JP3318610B2 - 摩擦充填接合方法 - Google Patents

摩擦充填接合方法

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JP3318610B2 JP2000255440A JP2000255440A JP3318610B2 JP 3318610 B2 JP3318610 B2 JP 3318610B2 JP 2000255440 A JP2000255440 A JP 2000255440A JP 2000255440 A JP2000255440 A JP 2000255440A JP 3318610 B2 JP3318610 B2 JP 3318610B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、摩擦充填接合方法
に関し、レールや鉄筋等を接合対象物(ワーク)として
それを簡便かつ確実に接合しようとするものである。
【0002】
【従来の技術】レール等をその端面で相互につなぎ合わ
せて長尺化を図る場合、従来はアーク溶接やガス圧接法
などの接合方式が採用されていたが、上記のような従来
の接合方式は、何れの場合も接合部位を一たん溶融させ
て接合するものであることから、溶接欠陥が生じたり脆
化組織の発生が不可避であった。
【0003】上記のような接合方式の欠点を解消するも
のとしては、近年、回転式の摩擦圧接法が開発されてき
ており、この点に関しては、例えば「溶接・接合便覧」
(溶接学会偏 発行所 丸善株式会社 第480〜489頁)
が参照される。
【0004】しかしながら、かかる回転式の摩擦圧接法
は、接合すべきワークのうちの少なくとも一方を回転さ
せることによって接合に必要な熱エネルギーを発生させ
るものであって、とくにワークの大型化、長尺化を伴う
場合や異形断面を有する部材を対象とする場合にワーク
自体を回転させるには技術的な面で困難があり実用的で
はないところに問題を残している。
【0005】本発明の課題は、ワークのサイズや形状に
規制を受けたり、溶接欠陥を伴うことなしに簡便かつ確
実に接合できる新規な摩擦充填接合方法を提案するとこ
ろにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明は、少なくとも2
つのワークをそれらの端面で相互に接合するに当たり、
各ワークの端面相互間に充填材として中間部材を配置
し、該中間部材を高速回転若しくは高速振動させるとと
もに、各ワークをそれぞれ下記の条件下に中間部材に押
し当ててその相互にて摩擦圧力を発生させ、次いで、該
中間部材の回転若しくは振動を停止させると同時に各ワ
ークを下記の条件下に中間部材に向けてアップセットす
ることを特徴とする摩擦充填接合方法である。 摩擦圧力を発生させる際のワークの寄り速度:0.01mm/
s 〜5mm/s アップセットする際のワークの寄り速度:0.01mm/s 〜
5mm/s
【0007】本発明においてワークの寄り速度とはワー
クに外力を付与して中間部材に押しつける速度をいうも
とする。また、中間部材を回転させる場合には、100
〜10000rpmとすることが、また、中間部材を振動させる
場合には10〜1000Hzとすることが好ましい。
【0008】アップセットに際しては接合部の健全性を
確保することと、継手の強度を図るため中間部材を十分
に変形させる必要がある。そのためアップセットの際の
圧力は、中間部材の高速回転若しくは高速振動下におい
て生じる摩擦圧力と同等とするかそれよりも大きくする
のが望ましい。
【0009】ワークを高速回転若しくは高速振動中の中
間部材に押し当てる時間は1〜1000秒とすることが、ま
た、アップセットの際の時間は1〜100秒とすることが特
に好ましい。
【0010】
【発明の実施の形態】充填材(フィラー)としてこれを
高速回転若しくは高速振動させて、ここに接合すべきワ
ークの端面を押し当てて接合に必要な摩擦圧力を確保す
る。
【0011】
【実施例】以下、図面を用いて本発明をより具体的に説
明する。図1(a)(b)〜図3は本発明に従う接合方
法の一例を示したものである。図において、1は充填
材、2は接合すべきワークである。
【0012】ワーク2をその端面で相互に接合するに
は、まず、図1に示すように充填材1を高速回転させ
る。
【0013】そして、次の段階として図2に示すように
ワーク2を制御された寄り速度V1のもとで充填材1に
所定の摩擦力が得られるように押し当て、次いで、図3
に示すように充填材1の回転を停止すると同時にワーク
2を制御された寄り速度V1で充填材1に向けてアップ
セットする。アップセット後におけるワーク2と充填材
1は図4あるいは図5に示すような状態を呈することに
なる。
【0014】本発明に適用し得るワークとしては、鋼等
の金属材料を用いることができる他、プラスチック等の
有機材料を適用することができる。
【0015】ワークが金属材料の場合、充填材としては
同種系の金属材料やその合金を用いることができ、ま
た、ワークがプラスチック等の有機材料である場合に
は、同種の有機材料や繊維等で強化したいわゆる複合材
料等を充填材とすることができる。中間部材に関しては
基本的にはワークと同等のものを使用するが、本発明で
は、異種材料の接合についても適用し得る。例えば、ワ
ークとして鉄と銅を、中間部材としてニッケル等を選択
した場合、鉄とニッケル及び銅とニッケルは状態図的に
は脆い金属間化合物を生成しにくく、かかるワークの接
合が可能であり、ろう付け技術で用いられているような
フィラーメタル等を用いることができ、ワーク、中間部
材ともにその材質等に限定されない。
【0016】ワーク2と充填材1の相互間で発生させる
摩擦圧力は、ワークの端面を十分な温度域に加熱、昇温
する観点から10〜500MPa程度とするのがよい。
【0017】アップセット圧力については、接合部の健
全性、継手の十分な強度を確保するため10〜1000
MPa程度とする。
【0018】本発明においては、アップセット時におけ
る圧力は摩擦圧力と同等とするかそれよりも大きくする
必要があるが、その理由はアップセット時に摩擦圧力と
同等かもしくはそれ以上の圧力を付与することによって
接合部の強度と健全性を確保できるからである。とく
に、アップセット時における中間部材の変形の程度は、
中間部材の元径の95%以下、より好ましくは95〜1
0%程度とするのがよい。
【0019】摩擦圧力を発生させる際やアップセット時
においてはワーク2を充填材1に向けて押圧する必要が
あるがそのための具体的手段としては、油圧ジャッキー
あるいは電動ジャッキーを用いる。
【0020】本発明においては、充填材を高速回転させ
る場合、基本的には丸棒を用いるが、充填材に例えばそ
の軸芯に沿う振動を与えて摩擦圧力を発生させる場合に
は、矩形断面のものを適用することもできる。
【0021】充填材は、ワークのより確実な接合を導く
ために、ワークの端面の断面積と同等とするかそれより
も大きな径あるいは断面積を有するものを適用するのが
よい。
【0022】本発明においては、ワーク2の接合過程で
充填材の破断を防ぎ、かつ、接合部付近への入熱量を増
大させるとともに温度分布の均一化を図るために充填材
1の周りに図6に示すよな切り欠き部Kを複数設けるこ
とができる。この切り欠き部Kはその深さを3mm程度と
するがその深さや切り欠き幅についてはとくに限定され
ない。また、断面形状に関してもV形、U形、溝形等何
れの形状を適用してもよい。ただし、アップセット後に
おける切り欠き部Kの温度が充填材1の破断強さを超え
るような温度となるサイズ、形状としておくことによ
り、アップセットされている間に切り欠き部Kで充填材
1が自動的に切断されるので、接合部における仕上げ加
工の簡便化を図ることができる利点がある。
【0023】上掲図1では、ワーク2の端面が相互に同
一の断面を有するものの接合例を示したが、本発明で
は、異形断面を有するワークの接合も可能である他、例
えば断面の異なるワーク2を上下に重ね合わせ、その端
面に適合するように充填材1の外観形状を加工した図7
に示すような接合へも適用できる。
【0024】図8はワーク2を充填材1を中心にして4
軸方向から押圧して接合する例を示したものであり、ワ
ーク2の数を変えることにより多数軸の接合も可能にな
る。
【0025】本発明では、ワーク2の端面における形状
や接合条件によっては、図9に示すようにワーク2と充
填材1の境界にかえり(burr)の如き接合欠陥が生じる
ことも懸念される。
【0026】このため、ワーク2の接合に際しては図1
0に示すような治具を使用することができる。同図にお
いて3はベース部材、4はベース部材3に保持されワー
ク2の接合部において該ワーク2を充填材1とともに図
11あるいは図12のように挟み込んでガイドするタン
グステンカーバイドの如き部材からなるホルダーであ
る。
【0027】かかる治具を使用してワーク2の接合を行
なうことにより上掲図9に示すような欠陥は効果的に回
避される。
【0028】図13は図10に示したようなホルダー4
に替えて欠陥の発生する部位にのみ押し当てる押圧部材
5を適用した例であるが、本発明ではこのような押圧部
材5を使用してもよい。
【0029】ワーク2の接合に際して接合部近傍域にお
ける酸化が欠陥の原因になり得るようなことが想定され
る場合には、充填材1を含むワーク2の端面を図14の
如く取り囲みその中にセラミック粒子Cを充填してお
き、これによって酸化を防止するか、あるいは該セラミ
ック粒子Cを還元剤として作用させつつ接合することも
できる。
【0030】この他、本発明では、コンクリート柱を構
成する例えば図15(a)(b)に示すような鉄筋材を
閉ループとして接合することも可能であり、フラッシュ
バット溶接やガス圧接などの接合法に比較し現場におけ
る施工が容易になる。
【0031】図16は充填材1としてS45Cの丸棒を
用い、ワーク2としてS400の板材を用いて深さ3mm
になる切り欠部を設けた場合とそうでない場合につき、
同一条件でワークの接合を試み、その接合部位近傍域の
硬さについて調査した結果を示したものである。
【0032】充填材に切り欠を設けた場合、接合部近傍
域において硬化域が大きくなり組織観察では微細化域も
広がっており入熱に関し好影響を与えている。
【0033】直径20mm、25mmになるS45C(引張
強度570MPa)の丸棒をそれぞれ充填材とし、断面
積が20×20mmになるS400(引張強度400〜
500MPa)の板材をワークとして下記の条件で接合
を行い、得られた継手につき、プロジェクターによるマ
クロ観察、光学顕微鏡による組織観察及び引張試験を行
い継手性能の評価を行なった。
【0034】接合条件 充填材の回転数:2000rpm 摩擦圧力 :38.0MPa 摩擦圧力寄り速度:0.2mm/s 摩擦時間 :30秒、60秒 アップセット圧力寄り速度:1.0mm/s アップセット圧力:60.1MPa アップセット時間:20秒
【0035】図17、図18はA継手(直径20mmの充
填材を使用して摩擦時間tを30秒)、B継手(直径
25mmの充填材を使用して摩擦時間tを60秒)の横
断面及び縦断面のマクロスケッチをそれぞれ示したもの
であるが、何れの継手においても端部において多少の欠
陥が観察されたが他の部分では良好な接合状態となって
いる。
【0036】図19に上掲図17に示したA継手の金属
組織写真を、また、図20、図21にアップセット直後
におけるA継手B継手の外観写真をそれぞれ示す。
【0037】A継手、B継手、深さ3mmの切り欠を設け
た直径20mmの丸棒(S45C)を充填材として用い、
摩擦時間tを50秒とした他は全てA継手、B継手と
同様の条件で接合したC継手及び深さ3mmの切り欠き部
を全周に設けた直径20mmの丸棒(S45C)を充填材
として用いた他はC継手と同様の条件で接合したD継手
につき、それらの継手の上部、中心部および下部より引
張試験片を切り出し、各試験片についての引張強度を調
査した結果を図22に示す。図22より明らかなよう
に、何れの継手においても継手の中心部で最も高い引張
強度を示し、最高で母材の80%程度の強度を確保でき
ることが確認された。
【0038】継手の上部、下部に関しては引張強度が低
下する傾向にあるが、充填材として切り欠部を設けたD
継手では継手上部の引張強度が上昇している。板材の断
面積20×20mm2に対し直径が20mmになる充填材を
用い、摩擦時間t1をA継手よりも長い50秒としたC継
手では、引張強度に関してさほどの上昇は望め得なかっ
たが、板材の断面積20×20mmに対し直径が25mm
の中間材を用いた接合において得られたB継手では、と
くに継手中心部、下部の引張強度が上昇する傾向にあっ
た。
【0039】
【発明の効果】本発明によれば、接合すべきワークを固
定したままにしておき、充填材としての中間部材のみを
回転あるいは振動させることにより摩擦圧力を発生させ
るので、ワークのサイズや形状(異形部材など)にかか
わりなく、ワーク同士を簡便かつ確実に接合することが
できる。
【0040】また、本発明においては接合部が溶融する
ことがない(固相接合法)ので、溶融を伴う接合におい
て不可避な欠陥の発生がなく、接合部における品質の安
定化が可能になる。
【0041】さらに本発明によれば、中間部材の回転機
構及びワークの押圧機構を用意するだけでよいので、接
合装置の簡素化、コンパクト化が可能であり、現地施工
への対応が容易になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明に従う接合要領の説明図であり(a)
は側面を示した図であり、(b)は平面を示した図であ
る。
【図2】 本発明に従う接合要領の説明図である。
【図3】 本発明に従う接合要領の説明図である。
【図4】 ワークの接合状態をその平面で示した図であ
る。
【図5】 ワークの接合状態をその平面で示した図であ
る。
【図6】 充填材に切り欠き部K を設けた例を示した図
である。
【図7】 本発明に従う接合要領の他の例を示した図で
ある。
【図8】 本発明に従う接合要領の他の例を示した図で
ある。
【図9】 ワークの接合部を模式的に示した図である。
【図10】 本発明の実施に使用して好適な治具の構成
例を示した図である。
【図11】 治具を使用した場合における接合部の平面
を示した図である。
【図12】 治具を使用した場合における接合部の平面
を示した図である。
【図13】 本発明の実施に使用して好適な治具の他の
例を示した図である。
【図14】 本発明に従う接合要領の他の形態を示した
図である。
【図15】 (a)(b)は本発明を鉄筋材の接合に適
用した例を示した図である。
【図16】 接合部における硬さの変動状況を示した図
である。
【図17】 (a)(b)はA継手の横断面及び縦断面
のマクロスケッチを示したものである。
【図18】 (a)(b)はB継手の横断面及び縦断面
のマイクロスケッチを示したものである。
【図19】 A継手の金属組織写真である。
【図20】 A継手の外観図の代用写真である。
【図21】 B継手の外観図の代用写真である。
【図22】 A〜D継手の上部、中央部、下部の引張強
度を示したグラフである。
【符号の説明】
1 充填材 2 ワーク 3 ベース部材 4 ホルダー 5 押圧部材
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−176484(JP,A) 特開 平6−328273(JP,A) 特開 昭58−20389(JP,A) 実開 昭50−70133(JP,U) 特公 昭39−9473(JP,B1) Wayne Thomas,Dave Nicholas and Rich ard Wiktorowicz,Fr iction processes b enefit from a gas shield,Welding & M etal Fabrication,英 国,DMG Business Med ia Ltd,1998年 5月29日,Vo l.66,No.4,P.7−8,10−11

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 少なくとも2つのワークをそれらの端面
    で相互に接合するに当たり、 各ワークの端面相互間に充填材として中間部材を配置
    し、該中間部材を高速回転若しくは高速振動させるとと
    もに、各ワークをそれぞれ下記の条件下に中間部材に押
    し当ててその相互にて摩擦圧力を発生させ、次いで、該
    中間部材の回転若しくは振動を停止させると同時に各ワ
    ークを下記の条件下に中間部材に向けてアップセットす
    ることを特徴とする摩擦充填接合方法。 摩擦圧力を発生させる際のワークの寄り速度:0.01mm/
    s 〜5mm/s アップセットする際のワークの寄り速度:0.01mm/s 〜
    5mm/s
  2. 【請求項2】 中間部材の回転数若しくは振動数は100
    〜10000rpm若しくは10〜1000Hzである、請求項1記載の
    方法。
  3. 【請求項3】 アップセットの際の圧力は、中間部材の
    高速回転若しくは高速振動下において生じる摩擦圧力と
    同等かそれより大きいものである、請求項1又は2記載
    の方法。
  4. 【請求項4】 ワークを高速回転若しくは高速振動中の
    中間部材に押し当てる時間は1〜1000秒であり、アップ
    セットの際の時間は1〜100秒である、請求項1〜3の
    何れかに記載の方法。
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