JP2002086281A - 摩擦攪拌接合方法 - Google Patents

摩擦攪拌接合方法

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JP2002086281A
JP2002086281A JP2000277551A JP2000277551A JP2002086281A JP 2002086281 A JP2002086281 A JP 2002086281A JP 2000277551 A JP2000277551 A JP 2000277551A JP 2000277551 A JP2000277551 A JP 2000277551A JP 2002086281 A JP2002086281 A JP 2002086281A
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small
screw
stir welding
friction stir
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Masakuni Esumi
昌邦 江角
Kazunari Fukuyori
一成 福寄
Tetsuya Matsunaga
徹也 松永
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Hitachi Ltd
Hitachi Kasado Engineering Co Ltd
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Hitachi Ltd
Hitachi Kasado Engineering Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 凹部と凸部で嵌め合わせた突き合わせ部の接
合を良好に行える摩擦攪拌接合方法を提供する。 【解決手段】 形材１０、２０の端部を突き合わせてい
る。形材１０の台形状の凹部１２に形材２０の台形状の
凸部２２が入っている。凸部１３、２３側から回転工具
５０を挿入して摩擦攪拌接合を行う。回転工具５０の小
径部５１ｂはテーパ状であり、ネジ５１ｂを設けてい
る。大径部５３は回転工具５０の軸部とは別部材で、ピ
ン５９で連結している。ネジ部５１ｂのネジは大径部５
３の端面の凹み５３ｇの近くまで設けることができ、端
面近くの攪拌を十分に行うことができる。このため、良
好な摩擦攪拌接合ができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【発明の属する技術分野】本発明は摩擦攪拌接合方法に
関する。
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は摩擦攪拌接合方法に
関する。
【０００２】
【従来の技術】摩擦攪拌接合方法は、接合部に挿入した
丸棒（回転工具という）を回転させながら接合線に沿っ
て移動させ、接合部を発熱、軟化させ、塑性流動させ、
固相接合する方法である。回転工具は大径部とその先端
の小径部とからなる。小径部を接合すべき部材に挿入
し、大径部の端面を前記部材に接触させて、接合を行
う。小径部にはネジを設けている。また、ネジ部側の大
径部の端面は凹んでいる。また、回転工具の２つの大径
部の間に接合すべき部材を位置させて摩擦攪拌接合する
場合がある。これらは特許第２７１２８３８号（ＵＳＰ
５４６０３１７）、特表平９−５０８０７３号（ＥＰ０
７５２９２６Ｂ１）に示されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】図４のように、アルミ
ニウム合金製の２つの押し出し形材１０、２０の突き合
わせ部を摩擦攪拌接合する場合を考える。形材１０の面
板１１の端面に台形状の凹部１２を設け、形材２０の面
板２１の端面に台形状の凸部２２を設けている。凸部２
２を凹部１２に入れている。凹部１２、凸部２２が台形
状なのは挿入を容易にするためである。また、形材１
０、２０の端部には上方に突出する第２の凸部１３、２
３がある。形材１０、２０が鉄道車両の車体の場合、形
材１０、２０の長さは約２０ｍになる。このため、突き
合わせ部の形材１０、２０が実質的に同一面にならない
ことが多い。これを防止するために、突き合わせ部の端
面に凹部１２、凸部２２を設け、両者を嵌め合せてい
る。
【０００４】この状態で、図９のように、上方から回転
工具５０の小径部５１を挿入し、大径部５３の端面(小
径部５１側の端面)を凸部１３、２３に入れた状態で、
回転工具５０を回転させながら、突き合わせ部に沿って
移動させ、摩擦攪拌接合を行う。１００は形材１０、２
０を固定するベッドである。
【０００５】これを接合する回転工具５０を図１０に示
す。回転工具５０は大径部５３の先端に小径部５１を有
する。小径部５１は先端側の径が大きいテーパ状になっ
ている。これは凹部１２、凸部２２の接合部を十分に攪
拌するためである。小径部５１のテーパ面には雄ネジを
設けている。大径部５３の端面５３ｈは大径部５３側に
凹んでいる。大径部５３の近傍（小径部５１の基端側と
言える。）の小径部５１にはネジが無い。小径部５１の
基端側にはネジを設けることが困難なためである。これ
は小径部５１がテーパ状であるためである。
【０００６】図９において、台形状の凹部１２、台形状
の凸部２２の上部の斜面（辺という。）１２ｂ、２２ｂ
の位置に、小径部５１のネジがない部分が位置すること
になる。このため、この部分の攪拌が不十分となり易
い。攪拌が不十分な場合、強度に影響をあえると考えら
れる。接合すべき部材がアルミニウム合金の場合、形材
１０、２０の表面は酸化していることが多い。攪拌が不
十分の場合、この酸化膜が強度に対して悪影響を与える
ことが考えられる。
【０００７】本発明の目的は、凹部と凸部で嵌め合わせ
た突き合わせ部の接合を良好に行える摩擦攪拌接合方法
を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明は、凹部、凸部の
嵌め合わせ部にネジを位置させて摩擦攪拌接合を行うこ
と、を特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】本発明の一実施例を図１〜図５に
よって説明する。鉄道車両の車体５００は、側面を構成
する側構体５０１、屋根を構成する屋根構体５０２、床
を構成する台枠５０３、長手方向の端部を構成する妻構
体５０４からなる。側構体５０１、屋根構体５０２、台
枠５０４は、それぞれ複数の押し出し形材１０、２０を
接合して構成している。押し出し形材１０、２０の長手
方向（押し出し方向）を車体５００の長手方向に向けて
いる。押し出し形材１０、２０はアルミニウム合金製で
ある。車体の車内側、すなわち、面板１１、２１の凸部
１３、２３側には多数のリブを有するが、図示していな
い。形材１０、２０の突き合わせ部の構成は前記したと
おりである。
【００１０】回転工具５０の部材は、小径部５１を有す
る丸棒５０ｂと、大径部５３用の部材５３ｂとからな
る。丸棒５０ｂの小径部の端部には先端側から、テーパ
状の小径部にネジを有するネジ部５１ｂ、大径部の部材
５３ｂを固定する軸部５１ｃがある。ネジ部５１ｂは先
端側が大径である。軸部５１ｃに、大径部の部材５３ｂ
を固定するためのピン孔５１ｆを設ける。
【００１１】部材５３ｂは大径部５３に相当するもの
で、外形は円形である。部材５３ｂは軸部５１ｃに勘合
する孔５３ｃを有する。軸部５１ｃの径と孔５３ｃの径
との差は小さい。部材５３ｂにはピン孔５３ｆがある。
部材５３ｂを軸部５１ｃに挿入して、ノックピン５８で
固定する。
【００１２】ネジ部５１ｂを向いた部材５３ｂの端面に
は凹み５３ｇがある。凹み５３ｇは、ネジ部５１ｂ側が
深く、外周部側が浅い。凹み５３ｇは接合する金属を押
さえ、該大径部５３の端面からの金属の流出を抑制して
いる。凹み５３ｈと同様である。
【００１３】軸部５１ｃの長さL１は部材５３ｂの長さL
３よりも短い。この差分（Ｌ３−Ｌ１）だけネジ部５１
ｂの長さＬ２が従来のネジ部５１の長さよりも長い。ネ
ジ部５１ｂの長さＬ２の増大に比例してネジの長さが長
くなっている。軸部５１ｃの端面５１ｄに部材５３ｂの
凹み５３ｇの内径側の端部５３ｄが位置している。この
ため、軸部５１ｃに部材５３ｂを取り付けたとき、凹み
５３ｇ内にネジが位置する。または、部材５３ｂの外周
部の軸方向の端部の近傍にネジが位置する。
【００１４】大径部５３の径Ｄは２つの凸部１３、２３
の幅Ｗ１とＷ２とを合わせた幅Ｗよりも小さい。凸部１
３、２３の金属は２つの形材１０、２０の突き合わせた
部分の間の隙間を補填する原資となる。また、摩擦攪拌
接合の際、大径部５３の最下端は凸部１３、２３内に位
置する。大径部５３が凸部１３、２３内に位置すると
は、凸部１３、２３を除く面板１１、２１の上面よりも
上方に大径部５３の最下端が位置していることを言う。
回転工具５０の回転軸は公知のようにその移動方向に対
して傾斜している。小径部５１側の軸心が大径部５３側
の軸心よりも移動方向側に位置するように傾斜してい
る。大径部５３の下端の後端の最下端が凸部１３、２３
内に位置する。
【００１５】凹部１２の深さ方向の中央あたりに、回転
工具５０の軸心を位置させて、摩擦攪拌接合を行う。こ
のため、凸部１３の幅Ｗ１が凸部２３のＷ２よりも大き
い。丸棒５０ｂの上端に回転および移動させる駆動装置
がある。
【００１６】これによれば、ネジ部５１ｂのネジは大径
部５３の端面（ネジ部５１ｂ側の端面、ネジ部５１ｂの
基端側）近くまで形成されることになる。このため、嵌
め合わせた台形部の上部の斜面（辺という。）１２ｂ、
２２ｂはネジで攪拌されるので、軸方向に攪拌される。
このため、酸化膜による強度の問題は抑制されることに
なる。
【００１７】上記実施例ではネジ部５１ｂがテーパ状で
あるが、テーパ状でなくても（直線状という。）大径部
５３の端面の近くにネジを設けることは困難であるの
で、同様な問題がある。このため、図７のように直線状
のネジ部の場合にも大径部を別部材にするとよい。
【００１８】上記実施例では大径部５３ｂをピン５８で
結合しているが、焼きばめによって固定してもよい。ま
た、軸部５１ｃにネジを設け、これで固定してもよい。
この場合、回転方向に対して逆ネジとする。また、大径
部５３の端面近くにネジがない従来の回転工具５０を用
いて接合する場合は、凹部１２、凸部２２の台形の上部
の斜面１２ｂ、２２ｂを小径部５１のネジの位置に合わ
せる。
【００１９】また、凹部１２、凸部２２の台形の上部の
斜面１２ｂ、２２ｂを凸部１３、２３内に設け、大径部
５３の端面近くにネジがない従来の回転工具５０を用い
て接合する。その後、攪拌の不完全部分を除くため、凸
部１３、２３を切削する。これによれば、残った部分に
攪拌の不十分な部分がないので、強度の問題がなくな
る。
【００２０】図６〜図９の他の実施例を説明する。この
実施例は小径部６１のネジ部６１ｂの両端に大径部６
３、６４を設け、突き合わせ部をこの２つの大径部６
３、６４の間に挟んで摩擦接合するものである。
【００２１】回転工具６０は、小径部６１を有する丸棒
６０ｂと大径部６３、６４用の部材６３ｂ、６４ｂとか
らなる。部材６３ｂ、６４ｂは丸棒６０ｂの軸部６１
ｃ、８１ｄにノックピンで固定されている。小径部６１
には先端側から部材６４ｂを固定する軸部６１ｄ、ネジ
部６１ｂ、部材６３ｂを固定する軸部６１ｃを設けてい
る。ネジ部６１は直線状である。軸部６１ｂの径とネジ
部６１ｄの径は同一である。軸部６１ｃの径はネジ部６
１ｄの径よりも小さい。軸部６１ｂの正規のネジの長さ
は長さＬよりも長い。ネジ部６１ｂの位置は凹み６３
ｈ、６４ｈの形状による。軸部６１ｃ、６１ｄにピン孔
６１ｆ、６１ｇがある。
【００２２】部材６３ｂ、６４ｂは軸部６１ｃ、６１ｄ
に勘合する径の孔６３ｃ、６４ｃを有する。軸部６１
ｃ、６１ｄの径と孔６３ｃ、６４ｃの径の差は小さい。
部材６３ｂ、６４ｂにはピン孔６３ｄ、７４ｄがある。
部材６３ｂ、６４ｂにはネジ部６１ｂを向いた端面に前
記凹み５３ｈ、５３ｇの目的と同様な凹み６３ｈ、６４
ｈがある。凹み６３ｈ、６４ｈの内径側の端部６３ｊ、
６４ｊは部材６３ｂ、６４ｂの外周側の軸端６３ｋ、６
４ｋよりも凹んだ位置にある。これによれば、図８の組
み立て図のように、大径部６３側のネジの端部は大径部
６３の凹み６３ｈ内に位置することになる。大径部６４
側のネジの端部は凹み６４ｈ内に位置する。
【００２３】接合に当たって、前記実施例のように大径
部６３の下端は凸部１３、２３内に挿入している。回転
工具６０は前記実施例のように傾斜している。先端の大
径部６４のネジ部６１ｂ側の前端は面板１１、２１の下
部に挿入されている。摩擦攪拌接合を行うと、大径部６
４の後方には面板１１、２１の下面に対して金属が若干
盛り上がる。面板１１、２１の下面を車体の外面にする
場合は、前記盛り上がった金属を切削して平らにする。
【００２４】これによれば、台形部の上部の斜面１２
ｂ、２２ｂを十分に攪拌できるものである。また、面板
１１、２１の下部側も十分に攪拌できるものである。こ
のため、面板１１、２１の突き合わせ部の全範囲を十分
に攪拌できるものである。
【００２５】前記実施例では、凹み６３ｈ、６４ｈの内
径側の端部６３ｊ、６４ｊを大径部６３、６４の端部６
３ｋ、６４ｋよりも内側に設けているが、両者を同一位
置に設けても、ネジの端部のより近傍に凹み６３ｈ、６
４ｈを設けることができるものである。また、ネジ部６
１ｂに連続して軸部６１ｃにネジを設け、これによって
大径部６３を固定することができる。これらは先端側の
大径部が無い回転工具にも適用できるものである。
【００２６】本発明の技術的範囲は、特許請求の範囲の
各請求項に記載の文言あるいは課題を解決するための手
段の項に記載の文言に限定されず、当業者がそれから容
易に置き換えられる範囲にも及ぶものである。
【００２７】
【発明の効果】本発明によれば、台形状の凹部、凸部で
嵌め合せた部分を摩擦接合しても良好な接合を行うこと
ができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例の接合中の縦断面図である。
【図２】図１の回転工具の側面図である。
【図３】図２の回転工具の分解縦断面図である。
【図４】図１の一対の押し出し形材の縦断面図である。
【図５】鉄道車両の車体の斜視図である。
【図６】本発明の他の実施例の接合中の縦断面図であ
る。
【図７】図６の回転工具の分解縦断面図である。
【図８】図６の回転工具の組み立て状態の縦断面図であ
る。
【図９】従来の接合中の縦断面図である。
【図１０】従来の回転工具の縦断面図である。
【符号の説明】
１０、２０ 押し出し形材 １１、２１ 面板 １２ 凹部 １３、２２、２３ 凸部 ５０ 回転工具 ５１ｂ ネジ部 ５１ｇ 凹み ５３ 大径部 ５９ ピン ６０ 回転工具 ６１ ネジ部 ６３、６４ 大径部 ６３ｈ、６４ｈ 凹み ６８、６９ ピン
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 福寄 一成 山口県下松市大字東豊井794番地 日立笠 戸機械工業株式会社内 (72)発明者 松永 徹也 山口県下松市大字東豊井794番地 株式会 社日立製作所笠戸事業所内 Ｆターム(参考） 4E067 AA05 BG00 CA04 DA13 DA17 EC01

Claims (14)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 第１の部材の端部と第２の部材の端部と
    を突き合わせ、 前記第１の部材の前記端部に前記突き合わせ方向に突出
    する凸部があり、前記第２の部材の前記端部に前記凸部
    が入った凹部があり、 大径部とネジを有する小径部とからなる回転工具の前記
    小径部を前記突き合わせた部分に挿入して摩擦攪拌接合
    するに当たり、前記大径部側の前記凹部と前記凸部の辺
    に前記ネジが位置する状態で、摩擦攪拌接合すること、 を特徴とする摩擦攪拌接合方法。
  2. 【請求項２】 請求項１において、前記凹部は台形状で
    あり、前記凸部は台形状であり、 前記凹部と前記凸部の前記辺は、前記凹部および前記凸
    部の前記台形状の斜面であり、該斜面に前記ネジが位置
    する状態で前記摩擦攪拌接合をすること、 を特徴とする摩擦攪拌接合方法。
  3. 【請求項３】 第１の部材の端部と第２の部材の端部と
    を突き合わせ、 前記第１の部材の前記端部に前記突き合わせ方向に突出
    する凸部があり、前記第２の部材の前記端部に前記凸部
    が入った凹部があり、 ネジを有する小径部の一端の軸部に該小径部とは別部材
    の大径部を設けた回転工具を用い、前記小径部を前記突
    き合わせた部分に挿入して摩擦攪拌接合するに当たり、
    前記大径部側の前記凹部と前記凸部の辺に前記ネジが位
    置する状態で、摩擦攪拌接合すること、 を特徴とする摩擦攪拌接合方法。
  4. 【請求項４】 請求項３において、前記凹部は台形状で
    あり、前記凸部は台形状であり、 前記凹部と前記凸部の前記辺は、前記凹部および前記凸
    部の前記台形状の斜面であり、該斜面に前記ネジが位置
    する状態で前記摩擦攪拌接合をすること、 を特徴とする摩擦攪拌接合方法。
  5. 【請求項５】 請求項３において、前記小径部は前記一
    端側よりも他端側が大径のテーパ状になっており、 前記小径部側の前記大径部の端面は凹んでいること、 を特徴とする摩擦攪拌接合方法。
  6. 【請求項６】 第１の部材の端部と第２の部材の端部と
    を突き合わせ、 ネジを有する小径部の一端の軸部に該小径部とは別部材
    の大径部を設けており、前記小径部を向いた前記大径部
    の面は凹んでおり、該凹み内に前記ネジの端部が位置し
    ている回転工具を用い、 前記小径部を前記突き合わせた部分に挿入して摩擦攪拌
    接合すること、 を特徴とする摩擦攪拌接合方法。
  7. 【請求項７】 第１の部材の端部に第２の部材の端部を
    突き合わせ、 大径部の先端にネジを有する小径部を備え、該小径部の
    先端の軸部に該小径部とは別部材の第２の大径部を設置
    しており、 前記大径部および前記第２の大径部において、前記小径
    部を向いた端面は凹んでいる回転工具を用い、 前記大径部と前記第２の大径部との間に前記突き合わせ
    た部分を挟んだ状態で、摩擦攪拌接合すること、 を特徴とする摩擦攪拌接合方法。
  8. 【請求項８】 請求項７において、前記第１の部材の前
    記端部に前記突き合わせ方向に突出する台形状の凸部が
    あり、前記第２の部材の前記端部に前記凸部が入った台
    形状の凹部があり、 前記大径部側の前記凹部と前記凸部の辺に前記ネジが位
    置する状態で、摩擦攪拌接合すること、 を特徴とする摩擦攪拌接合方法。
  9. 【請求項９】 請求項７において、前記第２の大径部側
    の前記ネジの端部は該第２の大径部の前記凹み内にある
    こと、を特徴とする摩擦攪拌接合方法。
  10. 【請求項１０】 請求項７において、前記大径部は前記
    小径部とは別部材であり、該大径部側の前記ネジの端部
    は該大径部の前記凹み内にあること、を特徴とする摩擦
    攪拌接合方法。
  11. 【請求項１１】 端部に厚さ方向に突出する第１の凸部
    を有する第１の部材の前記端部と、端部に厚さ方向に突
    出する第１の凸部を有する第２の部材の前記端部とを突
    き合わせ、 前記第１の部材の前記第１の凸部を含む前記端部に前記
    突き合わせ方向に突出する第２の凸部があり、前記第２
    の部材の前記第１の凸部を含む前記端部に前記第２の凸
    部が入った凹部あり、 大径部とネジを有する小径部とからなる回転工具の前記
    小径部を前記突き合わせた部分に挿入し、前記大径部を
    前記第１の部材、第２の部材のそれぞれの前記第１の部
    材に挿入した状態で摩擦攪拌接合し、 次に、前記第１の部材と前記第２の部材のそれぞれの前
    記第１の凸部を切削すること、 を特徴とする摩擦攪拌接合方法。
  12. 【請求項１２】 第１の部材の端部と第２の部材の端部
    とを突き合わせ、 前記第１の部材の前記端部に前記突き合わせ方向に突出
    する凸部があり、前記第２の部材の前記端部に前記凸部
    が入った凹部があり、 前記凹部の深さ方向の中央あたりに回転工具の軸心を位
    置させて、摩擦攪拌接合を行うこと、 を特徴とする摩擦攪拌接合方法。
  13. 【請求項１３】 ネジを有する小径部と、該小径部の軸
    端に設置された別部材の大径部とからなり、 前記小径部側の前記大径部の面は凹んでおり、 前記ネジの端部は前記大径部の前記凹み内にあること、 を特徴とする摩擦攪拌接合用回転工具。
  14. 【請求項１４】 請求項１３において、前記大径部のあ
    る軸端とは反対側の軸端に別部材の第２の大径部があ
    り、 前記小径部側の前記第２の大径部の面は凹んでおり、 前記ネジの端部は前記第２の大径部の前記凹み内にある
    こと、 を特徴とする摩擦攪拌接合用回転工具。
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