧力センサ５０２は、図３Ａ、３Ｂ、４に示す例に関連してより詳細に下記で説明する。圧力センサ５０２は、毛細管５０６、５０８によって、トランスミッタ５００の一部である高圧側および低圧側絶縁装置アセンブリ５１０、５１２へ連結される。圧力フランジ１６８からのプロセス差圧が、絶縁装置アセンブリ５１０、５１２に印加される。絶縁装置アセンブリ５１０、５１２および毛細管５０６、５０８は、圧力を圧力センサ５０２へ連結するオイルで充填される。

センサ回路５１６はセンサ５０４に連結し、測定回路５２４に補償センサ信号を提供する。感知された圧力に関係するプロセス変数出力が提供される。出力は、例えば、２線式プロセス制御ループ、無線出力、または別の通信技術に基づくことができる。

図３Ａは圧力センサ１００の正面断面図を図示し、図３Ｂはその側面図を示す。圧力センサ１００は、自動生産方法を用いて大量生産される製品パーツ（または「ワークピース」）である。

圧力センサ１００は、金属圧力センサダイヤフラム１０２を含む。圧力センサ１００は、左セルカップアセンブリ１０４および右セルカップアセンブリ１０６を含む。左セルカップアセンブリ１０４は、電気的に絶縁性の同心円セラミックコア１１０を囲む、概して丸い金属カップ１０８を含む。金属ワイヤ１１２が、電気的に絶縁性のセラミックコア１１０に埋め込まれる。金属ワイヤ１１２は、金属カップ１０８から、電気的に絶縁性のセラミックで充填された穴１１４を経て現れる。１つの態様によると、セラミックはガラスを含む。金属ワイヤ１１２は、圧力センサ１００の電気的リードとして働く。左セルカップアセンブリ１０４は、セラミックコア１１０上の金属化部１１６を含む。金属化部１１６は、金属ワイヤ１１２と電気的に接続して、キャパシタプレートとして働く。ダイヤフラム１０２は、円形溶接部１１８で金属カップ１０８に溶接される。左セルカップアセンブリ１０４は、毛細管１２０を含む。毛細管１２０は、第１の加圧流体のための流入口として働く。

右セルカップアセンブリ１０６は、電気的に絶縁性の同心円セラミックコア１４０を囲む、概して丸い金属カップ１３８を含む。金属ワイヤ１４２が、電気的に絶縁性のセラミックコア１４０に埋め込まれる。金属ワイヤ１４２は、金属カップ１３８から、電気的に絶縁性のセラミックで充填された穴１４４を経て現れる。金属ワイヤ１４２は、圧力センサ１００の電気的リードとして働く。右セルカップアセンブリ１０６は、セラミックコア１４０上の金属化部１４６を含む。金属化部１４６は、金属ワイヤ１４２と電気的に接続して、キャパシタプレートとして働く。右セルカップアセンブリ１０６は、毛細管１５０を含む。毛細管１５０は、第２の加圧流体のための流入口として働く。

左セルカップアセンブリ１０４（ダイヤフラム１０２を含む）および右セルカップアセンブリ１０６は、溶接プロセスによって溶接部１５２でともに溶接される。溶接部１５２は、圧力センサ１００を密閉する円形経路に沿った連続的溶接部である。図４に関連してより詳細に下記で説明するように、圧力を感知する使用の間に圧力センサ１００が加圧されるとき、溶接部１５２はかなりの力を受ける。溶接部１５２は、試験ブロックの使用によって制御される溶接溶け込み深さ１０１を有する。１つの実施形態によると、制御は、プロセストランスミッタの製造における統計プロセス制御（ＳＰＣ）手順の一部として達成される。

図４は、圧力を感知する使用の間の圧力センサ１００を示す。静圧Ｐｓ（ライン圧力とも呼ばれる）が、毛細管１２０を経て圧力センサ１００に印加される。第２の圧力Ｐｓ＋ΔＰが、毛細管１５０を経て圧力センサ１００に印加される。ダイヤフラム１０２は、圧力差（Ｐｓ＋ΔＰ）−（Ｐｓ）＝ΔＰに応じて撓む。ダイヤフラムの撓みは容量的に感知され、圧力センサ１００は、圧力差ΔＰの代表であるリード１１２、１４２として電気出力を提供する。

左および右セルカップアセンブリ１０４、１０６の形状は、印加される圧力によって、増大するにつれてわずかに歪められる。図４では、歪みが大きく誇張されて示される。溶接部１５２は、静圧Ｐｓによって、圧力センサ１００の加圧による図示されたようなライン１５４に沿って張力を受ける。溶接部１５２は、加圧からの歪みによるねじり力も受ける。溶接部１５２の溶接溶け込み深さ１０１が試験され注意深く制御されて、溶接部が充分に深く溶け込むので、溶接部１５２は強固であるが、溶接部がセラミック１１０、１４０または金属化部１１６、１４６を損傷するほど深くはない。溶接溶け込み深さ１０１の制御は、圧力センサ１００の溶接部１５２が、工場試験およびフィールド用途で過圧力の印加に耐えることができるのに充分な溶接溶け込み深さを有することを確実にする。溶接溶け込み深さ１０１の制御は、溶接部が深く溶け込み過ぎないこと、および圧力センサ１００の内部動作パーツを損なわないことを確実にする。

図５は、製品パーツであって、ともに製品保持固定具を含む２つの回転チャック３０２、３０４の間に搭載およびクランプされる圧力センサ１００を示す。レーザ溶接機３０６は、圧力センサ１００内で金属を加熱して、製造溶接プロセスにおいて溶接部１５２を形成するレーザビーム３０８を発する。溶け込み深さ（図４の１０１）は、電力出力およびレーザ溶接機３０６上のその他の制御を調節することによって制御可能である。回転チャック３０２、３０４が回転するので、溶接部１５２は製造溶接経路３１０をたどる。回転チャック３０２、３０４は、圧力センサ１００に軸圧縮力を及ぼして、溶接プロセスの間、圧力センサ１００を定位置に保持する。圧力センサ１００は、第１の回転チャック３０２に接触する第１の製品搭載面３１２を含む。圧力センサ１００は、第２の回転チャック３０４に接触する第２の製品搭載面３１４を含む。図示されたように、搭載面３１２、３１４は、好ましくは、回転チャック３０２、３０４と接触する圧力センサ１００上で対向する環状面を含む。回転チャック３０２、３０４は、圧力センサ１００のほうへ押し付けられて、回転溶接の間、圧力センサ１００を定位置にクランプする。

溶接プロセスを認定するために、溶接部１５２の溶け込み深さ１０１は、生産の間に破壊的にサンプリングされた。圧力センサ１００のサンプルは、目視検査のために溶接部の断面を露出させるため、半分に切断（断面化）された。この検査プロセスは、圧力センサ１００のサンプルが使用できなくなって廃棄される破壊試験プロセスであった。しかしながら、本方法を用いると、圧力センサ１００のサンプルは、定型的品質管理手順の一部として非破壊的に試験される。本方法では、試験ブロックが固定具内で溶接され、試験ブロック上での溶融が、圧力センサ１００内の溶接部品質を制御するために検査される。

溶接プロセスを認定する破壊的方法は危険であり、高価であり、時間がかかる。これらの問題は、試験ブロック４００が製品パーツ１００と実質的に同じようにして搭載、クランプされ、溶接される、図６〜１０に関連して下記で説明する非破壊試験方法によって著しく軽減される。試験ブロック４００は、そして、切断および研磨の必要なく、ならびに圧力センサを破壊することなく検査される。

図６Ａ、６Ｂは、試験ブロック４００の実施形態を示す。試験ブロック４００により、製品圧力センサの溶接プロセスに関して、製品圧力センサ（たとえば圧力センサ１００）のシミュレーションを行なう。

試験ブロック４００は、製品圧力センサ上で製造溶接経路（たとえば図５の経路３１０）を複製する、試験ブロック４００上の試験溶接経路４０２を含む。試験ブロック４００は、製品圧力センサ上で製品搭載面（たとえば図５の表面３１２、３１４）を複製する、試験ブロック４００上の試験搭載面４０４、４０６を含む。

試験ブロックは、試験溶接経路４０２の下にある試験ブロック４００の溶融領域４０８を含む。溶融領域４０８は、試験溶接経路に沿って変化する壁の厚み４１０によって、試験溶接経路４０２から離間される。壁の厚み４１０は、標準溶接溶け込み深さ４１２を超える値から標準溶接溶け込み深さ４１２未満の値まで変化する。内側溶融領域４０８は、試験ブロック４００の外側表面上の試験溶接経路４０２について偏心的である。１つの態様によると、試験ブロック４００は、図３の圧力センサ内の金属カップ１０８、１３８と同じ種類の金属で形成されている。１つの態様によると、試験ブロック４００は、圧力センサに用いられる金属合金を複製する金属合金で形成されている。

図７は、図６に示す試験ブロック４００の斜視図を示す。試験溶接経路４０２は、試験ブロック４００の円周まわりの連続的な閉鎖された円形経路である。１つの態様によると、試験ブロック４００は、図１０に関連してより詳細に下記で説明する参照符号８１６を含む。図８は、溶接プロセス前の試験ブロック４００の斜視断面図を示す。１つの態様によると、試験ブロック４００の内表面４２０は、溶接前に外観のばらつきがない、本質的に均一で平滑な外観を有する。

図９は、溶接プロセスが溶接部４２２に加えられた後の、試験ブロック４００の斜視断面図を示す。試験ブロック４００の内表面４２０は、溶接部４２２による溶融変色がある溶融領域４０８内の変色領域４２４を示す。変色領域４２４は、溶接溶け込み深さ４１２が壁の厚み４１０を超えるところだけに存在する。溶接部４２２は、より薄い領域の内表面４２０へ溶け込み、厚みが溶接溶け込み深さ４１２を超えるところで溶け込みが止まる。試験ブロック４００内の偏心した穴の使用により、溶接部の溶け込みが止まる、試験ブロック４００の壁の厚みを識別する数値溶け込み測定値を得ることができる。

今度は図５〜９を参照して、圧力センサ１００（図３Ａ、３Ｂ）上の溶接プロセス（図５）を認定する方法が提供される。方法は、溶接プロセスに関する圧力センサ１００のシミュレーションを行なう試験ブロック４００を提供することを含む。方法は、圧力センサ１００上で製造溶接経路３１０を複製する、試験ブロック上の試験溶接経路４０２を成形することを含む。

方法は、圧力センサ１００上で圧力センサ搭載面３１２、３１４を複製する、試験ブロック４００上の試験搭載面４０４、４０６を成形することを含む。方法は、試験溶接経路４０２の下にある、試験ブロック４００上の溶融領域４０８を成形することを含む。

方法は、試験溶接経路４０２に沿って変化する壁の厚み４１０によって、試験溶接経路４０２から離れて溶融領域４０８の間隔をあけることを含む。壁の厚み４１０は、標準溶接溶け込み深さ４１２を超える値から標準溶接溶け込み深さ４１２未満の値まで変化する。

方法は、製品保持固定具３０２、３０４に試験搭載面４０４、４０６を搭載することを含む。方法は、溶接プロセスを用いて試験溶接経路４０２に沿って試験ブロック４００を溶接することを含む。

方法は、製品保持固定具３０２、３０４から試験ブロック４００を取り外すこと、および溶接が溶融領域４０８に溶け込む壁の厚みの数値を測定するために溶融領域４０８を検査することを含む。

１つの態様によると、溶融領域４０８は、溶接プロセスからの溶融の可視性を増大させるために、温度感受性コーティングで被覆される。別の態様によると、溶融領域４０８は、溶接プロセスからの溶融の可視性を増大させるために、（溶接前または後のいずれかで）エッチングされる。さらに別の態様によると、溶融領域４０８は研磨されて、溶接に先立って鏡面仕上げを提供する。

本開示の非破壊方法を用いた溶接溶け込み深さ４１２の測定は、図５に関連する上述の従来の破壊方法による結果とよく関連付けられる。

図１０Ａ、１０Ｂは、試験ブロックを使用しない（図１０Ａ）、および試験ブロックを使用した（図１０Ｂ）、溶接溶け込み深さの比較統計度数分布を示す。

図１０Ａは、試験ブロックを用いない圧力センサ生産プロセスにおける溶接溶け込み深さの例示的な統計度数分布６００を示す。横軸６０２は、公称の望ましい溶接溶け込み深さからの偏差を表す。例えば、望ましい溶接溶け込み深さと等しい溶け込み深さを持つ溶接部は、横軸６０２上の「０」の度数分布６００に存在する。水平区間６０４は、圧力センサの内部パーツを損なう可能性のある過剰な深さを伴わずに、過圧力付加条件下の適切な溶接強度を確実にするのを容認する望ましい溶接溶け込み深さからの偏差範囲を表す。図示されたように、度数分布６００は、正規分布に近似する。

図１０Ｂは、試験ブロックを用いる圧力センサ生産プロセスにおける溶接溶け込み深さの例示的な統計度数分布６１０を示す。横軸６１２は、公称の望ましい溶接溶け込み深さからの偏差を表す。例えば、望ましい溶接溶け込み深さと等しい溶け込み深さを持つ溶接部は、横軸６１２上の「０」の度数分布６１０に存在する。水平区間６０４は、圧力センサの内部パーツを損なう可能性のある過剰な深さを伴わず、過圧力付加条件下の適切な溶接強度を確実にするのを容認する望ましい溶接溶け込み深さからの偏差範囲を表す。水平区間６０４は、図１０Ａおよび１０Ｂの両方で同じ区間である。図示されたように、度数分布６１０は、正規分布に近似する。

試験ブロックの使用は、はるかに素早くはるかに低コストで圧力センサ内の溶接溶け込み深さ試験を実施することを許容する。試験ブロックが用いられて、生産プロセスの制御のためのフィードバックがより迅速および頻繁に入手可能なときに、サンプリングをより頻繁に行うことができるので、公称の望ましい溶け込み深さからの偏差が大きく軽減される。

本発明のさまざまな実施形態の数多くの態様が前述の説明に明記されていても、この開示は例示にすぎず、本発明の範囲および趣旨から逸脱しない範囲で形態および詳細において変更を加えてもよいことが理解されるべきである。本発明は、本明細書に示す具体的な圧力センサ構成に限定されず、プロセスデバイス、たとえばプロセス変数トランスミッタに用いられるその他の溶接部と同様に、その他のセンサ構成に応用可能である。さらに、本発明は、溶接部を含む任意のワークピースに応用可能であり、圧力センサに限定されない。

Claims (15)

1. ワークピースの溶接プロセスに関して、前記ワークピースのシミュレーションを行なう試験ブロックであって、
   試験ブロックを構成する壁と、
   前記ワークピースの外側表面上の製造溶接経路を複製する、前記壁の第１面上の試験溶接経路と、
   前記試験溶接経路の下にある前記壁の第２面上の溶融領域と、
   を含み、
   前記溶融領域が、前記試験溶接経路に沿って変化する前記壁の厚みによって、前記試験溶接経路から離間され、
   前記壁の厚みが、標準溶接溶け込み深さを越える値から標準溶接溶け込み深さ未満の値まで変化する、試験ブロック。
2. 前記試験ブロックにより、セラミック材料を含む前記ワークピースのシミュレーションが可能な、請求項１記載の試験ブロック。
3. 前記試験溶接経路が、円筒形の前記壁の円周まわりに連続する円形経路を含む、請求項１記載の試験ブロック。
4. レーザ溶接部が前記試験ブロックに形成される、請求項１記載の試験ブロック。
5. 前記ワークピースを製造装置に固定するための製品搭載面を複製する、平行な表面である試験搭載面を含む、請求項１記載の試験ブロック。
6. 前記試験搭載面がクランプされた表面を含む、請求項５記載の試験ブロック。
7. 前記壁の第２面が、試験ブロックの外側円筒面に対して偏心的な円筒形の内部表面を含む、請求項１記載の試験ブロック。
8. 前記溶融領域が、エッチングされた表面である、請求項１記載の試験ブロック。
9. 前記溶融領域が、温度感受性コーティングを含む、請求項１記載の試験ブロック。
10. 請求項１〜９のいずれか１項に記載した試験ブロックを用いて、ワークピースの溶接プロセスに関するシミュレーションを行なう方法であって、
    製品保持固定具に前記試験ブロックを搭載することと、
    前記溶接プロセスを用いて、前記試験溶接経路に沿って前記試験ブロックを溶接することと、
    前記製品保持固定具から前記試験ブロックを取り外すことと、
    溶接溶け込み深さの数値を測定するために、前記溶融領域を検査することと
    を含む、方法。
11. 前記試験ブロックを用いたシミュレーションが、差圧センサを構成するワークピースのシミュレーションである、請求項１０記載の方法。
12. 前記溶接プロセスの間に前記試験ブロックを回転させる、請求項１０記載の方法。
13. レーザ溶接で前記試験ブロックを溶接する、請求項１０記載の方法。
14. 前記試験ブロックが、前記ワークピースを製造装置に固定するための製品搭載面を複製する、平行な表面である試験搭載面を含み、互いに平行になるように前記試験搭載面を前記製品保持固定具に配置する、請求項１０記載の方法。
15. 前記製品保持固定具内で前記試験搭載面をクランプする、請求項１４記載の方法。

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