JPH02290682A - イナーシャ溶接方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［　産業上の利用分野　］ この発明は、むく部材またはチューブ等の中空部材間を
溶接するイナーシャ溶接、特に、高張力超合金部材及び
粉末冶金高張力超合金のイナーシャ溶接に関する。また
、この発明は、超合金部材を補修するイナーシャ溶接に
関する。

［従来の技術及び発明が解決しようとする課題］イナー
シャ溶接は、回転軸に対して対称的形状の部材どうしを
接合する場合に通常使用される。

この種の部材は、むく材に限らず中空材であっても溶接
することができる。したがって、イナーシャ溶接は、部
材どうしを相互に接合して、クランタンヤフトや中空チ
ューブ等を形成することができる。このようなイナーシ
ャ溶接に関しては、たとえば、米国特許第３，２３４，
６４４号、３，２３５．１６２号、３．４６２，８２６
号、３，５９１，０６８号、及び４，３６５，１３６号
等に開示されているもの等がある。

イナーシャ溶接をする場合には、接合部材の軸線を相対
的に一致させ、その接合面を相互に平行に配置させて溶
接を行う。また、溶接する部材の一方を固定し、他方を
はずみ車に取り付ける。この回転体、すなわち、溶接部
材をはずみ車に取り付けた回転体は、所定の回転速度ま
で加速されて、固定した一方の溶接部材に対して押圧す
る。はずみ車の形状、質量、及び回転速度により有効な
運動エネルギーが決定される。そして、この運動エネル
ギーは、接合部材間の摩擦により吸収されて、熱エネル
ギーに変換する。なお、溶接部材は、相互に押圧し合っ
て運動エネルギーにより部分的に軟化する。そして、部
材間の押圧力はそのまま保持されて、増加され、溶接部
材の軟化した部分が相互に接合される。また、この溶接
部材間の押圧力により、溶接部が塑性変形する。その後
、溶接部は熱伝導により急速に冷却して溶接部材どうし
が接合される。

このイナーシャ溶接方法は、非常に有用な溶接方法であ
り、幾つかの新規な利点がある。たとえば、溶接部から
比較的多量の部材を取り除き、溶接部表面における有害
な異物をすべて除去することができることである。そし
て、溶接された部材の溶接部は、鋳造というより鍛造的
な特徴を有するようになる。レーザ、電子ビーム及び電
気溶接等による溶接部は、溶解した後に再凝固するため
に鋳造的特性を有する。この溶接特性は、この発明に係
るイナーシャ溶接による鍛造的特性よりし一般的に好ま
しいものではない。

イナーシャ溶接は、いわゆる摩擦溶接の形態をとる。一
般的な摩擦溶接は、連続的なモータ駆動を必要とし、は
ずみ車にエネルギーが蓄えられるのではなく、このエネ
ルギーは直接摩擦熱に変換する。なお、この明細書にお
いて使用するイナーシャ溶接という言葉は、回転摩擦溶
接以外の他の方式を包含する意味で使用するものとする
。

イナーシャ溶接は、すでに、重建設機械工業等において
鉄や鋼鉄等の鉄性材料を接合するために広く使用されて
いる。近年、超合金の接合においても、ある程度の成功
をおさめている。超合金は、軟化温度が鉄性部材より高
く、高温度に対しても耐変形性を有しているため、鉄性
部材よりもその接合需要がある。粉末冶金超合金は、あ
らゆるイナーシャ溶接を行うのが最も困難な合金である
。

溶接により軟化する接合部分は、特定の部分に制限され
る。また、溶接部分におけるアブプセット（圧縮成形）
、すなわち、変形度合いも同様に制限を受ける。したが
って、（粉末冶金）超合金をイナーシャ溶接した場合に
は、溶接部分にくぼみが残ってしまう。なお、鉄性部材
をイナーシャ溶接した場合には、このようなくぼみ生じ
ることはまれである。

しかしながら、粉末冶金ニッケル超合金の場合には、常
に、イナーシャ溶接部分を突き抜けてくぼみが生じてし
まう。したがって、溶接後にアップセット郎を機械研削
により取り除いても、くぼみ部は常に残るために、この
くぼみを完全に取り除くためには、溶接部材の原直径よ
りも小さくなるまで研削しなければならない。くぼみを
十分に取り除かずにこの溶接部材を使用した場合、ある
いは熱処理中において、このくぼみ部にストレスが集中
して破損等の原因となる。そのため、このくぼみに関す
る問題は、高張力超合金、すなわち、１０００゜Ｆにお
いて約１００ｋｓｉ程度の降伏強度を有する合金や粉末
冶金により製造された合金において特に有害なものとな
る。なお、超合金と（７ては、γ′相（ＮｉｓＡ＋）の
析出による析出硬化を利用して強化されたニッケル基合
金等がある。

したがって、この発明は、イナーシャ溶接方法及びイナ
ーシャ溶接により部材の溶接部に生じるくぼみの発生位
置及びその深さを制御する方法を提供することを目的と
する。

また、この発明は、高張力超合金（及び／または粉末冶
金超合金）の溶接部分に生じるくぼみの発生を最小限に
するイナーシャ溶接及びこのイナーンヤ溶接により接合
された複合部材を提供することを目的とする。

さらに、この発明は、超合金部材を再処理する方法を提
供することを目的とする。

［　課題を解決するための手段及び作用　］上記課題を
解決するためにこの発明によれば、第１金属部材と第２
金属部材をその溶接面が相対的に対向するように配し、
前記第１金属部材と前記第２金属部材とを相対的に回転
させて接合するイナーシャ溶接方法であって、前記第１
金属部材と前記第２金属部材の溶接部における直径比を
略！．２対１以上とするイナーシャ溶接方法が提供され
る。

また、この発明によれば、直径比が略１．２対ｌから略
２．０対ｌの第１金属部材及び第２金属部材を、その溶
接面が相対的に対向するように配し、前記第１金属部材
を前記第２金属部材に対して相対的に回転させてイナー
シャ溶接を行い、溶接部に生じるくぼみが、前記第！金
属部材よりその直径が小さい第２金属部材の外側に形成
されるイナーシャ溶接により金属部材を接合する方法が
提供される。

また、この発明によれば、イナーシャ溶接により接合さ
れた第１及び第２超合金部材から成る複合部材であって
、第１の直径と、第１の中心軸を有する第１超合金部材
と、第２の直径と、第２の中心軸を有する前記第１超合
金に接合された第２超合金部材と、から構成され、前記
第１中心軸と前記第２中心軸とは、溶接部において相互
に一致するとともに、前記第１直径は前記第２直径の略
１．２から２．０倍となっており、溶接部に生じたくぼ
みが前記第２超合金部材の第２直径より外側に位置して
いるイナーシャ溶接により接合された複合部材が提供さ
れる。

また、この発明によれば、イナーシャ溶接により接合さ
れた第１及び第２中空超合金部材から成る複合部材であ
って、第１肉厚と、第！中心軸を有する第■中空超合金
部材と、第２肉厚と、第２中心軸を有する前記第１中空
超合金に接合された第２中空超合金部材と、から構成さ
れ、前記第１中心軸と前記第２中心軸とは、溶接部にお
いて相互に一致するとともに、前記第ｌ肉厚は前記第２
肉厚の略１．２から２．０倍となっており、溶接部に生
じたくぼみが前記第２中空超合金部材の外径より外側に
位置しているイナーシャ溶接により接合された複合部材
が提供される。

また、この発明によれば、イナーシャ溶接により生じる
溶接部のくぼみ位置を制御する方法であって、所定直径
を有する第１部材とこの第１部材より小さい直径を有す
る第２部材をその溶接面を相互に対向させて配し、前記
第１部材を前記第２部材に対して相対的に回転させてイ
ナーシャ溶接し、湾曲した溶接部を形成するイナーシャ
溶接により生じる溶接部のくぼみ位置を制御する方法が
提供される。

また、この発明によれば、少なくとも２つの部材の溶接
面を相互に当接させるととらに一方の部材を他方の部材
に対して回転押圧させてイナーシャ溶接した複合部材で
あって、前記部材間の溶接部の溶接境界面は湾曲してお
り、溶接部の外側点における接線と回転軸とのなす角度
が略５０゜から８０゜であるイナーシャ溶接により接合
された複合部材が提供される。

さらに、この発明によれば、高張力超合金をイナーシャ
溶接により補修する方法であって、高張力超合金の損傷
部を取り除く工程と、高張力超合金の損傷部を取り除く
工程と、前記高張力超合金の取り除かれた損傷部に、こ
の損傷部より大きい断面を有する新たな高張力超合金を
イナーシャ溶接により接合し、溶接郎に生じるくぼみ部
が非損傷部の外側に位置するように湾曲溶接部を形成す
る工程と、補修部より余分な溶接郎を取り除く工程と、
からなる高張力超合金をイナーシャ溶接により補修する
方法が提供される。

したがって、上記発明によねば、部材どうしをイナーシ
ャ溶接するに際し、溶接郎に生じるくぼみが、溶接部に
おける部材の最小直径より内側に延びることがないため
に、溶接郎を所望寸法に仕上げることができるようにな
る。

［実施例］ 以下、添付図而に基づいてこの発明の実施例を説明する
。

第１図は、イナーシャ溶接前と溶接後の一般的な形状を
有する超合金のむく部材を示す。すなわち、第１Ａ図は
溶接前の部材を示し、第１Ｂ図は溶接郎分にくぼみ（溝
）が形成された溶接後の部材を示している。このくぼみ
は、溶接部材の内部にまで延びており、くぼみ部の直径
は溶接部材の直径より小さくなっている。したがって、
溶接部の断而積は溶接部材の断面積より小さくなってい
る。第２図は、溶接後の同一直径部材を示す。溶接部に
生じたくぼみは、部材直径よりも内側まで達しているこ
とが認められる。

この発明の特徴は、相互に形状が異なる部材どうしをイ
ナーシャ溶接することにある。すなわち、同一形状ある
いは類似形状の合金部材を溶接する従来の方法とは異な
るものである。

第３図及び第４図は、この発明に係る溶接萌の溶接部形
状を示している。第３図は、この発明に係るむく部材ど
うしの接合を示す。図において、部材Ａは、部材Ｂに溶
接される溶接部材を示している。なお、この部材Ａの直
径ＤＡは、部材Ｂの直径ＤＢよりも小さくなっている。

これらの溶接部材は相互に対称的に配置しなければなら
ない。

すなわち、部材Ａの中心軸ＣＬａを部材Ｂの中心軸ＣＬ
ｂに一致させる必要がある。この部材どうしの配置は、
イナーシャ溶接を行う場合に通常行われるものである。

中心軸ＣＬａを中心軸ＣＬｂに一致させると、部材どう
しに段差を生じる。すなわち、ΔＲとΔＲ′は、直径Ｄ
ａから直径Ｄｂの２分の１（半径）を引いた値となる。

この値は、中心軸ＣＬａを中心軸ＣＬｂに一致させた場
合に当然に求められる値である。なお、ΔＲとΔＲ′は
同じ値である。

第４図は、チューブ等の中空部材を溶接する場合のこの
発明に係る接合部の形状を示している。

図において、部材Ａは部材Ｂに溶接する溶接部材である
。なお。これらの溶接部材も、中心軸ＣＬａ及びＣＬｂ
を有した中空部材である。また、この場合においても、
各部材の中心軸を相互に一致させるように配置するのが
好ましい。なお、部材八の肉厚はＴａであり、部材Ｂの
肉厚は部材Ａよりも厚＜Ｔｂとなっている。また、部材
Ａの内径はＩｄａ，外径はＯｄａであり、一方、部材Ｂ
の内径はＩｄｂ，外径はＯｄｂとなっている。さらに、
記号Ｓ及びＳ′は、部材Ａを部材Ｂにイナーシャ溶接す
る場合に生じる段差を示す。

この発明は、寸法、直径及び肉厚の異なるむく部材や中
空部材を溶接する際に、溶接部の位置及び溶接残部の範
囲を制御して、湾曲した溶接部を形成することを要旨と
する。

異なる寸法の部材どうしを溶接する場合には、各溶接部
分の側郎に段差を生じる。なお、この発明に係るイナー
シャ溶接を行う際のこの段差寸法は、溶接する部材によ
り異なるものである。したがって、部材間の厚み及び段
差寸法（すなわち、第３図及び第４図における、ΔＲ１
ΔＲ′またはｓ，ｓ’　）の比率は、溶接する部材によ
り異なるものであり、最適な寸法は一般的な実験を繰り
返して求めることができる。

特に、粒径がＡＳＴＭＩ０．５あるいは２０６５゜Ｆの
析出温度を含む熱処理を施し、この温度から油冷し、そ
の後、１６００°Ｆ，１８００゜Ｆ，１２００゜Ｆ１ま
たは１４００°Ｆまで自然冷却し、１５０ｋｓｉのｌ３
００゜Ｆにおいて最小降伏強度を有する粉末冶金ニッケ
ル基超合金（クロムｌ２％、コバルト０．８％、モリブ
デン３．２％、チタニウム４．３％、アウルミニウム５
％、バナジウム０．８％、ホウ素０．０２％．ジルコニ
ウム０．０６％、残ニッケルから成る成分を有したＩＮ
１０Ｏとして公知な工業用超合金材）は、第３図のＤＡ
／ＤＢ率及び第４図のＴＡ／ＴＢ率を約１．５から１．
７内にすることが好ましい。

したがって、０．２００インチの肉厚の比較的薄い上記
部材を使用した場合の第４図におけるような中空部材は
、０．３００から０．３４０インチの肉厚を有する部材
に対して適切に溶接することができる。

この発明は、公称寸法（内外径の平均値）が実質的に同
じであり、その結果、第４図に示す外側段差Ｓ及び内側
段差Ｓ′とが略同等となるような部材に対して適用する
ことができるものである。

しかしながら、内側及び外側の両段差が上述した特定の
溶接部材合金における上記した１．５から１．７の直径
比により設定される好適な段差寸法の範囲内に入ってい
る限り、この両段差間に差を設けることはこの発明の範
囲内である。したがって、たとえば、壁部の肉厚が０．
２００インチの部材を溶接する場合の好適な肉厚範囲は
、０．３００から０、３４０インチとなる。この結果、
同じ公称直径を有する部材どうしを溶接する場合には、
段差寸法が０．０５０から０．０７０インチの範囲内に
なるようにすることが好ましい。したがって、たとえば
、一方の段差寸法Ｓが０．０５０インチ、他方の段差寸
法が０．０７０インチとなるような部材をイナーシャ溶
接することは、明らかにこの発明の範囲内に属するもの
である。

さらに一例をあげれば、上述したような（ＩＮ１００に
基づく）組成成分から成るが、比較的低い降伏強度と、
所定高温において比較的大きい伸び率を有する他の熱処
理を施した部材の場合には、比較的厚い部材に対して１
．３から１．５の所望する直径率を有するようにする。

上述したように、この技術分舟における当業者は、ここ
に記載した実施例に基づいて、幾つかの実験により他の
超合金を溶接する場合の直径比率を求めることができる
。この有用な範囲は、１．２対１及び２．０対■の間で
ある。

この発明は、同一の超合金を溶接する場合に適用するこ
とができる。また、この発明は、同等の合金特性を有す
る超合金を接合する場合にも適用することができる。こ
の超合金の合金特性とは、同等の高温度特性を意味し、
この高温度特性（再結晶温度より高く、その近傍での温
度特性）は組成成分、粒度、及び前熱処理等の条件を変
えることにより制御することができる。また、ここで使
用する合金特性とは、溶接合金のクリープ強度が、合金
の再結晶温度と融解温度との中間温度おいて測定した場
合の相互に３０％以内にあることを意味する。合金特性
を同等にするためには、超合金が相互に１００゜Ｆ以内
の再結晶温度と融解温度を有する必要がある。

第５図は、この発明に係るイナーシャ溶接による溶接部
を示している。比較的肉厚の薄い部材の溶接部に形成さ
れた溝（くぼみ）の直径が、その溶接部材の原直径より
大きくなっていることが認められる。

また、この第５図は、この発明に係るイナーシャ溶接を
行った溶接部材の特徴をよく示している。

図示するように、このイナーシャ溶接部は著しく湾曲し
ている。すなわち、従来のイナーンヤ溶接を行った平坦
な溶接部の第２図に示す溶接部材とは異なるものである
。第５図に示す湾曲した溶接部は、この発明の重要な特
徴であり、この湾曲部の曲線度は、この発明に係るイナ
ーシャ溶接を種々の接合部材、すなわち、他の条件で接
合を行う場合に、当業者において利用することができる
。

このイナーシャ溶接により生じた湾曲部を取り除ぞき、
溶接部に残るくぼみの位置やその程度を制御することが
できる。

第６図に示すように、湾曲溶接部領域に接する接線と溶
接部材の中心線（回転軸）のなす角度は、９０゜以下の
角度αとなっており、第５図に示す溶接部材におけるこ
の角度αは、約７０゜となっている。また、この発明に
係る他の方法としては、湾曲溶接部の終端（外側）点に
おける湾曲溶接部に接する接線と溶接部材の中心線のな
す角度は、約５０から８０゛の角度αとすることができ
る。

また、この発明は、ガスタービンエンジンの構成部品等
の損傷を受けた部材を溶接修理する場合にも有用である
。この種の損傷は、エンジンを使用する結果生じるもの
であり、また、機械加工の誤差により組み立て時におい
て生じる場合もある。

一般的な方法としては、損傷部を損傷を受けていない非
損傷部から機械加工で取り除き、イナーシャ溶接により
、損傷部を適切な寸法形状を有する新たな部材と交換す
ることにより行うことができる。

なお、溶接耶分のくぼみ残部により溶接部材の強度及び
その有用性が低下することのないようにすることが当然
必要である。一般に溶接部分に生じたくぼみは、機械加
工を行った溶接部材の非損傷部の原直径内まで延びるた
め、上述したような従来のイナーシャ溶接は、この基準
（高張力及び／又は粉末冶金超合金を溶接する場合の基
準）を有していなかった。したがって、溶接部分に生じ
るくぼみを許容するか、あるいは全体的に接合部材の原
直径を小さくするか、もしくはその両方を行う必要があ
り、好ましいものではなかった。しかしながら、この発
明によれば、比較的肉厚の薄い部分は、機械加工を行い
寸法を整えた原部材の肉厚の薄い部分に溶接することが
できるため、溶接部に生じたくぼみは原直径の外側に位
置するようになり、溶接部のくぼみを完全に取り除いて
原寸法まで機械研削した場合でも、修正部分の寸法を大
きく取ることができる。

上述した実施例は、この発明に係る好適一実施例であり
、この発明の適用範囲内のその他の変形等はすべて特許
請求の範囲内に含まれるものである。

［　発明の効果　］ この発明の特有の効果としては、上述したような所定の
直径比または肉厚比を有する金属部材をイナーシャ溶接
することにより、従来、溶接部材の内側まで延びるよう
に生じていたくぼみが、溶接部材の外側に位置するよう
になる。したがって、余分な溶接部を機械研削等により
取り除いた場合においても、溶接部が溶接部材の原直径
より小さくなることはなく、溶接面を所望寸法に仕上げ
ることができるようになる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来のイナーシャ溶接により溶接した同一寸
法の２つのむく部材を示す斜視図である。 特に、第１Ａ図は、溶接前の部材を示し、第１Ｂ図は、
溶接後の部材を示している。 第２図は、イナーシャ溶接を行った同一肉厚を有する２
つの中空部材の断面郎を示す写真である。 第３図は、２つの溶接部材をイナーシャ溶接する場合の
必要寸法を示す図である。 第４図は、２つの中空部材をイナーシャ溶接する場合の
必要寸法を示す図である。 第５図は、中空部材をこの発明に係るイナーシャ溶接し
た場合の溶接部を示す写真である。 第６図は、この発明に係るイナーシャ溶接により溶接さ
れた部材であり、特に、湾曲した溶接部を示す図である
。 図面の．’ＰＭ（内容に変更なし） 第２図 第５図 手続ｈ１↑正書（方式） 平成２年５月２３日 平成１年特許願第３３０９６４号 発明の名称 イナーシャ溶接方法 補正をする者 事件との関係　　　特許出願人 住所　アメリカ合衆国．コネチカット，ハートフォード
，ファイナンシャル　ブラザ　１

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. （１）第１金属部材と第２金属部材をその溶接面が相対
   的に対向するように配し、前記第１金属部材と前記第２
   金属部材とを相対的に回転させて接合するイナーシャ溶
   接方法であって、前記第１金属部材と前記第２金属部材
   の溶接部における直径比が略１．２対１以上であること
   を特徴とするイナーシャ溶接方法。
2. （２）直径比が略１．２対１から略２．０対１の第１金
   属部材及び第２金属部材を、その溶接面が相対的に対向
   するように配し、 前記第１金属部材と前記第２金属部材を相対的に回転さ
   せてイナーシャ溶接を行い、溶接部に生じるくぼみが、
   前記第１金属部材よりその直径が小さい第２金属部材の
   外側に形成されることを特徴とするイナーシャ溶接方法
   。
3. （３）前記金属部材は、粉末冶金超合金であることを特
   徴とする請求項第２項記載のイナーシャ溶接方法。
4. （４）前記金属部材は、略１．２対１から略２．０対１
   の肉厚比を有する中空部材であることを特徴とする請求
   項第２項記載のイナーシャ溶接方法。
5. （５）イナーシャ溶接により接合された第１及び第２超
   合金部材から成る複合部材であって、第１の直径と、第
   １の中心軸を有する第１超合金部材と、 第２の直径と、第２の中心軸を有する前記第１超合金に
   接合された第２超合金部材と、から構成され、前記第１
   中心軸と前記第２中心軸とは、溶接部において相互に一
   致するとともに、前記第１直径は前記第２直径の略１．
   ２から２．０倍となっており、溶接部に生じたくぼみが
   前記第２超合金部材の第２直径より外側に位置している
   ことを特徴とするイナーシャ溶接により接合された複合
   部材。
6. （６）前記超合金は、高張力超合金であることを特徴と
   する請求項第５項記載のイナーシャ溶接により接合され
   た複合部材。
7. （７）イナーシャ溶接により接合された第１及び第２中
   空超合金部材から成る複合部材であって、第１肉厚と、
   第１中心軸を有する第１中空超合金部材と、 第２肉厚と、第２中心軸を有する前記第１中空超合金に
   接合された第２中空超合金部材と、から構成され、前記
   第１中心軸と前記第２中心軸とは、溶接部において相互
   に一致するとともに、前記第１肉厚は前記第２肉厚の略
   １．２から２．０倍となっており、溶接部に生じたくぼ
   みが前記第２中空超合金部材の外径より外側に位置して
   いることを特徴とするイナーシャ溶接により接合された
   複合部材。
8. （８）前記中空超合金部材は、高張力超合金であること
   を特徴とする請求項第７項記載のイナーシャ溶接により
   接合された複合部材。
9. （９）イナーシャ溶接により生じる溶接部のくぼみ位置
   を制御する方法であって、 所定直径を有する第１部材とこの第１部材より小さい直
   径を有する第２部材をその溶接面を相互に対向させて配
   し、 前記第１部材を前記第２部材に対して相対的に回転させ
   てイナーシャ溶接し、湾曲した溶接部を形成することを
   特徴とするイナーシャ溶接により生じる溶接部のくぼみ
   位置を制御する方法。
10. （１０）前記湾曲した溶接部に接する接線とイナーシャ
    溶接の回転軸とのなす角度は、略５０゜から８０゜であ
    ることを特徴とする請求項第８項記載のイナーシャ溶接
    により生じる溶接部のくぼみ位置を制御する方法。
11. （１１）少なくとも２つの部材の溶接面を相互に当接さ
    せるとともに一方の部材を他方の部材に対して回転押圧
    させてイナーシャ溶接した複合部材であって、前記部材
    間の溶接部の溶接境界面は湾曲しており、溶接部の外側
    点における接線と回転軸とのなす角度が略５０゜から８
    ０゜であることを特徴とするイナーシャ溶接により接合
    された複合部材。
12. （１２）高張力超合金をイナーシャ溶接により補修する
    方法であって、 高張力超合金の損傷部を取り除く工程と、 前記高張力超合金の取り除かれた損傷部に、この損傷部
    より大きい断面を有する新たな高張力超合金をイナーシ
    ャ溶接により接合し、溶接部に生じるくぼみ部が非損傷
    部の外側に位置するように湾曲溶接部を形成する工程と
    、 補修部より余分な溶接部を取り除く工程と、からなるこ
    とを特徴とする高張力超合金をイナーシャ溶接により補
    修する方法。