JP2000042781A

JP2000042781A - 凹状欠陥部の補修方法

Info

Publication number: JP2000042781A
Application number: JP10213984A
Authority: JP
Inventors: Mitsuo Hattori; 光男服部
Original assignee: Showa Aluminum Corp
Current assignee: Showa Aluminum Can Corp
Priority date: 1998-07-29
Filing date: 1998-07-29
Publication date: 2000-02-15

Abstract

(57)【要約】【課題】摩擦攪拌接合における接合終端に生じる抜き
孔のような凹状欠陥部を簡単な操作で確実に補修し、強
度及び外観を大きく向上させる手段を提供する。【解決手段】抜き孔３に被接合材１と略同様の材料か
らなる充填物４を詰め込んだのち、抜き孔３の口径より
もヘッド先端径の大きい摩擦攪拌接合ツール５を用い
て、抜き孔３を含む領域の被接合材表層部１０を摩擦攪
拌接合することにより、充填物４の上部を被接合材１に
一体化させる。

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、摩擦攪拌接合法
によって被接合材を接合一体化した際の接合終端に生じ
る抜き孔や、各種材料表面に存在する気泡孔、ピンホー
ル、亀裂等の凹状欠陥部を補修する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、金属材の溶接やロウ付けに代わる
新しい接合手段として、摩擦攪拌接合（Ｆｒｉｃｔｉｏ
ｎＳｔｉｒＷｅｌｄｉｎｇ）法が登場している。こ
の接合法は、例えば特表平７−５０５０９０号公報に開
示されているように、被加工物よりも硬い材質のプロー
ブ（棒状物）を回転させながら被加工物に摺接させた際
に、この摺接部分で発生する摩擦熱と圧力によって被加
工物素材が塑性流動化するため、該プローブが被加工物
中に埋入して且つこの埋入状態のまま被加工物中を移動
可能になることを利用したものである。

【０００３】例えば、図１（Ａ）に示すように、金属板
（１）（１）同士を突き合わせて接合する場合、摩擦攪
拌接合ツール（２）として、加工ヘッド（20）がねじ軸
状のプローブ（21）の基部周囲にショルダー部（22）を
有するものを用い、該加工ヘッド（20）を高速回転させ
ながら接合線Ｌの始端部に押し付けてプローブ（21）を
埋入させ、矢印で示すように該接合線Ｌに沿って移動さ
せる。これにより、進行するプローブ（21）の前方側で
は摩擦熱と圧力によって金属板（１）（１）の素材が塑
性流動し、攪拌混練されながら該プローブ（21）の後方
側へ漸次移行するが、この後方側では摩擦熱を失って急
速に冷却固化するから、両金属板（１）（１）は素材金
属が攪拌混練されて完全に一体化した状態で接合され
る。

【０００４】この場合、金属素材が塑性流動する温度は
融点よりもかなり低く、接合は固相接合の範疇に入るか
ら、接合過程を通して金属材への入熱量は溶接やロウ付
けに比較して極めて少なく、接合部近傍の熱歪みによる
変形や割れを生じにくく、合金の場合でも接合部の組成
変化を生じないという利点がある。なお、この摩擦攪拌
接合において、加工ヘッド（20）を軸線が若干後傾した
状態で移動させることにより、塑性流動した素材をショ
ルダー部（22）で上から押さえて接合部表面を均すよう
にしている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな摩擦攪拌接合において、図１（Ｂ）に示すように接
合終端で加工ヘッド（20）を引き上げて埋入していたプ
ローブ（21）を抜き出すと、該接合終端には突軸部（2
1）に対応した抜き孔（３）が生じることになるが、こ
の抜き孔（３）部分に応力が集中するために接合強度が
低下すると共に外観体裁も悪化するため、用途面で様々
な支障をきたしたり、商品価値が低下するという問題が
あった。

【０００６】この発明は、上述の事情に鑑みて、摩擦攪
拌接合における接合終端に生じる抜き孔のような凹状欠
陥部を簡単な操作で確実に補修し、もって強度及び外観
を大きく向上させ得る手段を提供することを目的として
いる。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１の発明に係る凹状欠陥部の補修方法は、摩
擦攪拌接合ツールの加工ヘッドを埋入状態で回転しつつ
進行させて被接合材同士を接合一体化する摩擦攪拌接合
において、接合終端での前記加工ヘッドの引き上げによ
って生じた抜き孔よりなる凹状欠陥部に被接合材と略同
様の材料からなる充填物を詰め込んだのち、前記抜き孔
の口径よりもヘッド先端径の大きい摩擦攪拌接合ツール
を用いて、前記充填物を詰め込んだ凹状欠陥部を含む領
域の被接合材表層部を摩擦攪拌接合することにより、前
記充填物の上部を被接合材に一体化させることを特徴と
している。なお、加工ヘッドの進行には、加工ヘッドそ
のものを進行させる場合のほか、被補修材を移動させる
ことにより加工ヘッドを相対的に進行させる場合も含ま
れる。

【０００８】この補修方法によれば、摩擦攪拌接合の接
合終端に生じる抜き孔が充填物で埋められ、且つこの充
填物の上部が抜き孔周囲の被接合材と完全に一体化した
表層部を形成すると共に、径大のヘッド先端によって浅
く摩擦攪拌接合することになるから抜き孔を生じず、被
接合材表面は当初の抜き孔の形状が消え去った均一面と
なり、もって外観体裁が著しく向上すると共に、抜き孔
位置への応力集中が少なくなり、もって被接合材同士の
接合強度も大きくなる。

【０００９】上記の充填物は、請求項２の発明で規定す
る円柱状片の他、粉末形態、溶融形態等として抜き孔に
詰め込むことができる。ただし、粉末形態では、摩擦攪
拌接合による接合性に難があると共に、上部以外は粉末
のまま被接合材内部に残ることになるため、他の形態に
比較して接合強度にやや劣る。また溶融形態では操作的
に困難を伴う。しかして、請求項３の発明では、請求項
２の発明のように充填物を円柱状片とする場合に、この
円柱状片として外周にねじを刻設したものを用いるた
め、抜き孔に対して該円柱状片を螺挿によって容易に且
つ確実に詰め込むことができる上、表層部の摩擦攪拌接
合において塑性流動した素材が下部のねじ溝に入り込む
ことから、接合強度がより向上する。

【００１０】請求項４の発明に係る凹状欠陥部の補修方
法は、上記の摩擦攪拌接合における抜き孔の補修手段を
一般的な材料表面の凹状欠陥部の補修に応用したもので
あり、被補修材表面の凹状欠陥部に該被補修材略同様の
材料からなる充填物を詰め込んだのち、この凹状欠陥部
の径又は幅よりもヘッド先端径の大きい摩擦攪拌接合ツ
ールを用いて、前記充填物を詰め込んだ凹状欠陥部を含
む領域の被補修材表層部を摩擦攪拌接合することによ
り、前記充填物の上部を被補修材に一体化させることを
特徴としている。

【００１１】この請求項４の構成では、請求項１の補修
方法と同様に、材料表面の凹状欠陥部が充填物で埋めら
れ、この充填物の上部が周囲の被補修材と完全に一体化
した表層部を形成すると共に、サイズの大きいヘッド先
端によって浅く摩擦攪拌接合することから抜き孔を生じ
ず、被補修材表面は当初の凹状欠陥部が消え去った均一
面となり、もって外観体裁が著しく向上すると共に、元
の欠陥部位置への応力集中が少なくなり、被補修材自体
の強度が増大する。

【００１２】請求項５の発明は、上記請求項１〜４のい
ずれかの凹状欠陥部の補修方法において、補修時の摩擦
攪拌接合ツールの加工ヘッドをその回転軸線が後傾した
状態で前進させて摩擦攪拌接合することから、接合終端
において加工ヘッドを持ち上げた際の痕跡がより軽度に
なり、外観体裁が更に向上する。なお、加工ヘッドの前
進には、加工ヘッドそのものを前進させる場合のほか、
被補修材を移動させることにより加工ヘッドを相対的に
前進させる場合も含まれる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、この発明に係る金属材の接
合方法について図面を参照して具体的に説明する。図２
（Ａ）〜（Ｄ）は、既述の図１を参照して説明した摩擦
攪拌接合における接合終端で生じた抜き孔（３）を補修
する第一実施例の補修方法を示す。また、図３（Ａ）〜
（Ｄ）は一般の金属板材表面に存在する凹状欠陥部を補
修する第二実施例の補修方法を示す。

【００１４】第一実施例の補修方法では、まず図２
（Ａ）に示すように、摩擦攪拌接合によって接合された
アルミニウムやその合金等よりなる金属板（１）（１）
の接合終端に生じた抜き孔（３）に、これら金属板
（１）（１）と同材質で外周にねじ（４ａ）を刻設した
円柱状片（４）をねじ込む。なお、この円柱状片（４）
としては、抜き孔（３）の口径と略同径で、長さが該抜
き孔（３）の深さよりも僅かに長いものを用い、ねじ込
んだ状態で図２（Ｂ）に示すように頂部を金属板（１）
の表面から少し突出させる。この突出分は、摩擦攪拌接
合時に塑性流動化して内部の間隙に入り込む分量を補
い、接合後の表面が材料不足で凹むのを防ぐものであ
る。

【００１５】次に、図２（Ｂ）に示すような先端径の大
きい加工ヘッド（50）を有する摩擦攪拌接合ツール
（５）、つまり先の金属板（１）（１）同士の接合一体
化に使用した図１に示す摩擦攪拌接合ツール（２）にお
けるプローブ（21）を除いてショルダー部（22）のみと
した形態に相当するものを用い、その軸心が傾斜角３〜
５°程度に後傾した状態で高速回転させつつ、円柱状片
（４）をねじ込んだ抜き孔（３）の手前の位置に押し当
て、図２（Ｃ）の仮想線で示すように該加工ヘッド（5
0）の先端後部が浅く埋入した状態で、図２（Ｃ）の実
線で示すように円柱状片（４）をねじ込んだ抜き孔
（３）上を通過するように移動させる。

【００１６】これにより、図２（Ｄ）に示すように、加
工ヘッド（50）が通過した金属板（１）の表層部（10）
が摩擦攪拌接合され、抜き孔（３）にねじ込んだ円柱状
片（４）の上部が周囲の金属板（１）の素材と混じり合
って完全に一体化し、該金属板（１）の表面から当初の
抜き孔（３）の形状は消え去る。しかして、加工ヘッド
（50）は径大であって、且つ後傾した状態で浅く摩擦攪
拌接合するから、接合終端に抜き孔を生じず、接合終端
での痕跡も軽度となる。従って、補修後の接合品は、表
面が平坦で良好な外観体裁を備えると共に、抜き孔
（３）位置への応力集中が少なくなって金属板（１）
（１）の接合強度も大きく向上し、外観や強度面より用
途上の制約を受けることがなく、高い商品価値を有する
ものとなる。

【００１７】なお、円柱状片（４）として平坦な周面を
有するものも支障なく使用できるが、ねじ（４ａ）を刻
設したものでは、抜き孔（３）への詰め込みをドライバ
ー等を利用した螺挿によって容易に行えると共に、表層
部（10）の摩擦攪拌接合において塑性流動した素材が下
部のねじ溝に入り込むことから、接合強度がより向上す
るという利点がある。更に、このような円柱状片（４）
に代えて、粉末形態や溶融形態の充填物を抜き孔（３）
に詰め込み、前記同様の浅い摩擦攪拌接合によって該抜
き孔（３）を補修することも可能である。ただし、粉末
形態では、摩擦攪拌接合による接合性に難があると共
に、上部以外は粉末のまま被接合材内部に残ることにな
るため、他の形態に比較して接合強度にやや劣る。また
溶融形態では、高温のまま抜き孔（３）に流し込むこと
になるから、その操作に困難さを伴う。

【００１８】第二実施例の補修方法では、図３（Ａ）に
示すような表面に気泡（60）による膨れ（６ａ）や孔
（６ｂ）の如き凹状欠陥部（６）のある金属板（７）を
補修対象とし、膨れ（６ａ）の箇所については天井部
（61）を除去して孔を露呈させた上で、これら凹状欠陥
部（６）…の形状及び大きさに応じて、図３（Ｂ）に示
すように適当なサイズの補修片（８）…を頂部が少し突
出する状態に詰め込む。なお、これら補修片（８）…に
は金属板（７）と同様の材質のものを使用する。

【００１９】次に、前記第一実施例と同様の加工ヘッド
（50）を備えた摩擦攪拌接合ツール（５）を用い、図３
（Ｃ）に示すように軸心が傾斜角３〜５°程度した後傾
した状態で高速回転させつつ金属板（７）の表面に押し
当て、該加工ヘッド（50）の先端後部が浅く埋入した状
態で、凹状欠陥部（６）…上を通過するように移動させ
る。

【００２０】これにより、図３（Ｄ）に示すように、加
工ヘッド（50）が通過した金属板（７）の表層部（70）
が摩擦攪拌接合され、各凹状欠陥部（６）に詰め込んだ
補修片（８）の上部が周囲の金属板（７）の素材と完全
に混じり合って一体化し、該金属板（７）の表面は凹状
欠陥部（６）…の痕跡がない平坦状となる。従って、補
修後の金属板（７）は、良好な外観体裁を備えると共
に、元の凹状欠陥部（６）があった部分は表層部（70）
で連続的に繋がって且つ内部に空洞を残さないため、強
度的にも大きく向上し、高い商品価値を有するものとな
る。

【００２１】なお、上記第二実施例では凹状欠陥部
（６）への充填物として補修片（８）を用いているが、
凹状欠陥部（６）の状況によって充填物の形態を適宜選
択すればよい。例えば凹状欠陥部（６）がピンホール状
や亀裂状をなす場合は、粉末形態の充填物で埋めるか、
前者では針状のもの、後者では板片状のものを差し込む
ようにしてもよい。

【００２２】また、上記の第一及び第二実施例で使用し
た補修用の摩擦攪拌接合ツール（５）は、図１に示す摩
擦攪拌接合ツール（２）におけるプローブ（21）を除い
てショルダー部（22）のみとした形態に相当するもので
あるが、通常の摩擦攪拌接合に伴って生じる抜き孔
（３）の補修には該抜き孔（３）の口径よりもヘッド先
端径の大きいものを用いればよく、また一般的な材料表
面の凹状欠陥部の補修には該凹状欠陥部の径又は幅より
もヘッド先端径の大きいものを用いればよい。一方、こ
の発明の補修方法を適用する被補修材（被接合材）の材
質、形状、寸法、接合形態等は特に制約はない。

【００２３】

【発明の効果】請求項１の発明に係る凹状欠陥部の補修
方法によれば、摩擦攪拌接合による被接合材同士の接合
における接合終端に生じる抜き孔を塞いで、しかも簡単
な手段により、塞いだ抜き孔部分を被接合材の表層部で
周囲と完全に一体化させ、該抜き孔の形状を表面から消
去して平坦表面とすることができ、もって接合品の外観
体裁及び接合強度を向上させて高い商品価値を付与でき
る。

【００２４】請求項２の発明によれば、上記の補修方法
において、摩擦攪拌接合における接合終端の抜き孔に詰
める充填物として円柱状片を用いることから、詰め込み
操作が容易であると共に、接合強度をより向上できると
いう利点がある。

【００２５】請求項３の発明によれば、上記の充填物が
円柱状片である場合に、この円柱状片として外周にねじ
を刻設したものを用いるため、抜き孔に対してドライバ
ー等を利用して容易に且つ確実に詰め込むことができる
上、接合品の接合強度を更に向上できるという利点があ
る。

【００２６】請求項４の発明に係る凹状欠陥部の補修方
法によれば、一般的な材料表面の凹状欠陥部を補修対象
として、該凹状欠陥部を塞ぎ、この塞いだ部分を被補修
材の表層部で周囲と完全に一体化して、且つ被補修材の
表面から凹状欠陥部の痕跡を消し去って平坦表面とする
ことができ、もって被補修材の外観及び強度を向上させ
て高い商品価値を付与できる。

【００２７】請求項５の発明によれば、上記の補修方法
において、補修に用いる摩擦攪拌接合ツールの加工ヘッ
ドを接合終端で持ち上げた際の痕跡がより軽度になり、
外観体裁が更に向上するという利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】摩擦攪拌接合による金属板同士の接合を示し、
（Ａ）は接合途上の斜視図、（Ｂ）は接合終端で摩擦攪
拌接合ツールの加工ヘッド引き上げた状態の縦断側面図
である。

【図２】この発明に係る凹状欠陥部の補修方法の第一実
施例を示し、（Ａ）は摩擦攪拌接合の接合終端に生じた
抜き孔に円柱状片を詰め込む段階の縦断側面図、（Ｂ）
は同円柱状片の詰め込み後に補修用の摩擦攪拌接合を開
始する段階の縦断側面図、（Ｃ）図は同補修用の摩擦攪
拌接合の状況を示す縦断側面図、（Ｄ）は補修後の状態
を示す縦断側面図である。

【図３】この発明に係る凹状欠陥部の補修方法の第二実
施例を示し、（Ａ）は補修対象とする金属板の縦断面
図、（Ｂ）は同金属板の凹状欠陥部に補修片を詰め込ん
だ状態の縦断面図、（Ｂ）は補修用の摩擦攪拌接合の状
況を示す縦断図、（Ｄ）は補修後の金属板の縦断面図で
ある。

【符号の説明】

１・・・金属板（被接合材）１０・・・表層部２・・・摩擦攪拌接合ツール２０・・・加工ヘッド２１・・・プローブ２２・・・ショルダー部３・・・抜き孔（凹状欠陥部）４・・・円柱状片（充填物）４ａ・・・ねじ５・・・摩擦攪拌接合ツール５０・・・加工ヘッド６・・・凹状欠陥部７・・・金属板（被補修材）８・・・補修片（充填物）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】摩擦攪拌接合ツールの加工ヘッドを埋入
状態で回転しつつ進行させて被接合材同士を接合一体化
する摩擦攪拌接合において、接合終端での前記加工ヘッ
ドの引き上げによって生じた抜き孔よりなる凹状欠陥部
に被接合材と略同様の材料からなる充填物を詰め込んだ
のち、前記抜き孔の口径よりもヘッド先端径の大きい摩
擦攪拌接合ツールを用いて、前記充填物を詰め込んだ凹
状欠陥部を含む領域の被接合材表層部を摩擦攪拌接合す
ることにより、前記充填物の上部を被接合材に一体化さ
せることを特徴とする凹状欠陥部の補修方法。
【請求項２】前記充填物が円柱状片からなる請求項１
記載の凹状欠陥部の補修方法。
【請求項３】前記の円柱状片が外周にねじを刻設した
ものである請求項２記載の凹状欠陥部の補修方法。
【請求項４】被補修材表面の凹状欠陥部に該被補修材
略同様の材料からなる充填物を詰め込んだのち、この凹
状欠陥部の径又は幅よりもヘッド先端径の大きい摩擦攪
拌接合ツールを用いて、前記充填物を詰め込んだ凹状欠
陥部を含む領域の被補修材表層部を摩擦攪拌接合するこ
とにより、前記充填物の上部を被補修材に一体化させる
ことを特徴とする凹状欠陥部の補修方法。
【請求項５】補修時の摩擦攪拌接合ツールの加工ヘッ
ドをその回転軸線が後傾した状態で前進させて摩擦攪拌
接合する請求項１〜４のいずれかに記載の凹状欠陥部の
補修方法。