JP3814582B2 - Friction stir welding method and apparatus - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、第1プレート部材の端部と第2プレート部材の端部とを突き合わせた突き合わせ部の一方の面に、回転するプローブを押し付けながら、前記プローブを前記突き合わせ部に沿って相対的に移動させることにより、前記突き合わせ部を接合する摩擦撹拌接合方法および装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
一般的に、ワーク(物体)に回転するプローブを挿入する際に発生する摩擦熱を利用して、2つのワークを固相接合する摩擦撹拌溶接(Friction Stir Welding :以下、FSWともいう)が知られている。上記の接合によると、ワークの接合部分は、母材に対して80%程度の強度を維持することができ、結晶の粗大化も防止することが可能になる。
【0003】
例えば、ワークとしてアルミニウム材を用い、従来のスポット溶接や電子ビームによる溶接を行うと、このアルミニウム材に過剰な熱が付与されてしまう。このため、材料の劣化や粗大化による強度低下が惹起されるおそれがある。
【0004】
これに対して、FSWでは、アルミニウム材のように比較的融点の低い金属材料(アルミニウムでは、600℃〜660℃程度)を用いても、500℃程度で接合が行われるため、熱による劣化が防止される。従って、FSWによる場合は、アルミニウム材の他、マグネシウムやチタン、高分子等の他の材料にも適用することが可能である。
【0005】
上記のFSWをアルミニウム材に適用する例として、電車のような大型部材のアルミニウムフレームが挙げられる。この種の大型部材は、接合の強度を重視しており、アルミニウム材の厚さは、通常、5mm以上に設定されている。一方、ガスタービンエンジン部材のように、強度の向上とともに軽量化を図ることが望まれている部材では、厚さを大きくすることができない。このため、例えば、1.2mm程度の薄板状のアルミニウム材を用い、ガスタービンエンジンの外枠を構成している。
【0006】
しかしながら、薄板状のアルミニウム材の両端部を突き合わせた突き合わせ部を、FSWで接合して比較的大径な円筒部材を形成する際、このアルミニウム材が薄肉であるために真円度を得ることができないという問題がある。
【0007】
さらに、2つの円筒部材の端部同士を突き合わせた突き合わせ部を、FSWにより接合する際、各端部の円周長さが同一寸法にならないおそれがある。従って、この状態で、円筒部材をFSWにより接合すると、接合部の最終部位で位相差が発生し、例えば、波形に変形する、所謂、皺が惹起されるという問題がある。
【0008】
この他、FSWによる接合時には、薄板状のアルミニウム材に1t〜2t単位の押し付け力が付与される。このため、アルミニウム材を確実に保持し得ないと、接合部にはFSWによって凹凸が発生するという問題がある。
【0009】
そこで、例えば、特許文献1のアルミニウム部材の接合方法では、図12に示すように、アルミニウムの中空管(プレート部材)1a、1bの突き合わせ部2の内部に、この中空管1a、1bと同一材料の裏当て3が配置されている。この裏当て3と突き合わせ部2の内面との間には、所定の隙間Cが形成されている。
【0010】
このような構成において、プローブ4を高速回転させながら突き合わせ部2および裏当て3にプローブ先端4aを挿入し、前記プローブ4を前記突き合わせ部2に沿って移動させる。これにより、周回する突き合わせ部2の全周に摩擦撹拌接合が行われる。
【0011】
【特許文献1】
特開平11−226759号公報(段落[0018]、[0019]、図1)
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
上記の特許文献1では、裏当て3は中空管1a、1bの補強材としてこの中空管1a、1bの内面に接合されている。しかしながら、このように裏当て3が接合された中空管1a、1bは、例えば、ガスタービンエンジンの外枠として使用することができない。このため、中空管1a、1bを接合した後、この中空管1a、1bの内面から裏当て3を剥離しなければならず、特に薄肉な中空管1a、1bでは、前記裏当て3の剥離処理によって歪みが発生するという問題が指摘されている。しかも、裏当て3は、剥離により破損するおそれがあり、これによって繰り返し利用することができず、経済的ではないという問題がある。
【0013】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、特に薄肉な円筒部材同士を良好かつ経済的に接合することができ、しかも構成および工程の簡素化を図ることが可能な摩擦撹拌接合方法および装置を提供することを目的とする。
【0014】
【課題を解決するための手段】
本発明では、突き合わせ部の他方の面を保持する裏当て治具に、前記突き合わせ部に対応して緩衝部材が取り付けられる。次いで、第1および第2円筒部材が裏当て治具に保持された状態で、プローブを突き合わせ部の一方の面から挿入し、かつ前記プローブの先端を緩衝部材から離間した位置に維持しながら、前記突き合わせ部に沿って摩擦撹拌接合が行われる。その際、第1および第2円筒部材を裏当て治具に対し膨張させた状態で、前記裏当て治具に前記第1および第2円筒部材が配置される。第1および第2円筒部材が加熱されると、この第1および第2円筒部材が熱膨張して内周径が拡大する。従って、第1および第2円筒部材は、裏当て治具に容易に外装されるとともに、冷却されることにより収縮して前記裏当て治具の外周面に確実に密着する。
【0015】
このため、第1および第2円筒部材は、裏当て治具に張り付くことがなく、前記裏当て治具は、前記第1および第2円筒部材から剥離されることによる破損のおそれがない。これによって、裏当て治具は、繰り返し利用することができ、経済的である。しかも、第1および第2円筒部材は、緩衝部材に接合されることがなく、前記緩衝部材の離脱処理が容易に遂行される。
【0016】
また、摩擦撹拌接合が行われた後、突き合わせ部の他方の面に緩衝部材が圧着した状態で、前記突き合わせ部から裏当て治具のみが離脱される。次に、突き合わせ部の他方の面から緩衝部材が離脱される。このため、第1および第2円筒部材には、裏当て治具が離脱される際に残留歪みが発生することがない。
【0017】
さらに、裏当て治具と突き合わせ部の他方の面とを密着状態にすることにより、第1および第2円筒部材の端部同士を同一の長さに規制する。従って、特に薄肉でかつ比較的大径な突き合わせ部であっても、プローブの挿入によって変形や皺等による位相差が発生することがなく、前記突き合わせ部の真円度を良好に維持することができ、寸法精度が向上する。しかも、突き合わせ部のずれを阻止して正確な位置出しが可能になり、摩擦撹拌接合処理が効率的に遂行される。
【0018】
さらにまた、裏当て治具は、真円形状の外周面を有しており、この外周面に密着する第1および第2円筒部材の端部同士を同一の円周長さに規制する。これにより、簡単かつ経済的な構成および工程で、第1および第2円筒部材は、真円度を確実に維持して突き合わせ部全周を良好に接合される。
【0019】
その際、裏当て治具は、複数に分割されて径方向に進退自在な分割治具を備えるとともに、緩衝部材は、それぞれの分割治具に形成された各凹状部に一体的に嵌合自在なリング状に構成される。このため、摩擦撹拌接合後に、裏当て治具を緩衝部材から容易かつ迅速に離脱させることができる。
【0021】
さらに、第1および第2円筒部材は、プローブの挿入方向と略直交する方向から加圧力が付与された状態で、突き合わせ部に沿って摩擦撹拌接合される。これにより、第1および第2円筒部材の端部同士を確実に圧着することができ、突き合わせ部を高品質に接合することが可能になる。
【0022】
さらにまた、第1および第2円筒部材は、厚さが2mm以下に設定されており、薄肉な円筒部材であっても、摩擦撹拌接合が良好に遂行される。
【0023】
【発明の実施の形態】
図1は、本発明の第1の実施形態に係る摩擦撹拌接合方法が実施されるファンダクト10を組み込む航空機用ガスタービンエンジン12の概略構成説明図である。
【0024】
ガスタービンエンジン12はファン14を備え、このファン14は、高速で回転して外部から空気を吸引し、この空気を圧縮して後方に圧送する。ファン14の近傍には、コアダクト16とファンダクト10とによってファンバイパス通路18が形成され、このファンバイパス通路18を通って後方に噴射される空気を介し、図示しない機体に推力を生じさせる。
【0025】
ファン14は、低圧圧縮機20を構成しており、この低圧圧縮機20で圧縮された空気は、後段の高圧圧縮機22に送られる。この高圧圧縮機22で圧縮された空気は、さらに後段の燃焼室24に送られる。この燃焼室24は燃料ノズル26を備え、この燃料ノズル26から前記燃焼室24に燃料が圧送される。燃焼室24では、高圧圧縮機22から圧送された圧縮空気と、燃料ノズル26から噴霧された燃料とを混合した混合気が、エンジン始動時に点火されて燃焼する。
【0026】
混合気が燃焼することによって高温高圧ガスが発生し、この高温高圧ガスは、高圧タービン28に送られてこの高圧タービン28を高速回転させる。この高圧タービン28は、ファン14のロータ14aを回転させる一方、高温高圧ガスは、前記高圧タービン28を回転駆動した後、低圧タービン30に送られる。低圧タービン30は、低圧圧縮機20のロータ14aおよびファン14を回転させる。
【0027】
ガスタービンエンジン12の外部下面には、スタータおよび発電機を組み込むスタータジェネレータ32が、アクセサリギアボックス34を介して取り付けられる。
【0028】
図2は、ファンダクト10を構成するダクト構造体40の説明図である。このダクト構造体40は、薄板状、例えば、厚さが2mm以下のアルミニウム材を略円筒形状に成形した胴部材(第1円筒部材)42と、薄板状のアルミニウム材を略円筒形状に成形したフランジ部材(第2円筒部材)44、46とを備える。胴部材42の端部42a、42bと、フランジ部材44、46の端部44a、46aとを突き合わせた第1および第2突き合わせ部48、50は、その外周面(一方の面)48a、50aに摩擦撹拌接合が行われ、前記胴部材42と前記フランジ部材44、46とが接合される。
【0029】
図3は、上記のダクト構造体40を摩擦撹拌接合する本発明の第1の実施形態に係る摩擦撹拌接合装置60の一部分解斜視図であり、図4は、前記摩擦撹拌接合装置60の断面説明図であり、図5は、前記摩擦撹拌接合装置60の一部拡大説明図である。
【0030】
この摩擦撹拌接合装置60は、回転テーブル62に固定されて回転されるとともに、予め仮接合された胴部材42とフランジ部材44、46とを一体的に保持する台部材64を備える。台部材64の上部には、略円盤状の支持ベース66が固着され、この支持ベース66の中央部には、鉛直方向(矢印A方向)に延在して支柱68が立設される。支柱68の先端には、加圧機構70を構成するねじ部72が形成される。
【0031】
加圧機構70は加圧板74を備え、この加圧板74は、略円盤状を有するとともに、中央部に支柱68を挿入する孔部76が形成される。加圧板74は、支持ベース66上に配置される胴部材42およびフランジ部材44、46を後述するプローブ144(図5参照)の挿入方向(矢印B方向)と略直交する矢印A方向から加圧力を付与する機能を有する。
【0032】
加圧板74の中央部分には、押圧ブロック77が係合するとともに、ねじ部72に螺合するナット部材78が前記押圧ブロック77を介して加圧板74を矢印A方向に加圧する。ねじ部72の先端には、吊り下げ用ボルト79が螺着される。加圧板74には、等角度間隔離間して複数の開口部80と、前記開口部80よりも小径な複数の開口部82とが形成される。
【0033】
支持ベース66には、支柱68を中心に周回するリング部86が矢印A方向に膨出して形成される。リング部86の外周には、第1裏当て治具88が着脱自在に設けられるとともに、前記リング部86に固定されるロッド90を介して第2裏当て治具92が取り付けられる。
【0034】
第1裏当て治具88は、例えば、鉄系材料で形成された複数、例えば、4つの分割治具94a〜94dを備えており、全体として略リング状を有する。分割治具94a〜94dは、アクチュエータ、例えば、シリンダ96a〜96dに連結されて半径方向に個別に進退可能に構成される。この第1裏当て治具88の外周面88aは、真円形状に設定されるとともに、胴部材42とフランジ部材44との第1突き合わせ部48の内周面(他方の面)48bに対応して周回する凹状部97が設けられる。凹状部97には、第1突き合わせ部48に摩擦撹拌接合が行われた後、前記第1突き合わせ部48の内周面48bから離脱される第1緩衝部材98が取り付けられる。この第1緩衝部材98は、例えば、鉄系材料あるいはアルミニウム製のリング材で構成されるとともに、厚さが凹状部97の深さと同一寸法、例えば、略1mm程度の厚さに設定される。
【0035】
リング部86の上面には、所定の角度間隔ずつ離間してねじ穴100が形成され、前記ねじ穴100には、各ロッド90が一方の端部に設けられるねじ部102が螺合する。ロッド90の他方の端部には、ねじ穴104が形成され、第2裏当て治具92を構成する取り付け板106からボルト108がねじ込まれることにより、前記取り付け板106がロッド90に固定される。
【0036】
第2裏当て治具92は、例えば、鉄系材料で形成された複数の分割治具、例えば、4つの分割治具110a〜110dを備えており、全体として略リング状を有する。分割治具110a〜110dは、アクチュエータ、例えば、シリンダ112a〜112dに連結されて取り付け板106上を半径方向に個別に進退可能に構成される。
【0037】
この第2裏当て治具92の外周面92aは、全体として真円状に構成されるとともに、胴部材42とフランジ部材44との第2突き合わせ部50の内周面(他方の面)50bに対応して周回する凹状部114が設けられる。凹状部114には、第2突き合わせ部50に摩擦撹拌接合が行われた後、前記第2突き合わせ部50の内周面50bから離脱される第2緩衝部材116が取り付けられる。この第2緩衝部材116は、例えば、鉄系材料あるいはアルミニウム製のリング材で構成されるとともに、厚さが凹状部114の深さと同一寸法、例えば、略1mm程度の厚さに設定される。
【0038】
第1および第2裏当て治具88、92の外周面88a、92aは、ダクト構造体40のスプリングバックを考慮して、前記ダクト構造体40を最終的に設計寸法に維持する必要があり、前記第1および第2裏当て治具88、92が拡径した際の前記外周面88a、92aの最大外径寸法は、加熱前の第1および第2突き合わせ部48、50の内径よりも大きい。
【0039】
第1突き合わせ部48の外周面48aには、前記第1突き合わせ部48を保持する第1クランプ治具117が配置されるとともに、第2突き合わせ部50の外周面50aには、前記第2突き合わせ部50を保持する第2クランプ治具118が配置される。
【0040】
図3に示すように、第1クランプ治具117は、角材をリング状に成形してベルト状に構成する。第1クランプ治具117の一方の端面には、ねじ穴119が形成されるとともに、他方の端面には、孔部120が形成される。ボルト122が孔部120を通ってねじ穴119にねじ込まれることにより、第1クランプ治具117は、径方向の寸法が縮小されて第1突き合わせ部48の外周面48aを締め付ける。
【0041】
図3乃至図5に示すように、支持ベース66の外周縁部には、ボルト124を介して複数本のロッド126が固定される。各ロッド126は、矢印A方向に延在しており、その端部にねじ込まれるボルト128を介して取り付け板130が設けられる。この取り付け板130は、略リング形状に構成され、ボルト132を介して前記取り付け板130に第2クランプ治具118が固定される。第2クランプ治具118は、略リング状に構成され、第2突き合わせ部50の外周面50aを締め付け保持する。
【0042】
図5に示すように、第1突き合わせ部48を接合する接合機140は、回転工具142を備える。この回転工具142の先端には、その先端面から所定の長さだけ突出するプローブ144が設けられる。このプローブ144は、第1突き合わせ部48に挿入されるプローブ先端部114aの長さが前記第1突き合わせ部48の肉厚よりも短尺に設定される。なお、第2突き合わせ部50は、上記の接合機140により接合してもよく、あるいは個別の接合機を用いて接合作業を行ってもよい。
【0043】
このように構成される摩擦撹拌接合装置60の動作について、第1の実施形態に係る摩擦撹拌接合方法との関連で、図6に示すフローチャートに沿って以下に説明する。
【0044】
まず、円筒形状を有する胴部材42およびフランジ部材44、46が作製される(ステップS1)。具体的には、図2に示すように、胴部材42を構成する薄板状のアルミニウム材を略円筒形状に成形し、その両端部を突き合わせた突き合わせ部42cに沿って摩擦撹拌接合(FSW)が行われ、前記突き合わせ部42cが接合される。このため、胴部材42が得られる。
【0045】
同様に、フランジ部材44、46を構成する薄板状のアルミニウム材が略円筒形状に成形された後、それぞれの突き合わせ部44c、46cが摩擦撹拌接合より接合される。従って、フランジ部材44、46が得られる。
【0046】
なお、上記の摩擦撹拌接合時には、図示しないプローブは、円筒形状の中心から所定距離だけオフセットして配置されており、接合面の切断を有効に阻止している。
【0047】
次いで、胴部材42の端部42a、42bにフランジ部材44、46の端部44a、46aを突き合わせた状態で、第1および第2突き合わせ部48、50には、所定の個所にアルミニウムテープ(図示せず)が貼り付けられる。このため、胴部材42の両側にフランジ部材44、46が仮接合される(ステップS2)。この仮接合された胴部材42およびフランジ部材44、46は、図示しない加熱炉内に配置されて所定の温度に加熱される(ステップS3)。所定温度に加熱された胴部材42およびフランジ部材44、46は、台部材64にセットされる(ステップS4)。
【0048】
具体的には、図3乃至図5に示すように、台部材64を構成する支持ベース66上には、リング部86を周回して第1裏当て治具88を構成する分割治具94a〜94dが半径内方向に配置されている。従って、第1裏当て治具88は、外周面88aが最小直径に維持されており、この外周面88aの凹状部97に対応して第1緩衝部材98が配置された状態で、シリンダ96a〜96dが駆動される。このため、分割治具94a〜94dは、半径外方向に移動して第1裏当て治具88の外周面88aが拡径し、この外周面88aにより第1緩衝部材98が押圧保持される。
【0049】
一方、リング部86に形成されたねじ穴100には、ロッド90のねじ部102が螺着される。ロッド90上に第2裏当て治具92を構成する取り付け板106が配置され、前記ロッド90のねじ穴104に前記取り付け板106の孔部を通ってボルト108が螺着される。これにより、各ロッド90には、取り付け板106が固定されるとともに、分割治具110a〜110dが半径内方向に配置されている。
【0050】
この状態で、第2裏当て治具92の外周面92aに第2緩衝部材116が配置され、シリンダ112a〜112dが駆動されて分割治具110a〜110dが半径外方向に移動する。従って、外周面92aが拡径してこの外周面92aにより第2緩衝部材116が押圧保持される。
【0051】
そこで、所定温度に加熱された胴部材42およびフランジ部材44、46は、第1および第2裏当て治具88、92に外装される。この場合、胴部材42およびフランジ部材44、46は、所定の温度に加熱されており、熱膨張によって内周径が拡大している。このため、胴部材42およびフランジ部材44、46の第1および第2突き合わせ部48、50は、第1および第2裏当て治具88、92に配置された第1および第2緩衝部材98、116に容易に外装される。
【0052】
さらに、胴部材42およびフランジ部材44、46は、冷却されることによって内周径が収縮し、第1および第2突き合わせ部48、50の内周面48b、50bは、第1および第2裏当て治具88、92の外周面88a、92a、すなわち、第1および第2緩衝部材98、116に密着した状態で確実に嵌合する(図5参照)。第1および第2裏当て治具88、92の外周面88a、92aの最大外径寸法が、加熱前の第1および第2突き合わせ部48、50の内周面48b、50bの内径寸法よりも大きいからである。
【0053】
ここで、第1および第2裏当て治具88、92の外周面88a、92aは、真円形状を有しており、この外周面88a、92aの凹状部97、114に嵌合する第1および第2緩衝部材98、116に密着する端部42a、44aおよび端部42b、46aは、それぞれ同一の円周長さに規制されるとともに、真円形状に維持される。
【0054】
次に、第2裏当て治具92上に加圧板74が配置され、押圧ブロック77がねじ部72に外装された後、ナット部材78が前記ねじ部72にねじ込まれる。これにより、押圧ブロック77を介して加圧板74が加圧され、胴部材42およびフランジ部材44、46は、矢印A方向に締め付け荷重が付与される。この結果、第1および第2突き合わせ部48、50には、隙間が生じない状態で押圧保持される(ステップS5)。そして、ステップS6に進み、第1および第2突き合わせ部48、50に貼り付けられているアルミニウムテープ(図示せず)が除去され、表面の洗浄が行われる。
【0055】
さらに、ステップS7において、第1クランプ治具117が装着される。この第1クランプ治具117は、ベルト状に構成されており、胴部材42の外周を端部42a側に沿って周回している。そこで、孔部120にボルト122を挿入し、このボルト122をねじ穴119にねじ込むことにより、第1クランプ治具117の内周径が縮小する。従って、第1クランプ治具117は、胴部材42の外周面を締め付け保持する。
【0056】
次いで、台部材64は、回転テーブル62にねじ止めによって固定される(ステップS8)。この状態で、図7に示すように、接合機140を構成する回転工具142が高速で回転しながら、第1突き合わせ部48に向かって(矢印B方向)移動する。このため、高速回転するプローブ144は、プローブ先端144aが第1突き合わせ部48に挿入され、摩擦熱によって前記第1突き合わせ部48が溶接される(図8参照)。その際、回転テーブル62が回転しており、高速回転するプローブ144は、第1突き合わせ部48に沿って相対的に移動し、この第1突き合わせ部48の全周にわたり接合作業が遂行される(ステップS9)。
【0057】
第1突き合わせ部48の接合作業が終了すると、回転テーブル62が停止されるとともに、接合機140がこの第1突き合わせ部48から離間する。さらに、第1クランプ治具117が取り外される一方、第2クランプ治具118が取り付けられる(ステップS10)。第1クランプ治具117は、ボルト122をねじ穴119から離脱することにより、内周径が拡大して胴部材42から取り外される。
【0058】
一方、支持ベース66の外周縁部には、ボルト124を介して複数のロッド126が取り付けられ、前記ロッド126の先端部には、ボルト128を介して取り付け板130が取り付けられる。この取り付け板130には、ボルト132を介して第2クランプ治具118が装着され、この第2クランプ治具118が胴部材42の端部42b側の外周面を締め付け保持する。
【0059】
この状態で、図9に示すように、例えば、接合機140が第2突き合わせ部50に対応して配置され、回転工具142と一体的にプローブ144が回転しながら、このプローブ144のプローブ先端144aが前記第2突き合わせ部50の外周面50aに挿入される。この第2突き合わせ部50は、回転テーブル62の回転作用下に接合機140に対して回転しており、前記第2突き合わせ部50の全周にわたって摩擦撹拌接合が行われる(ステップS11)。
【0060】
上記のように、第1および第2突き合わせ部48、50が接合されて接合品であるダクト構造体40が得られた後、このダクト構造体40は、第1および第2裏当て治具88、92とともに、台部材64から取り外される(ステップS12)。具体的には、第1裏当て治具88を構成する分割治具94a〜94dは、シリンダ96a〜96dの駆動によって半径内方向に移動し、外周面88aが第1緩衝部材98から離間する(図8中、二点鎖線参照)。一方、第2裏当て治具92を構成する分割治具110a〜110dは、シリンダ112a〜112dの作用下に半径内方向に移動し、外周面92aが第2緩衝部材116から離間する。
【0061】
そこで、吊り下げ用ボルト79およびナット部材78がねじ部72から離脱されて押圧ブロック77が取り外されるとともに、加圧板74が支柱68から取り外される。そして、ダクト構造体40は、第1および第2緩衝部材98、116を内周面に保持した状態で、支持ベース66から取り出される。次に、図10に示すように、第1および第2緩衝部材98、116は、ダクト構造体40の内周面から除去される(ステップS13)。
【0062】
このように、第1の実施形態では、第1および第2裏当て治具88、92の外周面88a、92aに、第1および第2突き合わせ部48、50に対応して凹状部97、114が形成され、この凹状部97、114に第1および第2緩衝部材98、116が装着される。このため、第1および第2突き合わせ部48、50の内周面48b、50bに第1および第2緩衝部材98、116が密着した状態で、前記第1および第2突き合わせ部48、50の外周面48a、50aに摩擦撹拌接合が行われる。
【0063】
その際、高速回転するプローブ144のプローブ先端144aが第1および第2突き合わせ部48、50の外周面48a、50aに挿入されるとともに、前記プローブ先端144aが第1および第2緩衝部材98、116から離間した位置に維持されている(図8参照)。従って、第1および第2突き合わせ部48、50は、第1および第2裏当て治具88、92に張り付くことがなく、前記第1および第2裏当て治具88、92は、ダクト構造体40から剥離されることによる破損のおそれがない。これによって、第1および第2裏当て治具88、92は、繰り返し利用することができ、経済的であるという効果が得られる。
【0064】
しかも、第1および第2突き合わせ部48、50は、第1および第2緩衝部材98、116に接合されることがなく、前記第1および第2緩衝部材98、116の離脱処理が容易に遂行される。さらに、ダクト構造体40には、第1および第2緩衝部材98、116の剥離による残留歪みが発生することがない。
【0065】
特に、第1および第2裏当て治具88、92の外周面88a、92aが真円状に構成されており、第1および第2突き合わせ部48、50の内周面48b、50bは、前記外周面88a、92aに密着して真円形状が維持される。しかも、それぞれの端部42a、44aの内周長さおよび端部42b、46aの円周長さが同一の長さに規制される。
【0066】
このため、厚さが2mm以下の薄肉でかつ比較的大径な第1および第2突き合わせ部48、50であっても、変形や皺等による位相差が発生することがなく、前記第1および第2突き合わせ部48、50の真円度を良好に維持することができ、寸法精度が向上する。これにより、簡単かつ経済的な工程で、第1および第2突き合わせ部48、50の摩擦撹拌接合作業が効率的に遂行されるという効果が得られる。
【0067】
さらに、第1および第2突き合わせ部48、50は、第1および第2緩衝部材98、116を介して第1および第2裏当て治具88、92の外周面88a、92aに密着状態で嵌合する。このため、第1および第2突き合わせ部48、50のずれを阻止して正確な位置出しが可能になり、摩擦撹拌接合処理が効率的に遂行される。その際、第1および第2突き合わせ部48、50は、所定温度に加熱されることによって熱膨張により内周径を拡大させた状態で、第1および第2裏当て治具88、92に嵌合している。従って、第1および第2裏当て治具88、92の外周面88a、92aに対し、第1および第2突き合わせ部48、50を容易かつ確実に密着させることができる。
【0068】
さらにまた、胴部材42とフランジ部材44、46とは、加圧機構70を介してプローブ144の挿入方向(矢印B方向)と略直交する方向(矢印A方向)から加圧力が付与される。これにより、第1および第2突き合わせ部48、50に隙間が発生することがなく、確実に圧着することができ、高品質な接合処理が遂行されるとともに、加圧機構70の構成が容易に簡素化する。
【0069】
なお、上記した第1の実施形態では、図示しないアルミニウムテープで仮接合された胴部材42と、フランジ部材44、46とを、加熱炉内で所定温度に加熱することにより、内周径を拡径させて第1および第2裏当て治具88、92に装着しているが、これに限定されるものではない。例えば、第1および第2裏当て治具88、92を冷却して該第1および第2裏当て治具88、92の外径寸法を縮小させてもよい。
【0070】
また、それぞれ4分割された分割治具94a〜94d、110a〜110dを用いているが、分割数は種々選択可能である。さらに、シリンダ96a〜96d、112a〜112dに代替して電磁ソレノイド等の駆動源を用いてもよい。さらにまた、分割治具94a〜94d(および/または分割治具110a〜110d)を単一の駆動源を介して一体的に進退させることもできる。
【0071】
図11は、本発明の第2の実施形態に係る摩擦撹拌接合装置160の一部斜視図である。なお、第1の実施形態に係る摩擦撹拌接合装置60と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【0072】
摩擦撹拌接合装置160は、第1および第2裏当て治具162、164を備える。第1裏当て治具162は、例えば、鉄系材料で形成された複数の分割治具、例えば、4つの分割治具94a〜94dと、前記分割治具94a〜94dの内側に配置されて該分割治具94a〜94dを拡径させる第1リング部材166とを備える。第2裏当て治具164は、第1裏当て治具162と同様に、例えば、鉄系材料で形成された複数の分割治具、例えば、4つの分割治具110a〜110dと、前記分割治具110a〜110dの内側に配置されて該分割治具110a〜110dを拡径させる第2リング部材168とを備える。
【0073】
このように構成される摩擦撹拌接合装置160では、第1裏当て治具162を構成する分割治具94a〜94dの外周に第1緩衝部材98が配置された状態で、この分割治具94a〜94dの内側に第1リング部材166が挿入される。これにより、分割治具94a〜94dが拡径して前記分割治具94a〜94dの外周に第1リング部材166が密着保持される。同様に、第2リング部材168が第2裏当て治具164を構成する分割治具110a〜110dの内側に挿入されることによって、前記分割治具110a〜110dの外周には、第2緩衝部材116が密着保持される。
【0074】
従って、第2の実施形態では、第1の実施形態と同様の効果が得られるとともに、構成が一層簡素化するという利点がある。なお、第1および第2リング部材166、168に代替して楔部材等を使用してもよい。
【0075】
【発明の効果】
本発明に係る摩擦撹拌接合方法および装置では、突き合わせ部の他方の面を保持する裏当て治具に、前記突き合わせ部の他方の面に対応して緩衝部材が取り付けられるため、第1および第2円筒部材は、摩擦撹拌接合される際に前記裏当て治具に張り付くことがない。従って、裏当て治具は、第1および第2円筒部材から剥離することによる破損のおそれがない。これにより、裏当て治具を繰り返し利用することができ、経済的である。
【0076】
しかも、第1および第2円筒部材は、緩衝部材に接合されることがなく、前記緩衝部材の離脱処理が容易に遂行されるとともに、特に薄肉な第1および第2円筒部材であっても、残留歪みが発生することを有効に阻止することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態に係る摩擦撹拌接合方法が実施されるファンダクトを組み込む航空機用ガスタービンエンジンの概略構成説明図である。
【図2】前記ファンダクトを構成するダクト構造体の説明図である。
【図3】前記ダクト構造体を接合する摩擦撹拌接合装置の一部分解斜視図である。
【図4】前記摩擦撹拌接合装置の断面説明図である。
【図5】図4に示す前記摩擦撹拌接合装置の一部拡大説明図である。
【図6】前記摩擦撹拌接合方法のフローチャートである。
【図7】第1突き合わせ部を接合する際の動作説明図である。
【図8】前記第1突き合わせ部を接合する際の断面説明図である。
【図9】第2突き合わせ部を接合する際の動作説明図である。
【図10】前記第1突き合わせ部から緩衝部材を分離するための動作説明図である。
【図11】本発明の第2の実施形態に係る摩擦撹拌接合装置の一部斜視図である。
【図12】特許文献1のアルミニウム部材の接合方法を示す説明図である。
【符号の説明】
10…ファンダクト 12…ガスタービンエンジン
14…ファン 40…ダクト構造体
42…胴部材 44、46…フランジ部
44a、46a…端部 48、50…突き合わせ部
48a、50a、88a、92a…外周面
48b、50b…内周面 60、160…摩擦撹拌接合装置
62…回転テーブル 64…台部材
66…支持ベース 68…支柱
70…加圧機構 72…ねじ部
74…加圧板 77…押圧ブロック
88、92、162、164…裏当て治具
90…ロッド 117、118…クランプ治具
130…取り付け板 140…接合機
144…プローブ 166、168…リング部材
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
In the present invention, the probe is relatively moved along the abutting portion while pressing the rotating probe against one surface of the abutting portion where the end of the first plate member and the end of the second plate member are abutted. The present invention relates to a friction stir welding method and apparatus for joining the butt portions by moving them.
[0002]
[Prior art]
Generally, friction stir welding (hereinafter also referred to as FSW) is known in which two workpieces are solid-phase bonded using frictional heat generated when a rotating probe is inserted into a workpiece (object). It has been. According to the above bonding, the bonded portion of the workpiece can maintain a strength of about 80% with respect to the base material, and the coarsening of the crystal can be prevented.
[0003]
For example, when an aluminum material is used as a workpiece and conventional spot welding or electron beam welding is performed, excessive heat is applied to the aluminum material. For this reason, there exists a possibility of causing the strength fall by deterioration and coarsening of material.
[0004]
On the other hand, in FSW, even if a metal material having a relatively low melting point such as an aluminum material (in the case of aluminum, about 600 ° C. to 660 ° C.) is used, bonding is performed at about 500 ° C. Is prevented. Therefore, in the case of using FSW, in addition to the aluminum material, it can be applied to other materials such as magnesium, titanium, and polymers.
[0005]
An example of applying the FSW to an aluminum material is an aluminum frame made of a large member such as a train. This type of large member places importance on the bonding strength, and the thickness of the aluminum material is usually set to 5 mm or more. On the other hand, the thickness of a member that is desired to be reduced in weight while improving its strength, such as a gas turbine engine member, cannot be increased. For this reason, the outer frame of a gas turbine engine is comprised, for example using the thin plate-shaped aluminum material of about 1.2 mm.
[0006]
However, when forming a relatively large-diameter cylindrical member by joining the butted portions of both ends of a thin plate-like aluminum material by FSW, roundness can be obtained because the aluminum material is thin. There is a problem that you can not.
[0007]
Furthermore, when joining the butted part which faced | matched the edge parts of two cylindrical members by FSW, there exists a possibility that the circumferential length of each edge part may not become the same dimension. Therefore, when the cylindrical member is joined by FSW in this state, there is a problem that a phase difference is generated at the final portion of the joined portion, for example, so-called wrinkles that are deformed into a waveform are caused.
[0008]
In addition, at the time of joining by FSW, a pressing force in units of 1 t to 2 t is applied to the thin plate-like aluminum material. For this reason, if the aluminum material cannot be reliably held, there is a problem that unevenness is generated by FSW in the joint portion.
[0009]
Therefore, for example, in the joining method of the aluminum member of Patent Document 1, as shown in FIG. 12, the hollow tubes 1a, 1b and the hollow tubes (plate members) 1a, 1b are placed inside the butted portions 2 of the aluminum tubes. A backing 3 of the same material is arranged. A predetermined gap C is formed between the backing 3 and the inner surface of the butt portion 2.
[0010]
In such a configuration, while the probe 4 is rotated at a high speed, the probe tip 4 a is inserted into the abutting portion 2 and the backing 3, and the probe 4 is moved along the abutting portion 2. Thereby, friction stir welding is performed on the entire circumference of the abutting portion 2 that goes around.
[0011]
[Patent Document 1]
JP 11-226759 A (paragraphs [0018], [0019], FIG. 1)
[0012]
[Problems to be solved by the invention]
In said patent document 1, the backing 3 is joined to the inner surface of this hollow tube 1a, 1b as a reinforcing material of hollow tube 1a, 1b. However, the hollow tubes 1a and 1b to which the backing 3 is bonded in this way cannot be used as an outer frame of a gas turbine engine, for example. For this reason, after joining the hollow tubes 1a and 1b, the backing 3 must be peeled off from the inner surfaces of the hollow tubes 1a and 1b. It has been pointed out that distortion occurs due to the peeling process. In addition, the backing 3 may be damaged by peeling, and thus cannot be used repeatedly, and is not economical.
[0013]
The present invention solves this type of problem, and particularly a friction stir welding method capable of joining thin cylindrical members well and economically, and capable of simplifying the structure and process, and An object is to provide an apparatus.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
In the present invention, a cushioning member is attached to the backing jig that holds the other surface of the butted portion, corresponding to the butted portion. Next, with the first and second cylindrical members held by the backing jig, while inserting the probe from one surface of the butting portion and maintaining the tip of the probe at a position spaced from the buffer member, Friction stir welding is performed along the butted portion. At that time, the first and second cylindrical members are arranged on the backing jig in a state where the first and second cylindrical members are thermally expanded with respect to the backing jig. When the first and second cylindrical members are heated, the first and second cylindrical members are thermally expanded to increase the inner peripheral diameter. Accordingly, the first and second cylindrical members are easily packaged on the backing jig, and are contracted by being cooled, so that the first and second cylindrical members are in close contact with the outer peripheral surface of the backing jig.
[0015]
For this reason, the first and second cylindrical members do not stick to the backing jig, and the backing jig does not have a risk of damage due to peeling from the first and second cylindrical members. Accordingly, the backing jig can be used repeatedly and is economical. Moreover, the first and second cylindrical members are not joined to the buffer member, and the buffer member can be easily detached.
[0016]
Further, after the friction stir welding is performed, in a state where the other surface the cushioning member of the butted portion is crimped, only backing jig is detached from the butt portion. Next, the buffer member is detached from the other surface of the butted portion. For this reason, residual distortion does not occur in the first and second cylindrical members when the backing jig is detached.
[0017]
Further, by the other face of the butt portion back against jig contact state, it restricts the ends of the first and second cylindrical members to the same length. Therefore, even in a thin-walled but relatively large diameter butting portion, a phase difference due to deformation or wrinkles does not occur due to insertion of the probe, and the roundness of the butting portion can be maintained well. And dimensional accuracy is improved. In addition, it is possible to prevent the butting portion from being displaced and to accurately position, so that the friction stir welding process is efficiently performed.
[0018]
Furthermore, back against jig has a perfect circular shape outer circumferential surface of, regulating the ends of the first and second cylindrical members in close contact with the outer peripheral surface at the same circumferential length. Accordingly, the first and second cylindrical members are reliably joined to the entire circumference of the abutting portion while reliably maintaining the roundness with a simple and economical configuration and process.
[0019]
At that time, the backing jig is divided into a plurality of division jigs that are movable in the radial direction, and the buffer member can be integrally fitted to each concave portion formed in each division jig. Ru is configured in a ring shape. For this reason, the backing jig can be easily and quickly detached from the buffer member after the friction stir welding.
[0021]
Further , the first and second cylindrical members are friction stir welded along the abutting portion in a state where a pressing force is applied from a direction substantially orthogonal to the insertion direction of the probe. Thereby, the edge parts of the 1st and 2nd cylindrical members can be crimped | bonded reliably, and it becomes possible to join a butt | matching part with high quality.
[0022]
Furthermore , the first and second cylindrical members are set to have a thickness of 2 mm or less, and the friction stir welding can be performed satisfactorily even if they are thin cylindrical members.
[0023]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is a schematic configuration explanatory diagram of an aircraft gas turbine engine 12 incorporating a fan duct 10 in which a friction stir welding method according to a first embodiment of the present invention is implemented.
[0024]
The gas turbine engine 12 includes a fan 14. The fan 14 rotates at a high speed, sucks air from the outside, compresses the air, and pumps the air backward. A fan bypass passage 18 is formed in the vicinity of the fan 14 by the core duct 16 and the fan duct 10, and thrust is generated in the airframe (not shown) through the air jetted rearward through the fan bypass passage 18.
[0025]
The fan 14 constitutes a low-pressure compressor 20, and the air compressed by the low-pressure compressor 20 is sent to the high-pressure compressor 22 at the subsequent stage. The air compressed by the high-pressure compressor 22 is further sent to the combustion chamber 24 at the subsequent stage. The combustion chamber 24 includes a fuel nozzle 26, and fuel is pumped from the fuel nozzle 26 to the combustion chamber 24. In the combustion chamber 24, an air-fuel mixture obtained by mixing compressed air fed from the high-pressure compressor 22 and fuel sprayed from the fuel nozzle 26 is ignited and burned when the engine is started.
[0026]
When the air-fuel mixture burns, high-temperature high-pressure gas is generated, and this high-temperature high-pressure gas is sent to the high-pressure turbine 28 to rotate the high-pressure turbine 28 at high speed. The high-pressure turbine 28 rotates the rotor 14 a of the fan 14, while the high-temperature high-pressure gas is sent to the low-pressure turbine 30 after rotating the high-pressure turbine 28. The low pressure turbine 30 rotates the rotor 14 a and the fan 14 of the low pressure compressor 20.
[0027]
A starter generator 32 incorporating a starter and a generator is attached to an outer lower surface of the gas turbine engine 12 via an accessory gear box 34.
[0028]
FIG. 2 is an explanatory diagram of the duct structure 40 constituting the fan duct 10. The duct structure 40 is a thin plate, for example, a body member (first cylindrical member) 42 obtained by forming an aluminum material having a thickness of 2 mm or less into a substantially cylindrical shape, and a thin plate-like aluminum material is formed into a substantially cylindrical shape. And flange members (second cylindrical members) 44 and 46. The first and second abutting portions 48 and 50 that abut the end portions 42a and 42b of the body member 42 and the end portions 44a and 46a of the flange members 44 and 46 are formed on the outer peripheral surfaces (one surface) 48a and 50a. Friction stir welding is performed, and the body member 42 and the flange members 44 and 46 are joined.
[0029]
FIG. 3 is a partially exploded perspective view of the friction stir welding apparatus 60 according to the first embodiment of the present invention for friction stir welding the duct structure 40 described above. FIG. 4 is a cross-sectional view of the friction stir welding apparatus 60. FIG. 5 is a partially enlarged explanatory view of the friction stir welding apparatus 60. FIG.
[0030]
The friction stir welding apparatus 60 is provided with a base member 64 that is fixed to a rotary table 62 and is rotated, and that integrally holds the body member 42 and the flange members 44 and 46 that are temporarily joined together. A substantially disc-shaped support base 66 is fixed to the upper portion of the base member 64, and a support column 68 is erected at the center of the support base 66 so as to extend in the vertical direction (arrow A direction). A threaded portion 72 constituting the pressurizing mechanism 70 is formed at the tip of the column 68.
[0031]
The pressurizing mechanism 70 includes a pressurizing plate 74. The pressurizing plate 74 has a substantially disc shape and is formed with a hole 76 into which the support column 68 is inserted at the center. The pressure plate 74 applies pressure to the body member 42 and the flange members 44 and 46 disposed on the support base 66 from the direction of arrow A substantially perpendicular to the insertion direction (direction of arrow B) of the probe 144 (see FIG. 5) described later. It has the function to give.
[0032]
A pressing block 77 engages with the central portion of the pressing plate 74, and a nut member 78 screwed into the screw portion 72 presses the pressing plate 74 in the direction of arrow A through the pressing block 77. A suspension bolt 79 is screwed to the tip of the screw portion 72. In the pressure plate 74, a plurality of openings 80 and a plurality of openings 82 having a smaller diameter than the openings 80 are formed at equal angular intervals.
[0033]
The support base 66 is formed with a ring portion 86 that circulates around the support column 68 in the direction of arrow A. A first backing jig 88 is detachably provided on the outer periphery of the ring portion 86, and a second backing jig 92 is attached via a rod 90 fixed to the ring portion 86.
[0034]
The first backing jig 88 includes, for example, a plurality of, for example, four division jigs 94a to 94d made of an iron-based material, and has a substantially ring shape as a whole. The split jigs 94a to 94d are connected to actuators, for example, cylinders 96a to 96d, and configured to be able to advance and retract individually in the radial direction. The outer peripheral surface 88a of the first backing jig 88 is set in a perfect circle shape and corresponds to the inner peripheral surface (the other surface) 48b of the first abutting portion 48 between the body member 42 and the flange member 44. A concave portion 97 that circulates around is provided. A first buffer member 98 that is detached from the inner peripheral surface 48 b of the first abutting portion 48 after the friction stir welding is performed on the first abutting portion 48 is attached to the concave portion 97. The first buffer member 98 is made of, for example, an iron-based material or an aluminum ring material, and the thickness is set to the same dimension as the depth of the concave portion 97, for example, about 1 mm.
[0035]
Screw holes 100 are formed on the upper surface of the ring portion 86 at predetermined angular intervals, and screw portions 102 provided with rods 90 at one end are screwed into the screw holes 100. A screw hole 104 is formed at the other end portion of the rod 90, and the mounting plate 106 is fixed to the rod 90 by screwing a bolt 108 from the mounting plate 106 constituting the second backing jig 92. .
[0036]
The second backing jig 92 includes, for example, a plurality of division jigs formed of an iron-based material, for example, four division jigs 110a to 110d, and has a substantially ring shape as a whole. The dividing jigs 110a to 110d are connected to actuators, for example, cylinders 112a to 112d, and are configured to be able to advance and retract individually on the mounting plate 106 in the radial direction.
[0037]
The outer peripheral surface 92 a of the second backing jig 92 is configured as a perfect circle as a whole, and is formed on the inner peripheral surface (the other surface) 50 b of the second butted portion 50 between the body member 42 and the flange member 44. Corresponding concave portions 114 are provided. A second buffer member 116 that is detached from the inner peripheral surface 50 b of the second butting portion 50 after the friction stir welding is performed on the second butting portion 50 is attached to the concave portion 114. The second buffer member 116 is made of, for example, an iron-based material or an aluminum ring material, and the thickness is set to the same dimension as the depth of the concave portion 114, for example, approximately 1 mm.
[0038]
The outer peripheral surfaces 88a and 92a of the first and second backing jigs 88 and 92 need to maintain the duct structure 40 at the final design dimensions in consideration of the spring back of the duct structure 40. The maximum outer diameter of the outer peripheral surfaces 88a and 92a when the diameters of the first and second backing jigs 88 and 92 are increased is larger than the inner diameters of the first and second abutting portions 48 and 50 before heating. .
[0039]
A first clamping jig 117 that holds the first abutting portion 48 is disposed on the outer peripheral surface 48 a of the first abutting portion 48, and the second abutting portion is disposed on the outer peripheral surface 50 a of the second abutting portion 50. A second clamp jig 118 that holds 50 is disposed.
[0040]
As shown in FIG. 3, the 1st clamp jig | tool 117 shape | molds a square material in a ring shape, and comprises it in a belt shape. A screw hole 119 is formed on one end face of the first clamp jig 117, and a hole 120 is formed on the other end face. When the bolt 122 passes through the hole 120 and is screwed into the screw hole 119, the first clamp jig 117 is tightened on the outer peripheral surface 48 a of the first abutting portion 48 by reducing the radial dimension.
[0041]
As shown in FIGS. 3 to 5, a plurality of rods 126 are fixed to the outer peripheral edge portion of the support base 66 via bolts 124. Each rod 126 extends in the direction of arrow A, and a mounting plate 130 is provided via a bolt 128 that is screwed into its end. The mounting plate 130 is formed in a substantially ring shape, and the second clamp jig 118 is fixed to the mounting plate 130 via bolts 132. The second clamp jig 118 is configured in a substantially ring shape, and clamps and holds the outer peripheral surface 50 a of the second butting portion 50.
[0042]
As shown in FIG. 5, the joining machine 140 that joins the first butt 48 includes a rotary tool 142. At the tip of the rotary tool 142, a probe 144 that protrudes from the tip surface by a predetermined length is provided. In the probe 144, the length of the probe tip 114 a inserted into the first abutting portion 48 is set to be shorter than the thickness of the first abutting portion 48. In addition, the 2nd butting | matching part 50 may be joined by said joining machine 140, or you may perform joining operation | work using an individual joining machine.
[0043]
The operation of the friction stir welding apparatus 60 configured as described above will be described below along the flowchart shown in FIG. 6 in relation to the friction stir welding method according to the first embodiment.
[0044]
First, the barrel member 42 and the flange members 44 and 46 having a cylindrical shape are manufactured (step S1). Specifically, as shown in FIG. 2, the friction stir welding (FSW) is performed along the abutting portion 42c formed by forming a thin plate-like aluminum material constituting the body member 42 into a substantially cylindrical shape and abutting both ends thereof. The butt portion 42c is joined. For this reason, the trunk | drum member 42 is obtained.
[0045]
Similarly, after the thin plate-shaped aluminum material which comprises the flange members 44 and 46 is shape | molded by the substantially cylindrical shape, each butt | matching parts 44c and 46c are joined by friction stir welding. Therefore, the flange members 44 and 46 are obtained.
[0046]
At the time of the friction stir welding described above, the probe (not shown) is arranged offset by a predetermined distance from the center of the cylindrical shape, and effectively prevents cutting of the joint surface.
[0047]
Next, in a state where the end portions 44a and 46a of the flange members 44 and 46 are butted against the end portions 42a and 42b of the body member 42, aluminum tape (see FIG. (Not shown) is pasted. For this reason, the flange members 44 and 46 are temporarily joined to both sides of the body member 42 (step S2). The temporarily joined body member 42 and flange members 44 and 46 are placed in a heating furnace (not shown) and heated to a predetermined temperature (step S3). The body member 42 and the flange members 44 and 46 heated to a predetermined temperature are set on the base member 64 (step S4).
[0048]
Specifically, as shown in FIGS. 3 to 5, on the support base 66 that constitutes the base member 64, the split jig 94 a that surrounds the ring portion 86 and constitutes the first backing jig 88. 94d is arranged in the radial inward direction. Accordingly, the first backing jig 88 has the outer peripheral surface 88a maintained at the minimum diameter, and the cylinders 96a to 96c are arranged in a state where the first buffer member 98 is disposed corresponding to the concave portion 97 of the outer peripheral surface 88a. 96d is driven. For this reason, the split jigs 94a to 94d move in the radially outward direction, the outer peripheral surface 88a of the first backing jig 88 expands, and the first buffer member 98 is pressed and held by the outer peripheral surface 88a.
[0049]
On the other hand, the screw portion 102 of the rod 90 is screwed into the screw hole 100 formed in the ring portion 86. A mounting plate 106 constituting a second backing jig 92 is disposed on the rod 90, and a bolt 108 is screwed into the screw hole 104 of the rod 90 through the hole of the mounting plate 106. Thus, the attachment plate 106 is fixed to each rod 90, and the split jigs 110a to 110d are arranged in the radial inward direction.
[0050]
In this state, the second buffer member 116 is disposed on the outer peripheral surface 92a of the second backing jig 92, and the cylinders 112a to 112d are driven to move the split jigs 110a to 110d in the radially outward direction. Therefore, the outer peripheral surface 92a is expanded in diameter, and the second buffer member 116 is pressed and held by the outer peripheral surface 92a.
[0051]
Therefore, the body member 42 and the flange members 44 and 46 heated to a predetermined temperature are mounted on the first and second backing jigs 88 and 92. In this case, the body member 42 and the flange members 44 and 46 are heated to a predetermined temperature, and the inner peripheral diameter is expanded by thermal expansion. Therefore, the first and second butting portions 48 and 50 of the body member 42 and the flange members 44 and 46 are the first and second buffer members 98 disposed in the first and second backing jigs 88 and 92, respectively. 116 is easily packaged.
[0052]
Furthermore, the inner peripheral diameter of the body member 42 and the flange members 44 and 46 contracts by being cooled, and the inner peripheral surfaces 48b and 50b of the first and second abutting portions 48 and 50 are the first and second back surfaces. It fits reliably in the state which contact | adhered to the outer peripheral surfaces 88a and 92a of the contact jigs 88 and 92, ie, the 1st and 2nd buffer members 98 and 116 (refer FIG. 5). The maximum outer diameters of the outer peripheral surfaces 88a and 92a of the first and second backing jigs 88 and 92 are larger than the inner diameters of the inner peripheral surfaces 48b and 50b of the first and second abutting portions 48 and 50 before heating. Because it is big.
[0053]
Here, the outer peripheral surfaces 88a and 92a of the first and second backing jigs 88 and 92 have a perfect circular shape, and the first and second fitting jigs 88 and 92 are fitted into the concave portions 97 and 114 of the outer peripheral surfaces 88a and 92a. In addition, the end portions 42a and 44a and the end portions 42b and 46a that are in close contact with the second buffer members 98 and 116 are regulated to have the same circumferential length and are maintained in a perfect circle shape.
[0054]
Next, after the pressure plate 74 is disposed on the second backing jig 92 and the pressing block 77 is externally mounted on the screw portion 72, the nut member 78 is screwed into the screw portion 72. As a result, the pressure plate 74 is pressurized via the pressing block 77, and the body member 42 and the flange members 44 and 46 are given a tightening load in the direction of arrow A. As a result, the first and second abutting portions 48 and 50 are pressed and held in a state where no gap is generated (step S5). And it progresses to step S6, the aluminum tape (not shown) affixed on the 1st and 2nd butt | matching parts 48 and 50 is removed, and the surface is wash | cleaned.
[0055]
Further, in step S7, the first clamp jig 117 is mounted. The first clamping jig 117 is configured in a belt shape, and circulates around the outer periphery of the body member 42 along the end portion 42a side. Therefore, by inserting the bolt 122 into the hole 120 and screwing the bolt 122 into the screw hole 119, the inner peripheral diameter of the first clamp jig 117 is reduced. Therefore, the first clamp jig 117 clamps and holds the outer peripheral surface of the body member 42.
[0056]
Next, the base member 64 is fixed to the rotary table 62 with screws (step S8). In this state, as shown in FIG. 7, the rotary tool 142 constituting the joining machine 140 moves toward the first abutting portion 48 (in the direction of arrow B) while rotating at a high speed. For this reason, in the probe 144 that rotates at high speed, the probe tip 144a is inserted into the first abutting portion 48, and the first abutting portion 48 is welded by frictional heat (see FIG. 8). At this time, the rotary table 62 is rotating, and the probe 144 that rotates at a high speed moves relatively along the first abutting portion 48, and a joining operation is performed over the entire circumference of the first abutting portion 48 ( Step S9).
[0057]
When the joining operation of the first abutting portion 48 is completed, the rotary table 62 is stopped and the joining machine 140 is separated from the first abutting portion 48. Further, the first clamp jig 117 is removed, and the second clamp jig 118 is attached (step S10). The first clamp jig 117 is detached from the body member 42 by increasing the inner diameter by removing the bolt 122 from the screw hole 119.
[0058]
On the other hand, a plurality of rods 126 are attached to the outer peripheral edge of the support base 66 via bolts 124, and a mounting plate 130 is attached to the tip of the rod 126 via bolts 128. A second clamp jig 118 is attached to the mounting plate 130 via bolts 132, and the second clamp jig 118 clamps and holds the outer peripheral surface of the body member 42 on the end 42 b side.
[0059]
In this state, as shown in FIG. 9, for example, the bonding machine 140 is disposed corresponding to the second butting portion 50, and the probe 144 rotates integrally with the rotary tool 142, while the probe tip 144 a of the probe 144 is rotated. Is inserted into the outer peripheral surface 50 a of the second butting portion 50. The second butting portion 50 rotates with respect to the bonding machine 140 under the rotating action of the rotary table 62, and friction stir welding is performed over the entire circumference of the second butting portion 50 (step S11).
[0060]
As described above, after the first and second abutting portions 48 and 50 are joined to obtain the duct structure 40 which is a joined product, the duct structure 40 is composed of the first and second backing jigs 88. , 92 are removed from the base member 64 (step S12). Specifically, the split jigs 94a to 94d constituting the first backing jig 88 move inward in the radial direction by driving the cylinders 96a to 96d, and the outer peripheral surface 88a is separated from the first buffer member 98 ( In FIG. 8, refer to a two-dot chain line). On the other hand, the split jigs 110 a to 110 d constituting the second backing jig 92 move inward in the radial direction under the action of the cylinders 112 a to 112 d, and the outer peripheral surface 92 a is separated from the second buffer member 116.
[0061]
Accordingly, the suspension bolt 79 and the nut member 78 are detached from the screw portion 72 to remove the pressing block 77, and the pressure plate 74 is removed from the support column 68. The duct structure 40 is taken out from the support base 66 in a state where the first and second buffer members 98 and 116 are held on the inner peripheral surface. Next, as shown in FIG. 10, the first and second buffer members 98, 116 are removed from the inner peripheral surface of the duct structure 40 (step S13).
[0062]
Thus, in the first embodiment, the concave portions 97 and 114 corresponding to the first and second abutting portions 48 and 50 are formed on the outer peripheral surfaces 88a and 92a of the first and second backing jigs 88 and 92, respectively. Are formed, and the first and second buffer members 98 and 116 are attached to the concave portions 97 and 114, respectively. Therefore, the outer circumferences of the first and second butting portions 48 and 50 are in a state where the first and second buffer members 98 and 116 are in close contact with the inner circumferential surfaces 48b and 50b of the first and second butting portions 48 and 50. Friction stir welding is performed on the surfaces 48a and 50a.
[0063]
At that time, the probe tip 144a of the probe 144 rotating at a high speed is inserted into the outer peripheral surfaces 48a and 50a of the first and second butting portions 48 and 50, and the probe tip 144a is inserted into the first and second buffer members 98 and 116. (See FIG. 8). Therefore, the first and second abutting portions 48 and 50 do not stick to the first and second backing jigs 88 and 92, and the first and second backing jigs 88 and 92 are formed of the duct structure. There is no risk of damage due to peeling from 40. Thereby, the first and second backing jigs 88 and 92 can be used repeatedly, and an effect of being economical is obtained.
[0064]
In addition, the first and second abutting portions 48 and 50 are not joined to the first and second buffer members 98 and 116, and the first and second buffer members 98 and 116 can be easily detached. Is done. Further, the duct structure 40 is free from residual distortion due to the separation of the first and second buffer members 98 and 116.
[0065]
In particular, the outer peripheral surfaces 88a and 92a of the first and second backing jigs 88 and 92 are configured in a perfect circle shape, and the inner peripheral surfaces 48b and 50b of the first and second abutting portions 48 and 50 are A perfect circular shape is maintained in close contact with the outer peripheral surfaces 88a and 92a. In addition, the inner circumferential length of each of the end portions 42a and 44a and the circumferential length of the end portions 42b and 46a are restricted to the same length.
[0066]
For this reason, even if it is the 1st and 2nd butting | matching parts 48 and 50 which are 2 mm or less in thickness and comparatively large diameter, a phase difference by a deformation | transformation, a wrinkle, etc. does not generate | occur | produce, The roundness of the second butting portions 48 and 50 can be maintained well, and the dimensional accuracy is improved. Thereby, the effect that the friction stir welding operation | work of the 1st and 2nd butt | matching parts 48 and 50 is efficiently performed by a simple and economical process is acquired.
[0067]
Further, the first and second butting portions 48 and 50 are fitted in close contact with the outer peripheral surfaces 88a and 92a of the first and second backing jigs 88 and 92 via the first and second buffer members 98 and 116, respectively. Match. For this reason, it is possible to prevent the first and second butting portions 48 and 50 from being displaced and to perform accurate positioning, and the friction stir welding process is efficiently performed. At that time, the first and second abutting portions 48 and 50 are fitted into the first and second backing jigs 88 and 92 in a state where the inner peripheral diameter is expanded by thermal expansion by being heated to a predetermined temperature. Match. Therefore, the first and second butted portions 48 and 50 can be easily and reliably brought into close contact with the outer peripheral surfaces 88a and 92a of the first and second backing jigs 88 and 92.
[0068]
Furthermore, the body member 42 and the flange members 44 and 46 are applied with pressure from a direction (arrow A direction) substantially perpendicular to the insertion direction (arrow B direction) of the probe 144 via the pressurizing mechanism 70. Accordingly, there is no gap between the first and second abutting portions 48 and 50, and the first and second abutting portions 48 and 50 can be reliably crimped, high-quality joining processing is performed, and the configuration of the pressurizing mechanism 70 is easy. Simplify.
[0069]
In the first embodiment described above, the inner peripheral diameter is increased by heating the barrel member 42 and the flange members 44 and 46 temporarily joined with an aluminum tape (not shown) to a predetermined temperature in a heating furnace. The diameter is attached to the first and second backing jigs 88 and 92, but is not limited thereto. For example, the first and second backing jigs 88 and 92 may be cooled to reduce the outer diameter of the first and second backing jigs 88 and 92.
[0070]
Moreover, although the division jigs 94a to 94d and 110a to 110d each divided into four are used, the number of divisions can be variously selected. Furthermore, a drive source such as an electromagnetic solenoid may be used instead of the cylinders 96a to 96d and 112a to 112d. Furthermore, the dividing jigs 94a to 94d (and / or the dividing jigs 110a to 110d) can be moved forward and backward integrally through a single drive source.
[0071]
FIG. 11 is a partial perspective view of the friction stir welding apparatus 160 according to the second embodiment of the present invention. In addition, the same referential mark is attached | subjected to the component same as the friction stir welding apparatus 60 which concerns on 1st Embodiment, and the detailed description is abbreviate | omitted.
[0072]
The friction stir welding apparatus 160 includes first and second backing jigs 162 and 164. The first backing jig 162 is, for example, a plurality of split jigs formed of an iron-based material, for example, four split jigs 94a to 94d, and disposed inside the split jigs 94a to 94d. And a first ring member 166 for expanding the diameter of the split jigs 94a to 94d. Similarly to the first backing jig 162, the second backing jig 164 is composed of, for example, a plurality of split jigs made of an iron-based material, for example, four split jigs 110a to 110d, and the split jig. And a second ring member 168 that is disposed inside the tools 110a to 110d and expands the diameter of the split jigs 110a to 110d.
[0073]
In the friction stir welding apparatus 160 configured as described above, in the state where the first buffer member 98 is disposed on the outer periphery of the split jigs 94a to 94d constituting the first backing jig 162, the split jigs 94a to 94a. The first ring member 166 is inserted inside 94d. As a result, the diameters of the split jigs 94a to 94d are expanded, and the first ring member 166 is tightly held on the outer periphery of the split jigs 94a to 94d. Similarly, when the second ring member 168 is inserted inside the split jigs 110a to 110d constituting the second backing jig 164, there is a second buffer member on the outer periphery of the split jigs 110a to 110d. 116 is held tightly.
[0074]
Therefore, the second embodiment has the advantages that the same effects as those of the first embodiment can be obtained and the configuration is further simplified. A wedge member or the like may be used instead of the first and second ring members 166 and 168.
[0075]
【The invention's effect】
In the friction stir welding method and apparatus according to the present invention, the first and second buffer members are attached to the backing jig that holds the other surface of the butted portion in correspondence with the other surface of the butted portion. The cylindrical member does not stick to the backing jig when the friction stir welding is performed. Therefore, the backing jig is free from damage due to peeling from the first and second cylindrical members. Thereby, the backing jig can be used repeatedly, which is economical.
[0076]
Moreover, the first and second cylindrical members are not joined to the buffer member, and the separation process of the buffer member is easily performed. Even if the first and second cylindrical members are particularly thin, It is possible to effectively prevent the residual distortion from occurring.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration explanatory diagram of an aircraft gas turbine engine incorporating a fan duct in which a friction stir welding method according to a first embodiment of the present invention is implemented.
FIG. 2 is an explanatory diagram of a duct structure constituting the fan duct.
FIG. 3 is a partially exploded perspective view of a friction stir welding apparatus that joins the duct structures.
FIG. 4 is an explanatory sectional view of the friction stir welding apparatus.
5 is a partially enlarged explanatory view of the friction stir welding apparatus shown in FIG.
FIG. 6 is a flowchart of the friction stir welding method.
FIG. 7 is an operation explanatory diagram when joining first abutting portions.
FIG. 8 is an explanatory cross-sectional view when joining the first abutting portion.
FIG. 9 is an operation explanatory diagram when joining a second butting portion.
FIG. 10 is an operation explanatory view for separating the buffer member from the first abutting portion.
FIG. 11 is a partial perspective view of a friction stir welding apparatus according to a second embodiment of the present invention.
12 is an explanatory view showing a method for joining aluminum members of Patent Document 1. FIG.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Fan duct 12 ... Gas turbine engine 14 ... Fan 40 ... Duct structure 42 ... Body member 44, 46 ... Flange part 44a, 46a ... End part 48, 50 ... Butt part 48a, 50a, 88a, 92a ... Outer peripheral surface 48b 50b, inner peripheral surface 60, 160, friction stir welding device 62, rotary table 64, base member 66, support base 68, support column 70, pressure mechanism 72, screw portion 74, pressure plate 77, pressure blocks 88, 92,. 162, 164 ... backing jig 90 ... rod 117, 118 ... clamp jig 130 ... mounting plate 140 ... bonding machine 144 ... probe 166, 168 ... ring member

Claims (10)

厚さが2mm以下の板材からなる第1および第2円筒部材を有し、前記第1円筒部材の端部と前記第2円筒部材の端部とを突き合わせた突き合わせ部の一方の面に、回転するプローブを押し付けながら、前記プローブを前記突き合わせ部に沿って相対的に移動させることにより、前記突き合わせ部を接合する摩擦撹拌接合方法であって、
前記突き合わせ部の他方の面を保持する裏当て治具に、前記突き合わせ部に対応してリング状の緩衝部材を取り付ける工程と、
前記第1および第2円筒部材を前記裏当て治具に対し膨張させた状態で、該裏当て治具に該第1および第2円筒部材を外装させ、さらに前記第1および第2円筒部材を前記裏当て治具に対し熱収縮させて、該裏当て治具に該第1および第2円筒部材を保持させた状態で、前記プローブを前記突き合わせ部の一方の面から挿入し、かつ該プローブの先端を前記緩衝部材から離間した位置に維持しながら、該突き合わせ部に沿って摩擦撹拌接合を行う工程と、
を有することを特徴とする摩擦撹拌接合方法。
It has first and second cylindrical members made of a plate material having a thickness of 2 mm or less, and rotates on one surface of the butted portion where the end of the first cylindrical member and the end of the second cylindrical member are butted together A friction stir welding method for joining the butted parts by relatively moving the probe along the butted parts while pressing the probe to be performed,
Attaching a ring-shaped cushioning member to the backing jig for holding the other surface of the abutting portion, corresponding to the abutting portion;
In a state where the first and second cylindrical members are thermally expanded with respect to the backing jig, the first and second cylindrical members are mounted on the backing jig, and the first and second cylindrical members are further provided. said backing jig paired Shi and heat-shrunk, and in a state of being held with first and second cylindrical members to said backing jig, and inserting the probe from one surface of the butted portion, and Maintaining the tip of the probe at a position spaced from the buffer member and performing friction stir welding along the butted portion;
A friction stir welding method characterized by comprising:
請求項1記載の摩擦撹拌接合方法において、前記摩擦撹拌接合が行われた後、前記突き合わせ部の他方の面に前記緩衝部材が圧着した状態で、該突き合わせ部から前記裏当て治具のみを離脱させる工程と、
前記突き合わせ部の他方の面から前記緩衝部材を離脱させる工程と、
を有することを特徴とする摩擦撹拌接合方法。
2. The friction stir welding method according to claim 1, wherein after the friction stir welding is performed, only the backing jig is detached from the butted portion in a state where the buffer member is pressure-bonded to the other surface of the butted portion. A process of
Detaching the buffer member from the other surface of the butting portion;
A friction stir welding method characterized by comprising:
請求項1または2記載の摩擦撹拌接合方法において、前記裏当て治具の外周面に前記突き合わせ部の他方の面を密着状態にすることにより、前記第1および第2円筒部材の端部同士を同一の長さに規制することを特徴とする摩擦撹拌接合方法。  3. The friction stir welding method according to claim 1 or 2, wherein the ends of the first and second cylindrical members are brought into contact with each other by bringing the other surface of the abutting portion into close contact with the outer peripheral surface of the backing jig. Friction stir welding method characterized by regulating to the same length. 請求項1乃至3のいずれか1項に記載の摩擦撹拌接合方法において、前記裏当て治具は、真円形状の外周面を有するとともに、複数に分割されて径方向に進退自在な分割治具を備えており、
前記分割治具は、前記突き合わせ部の他方の面に対応して周回する凹状部を設け、前記凹状部にリング状の前記緩衝部材が一体的に取り付けられた状態で、前記裏当て治具の外周面に密着する前記第1および第2円筒部材の端部同士を同一の円周長さに規制することを特徴とする摩擦撹拌接合方法。
4. The friction stir welding method according to claim 1, wherein the backing jig has a perfectly circular outer peripheral surface and is divided into a plurality of pieces and is movable in a radial direction. With
The split jig is provided with a concave portion that circulates corresponding to the other surface of the abutting portion, and the ring-shaped cushioning member is integrally attached to the concave portion, and The friction stir welding method, wherein the ends of the first and second cylindrical members that are in close contact with the outer peripheral surface are restricted to the same circumferential length.
請求項1乃至4のいずれか1項に記載の摩擦撹拌接合方法において、前記第1および第2円筒部材は、前記プローブの挿入方向と略直交しかつ前記第1および第2円筒部材の突き合わせ方向から加圧力が付与された状態で、前記突き合わせ部に沿って摩擦撹拌接合されることを特徴とする摩擦撹拌接合方法。  5. The friction stir welding method according to claim 1, wherein the first and second cylindrical members are substantially orthogonal to an insertion direction of the probe and a butting direction of the first and second cylindrical members. The friction stir welding method is characterized in that the friction stir welding is performed along the abutting portion in a state in which a pressing force is applied. 厚さが2mm以下の板材からなる第1および第2円筒部材を有し、前記第1円筒部材の端部と前記第2円筒部材の端部とを突き合わせた突き合わせ部の一方の面に、回転するプローブを押し付けながら、前記プローブを前記突き合わせ部に沿って相対的に移動させることにより、前記突き合わせ部を接合する摩擦撹拌接合装置であって、
前記第1および第2円筒部材を配置して前記突き合わせ部の他方の面を保持し、摩擦撹拌接合が行われた後に前記突き合わせ部の他方の面から離脱される裏当て治具を備え、
前記裏当て治具は、前記突き合わせ部の他方の面に対応して凹状部を設けるとともに、
前記凹状部には、前記摩擦撹拌接合が行われた後に、前記突き合わせ部の他方の面から離脱されるリング状の緩衝部材が取り付けられており、
前記第1および第2円筒部材を前記裏当て治具に対し膨張させた状態で、該裏当て治具に該第1および第2円筒部材を外装させるように、前記裏当て治具の使用時の外径寸法 は、加熱前の前記第1および第2円筒部材の内径寸法よりも大きく設定されることを特徴とする摩擦撹拌接合装置。
It has first and second cylindrical members made of a plate material having a thickness of 2 mm or less, and rotates on one surface of the butted portion where the end of the first cylindrical member and the end of the second cylindrical member are butted together A friction stir welding apparatus that joins the abutting portion by relatively moving the probe along the abutting portion while pressing the probe to be performed,
The first and second cylindrical members are arranged to hold the other surface of the abutting portion, and include a backing jig that is detached from the other surface of the abutting portion after the friction stir welding is performed.
The backing jig is provided with a concave portion corresponding to the other surface of the butted portion,
After the friction stir welding is performed, the concave portion is attached with a ring-shaped buffer member that is detached from the other surface of the butt portion,
In a state where the first and second cylindrical member was thermally expanded to said backing jig, to so that is outer to the first and second cylindrical members to said backing jig, the backing jig outer diameter of use, is set larger than the inner diameter of said first and second cylindrical members before heating the friction stir welding apparatus according to claim Rukoto.
請求項6記載の摩擦撹拌接合装置において、前記裏当て治具の外周面に前記突き合わせ部の他方の面を密着状態に配置することにより、前記第1および第2円筒部材の端部同士を同一の長さに規制することを特徴とする摩擦撹拌接合装置。  7. The friction stir welding apparatus according to claim 6, wherein the ends of the first and second cylindrical members are the same by disposing the other surface of the abutting portion in close contact with the outer peripheral surface of the backing jig. The friction stir welding apparatus is characterized in that the length of the friction stir welding apparatus is restricted. 請求項6または7記載の摩擦撹拌接合装置において、前記裏当て治具は、真円形状の外周面を有しており、この外周面に密着状態に嵌合する前記第1および第2円筒部材の端部同士を同一の円周長さに規制することを特徴とする摩擦撹拌接合装置。  8. The friction stir welding apparatus according to claim 6 or 7, wherein the backing jig has a perfectly circular outer peripheral surface, and the first and second cylindrical members are fitted in close contact with the outer peripheral surface. The friction stir welding apparatus is characterized in that the ends of each are regulated to the same circumferential length. 請求項8記載の摩擦撹拌接合装置において、前記裏当て治具は、複数に分割されて径方向に進退自在な分割治具を備えるとともに、
前記緩衝部材は、それぞれの分割治具に形成された各凹状部に一体的に嵌合自在なリング状に構成されることを特徴とする摩擦撹拌接合装置。
The friction stir welding apparatus according to claim 8, wherein the backing jig includes a dividing jig that is divided into a plurality of pieces and is movable in a radial direction.
The friction stir welding apparatus according to claim 1, wherein the buffer member is configured in a ring shape that can be integrally fitted to each concave portion formed in each split jig.
請求項6乃至9のいずれか1項に記載の摩擦撹拌接合装置において、前記第1および第2円筒部材に、前記プローブの挿入方向と略直交しかつ前記第1および第2円筒部材の突き合わせ方向から加圧力を付与する加圧機構を備えることを特徴とする摩擦撹拌接合装置。  10. The friction stir welding apparatus according to claim 6, wherein the first and second cylindrical members are substantially perpendicular to an insertion direction of the probe and a butting direction of the first and second cylindrical members. A friction stir welding apparatus comprising a pressurizing mechanism for applying a pressure from
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