JP2006116566A - 摩擦攪拌接合冶具および摩擦攪拌接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 摩擦攪拌接合におけるワークの変形を防止し、ワークの品質向上を図ることができる摩擦攪拌接合冶具および摩擦攪拌接合方法を提供する。
【解決手段】 回転子２の高速回転による摩擦熱でワークＷ１、Ｗ２を軟化し攪拌して接合するための摩擦攪拌接合冶具１であって、回転子２の外周面５の外側に、回転子２の軸心Ｌ方向にワークＷ１、Ｗ２を押圧する環状のワーク押さえ部材６と、前記軸心Ｌ方向にワーク押さえ部材６を付勢する弾性体７とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、摩擦攪拌接合冶具および摩擦攪拌接合方法に係り、特に、接合時のワークの反り返りを防止できる摩擦攪拌接合冶具および摩擦攪拌接合方法に関する。

アルミニウムやマグネシウム、鉄等の金属材料や樹脂材料等よりなる被接合部材（以下、ワークという。）を接合する方法として、近年、摩擦攪拌接合法が注目され、種々の摩擦攪拌接合冶具が開発されている（例えば、特許文献１および特許文献２等参照）。この摩擦攪拌接合法は、従来のアーク溶接等の接合法に比べ、接合後のワークのひずみが小さく、アーク溶接における接合強度以上の接合強度が得られるという特徴を有する。

この摩擦攪拌接合冶具は、特許文献１や特許文献２等に示されるように、通常、円柱形状の回転子を高速で回転させながら、その先端部分や回転子の先端部分に設けられた接合ピンを、重ね合わせた状態或いは端部を突き合わせた状態の一対のワークに押し付けて、接合点近傍を摩擦熱で軟化させ、さらに回転子の先端部分や接合ピンを圧入していき、軟化した一対のワーク接合点近傍を攪拌し、塑性流動を生じさせて、ワーク同士を冶金的に一体化させるものである。
特開２００２−２２４８５９号公報 特開２００２−６６７６０号公報

しかしながら、例えば、重ね合わせたワーク同士の端部付近を摩擦攪拌接合する場合、特許文献１や特許文献２等に記載された摩擦攪拌接合冶具では、図４に示すように、回転子１００や接合ピン１０１を押し付ける側のワークＷ１の端部が摩擦熱や回転子１００等の押圧力により反り返り、他方のワークＷ２の端部と離間してしまう現象が生じる場合がある。

このようにワークの端部同士が離間すると、外観品質上、問題となるうえ、さらに、離間したワーク端部の間隙部分に軟化、攪拌されたワーク材料が溢れ出して接合点領域のワークが減少するため、接合強度が低下してしまうという問題が生じる。

そこで、本発明の目的は、摩擦攪拌接合におけるワークの変形を防止し、ワークの品質向上を図ることができる摩擦攪拌接合冶具および摩擦攪拌接合方法を提供することである。

前記の問題を解決するために、請求項１の摩擦攪拌接合冶具は、
回転子の高速回転による摩擦熱でワークを軟化し攪拌して接合するための摩擦攪拌接合冶具であって、
前記回転子の外周面の外側に、前記回転子の軸心方向に前記ワークを押圧する環状のワーク押さえ部材と、前記軸心方向に前記ワーク押さえ部材を付勢する弾性体とを備えることを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、摩擦攪拌接合冶具は、回転子の外周面の外側に設けられたワーク押さえ部材がワークを回転子の軸心方向に押圧し、弾性体がそのワーク押さえ部材を軸心方向に付勢する。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の摩擦攪拌接合冶具において、前記ワーク押さえ部材は、前記回転子の外周面から離間するように設けられていることを特徴とする。

請求項２に記載の発明によれば、環状のワーク押さえ部材は、回転子の外周面からある程度距離をおくように設けられる。

請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の摩擦攪拌接合冶具において、前記ワーク押さえ部材は、接合動作中に前記ワークに対して静止した状態で前記ワークを押圧することを特徴とする。

請求項３に記載の発明によれば、ワーク押さえ部材は、回転子とともに回転せずに、ワークに対して静止した状態で上方からワークを押圧する。

請求項４に記載の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の摩擦攪拌接合冶具において、前記回転子の先端面中央部に、回転子と同軸状に接合ピンが突設されていることを特徴とする。

請求項４に記載の発明によれば、回転子の先端面中央部に突設された接合ピンが、ワークに深く進入し、重ねあわされたワークを接合する。

請求項５に記載の発明は、前記請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の摩擦攪拌接合冶具を用いて、回転子の高速回転による摩擦熱でワークを軟化し攪拌して接合する摩擦攪拌接合方法であって、
前記回転子が圧接される接合点の周囲を環状の前記ワーク押さえ部材により押圧しながら接合を行うことを特徴とする。

請求項５に記載の発明によれば、回転子の外周面の外側に設けられたワーク押さえ部材を弾性体が付勢し、ワーク押さえ部材がワークを回転子の軸心方向に押圧しながら摩擦攪拌接合を行う。

請求項１に記載の発明によれば、摩擦攪拌接合冶具は、回転子の外周面の外側に設けられたワーク押さえ部材がワークを回転子の軸心方向に押圧し、弾性体がそのワーク押さえ部材を軸心方向に付勢するため、回転子との摩擦熱により重ね合わせた上側のワークに生じる反り返りをワーク押さえ部材が効果的に抑制して、２枚のワークを変形させることなく平行を保った状態のまま接合することができる。

そのため、接合されたワークを外観品質上支障ないものとすることができ、また、２枚のワークの端部同士が離間して軟化、溶融したワーク材料がその隙間に溢れ出して接合点領域の接合強度が低下する事態を確実に防止することが可能となり、接合強度を設計通りに維持することができる。

請求項２に記載の発明によれば、環状のワーク押さえ部材は、回転子の外周面からある程度距離をおいて離間するように設けられる。そのため、ワークの反り返りの始点である接合点からある程度離れた地点でワークを上方から押圧することができる。すなわち、接合点から離れた地点でワークを押圧することでワークに加わる力のモーメントがより大きくなり、ワークの上方への反り返りに対してより強い抑制を与えることが可能となり、前記請求項１に記載の発明の効果をより効果的に発揮させることができる。

請求項３に記載の発明によれば、ワーク押さえ部材は、回転子とともに回転せずに、ワークに対して静止した状態で上方からワークを押圧するため、前記各請求項に記載の発明の効果に加え、ワークがワーク押さえ部材との摩擦熱で変形したり、ワーク押さえ部材が摩耗したりすることを防止でき、ワーク押さえ部材がワークを的確に押圧する状態を維持することが可能となる。

請求項４に記載の発明によれば、回転子の先端面中央部に突設された接合ピンが、ワークに深く進入し、重ねあわされたワークを接合するため、ワークが確実に接合される。その反面、接合ピンが設けられていない回転子の場合と比較してワークが反り返る傾向がより顕著になるが、前記各請求項に記載の発明のように、回転子の外周面の外側に設けられたワーク押さえ部材が的確にワークを上方から押圧してワークの反り返りを的確に抑制するため、前記各請求項に記載の発明の効果が接合ピンを有する回転子においても効果的に発揮される。

請求項５に記載の発明によれば、回転子の外周面の外側に設けられたワーク押さえ部材を弾性体が付勢し、ワーク押さえ部材がワークを回転子の軸心方向に押圧しながら摩擦攪拌接合を行うため、回転子との摩擦熱により重ね合わせた上側のワークに生じる反り返りをワーク押さえ部材が効果的に抑制して、２枚のワークを変形させることなく平行を保った状態のまま接合することができる。

そのため、接合されたワークを外観品質上支障ないものとすることができ、また、２枚のワークの端部同士が離間して軟化、溶融したワーク材料がその隙間に溢れ出して接合点領域の接合強度が低下する事態を確実に防止することが可能となり、接合強度を設計通りに維持することができる。

以下、本発明に係る摩擦攪拌接合冶具および摩擦攪拌接合方法の実施の形態について、図面を参照して説明する。

図１は、本実施形態に係る摩擦攪拌接合冶具が用いられる接合装置を示す側面図である。接合装置１０は、主に、本実施形態の摩擦攪拌接合冶具１の回転子２を軸心周りに高速回転させるための回転押圧駆動部２０と、回転押圧駆動部２０の駆動により摩擦攪拌接合冶具１を図示しないワークの方向に移動させてワークを押圧させるための押圧部３０と、ワークを裏面側から支持するためのワーク受け部４０と、摩擦攪拌接合冶具１の押圧に抗するようにワーク受け部４０を支持するためのガンアーム部５０とを備えている。

図２は、本実施形態に係る摩擦攪拌接合冶具の一部縦断面図である。摩擦攪拌接合冶具１は、円柱形状の回転子２を備えている。回転子２は、接合装置１０の回転押圧駆動部２０の図示しない固定軸に固定されており、前述したように、回転押圧駆動部２０の駆動により軸心Ｌを中心として高速回転されるように構成されている。

本実施形態では、回転子２の先端面中央部には、回転子２と同軸で小径の円柱形状の接合ピン３が回転子２と一体的に突設されている。接合ピン３の長さ等は、接合する図示しないワークの厚さ等により適宜選択され、回転子２ごと取り替え可能とされている。

また、回転子２の先端面であって接合ピン３の外周部分には、先端面の外周縁部から中心の接合ピン３に向かうに従って回転子内部に入り込むように、すなわち、対向するワークから遠ざかるように傾斜するショルダ部４が設けられている。ショルダ部４は、摩擦熱により溶融したワークを収容するための溜まり部を構成している。

回転子２の外周面５の外側には、円筒形状のワーク押さえ部材６が回転子２を環状に取り巻くように設けられている。本実施形態のワーク押さえ部材６は、図２に示したように、回転子２の外周面５から離間するように設けられている。

ワーク押さえ部材６の上端部、すなわち、ワーク押さえ部材６のワークと当接する端面７とは反対側の端部には、ワーク押さえ部材６をワーク側に付勢する弾性体としてのコイルばね８の一端部が固定されている。コイルばね８は、回転子２を取り巻くように設けられており、コイルばね８の他端部は、図１に示した接合装置１０の押圧部３０から延設されたブラケット６０に固定されている。コイルばね８の弾性率は、接合ピン３の長さやワークの板厚、材質等により適宜決定される。

なお、ブラケット６０が固定されている接合装置１０の押圧部３０は、前述のように、回転押圧駆動部２０の駆動により摩擦攪拌接合冶具１をワークの方向に移動させるためのものであり、回転子２の回転に伴って軸心Ｌ周りに回転することはない。そのため、ブラケット６０に固定されるコイルばね８も回転せず、コイルばね８により固定されたワーク押さえ部材６も回転せずにワークに対して静止した状態でワークを上方から押圧するようになっている。

次に、本実施形態の摩擦攪拌接合冶具１を用いた摩擦攪拌接合方法について説明する。

図３は、本実施形態の摩擦攪拌接合冶具を用いて重ね合わせたワークを点接合する手順を示す図である。図３（Ａ）に示すように、２枚のワークＷ１、Ｗ２が重ねあわされた状態で接合装置１０のワーク受け部４０に載置される。そして、接合装置１０の回転押圧駆動部２０を駆動させると、ワークＷ１、Ｗ２から離間した位置で摩擦攪拌接合冶具１の回転子２が軸心周りに高速回転を開始する。

次に、押圧部３０を下降させることにより摩擦攪拌接合冶具１がワークＷ１、Ｗ２に向かって下降していき、図３（Ｂ）に示すように、摩擦攪拌接合冶具１のワーク押さえ部材６の端面７が上側のワークＷ１に当接する。

図３（Ｂ）の状態から摩擦攪拌接合冶具１をさらに下降させると、ワークＷ１に当接したワーク押さえ部材６と上方のブラケット６０との間でコイルばね８が押し縮められ、コイルばね８の反発力によりワーク押さえ部材６が下方のワークＷ１側に押し付けられて、ワーク押さえ部材６によるワークＷ１、Ｗ２に対する押圧力が生じる。つまり、ワーク押さえ部材６は、接合装置１０のワーク受け部４０との間でワークＷ１、Ｗ２を挟持する状態となる。

そして、図３（Ｃ）に示すように、高速回転している回転子２の先端の接合ピン３がワークＷ１の接合点に当接すると、接合ピン３との摩擦熱によりワークＷ１が軟化し始める。回転子２および接合ピン３には上方の回転押圧駆動部２０から下方への押圧力が加わっているから、接合ピン３が軟化、融解したワークＷ１を攪拌しながらさらに押し込まれていく。その間、ワークＷ１の摩擦熱は下方のワークＷ２にも伝わり、ワークＷ２も軟化される。

一方、ワーク押さえ部材６は、摩擦攪拌接合冶具１が下方に移動することでコイルばね８から受ける押圧力は増すが、ワークＷ１のワーク押さえ部材６が当接している部分までは軟化されないため、ワークＷ１の内部に押し込まれることはなく、ワークＷ１に当接した状態でワークＷ１、Ｗ２に対する押圧力を増していく。

接合ピン３および回転子２の先端部分が、図３（Ｄ）に示す状態にまでワークＷ１、Ｗ２に押し込まれると、接合ピン３や回転子２の先端部分が軟化、溶融した接合点近傍のワークＷ１、Ｗ２を攪拌し、塑性流動を生じさせてワーク同士を一体化させる。

その際、溶融し攪拌されたワークの一部は、回転子２の先端面に形成されたショルダ部４と接合ピン３の側面で構成される溜まり部に入り込む。ワークの他の一部が押し出され、図３（Ｄ）に示すように、回転子２の外周面５の周りに盛り上がる場合もあるが、接合強度に影響を与える程度にはならない。

本実施形態の摩擦攪拌接合冶具１を用いた摩擦攪拌接合方法では、このように、回転子２や接合ピン３が圧接される接合点の周囲を環状のワーク押さえ部材６により押圧しながら接合が行われる。その際、前述したように、ワーク押さえ部材６が回転子２の外周面５から離間するように設けられていれば、ワークＷ１の反り返りの始点である接合点から離れた地点でワークＷ１を上方から押圧できる。

接合点近傍の攪拌、塑性流動が十分に行われると、接合装置１０の押圧部３０を上昇させることで、接合ピン３がワークから引き抜かれ、コイルばね８が通常の長さに伸びて付勢力がなくなりワーク押さえ部材６によるワークの押圧が解除される。そして、図３（Ｅ）に示すように、摩擦攪拌接合冶具１が上方に退避される。

以上のように、本実施形態の摩擦攪拌接合冶具１および摩擦攪拌接合方法によれば、摩擦攪拌接合冶具１の回転子２および接合ピン３の高速回転によりワークＷ１、Ｗ２が軟化、溶融し、回転子２や接合ピン３の押圧力により接合ピン３等がワークに押し込まれるため、図４に示した従来の摩擦攪拌接合と同様に、その摩擦熱や押圧力により上側のワークＷ１が反り返りを起こそうとする。

しかし、ワーク押さえ部材６が接合点の周囲を環状に押圧し、接合装置１０のワーク受け部４０との間でワークＷ１、Ｗ２を挟持するため、ワークＷ１の反り返りを効果的に抑制し、２枚のワークＷ１、Ｗ２を変形させることなく平行を保った状態のまま接合することができる。そのため、外観品質的にも支障のないものとすることができると同時に、２枚のワークＷ１、Ｗ２の端部同士が離間して軟化、溶融したワーク材料がその隙間に溢れ出して接合点領域の接合強度が低下する事態を確実に防止することが可能となり、接合強度を設計通りに維持することができる。

また、ワーク押さえ部材６を回転子２の外周面５から離間するように設けることにより、ワークＷ１の反り返りの始点である接合点からある程度離れた地点でワークＷ１を上方から押圧することができる。このように構成すれば、例えば、回転子２の外周面５に接するように設けられたワーク押さえ部材に対して前記ワーク押さえ部材６と同じ強さのワークＷ１に対する押圧力を付与した場合よりも、ワークＷ１の反り返りに対抗する下向きの力のモーメントをより強くすることができ、より効果的にワークＷ１の反り返りを抑制することができる。

さらに、本実施形態のように、ワーク押さえ部材６が回転せずにワークＷ１に対して静止した状態でワークを押圧するように構成すれば、ワーク押さえ部材６との摩擦熱でワークが変形したり、ワーク押さえ部材６が摩耗したりすることを防止でき、ワーク押さえ部材６がワークを的確に押圧する状態を維持することができる。

なお、本実施形態の摩擦攪拌接合冶具１では、先端部分に接合ピン３を突設させた回転子２の場合について述べたが、先端部分に接合ピン３を設けない回転子２を用いる場合もあり、本発明はそのような回転子２を用いた摩擦攪拌接合冶具にも適用できる。

また、ワーク押さえ部材６は、ワークを押圧してワークの反り返りを防止する機能を発揮し得るものであれば、本実施形態のように円筒形状である必要はなく、その形状はその効果を発揮させるべく適宜選択される。また、ワーク押さえ部材６に付勢力を与える弾性体はコイルばね８に限定されず、必要な押圧力を付与することが可能な他の形状のばねやゴム、樹脂等を用いることができる。

さらに、前述したようにワーク押さえ部材６を回転子２の外周面５から離間するように設ける場合には、図２において、ワーク押さえ部材６が回転子２に対して左右方向にぶれないようにするための位置決め部材を設けることも可能である。

本実施形態の摩擦攪拌接合冶具が用いられる接合装置を示す側面図である。 本実施形態の摩擦攪拌接合冶具の一部縦断面図である。 本実施形態の摩擦攪拌接合冶具を用いて重ね合わせたワークを点接合する手順を示す図である。 従来の摩擦攪拌接合冶具においてワークが反り返る状態を説明する図である。

符号の説明

１ 摩擦攪拌接合冶具
２ 回転子
３ 接合ピン
５ 回転子の外周面
６ ワーク押さえ部材
８ コイルばね
Ｌ 軸心
Ｗ１、Ｗ２ ワーク

Claims (5)

1. 回転子の高速回転による摩擦熱でワークを軟化し攪拌して接合するための摩擦攪拌接合冶具であって、
   前記回転子の外周面の外側に、前記回転子の軸心方向に前記ワークを押圧する環状のワーク押さえ部材と、前記軸心方向に前記ワーク押さえ部材を付勢する弾性体とを備えることを特徴とする摩擦攪拌接合冶具。
2. 前記ワーク押さえ部材は、前記回転子の外周面から離間するように設けられていることを特徴とする請求項１に記載の摩擦攪拌接合冶具。
3. 前記ワーク押さえ部材は、接合動作中に前記ワークに対して静止した状態で前記ワークを押圧することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の摩擦攪拌接合冶具。
4. 前記回転子の先端面中央部に、回転子と同軸状に接合ピンが突設されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の摩擦攪拌接合冶具。
5. 前記請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の摩擦攪拌接合冶具を用いて、回転子の高速回転による摩擦熱でワークを軟化し攪拌して接合する摩擦攪拌接合方法であって、
   前記回転子が圧接される接合点の周囲を環状の前記ワーク押さえ部材により押圧しながら接合を行うことを特徴とする摩擦攪拌接合方法。

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