JP6704064B2 - 摩擦攪拌溶接によって2つの接合相手を溶接し、溶接相手が溶接残留物によって汚染されることを防止する装置及び方法 - Google Patents

摩擦攪拌溶接によって2つの接合相手を溶接し、溶接相手が溶接残留物によって汚染されることを防止する装置及び方法 Download PDF

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Description

本発明は、摩擦攪拌溶接によって2つの接合相手を溶接し、接合相手が溶接残留物によって汚染されることを防止する装置及び方法に関する。
摩擦攪拌溶接の間に、回転し、平行に移動しながら同時に圧力が加えられる回転工具の間の摩擦によって溶接される材料の接合領域では、被溶接材を可塑化した状態とする摩擦熱が生じる。この例では、工具は接合領域に沿って移動し、接続されるように、且つ継ぎ目の内側で互いに当接する可塑化された材料を攪拌する。この継ぎ目の端部で、工具は接続領域から取り外され、溶接継ぎ目を直接的にロードすることができる。
摩擦撹拌溶接に関する先行技術文献として、出願人自身により先に公開されたDE 10 2015 005 763 U1が、平坦で屈曲した構造の均質な溶接のための装置に関するものとして知られている。この公報で知られる装置では、高品質の要求に合致した溶接結果が得られるが、この例では、溶接作業の終了の期間に溶接ピンが引き抜かれたとき、小さな凹凸の発生が観察されることを完全に排除することができない。また、溶接しようとする構造物の縁部は、継ぎ目なしで互いに接しているのではなく、むしろ小さな凹凸の発生があることを考慮に入れるべきであり、平坦な表面を得るために溶接作業中には、「充填材料」を供給する必要がある。
更に、本出願人自身によるDE 10 2010 010 836 B3によっても、コンピュータプログラム及び機械可読キャリアによる摩擦攪拌溶接の間の溶接継ぎ目の品質を改善するための方法及び装置が知られている。この文献は、摩擦攪拌工具の耐用時間を約2時間から15時間に増加させ、後続の処理が必要とされないように接合継ぎ目の品質を向上させることを意図している。
この目的は、以下の特徴を備える装置によって達成される。
a)受け板(1)は、駆動ヘッド(2)と、摩擦溶接チップ(9)を受けるためのスピンドルベアリング(4)と、を有し、ピンドルベアリング(4)において、必要でない材料を除去するために使用される螺旋状に形成された輸送ウォーム(6)は、外側に斜めに通じる開口部(8)に開口しており、
b)スピンドルベアリング(4)の長手方向の軸が、垂直に対して2.8−3.2度の角度で傾斜しており、
c)回転スピンドルの摺動面は、平坦な摺動面(10)と、特に湾曲した継ぎ目を溶接するため、それ自体湾曲し、2つの対向する側部に隣接し、摺動面(10)に対して鋭角に傾斜した摺動面(11)と、を備え、
d)摩擦溶接チップ(9)は、切頭円錐形の形状を有し、その中で被覆面が中央で持ち上げられ、切頭円錐の被覆面は、6つの台形表面片によって形成され、円周上に均一に分布した状態の3つの表面片が、120度の角度をもって対向し、円周の1/6より大きい割合を占める。
先行技術に関しては、摩擦攪拌溶接によってフランジ/パイプフランジ要素を製造するための方法及び装置に関する、EP 2 561 948 A1に更に参照される。そのような装置は、請求項11のプリアンブルに記述され、フランジとパイプのセンタリングを簡素化すること、及び摩擦攪拌溶接によって軟化される領域を支持することに加えて溶接バスの固定を使用するという課題に対処するものであり、摩擦攪拌溶接の間に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、測定時間及びセットアップ作業を排除し、同時に生産時間を短縮し、材料を節約し、経済的利点を確保する。請求項11の特徴部分では、溶接バスの固定は、フランジの回転軸に対してパイプをセンタリングするため、及び摩擦攪拌溶接の間に押圧力を受けるため、空気圧でクランプ及びクランプの解放が可能な支持板として構成され、パイプとフランジとの間の突合せ継手をスキャンするためのセンサが設けられ、更に、摩擦攪拌溶接の工具である摩擦攪拌ピンを、摩擦攪拌溶接突合せ継手からの穿孔なしに動かすため、回転軸の上方に水平に位置し、突合せ継手を通って延びる接線平面と整列した成形くさびを出し入れ移動させるための装置が設けられ、センサと、成形くさびを出し入れ移動するための装置とは、制御ユニットに接続されている。
しかしながら、多くの場合、摩擦攪拌溶接によって2つの接合相手を溶接する際に、溶接された部品の不可避的な汚染に関して、顧客からの批判がある。適用された多くに、その後の必要な処理の結果としてかなりのコストが発生し得る。
本発明は、摩擦攪拌溶接の処理中に、溶接プロセス中の残留物の結果として、各接合相手が全く汚染がなされない装置及び方法を提供することを目的とする。その結果、溶接継ぎ目の後に高価な処理が不要となる。
この目的は、特許の請求項1の特徴によって達成される。
2つの接合相手を摩擦攪拌溶接によって溶接するための装置は、接合相手が溶接残留物によって汚染されることを全く防止するものであり、以下の特徴を有する。
a)溶接プロセスを支持する装置を固定するための組立フランジ(5)を有する駆動ユニット(1)によって駆動されるスピンドルドライブ(4)の形態において任意の機械に一体化することができる溶接ヘッドと、 溶接ピン(11)をガイドするための溶接・平滑化シュー(10)を有する工具カバー(9)を受けるためのクランピングシステム(8)と、
b)溶接プロセスの間に生成された耗材料を粉砕するための溶接ピン(11)上に環状に配置された装置(14)であって、この耗材料を接合相手の汚染なしに除去する手段が設けられており、
c)工具カバー(9)の垂直軸の調整のために溶接ヘッドに一体化された装置(7)と、
d)工具カバー(9)に一体化された温度センサ(27)であって、工具カバー(9)の温度は、流体の供給及び排出によって制御可能である。溶接プロセスの間に生成された摩耗材料の破砕は、切断ブレード(17)が固定された切断ブレード保持部材(16)によって行われることがクレームされる。また、力測定のため、直接プロセスパラメータを測定するため、及び/又は振動測定のためのセンサを搭載するセンサリング(6)が組立フランジ(5)の下に配置され、溶接プロセスの間に生成された摩耗材料は、工具カバー(9)の上側及び/又は下側領域に配置された流体(20、18)用の流入溝、及び出口溝(19)によって除去される、ことがクレームされる。溶接ヘッドにおいて、少なくとも1つのケーブル溝(22)が、溶接ヘッドに一体化されたセンサに繋がっていることもクレームされる。
また、特許の請求項6に記載の方法であって、
摩擦攪拌溶接によって、2つの接合相手を溶接する方法であって、接合相手が溶接残留物によって汚染されることを全く防止する方法は、以下の方法を特徴として有する。
a)溶接プロセスを支持する装置を固定するための組立フランジ(5)を有する駆動ユニット(1)によって駆動されるスピンドルドライブ(4)の形態において任意の機械に一体化することができる溶接ヘッドと、 溶接ピン(11)をガイドするための溶接・平滑化シュー(10)を有する工具カバー(9)を受けるためのシステム(8)と、において、溶接・平滑化シュー(10)では、溶接プロセスの間に生成された摩耗材料を粉砕するために、装置(14)が溶接ピン(11)上に環状に配置されており、
b)溶接プロセスの間に生成された摩耗材料は、工具カバー(9)の上側及び/又は下側領域に配置された流体(20、18)用の流入溝、及び出口溝(19)によって除去され、温度センサ(27)が工具カバー(9)に一体化され、工具カバー(9)の温度は、流体の供給及び排出によって制御可能であり、溶接プロセスの間に生成された摩耗材料の破砕は、切断ブレード(17)が固定された切断ブレード保持部材(16)によって行われ、また、プログラムがコンピュータ上で実行されるとき、請求項6又は7に記載の方法ステップを実施するためのプログラムコードを有するコンピュータプログラムを含む。また、プログラムがコンピュータ上で実行されるとき、請求項6又は7に記載の方法を実行するためのコンピュータプログラムのプログラムコードを有する機械読み取り可能なキャリアがクレームされる。
溶接ヘッドの斜視図。 図1の溶接ヘッドの断面図。 工具カバーの断面図。 工具カバーの下部を通る断面図。 溶接・平滑化シュー10を備えていない工具カバーの下部の斜視図。 切断ブレード17が上部に設けられている工具カバーの下部を通る断面図。 切削ブレード17が底部にある工具カバーの下部を通る断面図。 切削ブレード17がピンシャフトの領域における底部にある工具カバーの下部を通る断面図。 工具カバーの軸調整をするためのユニット7の断面図。 軸調節装置7の斜視図。 上方からリフトしてクリーニング作業の行うときの断面図。 下方からリフトしてクリーニング作業を行うときの断面図。 複数の機能を示す工具カバーの断面図。
本発明による装置を、以下により詳細に説明する。
図1は、本発明に係る溶接ヘッドの全体を示す斜視図である。
「全体」という用語が選択されれるのは、プロセスのデータ取得とプロセス制御の全体が溶接ヘッドに一体化されているためである。スピンドルは、ある程度の「回転工具保持部材」であり、溶接ヘッドはどの機械にも一体化することができる。図1の右側では、スピンドルの駆動ユニット用の制御ライン及びエネルギー供給ライン2が示されており、溶接ヘッド全体が、例えば、ロボット3によってガイドされ、また、スピンドルギア4は、その下側に組立フランジ5を有する。組立フランジ5の下には、例えば、力測定のための、直接プロセスパラメータ及び/又は振動測定を測定するためのセンサを搭載するセンサリング6が配置されている。肩部に発生する振動を直接測定するために、測定ヘッドが、スピンドル及び溶接ヘッドの間に配置される。これにより、例えば、スピンドルの不均衡の結果として、エラーの影響が少なくなる。センサリング6の下方には、工具カバーの軸調整のためのユニット7が支持されている。それにより、工具カバーの軸に正確に変位させることができる。更に、工具カバー9及び溶接・平滑化シュー10を有する溶接工具及びその溶接ピン11のための、クランピングシステム8が続く。
図2は、図1の溶接ヘッドの断面図である。
この例では、右側上方領域には、断面にわたって延在するスピンドルギア4と、図1のスピンドルネジに対して横方向に延びる組立フランジ5が示されている。組立フランジ5の下方には、センサリング6の内側領域が見えるが、その下方に配置された状態では、軸調整のためのユニット7の構成要素を断面として見ることができる。中央に支持された工具カバー9は、溶接工具用のクランプシステム8によって取り囲まれている。工具カバー9の回転軸には、工具カバー9内側の工具シャフト13を通って延在し、その端部に溶接ピン11を搭載するスピンドル12が支持されている。溶接ピン11は、溶接・平滑化シュー10内にガイドされる。左側領域の溶接・平滑化シュー10には、摩擦攪拌溶接のプロセスの間に摩耗材料を破砕又は機械加工するための装置14が示されている。
図3aは、工具カバーの断面図である。
内側工具シャフト13を有する工具カバー9及びピンチップ15を有する溶接ピン11に加えて、この例では、溶接・平滑化シュー10の左側及び右側において、いわゆる流体用の下方流入溝18が示されている。これらの下方流入溝18は、必然的に、溶接・平滑化シュー10の周りに完全に分布され、摩擦攪拌溶接のプロセスの間に生成された摩耗材料又は過剰工程材料を洗い流すための流体を供給する役割を果たす。これらの流入溝18は、模式的且つ例示的にのみ図示されている。溶接・平滑化シュー10上の流入溝18もまた、流入する流体のための流れを生成する機能を有する。
図2に示される装置14は、研削又は機械加工、より具体的には、この摩耗材料の破砕のためのものであり、図3aに示す、切断ブレード17を組み込んだ装置である切断ブレード保持部材16で特徴付けられる。流入溝18に流体を供給するための装置は、明瞭性の理由からこの例では示されていない。
工具カバー9の左側には、流体のための出口溝19と、流体のための上方流入溝20が見える。
図3bは、拡大して描かれた工具カバーの下部を通る断面図である。この例においても、上部領域において、工具カバー9は、内側工具シャフト13と、中央にガイドされた溶接ピン11と、そのピンチップ15と、によって示されている。図3aにも示されている流体用の2つの流入溝18が、この例では、より明確に図示されている。図3bでは、その切断ブレード17を有する切断ブレード保持部材16が、特に明確に示されている。図示された溶接ピン11の下方領域において、図3bにおける左側の溶接・摺動シュー10では、摩耗材料のための隙間21が見られる。
図3cは、溶接・平滑化シュー10を省いて視認の邪魔にならないようにした工具カバーの下部の斜視図である。摩擦溶接の間に発生した摩耗材料を、研削又は機械加工又は一般的に粉砕するため、装置に保持又は支持された切断ブレード17を用いて、溶接ピン11上に環状に配置された切断ブレード保持部材16が、この例では明確に見られる。
図4a、4b及び4cは、溶接・摺動シューの領域に、切断ブレード17を配置するといった別の可能性を示す。この例では、切断ブレード17の形状が一例として示されている。それは、三角形、四角形、又は任意の幾何学的形状であってもよい。
図4aは、切断ブレード保持部材16の上部に切断ブレード17を備えた工具カバーの下部を通る断面図である。
図4bは、切断ブレード保持部材16の底部に切断ブレード17を備えた工具カバーの下部を通る断面図である。
図4cは、ピンシャフトの領域の底部に切断ブレード17を備えた工具カバーの下部を通る断面図である。
図示した全ての切断ブレードの位置は、互いに自由に組み合わせることができる。結果的に、軸方向及び半径方向の切断又は破砕の組み合わせを作り出すこともできる。
図5は、工具カバーの軸調整をするためのユニット7の断面図である。溶接ヘッド全体の中心軸駆動ユニットでは、工具カバー9の上方内側の工具シャフト13に、スピンドル軸12が見える。スピンドル12に関して回転対称的に、図5の左右上方で、図2の上方部からも知られる、スピンドルギヤ4をセンサリング6に接続する組立フランジ5を見ることができ、この例では、センサリング6は右側に示されている。工具カバー9のためのクランプシステムは、左右の工具カバー9に対して回転対称の断面で見ることができる。溶接工具のためのクランプシステム8の左右に同様の回転対称に、軸調整部7の移動のための調整ナット24の2つの部分(断面視で)が見られ、ここで、調整ナット24の両側のうち左側には、2つのガイド要素25が示されており、そのうちの少なくとも2つが設けられている。ガイド要素25の横の各場合において断面で支持されたプレテンション要素23は、工具カバーの軸調整のため、移動の無段階調整を可能にする。更なる詳細については、図6の図示を参照されたい。右側には、工具に繋がるセンサに信号を供給するためのケーブル溝22が示されている。
図6は、軸調整部7の斜視図である。この例では、軸調整部7は、本発明に係る溶接ヘッドの全体構造におけるその位置に個別に示されている。右の最前面には、ガイド要素25が示されており、そのガイド機能の結果として、少なくとも2つ存在しなければならない。これらのガイド要素25は、ある程度、ネジ山の機能を果たすが、この例では、調整ナット24の環状の特徴が明確になっている。更に、図6の図示では、2つのプレテンショニン要素23が見られ、そのうちの一つが左側に示されている。調整ドライブ26は、全体の軸調整部7のためのドライブとして使用される。
図7は、軸方向及び半径方向の切断ブレードの組み合わせを示す。
図7aは、上方からの移動を伴うクリーニング作業の断面図である。
周囲の溶接・平滑化シュー10及びその中に支持されているピンチップ15に加えて、この例では、切断ブレード保持部材16が、その切断ブレード17と共に見られる。切断ブレード保持部材16の左側には、狭い隙間、すなわち耗材料の隙間21又は一般に破砕された工程材料が示されており、その結果、この材料は、上部領域のリフティング動作によって間隙18を介して外部に導くことができる。隙間21内の破砕された材料の除去は、カバーの内側であって、且つ摩擦ピン受容部材及び切断ブレード保持部材の外側にある流れの影響/生成幾何学的形状によって制御される。
図7bは、下方からの移動を伴うクリーニング作業の断面図である。
この例では、工具カバーを下げることにより、溶接ピンによって生成された工程材料が、結果的には、外側に示された1つ以上の間隙を介して、上方に導入されることになる。
図8は、複数の機能を示す工具カバーの断面図である。工具シャフト13を有する工具カバー9、溶接ピン11、摩耗材料のための隙間21を有する切削ブレード17に加えて、この例では、工具カバー9の左側に、流体のための2つの流入溝、すなわち、上部領域における流入溝20及び下部領域の流入溝18が見られる。より大きい出口溝19が、この配置を補助する。この配置は、摩耗材料の輸送を制御するだけでなく、図示したる温度センサ27を用いて、摩擦攪拌溶接の間のプロセス全体の動作温度を全体的に制御する役割を果たす。本発明によれば、工具カバー、ピン受け部材、溶接・摺動シューといった外面及び部品内の構成要素、すなわち、流体と接触する全ての構成要素の流れに影響を及ぼす幾何形状の結果として、流体の流れ及び流体の分布を付加的な制御が提供される
1 スピンドル12のための駆動ユニット
2 制御ライン及びエネルギー供給ライン
3 ロボット
4 スピンドルギア
5 組立フランジ
6 センサリング(力測定、振動測定)
7 工具カバーの軸調整のためのユニット
8 溶接工具のためのクランプシステム
9 工具カバー
10 溶接・平滑化シュー
11 溶接ピン
12 スピンドル
13 工具シャフト(ピンシャフト)
14 摩耗材料を粉砕又は機械加工するための装置
15 ピンチップ
16 研削又は機械加工又は一般的に粉砕するための装置の切断ブレード保持部材
17 切断ブレード
18 流体用の流入溝(底部)
19 出口溝
20 流体用の流入溝(上部)
21 摩耗材料の隙間
22 工具に繋がるセンサのケーブル溝
23 軸調整部7のためのプレテンション要素
24 軸調整部7の移動のための調整ナット
25 ガイド要素(ネジ山機能)
26 調整ドライブ
27 温度センサ

Claims (9)

  1. 2つの接合相手を摩擦攪拌溶接によって溶接するための装置であって、接合相手が溶接残留物によって汚染されることを全く防止するものであり、
    e)溶接プロセスを支持する装置を固定するための組立フランジ(5)を有する駆動ユニット(1)によって駆動されるスピンドルドライブ(4)の形態において任意の機械に一体化することができる溶接ヘッドと、 溶接ピン(11)をガイドするための溶接・平滑化シュー(10)を有する工具カバー(9)を受けるためのクランピングシステム(8)と、
    f)溶接プロセスの間に生成された耗材料を粉砕するための溶接ピン(11)上に環状に配置された装置(14)であって、この耗材料を接合相手の汚染なしに除去する手段が設けられており、
    g)工具カバー(9)の垂直軸の調整のために溶接ヘッドに一体化された装置(7)と、
    h)工具カバー(9)に一体化された温度センサ(27)であって、工具カバー(9)の温度は、流体の供給及び排出によって制御可能であることを特徴とする装置。
  2. 溶接プロセスの間に生成された摩耗材料の破砕は、切断ブレード(17)が固定された切断ブレード保持部材(16)によって行われることを特徴とする請求項1に記載の装置。
  3. 力測定のため、直接プロセスパラメータを測定するため、及び/又は振動測定のためのセンサを搭載するセンサリング(6)が組立フランジ(5)の下に配置されていることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の装置。
  4. 溶接プロセスの間に生成された摩耗材料は、工具カバー(9)の上側及び/又は下側領域に配置された流体(20、18)用の流入溝、及び出口溝(19)によって除去されることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか一項に記載の装置。
  5. 溶接ヘッドにおいて、少なくとも1つのケーブル溝(22)が、溶接ヘッドに一体化されたセンサに繋がっていることを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれか一項に記載の装置。
  6. 摩擦攪拌溶接によって、2つの接合相手を溶接する方法であって、接合相手が溶接残留物によって汚染されることを全く防止するものであり、
    c)溶接プロセスを支持する装置を固定するための組立フランジ(5)を有する駆動ユニット(1)によって駆動されるスピンドルドライブ(4)の形態において任意の機械に一体化することができる溶接ヘッドと、 溶接ピン(11)をガイドするための溶接・平滑化シュー(10)を有する工具カバー(9)を受けるためのシステム(8)と、において、溶接・平滑化シュー(10)では、溶接プロセスの間に生成された摩耗材料を粉砕するために、装置(14)が溶接ピン(11)上に環状に配置されており、
    d)溶接プロセスの間に生成された摩耗材料は、工具カバー(9)の上側及び/又は下側領域に配置された流体(20、18)用の流入溝、及び出口溝(19)によって除去され
    温度センサ(27)が工具カバー(9)に一体化され、工具カバー(9)の温度は、流体の供給及び排出によって制御可能であることを特徴とする方法
  7. 溶接プロセスの間に生成された摩耗材料の破砕は、切断ブレード(17)が固定された切断ブレード保持部材(16)によって行われること特徴とする請求項6に記載の方法。
  8. プログラムがコンピュータ上で実行されるとき、請求項6又は請求項7に記載の方法ステップを実施するためのプログラムコードを有するコンピュータプログラム。
  9. プログラムがコンピュータ上で実行されるとき、請求項6又は請求項7に記載の方法を実行するためのコンピュータプログラムのプログラムコードを有する機械読み取り可能なキャリア。
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