JPH1110364A

JPH1110364A - 摩擦溶接方法

Info

Publication number: JPH1110364A
Application number: JP17147397A
Authority: JP
Inventors: Akihiro Sato; 章弘佐藤; Masao Funyu; 征夫舟生; Hisanobu Okamura; 久宣岡村
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1997-06-27
Filing date: 1997-06-27
Publication date: 1999-01-19
Anticipated expiration: 2017-06-27
Also published as: JP3317192B2

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明の目的は、加工部材の溶接部全体を溶融
させることができ、未溶融部のない摩擦溶接方法を提供
するにある。【解決手段】ショルダ部と前記ショルダ部より細いネジ
部からなる回転ツールを加工部材の溶接部に挿入し、前
記ツールを回転させながら移動することにより、金属の
塑性流動を利用して溶接する摩擦溶接方法において、加
工部材の溶接部近傍の表裏両面が他の部位よりも高く突
起状に形成されていることを特徴とする摩擦溶接方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は新規な摩擦溶接方法
に関し、特に金属の固相接合法によって、船舶や自動
車，航空，エレベータ，圧力容器などアルミニウム合金
を使用する構造体の溶接方法に係るものである。

【０００２】

【従来の技術】ツールを用いた摩擦溶接方法として、特
表平7−505090 号が公知である。この特表平7−505090
号による摩擦溶接方法では、加工部材より実質的に硬い
材質からなるツールを加工部材の溶接部に挿入し、前記
ツールを回転させながら移動することにより、溶接長手
方向に連続的に溶接が可能である。特表平7−505090 号
の溶接部裏面には、塑性流動によって溶接部裏面に形状
の変化をきたすことのない様、前記溶接部裏面全体に裏
当て板を配置している。つまり、溶接部裏面の形状は溶
接後も同一である。また、ツールを回転させながら移動
するため、ツールによって溶接部表面が機械的に切削さ
れ、溶接部の表面に凹みが生じる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】前記摩擦溶接方法を実
際の工業製品に適用する場合、次のような課題がある。（１）ツールを回転させながら移動するため、ツールに
よって溶接部表面が機械的に切削され、溶接部の表面に
凹みが生じる。

【０００４】（２）加工部材の溶接部において、溶接部
に挿入されたツールの先端から０.２mm程度しか、深さ
方向に対しては溶け込みが得られない。このため、溶接
部の裏面に未溶融部（溶込み欠陥）が生じる。溶接部裏
面に未溶融部を発生させずに溶接部裏面まで溶接を行う
には、溶接部に挿入されたツール先端と加工部材裏面ま
たは裏当て板との距離を、常に０.２mm 以下に制御する
必要がある。しかし、溶接部に挿入されたツール先端と
の距離を、常に０.２mm 以下に制御するのは、長尺物を
溶接する場合は特に困難である。

【０００５】（３）ツール先端が溶接部を貫通した状態
で溶接を行った場合、溶接部裏面に配置した裏当て板に
ツール先端が接触するため、ツール、あるいは裏当て板
が破損する。また、溶接部裏面にも欠陥が発生する。さ
らに、加工部材と裏当て板が接合されることもある。

【０００６】図１は従来の溶接方法を示した図である。
従来の方法では加工部材１が裏当て板２上に、図のよう
に配置されている。ツール４を回転させながら加工部材
１の接合線３に挿入，加工部材１を貫通する直前まで挿
入する。この時のツール先端４ａと加工部材１の裏面１
ａとの距離は、通常０.２mm 以下である。この状態で溶
接方向へ移動して溶接する。この方法ではツール先端４
ａは溶接中、常に加工部材１の裏面１ａよりも上を移動
しなくてはならない。つまり、従来の溶接方法では、ツ
ール先端４ａが加工部材１の裏面１ａを貫通してはなら
ない。ツール先端４ａが加工部材１を貫通した場合、裏
当て板２及びツール４が破損してしまう。また、加工部
材１の裏面に欠陥が生じる。

【０００７】図２は溶接後の溶接部断面を示した図であ
る。従来の方法では、溶接部表面が凹んでしまう。ま
た、ツール４の先端４ａが加工部材１の裏面１ａを貫通
した状態では溶接を行うことができない。ツール先端４
ａを加工部材１の裏面１ａに達する直前で保持する必要
がある。しかし、加工部材１が長尺の場合などは溶接部
の厚さが一定ではない。このため、溶融部５の下から加
工部材１の裏面１ａに達する範囲で、未溶融部６が発生
してしまう。溶接条件によっても異なるが、ツール４の
先端４ａから０.２mm 程度しか溶け込みが得られない。
従って、未溶融部６の発生を防止するには、ツール４の
先端４ａと加工部材１の裏面１ａとの距離を常に０.２m
m 以下に制御しなくてはならない。この制御を工業的に
行うことは極めて困難である。

【０００８】本発明の目的は、加工部材の溶接部全体を
溶融させることができ、未溶融部のない摩擦溶接方法を
提供するにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】

（１）加工部材の溶接部近傍の表裏両面を、他の部分よ
りも高く、突起状に形成することにより、ツール先端を
加工部材の裏面より下まで挿入させることができる。ま
た、溶接部表面の凹みを加工部材表面よりも上部に形成
させることができる。

【００１０】（２）加工部材の裏面に配置した裏当て板
の溶接部直下に溶接線に沿って溝を設けることにより、
加工部材と裏当て板との接触を防止できる。また、加工
部材の裏面に配置した裏当て板の溶接部直下に溶接線に
沿って溝を設けることにより、ツール先端を溶接部裏面
から貫通させて溶接することができる。

【００１１】前記（１）の手段により、溶接部近傍のみ
加工部材表面を突起状に形成することで、溶接部表面に
生じる凹みは加工部材表面より上の突起部に形成され、
加工部材内から排除される。また、溶接部近傍のみ加工
部材裏面を突起状に形成することでツール先端を加工部
材裏面よりも下へ挿入することができ、ツール先端より
下に発生する未溶融部分は突起部に形成され、加工部材
内から排除される。

【００１２】前記（２）の手段により、溶接の課程でツ
ールの挿入方向に対して局部的に５００〜２０００kgｆ
の大きな荷重がかかる。このため、溶接中に塑性流動し
た金属が、溶接部裏面に設けられた溝に押し込められ
る。その結果、溶接部裏面に前記溝と同一形状の裏波が
形成される。

【００１３】上記手段によりツール先端を溶接部裏面か
ら貫通させて溶接を行うことができる。これにより、溶
接部裏面に発生する未溶融部を排除することができる。
また、ツール先端が貫通した場合でも、加工部材及びツ
ール先端を破損させることなく溶接することが可能とな
る。さらに、加工部材と裏当て板が接合されることなく
溶接を行える。

【００１４】

【発明の実施の形態】

（実施例１）以下、本発明をアルミニウム合金の突き合
わせ溶接に適用した場合の実施例を図面を用いて具体的
に説明する。

【００１５】図３（ａ）及び（ｂ）は溶接部近傍の表裏
両面が突起状に形成された加工部材の溶接方法を示した
図である。加工部材表面の突起は溶接部表面の凹みを防
止するためのものである。この突起幅１０は、実験によ
る経験では本溶接に使用するツール４のショルダ径９よ
りも小さくした場合には溶接部表面に欠陥が発生しやす
い。突起幅１０がショルダ径９と同一、あるいはショル
ダ径以上では欠陥のない溶接部が得られているため、本
実施例では突起幅１０をショルダ径９と同等、あるいは
ショルダ径９以上とした。また、突起高さ１１は、ショ
ルダ径９によって異なるが、ツール４の傾斜によるショ
ルダ径９と加工部材表面との隙間とほぼ同じ高さにする
のが望ましい。現状では０.５〜３mmであれば問題な
い。ツール挿入の際には、ショルダが加工部材表面まで
到達しないようにツール４を挿入する。

【００１６】加工部材裏面の突起は溶接部裏面の未溶融
部を排除するためのものである。したがって、ツール先
端は加工部材裏面を貫通して突起の内部まで挿入され
る。ツール先端を裏面の突起まで挿入するため、図３
（ａ）のように突起幅１２は溶接に使用するツール４の
ツール先端４ａよりも大きくする必要がある。突起高さ
１３は使用するツール４のツール先端４ａの寸法によっ
て異なるが、ツール先端Ｒ部４ｂ全体が突起内部に到達
するまでツール４を挿入することから、０.５〜３mmと
している。

【００１７】図３（ｂ）のように加工部材裏面の突起幅
がツール先端４ａ以下では、溶接中、ツール４による塑
性流動で突起全体が撹拌され良好な溶接部が得られな
い。

【００１８】（実施例２）図４は溶接後に溶接部近傍の
突起を削除した状態を示した図である。本溶接方法で発
生する溶接部表面の凹みは、実施例１により突起８ａに
形成される。溶接後、この突起８ａをグラインダ等で加
工部材表面１ｂまで切削することで加工部材表面１ｂと
同一の高さにできる。加工部材裏面の未溶融部６は突起
８ｂに形成される。溶接後、この突起８ｂをグラインダ
等で加工部材裏面１ａまで切削することで未溶融部６を
加工部材１から排除でき、加工部材裏面１ａと同じ高さ
にすることができる。

【００１９】（実施例３）図５は溝付の裏当て板を用い
た場合の溶接方法を示した図である。本溶接方法では、
図５（ａ）及び（ｂ）に示すように、裏当て板２に設け
た溝７を加工部材１の溶接面３の直下に配置する。な
お、ツール４の先端が加工部材１の裏面を貫通するまで
ツール４を挿入して溶接を行う。

【００２０】図５（ｂ）では加工部材の溶接部表面に突
起８ａが形成された加工部材を示す。本溶接方法では、
溶接部において、加工部材の一部を裏当て板２に設けた
溝７に塑性流動させている。溶接中、溶接部表面は部材
がツール４の押し付け力により下方へと押されて塑性流
動しているため、溝に金属が充填されると、溶接部表面
では逆に金属が減少する。そのため溶接後の表面は凹状
になる。予め溶接部表面に突起８を形成しておくこと
で、この突起８ａにより溝の内部に充填される金属を補
うことができる。

【００２１】図６は、本発明を用いて溶接を行った加工
部材の溶接部周辺を断面で示した図である。加工部材１
の溶接部直下に溝を設けることで、溶接部裏面に裏波を
形成することができる。また、ツール４の先端４ａを加
工部材１の裏面１ａから貫通させて溶接することができ
るため、図２で示した位置に未溶融部が発生することは
ない。つまり、未溶融部を加工部材１内部から排除でき
る。本方法においても、溶接条件によっても異なるが、
ツール４の先端４ａから０.２mm 以上の下方では未溶融
部が発生する。しかし、未溶融部の発生は加工部材１の
裏面よりも下方、裏波１４内部である。

【００２２】図７は、本発明により形成された裏波をグ
ラインダ、又は切削などにより機械的に除去した状態を
断面で示した図である。本発明では、前述したように裏
波１４内部に未溶融部が発生する。そこで、溶接終了後
に加工部材１の裏面に形成された裏波１４を、図６に示
すように加工部材１裏面まで削除することで未溶融部を
完全に排除することが可能である。

【００２３】（実施例４）図８は実施例１で示した摩擦
溶接方法で接合された加工部材の接合部裏面を、アーク
又はレーザなどの溶融溶接方法により再度、溶接した状
態を断面で示した図である。本発明では、ツール４を加
工部材１から貫通させるこができるため、溶け込み不足
による未溶融部の発生を従来の位置から排除できる。し
かし、本発明により溶け込み不足が大きく改善される期
待は小さい。したがって、本発明により形成されたＦＳ
Ｗによる溶接部１５の裏波部分に未溶融部が生じる場合
がある。そこで、本発明により形成された裏波を、アー
ク又はレーザなどの熱源を用いて再度溶接し、アーク溶
接による溶接部１６を形成することで未溶融部を排除し
た。本実施例では溶接箇所が突出しているため、溶融さ
せる範囲が極めて少ないため低入熱で溶融させることが
可能であり、他の溶接方法に比べ溶接後の変形を小さく
することができる。また、フィラーワイヤを使用するこ
となく溶接できる。

【００２４】（実施例５）本発明の特徴である裏当て板
について、本実施例では以下に示す形状あるいは構造の
物を幾つか用いて溶接を行った。

【００２５】図９は、本溶接で使用した裏当て板の溝周
辺部を断面で示した図である。図９（ａ）及び（ｂ）に
示すように、溝７の幅が下方に向かって小さくなって
る。これは、溶接後に加工部材を裏当て板から取り外す
作業を容易にするためである。図９（ｃ）は溝７の中央
から左右に分割が可能な構造の裏当て板である。この構
造を用いることでも、溶接終了後に加工部材１に形成さ
れた裏波１４を、裏当て板から容易に取り外すことがで
きる。

【００２６】（実施例６）図１０は、溝周辺に冷却構造
を備えた裏当て板を断面により示した図である。図に示
すように溝７の周辺、裏当て板２の内部に溶接方向に向
かって冷却口１７を設け、溶接中、この冷却口１７に水
を循環させることで溝７周辺を冷却させた。この方法で
も、加工部材の取り外しが容易になった。なお、冷却口
１７には、水以外にも、圧縮空気などでも目的を達成で
きる。

【００２７】（実施例７）図１１は溝幅とツール先端と
の関係を示した図である。つまり、図１１（ａ）はツー
ル先端の径に対して溝幅が小さい場合、図１１（ｂ）は
ツール先端の径に対して溝幅が大きい場合の溶接時の位
置関係を示している。図１１（ａ）では、溝幅１８に対
してツール先端の径１９が大きい。従って、ツール先端
４ａを溝７の内部まで挿入することはできない。従来の
ツール先端４ａは球面状に形成されているが、更にテー
パ状にすることでツール先端４ａが溝７の内部に達する
ようにしている。この時、裏当て板の溝幅１８はツール
先端径１９より１〜２mm小さい程度が望ましい。

【００２８】図１１（ｂ）では、溝幅１８がツール先端
径１９よりも大きい。この場合、ツール先端４ａを溝７
の内部まで挿入することができる。しかし、必要以上に
溝幅１８が大きくなると、裏波と加工部材裏面との境界
部分に欠陥が発生してしまう。そこで、本実施例では溝
幅１８をツール先端径１９に対して１mm大きく、最大で
も５mmまでに限定した。

【００２９】（実施例８）本発明を鉄道車両に適用した
例について説明する。図１２は鉄道車両の一部を斜視図
で示した図であり、本実施例は、図１２に示す鉄道車両
構体の溶接箇所２０の一部に使用した。

【００３０】図１３は鉄道車両の構体での本発明の実施
方法を示した断面図である。接合部材は押し出し型材２
１，２２，２３である。型材２１，２２，２３を裏当て
板２上に配置，溶接線の直下が溝７になるようにして拘
束する。型材の拘束は万力や装置で上方から裏当て板２
に押さえることによって行う。材質はＳｉ量が０.４〜
０.９ｗｔ％，Ｍｇ量が０.４〜０.８ｗｔ％を主組成と
するアルミニウム合金である。溶接終了後に溶接部裏面
に形成された裏波をグラインダで切削した。なお、本実
施例での溶接条件は、ツールの回転数１８００rpm ，溶
接速度６００mm／min であり、長さ３ｍの溶接部に適用
した。

【００３１】（実施例９）図１４は溶接部近傍の表裏両
面に突起が形成された鉄道車両の構体での実施方法を示
した断面図である。接合部材は押し出し型材２４，２５
である。型材２４，２５を裏当て板２上に配置，溶接線
の直下が溝７になるようにして拘束する。型材の拘束は
万力や装置で上方から裏当て板２に押さえることによっ
て行う。材質はＳｉ量が０.４〜０.９ｗｔ％，Ｍｇ量が
０.４〜０.８ｗｔ％を主組成とするアルミニウム合金で
ある。溶接終了後に溶接部近傍の表裏両面の突起をグラ
インダにより削除した。なお、本実施例での溶接条件
は、ツールの回転数１０００rpm，溶接速度４００mm／m
in であり、長さ２ｍの溶接部に適用した。

【００３２】

【発明の効果】本発明によれば、下記に示す効果が得ら
れる。

【００３３】（１）加工部材の溶接部近傍の表裏両面に
突起を形成することで、溶接部表面の凹み及び溶接部裏
面の未溶融部は突起内部に発生し、溶接後に突起を削除
することで加工部材内部から排除できる。

【００３４】（２）裏当て板に溝を設け、この溝を加工
部材の溶接部直下に配置することで、ツールが接合部裏
面を貫通した場合でもツール及び裏当て板が破損するの
を防止できる。

【００３５】（３）常時、ツールを貫通させて溶接が行
えるため、加工部材の溶接部全体を溶融させることが可
能になる。さらに、溶接によって形成された裏波を削除
することで、溶接部裏面に発生していた未溶融部分を排
除することができる。

【００３６】（４）ツールを貫通させて溶接を行えるた
め、溶接中にツール挿入深さの変動する許容値が従来の
方法に比べ拡大した。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の溶接方法を示した図である。

【図２】溶接後の溶接部断面を示した図である。

【図３】溶接部近傍の表裏両面が突起状に形成された加
工部材の溶接方法を示した図である。

【図４】溶接後、表裏両面の突起を削除した状態を示し
た図である。

【図５】本発明による溶接方法を示した図である。

【図６】本発明により溶接された加工部材の溶接部を断
面により示した図である。

【図７】本発明により形成された裏波を除去した状態を
断面により示した図である。

【図８】本発明により溶接された加工部材の溶接部裏面
をアーク又はレーザ等の溶融溶接方法により再度、溶接
した状態を断面により示した図である。

【図９】本溶接で使用した裏当て板の溝周辺部を断面で
示した図である。

【図１０】溝周辺に冷却構造を備えた裏当て板を断面に
より示した図である。

【図１１】溝幅とピン径との関係を示した図である。

【図１２】鉄道車両の構体を示した斜視図である。

【図１３】鉄道車両の構体に本発明を適用した実施方法
を示した断面図である。

【図１４】溶接部近傍の表裏両面に突起が形成された鉄
道車両の構体での実施方法を示した断面図である。

【符号の説明】

１…加工部材、１ａ…加工部材裏面、１ｂ…加工部材表
面、２…裏当て板、３…溶接面、４…ツール、４ａ…ツ
ール先端、４ｂ…ツール先端Ｒ部、５…溶融部、６…未
溶融部、７…溝、８ａ，８ｂ…突起、９…ショルダ径、
１０，１２…突起幅、１１，１３…突起高さ、１４…裏
波、１５…ＦＳＷによる溶接部、１６…アーク溶接によ
る溶接部、１７…冷却口、１８…溝幅、１９…ツール先
端径、２０…溶接箇所、２１，２２，２３，２４，２５
…押し出し型材。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ショルダ部と前記ショルダ部より細いネジ
部からなる回転ツール（以下、ツールと略す）を加工部
材の溶接部に挿入し、前記ツールを回転させながら移動
することにより、金属の塑性流動を利用して溶接する摩
擦溶接方法において、加工部材の溶接部近傍の表裏両面
が他の部位よりも高く突起状に形成されていることを特
徴とする摩擦溶接方法。
【請求項２】請求項１に記載の加工部材表面の突起の幅
は、ショルダ径と同等又はショルダ径以上で、かつ突起
の高さは０.５〜３mm以内であることを特徴とする摩擦
溶接方法。
【請求項３】請求項１に記載の加工部材裏面の突起の幅
は、ツール先端径以上で、かつ突起の高さは０.５〜３
mm以内であることを特徴とする摩擦溶接方法。
【請求項４】請求項１〜３のいずれかに記載の溶接継手
構造の表面及び裏面の突起部の片方、または両方は前記
摩擦溶接後、機械的に削除されることを特徴とする摩擦
溶接方法。
【請求項５】請求項１〜３のいずれかに記載の溶接継手
構造の表面及び裏面の突起部の片方、または両方は溶接
後、アーク溶接等により溶融溶接されることを特徴とす
る摩擦溶接方法。
【請求項６】請求項１において、前記加工部材の裏面に
配置される裏当て板はツールの直下に溝が設けられてい
ることを特徴とする摩擦溶接方法。
【請求項７】請求項６において、前記ツールの先端が前
記加工部材の溶接部裏面を貫通し、前記加工部材の溶接
部裏面と前記当て板との間に形成された溝の内部を移動
しながら溶接することを特徴とする摩擦溶接方法。
【請求項８】請求項６において、前記裏当て板の溝の形
状は前記回転ツールの先端形状と同一形状に形成されて
いることを特徴とする摩擦溶接方法。
【請求項９】請求項７又は８により摩擦溶接された溶接
部裏面を溶融溶接することを特徴とする摩擦溶接方法。
【請求項１０】請求項７又は８により溶接された溶接部
裏面を機械的に削除することを特徴とする摩擦溶接方
法。
【請求項１１】請求項６において、前記裏当て板の溝の
幅は、前記ツールのピン径に対して１〜５mm大きく形成
されていることを特徴とする摩擦溶接方法。
【請求項１２】請求項６において、前記裏当て板の溝の
幅が、溶接に使用するツールのピン径に対して１〜２mm
小さく形成されていることを特徴とする摩擦溶接方法。
【請求項１３】請求項６において、前記溝の形状は下方
に向かって溝幅が小さくなっていることを特徴とする摩
擦溶接方法。
【請求項１４】請求項６において、裏当て板の溝周辺、
あるいは前記裏当て板全体を強制的に冷却する機構を備
えていることを特徴とする摩擦溶接方法。
【請求項１５】請求項６において、溝の中央、あるいは
前記溝のほぼ中央から溶接進行方向に対して左右に分割
できる機構を備えている裏当て板を用いることを特徴と
する摩擦溶接方法。
【請求項１６】請求項１〜１５のいずれかに記載の方法
により製作された車両構体。