JP2006320924A - 摩擦攪拌点接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 所定の被接合金属部材の上に２つ以上の被接合金属部材の各板状部を重ね合わせて、その重合せ部を摩擦撹拌接合法にて点接合するに際して、それら金属部材の重合せ部における何れの接合界面においても、充分な継手強度（接合強度）が確保され得るようにした摩擦撹拌点接合方法を提供すること
【解決手段】 複動式の回転工具１０の、外側ショルダ部材１２のショルダ面１２ａと内側ショルダ部材１４のショルダ面１４ａとプローブ１６の先端面１６ａとを面一とした状態で高速回転させつつ、重ね合わされた金属板４ａ〜４ｃの最表部の金属板４ａの表面に押し付けることによって、摩擦発熱部１８を形成した後、内側ショルダ１４及びプローブ１６を順次差し込み、重合せ部２の摩擦攪拌点接合を行った。
【選択図】 図 １

Description

本発明は、改良された摩擦撹拌点接合方法に係り、特に、所定の被接合金属部材に２つ若しくはそれ以上の被接合金属部材の各板状部を重ね合わせて、それらを摩擦撹拌接合手法にて点接合せしめるに際しての有効な手法に関するものである。

従来から、自動車の製造において、そのボデー部材や各種部品が、複数の金属板部材を重ね合わせて、それらをリベットや抵抗スポット溶接の如き点接合にて連結して、一体化することにより、製造されてきており、また、そのような点接合による金属板材の連結形式は、鉄道車両を始めとする各種車両や航空機等の輸送機分野において、また家電製品、建材等の構造物等の分野においても、広く採用されてきている。

一方、特許文献１等において、接合時の入熱が少なく、軟化や歪みの程度が少ない接合手法として、摩擦熱を利用して、金属部材を接合せしめる摩擦撹拌接合法が提案されるに至り、そのような摩擦撹拌接合手法を採用して、複数の金属板部材の重合せ部位を点接合せしめる技術が検討され、それによって、従来の抵抗スポット溶接やリベットによる接合よりも、継手品質がよく、良好な接合状態が安定して得られるとして、各種の摩擦撹拌点接合方法が、提案されている（特許文献２〜５等参照）。

しかしながら、それら提案された各種の摩擦撹拌点接合方法は、何れも、基本的にはロッド形状の工具本体の先端に、ピン形状の硬質プローブを設けてなる構造のピン型工具（回転工具）を用い、それを高速回転させながら、所定の金属板部材の重合せ部位に差し込み、そして、かかるピン型工具の工具本体の先端部にて構成されるショルダ部を、重合せ部位に押圧することにより、それらショルダ部やプローブと重合せ部位との間に摩擦熱を発生させて、材料を塑性流動せしめ、かかるプローブの周りに撹拌領域を形成することにより、そのようなプローブの差込み部位において、金属板部材の重合せ部位の点接合を行なわしめるものであるが、その点接合されるべき金属板部材が、３枚、或いはそれ以上の枚数にて重ね合わされた重合せ部位における点接合においては、それら３枚以上の金属板部材の接合を均一に行なうことが困難となり、そのために、重ね合わされた金属板部材の重ね合わせ位置において、その結合強度（継手強度）が充分に確保され難いという問題があった。

具体的には、３枚以上の金属板部材を重ね合わせて、その重合せ部を、上述の如きピン型工具を用いて、摩擦撹拌点接合したときに、かかるピン型工具のプローブが差し込まれる最表部（最上段）の板部材と、その直下の板部材との接合界面は、充分に撹拌することが出来、以て、それら板部材間の接合強度は満足できるものであるが、その下の中間板部材同士の接合界面や、中間板部材と最底部（最下段）の板部材との接合界面においては、かかるピン型工具のショルダ部の摩擦発熱や押圧の影響が充分でなく、そのために、撹拌が不充分となり、塑性流動に基づくところの撹拌領域が有効に形成され難いために、それら中間板部材同士や中間板部材と最底部の板部材との間の継手強度（接合強度）が充分でないという問題が、内在している。また、プローブとショルダ部が一体型とされたピン型工具を用いた場合にあっては、被接合金属板部材の最表部に最初に当接されるのが底面積の小さいプローブ部分であるため、摩擦熱が発生し難く、また、ショルダ部が被接合金属板部材の最表部に接するまでにプローブの挿入によって攪拌部から押し出された金属がバリや切粉として排出されてしまい、そのために、攪拌部において材料が塑性流動し難くなり、充分な接合強度が得られなくなるといった問題も、内在しているのでる。

特許第２７１２８３８号公報 特開２００１−２５９８６３号公報 特開２００１−３２１９６７号公報 特開２００１−３１４９８３号公報 特開２００２−１２００７７号公報

ここにおいて、本発明は、かかる事情を背景にして為されたものであって、その解決課題とするところは、所定の被接合金属部材の上に２つ以上の被接合金属部材の各板状部を重ね合わせて、その重合せ部を摩擦撹拌接合法にて点接合するに際して、それら金属部材の重合せ部における何れの接合界面においても、充分な継手強度（接合強度）が確保され得るようにした摩擦撹拌点接合方法を提供することにある。

そして、本発明にあっては、上記した課題の解決のために、所定の被接合金属部材の上に２つ以上の被接合金属部材の各板状部を重ね合わせて、該重合せ部の最上部に位置する板状部の側から、軸回りに回転せしめられる回転工具のショルダ部材の先端に同軸的に位置せしめたプローブを、回転させつつ差し込み、それら被接合金属部材を点接合するようにした摩擦攪拌点接合方法にして、前記回転工具として、前記プローブが前記ショルダ部材とは別体に構成されて、別個に軸方向に移動可能とされた複動式回転工具を用い、該プローブと該ショルダ部材の各々の先端面を面一とした状態において、それらを回転させつつ、前記重合せ部の最上部の板状部表面に押し付けることにより、該重合せ部に摩擦発熱部を形成した後、該プローブを差し込み、該重合せ部の摩擦攪拌接合を行うことを特徴とする摩擦攪拌点接合方法を、その要旨とするものである。

また、本発明に従う摩擦攪拌点接合方法の望ましい態様の一つによれば、前記ショルダ部材の外周面にバリ押え筒体が外挿されて、前記重合せ部の最上部の板状部表面に当接せしめられることにより、該ショルダ部材の周りにおけるバリの発生が抑制乃至は阻止され得るようになっている。

さらに、本発明に従う摩擦攪拌点接合方法の別の好ましい態様の一つにあっては、前記プローブの先端部が、前記重合せ部の最下部に位置する被接合金属部材にまで差し込まれるようになっている。

このように、本発明に従う摩擦攪拌点接合方法によれば、回転工具として、プローブとショルダ部材とが別体に構成されて、それぞれが別個に軸方向に移動可能とされた複動式回転工具が用いられているところから、かかるプローブとショルダ部材の各々の先端面を面一とした状態として、プローブと共に、ショルダ部材が、重ね合わされた被接合金属部材の最表部に接するようにすることによって、広い面積に亘って、接合を行う重合せ部に対して適度な圧力を加えて、被接合金属部材の各々の接合界面をより密着させながら、摩擦熱が大きな領域で発生せしめられることとなり、もって、摩擦発熱部にて実質的に構成されることとなる軟化領域の拡大が効果的に実現されると共に、かかる発生した摩擦熱を、重ね合わされた被接合金属部材の下方の板にも、効果的に伝達せしめることが可能となるのである。そして、このように、軟化領域が拡大され、また下方の被接合金属部材にも摩擦熱が充分に伝達された状態において、プローブを差し込むことによって、大きな攪拌領域を形成することが出来ることとなるため、各接合界面における攪拌作用を充分に生じさせることが可能となり、以て、接合強度を増大させることが出来るのである。

また、本発明に従う摩擦攪拌点接合方法の望ましい態様の一つによれば、ショルダ部材の外周面にバリ押え筒体が外挿されて、被接合金属部材の重ね合わされた板状部の最上部表面に当接せしめられているところから、摩擦発熱部乃至は摩擦攪拌部へのプローブの差し込みによって、ショルダ部材の周りに摩擦発熱部乃至は摩擦攪拌部から押し出される材料が、バリ押え筒体の当接によって、摩擦発熱部乃至は摩擦攪拌部内に押し込められるようになり、以て、被接合金属部材表面に発生するバリが、効果的に抑制乃至は阻止され得ることとなる。

さらに、本発明の好ましい別の態様の一つに従って、プローブの先端部が、被接合金属部材の重合せ部の最下部に位置する被接合金属部材にまで差し込まれるようにすることによって、各界面における攪拌が充分に生ぜしめられ得ることとなり、より一層、接合強度を向上することが可能となる。

以下、本発明を更に具体的に明らかにするために、本発明の実施の形態について、図面を参照しつつ、詳細に説明することとする。

先ず、図１には、本発明に従う摩擦撹拌点接合方法の一実施形態が、概念図において示されている。そこにおいて、２は、本発明に従って摩擦撹拌点接合せしめられる被接合金属部材の重合せ部であり、この重合せ部２に対して、本発明に従う、回転工具１０を用いた摩擦撹拌点接合操作が、実施されるようになっている。

より具体的には、重合せ部２は、ここでは、被接合金属部材である金属板材４ａ，４ｂ及び４ｃの３枚が上下方向に重ね合わされて、構成されており、そしてそれら３枚の金属板材４ａ〜４ｃの重合せ面、つまり、最表部（最上段）の金属板材４ａとその下の金属板材４ｂとの間が接合界面６ａとされ、金属板材４ｂと最底部（最下段）に位置する金属板材４ｃとの間が接合界面６ｂとされている。そして、それら３枚の金属板４ａ〜４ｃは、目的とする摩擦撹拌点接合を行うために、従来と同様にして、位置固定にクランプされており、また、最下側の金属板４ｃの裏面には、ここでは図示はしないが、適当な裏当て治具が配置されて、それら３枚の金属板４ａ〜４ｃを支持し得るようになっている。

また、それら重ね合わされた３枚の金属板４ａ〜４ｃの上側には、従来と同様な、鋼製の複動式の回転工具１０が、配置せしめられている。この回転工具１０は、円筒状の外側ショルダ部材１２と、かかる外側ショルダ部材１２の中心孔に内挿された円筒状の内側ショルダ部材１４と、さらにその内側ショルダ部材１４の中心孔に挿入位置せしめられたロッド（円柱）状のプローブ１６とが同軸的に配置されてなる構造とされ、それらの軸回りに、それぞれ高速回転せしめられ得るようになっていると共に、それらの軸方向に、それぞれ独立して移動せしめられ得るようになっている。なお、これらショルダ部材１２，１４やプローブ１６は、公知の各種の複動式構造において、作動せしめられ得るように構成されていると共に、それらショルダ部材１２，１４とプローブ１６の、少なくとも、金属板４ａ〜４ｃに接触乃至は押し付けられ、また差し込まれる部位は、それら金属板４ａ〜４ｃよりも硬質の材料にて形成されており、摩擦攪拌接合操作において、それらの損耗が阻止され得るようになっている。

そして、それら３枚の金属板４ａ〜４ｃを、本発明に従う摩擦撹拌接合手法にて接合せしめるに際しては、先ず、図２の（ａ）に示されるように、外側ショルダ部材１２のショルダ面１２ａと内側ショルダ部材１４のショルダ面１４ａとプローブ１６の先端面１６ａとが面一とされた状態下において、回転工具１０を高速回転させつつ、（ｂ）に示される如く、それらショルダ面１２ａ，１４ａと先端面１６ａを最表部の金属板４ａの表面に押し当てて、金属板４ａ〜４ｃの重合せ部２に適度な圧力を掛けるようにされる。このような押圧によって、金属板４ａ，４ｂ間の接合界面６ａや金属板４ｂ、４ｃ間の接合界面６ｂをより密着させつつ、金属板４ａとプローブ１６の先端面１６ａとの間に加えて、金属板４ａとショルダ面１２ａやショルダ面１４ａとの間でも摩擦発熱を生じさせて、その摩擦熱が金属板４ａから下部の金属板４ｂや金属板４ｃに伝達されるのである。そして、そのようにして発生した摩擦熱によって、（ｃ）に示されるように、摩擦発熱部１８が広範囲に形成されると共に、外側ショルダ部材１２の一部が、金属板材４ａ内に、ある程度入り込んだ状態となる。なお、その際、回転工具１０を構成するショルダ部材１２，１４とプローブ１６とは、一体的に回転せしめられる他、それぞれ独立して、回転させられるようにすることも可能である。

このように、プローブ１６をショルダ部材１２，１４と面一にした状態で、回転工具１０を上側の金属板４ａ表面に当接せしめて、軸回りに高速回転させることによって、プローブ１６の先端面のみを当接せしめて摩擦発熱させるよりも可及的に大なる面積をもって、効果的に大きな範囲を摩擦発熱せしめることが可能となると共に、ショルダ面１２ａ，１４ａによって金属板４ａ〜４ｃに適度な圧力を加えることが出来るため、かかる発生した摩擦熱を、下方の金属板４ｂ，４ｃに、より効果的に伝達することが出来、以て、大きな摩擦発熱部１８乃至は軟化領域を形成することが可能となると共に、従来発生していたプローブ１６の差し込み初期のバリの発生を、効果的に抑制乃至は阻止し得る利点を享受することが出来るのである。

次いで、かかる摩擦発熱部１８が形成された後、図３（ａ）に示される如く、内側ショルダ部材１４とプローブ１６とが、それらのショルダ面１４ａと先端面１６ａとを面一とした状態のまま、金属板４ｂに達するまで差し込まれる。これによって、摩擦発熱部１８を金属板４ｂにまで拡大した形態において、摩擦攪拌部２０が形成されるのである。なおこの際、金属板４ａ内に入り込んでいた外側ショルダ部材１２を僅かに上昇せしめることによって、それら内側ショルダ部材１４やプローブ１６の挿入によって押し出される金属材料が吸収され、外部にバリとして排出されることが抑えられることとなる。

更にその後、図３（ｂ）に示されるように、プローブ１６が内側ショルダ部材１４から突出せしめられて、その先端部が最下段の金属板４ｃに達するまで差し込まれるようにされる。これによって、金属板４ａ〜４ｃに亘って、大きな摩擦攪拌部２０が形成されることとなり、以て、金属板４ａ〜４ｃの重ね合せ部２が摩擦攪拌点接合せしめられるのである。また、この際にも、内側ショルダ部材１４の差し込みの際と同様に、プローブ１６の差し込みと同時に内側ショルダ部材１４を上昇せしめることによって、攪拌・流動せしめられる金属材料を有効に吸収し、それが摩擦攪拌部２０から外部に排出されてしまうようなことが、効果的に抑制されることとなる。なお、このプローブ１６の差し込み深さは、金属板４ｃの板厚に応じて、適宜に決定される。

かくして、そのように摩擦攪拌接合操作が終了することとなるのであるが、その状態から、回転工具１０を離脱せしめるには、単に、回転工具１０を攪拌領域部２０から引き離すだけでは、内側ショルダ部材１４やプローブ１６の抜けた穴（プローブ穴）が、そのまま、摩擦撹拌部２０に残ってしまうこととなるため、ここでは、回転工具１０の引き抜きに際して、以下のような工程が、有利に採用される。即ち、図３（ｂ）に示される状態から、図３（ａ）の状態を経て、図２（ｃ）の状態に至るように、上記した操作とは逆の操作を行うことにより、或いは、内側ショルダ部材１４とプローブ１６を同時に若しくは適当な時間的遅れをもって上昇せしめて摩擦攪拌部２０から引き抜きつつ、外側ショルダ部材１２を下降せしめて、ショルダ面１２ａにて摩擦撹拌部２０の上面を押圧して、押し込むようにすることにより、内側ショルダ部材１４やプローブ１６の引き抜きによって生じる穴が、摩擦撹拌部２０の他の部位からの金属材料の流動によって埋め込まれるようにされる。

このようにして、回転工具１０が摩擦撹拌部２０から離脱され、また、プローブ穴の埋め込みが終了すると、図３（ｃ）に示されるように、摩擦撹拌部２０は、内側ショルダ部材１４やプローブ１６によって形成される穴が、実質的に消失せしめられた状態となる。尤も、そのようなプローブ穴は、痕跡が残る程度まで、或いはそれが確認できないほど完全に消失せしめられる必要はなく、プローブ１６が差し込まれた最大深さにおける底部が充分に覆蓋されるように、摩擦撹拌部２０の他の部位から流動せしめられる金属材料によって埋め込まれておれば、ある程度の深さを持った穴として存在していても、何等、差支えない。

なお、かかるプローブ１６の引き抜きによって生じる穴の具体的な埋め込み操作としては、プローブ１６の上昇（引き抜き）と同時に、内側ショルダ部材１４の下降（押し込み）を行なう他、前者の上昇の開始から少し遅れて、後者の下降を開始したり、或いは、前者の上昇が完了した後、後者の下降を開始する等の操作が、適宜に採用され得、また、回転工具１０を摩擦撹拌部２０から離脱せしめた後、適当な押圧部材による押圧操作を加えて、摩擦撹拌部２０の他の部位からの材料の流動を行なって、プローブ穴が埋め込まれるようにすることも、可能である。

このように、本発明に従う摩擦攪拌点接合方法によれば、高速回転せしめられた回転工具１０のショルダ部材１２，１４とプローブ１６とを、それらの先端面を面一とした状態で、重ね合わされた被接合金属部材たる金属板４ａ，４ｂ，４ｃの最表面の金属板４ａに押し当てて、高速回転させることにより、可及的に大なる接触面積をもって摩擦発熱せしめると共に、かかる押圧力で金属板４ａ〜４ｃ間の接合界面６ａ，６ｂを密接させ、ショルダ面１２ａ，１４ａや先端面１６ａと金属板４ａとの間で発生する摩擦熱を、下方の金属板４ｂ，４ｃに対しても充分に伝達した状態において、摩擦攪拌接合が行われるところから、可及的に大きな軟化領域が効果的に形成され得て、下方の金属板４ｂや金属板４ｃにおいても、差し込まれた内側ショルダ部材１４やプローブ１６の周りに大きな摩擦攪拌部２０が形成され得ることとなり、接合界面６ａ，６ｂにおいて金属材料が充分に撹拌乃至は塑性流動せしめられ得、その結果、重合せ部２における点接合部位は、優れた接合強度を有することとなるのである。

ところで、本発明は、上述の如き形態において実施される他、また、図４に示される如き形態においても、有利に実施され得るものである。即ち、かかる図４に示される摩擦撹拌手法による接合工程においては、回転工具１０の外側ショルダ部材１２の外周面に、円筒状のバリ押え筒体３０が外挿されて、配置されており、このバリ押え筒体３０の下降によって、裏当て治具３２にて支持されている、重ね合わされた３枚の金属板４ａ，４ｂ，４ｃを、上方から押し付け得るようになっている。

そして、摩擦撹拌接合操作に際しては、回転工具１０のショルダ部材１２，１４やプローブ１６の下降と同時に、或いはそれらの下降に先立って、バリ押え筒体３０が下降せしめられて、上側の金属板４ａの表面を押圧するようにされる。次いで、回転工具１０が下降させられて、前例と同様な摩擦撹拌接合操作が実施されることとなるのであるが、その際、外側ショルダ部材１２のショルダ面１２ａや内側ショルダ部材１４のショルダ面１４ａ及びプローブ１６による摩擦撹拌作用にて形成される摩擦撹拌部２０から溢れ出すバリが、バリ押え筒体３０の存在によって阻止せしめられるのである。尤も、そのようなバリの溢れ出しが阻止されて、摩擦撹拌部２０内に押し止められることによる摩擦撹拌部２０の体積の増大を吸収し得るように、外側ショルダ部材１２は、摩擦撹拌操作中において、僅かに後退（上昇）せしめられるようになっている。なお、バリ押え筒体３０は、回転させられることなく、上側の金属板４ａとの間にバリが侵入しないような押圧力を持って、ばね等によって押圧されるようになっているのである。

その後、この回転工具１０による摩擦撹拌操作が終了すると、内側ショルダ部材１４とプローブ１６の引き抜き（上昇）、外側ショルダ部材１２の下降による押し込みが行なわれることにより、それら内側ショルダ部材１４とプローブ１６の引き抜き穴が、摩擦撹拌部２０の他の部位からの金属材料の流動によって、埋め込まれるようにされるのであり、更にその後、バリ押え筒体３０の金属板４ａに対する押圧が解除されるようにして、目的とする３枚の金属板４ａ，４ｂ，４ｃの摩擦撹拌点接合が実現されるのである。

これに対して、従来からの回転工具を用いて、図１に示される如き３枚の金属板材４ａ〜４ｃを重ね合わせてなる重合せ部２の摩擦撹拌点接合を実施した場合の、図３（ａ）に対応する状態が、図５に示されているが、そこにおいて、従来と同様な構造の回転工具Ｒは、単に、ロッド状の工具本体Ｂの先端部に、同心的に、ロッド状のプローブＰを一体に有しているのみであるために、かかるプローブＰが重合せ部２に先に差し込まれることとなり、そのため、工具本体Ｂの下端部（ショルダ部）が後から当接・押圧せしめられても、摩擦発熱が充分でなく、メタルの流動域が狭く、そのために、プローブＰの周りに形成される撹拌領域Ａも、ワインカップ状となって、必然的に狭くなるのであり、それ故に、上側の接合界面６ａはまだしも、下側の接合界面６ｂにおける接合強度乃至は継手強度を、充分に確保することが困難となるのである。なお、重合せ部２の上面に当接・押圧せしめられる工具本体Ｂのショルダ部の外径を大きくして、摩擦発熱量を増大せしめても、接合界面における熱移動が充分に行われ得ないところから、下側の接合界面６ｂまで、充分な熱供給が為され得ず、依然として、図示の如き、ワインカップ状の撹拌領域Ａとなり、接合強度（継手強度）の充分な向上を図り得ない他、摩擦撹拌点接合操作の作業性等においても、問題を惹起するようになるのである。

以上、本発明の代表的な実施形態について詳述してきたが、それは、あくまでも例示に過ぎないものであって、本発明は、そのような実施形態に係る具体的な記述によって、何等限定的に解釈されるものではないことが、理解されるべきである。

例えば、上記の実施形態では、摩擦撹拌接合手法として、本発明が有利に適用される点接合方法が採用されているが、回転工具１０を金属板４ａ，４ｂ，４ｃに対して相対的にある程度移動せしめて、摩擦撹拌接合を行なうようにした方法にも、本発明は適用可能である。

また、かかる実施形態において用いられる被接合金属部材である複数の金属板材は、何れも、同材質のものであっても、或いは異なる材質のものであっても、何等差支えなく、また、それら金属板材の材質としても、特に限定されるものではなく、例えば、アルミニウム若しくはその合金からなるアルミニウム部材、銅若しくはその合金からなる銅部材、マグネシウム若しくはその合金からなるマグネシウム部材等の、比較的軟質金属からなる部材の他、鉄やスチール等の、比較的硬質の金属部材等の、摩擦撹拌接合可能な公知の材料が、適宜に選択されて用いられることとなる。

さらに、そのような被接合金属部材の形状としては、全体が平坦な板材である必要はなく、少なくとも、その重合せ部位が、摩擦撹拌点接合可能な範囲において、平坦な板状を呈しておれば、充分であり、それ故に、それぞれの金属板材に対してプレス成形等の各種の成形操作が施されて、種々なる形状に成形されてなる成形品を、本発明における被接合金属部材として用いることも可能であり、更に、重合せ部位以外の部分が板状ではなく、ブロック状、柱状、筒状、箱状等の各種の形状を有する部材を、被接合金属部材として用いることも可能である。加えて、重合せ部の最下部に位置する被接合金属部材の形状にあっても、上述せる如き金属板材にて与えられる板状形状に限られるものではなく、その上に重ね合わされる２つ以上の被接合金属部材の各板状部が載置され得るように、平坦面を有する部材であれば、ブロック状や箱体形状等の各種形状の部材を、重合せ部における最下部の被接合金属部材として、用いることが可能である。

更にまた、回転工具１０は、前述した実施形態においては、３段の複動式回転工具が用いられていたが、その段数は、重ね合わされる被接合金属部材の枚数や厚さによって、適宜変更されて、採用されるものであって、例えば、外側ショルダ部材１２の更に外側にショルダ部材を外挿せしめた４段の複動式回転工具やそれ以上の段数としたり、或いは一つの円筒状のショルダ部材の中心孔ににプローブが挿入位置せしめられた２段の複動式回転工具を用いることも出来る。その中でも、本発明にあっては、重ね合わされる被接合金属部材の枚数に対応した段数（プローブを１段として加える）の複動式構造としたものが、有利に用いられることとなる。

加えて、そのような回転工具１０としては、公知の各種の複動式回転工具が適宜に用いられ得るところであって、そのプローブ１６の形状乃至は構造にあっても、ストレートな円柱形状の他、先端に向かって先細りする円錐形状や円錐台形状等、公知の各種の形状が、何れも採用され得、また、その表面に凸起乃至凸条や凹溝等が設けられたものであっても、何等、差支えないのである。また、ショルダ部材１２，１４の端面のショルダ面１２ａ，１４ａの形状にあっても、特に限定されるものではなく、平坦面であっても、中央に向かって湾曲する凹面形状であってもよく、従来から公知の各種の形状が、適宜に採用されることとなる。

その他、一々列挙はしないが、本発明が、当業者の知識に基づいて、種々なる変更、修正、改良等を加えた態様において実施されるものであり、また、そのような実施の態様が、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて、何れも、本発明の範疇に属するものであることは、言うまでもないところである。

以下に、本発明の代表的な実施例を示し、本発明を更に具体的に明らかにすることとするが、本発明が、そのような実施例の記載によって、何等の制約をも受けるものでないことは、また、言うまでもないところである。

実施例 １
先ず、被接合金属部材として、板厚が１ｍｍのアルミニウム板（６０１６−Ｔ４材）の３枚を重ね合わせたものを用意し、その最下部の板側に裏当て治具を当接せしめて、所定のクランプ部材を用いて固定した後、回転工具として、図１に示される如き構成の３段の複動式の回転工具を用いて、摩擦攪拌点接合を行った。

なお、かかる摩擦攪拌点接合操作は、回転工具を高速回転させつつ、先ず、全ショルダ面及びプローブの先端面が平坦とされた状態（面一とした状態）で、最表部（回転工具側）のアルミニウム板の板厚の１／３の深さまで差し込み、次いで内側のショルダ部材及びプローブを中間のアルミニウム板の板厚の１／３の深さとなるところまで繰り出し、更に最下部（裏当て治具側）のアルミニウム板の板厚の１／３の深さまでプローブの先端が達するところまで差し込んで、摩擦攪拌接合を行った後、逆の工程に従って回転工具を引き抜いた。また、この際、外側ショルダ部材や内側ショルダ部材の後退作動は、図１の場合と同様にして行なった。

そして、この得られた継手の断面組織を調査したところ、その接合界面のそれぞれは、回転工具により撹拌され、元の界面の酸化物が充分に分断されており、以て、それぞれの板が充分に接合されているものと認められた。また、かかる得られた継手について、その接合界面に平行に荷重がかかるようにして、引張試験を行ない、それぞれの接合界面をせん断破壊させたところ、せん断引張強さは、何れも２ｋＮであり、厚さが１ｍｍの板２枚を摩擦攪拌点接合した場合のせん断引張強さと同等であることが確認された。

実施例 ２
板厚が１ｍｍのアルミニウム板（６０１６−Ｔ４合金板材）の４枚を重ね合わせ、最下部の板側に裏当て治具を当接する一方、最表部の板側から、図１に示される如き３段の複動式の回転工具の外側ショルダ部材の更に外側に別のショルダ部材を外挿せしめた４段の複動式回転工具を用いて、以下の手順で摩擦攪拌点接合を行った。

先ず、全てのショルダ面とプローブの先端面とが平坦となった状態で、回転工具を、高速回転させつつ、最表部のアルミニウム板材の板厚の１／３の深さまで差し込み、次いでその状態からプローブを一番下の接合界面、つまり最下部のアルミニウム板材とその一つ上のアルミニウム板材との接合界面の深さまで挿入する。次に、差し込んだプローブを引き抜きながら、プローブの一つ外側のショルダ部材（３段のショルダ部材のうち、最も内側のもの）を、真ん中の界面の深さ（４枚重ねのアルミニウム板材の厚さの半分の深さ）まで挿入せしめた後、かかるショルダ部材を引き抜きながら、かかるショルダ部材の一つ外側のショルダ部材（３段あるショルダ部材のうち、外側から２段目のショルダ部材）を最表部のアルミニウム板材とその一つ下のアルミニウム板材の界面の深さまで挿入せしめる。そして最後に、かかる２段目のショルダ部材を引き抜きつつ、最も外側のショルダ部材を最表部のアルミニウム板材の表面近傍まで当接せしめた後、回転工具を金属板から離脱せしめて、摩擦攪拌点接合を行った。なお、以上の接合動作に要する時間は、４秒とした。

このような工程を経ることによって、回転工具を引き抜いた後にも、最表部のアルミニウム板材の表面にプローブ穴を残さずに、摩擦攪拌点接合することが可能であることを確認出来た。

比較例 １
板厚が１ｍｍのアルミニウム板（６０１６−Ｔ４合金板材）の３枚を重ね合わせ、最下部の板側に裏当て治具を当接する一方、最表部の板側から、図５に示す如くプローブとショルダ部材が一体的に形成された回転工具を用いて、それを高速回転させつつ、ショルダ部が最表部の板の厚さの１／３に達するまで４秒で差し込んだ後、引き抜くことにより、摩擦撹拌点接合を実施した。

その結果、最下部の板と中間の板の接合界面の攪拌部は、実施例１のものよりも小さく、更にそれぞれの接合界面をせん断する引張試験において、最表部の板と中間の板の接合界面のせん断引張強さは２ｋＮであったが、最下部の板と中間の板の接合界面のせん断引張強さは、０．４ｋＮと低いことが確認出来た。

本発明に従う摩擦攪拌点接合方法の接合操作前の一つの状態を示す断面説明図である。 本発明に従う摩擦攪拌点接合方法における摩擦撹拌操作の、前半の工程を示す工程説明図であって、（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は、それぞれ各工程における一形態を示す説明図である。 図２に示す摩擦撹拌工程に続く、後半の工程を示す工程説明図であって、（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は、それぞれ各工程における一形態を示す説明図である。 本発明に従う摩擦攪拌点接合方法の別の一つの態様における摩擦攪拌操作の、一工程を示す断面説明図である。 従来の回転工具を用いて、３枚の板材の重合せ部を摩擦撹拌点接合した場合における摩擦撹拌領域を示す断面説明図である。

符号の説明

２ 重合せ部
４ａ，４ｂ，４ｃ 金属板
６ａ，６ｂ 接合界面
１０ 回転工具
１２ 外側ショルダ部材
１４ 内側ショルダ部材
１６ プローブ
１８ 摩擦発熱部
２０ 摩擦攪拌部
３０ バリ押え筒体
３２ 裏当て治具

Claims (3)

1. 所定の被接合金属部材の上に２つ以上の被接合金属部材の各板状部を重ね合わせて、該重合せ部の最上部に位置する板状部の側から、軸回りに回転せしめられる回転工具のショルダ部材の先端に同軸的に位置せしめたプローブを、回転させつつ差し込み、それら被接合金属部材を点接合するようにした摩擦攪拌点接合方法にして、
   前記回転工具として、前記プローブが前記ショルダ部材とは別体に構成されて、別個に軸方向に移動可能とされた複動式回転工具を用い、該プローブと該ショルダ部材の各々の先端面を面一とした状態において、それらを回転させつつ、前記重合せ部の最上部の板状部表面に押し付けることにより、該重合せ部に摩擦発熱部を形成した後、該プローブを差し込み、該重合せ部の摩擦攪拌接合を行うことを特徴とする摩擦攪拌点接合方法。
2. 前記ショルダ部材の外周面にバリ押え筒体が外挿されて、前記重合せ部の最上部の板状部表面に当接せしめられることにより、該ショルダ部材の周りにおけるバリの発生が抑制乃至は阻止され得るようになっている請求項１に記載の摩擦攪拌点接合方法。
3. 前記プローブの先端部が、前記重合せ部の最下部に位置する被接合金属部材にまで差し込まれる請求項１または請求項２に記載の摩擦攪拌点接合方法。
   

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