JP2002011583A - 摩擦撹拌接合法 - Google Patents
摩擦撹拌接合法Info
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- B23K20/12—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating the heat being generated by friction; Friction welding
- B23K20/122—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating the heat being generated by friction; Friction welding using a non-consumable tool, e.g. friction stir welding
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Abstract
に突設された径小のプローブとを備えた接合工具を用
い、厚さ方向に段差が生じる態様で突き合わされた2個
の接合部材の突合せ部を接合する摩擦撹拌接合法であっ
て、プローブの挿入速度及び接合速度を速くして接合作
業能率を向上させることのできる摩擦撹拌接合法を提供
すること。 【解決手段】 接合工具10の回転子11及びプローブ12
は、回転軸線Q方向に移動可能である。両接合部材1、
2を、接合工具10の回転軸線Qに垂直な平面Pに対して
突合せ部5を中心に第2接合部材2が接合工具10に接近
する方向に傾斜させる。次いで、プローブ12を突合せ部
5に挿入するとともに、回転子11の端面11aを突合せ部
5から突出している肩部1aに圧接する。この状態で、プ
ローブ12を突合せ部5に沿って移動させることにより、
突合せ部を接合する。
Description
その合金材等の金属材からなる接合部材を突合せ接合す
る摩擦撹拌接合法に関し、詳述すれば、例えば、自動
車、鉄道車両、船舶等のボディパネルを製作する際に用
いられ、あるいは自動車のサスペンションアームやエン
ジンマウントを製作する際に用いられ、又は電産機部品
を製作する際に用いられる摩擦撹拌接合法に関する。
入り、接合部材である金属材の種類に制限を受けない、
接合時の熱歪みによる変形が少ない等の利点を有し、近
年、様々な構造物の接合手段として用いられている。
様で突き合わされた2個の接合部材(51)(52)をこの
摩擦撹拌接合により突合せ接合する場合について、示し
ている。
属第1接合部材、(52)は薄肉の平板状の金属第2接合
部材である。各接合部材(51)(52)は幅方向の端面を
突合せ面(53)とするものであり、同図では、両接合部
材(51)(52)は裏面同士が面一に連なる態様にして幅
方向の端面同士が突き合わされており(突合せ部55)、
このため、厚さ方向に両者の肉厚差に対応した段差(5
4)が生じている。
(A’)は、接合用ベッド(80)と、摩擦撹拌接合用の
接合工具(60)と、該接合工具(60)を昇降させるため
の昇降装置(70)とを備えている。
接合部材(51)(52)が上述した突合せ状態で載置され
ている。前記接合工具(60)は、径大の円柱状回転子
(61)と、該回転子(61)の端面(61a)の回転軸線
(Q’)上に一体に突設された径小のピン状プローブ
(62)とを備えている。前記昇降装置(70)は、前記接
合用ベッド(80)の表面に対して垂直な方向に昇降移動
するように配置されており、この昇降装置(70)に前記
接合工具(60)が取り付けられている。
(51)を突合せ接合する場合には、突合せ部(55)に段
差(54)が生じているから、摩擦熱にて軟化した軟化部
中の肉の一部が接合工具(60)のプローブ(62)近傍か
ら飛散することがあり、また摩擦熱の発生量が多すぎた
り不足したりして、接合欠陥が生じ易く、そのため、接
合強度が低下するという問題があった。
決するため、鋭意研究した結果、同図に示すように、接
合工具(60)の回転軸線(Q’)を第2接合部材(52)
側に傾け、この状態で回転子(61)の端面(61a)を突
合せ部から突出している第2接合部材(51)の肩部(51
a)に圧接して突合せ接合を行う方法を提案した(特開
平10−249553号公報参照)。
傍から飛散した肉を回転子(61)の端面(61a)で反射
することができるようになるし、接合工具(60)の回転
軸線(Q’)の第2接合部材(52)側への傾斜角θ'を
適宜変更することにより摩擦熱の発生量を適度に調節す
ることができるようになるので、接合欠陥の発生を防止
でき、高い接合強度を得ることができるという優れた利
点を備えている。さらには、回転子(61)の端面(61
a)を肩部(51a)に圧接することによって、同図(ロ)
に示すように、該肩部(51a)をその表面が斜面になる
ように塑性変形させることができるようになり、このた
め応力集中を緩和し得るようになって、接合強度をより
一層高くすることができるという優れた利点も備えてい
る。なお、T’は接合部材(51)(52)の表面の法線を
示し、θ’はこの法線P’に対する接合工具(60)の回
転軸線(Q’)の第2接合部材(52)側への傾斜角を示
している。
(61)の端面(61a)の肩部(51a)への圧接は、従来で
は、専ら接合装置(A’)に予め備わっている前記昇降
装置(70)を降作動させることにより、行われていた。
すなわち、前記昇降装置(70)に接合工具(60)をその
回転軸線(Q’)が該昇降装置(70)の移動方向に対し
て斜めになるように取り付け、そしてこの昇降装置(7
0)を降作動させることにより、プローブ(62)を突合
せ部(55)に挿入するとともに回転子(61)の端面(61
a)を肩部(51a)に圧接させていた。
接法によれば、昇降装置(70)は上述したように接合用
ベッド(80)の表面に対して垂直な方向に移動するよう
に配置され、且つ接合工具(60)の回転軸線(Q’)は
昇降装置(70)の移動方向に対して斜めになっているか
ら、昇降装置(70)を降作動させると、回転子(61)の
端面(61a)は肩部(51a)をその表面から垂直な方向に
塑性変形させるように移動することになる。つまり、肩
部(51a)が受ける回転子(61)の端面(61a)からの圧
接力は、肩部(51a)の表面に対して垂直な方向に加わ
ることになる。このため、この肩部(61a)を所望形状
に塑性変形させるのに時間がかかり、このためプローブ
(62)の挿入速度やプローブ(62)の移動速度(即ち、
接合速度)を遅くしなければならず、接合作業能率が低
下するという難点があった。
0)を傾けた状態のままで、その回転子(61)の端面(6
1a)を回転軸線(Q’)方向に移動させることにより解
消することができるが、これによれば、このように接合
工具(60)を移動させるための装置を別途、接合工具
(60)に取り付けなければならず、装置取付けのために
手間がかかるし、コストアップにつながるという問題が
発生する。
なされたもので、その目的は、突合せ部から突出してい
る肩部を迅速に塑性変形させ得て、これによりプローブ
の挿入速度及び接合速度を速くして接合作業能率を向上
させることのできる摩擦撹拌接合法を提供することにあ
る。
め、この発明は、径大の回転子と、該回転子の端面の回
転軸線上に突設された径小のプローブとを備えた接合工
具を用い、厚さ方向に段差が生じる態様で突き合わされ
た2個の第1及び第2接合部材の突合せ部又はその近傍
に、前記接合工具の回転しているプローブを挿入すると
ともに、回転している回転子の端面を突合せ部から突出
している高位側の第1接合部材の肩部に圧接し、この状
態でプローブを突合せ部に沿って相対的に移動させるこ
とにより、両接合部材を突合せ接合する摩擦撹拌接合法
であって、接合工具の回転子及びプローブは、回転軸線
方向に移動可能であり、両接合部材を、前記接合工具の
回転軸線に垂直な平面に対して突合せ部を中心に第2接
合部材が接合工具に接近する方向に傾斜させ、この状態
で、前記突合せ接合を行うことを特徴としている。
子及びプローブを回転させて該接合工具の回転子及びプ
ローブを回転軸線方向に移動させることにより、プロー
ブを突合せ部又はその近傍に挿入するとともに、回転子
の端面を肩部に圧接する。そして、この状態でプローブ
を突合せ部に沿って相対的に移動させることによって、
両接合部材を突合せ接合するものである。
面を肩部に圧接するに際して、両接合部材は接合工具の
回転軸線に垂直な平面に対して突合せ部を中心に第2接
合部材が接合工具に接近する方向に傾斜されており、且
つ回転子の端面は回転軸線方向に移動するものであるか
ら、回転子の端面を移動させると、該回転子の端面は肩
部をその表面に対して斜め方向に塑性変形させるように
移動することになる。つまり、回転子の端面からの圧接
力は肩部の表面に対して斜め方向に加わることになる。
このため、肩部がその表面が斜面になるように迅速に塑
性変形されるようになり、この結果、プローブの挿入速
度及び接合速度を速くし得て接合作業能率を向上させ得
るようになる。
方向に移動させることで、肩部を所望形状に塑性変形さ
せ得るので、接合工具の回転子及びプローブの移動手段
として、例えば接合装置に予め備わっている昇降装置を
利用してかかる塑性変形作業を行えるようになり、接合
装置を有効利用し得る。
いて、両接合部材の前記平面に対する傾斜角をθとする
と、前記傾斜角θが3°〜45°の範囲内にある場合に
は、プローブの挿入速度及び接合速度をより一層速くし
得て、接合作業能率が大幅に向上するようになる。ま
た、傾斜角θが45°を超えると、回転子の端面が第2
接合部材の表面にぶつかってプローブを突合せ部又はそ
の近傍に挿入することが難しくなるという不具合が発生
するが、傾斜角θを45°以下にすることにより、かか
る不具合を確実に防止することができるようになる。特
に傾斜角θは5°〜10°の範囲内にあることが望まし
い。
いて、前記接合工具の回転軸線方向が鉛直方向に向いて
いる場合には、重力の影響による接合工具の回転軸線の
軸ずれが防止され、もって接合工具を所定方向に確実に
移動させ得るようになる。
を参照して説明する。
ている。これらの図において、(1)は厚肉の平板状の
第1接合部材、(2)は薄肉の平板状の接合部材であ
る。これら両接合部材(1)(2)は、いずれもアルミ
ニウム合金材からなる。また、各接合部材(1)(2)
は幅方向の端面を突合せ面(3)とするものであり、こ
の突合せ面(3)は接合部材(1)(2)の表面及び裏
面に対して垂直に形成されている。そして、図2に示す
ように、これら両接合部材(1)(2)は裏面同士が面
一に連なった態様にして幅方向の端面(即ち突合せ面
3)同士が突き合わされており、このため、両者の肉厚
差に対応した段差(4)が厚さ方向に生じている。この
実施形態では、この突合せ部(5)を、段差(4)が生
じている側から摩擦撹拌接合により接合しようとするも
のである。なお、この発明では、説明の便宜上、両接合
部材(1)(2)の表面側(即ち、段差が生じている
側)から視て、高位側の接合部材(1)を第1接合部
材、低位側の接合部材(2)を第2接合部材としてい
る。
(A)は、上記従来例で示したものと同じく、接合用ベ
ッド(30)と、摩擦撹拌接合用の接合工具(10)と、該
接合工具(10)を昇降させるための昇降装置(20)とを
備えている。
子(11)と、該回転子(11)の端面(11a)の回転軸線
(Q)上に一体に突設された径小のピン状プローブ(1
2)とを備えている。前記回転子(11)及びプローブ(1
2)は、いずれも両接合部材(1)(2)よりも硬質で
接合時に発生する摩擦熱に耐えうる耐熱材料から形成さ
れている。また、前記プローブ(12)の外周面には、軟
化部中の肉を撹拌するための凸部(図示せず)が設けら
れている。また、回転子(11)の端面(11a)は、回転
軸線(Q)に直交する平面内にあり、この実施形態では
平坦面からなる。
(30)の表面に対して垂直な方向に昇降移動するように
配置されており、この実施形態では、昇降装置(20)は
鉛直方向に昇降移動するように配置されている。一方、
前記接合用ベッド(30)の表面は、昇降装置(20)の昇
降移動方向に垂直な平面(P)(即ち水平面)と平行に
配置されている。そして、この昇降装置(20)に前記接
合工具(10)がその回転軸線(Q)を該昇降装置(20)
の昇降移動方向に一致させた態様で取り付けられてい
る。したがって、昇降装置(20)を降作動させると、接
合工具(10)の回転子(11)及びプローブ(12)は回転
軸線(Q)方向に移動するものとなる。
せ部(5)の接合手順について説明する。
ッド(30)の上方において、両接合部材(1)(2)
を、上述した突合せ状態のままで、接合工具(10)の回
転軸線(Q)に垂直な平面(P)(即ち、接合用ベッド
の表面)に対して突合せ部(5)を中心に第2接合部材
(2)が接合工具(10)に接近する方向に傾斜させる。
そしてこの状態で、両接合部材(1)(2)の裏面と接
合用ベッド(30)の表面(P)との間に、断面三角形状
の裏当て(7)を介在させて、両接合部材(1)(2)
をこの状態に保持する。もちろん、この発明では、まず
接合用ベッド(30)の表面上に前記裏当て(7)を載置
し、次いでこの裏当て(7)の傾斜面上に両接合部材
(1)(2)を載置してこのような状態を実現させても
良いし、あるいはまた、裏当て(7)を使用しないで、
両接合部材(1)(2)を接合用ベッド(30)の表面上
に直接、載置して、この接合用ベッド(30)を傾動させ
ることにより、このような状態を実現させても良い。
し、両接合部材(1)(2)の前記平面(P)に対する
傾斜角をθとすると、傾斜角θが3°〜45°の範囲内
で両接合部材(1)(2)を傾斜させることが、望まし
い。
回転軸線(Q)を中心に回転させることによりプローブ
(12)を回転させ、昇降装置(20)を降作動させる。こ
れにより、回転子(11)及びプローブ(12)が回転軸線
(Q)方向に移動し、回転しているプローブ(12)が両
接合部材(1)(2)の突合せ部(5)に挿入されると
ともに、回転している回転子(11)の端面(11a)が突
合せ部(5)から突出している第1接合部材(1)の肩
部(1a)に圧接される。なお、この発明では、プローブ
(12)を両接合部材(1)(2)の長さ方向の端面から
突合せ部に挿入しても良い。
する摩擦熱と、回転子(11)の端面(11a)と肩部(1
a)及び第2接合部材(2)の表面との摺動に伴い発生
する摩擦熱とによって、突合せ部(5)、肩部(1a)及
びその近傍が軟化するとともに、該肩部(1a)が回転子
(11)の端面(11a)からの圧接力を受けてその表面が
斜面になるように塑性変形される。このとき、回転子
(11)の端面(11a)からの圧接力は、図2(イ)に示
すように、肩部(1a)の表面に対して斜め方向に加わる
から、肩部(1a)を所望形状に迅速に塑性変形させるこ
とができる。
ら、プローブ(12)を突合せ部(5)に挿入し且つ回転
子(11)の端面(11a)を肩部(1a)に圧接した状態の
ままで、該プローブ(12)を突合せ部(5)に沿って該
突合せ部(5)の全長に亘って移動させる。なお、この
発明では、プローブ(12)及び回転子(11)の端面(11
a)の位置を固定しておき、突合せ部(5)が順次プロ
ーブ(12)を通過するように両接合部材(1)(2)を
移動させても良いことはもちろんである。
がプローブ(12)の回転力を受けて撹拌混合されるとと
もに、該軟化部中の肉がプローブの移動に伴ってプロー
ブの通過溝を埋めるようにプローブの進行方向後方へと
回り込む態様で塑性流動した後、摩擦熱を急速に失って
冷却固化される。この現象がプローブの移動に伴って順
次繰り返されていき、最終的に両接合部材(1)(2)
が突合せ部(5)において接合一体化され、もって図2
(ロ)に示した所望する突合せ継手が得られる。(W)
はこの突合せ継手の接合部を示している。
部材(1)の肩部(1a)が塑性変形させられてその表面
が斜面になっているので、応力集中を緩和できるように
なっており、優れた強度的信頼性を備えている。したが
って、この突合せ継手に対して曲げ加工、プレス成形加
工、切断加工等の様々な加工を行った場合であっても、
突合せ継手が接合部(W)にて不本意に破断したり屈曲
したりする不具合が発生せず、加工性が向上している。
述したように、回転子(11)の端面(11a)からの圧接
力は、肩部(1a)の表面に対して斜め方向に加わるか
ら、肩部(1a)を所望形状に迅速に塑性変形させること
ができ、このためプローブ(12)の突合せ部(5)への
挿入速度、及びプローブ(12)の移動速度(即ち、接合
速度)を速くすることができ、接合作業能率を向上させ
得るようになる。
置(A)に予め備わっている昇降装置(20)の降下移動
力によって回転子(11)の端面(11a)で肩部(1a)を
塑性変形させているので、回転子(11)の端面(11a)
に圧接力を付与する装置をわざわざ接合工具(10)に取
り付ける必要がないという利点も備えている。
ニウム合金材(材質:5052−O、寸法:長さ200
×幅100×厚さ2mm)からなるものと、第2接合部
材(2)として同じく平板状のアルミニウム合金材(材
質:5052−O、寸法:長さ200×幅100×厚さ
1mm)からなるものとを準備した。
1)の端部の外径がφ5mm、プローブ(12)の外径が
φ1.5mmのものを準備した。 <実施例>上記実施形態で示された接合方法に従って第
1及び第2接合部材を突合せ接合した。傾斜角θは10
°である。 <比較例>上記従来例で示された接合方法に従って第1
及び第2接合部材を突合せ接合した。傾斜角θ’は10
°である。
て、接合工具(10)の回転子(11)の回転数を1000
〜3000rpmの範囲内で変えて、プローブ(12)の
挿入速度及び接合速度の限界を調べた。その結果を図3
に示す。
れ実施例におけるプローブの挿入速度及び接合速度を示
している。また、▲及び●は、それぞれ比較例における
プローブの挿入速度及び接合速度を示している。
度(△、▲)について、実施例と比較例を比べると、実
施例によればプローブの挿入速度を比較例よりも1.3
倍以上速くすることが可能であった。さらに、接合速度
(○、●)について、実施例と比較例を比べると、実施
例によれば接合速度を比較例よりも1.5倍以上速くす
ることが可能であった。したがって、この発明によれ
ば、プローブの挿入速度及び接合速度を従来よりも格段
に速くすることができ、つまり接合作業能率を大幅に向
上させ得ることを確認し得た。
の平板状のアルミニウム合金材からなる第1及び第2接
合部材を準備し、回転子(11)の回転数を2000rp
mの条件下で、傾斜角θを様々に変えて、プローブの挿
入速度及び接合速度の限界を調べたところ、傾斜角θが
3°〜45°の範囲内であれば、上記実施例と同じく、
プローブの挿入速度を従来よりも1.3倍以上速くで
き、接合速度も従来よりも1.5倍以上速くできること
が分かった。したがって、傾斜角θが3°〜45°の範
囲内であれば、プローブの挿入速度及び接合速度を従来
よりも格段に速くすることができ、つまり接合作業能率
を大幅に向上させ得ることを確認し得た。
材を、接合工具の回転軸線に垂直な平面に対して突合せ
部を中心に第2接合部材が接合工具に接近する方向に傾
斜させ、この状態で、突合せ接合を行うので、回転子を
移動させてその端面を肩部に圧接すると、肩部が回転子
の端面からの圧接力を受けてその表面が斜面になるよう
に迅速に塑性変形されるようになり、したがってプロー
ブの挿入速度及び接合速度を速くすることができるよう
になり、接合作業能率を向上させることができる。
回転軸線方向に移動可能であるから、その移動手段とし
て、例えば接合装置に予め備わっている昇降装置を利用
してかかる塑性変形作業を行えるようになり、このた
め、接合装置を回転軸線方向に移動させるための装置を
わざわざ接合工具に取り付ける必要がなくなり、もって
製造コストを引き下げることができる。
斜角をθとすると、傾斜角θが3°〜45°の範囲内に
ある場合には、プローブの挿入速度及び接合速度をより
一層速くし得て、接合作業能率を大幅に向上させること
ができるし、回転子の端面が第2接合部材の表面にぶつ
かってプローブを突合せ部又はその近傍に挿入すること
が困難になるという不具合を防止することができる。
向に向いている場合には、重力の影響による接合工具の
回転軸線の軸ずれを防止することができて、接合工具を
確実に所定方向に移動させ得るようになり、このため良
好な接合部を確実に形成することができる。
図である。
合後の状態を示す、(イ)に対応する断面図である。
度及び接合速度との関係を示す図である。
(イ)は両接合部材の断面図、(ロ)は接合後の状態を
示す断面図である。
表面) Q…接合工具の回転軸線 W…接合部
Claims (3)
- 【請求項1】 径大の回転子(11)と、該回転子の端面
(11a)の回転軸線(Q)上に突設された径小のプロー
ブ(12)とを備えた接合工具(10)を用い、 厚さ方向に段差(4)が生じる態様で突き合わされた2
個の第1及び第2接合部材(1)(2)の突合せ部
(5)又はその近傍に、前記接合工具(10)の回転して
いるプローブ(12)を挿入するとともに、回転している
回転子の端面(11a)を突合せ部から突出している高位
側の第1接合部材(1)の肩部(1a)に圧接し、この状
態でプローブ(12)を突合せ部(5)に沿って相対的に
移動させることにより、両接合部材(1)(2)を突合
せ接合する摩擦撹拌接合法であって、 接合工具(10)の回転子(11)及びプローブ(12)は、
回転軸線(Q)方向に移動可能であり、 両接合部材(1)(2)を、前記接合工具の回転軸線に
垂直な平面(P)に対して突合せ部(5)を中心に第2
接合部材(2)が接合工具(10)に接近する方向に傾斜
させ、 この状態で、前記突合せ接合を行うことを特徴とする摩
擦撹拌接合法。 - 【請求項2】 両接合部材(1)(2)の前記平面
(P)に対する傾斜角をθとすると、 前記傾斜角θが3°〜45°の範囲内にある請求項1記
載の摩擦撹拌接合法。 - 【請求項3】 前記接合工具の回転軸線(Q)方向が鉛
直方向に向いている請求項1又は2記載の摩擦撹拌接合
法。
Priority Applications (4)
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---|---|---|---|
JP2000197524A JP4467723B2 (ja) | 2000-06-30 | 2000-06-30 | 摩擦撹拌接合法 |
EP01103350A EP1166946B1 (en) | 2000-06-30 | 2001-02-13 | Friction stir joining method |
DE60108812T DE60108812T2 (de) | 2000-06-30 | 2001-02-13 | Drehendes Reibungschweissverfahren |
US09/782,715 US6585147B2 (en) | 2000-06-30 | 2001-02-13 | Friction agitation joining method |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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Publications (2)
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