JP2002001552A

JP2002001552A - 摩擦撹拌接合の補修方法

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Publication number: JP2002001552A
Application number: JP2000182594A
Authority: JP
Inventors: Seiichiro Yamashita; 山下政一郎; Masayuki Inuzuka; 雅之犬塚
Original assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd
Current assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd
Priority date: 2000-06-19
Filing date: 2000-06-19
Publication date: 2002-01-08
Anticipated expiration: 2020-06-19
Also published as: JP3288679B2

Abstract

(57)【要約】【課題】摩擦撹拌接合の接合不良部を補修するについ
て、摩擦撹拌接合継ぎ手の利点を損なわない補修方法を
工夫すること。【解決手段】摩擦撹拌接合を部分的に補修するについ
て、上記摩擦撹拌接合の接合工具のピンの長さよりも短
いピンを備えた補修用摩擦撹拌工具で、摩擦撹拌接合の
不良接合部をそのままの状態で再摩擦撹拌すること。摩
擦撹拌接合された部分を同様の工具で再度摩擦撹拌して
その摩擦撹拌熱で不良接合部を軟化させて再接合させる
ものであるから、例えばトンネルによる不良、くぼみに
よる不良が再摩擦撹拌により潰されて完全に消滅し、ま
た、補修された接合部の表面平滑さも損なわれることは
ない。また、再摩擦撹拌接合による補修であるから、補
修による熱的影響、継ぎ手効率の低下などの品質低下は
ない。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は摩擦撹拌接合の補修方
法に関するものであり、補修作業を簡単容易にし、補修
した後の仕上がりを良好にすることができるものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】アルミ板の接合に摩擦撹拌接合が用いら
れているが、鉄道車両の床板、側板などに使用されるア
ルミ型材等の継ぎ手の長さは極めて長い。他方、板材Ｐ
の摩擦撹拌接合は、図１、図２に示すようにアルミ板Ｐ
を支持板４上で突き合わせた状態で行われて突き合わせ
面及び接合部の上面が接合工具Ｔのピン１及び工具本体
２の肩部３との摩擦熱で加熱軟化され、突き合わせ面が
接合される。接合工具Ｔは硬質金属部材であり、その先
端に突設された比較的細いピン１が前進方向の強い抵抗
を受けながら高速で回転するものである。ダブルスキン
型材などのアルミ板は型成形されるため、長尺のものほ
どその直線性が低下し、これを突き合わせたとき開先面
に隙間ができてしまう。このため、支持板４上で突き合
された板Ｐ，Ｐを万力などで横方向に押し付けて開先の
隙間を可及的に小さくしておいて摩擦撹拌接合が行われ
る。しかし、開先隙間が部分的に大きくなり、そのため
に部分的に接合不良が生じることが少なくない。また、
摩擦撹拌接合装置のヘッドはＸＹＺ座標軸の各軸方向に
その位置を制御されるものであり、接合工具Ｔが開先を
追跡するように制御される。しかし、接合工具の開先隙
間の中心からのずれが実際には避けられず、このずれの
大きさが接合不良を生じる大きな要因の一つになってい
る。この他にも部分的に接合不良を生じる要因が様々に
ある。そして、接合工具Ｔのピン１による撹拌作用で空
気が巻き込まれるなどのために、例えば継ぎ手Ｊの内部
に長手方向の微細な空洞（通常「トンネル」と称される
もの。図３（ａ）参照）ができるなどの内部欠陥、継ぎ
手Ｊの表面にくぼみ（図３（ｂ）参照）ができる表面欠
陥などが、接合部不良の代表的なものである。他方、摩
擦撹拌接合による継ぎ手については、接合不良部がある
と、この部分がウイークポイントになり、ここから亀裂
が入り、この亀裂が成長して継ぎ手破損に至る可能性が
ある。このため継ぎ手全長について超音波探傷、目視検
査などの検査を行って接合不良部を特定してこれを補修
することが行われる。特定された接合不良部を削除し、
その部分を溶接して再度接合するという補修方法が一般
的に採用されている。このような従来の補修方法による
ときは、摩擦撹拌接合継ぎ手の途中に溶接継ぎ手が部分
的に介在することになるので、接合継ぎ手の一貫性が損
なわれ、また摩擦撹拌接合の利点、すなわち強度の熱的
影響を受けておらず、また、継ぎ手効率が高いので継ぎ
手品質が高いこと、継ぎ手表面が極めて平滑であり、継
ぎ手表面の平滑化加工が不要であることなどの利点が大
きく損なわれることになる。また、溶接による補修は摩
擦撹拌接合装置とは別個の溶接装置を用いることになる
ので、補修のためのコストが割高になる。この問題を回
避するには、接合不良の発生を完全に防止するのが最善
の策であるが、接合不良を完全に防止することができな
いという現実からすれば、摩擦撹拌接合継ぎ手の利点を
損なわない補修方法が求められる。

【０００３】

【解決しようとする課題】そこでこの発明は、摩擦撹拌
接合の接合不良部を補修するについて、摩擦撹拌接合継
ぎ手の利点を損なわない補修方法を工夫することをその
課題とするものである。

【０００４】

【課題を解決するために講じた手段】

【解決手段１】上記課題を解決するために講じた手段１
は、摩擦撹拌接合を部分的に補修するについて、次の
（イ）及び（ロ）によるものである。（イ）摩擦撹拌接合の不良接合部をそのままの状態で補
修用摩擦撹拌工具で再摩擦撹拌すること、（ロ）上記の
補修用摩擦撹拌工具のピンの長さが、上記摩擦撹拌接合
の接合工具のピンよりも短いこと。

【０００５】

【作用】摩擦撹拌接合された部分を同様の工具で再度摩
擦撹拌してその摩擦撹拌熱で不良接合部を軟化させて再
接合させるものであるから、例えばトンネルによる不
良、くぼみによる不良が再摩擦撹拌により潰されて完全
に消滅し、また、補修された接合部の表面の平滑さも損
なわれることはない。また、再摩擦撹拌接合による補修
であるから、補修による熱的影響、継ぎ手効率の低下な
どの品質低下はない。また、補修用摩擦撹拌工具のピン
の長さを摩擦撹拌接合工具のピンよりも短くしたこと
で、補修のための再摩擦撹拌深さを補修に必要な限度に
止め、再摩擦撹拌による悪影響を最小限度に抑制するこ
とができ、再摩擦撹拌で軟化した材料が接合下面に垂れ
て軟化材料が逸出されることはないから、再摩擦撹拌に
よる補修部の表面の平滑性、他の接合表面との連続性が
損なわれることはなく、補修後の接合表面の仕上げ加工
は必要ない。

【０００６】

【実施態様１】実施態様１は上記の補修用摩擦撹拌工具
のピンの長さを摩擦撹拌接合用の接合工具のピンの長さ
よりも０．５〜１．０ｍｍ短くしたことである。

【作用】補修用摩擦撹拌工具のピンの長さが摩擦撹拌接
合用の接合工具のピンの長さよりも０．５〜１．０ｍｍ
短いことで、再摩擦撹拌の深さが接合欠陥を解消するた
めに必要な限度に止められる。また、欠陥部分の深さが
浅いときは、補修用摩擦撹拌工具のピンの長さを摩擦撹
拌接合用の接合工具のピンの長さよりも２ｍｍ以上短く
することもできる。しかし、２ｍｍ以上短くすることの
メリットはほとんどない。

【０００７】

【実施態様２】実施態様２は補修用摩擦撹拌工具のピン
の直径を摩擦撹拌接合工具のピン直径の１．０〜１．２
倍にしたことである。

【作用】補修用摩擦撹拌工具のピンの直径を摩擦撹拌接
合用の接合工具のピン直径の１．０〜１．２倍のものと
したことにより、補修のための摩擦撹拌熱による軟化幅
が摩擦撹拌接合時の軟化幅とほぼ同じになるので、補修
用摩擦撹拌による熱的影響の及ぶ範囲が、摩擦撹拌接合
による範囲よりも広くなることが回避される。

【０００８】

【実施態様３】実施態様３は、補修用摩擦撹拌工具の回
転速度を摩擦撹拌接合の接合工具の回転速度とほぼ同じ
にしたことである。

【作用】補修摩擦撹拌作業における摩擦撹拌工具の回転
速度を摩擦撹拌接合時のそれと同じにすることにより、
回転速度制御、送り制御などの運転制御を摩擦撹拌接合
のそれと同じにすることができるので、摩擦撹拌接合装
置による補修のための摩擦撹拌作業を簡単、容易にする
ことができる。

【０００９】

【実施態様４】実施態様４は、上記解決手段を適用する
について、接合される板厚よりも開先部を厚くしたこと
である。

【作用】開先部の上面は摩擦撹拌接合によって若干削ら
れ（ほぼ厚さ０．１ｍｍ）、さらに補修用摩擦撹拌工具
で撹拌されるとことになるから、補修された接合部の厚
さが小さくなる。接合される板厚よりも接合部を厚くし
たことで、補修された摩擦撹拌接合部の厚さが低下して
も、その部分の強度が低下するのを防止できる。この実
施態様４は、板材の構造に関わりなく適用されることで
あるが、リブ付アルミ押出型材を接合するときは、接合
部が２つのリブの間に介在することになって接合部の板
厚を厚くすることには全く問題がないから、リブ付アル
ミ押出型材に適用するのに適している。

【００１０】

【実施の形態】次いで図面を参照して実施の形態を説明
する。この実施の形態の摩擦撹拌接合装置は、厚さ４．
５ｍｍ、長さ８ｍのアルミ板Ｐ，Ｐを接合するものであ
り、摩擦撹拌接合の接合工具Ｔのピン１の直径５ｍｍ、
ピン１の長さｌ_１は４．５ｍｍ，回転速度１７５０ｒｐ
ｍ、前進速度６００ｍｍ／分で接合するものである。ヘ
ッドＨは接合されるアルミ板Ｐ，Ｐを突き合わせた開先
４２に沿って移動して突き合わせ面を摩擦撹拌接合す
る。補修用摩擦撹拌工具Ｔａも基本的には図示の接合工
具Ｔと違いはなく、そのピン１ａの直径も同じである
が、ピンの長さｌ_１は４．０ｍｍであり、接合工具Ｔの
ピン１の長さよりも０．５ｍｍ短い。摩擦撹拌接合によ
る継ぎ手を超音波探傷して、図３（ａ）に示すようなト
ンネルなどにによる接合不良部を１０カ所特定し、これ
について補修作業を行った。このときの前進速度（送り
速度）を摩擦撹拌接合時の前進速度と同じ６００ｍｍ／
分にした。

【００１１】以上のようにして補修した補修部分を超音
波探傷し、さらにその断面、表面を目視検査した結果、
内部欠陥に接合不良部はゼロであり、また断面の目視検
査結果も接合不良部はゼロであった。さらに表面につい
て目視検査したが、補修した表面は極めて平滑であり、
表面加工を必要とする程に凹凸である部分もなかった。
また、リブ付アルミ型材については、図４に示すよう
に、例えば板厚ｔが２．３ｍｍの場合は、リブＲの外側
部分の板厚ｔ_１を４．５ｍｍにすればよい。この例では
接合部の厚さが板厚ｔよりも２．２ｍｍ厚いから、補修
による接合部の厚さ減少を勘案しても、継ぎ手全長につ
いて高い継ぎ手効率を確保することができる。

【００１２】

【発明の効果】以上述べたとおり、この発明は、摩擦撹
拌接合の接合不良部を、接合用工具とほぼ同じで、ピン
の長さが若干短い補修用摩擦撹拌工具で再度摩擦撹拌し
て補修するものであるから、摩擦撹拌接合装置をそのま
ま使って補修作業を行うことができるので、補修作業を
簡単容易に行うことができる。したがって、補修コスト
を大きく低減することができる。また、補修のために特
別な熱的影響を接合部に与えることはなく、また接合部
の組織的不連続部も生じないから、補修のために接合継
ぎ手の品質が低下することも、継ぎ手効率が低下するこ
もなく、接合表面の平滑さが損なわれることもない。ま
た、補修時に軟化した材料が逸出することもないから、
補修部分の表面を特別に仕上げ加工する必要も、また、
熱処理する必要もない。

【図面の簡単な説明】

【図１】は摩擦撹拌接合装置の斜視図である。

【図２】（ａ）は図１のＹ−Ｙ断面図であり、（ｂ）は
この発明の実施の形態の同断面図である。

【図３】（ａ）は摩擦撹拌接合継ぎ手におけるトンネル
発生による接合不良を模式的に示す斜視図であり、
（ｂ）は接合表面のくぼみによる接合不良を模式的に示
す斜視図である。

【図４】この発明を適用するリブ付アルミ型材の継ぎ手
部の断面図である。

【符号の説明】

Ｐ：アルミ板材Ｒ：リブＴ：摩擦撹拌接合工具Ｔａ：補修用摩擦撹拌工具ｌ_１：摩擦撹拌接合工具のピンの長さｌ_２：補修用摩擦撹拌工具のピン１：摩擦撹拌接合工具のピン１ａ：補修用摩擦撹拌工具のピン２：摩擦撹拌接合工具の本体３：摩擦撹拌接合工具の肩部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】摩擦撹拌接合を部分的に補修するについ
て、摩擦撹拌接合の不良接合部をそのままの状態で、上
記摩擦撹拌接合の接合工具のピンよりも短いピンを備え
た補修用摩擦撹拌工具で再摩擦撹拌する摩擦撹拌接合の
補修方法。
【請求項２】上記補修用摩擦撹拌工具のピンの長さが摩
擦撹拌接合用の接合工具のピンの長さよりも０．５〜
１．０ｍｍ短かい請求項１の摩擦撹拌接合の補修方法。
【請求項３】上記補修用摩擦撹拌工具のピンの直径が摩
擦撹拌接合用の工具のピン直径の１．０〜１．２倍であ
る請求項１または請求項２の摩擦撹拌接合の補修方法。
【請求項４】上記補修用摩擦撹拌工具の回転速度を摩擦
撹拌接合の接合工具の回転速度とほぼ同じにした請求項
１乃至請求項３の摩擦撹拌接合の補修方法。