JP2002153981A - 広幅金属材の製造方法及び広幅金属材の製造装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 金属部材を接合して大型パネル等を作製する
場合にも歪みの発生を良好に防止することのできる広幅
金属材の製造方法及び広幅金属材の製造装置の提供。 【解決手段】 回転工具３を回転させて金属部材５を摩
擦撹拌接合するに当たり、冷却ノズル９から水Ｗを噴射
することにより上記摩擦撹拌接合が行われる部分を冷却
し、摩擦撹拌接合後の接合部５ａをローラ７で押圧して
歪みを矯正し、更に、上記摩擦撹拌接合を、上記歪みの
発生方向とは逆方向に湾曲した裏当てジグ１上に上記金
属部材５を拘束して行っている。このため、冷却だけで
は除去できない歪みも良好に除去することができる。ま
た、噴射された水Ｗを冷媒漏れ防止壁１１で堰き止め、
循環用ポンプ１３で回収・再利用しているので、水Ｗの
無駄を省くと共にその水Ｗが駆動系に悪影響を及ぼすの
も防止することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、金属部材の端面を
突き合わせ、該突き合わせ部分に沿って回転工具を回転
しながら上記金属部材に対して移動させることより、上
記金属部材を摩擦撹拌接合して広幅金属材を製造する広
幅金属材の製造方法及び広幅金属材の製造装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来より、アルミニウムまたはアルミニ
ウム合金の幅広形材または幅広板材を接合することによ
り、大型パネル等の広幅金属材を作成することが考えら
れている。この種の広幅金属材としては、鉄道車両用幅
広形材、船舶用πセクション等が考えられ、これらを接
合することによって例えば鉄道車両や船舶デッキ部等の
構造材が得られる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記接合を
アーク溶接（ＭＩＧ溶接，ＴＩＧ溶接）によって行うと
局部的な過熱がなされるため、接合時の余熱により熱膨
張，熱収縮が生じ、得られた接合材に歪みが発生する。
従って、このようにして得られた大型パネル等の広幅金
属材を鉄道車両、船舶デッキ部等の構造材として使用す
る場合、パネルの歪みにより剛性が減少し、外観上の問
題も生じる。そこで、従来は、歪みのない大型パネルを
製造するために、接合後、局部加熱及び曲げ、引張矯正
により歪みを除去している。このため、熟練した技術者
による多くの工数を必要とし、また、局部加熱すること
により更に余分な局部的な歪みが生じる場合もあった。

【０００４】一方、入熱が少なく軟化や歪みの程度が軽
い接合方法として、近年、摩擦撹拌接合が考えられてい
る（例えば、特許２７１２８３８号）。この方法は、ア
ルミニウム合金板等の軟質素材を鋼鉄等の硬質の裏当て
ジグに乗せて突き合わせ、その突き合わせ部分に沿って
硬質の回転工具を高速回転させながら移動させる方法で
ある。この方法は、接合部が溶融しないのが特徴で、接
合が行われる部分の温度もそれ程上昇しない。

【０００５】しかしながら、この摩擦撹拌接合によって
も、アーク溶接に比べて低いとはいえ上記接合が行われ
る部分で温度が上昇するため、大型パネル等の広幅金属
材を作製する場合は歪みの発生が問題となる。このた
め、歪み除去のために熟練技術者による多くの工数を必
要とする等の前述の課題が同様に発生する。また、この
課題は、アルミニウムまたはアルミニウム合金以外の金
属部材（例えば銅板）等の接合においても同様に発生す
る。

【０００６】そこで、本発明は、金属部材を接合して大
型パネル等の広幅金属材を作製する場合に歪みの発生を
良好に防止することのできる広幅金属材の製造方法及び
広幅金属材の製造装置を提供することを目的としてなさ
れた。

【０００７】

【課題を解決するための手段及び発明の効果】上記目的
を達するためになされた請求項１記載の発明は、金属部
材の端面を突き合わせ、回転工具を回転しながらその回
転工具と上記金属部材とを上記突き合わせ部分に沿って
相対的に移動させることより、上記金属部材を摩擦撹拌
接合して広幅金属材を製造する広幅金属材の製造方法で
あって、上記摩擦撹拌接合が行われる部分を冷媒を用い
て冷却し、上記摩擦撹拌接合後の接合部をローラで押圧
して歪みを矯正し、かつ、上記摩擦撹拌接合を、上記歪
みの発生方向とは逆方向に湾曲した裏当てジグ上に上記
金属部材を拘束して行うことを特徴としている。

【０００８】本発明では、摩擦撹拌接合が行われる部分
を冷媒を用いて冷却しているので、熱膨張，熱収縮によ
る歪みの発生を抑制することができる。この冷却によっ
て歪みは冷却を行わない場合の１／３程度に減少する
が、依然として歪みのある状態である。これは、次のよ
うな理由による。すなわち、摩擦撹拌接合は、摩擦熱に
より金属材料を高温の塑性流動状態にし、工具の回転に
より金属材料を撹拌して接合する方法である。このた
め、接合中に金属部材を冷却する効果には限界がある。
そこで、本発明では、摩擦撹拌接合後の接合部をローラ
で押圧して歪みを矯正し、更に、上記摩擦撹拌接合を、
上記歪みの発生方向とは逆方向に湾曲した裏当てジグ上
に上記金属部材を拘束して行っている。

【０００９】摩擦撹拌接合後の接合部をローラで押圧す
ることにより、金属材料が軟化状態にある間に歪みを矯
正することができる。また、板材等の金属部材そのもの
の剛性が小さい場合や多くの接合箇所がある広幅金属材
を作製する場合は、上記冷却及びローラによる押圧だけ
では完全に歪みを除去できない場合があるが、本発明で
は、摩擦撹拌接合を上記歪みの発生方向とは逆方向に湾
曲した裏当てジグ上に上記金属部材を拘束して行うこと
により、きわめて良好に歪みを除去することができる。
従って、本発明では、金属部材を接合して大型パネル等
の広幅金属材を作製する場合に歪みの発生を良好に防止
することができる。

【００１０】請求項２記載の発明は、請求項１記載の構
成に加え、上記金属部材が、アルミニウムまたはアルミ
ニウム合金の幅広形材または幅広板材であることを特徴
としている。アルミニウム及びアルミニウム合金は他の
金属に比べて摩擦撹拌接合に一層適しており、幅広形材
及び幅広板材では上記歪みの発生を防止する要請が特に
強い。本発明では、アルミニウムまたはアルミニウム合
金の幅広形材または幅広板材に対して請求項１記載の発
明を適用しているので、その発明の効果が一層顕著に表
れる。

【００１１】請求項３記載の発明は、金属部材の端面を
突き合わせ、回転工具を回転しながらその回転工具と上
記金属部材とを上記突き合わせ部分に沿って相対的に移
動させることより、上記金属部材を摩擦撹拌接合して広
幅金属材を製造する広幅金属材の製造装置であって、上
記摩擦撹拌接合が行われる部分に冷媒を噴射する冷却ノ
ズルと、上記摩擦撹拌接合後の接合部を押圧して歪みを
矯正するローラと、上記回転工具と対向配置され、上記
歪みの発生方向とは逆方向に湾曲した面で上記金属部材
を拘束する裏当てジグと、を備えたことを特徴としてい
る。

【００１２】このように構成された本発明では、摩擦撹
拌接合が行われる部分を冷却ノズルから噴射した冷媒を
用いて冷却することができ、摩擦撹拌接合後の接合部を
ローラで押圧することにより歪みを矯正することもでき
る。更に、摩擦撹拌接合される金属部材を、回転工具と
対向配置された裏当てジグの、上記歪みの発生方向とは
逆方向に湾曲した面で拘束することにより、一層良好に
歪みを除去することができる。従って、本発明の装置で
は請求項１記載の広幅金属材の製造方法を容易に実施す
ることができ、請求項１記載の発明と同様に、金属部材
を接合して大型パネル等の広幅金属材を作製する場合に
歪みの発生を良好に防止することができる。

【００１３】請求項４記載の発明は、請求項３記載の構
成に加え、上記冷却ノズルから噴射された冷媒を回収し
て再び上記冷却ノズルに供給する冷媒回収手段を、更に
備えたことを特徴としている。摩擦撹拌接合が行われる
部分は、工具の回転の摩擦熱によって４００℃以上にな
るため、冷却ノズルからは大量の冷媒を噴射する必要が
生じる。一方、製造装置の駆動系にはグリスや機械油等
の潤滑剤が使用されており、冷媒と潤滑剤とが混ざり合
うと駆動系に悪影響を及ぼす場合がある。そこで、本発
明では、冷媒回収手段によって、上記冷却ノズルから噴
射された冷媒を回収して再び上記冷却ノズルに供給して
いる。このため、請求項３記載の発明の効果に加えて、
冷媒の無駄を防止すると共にその冷媒が装置の駆動系に
悪影響を及ぼすのを良好に防止することができるといっ
た効果が生じる。

【００１４】請求項５記載の発明は、請求項３または４
記載の構成に加え、上記金属部材が、アルミニウムまた
はアルミニウム合金の幅広形材または幅広板材であるこ
とを特徴としている。アルミニウム及びアルミニウム合
金は他の金属に比べて摩擦撹拌接合に一層適しており、
幅広形材及び幅広板材では上記歪みの発生を防止する要
請が特に強い。本発明では、アルミニウムまたはアルミ
ニウム合金の幅広形材または幅広板材に対して請求項３
または４記載の発明を適用しているので、その発明の効
果が一層顕著に表れる。

【００１５】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態を図面
と共に説明する。図１は、本発明が適用された製造装置
の構成を概略的に表す説明図である。図１（Ａ）の側面
図に示すように、本実施の形態の製造装置は、表面が凸
型に湾曲した裏当てジグ１と、その裏当てジグ１に対向
配置された回転工具３とを備え、裏当てジグ１は、表面
に複数の金属部材５を端面を突き合わせた状態で拘束し
ながら、図示しない搬送テーブルと一体に矢印Ａ方向に
搬送される。また、回転工具３は、大径の肩部３ａと、
その肩部３ａの下端から突出した金属部材５の突き合わ
せ部に挿入される小径の柱３ｂとを備えた周知のもの
で、図示しない駆動系から駆動力を伝達されて回転す
る。

【００１６】これによって、図１（Ｂ）に示すように、
回転工具３の矢印Ａ方向側（以下、後方ともいう）に
は、金属部材５を構成する金属材料同士が撹拌されて接
合された接合部５ａが形成される。また、回転工具３の
後方には、図１（Ａ）に示すように、上記接合により金
属部材５に生じた歪みを接合部５ａを押圧することによ
って矯正するローラ７と、回転工具３による接合が行わ
れる部分に冷媒としての水Ｗを噴射する冷却ノズル９と
が設けられている。

【００１７】更に、金属部材５の表面には、回転工具
３，ローラ７，及び冷却ノズル９を周囲から矩形に取り
囲んで上記噴射された水Ｗを堰き止めるスポンジパッド
製（粘土製，ゴム製等であってもよい）の冷媒漏れ防止
壁１１が設けられている。この冷媒漏れ防止壁１１も回
転工具３，ローラ７，及び冷却ノズル９と同様に、金属
部材５に対して相対的に摺動可能とされている。この冷
媒漏れ防止壁１１の下端にホース１３ａを介して接続さ
れた循環用ポンプ１３は、冷媒漏れ防止壁１１の内側に
貯留された水Ｗを回収し、その水Ｗをホース１３ｂを介
して再び冷却ノズル９に供給する。すなわち、冷媒漏れ
防止壁１１及び循環用ポンプ１３は冷媒回収手段に相当
する。

【００１８】このように構成された本実施の形態の製造
装置では、前述のように回転工具３によって金属部材５
を摩擦撹拌接合するに当たり、摩擦撹拌接合が行われる
部分を冷却ノズル９から噴射した水Ｗを用いて冷却する
ことができ、摩擦撹拌接合後の接合部５ａをローラ７で
押圧することにより歪みを矯正することもできる。更
に、摩擦撹拌接合される金属部材５を裏当てジグ１の凸
型に湾曲した表面で拘束することにより、一層良好に歪
みを除去することができる。

【００１９】ここで、金属部材５に生じる歪み量は、回
転工具３の回転数、接合速度（金属部材５の移動速
度）、工具径（柱３ｂの径）、及び工具差し込み深さに
基づいて接合時に発生する入熱量が分かり、その入熱量
に基づいて接合時の金属部材５における熱分布が算出で
き、その熱分布に対応した温度勾配と形材の剛性とによ
り上記歪み量が計算できる。歪む方向は、形材の中立点
と接合位置との関係による。裏当てジグ１は、金属部材
５に周囲が上方に反り曲がる方向の歪みが発生する場合
を想定しているが、金属部材５に周囲が下方に反り曲が
る方向の歪みが発生する場合は、図２に示すように表面
が凹型に湾曲した裏当てジグ２１を使用すればよい。な
お、図２では、図１と同様の構成部分には図１で使用し
たものと同じ符号を使用した。また、裏当てジグの表面
形状には、上記歪み量の計算結果に応じて、球面状，蒲
鉾状，鞍状等の種々の形状を採用することができる。

【００２０】

【実施例】次に、裏当てジグ１の形状，接合条件，金属
部材５の形状等を具体的に設定して上記実施の形態の効
果を検証した。その結果を以下に示す。 実施例 ６Ｎ０１合金のＴ５材からなる２００ｍｍ幅の台形形材
５１を幅方向に９枚、８０ｍｍ幅のＬ型形材５３を２枚
接合し、広幅金属材としての長さ５８００ｍｍ，幅１９
６０ｍｍのパネル５０を作製した。形材継手部の板厚は
６．０ｍｍである。図３（Ａ）にパネル５０の平面図を
図３（Ｂ）にその正面図を示す。なお、図３（Ａ）にお
ける寸法の単位はｍｍで、矢印Ａは接合時のパネル５０
の移動方向を示している。また、図３（Ｂ）における矢
印ＦＳＷは、摩擦撹拌接合を行った箇所を示している。
すなわち、本実施例では、１０個の回転工具３を並列に
設けて１０箇所で摩擦撹拌接合を並行して実行した。

【００２１】接合条件は、回転工具３の回転数２０００
ｒｐｍ、接合速度５００ｍｍ／分、工具肩部径φ１６ｍ
ｍ、小径の柱３ｂは柱径φ４ｍｍ，長さ５．８ｍｍ、工
具差し込み深さ６．０ｍｍとした。摩擦撹拌接合が行わ
れる部分を冷却ノズル９から毎分５リットルの水Ｗを噴
射することによって冷却し、回転工具３の柱３ｂから１
００ｍｍ後方を鋼製のローラ７を用いて５ｋＮで加圧し
た。更に、裏当てジグ１は、上記摩擦撹拌接合が行われ
る各部に計１０個設け、図示しない搬送テーブルとの間
に適宜のスペーサを介在させて高さを相違させることに
より、その上面が全体として半径３×１０⁵ ｍｍの球面
状の湾曲面１００を形成するようにした。この結果、接
合後のパネル５０における長手方向の反り、及び、幅方
向の角変形（横曲がり）は、いずれも１ｍｍ以下となっ
た。

【００２２】比較例１ これに対して、裏当てジグの上面を従来のように平板状
に配設し、他の条件は実施例と同様にした場合、長手方
向の反りは７ｍｍ、幅方向の角変形は６ｍｍとなった。

【００２３】比較例２ 更に、冷却ノズル９による冷却もローラ７による押圧も
行わず、他の条件は比較例１と同様にした場合、長手方
向の反りは１３ｍｍ、幅方向の角変形は１５ｍｍであっ
た。なお、図３（Ａ）には、この比較例２における長手
方向の反り及び幅方向の角変形の数値をパネル５０の表
面に数字で示している。細字は反りを表し、パネル５０
の長手方向両端に張った糸と表記位置におけるパネル５
０の表面との距離をｍｍで表している。太字は角変形を
表し、パネル５０の幅方向両端に張った糸と表記位置に
おけるパネル５０の表面との距離をｍｍで表している。

【００２４】比較例３ ６Ｎ０１合金のＴ５材からなる厚さ４ｍｍのＴ型形材を
幅方向に５枚摩擦撹拌接合し、長さ６０００ｍｍ，幅１
０００ｍｍのパネルを作製した。裏当てジグとしては厚
さ１００ｍｍの平板を使用し、接合条件は、回転工具３
の回転数２０００ｒｐｍ、接合速度５００ｍｍ／分、工
具肩部径φ１６ｍｍ、小径の柱３ｂは柱径φ４ｍｍ，長
さ３．８ｍｍ、工具差し込み深さ４．０ｍｍとした。ま
た、冷却ノズル９による冷却もローラ７による押圧も行
わなかった。この接合の結果、長手方向の反りは１６ｍ
ｍ、幅方向の角変形は４ｍｍであった。

【００２５】比較例４ ６Ｎ０１合金のＴ５材からなる厚さ４ｍｍのＴ型形材を
幅方向に５枚ＭＩＧ溶接によって接合し、長さ６０００
ｍｍ，幅１０００ｍｍのパネルを作製した。接合の結
果、長手方向の反りは４０ｍｍ、幅方向の角変形は１２
ｍｍであった。

【００２６】比較例５ ５０８３合金のＨ１１２材からなる厚さ４ｍｍのＴ型形
材を幅方向に３枚摩擦撹拌接合し、長さ１０００ｍｍ，
幅６００ｍｍのパネルを作製した。裏当てジグとしては
厚さ１００ｍｍの平板を使用し、接合条件は、回転工具
３の回転数２０００ｒｐｍ、接合速度５００ｍｍ／分、
工具肩部径φ１６ｍｍ、小径の柱３ｂは柱径φ４ｍｍ，
長さ３．８ｍｍ、工具差し込み深さ４．０ｍｍとした。
また、冷却ノズル９による冷却もローラ７による押圧も
行わなかった。この接合の結果、長手方向の反りは３ｍ
ｍ、幅方向の角変形は２ｍｍであった。

【００２７】比較例６ 比較例５において冷却ノズル９による冷却とローラ７に
よる押圧矯正を行うことにより、長手方向の反り及び幅
方向の角変形はいずれも１．５ｍｍとなった。以上のよ
うに、本実施例では、摩擦撹拌接合が行われる部分を水
Ｗで冷却しているので、熱膨張，熱収縮による歪みの発
生を抑制することができる。この冷却によって歪みは冷
却を行わない場合の１／３程度に減少するが、依然とし
て歪みのある状態である。これは、次のような理由によ
る。すなわち、摩擦撹拌接合は、金属部材５を構成する
金属材料を摩擦熱により高温の塑性流動状態にし、回転
工具３の回転により金属材料を撹拌して接合する方法で
ある。このため、接合中に金属部材５を冷却する効果に
は限界がある。

【００２８】そこで、本実施例では摩擦撹拌接合後の接
合部５ａをローラ７で押圧することにより、金属材料が
軟化状態にある間に歪みを矯正することができた。しか
しながら、本実施例のように多くの接合箇所がある広幅
大型のパネルを作製する場合は、上記冷却及び押圧矯正
だけでは完全に歪みを除去できない場合がある（比較例
１参照）。そこで、本実施例では、上記摩擦撹拌接合
を、上記歪みの発生方向とは逆方向に湾曲した裏当てジ
グ１上に金属部材５を拘束して行うことにより、きわめ
て良好に歪みを除去することができた。従って、本実施
例では、金属部材５を接合して幅広大型のパネルを作製
する場合にも、歪みの発生を良好に防止することができ
る。

【００２９】また、本実施例では、毎分５リットルとい
った大量の水Ｗを冷却ノズル９から噴射しているが、噴
射された水Ｗは冷媒漏れ防止壁１１及び循環用ポンプ１
３によって回収され、再び冷却ノズル９へ供給される。
このため、水Ｗの無駄を良好に防止することができる。
また、この種の製造装置の駆動系にはグリスや機械油等
の潤滑剤が使用されており、水Ｗと潤滑剤とが混ざり合
うと駆動系に悪影響を及ぼす場合があるが、水Ｗは前述
のように回収されるので、その水Ｗが製造装置の駆動系
に悪影響を及ぼすのも良好に防止することができる。

【００３０】なお、本発明は上記実施例及び実施の形態
に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱し
ない範囲で種々の形態で実施することができる。例え
ば、冷媒漏れ防止壁１１は図１（Ｂ）に示したような矩
形形状に限らず、円形、楕円形等種々の形状に構成する
ことができる。また、水Ｗの回収方法は、冷媒漏れ防止
壁１１による方法に限らず種々の方法で回収することが
考えられる。更に、製造装置の駆動系を適切に構成して
水Ｗの悪影響を排除した場合、水Ｗを回収する構成を省
略して冷却ノズル９からは新鮮な水Ｗを噴射するように
してもよい。

【００３１】また、冷媒としては水Ｗ以外にも種々の流
体を使用することができ、揮発性かつ不燃性の液体を使
用したり、空冷にしたりすることもできる。更に、上記
実施の形態では回転工具３を固定した上で金属部材５を
移動させているが、金属部材５を固定した上で回転工具
３を移動させてもよい。また更に、本発明はアルミニウ
ム合金の形材の接合に限らず、純粋なアルミニウムや銅
等の他の金属からなる金属部材を接合する装置に対して
も適用することができ、金属部材は板材等であってもよ
い。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明が適用された製造装置の構成を概略的
に表す説明図である。

【図２】 その製造装置の変形例の構成を概略的に表す
側面図である。

【図３】 実施例及び比較例で作製されたパネルの構成
を表す平面図及び正面図である。

【符号の説明】

１，２１…裏当てジグ ３…回転工具 ５…
金属部材 ５ａ…接合部 ７…ローラ ９…
冷却ノズル １１…冷媒漏れ防止壁 １３…循環用ポンプ ５０
…パネル ５１…台形形材 ５３…Ｌ型形材 Ｗ…
水

フロントページの続き (72)発明者 野々田 八郎 東京都港区新橋５丁目11番３号 住友軽金 属工業株式会社内 Ｆターム(参考） 4E067 AA05 AA07 BG00 BG06 CA04 DB07 DC05 DD02 EC01

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 金属部材の端面を突き合わせ、回転工具
   を回転しながらその回転工具と上記金属部材とを上記突
   き合わせ部分に沿って相対的に移動させることより、上
   記金属部材を摩擦撹拌接合して広幅金属材を製造する広
   幅金属材の製造方法であって、 上記摩擦撹拌接合が行われる部分を冷媒を用いて冷却
   し、 上記摩擦撹拌接合後の接合部をローラで押圧して歪みを
   矯正し、 かつ、上記摩擦撹拌接合を、上記歪みの発生方向とは逆
   方向に湾曲した裏当てジグ上に上記金属部材を拘束して
   行うことを特徴とする広幅金属材の製造方法。
2. 【請求項２】 上記金属部材が、アルミニウムまたはア
   ルミニウム合金の幅広形材または幅広板材であることを
   特徴とする請求項１記載の広幅金属材の製造方法。
3. 【請求項３】 金属部材の端面を突き合わせ、回転工具
   を回転しながらその回転工具と上記金属部材とを上記突
   き合わせ部分に沿って相対的に移動させることより、上
   記金属部材を摩擦撹拌接合して広幅金属材を製造する広
   幅金属材の製造装置であって、 上記摩擦撹拌接合が行われる部分に冷媒を噴射する冷却
   ノズルと、 上記摩擦撹拌接合後の接合部を押圧して歪みを矯正する
   ローラと、 上記回転工具と対向配置され、上記歪みの発生方向とは
   逆方向に湾曲した面で上記金属部材を拘束する裏当てジ
   グと、 を備えたことを特徴とする広幅金属材の製造装置。
4. 【請求項４】 上記冷却ノズルから噴射された冷媒を回
   収して再び上記冷却ノズルに供給する冷媒回収手段を、 更に備えたことを特徴とする請求項３記載の広幅金属材
   の製造装置。
5. 【請求項５】 上記金属部材が、アルミニウムまたはア
   ルミニウム合金の幅広形材または幅広板材であることを
   特徴とする請求項３または４記載の広幅金属材の製造装
   置。