JPH10202373A - 摩擦圧接方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 融点の異なる接合材を摩擦圧接するにあた
り、まず高融点の接合材を低融点の接合材の融点の近傍
まで予熱することによって、接合時に低融点の接合材に
大量に生じる余盛の発生を極力抑える。 【解決手段】 高融点の接合材１の端面１ａ側を低融点
の接合材２の融点近傍まで高周波誘導加熱により予備加
熱してから、該二つの接合材１、２を相互に接触させて
接合部１５を形成し、次いで所定の加圧力の下に一方の
接合材を回転させて接合部１５に摩擦熱を発生させ、さ
らに両接合材が軟化状態に達した時点で回転を停止し、
アプセット圧力を加えて両接合材を摩擦圧接する。ま
た、摩擦圧接装置には不活性ガスを供給する不活性ガス
供給路１８ａ、１８ｂから内部に開口する供給孔２１
ａ、２１ｂとを有するチャンバ１１ａ、１１ｂを両接合
材の接合部１５の周囲に設ける。チャンバには一方の接
合材を加熱する高周波誘導加熱装置１０を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、鉄と銅、金属とプ
ラスチックなどの融点の異なる接合材を摩擦圧接するの
に好適で、特に接合時に生じる低融点の接合材に生じる
余盛の発生量を少なくした摩擦圧接方法及び装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来の摩擦圧接装置は棒状材の接合に用
いられるが、圧接される接合材の端面同士を相互に接触
させ、両接合材のいずれか一方を相対的に回転させ、接
合部に生じる摩擦熱により両接合材が適当な軟化状態に
に達したところで回転を停止し、さらに相互にアプセッ
ト圧力をかけることにより圧接を行うようにしたもので
ある。そして、接合部に酸化膜や汚れがあると、接合材
同士を強固に接合することが不可能であることから、接
合部に余盛を生じさせ、この余盛によって酸化物や汚れ
を外部に押し出すことにより、接合部の清浄化をはかっ
ていた。

【０００３】さらに、上記の摩擦圧接装置によれば、余
盛を生じさせるために強力な押圧力が必要であるから堅
牢な装置が必要な上、接合材の塑性変形が起こりやす
く、摩擦により接合部は発熱すると同時に酸化される。
その結果、接合部に酸化物が混入して接合部の強度の低
下を招くという問題があるところから、特開平３−１８
４６８２号公報に開示されたように、接合部を気密なチ
ャンバで囲み、このチャンバ内を真空に保持したり、不
活性ガスや１０ｐｐｍ以下の酸素で満たして不活性雰囲
気に保つようにしたり、あるいは気密チャンバ内で研磨
や高周波電圧の印加による放電などの物理的活性化によ
って接合面を活性化するようにした摩擦圧接方法や装置
も提案された。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上述の従来のこの種の
装置又は方法では、以下のような問題があった。すなわ
ち、融点の異なる二つの接合材を摩擦圧接する場合、図
８に示すように高融点の接合材１では接合部に生じる余
盛３ａは小さいが、低融点の接合材２に生じる余盛３ｂ
は高融点の接合材１に比して大きくなってしまった。こ
のため、摩擦圧接工程の後に余盛の除去のために研磨を
行わなければならず、作業が煩雑になるうえ、接合材の
歩留まりも良くない。そのうえ、摩擦接合を大気中で行
うと接合部の酸化が顕著になり、接合部における強度の
低下を招いた。

【０００５】本発明の目的は、かかる従来の問題点を解
決するためになされたもので、融点の異なる接合材を摩
擦圧接するにあたり、まず高融点の接合材を低融点の接
合材の融点の近傍まで予熱することによって、接合時に
低融点の接合材に大量に生じる余盛の発生を極力抑える
ような摩擦圧接方法および装置を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、前述した技術
的課題を解決するために、高融点の接合材の端面側を低
融点の接合材の融点近傍まで予備加熱してから摩擦圧接
工程に入ることを第１の特徴とする。尚、前記予備加熱
は高周波誘導加熱により行うのがよく、又摩擦圧接工程
は、例えば対向配置してなる融点の異なる二つの接合材
の端面を相互に接触させて接合部を形成し、次いで所定
の加圧力の下に一方の接合材を回転させて接合部に摩擦
熱を発生させ、さらに前記接合材が軟化状態に達した時
点で回転を停止し、アプセット圧力を加えて両接合材を
圧接する摩擦圧接工程で構成される。

【０００７】本発明の摩擦圧接方法は、接合材のいずれ
か一方を固定し、他方を電動機などの駆動装置により回
転させ、両接合材を軸方向に押圧して摩擦により発熱さ
せるとともに、両接合材の接合部が適宜の温度になった
ときに、ブレーキを用いて回転を中止させて、さらにア
プセット圧力を加えて両接合材を結合するようにしたブ
レーキ式圧接方法や、あるいは接合材の一方を固定し、
他方をフライホイールを持つ軸に取り付けて回転させ、
摩擦部で回転エネルギーが消費されて回転を急速に低下
させ、さらにアプセット圧力を加えるようにしたフライ
ホイール式圧接方法など、種々の摩擦圧接方法を包含す
るものである。

【０００８】本発明の摩擦圧接方法によると、先ず高融
点の接合材の接合部を低融点の接合材の融点近傍まで予
備加熱する。予備加熱した高融点の接合材を低融点の接
合材と対向配置する。次いで一方の接合材を固定し、他
方の接合材を回転しながら一方の接合材を押圧して端面
同士を接触させて接合部を形成する。この接合部に摩擦
熱による軟化を生じさせた時点で回転を中止し、さらに
アプセット圧力を接合材に加えて圧接を行う。

【０００９】本発明の摩擦圧接方法は、さらに前記予備
加熱と摩擦圧接を不活性雰囲気の下で行うことを第２の
特徴とする。この場合、不活性雰囲気を形成するには、
接合材の接合部の近傍を囲んでチャンバを設け、このチ
ャンバ内にヘリウムやアルゴン等の不活性ガスを導くこ
とが好ましい。その他にチャンバ内を真空に保つことも
できる。

【００１０】さらに、本発明は摩擦圧接装置であり、前
述の技術的課題を解決するために以下のように構成され
ている。即ち、本発明の摩擦圧接装置は、例えば一方の
接合材を把持し回転駆動される回転チャック台と、前記
回転チャック台に対向して配置され他方の接合材を把持
する固定チャック台と、前記回転チャック台及び前記固
定チャック台のいずれか一方に取り付けられ、前記両チ
ャック台を相対的に移動させて接合材の端面同士を接触
させ、かつアプセット圧力を付加する押圧手段とを備え
る摩擦圧接装置において、不活性ガスを供給する不活性
ガス供給路と、前記不活性ガス供給路から内部に開口す
る供給孔とを有するチャンバを両接合材の接触部の周囲
に設けるとともに、前記チャンバには前記一方の接合材
を加熱する高周波加熱装置を設けることを特徴とする。

【００１１】なお、本発明にかかる摩擦圧接装置では、
一方の接合材を加熱する加熱装置として高周波誘導加熱
装置を用いることが好ましい。しかし、加熱装置として
高周波誘導加熱の他に抵抗熱を利用したもの、アーク熱
を利用したものを用いることができる。また、高周波誘
導加熱装置に冷却水流通路を設けることにより、高周波
誘導加熱装置の温度調整を可能にすることが好ましい。

【００１２】本発明の摩擦圧接装置によると、予備加熱
と摩擦圧接が不活性ガス雰囲気内で行われる。そのため
に、接合材の融点が相違しても、低融点の接合材におけ
る余盛の発生量は少なくなり、余盛の量は均等になる。
また、接合部が酸化されることもなく強固に圧接され
る。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の摩擦圧接方法及び
装置を図に示される実施形態についてさらに詳細に説明
する。但し、この実施形態に記載されている構成部品の
寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記
載がないかぎりは、この発明の範囲をそれに限定する趣
旨ではなく、単なる説明例にすぎない。図１は本発明の
一実施形態に係る摩擦圧接装置の説明図であり、摩擦圧
接装置が符号２０で示されている。また、図２は本発明
に用いられる高周波誘導加熱装置１０と、高周波誘導加
熱装置１０を挟んで取り付けられたチャンバ１１ａ・１
１ｂの平面図、図３は図２のＡ−Ａ線における断面図、
図４は同じくＢ−Ｂ線における断面図、図５は同じくＣ
−Ｃ線における断面図、図６は接合材の圧接完了時にお
ける図３に相当する断面図である。

【００１４】図１において、摩擦圧接装置２０には原動
機である電動機４からベルト９を介して回転駆動される
回転チャック台５を備えており、この回転チャック台５
には一方の接合材１を把持している。さらに、回転チャ
ック台５に対向して固定チャック台６が配置されてい
て、他方の接合材２を把持している。本実施の形態で
は、一方の接合材１は鉄製の棒材であり、他方の接合材
２は鉄よりも融点の低い銅製の棒材である。固定チャッ
ク台６は、基台７に載置されていて、油圧シリンダ８ａ
とこの油圧シリンダに挿通されたピストン８ｂからなる
押圧手段８によって矢印１４で示すように、前記の基台
７上を摺動できるようになっている。このために、接合
材１の端面１ａと接合材２の端面２ａ同士を接触させて
接合部１５を形成し、電動機４を介して回転チャック台
５を回転させることにより接合部１５に摩擦熱を発生さ
せることができる。

【００１５】回転チャック台５と同軸の回転軸１２の周
囲にはブレーキ１３が設置されていて、接合材１、２の
接合部１５が所定の軟化状態に達した時点で回転を停止
し、さらに押圧装置８によってさらにアプセット圧力を
付加し、両接合材１、２を圧接することができるように
なっている。

【００１６】さらに、両接合材１、２の接合部１５の周
囲には、図５に示すように絶縁体１７を挟んだ高周波誘
導加熱装置１０が配置されており、さらに高周波誘導加
熱装置１０は高周波電源２３に接続している。この高周
波誘導加熱装置１０の左右に隣接してチャンバ１１ａ、
１１ｂを設けるとともに、前記チャンバ１１ａ、１１ｂ
には不活性ガスを供給する不活性ガス供給路１８ａ、１
８ｂが設けられている。不活性ガス供給路１８ａ、１８
ｂは、不活性ガス源２２に続く不活性ガス流入口１９
ａ、１９ｂを経てアルゴン等の不活性ガスが送り込まれ
るようになっている。不活性ガス供給路１８ａ、１８ｂ
は、チャンバ１１ａ、１１ｂの内部に開口する多数の供
給孔２１ａ、２１ｂに続いており、チャンバ１１ａ、１
１ｂの内部に不活性ガスが導かれるようになっている。

【００１７】また、供給孔２１ａ、２１ｂは、チャンバ
１１ａ、１１ｂの円筒状内部３２ａ、３２ｂに斜め外方
に延びる複数の案内板３０ａ、３０ｂに囲まれていて、
空気を内部３２ａ、３２ｂに巻き込むことがないように
している。なお、図１において２８は脚部であって、高
周波誘導加熱装置１０とチャンバ１１ａ、１１ｂを基台
７上に保持している。また、高周波誘導加熱装置１０に
は冷却水供給路２４と冷却水排出路２５とが形成されて
おり、冷却水が冷却水供給源２６から送られ、循環路２
７を経由して冷却水排出路２５から排出するようになっ
ており、高周波誘導加熱装置１０の温度管理を可能にし
ている。

【００１８】なお、図７には前記チャンバ１１ａ、１１
ｂの変形例を示す。この変形例においては、案内板３０
ａ、３０ｂを設けず、チャンバの端部に遮蔽板３３ａ、
３３ｂを設け、中央部に接合材１、２の外径よりも僅か
に小径のシール孔をもつシール３４ａ、３４ｂを設ける
こともできる。このようにすると、不活性ガスの排出や
空気のチャンバ内への巻き込みが防止されるので好都合
である。さらに、チャンバ１１ａ、１１ｂから図示しな
い真空ポンプに達するパイプを接続すれば、真空状態を
良好に保持することもできる。

【００１９】次に、本実施形態の作用を説明する。図１
に示す回転チャック台５に、鉄製の丸棒である接合材１
を、又銅製の棒状の接合材２を固定チャック台６に取り
付け、二つの接合材１、２を対向させる。次に高周波誘
導加熱装置１０のコイル１０ａに高周波電源２３から所
定高周波数の高周波電流を通して、内部３１に高周波磁
場を形成する。この高周波磁場に接合材１の端面１ａ側
を配置して、この接合材１に圧接される銅製の接合材２
の融点の近傍の温度まで高周波誘導加熱により予備加熱
する。ちなみに、鉄製の接合材１の予備加熱温度は、接
合材である銅の融点である１０８３℃よりも僅かに低い
１０００℃程度とする。

【００２０】また、予備加熱時に、チャンバ１１ａ、１
１ｂには不活性ガスであるアルゴンを不活性ガス源２２
から供給路１８ａ、１８ｂ、さらに流入口１９ａ、１９
ｂを経て供給孔２１ａ、２１ｂからチャンバの円筒状の
内部３２ａ、３２ｂに送り込み、接合材１の端面１ａ側
の加熱部の酸化を防止する。このとき、アルゴンは案内
板３０ａ、３０ｂに導かれて図３にＤで示す矢印の方向
に流出するとともに、空気を内部３２ａ、３２ｂに巻き
込むことはなく、完全な不活性雰囲気内で予備加熱が行
われる。

【００２１】次いで、押圧手段８である油圧シリンダ８
ａのピストン８ｂを駆動して固定チャック台６を基台７
上を移動させ、前記の不活性雰囲気を保持したチャンバ
１１ａ、１１ｂ内において、接合材１、２の端面１ａ、
２ａを相互に接触させて接触部１５を形成する。さら
に、押圧手段８により所定の圧力を加えながら回転チャ
ック台５を所定の回転数で回転させる。

【００２２】すると、鉄製の接合材１が回転して融点の
低い銅製の接合材２との接触部１５に摩擦熱が発生す
る。このとき、接合材２は予備加熱された接合材１と接
触しているために両接合材の融点の差が小さくなり、接
合材２は早期に軟化状態になる。この時点でブレーキ１
３を作動させて回転軸１２の回転を中止する。さらに押
圧手段８によりアプセット圧力を加えることにより両接
合材の強固な接合が行われる。このとき、図６に示すよ
うに接合部１５に生じる余盛３ａ、３ｂは両接合材１、
２においてほぼ均等になる。

【００２３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の摩擦圧接
方法によれば、融点の異なる二つの接合材のうち、融点
の高い方の接合材を予備加熱してから摩擦圧接を行うよ
うにしたので、融点の低い接合材に生じる余盛が融点の
高い接合材とほぼ均等になり、余盛の発生量が従来法に
比して少なくなり、接合材の歩留まりが良好となって極
めて経済的である。しかも、余盛の除去のための研磨な
どの後の作業が簡略化されて作業が容易となる。さら
に、予備加熱と摩擦圧接を不活性雰囲気の下で行うこと
により、接合部の酸化や窒化がないために、クリーンな
接合部での圧接が可能となり、接合強度が向上する。ま
た、本発明の摩擦圧接装置によれば、不活性ガスを供給
する不活性ガス供給路と前記不活性ガス供給路から内部
に開口する供給孔とを有するチャンバを両接合材の接合
部の周囲に設け、チャンバには一方の接合材を加熱する
加熱装置を設けたことにより、予備加熱と摩擦圧接とを
連続的に行うことができるため、能率的に摩擦圧接がで
きる。その上、装置自体も簡単な構造であるから、安価
に提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態である摩擦圧接装置の説明
図である。

【図２】図１に示される実施形態のチャンバと加熱装置
の平面図である。

【図３】図２のＡ−Ａ線における断面図である。

【図４】図２のＢ−Ｂ線における断面図である。

【図５】図２のＣ−Ｃ線における断面図である。

【図６】接合材の圧接完了時を示す図３相当図である。

【図７】チャンバと加熱装置の変形例の図３相当図であ
る。

【図８】従来例の接合状態の説明図である。

【符号の説明】

１ 接合材（高融点） １ａ 端面 ２ 接合材（低融点） ２ａ 端面 ３ａ、３ｂ 余盛 ５ 回転チャック台 ６ 固定チャック台 ８ 押圧装置 １０ 高周波誘導加熱装置 １１ａ、１１ｂ チャンバ １５ 接合部 １８ａ、１８ｂ 不活性ガス供給路 ２０ 摩擦圧接装置 ２１ 供給孔 ３２ａ、３２ｂ チャンバ内部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 ＦＩ // Ｂ２３Ｋ 103:18

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 融点の異なる接合材を摩擦圧接により接
   合する摩擦圧接方法において、 高融点の接合材の端面側を低融点の接合材の融点近傍ま
   で予備加熱してから前記摩擦圧接による接合工程に入る
   とともに、前記予備加熱と摩擦圧接を不活性雰囲気の下
   で行うことを特徴とする摩擦圧接方法。
2. 【請求項２】 前記摩擦圧接工程が、対向配置してなる
   融点の異なる二つの接合材の端面を相互に接触させて接
   合部を形成し、次いで所定の加圧力の下に一方の接合材
   を回転させて接合部に摩擦熱を発生させ、さらに前記接
   合材が軟化状態に達した時点で回転を停止し、アプセッ
   ト圧力を加えて両接合材を圧接する摩擦圧接工程である
   ことを特徴とする請求項１記載の摩擦圧接方法。
3. 【請求項３】 前記予備加熱を高周波誘導加熱により行
   うことを特徴とする請求項１記載の摩擦圧接方法。
4. 【請求項４】 融点の異なる接合材を摩擦圧接により接
   合する摩擦圧接装置において、 不活性ガスを供給する不活性ガス供給路と、前記不活性
   ガス供給路から内部に開口する供給孔とを有するチャン
   バを両接合材の接合部の周囲に設けるとともに、前記チ
   ャンバには前記高融点側の接合材を加熱する高周波誘導
   加熱装置を設けることを特徴とする摩擦圧接装置。