JP2587698B2 - 摩擦溶接の機械的パラメーターを制御する方法 - Google Patents

摩擦溶接の機械的パラメーターを制御する方法

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Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明は、摩擦溶接において機械的なパラメーターを
制御する方法並びにこの方法を実施する装置に関する。
〈従来の技術〉 摩擦溶接では、被加工物は接触域において材料が溶接
して一緒に流れるようになるまで、振動状の並進運動に
おいて相互に摩擦される。その後この振動を終了させる
工程を経ると、冷却中に一体的な結合が得られる。この
方法における特徴的なパラメーターは、接合圧力を生じ
させる接合力Ｆと、摩擦方向における被加工物の相対運
動ｘとである。これは第１図に示されている。どちらの
パラメーターも時間応答性のものである。接合圧力は通
常一定に保たれる。一方、被加工物の相対運動は、所定
の振幅及び周波数の正弦振動とされる。
摩擦溶接方法は、複数の一連の工程において実施され
る。第１工程では、相互に接合される部材が、溶接装置
の受入れ手段まで搬送され、そこにしっかり固定され
る。次に、双方の部材は、相互に接触するまで近づけら
れる。静的な接触力が加わった状態で短かい遅延時間経
過後に振動を付勢する工程が開始される。最初に材料が
摩擦によって軟化し、さらにヒステリシスせん断加熱に
よってより多く軟化する。この過程の間に、溶融した材
料は接合力が加わることにより、溶接ビードに必然的に
流入させられる。そのため被加工物は、ｚ方向に相互に
近づけられ、接合される部材間とｚ方向の相対変位であ
る接合変位ｓが増大する。振動は数秒後に終了する。被
加工物は、適切に冷却されるようしばらくの間、さらに
接合圧力又は保持圧力下におかれる。その後に受入れ手
段を開放し、被加工物を取出すことができる。
高強度な結合を得るために、材料は、十分に溶融さ
れ、十分に接合圧力が加えられなければならない。従来
は、これらの要件は、少なくとも最小の接合変位を保つ
ことによって判定されてきた。更に、一様な良形の溶接
ビードの形成についての目視チェックも行なわれる。
しかしこれは、被加工物が単純な幾何学的形状の場合
にのみあるいは非加工物がほとんど寸法公差がない場合
にしかうまくいかない。より形状の複雑な被加工物は、
屡々内部に溶接域を備えている。またさらに、射出成形
法によって作製された被加工物には、相当な寸法公差が
ある。そのため、最小の接合変位により接合された被加
工物の外面に沿ったビードの光学的な検査は、もはや十
分に信頼できない。
〈発明が解決しようとする課題〉 従って、本発明の目的は、特に、溶接接合部の品質及
び強度が改善されるように摩擦溶接のための特性値を選
定することに着目し、摩擦溶接方法を改善することにあ
る。
本発明の別の目的は、この溶接方法を実行するための
溶接装置を提供することにある。
〈課題を解決するための手段〉 本発明によれば、ｉ）接触域において材料が溶融する
まで接合部材に相対的な振動を付勢する工程と、ii）前
記接合部材に前記接触域方向の所定の接合力を付勢する
工程と、iii）前記振動の停止後に前記材料を冷却固化
することにより前記接合部材を完全に接合する工程とか
らなる摩擦溶接方法において、iv）前記工程ii）におい
て、前記接合力の付勢によって前記接合部材が相互に近
づく間、前記接合部材間の相対的な接合変位を測定する
工程と、ｖ）前記接合変位が時間に対しほぼ線形に増大
する位相となった後に振動を停止させる工程とを含むこ
とを特徴とする摩擦溶接方法が提供される。
上述した振動を付勢する工程では、接合変位又は振動
振幅は経時的に３つの異なった状態となる。これを位相
と呼ぶ（第２図）。
接合変位ｓがごくわずかな増大を示す位相１を有す
る。次の位相２では、その変位は漸進的な増大を示す。
位相３では、もちろん接合圧力が一定に保たれているこ
とを前提として、当該変位は、時間に比例して増大す
る。
本発明によれば、良好な溶接接合の条件として、少く
とも次の要件が充足されねばならないことが示される。
即ち、非加工物を振動する間に位相３が得られねばなら
ない。
溶接ビードの目視による観察に頼る限り、溶接される
べき部材のいろいろの溶接域が振動の間、それぞれの異
なった前記位相にあるという欠陥が生ずる。例えば被加
工物の或る外部域は、振動の終了時に位相３に到達して
いるのに、被加工物の或る内部域は、互いに接触してさ
えいないことがありえる。そのため、振動を停止した時
に位相１又は２に到達しただけの領域もありうる。
本発明によれば、いろいろの位相の間の正確な識別を
可能とするために、少くとも１つの特徴的なパラメータ
ー、特に接合変位を、振動工程の間測定する。特に接合
変位の時間微分即ち接合変位速度は、位相３に到達する
ための好ましい指標である。この位相３では、変位は、
第１近似において、時間と共に直線的に増大する。従っ
て微分は一定の値となる。この一定の値は、被加工物の
全ての接触域において位相３に到達した時のみ得られ
る。
改良された溶接接合を得るためには、更に次の要件が
充足されねばならないことが、試験により示されてい
る。即ち、位相３の間において、溶融域の流れ速度は、
或る臨界値を超過してはならない。摩擦溶接接合の機械
的な特性と溶融材料の平均流れ速度との間には、或る明
瞭な関係が存在している。流れ速度は、材料特異性のも
のであり、また、接合変位速度に関係するものである。
従って、接合変位に応じる接合変位速度を定めることに
よって、摩擦溶接接合の品質基準を得ることができる。
このために、被加工物を相互に向って移動させる駆動
手段の接合力又は接合圧力による接合変位速度を接合変
位速度の予め設定された所望値を越えないように制御す
るために、位相の制御量として接合変位速度を用いるこ
とができる。
溶融域内の中間または平均の流速は、位相３において
の変位速度、溶接シームの厚さ、固体物質の密度、溶融
材料の密度並びに被加工物の厚みから計算できる。溶接
接合の強度例えば引裂き強度ないしは降伏強度と平均流
れ速度との間には或る明瞭な相関関係の存在すること
が、試験によって示された。高溶融速度は結果として低
強度となる。強度は溶融速度の低下に伴って絶えず増大
する。固体材料のための強度特性は、或る平均溶融速度
において得られる。第３図は、強度と平均流れ速度との
間の相関関係の一例を示している。従って、溶融材料の
流れ速度は、ポリプロピレンの摩擦溶接においては、制
限かれねばならない。5mm/秒よりも実質的に低い溶融物
の平均流れ速度において良好な機械的特性の得られるこ
とが、試験により示されている。
本発明はその他の利点は、特に以下の詳細な説明を、
図面と共に読むことによって明らかとなろう。
〈実施例〉 第１〜第３図については、以上において説明した通り
である。
第４図は図示しない可動のクランプ装置に固着した変
位トランスジューサー10を示し、このクランプ装置に
は、一緒に溶接しようとする被加工物の１つが受入れら
れる。このクランプ装置は、油圧シリンダーによって固
定クランプの方向に移動する。この結果として、第１図
のｚ方向の接合変位ｓが生ずる。図示しないシリンダー
は所定の圧力を及ぼす。即ち成形装置は、或る力の制御
の下に作動する。変位トランスジューサー10によって供
給される接合変位信号は、増幅器11において増幅された
後、微分回路12に供給される。従って微分回路12の出力
信号は、接合変位ｓの時間微分として接合変位速度を表
わしている。比較回路14は、微分回路12に接続してあ
り、微分回路12によって供給される接合変位速度信号
は、或る短かい距離、例えば0.1秒間隔において、互い
に比較される。複数の同一の値が続いている場合（これ
は、接合変位速度が一定であることを示す）には、比較
回路14は、「振動停止」の出力信号を送出し、それによ
ってスイッチ15を介して機械の振動運動が停止する。こ
れは、前述したように、接合されるべき被溶接物の全て
の接触域において、第２図に示した位相３に安全に到達
したことを意味している。
第５図には、変位トランスジューサー10と増幅器11と
微分回路12とが再び示されている。また、微分回路12の
出力は、接合変位速度の同一の値を定めることによっ
て、いつ位相３に到達したかを指示するために用いられ
る。第５図の実施例は、直ちに振動を停止するようには
なってなく、その代りに微分回路の出力信号は、或る遅
延時間の後に振動を停止するために、時間遅延回路16に
供給される。
この時間の間に、微分回路12の出力信号は、この出力
信号を平均流速の所望値と比較するために、制御部18に
供給される。制御部18の出力は、溶接装置の可動のクラ
ンプ装置を作動させるための油圧シリンダーと圧力源又
はリザーバーとの間の加圧流体の流れを制御するため
に、比較ソレノイド19に供給される。比例ソレノイド19
は、油圧シリンダーによって及ぼされる力、従って接合
変位速度が設定された目標値に到達するがこれを超過す
ることはないように、制御部18によって制御される。所
定遅延時間後、機械は遅延回路16により、停止される。
溶接作業の間に接合力を変更し、この力を段階的に制
御することは、時に有利となりうる。一例として、この
接合力は、最初、溶接の位相１の間は、比較的高く、次
に位相３において減少する。これによって溶接操作を加
速できる。接合変位速度を変えるために振動の振幅を制
御することも有利となりうる。同様にして、位相１の間
は増大し、次に、位相３において減少することもでき
る。ところで、溶融材料の固化時の被加工物の保持接合
力の高さは、溶接の品質に影響する。従って、保持接合
力は、最良可能な強度が得られるように選定すべきであ
る。好ましくは、この保持接合力は、位相３において到
達した接合力に対して変更すべきではない。
【図面の簡単な説明】
第１図は、直線振動溶接の原理説明図、第２図は、時間
の関数としての接合変位を示す線図、第３図は、溶接強
度と平均流速との関係を示す線図、第４図は、変位に応
答して制御される停止回路の好ましい実施例を示すブロ
ック図、第５図は、接合変位速度を制御するための実施
例を示すブロック図である。 10……変位トランスジューサー、12……微分回路、14…
…比較回路。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭50−144651（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−19192（ＪＰ，Ａ)

Claims (14)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】ｉ）接触域において材料が溶融するまで接
    合部材に相対的な振動を付勢する工程と、 ii）前記接合部材に前記接触域方向の所定の接合力を付
    勢する工程と、 iii）前記振動の停止後に前記材料を冷却固化すること
    により前記接合部材を完全に接合する工程とからなる摩
    擦溶接方法において、 iv）前記工程ii）において、前記接合力の付勢によって
    前記接合部材が相互に近づく間、前記接合部材間の相対
    的な接合変位を測定する工程と、 ｖ）前記接合変位が時間に対しほぼ線形に増大する位相
    となった後に振動を停止させる工程とを含むことを特徴
    とする摩擦溶接方法。
  2. 【請求項２】前記位相の判定を前記接合変位及び／又は
    接合変位速度に基づいて定めることを特徴とする請求項
    １記載の摩擦溶接方法。
  3. 【請求項３】前記工程iv）において前記接合力を一定と
    し、前記接合変位速度が一定となった時に前記振動を停
    止させることを特徴とする請求項２記載の摩擦溶接方
    法。
  4. 【請求項４】前記接合変位速度は、前記接合変位を微分
    することによって定めることを特徴とする請求項３記載
    の摩擦溶接方法。
  5. 【請求項５】前記接合変位速度が一定であることを判定
    するために、前記接合変位を測定することによって得た
    前記接合変位速度と所定値とを比較することを特徴とす
    る請求項４記載の摩擦溶接方法。
  6. 【請求項６】前記接合変位速度が一定となった後、所定
    時間経過後に振動を停止させることを特徴とする請求項
    ３記載の摩擦溶接方法。
  7. 【請求項７】溶融した前記材料の流れ速度を計算し、前
    記所定時間中に当該流れ速度が所定値を超過しないよう
    に前記接合変位を制御することを特徴とする請求項６記
    載の摩擦溶接方法。
  8. 【請求項８】前記接合変位は、前記接合力によって制御
    することを特徴とする請求項７記載の摩擦溶接方法。
  9. 【請求項９】前記工程ii）において、前記接合力を段階
    的に制御することを特徴とする請求項１記載の摩擦溶接
    方法。
  10. 【請求項１０】前記工程ｉ）および／または工程ii）に
    おいて、前記接合部材の振動の振幅を制御することを特
    徴とする請求項１記載の摩擦溶接方法。
  11. 【請求項１１】前記工程iii）における冷却固化中にお
    いて、前記接合力を制御することにより、前記接合部材
    間の保持接合力を調節することを特徴とする請求項１記
    載の摩擦溶接方法。
  12. 【請求項１２】接触域において材料が溶融するまで接合
    部材に相対的に振動を付勢する振動手段と、前記接合部
    材に前記接触域方向の所定の接合力を付勢する駆動手段
    と、前記振動停止後に前記材料を冷却固化し前記接合部
    材を完全に接合する冷却手段とからなる摩擦溶接装置に
    おいて、 前記接合力の付勢によって前記接合部材が相互に近づく
    間、前記接合部材間の相対的な接合変位を測定するため
    の変位トランスジューサと、当該変位トランスジューサ
    により測定された接合変位を微分し接合変位速度を算出
    するための微分回路と、当該微分回路に接続され、前記
    微分回路から供給された前記接合変位速度信号が所定値
    となった場合に前記振動手段による振動を停止させるた
    めの比較回路とを備えることを特徴とする摩擦溶接装
    置。
  13. 【請求項１３】前記比較回路に接続され、前記接合変位
    速度が前記所定値となった場合に前記接合変位速度を制
    御する制御手段と、前記比較回路と前記振動手段との間
    に接続され、前記振動手段による振動を停止する際に、
    当該停止を所定時間遅延させる遅延回路とを備えること
    を特徴とする請求項12記載の摩擦溶接装置。
  14. 【請求項１４】前記制御手段は前記駆動手段を制御する
    ことにより、前記接合変位速度を制御することを特徴と
    する請求項13記載の制御装置。
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