JP2012240115A - 回転摩擦圧接方法および接合体 - Google Patents

Abstract

【課題】内バリの発生を抑えた回転摩擦圧接方法を提供すること。
【解決手段】筒形状端部を有する被接合部材１，２の接合端面同士を押し当て、被接合部材１，２の回転により接合端面１ａ，２ａを加熱して被接合部材１，２同士の接合が行われるものであって、被接合部材１，２の一方から筒形状端部にインローシャフト１５が挿入され、押し当てられた接合端面ａ同士の接合部３にインローシャフト１５が存在する状態で行われる回転摩擦圧接方法。
【選択図】 図１

Description

本発明は、筒形状端部の端面同士を押し当てながら回転させて行う回転摩擦圧接方法に関し、特に、接合端面同士を押し当てた接合部における管内部へのバリの発生を抑えた回転摩擦圧接方法及び同方法によって形成された接合体に関する。

回転摩擦圧接では、例えば一対の円筒管を同軸に配置し、その端面同士を互いに押し当てながら回転を与え、端面に発生する摩擦熱により接合部を加熱させる。そして、回転を止めた後、接合部を軸方向に強く押し当てることによって両者を接合させる。このとき、環状の接合部には管の外側と内側とに押し出された材料がバリとなって発生する。外側に生じたものを外バリといい、内側に生じたものを内バリという。従来、こうしたバリは機械的に除去されている。図４は、下記特許文献１に記載された従来のバリ取り方法を示した図である。

先ず、回転するツールジョイント１０１をパイプ１０２に押し当て、回転摩擦圧接によって両者が接合される。その際、接合部にはバリが発生する。そうしたバリには、外バリに対して切削刃１０５が設けられ、内バリに対しては、パイプ１０２内にロッド１０７が挿入され、ロッド１０７先端の切削刃１０８が接合部１１０に位置するよう構成されている。そこで次に、接合部の外側には切削刃１０５が当てられて外バリが切削され、接合部の管内側では、挿入されたロッド１０７先端の切削刃１０８によって内バリが切削される。

特開２００９−１０１３７９号公報

従来例の回転摩擦圧接方法では、外バリは比較的容易に切削できるものの、パイプ１０２内に切削刃１０８を挿入して環状の内バリを切削することが容易ではなかった。特に、パイプ１０２の径が小さくなるほど、挿入する切削刃１０８も小さく且つロッド１０７も細くなってしまい、切削作業や切削工具の製作が困難であった。例えば内径が十ミリ程度の円筒管同士を回転摩擦圧接して内部にオイルなどを流す場合がある。そうした場合、オイルなどの流れを妨げないように内バリの適切な除去が必須であるが、そうした内バリの切削に使用する特殊な切削工具が高価なものになってしまったり、切粉の排出性が悪いため切粉詰まりによる切削刃の破損が生じてしまうなどの問題があった。

本発明は、かかる課題を解決すべく、内バリの発生を抑えた回転摩擦圧接方法および接合体を提供することを目的とする。

本発明に係る回転摩擦圧接方法は、筒形状端部を有する被接合部材の接合端面同士が押し当てられ、前記被接合部材の回転により前記接合端面が加熱して前記被接合部材同士の接合が行われるものであって、前記被接合部材の一方から前記筒形状端部にインローシャ
フトが挿入され、押し当てられた前記接合端面同士の接合部に前記インローシャフトが存在する状態で行われることを特徴とする。
また、本発明に係る回転摩擦圧接方法は、前記インローシャフトの先端部がテーパ形状であって、その先端部が前記接合部に存在する状態で行われることが好ましい。
また、本発明に係る回転摩擦圧接方法は、前記インローシャフト内に往復する水路が形成され、その水路内に冷却水が流された状態で行われることが好ましい。

本発明の接合体は、筒形状端部を有する被接合部材の接合端面同士が押し当てられ、前記被接合部材の回転により前記接合端面が加熱されて接合する回転摩擦圧接方法により前記被接合部材同士が一体になったものであって、前記被接合部材の一方から前記筒形状端
部にインローシャフトが挿入され、押し当てられた前記接合端面同士の接合部に前記インローシャフトが存在する状態で行われた前記回転摩擦圧接方法により得られたものであることを特徴とする。

本発明によれば、接合部にインローシャフトが存在することにより、内バリの発生を抑えることで接合後の内バリ切削工程を省略することができる。このことは、作業時間の短縮が可能になる他、内バリ用の切削工具が不要なため切削工具にかかるコストを省くことができる。また、インローシャフトの先端部分がテーパであれば、引抜き時に引っ掛かることなくスムーズな作業を可能にする。更に、インローシャフト内に形成した水路に冷却水を流すようにすれば、高温になる接合部の熱によってインローシャフトが変形してしまうことが防止しできる。

回転摩擦圧接方法の実施形態について接合工程を概念的に示した断面図である。 回転摩擦圧接方法の接合工程をグラフに示した図である。 インローシャフトに水路を形成した回転摩擦圧接方法の実施形態を示した図である。 従来の回転摩擦圧接方法における切削工程を示した図である。

次に、本発明に係る回転摩擦圧接方法および接合体の一実施形態について図面を参照しながら以下に説明する。図１は、本実施形態の回転摩擦圧接方法について接合工程を概念的に示した断面図である。また、図２は、回転摩擦圧接の接合工程をグラフに示した図であり、横軸に時間をとり、縦軸には円筒管の回転数、円筒管同士を押し当てる圧力、そして押し当てた接合端面同士の摩擦による寄代を示している。ここで接合する円筒管１，２は、内径が１４ｍｍ、外形が３０ｍｍの２本の円筒管を同軸に接合する回転摩擦圧接方法について説明する。円筒管１，２の材質は、例えばはクロムモリブデン鋼（ＳＣＭ４２０）である。

回転摩擦圧接方法では、先ず図１（ａ）に示すように、用意された一対の円筒管１，２がチャック１１，１２によって把持される。円筒管１，２は同軸上にあって、接合端面１ａ，２ａ同士が互いに向かい合う位置に配置される。そして、非回転側の円筒管２内には、把持された非接合端部側からインローシャフト１５が挿入される。インローシャフト１５は、耐熱性を有する超硬合金によって形成された円柱形状のものであり、先端にはテーパが形成されている。インローシャフト１５は、円筒管１，２の内径よりも僅かに小径であって、特に円筒管１，２の接合端面１ａ，２ａ同士を押し当てた接合部３の位置では、円筒管１，２とインローシャフト１５とが非接触の状態にされる。

インローシャフト１５は、テーパ形状の先端部分が円筒管２の接合端面２ａよりも飛び出す位置にまで挿入される。その後、図１（ｂ）に示すように、円筒管１側のチャック１１が回転しながら移動し、円筒管１，２の接合端面１ａ，２ａ同士が押し当てられる。チャック１１，１２は、不図示の把持機構によって構成されているが、更にチャック１１には移動機構や回転機構が設けられている。

円筒管２は、チャック１２によって把持され不動状態で待機し、その円筒管２に対して円筒管１が回転しながら移動し、接合端面１ａ，２ａ同士が重ね合わせられる。円筒管１は、図２に示すように、回転数Ｎの状態で円筒管２に対して圧力Ｐ１で押し当てられ、所定時間だけ回転摩擦することにより接合面が加熱される。次に、押し当てる圧力がＰ２にまで上げられ、更に所定時間だけ回転摩擦が継続し、接合端面１ａ，２ａ同士が加熱される。こうした接合端面１ａ，２ａ同士の加熱制御は、寄代がＵ１になるまで行われる。そして、摩擦工程後はアプセット工程に移行するため円筒管１の回転が止められる。

円筒管１の回転を減速させる一方、押し当てる圧力はＰ３にまで上げられる。そのため、寄代がＵ２にまで増加し、接合部の柔らかくなった材料が押し当てる方向に直交する径方向に流れ出る。本実施形態では、図１（ｂ）に示すように円筒管１，２の外側には遮るものがないため、従来と同様に材料が押し出され、接合部３に外バリ２１ができる。一方、内側に押し出される材料はインローシャフト１５に遮られるため、内バリ２２は、インローシャフト１５と円筒管１，２との隙間分だけの大きさになる。従って、内側へ押し出される分の材料は外側へと押し出されて外バリ２１となる。

こうして円筒管１の回転を停止し、接合部３にＰ３の圧力を所定時間かけて回転摩擦圧接を終了する。その後は、図１（ｃ）に示すようにインローシャフト１５が引き抜かれ、図１（ｄ）に示すように、接合後の円筒管１，２がチャック１１，１２から解放される。そして、一体となった円筒管１，２は外バリ２１が従来のように切削刃によって切削される。一方、内バリ２２は、図１に示すような大きさであって無視できる程度のものである。すなわち、円筒管１，２からなる接合管が例えばオイルなどを流すようなものであっても、その流れを妨げるようなものではないため切削の必要がない。

従って、本実施形態では、インローシャフト１５を設けることにより、内バリを削除する工程を省略することが可能になった。そして、これにより作業時間の短縮が可能になる他、内バリ用の切削工具が不要なため、切削工具にかかるコストを省くことが可能になる。また、インローシャフト１５は先端部分にテーパが形成されているため、引抜き時に内バリ２２が引っ掛かることなくスムーズな作業を可能にする。

ところで、インローシャフトは、回転摩擦圧接時に高熱によって押し出される材料が接するため、その熱による変形を防ぐように耐熱性が求められる。そこで本実施形態では超硬合金を使用する場合を例に挙げたが、その他にもアルミナをコーティングした鋼材などを使用することも考えられる。また、構造的な工夫としては、図３に示すように、インローシャフト１６内に軸方向に往復する水路１６ａを形成し、回転摩擦圧接時に冷却水を先端部にまで流して循環させ、放熱することも考えられる。

以上、本発明に係る回転摩擦圧接方法および接合体の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。
例えば、前記実施形態では、接合体として被接合部材である円筒管１，２を接合したものを例に挙げて説明したが、同じ円筒管同士ではなく、従来例のツールジョイント１０１のように円筒形状端部を有する部材と円筒管との接合であってもよい。
また、前記実施形態では、先端部分をテーパにしたインローシャフト１５を示して説明したが、インローシャフトは、その先端部分が必ずしもテーパである必要はなく円柱形状であってもよい。

１，２ 円筒管
３ 接合部
１１，１２ チャック
１５ インローシャフト

Claims (4)

1. 筒形状端部を有する被接合部材の接合端面同士が押し当てられ、前記被接合部材の回転により前記接合端面が加熱して前記被接合部材同士の接合が行われる回転摩擦圧接方法において、
   前記被接合部材の一方から前記筒形状端部にインローシャフトが挿入され、押し当てられた前記接合端面同士の接合部に前記インローシャフトが存在する状態で行われることを特徴とする回転摩擦圧接方法。
2. 請求項１に記載する回転摩擦圧接方法において、
   前記インローシャフトの先端部がテーパ形状であって、その先端部が前記接合部に存在する状態で行われることを特徴とする回転摩擦圧接方法。
3. 請求項１又は請求項２に記載する回転摩擦圧接方法において、
   前記インローシャフト内に往復する水路が形成され、その水路内に冷却水が流された状態で行われることを特徴とする回転摩擦圧接方法。
4. 筒形状端部を有する被接合部材の接合端面同士が押し当てられ、前記被接合部材の回転により前記接合端面が加熱されて接合する回転摩擦圧接方法により前記被接合部材同士が一体になった接合体において、
   前記被接合部材の一方から前記筒形状端部にインローシャフトが挿入され、押し当てられた前記接合端面同士の接合部に前記インローシャフトが存在する状態で行われた前記回転摩擦圧接方法により得られたものであることを特徴とする接合体。

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