JP2001518848A - 回転式摩擦溶接方法と装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、溶接されるべきワークピース（２、３）が作業テーブル（７）に配置され、溶接中、クランプ手段（５,６）によって、相互に及び／または作業テーブルにクランプされる回転式摩擦溶接方法に関する。回転溶接手段(１２、１３)は、ワークピース間の接合部に沿って移動するように設けられる一方、溶接中前記ワークピースを加圧する。前記回転溶接手段の回転により前記接合部で生ぜしめられる摩擦熱や、前記回転溶接手段による他のどのような手法によって前記接合部に供給される他の熱をも上回る付加的熱が溶接中及び／またはその前に前記接合部に対し供給される。本発明は、同様に、回転溶接手段の回転により前記接合部で生ぜしめられる摩擦熱や、前記回転溶接手段による他のどのような手法によって前記接合部に供給される他の熱を上回る付加的熱を溶接中及び／またはその前に前記接合部に供給する発熱体（７０）を備えた回転式摩擦溶接装置に関する。

Description

【発明の詳細な説明】 回転式摩擦溶接方法と装置 本発明は、溶接されるべき複数のワークピースが、相互に及び／または作業テ ーブルにクランプ手段によりクランプされて作業テーブル上に配置され、回転溶 接手段がワークピース間の接合部に沿って移動するように配置される一方、溶接 中のワークピースに対して加圧を加える回転式摩擦溶接方法に関する。 また、本発明は、同回転式摩擦溶接のための装置に関し、溶接すべきワークピ ースを支持する作業テーブルと、ワークピースを相互に及び／または作業テーブ ルにクランプする少なくとも１つのクランプ手段と、及びワークピース間の接合 部に沿って移動する一方、溶接中のワークピースに対して加圧を加える溶接手段 とを備えている。 この回転式摩擦溶接の機能的定義は、一緒に接合されるワークピースが、その 接合部のラインに沿って１つの回転溶接プルーブ（probe,接触子）からの摩擦熱 の供給によって可塑化される溶接方法である。前記プローブは、複数のワークピ ースを同時に加圧しているときにワークピース間の接合部に沿って移動される。 ＷＯ９３／１０９３５及びＷＯ９５／２６２５４に述べられているように、溶接 プルーブは、ワークピースより固い材料で構成されなければならず、また、溶接 中、ワークピースは、相互に及び作業テーブルに対し安定的に固定されなければ ならない。この点において、本技術は、従来の摩擦溶接とは異なる。従来の摩擦 溶接は、摩擦熱が共に加圧されるワークピースの相対的動作により発生され、す なわち、摩擦熱が共に接合される２つの部材においてのみ発生さ れる。上述した刊行物に係る回転式摩擦溶接技術は、例えば複数のワークピース を一緒に接合したり、ワークピース中のクラックを修理する等の種々の適用分野 で、プラスチック、金属などのような異なる材料を溶接するために使用される。 この溶接プルーブの設計は、例えば溶接されるべき材料や、用い方により制約さ れる。 ガス金属アーク溶接、特にサブマージアーク溶接（潜弧溶接）では、融解プー ルが概してかなりな寸法であるときに、裏当て手段、すなわち裏当てバーがたび たび使用される。この裏当てバーは、溶接中、接合部の背面を加圧し、接合部の 端部を支持し、完全な溶融浸透段階に達っするように融解したプールが散逸する ことを防止する。裏当て手段の構成では、裏当て手段の材料の選択、特にアルミ ニウム溶接の場合に、熱的影響を考慮することが極めて重要である。接合部での 裏当て手段による冷却効果は、あまり強力なものではない。 裏当て手段は、回転式摩擦溶接に関連する完全な溶融浸透溶接にも同様に使用 される。この場合、裏当て手段は、機械的支持として機能しかつ接合部の底面を 形成する。また、この場合、裏当て手段は、溶接工程で発生する摩擦熱の利点を より好ましいものとするために、下方の裏当てバーに対し熱的障壁として形成さ れることになる。 固い溶融材料（hard-to-weld材料）、例えばマグネシウム、リチウムあるいは 銅とアルミニウムの合金のような材料の回転式摩擦溶接において、遭遇する問題 の１つは、溶接中に現れる力が、比較的短期間の溶融状態の後、溶接プルーブの 破壊を引き起こすような大きさを有することである。これは、特にワータピース が５mmを上回る厚さのときである。 他の問題は、裏当て手段の表面で短くて深い複数の亀裂が生じることであり、 特に熱疲労のために前記裏当て手段を横切る方向に生じること である。溶接中、接合部の可塑化により接合部では、裏当て手段の表面が現れる ことにより、複数の亀裂が接合部の下面に向かって突出するようにはっきり表わ れ、この結果、接合部が許容できないものとなる。 更なる問題は、固い溶融材料内で生じる摩擦熱が不充分で、しばしば完全な溶 融浸透が行われないかあるいは溶融不足が起こることである。 したがって、本発明の１つの目的は、前記溶接プルーブの有効寿命を実質的に 長くする回転式摩擦溶接の方法及び装置を提供することである。これは、主とし てベース材料に対して安定的な溶融浸透と完全な溶融状態の確立により、形成さ れた接合部の品質の増大と、加えて生産性の増大が同時に望めることになる。 この目的は、導入部分で定義されたような回転式摩擦溶接方法による本発明に よって達成され、当該方法は、回転溶接手段の回転により接合部で生ぜしめられ た摩擦熱や、前記回転溶接手段による他のどのような手法によって前記接合部に 供給される他の熱をも上回り、溶接中及び／またはその前に前記接合部に対し付 加的熱が供給され、適切と思われる溶接の開始は溶接プルーブの接合部に向かっ て下降する時点であることを特徴とする。 また、前記目的を達成するための本発明は、回転式摩擦溶接として概説された 装置を提供することにあり、当該装置は、回転溶接手段の回転により接合部で生 ぜしめられた摩擦熱や、前記回転溶接手段による他のどのような手法によって前 記接合部に供給される他の熱をも上回り、溶接中及び／またはその前に前記接合 部に対し付加的熱を供給する加熱手段によって特徴付けられる。 回転溶接手段の回転により接合部で生じる摩擦熱や、前記回転溶接手段による 他のどのような手法によって前記接合部に供給される他の熱をも上回りワークピ ース間の接合部に付加的熱を供給することにより、溶 接プルーブの有効寿命は、かなり長くなる。前記接合部が下方の裏当て手段によ って裏支持される場合、熱が裏当て手段により接合部に供給されるならば、裏当 て手段のクラッキングも防止される。この相違は、たとえば経済的に受け入れら れるいくつかのアルミニウム合金の溶接に対する前提条件であるといわれている 。加えて、改良された浸透と、ベース材料に対してより安全なボンディングによ り高い溶接品質が得られ、また、必然的により高い生産性で溶接速度を高めるこ とが可能になる。 この方法と装置の好ましい変形例は、従属クレームにおいて、定義されている 。 以下、本発明に係る装置の一実施例を示している添付の図面を参照して本発明 をより詳細に述べる。 図示されている装置１は、２つのワークピース２，３を一緒に溶接することを 目的とし、後者は、例えば、押出し成形されたアルミニウム成形部材である。 溶接中、ワークピース２，３は、それぞれ作業テーブル７に、クランプ手段５ 及び６により固定されている。クランプ手段５及び６は、それぞれ圧縮シリンダ により構成されている。この作業テーブルは、水平な機械的テーブル７aであり 、このテーブルは、裏当て手段７bがＩ-ビーム状の裏当てバー７dによって静止 固定され、この裏当てバーは、静止剛体フレーム７cで支持されている。裏当て 手段７bは、支持が長手方向となるように伸延した溝６０が形成され、この溝は 、加熱ケーブル７０の形式で加熱コイルがここに収納されている。 ワークピース２，３との間の接合部は、裏当て手段の中心線に整列するように 配置されている。また、裏当て手段は、接合部のエッジを裏支持し、完全な溶接 浸透が達成されたとき可塑化された材料が流れ去ることを防止している。 溶接は、溶接プルーブ１２及び回転スピンドル１３の形式の溶接手段によって 実行される。溶接プルーブは、円筒体１２aと、当該円筒体１２aに取付けられ、 より小さい外周の円筒ピン１２bとから構成されている。この構成によれば、円 筒体の下部は、ピンの上部を越えて突出することになる。以下において、前記円 筒体の下部は、当該円筒体の肩部となり、また図示されるように溶接プルーブの 通常位置では該肩部がワークピース２，３の上面に当接する。溶接プルーブ本体 とピンは、例えば、ＷＯ９３／１０９３５あるいはＷＯ９５／２６２５４に示さ れる実施の形態のどれとも一致するように構成することもできる。前記円筒体１ ２aの上部は、駆動モータのような駆動装置（図示せず）によって、駆動される 回転スピンドル１３に連結されている。 まず、ワークピース２，３は、クランプ手段５、６により装置１に固着される が、プロフィール部分の対向端面間のエアギャップ、すなわち接合部が、不十分 な溶接を起こしやすい寸法を越えないことに注意を払う。図面から明らかなよう に、前記ギャップは、裏当て手段７bの中心線ｃに整合するように配置される。 それから裏当て手段は、ビルトインされた加熱ケーブル７０により裏当て手段の 温度である１５０−２５０℃の範囲の温度まで予熱される。この温度範囲は、伝 統的な手段、例えば、温度センサ（図示せず）により検出される。裏当て手段の 予熱に続いて、接合部の中で、溶接が開始され、溶接プルーブが一定の速度で回 転すると同時に予め決められた速度でギャップに沿って前進する。最初に述べた ように、プロフィール部分の端部エッジは、この作業の間、発生する摩擦熱によ り可塑的にされる。 溶接され固まった接合部は、結果として、均一で、高い強度の接合部となる。 本発明は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、添付の請求 項の範囲内で多くの異なる方法で変更可能であると認めらるべきである。例えば 、裏当て手段７bは、溝６０に供給される加熱流体によって加熱することもでき 、あるいは溝に組み込まれた加熱ケーブル７０の代わりの間接的な電気供給によ っても加熱することができる。裏当て手段を介して接合部を加熱する代わりに、 接合部の下に配置されるかあるいは接合部の側部で接触するガスバーナのような 発熱体により接合部を加熱することもできる。付加的熱を供給する他の可能な方 法として誘導加熱もある。勿論、この装置は、他の金属のワークピース、つまり チタンあるいは鋼のようなアルミニウム以外の金属合金のワークピースとの溶接 にも使用することができる。この装置がチタンあるいは鋼のワークピースとの溶 接に使用されるとき、裏当て手段は５００−１０００℃の範囲の温度で加熱され なければならない。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項 【提出日】平成１１年７月１４日（１９９９．７．１４） 【補正内容】 請求の範囲 １．溶接されるべきワークピース（２，３）が作業テーブル（７）に配置され 、クランプ手段（５,６）によって、相互に及び／または作業テーブルにクラン プされ、回転溶接手段(１２、１３)がワークピース間の接合部に沿って移動する ように設けられる一方、溶接中前記ワークピースを加圧するようにした回転式摩 擦溶接方法において、 前記回転溶接手段の回転により前記接合部で生ぜしめられた摩擦熱を上回り、また 前記回転溶接手段による他のどのような手法によって前記接合部に供給され る他の熱をも上回り、溶接中及び／またはその前に前記接合部に対し付加的熱が 供給されることを特徴とする回転式摩擦溶接方法。 ２．前記接合部は、当該接合部の材料の融解温度以下で、最大２５０℃まで予 熱されることを特徴とする請求の範囲１に記載の方法。 ３．前記接合部は、当該接合部の下に配置された発熱体により加熱されること を特徴とする請求の範囲１又は２に記載の方法。 ４．前記接合部は、１００℃を上回る温度に予熱される下方の裏当て手段（７ b）で支持されることを特徴とする前記請求の範囲のいずれか１つに記載の方法 。 ５．前記裏当て手段は、１５０−２５０℃の範囲の温度に加熱されることを特 徴とする請求の範囲４に記載の方法。 ６．前記裏当て手段は、５００−１０００℃の範囲の温度に加熱されることを 特徴とする請求の範囲４に記載の方法。 ７．前記裏当て手段（７b）は、当該裏当て手段に組み込まれた加熱コイル（ ７０）により加熱されることを特徴とする請求の範囲４,５又は ６に記載の方法。 ８．溶接されるべきワークピース（２，３）を支持する作業テーブル（７）と 、前記ワークピースを相互に及び／または前記作業テーブルにクランプする少な くとも一つのクランプ手段（５,６）と、前記ワークピース間の接合部に沿って 移動するように設けられる一方、溶接中前記ワークピースを加圧するようにした 溶接手段(１２、１３)とを有する回転式摩擦溶接装置（１）において、 前記回転溶接手段( １２、１３)の回転により前記接合部で生ぜしめられた摩擦 熱や、前記回転溶接手段( １２、１３)による他のどのような手法によって前記接 合部に供給される他の熱をも上回る付加的熱が溶接中及び／またはその前に前記 接合部に対し供給されるようにした発熱体（７０）を有する回転式摩擦溶接装置 。 ９．前記発熱体は、前記接合部の下に配置されることを特徴とする請求の範囲 ８に記載の装置。 １０．前記裏当て手段（７b）は、前記接合部の下に配置されることを特徴とす る請求の範囲８又は９に記載の装置。 １１．前記裏当て手段（７b）は、前記発熱体（７０）により加熱されるように したことを特徴とする請求の範囲１０に記載の装置。 １２．前記発熱体は、前記裏当て手段（７b）に組み込まれた加熱コイル（７０ ）であることを特徴とする請求の範囲１１に記載の装置。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ， ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，ＫＥ，Ｌ Ｓ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ， ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，Ｅ Ｅ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＧＷ，ＨＵ ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ， ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，Ｍ Ｄ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ， ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，Ｕ Ｚ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＷ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．溶接されるべきワークピース（２，３）が作業テーブル（７）に配置され 、クランプ手段（５,６）によって、相互に及び／または作業テーブルにクラン プされ、回転溶接手段(１２、１３)がワークピース間の接合部に沿って移動する ように設けられる一方、溶接中前記ワークピースを加圧するようにした回転式摩 擦溶接方法において、 前記回転溶接手段の回転により前記接合部で生ぜしめられた摩擦熱や、前記回 転溶接手段による他のどのような手法によって前記接合部に供給される他の熱を も上回り、溶接中及び／またはその前に前記接合部に対し付加的熱が供給される ことを特徴とする回転式摩擦溶接方法。 ２．前記接合部は、当該接合部の材料の融解温度以下で、最大２５０℃まで予 熱されることを特徴とする請求の範囲１に記載の方法。 ３．前記接合部は、当該接合部の下に配置された発熱体により加熱されること を特徴とする請求の範囲１又は２に記載の方法。 ４．前記接合部は、１００℃を上回る温度に予熱される下方の裏当て手段（７ b）で支持されることを特徴とする前記請求の範囲のいずれか１つに記載の方法 。 ５．前記裏当て手段は、１５０−２５０℃の範囲の温度に加熱されることを特 徴とする請求の範囲４に記載の方法。 ６．前記裏当て手段は、５００−１０００℃の範囲の温度に加熱されることを 特徴とする請求の範囲４に記載の方法。 ７．前記裏当て手段（７b）は、当該裏当て手段に組み込まれた加熱コイル（ ７０）により加熱されることを特徴とする請求の範囲４,５又は６に記載の方法 。 ８．溶接されるべきワークピース（２，３）を支持する作業テーブル（７）と 、前記ワークピースを相互に及び／または前記作業テーブルにクランプする少な くとも一つのクランプ手段（５,６）と、前記ワークピース間の接合部に沿って 移動するように設けられる一方、溶接中前記ワークピースを加圧するようにした 溶接手段(１２、１３)とを有する回転式摩擦溶接装置（１）において、 前記回転溶接手段の回転により前記接合部で生ぜしめられた摩擦熱や、前記回 転溶接手段による他のどのような手法によって前記接合部に供給される他の熱を も上回る付加的熱が溶接中及び／またはその前に前記接合部に対し供給されるよ うにした発熱体（７０）を有する回転式摩擦溶接装置。 ９．前記発熱体は、前記接合部の下に配置されることを特徴とする請求の範囲 ８に記載の装置。 １０．前記裏当て手段（７b）は、前記接合部の下に配置されることを特徴とす る請求の範囲８又は９に記載の装置。 １１．前記裏当て手段（７b）は、前記発熱体（７０）により加熱されるように したことを特徴とする請求の範囲１０に記載の装置。 １２．前記発熱体は、前記裏当て手段（７b）に組み込まれた加熱コイル（７０ ）であることを特徴とする請求の範囲１１に記載の装置。