JP2007054885A - 接合ツールおよび摩擦撹拌接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 接合後の被接合物について、接合強度を向上したうえで、美観を向上することができる接合ツールを提供する。
【解決手段】 ショルダ部２１の端面部には、軸線まわりに一周する環状凹所３１が形成される。ピン部２２によって押し出された被接合物３の変形部分が環状凹所に向かって移動する。ピン部２２が円錐台形状に形成されることで、ピン部２２の端面部とともに周面部でも被接合物を押し出すことができ、押し出した被接合物の変形部分が、環状凹所に向かって移動しやすく、裏当て部材１４に凹凸形状を形成しなくても、変形後の被接合物にかしめ作用を発生させるための隆起部分４を大きく形成することができる。これによって裏当て部材１４が当接する被接合物３の表面部を変形させることなく、摩擦撹拌接合とともにかしめ変形による強度向上を図ることができ、接合された被接合物３の接合強度を向上することができる。
【選択図】図５

Description

本発明は、複数の被接合部材を摩擦撹拌接合するために用いられる接合ツールとその接合ツールを用いた摩擦撹拌接合方法に関し、特に厚肉の被接合部材を接合するための技術に関する。

複数の被接合部材を接合する方法の１つとして摩擦撹拌接合方法がある。この方法は、複数の被接合部材を重ね合わせて構成される被接合物に対して、接合方向一方側に接合ツールを配置し、接合方向他方側に裏当て部材を配置する。次に裏当て部材を被接合物の接合方向他方側部分に当接させた状態で、回転させた接合ツールを被接合物に押付ける。これによって接合ツールと被接合物との間に摩擦熱が生じて被接合物が軟化し、接合すべき各被接合部材の境界部分が撹拌される。この後、撹拌された境界部分が固体化することで、各被接合部材が接合される。

摩擦撹拌接合に用いられる従来の接合ツールとして、たとえば特許文献１に開示される。特許文献１に示される接合ツールは、摩擦撹拌接合とともに、被接合部材を部分的にかしめ変形させて、接合強度を向上させる。この技術では、接合ツールは、第１接合ツールとして称され、ピン部が形成される。また裏当て部材は、第２接合ツールと称され、先端面から退避するくぼみが形成される。この場合、接合ツールのピン部が被接合物に没入すると、被接合物の一部がピン部によって押圧され、裏当て部材に形成されるくぼみに侵入するよう変形する。これによって被接合物は、摩擦撹拌接合されるとともに、部分的にかしめられる。

特開２００４−５８１３５号公報

特許文献１では、裏当て部材にくぼみが形成されていることに起因して、摩擦撹拌接合された被接合物は、裏当て部材が当接した表面部に凹凸が形成される。したがって被接合物の接合箇所の凹凸が目立ってしまうという問題がある。これによって最終製品の表面部分を構成する部分など、美観が重要視される部分の被接合物の接合には、従来技術の接合ツールを用いることが困難となる。また、特許文献１では、接合ツールにピン部とは異なる突起が形成されており、この突起によって被接合部材が接合時に不所望に変形するという問題がある。

したがって本発明の目的は、接合後の被接合物について、接合強度を向上したうえで、美観を向上するとともに接合時の被接合部材の不所望な変形を抑制することができる接合ツールを提供することである。

本発明は、２つ以上の被接合部材が予め定める接合方向に並んで構成される被接合物に対して、接合方向一方側表面部に裏当て部材の平坦面を当接させ、接合方向他方側表面部であって裏当て部材に対向する位置に回転する接合ツールを押付けて各被接合部材をスポット接合する摩擦撹拌接合方法に用いられる接合ツールであって、
略円柱状に形成され、軸線方向一方側端面部で半径方向外方側部分が半径方向内方側部分よりも周方向全周にわたって軸線方向一方側に突出するショルダ部と、
ショルダ部と同軸に形成されて、ショルダ部の軸線方向一方側端面部から軸線方向に突出し、ショルダ部から遠ざかるとともに縮径し、ショルダ部に連なる部分の外径がショルダ部の外径よりも小さい略円錐台状のピン部とを含むことを特徴とする接合ツールである。

また本発明は、ショルダ部の軸線方向一方側端面は、ショルダ部に同軸でピン部に向かうにつれて拡径する仮想円錐の周面に沿うことを特徴とする。

また本発明は、ピン部の外周部には、軸線まわり回転するにつれてショルダ部に向かって進む螺旋状のねじ溝が形成されることを特徴とする。

また本発明は、接合方向の厚さが１２ｍｍ以上である被接合物の摩擦撹拌接合に用いられることを特徴とする。

また本発明は、２つ以上の被接合部材が予め定める接合方向に並んで構成される被接合物に対して、接合方向一方側表面部に裏当て部材の平坦面を当接させ、接合方向他方側表面部であって裏当て部材に対向する位置に回転する接合ツールを押付けて各被接合部材をスポット接合する摩擦撹拌接合方法であって、
略円柱状に形成され、軸線方向一方側端面部で半径方向外方側部分が半径方向内方側部分よりも周方向全周にわたって軸線方向一方側に突出するショルダ部と、ショルダ部と同軸に形成されて、ショルダ部の軸線方向一方側端面部から軸線方向に突出し、ショルダ部から遠ざかるとともに縮径し、ショルダ部に連なる部分の外径がショルダ部の外径よりも小さい略円錐台状のピン部とを含む接合ツールを用い、
裏当て部材が当接する側の被接合部材が接合ツールの外形形状に沿って変形する押付け力で、接合ツールを被接合物に押付けることを特徴とする摩擦撹拌接合方法である。

請求項１記載の本発明によれば、被接合物を挟んで、接合方向一方に裏当て部材が配置され、接合方向他方に接合ツールが配置される。裏当て部材の平坦面が被接合物の接合方向一方側表面に当接された後、接合ツールが接合方向に沿って裏当て部材に向かって移動する。これによってピン部が被接合物に没入し、次にショルダ部の端面部が被接合物に当接する。

接合ツールは、ピン部が被接合物を押付けた状態で軸線まわりに回転することによって、被接合物とピン部との間で摩擦熱が発生する。これによって被接合物が軟化し、スポット接合すべき各被接合部材の境界部分が非溶融の状態で流動化する。そして流動化した部分がピン部によって撹拌されることで、各被接合部材を摩擦撹拌接合することができる。

またピン部およびショルダ部は、被接合物を押付けて被接合物に没入することで、被接合物を部分的に変形させる。被接合物は、ピン部およびショルダ部の外形形状に沿った形状に変形し、ピン部およびショルダ部の凹凸が逆に転写されるように変形する。本発明では、ショルダ部の端面部のうちで、半径方向外方側部分が軸線方向一方側に突出し、ショルダ部の端面部には、軸線まわりに一周する環状凹所が形成される。ピン部は、被接合物を押し出し、ピン部によって押し出された被接合物の変形部分は、環状凹所に向かって移動する。これによって各被接合部材は、ショルダ部の端面に臨む部分が、残余の部分に比べて軸線方向他方に隆起した形状に形成される。

またピン部が円錐台状に形成されることで、ピン部の端面部とともに周面部でも被接合物を押し出すことができ、押し出した被接合物の変形部分が、環状凹所に向かって移動しやすく、裏当て部材に凹凸形状を形成しなくても、変形後の被接合物を接合ツールの外形形状に沿った形状に近づけることができる。

このように被接合物のうちで、ショルダ端面に臨む部分を軸線方向他方に隆起させることで、隆起部分を形成することができる。隆起部分の一部が接合後も残存することによって、その隆起部分は、接合された互いの被接合部材が分離するのを阻止する抵抗部分として働く。したがって摩擦撹拌接合とともにかしめ変形による強度向上を図ることができ、接合された被接合物の接合強度を向上することができる。

また本発明では、被接合物に当接する裏当て部材の当接面に凹凸を形成しなくとも、被接合物をかしめ変形させることができる。したがって被接合物との当接面が平坦な裏当て部材を用いることで、かしめ変形による強度を向上したうえで、裏当て部材に当接した被接合物の表面部を平坦にすることができ、接合部分の美観を向上することができる。したがって、たとえば裏当て部材に当接した被接合物の表面部を最終製品の表の面とすることで、美観が重要視される部分の被接合部材の接合にも用いることができる。さらに本発明では、ショルダ部から突出するのがピン部だけである。したがって接合時に被接合部材が不所望に変形することを防ぐことができる。

請求項２記載の本発明によれば、ショルダ部の端面は、ショルダ部に同軸でピン部に向かうにつれて拡径する仮想円錐の周面に沿う。すなわちショルダ端面は、ショルダ部と同軸の円錐台形状を有する仮想体の周面に沿って延び、ショルダ部の端面の半径方向外方側部分と半径方向内方側部分とが滑らかに連なる。これによって変形後の被接合物が接合ツールの外形形状に沿った形状に変形しやすくすることができ、隆起部分の隆起不足を防ぐことができる。

請求項３記載の本発明によれば、ピン部の外周部に螺旋状のねじ溝が形成される。これによって、接合ツールが回転すると、被接合物のうちピン部に接触する部分をショルダ部に向けて移動させる力を発生させることができる。これによって隆起部分の隆起をさらに促進させることができる。

請求項４記載の本発明によれば、上述したように被接合物に対して摩擦撹拌接合するとともに、かしめ変形を行なわせることで、被接合物の厚さが大きい場合であっても接合強度を向上することができる。たとえば被接合物の厚さが大きいことで、十分な撹拌領域を形成できない場合であっても、摩擦撹拌接合とかしめ変形とを行なうことで、必要とする強度を得ることができる。

請求項５記載の本発明によれば、摩擦撹拌接合にあたって、裏当て部材が当接する側の被接合部材が接合ツールの外形形状に沿って変形する押付け力で、接合ツールを被接合物に押付ける。これによって被接合物は、ピン部およびショルダ部の外形形状に沿った形状に変形する。

本発明では、ショルダ部の端面部のうちで、半径方向外方側部分が軸線方向一方側に突出し、ショルダ部の端面部には、軸線まわりに一周する環状凹所が形成される。これによってピン部が被接合物に没入したときに、ピン部によって押し出された被接合物の変形部分が環状凹所に向かって移動し、ショルダ部の端面に臨む部分が、残余の部分に比べて軸線方向他方に隆起した形状に形成される。

またピン部が円錐台形状に形成されることで、ピン部の端面部とともに周面部でも被接合物を押し出すことができ、押し出した被接合物の変形部分が、環状凹所に向かって移動しやすく、裏当て部材に凹凸形状を形成しなくても、変形後の被接合物を接合ツールの外形形状に沿った形状に近づけることができる。

このように被接合物のうちで、ショルダ端面に臨む部分を軸線方向他方に隆起させることで、隆起部分を形成することができる。隆起部分の一部が接合後も残存することによって、その隆起部分は、接合された互いの被接合部材が分離するのを阻止する抵抗部分として働く。したがって摩擦撹拌接合とともにかしめ変形による強度向上を図ることができ、接合された被接合物の接合強度を向上することができる。

また本発明では、被接合物に当接する裏当て部材の当接面に凹凸を形成しなくとも、被接合物をかしめ変形させることができる。したがって被接合物との当接面が平坦な裏当て部材を用いることで、かしめ変形による強度を向上したうえで、裏当て部材に当接した被接合物の表面部を平坦にすることができ、接合部分の美観を向上することができる。したがって、たとえば裏当て部材に当接した被接合物の表面部を最終製品の表の面とすることで、美観が重要視される部分の被接合部材の接合にも用いることができる。

図１は、本発明の実施の一形態である接合ツール２０を示す斜視図であり、図２は、接合ツール２０を示す断面図である。接合ツール２０は、摩擦撹拌接合装置に把持されて、摩擦撹拌接合を行なうためのツールとなる。摩擦撹拌接合装置は、被接合物を構成する複数の被接合部材を摩擦撹拌接合（Friction Stir Welding ：略称ＦＳＷ）する。本実施の形態では、接合すべき２つの被接合部材は、中厚板のアルミ部材であって、摩擦撹拌接合装置によって被接合物に複数点在する接合箇所を順次接合する。すなわち摩擦撹拌接合装置は、摩擦撹拌接合によるスポット接合を行なう。

摩擦撹拌接合装置（以下、単に接合装置と称する）は、略円柱状の接合ツール２０を用いて摩擦撹拌接合を行なう。接合ツール２０は、その基端部が接合装置のツールホルダに装着される。接合装置は、ツールホルダに装着した接合ツール２０を軸線Ｌ１まわりに回転駆動するとともに、軸線Ｌ１に沿って直線変位駆動する。

接合装置は、重ね合わされた２つの被接合部材を接合するために、接合ツール２０をその軸線Ｌ１まわりに回転させながら、接合ツール２０の先端部を被接合物に押付ける。接合ツール２０の先端部が、被接合物を押圧しながら回転することで、被接合物は、摩擦熱が発生して軟化する。そして被接合物は、非溶融状態で流動化し、接合ツール２０の回転にともなって流動化した部分が撹拌される。

接合ツール２０は、被接合物に没入することで、先端部が各被接合部材の境界部分を通過する。そして流動化した各被接合部材が互いに混ぜ合わされる。２つの被接合部材が十分に撹拌されると、接合ツール２０が被接合物から離脱して、被接合物が固まる。これによって２つの被接合部材の境界がなくなり、２つの被接合部材をスポット接合することができる。接合装置は、各接合個所のスポット接合を順次連続して行なう。

図１および図２に示すように、接合ツール２０は、略円柱状に形成されるショルダ部２１と、ショルダ部２１と同軸に形成されて、ショルダ部２１の端面部３０から軸線方向一方Ｘ１に突出するピン部２２とを含んで形成される。本実施の形態において軸線方向Ｘ１，Ｘ２は、ショルダ部２１の軸線Ｌ１に沿う方向である。ショルダ部２１からピン部２２に向かう方向を軸線方向一方Ｘ１と称し、ピン部２２からショルダ部２１に向かう方向を軸線方向他方Ｘ２と称する。またショルダ部２１の軸線Ｌ１に垂直な平面上に関して、軸線Ｌ１に向かって近づく方向を半径方向内方Ｒ１と称し、軸線Ｌ１から遠ざかる方向を半径方向外方Ｒ２と称する。

ショルダ部２１の端面部３０は、半径方向外方側部分３２が半径方向内方側部分３３よりも軸線方向一方Ｘ１に突出する。言い換えると、半径方向内方側部分３３は、半径方向外方側部分３２に比べて軸線方向他方Ｘ２に退避する。さらに具体的には、ショルダ部３１の端面部３０のうちで、半径方向Ｒにピン部２２に隣接するピン隣接部分３４が残余の部分に比べて軸線方向他方Ｘ２に最も退避する。そしてショルダ部２１の端面３５は、ショルダ部に同軸でピン部に向かうにつれて拡径する仮想円錐の周面に沿う。言換えると、ショルダ部２１の端面３５は、ショルダ部２１の軸線Ｌ１に交差する直線Ｌ２が、軸線Ｌ１とともに軸線Ｌ１まわりに一周したときに形成される回転面に沿う。すなわちショルダ部２１の端面３５は、ショルダ部２１と同軸の円錐台形状の仮想体を想定した場合、その仮想体の周面に沿って延びる。

ピン部２２は、ショルダ部２１の端面部３０から軸線方向一方Ｘ１に突出し、ショルダ部２１に対して同軸に形成される。本実施の形態では、ピン部２２の外周部には、ねじ溝４４が形成される。ねじ溝４４は、接合ツール２０が軸線Ｌ１まわりに回転する場合に、ピン部２２に接する被接合部分を軸線方向他方Ａ２に移動させる。具体的には、ねじ溝４４は、接合ツール２０が回転する方向２３に軸線Ｌ１まわりにまわるにつれて、ピン部２２の先端部に向かって螺旋状に進む。またピン部２２は、ショルダ部２１から軸線方向一方Ｘ１に進むにつれて縮径する略円錐台状に形成される。

ピン部２２は、ショルダ部２１に連結される基端部４０の直径が大きく、先端部４１の直径が小さく形成される。ピン部２２の基端部４０の直径は、ショルダ部２１の直径よりも小さく形成される。またピン部２２は、ショルダ部２１に対して滑らかに連なる。これによってショルダ部２１の軸線方向一方側端面部３０には、ピン部２２のまわりを一周する環状凹所３１が形成される。環状凹所３１は、ピン部２２の近傍が最も深く、ピン部２２から半径方向外方Ｒ２に離反するにつれて浅くなる。

ショルダ部２１の端面部３０の縁部３６を通過する切断平面Ｆ１で接合ツール２０を切断した切断断面におけるピン部２２の直径を、ピン部の基端部４０の直径ＰＤ２とする。本実施の形態では、ピン部２２の基端部４０の直径ＰＤ２を、ショルダ部２１の直径ＳＤで除した値（ＰＤ２／ＳＤ）は、０．５以上に設定される。またピン部２２の基端部４０の直径ＰＤ２から、ピン部２２の先端部４１の直径ＰＤ１を減じた値（ＰＤ２−ＰＤ１）を、前記切断平面Ｆ１からピン部２２の先端部までのピン長さＰＬで除した値（（ＰＤ２−ＰＤ１）／ＰＬ）は、１に設定される。

またピン長さＰＬは、ショルダ部２１が被接合物３に１ｍｍ程度没入した状態で、ピン部２２の先端部４１が被接合物３に残存する長さ、すなわち被接合物３を貫通しない長さに設定される。ツール側の被接合部材の板厚をＴ１ｍｍとし、裏当て部材側の被接合部材の板厚をＴ２ｍｍとし、接合後の被接合物３のうち最も薄くなっている部分の板厚を残母厚をＳとする。この場合、ピン長さＰＬは、（Ｔ１＋１）ｍｍ以上、（Ｔ１＋Ｔ２−１−Ｓ）ｍｍ以下に設定される。たとえば残母厚Ｓは、０．２以上０．５以下に設定される。

本実施の形態では、ショルダ部２１の直径ＳＤは、３０ｍｍである。またピン部２２の先端部４１の直径ＰＤ１は、６ｍｍであり、ピン部２２の基端部４０の直径ＰＤ２は、１６ｍｍである。またピン長さＰＬは、１０ｍｍに設定される。また軸線Ｌ１を通過して軸線Ｌ１に平行な平面で切断した場合に、ショルダ端面３５を通過し軸線Ｌ１に交差する直線Ｌ２と、前記切断平面Ｆ１との成す角度θは、３０°に設定される。

図３は、摩擦撹拌接合方法の手順を示すフローチャートである。また図４は、接合動作を説明するための断面図であり、図４（１）〜図４（４）の順番に動作が行われる。まず、ステップａ０で、２つの被接合部材１，２を重ねた被接合物３を準備したり、接合ツール２０を接合装置に装着したりして、摩擦撹拌接合のための準備が完了するとステップａ１に進み、接合作業を開始する。

ステップａ１では、被接合物３の接合方向一方側Ａ１の表面部に裏当て部材１４の平坦面を当接させる。次に、被接合物３の接合方向Ａと、接合ツール２０の軸線方向Ｘとを一致させるとともに、被接合物３の接合方向他方側Ａ２に接合ツール２０を配置し、ピン部２２を被接合物３に臨ませる。また接合ツール２０と裏当て部材１４とは、被接合物３を挟んで、接合方向Ａに並ばせる。このように接合ツール２０および裏当て部材１４を配置すると、ステップａ２に進む。

ここで、被接合物３の接合方向Ａは、被接合物３のうち接合すべき各被接合部材１，２が並ぶ方向である。また裏当て部材１４は、被接合物３を支持し、被接合物３のうちで裏当て部材１４に当接する表面部が、摩擦撹拌接合時に変形することを阻止するために設けられる。裏当て部材１４のうち、被接合物３に当接する当接部の当接面は、平坦に形成される。

ステップａ２では、接合ツール２０を軸線Ｌ１まわりに回転させ、接合ツール２０が予め定める速度に回転すると、ステップａ３に進む。ステップａ３では、接合ツール２０を軸線方向一方Ｘ１となる接合方向一方Ａ１に移動させる。これによって接合ツール２０が、図４（１）に示すように、軸線Ｌ１まわりに回転しながら被接合物６３に近接移動する。接合ツール２０の直進移動を開始するとステップａ４に進む。

図４（２）に示すように、接合ツール２０は、回転しながら被接合物３を押付けて、被接合物３に没入する。接合ツール２０は、被接合物３に没入した後も、回転しながら被接合物３を押付けて、接合方向一方Ａ１にさらに進行する。そしてショルダ部２１の端面部３０が被接合物３に没入する。接合ツール２０は回転を続けながら被接合物３に押付けられているので、ショルダ部２１およびピン部２２と、被接合物３との回転接触によって生じる摩擦熱によって、軟化した各被接合部材１，２が接合ツール２０に引きずられて、塑性流動して撹拌される。これによって図４（３）に示すように、ピン部２２の周囲において各被接合部材１，２が、混ぜ合わされた撹拌領域８が形成されて一体化する。

ステップａ４では、接合装置は、予め定める終了条件を満たしたか否かを判断し、予め定める条件を満たすと、ステップａ５に進む。予め定める終了条件は、たとえば接合ツール２０の接合動作を開始してから、予め定める接合時間が経過したか否かによって設定される。この場合、接合装置は、接合動作を開始してから、接合ツール２０が各被接合部材１，２を充分に撹拌したであろう接合時間が経過すると、ステップａ５に進む。

ステップａ５では、接合ツール２０を軸線方向他方Ｘ２となる接合方向他方Ａ２に移動させる。これによって図４（４）に示すように、接合ツール２０が被接合物３から離反する方向に移動し、接合ツール２０を接合待機位置に移動させると、ステップａ６に進む。ステップａ６では、接合ツール２０の回転を停止し、ステップａ７に進む。ステップａ７では、接合動作を終了する。このようにして被接合物３における１つの接合箇所のスポット接合動作を行なう。複数の接合箇所を順番にスポット接合する場合、接合装置は、それぞれの接合箇所に、接合ツール２０と裏当て部材１４とを被接合物３に対して移動させて、上述したステップａ１〜ａ７を繰返す。また本発明の他の形態として、接合ツール２０と裏当て部材１４とに対して、被接合物３を順番に移動させて、上述したステップａ１〜ａ７を行ってもよい。

本実施の形態では、２つのアルミ合金からなる被接合部材を接合する。具体的には、日本工業規格（ＪＩＳ）Ｈ４１００などに、Ａ６Ｎ０１−Ｔ５として規定される厚さ６ｍｍの２つのアルミ合金を互いに接合する。接合条件の一例として、接合ツール２０の回転数を２５００〜３０００ｒｐｍ、接合ツール２０が被接合物３を押圧する押圧力を１９．５ｋＮ以上（約２０００ｋｇｆ以上）、接合時間１６秒とした。たとえば押圧力を２９．４ｋＮとした接合条件で、上述した接合ツール２０を用いて摩擦撹拌接合を行った結果、接合後の被接合物３の引っ張りせん断強度が２３．５ｋＮとなった。

図５は、本実施の形態の接合ツール２０を用いた場合における被接合物３の接合状態を示す図である。被接合物３は、接合作業が進むにつれて図５（１）〜図５（３）の順に変形が進行する。まず図５（１）に示すように、接合ツール２０の先端部となるピン部２２が被接合物３を押付けて、被接合物３に没入する。このときピン部２２に接している被接合部分は、ピン部２２から接合方向一方Ａ１に向かう力Ｐ１を受ける。本実施の形態では、ピン部２２が円錐台形状に形成されるので、ピン部２２の端面４２だけでなく、ピン部２２の周面４３からも接合方向一方Ａ１に向かう力Ｐ１を受ける。

このとき裏当て部材１４が被接合物３を支持することで、被接合物３が接合方向一方Ａ１に向かって変形することが阻止される。したがってピン部２２の端面と裏当て部材１４とで挟まれた第１被接合物部分５０は、ピン部２２と裏当て部材１４とによって圧縮されるとともに、一部が半径方向外方Ｒ２に向けて移動する。またピン部２２の外周面から離れた第２被接合部分５１は、第１被接合部分５０から接合方向他方Ａ２に向かう力Ｐ２が与えられて、残余の部分に比べて隆起する。また本実施形態では、ピン部２２が円錐台形状に形成されることで、ピン部２２の端面部３０とともに周面部でも被接合物３を押し出すことができ、裏当て部材１４に凹凸形状を形成しなくても、押し出した被接合物３の隆起部分４を大きくすることができる。またピン部２２が円錐台形状に形成されることで、隆起部分４は、軸線Ｌ１から半径方向Ｒに離れた位置に形成することができる。

次にショルダ部２１の端面部３０が被接合物３に没入することによって、図５（２）に示すように被接合物３は、ピン部２２およびショルダ部２１の外径形状に沿った形状に変形する。本実施形態では、ショルダ部２１の端面部３０には、軸線Ｌ１周りを一周する環状凹所３１が形成されるので、隆起部分４の縮小が抑えられて、被接合物３が、接合ツール２０の外形形状に沿った形状に変形する。

次にピン部２２およびショルダ部２１が被接合物３に摺動回転することによって、被接合物３のうちピン部付近部分が、ピン部２２に引きずられて軸線Ｌ１まわりを回転する。このように被接合物３のうちで流動化する撹拌領域８は、時間経過にともなって拡大成長する。このとき、ピン部２２の外周部にねじ溝４４が形成されることによって、流動化する被接合物部分は、接合方向他方Ａ２に移動する力が与えられる。流動化する被接合物部分が接合方向他方Ａ２に移動することで、隆起部分４もまた接合方向他方Ａ２に向かう力を与えることができ、裏当て部材側の被接合部材２に形成される隆起部分４の隆起が促進される。その結果、図５（３）のようになる。すなわち、撹拌領域８で２つの被接合部材１，２が混ぜ合わされて、各被接合部材１，２が接合される。

図６は、本実施の形態の接合ツール２０を用いて接合された被接合物３を切断して示す断面図である。被接合物３のうち、ピン部２２が接触した領域には、撹拌領域８が形成される。また接合方向他方Ａ２側の被接合部材２には、撹拌領域８の近傍に、前記隆起部分４が形成される。隆起部分４は、軸線Ｌ１を一周する略リング状に形成される。

被接合物３のうちで、ショルダ端面３５に臨む部分が接合方向他方Ａ２に隆起することで、かしめ作用を作用させる隆起部分４を形成することができる。隆起部分４の一部が接合後も残存することによって、その隆起部分４は、接合された互いの被接合部材１，２が分離するのを阻止する抵抗部分として働く。したがって摩擦撹拌接合とともにかしめ変形による強度向上を図ることができ、接合された被接合物３の接合強度を向上することができる。

接合個所から半径方向Ｒに十分離れた位置における各被接合部材１，２の境界位置Ｂから、隆起部分４のうち軸線方向他方Ａ２側となる先端位置Ｔまでの距離（Ｔ−Ｂ）を接合高さＨとする。また先端位置Ｔ直径を接合長さＤとする。本実施の接合ツール２０を用いた場合の接合高さＨ１および接合長さＤ１は、比較例の接合ツールに比べて大きくなる。ここで、比較例の接合ツールは、円柱状のショルダ部とピン部とを有し、ピン部に螺旋状の溝が形成され、ショルダ部が没入していない形状のツールとする。すなわちピン部にテーパが形成されていないものを比較例の接合ツールとする。表１に本発明の接合ツールと、比較例の接合ツールとのツール形状をそれぞれ示す。

接合高さＨおよび接合長さＤが大きくなるにつれて、一方の被接合部材１と他方の被接合部材２とを異なる方向に引っ張った場合における抵抗力が大きくなり、引張せん断強度を向上することができる。したがって本実施形態の接合ツール２０を用いることによって、接合後の被接合物３の接合強度を大きくすることができる。たとえば一例として、表１に示す第１比較例の接合ツールを用いた引っ張りせん断強度が１．５ｋＮ〜２ｋＮである。また第２比較例の接合ツールを用いた引張せん断強度が２．８ｋＮ〜３．３ｋＮである。これらの各比較例の接合ツールに対して、本発明の接合ツール２０を用いた引っ張りせん断強度は、２３．５ｋＮとなる。したがって比較例の接合ツールを用いた場合に比べて接合強度を約７〜１５倍に向上することができる。また接合条件を同様にして、接合ツールの形状を異ならせた第３比較例の接合ツールを用いた場合に比べても、接合強度を約６ｋＮ向上することができる。

また本実施形態では、被接合部材２に当接する裏当て部材１４の当接面１５を平坦に形成することで、裏当て部材１４に当接した被接合物３の表面部を平坦に保つことができる。これによって裏当て部材１４に当接した被接合物３の表面部には、接合後に凹凸が形成されず、接合部分を目立たなくすることができる。したがって本実施の形態では、接合後の被接合物３について、摩擦撹拌接合ほかにかしめ作用によって接合強度を向上したうえで、美観を向上することができる。これによって裏当て部材１４に当接した被接合物３の表面部を最終製品の表の面とすることで、美観が重要視される部分の被接合部材の接合にも用いることができる。これによって従来技術の場合には、美観を向上するために接合部分に形成される凹凸を目立たなくする作業が別途必要であったが、そのような作業を必要とせず、作業効率を向上することができる。さらに本実施の形態では、ショルダ部２１から突出するのがピン部２２だけである。したがって接合時にショルダ部側の被接合部材１が不所望に変形することを防ぐことができる。

本実施形態では、特に、板厚が６ｍｍ〜１２ｍｍの中厚板の接合に適している。摩擦撹拌とかしめ作用とによって各被接合物材を接合することで、被接合物３の厚さが大きい場合であっても接合強度を向上することができる。たとえば被接合物３の厚さが大きいことで、十分な撹拌領域を形成できずに摩擦撹拌接合のみによる強度が不十分である場合であっても、かしめ作用と摩擦撹拌接合との相互作用で、必要とする強度を得ることができる。

また本実施の形態では、裏当て部材側の被接合部材２に隆起部分４を形成するためには、接合ツール２０を被接合物３に没入する初期段階において、接合ツール２０が被接合物３を押圧する押圧力を高くし、短時間でピン部２２を没入させる必要がある。本実施の形態ではピン部２２が略円錐台形状に形成されることによって、没入初期段階の単位面積あたりに与える力を大きくすることができ、短時間でピン部２２を被接合物３に没入することができる。これによって被接合物３に大きい隆起部分４を形成することができる。

またショルダ部２１の端面は、ショルダ部２１の軸線Ｌ１に交差する直線が、軸線Ｌ１とともに軸線Ｌ１まわりに一周したときに形成される回転面に沿う。また嵌合凹所３１が滑らかな形状に形成される。これによって変形後の被接合物３が接合ツール２０の外形形状に沿った形状に変形しやすくすることができ、隆起部分４の隆起不足を防ぐことができる。また接合後に発生するバリを抑えることができ、美観をさらに向上するとともに、バリに起因する被接合物の腐蝕を低減することができる。

またピン長さＰＬは、ピン部２２の先端部４１が被接合物３を貫通しない長さで可及的長くなるように設定されるほうが好ましい。これによってピン部２２によって第１被接合物部分５０から半径方向外方に押し出される被接合部分を増やすことができ、接合高さＨをさらに大きくすることができる。

また接合条件として接合ツール２０を被接合物３に押付ける押圧力を１６．６ｋＮ以上（１７００ｋｇｆ以上）とすることが好ましい。接合ツール２０による押圧力を１６．６ｋＮ未満（１７００ｋｇｆ未満）とすると、隆起部分４を形成することが困難である。また接合ツール２０と被接合物３との間で生じる摩擦熱が小さくなるので、撹拌領域８を大きくすることができない。これに対して押圧力を１６．６ｋＮ以上とすることによって、かしめ作用を得ることができる十分な隆起部分４を形成することができるとともに十分な大きさの撹拌領域８を形成することができる。

また本実施の形態では、接合条件として接合ツール２０の回転数を２０００ｒｐｍ以上とすることが好ましい。接合ツール２０の回転数を２０００ｒｐｍ未満にすると、接合ツール２０と被接合物３との間で生じる摩擦熱が小さくなるので、撹拌領域８を大きくすることができない。これに対して、回転数を２０００ｒｐｍ以上とすることで、必要な摩擦熱を発生することができ、十分な大きさの撹拌領域８を形成することができる。

本発明の実施の一形態である接合ツール２０を示す斜視図である。 接合ツール２０を示す断面図である。 摩擦撹拌接合方法の手順を示すフローチャートである。 接合動作を説明するための断面図である。 本実施の形態の接合ツール２０を用いた場合における被接合物３の接合状態を示す図である。 本実施の形態の接合ツール２０を用いて接合された被接合物３を切断して示す断面図である。

符号の説明

１，２ 被接合部材
３ 被接合物
１４ 裏当て部材
２０ 接合ツール
２１ ショルダ部
２２ ピン部
４４ ねじ溝
Ｌ１ 軸線

Claims (5)

1. ２つ以上の被接合部材が予め定める接合方向に並んで構成される被接合物に対して、接合方向一方側表面部に裏当て部材の平坦面を当接させ、接合方向他方側表面部であって裏当て部材に対向する位置に回転する接合ツールを押付けて各被接合部材をスポット接合する摩擦撹拌接合方法に用いられる接合ツールであって、
   略円柱状に形成され、軸線方向一方側端面部で半径方向外方側部分が半径方向内方側部分よりも周方向全周にわたって軸線方向一方側に突出するショルダ部と、
   ショルダ部と同軸に形成されて、ショルダ部の軸線方向一方側端面部から軸線方向に突出し、ショルダ部から遠ざかるとともに縮径し、ショルダ部に連なる部分の外径がショルダ部の外径よりも小さい略円錐台状のピン部とを含むことを特徴とする接合ツール。
2. ショルダ部の軸線方向一方側端面は、ショルダ部に同軸でピン部に向かうにつれて拡径する仮想円錐の周面に沿うことを特徴とする請求項１記載の接合ツール。
3. ピン部の外周部には、軸線まわり回転するにつれてショルダ部に向かって進む螺旋状のねじ溝が形成されることを特徴とする請求項１または２記載の接合ツール。
4. 接合方向の厚さが１２ｍｍ以上である被接合物の摩擦撹拌接合に用いられることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の接合ツール。
5. ２つ以上の被接合部材が予め定める接合方向に並んで構成される被接合物に対して、接合方向一方側表面部に裏当て部材の平坦面を当接させ、接合方向他方側表面部であって裏当て部材に対向する位置に回転する接合ツールを押付けて各被接合部材をスポット接合する摩擦撹拌接合方法であって、
   略円柱状に形成され、軸線方向一方側端面部で半径方向外方側部分が半径方向内方側部分よりも周方向全周にわたって軸線方向一方側に突出するショルダ部と、ショルダ部と同軸に形成されて、ショルダ部の軸線方向一方側端面部から軸線方向に突出し、ショルダ部から遠ざかるとともに縮径し、ショルダ部に連なる部分の外径がショルダ部の外径よりも小さい略円錐台状のピン部とを含む接合ツールを用い、
   裏当て部材が当接する側の被接合部材が接合ツールの外形形状に沿って変形する押付け力で、接合ツールを被接合物に押付けることを特徴とする摩擦撹拌接合方法。

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