JP2004136316A - 摩擦攪拌点接合装置 - Google Patents

Abstract

【課題】設備を複雑にすることなく、高い耐久性と低い熱伝導率を有する受けツールを利用して、強い接合強度を得られる摩擦攪拌点接合装置を提供すること。
【解決手段】アルミ板の反対側に配置されて回転ツールの押圧力を受ける受けツール１７が、アルミ板に当接する金属製の表面部２３と、表面部２３の裏側に配置される断熱部２２とを備えているので、回転ツールからアルミ板を介して伝達される押圧力は表面部２３で受ける。表面部２３は金属製なので熱衝撃や機械衝撃に強く、高い耐久性を有する。また、アルミ板の内部で発生した摩擦熱は金属製の表面部２３には容易に伝達されるものの、表面部２３の裏側に配置された断熱部２２によって、他の部材への伝達は遮断される。
【選択図】　　　　　　図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は，アルミ板同士を点接合させるための摩擦攪拌点接合装置に関し、さらに詳細には，先端が突出した回転ツールを回転させながら押圧することにより、摩擦熱によって接合させる摩擦攪拌点接合装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、アルミ板同士を接合させるために、摩擦攪拌接合装置が利用されている。これは、先端に円柱形状の先端ピンが突出した回転ツールを、回転させながら押圧することにより、アルミ板に摩擦熱を発生させる。そして、この摩擦熱によってアルミ板を部分的に半溶融状態にして攪拌し、再結晶させることにより接合するのである。アルミ板に加えられた押圧力は、アルミ板の反対側に配置された受けツールで受けるので、接合箇所以外のアルミ板の変形が防止されている。その際に、受けツールに熱伝導率の高い材質が使用されていると、回転ツールの回転押圧によってアルミ板に発生した摩擦熱が、受けツールを介して逃げる原因となる。その結果、アルミ板に十分な摩擦熱が加えられず、溶融範囲が小さいものとなって、十分な接合強度が得られないおそれがある。
【０００３】
それに対し、受けツールに熱伝導率が低い部材を使用し、摩擦熱を逃がさないようにした摩擦攪拌接合装置が考案されている（例えば、特許文献１，特許文献２参照。）。
例えば、特許文献１には裏当て板（受けツール）に熱伝導率の低い材質を使用して、摩擦熱を遮蔽する装置が記載されている。この摩擦攪拌接合装置では、図６に示すように、アルミ板である接合部材１０２の裏面に熱伝導率が小さい遮蔽部材１０８を配置している。そして、回転ツール１０３によって先端のピン１０５を回転させながら、接合部材１０２の接合部に押圧挿入する。これにより、ピン１０５の回転による摩擦熱が発生し、接合部付近の接合部材１０２を溶融させる。その摩擦熱が遮蔽部材１０８によって遮蔽されているので、その熱がピン１０５の先端からの溶け込み深さｄの増加に利用され、接合深さＤの増加となるものである。
また、特許文献２には、裏当て材（受けツール）に熱伝導率が低い材質を使用し、その内部にヒータを内蔵したものが記載されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−１２１２７４号公報
【特許文献２】
特開２００２−７９３８３号公報（第５−６頁、第２図）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら，前記した従来の摩擦攪拌点接合装置には、次のような問題点があった。
（１）特許文献１に記載されている摩擦攪拌接合装置では、受けツールに使用する熱伝導率が低い部材として、ステンレス鋼、高合金鋼、耐熱鋼、超耐熱鋼、工具鋼、鋳鋼品、セラミックス、またはセラミックスと金属との複合材がよいとされている。しかし、各種の鋼材は、従来使用されてきた鉄や炭素鋼に比較して、コストが高くなる割に熱伝導率がさほど改善されない。また、セラミックスは、その材質によって熱伝導率はかなり改善されるものがある。しかし、一般に金属に比較して熱衝撃や機械衝撃に弱く、受けツールとしての耐久性に問題があった。また、ここには挙げられていないが、樹脂も熱伝導率が非常に低い部材である。しかし、セラミックスよりさらに大きく強度が劣るため、受けツールとして使用するには耐久性に問題があった。
（２）特許文献２に記載されているような受けツールにヒータを内蔵する摩擦攪拌点接合装置では、設備が複雑になり、さらにコストＵＰに繋がるという問題点があった。
【０００６】
本発明は，前記した従来の摩擦攪拌点接合装置が有する問題点を解決するためになされたものである。すなわちその課題とするところは，設備を複雑にすることなく、高い耐久性と低い熱伝導率を有する受けツールを利用して、強い接合強度を得られる摩擦攪拌点接合装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この課題の解決を目的としてなされた本発明の摩擦攪拌点接合装置は、次の構成を有している。
（１）先端に先端ピンが突出した回転ツールを２枚重ねたアルミ板に回転させながら押圧し、アルミ板の反対側に配置された受けツールで回転ツールの押圧力を受けることにより、アルミ板同士を点接合させる摩擦攪拌点接合装置であって、受けツールが、アルミ板に当接する金属製の表面部材と、表面部材の裏側に配置される断熱部材とを備える。
【０００８】
上記発明の作用を説明する。アルミ板の反対側に配置されて回転ツールの押圧力を受ける受けツールが、アルミ板に当接する金属製の表面部材と、表面部材の裏側に配置される断熱部材とを備えているので、回転ツールからアルミ板を介して伝達される押圧力は表面部材で受ける。表面部材は金属製なので熱衝撃や機械衝撃に強く、高い耐久性を有する。また、アルミ板の内部で発生した摩擦熱は金属製の表面部材には容易に伝達されるものの、表面部材の裏側に配置された断熱部材によって、他の部材への伝達は遮断される。従って、受けツールとしての熱伝導率は低いものとなる。これにより、接合強度を強くすることができる。
【０００９】
さらに、金属製の表面部材と断熱部材とが固着された受けツールを形成して（１）の発明を実施するために、次のいずれかの構成を有している。
（２）（１）に記載する摩擦攪拌点接合装置において、表面部材が、断熱部材を挟んで金属製の基盤に固定されていることを特徴とする。
（３）（１）に記載する摩擦攪拌点接合装置において、表面部材が、断熱部材に溶射された金属で形成されていることを特徴とする。
【００１０】
（２）の発明によれば、表面部材が断熱部材を挟んで金属製の基盤に固定されているので、表面部材と基盤とによって断熱部材が保持される。従って、断熱部材の保持が容易であり、表面部材の厚さや大きさを自由に選択することが可能である。例えば、表面部材の表面積に対して小さい断面積のネジによって基盤に固定すれば、ネジからの熱の逃げを防止して十分な断熱効果が得られる。
（３）の発明によれば、表面部材が断熱部材に溶射された金属であるので、表面部材と断熱部材とが固着される。さらに、基盤に接続するためのネジ等の構成が不要である。表面部材の厚さ等は，十分な耐久性を有し，断熱部材の断熱効果が十分に発揮できるように選択されればよい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
「第１の実施の形態」
以下、本発明の摩擦攪拌点接合装置を具体化した第１の実施の形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。
本発明の摩擦攪拌点接合装置の概略を図１に示す。回転ツール１０は、円柱形状の本体１３の下端面の中心に円柱形状の先端ピン１４が形成されている。先端ピン１４の外周にはネジが形成されている。先端ピン１４が本体１３と連続する面には、先端ピン１４から外周方向に向かって下向きに凹となるように、傾斜部１５が形成されている。そして、傾斜部１５は途中から、下向きに凸となるように、傾斜部１６が形成されている。傾斜部１５と傾斜部１６とにより、凹部が形成されている。
【００１２】
接合対象であるアルミ板１１，１２を中心にして、回転ツール１０の反対側には、円柱形状の受けツール１７が設置されている。受けツール１７の断面図を図２に示す。受けツール１７は、図中下から基盤２１、断熱部２２，表面部２３の順に積み重ねられて構成されている。基盤２１と表面部２３とは鉄や鋼鉄等の金属で形成され、断熱部２２は、樹脂やセラミックス等の熱伝導率の低い材質で形成されている。基盤２１の上面中央部にはネジ部２４が突出して形成されている。断熱部２２には、ネジ部２４とかみ合うネジ穴２５が貫通して形成されている。表面部２３には、その厚みの半分程度までの深さのネジ穴２６が形成され、ネジ部２４の先端部とかみ合っている。これにより、表面部２３は断熱部２２を挟んで基盤２１に係止されている。また、アルミ板１１が当接する表面部２３の上面は、凹凸のない滑らかな面になっている。
【００１３】
ここで、各種の材料の熱伝導率（単位は、Ｗ・ｍ^−１・Ｋ^−１）を比較する。金属では、鉄が８３．５（０℃）、銅が４０３（０℃）程度である。セラミックスでは、アルミナが２１（２５℃）、ムライト（アルミナ＋酸化ケイ素）が４．２（２５℃）程度であり、金属に比較して低い値であることが分かる。また樹脂では、ナイロンが０．２７（２５℃）と非常に低い。すなわち、セラミックスや樹脂は断熱性の高い材質である。一方、これらの材料の強度は、金属は靱性が高く衝撃に強いが、セラミックスや樹脂は脆性が高く熱や衝撃に弱い。
【００１４】
一般に、この摩擦攪拌点接合作業は、回転ツール１０と受けツール１７とを工業用ロボットに持たせ、アルミ板１１，１２に対して点接合を行わせる。そのため、受けツール１７の基盤２１は、ロボットアームに取り付けて使用される。すなわち、基盤２１に伝わった熱は、ロボットアームからロボットの各部分へと容易に逃げ得る。しかし、この実施の形態では、受けツール１７の基盤２１はネジ部２４が表面部２３と接触しているのみであり、そのネジ部２４の断面積は小さいものである。このようにすれば、アルミ板１１，１２から表面部２３に伝達された熱のごく一部分が基盤２１に伝達されるのみである。
【００１５】
そして、それ以外の部分は十分な断熱効果を有する材質で構成された断熱部２２によって伝熱が防止されている。従って、アルミ板１１，１２から表面部２３に伝えられた摩擦熱は基盤２１に伝わりにくく、熱が逃げにくい受けツール１７となっている。また、アルミ板１１，１２を介して回転ツール１０から伝えられる押圧力は、表面部２３によって受け止められ、断熱部２２には直接伝わらない。従って、断熱部２２に直接大きな衝撃が加わることはないので、割れにくく耐久性の大きい受けツール１７となっている。
【００１６】
次に、上記の摩擦攪拌点接合装置を用いてアルミ板１１，１２の点接合を行う作用について説明する。図３に、２枚のアルミ板１１，１２を重ね合わせて摩擦攪拌点接合した後の状態の断面を図面で表現したものを示す。摩擦攪拌により、先端ピン１４の形状が接合穴３１として残る。アルミ板１１，１２の接合穴３１付近には、摩擦攪拌部３３が形成されている。摩擦攪拌部３３は、アルミ板１１，１２の先端ピン１４近くのアルミが再結晶温度以上まで加熱され、半溶融状態となり、再び固形化したものである。アルミ板１２とアルミ板１１との間には、図中点線で示す接合界面３２が形成されている。接合界面３２の直径をＨとする。接合穴３１の直径はほぼ一定なので、接合界面３２の直径Ｈの大きさにより、接合面積が決定する。接合強度は、この接合面積と、単位面積当たりの接合強度との積として求められる。
【００１７】
この摩擦攪拌点接合装置によれば、回転ツール１０の回転押圧によってアルミ板１１，１２に発生された摩擦熱は、受けツール１７によって外部へ逃げにくくされている。一般にこの摩擦攪拌点接合装置による加工時間は１箇所当たり１〜３秒程度であり、短時間であるのでネジ部２４を介して基盤２１へ逃げる熱は少ない。従って、発生した摩擦熱は接合界面３２の直径Ｈを大きくするように働き、アルミ板１１，１２の接合強度を大きくする。
【００１８】
次に、図４に、種々の受けツール１７を利用して同じように点接合を行った結果について、接合強度の目安となるせん断強度と受けツール１７の耐久性とをグラフにして示す。横軸は受けツール１７の材質を示し、縦軸は、左がアルミ板１１，１２の接合部のせん断強度で棒グラフに対応し、右が受けツール１７の耐久性レベルで折れ線グラフに対応する。また、Ｓは、点溶接におけるせん断強度の目標値を示している。なお実験は、「ＪＩＳ　Ｚ　３１３６（スポット溶接継手の引張せん断試験方法）」により行った。これは、板厚５ｍｍ以下の金属材料を２枚重ねにし、所定のピッチ間隔で溶接する。そして、「ＪＩＳ　Ｚ　２２４１（金属材料引張試験方法）」によって最大荷重を測定するものである。
【００１９】
図４から分かるとおり、せん断強度については、全ての受けツール１７においてＳを上回っており、一応合格である。しかし、銅の場合にはわずかに上回っている程度であり、鉄、樹脂になるに従って、せん断強度は大きく改善されている。一方、耐久性については、樹脂が大きく劣ることが分かる。それに対して、本発明の受けツール１７によれば、せん断強度については鉄を上回って改善されており、耐久性レベルにおいても問題のないことが分かった。
【００２０】
以上詳細に説明したように、本実施の形態の摩擦攪拌点接合装置によれば、受けツール１７が高い耐久性と低い熱伝導率を有しているので、アルミ板１１，１２に発生した摩擦熱が受けツール１７の基盤２１に逃げにくい。従って、この受けツール１７を利用して摩擦攪拌点接合をすれば強い接合強度が得られる。しかも、ヒータ等の設備は不要であり、コストが高くなることもない。
【００２１】
「第２の実施の形態」
以下、本発明の摩擦攪拌点接合装置を具体化した第２の実施の形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。
この第２の実施の形態の摩擦攪拌点接合装置は、受けツール１８の構成が第１の実施の形態の摩擦攪拌点接合装置の受けツール１７と異なるのみである。本実施の形態の受けツール１８は、図５に示すように、セラミックス製の断熱部２７に金属製の表面部２８が溶射されて構成されている。そして、この受けツール１８をロボットアームに取り付ける際には、ロボットアームに断熱部２７を保持させるようにする。表面部２８は，回転ツール１０の押圧力に対する十分な耐久性を有するようにその材質や厚さが選択されればよい。
【００２２】
この実施の形態の受けツール１８においても、回転ツール１０の押圧力を受ける表面部２８は金属製であるので、押圧に対する耐久性は高い。そして、その表面部２８は他の金属部分と接していないので、受けツール１８から他の部分へ逃げる摩擦熱はごく少ない。従って、設備を複雑にすることなく、高い耐久性と低い熱伝導率を有する受けツール１８を利用して、強い接合強度を得られる摩擦攪拌点接合装置となった。
【００２３】
なお，本実施の形態は単なる例示にすぎず，本発明を何ら限定するものではない。したがって本発明は当然に，その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良，変形が可能である。
例えば、回転ツール１０の形状は、これに限らない。
また例えば、表面部２３の上面は球面等の曲面に形成してもよい。
また例えば、ネジ穴２５はネジ部２４を貫通させる貫通孔でもよい。
また例えば、表面部２３の裏面に突出するネジ部を設け、基盤２１にネジ穴を設けてもよい。
【００２４】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように本発明の摩擦攪拌点接合装置によれば，回転ツールの押圧力を受ける受けツールが、接合対象のアルミ板に当接する表面部材は金属製であり、その裏側には断熱部材を備えている。従って、受けツールが高い耐久性と低い熱伝導率を有するので、設備を複雑にすることなく強い接合強度が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の摩擦攪拌点接合装置を示す断面図である。
【図２】受けツールを示す断面図である。
【図３】摩擦攪拌点接合されたアルミ板の状態を示す断面図である。
【図４】実験結果を示すデータ図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態の受けツールを示す斜視図である。
【図６】従来の摩擦攪拌接合装置を示す断面図である。
【符号の説明】
１０　回転ツール
１１，１２　アルミ板
１４　先端ピン
１７，１８　受けツール
２１　基盤
２２，２７　断熱部
２３，２８　表面部

Claims (3)

1. 先端に先端ピンが突出した回転ツールを２枚重ねたアルミ板に回転させながら押圧し、前記アルミ板の反対側に配置された受けツールで前記回転ツールの押圧力を受けることにより、アルミ板同士を点接合させる摩擦攪拌点接合装置において、
   前記受けツールが、前記アルミ板に当接する金属製の表面部材と、前記表面部材の裏側に配置される断熱部材とを備えることを特徴とする摩擦攪拌点接合装置。
2. 請求項１に記載する摩擦攪拌点接合装置において、
   前記表面部材が、前記断熱部材を挟んで金属製の基盤に固定されていることを特徴とする摩擦攪拌点接合装置。
3. 請求項１に記載する摩擦攪拌点接合装置において、
   前記表面部材が、前記断熱部材に溶射された金属で形成されていることを特徴とする摩擦攪拌点接合装置。

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