JP3102444B2 - 摩擦圧接方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、摩擦圧接方法に関
し、更に詳細には、接合端面が円形以外の材料であって
も接合することができ、しかもその接合強度を向上させ
得る摩擦圧接方法に関するものである。

【０００２】

【従来技術】同種材質または異種材質の材料を相互に接
合する方法として、摩擦圧接方法が知られている。この
方法は、高い接合精度が得られると共に、接合作業時の
制御が簡単で経済性に優れる等の利点があるので、例え
ば自動車や機械等における重要部品の接合に好適に採用
されている。

【０００３】この摩擦圧接方法の概略を説明すると、図
１０に示す如く、先ず接合しようとする材料１０,１０
の端面同志を突合わせ、一定の加圧力を加えた下で一方
の材料１０を回転させる(ａ)。材料１０の回転により接
触面(端面)間に摩擦熱が発生し、材料端部は次第に軟化
するに至る(ｂ)。そして、両材料１０,１０が適当な軟
化状態になった時点で、材料１０の回転を停止すると共
に、両材料１０,１０に軸方向への所要の加圧力を付与
することにより、両端面の圧接接合を行なうものである
(ｃ)。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】前述した摩擦圧接方法
では、材料１０を相対的に回転することによって、その
接触面に摩擦熱を発生させるようになっているため、少
なくとも一方の材料１０の端面は、材料中心に対して点
対称となる円形に限定される難点がある。従って、端面
形状が材料中心に対して点対称となっていない、例えば
レールの如き異形断面の材料の接合には使用し得なかっ
た。このためレールの接合に際しては、フラッシュバッ
ト溶接やテルミット溶接等が採用されているが、前者は
周囲に火花が飛散するので溶接装置の設置場所が限定さ
れると共に、装置近傍での作業に支障を来たす欠点があ
り、また後者の場合は溶接作業が煩雑で作業能率が低下
する欠点があった。

【０００５】ここで、圧延成形した棒材同志を摩擦圧接
方法で接合した接合部の内部組織を観察すると、図１１
に示す如く、該組織は材料１０の直径方向(端面と平行
な方向)に流れているのが判る。この場合において、圧
延材料は組織の流れ方向(圧延方向)と直交する方向の負
荷に対する強度に比べて、組織の流れ方向と平行な負荷
に対する強度は低くなる。例えば前記接合材料に対して
シャルピー衝撃試験を行なった場合、組織の流れ方向と
直交する衝撃値は高い値を示すのに対し、組織の流れ方
向と平行な衝撃値は低い値を示す結果を生ずる。すなわ
ち従来の摩擦圧接方法で接合された材料は、その接合部
における強度が他の部分より劣り、該接合部から破断し
たり亀裂が入ってしまう欠点が指摘される。

【０００６】

【発明の目的】この発明は、前述した摩擦圧接方法に内
在する前記欠点に鑑み、これを好適に解決するべく提案
されたものであって、円形端面以外の材料も接合するこ
とができ、併せて高い接合強度が得られる摩擦圧接方法
を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】前述した課題を克服し、
所期の目的を好適に達成するため本発明は、接合すべき
２つの材料の端面を対向的に突合わせて摩擦を施し、そ
の両端部が摩擦熱により軟化した時点で、前記両材料を
軸方向に圧接して接合を行なうようにした摩擦圧接方法
において、前記両材料の突合わせ端面に、該材料の圧接
方向と直交する方向に対して３°以上の傾斜角度を有し
て相互に当接可能な部位を形成し、前記両材料をその端
面同志を突合わせた状態で、該材料を材料圧接方向と交
差する方向に相対的に往復移動させることにより摩擦圧
接するようにしたことを特徴とする。

【０００８】

【実施例】次に、本発明に係る摩擦圧接方法につき、好
適な実施例を挙げて、添付図面を参照しながら以下説明
する。なお本明細書で「材料圧接方向」とは、接合する材
料に加えられる加圧力の方向と平行な方向を指称するも
のとする。

【０００９】図１は、本発明に係る方法を好適に実施し
得る装置の概略構成図であって、接合する一方の材料１
０を固定する可動枠１２が、基台１４に摺動自在に載置
され、該可動枠１２は材料圧接方向と直交する方向に往
復移動するよう構成されている。すなわち、可動枠１２
の一側に第１連杆１６の一端が回転自在に枢支されると
共に、該第１連杆１６の他端は第２連杆１８の一端に回
転自在に枢支される。また、モータ２０により所定方向
に回転される円盤２２の回転中心から偏位した位置に、
前記第２連杆１８の他端が回転自在に枢支してある。従
って、モータ２０を駆動することにより、円盤２２、第
２連杆１８および第１連杆１６を介して可動枠１２は基
台１４に沿って往復移動する。

【００１０】前記可動枠１２と材料圧接方向に対向する
位置に、他方の材料１０を固定する固定枠２４が配設さ
れ、該固定枠２４は、可動枠１２に対して材料圧接方向
に進退移動自在に構成されている。すなわち、両枠１
２,２４に固定した材料１０,１０の対向する端面を、図
２(ａ)に示す如く、位相が一致した状態で突合わせ得る
ようになっている。この材料１０の端面は、図に示す如
く、該材料１０の高さ寸法の全長に亘り、材料圧接方向
に対して所要角度をもって直線状に傾斜している。但
し、対向する材料１０,１０の傾斜方向は、相互に対応
する方向に設定されることは勿論である。なお実施例で
は、摩擦接合される材料１０として、該材料の中心に対
し点対称となっていないレールを使用するものとする。

【００１１】前記可動枠１２から離間する固定枠２４の
端部に、図示しない固定部に配設した油圧シリンダ２６
のピストンロッド２６ａが接続され、該油圧シリンダ２
６は、両枠１２,２４に固定した材料１０,１０の端面同
志を圧接する加圧力を付与するべく機能する。なお油圧
シリンダ２６は、材料１０,１０の摩擦時に加えられる
摩擦圧力と、接合時に加えられるセットアップ圧力とに
切換え制御し得るよう設定されている。

【００１２】

【実施例の作用】次に、実施例に係る装置を稼動するこ
とにより実施される本発明に係る摩擦圧接方法の作用に
つき説明する。図１に示す如く、接合する一方の材料１
０を可動枠１２に位置決め固定すると共に、他方の材料
１０を固定枠２４に固定して、両材料１０,１０の端面
を対向させる。両材料１０,１０の端面は、図２(ａ)に
示す如く、材料圧接方向に対して対応する方向に傾斜す
るよう形成されている。次に、固定枠２４を前進させて
対向する材料１０,１０の端面を突合わせると共に、前
記油圧シリンダ２６を付勢して両端面間に摩擦圧力を付
与する。

【００１３】この状態で、前記モータ２０を駆動して円
盤２２を所定方向に回転することによって、前記第２連
杆１８および第１杆連１６を介して可動枠１２は基台１
４に沿って往復移動し、両材料１０,１０の接触端面は
摩擦熱により軟化するに至る。前記可動枠１２の往復移
動により材料１０,１０の接触端面が適当な軟化状態に
なり、可動枠１２の材料１０と固定枠２４の材料１０と
の端面の位相が一致したときに、前記モータ２０を停止
制御する。次いで、前記油圧シリンダ２６を付勢し、両
材料１０,１０の端面間にセットアップ圧力を付与する
ことにより、図２(ｂ)に示す如く、端面同志が圧接され
て接合されるに至る。

【００１４】以上のようにして接合された第１実施例に
係る材料１０,１０の接合部における組織の流れ方向を
観察すると、図３に示す如く、該組織は端面に沿う方向
(材料圧接方向に対して所要角度傾斜する方向)に流れて
いる(材料１０が圧延材の場合)。すなわち、材料圧接方
向と直交する方向からの負荷に対して組織は傾斜してい
るので、該接合部に加わる応力を分散させることがで
き、しかも接合面積も大きくし得るので、高い強度が得
られる。これより、回転ねじり、曲げおよび引張り等に
高い強度が要求される部材の接合方法として充分対応し
得るものである。

【００１５】(実験例)第１実施例に示す如き端面形状の
材料１０を、本発明に係る摩擦接合方法により接合した
ものについて、材料圧接方向と直交する方向におけるシ
ャルピー衝撃試験(Ｕノッチ)を行なった結果を、以下に
示す。なお炭素鋼は圧延材であり、Ｍｎ鋼は鋳造材であ
るものとする。また、シャルピー衝撃値は、端面が圧接
方向と直交(直角)する材料同志を接合した材料における
衝撃値を基準として示す。

【００１６】

【００１７】このように、材料圧接方向と直交(直角)す
る端面の材料同志を接合した接合材の衝撃値に比べ、端
面を傾斜させた接合材の衝撃値は高い値を示した。ま
た、接合する材料の材質または成形方法が同一であって
も異なっていても、端面形状が傾斜している方が衝撃値
は高くなる結果が得られた。なお、材料端面の傾斜角度
としては、圧接方向と直交する方向に対して３°〜５°
以上であれば、高い衝撃値が得られる。

【００１８】(材料の端面形状の別実施例について)前記
材料１０の端面形状としては、第１実施例の如く、材料
１０の高さ方向の全長に亘って直線的に傾斜するものに
限定されるものでなく、部分的に傾斜する形状のものも
適宜採用可能である。例えば図４に示す第２実施例で
は、一方の材料１０の端面が外方に突出する弧状に形成
され、他方の材料１０の端面が内方に引込む弧状に形成
されている。この場合は、両材料１０,１０を突合わせ
ることにより、図５に示す如く、その両端面は材料圧接
方向に対して弧状に傾斜した状態で当接する。この状態
で、図４の矢印の方向に一方の材料１０を往復移動させ
る。すなわち、往復移動させる方向では、常に同一の突
合わせ端面同志となる。また、図６に示す第３実施例で
は、材料１０の端面が逆Ｓ字形状に形成されて、その接
合面積を大きく稼ぐよう設定されている。

【００１９】次に図７に示す第４実施例は、一方の材料
１０の端部下端に、その上面が下方傾斜する突部２８が
形成され、また他方の材料１０の端部上端に、その下面
が上方傾斜する突部２８が形成されている。そして、両
突部２８,２８の上下の傾斜面を当接した状態で摩擦圧
接することにより、両傾斜面において強固に接合し得
る。また図８に示す第５実施例は、一方の材料１０の端
部中央に楔状の突部３０が形成されると共に、他方の材
料１０の端部に、楔状突部３０に対応する凹部３２が形
成されている。従ってこの実施例では、楔状突部３０を
凹部３２に嵌挿することにより、楔状突部３０の上下の
傾斜面において両材料１０,１０を強固に接合可能であ
る。更に、図９に示す第６実施例では、両材料１０,１
０の端部に、楔状突部３０とこれと対応する凹部３２と
を夫々対応的に形成することにより、両材料１０,１０
の強固な接合を達成し得るようになっている。

【００２０】なお実施例では、材料を固定する可動枠を
クランク機構を介して往復移動する場合につき説明した
が、この場合の連杆は実施例の如く２本である必要はな
く、１本のみにしてもよい。更に本発明はクランク機構
に限定されるものでなく、例えば可動枠を超音波を利用
して移動(振動)させるようにしてもよい。また、周囲の
雰囲気は大気中はもちろん、不活性ガス中にて行なうこ
ともできる。

【００２１】

【発明の効果】以上説明した如く、本発明に係る摩擦圧
接方法によれば、接合する材料の端面形状が円形でない
材料同志であっても、好適に摩擦接合することができ
る。また材料の接合面(端面)は、材料圧接方向に対して
所要の角度をもっているので、圧接方向と直交する負荷
が加わった際には、その応力を分散することができ、し
かも接合面積を大きく稼ぎ得るので、接合部の強度を増
大し得る利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る摩擦圧接方法を好適に実施し得る
装置の概略構成図である。

【図２】第１実施例に係る材料を示す説明図である。

【図３】第１実施例に係る材料の接合後の内部組織を示
す説明図である。

【図４】第２実施例に係る材料を示す説明斜視図であ
る。

【図５】第２実施例に係る材料の断面図である。

【図６】第３実施例に係る材料の断面図である。

【図７】第４実施例に係る材料の断面図である。

【図８】第５実施例に係る材料の断面図である。

【図９】第６実施例に係る材料の断面図である。

【図１０】従来技術に係る摩擦圧接方法により、棒状材
料を接合する工程を示す説明図である。

【図１１】従来技術に係る摩擦圧接方法によって接合し
た材料の内部組織を示す説明図である。

【符号の説明】

１０ 材料 １２ 可動枠 １４ 基台 １６ 第１連杆 １８ 第２連杆 ２０ モータ ２２ 円盤 ２４ 固定枠 ２６ 油圧シリンダ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 国際公開90／13388（ＷＯ，Ａ１) 斎藤 稔男、外４名，”振動圧接に関 する研究（第１報）−実験機の試作と ２、３の実験−”，溶接学会全国大会講 演概要，1977年，Ｎｏ20，ｐ300−301 中村 孝、外３名，「溶接技術講座２ 圧接とろう接」，初版，日刊工業新聞 社，昭和39年２月29日，ｐ．318−319 (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B23K 20/12

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 接合すべき２つの材料の端面を対向的に
   突合わせて摩擦を施し、その両端部が摩擦熱により軟化
   した時点で、前記両材料を軸方向に圧接して接合を行な
   うようにした摩擦圧接方法において、 前記両材料の突合わせ端面に、該材料の圧接方向と直交
   する方向に対して３°以上の傾斜角度を有して相互に当
   接可能な部位を形成し、 前記両材料をその端面同志を突合わせた状態で、該材料
   を材料圧接方向と交差する方向に相対的に往復移動させ
   ることにより摩擦圧接するようにしたことを特徴とする
   摩擦圧接方法。