JP2019042797A - 回転摩擦溶接 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】第1の鋼材10の端面11と第2の鋼材20の端面12とに跨り回転対称形状で側周面52と底部51を有する空所50を加工し、接合金属40の先端部47と空所50の底部51との接触部60に押圧力を加えた状態で接合金属40を回転軸71周りに回転させて摩擦を生ぜしめ、摩擦による摩擦熱を利用して回転摩擦面62近傍の材料組織を溶融させて溶融金属80を生成し、液体化した溶融金属80を接合金属40の側周面42と空所50の側周面52との隙間61に充填させ、隙間61近傍の組織と一体化させることにより接合金属40を介して第1の鋼材10と第2の鋼材20とを接合する。
【選択図】図2
Description
本発明では、従前発明より更に小さな押し付け力と接合金属の回転によって鋼材の接合を実現することを目的とする。
回転摩擦によって第1の鋼材と第2の鋼材とを接合金属を介して接合する接合方法であって、前記第1の鋼材と前記第2の鋼材とを隣接した位置に配置すると共に前記第1の鋼材の端面と前記第2の鋼材の端面とを対向させて配置し、前記第1の鋼材の端面と前記第2の鋼材の端面とに跨り前記第1の鋼材の表面と前記第2の鋼材の表面とに垂直もしくは略垂直な直線を回転軸とする回転対称形状で側周面と底部を有する空所を加工し、前記接合金属は、容易に前記空所に挿入されうる形状の回転対称体であって、前記接合金属を前記空所に挿入し、前記接合金属の先端部と前記空所の前記底部との接触部に押圧力を加えた状態で前記接合金属を回転軸周りに回転させて摩擦を生ぜしめ、前記摩擦による摩擦熱を利用して前記接触部近傍の材料組織を溶融させて溶融金属を生成し、液体化した前記溶融金属を前記接合金属の先端部に生じる押圧力と回転運動を利用して前記接合金属の前記側周面と前記空所の前記側周面との隙間に充填させ、ついで回転運動を停止させて前記溶融金属を凝固させ前記隙間近傍の組織と一体化させることにより前記接合金属を介して前記第1の鋼材と前記第2の鋼材とを接合する。
ここで、第1の鋼材および第2の鋼材の材質は、任意の構造用鋼材であって、接合金属の材質は、摩擦により溶融して、第1の鋼材と接合金属および第2の鋼材と接合金属とを一体化することが可能な金属である限り任意である。例えば、鋼材、合金鋼材、アルミニウム材、アルミニウム合金材などが挙げられる。空所の形状および接合金属の形状は、接合金属を空所に押し付けつつ回転することが容易な回転対称形状とする。回転対称形状の母線は任意の単調変化する曲線である。ここで、「側周面」とは、回転対称体における母線の生成する面を意味する。「容易に空所に挿入されうる」とは、接合金属の側周面と空所の側周面との間に適度の隙間を有して挿入が容易なことを意味する。
回転摩擦によって第1の鋼材と第2の鋼材とを接合金属を介して接合する接合方法であって、前記第1の鋼材と前記第2の鋼材とを重ねた位置に配置すると共に前記第1の鋼材の裏面と前記第2の鋼材の表面を対向させて配置し、前記第1の鋼材の裏面と前記第2の鋼材の表面とを貫く直線を回転軸とする回転対称形状で側周面と底部を有する空所を加工し、前記接合金属は、容易に前記空所に挿入されうる形状の回転対称体であって、前記接合金属を前記空所に挿入し、前記接合金属の先端部と前記空所の前記底部との接触部に押圧力を加えた状態で前記接合金属を回転軸周りに回転させて摩擦を生ぜしめ、前記摩擦による摩擦熱を利用して前記接触部近傍の材料組織を溶融させて溶融金属を生成し、液体化した前記溶融金属を前記接合金属の先端部に生じる押圧力と回転運動を利用して前記接合金属の前記側周面と前記空所の前記側周面との隙間に充填させ、ついで回転運動を停止させて前記溶融金属を凝固させ前記隙間近傍の組織と一体化させることにより前記接合金属を介して前記第1の鋼材と前記第2の鋼材とを接合する。
前記空所の前記底部は、第1の鋼材および/または第2の鋼材の内部に有底空所として形成する。ここで有底空所の加工の一例として、空所を削り出すドリル刃が鋼材を貫通する以前にドリルの回転を停止させる方法がある。
前記空所の前記底部は、第1の鋼材および/または第2の鋼材の裏面に前記空所を塞ぐように裏当板を付接することにより形成する。ここで「付接」とは、スポット溶接等により裏当板を固定することを意味する。
前記空所に前記接合金属を挿入して回転させることによって1番目の接合を完了した後、1番目の前記接合金属に連続するようにまたは重なるように、2番目の空所を形成し、前記2番目の空所に2番目の接合金属を挿入して回転させることによって2番目の接合を完了し、以後順番にN回これを繰り返し、連続した前記接合金属を介して前記第1の鋼材と前記第2の鋼材とを接合する。
前記第1の鋼材の端面と前記第2の鋼材の端面とを対向させて配置し、前記第1の鋼材の端面と前記第2の鋼材の端面とに跨る空所を加工するに際し、前記空所の前記回転軸が前記端面内に存在し、前記端面の短辺方向である鋼材断面の厚さ方向を向くように前記空所を加工する。
この発明によると、空所の深さを大きくする必要がない。
前記第1の鋼材の端面と前記第2の鋼材の端面とを対向させて配置し、前記第1の鋼材の端面と前記第2の鋼材の端面とに跨る空所を加工するに際し、前記空所の前記回転軸が前記端面内に存在し、端面の長辺方向である鋼材断面の幅方向を向くように前記空所を加工する。
この発明によると、空所の切削位置を少ない回数に設定することが可能である。
前記接合金属と前記空所の組み合わせとして前記空所が円筒形状であり、前記接合金属が円柱体である。
前記接合金属の体積が、前記空所の体積よりより小さくない。これにより、回転摩擦により生成される溶融金属が接合金属の側周面と空所の側周面の隙間を余地なく充填し尽くすことができる。つまり、請求項9は、前記隙間を前記溶融金属で余地なく充填し尽くすための必要条件である。
前記接合金属の先端部にテーパ部を有する。接合金属の先端部と空所の底部との接触部の面積を小さくし回転開始時のモータートルクを小さく抑えることにより溶融金属の生成が促進される。
前記接合金属の前記側周面に凹凸を有する。
この発明によると、発生した溶融金属が空所の深さ方向に充填侵入しやすくなるのに加え、溶融金属と接合金属の側周面の接触面積を大きくすることにより接合強度を上昇せしめる。
前記接合金属の前記側周面の前記凹凸が、前記接合金属の横断面視多角形の辺部と稜部である。この発明によると、発生した溶融金属が空所の深さ方向に充填侵入しやすくなる。
前記接合金属の前記側周面の前記凹凸が、前記接合金属の基端部から先端部に向かう進行方向に対する逆目ネジである。この発明によると、発生した溶融金属が接合金属の側周面と空所の側周面との隙間に十分充填される前に空所から吐出することを防止し、溶融金属の隙間への密実な充填を促進する。
前記接合金属の基端に前記空所の表面側を覆う鍔部を有する。この発明によると、空所内部から溶融金属が吐出するのを抑える効果がある。
前記空所に前記接合金属を挿入時および挿入後の回転数を1000〜12000rpmとする。回転数は、接合金属および空所の径に依存し、径が大きく、接合金属および空所の隙間が大きい条件下では、溶融金属の生成速度を大きくする必要があり高回転数が有効となる場合がある。
前記接合金属の引張強度は、前記第1の鋼材の引張強度および前記第2の鋼材の引張強度のいずれよりも高強度である。この発明によると、接合強度を上昇せしめる。
前記接合金属の液相線温度は、前記第1の鋼材の液相線温度および前記第2の鋼材の液相線温度のいずれよりも低い。この発明によると、溶融金属をより発生しやすくすることで接合金属と空所の空隙の充填効果を高める。ここで、「液相線温度」とは、純金属における融点のことであり、多成分系の合金の場合、凝固開始温度(すなわち液化完了温度)と液化開始温度(すなわち凝固完了温度)が異なるため融点と称さず、凝固開始温度のことを液相線温度と称する。
前記接合金属の低液相線温度である金属として、高強度なAl合金を使用する。
高強度なAl合金はA2017,2024,7075等が挙げられる。
前記第1の鋼材と前記第2の鋼材とが請求項1乃至18のいずれかに記載の方法により接合される回転摩擦による鋼材の接合構造。本発明で提供した回転摩擦による接合方法を用いて接合された鋼構造であって、建築鋼構造のみならず、土木鋼構造、機械鋼構造、容器鋼構造、生活機材鋼構造などあらゆる用途の鋼構造の接合構造に適用できる。
本発明では、接合金属の先端部と空所の底部との接触部での摩擦により溶融金属を発生させ接合金属と空所の空隙を充填し、次いで溶融金属を凝固させ近傍の組織を一体化させることで接合が完了するため次の効果を生じ技術的に有用なものとなる。
(1)回転を与えるモーターのトルクや仕事率を大きく低減できる。すなわち、エネルギー効率が高まる。
(2)装置が小型化でき、操作性を高められる。
(3)接合金属と空所の形状は「円筒」でも成立するため、加工が容易になる。これによってもたらされる量産化、コスト・メリットは、実用化にとって極めて重要である。
なお、上記方法では、従来の摩擦圧接法のように接合部材の接触部界面で発生した溶融金属を無用な凝固物であるバリとして吐出するものではなく、被接合鋼材と接合金属とを接合する溶接金属として有効に利用する新しい技術である。溶融金属は流体であるため固体に比べて格段に小さい粘性抵抗だけによって容易に空隙に浸透せしめることが可能である。さらに摩擦は接合金属の先端部と空所の底部との接触部のみで生じさせるため、接合金属に加える押し付け力、及び、回転を与えるモーターのトルクは共に小さくて済む。すなわち、簡易な機構を用いた回転摩擦による接合が可能となる。
本実施形態では、第1の鋼材10および第2の鋼材20は、それぞれSN400厚さ22mmの鋼板であり、第1の鋼材10には表面12から裏面13に貫く直径30mmの円筒形状の空所50cを加工し、第2の鋼材20には表面22から裏面23に貫く直径30mmの円筒形状の空所50dを加工し、第1の鋼材10と第2の鋼材20とを重ねた位置に配置すると共に第1の鋼材10の裏面13と第2の鋼材20の表面22を対向させ、且つ第1の鋼材10に加工した円筒形状の空所50cの中心と、第2の鋼材20に加工した円筒形状の空所50dの中心が回転軸71として一致するように配置すると、第1の鋼材10と第2の鋼材20とを貫く直線を回転軸71とする回転対称形状の空所50が形成される。さらに、第2の鋼材20の裏面23に空所50を塞ぐように裏当板55を付接して空所50の底部51を形成する。このとき、第1の鋼材10の裏面13と第2の鋼材20の表面22とは、面接触(メタルタッチ)状に配置されることが望ましいが、不可避の建方誤差等に伴う微小のズレは許容される。一方、接合金属40は、SN400鋼材であり接合金属本体41が直径29.5mmの円柱体であり、先端部47には先端直径29mm傾斜角度60°のテーパ部46を設ける。なお、本実施形態では、接合金属40の側周面42に凹凸を設けていない。接合金属40を空所50に挿入し、接合金属40に押し付け力を作用させながら回転対称軸71回りに回転を与えて摩擦を生ぜしめる。ここで回転数は3000rpmで押し付け力は7000Nである。摩擦熱によって生成された溶融金属80を、先端部47に生じる押圧力と回転運動を利用して接合金属40の側周面42と空所50の側周面52との隙間61に充填せしめ、隙間61の全域が充填されたときに回転運動を停止させる。その後の温度低下に伴って溶融金属80は凝固して組織が一体化し、接合金属40を介して第1の鋼材10と第2の鋼材20とを接合する。ところで、本実施形態では、空所50および接合金属40をそれぞれ円筒形状、円柱体としたが、実施形態1のように、単調変化する曲線を母線とする回転対称形状の側周面52、42を有するものとしても上い。
また、図10bの62aは、接合完了時の接合金属40の先端部47と空所50の底部51との間の回転摩擦面を示し、液体である溶融金属80は圧力により全て外部に押し出され、回転摩擦面62aの内部には存在しないものとしている。
接合金属40の接合前の総体積をV2、空所50の体積をV3とする。
請求項9の「前記接合金属の体積」は前記V2であり、接合完了時に、固体のまま残った体積をV2s、接合金属40由来の溶融金属80のうち隙間61内に留まって凝固した部分の体積をV2y、接合金属40由来の溶融金属80のうち空所外に押し出されてバリ81となった部分の体積をV2bとすれば、
V2=V2s+V2y+V2b ――――― (1)
が成り立つ。
次に、(0015)の「請求項9の発明では、隙間に充填され凝固した溶融金属80aが接合金属40の側周面42と空所50の側周面52の隙間61を余地なく充填し尽くすことができる」ことの理由を説明する。
第1の鋼材10および第2の鋼材20のうち、接合金属40との回転摩擦により溶融する総体積をVaとしたとき、隙間に充填され凝固した溶融金属80aの一部となる体積をVay、バリ81となって吐出される体積をVabとすると、
Va=Vay+Vab ――――― (2)
一方、吐出されるバリ81の総体積をVbとすると、Vbは、接合金属40由来のV2bと第1の鋼材10および第2の鋼材20由来のVabとの合計であるから、
Vb=Vab+V2b ――――― (3)
である。
空所50の体積V3と、第1の鋼材10および第2の鋼材20で接合金属40との回転摩擦により溶融する総体積Vaとの合計V3+Vaが、接合金属40由来で固体のまま残った体積V2sと、溶融して隙間61にとどまる体積V2y、第1の鋼材10および第2の鋼材20由来で溶融して隙間61にとどまる体積Vayとによって、空隙なく埋められるときには、
V3+Va≦V2s+V2y+Vay ――――― (4)
が成り立つ。
(1)と(4)より、
V2≧V3+Va−Vay+V2b ――――― (5)
(2)を(5)に代入して、
V2≧V3+Vab+V2b ――――― (6)
(3)を(6)に代入して、
V2≧V3+Vb ――――― (7)
ここで、隙間に充填され凝固した溶融金属80aが隙間61を余地なく充填し尽くし、余剰の溶融金属80はバリ81として放出される。そこで、バリ81は存在するか零であるから、
Vb≧0 ――――― (8)
である。
(7)と(8)より、
V2≧V3 ――――― (9)
となる。式(9)は、請求項9の発明を数式で表現したものである。
11:第1の鋼材の端面
12:第1の鋼材の表面
13:第1の鋼材の裏面
20:第2の鋼材(被接合鋼材)
21:第2の鋼材の端面
22:第2の鋼材の表面
23:第2の鋼材の裏面
30:第3の鋼材(被接合鋼材)
32:第3の鋼材の表面
33:第3の鋼材の裏面
34:上スプライスプレート
35:フランジプレート
36:下スプライスプレート
40:接合金属
41:接合金属本体
42:接合金属の側周面
43:接合金属の側周面の凹凸
43a:接合金属の側周面の逆目ネジ
43b:接合金属の側周面の横断面視多角形の辺部
43c:接合金属の側周面の横断面視多角形の稜部
46:接合金属の先端部のテーパ部
47:接合金属の先端部
47a:接合金属の先端面
48:接合金属の基端部
48a:接合金属の基端部に設けた鍔部
50:空所
50a:第1の鋼材に設けられる半円筒形状の空所
50b:第2の鋼材に設けられる半円筒形状の空所
50c:第1の鋼材に設けられる円筒形状の空所
50d:第2の鋼材に設けられる円筒形状の空所
51:空所の底部
51a:第1の鋼材に設けられる空所の底部
51b:第2の鋼材に設けられる空所の底部
52:空所の側周面
55:裏当板
60:接合金属の先端部と空所の底部との接触部
61:接合金属の側周面と空所の側周面との隙間
62:接合金属の先端部と空所の底部との間の回転摩擦面
62a:接合完了時における接合金属の先端部と空所の底部との間の回転摩擦面
70:回転装置
71:回転対称体の回転軸
72:接合ユニット
80:溶融金属
80a:隙間に充填され凝固した溶融金属
81:空所外に押し出された溶融金属が再固体化して生じたバリ
91:第1のH形鋼
92:第2のH形鋼
110:従来技術における第1の鋼材
120:従来技術における第2の鋼材
160:従来技術における接触部
181:従来技術におけるバリ
210:従前出願における第1の鋼材
211:従前出願における第1の鋼材の端面
220:従前出願における第2の鋼材
221:従前出願における第2の鋼材の端面
240:従前出願における接合金属
242:従前出願における接合金属の側周面
250:従前出願における空所
252:従前出願における空所の側周面
260:従前出願における接合金属の側周面と空所の側周面との接触面
Claims (19)
- 回転摩擦によって第1の鋼材と第2の鋼材とを接合金属を介して接合する接合方法であって、前記第1の鋼材と前記第2の鋼材とを隣接した位置に配置すると共に前記第1の鋼材の端面と前記第2の鋼材の端面とを対向させて配置し、前記第1の鋼材の端面と前記第2の鋼材の端面とに跨り前記第1の鋼材の表面と前記第2の鋼材の表面とに垂直もしくは略垂直な直線を回転軸とする回転対称形状で側周面と底部を有する空所を加工し、前記接合金属は容易に前記空所に挿入されうる形状の回転対称体であって、前記接合金属を前記空所に挿入し、前記接合金属の先端部と前記空所の前記底部との接触部に押圧力を加えた状態で前記接合金属を回転軸周りに回転させて摩擦を生ぜしめ、前記摩擦による摩擦熱を利用して前記接触部近傍の材料組織を溶融させて溶融金属を生成し、液体化した前記溶融金属を前記接合金属の先端部に生じる押圧力と回転運動を利用して前記接合金属の前記側周面と前記空所の前記側周面との隙間に充填させ、ついで回転運動を停止させて前記溶融金属を凝固させ前記隙間近傍の組織と一体化させることにより前記接合金属を介して前記第1の鋼材と前記第2の鋼材とを接合することを特徴とする回転摩擦による鋼材の接合方法。
- 回転摩擦によって第1の鋼材と第2の鋼材とを接合金属を介して接合する接合方法であって、前記第1の鋼材と前記第2の鋼材とを重ねた位置に配置すると共に前記第1の鋼材の裏面と前記第2の鋼材の表面を対向させて配置し、前記第1の鋼材の裏面と前記第2の鋼材の表面とを貫く直線を回転軸とする回転対称形状で側周面と底部を有する空所を加工し、前記接合金属は、容易に前記空所に挿入されうる形状の回転対称体であって、前記接合金属を前記空所に挿入し、前記接合金属の先端部と前記空所の前記底部との接触部に押圧力を加えた状態で前記接合金属を回転軸周りに回転させて摩擦を生ぜしめ、前記摩擦による摩擦熱を利用して前記接触部近傍の材料組織を溶融させて溶融金属を生成し、液体化した前記溶融金属を前記接合金属の先端部に生じる押圧力と回転運動を利用して前記接合金属の前記側周面と前記空所の前記側周面との隙間に充填させ、ついで回転運動を停止させて前記溶融金属を凝固させ前記隙間近傍の組織と一体化させることにより前記接合金属を介して前記第1の鋼材と前記第2の鋼材とを接合することを特徴とする回転摩擦による鋼材の接合方法。
- 前記空所の前記底部は、第1の鋼材および/または第2の鋼材の内部に有底空所として形成することを特徴とする請求項1乃至2のいずれかに記載の回転摩擦による鋼材の接合方法。
- 前記空所の前記底部は、第1の鋼材および/または第2の鋼材の裏面に前記空所を塞ぐように裏当板を付接することにより形成することを特徴とする請求項1乃至2のいずれかに記載の回転摩擦による鋼材の接合方法。
- 前記空所に前記接合金属を挿入して回転させることによって1番目の接合を完了した後、1番目の前記接合金属に連続するようにまたは重なるように、2番目の空所を形成し、前記2番目の空所に2番目の接合金属を挿入して回転させることによって2番目の接合を完了し、以後順番にN回これを繰り返し、連続した前記接合金属を介して前記第1の鋼材と前記第2の鋼材とを接合することを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の回転摩擦による鋼材の接合方法。
- 前記第1の鋼材の端面と前記第2の鋼材の端面とを対向させて配置し、前記第1の鋼材の端面と前記第2の鋼材の端面とに跨る空所を加工するに際し、前記空所の前記回転軸が前記端面内に存在し、前記端面の短辺方向である鋼材断面の厚さ方向を向くように前記空所を加工することを特徴とする請求項1に記載の回転摩擦による鋼材の接合方法。
- 前記第1の鋼材の端面と前記第2の鋼材の端面とを対向させて配置し、前記第1の鋼材の端面と前記第2の鋼材の端面とに跨る空所を加工するに際し、前記空所の前記回転軸が前記端面内に存在し、端面の長辺方向である鋼材断面の幅方向を向くように前記空所を加工することを特徴とする請求項1に記載の回転摩擦による鋼材の接合方法。
- 前記接合金属と前記空所の組み合わせとして前記空所が円筒形状であり、前記接合金属が略円柱体であることを特徴とする請求項1乃至7のいずれかに記載の回転摩擦による鋼材の接合方法。
- 前記接合金属の体積が、前記空所の体積より小さくないことを特徴とする請求項1乃至8のいずれかに記載の回転摩擦による鋼材の接合方法。
- 前記接合金属の先端部にテーパ部を有することを特徴とする請求項1乃至9のいずれかに記載の回転摩擦による鋼材の接合方法。
- 前記接合金属の前記側周面に凹凸を有することを特徴とする請求項1乃至10のいずれかに記載の回転摩擦による鋼材の接合方法。
- 前記接合金属の前記側周面の前記凹凸が、前記接合金属の横断面視多角形の辺部と稜部であることを特徴とする請求項11に記載の回転摩擦による鋼材の接合方法。
- 前記接合金属の前記側周面の前記凹凸が、前記接合金属の基端部から先端部に向かう進行方向に対する逆目ネジであることを特徴とする請求項11に記載の回転摩擦による鋼材の接合方法。
- 前記接合金属の基端に前記空所の表面側を覆う鍔部を有することを特徴とする請求項1乃至13のいずれかに記載の回転摩擦による鋼材の接合方法。
- 前記空所に前記接合金属を挿入時および挿入後の回転数を1000〜12000rpmとすることを特徴とする請求項1乃至14のいずれかに記載の回転摩擦による鋼材の接合方法。
- 前記接合金属の引張強度は、前記第1の鋼材の引張強度および前記第2の鋼材の引張強度のいずれよりも高強度であることを特徴とする請求項1乃至15のいずれかに記載の回転摩擦による鋼材の接合方法。
- 前記接合金属の液相線温度は、前記第1の鋼材の液相線温度および前記第2の鋼材の液相線温度のいずれよりも低いことを特徴とする請求項1乃至16のいずれかに記載の回転摩擦による鋼材の接合方法。
- 前記接合金属の低液相線温度である金属として、高強度なAl合金を使用することを特徴とする請求項17に記載の回転摩擦による鋼材の接合方法。
- 前記第1の鋼材と前記第2の鋼材とが請求項1乃至18のいずれかに記載の方法により接合されることを特徴とする回転摩擦による鋼材の接合構造
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