JP2000042759A

JP2000042759A - 摩擦撹拌接合法

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Publication number: JP2000042759A
Application number: JP10208148A
Authority: JP
Inventors: Shigetoshi Jogan; 茂利成願; Tomoaki Yamai; 智明山井; Toshimitsu Uchiyama; 利光内山
Original assignee: Showa Aluminum Corp
Current assignee: Showa Aluminum Can Corp
Priority date: 1998-07-23
Filing date: 1998-07-23
Publication date: 2000-02-15
Anticipated expiration: 2018-07-23
Also published as: JP3262757B2

Abstract

(57)【要約】【課題】終端部が始端部に戻るような接合部を有する
接合部材を接合する摩擦撹拌接合法において、プローブ
引抜き後の孔や凹部を生じさせない摩擦撹拌接合法を提
供すること。【解決手段】回転するプローブ２２を接合部材１、２
の接合部Ａに挿入し、プローブとの接触部を摩擦熱にて
軟化させ撹拌しながら、プローブ２２を挿入状態で接合
部Ａに沿って移動させる。プローブ２２が接合始端部Ｗ
１に戻ってきたら、その移動方向を変えて、プローブ２
２を接合部材１、２の接合部Ａ以外の位置に設けられた
捨て肉部３に移動させる。そして、プローブ２２を捨て
肉部３から引き抜いた後、この捨て肉部３を切断除去す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、例えばアルミニ
ウム材（アルミニウム合金材を含む）等の金属材の接合
に用いられる摩擦撹拌接合法に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば、図５に示すように、六角形に形
成された板状の金属製第１接合部材（５１）の中央に設
けられた円形孔（５１ａ）に、円板状の金属製第２接合
部材（５２）を嵌合して、第１接合部材（５１）と第２
接合部材（５２）とを嵌合部（Ａ’）の全周に亘って接
合する場合には、固相接合法の一つである摩擦撹拌接合
法が用いられることがある。

【０００３】この摩擦撹拌接合法を説明すれば、次の通
りである。即ち、図５（ｂ）に示すように、径大の円柱
状回転子（６１）の端部軸線上に径小のピン状プローブ
（６２）が突出して一体に設けられた接合工具（６０）
を用い、前記回転子（６１）を回転させつつ、第１接合
部材（５１）と第２接合部材（５２）との嵌合部
（Ａ’）の一部に前記プローブ（６２）を挿入する。挿
入は、一般には、回転子（６１）のプローブ側平坦面か
らなる肩部（６１ａ）が両接合部材（５１）（５２）に
当接するまで行う。

【０００４】そして、図６（ａ）に示すように、プロー
ブ挿入状態のまま嵌合部（Ａ’）に沿ってプローブ（６
２）を両接合部材（５１）（５２）に対し相対的に移動
させる。プローブ（６２）の回転により発生する摩擦
熱、あるいは更に回転子（６１）の肩部（６１ａ）と両
接合部材（５１）（５２）との摺動に伴い発生する摩擦
熱により、プローブ（６２）との接触部分近傍において
両接合部材（５１）（５２）は軟化しかつプローブ（６
２）により撹拌されるとともに、プローブ（６２）の移
動に伴って、軟化撹拌部分がプローブ（６２）の進行圧
力を受けてプローブの通過溝を埋めるようにプローブ
（６２）の進行方向後方へと回り込む態様で塑性流動し
たのち摩擦熱を急速に失って冷却固化される。この現象
がプローブ（６２）の移動に伴って順次繰り返されてい
き、最終的に両接合部材（５１）（５２）が嵌合部
（Ａ’）において接合されるものである。同図におい
て、（Ｗ’）はこの摩擦撹拌接合によって形成された接
合ビード部で、嵌合部（Ａ’）に沿って形成されてい
る。

【０００５】このような摩擦撹拌接合法によれば、固相
接合であるため、接合部材である金属材の種類に限定さ
れないとか、接合時の熱歪みによる変形が少ない等の利
点がある。

【０００６】ところで、上記の接合部材（５１）（５
２）を摩擦撹拌接合する場合において、プローブ（６
２）が嵌合部（Ａ’）における接合始端部（Ｗ１’）に
戻ると、それ以上接合する必要がないから、同図（ｂ）
に示するように、プローブ（６２）を接合部材（５１）
（５２）から引き抜かなければならない。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、プロー
ブ（６２）を接合部材（５１）（５２）の表面から軸方
向に引き抜くと、嵌合部（Ａ’）の接合終端部には、必
ずプローブ（６２）の径、挿入深さに対応する孔（５
３）が残ってしまう。この孔（５３）は接合強度を局部
的に低下させるものであるため、接合終了後に、これを
取り除いたり、埋めたりしなければならない。

【０００８】この孔処理手段として、孔（５３）にピン
を埋め込む方法や、ＴＩＧ、ＭＩＧ等の溶融溶接により
孔（５３）に溶融金属を充填する方法が提案されてい
る。しかし、ピンを埋込む方法は、ピンを機械的な食込
みにより固定するだけなので、強度的信頼性が乏しい。
また、溶融溶接による方法は、溶接時に発生する溶接熱
により接合強度の低下や熱歪みが生じる等の問題があ
る。

【０００９】その他、図示していないが、終端部が始端
部に戻らないような接合部、例えば直線状の接合部を有
する接合部材を摩擦撹拌接合する場合には、接合部の終
端部にエンドタブを取り付けた後、プローブ（６２）を
エンドタブまで移動させ、次いでこのエンドタブを取り
除く方法が有効である。しかしながら、この方法は、上
記したような回し接合やあるいは円周接合等、終端部が
始端部（Ｗ１’）に戻るような接合部を有する接合部材
（５１）（５２）を接合する場合には、終端部が存在し
ないので、これを適用することができない。

【００１０】また、接合始端部（Ｗ１’）に戻ってきた
挿入状態のプローブ（６２）を、その移動方向を変えて
第１接合部材（５１）の端面から引き抜くことも考えら
れが、この場合には、第１接合部材（５１）の端面にプ
ローブの引抜き痕として凹部（図示せず）が形成される
こととなるので、得られる接合品の外観が悪くなるとい
う問題が生じる。

【００１１】この発明は、このような問題を解決するた
めになされたもので、終端部が始端部に戻るような接合
部を有する接合部材を接合する摩擦撹拌接合法におい
て、プローブ引抜き後の孔や凹部を生じさせない摩擦撹
拌接合法を提供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、この発明は、終端部が始端部に戻るような接合部を
有する接合部材における前記接合部に、回転するプロー
ブを挿入し、プローブとの接触部を摩擦熱にて軟化させ
撹拌しながら、プローブを挿入状態で前記接合部に沿っ
て相対的に移動させることにより、前記接合部材を接合
する摩擦撹拌接合法において、接合終了時に、前記挿入
状態のプローブを、その移動方向を変えて、前記接合部
材の接合部以外の位置に設けられた捨て肉部に移動させ
ることを特徴とする。

【００１３】これによれば、接合終了時に、挿入状態の
プローブの移動方向を変えることにより、プローブの移
動方向が、接合部の延びる方向即ち接合線方向からずれ
ることとなる。そして、このプローブを捨て肉部に進入
させると、捨て肉部におけるプローブとの接触軟化部分
が後方へと塑性流動して、プローブの通過後に生じる溝
が埋められる。次いで、捨て肉部に移動した挿入状態の
プローブを、捨て肉部から引き抜く。こうすることによ
り、接合部にプローブ引抜き後の孔が残存しなくなり、
したがって接合部の接合強度の低下を防止することがで
きるし、接合部の強度的信頼性も向上する。その後、更
に、捨て肉部を除去することにより、接合部材にプロー
ブ引抜き後の孔や凹部が残存しなくなり、したがってプ
ローブ引抜き後の孔や凹部により生じる接合品の外観体
裁の低下を防止でき、そのため接合品の外観を維持する
ことができるようになる。

【００１４】ここで、捨て肉部は、接合部以外の位置に
設けられていればどこでも良いが、接合部の終端部近
傍、即ち始端部近傍に設けられていることが、プローブ
の捨て肉部への移動距離を短くし得てプローブを速やか
に捨て肉部に移動させることができ、その結果、接合作
業能率を向上させることができるようになる点で、好ま
しい。

【００１５】

【発明の実施の形態】図１及び図２は、この発明の一つ
の実施形態（第１実施形態）を示すものである。同図に
おいて、（１）は六角形に形成された板状の第１接合部
材、（２）は円板状の第２接合部材である。これら第１
及び第２接合部材（１）（２）はともにアルミニウムか
らなる。

【００１６】前記第１接合部材（１）の中央部には、上
記従来技術で説明した第１接合部材（５１）と同様に、
厚さ方向に貫通した円形孔（１ａ）が設けられている。
同図に示した第１実施形態は、上記従来技術と同じく、
この第１接合部材（１）の円形孔（１ａ）に、前記第２
接合部材（２）を嵌合して、第１接合部材（１）と第２
接合部材（２）とを嵌合部（Ａ）の全周に亘って摩擦撹
拌接合する場合を示すものである。したがって、嵌合部
（Ａ）が両接合部材（１）（２）の接合部となる。な
お、第１接合部材（１）と第２接合部材（２）の厚さは
同じである。そして、第１接合部材（１）の円形孔（１
ａ）に第２接合部材（２）を嵌合した状態において、第
１接合部材（１）の表面と第２接合部材（２）の表面と
は面一となっている。

【００１７】（２０）は接合工具であって、径大の円柱
状回転子（２１）の端部軸線上に径小のピン状プローブ
（２２）が突出して一体に設けられているもので、回転
子（２１）を高速回転させることによりプローブ（２
２）も高速回転するものとなされている。なお、プロー
ブ（２２）及び回転子（２１）は、接合部材（１）
（２）よりも硬質でかつ接合時に発生する摩擦熱に耐え
うる耐熱材料によって形成されている。

【００１８】前記第１接合部材（１）の一端縁には、三
角形状に形成された板状の捨て肉部（３）が一体に突設
されている。この捨て肉部（３）は、後述するように、
第１接合部材（１）にプローブ（２２）の引抜き孔や凹
部を残さなくするためのもので、その厚さは第１接合部
材（１）の厚さと同じであり、その表面と第１接合部材
（１）の表面とは面一となっている。また、この捨て肉
部（３）における第１接合部材（１）との連結部両側縁
には、Ｖ字状の切込み部（３ａ）（３ａ）が設けられ、
捨て肉部（３）の除去を容易に行うことができるように
なっている。

【００１９】この発明に従う摩擦撹拌接合は次のように
して行う。即ち、回転子（２１）を回転させることによ
りこれと一体回転するプローブ（２２）を、嵌合部
（Ａ）に挿入する。そして、プローブ挿入状態で、回転
子（２１）の先端の平坦状肩部（２１ａ）を接合部材
（１）（２）の表面に当接させるのが、接合開始時ある
いは接合途中の軟化部分の素材の飛散を防止しえて均一
な接合状態を実現し得るとともに、接合部材（１）
（２）と肩部（２１ａ）との摺動により摩擦熱を更に生
ぜしめて、プローブとの接触部あるいはその近傍の軟化
を促進し、更に接合部材（１）（２）の表面の凹凸形成
を防止する点から好ましい。

【００２０】そして、プローブ挿入状態のまま、嵌合部
（Ａ）に沿ってプローブ（２２）を相対的に移動させ
る。プローブ（２２）の回転により発生する摩擦熱、あ
るいは更に回転子（２１）の肩部（２１ａ）と接合部材
（１）（２）の表面との摺動に伴い発生する摩擦熱によ
り、プローブ（２２）との接触部分近傍において接合部
材（１）（２）は軟化しかつ撹拌されるとともに、プロ
ーブ（２２）の移動に伴って、軟化撹拌部分がプローブ
（２２）の進行圧力を受けてプローブ（２２）の通過溝
を埋めるようにプローブ（２２）の進行方向後方へと回
り込む態様で塑性流動したのち、摩擦熱を急速に失って
冷却固化される。この現象がプローブ（２２）の移動に
伴って順次繰り返されていき、嵌合部（Ａ）において両
接合部材（１）（２）は一体化され順次接合されてい
く。なお、図１（ａ）において、（Ｗ）はこの摩擦撹拌
接合によって形成された接合ビード部で、嵌合部（Ａ）
に沿って形成されている。

【００２１】そして、挿入状態のプローブ（２２）が嵌
合部（Ａ）における接合始端部（Ｗ１）に戻ってきたと
き、両接合部材（１）（２）は嵌合部（Ａ）の全周に亘
って接合されたこととなるので、接合終了となるが、こ
のプローブ挿入位置でプローブ（２２）を接合部材
（１）（２）の表面から引き抜くと、上記従来技術で説
明したように、プローブの引抜き孔が生じてしまう。そ
こで、プローブ（２２）の移動方向を変え、図１（ｂ）
に示すように、プローブ（２２）を挿入状態のままで捨
て肉部（３）に移動させる。このように、プローブ（２
２）が捨て肉部（３）に進入すると、捨て肉部（３）に
おけるプローブ（２２）との接触軟化部分がプローブ
（２２）の進行方向後方へと塑性流動して、プローブ
（２２）の通過後に生じる溝を埋めることとなる。した
がって、嵌合部（Ａ）つまり接合部に孔や凹部が残るこ
とはない。

【００２２】次いで、こうして捨て肉部（３）に移動し
たプローブ（２２）を、捨て肉部（３）の表面から軸方
向に引き抜く。すると、図２（ａ）に示すように、プロ
ーブの引抜き孔（４）が捨て肉部（３）に形成されるこ
ととなるので、同図（ｂ）に示すように、この捨て肉部
（３）を切込み部（３ａ）（３ａ）において切断除去す
る。こうすることにより、接合部材（１）（２）におけ
るプローブ通過跡に孔や凹部が残存しなくなり、そのた
め接合状態が良好な接合品を得ることができる。

【００２３】なお、図示していないが、捨て肉部（３）
に移動したプローブ（２２）を、捨て肉部（３）の端面
から引き抜き、次いでその捨て肉部（３）を除去しても
良い。

【００２４】また、捨て肉部（３）における第１接合部
材（１）との連結部に、予め、破断用の溝（図示せず）
を形成しておき、捨て肉部（３）をこの溝において破断
することによって、捨て肉部（３）を除去しても良い。
こうすることにより、上記第１実施形態と同様に、捨て
肉部（３）の除去を容易に行うことができる。

【００２５】図３及び図４は、この発明のもう一つの実
施形態（第２実施形態）を示すものである。この第２実
施形態は、円形断面を有する２個の接合部材（７）
（８）の円周に沿って行う接合、すなわち円周接合によ
って、自動車のサスペンションアーム用部材を製作する
場合を示している。

【００２６】まず、このサスペンションアーム用部材に
ついて説明する。同図において、（８）はサスペンショ
ンアーム用部材の部材本体（第２接合部材）、（７）は
防振ブッシュ（図示せず）を圧入装着するための円形の
ブッシュ装着孔（５ａ）を有するブッシュ装着部材（第
１接合部材）である。前記部材本体（８）は、所定長さ
を有する棒状のアルミニウム押出円筒パイプ材からな
る。（８ａ）はパイプ材の中空部である。また、前記ブ
ッシュ装着部材（７）は、アルミニウム鍛造品からな
り、前記ブッシュ装着孔（５ａ）を備えた円筒部（５）
の外周面の一部に、円柱状の連結部（６）が一体に突設
されているものである。前記連結部（６）の径は、前記
部材本体（８）の外径と同寸である。そして、このサス
ペンションアーム用部材は、図３に示すように、前記部
材本体（８）の一端面に、前記ブッシュ装着部材（７）
の連結部（６）の端面を突き合わせ、図４に示すよう
に、部材本体（８）とブッシュ装着部材（７）とを突合
せ部（Ｂ）の全周に亘って摩擦撹拌接合することによっ
て、製作されるものである。したがって、突合せ部
（Ｂ）が部材本体（８）とブッシュ装着部材（７）の接
合部となる。なお、部材本体（８）の一端面に連結部
（６）の端面を突き合わせた状態において、部材本体
（８）の外周面と連結部（６）の周面とは面一となって
いる。

【００２７】また、前記ブッシュ装着部材（７）の連結
部（６）の周面の一部には、断面三角形状で所定長さを
有する凸部からなる捨て肉部（９）が一体に突設されて
いる。この捨て肉部（９）の一面は、連結部（６）の周
面と面一となっている。

【００２８】この第２実施形態では、摩擦撹拌接合は上
記第１実施形態と略同じ手順で行われ、これを第１実施
形態との相違を中心に簡単に説明すると、次の通りであ
る。

【００２９】即ち、前記接合工具（２０）のプローブ
（２２）を回転させながら突合せ部（Ｂ）にその外周面
から挿入する。そして、プローブ（Ｂ）を挿入状態で突
合せ部（Ｂ）に沿って部材本体（８）及び連結部（６）
の周方向に相対的に移動させる。この移動に伴って、図
４（ａ）に示すように、突合せ部（Ｂ）が順次接合され
ていく。同図において、（Ｗ）はこの摩擦撹拌接合によ
って形成された接合ビード部で、突合せ部（Ｂ）に沿っ
て形成されている。

【００３０】そして、挿入状態のプローブ（２２）が突
合せ部（Ｂ）における接合始端部（Ｗ１）に戻ってきた
とき、接合終了となることから、次いでプローブ（２
２）の移動方向を変えて、同図（ｂ）に示すように、プ
ローブ（２２）を挿入状態のままで捨て肉部（９）に移
動させる。そして、このプローブ（２２）を捨て肉部
（９）の表面から軸方向に引き抜く。なお、図示してい
ないが、プローブ（２２）を捨て肉部（９）の端面から
引き抜いても良い。こうしてプローブ（２２）を捨て肉
部（９）から引き抜くと、捨て肉部（９）にはプローブ
の引抜き孔（９）や凹部（図示せず）が形成されること
となる。そして、この捨て肉部（９）を切断除去する。
こうすることによって、ブッシュ装着部材（７）や部材
本体（８）におけるプローブ通過跡に孔や凹部が残存し
なくなり、そのため接合状態が良好な接合品、即ちサス
ペンションアーム用部材を得ることができる。

【００３１】以上、この発明の第１及び第２実施形態を
説明したが、この発明はこれら実施形態に限定されるも
のではない。

【００３２】例えば、上記第１及び第２実施形態では、
捨て肉部（３）（９）は接合部材（１）（７）に予め一
体に設けられているであるが、図示していないが、捨て
肉部を別途、用意しておき、これを接合部材に取り付け
ても良い。この取付け手段として、例えば接着剤を用い
た接着や押付けを採用することができる。

【００３３】

【発明の効果】上述の次第で、この発明は、終端部が始
端部に戻るような接合部を有する接合部材における前記
接合部に、回転するプローブを挿入し、プローブとの接
触部を摩擦熱にて軟化させ撹拌しながら、プローブを挿
入状態で前記接合部に沿って相対的に移動させることに
より、前記接合部材を接合する摩擦撹拌接合法におい
て、接合終了時に、前記挿入状態のプローブを、その移
動方向を変えて、前記接合部材の接合部以外の位置に設
けられた捨て肉部に移動させることを特徴とするもので
あることから、この発明に係る摩擦撹拌接合法によれ
ば、捨て肉部におけるプローブとの接触軟化部分によっ
てプローブの通過後に生じる溝を埋めことができる。し
たがって、終端部が始端部に戻るような接合部を有する
接合部材を摩擦撹拌接合法によって接合する場合であっ
ても、接合部にプローブ引抜き後の孔や凹部が残存しな
い、つまり接合部の接合強度が高くかつその強度的信頼
性も高い接合品を得ることができる。さらに、捨て肉部
からプローブを引き抜いた後、この捨て肉部を除去する
ことにより、接合部材にプローブ引抜き後の孔や凹部が
残存しない、つまり見栄えの良い接合品を得ることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一つの実施形態（第１実施形態）を
示す図で、（ａ）は接合途中の状態の斜視図、（ｂ）は
プローブを捨て肉部に移動させた状態の斜視図である。

【図２】同実施形態を示す図で、（ａ）はプローブを捨
て肉部から引き抜いた状態の斜視図、（ｂ）は捨て肉部
を切断除去した状態の斜視図である。

【図３】この発明のもう一つの実施形態（第２実施形
態）を示す接合前の状態の斜視図である。

【図４】同実施形態を示す図で、（ａ）は接合途中の状
態の斜視図、（ｂ）はプローブを捨て肉部から引き抜い
た状態の斜視図である。

【図５】従来の摩擦撹拌接合を示す図で、（ａ）は２個
の接合部材の嵌合前の状態の斜視図、（ｂ）は２個の接
合部材の嵌合後の状態の斜視図である。

【図６】従来の摩擦撹拌接合の欠点を示す図で、（ａ）
は接合途中の状態の斜視図、（ｂ）は接合後の状態の斜
視図である。

【符号の説明】

１、２…接合部材３…捨て肉部４…プローブ引抜き孔７…サスペンションアーム用部材のブッシュ装着部材
（接合部材）８…部材本体（接合部材）９…捨て肉部１０…プローブ引抜き孔２０…接合工具２２…プローブＡ…嵌合部（接合部）Ｂ…突合せ部（接合部）Ｗ…接合ビード部Ｗ１…始端部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者内山利光堺市海山町６丁224番地昭和アルミニウム株式会社内Ｆターム(参考） 4E067 AA05 BG02 DA13 DA17 DD02 EC01 EC06

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】終端部が始端部に戻るような接合部
（Ａ）（Ｂ）を有する接合部材（１）（２）（７）
（８）における前記接合部に、回転するプローブ（22）
を挿入し、プローブとの接触部を摩擦熱にて軟化させ撹
拌しながら、プローブ（22）を挿入状態で前記接合部に
沿って相対的に移動させることにより、前記接合部材を
接合する摩擦撹拌接合法において、接合終了時に、前記挿入状態のプローブ（22）を、その
移動方向を変えて、前記接合部材の接合部以外の位置に
設けられた捨て肉部（３）（９）に移動させることを特
徴とする摩擦撹拌接合法。