JP2005313234A - 金属部品の穴を摩擦溶接で塞ぐ方法、該方法を実施するためのフランジング部品および保持部品の使用方法 - Google Patents

Abstract

【課題】摩擦溶接で穴を塞ぐ方法の不都合を解消する。
【解決手段】本発明は、金属部品１の表面１’および裏面１”に通じる金属部品１の穴２を、摩擦溶接で塞ぐ方法に関し、金属バー３を回転して表側から穴２に挿入し、穴に摩擦溶接する。本発明による方法は、空洞６を含むフランジング部品５が、摩擦溶接の動作中、部品１の裏側に配置されることを特徴とする。本発明による方法は、軟化の早い材料の溶接を可能にし、溶接混合物を固定する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、金属部品の穴（ｔｒｏｕ）を摩擦溶接（ｓｏｕｄａｇｅ ｐａｒ ｆｒｉｃｔｉｏｎ）により塞ぐ（ｂｏｕｃｈａｇｅ）方法に関する。

摩擦溶接で穴を塞ぐ方法は、「ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｐｌｕｇ ｗｅｌｄｉｎｇ」という用語でよく知られており、金属部品の穴、一般には、円錐台形または円筒形の部品の各側に通じている円形穴を塞ぐために用いられる。この方法は、穴を塞ぐエリアで、元の部品の機械特性に対して機械特性の損失を制限したい場合に用いられる。

一般には部品の材料と同じ性質の金属バーを回転させ、制御された（ｐｉｌｏｔｅｅ）力の作用下で塞ぐ穴に挿入する。穴を含む部品は固定したままである。

バーと部品の穴の壁との摩擦により、双方の材料を加熱して可塑性を与えてから、固相で溶接する。部品の両側には２個のリム（ｂｏｕｒｒｅｌｅｔ）が形成される。そこで、バーと、部品の各側のリムとを加工して、穴を塞いだ状態で元の形状の部品を得ることができる。

特に厚さ１２ｍｍ未満の場合、バーと部品との最初の摩擦段階で、アルミニウム合金等の、軟化が早く溶融温度が低い材料を用いると、材料が急激に加熱されて、軟化が非常に早まる。こうした軟化は、穴の周囲で局部的に部品の剛性をすっかり損失させる。部品に向かってバーに加えられる力を、部品の剛性の損失時に、十分早く弱めるということはできない。すなわち、その場合、バーは部品を貫通する傾向を有する。

それでも溶接を実施可能であるが、バーが深く入り込みすぎる。その結果、切り込み（ｅｎｔａｉｌｌｅｓ）、亀裂（ｆｉｓｓｕｒｅ）、多孔質巣（ｐｏｒｏｓｉｔｅ）、またはブローホール（ｓｏｕｆｆｌｕｒｅ）が、溶接エリアに発生して部品が変形するので、溶接エリアで部品の機械特性が損なわれる。このため、摩擦溶接で穴を塞ぐ方法は、一般に、特に厚さ１２ｍｍ未満のアルミニウム合金に対しては使用されない。

本発明は、上記の不都合を解消することをめざしている。

このため、本発明は、金属部品の表面および裏面に通じる前記部品の穴を摩擦溶接で塞ぐ方法に関し、金属バーを回転して表側から穴に挿入し、穴に摩擦溶接し、空洞を含むフランジング（ｂｒｉｄａｇｅ）部品が、摩擦溶接の動作中、金属部品の裏側に配置されることを特徴とする。

有利には、保持部品が、金属部品の表側に配置される。

本発明は、特に、ターボジェットエンジンのアルミニウム合金からなるフランジの穴を摩擦溶接により塞ぐ方法に適用されるが、出願人が、こうした単一の用途に権利範囲を制限する意図がないことはいうまでもない。

本発明は、また、摩擦溶接で塞ぐ方法を実施するためのフランジング部品および保持部品の使用方法に関する。

本発明は、添付図面に関する本発明の方法の好適な実施形態の以下の説明から、いっそう理解されるであろう。

本発明の方法は、穴２を塞ぎたい金属部品、ここではアルミニウム合金からなるターボジェットエンジンのフランジ１に適用される。この場合、ベース材料に近い機械特性を保持しながら、楕円形になったフランジの穴を塞いで、穴を塞いだら、適正な形状に従って新しい穴をあけようとするものである。このため、摩擦溶接で穴を塞ぐ方法を用いる。

一般に、磨り減った穴、ここでは楕円形になった穴は、円筒形または円錐台形にするために予備加工されている。この新しい穴、ここでは、塞ごうとする穴２は、部品の表面に対して垂直な軸にほぼ沿って、好適には元の穴が延びていた同じ軸に沿って延びている。このようにして、穴の磨り減った面全体を除去し、除去される材料の容積を最小化しながら、穴を円筒形または円錐台形にする。

穴２は、ここでは円錐台形である。その最大直径部分は、フランジ１の表面１’とみなされる面に配置され、最小直径部分は、フランジ１の裏面１”に配置される。

摩擦溶接で穴を塞ぐ方法において、ここでは同様にアルミニウム合金製で軸４に沿って延びる金属バー３が、この軸４を中心として回転され、制御された力の作用によって固相でフランジ１に摩擦溶接される。金属バー３は、円錐台形の端部分を含み、その円錐形が穴２の円錐形に対応する。この方法は、様々な動作モード、特に、いわゆる「摩擦制御（ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｐｉｌｏｔｅｅ）」モードまたは「慣性摩擦（ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｉｎｅｒｔｉｅｌｌｅ）」モードに従って実施可能である。

２つのモードでは、第一のステップが、所与の圧力でバー３と穴２の壁とを接触させ、双方の正確な接触位置を決定することからなり、この方法の間中ずっとフランジ１は固定され続ける。このため、フランジ１の表面１’側の穴２の領域で、フランジ１の表面に対して垂直に軸４に沿ってバー３を移動させる。このようにして、バー３の最小直径部分を穴２の最大直径部分から挿入し、次いで、バー３の円錐台形の面と穴２の面とが接触するまでバー３を移動させる。接触位置が決まったら、バー３を起点位置に戻し、すなわち、フランジ１の穴２の壁から数ミリ引っ込める。

「摩擦制御」モードの場合、軸４を中心として回転駆動されるバー３と穴２の壁とが接触し、同様に軸４に沿ってフランジ１に向かってバー３に加えられる力の作用で、摩擦により互いに加熱される。当業者により定められた一定の加熱時間が経過すると、軸方向の追加圧力が加えられる一方で、回転が制動される。停止するまでのバー３の回転の減速は、一般に０．２秒から０．８秒で行われ、バー３の駆動装置の減速能力に応じる。そのとき摩擦溶接が行われ、バー３の回転停止後も軸方向の力を加え続けて、良好な溶接品質を確保する。

「慣性摩擦」モードの場合、バー３は、同様に起点位置に配置されて回転駆動される。バーが接触位置にくると、その回転駆動モータのクラッチが切られ、その結果、モータの回転速度と予め仕様および寸法が決定されている慣性フライホイールとを介して、回転システムに蓄積されるエネルギーが、「摩擦制御」モードと同様に溶接で散逸される。

上記の動作モードは、当業者にとって知られているので、これ以上詳しく説明しない。これらは、本発明の理解を助けるための説明として挙げられているのであり、本発明に従って摩擦溶接で穴を塞ぐために選択された動作モードを制限するものではない。他の動作モードを実施することもできる。

どの動作モードを選択しても、本発明の方法は、溶接作業前にフランジ１の裏面１”と接触して、溶接作業中ずっと接触し続けるフランジング部品５の使用により、従来技術の方法とは区別される。このフランジング部品５は、穴を塞ぎたい部品、すなわち、ここではフランジ１に形状を適合させた任意の支持体として構成される。フランジング部品は、保持接触機構によりフランジ１に嵌め込んでもよいし、あるいは、ここでそうであるようにフランジ１の支持体の役割を果たすことができる。フランジング部品５は剛性であって、その融点は、バー３および／またはフランジ１を含む材料の融点より高い。フランジング部品は、ここでは鋼製であり、プレート５として形成される。

溶接作業をちょうど開始するときに、あるいは溶接作業中の適切なときに、フランジ１の裏側にフランジング部品５を設置できることは自明である。さらに、当業者の望みに応じて、フランジング部品を完全に接触させないようにすることも可能である。いずれにせよ、最も好ましい方法は、溶接作業開始前にフランジ１の裏面とフランジング部品５とを接触させ、溶接作業中ずっとこれを持続することからなるように思われる。

フランジング部品５は、フランジ１の穴２の真下に配置される円筒形の空洞６を含む。空洞の底面６’は、バー３に対して軸方向のストッパの役割をする。そのため、バー３がフランジ１で拘束（ｃｏｎｔｒａｉｎｔｅ）されると、摩擦による加熱によって材料に可塑性が与えられ、軸方向の力が加わるので、バー３が穴２内に進む。空洞６の底６’にバー３が当ると、上記の前進が妨げられる（ｂｒｉｄｅｅ）。さらに、空洞６により画定されるスペースが、溶接混合物、すなわち、加熱されたバー３の材料とフランジ１の材料との混合物を含むことができる。この混合物は漏洩しない。従って、溶接動作により形成されるリム７は、空洞６内にあって、この空洞内で冷却される。

穴２でバー３を回転させると、穴２でも、空洞６でも、また、穴２を囲んでフランジング部品５と接するフランジ１の表面部分でも、溶接材料の可鍛性（ｍａｌｌｅａｂｉｌｉｔｅ）と、フランジング部品５がフランジ１の裏側で果たすフランジング機能と組み合わされて、ねじ作用（ｅｆｆｅｔ ｄｅ ｖｉｓ）を生じることがあり、フランジ１の表側で、バー３に沿って可鍛性の溶接材料を上昇させる（ｒｅｍｏｎｔｅｅ）。このような現象を回避するために、保持部品８をフランジ１の表面に配置する。保持部品８は、プレート８の形状を取り、バー３を通過可能にする刳り抜き（ｅｖｉｄｅｍｅｎｔ）９が中央に穿孔されている。刳り抜き９の正確な寸法は、動作パラメータと、フランジ１の表側に形成されるリム１０に対して望まれる寸法とに応じて当業者が選択する。プレート８は、ここでは鋼である。

空洞６は、ここでは、深さｈ、直径ｄの円筒形である。深さとは、空洞６の形状である円筒の高さを意味する。空洞６の寸法は、フランジ１の厚さと、その穴２の寸法とに応じて、また、期待される溶接に応じて選択され、当業者が経験によって決定する。たとえば、出願人は、直径１０ｍｍ、厚さ５ｍｍの穴に対して、直径１４ｍｍ、深さ４ｍｍから５ｍｍの空洞で適切な溶接が得られることを発出した。

より一般的には、空洞の直径が、塞ぐ穴の裏の直径の少なくとも１．３倍であり、深さが、穴の厚さの６０％から１１０％であることが望ましい。

このようにして、本発明による方法は、フランジング部品５と保持部品８とを用いることにより、塞ぐ部品１にバー３が加える力に対する反作用力を確保し、従って、この力を一定にして、バー３が穴２を不都合に突き抜けてしまわないようにし、溶接リム７、１０の流れを抑制するとともに溶接レベルで溶接エネルギーを抑制し、従って、塞ぐ部品の変形を制限し、多孔質巣、切り込み、亀裂、その他のブローホールが生じないようにすることができる。

溶接作業が終了したら、熱処理により、塞がれた部品の機械特性を保持可能である。この部品は、穴を塞いだ状態の当初の形状になるように加工される。

以上、アルミニウム合金からなる部品を塞ぐことに関して、本発明を説明したが、あらゆる合金、特に、ニッケル合金、チタン合金、または鉄合金に本発明が適用されることは言うまでもない。さらに、塞ぐ部品と同じ性質のバーに関して説明を行ったが、異なる性質のバーを用いてもよい。また、フランジング部品および保持部品は、この方法の実施条件で、鋼または、塞ぐ部品の材料に対して不活性な他のあらゆる材料とすることができる。

本発明の方法で用いられる主要部材を示す概略的な断面図である。

符号の説明

１ 部品
１’ 部品の表面
１” 部品の裏面
２ 穴
３ 金属バー
５ フランジング部品
６ 空洞
６’ 空洞の底面
７、１０ 溶接リム
８ 保持部品
９ 刳り抜き

Claims (15)

1. 金属部品（１）の表面（１’）および裏面（１”）に通じる金属部品（１）の穴（２）を、摩擦溶接により塞ぐ方法であって、金属バー（３）を回転して表側から穴（２）に挿入し、穴に摩擦溶接し、空洞（６）を含むフランジング部品（５）が、摩擦溶接の動作中、部品（１）の裏側に配置されることを特徴とする、方法。
2. フランジング部品（５）が、部品（１）の裏面（１”）と接している、請求項１に記載の方法。
3. 空洞（６）が、穴（２）の真下に配置される、請求項１または２に記載の方法。
4. 空洞（６）が円筒形である、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
5. 円筒形の空洞（６）は、直径（ｄ）が穴（２）の裏側の直径の少なくとも１．３倍であり、深さが、穴（２）の厚さの６０％から１１０％である、請求項４に記載の方法。
6. フランジング部品（５）が、鋼板、または塞ぐ部品の材料に対して不活性な他のあらゆる材料を含む、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
7. 保持部品（８）が、摩擦溶接の動作中、部品（１）の表側に配置される、請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
8. 保持部品が、部品（１）の表面（１’）に接している、請求項７に記載の方法。
9. 保持部品（８）が、バー（３）の通る刳り抜き（９）を含む、請求項７または８に記載の方法。
10. 保持部品（８）が、鋼板、または塞ぐ部品の材料に対して不活性な他のあらゆる材料を含む、請求項７から９のいずれか一項に記載の方法。
11. 部品（１）が、アルミニウム合金、ニッケル合金、チタン合金、または鉄合金を含む、請求項１から１０のいずれか一項に記載の方法。
12. フランジング部品（５）が、円筒形の空洞（６）を含むプレートを備えている、請求項１から１１のいずれか一項に記載の摩擦溶接により穴を塞ぐ方法における、フランジング部品（５）の使用方法。
13. プレートが、鋼、または塞ぐ部品の材料に対して不活性な他のあらゆる材料からなる、請求項１２に記載のフランジング部品（５）の使用方法。
14. 保持部品（８）が、刳り抜き（９）が穿孔されたプレートを含む、請求項１から１１のいずれか一項に記載の摩擦溶接により穴を塞ぐ方法における保持部品の使用方法。
15. プレートが、鋼、または塞ぐ部品の材料に対して不活性な他のあらゆる材料からなる、請求項１４に記載の保持部品（８）の使用方法。

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