JPS5843184B2 - 物品の表面に金属を溶着する方法および装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は金属製物品の表面に金属を溶着する方法および
装置に関するものである。

特に、本発明は反射光に敏感で固体と可塑性物体とから
の反射光の相違を識別できる検出器と組合わせて光ビー
ムによう固体から液体への相の初期の変化を検出するこ
とに係るものである。

検出器は初期の融解が達成されると、制御信号を発生し
、この制御信号は物品の表面上の金属の溶着を制御する
ために使用される。

金属製物品に金属を溶着する従来技術の方法と装置とは
金属を溶着するための適当な時間を表示するものとして
被加工物すなわち物品を特定の温度にすることに依存す
るかオたは作業員の視覚判断に頼っていた。

このような従来技術の方法と装置とにおいては、被加工
物はその表面が融解され視覚により「濡れた」ように見
える１で加熱され表面が均一に「濡れた」と判断される
と、金属物質が表面に溶着される。

被加工物の組成の相違により、融解温度は１ち１ちで、
従って、温度測定のみでは表面の融解を測定するための
信頼できる技術ではない。

更に渣た、作業員の判断に頼ることは自動制御方法とし
ては効果的でなく筐た信頼できない。

本発明の方法と装置とは金属物質を溶着すべき正確な時
点、すなわち、基体金属の初期融解点を表示する。

本発明によればこの表示は光学的高温計の如き計器か作
業員による視覚観察によるよりも一層正確である。

本発明の１つの具体例では、初期融解を検出する装置は
光源と光源の出力を変調して光のパルス列を発生する回
転シャッターの如き手段とを含んでいる。

これらの光のパルスは加熱されている物体に向けられま
た物体からのパルス列の反射光を受ける手段が設けであ
る。

反射されたパルス列に応答する光電池が使用されて受け
た反射パルスに応答して電気的信号を発生する。

このように発生した電気的信号は陰極線オシロスコープ
により視覚観察できるかまたはサーボ機構等に制御信号
を供給するために使用できる。

サーボ機構は溶着される物質の送給の如き溶着装置の１
つの機能かそれ以上の機能を制御することにより種々の
方法で物質の溶着を制御できる。

光源の変調周波数を適当に選択しまた単色源ｌたは色彩
制限フィルタとフィルタの出力に応答する光電池とを使
用することにより周囲すなわち外部光源からの干渉を極
減できる。

従って、本発明は初期融解時点を正確に表示しこの表示
に卑答して制置機能、を行うことである。

表面への金属の溶着は適当な時点で行われ被加工物の温
度の応答に関する前記した問題により影響を受けない。

更にまた、初期融解を感知する系統に祝賀判断を利用し
ないので人為的な誤りは回避される。

本出願人は１９６９年１月発行の「宇宙飛行機とロケッ
ト月刊誌Ｊ （Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ５ｐａｃｅｃｒ
ａｆｔａｎｄ Ｒｏｃｋｅｔｓ ） ６月号、特にその
第７２頁に記載された二ニーマン氏の記事に記載されて
いる如き物体の光反射性を感知する技循が以前から行わ
れていること知っている。

しかしながら、この記事には金属製被加工物の初期融解
を感知することは記載してなくまた被加工物の表面に金
属を溶着することに関係がなＩ０更にまた、この記事は
初期融解に応答して表面に金属を溶着することに関係し
てない。

本発明のその他の目的、特徴および利点は添付図面を参
照して本発明の具体例についての以下の説明により容易
に明かになることと思うが本発明の原理を逸脱すること
なくこれら具体例に種々の変更および変形を行うことが
できる。

第１図において、符号１０は、溶着（溶接）金属が適用
される金属被加工物を総体的に示す。

矢印で示すようにこの被加工物１．０は適当な支持体（
図示せず）の軸線の周りに回転可能なように取付けられ
ている。

酸素アセチレン切断器１３又は他の適当な加熱手段はそ
の火炎を溶接棒からの溶接材料の溶着金属が適用される
被加工物１０の個所に向ける。

被加工物１０の塑性又は非塑性状態は、符号１５で全体
的に示され被加工物１０に変調光パルス列を向ける光源
と符号１６で全体的に示され被加工物からの反射をピッ
クアップする検出器との組合わせによって検出される。

適宜の光源および検出器構造が第２図に示されている。

例えば光源を多色光を発する白熱バルプ１７である。

しかしレーザの如き単色光源が同様ｌこ利用できる。

このバルブ１７は複数の間隔をあけた窓１９が形成され
ている回転シャッタ１８内に取付けられている。

このシャッタは駆動宅−タ２０によって適当な高速度で
駆動される。

光源の出力光は一つ又はそれ以上のレンズ２１によって
観察されるべき表面に指向される一連の実質的に正方形
波光パルスである。

これとは別に表面に光を向けるよう繊維光学束を用いる
ことができる。

検出器はハウジング２２を備え、このハウジングの一端
にはバンド限定フィルタ２４を通してホトセル２５の上
に反射光を集光する一つ又はそれ以上のレンズ２３が設
けである。

本発明は溶融面が溶融するすぐ前の固体面より一層反射
するということの利点を用いる。

表面が溶融する前に被加工物１０の表面からの任意の反
射光は拡散である。

表面が溶融し始めると、反射光はその多くの光がレンズ
系の中に入るよう鏡のようになる。

検出器１６はこの反射光をフィルタ２４を通してホトセ
ル２５の上に集める。

フィルタ２４およびホトセル２５の色彩範囲は加熱面か
らの加熱誘導輻射および加熱トーチ１３からの輻射に反
応するのを最少化するように選択・され、従ってホトセ
ルの飽和を避ける。

フィルタおよびホトセルの反応は黄緑範囲に集中され、
従って周囲の青および赤スペクトルの光を遮断する。

この反射メータ検出器のフォトセル２５の反応はホトセ
ルの感光材料の表面に衝突する光の機能として変化する
。

金属が溶着されるべき表面から発する光はその温度、反
射周囲光および調節光源からの反射光に基づく輻射エネ
ルギから成る。

この輻射部分は変調周波数に比べて実質的に安定した状
態であり、間欠的機能でない。

周囲光は時間変化光から成るが種々の光源から合計した
とき時間変化は移相のため最少化される。

周囲光の変化の抑制は、周囲光の変化の影響を最少化す
るために光源変調周波数と検出器時間反応感度とを適当
に選択することによって得られる。

例えば６０ハルツ電力線周波数がよい。

この結果、ホトセルおよびその回路によって検出される
光変化の大部分は変調された光源ビームの被加工物の面
からの反射光による。

第３図を参照すると、ホトセル２５は直流電源２６およ
び負荷抵抗２７を直列に接続されている。

負荷抵抗２７を通る電圧はホトセルの抵抗の機能として
逆に変る。

遮断コンデンサ２９が設けられた交流電圧測定器２８が
時間変化電圧だけを測定するため負荷抵抗に並列に接続
され緩やかに変化する安定した状態の電圧を抑制する。

従って、時間変化電圧の増大は時間変化光の反射の増大
を指示する。

金属が溶着される被化工物は加熱中実質的に拡散リフレ
クタとなり、面が溶けるとき鏡のようなりフレフタとな
るので時間変化電圧の急激な増大が溶融面を示す。

認識すべきことは、電圧測定器２８が電圧計、陰極線オ
ツシロスコープの如き種々の形態をとることができ、又
負荷抵抗２７を通る電圧変化が面の十分な塑性を示すと
き金属の溶着を制御するようにサーボ系等を作動するた
め第６図および第７図に示す如き信号が用いられること
である。

第４図にはトレース３１を有する極極線オツシロスコー
プスクリーン３０が示してあり、これは有効な時間変化
電圧の不存在を示す。

第５図は、検出器回路が反射変調光のかなりの量を受け
て面の溶融を示したとき用いられるトレース３２を示す
。

これら第４図と第５図とを比較すると、溶融が行なわれ
たとき被加工物の面の反射性の有効な増大を写す。

光学高温計又は輻射サーモメータと違って本発明の検出
装置は例えば温度測定によって溶融面を検出するもので
なく固体から液体に相が変ることを感知することによっ
て検出するものである。

輻射温度測定による面温度の決定は、温度による任意の
目的物からの輻射エネルギーが温度および放射性の作用
であるので測定される材料の放射性機能の精度によって
正確に限定される。

信号を付与するのに一つの方法として加熱時間を用いる
と、面溶融は周囲の状況の変動のため不確実である。

酸素アセチレントーチ又は他の加熱手段によって出され
るエネルギーは適当な装置によって決定されるか又は計
算され得るが、加熱される材料によって吸収されるエネ
ルギーは多くの因子によって影響される。

最も重要な因子は周囲の空気流の存在であり、これは酸
素アセチレン炎および加熱される面の両方から熱を奪う
恐れがある。

又、材料構成および面状態は加熱を吸収する速度に影響
を与える。

更に、材料構成が変化すると、ただ温度測定するだけで
は面溶融を決定するのに確実な技術でない。

種々の金属の分類によると、組成要素の合成体は溶融点
温度を変動せしめる。

従って、溶融は温度の作用ばかりでなく冶金上の構成に
よる。

本発明の系統は従来の型式に比べて幾つかの利点を有す
る。

この系統は、加熱時間、温度又は面溶融の正確度の少な
い指示でなく固体から液相に材料が変化する際に面反射
光を光学的に測定することによって溶融を信号する。

オペレータの判断およびエラーもなくなる。

変調光源の基本周波数は任意で他の時間と共に可変の光
源の影響を最少化するよう調節できる。

典型的には、変調周波数は５０４たは６０ヘルツのある
倍数に近くはないが拡散から正反対への移行中に数サイ
クル生じる程度に高い。

光源の変調周波数に比較して放射光がゆるやかに変化す
るので当該系統は温度により誘起した放射光の変化には
応答しない。

更にまた、感光装置を飽和できる赤と赤外の光スペクト
ルのエネルギー・ピークは適当ケフィルタにより抑制で
きる。

同様に、酸素アセチレン・トーチと多くの他の加熱装置
とからの光は、この光が特に安定状態の性質を有してい
るので排除でき、この場合にもまたフィルタと光電池と
の感度範囲はそのスペクトル・ピークを避けるよう選択
できる。

前にも述べたように、本発明は被加工物の表面が初期融
解点に達した時この表面に金属を溶着するのを制御する
ことである。

金属の溶着を制御するには初期融解を感知する検出器１
６に応答して自動装置の１つ寸たはそれ以上の機能を制
御することにより行うことができる。

特に、検出器１６が初期融解を感知すると、自動装置の
１つの機能を制御する適当なサーボ機構に印加される電
気的制御信号が出される。

第６図には金属の被加工物１０の表面４０に金属を自動
的に制御して溶着する装置が示しである。

被加工物１０は被加工物ホルダー４１に駆動モータ４６
により回転駆動されるよう接着され、とのモータは被加
工物１０とホルダー４１とを駆動するよう被加工物ホル
ダー４１上のリング歯車４２にかみ合う歯車４３を設け
た出力シャフト４４を有している。

モータ制御器４７がモータ４６に接続され給電装置５０
からの′６カの供給を制御する制御つ１み４８を有して
いる。

モータ制御器４７は電圧測定器２８からの出力を受はモ
ータ４６に被加工物１０をその表面４０がトーチ１３に
より検出器１６により検出された初期融解温度の状態に
達する温度に１で加熱されるような速度で駆動させる。

被加工物の表面４０が初期融解温度にある際にその付近
で終り融解してこの表面に溶着する金属棒５７からの金
属が表面に加えられる。

金属棒５７は支持シャフト５９に装着されたリール５８
により供給され金属棒５７に係合してそれを表面４０に
向は駆動する駆動ホイール５４を有する送給機構５６に
より制御される。

第２の駆動モータ５３がホイール５４を駆動し第２のモ
ータ制御器５１から入力を受ける。

モータ制御器５１は給電装装置５０から給電され電圧測
定器２８から入力制御信号を受ける。

制御つｌみ５２がモータ制御器５１の利得が手動でセッ
トできるようにする。

操作する際に、モータ制御器４７，５１がつ１み４８．
５２によりモータ４６が被加工物１０をその表面４０が
トーチの下で初期融解点になるよう回転させるようセッ
トされる。

モータ５３が金属棒５７を被加工物の表面４０に所望量
の金属が溶着されるような速度で表面４０の初期融解個
所に供給する。

従って、第６図の具体例の検出器１６は被加工物の回転
速度と金属棒５７の送給量とを共に制御する。

モータ制御器４７，５１を調節することにより、好適な
結果が得られる。

たとえば、操作の開始時において、トーチは着火されモ
ータ４６は被加工物をその表面４０が初期の融解状態に
なる寸で回転させることが好會しい。

このような状態では、検出器１６は被加工物１０の回転
速度を制御するようモータ４６を制御する。

更にまた、モータ５３を付勢することにより金属の送給
が開始される。

第７図には第６図に示した金属棒の代りに粉状金属が表
面４０にスプレィされる本発明の原理を利用した変形例
の系統が示しである。

被加工物は第６図に示した如き検出器１６に制御されて
モータ４６により回転せしめられるが、このような構造
は第７図には示してない。

粉状金属は貯槽６３から弁６２を経てノズル６４に送給
され、このノズルは粉状金属を被加物の表面４０の初期
融解状態の個所にスプレィする。

ソレノイド型で良い弁制御器６１が弁８２を制御し電圧
測定器２８から入力を受ける。

従って、検出器１６の出力が表面４０の初期融解状態を
検出しモータ４６を介して被加工物を駆動し弁６２を制
御し表面４０に適当量の金属を溶着する。

本発明の原理を逸脱することなく以上の具体例に種々の
変更を加えることのできることは理解する必要がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理に従い被加工物の表面に金属を溶
着する組合わせ体の略図、第２図は第１図の組合わせ体
に使用される光変調手段と検出器とを一部分を立面一部
分を断面で示した部分図、第３図は第２図の光電池を含
む回路図、第４図は金属が溶着される被加工物の表面が
融解点に達してない時の状態を示した陰極線オシロスコ
ープ・スクリーンの図、第５図は第４図に似ているが、
被加工物の表面が融解点に達した時の状態を示す図、第
６図は本発明の装置の略図、第７図は本発明の変形例の
装置の略図である。 １０・・・・・・物品、１３・・・・・・加熱手段、１
６・・・・・・光のビームを向ける手段、２８・・・・
・・溶着制御手段、５７・・・・・・溶着手段。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 物品の少くとも表面を初期の融解状態に加熱するこ
   とと、該加熱中に前記表面に光線を向けることと、初期
   の融解時にあ−ける反射性を含む表面の光反射性を検出
   しかつ表面の初期融解時に表面からの光の反射から電気
   的制御信号を発生することと、初期の融解後表面に金属
   を溶着することと、電気的制御信号に応答して表面上の
   金属の溶着を制御することとから成る物品の表面に金属
   を溶着する方法。 ２ 更にまた表面に向は金属を送給することと、制御信
   号に応答して金属の送給を制御することにより金属の溶
   着を制御することを含む特許請求の範囲第１項記載の方
   法。 ３ 光ビームが時間により変調された多色ビームである
   特許請求の範囲第１項記載の方法。 ４ 本質的に単色光のビームを生じさせるため反射ビー
   ムを消波する特許請求の範囲第２項記載の方法。 ５ 物品の少くとも表面を初期の融解状態に加熱する手
   段と、該加熱中に前記表面に光のビームを向ける手段と
   、初期の融解時における反射性を含む表面の反射性の光
   を検出しかつ表面の初期の融解時に表面からの光の反射
   から電気的制御信号を発生する手段と、初期の融解後表
   面に金属を溶着する手段と、電気的制御信号に応答して
   表面上の金属の溶着を制御する子鹿とを備えて成る物品
   の表面に金属を溶着する装置。 ６ 前記光のビームを向ける手段は時間により変調され
   た多色光から成る光のビームを発生して指向する手段か
   ら成る特許請求の範囲第５項記載の装置。 ７ 前記検出子鹿は光電池と反射物から時間で変化する
   電圧を発生する手段とから成る特許請求の範囲第５項記
   載の装置。 ８ 光電池に反射光の単色ビームを供給するよう位置決
   めされた単色フィルタを含んでいる特許請求の範囲第７
   項記載の装置。 ９ 電球と回転するシャッターとにより変調された光の
   ビームを発生するようにした特許請求の範囲第６項記載
   の装置。 １０ 前記金属を溶着する手段は金属を被加工物に送
   給する手段を含み、前記制御手段は、電気的信号に応答
   して金属の送給を開始する手段から成る特許請求の範囲
   第５項記載の装置。 １１ 被加工物に金属が溶着されている間に被加工物
   を回転させる手段を含んでいる特許請求の範囲第５項記
   載の装置。 １２ 金属が溶接棒に含１れ送給手段が溶接棒を駆動
   する手段から成る特許請求の範囲第１０項記載の装置。 １３ 金属が粉状で炎にようスプレィされる混合物であ
   り送給手段が粉末混合物の送給を制御する弁から成る特
   許請求の範囲第１０項記載の装置。