JP3333462B2 - 摩擦攪拌溶接方法および構造物 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、摩擦撹拌溶接（Fr
iction Stir Welding）に好適な溶接方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】鉄道車両の車体のような大型構造物の溶
接には、ワークの溶接線の両側を押さえ金具で抑え付け
て、溶接している。金具の加圧機構としては、ボルト締
め、エアシリンダ、エアホースに高圧エアを吹き込む方
法などがある。このようなものは次の文献に示されてい
る。「現代溶接技術大系《第３６巻》 やさしい自動・
半自動溶接・ティグ溶接」産報 昭和55年１月23日 PP.
248〜249。

【０００３】なお、摩擦撹拌溶接（Friction Stir Weld
ing）とは、回転する接合用工具を用いてワークを接合
するものである。接合用の工具は大径の丸棒の先端に小
径の丸棒を有し、小径部をワークに挿入して、工具を回
転させ、回転させながら接合線に沿って移動させ、固相
接合するものである。これは特開表７−５０５０９０号
公報（ＷＯ ９３／１０９３５）、Welding & metal Fa
brication, January 1995 PP.13-16、特願平８−３２２
４９０号に示されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】アルミ合金などの溶接
は、開先表面の清浄さが溶接品質に大きな影響を及ぼす
ので、ステンレス鋼製のワイヤホイールなどで研磨して
清浄にしている。また、溶接ビードの余盛りを除去する
必要がある場合はグラインダー等で削除している。この
ような溶接の付帯作業があるので、広い作業場所と多く
の作業工数を必要としている。

【０００５】また、溶接のアーク熱によりワークが加熱
され膨張し変形し、開先に目違いを生ずるのを防止する
ため、金具でワークを押さえて拘束し、溶接している
（前記最初の文献のとおり）。ワークが大きい場合には
大掛かりな設備になり、多額の設備費が必要である。

【０００６】また、溶接入熱により歪みが発生する。歪
の発生量が許容量を越えた場合は、後行程で歪修正を行
っている。

【０００７】本発明は、安価に摩擦攪拌溶接を行えるよ
うにすることにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的は、第１のワー
クと第２のワークとの突き合わせ部分を摩擦攪拌溶接す
る方法において、前記第１のワークの端部および前記第
２のワークの端部には、前記突き合わせ部分において、
ワークの厚さ方向に突出する突出部を有しており、前記
突出部は、該突出部の頂側からそれぞれの前記ワークの
他端側であって該ワークの内側に向けて広がるように傾
斜しており、該突出部側から前記突き合わせた部分に挿
入した回転工具の大径部と小径部との境が前記突出部内
に位置する状態で、摩擦攪拌溶接を行うこと、によって
達成できる。

【０００９】

【発明の実施の形態】図１から図５は参考例である。本
発明の実施例はこの参考例も用いて説明する。図１から
図５の参考例は鉄道車両の車体の屋根構体の溶接装置で
ある。ワーク１０はアルミニウム合金の押し出し型材で
あり、車体の長手方向に向けて配置され、複数本を並列
に配置している。ワーク１０同士は突き合わせ溶接でき
るように、突き合わせられ、開先がある。ワークは架台
の裏当て座１５へ固定されている。また、ワーク１０同
士は溶接部１３を適宜仮止め溶接されている。ワーク１
０、１０を跨いだ門型形状の溶接装置２０が長手方向に
敷設した走行レール２９上を走行して、溶接ヘッド３０
で開先表面の研磨清浄、アーク溶接、および溶接ビード
の余盛り削除を溶接装置２０の１行程で施工する。溶接
ヘッド３０は溶接線の数だけある。裏当て座１５はワー
ク１０、１０・・・が正規の仕上げ状態になるように構
成している。

【００１０】溶接ヘッド３０は溶接装置２０のガーダ２
１をガーダの長手方向に移動できると共に、昇降でき
る。溶接ヘッド３０はそれぞれ単独で前記移動、昇降が
可能である。

【００１１】溶接ヘッド３０は、溶接進行方向の前方か
ら順に、開先表面の皮膜や汚れを研磨除去して清浄にす
るための研磨装置４０、研磨により発生した屑を吸引し
て除去するための吸引口４７、開先の位置を検出するセ
ンサ５０、溶接部の押さえ装置６０、溶接トーチ５５、
溶接部の押さえ装置８０、溶接ビードの余盛りを切削す
る切削装置９０、切削屑を吸引するための吸引口９７を
設置している。

【００１２】これらは座３１に設置されている。柱３２
を昇降させて、ワーク１０に対する位置を定める。セン
サ５０によってワークの開先を検出してトーチ７０が所
定位置に位置するように、座３１をワーク１０の幅方向
に移動させる。

【００１３】研磨装置４０は、ワイヤホイール４２、そ
れを回転させる空気モータ等からなる。空気モータ４３
の回転によって、笠歯車４４、平歯車４５、４６が回転
し、ワイヤホイール４２が回転する。研磨装置４０の座
４１は昇降装置４８によって昇降する。昇降装置４８は
ねじ棒とナットからなり、ハンドル４８ａを回転させる
ことによって昇降する。

【００１４】ワイヤホイール４２はワイヤ線径0.15〜0.
25mmのステンレス鋼線を放射状に植え込んだものであ
る。開先表面を研磨して発生した表面の皮膜屑や汚れの
研磨屑は、ワイヤホイール４２の後部に設置の吸込口４
７で吸引される。

【００１５】センサ５０はレーザ光を開先に照射し、そ
の画像をＣＣＤカメラで撮影し、溶接トーチ５５と開先
の位置を常に一定距離に自動追従させるものである。

【００１６】押さえ装置６０、８０はワーク１０を裏当
て座１５に押しつける（加圧）ものである。押さえ装置
６０は溶接トーチ５５のアークで加熱されたワーク１０
が膨張し変形して開先に目違いを生ずることを防止す
る。押さえ装置６０、８０による加圧はエアシリンダ６
１、８１で行う。ワーク１０への接触は押さえ装置６
０、８０のロール６２、８２である。

【００１７】ワークの押さえ効果は溶接の溶融池に接近
する程大きい。しかし、ロールを溶融池に接近させると
アーク熱でロール６２、８２が高温に過熱され、短時間
で劣化するので、ロール６２、８２の冷却機構を設けて
いる。

【００１８】押さえ装置６０のロール６２は複数個あ
り、全てのロール６２、６２の両側を継板６３でピン６
４を介して連結し、無限帯に構成している。この無限帯
は保持座６５に支持されている。保持座６５はロール６
２の軸方向に２分割されている。環状の無限帯の内部に
接触する凸部６５ａを有する。ロール６２をワーク１０
に押しつけることによって、下方のロール６２の上面が
凸部６５ａに接触する。凸部６５ａよりも上方のロール
６２の下面は凸部６５ａの上面に接触する。保持座６５
には冷却水の通路６６を設けている。凸部６５ａにも冷
却水通路６６を設けるとよい。

【００１９】ロール６２は左右のワーク１０、１０を押
さえる。ロール６２は複数あり、常に、複数のロール６
２がワーク１０に接触しているようにしている。ロール
６２、保持座６５、仕切り板６９の材質は熱伝導が大き
くて硬度も高い銅合金である。

【００２０】溶接ヘッド３０をワーク１０に沿って移動
させると、ロール６２の無限帯が回転する。この際、ロ
ール６２は冷却された保持座６５に接触して冷却され
る。

【００２１】凸部６５ａと凸部６５ａの間には仕切り板
６９を配置している。仕切り板６６の外周縁がロール６
２の中央部の凹部に入っている。これにより、ロール６
２の位置決めを行う。２つの保持座６５、６５は複数の
ボルト・ナット６８によって一体に締結している。

【００２２】ロール６２によるワーク１０の加圧力の調
整はエアシリンダ６１のエア圧力を加減して行う。

【００２３】溶接トーチ５５の後方の押さえ装置８０は
ワーク１０全体が裏当て座１５から浮き上がることを防
止するものである。このため溶接トーチ５５の前方の押
さえ装置６０ほど溶接トーチ５５に接近して設置する必
要はない。しかし、この場合でもロール８２が高温に加
熱されるため、冷却する必要がある。ロール８２はその
軸方向の中央部に溶接ビードとの接触を防止するための
凹部を設けている。ロール８２は左右のワーク１０、１
０を押さえる。ロール８２は筒部の端部にフランジを有
する熱伝体８３を介してピン８４で保持座８５のフラン
ジ８５ａに回転自在に取り付けられている。ピン８４は
ネジ８７でフランジ８５ａに固定している。保持座８５
は冷却水の通路８６に水を通すことによって冷却されて
いる。熱伝体８３は左右に２分割され、そのフランジは
ロール８２および保持座８５のフランジに接触してい
る。ロール８２、熱伝体８３、保持座８５、ピン８４の
材質は熱伝導が大きくて硬度も高い銅合金である。

【００２４】ロール８２によるワーク１０の加圧力の調
整はエアシリンダ８１のエア圧力を加減して行う。

【００２５】切削装置９０はエンドミル９２、これを回
転させる電動機９３からなる。切削装置９０はエアシリ
ンダ８１によって昇降する。このため、切削装置９０は
押さえ装置８０の近傍に設置している。

【００２６】吸込口４７、９７はホースを介して真空装
置に連結している。押さえ装置６０、８０の水通路６
６、８６には往復の水のホースが接続している。これら
のホースは上方のガーダ等で支えられている。

【００２７】かかる構成において、ワーク１０、１０を
裏当て座１５に固定した後、研磨装置４０、押さえ装置
６０、８０、切削装置９０の高さをセットし、それぞれ
を駆動状態で、溶接線に沿って上流から下流に向けて溶
接ヘッド３０を移動させる。

【００２８】研磨装置の４０のワイヤホイール４２は開
先を研磨し、その研磨屑はノズル４７から吸い取られ
る。押さえ装置６０、８０のローラ６２、８２は開先の
近くを押さえる。入熱した熱は保持座６５、８５にロー
ル６２、８２が接触することにより、奪われる。溶接ビ
ード（余盛り）は切削装置９０のエンドミル９２の下端
部で切削される。その切削屑はノズル９７で吸い取られ
る。

【００２９】このように、溶接ヘッド３０の１行程の移
動で、研磨、溶接、切削を行うことができるものであ
る。また、装置を小さくでき、必要な場所を小さくでき
るものである。

【００３０】押さえ装置６０、８０のロール６２、８２
はその保持座６５、８５への接触によって強制的に冷却
される。このため、従来のようなローラの回転不能によ
って押さえが不十分になることが無く、溶接部のワーク
１０、１０の段違いが発生することがないものである。
また、エンドミル９２の下端位置も一定になるものであ
る。

【００３１】溶接トーチ５５は溶接ヘッド３０の移動方
向の前方に向いているので、前方の押さえ装置６０の方
が高温になる。この押さえ装置６０のロール６２は無限
帯に設置することによって、保持座６５との接触時間を
長くしている。このため、押さえ装置８０に比べてロー
ル６２は良く冷却されることになる。

【００３２】センサ５０は開先の高さ位置を検出し、柱
３２を昇降させる。また、押さえ装置６０、８０、切削
装置９０を昇降させるエアシリンダ６１、８１は所定圧
で押し下げるようになっており、ワーク側からの反力に
よって若干上下動できる。

【００３３】切削装置９０の切削手段はエンドミル９２
である。このため、切削装置を小型で極めて安価にでき
るものである。なお、切削装置９０による機械切削では
切削のし過ぎを防止するため、ワーク１０の上面よりも
若干上方を切削する。溶接ヘッド３０による切削の後、
グラインダーによる手作業でワークの上面と面一に仕上
げる。切削装置９０による切削が不要な場合はエンドミ
ル９２を除く。

【００３４】アーク溶接による溶接歪の発生が溶接直後
に余盛りを削除することにより軽減できる。溶接後完全
に冷却（室温状態）した後に余盛りをグラインダーで削
除した場合と、溶接直後に高温で余盛りをエンドミル９
２で削除した場合の歪発生量を図６のワークの例で示
す。材質：A5083P-0、板厚：４mm、幅：150mm、長さ：1
000mmのワークを、ＭＩＧ溶接で溶接電流：１８０Ａ、
アーク電圧：２２Ｖ、溶接速度：５０cm/分、溶接ワイ
ヤ径：１.２mmで自動溶接を行った。歪量δは前者が約
９mmで、後者が約７mmになった。なお、エンドミル９２
の位置は約３００°Ｃの位置である。

【００３５】ロール６２、８２がワーク１０の上面を転
動することによって、エアシリンダ６１、８２は曲げ力
を受ける。このため、エアシリンダ６２、８２と保持座
６５、８５の間に直線状の案内装置を設けるとよい。

【００３６】上記参考例はアーク溶接の場合であった
が、摩擦撹拌溶接にも適用できるものである。この場合
は固相接合であるので、アーク溶接ほどには高温にはな
らない。押さえ装置６０、８０の強制冷却手段は必要に
より設ける。研磨装置４０、切削装置９０は同様に適用
できる。

【００３７】なお、摩擦攪拌溶接を図７によって説明す
る。ワーク１１の端部には、外面側（即ち、摩擦攪拌溶
接の工具１００側）に突出する突出部１１ａを有してい
る。厚肉部１１ａはワーク１１の内側に行くにしたがっ
て傾斜している。ワーク１１の端部は垂直である。この
２つのワーク１１、１１を突き合わせている。工具１０
０は大径の丸棒１０１とその先端の小径の丸棒１０２と
からなる。工具を回転させながら小径部１０２を突き合
わせ部に入れ、接合線に沿って移動させる。大径部の下
端、即ち、小径部１０２と大径部１０１との境は、ワー
ク１１の板部１１ｂ、１１ｂの上面よりも外側であっ
て、突出部１１ａ、１１ａの内部に位置している。

【００３８】前記境によってワーク１１、１１の一部は
削り取られる。これらにより、ワーク１１の面を平滑に
仕上げるためには、余盛りの状態（突出部１１ａ付き）
で溶接（接合）を行い、その後、前記余盛りを切削する
とよい。

【００３９】

【発明の効果】本発明によれば、安価に摩擦攪拌溶接を
行うことができるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】参考例の溶接ヘッドの側面図を示す。

【図２】図１の溶接ヘッドを備えた溶接装置の全体斜視
図である。

【図３】図１の溶接ヘッドの溶接部押さえ装置の拡大側
面図である。

【図４】図３の縦断面図である。

【図５】図１の溶接ヘッドの押さえ装置の縦断面図であ
る。

【図６】溶接歪を説明するためのワークの全体図であ
る。

【図７】本発明の一実施例の溶接部の縦断面図である。

【符号の説明】

１０、１１…ワーク、１１ａ…突出部、１５…裏当て
座、２０…溶接装置、３０…溶接ヘッド、４０…研磨装
置、４２…ワイヤホイール、４７…吸引口、５０…セン
サ、５５…溶接トーチ、６０、８０…押さえ装置、６
２、８２…ロール、８０…切削装置、９２…エンドミ
ル、９７…吸引口、１００…回転工具。

フロントページの続き (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】 第１のワークと第２のワークとの突き合
   わせ部分を摩擦攪拌溶接する方法において、 前記第１のワークの端部および前記第２のワークの端部
   には、前記突き合わせ部分において、ワークの厚さ方向
   に突出する突出部を有しており、前記突出部は、該突出部の頂側からそれぞれの前記ワー
   クの他端側であって該ワークの内側に向けて広がるよう
   に傾斜しており、 該突出部側から前記突き合わせた部分に挿入した回転工
   具の大径部と小径部との境が前記突出部内に位置する状
   態で、摩擦攪拌溶接を行うこと、 を特徴とする摩擦攪拌溶接方法。