JP2002539949A - 2つのワークの溶接方法および装置 - Google Patents
2つのワークの溶接方法および装置Info
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Abstract
Description
の溶接方法に関する。また本発明は、2つのワークが両ワーク間に結合領域を画
成し、摩擦心棒がその結合領域内に送り込まれる2つのワークの溶接装置に関す
る。
ために、例えばヨーロッパ特許第0615480号明細書において、摩擦で発生
した熱によって、両ワークの突合わせ領域、接合領域あるいは結合領域での溶接
のために、基礎材料を可塑化するかあるいは溶融することが知られている。この
ために、摩擦溶接ヘッドが利用されている。その摩擦溶接ヘッドは、周期的に高
速運動(例えば高速回転)する摩擦心棒を有している。この摩擦心棒は、被接合
ワークの材料より硬くて高い融点の材料から成っている。この摩擦心棒は、2つ
の板状ワークを接合するために、ワークの結合領域の範囲において横でワークに
当てられる。この摩擦心棒は、その周期的な高速運動でワークを可塑化するので
、同時に結合領域に沿って送り運動すると、両ワークの対向して位置する範囲に
侵入する。そして可塑化した範囲が冷えると、両ワークが溶接される。その方法
は摩擦攪拌溶接(Friction Stir Welding)と呼ばれている。
際公開第WO95/26254号明細書および国際公開第WO96/38256
号明細書に記載されている。
溶接しなければならない。その場合、摩擦心棒は(ワークに横から侵入した後)
このワークから別の個所で再び横に出せない。例えば板状ワークは突合わせ縁に
沿って途切れ途切れでしか溶接されず、またその溶接部分は少なくとも板状ワー
クの縁まで達しない。この場合、溶接継目の終端に、摩擦心棒を引き抜く際ある
いは持ち上げる際、摩擦心棒の材料排除に基づいて、望ましくない孔が残存する
、という問題が生ずる。
、2つの管を(気密に)溶接する際、摩擦心棒が管円周に沿って完全に一周した
後再び開始個所に戻るために生ずる。
しながら管壁からゆっくり引き抜き、これによってくさび状の退路開口が生ずる
ようにすることが提案されている。しかしこれによっても、半径方向に持ち上げ
る際に生ずる孔は完全に避けられない。溶接された管は、くさび状退路出口の範
囲がしばしば望ましくない薄い壁厚となる。
例えば英国特許出願公開第2233923号明細書において、その孔ないしは開
口の中に、プラグを高速回転して摩擦熱を発生しながら挿入し、このプラグでそ
の孔ないしは開口を気密に閉鎖することが知られている。多数の管を溶接する場
合のそのような処置は、摩擦心棒の一周ごとに、そのような摩擦プラグを挿入し
なければならず、このために場合によっては、特別な装置あるいは少なくとも一
回の工具交換が必要とされるので、経費がかかる。
による生ずる孔が、安価な技術的経費で確実に回避されるような2つのワークの
溶接方法および装置を提供することにある。
両ワークの対向して位置する範囲内に挿入され、 b)摩擦心棒が両ワークを溶接しながら溶接方向に結合領域に沿って移動され
、 c)両ワークの溶接後に、摩擦心棒が結合領域から出され、 d)摩擦心棒が、ワーク内における送り運動中あるいは送り運動後に、持ち上
げられながら、犠牲要素に挿入される、 ことによって解決される。
ないあらゆる要素を意味している。従って本発明の方法によれば、摩擦心棒を持
ち上げた際に残存する孔が、ワークの機能上重要な部位には生ぜず、犠牲要素に
生ずるという利点が得られる。例えば犠牲要素は2つの管状ワークの外側表面か
ら突出し、これによって、犠牲要素に孔が生じた際、管にその設定壁厚を下回っ
た個所が生ずることはなくなる。
よい。
の両側で現れる摩擦攪拌原理で作動する。
いは両方のワークから引き抜くことを意味する。この引き抜きは少なくとも、結
合領域の方向(即ち溶接方向に対して垂直な方向)における運動成分を有する。
位を形成してこのワークに一体形成されている。例えば犠牲部位およびワークは
単一の部材から形成されるか製造される。特に犠牲部位は一方のワークの表面か
ら突出している。
は少なくとも一方のワークに隣接して設けられる。そのような犠牲体は単純に製
造でき、ワークを製造する際に補助的な経費を必要としない。
の下側面がワークの輪郭に合わされている。犠牲体は(犠牲部位も同様に)好適
には、溶接方向に対して垂直にも延びている。
。これによって、犠牲要素を利用しない場合にワークに残存する孔が、犠牲要素
の材料によって特に確実に回避されるか閉鎖されることが保証される。
ているようなワークに利用される。そのようなワークは例えば管である。この場
合、溶接継目は開始個所から最終個所まで延び、その最終個所は開始個所と一致
している。例えば管の場合、一周(360°)の円周線に沿って溶接される。
、好適には開始個所を越えて移動される。これは、2つの管を溶接する際、摩擦
心棒が360°より大きな円周運動を行い、即ち最終個所を越える運動を行うこ
とを意味する。
えば機械で調整されるそのようなオーバーラップによって、本発明に基づく方法
の許容誤差が有利に増大する。
けられる。
既に溶接方向に移動された後、犠牲体が、開始個所に、あるいは摩擦心棒が既に
通過し終えた個所に設けられる。犠牲体は例えば、開始個所上にあるいは既に摩
擦心棒が通過し終えた個所上に、犠牲体を設けるための十分な場所が存在する時
点で設けられる。
の変更あるいは補助的な運動を必要とすることなしに、いわば自動的に犠牲体に
入り込む。
に見て、開始個所の横に、あるいは摩擦心棒が既に通過し終えた個所の横に設け
られる。この場合、摩擦心棒の完全な一周後に、場合によっては、摩擦心棒が開
始個所の横から、あるいは摩擦心棒が既に通過した個所の横からワーク内での前
進運動後に犠牲体の中に動かし入れられるように、摩擦心棒の方位前進運動の終
了あるいは変更が必要である。
れる。これによって、結合領域に沿った完全な溶接後に、摩擦心棒を時間的損失
なしに犠牲要素内に挿入できるという利点が得られる。場合によっては、その場
合には一方のワーク内における特別な前進運動が必要とされず、摩擦心棒を犠牲
要素内へ挿入する際の摩擦心棒の持ち上げは結合領域から出される最中に行われ
る。
心棒の直径より小さな間隔を隔てて設けられる。
れる。この実施態様は、犠牲要素が犠牲部位として一方のワークの構成部分であ
る場合に有利である。その犠牲部位は、結合領域に沿った被溶接ワークの位置決
め及び/又は摩擦心棒の運動を害することなしに、結合領域に対して間隔を隔て
て特に簡単に形成できる。
に除去される。摩擦心棒が犠牲要素から引き抜かれた後、その犠牲要素の除去あ
るいは削除は例えばフライス削りあるいは切断によって行われる。
維持される。これらの両運動を重畳させることによって、特にきれいな退去個所
が生ずる。
目深さより大きい。溶接継目深さは摩擦心棒(沈み込み摩擦面)の高さに関係す
るので、これによって、沈み込んだ摩擦棒全体が犠牲要素によって受けられるこ
とが保証される。
えば、犠牲要素はこの高さだけ溶接方向に対して垂直に結合領域から突出してい
る。
素の高さは三次元的に変化している。これによって、特に摩擦心棒の持ち上げ運
動と前進運動とが重なり合った全体運動に関連して、結合領域から犠牲要素への
単純できれいな移行が達成される。特に、摩擦心棒の送り運動方向に平行な方向
に沿って高さが(連続的に)増加する。
高さが増大する方向に挿入される。
、その表面あるいは外側面が少なくとも部分的に管の外周面に対して接線方向に
延びる形をしている。
き上げられる。
ら制御して引き上げ、同時に摩擦心棒の送り運動を実施する制御装置が設けられ
ていることによって解決される。
、高さが三次元的に変化している犠牲要素が使用される場合に特に有利である。
られる。
運動を制御する走査体を有している。
ある。制御カムは機械式あるいは電子式に実現される。
なくとも1つのワークに当てられる別個の物体である。犠牲体の考え得る形態お
よび利点は、以下の本発明に基づく方法の説明から理解できる。
関する。特にその犠牲体は、一方のワークの構成部分としてこのワークに一体に
形成されている。
解できる。
を詳細に説明する。
示されている。その両ワーク1、3はそれらの端面1A、3Aによって両ワーク
1、3間に結合領域5を画成している。ワーク1、3はその端面1A、3Aがほ
とんど隙間なしに接触しているか、両端面1A、3A間に例えば製造技術に起因
する(望ましくない)小さな空隙を有している。
3の縁から離れている最終個所9まで、互いに溶接される。このために、摩擦・
攪拌溶接原理で作動する摩擦心棒23付き溶接ヘッド21が、開始個所7で結合
領域5およびこの結合領域5の両側における両ワーク1、3の相対して位置する
部位あるいは区域に挿入される。摩擦心棒23は、所定の溶込み深さに到達した
後、結合領域5に沿って溶接方向25に移動される。
、回転中心線27を中心として高速回転される。同時に摩擦心棒23が両ワーク
1、3間の結合領域5に押し付けられ、これによって、材料が加熱され、可塑化
される。そのために溶接ヘッド21は案内肩22を有している。可塑化した材料
は、摩擦心棒23の回転運動によってその背後に移送され、案内肩22および摩
擦心棒23の輪郭(図示せず)によって圧縮される。そして冷却した際、融点に
到達することなしに、固い結合が生ずる。
5およびワーク1、3から遠ざけねばならない。この場合、摩擦心棒23による
材料排除のために、最終個所9に孔が残存するが、この孔は補助材で塞がねばな
らない。
れ、圧着され、あるいは溶接されている。この犠牲体31は両ワーク1、3を押
し合わせた後、その上に置かれる。犠牲体31はその尖端33が、犠牲体31上
を移動すべき溶接ヘッド21に向いている。犠牲体の下側面35は両ワーク1、
3上に結合領域5を覆って位置している。
まれるように、溶接継目深さTより大きくされている。
の場合、結合領域5に沿った前進送り運動41に、(摩擦心棒23をワーク表面
に対して持ち上げさせる)引上げ運動43が重畳される。換言すれば、摩擦心棒
23はその下端が結合領域5あるいはワーク1、3の一方に最早もぐり込まなく
なるまで、犠牲体31の輪郭に従って持ち上げられる。
合領域5の横に設けられ、その尖端33が結合領域5に直に隣接している。犠牲
体31の代わりに、一方のワーク1、3に犠牲部位51をそのワーク1、3の構
成部分として一体形成できる。犠牲体31および犠牲部位51は、以下において
まとめて犠牲要素と呼ぶ。
る。摩擦心棒23が最終個所9まで移動された後、それまでの移動方向に対して
90°回転され、摩擦心棒23は犠牲要素31、51に向けて送り運動41され
る。この送り運動41に(第1実施例と同様に)、案内肩22が犠牲要素31、
51のくさび状経過に追従するようにして、引上げ運動43が重畳される。
いるが、犠牲要素31、51が結合領域5に対して摩擦心棒23の直径Dより小
さな間隔Aを隔てて置かれている点で相違している。図2と同様に、摩擦心棒2
3が最終個所9に到達した後、その運動方向が90°回転され、摩擦心棒23が
結合領域5から外される。図2と異なって、摩擦心棒23が結合領域5から外れ
始めた際、直ちに引上げ運動43は開始しない。むしろ、摩擦心棒23が犠牲要
素31、51の尖端33に到達するまで、まず片側のワーク1において前進運動
51が行われる。その後はじめて、引上げ運動43のためおよび送り運動41の
維持によって、摩擦心棒23の持ち上げが行われる。
合領域5は閉鎖形状、詳しくはリング形状を有している。円形溶接継目が形成さ
れる。図4に示された最初の時点において、溶接ヘッド21の摩擦心棒23が開
始個所7で結合領域5内に半径方向に挿入され、即ち送り移動され、溶接方向2
5に沿って円周方向に結合領域5に沿ってワーク1、3を溶接し始める。
て、開始個所7と一致する最終個所9にほぼ再び到達する。この摩擦心棒23が
図3の実施例に類似して犠牲要素31、51に挿入されるまで、摩擦心棒23は
距離Sだけ開始個所7を越えて移動される。この場合その距離Sは摩擦心棒23
が結合領域を複数回通過する距離であり、これによって全周が液密に溶接される
ことが大きな許容誤差で保証される。その距離Sは少なくとも摩擦心棒22の直
径Dと同じ大きさである。
る。図6に示された第1時点で、摩擦心棒23は開始個所7において既にワーク
1、3の壁内に挿入され、溶接方向25に沿って動き始める。
直前の第2時点における溶接ヘッドが示されている。図6における第1時点と図
7における第2時点との間において、犠牲要素31(退去くさび)がワーク1、
3の、摩擦心棒23が既に通過し終えた場所に、取り付けられる。従って、摩擦
心棒23はその円周運動を維持しながら犠牲要素31に直接入り込む。これは図
8に示されている。前述の実施例のように、そのために摩擦心棒23が犠牲要素
31の尖端33に到達した際、引上げ運動43が行われる。既に図5に類似して
示されているように、犠牲要素31は溶接方向25に見て開始個所7の後方に設
けられているので、開始個所7(最終個所9と一致)と尖端33との間に、摩擦
心棒23が結合領域を複数回通過して許容誤差を高める距離Sが形成される。
1、3および結合領域5からの接線方向の退去運動の形にどのように重畳される
かが示されている。摩擦心棒23はこの退去運動後に、犠牲体31から遠ざけら
れ、これによって退去孔60が残される。この退去孔60は、犠牲体31が付け
られていなければ、ワーク1、3の管壁に生じてしまう。
かな円形輪郭になるまで、フライス加工される。
第1実施例が示されている。溶接装置61は駆動装置63とこれで駆動される摩
擦心棒23付き溶接ヘッド21とを有している。摩擦心棒23は制御装置64に
よって制御されてワーク1、3から引き上げられ(引上げ運動43)、同時に送
り運動41が実施される。
。この走査体68によって、送り方向41に進んだ行程が検出される。走査体6
8の運動は制御シリンダ72を介して溶接ヘッド21、従って摩擦心棒23に伝
えられる。このようにして、走査体68によって、摩擦心棒23の引上げ運動4
3が制御される。
管1、3に沿った縦断面図であり、この図10から、溶接ヘッド21が案内レー
ル74に沿って管の円周方向に案内されることが理解できる。
例において、引上げ運動43は制御カム80を介して制御される。制御カム80
は制御装置64に固定して設けられている。制御カム80は犠牲体31の輪郭を
表しているので、送り運動41と引上げ運動43との重畳によって、摩擦心棒2
3は、犠牲体31の輪郭に従って制御されて持ち上げられる。制御カム80はス
プール弁82を介して溶接機63に接続されている。
Claims (25)
- 【請求項1】 2つのワーク(1、3)が両ワーク(1、3)間に結合領域
(5)を画成し、 a)摩擦心棒(23)が、溶接開始個所(7)で、結合領域(5)内および結
合領域(5)の両側における両ワーク(1、3)の対向して位置する範囲内に挿
入され、 b)摩擦心棒(23)が両ワーク(1、3)を溶接しながら溶接方向(25)
に結合領域(5)に沿って移動され、 c)両ワーク(1、3)の溶接後に、摩擦心棒(23)が結合領域(5)から
出され、 d)摩擦心棒(23)が、ワーク(1、3)内における送り運動(55)中あ
るいは送り運動(55)後に、持ち上げられながら(43)、犠牲要素(31、
51)に挿入される、 2つのワーク(1、3)の溶接方法。 - 【請求項2】 犠牲要素が、一方のワーク(1、3)の構成部分として犠牲
部位(51)を形成してこのワーク(1、3)に一体形成されていることを特徴
とする請求項1記載の方法。 - 【請求項3】 犠牲要素が別個の犠牲体(31)として形成され、この犠牲
体(31)が少なくとも一方のワーク(1、3)に隣接して設けられていること
を特徴とする請求項1記載の方法。 - 【請求項4】 結合領域(5)が閉鎖形状、特にリング形を有していること
を特徴とする請求項1乃至3の1つに記載の方法(図4〜8)。 - 【請求項5】 摩擦心棒(23)が、結合領域(5)を完全に一周した後、
開始個所(7)を越えて移動されることを特徴とする請求項4記載の方法。 - 【請求項6】 犠牲要素(31、51)が、溶接方向(25)に見て、開始
個所(7)の後方に設けられていることを特徴とする請求項4又は5記載の方法
〔図5、7)。 - 【請求項7】 摩擦心棒(23)が既に溶接方向(25)に移動された後、
犠牲体(31)が、開始個所(7)に、あるいは摩擦心棒(23)が既に通過し
終えた個所に設けられることを特徴とする請求項1、4、5、6の1つに記載の
方法(図7)。 - 【請求項8】 摩擦心棒(23)が既に溶接方向(25)に移動された後、
犠牲体(31)が、溶接方向(25)に見て、開始個所(7)の横に、あるいは
摩擦心棒(23)が既に通過し終えた個所の横に設けられることを特徴とする請
求項3、4、5、6の1つに記載の方法(図5)。 - 【請求項9】 犠牲要素(31、51)が、結合領域(5)に対して摩擦心
棒(23)の直径(D)より小さな間隔(A)を隔てて、あるいは結合領域(5
)に直に隣接して設けられることを特徴とする請求項1乃至8の1つに記載の方
法。 - 【請求項10】 犠牲要素(31、51)が、溶接方向(25)に見て、結
合領域(5)の横に設けられることを特徴とする請求項1乃至9の1つに記載の
方法(図2、3、5)。 - 【請求項11】 犠牲要素(31、51)が、ワーク(1、3)の溶接後に
除去されることを特徴とする請求項1乃至10の1つに記載の方法。 - 【請求項12】 摩擦心棒(23)の持ち上げ(43)中、摩擦心棒(23
)の送り運動(41)が維持されることを特徴とする請求項1乃至11の1つに
記載の方法。 - 【請求項13】 犠牲要素(31、51)が取り囲むワーク(1、3)の表
面からの犠牲要素(31、51)の高さ(H)が、溶接継目深さ(T)より大き
いことを特徴とする請求項1乃至12の1つに記載の方法。 - 【請求項14】 犠牲要素(31、51)が取り囲むワーク(1、3)の表
面からの犠牲要素(31、51)の高さ(H)が、三次元的に変化していること
を特徴とする請求項1乃至13の1つに記載の方法。 - 【請求項15】 犠牲要素(31、51)がくさび状であることを特徴とす
る請求項14記載の方法。 - 【請求項16】 摩擦心棒(23)が、犠牲要素(31、51)内にその高
さが増大する方向に挿入されることを特徴とする請求項1乃至15の1つに記載
の方法。 - 【請求項17】 摩擦心棒(23)が、犠牲要素(31、51)の輪郭に従
って制御されて持ち上げられることを特徴とする請求項1乃至16の1つに記載
の方法。 - 【請求項18】 請求項1乃至17の1つに記載の方法を実施するために、
2つのワーク(1、3)が両ワーク(1、3)間に結合領域(5)を画成し、摩
擦心棒(23)がその結合領域(5)内に送り込まれる2つのワーク(1、3)
の溶接装置(62)において、摩擦心棒(23)をワーク(1、3)から制御し
て引き上げ、同時に摩擦心棒(23)の送り運動(41)を実施する制御装置(
64)が設けられていることを特徴とする2つのワークの溶接装置。 - 【請求項19】 摩擦心棒(23)が、送り方向(41)に進んだ行程に関
係して、自動的に引き上げられることを特徴とする請求項18記載の装置。 - 【請求項20】 摩擦心棒(23)の行程を走査し引上げ運動(43)を制
御する走査体(68)が設けられていることを特徴とする請求項19記載の装置
。 - 【請求項21】 走査体(68)と摩擦心棒(23)とが制御シリンダ(7
2)を介して接続されていることを特徴とする請求項20記載の装置。 - 【請求項22】 摩擦心棒(23)が、制御装置(64)に設けられた制御
カム(80)に従って引き上げられることを特徴とする請求項18乃至21の1
つに記載の装置。 - 【請求項23】 制御カム(80)が犠牲要素(31、51)の輪郭を表し
ていることを特徴とする請求項22記載の装置。 - 【請求項24】 請求項3乃至17の1つに記載の方法を実施するための犠
牲体(31)。 - 【請求項25】 請求項2、4乃至6、9乃至17の1つに記載の方法を実
施するための犠牲部位(51)を備えたワーク(1)。
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