(57)【要約】【課題】金属部材の接合面全面を均一に溶着させて強固な接合強度が得られると共に、異質金属部材の摩擦圧接も可能になる摩擦圧接方法を提供する。【解決手段】互いに接合せんとする金属部材ａとｂの接合面間に、この金属部材ａとｂよりも高融点又は高耐熱性の摩擦部材４を介在させ、両金属部材ａとｂの接合面を摩擦部材４に押し当てて摩擦圧力を加え、前記両金属部材ａとｂを回転又は摩擦部材４を振動させることで両金属部材ａとｂの接合面に摩擦熱を発生させ、この摩擦熱で金属部材ａとｂの接合面及び接合面近傍が溶融又は軟化した状態で摩擦部材４を抜き取り、両金属部材ａとｂにアップセット圧力を加えることで両金属部材ａとｂの接合面を直接圧接する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに接合せんとする金属部材の接合面間に、この金属部材よりも高融点又は高耐熱性の摩擦部材を介在させ、両金属部材の接合面を摩擦部材に押し当てて摩擦圧力を加えた状態で、前記両金属部材を回転運動させることで両金属部材の接合面に摩擦熱を発生させ、この摩擦熱で金属部材の接合面及び接合面近傍が溶融又は軟化した状態で金属部材間から摩擦部材を抜き取り、両金属部材にアップセット圧力を加えることで接合面を圧接する摩擦圧接方法。
【請求項２】
互いに接合せんとする金属部材の接合面間に、この金属部材よりも高融点又は高耐熱性の摩擦部材を介在させ、両金属部材の接合面を摩擦部材に押し当てて摩擦圧力を加えた状態で、前記摩擦部材を往復運動させることで両金属部材の接合面に摩擦熱を発生させ、この摩擦熱で金属部材の接合面及び接合面近傍が溶融又は軟化した状態で金属部材間から摩擦部材を抜き取り、両金属部材にアップセット圧力を加えることで接合面を圧接する摩擦圧接方法。
【請求項３】
上記摩擦部材を往復運動させることで両金属部材の接合面に摩擦熱を発生させるとき、両金属部材の何れか一方又は両方に回転を与える請求項２に記載の摩擦圧接方法。
【請求項４】
上記摩擦部材の往復運動が直線的な往復運動又は揺動による往復運動である請求項２又は３に記載の摩擦圧接方法。
【請求項５】
上記摩擦部材の両側が、摩擦特性の異なる摩擦面になっている請求項１乃至４の何れかに記載の摩擦圧接方法。
【請求項６】
上記摩擦発熱工程からアップセット圧力工程への移行が、金属部材の摩擦溶融もしくは軟化箇所の発熱量又は、金属部材に生じる摩擦寄り代量の変化をもとに、自動的に切り換えるようにする請求項１乃至５の何れかに記載の摩擦圧接方法。
【請求項７】
互いに接合せんとする金属部材を両金属部材の接合面が対向するようそれぞれ固持し、回転駆動機によって回転が付与される一対のチャック部材を、固持した両金属部材に摩擦圧力とアップセット圧力を加えることができる接近離反動自在に配置し、前記両チャック部材の対向面間に位置させる摩擦部材を前記金属部材よりも高融点又は高耐熱性の材料を用いて形成し、この摩擦部材と前記両チャック部材を、両金属部材の接合面間に対して摩擦部材の進入と抜き取りができるよう、相対的に移動自在となるよう配置した摩擦圧接装置。
【請求項８】
互いに接合せんとする金属部材を両金属部材の接合面が対向するようそれぞれ固持するチャック部材を、固持した両金属部材に摩擦圧力とアップセット圧力を加えることができる接近離反動自在に配置し、前記両チャック部材の対向面間に位置させる摩擦部材を前記金属部材よりも高融点又は高耐熱性の材料を用いて形成し、この摩擦部材と前記両チャック部材を、両金属部材の接合面間に対して摩擦部材の進入と抜き取りができるよう、相対的に移動自在となるよう配置し、前記摩擦部材に往復運動付与機構で往復運動を付与するようにした摩擦圧接装置。
【請求項９】
上記チャック部材が、固持した金属部材に回転を与えるよう回転駆動機で回転が付与されるようになっている請求項８に記載の摩擦圧接装置。
【請求項１０】
上記摩擦部材の両側が、摩擦特性の異なる摩擦面になっている請求項７乃至９の何れかに記載の摩擦圧接装置。
【請求項１１】
上記摩擦部材の往復運動付与機構が、摩擦部材に直線的な往復運動又は揺動による往復運動を付与するように形成されている請求項８乃至１０の何れかに記載の摩擦圧接装置。
【請求項１２】
上記両チャック部材の対向面間に位置させる摩擦部材が、後端を支点に上下に揺動可能となる揺動アームの先端に上下に揺動可能に取付けられ、この揺動アームに前記摩擦部材を上下に揺動させる往復運動付与手段を設け、前記揺動アームに、摩擦部材を両金属部材の接合面間に対して出し入れする引き抜き機構を連動させた請求項７乃至１１の何れかに記載の摩擦圧接装置。
【請求項１３】
上記両チャック部材の対向面間に位置させる摩擦部材が、後端を支点に上下に揺動可能となる揺動アームの先端側に前後方向の移動が可能に取付けられ、この揺動アームに前記摩擦部材を直線的に前後動させる往復運動付与手段を設け、前記揺動アームに、摩擦部材を両金属部材の接合面間に対して出し入れする引き抜き機構を連動させた請求項７乃至１１の何れかに記載の摩擦圧接装置。
【請求項１４】
上記両チャック部材の対向面間に位置させる摩擦部材が、前記チャック部材の軸方向に移動可能に配置されている請求項７乃至１３の何れかに記載の摩擦圧接装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、二つの金属部材の接合面及び接合面近傍を摩擦熱によって溶融又は軟化させることにより接合する摩擦圧接方法と摩擦圧接装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の摩擦圧接方法（例１）は、二つの金属部材の接合面を直接押し当て、両金属部材に摩擦圧力を加えた状態で両金属部材に相対回転を与え、接合面及び接合面近傍を摩擦熱によって溶融又は軟化させた後、両金属部材にアップセット圧力を加えることにより、接合面を接合するようにしている。
【０００３】
次に、別の摩擦圧接方法（例２）としては、金属部材の端面相互間に充填材として中間部材を配置し、両金属部材に摩擦圧力を加えた状態で、両金属部材に相対回転を与え、中間部材及び両金属部材の接合面及び接合面近傍を摩擦熱によって溶融又は軟化させた後、両金属部材にアップセット圧力を加えることにより、中間部材を挟んだまま両金属部材の接合面を接合するようにしている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
また、別の摩擦圧接方法（例３）としては、金属部材の端面相互間に充填材として中間部材を配置し、該中間部材を高速回転若しくは高速振動させると共に、金属部材をそれぞれ中間部材に押し当ててその相互にて摩擦圧力を発生させ、次いで、該中間部材の回転若しくは振動を停止させると同時に、両金属部材にアップセット圧力を加えることにより、中間部材を挟んだまま両金属部材を接合するようにしている（例えば、特許文献２、３参照）。
【０００５】
更に、別の摩擦圧接方法（例４）としては、金属製の回転円盤を用い、この回転円盤の両面で外周寄りの位置に金属部材の接合面を押し当て、両金属部材に回転円盤を挟む摩擦圧力を加えた状態で回転円板を回転させることで、両金属部材の接合面及び接合面近傍を摩擦熱によって溶融又は軟化させ、接合面及び接合面近傍が溶融又は軟化すると両金属部材の接合面間から回転円盤を抜き取り、両金属部材の接合面を圧接させてアップセット圧力を加えることにより、接合面を接合するようにしている（例えば、特許文献４参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−２７２８３４号公報
【特許文献２】特開２００２−６６７５６号公報
【特許文献３】特開２００７−１３６４９９号公報
【特許文献４】特開昭５７−１４９０９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、前者（例１）の摩擦圧接方法は、両金属部材を同軸心状に配置して相対回転させながら、接合面及び接合面近傍を溶融又は軟化させて圧接させるため、接合面における軸心部と外周部での摩擦発熱量にバラツキが生じ、外周部が溶融又は軟化しても軸心部では十分に溶融又は軟化しないため、金属部材の接合面が大型になると、接合面全面を均一に溶着させることができないので接合強度が低下するという問題がある。
【０００８】
また、２つの金属部材の接合面を直接押し当て、両金属部材に摩擦圧力を加えた状態で両金属部材に相対回転を与え、接合面に摩擦熱を発生させるため、両金属部材の界面での発熱量が同じであり、両金属部材の変形抵抗や融点が大きく異なる場合、両金属部材の溶融又は軟化の程度が異なり、アプセット圧力をかける段階で、一方の金属部材のみが変形し、接合が十分に行われないという問題がある。
【０００９】
さらに、２つの金属部材の接合面を直接押し当て、両金属部材に摩擦圧力を加えた状態で両金属部材に相対回転を与え、接合面に摩擦熱を発生させるため、摩擦圧力による発熱の段階で、金属部材の組み合わせによっては、接合界面に金属間化合物を生ずるため接合が十分に行われないという問題がある。
【００１０】
また、金属部材の端面同士を直接接触、両金属部材を相対的に回転させることにより摩擦熱を生じさせる方法は、非円形部材を接合する場合、圧接時に金属部材の回転位相を制御しなければ接合した金属部材間に位相ズレが発生することになり、実質的に困難である。
【００１１】
また、例２の摩擦圧接方法は、段落［０００８］、［０００９］の課題について、金属部材の接合が困難な組合せのうち、適当な中間材の適用によりある程度の接合が可能となることはあるが、最適な中間材がない場合が多く、一部の解決にとどまっている。さらに［０００７］、［００１０］の課題は未解決のままである。
【００１２】
次に、例３の摩擦圧接方法は、上記した段落［０００７］、［００１０］の課題について、解決されるが、段落［０００９］が一部の解決にとどまるとともに、段落［０００８］が全く解決できない。また、接合後中間材が挟まれたままになっているので加工が必要で、工程の増加によるコストアップや作業の煩雑性があり、レールなど複雑な形状の接合に適さない。また、根本的に中間材の異物が両金属部材の間に挟まれた状態にあることから継手の効率は十分でない。
【００１３】
次に、例４の摩擦圧接方法は、段落［０００７］、［０００８］、［０００９］、［００１０］の課題は解決に寄与するが、回転円盤の側面で外周寄りの位置に金属部材を押し当てるため、回転円盤の側面に対して金属部材の溶融金属が付着し、回転円盤の側面に付着した溶融金属が金属部材から離れて一回転した後、再び金属部材と回転円盤の間に戻る状態が繰り返され、この付着した溶融金属が空気に触れることで酸化し、これが金属部材の接合面の軟化金属に混入することで、接合強度が低下するという問題がある
【００１４】
更に、回転円盤全体の面積が大きくなることから、摩擦発熱の回転円盤による抜熱が大きくなり、金属部材の溶融又は軟化が十分に行われにくいという欠点もある。
【００１５】
そこで、この発明の課題は、上記のような問題点を解決するため、金属部材の接合面及び接合面近傍全面を均一に溶融又は軟化させることができ、しかも、接合面への酸化物の混入発生がなく、強固な接合強度が得られると共に、形状や大きさにかかわらず、融点や変形抵抗の大きく異なる場合も含んだ異質金属部材の摩擦圧接も可能になる摩擦圧接方法と摩擦圧接装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記のような課題を解決するため、第１の方法の発明は、互いに接合せんとする金属部材の接合面間に、この金属部材よりも高融点又は高耐熱性の摩擦部材を介在させ、両金属部材の接合面を摩擦部材に押し当てて摩擦圧力を加えた状態で、前記両金属部材を回転運動させることで両金属部材の接合面に摩擦熱を発生させ、この摩擦熱で金属部材の接合面及び接合面近傍が溶融又は軟化した状態で金属部材間から摩擦部材を抜き取り、両金属部材にアップセット圧力を加えることで接合面を直接圧接し、異物としての摩擦部材を間に挟まない高強度な継手を作成するようにしたものである。
【００１７】
第２の方法の発明は、互いに接合せんとする金属部材の接合面間に、この金属部材よりも高融点又は高耐熱性の摩擦部材を介在させ、両金属部材の接合面を摩擦部材に押し当てて摩擦圧力を加えた状態で、前記摩擦部材を往復運動させることで両金属部材の接合面に摩擦熱を発生させ、この摩擦熱で金属部材の接合面及び接合面近傍が溶融又は軟化した状態で金属部材間から摩擦部材を抜き取り、両金属部材にアップセット圧力を加えることで接合面を圧接するようにしたものである。
【００１８】
上記摩擦部材を往復運動させることで両金属部材の接合面に摩擦熱を発生させるとき、両金属部材の何れか一方又は両方に回転を与えるようにすることができる。
【００１９】
また、上記摩擦部材の往復運動が直線的な往復運動又は揺動による往復運動であり、この摩擦部材の両側が、摩擦特性の異なる部材とすることで、材質の異なる金属部材の摩擦圧接が可能になる。
【００２０】
更に、上記摩擦発熱工程からアップセット圧力工程への移行が、金属部材の摩擦溶融もしくは軟化箇所の発熱量又は、金属部材に生じる摩擦寄り代量の変化をもとに、自動的に切り換えるようにすることができる。
【００２１】
また、装置の発明は、互いに接合せんとする金属部材を両部材の接合面が対向するようそれぞれ固持するチャック部材を、固持した両金属部材に摩擦圧力とアップセット圧力を加えることができる接近離反動自在に配置し、前記両チャック部材の対向面間に位置させる摩擦部材を金属部材よりも高融点又は高耐熱性の材料を用いて形成し、この摩擦部材を前記両チャック部材間に対して進退動自在となるよう配置し、前記摩擦部材に往復運動付与機構で往復運動を付与するようにしたものである。
【００２２】
上記チャック部材が、固持した金属部材に回転を与えるよう回転駆動機で回転が付与されるようにし、上記摩擦部材の両側が、摩擦特性の異なる摩擦面になっているようにしたり、前記摩擦部材の往復運動付与機構が、摩擦部材に直線的な往復運動又は揺動による往復運動を付与するように形成され、これら往復運動の周期が、１〜１００〔ＫＨｚ〕になっているようにすることができる。
【００２３】
また、上記両チャック部材の対向面間に位置させる摩擦部材が、後端を支点に上下に揺動可能となる揺動アームの先端に上下に揺動可能に取付けられ、この揺動アームに前記摩擦部材を上下に揺動させる往復運動付与手段を設け、前記揺動アームに、摩擦部材を両金属部材の接合面間に対して出し入れする引き抜き機構を連動させた構造とすることができる。
【００２４】
更に、上記両チャック部材の対向面間に位置させる摩擦部材が、後端を支点に上下に揺動可能となる揺動アームの先端側に前後方向の移動が可能に取付けられ、この揺動アームに前記摩擦部材を直線的に前後動させる往復運動付与手段を設け、前記揺動アームに、摩擦部材を両金属部材の接合面間に対して出し入れする引き抜き機構を連動させた構造としてもよい。
【００２５】
また、上記両チャック部材の対向面間に位置させる摩擦部材が、前記金属部材の軸方向に移動可能に配置されているようにすることができる。
【００２６】
ここで、摩擦圧接装置における摩擦部材の往復運動付与機構は、摩擦部材振動用モータの回転をクランク機構やリンク機構、カム機構を用い、摩擦部材に直進や揺動の往復運動を与えるように形成され、この摩擦部材は接合せんとする金属部材よりも高融点又は高耐熱性の材料を用いることになるが、異質の金属部材を接合させる場合、一方金属部材に対応する高融点又は高耐熱性の材料と他方金属部材に対応する高融点又は高耐熱性の材料を重ね合わせた構造とすることができる。
【００２７】
上記した一対のチャック部材は、ベース支持台上に水平状態で対向するよう同軸心状に配置され、一方のチャック部材はベース支持台上の定位置に回転可能となるよう支持され、トルク計やクラッチを介して回転摩擦モータで駆動されるようになっている。
【００２８】
また、他方のチャック部材はベース支持台に設けた移動テーブルの上に回転可能となるよう支持され、移動テーブルの上に設けたトルク計やクラッチを介して回転摩擦モータで駆動されるようになっており、前記移動テーブルは、ベース支持台との間に設けた送り機構とこれを駆動するアップセットモータによって、一方のチャック部材に対する進退動が付与されるようになっている。
【００２９】
上記した摩擦部材の往復運動付与機構は、両チャック部材間の側方でチャックの軸方向に可動となるよう配置したテーブルの上に設けられ、前記摩擦部材は、引き抜き用モータによって往復動させることで、チャック部材の対向面間に出没させるようになっている。
【発明の効果】
【００３０】
この発明によると、互いに接合せんとする金属部材の接合面間に摩擦部材を介在させ、両金属部材に摩擦圧力を加えた状態で、両金属部材を回転または摩擦部材を往復運動させ、発生した摩擦熱で金属部材の接合面及び接合面近傍が溶融又は軟化した状態で金属部材間から摩擦部材を抜き取り、両金属部材にアップセット圧力を加えることで接合面を圧接するので、金属部材の接合面全面を均一に接合させることができ、摩擦圧接による強固な接合強度が得られることになる。
【００３１】
また、摩擦部材を固定或いは摩擦部材の振幅幅を小さく設定することで、摩擦部材に付着した溶融金属が空気と接触するのを防ぐことができ、これによって接合面への酸化溶融金属の混入発生がなく、摩擦圧接による強固な接合強度が得られることになる。
【００３２】
更に、摩擦部材の両側を摩擦特性の異なる摩擦面にし、摩擦部材と金属部材間の発熱量を両側で変えることにより、異質となる金属部材の接合面及び接合面近傍を同じ程度に溶融又は軟化させることができ、異質となる金属部材の摩擦圧接も可能になる。
【００３３】
また、摩擦部材による金属部材の接合面及び接合面近傍を溶融又は軟化させるとき、摩擦部材の往復動と金属部材への回転付与を併用することにより摩擦効率が向上し、金属部材接合面及び接合面近傍の溶融又は軟化が効率的に行えることになる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】この発明に係る摩擦圧接装置の第１の例を示す圧接前の正面図
【図２】この発明に係る摩擦圧接装置の第１の例を示す圧接前の平面図
【図３】（ａ）は摩擦圧接装置に組み込む往復運動付与機構の圧接時の状態を示す側面図、（ｂ）は同じく往復運動付与機構の摩擦部材を引き抜いた状態を示す側面図
【図４】摩擦圧接装置に組み込む往復運動付与機構の圧接時の状態を示す拡大した側面図
【図５】（ａ）はこの発明に係る摩擦圧接装置の第２の例を示す圧接前の平面図、（ｂ）は同正面図
【図６】摩擦圧接装置に組み込む往復運動付与機構の圧接時の状態を示す側面図
【図７】摩擦圧接装置に組み込む往復運動付与機構の圧接時の状態を示す拡大した側面図
【図８】摩擦圧接装置に組み込む往復運動付与機構の圧接時の状態を示す拡大した一部切り欠き平面図
【図９】摩擦部材による金属部材の摩擦加熱時の状態を示し、（ａ）は金属部材に回転を与えないで加熱する状態の斜視図、（ｂ）は金属部材に回転を与えて加熱する状態の斜視図、（ｂ）は異質金属部材を加熱する状態の斜視図
【図１０】摩擦圧接のプロセスの一例を示す説明図
【図１１】摩擦圧接時の鉄筋に生じる摩擦寄り代量の変化の一例を示す説明図
【図１２】摩擦部材に付与する往復動の１サイクルでの最大ストロークを示す説明図
【発明を実施するための形態】
【００３５】
以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
【００３６】
図１と２は、この発明の摩擦圧接方法の実施に用いる摩擦圧接装置の第１の例を示し、横長となるベース支持台１の上面に、互いに接合せんとする金属部材ａ、ｂを、接合面が対向するよう同軸心状の配置に固持する一対のチャック部材２、３と、このチャック部材２、３の対向面間に進退自在の配置となり、チャック部材２、３で固持された金属部材ａ、ｂの接合面間に介在させ、往復運動により金属部材ａ、ｂの接合面及び接合面近傍を摩擦熱によって溶融又は軟化させる摩擦部材４と、この摩擦部材４に往復運動を与える往復運動付与機構５を設けて形成されている。
【００３７】
上記摩擦部材４は、接合せんとする金属部材ａ、ｂよりも高融点又は高耐熱性の材料を用いて板状に形成され、異質の金属部材ａ、ｂを接合させる場合、一方金属部材ａに対応する高融点又は高耐熱性の材料と他方金属部材ｂに対応する高融点又は高耐熱性の硬質材料を重ね合わせた構造とすることができる。
【００３８】
上記一対のチャック部材２、３は、ベース支持台１上に水平状態で対向するよう同軸心状に配置され、一方のチャック部材２はベース支持台１上に設けた固定テーブル６の上面に軸受機構７で回転可能となるよう定位置に支持され、固定テーブル６に固定した回転摩擦モータ８でトルク計９やクラッチ１０を介して駆動されるようになっている。
【００３９】
また、他方のチャック部材３は、ベース支持台１にレールでガイドされてチャック部材３の軸方向に移動自在となるよう設けた移動テーブル１１の上に軸受機構１２で回転可能となるよう支持され、移動テーブル１１の上に設けたトルク計１３やクラッチ１４を介して回転摩擦モータ１５で駆動されるようになっており、前記移動テーブル１１は、ベース支持台１との間に設けた回転ねじとナットからなる送り機構１６と、これを駆動するようベース支持台１に固定したアップセットモータ１７によって、一方チャック部材２に対する進退動が付与されるようになっている。
【００４０】
なお、図示の場合、両チャック部材２と３は共に回転させることができるようにしたが、摩擦部材４による金属部材接合面及び接合面近傍の溶融又は軟化工程時に、金属部材ａ、ｂの材質によって、両チャック部材２と３を回転させないで行ったり、何れか一方のチャック部材２又は３の回転を停止させたりすることができる。
【００４１】
上記両チャック部材２と３間の後方に、チャック部材２、３の軸方向に平行する水平のガイド軸１８を設け、このガイド軸１８でテーブル１９を、チャック部材２、３の軸方向、即ち、チャック部材２、３で固持した金属部材ａ、ｂの軸方向に可動となるよう支持し、上記した摩擦部材４の往復運動付与機構５は、前記テーブル１９の上に設けられ、その摩擦部材４は、金属部材ａ、ｂの軸方向に可動となっていると共に、後述する引き抜き用モータによって往復動させることで、チャック部材２と３の対向面間に出没させるようになっている。
【００４２】
図３と図４は、往復運動付与機構５として摩擦部材４を上下の揺動によって往復運動させる構造を示し、テーブル１９の上に設けた水平の支点軸２０に揺動アーム２１の後端を枢止し、支点軸２０を中心に上下に揺動可能にすると共に、この揺動アーム２１の中間部に、往復運動付与手段を構成する偏心回転軸２２及び、この偏心回転軸２２と出力軸を連動した摩擦部材振動用モータ２３を設け、前記揺動アーム２１の先端に前部リンク２４を水平の枢軸２５で上下に揺動自在となるよう取付け、この前部リンク２４の後端と前記偏心回転軸２２をリンク２６で連結し、前記前部リンク２４の先端に、板厚が垂直の配置となる摩擦部材４が前方に向けて突出するよう固定されている。
【００４３】
上記摩擦部材４の引き抜き機構は、テーブル１９の前面側下部に固定した摩擦部材引き抜き用モータ２７によって駆動される偏心回転軸２８と、揺動アーム２１の途中下部とを連杆２９で繋ぎ、偏心回転軸２８の回転で揺動アーム２１に上下の揺動を与え、上昇位置と下降位置の何れかに停止させることができるようになっている。
【００４４】
上記偏心回転軸２８が上死点にあるとき、図３（ａ）のように、揺動アーム２１は上昇して水平の位相になり、摩擦部材４は揺動アームの水平状態でチャック部材２と３の間に位置し、また、偏心回転軸２８が下死点に回動すると、図３（ｂ）のように、揺動アーム２１は連杆２９で引き下げられて前方下がりに傾斜し、摩擦部材４がチャック２と３の間に対して下方に位置することになる。
【００４５】
上記摩擦部材振動用モータ２３を起動すると、偏心回転軸２２の回転でリンク２６が前部リンク２４の後端を前後動させることになり、前部リンク２４は枢軸２５を支点に揺動し、この前部リンク２４の先端に突設した摩擦部材４も枢軸２５を支点に上下に揺動することになる。
【００４６】
第１の例の摩擦圧接装置は、上記のような構成であり、次にこの摩擦圧接装置を用いた圧接方法を説明する。
【００４７】
図１と図２のように、接合せんとする軸状の金属部材ａとｂを離反させたチャック部材２と３で固持し、同軸心状に配置すると共に、揺動アーム２１を図３（ａ）のように摩擦部材引き抜き用モータ２７で水平に保持し、この揺動アーム２１の先端に固定した摩擦部材４を金属部材ａとｂの対向する先端接合面間に位置させる。
【００４８】
この状態でアップセットモータ１７を正回転させ、他方チャック部材３を前進動させて金属部材ｂの先端で摩擦部材４を押すことにより、両金属部材ａ、ｂの接合面で摩擦部材４を挟むことにより、接合面を摩擦部材４に押し当てて摩擦圧力を加えた状態で、摩擦部材振動用モータ２３を起動する。
【００４９】
このとき、摩擦部材４は両金属部材ａ、ｂの軸方向に移動可能になっているので、一方の金属部材ｂの先端で摩擦部材４を押すことにより、両金属部材ａ、ｂの接合面で摩擦部材４を挟むことができる。
【００５０】
上記摩擦部材振動用モータ２３の起動により、揺動アーム２１の先端に固定した摩擦部材４は、図４や図９（ａ）の破線矢印のように上下に揺動し、摩擦部材４に摩擦圧力で圧接されている金属部材ａ、ｂの先端接合面は、揺動する摩擦部材４との摩擦により摩擦熱が発生し、この摩擦熱で金属部材ａ、ｂの接合面及び接合面近傍が所定の溶融又は軟化状態になると、摩擦部材振動用モータ２３を停止させて圧接力を少し減圧すると同時に、摩擦部材引き抜き用モータ２７を起動し、図３（ｂ）のように、揺動アーム２１を連杆２９で引き下げることで前方下がりに傾斜させ、摩擦部材４を金属部材ａとｂの接合面間から抜き取る。
【００５１】
上記金属部材ａとｂの接合面間から摩擦部材４が抜けると、直ぐにアップセットモータ１７を更に正回転させて一方金属部材ｂを前進させ、両金属部材ａ、ｂの接合面を圧接させてアップセット圧力を加えることにより、溶融又は軟化した両金属部材ａ、ｂの接合面は互いに圧接することになる。
【００５２】
両金属部材ａ、ｂの接合面が互いに圧接すると、アップセットモータ１７を停止させ、チャック部材２、３を開いて金属部材ａ、ｂの固持を解き、アップセットモータ１７を逆回転させてチャック部材３を後退位置に戻せば、圧接した金属部材ａ、ｂをチャック部材２と３から取出すことができる。
【００５３】
なお、金属部材ａ、ｂの接合面を溶融又は軟化させる工程時において、一方金属部材ｂを前進させて両金属部材ａ、ｂの接合面を溶融又は軟化させる場合、両金属部材ａ、ｂの接合面が溶融又は軟化して摩擦寄り代が発生し、摩擦部材４は他方金属部材ａの側に移動することになる。
【００５４】
また、金属部材ａ、ｂの接合面を溶融又は軟化させる工程時において、両金属部材ａ、ｂを共に前進させる構造を採用した場合、両金属部材ａ、ｂの摩擦寄り代が摩擦部材４に対して接近することになり、摩擦部材４は定位置に停止のままでよく、従って、両金属部材ａ、ｂを共に前進させるようにした摩擦圧接装置の場合、摩擦部材４は両金属部材ａ、ｂの軸方向に対して固定配置した構造を採用してもよい。
【００５５】
上記した金属部材ａ、ｂの圧接時において、摩擦部材４との摩擦により金属部材ａ、ｂの接合面及び接合面近傍を溶融又は軟化させる場合に、回転摩擦モータ８と１５を起動させ、図９（ｂ）のように、金属部材ａ、ｂにその軸心を中心とする回転を付与し、摩擦部材４の往復揺動と金属部材ａ、ｂの回転を併用することで摩擦熱の発生効率を向上させ、圧接工程の効率化を図るようにすることができる。
【００５６】
また、圧接せんとする金属部材ａ、ｂが異質の場合、高融点側の金属部材だけを回転させて両金属部材ａ、ｂの接合面及び接合面近傍の溶融又は軟化状態が同一状態になるようにすることができる。
【００５７】
更に、摩擦部材は接合せんとする金属部材よりも高融点又は高耐熱性の材料を用いることになるが、圧接せんとする金属部材ａ、ｂが異質の場合、図９（ｃ）に示すように、摩擦部材４の両側が摩擦特性の異なる摩擦面、即ち、一方金属部材ａに対応する高融点又は高耐熱性の材料４ａと他方金属部材ｂに対応する高融点又は高耐熱性の材料４ｂを重ね合わせた二層構造とすることができる。
【００５８】
上記金属部材ａ、ｂの圧接時において、両金属部材ａ、ｂの接合面の軟化を効率よく行うために、摩擦部材４の往復運動の周期は、１〜１００〔ＫＨｚ〕、また、金属部材ａ、ｂに付与する回転運動は、１〜５，０００ｒｐｍ、両金属部材ａ、ｂに付与する摩擦圧力とアップセット圧力が、５〜１，０００Ｍｐａの範囲に設定するのが好ましい。
【００５９】
また、両金属部材ａ、ｂの接合面及び接合面近傍の溶融又は軟化させる摩擦発熱工程からアップセット圧力工程への移行のタイミングは、金属部材ａ、ｂの摩擦軟化箇所の発熱量又は、金属部材ａとｂに生じる摩擦寄り代量の変化をもとに、自動的に切り換えるようにすることができる。
【００６０】
図１０は、例えば、直径１０ｍｍの鉄筋を圧接する場合の上記した摩擦圧接のプロセスの一例を示し、両面に鉄筋の接合面を当接させた摩擦部材４の振動が２０００ｒｐｍ、ストローク幅１０ｍｍに達すると、鉄筋と摩擦部材４の面圧を４０Ｍｐａに上昇させて初期予熱を行い、５ｓｅｃ程度の時間経過後に面圧を８０Ｍｐａ程度に上昇させて摩擦発熱を行い、同時に鉄筋の回転を１０ｒｐｍ程度にして鉄筋の接合面を軟化させる。
【００６１】
上記鉄筋の接合面を摩擦発熱させるとき、摩擦部材４の揺動を高速にすることで摩擦発熱の効率が向上し、又、揺動のストローク幅を小さくすることで、摩擦部材４の面に付着した溶融金属が空気に曝されるのを極力少なくすることができ、接合面が酸化されるのを防ぐことができる。
【００６２】
鉄筋の接合面が軟化すると、鉄筋の押圧を一時的に停止し、摩擦部材４を速やかに引き抜いて揺動を停止させ、摩擦部材４が抜けると、鉄筋の面圧を１００Ｍｐａ程度の条件に上昇させ、鉄筋の回転を１０ｒｐｍ程度に続けることで鉄筋の圧接を完了する。
【００６３】
上記鉄筋の押圧停止から摩擦部材４を引き抜いて本圧接に移行する時間は０．１から０．５ｓｅｃの間で行い、軟化した接合面の酸化を抑制するようにする。
【００６４】
図１１は、摩擦圧接時の鉄筋に生じる摩擦寄り代量の変化の一例を示し、図１１（ａ）の予備摩擦時のように、直径１０ｍｍで長さ１００ｍｍの鉄筋を圧接する場合、摩擦発熱時は図１１（ｂ）のように５ｍｍ程度短くなるまで押圧し、図１１（ｃ）のようにアップセット後は、更に５ｍｍ短くなるまで押圧するようにし、これにより、鉄筋の圧接面近傍はバリの発生のため鉄筋よりも太径になる。
【００６５】
なお、両チャック部材２と３を共に回転させることができるようにした構造では、摩擦部材４を停止させた状態で、金属部材ａ、ｂを摩擦部材４に押付けて回転させることにより金属部材の接合面及び接合面近傍を溶融又は軟化させ、この後、金属部材ａ、ｂ間から摩擦部材４を抜き取り、両金属部材ａ、ｂにセットアップ圧力を加え、金属部材ａ、ｂの溶融又は軟化した接合面を直接圧接させる方法を採用することができる。
【００６６】
次に、図５乃至図８は、摩擦圧接装置の第２の例を示し、往復運動付与機構５ａが摩擦部材４を前後に直線的な往復運動させるようにした構造を有している。なお、第１の例の摩擦圧接装置と同一部分には同一符号を用いて説明する。
【００６７】
この第２の例の摩擦圧接装置は、ベース台１のテーブル６上に設けた一方チャック部材２を回転しないよう定位置に固定配置し、一方チャック部材２と同軸心で対向する配置となる他方チャック部材３は、軸受３ａで軸方向に可動となるよう支持された水平移動軸３ｂの先端に取付けられ、水平移動軸３ｂを介してテーブル６に固定したアップセットシリンダ３１で、一方チャック部材２に対して進退動するようになっている。
【００６８】
上記往復運動付与機構５ａは、ベース台１の上で両チャック部材２と３間の後方に、チャック部材２、３の軸方向に平行する支点軸３２を配置し、この支点軸３２に後端を枢止して上下の揺動と軸方向の移動が可能となる揺動アーム３３の一面側に、ホルダー３４をガイドに直線的な前後動可能となる進退軸３５を設け、揺動アーム３３の他面側に往復運動付与手段となる摩擦部材振動用モータ３６を固定し、このモータ３６の出力軸と、前記進退軸３５の後端を偏心回転前後機構３７の前後動軸３８を介して連結し、この進退軸３５の先端に板厚が垂直の配置となる摩擦部材４を前方に向けて突出させるようホルダー３９を用いて固定し、前記摩擦部材振動用モータ３６の回転で進退軸３５とこれに固定した摩擦部材４が一定ストロークを前後に往復動するようにしている。
【００６９】
なお、上記前後動軸３８には、進退軸３５と摩擦部材４の重量に釣り合うためのバランスウエイト４０が取付けてある。
【００７０】
上記揺動アーム３３は、先端寄りの下部に固定した二又保持具４１が、ベース台１に対して固定配置した支持軸４２によって支持され、水平状態が保持されると共に、先端下部に引き抜き機構を構成する摩擦部材引き抜き用シリンダ４３がヒンジの枢軸４４を介して連結され、このシリンダ４３を伸縮させることにより、前記摩擦部材４をチャック部材２と３の対向面間に出没させる上昇位置（図７の一点鎖線）と水平の下降位置（図７の実線）の何れかに停止させることができるようになっている。
【００７１】
第２の例の摩擦圧接装置は、上記のような構成であり、次にこの摩擦圧接装置を用いた圧接方法を説明する。
【００７２】
図５乃至図７のように、接合せんとする金属部材ａとｂを離反させたチャック部材２と３で固持し、同軸心状に配置すると共に、揺動アーム３３を水平に保持し、先端に固定した金属部材ａ、ｂよりも高融点又は高耐熱性の摩擦部材４を金属部材ａとｂの先端間に位置させる。
【００７３】
この状態でアップセットシリンダ３１を伸長させ、他方チャック部材３を前進動させて金属部材ｂの先端で摩擦部材４を押すことにより、両金属部材ａ、ｂの接合面を摩擦部材４に押し当てて摩擦圧力を加えた状態で、摩擦部材振動用モータ３６を起動する。
【００７４】
上記摩擦部材振動用モータ３６の起動により、揺動アーム３３で保持した摩擦部材４は、図９（ａ）の実線矢印のように前後に進退動し、摩擦部材４に摩擦圧力で圧接されている金属部材ａ、ｂの先端接合面は、進退動する摩擦部材４との摩擦により摩擦熱が発生し、この摩擦熱で金属部材ａ、ｂの接合面及び接合面近傍が所定の溶融又は軟化状態になると、摩擦部材振動用モータ３６を停止させて圧接力を少し減圧させると同時に、摩擦部材引き抜き用シリンダ４３を伸長させ、図７の一点鎖線のように、揺動アーム３３を押し上げることで前方上がりに傾斜させ、摩擦部材４を金属部材ａとｂ間から抜き取る。
【００７５】
上記金属部材ａとｂ間から摩擦部材４が抜けると、速やかにアップセットシリンダ３１を更に伸長させて金属部材ｂを前進させ、両金属部材ａ、ｂの接合面を圧接させてアップセット圧力を加えることにより、溶融又は軟化した両金属部材ａ、ｂの接合面は互いに圧接されることになる。
【００７６】
両金属部材ａ、ｂの接合面が互いに圧接されると、アップセットシリンダ３１を停止させ、チャック部材２、３を開いて金属部材ａ、ｂの固持を解き、アップセットシリンダ３１を収縮させてチャック部材３を後退位置に戻せば、圧接した金属部材ａ、ｂをチャック部材２と３から取出すことができる。
【００７７】
なお、第２の例の摩擦圧接装置では、両チャック部材２と３は、図示の場合、回転付与機構を省いたが、上記した金属部材ａ、ｂの圧接時に、第１の例の摩擦圧接装置と同様に、金属部材ａ、ｂに回転を付与するようにすることができ、また、圧接せんとする金属部材ａ、ｂが異質の場合、高融点側の金属部材だけを回転させるようにしたり、摩擦部材４の両側が摩擦特性の異なる摩擦面となる二層構造とすることができる。
【００７８】
図１２は、金属部材ａ、ｂの接合面が円形の場合において、摩擦部材４に付与する往復動の１サイクルにおけるストロークの一例を示し、金属部材ａ、ｂにおける接合面の半径をｄとすると、摩擦部材４の１サイクルにおける最大ストロークは２ｄ兀に設定し、摩擦部材４と金属部材ａ、ｂの接合面との接触が常に維持されるように摩擦部材４の大きさに形成すると共に、最小ストロークは０以上に設定する。このような、摩擦部材４の往復動における１サイクルのストロークと摩擦部材４の大きさの関係は、上記第１の例の摩擦圧接装置における摩擦部材４の揺動ストロークにも適用する。
【００７９】
また、上記金属部材ａ、ｂの圧接時における摩擦部材４の前後往復運動の周期や、金属部材ａ、ｂに付与する回転運動、両金属部材ａ、ｂに付与する摩擦圧力とアップセット圧力は、上記第１の例の摩擦圧接装置と同様の範囲に設定すればよく、両金属部材ａ、ｂの接合面及び接合面近傍の溶融又は軟化させる摩擦発熱工程からアップセット圧力工程への移行のタイミングも、金属部材ａ、ｂの摩擦溶融又は軟化箇所の発熱量又は、図１１に示したように、金属部材ａとｂに生じる摩擦寄り代量の変化をもとに、自動的に切り換えるようにすればよい。
【００８０】
なお、第１と第２の例の摩擦圧接装置において、圧接せんとする金属部材ａ、ｂの材質は、摩擦熱によって溶融又は軟化するものであればよく、摩擦部材は、金属部材ａ、ｂよりも融点又は耐熱性の高いものであれば材質は限定されないが、摩擦熱の発生効率を高めるには、摩擦係数の高いものを選ぶようにすればよく、また、金属部材ａ、ｂを回転させずに圧接させる場合は、図示例のような軸状の金属部材だけでなく、各種形状の金属部材に対する圧接を行うことができる。
【符号の説明】
【００８１】
１        ベース支持台
２        チャック部材
３        チャック部材
４        摩擦部材
５        往復運動付与機構
５ａ      往復運動付与機構
６        固定テーブル
７        軸受機構
８        回転摩擦モータ
９        トルク計
１０      クラッチ
１１      移動テーブル
１２      軸受機構
１３      トルク計
１４      クラッチ
１５      回転摩擦モータ
１６      送り機構
１７      アップセットモータ
１８      ガイド軸
１９      テーブル
２０      支点軸
２１      揺動アーム
２２      偏心回転軸
２３      摩擦部材振動用モータ
２４      前部リンク
２５      枢軸
２６      リンク
２７      摩擦部材引き抜き用モータ
２８      偏心回転軸
２９      連杆
３１      アップセットシリンダ
３２      支点軸
３３      揺動アーム
３４      ホルダー
３５      進退軸
３６      摩擦部材振動用モータ
３７      偏心回転前後機構
３８      前後動軸
３９      ホルダー
４０      バランスウエイト
４１      二又保持具
４２      支持軸
４３      摩擦部材引き抜き用シリンダ
４４      枢軸
【図１】
2010214388.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2010214388.tif 000007
【図６】
2010214388.tif 000008
【図７】
2010214388.tif 000009
【図８】
2010214388.tif 000010
【図９】
2010214388.tif 000011
【図１０】
2010214388.tif 000012
【図１１】
2010214388.tif 000013
【図１２】
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