JP2004283916A - 部材の端面を結合する装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 レールのような不整形断面を持つ長い棒状部材を、軌条製造の際摩擦溶接により互いに結合でき、部材の直線が一直線をなす整列及び断面が一致する高級な金属結合が行われるようにする。
【解決手段】 摩擦溶接装置（Ａ）が部材端部（１１，１１′）用の互いに当接可能な締付け手段（２，２′）を持ち、少なくとも１つの締付け手段が、対向する締付け手段に対して、部材断面（１２，１２′）に対して平行に軸線が相違するように運動可能であり、かつ部材の軸線が一直線をなして運動なしに配置可能である。方法の特徴として本発明によれば、結合すべき断面（１２，１２′）が互いに押付けられ、少なくとも１つの部材端部が対向する部材端部に対して軸線が相違するように動かされ、こうして端部範囲が高い温度又は結合温度にされ、それから両方の部材（１，１′）を運動なしにする際、両方の部材の軸線が一直線をなす整列が行われ、部材端部（１１，１１′）の全面の金属結合のため、溶接範囲が高い押圧力を受ける。
【選択図】 図１

Description

本発明は、長く延びる部材の端面を摩擦溶接により結合する装置及び方法に関する。特に本発明は、レール等を軸線が一直線をなすように摩擦により結合する装置及び方法に関する。

溶接による接合は、ドイツ規格ＤＩＮ１９１０によれば、熱及び／又は力を用いて物質合体による部材の結合が行われることを特徴としている。工作物の間の分離面は、その材料の金属結合により除去される。

摩擦溶接の際、工作物又は部材の結合すべき面は、押圧力を受けて相対的に動かされ、摩擦により面範囲が加熱され、部材の相互接近又は押圧がその金属結合の際行われる。

摩擦溶接により、主として回転対称な形状を持つ部材が互いに結合されるか、又は工作物に取付けられ、その際１つの部材がその軸線の周りに回転され、即ち対向する部材に対して動かされ、押圧力を受けて別の部材又は工作物へ当接せしめられる。当接面に生じる摩擦熱によって、部材の材料が軟化し始める温度へ面範囲の加熱が行われる。本来の溶接は、部材の停止の際当接面の強化される押圧いわゆる圧縮当接の際、材料の確実な金属結合のために行われる。

摩擦結合及びそれを形成する装置は、特別な材料及び小さいか又はずんぐりした部材の時間を要しない接合のために、大きい意義及び経済性を持つことがあるが、長く延びた棒等では、結合範囲の摩擦加熱のためのその回転運動は、多くの場合最大の費用で理論的にのみ可能である。

例えば走行レール又は不整形断面梁のように特に不整形断面を持つ長い棒では、不整形断面材の整列により軸線が一直線をなす接合は、摩擦溶接によっては経済的でなく、必要な結合品質で形成可能でない。

ドイツ連邦共和国特許出願公開第１９８０７４５７号明細書から、摩擦溶接により鉄道レールを結合する方法が公知になっており、結合すべきレール端部の間で中間片が直線的に又は周回軌道で振動するように動かされる。両方のレール端部は、レール長さ方向に向かいあって中間へ押付けられて、レール端部のそれぞれ１つと中間片のそれぞれ１つの断面との両方の接触面に、摩擦エネルギにより溶接に必要な熱を加える。

しかしこのように費用をかけて行われるレール結合の結果、それぞれ２つの溶接移行部が生じて、場合によっては広範囲に検査すべき万一の弱体個所を増加する。更に摩擦溶接の際及び設備技術的な機能過程において、結合範囲における温度推移が、品質の確保を困難にして制御される可能性がある。

本発明の基礎になっている課題は、レールのような不整形断面を持つ長い棒状部材を、軌条製造の際摩擦溶接により互いに結合でき、部材の軸線が一直線をなす整列及び断面が一致する高級な金属結合が行われる、最初にあげた種類の装置を提供することである。

本発明の別の目的は、部材端部の均一で断面が一致する全面の金属結合を結合範囲の高い品質で行うことができる。棒状部材特にレールを摩擦溶接する方法を提示することである。

与えられた課題は、本発明によれば、最初にあげた種類の装置において、摩擦溶接装置が部材端部用の互いに当接可能な締付け手段を持ち、少なくとも１つの締付け手段が、対向する締付け手段に対して、部材断面に対して平行に軸線が相違するように運動可能であり、かつ部材の軸線が一直線をなして運動なしに配置可能であることによって解決される。

本発明により得られる利点は、高い品質を持つ部材の摩擦溶接に必要な機能を精確に制御して調節可能なことである。従って例えばレールの断面が一致する摩擦溶接結合部を形成することができ、その際小さい寸法の容易に除去可能な隆起が形成されるだけである。

本発明により考慮することができるように、少なくとも１つの締付け手段が、結合軸線の周りに旋回して運動可能であると、全断面範囲にわたって部材端部の有利な均一な加熱を行うことができる。

本発明の別の構成において、両方の締付け手段が、結合軸線に対してそれぞれ向かい合う間隔をとって同じ向きにこの結合軸線の周りに旋回して運動可能であると有利である。装置のこの実施例は、一方では、部材の結合範囲の摩擦による均一な加熱を、機械工学的に有利で充分振動のない運動過程で可能にし、他方では、偏差をなくすことにより、本来の結合過程のため部材端部の運動なしの軸線が一直線をなす配置が、有利に可能である。

溶接すべき部材のできるだけ振動のない運動及び短時間の調節可能性に関して、締付け手段の運動及び軸線が一直線をなす静止のために、駆動可能で回転軸線の相違を調節可能な偏心輪手段が設けられていると有利である。運動過程に関連して特別な利点は、それぞれ締付け手段に伝動結合して、２つの駆動可能な偏心輪手段が設けられている時に、得られる。

本発明による装置の構成において、対向する締付け手段が、軸上に配置される調節可能な偏心輪手段によりそれぞれ駆動可能であるか、又は運動なしに調節可能であり、部材端部の回転軸線のなるべく逆向きの相違及び軸線が一致する整列が、偏心輪手段特に同時に作用する制御装置によって行われると、制御技術上の利点が得られるのみならず、有利な構造が経済的にかつ方法技術的に可能となる。

本発明の別の目的は、最初にあげた種類の方法において、部材端部が、軸線に対して直角な平面の断面を設けられ、続いて加熱段階において結合すべき断面が互いに押付けられ、少なくとも１つの部材端部が対向する部材端部に対して軸線が相違するように動かされ、こうして端部範囲が高い温度又は結合温度にされ、それから両方の部材を運動なしにする際、両方の部材の軸線が一直線をなす整列が行われ、部材端部の全面の金属結合のため、溶接範囲が高い押圧力を受ける。

このように実施される溶接方法の利点は、主として、部材の回転なしに摩擦運動が行われ、従ってその運動変化の際大きい慣性力が生じないことである。少なくとも１つの部材端部は、押圧力を受けて、対向する部材端部に対して、断面のある方向へ振動して動かされる。摩擦面における結合温度に達した後、部材の端部側運動なしにするため、その断面が一致する配置を行うのに僅かな力しか必要としない。摩擦加熱のため有利なように、部材端部が部材端部範囲の弾性曲げの際断面内で動かされると、少なくとも戻し力が、圧縮当接のため部材の軸線が、一直線をなす整列を行うようにするか、又はこれを援助し、こうして単一の高級な金属結合を行うことができる。

充分振動のない運動過程のために、部材の端面範囲の温度上昇又は結合温度の調節のために、少なくとも１つの部材端部が旋回するように動かされる。

本発明の特に好ましい実施形態において、部材の端面範囲の温度上昇のため、部材端部が、整列軸線又は結合軸線に対してそれぞれ対向間隔をとって、この軸線の周りに同じ向きに旋回して動かされると、系における更に減少される振動で最も効果的に、全面で良好な溶接結合が行われ、部材端部範囲のそれぞれの運動が減少される。それにより部材端部を運動なしにするための方法技術的な費用も減少される。

特別な断面寸法を持つ部材の結合過程において軸線が一直線をなすように行われる整列のために、部材端部の断面の相互押圧及び軸線が異なる運動後その加熱のため、押圧力が減少され、部材の軸線整列が行われ、続いてその金属結合のため大きい押圧力が形成されると有利である。

焼入れ可能な鋼及び合金から成るレールのような部材は、結合を行う際溶接個所及び／又は熱の影響を受ける区域における摩擦溶接により、不利な脆い微細組織の範囲を持つ。この組織例えばマルテンサイト組織は、材料の溶接中に材料がオーステナイト化し、即ち面心立方の原子組織に移行し、部材の結合後冷却速度特に部材への放熱が大きくて、組織変換が衝撃的に拡散なしに行われる時に、形成される。本発明によれば、この欠点は、加熱段階の前に部材端部の端面範囲の予熱が行われることによって、克服することができる。

部材端部の端面範囲の予熱が、減少された当接圧力によるその相対運動により行われると、特に有利であり、その際有利なように、溶接装置を部材加熱のために利用し、溶接面の酸化を防止することができる。

実施例を示す図面により、本発明が以下に説明される。

結合すべき部材１，１′のために締付け手段２，２′が設けられ、締付け部材２１，２１′により部材端部１１，１１′と分離可能に結合されている。締付け手段２，２′は、少なくともそれぞれ１つの調節可能な偏心輪手段３，３′に伝動結合され、偏心輪手段３，３′により、偏心の程度が調節可能である。

さて軸４１を介して偏心輪手段３，３′が電動機４により回転するように駆動され、制御手段３１，３１′によりその偏心を異なる方向特に逆向きに調節されると、溶接すべき部材端部１１，１１′の方へ、偏心輪表面の不等な特に逆向きの振動が行われる。しかし場合によっては偏心輪手段３，３′が軸受５，５′を介して締付け手段２，２′に伝動結合されているので、締付け手段２，２′従ってこれに締付けられる部材端部１１，１１′が互いに動かされる。締付け手段２，２′のそれ以上の支持（図示せず）は、可動軸受によるか、又は場合によっては同じ角速度で駆動される偏心輪手段によって行うことができる。摩擦溶接方法を実施する際、結合すべき部材１，１′は、軸線に対して直角な断面１２，１２′を持つその部材端部１１，１１′を、締付け手段２，２′に締付け部材１２，１２′により締付けられ、力又は反力＋Ｘ１，−Ｘ１により互いに当接せしめられる。部材断面１２，１２′の所で、当接力が作用する際、対向する部材端部１１，１１′の相対運動又は摩擦運動が、締付け手段２，２′の軸線が相違する不等な運動により行われる。締付け手段２，２′のこのような相対運動は、これに伝動結合されて軸４１上で電動機４により駆動される偏心輪手段３，３′の偏心の不等な調節によって生じる。

断面１２，１２′相互の当接の際相対運動は、摩擦熱を発生し、この摩擦熱が断面範囲を結合温度に加熱する。このような温度に達した後、制御装置３１，３１′により直ちにかつ同時に、偏心輪手段３，３′の偏心の解消が行われ、それにより部材端部の軸線方向に整列せしめられる運動解除が、後に行われる断面１２，１２′の押圧力印加＋Ｘ２，−Ｘ２を伴って行われる。

場合によっては溶接区域における特別な材料性質を調節するため部材端部の予熱により低下する冷却速度で、部材の形成される溶接範囲の冷却後、最後の押圧力印加又は圧縮当接により行われる材料押出しを機械的に除去し、こうして輪郭の一致した結合を行うことができる。

摩擦溶接装置を概略的に示す。

符号の説明

Ａ 摩擦溶接装置
１，１′ 部材
２，２′ 締付け手段
１１，１１′ 部材端部
１２，１２′ 部材断面

Claims (12)

1. レール等のような不整形断面を持つ長く延びた部材（１，１′）の端面を摩擦溶接によって結合する装置において、摩擦溶接装置（Ａ）が部材端部（１１，１１′）用の互いに接近可能な締付け手段（２，２′）を持ち、少なくとも１つの締付け手段が、対向する締付け手段に対して、部材断面（１２，１２′）に対して平行に軸線が相違するように運動可能であり、かつ部材の軸線が一直線をなして運動なしに配置可能であることを特徴とする、装置。
2. 少なくとも１つの締付け手段が、結合軸線（Ｘ）の周りに旋回して運動可能であることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 両方の締付け手段（２，２′）が、結合軸線（Ｘ）に対してそれぞれ向かい合う間隔をとって同じ向きにこの結合軸線（Ｘ）の周りに旋回して運動可能であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の装置。
4. 締付け手段（２，２′）の運動及び軸線が一直線をなす静止のために、駆動可能で回転軸線の相違を調節可能な偏心輪手段（３，３′）が設けられていることを特徴とする、請求項１〜３の１つに記載の装置。
5. それぞれ締付け手段（２）伝動結合して、２つの駆動可能な偏心輪手段（３）が設けられていることを特徴とする、請求項１〜４の１つに記載の装置。
6. 対向する締付け手段（２，２′）が、軸（４）上に配置される調節可能な偏心輪手段（３，３′）によりそれぞれ駆動可能であるか、又は運動なしに調節可能であり、部材端部（１１，１１′）の回転軸線の相違及び軸線が一致する整列が、偏心輪手段（３，３′）の制御装置（３１，３１′）によって行われることを特徴とする、請求項１〜６の１つに記載の装置。
7. レール等のような不整形断面を持つ長く延びた部材（１，１′）を摩擦溶接によって結合する方法であって、部材端部（１１，１１′）が、軸線に対して直角な平面の断面（１２，１２′）を設けられ、続いて加熱段階において結合すべき断面（１２，１２′）が互いに押付けられ、少なくとも１つの部材端部が対向する部材端部に対して軸線が相違するように動かされ、こうして端部範囲が高い温度又は結合温度にされ、それから両方の部材（１，１′）を運動なしにする際、両方の部材の軸線が一直線をなす整列が行われ、部材端部（１１，１１′）の全面の金属結合のため、溶接範囲が高い押圧力を受けることを特徴とする、方法。
8. 部材（１，１′）の端面範囲の温度上昇又は結合温度の調節のために、少なくとも１つの部材端部（１１，１１′）が旋回するように動かされることを特徴とする、請求項７に記載の方法。
9. 部材の端面範囲の温度上昇のため、部材端部が、整列軸線又は結合軸線（Ｘ）に対してそれぞれ対向間隔をとって、この軸線の周りに同じ向きに旋回して動かされることを特徴とする、請求項７又は８に記載の方法。
10. 部材端部の断面の相互押圧及び軸線が異なる運動後その加熱のため、押圧力が減少され、部材の軸線整列が行われ、続いてその金属結合のため大きい押圧力が形成されることを特徴とする、請求項７〜９の１つに記載の方法。
11. 加熱段階の前に部材端部の端面範囲の予熱が行われることを特徴とする、請求項７〜１０の１つに記載の方法。
12. 部材端部の端面範囲の予熱が、減少された当接圧力によるその相対運動により行われることを特徴とする、請求項１１に記載の方法。

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