JP2002301579A

JP2002301579A - 摩擦溶接法及びその装置

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Publication number: JP2002301579A
Application number: JP2002051857A
Authority: JP
Inventors: Hisanobu Okamura; 久宣岡村; Masahiko Sakamoto; 征彦坂本; Kinya Aota; 欣也青田; Masao Funyu; 征夫舟生; Koichi Watabe; 幸一渡部; Akihiro Sato; 章弘佐藤; Akikuni Esumi; 晶邦江角; Yasuo Ishimaru; 靖男石丸
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2002-02-27
Filing date: 2002-02-27
Publication date: 2002-10-15
Anticipated expiration: 2018-02-20
Also published as: JP3763281B2

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明の目的は、摩擦溶接に際し溶接部に欠陥
が発生する頻度を低減し、溶接部の信頼性を向上させた
摩擦溶接装置及び溶接構造物を提供するにある。【解決手段】本発明は、被加工物２の表面２Ｓまでの距
離を検出器６で検出し、検出された距離の変動を信号処
理装置８により求め、求められた変動を抑制するように
制御装置９により前記上下駆動装置５を制御した状態
で、回転駆動装置４でツール１を回転させて被加工物２
を塑性流動させつつ、溶接線方向１３にツール１を移動
させて溶接する摩擦溶接装置及びその装置によって接合
された溶接構造物にある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、新規な摩擦溶接装
置及びその溶接構造物に係り、特に、接合部に発生する
空洞や割れ等などの溶接欠陥を防止することに好適な摩
擦溶接装置及びその溶接構造物に関する。

【０００２】

【従来の技術】実質的に加工物の材質よりも硬い材質の
金属棒を被加工物の溶接部に挿入し、この金属棒を回転
させながら移動することによって、前記金属棒と前記加
工物との間で発生する摩擦熱により溶接する摩擦溶接方
法が、例えば、特表平７ー５０５０９０号公報（ＥＰＯ
６１５４８０Ｂ１）に記載されている。この摩擦溶接方
法は、金属棒と加工物との摩擦熱による塑性流動現象を
利用したものであって、加工物を溶かして溶接する方法
（例えば、アーク溶接など）とは異なる原理に基づいて
いる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】本発明者らの検討によ
れば、特表平７ー５０５０９０号公報に記載される摩擦
溶接方法を実行するためには、前記金属棒と被加工物表
面との相対位置関係が重要となる。塑性流動状態の金属
が、溶接部から、被加工物の表面に溢れ出ることを防止
することが要求される。すなわち、溶接部から金属が流
出することによって溶接部に欠陥が発生する頻度が大き
くなり、溶接部の信頼性を低下させる原因となる。この
ためには、この摩擦溶接方法の実行に際し、回転するツ
ールを被加工物の表面から一定の深さに挿入し、溶接中
もこの深さを維持管理することが要求される。

【０００４】ところが、一般には、被加工物の表面に凹
凸があれば、被加工物の送りに伴い被加工物表面の高さ
が変化する。また、溶接に伴い被加工物が加熱されるこ
とにより被加工物表面の高さが変化することもある。こ
のような場合には、ツールと被加工物との相対距離が変
動し、ツールのショルダー部が被加工物表面から挿入さ
れる挿入深さも変動してしまう。

【０００５】また、被加工物の表面が平坦でなかった
り、２つの被加工物の高さが相異なる場合には、ツール
と被加工物表面との相対姿勢が変動することもある。

【０００６】本発明の目的は、ツールと被加工物との相
対位置関係を管理することに好適な摩擦溶接装置及びそ
の溶接構造物を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、ショルダー部
が形成されたツールと、前記ツールを回転させるための
ツール回転機構と、前記ツールが回転される回転軸の姿
勢、及び、前記回転軸に沿う方向におけるツールの位置
のうち少なくとも一方を変更可能に、前記ツール回転機
構を固定支持するための支持機構とを有することを特徴
とする摩擦溶接装置にある。

【０００８】又、本発明は、ショルダー部が形成された
ツールと、前記ツールを回転させて被加工物を摩擦する
ためのツール回転機構と、前記ツール及び被加工面表面
の相対位置関係を変更可能に、前記ツール回転機構及び
被加工物を固定支持するための支持機構とを有すること
を特徴とする摩擦溶接装置にある。

【０００９】更に、本発明は、ショルダー部が形成され
たツールと、前記ツールを回転させて被加工物を摩擦す
るためのツール回転機構と、前記ツール及び被加工物表
面の相対位置関係を変更可能に、前記ツール回転機構及
び被加工物を支持するための支持機構と、前記ツール及
び被加工物表面の相対位置関係を検出するための検出部
と、前記検出部によって検出された相対位置関係が予め
定められた相対位置関係に近づくように、前記支持機構
を制御するための制御部とを備えることを特徴とする摩
擦溶接装置にある。

【００１０】又、本発明は、ショルダー部が形成された
ツールと、前記ツールを回転させて被加工物を摩擦する
ためのツール回転機構と、前記ツール及び被加工物表面
の相対位置関係を変更可能に、前記ツール回転機構及び
被加工物を支持するための支持機構と、前記ツール及び
被加工物表面の相対位置関係を検出するための検出部
と、前記検出部によって検出された相対位置関係の変動
が小さくなるように、前記支持機構を制御するための制
御部とを備えることを特徴とする摩擦溶接装置にある。

【００１１】本発明は、前述の摩擦溶接装置を用いて溶
接加工されたことを特徴とする溶接構造物にある。

【００１２】

【発明の実施の形態】（実施例１）図１は、本実施の形
態における摩擦溶接装置の斜視図である。本実施の形態
では、ツールが被加工物に挿入される深さを制御するこ
とに好適に構成される摩擦溶接装置について説明する。
図１において、本実施の形態における摩擦溶接装置１０
０は、被加工物２を摩擦するためのツール１と、ツール
１を回転させるための回転駆動装置４と、ツール１を回
転の軸方向に沿って移動させるための上下駆動装置５
と、被加工物２の表面２Ｓまでの距離を検出するための
検出器６と、検出された距離の変動を求めるための信号
処理装置８と、求められた変動を抑制するように前記上
下駆動装置５を制御するための制御装置９とを有して構
成される。

【００１３】前記ツール１は、被加工物（溶接すべき部
材）の材質より、実質的に硬い材質で形成される。この
ようなツール１の材質としては、代表的には金属を用い
ることができる。なお、硬度に加えて、靱性、耐熱性な
どの要求を満たせば、セラミックス、表面焼き入れ部材
などを用いてもよい。

【００１４】前記回転駆動装置４及び上下駆動装置５
は、溶接線方向１３に、被加工物２と相対的に移動する
ための移動架台（図示せず）に取り付けられている。前
記検出器６は、溶接線方向１３に対してツール１の前方
に、ツール１の端面に対して予め定められた高さで配置
され、ツール１と同一方向に、かつ、ツール１と連動し
て移動する。

【００１５】図２は、回転ツールの、回転軸を含む断面
における形状を示すものである。図２において、ツール
１は、基部１ａと、基部１ａの端面１Ｓに設けられた先
端部１ｂとを有する形状に形成される。好ましくは、前
記基部１ａ及び先端部１ｂは、軸を共有する回転対象形
状に形成される。より具体的には、前記基部１ａは、円
柱形状に形成され、前記先端部１ｂは、その先端１ｃに
近づくほど細くなる形状に形成される。基部１ａ及び先
端部１ｂは、共通の部材から一体に形成されてもよい
し、別々に形成された基部１ａと先端部１ｂとを組み合
わせて構成されてもよい。

【００１６】次に、図１を参照して、本実施の形態の摩
擦溶接装置が、２つの加工物２を相互に突き合わせ溶接
に用いられる場合の動作について説明する。まず、溶接
開始に際し、前記検出器６によって被加工物２の表面２
Ｓの溶接開始前までの距離（ｄ０）を検出する。そし
て、当該検出された距離（ｄ０）を前記信号処理装置８
において格納する。

【００１７】次に、ツール１を溶接開先部３に挿入し、
ツール１を回転させながら、ツール１と被加工物２とを
溶接線方向１３に相対移動させ溶接過程を実行する。こ
の状態で、前記検出器６により検出される、溶接過程の
被加工物表面２Ｓまでの溶接過程の距離（ｄ）は、前記
信号処理装置８に送られる。信号処理装置８において、
前記格納している溶接開始前の距離（ｄ０）と、前記溶
接過程の距離（ｄ）とを比較し、少なくともこれらの大
小関係を前記制御装置９に送る。

【００１８】前記制御装置９は、前記大小関係に基づい
て、溶接開始前の距離（ｄ０）と、前記溶接過程の高さ
（ｄ）とが一致するようにツール１を上下方向１２に駆
動する指令を前記上下駆動装置５に与える。すなわち、
溶接過程の距離が溶接開始前よりも大きければ、ツール
１を上方に予め定められた距離だけ駆動する指令を与
え、また、溶接過程の高さが溶接開始前よりも小さけれ
ば、ツール１を下方に予め定められた距離だけ駆動する
指令を与える。そして、溶接過程の高さが溶接開始前と
一致するときは、ツール１を固定支持する指令を与え
る。

【００１９】前記駆動する指令における予め定められた
距離は、制御が行われる時間間隔、上下駆動装置５の駆
動速度、予想される被加工物２の表面２Ｓの高さの変化
の速さなどから定められる。この被加工物２の表面２Ｓ
の高さの変化の速さは、表面２Ｓの高さの溶接線方向１
３の変化率と、ツール１及び被加工物２が溶接線方向１
３に相対移動される速度とから求められる。

【００２０】このようにして、被加工物２の表面２Ｓと
検出器６とにおける溶接過程の距離が、溶接開始前の距
離に一致するように制御される。ここで、上述したよう
に、検出器６は、ツール１と連動して移動するから、ツ
ール１が被加工物２に挿入される深さ（表面２Ｓから端
面までの深さ）を一定に制御することができる。

【００２１】ここでは、大小関係に基づいて制御する例
について述べたが、溶接過程と溶接開始前とにおける被
加工物表面２Ｓまでの距離の差分を求め、当該差分に応
じた距離だけツール１を上下に駆動してもよい。すなわ
ち、前記信号処理装置８において、前記溶接過程の距離
（ｄ）と溶接開始前の距離（ｄ０）との差分（ｄ−ｄ
０）を求め、前記制御装置９において、当該求められた
差分（ｄ−ｄ０）に応じた距離ツール１を下方に駆動す
る指令を前記上下駆動装置５に与える。なお、前記差分
と駆動する指令における距離との関係は、例えば、帰還
制御における収束の速さ、安定性を考慮して定めること
ができる。

【００２２】次に、図３を参照して、２つの被加工物相
互に高さが異なる場合、すなわち、検出器から被加工物
表面までの距離が被加工物２相互に異なる場合に好適な
動作について説明する図３において、２つの被加工物２
ａ，２ｂは、互いに高さが異なる。このような場合、ツ
ール１の端面１Ｓが、被加工物２ａ，２ｂの表面２ａ
Ｓ，２ｂＳから挿入される深さｌａ，ｌｂが相違する。
従って、高さが高い方の被加工物２ａに対して、予め定
められた深さ（例えば、０．１〜０．５ｍｍ）にツール
１を挿入したとしても、他方の被加工物２ｂに対して挿
入される深さは、前記予め定められた深さより小さくな
ってしまう。このため、高さが低い方の被加工物２ｂの
表面２ｂＳとツール１とが接する部分から、塑性流動状
態にある金属が十分に閉じ込められず、溢れ出てしまう
ことがある。

【００２３】本発明を適用した摩擦溶接装置では、この
ような場合には、溶接開始に際し、前記検出器６におい
て、一方の被加工物２ａまでの距離（ｄａ）と、他方の
被加工物２ｂまでの距離（ｄｂ）とをそれぞれを検出す
る。そして、両者のいずれか大きい方の距離を基準にツ
ール１の挿入深さを制御する。

【００２４】より具体的には、例えば、前記検出器６に
おいて、溶接開始前の距離（ｄａ０，ｄｂ０）をそれぞ
れ検出し、これらのいずれか大きい方を前記信号処理装
置８に格納する（以下、格納された距離をｄ０とす
る）。前記信号処理装置８において、溶接過程において
検出器６により検出される２つの被加工物２ａ，２ｂま
での距離（ｄａ，ｄｂ）のいずれか大きい方と、格納し
てある溶接開始前の距離（ｄ０）とを比較する。この比
較の結果を用いた制御は、上述した、それぞれの表面の
高さを区別せずに制御する場合と同様にして行うことが
できる。

【００２５】また、溶接開始前及び溶接過程における被
加工物表面２ａＳ，２ｂＳまでの距離の差分を求め、当
該差分に応じた距離だけツール１を上下に駆動してもよ
い。この場合には、前記信号処理装置８において、前記
２つの被加工物２ａ，２ｂそれぞれの溶接過程の距離
（ｄａ，ｄｂ）のうち大きい方の距離と、溶接開始前の
距離（ｄ０）との差分を求める。そして、求めた差分に
応じてツール１を駆動する指令を前記上下駆動装置５に
与える。なお、前記差分と駆動する指令における距離と
の関係は、例えば、帰還制御における収束の速さ、安定
性を考慮して定めることができることは、上述の場合と
同様である。

【００２６】このようにして、２つの被加工物２ａ，２
ｂ相互に高さが異なる場合であっても、高さが低い方の
表面２ｂＳを基準として、ツール１が被加工物２ａ，２
ｂに挿入される深さ（表面２Ｓから端面までの深さ）を
一定に制御することができる。すなわち、２つの被加工
物２ａ，２ｂに挿入される深さうちの小さい方ｌ１を、
溶接開始に際して定められる深さに制御して、溶接を実
行することができる。従って、ツール１の端面１Ｓか
ら、塑性流動状態にある金属が溢れ出ることを避けるこ
とが可能となる。

【００２７】（実施例２）図４は、上述した実施例１に
おける摩擦溶接装置の具体的構成例であって、駆動源と
してモータを、また、検出器としてレーザ変位計を用い
て構成されている。図４において、本実施の形態におけ
る摩擦溶接装置１００は、被加工物２を摩擦するための
ツール１と、ツール１を取り付けるための取付部材２０
ａが設けられた回転軸２０と、回転軸２０を回転可能に
支持するための回転ベアリング２２が設けられたボック
ス２３と、回転軸２０のエンドプレイを吸収するための
カップリング２１と、回転軸２０を回転させるための回
転モータ４と、ボックス２３を回転軸２０の軸方向に沿
って移動するための駆動軸２４と、駆動軸２４のエンド
プレイを吸収するためのカップリング２５と、駆動軸２
４を回転させるための上下駆動モータ５と、被加工物２
の表面２Ｓまでの距離を検出するための検出器６と、検
出された距離の変動を求めるための信号処理装置８と、
求められた変動を抑制するように前記上下駆動モータ５
を制御するための制御装置９と、前記回転モータ４及び
上下駆動モータ５を支持するための移動架台１５と、被
加工物２を固定支持し、かつ、移動架台１５を溶接線方
向１３に移動可能に支持するための溶接架台１６とを有
して構成される。

【００２８】前記ツール１は、回転軸２０とカップリン
グ２１とを介して回転モータ４に連結されている。ま
た、回転軸２０は、回転ベアリング２２を介してボック
ス内２３に収められている。前記ボックス２３は、上下
方向に駆動するための駆動軸２４にも連結されている。
前記駆動軸２４は、カップリング２５を通してツール１
を上下方向に駆動するための駆動モータ５に連結されて
いる。

【００２９】前記回転モータ４及び上下駆動モータ５
は、移動架台１５に取り付けられている。前記移動架台
１５は、溶接架台１６に取り付けられ、当該溶接架台１
６上を溶接線方向１３に移動する。検出器６は、被加工
物表面２Ｓの高さの変化を検出するためのものである。
検出器６は、溶接線方向１３に対してツール１の前方に
取り付けられる。本実施の形態では、検出器６としてレ
ーザ変位計を用い、これをツール１から溶接線方向１３
に前方３０ｍｍの位置に配置している。

【００３０】ここで、溶接直前及び溶接過程における加
工物表面２Ｓの高さの変化に応じて、ツール１の上下方
向の駆動は次の順序で行われる。

【００３１】行程１：ツール１は、被加工物２の表面か
ら予め指定された深さに挿入される。指定の深さが挿入
されたこの時点、つまり、溶接開始直前での検出器６か
ら被加工物表面２Ｓまでの距離ｄ０を前記検出器６によ
り検出する。この距離ｄ０が健全な溶接ができるツール
１の適性な深さの基準となる。従って、この距離ｄ０を
溶接過程における距離との差を比較する基準信号とす
る。なお、２つの被加工物表面までの距離が相違する場
合には、これらのうち大きい方の距離を表す基準信号を
生成する。

【００３２】行程２：次に、溶接過程における被加工物
表面２Ｓまでの距離ｄを連続的または周期的に検出す
る。

【００３３】行程３：前記行程１で検出した距離の検出
信号ｄ０、及び前記行程２で検出した距離ｄを表す検出
信号は、信号処理装置８に入力される。そして、信号処
理装置８において、距離ｄ０及びｄを比較して、これら
の差分、つまり、被加工物２の高さの、溶接開始直前及
び溶接過程における差を求める。そして、この差分を表
す比較信号を生成する。

【００３４】行程４：前記行程３で生成された比較信号
は、制御装置９に入力される。制御装置９は、当該入力
された信号に応じて、ツール１を上下方向に駆動させる
ように、上下駆動モータ５を制御する。

【００３５】ここで、前記行程２で検出した距離ｄが前
記１で検出した距離ｄ０に比べて同じ（距離の差分が
零）場合は、被加工物表面２Ｓの高さが溶接開始直前と
同じで変化していない現象である。このため、ツール１
を上下方向に駆動する必要がない。従って、上下駆動モ
ータ５は駆動せず、ツール１の位置は一定である。

【００３６】一方、前記行程２で検出した距離ｄが前記
１で検出した距離ｄ０に比べて小さい（距離の差分がマ
イナス）場合は、被加工物表面２Ｓの高さが溶接開始直
前に比べて高くなっている現象である。このため、ツー
ル１を上下駆動モータ５により前記行程３で求められた
比較した差分の距離（ΔＸ）だけ上向き方向に上げる必
要がある。

【００３７】また、前記行程２で検出した距離ｄが前記
行程１で検出した距離ｄ０に比べ大きい（距離の差分が
プラス）場合は、被加工物表面２Ｓの高さが溶接開始直
前に比べて低くなっている現象である。このため、ツー
ル１を上下駆動モータ５により前記行程３で求められた
差分の距離（ΔＹ）だけ下向き方向に下げる必要があ
る。

【００３８】上述のように、被加工物２の表面２Ｓにお
ける高さの変化の信号に応じて加工物表面２Ｓからのツ
ール１の挿入深さが溶接過程で常に一定になるように制
御される。従って、溶接長さが２０ｍクラスと長い場合
でも溶接欠陥のない溶接構造物が得られる。このような
溶接構造物としては、例えば、鉄道用の車両構造体が挙
げられる。特に、高速車両においては、車両の長さが長
くなる傾向にあり、これに伴い溶接長さも長くなってい
る。

【００３９】（実施例３）図５は、上述した実施例１に
おける摩擦溶接装置の具体的構成例であって、上下方向
の駆動源として油圧駆動装置を、また、検出器として接
触式の差動トランスを用いて構成されている。図５にお
いて、本実施の形態における摩擦溶接装置１００は、被
加工物２を摩擦するためのツール１と、ツール１を取り
付けるための取付部材２０ａが設けられた回転軸２０
と、回転軸２０を回転可能に支持するための回転ベアリ
ング２２が設けられたボックス２３と、回転軸２０のエ
ンドプレイを吸収するためのカップリング２１と、回転
軸２０を回転させるための回転モータ４と、ボックス２
３を回転軸２０の軸方向に沿って駆動するための油圧駆
動装置３１と、前記油圧駆動装置３１に対して上下方向
に移動可能に前記ボックス２３を支持するための上下方
向のベアリング３０と、被加工物２の表面２Ｓまでの距
離を検出するための検出器６と、検出された距離の変動
を求めるための信号処理装置８と、求められた変動を抑
制するように前記油圧駆動装置３１を制御するための制
御装置９と、前記回転モータ４及び油圧駆動装置３１を
支持するための移動架台１５と、被加工物２を固定支持
し、かつ、移動架台１５を溶接線方向１３に移動可能に
支持するための溶接架台１６とを有して構成される。

【００４０】前記ツール１は、回転軸２０とカップリン
グ２１とを介して回転モータ４に連結されている。前記
回転軸２０は、回転ベアリング２２を介してボックス２
３に支持されている。前記ボックス２３は、上下方向の
ベアリング３０を介して油圧駆動装置３１に連結されて
いる。さらに、油圧駆動装置３１及び回転モータ４は、
溶接線方向１３に移動する移動架台１５に連結されてい
る。このように構成することによって、ツール１を回転
させながら、かつ、被加工物表面までの距離を一定に制
御した状態で溶接線方向１３に移動することができる。

【００４１】検出器６は、被加工物表面２Ｓの高さの変
化を検出するためのものである。検出器６は、溶接進行
方向１３に対してツール１の前方に取り付けられる。本
実施の形態では前記検出器６として接触式の差動トラン
スを用い、これをツール１から溶接線方向前方３０ｍｍ
の位置に配置している。

【００４２】ここで、溶接直前及び溶接過程における加
工物表面２Ｓの高さの変化に応じてなされる、ツール１
の上下方向の駆動は、実施例１と同様である。つまり、
検出器６により、溶接開始直前に検出される、被加工物
表面２Ｓからの距離ｄ０と、溶接過程において検出され
る、加工物表面２Ｓからの距離を距離ｄとについて、２
つの距離ｄ０，ｄの大小を信号処理装置８により比較
し、この信号を制御装置９に入力して油圧駆動装置３１
を駆動制御する。なお、予め指定された信号１０を前記
信号処理装置８に予め入力し、この信号１０と前記溶接
過程における高さ（前記距離ｄ）を示す信号とを比較す
ることによってツール１を上下に駆動制御してもよい。

【００４３】なお、突き合わせ溶接する２つの加工物２
の表面高さがほぼ同じ場合は、特に問題ないが、高さが
異なる場合は、両者のいずれか低い方の表面高さを基準
にツール１の挿入深さを制御する。このような摩擦溶接
装置１００によって、加工物２の表面高さの変化に応じ
て加工物表面からのツール１の挿入深さが溶接過程で常
に一定になるように制御される。従って、溶接長さが２
０ｍクラスの長い場合でも溶接欠陥のない溶接構造物が
得られる。

【００４４】（実施例４）図６及び図７は、ツールの溶
接線方向荷重を用いて、ツールの挿入深さを検出する点
において、上述した実施例１〜３と相違する。他の基本
的な構成は実施例１〜３と同様であるので、以下に、相
違点を中心に説明する。まず、図６を参照して、本実施
の形態における溶接架台及び荷重検出部について説明す
る。図６において、本実施の形態における溶接架台１６
は、被加工物２を係止するための係止突起１６ｂが、溶
接線方向について設けられる。前記係止突起１６ｂに
は、荷重検出部４０が設けられている。前記荷重検出部
４０で検出された荷重は、変換部４２を介して信号処理
装置８（図１参照）に送られる。

【００４５】前記荷重検出部４０は、被加工物２に、溶
接線方向に働く荷重を検出するためのものである。荷重
検出部４０は、例えば、圧力センサを用いて構成するこ
とができる。前記変換部４２は、前記荷重検出部４０で
検出された溶接線方向の荷重を、ツール挿入深さに変換
するためのものである。変換部４２は、例えば、演算回
路、または、マッピングテーブルを備えたマッパー回路
を用いて構成することができる。

【００４６】次に、図７を参照して、ツールの溶接線方
向荷重と、ツールの挿入深さとの関係について説明す
る。図７において、横軸は、ツールのショルダー部の端
面が、被加工物表面から挿入される挿入深さ（ｌ）ｍｍ
をとり、縦軸は、ツールが溶接線方向に受ける荷重
（Ｐ）ｋｇをとっている。ツールが溶接線方向に受ける
荷重は、ツールの送り（ツールと被加工物との溶接線方
向の相対移動）に伴って、ツールに働く反力に相当す
る。図７に示されるように、ツールが溶接線方向に受け
る荷重（反力Ｐ）は、被加工物へのツールの挿入深さ
（ｌ）とほぼ比例して増加する。

【００４７】従って、ツールの溶接線方向荷重（Ｐ）を
検出して、この検出信号を基にツールの上下制御、つま
り、溶接部材中への挿入深さを制御することができる。
前記ツールの溶接線方向荷重（Ｐ）は、被加工物を固定
する際に、溶接線方向（溶接が進行方向）に、荷重検出
部を介して被加工物を係止し、荷重検出部からの出力を
用いて検出する。

【００４８】変換部４２は、荷重（Ｐ）を挿入深さ
（ｌ）に変換するための演算を行う演算回路、または、
想定される荷重について、荷重（Ｐ）に対応する挿入深
さ（ｌ）をマッピングしたマッピングテーブルを備える
マッパー回路を用いて構成することができる。荷重検出
部で検出された荷重（Ｐ）から求められた挿入深さ
（ｌ）を、信号処理装置８（図１参照）に送り、溶接過
程における挿入深さとして与えることによって、溶接過
程における挿入深さの制御を行うことができる。制御の
詳細については、実施例１〜３と同様にして行うことが
できるので、ここで重ねて説明することは省略する。

【００４９】一方、実施例３において述べたように、な
お、予め指定された信号１０（図５参照）を前記信号処
理装置８（図５参照）に予め入力する場合にあっては、
予め指定された信号として、予め定められた荷重（Ｐ
０）を示す信号を溶接開始前に予め入力しておき、溶接
過程において、荷重検出部で検出された荷重（Ｐ）を示
す信号を信号処理装置８（図５参照）に入力してもよ
い。これにより、溶接過程における、ツールに加わる溶
接線方向荷重Ｐが、予め定められた荷重（Ｐ０）となる
ように制御することができる。従って、溶接過程におい
て、ツールの挿入深さｌが予め定めた深さとなるように
制御することができる。このような制御を行う場合に
は、前記変換部を省略し、構成を簡略化することができ
る。例えば、挿入深さ（ｌ）を０．１〜０．５ｍｍとす
べき場合には、荷重検出部で検出される荷重（Ｐ）が、
１３０〜２６０ｋｇとなるように、ツールを上下に駆動
制御すればよい。

【００５０】（実施例５）図８は、本発明のツールの端
面が被加工物に挿入される深さ、及び、ツールが回転さ
れる回転軸と加工物表面との相対姿勢の制御することに
好適に構成される摩擦溶接装置について説明する斜視図
である。図８において、２つの被加工物２ａ，２ｂが突
き合わせられた溶接開先部３に、回転軸ａの廻りに回転
するツール１が挿入されている。はじめに、２つの被加
工物２ａ，２ｂの表面２ａＳ，２ｂＳが、共に平坦で、
かつ、それらの高さが相等しい場合について説明する。
この場合は、表面２ａＳ，２ｂＳを共に含む平面（以
下、平面Ｓという）に、ツール１が挿入されることにな
る。この場合には、ツール１と、被加工物２ａ，２ｂと
の相対姿勢の制御は、平面Ｓの法線ｎと、回転軸ａとが
一致するように行えばよい。例えば、ツール１の回転軸
ａと平面Ｓにおける溶接開先部３との交点の廻りに、回
転軸ａの傾きを変更し、法線ｎと、回転軸ａとが一致す
る状態で、ツール１の姿勢を固定支持することができ
る。

【００５１】また、ツール１の端面が被加工物２ａ，２
ｂに挿入される深さ（挿入深さ）の制御は、ツール１の
端面の周縁ｆが、平面Ｓから予め定められた深さだけ挿
入されるように、行えばよい。なお、この場合には、ツ
ール１の端面は、平面Ｓと平行であることから、周縁ｆ
の任意の点における平面Ｓまでの距離（深さ）を基準に
して制御を行うことができる。

【００５２】ここで、溶接線方向１３及び法線ｎを含む
面内において、法線ｎに対して溶接線方向１３後方に予
め定められた角θ０（以下、後傾角という）だけ、回転
軸ａを傾けてもよい。このように後傾角を設けた状態で
ツール１を支持することによって、塑性流動状態の金属
が溢れ出ることを避ける効果をより向上することができ
る。この後傾角θ０は、例えば、３〜１０度とすること
ができる。

【００５３】このように、後傾角を設けてツール１を支
持するためには、例えば、ツール１の回転軸ａと加工物
表面２ａＳ，２ｂＳの法線ｎとが成す角の、溶接線方向
１３を含む面における第１の成分θと、前記回転軸ａと
法線ｎとが成す角の、溶接線方向１３に直交する面にお
ける第２の成分φとを検出する。そして、第１の成分θ
が後傾角θ０に近づくように、また、第２の成分φが小
さく（零に近づく）ように、ツール１と、被加工物２
ａ，２ｂとの相対姿勢を制御すればよい。なお、この場
合には、ツール１の端面は、平面Ｓに対して傾いてい
る。ことのため、挿入深さの基準は、例えば、周縁ｆに
おける溶接線方向１３後端での、平面Ｓまでの距離（深
さ）を基準にして制御を行う。

【００５４】次に、２つの被加工物２ａ，２ｂの表面２
ａＳ，２ｂＳに凹凸がある場合、または、それらの高さ
が相異なる場合について説明する。この場合は、ツール
１が挿入される部位、または、これに加えて、その周辺
近傍を含む部位における平均的な平面（以下、平面Ｓ’
という）を考え、その法線をｎと見なす。このような平
面Ｓ’は、例えば、ツール１の周辺の複数の点におい
て、被加工物表面２ａＳ，２ｂＳの高さを検出し、これ
らの点をフィットする平面として求めることができる。
より具体的には、ツール１の溶接線方向１３の前方と後
方とで、被加工物２ａ，２ｂのそれぞれの高さを検出す
る。

【００５５】４点で検出を行う例としては、ツール１の
溶接線方向１３前方において、被加工物２ａ，２ｂ上の
点７ａ，７ｂの高さを、ツール１の溶接線方向１３後方
において、被加工物２ａ，２ｂ上の点７ｃ，７ｄの高さ
を検出することができる。このとき、点７ｃ，７ｄにつ
いては、溶接開先部３からツール１の半径ｒよりも離れ
た部位とすることが好ましい。これにより、ツール１の
溶接線方向１３後方では、ツール１の加工痕を避けて検
出を行うことができる。従って、加工痕上での検出に伴
う誤差要因を排除することができる。

【００５６】なお、点７ａ，７ｂについては、溶接開先
部３からツール１の半径ｒよりも近い部位とすることが
好ましい。これは、実際に加工が行われる部位の面の状
態を検出することができるからである。例えば、ツール
１の半径がφ１５ｍｍである場合には、点７ａ，７ｂ
は、ツール１から溶接線方向１３に３０ｍｍ前方であっ
て溶接開先部３から８ｍｍ離れた部位とし、点７ｃ，７
ｄは、ツール１から溶接線方向１３に３０ｍｍ後方であ
って溶接開先部３から２０ｍｍ離れた部位とすることが
できる。このようにして検出された各点の高さからフィ
ッティングして平面Ｓ’を求めることができる。

【００５７】なお、点７ａ，７ｂで検出された高さの平
均と７ｃ，７ｄで検出された高さの平均との差分から、
回転軸ａと法線ｎとのθ方向の偏差を求め、点７ａ，７
ｃで検出された高さの平均と７ｂ，７ｄで検出された高
さの平均との差分から、回転軸ａと法線ｎとのφ方向の
偏差を求めてもよい。

【００５８】ツール１と被加工物２ａ，２ｂとの相対姿
勢の制御は、上述の場合と同様に、法線ｎと回転軸ａが
一致するように、または、法線ｎに対して予め定められ
た後傾角θ０となる相対姿勢となるように行えばよい。
一方、ツール１の端面が被加工物２ａ，２ｂに挿入され
る深さ（挿入深さ）の制御は、ツール１の端面の周縁ｆ
が、前記求めた平面Ｓ’から挿入される深さが予め定め
られた値となるように行えばよい。この深さについて予
め定められる値は、例えば、０．１〜０．５ｍｍと定め
ることができる。

【００５９】また、ツール１の溶接線方向１３前方にお
いて、被加工物表面２ａＳ，２ｂＳのプロファイルが計
測される場合には、ツール１の端面の周縁ｆが、被加工
物表面２ａＳ，２ｂＳから挿入される深さの最小値を基
準として挿入深さの制御を行うことが好ましい。これに
より、被加工物表面２ａＳ，２ｂＳのプロファイルに凹
凸がある場合であっても、被加工物もっとも低い部分に
合わせて挿入深さを制御することができる。このとき、
ツール１が後傾角θ０を設けて支持される場合には、前
記周縁ｆにおける溶接線方向１３後方の半弧における最
小値を基準とすればよい。

【００６０】図９は、本発明のツールと被加工物表面と
の相対位置関係を表示するための表示部について説明す
る図である。まず、図９の（ａ）を参照して、ツールと
被加工物表面との相対姿勢を表示するため表示部につい
て説明する。この表示部では、ツールと被加工物表面と
の相対姿勢を、被加工物表面の法線及びツール回転軸の
関係で表している。図９の（ａ）において、表示部８０
は、被加工物表面の法線及びツールの回転軸の相対偏差
を示すための指標８１と、被加工物表面の法線及びツー
ルの回転軸との成す角における溶接線方向を含む面内の
成分θを示す目盛り８３と、溶接線方向に垂直な方向を
含む面内の成分φを示す目盛り８２とを有している。こ
れらの目盛りは、図９の（ａ）に示すように、被加工物
表面の法線及びツールの回転軸が一致する状態を基準と
し、これを表示部の中央に設定することができる。図示
される状態は、指標８１が原点（θ軸目盛り８３とφ軸
８２との交点）に位置し、被加工物表面の法線及びツー
ルの回転軸が一致する状態であることが表示されてい
る。表示されるθ、φは、上述のようにして求められ
た、平均的な平面Ｓ’の法線ｎ（図８参照）と、ツール
の回転軸ａ（図８参照）とから求めることができる。

【００６１】次に、図９の（ｂ）を参照して、被加工物
表面に対して予め定められた、ツールの回転軸を管理す
べき方向と、回転軸の実際の方向との関係を表すための
表示部について説明する。これは、上述した、ツールの
回転軸を予め定められた後傾角θ０だけ後傾すべき場合
に好適な表示部である。図９の（ｂ）において、表示部
８０は、被加工物表面の法線及びツールの回転軸の相対
偏差を示すための指標８１と、被加工物表面の法線及び
ツールの回転軸との成す角における溶接線方向を含む面
内の成分θを示す目盛り８３と、溶接線方向に垂直な方
向を含む面内の成分φを示す目盛り８２'とを有してい
る。これらの目盛りは、図９の（ａ）に示した例と、θ
軸目盛り８３が予め定められた後傾角θ０だけオフセッ
トされていること、φ軸目盛り８２'が球体の子午線状
に湾曲していることにおいて相違する。すなわち、予め
定められた後傾角θ０だけ相対変位した相対姿勢に、被
加工物表面の法線及びツールの回転軸が一致する状態を
基準とし、これを表示部の中央に設定することができ
る。

【００６２】次に、図９の（ｃ）を参照して、ツールの
ショルダー部の周縁の挿入深さを表す表示部について説
明する。図９の（ｃ）において、表示部９０は、挿入深
さを示すための目盛り９２と、ツールのショルダー部が
挿入されている深さを示すための指標９１とを有してい
る。上述のような表示部を用いて、ツールと被加工物表
面との相対位置関係を表示することによって、ツールと
被加工物表面との相対位置関係を認識しやすく表示する
ことができる。

【００６３】従って、ツールのショルダー部が被加工物
表面に挿入される挿入深さ、すなわち、ツールを支持、
または、これに加えて回転駆動するためのツール回転機
構と、被加工物との相対距離の操作の基準を認知するこ
と、前記ツール回転機構と被加工物との相対姿勢の操作
の基準を認知することが、容易かつ確実となる。従っ
て、これらの相対位置関係を管理して、変動を抑え、か
つ、予め定められた相対位置関係とすることが可能とな
る。特に、相対位置関係の成分となる、相対距離、相対
姿勢のうちの溶接線方向面内の成分、これに直交する成
分のそれぞれを、どのように操作すればよいかを分かり
やすく表示することができる。

【００６４】（実施例６）図１０は、本発明のツールと
被加工物との相対姿勢を操作することに好適な摩擦溶接
装置の断面図である。本図では、駆動機構の一部、検出
部は、省略して描かれているがこれは、上述した実施例
２、３と同様に構成することができる。この摩擦溶接装
置は、ツール１の回転軸が揺動可能に支持されているこ
とにおいて、これらの実施の形態と相違する。以下に、
相違点を中心に説明する。図１０において、摩擦溶接装
置は、本実施の形態における摩擦溶接装置は、被加工物
２を摩擦するためのツール１と、ツール１を取り付ける
ための取付部材２０ａが設けられた回転軸２０と、回転
軸２０を回転可能に支持するための回転ベアリング２２
が設けられたボックス２３と、回転軸２０を回転させる
ための回転モータ４と、上下方向に移動可能に前記ボッ
クス２３を支持するための上下方向のベアリング３０
と、ベアリング３０を支持するための支持枠１８と、支
持枠１８を摺動可能に湾曲レール湾曲レール１９ａ，ｂ
に支持するためのベアリング１９ｃと、被加工物２を固
定支持し、かつ、移動架台１５を溶接線方向１３に移動
可能に支持するための溶接架台１６とを有して構成され
る。

【００６５】本摩擦溶接装置は、支持枠１８が、湾曲レ
ール１９ａ，ｂにガイドされる状態で、ベアリング１９
ｃに支持されるため、ツール１の回転軸を揺動させるこ
とができる。このとき、湾曲レール１９ａ，ｂの曲率中
心をツール１のショルダー部と一致させることにより、
溶接過程においても、ツール１の揺動をより円滑に行う
ことができる。本実施の形態によれば、ツールと被加工
物の相対位置関係を管理することが容易に、かつ、適切
に行うことが可能となる。

【００６６】従って、被加工物の凹凸、２つの被加工物
相互の段差が生じている場合であっても、これらの状態
に応じて、ツールと被加工部材との、相対姿勢及び挿入
深さを制御することが可能となる。よって、ツールのシ
ョルダー部から、塑性流動状態の金属が溢れ出ることを
抑制することができる。このため、溶接構造体の溶接部
における欠陥の発生を抑止し、信頼性を向上させること
ができる。また、直線状の溶接のみならず、溶接部の表
面が湾曲、傾斜する状態であっても、信頼性の高い溶接
を行うことができる。

【００６７】例えば、鉄道車両の車両構造体の製作に前
述した実施例１〜６の形態を適用することにより、溶接
長さが長くなっても、より具体的には、例えば、２０ｍ
クラスの溶接長さであっても、溶接欠陥の発生を防止
し、信頼性を向上させることことができる。

【００６８】

【発明の効果】本発明によれば、溶接過程における、被
加工物表面に対するツールの挿入深さが常に一定となる
ように、また、被加工物表面に対するツールの挿入角が
常に一定となるように制御することが可能となる。この
ため、溶接長さが長い溶接構造物であっても、溶接欠陥
の発生を防止し、信頼性の高い溶接構造物を製作するこ
とが可能となる。例えば、溶接長さが２０ｍクラスに及
ぶような溶接構造体、より具体的には、車両構造体、特
に、高速車両構造体を。溶接欠陥の発生を防止して製作
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の摩擦溶接装置を示す斜視図である。

【図２】ツールの断面形状を示す断面図である。

【図３】高さが相違する２つの被加工物と溶接開先部
に挿入されたツールとの関係を示す断面図である。

【図４】本発明の摩擦溶接装置を示す断面図である。

【図５】本発明の摩擦溶接装置を示す断面図である。

【図６】本発明の溶接架台及び荷重検出部を示す断面
図である。

【図７】ツールの溶接線方向荷重とツールの挿入深さ
との関係を示す図である。

【図８】本発明の被加工物とツールとの相対位置関係
を示す斜視図である。

【図９】ツールと被加工物表面との相対位置関係を表
示するための表示部を示す説明図であって、（ａ）ツー
ルと被加工物表面との相対姿勢を被加工物表面の法線及
びツール回転軸の関係を表す表示部、（ｂ）被加工物表
面の法線から予め定められた後傾角傾いた方向及びツー
ル回転軸の関係を表す表示部、（ｃ）ツールのショルダ
ー部周縁の挿入深さを表す表示部である。

【図１０】本発明の摩擦溶接装置を示す断面図であ
る。

【符号の説明】

１…ツール、２…加工物、３…溶接開先部、４…ツール
の回転駆動装置、５…回転棒の上下方向駆動装置、６…
高さ検出器、７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄ…高さが検出され
る点、８…信号処理装置、９…ツール上下方向駆動用の
制御装置、１１…ツールの回転方向、１３…溶接線方
向、１５…移動架台、１６…溶接固定台、２０…ツール
の回転方向の回転軸、２１…カップリング、２２…カッ
プリング、２３…ボックス、２４…ツールの上下方向駆
動軸。

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成１４年３月２７日（２００２．３．２
７）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】発明の名称

【補正方法】変更

【補正内容】

【発明の名称】摩擦溶接法及びその装置

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正内容】

【特許請求の範囲】

【請求項１】ショルダーが形成された回転ツールの挿入
によって被加工物同士を接合する摩擦溶接法において、
前記回転ツールの溶接中における溶接進行方向に対する
荷重を検出し、該検出された荷重に基づいて算出される
前記回転ツールの前記被接合部材への挿入深さを調整し
ながら前記接合することを特徴とする摩擦溶接法。

【請求項２】ショルダーが形成された回転ツールと、該
ツールを回転させるための回転駆動装置と、前記ツール
を回転の軸方向に沿って移動させるための上下駆動装置
と、前記ツールと被加工物との少なくとも一方を溶接線
方向に対して相対的に移動させる駆動装置と、前記ツー
ルの前記被加工物に対する溶接線進行方向に係る荷重を
検出する荷重検出器と、該荷重検出器によって検出され
た値に基づいて溶接中における前記被加工物への前記ツ
ールの挿入深さを演算し該演算された値に基づいて前記
上下駆動装置を制御する制御装置とを具備することを特
徴とする摩擦溶接装置。

【請求項３】請求項２において、前記ツールと被加工物
表面との相対位置関係を検出する検出器と、該検出器に
よって検出された相対位置関係を制御する制御部と、前
記相対位置関係を表示する表示部とを有することを特徴
とする摩擦溶接装置。

【請求項４】請求項３において、前記制御部は、溶接開
始に際して検出された相対位置関係を記憶する記憶部
と、溶接過程において検出される相対位置関係と前記記
憶されている相対位置関係との差を求める比較部と、前
記差に基づいて操作量を指令する司令部とを有すること
を特徴とする摩擦溶接装置。

【請求項５】請求項３又は４において、前記相対位置関
係は、前記ツールと被加工物表面との距離と、前記ショ
ルダー部の溶接線方向後方の端部が前記被加工物表面に
挿入される深さと、前記ツールの回転軸と被加工物表面
の法線とが成す角の溶接線方向における成分と、前記回
転軸と被加工物表面の法線とが成す角の溶接線方向に直
交する方向における成分の少なくとも１つであることを
特徴とする摩擦溶接装置。

【請求項６】請求項３〜５のいずれかにおいて、前記検
出器は、前記ツールと被加工物表面との距離を検出する
レーザ変位計であり、前記ツールの溶接線方向前方に設
けられることを特徴とする摩擦溶接装置。

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００１

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、新規な摩擦溶接法
及びその装置に係り、特に、接合部に発生する空洞や割
れなどの溶接欠陥を防止することに好適な摩擦溶接法及
びその装置に関する。

【手続補正４】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００６

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００６】本発明の目的は、ツールと被加工物との相
対位置関係を管理し、被加工物表面に対するツールの挿
入深さが常に一定となるように制御することにより、溶
接長さが長い溶接構造物であっても、溶接欠陥の発生を
防止し、信頼性の高い溶接構造物を製作するすることの
できる摩擦溶接法及びその装置を提供することにある。

【手続補正５】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００７

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、ショルダーが
形成された回転ツールの挿入によって被加工物同士を接
合する摩擦溶接法において、前記回転ツールの溶接中に
おける溶接進行方向に対する荷重を検出し、該検出され
た荷重に基づいて算出される前記回転ツールの前記被接
合部材への挿入深さを調整しながら前記接合することを
特徴とする。又、本発明は、ショルダーが形成された回
転ツールと、該ツールを回転させるための回転駆動装置
と、前記ツールを回転の軸方向に沿って移動させるため
の上下駆動装置と、前記ツールと被加工物との少なくと
も一方を溶接線方向に対して相対的に移動させる駆動装
置と、前記ツールの溶接中における溶接線進行方向に係
る荷重を検出する荷重検出器と、該荷重検出器によって
検出された値に基づいて溶接中における前記被加工物へ
の前記ツールの挿入深さを演算し該演算された値に基づ
いて前記上下駆動装置を制御する制御装置とを具備する
ことを特徴とする摩擦溶接装置にある。又、本発明は、
前記ツールが回転される回転軸の姿勢、及び、前記回転
軸に沿う方向におけるツールの位置のうち少なくとも一
方を変更可能に、前記ツール回転機構を固定支持するた
めの支持機構とを有することが好ましい。

【手続補正６】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００８

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００８】又、本発明は、前記ツール及び被加工面表
面の相対位置関係を変更可能に、前記ツール回転機構及
び被加工物を固定支持するための前記支持機構を有する
ことが好ましい。

【手続補正７】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００９

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００９】更に、本発明は、前記ツール及び被加工物
表面の相対位置関係を検出するための検出部と、前記検
出部によって検出された相対位置関係が予め定められた
相対位置関係に近づくように、前記支持機構を制御する
ための制御部とを備えることが好ましい。

【手続補正８】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１０

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１０】又、本発明は、前記検出部によって検出さ
れた相対位置関係の変動が小さくなるように、前記支持
機構を制御するための制御部とを備えることが好まし
い。前記相対位置関係は、前記ツールと被加工物表面と
の距離と、前記ショルダー部の溶接線方向後方の端部が
前記被加工物表面に挿入される深さと、前記ツールの回
転軸と被加工物表面の法線とが成す角の溶接線方向にお
ける成分と、前記回転軸と被加工物表面の法線とが成す
角の溶接線方向に直交する方向における成分の少なくと
も１つであることが好ましい。前記ツールと被加工物表
面との距離を検出するレーザ変位計であり、前記ツール
の溶接線方向前方に設けられることが好ましい。

【手続補正９】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１１

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１１】本発明は、前述の摩擦溶接法又はその装置
を用いて溶接加工されたことを特徴とする溶接構造物に
ある。

【手続補正１０】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１２

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１２】

【発明の実施の形態】図１は、本実施の形態における摩
擦溶接装置の斜視図である。本実施の形態では、ツール
が被加工物に挿入される深さを制御することに好適に構
成される摩擦溶接装置について説明する。図１におい
て、本実施の形態における摩擦溶接装置１００は、被加
工物２を摩擦するためのツール１と、ツール１を回転さ
せるための回転駆動装置４と、ツール１を回転の軸方向
に沿って移動させるための上下駆動装置５と、被加工物
２の表面２Ｓまでの距離を検出するための検出器６と、
検出された距離の変動を求めるための信号処理装置８
と、求められた変動を抑制するように前記上下駆動装置
５を制御するための制御装置９とを有して構成される。

【手続補正１１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２７

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２７】図４は、上述した図１における摩擦溶接装
置の具体的構成例であって、駆動源としてモータを、ま
た、検出器としてレーザ変位計を用いて構成されてい
る。図４において、本実施の形態における摩擦溶接装置
１００は、被加工物２を摩擦するためのツール１と、ツ
ール１を取り付けるための取付部材２０ａが設けられた
回転軸２０と、回転軸２０を回転可能に支持するための
回転ベアリング２２が設けられたボックス２３と、回転
軸２０のエンドプレイを吸収するためのカップリング２
１と、回転軸２０を回転させるための回転モータ４と、
ボックス２３を回転軸２０の軸方向に沿って移動するた
めの駆動軸２４と、駆動軸２４のエンドプレイを吸収す
るためのカップリング２５と、駆動軸２４を回転させる
ための上下駆動モータ５と、被加工物２の表面２Ｓまで
の距離を検出するための検出器６と、検出された距離の
変動を求めるための信号処理装置８と、求められた変動
を抑制するように前記上下駆動モータ５を制御するため
の制御装置９と、前記回転モータ４及び上下駆動モータ
５を支持するための移動架台１５と、被加工物２を固定
支持し、かつ、移動架台１５を溶接線方向１３に移動可
能に支持するための溶接架台１６とを有して構成され
る。

【手続補正１２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００３９

【補正方法】変更

【補正内容】

【００３９】図５は、上述した図１における摩擦溶接装
置の具体的構成例であって、上下方向の駆動源として油
圧駆動装置を、また、検出器として接触式の差動トラン
スを用いて構成されている。図５において、本実施の形
態における摩擦溶接装置１００は、被加工物２を摩擦す
るためのツール１と、ツール１を取り付けるための取付
部材２０ａが設けられた回転軸２０と、回転軸２０を回
転可能に支持するための回転ベアリング２２が設けられ
たボックス２３と、回転軸２０のエンドプレイを吸収す
るためのカップリング２１と、回転軸２０を回転させる
ための回転モータ４と、ボックス２３を回転軸２０の軸
方向に沿って駆動するための油圧駆動装置３１と、前記
油圧駆動装置３１に対して上下方向に移動可能に前記ボ
ックス２３を支持するための上下方向のベアリング３０
と、被加工物２の表面２Ｓまでの距離を検出するための
検出器６と、検出された距離の変動を求めるための信号
処理装置８と、求められた変動を抑制するように前記油
圧駆動装置３１を制御するための制御装置９と、前記回
転モータ４及び油圧駆動装置３１を支持するための移動
架台１５と、被加工物２を固定支持し、かつ、移動架台
１５を溶接線方向１３に移動可能に支持するための溶接
架台１６とを有して構成される。

【手続補正１３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００４４

【補正方法】変更

【補正内容】

【００４４】図６及び図７は、ツールの溶接線方向荷重
を用いて、ツールの挿入深さを検出する点において、上
述した摩擦溶接装置と相違する。他の基本的な構成は図
１、４及び５と同様であるので、以下に、相違点を中心
に説明する。まず、図６を参照して、本実施の形態にお
ける溶接架台及び荷重検出部について説明する。図６に
おいて、本実施の形態における溶接架台１６は、被加工
物２を係止するための係止突起１６ｂが、溶接線方向に
ついて設けられる。前記係止突起１６ｂには、荷重検出
部４０が設けられている。前記荷重検出部４０で検出さ
れた荷重は、変換部４２を介して信号処理装置８（図１
参照）に送られる。

【手続補正１４】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００４８

【補正方法】変更

【補正内容】

【００４８】変換部４２は、荷重（Ｐ）を挿入深さ
（ｌ）に変換するための演算を行う演算回路、または、
想定される荷重について、荷重（Ｐ）に対応する挿入深
さ（ｌ）をマッピングしたマッピングテーブルを備える
マッパー回路を用いて構成することができる。荷重検出
部で検出された荷重（Ｐ）から求められた挿入深さ
（ｌ）を、信号処理装置８（図１参照）に送り、溶接過
程における挿入深さとして与えることによって、溶接過
程における挿入深さの制御を行うことができる。制御の
詳細については、図１、４及び５と同様にして行うこと
ができるので、ここで重ねて説明することは省略する。

【手続補正１５】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００４９

【補正方法】変更

【補正内容】

【００４９】一方、図５において述べたように、なお、
予め指定された信号１０（図５参照）を前記信号処理装
置８（図５参照）に予め入力する場合にあっては、予め
指定された信号として、予め定められた荷重（Ｐ０）を
示す信号を溶接開始前に予め入力しておき、溶接過程に
おいて、荷重検出部で検出された荷重（Ｐ）を示す信号
を信号処理装置８（図５参照）に入力してもよい。これ
により、溶接過程における、ツールに加わる溶接線方向
荷重Ｐが、予め定められた荷重（Ｐ０）となるように制
御することができる。従って、溶接過程において、ツー
ルの挿入深さｌが予め定めた深さとなるように制御する
ことができる。このような制御を行う場合には、前記変
換部を省略し、構成を簡略化することができる。例え
ば、挿入深さ（ｌ）を０．１〜０．５ｍｍとすべき場合
には、荷重検出部で検出される荷重（Ｐ）が、１３０〜
２６０ｋｇとなるように、ツールを上下に駆動制御すれ
ばよい。

【手続補正１６】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００５０

【補正方法】変更

【補正内容】

【００５０】図８は、本発明のツールの端面が被加工物
に挿入される深さ、及び、ツールが回転される回転軸と
加工物表面との相対姿勢の制御することに好適に構成さ
れる摩擦溶接装置について説明する斜視図である。図８
において、２つの被加工物２ａ，２ｂが突き合わせられ
た溶接開先部３に、回転軸ａの廻りに回転するツール１
が挿入されている。はじめに、２つの被加工物２ａ，２
ｂの表面２ａＳ，２ｂＳが、共に平坦で、かつ、それら
の高さが相等しい場合について説明する。この場合は、
表面２ａＳ，２ｂＳを共に含む平面（以下、平面Ｓとい
う）に、ツール１が挿入されることになる。この場合に
は、ツール１と、被加工物２ａ，２ｂとの相対姿勢の制
御は、平面Ｓの法線ｎと、回転軸ａとが一致するように
行えばよい。例えば、ツール１の回転軸ａと平面Ｓにお
ける溶接開先部３との交点の廻りに、回転軸ａの傾きを
変更し、法線ｎと、回転軸ａとが一致する状態で、ツー
ル１の姿勢を固定支持することができる。

【手続補正１７】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００６４

【補正方法】変更

【補正内容】

【００６４】図１０は、本発明のツールと被加工物との
相対姿勢を操作することに好適な摩擦溶接装置の断面図
である。本図では、駆動機構の一部、検出部は、省略し
て描かれているがこれは、上述した図４、５と同様に構
成することができる。この摩擦溶接装置は、ツール１の
回転軸が揺動可能に支持されていることにおいて、これ
らの実施の形態と相違する。以下に、相違点を中心に説
明する。図１０において、摩擦溶接装置は、本実施の形
態における摩擦溶接装置は、被加工物２を摩擦するため
のツール１と、ツール１を取り付けるための取付部材２
０ａが設けられた回転軸２０と、回転軸２０を回転可能
に支持するための回転ベアリング２２が設けられたボッ
クス２３と、回転軸２０を回転させるための回転モータ
４と、上下方向に移動可能に前記ボックス２３を支持す
るための上下方向のベアリング３０と、ベアリング３０
を支持するための支持枠１８と、支持枠１８を摺動可能
に湾曲レール１９ａ，ｂに支持するためのベアリング１
９ｃと、被加工物２を固定支持し、かつ、移動架台１５
を溶接線方向１３に移動可能に支持するための溶接架台
１６とを有して構成される。

【手続補正１８】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００６７

【補正方法】変更

【補正内容】

【００６７】例えば、鉄道車両の車両構造体の製作に前
述した摩擦溶接装置を適用することにより、溶接長さが
長くなっても、より具体的には、例えば、２０ｍクラス
の溶接長さであっても、溶接欠陥の発生を防止し、信頼
性を向上させることができる。

【手続補正１９】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】図面の簡単な説明

【補正方法】変更

【補正内容】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の摩擦溶接装置を示す斜視図である。

【図２】ツールの断面形状を示す断面図である。

【図４】本発明に係る摩擦溶接装置を示す断面図であ
る。

【図５】本発明に係る摩擦溶接装置を示す断面図であ
る。

【図６】本発明の摩擦溶接装置の溶接架台及び荷重検
出部を示す断面図である。

【図１０】本発明に係る摩擦溶接装置を示す断面図で
ある。

【符号の説明】１…ツール、２…加工物、３…溶接開先部、４…ツール
の回転駆動装置、５…回転棒の上下方向駆動装置、６…
高さ検出器、７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄ…高さが検出され
る点、８…信号処理装置、９…ツール上下方向駆動用の
制御装置、１１…ツールの回転方向、１３…溶接線方
向、１５…移動架台、１６…溶接固定台、２０…ツール
の回転方向の回転軸、２１…カップリング、２２…カッ
プリング、２３…ボックス、２４…ツールの上下方向駆
動軸。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者青田欣也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)発明者舟生征夫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)発明者渡部幸一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)発明者佐藤章弘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)発明者江角晶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Ｆターム(参考） 4E067 CA01 CA04 CA05

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ショルダー部が形成されたツールと、前記
ツールを回転させるためのツール回転機構と、前記ツー
ルが回転される回転軸の姿勢及び前記回転軸に沿う方向
におけるツールの位置のうち少なくとも一方を変更可能
に前記ツール回転機構を固定支持する支持機構とを有す
ることを特徴とする摩擦溶接装置。
【請求項２】ショルダー部が形成されたツールと、前記
ツールを回転させるツール回転機構と、前記ツールと被
加工面表面との相対位置関係を変更可能に前記ツール回
転機構及び被加工物を固定支持する支持機構とを有する
ことを特徴とする摩擦溶接装置。
【請求項３】請求項２において、前記ツールと被加工物
表面との相対位置関係を検出する検出器と、前記検出器
によって検出された相対位置関係を表示する表示部とを
有することを特徴とする摩擦溶接装置。
【請求項４】ショルダー部が形成されたツールと、前記
ツールを回転させるツール回転機構と、前記ツールと被
加工物表面との相対位置関係を変更可能に前記ツール回
転機構及び被加工物を支持する支持機構と、前記ツール
及び被加工物表面の相対位置関係を検出する検出器と、
前記検出器によって検出された相対位置関係が予め定め
られた相対位置関係に近づくように前記支持機構を制御
する制御部とを備えることを特徴とする摩擦溶接装置。
【請求項５】ショルダー部が形成されたツールと、前記
ツールを回転させるツール回転機構と、前記ツール及び
被加工物表面の相対位置関係を変更可能に、前記ツール
回転機構及び被加工物を支持する支持機構と、前記ツー
ル及び被加工物表面の相対位置関係を検出する検出器
と、前記検出器によって検出された相対位置関係の変動
が小さくなるように前記支持機構を制御するための制御
部とを備えることを特徴とする摩擦溶接装置。
【請求項６】請求項５において、前記制御部は、溶接開
始に際して検出された相対位置関係を記憶する記憶部
と、溶接過程において検出される相対位置関係と前記記
憶部に記憶されている相対位置関係との差分を求める比
較部と、前記求められた差分が小さくなるように操作量
を求め該操作量を前記支持機構に指令する司令部とを有
することを特徴とする摩擦溶接装置。
【請求項７】請求項３〜６のいずれかにおいて、前記相
対位置関係は、前記ツールのショルダー部の溶接線方向
後方の端部が被加工物表面に挿入される深さと、前記ツ
ールの回転軸と加工物表面の法線とが成す角の溶接線方
向における成分と、前記ツールが回転される回転軸と加
工物表面の法線とが成す角の、溶接線方向に直交する方
向における成分との少なくとも１つを検出器によって検
出することにより調整されることを特徴とする摩擦溶接
装置。
【請求項８】請求項３〜６のいずれかにおいて、前記相
対位置関係は、前記ツールに形成されたショルダー部の
周縁が、被加工物表面から挿入される深さのうち、前記
周縁における溶接線方向後方を半周する弧における最小
値と、前記ツールが回転される回転軸と加工物表面の法
線とが成す角の、溶接線方向を含む面における成分と、
前記ツールが回転される回転軸と加工物表面の法線とが
成す角の、溶接線方向に直交する面における成分とのう
ち少なくとも１つが、前記変更又は固定支持され、か
つ、検出されることを特徴とする摩擦溶接装置。
【請求項９】請求項３〜６のいずれかにおいて、前記検
出器は、前記ツール回転機構に設けられ、前記ツールと
被加工物表面との距離を検出するセンサであり、前記ツ
ールの溶接線方向前方に少なくとも設けられることを特
徴とする摩擦溶接装置。
【請求項１０】請求項９において、前記センサは、レー
ザ変位計を用いて構成されることを特徴とする摩擦溶接
装置。
【請求項１１】ショルダー部が形成されたツールと、該
ツールを回転させるツール回転機構と、前記ツールの移
動方向に対する荷重を検出する溶接方向荷重検出器とを
有することを特徴とする摩擦溶接装置。
【請求項１２】請求項１〜１１のいずれかに記載の摩擦
溶接装置を用いて溶接加工されたことを特徴とする溶接
構造物。