JP6603793B2 - 摩擦攪拌接合による２次元的に曲がった構造を均質に溶接する装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、摩擦攪拌溶接により２次元的に曲がった構造を均質に溶接する装置及び方法に関する。

先行技術に関して、とりわけ、ＥＰ２ ０２７ ９６２ Ａ１は、パイプの環状溶接のための溶接装置及び溶接方法に関する特許文献として知られている。この文献では、既知の先行技術の欠点が言及されており、前記欠点を解決することが、本願の目的である。ここでの請求項１の詳述によれば、上記の溶接装置は、電気アーク溶接装置であって、第１及び第２ワークピース間のジョイント上に溶接出力を用いて溶接アークを適用する溶接ヘッドを備え、溶接プールを発生させるため、溶接アークは、第１及び第２ワークピースに対して可動となっている。ここに、請求項１の特徴部で発明がクレームされており、溶接装置は、溶接プールの近傍の温度を測定するための温度測定装置と、閉回路制御装置と、を備え、閉回路制御装置は、測定された温度に依って、少なくとも１つの信号を生成するように設定されており、その信号は、少なくとも１つの溶接パラメータを制御するよう機能する。ここで、温度測定装置は、好ましくは、高温計として設定され、及び／又は、温度測定装置は、溶接プールの前、横、及び／又は後の少なくとも１つの温度測定ポイントで測定されるように、配置され、温度測定装置は、好ましくは、それが、温度が溶接プール温度に関して結論を引き出すことを可能とする領域を有するように、配置される。

一般的に、菅状部材の環状溶接は、ＭＩＧ又はＭＡＧ溶接といった従来の溶接方法で構成されており、溶融及び保護ガスに対する重力の影響によって、プロセス制御を非常に複雑にしている。環状溶接の現場で、例えば、地下の電気グリッドやパイプラインでは、従来の環状方法は環境条件について、更に非常にデリケートである。風や湿気の多い場所では、溶接プロセスに深刻な影響を与える。

従来技術に関する言及は、ＥＰ２ ５６１ ９４８ Ａ１で更になされており、これは、摩擦攪拌溶接でフランジ−パイプ−フランジ要素を製造するための方法及びシステムに関する。請求項１１のプリアンブルによれば、そういったシステムは、摩擦攪拌溶接によって軟化された領域を支持することを除いて、フランジとパイプとのセンタリングを単純化する、及び溶接プールバッキングを利用する目的に基づいており、これは、摩擦攪拌溶接における接触押圧力を受けるため、及びフランジの長手方向の軸に沿ってパイプをセンタリングするためであり、一方で、測定及びセットアップ手順を省略し、同時に材料の節約を伴う生産時間を短縮し、経済的利益を保証する。この目的のため、請求項１１の特徴部では、溶接プールバッキングは、空圧式にクランプ可能で且つ解放可能なクランプ及び支持ディスクとして構成されていること、これは、フランジの回転軸上にパイプをセンタリングするため、及び摩擦撹拌接合における接触押圧力を受けるためであり、パイプとフランジとの間の突合せ継手を検出するためのセンサが設けられていること、更に、回転軸の上の水平に位置し突合せ継手を通る接線平面の投影において、成形ウェッジを駆動するための装置が設けられていること、これは、摩擦撹拌接合工具の摩擦攪拌溶接プローブが、穴を残すことなく、摩擦撹拌溶接された突合せ継手から動かされるためであり、センサ及び装置が、コントローラに接続される成型ウェッジを駆動する。

摩擦撹拌接合では、溶接される材料を可塑化状態に変形させる摩擦熱が、同時に併進的に移動する回転工具との間の摩擦によって、溶接される材料の接合領域に生成され、圧力によって印可される。ここで、工具は、接合領域に沿って移動され、接続される相互に隣接する材料の継ぎ目の内部の可塑化材料を攪拌する。この継ぎ目の端部にある工具は、接続領域から引き抜かれ、溶接継ぎ目には、直ちに応力がかかる。

本発明は、摩擦攪拌溶接によって２次元的に曲がった構造の均質な溶接を、高品質で可能とする装置及び方法を特定することを目的とすることに基づき、投入される全プロセスでのエネルギーを最小限にする。

２次元的に曲がった構造としては、丸い、楕円形、又は卵形の断面を有するパイプ、また、波状に曲がった金属シートが考えられる。

これを達成すべく、請求項１によれば、
摩擦攪拌溶接によって少なくとも２つの接合相手（６）の形状における２次元的に曲がった構造を均質に溶接する方法であって、この方法は、以下の特徴を有する：
ａ）ガイド装置によってガイドされ、駆動ヘッド（２）と、前記駆動ヘッド（２）に固定され、溶接シュー取付部（４）及び溶接シュー（８）の溶接ピン（１１）用のピンベアリング（５）を有する工具ドーム（３）と、を備えるレセプタクルプレート（１）が、この方法を実施するよう機能し；
ｂ）穴がなく、接合相手（６）の両側に完璧な表面を有する溶接結果を得るため、溶接プロセスを制御するために関連する測定されたパラメータが決定され、力、圧力又は移動を検出するため、工具ドーム（３）の側面に沿って帯状センサ（２３）が設けられ、溶接ピン（１１）の軸方向の力、トルク及び曲げモーメントを取得するためのセンサ（２０）が設けられ、工具レセプタクルコーン（２６）の周囲に分布するひずみゲージストリップの形状における少なくとも３つのセンサ（２５）は、溶接ピン（１１）に作用する軸方向の力を測定するよう機能し、更なる圧電力測定センサ（２４）が、摩擦ピンのシャフト（７）の長手方向の軸に設けられ、前記圧電力測定センサ（２４）が、同様に軸方向の力を測定するように機能し、溶接ピン（１１）に作用する軸方向の力の測定及び閉ループ制御が行われ、溶接ピン（１１）に作用するトルクの測定及び閉ループ制御が実行され、溶接ピン（１１）の自動長さ調節が、１つ又は複数の圧電アクチュエータ要素によって行われ、溶接ピン（１１）の温度が、赤外線センサによって、測定される。

同様に、クレームでは、溶接シュー（８）に作用する圧縮力の測定及び閉ループ制御が行われ、測定された溶接シュー（８）の軸方向の圧力に依存するように、溶接シュー（８）の前進が行われ、前記溶接シュー（８）の温度が、温度センサによって測定され、溶接継ぎ目の形状、その品質、及びそのプロファイルは、光学的方法における溶接プロセス全体の間、接合相手に対応する品質パラメータによって、連続的にモニターされる。

摩擦攪拌溶接のためのアセンブリの側面図。 好適な溶接シューの図。 ピン出口の断面図。 保持コーン３における測定値取得の詳細を示す図。

２元的に曲がった構造体における摩擦攪拌溶接のためのアセンブリが、図１では、側面視として、示されている。ロボットアーム（ここでは図示せず）によって、ガイドされるレセプタクルプレート１は、溶接シューを受容するための工具ドーム３を有する駆動ヘッド２を支持する。ピンベアリング５を介して、溶接シューが環状ホルダ４によって保持コーン３に固定されている。２つの接合相手の曲がった構造の構成要素が、正面から見た断面で図示され、参照符号６によって参照される。

図２は、好ましい溶接シュー８の図を示す。ここでは、溶接シュー８が、図２ａで図示されており、この断面図で見ることができる２つの２次元的に曲がった接合相手を横切る溶接手順の移動方向を示している。更に、ここでの溶接シュー８のグライディング面は、接合相手６の表面の曲率に実質的に適合している。同じ溶接シューが、図２ｂにおける溶接手順の移動方向に直接的に見ることができ、２つの接合相手は、前記接合相手の湾曲面を横切って、直線状に見える。ピンベアリング５を有する溶接シュー８のピンシャフト７は、ピンシャフト７の保持メカニズムにより、２つの図で異なる様態で見ることができる。材料出口領域１０及び溶接ピン１１が、図２ａで特定されている。溶接シュー（８）は、横断ウェブが配置される円形の基本形状を有し、これは、前記基本形状の断面を横切って且つ直角に延び、前記横断ウェブは、基本形状の直径の略１／４〜１／５の幅と、アーチ型のシューグライディング面及びシュースムージング面と、を有し、ノッチ式テーパの形状における小さな平面であるチップガイドステップ（９）は、この面の前面の、この面の周辺の領域に配置されている。

チップガイドステップ９は、溶接シュー８の前面に示されており、前記前面は、溶接手順の移動方向を識別するために示された矢印で識別可能となっている。各々の接合相手６は、図２ａでは、曲がった形状で見られる。図２ｂで図示された後面の接合相手は、付加的に参照符号１３で参照され、前面の接合相手は、付加的に参照符号１４で参照される。

図３は、ピン出口の断面図を示す。ここに示されている２つの同心円は、接合相手６の断面を表しており、この場合、図示を簡略化する理由で、溶接ピン１１を有する溶接シュー５に対して小さい直径を有するパイプを表している。特に、摩擦ピンは、引き出し運動における容積的な変形が直線状に保たれるように、材料内に配置された円錐形の端部を有することができる。

左側にある溶接ピン１１は、前記溶接ピン１１が摩擦撹拌溶接の手順を停止し始め、また、接合相手への圧力を減少させ始め、且つ接合相手との接触から引き始める位置で見ることができる。溶接ピン１１の引き手順において、溶接シュー５は、矢印の方向に溶接手順の経路上を移動し続けるので、図示された出口カーブ１５は、プロットされた動作の重ね合わせから作成される。

この動きは２つのプロポーションで構成される。従って、ピンの引き出しは、真の意味で行われ、すなわち、回転要素が、軸方向に付加的に置き換えられる。更に、回転ピンが長手方向に調整されていない状態で、静的な非回転ショルダーの前進が行われる。ここでは、摩擦ピンの位置制御とシューの力制御が行われる。両方の閉ループ制御動作を同期させる必要がある。すべての場合において、圧縮プロセスは、対応する接触圧条件によって保証される必要があり、すなわち、特定の圧力条件が維持されるために不可欠である。

図３に示す図は、単なる例示である。図示の連続的に動作する出口カーブ１５に代わって、階段状に延びる出口カーブも同様に、ケースバイケースでは好適だと分かる。しかしながら、上記の全ての手順の場合で、溶接ピン１１の温度に関する情報を有することが重要である。この目的のために、特定の温度センサ（図示せず）、特に、赤外線センサが設けられている。この温度センサのタイプは、それぞれ特定の課題に依存し、各々の溶接プロセスの環境温度の測定によって、直接又は間接的に溶接ピンの温度を決定することができる。

出口カーブ１５及びここでの溶接プロセス全体は、３Ｄ対応である。これは、すべての関連するプロセスパラメータの取得に起因する溶接プロセス全体が、全ての空間平面及び全て空間方向において、リアルタイムで実行され得ることを意味する。言うまでもなく、溶接プロセスが継ぎ目領域には、いかなる痕跡を残すことはなく、特に、溶接ピンの出口領域に穴の形成が無いことが見て取れる。

図４は、測定値の取得の詳細について示す。この図では、工具レセプタクルコーン２６を有する工具ドーム３は、概略的に図示されている。

摩擦ピンのシャフトの軸方向の調整のための２つの部分のアクチュエータ要素１６は、図１に示すように、保持コーンの長手方向の軸内に見られる。センサ２３は、関連する増幅器２７及びアンテナと共に、ここでは、工具ドーム３の下側に見られる。このセンサ２３は、工具ドーム３の外側に、ひずみゲージストリップの形状の一例として、工具ドーム３の変形を取得するために機能する。ここで、ひずみゲージストリップは、例であり；力、圧力、又は移動を決定するためのセンサ２３であってもよい。このひずみゲージストリップが、その長手方向において、工具ドーム３の外側であって、工具ドーム３の加工方向とは反対側に取り付けられるのは、工具ドーム３の最も大きな変形がここで予想されるからである。既に述べたように、アンテナを有する増幅器２７は、センサ２３によって決定された測定信号を増幅するように機能する。

図示されている工具レセプタクルコーン２６は、摩擦ピン７のシャフトを有し、前記工具レセプタクルコーン２６のより広い領域に、センサ２０の受容に機能するコーン狭窄部１７が設けられる。強調表示のため、ここでの前記狭窄部は明瞭に示されている。コーン狭窄部１７による断面の機械的な狭窄、及びこの位置で働くセンサ２０の配置により、工具レセプタクルコーン２６に作用する軸方向の力及びトルク、並びにここで生じる曲げモーメントを、測定することができる。センサ２０によって決定された測定値の信号伝達は、工具レセプタクルコーン２６と共同して回転可能な信号増幅器２１によって、及び回転アンテナによって行われる。センサ２０によって決定された測定値の受信及び送信は、静的な固定アンテナ２２によって行われる。狭窄部（詳細には言及しない）は、ひずみゲージストリップ２５のための空間を与え、また、ピンシャフト７に作用する、及び溶接ピン先端に直接的に作用する軸方向の力を、測定可能とし、工具レセプタクルコーン２６の前方領域に位置する。ひずみゲージストリップ２５は、例えば、３つのストリップで構成され、それらは図示された狭窄部において１２０度の間隔を置くように、工具レセプタクルコーン２６の円周に取り付けられる。ここでは、３つ以上のストリップを取り付けて、円周上に分布させてもよい。軸方向の力を測定するために同様に機能するピエゾ電気力測定センサ２４が、ピンシャフト７の長手方向の軸に任意に付加的に配置されてもよい。センサ２４、２５の測定値は、特に繊細なプロセスのための動作では、同時に取得でき、また、測定不良を除くため、互いに関連付けられる。センサ２４、２５によって決定された測定値の受信及び送信は、静的固定アンテナ２２によって、同様に行われる。誘導性電源は、その静的一次コイルが参照符号１８で参照され、可動二次コイルが参照符号１９で参照されており、上記の測定システムに電力を供給するよう機能する。

図３に関連する説明で既に説明したように、本発明による溶接方法において、最も多様なセンサによって、重要な全てのプロセスパラメータがリアルタイムで取得される。工具での測定値と、プロセス管理に関する各々のアクションとの以下の組み合わせが、実質的な結果である。

ａ）各ケースにおける有効な力は、溶接シュー８及び溶接ピン１１上で測定される。ここで、溶接シュー８及び溶接ピン１１は、両方とも閉ループ制御圧力を受ける。
ｂ）有効な力は、溶接シュー８で測定され、一方、溶接ピン１１は、その位置を維持する。溶接シュー８に対する有効な力は、閉ループ制御される。
ｃ）溶接シュー８の位置は不変のままである。溶接ピン１１に対する有効な力は、測定され、閉ループ制御される。
ｄ）溶接シュー８に対する有効な力が測定される；溶接シュー８に前進が付与される。 トルク、前進、及び圧力は、溶接ピン１１で測定される。
ｅ）溶接シュー８は、チップガイドステップ９の効果を用いて作動される。溶接ピン１１の温度が測定される。溶接ピン１１の揚力は、伝達されるトルク及び有効な力に依存するように閉ループ制御される。

全体として、溶接ピン（１１）に作用する軸方向の力を測定して閉ループ制御し、溶接ピン（１１）に作用するトルクを測定して閉ループ制御する。更に、溶接ピン（１１）の自動長さ調整は、１つ又は複数の圧電アクチュエータ素子（詳細には言及しない）によって自動的に実行され、また、アクチュエータ素子は、感知測定特性を有し、赤外線センサ等（詳細には言及しない）によって溶接ピン（１１）の温度を測定する。更に、溶接シュー（８）に作用する圧縮力の測定及び閉ループ制御が行われる。溶接シュー（８）の前進は、溶接シュー（８）で測定された軸方向の圧力に依存するように行われる。その温度は、温度センサ（詳細には言及しない）によって、更に測定される。溶接継ぎ目の形状、その品質、及びそのプロファイルは、光学的方法における溶接プロセス全体の間、接合相手に対応する品質パラメータによって、連続的にモニターされる。

上記の移動シーケンスの複雑な制御は、特別な制御ソフトウェアプログラムを必要とする。

１ レセプタクルプレート
２ 駆動ヘッド
３ 溶接シューを取り付けるための工具ドーム
４ 溶接シュー環状ホルダ
５ ピンベアリング
６ 接合相手
７ 摩擦ピンシャフト（ピンシャフト）
８ ピンベアリング付き溶接シュー
９ チップガイドステップ
１０ 材料出口領域
１１ 溶接ピン
１２ 溶接シューのグライディング面
１３ 後面の接合相手
１４ 前面の接合相手
１５ 終了時のピンの経路
１６ ピンシャフトの軸方向の調整用アクチュエータ要素
１７ センサを受容するためのコーン狭窄部
１８ 誘導電源の一次コイル
１９ 誘導電源の二次コイル
２０ 工具レセプタクルコーン２６のセンサ（例えば、ひずみゲージ）
２１ センサ信号増幅器及び回転アンテナ
２２ 静的アンテナ
２３ 溶接シュー保持用センサ（ひずみゲージ‐溶接シュー用圧力計）
２４ ピエゾ力測定センサ
２５ 軸方向の力を測定するセンサ
２６ 工具レセプタクルコーン

Claims (2)

1. 摩擦攪拌溶接によって少なくとも２つの接合相手（６）の形状における２次元的に曲がった構造を均質に溶接する方法であって、
   ａ）ガイド装置によってガイドされ、駆動ヘッド（２）と、前記駆動ヘッド（２）に固定され、溶接シュー取付部（４）及び溶接シュー（８）の溶接ピン（１１）用のピンベアリング（５）を有する工具ドーム（３）と、を備えるレセプタクルプレート（１）が、前記方法を実施するよう機能し、
   ｂ）穴がなく、接合相手（６）の両側に完璧な表面を有する溶接結果を得るため、溶接プロセスを制御するために関連する測定されたパラメータが決定され、力、圧力又は移動を検出するため、工具ドーム（３）の側面に沿って帯状センサ（２３）が設けられ、溶接ピン（１１）の軸方向の力、トルク及び曲げモーメントを取得するためのセンサ（２０）が設けられ、工具レセプタクルコーン（２６）の周囲に分布するひずみゲージストリップの形状における少なくとも３つのセンサ（２５）は、溶接ピン（１１）に作用する軸方向の力を測定するよう機能し、更なる圧電力測定センサ（２４）が、摩擦ピンのシャフト（７）の長手方向の軸に設けられ、前記圧電力測定センサ（２４）が、同様に軸方向の力を測定するように機能し、
   溶接ピン（１１）に作用する軸方向の力の測定及び閉ループ制御が行われ、溶接ピン（１１）に作用するトルクの測定及び閉ループ制御が行われ、溶接ピン（１１）の自動長さ調整が、１つ又は複数の圧電アクチュエータ素子によって行われ、溶接ピン（１１）の温度の測定が、赤外線センサによって行われることを特徴とする方法。
2. 溶接シュー（８）に作用する圧縮力の測定及び閉ループ制御が行われ、溶接シュー（８）の前進は、溶接シュー（８）で測定された軸方向の圧力に依存するように行われ、
   前記溶接シューの温度は、温度センサによって測定され、
   溶接継ぎ目の形状、その品質、及びそのプロファイルは、光学的方法における溶接プロセス全体の間、接合相手に対応する品質パラメータによって、連続的にモニターされることを特徴とする請求項１に記載の方法。
   

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