CN113825584A

CN113825584A - 接合方法

Info

Publication number: CN113825584A
Application number: CN201980093238.4A
Authority: CN
Inventors: 濑尾伸城; 及川惠太
Original assignee: Nippon Light Metal Co Ltd
Current assignee: Nippon Light Metal Co Ltd
Priority date: 2019-04-12
Filing date: 2019-10-15
Publication date: 2021-12-21
Also published as: JP7140036B2; US11806802B2; EP3903987A1; KR102543018B1; EP3903987A4; JP2020171953A; KR20210092806A; WO2020208844A1; US20220111465A1

Abstract

技术问题在于提供一种能理想地对金属构件彼此进行接合的接合方法。其特征是，包括摩擦搅拌工序，在所述摩擦搅拌工序中，将旋转的前端侧销(F3)插入到内角部，并在使前端侧销(F3)与第一金属构件(1)、第二金属构件(2)和辅助构件(10)接触、且将基端侧销(F2)的外周面压靠于辅助构件(10)的状态下，使旋转工具(F)沿着内角部相对移动，以对第一金属构件(1)、第二金属构件(2)和辅助构件(10)进行接合。

Description

接合方法

技术领域

本发明涉及一种接合方法。

背景技术

例如，在专利文献1中公开了一种发明，将旋转工具的仅搅拌销插入到由第一金属构件和第二金属构件构成的内角部并进行摩擦搅拌接合。若将旋转工具的仅搅拌销插入到内角部并进行摩擦搅拌，则塑性流动材料可能会溢出到外部而使接合部的金属不足，接合强度下降。因此，在上述发明中，将辅助构件配置于内角部，并在使内角部以及辅助构件与旋转工具接触的状态下进行摩擦搅拌接合，从而防止接合部的金属不足。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利特开2017-121639号公报

发明内容

发明所要解决的技术问题

在专利文献1的发明中，通过夹具对第一金属构件或第二金属构件与辅助构件进行固定并进行摩擦搅拌，但在摩擦搅拌过程中，辅助构件可能会以与第一金属构件或第二金属构件分开的方式变形。若辅助构件与第一金属构件或第二金属构件分开，则存在无法获得消除接合部的金属不足的效果这样的问题。此外，旋转工具可能会被辅助构件推压而使旋转工具的移动路径偏离设定移动路径。

从上述这种观点出发，本发明的技术问题在于提供一种能理想地将金属构件彼此接合的接合方法。

解决技术问题所采用的技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种接合方法，使用旋转工具对第一金属构件和第二金属构件进行接合，其特征是，包括：对接工序，在所述对接工序中，使所述第一金属构件和所述第二金属构件对接成截面呈大致L字状或大致T字状，以形成对接部；以及配置工序，在所述配置工序中，在所述第一金属构件和所述第二金属构件的内角部处，以与所述第一金属构件或所述第二金属构件面接触的方式配置一辅助构件，所述旋转工具包括基端侧销和前端侧销，所述基端侧销的锥形角度比前端侧销的锥形角度大，所述接合方法包括摩擦搅拌工序，在所述摩擦搅拌工序中，将旋转的所述前端侧销插入到所述内角部，并在使所述前端侧销与所述第一金属构件、所述第二金属构件和所述辅助构件接触、且将所述基端侧销的外周面压靠于所述辅助构件的状态下，使所述旋转工具沿着所述内角部相对移动，以对所述第一金属构件、所述第二金属构件和所述辅助构件进行接合。

此外，本发明提供一种接合方法，使用旋转工具对第一金属构件和第二金属构件进行接合，其特征是，包括：对接工序，在所述对接工序中，使所述第一金属构件和所述第二金属构件对接成截面呈大致L字状或大致T字状，以形成对接部；以及配置工序，在所述配置工序中，在所述第一金属构件和所述第二金属构件的内角部处，以与所述第一金属构件和所述第二金属构件面接触的方式配置辅助构件，所述旋转工具包括基端侧销和前端侧销，所述基端侧销的锥形角度比前端侧销的锥形角度大，所述接合方法包括摩擦搅拌工序，在所述摩擦搅拌工序中，将旋转的所述前端侧销插入到所述内角部，并在使所述前端侧销与所述第一金属构件、所述第二金属构件和所述辅助构件接触、且将所述基端侧销的外周面压靠于所述辅助构件的状态下，使所述旋转工具沿着所述内角部相对移动，以对所述第一金属构件、所述第二金属构件和所述辅助构件进行接合。

根据上述接合方法，由于在通过旋转工具的基端侧销的外周面压靠辅助构件的同时进行摩擦搅拌接合，因此，能防止辅助构件与金属构件分开。由此，能可靠地防止接合部的金属不足。此外，由于辅助构件对旋转工具进行引导，因此，能防止旋转工具偏离设定移动路径。

此外，较为理想的是，在所述摩擦搅拌工序之后包括辅助构件去除工序，在所述辅助构件去除工序中，将所述辅助构件从所述内角部去除。

发明效果

根据本发明的接合方法，能理想地接合。

附图说明

图1是表示本发明实施方式的旋转工具的侧视图。

图2是表示本发明第一实施方式的接合方法的对接工序和配置工序的立体图。

图3是表示第一实施方式的接合方法的摩擦搅拌工序的剖视图。

图4是表示本发明第二实施方式的接合方法的对接工序和配置工序的剖视图。

图5是表示第二实施方式的接合方法的摩擦搅拌工序的剖视图。

图6是表示本发明第三实施方式的接合方法的对接工序和配置工序的立体图。

图7是表示第三实施方式的接合方法的摩擦搅拌工序的剖视图。

图8是表示比较例1的接合方法的立体图。

图9是表示在比较例1的接合方法中进行摩擦搅拌接合之后的情况的立体图。

图10是表示比较例2的接合方法的示意图。

图11是表示实施例1的接合方法的示意图。

图12是表示实施例2的接合方法的示意图。

具体实施方式

适当参照附图对本发明的实施方式进行说明。首先，对本实施方式的接合方法中使用的旋转工具进行说明。如图1所示，旋转工具F例如由工具钢形成，主要由基轴部F1、基端侧销F2和前端侧销F3构成。基轴部F1是呈随着向前端而前端变细的圆锥梯形，并与摩擦搅拌装置的主轴连接的部位。

基端侧销F2与基轴部F1连续，随着向前端而前端变细。基端侧销F2呈圆锥梯形。基端侧销F2的锥形角度A只要适当设定即可，例如为约90°。锥形角度A比后述的前端侧销F3的锥形角度B大。在基端侧销F2的外周面未形成螺旋槽。

如图1所示，前端侧销F3与基端侧销F2连续地形成，且前端变细。前端侧销F3的前端也可以包括平坦面，但在本实施方式中为球面。

在前端侧销F3的外周面刻设有螺旋槽。螺旋槽既可以朝右旋绕，也可以朝左旋绕，但在本第一实施方式中使旋转工具F朝右旋转，因此，以随着从基端侧向前端侧而朝左旋绕的方式刻设。

另外，较为理想的是，当使旋转工具F朝左旋转时，将螺旋槽形成为随着从基端侧向前端侧而朝右旋绕。由此，由于塑性流动材料被螺旋槽引导至前端侧，因此，能减少溢出到被接合金属构件的外部的金属。旋转工具F安装于摩擦搅拌装置并进行摩擦搅拌接合。旋转工具F也可以例如安装于在前端设有主轴单元等旋转驱动单元的臂式机器人(日文：アームロボット)上。通过将旋转工具F安装于臂式机器人，从而能容易地改变旋转工具F的旋转中心轴的角度。

[第一实施方式]

适当参照附图对本发明的实施方式进行说明。如图2所示，在第一实施方式的接合方法中，使第一金属构件1和第二金属构件2对接成截面呈L字状并进行摩擦搅拌接合。在第一实施方式的接合方法中进行对接工序、配置工序、摩擦搅拌工序和辅助构件去除工序。另外，实施方式的说明中的“正面”是指与“背面”相反一侧的面。

对接工序是使第一金属构件1和第二金属构件2对接的工序。第一金属构件1和第二金属构件2是呈板状的金属构件。第一金属构件1和第二金属构件2只要是能摩擦搅拌的金属(铝、铝合金、铜、铜合金、钛、钛合金、镁、镁合金等则不受特别限制，在本实施方式中均由铝合金形成。

在对接工序中，使第一金属构件1的端面1a和第二金属构件2的侧面2b对接，以形成对接部J1。此外，通过第一金属构件1的侧面1b和第二金属构件2的侧面2b形成作为垂直的角部的内角部。第一金属构件1的侧面1c与第二金属构件2的端面2a共面。

配置工序是配置辅助构件10的工序。辅助构件10是金属制的板状构件。在本实施方式中，辅助构件10由与第一金属构件1和第二金属构件2相同的材料形成。辅助构件10是用于弥补接合部的金属不足的构件，并且具有旋转工具F的引导功能。在配置工序中，使辅助构件10的端面10a与第二金属构件2的侧面2b抵接，并且使辅助构件10的背面10c与第一金属构件1的侧面1b面接触。在配置了辅助构件10之后，通过未图示的夹具将第一金属构件1、第二金属构件2和辅助构件10限制成无法移动。

如图3所示，摩擦搅拌工序是使用旋转工具F对第一金属构件1和第二金属构件2的内角部进行摩擦搅拌接合的工序。在摩擦搅拌工序中，使旋转工具F的旋转中心轴Z朝第二金属构件2一侧倾斜，并将前端侧销F3从辅助构件10的正面10b侧插入，且插入到内角部。前端侧销F3的插入深度和插入角度设定成到达对接部J1。此外，在将基端侧销F2的外周面压靠于辅助构件10的正面10b的状态下，使旋转工具F沿着内角部相对移动。在摩擦搅拌工序中设定成基端侧销F2的轴向的一部分或全部与辅助构件10抵接。在旋转工具F的移动轨迹上形成塑性化区域W。

辅助构件去除工序是在摩擦搅拌工序结束之后将辅助构件10切除的工序。此外，也可以根据需要进行将毛边切除的毛边切除工序。通过以上的工序，第一金属构件1和第二金属构件2被垂直地接合。

在此，当对内角部进行摩擦搅拌接合时，即使通过夹具固定辅助构件10，辅助构件10也可能会因旋转工具F的摩擦热量、压入力等朝与第一金属构件1分开的方向变形。此外，随着辅助构件10的变形，旋转工具F可能被辅助构件10推压，使旋转工具F偏离设定移动路径。

然而，根据本实施方式，在将旋转工具F的基端侧销F2的外周面压靠于辅助构件10的正面10b的状态下进行摩擦搅拌接合。由此，能防止辅助构件10的变形。此外，通过将基端侧销F2的外周面压靠于辅助构件10的正面10b，以使旋转工具F沿着辅助构件10被引导。由此，能防止旋转工具F偏离设定移动路径。

此外，在基端侧销F2的外周面并未形成螺旋槽而变得平滑。由此，能使旋转工具F沿着辅助构件10顺畅地移动，能提高引导功能。

此外，通过设置辅助构件10，并利用旋转工具F对第一金属构件1、第二金属构件2和辅助构件10进行摩擦搅拌接合，从而能防止接合部的金属不足。此外，通过进行辅助构件去除工序，能将内角部加工得美观。

此外，在本实施方式的摩擦搅拌工序中，将辅助构件10配置于旋转工具F的行进方向左侧，使旋转工具F朝右旋转并进行摩擦搅拌。也就是说，在本实施方式中，将辅助构件10配置于剪切侧并进行摩擦搅拌工序。若将辅助构件10配置于剪切侧并进行摩擦搅拌工序，则存在能在摩擦搅拌工序之后容易地切除辅助工具10这样的优点。

此外，在摩擦搅拌工序中，也可以将辅助构件配置于旋转工具F的行进方向右侧，使旋转工具F朝右旋转并进行摩擦搅拌。也就是说，也可以将辅助工具10配置于流动侧并进行摩擦搅拌。若将辅助构件10配置于流动侧并进行摩擦搅拌工序，则存在能使形成于内角部的喉部厚度(日文：のど厚)相对较大，并且能减少毛边这样的缺点。

另外，剪切侧(行进侧(Advancing side))是指旋转工具的外周相对于被接合部的相对速度为在旋转工具的外周处的切线速度的大小上加上移动速度的大小后的值的一侧。另一方面，流动侧(回退侧(Retreating side))是指通过使旋转工具朝旋转工具的移动方向的相反方向转动，而使旋转工具相对于被接合部的相对速度变为低速的一侧。

[第二实施方式]

接着，对本发明第二实施方式的接合方法进行说明。在第二实施方式的接合方法中，辅助构件10A的形状与第一实施方式不同。在本实施方式中，以与第一实施方式不同的部分为中心进行说明。

在本实施方式的接合方法中进行对接工序、配置工序、摩擦搅拌工序和辅助构件去除工序。对接工序与第一实施方式相同。

如图4所示，在配置工序中，配置辅助构件10A。辅助构件10A是内角为90°的截面呈L字状的板状构件。在配置工序中，使辅助构件10A的背面10Ac、10Ac分别与第一金属构件1的侧面1b和第二金属构件2的侧面2b接触，并通过未图示的夹具固定成无法移动。

如图5所示，摩擦搅拌工序是使用旋转工具F对第一金属构件1和第二金属构件2的内角部进行摩擦搅拌接合的工序。在摩擦搅拌工序中，使旋转工具F的旋转中心轴Z朝第二金属构件2一侧倾斜，并将前端侧销F3从辅助构件10的正面10Ab侧插入，且插入到内角部。前端侧销F3的插入深度和插入角度设定成到达对接部J1。

此外，在将基端侧销F2的外周面压靠于辅助构件10的正面10Ab、10Ab的两方的状态下，使旋转工具F沿着内角部相对移动。也就是说，在使基端侧销F2的外周面与构成辅助构件10A的两个正面10Ab、10Ab接触的状态下进行摩擦搅拌。在摩擦搅拌工序中设定成基端侧销F2的轴向的一部分或全部分别与辅助构件10A的正面10Ab、10Ab抵接。在旋转工具F的移动轨迹上形成塑性化区域W。

在辅助构件去除工序中，在摩擦搅拌工序结束之后，将残存的辅助构件10A切除。

根据以上说明的本实施方式，在将旋转工具F的基端侧销F2的外周面压靠于辅助构件10的正面10Ab、10Ab的状态下进行摩擦搅拌接合。由此，能防止辅助构件10A的变形。此外，通过将基端侧销F2的外周面压靠于辅助构件10的正面10Ab、10Ab的两方，从而使旋转工具F沿着辅助构件10被更稳定地引导。由此，能进一步防止旋转工具F偏离设定移动路径。

此外，在基端侧销F2的外周面并未形成螺旋槽而变为平滑。由此，能使旋转工具F沿着辅助构件10A顺畅地移动，能提高引导功能。

此外，在本实施方式的摩擦搅拌工序中，辅助构件10A存在于旋转工具F的行进方向两侧，因此，能更可靠地防止接合部的金属不足。

[第三实施方式]

接着，对本发明第三实施方式的接合方法进行说明。在第三实施方式的接合方法中进行对接工序、配置工序、摩擦搅拌工序和辅助构件去除工序。在对接工序中，如图6所示，使第一金属构件1和第二金属构件2垂直地对接成截面呈T字状。在对接工序中，使第一金属构件1的端面1a与第二金属构件2的端面2b对接，以形成对接部J2。

通过第一金属构件1的侧面1b和第二金属构件2的侧面2b形成一方的内角部。此外，通过第一金属构件1的侧面1c和第二金属构件2的侧面2b形成另一方的内角部。

配置工序是将辅助构件11、12分别配置于一方的内角部和另一方的内角部的工序。辅助构件11、12是呈板状的金属构件。在本实施方式中，使辅助构件11的端面11a与第一金属构件1的侧面1b抵接，并且使辅助构件11的背面11c与第二金属构件2的侧面2b接触。此外，使辅助构件12的端面12a与第一金属构件1的侧面1c抵接，并且使辅助构件12的背面12c与第二金属构件2的侧面2b接触。

如图7所示，摩擦搅拌工序是使用旋转工具F对由第一金属构件1和第二金属构件2形成的一方的内角部和另一方的内角部进行摩擦搅拌接合的工序。在摩擦搅拌工序中，使旋转工具F的旋转中心轴Z朝第二金属构件2一侧倾斜，并将前端侧销F3从辅助构件11的正面11b侧插入，且插入到一方的内角部。前端侧销F3的插入深度和插入角度设定成到达对接部J1。此外，在将基端侧销F2的外周面压靠于辅助构件11的正面11b的状态下，使旋转工具F沿着内角部移动。

在摩擦搅拌工序中，基端侧销F2的轴向的一部分或全部设定成与辅助构件11抵接。在旋转工具F的移动轨迹上形成塑性化区域W2。在本实施方式中，将辅助构件11、12分别配置于行进方向右侧，且使旋转工具F朝右旋转。也就是说，将旋转工具F的行进方向和旋转方向设定成辅助构件11、12分别配置于流动侧。另外，以与一方的内角部相同的要领对另一方的内角部也进行摩擦搅拌。

根据以上说明的第三实施方式，也能起到与第一实施方式大致同等的效果。此外，能像本实施方式那样将第一金属构件1与第二金属构件2接合成T字状。另外，在本实施方式中，也可以配置截面呈L字状的辅助构件10A并进行摩擦搅拌工序。此外，也可以对旋转工具F的插入角度、前端侧销F3的长度进行调节，并设定成对接部J2的整体被摩擦搅拌。也就是说，也可以设定成塑性化区域W1、W2在对接部J2处接触。

实施例

接着，对本发明的比较例1、比较例2、实施例1和实施例2进行说明。图8是表示比较例1的接合方法的立体图。

[比较例1]

在比较例1中，以在摩擦搅拌接合之后确认辅助构件的变形情况为目的。如图8所示，在比较例1中，使用旋转工具F10垂直地将第一金属构件1与第二金属构件2摩擦搅拌接合。第一金属构件1和第二金属构件2是铝合金，厚度为6mm。辅助构件10是铝合金，厚度为3mm。旋转工具F10具有连接部F11和从连接部F11下垂的搅拌销F12。在搅拌销F12的外周面刻设有螺旋槽。

在比较例中，以与本发明的第一实施方式相同的要领进行对接工序和配置工序。辅助构件10的背面10c与第一金属构件1的侧面1b面接触。在摩擦搅拌工序中，将旋转工具F10的仅搅拌销F12从辅助构件10的正面10b侧插入，并插入到内角部。搅拌销F12的插入深度和插入角度设定成前端到达对接部J1。在摩擦搅拌工序中，使旋转工具F10沿着内角部(对接部J1)相对移动。

图9是表示在比较例1的接合方法中的摩擦搅拌接合之后的情况的立体图。如图9所示，辅助构件10无论是否通过未图示的夹具与第一金属构件1和第二金属构件2一起被固定，在摩擦搅拌工序的摩擦热量和压入力的作用下均以朝与第一金属构件1分开的方向伸出的方式变形。若是比较例1的摩擦搅拌工序，则由于辅助构件10在摩擦搅拌过程中变形，因此，存在旋转工具F10被辅助构件10推压而偏离期望的设定移动路径从而产生接合不良的问题。此外，由于辅助构件10变形，因此，金属并未被适当地补充，从而产生接合部的金属不足，并且产生大量的毛边V。

[比较例2]

比较例2是以确认旋转工具F10的插入位置对接合部的影响为目的的。图10是表示比较例2的接合方法的示意图。如图10所示，在比较例2中，使第一金属构件1和第二金属构件2接合成截面呈T字状。在摩擦搅拌工序中使用旋转工具F10(参照图8)。第一金属构件1和第二金属构件2是铝合金，厚度为6mm。辅助构件11是铝合金，厚度为3mm。

在比较例2中，在图10所示的条件下进行摩擦搅拌接合。也就是说，在比较例2中，将倾角设为0°，将C轴设为45度。倾角是指旋转工具F10相对于行进方向的倾倒角度。C轴是指搅拌销F12的旋转中心轴Z从第二金属构件2的侧面2b张开的张开角度。此外，在比较例2中，将接合速度设为100mm/min，将旋转速度设为3000rpm，将压入力设为3750N。

此外，在比较例2中，将旋转工具F10的插入位置(偏置)设为－1mm、0mm、+1mm。旋转工具F10的插入位置为0mm是指，旋转中心轴Z与第一金属构件1的侧面1b和第二金属构件2的侧面2b所成的角部P重叠的位置。偏置量－1mm是从偏置量0的位置向第一金属构件1一侧水平移动1mm的位置。偏置量+1mm是从偏置量0的位置向与第一金属构件1分开的一侧水平移动1mm的位置。另外，图10中的符号“11”表示接合之后的辅助构件。关于偏置量+1mm，在摩擦搅拌工序之后辅助构件11自然脱落。

如图10所示，若偏置量为0mm，则接合部的剖视图也是良好的。然而，若偏置量为－1mm，则凹槽Q1向延长方向形成。此外，若偏置量为+1mm，则凹口Q2向延长方向形成。也就是说，根据比较例2可知，只要是设定移动路径错开1mm，就可能变成接合不良。

[实施例1]

图11是表示实施例1的接合方法的示意图。在实施例1中，使用本发明的旋转工具F将第一金属构件1和第二金属构件2摩擦搅拌接合成截面呈T字状。第一金属构件1和第二金属构件2是铝合金，厚度为6mm。辅助构件11、12是铝合金，厚度为3mm。

将旋转工具F的接合条件设定成辅助构件11、12变成剪切侧。在摩擦搅拌工序中，将旋转工具F的基端侧销F2的外周面压靠于辅助构件11、12的正面11b、12b，同时使旋转工具F相对移动。

如图11所示，在实施例1中，将倾角设为0°，将C轴设为45°，将接合速度设为100mm/min，将旋转速度设为3000rpm，将压入力设为5000N。偏置量设为0mm。也就是说，以使旋转工具F的旋转中心轴Z与第一金属构件1的侧面1b和第二金属构件2的侧面2b所成的角部P重叠的方式进行摩擦搅拌。

如图11所示，实施例1中的接合部的截面(塑性化区域W1、W2)均是良好的。

[实施例2]

图12是表示实施例2的接合方法的示意图。在实施例2中，将倾角设为0°，将C轴设为45°，将接合速度设为500mm/min，将旋转速度设为3000rpm，将压入力设为5250N。偏置－0.5mm是指使旋转中心轴Z从角部P向第一金属构件1一侧(图中左侧)错开0.5mm。在实施例2中，接合部的截面(塑性化区域W1、W2)均是良好的。

实施例1的喉部厚度相比于实施例2的喉部厚度较大。这被认为是因为实施例1的接合速度比实施例2的接合速度慢引起的。

(符号说明)

1 第一金属构件；

1b 正面；

1c 背面；

2 第二金属构件；

2b 正面；

2c 背面；

10 辅助构件；

F 旋转工具；

F1 基轴部；

F2 基端侧销；

F3 前端侧销；

W 塑性化区域。

Claims

1.一种接合方法，使用旋转工具对第一金属构件和第二金属构件进行接合，其特征在于，

所述接合方法包括：

对接工序，在所述对接工序中，使所述第一金属构件和所述第二金属构件对接成截面呈大致L字状或大致T字状，以形成对接部；以及

配置工序，在所述配置工序中，在所述第一金属构件和所述第二金属构件的内角部处，以与所述第一金属构件或所述第二金属构件面接触的方式配置一辅助构件，

所述旋转工具包括基端侧销和前端侧销，所述基端侧销的锥形角度比前端侧销的锥形角度大，

所述接合方法包括摩擦搅拌工序，在所述摩擦搅拌工序中，将旋转的所述前端侧销插入到所述内角部，并在使所述前端侧销与所述第一金属构件、所述第二金属构件和所述辅助构件接触、且将所述基端侧销的外周面压靠于所述辅助构件的状态下，使所述旋转工具沿着所述内角部相对移动，以对所述第一金属构件、所述第二金属构件和所述辅助构件进行接合。

2.如权利要求1所述的接合方法，其特征在于，

所述接合方法在所述摩擦搅拌工序之后包括辅助构件去除工序，在所述辅助构件去除工序中，将所述辅助构件从所述内角部去除。

3.一种接合方法，使用旋转工具对第一金属构件和第二金属构件进行接合，其特征在于，

所述接合方法包括：

配置工序，在所述配置工序中，在所述第一金属构件和所述第二金属构件的内角部处，以与所述第一金属构件和所述第二金属构件面接触的方式配置辅助构件，

4.如权利要求3所述的接合方法，其特征在于，