JP2009248090A - 摩擦圧接方法および摩擦圧接装置 - Google Patents

Abstract

【課題】摩擦圧接によって接合したワークの引っ張り強度を強くしかつ見栄えに優れ得る摩擦圧接方法を提供する。
【解決手段】一対のワークＷ１，Ｗ２を相対回転させつつ押し当てることで一対のワークＷ１，Ｗ２を摩擦圧接する摩擦圧接工程と、摩擦圧接した一対のワークＷ１，Ｗ２の接合部Ｗ３近傍に高周波誘導加熱によって熱処理を施す熱処理工程とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、一対のワークを相対回転させつつ押し当てることで一対のワークを摩擦圧接する摩擦圧接方法および摩擦圧接装置に関する。

摩擦圧接によって接合した一対のワークを引っ張り試験した場合、ワークは、一般に熱影響を受けた接合部近傍のＨＡＺ部において破断が生じる。摩擦圧接した後にワークを焼き鈍しした場合は、ＨＡＺ部における強度が強くなって、ワークは、母材部において破断して引っ張り強度が強くなる。従来、摩擦圧接ではないが、溶接によって一対の配管を接合し、溶接部近傍に高周波誘導加熱による熱処理を施す方法も知られている（特許文献１参照）。
特開平６−２４８３５０号公報

通常、摩擦圧接されたワークに焼き鈍しを行う場合、電気炉が使用されている。例えば直径１２ｍｍのＳ５５Ｃ材の摩擦圧接部に焼き鈍しを行う場合は６５０℃で２時間程の処理時間が必要とされていた。しかしこの際、ワークの外表面が酸化して見栄えが悪くなるという問題が生じる。そこで本発明は、摩擦圧接によって接合したワークの引っ張り強度を強くしかつ見栄えに優れ得る摩擦圧接方法および摩擦圧接装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために本発明は、各請求項に記載の通りの構成を備える摩擦圧接方法または摩擦圧接装置であることを特徴とする。すなわち請求項１に記載の発明によると、摩擦圧接方法は、一対のワークを相対回転させつつ押し当てることで一対のワークを摩擦圧接する摩擦圧接工程と、摩擦圧接した一対のワークの接合部近傍に高周波誘導加熱によって熱処理を施す熱処理工程を有している。

したがってワークは、高周波誘導加熱によって引っ張り強度が強くなる。引っ張り強度が強くなる理由は、鋭意研究した結果、下記のように推測することができる。すなわち摩擦圧接によってワークの接合部の外周部近傍にミクロ的に急激な硬度変化する部分が生じ、その部分が引っ張り試験時に破壊起点になる。そしてこの硬度変化が高周波誘導加熱による熱処理によって緩和され、これによって引っ張り強度が強くなると、推測することができる。

そして本発明による熱処理は、従来にない作用効果によって効果的にワークに施され得る。すなわち一対のワークを摩擦圧接すると、ワークには、溶接等では生じ得ない径方向に延出するファイバーフロー（金属組織流れ）が発生する。誘導電流は、ファイバーフローに沿って流れやすいために、ワークの接合部にて高周波誘導加熱がワークの軸方向よりワーク中心方向に発生しやすい。したがって接合部近傍に生じるミクロ的に急激な硬度変化部分を高周波誘導加熱によって効率良く緩和することができる。また高周波誘導加熱を利用することで、熱処理によって酸化する領域を焼き鈍しに比べて小さくすることができる。かくして見栄えも向上する。

請求項２に記載の発明によると、棒状のワークで、かつ軸方向に延出するファイバーフローを備える一対のワークを準備する。そして摩擦圧接工程において一対のワークを軸中心に相対回転させつつ押し当てて、一対のワークの接合部において径方向に延出するファイバーフローを形成する。したがってワークの引っ張り強度を効果的に強くすることができる。

請求項３に記載の発明によると、熱処理工程の高周波誘導加熱は、１〜１５秒間、一対のワークの接合部の最外周面温度を３００〜６５０°にて保持する。したがって本熱処理は、焼き鈍しをする場合に比べて、設定温度を低くかつ処理時間を短くすることができる。

請求項４に記載の発明によると、摩擦圧接工程は、一対のワークを相対回転させつつ押し当てて摩擦熱を発生させる摩擦工程と、摩擦工程において一対のワークに寄り代が発生する前に開始され、ワークの相対回転を規制し、かつワーク間にアプセット圧を加えて寄り代を発生させるアプセット工程とを有している。この摩擦圧接工程によれば、摩擦工程において寄り代が発生せず、アプセット工程のみにおいて寄り代が生じ得る。そのため摩擦圧接全体における寄り代が小さくなり、これによって形成され得るバリが小さくなる。しかも一対のワーク間の摩擦圧接工程は、非常に短くなる。しかし従来のＬＨＩ法や通常のブレーキ式摩擦圧接に比べて、生じる熱量が少なくなり、ワークが急冷されやすいために、接合部の外周面近傍にミクロ的に急激な硬度変化部分が生じるおそれがある。しかしこの部分は、高周波誘導加熱による熱処理（請求項１参照）によって緩和され得る。そのため引っ張り強度を確実に高くすることができる。

請求項５に記載の発明によると、摩擦圧接装置には、摩擦圧接した一対のワークの接合部近傍に高周波誘導加熱によって熱処理を施すための高周波誘導加熱器が設けられている。したがって高周波誘導加熱器によってワークを効果的に熱処理することができる。しかも摩擦圧接によって生じる径方向のファイバーフローによってワークの接合部近傍を効果的に熱処理することができる。また本装置は、摩擦圧接装置と電気炉とを別々に有する従前の装置等に比べて小さくすることができる。

請求項６に記載の発明によると、高周波誘導加熱器は、摩擦圧接されたワークの接合部の外周の一部近傍に配設されるコイルを有している。そしてワークを回転させつつコイルに高周波電流を流すことで接合部の外周全周に高周波誘導加熱を発生させる。したがって摩擦圧接装置は、一対のワークを相対回転させるモータ等を備えているため、モータ等を利用してワークを回転させつつコイルに高周波電流を流すことができる。つまりワークを回転させることで、ワークの外周全周を囲むような高周波誘導加熱器を設けなくとも、ワークの接合部全周を加熱処理することが可能になる。したがって高周波誘導加熱器をわざわざワークの端から入れる必要がなくなるので、作業が容易になる。

請求項７に記載の発明によると、高周波誘導加熱器は、コイルをワークの接合部に対して進退させる進退機構を有している。したがって容易にコイルをワークの接合部に近接させることができる。

本発明の実施の形態を図１〜８にしたがって説明する。摩擦圧接装置１は、図１に示すようにベッド８と第一の保持台（主軸箱）２と第二の保持台３を有している。第一の保持台２は、ベッド８に設けられたガイド６に対して移動可能に取付けられ、図示省略の推力モータによってガイド６に沿って移動する。第二の保持台３は、ベッド８の一端部に移動不能に取付けられる。第一と第二の保持台２，３は、丸棒のワークＷ１，Ｗ２を着脱可能に保持するチャック２ａ，３ａを有している。チャック２ａ，３ａは、第一と第二の保持台２，３に装着されたモータ４，５の動力によって軸回転する。

図１，２に示すように第一の保持台２には、高周波誘導加熱器７が設けられている。高周波誘導加熱器７は、ワークＷに高周波誘導加熱を発生させる装置であって、コイル７ａと進退機構７ｂを有している。進退機構７ｂは、第一の保持台２に装着される本体部７ｂ１と、本体部７ｂ１に上下方向に移動可能に設けられる可動部７ｂ２を有している。可動部７ｂ２の下端部には、コイル７ａが装着される。コイル７ａは、Ｕ字状に形成されており、下側に開口する開口部７ａ１を有している。したがってコイル７ａは、進退機構７ｂによってワークＷに向けて進出して、開口部７ａ１からワークＷが挿入されて、ワークＷの外周の一部を覆う。

摩擦圧接装置１によって一対のワークＷ１，Ｗ２を接合する場合は、先ず図３に示すように摩擦圧接工程を行い、その後、熱処理工程を行う。摩擦圧接工程では、先ず、チャック２ａ，３ａに第一と第二のワークＷ１，Ｗ２を保持させる（図１参照、なお、図１は摩擦圧接工程後にチャック３ａから第二のワークＷ２を外した状態である）。次に、第一のワークＷ１をチャック２ａとともにモータ４によって軸回転させ、第二のワークＷ２をチャック３ａとともにモータ５によって軸回転不能に保持する。続いて、第一の保持台２を第二の保持台３に向けて移動させ、第一と第二のワークＷ１，Ｗ２を当接させる。これによりワークＷ１，Ｗ２間に摩擦熱が発生して、ワークＷ１，Ｗ２間が摩擦圧接される。

摩擦圧接工程は、さまざまな摩擦圧接方法が適用できる。例えば通常のブレーキ式摩擦圧接やＬＨＩ法が適用できる。ここでバリの発生を極力抑えることのできる摩擦圧接工程の一例を説明する。詳細は、図８に示す工程で示される。すなわち制御手段（図示省略）によってモータ４を制御して第一のワークＷ１を圧接回転速度Ａ１、例えば３３００ｒｐｍ〜１００００ｒｐｍの高速にて回転させる。回転数が低すぎると、ワークの外周部に焼き付きが生じ、直後にワーク間の相対回転により捩り破断が生じ、この捩り破断によって発熱量が急上昇するとともにバリが発生する虞が生じる。

次に、推力用モータを推力Ｐ０に制御してワークＷ１，Ｗ２を接触させ、ワークＷ１，Ｗ２の間に摩擦熱を発生させ、推力用モータを推力Ｐ１に保持する。この時、第一の保持台２は、ワークＷ１，Ｗ２が接触した位置よりも押す方向に移動せず、かつ押戻し方向に移動可能に保持される（摩擦工程、Ｔ１）。Ｐ１は例えば５〜１０ＭＰａに設定する。Ｐ１が低すぎると摩擦工程での摩擦熱が不足する。また本発明は寄り代が発生する前に摩擦工程終了するので、Ｐ１が高すぎるとすぐに寄り代が発生してしまい、バリの発生が多くなってしまう。上記のような低い押圧力Ｐ１、上記のような高い圧接回転速度Ａ１で保持するため、摩擦工程において寄り代が発生しない状態で、接合面を加熱することが可能となる。時間Ｔ１は例えば予め設定されている。ワークＷ１，Ｗ２が鋼材の丸棒の場合には、Ｔ１を０．０５〜１秒で設定し得る。

次に、摩擦工程が終了すると、第一のワークＷ１の回転規制を開始する。続いて推力用モータを制御してワークＷ１，Ｗ２の間にアプセット圧Ｐ２を加える。アプセット圧Ｐ２は、摩擦工程の推力Ｐ１の２〜４倍に設定することが好ましい。例えばＰ２を１０〜３０ＭＰａに設定することが好ましい。またワークＷ１の回転規制と同時に、モータ５を制御してチャック３ａを軸回転可能なフリー状態にする。これにより第二のワークＷ２が第一のワークＷ１に対して連れ回り始め、Ｔ１＋Ｔ２経過後にワークＷ１，Ｗ２が同じ回転速度Ａ２で回転し、その後、停止する（アプセット工程、Ｔ２，Ｔ３）。例えばＴ２とＴ３がともに０．５〜１秒になる。そしてワークＷ１，Ｗ２の相対回転が０になる前後時間Ｔ４において、ワークＷ１，Ｗ２間に寄り代Ｂ（例えば０．０５〜０．２ｍｍ）が発生する。

図３に示すように摩擦圧接工程の後に熱処理工程を行う。熱処理工程は、先ず、図１に示すように第二のワークＷ２をチャック３ａから外す。次に、図２に示すようにコイル７ａをワークＷの接合部Ｗ３に近接させてコイル７ａに高周波電流を流す。続いてモータ４を制御してワークＷを軸回転させる。これにより接合部Ｗ３の近傍の全周に高周波誘電加熱が発生する。なお高周波誘加熱は、摩擦圧接工程において発生した摩擦熱が冷える前に開始することが好ましい。これにより高周波誘電加熱に必要なエネルギーを少なくすることができる。

コイル７ａに流す高周波電流は、図７に示すように接合部Ｗ３の最外周面の温度を所定温度（Ｔｅｍｐ１〜Ｔｅｍｐ１＋α）にするように制御される。例えばＴｅｍｐ１が３００〜６００℃、αが５０℃になるようにＯＮ・ＯＦＦ制御される。電流の周波数は、例えば５〜１２０ｋＨｚであり、所定温度範囲の保持時間ｔ１は、例えば１〜１５秒である。高周波誘導加熱を発生させた後、放置することによってワークＷを除冷する。

ワークＷ１，Ｗ２は、鋼材製、例えばＳ５５Ｃなどの高炭素鋼、Ｓ１５Ｃなどの軟鋼などであって、中実または中空状の棒状（丸棒等）に形成される。ワークＷ１，Ｗ２は、図６に示すように押出成形等によって成形されることで、軸方向に延出するファイバーフローＷ５，Ｗ６（金属組織流れ）を有している。そして図４，５に示すようにワークＷには、摩擦圧接されることで、接合部Ｗ３に径方向および周方向に延出するファイバーフローＷ７が形成される。

通常の電気炉による加熱は、ワークＷの外表面が加熱されやすく、ワークＷの中心において加熱され難い。一方、高周波誘導加熱は、誘導電流がファイバーフローに沿って流れやすいという性質を有している。したがって上記の様に摩擦圧接されたワークＷは、接合部Ｗ３の近傍においてコイル７ａに高周波電流を流すと、ファイバーフローＷ７に沿って接合部Ｗ３の近傍においてワークＷの軸方向よりもワークＷの中心側に向けて径方向に高周波誘導加熱が生じやすい。かくして摩擦圧接工程において熱影響を受けた接合部Ｗ３近傍のワークＷのＨＡＺ部Ｗ４において温度が高くなり、ＨＡＺ部Ｗ４において熱処理が施され易い。なお摩擦圧接工程によって発生したバリＷ８は、熱処理工程の後に除去しても良いし、熱処理工程の前に除去しても良い。

実際の熱処理試験を行ない、効果を確認した。まず、Ｓ５５Ｃ材丸棒をＬＨＩ法によって摩擦圧接した。その後、表１に示す保持時間、接合部最外周面の温度、コイルの発振周波数で昇温５秒→目標温度保持→放冷という工程の熱処理を施した。

次に、熱処理工程を施していないワークと、上記した熱処理工程を施したワークとを引っ張り試験した。その結果、熱処理工程を施していないワークは、７５６ＭＰａにてＨＡＺ部において破断した。一方、上記の熱処理工程を施したワークは、ＨＡＺ部ではない母材部分において破断して、引っ張り強度も高くなった。例えば、Ｎｏ．６，７の強度はそれぞれ、７８２、７７３ＭＰａであった。また、Ｎｏ．１のように最外周温度が３００℃で保持時間が１０秒でも母材部分で破断し、接合部分の熱処理が充分であることがわかった。またＮｏ．５のように保持時間が０秒でも母材部分で破断し、熱処理が充分であることがわかった。

以上のように、摩擦圧接方法は、図３に示すように摩擦圧接工程と、高周波誘導加熱によって熱処理を施す熱処理工程を有している。したがってワークＷは、高周波誘導加熱によって引っ張り強度が強くなる。引っ張り強度が強くなる理由は、鋭意研究した結果、下記のように推測することができる。すなわち摩擦圧接によってワークＷの接合部Ｗ３の外周部近傍にミクロ的に急激な硬度変化する部分が生じ、その部分が引っ張り試験時の破壊起点になる。そしてこの硬度変化が高周波誘導加熱による熱処理によって緩和され、これによって引っ張り強度が強くなると、推測することができる。

また本形態による熱処理は、従来にない作用効果によって効果的にワークに施され得る。すなわち一対のワークＷ１，Ｗ２を摩擦圧接すると、ワークＷには、溶接等では生じ得ない径方向に延出するファイバーフロー（金属組織流れ）Ｗ７が発生する。そして誘導電流は、ファイバーフローに沿って流れやすいために、ワークＷの接合部Ｗ３にて高周波誘導加熱がワークＷの軸方向よりワークＷ中心方向に発生しやすい。したがって接合部Ｗ３近傍に生じるミクロ的に急激な硬度変化部分を高周波誘導加熱によって効率良く緩和することができる。また高周波誘導加熱を利用することで、熱処理によって酸化する領域を焼き鈍しに比べて小さくすることができる。かくして見栄えも向上する。

またワークＷ１，Ｗ２は、図６に示すように棒状であって、軸方向に延出するファイバーフローＷ５，Ｗ６を備える。そして摩擦圧接工程において一対のワークＷ１，Ｗ２を軸中心に相対回転させつつ押し当てて、図４に示すように一対のワークＷ１，Ｗ２の接合部Ｗ３において径方向に延出するファイバーフローＷ７を形成する。したがって高周波誘導加熱は、ファイバーフローＷ５，Ｗ６，Ｗ７に沿って接合部Ｗ３近傍において発生しやすくなる。かくしてワークＷの引っ張り強度を効果的に強くすることができる。

また熱処理工程の高周波誘導加熱は、１〜１５秒間、一対のワークＷ１，Ｗ２の接合部Ｗ３の最外周面温度を３００〜６５０°にて保持する。したがって本熱処理は、焼き鈍しをする場合に比べて、設定温度を低くかつ処理時間を短くすることができる。

また摩擦圧接工程は、図８に示すような摩擦工程（Ｔ１）とアプセット工程（Ｔ２，Ｔ３）を適用しても良い。この場合、一対のワークＷ１，Ｗ２間の摩擦圧接工程は、非常に短くなる。またバリの発生も抑制できる。しかし生じる熱量が少なくなり、ワークＷが急冷されやすいために、接合部Ｗ３の外周面近傍にミクロ的に急激な硬度変化部分が生じるおそれがある。しかしこの部分は、高周波誘導加熱による熱処理によって緩和され得る。そのため引っ張り強度を確実に高くすることができる。また、バリの発生も少ないのでバリ除去をする前でも高周波誘導加熱が効果的に適用できる。

また摩擦圧接装置１には、図１に示すように高周波誘導加熱器７が設けられている。したがって本装置は、摩擦圧接装置と電気炉を別々に有している従前の装置等に比べて小さくすることができる。

また高周波誘導加熱器７は、図１，２に示すようにワークＷの接合部Ｗ３の外周の一部近傍に配設されるコイル７ａを有している。そしてワークＷを回転させつつコイル７ａに高周波電流を流すことで接合部Ｗ３の全周に高周波誘導加熱を発生させる。したがって従来のようにワークの全周をコイルによって囲む必要がないため、作業が容易になる。また摩擦圧接装置１は、一対のワークＷ１，Ｗ２を相対回転させるモータ４を備えているため、そのモータ４を利用してワークＷを回転させつつコイル７ａに高周波電流を流すことができる。

（他の実施の形態）
本発明は、上記実施の形態に限定されず、以下の形態等であっても良い。
（１）上記実施の形態は、摩擦圧接装置１に高周波誘導加熱器７が装着されていた。しかし高周波誘導加熱器が摩擦圧接装置と別個に設けられる形態であっても良い。
（２）上記実施の形態のコイル７ａは、Ｕ字状であった。しかし円弧状または直線状であってワークＷの外周面の一部近傍に沿って配設される形態であっても良い。
（３）上記実施の形態は、第一のワークＷ１を回転させるモータ４によって摩擦圧接後のワークＷを回転させる形態であった。しかし第一のワークＷ１をチャック２ａから外し、第二のワークＷ２を回転させるモータ５によってワークＷを回転させる形態であっても良い。また、チャックから外さずに一方のモータをフリーにして、他方のモータを回転させたり、両方のモータを等速で回転させたりすることによってワークＷを回転させる形態であっても良い。
（４）摩擦圧接工程は、図８に示すような工程や、ＬＨＩ法に限らず、通常のブレーキ式摩擦圧接であっても良い。

摩擦圧接装置の正面図である 図１のII―II線矢視図である。 摩擦圧接方法の工程図である。 摩擦圧接したワークの正面図である。 図４のV―V線断面矢視図である。 摩擦圧接する前のワークの正面図である。 高周波誘導加熱における時間―温度線図である。 摩擦圧接時における各種制御値および状態値を示す図である。

符号の説明

１…摩擦圧接装置
２，３…保持台
２ａ，３ａ…チャック
４，５…モータ
７…高周波誘導加熱器
７ａ…コイル
７ｂ…進退機構
８…ベッド
Ｗ，Ｗ１，Ｗ２…ワーク
Ｗ３…接合部
Ｗ４…ＨＡＺ部
Ｗ５，Ｗ６，Ｗ７…ファイバーフロー

Claims (7)

1. 一対のワークを相対回転させつつ押し当てることで前記一対のワークを摩擦圧接する摩擦圧接工程と、
   摩擦圧接した前記一対のワークの接合部近傍に高周波誘導加熱によって熱処理を施す熱処理工程とを有する摩擦圧接方法。
2. 請求項１に記載の摩擦圧接方法であって、
   棒状のワークで、かつ軸方向に延出するファイバーフローを備える一対のワークを準備し、
   摩擦圧接工程において前記一対のワークを軸中心に相対回転させつつ押し当てて、前記一対のワークの接合部において径方向に延出するファイバーフローを形成することを特徴とする摩擦圧接方法。
3. 請求項１または２に記載の摩擦圧接方法であって、
   熱処理工程の高周波誘導加熱は、１〜１５秒間、一対のワークの接合部の最外周面温度を３００〜６５０°にて保持することを特徴とする摩擦圧接方法。
4. 請求項１〜３のいずれか一つに記載の摩擦圧接方法であって、
   摩擦圧接工程は、一対のワークを相対回転させつつ押し当てて摩擦熱を発生させる摩擦工程と、前記摩擦工程において前記一対のワークに寄り代が発生する前に開始され、前記ワークの相対回転を規制し、かつ前記ワーク間にアプセット圧を加えて寄り代を発生させるアプセット工程とを有することを特徴とする摩擦圧接方法。
5. 一対のワークを相対回転させつつ押し当てることで前記一対のワークを摩擦圧接する摩擦圧接装置であって、
   摩擦圧接した前記一対のワークの接合部近傍に高周波誘導加熱によって熱処理を施すための高周波誘導加熱器が設けられていることを特徴とする摩擦圧接装置。
6. 請求項５に記載の摩擦圧接装置であって、
   高周波誘導加熱器は、摩擦圧接されたワークの接合部の外周の一部近傍に配設されるコイルを有し、前記ワークを回転させつつ前記コイルに高周波電流を流すことで前記接合部の外周全周に高周波誘導加熱を発生させることを特徴とする摩擦圧接装置。
7. 請求項６に記載の摩擦圧接装置であって、
   高周波誘導加熱器は、コイルをワークの接合部に対して進退させる進退機構を有することを特徴とする摩擦圧接装置。
   
   

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