JP2016520429A - 線形摩擦圧接 - Google Patents

Abstract

摩擦圧接のための装置（１０）であって、当該装置（１０）は、第１ワークピースを取り付けるための面を有する取付プレート（１２）と、第１ワークピースの溶接面に対してほぼ垂直な方向に、第２ワークピースに対して鍛圧を与えるための鍛圧装置（２４）と、鍛圧の方向に対してほぼ垂直な方向に取付プレート（１２）の振動を生じさせる振動子（１４）とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、摩擦圧接の方法および装置に関するものである。

摩擦圧接は、はんだ、フラックスまたは充填材料を必要とすることなく、２つの物体を互いに接合するための手段として、エンジニアリング分野において使用されている。この技術は、その比較的溶融のない特性が高度の工学材料において粒成長を防止するため、従来の溶接方法に対する一定のアドバンテージを提供する。さらに、溶接継手の周囲に形成され、“フラッシュ”として知られる材料の波形シートは、接合部からデブリおよび埃を運び、接合面において多大な前処理を行う必要性をなくす。

さらに、摩擦圧接は、アルミニウムと鋼のような非常に異なる融点を有する２つの材料を接合するのに使用することができるが、それは、従来の溶接方法を使用しても実現することができなかった。これは、別の方法では十分な接合強度を確保するために必要とされる、例えば、ボルトまたはリベットなどの追加の重量が望ましくない航空宇宙産業において特に有用である。

スピン溶接または回転摩擦圧接は、接合される２つの物体の一方が高速に回転された後、他方の物体に対して加圧下で保持される場合である。

接合部は、通常、回転が完了した後に加圧下で接合部を維持することにより、固定される。

一方、線形摩擦圧接は、接合される物体の一方または両方が、他方に対して直線的に振動されるときに実行される。鍛圧は、振動の途中または後に、物体に、通常は固定された物体に加えられて、接合がもたらされる。

従来の線形摩擦圧接技術において、物体に加えられる鍛圧は、材料に応じておおよそ１００トンに制限されている。それは、それよりも大きな力が、物体のアライメントの信頼性を低下させる傾向があるためである。

また、それらの周知の技術は、同時に２つの物体のみの接合を可能にするものである。

本発明の目的は、従来技術のデメリットの少なくとも一部を克服することである。

よって、本発明の目的は、材料に応じて、１００トンを超える鍛圧、典型的には最大約５００トンの鍛圧の適用を可能にする線形摩擦圧接のための装置を提供することである。

また、本発明の更なる目的は、２つを超える物体の同時溶接を可能にする線形摩擦圧接のための装置を提供することである。

本発明の第１態様によれば、摩擦圧接のための装置が提供され、この装置が、第１ワークピースを取り付けるための面を有する取付プレートと、前記取付プレートの面に対してほぼ垂直な方向に、第２ワークピースに対して鍛圧を与えるための鍛圧装置（forge）と、鍛圧の方向に対してほぼ垂直な方向に前記取付プレートの振動を生じさせる振動子とを備える。

好ましくは、当該装置は、前記振動子の質量中心（centre of mass）から前記振動の方向と平行に引いた第１の線を含み、この第１の線が、前記鍛圧の方向と平行な第２の線と、前記取付プレートと前記鍛圧装置との間の溶接点（weld point）で交わる。

本発明者等は、仕上げ溶接の時点で溶接される領域の図心（centroid）となる溶接点の位置の周囲に当該装置を配置して、回転モーメントがそれらに作用しないようにすることにより、非常に大きな鍛圧を接合部（weld）に与えることができ、より迅速でより強力な結合を物品間に提供できることを見出している。

好ましくは、回転運動、例えば、溶接領域（weld area）の図心周りの回転モーメントが使用時に与えられないように、鍛圧装置が第２ワークピースに鍛圧を作用させるべく配置されている。

一実施形態において、溶接領域の図心の周りに回転運動が生じないように、鍛圧が与えられる。

好ましくは、前記鍛圧の平均ベクトル（average vector）が、前記溶接点と交わり、かつ溶接領域の平面に対して実質的に垂直である。

好ましくは、前記鍛圧装置が、前記鍛圧を与える少なくとも１の鍛圧シリンダを備える。好ましくは、前記鍛圧装置が２つの鍛圧シリンダを含み、それらを、使用時に前記溶接点の両側の等距離のところに力を与えるように配置させることができる。

好ましくは、鍛圧のバランスがとられ、例えば、振動子、鍛圧軸および鍛圧シリンダが接合部のほぼ中心に作用する。

好ましくは、前記接合部が、単一部分または複数部分の接合部を含むものであってもよい。

好ましくは、当該装置が、例えば溶接ハウジングを提供するために、前記取付プレートの両側に前記取付プレートに実質的に垂直なサイドプレートを備える。

好ましくは、当該装置は、前記鍛圧装置を前記サイドプレートにロックするための少なくとも１のロックデバイスを備える。

好ましくは、前記鍛圧装置は、例えば前記取付プレートにおいてワークピースの位置決めを可能とするために、前記取付プレートに近接および離間する方向に移動可能である。

好ましくは、前記取付プレートは、前記溶接点に第１ワークピースの溶接面を位置決めするように配置されている。好ましくは、前記取付プレートは、前記溶接点に第１ワークピースの溶接面、例えば溶接領域の図心を位置決めするために、移動自在および／または調節自在である。

更なる態様において、本発明は、摩擦圧接、例えば、線形摩擦圧接のための方法を提供し、この方法は、第１ワークピースの溶接面と第２ワークピースの溶接面とを摩擦係合させるステップと、溶接点周りの回転モーメントがゼロとなるように、第１ワークピースおよび／または第２ワークピースに鍛圧を与えるステップとを備え、前記溶接点が、前記溶接面どうしの界面の図心である。

本発明の更なる態様においては、摩擦圧接のための方法が提供され、この方法が、第１ワークピースの溶接面と第２ワークピースの溶接面とを摩擦係合させるステップと、第１ワークピースおよび第２ワークピースの溶接面を、それらが溶融点に達するまで、振動させるステップと、第２ワークピースにより第１ワークピースに鍛圧を与えるステップであって、それらワークピースが溶接点で接触するように促されるステップとを備え、前記溶接点が、前記溶接面どうしの界面の図心である。

好ましくは、当該方法は、第１ワークピースの溶接面を２またはそれ以上の第２ワークピースの溶接面と摩擦係合させるステップを含む。

好ましくは、第１ワークピースおよび／または２またはそれ以上の第２ワークピースに与えられる鍛圧が、ゼロの溶接点周りの回転モーメントを与え、前記溶接点が、前記溶接面の全界面の図心である。

好ましくは、第１ワークピースおよび／または第２ワークピースが、毎秒１０乃至１００の振動回数、例えば、少なくとも毎秒２５乃至４５の振動回数で、第１ワークピースおよび第２ワークピースの溶接力に対してほぼ垂直な方向に振動される。

好ましくは、第１ワークピースおよび／または第２ワークピースは、鍛圧が与えられている間に、振動されない。

好ましくは、鍛圧の大きさは、４トンと１５０トンの間、例えば、８０トンと１２０トンの間である。

好ましくは、鍛圧の大きさは、少なくとも６５トン、例えば、少なくとも８０トンである。

好ましくは、第１ワークピースおよび／または第２ワークピースの振動が、振動子によってもたらされる。

好ましくは、使用時に前記振動子の質量中心が前記溶接面と同一平面上に位置するように、第１ワークピースおよび第２ワークピースが配置される。

好ましくは、前記第１および第２溶接面の界面の図心が前記振動子の質量中心と位置合わせされるように、第１ワークピースおよび第２ワークピースが配置される。

好ましくは、当該方法が、鍛圧を除く前に、第１ワークピースおよび第２ワークピースを冷却することを可能にするステップを備える。

以下の図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明することとする。

図１は、側面図で摩擦圧接装置を示している。 図２は、平面図で摩擦圧接装置を示している。 図３は、斜視図で摩擦圧接装置を示している。 図４は、摩擦圧接装置の斜視図を示しており、振動の方向と鍛圧装置の移動方向を示している。 図５は、典型的な圧接を実行しているときの、時間に対する変位および力のグラフを示している。

図１は、線形摩擦圧接装置１０を示している。この装置１０は、当該装置に第１ワークピースを取り付けるための取付プレート１２を備える。取付プレート１２は、一対の平行なサイドプレート１６ａ，１６ｂの間であって、振動子１４の近傍および下方に垂直に保持されている。

振動子１４は、サイドプレート１６ａ，１６ｂの間のギャップの上方に置かれるように、それらサイドプレートの上に固定されている。

サイトプレート１６ａ，１６ｂは、固定具２２により床に固定することが可能なシャーシ２０上に取り付けられている。また、シャーシ２０上には、レール２６によって鍛圧装置２４も取り付けられ、レールは、取付プレート１２の面１２ａに対してほぼ垂直に配置されている。鍛圧装置２４は、取付プレート１２に向けてレール２６に沿って移動可能である。鍛圧装置２４は、一対の鍛圧シリンダ２８ａ，２８ｂを備え、それらシリンダは、鍛圧装置２４から取付プレート１２に向けて延在し、それを介して鍛圧が加えられる。

４つの雄ロック部材３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄは、鍛圧装置２４のコーナーからサイドプレート１６ａ，１６ｂに向けて延在している。サイドプレート１６ａ，１６ｂにおける対応するロック凹部３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄは、鍛圧装置２４がレール２６の前端２６ａに配置されたときに、雄ロック部材３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄを受け入れるように形成されている。

この装置１０の付随部品の位置決めは、摩擦圧接中の使用における動作の改善に寄与する。

振動子１４は、サイドプレート１６ａ，１６ｂ間の中程であって取付プレート１２と鍛圧装置２４との間の鉛直線３４上にその質量中心がくるように配置されている。

鉛直線３４に対する取付プレート１２の相対位置は、調整手段（図示省略）を介して調節可能である。

この鉛直線３４は、溶接点１８で水平線３６と交差しており、この水平線３６は、２つの鍛圧シリンダ２８ａ，２８ｂから等距離の位置で、鍛圧装置２４から引くことができ、かつレール２６と平行となっている。

溶接点１８は、ワークピースが仕上げ溶接位置にあるときの溶接界面領域の図心を示している。取付プレート１２は、それによりワークピースの位置決めを可能としている。

この具体的な実施形態において、ロック部材３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄの位置決めは、溶接点に対しても対称とされる。特に、ロック部材が縦に整列される場合（すなわち、部材３０ｂの上方に部材３０ａ、部材３０ｄの上方に部材３０ｃが配置される場合）、各々の中心線が鉛直面において等距離にあり、かつ水平面において水平線３６から等距離にあるように、それらロック部材が配置されている。

それら配列の一部または全てによって装置に与えられる安定性の増加は、圧接中に大きな鍛圧が使用されることを可能にする。

上記装置を利用する摩擦圧接の第１方法においては、その意図する溶接領域の図心が溶接点１８に配置されるように第１ワークピースが取付プレート１２に取り付けられる。

第２ワークピースは、鍛圧装置２４に取り付けられるとともに、意図する溶接領域の図心が溶接点１８で第１ワークピースに押し付けられるようにクランプされる。

その後、鍛圧装置２４がレール２６に沿ってその前進位置に移動され、ロック部材３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄが対応するロック凹部３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄと係合してロックされ、それにより、それらワークピースが互いに押し付け合うように導かれる。

図４は、圧接装置の斜視図を示しており、取付プレート１２に取り付けられた第１ワークピースの振動の方向を示している。振動子１４により生成される振動は、線３４に平行な鉛直面内にある。

また、図４は、ワークピースを取付プレート１２の領域において、理想的には溶接点１８において接触させるために、レール２６に沿って移動する鍛圧装置２４の移動方向も示している。

その後、振動子１４は、線３４に沿った鉛直面内においてワークピース間の摩擦運動をもたらすために、作動される。振動子１４は、好ましくは、毎秒１０−１００の振動回数の周波数で、より好ましくは、毎秒２５−４５の振動回数の周波数で、取付プレート１２を振動させる。

上述したように、ワークピースは接触するように導かれる。初期の段階で加えられる鍛圧は、ワークピースを接触させる際は、相対的に小さく、典型的にはほぼ２３０ｋＮ程度となる。鍛圧装置によってワークピースに与えられる鍛圧は、溶接点１８の領域においてワークピースを加熱する摩擦力を生成するのに十分なものとされる。

加熱は、ワークピースを軟化させ、溶接点１８の周囲の領域が十分に熱く、柔らかく、かつ塑性的に変形可能となったときに、当業者によって理解されるように、それらは、溶融点に達したとみなすことができる。溶融点において、振動子１４の動作が停止され、取付プレートは、ワークピースが意図した最終位置に配置されるように、再配置される。

その後、鍛圧装置２４は、鍛圧シリンダ２８ａ，２８ｂが最大約５００トンの非常に高い鍛圧を第２ワークピースに与えて、２つのワークピースを互いに結合させるように、作動される。ワークピースが冷却されて硬化されると、鍛圧が除去されて、このときには結合されているワークピースが、装置１０から取り除かれる。

図５は、典型的な溶接プロファイルを示し、鍛圧装置の変位、実際の鍛圧および振動子の振幅の関係を示している。

これは、時間に対する変位として示されており、これによれば、圧接を形成する時間が、通常はほんの数秒であることが分かる。

上述したように、振動子１４は、中性またはゼロ変位点の両側のほんの少量、典型的には±２．５ｍｍで、実現および変位される。

圧接の初期のフェーズ中は、鍛圧装置によって与えられる圧力が、相対的に低いが、摩擦加熱を生じさせるのに十分なものとされる。材料が十分かつ適切に柔らかく塑性的に変形可能であるか、または材料が互いに溶融することとなる溶融点に接近した時点で、振動子１４が停止されて、溶接点１８で２つのワークピースを互いに結合させるために、クランプ圧が大幅に増大される。

当然のことながら、２つのワークピースが融合され得る溶融点は、ワークピースの材料の性質に依存するものとなる。明らかに、必要とされる可塑変形の温度および量は、圧接される具体的な金属または合金の組成に従って変化するものとなる。

動作の第２モードにおいて、この装置は、１より多いワークピース（例えば、第２ワークピースおよび第３ワークピースなど）を第１ワークピースに結合させるように構成される。

この複合圧接動作を実行する際は、第１ワークピースは、上述したように、取付プレートに取り付けられる。

その後、第２および第３ワークピースは、再び上述した方法と同様に、鍛圧装置に取り付けられ、その結果、第１ワークピースと第２および第３ワークピースとが、仕上げ溶接において意図されるように整列される。

最適な溶接仕上げのために、結合された溶接領域の図心を溶接点１８上に確実に位置させることが望ましい。

当業者が理解するように、これは、溶接点１８に、第１ワークピースと第２および第３ワークピースとの間の任意の接触を必ずしも存在させる必要性がないことを意味している。

ワークピースが正確に配置されると、上述したように、鍛圧装置３４がサイドプレート１６ａ，１６ｂに対してロックされて、第２および第３ワークピースが第１ワークピースに押し付けられるように導かれるとともに、振動子１４が作動される。

振動子１４は、ワークピースがそれらの溶融点に到達するときに停止され、そのときに、鍛圧が鍛圧シリンダ２８ａ，２８ｂによって与えられる。ワークピースが冷却されると、鍛圧が除去されて、完成し圧接されたワークピースが、この装置１０から取り除かれる。

多くのその他の有効な代替例が当業者に思い浮かぶこととなるのは間違いないであろう。当然のことながら、本発明は、記載した実施形態に限定されるものではなく、添付の請求項の主旨および範囲内にある当業者に自明な変形を包含するものである。

振動子１４がこの装置およびワークプレース１２上に取り付けられ、ワークプレートの鉛直方向の動作および振動をもたらすように、図示のように圧接装置を設計して組み立てるのが便利であるが、水平動作を与えるように振動子を取り付けることも可能で、現実的なものである。実際に、水平方向の動作は、ワークプレートを含む水平軸の両側における振動子の位置決めを必要とする可能性があり、そのような配列は、振動子の構成、それらのサイズおよびその他の関連する部材の位置に関して、ある便益を有するように示され得る。

Claims (15)

1. 摩擦圧接のための装置であって、
   ａ）第１ワークピースを取り付けるための面を有する取付プレートと、
   ｂ）前記第１ワークピースの溶接面に対してほぼ垂直な方向に、第２ワークピースに対して鍛圧を与えるための鍛圧装置と、
   ｃ）鍛圧の方向に対してほぼ垂直な方向に前記取付プレートの振動を生じさせる振動子とを備えることを特徴とする装置。
2. 請求項１に記載の装置において、
   前記振動子の質量中心から前記振動の方向と平行に引いた第１の線が、前記鍛圧の方向と平行な第２の線と、前記取付プレートと前記鍛圧装置との間の溶接点で交わることを特徴とする装置。
3. 請求項２に記載の装置において、
   使用時に回転運動が与えられないように、前記鍛圧が与えられることを特徴とする装置。
4. 請求項３に記載の装置において、
   前記鍛圧の平均ベクトルが、前記溶接点と交わり、かつ溶接領域の平面に対して実質的に垂直であることを特徴とする装置。
5. 請求項２乃至４の何れか一項に記載の装置において、
   前記鍛圧装置が、前記鍛圧を与える少なくとも１の鍛圧シリンダを含み、好ましくは、前記鍛圧装置が２つの鍛圧シリンダを含み、それらが、使用時に前記溶接点の両側の等距離のところに力を与えるように配置可能となっていることを特徴とする装置。
6. 請求項５に記載の装置において、
   振動子、鍛圧軸および鍛圧シリンダが接合部のほぼ中心に力を与えるべく作用するように、鍛圧のバランスがとられていることを特徴とする装置。
7. 請求項１乃至６の何れか一項に記載の装置において、
   当該装置が、溶接ハウジングを提供するために、前記取付プレートの両側に前記取付プレートに対して実質的に垂直なサイドプレートを備え、
   当該装置が、前記鍛圧装置を前記サイドプレートにロックするための少なくとも１のロックデバイスを備え、
   前記鍛圧装置が、前記取付プレートにおいてワークピースの位置決めを可能とするために、前記取付プレートに近接および離間する方向に移動可能であり、
   前記取付プレートが、前記溶接点に第１ワークピースの溶接面を位置決めするように配置されていることを特徴とする装置。
8. 請求項７に記載の装置において、
   前記取付プレートが、前記溶接点に第１ワークピースの溶接面を位置決めするために、移動自在に調節されることを特徴とする装置。
9. 摩擦圧接のための方法であって、
   ａ）第１ワークピースの溶接面と第２ワークピースの溶接面とを摩擦係合させるステップと、
   ｂ）第１ワークピースおよび第２ワークピースの溶接面を、それらが溶融点に達するまで、振動させるステップと、
   ｃ）第２ワークピースにより第１ワークピースに鍛圧を与えるステップであって、それらワークピースが溶接点で接触するように促されるステップとを備え、前記溶接点が、前記溶接面どうしの界面の図心であることを特徴とする方法。
10. 請求項９に記載の方法において、
    第１ワークピースおよび／または第２ワークピースが、第１ワークピースおよび第２ワークピースの溶接力に対してほぼ垂直な方向に振動されることを特徴とする方法。
11. 請求項１０に記載の方法において、
    第１ワークピースおよび／または第２ワークピースが、毎秒約１０乃至１００の振動回数で、振動されることを特徴とする方法。
12. 請求項１１に記載の方法において、
    第１ワークピースおよび／または第２ワークピースが、鍛圧が与えられている間に、振動されないことを特徴とする方法。
13. 請求項１０乃至１２の何れか一項に記載の方法において、
    使用時に前記振動子の質量中心が前記溶接面と同一平面上に位置するように、第１ワークピースおよび第２ワークピースが配置されていることを特徴とする方法。
14. 請求項１３に記載の方法において、
    前記第１および第２溶接面の界面の図心が前記振動子の質量中心と位置合わせされるように、第１ワークピースおよび第２ワークピースが配置されていることを特徴とする方法。
15. 請求項９乃至１４の何れか一項に記載の方法において、
    前記接合部が、単一部分または複数部分の接合部を含むことができることを特徴とする方法。
    

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