JP2001287053A - 摩擦攪拌接合方法及び接合装置 - Google Patents
摩擦攪拌接合方法及び接合装置Info
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Abstract
るようにする。 【解決手段】回転ツールを用いる摩擦攪拌接合におい
て、ツールに小径のピン部2と、該ピン部を挟んでその
両側にピン部よりも大径のショルダ部3a,3bとを設
け、該ショルダ部の間隔を被接合材13の厚さよりも小
さくし、2つの該ショルダ部3a,3bで被接合材13
を挟むようにして接合する。
Description
び接合構造並びに接合装置に関し、特に接合部に発生す
る空洞や割れ等などの接合欠陥を防止し、接合部の品質
改善に貢献する発明に関する。
質よりも硬い材質のツールを加工物の接合部に挿入し、
このツールを回転させながら移動することによって、ツ
ールと接合材との間で発生する摩擦熱により接合する方
法である。これは特公表7−505090号公報(EPO615480B
1)で公知である。つまり、ツールと接合材との摩擦熱
による塑性流動現象を利用したもので、アーク溶接のよ
うに加工物を溶かして溶接するものでなはい。
方法のように加工物同士を回転してお互いの摩擦熱によ
り接合する方法とは異なり、接合材を接合線方向、つま
り、長手方向に連続的に溶接できる特徴がある。
号公報による摩擦攪拌接合方法におけるツールはピン部
と前記ピン部より細いショルダ部よりなっている。前記
公報の方法で接合する場合、ツールを接合材の内部に挿
入して接合する。つまり、ツールで接合材を押し付けな
がら接合するため、接合材に大きな押し付け力が作用す
る、このため、ツールと反対方向にツールの押し付け力
を支える支持板または支持柱が必要である。
むようにして接合する方法は下記のような課題がある。 (1)2つのショルダ部の間隔と接合材表面との間隔が
接合部の品質に大きく影響する。例えば、ショルダ部の
間隔と接合材との間に空隙がある場合は接合部に圧力が
かからないため、空洞的な欠陥が発生する。また、ショ
ルダ部の間隔と接合材の厚さが同じ場合は、ショルダ部
で挟まれている部分が接合過程で切削されるため、接合
部以外の部分の厚さより薄くなる。このため、接合部の
品質上及び美観の点で問題がある。従って、接合過程に
おける接合材の厚さは2つのショルダ部の間隔より大き
いことが必要である。
一定の厚さではない。特に接合材が長い場合はこの厚さ
の変化は顕著である。さらに、接合材の厚さが一定の場
合でも接合過程で摩擦熱により接合材表面の高さも変化
する。従って、課題の(2)は接合過程におけるツール
は接合材表面の凹凸に応じて上下に変化する必要があ
る。
の両方からショルダ部で挟むようにして接合するため、
ショルダ部が1つからなる従来の接合方法に比べて2倍
の摩擦熱が生じる。従って、課題の(3)は接合過程及
び接合後の接合材のひずみも2倍となり、接合体として
の品質の低下さらに接合後の修正作業が必要となり、コ
ストの点でも問題がある。さらに、接合過程における接
合材の拘束も困難になるなど作業性の点でも問題があ
る。
を挟むようにして接合するため、接合の開始近傍と終了
点近傍では接合材が不足するため接合が不安定となる。
部を両方から一定の間隔をもって挟むように前記ピンよ
り太い2個のショルダ部を有している。つまり、本発明
の摩擦攪拌接合方法では、2つのショルダによって接合
材を表面及び裏面方向から挟むようにして接合する。こ
のため前記公報のようにツールの押し付け力がゼロ
(0)である効果がある。
間隔より接合材の厚さを厚くすることにより達成でき
る。この手段として、ショルダ部に挟まれる部分の接合
材の厚さを予め局部的に厚くすることにより可能とな
る。さらに、接合を安定にするために接合方向に対し
て、前記ツールの前方に接合材表面の高さを検出する検
出器を配置し、この検出器からの高さの変化の検出信号
に応じて前記ツールを上下方向に手動または自動的に制
御することにより可能となる。
ールの近傍に局部的または接合材の全体に水またはオイ
ルまたは冷却ガスをかけながら接合することにより達成
できる。
終了点近傍にスリットを設けることにより可能である。
部分より局部的に厚くすることにより、接合材を表面と
裏面の両方から安定に圧力をかけた状態で接合できる。
このため、接合部に欠陥がない健全な接合部が得られ
る。ショルダによる切削によって、局部的に凹みが生じ
ても予め厚くしているため、接合後は接合部外の厚さと
同じ厚さになる。さらに、2つの接合材の突合わせ部に
ギャップがある場合でも局部的に厚い部分から接合金属
を補充できるため、欠陥なく接合できる。
検出する検出器を配置し、この検出器からの高さの変化
の検出信号に応じてツールを上下方向に手動または自動
的に制御することにより、接合材の厚さまたは変形が生
じても常に安定な接合が可能となる。
部的または接合部を含む接合材全体に水,オイル,ガス
などの冷却剤をかけながら接合することにより、低温で
変形なく接合できるため安定な接合ができる。なお、接
合部の内部圧力はツールの回転と摩擦熱で大気圧より高
いため、接合部の内部に水は浸入しない。
傍にスリットを設けるこにより、接合後、スリットを起
点に容易に破断するため、接合開始部と終了部の不安定
な部分を効率的に除去できる。
の押し付け力に耐える支持板や支持柱がない構造でも接
合できる。このため接合構造の軽量化が可能となる。
例におけるツール構造の断面を示す。ツール1は細いピ
ン部2を囲むように配置されている2個のショルダ部3
a,3bから構成されている。前記ショルダ部3の径
(D)は前記ピン部2の径(d)より太い。ショルダ3
aと3bとの間隔は接合材の厚さにより決定される、な
お、外側の間隔(L)は内側の間隔(X)より小さいこ
とがのぞましい。外側と内側の角度(α)は1〜10度
が望ましい。両者の管が同じ場合は欠陥が発生しやす
い。前記構造のツールはこれが一体で回転する。
断面を示す。前記接合材4a及び4bの接合部の厚さ
(H)は接合部以外の厚さ(h)より局部的に厚くなっ
ていることが特徴である。前記局部的に厚い部分の幅
(A)は、前記ショルダ部3の径(D)と同等かまたは
少し大きい方が望ましい。前記ショルダ部に挟まれる接
合部の厚さ(H)は、接合材の全体の厚さ(h)より
0.3mm 以上、3mm以下が望ましい。0.3mm 以下の場
合は接合材に凹みや欠陥が発生しやすい。
る接合方向の荷重(反力)が増加する点で問題がある。
を接合する場合の実施例の接合部断面を示す。図4は図
3のA−B方向つまり接合方向の断面図を示す。図3,
図4において、ツール1は、接合材4aと4bを前記シ
ョルダ部3aと3bで挟むように配置される。前記ピン
部2とショルダ部3は一体で回転5しながら接合方向6
に移動する。このとき、前記接合材4は前記ピン2の回
転と接合材4との間で発生する摩擦熱により接合され
る。図3,図4において、前記ショルダ部3a,3bに
挟まれる接合材4a,4bの厚さ(T)はショルダ部の
間隔(L)より大きいことが特徴である。 (実施例2)本実施例では接合材として、アルミニウム
合金JIS規格の6N01を接合する場合について説明
する。前記アルミ合金の全体の厚さは4mmであるが、前
記ショルダ部3に挟まれる部分の厚さは6mmで局部的に
厚くなっている。なお、本実施例におけるピン部の径は
8mm、ショルダ部の径は20mm、上下ショルダ部の間隔
(L)は4mmである。ここで、前記ショルダ部に挟まれ
る接合材の厚さ(6mm)は、前記ショルダ部の間隔(4
mm)より局部的に大きいことが特徴である。ここで、第
4に示すように、ツールは接合方向に対して1〜3度傾
斜していることが望ましい。もし、角度が無い(0)の
場合は接合進行方向に対して前方のショルダ部で接合前
に接合材表面が切削されて接合方向への充填金属が不足
するため欠陥となる。
a,4bの幅は各々500mm、長さは25mである。ま
た、ツールの接合速度は500mm/min、回転数は10
00rpm である。前記接合条件で接合することにより欠
陥のない接合部7が得られる。さらに、前記ショルダ部
に挟まれる前記接合材の局部的に厚い部分は、接合過程
で前記ショルダ部の表面と裏面の両方向から機械的に切
削されるため、接合後は他の部分の厚さとほぼ同じ4mm
の厚さになるため接合後の加工が不要となる。
め、接合材の厚さのばらつきや全体的に凹凸がある。さ
らに接合過程での摩擦熱による接合材に変形が生じる。
このため、接合過程において、接合材の表面を基準にツ
ールの高さを上下に駆動制御する必要がある。本実施例
では、前記ツールの前方にレーザ変形計を配置し、接合
材の上下方向の変位を検出している。
向の駆動制御装置を制御して前記厚さの変位に応じてツ
ールを上下方向に駆動制御している。これにより、接合
材が25mと長い場合でも安定に欠陥なく接合できる。
前記実施例で接合した接合体を車両用の屋根構体及び外
側構体として使用した。
材の厚さ及び上下方向の変位を10MHzの超音波信号
で前記と同様に検出し、前記ツールを接合材表面を基準
に上下方向に位置制御できる。 (実施例3)本実施例では、アルミニウム合金の円筒管
13の接合に実施した場合について説明する。図5は接
合方向と直角方向の接合部断面を示す。図6は図5の接
合方向の断面を示す。前記アルミニウム合金はJIS規
格5083で、円筒管の内径は100mm、厚さは5mm、
長さは5mである。前記ツールのショルダ部に挟まれる
前記円筒管13の接合部の厚さは、表面及び裏面とも合
わせて7mmと局部的に厚くなっていることが特徴であ
る。
ョルダ部の径は20mm、上下ショルダ部の間隔は5mmで
ある。接合過程で前記局部的に厚い部分は前記ショルダ
で表裏両面方向から切削されるため、接合後の接合部の
厚さ(7mm)は前記ショルダの間隔と同じ5mmになる。
なお、本実施例における接合速度は300mm/min、ツ
ールの回転数は800rpmである。
高いアルミニウム合金で、かつ厚さが7mmと厚いため、
大きな摩擦熱が発生して接合過程でのひずみも大きい。
このため、前記円筒管の表面と裏面の両面方向から水冷
しながら接合している。水冷は図4に示すように接合方
向の後方からホース8a及び8bによりツール1の近傍
に局部的に水をかけて水冷する方法を採用している。こ
のため、ツールから3mm離れた前記接合部表面の温度は
100℃以下にできる。従って、接合過程及び接合後の
ひずみは大気中で接合した場合の1/3〜1/5に以下
に小さくできる。前記接合方法で接合した接合部7は欠
陥もない。このため、精密な接合構造のアルミニウム合
金の円筒管が得られる。前記接合方法で接合したアルミ
合金の円筒管を化学プラント用に採用している。 (実施例4)本実施例では銅板を実施例2と同じ接合方
法で接合する場合ついて説明する。銅板のショルダ部に
接する部分の厚さは7mmで他の部分の厚さ5mmより局部
的に厚くなっいる。なお、本実施例におけるツールのピ
ン部の径は10mm、ショルダ部の径は22mm、上下ショ
ルダ部の間隔は5mmである。ここで、前記ショルダ部の
上下の間隔(5mm)は、前記ショルダ部に接する接合材
の厚さ(7mm)より小さいことが特徴である。前記ショ
ルダ部に接する前記接合材の局部的に厚い部分は、接合
過程で前記ショルダ部の表面と裏面の両方向から機械的
に切削されるため、接合後は他の部分の厚さとほぼ同じ
5mmの厚さになる。前記銅板の幅は各々500mm、長さ
は5mである。また、ツールの接合速度300mm/min
、回転数は1000rpmである。
が大きいため、接合過程で大きな摩擦熱が発生し、前記
銅板の変形も大きくなる。このため、前記ツール及び接
合材の全部を水の中で接合した。なお、水中の温度は常
に20℃以下になるように水を巡回している。これによ
り、ツールから2mm離れた接合材表面の温度は100℃
以下に維持できる。従って、接合過程及び接合後の変形
は大気中で接合した場合の1/5以下に小さくできる。
前記接合方法により接合銅板の接合体を半導体用のヒー
トシンク材とした。 (実施例5)図7は本発明の実施例の上方向からの観察
図を示す。図8は図7の接合方向の断面図を示す。接合
材はアルミニウム合金4のJIS規格6063、幅は4
00mm、長さは3mである。前記アルミニウム合金4の
厚さは2mm、前記ショルダ部に挟まれる部分の厚さは局
部的に4mmと厚くなっている。接合材のスタート側及び
終端側には切り込みが設けられている。
mm、ショルダ部3の径は15mm、上下ショルダ部の間隔
は4mmである。ここで、前記ショルダ部3の上下の間隔
(2mm)は、前記ショルダ部に接する接合材の厚さ(4
mm)より小さいことが必要である。ここで、ツールは回
転しながら接合方向に進むことにより、前記ツール1と
接合材との摩擦熱で接合される。
的に厚い部分は接合過程で前記ショルダ部の表面と裏面
の両方向から機械的に切削されるため、接合後は他の部
分の厚さとほぼ同じ2mmの厚さになる。なお、ツールの
接合速度は500mm/min、回転数は12000rpmであ
る。ここで、図2に示すように、ツールは接合方向に対
して傾斜していることが望ましい。この傾斜角度(θ)
は1度が望ましい。
らスタート側及び終端側を破断して自動車用の構体に使
用した。 (実施例6)図9は内部が中空構造のハニカムパネルの
接合に本発明を実施した場合について説明する。図9の
ハニカムパネルは、内部にリブ11を有する中空構造で
ある。前記ハニカムパネルは、アルミ合金JIS規格6
N01材を押し出し加工により製作される。本発明によ
るハニカムパネル10aと10bの接合はリブのない位
置で行われる。つまり、ツールの荷重を支持する支持材
のない位置でも接合できる点が特徴である。
は3mmであるが、前記ショルダに挟まれる接合部12は
厚さが5mmと局部的に厚くなっている。ハニカムパネル
の1枚の幅は400mm、長さは25mである。
m、ショルダ部の径は20mm、上下ショルダ部の間隔
(L)は3.5mmである。
n、回転数は800rpmである。前記接合条件で接合する
ことにより長さ25mにわたり欠陥のない接合部が得ら
れる。なお、前記ショルダ部に挟まれる前記ハニカムパ
ネルが局部的に厚い部分は、接合過程で前記ショルダ部
の表面と裏面の両方向から機械的に切削されるため、接
合後はハニカムパネル面板の厚さとほぼ同じ3mmの厚さ
になるため接合後の加工が不要となる。
ため、接合材の厚さのばらつきや全体的に凹凸がある。
さらに接合過程での摩擦熱により接合材に変形が生じ
る。このため、接合過程において、接合材の表面を基準
にツールの高さを上下に駆動制御する必要がある。
両面に超音波変位計を配置し、接合材の上下方向の変位
を検出している。前記変位計は、前記ツールの前方30
mmの位置に配置している。前記変形計の周波数は5MH
zである。前記変位信号により、前記ツールの上下方向
の駆動制御装置を制御して前記厚さの変位に応じてツー
ルを上下方向に駆動制御している。これにより、接合材
が25mと長い場合でも安定に欠陥なく接合できる。さ
らに、ツールの反対側にツールを支持する支持柱が不要
なため、軽量構造が可能である。
根構体及び外側構体として使用することにより、車両の
軽量化が図られる。
無いため、内部が中空構造でもツールの支持材なしで接
合ができる。このため、接合構造の軽量化ができる。さ
らに、接合欠陥が防止されるため、車両構体などの接合
長さが20mクラスの接合構造物でも、信頼性の高い接
合構造物が製作できる。
る。
る。
である。
態を示す断面図である。
図である。
態を示す断面図である。
る。
向からの観察図である。
を示す。
材、5…ツールの回転方向、6…接合方向、7…接合
部、8…水冷用ホース、9…切り込み、10…ハニカム
パネル、11…リブ、12…接合部、13…アルミ円筒
管。
Claims (8)
- 【請求項1】接合材の材質より硬い材質の回転ツール
に、局部的に細いピンと前記ピンより太い2つのショル
ダ部とを設け、該2つのショルダ部を前記ピンを挟んで
設け、前記接合材を前記2つのショルダの間で挟むよう
にして、前記ツールの回転作用と前記接合材との摩擦熱
により接合する摩擦攪拌接合方法において、前記ショル
ダ部に挟まれる前記接合部の厚さを、前記ショルダ部の
間隔より大きくしたことを特徴とする摩擦攪拌接合方
法。 - 【請求項2】請求項1において、水中,オイル,ガスの
いずれかの冷却材の中でまたは接合部または接合材全体
に前記冷却材をかけながら接合することを特徴とする摩
擦攪拌接合方法。 - 【請求項3】請求項1において、ショルダ部に挟まれる
前記接合材の表面及び裏面の厚さを他の部分より局部的
に厚くしたことを特徴とする摩擦攪拌接合方法。 - 【請求項4】請求項1又は2記載の前記接合材の接合開
始部及び終端部近くは接合方向と直角方向に切り込みが
設けられていることを特徴とする摩擦攪拌接合方法。 - 【請求項5】接合材の材質より硬い材質からなり、局部
的に細いピンを挟むように前記ピンより太い2つのショ
ルダ部が一定の間隔をもって設けられている回転ツール
(ツールと記述)によって、前記接合材を前記2つのシ
ョルダの間で挟むようにして、前記ツールの回転作用と
前記接合材との摩擦熱により接合する摩擦攪拌接合装置
において、接合過程における接合材表面の高さの変化を
検出する検出器が配置され、前記検出器によって接合過
程における接合材表面の高さの変化を順次に検出し、高
さの変化に応じて前記ツールを上下方向に駆動制御する
機構を備えていることを特徴とする摩擦攪拌接合装置。 - 【請求項6】請求項5において、前記検出器は接合材の
表面又は裏面の一方または両面に設けられていることを
特徴とする摩擦攪拌接合装置。 - 【請求項7】請求項5又は6において、前記加工物表面
高さを検出する検出器は、レーザ変位計または超音波変
位計であることを特徴とする摩擦攪拌接合装置。 - 【請求項8】請求項1〜7記載のいずれか1つの方法に
より製作された接合構造物。
Priority Applications (1)
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JP2000113211A JP2001287053A (ja) | 2000-04-10 | 2000-04-10 | 摩擦攪拌接合方法及び接合装置 |
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Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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JP2001287053A true JP2001287053A (ja) | 2001-10-16 |
JP2001287053A5 JP2001287053A5 (ja) | 2004-12-24 |
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Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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