(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
摩擦攪拌接合処理における溶接ピンチップに掛かる機械力を測定するための装置であって：
ｆ）円錐状の工具レセプタクル（１４）及び溶接シュー（１１）によって、溶接ピン（１２）のピン軸（１３）を保持する釣り鐘状の工具（９）の長手側辺上に設けられた細長い片状のセンサ（３）であって、このセンサ（３）は力、圧力又は軌道を検出するように構成されており、溶接工程のフローの方向とは反対側の前記釣り鐘状の工具（９）に取り付けられたもの；
ｇ）前記溶接ピン（１２）の軸方向の力、トルク及び曲げモーメントを検出するためのセンサ（１８）を受け入れるように用いられる、前記円錐状の工具レセプタクル（１４）の幅の広い領域に設けられた第１くびれ部（２０）；
ｈ）１２０度間隔になるように円周上に分配された少なくとも３つのセンサ（２４）と、前記ピン軸（１３）の長手軸方向の力を測定するための圧電式の力測定センサ（２５）を有し、前記円錐状の工具レセプタクル（１４）の先端領域に設けられた第２くびれ部：
ｉ）検出され測定された全ての値を受信し、増幅し、送信するための回転アンテナ（１９）と、これらの測定された値を機械制御部に送信する固定アンテナ（１７）を有するセンサ信号増幅器；
ｊ）可動二次コイル（２２）と固定一次コイル（２３）を備え、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
を備えたことを特徴とする装置。
【請求項２】
測定結果の評価値が、ピン調節部材（１５）の長手方向の寸法を制御するために用いられることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
溶接工程中又は溶接工程後に、外気又は洗浄液がコネクタ（２１）から供給さ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】
摩擦攪拌接合処理における溶接ピンチップに掛かる機械力を測定するための方法であって：
ｄ）摩擦攪拌接合を行う工具の各部に作用する機械力の関係が、この工具の可動部及び静止部に設置されたセンサによって検出され；
ｅ）検出された測定値の送信が回転アンテナ（１９）及び固定アンテナ（１７）によって行われ、測定値は増幅され、評価部に送られ、電力が可動二次コイル（２２）及び固定一次コイル（２３）による誘導方式によって供給され；
ｆ）検出された測定値は評価され、各溶接工程を制御するために用いられる
ことを特徴とする方法。
【請求項５】
測定結果の評価値が、溶接ピンチップ（１２）を調節するためのピン調節部材（１５）の長手方向の寸法を制御するために用いられることを特徴とする請求項４に記載の方法。
【請求項６】
溶接工程中又は溶接工程後に、外気又は洗浄液がコネクタ（２１）から供給されることを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、摩擦攪拌接合処理中の溶接ピンチップにかかる機械力を検出するための方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
摩擦攪拌接合は１９９０年代前半に開発された。近年の摩擦攪拌接合は、とりわけ、様々な産業部門においてアルミニウム合金の溶接のために採用され、大成功を収めている。ここで、応用範囲は小さな個体から大容量のものまで広がっている。人目につきやすい溶接線の質はさておき、高いレベルの再現性と、準備作業及び後処理のための労力を少なくすることが経済的成功をもたらす。この方法は、機械でモニタリングすることによって、容易に自動化でき、品質管理を可能にすることができる。
【０００３】
摩擦攪拌接合の場合、並進運動的に移動すると同時に、圧力によって衝突される回転工具による摩擦熱が、接合される複数の材料の接合領域に発生される。この工具は、接合領域に沿って移動し、互いに隣接した接合される材料の継ぎ目の内側において可塑化された材料を攪拌する。加えられた圧力は、可塑化された材料を一体化させるように押しつける。この工具は、この継ぎ目の端部において、接合された領域から引き抜かれ、溶接線には直ちに応力を加えることができる。
【０００４】
先行技術に関するものとして、以下の公開公報について説明する。DE 20 2012 103 219 U1から公知の加圧溶接装置は、プロセスベースの溶接技術、特に摩擦攪拌接合技術を実証することを目的としており、従来技術に比べて改良されている。この目的を達成するために、複数の加工対象物の間で溶接接合を行うための可塑化装置及び加圧装置を有するプロセスベースの溶接装置から発展したものであり、このプロセスベースの溶接装置は、回転軸の周りに回転可能であり、第１の加工対象物用の回転装置を有するクランプ装置と、特に第２の加工対象物用の回転装置を有する他のクランプ装置と、これら２つのクランプ装置を相互に１つにまとめるための補助装置を有している。この加圧溶接装置は、加工対象物の溶接領域の先端部における表面特性及び／又は実際の走行及び／又は軸方向の逃げを非接触で測定するための測定装置をさらに備えている。
【０００５】
本出願人によるDE 10 2012 010 836 B3から公知の摩擦攪拌接合における溶接線の質を改良するための方法及び装置は、おおよそ２時間ないし１５時間摩擦攪拌接合工具の寿命を延ばすこと、及び、後処理を全く必要としないように、接合線の品質を向上させるという目的に基づいている。このことは、以下の特徴によって達成される：
ａ）摩擦溶接チップ（９）を受け入れるための駆動ヘッド（２）及びスピンドルベアリング（４）を有するレセプタクル板（１）であって、スピンドルベアリング（４）中に塗布された不要な材料を排出するように作用する螺旋状に加工された搬送ねじ（６）が、外部に向かって斜めに案内された開口（８）に通じており；
ｂ）垂直方向に関してスピンドルベアリング（４）の長手方向の軸が２．８乃至３．２度の角度だけ傾斜しており；
ｃ）回転するスピンドルの摺動面は、平面の摺動面（１０）と、特に、湾曲した継ぎ目を溶接するために、いずれの場合にも、２つの対向する側面に隣接し、前記摺動面（１０）に向かって鋭角に傾斜した本質的にアーチ型に湾曲した１つの摺動面（１１）からなり；
ｄ）摩擦溶接チップ（９）は、被覆領域が中央で立ち上がるように先端が切り取られた円錐状を有しており、先端が切り取られた円錐の表面領域は、６つの台形領域片で形成され、そのうちの３つの領域片は、外周が一様に分布するように、且つ、円周の１／６以上の割合を占めるように、１２０度の角度で互いに反対向くように位置している。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
摩擦攪拌接合において生じる軸方向の接触圧及びトルクを正確に制御するためには、溶接処理における処理パラメータを知ることが重要である。例えば、スピンドルや工具の死重の複雑な補償を実行しなければならないような三次元的な応用などにおいて、溶接される部材が溶接作業の近くで接合されなければならない場合に、とりわけ、力やトルクなどを測定するときに、処理パラメータを知ることは困難である。さらに、実際の位置から遠く離れた重力センサによってデータの測定が行われるので、てこの原理及び大きな隙間によって、測定データには誤差が含まれがちである。それゆえ、本発明は、三次元的な応用においても、工具の軸方向の力の増加、トルクの増加、溶接ピンチップの温度などの目立つ処理パラメータが正確に測定されるように、摩擦攪拌接合における溶接工程を最適化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】
【０００７】
この目的は、請求項１に記載された装置によって達成され、その装置は摩擦攪拌接合処理における溶接ピンチップに掛かる機械力を測定するための検出するための装置であって、以下の特徴を有する：
ａ）円錐状の工具レセプタクル（１４）及び溶接シュー（１１）によって、溶接ピン（１２）のピン軸（１３）を保持する釣り鐘状の工具（９）の長手側辺上に設けられた細長い片状のセンサ（３）であって、このセンサ（３）は力、圧力又は軌道を検出するように構成されており、溶接工程のフローの方向とは反対側の前記釣り鐘状の工具（９）に取り付けられたもの；
ｂ）前記溶接ピン（１２）の軸方向の力、トルク及び曲げモーメントを検出するためのセンサ（１８）を受け入れるように用いられる、前記円錐状の工具レセプタクル（１４）の比較的幅の広い領域に設けられた第１くびれ部（２０）；
ｃ）１２０度間隔になるように円周上に分配された少なくとも３つのセンサ（２４）と、前記ピン軸（１３）の長手軸方向の力を測定するための圧電センサ（２５）を有し、前記円錐状の工具レセプタクル（１４）の先端領域に設けられた第２くびれ部：
ｄ）検出され測定された全ての値を受信し、増幅し、送信するための回転アンテナ（１９）と、これらの測定された値を機械制御部に送信する固定アンテナ（１７）を有するセンサ信号増幅器；
ｅ）可動二次コイル（２２）と固定一次コイル（２３）を備え、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。
【０００８】
測定結果の評価値が、ピン調節部材（１５）の長手方向の寸法を制御するために用いられるようにしてもよい。また、溶接工程中又は溶接工程後に、外気又は洗浄液がコネクタ（２１）から供給されるようにしてもよい。
【０００９】
摩擦攪拌接合処理における溶接ピンチップに掛かる機械力を測定するための検出するための方法は、以下の特徴を有する：
ａ）摩擦攪拌接合を行う工具の各部に作用する機械力の関係が、この工具の可動部及び静止部に設置されたセンサによって検出され；
ｂ）検出された測定値の送信が回転アンテナ（１９）及び固定アンテナ（１７）によって行われ、測定値は増幅され、評価部に送られ、電力が可動二次コイル（２２）及び固定一次コイル（２３）による誘導方式によって供給され；
ｃ）検出された測定値は評価され、各溶接工程を制御するために用いられる。
【００１０】
測定結果の評価値が、溶接ピンチップ（１２）を調節するためのピン調節部材（１５）の長手方向の寸法を制御するために用いられるようにしてもよい。また、溶接工程中又は溶接工程後に、外気又は洗浄液がコネクタ（２１）から供給されるようにしてもよい。
【００１１】
プログラムコードを有するコンピュータプログラムは、このプログラムがコンピュータで実行されたときに、上記方法の各ステップを実行する。また、機械で読み取り可能な媒体は、上記プログラムがコンピュータで実行されたときに、上記方法を実施できるようにコンピュータプログラムのプログラムコードを有している。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】摩擦攪拌接合のための装置を側面から見た図。
【図２】測定値の検出部の構成を示す図。
【図３】測定値の検出部の詳細な構成を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下に、本発明について図面を参照しつつ詳細に説明する。図１は、側面から見た摩擦攪拌接合のための装置を示す。符号１は、接合される部材として、溶接される２つの金属表面を示す。この目的のために、フランジ６によって、摩擦攪拌接合処理を制御するロボットアームに取り付けられたギアボックス４を有する摩擦攪拌接合ヘッドが使用される。ギアボックスの代わりにダイレクトモータを用いてもよい。ここでは、このようなロボットアームの図示を省略している。ここでは２つ描かれているが、軌道読み取り装置５が、ロボットアームが摩擦攪拌接合ヘッドを押しつけている圧力を測定するために用いられる。ここで、軌道読み取り装置は力、圧力すなわち軌道を測定するためのセンサであってもよい。釣り鐘型の工具のフランジ８をギアボックス又はダイレクトモータ４に取り付けるための取り付け板７は、ギアボックス又はダイレクトモータ４の下側に位置している。その一端に結合ナット１０を介して溶接シュー１１が取り付けられた釣り鐘状の工具９が、同様にフランジ８によって取り付けられている。そして、溶接ピンチップ１２は、溶接シュー１１によって接合される部材１に接触させられている。
【００１４】
外気又は洗浄液が、コネクタ２１によって釣り鐘状の工具９の領域に搬送されるように構成してもよい。この点に関しては、図２を参照しつつ、より詳細に説明する。釣り鐘状の工具９の外側の面に貼り付けられたストレインゲージ形式のセンサ３は、摩擦攪拌接合作業中に、釣り鐘状の工具９に作用する力を検出するために用いられる。ここで、ストレインゲージは例示であって、センサ３は力、圧力又は軌道を測定できるものであればよい。釣り鐘状の工具９の外側の面に貼り付けられたストレインゲージは、釣り鐘状の工具９の最も大きな変形がそこに現れることが予期されるので、溶接処理の進行方向とは反対側の釣り鐘状の工具９の表面に貼り付けられている。アンテナと同時に関連付けられた増幅器２は、センサ３によって測定された測定信号を増幅するために用いられる。
【００１５】
図２は、測定値検出部の構成を示す。ここでは、図１に示した釣り鐘状の工具９に結合された釣り鐘状の工具のフランジ８の断面を示している。二重線で描かれたセンサ３は、釣り鐘状の工具のフランジ８と釣り鐘状の工具９を接合したものの左側の外周部において、釣り鐘状の工具９の上に確認することができる。アンテナに接続された、センサ３の測定信号の増幅器２は、センサ３の下側に描かれている。このシステムへの電力供給は、釣り鐘状の工具９の内部構造物と共に回転する装置によって誘導方式によって実行され、その詳細は後述する。
【００１６】
円錐状の工具レセプタクル１４は、突き出た溶接ピンチップ１２を有するピン軸１３をその長手軸方向にガイドし、釣り鐘状の工具９の内部構造物の中央に位置するように取り付けられており、溶接ピンチップ１２は、溶接シュー１１を介して、結合ナット１０により釣り鐘状の工具９に結合されている。ピン軸１３は、ピン調節部材１５を介してカウンターベアリング１６に結合されている。ピン調節部材１５として、電気的に作動される圧電調節部材（詳細には図示せず）を用いてもよい。
【００１７】
図３は、測定値検出部の詳細を示す。この図において、円錐状の工具レセプタクル１４を有する釣り鐘状の工具９は、模式化された断面として描かれている。先に説明したセンサ３及びアンテナを有する増幅器２は、釣り鐘状の工具９の下側に断面として示されている。
【００１８】
センサ１８を受け入れるために用いられるくびれ部２０は、ピン軸１３を有する円錐状の工具レセプタクル１４の他の部分と比較して幅の広い領域に設けられている。このくびれ部は、わざと強調して描いているけれども、省略してもよい。くびれ部２０による機械的な断面構造及びここで使用されるセンサ１８の配置は、円錐状の工具レセプタクル１４に掛かる軸方向の力及びトルク及びそこに生じる曲げモーメントの測定を可能にする。センサ１８によって検出された測定値の信号の送信は、円錐状の工具レセプタクル１４と一緒に回転する信号増幅器１９及び回転アンテナによって行われる。センサ１８によって検出された測定値の受信及び送信は、固定アンテナ１７によって行われる。
【００１９】
詳細には描かれていないが、ストレインゲージ２４のためのスペースを提供し、ピン軸１３及びそれを介して測定されるべき溶接ピンチップ５に直接作用する軸方向の力の測定を可能にする別のくびれ部が、円錐状の工具レセプタクル１４の先端領域に設けられている。ストレインゲージ２４は、例えば３つの細長い片で構成されており、円錐状の工具レセプタクル１４の円周上に１２０度間隔に分配されるように、図示されたくびれ部に貼り付けられている。ここでは、円周上に分配されるように、３つ以上の細長い片が貼り付けられている。また、オプションとして、軸方向の力を測定するために用いられる圧電式の力測定センサ２５を、ピン軸１３の長手軸方向に追加的に設けてもよい。作動中、特に制度が要求される処理中、センサ２４及び２５の測定値は、測定誤差を排除するように、同時に、且つ、相互に関連するように検出される。センサ２４及び２５によって検出された測定値の受信及び送信は、同様に、固定アンテナ１７によって行われる。
【００２０】
符号２３によって示された固定された一次コイル２３及び符号２２で示された可動二次コイルによる誘導電力供給システムは、上記測定システムに電力を供給するために使用される。また、上記動作シーケンスの複雑な制御は、特別な制御プログラムを必要とする。
【符号の説明】
【００２１】
１  結合される部材
２  釣り鐘型の工具の測定信号の増幅器及びアンテナ
３  釣り鐘型の工具９のセンサ（ストレインゲージ）
４  摩擦攪拌接合ヘッド用のギアボックス又はダイレクトモータ
５  摩擦攪拌接合ヘッド用の軌道読み取り装置
６  ロボットアームに結合するためのフランジ
７  釣り鐘状の工具のフランジ用の取り付け板
８  釣り鐘状の工具のフランジ
９  釣り鐘状の工具
１０  結合ナット
１１  溶接シュー
１２  溶接ピンチップ
１３  ピン軸
１４  円錐状の工具レセプタクル
１５  ピン調節部材
１６  ピン用のカウンターベアリング
１７  固定アンテナ
１８  円錐状の工具レセプタクル用のセンサ（例えばストレインゲージ）
１９  センサの信号増幅器及び回転アンテナ
２０  センサを受け入れるためのくびれ部（弾性点）
２１外気及び／又は洗浄液用のコネクタ
２２  誘導式電力供給装置の二次コイル
２３  誘導式電力供給装置の一次コイル
２４  軸方向の力を測定するためのセンサ
２５  圧電式の力測定センサ
【図１】
0006321820.tif 000002
【図２】
0006321820.tif 000003
【図３】
0006321820.tif 000004