(57)【要約】  本発明は、表面提示角度（Ａ）の効果を評価するための装置（１０）及び方法に関する。装置は、シシケバブ構造体において、サポートプレート（１８）によって端部プレート（２２）同士の間で分離された複数の試料（１２）を支持している。溝（３４）は、衝突軸線（３２）に対して異なる角度で試料それぞれの縁部を受容するために、サポートプレートそれぞれの表面それぞれに形成されている。クランプ機構（２０）は、端部プレート、サポートプレート、及び試料を共に一定の向きで、さらには、工程のエンドエフェクタ（３０）から同一の距離で保持する。試料の衝突面は、工程に対して露出しており、異なる表面提示角度の効果が試料から決定される。表面提示角度の効果を相殺するための処理変数が特定され、制御される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面提示角度の効果を評価するための装置において、
互いに対して反対側に配置されている端部プレート、及び、前記端部プレート同士の間に配置されているサポートプレートと、
第１の試料の縁部を衝突軸線に対して第１の角度で受容するために、前記サポートプレートの第１の面に形成されている第１の溝と、
第２の試料の縁部を前記衝突軸線に対して前記第１の角度とは異なる第２の角度で受容するために、前記第１の面の反対側に配置されている前記第２のサポートプレートの第２の面に形成されている第２の溝と、
前記第１の試料の表面提示角度が前記第２の試料の表面提示角度と異なるように、前記第１の試料及び前記第２の試料それぞれを前記衝突軸線に対して異なる角度で保持するために、工程の際に前記端部プレート同士の間に配置されている前記サポートプレート並びに前記第１の試料及び前記第２の試料と共に前記端部プレートを付勢するためのクランプ機構と、
を備えていることを特徴とする装置。
【請求項２】
前記装置と前記衝突軸線との間における相対運動が、前記第１の試料及び前記第２の試料それぞれに沿った衝突線を形成しており、
前記衝突線を前記衝突軸線の上の同一の点に維持するために、前記衝突軸線に対して垂直な方向において側面から前記装置を見た場合に、前記第１の試料及び前記第２の試料それぞれに沿った前記衝突線が、前記衝突軸線の上の前記同一の点で交わるように、前記第１の溝及び前記第２の溝が形成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】
前記クランプ機構が、前記端部プレートの開口部を貫通しているネジ付ロッドと、前記ネジ付ロッドに螺合されると共に前記端部プレートの両方を付勢するために前記ネジ付ロッドを緊張状態にする少なくとも１つのナットとを備えていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記サポートプレートに形成されている穴、及び、前記サポートプレートの前記穴を貫通している前記ネジ付ロッドと、
前記前記第１の試料及び前記第２の試料それぞれの反対側の縁部を受容するために、前記端部プレートそれぞれの面に形成されている溝と、
を備えていることを特徴とする請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記サポートプレートの互いに対して反対側に配置されている表面それぞれにおいて前記ネジ付ロッドに螺合されるナットであって、前記端部プレート同士の間において前記サポートプレートを前記ネジ付ロッド及び前記端部プレートに対して固定している前記ナットを備えていることを特徴とする請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記サポートプレートが、セラミック材料から作ら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７】
工程の際に前記第１の試料を前記第２の試料の温度とは異なる温度で維持するための温度制御システムを備えていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記クランプ機構が、前記端部プレート及び前記サポートプレートに形成された前記穴それぞれを貫通しているネジ付ロッドと、前記端部プレート及び前記サポートプレートを互いに対して且つ前記ネジ付ロッドに対して固定するために、前記端部プレート及び前記サポートプレートそれぞれの表面それぞれにおいて前記ネジ付ロッドに螺合されているナットとを備えていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項９】
表面提示角度の効果を評価するための装置において、
衝突面を備えている複数の試料と、
衝突軸線に対して異なる角度で衝突面を呈している相対的に一定の向きで複数の前記試料を支持している固定具と、
を備えていることを特徴とする装置。
【請求項１０】
前記固定具が、
前記試料から成る隣り合う組それぞれを分離するサポートプレートと、
相対的に一定の位置で前記試料及び前記サポートプレートを共に圧縮しているクランプ機構と、
を備えていることを特徴とする請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記装置が、
端に位置する前記試料それぞれに対向して配置されている前記装置の端部それぞれに位置する端部プレートと、
前記端部プレートそれぞれの表面に、且つ、前記試料それぞれの縁部それぞれを受容するための前記サポートプレートそれぞれの反対側の表面に形成されている溝であって、前記衝突軸線に対して異なる角度で前記衝突面それぞれを呈するために、効果的に前記衝突軸線に対して所定の角度で形成されている前記溝と、
を備えていることを特徴とする請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
前記装置が、前記サポートプレートの反対側に位置する表面に形成されている溝を備えており、
前記溝それぞれが、前記衝突軸線に対して異なる角度のうち一の角度で形成されており、これにより、前記試料の縁部が、前記溝それぞれの内部に配置された場合に、前記衝突面が、前記衝突軸線に対して異なる角度で呈していることを特徴とする請求項１０に記載の装置。
【請求項１３】
前記装置が前記衝突軸線に対して垂直な軸線に沿って移動された場合に、すべての前記衝突面が同一の点において前記衝突軸線と交差するように、前記溝が形成されていることを特徴とする請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
前記クランプ機構が、
前記サポートプレートそれぞれに形成されている穴と、
前記穴を貫通しているロッドと、
前記端部プレート同士の間において前記サポートプレートそれぞれを前記ロッドに対して固定するために、前記サポートプレートそれぞれの反対側の表面それぞれにおいて前記ロッドに螺合されるナットと、
を備えていることを特徴とする請求項９に記載の装置。
【請求項１５】
前記試料から成る組が前記サポートプレートによって分離されていると共にロッドに沿って隣接して配置されている、シシケバブ構造体を備えていることを特徴とする請求項９に記載の装置。
【請求項１６】
表面提示角度の効果を評価するための方法において、
衝突軸線に対して異なる角度で衝突面それぞれを呈している相対的に一定の向きで前記試料を支持するための固定具の内部に複数の試料を固定するステップと、
工程に引き続いて衝突面それぞれを露呈させるために、前記固定具及び前記試料を越えてエンドエフェクタを移動させるステップと、
異なる前記表面提示角度の効果を決定するために、前記試料を評価するステップと、
を備えていることを特徴とする方法。
【請求項１７】
前記表面提示角度の効果を相殺するために、前記衝突面それぞれの前記表面提示角度に対応して、処理変数を制御するステップを備えていることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２０１２年５月１１日出願の米国仮出願第６１／６４５８２４号明細書に基づく優先権を主張するものである。当該米国仮出願は、参照により本出願に組み込まれている。
【０００２】
本発明は、一般に計測学の分野に関連する。
【背景技術】
【０００３】
例えばレーザービームや電子ビームのようなエネルギービームは、例えば溶接、表面硬化、オーバーレイ被膜のような特定の製造工程及び修理工程のための、ガスタービンのエンジンの構成部品を修理する際に利用される熱源として利用されることが知られている。エネルギービームの入射角度が、処理の質に影響を及ぼす重要な変数である。アメリカ機械学会（ＡＳＭＥ）のボイラー及び圧力容器基準セクションＩＸは、ビームの軸線と作用されるワークピースの表面とが成す相対的な角度（入射角度）において、±１０°より大きい角度変化を確認している。
当該相対的な角度は、このような処理についての本質的な変数とされる。当該表面が傾斜していることによって、集中していると共に最大出力密度を有しているビームが、円状ではなく楕円状の広範な表面に拡散される。さらに、重力の影響が、処理される表面が水平から傾斜するに従って変化し、このような変化は、溶融池や溶接粉体を利用する工程に対して逆効果となる。比較的ではあるが、材料付加工程及び／又は熱添加工程についての当該効果を定量化することは、ほとんどの文献において公開されていない。
【０００４】
本発明について、図面を参照しつつ以下に説明する。
【図面の簡単な説明】
【０００５】
【図１】表面提示角度の効果を評価するための装置についての一の実施例の平面図である。
【図２】工程中に相対的に位置決めされている図１に表わす装置のサポートプレート及びエネルギー源の側面図である。
【図３】図１に表わす装置の側面図であり、試料のための温度制御システムを概略的に表わす。
【図４】表面提示角度の効果を評価するための装置についての他の実施例の平面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００６】
本明細書における“表面提示角度”との用語は、基準方向に対する処理すべき表面の方向を示すものであり、例えば水平に対するエネルギービームの入射角度の相対的な角度である。
【０００７】
本発明は、材料付加工程及び／又は熱添加工程についての表面提示角度の効果を評価するのに有用である。熱添加工程としては、例えばレーザー溶接、電子ビーム溶接、レーザー表面硬化オーバーレイ、レーザー耐腐食オーバーレイ等が挙げられる。本発明は、処理装置を一回利用すれば処理された試験試料が完全に完成するように、様々な相違する既知の安定した表面提示角度で数々の試料を固定する装置を提供する。処理が異なる傾斜面で進行した場合に処理変数を一定に保持することによって、表面提示角度の効果が明示される。代替的には、異なる傾斜面それぞれについて処理変数を変化させることによって、所定の範囲の表面提示角度に亘って一貫した結果を得るために、処理には条件が付与される。
【０００８】
図１は、表面提示角度の効果を評価するための装置１０の一の実施例を表わす。図１は、２つの試料のみを利用している本発明の単純化された実施例を表わす。当該単純化された実施例は、図示及び説明のために有用であり、当業者であれば、より広範な角度範囲に亘って表面提示角度の効果を評価するには３つ以上の試料が望ましいことが理解される。装置１０は、２つの試料１２，１２′と、衝突面１６，１６′それぞれを提示する相対的に一定の向きにおいて様々な角度で試料１２，１２′を支持する固定具１４とを表わす。固定具１４は、試料１２，１２′の間に配置されているサポートプレート１８を含んでいる。また、固定具は、２つの端部プレート２２，２２′を共に圧縮することによってサポートプレート１８及び試料１２，１２′を共に相対的に一定の位置で保持するためのクランプ機構２０を含んでいる。当該実施例では、クランプ機構２０は、端部プレート２２，２２′を互いに向かって付勢するためにロッド２４の端部にネジ部を具備するナット２６によって緊張状態で保持されている２つのネジ付ロッド２４を含んでいる。ロッド２４は、端部プレート２２，２２′の貫通穴２８を貫通している。他の実施例では、試料がさらに大きく、ロッド２４の経路に適合するための穴も含んでいる。
【０００９】
当業者であれば、装置を共に付勢するために他の形態をしたクランプ機構を、例えばＣ形クランプ、固定ヘッドを具備したボルト、部分的に又は間欠的にネジ部を具備するロッド、バネ付勢装置、ナットが一端の一か所に溶接されたロッド等を利用することも想到することができる。
【００１０】
図２は、試料が適切な角度で保持されている様子を表わす、サポートプレート１８の側面図である。図２は、装置１０が材料付加工程及び／又は熱添加工程の際に利用される場合に存在するであろうエネルギー源３０と、熱源３０からのエネルギービームの衝突軸線３２とを表わす。サポートプレート１８は、２つの反対側に位置する側面３６，３６′それぞれに形成されている溝３４，３４′であって、試料１２，１２′それぞれを受容するための溝３４，３４′を含んでいる。図２に表わす実施例では、（視認できない側面３６に形成されているので、想像線で描かれている）溝３４は、略水平であると共に衝突軸線３２に対して垂直とされる、長手方向向きを有しているように形成されている。溝３４′は、衝突面１６′が衝突軸線３２に対して入射角Ａ°で傾斜しているように水平線に対して傾斜している、長手方向向きを有しているように形成されている。試料１２，１２′それぞれの縁部は、所望の表面提示角度（すなわち図示の実施例では、試料１２については９０°、試料１２′についてはＡ°）を有するように試料１２，１２′を位置決めするために、溝３４，３４′内に係止されている。図１に表わす端部プレート２２，２２′が、試料１２，１２′の反対側の縁部を受容するための対応する溝を有していることに留意すべきである。様々な実施例において、このような溝は、所望の程度の位置決め精度と試料１２，１２′についてのサポートとを得るために、必要に応じて、端部プレートのみに、サポートプレートのみに、端部プレート及びサポートプレートの両方に設けられている。他の実施例は、例えば１５°、３０°、４５°、６０°、７５°や９０°のような所定の角度で試料衝突面を提示するように形成されている溝を具備する、３つ以上の試料を有している場合がある。
【００１１】
図２は、エネルギー源３０から衝突軸線３２に沿って所定距離で離隔している点３８を表わす。エネルギー源３０が工程の最中に装置１０に対して相対的に移動する場合に、試料１２，１２′の衝突面１６，１６′それぞれが、装置１０によって、エネルギー源３０から衝突軸線３２に沿って当該所定距離で離隔している地点において保持されるように、溝３４，３４′は共に形成されている。エネルギー源３０が装置１０に対して相対的に移動された場合には、図１に表わすように、エネルギービームと試料１２，１２′との間には交差線が確立される。交差線４０は、衝突軸線３２に対して垂直な方向から見ている図２の側面図において点３８として表わされている。エネルギー源３０と交差線４０との間における試料１２，１２′に沿った所定距離を維持することによって、衝突面１６，１６′におけるエネルギー束の変化が、表面提示角度９０°に対する表面提示角度Ａ°の効果に対してのみに抽出される（isolated）。交差線４０が、衝突面１６，１６′それぞれがエネルギー源３０から等距離で配置されているように一の試料１２から次の試料１２′に移動する場合における回転軸線であると考えられるように、溝３４，３４′は形成されている。
【００１２】
当業者であれば理解することができるが、装置１０とエネルギー源３０（又は他の処理装置）との間における相対運動は、装置１０及びエネルギー源３０のうち少なくとも１つを移動させることによって実現される。装置１０が、試料を当該試料の相対的な向きで固定しており、サポートプレート１８が試料１２，１２′の間に配設されていることによって、試料１２，１２′をある程度物理的に分離されている。エネルギー源３０が装置１０を相対的に横断するに従って、試料１２，１２′それぞれを連続的に処理するためである。装置１０は、鋼、アルミニウム、又は他の適切な金属から形成されており、一の実施例では、サポートプレート１８は、試料１２，１２′の間においてさらに断熱するために、セラミック材料を含んでいる。このことは、処理する際に異なる温度で２つの試料１２，１２′を維持することが望ましい場合に、又は、試料１２，１２′のうち一方の試料を処理することによって、その後に第２の試料の処理に影響を及ぼす（例えば予熱する）ことを確実にすることが重要である場合に有用である。図３は、装置１０と、加熱されていない空気を試料１２を通過するように方向付けるための、且つ、空気をヒータ４６及びその後に試料１２′を通過するように方向付けるための、ファン４４を含んでいる温度制御システム４２との側面図である。このような配置によって、表面提示角度の影響及び処理中の試料の温度の影響に関連するデータを容易に収集することができる。
例えば少なくとも１つの試料に利用される電気抵抗ヒータ、試料を通過する空気を冷却するために利用される冷却装置、誘導コイル、水を冷凍した氷塊（chill block）等のような他の温度制御システムも想到される。
【００１３】
図４は、図１に表わす２つの試料とは異なり、６つの試料５２が６つの異なる表面提示角度で固定されている、装置５０を表わす。図４に表わすサポートプレート５４及び端部プレート５６は、試料とこれらプレートとがロッドに沿って交互に配置されている“シシケバブ構造”として説明し得る構造を形成しているサポートプレート５４及び端部プレート５６それぞれをネジ付ロッド５８が貫通するように、同様の寸法を有している。当該実施例では、ナット６０それぞれが、ロッド５８及び隣接するプレートに対して定位置に保持するために当該プレートに抗して付勢されている状態において、ナット６０は、サポートプレート５４及び端部プレート５６それぞれの表面それぞれに設けられている。ナット６０をプレートそれぞれの表面それぞれに設けることによって、一般的な機械加工の許容誤差に起因する寸法の変動を抑制するために、固定精度をさらに高めることができる。
【００１４】
本発明の他の実施例は、処理面（衝突及び移動運動の軸線によって確立されている平面）の少なくとも１つの表面に、試料を含んでいる。さらに、角度は、処理面内において衝突軸線に向かって又は衝突軸線から離隔するように側面に対して傾斜している。
【００１５】
利用時には、装置１０，５０は、試料を支持するために組み立てられた後に、例えばレーザービームや粉体排出ノズルのような工程のエンドエフェクタの近傍において、作業テーブルに位置決めされる。その後に、工程が開始され、例えばレーザークラッディングのような工程が試料それぞれについて連続的に実施されるように、工程のエンドエフェクタが装置に沿って移動される。工程のエンドエフェクタが端部プレート及びサポートプレートを通過する際に、工程が一次的に中断する場合がある。試料に対して、工程が１回以上中断する場合がある。その後に、装置が分解され、試料が工程の結果を判断するために検査される。処理変数が一定に保持されている場合には、表面提示角度の効果が試料に示されていると言える。工程は、表面提示角度の効果を相殺するために変更可能とされる処理変数を決定するために評価される。エンドエフェクタが装置を横切る際に試料それぞれについて機能するように、このような変数が適切に制御されている状態において、一連の試料は工程を受ける。このような試料を検証する工程の結果が試料同士の類似性について所望の範囲内にある場合には、当該工程は、表面提示角度の検証された範囲内における利用に適している。このようにして、例えば工程と特性との関係（これに限定される訳ではない）について表面提示角度の効果を単独で又は他の試料と共に定量化するために、基礎的な調査が為される。
【００１６】
【表１】
2015525136.tif 000003
【００１７】
本明細書において、本発明の様々な実施例について説明したが、このような実施例が例示的なものにすぎないことは言うまでもない。多数の変化例、変形例、及び代替例が、本発明の技術的範囲から逸脱することなく想到可能である。従って、本発明は、特許請求の範囲に規定される技術的思想及び技術的班によってのみ限定されるものである。
【符号の説明】
【００１８】
１０    装置
１２    試料
１２′  試料
１４    固定具
１６    衝突面
１６′  衝突面
１８    サポートプレート
２０    クランプ機構
２２    端部プレート
２２′  端部プレート
２４    ネジ付ロッド
２６    ナット
２８    貫通穴
３０    エネルギー源
３２    衝突軸線
３４    溝
３４′  溝
３６    側面
３６′  側面
３８    点
４０    交差線
４２    温度制御システム
４４    ファン
４６    ヒータ
５０    装置
５２    試料
５４    サポートプレート
５６    端部プレート
５８    ネジ付ロッド
【図１】
2015525136.tif 000004
【図２】
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【図３】
2015525136.tif 000006
【図４】
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【国際調査報告】
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2015525136.tif 000009