JP2007237245A - 摩擦攪拌接合装置および摩擦攪拌接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】被接合材の端縁部を高品質に接合するための摩擦攪拌接合装置および摩擦攪拌接合方法を提供することを課題とする。
【解決手段】受け台５上に重ね合わされた少なくとも２つの被接合材７，７に対し、回転ツール３を回転させながら押圧挿入し、回転ツール３の回転により発生する摩擦熱によって被接合材７，７における回転ツール３の周辺を塑性流動させて、被接合材７，７同士を接合する摩擦攪拌接合装置１であって、重ね合わされた被接合材７，７の各端面７１ａ，７１ａに跨って押し当てられる押当部材６を備えるように構成した。
【選択図】図２

Description

本発明は、高品質な摩擦攪拌接合を行うための摩擦攪拌接合装置および摩擦攪拌接合方法に関するものである。

近年、接合時の熱影響による歪みや変形の少ない接合技術として、摩擦攪拌接合技術が広く適用されてきている。摩擦攪拌接合は、上下に重ね合わされた２つの被接合材を受け台に載置し、高速回転させた回転ツールを押圧することによって行う。上側の被接合材では、回転ツールの先端部のピンが達すると、摩擦によって加熱されて軟化する。このように上側の被接合材が軟化することで、ピンが徐々に挿入され、下側の被接合材まで達すると、この境界近傍がさらに加熱されて塑性流動を生じる。これにより、被接合材同士が接合される（例えば、特許文献１参照）。
米国特許第６０５１３２５号明細書

しかしながら、従来の技術では、被接合材の端縁部を接合する場合に、回転ツールから被接合材の端縁部の端面までの距離が短くなると、接合不具合が生じることがあった。具体的には、図５に示すように、回転ツール１００で被接合材１１０の端縁部１１１を接合する場合、被接合材１１０と被接合材１１０の接合中に発生する内部圧力により攪拌され軟らかくなった材料が端縁部１１１，１１１の間から外側へ押し出されてしまうことがあった。これにより、被接合材１１０，１１０の間に肉漏れ１１２（バリ）のような変形が生じたり、また、この変形に起因して上側の被接合材１１０の端縁部１１１が浮き上がって端縁部１１１，１１１の間に隙間１１３が形成されたりするなど、接合に欠陥が発生していた。したがって、被接合材１１０，１１０の端縁部１１１，１１１を品質良く接合することはできなかった。

そこで、本発明は、被接合材の端縁部を高品質に接合するための摩擦攪拌接合装置および摩擦攪拌接合方法を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、受け台上に重ね合わされた少なくとも２つの被接合材に対し、回転ツールを回転させながら押圧挿入し、前記回転ツールの回転により発生する摩擦熱によって前記被接合材における前記回転ツールの周辺を塑性流動させて、前記被接合材同士を接合する摩擦攪拌接合装置であって、重ね合わされた前記被接合材の各端面に跨って押し当てられる押当部材を備えることを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、重ね合わされた少なくとも２つの被接合材に対し、回転ツールを回転させながら押圧挿入する。そして、回転ツールの回転により発生する摩擦熱によって被接合材における回転ツールの周辺を塑性流動させて、被接合材同士を接合する。この際、被接合材の端縁部（端面に近い範囲）を接合する場合であっても、押当部材が、被接合材の各端面に跨って押し当てられていることで、被接合材の端縁部間からの肉漏れを防止することができる。これにより、被接合材の端縁部間における肉漏れによる変形等の欠陥を防止することができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の摩擦攪拌接合装置において、前記押当部材は、前記被接合材の各端面に跨って押し当てられる基部と、重ね合わされた前記被接合材をその重ね合わせ方向で押圧する押圧部と、を備えることを特徴とする。

請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明による作用に加え、被接合材を接合する際、被接合材をその重ね合わせ方向で、押圧部により押圧することで、被接合材同士を密着させるため、その間の隙間を小さくすることができる。

請求項３に記載の発明は、受け台上に重ね合わされた少なくとも２つの被接合材を接合する摩擦攪拌接合方法であって、重ね合わされた前記被接合材に対し回転ツールを回転させながら押圧挿入する挿入工程と、前記回転ツールの回転により発生する摩擦熱によって前記被接合材における前記回転ツールの周辺を塑性流動させて、前記被接合材同士を接合する接合工程と、を備え、少なくとも前記接合工程より前に、重ね合わされた前記被接合材の各端面に跨って押当部材を押し当てる押当工程を有することを特徴とする。

請求項３に記載の発明によれば、重ね合わされた少なくとも２つの被接合材に対し、回転ツールを回転させながら押圧挿入する。そして、回転ツールの回転により発生する摩擦熱によって被接合材における回転ツールの周辺を塑性流動させて、被接合材同士を接合する。この際、被接合材の端縁部を接合する場合であっても、押当部材が、被接合材の各端面に跨って押し当てられていることで、被接合材の端縁部間からの肉漏れを防止することができる。これにより、被接合材の端縁部間における肉漏れによる変形等の欠陥を防止することができる。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の摩擦攪拌接合方法において、前記押当工程では、重ね合わされた前記被接合材をその重ね合わせ方向で押圧する工程を有することを特徴とする。

請求項４に記載の発明によれば、請求項３に記載の発明による作用に加え、被接合材を接合する際、被接合材をその重ね合わせ方向で押圧することで、被接合材同士を密着させるため、その間の隙間を小さくすることができる。

本発明に係る摩擦攪拌接合装置および摩擦攪拌接合方法によれば、押当部材が被接合材の各端面に跨って押し当てられていることで、被接合材の各端縁部の間からの肉漏れを防止することができるため、被接合材の端縁部であっても、高品質に接合することができる。

次に、本発明を実施するための最良の形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。参照する図面において、図１は、本実施形態に係る摩擦攪拌接合装置とスライド装置の斜視図である。

図１に示すように、摩擦攪拌接合装置１は、門型のスライド装置Ｓとともに用いられる。このスライド装置Ｓは、前後方向にスライド移動可能に構成されており、後記する受け台５に対し、相対的にスライド移動可能に構成されている。

［摩擦攪拌接合装置］
図２は、本実施形態に係る摩擦攪拌接合装置の正面図であり、（ａ）は接合作業前の摩擦攪拌接合装置、（ｂ）は接合作業中の摩擦攪拌接合装置を示す。なお、本実施形態においては、回転ツールの先端が下向きである図２の状態を基準に上下方向を定めて、以下説明する。

図２（ａ）に示すように、摩擦攪拌接合装置１は、保持部２と、この保持部２に取り付けられる回転ツール３と、この回転ツール３を駆動する駆動部４と、被接合材７，７を載置する受け台５と、被接合材７，７に押し当てる押当部材６と、を備えている。

保持部２は、スライド装置Ｓ（図１参照）に取り付けられており、スライド装置Ｓを介して、スライド移動可能に構成されている。また、保持部２は、その下面側に回転ツール３と駆動部４が取り付けられている。

回転ツール３は、被接合材７，７を接合する工具であり、円柱状の胴部３１と、この胴部３１の先端に同軸上に突出したプローブ３２とから構成される。胴部３１は、後記する駆動部４と結合している。プローブ３２は、胴部３１よりも小径のピン状部材であり、その外周面にはネジが切られている。胴部３１とプローブ３２とは、被接合材７，７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質から形成される。

駆動部４は、保持部２の下面側に配置されており、回転ツール３を被接合材７，７に向けて進退移動させる加圧駆動部４１と、回転ツール３を回転させる回転駆動部４２とから構成される。

加圧駆動部４１は、保持部２の下面に固定されたマウントブラケットＢ１に取り付けられており、サーボモータ４１ａと、ボールネジ４１ｂと、スライドガイドレール４１ｃと、スライドテーブル４１ｄとを備えている。

サーボモータ４１ａは、駆動ベルトＶを介して、ボールネジ４１ｂに回転力を伝達するようになっている。ボールネジ４１ｂは、サーボモータ４１ａからの回転力を直動力に変換し、スライドテーブル４１ｄに伝達する機構である。スライドガイドレール４１ｃは、スライドテーブル４１ｄを案内するレールであり、マウントブラケットＢ１と支持部Ｂ２の間にボールネジ４１ｂと平行に取り付けられている。スライドテーブル４１ｄは、ボールネジ４１ｂに螺合する図示しないナットを介して支持されているとともに、ボールネジ４１ｂとスライドガイドレール４１ｃに跨って取り付けられている。このスライドテーブル４１ｄには、回転駆動部４２を介して、前記した回転ツール３が取り付けられている。

加圧駆動部４１では、サーボモータ４１ａを駆動することで、ボールネジ４１ｂが回転し、この回転力が直動力としてスライドテーブル４１ｄに伝達されて、スライドテーブル４１ｄがスライドガイドレール４１ｃに沿って一方向に移動するようになっている。また、ボールネジ４１ｂを逆回転させることで、スライドテーブル４１ｄは反対向きに移動するようになっている。これにより、回転ツール３を被接合材７，７に向けて進退移動させることができる。

回転駆動部４２は、サーボモータで構成され、スライドテーブル４１ｄに取り付けられている。回転駆動部４２であるサーボモータの回転軸は、回転ツール３に結合されており、回転駆動部４２を駆動することで、回転ツール３を回転させることができる。

受け台５は、門型のスライド装置Ｓ（図１参照）の内側に固定された略直方体状の台である。受け台５は、被接合材７，７を押圧する回転ツール３による荷重を支持するため、例えば、ハイス鋼等の高剛性の材質から形成されることが望ましい。

押当部材６は、矩形板状の基部６１と、この基部６１の端縁から屈曲するようにその長手方向に沿って形成される押圧部６２（図１参照）とから、断面略逆Ｌ字状に形成されている。押当部材６は、受け台５と同様に、例えば、ハイス鋼等の高剛性の材質から形成されることが望ましい。

［被接合材７，７］
次に、ワークである被接合材７，７について説明する。被接合材７，７は、例えば、それぞれアルミニウム合金からなる板材である。被接合材７，７は、各端面７１ａ，７１ａを面一に揃えるように端縁部７１，７１が重ね合わされた状態で、受け台５の上に載置される。また、このように重ね合わされた端縁部７１，７１は、その端面７１ａ，７１ａに跨って押当部材６の基部６１が押し当てられるとともに、端縁部７１の重ね合わせ方向で、押当部材６の押圧部６２により押圧される。

［摩擦攪拌接合装置の動作］
次に、摩擦攪拌接合装置１の動作について説明し、その摩擦攪拌接合方法について適宜図面を参照しながら説明する。参照する図面において、図３は、接合作業時における攪拌摩擦接合装置の要部拡大斜視図である。以下、端縁部７１，７１に沿って、被接合材７，７を接合する場合について説明する。

まず、図２（ａ）に示すように、受け台５の上に、被接合材７，７を重ね合わせた状態で載置して固定する。そして、押当部材６の基部６１を被接合材７，７の各端面７１ａ，７１ａに跨るように押し当てるとともに、押当部材６の押圧部６２を被接合材７，７の重ね合わせ方向で端縁部７１，７１に押圧するようにし（押当工程）、押当部材６を受け台５に固定する。

そして、回転駆動部４２を駆動して、回転ツール３を回転させながら、加圧駆動部４１を駆動する。これにより、回転ツール３は回転しながら下降し、プローブ３２で、被接合材７，７を押圧する。被接合材７，７は、図２（ｂ）に示すように、回転ツール３の回転により発生する摩擦熱で軟化し、回転ツール３のプローブ３２が、上側に配置された被接合材７の端縁部７１内に徐々に挿入され、下側の被接合材７の端縁部７１との当接部分近傍に到達する（挿入工程）。

そして、図３に示すように、回転ツール３のプローブ３２（図２参照）を、被接合材７の端縁部７１内に挿入した状態で、スライド装置Ｓ（図１参照）をスライド移動させ、回転ツール３を移動させる。このように、回転ツール３のプローブ３２が回転しながら移動することで、被接合材７，７の互いの当接部分近傍は摩擦熱によって塑性流動化し、端縁部７１，７１に沿って接合される（接合工程）。

以上によれば、本実施形態において以下の効果を得ることができる。
本実施形態によれば、被接合材７，７の端縁部７１，７１（特に、端面７１ａから、回転ツール３の胴部３１の半径＋押当部材６の押圧部６１の幅厚み分離間した部位）を接合する場合であっても、押当部材６の基部６１が、被接合材７，７の各端面７１ａ，７１ａに跨って押し当てられていることで、被接合材７，７の端縁部７１，７１間からの肉漏れを防止することができる。これにより、被接合材の端縁部７１，７１間における肉漏れによる変形等の欠陥を防止することができ、高品質に接合することができる。

本実施形態によれば、被接合材７，７を接合する際、押当部材６の押圧部６２が、被接合材７，７をその重ね合わせ方向で押圧することで、被接合材７，７の端縁部７１，７１同士を密着させる。これにより、その間の隙間を小さくすることができ、より一層高品質に接合することができる。

以上、本実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されることなく、種々の形態で実施することができる。

図４は、変形例に係る摩擦攪拌接合装置の要部拡大正面図である。
前記実施形態では、図２（ａ），（ｂ）に示すように、被接合材７，７の端面７１ａ，７１ａを面一に揃えた状態で、端縁部７１，７１同士を接合したが、図４に示すように、各端面７１ａ，７１ａの位置をずらした状態で、端縁部７１，７１を接合することもできる。この場合、押当部材６Ａの基部６３と押圧部６４は、端縁部７１，７１の端面７１ａ，７１ａの段差形状に合うような形状に形成される。これにより、接合作業中における端縁部７１，７１間からの肉漏れを防止することができるとともに、端縁部７１，７１間の隙間も小さくすることができ、高品質に接合することができる。

また、押当部材６の形状は特に限定されるものではなく、前記したように、端面７１ａ，７１ａの形状に対応させた形状に形成されるものであってもよいし、押圧部６２を省略するものであってもよい。

前記実施形態では、門型のスライド装置Ｓに摩擦攪拌接合装置１の保持部２を取り付ける構成としたが、本発明は限定されるものではなく、多関節ロボットのアームに取り付ける構成とすることもできる。

前記実施形態では、保持部２を介して回転ツール３側をスライド移動させる構成としたが、本発明は限定されるものではなく、受け台５側をスライド移動させる構成とすることもできる。

前記実施形態では、受け台５の上に被接合材７，７を載置した後、押当部材６で被接合材７，７を押圧するように構成したが、本発明は限定されるものではなく、予め受け台５に押当部材６を一体的に設けた構成とし、この押当部材６の押圧部６２と受け台５の間に被接合材７，７を押し込み、その状態で、被接合材７，７を受け台５に固定するようにしたものであってもよい。

前記実施形態では、２枚の被接合材７，７を接合する場合について説明したが、本発明は限定されるものではなく、３つ以上の被接合材を接合する場合にも、本実施形態に係る摩擦攪拌接合装置１または摩擦攪拌接合方法を適用することができる。

前記実施形態では、被接合材７，７を同一種類の材料でアルミニウム合金としたが、アルミニウム合金以外の同一材料や、互いに異種の材料を接合する場合にも、本実施形態に係る摩擦攪拌接合装置１を適用することができる。

本実施形態に係る摩擦攪拌接合装置とスライド装置の斜視図である。 本実施形態に係る摩擦攪拌接合装置の正面図であり、（ａ）は接合作業前の摩擦攪拌接合装置、（ｂ）は接合作業中の摩擦攪拌接合装置を示す。 接合作業時における摩擦攪拌接合装置の要部拡大斜視図である。 変形例に係る摩擦攪拌接合装置の要部拡大正面図である。 従来の接合作業時における摩擦攪拌接合装置の要部拡大斜視図である。

符号の説明

１ 摩擦攪拌接合装置
２ 保持部
３ 回転ツール
４ 駆動部
５ 台
６ 押当部材
６Ａ 押当部材
７ 被接合材
６１ 基部
６２ 押圧部
６３ 基部
６４ 押圧部
７１ 端縁部
７１ａ 端面
Ｓ スライド装置

Claims (4)

1. 受け台上に重ね合わされた少なくとも２つの被接合材に対し、回転ツールを回転させながら押圧挿入し、前記回転ツールの回転により発生する摩擦熱によって前記被接合材における前記回転ツールの周辺を塑性流動させて、前記被接合材同士を接合する摩擦攪拌接合装置であって、
   重ね合わされた前記被接合材の各端面に跨って押し当てられる押当部材を備えることを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
2. 前記押当部材は、前記被接合材の各端面に跨って押し当てられる基部と、重ね合わされた前記被接合材をその重ね合わせ方向で押圧する押圧部と、を備えることを特徴とする請求項１に記載の摩擦攪拌接合装置。
3. 受け台上に重ね合わされた少なくとも２つの被接合材を接合する摩擦攪拌接合方法であって、
   重ね合わされた前記被接合材に対し回転ツールを回転させながら押圧挿入する挿入工程と、
   前記回転ツールの回転により発生する摩擦熱によって前記被接合材における前記回転ツールの周辺を塑性流動させて、前記被接合材同士を接合する接合工程と、を備え、
   少なくとも前記接合工程より前に、重ね合わされた前記被接合材の各端面に跨って押当部材を押し当てる押当工程を有することを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
4. 前記押当工程では、重ね合わされた前記被接合材をその重ね合わせ方向で押圧する工程を有することを特徴とする請求項３に記載の摩擦攪拌接合方法。

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