JP2003112271A - 摩擦撹拌接合法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 接合部材に働く回転力を相殺し、接合部材が
回転しにくくして、接合部材に対するクランプ力を低減
又はクランプを必要としない摩擦撹拌接合法を提供す
る。 【解決手段】 本発明の摩擦撹拌接合法は、接合部材
３，３′の厚さ方向の一方の側に、回転する第１回転ツ
ール１の第１のプローブ１２と第２回転ツール２の第２
のプローブ２２とを配置し、この両プローブを略同一の
回転速度で回転すると共に、その回転方向を互いに相反
する方向としている。また、両プローブは接合部材に対
して略同じ加圧力で加圧している。更に接合部材の接合
部３１，３１′が線状に延びるものである場合には、第
１及び第２のプローブを相反する方向に移動させてい
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、塑性流動性のある
金属や樹脂等の材料からなる接合部材の突合せ接合又は
重ね接合に用いられる摩擦撹拌接合法に関する。

【０００２】

【従来の技術】突合せ状態又は重合せ状態に配置した２
個の接合部材を接合する摩擦撹拌接合法は、固相接合法
の一つであり、接合部材の突合せ部又は重合せ部に回転
しているプローブを挿入し、このプローブとの接触部を
摩擦熱にて軟化させ撹拌しながら、プローブを突合せ部
又は重合せ部に沿って移動させながら冷却固化し、両者
を接合させるものである。即ち、プローブの移動に伴っ
て、軟化撹拌部分がプローブの進行圧力を受けてプロー
ブの通過溝で受けるようにプローブの進行方向後方へと
回り込むように塑性流動したのち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
次繰り返えされていき、最終的に両接合部材が突合せ部
又は重合せ部において接合一体化される。

【０００３】このような摩擦撹拌接合法は、固相接合で
あるため、接合部材の材料の種類に制限を受けないと
か、ＭＩＧ，ＴＩＧ、レーザ溶接等といった溶融溶接法
と比較して接合時の熱歪みによる変形が少ない等の利点
がある。

【０００４】ところで、従来の摩擦撹拌接合法にあって
は、接合部材は基台上に固定状態に取り付けられ、この
接合部材の突合せ部又は重合せ部に接合部材の上面から
プローブを挿入した後、プローブ挿入状態でプローブを
所定方向に移動させ、或いは接合部材が取り付けられた
基台を所定方向に移動させることにより、接合部材を接
合一体化していた。

【０００５】しかしながら、この従来の摩擦撹拌接合法
において、得られる接合品を接合状態の均質なものにす
るためには、プローブの挿入深さを一定に保ちながらプ
ローブや基台を移動させなければならなかった。しかし
ながら、突合せ部又は重合せ部の長さ方向の全域に亘っ
てプローブの挿入深さを一定に保つことが難しく、接合
状態の均質な接合品を製作することが困難であった。ま
た、接合を接合部材の上面と下面の両側から行う場合
に、まず片面を接合しておき、次いでひっくり返して他
方の面を接合していたため、接合作業能率があまり良く
ないという問題があった。

【０００６】この問題を解決するものとして、特開平１
１−３２０１２７号公報による方法が、従来提案されて
いる。この方法は、接合部材の厚さ方向の一方側に回転
する第１プローブを配置すると共に、他方側に第１プロ
ーブに対向して第１受けローラを配置する一方で、接合
部材の厚さ方向の他方側に回転する第２プローブを配置
すると共に、一方側に第２プローブに対向して第２受け
ローラを配置したものである。これにより接合部材をひ
っくり返すことなく１回の溶接操作で一方側と他方側の
両側接合を行うものである。

【０００７】しかしながら、上記公知の方法は、一方側
と他方側の２つの回転プローブが同期して同時に回転し
ておらず、回転速度も同じではないため、その回転力が
接合部材に作用し、接合部材自体が回転、位置ずれを起
こし易くなることから、接合部材を強力にクランプする
必要がある。その場合、接合部材が変形したり、傷がつ
いてしまうという問題が生じる。

【０００８】また、接合開始時や接合途中において、プ
ローブの挿入圧により接合部材の突合せ部が開いてしま
うという問題を解決するものとして、従来、特開２００
０−９４１５６号公報による方法も提案されている。こ
の方法は、接合部材の接合方向における回転プローブの
前方に、周縁部のみが接合部に押し付けられる回転体を
設けて、摩擦撹拌接合による前に接合部において仮付接
合しようとするものである。

【０００９】しかしながら、この公知の方法も、回転体
及び回転プローブ共に同方向に回転しており、上記した
問題である、回転力による接合部材自体の回転、位置ず
れの根本的な解決になっておらず、同様に接合部材を強
力にクランプする必要がある。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記問題に
鑑みてなされたもので、その目的は、接合部材に働く回
転力を相殺し、接合部材が回転しにくくして、接合部材
に対するクランプ力を低減することができる又はクラン
プを必要としない摩擦撹拌接合法を提供することであ
る。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、前記課題を解
決するための手段として、特許請求の範囲の各請求項に
記載の摩擦撹拌接合法を提供する。請求項１に記載の摩
擦撹拌接合法は、接合部材の厚さ方向の一方の側に、回
転する第１回転ツールの第１のプローブと第２回転ツー
ルの第２のプローブとを配置し、両プローブを略同一の
回転速度で回転すると共にその回転方向を相反する方向
としたものである。これにより、回転方向が相反する回
転プローブを同時に接合部材に押し当てることで、接合
部材に働く回転力が相殺され、接合部材が回転しにくく
なることで、クランプ力を低減することができ、接合部
材が変形したり、傷が付いてしまうことがない。

【００１２】請求項２の摩擦撹拌接合法は、第１のプロ
ーブと第２のプローブとが接合部材に対して略同じ加圧
力で加圧するようにしたものであり、これにより、接合
部材に働く回転力が略相殺されるようになり、見かけ上
回転力がない状態になる。このため、接合部材は回転し
ないため、接合部材を動かないように留めておくクラン
プ力は、従来の１つの回転プローブで接合する場合に比
べ小さくてすむ。請求項３の摩擦撹拌接合法は、接合部
材の接合部が線状に延びる場合においては、第１のプロ
ーブと第２のプローブとを互いに相反する方向に移動す
るようにしたものである。これにより、第１のプローブ
と第２のプローブとを接合部の接合線方向に同方向に移
動させる場合に比べて、接合部材の接合線方向に働く力
が相殺され、よりクランプ力を低減できる。

【００１３】請求項４の摩擦撹拌接合法は、第１のプロ
ーブと第２のプローブの相反する方向への移動速度が略
同一であるようにしたものであり、これにより、接合部
材の接合線方向に働く力は完全に相殺されるようにな
り、より一層クランプ力を低減できる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、図面に基づいて本発明の実
施の形態の摩擦撹拌接合法について説明する。図１は、
本発明の第１実施形態の摩擦撹拌接合法を説明する図で
ある。第１回転ツール１は、円柱状の第１の回転体１１
と、この第１の回転体１１の端部軸線上に一体に突出さ
れた小径のピン状の第１のプローブ１２とを有し、第１
の回転体１１と第１のプローブ１２とは一体的に回転す
るようになっている。また、第１の回転体１１と第１の
プローブ１２とは、接合部材３，３′よりも硬質でかつ
接合時に発生する摩擦熱に耐えられる耐熱材料によって
形成されている。

【００１５】第２回転ツール２も、第１回転ツール１と
同一の構造をしており、第２の回転体２１と第２のプロ
ーブ２２とを有し、両者は一体的に回転する。第１実施
形態では、第１回転ツール１と第２回転ツール２とは、
両接合部材３，３′の接合部３１，３１′の接合線上に
前後に配置されるようになっており、両回転ツール１，
２は接合進行方向に移動する。しかしながら、両回転ツ
ール１，２は互いに相反する方向に回転している。即
ち、第１回転ツール１が正回転している場合は、第２回
転ツール２は逆回転している。

【００１６】なお、両接合部材３，３′の接合部３１，
３１′の反対側は、それぞれクランプ部材４，４′によ
り適度のクランプ力によってクランプされている。ま
た、図１には示されていないが、第１、第２回転ツール
１，２はそれぞれ加圧装置を有しており、略同じような
加圧力がそれぞれの回転ツール１，２によって接合部３
１に働いている。更には、第１、第２回転ツールは図示
されない制御装置によって、回転速度が同期するように
制御されている。また、第１回転ツール１による接合部
３１と第２回転ツール２による接合部３１′が重複しな
いように、両回転ツール１，２の間隔を予め設定してお
く必要がある。

【００１７】このように構成された摩擦撹拌接合装置に
おいて、第１回転ツール１の第１のプローブ１２と、こ
れとは回転方向が相反する第２回転ツール２の第２のプ
ローブ２２を、基台上にクランプされた接合部材３，
３′の接合部３１，３１′に同時に押し当て、第１回転
ツール１を接合進行方向に移動させると同時に、第２回
転ツール２を接合進行方向に移動させる。このとき、接
合部材３，３′は、第１回転ツール１による正方向の回
転力と第２回転ツール２による逆方向の回転力を同時に
受けるが、接合部材３，３′全体としては回転力が相殺
され、見かけ上回転力がない状態になる。このため、接
合部材３，３′は回転しないため、接合部材３，３′を
動かないように留めておくクランプ部材４，４′による
クランプ力は、従来の１つの回転ツールで接合する場合
に比べて小さくてすむ。

【００１８】図２は、本発明の第２実施形態を示してお
り、第１実施形態とは、第１回転ツール１と第２回転ツ
ール２の接合部３１，３１′に沿う移動方向が互いに相
反する方向になっている点を除いて、他の構成は同じで
ある。このように第１回転ツール１と第２回転ツール２
の移動方向を相反する方向とすることによって、第１実
施形態による同方向の移動の場合に比べて、接合部材
３，３′の接合線方向に働く力が相殺され、第１実施形
態よりもクランプ力を低減できる。なお、突き合わせ継
ぎ手の接合の場合であっても、線状以外にスポット的に
も摩擦撹拌接合が可能である。また、クランプ部材４，
４′を必要に応じ外すことも可能である。

【００１９】図３は、本発明の第３実施形態を示してお
り、第１実施形態とは、第１回転ツール１によって行わ
れる接合部３１と、第２回転ツール２によって行われる
接合部３１′とが互いに平行に位置がづれていることを
除いて、他の構成は同じである。２つの接合部３１，３
１′が平行にづれている場合においても、それぞれの接
合部３１，３１′での接合を１回の溶接動作で行うこと
ができ、しかも、第１回転ツール１と第２回転ツール２
の回転方向が互いに相反しているので、接合部材３，
３′に働く回転力が相殺され、接合部材３，３′を留め
るクランプ力が低減できる。

【００２０】図４は、本発明の第４実施形態を示してい
る。前述の第１〜第３実施形態においては、突き合わせ
継ぎ手の接合の場合で説明しているが、第４実施形態以
降では、重ね合わせ継ぎ手の接合の場合について説明す
る。第４実施形態は、重ね合わせ継ぎ手のスポット接合
の場合を示している。この第４実施形態の摩擦撹拌接合
装置も、基本的に上記第１〜３実施形態の装置と同じで
ある。即ち第１の回転体１１及び第１のプローブ１２と
を有する第１回転ツール１と、この第１回転ツール１と
は回転方向が相反する、第２の回転体２１と第２のプロ
ーブ２２とを有する第２回転ツール２と、これら第１回
転ツール１及び第２回転ツール２をそれぞれ回転・加圧
する装置５，６と、第１回転ツール１と第２回転ツール
２の回転数と加圧力とを同期させ制御する制御装置７と
より構成されている。

【００２１】上記構成よりなる第４実施形態の該装置の
作動について説明する。第１回転ツール１の第１のプロ
ーブ１２と第２回転ツール２の第２のプローブ２２と
を、重ね合わせて置かれた接合部材３，３′上に押し当
て、それぞれ加圧装置５，６により加圧する。この場
合、制御装置７により第１回転ツール１と第２回転ツー
ル２の加圧力を同じに制御し、第１回転ツール１と第２
回転ツール２の回転開始時期を同期させ、第１回転ツー
ル１を正回転に、第２回転ツール２を逆回転、即ち第１
回転ツール１とは回転方向が相反する方向に回転させ、
その回転数が同じになるように制御する。

【００２２】そして、第１回転ツール１の第１のプロー
ブ１２及び第２回転ツール２の第２のプローブ２２の接
触部の摩擦熱により接合材料３と接合材料３′とを塑性
流動撹拌させた後、第１回転ツール１と第２回転ツール
２とを同時に接合材料３，３′から引き上げ冷却固化し
て接合を完了する。第１、第２回転ツール１，２は、そ
れぞれの接合点で回転しているだけで、移動はしない。
このとき、接合部材３は、第１回転ツール１による正方
向の回転力と第２回転ツール２による逆方向の回転力と
を同時に受けるが、接合部材３，３′全体としては、回
転力が相殺され、見かけ上回転力がない状態になる。こ
のため、接合部材３，３′は回転しないため、接合部材
３，３′を動かないように留めておくクランプ部材を必
要とせずに位置ずれなく、接合部材３と接合部材３′と
をスポット的に摩擦撹拌接合が可能となる。

【００２３】図５は、本発明の第５実施形態を示してい
る。第５実施形態は、重ね合わせ継ぎ手の線状連続接合
の場合を示しており、第４実施形態とは、第１回転ツー
ル１と第２回転ツール２とが、第２実施形態のように同
一直線上を相反する方向に、同じ速度で移動させている
ことを除いて、他は同じである。この場合においては、
重ね合わせた接合部材３，３′の線状の摩擦撹拌接合が
可能である。また、前述したと同様に接合部材３，３′
全体としては、第１、第２回転ツール１，２による回転
力が相殺され、回転しないため、接合部材のクランプを
必要としない。更に、接合部材３，３′の接合線方向に
働く力が、第１回転ツール１と第２回転ツール２とが相
反する方向に移動することから相殺され、この面からも
クランプの必要性がなくなる。

【００２４】図６は、本発明の第６実施形態を示してい
る。第６実施形態では、第１回転ツール１と第２回転ツ
ールのセットを複数使用して接合する場合を示してお
り、図では、第３回転ツール８と第４回転ツール９を更
に設けている。この場合、第１回転ツール１と第３回転
ツール８とは正回転しており、第２回転ツール２と第４
回転ツール９とは逆回転している。これらの回転ツール
１，２，８，９の回転数及び加圧とが同期されているこ
とは言うまでもないことである。このように正方向に回
転する回転ツールと逆方向に回転する回転ツールとをセ
ットとして、複数のセットを使用しても、同様の効果を
得ることができる。

【００２５】図７は、本発明の第４実施形態をコンデン
サやリレー等の大型部品を実装している回路におけるタ
ーミナル接合に適用した実施例を示している。この場合
回路板Ａ上には、リレーＲやコンデンサＣが実装されて
おり、ターミナル３Ａとターミナル３Ｂとをクランプす
るスペースがないので、接合部材をクランプする必要の
ない本発明の摩擦撹拌接合法は非常に有効である。

【００２６】図８は、本発明の第４実施形態をケース枠
近傍でのバスバー接合に適用した別の実施例を示してい
る。ケースＢのケース枠近傍でのバスバー３Ｃ，３Ｄを
接合する場合、ケース枠Ｂ₁ が障害となってバスバー３
Ｃとバスバー３Ｄとをクランプするスペースがないの
で、この場合においても、接合部材をクランプする必要
のない本発明の該接合法は非常に有効である。

【００２７】図９は、本発明の第４実施形態を形状が複
雑なハウジング上へのブラケット接合に適用した更に別
の実施例を示している。図に示されるように、形状が複
雑なハウジングＨ上へブラケットＤを接合する場合、ハ
ウジングＨが障害となってブラケットＤをクランプする
スペースがないので、この場合においても、接合部材を
クランプする必要のない本発明の該接合法は非常に有効
である。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明において
は、接合部材へのクランプ力を低減することができるか
もしくはクランプ力を必要としないので、接合部材の周
囲に障害物がある場合や、接合部材が微小である場合
等、構造上接合部材のクランプが困難である場合に非常
に有効な接合法である。また、クランプ力が低減もしく
は必要ないため、接合部材の変形、傷を抑えることがで
きると共に、溶接台や治具の剛性も従来より小さくてす
むため、設備を小型化できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態の摩擦撹拌接合法を説明
する図である。

【図２】本発明の第２実施形態の摩擦撹拌接合法を説明
する図である。

【図３】本発明の第３実施形態の摩擦撹拌接合法を説明
する図である。

【図４】本発明の第４実施形態の摩擦撹拌接合法を説明
する図である。

【図５】本発明の第５実施形態の摩擦撹拌接合法を説明
する図である。

【図６】本発明の第６実施形態の摩擦撹拌接合法を説明
する図である。

【図７】本発明の接合法を大型部品実装回路のターミナ
ル結合に適用した実施例を示す図である。

【図８】本発明の接合法をケース枠近傍でのバスバー接
合に適用した別の実施例を示す図である。

【図９】本発明の接合法を形状が複雑なハウジング上へ
のブラケット接合に適用した更に別の実施例を示す図で
ある。

【符号の説明】

１…第１回転ツール １１…第１の回転体 １２…第１のプローブ ２…第２回転ツール ２１…第２の回転体 ２２…第２のプローブ ３，３′…接合部材 ３１，３１′…接合部 ４，４′…クランプ部材 ５，６…加圧装置 ７…制御装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 吉野 睦 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 株式会 社デンソー内 Ｆターム(参考） 4E067 AA01 AA19 BG00 DC07 EC06

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 両接合部材の接合部に回転するツールの
   プローブを当接し、プローブとの接触部を摩擦熱で軟化
   させ撹拌しながら、プローブを当接状態で接合部に沿っ
   て相対的に移動させることにより、接合部を接合する摩
   擦撹拌接合法において、 前記接合部材の厚さ方向の一方の側に、回転する第１回
   転ツールの第１のプローブと第２回転ツールの第２のプ
   ローブとを配置し、両プローブを略同一の回転速度で回
   転すると共にその回転方向を相反する方向としたことを
   特徴とする摩擦撹拌接合法。
2. 【請求項２】 前記第１のプローブと前記第２のプロー
   ブとが、前記接合部材に対して略同じ加圧力で加圧して
   いることを特徴とする請求項１に記載の摩擦撹拌接合
   法。
3. 【請求項３】 前記両接合部材の前記接合部が、線状に
   延びるものである場合、前記第１及び第２のプローブを
   相反する方向に移動させることを特徴とする請求項１又
   は２に記載の摩擦撹拌接合法。
4. 【請求項４】 前記第１及び第２のプローブの相反する
   方向への移動速度が略同一であることを特徴とする請求
   項３に記載の摩擦撹拌接合法。