CN101015879B - 摩擦搅拌接合方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于提供一种在使用摩擦搅拌方法对接合材料进行接合的场合形成疲劳特性优良的接合部的摩擦搅拌接合方法。本发明的摩擦搅拌接合方法在旋转状态下将工具插入到接合材料，该工具在圆柱状构件的端面突出地设置销状摩擦头，使工具在旋转的状态下移动，从而通过摩擦搅拌对2个以上的接合材料进行接合；其特征在于：在接合材料的接合部的一部分设置空洞部，在空洞部形成构件，通过摩擦搅拌对接合材料进行接合。按照本发明，在空洞部的近旁不形成未接合部，所以，切口效应减轻，可形成疲劳特性优良的接合构件。

Description

摩擦搅拌接合方法
技术领域
本发明涉及一种摩擦搅拌接合方法及由摩擦搅拌接合方法接合的接合构造物。
背景技术
例如在专利文献1中记载了这样的摩擦搅拌接合方法，该摩擦搅拌接合方法通过一边使比接合材料实质上硬的材质的圆柱状构件(以下称旋转工具)旋转一边插入到接合材料的接合部，使该旋转工具一边旋转一边移动，从而由产生于旋转工具与接合材料间的摩擦热进行接合。
该接合方法通过旋转工具与接合材料的摩擦热使接合材料软化，利用伴随着旋转工具的旋转的塑性流动现象，其原理与使接合材料熔化后进行焊接的方法例如电弧焊等不同。
[专利文献1]日本专利2712838号公报(WO93/10935)
当使用该接合方法制作疲劳强度优良的接合构造物时，有时在接合部的近旁设置空洞部。一边从与接合面垂直的方向使旋转工具高速旋转一边将其插入，接合空洞部的上部。
在这样的场合，不使用对接合时的负荷进行支承的衬里金属(バックメタル)。为此，当在空洞部的附近实施了接合时，空洞部的近旁的构件变形，从而可能会在接合部形成未接合部缺陷。
因此可以认为，在对接合部施加了应力的场合，会形成容易发生切口效应的未接合部、在接合部的应力集中增大、疲劳特性变差。然而，关于这样的未接合部的形成未进行研究。
发明内容
本发明的目的在于提供一种在使用摩擦搅拌接合方法对接合材料进行接合的场合形成疲劳特性优良的接合部的摩擦搅拌接合方法和接合构造物。
本发明的摩擦搅拌接合方法在旋转状态下将旋转工具插入到重叠的接合材料，该旋转工具在圆柱状构件的端面突出地设置销状摩擦头，在旋转的状态下使旋转工具移动，从而由摩擦搅拌对2个以上的上述接合材料进行接合。在上述接合材料的接合部的一部分设置空洞部，在上述空洞部中设置埋入构件，通过摩擦搅拌接合上述接合材料，由此形成的搅拌区域和上述埋入构件接触，在上述搅拌区域与上述埋入构件之间没有形成未接合部。
另外，本发明的接合构造物由通过摩擦搅拌对2个以上重叠的接合材料进行接合的摩擦搅拌接合方法形成；其特征在于：在上述接合材料的接合部的一部分设置空洞部，在上述空洞部中设置埋入构件，通过摩擦搅拌接合上述接合材料，由此形成的搅拌区域和上述埋入构件接触，在上述搅拌区域与上述埋入构件之间没有形成未接合部。
在通过摩擦搅拌进行接合的场合，有时对接合材料的接缝部分实施接合或从接合材料的一方实施接合。
空洞部最好为圆形，也可为相对接合材料的接合部的方向具有预定曲率半径的圆弧状。
另外，埋入到空洞部的构件最好为具有与空洞部大致相等的截面形状的构件。
另外，形成于空洞部的构件最好为比接合材料硬的材料，空洞部的半径最好小于等于接合材料的厚度的一半。
按照本发明，可提供在使用摩擦搅拌接合方法对接合材料进行接合的场合形成优良的疲劳特性的接合部的摩擦搅拌接合方法和接合构造物。
附图说明
图1为由本发明接合方法的一例示出接合材料与埋入构件的位置关系的示意图。
图2为在本发明接合方法的一例中示出接合前的状态的示意图。
图3为在本发明接合方法的一例中示出接合中的状态的示意图。
图4为示出具有空洞部的接合部的缺陷发生状况和旋转工具、接合构件的位置关系的图。
图5为示出使用埋入构件的接合部的截面照片的图。
图6为将使用埋入构件的摩擦搅拌接合方法适用于接合构造物的示意图。
图7为在本发明的重叠接合方法的一例中示出接合材料与埋入构件的位置关系的示意图。
图8为在本发明重叠接合方法的一例中示出接合前的状态的示意图。
图9为在本发明重叠接合方法的一例中示出接合中的状态的示意图。
图10为在本发明的对接方法的一例中示出接合材料与埋入构件的位置关系的示意图。
图11为在本发明对接方法的一例中示出接合前的状态的示意图。
图12为在本发明对接方法的一例中示出接合中的状态的示意图。
具体实施方式
下面，参照附图说明本发明的实施形式。
[实施例1]
图1、图2、图3示出本发明的接合方法的一例，为将摩擦搅拌接合方法适用于重叠接缝的场合。
在图1中，示出作为接合材料的材料1和材料2。在材料1和材料2分别形成具有半圆形截面的空洞部3和空洞部4。
当重叠材料1与材料2时，形成具有圆形截面的空洞部，形成具有与该空洞部大体相等的截面形状的埋入构件5。通过埋入构件5重叠具有半圆形截面空洞部的2个作为接合材料的材料1和材料2。
材料1和材料2的材质都为铝合金。作为适用材料，为实质上可进行摩擦搅拌接合的材料。例如可以是镁合金、铜合金、钢铁材料等金属材料。
材料1和材料2的厚度都使用10mm的厚度。适用材料的厚度根据适用材料、摩擦搅拌接合装置和旋转工具的能力决定，但在铝合金的场合，可适用到0.5mm～100mm左右的厚度。
图2为可接合材料1、材料2、埋入构件5地设置的示意图。对齐地重叠空洞部3与空洞部4的端部，设置具有圆形截面的空洞部7。在空洞部7设置埋入构件5。埋入构件5的截面形状与空洞部7大致相等。由具有半圆形截面的空洞部3和空洞部4形成的空洞部7的半径大致为材料1的厚度的一半。
即，为了形成疲劳特性优良的接合部，需要设置具有比形成于接合部近旁的未接合部大的曲率的构件。
因此，空洞部7的半径比由材料1和材料2形成的重叠面的间隙大，以材料1的厚度的一半为限度。
埋入构件5的材质为钢铁材料，成为比材料1和材料2硬的材质。
为了形成疲劳特性优良的接合部，空洞部7和埋入构件5的截面形状不限于圆形，只要具有曲率大的截面形状即可。例如，可以是椭圆形等。
另外，图2示出旋转工具6与接合线和接合面的位置关系。旋转工具6从与接合面8平行且与接合面9垂直的方向插入。
处于旋转工具6端部的摩擦头(プロ一ブ)10的埋入构件5侧的端面11与埋入构件5大体接触地插入，插入旋转工具6时的端面11与埋入构件5的距离为0.5mm左右。
图3示出将旋转工具6插入到接合面8和接合面9、沿接合线12接合材料1与材料2的示意图。
旋转工具6的旋转方向从旋转工具6的上方观看时朝顺时针方向旋转。接合从材料的前面朝里面进行。
如图3所示那样，在接合部，与埋入构件5接触地形成由旋转工具6搅拌的搅拌区域13。这样，在搅拌区域13与埋入构件5间没有形成未接合部。
图4示出未使用埋入构件5、仅形成空洞部地实施摩擦搅拌接合的截面。
材料14与材料15的位置关系由虚线16示出。在材料14与材料15接触的面上，具有重叠半圆形截面形状的空洞部。实施空洞部的摩擦搅拌接合之前的形状如用虚线17表示那样，其截面形状为圆形。
旋转工具18的形状为，台肩部直径为10mm，摩擦头20的直径为4mm，摩擦头20的长度为10mm。
根据图4说明旋转工具18与空洞部17的位置关系。当将旋转工具18插入到材料14和材料15时，摩擦头20的空洞部侧的端面21与空洞部17的距离为0.2mm。旋转工具18的转速为1000转/分，接合速度为100mm/分。
从图4可以看出，实施摩擦搅拌接合后的空洞部形状17产生较大的变形，失去圆形。其原因可以认为是，当进行摩擦搅拌接合时，通过插入和移动旋转工具18，从而在接合部施加数百千克到约1吨程度的载荷，所以，在没有支承该载荷的衬里金属的场合，材料14和材料15的受到载荷的材料流入到空洞部。
这样，用于提高接合部的疲劳特性而设置的空洞部的形状变形。即，在接合部近旁没有曲率大的面，在接合面23形成未接合部，结果，在对与接合面23垂直的方向施加应力的场合，在接合部的应力集中大，疲劳特性变差。
图5示出使用埋入构件实施摩擦搅拌接合的场合的截面照片。
在图5中，示出了接合结束后的旋转工具18和埋入构件24的位置关系。接合条件与图4所示场合大致相等。在旋转工具18与埋入构件24间没有看到未接合缺陷，可观察到完全进行了接合。即使在对接合部作用了应力的场合，也由于没有形成未接合部、施加了应力的面具有大的曲率，所以，可避免应力集中。
这样，通过在具有圆形截面的空洞部设置埋入构件，从而可提高接合部的疲劳特性。
图6示出将这样的接合方法适用于接合构造物的示意图。
该接合构造物为压力容器，对齐端部地重合作为容器的材料25与作为盖的材料26。在材料25与材料26接触的面27设置圆形的空洞部28。在空洞部28埋入具有大致相等截面形状的构件29。使用旋转工具30由摩擦搅拌接合方法接合材料25与材料26。
旋转工具30与接合面的位置关系、旋转工具30与埋入构件29的位置关系与图1、图2、图3相同。
在这样形成的搅拌区域31与埋入构件29之间即使实施摩擦搅拌接合也不形成未接合部，可获得具有大的曲率的面。通过接合材料25与材料26，从而可在其内侧形成空间32。在从空间32反复地在相对面27垂直的方向施加应力的场合，由于没有形成未接合部，所以，可制作疲劳强度优良的接合部。
这样的接合可应用于施加这样的反复应力的接合构造物，例如具有水路的冷却装置、压力容器等。
[实施例2]
图7、图8、图9示出本发明的其它的实施例的接合方法。
本实施例也为适用于重叠接缝的场合的实施例，但材料33和材料34的形状与实施例1的材料1和材料2不同。
图7示出材料33、材料34、具有半圆形截面的空洞部38、具有半圆形截面的空洞部39、具有圆形截面的埋入构件40的位置关系。在材料33与材料34接触的面上即对接面35与对接面36设置空洞部38和空洞部39。材料33和材料34的材质都为铝合金。埋入构件40的材质为比材料33和材料34硬的材质，为钢铁材料。材料33和材料34的厚度等与实施例1所示厚度等相同。
图8为可接合材料33、材料34、空洞部38、空洞部39、埋入构件40地进行设置的示意图。
在图8中，示出对接面35、对接面36、及旋转工具37的位置关系。旋转工具37从与对接面35和对接面36垂直的方向插入。
空洞部38的端部与空洞部39的端部对齐地重叠，设置具有圆形截面的空洞部41。在空洞部41设置埋入构件40。埋入构件40的截面形状与空洞部41大致相等。由具有半圆形截面的空洞部38和具有半圆形截面的空洞部39形成的空洞部41的半径大致为材料33的厚度的一半，与记载于实施例1的情形相同。
插入旋转工具37时的摩擦头42的埋入构件40侧的端面43与埋入构件40的位置关系与记载于实施例1的位置关系相同。
图9示出从材料33的方向将旋转工具37插入到对接面35和对接面36、保持着端面43与埋入构件40的位置关系对材料33与材料34进行接合的示意图。
旋转工具37的旋转方向从旋转工具37上方观看时朝顺时针方向旋转。摩擦搅拌接合从图的前面朝里面进行。
如图9所示那样，在接合部，与埋入构件40接触地形成由旋转工具37搅拌的搅拌区域44，在搅拌区域44与埋入构件40间没有形成未接合部。
结果，可提高接合部的疲劳特性。
[实施例3]
图10、图11、图12为示出本发明另一实施例的图。该实施例为将摩擦搅拌接合适用于对接接缝的场合。
在图10中，示出材料45、材料46、具有半圆形截面的空洞部47、具有半圆形截面的空洞部48、及具有圆形截面的埋入构件49的位置关系。
将空洞部47和空洞部48设于材料45与材料46接触的面上。材料45与材料46的材质都为铝合金。作为适用材料，与在实施例1中记载的场合相同。材料45与材料46的厚度都使用10mm的厚度。
图11为可接合材料45、材料46、空洞部47、空洞部48、埋入构件49地设置的示意图。
使空洞部47与空洞部48的端部合在一起地对齐，设置具有圆形截面的空洞部50。在空洞部50设置埋入构件49。埋入构件49的截面形状与空洞部50大致相等。由空洞部47与空洞部48形成的空洞部50的半径大致为材料45和材料46的厚度的一半。
图11示出旋转工具51与接合线的位置关系。
旋转工具51从与对接线53垂直的方向插入。处于旋转工具51的端部的摩擦头54的下部端面55插入到大体与埋入构件49接触的位置，插入旋转工具51时的端面55与埋入构件49的距离为0.1mm左右。
图12示出使旋转工具51沿接合线53对材料45与材料46进行接合的示意图。
旋转工具51的旋转方向在从旋转工具51的上方观看时，朝顺时针方向旋转。接合从材料的前面朝里面进行。
如图12所示那样，在接合部，与埋入构件49相接地形成由旋转工具51搅拌的搅拌区域56。
这样，在搅拌区域56与埋入构件49之间没有形成未接合部。摩擦搅拌接合时，通过使旋转工具51插入和行走，从而在接合部施加数百千克到约1吨左右的载荷，但通过设置对该载荷进行支承的埋入构件49，从而没有曲率变形、未接合部的形成，可承受载荷。在朝相对接合面垂直的方向施加反复应力的场合，由于没有形成未接合部，所以，可形成疲劳强度优良的接合部。
按照这些实施例，在空洞部的近旁未形成未接合部，所以，切口效应减轻，可形成疲劳特性优良的接合构件。
本发明涉及在实施摩擦搅拌接合的场合将空洞部设于接合面并在将埋入构件形成于空洞部的状态下进行接合的摩擦搅拌接合方法。

Claims (15)

1.一种摩擦搅拌接合方法，在旋转状态下将工具插入到重叠的接合材料，该工具在圆柱状构件的端面突出地设有销状摩擦头，使上述工具在旋转的状态下移动，从而通过摩擦搅拌对2个以上的上述接合材料进行接合；其特征在于：
在上述接合材料的接合部的一部分设置空洞部，在上述空洞部中设置埋入构件，通过摩擦搅拌接合上述接合材料，由此形成的搅拌区域和上述埋入构件接触，在上述搅拌区域与上述埋入构件之间没有形成未接合部。
2.根据权利要求1所述的摩擦搅拌接合方法，其特征在于：在上述接合材料的接缝部分通过摩擦搅拌进行接合。
3.根据权利要求1所述的摩擦搅拌接合方法，其特征在于：从上述接合材料的一方通过摩擦搅拌进行接合。
4.根据权利要求1所述的摩擦搅拌接合方法，其特征在于：上述空洞部为圆形。
5.根据权利要求1所述的摩擦搅拌接合方法，其特征在于：在上述空洞部埋入了具有与上述空洞部大致相等截面形状的构件。
6.根据权利要求1所述的摩擦搅拌接合方法，其特征在于：上述空洞部相对上述接合材料的接合部的方向为圆弧状。
7.根据权利要求1所述的摩擦搅拌接合方法，其特征在于：形成在上述空洞部中的构件为比上述接合材料硬的材料。
8.根据权利要求4所述的摩擦搅拌接合方法，其特征在于：上述空洞部的半径小于等于上述接合材料的厚度的一半。
9.一种接合构造物，由通过摩擦搅拌对2个以上重叠的接合材料进行接合的摩擦搅拌接合方法形成；其特征在于：
在上述接合材料的接合部的一部分设置空洞部，在上述空洞部中设置埋入构件，通过摩擦搅拌接合上述接合材料，由此形成的搅拌区域和上述埋入构件接触，在上述搅拌区域与上述埋入构件之间没有形成未接合部。
10.根据权利要求9所述的接合构造物，其特征在于：在上述接合材料的接缝部分通过摩擦搅拌进行接合。
11.根据权利要求9所述的接合构造物，其特征在于：从上述接合材料的一方通过摩擦搅拌进行接合。
12.根据权利要求9所述的接合构造物，其特征在于：上述空洞部为圆形。
13.根据权利要求9所述的接合构造物，其特征在于：在上述空洞部埋入了具有与上述空洞部大致相等截面形状的构件。
14.根据权利要求9所述的接合构造物，其特征在于：形成于上述空洞部的构件为比上述接合材料硬的材料。
15.根据权利要求12所述的接合构造物，其特征在于：上述空洞部的半径小于等于上述接合材料的厚度的一半。
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