(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ショルダーが形成された回転ツールの挿入によって被加工物同士を接合する摩擦溶接法において、前記回転ツールの溶接中における溶接進行方向に対する荷重を検出し、該検出された荷重に基づいて算出される前記回転ツールの前記被接合部材への挿入深さを調整しながら前記接合することを特徴とする摩擦溶接法。
【請求項２】
ショルダーが形成された回転ツールと、該ツールを回転させるための回転駆動装置と、前記ツールを回転の軸方向に沿って移動させるための上下駆動装置と、前記ツールと被加工物との少なくとも一方を溶接線方向に対して相対的に移動させる駆動装置と、前記ツールの前記被加工物に対する溶接線進行方向に係る荷重を検出する荷重検出器と、該荷重検出器によって検出された値に基づいて溶接中における前記被加工物への前記ツールの挿入深さを演算し該演算された値に基づいて前記上下駆動装置を制御する制御装置とを具備することを特徴とする摩擦溶接装置。
【請求項３】
請求項２において、前記ツールと被加工物表面との相対位置関係を検出する検出器と、該検出器によって検出された相対位置関係を制御する制御部と、前記相対位置関係を表示する表示部とを有することを特徴とする摩擦溶接装置。
【請求項４】
請求項３において、前記制御部は、溶接開始に際して検出された相対位置関係を記憶する記憶部と、溶接過程において検出される相対位置関係と前記記憶されている相対位置関係との差を求める比較部と、前記差に基づいて操作量を指令する司令部とを有することを特徴とする摩擦溶接装置。
【請求項５】
請求項３又は４において、前記相対位置関係は、前記ツールと被加工物表面との距離と、前記ショルダー部の溶接線方向後方の端部が前記被加工物表面に挿入される深さと、前記ツールの回転軸と被加工物表面の法線とが成す角の溶接線方向における成分と、前記回転軸と被加工物表面の法線とが成す角の溶接線方向に直交する方向における成分の少なくとも１つであることを特徴とする摩擦溶接装置。
【請求項６】
請求項３〜５のいずれかにおいて、前記検出器は、前記ツールと被加工物表面との距離を検出するレーザ変位計であり、前記ツールの溶接線方向前方に設けられることを特徴とする摩擦溶接装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、新規な摩擦溶接法及びその装置に係り、特に、接合部に発生する空洞や割れなどの溶接欠陥を防止することに好適な摩擦溶接法及びその装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
実質的に加工物の材質よりも硬い材質の金属棒を被加工物の溶接部に挿入し、この金属棒を回転させながら移動することによって、前記金属棒と前記加工物との間で発生する摩擦熱により溶接する摩擦溶接方法が、例えば、特表平７ー５０５０９０号公報（ＥＰＯ６１５４８０Ｂ１）に記載されている。この摩擦溶接方法は、金属棒と加工物との摩擦熱による塑性流動現象を利用したものであって、加工物を溶かして溶接する方法（例えば、アーク溶接など）とは異なる原理に基づいている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者らの検討によれば、特表平７ー５０５０９０号公報に記載される摩擦溶接方法を実行するためには、前記金属棒と被加工物表面との相対位置関係が重要となる。塑性流動状態の金属が、溶接部から、被加工物の表面に溢れ出ることを防止することが要求される。すなわち、溶接部から金属が流出することによって溶接部に欠陥が発生する頻度が大きくなり、溶接部の信頼性を低下させる原因となる。このためには、この摩擦溶接方法の実行に際し、回転するツールを被加工物の表面から一定の深さに挿入し、溶接中もこの深さを維持管理することが要求される。
【０００４】
ところが、一般には、被加工物の表面に凹凸があれば、被加工物の送りに伴い被加工物表面の高さが変化する。また、溶接に伴い被加工物が加熱されることにより被加工物表面の高さが変化することもある。このような場合には、ツールと被加工物との相対距離が変動し、ツールのショルダー部が被加工物表面から挿入される挿入深さも変動してしまう。
【０００５】
また、被加工物の表面が平坦でなかったり、２つの被加工物の高さが相異なる場合には、ツールと被加工物表面との相対姿勢が変動することもある。
【０００６】
本発明の目的は、ツールと被加工物との相対位置関係を管理し、被加工物表面に対するツールの挿入深さが常に一定となるように制御することにより、溶接長さが長い溶接構造物であっても、溶接欠陥の発生を防止し、信頼性の高い溶接構造物を製作するすることのできる摩擦溶接法及びその装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ショルダーが形成された回転ツールの挿入によって被加工物同士を接合する摩擦溶接法において、前記回転ツールの溶接中における溶接進行方向に対する荷重を検出し、該検出された荷重に基づいて算出される前記回転ツールの前記被接合部材への挿入深さを調整しながら前記接合することを特徴とする。
又、本発明は、ショルダーが形成された回転ツールと、該ツールを回転させるための回転駆動装置と、前記ツールを回転の軸方向に沿って移動させるための上下駆動装置と、前記ツールと被加工物との少なくとも一方を溶接線方向に対して相対的に移動させる駆動装置と、前記ツールの溶接中における溶接線進行方向に係る荷重を検出する荷重検出器と、該荷重検出器によって検出された値に基づいて溶接中における前記被加工物への前記ツールの挿入深さを演算し該演算された値に基づいて前記上下駆動装置を制御する制御装置とを具備することを特徴とする摩擦溶接装置にある。
又、本発明は、前記ツールが回転される回転軸の姿勢、及び、前記回転軸に沿う方向におけるツールの位置のうち少なくとも一方を変更可能に、前記ツール回転機構を固定支持するための支持機構とを有することが好ましい。
【０００８】
又、本発明は、前記ツール及び被加工面表面の相対位置関係を変更可能に、前記ツール回転機構及び被加工物を固定支持するための前記支持機構を有することが好ましい。
【０００９】
更に、本発明は、前記ツール及び被加工物表面の相対位置関係を検出するための検出部と、前記検出部によって検出された相対位置関係が予め定められた相対位置関係に近づくように、前記支持機構を制御するための制御部とを備えることが好ましい。
【００１０】
又、本発明は、前記検出部によって検出された相対位置関係の変動が小さくなるように、前記支持機構を制御するための制御部とを備えることが好ましい。前記相対位置関係は、前記ツールと被加工物表面との距離と、前記ショルダー部の溶接線方向後方の端部が前記被加工物表面に挿入される深さと、前記ツールの回転軸と被加工物表面の法線とが成す角の溶接線方向における成分と、前記回転軸と被加工物表面の法線とが成す角の溶接線方向に直交する方向における成分の少なくとも１つであることが好ましい。前記ツールと被加工物表面との距離を検出するレーザ変位計であり、前記ツールの溶接線方向前方に設けられることが好ましい。
【００１１】
本発明は、前述の摩擦溶接法又はその装置を用いて溶接加工されたことを特徴とする溶接構造物にある。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１は、本実施の形態における摩擦溶接装置の斜視図である。本実施の形態では、ツールが被加工物に挿入される深さを制御することに好適に構成される摩擦溶接装置について説明する。図１において、本実施の形態における摩擦溶接装置１００は、被加工物２を摩擦するためのツール１と、ツール１を回転させるための回転駆動装置４と、ツール１を回転の軸方向に沿って移動させるための上下駆動装置５と、被加工物２の表面２Ｓまでの距離を検出するための検出器６と、検出された距離の変動を求めるための信号処理装置８と、求められた変動を抑制するように前記上下駆動装置５を制御するための制御装置９とを有して構成される。
【００１３】
前記ツール１は、被加工物（溶接すべき部材）の材質より、実質的に硬い材質で形成される。このようなツール１の材質としては、代表的には金属を用いることができる。なお、硬度に加えて、靱性、耐熱性などの要求を満たせば、セラミックス、表面焼き入れ部材などを用いてもよい。
【００１４】
前記回転駆動装置４及び上下駆動装置５は、溶接線方向１３に、被加工物２と相対的に移動するための移動架台（図示せず）に取り付けられている。前記検出器６は、溶接線方向１３に対してツール１の前方に、ツール１の端面に対して予め定められた高さで配置され、ツール１と同一方向に、かつ、ツール１と連動して移動する。
【００１５】
図２は、回転ツールの、回転軸を含む断面における形状を示すものである。図２において、ツール１は、基部１ａと、基部１ａの端面１Ｓに設けられた先端部１ｂとを有する形状に形成される。好ましくは、前記基部１ａ及び先端部１ｂは、軸を共有する回転対象形状に形成される。より具体的には、前記基部１ａは、円柱形状に形成され、前記先端部１ｂは、その先端１ｃに近づくほど細くなる形状に形成される。基部１ａ及び先端部１ｂは、共通の部材から一体に形成されてもよいし、別々に形成された基部１ａと先端部１ｂとを組み合わせて構成されてもよい。
【００１６】
次に、図１を参照して、本実施の形態の摩擦溶接装置が、２つの加工物２を相互に突き合わせ溶接に用いられる場合の動作について説明する。まず、溶接開始に際し、前記検出器６によって被加工物２の表面２Ｓの溶接開始前までの距離（ｄ０）を検出する。そして、当該検出された距離（ｄ０）を前記信号処理装置８において格納する。
【００１７】
次に、ツール１を溶接開先部３に挿入し、ツール１を回転させながら、ツール１と被加工物２とを溶接線方向１３に相対移動させ溶接過程を実行する。この状態で、前記検出器６により検出される、溶接過程の被加工物表面２Ｓまでの溶接過程の距離（ｄ）は、前記信号処理装置８に送られる。信号処理装置８において、前記格納している溶接開始前の距離（ｄ０）と、前記溶接過程の距離（ｄ）とを比較し、少なくともこれらの大小関係を前記制御装置９に送る。
【００１８】
前記制御装置９は、前記大小関係に基づいて、溶接開始前の距離（ｄ０）と、前記溶接過程の高さ（ｄ）とが一致するようにツール１を上下方向１２に駆動する指令を前記上下駆動装置５に与える。すなわち、溶接過程の距離が溶接開始前よりも大きければ、ツール１を上方に予め定められた距離だけ駆動する指令を与え、また、溶接過程の高さが溶接開始前よりも小さければ、ツール１を下方に予め定められた距離だけ駆動する指令を与える。そして、溶接過程の高さが溶接開始前と一致するときは、ツール１を固定支持する指令を与える。
【００１９】
前記駆動する指令における予め定められた距離は、制御が行われる時間間隔、上下駆動装置５の駆動速度、予想される被加工物２の表面２Ｓの高さの変化の速さなどから定められる。この被加工物２の表面２Ｓの高さの変化の速さは、表面２Ｓの高さの溶接線方向１３の変化率と、ツール１及び被加工物２が溶接線方向１３に相対移動される速度とから求められる。
【００２０】
このようにして、被加工物２の表面２Ｓと検出器６とにおける溶接過程の距離が、溶接開始前の距離に一致するように制御される。ここで、上述したように、検出器６は、ツール１と連動して移動するから、ツール１が被加工物２に挿入される深さ（表面２Ｓから端面までの深さ）を一定に制御することができる。
【００２１】
ここでは、大小関係に基づいて制御する例について述べたが、溶接過程と溶接開始前とにおける被加工物表面２Ｓまでの距離の差分を求め、当該差分に応じた距離だけツール１を上下に駆動してもよい。すなわち、前記信号処理装置８において、前記溶接過程の距離（ｄ）と溶接開始前の距離（ｄ０）との差分（ｄ−ｄ０）を求め、前記制御装置９において、当該求められた差分（ｄ−ｄ０）に応じた距離ツール１を下方に駆動する指令を前記上下駆動装置５に与える。なお、前記差分と駆動する指令における距離との関係は、例えば、帰還制御における収束の速さ、安定性を考慮して定めることができる。
【００２２】
次に、図３を参照して、２つの被加工物相互に高さが異なる場合、すなわち、検出器から被加工物表面までの距離が被加工物２相互に異なる場合に好適な動作について説明する図３において、２つの被加工物２ａ，２ｂは、互いに高さが異なる。このような場合、ツール１の端面１Ｓが、被加工物２ａ，２ｂの表面２ａＳ，２ｂＳから挿入される深さｌａ，ｌｂが相違する。従って、高さが高い方の被加工物２ａに対して、予め定められた深さ（例えば、０．１〜０．５ｍｍ）にツール１を挿入したとしても、他方の被加工物２ｂに対して挿入される深さは、前記予め定められた深さより小さくなってしまう。このため、高さが低い方の被加工物２ｂの表面２ｂＳとツール１とが接する部分から、塑性流動状態にある金属が十分に閉じ込められず、溢れ出てしまうことがある。
【００２３】
本発明を適用した摩擦溶接装置では、このような場合には、溶接開始に際し、前記検出器６において、一方の被加工物２ａまでの距離（ｄａ）と、他方の被加工物２ｂまでの距離（ｄｂ）とをそれぞれを検出する。そして、両者のいずれか大きい方の距離を基準にツール１の挿入深さを制御する。
【００２４】
より具体的には、例えば、前記検出器６において、溶接開始前の距離（ｄａ０，ｄｂ０）をそれぞれ検出し、これらのいずれか大きい方を前記信号処理装置８に格納する（以下、格納された距離をｄ０とする）。前記信号処理装置８において、溶接過程において検出器６により検出される２つの被加工物２ａ，２ｂまでの距離（ｄａ，ｄｂ）のいずれか大きい方と、格納してある溶接開始前の距離（ｄ０）とを比較する。この比較の結果を用いた制御は、上述した、それぞれの表面の高さを区別せずに制御する場合と同様にして行うことができる。
【００２５】
また、溶接開始前及び溶接過程における被加工物表面２ａＳ，２ｂＳまでの距離の差分を求め、当該差分に応じた距離だけツール１を上下に駆動してもよい。この場合には、前記信号処理装置８において、前記２つの被加工物２ａ，２ｂそれぞれの溶接過程の距離（ｄａ，ｄｂ）のうち大きい方の距離と、溶接開始前の距離（ｄ０）との差分を求める。そして、求めた差分に応じてツール１を駆動する指令を前記上下駆動装置５に与える。なお、前記差分と駆動する指令における距離との関係は、例えば、帰還制御における収束の速さ、安定性を考慮して定めることができることは、上述の場合と同様である。
【００２６】
このようにして、２つの被加工物２ａ，２ｂ相互に高さが異なる場合であっても、高さが低い方の表面２ｂＳを基準として、ツール１が被加工物２ａ，２ｂに挿入される深さ（表面２Ｓから端面までの深さ）を一定に制御することができる。すなわち、２つの被加工物２ａ，２ｂに挿入される深さうちの小さい方ｌ１を、溶接開始に際して定められる深さに制御して、溶接を実行することができる。従って、ツール１の端面１Ｓから、塑性流動状態にある金属が溢れ出ることを避けることが可能となる。
【００２７】
図４は、上述した図１における摩擦溶接装置の具体的構成例であって、駆動源としてモータを、また、検出器としてレーザ変位計を用いて構成されている。図４において、本実施の形態における摩擦溶接装置１００は、被加工物２を摩擦するためのツール１と、ツール１を取り付けるための取付部材２０ａが設けられた回転軸２０と、回転軸２０を回転可能に支持するための回転ベアリング２２が設けられたボックス２３と、回転軸２０のエンドプレイを吸収するためのカップリング２１と、回転軸２０を回転させるための回転モータ４と、ボックス２３を回転軸２０の軸方向に沿って移動するための駆動軸２４と、駆動軸２４のエンドプレイを吸収するためのカップリング２５と、駆動軸２４を回転させるための上下駆動モータ５と、被加工物２の表面２Ｓまでの距離を検出するための検出器６と、検出された距離の変動を求めるための信号処理装置８と、求められた変動を抑制するように前記上下駆動モータ５を制御するための制御装置９と、前記回転モータ４及び上下駆動モータ５を支持するための移動架台１５と、被加工物２を固定支持し、かつ、移動架台１５を溶接線方向１３に移動可能に支持するための溶接架台１６とを有して構成される。
【００２８】
前記ツール１は、回転軸２０とカップリング２１とを介して回転モータ４に連結されている。また、回転軸２０は、回転ベアリング２２を介してボックス内２３に収められている。前記ボックス２３は、上下方向に駆動するための駆動軸２４にも連結されている。前記駆動軸２４は、カップリング２５を通してツール１を上下方向に駆動するための駆動モータ５に連結されている。
【００２９】
前記回転モータ４及び上下駆動モータ５は、移動架台１５に取り付けられている。前記移動架台１５は、溶接架台１６に取り付けられ、当該溶接架台１６上を溶接線方向１３に移動する。検出器６は、被加工物表面２Ｓの高さの変化を検出するためのものである。検出器６は、溶接線方向１３に対してツール１の前方に取り付けられる。本実施の形態では、検出器６としてレーザ変位計を用い、これをツール１から溶接線方向１３に前方３０ｍｍの位置に配置している。
【００３０】
ここで、溶接直前及び溶接過程における加工物表面２Ｓの高さの変化に応じて、ツール１の上下方向の駆動は次の順序で行われる。
【００３１】
行程１：ツール１は、被加工物２の表面から予め指定された深さに挿入される。指定の深さが挿入されたこの時点、つまり、溶接開始直前での検出器６から被加工物表面２Ｓまでの距離ｄ０を前記検出器６により検出する。この距離ｄ０が健全な溶接ができるツール１の適性な深さの基準となる。従って、この距離ｄ０を溶接過程における距離との差を比較する基準信号とする。なお、２つの被加工物表面までの距離が相違する場合には、これらのうち大きい方の距離を表す基準信号を生成する。
【００３２】
行程２：次に、溶接過程における被加工物表面２Ｓまでの距離ｄを連続的または周期的に検出する。
【００３３】
行程３：前記行程１で検出した距離の検出信号ｄ０、及び前記行程２で検出した距離ｄを表す検出信号は、信号処理装置８に入力される。そして、信号処理装置８において、距離ｄ０及びｄを比較して、これらの差分、つまり、被加工物２の高さの、溶接開始直前及び溶接過程における差を求める。そして、この差分を表す比較信号を生成する。
【００３４】
行程４：前記行程３で生成された比較信号は、制御装置９に入力される。制御装置９は、当該入力された信号に応じて、ツール１を上下方向に駆動させるように、上下駆動モータ５を制御する。
【００３５】
ここで、前記行程２で検出した距離ｄが前記１で検出した距離ｄ０に比べて同じ（距離の差分が零）場合は、被加工物表面２Ｓの高さが溶接開始直前と同じで変化していない現象である。このため、ツール１を上下方向に駆動する必要がない。従って、上下駆動モータ５は駆動せず、ツール１の位置は一定である。
【００３６】
一方、前記行程２で検出した距離ｄが前記１で検出した距離ｄ０に比べて小さい（距離の差分がマイナス）場合は、被加工物表面２Ｓの高さが溶接開始直前に比べて高くなっている現象である。このため、ツール１を上下駆動モータ５により前記行程３で求められた比較した差分の距離（ΔＸ）だけ上向き方向に上げる必要がある。
【００３７】
また、前記行程２で検出した距離ｄが前記行程１で検出した距離ｄ０に比べ大きい（距離の差分がプラス）場合は、被加工物表面２Ｓの高さが溶接開始直前に比べて低くなっている現象である。このため、ツール１を上下駆動モータ５により前記行程３で求められた差分の距離（ΔＹ）だけ下向き方向に下げる必要がある。
【００３８】
上述のように、被加工物２の表面２Ｓにおける高さの変化の信号に応じて加工物表面２Ｓからのツール１の挿入深さが溶接過程で常に一定になるように制御される。従って、溶接長さが２０ｍクラスと長い場合でも溶接欠陥のない溶接構造物が得られる。このような溶接構造物としては、例えば、鉄道用の車両構造体が挙げられる。特に、高速車両においては、車両の長さが長くなる傾向にあり、これに伴い溶接長さも長くなっている。
【００３９】
図５は、上述した図１における摩擦溶接装置の具体的構成例であって、上下方向の駆動源として油圧駆動装置を、また、検出器として接触式の差動トランスを用いて構成されている。図５において、本実施の形態における摩擦溶接装置１００は、被加工物２を摩擦するためのツール１と、ツール１を取り付けるための取付部材２０ａが設けられた回転軸２０と、回転軸２０を回転可能に支持するための回転ベアリング２２が設けられたボックス２３と、回転軸２０のエンドプレイを吸収するためのカップリング２１と、回転軸２０を回転させるための回転モータ４と、ボックス２３を回転軸２０の軸方向に沿って駆動するための油圧駆動装置３１と、前記油圧駆動装置３１に対して上下方向に移動可能に前記ボックス２３を支持するための上下方向のベアリング３０と、被加工物２の表面２Ｓまでの距離を検出するための検出器６と、検出された距離の変動を求めるための信号処理装置８と、求められた変動を抑制するように前記油圧駆動装置３１を制御するための制御装置９と、前記回転モータ４及び油圧駆動装置３１を支持するための移動架台１５と、被加工物２を固定支持し、かつ、移動架台１５を溶接線方向１３に移動可能に支持するための溶接架台１６とを有して構成される。
【００４０】
前記ツール１は、回転軸２０とカップリング２１とを介して回転モータ４に連結されている。前記回転軸２０は、回転ベアリング２２を介してボックス２３に支持されている。前記ボックス２３は、上下方向のベアリング３０を介して油圧駆動装置３１に連結されている。さらに、油圧駆動装置３１及び回転モータ４は、溶接線方向１３に移動する移動架台１５に連結されている。このように構成することによって、ツール１を回転させながら、かつ、被加工物表面までの距離を一定に制御した状態で溶接線方向１３に移動することができる。
【００４１】
検出器６は、被加工物表面２Ｓの高さの変化を検出するためのものである。検出器６は、溶接進行方向１３に対してツール１の前方に取り付けられる。本実施の形態では前記検出器６として接触式の差動トランスを用い、これをツール１から溶接線方向前方３０ｍｍの位置に配置している。
【００４２】
ここで、溶接直前及び溶接過程における加工物表面２Ｓの高さの変化に応じてなされる、ツール１の上下方向の駆動は、実施例１と同様である。つまり、検出器６により、溶接開始直前に検出される、被加工物表面２Ｓからの距離ｄ０と、溶接過程において検出される、加工物表面２Ｓからの距離を距離ｄとについて、２つの距離ｄ０，ｄの大小を信号処理装置８により比較し、この信号を制御装置９に入力して油圧駆動装置３１を駆動制御する。なお、予め指定された信号１０を前記信号処理装置８に予め入力し、この信号１０と前記溶接過程における高さ（前記距離ｄ）を示す信号とを比較することによってツール１を上下に駆動制御してもよい。
【００４３】
なお、突き合わせ溶接する２つの加工物２の表面高さがほぼ同じ場合は、特に問題ないが、高さが異なる場合は、両者のいずれか低い方の表面高さを基準にツール１の挿入深さを制御する。このような摩擦溶接装置１００によって、加工物２の表面高さの変化に応じて加工物表面からのツール１の挿入深さが溶接過程で常に一定になるように制御される。従って、溶接長さが２０ｍクラスの長い場合でも溶接欠陥のない溶接構造物が得られる。
【００４４】
図６及び図７は、ツールの溶接線方向荷重を用いて、ツールの挿入深さを検出する点において、上述した摩擦溶接装置と相違する。他の基本的な構成は図１、４及び５と同様であるので、以下に、相違点を中心に説明する。まず、図６を参照して、本実施の形態における溶接架台及び荷重検出部について説明する。図６において、本実施の形態における溶接架台１６は、被加工物２を係止するための係止突起１６ｂが、溶接線方向について設けられる。前記係止突起１６ｂには、荷重検出部４０が設けられている。前記荷重検出部４０で検出された荷重は、変換部４２を介して信号処理装置８（図１参照）に送られる。
【００４５】
前記荷重検出部４０は、被加工物２に、溶接線方向に働く荷重を検出するためのものである。荷重検出部４０は、例えば、圧力センサを用いて構成することができる。前記変換部４２は、前記荷重検出部４０で検出された溶接線方向の荷重を、ツール挿入深さに変換するためのものである。変換部４２は、例えば、演算回路、または、マッピングテーブルを備えたマッパー回路を用いて構成することができる。
【００４６】
次に、図７を参照して、ツールの溶接線方向荷重と、ツールの挿入深さとの関係について説明する。図７において、横軸は、ツールのショルダー部の端面が、被加工物表面から挿入される挿入深さ（ｌ）ｍｍをとり、縦軸は、ツールが溶接線方向に受ける荷重（Ｐ）ｋｇをとっている。ツールが溶接線方向に受ける荷重は、ツールの送り（ツールと被加工物との溶接線方向の相対移動）に伴って、ツールに働く反力に相当する。図７に示されるように、ツールが溶接線方向に受ける荷重（反力Ｐ）は、被加工物へのツールの挿入深さ（ｌ）とほぼ比例して増加する。
【００４７】
従って、ツールの溶接線方向荷重（Ｐ）を検出して、この検出信号を基にツールの上下制御、つまり、溶接部材中への挿入深さを制御することができる。前記ツールの溶接線方向荷重（Ｐ）は、被加工物を固定する際に、溶接線方向（溶接が進行方向）に、荷重検出部を介して被加工物を係止し、荷重検出部からの出力を用いて検出する。
【００４８】
変換部４２は、荷重（Ｐ）を挿入深さ（ｌ）に変換するための演算を行う演算回路、または、想定される荷重について、荷重（Ｐ）に対応する挿入深さ（ｌ）をマッピングしたマッピングテーブルを備えるマッパー回路を用いて構成することができる。荷重検出部で検出された荷重（Ｐ）から求められた挿入深さ（ｌ）を、信号処理装置８（図１参照）に送り、溶接過程における挿入深さとして与えることによって、溶接過程における挿入深さの制御を行うことができる。制御の詳細については、図１、４及び５と同様にして行うことができるので、ここで重ねて説明することは省略する。
【００４９】
一方、図５において述べたように、なお、予め指定された信号１０（図５参照）を前記信号処理装置８（図５参照）に予め入力する場合にあっては、予め指定された信号として、予め定められた荷重（Ｐ０）を示す信号を溶接開始前に予め入力しておき、溶接過程において、荷重検出部で検出された荷重（Ｐ）を示す信号を信号処理装置８（図５参照）に入力してもよい。これにより、溶接過程における、ツールに加わる溶接線方向荷重Ｐが、予め定められた荷重（Ｐ０）となるように制御することができる。従って、溶接過程において、ツールの挿入深さｌが予め定めた深さとなるように制御することができる。このような制御を行う場合には、前記変換部を省略し、構成を簡略化することができる。例えば、挿入深さ（ｌ）を０．１〜０．５ｍｍとすべき場合には、荷重検出部で検出される荷重（Ｐ）が、１３０〜２６０ｋｇとなるように、ツールを上下に駆動制御すればよい。
【００５０】
図８は、本発明のツールの端面が被加工物に挿入される深さ、及び、ツールが回転される回転軸と加工物表面との相対姿勢の制御することに好適に構成される摩擦溶接装置について説明する斜視図である。図８において、２つの被加工物２ａ，２ｂが突き合わせられた溶接開先部３に、回転軸ａの廻りに回転するツール１が挿入されている。はじめに、２つの被加工物２ａ，２ｂの表面２ａＳ，２ｂＳが、共に平坦で、かつ、それらの高さが相等しい場合について説明する。この場合は、表面２ａＳ，２ｂＳを共に含む平面（以下、平面Ｓという）に、ツール１が挿入されることになる。この場合には、ツール１と、被加工物２ａ，２ｂとの相対姿勢の制御は、平面Ｓの法線ｎと、回転軸ａとが一致するように行えばよい。例えば、ツール１の回転軸ａと平面Ｓにおける溶接開先部３との交点の廻りに、回転軸ａの傾きを変更し、法線ｎと、回転軸ａとが一致する状態で、ツール１の姿勢を固定支持することができる。
【００５１】
また、ツール１の端面が被加工物２ａ，２ｂに挿入される深さ（挿入深さ）の制御は、ツール１の端面の周縁ｆが、平面Ｓから予め定められた深さだけ挿入されるように、行えばよい。なお、この場合には、ツール１の端面は、平面Ｓと平行であることから、周縁ｆの任意の点における平面Ｓまでの距離（深さ）を基準にして制御を行うことができる。
【００５２】
ここで、溶接線方向１３及び法線ｎを含む面内において、法線ｎに対して溶接線方向１３後方に予め定められた角θ０（以下、後傾角という）だけ、回転軸ａを傾けてもよい。このように後傾角を設けた状態でツール１を支持することによって、塑性流動状態の金属が溢れ出ることを避ける効果をより向上することができる。この後傾角θ０は、例えば、３〜１０度とすることができる。
【００５３】
このように、後傾角を設けてツール１を支持するためには、例えば、ツール１の回転軸ａと加工物表面２ａＳ，２ｂＳの法線ｎとが成す角の、溶接線方向１３を含む面における第１の成分θと、前記回転軸ａと法線ｎとが成す角の、溶接線方向１３に直交する面における第２の成分φとを検出する。そして、第１の成分θが後傾角θ０に近づくように、また、第２の成分φが小さく（零に近づく）ように、ツール１と、被加工物２ａ，２ｂとの相対姿勢を制御すればよい。なお、この場合には、ツール１の端面は、平面Ｓに対して傾いている。ことのため、挿入深さの基準は、例えば、周縁ｆにおける溶接線方向１３後端での、平面Ｓまでの距離（深さ）を基準にして制御を行う。
【００５４】
次に、２つの被加工物２ａ，２ｂの表面２ａＳ，２ｂＳに凹凸がある場合、または、それらの高さが相異なる場合について説明する。この場合は、ツール１が挿入される部位、または、これに加えて、その周辺近傍を含む部位における平均的な平面（以下、平面Ｓ’という）を考え、その法線をｎと見なす。このような平面Ｓ’は、例えば、ツール１の周辺の複数の点において、被加工物表面２ａＳ，２ｂＳの高さを検出し、これらの点をフィットする平面として求めることができる。より具体的には、ツール１の溶接線方向１３の前方と後方とで、被加工物２ａ，２ｂのそれぞれの高さを検出する。
【００５５】
４点で検出を行う例としては、ツール１の溶接線方向１３前方において、被加工物２ａ，２ｂ上の点７ａ，７ｂの高さを、ツール１の溶接線方向１３後方において、被加工物２ａ，２ｂ上の点７ｃ，７ｄの高さを検出することができる。このとき、点７ｃ，７ｄについては、溶接開先部３からツール１の半径ｒよりも離れた部位とすることが好ましい。これにより、ツール１の溶接線方向１３後方では、ツール１の加工痕を避けて検出を行うことができる。従って、加工痕上での検出に伴う誤差要因を排除することができる。
【００５６】
なお、点７ａ，７ｂについては、溶接開先部３からツール１の半径ｒよりも近い部位とすることが好ましい。これは、実際に加工が行われる部位の面の状態を検出することができるからである。例えば、ツール１の半径がφ１５ｍｍである場合には、点７ａ，７ｂは、ツール１から溶接線方向１３に３０ｍｍ前方であって溶接開先部３から８ｍｍ離れた部位とし、点７ｃ，７ｄは、ツール１から溶接線方向１３に３０ｍｍ後方であって溶接開先部３から２０ｍｍ離れた部位とすることができる。このようにして検出された各点の高さからフィッティングして平面Ｓ’を求めることができる。
【００５７】
なお、点７ａ，７ｂで検出された高さの平均と７ｃ，７ｄで検出された高さの平均との差分から、回転軸ａと法線ｎとのθ方向の偏差を求め、点７ａ，７ｃで検出された高さの平均と７ｂ，７ｄで検出された高さの平均との差分から、回転軸ａと法線ｎとのφ方向の偏差を求めてもよい。
【００５８】
ツール１と被加工物２ａ，２ｂとの相対姿勢の制御は、上述の場合と同様に、法線ｎと回転軸ａが一致するように、または、法線ｎに対して予め定められた後傾角θ０となる相対姿勢となるように行えばよい。一方、ツール１の端面が被加工物２ａ，２ｂに挿入される深さ（挿入深さ）の制御は、ツール１の端面の周縁ｆが、前記求めた平面Ｓ’から挿入される深さが予め定められた値となるように行えばよい。この深さについて予め定められる値は、例えば、０．１〜０．５ｍｍと定めることができる。
【００５９】
また、ツール１の溶接線方向１３前方において、被加工物表面２ａＳ，２ｂＳのプロファイルが計測される場合には、ツール１の端面の周縁ｆが、被加工物表面２ａＳ，２ｂＳから挿入される深さの最小値を基準として挿入深さの制御を行うことが好ましい。これにより、被加工物表面２ａＳ，２ｂＳのプロファイルに凹凸がある場合であっても、被加工物もっとも低い部分に合わせて挿入深さを制御することができる。このとき、ツール１が後傾角θ０を設けて支持される場合には、前記周縁ｆにおける溶接線方向１３後方の半弧における最小値を基準とすればよい。
【００６０】
図９は、本発明のツールと被加工物表面との相対位置関係を表示するための表示部について説明する図である。まず、図９の（ａ）を参照して、ツールと被加工物表面との相対姿勢を表示するため表示部について説明する。この表示部では、ツールと被加工物表面との相対姿勢を、被加工物表面の法線及びツール回転軸の関係で表している。図９の（ａ）において、表示部８０は、被加工物表面の法線及びツールの回転軸の相対偏差を示すための指標８１と、被加工物表面の法線及びツールの回転軸との成す角における溶接線方向を含む面内の成分θを示す目盛り８３と、溶接線方向に垂直な方向を含む面内の成分φを示す目盛り８２とを有している。これらの目盛りは、図９の（ａ）に示すように、被加工物表面の法線及びツールの回転軸が一致する状態を基準とし、これを表示部の中央に設定することができる。図示される状態は、指標８１が原点（θ軸目盛り８３とφ軸８２との交点）に位置し、被加工物表面の法線及びツールの回転軸が一致する状態であることが表示されている。表示されるθ、φは、上述のようにして求められた、平均的な平面Ｓ’の法線ｎ（図８参照）と、ツールの回転軸ａ（図８参照）とから求めることができる。
【００６１】
次に、図９の（ｂ）を参照して、被加工物表面に対して予め定められた、ツールの回転軸を管理すべき方向と、回転軸の実際の方向との関係を表すための表示部について説明する。これは、上述した、ツールの回転軸を予め定められた後傾角θ０だけ後傾すべき場合に好適な表示部である。図９の（ｂ）において、表示部８０は、被加工物表面の法線及びツールの回転軸の相対偏差を示すための指標８１と、被加工物表面の法線及びツールの回転軸との成す角における溶接線方向を含む面内の成分θを示す目盛り８３と、溶接線方向に垂直な方向を含む面内の成分φを示す目盛り８２'とを有している。これらの目盛りは、図９の（ａ）に示した例と、θ軸目盛り８３が予め定められた後傾角θ０だけオフセットされていること、φ軸目盛り８２'が球体の子午線状に湾曲していることにおいて相違する。すなわち、予め定められた後傾角θ０だけ相対変位した相対姿勢に、被加工物表面の法線及びツールの回転軸が一致する状態を基準とし、これを表示部の中央に設定することができる。
【００６２】
次に、図９の（ｃ）を参照して、ツールのショルダー部の周縁の挿入深さを表す表示部について説明する。図９の（ｃ）において、表示部９０は、挿入深さを示すための目盛り９２と、ツールのショルダー部が挿入されている深さを示すための指標９１とを有している。上述のような表示部を用いて、ツールと被加工物表面との相対位置関係を表示することによって、ツールと被加工物表面との相対位置関係を認識しやすく表示することができる。
【００６３】
従って、ツールのショルダー部が被加工物表面に挿入される挿入深さ、すなわち、ツールを支持、または、これに加えて回転駆動するためのツール回転機構と、被加工物との相対距離の操作の基準を認知すること、前記ツール回転機構と被加工物との相対姿勢の操作の基準を認知することが、容易かつ確実となる。従って、これらの相対位置関係を管理して、変動を抑え、かつ、予め定められた相対位置関係とすることが可能となる。特に、相対位置関係の成分となる、相対距離、相対姿勢のうちの溶接線方向面内の成分、これに直交する成分のそれぞれを、どのように操作すればよいかを分かりやすく表示することができる。
【００６４】
図１０は、本発明のツールと被加工物との相対姿勢を操作することに好適な摩擦溶接装置の断面図である。本図では、駆動機構の一部、検出部は、省略して描かれているがこれは、上述した図４、５と同様に構成することができる。この摩擦溶接装置は、ツール１の回転軸が揺動可能に支持されていることにおいて、これらの実施の形態と相違する。以下に、相違点を中心に説明する。図１０において、摩擦溶接装置は、本実施の形態における摩擦溶接装置は、被加工物２を摩擦するためのツール１と、ツール１を取り付けるための取付部材２０ａが設けられた回転軸２０と、回転軸２０を回転可能に支持するための回転ベアリング２２が設けられたボックス２３と、回転軸２０を回転させるための回転モータ４と、上下方向に移動可能に前記ボックス２３を支持するための上下方向のベアリング３０と、ベアリング３０を支持するための支持枠１８と、支持枠１８を摺動可能に湾曲レール１９ａ，ｂに支持するためのベアリング１９ｃと、被加工物２を固定支持し、かつ、移動架台１５を溶接線方向１３に移動可能に支持するための溶接架台１６とを有して構成される。
【００６５】
本摩擦溶接装置は、支持枠１８が、湾曲レール１９ａ，ｂにガイドされる状態で、ベアリング１９ｃに支持されるため、ツール１の回転軸を揺動させることができる。このとき、湾曲レール１９ａ，ｂの曲率中心をツール１のショルダー部と一致させることにより、溶接過程においても、ツール１の揺動をより円滑に行うことができる。本実施の形態によれば、ツールと被加工物の相対位置関係を管理することが容易に、かつ、適切に行うことが可能となる。
【００６６】
従って、被加工物の凹凸、２つの被加工物相互の段差が生じている場合であっても、これらの状態に応じて、ツールと被加工部材との、相対姿勢及び挿入深さを制御することが可能となる。よって、ツールのショルダー部から、塑性流動状態の金属が溢れ出ることを抑制することができる。このため、溶接構造体の溶接部における欠陥の発生を抑止し、信頼性を向上させることができる。また、直線状の溶接のみならず、溶接部の表面が湾曲、傾斜する状態であっても、信頼性の高い溶接を行うことができる。
【００６７】
例えば、鉄道車両の車両構造体の製作に前述した摩擦溶接装置を適用することにより、溶接長さが長くなっても、より具体的には、例えば、２０ｍクラスの溶接長さであっても、溶接欠陥の発生を防止し、信頼性を向上させることができる。
【００６８】
【発明の効果】
本発明によれば、溶接過程における、被加工物表面に対するツールの挿入深さが常に一定となるように、また、被加工物表面に対するツールの挿入角が常に一定となるように制御することが可能となる。このため、溶接長さが長い溶接構造物であっても、溶接欠陥の発生を防止し、信頼性の高い溶接構造物を製作することが可能となる。例えば、溶接長さが２０ｍクラスに及ぶような溶接構造体、より具体的には、車両構造体、特に、高速車両構造体を。溶接欠陥の発生を防止して製作することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の摩擦溶接装置を示す斜視図である。
【図２】  ツールの断面形状を示す断面図である。
【図３】  高さが相違する２つの被加工物と溶接開先部に挿入されたツールとの関係を示す断面図である。
【図４】  本発明に係る摩擦溶接装置を示す断面図である。
【図５】  本発明に係る摩擦溶接装置を示す断面図である。
【図６】  本発明の摩擦溶接装置の溶接架台及び荷重検出部を示す断面図である。
【図７】  ツールの溶接線方向荷重とツールの挿入深さとの関係を示す図である。
【図８】  本発明の被加工物とツールとの相対位置関係を示す斜視図である。
【図９】  ツールと被加工物表面との相対位置関係を表示するための表示部を示す説明図であって、（ａ）ツールと被加工物表面との相対姿勢を被加工物表面の法線及びツール回転軸の関係を表す表示部、（ｂ）被加工物表面の法線から予め定められた後傾角傾いた方向及びツール回転軸の関係を表す表示部、（ｃ）ツールのショルダー部周縁の挿入深さを表す表示部である。
【図１０】  本発明に係る摩擦溶接装置を示す断面図である。
【符号の説明】
１…ツール、２…加工物、３…溶接開先部、４…ツールの回転駆動装置、５…回転棒の上下方向駆動装置、６…高さ検出器、７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄ…高さが検出される点、８…信号処理装置、９…ツール上下方向駆動用の制御装置、１１…ツールの回転方向、１３…溶接線方向、１５…移動架台、１６…溶接固定台、２０…ツールの回転方向の回転軸、２１…カップリング、２２…カップリング、２３…ボックス、２４…ツールの上下方向駆動軸。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
0003763281.tif 000008
【図８】
0003763281.tif 000009
【図９】
0003763281.tif 000010
【図１０】
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