JP2019111557A - 摩擦接合装置 - Google Patents

Abstract

【課題】塑性変形域の移動現象を抑制し、接合欠陥の低減を図ることができる摩擦接合装置を提供する。【解決手段】摩擦接合装置１は、一方の接合部材（第一接合部材２）を他方の接合部材（第二接合部材３）に当接させ相対的に摺動させて接合させる摩擦接合装置であって、第二接合部材３の先端部近傍の外周に固定された拘束部材４を備えている。また、拘束部材４は、第一接合部材２及び第二接合部材３のうち、摩擦接合時に先に軟化する側に配置される。【選択図】図１

Description

本発明は、摩擦接合装置に関し、特に、異種材や異形材同士の摩擦接合に適した摩擦接合装置に関する。

摩擦接合は、接合部材同士を当接させ、一方の接合部材を他方の接合部材に対して摺動させることで摩擦熱を発生させ、接合面近傍を軟化させて接合する技術である。摩擦接合には、接合部材を回転させて接合する回転摩擦接合、接合部材を直線的に変位させて接合する線形摩擦接合、接合部材を超音波で振動させて接合する超音波摩擦接合等、種々の接合方法がある。

ところで、熱容量や熱伝達率の異なる接合部材同士を接合する場合、すなわち、異なる物性を備えた異種材同士又は同じ物性を備えた形状の異なる異形材同士を接合する場合、一方の接合部材が先に軟化して塑性変形し、その塑性変形域が接合面から離間する方向に移動する現象が報告されている（非特許文献1参照）。かかる塑性変形域の移動現象が生じると、本来の接合面における接合強度が低下し、接合欠陥を惹起するおそれがある。

一方、特許文献１には、接合部材同士の接合面近傍の外周部を治具で囲繞し、治具の空間部において一方の接合部材を他方の接合部材に対して回転させることにより、接合部材の軟化によって接合面近傍に発生するバリを治具の空間部に閉じ込めて接合強度を確保するようにした摩擦接合装置が開示されている。

深草邦夫、佐藤次彦著、「摩擦圧接における回転面の移動現象」、溶接学会誌、第５０巻（１９８１）第１０号、第７頁〜第１２頁

特開２００９−２６９０３５号公報

特許文献１に記載された摩擦接合装置では、バリが生じないように接合部の外周を囲繞していることから、接合部の塑性変形を物理的に抑制することができる。しかしながら、特許文献１に記載された発明では、接合部材を治具に対して相対的に回転させていることから、接合部材と治具との間の摩擦力によって、接合部材に回転方向の捻れによる剪断応力が生じたり、治具と接合されてしまったりする可能性がある。これらの事象は、塑性変形域の移動現象を促進したり、意図しない接合欠陥を惹起したりするおそれがある。

本発明はかかる問題点に鑑み創案されたものであり、塑性変形域の移動現象を抑制し、接合欠陥の低減を図ることができる摩擦接合装置を提供することを目的とする。

本発明によれば、一方の接合部材を他方の接合部材に当接させ相対的に摺動させて接合させる摩擦接合装置において、前記一方の接合部材又は前記他方の接合部材の少なくとも一方の先端部近傍の外周に固定された拘束部材を備える、ことを特徴とする摩擦接合装置が提供される。

前記拘束部材は、前記一方の接合部材又は前記他方の接合部材のうち、摩擦接合時に先に軟化する側に配置されていてもよい。

前記拘束部材は、前記拘束部材が配置される接合部材よりも硬い材質により構成されていてもよい。

前記拘束部材は、前記拘束部材が配置される接合部材よりも熱伝達率が高い材質により構成されていてもよいし、熱膨張率が小さい材質により構成されていてもよい。

前記拘束部材は、前記拘束部材が配置される接合部材と同じ材質により構成されており、前記拘束部材を配置した接合部材の見かけ上の熱容量が、前記拘束部材が配置されない接合部材よりも大きくなるように構成されていてもよい。

前記拘束部材は、周方向に複数に分割可能に構成されていてもよい。

前記拘束部材は、前記拘束部材が配置される接合部材の表面に係合可能な凸部又は凹部を有していてもよい。

前記拘束部材は、放熱部を備えていてもよいし、冷却部を備えていてもよい。

上述した本発明に係る摩擦接合装置によれば、接合部材の先端部近傍に拘束部材を固定したことにより、相対回転を抑制することができ、接合部材に発生する剪断応力を低減することができる。また、本発明に係る摩擦接合装置によれば、接合部材の先端部近傍の外周に拘束部材を固定したことにより、拘束部材と接合部との接触を抑制することができ、拘束部材と接合部材との意図しない接合を低減することができる。

また、かかる拘束部材を配置することにより、接合部材の先端部近傍を物理的に拘束することができ、接合部材の塑性変形を物理的に抑制することができる。さらに、拘束部材と接合部材との間の熱伝達により、接合部材の温度制御を行うことができ、温度上昇による接合部材の軟化を抑制することもできる。

したがって、本発明に係る摩擦接合装置によれば、塑性変形域の移動現象を抑制し、接合欠陥の低減を図ることができる。

本発明の第一実施形態に係る摩擦接合装置を示す概略全体構成図である。 図１におけるＡ−Ａ線断面図であり、（ａ）は第一実施形態、（ｂ）は第一変形例、（ｃ）は第二変形例、を示している。 図１に示した摩擦接合装置の使用方法を示す図であり、（ａ）は接合部材を当接させた状態、（ｂ）は摩擦接合中の状態、を示している。 本発明の他の実施形態を示す部分拡大図であり、（ａ）は第二実施形態、（ｂ）は第三実施形態、を示している。 本発明の他の実施形態を示す部分拡大図であり、（ａ）は第四実施形態、（ｂ）は第五実施形態、を示している。

以下、本発明の実施形態について図１〜図５（ｂ）を用いて説明する。ここで、図１は、本発明の第一実施形態に係る摩擦接合装置を示す概略全体構成図である。図２は、図１におけるＡ−Ａ線断面図であり、（ａ）は第一実施形態、（ｂ）は第一変形例、（ｃ）は第二変形例、を示している。図３は、図１に示した摩擦接合装置の使用方法を示す図であり、（ａ）は接合部材を当接させた状態、（ｂ）は摩擦接合中の状態、を示している。

本発明の第一実施形態に係る摩擦接合装置１は、図１に示したように、一方の接合部材（第一接合部材２）を他方の接合部材（第二接合部材３）に当接させ相対的に摺動させて接合させる摩擦接合装置であって、第二接合部材３の先端部近傍の外周に固定された拘束部材４を備えている。なお、図１において、斜線を引いた部分はその部分の断面を示している。

また、摩擦接合装置１は、例えば、床面上に配置されたベッド５と、ベッド５の上面に固定された固定ヘッド６と、ベッド５の上面に配置されたガイドレール７と、ガイドレール７に沿って図中のＸ方向に移動可能に配置された移動ヘッド８と、を備えている。なお、摩擦接合装置１の拘束部材４以外の構成については、公知の構成を適宜選択して使用することができ、図示した構成に限定されるものではない。

例えば、固定ヘッド６には、モータ９によって回転する回転軸１０が軸支されている。回転軸１０の先端には、第一接合部材２を把持する把持部１１が接続されている。把持部１１には、例えば、コレットチャック機構等を採用することができる。第一接合部材２は、モータ９により回転軸１０が回転されることで、把持部１１とともに図中のＲ方向に回転する。

また、例えば、移動ヘッド８には、ベッド５に固定されたスライドシリンダ１２のシリンダロッド１３が接続される。したがって、移動ヘッド８は、シリンダロッド１３により押圧されて図中のＸ方向に移動可能に構成されている。また、移動ヘッド８には、拘束部材４を介して第二接合部材３を把持する把持部１４が接続されている。把持部１４には、例えば、コレットチャック機構等を採用することができる。

摩擦接合時には、図３（ａ）に示したように、第二接合部材３を第一接合部材２に当接させた後、第二接合部材３を押圧しながら第一接合部材２を回転させる。したがって、第一接合部材２と第二接合部材３との接触面（摩擦接合部）は、摩擦熱により昇温される。このとき、第一接合部材２と第二接合部材３のうち、昇温しやすい方（例えば、熱容量が小さい方、熱伝達率の低い方等）が先に軟化して塑性変形しやすい。

そこで、本実施形態では、第一接合部材２及び第二接合部材３のうち、摩擦接合時に先に軟化して塑性変形する側に拘束部材４が配置されている。ここで、図示した第一接合部材２及び第二接合部材３は、同じ材質で形状の異なる異形材である。なお、第一接合部材２及び第二接合部材３の材質は一般に金属であるが、摩擦接合可能であれば金属以外の材質であってもよい。また、第一接合部材２及び第二接合部材３は同じ材質であるから同じ物性を有しており、摩擦接合時にどちらが先に軟化するかは、その形状の違いによることとなる。

具体的には、摩擦接合部の熱容量の大きさが小さい方が先に軟化して塑性変形することとなる。例えば、第一接合部材２及び第二接合部材３が円柱形状又は円筒形状の場合には、直径の小さい方が先に塑性変形することとなる。いま、図１に示したように、第二接合部材３の方が第一接合部材２よりも小さい直径を有していることから、摩擦接合時には第二接合部材３の方が先に軟化することとなる。したがって、本実施形態では、第二接合部材３に拘束部材４を配置している。

拘束部材４は、例えば、図２（ａ）に示したように、略円筒形状のスリーブであり、周方向に二つに分割可能に構成されている。具体的には、拘束部材４は、略半円筒形状の第一分割片４１と略半円筒形状の第二分割片４２とを備え、第一分割片４１及び第二分割片４２は両端にフランジ４１ｆ，４２ｆを有している。拘束部材４は、第一分割片４１及び第二分割片４２で第二接合部材３を挟み込み、フランジ４１ｆ，４２ｆに配置されたボルト・ナット等の締結具によって締め付けられ、第二接合部材３を強固に挟持することによって固定される。なお、図示しないが、片方のフランジ４１ｆ，４２ｆ側をヒンジによって第一分割片４１と第二分割片４２とを接続するようにしてもよい。

このように、拘束部材４を周方向に複数に分割可能に構成することにより、拘束部材４の取り付け及び取り外しを容易に行うことができる。なお、拘束部材４の分割数は二つに限定されるものではなく、三つ以上の分割片に分割するようにしてもよい。

また、図２（ｂ）に示した第一変形例のように、第一分割片４１及び第二分割片４２の内側に軸方向に延びる凸部４１ａ，４２ａを形成してもよい。かかる凸部４１ａ，４２ａを形成することによって、凸部４１ａ，４２ａを第二接合部材３の外面に押し付けて係合させることにより、拘束部材４と第二接合部材３との周方向の相対移動を抑制することができる。

なお、凸部４１ａ，４２ａは、軸方向に線状に延びた突起に限定されるものではなく、第一分割片４１及び第二分割片４２の内面に分散配置された点状の突起であってもよい。また、図示しないが、第二接合部材３側に凸部を形成し、拘束部材４側に凹部を形成するようにしてもよい。

また、図２（ｃ）に示した第二変形例のように、拘束部材４をいわゆるコレットチャック機構によって構成してもよい。具体的には、拘束部材４は、周方向に三分割された内筒４３と、内筒４３の外周に装着可能な外筒４４と、を備えている。かかる拘束部材４では、外筒４４を弛めた状態で内筒４３の内部に第二接合部材３を挿通し、外筒４４を内筒４３の先端方向に向かって移動させることにより内筒４３を締め付け、拘束部材４を第二接合部材３に固定する。

このように、塑性変形しやすい第二接合部材３の先端部近傍に拘束部材４を固定したことにより、第二接合部材３と拘束部材４との相対回転を抑制することができ、第二接合部材３に発生する剪断応力を低減することができる。

ここで、「先端部近傍」とは、摩擦接合時に拘束部材４が摩擦接合部に接触しない程度に第二接合部材３の先端を拘束部材４から突出させることを意味している。このように、拘束部材４を第二接合部材３の先端から僅かに後退させることにより、拘束部材４と摩擦接合部との接触を抑制することができ、拘束部材４と接合部材（第一接合部材２及び第二接合部材３）との意図しない接合を低減することができる。

また、第二接合部材３の外周に拘束部材４を配置することにより、第二接合部材３の先端部を物理的に拘束することができ、第二接合部材３の塑性変形を物理的に抑制することができる。したがって、拘束部材４は、例えば、第二接合部材３よりも硬い材質により構成される。かかる構成により、第二接合部材３の塑性変形を効果的に抑制することができる。

また、拘束部材４は、第二接合部材３よりも熱伝達率が高い材質により構成されていてもよいし、熱膨張率が小さい材質により構成されていてもよい。拘束部材４を第二接合部材３よりも熱伝達率が高い材質（例えば、銅や銀等）により構成した場合には、第二接合部材３の熱を拘束部材４に伝達して放熱することができ、第二接合部材３の軟化を抑制することができる。また、拘束部材４を第二接合部材３よりも熱膨張率が小さい材質により構成した場合には、第二接合部材３が熱膨張しようとした場合であっても、拘束部材４が追従しないことから、第二接合部材３の熱膨張に伴う塑性変形を抑制することができる。

また、第二接合部材３と拘束部材４との間にアルミニウム等の熱伝達率が高い材質を介在させたり、導電性ペースト等の熱伝達促進剤を塗布したりするようにしてもよい。また、摩擦接合完了後に第二接合部材３から拘束部材４を取り外しやすくするために、拘束部材４の内面に離型剤をコーティング又は塗布するようにしてもよい。離型剤としては、例えば、ＤＬＣ (Diamond-Like Carbon)、セラミックス、ｈ−ＢＮ（六方晶窒化硼素）、滑石粉等を使用することができる。

上述した実施形態では、異形材を接合する場合について説明したが、熱容量、熱伝達率、強度等の特性の異なる接合部材同士を摩擦接合する場合、すなわち、異なる物性を備えた異種材同士を摩擦接合する場合にも同様に適用することができる。この場合、接合部材の物性及び形状から先に軟化して塑性変形を生じる側を特定することができる。

また、上述した実施形態では、第一接合部材２を回転させ、第二接合部材３を押圧させる場合について説明しているが、拘束部材４を固定した第二接合部材３を回転させ、第一接合部材２を押圧させるようにしてもよい。

次に、本発明の他の実施形態に係る摩擦接合装置１について、図４（ａ）〜図５（ｂ）を参照しつつ説明する。ここで、図４は、本発明の他の実施形態を示す部分拡大図であり、（ａ）は第二実施形態、（ｂ）は第三実施形態、を示している。図５は、本発明の他の実施形態を示す部分拡大図であり、（ａ）は第四実施形態、（ｂ）は第五実施形態、を示している。なお、上述した第一実施形態に係る摩擦接合装置１と同じ構成部品については、同じ符号を付して重複した説明を省略する。

図４（ａ）に示した第二実施形態に係る摩擦接合装置１は、第一接合部材２及び第二接合部材３が同じ材質により構成された異形材である場合に、直径の小さい第二接合部材３に拘束部材４を配置することによって見かけ上の熱容量を大きくしたものである。

具体的には、拘束部材４は、第二接合部材３と同じ材質により構成されており、拘束部材４を固定した部分の直径Ｄ２が第一接合部材２の直径Ｄ１よりも大きくなるように構成されている。かかる構成により拘束部材４を固定した第二接合部材３の見かけ上の熱容量を第一接合部材２よりも大きくすることができ、第二接合部材３の軟化を抑制することができる。

図４（ｂ）に示した第三実施形態に係る摩擦接合装置１は、第一接合部材２及び第二接合部材３の両方に拘束部材４を固定したものである。例えば、第一接合部材２と第二接合部材３とが、同一材質で同一形状の場合には、どちらが先に軟化するか不明な場合がある。このような場合には、接合部材の両方に拘束部材４を固定することにより、第一接合部材２及び第二接合部材３の両方の塑性変形を抑制することができる。

図５（ａ）に示した第四実施形態に係る摩擦接合装置１は、拘束部材４の外周に放熱部４５を形成したものである。放熱部４５は、例えば、拘束部材４の外周に配置された複数のフィンによって形成される。かかる放熱部４５を形成することにより、拘束部材４の放熱効率を向上させることができる。

図５（ｂ）に示した第五実施形態に係る摩擦接合装置１は、拘束部材４に冷却部４６を形成したものである。冷却部４６は、例えば、拘束部材４の内部に形成された水路によって構成される。摩擦接合時には、水路に冷却水や冷却液等の冷却材が送流される。かかる冷却部４６を形成することにより、拘束部材４の冷却効率を向上させることができる。

なお、図示した構成の冷却部４６は、拘束部材４を回転させない第二接合部材３に配置した場合に効果的である。また、水路を形成することが困難な場合には、拘束部材４の外部に冷却水や冷却液等の冷却材を噴き付けるようにしてもよい。この場合、拘束部材４を回転させる場合にも拘束部材４の冷却効率を向上させることができる。

上述した第一実施形態〜第五実施形態において、第一接合部材２と第二接合部材３とを回転摩擦接合する場合について説明したが、接合方法は、線形摩擦接合や超音波摩擦接合等の他の摩擦接合方法であってもよい。また、拘束部材４は、略円筒形状に限定されるものではなく、配置される接合部材の形状によって任意に変更されるものであり、略角筒形状であってもよいし、その他の筒形状であってもよい。

本発明は、上述した実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更が可能であることは勿論である。

１ 摩擦接合装置
２ 第一接合部材
３ 第二接合部材
４ 拘束部材
５ ベッド
６ 固定ヘッド
７ ガイドレール
８ 移動ヘッド
９ モータ
１０ 回転軸
１１ 把持部
１２ スライドシリンダ
１３ シリンダロッド
１４ 把持部
４１ 第一分割片
４２ 第二分割片
４１ａ，４２ａ 凸部
４１ｆ，４２ｆ フランジ
４３ 内筒
４４ 外筒
４５ 放熱部
４６ 冷却部

Claims (8)

1. 一方の接合部材を他方の接合部材に当接させ相対的に摺動させて接合させる摩擦接合装置において、
   前記一方の接合部材又は前記他方の接合部材の少なくとも一方の先端部近傍の外周に固定された拘束部材を備える、
   ことを特徴とする摩擦接合装置。
2. 前記拘束部材は、前記一方の接合部材又は前記他方の接合部材のうち、摩擦接合時に先に軟化する側に配置される、請求項１に記載の摩擦接合装置。
3. 前記拘束部材は、前記拘束部材が配置される接合部材よりも硬い材質により構成されている、請求項１に記載の摩擦接合装置。
4. 前記拘束部材は、前記拘束部材が配置される接合部材よりも熱伝達率が高い材質又は熱膨張率が小さい材質により構成されている、請求項１に記載の摩擦接合装置。
5. 前記拘束部材は、前記拘束部材が配置される接合部材と同じ材質により構成されており、前記拘束部材を配置した接合部材の見かけ上の熱容量が、前記拘束部材が配置されない接合部材よりも大きくなるように構成されている、請求項１に記載の摩擦接合装置。
6. 前記拘束部材は、周方向に複数に分割可能に構成されている、請求項１に記載の摩擦接合装置。
7. 前記拘束部材は、前記拘束部材が配置される接合部材の表面に係合可能な凸部又は凹部を有する、請求項１に記載の摩擦接合装置。
8. 前記拘束部材は、放熱部又は冷却部を備えている、請求項１に記載の摩擦接合装置。