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

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摩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、この摩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、すなわち摩耗材料の隙間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摩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、この摩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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