JP2005021963A - 摩擦撹拌接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】円筒体等の湾曲面を有するワークに対して摩擦撹拌接合を施す際、得られる接合部位の接合強度を確保する。
【解決手段】背面１８に比して、ダレ２２ａ、２２ｂの分だけＸ方向に長い主面１６を、内周壁面側に比して円周長が長くなる外周壁面として露呈するように円筒体２４を形成する。ダレ２２ａ、２２ｂが当接することによって形成された当接部位に対して摩擦撹拌接合用工具３０のプローブ３４を埋没させ、該プローブ３４を回転動作させることによって端面１２、１４の肉を塑性流動させる。
【選択図】図５

Description

本発明は、湾曲面を有するワークの端面同士を接合するための摩擦撹拌接合方法に関する。

円筒体は、例えば、金属からなる長方形の板状ワークを湾曲させて両端面を当接させ、これにより形成された当接部位を接合することによって製作される。近年、この接合方法の１つとして、摩擦撹拌接合が着目されている。この理由は、ＭＩＧ溶接やレーザ溶接等の一般的な接合方法では接合部位に肉が隆起した隆起部が形成され、このために該隆起部を研削する仕上げ工程が必要であるのに対し、摩擦撹拌接合においては隆起部が形成されず、従って、仕上げ加工が不要となるという利点があるからである。しかも、摩擦撹拌接合によれば、端面同士を継目なく一体的に接合することができるので、接合部位の接合強度を確保することができる。

摩擦撹拌接合は、摩擦撹拌接合用工具のプローブをワークの当接部位に埋没させた後、該摩擦撹拌接合用工具を当接部位に沿って走査させるという簡便な作業を行うことによって遂行される。

ところで、上記したように円筒体を製作しようとする場合、一般的な接合方法に限らず、摩擦撹拌接合を施しても接合部位に接合欠陥が生じることがある。すなわち、空洞部が生じたり、ワークにおいてプローブを埋没させなかった裏面側に未接合箇所が残留したりすることがある。この場合、製品の接合強度が小さくなる。

例えば、当接部位をレーザ溶接する場合に接合欠陥が生じることを回避する方法としては、特許文献１に記載された方法が挙げられる。しかしながら、摩擦撹拌接合ではフィラーを用いずに接合を行うため、この方法を採用して接合欠陥が生じることを回避することはできない。

特許第２８０８９４３号公報（段落［０００９］、図３）

結局、湾曲面を設けてワークの端面同士を当接させ、この当接部位に対して摩擦撹拌接合を施す際に接合欠陥が生じることを回避する方法は、未だに確立されていない。

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、当接部位の接触面積を大きくすることができ、このために接合強度が良好となる摩擦撹拌接合方法を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明は、湾曲面を有する金属製ワークの第１端面と第２端面とを当接させて当接部位を形成し、次いで、前記当接部位に対して摩擦撹拌接合を施して前記端面同士を接合する摩擦撹拌接合方法であって、
前記第１端面及び前記第２端面は、前記金属製ワークの厚み方向に突出したバリと、前記厚み方向に対して交差する方向に膨出したダレとを有し、
前記当接部位を形成させる際、前記第１端面及び前記第２端面の前記ダレ同士を対向させるとともに前記湾曲面の外周壁側に位置させ、且つ前記バリ同士を前記湾曲面の内周壁側に位置させ、
摩擦撹拌接合を施す際、前記ダレ同士が対向した外周壁面側に摩擦撹拌接合用工具の埋没部を埋没させた後、前記摩擦撹拌接合用工具を当接部位に沿って走査することを特徴とする。

ダレが存在する側の面は、ダレが膨出している分、当該面の裏面に比して長くなる。従って、ダレが存在する側の面が、内周壁面側に比して円周長が長くなる外周壁面となるように金属製ワークを湾曲させた場合、ダレによって外周壁面側の円周長が補償されるので、端面同士の間に生じる間隙を小さくすることができる。

しかも、間隙が小さくなることに伴って端面同士の接触面積が大きくなる。このため、摩擦撹拌接合に際して多量の肉が撹拌され、その結果、十分な熱量の摩擦熱が発生する。すなわち、摩擦撹拌接合が容易に進行するので、接合部位に大きな空洞部が大量に生じることを回避することができ、結局、接合部位の接合強度を確保することができる。換言すれば、接合強度に優れた製品を得ることができる。

本発明においては、１つの金属製ワークの両端面を摩擦撹拌接合するようにしてもよい。すなわち、第１端面及び第２端面が同一の金属製ワークに存在する場合、当接部位を、該金属製ワークを湾曲させて第１端面と第２端面とを当接させることによって設ける。その後、当接部位に対して摩擦撹拌接合を施すようにすればよい。

ここで、金属製ワークは、通常、巻回されたロール素材から引き出された部分が剪断されることによって作製される。この際、ロール素材は同一方向に引き出され、且つ剪断用刃具は、剪断加工装置の同一位置でロール素材を切断する。従って、切断された後の金属製ワークの両端部に生じたバリ同士は、ともに同一方向に指向して突出する。このため、金属製ワークの湾曲方向を選定することで、バリ同士を容易に円筒体の内周壁面側に位置させることができる。

本発明によれば、ダレが存在するために一方の面に比して長い面を外周壁面として湾曲させ、この外周壁面側から摩擦撹拌接合を行うようにしている。このため、端面同士の間の間隙を小さくすることができるとともに、該端面同士の接触面積を大きくすることができるので、摩擦撹拌接合を行って得られた接合部位に空洞部等の接合欠陥が生じることを抑制することができ、結局、接合強度に優れた製品を製作できるという効果が達成される。

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。なお、本実施の形態においては、１つのワークを湾曲させて両端面を摩擦撹拌接合し、これにより円筒体を製作する場合を例として説明する。

先ず、図１に示すように、長尺な金属製ワークに対して剪断による切断加工を施すことにより、長方形の板状ワーク１０を切り出す。以下の説明においては、この切り出しによって露呈した切断面を端面と称し、それぞれの参照符号を１２、１４とする。また、図１において視認される面を主面、該主面の裏側の面を背面と称し、それぞれの参照符号を１６、１８とする。板状ワーク１０において、端面１２から端面１４に向かう方向が長手方向Ｘである。また、図１における矢印Ａは、後述する接合方向を表す。

ここで、板状ワーク１０の端部を図２に拡大して示すように、端面１２、１４には、板状ワーク１０の厚み方向Ｙに沿って突出したバリ２０ａ、２０ｂと、前記長手方向Ｘ（厚み方向Ｙに直交する方向）に沿って膨出するとともに先端が緩やかに湾曲したダレ２２ａ、２２ｂとが形成されている。これらバリ２０ａ、２０ｂ及びダレ２２ａ、２２ｂは、前記の切断加工の際に切断工具により剪断されることに伴って形成される。

バリ２０ａ、２０ｂは、背面１８を起点として、該背面１８から厚み方向Ｙに沿って延出しており、一方、ダレ２２ａ、２２ｂは、端面１２、１４における厚み方向Ｙの中央部から主面１６側に偏在している。従って、主面１６の長手方向Ｘにおける長さは、ダレ２２ａ、２２ｂが存在する分、背面１８に比して若干大きい。

次に、板状ワーク１０（図１参照）を湾曲させるとともに端面１２、１４同士を当接させ、図３に示すように、円筒体２４を形成する。

この際、主面１６が内周壁面を向き、背面１８が外周壁面として露呈するようにした場合、図４に拡大して示すように、Ｘ方向に膨出したダレ２２ａ、２２ｂ同士が内周壁面側で当接する。一方、外周壁面側では、ダレ２２ａ、２２ｂが存在しないことと、板状ワーク１０を湾曲させた際に外周壁面側の円周長と内周壁面側の円周長とが異なることとに起因して、間隙が生じる。この間隙は、大きいときには約０．２ｍｍにも達し、その分、端面１２、１４の接触面積が小さくなる。

この状態で摩擦撹拌接合を行うと、端面１２、１４に摩擦撹拌接合用工具のプローブが摺接し難くなり、このためにプローブによって撹拌される肉の量が少なくなる。従って、摩擦熱が十分に発生しなくなるので、接合部位に大きな空洞部が生じたり、空洞部の数が多くなったりする。

そこで、本実施の形態においては、背面１８が内周壁面側を向くとともに、主面１６が外周壁面側を向いた円筒体２４が得られるように、板状ワーク１０を湾曲させる。この場合、図５に拡大して示すように、ダレ２２ａ、２２ｂの頂部同士が外周壁面側で互いに当接する。

すなわち、本実施の形態においては、ダレ２２ａ、２２ｂの分だけＸ方向に長い主面１６を、内周壁面側に比して円周長が長くなる外周壁面として露呈するようにしている。このため、ダレ２２ａ、２２ｂの頭部同士を互いに当接させることによって、円筒体２４における外周壁面側の当接部位に空隙が生じることを回避することができる。換言すれば、背面１８を外周壁面として露呈させる場合に比して、端面１２、１４同士の接触面積を大きくすることができる。

円筒体２４を図示しない治具で支持することによって、当接した端面１２、１４同士が離間することを阻止した後、図６に示すように、ダレ２２ａ、２２ｂの頂部同士の当接部位に対し、摩擦撹拌接合用工具３０を使用して摩擦撹拌接合を施す。

摩擦撹拌接合用工具３０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３２と、該回転体３２の先端部に設けられて端面１２、１４の当接部位に埋没される埋没部としてのプローブ３４とを有する。この場合、プローブ３４は、若干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。

プローブ３４は、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３２とプローブ３４とを回転動作させると、円筒体２４における端面１２、１４同士の当接部位にプローブ３４が摺接することに伴って、当接部位近傍に摩擦熱が発生し、該摩擦熱が発生した部位の肉が軟化する。この軟化により、プローブ３４の先端部が当接部位に埋没する。この埋没に伴って軟化した肉がプローブ３４で撹拌され、塑性流動を起こす。

上記したように、本実施の形態においては、外周壁面側でダレ２２ａ、２２ｂの頂部同士を互いに当接させるようにしている。このため、内周壁面側に形成される間隙が小さくなるとともに、端面１２、１４の接触面積が大きくなる。従って、多量の肉が撹拌されて十分な熱量の摩擦熱が発生し、その結果、接合部位に大きな空洞部が大量に生じることを回避することができる。

摩擦撹拌接合用工具３０は、図７に示すように当接部位（矢印Ａ方向）に沿って変位され、これに伴ってプローブ３４による肉の撹拌箇所が順次移動する。塑性流動した後にプローブ３４が離間した部位の肉は、摩擦熱が消失するにつれて硬化する。この現象が逐次的に繰り返されることにより、ダレ２２ａ、２２ｂを含む端面１２、１４同士が一体的に固相接合され、その結果、これら端面１２、１４が接合一体化される。

このように、本実施の形態においては、ダレ２２ａ、２２ｂが存在する主面１６が外周壁面として露呈するように円筒体２４を形成するようにしている。ダレ２２ａ、２２ｂの頂部同士を円筒体２４の外周壁面側で当接させることによって端面１２、１４の接触面積を大きくすることができ、このために多くの肉を塑性流動させることができるので、接合欠陥が生じることを回避することができる。

なお、上記した実施の形態においては、プローブ３４の中心線Ｌ１を、端面１２、１４の境界線Ｌ２（当接部位）に合致させてプローブ３４を埋没させるようにしているが、図８に示すように、アドバンシングサイドに存在する端部側に偏在させて埋没させるようにしてもよい。ここで、アドバンシングサイドとは、図７に示すように、プローブ３４（回転体３２）における端面１２、１４の境界線Ｌ２から最も離間する箇所での回転方向のベクトル成分が指向する方向Ｖ１と、プローブ３４の変位方向（矢印Ａ方向）とが一致する側を意味する。一方、前記ベクトル成分Ｖ１と１８０°離間した位置でのベクトル成分Ｖ２が指向する方向と、プローブ３４の変位方向（矢印Ａ方向）とが逆になる側をリトリーディングサイドという。

この場合、プローブ３４の中心線Ｌ１と境界線Ｌ２との距離Ｄは、プローブ３４の半径以下の範囲内とする。距離Ｄを、プローブ３４の半径を超える距離に設定すると、摩擦撹拌接合時に、リトリーディングサイドに存在する端部の肉の撹拌量が少なくなり、結局、未接合箇所が残留することがある。距離Ｄは、プローブ３４の半径の１／２以下であることがより好ましい。

この場合においても、摩擦撹拌接合を行った際に空洞部が生じることを回避することができる。

また、本発明は、１つのワークを湾曲させて端面同士を接合させる場合に限定されるものではなく、湾曲面をそれぞれ有する２つのワークの端面同士を接合させる場合にも適用することができる。

摩擦撹拌接合される端面を有する板状ワークの概略全体斜視図である。 図１の板状ワークの端部を拡大して示す縦断面要部拡大図である。 図１の板状ワークを湾曲させ、端面同士を当接させることによって形成された円筒体の概略全体斜視図である。 図２のダレ同士が内周壁面側で当接するとともに、バリが外周壁面から延出するように当接された端面の近傍を拡大して示す縦断面要部拡大図である。 図２のダレ同士が外周壁面側で当接するとともに、バリが内周壁面から延出するように当接された端面の近傍を拡大して示す縦断面要部拡大図である。 図５のように当接された端面同士に摩擦撹拌接合用工具のプローブを埋没させた状態を示す縦断面要部拡大図である。 摩擦撹拌接合用工具を当接部位に沿って変位させる状態を示す概略全体斜視図である。 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に存在する端部側に偏在された状態で当接部位に埋没された状態を示す縦断面要部拡大図である。

符号の説明

１０…板状ワーク １２、１４…端面
１６…主面 １８…背面
２０ａ、２０ｂ…バリ ２２ａ、２２ｂ…ダレ
２４…円筒体 ３０…摩擦撹拌接合用工具
３２…回転体 ３４…プローブ

Claims (2)

1. 湾曲面を有する金属製ワークの第１端面と第２端面とを当接させて当接部位を形成し、次いで、前記当接部位に対して摩擦撹拌接合を施して前記端面同士を接合する摩擦撹拌接合方法であって、
   前記第１端面及び前記第２端面は、前記金属製ワークの厚み方向に突出したバリと、前記厚み方向に対して交差する方向に膨出したダレとを有し、
   前記当接部位を形成させる際、前記第１端面及び前記第２端面の前記ダレ同士を対向させるとともに前記湾曲面の外周壁側に位置させ、且つ前記バリ同士を前記湾曲面の内周壁側に位置させ、
   摩擦撹拌接合を施す際、前記ダレ同士が対向した外周壁面側に摩擦撹拌接合用工具の埋没部を埋没させた後、前記摩擦撹拌接合用工具を当接部位に沿って走査することを特徴とする摩擦撹拌接合方法。
2. 請求項１記載の接合方法において、前記第１端面及び前記第２端面が同一の金属製ワークに存在し、前記当接部位は、前記金属製ワークを湾曲させて前記第１端面と前記第２端面とを当接させることによって設けられることを特徴とする摩擦撹拌接合方法。
   
   

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