JPH11129080A - 摩擦溶接機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 溶接状態をモニタリングして最適な状態で溶
接を行えるようにし、特に、母材が薄板からなる場合に
も、短時間、高品質、高強度の溶接を行うことができる
ようにした摩擦溶接機を提供すること。 【解決手段】 シリンダ２４と、該シリンダ２４内を貫
通しスタッド等の溶接物Ｓを先端に装着し、油圧モータ
２１にて回転する回転軸２２と、前記シリンダ２４内に
嵌挿し、かつ前記回転軸２２を移動させるピストン２３
とよりなる摩擦溶接機本体２を架台３に固定するととも
に、溶接状況をモニタリングするための、前記回転軸２
２の回転数を検出する回転センサ４と、前記ピストン２
３による回転軸２２の移動距離を検出する距離センサ５
と、前記ピストン２３に作用する作動油の圧力を検出す
る圧力センサ６とを備えるようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、スタッド等の溶接
物（以下、「スタッド」という。）を母材（被溶接物）
に押圧しながら高速回転させることにより発生する摩擦
熱を利用して、溶接物を母材に溶接する摩擦溶接機に関
し、特に、溶接状態をモニタリングして最適な状態で溶
接を行えるようにした摩擦溶接機に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、スタッドを母材に押圧しながら高
速回転させることにより発生する摩擦熱を利用して、ス
タッド及び母材の溶接面を溶融させて溶接する摩擦溶接
機においては、スタッド及び母材の材質、大きさ等に合
わせて、必要となる摩擦熱量を計算して、スタッドの母
材に対する押圧力、スタッドの回転数等を定め、溶接を
行うようにしている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、従来の摩擦
溶接機においては、スタッドの母材に対する押圧力、ス
タッドの回転数等が予め想定した設定どおりに行われた
場合には、所定の溶接が行われることとなる。

【０００４】しかしながら、スタッドが摩擦溶接機のチ
ャックに正確に装着されなかったり、スタッドに製作誤
差がある等で、スタッドと母材の間隔が設計値と異なる
場合やスタッドの母材に対する押圧力、スタッドの回転
数等にばらつきが生じた場合には、所定の溶接が行われ
ているか否かを確認する方法がなく、溶接後の点検に手
数を要するという問題があった。

【０００５】また、この摩擦溶接機は、スタッドを母材
に押圧しながら高速回転させるため、母材は、スタッド
の押圧力に対して変形しない程度の強度を必要とし、特
に、アルミニウム製の母材においては、薄板、具体的に
は、厚さ３ｍｍ以下の薄板の溶接には不適であるという
問題があった。

【０００６】本発明は、上記従来の摩擦溶接機の有する
問題点を解決し、溶接状態をモニタリングして最適な状
態で溶接を行えるようにし、特に、母材が薄板からなる
場合にも、短時間、高品質、高強度の溶接を行うことが
できるようにした摩擦溶接機を提供することを目的とす
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の摩擦溶接機は、シリンダと、該シリンダ内
を貫通しスタッド等の溶接物を先端に装着し、油圧モー
タにて回転する回転軸と、前記シリンダ内に嵌挿し、か
つ前記回転軸を移動させるピストンとよりなる摩擦溶接
機本体を架台に固定するとともに、溶接状況をモニタリ
ングするための、前記回転軸の回転数を検出する回転セ
ンサと、前記ピストンによる回転軸の移動距離を検出す
る距離センサと、前記ピストンに作用する作動油の圧力
を検出する圧力センサとを備えたことを特徴とする。

【０００８】この場合において、回転センサ及び距離セ
ンサを摩擦溶接機本体に設け、圧力センサをシリンダへ
の給油系統に配設することができる。

【０００９】この摩擦溶接機は、溶接状況をモニタリン
グするための、回転軸の回転数を検出する回転センサ
と、ピストンによる回転軸の移動距離を検出する距離セ
ンサと、ピストンに作用する作動油の圧力を検出する圧
力センサとを備えることにより、溶接状態をモニタリン
グして最適な状態で溶接を行うことができ、特に、母材
が薄板からなる場合にも、短時間、高品質、高強度の溶
接を行うことができる。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の摩擦溶接機の実施
の形態を図面に基づいて説明する。この摩擦溶接機は、
図１〜図４に示すように、油圧発生装置１と、摩擦溶接
機本体２と、摩擦溶接機本体２を固定する架台３と、イ
ンターフェイス、パソコン等の制御装置（図示省略）で
構成される。

【００１１】このうち、油圧発生装置１は、図３に示す
ように、作動油を所定量充填したタンクＴと、油圧ポン
プＰと、この油圧ポンプＰを駆動するモータＭと、油圧
ポンプＰで発生する油圧を制御するコントローラＣとよ
りなる汎用のものを使用することができ、これにより、
後述の摩擦溶接機本体２の油圧モータ２１及びシリンダ
２４へ所要圧の作動油を高圧ホースＨを介して供給する
ように構成される。

【００１２】摩擦溶接機本体２は、図１〜図２に示すよ
うに、油圧モータ２１と、この油圧モータ２１にて駆動
される回転軸２２と、この回転軸２２が貫通するシリン
ダ２４と、シリンダ２４内に嵌挿し、かつ回転軸２２を
上下方向に移動させるピストン（Ｒａｍ）２３と、回転
軸２２の先端に固定した、スタッドＳを装着するための
チャック２５と、溶接状況をモニタリングするための、
回転軸２２の回転数を検出する回転センサ４と、ピスト
ン２３による回転軸２２の上下方向の移動距離を検出す
る距離センサ５と、ピストン２３に作用する作動油の圧
力を検出する圧力センサ６とを備えている。そして、こ
の摩擦溶接機本体２は、油圧モータ２１を搭載したモー
タ台２９に突設したハンドル２Ｈを持って、移動可能な
大きさと重量を有するように構成されている。

【００１３】油圧モータ２１は、ハンドル２Ｈを突設し
たモータ台２９に搭載され、高圧ホースＨを介して油圧
発生装置１に接続し、油圧発生装置１から供給される所
要圧の作動油にて、これに直結した回転軸２２を摩擦溶
接に適する速度、例えば、７０００〜１２０００ｒｐｍ
の範囲で回転することができるように構成する。

【００１４】この回転数は、スタッドＳ及び母材ＢＭの
材質、大きさ等に合わせて、必要となる摩擦熱量を計算
して定められ、例えば、直径が６〜９ｍｍのアルミニウ
ム製のスタッドＳの場合には、７０００〜８０００ｒｐ
ｍの範囲に設定するようにする。なお、油圧モータ２１
に供給する作動油の圧力は、１００ｋｇ／ｃｍ²程度と
し、母材ＢＭに押圧されるスタッドＳに充分な回動力を
与えて溶接に必要な摩擦熱量を得ることができるように
する。

【００１５】回転軸２２の外周には、スペーサ２５Ｓを
介して配設した複数のベアリング２Ｂを介してピストン
２３を配設し、ピストン２３の上部とモータ台２９の下
部に接続した円筒状のスリーブ部２９Ｓとをボルト等に
て固定するようにする。これにより、回転軸２２は、回
転しないピストン２３にベアリング２Ｂを介して回転可
能に、かつ、ピストン２３と共に上下方向に移動可能に
支持される。

【００１６】ピストン２３を摺動可能に嵌挿するシリン
ダ２４は、その上端部２４Ｔに、モータ台２９の下部に
接続したスリーブ部２９Ｓを嵌挿することにより、円筒
状のスリーブ部２９Ｓを摺動可能に支持するようにし、
その下端部にシリンダ蓋２４Ｆをボルト等にて固定する
ようにする。ピストン２３の下部には、円筒状のスリー
ブ２７をボルト等にて固定するようにし、このスリーブ
２７をシリンダ蓋２４Ｆに嵌挿することにより、摺動可
能に支持し、さらに、このスリーブ２７により、ニード
ルローラベアリング２７を介して回転軸２２を回転可能
に支持するようにする。なお、図中２６は、気密を保持
するためのシール２６である。

【００１７】シリンダ２４には、トップ側のポートＰ１
と、ボトム側のポートＰ２にそれぞれ高圧ホースＨ，Ｈ
を取り付けて油圧発生装置１と接続し、シリンダ２４の
ポートＰ１，Ｐ２１への給油を交互に切り換えることに
より、ピストン２３を上下方向に移動させることができ
るように構成する。これにより、チャック２５に装着し
たスタッドＳを、上下方向に移動して母材ＢＭ側へ押圧
し、又は押圧を解除することができるようにする。

【００１８】また、スタッドＳの母材ＢＭへの押圧力を
決定するシリンダ２４のトップ側のポートＰ１へ供給さ
れる作動油の圧力は、必要とされるスタッドＳの押圧力
に応じて調整可能に構成される。そして、この作動油の
圧力は、スタッドＳ及び母材ＢＭの材質、大きさ等に合
わせて、必要となる摩擦熱量を計算して定められ、例え
ば、直径が６〜９ｍｍのアルミニウム製のスタッドＳの
場合には、２０ｋｇ／ｃｍ²程度の圧力とする。

【００１９】シリンダ蓋２４Ｆの下端は、筒状に少し突
出して形成するようにし、この筒状部の外周に係止爪２
４Ｎを突設し、筒状部を架台３に形成した係止孔３Ｈに
嵌挿したとき、係止孔３Ｈの内周面に形成した係止溝３
Ｎと嵌合係止して、摩擦溶接機本体２のシリンダ２４
を、架台３に回転することなく固定できるようにする。

【００２０】また、モータ台２９には、ガイドロッド２
９Ｇを垂設し、このガイドロッド２９Ｇをシリンダ２４
に突設したブラケット２４Ｂを貫通するようにし、これ
により、シリンダ２４のポートＰ１，Ｐ２１への給油を
交互に切り換えることにより、ピストン２３を上下方向
に移動させた場合に、モータ台２９、油圧モータ２１等
が回転することなく、円滑に上下方向に移動するように
する。

【００２１】摩擦溶接機本体２を載置する架台３は、図
４に示すように、床面又は作業台等の固定側に載置し、
下部に母材ＢＭを固定するバイス等の固定具３Ｂを配設
するようにする。

【００２２】この摩擦溶接機は、摩擦溶接機による溶接
状況をモニタリングするために、３種類のセンサ、すな
わち、回転軸２２、すなわち、スタッドＳの回転数を検
出する回転センサ４、ピストン２３による回転軸２２の
上下方向の移動距離を検出することにより、スタッドＳ
と母材ＢＭの距離及びスタッドＳが母材ＢＭに押し込ま
れる量（Ｂｕｒｎ ｏｆｆ）を検出する距離センサ５及
びピストン２３に作用する作動油の圧力を検出する圧力
センサ６が配設されている。そして、この各センサ４，
５，６による計測信号をインターフェイス、パソコン等
からなる制御装置に入力するようにして、この制御装置
と各センサ４，５，６及び油圧発生装置１のコントロー
ラＣとを接続するようにする。

【００２３】回転センサ４は、モータ台２９に突設した
ブラケット４Ｂの先端に取り付けることにより、モータ
台２９のスリーブ部２９Ｓの外周面に当接又は近接する
ように配置し、スリーブ部２９Ｓ内を貫通する回転軸２
２にマグネット（図示省略）を取り付け、回転軸の回転
にてその磁力線の変化を測定して回転軸２２、すなわ
ち、スタッドＳの回転数を検出するものである。

【００２４】距離センサ５は、モータ台２９に突設した
ブラケット５Ｂの先端に垂直方向に突出するように取り
付けるとともに、この距離センサ５を作動させるアタッ
チメント５Ａをシリンダ２４の外周部に突設し、このア
タッチメント５Ａに距離センサ５の下端が当接するよう
に配置し、シリンダ２４のポートＰ１，Ｐ２１への給油
を交互に切り換えることにより、ピストン２３を上下方
向に移動させた場合に、ピストン２３に固定されたモー
タ台２９の移動量を検出するもので、これにより、スタ
ッドＳと母材ＢＭの距離及びスタッドＳが母材ＢＭに押
し込まれる量を検出するものである。

【００２５】圧力センサ６は、シリンダ２４のトップ側
のポートＰ１へ供給される作動油を供給する給油系統
（高圧ホースＨ）の一部に配設され、作動油の圧力を検
出してピストン２３によるスタッドＳの母材ＢＭに対す
る押圧力を間接的に検出するものである。なお、この作
動油供給用の高圧ホースＨには、作動油の供給流量を調
整するための流量制御弁Ｖが配設されるが、この流量制
御弁Ｖと圧力センサ６とは、直列に接続される。

【００２６】次に、上記の摩擦溶接機の動作について、
図５〜図７に基づいて説明する。まず、摩擦溶接機本体
２のチャック２５にスタッドＳを装着するとともに、架
台３の固定具３Ｂに母材ＢＭが固定する。この場合にお
いて、母材ＢＭに厚さ３ｍｍ以下のアルミニウム製の薄
板を使用する場合には、母材ＢＭがスタッドＳの押圧力
により変形しないように、母材ＢＭの下面に当て具ＭＳ
を予め沿わせるようにすることが望ましい。

【００２７】次に、溶接工程の前工程として、スタッド
Ｓと母材ＢＭの距離を測定するスタンドオフ工程を行
う。このスタンドオフ工程を図５（Ａ）を用いて説明す
る。

【００２８】まず、スタートスイッチをＯＮにする。シ
リンダ２４へ供給される作動油の圧力及び油圧モータ２
１へ供給される作動油の圧力がともにオフ状態にあるこ
とを確認する動作準備をし、ピストン２３の原位置を距
離センサ４にて測定し、これを距離Ｌ１として距離セン
サ４に接続した制御装置に記憶する。この距離Ｌ１は、
距離センサ４の０ポイントからスタッドＳの先端までの
距離となる。シリンダ２４のトップ側のポートＰ１へ作
動油を供給することにより、ピストン２３とともに回転
軸２２を下降させる。そして、この回転軸２２の先端に
配設したチャック２５に装着したスタッドＳが母材ＢＭ
に当接させるようにする。この場合、スタッドＳが母材
ＢＭに当接するまでに要する時間より若干長い時間、例
えば、１秒程度を予めタイマーに設定しておき、この時
間だけシリンダ２４のトップ側のポートＰ１へ作動油を
供給してピストン２３とともに回転軸２２を下降させ
る。スタッドＳが母材ＢＭに当接した状態における距離
センサ４の値を測定し、これを距離Ｌ２として距離セン
サ４に接続した制御装置に記憶する。この距離Ｌ２は、
距離センサの０ポイントから母材ＢＭの表面までの距離
となる。このようにして測定した距離センサ４の０ポイ
ントからスタッドＳの先端までの距離Ｌ１と距離センサ
の０ポイントから母材ＢＭの表面までの距離Ｌ２の差を
計算し、スタッドＳの先端と母材ＢＭの表面の距離（Ｓ
ｔａｎｄ ｏｆｆ）Ｌ３として同様に制御装置に記憶す
る。そして、シリンダ２４のボトム側のポートＰ２へ作
動油を供給することにより、ピストン２３とともに回転
軸２２を上昇させることにより、原位置に復帰させ、こ
れによりスタンドオフ工程を完了する。

【００２９】このように、スタンドオフ工程により、ス
タッドＳの先端と母材ＢＭの表面の距離Ｌ３を測定した
後、次工程の溶接工程に移行する。この溶接工程を図５
（Ｂ）及び図７を用いて説明する。

【００３０】まず、スタートスイッチをＯＮにする。溶
接工程を実施するに際して設定することとしている各種
パラメータ、具体的には、回転軸２２の回転開始から下
降開始までの予備回転時間、回転軸２２の回転停止後、
上昇開始までの圧力保持時間、スタッドＳが母材ＢＭに
押し込まれる量Ｕ等を制御装置に入力する。そして、前
工程において制御装置に記憶したスタッドＳの先端と母
材ＢＭの表面の距離Ｌ３と、本工程において設定したス
タッドＳが母材ＢＭに押し込まれる量Ｕの和を計算し、
本工程における回転軸２２の全移動距離Ｌ４として制御
装置に記憶する。シリンダ２４へ供給される作動油の圧
力及び油圧モータ２１へ供給される作動油の圧力がとも
にオフ状態にあることを確認する動作準備をした後、溶
接動作の起動を、手動操作により開始する（図７（Ｂ）
（１））。油圧モータ２１へ作動油を供給することによ
り、回転軸２２及びチャック２５に装着したスタッドＳ
を回転させる（図７（Ｂ）（２））。予め設定した予備
回転時間が経過し、回転軸２２の回転数が所定の安定し
た回転数に達すると、シリンダ２４のトップ側のポート
Ｐ１へ作動油を供給することにより、ピストン２３とと
もに回転軸２２を下降させる（図７（Ｂ）（３））。こ
れにより、スタッドＳが高速で回転しながら、母材ＢＭ
の表面に接触（Ｔｏｕｃｈ ｄｏｗｎ）、押圧されるこ
とにより、摩擦熱が発生する。この摩擦熱によりスタッ
ドＳと母材ＢＭの当接面は半溶融状態となる。この状態
で、さらに、ピストン２３とともに回転軸２２を下降さ
せることにより、スタッドＳを母材ＢＭの表面に押圧す
る（図７（Ｂ）（４））。そして、回転軸２２の下降移
動距離が、全移動距離Ｌ４に達するまでは、回転軸２２
の回転を保持するようにする。この場合において、回転
軸２２の回転数は、スタッドＳが母材ＢＭの表面に接触
した後、徐々に低下させるようにすることが望ましい。
回転軸２２の下降移動距離が、全移動距離Ｌ４に達する
と、回転軸２２の回転を瞬時に停止し、予め設定した加
圧保持時間が経過するまで、スタッドＳが母材ＢＭの表
面に押圧された状態を継続する（図７（Ｂ）（５））。
予め設定した加圧保持時間の経過後、チャック２５によ
るスタッドＳの保持を解除し、シリンダ２４のボトム側
のポートＰ２へ作動油を供給することにより、ピストン
２３とともに回転軸２２を上昇させる（図７（Ｂ）
（６））。これにより、母材ＢＭの表面に溶接されたス
タッドＳを残して、ピストン２３とともに回転軸２２を
原位置に復帰させ、これにより溶接工程を完了する（図
７（Ｂ）（７））。

【００３１】この溶接工程における各センサ４，５，６
により検出した回転軸２２の回転数、回転軸２２の距離
及びシリンダ２４へ供給される作動油の圧力の変化を図
６（Ａ）に示す。なお、制御装置のディスプレイ上に
は、図６（Ａ）に示すような各センサ４，５，６の計測
値を表示することにより、溶接状態をモニタリングして
最適な状態で溶接を行えるようにする。

【００３２】なお、上記実施例の摩擦溶接機は、回転軸
の移動方向を上下方向に設定した場合を例に説明した
が、これに限定されるものではなく、例えば、回転軸の
移動方向を水平方向に設定することもできる。

【００３３】

【発明の効果】本発明の摩擦溶接機によれば、溶接状況
をモニタリングするための、回転軸の回転数を検出する
回転センサと、ピストンによる回転軸の移動距離を検出
する距離センサと、ピストンに作用する作動油の圧力を
検出する圧力センサとを備えることにより、溶接状態を
モニタリングして最適な状態で溶接を行うことができ、
特に、母材が薄板からなる場合にも、短時間、高品質、
高強度の溶接を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の摩擦溶接機の一実施例を示し、（Ａ）
は正面図、（Ｂ）は側面図、（Ｃ）は平面図である。

【図２】同断面図である。

【図３】油圧発生装置を示し、（Ａ）は正面図、（Ｂ）
は側面図、（Ｃ）は平面図である。

【図４】架台を示し、（Ａ）は一部破断した正面図、
（Ｂ）は側面図である。

【図５】本発明の摩擦溶接機による摩擦溶接の作業工程
を示すフローチャートで、（Ａ）はスタッドオフ工程を
示し、（Ｂ）は溶接工程を示す。

【図６】本発明の摩擦溶接機による溶接のパラメータの
説明図である。

【図７】本発明の摩擦溶接機による溶接工程を示し、
（Ａ）は回転数、距離及び押圧力の変化を示し、（Ｂ）
は模式図を示す。

【符号の説明】

１ 油圧発生装置 ２ 摩擦溶接機本体 ２１ 油圧モータ ２２ 回転軸 ２３ ピストン ２４ シリンダ ２９ モータ台 ３ 架台 ４ 回転センサ ５ 距離センサ ６ 圧力センサ Ｃ コントローラ Ｈ 高圧ホース Ｍ モータ Ｐ 油圧ポンプ Ｔ タンク Ｓ 溶接物（スタッド） ＢＭ 母材

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 シリンダ（２４）と、該シリンダ（２
   ４）内を貫通しスタッド等の溶接物（Ｓ）を先端に装着
   し、油圧モータ（２１）にて回転する回転軸（２２）
   と、前記シリンダ（２４）内に嵌挿し、かつ前記回転軸
   （２２）を移動させるピストン（２３）とよりなる摩擦
   溶接機本体（２）を架台（３）に固定するとともに、溶
   接状況をモニタリングするための、前記回転軸（２２）
   の回転数を検出する回転センサ（４）と、前記ピストン
   （２３）による回転軸（２２）の移動距離を検出する距
   離センサ（５）と、前記ピストン（２３）に作用する作
   動油の圧力を検出する圧力センサ（６）とを備えたこと
   を特徴とする摩擦溶接機。
2. 【請求項２】 回転センサ（４）及び距離センサ（５）
   を摩擦溶接機本体（２）に設け、圧力センサ（６）をシ
   リンダ（２４）への給油系統に配設したことを特徴とす
   る請求項１記載の摩擦溶接機。