JP2007289976A - 摩擦攪拌接合による接合部材の製造方法および摩擦攪拌接合部材 - Google Patents

Abstract

【課題】摩擦攪拌接合によって接合された接合部材の強度信頼性を、摩擦攪拌接合後に引き抜かれるピンによってできるピン抜け穴を改良することによって向上させる。
【解決手段】高速回転するピン２を被接合部材３ａ、３ｂに貫入させながら、ＦＳＷ始点１４ａから所定経路Ｒ１に沿って、ＦＳＷ終点１４ｂまで進ませて摩擦攪拌接合を行い、ＦＳＷ終点１４ｂにピン２が到達後、ピン２をそのまま所定経路Ｒ１に沿って、任意長さＦＳＷ始点１４ａ側に戻してから、ピン２を被接合部材３ａ、３ｂから引き抜き、接合部材４ａを製造する。
【選択図】図１

Description

本発明は、摩擦攪拌接合工程におけるピン抜き工程の改良を図り、接合強度信頼性を高めた摩擦攪拌接合による接合部材およびその製造方法に関する。

摩擦攪拌接合は、アルミニウム、アルミニウム合金やマグネシウム合金等の比較的低い温度で軟化する金属材料よりできている部材の接合に用いられる接合方法である。特に車両等のパネル部材やフレーム部材の接合に用いられ、これらの部材の軽量化に役立っている。摩擦攪拌接合で被接合部材が接合された場合、接合部分が接合時に被接合部材が溶融されていないため被接合部材に歪や変形が生じない。その結果、寸法精度が高く欠陥のない接合部分が形成される。

図５は、摩擦攪拌接合がなされている被接合部材の断面模式図である。また、図６は摩擦攪拌接合により被接合部材の接合がなされる工程の概略図である。
摩擦攪拌接合（Friction Stir Welding、以下「ＦＳＷ」という）は、図５に示すように先端に円柱形状の突起部分であるピン２を有するツール１を用いて行われる。ツール１とともに高速回転するピン２が、被接合部材３ａ、３ｂが合わさっている面に強く押し付けられて、ピン２が所定の深さｄまで被接合部材３ａ、３ｂ中に貫入されて、ＦＳＷがなされる。

このＦＳＷがなされているＦＳＷ影響部１０において、回転するピン２の近傍部分ではピン２の回転とその回転によって生じる摩擦熱によって、ピン２の近傍の被接合部材３ａ、３ｂは再結晶温度以上に加熱されて軟化するとともに塑性流動がおきている。その結果、ピン２の近傍に、被接合部材３ａ、３ｂが塑性流動により互いに混ぜ合わされた、いわゆる動的再結晶領域である攪拌部１１が形成される。この攪拌部１１が形成されることによって、被接合部材３ａ、３ｂが互いに接合される。この攪拌部１１では、被接合部材３ａ、３ｂの攪拌がおきるとともに、再結晶がおきているので加工歪が残留しない。

この攪拌部１１の外側の部分は、再結晶温度以上に加熱され、被接合部材３ａ、３ｂが塑性流動するほどではないが軟化する。そのため、この部分の被接合部材３ａ、３ｂは、その内側の攪拌部１１でおきている塑性流動の影響を受けて塑性変形され、塑性変形領域１２となる。この部分の被接合部材３ａ、３ｂも再結晶がおきているため、塑性変形を受けても歪が残留しない。

また、塑性変形領域１２の外側の部分は、熱影響部１３である。この部分は、再結晶温度以上に加熱され、塑性変形が生じるほど軟化してはいないが再結晶がおきている。

図６は、摩擦攪拌接合により被接合部材の接合がなされる工程の概略図である。従来、ＦＳＷの工程により被接合部材が接合される場合、図６に示すように、ＦＳＷが開始されるピン２の位置であるＦＳＷ始点１５ａで最初に、ツール１とともに高速回転するピン２が被接合部材３ａ、３ｂが合わさっている部分に押し付けられ、前記した所定深さｄ（図５参照）まで貫入される。次に、ピン２をそのまま被接合部材３ａ、３ｂに前記した所定深さｄまで貫入させた状態で高速回転させながら、ピン２をＦＳＷの接合部分の終端部分が形成されるときのピン２の位置であるＦＳＷ終点１５ｂに向かって、所定経路Ｒ１に沿って進ませる。ピン２はこの移動工程でピン２が通過する部分の被接合部材３ａ、３ｂを攪拌して接合する。高速回転するピン２は、ＦＳＷ終点１５ｂにおいて被接合部材３ａ、３ｂより上方に引き抜かれる。このようにして、高速回転するピン２が、通過した部分およびその近傍では被接合部材３ａ、３ｂが混ぜ合わさったＦＳＷ継手よりなる接合部１５が形成されて、接合部材４ｂができる。
特開２００５−８８０８０号公報

図７は、従来のＦＳＷの工程により接合された接合部材４ｂのＹ−Ｙ断面図である。前記したように、ＦＳＷにおいては被接合部材３ａ、３ｂの接合部１５内のＦＳＷ終点１５ｂで、ピン２が引き抜かれて、ＦＳＷが終了する。ところが、図７に示すように、ＦＳＷ終点１５ｂではピン２が引き抜かれた結果、ピン２の形状のピン抜け穴１７（図６参照）が形成される。このピン抜け穴１７は、被接合部材３ａ、３ｂの未接合部分１８に近いため、被接合部材３ａ、３ｂよりなる接合部材４ｂの接合強度信頼性が問題となる。

図７に示す未接合部分１８は、機械的切欠き（以下「切欠き」という）として作用する。そのため、接合部材４ｂに振動等が加わり、未接合部分１８の被接合部材３ａ、３ｂに切欠きである未接合部分１８を開く方向の力Ｆがかかった場合、被接合部材３ａ、３ｂが攪拌部１１となって接合されている接合部１５の切欠き底１８ａに近い部分は引っ張り応力を受けるが、特に切欠き底１８ａにその応力が集中する。応力集中率は、未接合部分１８の切欠き深さおよび切欠き底１８ａの径に依存するが、実際に切欠き底１８ａに生じる引っ張り応力は、公称応力に応力集中率を乗じたものになる。図７に示す構造の場合、公称応力はピン抜け穴１７と未接合部分１８の間の接合部１５の厚さである、切欠き底攪拌部厚さＴ２に依存する。すなわち、切欠き底攪拌部厚さＴ２が小さい場合、公称応力が大きくなる。図７に示す従来のＦＳＷの接合部分の構造では、切欠き底攪拌部厚さＴ２が比較的小さいので、前記した応力集中の効果によって切欠き底１８ａに生じる引っ張り応力が大きくなる。

したがって、振動等の影響で未接合部分１８の両側の被接合部材３ａ、３ｂが、開く方向の力Ｆを繰り返し受けた場合に接合部材４ｂのＦＳＷの部分の疲労強度が不十分で、切欠き底１８ａに亀裂が発生しさらにその亀裂が拡大するおそれがある。特に車両等のパネル部材を接合する場合には、部材形状が複雑なため接合部分を数十個所設けることが普通である。その際、個々のＦＳＷにより接合された部分がすべてこのような応力集中がおきる肉厚の薄い部分を有しているとすれば、ＦＳＷにより接合された接合部材の接合強度信頼性が不十分となるおそれがある。

そこで、従来、ＦＳＷを行う場合、製品外に余白部を設けそこにピン抜け穴１７を形成し、ＦＳＷ実施後にピン抜け穴１７を含む部分を切除する方法やＦＳＷ実施後にピン抜け穴１７の個所を溶接により肉を盛って埋める方法により、接合部１５の強度信頼性を確保していた。したがって、従来、ＦＳＷによる接合部の強度信頼性を確保するためには、ＦＳＷ実施後に別工程を必要としていた。そのため、ＦＳＷの工程が溶接等の接合方法に比べて、煩雑になっていたという課題があった。

本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、接合後の強度信頼性の高いＦＳＷによる接合部材の製造方法および摩擦攪拌接合部材を提供することを目的とする。

前記した課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、被接合部材同士が合わさった所定部分を連続的に接合する摩擦攪拌接合による接合部材の製造方法において、摩擦攪拌接合始点に貫入されたピンを所定経路に沿って摩擦攪拌接合終点まで動かして前記所定部分の摩擦攪拌接合を行い、さらに前記貫入されたピンを前記摩擦攪拌接合終点から前記所定経路に沿って前記摩擦攪拌接合始点に向かって任意距離戻した後、前記所定部分から前記貫入されたピンを引き抜くことを特徴とする

前記した課題を解決するために、請求項２に記載の発明は、被接合部材同士が合わさった所定部分で摩擦攪拌接合始点に貫入されたピンを所定経路に沿って摩擦攪拌接合終点まで動かして、前記所定部分を連続的に摩擦攪拌接合により接合した接合部材において、
前記所定経路上であって前記摩擦攪拌接合終点よりも前記摩擦攪拌接合始点側にピン抜け穴が形成されていることを特徴とする。

請求項１および２に記載の発明によれば、ＦＳＷによって接合された接合部材において、前記した未接合部分の切欠き底の応力が緩和されてＦＳＷによって接合された接合部材の疲労破壊に対する強度信頼性を向上させるとともに、被接合部材間のせん断強度を向上させることができる。

本発明によれば、ＦＳＷ工程後の後工程を必要とすることなく、従来よりも接合強度信頼性の高いＦＳＷによる接合部分を有する接合部材を提供することが可能になる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図１乃至図３を参照して詳細に説明する。図１は本実施形態の摩擦攪拌接合による接合部材の製造方法を示す概略図である。図２は本実施形態の摩擦攪拌接合によって製造された接合部材の接合部の平面図である。図３は、本実施形態の摩擦攪拌接合によって製造された接合部材の接合部の断面図である。

本実施形態のＦＳＷにより接合された接合部材の製造方法の詳細について図１を参照して説明する。本実施形態のＦＳＷの工程では、アルミニウムあるいはアルミニウム合金等でできている被接合部材３ａ、３ｂを、先端に円柱形状の突起部分であるピン２を有するツール１を用いてＦＳＷにより接合する。ピン２およびツール１は被接合部材３ａ、３ｂよりも、再結晶温度が高く硬い工具鋼等でできている。

本実施形態のＦＳＷによる接合部材の製造方法では、まず、被接合部材３ａ、３ｂを上下に合わせる。被接合部材３ａ、３ｂが合わさっている面上で、ツール１とともに高速回転するピン２をＦＳＷによる接合が開始されるピン２の位置であるＦＳＷ始点１４ａに強く押し付ける。これによって、高速回転するピン２がＦＳＷ始点１４ａの被接合部材３ａ、３ｂ中に前記した所定の深さｄまで貫入されるようにする（図５参照）。ＦＳＷ始点１４ａの被接合部材３ａ、３ｂ中において、高速回転するピン２の周囲には攪拌部１１（図５参照）が形成される。

ＦＳＷ始点１４ａの被接合部材３ａ、３ｂ中に貫入されたピン２を、前記した所定深さｄまで貫入させ高速回転させた状態で、所定の速度でＦＳＷによる接合部の終端部分が形成されるときのピン２の位置であるＦＳＷ終点１４ｂに向かって、所定経路Ｒ１に沿って移動させる。ピン２が通過した部分およびその近傍には、高速回転するピン２の周囲の被接合部材３ａ、３ｂの塑性流動によって、被接合部材３ａ、３ｂが互いに混ざり合ったＦＳＷ継手が形成され、その結果、被接合部材３ａ、３ｂが接合された接合部１４ができる。

ＦＳＷ終点１４ｂまで移動したピン２は、そのまま被接合部材３ａ、３ｂ中に前記した所定深さｄまで貫入され高速回転した状態で、既に形成された接合部１４内を所定経路Ｒ１に沿ってＦＳＷ始点１４ａに向かって移動する。すなわち、ピン２は、ＦＳＷ始点１４ａに向かって、所定経路Ｒ１に沿って戻ることになる。ピン２はＦＳＷ始点１４ａに向かって戻る途中の所定経路Ｒ１の所定位置で移動を止められ、その位置でピン２は被接合部材３ａ、３ｂより上方に引き抜かれる。以上のＦＳＷの工程によって、最終的な接合部１４が形成され、接合部材４ａができる。ピン２が被接合部材３ａ、３ｂより上方に引き抜かれる位置は、ＦＳＷ終点１４ｂからＦＳＷ始点１４ａに向かって戻る接合部１４上の任意の位置でよい。

次に本実施形態のＦＳＷによって接合された接合部材４ａについて説明する。図２に示すように、本実施形態のＦＳＷによって形成された接合部１４では、ピン抜け穴１７が、ＦＳＷ終点１４ｂのピン位置よりもＦＳＷ始点１４ａ側に形成されている。これは、前記したようにツール１がＦＳＷ終点１４ｂまでＦＳＷを実施しながら進行した後に、ＦＳＷ始点１４ａ側に所定の戻り量ａだけ接合部１４に沿って戻ったためである。本実施形態のＦＳＷにおいて、戻り量ａは０でなければよい。ただし、強度信頼性を上げるために戻り量ａは、ピン径ｄ１以上であることが望ましい。同様の理由で、ツール１がＦＳＷによって通過する部分の長さである、ツール通過部長さｂはツール径ｄ２の２倍以上であることが望ましい。

以下、本実施形態のＦＳＷによる接合部材の製造方法の効果について説明する。図３に示すように、本実施形態のＦＳＷによる接合部材の製造方法によって接合された接合部材４ａにおいては、ＦＳＷ終点１４ｂまで移動したピン２がＦＳＷ始点１４ａ（図１参照）に向かって接合部１４に沿って戻ったため、図３に示すようにピン抜け穴１７が未接合部分１８から比較的離れた位置に形成されている。

従来のＦＳＷの工程によって製造された接合部材４ｂ（図６および図７参照）の場合、ピン抜け穴１７は接合部１５のＦＳＷ終点１５ｂに形成されていたため、切欠き底攪拌部厚さＴ２は比較的小さかった。図３からわかるように、本実施形態のＦＳＷにより製造された接合部材４ａの場合の切欠き底攪拌部厚さＴ１はＴ２よりも大きい。

本実施形態のＦＳＷで接合された接合部材４ａにおいても、未接合部分１８は切欠きとして作用する。接合部材４ａに振動等が加わり、未接合部分１８の被接合部材３ａ、３ｂに切欠きである未接合部分１８を開く方向の力Ｆがかかった場合、被接合部材３ａ、３ｂが攪拌部１１となって接合されている接合部１４の切欠き底１８ａに近い部分は引っ張り応力を受けるが、特に切欠き底１８ａにその応力が集中する。しかし、この場合切欠き底攪拌部厚さＴ１が従来のＦＳＷの工程で形成される切欠き底攪拌部厚さＴ２に比べて大きいので、応力集中の効果が同じであっても、切欠き底１８ａに生じる引っ張り応力は比較的小さく抑えられる。したがって、本実施形態のＦＳＷの工程において戻り量ａを十分大きくすれば、振動等によって接合部材４ａの未接合部分１８の被接合部材３ａ、３ｂに、切欠きである未接合部分１８を開く方向の力Ｆが繰り返しかかった場合でも、強度信頼性を確保することができる。

本実施形態のＦＳＷの接合部材４ａの製造方法の被接合部材間のせん断強度に対する効果を説明する。ＦＳＷによって接合された接合部材のせん断強度を次のようにして調べた。アルミニウム合金製の厚さ３ｍｍの被接合部材３ａを厚さ８ｍｍのアルミニウム合金製の被接合部材３ｂに合わせたものに、図１に示す本実施形態のＦＳＷの工程と図６に示す前記した従来のＦＳＷの工程を実施し、それぞれの接合部のせん断強度を測定した。試験条件および結果を表１に示す。

表１で実施例は、図１に示す本実施形態のＦＳＷによる接合部材の製造方法の実施例である。比較例は、図６に示す前記した従来のＦＳＷの例である。したがって、戻り量は０ｍｍである。実施例と比較例のＦＳＷでは、同一のピン２を有するツール１を用い、ピン２の回転速度および接合線１４上でのピン２の進行速度も同一であった。表１からわかるように、せん断強度は実施例のＦＳＷの方が比較例のＦＳＷに比べて、約２０％高い。この効果は、実施例と比較例の相違点である、実施例においてピン２をＦＳＷ終点１４ｂから、ＦＳＷ始点１４ａ側に戻した作用によるものである。

図１に示す本実施形態のＦＳＷの工程では、ＦＳＷ終点１４ｂからＦＳＷ始点１４ａにピン２が戻る工程において、ピン２が通過する部分の近傍のせん断強度が向上したものと考えられる。図６に示す従来のＦＳＷの工程では、ＦＳＷ終点１５ｂにピン２が到達後すぐピン２を引き抜くとＦＳＷ終点１５ｂでは、被接合部材３ａ、３ｂの攪拌が不十分になる。しかし、図１に示す本実施形態のＦＳＷの工程の場合、ピン２がＦＳＷ終点１４ｂに到達後、ＦＳＷ始点１４ａ側に戻るためＦＳＷ終点１４ｂにおいても十分に、被接合部材３ａ、３ｂの攪拌が行われる。その結果、接合部１４における被接合部材間のせん断強度が向上したのである。

前記した戻り量ａがピン径ｄ１以上の場合には、ＦＳＷ終点１４ｂにおいてピン２による攪拌が十分に行われるので、被接合部材３ａ、３ｂ間のせん断強度は高い。また、ツール通過部長さｂがツール径ｄ２の２倍未満の場合には、全体的にせん断強度は低い。そのため、本実施形態のＦＳＷでは、戻り量ａをピン径ｄ１以上にし、かつ、ツール通過部長さｂをツール径ｄ２の２倍以上にするのが望ましい。

図１に示す本実施形態のＦＳＷの工程においては、図６に示す従来のＦＳＷの工程に比べて、ピン２がＦＳＷ終点１４ｂに到達後、ＦＳＷ始点１４ａ側に戻る工程が付加されている。この付加されたＦＳＷの工程によって、接合部１４における被接合部材３ａ、３ｂ間の接合強度は低下することなく、向上している。

以上から、本実施形態のＦＳＷによる接合部材の製造方法を用いて、被接合部材３ａ、３ｂを接合すれば、接合部１４の強度信頼性を高めることが可能である。本実施形態のＦＳＷの工程では、戻り量ａは０でなければ、被接合部材３ａ、３ｂ間のせん断強度を上げることが可能であり、かつ、被接合部材のＦＳＷによる接合部の疲労強度を向上させることができる。戻り量ａを十分大きくすれば、本実施形態のＦＳＷを実行後に後工程をする必要ない程度に、被接合部材の接合部の疲労強度を向上させることができる。

本実施形態のＦＳＷによる接合部材の製造方法は、ＦＳＷが実施可能なすべての被接合部材に適用できるものである。また、ＦＳＷ始点１４ａからＦＳＷ終点１４ｂまでの所定経路Ｒ１は直線経路に限られるものではない。図４に示すような曲線である所定経路Ｒ２も可能であり、その場合結果として、形成される接合部１６は曲線経路となる。さらに、ＦＳＷが実施可能である限り、本実施形態のＦＳＷによる接合部材の製造方法に関して、ツール１あるいはピン２の形状に制限はない。

本実施形態の摩擦攪拌接合による接合部材の製造方法を示す概略図である。 本実施形態の摩擦攪拌接合によって製造された接合部材の接合部の平面図である。 本実施形態の摩擦攪拌接合によって製造された接合部材の接合部の断面図である。 本実施形態の摩擦攪拌接合による接合部材の製造方法を示す概略図である。 摩擦攪拌接合がなされている被接合部材の断面模式図である。 摩擦攪拌接合により被接合部材の接合がなされる工程の概略図である。 従来の摩擦攪拌接合工程により接合された被接合部材の断面図である。

符号の説明

ａ 戻り量
ｂ ツール通過部長さ
Ｒ１，Ｒ２ 所定経路
Ｔ１，Ｔ２ 切欠き底攪拌部厚さ
１ ツール
２ ピン
３ａ，３ｂ 被接合部材
４ａ，４ｂ 接合部材
１０ ＦＳＷ影響部
１１ 攪拌部（動的再結晶領域）
１２ 塑性変形領域
１３ 熱影響部
１４，１５ 接合部
１４ａ，１５ａ ＦＳＷ始点
１４ｂ，１５ｂ ＦＳＷ終点
１７ ピン抜け穴
１８ 未接合部分（切欠き）
１８ａ 切欠き底

Claims (2)

1. 被接合部材同士が合わさった所定部分を連続的に接合する摩擦攪拌接合による接合部材の製造方法において、
   摩擦攪拌接合始点に貫入されたピンを所定経路に沿って摩擦攪拌接合終点まで動かして前記所定部分の摩擦攪拌接合を行い、
   さらに前記貫入されたピンを前記摩擦攪拌接合終点から前記所定経路に沿って前記摩擦攪拌接合始点に向かって任意距離戻した後、
   前記所定部分から前記貫入されたピンを引き抜くこと、
   を特徴とする摩擦攪拌接合による接合部材の製造方法。
2. 被接合部材同士が合わさった所定部分で摩擦攪拌接合始点に貫入されたピンを所定経路に沿って摩擦攪拌接合終点まで動かして、前記所定部分を連続的に摩擦攪拌接合により接合した接合部材において、
   前記所定経路上であって前記摩擦攪拌接合終点よりも前記摩擦攪拌接合始点側にピン抜け穴が形成されていること、
   を特徴とする摩擦攪拌接合により接合された接合部材。

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