JPH1052771A - 摩擦溶接方法及び溶接構造体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】加工物より実質的に硬い材質からなる棒状の回
転ツールを加工物の接合部に挿入し、前記ツールを回転
させながら移動することによって発生する前記回転ツー
ルと前記加工物との摩擦熱による塑性流動を利用した摩
擦溶接方法において、欠陥の補修方法に関する。 【解決手段】前記溶接部に生じた空洞部６，７，８に前
記空洞部と同じ形状の部材９ａ，９ｂ，９ｃを挿入し、
この部分を再度、摩擦溶接方法によって溶接する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、回転ツ−ルと加工
物との摩擦熱に塑性流動を利用した摩擦溶接法によって
組立てられる車両、自動車、船舶、航空、エレベ−タ、
圧力容器などのあらゆる構造物に利用できる。

【０００２】

【従来の技術】摩擦溶接方法として、特開公平５−９６
３８５などが公知である。これまでの摩擦溶接方法は、
溶接する両方またはいずれか一方の加工物を回転する。
このため、溶接する加工物の形状や寸法に限界がある。

【０００３】一方、加工物の長手方向に連続的に摩擦溶
接する方法として、特表平７−５０５０９０では、加工
物より実質的に硬い材質からなるツ−ルを加工物の溶接
部に挿入し、前記、ツ−ルを回転させながら移動するこ
とにより、該、回転ツ−ルと加工物との間に生じる摩擦
熱による塑性流動によって加工物を溶接する溶接方法が
公知である。

【０００４】従来の摩擦溶接法は、加工物同士を回転さ
せ、加工物同士の摩擦熱によって溶接する方法に対し
て、前記、特表平７−５０５０９０は溶接部材を固定し
た状態で、該、ツ−ルを回転させながら移動することに
より接合できる。このため、溶接方向に対して実質的に
無限に長い部材でもその長手方向に連続的に固相接合で
きる利点がある。さらに、回転ツ−ルと溶接部材との摩
擦熱による金属の塑性流動を利用した固相接合のため、
接合部を溶融させることなく、接合できる。また、加熱
温度が低いため、接合後の変形が少ない。接合部は溶融
されないため、欠陥が少ないなどの多くの利点がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】前記、特表平７−５０
５０９０による回転ツ−ルを加工物の中に挿入し、該、
回転ツ−ルを回転させながら移動することにより溶接す
る方法を製品に適用した場合、次のような問題点があ
る。

【０００６】（１） 前記、溶接方法は、溶接部の終了
位置、または、溶接を途中で中止した位置、つまり、回
転ツ−ルの回転を停止し、該、回転ツ−ルを溶接部から
引抜いた部分に回転ツ−ルとほぼ同じ形状の空洞が生じ
る。すなわち、この空洞は、加工部材に欠陥として残る
ため、構造物に適用する場合は信頼性の点で問題があ
る。

【０００７】（２） 前記、溶接方法は回転ツ−ルの反
対側（溶接部の裏面）に加工物を支持する支持治具が必
要である。加工物が長い場合、、溶接熱などによって加
工物が変形し、該、加工物の裏面は固定治具から離れる
場合がある。この場合、加工物は回転ツ−ルの荷重に耐
えきれず、その部分に欠陥が発生する。

【０００８】（２） 前記、回転ツ−ルの切削作用によ
って、接合部の厚さが局部的に薄くなる。つまり、溶接
部の表面は回転ツ−ルとの摩擦によって凹みができる。
このため、実質的に接合部の厚さが減少するため、溶接
部の強度が低下する。したがって、この溶接法で接合し
た加工物の信頼性に問題がある。

【０００９】（３） 接合部の継手部にギャップがある
場合、欠陥が発生しやすい。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は次の手段により
達成できる。

【００１１】（１） 前記のごとく、溶接部の終了位
置、または、溶接の中止位置に該、回転ツ−ルとほぼ同
じ形状の空洞（溶接欠陥）が生じる。この欠陥を防止す
るため、空洞部に該、空洞と同じ形状の部材を挿入し、
再度、溶接する。この場合、前記、空洞部に配置した部
材は回転ツ−ルによって溶接中に移動することがあるた
め、回転ツ−ルの前方で固定することが望ましい。

【００１２】（２） 前記、回転ツ−ルと反対側に配置
される加工物の固定治具は回転機構を備えていること。
さらに、前記、回転機構を備えた加工物の固定治具は、
加工物の変形に追従して上下方向および左右方向に移動
すること。

【００１３】（４） 加工部材の接合部の厚さは、他の
部分の厚さより局部的に高くなっていること。

【００１４】［作用］ （１） 前記、溶接部に生じた空洞部（欠陥部）に該、
空洞部と同じ形状の部材を配置し、空洞部の後方より、
再度、溶接する。これにより、空洞部は予め、空洞部に
配置された部材に完全に補充されて健全な溶接部とな
る。この場合、前記、空洞部に配置された部材は、溶接
中に回転ツ−ルの力により、進行方向に移動することが
あるため、回転ツ−ルの前方で固定することが望まし
い。この固定方法は、機械的固定または他の溶接方法で
の溶接による固定でも本目的を達成できる。

【００１５】（２） 一方、前記、回転ツ−ルと反対側
に配置される加工物の固定治具に回転機構を備えている
ことにより、少ない力で加工物を移動できる。さらに、
前記、回転機構を備えた加工物の固定治具は、加工物の
変形に追従して上下方向に移動する。このため、加工物
が変形した場合でも固定治具は加工物から離れることが
ない。従って、欠陥の発生が防止でき、信頼性の高い溶
接ができる。

【００１６】（３） 加工部材の接合部の厚さは、他の
部分の厚さより局部的に高くなっていること。

【００１７】（４） 回転ツ−ルの切削効果によって、
接合部の厚さが局部的に薄くなり、接合強度が低下し、
加工部材の信頼性の点で問題がある。これを防止するた
め、接合部の厚さを局部的に厚くすることにより、前
記、問題点を解決できる。具体的には、０．３ｍｍ以
上、２ｍｍ以下が望ましい。本発明によって、接合部の
ギャップが大きい場合でも前記、局部的に厚さを増加し
ている部分でギャップを補うため、欠陥なく接合でき
る。例えば、継手構造がＩ型のみならずレ型またはＶ型
でも欠陥なく接合できる。

【００１８】

【発明の実施の形態】

［実施例１］第１図は前記、溶接方法によって、回転ツ
−ル１を２の方向に回転しながら３の方向に移動して加
工物４を溶接する場合の斜視図を示す。第２図は第１図
の溶接部５に発生する溶接欠陥の例を示す断面図であ
る。

【００１９】第３図の（ａ）は第２図のＡ−Ａ部の断面
で、この場合の欠陥６は溶接部の終端または溶接を中止
した位置に発生しやすい。この欠陥６の形状は、回転ツ
−ルの先端とほぼ同じ形状の空洞である。（ｂ）はＢ−
Ｂ部の断面で、この場合の欠陥７は、溶接条件が適正で
無い場合に発生しやすい。この欠陥７は溶接スタ−ト点
から、溶接終端までほぼ連続して発生し、溶接部の表面
から肉眼で観察できることが多い。（ｃ）はＣ−Ｃ部の
断面で、この場合の欠陥８も溶接条件が不適正の場合に
発生する欠陥である。この欠陥８は溶接部の内部に不連
続的に発生することが多い。

【００２０】本発明は第３図の各欠陥部に前記の各欠陥
と同形状の部材を挿入し、再度、前記、溶接方法で溶接
する点にある。次に本実施例を具体的に説明する。
第３図（ａ）の欠陥６は、円柱状の空洞であるため、
これと同じ形状の部材９ａをこの空洞部に挿入する。
（ｂ）の欠陥７は長方形状の細長い空洞であるため、欠
陥の一部を加工して、これとほぼ同じ形状の部材９ｂを
挿入する。この場合は挿入した部材が長いため、この部
材をＴＩＧ溶接法によって加工部材に固定する。

【００２１】（ｃ）の欠陥８は溶接部の内部に発生して
いるため、溶接部の表面または裏面方向から欠陥の位置
まで機械的に切削し、その切削部分も含む空洞部にその
空洞部と同形状の部材９ｃを挿入する。

【００２２】前記のごとく、各欠陥部（空洞部）に各欠
陥と同形状の部材を挿入後、部材を挿入した位置より後
方側から、再度、前記、溶接方法で溶接する。

【００２３】なお、欠陥部に挿入する部材は、加工部材
と同じ材質が望ましい。

【００２４】本実施例におけるアルミ合金の長さは５
ｍ、厚さ：４ｍｍ、幅：０．５ｍ、溶接条件は、回転ツ
−ルの先端径：５ｍｍ、回転数：１０００ｒｐｍ、溶接
速度：０．２ｍ／ｍｉｎである。前記方法により、信頼
性の高い溶接部が得られ、これを鉄道用車両の溶接に適
用した。

【００２５】［実施例２］第４図はロ−ラ−機構による
挿入部材の固定方法を示す視視図である。

【００２６】本発明は、前記、ロ−ラ１０によって前記
欠陥部に挿入した部材９を機械的に固定するためのもの
である。つまり、溶接方向に欠陥が長い場合に、溶接方
向に対して回転ツ−ル１の前方で、ロ−ラ−１０により
挿入部材９を加工部材４に押しつける。これにより、回
転ツ−ル１の直前で挿入部材９を固定する。なお、ロ−
ラ−１０は回転ツ−ル１と連動して溶接進行方向３に移
動する。

【００２７】一方、ロ−ラ−１０は回転ツ−ル１と独立
して加工部材４の変形に追従して上下移動できる機構１
１が備わっている。この場合のロ−ラの押しつけ力は約
５００ｋｇである。なお、溶接条件および加工部材の寸
法は実施例１である。

【００２８】［実施例 ３］第５図は押出し加工によっ
て製作された面板１２、コア−材１３からなるハニカム
パネル同士の接合において、縁材１４の部分に回転ツ−
ル１を挿入して溶接する。これによって、複数のハニカ
ムパネルを合体して大型のハニカム構造体を製作するも
のである。本実施例では、回転ツ−ル１が接する溶接部
の縁材の厚さを１ｍｍ高くしている。幅は回転ツ−ルの
外形とほぼ同じ２０ｍｍである。前記、溶接部の形状に
より、回転ツ−ル１によって接合部に凹みが生じた場合
でも強度は実質的に低下しない。さらに、接合部のギャ
ップが大きい場合でも欠陥なく接合できる。このため、
信頼性の高いハニカムパネルからなる構造体が効率的
に、かつ、安価に製作できる。このハニカムパネルを鉄
道用車両体として、高速車両を製作した。

【００２９】［実施例 ４］第６図は本発明における接
合部の継手構造を示す。第６図の（ａ）〜（ｂ）は加工
部材４がＩ型開先の継手構造の、（ｃ）と（ｄ）はレ型
開先の、（ｅ）と（ｆ）はＶ型開先の継手構造を示す。
第６図のように、溶接部の厚さを局部的に厚くすること
により、Ｉ型開先の場合はギャップが大きい場合でも欠
陥なく溶接できる。

【００３０】本実施例では、加工部材の厚さが５ｍｍの
アルミ合金を（ａ）のＩ型開先で溶接した場合、開先の
ギャップが１ｍｍまで欠陥なく溶接できる。さらに、
（ｃ）から（ｄ）のレ型開先、（ｅ）と（ｆ）のＶ型開
先の場合も溶接部の厚さを増加することにより、その増
加した部分の厚さで各継手構造のギャップ内の空間を補
充するため、欠陥なく溶接できる。

【００３１】［実施例 ５］第７図は回転ツ−ル１の反
対側、つまり、溶接面の裏側に回転機構を備えた加工物
４の支持治具１５を配置して溶接する斜視図を示す。加
工物４は固定台１６に固定され、さらに、回転ツ−ル１
の荷重によって変形しなように回転ツ−ルの反対側で加
工物を支持する。この場合、支持治具１５に回転機構を
備えることにより、加工物との摩擦抵抗が少なく、稼働
できる。支持治具１５には、回転ツ−ル１の溶接方向３
の移動に連動して、１７方向に回転しなが１８方向に移
動する。また、支持治具１５は加工物４の上下方向また
は左右方向の変形に追従して、上下方向１９および左右
方向２０に自動的に移動できる機構も備わっている。上
記、回転機構の他に上下および左右に移動する機構を備
えた支持治具１５によって長さ２０ｍ、幅１ｍ、厚さ５
ｍｍのアルミ合金の突合せ溶接を行った。溶接条件は実
施例１と同じである。この溶接によって、高速用の車両
を製作した。

【００３２】なお、実施例５では加工物を固定して、回
転ツ−ル１と支持治具１５を溶接方向に移動したが、こ
れらを固定して加工物を移動しても本目的を達成でき
る。

【００３３】［実施例 ６］第８図は本発明によって鉄
道車両用アルミ合金を溶接する方法の断面図を示す。

【００３４】本実施例における加工物は、長さ２０ｍ、
厚さ５ｍｍ、幅５００ｍｍのアルミ合金板である。な
お、加工部材の接合部の高さはほかの部分より約１ｍｍ
高くなっている。回転ツ−ル１は移動ロボット２１に取
付けられ、加工部材４の溶接部に挿入して回転しながら
移動する。この場合、回転ツ−ル１の反対側には支持治
具１５が配置されている。この支持治具１５は、実施例
５と同様の回転、上下、左右のいずれか１つ以上の機能
を有している。一方、加工部材４は、上下から固定治具
２２および２３によって固定されている。なお、この固
定治具２２は、長尺の加工部材を安定に固定するため、
支持治具１５と同様の回転機構を有している。なお、本
実施例では、前記の方法で加工部材を固定して、回転ツ
−ルと支持治具を移動して実施例１と同じ条件で溶接し
た。

【００３５】第９図は前記、実施例によって製作した車
両構造体を示す。第１０図は第９図の車両構造体をさら
に本発明の溶接方法によって組立てた道車両の斜視図を
示す。接合部５の長さは一部が１２．５ｍであるが、最
大２５ｍの長さが表裏両面から形成されて、鉄道用の車
両が製作される。

【００３６】［発明の構成］ （１）溶接部の欠陥部（空洞部）に該、空洞と同じ形状
の部材を挿入し、再度、溶接する。この場合、前記、空
洞部に配置した部材は回転ツ−ルによって溶接中に移動
することがあるため、回転ツ−ルの前方で固定すること
が望ましい。

【００３７】（２）回転ツ−ルと反対側に配置される加
工物の支持治具は回転機構を備えていること。さらに、
前記、回転機構を備えた加工物の固定治具は、加工物の
変形に追従して上下方向および左右方向に移動するこ
と。

【００３８】（３）加工部材の接合部の厚さは、他の部
分の厚さより局部的に高くなっていること。

【００３９】

【発明の効果】本発明によって、２０ｍクラスの長尺ア
ルミ合金を溶融しないで固相接合できる。このため、変
形が少ない。欠陥が少ない、表裏両面から同じに溶接で
きるなどの効果がある。一方、接合部の厚さを他の部分
より増加することにより、接合部のギャップが大きい場
合でも欠陥なく接合できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】摩擦溶接方法の概略図である。

【図２】摩擦溶接部を上部から見た場合の欠陥を示す図
である。

【図３】図３は図２の各位置における断面である。

【図４】図４は摩擦接合を示す斜視図である。

【図５】摩擦接合部の縦断面図である。

【図６】継ぎ手部の各種を示す縦断面図である。

【図７】摩擦接合装置の斜視図である。

【図８】図７の要部の縦断面図である。

【図９】鉄道車両の構造体の斜視図である。

【図１０】鉄道車両の車体の斜視図である。

【符号の説明】

１：回転ツール、６，７，８：欠陥、９ａ，９ｂ，９
ｃ：補修部材。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 青田 欣也 山口県下松市大字東豊井794番地 株式会 社日立製作所笠戸工場内 (72)発明者 江角 昌邦 山口県下松市大字東豊井794番地 株式会 社日立製作所笠戸工場内 (72)発明者 石丸 靖男 山口県下松市大字東豊井794番地 株式会 社日立製作所笠戸工場内

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】加工物より実質的に硬い材質からなる棒状
   の回転ツ−ルを加工物の接合部に挿入し、前記、ツ−ル
   を回転させながら移動することによって発生する前記回
   転ツ−ルと前記、加工物との摩擦熱による塑性流動を利
   用した摩擦溶接方法において、前記、溶接部に生じた空
   洞部に前記、空洞部と同じ形状の部材を配置し、前記、
   空洞部を前記、溶接方法によって再度、溶接することを
   特徴とする摩擦溶接方法。
2. 【請求項２】請求項１記載の空洞部に配置された部材
   は、前記、溶接方向に対して回転ツ−ルの前方で固定さ
   れていることを特徴とする摩擦溶接方法。
3. 【請求項３】加工物より実質的に硬い材質からなる棒状
   の回転ツ−ルを加工物の溶接部に挿入し、前記、回転ツ
   −ルを回転させながら移動することによって発生する前
   記ツ−ルと前記加工物との摩擦熱による塑性流動を利用
   して実質的に連続した部材を接合する摩擦溶接方法にお
   いて、前記、回転ツ−ルの反対側に配置される加工物の
   支持治具は、回転機構または上下方向または左右方向に
   移動する機構のいずれか１つ以上の機能を備えているこ
   とを特徴とする摩擦溶接方法。
4. 【請求項４】請求項３記載の回転機構を備えた加工物の
   支持治具は、加工物の変形に追従して上下方向および左
   右方向に移動する機能を備えていることを特徴とする摩
   擦溶接方法。
5. 【請求項５】請求項２〜４記載の機構を備えたことを特
   徴とする摩擦溶接装置。
6. 【請求項６】加工物より実質的に硬い材質からなる棒状
   の回転ツ−ルを加工物の溶接部に挿入し、前記、ツ−ル
   を回転させながら移動することによって発生する前記ツ
   −ルと前記加工物との摩擦熱による塑性流動を利用して
   実質的に連続した部材を接合する摩擦溶接方法におい
   て、前記、溶接部分の厚さは他の部分の厚さより局部的
   に高くなっていることを特徴とする摩擦溶接の溶接継手
   構造。
7. 【請求項７】特許請求の範囲第１〜６項記載の加工部材
   は、ＡｌまたはＡｌ合金であることを特徴とする構造
   体。
8. 【請求項８】特許請求の範囲第１〜７項記載のいずれか
   の方法によって製作された構造物。
9. 【請求項９】特許請求の範囲第１〜７項記載のいずれか
   の方法によって製作された鉄道車両体。