(12) TŁUMACZENIE PATENTU EUROPEJSKIEGO (19) PL (11) (13) T3 (96) Data i numer zgłoszenia patentu europejskiego:

Transkrypt

1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) TŁUMACZENIE PATENTU EUROPEJSKIEGO (19) PL (11) PL/EP (13) T3 (96) Data i numer zgłoszenia patentu europejskiego: (51) Int. Cl. B60B3/04 ( ) (97) O udzieleniu patentu europejskiego ogłoszono: Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej Europejski Biuletyn Patentowy 2008/52 EP B1 (54) Tytuł wynalazku: SPOSÓB I URZĄDZENIE DO SPAWANIA ZA POMOCĄ WIĄZKI LASEROWEJ OBRĘCZY Z TARCZĄ KOŁA DO POJAZDÓW MECHANICZNYCH (30) Pierwszeństwo: (43) Zgłoszenie ogłoszono: Europejski Biuletyn Patentowy 2007/07 (45) O złożeniu tłumaczenia patentu ogłoszono: Wiadomości Urzędu Patentowego 06/2009 (73) Uprawniony z patentu: Mussino S.r.l., Rivoli, IT PL/EP T3 (72) Twórca (y) wynalazku: Caprioglio Luigi, Rivoli, IT (74) Pełnomocnik: Polservice Kancelaria Rzeczników Patentowych Sp. z o.o. rzecz. pat. Balińska Ewa Warszawa skr. poczt. 335 Uwaga: W ciągu dziewięciu miesięcy od publikacji informacji o udzieleniu patentu europejskiego, każda osoba może wnieść do Europejskiego Urzędu Patentowego sprzeciw dotyczący udzielonego patentu europejskiego. Sprzeciw wnosi się w formie uzasadnionego na piśmie oświadczenia. Uważa się go za wniesiony dopiero z chwilą wniesienia opłaty za sprzeciw (Art. 99 (1) Konwencji o udzielaniu patentów europejskich).

2 1 Opis [0001] Niniejszy wynalazek dotyczy sposobu i urządzenie do laserowego spawania obręczy do tarczy koła do pojazdów mechanicznych. [0002] Koła pojazdów mechanicznych, które w ich najbardziej rozpowszechnionej wersji są wykonane ze stalowej płyty, chociaż przez wiele lat były standardowego typu, obecnie nieco się zmieniają. Schematycznie, koło jest wykonane z dwóch części: obręczy i tarczy. [0003] Obręcz, uzyskiwana poprzez walcowanie pierścienia wykonanego ze stalowej płyty, oprócz utrzymywania opony musi również gwarantować szczelność dla powietrza, wynikającą z aktualnego używania techniki bezdętkowej. [0004] Tarcze uzyskuje się zaczynając od płaskiej tarczy wykonanej ze stalowej płyty. Podczas następnych czynności tłoczenia, uzyskuje się kształt tarczy z perforacjami dopasowującymi do piasty i w bardziej lub mniej złożonym kształcie dzwonowym. [0005] Powyższe dwie części są wstępnie montowane i łączone ze sobą z pasowaniem wtłaczanym; w szczególności, tarcza wchodzi w obręcz. [0006] W tym miejscu wchodzi w grę operacja spawania w celu umocnienia połączenia dwóch części tworzących koło. Standardowy proces spawania przeprowadza się w procesie spawania łukowego z elektrodą spawalniczą i gazem ochronnym. [0007] Technika spawania łukowego nie jest wolna od wad,

3 2 które doprowadziły do poszukiwania nowych technik spawania. [0008] Spoiny łukowe są na ogół dobrej jakości, ale, w związku z olejem, jaki zazwyczaj jest obecny w stalowych płytach, istnieje możliwość powstawania dużych ilości dymu, które, w niektórych przypadkach, mogą spowodować porowatość stalowych płyt, które mają być spawane, co pogarsza jakość spawu. [0009] Spawanie łukowe wytwarza znaczącą ilość żarzących się rozprysków jeziorka ciekłego metalu, które w wielu przypadkach osadzają się na samym kole i muszą być usuwane za pomocą szczotek. [0010] Ponadto kolejną wadą jest to, że spawanie łukowe jest bardzo wolne. [0011] W celu uzyskania bardzo krótkich czasów cyklu spawania zazwyczaj stosuje się jednocześnie cztery palniki spawalnicze w celu wykonania jednocześnie czterech odcinków spawu pomiędzy obręczą a tarczą. [0012] Spawanie łukowe wykonuje się przy użyciu elektrody spawalniczej i polega ono na zatrzymywaniu maszyny co 15 do 20 minut w celu oczyszczenia dyszy zasilającej, która jest zanieczyszczana przez rozpryski stopionego metalu (czynność przeprowadzana za pomocą ręcznych obrotowych szczotek). [0013] Te zatrzymywania linii produkcyjnej powodują zmniejszenie wydajności linii produkcyjnej o co najmniej 10%. Spawarki do spawania łukowego wymagają intensywnej konserwacji i muszą być zatrzymywane codziennie, na końcu cyklu

4 3 technologicznego, w celu poddania ich starannym czynnościom czyszczenia. [0014] Ponadto w technologii spawania łukowego występuje problem wyrobów wybrakowanych, które muszą być naprawione; ten problem dodatkowo zmniejsza sprawność i wydajność linii produkcyjnej. [0015] Ponadto spawanie łukowe wymaga stosowania ciepła, a to powoduje niedające się pominąć odkształcenia geometryczne, zwłaszcza w przypadku używania w pojazdach skonstruowanych do wysokich prędkości. [0016] Podczas ruchu, koło jest narażone na zmęczenie; w spawach łukowych nieuchronnie występują naprężenia wewnętrzne, które, kiedy spawy są poddawane powtarzającym się cyklom naprężeń, mają skłonność do uwalniania się, powodując wzrost następnego zniekształcenia koła. [0017] W celu eliminacji powyższych wad, w tym obszarze zastosowań wprowadza się spawanie laserowe. [0018] W porównaniu ze spawaniem łukowym, spawanie laserowe ma następujące zalety: - spaw jest bardziej jednorodny w związku z jednorodnością materiału (nie ma zastosowania materiał wypełniający); - nie występują odkształcenia termiczne, ponieważ stosuje się mniej ciepła niż jedna dziesiąta tego, które używa się w przypadku spawania łukowego; - nie ma rozprysków stopionego metalu; w tym przypadku nie jest konieczne szczotkowanie;

5 4 - nie ma zatrzymań technologicznych procesu produkcyjnego; w spawaniu łukowym zatrzymania wynikają z konieczności czyszczenia dysz i wymiany elektrod spawalniczych; - proces produkcji jest cichy, przy zmniejszeniu o 10% ilości dymów, w porównaniu ze spawaniem łukowym; - oraz miejsce pracy jest czyste. [0019] Dotychczas, zgodnie z wiedzą niniejszego zgłaszającego, sposoby laserowego spawania kół pojazdów mechanicznych, jakie zaproponowano, przewidują używanie wiązki laserowej promieniowo od zewnątrz ku wnętrzu obręczy (patrz, na przykład, dokument nr US ). [0020] Powyższy proces spawania jest łatwy do realizacji, ale nadal ma pewne dotychczasowe wady. [0021] Pierwsza wada wynika z tego, że w celu uzyskania wytrzymałego mechanicznie spawu w pasowaniu pomiędzy obręczą a tarczą, konieczne jest stopienie znacznej ilości stalowej płyty. W tym typie spawania potrzebna jest znaczna moc lasera w celu uzyskania skróconych czasów cykli, albo konieczne jest używanie więcej niż jednego źródła laserowego, z oczywistymi dodatkowymi kosztami. Również w tym rozwiązaniu występuje problem powodowany przez obecność oleju w obszarze spawania. W chwili wnikania wiązki laserowej w obszar spawania, powstają znaczne ilości oparów. Podczas gwałtownego wychodzenia ze stopionego metalu, para ta wytwarza niebezpieczne porowatości (patrz patent Nr US 5,431,486). [0022] Dokument JP A opisuje sposób spawania

6 5 laserowego według części nieznamiennej zastrzeżenia 1. [0023] Celem niniejszego wynalazku jest zapewnienie urządzenia i sposobu spawania laserowego obręczy z tarczą koła do pojazdów mechanicznych tak, żeby zagwarantować maksymalną niezawodność i precyzję wytwarzania przy stosunkowo niskim koszcie. [0024] Z punktu widzenia uzyskania wspomnianego celu, przedmiotem wynalazku jest sposób laserowego spawania obręczy do tarczy koła dla pojazdów silnikowych według zastrz. 1. [0025] Kolejnym celem wynalazku jest urządzenie do laserowego spawania obręczy z tarczą koła do pojazdów silnikowych. [0026] Proponowany tutaj typ spawania odwołuje się do prawidłowego ustawiania wiązki laserowej na obszarze połączenia pomiędzy tarczą a obręczą i dobrego ustawiania w linii (wyrównania) dwóch stalowych płyt. W tym przypadku potrzebna moc źródła laserowego jest wyraźnie mniejsza niż w poprzednim przypadku spawania promieniowego z zewnątrz o tyle, że całe przenikanie wiązki laserowej jest użyteczne do skonstruowania sekcji wytrzymałej. W tym typie spawania, wiązka laserowa wchodząca w styczność ze złączem dwóch stalowych płyt, odparowuje znajdujący się tam olej i następnie zaczyna topić metal tak, że powstawanie gazów poprzedza stopienie stalowych płyt, i odpływ gazów jest swobodny. [0027] Dalsze zalety i zalecane właściwości wynalazku podano w zastrzeżeniach zależnych.

7 6 [0028] Wspomniane właściwości i zalety staną się natychmiast zrozumiałe z dalszego opisu z odwołaniem się do załączonego zestawu rysunków, które przedstawiono wyłącznie jako nieograniczający przykład, i na których: - fig. 1 jest częściowym widokiem perspektywicznym spawu promieniowego z zewnątrz według znanego stanu techniki (US5,431,486); - fig. 2 pokazuje częściowy widok perspektywiczny spawu według niniejszego wynalazku; - fig. 3A, 3B, 3C są widokami schematycznymi trzech szczególnych przypadków pasowania pomiędzy obręczą a tarczą; oraz - fig. 4 jest częściowym widokiem perspektywicznym urządzenia do spawania laserowego według niniejszego wynalazku. [0029] Fig. 1 ilustruje konwencjonalną technikę spawania przy użyciu wiązki laserowej. [0030] W szczególności, wiązka laserowa 1 jest stosowana w kierunku promieniowym z zewnątrz ku wnętrzu obręczy. Obręcz, jako całość, oznaczono numerem identyfikacyjnym 2, a tarczę, jako całość, oznaczono numerem identyfikacyjnym 3. W przykładzie pokazanym na fig. 1, wiązkę 1 stosuje się w kierunku prostopadłym do osi A koła. [0031] Nawiązując do fig. 2, na której pokazano zalecaną wersję wynalazku, wiązka laserowa 1 jest stosowana w zasadzie w kierunku osiowym ku wnętrzu obręczy.

8 7 [0032] Kierunek D stosowania wiązki laserowej 1 w tym przypadku tworzy kąt α w stosunku do kierunku równoległego do osi A koła, na przykład, w przedziale 8-10 i w każdym przypadku wystarczający do zapobiegania jakimkolwiek zakłóceniom pomiędzy stożkiem zogniskowanej wiązki a wewnętrzną powierzchnią obręczy. [0033] Nawiązując do fig. 2, obręcz 2 ma obwodową ścianę 4 z powierzchnią wewnętrzną 5, a tarcza 3 ma obwodową część 6 w styczności z powierzchnią wewnętrzną 5 obręczy 2. Obwodowa część 6 ma obwodową krawędź końcową 7. [0034] Nawiązując do fig. 2, wiązka laserowa 1 jest zogniskowana w obszarze styczności pomiędzy obwodową częścią 6 tarczy 3, a powierzchnią wewnętrzną 5 obręczy 2, a w szczególności w miejscu odpowiadającym obwodowej krawędzi końcowej 7 tarczy 3. [0035] Uzyskiwany spaw jest bardziej jednorodny i wymaga mniejszej mocy źródła laserowego w porównaniu z dotychczasowym stanem techniki. [0036] Na fig. 3A, 3B i 3C przedstawiono trzy możliwe stany, w jakich może się znaleźć obszar styczności, oznaczony III na fig. 2, konstrukcji obręcz-tarcza. [0037] W szczególności, stan z fig. 3A powstaje w przypadku gdy tarcza 3 zupełnie nie styka się całkowicie z obręczą 2. W szczególności, obwodowa część 6 tarczy zupełnie nie styka się z powierzchnią wewnętrzną 5 obręczy, a obwodowa krawędź końcowa 7 znajduje się w pewnej odległości (odstępie) od

9 8 ściany wewnętrznej 5 obręczy. [0038] Na fig. 3B pokazano idealny przypadek, w którym obwodowa część 6 tarczy i powierzchnia wewnętrzna 5 obręczy całkowicie do siebie pasują. [0039] Na końcu, na fig. 3C pokazano sytuację, w której obwodowa krawędź 6 tarczy ma zniekształcenie, które utrzymuje ją w pewnej odległości od powierzchni wewnętrznej 5 obręczy. [0040] W sposobie spawania według niniejszego wynalazku główne znaczenie ma czynność ustawiania wiązki laserowej 1 w obszarze styczności dwóch stalowych płyt. [0041] Nawiązując do fig. 4, urządzenie według wynalazku zawiera: środki 10 do ogniskowania wiązki laserowej 1; środki 11 do podtrzymywania konstrukcji, która ma być spawana, złożonej z obręczy 2 z tarczą 3, wstępnie zmontowanych ze sobą techniką pasowania wtłaczanego; oraz środki do nadawania ruchu względnego pomiędzy konstrukcją, która ma być spawana, a zogniskowaną wiązką laserową 1 [0042] Para obracających się przeciwbieżnie kół 14 i 15 sprzęga ze sobą, z przeciwnych stron, obwodowe ściany obręczy i tarczy, spasowanych ze sobą. [0043] W zalecanej wersji, do środków nadających względny ruch pomiędzy konstrukcją, która ma być spawana, a zogniskowaną wiązką laserową, należy silnik 16 sterujący obrotem obrotowej platformy 12, na której jest montowana konstrukcja, która ma być spawana. [0044] W jednym z wariantów, obrotowa platforma 12 ma

10 9 swobodę obracania się, a środki silnikowe są wykonane z pary obracających się przeciwbieżnie kół 14 i 15 [0045] W każdym przypadku pierwsze koło 14 pary obracających się przeciwbieżnie kół ma jedną oś B nieruchomą, a drugie koło 15 ma ustawianą oś C, która może być przemieszczana w kierunku X prostopadłym do osi C drugiego koła, za pomocą środków uruchamiających dowolnego typu (niepokazanych) Wspomniane środki uruchamiające są skonstruowane tak, żeby dociskały koło 15 do koła 14 z siłą odpowiednią do zagwarantowania, że wszelkie możliwe uszkodzenia takiego typu jak pokazano na fig. 3A i 3C, zostaną wyeliminowane, doprowadzając stalowe płyty z powrotem do optymalnej konfiguracji z fig. 3b [0046] Nawiązując do fig. 4, zarówno oś nieruchoma B jak i regulowana (ustawiana) oś C są równoległe do osi A koła. [0047] Koło 15 umożliwia kompresję (ściskanie) obszaru styczności pomiędzy częścią obwodową 6 tarczy a powierzchnią wewnętrzną 5 obręczy w miejscu odpowiadającym obwodowej krawędzi końcowej 7 tarczy. Oś C koła 15 może być regulowana w kierunku X w celu zmniejszenia do minimum zniekształceń pokazanych na fig. 3A i 3C. [0048] Średnice kół 14 i 15 są skonstruowane na bazie teorii Hertza o naprężeniach kontaktowych, w taki sposób, że: - koło 14 nie wprowadza żadnego pocienienia obręczy koła (zatem niezbędna jest raczej duża średnica koła 14); - i koło 15 będzie miało średnicę możliwie małą w celu wywołania niezbędnego zniekształcenia krawędzi tarczy tak,

11 10 żeby spowodować jej dokładne dopasowanie do obręczy koła (jak pokazano w przypadku przedstawionym na fig. 3B). [0049] W każdym przypadku konstrukcja, utworzona przez środki podtrzymujące 11 i przez obracającą się platformę 12, jest ruchoma w celu dostosowania tolerancji obręczy (owalności i tolerancji średnicy). [0050] Oczywiście, bez negatywnego stosunku do zasady wynalazku, szczegóły konstrukcji i przykłady wykonania mogą się znacznie zmieniać w stosunku do tego co tu napisano i pokazano wyłącznie jako przykład, zatem bez wychodzenia poza zakres niniejszego wynalazku. Mussino S.r.l. Pełnomocnik:

12 11 Zastrzeżenia patentowe 1. Sposób laserowego spawania (1) obręczy (2) z tarczą (3) koła do pojazdów mechanicznych, w którym: - wspomniana obręcz (2) ma obwodową ścianę (4) z powierzchnią wewnętrzną (5); oraz - wspomniana tarcza (3) ma obwodową część (6), która jest w styczności ze wspomnianą powierzchnią wewnętrzną (5) obręczy, przy czym wspomniana obwodowa część (6) ma obwodową krawędź końcową (7), zaś wspomniany sposób zawiera operację ogniskowania wiązki laserowej (1) w obszarze styczności pomiędzy obwodową częścią (6) tarczy a powierzchnią wewnętrzną (5) obręczy, w miejscu odpowiadającym wspomnianej obwodowej krawędzi końcowej (7) tarczy oraz, w który to sposób obejmuje operacje zapewnienia - środków (10) do ogniskowania wiązki laserowej (1); - środków (11) do podtrzymywania konstrukcji, która ma być spawana, złożonej z obręczy (2) z tarczą (3) wstępnie zmontowanych w niej techniką pasowania wtłaczanego; oraz - środków do nadawania względnego ruchu pomiędzy konstrukcją, która ma być spawana (2, 3), a zogniskowaną wiązką laserową (1), środków (12) do nadawania względnego ruchu pomiędzy konstrukcją, która ma być spawana (2, 3) a zogniskowaną wiązką laserową, które są wstępnie skonstruowane tak, żeby zawierały środki do ustawiania konstrukcji, która ma być spawana (2, 3), w stanie obrotowym wokół osi (A) koła,

13 12 przy czym wspomniany sposób jest znamienny tym, że środki (11) do podtrzymywania konstrukcji, która ma być spawana (2, 3) są wstępnie skonstruowane tak, żeby zawierały co najmniej parę obracających się przeciwbieżnie kół (14, 15), które sprzęgają się, na przeciwległych stronach, z obwodową ścianą (4) obręczy. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że środki do nadawania względnego ruchu pomiędzy konstrukcją, która ma być spawana (2, 3) a zogniskowaną wiązką laserową (1) są wstępnie skonstruowane tak, żeby zawierały silnikowe środki napędowe (16), które sterują obrotem obrotowej platformy (12), na której ma być zamontowana konstrukcja (2, 3), która ma być spawana. 3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że obejmuje on czynność zapewniania swobodnie obracającej się platformy (12), na której ma być zamontowana konstrukcja (2, 3), która ma być spawana, a silnikowe środki napędowe są wstępnie skonstruowane tak, żeby były wykonane ze wspomnianej co najmniej jednej pary obracających się przeciwbieżnie kół (14, 15). 4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że obejmuje on czynności: - zapewnienie pierwszego koła (14) wspomnianej pary obracających się przeciwbieżnie kół z nieruchomą osią (B), i drugiego koła (15) z ustawianą osią (C), która może być przemieszczana w kierunku (X), prostopadłym do osi (C) drugiego koła (15); oraz

14 13 - zapewnienie środków uruchamiających skonstruowanych do dociskania drugiego koła (15) do pierwszego koła (14) w celu eliminacji jakiegokolwiek ewentualnego błędnego usytuowania części (2, 3), które mają być spawane 5. Urządzenie do laserowego spawania obręczy (2) z tarczą (3) koła do pojazdów mechanicznych, w którym: - wspomniana obręcz (2) ma obwodową ścianę (4) z powierzchnią wewnętrzną (5); oraz - wspomniana tarcza (3) ma część obwodową (6), która jest w styczności ze wspomnianą powierzchnią wewnętrzną (5) obręczy i ma obwodową krawędź końcową (7), przy czym wspomniane urządzenie zawiera środki (10) do ogniskowania wiązki laserowej (1) w obszarze styczności pomiędzy częścią obwodową (6) tarczy a powierzchnią wewnętrzną (5) obręczy, w miejscu odpowiadającym wspomnianej obwodowej krawędzi końcowej (7) tarczy, oraz w którym środki (10) do ogniskowania wiązki laserowej zawierają: - środki (10) do ogniskowania wiązki laserowej; - środki (11) do podtrzymywania konstrukcji, która ma być spawana, złożonej z obręczy (2) z tarczą (3) wstępnie zmontowanych w niej techniką pasowania wtłaczanego; oraz - środki do nadawania względnego ruchu pomiędzy konstrukcją, która ma być spawana (2, 3), a zogniskowaną wiązką laserową, przy czym środki do nadawania względnego ruchu pomiędzy konstrukcją, która ma być spawana (2, 3), a zogniskowaną wiązką laserową (1) zawierają środki (12) do ustawiania

15 14 konstrukcji, która ma być spawana (2, 3), w stanie obrotowym wokół osi (A) koła, przy czym wspomniane urządzenie jest znamienne tym, że środki (11) do podtrzymywania konstrukcji, która ma być spawana (2, 3), zawierają co najmniej jedną parę obracających się przeciwbieżnie kół (14, 15), które sprzęgają się, na przeciwległych stronach, z obwodową ścianą (4) obręczy. 6. Urządzenie według zastrz. 5, znamienne tym, że środki do nadawania względnego ruchu pomiędzy konstrukcją (2, 3), która ma być spawana, a zogniskowaną wiązką laserową (1) zawierają silnikowe środki napędowe (16), które sterują obrotem obrotowej platformy (12), na której ma być zamontowana konstrukcja (2, 3), która ma być spawana. 7. Urządzenie według zastrz. 5, znamienne tym, że urządzenie to zawiera obracającą się swobodnie platformę (12), na której jest zamontowana konstrukcja (2, 3), która ma być spawana, oraz tym, że środki napędowe są wykonane ze wspomnianej co najmniej jednej pary obracających się przeciwbieżnie kół. 8. Urządzenie według zastrz. 5, znamienne tym, że pierwsze koło (14) ze wspomnianej pary obracających się przeciwbieżnie kół ma nieruchomą oś (B), a drugie koło (15) ma nastawną oś (C), która może być przemieszczana w kierunku (X), prostopadłym do osi (C) drugiego koła (15), za pomocą środków uruchamiających skonstruowanych tak, żeby dociskały drugie koło (15) do pierwszego koła (14) z siłą wystarczającą do

16 15 eliminacji wszelkiego ewentualnego błędnego usytuowania części (2, 3), które mają być spawane. Mussino S.r.l. Pełnomocnik:

17

18

19