JP2001121275A - 摩擦溶接方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 車両のような長尺でかつ、大型の構造部を安
定に固定して摩擦溶接する。 【解決手段】 回転ツール１の近くに加工物２，２を押
さえるローラ７，７を配置し、また、その反対側にロー
ラ８を配置し、加工物２，２を支持する。この３社を同
期して移動させ、摩擦溶接を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、アルミニウム合金
からなる車両構造体の他、自動車、船舶、航空、エレベ
−タ、圧力容器などのあらゆる構造体に利用できる。

【０００２】

【従来の技術】摩擦溶接方法として、特表平７−５０５
０９０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摩
擦溶接する溶接方法が公知である。

【０００３】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
より接合できる特徴がある。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。

【０００４】

【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
る摩擦溶接方法を車両構造体などの長尺かつ、大型の構
造物に適用した場合、次のような問題点がある。

【０００５】（１） 回転ツ−ルの荷重によて加工物が
溶接中に変形する。このため、溶接中の加工物は前記、
回転ツ−ルの力に耐えるように加工物の表裏または側面
方向から固定する必要がある。特に、回転ツ−ルの反対
側にあたる溶接部の裏面は、回転ツ−ルの荷重を受ける
ため、強固な部材を配置する必要がある。ところが、特
に溶接長さが長く、かつ、大型の車両などの加工物の場
合は、この固定が困難である。

【０００６】（２） 本溶接方法は回転ツ−ルと加工物
との摩擦熱を利用している。従って、溶接部の表面は、
回転ツ−ルと加工物表面との摩擦によって凹みができ
る。このため、実質的に溶接部の厚さが減少するため、
接合部の強度が低下し、信頼性の点で問題がある。

【０００７】（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。つまり、従来のＭＩＧやＴ
ＩＧなどの溶融溶接法に比べてギャップの許容範囲が狭
い。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の第一の特徴は、
車両のような長尺でかつ、大型の構造部を安定に固定し
て摩擦溶接することにある。従って、本発明は次の手段
により達成できる。

【０００９】（１） 前記、加工物の固定治具は回転機
構を備えていること。

【００１０】（２） 前記、回転機構を備えた加工物の
固定治具は、前記、回転ツ−ルの配置されている溶接部
表面側または回転ツ−ルと反対側（溶接部の裏面）のい
ずれか一方または両方に設置されていること。

【００１１】（３） 前記、回転機構を備えた加工物の
固定治具は、前記、回転ツ−ルの前方または後方のいず
れか一方または両方であること。

【００１２】（４） 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自動的
に移動すること。

【００１３】（５） 前記、回転機構を備えた加工物の
固定治具は、回転ツ−ルの移動に連動または単独に溶接
方向または溶接方向と反対方向に移動すること。

【００１４】さらに、本発明の第２の特徴は、 （６） 車両のような長尺部の溶接は、溶接中の溶接状
態または溶接部の開先を光学的または電子的に監視しな
がら溶接することが望ましい。これに長尺部でも安定に
摩擦溶接できる。

【００１５】（７） 一方、前記、溶接方法によって、
溶接された溶接部の表面または裏面をア−クまたはプラ
ズマまたはレ−ザのいずれかの熱源によって局部的に溶
融すること。これにより、前記、摩擦溶接部に未溶接部
が生じても前記、溶融溶接により、自動的に補修でき
る。

【００１６】（８） 加工物の溶接部の厚さは、他の厚
さより局部的に高く（厚く）なっていること。この高く
なっている厚さは０．３ｍｍ以上、２ｍｍ以下が望まし
い。また、高くなっている部分の幅は回転ツ−ルのつば
の外形とほぼ同じ幅が望ましい。

【００１７】（９） 加工物を表裏両面から接合するこ
と。この両面からの溶接は同時でもまたは時間的に差が
あっても本目的を達成できる。

【００１８】［作用］前記、第１の特徴である回転ツ−
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自動的に移動す
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。

【００１９】一方、本発明の第２の特徴である加工部材
の溶接部の厚さを他の部分の厚さより局部的に高くする
ことににより、次の効果が期待できる。

【００２０】本摩擦溶接は、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、溶接部の機械
的強度が実施的に低下し、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。さら
に、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、欠陥なく溶接できる。例えば、継手構造がＩ
型のみならずレ型またはＶ型でも欠陥なく溶接できる。

【００２１】

【発明の実施の形態】［実施例 １］図１はアルミ合金
からなる長さ２０ｍ、幅１ｍ、厚さ４ｍｍの車両用加工
物の突合せ溶接において、回転ツ−ル１の配置側（溶接
部の表面側）および反対側、つまり、溶接面の裏側にも
回転機構を備えた加工物２の固定治具を合計５個配置し
て溶接する斜視図を示す。図２は図１の回転ツ−ル１部
の詳細を示す断面図である。

【００２２】以下、本発明の実施例を具体的に示す。本
溶接方法は、回転ツ−ル１を車両用の加工物２の溶接部
３に挿入し、回転ツ−ル１を４方向に回転しながら５方
向に移動することによって溶接する。この溶接方法にお
いて、まず、加工物２は支持台６に支持される。この支
持だけでは、加工物２は回転ツ−ルの加重により変形
し、安定に溶接ができない。このため、回転ツ−ル１の
荷重によって変形しなように、回転ツ−ル１の配置側お
よび反対側に加工物を固定する固定治具７および８を配
置する。この場合、固定治具７および８は回転機構が備
えられている。さらに、固定治具７および８は、図２に
示すごとく、支持気機構９に取付けられ、加工物２の上
下移動に連動して自動的に上下に移動できる構造も備え
ている。また、この回転機構を備えた固定治具は、回転
ツ−ルの溶接方向の移動に連動して移動する。

【００２３】回転ツ−ル１はモ−タ１０に取付けられ、
４方向に回転しながら５方向に移動する。なお、回転ツ
−ル１は加工物２の上下方向の変形に追従して自動的に
上下方向に移動する機構が備わっている。

【００２４】本実施例における回転ツ−ル１形状は、先
端部の径が５ｍｍ、長さ４ｍｍのＭネジである。また、
回転数は１０００ｒｐｍ、移動速度は５００ｍｍ／ｍｉ
ｎである。

【００２５】前記のごとく、回転機構および上下移動機
構を備えた加工物の固定治具により、加工物と固定治具
との摩擦抵抗が少なくなる。このため、鉄道用車両のよ
うな加工物が長い場合も容易に安定に固定できる。従っ
て、溶接も安定にできる。この溶接によって、高速用の
車両を製作した。なお、実施例では加工物２を固定し
て、回転ツ−ル１と固定治具７及び８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。

【００２６】［実施例 ２］図３はアルミ合金からなる
長さ２０ｍ、幅１ｍ、厚さ５ｍｍの車両用の加工物２の
突合せ溶接において、回転ツ−ル１の配置側および反対
側（溶接面の裏側）に合計７個の回転機構を備えた加工
物２の固定治具７および８を配置して溶接する斜視図を
示す。なお、本実施例における加工物の固定治具は、実
施例１の図１の他に回転ツ−ル１の溶接方向前方にも配
置されていることが特徴である。

【００２７】溶接は加工物２を固定台６に固定する。さ
らに、加工物が回転ツ−ル１の荷重によって変形しなよ
うに、回転ツ−ル１の配置側および反対側に加工物を固
定する固定治具７および８を配置する。なお、固定治具
７および８は回転機構および加工物の上下移動に連動し
て自動的に上下に移動できる構造も備えている。前記の
ごとく、回転機構および上下移動機構を備えた加工物の
固定治具により、加工物と支持治具との摩擦抵抗が少な
くなる。このため、加工物が長い車両構体の場合でも容
易に安定に固定できる。従って、溶接も安定にできる。
本実施例における回転ツ−ルの形状および溶接条件は実
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。

【００２８】［実施例 ３］図４はアルミ合金からなる
長さ２５ｍ、幅０．５ｍ、厚さ４ｍｍの車両用加工物２
の突合せ溶接において、回転ツ−ル１の配置側および反
対側（溶接面の裏側）に合計９個の回転機構を備えた加
工物２の固定治具を配置して溶接する斜視図を示す。つ
まり、固定治具の配置位置は、実施例２の第３図の他に
溶接裏面側における回転ツ−ルの溶接方向前方にも配置
されていることが特徴である。

【００２９】この溶接方法において、加工物２は支持台
６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１の配置側および反対側に加
工物を支持する支持治具７および８を配置する。この場
合、支持治具７および８は回転機構が備えられている。
さらに、支持治具７および８は、加工物の上下移動に連
動して自動的に上下に移動できる構造も備えている。溶
接は、回転ツ−ルが４方向に回転しながら５方向に移動
して溶接される。この場合、固定治具７及び８も回転ツ
−ルの移動に連動して５方向に移動する。

【００３０】なお、本実施例では光学的監視装置によ
り、溶接裏面側の溶接状況を監視しながら溶接した。

【００３１】前記のごとく、回転機構および上下移動機
構を備えた加工物の支持治具により、加工物と支持治具
との摩擦抵抗が少なくなる。このため、加工物が長い場
合も容易に安定に固定できる。従って、溶接も安定にで
きる。アルミ合金の突合せ溶接を行った。回転ツ−ルの
形状および溶接条件は実施例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】［実施例 ４］図５はアルミ合金からなる
長さ２５ｍ、幅０．５ｍ、厚さ４ｍｍの車両用加工物２
の突合せ溶接において、回転ツ−ル１の配置側および反
対側（溶接面の裏側）に合計１１個の回転機構を備えた
加工物２の固定治具を配置して溶接する斜視図を示す。
つまり、固定治具の配置位置は、実施例２の図３の他に
溶接裏面側における回転ツ−ル１の前方の他、後方にも
配置されていることが特徴である。

【００３３】この溶接方法において、加工物２は支持台
６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１の配置側および反対側に加
工物を支持する支持治具７および８を配置する。この場
合、支持治具７および８は回転機構が備えられている。
さらに、支持治具７および８は、加工物の上下移動に連
動して自動的に上下に移動できる構造も備えている。溶
接は、回転ツ−ルが４方向に回転しながら５方向に移動
して溶接される。この場合、固定治具７及び８も回転ツ
−ルの移動に連動して５方向に移動する。

【００３４】なお、本実施例ではＣＣＤカメラによる電
子的監視装置により、溶接表面及び裏面側の溶接状況を
監視しながら溶接した。

【００３５】前記のごとく、回転機構および上下移動機
構を備えた加工物の支持治具により、加工物と支持治具
との摩擦抵抗が少なくなる。このため、加工物が長い場
合も容易に安定に固定できる。従って、溶接も安定にで
きる。アルミ合金の突合せ溶接を行った。回転ツ−ルの
形状および溶接条件は実施例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。

【００３６】［実施例 ５］図６は車両用のアルミ合金
からなる加工物の突合せ溶接において、回転ツ−ル１を
加工物２の表裏両面に配置して表裏両面から溶接する溶
接法と装置の斜視図を示す。本実施例では、回転ツ−ル
１が加工物の反対側（溶接裏面側）にも配置され、さら
に、固定治具も溶接方向に対して回転ツ−ルの後方側に
も配置されていることが特徴である。

【００３７】図７は図６の回転ツ−ル１部分の断面図を
示す。回転ツ−ル１ｂは溶接部の裏面にも配置され、表
面側に配置されている回転ツ−ル１ａの加重を回転ツ−
ル１ｂで受ける構造である。この溶接方法において、ま
ず、加工物２は支持台６に支持される。この支持だけで
は、加工物２は回転ツ−ルの加重により変形し、安定に
溶接ができない。このため、回転ツ−ル１の荷重によっ
て変形しなように、回転ツ−ル１の配置側および反対側
に加工物を固定する固定治具７および８を合計４個配置
する。この場合、固定治具７および８は回転機構が備え
られている。さらに、固定治具７および８は、図７に示
すごとく、支持気機構９に取付けられ、加工物２の上下
移動に連動して自動的に上下に移動できる構造も備えて
いる。また、この回転機構を備えた固定治具７及び８
は、回転ツ−ル１の溶接方向の移動に連動して移動す
る。

【００３８】図７に示すごとく、回転ツ−ル１はモ−タ
１０に取付けられ、４方向に回転しながら５方向に移動
して溶接される。

【００３９】なお、図７に示すごとく、本実施例におけ
る加工物の溶接部の厚さは局部的に０．８ｍｍ高くなっ
ていることが特徴である。これにより、回転ツ−ルと加
工部との摩擦によって溶接部の表面に凹みが生じた場合
でも溶接部が厚くなっているため、機械的強度の低下を
防止できる。

【００４０】前記のごとく、回転機構および上下移動機
構を備えた加工物の固定治具により加工物と固定治具と
の摩擦抵抗が少なくなる。このため、鉄道車両のよう
に、加工物が長くかつ、大型の場合でも容易に安定に固
定できる。従って、車両のような長尺の加工物でも安定
に溶接できる。回転ツ−ルの形状および溶接条件は実施
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。

【００４１】［実施例 ６］図８は押出し加工によって
製作された鉄道用車両のハニカムパネル（中空型材）の
溶接方法を示す断面図である。このハニカムパネルは、
長さ２５ｍ、幅０．４ｍ、厚さ５０ｍｍである。このハ
ニカムパネルは、面板１２、コア−材１３、縁材１４か
ら構成されている。ハニカムパネルは支持台６に配置さ
れ、さらに、上下方向から固定治具７及び８によって固
定される。溶接は回転ツ−ル１を縁材１４の接合部に挿
入されて加工物同士を両面から固相接合する。つまり、
本溶接方法は、溶融しないため、溶融金属の重力で溶融
金属が下方に垂れ落ちることはない。このため、溶接は
ハニカムパネルの縁材６の部分に上下方向から回転ツ−
ル１を挿入して行った。該、回転ツ−ル１は、ロボット
１１に取付けられ、モ−タ１０による駆動力で回転しな
がら溶接線方向に移動し、加工物同士を固相接合する。
なお、該、回転ツ−ル１は、加工物表面の変形に応じて
上下方向に自動的に移動制御できる。さらに、該、回転
ツ−ル１は、溶接線に沿って左右方向にも自動的に移動
制御できる。この実施例では、接合部の面板の高さがほ
かの部分より約０．８ｍｍ局部的に高くなっていること
が特徴である。これにより、回転ツ−ルと加工部との摩
擦によって溶接部の表面に凹みが生じた場合でも溶接部
が厚くなっているため、機械的強度の低下を防止でき
る。

【００４２】図９は上記方法によって製作した鉄道車両
構造体の斜視図を示す。図１０は、図９の構造体をさら
に複数溶接して製作した鉄道車両外観を示す。接合部３
の長さは一部が１２．５ｍであるが、最大２５ｍの長さ
が表裏利用面から形成されている。

【００４３】［本発明の構成］本発明の構成は、下記の
いずれか１つ以上によって達成される （１）車両用構造体の材質より硬い材質よりなる回転ツ
−ル材と前記、車両体溶接部との摩擦熱により固相溶接
された鉄道車両構造体 （２）前記、固相溶接方法によりによって溶接される車
両構造体は、溶接部表面側または溶接部裏面側のいずれ
か一方または両方から回転機構を備えた固定治具によっ
て固定されて溶接されること。

【００４４】（３）前記、回転ツ−ルの前方または後方
のいずれか一方または両方に配置されいること。

【００４５】（４）前記、固定治具は、前記、回転ツ−
ルの上下移動とは単独にまたは連動して上下方向または
左右方向に移動すること。

【００４６】（５）鉄道車両を表裏両面から接合する。 （６）接合部の厚さを他の部分より厚くする。

【００４７】

【発明の効果】本発明によって、鉄道車両のような長尺
かつ、大型の構造部でも加工物を固相溶接、つまり、加
工物を溶融させないで溶接できる。従って、鉄道車両の
ような大型構造物が従来に比べて、高精度で、かつ、安
価に製作できる。また、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。さらに、表裏両面から接合するこ
とにより、効率的に加工物および加工物から構成される
構造体を製作できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】発明の一実施例の摩擦接合装置の斜視図であ
る。

【図２】図１の装置の縦断面図である。

【図３】他の実施例の摩擦接合装置の斜視図である。

【図４】他の実施例の摩擦接合装置の斜視図である。

【図５】他の実施例の摩擦接合装置の斜視図である。

【図６】他の実施例の摩擦接合装置の斜視図である。

【図７】図６の装置の縦断面図である。

【図８】他の実施例の摩擦接合装置の斜視図である。

【図９】鉄道車両の構造体の斜視図である。

【図１０】鉄道車両の斜視図である。

【符号の説明】

１：回転ツール、２：加工物、３：溶接部、７，８：ロ
ーラ。

フロントページの続き (72)発明者 佐藤 章弘 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (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 (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 加工物の材質よりも実質的に硬い材質か
   らなる回転ツールを加工物の接合部に挿入し、前記回転
   ツールを回転させながら移動させることによって生じる
   摩擦熱を利用した摩擦溶接方法において、 前記回転ツールの配置側に、前記加工物に接触する回転
   機構を備えた固定治具があり、 前記回転機構は、前記回転ツールの近傍にあり、 前記回転機構は、前記回転ツールの上下移動に対して単
   独で上下方向に移動すること、 を特徴とする摩擦溶接方法。