JP2760111B2

JP2760111B2 - 摩擦接合法

Info

Publication number: JP2760111B2
Application number: JP1324570A
Authority: JP
Inventors: 正一郎貝原; 政一纐纈; 照美中村; 武弘村山
Original assignee: Ishikawajima Harima Heavy Industries Co Ltd
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 1989-12-14
Filing date: 1989-12-14
Publication date: 1998-05-28
Anticipated expiration: 2013-05-28
Also published as: JPH03184683A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、摩擦接合法に関するものである。

［従来の技術］摩擦接合法は、接合材料同志を突合わせて相対回転運
動を行わせ、その接合面に発生する摩擦熱を利用して接
合する方法である。

第９図は従来の摩擦接合法を実施する装置の一例を示
すもので、電動機１によって回転するはずみ車２に取付
けられ、一方の接合材料３をクランプして回転する回転
チャック４と、該回転チャック４と同一軸線上に配置さ
れており他方の接合材料５を前記接合材料３に対向して
クランプし、案内部材６に沿って前記回転チャック４に
対して近接・離反可能に設けられた固定チャック７と、
該固定チャック７を移動させて接合材料3,5の圧接を行
う油圧シリンダ等からなる押圧装置８とを備えている。

一方の接合材料３を取付けた回転チャック４を一定回
転速度で回転させた状態で、他方の接合材料５を取付け
た固定チャック７を押圧装置８によって前進させること
により、接合材料3,5の接合面同志を圧接すると、摩擦
部は赤熱して軟化状態となり回転エネルギーが熱発生に
よって消耗することになって、急速に回転運動が減速
し、自然停止して圧接が完了する。又上記において、摩
擦部が適温になったときにブレーキをかけて回転を停止
させる方法も採用されている。

上記回転停止後の押付け圧力はそのままアプセット圧
力として維持させたり、更にこれを増大してアプセット
を行うことが一般的に行われている。

上記摩擦接合時、接合面には接合を妨害する酸化物、
薄いガス吸着膜、汚れなどがあるため、これらを摩擦中
に分解或いは大きな加圧力によって第10図に示すように
バリ９として接合部から外部に押し出させて、活性化を
図ることにより高い接合強度を得るようにしており、通
常従来方式における摩擦部の温度はその材料の融点直下
まで上昇している。

［発明が解決しようとする課題］しかし、上記従来方式においは、接合面を活性化させ
て強固な接合を得るために、強力な押付力で圧接するこ
とにより接合を行うようにしているが、一般に接合材料
3,5がアルミ、銅などのように比較的軟らかい材料の場
合は接合し易く、チタン、ステンレス、セラミックス等
の比較的硬い材料の場合は接合し難い傾向にある。

このために接合できる材料の種類の範囲が狭く、又接
合できても充分な接合強度が得られない問題を有してい
た。

従って従来、このように摩擦接合による接合が不可能
な材料は、第11図に示すように、接合材料3,5の接合面
に板状或いは薄膜のインサート材Ｓを配置し、これら全
体を高温に加熱するととにより拡散接合させるか、又は
溶融させてろう付させるかの方法によって接合させるよ
うにしていた。

しかし、上記拡散接合或いはろう付きする方法は高温
に加熱するために、接合材料3,5が変質する問題を有し
たり、又均一な温度に加熱するための大掛りな装置を必
要としたり、加熱に時間がかかる等の問題を有してい
た。

本発明は、上記従来の問題点に着目してなしたもの
で、硬い材料などの従来の摩擦接合法で接合できなかっ
た接合材料を、容易且つ強固に接合させることを可能に
する摩擦接合法を提供することを目的としている。

［課題を解決するための手段］本発明は接合材料の対向する接合面に、摩擦力を与え
て接合し難い接合材料同志を接合する摩擦接合法におい
て、第１の接合材料に軟らかい中間材料の一端を当接さ
せて該当接した接合面の近傍を気密チャンバーによって
気密に包囲し、該気密チャンバー内を真空、又は不活性
ガスもしくは10ppm以下の酸素を含む不活性の雰囲気に
保持した状態において前記接合面に摩擦力を与えて接合
し、続いて前記中間材料の他端に第２の接合材料を当接
させて該当接した接合面の近傍を気密チャンバーによっ
て気密に包囲し、該気密チャンバー内を真空、又は不活
性ガスもしくは10ppm以下の酸素を含む不活性の雰囲気
に保持した状態において前記接合面に摩擦力を与えて接
合することを特徴とする摩擦接合法、又は、接合材料の
対向する接合面に、摩擦力を与えて接合し難い接合材料
同志を接合する摩擦接合法において、第１の接合材料に
軟らかい中間材料の一端を当接させて該当接した接合面
の近傍を気密チャンバーによって気密に包囲し、該気密
チャンバー内を真空、又は不活性ガスもしくは10ppm以
下の酸素を含む不活性の雰囲気に保持した状態において
前記接合面を物理的活性化法によって活性化させた後、
前記接合面に摩擦力を与えて接合し、続いて前記中間材
料の他端に第２の接合材料を当接させて該当接した接合
面の近傍を気密チャンバーによって気密に包囲し、該気
密チャンバー内を真空、又は不活性ガスもしくは10ppm
以下の酸素を含む不活性の雰囲気に保持した状態におい
て前記接合面を物理的活性化法によって活性化させた
後、前記接合面に摩擦力を与えて接合することを特徴と
する摩擦接合法にかかるものである。

［作用］接合し難い接合材料同志を摩擦接合する際、第１の接
合材料に軟らかい中間材料を摩擦接合によって接合さ
せ、続いて前記中間材料に第２の接合材料を摩擦接合に
よって接合させるようにし、且つ前記摩擦接合を、真
空、又は不活性ガスもしくは10ppm以下の酸素を含む不
活性の雰囲気内で行うことにより、接合面が良好に活性
化されて、小さな摩擦力で強固な接合が可能となる。上
記小さな摩擦力での接合が可能になることにより、接合
材料の塑性変形、変質が防止され、且つ摩擦力を与える
ための装置構造も小型軽量化される。

又、接合に先立ち、接合面を物理的活性化法によって
活性化させると、更に確実な接合が達成できる。

［実施例］以下、本発明の実施例を図面を参照しつつ説明する。

本発明は、第１図に示すように、例えば硬い材料のよ
うな接合しにくい第１、第２の接合材料34,35同志の接
合を、相互間に軟かい所要長さの中間材料36を介在させ
ることにより摩擦接合により可能にしようとするもので
ある。

第２図は本発明の方法を実施する装置の一例であり、
図中第９図と同一の符号を付した部分は同一物を表わし
ている。

第２図に示す如く、回転チャック４と固定チャック７
との間に接合材料の外周を長さ方向に所要の範囲で気密
に包囲するようにした気密チャンバー10を、支持台11上
に備え、且つ前記気密チャンバー10に吸引管12を介して
真空発生装置13を接続する。

第３図は前記気密チャンナー10の一例を示すもので、
気密チャンバー10は開口端に設けられたフランジ部14で
組立てることができる２つ割構造の２つの箱体15,16か
ら構成されており、該箱体15,16の底部15′,16′には同
一軸線上に挿入口17,18が形成され、該挿入口17,18に局
部シール装置19が取付けてある。

局部シール装置19は、第４図に前記箱体15を例にとっ
て示す如く、挿入口17が形成された底部15′の外側に、
半径方向内側が開口する環状の凹状空間20を形成するよ
うにした支持金具21がシールリング22を介して固定され
ており、前記凹状空間20内に環状のシール体23が挿入さ
れている。

シール体23は、内側シール板24と外側シール板25とを
形成するように断面略Ｃ字状を有した環状のシール材26
を備えており、該シール材26は、所要の弾性変形能と高
い耐摩耗性を有する合成樹脂材にて構成されている。

上記シール材26のＣ字状内部には高い弾発力を有した
環状のコイルバネ27が挿入されている。

上記構成において、シール体23の内径は、シールを行
う接合材料（図示の場合34）の外径よりわずかに小さい
径となっており、従って接合材料34をシール体23の内側
に合わせて押し込むと、内側シール板24が拡張されてそ
の分コイルバネ27が第４図に示すように押し潰された形
状となって、内側シール板24が接合材料34に、又外側シ
ール板25が支持金具21に強く圧接されることにより高い
シール性が確保されるようになっている。

又、前記気密チャンバー10における箱体15の側面に
は、気密チャンバー10の外部から接合材料34,36の位置
合わせや接合状態等を監視することができるのぞき窓28
が設けてある。

本発明の方法に用いられる第１、第２の接合材料34,3
5及び中間材料36はずべて同一径に形成してある。

前記第３図に示した気密チャンバー10の局部シール装
置19が備えられた挿入口17に硬い第１の接合材料34の一
端を挿入し、他方の挿入口18に軟らかい中間材料36の一
端を挿入し、該両材料34,36の各他端を第５図に示すよ
うに回転チャック４と固定チャック７に芯合わせした状
態で取付ける。このとき、前記気密チャンバー10が回転
しないように支持台11上に支持させる。

続いて、真空発生装置13により吸引を行って気密チャ
ンバー10内を真空に保持する。

この状態で、電動機１を駆動し、はずみ車２を介して
回転チャック４及び第１の接合材料34を回転させ、更に
押圧装置８により固定チャック７を前進させて中間材料
36の接合面を第１の接合材料34の接合面に押し付ける。

すると、接合面は真空雰囲気のために摩擦によって直
ちに活性化され、従って、小さな押圧力でしかも低い摩
擦温度で強固に接合されることになる。

このため、接合部の塑性変形が極めてわずかなものと
なり、且つ接合部の変質も殆んど生じない状態で強固な
接合が可能となる。

次に、前記気密チャンバー10内の真空状態を解除した
後、第６図に示すように回転チャック４に対する第１の
接合材料34のクランプ位置を変更し、固定チャック７に
第２の接合材料35を支持させることにより、該第２の接
合材料35の接合面と前記接合を行った中間材料36の他端
接合面とを対向させ、且つ該対向する接合面近傍を包囲
するように前記気密チャンバー10を位置決めした後、前
記気密チャンバー10内を再び真空に保持させ、前記と全
く同様の方法により接合を行う。

上記したように、第１、第２の接合材料34,35の相互
間に軟らかい中間材料36を介在させるようにし、しかも
真空の雰囲気において活性化を行わせながら接合するこ
とにより、接合し難い硬い接合材料においても容易にし
かも強固に摩擦接合することができる。

上記したように接合を行った接合材料は、チャック4,
7から外し、且つ気密チャンバー10から引き抜いて取り
出すことができるが、接合部のわずかな変形などによっ
て引き抜けない場合は、フランジ部14で気密チャンバー
10を２つに分割して取り出すことができる。

また、前記接合に先立ち、接合材料34,35と中間材料3
6の接合面を、真空雰囲気中に物理的活性化法により積
極的に活性化させておくことにより、更に強固な接合を
容易にしかも安定して得ることができる。

第７図は上記物理的活性化法の一例を示すもので、前
記気密チャンバー10における前記のぞき窓28と反対の側
面に、加工具収納室29を突設し、且つ気密チャンバー10
内に備えるようにしたやすり、ダイヤモンド研磨等から
なる加工具30に固定された操作アーム31を、前記加工具
収納室29の外側壁に前記と同様の局部シール装置19を備
えて形成されたアーム挿入口32に挿通させるようにして
いる。

この場合は、回転チャック４によって回転支持される
第１の接合材料34又は中間材料36の接合面に前記加工具
30を押し付けることにより切削を行って活性面を出さ
せ、又固定チャック７に支持される中間材料36又は第２
の接合材料35の接合面は操作アーム31により加工具30を
移動させて切削を行うことにより活性化させるようにす
る。このとき、のぞき窓28から内部の状況を見ながら作
業を行うことができる。活性化の作業が終了したら、加
工具30は接合の邪魔にならないように仮想線で示す如く
加工具収納室29内に収納させておく。

第８図は物理的活性化法の他の例を示すもので、気密
チャンバー10に挿入され所要の間隔を有して支持されて
いる例えば接合材料34,36間に高周波電源33によって高
周波電圧を印加して放電させると同時に、接合材料34を
回転させ、接合材料34,36の接合面の活性化と平滑化を
図るようにしている。

上記したように、接合に先立ち、接合面を真空雰囲気
中で活性化させておくことにより、より確実且つ高強度
の接合が可能となり、よって接合できる材料の種類の範
囲も拡大することができる。

又、上記実施例においては、気密チャンバー10内を真
空雰囲気に保持する場合について説明したが、不活性ガ
スもしくは10ppm以下の酸素を含む不活性ガス雰囲気に
保持させることによっても同様な接合を行うことができ
る。

前記した、気密チャンバー10は接合材料の接合部近傍
を局部的に包囲する小容量の構造を有していれば良いの
で、コンパクトな構造として種々の接合場所に容易に移
動して利用することができ、且つ小容量であるため、気
密チャンバー10内を真空或いは不活性雰囲気にするため
の装置を小型化し、且つ上記雰囲気形成のための所要時
間も短縮できる。

尚、本発明の摩擦接合法は、上述の実施例にのみ限定
されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内
において種々変更を加え得ることは勿論である。

［発明の効果］以上説明したように本発明の摩擦接合法によれば、下
記の如き種々の優れた効果を奏し得る。

（ｉ）第１の接合材料に軟らかい中間材料を接合させ
た後、該中間材料に第２の接合材料を接合させ、しかも
前記接合を、真空又は不活性雰囲気にて接合面の良好な
活性化を図りつつ行うようにしているので、接合が難し
い接合材料の摩擦接合による接合が可能になり、よって
接合できる材料の種類の範囲が大幅に拡大される。

（ii）上記（ｉ）により、小さな摩擦力で強固な接合
が可能になり、材料の塑性変形や変質を防止できる。

（iii）小型の気密チャンバーによって実施できるの
で、該気密チャンバーを移動させて種々の場所で容易に
利用することができる。

（iv）接合に先立ち、接合面を物理的活性化法によっ
て活性化させると、更に確実な接合が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の摩擦接合法の原理を示す材料の側面
図、第２図は本発明の方法を実施する装置の一例を示す
側面図、第３図は気密チャンバーの一例を示す斜視図、
第４図は局部シール装置の一例を示す断面図、第５図は
本発明の接合材料と中間材料との接合を示す側面図、第
６図は中間材料と第２の接合材料との接合を示す側面
図、第７図は加工具による物理的活性化法を実施する装
置の一例を示す切断正面図、第８図は放電による物理的
活性化法の一例を示す側面図、第９図は従来の摩擦接合
法を実施する装置の一例を示す側面図、第10図は従来の
摩擦接合法によって接合された接合部の断面図、第11図
は従来の拡散接合或いはろう付による接合の側面図であ
る。４は回転チャック、６は案内部材、７は固定チャック、
８は押圧装置、10は気密チャンバー、12は吸引管、13は
真空発生装置、17,18は挿入口、19は局部シール装置、3
0は加工具、31は操作アーム、33は高周波電源、34は第
１の接合材料、35は第２の接合材料、36は中間材料を示
す。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者村山武弘神奈川県横浜市磯子区新中原町１番地石川島播磨重工業株式会社技術研究所内 (56)参考文献特開昭59−47077（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−282791（ＪＰ，Ａ) 特開平１−148481（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) B23K 20/12 - 20/14

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】接合材料の対向する接合面に、摩擦力を与
えて接合し難い接合材料同志を接合する摩擦接合法にお
いて、第１の接合材料に軟らかい中間材料の一端を当接
させて該当接した接合面の近傍を気密チャンバーによっ
て気密に包囲し、該気密チャンバー内を真空、又は不活
性ガスもしくは10ppm以下の酸素を含む不活性の雰囲気
に保持した状態において前記接合面に摩擦力を与えて接
合し、続いて前記中間材料の他端に第２の接合材料を当
接させて該当接した接合面の近傍を気密チャンバーによ
って気密に包囲し、該気密チャンバー内を真空、又は不
活性ガスもしくは10ppm以下の酸素を含む不活性の雰囲
気に保持した状態において前記接合面に摩擦力を与えて
接合することを特徴とする摩擦接合法。
【請求項２】接合材料の対向する接合面に、摩擦力を与
えて接合し難い接合材料同志を接合する摩擦接合法にお
いて、第１の接合材料に軟らかい中間材料の一端を当接
させて該当接した接合面の近傍を気密チャンバーによっ
て気密に包囲し、該気密チャンバー内を真空、又は不活
性ガスもしくは10ppm以下の酸素を含む不活性の雰囲気
に保持した状態において前記接合面を物理的活性化法に
よって活性化させた後、前記接合面に摩擦力を与えて接
合し、続いて前記中間材料の他端に第２の接合材料を当
接させて該当接した接合面の近傍を気密チャンバーによ
って気密に包囲し、該気密チャンバー内を真空、又は不
活性ガスもしくは10ppm以下の酸素を含む不活性の雰囲
気に保持した状態において前記接合面を物理的活性化法
によって活性化させた後、前記接合面に摩擦力を与えて
接合することを特徴とする摩擦接合法。