JP2007044756A - 裏当て治具および中空状被接合材の摩擦攪拌接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 軽量化が図られた接合体を得ることができる裏当て治具を提供する。
【解決手段】 裏当て治具２は、中空状被接合材１における開口端部の内周面の横断面形状と同一の外形を有しており、複数の構成部材３を分離自在に組み合わせることにより形成されている。中空状被接合材１の摩擦攪拌接合方法は、２つの円筒状被接合材１の開口端部どうしを突き合わせるとともに、裏当て治具２を両被接合材１の突き合わせ端部に跨るように両被接合材１の内側に配置すること、両被接合材１の突き合わせ端部のみを外周側から摩擦攪拌接合して接合体を得ること、および裏当て治具２を分離して接合体内から取り出すことを含む。
【選択図】 図１

Description

この発明は、各種産業において利用される金属製品を、中空状被接合材どうしを摩擦攪拌接合して製造するにあたり、被接合材どうしの摩擦攪拌接合の際に用いられる裏当て治具および中空状被接合材の摩擦攪拌接合方法に関する。

この明細書および特許請求の範囲において、「アルミニウム」という用語には、純アルミニウムの他にアルミニウム合金を含むものとする。

中空管や中空形材などのような中空材を、開口端部どうしを突き合わせて接合する場合、従来、ＭＩＧやＴＩＧなどのアーク溶接が適用されていた。しかしながら、JIS Ａ６０００系合金などの熱処理型合金をアーク溶接により接合すると、溶接時の入熱によって溶接熱影響部の強度低下や熱歪みが生じるという問題があった。

そこで、このような問題を解決した接合法として、近年、固相接合法である摩擦攪拌接合法が適用されるようになってきている。

たとえば、中空状被接合材の摩擦攪拌接合方法として、２つの円筒状被接合材の開口端部どうしを、外周面が同一面内に位置するように直接突き合わせ、両被接合材の突き合わせ端部を内側から支持する環状の裏当て治具を両被接合材に跨るように配置した状態で、両被接合材および裏当て治具を外周側から摩擦攪拌接合する方法が知られている（特許文献１参照）。

特許文献１記載の方法において、裏当て治具は接合時のみに必要な部材であり、接合後には不要になるが、裏当て治具は両被接合材に接合されているので、両被接合材からなる接合体には不要な部材が接合されていることになり、得られた接合体の全体の重量が大きくなるという問題がある。
特許第３２９７８４５号公報

この発明の目的は、上記問題を解決し、軽量化が図られた接合体を得ることができる裏当て治具、および中空状被接合材の摩擦攪拌接合方法を提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するために以下の態様からなる。

1)２つの中空状被接合材の開口端部どうしを突き合わせ状態で摩擦攪拌接合する際に用いられる裏当て治具であって、被接合材における開口端部の内周面の横断面形状と同一の外形を有しており、複数の構成部材が分離自在に組み合わせられることにより形成されている裏当て治具。

2)全体がリング状である上記1)記載の裏当て治具。

3)全体が板状である上記1)記載の裏当て治具。

4)隣り合う構成部材の端部どうしが、凹凸嵌合されている上記1)〜3)のうちのいずれかに記載の裏当て治具。

5)隣り合う構成部材どうしが、線状の連結部材により連結されている上記1)〜4)のうちのいずれかに記載の裏当て治具。

6)２つの中空状被接合材の開口端部どうしを突き合わせるとともに、上記1)〜5)のうちのいずれかに記載された裏当て治具を両被接合材の突き合わせ端部に跨るように両被接合材の内側に配置し、この状態で両被接合材の突き合わせ端部のみを外周側から摩擦攪拌接合して接合体を得た後、裏当て治具を分離して接合体内から取り出す中空状被接合材の摩擦攪拌接合方法。

7)被接合材が円筒状である上記6)記載の中空状被接合材の摩擦攪拌接合方法。

8)被接合材が非円筒状である上記6)記載の中空状被接合材の摩擦攪拌接合方法。

9)両被接合材のうちの少なくともいずれか一方の被接合材における接合される側とは反対側の端部の開口を、接合される側の端部の開口よりも小さくしておく上記8)または9)記載の中空状被接合材の摩擦攪拌接合方法。

10)被接合材がアルミニウムからなる上記6)〜9)のうちのいずれかに記載の中空状被接合材の摩擦攪拌接合方法。

11)両端が開口した複数の筒状被接合材を接合することにより形成された筒状体であり、隣り合う筒状被接合材どうしが、上記6)〜10)のうちのいずれかに記載の方法により摩擦攪拌接合されている筒状体。

12)胴と胴の少なくとも一端を閉鎖する閉鎖壁とからなり、かつ胴の長さ方向に分断した複数の容器構成部材を接合することにより形成された容器であって、隣り合う容器構成部材どうしが、上記6)〜10)のうちのいずれかに記載の方法により摩擦攪拌接合されている容器。

上記1)〜3)の裏当て治具を用いれば、２つの中空状被接合材を摩擦攪拌接合する際には、２つの中空状被接合材の開口端部どうしを突き合わせるとともに、裏当て治具を両被接合材の突き合わせ端部に跨るように両被接合材の内側に配置し、この状態で両被接合材の突き合わせ端部のみを外周側から摩擦攪拌接合して接合体を得ることができる。また、接合体を得た後には、裏当て治具を分離して接合体内から取り出すことが可能になり、得られた接合体の軽量化を図ることができる。

上記4)の裏当て治具によれば、摩擦攪拌接合の際の構成部材どうしのずれを防止することができる。

上記5)の裏当て治具によれば、接合体を得た後、裏当て治具を分離して接合体内から取り出す際に、１つの構成部材を外側に引っ張ることにより、すべての構成部材を取り出することができ、取り出し作業が容易になる。

上記6)の中空状被接合材の摩擦攪拌接合方法によれば、２つの中空状被接合材の開口端部どうしを突き合わせるとともに、上記1)〜5)のうちのいずれかに記載された裏当て治具を両被接合材の突き合わせ端部に跨るように両被接合材の内側に配置し、この状態で両被接合材の突き合わせ端部のみを外周側から摩擦攪拌接合して接合体を得た後、裏当て治具を分離して接合体内から取り出すので、得られた接合体の軽量化を図ることができる。

上記9)の中空状被接合材の摩擦攪拌接合方法のように、両被接合材のうちの少なくともいずれか一方の被接合材における接合される側とは反対側の端部の開口を、接合される側の端部の開口よりも小さくしておいた場合であっても、上記6)の方法のように、両被接合材の突き合わせ端部のみを外周側から摩擦攪拌接合して接合体を得た後、裏当て治具を分離して接合体内から取り出すことができる。

以下、この発明の実施形態を、図面を参照して説明する。なお、全図面を通じて同一部分および同一物には同一符号を付して重複する説明を省略する。

実施形態１
この実施形態は図１〜図４に示すものであり、この発明による裏当て治具を用いて、２つの円筒状被接合材どうしを摩擦攪拌接合する方法である。

両被接合材(1)は押出加工、鍛造加工、切削加工などの適当な加工法によりつくられており、内径、外径および肉厚が相互に等しくなっている。また、両被接合材(1)は、たとえばJIS Ａ２０００系合金、JIS Ａ５０００系合金、JIS Ａ６０００系合金およびJIS Ａ７０００系合金のうちのいずれか、たとえばJIS Ａ６０００系合金により形成されている。

裏当て治具(2)は円形のリング状であり、その外形は被接合材(1)の内周面の横断面形状と同一の円形であって、裏当て治具(2)の外径は被接合材(1)の内径と等しくなっている。また、裏当て治具(2)は、半円形の２つの構成部材(3)からなる。裏当て治具(2)の材質は、被接合材(1)の摩擦攪拌接合時の荷重に耐えうるものであればよく、特に限定されない。

そして、裏当て治具(2)を、一方の被接合材(1)の開口端部内に、軸方向の一部、たとえば軸方向の略１／２が外方に突出するように嵌め入れた後、他方の被接合材(1)の開口端部を裏当て治具(2)における被接合材(1)の外部に突出した部分に嵌め被せるとともに、両被接合材(1)の端面どうしを当接させる。こうして、裏当て治具(2)を両被接合材(1)の突き合わせ端部に跨るように両被接合材(1)の内側に配置し、摩擦攪拌接合用工具(4)を用いて両被接合材(1)のみをを摩擦攪拌接合する（図２および図３参照）。

摩擦攪拌接合用工具(4)は、先端部にテーパ部を介して小径部(5a)が同軸上に一体に形成された円柱状回転子(5)と、回転子(5)の小径部(5a)の端面に小径部(5a)と同軸上に一体に形成されかつ小径部(5a)よりも小径であるピン状プローブ(6)とを備えている。回転子(5)およびプローブ(6)は、両被接合材(1)よりも硬質でかつ接合時に発生する摩擦熱に耐えうる耐熱性を有する材料で形成されている。ここで、プローブ(6)の長さは、被接合材(1)と裏当て治具(2)の構成部材(3)とが摩擦攪拌接合されないようの長さとしておく。

ついで、摩擦攪拌接合用工具(4)を回転させながら、両被接合材(1)の突き合わせ部分における周方向の１個所に、両被接合材(1)に跨るようにプローブ(6)を埋入するとともに、工具(4)における小径部(5a)とプローブ(6)との間の肩部(5b)を、両被接合材(1)の外周面に押し付ける。肩部(5b)の両被接合材(1)への押し付けにより、接合開始時および接合途中に生じることのある軟化部の肉の飛散を防止して良好な接合状態を得ることができるとともに、両被接合材(1)と肩部(5b)との摺動によって摩擦熱をさらに発生させてプローブ(6)と両被接合材(1)との接触部およびその近傍の軟化を促進することができ、しかも接合部の表面へのバリ等の凹凸の発生を防止することができる。

ついで、両被接合材(1)と摩擦攪拌接合用工具(4)とを相対的に移動させることによって、プローブ(6)を上記突き合わせ部分の周方向に移動させる。

すると、プローブ(6)の回転により発生する摩擦熱と、両被接合材(1)と肩部(5b)との摺動により発生する摩擦熱とによって、上記突き合わせ部分の近傍において両被接合材(1)の母材となる金属は軟化するとともに、この軟化部がプローブ(6)の回転力を受けて攪拌混合され、さらにこの軟化部がプローブ(6)通過溝を埋めるように塑性流動した後、摩擦熱を急速に失って冷却固化するという現象が、プローブ(6)の移動に伴って繰り返されることにより、両被接合材(1)のみが接合されていく。接合部を(7)で示す。

そして、プローブ(6)が上記突き合わせ部分の全周にわたって移動したときに両被接合材(1)のみが全周にわたって接合される。ついで、両被接合材(1)の当接部分の終端部に配置した当て部材（図示略）までプローブ(6)を移動させ、ここでプローブ(6)を引き抜く。こうして、両被接合材(1)が摩擦攪拌接合されて、接合体(8)が得られる。

その後、接合体(8)を上下方向に向ける。すると、裏当て治具(2)の構成部材(3)が分離し、接合体(8)内から取り出される（図４参照）。

図５〜図９は、２つの円筒状被接合材(1)どうしの摩擦攪拌接合に用いられる裏当て治具の変形例を示す。

図５の裏当て治具(10)は、円を周方向に等分割してなる３つの円弧状構成部材(11)からなり、図６の裏当て治具(12)は、円を周方向に等分割してなる８つの円弧状構成部材(13)からなる。その他の構成は、実施形態１の裏当て治具(2)と同じである。

実施形態１の裏当て治具(2)と、図５および図６の裏当て治具(10)(12)とにおいて、図７に示すように、隣り合う２つの構成部材(3)(11)(13)の互いに近接する端部の一方には、被接合材(1)の軸方向に伸びかつ両端が開口した凹溝(14)が形成され、同じく他方には凹溝(14)に嵌る凸部(15)が形成され、これにより隣り合う構成部材(3)(11)(13)の端部どうしが、凹凸嵌合されていることがある。

また、実施形態１の裏当て治具(2)と、図５および図６の裏当て治具(10)(12)とにおいて、図８に示すように、隣り合う２つの構成部材(3)(11)(13)どうしが、線状の連結部材(16)、たとえばワイヤにより連結されていることがある。

なお、図８に示す裏当て治具(2)(10)(12)において、隣り合う構成部材(3)(11)(13)どうしが、図７に示すようにして、凹凸嵌合されていてもよい。

図９の裏当て治具(17)は中心部に貫通穴を有する穴あき円板状であり、その外形は被接合材(1)の内周面の横断面形状と同一の円形であって、裏当て治具(17)の外径は被接合材(1)の内径と等しくなっている。また、裏当て治具(17)は、穴あき円板を頭角度で分割してなる複数、ここでは８つの円環状構成部材(18)からなる。各構成部材(3)にも貫通穴(19)が形成されている。

実施形態２
この実施形態は図１０に示すものであり、この発明による裏当て治具を用いて、２つの中空状被接合材どうしを摩擦攪拌接合する方法である。

図１０において、各被接合材(20)は段付き円筒状であって、大径部(21)と、大径部(21)に段部(22)を介して連なった小径部(23)とよりなる。両被接合材(20)の大径部(21)の内径、外径および肉厚と、小径部(23)の内径、外径および肉厚とは、それぞれ相互に等しくなっている。また、両被接合材(1)は、たとえばJIS Ａ２０００系合金、JIS Ａ５０００系合金、JIS Ａ６０００系合金およびJIS Ａ７０００系合金のうちのいずれか、たとえばJIS Ａ６０００系合金により形成されている。また、各被接合材(20)は、たとえば円筒を押出加工した後に縮径加工を施すこと、鍛造加工を施すことなど、適当な加工法により形成されている、
そして、裏当て治具(2)(10)(12)または(17)を使用し、上記実施形態１と同様にして、被接合材(20)の大径部(21)の開口端部どうしを摩擦攪拌接合することにより、接合体が得られる。

その後、接合体を上下方向に向ける。すると、裏当て治具(2)(10)(12)または(17)の構成部材(3)(11)(13)または(18)が分離し、接合体内から取り出される。このように、両被接合材(20)における接合される側の端部（小径部(23)）の開口が、接合される側の端部（大径部(21)）の開口よりも小さい場合であっても、裏当て治具(2)(10)(12)または(17)の構成部材(3)(11)(13)または(18)が分離することにより、簡単に接合体内から取り出すことが可能になる。

実施形態３
この実施形態は図１１および図１２に示すものであり、この発明による裏当て治具を用いて、２つの中空状被接合材どうしを摩擦攪拌接合して容器を製造する方法である。

図１１において、容器(30)は、円筒状胴(31)と胴(31)の少なくとも一端開口を閉鎖する閉鎖壁(32)とよりなり、両端が開口したアルミニウム押出管からなりかつ胴(31)の大部分を構成する第１容器構成部材(33)と、第１容器構成部材(33)の少なくとも一端部に接合されて胴(31)の一部分および閉鎖壁(32)を構成するアルミニウム製第２容器構成部材(34)とにより形成されている。第２容器構成部材(34)は、鍛造または切削により形成されたものである。

第１容器構成部材(33)は、胴(31)の大部分を構成する円筒状部(35)を有している。第２容器構成部材(34)は、胴(31)の一部分を構成する短円筒状部(36)と短円筒状部(36)の一端を閉鎖し、かつ閉鎖壁(32)を構成する球面状部(37)を有している。

第１容器構成部材(33)の円筒状部(35)の肉厚および内周長は、第２容器構成部材(34)の短円筒状部(36)の開口側端部の肉厚および内周長と等しくなっている。

容器(30)の製造方法は次の通りである。

すなわち、図１２に示すように、裏当て治具(2)を、第１容器構成部材(33)の開口端部内に、軸方向の一部、たとえば軸方向の略１／２が外方に突出するように嵌め入れた後、第２容器構成部材(34)の開口端部を裏当て治具(2)における第１容器構成部材(33)の外部に突出した部分に嵌め被せるとともに、両容器構成部材(33)(34)の端面どうしを当接させる。こうして、裏当て治具(2)を両容器構成部材(33)(34)の突き合わせ端部に跨るように両容器構成部材(33)(34)の内側に配置する。その後は、裏当て治具(2)(10)(12)または(17)を使用し、上記実施形態１と同様にして、両容器構成部材(33)(34)を摩擦攪拌接合し、容器(30)を製造する。

最後に、容器(30)を、第１容器構成部材(33)の他端開口が下方に来るように、上下方向に向ける。すると、裏当て治具(2)(10)(12)または(17)の構成部材(3)(11)(13)または(18)が分離し、容器(30)内から取り出される。

図１３および図１４は、この発明の裏当て治具を用いて摩擦攪拌接合される中空状被接合材の変形例を示す。

図１３の被接合材(40)は、横断面だ円形の筒状体である。ここで、だ円という語には、数学的に定義されるだ円の他に、だ円に近似した形状、たとえば長円も含まれるものとする。

したがって、裏当て治具(41)はだ円形のリング状であり、その外形は被接合材(40)における開口端部の内周面の横断面形状と同一であって、だ円形を分割した複数、ここでは８つの構成部材(42)が分離自在に組み合わせられることにより形成されている。

図１４の被接合材(45)は、横断面方形の角筒状体である。

したがって、裏当て治具(46)は方形のリング状であり、その外形は被接合材(45)における開口端部の内周面の横断面形状と同一であって、方形を分割した複数、ここでは４つの構成部材(47)が分離自在に組み合わせられることにより形成されている。なお、各構成部材(47)の両端部は、図１４の上下方向および左右方向の力を受けることができるように、傾斜面(47a)となされており、隣り合う構成部材(47)の傾斜面(47a)どうしが当接している。

図１３および図１４の被接合材(40)(45)の摩擦攪拌接合に用いられる裏当て治具(42)(47)において、隣り合う構成部材(42)(47)の端部どうしが、図７に示すように凹凸嵌合されていてもよい。また、図１３および図１４の被接合材(40)(45)の摩擦攪拌接合に用いられる裏当て治具(42)(47)において、隣り合う構成部材(42)(47)の端部どうしが、図８に示すように、線状の連結部材、たとえばワイヤにより連結されていてもよい。

この発明の実施形態１の中空状被接合材の摩擦攪拌接合方法を示す分解斜視図である。 実施形態１の方法において、裏当て治具を両被接合材の内側に跨って配置した状態の横断面図である。 実施形態１の方法において、摩擦各接合用工具を所定位置に配した状態の部分拡大断面図である。 実施形態１の方法において、裏当て治具を接合体内から取り出す状態を示す一部切り欠き斜視図である。 円筒状の中空状被接合材どうしの摩擦攪拌接合に用いられる裏当て治具の第１の変形例を示す横断面図である。 円筒状の中空状被接合材どうしの摩擦攪拌接合に用いられる裏当て治具の第２の変形例を示す横断面図である。 円筒状の中空状被接合材どうしの摩擦攪拌接合に用いられる裏当て治具の第３の変形例を示す部分拡大横断面図である。 円筒状の中空状被接合材どうしの摩擦攪拌接合に用いられる裏当て治具の第４の変形例を示す部分拡大横断面図である。 円筒状の中空状被接合材どうしの摩擦攪拌接合に用いられる裏当て治具の第５の変形例を示す横断面図である。 この発明の実施形態２の中空状被接合材の摩擦攪拌接合方法を示す縦断面図である。 この発明の実施形態３の方法により製造された容器を示す部分縦断面図である。 この発明の実施形態３の容器の製造方法を示す部分縦断面図である。 この発明の裏当て治具を用いて摩擦攪拌接合される中空状被接合材の第１の変形例を示す横断面図である。 この発明の裏当て治具を用いて摩擦攪拌接合される中空状被接合材の第２の変形例を示す横断面図である。

符号の説明

(1)(20)(40)(45)：被接合材
(2)(10)(12)(17)(41)(46)：裏当て治具
(3)(11)(13)(18)(42)(47)：構成部材
(8)：接合体
(14)：凹溝
(15)：凸部
(16)：線状連結部材
(30)：容器
(31)：胴
(32)：閉鎖壁
(33)(34)：容器構成部材

Claims (12)

1. ２つの中空状被接合材の開口端部どうしを突き合わせ状態で摩擦攪拌接合する際に用いられる裏当て治具であって、被接合材における開口端部の内周面の横断面形状と同一の外形を有しており、複数の構成部材が分離自在に組み合わせられることにより形成されている裏当て治具。
2. 全体がリング状である請求項１記載の裏当て治具。
3. 全体が板状である請求項１記載の裏当て治具。
4. 隣り合う構成部材の端部どうしが、凹凸嵌合されている請求項１〜３のうちのいずれかに記載の裏当て治具。
5. 隣り合う構成部材どうしが、線状の連結部材により連結されている請求項１〜４のうちのいずれかに記載の裏当て治具。
6. ２つの中空状被接合材の開口端部どうしを突き合わせるとともに、請求項１〜５のうちのいずれかに記載された裏当て治具を両被接合材の突き合わせ端部に跨るように両被接合材の内側に配置し、この状態で両被接合材の突き合わせ端部のみを外周側から摩擦攪拌接合して接合体を得た後、裏当て治具を分離して接合体内から取り出す中空状被接合材の摩擦攪拌接合方法。
7. 被接合材が円筒状である請求項６記載の中空状被接合材の摩擦攪拌接合方法。
8. 被接合材が非円筒状である請求項６記載の中空状被接合材の摩擦攪拌接合方法。
9. 両被接合材のうちの少なくともいずれか一方の被接合材における接合される側とは反対側の端部の開口を、接合される側の端部の開口よりも小さくしておく請求項８または９記載の中空状被接合材の摩擦攪拌接合方法。
10. 被接合材がアルミニウムからなる請求項６〜９のうちのいずれかに記載の中空状被接合材の摩擦攪拌接合方法。
11. 両端が開口した複数の筒状被接合材を接合することにより形成された筒状体であり、隣り合う筒状被接合材どうしが、請求項６〜１０のうちのいずれかに記載の方法により摩擦攪拌接合されている筒状体。
12. 胴と胴の少なくとも一端を閉鎖する閉鎖壁とからなり、かつ胴の長さ方向に分断した複数の容器構成部材を接合することにより形成された容器であって、隣り合う容器構成部材どうしが、請求項６〜１０のうちのいずれかに記載の方法により摩擦攪拌接合されている容器。

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