JPH07185843A

JPH07185843A - 摩擦圧接方法及び摩擦圧接機

Info

Publication number: JPH07185843A
Application number: JP34923293A
Authority: JP
Inventors: Masakatsu Uchida; 昌克内田
Original assignee: Chiyoda Corp; Chiyoda Chemical Engineering and Construction Co Ltd
Current assignee: Chiyoda Corp; Chiyoda Chemical Engineering and Construction Co Ltd
Priority date: 1993-12-28
Filing date: 1993-12-28
Publication date: 1995-07-25

Abstract

(57)【要約】【目的】寄り代を設定寄り代に制御できるような摩擦
圧接方法、及びその方法を実施する摩擦圧接機を提供す
る。【構成】摩擦圧接機は、一対の管状被加工物の一方を
固定し、他方を回転しつつ被加工物の一方に接触させ、
推力を作用して、双方の被加工物を圧接するようにした
装置である。摩擦圧接機は、寄り代計測装置１２と、推
力の計測装置１４と、寄り代計測装置によって得た寄り
代計測値と寄り代設定値との差を算出し、予め設定され
ている相関関係に従い前記算出した差に基づき必要な推
力を算出する演算装置１６と、算出した推力になるよう
に推力を調整する推力調整装置１８とを備えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、摩擦圧接方法と、その
方法を実施する摩擦圧接機とに関し、更に詳細には摩擦
圧接接合において発生する寄り代の大きさを所定値に制
御するようにした摩擦圧接方法と、その方法を実施する
摩擦圧接機に関する。

【０００２】

【従来の技術】本明細書で言う摩擦圧接方法とは、一対
の管状被加工物の一方を固定し、他方を回転しつつ被加
工物の一方に接触させ、推力を作用して、双方の被加工
物を圧接する管状被加工物の接合方法を言い、摩擦圧接
機は、その方法を実施して管状被加工物を圧接接合する
装置である。この種の摩擦圧接機には様々な形式がある
が、例として長尺管用の摩擦圧接機を挙げ、その構成部
品の平面配置を図３に示す。図示された摩擦圧接機５０
は、床に固定された基台５２と、パイプＡを把持するた
めに基台５２上に固定された固定把持装置５４と、基台
５２上を固定把持装置５４に対し進退する作動体５６と
を備えている。

【０００３】作動体５６には、回転装置６０と、作動体
５６を貫通して延在し、一体的に進退すると共に回転装
置６０により作動体の進退方向線の周りに回転するよう
にされた円筒形主軸６１（点線で表示）と、主軸６１と
共に回転する外バリ切削装置６２とが設けてある。主軸
６１は、その内部にパイプＢを収容すると共に固定把持
装置５４側の主軸端部に主軸把持装置６４を備えてパイ
プＢを把持する。更に、主軸６１はその内部に後述する
内バリ切削装置を収容している。尚、６６は作動体５６
を進退させる油圧シリンダー、６８は後述する切削シャ
フト７２を介して内バリ切削装置を駆動する駆動装置、
７０はパイプＢの端部を回転自在に把持する端部把持装
置及び１４４は後述する電気モータであって、駆動装置
６８及び端部把持装置７０は、連結ロッド５８により作
動体５６に連結されて、一体的に進退する。

【０００４】摩擦圧接施工の圧接工程は、予熱工程、加
熱工程及びアプセット工程から構成されている。予熱工
程では、先ず油圧シリンダー６６を作動して作動体５６
を固定把持装置５４に向け前進させ、作動体５６の主軸
６１に保持されたパイプＢと固定把持装置５４に把持さ
れたパイプＡとの端面同士を接触させ、次いで回転装置
６０により主軸６１を回転させ、それによって主軸把持
装置６４と端部把持装置７０に把持されたパイプＢを低
い推力下で回転して接合部を予備加熱する。加熱工程で
は、予熱工程より高い推力で接触、回転して接合部を高
温に加熱する。最終のアプセット工程では、パイプＢの
回転を停止し、かつ油圧シリンダー６６を強力に作動さ
せて非常に高い推力でパイプＢをパイプＡに圧接する。

【０００５】上述の各工程での時間の経過に対する推力
の大きさは、図４に概念的に示すような関係にある。図
４中、Ｐ₀、Ｐ₁及びＰ₂は、油圧シリンダ主６６の油
圧を測定した値であって、それぞれ予熱工程、加熱工
程、及びアプセット工程での推力を表す。図４に示され
るように、通常、各工程毎にほぼ一定の推力が作用す
る。図４中、破線は主軸６１の回転数Ｎを表す。図４に
示すように、主軸６１は、予熱工程及び加熱工程ではほ
ぼ一定の回転数Ｎ₁で回転し、アプセット工程では回転
停止し、後に説明するバリ切削工程ではほぼ一定の回転
数Ｎ₂で回転する。

【０００６】摩擦圧接の過程で、摩擦熱によってパイプ
Ａ、Ｂの軟化した部分が圧接工程中の推力により管内外
面に排出されつつ接合された結果、元々の母材の部分
が、図５（ｃ）及び（ｄ）に示すように、バリＣ、Ｄと
なって管内外面に隆起する。即ち、被加工物の母材の一
部がバリとなるので、被加工物の長さがその分だけ短く
なる。本明細書では、この短くなった長さを寄り代と言
う。

【０００７】寄り代について、図５を参照して更に説明
する。摩擦圧接される管状被加工物をそれぞれ１００mm
のパイプと仮定する。図中、右側のパイプＡを固定把持
装置５４で把持して固定し、左側のパイプＢを主軸把持
装置６４で把持する（図５（ａ））。図５（ｂ）に示す
ように、左側のパイプＢを回転して徐々にパイプＡに押
しつけ、予熱工程に入る。この工程では、初期摩擦抵抗
を小さくするため、推力も小さく、軽く摩擦面の当たり
を取る程度であって、寄り代はほとんど発生しない。次
に、図５（ｃ）に示すように、加熱工程に入る。パイプ
Ｂを回転しつつ強い推力で押しつけ、十分に摩擦発熱さ
せる。この工程で、各パイプがそれぞれ２．５mm短くな
ったとすると、全体で５mm短くなる。続いて、図５
（ｄ）に示すように、アプセット工程に入る。この工程
では、主軸６１の回転を停止して、更に強い推力でパイ
プＢをパイプＡに押しつける。この段階で、各パイプが
当初よりそれぞれ５mmづつ短くなったとすると、全体で
は１０mm短くなる。

【０００８】加熱工程での寄り代を加熱寄り代、アプセ
ット工程での寄り代をアプセット寄り代、圧接完了時に
全体として短くなった寸法を全寄り代（又は単に寄り
代）と言う。以上、パイプを例にして説明したが、エル
ボ、フランジの配管材料とパイプとの摩擦圧接について
も同様に寄り代が発生する。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】従来の摩擦圧接機によ
る圧接接合では、寄り代の大きさを材料の微妙な化学成
分の違いやワークの端面精度に対して制御することなく
圧接接合作業の成り行きに任せていたので、寄り代の大
きさが、圧接接合した被加工物毎に異なっていた。この
ように、寄り代を成り行きに任せていると、次の点で、
問題がある。例えば、同じ規格の材料でも炭素量、シリ
コン量が変化すると、加熱時間が変化して加熱入熱が変
化し、一定量の加熱寄り代が寄り代規制で一定であって
も、アプセット寄り代が変化し全寄り代が変化する。被
加工物毎に寄り代が異なると言うことは、同じ寸法、同
じ材質の被加工物であっても、被加工物毎に製品寸法が
異なることを意味し、その調整に時間と人手を要してい
た。例えば、所定寸法より長い被加工物を圧接接合し、
圧接接合後、所定寸法に切断すると言った無駄な作業が
必要であったし、また、切断作業に要するコストだけ、
圧接接合のコストが嵩む不都合もあった。

【００１０】以上の問題に鑑み、本発明は、寄り代を設
定寄り代に制御できるような摩擦圧接方法、及びその方
法を実施する摩擦圧接機を提供することである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明者は、研究によ
り、寄り代の大きさは、寸法、材質等の被加工物に関す
る因子に加えて、更に、圧接接合の操作条件、特に加熱
工程での推力、入熱量（推力が一定であるとすれば、加
熱時間に比例する量である）により著しく影響されるこ
と、また、接合継ぎ手強度は、主として、アプセット工
程での応力と、アプセット工程で発生するアプセット寄
り代に大きく依存していることを見い出した。

【００１２】上述の目的を達成するために、今述べた着
眼点に基づいて、本発明に係る摩擦圧接方法は、一対の
管状被加工物の一方を固定し、他方を回転しつつ被加工
物の一方に接触させ、推力を作用して、双方の被加工物
を圧接する管状被加工物の摩擦圧接方法において、被加
工物同士を接触させた後の予熱工程、加熱工程及びアプ
セット工程を通じて時間の経過に応じ寄り代を計測し、
予め設定した寄り代設定値と寄り代計測値との差に基づ
き所定の相関関係に従って所要推力を算定し、更に所要
推力になるように推力を調整することによって、所定時
間でそれぞれの工程が完了するようにし、かつ寄り代が
寄り代設定値になるようにすることを特徴としている。

【００１３】本発明方法の好適な実施態様では、工程毎
に所要時間の経過と共に予熱工程及び加熱工程をそれぞ
れ終了し、予熱工程及び加熱工程の終了時点で、加熱工
程の時間が設定値になったときに次工程へ移行する時間
規制圧接では寄り代を計測し、加熱工程の寄り代が設定
値になったときに次工程へ移行する寄り代規制圧接では
時間を計測し、それによって次の加熱工程及びアプセッ
ト工程での推力をそれぞれ調整するようにしたことを特
徴としている。また、更に望ましい実施態様では、アプ
セット工程で発生する寄り代を少なくとも３mmとし、か
つアプセット工程終了後もアプセット工程時の推力より
小さい推力（ほぼ加熱推力に等しい）を所定時間保持す
るようにしたことを特徴としている。これにより、所定
の接合強度を確実に得ることができる。また、望ましく
は、同じ条件で予熱工程及び加熱工程を経た後、図２に
示すように、推力の強さを変化させることなくアプセッ
ト工程を実施した場合の寄り代（全寄り代）をＵ_Mとす
ると、アプセット工程終了後の寄り代設定値（全寄り
代）Ｕ₃が、０．７５×Ｕ_M＜Ｕ₃＜Ｕ_M となるように、寄り代設定値と寄り代計測値との差と、
推力との相関関係を設定する。

【００１４】本発明方法を実施する摩擦圧接機は、一対
の管状被加工物の一方を固定し、他方を回転しつつ被加
工物の一方に接触させ、推力を作用して、双方の被加工
物を圧接するようにした摩擦圧接機において、寄り代計
測装置と、寄り代設定値と寄り代計測装置によって得た
寄り代計測値との差を算出し、予め設定されている相関
関係に従い前記算出した差に基づき必要な推力を算出す
る演算装置と、算出した推力になるように推力を調整す
る推力調整装置とを備えたことを特徴としている。

【００１５】本発明で使用する寄り代計測装置としは、
基準点、例えが摩擦圧接機に設定された固定基準点と、
被加工物の目標点との距離を測定して寄り代を計測する
ような装置であって、例えば、基台５２にリニアエンコ
ーダを取り付け、主軸の移動距離を計測することにより
寄り代を計測するようにすることもできる。推力は、摩
擦圧接機の主軸に推力を作用する押圧装置の押圧力を測
定することにより計測でき、例えば摩擦圧接機の主軸に
推力を作用させる押圧装置が油圧シリンダの場合には、
油圧シリンダの油圧を測定する。推力調整装置は、推力
を調整できる装置であって、例えば押圧装置として油圧
シリンダを使用している場合には、油圧シリンダに作動
油を送給する油圧サーボバルブを用いて圧力、流量を調
整することにより、圧力調整を行うことができる。寄り
代計測値と寄り代設定値との差を算出し、必要な推力を
算出する相関関係は、実験に基づいて決定される。

【００１６】本発明の好適な実施態様では、上述の摩擦
圧接機において、寄り代を加熱工程及びアプセット工程
の途中および終了時点で計測し、それによってそれぞれ
加熱工程及びアプセット工程での推力を調整するように
したことを特徴としている。

【００１７】

【作用】請求項１の発明では、圧接工程において、時間
の経過に対する寄り代設定値を予め設定し、任意時間の
経過毎に計測した寄り代計測値と、同じ経過時間に対し
て設定した寄り代設定値との差を求め、予め定めた所定
の相関関係、例えば推力と寄り代速度の関係（即ち、寄
り代設定値と寄り代計測値の差が大きいほど推力を大き
く変化させる関係）に従い、所定の時間における所定の
寄り代になるように推力を算出し、算出した推力を被加
工物に作用させるフィードバック制御を行うことにより
寄り代が設定値になるようにしている。請求項２の発明
では、フィードバック制御を行う時点を予熱工程及び加
熱工程の終了時点することにより、操作を簡明にしてい
る。請求項４の発明では、寄り代計測装置と、寄り代設
定値と寄り代計測装置によって得た寄り代計測値との差
を算出し、予め設定されている相関関係に従い前記算出
した差に基づき必要な推力を算出する演算装置と、算出
した推力になるように推力を調整する推力調整装置とを
備えることにより、被加工物同士が接触した後、被加工
物同士を接触させた後の予熱工程、加熱工程及びアプセ
ット工程を通じ時間の経過に応じ寄り代と推力とを計測
し、予め設定した寄り代設定値と寄り代計測値との差に
基づき所定の相関関係に従って所要推力を算定し、更に
所要推力になるように推力を調整することによって、寄
り代を寄り代設定値に制御できる。

【００１８】

【実施例】以下、添付図面を参照し、実施例に基づいて
本発明をより詳細に説明する。図１は本発明に係る摩擦
圧接機の一実施例の要部の構成を示す概念図、図２は圧
接工程の時間の経過に対する寄り代及び推力との関係を
それぞれ示した図である。本実施例の摩擦圧接機は、図
３を参照して説明した装置に加えて、図１に示す寄り代
計測装置１２、推力計測装置１４、演算装置１６、及び
推力調整装置１８とを備えている。寄り代計測装置１２
は、主軸６１に取り付けられたリニアエンコーダ（図示
せず）であって、摩擦圧接機５０の固定基準点に対する
主軸６１の位置と、摩擦圧接中の作動体５６の前進によ
る主軸６１の位置との差を計測することにより、その時
々の寄り代の大きさを計測できる。

【００１９】推力計測装置１４は、推力発生装置、本実
施例では油圧シリンダ６６の推力を計測する装置であ
る。本実施例では、油圧シリンダ６６の油圧を測定する
ことにより推力を算出することができる。演算装置１６
は、寄り代計測装置１２によって得た寄り代計測値と寄
り代設定値との差を算出し、予め設定されている相関関
係に基づいて必要な推力を算出する装置である。また、
演算装置１６には、任意の経過時間に対応する寄り代設
定値と、上述の差に基づいて必要な推力を算出する相関
関係とが、予め記憶されている。推力調整装置１８は、
推力発生装置、即ち油圧シリンダ６６の油圧を調節して
推力を調整する装置である。例えば、油圧シリンダ６６
に作動油を送給する電磁油圧サーボバルブ（図示せず）
により流量、圧力を調節することにより、推力を調整す
ることができる。

【００２０】本実施例では、図２に示すように、予熱工
程に要する時間Ｔ₀、加熱工程に要する時間Ｔ₁、アプ
セット工程に要する時間Ｔ₂、及びアプセット工程のち
一定の推力を保持する時間Ｔ₃は、予めそれぞれ設定さ
れており、その時間が終了すると、摩擦圧接機５０は、
自動的に次の工程に進むように構成されている。また、
寄り代設定値は、被加工物の材質、寸法に応じて、予熱
工程及び加熱工程の終了時点での必要な寄り代値とし
て、それぞれＵ₁、Ｕ₂、及びＵ₃が予め設定されてい
る。また、予熱工程終了時の寄り代設定値と寄り代計測
値との差Δ₁に基づき、加熱工程の推力（圧力Ｐ₁）、
及び加熱工程終了時の寄り代設定値と寄り代計測値との
差Δ₁に基づき、アプセット工程の推力（圧力Ｐ₂）を
算出する相関関係は、予め設定されている。

【００２１】また、相関関係は、アプセット寄り代、即
ちＵ₃−Ｕ₁が少なくとも３mmあるように設定されてい
る。更に、同じ条件で予熱工程及び加熱工程を経た後、
図２に示すように、推力の強さを変化させることなくア
プセット工程を実施した場合の寄り代をＵ_Mとすると、
アプセット工程終了後の寄り代設定値Ｕ₃は、０．７５×Ｕ_M＜Ｕ₃＜Ｕ_M となるように相関関係が設定されている。このような相
関関係を設定することにより、所定の接合強度を確実に
得ることができる。図２において、寄り代を示す実線及
び破線は、それぞれ時間の経過に応じた寄り代計測値及
び寄り代設定値の推移を示す想定グラフである。

【００２２】以下に、本実施例の摩擦圧接機５０を使用
して、本発明に係る摩擦圧接方法を実施する方法を説明
する。先ず、パイプＡとパイプＢとを接触させて予熱工
程に入る。予熱工程では、パイプＢを回転しつつパイプ
Ａにほぼ一定の推力（圧力Ｐ₀）で押圧する。予熱工程
を終了し圧力Ｐ₁₁で加熱工程の時間Ｔ₁₁経過後、寄り代
計測装置１２により寄り代値を計測してＡＵ₁₁を求め、
演算装置１６により寄り代設定値Ｕ₁₁と寄り代計測値Ａ
Ｕ₁₁との差Δ₁₁を算出し、更に設定相関関係に基づき、
変更すべき加熱工程時の推力（圧力Ｐ₁）を求める。演
算装置１６は、求めた推力（圧力Ｐ₁）を推力調整装置
１８に入力する。推力（圧力）調整装置１８は、油圧シ
リンダ６６の圧力が変更すべきＰ₁の値になるように調
整する。

【００２３】すなわち、図２に示すようにＵ₁₁−ＡＵ₁₁
＝△₁₁＞０の場合、加熱工程の推力（圧力Ｐ₁₁）より大
きいほぼ一定の推力（圧力Ｐ₁）で、固定したパイプＡ
と回転するパイプＢとを押圧する。本ケースは加熱工程
における調節が１回であるが、通常は数段階以上繰り返
す。時間Ｔ₁経過後、寄り代計測装置１２により寄り代
値を計測してＡＵ₁を求め、演算装置１６により寄り代
設定値Ｕ_lと寄り代計測値ＡＵ₁との差Δ₁を算出し、
設定値と計測値に一定値以上の狂いがないのを確認す
る。

【００２４】続いて、アプセット工程に入り、パイプＢ
の回転を停止し、加熱工程の推力（圧力Ｐ₁）より大き
いほぼ一定の推力（圧力Ｐ₂）で、固定したパイプＡと
回転停止したパイプＢとを押圧する。時間Ｔ₂経過後、
寄り代計測装置１２により寄り代値を計測して寄り代が
寄り代設定値ＡＵ₃に達したのち、推力調整装置１８に
よって油圧シリンダ６６の圧力がＰ₃になるように調整
して、適当な時間Ｔ₃（例えば５秒程度）が経過するま
で、圧力Ｐ₂より小さい圧力Ｐ₃の推力でパイプＡとパ
イプＢとの押圧状態を維持する。Ｐ₃の圧力は通常ほぼ
Ｐ₁に等しいが、Ｐ₃の圧力でパイプＡとパイプＢとの
押圧状態を維持することにより、寄り代がこれ以上ほと
んど進むことなくパイプＡとパイプＢとの接合を確実に
し、継ぎ手強度をより大きくすることができる。

【００２５】以上の説明はパイプＡ，Ｂで説明したが、
固定側パイプＡの代わりにエルボ、ティ─等のフィッテ
ィングを、回転側パイプＢの代わりにフランジを用いた
場合も同様の趣旨で制御が可能である。

【００２６】

【発明の効果】請求項１の発明によれば、所定の寄り代
を所定時間で制御できるので、摩擦圧接による継ぎ手強
度を所定値に維持できると共に摩擦圧接した後の製品長
さを所定の長さにすることができる摩擦圧接方法を実現
できる。請求項４の発明によれば、寄り代を制御するこ
とにより、摩擦圧接による継ぎ手強度を維持し、製品長
さを所定長さにすることのできる摩擦圧接機を実現でき
る。本発明の摩擦圧接機を使用して本発明方法を実施す
ることにより、所定の継ぎ手強度を有し、所定の製品長
さを有する管状被加工物を得ることができ、また従来の
摩擦圧接方法において必要とした圧接後の製品長さ調整
等の作業が不要となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る摩擦圧接機の一実施例の要部の構
成を示す概念図である。

【図２】圧接工程の時間の経過に対する寄り代及び推力
との関係をそれぞれ示した図である。

【図３】従来の摩擦圧接機の平面図である。

【図４】摩擦圧接方法の予熱工程、加熱工程及びアプセ
ット工程における推力及び回転数を概念的に示す図であ
る。

【図５】図５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）及び（ｄ）は、摩
擦圧接方法の予熱工程、加熱工程及びアプセット工程に
おける寄り代発生を説明する図である。

【符号の説明】

１２寄り代計測装置１４推力計測装置１６演算装置１８推力調整装置６６油圧シリンダ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】一対の管状被加工物の一方を固定し、他
方を回転しつつ被加工物の一方に接触させ、推力を作用
して、双方の被加工物を圧接する管状被加工物の摩擦圧
接方法において、被加工物同士を接触させた後の予熱工程、加熱工程及び
アプセット工程を通じて時間の経過に応じ寄り代を計測
し、予め設定した寄り代設定値と寄り代計測値との差に
基づき所定の相関関係に従って所要推力を算定し、更に
所要推力になるように推力を調整することによって、所
定の時間でそれぞれの工程が完了するようにし、かつ寄
り代が寄り代設定値になるようにすることを特徴とする
摩擦圧接方法。
【請求項２】工程毎に所要時間の経過と共に予熱工程
及び加熱工程をそれぞれ終了し、予熱工程及び加熱工程
の終了時点で、加熱工程の時間が設定値になったときに
次工程へ移行する時間規制圧接では寄り代を計測し、加
熱工程の寄り代が設定値になったときに次工程へ移行す
る寄り代規制圧接では時間を計測し、それによって次の
加熱工程及びアプセット工程での推力をそれぞれ調整す
るようにしたことを特徴とする請求項１に記載の摩擦圧
接方法。
【請求項３】アプセット工程で発生する寄り代を少な
くとも３mmとし、かつ全寄り代到達後のアプセット工程
終了後もアプセット工程時の推力より小さい推力を所定
時間保持するようにしたことを特徴とする請求項１又は
２に記載の摩擦圧接方法。
【請求項４】一対の管状被加工物の一方を固定し、他
方を回転しつつ被加工物の一方に接触させ、推力を作用
して、双方の被加工物を圧接するようにした摩擦圧接機
において、寄り代計測装置と寄り代設定値と寄り代計測装置によ
って得た寄り代計測値との差を算出し、予め設定されて
いる相関関係に従い前記算出した差に基づき必要な推力
を算出する演算装置と、算出した推力になるように推力
を調整する推力調整装置とを備えたことを特徴とする摩
擦圧接機。
【請求項５】寄り代を予熱工程及び加熱工程の終了時
点で計測し、それによってそれぞれ加熱工程及びアプセ
ット工程での推力を調整するようにしたことを特徴とす
る請求項４に記載の摩擦圧接機。