JPH11226758A - 摩擦溶接装置、溶接構造物 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 摩擦溶接に際し溶接部に欠陥が発生する頻度
を低減し、溶接部の信頼性を向上する。 【解決手段】 被加工物２の表面２Ｓまでの距離を検出
器６で検出し、検出された距離の変動を信号処理装置８
により求め、求められた変動を抑制するように制御装置
９により上記上下駆動装置５を制御した状態で、回転駆
動装置４でツール１を回転させて被加工物２を摩擦しつ
つ、溶接線方向１３にツール１を移動する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は摩擦溶接方法および
装置に係り、特に、接合部に発生する空洞や割れ等など
の溶接欠陥を防止することに好適な摩擦溶接方法および
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】実質的に加工物の材質よりも硬い材質の
金属棒を被加工物の溶接部に挿入し、この金属棒を回転
させながら移動することによって、上記金属棒と上記加
工物との間で発生する摩擦熱により溶接する摩擦溶接方
法が、例えば、特公平７ー５０５０９０号公報（ＥＰＯ
６１５４８０Ｂ１）に記載されている。この摩擦溶接方
法は、金属棒と加工物との摩擦熱による塑性流動現象を
利用したものであって、加工物を溶かして溶接する方法
（例えば、アーク溶接など）とは異なる原理に基づいて
いる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】本発明者らの検討によ
れば、特公平７ー５０５０９０号公報に記載される摩擦
溶接方法を実行するためには、上記金属棒と被加工物表
面との相対位置関係が重要となる。塑性流動状態の金属
が、溶接部から、被加工物の表面に溢れ出ることを防止
することが要求される。すなわち、溶接部から金属が流
出することによって溶接部に欠陥が発生する頻度が大き
くなり、溶接部の信頼性を低下させる原因となる。

【０００４】このためには、この摩擦溶接方法の実行に
際し、回転するツールを被加工物の表面から一定の深さ
に挿入し、溶接中もこの深さを維持管理することが要求
される。

【０００５】ところが、一般には、被加工物の表面に凹
凸があれば、被加工物の送りに伴い被加工物表面の高さ
が変化する。また、溶接に伴い被加工物が加熱されるこ
とにより被加工物表面の高さが変化することもある。

【０００６】このような場合には、ツールと被加工物と
の相対距離が変動し、ツールのショルダー部が被加工物
表面から挿入される挿入深さも変動してしまう。

【０００７】また、被加工物の表面が平坦でなかった
り、２つの被加工物の高さが相異なる場合には、ツール
と被加工物表面との相対姿勢が変動することもある。

【０００８】本発明は、ツールと被加工物との相対位置
関係を管理することに好適な摩擦溶接装置を目的とする
ことを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の第１の態様によれば、ショルダー部が形成
されたツールと、上記ツールを回転させるためのツール
回転機構と、上記ツールが回転される回転軸の姿勢、お
よび、上記回転軸に沿う方向におけるツールの位置のう
ち少なくとも一方を変更可能に、上記ツール回転機構を
固定支持するための支持機構とを有することを特徴とす
る摩擦溶接装置が提供される。

【００１０】本発明の第２の態様によれば、ショルダー
部が形成されたツールと、上記ツールを回転させて被加
工物を摩擦するためのツール回転機構と、上記ツールお
よび被加工面表面の相対位置関係を変更可能に、上記ツ
ール回転機構および被加工物を固定支持するための支持
機構とを有することを特徴とする摩擦溶接装置が提供さ
れる。

【００１１】本発明の第３の態様によれば、ショルダー
部が形成されたツールと、上記ツールを回転させて被加
工物を摩擦するためのツール回転機構と、上記ツールお
よび被加工物表面の相対位置関係を変更可能に、上記ツ
ール回転機構および被加工物を支持するための支持機構
と、上記ツールおよび被加工物表面の相対位置関係を検
出するための検出部と、上記検出部によって検出された
相対位置関係が予め定められた相対位置関係に近づくよ
うに、上記支持機構を制御するための制御部とを備える
ことを特徴とする摩擦溶接装置が提供される。

【００１２】本発明の第４の態様によれば、ショルダー
部が形成されたツールと、上記ツールを回転させて被加
工物を摩擦するためのツール回転機構と、上記ツールお
よび被加工物表面の相対位置関係を変更可能に、上記ツ
ール回転機構および被加工物を支持するための支持機構
と、上記ツールおよび被加工物表面の相対位置関係を検
出するための検出部と、上記検出部によって検出された
相対位置関係の変動が小さくなるように、上記支持機構
を制御するための制御部とを備えることを特徴とする摩
擦溶接装置が提供される。

【００１３】本発明の第５の態様によれば、上記第１か
ら第４のいずれかの態様における摩擦溶接装置を用いて
溶接加工されたことを特徴とする溶接構造物が提供され
る。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下に、図面を参照して、本発明
の実施の形態について説明する。

【００１５】まず、図１から図３を参照して、本発明の
第１の実施の形態について説明する。

【００１６】はじめに、図１を参照して、本実施の形態
における摩擦溶接装置について説明する。本実施の形態
では、ツールが被加工物に挿入される深さを制御するこ
とに好適に構成される摩擦溶接装置について説明する。

【００１７】図１において、本実施の形態における摩擦
溶接装置１００は、被加工物２を摩擦するためのツール
１と、ツール１を回転させるための回転駆動装置４と、
ツール１を回転の軸方向に沿って移動させるための上下
駆動装置５と、被加工物２の表面２Ｓまでの距離を検出
するための検出器６と、検出された距離の変動を求める
ための信号処理装置８と、求められた変動を抑制するよ
うに上記上下駆動装置５を制御するための制御装置９と
を有して構成される。

【００１８】上記ツール１は、被加工物（溶接すべき部
材）の材質より、実質的に硬い材質で形成される。この
ようなツール１の材質としては、代表的には金属を用い
ることができる。なお、硬度に加えて、靱性、耐熱性な
どの要求を満たせば、セラミックス、表面焼き入れ部材
などを用いてもよい。

【００１９】上記回転駆動装置４および上下駆動装置５
は、溶接線方向１３に、被加工物２と相対的に移動する
ための移動架台（図示せず）に取り付けられている。

【００２０】上記検出器６は、溶接線方向１３に対して
ツール１の前方に、ツール１の端面に対して予め定めら
れた高さ配置され、ツール１と同一方向に、かつ、ツー
ル１と連動して移動する。

【００２１】次に、図２を参照して、上記ツールの、回
転軸を含む断面における形状について説明する。

【００２２】図２において、ツール１は、基部１ａと、
基部１ａの端面１Ｓに設けられた先端部１ｂとを有する
形状に形成される。好ましくは、上記基部１ａおよび先
端部１ｂは、軸を共有する回転対象形状に形成される。
より具体的には、上記基部１ａは、円柱形状に形成さ
れ、上記先端部１ｂは、その先端１ｃに近づくほど細く
なる形状に形成される。

【００２３】基部１ａおよび先端部１ｂは、共通の部材
から一体に形成されてもよいし、別々に形成された基部
１ａと先端部１ｂとを組み合わせて構成されてもよい。

【００２４】次に、図１を参照して、本実施の形態の摩
擦溶接装置が、２つの加工物２を相互に突き合わせ溶接
に用いられる場合の動作について説明する。

【００２５】まず、溶接開始に際し、上記検出器６によ
って被加工物２の表面２Ｓの溶接開始前までの距離（ｄ
０）を検出する。そして、当該検出された距離（ｄ０）
を上記信号処理装置８において格納する。

【００２６】次に、ツール１を溶接開先部３に挿入し、
ツール１を回転させながら、ツール１と被加工物２とを
溶接線方向１３に相対移動させ溶接過程を実行する。こ
の状態で、上記検出器６により検出される、溶接過程の
被加工物表面２Ｓまでの溶接過程の距離（ｄ）は、上記
信号処理装置８に送られる。信号処理装置８において、
上記格納している溶接開始前の距離（ｄ０）と、上記溶
接過程の距離（ｄ）とを比較し、少なくともこれらの大
小関係を上記制御装置９に送る。

【００２７】上記制御装置９は、上記大小関係に基づい
て、溶接開始前の距離（ｄ０）と、上記溶接過程の高さ
（ｄ）とが一致するようにツール１を上下方向１２に駆
動する指令を上記上下駆動装置５に与える。すなわち、
溶接過程の距離が溶接開始前よりも大きければ、ツール
１を上方に予め定められた距離だけ駆動する指令を与
え、また、溶接過程の高さが溶接開始前よりも小さけれ
ば、ツール１を下方に予め定められた距離だけ駆動する
指令を与える。そして、溶接過程の高さが溶接開始前と
一致するときは、ツール１を固定支持する指令を与え
る。

【００２８】上記駆動する指令における予め定められた
距離は、制御が行われる時間間隔、上下駆動装置５の駆
動速度、予想される被加工物２の表面２Ｓの高さの変化
の速さなどから定められる。この被加工物２の表面２Ｓ
の高さの変化の速さは、表面２Ｓの高さの溶接線方向１
３の変化率と、ツール１および被加工物２が溶接線方向
１３に相対移動される速度とから求められる。

【００２９】このようにして、被加工物２の表面２Ｓと
検出器６とにおける溶接過程の距離が、溶接開始前の距
離に一致するように制御される。ここで、上述したよう
に、検出器６は、ツール１と連動して移動するから、ツ
ール１が被加工物２に挿入される深さ（表面２Ｓから端
面までの深さ）を一定に制御することができる。

【００３０】ここでは、大小関係に基づいて制御する例
について述べたが、溶接過程と溶接開始前とにおける被
加工物表面２Ｓまでの距離の差分を求め、当該差分に応
じた距離だけツール１を上下に駆動してもよい。すなわ
ち、上記信号処理装置８において、上記溶接過程の距離
（ｄ）と溶接開始前の距離（ｄ０）との差分（ｄ−ｄ
０）を求め、上記制御装置９において、当該求められた
差分（ｄ−ｄ０）に応じた距離ツール１を下方に駆動す
る指令を上記上下駆動装置５に与える。なお、上記差分
と駆動する指令における距離との関係は、例えば、帰還
制御における収束の速さ、安定性を考慮して定めること
ができる。

【００３１】次に、図３を参照して、２つの被加工物相
互に高さが異なる場合、すなわち、検出器から被加工物
表面までの距離が被加工物２相互に異なる場合に好適な
動作について説明する図３において、２つの被加工物２
ａ，２ｂは、互いに高さが異なる。このような場合、ツ
ール１の端面１Ｓが、被加工物２ａ，２ｂの表面２ａ
Ｓ，２ｂＳから挿入される深さｌａ，ｌｂが相違する。
従って、高さが高い方の被加工物２ａに対して、予め定
められた深さ（例えば、０．１〜０．５ｍｍ）にツール
１を挿入したとしても、他方の被加工物２ｂに対して挿
入される深さは、上記予め定められた深さより小さくな
ってしまう。このため、高さが低い方の被加工物２ｂの
表面２ｂＳとツール１とが接する部分から、塑性流動状
態にある金属が十分に閉じ込められず、溢れ出てしまう
ことがある。

【００３２】本発明を適用した摩擦溶接装置では、この
ような場合には、溶接開始に際し、上記検出器６におい
て、一方の被加工物２ａまでの距離（ｄａ）と、他方の
被加工物２ｂまでの距離（ｄｂ）とをそれぞれを検出す
る。そして、両者のいずれか大きい方の距離を基準にツ
ール１の挿入深さを制御する。

【００３３】より具体的には、例えば、上記検出器６に
おいて、溶接開始前の距離（ｄａ０，ｄｂ０）をそれぞ
れ検出し、これらのいずれか大きい方を上記信号処理装
置８に格納する（以下、格納された距離をｄ０とす
る）。上記信号処理装置８において、溶接過程において
検出器６により検出される２つの被加工物２ａ，２ｂま
での距離（ｄａ，ｄｂ）のいずれか大きい方と、格納し
てある溶接開始前の距離（ｄ０）とを比較する。この比
較の結果を用いた制御は、上述した、それぞれの表面の
高さを区別せずに制御する場合と同様にして行うことが
できる。

【００３４】また、溶接開始前および溶接過程における
被加工物表面２ａＳ，２ｂＳまでの距離の差分を求め、
当該差分に応じた距離だけツール１を上下に駆動しても
よい。この場合には、上記信号処理装置８において、上
記２つの被加工物２ａ，２ｂそれぞれの溶接過程の距離
（ｄａ，ｄｂ）のうち大きい方の距離と、溶接開始前の
距離（ｄ０）との差分を求める。そして、求めた差分に
応じてツール１を駆動する指令を上記上下駆動装置５に
与える。なお、上記差分と駆動する指令における距離と
の関係は、例えば、帰還制御における収束の速さ、安定
性を考慮して定めることができることは、上述の場合と
同様である。

【００３５】このようにして、２つの被加工物２ａ，２
ｂ相互に高さが異なる場合であっても、高さが低い方の
表面２ｂＳを基準として、ツール１が被加工物２ａ，２
ｂに挿入される深さ（表面２Ｓから端面までの深さ）を
一定に制御することができる。すなわち、２つの被加工
物２ａ，２ｂに挿入される深さうちの小さい方ｌ１を、
溶接開始に際して定められる深さに制御して、溶接を実
行することができる。従って、ツール１の端面１Ｓか
ら、塑性流動状態にある金属が溢れ出ることを避けるこ
とが可能となる。

【００３６】次に、図４を参照して、本発明の第２の実
施の形態について説明する。本実施の形態は、上述した
第１の実施の形態における摩擦溶接装置の具体的構成例
であって、駆動源としてモータを、また、検出器として
レーザ変位計を用いて構成されている。

【００３７】図４において、本実施の形態における摩擦
溶接装置１００は、被加工物２を摩擦するためのツール
１と、ツール１を取り付けるための取付部材２０ａが設
けられた回転軸２０と、回転軸２０を回転可能に支持す
るための回転ベアリング２２が設けられたボックス２３
と、回転軸２０のエンドプレイを吸収するためのカップ
リング２１と、回転軸２０を回転させるための回転モー
タ４と、ボックス２３を回転軸２０の軸方向に沿って移
動するための駆動軸２４と、駆動軸２４のエンドプレイ
を吸収するためのカップリング２５と、駆動軸２４を回
転させるための上下駆動モータ５と、被加工物２の表面
２Ｓまでの距離を検出するための検出器６と、検出され
た距離の変動を求めるための信号処理装置８と、求めら
れた変動を抑制するように上記上下駆動モータ５を制御
するための制御装置９と、上記回転モータ４および上下
駆動モータ５を支持するための移動架台１５と、被加工
物２を固定支持し、かつ、移動架台１５を溶接線方向１
３に移動可能に支持するための溶接架台１６とを有して
構成される。

【００３８】上記ツール１は、回転軸２０とカップリン
グ２１とを介して回転モータ４に連結されている。ま
た、回転軸２０は、回転ベアリング２２を介してボック
ス内２３に収められている。

【００３９】上記ボックス２３は、上下方向に駆動する
ための駆動軸２４にも連結されている。上記駆動軸２４
は、カップリング２５を通してツール１を上下方向に駆
動するための駆動モータ５に連結されている。

【００４０】上記回転モータ４および上下駆動モータ５
は、移動架台１５に取り付けられている。

【００４１】上記移動架台１５は、溶接架台１６に取り
付けられ、当該溶接架台１６上を溶接線方向１３に移動
する。

【００４２】検出器６は、被加工物表面２Ｓの高さの変
化を検出するためのものである。検出器６は、溶接線方
向１３に対してツール１の前方に取り付けられる。本実
施の形態では、検出器６としてレーザ変位計を用い、こ
れをツール１から溶接線方向１３に前方３０ｍｍの位置
に配置している。

【００４３】ここで、溶接直前および溶接過程における
加工物表面２Ｓの高さの変化に応じて、ツール１の上下
方向の駆動は次の順序で行われる。

【００４４】行程１． ツール１は、被加工物２の表面
から予め指定された深さに挿入される。指定の深さが挿
入されたこの時点、つまり、溶接開始直前での検出器６
から被加工物表面２Ｓまでの距離ｄ０を上記検出器６に
より検出する。この距離ｄ０が健全な溶接ができるツー
ル１の適性な深さの基準となる。従って、この距離ｄ０
を溶接過程における距離との差を比較する基準信号とす
る。なお、２つの被加工物表面までの距離が相違する場
合には、これらのうち大きい方の距離を表す基準信号を
生成する。

【００４５】行程２． 次に、溶接過程における被加工
物表面２Ｓまでの距離ｄを連続的または周期的に検出す
る。

【００４６】行程３． 上記行程１で検出した距離の検
出信号ｄ０、および上記行程２で検出した距離ｄを表す
検出信号は、信号処理装置８に入力される。そして、信
号処理装置８において、距離ｄ０およびｄを比較して、
これらの差分、つまり、被加工物２の高さの、溶接開始
直前および溶接過程における差を求める。そして、この
差分を表す比較信号を生成する。

【００４７】行程４． 上記行程３で生成された比較信
号は、制御装置９に入力される。制御装置９は、当該入
力された信号に応じて、ツール１を上下方向に駆動させ
るように、上下駆動モータ５を制御する。

【００４８】ここで、上記行程２で検出した距離ｄが上
記１で検出した距離ｄ０に比べて同じ（距離の差分が
零）場合は、被加工物表面２Ｓの高さが溶接開始直前と
同じで変化していない現象である。このため、ツール１
を上下方向に駆動する必要がない。従って、上下駆動モ
ータ５は駆動せず、ツール１の位置は一定である。

【００４９】一方、上記行程２で検出した距離ｄが上記
１で検出した距離ｄ０に比べて小さい（距離の差分がマ
イナス）場合は、被加工物表面２Ｓの高さが溶接開始直
前に比べて高くなっている現象である。このため、ツー
ル１を上下駆動モータ５により上記行程３で求められた
比較した差分の距離（ΔＸ）だけ上向き方向に上げる必
要がある。

【００５０】また、上記行程２で検出した距離ｄが上記
行程１で検出した距離ｄ０に比べ大きい（距離の差分が
プラス）場合は、被加工物表面２Ｓの高さが溶接開始直
前に比べて低くなっている現象である。このため、ツー
ル１を上下駆動モータ５により上記行程３で求められた
差分の距離（ΔＹ）だけ下向き方向に下げる必要があ
る。

【００５１】上述のように、被加工物２の表面２Ｓにお
ける高さの変化の信号に応じて加工物表面２Ｓからのツ
ール１の挿入深さが溶接過程で常に一定になるように制
御される。

【００５２】従って、溶接長さが２０ｍクラスと長い場
合でも溶接欠陥のない溶接構造物が得られる。

【００５３】このような溶接構造物としては、例えば、
鉄道用の車両構造体が挙げられる。特に、高速車両にお
いては、車両の長さが長くなる傾向にあり、これに伴い
溶接長さも長くなっている。

【００５４】次に、図５を参照して、本発明の第３の実
施の形態について説明する。本実施の形態は、上述した
第１の実施の形態における摩擦溶接装置の具体的構成例
であって、上下方向の駆動源として油圧駆動装置を、ま
た、検出器として接触式の差動トランスを用いて構成さ
れている。

【００５５】図５において、本実施の形態における摩擦
溶接装置１００は、被加工物２を摩擦するためのツール
１と、ツール１を取り付けるための取付部材２０ａが設
けられた回転軸２０と、回転軸２０を回転可能に支持す
るための回転ベアリング２２が設けられたボックス２３
と、回転軸２０のエンドプレイを吸収するためのカップ
リング２１と、回転軸２０を回転させるための回転モー
タ４と、ボックス２３を回転軸２０の軸方向に沿って駆
動するための油圧駆動装置３１と、上記油圧駆動装置３
１に対して上下方向に移動可能に上記ボックス２３を支
持するための上下方向のベアリング３０と、、被加工物
２の表面２Ｓまでの距離を検出するための検出器６と、
検出された距離の変動を求めるための信号処理装置８
と、求められた変動を抑制するように上記油圧駆動装置
３１を制御するための制御装置９と、上記回転モータ４
および油圧駆動装置３１を支持するための移動架台１５
と、被加工物２を固定支持し、かつ、移動架台１５を溶
接線方向１３に移動可能に支持するための溶接架台１６
とを有して構成される。

【００５６】上記ツール１は、回転軸２０とカップリン
グ２１とを介して回転モータ４に連結されている。

【００５７】上記回転軸２０は、回転ベアリング２２を
介してボックス２３に支持されている。

【００５８】上記ボックス２３は、上下方向のベアリン
グ３０を介して油圧駆動装置３１に連結されている。さ
らに、油圧駆動装置３１および回転モータ４は、溶接線
方向１３に移動する移動架台１５に連結されている。こ
のように構成することによって、ツール１を回転させな
がら、、かつ、被加工物表面までの距離を一定に制御し
た状態で溶接線方向１３に移動することができる。

【００５９】検出器６は、被加工物表面２Ｓの高さの変
化を検出するためのものである。検出器６は、溶接進行
方向１３に対してツール１の前方に取り付けられる。本
実施の形態では上記検出器６として接触式の差動トラン
スを用い、これをツール１から溶接線方向前方３０ｍｍ
の位置に配置している。

【００６０】ここで、溶接直前および溶接過程における
加工物表面２Ｓの高さの変化に応じてなされる、ツール
１の上下方向の駆動は、第１の実施の形態と同様であ
る。つまり、検出器６により、溶接開始直前に検出され
る、被加工物表面２Ｓからの距離ｄ０と、溶接過程にお
いて検出される、加工物表面２Ｓからの距離を距離ｄと
について、２つの距離ｄ０，ｄの大小を信号処理装置８
により比較し、この信号を制御装置９に入力して油圧駆
動装置３１を駆動制御する。なお、予め指定された信号
１０を上記信号処理装置８に予め入力し、この信号１０
と上記溶接過程における高さ（上記距離ｄ）を示す信号
とを比較することによってツール１を上下に駆動制御し
てもよい。

【００６１】なお、突き合わせ溶接する２つの加工物２
の表面高さがほぼ同じ場合は、特に問題ないが、高さが
異なる場合は、両者のいずれか低い方の表面高さを基準
にツール１の挿入深さを制御する。

【００６２】このような摩擦溶接装置１００によって、
加工物２の表面高さの変化に応じて加工物表面からのツ
ール１の挿入深さが溶接過程で常に一定になるように制
御される。

【００６３】従って、溶接長さが２０ｍクラスの長い場
合でも溶接欠陥のない溶接構造物が得られる。

【００６４】次に、図６および図７を参照して、本発明
の第４の実施の形態について説明する。本実施の形態
は、ツールの溶接線方向荷重を用いて、ツールの挿入深
さを検出する点において、上述した第１から第３の実施
の形態と相違する。他の基本的な構成は第１から第３の
実施の形態と同様であるので、以下に、相違点を中心に
説明する。

【００６５】まず、図６を参照して、本実施の形態にお
ける溶接架台および荷重検出部について説明する。

【００６６】図６において、本実施の形態における溶接
架台１６は、被加工物２を係止するための係止突起１６
ｂが、溶接線方向について設けられる。上記係止突起１
６ｂには、荷重検出部４０が設けられている。上記荷重
検出部４０で検出された荷重は、変換部４２を介して信
号処理装置８（図１参照）に送られる。

【００６７】上記荷重検出部４０は、被加工物２に、溶
接線方向に働く荷重を検出するためのものである。荷重
検出部４０は、例えば、圧力センサを用いて構成するこ
とができる。

【００６８】上記変換部４２は、上記荷重検出部４０で
検出された溶接線方向の荷重を、ツール挿入深さに変換
するためのものである。変換部４２は、例えば、演算回
路、または、マッピングテーブルを備えたマッパー回路
を用いて構成することができる。

【００６９】次に、図７を参照して、ツールの溶接線方
向荷重と、ツールの挿入深さとの関係について説明す
る。

【００７０】図７において、横軸は、ツールのショルダ
ー部の端面が、被加工物表面から挿入される挿入深さ
（ｌ）ｍｍをとり、縦軸は、ツールが溶接線方向に受け
る荷重（Ｐ）ｋｇをとっている。ツールが溶接線方向に
受ける荷重は、ツールの送り（ツールと被加工物との溶
接線方向の相対移動）に伴って、ツールに働く反力に相
当する。

【００７１】図７に示されるように、ツールが溶接線方
向に受ける荷重（反力Ｐ）は、被加工物へのツールの挿
入深さ（ｌ）とほぼ比例して増加する。

【００７２】従って、ツールの溶接線方向荷重（Ｐ）を
検出して、この検出信号を基にツールの上下制御、つま
り、溶接部材中への挿入深さを制御することができる。

【００７３】上記ツールの溶接線方向荷重（Ｐ）は、被
加工物を固定する際に、溶接線方向（溶接が進行方向）
に、荷重検出部を介して被加工物を係止し、荷重検出部
からの出力を用いて検出する。

【００７４】変換部４２は、荷重（Ｐ）を挿入深さ
（ｌ）に変換するための演算を行う演算回路、または、
想定される荷重について、荷重（Ｐ）に対応する挿入深
さ（ｌ）をマッピングしたマッピングテーブルを備える
マッパー回路を用いて構成することができる。

【００７５】荷重検出部で検出された荷重（Ｐ）から求
められた挿入深さ（ｌ）を、信号処理装置８（図１参
照）に送り、溶接過程における挿入深さとして与えるこ
とによって、溶接過程における挿入深さの制御を行うこ
とができる。制御の詳細については、第１から第３の実
施の形態と同様にして行うことができるので、ここで重
ねて説明することは省略する。

【００７６】一方、第３の実施の形態において述べたよ
うに、なお、予め指定された信号１０（図５参照）を上
記信号処理装置８（図５参照）に予め入力する場合にあ
っては、予め指定された信号として、予め定められた荷
重（Ｐ０）を示す信号を溶接開始前に予め入力してお
き、溶接過程において、荷重検出部で検出された荷重
（Ｐ）を示す信号を信号処理装置８（図５参照）に入力
してもよい。これにより、溶接過程における、ツールに
加わる溶接線方向荷重Ｐが、予め定められた荷重（Ｐ
０）となるように制御することができる。従って、溶接
過程において、ツールの挿入深さｌが予め定めた深さと
なるように制御することができる。このような制御を行
う場合には、上記変換部を省略し、構成を簡略化するこ
とができる。

【００７７】例えば、挿入深さ（ｌ）を０．１〜０．５
ｍｍとすべき場合には、荷重検出部で検出される荷重
（Ｐ）が、１３０〜２６０ｋｇとなるように、ツールを
上下に駆動制御すればよい。

【００７８】次に、図８を参照して、本発明の第５の実
施の形態について説明する。本実施の形態では、ツール
の端面が被加工物に挿入される深さ、および、ツールが
回転される回転軸と加工物表面との相対姿勢の制御する
ことに好適に構成される摩擦溶接装置について説明す
る。

【００７９】まず、図８を参照して、ツールと被加工物
との相対位置関係について説明する。

【００８０】図８において、２つの被加工物２ａ，２ｂ
が突き合わせられた溶接開先部３に、回転軸ａの廻りに
回転するツール１が挿入されている。

【００８１】はじめに、２つの被加工物２ａ，２ｂの表
面２ａＳ，２ｂＳが、共に平坦で、かつ、それらの高さ
が相等しい場合について説明する。この場合は、表面２
ａＳ，２ｂＳを共に含む平面（以下、平面Ｓという）
に、ツール１が挿入されることになる。

【００８２】この場合には、ツール１と、被加工物２
ａ，２ｂとの相対姿勢の制御は、平面Ｓの法線ｎと、回
転軸ａとが一致するように行えばよい。例えば、ツール
１の回転軸ａと平面Ｓにおける溶接開先部３との交点の
廻りに、回転軸ａの傾きを変更し、法線ｎと、回転軸ａ
とが一致する状態で、ツール１の姿勢を固定支持するこ
とができる。

【００８３】また、ツール１の端面が被加工物２ａ，２
ｂに挿入される深さ（挿入深さ）の制御は、ツール１の
端面の周縁ｆが、平面Ｓから予め定められた深さだけ挿
入されるように、行えばよい。なお、この場合には、ツ
ール１の端面は、平面Ｓと平行であることから、周縁ｆ
の任意の点における平面Ｓまでの距離（深さ）を基準に
して制御を行うことができる。

【００８４】ここで、溶接線方向１３および法線ｎを含
む面内において、法線ｎに対して溶接線方向１３後方に
予め定められた角θ０（以下、後傾角という）だけ、回
転軸ａを傾けてもよい。このように後傾角を設けた状態
でツール１を支持することによって、塑性流動状態の金
属が溢れ出ることを避ける効果をより向上することがで
きる。この後傾角θ０は、例えば、３〜１０度とするこ
とができる。

【００８５】このように、後傾角を設けてツール１を支
持するためには、例えば、ツール１の回転軸ａと加工物
表面２ａＳ，２ｂＳの法線ｎとが成す角の、溶接線方向
１３を含む面における第１の成分θと、上記回転軸ａと
法線ｎとが成す角の、溶接線方向１３に直交する面にお
ける第２の成分φとを検出する。そして、第１の成分θ
が後傾角θ０に近づくように、また、第２の成分φが小
さく（零に近づく）ように、ツール１と、被加工物２
ａ，２ｂとの相対姿勢を制御すればよい。なお、この場
合には、ツール１の端面は、平面Ｓに対して傾いてい
る。ことのため、挿入深さの基準は、例えば、周縁ｆに
おける溶接線方向１３後端での、平面Ｓまでの距離（深
さ）を基準にして制御を行う。

【００８６】次に、２つの被加工物２ａ，２ｂの表面２
ａＳ，２ｂＳに凹凸がある場合、または、それらの高さ
が相異なる場合について説明する。この場合は、ツール
１が挿入される部位、または、これに加えて、その周辺
近傍を含む部位における平均的な平面（以下、平面Ｓ’
という）を考え、その法線をｎと見なす。

【００８７】このような平面Ｓ’は、例えば、ツール１
の周辺の複数の点において、被加工物表面２ａＳ，２ｂ
Ｓの高さを検出し、これらの点をフィットする平面とし
て求めることができる。

【００８８】より具体的には、ツール１の溶接線方向１
３の前方と後方とで、被加工物２ａ，２ｂのそれぞれの
高さを検出する。

【００８９】４点で検出を行う例としては、ツール１の
溶接線方向１３前方において、被加工物２ａ，２ｂ上の
点７ａ，７ｂの高さを、ツール１の溶接線方向１３後方
において、被加工物２ａ，２ｂ上の点７ｃ，７ｄの高さ
を検出することができる。

【００９０】このとき、点７ｃ，７ｄについては、溶接
開先部３からツール１の半径ｒよりも離れた部位とする
ことが好ましい。これにより、ツール１の溶接線方向１
３後方では、ツール１の加工痕を避けて検出を行うこと
ができる。従って、加工痕上での検出に伴う誤差要因を
排除することができる。

【００９１】なお、点７ａ，７ｂについては、溶接開先
部３からツール１の半径ｒよりも近い部位とすることが
好ましい。これは、実際に加工が行われる部位の面の状
態を検出することができるからである。

【００９２】例えば、ツール１の半径がφ１５ｍｍであ
る場合には、点７ａ，７ｂは、ツール１から溶接線方向
１３に３０ｍｍ前方であって溶接開先部３から８ｍｍ離
れた部位とし、点７ｃ，７ｄは、ツール１から溶接線方
向１３に３０ｍｍ後方であって溶接開先部３から２０ｍ
ｍ離れた部位とすることができる。

【００９３】このようにして検出された各点の高さから
フィッティングして平面Ｓ’を求めることができる。

【００９４】なお、点７ａ，７ｂで検出された高さの平
均と７ｃ，７ｄで検出された高さの平均との差分から、
回転軸ａと法線ｎとのθ方向の偏差を求め、点７ａ，７
ｃで検出された高さの平均と７ｂ，７ｄで検出された高
さの平均との差分から、回転軸ａと法線ｎとのφ方向の
偏差を求めてもよい。

【００９５】ツール１と被加工物２ａ，２ｂとの相対姿
勢の制御は、上述の場合と同様に、法線ｎと回転軸ａが
一致するように、または、法線ｎに対して予め定められ
た後傾角θ０となる相対姿勢となるように行えばよい。

【００９６】一方、ツール１の端面が被加工物２ａ，２
ｂに挿入される深さ（挿入深さ）の制御は、ツール１の
端面の周縁ｆが、上記求めた平面Ｓ’から挿入される深
さが予め定められた値となるように行えばよい。この深
さについて予め定められる値は、例えば、０．１〜０．
５ｍｍと定めることができる。

【００９７】また、ツール１の溶接線方向１３前方にお
いて、被加工物表面２ａＳ，２ｂＳのプロファイルが計
測される場合には、ツール１の端面の周縁ｆが、被加工
物表面２ａＳ，２ｂＳから挿入される深さの最小値を基
準として挿入深さの制御を行うことが好ましい。これに
より、被加工物表面２ａＳ，２ｂＳのプロファイルに凹
凸がある場合であっても、被加工物もっとも低い部分に
合わせて挿入深さを制御することができる。

【００９８】このとき、ツール１が後傾角θ０を設けて
支持される場合には、上記周縁ｆにおける溶接線方向１
３後方の半弧における最小値を基準とすればよい。

【００９９】次に、図９を参照して、ツールと被加工物
表面との相対位置関係を表示するための表示部について
説明する。

【０１００】まず、図９の（ａ）を参照して、ツールと
被加工物表面との相対姿勢を表示するため表示部につい
て説明する。

【０１０１】この表示部では、ツールと被加工物表面と
の相対姿勢を、被加工物表面の法線およびツール回転軸
の関係で表している。

【０１０２】図９の（ａ）において、表示部８０は、被
加工物表面の法線およびツールの回転軸の相対偏差を示
すための指標８１と、被加工物表面の法線およびツール
の回転軸との成す角における溶接線方向を含む面内の成
分θを示す目盛り８３と、溶接線方向に垂直な方向を含
む面内の成分φを示す目盛り８２とを有している。これ
らの目盛りは、図９の（ａ）に示すように、被加工物表
面の法線およびツールの回転軸が一致する状態を基準と
し、これを表示部の中央に設定することができる。図示
される状態は、指標８１が原点（θ軸目盛り８３とφ軸
８２との交点）に位置し、被加工物表面の法線およびツ
ールの回転軸が一致する状態であることが表示されてい
る。表示されるθ、φは、上述のようにして求められ
た、平均的な平面Ｓ’の法線ｎ（図８参照）と、ツール
の回転軸ａ（図８参照）とから求めることができる。

【０１０３】次に、図９の（ｂ）を参照して、被加工物
表面に対して予め定められた、ツールの回転軸を管理す
べき方向と、回転軸の実際の方向との関係を表すための
表示部について説明する。これは、上述した、ツールの
回転軸を予め定められた後傾角θ０だけ後傾すべき場合
に好適な表示部である。

【０１０４】図９の（ｂ）において、表示部８０は、被
加工物表面の法線およびツールの回転軸の相対偏差を示
すための指標８１と、被加工物表面の法線およびツール
の回転軸との成す角における溶接線方向を含む面内の成
分θを示す目盛り８３と、溶接線方向に垂直な方向を含
む面内の成分φを示す目盛り８２'とを有している。こ
れらの目盛りは、図９の（ａ）に示した例と、θ軸目盛
り８３が予め定められた後傾角θ０だけオフセットされ
ていること、φ軸目盛り８２'が球体の子午線状に湾曲
していることにおいて相違する。すなわち、予め定めら
れた後傾角θ０だけ相対変位した相対姿勢に、被加工物
表面の法線およびツールの回転軸が一致する状態を基準
とし、これを表示部の中央に設定することができる。

【０１０５】次に、図９の（ｃ）を参照して、ツールの
ショルダー部の周縁の挿入深さを表す表示部について説
明する。

【０１０６】図９の（ｃ）において、表示部９０は、挿
入深さを示すための目盛り９２と、ツールのショルダー
部が挿入されている深さを示すための指標９１とを有し
ている。

【０１０７】上述のような表示部を用いて、ツールと被
加工物表面との相対位置関係を表示することによって、
ツールと被加工物表面との相対位置関係を認識しやすく
表示することができる。

【０１０８】従って、ツールのショルダー部が被加工物
表面に挿入される挿入深さ、すなわち、ツールを支持、
または、これに加えて回転駆動するためのツール回転機
構と、被加工物との相対距離の操作の基準を認知するこ
と、上記ツール回転機構と被加工物との相対姿勢の操作
の基準を認知することが、容易かつ確実となる。従っ
て、これらの相対位置関係を管理して、変動を抑え、か
つ、予め定められた相対位置関係とすることが可能とな
る。

【０１０９】特に、相対位置関係の成分となる、相対距
離、相対姿勢のうちの溶接線方向面内の成分、これに直
交する成分のそれぞれを、どのように操作すればよいか
を分かりやすく表示することができる。

【０１１０】次に、図１０を参照して、ツールと被加工
物との相対姿勢を操作することに好適な摩擦溶接装置に
ついて説明する。本図では、駆動機構の一部、検出部
は、省略して描かれているがこれは、上述した第２、第
３の実施の形態と同様に構成することができる。この摩
擦溶接装置は、ツール１の回転軸が揺動可能に支持され
ていることにおいて、これらの実施の形態と相違する。
以下に、相違点を中心に説明する。

【０１１１】図１０において、摩擦溶接装置は、本実施
の形態における摩擦溶接装置は、被加工物２を摩擦する
ためのツール１と、ツール１を取り付けるための取付部
材２０ａが設けられた回転軸２０と、回転軸２０を回転
可能に支持するための回転ベアリング２２が設けられた
ボックス２３と、回転軸２０を回転させるための回転モ
ータ４と、上下方向に移動可能に上記ボックス２３を支
持するための上下方向のベアリング３０と、、ベアリン
グ３０を支持するための支持枠１８と、支持枠１８を摺
動可能に湾曲レール湾曲レール１９ａ，ｂに支持するた
めのベアリング１９ｃと、被加工物２を固定支持し、か
つ、移動架台１５を溶接線方向１３に移動可能に支持す
るための溶接架台１６とを有して構成される。

【０１１２】本摩擦溶接装置は、支持枠１８が、湾曲レ
ール１９ａ，ｂにガイドされる状態で、ベアリング１９
ｃに支持されるため、ツール１の回転軸を揺動させるこ
とができる。

【０１１３】このとき、湾曲レール１９ａ，ｂの曲率中
心をツール１のショルダー部と一致させることにより、
溶接過程においても、ツール１の揺動をより円滑に行う
ことができる。

【０１１４】本実施の形態によれば、ツールと被加工物
の相対位置関係を管理することが容易に、かつ、適切に
行うことが可能となる。

【０１１５】従って、被加工物の凹凸、２つの被加工物
相互の段差が生じている場合であっても、これらの状態
にに応じて、ツールと被加工部材との、相対姿勢および
挿入深さを制御することが可能となる。

【０１１６】よって、ツールのショルダー部から、塑性
流動状態の金属が溢れ出ることを抑制することができ
る。このため、溶接構造体の溶接部における欠陥の発生
を抑止し、信頼性を向上させることができる。

【０１１７】また、直線状の溶接のみならず、溶接部の
表面が湾曲、傾斜する状態であっても、信頼性の高い溶
接を行うことができる。

【０１１８】例えば、鉄道車両の車両構造体の製作に本
実施の形態を適用することにより、溶接長さが長くなっ
ても、より具体的には、例えば、２０ｍクラスの溶接長
さであっても、溶接欠陥の発生を防止し、信頼性を向上
させることことができる。

【０１１９】

【発明の効果】本発明によれば、溶接過程における、被
加工物表面に対するツールの挿入深さが常に一定となる
ように、また、被加工物表面に対するツールの挿入角が
常に一定となるように制御することが可能となる。

【０１２０】このため、溶接長さが長い溶接構造物であ
っても、溶接欠陥の発生を防止し、信頼性の高い溶接構
造物を製作することが可能となる。

【０１２１】例えば、溶接長さが２０ｍクラスに及ぶよ
うな溶接構造体、より具体的には、車両構造体、特に、
高速車両構造体を。溶接欠陥の発生を防止して製作する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の第１の実施の形態における摩擦溶接
装置を示す斜視図である。

【図２】 ツールの断面形状を示す断面図である。

【図３】 高さが相違する２つの被加工物と、溶接開先
部に挿入されたツールとの関係を示す断面図である。

【図４】 本発明の第２の実施の形態における摩擦溶接
装置を示す断面図である。

【図５】 本発明の第３の実施の形態における摩擦溶接
装置を示す断面図である。

【図６】 本発明の第４の実施の形態を適用した、溶接
架台および荷重検出部を示す断面図である。

【図７】 ツールの溶接線方向荷重と、ツールの挿入深
さとの関係を示す図である。

【図８】 本発明の第５の実施の形態における、被加工
物とツールとの相対位置関係を示す斜視図である。

【図９】 ツールと被加工物表面との相対位置関係を表
示するための表示部を示す説明図であって、（ａ）ツー
ルと被加工物表面との相対姿勢を、被加工物表面の法線
およびツール回転軸の関係を表す表示部、（ｂ）被加工
物表面の法線から予め定められた後傾角傾いた方向およ
びツール回転軸の関係を表す表示部、（ｃ）ツールのシ
ョルダー部の周縁の挿入深さを表す表示部である。

【図１０】 本発明の第５の実施の形態における摩擦溶
接装置を示す断面図である。

【符号の説明】

１・・ツール、２・・加工物、３・・溶接開先部、４・
・ツールの回転駆動装置、５・・回転棒の上下方向駆動
装置、６・・高さ検出器、７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄ・・
高さが検出される点、８・・信号処理装置、９・・ツー
ル上下方向駆動用の制御装置、１１・・ツールの回転方
向、１３・・溶接線方向、１５・・移動架台、１６・・
溶接固定台、２０・・ツールの回転方向の回転軸、２１
・・カップリング、２２・・カップリング、２３・・ボ
ックス、２４・・ツールの上下方向駆動軸。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 舟生 征夫 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 渡部 幸一 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 佐藤 章弘 山口県下松市大字東豊井794番地 株式会 社日立製作所笠戸工場内 (72)発明者 江角 晶邦 山口県下松市大字東豊井794番地 株式会 社日立製作所笠戸工場内 (72)発明者 石丸 靖男 山口県下松市大字東豊井794番地 株式会 社日立製作所笠戸工場内

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ショルダー部が形成されたツールと、 上記ツールを回転させるためのツール回転機構と、 上記ツールが回転される回転軸の姿勢、および、上記回
   転軸に沿う方向におけるツールの位置のうち少なくとも
   一方を変更可能に、上記ツール回転機構を固定支持する
   ための支持機構とを有することを特徴とする摩擦溶接装
   置。
2. 【請求項２】ショルダー部が形成されたツールと、 上記ツールを回転させて被加工物を摩擦するためのツー
   ル回転機構と、 上記ツールおよび被加工面表面の相対位置関係を変更可
   能に、上記ツール回転機構および被加工物を固定支持す
   るための支持機構とを有することを特徴とする摩擦溶接
   装置。
3. 【請求項３】 請求項２記載の摩擦溶接装置において、 上記ツールおよび被加工物表面の相対位置関係を検出す
   るための検出部と、 上記検出部によって検出された相対位置関係を表示する
   ための表示部とをさらに有することを特徴とする摩擦溶
   接装置。
4. 【請求項４】ショルダー部が形成されたツールと、 上記ツールを回転させて被加工物を摩擦するためのツー
   ル回転機構と、 上記ツールおよび被加工物表面の相対位置関係を変更可
   能に、上記ツール回転機構および被加工物を支持するた
   めの支持機構と、 上記ツールおよび被加工物表面の相対位置関係を検出す
   るための検出部と、 上記検出部によって検出された相対位置関係が予め定め
   られた相対位置関係に近づくように、上記支持機構を制
   御するための制御部とを備えることを特徴とする摩擦溶
   接装置。
5. 【請求項５】ショルダー部が形成されたツールと、 上記ツールを回転させて被加工物を摩擦するためのツー
   ル回転機構と、 上記ツールおよび被加工物表面の相対位置関係を変更可
   能に、上記ツール回転機構および被加工物を支持するた
   めの支持機構と、 上記ツールおよび被加工物表面の相対位置関係を検出す
   るための検出部と、 上記検出部によって検出された相対位置関係の変動が小
   さくなるように、上記支持機構を制御するための制御部
   とを備えることを特徴とする摩擦溶接装置。
6. 【請求項６】 請求項５記載の摩擦溶接装置において、 上記制御部は、 溶接開始に際して検出された相対位置関係を記憶するた
   めの記憶部と、 溶接過程において検出される相対位置関係と、上記記憶
   部に記憶されている相対位置関係との差分を求めるため
   の比較部と、 上記求められた差分が小さくなるように操作量を求め、
   該操作量を上記支持機構に指令するための司令部とを有
   することを特徴とする摩擦溶接装置。
7. 【請求項７】 請求項３から６のいずれか一項記載の摩
   擦溶接装置において、 上記相対位置関係は、 上記ツールに形成されたショルダー部の溶接線方向後方
   の端部が、被加工物表面から挿入される深さと、 上記ツールが回転される回転軸と加工物表面の法線とが
   成す角の、溶接線方向を含む面における成分と、 上記ツールが回転される回転軸と加工物表面の法線とが
   成す角の、溶接線方向に直交する面における成分とのう
   ち少なくとも１つが、上記変更または固定支持され、か
   つ、検出されることを特徴とする摩擦溶接装置。
8. 【請求項８】 請求項３から６のいずれか一項記載の摩
   擦溶接装置において、 上記相対位置関係は、 上記ツールに形成されたショルダー部の周縁が、被加工
   物表面から挿入される深さのうち、上記周縁における溶
   接線方向後方を半周する弧における最小値と、上記ツー
   ルが回転される回転軸と加工物表面の法線とが成す角
   の、溶接線方向を含む面における成分と、 上記ツールが回転される回転軸と加工物表面の法線とが
   成す角の、溶接線方向に直交する面における成分とのう
   ち少なくとも１つが、上記変更または固定支持され、か
   つ、検出されることを特徴とする摩擦溶接装置。
9. 【請求項９】 請求項３から６のいずれか一項記載の摩
   擦溶接装置において、 上記検出器は、上記ツール回転機構に設けられ、被加工
   物表面までの距離を検出するためのセンサを有し、 上記センサは、上記ツールの溶接線方向前方に少なくと
   も設けられることを特徴とする摩擦溶接装置。
10. 【請求項１０】 請求項９記載の摩擦溶接装置におい
    て、 上記センサは、レーザ変位計を用いて構成されることを
    特徴とする摩擦溶接装置。
11. 【請求項１１】請求項１から１０のいずれか一項記載の
    摩擦溶接装置を用いて溶接加工されたことを特徴とする
    溶接構造物。