JP2001287053A

JP2001287053A - 摩擦攪拌接合方法及び接合装置

Info

Publication number: JP2001287053A
Application number: JP2000113211A
Authority: JP
Inventors: Hisanobu Okamura; 久宣岡村; Masahiko Sakamoto; 征彦坂本
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2000-04-10
Filing date: 2000-04-10
Publication date: 2001-10-16

Abstract

(57)【要約】【課題】小さいツールの押し付け力で、良好に接合でき
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

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は摩擦攪拌接合方法及
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。

【０００２】

【従来の技術】摩擦攪拌接合方法は、実質的に接合の材
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。

【０００３】さらに、この接合方法は、従来の摩擦溶接
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。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】前記特公表7−505090
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。

【０００５】しかし、接合材を前記２つのショルダで囲
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。

【０００６】一方、接合材の表面は一般に凹凸があり、
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。

【０００７】一方、前記接合方法は接合材を表面と裏面
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。

【０００８】一方、課題の（４）はショルダ部で接合材
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。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明のツールは、ピン
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。

【００１０】前記課題の（１）は、２つのショルダ部の
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。

【００１１】課題の（２）は、接合を水中または前記ツ
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。

【００１２】課題（３）は、接合材の接合の開始点及び
終了点近傍にスリットを設けることにより可能である。

【００１３】ショルダ部で挟まれる接合材の厚さを他の
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。

【００１４】一方、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。

【００１５】一方、接合を水中またはツールの近傍に局
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。

【００１６】一方、接合材の接合の開始点及び終了点近
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。

【００１７】前記方法により、ツールの反対側にツール
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。

【００１８】

【発明の実施の形態】（実施例１）図１は本発明の実施
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。

【００１９】図２は本発明の実施例における接合構造の
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。

【００２０】３mm以上の場合はコスト及びツールにかか
る接合方向の荷重（反力）が増加する点で問題がある。

【００２１】図３は図１のツールによって図２の接合材
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。

【００２２】本実施例における前記アルミ合金接合材４
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。

【００２３】一方、前記接合材の長さは２５ｍと長いた
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。

【００２４】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。
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。

【００２５】なお、前記接合材の表面と裏面に前記接合
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。

【００２６】本実施例におけるピン部２の径は８mm、シ
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。

【００２７】本実施例では、前記接合材の厚さが剛性の
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。

【００２８】ここで、銅板はアルミニウム合金より剛性
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。

【００２９】なお、本実施例におけるピン部２の径は５
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。

【００３０】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。

【００３１】前記接合方法で接合した後、切り込み部か
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。

【００３２】前記ハニカムパネルの表面及び裏面の厚さ
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。

【００３３】なお、本実施例におけるピン部の径は８m
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。

【００３４】本実施例における接合速度は５００mm／mi
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。

【００３５】一方、前記、接合材の長さは２５ｍと長い
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。

【００３６】本実施例では、前記ハニカムパネル面板の
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。

【００３７】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することにより、車両の
軽量化が図られる。

【００３８】

【発明の効果】本発明によれば、ツールの押し付け力が
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。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例を示すツール構造の断面図であ
る。

【図２】本発明の実施例を示す接合構造の断面図であ
る。

【図３】本発明の実施例を示す接合状態の配置の断面図
である。

【図４】本発明の実施例を示す図３の直角方向の接合状
態を示す断面図である。

【図５】本発明の実施例を示す円筒管の接合状態の断面
図である。

【図６】本発明の実施例を示す図５の直角方向の接合状
態を示す断面図である。

【図７】本発明の実施例を示す上方向からの観察図であ
る。

【図８】本発明の実施例を示す図７の横方向からの上方
向からの観察図である。

【図９】ハニカムパネルに本発明を実施した場合の断面
を示す。

【符号の説明】

１…回転ツール、２…ピン、３…ショルダ、４…接合
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

【特許請求の範囲】

【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。