JP2003154470A - 摩擦攪拌接合方法 - Google Patents
摩擦攪拌接合方法Info
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- JP2003154470A JP2003154470A JP2001354292A JP2001354292A JP2003154470A JP 2003154470 A JP2003154470 A JP 2003154470A JP 2001354292 A JP2001354292 A JP 2001354292A JP 2001354292 A JP2001354292 A JP 2001354292A JP 2003154470 A JP2003154470 A JP 2003154470A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 摩擦攪拌接合時に発生する荷重の低減、接合
後の部材のひずみの低減及び構造物としての強度の向上
を実現できるようにする。 【解決手段】 二つの中空形材１、２を摩擦攪拌接合す
る回転工具１０の移動方向１６の後方に空冷機構２０が
配置されている。空冷機構２０は、回転工具１０が移動
方向１６に動作すると同時に回転工具１０と同じ速度で
移動方向１６に動作する。空冷機構２０は、外空気２１
を冷却し、冷却空気２２を回転工具１０の移動方向１６
のわずか後方の熱影響部９に吹き付ける。これによれ
ば、回転工具１０の前方部分と後方部分の温度差が小さ
くなるため、圧力差も小さくなり、接合時の前後力を低
減できる。中空形材１、２への入熱が減少するため、接
合後の中空形材１、２のひずみが低減し、構造体として
の強度も向上する。
後の部材のひずみの低減及び構造物としての強度の向上
を実現できるようにする。 【解決手段】 二つの中空形材１、２を摩擦攪拌接合す
る回転工具１０の移動方向１６の後方に空冷機構２０が
配置されている。空冷機構２０は、回転工具１０が移動
方向１６に動作すると同時に回転工具１０と同じ速度で
移動方向１６に動作する。空冷機構２０は、外空気２１
を冷却し、冷却空気２２を回転工具１０の移動方向１６
のわずか後方の熱影響部９に吹き付ける。これによれ
ば、回転工具１０の前方部分と後方部分の温度差が小さ
くなるため、圧力差も小さくなり、接合時の前後力を低
減できる。中空形材１、２への入熱が減少するため、接
合後の中空形材１、２のひずみが低減し、構造体として
の強度も向上する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、摩擦攪拌接合方法
に関するものである。例えば、鉄道車両、建築物等に使
用されるアルミニウム合金製の中空形材を接合する摩擦
攪拌接合方法に好適である。
に関するものである。例えば、鉄道車両、建築物等に使
用されるアルミニウム合金製の中空形材を接合する摩擦
攪拌接合方法に好適である。
【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、接合部に挿
入する小径部と外部に位置する大径部からなる。小径部
と大径部は、同軸である。小径部と大径部の境は、接合
部に若干挿入されている。これは、特表平０７−５０５
０９０号公報（ＥＰ０６１５４８０Ｂ１）に示されてい
る。
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、接合部に挿
入する小径部と外部に位置する大径部からなる。小径部
と大径部は、同軸である。小径部と大径部の境は、接合
部に若干挿入されている。これは、特表平０７−５０５
０９０号公報（ＥＰ０６１５４８０Ｂ１）に示されてい
る。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】摩擦攪拌接合は、回転
工具の挿入によって部材に多大な荷重が作用する。この
ため、中空形材を摩擦攪拌接合する場合、面板や面板を
接続するリブに多大な前後力（回転工具移動方向）や左
右力（回転工具移動方向に直角方向）や上下力（回転工
具挿入方向）が作用し、中空構造が崩壊する恐れがあ
る。ここで、部材を摩擦攪拌接合する際のメタルフロー
と部材の温度履歴を図４に示す。回転工具１０が回転方
向１５、移動方向１６に動作すると、メタルフロー６
０、７０、８０が生じ、回転工具１０の周囲Ａ、Ｂ、Ｃ
に温度勾配９０が生じる。この温度勾配９０が原因とな
り、接合時に発生する荷重が増大する。一方で、接合時
の部材への入熱の増加は、接合後の部材のひずみの増大
と構造物としての強度の低下を招く。このため、温度勾
配９０を適正化すると共に接合時の部材への入熱を低減
することが、質の高い構造物を得る上で重要となる。
工具の挿入によって部材に多大な荷重が作用する。この
ため、中空形材を摩擦攪拌接合する場合、面板や面板を
接続するリブに多大な前後力（回転工具移動方向）や左
右力（回転工具移動方向に直角方向）や上下力（回転工
具挿入方向）が作用し、中空構造が崩壊する恐れがあ
る。ここで、部材を摩擦攪拌接合する際のメタルフロー
と部材の温度履歴を図４に示す。回転工具１０が回転方
向１５、移動方向１６に動作すると、メタルフロー６
０、７０、８０が生じ、回転工具１０の周囲Ａ、Ｂ、Ｃ
に温度勾配９０が生じる。この温度勾配９０が原因とな
り、接合時に発生する荷重が増大する。一方で、接合時
の部材への入熱の増加は、接合後の部材のひずみの増大
と構造物としての強度の低下を招く。このため、温度勾
配９０を適正化すると共に接合時の部材への入熱を低減
することが、質の高い構造物を得る上で重要となる。
【０００４】ここで、回転工具の移動方向前方に外部熱
源を配置して摩擦攪拌接合を高速に行う方法が、特開平
１０−２２５７８１号公報に示されている。これによれ
ば、接合前に部材を予熱し軟化させることで、接合時に
発生する荷重を低減できる。しかし、接合時の部材への
入熱が増加するため、接合後の部材のひずみが増大する
と共に構造物としての強度が低下する。
源を配置して摩擦攪拌接合を高速に行う方法が、特開平
１０−２２５７８１号公報に示されている。これによれ
ば、接合前に部材を予熱し軟化させることで、接合時に
発生する荷重を低減できる。しかし、接合時の部材への
入熱が増加するため、接合後の部材のひずみが増大する
と共に構造物としての強度が低下する。
【０００５】本発明の目的は、摩擦攪拌接合時に発生す
る荷重の低減、接合後の部材のひずみの低減及び構造物
としての強度の向上を同時に実現できる摩擦攪拌接合方
法を提供することにある。
る荷重の低減、接合後の部材のひずみの低減及び構造物
としての強度の向上を同時に実現できる摩擦攪拌接合方
法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記目的は、回転工具の
移動方向において前記回転工具よりも後方の前記回転工
具によって接合された部分を冷却すること、により達成
できる。
移動方向において前記回転工具よりも後方の前記回転工
具によって接合された部分を冷却すること、により達成
できる。
【０００７】
【発明の実施の形態】本発明の一実施例を図１〜３によ
り説明する。中空形材１（２）は、実質的に平行な二枚
の面板３、４、トラス状に配置した複数のリブ５からな
る。リブ５によるトラスのピッチは同一である。トラス
は、面板３、４、リブ５の板厚の中心線によって構成さ
れる。
り説明する。中空形材１（２）は、実質的に平行な二枚
の面板３、４、トラス状に配置した複数のリブ５からな
る。リブ５によるトラスのピッチは同一である。トラス
は、面板３、４、リブ５の板厚の中心線によって構成さ
れる。
【０００８】中空形材１において、面板４の端部は面板
３の端部よりも端部側（隣接する中空形材２側）に突出
しており、面板３の端部と面板４の端部を接続するリブ
はない。中空形材１、２を突き合わせたとき、中空形材
１の面板４の端部は中空形材２の面板４とリブ５との交
点の近傍に突き合わせている。突出した面板４を突き合
わせるために、中空形材２側には面板４とリブ５との交
点に近傍に凹部がある。この凹部に中空形材１の面板４
が重なっている。これによって２等辺３角形のトラスが
構成される。このトラスの大きさは、他のトラスの大き
さと同一である。他のトラスも２等辺３角形である。
３の端部よりも端部側（隣接する中空形材２側）に突出
しており、面板３の端部と面板４の端部を接続するリブ
はない。中空形材１、２を突き合わせたとき、中空形材
１の面板４の端部は中空形材２の面板４とリブ５との交
点の近傍に突き合わせている。突出した面板４を突き合
わせるために、中空形材２側には面板４とリブ５との交
点に近傍に凹部がある。この凹部に中空形材１の面板４
が重なっている。これによって２等辺３角形のトラスが
構成される。このトラスの大きさは、他のトラスの大き
さと同一である。他のトラスも２等辺３角形である。
【０００９】一方、中空形材２において、面板３の端部
は面板４の端部よりも端部側（隣接する中空形材１側）
に突出しており、面板３の端部と面板４の端部を接続す
るリブ５がある。面板３の端部はトラスの交点よりも少
し突出している。突出した面板３を突き合わせるため
に、中空形材１側には面板３とリブ５との交点に近傍に
凹部がある。この凹部に中空形材２の面板３が重なって
いる。中空形材１、２を突き合わせたとき、中空形材２
の面板３の端部は中空形材１の面板４とリブ５との交点
の近傍に突き合わせている。これによってトラスが構成
される。
は面板４の端部よりも端部側（隣接する中空形材１側）
に突出しており、面板３の端部と面板４の端部を接続す
るリブ５がある。面板３の端部はトラスの交点よりも少
し突出している。突出した面板３を突き合わせるため
に、中空形材１側には面板３とリブ５との交点に近傍に
凹部がある。この凹部に中空形材２の面板３が重なって
いる。中空形材１、２を突き合わせたとき、中空形材２
の面板３の端部は中空形材１の面板４とリブ５との交点
の近傍に突き合わせている。これによってトラスが構成
される。
【００１０】中空形材１、２の接合方法を以下に説明す
る。中空形材１、２を接合線８の隙間が極力小さくなる
ように突き合わせ、定盤上に強固に固定する。突き合わ
せ部に回転工具１０を上方から挿入した状態で接合線８
に沿って移動させ、摩擦攪拌接合する。回転工具１０の
軸心は鉛直方向であり、回転工具１０の移動方向１６に
対しては公知のように傾斜している。回転工具１０は大
径部１１とその先端の小径部１２からなり、小径部１２
の先端は面板３の上面よりも深く挿入され、大径部１１
の下端は面板３の上面に位置している。
る。中空形材１、２を接合線８の隙間が極力小さくなる
ように突き合わせ、定盤上に強固に固定する。突き合わ
せ部に回転工具１０を上方から挿入した状態で接合線８
に沿って移動させ、摩擦攪拌接合する。回転工具１０の
軸心は鉛直方向であり、回転工具１０の移動方向１６に
対しては公知のように傾斜している。回転工具１０は大
径部１１とその先端の小径部１２からなり、小径部１２
の先端は面板３の上面よりも深く挿入され、大径部１１
の下端は面板３の上面に位置している。
【００１１】回転工具１０が移動方向１６に動作すると
同時に、回転工具１０の移動方向１６の後方に位置する
空冷機構２０が回転工具１０と同じ速度で移動方向１６
に動作する。同時に、空冷機構２０は、空気２１を冷却
し、冷却空気２２を回転工具１０の移動方向１６のわず
か後方の熱影響部９に吹き付ける。
同時に、回転工具１０の移動方向１６の後方に位置する
空冷機構２０が回転工具１０と同じ速度で移動方向１６
に動作する。同時に、空冷機構２０は、空気２１を冷却
し、冷却空気２２を回転工具１０の移動方向１６のわず
か後方の熱影響部９に吹き付ける。
【００１２】図２には、空冷機構２０を有する摩擦攪拌
接合装置の操作構成を示している。ＦＳＷコントローラ
３０は、回転工具１０と空冷機構２０を作動させる制御
指令３１、３２を摩擦攪拌接合装置に与える。制御信号
３１により、回転工具１０は、移動回転動作３３を行
い、摩擦熱１３を発生させて、接合３５を行う。一方、
制御指令３２により、空冷機構２０は、冷却動作３４を
行い、冷却熱２３を発生させて、冷却３６を行う。
接合装置の操作構成を示している。ＦＳＷコントローラ
３０は、回転工具１０と空冷機構２０を作動させる制御
指令３１、３２を摩擦攪拌接合装置に与える。制御信号
３１により、回転工具１０は、移動回転動作３３を行
い、摩擦熱１３を発生させて、接合３５を行う。一方、
制御指令３２により、空冷機構２０は、冷却動作３４を
行い、冷却熱２３を発生させて、冷却３６を行う。
【００１３】図３には、摩擦熱１３により入熱された熱
影響部９の温度履歴を示している。実線は冷却を行わな
かった場合の温度履歴を、破線は冷却を行った場合の温
度履歴を示す。ここで、接合時の前後力Ｆは、次式
（１）で求められる。 Ｆ＝Ｐａ・Ａａ−Ｐｂ・Ａｂ ・・・・・・・・・・・・・（１） Ｐａ＝ｆ(ｔａ) ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（２） Ｐｂ＝ｆ(ｔｂ) ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（３）
影響部９の温度履歴を示している。実線は冷却を行わな
かった場合の温度履歴を、破線は冷却を行った場合の温
度履歴を示す。ここで、接合時の前後力Ｆは、次式
（１）で求められる。 Ｆ＝Ｐａ・Ａａ−Ｐｂ・Ａｂ ・・・・・・・・・・・・・（１） Ｐａ＝ｆ(ｔａ) ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（２） Ｐｂ＝ｆ(ｔｂ) ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（３）
【００１４】ここで、Ｐａ、Ａａ、ｔａは回転工具１０
の移動方向１６の前方の圧力、受圧面積、温度であり、
Ｐｂ、Ａｂ、ｔｂは回転工具１０の移動方向１６の後方
の圧力、受圧面積、温度である。圧力Ｐａ、Ｐｂは、温
度ｔａ、ｔｂの関数である。
の移動方向１６の前方の圧力、受圧面積、温度であり、
Ｐｂ、Ａｂ、ｔｂは回転工具１０の移動方向１６の後方
の圧力、受圧面積、温度である。圧力Ｐａ、Ｐｂは、温
度ｔａ、ｔｂの関数である。
【００１５】これより、接合時の前後力Ｆを小さくする
には、回転工具１０の移動方向１６の前後の受圧面積Ａ
ａ、Ａｂを同じと考えると、圧力Ｐａ、Ｐｂの差すなわ
ち温度ｔａ、ｔｂの差を小さくすることが有効であるこ
とがわかる。ここで、冷却を行った場合、回転工具１０
の移動方向１６の前方部分（Ｃ）と後方部分（Ａ）の温
度差ｔａ−ｔｂが小さくなるため、圧力差Ｐａ−Ｐｂも
小さくなる。よって、接合時の前後力Ｆを低減できる。
すなわち、接合時に発生する荷重を低減できる。
には、回転工具１０の移動方向１６の前後の受圧面積Ａ
ａ、Ａｂを同じと考えると、圧力Ｐａ、Ｐｂの差すなわ
ち温度ｔａ、ｔｂの差を小さくすることが有効であるこ
とがわかる。ここで、冷却を行った場合、回転工具１０
の移動方向１６の前方部分（Ｃ）と後方部分（Ａ）の温
度差ｔａ−ｔｂが小さくなるため、圧力差Ｐａ−Ｐｂも
小さくなる。よって、接合時の前後力Ｆを低減できる。
すなわち、接合時に発生する荷重を低減できる。
【００１６】また、冷却を行った場合、中空形材１、２
への入熱が減少するため、接合後の中空形材１、２のひ
ずみが低減する。更に、構造体としての強度も向上す
る。
への入熱が減少するため、接合後の中空形材１、２のひ
ずみが低減する。更に、構造体としての強度も向上す
る。
【００１７】面板３の接合が終了した後、中空形材１、
２を反転し、定盤上に再度強固に固定する。次に、トラ
ス頂点７において、回転工具１０により摩擦攪拌接合す
る。摩擦攪拌接合は前記と同様である。
２を反転し、定盤上に再度強固に固定する。次に、トラ
ス頂点７において、回転工具１０により摩擦攪拌接合す
る。摩擦攪拌接合は前記と同様である。
【００１８】冷却原として、空気の他に液体等を利用で
きる。
きる。
【００１９】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。
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。
【００２０】
【発明の効果】本発明によれば、摩擦攪拌接合時に発生
する荷重の低減、接合後の部材のひずみの低減及び構造
物としての強度の向上を同時に実現できる。
する荷重の低減、接合後の部材のひずみの低減及び構造
物としての強度の向上を同時に実現できる。
【図１】本発明の一実施例の斜視図。
【図２】本発明の一実施例の摩擦攪拌接合装置の操作構
成図。
成図。
【図３】本発明の一実施例の熱影響部の温度履歴図。
【図４】摩擦攪拌接合におけるメタルフロー及び部材の
温度履歴図。
温度履歴図。
１、２：中空形材、３、４：面板、５：内リブ、６：外
リブ、７：ラス頂点、８：接合線、９：熱影響部、１
０：回転工具、１１：大径部、１２：小径部、１３：摩
擦熱、１５：回転方向、１６：移動方向、２０：空冷機
構、２１：外空気、２２：冷却空気、２３：冷却熱、３
１、３２：制御指令、３３：回転移動動作、３４：冷却
動作、３５：接合、３６：冷却、６０、７０、８０：メ
タルフロー、９０：温度勾配
リブ、７：ラス頂点、８：接合線、９：熱影響部、１
０：回転工具、１１：大径部、１２：小径部、１３：摩
擦熱、１５：回転方向、１６：移動方向、２０：空冷機
構、２１：外空気、２２：冷却空気、２３：冷却熱、３
１、３２：制御指令、３３：回転移動動作、３４：冷却
動作、３５：接合、３６：冷却、６０、７０、８０：メ
タルフロー、９０：温度勾配
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 茂山 正明
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
(72)発明者 佐川 年旦
東京都千代田区神田駿河台四丁目６番地
株式会社日立製作所内
Ｆターム(参考） 4E067 AA05 BG00 DC05 EA08 EA09
EC06
Claims (2)
- 【請求項１】 一対の部材の接合部に挿入した回転工具
を回転させつつ前記一対の部材の接合線に沿って移動さ
せ、摩擦攪拌接合を行う方法において、 前記回転工具の移動方向において前記回転工具よりも後
方の前記回転工具によって接合された部分を冷却するこ
と、 を特徴とする摩擦攪拌接合方法。 - 【請求項２】 請求項１の摩擦攪拌接合方法において、 前記冷却は空気を吹き付けて行うこと、 を特徴とする摩擦攪拌接合方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001354292A JP2003154470A (ja) | 2001-11-20 | 2001-11-20 | 摩擦攪拌接合方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001354292A JP2003154470A (ja) | 2001-11-20 | 2001-11-20 | 摩擦攪拌接合方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003154470A true JP2003154470A (ja) | 2003-05-27 |
Family
ID=19166173
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001354292A Pending JP2003154470A (ja) | 2001-11-20 | 2001-11-20 | 摩擦攪拌接合方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2003154470A (ja) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6772935B2 (en) * | 2000-07-20 | 2004-08-10 | Eads Deutschland Gmbh | Method and device for friction stir welding with simultaneous cooling |
| CN100460131C (zh) * | 2007-04-24 | 2009-02-11 | 中国航空工业第一集团公司北京航空制造工程研究所 | 阵列式射流冲击热沉搅拌摩擦焊接方法及装置 |
| CN105579184A (zh) * | 2013-09-30 | 2016-05-11 | 杰富意钢铁株式会社 | 钢板的摩擦搅拌接合方法及接合接头的制造方法 |
| KR20160054001A (ko) * | 2013-09-30 | 2016-05-13 | 제이에프이 스틸 가부시키가이샤 | 강판의 마찰 교반 접합 방법 및 접합 이음매의 제조 방법 |
| CN105899320A (zh) * | 2014-01-20 | 2016-08-24 | 通用汽车环球科技运作有限责任公司 | 焊接方法和系统 |
| CN112355464A (zh) * | 2020-11-10 | 2021-02-12 | 湖南坤鼎数控科技有限公司 | 一种搅拌摩擦焊保护装置 |
-
2001
- 2001-11-20 JP JP2001354292A patent/JP2003154470A/ja active Pending
Cited By (12)
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| CN105579184B (zh) * | 2013-09-30 | 2018-09-04 | 杰富意钢铁株式会社 | 钢板的摩擦搅拌接合方法及接合接头的制造方法 |
| KR102194358B1 (ko) * | 2013-09-30 | 2020-12-23 | 제이에프이 스틸 가부시키가이샤 | 강판의 마찰 교반 접합 방법 및 접합 이음매의 제조 방법 |
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