JP2005186072A - 薄板接合用の表面移動摩擦溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】薄板接合用の表面移動摩擦溶接方法を提供する。
【解決手段】２つの接合部材１、２の突き合わせ溶接において、接合要求線５上に触れるプローブ３を高速回転させて摩擦熱を発生させ、前記接合部材１、２の表面に強制的で激しい塑性変形を引き起こし、このような塑性変形を材料の内部まで浸透させて両接合部材１、２間を結合させる溶接方法であって、プローブ３が接合要求線５に沿って水平移動することによって両接合部材１、２の連続突き合わせ溶接が可能になる。塑性流動の発生が表面摩擦のみによって発生し、この塑性流動が接合部材の内部に浸透して溶接される。したがって、薄板部材の溶接が可能になり、プローブピンによる溶接末端部の加工欠陥がなくなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、金属薄板同士を溶接欠陥なく良好な品質で連続突き合わせ溶接可能にする薄板接合用の表面移動摩擦溶接方法に関する。

ここ数十年間、溶接したい部材に対して摩擦原理に基づき適当量の熱を発生させ、摩擦部と隣接した領域に塑性流動を生成させて接合する摩擦溶接法が使用されてきた。この溶接方法は、一般の溶融溶接と比較して固相溶接という長所を有するが、通常の摩擦溶接において摩擦熱は通常２つの相互結合される部材からのみ発生する制約のため、既存の摩擦溶接法では溶接部材の一つが必ず軸対称となる必要があり、結果として特定な方向の連続溶接を必要とする構造物には適用できないという欠点があった。

このような摩擦溶接法における欠点を改善した方法として、第３の硬いプローブ(Probe)とプローブピン(probe pin)を導入した摩擦攪拌溶接法(ＷＯ ９３／１０９３５、ＷＯ ９５／２６２５４)が提案された。この摩擦攪拌溶接の原理は、接合部材の継ぎ目における突き合わせ面に沿って特殊なねじ山形態の突起を有する環棒形状の硬質材料からなるプローブピンを高速で回転させながら挿入すると、プローブピンと接合部材間の相互摩擦によって熱が発生し、この摩擦熱によって周辺の素材が熱的に軟化されながらプローブピンの回転による強制的な塑性流動で混合されて接合されることにある。この摩擦攪拌溶接法は、アルミニウム合金、マグネシウム合金、チタニウム合金、ダイキャスティングなどで作製された鋳造製品、金属生地複合材料など殆ど既存の溶融溶接技術を適用できなかった材料の接合が可能になる固相溶接という点とともに、連続溶接が可能である点にその特長がある。

しかし、上述した従来の摩擦攪拌溶接法は、現在までに判明した事実によると、プローブピンを用いるため、接合部材の厚さが少なくとも１．２mm以上の場合に限って適用可能であり、溶接末端部でプローブピンの挿入により発生する空間を埋め得る材料がその先端部にそれ以上存在しなくなり、溶接欠陥を招くという問題があった。

上述したような１．２mm以下の薄板結合ができないという問題は、既存の溶融溶接法で解消できる。しかし、既存の溶融溶接法では、優れた品質を得るためには高度に熟練された作業者のほか、溶加材、雰囲気ガス、別途の熱源などが必須とされる。そのため、既存の溶融溶接法による薄板接合は工程単価が極めて高くならざるを得なかった。そして、既存の溶融溶接法は、接合過程で身体に有害な紫外線のような光線とヒューム(fume)、埃などが多く発生し、作業者の安全と健康を損ねることが頻繁だったし、作業場の環境も清浄に保ち難かった。

ＷＯ ９３／１０９３５、ＷＯ ９５／２６２５４

したがって、本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、２つの接合部材に対する突き合わせ溶接において、既存の摩擦攪拌溶接法とは異なり、１．２mm以下の薄板溶接が可能で、溶接末端部に溶接欠陥を残さずに連続溶接が可能な薄板接合用の表面移動摩擦溶接方法を提供することにその目的がある。

上記の目的を達成するために、本発明は、２つの接合部材に対する突き合わせ溶接において、プローブを高速回転させて摩擦熱を発生させながら前記接合部材の表面に強制的で激しい塑性変形を引き起こし、このような塑性変形を材料の内部まで浸透させて両接合部材間を連続突き合わせ溶接することを特徴とする。すなわち、本発明の２つの接合部材に対する突き合わせ溶接における薄板接合用の表面移動摩擦溶接方法は、
前記２つの接合部材の接合面を向かい合わせて堅固に突き合わせる工程と；
前記接合部材より堅固な材質からなる環棒型プローブを接合部材の接合要求線上に接触位置させる工程と；
前記プローブを高速回転させて摩擦熱を発生させながら前記接合部材の表面に強制的で激しい塑性変形を発生させる工程と；
前記接合部材の表面に発生した塑性変形が部材の構成材料の内部に浸透することによって前記接合部材同士が結合される工程と；
前記プローブを接合要求線に沿って水平移動させることによって前記両接合部材を連続的に溶接する工程と；から構成されることを特徴とする（請求項１）。

前記プローブ径は、前記接合部材厚の２．０倍以上のものを使用することができる（請求項２）。また、
前記プローブ径が接合部材厚の２．０倍未満であるときは、前記接合部材間の接合面の上下部に対して二重パス溶接を行うことが好適である（請求項３）。そして、
摩擦係数を増大させるためには、下端面に微細凸凹を形成したプローブを使用することが好ましい（請求項４）。さらに、
前記接合部材は、同種材料または異種材料のものを使用することができる（請求項５）。

本発明によれば、同種や異種材料にかかわらず１．２mm厚以下の薄板金属部材に対する溶接が可能である上に、溶接末端部に溶接欠陥を残さずに優れた品質で連続溶接が可能になる。また、本発明の溶接法は、作業者の熟練度が溶接品質に大きく影響することなく、また、溶接過程で身体に有害な光線、ヒューム、ガス、埃などが全く発生しないので作業者の安全および健康を阻害することなく、又、作業環境を清潔に保持することができる。

以下、添付図面を参照しつつ本発明を詳細に説明する。

図１に示すように、本発明によれば、２つの接合部材１、２の突き合わせ溶接において、回転動力源に結合された環棒型プローブ３が適宜な摩擦熱の発生のために接合部材１、２の接合要求線５上に一定な圧力で触れて高速回転しながら前記両接合部材１、２の接合要求線５に沿って水平移動すると、前記両接合部材１、２は接合要求線５が形成された突き合わせ部位に沿ってプローブ径に相当する程度の幅を有する溶接部４が形成されながら接合される。前記環棒型プローブ３の回転によって発生した塑性領域６は、プローブ３の直下、つまり、溶接部材の表面ではプローブの下端面積とほぼ同一であるが、材料の内部に行くほどその幅が次第に狭まる。該塑性領域６内に存在する両接合部材１、２部位は表面から発生した摩擦熱と塑性変形による加工発熱によって軟化され、強制的で激しい塑性流動によって接合される。

一方、上述した表面摩擦によって発生する塑性領域６の深さは接合部材１、２の溶接可能な厚みを決定する因子となる。まず、塑性領域６の深さはプローブ３の径に比例する。下記の式１は、溶接可能板材の厚さ(ｔ)とプローブの径(Ｄ)との関係を様々なプローブ径の条件における実験から得た結果である。
(式１)

プローブ３の径が大きいほど溶接可能な板材の厚さは増大するが、溶接部４の大きさが増大する問題がある。また、プローブ３の回転速度が速すぎると、摩擦熱が高くなりすぎて材料の表面領域と内部領域間の温度偏差が大きくなり、材料の軟化が表面に集中されるので、塑性領域の内部浸透が困難になる。一方、溶接部材とプローブ間の摩擦係数が大きいと、材料表面に塑性流動が良好に発生して塑性領域の深さが増大する。したがって、プローブ３の接合部材１、２と触れる下端面に微細な凸凹を作ると、プローブの摩擦係数を高めることができ、溶接性向上に寄与する。

本発明の方法による溶接では、溶接したい板材に対するプローブの表面摩擦による塑性流動を材料内部まで浸透させなければならないので、厚い板材の溶接の場合、単パス(シングルパス)溶接では不可能な場合があるが、この場合には１次接合面の反対面にもう一回の溶接を施す二重パス(ダブルパス)溶接を施せばいい。

上述のような本発明の溶接方法は、既存の摩擦攪拌溶接とは異なり、プローブピンが存在しないために塑性流動の発生が接合部材に対するプローブの表面摩擦のみによって発生し、この塑性流動が接合部材の内部に浸透して溶接される特長がある。したがって、本発明によれば、既存の摩擦攪拌溶接法では接合し難い薄板部材の溶接が可能になるし、プローブピンによる溶接末端部の加工欠陥が存在しなくなる。また、本発明の方法による溶接にあたり、溶接表面から発生する塑性流動を材料の内部までよく伝達するためには、接合部材の厚さより２．０倍以上と大きい径を有するプローブを使用し、また、プローブの摩擦係数を増大させるために、接合部材と接触するプローブの下端面に微細凸凹を形成することが好ましい。

要するに、本発明は、図１のように２つの接合部材１、２に対する突き合わせ溶接において、
(ａ)２つの接合部材１、２の接合面を向かい合わせて堅固に突き合わせる段階と、
(ｂ)前記接合部材１、２より堅固な材質からなる環棒型プローブ３を接合部材１、２の接合要求線５上に接触位置させる段階と、
(ｃ)前記プローブ３を高速回転させて接合部材１、２の表面に摩擦熱を発生させながら接合部材１、２表面に強制的で激しい塑性変形を発生させる段階と、
(ｄ)前記接合部材１、２の表面に発生した塑性変形が部材の構成材料の内部に浸透することによって両接合部材１、２が結合される段階と、
(ｅ)前記プローブが接合要求線５に沿って水平移動することによって前記両接合部材１、２を連続的に溶接する段階と、から構成される。

実施例
０．９mm厚の６０６１アルミニウム合金板材を、プローブ径１３mm、回転速度２０００rpm、溶接速度１００mm/min条件で本発明の方法によって溶接した。図２は、前記材料からなる板材における溶接部位の断面写真である。塑性領域の形態は表面部位で最も大きく、内部に行くほど小さくなる様子を示す。上記の溶接条件で０．９mm厚の薄板が本発明で提案した溶接方法によって完全に接合されたことが確認できた。

図３は、１．０mm厚の１０１０アルミニウム合金板材を、プローブ径１３mm、回転速度１２００rpm、溶接速度１００mm/min条件で溶接したのち撮影した溶接部位の断面写真である。この場合もまた、接合部材の下端部まで完全に接合されたことが確認できた。

図４は、０．９mm厚の６０６１アルミニウム合金板材と銅板材を、プローブ径１３mm、回転速度１８００rpm、溶接速度１００mm/min条件で溶接したのち撮影した溶接部位の断面写真である。本発明の方法を適用する場合、上記の異種金属板材間にも完全な接合ができることが確認された。これにより、既存の溶融溶接方法では接合不可能だった異種材料間の接合も、本発明で提供する表面移動摩擦溶接方法によれば可能となることがわかる。

本発明の溶接装置および工程の概略図。 ０．９mm厚の６０６１アルミニウム合金板材における溶接後の断面写真。 １．０mm厚の１０１０アルミニウム合金板材における溶接後の断面写真。 ０．９mm厚の６０６１アルミニウム合金板材および銅板材の異種材料の板材間における溶接後の断面写真。

符号の説明

１、２：接合部材
３：プローブ
４：溶接部
５：接合要求線
６：塑性領域

Claims (5)

1. ２つの接合部材に対する突き合わせ溶接において、
   前記２つの接合部材の接合面を向かい合わせて堅固に突き合わせる段階と；
   前記接合部材より堅固な材質からなる環棒型プローブを接合部材の接合要求線上に接触位置させる段階と；
   前記プローブを高速回転させて摩擦熱を発生させながら前記接合部材の表面に強制的で激しい塑性変形を発生させる段階と；
   前記接合部材の表面に発生した塑性変形が部材の構成材料の内部に浸透することによって前記接合部材同士が結合される段階と；
   前記プローブを接合要求線に沿って水平移動させることによって前記両接合部材を連続的に溶接する段階と；から構成されることを特徴とする薄板接合用の表面移動摩擦溶接方法。
2. 前記プローブ径が前記接合部材厚の２．０倍以上のものを使用することを特徴とする請求項１に記載の薄板接合用の表面移動摩擦溶接方法。
3. 前記プローブ径が接合部材厚の２．０倍未満であるとき、前記接合部材間の接合面の上下部に対して二重パス溶接を行うことを特徴とする請求項１に記載の薄板接合用の表面移動摩擦溶接方法。
4. 摩擦係数を増大させるために下端面に微細凸凹を有するプローブを使用することを特徴とする請求項１に記載の薄板接合用の表面移動摩擦溶接方法。
5. 同種材料または異種材料の前記接合部材を使用することを特徴とする請求項１に記載の薄板接合用の表面移動摩擦溶接方法。
   

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