JP2009541058A - 少なくとも１つの押圧要素が２つ以上の異なる圧力レベルを加えるのに適している締圧装置を使用して、薄い金属シートを溶加材料なしで突合せ溶接するための方法及び装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、移動可能な溶接ヘッドと、搬送台（１）と、互いに独立して動作する少なくとも２つの押圧要素（４、５）を有する締付け装置（３）とを含み、押圧要素（４、５）の少なくとも１つは２つ以上の異なる圧力レベルを加えるのに適している、薄い金属シートを溶加材料なしで突合せ直線溶接するための装置に関する。溶接されるための金属シートを、変形を受ける際に、他の金属シートに対して、互いに突合せる金属シート縁部の全面積接触が達成されるまで押圧するために、追加の水平押圧要素（１１）をさらに備える。本発明はさらに、このような装置を用いた溶接方法にも関する。

Description

本発明は、搬送台及び搬送台表面の上にこれに平行に配置された少なくとも１つの締付け装置を備え、搬送台の下に１つまたは複数の金属シートを配置できる、薄い金属シートを溶加材料なしで突合せ直線溶接するための装置を対象とする。この締付け装置は、この下に導入される金属シートに垂直方向に圧力を加えることができる。本発明による溶接装置は、１つまたは複数の移動可能な溶接ヘッドをさらに含み、締付け装置は、平行に配置されて溶接線に沿って離隔し互いに独立して移動可能な、互いに独立して動作する少なくとも２つの押圧要素を有し、押圧要素の少なくとも１つは２つ以上の圧力レベルを加えるのに適し、追加の水平押圧要素が少なくとも搬送台の側部に備えられ、複数の圧力レベルを加えるのに適した押圧要素があって、これによって、互いに突合わされる金属シートの縁部の完全な面接触が達成されるまで、溶接しようとする金属シートの少なくとも１つを、溶接線の方向に、また同時に変形を受ける他の金属シートに対して押圧することができる。溶接ヘッドは溶接線に沿って移動できるように配置されるが、パージガスダクトは搬送台の下に溶接線に対して平行に通っている。別の態様では、本発明は、溶接装置を使用する溶接法を対象とする。

溶加材料なしの溶接法が従来の技術で開示されており、この場合、隣接する半完成品を、縁部の念入りな準備をすることなく、隣接する縁部の融合とこの結果生じた合同体による手段によって互いに漏洩しないように連結する。溶加材料を使用せず、半完成品と同じ材料からなる材料も使用しないので、互いに隣接する表面がギャップレス接触を有することが重要である。空隙やギャップによって結果的に、融合した材料がこの領域において基部（ｒｏｏｔ）を全く形成せず、したがって流出して縁部の形成が起こらないことになる。通例の方法はレーザ溶接または電子ビーム溶接である。本明細書では、用語「溶接法」を以下、溶加材料を使用しない方法のみを参照するものと理解すべきである。

薄い金属シートの溶接はいくつかの問題点に結び付くので、複数の小さな金属シートの溶接によって大きな金属シートを組み立てることは通常避けられる。主な問題点は、周囲の材料によって十分急速に消散するには大き過ぎる熱量を導入することからなる。これは溶接継手に沿った局部的ゆがみ、または金属シート全体の変形さえもたらす。一枚部片の材料として適切なサイズで入手可能な原料金属シートがない場合には、原料金属シートを個別の部片から組み立てて、いわゆるテーラードブランクを形成しなければならない。これら個別の金属シートは通常、一種のせん断カットによって金属の連続シートから切り離される。押し抜きせん断等による切断法は、切断の長さに依存して、ＤＥ４２３５１１０Ｃ１に記載されているように、約０．２〜０．４ｍｍだけ水平方向にアーチ形となった切断縁部を生じさせる。この種の収縮はまた、圧延鋼帯の縦方向縁部にも観察されるものである。したがって概して、溶接の前に、非常に高い品質の溶接継手を作ろうとする場合には研磨法またはフライス削り法によって切断縁部を前処理することが必要である。

ＤＥ４２３５１１０Ｃ１では、縁部における必要な真直度を確証するのに適当な切断工具によって、原料金属シートの湾曲した切断部または外縁部を再処理することが提案されている。ＤＥ１９６２４７７６Ｃ１では、直線継手の場合に、必要な直線性が、精密せん断による金属シートの切断によって、または溶接しようとする両方の金属シート縁部をダブルカットせん断によって同時にトリミングすることによって達成されることを開示している。

ＤＥ３９０９６２０Ａ１は、機械的に切断された金属シート縁部の突合せ溶接のための装置と方法とを開示している。この場合、溶接しようとするプレートを互いに押圧して、存在するばりをギャップの中に入れて平らにすることによって在り得る残存ギャップを閉鎖することが提案されている。この場合、切断工程中に実際には発生を防止すべきばりが相当な量存在することが必要となる。そのうえに、ばりはサイズの点で比較的不確定であり、したがって、均一なギャップ閉鎖のためには限られた程度までのみ適している。

従来の技術において開示された方法は、ギャップレス継手閉鎖を可能にするために複雑な前処理ステップを必要とする。本発明の１つの態様は、従来の技術の制約を克服する溶接装置と溶接法とを提供することである。

ＤＥ４２３５１１０Ｃ１には、垂直方向に上下する溶接位置に互いに押しこまれる非直線帯縁部が波形になることが開示されている。しかし意外にも、溶接前に、原料金属シートに溶接縁部に沿って張力を加え、材料の非平坦性を平らにして溶接縁部平面における直線性を回復するように、２つの溶接縁部を互いに押圧した場合には、これらの垂直ゆがみを防止できることが観察された。

本発明の目的は、搬送台及び搬送台表面の上にこれに平行に配置された１つまたは複数の締付け装置を備え、搬送台の下に１つまたは複数の金属シートを配置できる、薄い金属シートを溶加材料なしで突合せ直線溶接するための装置からなる手段によって達成される。

締付け装置は、この下に導入される金属シートに垂直方向に圧力を加えることができる。溶接装置はさらに、１つまたは複数の移動可能な溶接ヘッドを含み、締付け装置は、
互いに独立して動作する少なくとも２つの押圧要素であって、平行かつ溶接線に沿って間隔をあけて配置されるとともに互いに独立に移動可能であり、押圧要素の少なくとも１つは２つ以上の異なる圧力レベルを加えるのに適した、押圧要素と、
少なくとも搬送台の側部の上にある追加の水平押圧要素であって、複数の異なる圧力レベルを加えるのに適した押圧要素を有し、この手段によって、溶接される金属シートの少なくとも１つを、変形を受ける際に、溶接線の方向に、また他の金属シートに対して押圧することができる、追加の水平押圧要素と、
溶接ヘッドを溶接線に沿って移動させるための手段と、
搬送台の下方を通り、溶接線に対して平行なパージガスダクトと
をさらに含む。

水平押圧要素によって加えようとする力は、２つの金属シートの対向して突合せる縁部が理想的には完全な面接触で互いに押し合うほど高い。突合せる縁部の非平坦性または表面の粗さの結果として存在する可能性のある空隙またはギャップは、この場合平らにされる。最大許容残留ギャップの幅は０．０５ｍｍである。

溶接装置の一実施形態では、溶接線に沿って直接通る締付け装置の２つの縁部は、搬送台の上方に台形の断面を有する溶接路を形成する。溶接路を形成する壁と締付け装置の隣接する下側は、特に高い熱伝導度と寸法安定性を有する材料で作られることが好ましい。このような材料はまたレーザビームの不意の入射に対して高い耐性を持たなければならない。別の実施形態では、溶接路及び／またはパージダクトの壁は冷却され、この目的のために、１つまたは複数の壁の中に液体または気体冷媒を循環させるためのダクトが備えられている。

溶接装置の別の実施形態では、溶接ヘッドはレールに沿って移動可能であるか、またはロボットアームによって誘導される。互いに押圧されて垂直に固定される２つの溶接縁部の直線性と平行度が不足しているので、こうして水平圧力の下で形成された溶接線は溶接路の中を中心に位置合わせされず、理想的な中心線から両側で偏向する。したがって溶接ヘッドは、溶接路に対して平行に及び横切って動かすことができるように取り付けられることが好ましい。一実施形態では、溶接ヘッドを制御ユニットに接続し、これによって溶接ヘッドは溶接線に沿った直線区分内を順次移動する。溶接ヘッドが制御及び調整装置に接続され、技術的装置からなる手段、例えば溶接線に焦点を合わせる光学的検出システムによって決定される偏差限界内の溶接線の経路をたどり、レーザヘッドの理想的位置はこのようなデータによって溶接動作中に制御可能であることが好ましい。

搬送台の上において金属シートをさらに容易に位置決めするために、溶接装置の一実施形態では、少なくとも１つの金属シートを水平面上で任意な所望の方向に容易に移動させることができるように、溶接装置は複数の運搬要素を備えている。運搬要素は個別のボールまたは圧縮空気出口の層をからなることが好ましく、これによって金属シートの非常に容易な運搬を可能にする圧力クッションを少なくとも１つの金属シートの下に確立することができる。

溶接装置のために用いようとする溶接ヘッドは、進行要素の上に位置し、少なくとも４．５ｍ／分、好ましくは９ｍ／分の溶接速度を可能にするレーザ溶接装置または電子ビーム溶接装置であることが好ましい。押圧要素は１つまたは複数の液圧または空気圧シリンダによって駆動されることが好ましい。

別の態様によれば、本発明は、上に開示された実施形態の１つによる装置を使用し、
第１の金属シートを搬送台の上に位置付け、溶接縁部が許容範囲内でパージダクトの上方で中央かつ平行に位置する、ステップａ）と、
第１の押圧要素によって搬送台の上に第１の金属シートを垂直に固定する、ステップｂ）と、
第２の金属シートを搬送台の上に位置付け、溶接縁部がパージダクトの上に置かれて、第１の金属シートの溶接縁部に対して突合せる、ステップｃ）と、
低圧の下で第２の押圧要素によって搬送台の上に第２の金属シートを垂直に事前固定する、ステップｄ）と、
少なくとも１つの水平押圧要素によって第１の金属シートに対して第２の金属シートを水平に押圧する、ステップｅ）と、
第２の押圧要素によって搬送台の上に第２の金属シートを垂直に固定する、ステップｆ）と、
パージダクトを保護ガスによって完全または部分的にパージングする、ステップｇ）と、
保護ガス雰囲気の下で溶接ヘッドの同時移動によってレーザ溶接する、ステップｈ）と、
締付け装置を開き、金属シートを抜き出す、ステップｉ）と、
ステップａ）に戻る、ステップｊ）と
を同時にまたは順次含む、薄い金属シートを溶加材料なしで直線突合せ溶接するための方法を対象とする。

ステップｅ）では、予め固定された第１の金属シートに対する第２の金属シートの水平押圧が実施され、加えられる圧縮力は、金属シートの縁部が変形してその結果、２つの隣接する金属シートの縁部が全面積にわたってギャップレス閉鎖を生じるほど高い。

意外にも、突合せる縁部の近くの区域に十分な水平圧縮力が加えられるので、融合段階における緩和はこの縁部に沿った応力を軽減するために十分であることが観察された。同様に、突合せ溶接継手に沿った水平材料圧縮は結果的に改善された継手形状寸法をもたらすことが観察された。溶加材料を使用しないあらゆる溶接法に付随する蒸発した材料の留分は、融合した継手の方向における金属シートの膨張によって再び部分的に補われた。

ある実施形態では、ステップａ）からステップｊ）は、指示された順序で順次実施され、異なる実施形態において、ステップａ）及びステップｃ）は反対の順序で、またはこれに続くステップｂ）及びステップｄ）と同時に実行されてもよい。同様に、第１の金属シートをステップｂ）において搬送台に予め固定してもよく、ステップｆ）において両方の金属シートを搬送台に固定してもよく、２つの金属シートの固定は同時に起こることが好ましい。

金属シートの垂直固定はこの場合、水平力と押圧要素及びベースの選択された粗さとに依存する。金属シートを垂直に予め固定するために選択されるべき押圧力もまた同様に、押圧要素とベースとの表面に依存する。突合せる縁部の方向における金属シートの水平移動の可能性が完全には避けられないことは本質的なことである。２つの溶接縁部の全面積接触を達成するために必要なステップｅ）における水平固定と力とは、突合せる縁部に沿った制御された材料変形及び材料圧縮に加えて、本質的に材料及び金属シートの厚さに依存し、溶接縁部の非直線度に依存する。

溶接テストでは、出力６ｋＷ、波長１０．６μｍ、溶接速度９ｍ／分のＣＯ_２レーザを使用した。使用された金属シート材料はニッケルシートとチタンシートであった。溶接しようとするチタンシートの縁部の長さは１３５８ｍｍであった。溶接路の幅は底部で３ｍｍであった。

溶接の試験では、溶接継手の横断方向の偏差を個々の測定点において決定し、ＣＯ_２レーザを、これが区分内で測定点から測定点へ溶接線に沿って動かされるように制御した。作られた試料はすべての技術仕様を満たし、溶接継手に沿ったいかなるうねりも検出できなかった。

図１及び図２は溶接装置の例示的実施形態を示す。図１は、装置の平面図である。搬送台１は、機械加工される金属シートなしで図示されている。一実施形態による複数の運搬要素２を個別のローラの形で示す。水平方向に動かされるのには適していない締付け装置３が、搬送台１の幅全体にわたって延びている。締付け装置３は、金属シートを垂直に位置付けて固定するための２つの平行な押圧要素４及び５を含む。

２つの押圧要素４及び５間の領域は溶接路６を形成する。締付け装置３は本質的に搬送台１を２つの部分に分割する。搬送台１の狭い部分の上には、溶接路５に平行な搬送台縁部に沿って、複数の水平押圧要素１１が配置され、これにより、この中に導入される金属シートを溶接路５の方向に、これに固定された図示せぬ別の金属シートに対して押圧することができる。水平押圧要素１１は空気圧シリンダ９によって駆動される。

図２は、押圧要素４及び５と溶接路６との詳細を示す垂直断面図である。押圧要素４及び５は、梁状のＬ形キャリア７を含み、この下方に水平固定シュー８が配置されている。このような固定シュー８は、Ｌ形キャリア７の水平脚の上側上に配置された複数の空気圧シリンダ９から成る手段によって上昇または下降する。

空気圧シリンダ９は、２つの固定シュー８を互いに独立して駆動する。固定シュー８は、最適熱放散及び寸法安定性のために金属合金で作られた溶接路６に沿って、ソール１０を備えている。固定シュー８とソール１０との向かい合う前縁部は、搬送台１の上方に台形の断面を示すように形成されている。この方式で形成された溶接路６では、流入する保護ガスがダクト底部の方向に圧縮され、過剰な保護ガスが常に維持されている。

溶接路６の底部に、これと平行に、搬送台１は、中に配置された細長い一片１２を有し、この細長い一片１２は、溶接の基部（ｒｏｏｔ）において保護ガス流のためのパージダクトとして作用する溝１３を備えている。動作中は、溶接されるための金属シートは、比較的低い体積流量の保護ガスのみが最適保護ガス雰囲気のために必要とされるように、パージダクト１３を閉じるようになっている。

本明細書の説明及び特許請求の範囲の全体にわたって、用語「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」及び「含んでいる（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」や「含んだ（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」等のこの用語の変形は、他の追加物、構成部分、完全体、またはステップを排除しようとするものではない。

資料の論述、作用、材料、装置及び記事等は、単に本発明の状況を提供する目的でのみ本明細書に含まれている。これらの事物のいずれかまたは全てが、本出願に係る各請求項の優先日の前に、従来の技術の基礎の一部を形成したか、または本発明に関連する分野に共通の一般知識であったとは示唆せず、または指摘しない。

例示的実施形態における溶接装置の平面図である。 押圧要素と溶接路との詳細を示す垂直断面図である。

Claims (22)

1. 薄い金属シートを溶加材料なしで突合せ直線溶接するための装置であって、搬送台及び前記搬送台表面の上にこれに平行に配置された少なくとも１つの締付け装置を備え、前記搬送台表面は１つまたは複数の金属シートを位置付けるのに適し、前記締付け装置はこの下に導入された金属シートに垂直方向に圧力をかけることができ、
   溶接線に沿って移動可能な少なくとも１つの溶接ヘッドと、
   互いに独立して動作する少なくとも２つの押圧要素であって、平行かつ前記溶接線に沿って間隔をあけて配置されるとともに互いに独立に移動可能であり、前記少なくとも２つの押圧要素の少なくとも１つは２つ以上の異なる圧力レベルを加えるのに適した、押圧要素と、
   複数の異なる圧力レベルを加えるのに適した前記少なくとも１つの押圧要素の前記搬送台の側部の上に少なくとも配置された追加の水平押圧要素であって、前記追加の水平押圧要素によって、溶接される前記金属シートの少なくとも１つを、変形を受ける際に、前記溶接線の方向に、また他の金属シートに対して押圧することができる、追加の水平押圧要素とを含む、装置。
2. 請求項１に記載の溶接装置であって、前記搬送台の下方を通り、前記溶接線に対して平行なパージガスダクトをさらに含む、溶接装置。
3. 請求項１または２に記載の溶接装置であって、前記少なくとも２つの押圧要素が前記金属シートを固定または事前固定するためのソールを備え、前記溶接線に沿って通る前記押圧要素の縁部と前記ソールとが、前記搬送台の上方に台形断面を有する溶接路を形成する、溶接装置。
4. 請求項３に記載の溶接装置であって、前記台形断面が搬送台に向かって垂直方向に狭くなっている、溶接装置。
5. 請求項３または４に記載の溶接装置であって、前記溶接路の壁と少なくとも１つの前記締付け装置の隣接する下側とが高い熱伝導度と寸法安定性とを有する材料で作られている、溶接装置。
6. 請求項２乃至５のいずれか一項に記載の溶接装置であって、前記パージガスダクトの壁が高い熱伝導度と寸法安定性とを有する材料で作られている、溶接装置。
7. 先行する請求項のいずれか一項に記載の溶接装置であって、前記少なくとも１つの溶接ヘッドがレールに沿って移動可能である、またはロボットアームによって誘導される、溶接装置。
8. 先行する請求項のいずれか一項に記載の溶接装置であって、前記搬送台が、前記金属シートを水平面上で任意の方向に移動させることができる複数の運搬要素をさらに備えている、溶接装置。
9. 請求項８に記載の溶接装置であって、前記運搬要素が個別のボールまたはローラまたは圧縮空気出口の層からなる、溶接装置。
10. 先行する請求項のいずれか一項に記載の溶接装置であって、前記押圧要素の少なくとも１つが少なくとも１つの液圧または空気圧シリンダによって駆動される、溶接装置。
11. 先行する請求項のいずれか一項に記載の溶接装置であって、前記少なくとも１つの溶接ヘッドがレーザ溶接機器または電子ビーム溶接機器である、溶接装置。
12. 先行する請求項のいずれか一項に記載の溶接装置であって、前記少なくとも１つの溶接ヘッドが、これを前記溶接路に対して平行に及び横切って移動させるための少なくとも１つの手段に連結されている、溶接装置。
13. 請求項１２に記載の溶接装置であって、前記溶接装置を移動させるための前記手段が制御及び調整装置に接続された駆動要素である、溶接装置。
14. 請求項１３に記載の溶接装置であって、前記制御及び調整装置が前記溶接線の位置を決定するための光学式センサに接続された、溶接装置。
15. 薄い金属シートを突合せ直線溶接するための方法であって、請求項２乃至１４のいずれか一項に記載の溶接装置に、以下のステップを順次または同時に実行することを含む、方法において、
    第１の金属シートを前記搬送台の上に位置付け、溶接縁部が前記パージダクトの上方で中央かつ平行に位置する、ステップａ）と、
    前記少なくとも２つの押圧要素の第１の押圧要素からなる手段によって、前記搬送台の上に第１の金属シートを垂直に固定する、ステップｂ）と、
    第２の金属シートを前記搬送台の上に位置付け、溶接縁部が前記パージダクトの上に置かれて、前記第１の金属シートの前記溶接縁部に対して突合せる、ステップｃ）と、
    低圧の下で前記少なくとも２つの押圧要素のうちの第２の押圧要素からなる手段によって、前記搬送台の上に前記第２の金属シートを垂直に事前固定する、ステップｄ）と、
    前記少なくとも１つの水平押圧要素からなる手段によって、前記第１の金属シートに対して前記第２の金属シートを水平に押圧する、ステップｅ）と、
    前記少なくとも２つの押圧要素の第２の押圧要素からなる手段によって、前記搬送台の上に前記第２の金属シートを垂直に固定する、ステップｆ）と、
    前記パージダクトを保護ガスによって完全または部分的にパージングする、ステップｇ）と、
    保護ガス雰囲気の下で前記少なくとも１つの溶接ヘッドを移動させながら溶接する、ステップｈ）と、
    前記締付け装置を開き、得られた金属シートを抜き出す、ステップｉ）と、
    ステップａ）に任意に戻る、ステップｊ）と
    を含む、方法。
16. 請求項１５に記載の方法であって、前記各ステップが列挙されたように順次実施される、方法。
17. 請求項１５に記載の方法であって、ステップａ）及びステップｃ）は列挙されたものと反対の順序で実行され、またはこれに続くステップｂ）及びステップｄ）と同時に実行される、方法。
18. 請求項１５乃至１７のいずれか一項に記載の方法であって、両方の前記金属シートは、ステップｆ）で前記搬送台に固定される、方法。
19. 請求項１８に記載の方法であって、前記搬送台上への前記両金属シートの固定は、同時に実施される、方法。
20. 請求項１５乃至１９のいずれか一項に記載の方法であって、ステップｅ）の前記水平押圧は、前記第１の金属シートと前記第２の金属シートとの間に０．０５ｍｍの最大残留ギャップを残す、方法。
21. 請求項１５乃至２０のいずれか一項に記載の方法であって、ステップｇ）の後に、実際の溶接線の理想線からの横方向偏差が離散値として決定され、続いて、制御ユニットからなる手段によって、前記溶接ヘッドを前記溶接線に沿った直線区分を順次移動させる、方法。
22. 請求項２１に記載の方法であって、前記実際の溶接線が光学式センサからなる手段によって検出され、このようなデータは前記溶接ヘッドの移動を調節する制御ユニットに転送される、方法。

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