JP2007111758A

JP2007111758A - 摩擦攪拌接合方法

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Publication number: JP2007111758A
Application number: JP2005307223A
Authority: JP
Inventors: Masakuni Esumi; 昌邦江角
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2005-10-21
Filing date: 2005-10-21
Publication date: 2007-05-10

Abstract

【課題】厚さ寸法が異なる部材を突き合せて摩擦攪拌接合する際に２つの工程により良好な接合部形成する方法を提供する。
【解決手段】厚さ寸法Ｔ_１を有する第１の部材１０と、厚さ寸法Ｔ_２が小さな第２の部材２０をテーブル４０上に載置して段付きの突き合わせ部３０を形成する。第１工程では円柱状の工具１００を用いて段付部に摩擦攪拌接合を施し、突起代替部１５０を形成する。第２工程では、摩擦攪拌接合用工具２００により突起代替部１５０上に、摩擦攪拌接合を施し、良好な接合部２５０を得る。
【選択図】図１

Description

本発明は、厚さ寸法の異なる部材を突き合せた個所の接合に適した摩擦攪拌接合方法に関する。

図１４、図１５は、厚さ寸法が異なる部材１０，２０を突き合せて摩擦攪拌接合する状態を示す従来の説明図である。各図の（ａ）は摩擦攪拌接合部の斜視図である。図１４（ｂ）は（ａ）のＦ−Ｆ断面図である。図１５（ｂ）は（ａ）のＧ−Ｇ断面図である。図１４（ａ）は摩擦攪拌接合工具５０を第１の部材１０、第２の部材２０に挿入したときの図である。

例えば、第１の部材１０は、厚さ寸法Ｔ_１を有する板材であり、第２の部材２０は厚さ寸法Ｔ_２を有する部材である。厚さ寸法Ｔ_１はＴ_２に比べて大である。そこで、両部材をテーブル等のベース４０上に載置した際に、両部材１０，２０の突き合わせ部３０の上面に寸法Ｇ_１の段差が生ずる。

突き合わせ部３０に摩擦攪拌接合工具５０を挿入し、矢印Ｒ_１方向に回転させつつ、矢印Ｓ_１方向に送る。摩擦攪拌接合工具５０は、大径部５２の先端に小径部５４を有し、両者はショルダー部５６を介して接続されている。

摩擦攪拌接合工具５０は、図１４（ｂ）に示すように、部材１０，２０の内部に小径部５４が挿入され、厚さ寸法が大きい方の第１の部材１０の上面にショルダー部５６と大径部５２が挿入された状態で、回転させながら接合線に沿って移動させることで、摩擦攪拌しつつ接合が進行する。

図１４（ｂ）に示すように、ショルダー部５６と部材２０の上面との間には隙間Ｇ_２が生じる。第１の部材１０では高さがＴ_１であるに対して、第２の部材では高さがＴ_２で低いためである。

このため、図１５に示すように、摩擦攪拌接合部に欠陥７２が発生しやすい。

これらのこと（具体的な欠陥については除く。）は特許文献１の図１１、特許文献２に示されている。
特許０３７０７３５号公報（ＵＳＰ０６０５０４７４）特開２０００−１６７６７７号公報（ＵＳＰ０６３１５１８７）特開２０００−２３３２８６号公報特許０３５７５７４９号公報（ＵＳＰ０６６２２９０４）特開２００３−０３９１８１号公報（ＵＳＰ０６７８３０５５）

前記したように、接合部７０に摩擦攪拌接合方向に沿った欠陥部７２が発生してしまう場合がある。

この欠陥発生の原因としては、寸法Ｇ_１を有する段差のために、接合部７０に導入される材料の容量が不足し、欠陥部７２を発生するものと考えられる。

本発明の目的は、上述した不具合を解消する摩擦攪拌接合方法を提供するものである。

上記目的は、
高さの高い第１の部材と高さの低い第２の部材とを突き合せて突き合わせ部に段差を有する突き合わせ部を摩擦攪拌接合する方法であって、先端が実質的に平坦面の丸棒形状の凸部形成用工具を用いて凸部形成用回転工具を回転させながら相対的に前記第１の部材及び前記第２の部材に対して移動させて、前記第１の部材側の金属を前記第２の部材側の上面に移動させて前記第２の部材の上面に凸部を形成し、次に、前記第２の部材の前記凸部、及び前記第１の部材の上方から摩擦攪拌接合用回転工具を挿入し、該回転工具の大径部とその先端の小径部との境を前記凸部の高さの範囲内に位置させた状態で相対的に前記第１の部材及び前記第２の部材に対して移動させて、摩擦攪拌接合すること、
によって達成できる。

この摩擦攪拌接合方法によれば、凸部形成用工具を用いて、第１の部材の金属を第２の部材側に寄せ、その後、摩擦攪拌接合するので、実質的な隙間Ｇ_１がなくなり、良好な摩擦攪拌接合ができるものである。第１の部材の金属を第２の部材に寄せているので、第２の部材にも凸部があることになり、良好な摩擦攪拌接合ができるものである。

第１の部材の金属を第２の部材に寄せるには、凸部形成用回転工具が移動する方向から見たとき、高さの低い第２の部材が右側にあり、かつ、凸部形成用回転工具を左回転させると良好な金属移動が得られる。第２の部材を左側に配置した場合は、凸部形成用工具を右回転させる。

次に、この移動した金属を凸部として摩擦攪拌接合する。

このため、良好な摩擦攪拌接合が得られる。

なお、このように段差を有するものを良好に摩擦攪拌接合するものとして、上記特許文献３、特許文献４、特許文献５が知られている。いずれも厚さが厚い部材の金属を高さが低い部材の表面に移動させ、摩擦攪拌接合している。また、移動作業と摩擦攪拌接合を同時に行うようにしている。なぜ金属を移動できるか、回転工具の回転方向については記載されていない。

本発明を一実施例を図１〜図６によって説明する。第１の部材１０と第２の部材２０との接合条件は、図１４、図１５で説明したものと同様である。

すなわち、厚さ寸法Ｔ１を有する第１の部材１０と厚さ寸法Ｔ_１より小さな厚さ寸法Ｔ_２を有する第２の部材２０を突き合せた突き合せ部３０を摩擦攪拌接合するものである。第１の部材及び第２の部材はアルミ合金である。

本発明の摩擦攪拌接合方法は、２つの工程を備える。

第１の工程において、突き合わせ部３０の摩擦攪拌接合に先立って、凸部形成用工具１００により、突き合わせ部３０の第２の部材２０の上面に凸部代替部１５０を形成する。凸部代替部１５０は、第１の部材１０から金属を移動させたものである。

図２は、凸部形成用工具１００の形状を示す。凸部形成用工具１００は、円柱形状（丸棒形状）で、先端部は平坦面１１０となっており、摩擦攪拌接合工具のような小径部を備えていない。平坦面は軸心に直交している。凸部形成用工具１００は、摩擦攪拌接合用工具と同様な非消耗合金である。

凸部形成用工具１００は、その先端を厚さ寸法が大きい第１の部材１０の上面１０ａよりも低く、第２の部材２０の上面２０ａよりも高い位置に位置決めされる。
この凸部形成用工具１００を矢印Ｒ_２方向に回転（左回転）させつつ、矢印Ｓ_１方向に進行させる。

この回転により、第１の部材１０の上部の材料は、軟化されるとともに図２の矢印Ｈ_１方向に押し出される。凸部形成用工具１００は、移動方向に対して、約３°後側に傾斜している。このため、第１の部材１０の金属は図６に示すように、第１の部材１０から第２の部材２０側に移動させることができる。そして、この移動した金属は、第２の部材２０に固着される。金属移動は、工具１００が左回転しているので、右側の第２の部材の上方に移動すると、下方を支える部材がなくなるので、直ちに落下し、第２の部材２０に載る。この金属は工具のＳ_１方向への移動によって、工具１００の後端部１１１で押さえる。

凸部形成用工具１００を矢印Ｒ_２方向の反対方向に回転（右回転）させて移動させることが考えられるが、第２の部材２０は右側にあるので、右側には左に移動させる原資がない。このため、凸部は形成されない。ただし、これは先端部に平坦面１１０を有する凸部形成用工具１００を使用の場合である。

また、第２の部材２０を第１の部材１０の左側に置き（第１の部材１０が第２の部材２０の右側にある。）、凸部形成用工具１００を右回転させることが考えられるが、この場合は、右側に凸部形成用の原資があるので凸部代替部１５０が形成されると考えられる。

この作用により、凸部形成用工具１００の通過した後に、突き合わせ部３０の上部に第２の部材２０の上面２０ａよりも高い凸部代替部１５０が形成される。

凸部代替部１５０は、第２の部材２０の上面に単に載っているのではなく、第２の部材に固着されている。

これは、図６に示すように、凸部形成用工具１００は約３°傾斜しており、先端１１０より下方には金属１５１があり、工具１００の左回転によって工具１００の後端部では金属１５１が左側に寄せられる。そして、つぎに、工具１００の後端側の先端１１１の個所で前記移動した金属を押さえる。これによって、金属は第２の部材２０に固着されると考えられる。

また、第１の板１０と第２の板２０との突き合わせ部に隙間があってもこの隙間の上にも凸部代替部１５０は形成される。その一部は隙間に入るであろう。

なお、工具１００による金属移動の開始時の移動方向Ｓ_１の移動速度が大きいと、その個所への金属の寄せが不十分の可能性がある。

図４は、第１工程で形成された凸部代替部１５０の上部から摩擦攪拌接合用工具２００を挿入し、突き合わせ部３０に沿って摩擦攪拌用接合を行う第２工程を示す。

摩擦攪拌接合用工具２００は、大径部２１０と、小径部２２０と、大径部２１０と小径部２２０を接続するショルダー部２３０を備え、公知の態様により摩擦攪拌接合を実行する。

ショルダー部２３０を凸部代替部１５０の厚さの範囲内に位置させて行う。

このため、ショルダー部２３０は部材１０、２０に接触しない。ショルダー部２３０は凸部代替部１５０に接触しているので、凸部代替部１５０は従来の凸部と同様の作用をする。

図５は、摩擦攪拌接合により接合部２５０が形成された状態を示す。

凸部代替部１５０を予め形成することにより、厚さ寸法の異なる第１の部材１０と第２の部材２０に対して欠陥のない摩擦攪拌接合部２５０を形成することができる。

突き合わせ部の隙間の上部には凸部代替部１５０があるので、凸部代替部１５０の金属は第１の部材１０と第２の部材２０との突合せ面に隙間があれば、この隙間に移動させられ、隙間は金属で補填され、良好な摩擦攪拌接合部が得られる。

ここで、凸部形成用工具１００の外形は、摩擦攪拌接合用工具２００の外形よりも大きい方が望ましい。これにより、凸部形成用工具１００によって作られた凸部代替部１５０の幅は摩擦攪拌接合用工具２００の外形の半分よりも大きくなる。このため、工具２００は部材２０と凸部代替部１５０にかかることができる。

次に、必要により（上面が機器の外面になるような場合、または表面が平滑な面が必要な場合）、凸部代替部１５０、摩擦攪拌接合部２５０の表面から、部材１０の上面１０と部材２０の上面２０ａとを滑らかに接続するように、グラインダ等で切削して除く。

これによれば、凸部代替部１５０は従来の凸部に相当し、部材１０，２０を摩擦攪拌接合しても、欠陥ができにくい。

上記の実施例は板状の部材１０，２０であったが、中空形材の接合にも利用できるものである。

従来では、凸部が必要であったので、押し出し形材になっていたが、板２０は圧延板でも利用できる。

また、上記実施例では、凸部形成用工具１００、摩擦攪拌接合用工具２００を移動させて、接合しているが、部材１０，２０を工具１００，２００に対して移動させてもよい。つまり、工具１００，２００の移動は、部材１０，２０に対して相対的に移動させればよい。

実施例２を図７、図８、図９によって説明する。上記実施例では部材１０，２０は平板状であったが、中空形材であっても良い。これを図７〜図９によって説明する。図７は、鉄道車両側構体の出入り口である。部材８０は鉄道車両の側面の側構体を構成する中空形材であり、４つの中空形材８０が接合されて側構体になっている。側構体は複数の中空形材８０，８０・・・・を並べて摩擦攪拌接合している。これに出入り口９５を空けている。出入り口９５に部材９０を嵌めている。部材９０は、中空形材でなくても良い。図８において、中空形材８０の押出し方向は左右方向である。部材９０の押出し方向は図８の紙面に直交する方向である。

部材９０は出入り口の枠である。部材９０は、連続した部材９０をＵ字状に折り曲げたものである。このため、３つの直線部と、隣り合う２つの直線部の間にそれぞれ円弧部がある。部材９０と部材８０との突き合わせ部（Ｕ字状）は、２次元データで表される。この２次元データは制御装置に記憶させておく。

部材９０は部材８０を載せる突出片９１，９２を有する。部材８０は部材９０の突出片９１，９２の上に載って部材８０，９０は突き合せられている。部材８０は中空形材で、上面の面板８１と下面の面板８２、両者を接続する接続板８３とからなる。上下の面板８１，８２は平行である。上面の面板８１と部材９０との突き合わせ部近傍の部材９０の上面は部材８０の上面よりも高い。この高さが高いのは凸部９３によるためである。凸部９３を除けば、部材９０の上面は面板８１と同一面である。部材８０の板厚は部材９０の板厚よりも薄い。部材９０は架台に載っている。

図９において、部材８０の下面の面板８２、接続板８３の押し出し方向の右端部は、上面の面板８１の右端部よりも左方に後退した位置にある。部材８０の中空形材をこのように切削している。

上記のように組み合わせた後、突出片９２と面板８２とを隅肉溶接する。

次に、面板８１が面板８２の下方に位置するように、部材８０と部材９０との上下面を反転させる。次に、部材９０の上面側を凸部形成用工具１００で凸部９３の金属を面板８１側に移動させる。これによって、部材９０の面板８１上面に凸部代替部１５０が接合される。凸部代替部１５０を接合する際、凸部形成用工具１００は、移動させられた金属（凸部代替部１５０）を介して面板８１を下方に押えるので、面板８１が突出片９１から浮き上がって、面板８１の裏面と突出片９１との間に隙間があっても、両者は接触する。このため、この点からも良好な摩擦攪拌接合ができる。

次に、部材８０と部材９０との突き合わせ部を工具２００で摩擦攪拌接合する。工具２００の大径部２１０の底面２３０を凸部代替部１５０中に入れて摩擦攪拌接合する。工具２００の回転中心は部材８０と９０との突き合わせ部に位置するようにする。

凸部代替部１５０は面板８１に対して凸部になっているので、良好な摩擦攪拌接合ができる。また、摩擦攪拌接合用工具２００は面板８１、部材９０の上面に接触しないので、面板８１、部材９０の上面に工具２００に接触した凹部ができない。

摩擦攪拌接合後、部材８０，９０の上面から上方に突出している凸部９３、部分１５０，２５０は削除する。

本発明は、鉄道車両の車体構体等を製造する際に極めて有効な摩擦攪拌接合である。

次に、凸部形成用工具１００の構成について説明する。図１０に示す凸部形成用工具１００の先端部は、先に説明したように平坦になっているが、他の形状でもよい。

図１１に示す工具１００は先端が凹状に凹んでいる。図１１（ｂ）の中心部の丸は、図１１（ａ）で示す断面で円弧の曲率が中心部とその外周部で異なることを示している。

凸部形成用工具１００の先端部に凹部１１３を設けているので、当該先端部が平坦である場合に比べて、下端面よりも下方に位置させる金属量は多い。このため、第２の部材２０が第１の部材１０の右側にあり、右回転させても良好な金属移動が得られる。これは、凹部１１３に入った金属は、工具１００が第１の部材１０の端部から右側に回転すると、下方に第１の部材１０がなくなるので、支えがなくなり、前記金属が下方に落下する。この下方に落下した金属は量が多いので、長く伸ばされ、工具１００の後端部１１１まで伸び、後端部で押さえられる。このため、良好に金属が移動させられると考えられる。

図１２に示す工具１００は、先端に小径の凸部１１５を設けたものである。

図１３に示す工具１００は、凹部１１３に十文字の凸部１１７を設けたものである。

また、工具１００は円弧面の凹部１１３に４つの鍔１１７を突出させることもできる。

上記図１１から図１３に示す工具１００の下端部は平ではないが、実質的に平坦といえる。図１１〜図１３の（ｂ）は（ａ）の工具１００の下端を下方から見た平面図である。

上記実施例では、凸部形成用工具１００、摩擦撹拌接合用工具２００の移動は、前記突き合わせ部（Ｕ字状）の２次元データに基づいて移動させる。従来は、一般に、突き合わせ部を計測し、工具２００を誘導するための光学センサーを備えているが、この実施例ではこの光学センサーを備えない。ただし、工具１００，２００には、原点Ｓからの長手方向への移動量、幅方向への移動量を確認、記憶するセンサーがある。まず、最初に、凸部形成用工具１００、摩擦攪拌接合用工具２００の回転中心を始点（原点）Ｓに合わせ、前記２次元データに基づいて工具１００，２００を移動させる。これによれば、突き合わせ部の位置を計測しないでも工具１００，２００を移動させることができ、安価に容易に移動させることができる。凸部形成用工具１００の移動の際には、段差があるので、突き合わせ部の位置を計測できるが、摩擦撹拌接合用工具２００の移動の際には、突き合わせ部には段差がないので、工具の中心位置を簡単には計測できない。また、凸部代替え部１５０の左端部は長手方向に沿って蛇行しており、右端側（凸部９３の側）は上方に突出しており、凸部代替部１５０の中心の位置は測定困難である。

本発明の摩擦攪拌接合方法を示す斜視図。図１のＡ−Ａ断面図。図１のＢ−Ｂ断面図。図１のＣ−Ｃ断面図。図１のＤ−Ｄ断面図。本発明の摩擦攪拌接合方法を示す説明図。本発明の摩擦攪拌接合方法を示す説明図。図７の平面図。図８（図７）のＥ−Ｅ断面図。突部形成用工具の説明図。突部形成用工具の説明図。突部形成用工具の説明図。突部形成用工具の説明図。従来の説明図。従来の説明図。

符号の説明

１０第１の部材
２０第２の部材
３０突き合わせ部
４０テーブル
１００凸部形成用工具
１５０凸部代替部
２００摩擦攪拌接合用工具
２５０摩擦攪拌接合部

Claims

高さの高い第１の部材と高さの低い第２の部材とを突き合せて突き合わせ部に段差を有する突き合わせ部を摩擦攪拌接合する方法であって、
先端が実質的に平坦面の丸棒形状の凸部形成用工具を用いて凸部形成用回転工具を回転させながら相対的に前記第１の部材及び前記第２の部材に対して移動させて、前記第１の部材側の金属を前記第２の部材側の上面に移動させて前記第２の部材の上面に凸部を形成し、
次に、前記第２の部材の前記凸部及び前記第１の部材の上方から摩擦攪拌接合用回転工具を挿入し、該回転工具の大径部とその先端の小径部との境を前記凸部の高さの範囲内に位置させた状態で相対的に前記第１の部材及び前記第２の部材に対して移動させて、摩擦攪拌接合すること、
を特徴とする摩擦攪拌接合方法。
請求項１の摩擦攪拌接合方法において、
前記凸部形成用工具は、その先端が平坦であり、
前記凸部形成用工具が前記２つの部材に対して移動する方向から見たとき、右手に前記第２の部材があり、
前記凸部形成用工具は、該工具が前記２つの部材に対して移動する方向に対して、突き合わせ部に対して接触する位置よりも上端側が後方に傾斜しており、
かつ該凸部形成用工具は左回転させること、
を特徴とする摩擦攪拌接合方法。
請求項１の摩擦攪拌接合方法において、
前記凸部形成用工具は、その先端が平坦であり、
前記凸部形成用工具が前記２つの部材に対して移動する方向から見たとき、左手に前記第２の部材があり、
前記凸部形成用工具は、該工具が前記２つの部材に対して移動する方向に対して、突き合わせ部に対して接触する位置よりも上端側が後方に傾斜しており、
かつ該凸部形成用工具は右回転させること、
を特徴とする摩擦攪拌接合方法。
請求項１の摩擦攪拌接合方法において、
前記凸部形成用工具が前記２つの部材に対して移動する方向から見たとき、右手に前記第２の部材があり、
前記凸部形成用工具は、前記凸部及び前記第１の部材に接触する側の端面はその軸心側が凹んだ凹状であり、
該工具が前記２つの部材に対して移動する方向に対して、突き合わせ部に対して接触する位置よりも上端側が後方に傾斜しており、
かつ該凸部形成用工具は右回転させること、
を特徴とする摩擦攪拌接合方法。
請求項１の摩擦攪拌接合方法において、
前記凸部形成用工具が前記２つの部材に対して移動する方向から見たとき、左手に前記第２の部材があり、
前記凸部形成用工具は、前記凸部及び前記第１の部材に接触する側の端面はその軸心側が凹んだ凹状であり、
該工具が前記２つの部材に対して移動する方向に対して、突き合わせ部に対して接触する位置よりも上端側が後方に傾斜しており、
かつ該凸部形成用工具は左回転させること、
を特徴とする摩擦攪拌接合方法。
請求項１の摩擦撹拌接合方法において、
前記凸部形成用工具及び前記摩擦撹拌接合工具は、前記第１の部材と前記第２の部材との前記突き合わせ部の連続した２次元データに基づいて、前記第１の部材、前記第２の部材に対して相対的に移動させること、
を特徴とする摩擦撹拌接合方法。