JP2019512395A - 接合相手間に高さの差異を有する工作物の、残渣のない摩擦攪拌溶接のための装置および方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、異なる厚さを有する加工物の残渣のない摩擦攪拌溶接のための方法および装置に関し、以下の方法ステップを有する：ａ）摩擦攪拌溶接工具用の保持ベル（３）とその駆動ヘッド（２）が加工物に接近できるように、溶接される２つの加工物（６）が配置され、ｂ）溶接装置を動作状態に設定した後、溶接ピンチップ（５）が、溶接される２つの加工物（６）の可塑化された材料に没入され、ここにおいて、溶接シュー（４）の対角線方向に延在する、溶接ピンチップ（５）を受け入れるための、台形構造を備える前記溶接シュー（４）が用いられ、段状の欠屑案内ステージ（１１）の一部である前縁（１２）を有する平滑面（１３）を持つウエブに円形開口（１４）が備えられ、ｃ）この方法を改善するため、前記段状の欠屑案内ステージ（１１）が前記前縁（１２）に材料処理チャネルを有する溶接シュー（４）が用いられる。【選択図】図４

Description

本発明は、生産公差によって接合相手間に生じた接合部の高さの差異を有する工作物の、残渣のない摩擦攪拌溶接のための、装置および方法に関する。

地中電力線を設置するために使用される管の外周溶接作業における実地において、溶接されるべき２つの管端部が場合によっては著しい高さの差で摩擦工具内に進入することがある。このような高さの差の原因は、溶接される管の直径の数ミリメートルの製造公差であり、供される接合端における製造公差は、一方の側が他方の側よりも２ｍｍ高くなる可能性がある。そのような場合、既存の摩擦攪拌溶接の装置および方法は、特に地下に設置されるべき電力線の溶接の場合に、溶接結果の要求を満たすことができない。同様のことが、２ｍｍに達する高さの差を有する平面構造の接合端の溶接において、明らかに当てはまる。

先行技術として、摩擦攪拌溶接によってフランジ・パイプ・フランジ部品を製造する方法およびシステムに関する欧州特許第２５６１９４８Ａ１号が、さらに参照される。このシステムは、その請求項１１のプリアンブルによると、その目的が、フランジとパイプのセンタリングを単純化すること、および溶接プールバッキングを利用すること、さらに摩擦攪拌溶接によって軟化された領域を支持することにあり、また、摩擦撹拌溶接における接触圧力を吸収するため、および両フランジの長手方向軸にパイプのセンタリングを行うためにあり、併せて、測定時間およびセットアップ手順を省き、同時に製造時間を減らし、材料を節約および経済的利点を保証すること、にある。この目的のため、請求項１１の特徴部分において、溶接プールバッキングが、空圧的に応力を加えたり開放したりできるクランプおよび支持ディスクとして構成されており、これは、フランジの回転軸上にフランジをセンタリングし、摩擦攪拌溶接における接触圧力を吸収するためであり、また、センサが、パイプとフランジ間の接合端を感知するため設けられ、さらに、一装置が、回転軸の上方に水平に位置して接合端を通る接線方向平面に整列させてダミーウェッジを出し入れ駆動するため設けられており、これは、摩擦撹拌溶接工具の摩擦攪拌溶接ピンが、摩擦攪拌溶接された接合端から、穴傷ができないように離脱されるようにするためであり、前記センサと一装置は、ダミーウェッジを出し入れ駆動するため、コントローラに接続されている旨、クレームされている。

摩擦撹拌溶接においては、溶接される材料を可塑化状態にする摩擦熱が溶接される材料の接合領域に生成され、それは並進移動されると同時に圧力をかけられる回転工具との間の摩擦による。ここで工具は、接合領域に沿って移動させられ、接続される相互に隣接する材料の継ぎ目内部における可塑化された材料を攪拌する。その工具が継目の端部の接続領域から引き抜かれると、溶接継ぎ目は直ちに負荷を受け持つことができる。

さらに、本出願人によって出願された先行技術として、ＤＥ１０２０１５００５７６３Ｕ１が知られており、それは、平面を湾曲させた構造体を、摩擦攪拌溶接によって、均質に溶接するための装置に関する。溶接結果は、高品質の要求を既に満足でき、それは上記文献から知られる装置により達成できるが、溶接終了時に溶接ピンを引き抜いたときに軽微な凹凸が認められる点を、完全には払拭できない。

さらに、考慮すべきこととして、溶接される構造体の周縁部が、互いに滑らかに接触せずにわずかな凹凸を有するので、平らな面とするために「充填材料」を溶接工程中に供給する必要がある。

欧州特許出願公開ＥＰ２５６１９４８Ａ１ ドイツ実用新案出願公開ＤＥ１０ ２０１５ ００５７６３Ｕ１

本発明は、工作物の、残渣のない溶接を可能とする装置と方法の仕様を定めることを目的とし、工作物が２ｍｍまでの高さの差を接合端に有し、特に管状構造および他の応用に関し、摩擦攪拌溶接を用いて、溶接継ぎ目に高電圧が加えられる場合であってもフラッシュオーバーが発生しないようにする。

この目的は、特許請求項１における次の特徴によって達成される。
異種の厚さの加工物、特に管状構造物の、残渣のない摩擦攪拌溶接のための装置であって、
ａ）レセプタクルヘッド（１）を用いて案内機械によって案内される駆動ヘッド（２）と、締結フランジ（８）を用いて前記駆動ヘッド（２）にねじ止めされた、溶接シュー（４）のための保持ベル（３）と、が溶接ピンチップ（５）のための駆動と案内を形成し、
ｂ）前記溶接シュー（４）が、溶接ピンチップ（５）を受け入れるための円形開口（１４）を中央に有する円形構造を有し、前記円形開口（１４）が、前記溶接シュー（４）の前記円形構造における対角線の方向であって、摩擦攪拌溶接プロセスの移動方向（２１）に延びる、ウエブに形成され、前記ウエブが、平滑面（１３）を有し、前記平滑面（１３）が、階段状欠屑溝（１１）の一部である前縁（１２）を有し、
ｃ）前記平滑面（１３）が、前記溶接シュー（４）の対角線方向に延びる細長い台形構造を有し、前記溶接シュー（４）の送り方向（２１）の台形構造における、前側領域において幅広側部が前縁（１２）として、後側領域において対応する幅狭側部が後縁（１７）として延在し、さらに前記後縁（１７）が、平滑面（１３）のランアウト面（１５）の区切りを、階段状となるように形成し、前記台形構造が、左右の湾曲した側面（１８）で補完されており、それぞれの平面法線が前記開口（１４）に向かう方向に延び、
ｄ）前記平滑面（１３）が、前記溶接ピン（４）の垂直基準軸に対する小さな迎角（１９）を有する、ことを特徴とする。

さらに、前記欠屑溝（１１）が、前記前縁（１２）の左右に、材料案内ダクト（２２）を有すること、および、
前記欠屑溝（１１）が、前記前縁（１２）の左右に、ダクト路（２３）と接続された材料案内ダクト（２２）を有すること、がクレームされる。
また、前記欠屑溝（１１）が、左右に、比較的狭いダクト路（２３）を有し、前記ダクト路の外側領域が、それぞれ外側に丸みを帯びた材料案内エッジ（２４）を有すること、がクレームされる。
また、この目的は、特許請求項５における次の方法によって達成される。
異種の厚さの加工物、特に管状構造物の、残渣のない摩擦攪拌溶接の方法であって、
ａ）溶接すべき２つの加工物（６）、例えば高張力線を再配置する際の２つの管状部品が、摩擦攪拌溶接用の保持ベル（３）と前記保持ベル（３）用の駆動ヘッド（２）に対して移動可能に配置され、
ｂ）溶接装置を動作状態に設定した後、溶接ピンチップ（５）が、溶接される２つの加工物（６）の可塑化された材料に進入し、両加工物（６）について動きまわり、ここにおいて、溶接シュー（４）が、高低差を均すために用いられ、前記溶接シュー（４）が、前記溶接ピンチップ（５）を受け入れるため、該溶接シュー（４）の対角線方向に延在する台形構造を有し、円形開口（１４）が、前記溶接シュー（４）の円形構造に対して対角線方向に延在するウエブに備えられ、前記ウエブが、摩擦攪拌溶接の工程の移動方向（２１）に、平滑面（１３）を有し、前記平滑面（１３）が、段形状の欠屑溝（１１）の一部である前縁（１２）を有しており、
ｃ）高低差を均す方法を改善するため、前記前縁（１２）の左右において前記欠屑溝（１１）に材料案内ダクトを有する溶接シュー（４）が用いられる、というステップを含むことを特徴とする。

そして、前記欠屑溝（１１）が、前記前縁（１２）の左右に、ダクト路（２３）に接続された材料案内ダクトを有する。

さらに、前記欠屑溝（１１）が、左右に、比較的狭いダクト路を有し、前記ダクト路の外側領域が、それぞれ外側に丸みを帯びた材料案内エッジ（２４）を有すること、がクレームされる。

そして、請求項５乃至７のいずれか一項に記載の方法ステップを実行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、がクレームされる。
さらに、前記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機械読み取り可能に有する記録媒体、がクレームされる。

摩擦攪拌溶接のためのアセンブリの断面図。 望ましくない周辺***の形成を示す図。 本発明に係る溶接シューの斜視図。 溶接シューの下からの正視図。 溶接シューの側面図。 材料案内ダクトを有する溶接シューの図。 案内ダクトの領域からの図。

以下、本発明をより詳細に説明する。
図１は、摩擦撹拌溶接のためのアセンブリの断面図を示す。この場合に接合される部材６は、平面状の面として示されている。レセプタクルヘッド１は、駆動ヘッド２を支持し、その下側には保持ベル３の取付台となるレセプタクルフランジ８が設けられている。保持ベル３は、ユニオンナット７により、溶接シュー４の機械的な取付台となり、溶接シュー４の内部では、回転可能な溶接ピンが案内され、その溶接ピンチップ５が図１に示されている。

図２は、望ましくない周辺***の形成を示す。接合される２つの部材６の溶接は、図２（ａ）に例示的に示されており、溶接継ぎ目の領域１０の左側および右側に、溶接継ぎ目と平行になるように延びる各１つの周辺***９が示されている。別の溶接接続が、図２（ｂ）に例示的に示されており、周辺***９はほとんど形成されていない。

図３は、本発明に係る溶接シューの下側からの斜視図を示す。押圧下で回転する溶接ピンを受け入れるための円形開口が、図示されている溶接シューの中央に見られ、溶接ピンチップ５が、図１に示すように、実際の摩擦攪拌を行う。台形の平滑面１３が、開口１４の周りに設けられており、溶接処理によって可塑化された材料を平滑化する働きをし、とりわけ、台形の面１３の選択された形状によって、前記材料が、相対的に幅広の前縁１２により、平滑面１３の、より幅狭の丸みを帯びたランアウト面の方向に平滑化される。平滑面１３の上流に欠屑溝１１が配置され、生成される金属欠屑が、欠屑溝１１を介して左および／または右に排出される。保持フランジ１６は、図１におけるユニオンナット７を用いて溶接シューを取り付けるためのものである。この図の参照符号１７は、平滑面１７の後縁を示す。

図４は、下方からの溶接シューの正視図を示す。溶接ピンのための開口１４は、平滑面の中心に見える（ここでは指し示されていない）。さらに、前縁１２および後縁１７の正確な配置が、図３に見える。図４から、台形平滑面の側面１８が僅かに湾曲している特徴がみられる。

図５は、溶接シューの側面図を示す。ここでの溶接シューの動作方向が２１で示されている。溶接シューの上側における溶接ピンの軸部２０は、溶接シューの下側における溶接ピンチップ５に対応する。欠屑溝１１と溶接シューの前側における平滑面の前縁１２の位置及び高さと、平滑面の後縁１７の位置及び高さとの関係は、容易に見ることができる。このビューでは、ランアウト面１５の様式も見ることができる。図５で見られる特徴は、平滑面１３が溶接ピンの垂直基準軸に対して小さな迎角１９で傾斜していることである。この迎角１９は、工具において考慮されるか、または加工面に対し、機械加工機構が迎角１９で保持されることで機械上の角度によって達成され得る。平滑面１３および／または材料案内ダクトは、特定の一実施形態において、追加コーティングを有してもよい。ＰＶＤ法によって５０μｍまでの層厚で適用される窒化クロム層は、ここでは特に好適と考えられる。

図６は、材料案内ダクトを有する溶接シューを示す。前面に欠屑溝１１がある溶接シューの斜視図が図６（ａ）に示されている。それぞれ２つの材料案内ダクト２２が、平滑面１３と共に欠屑溝を形成する縁部の左側と右側に、見えており、ここで数字１３は全面を指す。台形のシュー面の後縁１７が、後方に図示されている。後縁１７および欠屑溝１１を有する台形平滑面１３は、図６（ｂ）に示される溶接シュー全体の平面図において中央に見える。それぞれ１つの材料案内ダクト２２が、欠屑溝１１の縁部から直接開始するように、左右に、ここに明瞭に示されている。

図７は、案内ダクトの領域からの図を示す。図７（ａ）の実施形態における「ショベル状」のダクト路２３の変形例は、ダクト路２３の前縁で低くされ、欠屑溝１１のほぼ全幅に亘って延在し、前記広いダクト路２３の側面の各々における材料案内ダクトによって区画されている。前記案内ダクトは、可塑化された材料の、いわゆる「パスファインダ」として動作する。
図７（ｂ）に示す変形例は、図７（ａ）のバージョンとは対照的に、広い「ショベル状」受け面に替えて、左側および右側領域におけるそれぞれより狭い「ショベル状」受け面を有する。後者は横ダクトとして作用し、中央領域の高さが外側のパスファインダの高さからずれることができる。ダクトエッジは、鋭いエッジで設計されている。

図７（ｂ）に、溶接シューの実施形態における変形例が、円で示されている。この変形例も同様に２つの横ダクトを有し、各横ダクトは、図７（ｃ）に示すように、それぞれ１つのダクト路２３を有する。図示のように、各横ダクトが丸い材料案内エッジ２４を有し、両横ダクトの内部側のエッジによって一種の「クリアブレード（ドーザーブレード）」形状が形成される。これによって、工具の常時必要とされる迎角１９と連動して、材料の輸送および溶接されていない領域に向けての確かな移動が、達成される。

材料案内エッジ２４は、わずかに丸みを帯びており、従って長い耐用年数を有し、従ってほとんど磨耗しない。

言うまでもなく、本発明による方法およびその装置は、高さの差違がないワークピースについても、より良い溶接結果を提供する。

１ レセプタクルヘッド
２ 駆動ヘッド
３ 工具の保持ベル
４ 台形平滑面を有する溶接シュー
５ 溶接ピンチップ
６ 接合される部材
７ 溶接シューの取り付け用ユニオンナット
８ 保持ベル３用のレセプタクルフランジ
９ 周辺バリ
１０ 溶接シームの領域
１１ 欠屑溝
１２ 台形平滑面の前縁
１３ 平滑面
１４ 溶接ピン用の開口
１５ 台形平滑面のランアウト面
１６ ユニオンナット７用の溶接シューの保持フランジ
１７ 台形平滑面の後端
１８ 台形平滑面の湾曲した側面
１９ 平滑面１３の迎角
２０ 溶接ピンの軸部
２１ 溶接シュー４を前進させる方向
２２ 材料案内ダクト
２３ ダクト路
２４ 丸い材料案内エッジ（ダクト２２）

Claims (9)

1. 異種の厚さの加工物、特に管状構造物の、残渣のない摩擦攪拌溶接のための装置であって、
   ｅ）レセプタクルヘッド（１）を用いて案内機械によって案内される駆動ヘッド（２）と、締結フランジ（８）を用いて前記駆動ヘッド（２）にねじ止めされた、溶接シュー（４）のための保持ベル（３）と、が溶接ピンチップ（５）のための駆動と案内を形成し、
   ｆ）前記溶接シュー（４）が、溶接ピンチップ（５）を受け入れるための円形開口（１４）を中央に有する円形構造を有し、前記円形開口（１４）が、前記溶接シュー（４）の前記円形構造における対角線の方向であって、摩擦攪拌溶接プロセスの移動方向（２１）に延びる、ウエブに形成され、前記ウエブが、平滑面（１３）を有し、前記平滑面（１３）が、階段状欠屑溝（１１）の一部である前縁（１２）を有し、
   ｇ）前記平滑面（１３）が、前記溶接シュー（４）の対角線方向に延びる細長い台形構造を有し、前記溶接シュー（４）の送り方向（２１）の台形構造における、前側領域において幅広側部が前縁（１２）として、後側領域において対応する幅狭側部が後縁（１７）として延在し、さらに前記後縁（１７）が、平滑面（１３）のランアウト面（１５）の区切りを、階段状となるように形成し、前記台形構造が、左右の湾曲した側面（１８）で補完されており、それぞれの平面法線が前記開口（１４）に向かう方向に延び、
   ｈ）前記平滑面（１３）が、前記溶接ピン（４）の垂直基準軸に対する小さな迎角（１９）を有する、ことを特徴とする。
2. 前記欠屑溝（１１）が、前記前縁（１２）の左右に、材料案内ダクト（２２）を有する、ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記欠屑溝（１１）が、前記前縁（１２）の左右に、ダクト路（２３）と接続された材料案内ダクト（２２）を有する、ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
4. 前記欠屑溝（１１）が、左右に、比較的狭いダクト路（２３）を有し、前記ダクト路の外側領域が、それぞれ外側に丸みを帯びた材料案内エッジ（２４）を有する、ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
5. 異種の厚さの加工物、特に管状構造物の、残渣のない摩擦攪拌溶接の方法であって、
   ｄ）溶接すべき２つの加工物（６）、例えば高張力線を再配置する際の２つの管状部品が、摩擦攪拌溶接用の保持ベル（３）と前記保持ベル（３）用の駆動ヘッド（２）に対して移動可能に配置され、
   ｅ）溶接装置を動作状態に設定した後、溶接ピンチップ（５）が、溶接される２つの加工物（６）の可塑化された材料に進入し、両加工物（６）について動きまわり、ここにおいて、溶接シュー（４）が、高低差を均すために用いられ、前記溶接シュー（４）が、前記溶接ピンチップ（５）を受け入れるため、該溶接シュー（４）の対角線方向に延在する台形構造を有し、円形開口（１４）が、前記溶接シュー（４）の円形構造に対して対角線方向に延在するウエブに備えられ、前記ウエブが、摩擦攪拌溶接の工程の移動方向（２１）に、平滑面（１３）を有し、前記平滑面（１３）が、段形状の欠屑溝（１１）の一部である前縁（１２）を有しており、
   ｆ）高低差を均す方法を改善するため、前記前縁（１２）の左右において前記欠屑溝（１１）に材料案内ダクトを有する溶接シュー（４）が用いられる、というステップを含むことを特徴とする。
6. 前記欠屑溝（１１）が、前記前縁（１２）の左右に、ダクト路（２３）に接続された材料案内ダクトを有する、ことを特徴とする請求項５に記載の方法。
7. 前記欠屑溝（１１）が、左右に、比較的狭いダクト路を有し、前記ダクト路の外側領域が、それぞれ外側に丸みを帯びた材料案内エッジ（２４）を有する、ことを特徴とする請求項５に記載の方法。
8. 請求項５乃至７のいずれか一項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. 請求項５乃至７のいずれか一項に記載の方法を実施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機械読み取り可能に有する記録媒体。
   

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