JP6020812B2 - 摩擦圧接装置 - Google Patents

Description

本発明は摩擦圧接装置に係り、詳しくは把持装置により把持された一対の接合部材の間に加熱コイルを挿入して電磁誘導作用により予備加熱し、把持装置を駆動して両接合部材を互いに突き合わせて摩擦圧接法により接合する摩擦圧接装置に関するものである。

摩擦圧接法は、接合対象物である一対の接合部材を突き合わせて押圧力（アプセット圧力，フォージ圧力）を作用させながら相対運動を起こさせ、このとき発生する摩擦熱によって接合面を昇温して固相状態のまま接合する方法である。例えば特許文献１の技術では、航空機エンジンの圧縮機又はタービンのロータとして適用される一体型翼車（ブリスク，ブリング）を修理するために摩擦圧接法を用いている。この種の一体型翼車は、ディスクの外周に多数のブレードを一体的に列設して構成されている。何れかのブレードが損傷したときには、破損したブレードを基部から切除した上で、切除後の基部に補修用のブレードを接合することで修理している。

補修用ブレードの接合には線形摩擦圧接法（ＬＦＷ：Linear Friction Welding）が用いられ、ディスクの基部に対して補修用ブレードを突き合わせて押圧力を作用させながら、直線上で往復動させて基部との間に摩擦熱を発生させて接合している。このような線形摩擦圧接法は一体型翼車の修理のみならず一体型翼車を製造するときにも利用され、ディスクの外周に列設された多数の基部に対して順にブレードを線形摩擦圧接法により接合している。

以上のような摩擦圧接法は他の溶接法に比較して、接合部材の温度上昇を抑制できるため接合部材への熱影響が少なく、また接合箇所の酸化物等が摩擦により余盛として押し出されるので欠陥が発生し難いという長所を有する。その反面、摩擦熱により接合部材の接合箇所を軟化させるには強力な押圧力が必要なため、必然的に堅牢且つ機構的に大掛かりな装置を要して製造コストが嵩むという問題がある。

このような問題の解決策として、事前に接合部材の両方又は一方を誘導加熱により予備的に加熱し（以下、予備加熱という）、その後に摩擦圧接法を実施する手法が提案されている。例えば特許文献２には、回転摩擦圧接法を用いた技術が開示されている。当該技術では、一対の棒状をなす接合部材を突き合わせて周囲を包囲するように加熱コイルを配設し、加熱コイルの電磁誘導作用により両接合部材の接合部位を予備加熱した後に、両接合部材を相対回転させて接合している。この予備加熱により回転摩擦圧接法の際に要求される押圧力を軽減し、装置の規模の縮小を図っている。

また、当該特許文献２では、融点の異なる接合部材を摩擦圧接するにあたり、まず高融点の接合部材を低融点の接合部材の融点近傍まで予備加熱することによって、接合時に低融点の接合材に大量に生じる余盛の発生を極力抑えることとしている。

このような予備加熱は、線形摩擦圧接法を用いた接合、例えば前記ディスクに対するブレードの接合等にも応用できる。ディスクの基部にブレードを突き合わせた状態では、加熱コイルを配置するスペースの確保が困難である。そこで、まずディスクの基部に対してブレードを離間配置し、両部材の間に加熱コイルを挿入して接合面を予備加熱し、次いで間隙内から加熱コイルを離脱させた後に、ブレードをディスクの基部に突き合わせて線形摩擦圧接法を実施する手順を採ることが考えられる。

特開２００９−３９７４６号公報 特開平１０−２０２３７３号公報

ところで、前記のような加熱コイルによる予備加熱は、双方の接合部材の接合面を均一に目標温度まで昇温させることが重要であり、それぞれの到達温度に誤差が生じたり、接合面の温度分布が不均一になったりした場合には、その後の摩擦圧接が想定した条件の下で行われなくなって接合強度が低下する可能性が生じる。

そこで、前記特許文献２のように、まず高融点の接合部材を低融点の接合部材の融点近傍まで予備加熱することで、異なる融点の接合部材における温度分布を均一化する方法も考えられるが、これは少なくとも２度の予備加熱を行う必要があり、工数が増加するという問題が生じ、このように合計の予備加熱時間が増える場合には、熱伝導による熱影響範囲の拡大が懸念される。

また、予備加熱時において、それぞれの接合部材の断面形状や、接合部材の把持治具からの突き出し量や、把持治具の形状が異なると、加熱コイルと接合部材の加熱面（接合面）との間に生じる磁場分布が非対称となり、接合部材の加熱面への鎖交磁束数とその分布が一対の接合部材間で異なることとなる。鎖交磁束によって接合部材内に渦電流が発生することでジュール発熱することから、両接合部材間で鎖交磁束数や分布が非対称となれば、発熱密度分布も異なることとなり、両接合部材の温度分布は不均一になる。例えば、両接合部材の突き出し量に数十ｍｍの差が生じただけで予備加熱による温度差が数百℃となる場合もある。

本発明は、上記した従来の課題に着目してなされたもので、摩擦圧接する以前に行われる予備加熱において、一対の接合部材における各々の突き出し量や断面形状や材質等の違いにかかわらず、一回の予備加熱により両接合部材の温度分布を適切に調整することができ、その結果、理想的な条件下において摩擦圧接を行い得る摩擦圧接装置を提供することを目的としている。

本発明の請求項１に係る発明は、一対の接合部材を摩擦圧接させる摩擦圧接装置であって、前記一対の接合部材を把持して、当該接合部材の互いに対向する接合面同士を加圧接触させつつ相対的に運動させることで摩擦熱を生じさせる把持手段と、前記接合部材同士を相対的に運動させる以前に、前記一対の接合部材の互いに対向する接合面間に挿入されて、電磁誘導加熱により前記一対の接合部材の各接合面を予備加熱する加熱コイルを備え、 前記加熱コイルは、前記一対の接合部材の各接合面同士を結ぶ方向に沿って管体を複数巻きして形成されていると共に、一方側から他方側にかけて漸次形状を変えて形成され、前記管体を複数巻きして成る加熱コイルは、前記一対の接合部材における各接合面の輪郭よりも大きい外郭状加熱コイルとして形成され、前記加熱コイルの全体的な輪郭は、前記一対の接合部材における各接合面の断面形状に合わせて決定され、前記加熱コイルの一方側から他方側にかけての形状の変化は、前記一対の接合部材の加熱条件に応じて決定されている構成としたことを特徴としており、この構成の摩擦圧接装置を前述した従来の課題を解決するための手段としている。

本発明の請求項２に係る摩擦圧接装置において、前記管体は削り出しにより形成され、矩形断面を有している構成としている。

本発明に係る摩擦圧接装置において、加熱コイルの位置ずれを検出して修正するためのレーザヘッドなどの位置調整機構を備えた構成としてもよい。
また、複数巻きした加熱コイルに着脱可能なスペーサを絶縁材により製作して、加熱コイルの一巻毎の間隔を保持したり、型崩れを防いだりするようにしてもよい。

本発明の請求項１に係る摩擦圧接装置では、複数巻きした加熱コイルの巻形状を一方側から他方側にかけて漸次変えているので、加熱コイルの左右面に作られる磁束分布を意図的に非対称とすることができ、したがって、一対の接合部材における各々の突き出し量や断面形状や材質等の違いによる磁束分布の非対称状態を相殺し得ることとなって、一回の予備加熱により両接合部材の温度分布を適切に調整し得ることとなる。

また、本発明の請求項１に係る摩擦圧接装置では、加熱コイルを一対の接合部材の各接合面の輪郭よりも大きい外郭状加熱コイルとして形成しているので、加熱コイル直下での発熱密度分布の急激な悪化が抑制され、加熱面全体においてむらの少ない発熱密度分布を実現し得ることとなり、本発明の請求項２に係る摩擦圧接装置では、加熱コイルの管体が、削り出しにより形成された矩形断面を有しているものとしているので、コイル自体の剛性が向上すると共に、変形がし難いものとなる。

なお、本発明に係る摩擦圧接装置において、加熱コイルを一対の接合部材の各接合面に対して意図的に傾けることで、例えば、接合部材の上部において加熱コイルとのギャップを小さくし、一方、接合部材の下部において加熱コイルとのギャップを大きくすることで、接合部材の上下方向の温度分布（発熱密度分布）を変化させることができるほか、加熱コイルを構成する管体として敢えて形状を変化させ易い細めの低剛性管体を採用すれば、接合部材に対する加熱コイルのギャップを調整しやすくなり、温度分布補正が可能となる。

本発明に係る摩擦圧接装置では、上記した構成としているので、一対の接合部材における各々の突き出し量や断面形状や材質等の違いに関係なく、一回の予備加熱で両接合部材の温度分布を適切に調整することができ、その結果、理想的な条件下において摩擦圧接を行うことが可能であるという非常に優れた効果がもたらされる。

本発明の一実施形態に係る摩擦圧接装置を示す全体正面説明図である。 図１における摩擦圧接装置の加熱コイルと一対の接合部材との位置関係を示す部分斜視説明図である。 図１における摩擦圧接装置の把持手段に把持された一対の接合部材と加熱コイルとの位置関係を示す部分平面説明図である。 図１に示した摩擦圧接装置における加熱コイルの拡大正面説明図である。 図１に示した摩擦圧接装置における加熱コイルの半割斜視説明図である。

以下、本発明を線形摩擦圧接装置に具体化した一実施形態を説明する。
説明の便宜上、図１，図４の上下方向を上下、図１，図４の左右方向を前後、図１，図４の紙面と直交する方向奥側を右、手前側を左として規定する。
図１に示すように、全体として摩擦圧接装置は、接合対象物である一対の接合部材Ｗ１，Ｗ２（図１では紙面と直交する方向奥側の接合部材Ｗ１のみを記載し、紙面と直交する方向手前側の接合部材Ｗ２は記載せず）を把持して線形摩擦圧接法により接合する摩擦圧接部１と、接合部材Ｗ１，Ｗ２の接合に先立って加熱コイル５により予備加熱する予備加熱部２から構成されており、装置のベース４上にそれぞれ配置されている。

なお、本実施形態では、図２にも示すように、当該接合部材Ｗ１，Ｗ２は、航空機等に使用されるガスタービンエンジンのディスクＤの外周に複数設けられるブレードであり、当該摩擦圧接装置は、ブレード先端側の接合部材Ｗ１をディスクＤから突出しているブレード根元部分（図２では１個のブレード根元部分のみ示す）の接合部材Ｗ２に接合するものとする。

図３に示すように、摩擦圧接部１の一対の把持部（把持手段）６ａ，６ｂは左右方向に相対向して配置され、それぞれ接合部材Ｗ１，Ｗ２が脱着可能に把持されている。両把持部６ａ，６ｂはそれぞれ駆動装置６に支持されており、駆動装置６は線形摩擦圧接法による接合部材Ｗ１，Ｗ２の接合のために両把持部６ａ，６ｂを左右方向及び上下方向に駆動するようになっている。具体的には、左右方向への駆動は、両把持部６ａ，６ｂを接近或いは離間させるように行われ、後述する予備加熱後には、両把持部６ａ，６ｂは，図３に示す離間状態から互いに接近し、接合部材Ｗ１，Ｗ２の接合面を突き合わせて押圧力を作用させ得るようになっている。

また、両把持部６ａ，６ｂの上下方向、すなわち、接合部材Ｗ１，Ｗ２の各接合面の長手方向（図３では紙面と直交する方向）への駆動は、両接合部材Ｗ１，Ｗ２を直線上で相対的に往復動させるように行われ、前記接合面を突き合わせた状態で押圧力を作用させながら両接合部材Ｗ１，Ｗ２を往復動させることにより、両接合部材Ｗ１，Ｗ２の各接合面に摩擦熱を発生させて接合させ得るようになっている。

なお、本実施形態では両把持部６ａ，６ｂをいずれも接離及び往復動させているが、これに限ることはない。例えば何れか一方の把持部６ａ（或いは６ｂ）を固定し、この把持部６ａ（或いは６ｂ）に対して他方の把持部６ｂ（或いは６ａ）を相対的に接離及び往復動させるように構成してもよい。

予備加熱部２は摩擦圧接部１の後方位置に配置されている。ベース４上には予備加熱部２の直動ステージ７が設置され、この直動ステージ７上に配設された制御ボックス８が直動ステージ７に沿って前後方向に移送されるようになっている。制御ボックス８からは前方に向けて水平に支持アーム９が延設され、支持アーム９の二股状に分岐した先端には加熱コイル５が接続されている。

このように、加熱コイル５は支持アーム９の先端に支持され、加熱コイル５の上下位置は予備加熱部２の接合部材Ｗ１，Ｗ２の高さと一致している。制御ボックス８と共に加熱コイル５は直動ステージ７に沿って移送され、前側のストローク端では、図１に仮想線で示すように、把持部６ａ，６ｂに把持されている両接合部材Ｗ１，Ｗ２の間に挿入され、後側のストローク端では、図１に実線で示すように、両接合部材Ｗ１，Ｗ２の間から後方に離脱するようになっている。

制御ボックス８内には高周波誘導加熱回路が収容され、この高周波誘導加熱回路は電力線１２を介して高周波電源１３に接続されると共に、ブスバー１４を介して加熱コイル５と電気的に接続されている。高周波誘導加熱回路は高周波電源１３からの電力供給によりブスバー１４を通じて加熱コイル５に高周波電流を流す。その結果、加熱コイル５と接合部材Ｗ１，Ｗ２との間、及び、両接合部材Ｗ１，Ｗ２内に磁束が生起され、両接合部材Ｗ１，Ｗ２内の磁束を妨げる渦電流の発生により接合部材Ｗ１，Ｗ２の各接合面が加熱されるようになっている。

この場合、加熱コイル５は、一対の接合部材Ｗ１，Ｗ２の各接合面同士を結ぶ左右方向に沿って巻数４ターン５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄで形成されている。これらのターン５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄは、図２に示すように、接合部材Ｗ２側のターン５ａから順に一巻毎に漸次輪郭が大きくなるように形成されており、図４にも示すように、４ターン５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄのうちの最も小さいターン５ａの輪郭が、一対の接合部材Ｗ１，Ｗ２（図４において接合部材Ｗ２は図示せず）における各接合面の輪郭よりも大きい外郭状加熱コイルとして形成されている。

この実施形態において、加熱コイル５は、図５に示すように、削り出しにより形成された銅製の中空矩形断面を有する管体から構成され、４ターン５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄは、それぞれ互いに独立したリング体を成していて、パイプ５ｆを介して互いに接続されている。この加熱コイル５は、配管５ｅ及び支持アーム９内に形成された水路を介して制御ボックス８内の図示しない冷却水タンクと接続されている。冷却水タンクの冷却水はポンプにより汲み出され、加熱コイル５の溶損防止のために支持アーム９の水路及び配管５ｅを経て加熱コイル５内に導入され、４ターン５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄを循環した後、冷却水タンク側に戻されるようになっている。

次に、上記した線形摩擦圧接装置による接合部材Ｗ１，Ｗ２の接合作業を説明する。
まず、直動ステージ７上で制御ボックス８を後方に移送して加熱コイル５を退避位置に切り換える。

次いで、摩擦圧接部１の両把持部６ａ，６ｂを互いに離間させて接合部材Ｗ１，Ｗ２をそれぞれ把持させたうえで、両接合部材Ｗ１，Ｗ２の各接合面が予め設定した間隔となるように両把持部６ａ，６ｂを互いに接近させる。

この状態で直動ステージ７に沿って制御ボックス８を前方に移送して加熱コイル５を挿入位置に切り換え、加熱コイル５を両接合部材Ｗ１，Ｗ２間に挿入する。

この後、高周波誘導加熱回路により加熱コイル５に高周波電流を流し、接合部材Ｗ１，Ｗ２の接合面を予備加熱する。予備加熱時の電流値及び予備加熱の継続時間は、予め試験により求められた値に基づき制御される。

このとき、両把持部６ａ，６ｂからの接合部材Ｗ１，Ｗ２の各突き出し量ｄ１，ｄ２に違いがあるが、複数巻きした加熱コイル５の巻形状をターン５ａから順に変えることで、この突き出し量ｄ１，ｄ２の違いによる磁束分布の非対称状態を相殺するようにしているので、両接合部材Ｗ１，Ｗ２の温度分布を適切に調整し得ることとなる。

また、加熱コイル５の４ターン５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄのうちの最も小さいターン５ａの輪郭を一対の接合部材Ｗ１，Ｗ２における各接合面の輪郭よりも大きく設定しているので、加熱コイル５直下での発熱密度分布の急激な悪化が抑制されることとなり、加熱面全体においてむらの少ない発熱密度分布が得られる。

そして、予備加熱を完了すると、制御ボックス８を直動ステージ７に沿って後方に移送する。加熱コイル５は両接合部材Ｗ１，Ｗ２の間から離脱して退避位置に切り換えられ、これに続いて、駆動装置６により両把持部６ａ，６ｂを互いに接近方向に駆動し、それぞれの接合部材Ｗ１，Ｗ２の接合面を突き合わせたうえで押圧力を作用させ、両把持部材６ａ，６ｂを直線上で逆方向に往復動させる。

これにより両接合部材Ｗ１，Ｗ２の各接合面の間に摩擦熱が発生し、接合面が軟化して接合可能な温度に到達すると、両接合部材Ｗ１，Ｗ２を予め設定された相対位置で停止させてアプセット圧力（フォージ圧力）を加えて接合する。以上で一連の圧接作業が完了する。

このように本実施形態の線形摩擦圧接装置によれば、一対の接合部材１，Ｗ２における各々の突き出し量や断面形状や材質等の違いに関係なく、一回の予備加熱で両接合部材１，Ｗ２の温度分布を適切に調整することができるので、その後の線形摩擦圧接法を理想的な条件で実施して、両接合部材Ｗ１，Ｗ２を良好に接合することができる。

また、本実施形態の線形摩擦圧接装置によれば、加熱コイル５を構成する管体が、削り出しにより形成された中空矩形断面を有しているものとしているので、加熱コイル５自体の剛性が向上すると共に、変形がし難いものとなる。

なお、本実施形態に係る摩擦圧接装置において、加熱コイル５を一対の接合部材Ｗ１，Ｗ２の各接合面に対して意図的に傾けることで、例えば、接合部材Ｗ１，Ｗ２の上部において加熱コイル５とのギャップを小さくし、一方、接合部材Ｗ１，Ｗ２の下部において加熱コイル５とのギャップを大きくすることで、接合部材Ｗ１，Ｗ２の上下方向の温度分布（発熱密度分布）を変化させることができるほか、加熱コイル５を構成する管体を敢えて形状を変化させ易い細めの低剛性管体にすれば、接合部材Ｗ１，Ｗ２に対する加熱コイル５のギャップを調整しやすくなり、温度分布補正が可能となる。

本発明に係る摩擦圧接装置の構成は、この実施形態の線形摩擦圧接装置に限定されるものではなく、他の構成として、例えば、加熱コイル５の位置ずれを検出して修正するためのレーザヘッドなどの位置調整機構を備えた構成としてもよい。
また、複数巻きした加熱コイル５に着脱可能なスペーサを絶縁材により製作して、加熱コイル５の４ターン５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄの各間隔を保持したり、型崩れを防いだりするようにしてもよい。

さらに、この実施形態の線形摩擦圧接装置において、加熱コイル５が互いに独立したリング体を成す４つのターン５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄから形成されていて、互いにパイプ５ｆを介して接続されている構成としているが、これに限定されるものではなく、らせん状を成す加熱コイルとしてもよい。

なお、接合部材Ｗ１，Ｗ２に対する加熱コイル５の三次元的な位置関係が同じであれば、接合部材Ｗ１，Ｗ２の形状に応じて、加熱コイル５を間にして接合部材Ｗ１，Ｗ２を例えば上下方向に相対向して配置するようにしてもよい。

５ 加熱コイル（管体）
５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ ターン
６ａ，６ｂ 把持部（把持手段）
Ｗ１，Ｗ２ 一対の接合部材

Claims (2)

1. 一対の接合部材を摩擦圧接させる摩擦圧接装置であって、
   前記接合部材を把持して、当該接合部材の互いに対向する接合面同士を加圧接触させつつ一対の接合部材を相対的に運動させることで摩擦熱を生じさせる把持手段と、
   前記接合部材同士を相対的に運動させる以前に、前記一対の接合部材の互いに対向する接合面間に挿入されて、電磁誘導加熱により前記一対の接合部材の各接合面を予備加熱する加熱コイルを備え、
   前記加熱コイルは、前記一対の接合部材の各接合面同士を結ぶ方向に沿って管体を複数巻きして形成されていると共に、一方側から他方側にかけて漸次形状を変えて形成され、
   前記管体を複数巻きして成る加熱コイルは、前記一対の接合部材における各接合面の輪郭よりも大きい外郭状加熱コイルとして形成され、
   前記加熱コイルの全体的な輪郭は、前記一対の接合部材における各接合面の断面形状に合わせて決定され、
   前記加熱コイルの一方側から他方側にかけての形状の変化は、前記一対の接合部材の加熱条件に応じて決定されている
   ことを特徴とする摩擦圧接装置。
2. 前記管体は削り出しにより形成され、矩形断面を有している請求項１に記載の摩擦圧接装置。

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