JP2007209987A - 摩擦攪拌接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、摩擦撹拌接合方法を用いて接合材を接合する場合に関して、疲労特性に優れた接合部を形成する接合方法を提供する。
【解決手段】円柱状部材の端面にピン状プローブが突出するように設けられたツール６を、接合材１，２に回転させた状態で挿入し、ツールを回転させた状態で移動することにより、２つ以上の接合材を摩擦攪拌によって接合する摩擦攪拌接合方法において、接合材の接合部の一部に空洞部７を設け、空洞部に部材５を形成し、接合材を摩擦攪拌によって接合する。空洞部の近傍に未接合部が形成しないので、切欠き効果が低減され、疲労特性に優れた接合部材が形成できる。
【選択図】図２

Description

本発明は、摩擦攪拌接合方法及び摩擦攪拌接合方法によって接合された接合構造物に関する。

接合材よりも実質的に硬い材質の円柱状部材（以下、回転ツール）を回転させながら接合材の接合部に挿入し、この回転ツールを回転させながら移動することによって、回転ツールと接合材との間で発生する摩擦熱により接合する摩擦攪拌接合方法が、例えば、特許文献１に記載されている。

この接合方法は、回転ツールと接合材との摩擦熱により接合材を軟化させ、回転ツールの回転に伴う塑性流動現象を利用したものであり、接合材を溶かして溶接する方法、例えば、アーク溶接などとは異なる原理に基づいている。

特許２７１２８３８号公報（ＷＯ９３／１０９３５）

この接合方法を用いて、疲労強度に優れた接合構造物を作製するときに、接合部の近傍に空洞部を設ける場合がある。接合面に垂直な方向から回転ツールを高速回転しながら挿入し、空洞部の上部を接合する。

こうした場合、接合時の荷重を支えるバックメタルが使用されていない。そのため、空洞部の付近で接合を実施した場合、空洞部の近傍の部材が変形することにより、接合部に未接合部欠陥が形成される可能性がある。

従って、接合部に応力が付加された場合、切欠き効果の起こりやすい未接合部の形成や接合部への応力集中が高くなり、疲労特性に劣ることが考えられる。しかし、このような未接合部の形成については研究されていない。

本発明は、接合材を摩擦撹拌接合方法を用いて接合する場合、疲労特性に優れた接合部を形成する摩擦攪拌接合方法及び接合構造物を提供することを目的とする。

本発明の摩擦攪拌接合方法は、円柱状部材の端面にピン状プローブが突出するように設けられた回転ツールを、接合材に回転させた状態で挿入し、回転ツールを回転させた状態で移動することにより、２つ以上の前記接合材を摩擦攪拌によって接合するものである。そして接合材の接合部の一部に空洞部を設け、空洞部に部材を形成し、接合材を摩擦攪拌によって接合することを特徴とする。

また、本発明は、２つ以上の接合材を摩擦攪拌によって接合する摩擦攪拌接合方法において形成された接合構造物であって、接合材の接合部の一部に空洞部を有し、空洞部に部材が形成されていることを特徴とする。

摩擦攪拌によって接合する場合、接合材の継ぎ手部分に接合を施す場合または接合材の一方から接合を施す場合がある。

なお、空洞部は、円形状であることが好ましく、接合材の接合部の方向に対して所定の曲率半径を有する円弧状であってもよい。

また、空洞部に埋設する部材は、空洞部と概略等しい断面形状を有する部材であることが好ましい。

また、空洞部に形成される部材は、接合材より硬い材料であることが好ましく、空洞部の半径は、接合材の厚さの半分以下であることが好ましい。

本発明によって、接合材を摩擦撹拌接合方法を用いて接合する場合、疲労特性に優れた接合部を形成する摩擦攪拌接合方法及び接合構造物を提供することができる。

以下、本発明の実施形態を図面を参照しながら説明する。

図１，図２，図３は、本発明の接合方法の一例を示すものであり、重ね合わせ継手に摩擦攪拌接合方法を適用した場合を示すものである。

図１に、接合材としての材料１と材料２とを示す。材料１及び材料２には、それぞれ半円形状断面を有する空洞部３と空洞部４が形成されている。

材料１と材料２とを重ね合わせた際に、円形状断面を有する空洞部が形成され、この空洞部とほぼ等しい断面形状を有する埋設部材５を形成する。半円形状断面の空洞部を有する２つの接合材としての材料１と材料２とを、埋設部材５を介して重ね合わせる。

材料１と材料２との材質はともにアルミニウム合金である。適用材料としては本質的に摩擦攪拌接合の可能な材料とする。例えば、マグネシウム合金，銅合金，鉄鋼材料等の金属材料がこれにあたる。

材料１と材料２との厚みは、ともに１０mmのものを使用する。適用材料の厚みは適用材料，摩擦攪拌接合装置および回転ツールの能力により決定されるが、アルミニウム合金の場合、０.５mm〜１００mm程度のものに対してまで適用可能である。

図２は、材料１と材料２と、埋設部材５とを接合できるようにセットした概念図である。空洞部３と空洞部４との端部が合うように重ね合わせて、円形状断面を有する空洞部７を設ける。空洞部７に埋設部材５をセットする。埋設部材５の断面形状は空洞部７に概略等しい。半円形状断面を有する空洞部３と空洞部４により形成される空洞部７の半径はおよそ材料１の厚みの半分とする。

つまり、疲労特性に優れた接合部を形成するために、接合部の近傍に形成される未接合部より大きい曲率を有する部材を設けることが必要である。

従って、空洞部７の半径は材料１と材料２とにより形成される重ね合わせ面の隙間より大きく、材料１の厚みの半分を限度とする。

埋設部材５の材質は鉄鋼材料であり、材料１と材料２より硬い材質にする。

疲労特性に優れた接合部を形成するため、空洞部７と埋設部材５の断面形状は円形状に限定せず、曲率の大きい断面形状を有するものであれば可能である。例えば、楕円形状等がこれに該当する。

また、図２に回転ツール６と接合線および接合面の位置関係を示す。回転ツール６は、接合面８に平行であって接合面９に垂直である方向から挿入する。

回転ツール６の端部にあるプローブ１０における埋設部材５側の端面１１は、埋設部材５にほぼ接するように挿入され、回転ツール６を挿入したときの端面１１と埋設部材５との距離は０.５mm程度とする。

図３に、回転ツール６を接合面８と接合面９に挿入し、接合線１２に沿って材料１と材料２とを接合する概念図を示す。

回転ツール６の回転方向は回転ツール６の上方から見て、時計方向に回転する。接合は材料の手前から奥に向かって進行していく。

図３に示すように、接合部には回転ツール６により攪拌された攪拌領域１３が埋設部材５に接するように形成される。このようにすることにより、攪拌領域１３と埋設部材５との間には未接合部が形成されない。

埋設部材５を使用せずに、空洞部のみを形成して摩擦攪拌接合を施した断面を図４に示す。

材料１４と材料１５との位置関係は、点線１６により示されている。材料１４と材料
１５との接する面上には半円断面形状を重ねた空洞部を有する。空洞部の摩擦攪拌接合を施す前の形状は点線１７で表記されているように、その断面形状は円形状を有している。

回転ツール１８の形状は、肩部の径が１０mm、プローブ２０の径が４mm、プローブ２０の長さが１０mmである。

回転ツール１８と空洞部１７との位置関係を図４を用いて説明する。回転ツール１８を材料１４と材料１５に挿入したとき、プローブ２０の空洞部側の端面２１と空洞部１７との距離は０.２mm である。回転ツール１８の回転数は１０００回転／分、接合速度は100
mm／分とする。

図４から判るように、摩擦攪拌接合を施した後の空洞部の形状１７は大きく変形し、円形状を失っている。これは摩擦攪拌接合時には回転ツール１８を挿入および走行することにより、接合部に数百kgから約１トン程度の荷重がかかるため、その荷重を支えるバックメタルがない場合、材料１４と材料１５の荷重を受けた材料が空洞部に流れ込むためと考えられる。

このように接合部の疲労特性を向上させるために設けられた空洞部の形状が崩れることになる。つまり、接合部の近傍に曲率の大きい面がなくなり、接合面２３に未接合部が形成されることにより、接合面２３に垂直な方向に応力が付加された場合、接合部への応力集中が高くなり、疲労特性に劣ることになる。

これに対して、埋設部材を用いて摩擦攪拌接合を施した場合の断面写真を図５に示す。

接合終了後の回転ツール１８及び埋設部材２４の位置関係を図５に示す。接合条件は図４に示してあるものとほぼ同等である。回転ツール１８と埋設部材２４との間には未接合欠陥は見られなく、完全に接合されていることが観察できる。接合部に応力が掛かった場合であっても、未接合部が形成することなく、応力が付加される面が大きい曲率を示すため、応力集中を回避できる。

このように、円形状断面を有する空洞部に埋設部材を設けて接合することで、接合部の疲労特性を向上させることができる。

このような接合方法を接合構造物に適用した概念図を図６に示す。

この接合構造物は圧力容器であり、容器としての材料２５と蓋としての材料２６とを端部が合うように重ねる。材料２５と材料２６の接する面２７に円形状の空洞部２８を設ける。空洞部２８に概略等しい断面形状を有する部材２９を埋設する。材料２５と材料２６を回転ツール３０を用いて摩擦攪拌接合方法により接合する。

回転ツール３０と接合面の位置関係や回転ツール３０と埋設部材２９の位置関係は、図１，図２，図３と同様である。

これにより形成される攪拌領域３１と埋設部材２９との間には、摩擦攪拌接合を施しても未接合部が形成されることがなく、大きい曲率を有する面が得られる。材料２５と材料
２６とを接合することにより、その内側には空間３２ができる。空間３２より面２７に対して垂直な方法に繰り返し応力が付加される場合、未接合部が形成されないことから、疲労強度に優れた接合部を作ることができる。

こうした接合は、このような繰り返し応力が加わる接合構造物、例えば、水路を有する冷却装置や圧力容器等に応用することができる。

図７，図８，図９は、本発明の別の実施例の接合方法を示すものである。

本実施例も、重ね合わせ継手に適用した場合のものであるが、材料３３と材料３４の形状が、実施例１の材料１と材料２とは異なっている。

図７に、材料３３と材料３４と、半円形状断面を有する空洞部３８と半円形状断面を有する空洞部３９と、円形状断面を有する埋設部材４０との位置関係を示す。空洞部３８と空洞部３９とを、材料３３と材料３４とが接する面上、つまり、突合せ接合面３５と突合せ接合面３６に設ける。材料３３と材料３４との材質はともにアルミニウム合金である。埋設部材４０の材質は材料３３と材料３４より硬い材質にし、鉄鋼材料である。材料３３と材料３４との厚み等は実施例１に示したものと同様とする。

図８は、材料３３と材料３４と空洞部３８と空洞部３９と埋設部材４０と接合できるようにセットした概念図である。

図８に、突合せ接合面３５と突合せ接合面３６と回転ツール３７との位置関係を示す。回転ツール３７は、突合せ接合面３５と突合せ接合面３６に垂直な方向から挿入する。

空洞部３８の端部と空洞部３９の端部とが、合うように重ね合わせ、円形状断面を有する空洞部４１を設ける。空洞部４１に埋設部材４０をセットする。埋設部材４０の断面形状は空洞部４１に概略等しい。半円形状断面を有する空洞部３８と半円形状断面を有する空洞部３９とにより形成される空洞部４１の半径はおよそ材料３３の厚みの半分とし、実施例１に記載のものと同様とする。

回転ツール３７を挿入した際のプローブ４２における埋設部材４０側の端面４３と、埋設部材４０の位置関係は実施例１に記載のものと同様とする。

図９に、回転ツール３７を突合せ接合面３５と突合せ接合面３６に材料３３の方向から挿入し、端面４３と埋設部材４０との位置関係を保ちながら、材料３３と材料３４とを接合する概念図を示す。

回転ツール３７の回転方向は、回転ツール３７の上方から見て、時計方向に回転する。摩擦攪拌接合は、図面の手前から奥に向かって進行していく。

図９に示すように、接合部には回転ツール３７により攪拌された攪拌領域４４が、埋設部材４０に接するように形成され、攪拌領域４４と埋設部材４０との間には未接合部が形成されない。

その結果、接合部の疲労特性を向上させることができる。

図１０，図１１，図１２は、本発明の別の実施例をしめすものである。この実施例は摩擦攪拌接合を突合せ継手に適用した場合のものである。

図１０に、材料４５と材料４６と、半円形状断面を有する空洞部４７と半円形状断面を有する空洞部４８と、円形状断面を有する埋設部材４９との位置関係を示す。

空洞部４７と空洞部４８とを材料４５と材料４６とが接する面上に設ける。材料４５と材料４６との材質はともにアルミニウム合金である。適用材料としては実施例１で記載したものと同様である。材料４５と材料４６との厚みは、ともに１０mmのものを使用する。

図１１は、材料４５と材料４６と空洞部４７と空洞部４８と埋設部材４９とを接合できるようにセットした概念図である。

空洞部４７と空洞部４８との端部が合うように合わせて、円形状断面を有する空洞部
５０を設ける。空洞部５０に埋設部材４９をセットする。埋設部材４９の断面形状は空洞部５０に概略等しい。空洞部４７と空洞部４８とにより形成される空洞部５０の半径はおよそ材料４５と材料４６の厚みの半分とする。

図１１に、回転ツール５１と接合線の位置関係を示す。

回転ツール５１は、突合せ接合線５３に垂直な方向から挿入する。回転ツール５１の端部にあるプローブ５４における下部端面５５は、埋設部材４９にほぼ接する位置まで挿入され、回転ツール５１を挿入したときの端面５５と埋設部材４９との距離は０.１mm 程度とする。

図１２に、回転ツール５１を接合線５３に沿って、材料４５と材料４６とを接合する概念図を示す。

回転ツール５１の回転方向は回転ツール５１の上方から見て、時計方向に回転される。接合は、材料の手前から奥に向かって進行していく。

図１２に示すように、接合部には回転ツール５１により攪拌された攪拌領域５６が埋設部材４９に接するように形成される。

このようにすることにより、攪拌領域５６と埋設部材４９との間には未接合部が形成されない。摩擦攪拌接合時に、回転ツール５１を挿入および走行することにより、接合部に数百kgから約１トン程度の荷重がかかることになるが、その荷重を支える埋設部材４９が設けられていることにより、曲率の変形や未接合部の形成なく、荷重を受けることができる。接合面に対して垂直な方向に繰り返し応力が付加される場合、未接合部が形成されないことから、疲労強度に優れた接合部を作ることができる。

これら実施例によれば、空洞部の近傍に未接合部が形成されないので、切欠き効果が低減され、疲労特性に優れた接合部材が形成できる。

本発明は、摩擦攪拌接合を施す場合に、接合面に空洞部を設けると共に空洞部に埋設部材を形成した状態で接合する摩擦撹拌接合方法に関するものである。

本発明の接合方法の一例で接合材料と埋設部材との位置関係を示す概念図である。 本発明の接合方法の一例で接合前の様子を示す概念図である。 本発明の接合方法の一例で接合中の様子を示す概念図である。 空洞部を有する接合部における欠陥発生状況および回転ツール、接合部材の位置関係を示す図である。 埋設部材を用いた接合部における断面写真を示す図である。 埋設部材を用いた摩擦攪拌接合方法を接合構造物に適用した概念図である。 本発明の重ね合わせ接合方法の一例で接合材料と埋設部材との位置関係を示す概念図である。 本発明の重ね合わせ接合方法の一例で接合前の様子を示す概念図である。 本発明の重ね合わせ接合方法の一例で接合中の様子を示す概念図である。 本発明の突合せ接合方法の一例で接合材料と埋設部材との位置関係を示す概念図である。 本発明の突合せ接合方法の一例で接合前の様子を示す概念図である。 本発明の突合せ接合方法の一例で接合中の様子を示す概念図である。

符号の説明

１，２…材料、３，４…半円形状断面を有する空洞部、５…埋設部材、６…回転ツール、７…円形状断面を有する空洞部、８，９…接合面、１０…プローブ、１１…プローブの端面、１２…接合線、１３…攪拌領域。

Claims (16)

1. 円柱状部材の端面にピン状プローブが突出するように設けられたツールを、接合材に回転させた状態で挿入し、前記ツールを回転させた状態で移動することにより、２つ以上の前記接合材を摩擦攪拌によって接合する摩擦攪拌接合方法において、
   前記接合材の接合部の一部に空洞部を設け、前記空洞部に部材を形成し、前記接合材を摩擦攪拌によって接合することを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
2. 請求項１記載の摩擦攪拌接合方法において、前記接合材の継ぎ手部分に摩擦攪拌によって接合することを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
3. 請求項１記載の摩擦攪拌接合方法において、前記接合材の一方から摩擦攪拌によって接合することを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
4. 請求項１記載の摩擦攪拌接合方法において、前記空洞部が円形状を有することを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
5. 請求項１記載の摩擦攪拌接合方法において、前記空洞部に前記空洞部と概略等しい断面形状を有する部材を埋設することを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
6. 請求項１記載の摩擦攪拌接合方法において、前記空洞部が前記接合材の接合部の方向に対して円弧状を有することを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
7. ２つ以上の接合材を摩擦攪拌によって接合する摩擦攪拌接合方法において形成された接合構造物において、
   前記接合材の接合部の一部に空洞部を有し、前記空洞部に部材が形成されていることを特徴とする接合構造物。
8. 請求項７記載の接合構造物において、前記接合材の継ぎ手部分が摩擦攪拌によって接合されていることを特徴とする接合構造物。
9. 請求項７記載の接合構造物において、前記接合材の一方から摩擦攪拌によって接合されていることを特徴とする接合構造物。
10. 請求項７記載の接合構造物において、前記空洞部が円形状を有することを特徴とする接合構造物。
11. 請求項１に記載の摩擦攪拌接合方法により接合された接合構造物。
12. 請求項７記載の接合構造物において、前記空洞部に前記空洞部と概略等しい断面形状を有する部材が埋設されていることを特徴とする接合構造物。
13. 請求項１記載の摩擦攪拌接合方法において、前記空洞部に形成される部材が、前記接合材より硬い材料であることを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
14. 請求項４記載の摩擦攪拌接合方法において、前記空洞部の半径が、前記接合材の厚さの半分以下であることを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
15. 請求項７記載の接合構造物において、前記空洞部に形成される部材が、前記接合材より硬い材料であることを特徴とする接合構造物。
16. 請求項１０記載の接合構造物において、前記空洞部の半径が、前記接合材の厚さの半分以下であることを特徴とする接合構造物。
    

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