JP2006501069A - 振動摩擦溶接による棒の金属結合方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、大きい長さを持つ棒（１，２）場合によっては特定断面の棒例えばレールの端面を摩擦溶接により金属結合する方法に関する。本発明によれば、高い品質の全面熱間圧接のため、棒（１，２）の端部の軸線に対して直角な仕上げ加工及び軸線が一直線をなす整列が行われ、それから仕上げ加工されたその端面又は断面（１１，１２）が互いに寄せかけられ、圧力を加えられ、両方の棒端部（１２，２２）が互いに逆方向に向けられて振動するように動かされ、その際接触面に摩擦熱が形成され、金属結合の基準に達すると、棒端部（１２，２２）が軸線方向に整列され、断面（１１，２１）の印加圧力（Ｐ_１，Ｐ_２）が高められ、これらの断面が互いに完全に結合される。

Description

発明の詳細な説明

本発明は、大きい長さを持つ棒場合によっては特定断面の棒例えばレールの端面を摩擦溶接により金属結合する方法に関する。

棒の端部を結合するため、原理的に溶融溶接方法及び熱間加圧溶接方法しかも摩擦溶接方法を使用することができる。継ぎ合わせ技術では、摩擦溶接方法が経済的及び質的利点を持っているが、専門家の世界では、若干の結合形式例えば型鋼の端面結合に対してその使用は目的を達するとはみなされていない。

部材の摩擦溶接の際、結合すべき２つの面が互いに押付けられ、かつ互いに動かされ、それにより摩擦熱が形成され、部材表面が加熱される。摩擦面に近い範囲の加熱により、これらの範囲における部材の可塑化が行われるので、相対運動の終了及び部材の強い押離し後、固体拡散による金属結合が行われる。

大きい長さを持つ棒及び特定断面の棒は、回転摩擦溶接方法により、ともかく非常に高い費用をかけてのみ、軸線方向に整列されて製造可能であり、その際特定断面が一直線をなす結合は解決されない問題である。

直線摩擦溶接又は周回軌道上摩擦溶接による棒の結合の際、結合範囲におけるその軸線が一直線をなす精確な整列を行うことが重要である。特にレールのように特定断面の棒の摩擦溶接の際、断面を精確に合わせて結合することが更に最も重要である。

ドイツ連邦共和国特許出願公開第１９８０７４５７号明細書から、鉄道レール及び対比可能な類似の特定断面梁の摩擦溶接方法及び装置が公知であり、結合すべきレール端部の間の中間片が直線的に又は周回軌道上を振動して動かされ、レール端部が中間片へ押付けられて、溶接のために必要な熱を摩擦熱として発生する。このような摩擦溶接方法は、静止しているレールの軸線方向整列が摩擦溶接の際方法に無関係に行われるという利点を持っているが、結合範囲のそれぞれに２つの結合面が形成されるという欠点がある。

従来技術によるすべての方法は、棒の自由端の曲げが結合すべきその端面を平行性から生じ、こうして表面に近い材料の全面の摩擦加熱及び可塑化を妨げるという欠点を持っている。

さて本発明の目的は、上述した欠点を回避しながら、特定断面の棒の端面を摩擦溶接により軸線が一直線をなしかつ面を一致させて金属結合できる、最初にあげた種類の方法を提供することである。

この目的は、最初にあげた種類の摩擦溶接方法において、棒の端部の軸線に対して直角な仕上げ加工及び軸線が一直線をなす整列が行われ、それから仕上げ加工されたその端面又は断面が互いに寄せかけられ、圧力を加えられ、両方の棒端部が互いに逆方向に向けられて振動するように動かされ、その際接触面に摩擦熱が形成され、金属結合の基準に達すると、棒端部が軸線方向に整列され、断面の印加圧力が高められ、これらの断面が互いに完全に結合されることにより達せられる。

本発明により得られる利点は、大体において、棒端部の振動幅が本方法により設けられる振動の大きさのほぼ半分に減少されることである。両方の摩擦面の相対速度は、大体においてそれぞれの棒端部又は断面の振動の速度の２倍の大きさである。それにより本発明によれば、摩擦溶接装置の部分及び棒端部の負荷が減少される。本発明の別の重要な利点は、棒の端部において、その逆向きの曲げにより、端面又は軸線に対して直角な断面がほぼ平行なままであり、従って全面でほぼ同じ比摩擦熱発生を保証することである。それにより両方の端面の全断面にわたってその面に近い範囲において材料可塑化が行われ、高い結合品質が得られる。それぞれの棒端部の小さい振動速度及びそのような振動幅は、端面の印加圧力を高める前に、金属結合を行うため、軸線が一直線をなす棒の整列を簡単に行うのを可能にする。

棒端部の相対運動が、周回軌道上に円を描いて又は楕円状に行われる本発明の展開において、棒端部の直線振動運動の際生じることがある加速度及び減速度が回避される、という重要な利点が得られる。更に周回軌道運動により、棒の断面に近い区域へのエネルギ導入が増大される。なぜならば、振動サイクルにおける両方の摩擦面の互いに負の加速度及び静止が起こらないからである。

両方の棒をそれぞれ静止した取付け具に固定する際、両方の棒端部がそれぞれ逆方向に運動素子により曲げられ、逆向きに同じ角速度で周回軌道上を動かされると、高級で確実な品質の摩擦溶接結合部が得られる。両方の棒が、その端面又は断面からそれぞれ実質的に同じ距離で、静止した取付け具に締付けられると、有利である。

亀裂の範囲を持つか又は亀裂を生じる可能性のある溶接継目及び／又はその近くにある脆い硬化範囲を回避するため、本発明によれば、棒の結合方法にその熱処理方法が重畳される。このような方法により、全結合範囲において、ほぼ同質で硬度ピークのない靭性組織を製造することが可能である。

概略図により、本発明が１つの実施例において詳細に説明される。

図１には、振動して動かされる棒２の棒端部２２の幾何学的構成が示されている。棒１は端部１２を取付け具又は締付け手段１４により静止して置かれ、静的な断面摩擦面１１を示す。振動幅Ｓを持つ運動素子２３により振動運動を行う端部２２を持つ棒２は、棒１とは逆向きの印加圧力Ｐ_２により、棒１へ寄せかけられる。動かされる自由棒端部２２の曲げにより、その端面２１が傾斜位置をとり、一部だけが対向する端面１１に接し、それによりこの範囲のみに摩擦熱が形成される。

図１に示すように従来技術に属するこのような方法は、いわゆる“消しゴム効果”の欠点を持ち、それに伴う不確実な摩擦溶接結合部を持っている。

さて図２に示すように、本発明により、２つの棒１，２の端部１２，２２が、４ｍｍまでの振動幅を持つ運動素子１３，２３により互いに逆向きに振動せしめられると、端部１２，２２の弾性曲げが生じ、棒１，２の端面又は断面１１，２１が軸線に対して直角に同じに向けられ、同じ寸法Ａ_１，Ａ_２で斜めにされるが、それぞれ平行性を持っている。それにより摩擦面１１，２１にわたって均一な分布で均一な摩擦熱が、棒１，２の端面範囲へ導入され、それにより金属結合の最高品質が得られる。棒の静止している取付け具１４，２４からその端面１１，１２までのほぼ同じ距離が、棒１，２の端面に近い区域への摩擦熱の全面導入従って摩擦溶接結合の品質を増進する。

１つの棒端部の振動摩擦運動の際における棒端部の幾何学的構成を示す。 両方の棒端部の互いに逆向きの振動運動の際におけるこれらの棒端部の幾何学的構成を示す。

Claims (5)

1. 大きい長さを持つ棒（１，２）場合によっては特定断面の棒例えばレールの端面を摩擦溶接により金属結合する方法において、棒（１，２）の端部の軸線に対して直角な仕上げ加工及び軸線が一直線をなす整列が行われ、それから仕上げ加工されたその端面又は断面（１１，１２）が互いに寄せかけられ、圧力を加えられ、両方の棒端部（１２，２２）が互いに逆方向に向けられて振動するように動かされ、その際接触面に摩擦熱が形成され、金属結合の基準に達すると、棒端部（１２，２２）が軸線方向に整列され、断面（１１，２１）の印加圧力（Ｐ_１，Ｐ_２）が高められ、これらの断面が互いに完全に結合されることを特徴とする、方法。
2. 棒端部（１２，２２）の相対運動が、周回軌道上に円を描いて又は楕円状に行われることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 両方の棒が取付け具に固定され、その棒端部（１２，２２）がそれぞれ逆方向に運動素子（１３，２３）により曲げられ、逆向きに同じ角速度で周回軌道上を動かされることを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。
4. 両方の棒（１，２）が、その端面又は断面（１１，２１）からそれぞれ実質的に同じ距離（Ａ_１，Ａ_２）で、静止した取付け具（１４，２４）に締付けられることを特徴とする、請求項１〜３の１つに記載の方法。
5. 棒（１２，２２）の結合方法にその熱処理方法が重畳されることを特徴とする請求項１〜４の１つに記載の方法。

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