JP2004337860A

JP2004337860A - 摩擦攪拌接合方法および接合装置

Info

Publication number: JP2004337860A
Application number: JP2003133861A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Hirano; 聡平野; Kazutaka Okamoto; 和孝岡本; Masayuki Doi; 昌之土井; Masatoshi Inagaki; 正寿稲垣
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2003-05-13
Filing date: 2003-05-13
Publication date: 2004-12-02

Abstract

【課題】高融点材料の摩擦攪拌接合において、接合部のみを有効に温度上昇させるとともに、材料の表面酸化および特性低下を防止する。
【解決手段】被接合材に回転ツール２を挿入して摩擦攪拌接合を行う際に、ガス加熱装置１により加熱した不活性ガスを、ガス噴射ノズル４により接合部近傍に噴射する。
加熱ガス噴射により、接合時の接合部温度が高くでき、高融点材料であっても塑性流動温度に加熱することができるとともに表面の酸化を防止できる。また、接合の瞬間だけを高温にすることができ、接合終了後速やかに材料の温度が低下するため、材料の特性低下防止に効果がある。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転するツールを被接合材に挿入して摩擦攪拌接合を行う方法と接合装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
被接合材の材質よりも硬い材質の金属棒（以下、ツールと呼ぶ）を回転させながら被接合材の接合部に挿入し、このツールまたは被接合材を接合線に沿って相対的に移動し、ツールと被接合材との間で発生する摩擦熱により接合する方法があり、摩擦攪拌接合方法として知られている。
【０００３】
この種の摩擦攪拌接合方法は、ツールと被接合材との摩擦熱により被接合材を軟化させ、ツールの回転に伴う塑性流動現象を利用したものであり、被接合材を溶かして溶接する方法（例えば、アーク溶接など）とは異なる原理に基づいている。
【０００４】
摩擦攪拌接合方法は、アルミニウム合金のように低融点材料の接合に適すると言われている。鉄系合金やチタン系合金などの高融点材料に適さないのは、塑性流動が生じる温度が高温であり、摩擦熱のみで塑性流動させるのが難しいことによる。高融点材料を摩擦攪拌接合する方法として、加熱装置を設けて被接合材を直接加熱する方法がある（例えば特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
ＷＯ９８／４５０８０（特許請求の範囲）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来技術に記載した被接合材を直接加熱する方法によれば、ツールの回転による摩擦熱が小さくても材料を軟化させることができる。しかし、材料全体が加熱されるので、接合終了後も材料が長い時間、高温状態に保持されることになる。材料が長時間高温状態に保持されると、結晶粒成長や析出物の粗大化などが起こり、材料の強度低下が生じる。また、材料が酸化しやすくなる。
【０００７】
本発明の目的は、被接合材が接合後、速やかに冷却されるようにした摩擦攪拌接合方法及び接合装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、接合中に、回転するツールと被接合材との接触部又はその近傍に、加熱した不活性ガスを噴射することにある。
【０００９】
ツールと被接合材との接触部又はその近傍に加熱した不活性ガスを噴射することで、ツール近傍の材料のみが塑性流動に適正な温度に加熱され、それ以外の部分は加熱されない。接合完了後、接合部の熱は周囲に拡散し、速やかに温度が低下するため、材料強度低下の原因となる結晶粒成長や析出物の粗大化が最小限に抑制される。
【００１０】
不活性ガスではなく高温に加熱された空気を用いても、接合部を加熱することはできるが、高温の空気は酸素を多量に含んでいるため、材料の酸化を招き好ましくない。接合温度の高い高融点材料の場合は、材料の酸化が顕著になるため、不活性ガスの噴射が有効である。
【００１１】
また本発明では、被接合材の接合部近傍を、加熱した不活性ガスを噴射することによって加熱することに加え、被接合材を支持する支持部材を加熱することを提案する。
【００１２】
接合部の接合面側は大気による対流熱伝達で冷却されるのに対し、接合部の裏面側は被接合材を支持する部材との接触熱伝達で冷却される。従って、接合部の裏面側は接合面側と比較して熱の流れが速く、大気と支持部材が同じ温度の場合には裏面側はより速く温度が低下する。接合面側と裏面側の温度差が大きくなると、接合された材料が変形する原因になるため好ましくない。被接合材を支持する部材を加熱することで、この温度差を小さくすることが可能になる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図２は、摩擦攪拌接合装置の一例である。回転ツール２は、スピンドル１２によって保持され、主軸回転モータ１０によって回転する。図示しない被接合材は、材料支持テーブル１１によって支持される。符号１３はヘッド部である。
【００１４】
図２中に両端矢印で示されている方向（Ｘ，Ｙ，Ｚ）が移動軸方向であり、それぞれ互いに直交している。Ｚ軸方向に移動する部材に、主軸回転モータ１０，スピンドル１２，ヘッド部１３が取り付けられており、これらの要素全てがＺ軸の動作に伴い移動する。回転ツール２はスピンドル１２を介して主軸回転モータ１０により回転駆動される。移動軸（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の移動により回転ツール２を移動させ、被接合材の任意の場所を接合できる構造になっている。
【００１５】
図１は本発明の実施形態の一例におけるヘッド部近傍の図である。符号１はガス加熱装置、２は回転ツール、３は制御装置、４はガス噴射ノズル、５は温度検出器、６，７はガス配管、８は信号ケーブルである。ガス配管６からガス加熱装置１に不活性ガスが供給され、ガス加熱装置１により加熱された不活性ガスがガス配管７を介してヘッド部に供給される。加熱された不活性ガスは、ガス噴射ノズル４により回転ツール２の先端部より被接合材に向けて噴射される。加熱されたガスの温度は温度検出器５で測定され、制御装置３に入力される。制御装置３では、ガス温度が目標温度になるようにガス加熱装置１の入熱量を制御する。
【００１６】
上記構成により本発明の効果を確認する実験をした。ガス加熱装置１には電気ヒータを、加熱ガスにはアルゴンガスを使用し、ガス温度の目標値は４００℃に設定した。回転ツール２の材質には、セラミック系材料である窒化ホウ素（ＢＮ）の多結晶体を使用した。回転ツール２は接合方向に先端が先行する形態に３°傾斜させた。被接合材の材料には、厚み３ｍｍのチタン合金を使用した。比較のため、従来のようにガスを噴射しない場合（従来技術１）の実験も実施した。
【００１７】
図３に本発明の方法と従来技術１の方法で接合したときの接合部近傍の温度変化の測定値を示す。最高温度を示している時間が回転ツール２が測定部に最も近づいた瞬間である。最高温度に到達する前は、本発明の方法と従来技術１の方法には、温度の差は認められないが、回転ツール２が測定部に最も近づいた瞬間の最高温度は本発明の方法の方が高くなっている。従来技術１で接合した材料は入熱不足が原因と思われる表面欠陥が観察されたが、本発明の方法で接合した材料には表面欠陥は認められなかった。
【００１８】
また、従来技術１で接合した材料は、表面が全面的に酸化して変色していたのに対し、本発明の方法で接合した材料は金属光沢をしており、表面酸化は認められなかった。
【００１９】
このように、本発明の方法によれば加熱ガス噴射の効果により接合時の接合部温度が高くできるとともに表面の酸化を防止できることが確認できた。
【００２０】
次に、被接合材を予熱した場合（従来技術２）の実験を実施し、本発明の方法と比較した。被接合材には厚み５ｍｍのＡ６０６１（アルミ合金）をＴ６熱処理したものを使用した。
【００２１】
図４に本発明の方法と従来技術２の方法で接合したときの接合部近傍の温度変化の測定値を示す。従来技術２の方法では材料を予熱しているため、測定部の初期温度は高くなっている。最高温度は、本発明の方法及び従来技術２の方法ともにほぼ同じ温度である。しかし、従来技術２の場合は接合終了後の冷却が遅く、より長時間に渡り高温状態に維持されていた。
【００２２】
また、従来技術２の方法で接合した材料は、全体的に硬さが低下していたが、本発明の方法では硬さの低下は小さかった。従来技術２の方法では、接合後の高温状態の時間が長いため析出物の粗大化（過時効）が生じたものと推定される。
【００２３】
以上のように、本発明の方法によれば、接合の瞬間だけを高温にすることができ、接合終了後速やかに材料の温度が低下するため、材料の特性低下防止に効果がある。
【００２４】
【発明の効果】
本発明によれば、加熱下不活性ガス噴射の効果により接合時の接合部温度が高くできるとともに、表面の酸化を防止できる。また、本発明によれば、接合の瞬間だけを高温にすることができ、接合終了後速やかに材料の温度が低下するため、材料の特性低下防止に効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示すヘッド部の概略図。
【図２】摩擦攪拌接合装置の全体構成図。
【図３】従来技術１と本発明について、接合部近傍の温度変化を示した特性図。
【図４】従来技術２と本発明について、接合部近傍の温度変化を示した特性図。
【符号の説明】
１…ガス加熱装置、２…回転ツール、３…制御装置、４…ガス噴射ノズル、５…温度検出器、６，７…ガス配管、１０…主軸回転モータ、１１…材料支持テーブル、１２…スピンドル、１３…ヘッド部。

Claims

回転するツールを被接合材に回転させつつ押し込み、ツールと被接合材の少なくとも一方を接合線に沿って相対的に移動させることにより、被接合材を接合する摩擦攪拌接合方法において、
前記ツールと被接合材との接触部近傍に、加熱した不活性ガスを噴射することを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
被接合材を支持部材によって支持し、この状態で被接合材に回転するツールを押し込み、ツールを接合線に沿って移動させることにより被接合材を接合する摩擦攪拌接合方法において、
接合中、前記ツールと被接合材との接触部に加熱した不活性ガスを噴射し、更に前記接合材の支持部材を加熱することを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
回転可能なツールを有し、該ツールを回転させつつ被接合材に押し込んで摩擦攪拌接合を行う摩擦攪拌接合装置において、
前記ツールと被接合材との接触部近傍に不活性ガスを噴射する手段と該不活性ガスを加熱する手段とを有することを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
請求項３に記載の摩擦攪拌接合装置において、前記接合材を支持する支持部材と該支持部材を加熱する手段を更に有することを特徴とする摩擦攪拌接合装置。