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技術 鍛接装置の動作パラメータを算出する装置及び方法

出願人 サーマツールコーポレイション
発明者 ポールエフ.スコットマイケルエイ.ナレンゲイリーエイ.ドイオンジョンエイチ.モーティマーオーレグエス.フィッシュマン
出願日 2006年8月7日 (14年3ヶ月経過) 出願番号 2008-526132
公開日 2009年2月5日 (11年9ヶ月経過) 公開番号 2009-504413
状態 特許登録済
技術分野 誘導加熱による溶接 スポット溶接 他に分類されない板、線、管の製造と清浄
主要キーワード 熱探知カメラ 増分周波数 コンピュータ用記憶装置 実行電力 助変数方程式 許容誤差値 試行値 フィッティングカーブ
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (10)

課題・解決手段

1つ又はそれ以上の材料の鍛接を行うための鍛接装置パラメータの算出を行う装置及び方法を提供する。コンピュータプログラムは、入力されたHAZ幅と入力された鍛接温度とに応じて鍛接装置の動作周波数動作電力を算出するための自己調整ルーチンを実行する。

概要

背景

鍛接には、金属部品、例えば金属板同士接合を行う鍛接接合もある。

例えば、図1(a)は、プレート103の端と、プレート105の表面との典型的な部分的T継ぎ手鍛接101を表している。図1(b)は、プレート109の端面と、プレート111の端面との典型的な部分的突き合わせ継ぎ手鍛接を表している。

金属片金属板が、鍛接による継ぎ目が形成される方向である縦方向に、移動させられながら、鍛接点において前記金属板や前記金属片の端部同士が曲げられて接触するように力が加えられて接合されるような鍛接接合もある。

例えば、図2に示すように、金属片が、1重矢印(頭が1つの矢印)の方向に移動し、金属片の端部同士が押圧されるように2重矢印(頭が二つある矢印)で示される方向に圧力が加えられ、鍛接による継ぎ目117を形成するための鍛接する場所である鍛接点115において金属片の端部同士を接合することによって、チューブ113を形成することができる。

鍛接工程においては、鍛接するために鍛接温度まで加熱された鍛接点(weld point)に高い圧力が加えられる。一般的に鍛接温度は、金属が接合される融点より低いが、可能な限り融点に近くなる。金属を鍛接温度まで上昇させるためには、適切なエネルギー源、例えば、レーザー電子ビーム電気抵抗高周波電気誘導を使用することができる。
鍛接工程は、結果として加熱により影響を受けた部分(heat affected zone:HAZ)を作り出す。このHAZは、金属の部分であって、鍛接の工程の間溶融しないが、その微細構造機械的特性は工程中の加熱により変化する。
例えば図2において、点線118は、一般的な、鍛接による継ぎ目の両側にあるHAZの外側の境界線を示す。

図3(a)と図3(b)とにより明確に示すように、HAZの幅であるXEは、外側の境界線118同士の間の距離に等しい。
実際には、HAZの外側の境界線は、鍛接部の長さ全体にわたって均一な直線ではないかもしれないが、HAZの幅は、通常、直線とした境界線によって近似される。
HAZの幅を最小化することは、一般に、加熱されていない金属の部分とは異なった特性を持っている金属の量を最小限にする。

望ましい又は効果的 (実効的)なHAZの幅は、多くの鍛接パラメータの複雑な関数で決まる。それらのパラメータには、下記のものに限定はしないが、鍛接時の誘導加熱周波数部品内壁の厚み、部品の形状寸法、鍛接の加熱長さ、鍛接点における部品の移動速度と角度が含まれる。

誘導鍛接(induction forge welding)の1つの際だった応用としては、高周波誘導チューブとパイプによる長尺部材長尺2辺の接合がある。この接合は、図2、図3(a)、図3(b)に図示するように、鍛接する場所まで長尺部材の隣り合った長尺辺が到達する前に、チューブ形成機によって長円形となるように長尺部材の二つの長尺辺に力が加えられ、融点まで加熱された状態で極めて短時間高圧印加することにより成し遂げられる。
この温度では、固相への拡散速度は大変速いものとなり、結果としてごく短時間で良質の接合ができる。
理想的には、溶融金属のすべては、接合面を溶接ビード内径または外径から締め付けられるべきである。そして、接合剤は溶融金属でも鋳造金属でもない。

図2に示すように、誘導のための電力は、図示しない適切なAC電源から誘導コイル121に供給される。それによって、長尺部材の長尺2辺によって形成されるV字型の領域の周囲の金属中に電流が引き起こされる。
引き起こされた電流は、チューブの背後部を回り、そして、図2において破線で示された典型的な流れのライン119によって図示されているように、V字型の両辺を回って鍛接点115に流れる。

このV字領域の“y”で示す距離は、そのコイルの鍛接点側の端と鍛接点との間の距離にほぼ等しい。
一般に、この距離は、特に鍛接装置と関係があるので、この距離のそのほかの定義も、その定義による距離が特に鍛接装置に使われるものである限りは、その定義を使用してもよい。距離“y”は、鍛接加熱長さと見なすことが出来る。図2においては、筒型コイルを表しているが、その他の種類のコイルを使用しても良い。

実効的なHAZの幅は、多くの鍛接パラメータの複雑な関数で決まる。それらのパラメータには、下記のものに限定はしないが、鍛接時の誘導加熱周波数、部品の内壁の厚み、部品の形状寸法、鍛接の加熱長さと角度、部品の接合速度、部品の材質が含まる。以下に、これらのパラメータがどのように数学的に適用されるかについて説明する。

電気的基準深さ、又は、浸透深さであるξは、その工程が誘導鍛接工程であるときは、式(数1)によって計算することが出来る。ここで、前記電気的基準深さ、又は、浸透深さであるξは、金属部品の端からの距離で定義される。引き起こされた電流は、およそ指数関数的にその表面での値のe-1 (0.368)倍の値まで減少する。




ρは金属部品の抵抗率、μは金属部品の比透磁率、fは供給電源周波数、πは円周率(3.14159)である。

熱的基準深さ、又は、熱拡散深さであるδは、式(数2)によって計算することが出来る。ここで、熱的基準深さ、又は、熱拡散深さであるδは、どれくらいの深さまでその端部が、熱伝導によって加熱されたかを表す。



εは金属部品の熱拡散率、yは鍛接加熱長さとも見なされる“V”の長さ、vは鍛接速度と見なされる金属部品が鍛接点を通過する速度である。
電気的基準深さとHAZの幅の値が、熱拡散深さによって規格化されたとき、これら両方の値の間には、関数関係が成り立つ。

規格化された電気的基準深さZnは、式(数3)によって計算することが出来る。



HAZの規格化幅Xnは、式(数4)によって計算することが出来る。



式(数4)又はHAZの規格化幅は、特定の種類の金属材料を使った鍛接評価によって立証することが出来る。例えば、図4で示す評価データプロットX1からX18までは、規格化された電気的基準深さ(Zn)と、それに対応するHAZ(Xn)の規格化幅とを表している。適切なモデルを使って評価データのフィッティングカーブを描くことが出来る。
この例では、適切な非線形曲線近似モデルプロットデータ多項式方程式である式(数4)にあわせるのに使用される。式(数4)は、図4において多項式曲線p1で示すように図式的に描かれている。
その多項式は、一般的に

で表され、式(数4)の係数a0, a1, a2 ,a3は、特定の材料について評価や試験によって得られたプロットデータから導かれたものである。

実効的な鍛接力PEは、式(数5)から計算することが出来ます。



Hは、鍛接工程のエンタルピーに等しい。即ち、このエンタルピーとは、鍛接工程において、金属の温度が、鍛接前の温度から鍛接温度まで上昇させられたときの金属のエンタルピー変化(PE がワットで計算されるときは、ジュールで測定される。)のことである。γは、金属の密度(kg/m3)である。XEは、HAZの有効幅(m)である。hは、鍛接する金属の厚み(m)である。vは、鍛接点で金属が鍛接される速さ(m/sec)、又は鍛接速度(m/sec)のことである。

概要

1つ又はそれ以上の材料の鍛接を行うための鍛接装置のパラメータの算出を行う装置及び方法を提供する。コンピュータプログラムは、入力されたHAZ幅と入力された鍛接温度とに応じて鍛接装置の動作周波数動作電力を算出するための自己調整ルーチンを実行する。

目的

効果

実績

技術文献被引用数
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請求項1

1つ又はそれ以上の材料を鍛接するための鍛接装置パラメータ制御装置であって、コンピュータと、1つ又はそれ以上のコンピュータ用記憶装置と、コンピュータプログラムと、を含み、前記コンピュータプログラムは、入力された加熱により影響を受ける部分の幅(width of the heat affected zone)であるHAZ幅と、入力された鍛接温度と、に応じて鍛接装置の動作周波数動作電力の設定を算出するための自己調整工程を実行する、鍛接装置のパラメータ制御装置。

請求項2

1つ又はそれ以上の前記コンピュータ用記憶装置が、鍛接装置のデータである鍛接装置データと、1つ又はそれ以上の材料パラメータのためのデータと、を保存している、請求項1に記載の鍛接装置のパラメータ制御装置。

請求項3

前記鍛接装置データが、鍛接速度と、鍛接加熱長さと、1つ又はそれ以上の材料の、厚みと密度エンタルピーとを含んだ1つ又はそれ以上の材料パラメータのためのデータと、で構成されている請求項2に記載の鍛接装置のパラメータ制御装置。

請求項4

前記自己調整工程が、HAZ幅のデータと、測定された鍛接時の鍛接温度のデータと、が入力される工程を含んでいる請求項1から3のいずれか1つに記載の鍛接装置のパラメータ制御装置。

請求項5

1つ又はそれ以上の材料の鍛接をする鍛接装置の動作周波数と動作電力の設定算出方法であって、HAZ幅を入力するステップと、鍛接温度を入力するステップと、鍛接装置のための動作周波数及び動作電力の設定を算出するステップと、を含んでいる鍛接装置の動作周波数と動作電力の設定算出方法。

請求項6

鍛接装置のデータを参照するステップと、1つ又はそれ以上の材料のパラメータを参照するステップと、を含んでいる請求項5に記載の鍛接装置の動作周波数と動作電力の設定算出方法。

請求項7

鍛接速度データと、鍛接加熱長さデータと、1つ又はそれ以上の材料の厚みデータと、1つ又はそれ以上の材料の密度データと、1つ又はそれ以上の材料のエンタルピーデータと、を参照するステップを含んでいる請求項5または6に記載の鍛接装置の動作周波数と動作電力の設定算出方法。

請求項8

鍛接におけるHAZ幅を測定するステップと、鍛接時の鍛接温度を測定するステップと、入力されたHAZ幅及び鍛接温度を比較して、測定された前記HAZ幅及び測定された前記鍛接温度とに応答して、算出された動作周波数又は動作電力の設定を調整するステップと、を含んでいる請求項5から7のいずれか1つに記載の鍛接装置の動作周波数と動作電力の設定算出方法。

請求項9

鍛接をする鍛接装置の動作周波数算出方法であって、以下の(a)から(j)までのステップを含んでいる鍛接装置の動作周波数算出方法:(a)鍛接される1つ又はそれ以上の材料の材料パラメータを入力するステップ;(b)鍛接装置のパラメータを入力するステップ;(c)好ましいHAZ幅を入力するステップ;(d)試行熱的基準深さを算出するステップ;(e)試行動作周波数を入力するステップ;(f)試行電気的基準深さを算出するステップ;(g)試行規格化電気的基準深さを算出するステップ;(h)助変数方程式を使って試行規格化HAZ幅を算出するステップ;(i)試行規格化HAZ幅を計算されたHAZ幅に変換するステップ;及び(j)計算されたHAZ幅と、好ましいHAZ幅とを比較して、計算されたHAZ幅が、許容される誤差範囲内で好ましいHAZ幅と等しい場合は、鍛接装置の動作周波数を試行動作周波数に設定し、そうでない場合は、試行周波数を変更してステップ(e)から(j)までを実行するステップ。

請求項10

前記1つ又はそれ以上の材料の材料パラメータが、1つ又はそれ以上の材料の熱拡散率と、電気抵抗率と、比透磁率とを含み、前記鍛接装置のパラメータが、鍛接加熱長さと、鍛接速度とを含んでいる請求項9に記載の鍛接装置の動作周波数算出方法。

請求項11

前記助変数方程式が、前記規格化電気的基準深さの関数としての前記規格化HAZ幅の多項式を含んでいる、請求項9または10に記載の鍛接装置の動作周波数算出方法。

請求項12

請求項9から11のいずれか1つに記載の鍛接装置の動作周波数算出方法であって、以下の(k)から(r)までのステップを含んでいる鍛接装置の動作周波数算出方法:(k)試行実効電力を算出するステップ;(l)動作周波数と試行実効電力とで鍛接装置の試運転をするステップ;(m)試運転中に試行HAZ幅を測定するステップ;(n)試行HAZ幅を入力するステップ;(o)試行HAZ幅と好ましいHAZ幅とを比較して、試行HAZ幅が許容誤差の範囲内で好ましいHAZ幅と等しい場合は、鍛接装置の動作電力を試行実効電力に設定し、そうでない場合は、修正した助変数方程式を生成し、ステップ(h)からステップ(o)までを繰り返して実行するステップ;(p)動作周波数と動作電力で運転させる鍛接温度試験運転として鍛接装置を動作させるステップ;(q)好ましい鍛接温度を入力するステップ;及び(r)鍛接温度試験運転の間に試験運転鍛接温度を測定し試験運転鍛接温度が、好ましい試験運転温度と許容誤差の範囲内で同一の場合は、動作周波数と動作電力で鍛接機の本番運転を行い、そうでない場合は、1つ又はそれ以上の材料のエンタルピーを変更してステップ(k)から(r)までを繰り返して実行するステップ。

請求項13

前記材料パラメータが、1つ又はそれ以上の材料の、熱拡散率と、電気抵抗率と、比透磁率と、厚みと、エンタルピーと、を含み、鍛接装置パラメータが、鍛接加熱長さと、鍛接速度と、を含んでいる請求項12に記載の鍛接装置の動作周波数算出方法。

請求項14

前記助変数方程式が、前記規格化電気的基準深さの関数としての前記規格化HAZ幅の多項式を含んでいる、請求項12または13に記載の鍛接装置の動作周波数算出方法。

請求項15

修正された前記助変数方程式が、試行規格化電気的基準深さと、試行規格化HAZ幅とによって定義された点を、近似曲線モデルから助変数方程式を生成するために使用される一連の評価によって求めた点に追加することによって生成される、請求項12から14のいずれか1つに記載の鍛接装置の動作周波数算出方法。

請求項16

鍛接をする鍛接装置の動作周波数算出方法であって、以下の(a)から(r)までのステップを含んでいる鍛接装置の動作周波数算出方法:(a)鍛接される1つ又はそれ以上の材料の材料パラメータを入力するステップ;(b)鍛接装置のパラメータを入力するステップ;(c)好ましいHAZ幅を入力するステップ;(d)試行熱的基準深さを算出するステップ;(e)試行動作周波数を入力するステップ;(f)試行電気的基準深さを算出するステップ;(g)試行規格化電気的基準深さを算出するステップ;(h)助変数方程式を使って試行規格化HAZ幅を算出するステップ;(i)試行規格化HAZ幅を計算されたHAZ幅に変換するステップ;(j)計算されたHAZ幅と、好ましいHAZ幅とを比較して、計算されたHAZ幅が、許容される誤差範囲内で好ましいHAZ幅と等しい場合は、鍛接装置の動作周波数を試行動作周波数に設定し、そうでない場合は、試行周波数を変更してステップ(e)から(j)までを実行するステップ(k)試行実効電力を算出するステップ;(l)動作周波数と試行実効電力とで鍛接装置の試運転をするステップ;(m)試運転中に試行HAZ幅を測定するステップ;(n)試行HAZ幅を入力するステップ;(o)試行HAZ幅と好ましいHAZ幅とを比較して、試行HAZ幅が許容誤差の範囲内で好ましいHAZ幅と等しい場合は、鍛接装置の動作電力を試行実効電力に設定し、そうでない場合は、修正した助変数方程式を生成し、ステップ(h)からステップ(o)までを繰り返して実行するステップ;(p)動作周波数と動作電力で運転させる鍛接温度試験運転として鍛接装置を動作させるステップ;(q)好ましい鍛接温度を入力するステップ;及び(r)鍛接温度試験運転の間に試験運転鍛接温度を測定し、試験運転鍛接温度が、好ましい試験運転温度と許容誤差の範囲内で同一の場合は、動作周波数と動作電力で鍛接機の本番運転を行い、そうでない場合は、1つ又はそれ以上の材料のエンタルピーを変更してステップ(k)から(r)までを繰り返して実行するステップ。

請求項17

前記材料パラメータが、1つ又はそれ以上の材料の、熱拡散率と、電気抵抗率と、比透磁率と、厚みと、エンタルピーと、を含み、鍛接装置パラメータが、鍛接加熱長さと、鍛接速度と、を含んでいる請求項16に記載の鍛接装置の動作周波数算出方法。

請求項18

前記助変数方程式が、前記規格化電気的基準深さの関数としての前記規格化HAZ幅の多項式を含んでいる、請求項16または17に記載の鍛接装置の動作周波数算出方法。

請求項19

修正された前記助変数方程式が、試行規格化電気的基準深さと、試行規格化HAZ幅とによって定義された点を、近似曲線モデルから助変数方程式を生成するために使用される一連の評価によって求めた点に追加することによって生成される、請求項16から18までのいずれか1つに記載の鍛接装置の動作周波数算出方法。

技術分野

0001

本発明は、一般的に鍛接方法に関し、特に、入力された、鍛接工程における鍛接温度と、加熱により影響を受けた部分(heat affected zone:HAZ)の幅とに応じて鍛接装置パラメータを制御する動作周波数算出方法に関する。

背景技術

0002

鍛接には、金属部品、例えば金属板同士接合を行う鍛接接合もある。

0003

例えば、図1(a)は、プレート103の端と、プレート105の表面との典型的な部分的T継ぎ手鍛接101を表している。図1(b)は、プレート109の端面と、プレート111の端面との典型的な部分的突き合わせ継ぎ手鍛接を表している。

0004

金属片金属板が、鍛接による継ぎ目が形成される方向である縦方向に、移動させられながら、鍛接点において前記金属板や前記金属片の端部同士が曲げられて接触するように力が加えられて接合されるような鍛接接合もある。

0005

例えば、図2に示すように、金属片が、1重矢印(頭が1つの矢印)の方向に移動し、金属片の端部同士が押圧されるように2重矢印(頭が二つある矢印)で示される方向に圧力が加えられ、鍛接による継ぎ目117を形成するための鍛接する場所である鍛接点115において金属片の端部同士を接合することによって、チューブ113を形成することができる。

0006

鍛接工程においては、鍛接するために鍛接温度まで加熱された鍛接点(weld point)に高い圧力が加えられる。一般的に鍛接温度は、金属が接合される融点より低いが、可能な限り融点に近くなる。金属を鍛接温度まで上昇させるためには、適切なエネルギー源、例えば、レーザー電子ビーム電気抵抗高周波電気誘導を使用することができる。
鍛接工程は、結果として加熱により影響を受けた部分(heat affected zone:HAZ)を作り出す。このHAZは、金属の部分であって、鍛接の工程の間溶融しないが、その微細構造機械的特性は工程中の加熱により変化する。
例えば図2において、点線118は、一般的な、鍛接による継ぎ目の両側にあるHAZの外側の境界線を示す。

0007

図3(a)と図3(b)とにより明確に示すように、HAZの幅であるXEは、外側の境界線118同士の間の距離に等しい。
実際には、HAZの外側の境界線は、鍛接部の長さ全体にわたって均一な直線ではないかもしれないが、HAZの幅は、通常、直線とした境界線によって近似される。
HAZの幅を最小化することは、一般に、加熱されていない金属の部分とは異なった特性を持っている金属の量を最小限にする。

0008

望ましい又は効果的 (実効的)なHAZの幅は、多くの鍛接パラメータの複雑な関数で決まる。それらのパラメータには、下記のものに限定はしないが、鍛接時の誘導加熱周波数部品内壁の厚み、部品の形状寸法、鍛接の加熱長さ、鍛接点における部品の移動速度と角度が含まれる。

0009

誘導鍛接(induction forge welding)の1つの際だった応用としては、高周波誘導チューブとパイプによる長尺部材長尺2辺の接合がある。この接合は、図2、図3(a)、図3(b)に図示するように、鍛接する場所まで長尺部材の隣り合った長尺辺が到達する前に、チューブ形成機によって長円形となるように長尺部材の二つの長尺辺に力が加えられ、融点まで加熱された状態で極めて短時間高圧印加することにより成し遂げられる。
この温度では、固相への拡散速度は大変速いものとなり、結果としてごく短時間で良質の接合ができる。
理想的には、溶融金属のすべては、接合面を溶接ビード内径または外径から締め付けられるべきである。そして、接合剤は溶融金属でも鋳造金属でもない。

0010

図2に示すように、誘導のための電力は、図示しない適切なAC電源から誘導コイル121に供給される。それによって、長尺部材の長尺2辺によって形成されるV字型の領域の周囲の金属中に電流が引き起こされる。
引き起こされた電流は、チューブの背後部を回り、そして、図2において破線で示された典型的な流れのライン119によって図示されているように、V字型の両辺を回って鍛接点115に流れる。

0011

このV字領域の“y”で示す距離は、そのコイルの鍛接点側の端と鍛接点との間の距離にほぼ等しい。
一般に、この距離は、特に鍛接装置と関係があるので、この距離のそのほかの定義も、その定義による距離が特に鍛接装置に使われるものである限りは、その定義を使用してもよい。距離“y”は、鍛接加熱長さと見なすことが出来る。図2においては、筒型コイルを表しているが、その他の種類のコイルを使用しても良い。

0012

実効的なHAZの幅は、多くの鍛接パラメータの複雑な関数で決まる。それらのパラメータには、下記のものに限定はしないが、鍛接時の誘導加熱周波数、部品の内壁の厚み、部品の形状寸法、鍛接の加熱長さと角度、部品の接合速度、部品の材質が含まる。以下に、これらのパラメータがどのように数学的に適用されるかについて説明する。

0013

電気的基準深さ、又は、浸透深さであるξは、その工程が誘導鍛接工程であるときは、式(数1)によって計算することが出来る。ここで、前記電気的基準深さ、又は、浸透深さであるξは、金属部品の端からの距離で定義される。引き起こされた電流は、およそ指数関数的にその表面での値のe-1 (0.368)倍の値まで減少する。




ρは金属部品の抵抗率、μは金属部品の比透磁率、fは供給電源周波数、πは円周率(3.14159)である。

0014

熱的基準深さ、又は、熱拡散深さであるδは、式(数2)によって計算することが出来る。ここで、熱的基準深さ、又は、熱拡散深さであるδは、どれくらいの深さまでその端部が、熱伝導によって加熱されたかを表す。



εは金属部品の熱拡散率、yは鍛接加熱長さとも見なされる“V”の長さ、vは鍛接速度と見なされる金属部品が鍛接点を通過する速度である。
電気的基準深さとHAZの幅の値が、熱拡散深さによって規格化されたとき、これら両方の値の間には、関数関係が成り立つ。

0015

規格化された電気的基準深さZnは、式(数3)によって計算することが出来る。



HAZの規格化幅Xnは、式(数4)によって計算することが出来る。



式(数4)又はHAZの規格化幅は、特定の種類の金属材料を使った鍛接評価によって立証することが出来る。例えば、図4で示す評価データプロットX1からX18までは、規格化された電気的基準深さ(Zn)と、それに対応するHAZ(Xn)の規格化幅とを表している。適切なモデルを使って評価データのフィッティングカーブを描くことが出来る。
この例では、適切な非線形曲線近似モデルプロットデータ多項式方程式である式(数4)にあわせるのに使用される。式(数4)は、図4において多項式曲線p1で示すように図式的に描かれている。
その多項式は、一般的に

で表され、式(数4)の係数a0, a1, a2 ,a3は、特定の材料について評価や試験によって得られたプロットデータから導かれたものである。

0016

実効的な鍛接力PEは、式(数5)から計算することが出来ます。



Hは、鍛接工程のエンタルピーに等しい。即ち、このエンタルピーとは、鍛接工程において、金属の温度が、鍛接前の温度から鍛接温度まで上昇させられたときの金属のエンタルピー変化(PE がワットで計算されるときは、ジュールで測定される。)のことである。γは、金属の密度(kg/m3)である。XEは、HAZの有効幅(m)である。hは、鍛接する金属の厚み(m)である。vは、鍛接点で金属が鍛接される速さ(m/sec)、又は鍛接速度(m/sec)のことである。

発明が解決しようとする課題

0017

本発明の目的は、鍛接のためのHAZの望ましい幅と、鍛接の際の1つ以上の材料の望ましい鍛接温度とを特定することによって、必要とされる、鍛接装置の動作周波数又は動作電力の設定の知識なしに鍛接装置によって鍛接を成し遂げることである。
本発明の他の目的は、鍛接装置のオペレータによって周波数と電力の設定の入力をされることなく、所望の鍛接を成し遂げるために、鍛接工程における鍛接装置の動作周波数と動作電力の設定を行うことである。

課題を解決するための手段

0018

本発明の一形態においては、本発明は、1つ又はそれ以上の材料の鍛接を行うために鍛接のパラメータを制御する装置である。その装置は、コンピュータと、1つ又はそれ以上の記憶装置と、プログラムから構成されている。そのコンピュータプログラムは、入力されたHAZの幅と鍛接温度に応じて、鍛接装置の動作周波数や動作電力の設定を算出する自己調節ルーチンを実行する。
本発明の他の形態は、1つ又はそれ以上の材料の鍛接を行う鍛接装置の動作周波数と動作電力との設定を算出する方法である。その方法は、鍛接装置の動作周波数と動作電力の設定を算出するための、HAZの幅の入力と、鍛接温度の入力とを含んでいる。動作周波数と動作電力の設定を算出するために、鍛接装置のデータとして、鍛接速度と、鍛接加熱長さと、1つ又はそれ以上の材料のパラメータが参照され、材料のパラメータとして、材料の厚み、材料の密度、材料のエンタルピーが参照される。測定されたHAZの幅と、測定された鍛接温度は、許容範囲内で、入力されたHAZ幅と、入力された鍛接温度と等しいので、算出された動作周波数又は動作電力を調整するために、HAZの幅と鍛接温度は、鍛接中に測定されてもよい。
本発明の他の形態としては、この明細書と添付の特許請求の範囲に記述されている。

発明を実施するための最良の形態

0019

図6(a)と図6(b)では、1つの、これには限定しない、本発明の鍛接装置の動作パラメータを算出する装置と方法の例について示している。
その装置と方法は、金属の長尺部材や板の長尺辺同士の誘導鍛接(induction forge welding)を対象としているが、この技術に精通した者は、その装置や方法をHAZが形成されるどんな鍛接工程にも適用することができる。

0020

その図に示されたルーチンは、この技術に精通した者によってコンピュータプログラムのコードとして具体化され、プロセッサ、記憶装置、入出力装置(これらに限定しないが)を備えた適切なコンピュータハードウエアによって実行される。

0021

「金属」という言葉は、単純に、鍛接される部材であって(これらに限定されないが)金属の長尺部材や板を含むものを表現する言葉として使われます。「鍛接機」や「鍛接装置」という言葉は、単純に、一般に金属の鍛接のために使われる機械装置であって(これに限定されないが)成形機を含む物を表現する言葉として使われる。
「鍛接用電源」という言葉は、単純に、一般に鍛接のために金属を加熱するエネルギー源であって、(これに限定されないが)電気誘導電源を含む物を表現する言葉として使われる。

0022

ルーチン12において、金属の材料パラメータは、適切な手段によって入力される。
例えば、鍛接装置のオペレータは、適切な入力装置、例えば、キーボードからそれぞれのパラメータの値を入力することが出来る。また、オペレータは、特定の材料を表しているコードを入力しても良い。この場合、特定の材料の必要なパラメータは、適切な記憶装置に記憶されており、それらのデータは、本発明の装置や方法によって参照される。

0023

材料のパラメータは、金属の厚み(h)、金属の抵抗率(ρ)、金属の比透磁率(μ)、金属の熱拡散率(ε)、金属のエンタルピー(H)、金属の密度(γ)を含んでいる。
ルーチン14では、鍛接パラメータが適切な手段によって入力される。例えば、鍛接装置のオペレータは、それぞれのパラメータを適切な入力装置から入力します。また、1つ又はそれ以上のパラメータの値は、適切な記憶装置に記憶されている参照用テーブルから入力されても良い。
記憶されている値は、入力された材料パラメータと特定の鍛接機の動作パラメータとの1つ又はそれ以上を基にしている。それらのデータは、本発明の装置や方法によって参照される。鍛接装置のパラメータは、鍛接加熱長さと鍛接速度を含んでも良い。

0024

ルーチン16では、鍛接パラメータは、適切な手段によって入力される。例えば、鍛接機のオペレータは、適切な入力装置によってそれぞれのパラメータを入力することができる。また、1つ又はそれ以上のパラメータは、適切な記憶装置に記憶されている参照テーブルであって、入力された材料パラメータと特定の鍛接装置の動作パラメータとのうち一種又はそれ以上のパラメータに基づいた値の参照テーブルから入力されてもよい。
入力された鍛接パラメータは、HAZ(XE)の効果的 (実効的)な幅と、溶接点温度(TE)とを含んでいても良い。

0025

ルーチン18では、試行熱的基準深さが、本発明の限定しない例である式(数2)から算出される。ルーチン20では、初期の電気鍛接の試行周波数F0が入力される。例えば、その方法が使用される鍛接機は、動作電力の周波数範囲が10キロヘルツから100キロヘルツである。初期の試行周波数10キロヘルツは、あらかじめ設定され、適切な記憶装置に記憶されている。

0026

もう一つの方法として、鍛接装置のオペレータは、適切な入力装置から初期の試行周波数を手動で入力しても良い。いずれにしても、選択されたHAZ(XE)の効果的 (実効的)な幅のための動作周波数は、下記において更に説明されるように、繰り返し作業によって決定されるので、特定の初期試行周波数の選択は、決定的に重要なことではない。
ルーチン22では、試行電気的基準深さが、上記の本発明の限定しない例である式(数1)から算出される。ルーチン24では、試行規格化電気的基準深さZnが、上記の本発明の限定しない例である式(数3)から算出される。

0027

この試行規格化電気的基準深さZnの値は、ルーチン26で入力される。
ルーチン26では、HAZ(Xn)の対応する試行規格化幅を、上記の本発明の限定しない例であるHAZの規格化幅の式(数4)から算出する。
ルーチン28では、HAZ(Xn)の試行規格化幅は、ルーチン18で算出された試行熱的基準深さにXnを掛けることによって算出されたHAZ(Xc)の幅に変更される。ルーチン30では、計算されたHAZの幅は、前もって入力された効果的 (実効的)な幅XEと比較される。

0028

XcがXEと許容誤算範囲内で同じでなければ、ルーチン32を実行し、ルーチン32においてF0は、新しい値に変更される。例えば、Δεを許容誤差の値としたときに、XC > XE + Δεならば、新しい試行値F0は、古い試行値F0に、選択された初期の増分周波数変化ΔFを加えたものになる。

0029

逆に言えば、XC < XE - Δεならば、新しい試行値F0は、古い試行値F0に、選択された初期の増分周波数変化ΔFを引いたものになる。
その後の繰り返しでは、繰り返し作業は、最終的に計算されたXc = XE ± εで帰着するために、増分周波数変化ΔFは、例えば半分に減少します。ここで、εは、もし使用されるなら、許容誤差値であり、要求されるHAZの効果的 (実効的)な幅のためのものである。
ルーチン34では、XC = XE ± εのための試行値F0は、設置された周波数FSETと同じ値に設定される。別の種類の適切な繰り返し方法設定周波数収束させるために使われてもよい。

0030

本発明のいくつかの例として、鍛接装置の動作パラメータを算出する装置と方法は、鍛接装置の動作周波数の算出を行うことが出来る。
本発明の他の例として、そのシステムと方法は、鍛接装置の動作電力設定の算出を行うことが出来る。

0031

ルーチン34において、Xc = XE ± εが設定周波数FSETに設定されたとき、実行電力PEは、ルーチン36において、これに限定しない発明例の式(数5)から算出され、実行電力値は、動作電力PSETと同じ値に設定されることが出来る。ルーチン38では、動作周波数FSETと動作電力PSETとで、鍛接の試行を行う。試行によって実測されたHAZの幅XTESTは、ルーチン40において、適切な検出手段、例えば熱探知カメラ、から入力される。熱画像解析は、金属の断面幅に対する、温度の図的表示を作成する。

0032

例えば図5に示すように、鍛接点において最大温度Tmaxとなり、鍛接点から一般的なベル形状曲線を描いて次第に温度が低くなる。XTESTには、図に示すように典型的な値として、例えば0.5Tmaxを割り当てることが出来る。もう一つの方法として、HAZの幅は、鍛接されたチューブを切断した冶金サンプルから決定することが出来る。図5温度曲線形状と、HAZの幅の境界の温度としての0.5Tmaxの選択は、これに限定したものではない。

0033

特定の鍛接装置と、鍛接方法のために、他の温度曲線と、HAZの幅の境界温度とを適用することが出来る。即ち、温度曲線と境界温度とは、鍛接方法と関連がある。
ルーチン42は、試行したHAZの幅XTESTとHAZの実行幅XEの比較を行う。
XTESTとXEとが許容誤差範囲内で等しくなかったとき、HAZの評価による近似曲線の幅は、ルーチン44で変更されます。設定された、周波数FSET、電力PSETに起因するZnとXnとによって定義され、試行にも使用される点は、近似曲線を生成するために使用される点として加えられます。そして新しい曲線近似の解析が行われる。

0034

ルーチン26から42は、試行HAZ幅XTESTが許容誤差範囲内で入力されたHAZ幅XEと同じになるまで繰り返して実行される。ルーチン43では、試行が続けられ、実際の試行での鍛接点の温度TMAXは、入力された実効鍛接点温度TEとルーチン48で比較される。
実際の試行での鍛接温度は、適当なセンサー、例えば高温計(pyrometer)を使用してルーチン46で入力される。

0035

TMAXが実効的な鍛接点温度TEと許容誤差範囲内を超えて異なっていたとき、金属のエンタルピーHの値は、ルーチン50で新しい値に変更されます。実効電力値PEの新しい値は、ルーチン36で計算される。
例えば、Δεを許容誤差値としたとき、TMAX > TE + Δεの場合は、新しいエンタルピーHの値は、古い値から、選択された漸進的変化ΔHを引いた値となる。逆に言えば、TMAX > TE - Δεの場合は、新しいエンタルピーHの値は、古いエンタルピーHの値に選択された漸進的変化ΔHを加えた値になる。
その後の繰り返しにおいて、繰り返しのプロセスが最終的に計算されたTMAX > TE + Δεに帰着するために、エンタルピーの漸進的変化ΔHは、例えば半分に減少する。ここで、εは、もし使用されるなら、許容誤差値であり、要求されるHAZの実効的な幅のためのものである。

0036

ルーチン36から48は、TMAX = TE ± εとなるまで繰り返して実行されます。ここで、εは、要求される実効的な鍛接点温度のための許容誤差値である。この条件が満たされたとき、ルーチン52は、鍛接機の動作周波数FSET、動作電力PSETでの本番運転を決定する。
米国特許第5902506号と米国特許第5954985号とは、鍛接装置電源の周波数と電力の大きさの調整のための器具と方法を開示しており、それらは本発明で使用することが出来る。

0037

それ故に、本発明の鍛接装置の動作パラメータの算出のための装置と方法の一例として、コンピュータプログラムは、入力されたHAZ幅と鍛接温度に応じて、鍛接装置のために動作周波数と動作電力の設定を算出する。鍛接装置のデータと、鍛接工程で鍛接される1つ又はそれ以上の材料のパラメータのデータと、に基づいてコンピュータが計算することが出来る。
上記発明の例は、これに限定されない鍛接装置のデータと、鍛接工程で鍛接される1つ又はそれ以上の材料のパラメータのデータと、であって、本発明の装置または方法で使用することが出来るものについて説明する。

0038

前述の例は、開示された発明の範囲を限定するものではない。開示された発明の範囲は、添付した特許請求の範囲に記載されている。

図面の簡単な説明

0039

発明を図解する目的で現在の好ましい形態について図示する。しかしながら、この発明は、図示されている配置や手段に限定されるものではない。
典型的な部分的T字継ぎ手鍛接を示した図である。
典型的な突き合わせ継ぎ手鍛接を示した図である。
金属の板や長尺部材の対向する長尺辺同士を鍛接することによる、典型的なチューブの形成について示した図である。
チューブを形成するために金属の板や長尺部材の対向する長尺辺同士を鍛接することと関係があるパラメータについて示した図である。
鍛接によって形成されたチューブのパラメータの説明が記載された図3(a)のA−A断面図である。
評価データプロットから生成されたHAZ多項式が示す規格化幅の典型的な説明図である。
HAZ幅の計算に用いられる典型的な温度分布曲線である。
入力されたHAZの幅と鍛接温度とを基にした、鍛接工程における鍛接装置の動作周波数と動作電力の設定を決定する工程を説明するフローチャート図である。
入力されたHAZの幅と鍛接温度とを基にした、鍛接工程における鍛接装置の動作周波数と動作電力の設定を決定する工程を説明するフローチャート図である。

符号の説明

0040

101 部分的T継ぎ手
103プレート
105 プレート
109鍛接プレート
111 プレート
113チューブ
115 鍛接点
117継ぎ目
118境界線
119 流れのライン
121 誘導コイル

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