JP3762370B2 - 摩擦撹拌接合方法および装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、第１円筒部材の端部と第２円筒部材の端部とを突き合わせた突き合わせ部の一方の面に、回転するプローブを押し付けながら前記突き合わせ部に沿って相対的に移動させることにより、前記突き合わせ部を接合する摩擦撹拌接合方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般的に、ワーク（物体）に回転するプローブを挿入する際に発生する摩擦熱を利用して、２つのワークを固相接合する摩擦撹拌溶接（Friction Stir Welding ：以下、ＦＳＷともいう）が知られている。上記の接合によると、ワークの接合部分は、母材に対して８０％程度の強度を維持することができ、結晶の粗大化も防止することが可能になる。
【０００３】
例えば、ワークとしてアルミニウム材を用い、従来のスポット溶接や電子ビームによる溶接を行うと、このアルミニウム材に過剰な熱が付与されてしまう。このため、材料の劣化や粗大化による強度低下が惹起されるおそれがある。
【０００４】
これに対して、ＦＳＷでは、アルミニウム材のように比較的融点の低い金属材料（アルミニウム材では、６００℃〜６６０℃程度）を用いても、５００℃程度で接合が行われるため、熱による劣化が防止される。従って、ＦＳＷによる場合は、アルミニウム材の他、マグネシウムやチタン、高分子等の他の材料にも適用することが可能である。
【０００５】
上記のＦＳＷをアルミニウム材に適用する例として、電車のような大型部材のアルミニウムフレームが挙げられる。この種の大型部材は、接合の強度を重視しており、アルミニウム材の厚さは、通常、５ｍｍ以上に設定されている。一方、ガスタービンエンジン部材のように、強度の向上とともに軽量化を図ることが望まれている部材では、厚さを大きくすることができない。このため、例えば、１．２ｍｍ程度の薄板状のアルミニウム材を用い、ガスタービンエンジンの外枠を構成している。
【０００６】
しかしながら、薄板状のアルミニウム材の両端部を突き合わせた突き合わせ部を、ＦＳＷで接合して比較的大径な円筒部材を形成する際、このアルミニウム材が薄肉であるために真円度を得ることができないという問題がある。
【０００７】
さらに、２つの円筒部材の端部同士を突き合わせた突き合わせ部を、ＦＳＷにより接合する際、各端部の円周長さが同一寸法にならないおそれがある。従って、この状態で、円筒部材をＦＳＷにより接合すると、接合部の最終部位で位相差が発生し、例えば、波形に変形する、所謂、皺が惹起されるという問題がある。
【０００８】
この他、ＦＳＷによる接合時には、薄板状のアルミニウム材に１ｔ〜２ｔ単位の押し付け力が付与される。このため、アルミニウム材を確実に保持し得ないと、接合部にはＦＳＷによって凹凸が発生するという問題がある。
【０００９】
そこで、例えば、特許文献１のアルミニウム部材の接合方法では、図９に示すように、アルミニウムの中空管１ａ、１ｂの突き合わせ部２の内部に、この中空管１ａ、１ｂと同一材料の裏当て３が配置されている。この裏当て３と突き合わせ部２の内面との間には、所定の隙間Ｃが形成されている。
【００１０】
このような構成において、プローブ４を高速回転させながら突き合わせ部２および裏当て３にプローブ先端４ａを挿入し、前記プローブ４を前記突き合わせ部２に沿って移動させる。これにより、周回する突き合わせ部２の全周に摩擦撹拌接合が行われる。
【００１１】
【特許文献１】
特開平１１−２２６７５９号公報（段落［００１８］、［００１９］、図１）
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
上記の特許文献１では、裏当て３は中空管１ａ、１ｂの補強材としてこの中空管１ａ、１ｂの内面に接合されている。しかしながら、このように裏当て３が接合された中空管１ａ、１ｂは、例えば、ガスタービンエンジンの外枠として使用することができない。しかも、裏当て３と中空管１ａ、１ｂの内面との間に隙間Ｃが設けられている。従って、特に、中空管１ａ、１ｂが薄肉でかつ大径な円筒形状を有する際には、突き合わせ部２の真円度を維持することができないという問題が指摘されている。
【００１３】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、特に薄肉でかつ大径な第１および第２円筒部材同士の真円度を確実に保持して良好に接合することができ、しかも構成および工程の簡素化を図ることが可能な摩擦撹拌接合方法および装置を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明では、第１および第２円筒部材を裏当て治具に外装させることにより、前記第１および第２円筒部材の端部同士の突き合わせ部は、その他方の面（内周面）が前記裏当て治具の外周面に密着状態で嵌合される。
【００１５】
この状態で、突き合わせ部の一方の面（外周面）に、回転するプローブを押し付けながら、前記プローブを前記突き合わせ部に沿って相対的に移動させることにより、前記突き合わせ部全周が接合される。その際、突き合わせ部は、裏当て治具の外周面に密着されるため、特に前記突き合わせ部が肉薄でかつ大径な形状であっても、該突き合わせ部を所望の形状に確実に保持することができる。従って、簡単かつ経済的な構成および工程で、突き合わせ部の摩擦撹拌接合作業が効率的に遂行される。
【００１６】
次いで、突き合わせ部全周に摩擦撹拌接合が行われた後、前記突き合わせ部の他方の面から裏当て治具が離脱される。このため、摩擦撹拌接合された薄肉状の突き合わせ部が得られるとともに、前記突き合わせ部に残留応力が発生することを阻止することが可能になる。
【００１７】
また、第１および第２円筒部材を裏当て治具に対し相対的に熱膨張させた状態で、前記裏当て治具に前記第１および第２円筒部材が外装される。例えば、第１および第２円筒部材が加熱されると、この第１および第２円筒部材が熱膨張して内周径が拡大する。従って、第１および第２円筒部材は、裏当て治具に容易に外装されるとともに、冷却されることにより収縮して前記裏当て治具の外周面に確実に密着する。
【００１８】
その際、裏当て治具の外周面は、真円形状を有しており、この外周面に密着する第１および第２円筒部材の端部同士は、同一の円周長さに規制される。このため、特に薄肉でかつ比較的大径な突き合わせ部であっても、プローブの挿入によって変形や皺等による位相差が発生することがなく、前記突き合わせ部の真円度を良好に維持することができ、寸法精度が向上する。しかも、突き合わせ部のずれを阻止して正確な位置出しが可能になり、摩擦撹拌接合処理が効率的に遂行される。
【００１９】
さらに、第１および第２円筒部材が裏当て治具に対し相対的に熱膨張されるため、前記第１および第２円筒部材から前記裏当て治具を容易かつ確実に離脱させることができる。
【００２０】
さらにまた、第１および第２円筒部材は、プローブの挿入方向と略直交する方向から加圧力が付与された状態で、突き合わせ部に沿って摩擦撹拌接合される。従って、第１および第２円筒部材の端部同士を確実に圧着することができ、突き合わせ部を高品質に接合することが可能になる。
【００２１】
また、突き合わせ部の一方の面に配置され、摩擦撹拌接合時に前記突き合わせ部の変形を阻止するクランプ治具を備える。これにより、摩擦撹拌接合時に突き合わせ部が熱膨張する際、この突き合わせ部の位置がずれることがなく、高品質な接合作業が容易に遂行される。
【００２２】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施形態に係る摩擦撹拌接合方法が実施されるファンダクト１０を組み込む航空機用ガスタービンエンジン１２の概略構成説明図である。
【００２３】
ガスタービンエンジン１２はファン１４を備え、このファン１４は、高速で回転して外部から空気を吸引し、この空気を圧縮して後方に圧送する。ファン１４の近傍には、コアダクト１６とファンダクト１０とによってファンバイパス通路１８が形成され、このファンバイパス通路１８を通って後方に噴射される空気を介し、図示しない機体に推力を生じさせる。
【００２４】
ファン１４は、低圧圧縮機２０を構成しており、この低圧圧縮機２０で圧縮された空気は、後段の高圧圧縮機２２に送られる。この高圧圧縮機２２で圧縮された空気は、さらに後段の燃焼室２４に送られる。この燃焼室２４は燃料ノズル２６を備え、この燃料ノズル２６から前記燃焼室２４に燃料が圧送される。燃焼室２４では、高圧圧縮機２２から圧送された圧縮空気と、燃料ノズル２６から噴霧された燃料とを混合した混合気が、エンジン始動時に点火されて燃焼する。
【００２５】
混合気が燃焼することによって高温高圧ガスが発生し、この高温高圧ガスは、高圧タービン２８に送られてこの高圧タービン２８を高速回転させる。この高圧タービン２８は、ファン１４のロータ１４ａを回転させる一方、前記高温高圧ガスは、前記高圧タービン２８を回転駆動した後、低圧タービン３０に送られる。低圧タービン３０は、低圧圧縮機２０のロータ１４ａおよびファン１４を回転させる。
【００２６】
ガスタービンエンジン１２の外部下面には、スタータおよび発電機を組み込むスタータジェネレータ３２が、アクセサリギアボックス３４を介して取り付けられる。
【００２７】
図２は、ファンダクト１０を構成するダクト構造体４０の説明図である。このダクト構造体４０は、薄板状のアルミニウム材を略円筒形状に成形した胴部材（第１円筒部材）４２と、薄板状のアルミニウム材を略円筒形状に成形したフランジ部材（第２円筒部材）４４、４６とを備える。胴部材４２の端部４２ａ、４２ｂと、フランジ部材４４、４６の端部４４ａ、４６ａとを突き合わせた第１および第２突き合わせ部４８、５０は、その外周面（一方の面）４８ａ、５０ａに摩擦撹拌接合が行われ、前記胴部材４２と前記フランジ部材４４、４６とが接合される。
【００２８】
図３は、上記のダクト構造体４０を摩擦撹拌接合する本発明の実施形態に係る摩擦撹拌接合装置６０の一部分解斜視図であり、図４は、前記摩擦撹拌接合装置６０の断面説明図であり、図５は、前記摩擦撹拌接合装置６０の一部拡大説明図である。
【００２９】
この摩擦撹拌接合装置６０は、回転テーブル６２に固定されて回転されるとともに、予め仮接合された胴部材４２とフランジ部材４４、４６とを一体的に保持する台部材６４を備える。台部材６４の上部には、略円盤状の支持ベース６６が固着され、この支持ベース６６の中央部には、鉛直方向（矢印Ａ方向）に延在して支柱６８が立設される。支柱６８の先端には、加圧機構７０を構成するねじ部７２が形成される。
【００３０】
加圧機構７０は加圧板７４を備え、この加圧板７４は、略円盤状を有するとともに、中央部に支柱６８を挿入する孔部７６が形成される。加圧板７４は、支持ベース６６上に配置される胴部材４２およびフランジ部材４４、４６を後述するプローブの挿入方向（矢印Ｂ方向）と略直交する矢印Ａ方向から加圧力を付与する機能を有する。
【００３１】
加圧板７４の中央部分には、押圧ブロック７７が係合するとともに、ねじ部７２に螺合するナット部材７８が前記押圧ブロック７７を介して加圧板７４を矢印Ａ方向に加圧する。ねじ部７２の先端には、吊り下げ用ボルト７９が螺着される。加圧板７４には、等角度間隔離間して複数の開口部８０と、前記開口部８０よりも小径な複数の開口部８２と、複数のボルト挿入用孔部８４とが形成される。加圧板７４には、吊り下げ用ボルト８５が螺着される。
【００３２】
支持ベース６６には、支柱６８を中心に周回するリング部８６が矢印Ａ方向に膨出して形成される。リング部８６の外周には、所定の隙間Ｃ１を設けて第１裏当て治具８８が着脱自在に設けられるとともに、前記リング部８６に固定されるロッド９０を介して第２裏当て治具９２が取り付けられる。
【００３３】
第１裏当て治具８８は、例えば、鉄系材料で形成されており、略リング状を有する。この第１裏当て治具８８の外周面８８ａは、真円形状に設定されるとともに、胴部材４２とフランジ部材４４との第１突き合わせ部４８の内周面（他方の面）４８ｂを支持可能に配置される（図５参照）。第１裏当て治具８８の内周面８８ｂは、リング部８６の外周面との間に所定の隙間Ｃ１を形成している。
【００３４】
第１裏当て治具８８の裏面（支持ベース６６に対向する面）には、所定の角度間隔ずつ離間した位置にねじ穴９４が形成される。支持ベース６６の裏面から挿入されるボルト９６が各ねじ穴９４にねじ込まれることにより、第１裏当て治具８８が前記支持ベース６６上に固定される。第１裏当て治具８８の上面には、複数の吊り下げ用ボルト９８が装着される。
【００３５】
リング部８６の上面には、所定の角度間隔ずつ離間してねじ穴１００が形成され、前記ねじ穴１００には、各ロッド９０が一方の端部に設けられるねじ部１０２が螺合する。ロッド９０の他方の端部には、ねじ穴１０４が形成され、第２裏当て治具９２に形成された孔部１０６にボルト１０８が挿入される。このボルト１０８はねじ穴１０４にねじ込まれることにより、第２裏当て治具９２がロッド９０に固定される。
【００３６】
第２裏当て治具９２は、例えば、鉄系材料で形成されており、略円盤状を有する。この第２裏当て治具９２の外周面９２ａは、真円状に構成されて胴部材４２とフランジ部材４４との第２突き合わせ部５０の内周面（他方の面）５０ｂに密着する（図５参照）。第１および第２裏当て治具８８、９２の外周面８８ａ、９２ａは、ダクト構造体４０のスプリングバックを考慮して前記ダクト構造体４０を最終的に設計寸法に維持する必要があり、前記外周面８８ａ、９２ａの外径寸法は、加熱前の第１および第２突き合わせ部４８、５０の内径よりも大きい。
【００３７】
第２裏当て治具９２には、加圧板７４の孔部８４に対応してねじ孔１１０が形成される。孔部８４に挿入されるボルト１１２は、ねじ孔１１０にねじ込まれることにより、第２裏当て治具９２に加圧板７４を固定する。第２裏当て治具９２には、吊り下げ用ボルト１１３が螺着される。
【００３８】
第１突き合わせ部４８の外周面４８ａには、前記第１突き合わせ部４８を保持する第１クランプ治具１１４が配置されるとともに、第２突き合わせ部５０の外周面５０ａには、前記第２突き合わせ部５０を保持する第２クランプ治具１１６が配置される。
【００３９】
図３に示すように、第１クランプ治具１１４は、角材をリング状に成形してベルト状に構成する。第１クランプ治具１１４の一方の端面には、ねじ穴１１８が形成されるとともに、他方の端面には、孔部１２０が形成される。ボルト１２２が孔部１２０を通ってねじ穴１１８にねじ込まれることにより、第１クランプ治具１１４は、径方向の寸法が縮小されて第１突き合わせ部４８の外周面４８ａを締め付ける。
【００４０】
図３乃至図５に示すように、支持ベース６６の外周縁部には、ボルト１２４を介して複数本のロッド１２６が固定される。各ロッド１２６は、矢印Ａ方向に延在しており、その端部にねじ込まれるボルト１２８を介して取り付け板１３０が設けられる。この取り付け板１３０は、略リング形状に構成され、ボルト１３２を介して前記取り付け板１３０に第２クランプ治具１１６が固定される。第２クランプ治具１１６は、略リング状に構成され、第２突き合わせ部５０の外周面５０ａを締め付け保持する。
【００４１】
図５に示すように、第１突き合わせ部４８を接合する接合機１４０は、回転工具１４２を備える。この回転工具１４２の先端には、その先端面から所定の長さだけ突出するプローブ１４４が設けられる。このプローブ１４４は、第１突き合わせ部４８に挿入される長さが前記第１突き合わせ部４８の肉厚よりも短尺に設定される。なお、第２突き合わせ部５０は、上記の接合機１４０により接合してもよく、あるいは個別の接合機を用いて接合作業を行ってもよい。
【００４２】
このように構成される摩擦撹拌接合装置６０の動作について、本実施形態に係る摩擦撹拌接合方法との関連で、図６に示すフローチャートに沿って以下に説明する。
【００４３】
まず、円筒形状を有する胴部材４２およびフランジ部材４４、４６が作製される（ステップＳ１）。具体的には、図２に示すように、胴部材４２を構成する薄板状のアルミニウム材を略円筒形状に成形し、その両端部を突き合わせた突き合わせ部４２ｃに沿って摩擦撹拌接合（ＦＳＷ）が行われ、前記突き合わせ部４２ｃが接合される。このため、胴部材４２が得られる。
【００４４】
同様に、フランジ部材４４、４６を構成する薄板状のアルミニウム材が略円筒形状に成形された後、それぞれの突き合わせ部４４ｃ、４６ｃが摩擦撹拌接合により接合される。従って、フランジ部材４４、４６が得られる。
【００４５】
なお、上記の摩擦撹拌接合時には、図示しないプローブが、円筒形状の中心から所定距離だけオフセットして配置されており、接合面の切断を有効に阻止している。
【００４６】
次いで、胴部材４２の端部４２ａ、４２ｂにフランジ部材４４、４６の端部４４ａ、４６ａを突き合わせた状態で、第１および第２突き合わせ部４８、５０には、所定の個所にアルミニウムテープ（図示せず）が貼り付けられる。このため、胴部材４２の両側にフランジ部材４４、４６が仮接合される（ステップＳ２）。この仮接合された胴部材４２およびフランジ部材４４、４６は、図示しない加熱炉内に配置されて所定の温度に加熱される（ステップＳ３）。所定温度に加熱された胴部材４２およびフランジ部材４４、４６は、台部材６４にセットされる（ステップＳ４）。
【００４７】
具体的には、図３乃至図５に示すように、台部材６４を構成する支持ベース６６上に、リング部８６を周回して第１裏当て治具８８が配置される。そして、ボルト９６が支持ベース６６の裏面から第１裏当て治具８８のねじ穴９４にねじ込まれることにより、前記第１裏当て治具８８は、支持ベース６６上に固定される（図４および図５参照）。
【００４８】
一方、リング部８６に形成されたねじ穴１００には、ロッド９０のねじ部１０２が螺着される。ロッド９０上に第２裏当て治具９２が配置された状態で、前記ロッド９０のねじ穴１０４に前記第２裏当て治具９２の孔部１０６を通ってボルト１０８が螺着される。従って、各ロッド９０には、第２裏当て治具９２が固定される。この状態で、所定温度に加熱された胴部材４２およびフランジ部材４４、４６は、第１および第２裏当て治具８８、９２に外装される。
【００４９】
この場合、本実施形態では、胴部材４２およびフランジ部材４４、４６は、所定の温度に加熱されており、熱膨張によって内周径が拡大している。このため、胴部材４２およびフランジ部材４４、４６の第１および第２突き合わせ部４８、５０は、第１および第２裏当て治具８８、９２に容易に外装される。そして、胴部材４２およびフランジ部材４４、４６は、冷却されることによって内周径が収縮し、第１および第２突き合わせ部４８、５０の内周面４８ｂ、５０ｂは、第１および第２裏当て治具８８、９２の外周面８８ａ、９２ａに密着した状態で確実に嵌合する（図５参照）。第１および第２裏当て治具８８、９２の外周面８８ａ、９２ａの外径寸法が、加熱前の第１および第２突き合わせ部４８、５０の内周面４８ｂ、５０ｂの内径寸法よりも大きいからである。
【００５０】
ここで、第１および第２裏当て治具８８、９２の外周面８８ａ、９２ａは、真円形状を有しており、端部４２ａ、４４ａおよび端部４２ｂ、４６ａは、それぞれ同一の円周長さに規制されるとともに、真円形状に維持される。
【００５１】
次に、第２裏当て治具９２上に加圧板７４が配置され、押圧ブロック７７がねじ部７２に外装された後、ナット部材７８が前記ねじ部７２にねじ込まれる。これにより、押圧ブロック７７を介して加圧板７４が加圧され、胴部材４２およびフランジ部材４４、４６は、矢印Ａ方向に締め付け荷重が付与される。この結果、第１および第２突き合わせ部４８、５０には、隙間が生じない状態で押圧保持される（ステップＳ５）。そして、ステップＳ６に進み、第１および第２突き合わせ部４８、５０に貼り付けられているアルミニウムテープ（図示せず）が除去され、表面の洗浄が行われる。
【００５２】
さらに、ステップＳ７において、第１クランプ治具１１４が装着される。この第１クランプ治具１１４は、ベルト状に構成されており、胴部材４２の外周を端部４２ａ側に沿って周回している。そこで、孔部１２０にボルト１２２を挿入し、このボルト１２２をねじ穴１１８にねじ込むことにより、第１クランプ治具１１４の内周径が縮小する。従って、第１クランプ治具１１４は、胴部材４２の外周面を締め付け保持する。
【００５３】
次いで、台部材６４は、回転テーブル６２にねじ止めによって固定される（ステップＳ８）。この状態で、図７に示すように、接合機１４０を構成する回転工具１４２が高速で回転しながら、第１突き合わせ部４８に向かって移動する。このため、高速回転するプローブ１４４は、第１突き合わせ部４８に挿入され、摩擦熱によって前記第１突き合わせ部４８が溶接される。その際、回転テーブル６２が回転しており、高速回転するプローブ１４４は、第１突き合わせ部４８に沿って相対的に移動し、この第１突き合わせ部４８の全周にわたり接合作業が遂行される（ステップＳ９）。
【００５４】
第１突き合わせ部４８の接合作業が終了すると、回転テーブル６２が停止されるとともに、接合機１４０がこの第１突き合わせ部４８から離間する。さらに、第１クランプ治具１１４が取り外される一方、第２クランプ治具１１６が取り付けられる（ステップＳ１０）。第１クランプ治具１１４は、ボルト１２２をねじ穴１１８から離脱させることにより、内周径が拡大して胴部材４２から取り外される。
【００５５】
一方、支持ベース６６の外周縁部には、ボルト１２４を介して複数のロッド１２６が取り付けられ、前記ロッド１２６の先端部には、ボルト１２８を介して取り付け板１３０が取り付けられる。この取り付け板１３０には、ボルト１３２を介して第２クランプ治具１１６が装着され、この第２クランプ治具１１６が胴部材４２の端部４２ｂ側の外周面を締め付け保持する。
【００５６】
この状態で、図８に示すように、例えば、接合機１４０が第２突き合わせ部５０に対応して配置され、回転工具１４２と一体的にプローブ１４４が回転しながら、このプローブ１４４が前記第２突き合わせ部５０の外周面５０ａに挿入される。この第２突き合わせ部５０は、回転テーブル６２の回転作用下に接合機１４０に対して回転しており、前記第２突き合わせ部５０の全周にわたって摩擦撹拌接合が行われる（ステップＳ１１）。
【００５７】
上記のように、第１および第２突き合わせ部４８、５０が接合されて接合品であるダクト構造体４０が得られた後、このダクト構造体４０は、第１および第２裏当て治具８８、９２とともに、台部材６４から取り外される（ステップＳ１２）。具体的には、ボルト１１２が第２裏当て治具９２のねじ孔１１０から離脱され、前記第２裏当て治具９２と加圧板７４との締結状態が解除される。さらに、ボルト１０８がロッド９０のねじ穴１０４から離脱されることにより、第２裏当て治具９２が前記ロッド９０から分離可能になる。一方、ボルト９６が第１裏当て治具８８のねじ穴９４から離脱されて、前記第１裏当て治具８８が支持ベース６６から離脱可能となる。
【００５８】
そこで、吊り下げ用ボルト７９およびナット部材７８がねじ部７２から離脱されて押圧ブロック７７が取り外されるとともに、加圧板７４が支柱６８から取り外される。そして、ダクト構造体４０は、第１および第２裏当て治具８８、９２を内周面に保持した状態で、支持ベース６６から取り出され、図示しない加熱炉内に配置されて加熱処理が施される（ステップＳ１３）。
【００５９】
この場合、ダクト構造体４０は、アルミニウム材で構成される一方、第１および第２裏当て治具８８、９２は、鉄系材料で構成されており、それぞれの熱膨張が異なっている。このため、加熱炉内では、まず、ダクト構造体４０が熱膨張することにより、このダクト構造体４０の内周面から第１および第２裏当て治具８８、９２が容易に取り外される（ステップＳ１４）。
【００６０】
なお、第１および第２裏当て治具８８、９２には、吊り下げ用ボルト９８、１１３が設けられており、この吊り下げ用ボルト９８、１１３を図示しないクレーン等で吊り下げることにより、前記第１および第２裏当て治具８８、９２を台部材６４に容易に着脱することができる。
【００６１】
このように、本実施形態では、第１および第２突き合わせ部４８、５０の内周面４８ｂ、５０ｂが第１および第２裏当て治具８８、９２の外周面８８ａ、９２ａに密着した状態で、前記第１および第２突き合わせ部４８、５０の外周面４８ａ、５０ａに摩擦撹拌接合が行われる（図７参照）。このため、高速回転するプローブ１４４が第１および第２突き合わせ部４８、５０の外周面４８ａ、５０ａに挿入されながら、前記プローブ１４４が前記外周面４８ａ、５０ａに沿って相対移動する際に、第１および第２突き合わせ部４８、５０が変形することがない。
【００６２】
特に、第１および第２裏当て治具８８、９２の外周面８８ａ、９２ａが真円状に構成されており、第１および第２突き合わせ部４８、５０の内周面４８ｂ、５０ｂは、前記外周面８８ａ、９２ａに密着して真円形状が維持される。しかも、それぞれの端部４２ａ、４４ａの内周長さおよび端部４２ｂ、４６ａの円周長さが同一長さに規制される。
【００６３】
このため、薄肉でかつ比較的大径な第１および第２突き合わせ部４８、５０であっても、変形や皺等による位相差が発生することがなく、前記第１および第２突き合わせ部４８、５０の真円度を良好に維持することができ、寸法精度が向上する。これにより、簡単かつ経済的な工程で、第１および第２突き合わせ部４８、５０の摩擦撹拌接合作業が効率的に遂行されるという効果が得られる。
【００６４】
さらに、第１および第２突き合わせ部４８、５０は、第１および第２裏当て治具８８、９２の外周面８８ａ、９２ａに密着状態で嵌合する。このため、第１および第２突き合わせ部４８、５０のずれを阻止して正確な位置出しが可能になり、摩擦撹拌接合処理が効率的に遂行される。その際、第１および第２突き合わせ部４８、５０は、所定温度に加熱されることによって熱膨張により内周径を拡大させた状態で、第１および第２裏当て治具８８、９２に嵌合している。従って、第１および第２裏当て治具８８、９２の外周面８８ａ、９２ａに対し、第１および第２突き合わせ部４８、５０を容易かつ確実に密着させることができる。
【００６５】
一方、第１および第２突き合わせ部４８、５０の接合処理が終了した後、ダクト構造体４０を加熱して内周径を拡大させることにより、第１および第２裏当て治具８８、９２の分離作業が容易に行われる。このため、摩擦撹拌接合処理全体の効率化が容易に遂行されるという利点がある。
【００６６】
さらにまた、胴部材４２とフランジ部材４４、４６とは、加圧機構７０を介してプローブ１４４の挿入方向（矢印Ｂ方向）と略直交する方向（矢印Ａ方向）から加圧力が付与される。これにより、第１および第２突き合わせ部４８、５０に隙間が発生することがなく、確実に圧着することができ、高品質な接合処理が遂行されるとともに、加圧機構７０の構成が容易に簡素化する。
【００６７】
また、第１突き合わせ部４８の接合処理を行う際には、この第１突き合わせ部４８の外周面４８ａに第１クランプ治具１１４が装着されている。従って、摩擦撹拌接合時に、第１突き合わせ部４８が膨張しても、この第１突き合わせ部４８の位置がずれることがなく、高品質な接合作業が容易に遂行されるという効果がある。一方、第２突き合わせ部５０の接合時には、この第２突き合わせ部５０の外周面５０ａを第２クランプ治具１１６により保持しており、同様の効果が得られる。
【００６８】
なお、本実施形態では、図示しないアルミニウムテープで仮接合された胴部材４２と、フランジ部材４４、４６とを、加熱炉内で所定温度に加熱することにより、内周径を拡径させて第１および第２裏当て治具８８、９２に装着しているが、これに限定されるものではなく、例えば、前記第１および第２裏当て治具８８、９２を冷却して該第１および第２裏当て治具８８、９２の外径寸法を縮小させてもよい。
【００６９】
【発明の効果】
本発明に係る摩擦撹拌接合方法および装置では、第１および第２円筒部材の端部同士の突き合わせ部は、他方の面が裏当て治具の外周面に密着状態で嵌合するとともに、前記突き合わせ部の一方の面に回転するプローブが構成されることにより、接合処理が施される。このため、特に、突き合わせ部が、肉薄でかつ大径な形状であっても、該突き合わせ部を所望の形状に確実に保持することができる。従って、簡単かつ経済的な構成および工程で、突き合わせ部の摩擦撹拌接合作業が効率的かつ高精度に遂行される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る摩擦撹拌接合方法が実施されるファンダクトを組み込む航空機用ガスタービンエンジンの概略構成説明図である。
【図２】前記ファンダクトを構成するダクト構造体の説明図である。
【図３】前記ダクト構造体を接合する本発明の実施形態に係る摩擦撹拌接合装置の一部分解斜視図である。
【図４】前記摩擦撹拌接合装置の断面説明図である。
【図５】図４に示す前記摩擦撹拌接合装置の一部拡大説明図である。
【図６】前記摩擦撹拌接合方法のフローチャートである。
【図７】第１突き合わせ部を接合する際の動作説明図である。
【図８】第２突き合わせ部を接合する際の動作説明図である。
【図９】特許文献１のアルミニウム部材の接合方法を示す説明図である。
【符号の説明】
１０…ファンダクト １２…ガスタービンエンジン
１４…ファン ４０…ダクト構造体
４２…胴部材 ４４、４６…フランジ部
４４ａ、４６ａ…端部 ４８、５０…突き合わせ部
４８ａ、５０ａ、８８ａ、９２ａ…外周面 ４８ｂ、５０ｂ、８８ｂ…内周面
６０…摩擦撹拌接合装置 ６２…回転テーブル
６４…台部材 ６６…支持ベース
６８…支柱 ７０…加圧機構
７２…ねじ部 ７４…加圧板
７７…押圧ブロック ８８、９２…裏当て治具
９０…ロッド １１４、１１６…クランプ治具
１３０…取り付け板 １４０…接合機
１４４…プローブ
【発明の属する技術分野】
本発明は、第１円筒部材の端部と第２円筒部材の端部とを突き合わせた突き合わせ部の一方の面に、回転するプローブを押し付けながら前記突き合わせ部に沿って相対的に移動させることにより、前記突き合わせ部を接合する摩擦撹拌接合方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般的に、ワーク（物体）に回転するプローブを挿入する際に発生する摩擦熱を利用して、２つのワークを固相接合する摩擦撹拌溶接（Friction Stir Welding ：以下、ＦＳＷともいう）が知られている。上記の接合によると、ワークの接合部分は、母材に対して８０％程度の強度を維持することができ、結晶の粗大化も防止することが可能になる。
【０００３】
例えば、ワークとしてアルミニウム材を用い、従来のスポット溶接や電子ビームによる溶接を行うと、このアルミニウム材に過剰な熱が付与されてしまう。このため、材料の劣化や粗大化による強度低下が惹起されるおそれがある。
【０００４】
これに対して、ＦＳＷでは、アルミニウム材のように比較的融点の低い金属材料（アルミニウム材では、６００℃〜６６０℃程度）を用いても、５００℃程度で接合が行われるため、熱による劣化が防止される。従って、ＦＳＷによる場合は、アルミニウム材の他、マグネシウムやチタン、高分子等の他の材料にも適用することが可能である。
【０００５】
上記のＦＳＷをアルミニウム材に適用する例として、電車のような大型部材のアルミニウムフレームが挙げられる。この種の大型部材は、接合の強度を重視しており、アルミニウム材の厚さは、通常、５ｍｍ以上に設定されている。一方、ガスタービンエンジン部材のように、強度の向上とともに軽量化を図ることが望まれている部材では、厚さを大きくすることができない。このため、例えば、１．２ｍｍ程度の薄板状のアルミニウム材を用い、ガスタービンエンジンの外枠を構成している。
【０００６】
しかしながら、薄板状のアルミニウム材の両端部を突き合わせた突き合わせ部を、ＦＳＷで接合して比較的大径な円筒部材を形成する際、このアルミニウム材が薄肉であるために真円度を得ることができないという問題がある。
【０００７】
さらに、２つの円筒部材の端部同士を突き合わせた突き合わせ部を、ＦＳＷにより接合する際、各端部の円周長さが同一寸法にならないおそれがある。従って、この状態で、円筒部材をＦＳＷにより接合すると、接合部の最終部位で位相差が発生し、例えば、波形に変形する、所謂、皺が惹起されるという問題がある。
【０００８】
この他、ＦＳＷによる接合時には、薄板状のアルミニウム材に１ｔ〜２ｔ単位の押し付け力が付与される。このため、アルミニウム材を確実に保持し得ないと、接合部にはＦＳＷによって凹凸が発生するという問題がある。
【０００９】
そこで、例えば、特許文献１のアルミニウム部材の接合方法では、図９に示すように、アルミニウムの中空管１ａ、１ｂの突き合わせ部２の内部に、この中空管１ａ、１ｂと同一材料の裏当て３が配置されている。この裏当て３と突き合わせ部２の内面との間には、所定の隙間Ｃが形成されている。
【００１０】
このような構成において、プローブ４を高速回転させながら突き合わせ部２および裏当て３にプローブ先端４ａを挿入し、前記プローブ４を前記突き合わせ部２に沿って移動させる。これにより、周回する突き合わせ部２の全周に摩擦撹拌接合が行われる。
【００１１】
【特許文献１】
特開平１１−２２６７５９号公報（段落［００１８］、［００１９］、図１）
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
上記の特許文献１では、裏当て３は中空管１ａ、１ｂの補強材としてこの中空管１ａ、１ｂの内面に接合されている。しかしながら、このように裏当て３が接合された中空管１ａ、１ｂは、例えば、ガスタービンエンジンの外枠として使用することができない。しかも、裏当て３と中空管１ａ、１ｂの内面との間に隙間Ｃが設けられている。従って、特に、中空管１ａ、１ｂが薄肉でかつ大径な円筒形状を有する際には、突き合わせ部２の真円度を維持することができないという問題が指摘されている。
【００１３】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、特に薄肉でかつ大径な第１および第２円筒部材同士の真円度を確実に保持して良好に接合することができ、しかも構成および工程の簡素化を図ることが可能な摩擦撹拌接合方法および装置を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明では、第１および第２円筒部材を裏当て治具に外装させることにより、前記第１および第２円筒部材の端部同士の突き合わせ部は、その他方の面（内周面）が前記裏当て治具の外周面に密着状態で嵌合される。
【００１５】
この状態で、突き合わせ部の一方の面（外周面）に、回転するプローブを押し付けながら、前記プローブを前記突き合わせ部に沿って相対的に移動させることにより、前記突き合わせ部全周が接合される。その際、突き合わせ部は、裏当て治具の外周面に密着されるため、特に前記突き合わせ部が肉薄でかつ大径な形状であっても、該突き合わせ部を所望の形状に確実に保持することができる。従って、簡単かつ経済的な構成および工程で、突き合わせ部の摩擦撹拌接合作業が効率的に遂行される。
【００１６】
次いで、突き合わせ部全周に摩擦撹拌接合が行われた後、前記突き合わせ部の他方の面から裏当て治具が離脱される。このため、摩擦撹拌接合された薄肉状の突き合わせ部が得られるとともに、前記突き合わせ部に残留応力が発生することを阻止することが可能になる。
【００１７】
また、第１および第２円筒部材を裏当て治具に対し相対的に熱膨張させた状態で、前記裏当て治具に前記第１および第２円筒部材が外装される。例えば、第１および第２円筒部材が加熱されると、この第１および第２円筒部材が熱膨張して内周径が拡大する。従って、第１および第２円筒部材は、裏当て治具に容易に外装されるとともに、冷却されることにより収縮して前記裏当て治具の外周面に確実に密着する。
【００１８】
その際、裏当て治具の外周面は、真円形状を有しており、この外周面に密着する第１および第２円筒部材の端部同士は、同一の円周長さに規制される。このため、特に薄肉でかつ比較的大径な突き合わせ部であっても、プローブの挿入によって変形や皺等による位相差が発生することがなく、前記突き合わせ部の真円度を良好に維持することができ、寸法精度が向上する。しかも、突き合わせ部のずれを阻止して正確な位置出しが可能になり、摩擦撹拌接合処理が効率的に遂行される。
【００１９】
さらに、第１および第２円筒部材が裏当て治具に対し相対的に熱膨張されるため、前記第１および第２円筒部材から前記裏当て治具を容易かつ確実に離脱させることができる。
【００２０】
さらにまた、第１および第２円筒部材は、プローブの挿入方向と略直交する方向から加圧力が付与された状態で、突き合わせ部に沿って摩擦撹拌接合される。従って、第１および第２円筒部材の端部同士を確実に圧着することができ、突き合わせ部を高品質に接合することが可能になる。
【００２１】
また、突き合わせ部の一方の面に配置され、摩擦撹拌接合時に前記突き合わせ部の変形を阻止するクランプ治具を備える。これにより、摩擦撹拌接合時に突き合わせ部が熱膨張する際、この突き合わせ部の位置がずれることがなく、高品質な接合作業が容易に遂行される。
【００２２】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施形態に係る摩擦撹拌接合方法が実施されるファンダクト１０を組み込む航空機用ガスタービンエンジン１２の概略構成説明図である。
【００２３】
ガスタービンエンジン１２はファン１４を備え、このファン１４は、高速で回転して外部から空気を吸引し、この空気を圧縮して後方に圧送する。ファン１４の近傍には、コアダクト１６とファンダクト１０とによってファンバイパス通路１８が形成され、このファンバイパス通路１８を通って後方に噴射される空気を介し、図示しない機体に推力を生じさせる。
【００２４】
ファン１４は、低圧圧縮機２０を構成しており、この低圧圧縮機２０で圧縮された空気は、後段の高圧圧縮機２２に送られる。この高圧圧縮機２２で圧縮された空気は、さらに後段の燃焼室２４に送られる。この燃焼室２４は燃料ノズル２６を備え、この燃料ノズル２６から前記燃焼室２４に燃料が圧送される。燃焼室２４では、高圧圧縮機２２から圧送された圧縮空気と、燃料ノズル２６から噴霧された燃料とを混合した混合気が、エンジン始動時に点火されて燃焼する。
【００２５】
混合気が燃焼することによって高温高圧ガスが発生し、この高温高圧ガスは、高圧タービン２８に送られてこの高圧タービン２８を高速回転させる。この高圧タービン２８は、ファン１４のロータ１４ａを回転させる一方、前記高温高圧ガスは、前記高圧タービン２８を回転駆動した後、低圧タービン３０に送られる。低圧タービン３０は、低圧圧縮機２０のロータ１４ａおよびファン１４を回転させる。
【００２６】
ガスタービンエンジン１２の外部下面には、スタータおよび発電機を組み込むスタータジェネレータ３２が、アクセサリギアボックス３４を介して取り付けられる。
【００２７】
図２は、ファンダクト１０を構成するダクト構造体４０の説明図である。このダクト構造体４０は、薄板状のアルミニウム材を略円筒形状に成形した胴部材（第１円筒部材）４２と、薄板状のアルミニウム材を略円筒形状に成形したフランジ部材（第２円筒部材）４４、４６とを備える。胴部材４２の端部４２ａ、４２ｂと、フランジ部材４４、４６の端部４４ａ、４６ａとを突き合わせた第１および第２突き合わせ部４８、５０は、その外周面（一方の面）４８ａ、５０ａに摩擦撹拌接合が行われ、前記胴部材４２と前記フランジ部材４４、４６とが接合される。
【００２８】
図３は、上記のダクト構造体４０を摩擦撹拌接合する本発明の実施形態に係る摩擦撹拌接合装置６０の一部分解斜視図であり、図４は、前記摩擦撹拌接合装置６０の断面説明図であり、図５は、前記摩擦撹拌接合装置６０の一部拡大説明図である。
【００２９】
この摩擦撹拌接合装置６０は、回転テーブル６２に固定されて回転されるとともに、予め仮接合された胴部材４２とフランジ部材４４、４６とを一体的に保持する台部材６４を備える。台部材６４の上部には、略円盤状の支持ベース６６が固着され、この支持ベース６６の中央部には、鉛直方向（矢印Ａ方向）に延在して支柱６８が立設される。支柱６８の先端には、加圧機構７０を構成するねじ部７２が形成される。
【００３０】
加圧機構７０は加圧板７４を備え、この加圧板７４は、略円盤状を有するとともに、中央部に支柱６８を挿入する孔部７６が形成される。加圧板７４は、支持ベース６６上に配置される胴部材４２およびフランジ部材４４、４６を後述するプローブの挿入方向（矢印Ｂ方向）と略直交する矢印Ａ方向から加圧力を付与する機能を有する。
【００３１】
加圧板７４の中央部分には、押圧ブロック７７が係合するとともに、ねじ部７２に螺合するナット部材７８が前記押圧ブロック７７を介して加圧板７４を矢印Ａ方向に加圧する。ねじ部７２の先端には、吊り下げ用ボルト７９が螺着される。加圧板７４には、等角度間隔離間して複数の開口部８０と、前記開口部８０よりも小径な複数の開口部８２と、複数のボルト挿入用孔部８４とが形成される。加圧板７４には、吊り下げ用ボルト８５が螺着される。
【００３２】
支持ベース６６には、支柱６８を中心に周回するリング部８６が矢印Ａ方向に膨出して形成される。リング部８６の外周には、所定の隙間Ｃ１を設けて第１裏当て治具８８が着脱自在に設けられるとともに、前記リング部８６に固定されるロッド９０を介して第２裏当て治具９２が取り付けられる。
【００３３】
第１裏当て治具８８は、例えば、鉄系材料で形成されており、略リング状を有する。この第１裏当て治具８８の外周面８８ａは、真円形状に設定されるとともに、胴部材４２とフランジ部材４４との第１突き合わせ部４８の内周面（他方の面）４８ｂを支持可能に配置される（図５参照）。第１裏当て治具８８の内周面８８ｂは、リング部８６の外周面との間に所定の隙間Ｃ１を形成している。
【００３４】
第１裏当て治具８８の裏面（支持ベース６６に対向する面）には、所定の角度間隔ずつ離間した位置にねじ穴９４が形成される。支持ベース６６の裏面から挿入されるボルト９６が各ねじ穴９４にねじ込まれることにより、第１裏当て治具８８が前記支持ベース６６上に固定される。第１裏当て治具８８の上面には、複数の吊り下げ用ボルト９８が装着される。
【００３５】
リング部８６の上面には、所定の角度間隔ずつ離間してねじ穴１００が形成され、前記ねじ穴１００には、各ロッド９０が一方の端部に設けられるねじ部１０２が螺合する。ロッド９０の他方の端部には、ねじ穴１０４が形成され、第２裏当て治具９２に形成された孔部１０６にボルト１０８が挿入される。このボルト１０８はねじ穴１０４にねじ込まれることにより、第２裏当て治具９２がロッド９０に固定される。
【００３６】
第２裏当て治具９２は、例えば、鉄系材料で形成されており、略円盤状を有する。この第２裏当て治具９２の外周面９２ａは、真円状に構成されて胴部材４２とフランジ部材４４との第２突き合わせ部５０の内周面（他方の面）５０ｂに密着する（図５参照）。第１および第２裏当て治具８８、９２の外周面８８ａ、９２ａは、ダクト構造体４０のスプリングバックを考慮して前記ダクト構造体４０を最終的に設計寸法に維持する必要があり、前記外周面８８ａ、９２ａの外径寸法は、加熱前の第１および第２突き合わせ部４８、５０の内径よりも大きい。
【００３７】
第２裏当て治具９２には、加圧板７４の孔部８４に対応してねじ孔１１０が形成される。孔部８４に挿入されるボルト１１２は、ねじ孔１１０にねじ込まれることにより、第２裏当て治具９２に加圧板７４を固定する。第２裏当て治具９２には、吊り下げ用ボルト１１３が螺着される。
【００３８】
第１突き合わせ部４８の外周面４８ａには、前記第１突き合わせ部４８を保持する第１クランプ治具１１４が配置されるとともに、第２突き合わせ部５０の外周面５０ａには、前記第２突き合わせ部５０を保持する第２クランプ治具１１６が配置される。
【００３９】
図３に示すように、第１クランプ治具１１４は、角材をリング状に成形してベルト状に構成する。第１クランプ治具１１４の一方の端面には、ねじ穴１１８が形成されるとともに、他方の端面には、孔部１２０が形成される。ボルト１２２が孔部１２０を通ってねじ穴１１８にねじ込まれることにより、第１クランプ治具１１４は、径方向の寸法が縮小されて第１突き合わせ部４８の外周面４８ａを締め付ける。
【００４０】
図３乃至図５に示すように、支持ベース６６の外周縁部には、ボルト１２４を介して複数本のロッド１２６が固定される。各ロッド１２６は、矢印Ａ方向に延在しており、その端部にねじ込まれるボルト１２８を介して取り付け板１３０が設けられる。この取り付け板１３０は、略リング形状に構成され、ボルト１３２を介して前記取り付け板１３０に第２クランプ治具１１６が固定される。第２クランプ治具１１６は、略リング状に構成され、第２突き合わせ部５０の外周面５０ａを締め付け保持する。
【００４１】
図５に示すように、第１突き合わせ部４８を接合する接合機１４０は、回転工具１４２を備える。この回転工具１４２の先端には、その先端面から所定の長さだけ突出するプローブ１４４が設けられる。このプローブ１４４は、第１突き合わせ部４８に挿入される長さが前記第１突き合わせ部４８の肉厚よりも短尺に設定される。なお、第２突き合わせ部５０は、上記の接合機１４０により接合してもよく、あるいは個別の接合機を用いて接合作業を行ってもよい。
【００４２】
このように構成される摩擦撹拌接合装置６０の動作について、本実施形態に係る摩擦撹拌接合方法との関連で、図６に示すフローチャートに沿って以下に説明する。
【００４３】
まず、円筒形状を有する胴部材４２およびフランジ部材４４、４６が作製される（ステップＳ１）。具体的には、図２に示すように、胴部材４２を構成する薄板状のアルミニウム材を略円筒形状に成形し、その両端部を突き合わせた突き合わせ部４２ｃに沿って摩擦撹拌接合（ＦＳＷ）が行われ、前記突き合わせ部４２ｃが接合される。このため、胴部材４２が得られる。
【００４４】
同様に、フランジ部材４４、４６を構成する薄板状のアルミニウム材が略円筒形状に成形された後、それぞれの突き合わせ部４４ｃ、４６ｃが摩擦撹拌接合により接合される。従って、フランジ部材４４、４６が得られる。
【００４５】
なお、上記の摩擦撹拌接合時には、図示しないプローブが、円筒形状の中心から所定距離だけオフセットして配置されており、接合面の切断を有効に阻止している。
【００４６】
次いで、胴部材４２の端部４２ａ、４２ｂにフランジ部材４４、４６の端部４４ａ、４６ａを突き合わせた状態で、第１および第２突き合わせ部４８、５０には、所定の個所にアルミニウムテープ（図示せず）が貼り付けられる。このため、胴部材４２の両側にフランジ部材４４、４６が仮接合される（ステップＳ２）。この仮接合された胴部材４２およびフランジ部材４４、４６は、図示しない加熱炉内に配置されて所定の温度に加熱される（ステップＳ３）。所定温度に加熱された胴部材４２およびフランジ部材４４、４６は、台部材６４にセットされる（ステップＳ４）。
【００４７】
具体的には、図３乃至図５に示すように、台部材６４を構成する支持ベース６６上に、リング部８６を周回して第１裏当て治具８８が配置される。そして、ボルト９６が支持ベース６６の裏面から第１裏当て治具８８のねじ穴９４にねじ込まれることにより、前記第１裏当て治具８８は、支持ベース６６上に固定される（図４および図５参照）。
【００４８】
一方、リング部８６に形成されたねじ穴１００には、ロッド９０のねじ部１０２が螺着される。ロッド９０上に第２裏当て治具９２が配置された状態で、前記ロッド９０のねじ穴１０４に前記第２裏当て治具９２の孔部１０６を通ってボルト１０８が螺着される。従って、各ロッド９０には、第２裏当て治具９２が固定される。この状態で、所定温度に加熱された胴部材４２およびフランジ部材４４、４６は、第１および第２裏当て治具８８、９２に外装される。
【００４９】
この場合、本実施形態では、胴部材４２およびフランジ部材４４、４６は、所定の温度に加熱されており、熱膨張によって内周径が拡大している。このため、胴部材４２およびフランジ部材４４、４６の第１および第２突き合わせ部４８、５０は、第１および第２裏当て治具８８、９２に容易に外装される。そして、胴部材４２およびフランジ部材４４、４６は、冷却されることによって内周径が収縮し、第１および第２突き合わせ部４８、５０の内周面４８ｂ、５０ｂは、第１および第２裏当て治具８８、９２の外周面８８ａ、９２ａに密着した状態で確実に嵌合する（図５参照）。第１および第２裏当て治具８８、９２の外周面８８ａ、９２ａの外径寸法が、加熱前の第１および第２突き合わせ部４８、５０の内周面４８ｂ、５０ｂの内径寸法よりも大きいからである。
【００５０】
ここで、第１および第２裏当て治具８８、９２の外周面８８ａ、９２ａは、真円形状を有しており、端部４２ａ、４４ａおよび端部４２ｂ、４６ａは、それぞれ同一の円周長さに規制されるとともに、真円形状に維持される。
【００５１】
次に、第２裏当て治具９２上に加圧板７４が配置され、押圧ブロック７７がねじ部７２に外装された後、ナット部材７８が前記ねじ部７２にねじ込まれる。これにより、押圧ブロック７７を介して加圧板７４が加圧され、胴部材４２およびフランジ部材４４、４６は、矢印Ａ方向に締め付け荷重が付与される。この結果、第１および第２突き合わせ部４８、５０には、隙間が生じない状態で押圧保持される（ステップＳ５）。そして、ステップＳ６に進み、第１および第２突き合わせ部４８、５０に貼り付けられているアルミニウムテープ（図示せず）が除去され、表面の洗浄が行われる。
【００５２】
さらに、ステップＳ７において、第１クランプ治具１１４が装着される。この第１クランプ治具１１４は、ベルト状に構成されており、胴部材４２の外周を端部４２ａ側に沿って周回している。そこで、孔部１２０にボルト１２２を挿入し、このボルト１２２をねじ穴１１８にねじ込むことにより、第１クランプ治具１１４の内周径が縮小する。従って、第１クランプ治具１１４は、胴部材４２の外周面を締め付け保持する。
【００５３】
次いで、台部材６４は、回転テーブル６２にねじ止めによって固定される（ステップＳ８）。この状態で、図７に示すように、接合機１４０を構成する回転工具１４２が高速で回転しながら、第１突き合わせ部４８に向かって移動する。このため、高速回転するプローブ１４４は、第１突き合わせ部４８に挿入され、摩擦熱によって前記第１突き合わせ部４８が溶接される。その際、回転テーブル６２が回転しており、高速回転するプローブ１４４は、第１突き合わせ部４８に沿って相対的に移動し、この第１突き合わせ部４８の全周にわたり接合作業が遂行される（ステップＳ９）。
【００５４】
第１突き合わせ部４８の接合作業が終了すると、回転テーブル６２が停止されるとともに、接合機１４０がこの第１突き合わせ部４８から離間する。さらに、第１クランプ治具１１４が取り外される一方、第２クランプ治具１１６が取り付けられる（ステップＳ１０）。第１クランプ治具１１４は、ボルト１２２をねじ穴１１８から離脱させることにより、内周径が拡大して胴部材４２から取り外される。
【００５５】
一方、支持ベース６６の外周縁部には、ボルト１２４を介して複数のロッド１２６が取り付けられ、前記ロッド１２６の先端部には、ボルト１２８を介して取り付け板１３０が取り付けられる。この取り付け板１３０には、ボルト１３２を介して第２クランプ治具１１６が装着され、この第２クランプ治具１１６が胴部材４２の端部４２ｂ側の外周面を締め付け保持する。
【００５６】
この状態で、図８に示すように、例えば、接合機１４０が第２突き合わせ部５０に対応して配置され、回転工具１４２と一体的にプローブ１４４が回転しながら、このプローブ１４４が前記第２突き合わせ部５０の外周面５０ａに挿入される。この第２突き合わせ部５０は、回転テーブル６２の回転作用下に接合機１４０に対して回転しており、前記第２突き合わせ部５０の全周にわたって摩擦撹拌接合が行われる（ステップＳ１１）。
【００５７】
上記のように、第１および第２突き合わせ部４８、５０が接合されて接合品であるダクト構造体４０が得られた後、このダクト構造体４０は、第１および第２裏当て治具８８、９２とともに、台部材６４から取り外される（ステップＳ１２）。具体的には、ボルト１１２が第２裏当て治具９２のねじ孔１１０から離脱され、前記第２裏当て治具９２と加圧板７４との締結状態が解除される。さらに、ボルト１０８がロッド９０のねじ穴１０４から離脱されることにより、第２裏当て治具９２が前記ロッド９０から分離可能になる。一方、ボルト９６が第１裏当て治具８８のねじ穴９４から離脱されて、前記第１裏当て治具８８が支持ベース６６から離脱可能となる。
【００５８】
そこで、吊り下げ用ボルト７９およびナット部材７８がねじ部７２から離脱されて押圧ブロック７７が取り外されるとともに、加圧板７４が支柱６８から取り外される。そして、ダクト構造体４０は、第１および第２裏当て治具８８、９２を内周面に保持した状態で、支持ベース６６から取り出され、図示しない加熱炉内に配置されて加熱処理が施される（ステップＳ１３）。
【００５９】
この場合、ダクト構造体４０は、アルミニウム材で構成される一方、第１および第２裏当て治具８８、９２は、鉄系材料で構成されており、それぞれの熱膨張が異なっている。このため、加熱炉内では、まず、ダクト構造体４０が熱膨張することにより、このダクト構造体４０の内周面から第１および第２裏当て治具８８、９２が容易に取り外される（ステップＳ１４）。
【００６０】
なお、第１および第２裏当て治具８８、９２には、吊り下げ用ボルト９８、１１３が設けられており、この吊り下げ用ボルト９８、１１３を図示しないクレーン等で吊り下げることにより、前記第１および第２裏当て治具８８、９２を台部材６４に容易に着脱することができる。
【００６１】
このように、本実施形態では、第１および第２突き合わせ部４８、５０の内周面４８ｂ、５０ｂが第１および第２裏当て治具８８、９２の外周面８８ａ、９２ａに密着した状態で、前記第１および第２突き合わせ部４８、５０の外周面４８ａ、５０ａに摩擦撹拌接合が行われる（図７参照）。このため、高速回転するプローブ１４４が第１および第２突き合わせ部４８、５０の外周面４８ａ、５０ａに挿入されながら、前記プローブ１４４が前記外周面４８ａ、５０ａに沿って相対移動する際に、第１および第２突き合わせ部４８、５０が変形することがない。
【００６２】
特に、第１および第２裏当て治具８８、９２の外周面８８ａ、９２ａが真円状に構成されており、第１および第２突き合わせ部４８、５０の内周面４８ｂ、５０ｂは、前記外周面８８ａ、９２ａに密着して真円形状が維持される。しかも、それぞれの端部４２ａ、４４ａの内周長さおよび端部４２ｂ、４６ａの円周長さが同一長さに規制される。
【００６３】
このため、薄肉でかつ比較的大径な第１および第２突き合わせ部４８、５０であっても、変形や皺等による位相差が発生することがなく、前記第１および第２突き合わせ部４８、５０の真円度を良好に維持することができ、寸法精度が向上する。これにより、簡単かつ経済的な工程で、第１および第２突き合わせ部４８、５０の摩擦撹拌接合作業が効率的に遂行されるという効果が得られる。
【００６４】
さらに、第１および第２突き合わせ部４８、５０は、第１および第２裏当て治具８８、９２の外周面８８ａ、９２ａに密着状態で嵌合する。このため、第１および第２突き合わせ部４８、５０のずれを阻止して正確な位置出しが可能になり、摩擦撹拌接合処理が効率的に遂行される。その際、第１および第２突き合わせ部４８、５０は、所定温度に加熱されることによって熱膨張により内周径を拡大させた状態で、第１および第２裏当て治具８８、９２に嵌合している。従って、第１および第２裏当て治具８８、９２の外周面８８ａ、９２ａに対し、第１および第２突き合わせ部４８、５０を容易かつ確実に密着させることができる。
【００６５】
一方、第１および第２突き合わせ部４８、５０の接合処理が終了した後、ダクト構造体４０を加熱して内周径を拡大させることにより、第１および第２裏当て治具８８、９２の分離作業が容易に行われる。このため、摩擦撹拌接合処理全体の効率化が容易に遂行されるという利点がある。
【００６６】
さらにまた、胴部材４２とフランジ部材４４、４６とは、加圧機構７０を介してプローブ１４４の挿入方向（矢印Ｂ方向）と略直交する方向（矢印Ａ方向）から加圧力が付与される。これにより、第１および第２突き合わせ部４８、５０に隙間が発生することがなく、確実に圧着することができ、高品質な接合処理が遂行されるとともに、加圧機構７０の構成が容易に簡素化する。
【００６７】
また、第１突き合わせ部４８の接合処理を行う際には、この第１突き合わせ部４８の外周面４８ａに第１クランプ治具１１４が装着されている。従って、摩擦撹拌接合時に、第１突き合わせ部４８が膨張しても、この第１突き合わせ部４８の位置がずれることがなく、高品質な接合作業が容易に遂行されるという効果がある。一方、第２突き合わせ部５０の接合時には、この第２突き合わせ部５０の外周面５０ａを第２クランプ治具１１６により保持しており、同様の効果が得られる。
【００６８】
なお、本実施形態では、図示しないアルミニウムテープで仮接合された胴部材４２と、フランジ部材４４、４６とを、加熱炉内で所定温度に加熱することにより、内周径を拡径させて第１および第２裏当て治具８８、９２に装着しているが、これに限定されるものではなく、例えば、前記第１および第２裏当て治具８８、９２を冷却して該第１および第２裏当て治具８８、９２の外径寸法を縮小させてもよい。
【００６９】
【発明の効果】
本発明に係る摩擦撹拌接合方法および装置では、第１および第２円筒部材の端部同士の突き合わせ部は、他方の面が裏当て治具の外周面に密着状態で嵌合するとともに、前記突き合わせ部の一方の面に回転するプローブが構成されることにより、接合処理が施される。このため、特に、突き合わせ部が、肉薄でかつ大径な形状であっても、該突き合わせ部を所望の形状に確実に保持することができる。従って、簡単かつ経済的な構成および工程で、突き合わせ部の摩擦撹拌接合作業が効率的かつ高精度に遂行される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る摩擦撹拌接合方法が実施されるファンダクトを組み込む航空機用ガスタービンエンジンの概略構成説明図である。
【図２】前記ファンダクトを構成するダクト構造体の説明図である。
【図３】前記ダクト構造体を接合する本発明の実施形態に係る摩擦撹拌接合装置の一部分解斜視図である。
【図４】前記摩擦撹拌接合装置の断面説明図である。
【図５】図４に示す前記摩擦撹拌接合装置の一部拡大説明図である。
【図６】前記摩擦撹拌接合方法のフローチャートである。
【図７】第１突き合わせ部を接合する際の動作説明図である。
【図８】第２突き合わせ部を接合する際の動作説明図である。
【図９】特許文献１のアルミニウム部材の接合方法を示す説明図である。
【符号の説明】
１０…ファンダクト １２…ガスタービンエンジン
１４…ファン ４０…ダクト構造体
４２…胴部材 ４４、４６…フランジ部
４４ａ、４６ａ…端部 ４８、５０…突き合わせ部
４８ａ、５０ａ、８８ａ、９２ａ…外周面 ４８ｂ、５０ｂ、８８ｂ…内周面
６０…摩擦撹拌接合装置 ６２…回転テーブル
６４…台部材 ６６…支持ベース
６８…支柱 ７０…加圧機構
７２…ねじ部 ７４…加圧板
７７…押圧ブロック ８８、９２…裏当て治具
９０…ロッド １１４、１１６…クランプ治具
１３０…取り付け板 １４０…接合機
１４４…プローブ
Claims (7)
- 第１円筒部材の端部と第２円筒部材の端部とを突き合わせた突き合わせ部の一方の面に、回転するプローブを押し付けながら、前記プローブを前記突き合わせ部に沿って相対的に移動させるとともに、波形に変形し易い前記突き合わせ部を、変形することなく接合するための摩擦撹拌接合方法であって、
前記第１および第２円筒部材を、熱膨張の異なる裏当て治具に対し相対的に熱膨張させた状態で、該裏当て治具に該第１および第２円筒部材を外装させ、さらに前記第１および第２円筒部材を前記裏当て治具に対し相対的に熱収縮させることにより、前記突き合わせ部の他方の面全周を前記裏当て治具の外周面全周に密着状態で嵌合させる工程と、
前記突き合わせ部の他方の面を前記裏当て治具で保持しながら、該突き合わせ部の一方の面に摩擦撹拌接合を行う工程と、
前記摩擦撹拌接合が行われた後、前記第１および第２円筒部材を裏当て治具に対し相対的に熱膨張させて前記突き合わせ部の他方の面から前記裏当て治具を離脱させる工程と、
を有することを特徴とする摩擦撹拌接合方法。 - 請求項１記載の摩擦撹拌接合方法において、前記第１および第２円筒部材は、前記プローブの挿入方向と略直交しかつ前記第１および第２円筒部材の突き合わせ方向から加圧力が付与された状態で、前記突き合わせ部に沿って摩擦撹拌接合されることを特徴とする摩擦撹拌接合方法。
- 請求項１または２記載の摩擦撹拌接合方法において、前記裏当て治具の外周面は真円形状を有しており、この外周面に密着する前記第１および第２円筒部材の端部同士を同一の円周長さに規制することを特徴とする摩擦撹拌接合方法。
- 第１円筒部材の端部と第２円筒部材の端部とを突き合わせた突き合わせ部の一方の面に、回転するプローブを押し付けながら、前記プローブを前記突き合わせ部に沿って相対的に移動させることにより、前記突き合わせ部を接合する摩擦撹拌接合装置であって、
前記第１および第２円筒部材を保持する台部材と、
前記第１および第２円筒部材を外装させて前記突き合わせ部の他方の面全周を規定の円周長さに規制するとともに、摩擦撹拌接合が行われた後に該突き合わせ部から離脱される、前記第１および第２円筒部材とは異なる熱膨張の裏当て治具と、
前記突き合わせ部に加圧力を付与する加圧機構と、
を備え、
前記裏当て治具の外周面の外形寸法は、前記第１および第２円筒部材の前記突き合わせ部の他方の面の内径寸法よりも大きく設定され、前記第１および第２円筒部材を裏当て治具に対し相対的に熱膨張させた状態で、該裏当て治具に該第１および第２円筒部材を外装させることを特徴とする摩擦撹拌接合装置。 - 請求項４記載の摩擦撹拌接合装置において、前記加圧機構は、前記第１および第２円筒部材に、前記プローブの挿入方向と略直交しかつ前記第１および第２円筒部材の突き合わせ方向から加圧力を付与することを特徴とする摩擦撹拌接合装置。
- 請求項４記載の摩擦撹拌接合装置において、前記裏当て治具の外周面は真円形状を有しており、この外周面に密着する前記第１および第２円筒部材の端部同士を同一の円周長さに規制することを特徴とする摩擦撹拌接合装置。
- 請求項４乃至６のいずれか１項に記載の摩擦撹拌接合装置において、前記突き合わせ部の一方の面に配置され、前記摩擦撹拌接合時に該突き合わせ部の変形を阻止するクランプ治具を備えることを特徴とする摩擦撹拌接合装置。
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