JPH115179A

JPH115179A - 摩擦溶接方法

Info

Publication number: JPH115179A
Application number: JP15474997A
Authority: JP
Inventors: Akihiro Sato; 章弘佐藤; Masao Funyu; 征夫舟生; Masahiko Sakamoto; 征彦坂本; Hisanobu Okamura; 久宣岡村
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1997-06-12
Filing date: 1997-06-12
Publication date: 1999-01-12
Anticipated expiration: 2017-06-12
Also published as: JP3289650B2

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明の目的は、未溶融部の生じない摩擦溶接
方法を提供する。【解決手段】回転ツールを加工部材の溶接部に挿入し、
前記ツールを回転させながら移動することにより、金属
の塑性流動を利用して溶接する摩擦溶接方法において、
前記加工部材の裏面に配置される裏当て板はツールの直
下に溝が設けられていることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は新規な摩擦溶接方法
に係り、特に、船舶や自動車，航空，エレベータ，圧力
容器などアルミニウム合金を使用する構造体の摩擦溶接
方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ツールを用いた摩擦溶接方法として、特
表平7−505090 号が公知である。この特表平7−505090
号による摩擦溶接方法では、加工部材より実質的に硬い
材質からなるツールを加工部材の溶接部に挿入し、前記
ツールを回転させながら移動することにより、溶接長手
方向に連続的に溶接が可能である。特表平7−505090 号
の溶接部裏面には、塑性流動によって溶接部裏面に形状
の変化をきたすことのない様、前記、溶接部裏面全体に
裏当て板を配置している。つまり、溶接部裏面の形状は
溶接後も同一である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】前記、摩擦溶接方法を
実際の工業製品に適用する場合、次のような課題があ
る。

【０００４】（１）加工部材の溶接部において、溶接部
に挿入されたツールの先端から０.２mm程度しか、深さ
方向に対しては溶け込みが得られない。このため、溶接
部裏面に未溶融部を発生させずに溶接部裏面まで溶接を
行うには、溶接部に挿入されたツール先端と加工部材裏
面または裏当て板との距離を、常に０.２mm 以下に制御
する必要がある。しかし、溶接部に挿入されたツール先
端との距離を、常に0.2mm以下に制御するのは、長尺物
を溶接する場合は特に困難である。

【０００５】（２）ツール先端が溶接部を貫通した状態
で溶接を行った場合、溶接部裏面に配置した裏当て板に
ツール先端が接触するため、ツール、あるいは裏当て板
が破損する。また、溶接部裏面にも欠陥が発生する。さ
らに、加工部材と裏当て板が接合されることもある。

【０００６】図１は従来の溶接方法を示した図である。
従来の方法では加工部材１が裏当て板２上に、図のよう
に配置されている。ツール４を回転させながら加工部材
１の接合線３に挿入、加工部材１を貫通する直前まで挿
入する。この時のツール先端４ａと加工部材１の裏面１
ａとの距離は、通常０.２mm 以下である。この状態で溶
接方向へ移動して溶接する。この方法ではツール先端４
ａは溶接中、常に加工部材１の裏面１ａよりも上を移動
しなくてはならない。つまり、従来の溶接方法では、ツ
ール先端４ａが加工部材１の裏面１ａを貫通してはなら
ない。ツール先端４ａが加工部材１を貫通した場合、裏
当て板２及びツール４が破損してしまう。また、加工部
材１の裏面に欠陥が生じる。

【０００７】図２は溶接後の溶接部断面を示した図であ
る。従来の方法では、ツール４の先端４ａが、加工部材
１の裏面１ａを貫通した状態では溶接を行うことができ
ない。ツール先端４ａを加工部材１の裏面１ａに達する
直前で保持する必要がある。しかし、加工部材１が長尺
の場合などは溶接部の厚さが一定ではない。このため、
溶融部５の下から加工部材１の裏面１ａに達する範囲
で、未溶融部６が発生してしまう。溶接条件によっても
異なるが、ツール４の先端４ａから０.２mm 程度しか溶
け込みが得られない。従って、未溶融部６の発生を防止
するには、ツール４の先端４ａと加工部材１の裏面１ａ
との距離を常に０.２mm 以下に制御しなくてはならな
い。この制御を工業的に行うことは極めて困難である。

【０００８】本発明の目的は、未溶融部の生じない摩擦
溶接方法を提供するにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、回転ツールを
加工部材の溶接部に挿入し、前記ツールを回転させなが
ら移動することにより、金属の塑性流動を利用して溶接
する摩擦溶接方法において、前記加工部材の裏面に配置
される裏当て板はツールの直下に溝が設けられているこ
とを特徴とする。

【００１０】前記ツールの先端が前記加工部材の溶接部
裏面を貫通し、前記加工部材の溶接部裏面と前記当て板
との間に形成された溝の内部を移動しながら溶接するこ
とが好ましい。

【００１１】前記裏当て板の溝の形状は前記回転ツール
の先端形状と同一形状に形成されていることが好まし
い。

【００１２】摩擦溶接された溶接部裏面を溶接部裏面を
溶融溶接することが好ましい。

【００１３】溶接された溶接部裏面を機械的に削除する
ことが好ましい。

【００１４】裏当て板の溝の幅は前記ツールのピン径に
対して１〜５mm大きく形成されていることが好ましい。

【００１５】裏当て板の溝の幅が、溶接に使用する前記
ツールのピン径に対して１〜２mm小さく形成されている
ことが好ましい。

【００１６】溝の形状は下方に向かって溝幅が小さくな
っていることが好ましい。

【００１７】前記裏当て板の溝周辺あるいは前記裏当て
板全体を強制的に冷却する機構を備えていることが好ま
しい。

【００１８】前記裏当て板は溝の中央あるいは前記溝の
ほぼ中央から溶接進行方向に対して左右に分割できる機
構を備えていることが好ましい。

【００１９】摩擦溶接によって接合された構造物におい
て、前記接合を前述の方法により溶接されていることを
特徴とする。

【００２０】摩擦溶接によって接合された車両構体にお
いて、前記接合を前述の方法により溶接されていること
を特徴とする。

【００２１】（１）加工部材の裏面に配置した裏当て板
の溶接部直下に溶接線に沿って溝を設けることにより、
加工部材と裏当て板との接触を防止できる。

【００２２】（２）加工部材の裏面に配置した裏当て板
の溶接部直下に溶接線に沿って溝を設けることにより、
ツール先端を溶接部裏面から貫通させて溶接することが
できる。

【００２３】前記、手段により、溶接の課程でツールの
挿入方向に対して局部的に５００〜２０００kgｆの大き
な荷重がかかる。このため、溶接中に塑性流動した金属
が、溶接部裏面に設けられた溝に押し込められる。その
結果、溶接部裏面に前記、溝と同一形状の裏波が形成さ
れる。上記、手段によりツール先端を溶接部裏面から貫
通させて溶接を行うことができる。これにより、溶接部
裏面に発生する未溶融部を排除することができる。ま
た、ツール先端が貫通した場合でも、加工部材及びツー
ル先端を破損させることなく溶接することが可能とな
る。さらに、加工部材と裏当て板が接合されることなく
溶接を行える。

【００２４】

【発明の実施の形態】

（実施例１）以下、本発明をアルミニウム合金の突き合
わせ溶接に適用した場合の実施例を図面を用いて具体的
に説明する。

【００２５】図３は本発明を用いた場合の溶接方法を示
した図である。本溶接方法では、図３（ａ）に示すよう
に、裏当て板２に設けた溝７を加工部材１の溶接面３の
直下に配置し、ツール４の先端が加工部材１の裏面を貫
通するまでツール４を挿入させて溶接を行う。

【００２６】図３（ｂ）では加工部材の溶接部表面に突
起８が形成された加工部材を示す。本溶接方法では、溶
接部において、加工部材の一部を裏当て板２に設けた溝
７に塑性流動させている。溶接中、溶接部表面は部材が
ツール４の押し付け力により下方へと押されて塑性流動
しているため、溝に金属が充填されると、溶接部表面で
は逆に金属が減少する。そのため溶接後の表面は凹状に
なる。予め溶接部表面に突起８を形成しておくことで、
この突起８により溝の内部に充填される金属を補うこと
ができる。

【００２７】図４は、本発明を用いて溶接を行った加工
部材の溶接部周辺を断面で示した図である。加工部材１
の溶接部直下に溝を設けることで、溶接部裏面に裏波を
形成することができる。また、ツール４の先端４ａを加
工部材１の裏面１ａから貫通させて溶接することができ
るため、図２で示した位置に未溶融部が発生することは
ない。つまり、未溶融部を加工部材１内部から排除でき
る。本方法においても、溶接条件によっても異なるが、
ツール４の先端４ａから０.２mm 以上の下方では未溶融
部が発生する。しかし、未溶融部の発生は加工部材１の
裏面よりも下方、裏波９内部である。

【００２８】図５は、本発明により形成された裏波をグ
ラインダ、又は切削などにより機械的に除去した状態を
断面で示した図である。本発明では、前述したように裏
波９内部に未溶融部が発生する。そこで、溶接終了後に
加工部材１の裏面に形成された裏波９を、図５に示すよ
うに加工部材１裏面まで削除することで未溶融部を完全
に排除することが可能である。

【００２９】（実施例２）図６は実施例１で示した摩擦
溶接方法で接合された加工部材の接合部裏面を、アーク
又はレーザなどの溶融溶接方法により再度、溶接した状
態を断面で示した図である。本発明では、ツール４を加
工部材１から貫通させるこができるため、溶け込み不足
による未溶融部の発生を従来の位置から排除できる。し
かし、本発明により溶け込み不足が大きく改善される期
待は小さい。したがって、本発明により形成された溶融
部１０の裏波部分に未溶融部が生じる場合がある。そこ
で、本発明により形成された裏波を、アーク又はレーザ
などの熱源を用いて再度溶接し、溶融部１１を形成する
ことで未溶融部を排除した。本実施例では溶接箇所が突
出しているため、溶融させる範囲が極めて少ないため低
入熱で溶融させることが可能であり、他の溶接方法に比
べ溶接後の変形を小さくすることができる。また、フィ
ラーワイヤを使用することなく溶接できる。

【００３０】（実施例３）本発明の特徴である裏当て板
について、本実施例では以下に示す形状あるいは構造の
物を幾つか用いて溶接を行った。

【００３１】図７は、本溶接で使用した裏当て板の溝周
辺部を断面で示した図である。図７（ａ）及び（ｂ）に
示すように、溝７の幅が下方に向かって小さくなって
る。これは、溶接後に加工部材を裏当て板から取り外す
作業を容易にするためである。図７（ｃ）は溝７の中央
から左右に分割が可能な構造の裏当て板である。この構
造を用いることでも、溶接終了後に加工部材１に形成さ
れた裏波９を、裏当て板から容易に取り外す事ができ
る。

【００３２】（実施例４）図８は、溝周辺に冷却構造を
備えた裏当て板を断面により示した図である。図に示す
ように溝７の周辺，裏当て板２の内部に溶接方向に向か
って冷却口１２を設け、溶接中、この冷却口１２に水を
循環させることで溝７周辺を冷却させた。この方法で
も、加工部材の取り外しが容易になった。なお、冷却口
１２には、水以外にも、圧縮空気などでも目的を達成で
きる。

【００３３】（実施例５）図９は溝幅とツール先端との
関係を示した図である。つまり、図９（ａ）はツール先
端の径に対して溝幅が小さい場合、図９（ｂ）はツール
先端の径に対して溝幅が大きい場合の溶接時の位置関係
を示している。図９（ａ）では、溝幅１３に対してツー
ル先端の径１４が大きい。従って、ツール先端４ａを溝
９の内部まで挿入することは出来ない。従来のツール先
端４ａは球面状に形成されているが、更にテーパ状にす
ることでツール先端４ａが溝７の内部に達するようにし
ている。この時、裏当て板の溝幅１３はツール先端径１
４より１〜２mm小さい程度が望ましい。

【００３４】図９（ｂ）では、溝幅１３がツール先端径
１４よりも大きい。この場合、ツール先端４ａを溝７の
内部まで挿入することが出来る。しかし、必要以上に溝
幅１３が大きくなると、裏波と加工部材裏面との境界部
分に欠陥が発生してしまう。そこで、本実施例では溝幅
１３をツール先端径１４に対して１mm大きく、最大でも
５mmまでに限定した。

【００３５】（実施例６）本発明を鉄道車両に適用した
例について説明する。図１０は鉄道車両の一部を斜視図
で示した図であり、本実施例は、図１０に示す鉄道車両
構体の溶接箇所１５の一部に使用した。

【００３６】図１１は鉄道車両の構体での本発明の実施
方法を示した断面図である。接合部材は押出し型材１
４，１５である。型材１４，１５を裏当て板２上に配
置，溶接線の直下が溝７になるようにして拘束する。型
材の拘束は万力や装置で上方から裏当て板２に押さえる
ことによって行う。材質はアルミニウム合金である。溶
接終了後に溶接部裏面に形成された裏波をグラインダで
切削した。なお、本実施例での溶接条件は、ツールの回
転数１８００rpm，溶接速度６００mm／minであり、長さ
３ｍの溶接部に適用した。

【００３７】

【発明の効果】本発明の摩擦溶接方法によれば以下の効
果が得られる。

【００３８】（１）裏当て板に溝を設け、この溝を加工
部材の溶接部直下に配置することで、ツールが接合部裏
面を貫通した場合でもツール及び裏当て板が破損するの
を防止できる。

【００３９】（２）常時、ツールを貫通させて溶接が行
えるため、加工部材の溶接部全体を溶融させることが可
能になる。さらに、溶接によって形成された裏波を削除
することで、溶接部裏面に発生していた未溶融部分を排
除することができる。

【００４０】（３）ツールを貫通させて溶接を行えるた
め、溶接中にツール挿入深さの変動する許容値が従来の
方法に比べ拡大した。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の溶接方法を示した図である。

【図２】溶接後の溶接部断面を示した図である。

【図３】（ａ）及び（ｂ）は、本発明による溶接方法を
示した図である。

【図４】本発明により溶接された加工部材の溶接部を断
面により示した図である。

【図５】本発明により形成された裏波を除去した状態を
断面により示した図である。

【図６】本発明により溶接された加工部材の溶接部裏面
をアーク又はレーザ等の溶融溶接方法により再度、溶接
した状態を断面により示した図である。

【図７】本溶接で使用した裏当て板の溝周辺部を断面で
示した図である。

【図８】溝周辺に冷却構造を備えた裏当て板を断面によ
り示した図である。

【図９】（ａ）及び（ｂ）は、溝幅とピン径との関係を
示した図である。

【図１０】鉄道車両の構体を示した斜視図である。

【図１１】鉄道車両の構体に本発明を適用した実施方法
を示した断面図である。

【符号の説明】

１…加工部材、２…裏当て板、３…溶接面、４…ツー
ル、４ａ…ツール先端、５…溶融部、６…未溶融部、７
…溝、８…突起、９…裏波、１０…ＦＳＷによる溶融
部、１１…アーク溶接による溶融部、１２…冷却口、１
３…溝幅、１４…ツール先端径、１５…溶接箇所、１
６，１７，１８…押出し型材。

フロントページの続き (72)発明者岡村久宣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

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】回転ツールを加工部材の溶接部に挿入し、
前記ツールを回転させながら移動することにより、金属
の塑性流動を利用して溶接する摩擦溶接方法において、
前記加工部材の裏面に配置される裏当て板はツールの直
下に溝が設けられていることを特徴とする摩擦溶接方
法。
【請求項２】請求項１において、前記ツールの先端が前
記加工部材の溶接部裏面を貫通し、前記加工部材の溶接
部裏面と前記当て板との間に形成された溝の内部を移動
しながら溶接することを特徴とする摩擦溶接方法。
【請求項３】請求項２において、前記裏当て板の溝の形
状は前記回転ツールの先端形状と同一形状に形成されて
いることを特徴とする摩擦溶接方法。
【請求項４】請求項１又は２により摩擦溶接された溶接
部裏面を溶接部裏面を溶融溶接することを特徴とする摩
擦溶接方法。
【請求項５】請求項１又は２において、溶接された溶接
部裏面を機械的に削除することを特徴とする摩擦溶接方
法。
【請求項６】請求項１において、前記裏当て板の溝の幅
は前記ツールのピン径に対して１〜５mm大きく形成され
ていることを特徴とする摩擦溶接方法。
【請求項７】請求項１において、前記裏当て板の溝の幅
が、溶接に使用する前記ツールのピン径に対して１〜２
mm小さく形成されていることを特徴とする摩擦溶接方
法。
【請求項８】請求項１において、前記溝の形状は下方に
向かって溝幅が小さくなっていることを特徴とする摩擦
溶接方法。
【請求項９】請求項１において、前記裏当て板の溝周辺
あるいは前記裏当て板全体を強制的に冷却する機構を備
えていることを特徴とする摩擦溶接方法。
【請求項１０】請求項１において、前記裏当て板は溝の
中央あるいは前記溝のほぼ中央から溶接進行方向に対し
て左右に分割できる機構を備えていることを特徴とする
摩擦溶接方法。
【請求項１１】摩擦溶接によって接合された構造物にお
いて、前記接合を請求項１〜１０のいずれかに記載の方
法により溶接されていることを特徴とする構造物。
【請求項１２】摩擦溶接によって接合された車両構体に
おいて、前記接合を請求項１〜１０のいずれかに記載の
方法により溶接されていることを特徴とする車両構体。