(57)【要約】本発明は、摩擦撹拌溶接の間の溶接プロセスの中断、特に摩擦ピンの破損、を回避する装置及び方法に関し、この装置は、ｇ）ウェッジ型ツールドーム（７）の長手側辺上において互いに１２０度ずつ角度を隔てて配置された少なくとも３つのストリップ様センサ（８）を備え、前記ツールドーム（７）は、ツール受入コーン（２８）及び溶接シュー（１１）により溶接ピン（１９）をガイドし、前記センサ（８）は、力、圧力及び軌道を決定するように設計され、ｈ）前記ツール受入コーン（２８）の下方領域に設けられ、前記溶接ピン（１９）における軸力、トルク及び曲げモーメントを検出するためのセンサ（２２）を受け入れるのに用いられるコーンくびれを備え、ｉ）前記溶接ピン（１９）のための圧電垂直調整を備え、ｊ）前記溶接シュー（１１）の領域に設けられ前記ピンチップ（１２）の貫通領域における丸穴（２７）に方向性効果を向けたレーザ測定センサ（１０）と、前記レーザ測定センサ（１０）の反対側に配置された空気伝送音センサ（３０）と、溶接シュー温度センサと、を備え、ｋ）検出されたすべての測定値を受信、増幅及び送信するための回転アンテナを有するセンサシグナル増幅器（２３）を備え、これら測定値は、固定アンテナ（１６）により機械制御部に送信され、ｌ）可動二次コイル（２４）及び固定一次コイル（２５）から測定システムに電力を供給するための誘導電力供給システムを備える。【選択図】図３
2021516161.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
摩擦撹拌溶接の間の溶接プロセスの中断、特に摩擦ピンの破損、を回避する装置であって、
ｇ）ウェッジ型ツールドーム（７）の長手側辺上において互いに１２０度ずつ角度を隔てて配置された少なくとも３つのストリップ様センサ（８）を備え、前記ツールドーム（７）は、ツール受入コーン（２８）及び溶接シュー（１１）により溶接ピン（１９）をガイドし、前記センサ（８）は、力、圧力及び軌道を決定するように設計され、
ｈ）前記ツール受入コーン（２８）の下方領域に設けられ、前記溶接ピン（１９）における軸力、トルク及び曲げモーメントを検出するためのセンサ（２２）を受け入れるのに用いられるコーンくびれを備え、
ｉ）前記溶接ピン（１９）のための圧電垂直調整を備え、
ｊ）前記溶接シュー（１１）の領域に設けられ前記ピンチップ（１２）の貫通領域における丸穴（２７）に方向性効果を向けたレーザ測定センサ（１０）と、前記レーザ測定センサ（１０）の反対側に配置された空気伝送音センサ（３０）と、溶接シュー温度センサと、を備え、
ｋ）検出されたすべての測定値を受信、増幅及び送信するための回転アンテナを有するセンサシグナル増幅器（２３）を備え、これら測定値は、固定アンテナ（１６）により機械制御部に送信され、
ｌ）可動二次コイル（２４）及び固定一次コイル（２５）から測定システムに電力を供給するための誘導電力供給システムを備えることを特徴とする装置。
【請求項２】
固体伝搬音センサ（２９）が、その方向性効果を前記溶接ピン（１９）と前記溶接シュー（１１）との間の領域に向けた状態で、ユニオンナット（９）の上端領域に設置されていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
渦電流センサ（３１）が、溶接方向の横に配置され、極めて小さな距離を測定するのに用いられ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。
【請求項４】
温度センサが、前記溶接シュー（１１）の温度を検出するために設けられてい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。
【請求項５】
摩擦撹拌溶接の間の溶接プロセスの中断、特に摩擦ピンの破損、を回避する方法であって、
ｃ）溶接ピン（１９）をガイドする回転ツールドーム（７）の力、圧力及び軌道を決定するためのストリップ様センサ（８）のシステムが、前記溶接ピン（１９）での軸力、トルク及び曲げモーメントを検出するのに用いられるツール受入コーン（２８）の下方領域にあるコーンくびれに保持され、
ｄ）前記溶接ピン（１９）の曲げ及び温度を検出するためのセンサが、損傷を受ける前に前記溶接ピン（１９）の状態に関する情報を与えることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、摩擦撹拌溶接の間の溶接プロセスの中断、特に摩擦ピンの破損、を回避する装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
前世紀の９０年代初頭に、摩擦撹拌溶接は開発された。摩擦撹拌溶接は、今では産業の多くの分野、とりわけ、アルミニウム合金の溶接に首尾良く利用されている。
【０００３】
その適用は、個々のピース及び小さなバッチから大きなバッチにまで及ぶ。溶接継ぎ目の優れた品質に加えて、高い再現性、準備作業の少なさ、そして後処理コストの低さといった他の要因も、市場での成功に寄与している。
【０００４】
摩擦撹拌溶接では、摩擦により接合される材料の連結領域において、並進移動する回転ツールと圧力が課される材料との間で摩擦熱が生ずる。このツールは、連結領域に沿って移動し、接合される材料の継ぎ目内部で可塑化された材料を撹拌する。課された圧力は、可塑化された材料を圧縮する。溶接継ぎ目形成の最後に、ツールは連結領域から退避され、溶接継ぎ目は直ちに荷重を付加され得る。
【０００５】
従来技術として、本出願人から出願されたＤＥ  １０  ２０１４  ００５  ３１５  Ｂ３を参照する。
【０００６】
この文献は、摩擦撹拌溶接の操作の間の溶接ピンチップにおける機械力を検出するための方法及び装置、また、同方法を実行するためのコンピュータプログラム及び同プログラムを有する機械可読媒体に関する。
【０００７】
この文献で与えられる発明は、３Ｄアプリケーションであってもツールの軸力や溶接ピンチップのトルク及び温度といった決定的なプロセスパラメータが正確に検出され得るように、摩擦撹拌溶接の間の溶接操作を最適化するという目的に基づいている。
【０００８】
特許クレーム１では、この目的を達成するために、決定的なプロセスパラメータを以下のようにすることで、摩擦撹拌溶接の操作の間の溶接ピンチップにおける機械力を検出するための装置の最適化を課題としている。
ａ）ツール受入コーン（１４）及び溶接シュー（１１）によりピンシャフト（１３）を介して溶接ピン（１２）を保持するツールドーム（９）の長手辺上に設けられたストリップ様センサ（３）を備え、前記センサ（３）は、力、圧力又は軌道を決定するように設計されると共に、溶接プロセスのフロー方向と反対側になるようにして前記ツールドーム（９）の側部にマウントされ、
ｂ）前記ツール受入コーン（１４）の幅広領域に設けられ前記溶接ピン（１２）における軸力、トルク及び曲げモーメントを検出するためのセンサ（１８）を受け入れるコーンくびれ（２０）を備え、
ｃ）前記ツール受入コーン（１４）の先端領域に設けられ１２０度ずつ角度を隔てて周囲に配置された少なくとも３つのセンサ（２４）を有する更なるくびれと、前記ピンシャフト（１３）の長軸に設けられた圧電力測定センサ（２５）と、を備え、
ｄ）検出されたすべての測定値を受信、増幅及び送信するための回転アンテナ（１９）を有するセンサシグナル増幅器を備え、これら測定値は、固定アンテナ（１７）により機械制御部に送信され、
ｅ）可動二次コイル（２２）及び固定一次コイル（２３）から測定システムに電力を供給する誘導電力供給システムを備える。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、例えば、鋳込材料の場合には硬度の違いのように、溶接アセンブリ内での材料の局所的変化の結果として、摩擦撹拌溶接でのシステム操作の間に摩擦ピンの破損が起こり得る。
【００１０】
そのため、本発明は、摩擦撹拌溶接のための商業操作システムを確立すると共に、溶接プロセスでの摩擦ピンの破損を回避するという目的に基づいている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この目的は、以下のような特許クレーム１の特性、
摩擦撹拌溶接の間の溶接プロセスの中断、特に摩擦ピンの破損、を回避する装置であって、
ａ）ウェッジ型ツールドーム（７）の長手側辺上において互いに１２０度ずつ角度を隔てて配置された少なくとも３つのストリップ様センサ（８）を備え、前記ツールドーム（７）は、ツール受入コーン（２８）及び溶接シュー（１１）により溶接ピン（１９）をガイドし、前記センサ（８）は、力、圧力及び軌道を決定するように設計され、
ｂ）前記ツール受入コーン（２８）の下方領域に設けられ、前記溶接ピン（１９）における軸力、トルク及び曲げモーメントを検出するためのセンサ（２２）を受け入れるのに用いられるコーンくびれを備え、
ｃ）前記溶接ピン（１９）のための圧電垂直調整を備え、
ｄ）前記溶接シュー（１１）の領域に設けられ前記ピンチップ（１２）の貫通領域における丸穴（２７）に方向性効果を向けたレーザ測定センサ（１０）と、前記レーザ測定センサ（１０）の反対側に配置された空気伝送音センサ（３０）と、溶接シュー温度センサと、を備え、
ｅ）検出されたすべての測定値を受信、増幅及び送信するための回転アンテナを有するセンサシグナル増幅器（２３）を備え、これら測定値は、固定アンテナ（１６）により機械制御部に送信され、
ｆ）可動二次コイル（２４）及び固定一次コイル（２５）から測定システムに電力を供給するための誘導電力供給システムを備えることを特徴とする装置、
そして、以下のような特許クレーム５に係る方法により達成される。
摩擦撹拌溶接の間の溶接プロセスの中断、特に摩擦ピンの破損、を回避する方法であって、
ａ）溶接ピン（１９）をガイドする回転ツールドーム（７）の力、圧力及び軌道を決定するためのストリップ様センサ（８）のシステムが、前記溶接ピン（１９）での軸力、トルク及び曲げモーメントを検出するのに用いられるツール受入コーン（２８）の下方領域にあるコーンくびれに保持され、
ｂ）前記溶接ピン（１９）の曲げ及び温度を検出するためのセンサが、損傷を受ける前に前記溶接ピン（１９）の状態に関する情報を与えることを特徴とする方法。
【００１２】
本発明に係る装置は、以下で更に詳細に記述される。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】摩擦撹拌溶接システムの側面図。
【図２】本発明に係るツールドーム７の側断面図。
【図３】本発明に係るセンサの部分表示図。
【図４】溶接ピンの摩損を示す図。
【図５】溶接ピンの破損までの時系列を示す図。
【図６】接合される部材１３の摩耗状況を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図１は、摩擦撹拌溶接システムの側面図を示す。
【００１５】
ここで１は、固定フランジ２と、ギア機構及びツールを回転させるためのドライブ３と、の間の圧力を測定するセンサを示している。ドライブ３の側面には、摩擦溶接ヘッド全体への制御ラインが４で示されている。ドライブ３の下面には、ツールドーム７を保持するツールドームフランジ６のための固定プレート５が見られる。
【００１６】
器具計測によりツールドーム７の動きを検出可能とするために、温度補償を有するひずみゲージ８が、縦方向に一定間隔をおいてツールドーム７の周囲にマウントされている。これは、ひずみゲージ８の領域で、溶接の間に起こる温度変化及びその結果生じるシグナルシフトを補償するという目的に適う。ユニオンナット９は、摩擦溶接ヘッドの中心軸上にツールドーム７を保持する。
【００１７】
ピンチップ１２は、溶接シュー１１中にガイドされている。レーザ測定センサ１０は、溶接シュー１１とピンチップ１２との間の距離を測定するのに用いられる。
【００１８】
接合された部材１３に形成された溶接継ぎ目１５は、溶接継ぎ目１５をチェックするためのカメラ１４により観察される。
【００１９】
図２は、本発明に係るツールドーム７の側断面図を示す。ここでは、ツールドーム７と接続されたツールドームフランジ６が詳細に見られ、図１でも示したひずみゲージ形態のセンサ８が、断面においてツールドーム７の両側に見られる。溶接ピン１９は、ツールドーム７の中心軸にマウントされ、固定アンテナ１６の高さで溶接ピン１９を圧電垂直調整する装置１７を有する。溶接ピン１９上に作用する操作圧は、センサ１８により測定される。
【００２０】
同領域に設置され溶接ピン１９をガイドするツール受入コーン２８の断面狭窄部分のセンサ２２は、この部分に作用する軸力、トルク及び曲げモーメントを測定するのに用いられる。
【００２１】
センサ２２により検出された測定値のシグナル伝送は、ツール受入コーン２８と共に回転可能なシグナル増幅器及び回転アンテナ２３により行われる。
【００２２】
センサ２２により検出された測定値の受信及び送信は、静的な固定アンテナ１６により行われる。
【００２３】
誘導電力供給システムは、上述した測定システムに電力を供給するのに用いられ、その固定一次コイルは２５で示され、その可動二次コイルは２４で示される。
【００２４】
溶接ピン１９上において接合される部材から生じたスモーク残渣を流出させるための開口２０と、接合される部材からの材料流出を測定するためのセンサ２１と、がピンチップ１２の領域に設けられている。
【００２５】
溶接ピン１９をガイドする溶接シュー１１が、ユニオンナット９により保持されている。
【００２６】
カメラ１４は、溶接操作の間の操作を記録及び録画するのに用いられる。
【００２７】
ピンチップ１２から離れて固体伝搬音センサ２９が、その方向性効果を溶接ピン１９と溶接シュー１１との間の領域に向けた状態で、ユニオンナット９の上端領域に設置されている。この点については、図３を参照されたい。
【００２８】
レーザ測定センサ１０の反対側に配置されているのは、空気伝送音センサ３０である。
【００２９】
正確な配置についても、図３を参照されたい。
【００３０】
渦電流センサ３１は、極めて小さな距離を測定するのに用いられ得る。渦電流センサ３１は、溶接方向の横に配置されるのが有利である。
【００３１】
図３は、レーザ測定センサ１０及び空気伝送音センサ３０の平面における部分表示図を示す。
【００３２】
ここでは、溶接シュー１１の丸穴２７内における通常中心位置からのピンチップ１２及び溶接ピン１９の逸脱が、いかにして検出可能とされるか、また、いかにしてレーザ測定センサ１０及びその反対側に配置された空気伝送音センサ３０により正確に測定されるかが示されている。
【００３３】
また、図２で示した渦電流センサ３１及び固体伝搬音センサ２９は、溶接ピン１９と溶接シュー１１の内周との間の間隙で作用する。
【００３４】
矢印２６は、溶接ピン１９の移動方向を示している。特定の実施形態では、ここでは具体的に図示していない特別な溶接シュー温度センサが設けられている。ショルダボアに対して回転するピンが完全に接触してしまうと（最悪の場合のシナリオ）、約１００セ氏温度の温度上昇が起こる。これは、実際の溶接操作と比較して、かなりの温度上昇である。
【００３５】
図４は、溶接ピンの破損へと繋がる溶接ピンの摩損の概要を示している。
【００３６】
外側から内側に向かって見ていくと、同心円は、ツールドーム７の縁、溶接シュー１１の外側境界、そして、特異的には限定されないものの溶接シュー１１の内側境界を示している。溶接シュー１１の外側境界の周囲において、右に向かう矢印２６が指す方向に示されているのはセンサ８である。ツールドーム７の外周に配置されたセンサ８は、図１及び図２でも見られる。図４に示した更なるセンサ８ａ、８ｂは、ここでは左後方センサ及び右後方センサとして示されている。
【００３７】
溶接シュー１１の内側境界にスケッチされているのは、図３で示した固体伝搬音センサ２９であり、溶接シュー１１の外側境界に示されているのは、図３で示した渦電流センサ３１と、水平線の左側及び右側に示された空気伝送音センサ３０及びレーザ測定センサ１０である。
【００３８】
記載された円に偏心して、ピンチップ１２を有する溶接ピン１９が種々の距離線と共に示され、線３３は、溶接シュー１１の内側境界から溶接ピン１９までの距離の理想線、いわゆるギャップゾーンを示している。
【００３９】
ギャップゾーンの境界線は、３２及び３５により示され、溶接ピン１９の破損を引き起こし得る危険領域は、３４から始まる。溶接ピン１９と溶接シュー１１との間の最短距離は、アクティブゾーンとして表される。この領域で、溶接シュー１１の内側境界と溶接ピン１９との間の摩擦が最大となる。この距離は、摩擦溶接ヘッドの進行速度（矢印２６）及び溶接ピン１９の回転速度に依存している。側方に発生する力は、ツールドーム７又はもっと厳密に言えばそれに固定されたセンサ８、８ａ、８ｂにより検出される。
【００４０】
以下のセンサにより、発生する更なる力が測定される。
１．レーザ測定センサ１０により、溶接ショルダから溶接ピン１９までの距離が測定される。
２．固体伝搬音センサ２９により、溶接ピン１９での振動が測定される。
３．空気伝送音センサ３０により、溶接シュー１１及びツールドーム７での振動が測定される。
４．渦電流センサ３１により、境界線３２、３５との間のギャップにおける材料の方向が測定される。
【００４１】
ピンチップ１２が最長耐用寿命を達成する理想線は、線３３で達成される。これは、最適な進行とツール回転速度との間の最適化を意味する。
【００４２】
図５は、溶接ピンの破損までの時系列概要を示している。図５のＹ軸は、正及び負の方向において、時間の関数としてのピンチップに生ずる３つの異なる力の変化を示している。
【００４３】
溶接深さは４．３ｍｍであり、ピンチップの進行速度は０．８５ｍ／ｍｍである。ピンチップの測定可能な抵抗の開始が左のマーキングラインに見られ、予防時間が約１．７秒後に終了して、破損までに更に０．８秒が過ぎる。
【００４４】
この期間に機械制御部は緩和を与え、これによりピンの弾性「スプリングバック」が達成される。そのため、不利な損傷は起こらない。
【００４５】
恒久的な損傷は、この期間の後に起こる。
【００４６】
図６は、接合される部材１３の摩耗状況を示している。
【００４７】
図６ａでは、ピンチップ１２及び溶接ピン１９を有する溶接シュー１１が、接合される部材１３の上又は中において断面で見られ、互いに対向配置された２つのセンサ２１が、開口２０において溶接ピン１９で生じたスモーク残渣の摩耗３６（量、強度及び速度）を検出する。
【００４８】
図６ｂは、溶接シュー１１における溶接ピン１９のピンチップ１２を示している。ピン側の境界を示すギャップゾーン３２（図３参照）と溶接シュー側の境界を示すギャップゾーン３５により、最大０．８ｍｍの距離Ｚが定義される。この幅であれば、摩耗３６は流入することができる。
【００４９】
寸法Ｘは、溶接シュー１１に入ることができる残りのショルダの寸法である。
【００５０】
残りのショルダＹは、溶接される材料がギャップＺを通って流れるのに十分な可塑性を獲得するのに必要な温度を受けるために重要である。温度が低すぎるとビルドアップが起こり、ピンシャフト１９が損傷する。
【００５１】
寸法Ｘ（０．０１から０．１ｍｍ）は、材料（合金）によって設定される。残りのショルダは、完成された溶接継ぎ目上での溶接シュー１１による円滑な操作にも影響を与える熱を発生させる。
【符号の説明】
【００５２】
１  フランジ２とドライブ３との間の圧力を測定するためのセンサ
２  ロボットアーム又はガントリブリッジのための固定フランジ
３  ツールのためのギア機構を有するドライブ
４  摩擦溶接ヘッドのための制御ライン
５  ツールドームフランジのための固定プレート
６  ツールドームフランジ
７  ツールドーム
８  ツールドーム７上のセンサ（ひずみゲージ）
８ａ  左後方センサ
８ｂ  右後方センサ
９  ユニオンナット
１０  溶接ピンと溶接シューとの間の距離を測るレーザ測定センサ
１１  溶接シュー
１２  ピンチップ
１３  接合される部材
１４  溶接継ぎ目をチェックするためのカメラ
１５  溶接継ぎ目
１６  固定アンテナ
１７  溶接ピン１９を圧電垂直調整する装置
１８  溶接ピン１９への垂直圧力を測定するためのセンサ
１９  溶接ピン
２０  溶接ピン１９上で接合される部材から生じたスモーク残渣材料を流出させるための開口
２１  接合される部材の材料流出を測定するためのセンサ
２２  ツール受入コーンのためのセンサ（例えば、ひずみゲージ）
２３  センサシグナル増幅器及び回転アンテナ
２４  誘導電力供給、二次コイル
２５  誘導電力供給、一次コイル
２６  溶接ピンの移動方向
２７  溶接シュー１１内の溶接ピン１９を通すための丸穴
２８  ツール受入コーン
２９  固体伝搬音センサ
３０  空気伝送音センサ
３１  渦電流センサ
３２  溶接ピン１９の側方におけるギャップゾーン境界
３３  溶接シュー１１から溶接ピン１９までの距離の理想線
３４  ギャップゾーンにおける危険領域の始まり
３５  溶接シュー１１の側方におけるギャップゾーン境界
３６  接合される部材１３の材料摩耗
【図１】
2021516161.tif 000003
【図２】
2021516161.tif 000004
【図３】
2021516161.tif 000005
【図４】
2021516161.tif 000006
【図５】
2021516161.tif 000007
【図６】
2021516161.tif 000008
【国際調査報告】
2021516161.tif 000009
2021516161.tif 000010
2021516161.tif 000011
2021516161.tif 000012