JP2009101375A

JP2009101375A - 摩擦圧接方法

Info

Publication number: JP2009101375A
Application number: JP2007274173A
Authority: JP
Inventors: Masashi Oikawa; 昌志及川; Naoki Kawada; 直樹河田
Original assignee: Tokyu Car Corp
Current assignee: Tokyu Car Corp
Priority date: 2007-10-22
Filing date: 2007-10-22
Publication date: 2009-05-14

Abstract

【課題】接合部材の形状によらず、十分な接合品質を確保することのできる摩擦圧接方法を提供する。
【解決手段】ヒートシンク２１Ａ，２１Ｂやレーザ照射装置２９などの温度調整手段によって、中央部１１ｃにおける外周面１４を加熱し、角部１２における外周面１４を冷却することによって、中央部分１１ｂや対角部分１２ａなどのような回転中心Ｏと肉厚中心Ｍとの距離が極値となる部分と外周面１４との間で熱を伝達させ、極値となる部分の温度を間接的に調整する。これによって、突き合せ面１３で発生する摩擦熱がインサート部材２７の回転面２７ａ，２７ｂ内において不均一となっても、極値となる部分の温度調整をすることで、突き合せ面１３における温度分布を均一なものとする。その結果として、角材１Ａ，１Ｂの突き合せ面１３内で接合強度の強弱にばらつきが生じることを防止する。
【選択図】図１

Description

本発明は、一の接合部材の端部と、他の接合部材の端部との突き合せ部分を、回転によって発生する摩擦熱を用いて接合する摩擦圧接方法に関する。

従来の摩擦圧接方法として、一の円柱状の接合部材の端部と、他の円柱状の接合部材の端部との突き合せ部分に円盤状の回転体を配置し、当該回転体を回転させることによって発生する摩擦熱を用いて、接合部材同士を接合するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００２−２２４８５６号公報

しかしながら、上述した摩擦圧接方法にあっては、一定の回転数で回転する回転体は、回転中心から遠い部分ほど周速度が大きくなるため、接合部材の突き合せ部分の形状によっては、回転体の周速度に差が生じる。これにより、突き合せ部分で発生する摩擦熱が回転体の回転面内において不均一となり、その結果として、接合部材の突き合せ部分の中で接合強度の強弱のばらつきが生じる場合があった。このような接合強度の強弱のばらつきは、接合部材の接合品質に影響を与えると考えられる。

本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、接合部材の形状によらず、十分な接合品質を確保することのできる摩擦圧接方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る摩擦圧接方法は、一の接合部材の端部と、他の接合部材の端部との突き合せ部分を、回転によって発生する摩擦熱を用いて接合する摩擦圧接方法において、突き合せ部分における回転体の回転中心と、当該回転中心から突き合せ部分における接合部材の外周面までの間の接合部材の肉厚中心との距離が回転中心周りに極値となる部分について、極値となる部分に対応して延在する接合部材の外周面の温度を、温度調整手段によって調整しながら回転体を回転させることを特徴とする。

このような摩擦圧接方法によれば、回転体の回転中心と肉厚中心との距離が極値となる部分に対応して延在する接合部材の外周面の温度を、温度調整手段で調整することによって、外周面と極値となる部分との間で熱を伝達させ、極値となる部分の温度を間接的に調整することができる。この場合、極値となる部分における回転体の周速度の差により、突き合せ部分で発生する摩擦熱が回転体の回転面内において不均一となっても、極値となる部分の温度調整をすることができるため、突き合せ部分における温度分布を均一なものとすることができる。その結果として、接合部材の突き合せ部分の中で接合強度の強弱にばらつきが生じることを防止でき、これによって、接合部材の形状によらず、十分な接合品質を確保することができる。

また、突き合せ部分に回転体として円盤状のインサート部材を配置することが好ましい。この場合、いずれの接合部材も回転させることなく、インサート部材のみを回転させることで摩擦熱を発生させることができる。これによって、双方の接合部材の外周面の温度を温度調整手段で調整することができ、突き合せ部分の中で接合強度の強弱のばらつきが生じることを一層効果的に防止することができる。

また、温度調整手段は加熱手段であり、距離が回転中心周りに極小となる部分に対応して延在する接合部材の外周面を、加熱手段で加熱しながら回転体を回転させることが好ましい。この場合、極小となる部分における回転体の周速度が相対的に遅くなることにより、突き合せ部分で発生する摩擦熱が回転体の回転面内において不均一となっても、極小となる部分を加熱手段によって間接的に加熱することで、突き合せ部分における温度分布を均一なものとすることができる。

また、温度調整手段は冷却手段であり、距離が回転中心周りに極大となる部分に対応して延在する接合部材の外周面を、冷却手段で冷却しながら回転体を回転させることが好ましい。この場合、極大となる部分における回転体の周速度が相対的に速くなることにより、突き合せ部分で発生する摩擦熱が回転体の回転面内において不均一となっても、極大となる部分を冷却手段によって間接的に冷却することで、突き合せ部分における温度分布を均一なものとすることができる。

また、冷却手段は、ヒートシンクであることが好ましい。この場合、ヒートシンクを介して極大となる部分で発生した摩擦熱を外部へ放出することができる。これによって、外周面にヒートシンクを取り付けるだけの簡単な構成で、極大となる部分を冷却することができる。

また、ヒートシンクは、位置決め孔を有しており、位置決め孔が対向するように一の接合部材の前記外周面と、他の接合部材の外周面とに、ヒートシンクを取り付け、位置決め孔にピンを挿入しながら一の接合部材と他の接合部材とを突き合せることが好ましい。この場合、それぞれの位置決め孔にピンを挿入することによって、接合部材同士の位置決めを行うことができる。これによって、ヒートシンクに位置決め孔を設けるだけの簡単な構造で、各々の接合部材の突き合せ部分の位置合わせを行うことができる。

本発明によれば、接合部材の形状によらず、十分な接合品質を確保することができる。

以下、図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、本実施形態において、「上」、「下」等の語は、図面に示される状態に基づいており、便宜的なものである。

図１は、本発明の一実施形態に係る摩擦圧接方法によって接合部材が接合される様子を示す斜視図であり、図２は、図１に対応する側面図である。本実施形態では、接合部材として、図１及び図２に示すように、断面正方形状の中空の角材１Ａ，１Ｂを例示する。角材１Ａ，１Ｂは、例えば、ステンレス鋼からなり、端部１０側の端面を突き合せ面（突き合せ部分）１３として接合し、鉄道車両の台車部分や、トレーラーのアクスルなどとして用いる。

角材１Ａ，１Ｂは、長手方向に延在する中心軸線周りを矩形状の壁面部１１で取り囲むことによって構成され、壁面部１１同士は、それぞれ角部１２において所定の極率で丸められながら連結される。角材１Ａ，１Ｂは、それぞれの壁面部１１の外側の面によって形成される外周面１４と、それぞれの壁面部１１の内側の面によって形成される内周面１６を有する。なお、角材１Ａ，１Ｂの肉厚は１０ｍｍ程度であり、突き合せ面１３の一辺は１００〜２００ｍｍ程度である。角材１Ａ，１Ｂは、それぞれホルダ２８Ａ，２８Ｂで固定される。

角材１Ａ側の突き合せ面１３と角材１Ｂ側の突き合せ面１３との間には、板厚１５ｍｍ程度のステンレス製の円盤状のインサート部材（回転体）２７が配置される。インサート部材２７は、側面がホルダ（不図示）で固定される共に、当該ホルダがベルト等で回転されることによって、中心軸周りに回転可能とされる。インサート部材２７の一方の回転面２７ａは角材１Ａの突き合せ面１３との間で摩擦熱を発生させ、他方の回転面２７ｂは角材１Ｂの突き合せ面１３との間で摩擦熱を発生させる。

角材１Ａの端部１０側のそれぞれの角部１２には、外部へ熱を放出して角部１２を冷却するためのヒートシンク２１Ａが取り付けられる。ヒートシンク２１Ａは、角部１２に取り付けられた取付板２２Ａと、取付板２２Ａに設けられた複数の放熱板２３Ａから構成される。取付板２２Ａは、角部１２の曲率に合わせて曲げられている。放熱板２３Ａは、突き合せ面１３と平行に広がる板厚１ｍｍ程度のアルミ板からなり、突き合せ方向へ向かって７〜８ｍｍ程度の間隔でそれぞれ配置される。ヒートシンク２１Ａの放熱板２３Ａには、突き合せ方向へ向かって貫通する位置決め孔２４Ａが形成される。

角材１Ｂの端部１０側の角部１２にも、ヒートシンク２１Ａと同様の構成を有するヒートシンク２１Ｂが取り付けられる。ヒートシンク２１Ｂの位置決め孔２４Ｂは、角材２１Ｂに取り付けたときに、ヒートシンク２１Ａの位置決め孔２４Ａと対向する。

ヒートシンク２１Ａの位置決め孔２４Ａ及びヒートシンク２１Ｂの位置決め孔２４Ｂには、角材１Ａ，１Ｂの突き合せ面１３同士の位置決めをするためのピン２６が挿入される。

角材１Ａ，１Ｂの端部１０側の外周面１４には、レーザ照射装置（温度調整手段，加熱手段）２９からレーザビームが照射される。レーザビームは、長手方向に延在する壁面部１１の中心線と一致する中央部１１ｃに照射され、これによって、当該照射位置における外周面１４が加熱される。

次に、本実施形態に係る摩擦圧接方法の手順を説明する。

まず、角材１Ａ，１Ｂをそれぞれホルダ２８Ａ，２８Ｂに固定し、インサート部材２７をホルダに固定して角材１Ａ，１Ｂの突き合せ面１３の間に配置する。その後、ホルダ２８Ａ，２８Ｂを移動させることによって、位置決め孔２４Ａ，２４Ｂにピン２６を挿入させながら角材１Ａ，１Ｂ同士を突き合せる。このとき、角材１Ａ，１Ｂの突き合せ面１３の中心とインサート部材２７の回転中心は一致させる。なお、突き合せた後、ピン２６を位置決め孔２４Ａ，２４Ｂから取り外してもよい。

角材１Ａ，１Ｂ同士を突き合せた後、インサート部材２７を回転数５００ｒｍｐで回転させつつ、ホルダ２８Ａ，２８Ｂを突き合せ方向へ移動させることによって、角材１Ａの突き合せ面１３をインサート部材２７の回転面２７ａで摩擦すると共に、角材１Ｂの突き合せ面１３を回転面２７ｂで摩擦する。インサート部材２７が回転している間、角材１Ａ，１Ｂの中央部１１ｃへレーザビームを照射する。まず、それぞれの突き合せ面１３に１．２ｋｇｆ／ｍｍ^２の圧力（予熱圧力）を付与して１０秒間摩擦することにより、突き合せ面１３及び回転面２７ａ，２７ｂ内で予熱を発生させる。次に、それぞれの突き合せ面１３に２．４ｋｇｆ／ｍｍ^２の圧力（摩擦圧力）を付与して３０秒間摩擦することにより、突き合せ面１３及び回転面２７ａ，２７ｂの温度を接合に必要な温度まで上昇させる。最後に、インサート部材２７の回転を急停止し、それぞれの突き合せ面１３に６．０ｋｇｆ／ｍｍ^２の圧力（アップセット圧力）を付与して８．５秒間突き合せることにより、インサート部材２７を介して角材１Ａ，１Ｂ同士を接合する。

角材１Ａ，１Ｂ同士を接合した後、ホルダ２８Ａ，２８Ｂから取り外し、ヒートシンク２１Ａ，２１Ｂを外周面１４から取り外す。また、インサート部材２７のうち、それぞれの外周面１４より外側にはみ出した部分を切断する。

次に、上述の摩擦圧接方法の作用・効果について図３及び図４を参照して説明する。図３は、角材１Ａ，１Ｂと比較するための円筒部材３１の突き合せ面３２を示す図であり、図４は、角材１Ａ，１Ｂの突き合せ面１３の図である。

まず、角材１Ａ，１Ｂと比較するため、円筒部材３１を摩擦圧接方法で接合する場合について説明する。図３に示すように、突き合せ面３２において、回転中心Ｏから円筒部材３１の外周面３３までの距離ｒ_２、及び回転中心Ｏから内周面３４までの距離ｒ_３は回転中心Ｏ周りに一定となる。従って、回転中心Ｏと、当該回転中心Ｏから突き合せ面１３における外周面１４までの間の角材１Ａ，１Ｂの肉厚中心Ｍとの距離ｒ_１も回転中心Ｏ周りに一定となる。これによって、肉厚中心Ｍにおけるインサート部材２７の周速度Ｓは、回転中心Ｏ周りのいずれの部分においても一定となるため、突き合せ面３２で発生する摩擦熱がインサート部材２７の回転面２７ａ，２７ｂ内で均一となり、突き合せ面３２における温度分布が均一となる。なお、距離ｒ_１は、ｒ_１＝（ｒ_２＋ｒ_３）／２と表される。

これに対して、本実施形態に係る摩擦圧接方法で例示した角材１Ａ，１Ｂの肉厚中心Ｍは、図４に示すように、外周面１４と内周面１６の形状と同様に略正方形となる。従って、回転中心Ｏから肉厚中心Ｍまでの距離ｒ_１は、辺部１１ａの中央部分（極小となる部分）１１ｂにおいて極小となり、略正方形の対角部分（極大となる部分）１２ａにおいて極大となる。

一定の回転数で回転するインサート部材２７は、回転中心Ｏから遠い部分ほど周速度が大きくなるため、回転中心Ｏと肉厚中心Ｍの距離ｒ_１が極大となる対角部分１２ａにおいては、インサート部材２７の周速度Ｓ１が相対的に速くなり、極小となる中央部分１１ｂにおいては、インサート部材２７の周速度Ｓ２が相対的に遅くなる。従って、突き合せ面１３で発生する摩擦熱は、対角部分１２ａで極大となり、中央部分１１ｂで極小となってしまうため、突き合せ面１３における温度分布が不均一となってしまう。

しかし、本実施形態においては、対角部分１２ａに対応して長手方向に延在する角部１２にヒートシンク２１Ａ，２１Ｂが配置されているため、対角部分１２ａで発生した摩擦熱の一部が角部１２における外周面１４を介してヒートシンク２１Ａ，２１Ｂへ伝達されると共に、ヒートシンク２１Ａ，２１Ｂから外部へ放出される。これによって、対角部分１２ａから摩擦熱が奪われ、間接的に冷却される。

また、突き合せ面１３の４箇所の中央部分１１ｂに対応して長手方向に延在する中央部１１ｃへレーザビームが照射されるため、中央部１１ｃにおける外周面１４を介して中央部分１１ｂへ熱が伝達される。これによって、中央部分１１ｂへ熱が供給され、間接的に加熱される。

以上のように、本実施形態に係る摩擦圧接方法では、ヒートシンク２１Ａ，２１Ｂやレーザ照射装置２９などの温度調整手段によって、中央部１１ｃにおける外周面１４を加熱し、角部１２における外周面１４を冷却することによって、中央部分１１ｂや対角部分１２ａなどのような回転中心Ｏと肉厚中心Ｍとの距離が極値となる部分と外周面１４との間で熱を伝達させ、極値となる部分の温度を間接的に調整することができる。この場合、上述のように、突き合せ面１３で発生する摩擦熱がインサート部材２７の回転面２７ａ，２７ｂ内において不均一となっても、極値となる部分の温度調整をすることができるため、突き合せ面１３における温度分布を均一なものとすることができる。その結果として、角材１Ａ，１Ｂの突き合せ面１３内で接合強度の強弱にばらつきが生じることを防止でき、これによって、接合部材の形状によらず、十分な接合品質を確保することができる。

また、この摩擦圧接方法では、角材１Ａ，１Ｂの突き合せ面１３の間に、回転体としてインサート部材２７を配置しているため、いずれの角材１Ａ，１Ｂも回転させることなく、インサート部材２７を回転させることで摩擦熱を発生させることができる。これによって、双方の角材１Ａ，１Ｂの外周面１４の温度をヒートシンク２１Ａ，２１Ｂやレーザビームなどの温度調整手段で調整することができ、突き合せ面１３内で接合強度の強弱のばらつきが生じることを一層効果的に防止することができる。

また、この摩擦圧接方法では、回転中心Ｏから肉厚中心Ｍまでの距離が極小となる中央部分１１ｂにおけるインサート部材２７の周速度が相対的に遅くなることにより、突き合せ面１３で発生する摩擦熱がインサート部材２７の回転面２７ａ，２７ｂ内において不均一となっても、レーザ照射装置２９などの加熱手段で極小となる中央部分１１ｂを間接的に加熱することで、突き合せ面１３における温度分布を均一なものとすることができる。

また、この摩擦圧接方法では、回転中心Ｏから肉厚中心Ｍまでの距離が極大となる対角部分１２ａにおけるインサート部材２７の周速度が相対的に速くなることにより、突き合せ面１３で発生する摩擦熱がインサート部材２７の回転面２７ａ，２７ｂ内において不均一となっても、ヒートシンク２１Ａ，２１Ｂのような冷却手段で、極大となる対角部分１２ａを間接的に冷却することで、突き合せ面１３における温度分布を均一なものとすることができる。

また、この摩擦圧接方法では、冷却手段としてヒートシンク２１Ａ，２１Ｂを用いることにより、ヒートシンク２１Ａ，２１Ｂを介して対角部分１２ａで発生した摩擦熱を外部へ放出することができる。これによって、外周面１４にヒートシンク２１Ａ，２１Ｂを取り付けるだけの簡単な構成で、対角部分１２ａを冷却することができる。

また、この摩擦圧接方法では、ヒートシンク２１Ａ，２１Ｂに位置決め孔２４を設けるだけの簡単な構造で、角材１Ａ，１Ｂの突き合せ面１３同士の位置合わせを行うことができる。

本発明は、上記実施形態に限られるものではない。例えば、円筒部材であって、内周面側でキー溝が長手方向に延在しているものを接合部材として用い、円筒部材の外周面上おけるキー溝と対応する位置にヒートシンクを設けてもよい。図６は、内周面４４にキー溝が形成された円筒部材４１の突き合せ面４２を示す図である。図６に示すように、突き合せ面４２において、回転中心Ｏから円筒部材４１の外周面４３までの距離ｒ_２は一定であるが、回転中心Ｏから内周面４４までの距離ｒ_３は、キー溝４６の部分において極所的に大きくなる。従って、キー溝４６が形成されていない部分においては、距離ｒ_１が回転中心Ｏ周りに一定となり、インサート部材２７の周速度Ｓ２も一定となるが、キー溝４６が形成されている薄肉部分４７においては、距離ｒ_１が極大となり、インサート部材２７の周速度Ｓ１も極大となる。そのため、発生する摩擦熱は薄肉部分４７で極大となる。特に、このような薄肉部分４７においては、発生した摩擦熱が他の部分へ伝達され難いため、その場で熱が蓄積されて更に温度が高くなってしまう。従って、薄肉部分４７に対応して長手方向に延在する円筒部材４１の外周面上にヒートシンクを配置することによって、回転中心Ｏから肉厚中心Ｍまでの距離ｒ_１が極大となる薄肉部分４７を間接的に冷却し、突き合せ面４２における温度分布を均一なものとすることができる。このように、本発明に係る摩擦圧接方法は、一部に肉厚の異なる部分が形成されることによって、回転中心Ｏから肉厚中心Ｍまでの距離ｒ_１が回転中心Ｏ周りに不均一となるような接合部材に対しても適用可能である。

また、角材１Ｂとして、肉厚や一辺の大きさが角材１Ａと異なる角材を用いてもよい。また、角材１Ａ，１Ｂとして中実の角材を用いてもよい。

また、角材１Ｂを円柱部材とし、インサート部材２７を介さずに円柱部材の突き合せ面を角材１Ａの突き合せ面１３に接触させ、円柱部材を回転させることによって接合させてもよい。

また、加熱手段として、ガスバーナや誘導加熱器を用いてもよい。

また、インサート部材２７の回転中心Ｏを角材１Ａ，１Ｂの中心からずらしてもよい。

本発明の一実施形態に係る摩擦圧接方法によって接合部材が接合される様子を示す斜視図である。図１に対応する側面図である。角材と比較するための円筒部材の突き合せ面を示す図である。角材の突き合せ面を示す図である。内周面にキー溝が形成された円筒部材の突き合せ面を示す図である。

符号の説明

１Ａ，１Ｂ…角材（接合部材）、１０…端部、１１ｂ…中央部分（極小となる部分）、１２ａ…対角部分（極大となる部分）、１３，４２…突き合せ面（突き合せ部分）、１４，４３…外周面、２１Ａ，２１Ｂ…ヒートシンク（温度調整手段、冷却手段）、２４Ａ，２４Ｂ…位置決め孔、２６…ピン、２７…インサート部材（回転体）、２９…レーザ照射装置（温度調整手段、加熱手段）、４１…円筒部材（接合部材）、４７…薄肉部分（極大となる部分）、Ｍ…肉厚中心、ｒ_１…距離。

Claims

一の接合部材の端部と、他の接合部材の端部との突き合せ部分を、回転によって発生する摩擦熱を用いて接合する摩擦圧接方法において、
前記突き合せ部分における回転体の回転中心と、当該回転中心から前記突き合せ部分における前記接合部材の外周面までの間の前記接合部材の肉厚中心との距離が前記回転中心周りに極値となる部分について、前記極値となる部分に対応して延在する前記接合部材の前記外周面の温度を、温度調整手段によって調整しながら前記回転体を回転させることを特徴とする摩擦圧接方法。
前記突き合せ部分に前記回転体として円盤状のインサート部材を配置することを特徴とする請求項１記載の摩擦圧接方法。
前記温度調整手段は加熱手段であり、前記距離が前記回転中心周りに極小となる部分に対応して延在する前記接合部材の前記外周面を、前記加熱手段で加熱しながら前記回転体を回転させることを特徴とする請求項１又は２記載の摩擦圧接方法。
前記温度調整手段は冷却手段であり、前記距離が前記回転中心周りに極大となる部分に対応して延在する前記接合部材の前記外周面を、前記冷却手段で冷却しながら前記回転体を回転させることを特徴とする請求項１又は２記載の摩擦圧接方法。
前記冷却手段は、ヒートシンクであることを特徴とする請求項４記載の摩擦圧接方法。
前記ヒートシンクは、位置決め孔を有しており、
前記位置決め孔が対向するように一の前記接合部材の前記外周面と、他の前記接合部材の前記外周面とに、前記ヒートシンクを取り付け、
前記位置決め孔にピンを挿入しながら一の前記接合部材と他の前記接合部材とを突き合せることを特徴とする請求項５記載の摩擦圧接方法。