JP2007275396A - アルミニウム合金製バットおよび該アルミニウム合金製バットのグリップエンド接合方法 - Google Patents

Abstract

【目的】バット本体とグリップエンドとの接合部における耐衝撃性に優れたアルミニウム合金製バットおよび該バットのグリップエンド接合方法を提供する。
【構成】バット本体とグリップエンドとを接合してなるアルミニウム合金製バットにおいて、バット本体とグリップエンドとを摩擦攪拌接合により接合する。
【選択図】図１

Description

本発明は、アルミニウム合金製バットおよび該アルミニウム合金製バットのグリップエンド接合方法に関する。

従来、６０００系アルミニウム合金からなるバットにおいては、パイプ状のバット本体とグリップエンドとの接合はＭＩＧ溶接またはＴＩＧ溶接により行われていたが、アルミニウム合金製バットの材料として、高強度の７０００系合金が用いられるようになると、高温割れ感受性が高いため、従来のＭＩＧ溶接やＴＩＧ溶接では溶接部に割れが生じることが少なくなく、またアーク溶接特有のブローホールや融合不良、アンダーフィルやアンダーカットなどの欠陥が生じ易く、継手の強度を低下させていた。

アルミニウムのパイプ同士を接合する手法として、摩擦圧接法があるが、摩擦圧接は一方の部材を回転させるために、他方の部材を固定しなければならず、パイプの形状が限定され、異形断面のものは困難であり、バット本体とグリップエンドとの接合には適用し難い。また、摩擦圧接法は、突合せ部を溶融させて、溶融部に圧力をかけてバリとして排出させるため、長さの精度が出し難いという難点もある。

一方の部材を回転させることなくパイプ同士を接合し得る方法として、摩擦撹拌接合法（ＦＳＷ）があり、注目され、パイプ状の第一部材に段加工して、パイプ状の第二部材を突き合わせ嵌合し、突き合わせ部に回転工具を差し込んで突き合わせ部に沿って円周方向に移動させ、パイプ同士を摩擦攪拌接合する方法も提案されている（特許文献１参照）。
特開２００３−２３６６８２号公報

ＦＳＷの原理は、回転工具を材料の突合せ部に挿入し、回転させることにより、摩擦熱を発生させ、材料を塑性流動させて接合するものであり、発明者らは、アルミニウム合金製バットのパイプ状のバット本体とグリップエンドとをＦＳＷにより接合することを目的として、接合条件と接合部の耐衝撃特性との関係について種々の試験、検討を行った。

本発明は、上記の試験、検討の結果としてなされたものであり、その目的は、バット本体とグリップエンドとの接合部における耐衝撃性に優れたアルミニウム合金製バットおよび該バットのグリップエンド接合方法を提供することにある。

上記目的を達成するための請求項１によるアルミニウム合金製バットは、バット本体とグリップエンドとを接合してなるアルミニウム合金製バットにおいて、バット本体とグリップエンドとを摩擦攪拌接合により接合することにより構成されることを特徴とする。

請求項２によるアルミニウム合金製バットのグリップエンド接合方法は、アルミニウム合金製バットのバット本体とグリップエンドとを接合する方法において、バット本体にグリップエンドを挿入し、両者の接合個所のグリップエンド面に回転工具を差し込んで、摩擦攪拌接合することを特徴とする。

請求項３によるアルミニウム合金製バットのグリップエンド接合方法は、請求項２において、前記接合個所のグリップエンド面が、バット本体に対して斜面に形成されていることを特徴とする。

請求項４による前アルミニウム合金製バットのグリップエンド接合方法は、請求項３において、前記斜面がバット本体に対して３０〜７５°の角度に形成されていることを特徴とする。

請求項５によるアルミニウム合金製バットのグリップエンド接合方法は、請求項２〜４のいずれかにおいて、前記回転工具として、円柱体の下端面から圧入ピンを出入り自在とした複動式回転工具を使用し、該複動式回転工具の圧入ピンを前記接合個所のグリップエンド面に差し込んで摩擦攪拌接合した後、圧入ピンを後退させながら摩擦攪拌接合し、摩擦攪拌接合の終了部を複動式回転工具の円柱体の下端面で押圧することを特徴とする。

請求項６によるアルミニウム合金製バットのグリップエンド接合方法は、請求項５において、前記複動式回転工具の円柱体の下端面の端縁部を半径１０ｍｍ以上の円弧状または長さ５ｍｍ以上の斜面状に形成したことを特徴とする。

請求項７によるアルミニウム合金製バットのグリップエンド接合方法は、請求項２において、前記バット本体が７０００系合金で構成され、溶体化処理後、硬化熱処理前にグリップエンドと摩擦攪拌接合することを特徴とする。

本発明によれば、バット本体とグリップエンドとの接合部において、優れた耐衝撃性をそなえたアルミニウム合金製バットおよび該バットのグリップエンド接合方法が提供される。

また、本発明によるアルミニウム合金製バットは、従来のアーク溶接により接合されたものに比べて、接合部の外観が安定し、接合部に規則的な鱗状のビードが形成されて意匠性に優れたものとなる。アーク溶接特有のブローホール、融合不良、高温割れがなく、向上した品質の接合部が得られる。

本発明において、パイプ状のバット本体はアルミニウム合金、好ましくはＡＡ７０５０、ＡＡ７０５５、ＡＡ７１５０、ＡＡ７１７５などの７０００系アルミニウム合金の展伸材（押出材、押出−抽伸材）からなり、グリップエンドは、アルミニウム合金、例えばＡＡ５０５２などの５０００系、ＡＡ６０６１などの６０００系のアルミニウム合金の展伸材（鍛造材、押出材、板材）、ＡＣ１ＡなどのＡｌ−Ｃｕ系、ＡＣ７ＡなどのＡｌ−Ｍｇ系の鋳物材からの切削加工、絞り出し加工、あるいは鍛造加工 などにより作製し、グリップエンドにパイプ状のバット本体を挿入して、両者を摩擦攪拌接合により接合する。

接合方法は、例えば、図１、図２に示すように、アルミニウム製バット１のバット本体２にグリップエンド３を挿入し、正確にはバット本体２のグリップ部にグリップエンド３を挿入し、両者の接合個所のグリップエンド面４に回転工具５の圧入ピン７を差し込んで摩擦攪拌接合する。この場合、回転工具の差し込み角度、すなわち、回転工具５の中心軸Ｘ−Ｘとグリップエンド面４との角度βを略直角の（９０±２０）°の範囲とするのが好ましく、この角度範囲で回転工具５を差し込むことにより摩擦攪拌接合を円滑且つ十分に行うことができる。

グリップエンド３としては、図３〜７に示すような、アルミニウム合金の鋳物または展伸材から成形したものを用い、回転工具を、バット本体２との接合個所のグリップエンド面４に、好ましくは、その中心軸Ｘ−Ｘとグリップエンド面４との角度βを（９０±２０）°として差し込んで、摩擦攪拌接合を行うこともできる。

図1、図２に示すように、接合個所のグリップエンド面４は、バット本体２に対してαの角度を有する斜面に形成されていることが強固な接合を得る上で好ましく、より好ましくは、斜面の角度αをバット本体２に対して３０〜７５°の角度に形成する。図１のグリップエンド３はアルミニウム合金鋳物を削り出して作製したもの、図２のグリップエンド３はアルミニウム合金板を成形、切削して作製したものであり、いずれも斜面に形成されたグリップエンド面４がバット本体２の周りに円周状に存在する。

摩擦攪拌接合の終了部では回転工具５の圧入ピン７を引抜くことが必要であるが、回転工具５の圧入ピン７は接合深さに対して若干短い形状であり、摩擦攪拌接合の終了部（回転工具の引抜部）には、回転工具５の圧入ピン７の形状が穴として残る。これが接合部強度を低下させるという問題がある。

この問題を解消するために、本発明においては、回転工具５として、円柱体６の下端面から圧入ピン７を出入り自在とした複動式回転工具を使用し、この複動式回転工具の圧入ピン７を前記接合個所のグリップエンド面４に差し込んで、例えば図１０に示すように、バット本体２の周りのグリップエンド面４をバット本体２の周りを１周（長さＬ（１周目））するように摩擦攪拌接合した後、圧入ピンを後退させながらさらに１周（長さＬ（２周目））するように摩擦攪拌接合を行い、摩擦攪拌接合の終了部を複動式回転工具の円柱体６の下端面で押圧する。このような２層接合を行うことにより摩擦攪拌接合の終了部の穴を無くすことができ、この部分における接合強度の低下を防止することができる。なお、図１０において、Ｓ１、Ｓ２は、それぞれ１周目、２周目の攪拌部（攪拌深さ）を示すものである。

前記複動式回転工具においては、接合部にアンダーカットが生じないようにするために、図８に示すように、円柱体６の下端面の端縁部を半径Ｒが１０ｍｍ以上の円弧状に形成するのが望ましく、または図９に示すように、円柱体６の下端面の端縁部を長さＬが５ｍｍ以上の斜面状に形成するのが望ましい。

バット本体２を７０００系合金で構成する場合には、溶体化処理後、人工時効処理（焼戻し処理）前にグリップエンドと摩擦攪拌接合するのが好ましい。具体的には、溶体化処理後、グリップエンドを取り付けて直ちに摩擦攪拌接合し、その後自然時効または人工時効処理（焼戻し処理）することにより安定した品質のものを得ることができる。

なお、本発明による接合方法に用いられるバット本体のグリップ部とグリップエンドの寸法としては、種々の寸法のものが適用可能であるが、グリップ部は直径２０〜３０ｍｍ、厚さ１．５〜４．０ｍｍ，グリップエンドは接合個所の肉厚１．０〜３．０ｍｍで、グリップ部をグリップエンドに挿入した場合におけるグリップ部とのクリアランスが０〜＋０．５ｍｍ（片側）の範囲とすることにより良好な接合を得ることができる。

以下、本発明の実施例を比較例と対比して説明し、その効果を実証する。これらの実施例は本発明の一実施態様を示すものであり本発明はこれらに限定されるものではない。

実施例、比較例
バット本体のグリップ部として、７０００系アルミニウム合金の熱間押出管（寸法：外径３０ｍｍ×厚さ４ｍｍ）を準備し、グリップエンドとして、ＡＡ５０５２、ＡＡ６０６１の板材（調質：Ｏ材）を図２に示す形状に絞り加工したもの、アルミニウム合金鋳物ＡＣ１Ａ、ＡＣ７Ａを図１に示す形状に削りだしたものを準備した。

上記のバット本体のグリップ部とグリップエンドを表１に示すように組み合わせ、図１、図２に示すように、グリップエンドの接合個所のグリップエンド面に回転工具を差し込んで摩擦攪拌接合（ＦＳＷ）し、またはＴＩＧ溶接した。ＦＳＷおよびＴＩＧの条件は以下のとおりである。

摩擦攪拌接合（ＦＳＷ）条件：直径５ｍｍの円柱体、直径３ｍｍ、長さ２ｍｍの圧入ピンを有する回転工具を用い、この回転工具をグリップエンドの接合個所のグリップエンド面に差し込んで、回転数１０００ｒｐｍ、接合速度１２０ｍｍ／分、前進角３°、傾斜角（β）９０°として、バット本体２（のグリップ部）の周りのグリップエンド面４をバット本体２（のグリップ部）の周りを１周するように摩擦攪拌接合した。摩擦攪拌接合の終了部においては、圧入ピンを引き抜き、回転工具の円柱体の下端面で終了部を押圧して、圧入ピンを引き抜き時に生じる穴を無くした。

ＴＩＧ溶接条件：溶加棒としてＡＡ５３５６棒（直径１．６ｍｍ）を使用し、溶接電流４０〜５０Ａ、溶接電圧１５〜３０Ｖ、シールドガス５〜１０Ｌ／分、接合速度１６５ｍｍ／分で、バット本体２（のグリップ部）の周りのグリップエンド面４をバット本体２の周りを１周するようにＴＩＧ溶接した。

上記のように接合したバット本体とグリップエンドの接合体を、バット本体が溶体化処理前のものについては溶体化処理および焼戻し処理（溶体化処理：４８０℃×１ｈ、焼戻し処理：１２０℃×４ｈ）、バット本体が溶体化処理後のものについては焼戻し処理（焼戻し処理：１２０℃×４ｈ）を行い、さらにアルマイト処理、塗装処理を行って試験材とした。

ついで、試験材について、以下の方法に従ってバット本体のグリップ部とグリップエンドの接合部について衝撃試験を行い、耐衝撃性を評価した。結果を表1に示す。
衝撃試験：図１１に示すように、接合体８の中心軸Ｚ−Ｚが地面と６０°の傾きとなるように固定する。この時、ＦＳＷの接合開始点、接合終了点、およびＴＩＧ溶接の開始点、終了点（クレーター部）が上面となるように固定する。重量が３０ｋｇの鉄製の錘Ｗを４０ｃｍの高さから固定した接合体８の接合または溶接の開始点、終了点に落下させて、亀裂発生を目視で観察する。各試験材につき５０個づつの接合体について衝撃試験を行い、５０個の全てについて亀裂長さが１ｍｍ以下（目視で判定可能なレベル）の場合を合格（○）、５０個のうち1個でも亀裂長さが１ｍｍを越えた場合は不合格（×）とした。

表１にみられるように、本発明に従いＦＳＷにより接合された試験材１〜１０はいずれも、目視観察では亀裂の発生が認められず、良好な接合が得られていた。これに対して、ＴＩＧ溶接により接合された試験材１１〜１６には５０個のうち１〜３個に１ｍｍを越える亀裂が生じていた。

バット本体（のグリップ部）とグリップエンドをＦＳＷ接合する形態を示す一部断面図である。 バット本体（のグリップ部）とグリップエンドをＦＳＷ接合する形態を示す一部断面図である。 バット本体（のグリップ部）とグリップエンドをＦＳＷ接合する形態を示す一部断面図である。 バット本体（のグリップ部）とグリップエンドをＦＳＷ接合する形態を示す一部断面図である。 バット本体（のグリップ部）とグリップエンドをＦＳＷ接合する形態を示す一部断面図である。 バット本体（のグリップ部）とグリップエンドをＦＳＷ接合する形態を示す一部断面図である。 バット本体（のグリップ部）とグリップエンドをＦＳＷ接合する形態を示す一部断面図である。 ＦＳＷ接合用の回転工具の一部側面図である。 ＦＳＷ接合用の回転工具の一部側面図である。 バット本体（のグリップ部）とグリップエンドをＦＳＷ接合する場合の回転工具と摩擦攪拌部を示す１実施例である。 バット本体（のグリップ部）とグリップエンドの接合部の衝撃試験方法を示す図である。

符号の説明

１ アルミニウム合金製バット
２ バット本体
３ グリップエンド
４ グリップエンド面
５ 回転工具
６ 円柱体
７ 圧入ピン
８ 接合体

Claims (7)

1. バット本体とグリップエンドとを接合してなるアルミニウム合金製バットにおいて、バット本体とグリップエンドとを摩擦攪拌接合により接合することにより構成されることを特徴とするアルミニウム合金製バット。
2. アルミニウム合金製バットのバット本体とグリップエンドとを接合する方法において、バット本体にグリップエンドを挿入し、両者の接合個所のグリップエンド面に回転工具を差し込んで、摩擦攪拌接合することを特徴とするアルミニウム合金製バットのグリップエンド接合方法。
3. 前記接合個所のグリップエンド面が、バット本体に対して斜面に形成されていることを特徴とする請求項２記載のアルミニウム合金製バットのグリップエンド接合方法。
4. 前記斜面がバット本体に対して３０〜７５°の角度に形成されていることを特徴とする請求項３記載のアルミニウム合金製バットのグリップエンド接合方法。
5. 前記回転工具として、円柱体の下端面から圧入ピンを出入り自在とした複動式回転工具を使用し、該複動式回転工具の圧入ピンを前記接合個所のグリップエンド面に差し込んで摩擦攪拌接合した後、圧入ピンを後退させながら摩擦攪拌接合し、摩擦攪拌接合の終了部を複動式回転工具の円柱体の下端面で押圧することを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載のアルミニウム合金製バットのグリップエンド接合方法。
6. 前記複動式回転工具の円柱体の下端面の端縁部を半径１０ｍｍ以上の円弧状または長さ５ｍｍ以上の斜面状に形成したことを特徴とする請求項５記載のアルミニウム合金製バットのグリップエンド接合方法。
7. 前記バット本体が７０００系合金で構成され、溶体化処理後、焼戻し処理前にグリップエンドと摩擦攪拌接合することを特徴とする請求項２記載のアルミニウム合金製バットのグリップエンド接合方法。

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