JP4460172B2 - ２つのワークの溶接装置 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、結合技術、特に溶接技術の分野に関する。
【０００２】
本発明は、２つのワークが両ワーク間に結合領域を画成している２つのワークの溶接方法に関する。また本発明は、２つのワークが両ワーク間に結合領域を画成し、摩擦心棒がその結合領域内に送り込まれる２つのワークの溶接装置に関する。
【０００３】
例えばアルミニウム製あるいはアルミニウム合金製の２つのワークを接合するために、例えばヨーロッパ特許第０６１５４８０号明細書において、摩擦で発生した熱によって、両ワークの突合わせ領域、接合領域あるいは結合領域での溶接のために、基礎材料を可塑化するかあるいは溶融することが知られている。このために、摩擦溶接ヘッドが利用されている。その摩擦溶接ヘッドは、周期的に高速運動（例えば高速回転）する摩擦心棒を有している。この摩擦心棒は、被接合ワークの材料より硬くて高い融点の材料から成っている。この摩擦心棒は、２つの板状ワークを接合するために、ワークの結合領域の範囲において横でワークに当てられる。この摩擦心棒は、その周期的な高速運動でワークを可塑化するので、同時に結合領域に沿って送り運動すると、両ワークの対向して位置する範囲に侵入する。そして可塑化した範囲が冷えると、両ワークが溶接される。その方法は摩擦攪拌溶接（Friction Stir Welding）と呼ばれている。
【０００４】
この摩擦攪拌溶接（Friction Stir Welding）の改良形態および変更例は、国際公開第ＷＯ９５／２６２５４号明細書および国際公開第ＷＯ９６／３８２５６号明細書に記載されている。
【０００５】
しばしば、溶接継目が両ワークの縁部まで延びないように、両ワークを互いに溶接しなければならない。その場合、摩擦心棒は（ワークに横から侵入した後）このワークから別の個所で再び横に出せない。例えば板状ワークは突合わせ縁に沿って途切れ途切れでしか溶接されず、またその溶接部分は少なくとも板状ワークの縁まで達しない。この場合、溶接継目の終端に、摩擦心棒を引き抜く際あるいは持ち上げる際、摩擦心棒の材料排除に基づいて、望ましくない孔が残存する、という問題が生ずる。
【０００６】
この問題は、溶接継目が閉鎖形状で製造されねばならないときも生ずる。特に、２つの管を（気密に）溶接する際、摩擦心棒が管円周に沿って完全に一周した後再び開始個所に戻るために生ずる。
【０００７】
ドイツ特許第１９６１６２８５号明細書において、摩擦心棒を円周方向に運動しながら管壁からゆっくり引き抜き、これによってくさび状の退路開口が生ずるようにすることが提案されている。しかしこれによっても、半径方向に持ち上げる際に生ずる孔は完全に避けられない。溶接された管は、くさび状退路出口の範囲がしばしば望ましくない薄い壁厚となる。
【０００８】
ワークにおける望ましくない孔あるいは望ましくない開口を閉鎖するために、例えば英国特許出願公開第２２３３９２３号明細書において、その孔ないしは開口の中に、プラグを高速回転して摩擦熱を発生しながら挿入し、このプラグでその孔ないしは開口を気密に閉鎖することが知られている。多数の管を溶接する場合のそのような処置は、摩擦心棒の一周ごとに、そのような摩擦プラグを挿入しなければならず、このために場合によっては、特別な装置あるいは少なくとも一回の工具交換が必要とされるので、経費がかかる。
【０００９】
従って本発明の課題は、溶接継目の最終個所で摩擦心棒が持ち上げられることによる生ずる孔が、安価な技術的経費で確実に回避されるような２つのワークの溶接装置を提供することにある。
【００１０】
本発明によれば、２つのワークが両ワーク間に結合領域を画成し、
ａ）摩擦心棒が、溶接開始で、結合領域内および結合領域の両側における両ワークの対向して位置する範囲内に挿入され、
ｂ）摩擦心棒が両ワークを溶接しながら溶接方向に結合領域に沿って移動され、
ｃ）両ワークの溶接後に、摩擦心棒が結合領域から出され、
ｄ）摩擦心棒が、持ち上げられながら、犠牲要素に挿入される
２つのワークの溶接方法であって、
ｅ）犠牲要素が別個の犠牲体として形成され、この犠牲体が少なくとも一方のワークに隣接して設けられ、
ｆ）結合領域が閉鎖形状を有し、
ｇ）摩擦心棒が、結合領域を完全に一周した後、摩擦心棒の円周運動を維持しながら開始個所を越えて移動され、犠牲要素に挿入される
２つのワークの溶接方法が提案される。
【００１１】
ここで犠牲要素とは、両方のワーク（例えば両方の管）の機能にとって必要でないあらゆる要素を意味している。従って本発明の方法によれば、摩擦心棒を持ち上げた際に残存する孔が、ワークの機能上重要な部位には生ぜず、犠牲要素に生ずるという利点が得られる。例えば犠牲要素は２つの管状ワークの外側表面から突出し、これによって、犠牲要素に孔が生じた際、管にその設定壁厚を下回った個所が生ずることはなくなる。
【００１２】
犠牲要素は任意の形状（例えば突起、突出部あるいは延長部の形）をしていてよい。
【００１３】
摩擦心棒は特に、両ワークの互いに対向して位置する部位の可塑化が結合領域の両側で現れる摩擦攪拌原理で作動する。
【００１４】
本発明における摩擦心棒の持ち上げまたは取り外しとは、摩擦心棒を一方あるいは両方のワークから引き抜くことを意味する。この引き抜きは少なくとも、結合領域の方向（即ち溶接方向に対して垂直な方向）における運動成分を有する。
【００１５】
有利な実施態様において、犠牲要素は、一方のワークの構成部分として犠牲部位を形成してこのワークに一体形成されている。例えば犠牲部位およびワークは単一の部材から形成されるか製造される。特に犠牲部位は一方のワークの表面から突出している。
【００１６】
他の実施態様において、犠牲要素は別個の犠牲体として形成され、この犠牲体は少なくとも一方のワークに隣接して設けられる。そのような犠牲体は単純に製造でき、ワークを製造する際に補助的な経費を必要としない。
【００１７】
例えば犠牲体は、できるだけ隙間あるいは空隙のない接触が生ずるように、その下側面がワークの輪郭に合わされている。犠牲体は（犠牲部位も同様に）好適には、溶接方向に対して垂直にも延びている。
【００１８】
犠牲体あるいは犠牲部位がワークと同じ材料から成っていると特に有利である。これによって、犠牲要素を利用しない場合にワークに残存する孔が、犠牲要素の材料によって特に確実に回避されるか閉鎖されることが保証される。
【００１９】
好適には、本発明に基づく方法は、結合領域が閉鎖形状、特にリング形を有しているようなワークに利用される。そのようなワークは例えば管である。この場合、溶接継目は開始個所から最終個所まで延び、その最終個所は開始個所と一致している。例えば管の場合、一周（３６０°）の円周線に沿って溶接される。
【００２０】
閉鎖形状を有する結合領域の場合、摩擦心棒は、結合領域を完全に一周した後、好適には開始個所を越えて移動される。これは、２つの管を溶接する際、摩擦心棒が３６０°より大きな円周運動を行い、即ち最終個所を越える運動を行うことを意味する。
【００２１】
その場合、例えば摩擦心棒により数回通過される結合領域の部分が生ずる。例えば機械で調整されるそのようなオーバーラップによって、本発明に基づく方法の許容誤差が有利に増大する。
【００２２】
特に犠牲要素は、溶接方向に見て特に最終個所と一致する開始個所の後方に設けられる。
【００２３】
特に有利な実施態様において、閉鎖形状を有する結合領域の場合、摩擦心棒が既に溶接方向に移動された後、犠牲体が、開始個所に、あるいは摩擦心棒が既に通過し終えた個所に設けられる。犠牲体は例えば、開始個所上にあるいは既に摩擦心棒が通過し終えた個所上に、犠牲体を設けるための十分な場所が存在する時点で設けられる。
【００２４】
このような処置の際、摩擦心棒は完全に一周した後に、その（方位）運動方向の変更あるいは補助的な運動を必要とすることなしに、いわば自動的に犠牲体に入り込む。
【００２５】
あるいはまた、摩擦心棒が既に溶接方向に移動された後、犠牲体が、溶接方向に見て、開始個所の横に、あるいは摩擦心棒が既に通過し終えた個所の横に設けられる。この場合、摩擦心棒の完全な一周後に、場合によっては、摩擦心棒が開始個所の横から、あるいは摩擦心棒が既に通過した個所の横からワーク内での前進運動後に犠牲体の中に動かし入れられるように、摩擦心棒の方位前進運動の終了あるいは変更が必要である。
【００２６】
他の特に有利な実施態様において、犠牲要素は結合領域に直に隣接して設けられる。これによって、結合領域に沿った完全な溶接後に、摩擦心棒を時間的損失なしに犠牲要素内に挿入できるという利点が得られる。場合によっては、その場合には一方のワーク内における特別な前進運動が必要とされず、摩擦心棒を犠牲要素内へ挿入する際の摩擦心棒の持ち上げは結合領域から出される最中に行われる。
【００２７】
時間損失を小さくするために、犠牲要素は少なくとも、結合領域に対して摩擦心棒の直径より小さな間隔を隔てて設けられる。
【００２８】
他の実施態様において、犠牲要素は、溶接方向に見て、結合領域の横に設けられる。この実施態様は、犠牲要素が犠牲部位として一方のワークの構成部分である場合に有利である。その犠牲部位は、結合領域に沿った被溶接ワークの位置決め及び／又は摩擦心棒の運動を害することなしに、結合領域に対して間隔を隔てて特に簡単に形成できる。
【００２９】
本発明に基づく方法の有利な実施態様において、犠牲要素は、ワークの溶接後に除去される。摩擦心棒が犠牲要素から引き抜かれた後、その犠牲要素の除去あるいは削除は例えばフライス削りあるいは切断によって行われる。
【００３０】
他の有利な実施態様において、摩擦心棒の持ち上げ中、摩擦心棒の送り運動が維持される。これらの両運動を重畳させることによって、特にきれいな退去個所が生ずる。
【００３１】
好適には、犠牲要素が取り囲むワークの表面からの犠牲要素の高さは、溶接継目深さより大きい。溶接継目深さは摩擦心棒（沈み込み摩擦面）の高さに関係するので、これによって、沈み込んだ摩擦棒全体が犠牲要素によって受けられることが保証される。
【００３２】
特にここでいう「高さ」は、ワークの表面に対して垂直な高さを意味する。例えば、犠牲要素はこの高さだけ溶接方向に対して垂直に結合領域から突出している。
【００３３】
更に有利な実施態様において、犠牲要素が取り囲むワークの表面からの犠牲要素の高さは三次元的に変化している。これによって、特に摩擦心棒の持ち上げ運動と前進運動とが重なり合った全体運動に関連して、結合領域から犠牲要素への単純できれいな移行が達成される。特に、摩擦心棒の送り運動方向に平行な方向に沿って高さが（連続的に）増加する。
【００３４】
他の有利な実施態様において、それに従って、摩擦心棒は、犠牲要素内にその高さが増大する方向に挿入される。
【００３５】
例えば犠牲要素はくさび状をしている。２つの管を溶接する際、くさびは特に、その表面あるいは外側面が少なくとも部分的に管の外周面に対して接線方向に延びる形をしている。
【００３６】
摩擦心棒は好適には、犠牲要素の輪郭に従って制御されて持ち上げられるか引き上げられる。
【００３７】
溶接装置に関する課題は、本発明によれば、２つのワークが両ワーク間に結合領域を画成し、摩擦心棒がその結合領域内に送り込まれ犠牲要素に挿入され、摩擦心棒を犠牲要素の輪郭に従って制御してワークから引き上げ、同時に摩擦心棒の送り運動を実施する制御装置が設けられている２つのワークの溶接装置であって、摩擦心棒が、制御装置に設けられ犠牲要素の輪郭を表している制御カムに従って引き上げられることによって解決される。
【００３８】
この装置は本発明に基づく方法を実施するために特に適している。この装置は、高さが三次元的に変化している犠牲要素が使用される場合に特に有利である。
【００３９】
好適には、摩擦心棒は、送り方向に進んだ行程に関係して、自動的に引き上げられる。
【００４０】
装置の有利な実施態様において、この装置は、摩擦心棒の行程を走査し引上げ運動を制御する走査体を有している。
【００４１】
走査体と摩擦心棒とは好適には制御シリンダを介して接続されている。
【００４２】
摩擦心棒が、制御装置に設けられた制御カムに従って引き上げられると有利である。制御カムは機械式あるいは電子式に実現される。
【００４３】
特に有利な実施態様において、制御カムは犠牲要素の輪郭を表している。
【００４４】
本発明はまた上述の方法を実施するための犠牲体にも関する。この犠牲体は少なくとも１つのワークに当てられる別個の物体である。犠牲体の考え得る形態および利点は、以下の本発明に基づく方法の説明から理解できる。
【００４５】
更に本発明は本発明に基づく方法を実施するための犠牲部位を備えたワークに関する。特にその犠牲体は、一方のワークの構成部分としてこのワークに一体に形成されている。
【００４６】
犠牲部位の有利な実施態様は、本発明に基づく方法の以下の説明から同様に理解できる。
【００４７】
以下図１〜図１１を参照して、本発明に基づく方法とその装置の複数の実施例を詳細に説明する。
【００４８】
図１には、端面１Ａ、３Ａを突合わせて配置された２つの板状ワーク１、３が示されている。その両ワーク１、３はそれらの端面１Ａ、３Ａによって両ワーク１、３間に結合領域５を画成している。ワーク１、３はその端面１Ａ、３Ａがほとんど隙間なしに接触しているか、両端面１Ａ、３Ａ間に例えば製造技術に起因する（望ましくない）小さな空隙を有している。
【００４９】
ワーク１、３はその結合領域５に沿って、開始個所７で始まって、ワーク１、３の縁から離れている最終個所９まで、互いに溶接される。このために、摩擦・攪拌溶接原理で作動する摩擦心棒２３付き溶接ヘッド２１が、開始個所７で結合領域５およびこの結合領域５の両側における両ワーク１、３の相対して位置する部位あるいは区域に挿入される。摩擦心棒２３は、所定の溶込み深さに到達した後、結合領域５に沿って溶接方向２５に移動される。
【００５０】
摩擦心棒２３は、挿入中および前進移動中、詳述しない電動駆動装置によって、回転中心線２７を中心として高速回転される。同時に摩擦心棒２３が両ワーク１、３間の結合領域５に押し付けられ、これによって、材料が加熱され、可塑化される。そのために溶接ヘッド２１は案内肩２２を有している。可塑化した材料は、摩擦心棒２３の回転運動によってその背後に移送され、案内肩２２および摩擦心棒２３の輪郭（図示せず）によって圧縮される。そして冷却した際、融点に到達することなしに、固い結合が生ずる。
【００５１】
摩擦心棒２３は、溶接方向２５に最終個所９まで移動した後、そこで結合領域５およびワーク１、３から遠ざけねばならない。この場合、摩擦心棒２３による材料排除のために、最終個所９に孔が残存するが、この孔は補助材で塞がねばならない。
【００５２】
従って本発明に基づいて、最終個所９にくさび状の犠牲体３１が締付け固定され、圧着され、あるいは溶接されている。この犠牲体３１は両ワーク１、３を押し合わせた後、その上に置かれる。犠牲体３１はその尖端３３が、犠牲体３１上を移動すべき溶接ヘッド２１に向いている。犠牲体の下側面３５は両ワーク１、３上に結合領域５を覆って位置している。
【００５３】
犠牲体３１の最大高さＨは、摩擦心棒２３が犠牲体３１によって完全に取り囲まれるように、溶接継目深さＴより大きくされている。
【００５４】
摩擦心棒２３は犠牲体３１の中にその高さＨが増大する方向に挿入される。その場合、結合領域５に沿った前進送り運動４１に、（摩擦心棒２３をワーク表面に対して持ち上げさせる）引上げ運動４３が重畳される。換言すれば、摩擦心棒２３はその下端が結合領域５あるいはワーク１、３の一方に最早もぐり込まなくなるまで、犠牲体３１の輪郭に従って持ち上げられる。
【００５５】
図２に示されている第２実施例において、犠牲体３１は溶接方向２５に見て結合領域５の横に設けられ、その尖端３３が結合領域５に直に隣接している。犠牲体３１の代わりに、一方のワーク１、３に犠牲部位５１をそのワーク１、３の構成部分として一体形成できる。犠牲体３１および犠牲部位５１は、以下においてまとめて犠牲要素と呼ぶ。
【００５６】
図２において、犠牲要素３１、５１は図１の配置に対して９０°回転されている。摩擦心棒２３が最終個所９まで移動された後、それまでの移動方向に対して９０°回転され、摩擦心棒２３は犠牲要素３１、５１に向けて送り運動４１される。この送り運動４１に（第１実施例と同様に）、案内肩２２が犠牲要素３１、５１のくさび状経過に追従するようにして、引上げ運動４３が重畳される。
【００５７】
図３に示されている第３実施例は、図２に示された実施例にほとんど一致しているが、犠牲要素３１、５１が結合領域５に対して摩擦心棒２３の直径Ｄより小さな間隔Ａを隔てて置かれている点で相違している。図２と同様に、摩擦心棒２３が最終個所９に到達した後、その運動方向が９０°回転され、摩擦心棒２３が結合領域５から外される。図２と異なって、摩擦心棒２３が結合領域５から外れ始めた際、直ちに引上げ運動４３は開始しない。むしろ、摩擦心棒２３が犠牲要素３１、５１の尖端３３に到達するまで、まず片側のワーク１において前進運動５１が行われる。その後はじめて、引上げ運動４３のためおよび送り運動４１の維持によって、摩擦心棒２３の持ち上げが行われる。
【００５８】
図４における第４実施例において、ワーク１、３は管状形成物であるので、結合領域５は閉鎖形状、詳しくはリング形状を有している。円形溶接継目が形成される。図４に示された最初の時点において、溶接ヘッド２１の摩擦心棒２３が開始個所７で結合領域５内に半径方向に挿入され、即ち送り移動され、溶接方向２５に沿って円周方向に結合領域５に沿ってワーク１、３を溶接し始める。
【００５９】
図５に示されたその後の時点で、摩擦心棒２３はそれが３６０°完全に一周して、開始個所７と一致する最終個所９にほぼ再び到達する。この摩擦心棒２３が図３の実施例に類似して犠牲要素３１、５１に挿入されるまで、摩擦心棒２３は距離Ｓだけ開始個所７を越えて移動される。この場合その距離Ｓは摩擦心棒２３が結合領域を複数回通過する距離であり、これによって全周が液密に溶接されることが大きな許容誤差で保証される。その距離Ｓは少なくとも摩擦心棒２２の直径Ｄと同じ大きさである。
【００６０】
図６には、ワーク１、３が同様に管である第５実施例が横断面図で示されている。図６に示された第１時点で、摩擦心棒２３は開始個所７において既にワーク１、３の壁内に挿入され、溶接方向２５に沿って動き始める。
【００６１】
図７には、溶接ヘッドが完全に一周した後であらためて開始個所７に到達する直前の第２時点における溶接ヘッドが示されている。図６における第１時点と図７における第２時点との間において、犠牲要素３１（退去くさび）がワーク１、３の、摩擦心棒２３が既に通過し終えた場所に、取り付けられる。従って、摩擦心棒２３はその円周運動を維持しながら犠牲要素３１に直接入り込む。これは図８に示されている。前述の実施例のように、そのために摩擦心棒２３が犠牲要素３１の尖端３３に到達した際、引上げ運動４３が行われる。既に図５に類似して示されているように、犠牲要素３１は溶接方向２５に見て開始個所７の後方に設けられているので、開始個所７（最終個所９と一致）と尖端３３との間に、摩擦心棒２３が結合領域を複数回通過して許容誤差を高める距離Ｓが形成される。
【００６２】
くさび状犠牲体３１はその下側面が管の曲率に合わされている。
【００６３】
図８には、送り運動４１および引上げ運動４３（図１〜図３）が一緒にワーク１、３および結合領域５からの接線方向の退去運動の形にどのように重畳されるかが示されている。摩擦心棒２３はこの退去運動後に、犠牲体３１から遠ざけられ、これによって退去孔６０が残される。この退去孔６０は、犠牲体３１が付けられていなければ、ワーク１、３の管壁に生じてしまう。
【００６４】
摩擦心棒２３を犠牲体３１から除去した後に、犠牲体３１は、この個所が滑らかな円形輪郭になるまで、フライス加工される。
【００６５】
図９には、溶接装置６１と制御装置６４とを有する本発明に基づく装置６２の第１実施例が示されている。溶接装置６１は駆動装置６３とこれで駆動される摩擦心棒２３付き溶接ヘッド２１とを有している。摩擦心棒２３は制御装置６４によって制御されてワーク１、３から引き上げられ（引上げ運動４３）、同時に送り運動４１が実施される。
【００６６】
図９において、制御装置６４は車輪として形成された走査体６８を有している。この走査体６８によって、送り方向４１に進んだ行程が検出される。走査体６８の運動は制御シリンダ７２を介して溶接ヘッド２１、従って摩擦心棒２３に伝えられる。このようにして、走査体６８によって、摩擦心棒２３の引上げ運動４３が制御される。
【００６７】
図１０には、本発明に基づく装置６２の第２実施例が示されている。図１０は管１、３に沿った縦断面図であり、この図１０から、溶接ヘッド２１が案内レール７４に沿って管の円周方向に案内されることが理解できる。
【００６８】
図１０およびワーク（管）１、３の横断面図である図１１に示されている実施例において、引上げ運動４３は制御カム８０を介して制御される。制御カム８０は制御装置６４に固定して設けられている。制御カム８０は犠牲体３１の輪郭を表しているので、送り運動４１と引上げ運動４３との重畳によって、摩擦心棒２３は、犠牲体３１の輪郭に従って制御されて持ち上げられる。制御カム８０はスプール弁８２を介して溶接機６３に接続されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に基づく方法の第１実施例の概略説明図。
【図２】 本発明に基づく方法の第２実施例の概略説明図。
【図３】 本発明に基づく方法の第３実施例の概略説明図。
【図４】 本発明に基づく方法の第４実施例の第１時点における概略説明図。
【図５】 図４の実施例の第２時点における概略説明図。
【図６】 本発明に基づく方法の第５実施例の第１時点における概略説明図。
【図７】 図６の実施例の第２時点における概略説明図。
【図８】 図６および図７の実施例の第３時点における概略説明図。
【図９】 本発明に基づく装置の第１実施例の正面図。
【図１０】 本発明に基づく装置の第２実施例の縦断面図。
【図１１】 図１０の実施例の横断面図。
【符号の説明】
１ ワーク
３ ワーク
５ 結合領域
７ 開始個所
９ 最終個所
２３ 摩擦心棒
２５ 溶接方向
３１ 犠牲体
４１ 送り方向
４３ 引上げ方向
５１ 犠牲体
６２ 溶接装置
６４ 制御装置
６８ 走査体
７２ 制御シリンダ
８０ 制御カム

Claims (1)

1. ２つのワーク（１、３）が両ワーク（１、３）間に結合領域（５）を画成し、摩擦心棒（２３）がその結合領域（５）内に送り込まれ犠牲要素（３１、５１）に挿入され、摩擦心棒（２３）を犠牲要素（３１、５１）の輪郭に従って制御してワーク（１、３）から引き上げ、同時に摩擦心棒（２３）の送り運動（４１）を実施する制御装置（６４）が設けられている２つのワーク（１、３）の溶接装置（６２）であって、
   摩擦心棒（２３）が、制御装置（６４）に設けられ犠牲要素（３１、５１）の輪郭を表している制御カム（８０）に従って引き上げられることを特徴とする２つのワークの溶接装置。

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