JP2001246482A - 溶接方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 押え治具や支持部材を用いたり材料の厚さを
厚くすることなく摩擦撹拌溶接時の材料の逃げを防止す
ることができ、軽量化および材料費の低減を図ることが
できる溶接方法を提供する。 【解決手段】 筒状本体１０の開口部に蓋体１１を設
け、これら筒状本体１０および蓋体１１の結合箇所に、
それらの材料よりも硬い材料からなるプローブピン１３
を回転させながら挿入し、結合領域に沿ってプローブピ
ン１３を回転させながら移動させることで筒状本体１０
および蓋体１１どうしを固定する溶接方法である。蓋体
１１の一面に溝１１ａを形成するとともにこの溝１１ａ
に筒状本体１０の縁部を挿入し、溝１１ａと反対側の面
でプローブピン１３を挿入した状態で溝１１ａに沿って
移動させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、摩擦撹拌溶接（Fr
iction Stir Welding）方法を用いて例えばタンクを組
み立てる溶接方法に係り、特に、内圧が加わる圧力用燃
料タンクの製造方法に適した溶接方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】摩擦接合は部材どうしを圧接させた状態
で相対的に回転させ、両者の摩擦によって生じた熱によ
って部材どうしを接合する方法であり、従来よりさまざ
まな方法が確立されている。近年においては、アルミニ
ウム等の低融点材料を溶接する方法として摩擦撹拌溶接
方法が新しい溶接技術として確立しつつある。

【０００３】摩擦撹拌溶接方法では、硬質の高融点材料
で作製されたプローブピンを回転させながらアルミニウ
ム等の低融点材料どうしの突合せ箇所に押し込み、プロ
ーブピンと材料との間で摩擦熱を発生させて材料に可塑
性領域を生じさせる。そして、プローブピンを結合領域
に沿って移動させることにより、プローブピンが通過し
た後の可塑性領域を凝固させ、材料どうしを結合させ
る。このような摩擦撹拌溶接方法の基本的原理は、特許
番号第２７１２８３８号および特許番号第２７９２２３
３号の各特許公報に開示されている。

【０００４】上記のような溶接方法では、材料を溶融せ
ずに可塑性領域を生成することによる結合溶接方法であ
るため発生熱が少ない。このため、熱影響部の範囲が小
さくしかも非常に小さな熱量で接合することができる等
の利点がある。したがって、この摩擦撹拌溶接方法は、
燃料タンク、特にその内部に吸蔵材や吸着材あるいは燃
料改質剤等の熱によって性能が低下するものを充填した
次世代型燃料タンクの製造方法に適している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、摩擦撹
拌溶接方法では、プローブピンを大きな力で材料に押し
付けなければならないため、その押付け力で材料が変形
しないように治具などの支持部材で材料を支持する必要
が生じることがある。ところが、摩擦撹拌溶接方法を密
閉容器であるタンクの製造方法に適用する場合には、そ
の支持部材が燃料タンクの中に残ってしまうという不都
合があった。

【０００６】たとえば、特開平１０−１６００９７号公
報には、筒状体の両端開口に蓋体を摩擦撹拌溶接方法で
固定するに際して、結合箇所をリング状のワゴン車輪で
内側から支持し、筒状体、蓋体およびワゴン車輪を同時
に溶接する技術が開示されている。この技術は、ワゴン
車輪が摩擦撹拌溶接時の支持部材となるとともに、燃料
タンク内の内圧に対する補強リブの機能をも奏するとい
う合理的で優れた技術である。

【０００７】しかしながら、自動車の燃料であるガソリ
ン、軽油、アルコールおよび天然ガス、あるいは水素と
いった次世代燃料のタンクでは内圧が３０．０ＭＰａ以
下と比較的低い。このため、タンク内圧に対する補強部
材を特に必要とせず、高容量軽量構造であることが第一
に要求される。したがって、上記のようなワゴン車輪に
よる補強は、現状の使用条件からすれば過剰品質であ
り、むしろ燃料タンクの重量増加および製造コストの増
大といった欠点の方が問題となる。

【０００８】さらに、プローブピンを回転させながら材
料中を移動させてゆくと、摩擦熱によって生じた可塑性
領域がプローブピンの通過した後に押し出されてプロー
ブピン後方の空隙を充填するが、溶接が終了してプロー
ブピンを材料から引き抜くとそこに空隙が発生する。そ
して、その空隙は強度低下の原因となるため、材料と同
じかそれに近い材質の溶接棒を用いて、電気溶接等の方
法によって空隙を埋める工程が必要となる。

【０００９】治具ないし支持部材を用いた摩擦撹拌溶接
方法で燃料タンクを製造する場合の不都合は他にもあ
り、それを図５以下を参照して説明する。図５（Ａ）は
筒状本体１の開口部に蓋体２を嵌合し、蓋体２を支持部
材３で支持した溶接前の燃料タンクの構造を示してい
る。この状態でプローブ４を回転させながらプローブピ
ン５を蓋体２の縁部に押し込んでゆくと、プローブピン
５の高い押付け力と回転運動により、筒状本体１の一部
が外側へ逃げようとする。このため、筒状本体１と蓋体
２とをかなり高精度で嵌合させた場合であっても、溶接
が不完全になる部分が生じる。

【００１０】そこで、図５（Ｂ）に示すように、筒状本
体１の外周に押え治具６を蓋体２に近接して配置し、外
側へ逃げようとする筒状本体１の外側を押圧することが
考えられる。ところが、そのような押え治具６を用いる
と、熱影響部Ｈが押え治具６にまで広がって押え治具６
と筒状本体１とが部分的に溶接されてしまうという不都
合が生じる。

【００１１】図６（Ａ）は、押え治具６への熱影響部Ｈ
の広がりを防止するために、押え治具６を蓋体２からず
れた位置に配置した状態を示すものである。しかしなが
ら、このようにすると、プローブピン５の高い押付け力
と回転により、図５（Ｄ）に示すように筒状本体１の一
部が外周側へ逃げてしまい、図５（Ａ）に示す場合と同
様に溶接が不完全になる部分が生じるという不都合があ
る。以上のように、燃料タンク内に支持部材３を設けた
場合であっても、プローブピン５の高い押付け力を保持
する手段が必要となり、また、その際には上記のような
不都合が生じない構造にしなければならない。

【００１２】図７（Ａ）は筒状本体１と蓋体２との縁部
に段部１ａ，２ａをそれぞれ形成し、段部１ａ，２ａど
うしを嵌合させて前述の支持部材３の機能を筒状本体１
の段部１ａに付与したものである。しかしながら、この
ような方法によっても、図５（Ａ）および図６（Ａ）に
示す場合と同様に、プローブピン５の高い押付け力によ
って筒状本体１の一部が外側へ逃げるという不都合を回
避することはできない。また、図７（Ｂ）に示すよう
に、筒状本体１の外周に押さえ時部６を蓋体２に近接し
て配置すると、熱影響部Ｈが押え治具６にまで広がって
筒状本体１と押え治具６とが部分的に溶接されてしまう
という前記と同じ不都合が生じる。

【００１３】したがって、上記のような手段では、結局
のところ筒状本体１の肉厚を厚くすることにより、プロ
ーブピン５の高い押付け力によっても外側へ逃げないよ
うな剛性を付与するしか対策はなく、その結果、重量と
材料費の増大を招来するという欠点を有している。よっ
て、本発明は上記従来技術の欠点を解消するためになさ
れたもので、押え治具や支持部材を用いたり材料の厚さ
を厚くすることなく摩擦撹拌溶接時の材料の逃げを防止
することができ、したがって、軽量化および材料費の低
減を図ることができる溶接方法を提供することを目的と
している。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明の溶接方法は、筒
状本体の開口部に蓋体を設け、これら筒状本体および蓋
体の結合箇所に、それらの材料よりも硬い材料からなる
ピンを回転させながら挿入し、結合領域に沿って上記ピ
ンを回転させながら移動させることで筒状本体および蓋
体どうしを固定する溶接方法において、蓋体の一面に凹
部を設けるとともにこの凹部に筒状本体の縁部を挿入
し、上記蓋体の凹部と反対側の表面でピンを挿入した状
態で凹部に沿って移動させることを特徴としている。

【００１５】凹部と反対側からピンを回転させながら押
し付けると、蓋体を構成する材料がピンとの摩擦熱によ
り可塑化してピンが中に挿入される。そして、ピンを回
転させながら凹部に沿って移動させると、摩擦熱によっ
て生じた可塑性領域がピンの通過した後に押し出されて
ピン後方の空隙を充填する。この場合において、ピンの
押付け力によって筒状本体の縁部に外周側または内周側
へ向かう力が作用することがあるが、筒状本体の縁部が
凹部に挿入されているから内外周側へ逃げるようなこと
がない。したがって、従来技術のような押え治具は不要
であるとともに、筒状本体の肉厚を厚くする必要もな
い。また、ピンの押付け力は筒状本体で支持されるから
支持部材も不要である。

【００１６】ここで、ピンを凹部に沿って移動させた後
にピンを凹部の外側へ移動させ、その位置でピンを蓋体
から抜き出すことが望ましい。このようにすることでピ
ンを抜き出した後の空隙が結合領域以外の箇所で生じ、
結合強度に影響を及ぼすことがないことから、空隙を塞
ぐ必要がない。なお、この場合、タンクの内圧に対する
強度を考慮すると、ピンは凹部の外周側へ移動させるの
が望ましい。

【００１７】凹部は、蓋体に断続的に設けることも可能
であるが、筒状本体の全周に亘って連続的に設けるのが
強度向上のためには望ましい。また、凹部の断面形状は
任意であり、矩形状、三角形状、台形状、円弧状または
円弧状と矩形状や台形状等との組合せを採用することが
できる。筒状本体の凹部に挿入される縁部の断面形状も
任意であり、凹部の断面形状と同一形状でも異なる形状
でも良い。なお、本発明は、内圧が１０．０ＭＰａ以下
の燃料タンクの製造方法に用いて好適である。

【００１８】

【発明の実施の形態】次に、図１および図２を参照して
本発明の実施の形態について説明する。図１は本発明の
溶接方法を燃料タンクの製造方法を例にとって説明する
ための図であって、同図（Ａ）は摩擦撹拌溶接方法によ
る溶接を行う前の状態を示している。図中符号１０は筒
状本体、１１は蓋体である。蓋体１１のタンク内部側を
向く裏面には、溝（凹部）１１ａが筒状本体１０の縁部
に沿って形成されている。同図（Ａ）に示す状態から筒
状本体１０の縁部が溝１１ａに嵌合させられ、回転して
いるプローブ１２のプローブピン（ピン）１３が凹部１
１ａの反対側から蓋体１１に挿入される。そして、プロ
ーブピン１３は、溝１１ａに沿って移動させられ、プロ
ーブピン１３が通過した後の空隙に摩擦熱によって生じ
た可塑性領域が押し出されて空隙に充填される（図１
（Ｂ）参照）。

【００１９】このような溶接方法では、プローブピン１
３の押付け力によって筒状本体１０の縁部に外周側へ向
かう力が作用した場合であっても、筒状本体１０の縁部
が溝１１に挿入されているから外周側へ逃げるようなこ
とがない。したがって、押え治具は不要であるととも
に、筒状本体１０の肉厚を厚くする必要もない。また、
プローブピン１３の押付け力は筒状本体１０で支持され
るから支持部材も不要である。

【００２０】次に、図２（Ａ）は有底円筒状の筒状本体
２０の開口部を蓋体２１で密閉した燃料タンクの製造方
法に本発明を適用した例を示す断面図である。この燃料
タンクにおいても蓋体２１の裏面には、筒状本体２０の
縁部に沿う溝２１ａが形成され、溝２１ａには筒状本体
２０の縁部が嵌合させられている。そして、溝２１ａの
反対側から回転しているプローブピン（図示略）を挿入
し、溝２１ａに沿って移動させることにより、筒状本体
２０と蓋体２１との結合が行われる。

【００２１】図２（Ｂ）は略円筒状をなす筒状本体３０
の両端開口部を蓋体３１で密閉した燃料タンクの製造方
法に本発明を適用した例を示す断面図である。この燃料
タンクでは、筒状本体３０の中央部に内部を２室に区画
するための隔壁３２が設けられている。このように、本
発明は、単なる筒状のタンクを製造するための溶接方法
に限定されるものではなく、内部が複数に分割されてい
るものにも適用可能である。

【００２２】図３（Ａ），（Ｂ）は、１０個のセル４２
を有するアルミニウム製の押出し成形された筒状本体４
０と蓋体４１からなる燃料タンクを示すものであり、本
発明の溶接方法はそのような燃料タンクの製造方法にも
適用することができる。この燃料タンクの筒状本体の縁
部は蓋体４１の裏面に形成された溝に嵌合させられ、前
記と同様にして溝の反対側から摩擦撹拌溶接方法により
互いに結合される。この場合、プローブピンを蓋体４１
から抜き出す際には、図３（Ａ）に示すように、筒状本
体４０の外壁部よりも外側にプローブピンを移動させて
から行う。これにより、図中符号Ｐで示すように、プロ
ーブピンを抜いた後の空隙が結合領域の外側に形成され
るので結合領域の強度が維持され、その空隙を溶接によ
って埋める必要がない。なお、プローブピンを抜いた後
の空隙は他の箇所にも形成されるが、それらも同様に結
合領域の外側とされる。

【００２３】なお、本発明の溶接方法では、全てを摩擦
撹拌溶接方法により結合する必要はない。たとえば、図
３（Ｂ）の下側の蓋体４１と筒状本体４０とを例えばＹ
ＡＧレーザ溶接法や真空ろう付け法などによって溶接
し、上側の蓋体４１と筒状本体４０との結合を摩擦撹拌
溶接方法によって結合することができる。また、そのよ
うな摩擦撹拌溶接以外の溶接方法を兼用する場合には、
溝に筒状本体を嵌合させる必要はなく、一般的な隅肉溶
接を用いたりろう材を溶接部分どうしの間に介在させる
などの方法を用いれば良い。

【００２４】

【実施例】次に、具体的な実施例により本発明をさらに
詳細に説明する。アルミニウム合金（Ａ６０６３−Ｔ
５）製の２枚の板の側部どうしを突き合わせ、図３
（Ｃ）に示すテーパ状のプローブピン５１を有するプロ
ーブ５０を用いて摩擦撹拌溶接方法により結合した。そ
の場合のプローブ５０の回転数を２５００ｒｐｍとし、
プローブ５０の送り速度を１５０ｍｍ／ｍｉｎとした。

【００２５】具体的には、プローブピン５１を上記の条
件で回転させながら母材５２どうしの突合せ部に押し込
み、プローブピン５１が母材５２の内部で回転すること
で摩擦熱が発生し、結合部分が軟化する温度まで上昇し
た。その際、プローブピン５１の近傍では母材５２がプ
ローブピン５１の回転に伴って流動し、混ざり合って一
体化した結合部５３が形成される。そのとき、結合部５
３は４５０℃前後まで加熱されたが溶融する温度（約６
６０℃）には至らないので、一般的な溶接結合と比較し
て小さな熱量で結合させることができる。

【００２６】図４（Ｂ）は上記のようにして結合した母
材の結合部の抗張力を測定した結果を示す線図である。
摩擦撹拌溶接（ＦＳＷ）方法による結合部の抗張力は１
７３．０ＭＰａであり、母材の抗張力が２２４．８ＭＰ
ａであることから、その継手効率は約７７％であった。
これに対して、ＹＡＧレーザ溶接法を用いて結合した結
合部の抗張力は１３１．８ＭＰａであり、継手効率は約
５９％であった。

【００２７】同様にして、図３（Ａ），（Ｂ）に示す燃
料タンクを製造した。この燃料タンクの各セル４２に
は、天然ガスの吸着用活性炭を充填した。なお、筒状本
体４０の肉厚は約２ｍｍ、蓋体４１の肉厚は約８ｍｍと
した。蓋体４１の厚さをそのように厚くすることによ
り、筒状本体４０の縁部を嵌合させるための溝の加工が
容易となり、また、蓋４１自体を自動車の車体に取り付
けるためのブラケットとして兼用することもできる。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように本発明においては、
蓋体のタンク内部側を向く裏面に凹部を設けるとともに
この凹部に筒状本体の縁部を挿入し、同凹部と反対側の
表面からピンを挿入して凹部に沿って移動させるから、
筒状本体の縁部が外周側へ逃げるようなことがなく、し
たがって、押え治具は不要であるとともに、筒状本体の
肉厚を厚くする必要もなく、また、ピンの押付け力は筒
状本体で支持されるから支持部材も不要になるという効
果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の溶接方法を説明するための図であっ
て、（Ａ）は溶接前、（Ｂ）は溶接後の燃料タンクを示
す断面図である。

【図２】 （Ａ），（Ｂ）は本発明の溶接方法が適用さ
れる燃料タンクの例をそれぞれ示す断面図である。

【図３】 （Ａ）は本発明の溶接方法が適用される燃料
タンクの（Ｂ）におけるＡ−Ａ線断面図、（Ｂ）はその
側面図、（Ｃ）は本発明の実施例で用いたプローブを示
す側面図である。

【図４】 （Ａ）は本発明の実施例における摩擦拡散溶
接方法を説明するための斜視図であり、（Ｂ）は各溶接
方法における結合部の抗張力を示す線図である。

【図５】 （Ａ），（Ｂ）は従来の摩擦拡散溶接方法の
例を示す断面図である。

【図６】 （Ａ），（Ｂ）は従来の摩擦拡散溶接方法の
他の例を示す断面図である。

【図７】 （Ａ），（Ｂ）は従来の摩擦拡散溶接方法の
さらに他の例を示す断面図である。

【符号の説明】

１０ 筒状本体 １１ 蓋体 １１ａ 溝（凹部） １２ プローブ １３ プローブピン（ピン）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 風間 仁 埼玉県和光市中央１丁目４番１号 株式会 社本田技術研究所内 (72)発明者 熊谷 正樹 東京都港区新橋５丁目11番３号 住友軽金 属工業株式会社内 (72)発明者 佐野 啓路 東京都港区新橋５丁目11番３号 住友軽金 属工業株式会社内 Ｆターム(参考） 4E067 AA05 BG00 EA07 EB06

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 筒状本体の開口部に蓋体を設け、これら
   筒状本体および蓋体の結合箇所に、それらの材料よりも
   硬い材料からなるピンを回転させながら挿入し、結合領
   域に沿って上記ピンを回転させながら移動させることで
   上記筒状本体および上記蓋体どうしを固定する溶接方法
   において、 上記蓋体の一面に凹部を設けるとともにこの凹部に上記
   筒状本体の縁部を挿入し、上記蓋体の同凹部と反対側の
   面で上記ピンを挿入した状態で上記凹部に沿って移動さ
   せることを特徴とする溶接方法。
2. 【請求項２】 前記ピンを前記凹部に沿って移動させた
   後に上記ピンを上記凹部の外側へ移動させ、その位置で
   上記ピンを前記蓋体から抜き出すことを特徴とする請求
   項１に記載の溶接方法。