(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-03-28
(45)【発行日】2024-04-05
(54)【発明の名称】回転摩擦溶接用回転押圧装置
(51)【国際特許分類】
B23K 20/12 20060101AFI20240329BHJP
【ＦＩ】
B23K20/12 D
B23K20/12 A
B23K20/12 G
【請求項の数】
2
(21)【出願番号】P 2020184151
(22)【出願日】2020-11-04
(65)【公開番号】P2022074258
(43)【公開日】2022-05-18
【審査請求日】2022-12-15
(73)【特許権者】
【識別番号】518283506
【氏名又は名称】エードス株式会社
(72)【発明者】
【氏名】上谷 宏二
【審査官】岩見 勤
(56)【参考文献】
【文献】特開平１１－１２９０８０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１８－１００７７０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１９－２０９３４０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１２－１０１２８３（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｂ２３Ｋ ２０／１２
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
回転対称体の形状を有するプラグの材軸基端部に取り付ける回転押圧装置であって、前記プラグの材軸周りに回転を与えつつ、前記プラグの材軸先端部を対象体との接触部に接触させて前記プラグの材軸方向に押し付け力を加え、前記回転および前記押し付け力をそれぞれ独立に時系列的に制御し、
前記回転押圧装置は、前記プラグの前記材軸基端部を前記回転押圧装置に取り付ける取り付け機構、前記取り付け機構を介して前記プラグに前記回転を付与する回転機構、前記取り付け機構を介して前記プラグに前記押し付け力を付与する押圧機構および前記押し付け力による反力を保持する反力保持機構により構成され、
前記回転機構は、回転作用部、回転伝達部、回転発生部および回転制御部により構成され、前記回転発生部にて発生された前記回転は、前記回転伝達部を介して前記回転作用部に伝達され、
前記押圧機構は、押圧作用部、押圧伝達部、押圧発生部および押圧制御部により構成され、前記押圧発生部にて発生された押圧が、前記押圧伝達部を介して前記押圧作用部に伝達され、前記押し付け力として前記プラグに付与され、
前記回転発生部と前記押圧発生部は、前記取り付け機構から離隔されてそれぞれ任意位置に配置され、前記押圧伝達部は、可撓性を有し、前記回転伝達部は、可撓性を有するフレキシブルシャフトにより構成される
ことを特徴とする回転押圧装置。
【請求項2】
回転対称体の形状を有するプラグの材軸基端部に取り付ける回転押圧装置であって、前記プラグの材軸周りに回転を与えつつ、前記プラグの材軸先端部を対象体との接触部に接触させて前記プラグの材軸方向に押し付け力を加え、前記回転および前記押し付け力をそれぞれ独立に時系列的に制御し、
前記回転押圧装置は、前記プラグの前記材軸基端部を前記回転押圧装置に取り付ける取り付け機構、前記取り付け機構を介して前記プラグに前記回転を付与する回転機構、前記取り付け機構を介して前記プラグに前記押し付け力を付与する押圧機構および前記押し付け力による反力を保持する反力保持機構により構成され、
前記回転機構は、回転作用部、回転伝達部、回転発生部および回転制御部により構成され、前記回転発生部にて発生された前記回転は、前記回転伝達部を介して前記回転作用部に伝達され、
前記押圧機構は、押圧作用部、押圧伝達部、押圧発生部および押圧制御部により構成され、前記押圧発生部にて発生された押圧が、前記押圧伝達部を介して前記押圧作用部に伝達され、前記押し付け力として前記プラグに付与され、
前記押圧発生部は、発生部側液圧シリンダと前記発生部側液圧シリンダに直結された気圧シリンダとからなる気圧／液圧複合シリンダにより構成され、
前記プラグと前記対象体との前記接触部近傍の材料組織の溶融による前記プラグの増分変位に伴って生じる前記押し付け力の急激な変動を、前記気圧シリンダにより抑制する
ことを特徴とする回転押圧装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明の回転押圧装置は、回転対称体の形状を有するプラグを、対象体に対してプラグの材軸周りに回転を与えつつ、対象体との接触部に接触させてプラグの材軸方向に押し付け力を加えて、プラグを対象体に一体化するための装置であって、特に鋼構造の柱や梁など鋼構造骨組を構成する鋼材の接合に用いられる回転摩擦溶接のための装置に関する。
【背景技術】
【0002】
従来技術として、回転を与えつつ押し付け力を加える装置は、多種存在する。例えば、図１３に示す摩擦圧接装置３００がある。モーター３３０の回転ωを、ベルト３３２等を介して伝達し、一方の軸受３１５に設置された鋼材３１０を回転ωさせつつ、他方の軸受３２５に設置された鋼材３２０に油圧シリンダ３４０によって押し付け力Ｆを加えることによって、鋼材３１０と鋼材３２０との接触部３７０に生ずる摩擦により接触部３７０近傍の材料組織を溶融または軟化させた後、回転ωを停止させ、押し付け力Ｆを一定時間保持（アプセット圧力）することにより一体化させる。
【0003】
特許文献１には、ステンレス鋼の丸棒と黄銅の丸棒との先端を接するように接触部を加工して、接触部同士を押圧しつつ相互に相対回転させて生じる摩擦により接触部近傍の材料組織を溶融または軟化させて一体化させる摩擦圧接法および接合構造と共に回転を与えつつ押し付け力を加える装置が提示されている。
特許文献２には、２本の鉄筋の間に鉄筋と同断面形状短尺の接合補助材を挟むように接触させて配置し、接合補助材とそれぞれ鉄筋の先端に接触部を形成し、両側の鉄筋を接合補助材に押圧しつつ接合補助材を回転させることにより生じる摩擦により接触部近傍の材料組織を溶融または軟化させて一体化させる摩擦圧接法および接合構造と共に回転を与えつつ押し付け力を加える装置が提示されている。
特許文献２には、２本の鉄筋の間に鉄筋と同断面形状短尺の接合補助材を挟むように接触させて配置し、接合補助材とそれぞれ鉄筋の先端に接触部を形成し、両側の鉄筋を接合補助材に押圧しつつ接合補助材を回転させることにより生じる摩擦により接触部近傍の材料組織を溶融または軟化させて一体化させる摩擦圧接法および接合構造と共に回転を与えつつ押し付け力を加える装置が提示されている。
【0004】
出願人らは、特許文献３にて「回転摩擦溶接」、特許文献４にて「回転摩擦圧接」を提示している。
ただし、特許文献３では回転摩擦溶接を実施するにあたって、回転軸方向の押し付け力を加える方法、回転軸回りの回転を加える方法は任意であるとして、回転を与えつつ、押し付け力を加える具体的な装置（以下、回転押圧装置という）は提示していない。
ただし、特許文献３では回転摩擦溶接を実施するにあたって、回転軸方向の押し付け力を加える方法、回転軸回りの回転を加える方法は任意であるとして、回転を与えつつ、押し付け力を加える具体的な装置（以下、回転押圧装置という）は提示していない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【文献】特開２０００－３０１３６４号公報
【文献】特開２０１１－１５２５６３号公報
【文献】国際公開第２０１９／０４４８６２号
【文献】特開２０１８－１１１１２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
図１３に示す従来の摩擦圧接装置３００は、油圧シリンダ３４０とモーター３３０が装置の内部の近接した位置に配置されている比較的大型の据え置き型の装置であり、建設現場等への搬入・運用は困難である。
【0007】
特許文献１では、異種金属丸棒材料の摩擦圧接に際し、従来のフライス盤を用いて、フライス盤テーブルに固定された材料に、上部から主軸にミーリングチャックを介して固定されたもう一方の材料を回転しつつ押し付ける方法が開示されている。回転はモーターによって与えられ、押し付け力は主軸に人力によって与えられる。本方法では、摩擦圧接の行われる個所とモーターが近接しており、装置が大がかりとなるという課題がある。
【0008】
従来の摩擦圧接法は、鉄筋のように比較的小規模な鋼材の接合に実用化されている。ただし、特許文献２の長尺の鉄筋の場合は、回転するのに大規模な設備が必要である。さらにこれらの方法を建築鋼構造の柱や梁のように大規模な鋼材の接合に適用しようとすると、押圧および摩擦を加えるために要する加圧機構や動力機構の性能が巨大化する。従って、建築鋼構造の工事現場での現場接合に適用することは困難である。一方現状では、建築鋼構造の柱や梁などの鋼構造骨組を構成する鋼材の接合は、溶接または高力ボルト摩擦接合のいずれかによる場合がほとんどである。ところが、高力ボルト摩擦接合の場合にはボルト孔による被接合鋼材の断面欠損やボルト孔の片側だけからの締め付けが困難といった欠点があり、また、溶接の場合には施工現場の環境や技術者の技量によって欠陥が生じ得る欠点があり、これらの課題を解決できる新しい接合方法の提供が要望されている。
【0009】
特許文献３の「回転摩擦溶接」の場合、回転力付与のためのモーター、押し付け力付与のための液圧装置を建築現場でオンサイトの溶接個所に設置し溶接作業を実施するには、装置が寸法、重量ともに相当大きくなる。すなわち、回転摩擦溶接の実施中、プラグの押し付け力は、段階的に一定の大きさを保持し、大きさの切り換えは速やかになされる必要がある。すなわち溶接実施部の油圧シリンダの圧力がこの条件を満たさねばならない。ところが、プラグ先端と空所底部の摩擦面近傍では両者の金属組織が溶融し、プラグが軸方向に増分変位を起こそうとし、プラグに直結されている油圧シリンダのシリンダ室を広げようとする。しかし、シリンダ室内の油は空気などと比べて弾力性が殆どなく（非圧縮性物質）、押し付け力が急激に低下する。この押し付け力を一定に保持するには、油圧シリンダに所要の量の油を注ぎ込まねばならない。つまり、押し付け力（圧力）一定保持機能が求められる。最も常識的な方法は、圧力制御機能の付いた油圧システムを用いることである。このような油圧システムは、油圧発生装置、油圧駆動装置、油圧制御装置で構成され、一般的には大掛かりかつ高価である。
また、溶接作業を想定した場合、プラグを差し込む方向は上向きや斜めなど様々であり、大きな装置を据えられない狭い場所での作業も必要となり困難な場合があった。
また、溶接作業を想定した場合、プラグを差し込む方向は上向きや斜めなど様々であり、大きな装置を据えられない狭い場所での作業も必要となり困難な場合があった。
【課題を解決するための手段】
【0010】
請求項では、液圧とは、任意の液体による圧力を意味し、液体は、油や水などを含み、油圧や水圧による。液圧シリンダは、油圧シリンダや水圧シリンダを含む。気圧とは、任意の気体による圧力を意味し、気体は、空気、二酸化炭素、ヘリウム、アルゴンなどを含む。気圧および気圧シリンダは、気体が空気の場合、それぞれ空圧、空圧シリンダと称する。
気圧／液圧複合シリンダは、気圧シリンダと液圧シリンダのピストンロッドを共有、気圧シリンダの筒体と液圧シリンダの筒体とを直列に固定して繋なぎ、液圧シリンダと気圧シリンダのピストン面積の比を小さくとることで大きな液圧が得られる。気圧／液圧複合シリンダは、気体が空気であり、液体が油の場合、空圧／油圧複合シリンダと称する。
気圧／液圧複合シリンダは、気圧シリンダと液圧シリンダのピストンロッドを共有、気圧シリンダの筒体と液圧シリンダの筒体とを直列に固定して繋なぎ、液圧シリンダと気圧シリンダのピストン面積の比を小さくとることで大きな液圧が得られる。気圧／液圧複合シリンダは、気体が空気であり、液体が油の場合、空圧／油圧複合シリンダと称する。
【0011】
請求項１の発明では、
回転対称体の形状を有するプラグの材軸基端部に取り付ける回転押圧装置であって、前記プラグの材軸周りに回転を与えつつ、前記プラグの材軸先端部を対象体との接触部に接触させて前記プラグの材軸方向に押し付け力を加え、前記回転および前記押し付け力をそれぞれ独立に時系列的に制御する。
ここで、プラグとは、回転対称体の形状を有する主として金属からなる部品であって、本発明の回転押圧装置に着脱容易に取り付けられる。
対象体とは、プラグと接触部にて接触して回転押圧装置から回転および押し付け力を受ける主として金属からなる部材である。プラグの回転対称体材軸方向の対象体との接触部側を材軸先端部、その他端側を材軸基端部と称したとき、材軸基端部にて回転押圧装置に取り付けられる。
プラグは対象体の孔部に嵌め込んで封止するための栓として機能する他、対象体が分割された物体からなる場合には分割された対象体を接属する接続体として機能する。
本発明の回転押圧装置は、プラグの材軸周りに回転を与えつつ、プラグの材軸先端部を対象体との接触部に接触させてプラグの材軸方向に押し付け力を加える装置であって、回転および押し付け力を制御することが可能な装置である。ここで、制御とは、対象体への工作の必要に応じて回転および押し付け力をそれぞれ独立に、または回転および押し付け力を所定の関係に従って、時系列的に且つ定量的に設定することを意味する。
回転対称体の形状を有するプラグの材軸基端部に取り付ける回転押圧装置であって、前記プラグの材軸周りに回転を与えつつ、前記プラグの材軸先端部を対象体との接触部に接触させて前記プラグの材軸方向に押し付け力を加え、前記回転および前記押し付け力をそれぞれ独立に時系列的に制御する。
ここで、プラグとは、回転対称体の形状を有する主として金属からなる部品であって、本発明の回転押圧装置に着脱容易に取り付けられる。
対象体とは、プラグと接触部にて接触して回転押圧装置から回転および押し付け力を受ける主として金属からなる部材である。プラグの回転対称体材軸方向の対象体との接触部側を材軸先端部、その他端側を材軸基端部と称したとき、材軸基端部にて回転押圧装置に取り付けられる。
プラグは対象体の孔部に嵌め込んで封止するための栓として機能する他、対象体が分割された物体からなる場合には分割された対象体を接属する接続体として機能する。
本発明の回転押圧装置は、プラグの材軸周りに回転を与えつつ、プラグの材軸先端部を対象体との接触部に接触させてプラグの材軸方向に押し付け力を加える装置であって、回転および押し付け力を制御することが可能な装置である。ここで、制御とは、対象体への工作の必要に応じて回転および押し付け力をそれぞれ独立に、または回転および押し付け力を所定の関係に従って、時系列的に且つ定量的に設定することを意味する。
【0012】
請求項２の発明では、
前記回転押圧装置は、前記プラグの前記材軸基端部を前記回転押圧装置に取り付ける取り付け機構、前記取り付け機構を介して前記プラグに前記回転を付与する回転機構、前記取り付け機構を介して前記プラグに前記押し付け力を付与する押圧機構および前記押し付け力による反力を保持する反力保持機構により構成される。
前記回転押圧装置は、前記プラグの前記材軸基端部を前記回転押圧装置に取り付ける取り付け機構、前記取り付け機構を介して前記プラグに前記回転を付与する回転機構、前記取り付け機構を介して前記プラグに前記押し付け力を付与する押圧機構および前記押し付け力による反力を保持する反力保持機構により構成される。
【0013】
請求項３の発明では、
前記回転機構は、回転作用部、回転伝達部、回転発生部および回転制御部により構成され、前記回転発生部にて発生された前記回転は、前記回転伝達部を介して前記回転作用部に伝達される。
ここで、回転の発生源は任意であるが、電動モーターによるもの、エンジン等の内燃機関によるものが例示される。また、回転の伝達は、軸、歯車、ベルト等による直接的な伝達方法のほか、ユニバーサルジョイント（自在継手）やフレキシブルジョイント等の回転伝達機構を含む。
前記回転機構は、回転作用部、回転伝達部、回転発生部および回転制御部により構成され、前記回転発生部にて発生された前記回転は、前記回転伝達部を介して前記回転作用部に伝達される。
ここで、回転の発生源は任意であるが、電動モーターによるもの、エンジン等の内燃機関によるものが例示される。また、回転の伝達は、軸、歯車、ベルト等による直接的な伝達方法のほか、ユニバーサルジョイント（自在継手）やフレキシブルジョイント等の回転伝達機構を含む。
【0014】
請求項４の発明では、
前記押圧機構は、押圧作用部、押圧伝達部、押圧発生部および押圧制御部により構成され、前記押圧発生部にて発生された押圧が、前記押圧伝達部を介して前記押圧作用部に伝達され、前記押し付け力として前記プラグに付与される。
ここで、押圧の発生源は任意であるが、重力による圧力、ゴムまたは螺旋型金属ばね等の弾性体による圧力、液体の圧力、気体の圧力または液体の圧力と気体の圧力の組み合わせによるものが例示される。
前記押圧機構は、押圧作用部、押圧伝達部、押圧発生部および押圧制御部により構成され、前記押圧発生部にて発生された押圧が、前記押圧伝達部を介して前記押圧作用部に伝達され、前記押し付け力として前記プラグに付与される。
ここで、押圧の発生源は任意であるが、重力による圧力、ゴムまたは螺旋型金属ばね等の弾性体による圧力、液体の圧力、気体の圧力または液体の圧力と気体の圧力の組み合わせによるものが例示される。
【0015】
請求項５の発明では、
前記取り付け機構は、前記プラグの前記材軸基端部を着脱可能に固定するプラグ着脱固定部、前記回転作用部を連結する回転作用部連結部および前記押圧作用部を摺接する押圧作用部摺接部を備える。
前記取り付け機構は、前記プラグの前記材軸基端部を着脱可能に固定するプラグ着脱固定部、前記回転作用部を連結する回転作用部連結部および前記押圧作用部を摺接する押圧作用部摺接部を備える。
【0016】
請求項６の発明では、
前記反力保持機構は、回転作用部保持具および押圧作用部保持具により構成され、前記回転作用部保持具は、前記回転作用部に摺接する回転作用部摺接部を備え、前記押圧作用部保持具は、前記押圧作用部を接続する押圧作用部接続部と前記押し付け力による反力を保持する押圧反力保持部を備える。
前記反力保持機構は、回転作用部保持具および押圧作用部保持具により構成され、前記回転作用部保持具は、前記回転作用部に摺接する回転作用部摺接部を備え、前記押圧作用部保持具は、前記押圧作用部を接続する押圧作用部接続部と前記押し付け力による反力を保持する押圧反力保持部を備える。
【0017】
請求項７の発明では、
前記回転発生部と前記押圧発生部は、前記取り付け機構から離隔されてそれぞれ任意位置に配置され、前記回転伝達部と前記押圧伝達部は、可撓性を有する。
回転発生部と押圧発生部は大型装置であり、回転伝達部と押圧伝達部を介した回転作用部と押圧作用部は小型化されるとともに種々の方向、位置からのオンサイトの建築現場溶接が可能となる。
前記回転発生部と前記押圧発生部は、前記取り付け機構から離隔されてそれぞれ任意位置に配置され、前記回転伝達部と前記押圧伝達部は、可撓性を有する。
回転発生部と押圧発生部は大型装置であり、回転伝達部と押圧伝達部を介した回転作用部と押圧作用部は小型化されるとともに種々の方向、位置からのオンサイトの建築現場溶接が可能となる。
【0018】
請求項８の発明では、
前記回転伝達部は、フレキシブルシャフトにより構成される。
ここで、フレキシブルシャフトは、可撓性を有する棒状体で、曲がった状態で軸廻りの回転ωを伝達できる既製部品である。
前記回転伝達部は、フレキシブルシャフトにより構成される。
ここで、フレキシブルシャフトは、可撓性を有する棒状体で、曲がった状態で軸廻りの回転ωを伝達できる既製部品である。
【0019】
請求項９の発明では、
前記押圧伝達部は、液圧ホースにより構成される。
ここで、液圧ホースは、油圧ホースや水圧ホースを含み、可撓性を有して位置と向きを自在に変えることができる。
前記押圧伝達部は、液圧ホースにより構成される。
ここで、液圧ホースは、油圧ホースや水圧ホースを含み、可撓性を有して位置と向きを自在に変えることができる。
【0020】
請求項１０の発明では、
前記押圧作用部は、作用部側液圧シリンダにより構成される。
ここで、液圧シリンダは、油圧シリンダや水圧シリンダを含む。押圧作用部は、軽小が求められるから、油圧シリンダを用いてプラグに力を作用させる。油圧シリンダは、最大圧力が大きくピストン面積が小さくて済む。
前記押圧作用部は、作用部側液圧シリンダにより構成される。
ここで、液圧シリンダは、油圧シリンダや水圧シリンダを含む。押圧作用部は、軽小が求められるから、油圧シリンダを用いてプラグに力を作用させる。油圧シリンダは、最大圧力が大きくピストン面積が小さくて済む。
【0021】
請求項１１の発明では、
前記押圧発生部は、発生部側液圧シリンダと前記発生部側液圧シリンダに直結された気圧シリンダとからなる気圧／液圧複合シリンダにより構成される。
前記押圧発生部は、発生部側液圧シリンダと前記発生部側液圧シリンダに直結された気圧シリンダとからなる気圧／液圧複合シリンダにより構成される。
【0022】
請求項１２の発明では、
前記気圧シリンダは複動型シリンダである。
気圧シリンダは二室を有する複動式を採用し、気体コンプレッサに連結した給気弁および排気弁を操作して気圧シリンダのそれぞれの室の気圧を制御して、押し付け力の大きさを任意に制御することができる。
前記気圧シリンダは複動型シリンダである。
気圧シリンダは二室を有する複動式を採用し、気体コンプレッサに連結した給気弁および排気弁を操作して気圧シリンダのそれぞれの室の気圧を制御して、押し付け力の大きさを任意に制御することができる。
【0023】
請求項１３の発明では、
前記対象体に前記プラグを前記材軸方向に容易に挿入しうる側周面と底部を有する回転対称形状の空所を加工し、前記プラグの前記材軸基端部に前記回転押圧装置を取り付け、前記プラグを前記空所に挿入し、前記プラグの前記材軸先端部と前記空所の前記底部との前記接触部に押し付け力を加えた状態で前記プラグを前記材軸周りに回転させて摩擦を生ぜしめ、前記摩擦による摩擦熱を利用して前記接触部近傍の材料組織を溶融させて溶融金属を生成し、液体化した前記溶融金属を前記プラグの前記材軸先端部に生じる押圧力と回転運動を利用して前記プラグの側周面と前記空所の前記側周面との隙間に充填させ、ついで前記回転運動を停止させて前記溶融金属を凝固させ前記隙間近傍の組織と一体化させることにより前記プラグと前記対象体とを回転摩擦溶接する。
本発明の回転押圧装置は、回転対称体の形状を有するプラグを介して対象体との接触部に回転を与えつつ押し付け力を加える装置として広範に適用可能である。すなわち、プラグは対象体の孔部に嵌め込んで封をする栓溶接としてプラグ溶接、プラグを円錐台状に加工して円錐台面を対象体に形成した円錐面と接触面に摩擦圧接する回転摩擦圧接（特許文献４参照）、また、プラグをドリル状に加工して対象体に穿孔するドリル穿孔などに適用できる。
さらに、本発明の回転押圧装置を、特許文献１で提示されている回転摩擦溶接（特許文献３参照）における接合金属としてのプラグに回転を与えつつ、押し付け力を加える装置として適用できる。
前記対象体に前記プラグを前記材軸方向に容易に挿入しうる側周面と底部を有する回転対称形状の空所を加工し、前記プラグの前記材軸基端部に前記回転押圧装置を取り付け、前記プラグを前記空所に挿入し、前記プラグの前記材軸先端部と前記空所の前記底部との前記接触部に押し付け力を加えた状態で前記プラグを前記材軸周りに回転させて摩擦を生ぜしめ、前記摩擦による摩擦熱を利用して前記接触部近傍の材料組織を溶融させて溶融金属を生成し、液体化した前記溶融金属を前記プラグの前記材軸先端部に生じる押圧力と回転運動を利用して前記プラグの側周面と前記空所の前記側周面との隙間に充填させ、ついで前記回転運動を停止させて前記溶融金属を凝固させ前記隙間近傍の組織と一体化させることにより前記プラグと前記対象体とを回転摩擦溶接する。
本発明の回転押圧装置は、回転対称体の形状を有するプラグを介して対象体との接触部に回転を与えつつ押し付け力を加える装置として広範に適用可能である。すなわち、プラグは対象体の孔部に嵌め込んで封をする栓溶接としてプラグ溶接、プラグを円錐台状に加工して円錐台面を対象体に形成した円錐面と接触面に摩擦圧接する回転摩擦圧接（特許文献４参照）、また、プラグをドリル状に加工して対象体に穿孔するドリル穿孔などに適用できる。
さらに、本発明の回転押圧装置を、特許文献１で提示されている回転摩擦溶接（特許文献３参照）における接合金属としてのプラグに回転を与えつつ、押し付け力を加える装置として適用できる。
【0024】
請求項１４の発明では、
前記プラグと前記対象体との前記接触部近傍の材料組織の溶融による前記プラグの増分変位に伴って生じる前記押し付け力の急激な変動を、前記気圧シリンダにより抑制する。
回転摩擦溶接において接触部近傍の材料組織の溶融によりプラグに増分変位が生じたときにも、気圧シリンダの給気弁および排気弁をすべて閉じたままでプラグの押し付け力を許容誤差の範囲で一定に保持できる。この機能は、液圧シリンダに封入された液体に比して、気圧シリンダに封入された気体が柔らかい気体ばねとして働くという効果を利用している。
前記プラグと前記対象体との前記接触部近傍の材料組織の溶融による前記プラグの増分変位に伴って生じる前記押し付け力の急激な変動を、前記気圧シリンダにより抑制する。
回転摩擦溶接において接触部近傍の材料組織の溶融によりプラグに増分変位が生じたときにも、気圧シリンダの給気弁および排気弁をすべて閉じたままでプラグの押し付け力を許容誤差の範囲で一定に保持できる。この機能は、液圧シリンダに封入された液体に比して、気圧シリンダに封入された気体が柔らかい気体ばねとして働くという効果を利用している。
【発明の効果】
【0025】
（１）本発明の回転押圧装置は、プラグの材軸周りに回転を与えつつ、プラグの材軸先端部を対象体との接触部に接触させてプラグの材軸方向に押し付け力を加える装置であって、対象体への作業の必要に応じて回転および押し付け力をそれぞれ独立に時系列的に且つ定量的に設定することが可能である。
（２）本発明の回転押圧装置は、空圧シリンダ／油圧シリンダ、電動モーターなど比較的大型となる回転発生部や押圧発生部を回転作用部、押圧作用部および取り付け機構から離隔して所定の箇所に据置くことができ、比較的コンパクトな回転作用部、押圧作用部および取り付け機構を、対象体への作業箇所の近傍に随時移動することができる。さらに、回転伝達部と押圧伝達部は可撓性を有するので、取り付け機構のプラグ材軸方向は、下向きだけでなく上向きや斜めなど様々な空間配置が可能であり、狭い場所での作業にも好適である。
（３）本発明の回転押圧装置は、回転摩擦溶接の実施に好適な装置となる。
（４）本発明の回転押圧装置は、回転摩擦溶接の実施の際にプラグの増分変位に伴って生じる押し付け力の急激な変動を、気圧シリンダの気体ばね効果を利用して比較的簡易かつ安価に抑制することができる。
（２）本発明の回転押圧装置は、空圧シリンダ／油圧シリンダ、電動モーターなど比較的大型となる回転発生部や押圧発生部を回転作用部、押圧作用部および取り付け機構から離隔して所定の箇所に据置くことができ、比較的コンパクトな回転作用部、押圧作用部および取り付け機構を、対象体への作業箇所の近傍に随時移動することができる。さらに、回転伝達部と押圧伝達部は可撓性を有するので、取り付け機構のプラグ材軸方向は、下向きだけでなく上向きや斜めなど様々な空間配置が可能であり、狭い場所での作業にも好適である。
（３）本発明の回転押圧装置は、回転摩擦溶接の実施に好適な装置となる。
（４）本発明の回転押圧装置は、回転摩擦溶接の実施の際にプラグの増分変位に伴って生じる押し付け力の急激な変動を、気圧シリンダの気体ばね効果を利用して比較的簡易かつ安価に抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【0026】
【図1】回転押圧装置の全体構成を説明する概略図である。
【図2】回転押圧装置の要部の構成を説明する詳細図である。
【図3】複動型の空圧シリンダの構成を説明する図である。
【図4】図２のＡ－Ａ断面図。作用部側油圧シリンダにおけるシリンダの配置を示す図であり、図４（ａ）はセンターホール型シリンダが回転軸７１と同軸に配置される図であり、図４（ｂ）、図４（ｃ）は複数のシリンダが回転軸７１の周上に等間隔に配置される図である。
【図5】回転摩擦溶接への適用例の第１実施形態を説明するアイソメ図である。
【図6】回転摩擦溶接への適用例の第２実施形態を説明するアイソメ図である。
【図7】回転摩擦溶接への適用例の第２実施形態を説明する平面図および縦断面図である。
【図8】回転摩擦溶接への適用例の第３実施形態を説明する縦断面図である。
【図9】回転摩擦溶接への適用例の第４実施形態を説明する縦断面図である。
【図10】回転摩擦溶接への適用例の第５実施形態を説明する図である。
【図11】回転摩擦溶接への適用例の第６実施形態である鋼構造建設現場における柱－柱接合を説明する図である。
【図12】シリンダ内にある空気の等温下での状態方程式を説明する図である。
【図13】従来技術を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【0027】
本発明の実施形態を、図面を参照しつつ説明する。なお、同一構成要件については同一符号を付し、その説明を省略もしくは簡略化する。
【0028】
図１は本発明の回転押圧装置１の実施例の全体構成を説明する概略図である。図２は、本発明の回転押圧装置１の主要部のより詳細な構成を説明する詳細図である。
回転押圧装置１は、回転対称体の形状を有するプラグ１０の材軸基端部１８に取り付ける回転押圧装置１であって、プラグ１０の材軸７１周りに回転ωを与えつつ、プラグ１０の材軸先端部１７を対象体６０との接触部７０に接触させてプラグ１０の材軸７１方向に押し付け力Ｆを加え、回転ωおよび押し付け力Ｆをそれぞれ独立に時系列的に制御する装置である。
回転押圧装置１は、プラグ１０の材軸基端部１８を回転押圧装置１に取り付ける取り付け機構２０、取り付け機構２０を介してプラグ１０に回転ωを付与する回転機構３０、取り付け機構２０を介してプラグ１０に押し付け力Ｆを付与する押圧機構４０および押し付け力Ｆによる反力を保持する反力保持機構５０により構成される。
取り付け機構２０は、プラグ１０の回転軸７１と同軸の軸状本体部２０ａ、軸状本体部２０ａの先端側に（ドリル）チャックのようにプラグ１０の材軸基端部１８を着脱可能に固定するプラグ着脱固定部２０ｂ、軸状本体部２０ａの基端側に回転作用部３１を連結する回転作用部連結部２０ｃおよび軸状本体部２０ａの基端側に押圧作用部４１を摺接する押圧作用部摺接部２０ｄを備える。
回転機構３０は、回転作用部３１、回転伝達部３２、回転発生部３３および回転制御部３４により構成され、回転発生部３３にて発生された回転ωは、回転伝達部３２を介して回転作用部３１に伝達される。
押圧機構４０は、押圧作用部４１、押圧伝達部４２、押圧発生部４３および押圧制御部４４により構成され、押圧発生部４３にて発生された押圧ｐが、押圧伝達部４２を介して押圧作用部４１に伝達され、押し付け力Ｆとしてプラグ１０に付与される。
反力保持機構５０は、回転作用部保持具５２と押圧作用部保持具５３により構成され、本実施例では保持フレーム９８に接続される。
回転作用部保持具５２は、回転する回転作用部３１を保持する部品であって、回転作用部摺接部５２ａにより構成される。回転作用部摺接部５２ａは、内周面に回転ベアリング５２ａａを設けた鋼管５２ａｂであって、回転作用部３１を挿入して回転ベアリング５２ａａを介して回転摺接させる。
図２に示すように、押圧作用部保持具５３は、押圧作用部４１がプラグ１０より受ける反力を保持する部品であって、押圧作用部接続部５３ａと押圧反力保持部５３ｂにより構成される。押圧作用部４１は、平面視円形で中央に回転作用部３１を挿通させる開口部５３ａｂを有する円形鋼板５３ａａである押圧作用部接続部５３ａに溶接等により接続される。押圧作用部接続部５３ａは、押圧反力保持部５３ｂに接合されて、押圧ｐに伴う反力を保持する。
本実施例では、回転作用部摺接部５２ａの鋼管５２ａｂは押圧作用部接続部５３ａの円形鋼板５３ａａの開口部５３ａｂに溶接等で一体化されていて、保持フレーム９８への接続は、押圧作用部接続部５３ａの円形鋼板５３ａａを介している。また、保持フレーム９８の構造体９９への接合は、容易に着脱可能な電磁石９５による接合が施工の効率化のために好ましい。
なお、構造体９９とは、反力を保持しうる基礎や構造物などであって、基礎や構造物につながる基体９０や基体９０に固定される対象体６０を含む。
回転押圧装置１は、回転対称体の形状を有するプラグ１０の材軸基端部１８に取り付ける回転押圧装置１であって、プラグ１０の材軸７１周りに回転ωを与えつつ、プラグ１０の材軸先端部１７を対象体６０との接触部７０に接触させてプラグ１０の材軸７１方向に押し付け力Ｆを加え、回転ωおよび押し付け力Ｆをそれぞれ独立に時系列的に制御する装置である。
回転押圧装置１は、プラグ１０の材軸基端部１８を回転押圧装置１に取り付ける取り付け機構２０、取り付け機構２０を介してプラグ１０に回転ωを付与する回転機構３０、取り付け機構２０を介してプラグ１０に押し付け力Ｆを付与する押圧機構４０および押し付け力Ｆによる反力を保持する反力保持機構５０により構成される。
取り付け機構２０は、プラグ１０の回転軸７１と同軸の軸状本体部２０ａ、軸状本体部２０ａの先端側に（ドリル）チャックのようにプラグ１０の材軸基端部１８を着脱可能に固定するプラグ着脱固定部２０ｂ、軸状本体部２０ａの基端側に回転作用部３１を連結する回転作用部連結部２０ｃおよび軸状本体部２０ａの基端側に押圧作用部４１を摺接する押圧作用部摺接部２０ｄを備える。
回転機構３０は、回転作用部３１、回転伝達部３２、回転発生部３３および回転制御部３４により構成され、回転発生部３３にて発生された回転ωは、回転伝達部３２を介して回転作用部３１に伝達される。
押圧機構４０は、押圧作用部４１、押圧伝達部４２、押圧発生部４３および押圧制御部４４により構成され、押圧発生部４３にて発生された押圧ｐが、押圧伝達部４２を介して押圧作用部４１に伝達され、押し付け力Ｆとしてプラグ１０に付与される。
反力保持機構５０は、回転作用部保持具５２と押圧作用部保持具５３により構成され、本実施例では保持フレーム９８に接続される。
回転作用部保持具５２は、回転する回転作用部３１を保持する部品であって、回転作用部摺接部５２ａにより構成される。回転作用部摺接部５２ａは、内周面に回転ベアリング５２ａａを設けた鋼管５２ａｂであって、回転作用部３１を挿入して回転ベアリング５２ａａを介して回転摺接させる。
図２に示すように、押圧作用部保持具５３は、押圧作用部４１がプラグ１０より受ける反力を保持する部品であって、押圧作用部接続部５３ａと押圧反力保持部５３ｂにより構成される。押圧作用部４１は、平面視円形で中央に回転作用部３１を挿通させる開口部５３ａｂを有する円形鋼板５３ａａである押圧作用部接続部５３ａに溶接等により接続される。押圧作用部接続部５３ａは、押圧反力保持部５３ｂに接合されて、押圧ｐに伴う反力を保持する。
本実施例では、回転作用部摺接部５２ａの鋼管５２ａｂは押圧作用部接続部５３ａの円形鋼板５３ａａの開口部５３ａｂに溶接等で一体化されていて、保持フレーム９８への接続は、押圧作用部接続部５３ａの円形鋼板５３ａａを介している。また、保持フレーム９８の構造体９９への接合は、容易に着脱可能な電磁石９５による接合が施工の効率化のために好ましい。
なお、構造体９９とは、反力を保持しうる基礎や構造物などであって、基礎や構造物につながる基体９０や基体９０に固定される対象体６０を含む。
【0029】
回転発生部３３と押圧発生部４３は、取り付け機構２０から離隔されてそれぞれ任意位置に配置され、回転伝達部３２と押圧伝達部４２は、可撓性を有する。
回転発生部３３は、モーター本体３３ａおよびモーターのための電源部３３ｂにより構成されて回転ωが発生され、回転ωの回転数は回転制御部３４で電子的に制御される。回転発生部３３で、発生された回転ωは、フレキシブルシャフト３２ａにより構成される回転伝達部３２により回転作用部３１に伝達される。フレキシブルシャフト３２ａは、可撓性を有する棒状体で、曲がった状態で軸廻りの回転ωを伝達できる既製部品である。フレキシブルシャフト３２ａの構造は、硬鋼線を右巻、左巻交互に数層巻いた構成で、柔軟性、強度と耐久性を有し、長さ10m直径10mmφで約4kgと軽量であり、位置と向きを自在に変えることができる。回転作用部３１は、フレキシブルシャフト３２ａに連結される棒状部品で構成され、取り付け機構２０に組み込まれる。
押圧発生部４３は、発生部側油圧シリンダ４３ａと発生部側油圧シリンダ４３ａに直結された空圧シリンダ４３ｂとからなる空圧／油圧複合シリンダ４３ｃにより構成されて、押圧ｐが発生される。押圧ｐの大きさは、押圧制御部４４であるエアーコンプレッサ４４ａに連結した給気弁４４ｂおよび排気弁４４ｃを操作して押圧ｐが制御される。押圧発生部４３で発生された押圧ｐは油圧ホース４２ａにより構成される押圧伝達部４２により押圧作用部４１に伝達される。油圧ホース４２ａは、可撓性を有して位置と向きを自在に変えることができる。油圧ホース４２ａは、小さい曲げ半径でコンパクトな油圧配管が可能な既製部品である。押圧作用部４１は、作用部側油圧シリンダ４１ａにより構成され、発生部側油圧シリンダ４３ａと油圧ホース４２ａと作用部側油圧シリンダ４１ａがオイルｏの連通管として等圧場を形成して押圧ｐが伝達される。押圧作用部４１としての作用部側油圧シリンダ４１ａは、複数のシリンダまたは単数のセンターホール型シリンダで構成され、取り付け機構２０に組み込まれる。
図３に示すように、空圧／油圧複合シリンダ４３ｃの空圧シリンダ４３ｂは、発生部側油圧シリンダ４３ａ側の空圧シリンダＡ室４３ｂａと発生部側油圧シリンダ４３ａの反対側の空圧シリンダＢ室４３ｂｂからなる複動型シリンダである。空圧シリンダＡ室４３ｂａと空圧シリンダＢ室４３ｂｂとは、それぞれ排気弁４４ｃａ、４４ｃｂを有し、給気弁４４ｂａ、４４ｂｂを介してエアーコンプレッサ４４ａに連結されていて、それぞれの室の空圧を制御する。後述のように、空圧シリンダＡ室４３ｂａの空圧と空圧シリンダＢ室４３ｂｂの空圧との差圧が、空圧／油圧複合シリンダ４３ｃのピストンに作用して、発生部側油圧シリンダ４３ａの押圧ｐとなる。
取り付け機構２０は、回転作用部３１と同じ回転数で回転して回転ωをプラグ１０に伝達すると共に押圧作用部４１から作用する押圧ｐをプラグ１０に伝達する。この際、取り付け機構２０は回転するのに対して押圧作用部４１は回転しないので、その境界面に水平ベアリング２０ｄａを介在させて押圧作用部摺接部２０ｄを摺接させる。
回転発生部３３は、モーター本体３３ａおよびモーターのための電源部３３ｂにより構成されて回転ωが発生され、回転ωの回転数は回転制御部３４で電子的に制御される。回転発生部３３で、発生された回転ωは、フレキシブルシャフト３２ａにより構成される回転伝達部３２により回転作用部３１に伝達される。フレキシブルシャフト３２ａは、可撓性を有する棒状体で、曲がった状態で軸廻りの回転ωを伝達できる既製部品である。フレキシブルシャフト３２ａの構造は、硬鋼線を右巻、左巻交互に数層巻いた構成で、柔軟性、強度と耐久性を有し、長さ10m直径10mmφで約4kgと軽量であり、位置と向きを自在に変えることができる。回転作用部３１は、フレキシブルシャフト３２ａに連結される棒状部品で構成され、取り付け機構２０に組み込まれる。
押圧発生部４３は、発生部側油圧シリンダ４３ａと発生部側油圧シリンダ４３ａに直結された空圧シリンダ４３ｂとからなる空圧／油圧複合シリンダ４３ｃにより構成されて、押圧ｐが発生される。押圧ｐの大きさは、押圧制御部４４であるエアーコンプレッサ４４ａに連結した給気弁４４ｂおよび排気弁４４ｃを操作して押圧ｐが制御される。押圧発生部４３で発生された押圧ｐは油圧ホース４２ａにより構成される押圧伝達部４２により押圧作用部４１に伝達される。油圧ホース４２ａは、可撓性を有して位置と向きを自在に変えることができる。油圧ホース４２ａは、小さい曲げ半径でコンパクトな油圧配管が可能な既製部品である。押圧作用部４１は、作用部側油圧シリンダ４１ａにより構成され、発生部側油圧シリンダ４３ａと油圧ホース４２ａと作用部側油圧シリンダ４１ａがオイルｏの連通管として等圧場を形成して押圧ｐが伝達される。押圧作用部４１としての作用部側油圧シリンダ４１ａは、複数のシリンダまたは単数のセンターホール型シリンダで構成され、取り付け機構２０に組み込まれる。
図３に示すように、空圧／油圧複合シリンダ４３ｃの空圧シリンダ４３ｂは、発生部側油圧シリンダ４３ａ側の空圧シリンダＡ室４３ｂａと発生部側油圧シリンダ４３ａの反対側の空圧シリンダＢ室４３ｂｂからなる複動型シリンダである。空圧シリンダＡ室４３ｂａと空圧シリンダＢ室４３ｂｂとは、それぞれ排気弁４４ｃａ、４４ｃｂを有し、給気弁４４ｂａ、４４ｂｂを介してエアーコンプレッサ４４ａに連結されていて、それぞれの室の空圧を制御する。後述のように、空圧シリンダＡ室４３ｂａの空圧と空圧シリンダＢ室４３ｂｂの空圧との差圧が、空圧／油圧複合シリンダ４３ｃのピストンに作用して、発生部側油圧シリンダ４３ａの押圧ｐとなる。
取り付け機構２０は、回転作用部３１と同じ回転数で回転して回転ωをプラグ１０に伝達すると共に押圧作用部４１から作用する押圧ｐをプラグ１０に伝達する。この際、取り付け機構２０は回転するのに対して押圧作用部４１は回転しないので、その境界面に水平ベアリング２０ｄａを介在させて押圧作用部摺接部２０ｄを摺接させる。
【0030】
軸状のプラグ着脱固定部２０ｂの対象体６０の反対側に形成されるフランジ部２０ｅが回転作用部連結部２０ｃおよび押圧作用部摺接部２０ｄとして機能し、フランジ部２０ｅの表面の一部に回転作用部３１の棒状部品が連結され、フランジ部２０ｅの表面の他部に押圧作用部４１の作用部側油圧シリンダ４１ａが摺接する。
【0031】
作用部側油圧シリンダ４１ａは、センターホール型シリンダまたは複数のシリンダで構成され、取り付け機構２０のフランジ部２０ｅの表面の他部に水平ベアリング２０ｄａを介在させて摺接する。図４（ａ）に示すようにセンターホール型シリンダが回転軸７１と同軸に配置される。図４（ｂ）に示すように２個のシリンダが回転軸７１の周上に等間隔に配置される。あるいは、図４（ｃ）に示すように３個以上のシリンダが回転軸７１の周上に等間隔に配置してもよい。ただし、複数のシリンダの配置が、回転軸７１の周上に等間隔な配置に限定されるものではない。
【0032】
本発明の回転押圧装置１の回転摩擦溶接への適用例の第１実施形態を、図５を参照して説明する。図５に示す第１実施形態は、回転押圧装置１を用いて対象体６０に設けられた空所６１にプラグ１０を挿入し、プラグ１０と対象体６０とを回転摩擦溶接により一体化させる適用例である。
対象体６０にプラグ１０を材軸７１方向に容易に挿入しうる側周面６３と底部６２を有する回転対称形状の空所６１を加工し、プラグ１０の材軸基端部１８に回転押圧装置１を取り付け、プラグ１０を空所６１に挿入し、プラグ１０の材軸先端部１７と空所６１の底部６２との接触部７０に押し付け力Ｆを加えた状態でプラグ１０を材軸７１周りに回転させて摩擦を生ぜしめ、摩擦による摩擦熱を利用して接触部７０近傍の材料組織を溶融させて溶融金属を生成し、液体化した溶融金属をプラグ１０の材軸先端部１７に生じる押圧力ｆと回転ωを利用してプラグ１０の側周面１２と空所６１の側周面６３との隙間に充填させ、ついで回転ωを停止させて溶融金属を凝固させ隙間近傍の組織と一体化させることによりプラグ１０と対象体６０とを回転摩擦溶接する。
対象体６０にプラグ１０を材軸７１方向に容易に挿入しうる側周面６３と底部６２を有する回転対称形状の空所６１を加工し、プラグ１０の材軸基端部１８に回転押圧装置１を取り付け、プラグ１０を空所６１に挿入し、プラグ１０の材軸先端部１７と空所６１の底部６２との接触部７０に押し付け力Ｆを加えた状態でプラグ１０を材軸７１周りに回転させて摩擦を生ぜしめ、摩擦による摩擦熱を利用して接触部７０近傍の材料組織を溶融させて溶融金属を生成し、液体化した溶融金属をプラグ１０の材軸先端部１７に生じる押圧力ｆと回転ωを利用してプラグ１０の側周面１２と空所６１の側周面６３との隙間に充填させ、ついで回転ωを停止させて溶融金属を凝固させ隙間近傍の組織と一体化させることによりプラグ１０と対象体６０とを回転摩擦溶接する。
【0033】
本発明の回転押圧装置１の回転摩擦溶接への適用例の第２実施形態を、図６、図７を参照して説明する。
第２実施形態は、図６に示すように、図５に示す第１実施形態におけるプラグ１０を接合金属１４０とし、対象体６０である第１の鋼材１１０と第２の鋼材１２０とを接合する方法としての回転摩擦溶接の適用例である。なお、図６では、図５における回転押圧装置１の図示を省略している。
第１の鋼材１１０および第２の鋼材１２０は、端面を持つ鋼材である。端面を持つ鋼材とは、例えば鋼板、Ｈ形鋼を構成するフランジおよびウェブ、角形鋼管や円形鋼管など閉鎖断面部材の管鋼板本体などが挙げられる。端面同士を対向させて配置した接合とは、具体的には突き合わせ接合である。第１の鋼材１１０と第２の鋼材１２０とを隣接した位置に配置すると共に第１の鋼材１１０の端面１１１と第２の鋼材１２０の端面１２１とを対向させて配置する。このとき、第１の鋼材１１０の端面１１１と第２の鋼材１２０の端面１２１とは、面接触（メタルタッチ）状に配置されることが望ましいが、不可避の建方誤差等に伴う微小のズレは許容される。空所１５０として、第１の鋼材１１０の端面１１１と第２の鋼材１２０の端面１２１とに跨り、第１の鋼材１１０の表面１１２と前記第２の鋼材１２０の表面１２２とに垂直な直線を回転軸１７１とし単調変化する曲線を母線とする回転対称形状の側周面１５２と、側周面１５２に連続する円錐体形状の底部１５１を加工する。
第１の鋼材１１０および第２の鋼材１２０は、それぞれＳＮ４００厚さ２２ｍｍの鋼板であり、第１の鋼材１１０の端面１１１には半径１５ｍｍの半円筒形状の空所１５０ａを加工し、第２の鋼材１２０の端面１２１には半径１５ｍｍの半円筒形状の空所１５０ｂを加工する。半円筒形状の空所１５０ａおよび半円筒形状の空所１５０ｂは、それぞれ頂点での開き角が１２２°の円錐体形状の底部１５１ａ、底部１５１ｂを有する有底空所であって、空所１５０ａ、空所１５０ｂの最深部の深さは１７ｍｍである。第１の鋼材１１０と第２の鋼材１２０とを隣接した位置に配置すると共に第１の鋼材１１０の端面１１１と第２の鋼材１２０の端面１２１とを対向させて配置すると、第１の鋼材１１０の端面１１１と第２の鋼材１２０の端面１２１とに跨る直径３０ｍｍ、深さ１７ｍｍの円筒形状の側周面１５２、底部１５１を有する空所１５０が形成される。このとき、第１の鋼材１１０の端面１１１と第２の鋼材１２０の端面２１とは、面接触（メタルタッチ）状に配置されることが望ましいが、不可避の建方誤差等に伴う微小のズレは許容される。一方、接合金属１４０は、ＳＮ４００鋼材である直径２９．５ｍｍの円柱体の接合金属本体１４１と先端部１４７で構成される。先端部４７は頂点での開き角が１２０°の円錐体形状の先端面１４７ａを有する。なお、本実施形態では、接合金属１４０の側周面１４２に凹凸を設けていない。接合金属１４０を空所１５０に挿入する。次いで、図７ｂに示すように、接合金属１４０に押し付け力Ｐを作用させながら回転軸１７１回りに回転ωを与えることにより接合金属１４０の先端部１４７と空所１５０の底部１５１との間の回転摩擦面１６２にて摩擦を生ぜしめる。回転数は３０００ｒｐｍで押し付け力は７０００Ｎである。摩擦熱によって液体化した溶融金属１８０を押し付け力Ｐによる押圧力と回転運動を利用して接合金属１４０の側周面１４２と空所１５０の側周面１５２との隙間１６１に充填させ、溶融金属１８０が隙間１６１の全域に充填されたときに回転運動を停止させる。その後の温度低下に伴って溶融金属１８０は凝固し、隙間１６１近傍の組織と一体化することにより接合が完了する。ところで、本実施形態では、空所の底部１５１および接合金属１４０の先端部１４７をそれぞれ円錐体形状としたが、それぞれ平坦面形状であってもよい。ところで、本実施形態では、空所１５０および接合金属１４０をそれぞれ円筒形状、円柱体としたが、第１実施形態のように、単調変化する曲線を母線とする回転対称形状の側周面１５２、１４２を有するものとしてもよい。
第２実施形態は、図６に示すように、図５に示す第１実施形態におけるプラグ１０を接合金属１４０とし、対象体６０である第１の鋼材１１０と第２の鋼材１２０とを接合する方法としての回転摩擦溶接の適用例である。なお、図６では、図５における回転押圧装置１の図示を省略している。
第１の鋼材１１０および第２の鋼材１２０は、端面を持つ鋼材である。端面を持つ鋼材とは、例えば鋼板、Ｈ形鋼を構成するフランジおよびウェブ、角形鋼管や円形鋼管など閉鎖断面部材の管鋼板本体などが挙げられる。端面同士を対向させて配置した接合とは、具体的には突き合わせ接合である。第１の鋼材１１０と第２の鋼材１２０とを隣接した位置に配置すると共に第１の鋼材１１０の端面１１１と第２の鋼材１２０の端面１２１とを対向させて配置する。このとき、第１の鋼材１１０の端面１１１と第２の鋼材１２０の端面１２１とは、面接触（メタルタッチ）状に配置されることが望ましいが、不可避の建方誤差等に伴う微小のズレは許容される。空所１５０として、第１の鋼材１１０の端面１１１と第２の鋼材１２０の端面１２１とに跨り、第１の鋼材１１０の表面１１２と前記第２の鋼材１２０の表面１２２とに垂直な直線を回転軸１７１とし単調変化する曲線を母線とする回転対称形状の側周面１５２と、側周面１５２に連続する円錐体形状の底部１５１を加工する。
第１の鋼材１１０および第２の鋼材１２０は、それぞれＳＮ４００厚さ２２ｍｍの鋼板であり、第１の鋼材１１０の端面１１１には半径１５ｍｍの半円筒形状の空所１５０ａを加工し、第２の鋼材１２０の端面１２１には半径１５ｍｍの半円筒形状の空所１５０ｂを加工する。半円筒形状の空所１５０ａおよび半円筒形状の空所１５０ｂは、それぞれ頂点での開き角が１２２°の円錐体形状の底部１５１ａ、底部１５１ｂを有する有底空所であって、空所１５０ａ、空所１５０ｂの最深部の深さは１７ｍｍである。第１の鋼材１１０と第２の鋼材１２０とを隣接した位置に配置すると共に第１の鋼材１１０の端面１１１と第２の鋼材１２０の端面１２１とを対向させて配置すると、第１の鋼材１１０の端面１１１と第２の鋼材１２０の端面１２１とに跨る直径３０ｍｍ、深さ１７ｍｍの円筒形状の側周面１５２、底部１５１を有する空所１５０が形成される。このとき、第１の鋼材１１０の端面１１１と第２の鋼材１２０の端面２１とは、面接触（メタルタッチ）状に配置されることが望ましいが、不可避の建方誤差等に伴う微小のズレは許容される。一方、接合金属１４０は、ＳＮ４００鋼材である直径２９．５ｍｍの円柱体の接合金属本体１４１と先端部１４７で構成される。先端部４７は頂点での開き角が１２０°の円錐体形状の先端面１４７ａを有する。なお、本実施形態では、接合金属１４０の側周面１４２に凹凸を設けていない。接合金属１４０を空所１５０に挿入する。次いで、図７ｂに示すように、接合金属１４０に押し付け力Ｐを作用させながら回転軸１７１回りに回転ωを与えることにより接合金属１４０の先端部１４７と空所１５０の底部１５１との間の回転摩擦面１６２にて摩擦を生ぜしめる。回転数は３０００ｒｐｍで押し付け力は７０００Ｎである。摩擦熱によって液体化した溶融金属１８０を押し付け力Ｐによる押圧力と回転運動を利用して接合金属１４０の側周面１４２と空所１５０の側周面１５２との隙間１６１に充填させ、溶融金属１８０が隙間１６１の全域に充填されたときに回転運動を停止させる。その後の温度低下に伴って溶融金属１８０は凝固し、隙間１６１近傍の組織と一体化することにより接合が完了する。ところで、本実施形態では、空所の底部１５１および接合金属１４０の先端部１４７をそれぞれ円錐体形状としたが、それぞれ平坦面形状であってもよい。ところで、本実施形態では、空所１５０および接合金属１４０をそれぞれ円筒形状、円柱体としたが、第１実施形態のように、単調変化する曲線を母線とする回転対称形状の側周面１５２、１４２を有するものとしてもよい。
【0034】
本発明の回転押圧装置１の回転摩擦溶接への適用例の第３実施形態を、図８を参照して説明する。
第３実施形態は、図８に示すように、図５に示す第１実施形態におけるプラグ１０を接合金属１４０とし、対象体６０である第１の鋼材１１０と第２の鋼材１２０とを接合する方法としての回転摩擦溶接の適用例である。なお、図８では、図５における回転押圧装置１の図示を省略している。
第１の鋼材１１０および第２の鋼材１２０は、表面と裏面とを持つ鋼材である。表面と裏面とを持つ鋼材とは、例えば鋼板、スプライスプレートなどの接合用鋼板、Ｈ形鋼を構成するフランジおよびウェブなどが挙げられる。裏面と表面とを対向させて配置した接合とは、具体的には重ね合わせ接合である。
本実施形態では、第１の鋼材１１０および第２の鋼材１２０は、それぞれＳＮ４００厚さ２２ｍｍの鋼板であり、第１の鋼材１１０には表面１１２から裏面１１３に貫く直径３０ｍｍの円筒形状の空所１５０ｃを加工し、第２の鋼材１２０には表面１２２から裏面１２３に貫く直径３０ｍｍの円筒形状の空所１５０ｄを加工し、第１の鋼材１１０と第２の鋼材１２０とを重ねた位置に配置すると共に第１の鋼材１１０の裏面１１３と第２の鋼材１２０の表面１２２を対向させ、且つ第１の鋼材１１０に加工した円筒形状の空所１５０ｃの中心と、第２の鋼材１２０に加工した円筒形状の空所１５０ｄの中心が回転軸１７１として一致するように配置すると、第１の鋼材１１０と第２の鋼材１２０とを貫く直線を回転軸１７１とする回転対称形状の空所１５０が形成される。さらに、第２の鋼材１２０の裏面１２３に空所１５０を塞ぐように裏当板１５５を付接して空所１５０の底部１５１を形成する。このとき、第１の鋼材１１０の裏面１１３と第２の鋼材１２０の表面１２２とは、面接触（メタルタッチ）状に配置されることが望ましいが、不可避の建方誤差等に伴う微小のズレは許容される。一方、接合金属１４０は、ＳＮ４００鋼材であり接合金属本体１４１が直径２９．５ｍｍの円柱体であり、先端部１４７には先端直径２９ｍｍ傾斜角度６０°のテーパ部１４６を設ける。なお、本実施形態では、接合金属１４０の側周面１４２に凹凸を設けていない。接合金属１４０を空所１５０に挿入し、接合金属１４０に押し付け力を作用させながら回転対称軸１７１回りに回転を与えて摩擦を生ぜしめる。ここで回転数は３０００ｒｐｍで押し付け力は７０００Ｎである。摩擦熱によって生成された溶融金属１８０を、先端部１４７に生じる押圧力と回転運動を利用して接合金属１４０の側周面１４２と空所１５０の側周面１５２との隙間１６１に充填せしめ、隙間１６１の全域が充填されたときに回転運動を停止させる。その後の温度低下に伴って溶融金属１８０は凝固して組織が一体化し、接合金属１４０を介して第１の鋼材１１０と第２の鋼材１２０とを接合する。ところで、本実施形態では、空所１５０および接合金属１４０をそれぞれ円筒形状、円柱体としたが、第１実施形態のように、単調変化する曲線を母線とする回転対称形状の側周面１５２、１４２を有するものとしてもよい。
第３実施形態は、図８に示すように、図５に示す第１実施形態におけるプラグ１０を接合金属１４０とし、対象体６０である第１の鋼材１１０と第２の鋼材１２０とを接合する方法としての回転摩擦溶接の適用例である。なお、図８では、図５における回転押圧装置１の図示を省略している。
第１の鋼材１１０および第２の鋼材１２０は、表面と裏面とを持つ鋼材である。表面と裏面とを持つ鋼材とは、例えば鋼板、スプライスプレートなどの接合用鋼板、Ｈ形鋼を構成するフランジおよびウェブなどが挙げられる。裏面と表面とを対向させて配置した接合とは、具体的には重ね合わせ接合である。
本実施形態では、第１の鋼材１１０および第２の鋼材１２０は、それぞれＳＮ４００厚さ２２ｍｍの鋼板であり、第１の鋼材１１０には表面１１２から裏面１１３に貫く直径３０ｍｍの円筒形状の空所１５０ｃを加工し、第２の鋼材１２０には表面１２２から裏面１２３に貫く直径３０ｍｍの円筒形状の空所１５０ｄを加工し、第１の鋼材１１０と第２の鋼材１２０とを重ねた位置に配置すると共に第１の鋼材１１０の裏面１１３と第２の鋼材１２０の表面１２２を対向させ、且つ第１の鋼材１１０に加工した円筒形状の空所１５０ｃの中心と、第２の鋼材１２０に加工した円筒形状の空所１５０ｄの中心が回転軸１７１として一致するように配置すると、第１の鋼材１１０と第２の鋼材１２０とを貫く直線を回転軸１７１とする回転対称形状の空所１５０が形成される。さらに、第２の鋼材１２０の裏面１２３に空所１５０を塞ぐように裏当板１５５を付接して空所１５０の底部１５１を形成する。このとき、第１の鋼材１１０の裏面１１３と第２の鋼材１２０の表面１２２とは、面接触（メタルタッチ）状に配置されることが望ましいが、不可避の建方誤差等に伴う微小のズレは許容される。一方、接合金属１４０は、ＳＮ４００鋼材であり接合金属本体１４１が直径２９．５ｍｍの円柱体であり、先端部１４７には先端直径２９ｍｍ傾斜角度６０°のテーパ部１４６を設ける。なお、本実施形態では、接合金属１４０の側周面１４２に凹凸を設けていない。接合金属１４０を空所１５０に挿入し、接合金属１４０に押し付け力を作用させながら回転対称軸１７１回りに回転を与えて摩擦を生ぜしめる。ここで回転数は３０００ｒｐｍで押し付け力は７０００Ｎである。摩擦熱によって生成された溶融金属１８０を、先端部１４７に生じる押圧力と回転運動を利用して接合金属１４０の側周面１４２と空所１５０の側周面１５２との隙間１６１に充填せしめ、隙間１６１の全域が充填されたときに回転運動を停止させる。その後の温度低下に伴って溶融金属１８０は凝固して組織が一体化し、接合金属１４０を介して第１の鋼材１１０と第２の鋼材１２０とを接合する。ところで、本実施形態では、空所１５０および接合金属１４０をそれぞれ円筒形状、円柱体としたが、第１実施形態のように、単調変化する曲線を母線とする回転対称形状の側周面１５２、１４２を有するものとしてもよい。
【0035】
第３実施形態の方法を応用すると、図９に示すよう本発明の回転押圧装置１の回転摩擦溶接への適用例の第４実施形態として３以上の鋼材を重ね合わせて接合することができる。すなわち、第１の鋼材１１０、第２の鋼材１２０および第３の鋼材１３０の裏面と表面をそれぞれ重ね合わせて配置し、接合金属１４０を介して接合する。
【0036】
本発明の回転押圧装置１の第５実施形態は、図１０に示すように建築鋼構造の接合構造で多用されるＨ形鋼１９１、１９２への適用を表している。すなわち、Ｈ形鋼１９１、１９２のそれぞれのフランジプレートおよびウェブプレートの端面を突き合わせて、本発明の接合金属１４０を並列することによって、Ｈ形鋼１９１、１９２同士を接合することができる。角型鋼管や円形鋼管のような閉鎖断面鋼材に対しても本発明の接合方法が適用できる。
【0037】
図１１は本発明の回転押圧装置１の回転摩擦溶接への適用例の第６実施形態である鋼構造２００の建設現場における柱－柱接合を説明する図であり、基礎から３階までの１スパン部分を示す。鋼構造２００は、Ｈ形鋼からなる柱２０１（第１節２０１ａ、第２節２０１ｂ）とＨ形鋼からなる梁２０２（２階梁２０２ａ、３階梁２０２ｂ、４階梁２０２ｃ）からなるフレーム構造であり、柱２０１の梁２０２レベルには梁２０２との接合用のブラケット２０３（２階ブラケット２０３ａ、３階ブラケット２０３ｂ、４階ブラケット２０３ｃ）が溶接されている。基礎２１０の図示しないアンカーボルトに柱２０１の建て入れ、梁２０２の建て方、建て入れ直しの後、図示しないエレクションピースによる柱－梁接合部２０４および柱－柱接合部２０５の仮組が完了している。図１１は、回転押圧装置１による柱－柱接合部２０５の本接合の状況を示している。より詳しくは、柱－柱接合部２０５は、梁２０２の上端より約１ｍ上部にあって、柱２０１の第１節２０１ａの上端と柱２０１の第２節２０１ｂの下端のフランジ２０６ａ、２０６ｂおよびウェブ２０７ａ、２０７ｂをメタルタッチと回転摩擦溶接による突き合わせ接合との併用による接合部である。回転押圧装置１の取り付け機構２０を柱－柱接合部２０５に対向する位置に設置する一方、可撓性を有する回転伝達部３２および押圧伝達部４２を介して、回転発生部３３および押圧発生部４３は基礎２１０上に設置する。また回転押圧装置１の反力保持機構５０は、保持フレーム９８を介して、上下の梁である２階梁２０２ａ、３階梁２０２ｂに取り付けられる。作業員Ｗは、プラグ１０である接合金属１４０の材軸基端部１４８に取り付け機構２０のプラグ着脱固定部２０ｂを装着するとともに、接合金属１４０の材軸先端部１４７をフランジ２０６ａ、２０６ｂまたはウェブ２０７ａ、２０７ｂに加工された空所１５０に挿入し、回転押圧装置１を作動させる。接合金属１４０の空所１５０への接合が完了すると、作業員Ｗは、接合金属１４０の材軸基端部４８からプラグ着脱固定部２０ｂを取り外し、回転押圧装置１を次の接合部の空所１５０に移動して、次の接合金属１４０を装着する作業を繰り返す。
図１１に示す回転伝達部３２は、フレキシブルシャフト３２ａにより構成される。フレキシブルシャフト３２ａとは、曲げ変形させることが可能な棒状体で、曲がった状態で軸廻りの回転運動を伝達できる既製部品である。フレキシブルシャフト３２ａの構造は、硬鋼線を右巻、左巻交互に数層巻いた構成で、柔軟性、強度と耐久性を有し、10m、10mmφで約4kgと軽量である。
図１１に示す押圧伝達部４２は、油圧ホース４２ａにより構成される。油圧ホース４２ａは一般に高寿命、高耐疲労性を有し、小さい曲げ半径でコンパクトな油圧配管が可能である。本発明では一般の既製部品の適応が可能である。
図１１に示す回転発生部３３は、モーター３３ａおよびモーター３３ａのための電源部３３ｂにより構成される。モーター３３ａは基礎実験での知見から、直径20mmのプラグであれば出力7.5kW、回転数3000rpmの電動モーターで十分である。しかし、この性能の機種でも寸法は約45cm、30cmφ、重量は約50kgと大型となる
図１１に示す押圧作用部４１は、作用部側油圧シリンダ４１ａにより構成される。作用部側油圧シリンダ４１ａは力の増幅に用いられ、出力や速度の制御も簡単にでき、遠隔操作も可能である。既製部品の仕様として大略3.5MPa～21MPaで30～160mmφであり本発明では十分適応が可能である。
図１１に示す押圧発生部４３は、発生部側油圧シリンダ４３ａと発生部側油圧シリンダ４３ａに直結された気圧シリンダ４３ｂとからなる気圧／油圧複合シリンダ４３ｃにより構成される。比較的大型である気圧シリンダ４３ｂで発生させた圧力を小型の発生部側油圧シリンダ４３ａで受動し油圧ホース４２ａを介してそのままプラグ１０に伝達する。20mmφのプラグ１０に回転摩擦溶接の安定押し付け圧力である平均押圧力60MPaを作用する場合、気圧シリンダ４３ｂ径は185mmφ、発生部側油圧シリンダ４３ａでは28mmφと小型化できる。気圧シリンダ４３ｂは、既製部品として0.2MPa～0.7MPa、シリンダ内径30～300mmであり本発明では十分適応可能である。
図１１に示す回転伝達部３２は、フレキシブルシャフト３２ａにより構成される。フレキシブルシャフト３２ａとは、曲げ変形させることが可能な棒状体で、曲がった状態で軸廻りの回転運動を伝達できる既製部品である。フレキシブルシャフト３２ａの構造は、硬鋼線を右巻、左巻交互に数層巻いた構成で、柔軟性、強度と耐久性を有し、10m、10mmφで約4kgと軽量である。
図１１に示す押圧伝達部４２は、油圧ホース４２ａにより構成される。油圧ホース４２ａは一般に高寿命、高耐疲労性を有し、小さい曲げ半径でコンパクトな油圧配管が可能である。本発明では一般の既製部品の適応が可能である。
図１１に示す回転発生部３３は、モーター３３ａおよびモーター３３ａのための電源部３３ｂにより構成される。モーター３３ａは基礎実験での知見から、直径20mmのプラグであれば出力7.5kW、回転数3000rpmの電動モーターで十分である。しかし、この性能の機種でも寸法は約45cm、30cmφ、重量は約50kgと大型となる
図１１に示す押圧作用部４１は、作用部側油圧シリンダ４１ａにより構成される。作用部側油圧シリンダ４１ａは力の増幅に用いられ、出力や速度の制御も簡単にでき、遠隔操作も可能である。既製部品の仕様として大略3.5MPa～21MPaで30～160mmφであり本発明では十分適応が可能である。
図１１に示す押圧発生部４３は、発生部側油圧シリンダ４３ａと発生部側油圧シリンダ４３ａに直結された気圧シリンダ４３ｂとからなる気圧／油圧複合シリンダ４３ｃにより構成される。比較的大型である気圧シリンダ４３ｂで発生させた圧力を小型の発生部側油圧シリンダ４３ａで受動し油圧ホース４２ａを介してそのままプラグ１０に伝達する。20mmφのプラグ１０に回転摩擦溶接の安定押し付け圧力である平均押圧力60MPaを作用する場合、気圧シリンダ４３ｂ径は185mmφ、発生部側油圧シリンダ４３ａでは28mmφと小型化できる。気圧シリンダ４３ｂは、既製部品として0.2MPa～0.7MPa、シリンダ内径30～300mmであり本発明では十分適応可能である。
【0038】
図１２を参照して、押圧機構４０についてさらに詳細に説明する。なお、以下の数式に用いられる記号の主なものは図１２に併記するとともに、記号の説明を末尾にまとめて記載する。図１２ではシリンダ部分を強調して示し、その他の取り付け機構２０等は抽象化して示している。
【0039】
押圧機構４０の空圧／油圧複合シリンダ４３ｃの空圧シリンダ４３ｂのピストンと発生部側油圧シリンダ４３ａのピストンとはシャフトで連結されている。ピストンに作用する空圧と油圧の釣合式は次式のように書ける。
作用部側油圧シリンダ４１ａと発生部側油圧シリンダ４３ａとは可撓性で十分剛性の高い油圧ホース４２ａで連結されている。連通管の原理により両シリンダ室の圧力は等しい。
作用部側油圧シリンダ４１ａは取り付け機構２０を介してプラグ１０が取り付けられており、プラグ１０の押し付け力Ｆ（=Fplug）と作用部側油圧シリンダ４１ａの室内圧力の間で次の釣合式が成り立つ。
力の釣合式(e1)~(e3)を用いて、次の関係式が導ける。
式(e4)より、所要のプラグ１０の押し付け力Ｆを発現させるための、作用部側油圧シリンダ４１ａ、発生部側油圧シリンダ４3ａおよび空圧シリンダ４３ｂの断面積を求めることができる。ここで注意すべきは、プラグ１０の押し付け力Ｆは、シリンダの容積に依存せずその断面積にのみに依存して、シリンダの長さはプラグ１０の増分変位Δuplugを吸収できる範囲内で任意に設定できることである。
さらに、式(e4)より、所要のプラグ１０の押し付け力Ｆを発現させるため、空圧シリンダ４３ｂのＡ室４３ｂａ及びＢ室４３ｂｂに付与する空圧値を求める実用式が次のように導かれる。
ここに、式(e5)左辺のpairBは空圧シリンダ４３ｂのＢ室４３ｂｂの空圧値である。右辺のFplugはプラグ押し付け力の指定値。pairAは空圧シリンダ４３ｂのＡ室４３ｂａの空圧で任意値である。
さらに、式(e4)より、所要のプラグ１０の押し付け力Ｆを発現させるため、空圧シリンダ４３ｂのＡ室４３ｂａ及びＢ室４３ｂｂに付与する空圧値を求める実用式が次のように導かれる。
【0040】
式(e4)によると、プラグ１０の押し付け力Ｆは、空圧シリンダＢ室４３ｂｂの空圧pairBと空圧シリンダＡ室４３ｂａの空圧pairAとの差圧(pairB－pairA)により制御できることがわかる。すなわち、空圧シリンダＡ室４３ｂａおよび空圧シリンダＢ室４３ｂｂのそれぞれに同じ強さの空圧を注入して差圧を零とし、その後、空圧シリンダＡ室４３ｂａを排気して、差圧(pairB－pairA)を増大させることにより、プラグ１０の押し付け力Ｆを所要値まで引き上げることができる。
【0041】
＜シリンダの設計例＞
プラグ１０の押し付け力Ｆの目安としてプラグ１０の断面積Aplugで除した
を、プラグ１０の平均押付圧pplugと定義する。
このとき、Fplugは、プラグ１０の直径Dplugで、
と表される。
プラグ１０の平均押付圧pplugの最大値を「60MPa」と仮定し、油圧シリンダの最大油圧値を「30MPa」とし、空圧シリンダ４３ｂの最大圧力を「0.7MPa」とし、作用部側油圧シリンダ４１ａの断面積Aoil2と発生部側油圧シリンダ４３ａの断面積Aoil1を同一の油圧シリンダ断面積Aoilとしたとき、
式(e4)と式(d2)により、プラグの直径Dplugを、15mm、20mm、25mm、30mmに対応して、
表１のように求められる。
表１. シリンダの断面積
表１によると、油圧シリンダは空圧シリンダに比較してコンパクトに設計できる。
プラグ１０の押し付け力Ｆの目安としてプラグ１０の断面積Aplugで除した
このとき、Fplugは、プラグ１０の直径Dplugで、
プラグ１０の平均押付圧pplugの最大値を「60MPa」と仮定し、油圧シリンダの最大油圧値を「30MPa」とし、空圧シリンダ４３ｂの最大圧力を「0.7MPa」とし、作用部側油圧シリンダ４１ａの断面積Aoil2と発生部側油圧シリンダ４３ａの断面積Aoil1を同一の油圧シリンダ断面積Aoilとしたとき、
式(e4)と式(d2)により、プラグの直径Dplugを、15mm、20mm、25mm、30mmに対応して、
表１のように求められる。
表１. シリンダの断面積
【0042】
プラグ１０の材軸先端部１７の対象体６０との接触部７０で鋼材の溶融が進行すると、これに伴ってプラグ１０に増分変位Δuplugが生じる。ここでは、プラグ１０の増分変位Δuplugに伴って生じるプラグ１０の押し付け力Ｆの変化を求める数式を誘導する。
（１）プラグ１０の押し付け力変動量ΔFplugと複動空圧シリンダ４３ｂのA室４３ｂａ及びB室４３ｂｂ内の空圧変動量ΔpairA、ΔpairBの関係
複動空圧シリンダ４３ｂの気室に空気の出入りが無ければ、プラグ１０の押し付け力Fplugと複動空圧シリンダ４３ｂのA室４３ｂａ及びB室４３ｂｂ内の空圧ΔpairA、ΔpairBとは、常に式(e4)を満たすように変動するので、プラグの増分変位Δuplugに伴う押し付け力変動量をΔFplug、複動空圧シリンダ４３ｂのA室４３ｂａ及びB室４３ｂｂ内の変動量をそれぞれΔpairA、ΔpairBとすると、次式が成立つ。
式(e4)と式(e4)′より、プラグの増分変位Δuplugに伴う、プラグ１０の押し付け力変動量ΔFplugと複動空圧シリンダ４３ｂのA室４３ｂａ及びB室４３ｂb内の空圧変動量ΔpairA、ΔpairBとの関係が次式で表される。
（２）プラグ１０の増分変位Δuplugと空圧シリンダ４３ｂのシャフト増分変位Δuairの関係
作用部側油圧シリンダ４１ａは、取り付け機構２０およびプラグ１０を介して対象体６０に対して固定されている。従って、溶融によってプラグ１０に生じる増分変位Δuplugは、作用部側油圧シリンダ４１ａのピストン増分変位Δuoil2と一致する。
この増分変位Δuoil2は作用部側油圧シリンダ４１ａのシリンダ室の高さを増加させ、作用部側油圧シリンダ４１ａの内部へ体積ΔVoil2の油が流入する。
作用部側油圧シリンダ４１ａへの油の流入と連動して、油圧ホース４２ａで連結された発生部側油圧シリンダ４３ａではピストン増分変位Δuoil1が生じ、体積ΔVoil1の油が流出する。
油は、圧力変動に対する体積変化が空気と比べて無視できるほど小さく、体積が一定を保つと仮定できる（非圧縮流体）。また、油圧ホース４２ａも剛強な材料で出来ており、油圧ホース４２ａの内部に閉じ込められている油の量は圧力変動に対して無視できるほど小さいと仮定する。これらの仮定の下では、作用部側油圧シリンダ４１ａの内部に流入する油の量と、発生部側油圧シリンダ４３ａから排出される油の量は等しくなる。
式(c2)及び式(c3)を式(c4)に代入すると、次式が得られる。
ここで注意すべきは、Δuoil2がシリンダ室の高さの増加方向を正と定義しているのに対し、Δuoil1はシリンダ室の高さの減少方向を正と定義していることである。
また、押圧発生部４３の空圧シリンダ４３ｂと発生部側油圧シリンダ４３ａのシャフトは連結されており、その軸変形は無視できるほど小さいと仮定すると次式が成立つ。
ここで、空圧シリンダ４３ｂのピストン増分変位Δuairは、B室４３ｂｂの高さが増加する方向を正と定義している。
式(c1),(c5),(c6)を用いて、プラグ増分変位Δuplugと空圧シリンダ４３ｂのピストン増分変位Δuairの関係式が次のように導ける。
（３）プラグ１０の押し付け力Ｆの変動量ΔFplugとプラグ増分変位Δuplugとの関係
等温条件下にある密閉気室内の気体の状態方程式（ボイルの法則）に従う。
元状態を(p,V)とし、状態変化後の押圧をp＋Δp、体積をV＋ΔVとすれば、次式が成立つ。
増分量に関する２次項を無視すれば、次の近似式が得られる。
空圧シリンダ４３ｂの気室は円筒形であり、元状態の気筒の高さをLair、気圧をpairとする。この状態からピストンに生じる増分変位をΔuairと置けば、これに伴う気圧の増分量Δpairは、次式で表される。
空圧シリンダ４３ｂのピストン増分変位Δuairを、気筒の高さの増加する方向を正として定義すれば、これに伴う押圧の変動量は負、すなわち圧力は減少する。
式(s4)を空圧シリンダ４３ｂのA室４３ｂａ及びB室４３ｂｂに対して適用し、それぞれの気筒の高さの変動量と空圧シリンダ４３ｂのピストン増分変位で表した式ΔuairA=－Δuair及びΔuairB=Δuairをそれぞれ用いると、次の関係式が得られる。
式(e6)に、式(s5), (s6)及び式(c7)を代入すると、プラグ増分変位Δuplugに伴って生じるプラグ１０の押し付け力Ｆの変動量ΔFplugを与える式が次のように求まる。
また、プラグ１０の押し付け力Ｆの変動率μは、次式によって評価できる。
（１）プラグ１０の押し付け力変動量ΔFplugと複動空圧シリンダ４３ｂのA室４３ｂａ及びB室４３ｂｂ内の空圧変動量ΔpairA、ΔpairBの関係
複動空圧シリンダ４３ｂの気室に空気の出入りが無ければ、プラグ１０の押し付け力Fplugと複動空圧シリンダ４３ｂのA室４３ｂａ及びB室４３ｂｂ内の空圧ΔpairA、ΔpairBとは、常に式(e4)を満たすように変動するので、プラグの増分変位Δuplugに伴う押し付け力変動量をΔFplug、複動空圧シリンダ４３ｂのA室４３ｂａ及びB室４３ｂｂ内の変動量をそれぞれΔpairA、ΔpairBとすると、次式が成立つ。
作用部側油圧シリンダ４１ａは、取り付け機構２０およびプラグ１０を介して対象体６０に対して固定されている。従って、溶融によってプラグ１０に生じる増分変位Δuplugは、作用部側油圧シリンダ４１ａのピストン増分変位Δuoil2と一致する。
また、押圧発生部４３の空圧シリンダ４３ｂと発生部側油圧シリンダ４３ａのシャフトは連結されており、その軸変形は無視できるほど小さいと仮定すると次式が成立つ。
式(c1),(c5),(c6)を用いて、プラグ増分変位Δuplugと空圧シリンダ４３ｂのピストン増分変位Δuairの関係式が次のように導ける。
等温条件下にある密閉気室内の気体の状態方程式（ボイルの法則）に従う。
式(s4)を空圧シリンダ４３ｂのA室４３ｂａ及びB室４３ｂｂに対して適用し、それぞれの気筒の高さの変動量と空圧シリンダ４３ｂのピストン増分変位で表した式ΔuairA=－Δuair及びΔuairB=Δuairをそれぞれ用いると、次の関係式が得られる。
【0043】
＜プラグ１０の押し付け力Ｆの変動率μの算定例＞
プラグ１０の押し付け力Ｆの変動率μの算定例として、
pairA＝0、Aoil1＝Aoil2の場合、
となるので、Δuplug＝2.0mm、ΔLairB＝500.0mm のとき、
プラグ１０の押し付け力Ｆの変動率μは0.4%に抑えられる。すなわち、プラグ１０の増分変位Δuplugに伴って生じる押し付け力Ｆの急激な変動を、空圧シリンダ４３ｂにより抑制することができる（請求項１４）ことが分かる。
プラグ１０の押し付け力Ｆの変動率μの算定例として、
pairA＝0、Aoil1＝Aoil2の場合、
プラグ１０の押し付け力Ｆの変動率μは0.4%に抑えられる。すなわち、プラグ１０の増分変位Δuplugに伴って生じる押し付け力Ｆの急激な変動を、空圧シリンダ４３ｂにより抑制することができる（請求項１４）ことが分かる。
【数式の記号の説明】
【0044】
Aair：空圧シリンダ４３ｂのピストン受圧板の断面積、気筒の実効底面積
Aoil1：発生部側油圧シリンダ４３ａのピストン受圧板の断面積、油筒の実効底面積
Aoil2：作用部側油圧シリンダ４１ａのピストン受圧板の断面積、油筒の実効底面積
Fplug：プラグ１０の押し付け力Ｆ
pairA：空圧シリンダ４３ｂのＡ室４３ｂａ内の空圧
pairB：空圧シリンダ４３ｂのＢ室４３ｂｂ内の空圧
poil1：発生部側油圧シリンダ４３ａ内の油圧
poil2：作用部側油圧シリンダ４１ａ内の油圧
Δuplug：プラグ１０の増分変位
Δuoil1：発生部側油圧シリンダ４３ａのピストン増分変位
Δuoil2：作用部側油圧シリンダ４１ａのピストン増分変位
Δuair：空圧シリンダ４３ｂのピストン増分変位
ΔVoil1：発生部側油圧シリンダ４３ａからの油の流出量
ΔVoil2：作用部側油圧シリンダ４１ａへの油の流入量
LairB：空圧シリンダ４３ｂの気室B４３ｂｂ（加圧方向と反対側の気筒）の高さ
LairA：空圧シリンダ４３ｂの気室A４３ｂａ（加圧方向と同じ側の気筒）の高さ
Lair：空圧シリンダ４３ｂの気室合計高さ：Lair = LairA＋LairB
pplug：プラグ１０の平均押付圧
Dplug：プラグ１０の直径
μ：プラグ１０の押し付け力Ｆの変動率
Aoil1：発生部側油圧シリンダ４３ａのピストン受圧板の断面積、油筒の実効底面積
Aoil2：作用部側油圧シリンダ４１ａのピストン受圧板の断面積、油筒の実効底面積
Fplug：プラグ１０の押し付け力Ｆ
pairA：空圧シリンダ４３ｂのＡ室４３ｂａ内の空圧
pairB：空圧シリンダ４３ｂのＢ室４３ｂｂ内の空圧
poil1：発生部側油圧シリンダ４３ａ内の油圧
poil2：作用部側油圧シリンダ４１ａ内の油圧
Δuplug：プラグ１０の増分変位
Δuoil1：発生部側油圧シリンダ４３ａのピストン増分変位
Δuoil2：作用部側油圧シリンダ４１ａのピストン増分変位
Δuair：空圧シリンダ４３ｂのピストン増分変位
ΔVoil1：発生部側油圧シリンダ４３ａからの油の流出量
ΔVoil2：作用部側油圧シリンダ４１ａへの油の流入量
LairB：空圧シリンダ４３ｂの気室B４３ｂｂ（加圧方向と反対側の気筒）の高さ
LairA：空圧シリンダ４３ｂの気室A４３ｂａ（加圧方向と同じ側の気筒）の高さ
Lair：空圧シリンダ４３ｂの気室合計高さ：Lair = LairA＋LairB
pplug：プラグ１０の平均押付圧
Dplug：プラグ１０の直径
μ：プラグ１０の押し付け力Ｆの変動率
【産業上の利用可能性】
【0045】
建築鋼構造の柱や梁などの鋼構造骨組を構成する鋼材の接合のための、溶接または高力ボルト摩擦接合に代わるまたは併用できる新しい接合装置を提供した。
【符号の説明】
【0046】
１：回転押圧装置
１０：プラグ
１１：プラグの本体
１２：プラグの側周面
１７：プラグの材軸先端部
１８：プラグの材軸基端部
２０：取り付け機構
２０ａ：軸状本体部
２０ｂ：プラグ着脱固定部
２０ｃ：回転作用部連結部
２０ｄ：押圧作用部摺接部
２０ｄａ：水平ベアリング
２０ｅ：フランジ部
３０：回転機構
３１：回転作用部
３２：回転伝達部
３２ａ：フレキシブルシャフト
３３：回転発生部
３３ａ：モーター本体
３３ｂ：電源部
３４：回転制御部
４０：押圧機構
４１：押圧作用部
４１ａ：作用部側油圧シリンダ（作用部側液圧シリンダ）
４２：押圧伝達部
４２ａ：油圧ホース（液圧ホース）
４３：押圧発生部
４３ａ：発生部側油圧シリンダ（発生部側液圧シリンダ）
４３ｂ：空圧シリンダ（気圧シリンダ）
４３ｂａ：空圧シリンダＡ室（発生部側油圧シリンダ側の室）
４３ｂｂ：空圧シリンダＢ室（発生部側油圧シリンダの反対側の室）
４３ｃ：空圧／油圧複合シリンダ（気圧／液圧複合シリンダ）
４４：押圧制御部
４４ａ：エアーコンプレッサ（気体コンプレッサ）
４４ｂ：給気弁
４４ｂａ：空圧シリンダＡ室への給気弁
４４ｂｂ：空圧シリンダB室への給気弁
４４ｃ：排気弁
４４ｃａ：空圧シリンダＡ室からの排気弁
４４ｃｂ：空圧シリンダB室からの排気弁
５０：反力保持機構
５２：回転作用部保持具
５２ａ：回転作用部摺接部
５２ａａ：回転ベアリング
５２ａｂ：鋼管
５３：押圧作用部保持具
５３ａ：押圧作用部接続部
５３ａａ：円形鋼板
５３ａｂ：開口部
５３ｂ：押圧反力保持部
６０：対象体
６１：空所
６２：空所の底部
６３：空所の側周面
７０：接触部
７１：回転軸
９０：基体
９５：電磁石
９８：保持フレーム
９９：構造体
１１０：第１の鋼材（被接合鋼材）
１１１：第１の鋼材の端面
１１２：第１の鋼材の表面
１１３：第１の鋼材の裏面
１２０：第２の鋼材（被接合鋼材）
１２１：第２の鋼材の端面
１２２：第２の鋼材の表面
１２３：第２の鋼材の裏面
１３０：第３の鋼材（被接合鋼材）
１３２：第３の鋼材の表面
１３３：第３の鋼材の裏面
１３４：上スプライスプレート
１３５：フランジプレート
１３６：下スプライスプレート
１４０：接合金属
１４１：接合金属本体
１４２：接合金属の側周面
１４６：接合金属の先端部のテーパ部
１４７：接合金属の先端部
１４７ａ：接合金属の先端面
１４８：接合金属の基端部
１４８ａ：接合金属の基端部に設けた鍔部
１５０：空所
１５０ａ：第１の鋼材に設けられる半円筒形状の空所
１５０ｂ：第２の鋼材に設けられる半円筒形状の空所
１５０ｃ：第１の鋼材に設けられる円筒形状の空所
１５０ｄ：第２の鋼材に設けられる円筒形状の空所
１５１：空所の底部
１５１ａ：第１の鋼材に設けられる空所の底部
１５１ｂ：第２の鋼材に設けられる空所の底部
１５２：空所の側周面
１５５：裏当板
１６０：接合金属の先端部と空所の底部との接触部
１６１：接合金属の側周面と空所の側周面との隙間
１６２：接合金属の先端部と空所の底部との間の回転摩擦面
１６２ａ：接合完了時における接合金属の先端部と空所の底部との間の回転摩擦面
１７１：回転対称体の回転軸
１７２：接合ユニット
１８０：溶融金属
１９１：第１のＨ形鋼
１９２：第２のＨ形鋼
２００：鋼構造
２０１：柱（Ｈ形鋼）
２０１ａ：第１節
２０１ｂ：第２節
２０２：梁（Ｈ形鋼）
２０２ａ：２階梁
２０２ｂ：３階梁
２０２ｃ：４階梁
２０３：ブラケット
２０３ａ：２階ブラケット
２０３ｂ：３階ブラケット
２０３ｃ：４階ブラケット
２０４：柱－梁接合部
２０５：柱－柱接合部
２０６：（Ｈ形鋼）フランジ
２０６ａ：第１節フランジ
２０６ｂ：第２節フランジ
２０７：（Ｈ形鋼）ウェブ
２０７ａ：第１節ウェブ
２０７ｂ：第２節ウェブ
２１０：基礎
３００：従来の摩擦圧接装置
３１０：鋼材
３１５：一方の軸受
３２０：鋼材
３２５：他方の軸受
３３０：モーター
３３２：ベルト
３３４：クラッチ
３３６：ブレーキ
３４０：油圧シリンダ
３７０：接触部
Ｆ：押し付け力
ω：回転
ｐ：押圧
ｆ：押圧力
ｏ：オイル（液体）
ａ：空気（気体）
Ｗ：作業員
１０：プラグ
１１：プラグの本体
１２：プラグの側周面
１７：プラグの材軸先端部
１８：プラグの材軸基端部
２０：取り付け機構
２０ａ：軸状本体部
２０ｂ：プラグ着脱固定部
２０ｃ：回転作用部連結部
２０ｄ：押圧作用部摺接部
２０ｄａ：水平ベアリング
２０ｅ：フランジ部
３０：回転機構
３１：回転作用部
３２：回転伝達部
３２ａ：フレキシブルシャフト
３３：回転発生部
３３ａ：モーター本体
３３ｂ：電源部
３４：回転制御部
４０：押圧機構
４１：押圧作用部
４１ａ：作用部側油圧シリンダ（作用部側液圧シリンダ）
４２：押圧伝達部
４２ａ：油圧ホース（液圧ホース）
４３：押圧発生部
４３ａ：発生部側油圧シリンダ（発生部側液圧シリンダ）
４３ｂ：空圧シリンダ（気圧シリンダ）
４３ｂａ：空圧シリンダＡ室（発生部側油圧シリンダ側の室）
４３ｂｂ：空圧シリンダＢ室（発生部側油圧シリンダの反対側の室）
４３ｃ：空圧／油圧複合シリンダ（気圧／液圧複合シリンダ）
４４：押圧制御部
４４ａ：エアーコンプレッサ（気体コンプレッサ）
４４ｂ：給気弁
４４ｂａ：空圧シリンダＡ室への給気弁
４４ｂｂ：空圧シリンダB室への給気弁
４４ｃ：排気弁
４４ｃａ：空圧シリンダＡ室からの排気弁
４４ｃｂ：空圧シリンダB室からの排気弁
５０：反力保持機構
５２：回転作用部保持具
５２ａ：回転作用部摺接部
５２ａａ：回転ベアリング
５２ａｂ：鋼管
５３：押圧作用部保持具
５３ａ：押圧作用部接続部
５３ａａ：円形鋼板
５３ａｂ：開口部
５３ｂ：押圧反力保持部
６０：対象体
６１：空所
６２：空所の底部
６３：空所の側周面
７０：接触部
７１：回転軸
９０：基体
９５：電磁石
９８：保持フレーム
９９：構造体
１１０：第１の鋼材（被接合鋼材）
１１１：第１の鋼材の端面
１１２：第１の鋼材の表面
１１３：第１の鋼材の裏面
１２０：第２の鋼材（被接合鋼材）
１２１：第２の鋼材の端面
１２２：第２の鋼材の表面
１２３：第２の鋼材の裏面
１３０：第３の鋼材（被接合鋼材）
１３２：第３の鋼材の表面
１３３：第３の鋼材の裏面
１３４：上スプライスプレート
１３５：フランジプレート
１３６：下スプライスプレート
１４０：接合金属
１４１：接合金属本体
１４２：接合金属の側周面
１４６：接合金属の先端部のテーパ部
１４７：接合金属の先端部
１４７ａ：接合金属の先端面
１４８：接合金属の基端部
１４８ａ：接合金属の基端部に設けた鍔部
１５０：空所
１５０ａ：第１の鋼材に設けられる半円筒形状の空所
１５０ｂ：第２の鋼材に設けられる半円筒形状の空所
１５０ｃ：第１の鋼材に設けられる円筒形状の空所
１５０ｄ：第２の鋼材に設けられる円筒形状の空所
１５１：空所の底部
１５１ａ：第１の鋼材に設けられる空所の底部
１５１ｂ：第２の鋼材に設けられる空所の底部
１５２：空所の側周面
１５５：裏当板
１６０：接合金属の先端部と空所の底部との接触部
１６１：接合金属の側周面と空所の側周面との隙間
１６２：接合金属の先端部と空所の底部との間の回転摩擦面
１６２ａ：接合完了時における接合金属の先端部と空所の底部との間の回転摩擦面
１７１：回転対称体の回転軸
１７２：接合ユニット
１８０：溶融金属
１９１：第１のＨ形鋼
１９２：第２のＨ形鋼
２００：鋼構造
２０１：柱（Ｈ形鋼）
２０１ａ：第１節
２０１ｂ：第２節
２０２：梁（Ｈ形鋼）
２０２ａ：２階梁
２０２ｂ：３階梁
２０２ｃ：４階梁
２０３：ブラケット
２０３ａ：２階ブラケット
２０３ｂ：３階ブラケット
２０３ｃ：４階ブラケット
２０４：柱－梁接合部
２０５：柱－柱接合部
２０６：（Ｈ形鋼）フランジ
２０６ａ：第１節フランジ
２０６ｂ：第２節フランジ
２０７：（Ｈ形鋼）ウェブ
２０７ａ：第１節ウェブ
２０７ｂ：第２節ウェブ
２１０：基礎
３００：従来の摩擦圧接装置
３１０：鋼材
３１５：一方の軸受
３２０：鋼材
３２５：他方の軸受
３３０：モーター
３３２：ベルト
３３４：クラッチ
３３６：ブレーキ
３４０：油圧シリンダ
３７０：接触部
Ｆ：押し付け力
ω：回転
ｐ：押圧
ｆ：押圧力
ｏ：オイル（液体）
ａ：空気（気体）
Ｗ：作業員
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
