(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
板材の端部同士を接合する溶接に用いる治具であって、突き合わせた状態にした板材の端部をその長さ方向にわたって受ける長尺状のシートと、シートの両側面を案内する溝部を設けたガイド体を備え、シートの一端部をガイド体に固定すると共に、シートの他端側を長手方向への自由端としたことを特徴とする溶接用治具。
【請求項２】
シートに、その長手方向に沿って冷却用流体を流通させる冷却流路を設けたことを特徴とする請求項１に記載の溶接用治具。
【請求項３】
ガイド体を載置する保持体を備え、保持体内に冷却水を充填するタンクを設けたことを特徴とする請求項１または２に記載の溶接用治具。
【請求項４】
板材の端部同士を接合する溶接が、板材の端部間に挿入した溶接ロッドを回転させつつ端部に沿って移動させる摩擦攪拌溶接であると共に、板材が、中空状に曲げ成形された筒形部品の素材であり、保持体を支柱により所定の高さに支持して同保持体を被う状態に板材を配置することを特徴とする請求項３に記載の溶接用治具。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、板材の端部同士を接合する溶接に用いられる治具に関し、例えば、板材の端部間に挿入した溶接ロッドを回転させつつ移動させて端部同士を溶着する摩擦攪拌溶接等に用いるのに好適な溶接用治具に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
この種の溶接用治具としては、例えば図５に示すようなものがあった。図示の溶接用治具１００は、ベース１０１上に一対の支柱１０２，１０２を備えると共に、両支柱１０２，１０２間にビーム１０３を架設し、ビーム１０３の上面に、その長手方向に沿って長尺状の金属製シート１０４が固定してある。また、溶接が施される板材Ｗは、予め断面円形の中空状に曲げ成形したものであって、ビーム１０３を被うように取付けられると共に、突き合わせた端部がシート１０４上となるように配置される。なお、当該治具１００は、上記構成のほか、板材Ｗの外周面を支える手段やシート１０４上で端部を押える手段などを備えている。
【０００３】
上記の治具で保持した板材Ｗの端部同士は、例えば摩擦攪拌溶接（ＦＳＷ）により接合される。すなわち、端部間に溶接ロッドを挿入し、この溶接ロッドを回転させつつ端部に沿って移動させることにより、回転に伴って生じる摩擦熱で端部同士を溶着する。これにより板材Ｗは筒形部品となる。
【０００４】
ところで、上記の摩擦攪拌溶接では、溶接部分が非常に高温となり、その熱により中空状の板材Ｗが軸線方向に伸びる状態に変形する。そこで、板材Ｗの一端側をピンで固定すると共に、他端側では板材Ｗにおけるピンの挿通部を長孔にすることにより、板材Ｗの軸線方向の熱変形を許容するようにしていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記したような従来の溶接用治具にあっては、溶接時の熱によって金属製のシート１０４にも熱変形が発生し、このとき、シート１０４の全体がビーム１０３に一体的に固定してあるため、シート１０４の変形がより複雑なものとなる。その結果、板材Ｗが部分的にシート１０４から浮上がるような事態が生じることがあり、これにより異物の混入や割れなどの溶接不良が発生する恐れがあるという問題点があった。
【０００６】
【発明の目的】
本発明は、上記従来の状況に鑑みて成されたもので、板材の端部同士を接合する溶接に用いる治具において、溶接時において熱変形した板材の浮上がりを防止して、良好な溶接を行うことができる溶接用治具を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係わる溶接用治具は、請求項１として、板材の端部同士を接合する溶接に用いる治具であって、突き合わせた状態にした板材の端部をその長さ方向にわたって受ける長尺状のシートと、シートの両側面を案内する溝部を設けたガイド体を備え、シートの一端部をガイド体に固定すると共に、シートの他端側を長手方向への自由端としたことを特徴とし、請求項２として、シートに、その長手方向に沿って冷却用流体を流通させる冷却流路を設けたことを特徴とし、請求項３として、ガイド体を載置する保持体を備え、保持体内に冷却水を充填するタンクを設けたことを特徴とし、請求項４として、板材の端部同士を接合する溶接が、板材の端部間に挿入した溶接ロッドを回転させつつ端部に沿って移動させる摩擦攪拌溶接であると共に、板材が、中空状に曲げ成形された筒形部品の素材であり、保持体を支柱により所定の高さに支持して同保持体を被う状態に板材を配置することを特徴としている。
【０００８】
【発明の作用】
本発明の請求項１に係わる溶接用治具では、長尺状シートの上に、突き合わせた板材の端部をセットする。この際、ガイド体において板材の一端部をピンで固定し、他端部では、板材におけるピンの挿通部を同板材の端部に沿う方向の長孔にしている。そして、例えば溶接ロッドを用いた摩擦攪拌溶接により、ピンで固定した板材の一端部側から端部同士を接合する。
【０００９】
ここで、溶接時において、板材はその端部に沿う方向に伸びる状態に熱変形するが、この変形は他端部におけるピンおよび長孔により許容される。また、シートも熱変形することとなるが、このシートは、ガイド体の溝部により両側面が案内され、且つガイド体に一端部を固定すると共に、他端側が長手方向への自由端となっているので、溝部内で長手方向に伸びる状態に変形することとなる。つまり、板材の熱変形とシートの熱変形が同じ方向となるので、シートから板材が浮上がるような事態が回避される。
【００１０】
本発明の請求項２に係わる溶接用治具では、溶接時において、シートに設けた冷却流路に低温ガスまたは冷却液等の冷却用流体を流通させてシートを冷却する。これにより、シートの熱変形が抑制される。また、板材も間接的に冷却されるので、熱変形量が小さくなる。
【００１１】
本発明の請求項３に係わる溶接用治具では、ガイド体を載置する保持体内にタンクを設けて、このタンクに冷却水を充填しているので、ガイド体が冷却されると共に、シートおよび板材も間接的に冷却されることとなり、また、冷却水の重量により溶接時の振動を抑制し得るものとなる。
【００１２】
本発明の請求項４に係わる溶接用治具では、摩擦攪拌溶接が行われる。すなわち、シート上にセットした板材の端部間に溶接ロッドを挿入し、この溶接ロッドを回転させつつ板材の端部に沿う方向に移動させることにより、回転に伴って生じる摩擦熱で端部同士を溶着する。この場合、非常に高温となる板材の溶接部分ならびにシートは、冷却流路に流通する冷却用流体さらには保持体のタンクに充填した冷却水により冷却される。
【００１３】
また、当該溶接用治具では、板材が中空状に曲げ成形された筒形部品の素材であるため、保持体を支柱で所定の高さに支持し、この保持体を被う状態に板材をセットする。この場合、支柱で保持体を支持しているため、この保持体は、基板等に固定した場合に比べて、溶接時の振動を受け易くなるが、その内部にタンクを設けて冷却水を充填しているので、その重量により振動が抑制される。
【００１４】
【発明の効果】
本発明の請求項１に係わる溶接用治具によれば、板材の端部同士を接合する溶接に用いる治具において、板材を受けるシート材をガイド体の溝部内に配置し、且つシートの一端部を固定するとともに他端側を自由端としたことにより、溶接時のシートの熱変形が長手方向に限られることとなって、板材の熱変形の方向とシートの熱変形方向とを合わせることが可能となり、これによりシートからの板材の浮上がりを防止することができると共に、異物の混入や割れ等の無い良好な溶接を行うことができる。
【００１５】
本発明の請求項２に係わる溶接用治具によれば、請求項１と同様の効果を得ることができるうえに、シートを冷却用流体で冷却することにより、シートの熱変形量をきわめて小さくあるいは殆ど無い状態にすることができると共に、板材の熱変形量も小さくすることができ、シートからの板材の浮上がりをより確実に防止して、溶接品質をより高めることができる。
【００１６】
本発明の請求項３に係わる溶接用治具によれば、請求項１および２と同様の効果を得ることができるうえに、保持体のタンクに充填した冷却水で同保持体を冷却することにより、ガイド体、シートおよび板材の熱変形量をより一層抑制することができると共に、冷却水の重量により溶接時の振動を抑制することができ、溶接品質のさらなる向上に貢献することができる。
【００１７】
本発明の請求項４に係わる溶接用治具によれば、中空状に曲げ成形した板材の端部同士を摩擦攪拌溶接で接合するに際して、請求項１〜３と同様の効果を得ることができ、とくに、支柱により支持した保持体において、タンクに充填した冷却水の重量により溶接時の同保持体の振動を抑制することができ、当該溶接用治具を用いることによってきわめて高い溶接品質を備えた筒形製品を得ることができる。
【００１８】
【実施例】
図１〜図４は本発明に係わる溶接用治具の一実施例を説明する図である。図４に全体を示す溶接用治具は、筒形部品であるロケット胴部の製造において、断面円形に曲げ成形した板材Ｗの端部同士を突き合わせた状態に保持し、摩擦攪拌溶接により板材Ｗの端部同士を接合するのに用いられる。
【００１９】
図４に示す溶接用治具は、鋼材を縦横に組合わせて成るベース１上の両端に支柱２，３を立設し、両支柱２，３間に長尺状の保持体４を架設すると共に、保持体４の上面に同じく長尺状のガイド体５を固定し、ガイド体５の長手方向に沿って形成した溝部６に長尺状のシート７が収容してある。
【００２０】
この溶接用治具では、板材Ｗが予め断面円形に曲げ成形してあり、その端部同士を接合するので、板材Ｗの直径に対応して支柱２，３により保持体４を所定の高さに支持し、保持体４、ガイド体５およびシート７の外側を被うように板材Ｗをセットする。このとき、板材Ｗの端部はシート７上に位置決めする。なお、例えば図４中の左側に示す支柱２は、ベース１および保持体４に対して着脱可能であり、これにより溶接後の板材Ｗの取り外しを可能にする。
【００２１】
また、ベース１の正面側および背面側には、鋼材を縦横に組合わせて成るフレーム８，８が立設してある。そして、ベース１には、板材Ｗの下部を受ける複数の受け具９が設けてあり、フレーム８には、板材Ｗの側部を受ける複数の受け具１０が設けてある。
【００２２】
さらに、保持体４上には、両側のスペーサ１１，１１を介して、シート７と平行にビーム１２が架設してあり、このビーム１２には、溶接時において板材Ｗの端部を押える複数のクランプ１３が所定間隔で設けてある。スペーサ１１は、保持体４とビーム１２の間に板材Ｗを通す隙間を形成するものであり、溶接後の板材Ｗの取り外しを可能にするために、少なくとも一方が着脱可能である。
【００２３】
保持体４は、図１および図２にも示すように、Ｈ形鋼を横置きにすると共に、両側の開放部をプレート１４，１４で閉塞し、且つ両端部を図示しないプレートで閉塞することにより、長手方向にわたる２つの密閉空間を形成してこれらをタンク１５，１５としている。そして、各タンク１５に対して、給水ポート１６および排水ポート１７を設けると共に、上下をタンク内に連通させたレベルゲージ１８を設け、タンク１５に冷却水を充填する。
【００２４】
ガイド体５は、断面の中央に溝部６を形成した金属製の長尺部材である。溝部６は、図３にも示すように、ガイド体５の長手方向にわたって形成してあると共に、両端部が開放してあり、シート７の両側面を案内する。また、ガイド体５の両端部には、溝部６を挟んで２本の位置決めピン１９，１９が設けてある。これらの位置決めピン１９に対して、板材Ｗは、軸線方向の一端側（図３中で右側）には丸孔２０が形成してあり、他端側には軸線方向に長い長孔２１が形成してある。
【００２５】
シート７は、断面矩形を成す金属製の長尺部材であって、突き合せ状態にした板材Ｗの端部をその長手方向にわたって受ける。このシート７は、ガイド体５において、溝部６に収容されると共に、図３中で右側の一端部が固定ピン２２により固定してあり、他端側は長手方向への自由端となっている。
【００２６】
また、シート７の両側には、長手方向に沿って冷却流路２３，２３が設けてある。この冷却流路２３は、図１中の拡大図に示すように、熱伝導性の高い材質で形成した断面コ形のアングル材２４Ａとその開放側を密閉する帯状のプレート材２４Ｂとで形成してあり、適数のボルト２５によりシート７に固定してある。なお、当然のことながらアングル材２４Ａの端部も適宜の部材で密閉してある。
【００２７】
さらに、シート７には、図３中で左側である自由端側に、端面から軸線方向に延びて各冷却流路２３へ分岐した供給路２６が形成してある。そして、この実施例では、充分に冷却した空気を供給路２６から各冷却流路２３に供給して、シート７を冷却する。この際、冷却空気は、図外の供給源から供給すると共に、各冷却流路２３の反対側の端部に設けた排出孔２７から回収して循環させる。なお、冷却用流体が空気である場合は、そのまま排出しても構わない。
【００２８】
さらに、シート７の上面とガイド体５の側面の間には、図１中に仮想線で示すように、表面を滑らかにしたカバー２８が取り付けてあり、板材Ｗに損傷を与えることなく保持し得るものとなっている。
【００２９】
上記構成を備えた溶接用治具は、板材Ｗをセットした後、突き合わせ状態にした端部同士を摩擦攪拌溶接により接合する。すなわち、当該溶接用治具の上側には、図１に示す溶接ロッド３０を備えた溶接装置が配置してあり、溶接ロッド３０を板材Ｗの端部間に挿入し、同溶接ロッド３０を回転させつつ端部に沿って移動させることにより、回転に伴って生じる摩擦熱により端部同士を溶着する。このとき、溶接は、図３中の右側である一端側から他端側に向けて行う。
【００３０】
上記の溶接過程では、溶接部分が高温となり、板材Ｗが軸線方向（端部に沿う方向）へ延びる状態に熱変形するが、板材Ｗの片側を位置決めピン１９と長孔２１で保持しているので、その長孔２１の長さ範囲で熱変形が許容され、板材Ｗが撓むようなことはない。
【００３１】
また、溶接時の熱によりシート７等にも熱変形が生じる。これに対して、当該溶接用治具では、シート７を溝部６に収容し、溶接開始側であるシート７の一端部を固定し、且つ他端側を自由端としているので、シート７は自由端の方向へ延びるように変形することとなる。つまり、板材Ｗの熱変形とシート７の熱変形が同じ方向となるので、シート７から板材Ｗが浮上がるようなことはない。
【００３２】
さらに、当該溶接用治具では、冷却流路２３に流通する冷却空気によりシート７を直接冷却すると共に、板材Ｗも間接的に冷却しており、これに加えて保持体４のタンク１５に充填した冷却水によっても保持体４、ガイド体５およびシート７の冷却が行われるので、シート７や板材Ｗの熱変形量は非常に小さいものとなり、あるいはシート７の熱変形は殆ど無くなり、板材Ｗの浮上がりがより確実に防止される。
【００３３】
これにより、異物の混入や割れ等を全く生じることなく、接合部分が滑らかである非常に良好な溶接品質が得られる。このような高品質の溶接部分は、この実施例における筒形部品つまりロケット胴部にきわめて好適なものである。
【００３４】
また、当該溶接用治具では、タンク１５の冷却水の重量により振動を抑制し得る。とくに、この実施例では、板材Ｗが断面円形に曲げ成形してあり、この板材Ｗを保持する都合上、支柱２，３で保持体４を所定の高さに支持しているため、保持体４は、基板等に固定した場合に比べて溶接時の振動を受け易くなる。しかし、当該溶接用治具では、保持体４にタンク１５を設けて冷却水を充填しているので、その重量によって溶接時の振動を抑制し、良好な溶接を行い得るものとしている。
【００３５】
なお、本発明に係わる溶接用治具は、その構成が上記実施例のみに限定されることは無く、２枚の板材Ｗを接合する場合にも適用可能であり、これに伴ってシート７、冷却流路２３、ガイド体５および保持体４の構成を適宜変更することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わる溶接用治具の一実施例を説明する要部の断面図および拡大図である。
【図２】溶接用治具の要部の概略正面図である。
【図３】ガイド体およびシートを説明する平面図である。
【図４】溶接用治具の全体を説明する平面図（ａ）、正面図（ｂ）および側面図（ｃ）である。
【図５】従来の溶接用治具を説明する正面図（ａ）およびビームの端面図（ｂ）である。
【符号の説明】
Ｗ        板材
２  ３    支柱
４        保持体
５        ガイド体
６        溝部
７        シート
１５      タンク
２３      冷却流路
３０      溶接ロッド
【図１】
0003912778.tif 000002
【図２】
0003912778.tif 000003
【図３】
0003912778.tif 000004
【図４】
0003912778.tif 000005
【図５】
0003912778.tif 000006