JP2004042095A

JP2004042095A - 摩擦攪拌接合法とその装置

Info

Publication number: JP2004042095A
Application number: JP2002203402A
Authority: JP
Inventors: Koji Ezaki; 江崎　公二; Kiju Endo; 遠藤　喜重
Original assignee: Hitachi Industries Co Ltd
Current assignee: Hitachi Plant Technologies Ltd
Priority date: 2002-07-12
Filing date: 2002-07-12
Publication date: 2004-02-12

Abstract

【課題】充分な接合強度が得られる摩擦攪拌接合法とその装置を提供する。
【解決手段】金属部材同士の接合したい個所に工具を押圧しつつ回転させ、発生する摩擦熱により接合したい個所の金属部材１を塑性流動させ、金属部材１の固相接合を行う摩擦攪拌接合方法であり、接合したい個所に生じている隙間に対し、工具の押圧回転に先行して金属部材１と同種の充填材６を無定形で供給する。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属部材同士の接合したい個所に工具を押圧しつつ回転させて発生する摩擦熱により接合したい個所の金属部材を塑性流動させ、金属部材の固相接合を行う摩擦攪拌接合方法とその装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
固相接合法の一つである摩擦攪拌接合法は、接合したい金属部材（以下、接合部材とも云う）より硬くて大きな径を持つ円柱形状の回転子の端部回転軸線上に小さな径のピンが突出している形態をなす工具（以下、回転ツールとも云う）を２つの接合部材の接合したい個所（以下、接合部とも云う）に押圧しつつ回転させて、回転ツールと接合部材との間に発生する摩擦熱により接合部材を塑性流動させ、ピンが接合部に埋まった形になったら接合部に沿って回転ツールを回転させながら移動させることによって、接合部材を固相接合するものである。
【０００３】
摩擦攪拌接合法は、例えばアルミニウム合金材など、金属の接合部材の突き合わせ部や重ね合わせ部（以下、「突き合わせ」や「重ね合わせ」を「突き合わせ」に統一して説明する。）の接合に適用されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
摩擦攪拌接合を行う接合部材の寸法精度が粗い場合には、突き合わせた接合部材間に不均一な隙間が生じる。そのまま摩擦攪拌接合を実施すると、隙間を塑性流動した金属で補充することになって接合部にかなり大きい凹みを生じ、充分な強度が得られない。
【０００５】
このような問題が起こらないように、接合部材の突き合わせ部に凸部を設けたり（特開平１１−０９０６５５号公報）、隙間を生じない鍵型の突き合わせ形状の継手構造とする（特開２００１−３８４７８号公報、特開２００１−１２９６７３号公報）ことが提案されている。
【０００６】
しかしながら、これらの手法では接合部材は押出し成形もしくは機械加工により、必要とする形状を得なければならない。このため、平板をはじめとする既製の素材には適用できない。
【０００７】
また、隙間に接合部材と同種の成分からなる成形材を充填した後に接合を行うこともが提案されている（特開２０００−２３３２８５号公報）が、接合部材に生じる不均一で複雑な隙間には対応し難い。
【０００８】
各提案で接合部を周囲より肉厚としている場合は、摩擦攪拌接合の際にバリが発生しやすいので、その切除や板厚均一化などの後処理が必要となる。
【０００９】
それゆえ本発明の目的は、充分な接合強度が得られる摩擦攪拌接合法とその装置を提供することにある。
【００１０】
また、本発明の他の目的は、接合部に特別な形状や成形するための加工、さらには後処理を必要とすることなく良好な接合を得ることができる摩擦攪拌接合法とその装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明の特徴とするところは、金属部材同士の接合したい個所に工具を押圧しつつ回転させ、発生する摩擦熱により接合したい個所の金属部材を塑性流動させ、金属部材の固相接合を行う摩擦攪拌接合方法において、接合したい個所に生じている隙間に対し、該工具の押圧回転に先行して該金属部材と同種の充填材を無定形で供給することにある。
【００１２】
具体的には、無定形な充填材は粉末や粒状あるいは線材の形で供給するか、それらを加熱して溶けた状態として行うものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。
図１は、充填材として接合部材と同質の粉末を用いて接合をしている状況を示している。図２（Ａ）〜（Ｄ）は、図１に示したＡ−Ａ切断線乃至Ｄ−Ｄ切断線に沿った横断面を示している。
【００１４】
両図において、１ａ，１ｂは裏当て板２の上に設置して突き合せた接合したい接合部材であり、接合部材１ａ，１ｂは図示していない適当な拘束具により拘束してある。接合部材１ａ，１ｂの突き合せ部には隙間３を生じことがある。
【００１５】
４は回転ツールであり、接合部材１ａ，１ｂより硬くて大きな径を持つ円柱形状の回転子の端部回転軸線上に小さな径のピンが突出している形態をなす工具である。接合部材１ａ，１ｂはアルミニウム合金材であり、回転ツール４は鋼を使用している。回転ツール４は、矢印で示すように回転し突き合せ部（接合部）に沿って移動する。
【００１６】
回転ツール４の移動の先行位置に充填材供給具５があり、隙間３の状況を見ながら、接合部材１ａ，１ｂと同種の金属組成の粉末を充填材６として隙間３に供給している。なお、図１において、１ｃは回転ツール４の摩擦攪拌により固相接合した接合領域を示している。
【００１７】
以下、接合の状況を図２で説明する。
接合部材１ａ，１ｂを突き合せた場合、図２（Ａ）のように隙間３があるところには、図２（Ｂ）に示すように回転ツール４が通過する直前において充填材供給具５から粉末状の充填材６を隙間無く詰める。粉末状の充填材６は、接合部材１ａ，１ｂと同種の金属組成の粉末を用いる。充填材６は無定形であり、隙間３を充分埋めることができる。粉末はスラリーやペーストの形で供給しても良い。
【００１８】
回転ツール４は，図２（Ｃ）に示すように、大きな径を持つ円柱形状の回転子４ａの端部回転軸線上に小さな径のピン４ｂが突出している形態をなす工具であり、ピン部４ｂを突き合せ部に押圧しつつ回転させると、隙間３を埋めた充填材６と接合部材１ａ，１ｂは回転ツール４のピン４ｂや肩部４ｃと接触し回転によって発生した摩擦熱によって軟化する。接合部材１ａ，１ｂへの回転ツール４の押圧と回転をさせたまま接合部に沿って移動させていくと、軟化部分は回転で攪拌が行なわれ、回転ツール４が通過した領域には図２（Ｄ）に示す接合領域１ｃができて、接合部材１ａ，１ｂの接合が達成される。接合領域１ｃでは、充填材６の充分な供給により肉厚減を生じないので、接合強度を確実に確保できる。
【００１９】
また、隙間３を埋めるに充分な量の充填材６を供給するだけで良く、特別な形状や成形のための加工は不要であり、バリなどは殆ど発生しないので後処理は不要である。
【００２０】
充填材６は接合部材１ａ，１ｂと同質（同種）の粒子やワイヤを採用しても良い。粒径の大きいものと小さいものを混合した粒子であれば、隙間３が不揃いであった場合に、狭い部分を小さい粒径のもので満たし、広い部分は大きい粒径のもので満たすことで、供給の手間を排除することができる。ワイヤは、単線でも良いし撚り線でも良く、形状は自由に変わるので無定形な充填材と見做し得る。充填材６の形態が変わっても、接合の状況は図２と同様であるので、説明は省略する。
【００２１】
図３は、ワイヤを充填材とした場合の他の実施形態を示している。
この実施形態では、図１における充填材供給具５に代えてワイヤ送給ノズル７を用いており、ワイヤ送給ノズル７のワイヤと接合部材１ａ，１ｂのいずれか一方との間で電源８から通電できるようにしている。
【００２２】
ワイヤ６の供給とともに通電により抵抗発熱による加熱が加わり、接合部材１ａ，１ｂとワイヤ６の軟化が早くなる。加熱領域を図３に１ｄで示している。予熱が加えられているので回転ツール４による摩擦熱発生分は低減でき、回転ツール４の駆動力は小さなもので済むだけでなく、接合部は軟化しやすいので、接合部に沿った移動速度を高め、接合に要する時間を削減することができる。また、回転ツール４の移動が容易であるから、複雑な形状の接合部にも適用できる。さらに、加熱量を充分なものとすれば、ワイヤ７の軟化も早まり、狭い隙間３であってもワイヤ７による充填材の供給を確実に行なうことができる。金属は表面に酸化膜があり、その存在は接合を困難にするが、不活性雰囲気や非酸化性雰囲気下であっても通電加熱はできるから、酸化膜によるスラグ発生を避けて充分な接合強度が得られる。
【００２３】
図４は、さらに他の実施形態を示している。
この実施形態では、隙間を計測する装置としてレーザセンサ９を設け、ワイヤ６を供給し加熱するワイヤ加熱送給部材１０を設けている。
【００２４】
接合部材１ａ，１ｂ間の隙間３をレーザセンサ９から発するレーザ光９ａの反射で計測し、隙間３の深度は接合部材１ａ，１ｂの厚さなどで予め分かっているので、図示していない演算手段で隙間３の空間体積を算出し、その空間体積を充填すべき不足金属量としてワイヤ加熱送給部材１０からワイヤ６を加熱したうえで充填する。ワイヤ加熱送給部材１０は、内部にワイヤ６に対する誘導加熱手段を内蔵している。
【００２５】
ワイヤ６は、隙間３の上に位置するように送給する。ワイヤ６は、加熱温度を高くする程軟化し、狭い隙間３にも充分充填することができる。
【００２６】
加熱量は接合部材１ａ，１ｂを軟化させるが溶融はしない程度であり、図５に示す斜線部の温度域に達する量に相当する。このため、接合部材１ａ，１ｂはほぼ固相状態のままで接合が達成できる。
【００２７】
この時用いる回転ツール４の材質は、この温度域に達しても強度を充分確保できるものとする。例えば、周期律表Ｖａ族及びＶＩａ族に属する金属群、Ｚｒ及びＴａの酸化物群、Ｓｉ、Ｔｉ及びＷの炭化物群、Ａｌ、Ｔｉ、Ｂ及びＴａの窒化物群である。同時に、接合部材１ａ，１ｂのワイヤ６が接触した近辺を熱し、加熱領域１ｄを形成するので、通電加熱をした時と同様な作用効果が得られる。
【００２８】
ワイヤ加熱送給部材１０は内部の誘導加熱手段に代えて、アーク放電加熱手段や溶接トーチを用いても、同様な作用効果を得ることができる。
【００２９】
ワイヤ６は溶けた溶滴となって接合部材１ａ，１ｂ上や隙間３に滴下する。
【００３０】
この場合も、加熱量は接合部材１ａ，１ｂを軟化させるが溶融はしない程度とし、図５に示す斜線部の温度域に達するのに必要最低限の熱量として、接合部材１ａ，１ｂはほぼ固相状態のままで接合することができる。
【００３１】
接合が終了して回転ツール４を接合部材１ａ，１ｂから引き上げる時に、ピン４ｂの痕が１ａ，１ｂに残留することがあるので、その場合には、前述の溶接トーチなどで接合部に充填材を一般の溶接と同様に追加充填し表面を熱処理することによりピン４ｂの痕を無くすことができる。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、充分な接合強度を得ることができ、さらには、接合部に特別な形状や成形するための加工、さらには後処理を必要とすることなく良好な接合を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態である充填材に粉末を用いて接合をしている状況を示す図である。
【図２】図１に示したＡ−Ａ切断線乃至Ｄ−Ｄ切断線に沿った横断面図である。
【図３】本発明の一実施形態である充填材にワイヤを用いて接合をしている状況を示す図である。
【図４】図３に示す実施形態の他の実施形態を示す図である。
【図５】鋼、アルミニウムにおける、温度と応力の関係を表した図である。
【符号の説明】
１ａ，１ｂ‥接合部材（金属部材）
１ｃ‥接合領域
１ｄ‥加熱領域
２‥裏当て板
３‥隙間
４‥回転ツール（工具）
４ａ‥回転子
４ｂ‥ピン
４ｃ‥肩部
５‥充填材供給具
６‥充填材
７‥ワイヤ送給ノズル
８‥電源
９‥レーザセンサ
１０‥ワイヤ加熱送給部材

Claims

金属部材同士の接合したい個所に工具を押圧しつつ回転させ、発生する摩擦熱により接合したい個所の金属部材を塑性流動させ、金属部材の固相接合を行う摩擦攪拌接合方法において、
接合したい個所に生じている隙間に対し、該工具の押圧回転に先行して該金属部材と同種の充填材を無定形で供給することを特徴とする摩擦攪拌接合法。
上記請求項１において、充填材は粉末または粒状あるいは線材の形で供給することを特徴とする摩擦攪拌接合法。
上記請求項１において、充填材は加熱しつつ供給することを特徴とする摩擦攪拌接合法。
上記請求項１において、接合したい個所に生じている隙間に見合う量の充填材を供給することを特徴とする摩擦攪拌接合法。
接合したい金属部材同士を突き合わせる手段と該金属部材同士の接合したい個所に工具を押圧しつつ回転させる手段を備え、該工具の押圧回転で発生する摩擦熱により接合したい個所の金属部材を塑性流動させ、該金属部材の固相接合を行う摩擦攪拌接合装置において、
該工具が押圧回転している該金属部材同士の個所に先行した接合したい個所に生じている隙間に対し、該金属部材と同種の充填材を無定形で供給する供給手段を設けたことを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
上記請求項５に記載の摩擦攪拌接合装置において、さらに接合したい個所に生じている隙間を計測する計測手段を設け、該供給手段は該計測手段で得た隙間の空間体積に見合う量の該充填材を供給するものであることを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
上記請求項５に記載の摩擦攪拌接合装置において、該供給手段は該充填材を加熱する手段を備えていることを特徴とする摩擦攪拌接合装置。