(57)【要約】【課題】構成要素歪みが最小である高強度溶接部を製造する線形摩擦溶接装置及び方法を提供すること。【解決手段】Ｙ軸振動、第１の溶融軸に沿った第１の溶融負荷、及び第２の溶融軸に沿った第２の溶融負荷を提供するための運動を、装置のＸ平面、Ｙ平面及びＺ平面に提供する３セットの直交アクチュエータを含む。溶接用の二軸溶融の方法は、複数の界面での溶接部にＸ溶融軸及びＺ溶融軸に沿って第１の溶融負荷及び第２の溶融負荷をかけるための溶接ヘッドを提供することを含む。溶融負荷は、互いに直角にかけられてよく、溶接界面長に相当する大きさを有する。【選択図】図３
2008307605.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
二軸溶融のための線形摩擦溶接装置であって、
振動ブロックと、
この振動ブロックの対向する側面で支えられる少なくとも１台のＹ軸振動アクチュエータと、
第１の溶融軸に沿って第１の溶融負荷を提供するために前記振動ブロックにより支えられる少なくとも１台のＺ軸溶融アクチュエータと、
第２の溶融軸に沿って第２の溶融負荷を提供するために前記振動ブロックにより支えられる少なくとも１台のＸ軸溶融アクチュエータと、
を備え、前記第１の溶融軸及び前記第２の溶融軸が互いに関して異なる角度となる線形摩擦溶接装置。
【請求項２】
前記少なくとも１台のＸ軸溶融アクチュエータによって提供される前記第２の溶融負荷に対抗するために前記振動ブロックによって支えられる少なくとも１台のＸ軸対抗負荷アクチュエータをさらに備える請求項１に記載の線形摩擦溶接装置。
【請求項３】
前記少なくとも１台のＺ軸溶融アクチュエータによって提供される前記第１の溶融負荷に対抗するために前記振動ブロックによって支えられる少なくとも１台のＺ軸対抗負荷浮動シリンダとをさらに備える請求項１または請求項２に記載の線形摩擦溶接装置。
【請求項４】
前記振動ブロックが、前記少なくとも１台のＹ軸振動アクチュエータ、Ｘ軸における前記少なくとも１台の溶融アクチュエータと前記少なくとも１台の対抗負荷アクチュエータ、及びＺ軸における前記少なくとも１台の溶融アクチュエータと前記少なくとも１台の対抗負荷シリンダとの間で維持される請求項１〜請求項３のいずれかに記載の線形摩擦溶接装置。
【請求項５】
振動した部品を固定するために前記振動ブロックによって支えられる固定ツールをさらに備える請求項１〜請求項４のいずれかに記載の線形摩擦溶接装置。
【請求項６】
前記アクチュエータのそれぞれが静圧軸受アクチュエータである請求項１〜請求項５のいずれかに記載の線形摩擦溶接装置。
【請求項７】
前記装置が、溶接テーブルアセンブリと、部品テーブルと、ガントリスライドアセンブリと、溶接ヘッドキャリッジと、ばり除去システムとを含む線形摩擦溶接装置の内部で維持される請求項１〜請求項６のいずれかに記載の線形摩擦溶接装置。
【請求項８】
Ｙ軸振動、第１の溶融軸に沿った第１の溶融負荷、及び第２の溶融軸に沿った第２の溶融負荷を提供するための運動を、溶接ヘッド装置のＸ平面、Ｙ平面及びＺ平面に提供する３セットの直交アクチュエータを含む溶接ヘッド装置と、
溶接テーブルアセンブリと、
Ｘ軸方向で可動の部品テーブルと、
ガントリアセンブリが、Ｙ軸運動を提供し、溶接ヘッドを支えるための溶接ヘッドキャリッジを支える、Ｚ軸運動を提供するガントリアセンブリと、
前記線形摩擦溶接装置の前記動作を制御する制御卓と、
を備える線形摩擦溶接装置。
【請求項９】
前記溶接ヘッド装置が、
振動ブロックと、
前記振動ブロックの対向する側面で支えられる少なくとも１台のＹ軸振動アクチュエータと、
前記第１の溶融軸に沿って前記第１の溶融負荷を提供するために前記振動ブロックによって支えられる少なくとも１台のＺ軸溶融アクチュエータと、
前記第２の溶融軸に沿って前記第２の溶融負荷を提供するために前記振動ブロックによって支えられる少なくとも１台のＸ軸溶融アクチュエータと、
前記第２の溶融負荷に対抗するために前記振動ブロックによって支えられる少なくとも１台のＸ軸対抗負荷アクチュエータと、
前記第１の溶融負荷に対抗するために前記振動ブロックによって支えられる少なくとも１台のＺ軸対抗負荷浮動シリンダと、
を備える請求項８に記載の線形摩擦溶接装置。
【請求項１０】
ばり除去システムをさらに備える請求項８または請求項９に記載の線形摩擦溶接装置。
【請求項１１】
Ｙ軸振動、Ｚ軸溶融軸に沿った第１の溶融負荷、及びＸ軸溶融軸に沿った第２の溶融負荷を提供するための運動を、溶接ヘッド装置のＸ平面、Ｙ平面、及びＺ平面に提供する３セットの直交アクチュエータを含む溶接ヘッド装置を備える線形摩擦溶接装置を提供することと、
基部プレートを提供することと、
第１の溶接界面及び第２の溶接界面で前記基部プレートに溶接される部品を提供することと、
前記第１の溶接界面を基準にして斜めに前記第１の溶融負荷を、及び前記第２の溶接界面を基準にして斜めに前記第２の溶融負荷をかけ、前記第１の溶融負荷及び第２の溶融負荷が所定の規模を有することと、
前記部品及び前記基部プレートを加熱するために所定の振動振幅で前記Ｙ軸に沿って前記部品を振動することと、
前記振動振幅をゼロに削減することと、
前記第１の溶融負荷及び第２の溶融負荷を所定の設定点に増加し、所定の期間維持することと、
前記第１の溶融負荷及び第２の溶融負荷をゼロに削減することと、
をさらに含む線形摩擦溶接方法。
【請求項１２】
前記溶接ヘッド装置が、
振動ブロックと、
この振動ブロックの対向する側面で支えられる少なくとも１台のＹ軸振動アクチュエータと、
前記第１の溶融負荷を提供するために前記振動ブロックによって支えられる少なくとも１台のＺ軸溶融アクチュエータと、
前記第２の溶融負荷を提供するために前記振動ブロックによって支えられる少なくとも１台のＸ軸溶融アクチュエータと、
前記第２の溶融負荷に対抗するために前記振動ブロックによって支えられる少なくとも１台のＸ軸対抗負荷アクチュエータと、
前記第１の溶融負荷に対抗するために前記振動ブロックによって支えられる少なくとも１台のＺ軸対抗負荷浮動シリンダと、
を備える請求項１１または請求項１２に記載の線形摩擦溶接方法。
【請求項１３】
前記第１の溶接界面を基準にした前記第１の溶融負荷の角度、及び前記第２の溶接界面を基準にした前記第２の溶融負荷の角度が、ゼロ度から９０度の範囲となる請求項１１〜請求項１２のいずれかに記載の線形摩擦溶接方法。
【請求項１４】
前記第１の溶接界面を基準にした前記第１の溶融負荷の角度、及び前記第２の溶接界面を基準にした前記第２の溶融負荷の角度が、ともに実質的に垂直である請求項１１〜請求項１３のいずれかに記載の線形摩擦溶接方法。
【請求項１５】
前記第１の溶融負荷及び第２の溶融負荷の前記振幅が、前記溶接界面の長さに相当する請求項１１〜請求項１４のいずれかに記載の線形摩擦溶接方法。
【請求項１６】
前記Ｘ溶融軸及びＺ溶融軸が互いに直角に作用する請求項１１〜請求項１５のいずれかに記載の線形摩擦溶接方法。
【請求項１７】
前記振動振幅をいつゼロに削減するのかを決定するために溶接中に材料の変位を監視することをさらに含む請求項１１〜請求項１６のいずれかに記載の線形摩擦溶接方法。
【請求項１８】
溶融変位を監視し、記録することをさらに含む請求項１１〜請求項１７のいずれかに記載の線形摩擦溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して線形摩擦溶接の分野に関し、特に線形摩擦溶接機用の二軸溶融の装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
線形摩擦溶接は、類似金属または異種金属を接合するソリッドステート工程であって、溶接部における望ましい微細構造及び熱により影響を受けたゾーンを生じさせ、構成要素歪みが最小で高強度の溶接部を作り出す。さらに、線形摩擦溶接は、工程の振動により表面のむらと汚染物質が溶接中に生じたばりとして排出され、製造ステップを排除するという点で自動洗浄式工程である。
【０００３】
その名が暗示するように、線形摩擦溶接は、互いを基準にして、制御された方法で部品の振動により生じた摩擦によって被溶接部品を加熱することを必要とする。振動に加えて、部品は、本明細書中「溶融負荷」と呼ばれる制御された負荷が接触面に対して垂直にかけられた状態でともに押し付けられる。従来の技術の図８を参照すると、この従来の工程では、基部部品８００に溶接される部品８０２が振動軸８０４に沿って振動する間、基部部品８００は通常静止したままである。溶融負荷８０６がかけられた状態で、振動運動により部品８０２は、溶接されている材料の融点温度以下の溶接温度まで摩擦面８０８で加熱される。局所化された加熱により、材料は、材料が「塑性状態」を取る所定温度に達する。隣接する材料がその塑性状態にある間、振動運動は停止され、溶融負荷力は溶融運動で増加され、２つの部品を共に押し付ける。一旦一緒になると、溶融負荷は部品が冷えるまで保持され、最終的にはゼロに減少し、溶接サイクルを完了する。
【０００４】
線形摩擦溶接により製造される溶接部は構造的に適切であり、高い品質であることが示されてきた。従来の手段では容易に溶接できないチタニウム等の材料は、この工程を使用して無事に溶接できる。このため、このようにして被溶接部品は、特に、航空産業においてのように最小重量と組み合わされた高度な構造的完全性が必要とされる用途で特に望ましい。
【０００５】
完成部品を製造するために機械加工できるニアネットシェイプ（ＮＮＳ）構造体を作成できる線形摩擦溶接装置及び工程は開発中である。構造体を完成部品に近く組み立てるこの方法は、最終部品を製造するために必要とされる材料の量及び機械加工時間を削減し、それにより部品の生産費を大幅に削減する。ニアネットシェイプ構造体を作成できる従来の線形摩擦溶接装置は、現在、溶接を達成するために単一溶融軸に沿って溶融負荷を活用しており、溶接界面での負荷制御を正確に制御できる単純で不連続の２枚のプレートが垂直に溶接された構造体を溶接するときに適切である。
【０００６】
順次プレート部品溶接あるいは複数の接触面での溶接が所望されるとき、溶接を達成するために単一の溶融軸を活用する線形摩擦溶接工程はかなりの不利な点を示す。従来の技術の図９を参照すると、同時に溶接されている、基部プレート溶接部９０４及び傾斜した溶接界面９０６の両方で、部品９０２が基部部品９００に溶接されているのが示される。熱は、振動面９０８に沿って発生する制御された摩擦を通して生じる。現在の工程は、溶接界面９０４と９０６の一方を基準にして垂直に、または溶融軸９１０の平面内の溶接界面を基準にして所定の角度で配置されてよい単一溶融軸９１０に沿ってかけられる溶融負荷を含む。溶融負荷制御は１つの軸においてしか行われないため、二平面の溶接を行うために必要とされる溶融負荷は、傾斜した溶接界面９０６を溶接するために適切な結果として生じる溶融負荷を生じさせることと、基部プレート溶接部９０４を作るために十分な溶融負荷を生じさせることの折衷である。
【０００７】
この点において、同時二平面溶接部を作るときに所望されるものは、溶接性能を高め、線形摩擦溶接装置の溶接機能を拡張するために追加の溶融軸を提供する装置及び方法である。第２の溶融軸を提供することにより、プレート間の角度接触の必要性は排除され、第２のの軸における溶融負荷の精密な制御が達成される。さらに、第１の溶融軸を基準にして斜めに作用する追加の溶融負荷がかけられる第２の溶融軸を追加することにより線形摩擦溶接工程に１桁分の制御が加えられ、溶接性能を高める。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
したがって、本発明の目的は、複数の接触面で同時に溶接する線形摩擦溶接装置及び方法を提供することである。
【０００９】
本発明の別の目的は、構成要素歪みが最小である高強度溶接部を製造する線形摩擦溶接装置及び方法を提供することである。
【００１０】
本発明の追加の目的は、溶接工程の制御を改善する線形摩擦溶接装置及び方法を提供することである。
【００１１】
本発明の追加の目的は、線形摩擦溶接装置の機能を拡張する装置及び方法を提供することである。
【００１２】
本発明の追加の目的は、部品に正確にかけられなければならない溶融負荷を、溶融軸の平面に垂直ではない溶接面に与える二軸溶融制御のための装置及び方法を提供することである。
【００１３】
前記の及び他の目的及び優位点を達成するために、ならびに具現化され、本明細書に幅広く説明されるような本発明の目的に従って、本発明は、二軸溶融を活用する線形摩擦溶接の装置及び方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の一実施形態では、振動ブロックと、この振動ブロックの対向する側面で支えられる少なくとも１台のＹ軸振動アクチュエータと、第１の溶融軸に沿って第１の溶融負荷を提供するために振動ブロックによって支えられる少なくとも１台のＺ軸溶融アクチュエータと、第２の溶融軸に沿って第２の溶融負荷を提供するために振動ブロックによって支えられる少なくとも１つのＸ軸溶融アクチュエータとを含み、第１の溶融軸及び第２の溶融軸が互いに関して異なる角度となる線形摩擦溶接装置である。
【００１５】
この線形摩擦溶接装置は、少なくとも１台のＸ軸溶融アクチュエータによって提供される第２の溶融負荷に対抗するために振動ブロックによって支えられる少なくとも１台のＸ軸対抗負荷アクチュエータと、該少なくとも１台のＺ軸溶融アクチュエータによって提供される第１の溶融負荷に対抗するために振動ブロックによって支えられる少なくとも１台のＺ軸対抗負荷浮動シリンダとをさらに含んでよい。
【００１６】
振動ブロックは、少なくとも１台のＹ軸振動アクチュエータ、Ｘ軸における少なくとも１台の溶融アクチュエータと少なくとも１台の対抗負荷アクチュエータ、及びＺ軸における少なくとも１台の溶融アクチュエータと少なくとも１台の対抗負荷シリンダの間で維持される。装置は、基部部品に関して振動する部品を固定する固定ツールをさらに含んでよい。
【００１７】
別の実施形態では、本発明は、Ｙ軸振動、第１の溶融軸に沿った第１の溶融負荷、及び第２の溶融軸に沿った第２の溶融負荷を提供するための運動を、溶接ヘッド装置のＸ平面、Ｙ平面及びＺ平面に提供する３セットの直交アクチュエータを含む溶接ヘッド装置と、溶接テーブルアセンブリと、Ｘ軸方向で可動の部品テーブルと、Ｚ軸運動を提供するガントリアセンブリであって、Ｙ軸運動を提供し、溶接ヘッドを支えるために溶接ヘッドキャリッジを支えるガントリアセンブリと、線形摩擦溶接装置の動作を制御する制御卓とを含む線形摩擦溶接装置を提供する。装置は、他の構成部品の中でもばり除去システムをさらに含んでよい。
【００１８】
さらに別の実施形態では、本発明は、二軸溶融線形摩擦溶接の方法を提供する。方法は、Ｙ軸振動、Ｚ軸溶融軸に沿った第１の溶融負荷、及びＸ軸溶融軸に沿った第２の溶融負荷を提供するための運動を、溶接ヘッド装置のＸ平面、Ｙ平面及びＺ平面に提供する３セットの直交アクチュエータを含む溶接ヘッド装置を備える線形摩擦溶接装置を提供することと、基部プレートを提供することと、第１の溶接界面及び第２の溶接界面で基部プレートに溶接される部品を提供することと、第１の溶接界面を基準にして斜めに第１の溶融負荷を、及び第２の溶接界面を基準にして斜めに第２の溶融負荷をかけ、第１の溶融負荷及び第２の溶融負荷が所定の大きさを有することと、部品及び基部プレートを加熱するために所定の振動振幅でＹ軸に沿って部品を振動することと、振動振幅をゼロに削減することと、第１の溶融負荷及び第２の溶融負荷を所定の設定点に増加し、所定の期間維持することと、第１の溶融負荷及び第２の溶融負荷をゼロに削減することとを含む。
【００１９】
第１の溶接界面を基準にした第１の溶融負荷の角度及び第２の溶接界面を基準にした第２の溶融負荷の角度はゼロ度から９０度の範囲であり、好ましくは実質的に垂直である。第１の溶融負荷及び第２の溶融負荷の振幅は、溶接界面の長さに対応する。Ｘ溶融軸及びＺ溶融軸は互いに直角に作用する。方法は、振動振幅をいつゼロに削減するのかを決定するために溶接中に材料の変位を監視することと、溶融変位を監視し、記録することとをさらに含んでよい。
【００２０】
本発明のこれらの、及び他の特長、態様、及び優位点は、本発明の以下の詳細な説明が添付図面に関して読まれるときにさらによく理解される。
【発明の効果】
【００２１】
以上、説明した通り、本発明の線形摩擦溶接装置においては、
二軸溶融のための線形摩擦溶接装置であって、
振動ブロックと、
この振動ブロックの対向する側面で支えられる少なくとも１台のＹ軸振動アクチュエータと、
第１の溶融軸に沿って第１の溶融負荷を提供するために前記振動ブロックにより支えられる少なくとも１台のＺ軸溶融アクチュエータと、
第２の溶融軸に沿って第２の溶融負荷を提供するために前記振動ブロックにより支えられる少なくとも１台のＸ軸溶融アクチュエータと、
を備え、前記第１の溶融軸及び前記第２の溶融軸が互いに関して異なる角度となる線形摩擦溶接装置」
に、その構成上の主たる特徴があり、これにより、複数の接触面で同時に溶接することができて、構成要素歪みが最小である高強度溶接部を製造することができ、溶接工程の制御を改善することができて、機能を拡張することもできる線形摩擦溶接装置を提供することができるのである。
【００２２】
また、本発明に係る線形摩擦溶接を行う溶接方法においては、
「Ｙ軸振動、Ｚ軸溶融軸に沿った第１の溶融負荷、及びＸ軸溶融軸に沿った第２の溶融負荷を提供するための運動を、溶接ヘッド装置のＸ平面、Ｙ平面、及びＺ平面に提供する３セットの直交アクチュエータを含む溶接ヘッド装置を備える線形摩擦溶接装置を提供することと、
基部プレートを提供することと、
第１の溶接界面及び第２の溶接界面で前記基部プレートに溶接される部品を提供することと、
前記第１の溶接界面を基準にして斜めに前記第１の溶融負荷を、及び前記第２の溶接界面を基準にして斜めに前記第２の溶融負荷をかけ、前記第１の溶融負荷及び第２の溶融負荷が所定の規模を有することと、
前記部品及び前記基部プレートを加熱するために所定の振動振幅で前記Ｙ軸に沿って前記部品を振動することと、
前記振動振幅をゼロに削減することと、
前記第１の溶融負荷及び第２の溶融負荷を所定の設定点に増加し、所定の期間維持することと、
前記第１の溶融負荷及び第２の溶融負荷をゼロに削減することと、
をさらに含む線形摩擦溶接方法」
に、その構成上の主たる特徴があり、これにより、複数の接触面で同時に溶接することができて、構成要素歪みが最小である高強度溶接部を製造することができ、溶接工程の制御を改善することができて、機能を拡張することもできる線形摩擦溶接方法を提供することができるのである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
本発明は、ここで本発明の例示的な実施形態が示される添付図面を参照し、さらに詳細に後述される。しかしながら、本発明は多くの異なった形で具現化されてよく、本明細書に述べられた代表的な実施形態に限定されると解釈すべきではない。例示的な実施形態は、本開示が詳細且つ完璧となるように提供され、本発明の範囲を十分に伝達し、当業者が本発明を作成、使用及び実践できるようにする。別紙の図面中に示した符号は、各図面全体を通して同じ要素を示す。
【００２４】
図１を参照すると、本発明の一実施形態による二軸溶融機能を含む線形摩擦溶接装置の全体的が、図中において一括した符号１００で示してある。この線形摩擦溶接装置１００の特殊な実施形態、及びその構成要素のいくつかは、本明細書に示され、説明されているが、多様な変型を本発明の範囲を逸脱することなく機械及びその設計に加えることができることが理解されるべきである。
【００２５】
この線形摩擦溶接装置１００は、少なくとも１つの部品１０２を基部プレート等の別の部品に線形摩擦溶接するために動作可能である。線形摩擦溶接装置１００は、基部プレート構造体を取り付けるための表面を提供する溶接テーブル１０４を含む。部品テーブル１０６は、Ｖ字形の平らな通路に乗り、テーブルのためのＸ軸移動を提供する。部品テーブル１０６及び溶接テーブルアセンブリ１０４は、溶接工程の負荷力に耐えるように構築される。溶接テーブル１０４は、溶接のために定位置に部品テーブル１０６を固定する油圧ロックシステムをさらに含む。
【００２６】
ガントリスライド１０８は、装置にＺ軸の運動を与え、複数の大径摺動柱１１２を支える溶接テーブル支持基部の各側面上でガントリサポート１１０に取り付けられる。このガントリスライド１０８は、Ｚ位置二重ロック１１４を含み、さらに、Ｙ軸の移動及び位置決めを行う溶接ヘッドキャリッジ１１６を支え、油圧ロックシステムを含む。溶接ヘッドキャリッジ１１６は、溶接ヘッド１１８、及び、ばり除去システム１２０を維持する。
【００２７】
この線形摩擦溶接装置１００は、全体が機械基部１２２によって支えられており、装置制御、データ取得、手動機能及び自動機能のためのオペレータインタフェース及びコンピュータシステムを含む専用の制御卓１２４で制御される。制御卓１２４は、モータ、油圧装置及び安全装置用の制御機構をさらに含むが、モータ始動装置、駆動コントローラ、出力調整、過負荷保護、及び電源切断をさらに含んでよい。
【００２８】
一実施形態では、本発明に係る線形摩擦溶接装置１００を制御するシステムは、各装置と連動して使用されるコンピュータシステムを含んでよい。このような制御システムは、リアルタイムで溶接パラメータのデータ取得のために動作可能である。また、制御システムは、当該線形摩擦溶接装置１００が動いているときの溶接パラメータ及びデータを記録し、データを使用し、溶接が適切に行われたかどうかを判断する。
【００２９】
コンピュータシステムは、従来、メモリに記憶されているプログラム命令を実行するプロセッサを含んでよい。メモリは、前述された方法を実行するための命令及びデータを含む、プロセッサが実行するための命令及びデータを記憶する。コンピュータシステムにおけるソフトウェア実現の範囲に応じて、メモリは動作時に実行可能コードを記憶してよい。メモリは、例えば、列を成す高速キャッシュメモリだけではなく読取専用メモリ（ＲＯＭ）、ダイナミックランダムアクセスメモリ（ＤＲＡＭ）を含む。オペレーティングシステムは、アプリケーションプログラムが、当業者によって容易に理解されるように実行してよいソフトウェアプラットホームを提供する。コンピュータシステムは、大量記憶装置、１台または複数の周辺装置、リモート接続、１台または複数の入力装置、１つまたは複数の携帯記憶媒体ドライブ、ディスプレイ及び１台または複数の出力装置を含むが、これに限定されない追加装置の任意の組み合わせを取り込んでよい。
【００３０】
多様な構成要素は、当業者によって既知の適切なバスを介して接続される。記憶装置はクライアント及びサーバの情報、本発明の例示的な実施形態に従って方法を実施するためのコード、及びプロセッサのためのコンピュータ命令を記憶する。周辺装置は、制御システムに機能性を付加するために入力／出力（Ｉ／Ｏ）インタフェース等の任意のタイプのコンピュータサポート装置を含んでよいが、これに限定されない。
【００３１】
ばり除去システム１２０は、次のプレートを溶接する前に溶接工程によって生じたばりを除去するために機能する。このばり除去システム１２０は、Ｙ軸機械スライド、Ｚ軸機械スライド、工具チャック付きの内蔵型モータ駆動スピンドルヘッド、摺動軸ごとの電気サーボボールネジドライブを含む二軸機械加工ヘッドを含んでよい。ばり除去システム１２０は、ガントリフレームの前側に取り付けられて示されている。溶接テーブルはＸ軸移動及び位置決めを行う。ばり除去システム１２０の制御機構は、前述された制御システムの中に統合されている。当該制御システムは、部品構成情報、及びばり除去システムを制御し、自動化されたばり除去動作を正確に制御するために溶接サイクルの最後に生成される溶接ヘッド位置から位置決め情報を計算する。
【００３２】
線形摩擦溶接装置１００は、完全な部品溶接サイクルの自動化を提供するために自動部品装填システムをさらに含んでよい。この場合の自動部品装填システムは、部品運搬システム及び自動多軸採集装填アームを含む。部品運搬システムには、基部プレートに溶接される部品が、部品が溶接されなければならない順序で装填される。システムは、受け取りステーションへの各部品を自動的に割り出しする。アームが各部品を取り上げ、それを溶接ヘッドに運ぶ。部品運搬システムは、オペレータが手動で装填する自立式割り出しテーブルである。アームは、運動のＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸でサーボモータ駆動される。部品把持部はアームの端部に取り付けられている。アームは、ガントリサポートフレームに取り付けられてよい。動作中、把持部は、駐車位置から部品運搬ステーションに移動し、溶接される次の部品を把持する。それは、制御システムからの位置フィードバック情報を使用し、溶接ヘッドの固定ナックルを用いて部品をインラインで位置決めし、部品をナックルの中に装填する。溶接ヘッドが部品を固定すると、把持部は部品を放し、駐車位置に戻る。それから、全ての部品が定位置で溶接するまで、サイクルは繰り返す。
【００３３】
図２を参照すると、本発明による二軸溶融装置及び方法によって実行される二軸線形摩擦溶接の工程段階が示されている。直角のプレート溶接が示されている第１の工程では、プレート２００は第１の水平基部プレート溶接２０４及び第２の垂直溶接２０６で基部プレート２０２に溶接される。プレート２００の振動は、振動軸２０８に沿って発生する。第１の垂直基部プレート溶接２０４を実行するための第１の溶融負荷２１０は、Ｚ軸に沿って示される、プレート２００の水平部分に実質的に垂直にかけられる。第２の垂直基部溶接２０６を実行するための第２の溶融負荷２１２は、プレート２００の水平部分に実質的に水平にかけられる。この溶接では、垂直基部溶接部２０４及び２０６の２つの溶接端縁は、実質的に等しい長さであり、したがって各軸でかけられる溶融負荷は大きさがほぼ等しい。
【００３４】
続けて図２を参照すると、ガセットプレート溶接が示されている第２の工程では、プレート２１４は、第１の水平基部プレート溶接部２１６及び第２の垂直溶接部２１８で基部プレート２０２に溶接される。プレート２１４の振動は、振動軸２２０に沿って発生する。基部プレート溶接２１６を実行するための第１の溶融負荷２２２は、Ｚ軸に沿って示されるプレート２００の水平部分に実質的に垂直にかけられる。垂直溶接２１８を実行するための第２の溶融負荷２２４は、プレート２００の水平部分に実質的に平行にかけられる。
【００３５】
この第２の例示的な溶接想定では、垂直溶接部２１８の長さは水平溶接部２１６の長さより実質的に大きく、したがって第２の溶融負荷２２４は溶接長さ差異に相当するさらに大きな規模を有する。例えば、第２の溶接部の３倍の長さを有する第１の溶接部は、規模が約３倍大きいその溶融軸に沿った溶融負荷を必要とするであろう。本発明の方法を実施するために使用できる精密な制御は、溶接品質の信頼性の向上につながる。両方の溶接想定では、第１の溶融軸及び第２の溶融軸が溶接ヘッド上で運ばれ、互いに関して異なる角度で作用する。
【００３６】
溶接平面が第１の溶融軸または第２の溶融軸に実質的に垂直ではない溶接部では、それにも関わらず溶融軸は互いに直角に作用し、斜めの表面にかかる溶融負荷の正確な制御は二軸溶融制御を通して達成される。第１の溶融負荷及び第２の溶融負荷にかかる力の量は、溶融軸に関する溶接界面の角度及び溶接界面の長さに基づいて計算される。計算は、例えばＺ軸等の第１の溶融軸が与える結果として生じる溶融負荷を決定するために使用できる。次に、この値は斜め溶接平面に垂直な必要とされる溶融負荷から差し引かれる。計算を完了する場合、結果として生じる値が、Ｘ軸で必要とされる追加の溶融負荷を決定し、結果として生じる溶融負荷を達成し、斜め平面での溶接を適切に完了するために使用される。このケースの場合、制御ソフトウェアは部品の幾何学的形状入力に基づき溶接ヘッドパラメータを自動的に設定する。
【００３７】
図３及び図４を参照すると、本発明の方法による二軸溶融のための線形摩擦溶接ヘッド３００が示されている。線形摩擦溶接ヘッド３００は、溶接部を作り出す振動及び溶融負荷力を提供するために動作可能である。溶接ヘッド３００は、他の構成部品を支えるための振動ブロック３０２を含む。二（２）台のＹ軸振動静圧軸受アクチュエータ３０４が、振動ブロック３０２の対向する側面に設けられ、その中で支えられる。四（４）台のＺ軸溶融静圧軸受アクチュエータ３０６は、第１の溶融軸、つまりＺ軸に沿って溶融負荷を提供するために振動ブロック３０２の上面に設けられる。二（２）台のＸ軸静圧軸受溶融アクチュエータ３０８は、第２の溶融軸、つまりＸ軸に沿って溶融負荷を提供するために振動ブロック３０２の１つの側面に沿って設けられる。二（２）台のＸ軸対抗負荷静圧軸受アクチュエータ３１０は、Ｘ軸溶融アクチュエータ３０８の溶融負荷に対抗するために二（２）台のＸ軸静圧溶融アクチュエータ３０８に対向する。四（４）台のＺ軸対抗負荷浮動シリンダ３１２は、Ｚ軸溶融アクチュエータ３０６の負荷に対抗するために振動ブロック３０２の各角の回りに配置される。
【００３８】
振動ブロック３０２は、振動する部品３１６を固定する固定工具３１４のための取り付け面をさらに提供する。振動ブロック３０２は、Ｙ軸静圧振動アクチュエータ３０４、Ｘ軸の静圧溶融アクチュエータと対抗負荷アクチュエータ３０８と３１０、及びＺ軸の静圧溶融アクチュエータと対抗負荷シリンダ３０６と３１２の間で維持される。複数の静圧アクチュエータのそれぞれは、好ましくは作動用のサーボ弁、及び圧力センサと位置フィードバックセンサを備える。好ましくは、静圧振動アクチュエータには速度フィードバック用の加速度計が備えられる。
【００３９】
図５を参照すると、図３及び図４に示されている線形摩擦溶接ヘッド３００が、図１の機械１００等の線形摩擦溶接装置の内部に設置され、維持される。動作中、溶接ヘッド３００の各軸は、圧力及び位置のフィードバック付きのサーボ弁を使用して制御される。振動ブロック３０２は、３セットのアクチュエータ間の溶接ヘッド筐体内に取り付けられる。図示されているように、基部プレート５０２及びプレート５０４は以前に、Ｚ軸溶融負荷だけを使用して溶接平面５０６で共に溶接されていた。溶接ヘッド内に固定されたプレート５００は、溶接平面５０６と５０８で接触している。図示されるように、プレート５００は、溶接平面５０６及び溶接平面５０８に沿って基部プレート５０２及びプレート５０４に直角で溶接されなければならない。Ｘ軸溶融アクチュエータ３０８は、Ｘ軸溶融軸方向５１０に沿って溶融負荷を提供する。Ｘ軸対抗負荷アクチュエータ及び静圧軸受アクチュエータ３１０は、Ｘ軸内の静圧軸受にかかる、必要とされる前負荷を生じさせるために対抗負荷力を提供する。この配置は、溶接ヘッドに負荷がかからない状態で溶融アクチュエータ３０８がＸ軸内で位置決めし、制御を維持することを可能にする一方で、Ｘ軸で振動ブロック３０２を制限する。
【００４０】
Ｚ軸溶融アクチュエータ３０６は、Ｚ軸溶融軸方向５１２に沿って溶融負荷を提供する。再び、静圧アクチュエータと一体化している静圧軸受に前負荷が必要とされる。Ｚ軸対抗負荷シリンダ３１２は、図３及び図４を参照、振動ブロックの重量に対抗負荷するための力、及び溶接ヘッド筐体内に振動ブロック３０２を保持するための静圧溶融アクチュエータの前負荷を提供する。この配置は、静圧溶融アクチュエータが、溶接ヘッド３００に負荷がかからない状態でＺ軸の位置を制御できるようにする。あらゆる２セットのアクチュエータの結合された運動が運動の１つの平面を提供する。３セットの直交アクチュエータは、溶接ヘッド運動の３つの平面を生じさせる。静圧振動アクチュエータは、ヘッドの高周波往復Ｙ軸運動を提供する。図５を参照すると、振動軸はページから外向きの方向にある。
【００４１】
一般的には、二軸溶融溶接工程に関して、振動ブロックが移動中に、事前設定された（条件付きの）溶融負荷が、溶接界面を基準にしてゼロ度から９０度まで、好ましくは実質的に垂直に、Ｚ軸方向及びＸ軸方向でかけられる。振動運動及び負荷がかけられた状態で、結果として生じる摩擦が溶接界面を材料の塑性状態まで加熱する。材料は溶接界面から排出され、それにより溶接表面を清掃する。各溶融軸変位は、清掃工程中に変位された、つまり消費された材料の量を決定するために制御システムによって監視されている。事前設定された清掃変位に達すると、振動振幅は、最終的な溶融運動のために部品を配置するためにゼロに削減される。ゼロ振動で、あるいはゼロ振動近くで、事前設定された最終的な溶融負荷がＺ軸方向及びＸ軸方向でかけられる。かけられた溶融負荷が部品を共に押し付ける。溶融負荷圧力は一定に保持される。溶融変位は監視され、記録される。材料が冷却し、凝固すると、溶融変位は停止する。溶融負荷は、部品の位置決め及び溶接の品質を保証するために、溶融変位が停止した後に事前設定された期間維持される。最終的な溶接ヘッド位置が記録され、溶融圧力がゼロに削減され、部品クランプが解放され、溶接ヘッドが収縮され、このようにして溶接サイクルを完了する。
【００４２】
図６Ａから図６Ｃを参照すると、本発明の実施形態による二軸溶融を活用する特定の線形摩擦溶接工程のための流れ図が示される。工程の始動は、基部部品が線形摩擦溶接装置上に装填され（ステップ６００）、基部部品に溶接されるプレートが振動ブロックの固定機構内で固定される（ステップ６０２）と開始する。それから溶接制御パラメータが決定され、設定され、溶接サイクルが開始される（ステップ６０４）。溶接サイクルの最初の部分では、機械が、溶接界面との接触から所定の距離に溶接ヘッドを迅速に位置決めする。次に、機械が低速送り接触制御に切り替わる（ステップ６０６）。基部プレートに溶接されるプレートが、溶接ヘッド感知運動を通して基部プレートと適切に接触しているかどうかを判断するために照会が行われる（ステップ６０８）。適切な接触がなされていないと判断されると、工程は低速送り接触感知制御ステップを繰り返す。適切な接触がなされたと判断されると、工程の次のステップは、機械がガントリ及びテーブル機械位置決めシステムを介して溶接ヘッドをその開始位置に配置することである（ステップ６１０）。
【００４３】
次に溶接ヘッドが開始位置にあるかどうかを判断するために照会がなされる（ステップ６１２）。溶接ヘッドが開始位置にないと判断されると、溶接ヘッドを位置決めする工程が繰り返される。溶接ヘッドが適切な開始位置にある場合、機械ロックシステムはガントリ、溶接ヘッドキャリッジ及びテーブルをロックする（ステップ６１４）。部品を溶接するために、溶融負荷がかけられ、振動が開始し、溶融調整負荷がかけられる（ステップ６１６）。次に、部品表面調整距離に達したかどうかを判断するために照会が実行される（ステップ６１８）。距離限度に達していないと判断されると、溶融負荷をかけることと、振動が繰り返される。距離限度に達していると判断されると、振動振幅はゼロまで一定の比率で減らされ、停止する（ステップ６２０）。次に、振動振幅がゼロに達したかどうかを判断するために照会が実行される（ステップ６２２）。振動振幅がゼロに達していないと判断されると、振動振幅はゼロに削減され、停止する。振動がゼロに達していると判断されると、溶融負荷は溶融負荷設定点まで高められ、保持される（ステップ６２４）。次に、溶融運動が停止したかどうかを判断するために照会が実行される（ステップ６２６）。溶融運動が停止していないと判断されると、溶融負荷は設定点値でかけられ続け、続行する。溶融運動が停止していると判断されると、停止点が所定の期間保持され、溶接ヘッドの最終位置が記録され、溶融負荷はゼロに削減され、ガントリロック及び部品クランプが解放され、溶接ヘッドが収縮される（ステップ６２８）。溶接工程は完了した。工程は次に第２の、つまり次のプレートについて繰り返されてよい。
【００４４】
本発明のシステム及び方法は、単一界面溶接部及び多界面溶接部を生じさせるために使用されてよい。図７Ａから図７Ｈを参照すると、溶接用の線形摩擦溶接装置の動作の簡略化された概要シーケンスの多様な図が示される。図７Ａを参照すると、ステップ１で、基部プレート７００はテーブル７０２に取り付けられる。溶接ヘッド７０４は、Ｙ軸振動７０６、Ｘ軸溶融７０８、及びＺ軸溶融７１０を提供する。図７Ｂを参照すると、ステップ２で、基部プレート７１２が溶接ヘッド７０４の中に固定される。図７Ｃを参照すると、ステップ３で、溶接ヘッド７０４は部品７１２を配置し、Ｚ軸溶融７１０だけがアクティブな状態で単一平面に沿って線形摩擦溶接を実行する。図７Ｄを参照すると、ステップ４で、溶接は完了し、溶接ヘッドは収縮される。
【００４５】
図７Ｅを参照すると、ステップ５で、溶接ヘッド７０４が次の溶接のために配置される。図７Ｆを参照すると、ステップ６で、第２のプレート部品７１４が、溶接ヘッド７０４の中に装填される。図７Ｇを参照すると、ステップ７で、溶接ヘッド７０４は第２の部品７１４を配置し、Ｚ軸７１０及びＸ軸７０８溶融がアクティブな状態で線形摩擦二平面溶接を実行する。振動はＹ軸７０６に沿って発生する。図７Ｈを参照すると、ステップ８では、溶接ヘッド７０４は収縮され、二平面溶接は完了し、プレート部品７１４が１つの界面に沿ってプレート部品７１２に溶接され、１つの界面に沿って基部部品７００に溶接される。
【００４６】
動作パラメータは、単一軸線形摩擦溶接技法と大幅に異なると考えられていない。一例としてのみ、溶接ヘッドの振動周波数は、材質、材料の厚さ、部品用途及び類似する変数に応じて、約２５Ｈｚから１００Ｈｚの間であってよく、２５Ｈｚから４５Ｈｚ及び４０Ｈｚから６０Ｈｚの間の範囲が典型的である。溶融圧力は、再び材質、材料厚さ、部品用途及び類似する変数に応じて、約１４，０００ｐｓｉであってよい。溶接角度は多くの場合９０度となるが、他の相対角度は、本発明の装置及び方法で達成されてよい。
【００４７】
二軸溶融線形摩擦溶接装置及び方法が前述されるが、本発明の多様な詳細は本発明の範囲から逸脱することなく変更されてよい。さらに、本発明の好適実施形態の前記説明及び本発明を実施するための最良の形態は、制限のためではなく、図解の目的だけに提供される。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】二軸溶融機能を含む線形摩擦溶接装置の斜視図である。
【図２】本発明の実施形態による順次二軸線形摩擦溶接工程段階を示す概略図である。
【図３】二軸溶融用の線形摩擦溶接ヘッドの底部斜視図である。
【図４】図３の線形摩擦溶接ヘッドの上部斜視図である。
【図５】溶接ガントリ及び溶接ヘッドを通して取られる図１の断面図である。
【図６Ａ】本発明の実施形態による３段階の線形摩擦溶接工程の内の第１段階を示す流れ図である。
【図６Ｂ】本発明の実施形態による３段階の線形摩擦溶接工程の内の第２段階を示す流れ図である。
【図６Ｃ】本発明の実施形態による３段階の線形摩擦溶接工程の内の第３段階を示す流れ図である。
【図７−１】動作中の線形摩擦溶接装置の動作をＡ〜Ｄの４段階に分けて簡略化した斜視図である。
【図７−２】動作中の線形摩擦溶接装置の動作をＥ〜Ｈの４段階に分けて簡略化した斜視図である。
【図８】従来の技術の線形摩擦溶接工程段階を示す概略図である。
【図９】従来の技術の単一軸線形摩擦溶接工程段階を示す概略図である。
【符号の説明】
【００４９】
１００  線形摩擦溶接装置
１０２  部品
１０４  溶接テーブル
１０６  部品テーブル
１０８  ガントリスライド
１１０  ガントリサポート
１１２  大径摺動柱
１１４  Ｚ位置二重ロック
１１６  溶接ヘッドキャリッジ
１１８  溶接ヘッド
１２０  ばり除去システム
１２２  機械基部
１２４  専用制御卓
２００  プレート
２０２  基部プレート
２０４  第１の水平基部プレート溶接
２０６  第２の垂直基部プレート溶接
２０８  振動軸
２１０  第１の溶融負荷
２１２  第２の溶融負荷
２１４  プレート
２１６  第１の水平基部プレート溶接
２１８  第２の垂直基部プレート溶接
２２０  振動軸
２２２  第１の溶融負荷
２２４  第２の溶融負荷
３００  線形摩擦溶接ヘッド
３０２  振動ブロック
３０４  Ｙ軸振動アクチュエータ
３０６  Ｚ軸溶融アクチュエータ
３０８  Ｘ軸溶融アクチュエータ
３１０  Ｘ軸対抗負荷アクチュエータ
３１２  Ｚ軸対抗負荷浮動シリンダ
３１４  固定工具
３１６  部品
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図７−１】
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【図７−２】
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【図８】
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【図９】
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