JP2004314088A

JP2004314088A - 摩擦撹拌接合方法

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Publication number: JP2004314088A
Application number: JP2003107717A
Authority: JP
Inventors: Yasunari Wakizaka; 泰成脇坂; Tadashi Goto; 正後藤; Shunsuke Sunahara; 俊介砂原; Haruo Machida; 晴夫町田; Yutaka Igarashi; 裕五十嵐
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2003-04-11
Filing date: 2003-04-11
Publication date: 2004-11-11

Abstract

【課題】摩擦撹拌接合において、プローブ操作面と反対面に未接合箇所が残留することを回避する。
【解決手段】摩擦撹拌接合用工具１０を構成するプローブ１４の中心線Ｌ１を、円筒体Ｃの端面１、２が当接することによって形成された境界線Ｌ２からアドバンシングサイドに存在する端部２ａ側に偏在させる。この際、プローブ１４の中心線Ｌ１と境界線Ｌ２との距離Ｄは、プローブ１４の半径以下の範囲内、好ましくはプローブ１４の半径の１／２以下に設定される。この状態で、当接箇所に沿ってプローブ１４を変位させる。
【選択図】図４

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、当接した端面同士を摩擦撹拌接合用工具によって接合する摩擦撹拌接合方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
摩擦撹拌接合は、当接した端面同士を固相接合する接合方法の１種であり、広汎に採用されるに至っている。特許文献１に記載されているように、この場合、摩擦撹拌接合を行う摩擦撹拌接合用工具が回転動作され、該摩擦撹拌接合用工具の先端部に設けられたプローブが端面同士の当接箇所に埋没される。これに伴って当接箇所の周辺に摩擦熱が発生し、この摩擦熱によって端面を含む端部同士の肉が塑性流動を起こすことにより、端面同士が接合一体化される。
【０００３】
摩擦撹拌接合には、接合部に隆起部が形成されないので仕上げ工程が不要となるという利点がある。しかしながら、その反面、主成分が相違する合金同士を接合させることは容易ではないという不具合がある。特許文献２〜４においては、この不具合を解消するべく、当接箇所から離間してプローブを挿入することが提案されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−３０１３６３号公報（段落［００１２］、図１）
【特許文献２】
特許第３０８１８１７号公報（段落［００１４］、図１）
【特許文献３】
特開平１０−１３７９５２号公報（段落［００２０］、図２（イ））
【特許文献４】
特開２０００−２２５４７６号公報（段落［００１１］、図１）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、端面同士が当接することによって形成される境界線とプローブの中心線とが一致するようにプローブを埋没させて摩擦撹拌接合を遂行すると、当接箇所におけるプローブ操作面と反対面（裏面）に未接合箇所が残留することがある。このような未接合箇所が存在する場合、接合部の接合強度が小さくなる。接合強度が過度に小さくなった場合、接合後にワークに対して塑性加工を行うと、接合部から割れが生じることがある。
【０００６】
未接合箇所が残留することを回避するべく、通常、プローブの先端と裏面との距離（以下、ギャップという）が０．１ｍｍ以下となるように管理が行われる。しかしながら、このような微小なギャップを設けることは容易ではなく、しかも、該ギャップを形成する作業に長時間を有するという不具合がある。
【０００７】
本発明は上記した問題を解決するためになされたもので、未接合箇所が残留することを回避することが可能であり、このために充分な接合強度を有する接合部を得ることが可能な摩擦撹拌接合方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
摩擦撹拌接合を遂行した際に、裏面側に未接合箇所が残留する理由につき鋭意検討を重ねる過程で、本発明者らは、プローブによって撹拌される肉の量がリトリーディングサイドのワークで多いという知見を得た。したがって、プローブをアドバンシングサイドのワークに偏在させれば、撹拌される肉の量がリトリーディングサイドおよびアドバンシングサイドの両ワークにおいて略同等となり、その結果、裏面側に未接合箇所が残留することを回避できるとも推察される。
【０００９】
しかしながら、特許文献２〜４に記載されたようにプローブを当接箇所から大きく離間させてしまうと、一方の端面近傍の肉が充分に撹拌されなくなってしまい、結局、未接合箇所が残留するという不具合を招く。
【００１０】
本発明者らは、以上の問題に鑑みて本発明をするに至った。
【００１１】
すなわち、本発明は、金属からなるワークの第１端面と第２端面とを当接させた後、回転動作する摩擦撹拌接合用工具によって当接した前記第１端面と前記第２端面とを接合する摩擦撹拌接合方法であって、
前記第１端面を有する第１端部がリトリーディングサイドに存在し、かつ前記第２端面を有する第２端部がアドバンシングサイドに存在するとき、前記摩擦撹拌接合用工具の先端部に設けられた断面略円形のワーク埋没部の中心部を、前記第１端面と前記第２端面との境界線から該ワーク埋没部の半径以下の範囲内で前記第２端部に偏在させて埋没させ、摩擦撹拌接合を遂行することを特徴とする。
【００１２】
このように、ワーク埋没部を、該ワーク埋没部の半径以下の範囲内で端面同士の境界線から偏在させて第２端部（アドバンシングサイド）に埋没させることにより、第１端部と第２端部とにおいて撹拌される肉の量を略同等とすることができる。このため、接合された端面同士に未接合箇所が残留することを回避することができ、接合強度が大きい接合部を得ることができる。
【００１３】
また、未接合箇所が残留することを回避することができるため、ギャップの管理値を大きくすることもできる。このため、ギャップを形成する作業が著しく容易となり、しかも、その作業に要する時間を著しく短縮することが可能となる。
【００１４】
なお、ワーク埋没部を、該ワーク埋没部の半径の１／２以下の距離で前記境界線から第２端部側に偏在させることが好ましい。この場合、未接合箇所が残留することをより確実に回避することができるようになるからである。
【００１５】
本発明によれば、別部材の端面同士を接合することもできる。すなわち、第１端面を有するワークと、第２端面を有するワークとが別部材であってもよい。この場合、第１端面を有するワークと第２端面を有するワークとは、主成分が同一金属であればよい。すなわち、例えば、第１端面を有するワークとしてＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ合金を選定し、かつ第２端面を有するワークとしてＡｌ−Ｚｎ−Ｍｇ合金を選定する等、Ａｌを主成分として副成分が相違するＡｌ合金同士を接合するようにしてもよい。勿論、例えば、ＡｌとＡｌ合金とを摩擦撹拌接合するようにしてもよい。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る摩擦撹拌接合方法につき好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。
【００１７】
まず、図１（ａ）に示す長方形のワークＷを湾曲させて該ワークＷの端面１、２を当接させることによって図１（ｂ）の円筒体Ｃを形成し、該円筒体Ｃにおいて当接した端面１、２同士を摩擦撹拌接合する場合につき説明する。なお、円筒体Ｃは図示しない治具で支持されており、この支持によって当接した端面１、２同士が離間することが阻止されている。
【００１８】
図２に示すように、円筒体Ｃの当接した端面１、２同士を摩擦撹拌接合するための摩擦撹拌接合用工具１０は、図示しない摩擦撹拌接合装置のスピンドルに固定された円柱状の回転体１２と、該回転体１２の先端部に設けられて端面１、２の当接箇所に埋没されるワーク埋没部であるプローブ１４とを有する。端面の肉の撹拌は、この円柱形状のプローブ１４によって営まれる。
【００１９】
この場合、プローブ１４は、若干突出して湾曲した先端面を有するねじ形状の円柱体であり、水平断面は略円形である。
【００２０】
このプローブ１４は、通常、その中心線Ｌ１が、端面１、２同士が当接することによって形成される境界線Ｌ２に重なるように当接される。この状態で前記スピンドルを回転付勢することに伴って回転体１２とプローブ１４とを回転動作させると、円筒体Ｃにおける端面１、２同士の当接箇所にプローブ１４が摺接することに伴って、図２に示す第１領域Ａ１に摩擦熱が発生し、該第１領域Ａ１の肉が軟化する。この軟化により、プローブ１４の先端部が当接箇所に埋没する。
【００２１】
ここで、図２の平面図を図３に示す。この図３において、摩擦撹拌接合用工具１０、ひいては埋没したプローブ１４は、矢印Ｘ方向に指向して回転動作する。この状態で、プローブ１４を矢印Ｙ方向に指向して当接箇所に沿って変位させると、第１領域Ａ１中の第２領域Ａ２における肉がプローブ１４で撹拌されることに伴って塑性流動する。その後、該プローブ１４が矢印Ｙ方向に指向して撹拌箇所から離間すると、この肉が硬化する。この現象が逐次的に繰り返されることにより、端面１、２同士が一体的に固相接合され、その結果、これら端面１、２が接合一体化される。
【００２２】
ここで、図３中の左側の端部１ａでは、プローブ１４における端面１、２同士の境界線Ｌ２から最も離間する箇所での回転方向（矢印Ｘ方向）のベクトル成分Ｖ１が指向する方向は、プローブ１４の変位方向（矢印Ｙ方向）と反対となる。以下の説明においては、このように前記ベクトル成分Ｖ１が指向する方向がプローブ１４の変位方向と逆になる側の端面１を有する端部１ａを、リトリーディングサイドに存在する端部１ａともいう。
【００２３】
その一方で、図３中の右側の端部２ａでは、プローブ１４における端面１、２同士の境界線Ｌ２から最も離間する箇所での回転方向（矢印Ｘ方向）のベクトル成分Ｖ２が指向する方向と、プローブ１４の変位方向（矢印Ｙ方向）とが一致する。以下、ベクトル成分Ｖ２が指向する方向と該プローブ１４の変位方向とが一致する側の端面２を有する端部２ａを、アドバンシングサイドに存在する端部２ａともいう。
【００２４】
図２に示すように、プローブ１４が、該プローブ１４の中心線Ｌ１が境界線Ｌ２に重なるように埋没された場合、第２領域Ａ２は、アドバンシングサイドに存在する端部２ａに比してリトリーディングサイドに存在する端部１ａの方が大きい。すなわち、撹拌される肉の量は、アドバンシングサイドに存在する端部２ａに比してリトリーディングサイドに存在する端部１ａの方が多くなる。このため、境界線Ｌ２の下端部で撹拌されない肉が存在することがあり、この場合、未接合箇所２０が残留する。この理由は、リトリーディングサイドに存在する端部１ａでは塑性流動が密に起こり、一方、アドバンシングサイドに存在する端部２ａでは疎となるからであると推察される。
【００２５】
そこで、本実施の形態においては、図４に示すように、プローブ１４の中心線Ｌ１を、端面１、２の境界線Ｌ２からアドバンシングサイドに存在する端部２ａ側に偏在させる。すなわち、プローブ１４を、アドバンシングサイドに存在する端部２ａ側に偏在させて当接箇所に埋没させる。
【００２６】
この際、プローブ１４の中心線Ｌ１と境界線Ｌ２との距離Ｄは、プローブ１４の半径以下の範囲内に設定される。距離Ｄを、プローブ１４の半径を超える距離に設定すると、摩擦撹拌接合時に、アドバンシングサイドに存在する端部２ａの肉が多く撹拌されるようになり、結局、未接合箇所２０が残留することがある。距離Ｄは、プローブ１４の半径の１／２以下であることがより好ましい。
【００２７】
この状態で、図３に示す矢印Ｙ方向に指向して当接箇所に沿ってプローブ１４を変位させると、上記と同様に第１領域Ａ１中の第２領域Ａ２における肉がプローブ１４で撹拌されることに伴って塑性流動する。
【００２８】
上記したように、本実施の形態においては、プローブ１４がアドバンシングサイドに存在する端部２ａ側に偏在して埋没している。しかも、前記距離Ｄ（図４参照）は、プローブ１４の半径以下、好ましくは半径の１／２以下の範囲内に設定されている。このため、アドバンシングサイドとリトリーディングサイドとで第２領域Ａ２の大きさが略同等となる。換言すれば、撹拌される肉の量が、アドバンシングサイドに存在する端部２ａとリトリーディングサイドに存在する端部１ａとで略同等となる。
【００２９】
このように、プローブ１４の中心線Ｌ１を、該プローブ１４の半径以下の範囲内で端面１、２同士の境界線Ｌ２からアドバンシングサイドに存在する端部２ａ側に偏在させることにより、アドバンシングサイドに存在する端部２ａとリトリーディングサイドに存在する端部１ａとにおいてそれぞれ撹拌される肉の量を略同等とすることができる。そして、第２領域Ａ２が境界線Ｌ２の下端部（裏面）まで到達するので、未接合箇所２０（図２参照）が残留することを回避することができる。これにより、接合強度に優れた接合部が得られる。
【００３０】
また、未接合箇所２０が残留することを回避することができるため、ギャップＧ（図４参照）を大きくすることもできる。この場合、ギャップＧが０．４ｍｍ以内となるように管理すればよい。すなわち、上記した場合に比してギャップＧの管理値を０．３ｍｍ大きくすることができる。摩擦撹拌接合においては、ギャップＧの管理値を大きくし得るのが０．３ｍｍであっても、ギャップＧを形成する作業が著しく容易となり、しかも、その作業に要する時間を著しく短縮することができるという利点がある。
【００３１】
本実施の形態に係る摩擦撹拌接合方法は、図５に示すように、板形状で互いに別個の第１ワークＷ１と第２ワークＷ２の端面３０、３２同士を接合する際にも採用することができる。
【００３２】
この場合、第１ワークＷ１と第２ワークＷ２は、主成分が同種の合金の中で種々選定することができる。すなわち、第１ワークＷ１としてＪＩＳ規格でいう５４５４のＡｌ合金を選定するとともに、第２ワークＷ２として５０５２のＡｌ合金を選定するようにしてもよい。また、第１ワークＷ１としてＪＩＳ規格のいわゆる５０００系のＡｌ合金を選定し、第２ワークＷ２として６０００系のＡｌ合金を選定するようにしてもよい。勿論、第１ワークＷ１および第２ワークＷ２がともにＡｌ合金以外の金属、例えば、Ｍｇ合金であってもよい。また、Ａｌ合金とＡｌ、Ｍｇ合金とＭｇとを摩擦撹拌接合するようにしてもよい。
【００３３】
このような場合においても、本実施の形態に係る摩擦撹拌接合方法を遂行することにより、上記と同様に未接合箇所が残留することを回避することができ、接合強度の大きな接合部を得ることができる。また、ギャップＧの管理値も大きくすることができる。
【００３４】
なお、いずれの場合においても、プローブ１４の先端面が湾曲している必要は特にない。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ワーク埋没部（プローブ）を、アドバンシングサイドに存在する端部側に偏在させて当接箇所に埋没させるようにしている。このため、アドバンシングサイドに存在する端部とリトリーディングサイドに存在する端部とで、撹拌される肉の量が略同等となるので、未接合箇所が残留することを回避することが可能となる。これにより、接合強度に優れた接合部を得ることができるという効果が達成される。
【図面の簡単な説明】
【図１】摩擦撹拌接合される端面を有するワークと、該ワークを湾曲させて端面同士を当接させることによって形成された円筒体とを示す概略全体斜視図である。
【図２】プローブの中心線が、ワークの端面同士が当接することによって形成される境界線に重なった状態で当接箇所に埋没された状態を示す要部拡大断面図である。
【図３】図２の平面図である。
【図４】プローブの中心線が、ワークの端面同士が当接することによって形成される境界線からアドバンシングサイド側に存在する端部側に偏在された状態で当接箇所に埋没された状態を示す要部拡大断面図である。
【図５】板形状のワーク同士を摩擦撹拌接合する実施の形態を示す概略全体斜視図である。
【符号の説明】
１、２、３０、３２…端面１ａ、２ａ…端部
１０…摩擦撹拌接合用工具１２…回転体
１４…プローブ（ワーク埋没部）２０…未接合箇所
Ａ１、Ａ２…領域Ｃ…円筒体
Ｄ…偏在距離Ｌ１…プローブの中心線
Ｌ２…境界線Ｖ１、Ｖ２…ベクトル成分
Ｗ、Ｗ１、Ｗ２…ワーク

Claims

金属からなるワークの第１端面と第２端面とを当接させた後、回転動作する摩擦撹拌接合用工具によって当接した前記第１端面と前記第２端面とを接合する摩擦撹拌接合方法であって、
前記第１端面を有する第１端部がリトリーディングサイドに存在し、かつ前記第２端面を有する第２端部がアドバンシングサイドに存在するとき、前記摩擦撹拌接合用工具の先端部に設けられた断面略円形のワーク埋没部の中心部を、前記第１端面と前記第２端面との境界線から該ワーク埋没部の半径以下の範囲内で前記第２端部に偏在させて埋没させ、摩擦撹拌接合を遂行することを特徴とする摩擦撹拌接合方法。
請求項１記載の接合方法において、前記ワーク埋没部を、該ワーク埋没部の半径の１／２以下の距離で前記境界線から前記第２端部側に偏在させることを特徴とする摩擦撹拌接合方法。
請求項１または２記載の接合方法において、前記第１端面を有するワークと、前記第２端面を有するワークとが別部材であり、かつ主成分が同一金属であることを特徴とする摩擦撹拌接合方法。