JPS62183979A - 摩擦溶接方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、摩擦溶接の方法及び装置に関する。

（従来の技術及び本発明が解決しようとする問題点）摩
擦溶接において、相対運動は共に加圧される２つの部材
（工作部材）間に確立され、これによって運動が停止し
たときに部材が共に鍛造（フォージイング）されるよう
に両部材の共通の境界面に十分な熱が発生する。摩擦溶
接機には種々のタイプがあり、相対運動が回転、軌道即
ち振動のものがある。後者の技術は一般に例えばプラス
チックのような非金属に適用され、これは振動溶接とし
て広く知られている。この結合の方法は１部材が接触し
ている間に単純な右往左往の直線運動だけでなく回転運
動部即ち円周振動を含む。振動溶接の１つの方式では、
２つの回転する部材は、低振幅の円に関する相対運動を
生じさせるため一方から他方に軸方向にオフセットされ
る。しかしながら、もっとも共通な方法（金属や金属合
金の摩擦溶接に適用される一般的な方法）は、軸方向に
加えられる荷重下において２つの部材の共通界面に熱を
生じさせるため、例えば不動部材に対するスタッドのよ
うに軸方向に対称な１つの部材の単純な回転運動を使用
する。

これらの上記システムでは、加えられる負荷（荷重）は
、相対運動が支持される主摩擦段階中と。

相対運動が停止される最終鍛造段階中で維持される。摩
擦溶接機の一般計例において、慣性板（ディスク）即ち
慣性質量が回転部材と結合され、そして軸方向に加えら
れた接触荷重下で減速される。

これとは別に、はぼ一定速度の駆動は、摩擦段階中ずっ
と維持されるが、結合が加圧下において強化されるよう
に、加熱損を終結するためブレーキによって回転ヘッド
を停止できるように電源切断あるいはクラッチが切られ
る。負荷（荷重）はまた、相対運動の停止に関連して鍛
造段階を助長するため増加されても良い。

いわゆる慣性摩擦溶接では、一定の負荷を用いることに
関しては共通であり、これは通常使用される溶接サイク
ルの短期間で、回転部の停止と一致させて一連の動作荷
重を正確に時間法めすることは困鐘であるからである。

一定の負荷が使用される場合では、特に結合されるべき
部材間の界面が相対運動の停止の次の期間中に冷却して
いるとき、加えられる負荷は鍛造段階を完了するのに不
十分であるという固有の欠点がある。一方、もし十分に
大きな負荷が最終鍛造に使用されるならば、最初の″ス
ナツチトルク（握持トルク）”（（冷却）部材に共に最
初に接触される時）は非常に高い。これは、部材保持シ
ステムにおいて部材のすベリを引き起こさせたり、ある
いは部材に変形を与えるほど極端なものである。

反対に、いわゆる連続的な駆動摩擦溶接（この場合、よ
り長い連続溶接期間に対して好適な機会があり、また停
止段階が主として予め決定される）では、回転する部材
の停止と関連して鍛造のためのより高いレベルの負荷（
荷重）と、摩擦するためのより低い負荷（荷重）との少
なくとも２つのレベルの負荷を有して実施されることが
一般的である。

更に、連続駆動システムでは１両部材が最初に接触した
ときの最初のスナツチトルクを防ぐため。

次のより高い鍛造負荷が追従される主摩擦負荷によって
従われる最初のより低い負荷を使用することが適してい
る。しかしながら、このことは、摩擦溶接サイクルに対
して正確に時間法めされ、かつ変化可能な負荷システム
が要求される。これは、特に溶接サイクルの短いものに
ついては困難性がある。

通常負荷を加えるためのシステムは、空気圧あるいはよ
り一般的に水圧シリンダラムを具備し、このラムは電気
的に動作するバルブによって交互に制御される圧力で動
作する。

（問題点を解決するための手段及び作用）本発明の第１
の態様によれば、一対の部材を摩擦溶接する方法は一対
の部材を共に付勢する間に両部材間に相対運動を生じさ
せるステップと、少なくとも溶接サイクルの終了に向か
う相対運動の速度を検知するステップと、両部材間の相
対運動の検知された速度に応じて制御される力の下で両
部材を共に付勢するステップとを具備するものである。

本発明の第２の発明によれば、１対の部材を摩擦溶接す
るための摩擦溶接機が、両部材（４５，４６）を付勢す
ると共に両部材間に相対運動を生じさせる駆動部（３０
）と、相対運動の速度の減少に伴い増加する力のもとて
両部材が共に付勢されるようにするため、少なくとも溶
接サイクルの終了に向けて他方の部材に関する一方の部
材の運動の速度に応答する負荷制御部（２０）とを具備
する。

本発明は、相対運動の最終的な終了に導く短期間（溶接
サイクルの終了）において連続的に鍛造荷重を与えるた
め自動的に自己調整される荷重（摩擦段階で使用される
荷重から鍛造段階で使用される荷重）の必要に応じた増
加を提供する。この自動的な荷重システムは単独で使用
されるか、あるいは一般的なネジ供給システムのような
荷重発生装置と関連して使用され、更に摩擦溶接機にと
っては必須の構成要素である。本発明は連続的な駆動及
び慣性的な摩擦溶接方法の双方に使用可能である。主な
摩擦段階の最後の相対運動の速度変化は、加える荷重を
増加させるのに使用され、特に即座の運動の停止と関連
して最大の鍛造レベルまで荷重を増加させるのに使用さ
れる。更に、溶接サイクルの初期期間中の相対運動の速
度は、軸方向の荷重が相対運動の速度の関数として摩擦
期間中に増加されるように監視される。

相対運動の速度が直接又は間接的に付帯事項に依存して
監視され得ることが理解できる。直径の小さな溶接部材
の場合、その部材自身がｔｏｏｏ　−５０００ｒ　ｐ　
ｍのオーダの比較的早い速度で回転されるのが一般°的
である。しかしながら、直径のより大きな部材１例えば
直径の大きなパイプの場合、非常に小さな回転速度は６
０ｐｐｍぐらいの速さを必要とされる。負荷制御部の形
態に依存する場合、特に後者の場合には高速で移動を受
けている駆動部の他のある移動する部分を監視すること
が必要である。

いくつかの例で、負荷制御部は相対運動速度を監視する
ための電気的な検出システムを有し、これによって例え
ば電気的に動作されるバルブによるピストン／シリンダ
機端のような装置の負荷を制御するようにしてもよい。

また、他の例では、負荷制御部は駆動部と接続された機
械的構成であっても良い。

本発明の第３の態様によれば、摩擦溶接に使用される部
材負荷装置は、１対の部材間に相対的な回転を与えるた
めに設けられる、回転駆動手段への接続のための駆動シ
ャフトと、駆動シャフトに設けられ、かつ両部材間の境
界面に駆動シャフトの回転速度に関連した力を分け与え
る駆動シャフトの回転に応答する負荷制御部とを具備す
る。

この部材負荷装置は、施盤のような便利な駆動装置に接
続されるコンパクトユニツ１〜のように構成される。こ
れは特に１例えばスタッドのような小さな部材の溶接に
とって適切である。特に１つの便利な場合として、負荷
制御部は、駆動部の回転部分に接続され、かつ接続され
る回転部分の速度の増加に応じて放射状に外側に移動す
るように構成される遠心機構部と、少なくとも両部材を
付勢する力の一部を提供する弾力性（追従）手段とを有
し、該遠心機構は遠心機構が放射状に外側に移動すると
き付勢する方向と反対方向に弾力性手段を動作させる。

好適には、弾力性手段及び遠心機構が力ｔ１とカム従動
部の構成によって協同する。

一つの態様として負荷制御部は、摩擦加熱の次に鍛造さ
れるべき部材を圧縮するように構成された少なくとも１
つ以上のバネあるいは一組のバネを有する。このように
して加えられる荷重は、軸で回転しかつバネ付勢された
調速機のように動作するレバーアーム上に少なくとも１
つ以上（好適には２又はそれ以上）の質量即ちおもりを
有する遠心機構によってオフセットされる。回転する部
分の最大回転速度で、バネ単独による部材上の荷重は最
大限のオフセット、即ち後方への下がりであり、回転速
度が減少するにつれ後方への下がり程度も減少する。あ
る構成では圧縮バネは、摩擦及び鍛造期間中に溶接され
るべき部材に軸方向の荷重を加えることができるように
配向される。更に、遠心機構のレバーアームは、それが
回転しているとき、摩擦溶接されるべき部材の荷重が相
対的に軽減されるようにバネが圧縮されるように配向さ
れる。このように加えられる合成的な力は、摩擦溶接の
荷重が停止の生じた際に最大限に到達するような回転速
度の関数である。そして、遠心機構は必要に応じて可変
する荷重を自動的に摩擦溶接部材に加えるのに使用され
る。

更に、この負荷制御部の効果は、初期加速中に効果的な
慣性が低く（なぜなら、上記例において、レバーアーム
と関連する遠心機構の質量（おもり）が回転軸に近いか
らである）、駆動部上の始まりの弾力性が最小であり、
小さな力で使用されるべき最初の移動を与える。更に１
回転速度の上昇で。

これと対応して遠心機構の蓄積される慣性エネルギーの
増加が生じ、これは最大限の速度までである（慣性かた
まりを保持するレバーアームの放射状の最大限の拡張と
対応する）。この増加される慣性は、摩擦溶接されるべ
き部材間の接触の第１の段階に関しては有益であり、こ
の場合スナツチトルクは他と異なり低い刃駆動で停止さ
せる。しかしながら、すでに説明したように、加えられ
る摩擦負荷は、この段階で最小限であり、そしてスナツ
チの影響もまた最小限である。

負荷制御部は摩擦溶接機の回転ヘッドの一部であっても
よく、これによって部材の回転速度の関数として自動的
に変化する荷重を加えられる（しかしながら、振動溶接
の場合においては、負荷制御部は他の部分に接続されて
も良く、直線運動は駆動部の部分に回転を生じさせる）
。更に、負荷制御部及び回転ヘッドは、他の駆動なしに
溶接を達成するのに十分な慣性を提供する。そして、負
荷制御部が要求される速度まで加速され、駆動は部材が
初期接触される前にクラッチを切られる。

回転ヘッドの速度を降下させた後、加えられる荷重は速
度の降下と釣り合った割合で連続的に増加する６最終段
階で回転が急速に停止したとき、部材に加えられる荷重
は要求される鍛造レベルまで急激に即座に増加する。

本発明による摩擦溶接機は、単独であるいは特に必要に
応じて初期荷重を制御するのに使用される他の力発生シ
ステムと関連して使用される。同様に、負荷制御部は摩
擦溶接される部材上の限られた最小限の荷重を提供する
ように前もってセットされる。

本発明は、全屈及びプラスチックの双方の摩擦溶接に適
用されることが明確である。

（実施例） 以下、本発明の実施例について図面を参照して詳細に説
明する。

摩擦溶接において１部材１は第１ａ図に示すように回転
され、そして第１ｂ図に示すように主摩擦負荷よりも小
さい負荷（荷重）で加圧された状態下において不動の部
材２に接触される。回転と主摩擦負荷は、２つの部材１
，２（第１ｃ図）間に形成される共通面３に摩擦熱が生
じるｌ？［ｌ（段階ＩＩ）保持され、最終的には回転が
停止されそして鍛造レベルで負荷が維持されるかあるい
は鍛造溶接を強固にするため負荷が増加される（第１ｄ
図）。

第２図に示す連続駆動システムで、回転速度は溶接が完
了されるまで保持され、駆動は切断されるかあるいは電
源が切断される（ステージ■）。各々の場合において、
回転は、回転する部材を保持する駆動ヘッドあるいは回
転システムに直接連結された部分を制動することにより
、より早く停止させることができる。はぼ一定に加えら
れる負荷は、主摩擦段階（第１ｂ、第１ｃ図参照）の間
保持され、第１ｄ図に示すように駆動が停止されたとき
その負荷は増加される。平均トルクと軸変位の対応する
変化は、それぞれ第２　ｃ、２　ｄ図に示されるが、実
際には最初の段階で部材が初めて接触されたとき、両部
材の界面で瞬時に食いつくことにより短期間に渡りトル
ク変動が生じる。そして、界面の熱と同様に、平均トル
クが低レベルまで降下し漸近即ち平衡状態に近づく。回
転の駆動の停止中、トルクは回転がか終的に終了する前
に短時間に上昇する。

慣性摩擦溶接では、第３図に示すように回転速度は、一
定に加えられる摩擦負荷を有するはずみ車からエネルギ
ーが得られるので連続的に降下する。平均トルクは最小
限まで低下しく部材が冷たい時は最初の高レベルの後）
、そして回転速度が降下するにつれ再び上昇する。、最
後にトルクは回転がゼロに向けて降下するとき、鋭く上
Ｈ４する。

大まかな範囲で、慣性摩擦溶接は連続的な駆動摩擦溶接
と類似しており、異なる点は溶接サイクル中一定の負荷
が加えられること及びはずみ車のエネルギー源からエネ
ルギーが得られたとき回転速度が減少されるということ
である。軸変位の変化もまた第３ｄ図に示される通りで
ある。

本発明による摩擦溶接機の構成例の一部を第４図及び第
５図に示す。第５Ａ−５ｃ図に示される摩擦溶接機は、
両端に壁１５．１６を有する固定ハウジング１４を具備
し、４１１５．１６は円柱状のハウジング１７の両端に
接続される。端壁１５は端壁１６の孔１９と共軸の孔１
８を有する。負荷制御組立体２０は孔１ｇ。

１９内の各スラスト軸受２２．２１によってハウジング
１４内に支持される。

負荷制御体２０はハウジング１４内に配置される必須の
管状フランジ２４を有する駆動シャツ１〜２３と、フラ
ンジ２４と軸方向に離間された構成部２５を具備する。

はずみ車４８は、駆動シャフト２３に沿って滑動するた
め構成部２５上に設けられる。−組のディスクスプリン
グ（バネ）２６は、管状フランジ２４とはずみ車４８と
の間の駆動シャフト２３の回りに設けられる。駆動シャ
フト２３の一端は、回転しない補助的な駆動シャフト２
７に接続される。この駆動シャフト２７は壁１６の孔１
９に設けられたベアリング体２８内に支持されるととも
に、本発明の構成に関係しない駆動シャフト２９に一般
的な手法で接続される。

駆動体はかさ歯車３０によって図式的に示されている。

駆動シャフト２３は、外表面にネジが切られた直径の小
さい必須の第１の構成部分３１を有し、この構成部分３
１には更に第２の直径の小さい必須の構成部分３２が接
続される。

内部にネジ溝３４を有する４つの腕部を有する十字型の
ホルダ３３（第５Ｄ図参照）が回転しないようにかつ軸
方向に移動しないように、駆動シャフト２３の第１の直
径減少部３１に設けられる。ホルダ３３の各腕部（アー
ム）は、Ｌ字型レバー３６がピン３７によって回動でき
るようにそれぞれ分岐部３５を有する。各レバー３６の
自由端は、それぞれ下げ振りおもり３８を支持する。第
５Ａ図に示される位置において、システムは静止し、各
レバーの長手部３９はバネ２６に沿って並んで配置され
る。

例えばチャックやコレットを保持するようなスタッド保
持機構４０は回転可能にがっ滑動可能に端壁１４の孔１
８内に設けら１ｔ、更に駆動シャフト２３に関して回転
しないようにするため十字型ホルダ３３の分岐部３５と
協同して背部へ延びている。保持機構４０は、はずみ車
４８の内側部４８′にポル１へ止めされる。保持機構４
０は、第２の直径減少部３２内の一部に収容される駆動
シャフト２３と共軸のめくら穴４１を有する。第２のめ
くら穴４２は、スタッドあるいは他の部材を収容するた
め駆動シャフト２３と共軸に保持機構４０の先端に設け
られる。

取りつけ台あるいは付属品４３が壁１４のコック（栓）
部４４に接続される。これは、装置を他の部材に固定で
きるようにするためである。

回転する前に、保持機構４０はバネ２６が伸びることが
できる限りバネ２６によって駆動シャフト２３から遠ざ
かるように付勢される（保持機構はスタップ延長部３２
によって支持されかつ機械的に駆動を接続されるけれど
も）。（この場合、停止はアーム３６の折りたたみによ
って得られ、その場合アームははずみ車４８のため第５
Ａ図に示される制限を越えることはない、） 動作において、スタッド４５（第５Ｂ図）は保持機構４
０に設けられる。駆動体３０はシャフト２３及び遠心機
構２０を回転するために始動される。スタッド４５を有
する保持機構４０は、急速に構成部３２に沿ってフラン
ジ２４へ向けて引っばられ、バネ２６は圧縮される。圧
縮の限界は、第５Ｂ図に示すようにバネ２６が底部に付
くことにより得られるか、あるいは回転軸に対してクラ
ンクアームの角度を９０°にすることにより得られるか
、あるいははずみ車４８の内側に形成された圧縮板（カ
ム追従部）４８′に対してアーム３６のカム面４７の形
状に依存するある中間部材で得られる（アーム３６は、
アーム３６と共にはずみ車を回転させるためはずみ車の
開口４９を介して延長する）。

望ましい回転速度では、摩擦溶接される部材４５゜４６
は、取付台４３によって接触される。一般に、取付台４
３は、部材４６が装置の残存部に磁気的に保持されるよ
うに、電磁石システムを具備しても良い。

十分な期間後、駆動体３０はクラッチを切断されるか、
あるいは電源を切断される。これによって、回転するス
タッド４５の速度の減少が開始される。

回転する速度が減少すると、バネ２６の前もったオフセ
ット圧縮が開放され、回転する部材４５と固定部４６間
に加えられる負荷が増加される。これは、対応する下げ
振りおもり３８の放射状の位置に依存して変化するアー
ム３６の位置によるものである。

回転速度が減少すると、下げ振りおもり３８が移動し、
バネ２６はクランファーｔ１３６によって非圧縮を受け
る。いずれか１つの速度で、バネ圧縮と下げ振りおもり
の動作半径との間で平衡が維持される。

この動作は、回転駆動が終っている時、摩擦溶接する部
材の負荷がバネ２６によって最大限のレベルに達するま
で連続的に生じる。第４．第５図に示されるように簡単
な“はずみおちり″でもって生じる軸力は、回転速度の
２乗、下げ振りおもりの有効半径、及び中心軸について
のクランクアームの角度の関数である。簡単な例をとっ
てみると、レバー３６の各アームの長さＬ□、Ｌ２は一
定であり（第４図参照）、各機構の軸力Ｆは次式によっ
て与えられる。

ここでωは角速度、Ｌ工、Ｌ２はクランクレバーアーム
３６の２つの部分の長さ２Ｍ□ｇ　Ｍ　ｚはそれぞれ下
げ振りおもり３８とレバーアームの外側の主要部の質量
、そしてＲは回転軸からクランクのための支柱３７まで
の半径である。簡単のため、クランクの内部（より短い
）の小さな質量は無視される。

質量は一定なので、所定の速度での軸方向の遠心力は、
第６図の詮５１で示されるように角度αとともに増加す
る。ここで、上記方程式のカギカッコ内の第１項のため
軸力は初期値整有し、更に第２項により正弦的に増加す
ることに注意すべきである。

バネの反力は、クランクアームの角度αの関数として第
６図に線５２によって示される。ここでは、第１近似を
とって反力はｓｉｎαとともに直接的に増加する。これ
は、レバーアームの内側部からの圧縮の程度が、クラン
ク位置の軸方向成分と比例しているためである。しかし
ながら、より安定な動作位置を形成するため、角度αで
のバネ力と軸方向の遠心力に関する曲線にとってより明
確に交差することが望ましい。そして、好適な形態とし
ては、カム４７がレバーアーム３６（第５図）の内側（
より短い方）に使用されても良い。この場合、カムの有
効半径Ｌ２は角度αとともに増加する。このように所定
の回転速度で、軸力が生じた遠心機構の寸法と質量は、
角度αの大きいときでその小さいときよりも少ない。第
７回は、軸方向の遠心力（線５３−５７）とバネ反力（
線５８）との関係（双方とも角度αに対して）を示し、
ここでは軸方の遠心力は所定の速度で全て減少しくより
角度の大きいところ）、一方バネ反力は増加する。これ
は、広い動作範囲上に非常に明確な動作点を与え（所定
の速度で軸方向の遠心力の間で）、それ故制限されたバ
ネ２６の圧縮の程度を与えられる。第７図は最大限の速
度での極端な状態を示し、この状態ではバネ２６はバネ
力が点Ａのように遠心機構からの軸力によって平衡され
る状態下で丁度底に接近する（より速い回転速度で、バ
ネはこれ以上圧縮されないので角度αは一定状態を保持
するが、より大きなエネルギーがその回転の慣性により
遠心機構内に蓄えられる）。逆に低回転速度では、平衡
角度は例えば２５°ぐらいの小さな値で確立され、この
場合軸方向の遠心力はバネ力と反対方向に等しいが、（
１１＝　２２５ｒａｄ　／　ｓｅｅで示されているよう
にバネがその最大圧縮となることはない。

加えられる摩擦負荷は、回転速度が高いとき、溶接動作
の開始時に低い、即ち最小限であることがわかる。もし
、一定速度の回転が維持されるならば、連続駆動摩擦溶
液のように、加えられる負荷は主摩擦が生じている期間
中では一定に保持される。これとは別に、慣性摩擦溶液
の場合、速度は降下し、そして加えられる負荷は遠心機
構によるバネ圧縮が開放されるので同時に増加する。い
ずれかの場合、回転駆動が停止されている１１、ν加え
られる負荷は回転運動に関する停止とともに鍛造レベル
まで急速に自動的に上昇する。

摩擦溶接の適用として、残留軸力は、例えばスタッドの
ような、第５Ｂ図に示されるように回転ヘッドに設けら
れるスタッドに加えられても良い。

回転システムは、バネ２６が遠心機構の動作によって要
求される程度に圧縮されるような動作速度まで向上され
る。部材は、要求される初期負荷で回転するスタッドに
接触される。バネシステムの余分な負荷は、角度αにｂ
ずかな増加を与える。選択的に、速度は遠心機構が緩ま
ってバネ負荷が摩擦溶接を行うスタッドにより保持され
るように減少されても良い。回転ヘッドへの駆動は、ク
ラッチ板が切られるか電源が切断され、この場合更に速
度が減少し、回転が停止する場合に最終的にバネ力が摩
擦スタッドにより完全に保持されるまで増加する負荷が
摩擦の生じる界面に加えられる。

バネ２６のバネ定数は、有効なスタッド長さを短くする
鍛造動作にもかかわらず適切な鍛造力が保持されるよう
に十分である必要がある。短いバネ（大きなバネ定数）
では、変位を伴う鍛造力の減少は急速であり、システム
は一定度合いの鍛造、即ち変形の傾向がある。これとは
別に、長いバネ（小さなバネ定数）では、変形を有する
鍛造力がより小さな減少であり、変形は界面領域が崩壊
することなく加えられる負荷に耐えるため十分に冷却さ
れるまで続けられる。

本発明はいかなるカムの形状に限定されるものではなく
、異なるカムの輪郭で異なる特徴が得られる。第７図に
示される角度αに対する軸方向の遠心力の関係は、第８
Ａ図の簡単なカム形状４７で得られ、外側のクランクア
ーム位置と一直線であるが、支点Ｆ（回動軸３７）から
オフセットした点５９からの一定の半径によって生じる
。ここで、所定の速度時には、およそ一定の軸方向の遠
心力が小さな角度範囲（２５ないし３０°）内における
角度に抗して生じるが、バネ力がクランク角αで急速に
増加しないところの範囲内でバネ曲線をより明確に交差
させるため（正確の動作点を提供するため）、軸方向の
遠心力はより高い値の角度（約３０’以上）で急速に減
衰することに注意すべきである。

更に、本実施例では、バネがクランクアーム上の４７°
で底に付き、これ故点Ａ（第７図）で即座に反力が増加
することに注意すべきである。遠心機構による口はまた
安定した動作業が得られるようにするため、例証されて
いるこの階段で角度をほぼ一定にするのに使用さ″れで
も良い。

第８Ｂ図に示される別のカム形状４７′では（より小さ
な２つの変形の部分間に大きな半径の面、即ちほぼ平坦
な面を有する）、軸方向の遠心力は４０°特別の値を十
分に越えて減少する。角度αでの軸力（線６０〜６３）
とバネ力（線６４）との関係体、第８Ｂ図で与えられる
カム形状と異なる角速度ωについて、第９図に示される
。カム面は、２つの小さな半径部分間に、第８Ａ図に示
されるカムと類似した偏心半径を有し、外側のクランク
アームの直線から偏心した中心を有する。

更に他の構成で、軸方向の遠心力は、第８Ｃ図に示され
る簡単な形状４７″について第１０図に線６５−６７で
示されるように、角度αによる制限的な相対量により最
初に増加し、前記形状４７″は非常に大きな半径の２つ
の部分間に小さな変形の部分即ち平坦でない部分を具備
する。

レバー３６の内側のアーム（より短い方）についての各
種のカム形状は、摩擦溶接中に異なる力の適用パターン
を生じさせる。すでに説明したように。

バネ曲線と軸方向の遠心力の交差によって与えられる切
片値からの回転速度の変化の関数が生じる。

例えば第１１図に示される摩擦ヘッド４０についての与
えられた速度の変化に対して、圧縮されたバネ２６の負
荷の除去は、第８図に示される各カム形状についての曲
線ａ、ｂ、ｃによって与えられるように摩擦溶接への負
荷を導く。摩擦溶接されるべき部材に加えられる最初の
負荷は、摩擦期間中の種々の増加の程度で低い（限界で
はほぼゼロ）。本実施例では、カム形状すについての増
加の程度はもつとも少なく、形状Ｃについてはもっとも
大きく。

最初で１０ないし２０％以上の減少である。最後の停止
期間中、増加された力は、最後の５０−８０％の速度変
化で急速に最終的な鍛造負荷となる。形状Ｃについて増
加された力は、摩擦段階中に得られた差のようにそれ程
大きくはないことに注意すべきである。例えば、形状Ｃ
についての摩擦期間中の増加は、形状すについてのそれ
の約３ないし４倍であるが、停止まで同じ速度変化での
鍛造段階中の後者について増加された力は形状Ｃの場合
よりも１．５倍程度小さい。

二二で、軸方向の遠心力が所定の角度αでバネ力と平衡
する点以下で速度をやや減少させることにより、摩擦溶
接されるべき部材に限られた負荷が加えられることに注
意すべきである。第７図及び第９図に示されるように、
角度３９°及び４５°でのそれぞれω＝２７５からω＝
２５０までの速度の減少は、最初の接触負荷として部材
に加えられる合成負荷Ｃを提供する（接触荷重Ｃの大き
さは、軸方向の力の差によって与えられ、この場合点Ｂ
でバネ力を遮断する。これは、点Ｂ′に示される対応す
る角度についてでなく減少された速度についての力であ
る）。

遠心機構のすべての慣性量は、溶接を達成するには十分
であり、特に直径の小さな部材や管状部材についてであ
る。このことは注目すべきである。

一方、大きな部材について、もし回転するがたまりのす
べての慣性量がそれ自身不十分ならば、ある程度の負荷
的な慣性や駆動は、すべての溶接サイクルが期間中にあ
まりにも短くなったり、摩擦面で十分に加熱されるに到
らないようなことを防ぐため要求される。

本発明は特に部材の組立の大量生産について適用され、
この場合摩擦についての要求は一定であり、遠心重力、
回転速度、バネの強さ及び長さ、そしてカム形状の適切
な選択は前もって決定される。所定の適用において非常
に小さなコンパクトな摩擦ヘッドが開発され（第５Ｃ図
）、これは回転ヘッドを具備する遠心機構が単独で動作
速度まで向上され、例えば元の位置で要求されるスタッ
ド溶接を達成するため停止される。この場合、遠心機構
は、非電気性、非導電性即ち非金属性の封入物内に入れ
られても良く、誘導伝導モータシステムの回転子による
回転磁界によって加速されても良い。動作速度で、蓄積
されたエネルギ及びバネ圧縮は最大であり、遠心機構を
含む非金属性の容器は限られたアクセス領域に配置され
得る。回転速度が減少するとき、摩擦する部材は工作物
と接触状態にされ、適当な負荷を生じる。最後に、回転
が停止するとき、負荷はバネ２６による鍛造において十
分であり、別個の動力発生器を必要としない。

加えられる負荷は、摩擦ヘッドの回転速度から得られる
コンパクトな構成では、摩擦溶接方法の多目的使用を可
能にする。上記構成は（少なくとも小さな部材に対して
も）、摩擦溶接をもとの位置に動かすことのできる可動
システムとして考慮される。１つの例は、ロボットによ
るコンパクトな摩擦溶接ヘッドの操作である。これによ
って。

ロボットはスタッドをヘッド内に挿入し、適切な回転手
段で組立体を取り出しく例えば簡単な直接駆動あるいは
回転電気磁界）、そしてスタッドが部材上に摩擦溶接さ
れるように要求される位置に回転ヘッドを配置するのに
有効に使用される。重労働を課されるロボットシステム
によって生じる推力は限られているので、摩擦ヘッドが
減速したときに摩擦ヘッドから生じる力に反するため付
加的な手段が必要とされる６機械的な締め付は即ち摩擦
ヘッドはロボット支持構造体の部分、即ち組立体の部分
となることも可能な後方への停止に反する推進部材によ
って支持される。更に、他の支持部材は、例えば７１ａ
石あるいは電気的に制御される永久磁石（′？Ｂ、気パ
ルスによってオン／オフされる）に使用される。

次に、正方形状のスタッドが大きな直径のシャフトに溶
接される例について説明する。

この溶接は、摩擦溶接の慣性方式を使用することにより
実行される。この場合、第１２Ａ、１２Ｂ図で、最初の
速度は徐々に降下しく漂遊摩擦損失下において）、スタ
ッドは工作物と接触するまで前進移動を開始する。この
とき、ゆるやかな度合でトルクが発生し、第１２Ｂ図（
第１２Ａ図に示すように速度は更に急激に降下する領域
）、そしてこのトルクは着実に第１の平坦域（一定値）
まで増加する。ここで回転速度は（第１２Ａ図のｂの部
分）、この第１の平坦域間でほぼ一定速度で急速に減少
（このトルクの結果による）する。第１２Ｃ図に示すよ
うに、境界面が加熱しかつ材料が軟化するように、連続
的に上昇する速度に対応した変位は１■／ｓｅｃのオー
ダであり、これは軟鋼についての例としては好適である
。最後に、回転が停止に急激に近づくと、トルクは最大
ピーク値まで上昇し、変位もまた急激に増加する。

本実施例では、鍛造速度が、変位の平均摩擦速度よりも
約１０ないし２０倍の大きさであることに注意すべきで
ある。これは慣性溶接のように加えられる一定の付加状
態での一般的な摩擦溶接と対比されるべきである。変位
の鍛造速度は、ｙｆｉ擦段階（第３図参照）に対して約
５０％の大きさである。これとは別に第２図の連続的な
駆動摩擦溶接に使用されるように、加圧力の急激な増加
があり、鍛造変位速度は従来の摩擦変位速度の２ないし
３倍である。

他の特徴は、第１２Ｂ図に示すように最初のトルクが小
さいことであり、これはこの段階で加えられる付加が低
いためである。これに対し、一般的な連続駆動及び慣性
摩擦溶接においては、すでに説明したようにもし最初に
加えられる負荷を減少させるために付加的な段階が採用
されないならば、最初のピークトルクが存在する。更に
、本実施例で示されるように、摩擦−カム−鍛造の中間
段階中には１通常子期される速さと同じでない速さで減
少する限られた期間がぞんざいしうる。これは第１２Ａ
図の部分Ｃに示され、この場合、動作ピークトルクへ向
かう増加にもかかわらず（第１２Ｂ図）速度はトルクが
ほぼ一定である中間処理段階すについてよりも急速に降
下する。

このような現象は、放射状の下り振りおもり３８が中立
即ち閉じた位置（第５Ａ図）にもどることに関連する。

ここで、自由方向の変位に対する溶接部分の機械的な抵
抗は、速度の降下にもかかわらず、溶接で更に軟化する
領域が生じるまで伸びた状態を維持する下げ振りおもり
の放射状の位置になる。減少される回転速度に対応する
。放射状に拡がった位置からの下げ振りおもりの折りた
たみで、エネルギの平衡を満足するため速度が増加する
傾向がある。この傾向は、速度の減少率の減少として示
されるか、あるいは別の方法で予期される。極端な場合
、速度はしばらくの間単調に増加することができ、これ
は、軸方向のバネ力が溶接部分から突然の材料の押し出
し崩壊を生じせしめ、更にこれによってはずみ下げ振り
おもりの放射位置に急激な減少を生じせしめるためであ
る。

より大きな溶接物に対して、結合されるべき部材間での
熱吸収を大きな度合で得るため、駆動速度は連続駆動摩
擦溶接のように適切な水準で維持される。この場合、溶
接されるべき部材の相対位置は、あらゆる便利な作動装
置（例えば、部材と共に移動する水圧ラムによるもの）
あるいは適切な速度でのネジ駆動手段を使用することに
より連続的に減少される。摩擦溶接についてのネジ供給
システムの例は、英国特許１，３２１，３３２号明細書
に開示されている。

第１３図はネジ供給溶接システムの例を示す図であり、
このシステムは第５図の付加制御機構体２０と類似する
遠心機構を装着している。遠心機構は参照番号７０で示
される。ネジ供給装着は、いくつかの′軸方向に離間さ
れたウェブ７２を有するハウジング７１を具備し、前記
ウェブ７２はネジ供給機構７３□　及び遠心機構７０を
支持する。ネジ供給機構７３は、円柱状の滑動可能なハ
ウジング７５内に回転可能に設けられたシャツ１−７４
を有し、シャフト７４の一端は機構７０のシャフト２３
に接続され、その他端はクラッチ７７に接続されたスプ
ライン接続７６で終結する。クラッチ７７はハウジング
７１に設けられたモータ７８ａによって駆動される。ネ
ジ供給機構７３もまたハウジング７５に回転可能に設け
られたローラネジ７８を有し、図示されないモータに接
続されたスパー（ｓｐｕｒ）駆動７９によって駆動され
る。スパー駆動７９の回転は、ローラネジ７８の回転を
引き起こし。

そして次にローラネジ７８はハウジング７５とこれによ
りシャフト７４の軸方向の移動を引き起こす。この装置
は装着物４３によって工作物（板）４６に設けられる。

使用する場合、シャフト７４は機構７０のバネ２６が底
につくまで速度を向上される。これとは別に。

速度ははずみ下げ振りおもり３８が外側の限界に到達す
るまで増加され、そしてこの場合、圧縮されたバネ２６
はなお追従性を有する。

前進方向の供給は、通常の一定速度でローラネジ７８を
駆動することにより開始される。はずみ下げおもり３８
及び圧縮されたバネ２６を具備する遠心機構７０は、ス
タート４５がプレート４６と係合するまで前進移動する
。連続的な駆動及び前進供給で、摩擦溶接されるべき部
材が境界面から通常の押出しをさせるのに十分加熱され
ないので、ピークトルクが存在する。この初期ピークト
ルクは、この段階でネジ機構７３の前進速度を減少させ
ることにより又は／及び摩擦溶接されるべき部材上に減
少された部分、即ち小さな溝を設けることにより制限さ
れる。また、もしバネ２６が十分に圧縮されていないな
らば、初期ピークトルクの大きさの減少を助長するある
程度の追従性が存在する。

初期段階後、部材４５．４６間の境界面が加熱されると
、摩擦溶接されるべきスタッド４５の安定した前進がネ
ジ機構７３によって維持される。構成上の１つの特徴は
、ネジへの駆動が摩擦溶接ヘッドの回転から得られるこ
とである。

十分な加熱が行われたとき、ネジ機構７３への駆動は切
断（スイッチオフ）され、遠心機構７０は通常の慣性摩
擦のように、停止するようになるにの段階で、鍛造動作
は第５図の例のようにして生じる。

ここで、前進供給が摩擦溶接ヘッドの回転と接続され、
そして回転ヘッドが徐々に降下するようにその供給自身
が自動的に減少し、一方向時に。

鍛造移動（遠心機構７０による）が前方に摩擦溶接され
るべき部材を付勢するこれらの２つの移動の整合は重大
ではなく、ネジ供給の安定した前進移動は回転ヘッドの
停止とはずみ下げ振りおもり３８の折りたたみとともに
バネ２６の鍛造動作による移動の速度を増加することに
より補足される。この移動の結合は、第１４Ａ、第１４
Ｂ図に示されており、この場合直線は回転ヘッドへのネ
ジ供給機構７３の前進移動を示し、ドツト線は鍛造機構
７０の前進移動を示す。

【図面の簡単な説明】

第１ａ−１ｄ図は２つの円柱部材間に摩擦溶接を生じさ
せる主な一連の動作を示す図、第２ａ−２ｄ図は連続的
な駆動摩擦溶接についての回転速度、加えられる付加、
動作トルク、及び軸変位の変化を示す図、第３ａ−３ｄ
図は第２ａ−２ｄ図と同様であるが一般的な慣性摩擦溶
接についての動作パラメータ（変数）の変化を示す図、
第４図は本発明の実施例による装置の付加制御部（組立
体）の一部を示す図、第５Ａ、５Ｂ図はそれぞれ速度ゼ
ロと十分な速度にバネで付加される遠心力を用いた機構
を一体に含む慣性摩擦溶接システムの溶接ヘッドを示す
図、第５Ｃ図ははずみ車を省略した第５Ａ、５Ｂ図に示
される部材負荷装置の斜視図、第５Ｄ図は遠心機構の一
部平面図、第５Ｅ図は第５Ｄ図のＡ−Ａ線断面図、第６
図はクランクアームの長さに対してクランク角を有する
遠心機構の軸方向の力（一定速度での）を示すグラフ、
第７図は所定のカム形状で種々の回転速度でのクランク
角αの関数としてのバネ力と遠心４ｆ＆栂の軸方向の力
との関係を示す図、第８Ａないし８０図は三種類の異な
るカム形状を示す図、第９図は第８Ｂ図に示されるよう
なカムについて種々の回転速度でのバネ力と遠心機構の
軸方向の力との間の関係を示す図、第１０図は第８Ｃ図
に示されるようなカムについて種々の回転速度でのバネ
力と軸方向の力との間の関係を示す図、第１１図は所定
の速度変化の関数として第８図の種々のカム形状につい
ての軸方向の合成力を比較する図、第１２Ａ　−１２Ｃ
図は第５Ａ−５Ｅ図に示される装置を使用する一般的な
溶接サイクルについての時間での回転速度、トルク、変
位の変化を示す図、第１３図は本発明による工作物負荷
装置を含むネジ供給システムの一例を示す図、第１４Ａ
、１４Ｂ図はそれぞれ第１３図のシステムにより成され
る溶接期間中の時間との回転速度と変位の変化を示す図
である。 ２０・・・負荷制御体、　　２３・・・駆動シャフト、
２６・・・バネ、　　　　　３０・・・駆動部、３６・
・・アーム、　　　　３８・・・おもり、４５・・・ス
タッド、　　　４７・・・カム、４８・・・はずみ車。

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. （１）一対の部材を共に付勢する間に両部材間に相対運
   動を生じさせるステップと、 少なくとも溶接サイクルの終了に向かう相対運動の速度
   を検知するステップと、 両部材間の相対運動の検知された速度に応じて制御され
   る力の下で両部材を共に付勢するステップとから成るこ
   とを特徴とする１対の部材（４５、４６）を摩擦溶接す
   る方法。
2. （２）両部材（４５、４６）を付勢する間に両部材間に
   相対運動を生じさせる駆動部（３０）と、 相対運動の速度の減少に伴い増加する力のもとで両部材
   が共に付勢されるようにするため、少なくとも溶接サイ
   クルの終了に向けて他方の部材に関する一方の部材の運
   動の速度に応答する負荷制御部（２０）とを具備するこ
   とを特徴とする１対の部材を溶接するための摩擦溶接機
   。
3. （３）前記負荷制御部が、少なくとも両部材を付勢する
   力の一部を提供する弾力性手段（２６）と、駆動部の回
   転する部分に回転可能に設けられ、かつ接続される部分
   の回転速度の増加に応じて外側に放射状に移動するとと
   もに付勢する方向と反対方向に弾力性手段に力を加える
   ために配置される遠心機構（３５、３６）とを具備し、
   当該力が遠心機構の回転速度に関係することを特徴とす
   る特許請求の範囲第２項記載の摩擦溶接機。
4. （４）１対の部材（４５、４６）間に相対的な回転を与
   えるために設けられる、回転駆動手段（３０）への接続
   のための駆動シャフト（２３）と、 駆動シャフトに設けられ、かつ両部材間の境界面に駆動
   シャフトの回転速度に関連した力を分け与える駆動シャ
   フトの回転に応答する負荷制御部（３５、３６）とを具
   備することを特徴とする摩擦溶接機に使用される部材負
   荷装置。
5. （５）前記負荷制御部が少なくとも両部材を付勢する力
   の一部を提供する弾力性手段（２６）と、駆動部の回転
   する部分に回転可能に設けられ、かつ接続される部分の
   回転速度の増加に応じて外側に放射状に移動するととも
   に付勢する方向と反対方向に弾力性手段に力を加えるた
   めに配置される遠心機構（３５、３６）とを具備し、当
   核力が遠心機構の回転速度に関係することを特徴とする
   特許請求の範囲第４項記載の部材負荷装置。
6. （６）前記遠心機構が、少なくとも、駆動シャフト（２
   ３）又は回転する部分上に設けられた回転しない支持部
   に回動可能な１つのアーム（３６）を具備し、該アーム
   が駆動シャフト又は回転する部分の回転速度の減少又は
   増加にそれぞれ対応して駆動シャフト又は回転する部分
   から離れたりあるいは近づくように回動し、アーム（３
   ６）の内側の端部が弾力性手段に抗する力を加えること
   を特徴とする特許請求の範囲第３項ないし第５項いずれ
   か記載の摩擦溶接機又は部材負荷装置。
7. （７）前記弾力性手段（２６）とアーム（３６）の内側
   の端部とが係合するカム（４７）及びカム従動部（４８
   ）の構成によって協同し、カム及びカム従動部の一方が
   アームに接続され他方がそこで移動するため弾力性手段
   に接続され、カムが予め決定された部材負荷曲線を得る
   ために形成されていることを特徴とする特許請求の範囲
   第６項記載の摩擦溶接機又は部材負荷装置。
8. （８）前記アームの外側がおもり（３８）を有すること
   を特徴とする特許請求の範囲第６項又は第７項記載の摩
   擦溶接機あるいは部材負荷装置。
9. （９）前記アーム（３６）がＬ字型であることを特徴と
   する特許請求の範囲第６項ないし第８項いずれか記載の
   摩擦溶接機又は部材負荷装置。