(57)【要約】【課題】熱伝導率が小さく、かつ伸びの少ない材料を摩擦圧接する場合に、熱収縮によるクラックの発生や大きな残留応力の発生を防止する。【解決手段】熱伝導率が小さく、かつ、伸びの小さい２つの金属材料（２ａ，２ｂ）を摩擦圧接する場合に、２つの金属材料の接合面（６ａ）および少なくともその周辺部を充分に予熱して熱膨張させた状態で、両金属材料の接合面同士を突合わせて摩擦圧接する。ここで接合面等の予熱は、バーナ若しくは電気加熱装置、光の照射、高周波、長時間の摩擦、またはこれらの組み合わせによって行われる。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱伝導率が小さく、かつ、伸びの小さい２つの金属材料（２ａ，２ｂ）を摩擦圧接した場合に接合部（４）に発生する残留応力を低減するための摩擦圧接における熱応力による強制破壊防止方法であって、
２つの金属材料の接合面（４ａ）および少なくともその周辺部を充分に予熱して熱膨張させた状態で、両金属材料の接合面同士を突合わせて摩擦圧接する、ことを特徴とする摩擦圧接における熱応力による強制破壊防止方法。
【請求項２】
前記金属材料の予熱は、バーナ若しくは電気加熱装置による加熱、光の照射による加熱、高周波による加熱、長時間の摩擦による予備加熱、またはこれらの組み合わせによって行う、ことを特徴とする請求項１に記載の摩擦圧接における熱応力による強制破壊防止方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は摩擦圧接における熱応力による強制破壊防止方法にかかり、より詳細には熱伝導率が小さく、かつ伸びの少ない材料を摩擦圧接する場合に、その熱収縮に起因する接合部へのクラックの発生や、大きな引張りの残留応力の発生を防止するための熱応力による強制破壊防止方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
同種または異種の金属材料を相互に接合する方法として、摩擦圧接（イナーシャ溶接）方法が広く知られている。
この方法は、先ず接合しようとする一方の金属材料を回転させ、他方の金属材料を不動に固定し、２つの金属材料の端面（接合面）同士を一定の加圧力を加えた下で突合わせ、金属材料端面に接触回転による摩擦熱を発生させて、両金属材料を固相流動接合するものである。
【０００３】
このように２つの金属材料を接触加圧しながら相対運動させ、発生する摩擦熱を熱源として溶接を行う摩擦圧接は、▲１▼継手の機械的強度が高い、▲２▼同種・異種金属同士を容易かつ安価に接合することができる、▲３▼工数の低減を達成することができ、加工時間も短く作業効率が高い、▲４▼溶接棒や溶剤、特別な開先加工が不要である、▲５▼接合作業時の制御が簡単で経済性にも優れている、等の多くの利点があるため、例えば自動車やジェットエンジン・ガスタービンのシャフト等のような重要な主要部品の接合に広く採用されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従前のシャフト等の機械部品はスチール材により製作されていたが、近年ではジェットエンジン等の軽量化、仕事率の向上等を目的として、高強度のニッケル合金やチタン合金が使用されることが多くなってきている。
このような金属材料を摩擦圧接して機械部品を製作した場合には、ときとして接合部にクラック（熱応力による強制破壊）の発生が認められることが報告されている。
【０００５】
すなわち、従前用いられていたスチール材は熱伝導率が大きいため、接触回転による摩擦熱によって金属材料端部の接合面が高温になった際には、その熱が広い範囲に伝導し、金属材料の広い範囲が熱膨張していた。そのため、軟化した接合面を加圧して接合した後に金属材料が冷却されて熱収縮した場合にも、接合部とその周辺部との収縮差が小さく、接合部に大きな残留応力が局所的に発生することもなかった。
また、スチール材は延性も大きいため、仮に比較的大きな残留応力が発生した場合であって接合部にクラックが発生することもなかった。
これに対し近年使用されるニッケル合金やチタン合金などの金属材料は、熱伝導率が極めて小さいため、接触回転による摩擦熱によって金属材料端部の接合面が８００〜１０００℃程度の高温になった際にも、その熱は接合面のごく近傍にとどまり、接合面からわずかに離れた周辺部の温度は４０℃前後までしか昇温しない。そのため熱膨張は接合面近傍のみに生じ、接合後に接合部が冷却されて熱収縮した際には、接合部とその周辺部との収縮差が大きく、接合部に大きな引張りの残留応力が局所的に発生していた。特に大きな回転力が働くジェットエンジンのシャフト等に使用されるニッケル合金やチタン合金は伸びの少ない材料であるため、その接合部に局所的に大きな熱応力が発生すると接合部にクラックが発生することがあった。
【０００６】
ここで従来は、ニッケル合金やチタン合金を摩擦圧接することにより機械部品を製作する場合であっても、局所的な熱収縮に起因する大きな残留応力の発生を予め防止するための特別の措置は何ら採られておらず、接合後の早い時期に応力除去の熱処理を実施するにとどまっていた。
【０００７】
本発明は上記問題に鑑みてなされたもので、ニッケル合金やチタン合金など熱伝導率が小さいく、かつ伸びの少ない材料を摩擦圧接して製作される機械部品の接合部に生じる大きく局所的な残留応力（熱応力）の発生を抑制し、クラックの発生を防止することによって製品（機械部品）の歩留まりを向上させることができる摩擦圧接における熱応力による強制破壊防止方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するため本発明は、熱伝導率が小さく、かつ、伸びの小さい２つの金属材料（２ａ，２ｂ）を摩擦圧接した場合に接合部（４）に発生する残留応力を低減するための摩擦圧接における熱応力による強制破壊防止方法であって、２つの金属材料の接合面（４ａ）および少なくともその周辺部を充分に予熱して熱膨張させた状態で、両金属材料の接合面同士を突合わせて摩擦圧接する、ことを特徴とする摩擦圧接における熱応力による強制破壊防止方法を提供する。
【０００９】
本発明の摩擦圧接における熱応力による強制破壊防止方法は、端的にいえば、金属材料の摩擦圧接しようとする部分（接合面）およびその周辺部、または金属材料全体を摩擦圧接の前に予熱しておくことを特徴とするものである。
すなわち、熱伝達率が小さく、かつ、伸びの小さい金属材料を従来法により摩擦圧接しようとすると、接触回転による摩擦熱は接合部にとどまる結果、接合部のみに熱膨張が生じた状態で圧接されるため、溶接後に金属材料が冷却されてこれが熱収縮した際には、接合部とその周辺部との収縮差が大きく、接合部に局所的な大きな引張りの残留応力が発生していた。
本発明では金属材料の接合面の周辺の広い範囲を充分に予熱し、金属材料の接合面を含む広い範囲を熱膨張させることにより、接合部とその周辺部との収縮差を小さくして、局所的に大きな残留応力が発生することを防止している。
これによりジェットエンジンのシャフト等に使用されるニッケル合金やチタン合金等の伸びの少ない金属材料を摩擦圧接した場合にも、接合部のクラックの発生を防止し、製品（機械部品）の歩留まりを向上させることができる。
【００１０】
ここで、前記金属材料の予熱は、バーナ若しくは電気加熱装置による加熱、光の照射による加熱、高周波による加熱、長時間の摩擦による予備加熱、またはこれらの組み合わせによって行う、ことが好ましい。
【００１１】
金属材料をその外部からバーナ、電気加熱装置、光、高周波等の熱源によって加熱し、または長い時間をかけて摩擦してやることで、広い範囲を熱膨張させることができ、簡易かつ効果的に接合部の破壊の発生を防止することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の摩擦圧接における熱応力による強制破壊防止方法につき、好適な摩擦圧接の実施例を挙げて説明する。
図１は本発明の摩擦圧接における熱応力による強制破壊防止方法を好適に実施するためのイナーシャ溶接機の概略図（平面図）である。また図２は、図１のＸ−Ｘ矢視図である。
本実施例ではガスタービンのタービンシャフトを摩擦圧接（イナーシャ溶接）により製作している。
【００１３】
典型的な溶接法であるアーク溶接やガス溶接では中空円管（親材）を局部的に溶融するためそのミクロ組織が変化する結果、高温強度能力が目立って低下してしまうのに対し、イナーシャ溶接は親材が溶融しないため高温強度を保持することができ、また、摩擦される接合面表面の酸化皮膜や薄い汚れなどが、溶接中に分解したり、バリと一緒に押し出されるため清浄表面同士が接合され、また鋳造組織や粗大結晶粒などもないので、圧接条件が適切であれば母材と同等の強さを確保することができるといった特徴を有する接合法である。
【００１４】
このタービンシャフトは２本の中空円筒（「第１シャフト材（２ａ）」、「第２シャフト材（２ｂ）」と呼ぶ）を、その端面（接合面４ａ）同士をその軸心を一致させて接合して製作される。このように２本の中空円筒を接合するのは、円筒の径が部分的に異なるタービンシャフトの製作の容易化を図るためである。
【００１５】
またこのタービンシャフトは、１６Ｃｒ−１５Ｃｏ−５Ｔｉ−３Ａｌ−０．１５Ｂ−０．１５Ｆｅ−残Ｎｉの組成を有するＵ７２０（ニッケル合金）を材料として製作されている。Ｕ７２０は、高強度で、その熱伝導率が非常に低く（２３Ｗ／ｍ・℃（８００℃にて））、またその伸びが少なく脆いといった特質を有する材料であり、高温の状況下で高い応力が繰り返し作用する機械部品が適当な有効寿命を実現することができるように開発された超合金である。
【００１６】
図１に示したようにこのイナーシャ溶接機１０は、第１シャフト材２ａを軸周りに回転自在に保持する基台上７に固定された保持具９と、保持具９により保持した第１シャフト材２ａを回転させるためのモータ１１と、保持具９に取り付けられた回転慣性を発生させるためのフライホイール１３と、基台７に設けられたシャフト材の軸方向に形成されたレール１５と、第２シャフト材２ｂを第１シャフト材２ａと同軸に固定するレール１５上を移動可能な固定具１７と、固定具１７を保持具９側に向けて押し出すための油圧シリンダ１９等、従来のイナーシャ溶接機と同様の構成を有しており、またこの他に、基台７上の保持具９と固定具１７との間の空間に加熱装置２０が備えられている。
【００１７】
加熱装置２０は図２に示すように、第１シャフト材２ａと第２シャフト材２ｂの接合面４ａおよびその周辺部を加熱するためにシャフト材の対向する先端部を取り囲んで配置された電熱線２３により構成されている。
【００１８】
このイナーシャ溶接機１０による摩擦圧接は図３に示すように、まず保持具９および固定具１７によって第１シャフト材２ａと第２シャフト材２ｂとを同軸に、かつその両接合面４ａを対向して非接触に配置する（Ｓ１）。
次に加熱装置２０によって第１シャフト材２ａと第２シャフト材２ｂの接合面およびその周辺部を充分に加熱する。本実施例では先端部付近の広い範囲でその温度が６００℃程度になるまで加熱する（Ｓ２）。
加熱により広い範囲に熱膨張が生じた後に、モータ１１の動力により第１シャフト材２ａをフライホイール１３と共に特定の速度まで回転させる。フライホイールが所要の回転数に達した後、モータとフライホイールを切り離す。なおこのとき加熱装置２０によるシャフト材の加熱は継続していてもよいし、終了していてもよい（Ｓ３）。
次に油圧シリンダ１９によって固定具１７を保持具９側に前進させ、固定具１７に固定した第２シャフト材２ｂの接合面を回転する第１シャフト材２ａの接合面に圧力をかけて突合わせる（Ｓ４）。
両シャフト材の接合面の温度を摩擦熱によって１３００℃程度にすることによって、接合面同士を溶融を伴わずに圧接する（Ｓ５）。
最後に接合部の外周側にできたバリを取り除くことによりタービンシャフトを完成する（Ｓ６）。
【００１９】
以上のようにこのイナーシャ溶接機は、従来のイナーシャ溶接機に加熱装置を付加したものである。
このイナーシャ溶接機を用いた摩擦圧接は、Ｕ７２０のようにその熱伝導率が非常に低く、またその伸びが少ない材料を接合面の周辺の広い範囲を充分に予熱し、摩擦熱によって軟化した接合面との温度差を減少させ、圧接後冷却された際の熱収縮の差を小さくすることにより、従来接合部に局所的に大きく発生していた残留応力を低減している。
【００２０】
上述したように本発明によれば、ニッケル合金やチタン合金のように熱伝導率が小さく、かつ、伸びの小さい２つの金属材料をイナーシャ溶接する場合に熱収縮に起因する接合部のクラックの発生を防止することができ、製品（機械部品）の歩留まりを向上させうる摩擦圧接における熱応力による強制破壊防止方法が提供される。
【００２１】
また本発明によれば、加熱装置２０による加熱により、対向する接合面４ａが突合わされる以前に接合面が予熱されているため、接合面を軟化させるために与えなければならない摩擦熱量を少なくすることができ、これによりイナーシャ溶接装置に用いるモータ１１やフライホイール１３も小型化することができるといった２次的効果もある。
【００２２】
本実施例ではシャフト材端部の加熱には電熱線を備えた加熱装置が用いられているが、他の実施形態として両シャフト材端部を取り囲んで配置した例えば、バーナ、複数のハロゲンランプ、高周波加熱装置、またはこれらの組み合わせた装置によって予熱することもできる。
【００２３】
図４に特別な加熱装置を使用せずに、長時間の摩擦によってシャフト材を予備加熱して行う摩擦圧接の手順をフロー図により示した。かかる手順によっても、上記と同様に接合部に発生する残留応力を低減することができる。また当然に上記加熱装置による加熱とこの長時間摩擦による予備加熱を併用することも可能である。
【００２４】
なお本発明は上述した実施形態及び実施例に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない限りで種々に変更できることは勿論である。
【００２５】
【発明の効果】
上述したように本発明の摩擦圧接における熱応力による強制破壊防止方法によれば、熱伝導率が小さく、かつ、伸びの小さい２つの金属材料をイナーシャ溶接する場合に、接合部とその周辺部との温度差を予熱によって小さくすることにより、熱収縮差に起因する接合部のクラックの発生を防止することができ、製品（機械部品）の歩留まりを向上させることができる。
また接合面がその突合わせ前に予熱されているため、接合面を軟化させるために与えなければならない摩擦熱を少なくすることができ、これによりイナーシャ溶接装置に用いるモータやフライホイールも小型化できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を好適に実施するためのイナーシャ溶接機の概略図（平面図）である。
【図２】図１のＸ−Ｘ矢視図である。
【図３】本発明の摩擦圧接の手順を示したフロー図である（加熱装置による予備加熱）。
【図４】本発明の摩擦圧接の手順を示したフロー図である（長時間摩擦による予備加熱）。
【符号の説明】
２ａ　第１シャフト材（金属材料）
２ｂ　第２シャフト材（金属材料）
４　接合部
４ａ　接合面
７　基台
９　保持具
１０　イナーシャ溶接機
１１　モータ
１３　フライホイール
１５　レール
１７　固定具
１９　油圧シリンダ
２０　加熱装置
２３　電熱線
【図１】
2004066312.tif 000003
【図２】
2004066312.tif 000004
【図３】
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【図４】
2004066312.tif 000006