JP2006000858A - 摩擦撹拌接合方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

【課題】湾曲部や屈曲部を有するワーク同士を積層して設けられた積層部を、摩擦撹拌接合によって確実に接合する。
【解決手段】摩擦撹拌接合装置１０の支持用治具１２に、第１ワークＷ１と、環状湾曲部Ｒを有する第２ワークＷ２とを積層して設けた積層部２８を載置する。押圧部材２４を回転動作させた後、この押圧部材２４の先端面を積層部２８の上方の第２ワークＷ２に摺接させるとともに、第２ワークＷ２側から積層部２８を押圧する。スピンドル３２を下降させることによって摩擦撹拌接合用工具１８のプローブ１６を貫通孔２２から突出させ、第１ワークＷ１及び第２ワークＷ２の肉を支持用治具１２の凹部３０に塑性流動させるとともに撹拌する。
【選択図】図５

Description

本発明は、複数個の部材が積層されることによって形成された積層部を摩擦撹拌接合する摩擦撹拌接合方法及びその装置に関する。

部材同士を積層させ、その積層部を接合する方法としては、スポット溶接が一般的であるが、近年、摩擦撹拌接合によって接合することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。すなわち、積層部の下端面を支持しながら、回転動作する摩擦撹拌接合用工具のプローブを上端面側から埋没させ、積層された部材の肉を塑性流動させる。

ここで、積層部を摩擦撹拌接合する場合、各部材が平坦な板材であれば、積層された部材同士の間に間隙が生じることがない。従って、部材同士を確実に接合することができる。

しかしながら、多くの場合、各部材には予め成形加工が施され、このために湾曲部や屈曲部が設けられている。一般的に、このような形状の部材同士を積層すると、部材同士の間に間隙が生じる。この状態で摩擦撹拌接合を行うと、下側の部材にまでプローブが到達することが困難であるため、該部材の肉を塑性流動させることが困難となる。従って、接合後の積層部における接合強度が小さくなってしまう。

このような事態が生じることを回避するべく、特許文献１では、部材を押圧して撓ませることで部材同士を可及的に接近させ、この状態で摩擦撹拌接合を行うことが提案されている。しかしながら、部材の弾性変形を利用して部材を撓ませるこの方法では、押圧される部材の弾性変形限界以上に間隙が大きいと、結局、間隙が残留してしまうので、十分な接合強度の積層部を得ることが困難であると懸念される。

そこで、特許文献２や特許文献３に記載されているように、プローブの周囲に加熱手段を配設して、接合しようとする部位やその近傍を前記加熱手段で局部的に加熱し、これにより該部位を軟化させることが想起される。この場合、加熱によって変形抵抗を低下させれば、部材を永久変形させることなく弾性変形限界以上に変形させることができ、従って、部材間の間隙を可及的に小さくすることができると推察されるからである。

特開２００２−１２００７６号公報 特開２００３−８０３８１号公報 特開２００３−９４１７５号公報

しかしながら、特許文献２又は特許文献３に記載された技術のいずれにおいても、加熱手段をプローブの走査方向の前後にのみ配設するようにしている。この場合、プローブの走査方向に沿う方向では部材が加熱されるものの、例えば、走査方向に垂直な方向では部材が十分に加熱されないので、変形抵抗が十分に低下しないことが懸念される。

また、特許文献２又は特許文献３に記載された技術は、埋没したプローブを、予め加熱した部位に直線的に走査して摩擦撹拌接合を線状に行うものである。このような作業を行う場合、加熱手段によって加熱される部位は、プローブが他の部位を摩擦撹拌接合して走査されるまでの間、変形抵抗が十分に低下する。

しかしながら、近年では、プローブを走査させることなく部材同士を１点のみで接合するスポット接合することも広汎に行われており、この場合、加熱手段によって加熱される時間が短いので、プローブが埋没される部位やその近傍の変形抵抗を十分に低下させることができないという不具合がある。

さらに、加熱手段を設ける場合、加熱源や、該加熱源を付勢するための付勢電源等の設備が必要となる。従って、装置が複雑化するとともに、設備投資が高騰するという不具合も招く。

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、積層された部材同士の間に間隙が生じることを可及的に回避することが可能であり、このために接合強度が大きな積層部を得ることが可能であり、しかも、装置を複雑化することや設備投資の高騰化を招くことを回避することもできる摩擦撹拌接合方法及びその装置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、複数個の部材が積層されることによって形成され、一端面が支持用治具で支持された積層部に対し、他端面側から摩擦撹拌接合用工具のプローブを埋没させて摩擦撹拌接合を施す摩擦撹拌接合方法であって、
前記プローブを囲繞する押圧部材を回転動作させ、前記押圧部材で前記積層部を前記他端面側から押圧すると同時に軟化させる工程と、
前記押圧部材で軟化された部位に前記プローブを埋没させる工程と、
を有することを特徴とする。

本発明においては、先ず、押圧部材が積層部に摺接する。積層された部材同士の間に間隙が存在する場合には、この摺接（押圧）によって間隙が圧潰され、部材同士が密着する。このため、摩擦撹拌接合を行う際、各部材の肉が確実に撹拌されるので、接合後の積層部が接合強度に優れる。

しかも、この場合、押圧部材が先に摺接するので、その際の摩擦熱によって、プローブが摺接する前に積層部が十分に予熱される。このため、プローブが摺接した際、肉が容易に撹拌される。すなわち、摩擦撹拌接合が促進され、接合強度が一層優れた積層部を得ることができる。

そして、上記から諒解されるように、押圧部材で積層部を予熱するので特別な加熱手段を設ける必要がない。このため、設備投資が高騰化することを回避することもできる。

また、本発明は、複数個の部材が積層されることによって形成された積層部を摩擦撹拌接合するための摩擦撹拌接合装置であって、
前記積層部を一端面側から支持する支持用治具と、
回転付勢機構に連結された軸部、及び前記積層部に埋没するプローブを有する摩擦撹拌接合用工具と、
前記軸部を囲繞するケーシングと、
前記ケーシング内を変位可能であり、且つ前記プローブが突出する貫通孔が先端に設けられた押圧部材と、
前記ケーシングに収容されて前記押圧部材を弾発付勢する弾発部材と、
を具備することを特徴とする。

このように構成することにより、プローブよりも先に押圧部材を積層部に摺接させることができる。このため、摩擦撹拌接合を行う前に、積層された部材同士の間の間隙を圧潰することができ、且つ摩擦撹拌接合を行う箇所の近傍を十分に予熱させることができる。

すなわち、このような装置構成とすることにより、複雑な装置構成とすることなく、接合強度に優れた積層部を容易に得ることができる。

本発明によれば、積層部に対し、プローブを摺接させるより前に押圧部材を摺接させるようにしている。この摺接（押圧）によって、積層された部材同士の間の間隙が圧潰されるとともに、積層部が予熱される。このため、積層された部材の肉の撹拌が容易となるので摩擦撹拌接合が促進され、その結果、接合強度に優れる積層部を、簡便な作業で容易に得ることができる。

以下、本発明に係る摩擦撹拌接合方法につきそれを実施する摩擦撹拌接合装置との関係で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。

本実施の形態に係る摩擦撹拌接合装置の要部概略縦断面図を図１に示す。この摩擦撹拌接合装置１０は、支持用治具１２と、軸部１４及びプローブ１６を有する摩擦撹拌接合用工具１８と、軸部１４を囲繞するケーシング２０と、プローブ１６が突出する貫通孔２２が先端に設けられた押圧部材２４と、該押圧部材２４を弾発付勢する弾発部材としてのコイルスプリング２６とを備える。

支持用治具１２には、第１ワークＷ１と第２ワークＷ２とを積層して形成された積層部２８が載置される。この支持用治具１２の上端面略中央部には、中空円筒体形状の凹部３０が設けられている。なお、本実施の形態において、第１ワークＷ１及び第２ワークＷ２は、ＪＩＳ記号の数字が５０００番台である、いわゆる５０００系のアルミニウムからなり、第２ワークＷ２には、環状湾曲部Ｒが設けられている（図５参照）。

摩擦撹拌接合用工具１８の軸部１４は、回転付勢機構としてのスピンドル３２に連結されている。すなわち、摩擦撹拌接合用工具１８は、スピンドル３２が回転付勢されることに伴って回転動作する。

軸部１４の上端部近傍には、その一部が大径に設けられることによって円板状部３４が形成されており、前記ケーシング２０は、この円板状部３４の側周壁に嵌合されている。また、プローブ１６は、軸部１４の先端に設けられた小径部３６を介して連設されている。

中空円筒体であるケーシング２０の先端面は、貫通孔３８が設けられることによって開口している。このため、ケーシング２０の先端面には、該ケーシング２０の側周壁から垂直に屈曲するとともに先端面の中心に向かって突出した内方フランジ部４０が設けられた形態となっている。

ケーシング２０の貫通孔３８からは、前記押圧部材２４の円筒部４２が突出している。この円筒部４２の上端部には、該上端部が直径外方向に指向して屈曲されることによって外方フランジ部４４が設けられている。この外方フランジ部４４は、ケーシング２０の内方フランジ部４０によって堰止され、これにより、押圧部材２４のケーシング２０からの抜け止めがなされている。

ケーシング２０の内部には、前記コイルスプリング２６が収容されている。このコイルスプリング２６の下端部は押圧部材２４の外方フランジ部４４に着座しており、一方、上端部は摩擦撹拌接合用工具１８の円板状部３４の下端面に着座している。このため、押圧部材２４は、コイルスプリング２６の作用下に積層部２８に指向して常時弾発付勢されている。

図２に示すように、外方フランジ部４４の側周壁には、図１における鉛直方向に沿って４本の嵌合溝４６ａ〜４６ｄが設けられている。嵌合溝４６ａ〜４６ｄの各々には、直方体形状の楔部材４８が外方フランジ部４４から若干突出するように嵌合されている。

また、ケーシング２０の内周壁における嵌合溝４６ａ〜４６ｄに対向する位置には係合溝５０ａ〜５０ｄが設けられており、前記楔部材４８は、これら係合溝５０ａ〜５０ｄに係合されている。換言すれば、ケーシング２０と押圧部材２４とは、楔部材４８を介して互いに連結されている。なお、楔部材４８は、押圧部材２４がケーシング２０内で変位する際、係合溝５０ａ〜５０ｄに沿って滑動する。

押圧部材２４の円筒部４２には、摩擦撹拌接合用工具１８の軸部１４における略中腹部より先端部が挿入される。そして、円筒部４２の先端面には、上記したように、プローブ１６が突出可能な貫通孔２２が設けられている。すなわち、摩擦撹拌接合用工具１８は、押圧部材２４によって囲繞されている。ここで、貫通孔２２の直径は、前記小径部３６の直径に比して若干大きく設定されている。

後述するように、この押圧部材２４の先端面によって、積層部２８が押圧されるとともに軟化される。

図１及び図３に示すように、摩擦撹拌接合用工具１８の軸部１４の側周壁には、該軸部１４の長手方向に沿って４本の第１長尺溝５２ａ〜５２ｄが設けられている。第１長尺溝５２ａ〜５２ｄの各々には、これら第１長尺溝５２ａ〜５２ｄから若干突出するようにガイドバー５４が嵌合される。

その一方で、押圧部材２４の円筒部４２の内周壁における第１長尺溝５２ａ〜５２ｄに対向する位置には第２長尺溝５６ａ〜５６ｄが設けられており、押圧部材２４がケーシング２０内で変位する際、前記ガイドバー５４は、これら第２長尺溝５６ａ〜５６ｄに沿って滑動する。換言すれば、ガイドバー５４は第２長尺溝５６ａ〜５６ｄに係合されており、これにより、摩擦撹拌接合用工具１８の軸部１４と押圧部材２４とがガイドバー５４を介して互いに連結されている。

従って、摩擦撹拌接合用工具１８が回転動作を開始すると、これに追従して押圧部材２４が回転動作し、さらに、押圧部材２４の回転動作に追従してケーシング２０も回転動作する。

本実施の形態に係る摩擦撹拌接合方法は、上記のように構成された摩擦撹拌接合装置１０を使用して次のように実施される。

先ず、第１ワークＷ１と第２ワークＷ２とが積層された積層部２８が支持用治具１２に載置される。これにより、該積層部２８が下端面側から支持される。この際、図１に示すように、第１ワークＷ１と第２ワークＷ２との間に間隙が生じていてもよい。

なお、支持用治具１２の凹部３０は、積層部２８によって覆われる。

次に、スピンドル３２を下降させ、押圧部材２４と積層部２８の上端面とを所定の距離まで接近させた後、スピンドル３２を回転付勢する。これに追従して摩擦撹拌接合用工具１８が回転動作を開始すると、該摩擦撹拌接合用工具１８にガイドバー５４を介して連結された押圧部材２４と、該摩擦撹拌接合用工具１８の円板状部３４に嵌合されるとともに楔部材４８を介して押圧部材２４に連結されたケーシング２０とが回転動作する。

この状態で、スピンドル３２をさらに下降させる。最終的に、積層部２８を構成する第２ワークＷ２の上端面に押圧部材２４の先端面が摺接する(図４における破線参照)。その結果、該摺接部位が押圧部材２４の先端面で押圧されると同時に、摺接部位に摩擦熱が発生して該摺接部位が軟化する。

なお、押圧部材２４による押圧力は、第２ワークＷ２が十分に軟化し、且つ溶融を起こすことのない温度となるように設定すればよい。

スピンドル３２がさらに下降すると、図４に示すように、コイルスプリング２６が外方フランジ部４４で押圧され、これにより該コイルスプリング２６が圧縮される。この圧縮に伴い、押圧部材２４がケーシング２０の内部を変位する。この際、楔部材４８がケーシング２０の係合溝５０ａ〜５０ｄに案内されるとともにガイドバー５４が第２長尺溝５６ａ〜５６ｄに案内されるので、押圧部材２４が位置ずれを起こすことはない。

最終的に、摩擦撹拌接合用工具１８のプローブ１６が押圧部材２４の先端面の貫通孔２２から突出し、第２ワークＷ２側から積層部２８に摺接する。この際、小径部３６の先端部が貫通孔２２から若干突出してもよい。なお、軸部１４の先端面は、押圧部材２４の先端面内壁に当接する。この当接によって押圧部材２４が軸部１４からの押圧力を受け、その結果、押圧部材２４が積層部２８を確実に押圧する。

プローブ１６が摺接した箇所には、摩擦熱が発生する。このため、該摺接箇所及びその近傍が軟化して、図５に示すように、プローブ１６が積層部２８に埋没し、その結果、積層部２８の肉が支持用治具１２の凹部３０に流入する。

この際、プローブ１６が埋没した分の肉が凹部３０に塑性流動するので、積層部２８の肉がプローブ１６の埋没箇所から隆起することはない。このため、バリが形成されることがなく、従って、積層部２８の肉厚が小さくなることがないので、接合後の積層部２８の接合強度が大きくなる。

しかも、この場合、図４及び図５から諒解されるように、押圧部材２４の先端面で積層部２８を広範囲にわたって押圧しているので、第１ワークＷ１と第２ワークＷ２との間の間隙が圧潰される。すなわち、環状湾曲部Ｒを有する第２ワークＷ２を、第１ワークＷ１に十分に密着させることができる。

このように、本実施の形態においては、第１ワークＷ１と第２ワークＷ２との間に間隙が形成されないので、第１ワークＷ１及び第２ワークＷ２の肉がプローブ１６によって確実に撹拌（塑性流動）される。

ここで、プローブ１６が摺接する部位の周囲は、上記したように、押圧部材２４の先端面によって既に軟化されている。このため、プローブ１６による第１ワークＷ１及び第２ワークＷ２の肉の撹拌、ひいては摩擦撹拌接合が促進される。

このように、本実施の形態によれば、押圧部材２４の先端面で積層部２８を押圧することによって第１ワークＷ１と第２ワークＷ２との間の間隙を圧潰するとともに、プローブ１６が摺接する部位の近傍を押圧部材２４の先端面で軟化させるようにしている。このため、第１ワークＷ１及び第２ワークＷ２の肉がプローブ１６によって確実に撹拌され、その結果、接合強度に優れた積層部２８を得ることができる。

また、この場合、押圧部材２４の先端面によって積層部２８が十分に予熱されるので、積層部２８を加熱するための加熱手段を設ける必要がない。従って、装置構成が複雑になることはなく、設備投資が高騰することもない。

上記のようにして摩擦撹拌接合が営まれると同時に、プローブ１６の埋没に伴って、第２ワークＷ２における第１ワークＷ１に臨む面に突出部６０が形成されるとともに、第１ワークＷ１における第２ワークＷ２に臨む面に陥没部６２が形成され、該陥没部６２に前記突出部６０が嵌合する。なお、陥没部６２の下端部は、肉の塑性流動が行われない非撹拌部（塑性変形部）である。すなわち、塑性変形によって凹部３０に対応する形状に成形された陥没部６２に突出部６０が嵌合され、これにより、いわゆるかしめ状態が設けられる。このように、第１ワークＷ１と第２ワークＷ２とが接合されることに加えてかしめ状態が形成されることにより、積層部２８の接合強度が大幅に向上する。

撹拌を開始しておよそ２秒後にスピンドル３２を滅勢することによってプローブ１６の回転動作を停止し、これにより肉の塑性流動を停止させる。次に、スピンドル３２を上昇させれば、プローブ１６が積層部２８から離間する。また、押圧部材２４の外方フランジ部４４がコイルスプリング２６によって積層部２８側に弾発付勢され、元の位置に復帰する。

この間に積層部２８の肉が冷却固化され、第１ワークＷ１と第２ワークＷ２とが一体的に固相接合されるに至る。このようにして接合された積層部２８における第１ワークＷ１側には、凹部３０に流入した肉が冷却固化することに伴って突出形成された円柱体形状の凸部が存在する。すなわち、この場合、該凸部の外径は、凹部３０の直径と略同一となる。

なお、上記した実施の形態においては、２個のワークを摩擦撹拌接合する場合を例示して説明したが、積層されるワークの個数は２個に限定されるものではなく、３個以上のワークを積層するようにしてもよい。

また、凹部３０の全空間に積層部２８の肉が充填される必要は特にない。

さらに、摩擦撹拌接合装置は、固定型に限定されるものではなく、例えば、生産ラインに配設される６軸ロボットのアームに設置されるものであってもよい。

本実施の形態に係る摩擦撹拌接合装置の要部概略縦断面図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線矢視断面図である。 図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線矢視断面図である。 図１の摩擦撹拌接合装置の押圧部材によって上方の第２ワーク側から積層部を押圧している状態を示す要部概略縦断面図である。 押圧部材から突出したプローブによって摩擦撹拌接合を行っている状態を示す要部概略縦断面図である。

符号の説明

１０…摩擦撹拌接合装置 １２…支持用治具
１４…軸部 １６…プローブ
１８…摩擦撹拌接合用工具 ２０…ケーシング
２２…貫通孔 ２４…押圧部材
２６…コイルスプリング ２８…積層部
３０…凹部 ３２…スピンドル
４８…楔部材 ５４…ガイドバー
６０…突出部 ６２…陥没部
Ｒ…環状湾曲部 Ｗ１、Ｗ２…ワーク

Claims (2)

1. 複数個の部材が積層されることによって形成され、一端面が支持用治具で支持された積層部に対し、他端面側から摩擦撹拌接合用工具のプローブを埋没させて摩擦撹拌接合を施す摩擦撹拌接合方法であって、
   前記プローブを囲繞する押圧部材を回転動作させ、前記押圧部材で前記積層部を前記他端面側から押圧すると同時に軟化させる工程と、
   前記押圧部材で軟化された部位に前記プローブを埋没させる工程と、
   を有することを特徴とする摩擦撹拌接合方法。
2. 複数個の部材が積層されることによって形成された積層部を摩擦撹拌接合するための摩擦撹拌接合装置であって、
   前記積層部を一端面側から支持する支持用治具と、
   回転付勢機構に連結された軸部、及び前記積層部に埋没するプローブを有する摩擦撹拌接合用工具と、
   前記軸部を囲繞するケーシングと、
   前記ケーシング内を変位可能であり、且つ前記プローブが突出する貫通孔が先端に設けられた押圧部材と、
   前記ケーシングに収容されて前記押圧部材を弾発付勢する弾発部材と、
   を具備することを特徴とする摩擦撹拌接合装置。
   
   

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