CN103547402B - 摩擦接合方法以及接合构造体 - Google Patents

Abstract

通过加热工序的处理，第1接合工序开始时的一对金属部件（W）、（T）的各接合面（Wa）、（Ta）的温度为金属部件（W）、（T）的材料的熔点的20％以上，优选40％以上，通过加热工序的处理，第1接合工序开始时的一对金属部件（W）、（T）的加热深度（h）为1.0mm以上。

Description

摩擦接合方法以及接合构造体

技术领域

本发明涉及利用在一对金属部件（包含发动机部件）的各接合面上产生的摩擦热，接合一对金属部件的各接合面的摩擦接合方法等。

背景技术

例如，在制造燃气涡轮发动机的压缩机或者涡轮的转子，即将盘和动叶片构成为一体型构造的一体型叶轮（叶轮盘(blisk)）的情况下，采用与切削加工相比，能够实现材料成本的削减以及加工时间的缩短的摩擦接合。而且，对一般的摩擦接合简单地进行说明，如下。

在用于构成一体型盘轮等接合构造体的一对金属部件的各接合面对置的状态下，使一方的金属部件向另一方的金属部件侧相对移动，从而使一对金属部件的各接合面接触。然后，在使一对金属部件的各接合面对置接触的状态下，使一方的金属部件相对于另一方的金属部件朝着与对置方向正交的方向相对往复移动，将一方的金属部件向另一方的金属部件侧相对按压，直到一对金属部件的靠近量（位移量）达到目标靠近量（位移量）为止。由此，从一对金属部件的各接合面排出氧化物或者污垢等作为溢料，通过摩擦热能够使一对金属部件的各接合面软化而接合。

此外，与本发明相关的现有技术例如有，日本国专利公开公报特开2009－297788号（专利文献1）、特开2005－199355号（专利文献2）、日本国专利公报第3072239号（专利文献3）。

发明内容

发明要解决的课题

然而，为了充分确保一对金属部件的接合强度，需要增大将一方的金属部件向另一方的金属部件侧相对地按压的接合负荷（按压负荷），提高溢料的排出性，在使一对金属部件的各接合面活性化的状态下进行接合。因此，如果一对金属部件的强度或者刚性不够高，则无法增大接合负荷，接合一对金属部件是非常困难的。另外，还存在将一方的金属部件向另一方的金属部件侧相对地按压的促动器（按压机构的一个例子）等大型化，用于进行接合的装置（摩擦接合装置）整体大规模化的问题。

根据本发明，提供不用增大接合工序中将金属部件向其他金属部件按压时的接合负荷，也能够加速接合面的软化而提高溢料的排出的摩擦接合方法。

用于解决课题的方法

本申请的发明者为了解决前述的问题，反复试行错误，得到2种新的见解，基于这些新见解而完成了本发明。在说明本发明的特征之前，说明得到这些新的见解的经过。

如图6（a）（b）所示，假设通过使接合品的接合面和对称面（对象侧的接合品的接合面）对置接触，将单位体积的摩擦输入热量赋予接合品的接合面，而将接合品的接合面和对称面接合的情况下，对于接合开始时的接合品的接合面的温度（加热温度）和接合品的靠近开始时间以及靠近速度的关系，进行利用有限元素法的非稳态热弹塑性解析（第一个非稳态热弹塑性解析），总结该非稳态热弹塑性解析结果，则如图7（a）（b）所示。

另外，在第一个非稳态热弹塑性解析中，将接合开始时的接合品的加热深度设定为2.0mm。这里，所谓单位体积的摩擦输入热量是指由接合负荷和接合品的往复振幅和接合品的往复频率的积规定的热量。靠近开始时间是指从向接合品的接合面赋予单位体积的摩擦输入热量到开始接合品的对置方向（按压方向）的位移为止的时间。靠近速度是指从开始接合品的对置方向的位移到成为目标的靠近量（目标的位移量）为止的接合品的对置方向的位移速度。加热深度（加热长度）是指温度成为接合面的温度（摄氏温度）的90～100％的对置方向的长度。

根据第一个非稳态热弹塑性解析结果，判明了如图7（a）所示，若接合开始时的接合品的接合面的温度为该接合品的材料的熔点（摄氏温度）的20％以上，则能够缩短接合品的靠近开始时间，换言之，加速接合品的接合面的软化，而提高从接合品的接合面产生的溢料的排出性（排出速度）。特别是，判明了如图7（b）所示，若接合开始时的接合品的接合面的温度为该接合品的材料的熔点（摄氏温度）的40％以上，则能够提高接合品的靠近速度，换言之，加速接合品的接合面的软化，而进一步提高溢料的排出性。

由此，本申请的发明者得到第一种新见解，即预先对接合品的接合面加热以使接合开始时的接合品的接合面的温度为该接合品的材料的熔点的20％以上，优选40％以上，从而不用增大将接合品向对称面侧按压的接合负荷（按压负荷），也能够加速接合品的接合面的软化，而提高溢料的排出性。

如图6（a）（b）所示，假设通过使接合品的接合面和对称面对置接触，将单位体积的摩擦输入热量赋予接合品的接合面，而将接合品的接合面和对称面接合的情况下，对于接合开始时的接合品的加热深度和接合品的靠近开始时间以及靠近速度的关系，进行利用有限元素法的第二个非稳态热弹塑性解析，若总结该非稳态热弹塑性解析结果，则如图8（a）（b）所示。另外，在第二个非稳态热弹塑性解析中，将接合开始时的接合品的接合面的温度设定为接合品的材料的熔点的44％。

根据第二个非稳态热弹塑性解析结果，判明了如图8（a）（b）所示，若接合开始时的接合品的加热深度为1.0mm以上，则能够缩短接合品的靠近开始时间，提高溢料的排出性。

特别是，判明了如图8（b）所示，若接合开始时的接合品的加热深度为2.0mm以上，则能够提高接合品的靠近速度，换言之，加速接合品的接合面的软化，而进一步提高溢料的排出性。由此，本申请的发明者得到第二种新见解，即通过预先对接合品的接合面加热以使接合开始时的接合品的加热深度成为1.0mm以上，优选2.0mm以上，而不用增大将接合品向对称面侧按压的接合负荷，也能够加速接合品的接合面的软化，而提高溢料的排出性。

根据本发明的第1技术侧面，是利用在一对金属部件的各接合面产生的摩擦热，接合一对上述金属部件的各接合面的摩擦接合方法，其特征在于，具备：（1）对一对上述金属部件中的至少任一的上述金属部件的接合面进行加热的加热工序；（2）上述加热工序结束后，在一对上述金属部件的各接合面对置的状态下，使一方的上述金属部件向另一方的上述金属部件侧相对移动，从而使一对上述金属部件的各接合面接触的接触工序；（3）上述接触工序结束后，在一对上述金属部件的各接合面对置接触的状态下，使一方的上述金属部件相对于另一方的上述金属部件向与上述对置接触的接合面平行的方向相对地往复运动，同时将一方的上述金属部件向另一方的上述金属部件侧相对地按压，直到一对上述金属部件的靠近量（位移量）成为目标的靠近量为止，从而通过摩擦热使一对上述金属部件的各接合面软化而接合的接合工序，通过上述加热工序的处理，上述接合工序开始时的至少任一的上述金属部件的接合面的温度成为该上述金属部件的材料的熔点的20％以上。

这里，本申请的说明书以及权利要求书中，“金属部件”除了包含用于燃气涡轮发动机等发动机的发动机部件以外，还包含各种金属制的机械部件。另外，“对置方向”指一对金属部件的各接合面相对置的方向。此外，熔点以摄氏为单位。

根据本发明的第2技术侧面，其特征在于，在第1特征的基础上，通过上述加热工序的处理，上述接合工序开始时的任一的上述金属部件的加热深度（温度成为接合面的温度的90～100％的对置方向的长度）为1.0mm以上。

附图说明

图1（a）（b）（c）是说明本发明的实施方式的摩擦接合方法中的加热工序的示意图。

图2（a）是说明本发明的实施方式的摩擦接合方法中的接触工序的示意图，图2（b）（c）是说明本发明的实施方式的摩擦接合方法中的第1接合工序的示意图。

图3（a）是说明本发明的实施方式的摩擦接合方法中的第2接合工序的示意图，图3（b）是表示利用本发明的实施方式的摩擦接合方法进行接合的接合构造体的示意图。

图4是说明本发明的实施方式的摩擦接合装置的示意图。

图5是表示时间和接合负荷以及一对金属部件的靠近量之间的关系的图。

图6（a）是表示将单位体积的摩擦输入热量赋予接合品的接合面的状态的示意图，图6（b）是表示使接合品的接合面和对称面摩擦接合的状态的示意图。

图7（a）是表示接合开始时的接合品的接合面的温度和接合品的靠近开始时间的关系的图，图7（b）是表示接合开始时的接合品的接合面的温度和接合品的靠近速度的关系的图。

图8（a）是表示接合开始时的接合品的加热深度和接合品的靠近开始时间的关系的图，图8（b）是表示接合开始时的接合品的加热深度和接合品的靠近速度的关系的图。

具体实施方式

参照图1至图5，对本发明的实施方式进行说明。其中，说明中，“设置”除了包含直接地设置之外，还包含间接地设置，附图中，“FF”指前方向，“FR”指后方向。

对本发明的实施方式的摩擦接合方法进行说明之前，参照图4，对本发明的实施方式的摩擦接合方法的实施中使用的摩擦接合装置1简单地进行说明。

本发明的实施方式的摩擦接合装置1是用于将矩形板状的一对金属部件W、T的各接合面Wa、Ta接合的装置，作为基座具备向前后方向延伸的机座3和立设于该机座3的后部的立柱5。

在机座3的前部，保持一方的金属部件W的第1保持头（第1保持用具）7通过第1引导部件9以能够向前后方向移动的方式设置。而且，在机座3的适当的位置5a设置有使第1保持头7向前后方向移动的液压缸等第1促动器11。这里，若在将一方的金属部件W安装于第1保持头7的状态（保持的状态）下，驱动第1促动器11，则一方的金属部件W与第1保持头7一体地向前后方向移动。

在立柱5的前侧，保持另一方的金属部件T的第2保持头（第2保持用具）13通过第2引导部件15以能够向上下方向移动的方式设置，该第2保持头13在位于其基准的高度位置时，位于与第1保持头7呈同心状的位置。另外，在立柱5的适当的位置，设置有电动马达等第2促动器17，该第2促动器17使第2保持头13以基准的高度位置为中心向上下方向往复移动。这里，若在将另一方的金属部件T安装于第2保持头13的状态（保持的状态）下，驱动第2促动器17，则另一方的金属部件T以基准的高度位置为中心与第2保持头13一体地向上下方向往复移动。

在机座3的上部设置有支承架19，在该支承架19，通过第3引导部件23以能够向上下方向移动的方式设置滑块21。另外，在支承架19的适当的位置19a设置有使滑块21向上下方向移动的电动马达等第3促动器25。

并且，在滑块21，通过支承棒29设置有加热线圈27，该加热线圈27对一对金属部件W、T的各接合面Wa、Ta利用高频对金属部件进行感应加热，该加热线圈27与能够供给高频电流的高频电源（省略图示）连接。这里，通过第3促动器25的驱动使滑块21向上下方向移动，从而加热线圈27能够在一对金属部件W、T的各接合面Wa、Ta之间的区域前进后退。

本发明的实施方式的摩擦接合方法是利用在一对金属部件W、T的各接合面Wa、Ta产生的摩擦热，来接合一对金属部件W、T的各接合面Wa、Ta的方法，具备加热工序、接触工序、第1接合工序、第2接合工序以及溢料除去工序。而且，各工序的具体的内容如下。此外，在本发明的实施方式中，一对金属部件W、T由同种类的材料构成，但也可以由不同种类材料构成。

（i）加热工序

如图1（a）所示，将一方的金属部件W安装于第1保持头7，将另一方的金属部件T安装于第2保持头13，使一对金属部件W、T的各接合面Wa、Ta对置。接下来，通过第3促动器25的驱动使滑块21向下方向移动，从而如图1（b）所示，使加热线圈27进入一对金属部件W、T的各接合面Wa、Ta之间的区域。而且，通过从高频电源向加热线圈27供给高频电流，如图1（c）所示，利用加热线圈27对一对金属部件W、T的各接合面Wa、Ta进行加热（参照图5）。这里，为了防止一对金属部件W、T的劣化，使一对金属部件W、T的各接合面Wa、Ta的温度不超过金属部件W、T的材料的晶体生长温度或者相变温度等。

此外，图中，对一对金属部件W、T施加了阴影线的部位是成为高温的部位。

（ii）接触工序

在加热工序结束后，通过第3促动器25的驱动使滑块21向上方向移动，从而如图2（a）所示，使加热线圈27从一对金属部件W、T的各接合面Wa、Ta之间的区域退出。而且，在一对金属部件W、T的各接合面Wa、Ta对置的状态下，通过第1促动器11的驱动使一方的金属部件W与第1保持头7一体地向另一方的金属部件T侧（后方向）移动，从而使一对金属部件W、T的各接合面Wa、Ta接触（参照图4）。

（iii）第1接合工序

接触工序结束后，如图2（ｂ）所示，在一对金属部件W、T的各接合面Wa、Ta对置接触的状态下，通过第2促动器17的驱动使另一方的金属部件T与第2保持头13一体地以上述基准的高度位置为中心向上下方向往复移动（往复振幅α）。这里往复移动方向是与由对置接触的接合面规定的假想平面平行的方向，在本实施方式中是与对置方向（接合面的法线方向）正交的方向。

换言之，使一方的金属部件W相对于另一方的金属部件T向上下方向相对往复移动，同时通过第1促动器11的驱动将一方的金属部件W向另一方的金属部件T侧按压。由此，如图2（c）所示，能够从一对金属部件W、T的各接合面Wa、Ta将氧化物或者污垢等作为溢料B排出，并且利用摩擦热所引起的温度上升使一对金属部件W、T的各接合面Wa、Ta软化。而且，若一对金属部件W、T的靠近量（位移量）m成为设定得比目标的靠近量t1（参照图5）小的目标前靠近量t2（参照图5），则停止第2促动器17的驱动而停止另一方的金属部件T的往复移动（参照图5）。

这里，通过加热工序的处理，第1接合工序开始时（接合开始时）的一对金属部件W、T的各接合面Wa、Ta的温度成为金属部件W、T的材料的熔点（摄氏温度）的20％以上。具体而言，在一对金属部件W、T由钛合金构成的情况下，第1接合工序的开始时的一对金属部件W、T的各接合面Wa、Ta的温度（摄氏温度）成为320～400℃。使第1接合工序开始时的一对金属部件W、T的各接合面Wa、Ta的温度成为金属部件W、T的材料的熔点的20％以上是为了适用前述的第一种新见解。

因此，接合工序中，不用增大将一方的金属部件向另一方的金属部件侧相对按压的接合负荷（按压负荷），也能够加速一对上述金属部件的各接合面的软化，提高从一对上述金属部件的各接合面产生的溢料的排出性。

另外，通过加热工序的处理，第1接合工序开始时的一对金属部件W、T的加热深度h为1.0mm以上，优选2.0mm以上。具体而言，为了使一对金属部件W、T的加热深度h为1.0mm以上，控制在加热工序中向加热线圈27供给的高频电流或者供给时间，或者控制从加热工序结束后至第1接合工序开始为止的时间。而且使第1接合工序开始时的一对金属部件W、T的加热深度h为1.0mm以上是为了适用前述的第二种新见解。

因此，接合工序中，不用增大将一方的金属部件向另一方的金属部件侧相对按压的接合负荷，也能够加速一对金属部件的各接合面的软化，而提高溢料的排出性。

（iv）第2接合工序

第1接合工序结束后，如图3（a）所示，直到一对金属部件W、T的靠近量m成为目标的靠近量t1为止，继续通过第1促动器11的驱动而进行的一方的金属部件W的按压动作，而对一对金属部件W、T的各接合面Wa、Ta进行镦锻（参照图5）。由此，如图3（b）所示，能够从一对金属部件W、T的各接合面Wa、Ta作为溢料B排出，同时能够接合一对金属部件W、T的各接合面Wa、Ta。换言之，能够制造由一对金属部件W、T构成的接合构造体JS。

通过以上工序，完成本发明的实施方式的摩擦接合方法的实施。

对本发明的实施方式的作用以及效果进行说明。

本发明的实施方式的摩擦接合方法将加热工序作为接触工序的前工序（第1接合工序的前工序）而具备，通过加热工序的处理，第1接合工序开始时的一对金属部件W、T的各接合面Wa、Ta的温度为金属部件W、T的材料的熔点的20％以上。因此，若适用前述的第1新见解，则在第1接合工序以及第2接合工序中，不用增大将一方的金属部件W向另一方的金属部件T侧按压的接合负荷（按压负荷），也能够提高从一对金属部件W、T的各接合面Wa、Ta产生的溢料B的排出性。特别是，通过加热工序的处理，第1接合工序开始时的一对金属部件W、T的各接合面Wa、Ta的加热深度m为1.0mm以上，所以若适用前述的第2新见解，则能够加速一对金属部件W、T的各接合面Wa、Ta的软化，提高溢料的排出性。

此外，进行一对金属部件W、T的摩擦接合试验的结果，确认了利用本发明的实施方式的摩擦接合方法的情况下，与不具备加热工序的情况（不加热的情况）相比，能够大幅度地减小接合负荷（参照图5）。

因此，根据本发明的实施方式，即使一对金属部件W、T的强度或者刚性不够高，也能够接合一对金属部件W、T，并且抑制了将一方的金属部件W向另一方的金属部件T侧按压的第1促动器11（按压机构的一个例子）等的大型化，能够实现用于接合的摩擦接合装置1整体的小型化。

此外，本发明不限于前述的实施方式的说明，通过如下适当地进行变更，能够以各种的方式实施。

即，在加热工序中，也可以代替均匀地对一对金属部件W、T的各接合面Wa、Ta进行加热，而对一对金属部件W、T中的任一金属部件W（或者T）的接合面Wa（或者Ta）均匀地进行加热，或者代替利用加热线圈27以高频进行加热，而以激光照射等进行加热。另外，本发明的实施方式的摩擦接合方法将一般的金属部件W、T作为接合对象，但也可以代替一般的金属部件W、T，而将用于燃气涡轮发动机的发动机部件（金属部件的一个例子）作为接合对象。

本发明的实施方式的摩擦接合方法也可以作为制造接合构造体JS的制造方法。另外，包含于本发明的权利范围不限于前述的实施方式。

根据本发明，在上述接合工序中，不用增大将一方的上述金属部件向另一方的上述金属部件侧相对按压的接合负荷，也能够加速一对上述金属部件的各接合面的软化，提高溢料的排出性，所以即使一对上述金属部件的强度或者刚性不够高，也能够对一对上述金属部件进行接合，并且抑制了将一方的上述金属部件向另一方的上述金属部件侧相对按压的按压机构等的大型化，能够实现用于接合的装置（摩擦接合装置）整体的小型化。

（美国指定）

本国际专利申请关于美国指定，在2011年4月25日申请的日本国专利申请第2011－097456号援用基于美国专利法第119条（a）的优先权的利益，引用该公开内容。

Claims (6)

1.一种摩擦接合方法，是利用在一对金属部件的各接合面产生的摩擦热，接合一对上述金属部件的各接合面的摩擦接合方法，其特征在于，具备：

对一对上述金属部件中的至少任一的上述金属部件的接合面进行加热的加热工序；

上述加热工序结束后，在一对上述金属部件的各接合面对置的状态下，使一方的上述金属部件向另一方的上述金属部件侧相对移动，从而使一对上述金属部件的各接合面接触的接触工序；以及

上述接触工序结束后，在一对上述金属部件的各接合面对置接触的状态下，使一方的上述金属部件相对于另一方的上述金属部件向与上述对置接触的接合面平行的方向相对地往复运动，同时将一方的上述金属部件向另一方的上述金属部件侧相对地按压，直到一对上述金属部件的靠近量成为目标的靠近量为止，从而通过摩擦热使一对上述金属部件的各接合面软化而接合的接合工序，

通过上述加热工序的处理，上述接合工序开始时的至少任一的上述金属部件的接合面的温度为该上述金属部件的材料的熔点的20％以上。

2.根据权利要求1所述的摩擦接合方法，其特征在于，

通过上述加热工序的处理，使上述接合工序开始时的任一的上述金属部件的加热深度为1.0mm以上。

3.根据权利要求1或者2所述的摩擦接合方法，其特征在于，

上述加热工序中，对一对上述金属部件的各接合面进行加热。

4.根据权利要求1或者2所述的摩擦接合方法，其特征在于，

上述接合工序具备：

上述接触工序结束后，在使一对上述金属部件的各接合面对置接触的状态下，使一方的上述金属部件相对于另一方的上述金属部件向与上述接合面平行的方向相对地往复运动，同时将一方的上述金属部件向另一方的上述金属部件侧相对地按压，从而通过摩擦热使一对上述金属部件的各接合面软化，若一对上述金属部件的靠近量成为设定得比上述目标的靠近量小的目标前靠近量，则停止一方的上述金属部件的相对的往复移动的第1接合工序；以及

在上述第1接合工序结束后，继续一方的上述金属部件的相对的按压动作，对一对上述金属部件的各接合面进行镦锻，直到一对上述金属部件的靠近量成为目标的靠近量为止，从而接合一对上述金属部件的各接合面的第2接合工序。

5.根据权利要求1或者2所述的摩擦接合方法，其特征在于，

上述金属部件是用于燃气涡轮发动机的发动机部件。

6.一种接合构造体，其特征在于，通过权利要求1至5中任一项所述的摩擦接合方法进行接合。