JP2008110371A

JP2008110371A - 摩擦攪拌接合方法及び装置

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Publication number: JP2008110371A
Application number: JP2006294333A
Authority: JP
Inventors: Tadashi Ishikawa; 忠石川; Hatsuhiko Oikawa; 初彦及川; Hiroshige Inoue; 裕滋井上; Tadashi Kasuya; 正糟谷
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2006-10-30
Filing date: 2006-10-30
Publication date: 2008-05-15

Abstract

【課題】簡単な手段で被接合材料の塑性流動を容易化及び促進化して、回転ツールに対する負荷を低減できることにより、鉄鋼材料などの融点の高い材料の接合であっても、長い距離を連続して溶接することが可能な摩擦撹拌接合方法及び装置を提供する。
【解決手段】加工物の一方の側に配置した回転ツールを加工物の接合箇所に押し当て、かつ、回転させることにより、回転ツールと加工物との間に発生する摩擦熱に基づく塑性流動によって加工物を接合する摩擦撹拌接合方法において、加工物の他方の側に超音波打撃子を配置し、超音波打撃子による超音波打撃を加工物の接合領域に付加するようにする。
【選択図】図３

Description

本発明は、鉄鋼材料などの融点の高い材料の接合が可能な摩擦撹拌接合方法及び装置に関する。

近年、新しい固相接合方法として特許文献１に示す摩擦撹拌接合が発明され、アルミニウム合金パネルの接合などで利用が進んでいる。この摩擦撹拌接合は、図１に示すように、先端に突起物（プローブ）２を有し加工物３よりも実質的に硬い材質からなる回転ツール１を用い、その回転ツール１を回転させながら先端のプローブ２を、接合箇所である加工物３の突き合わせ部４に押し込み、回転ツールのショルダー部５と加工物の間に発生する摩擦熱によって軟化した材料を攪拌（塑性流動化）させて接合する技術であり、アーク溶接などの溶融溶接とは異なり固相拡散を利用した接合法なので、接合後の接合部６の金属組織は微細な組織となり機械的性質に優れるなどの利点がある。

しかし、この摩擦撹拌接合の適用は、アルミニウム合金などの比較的融点が低い金属材料が主流であり、鉄鋼材料やＮｉ基合金などの融点が高く、高強度の金属材料に対する適用は進んでいない。

鉄鋼材料などに対する摩擦攪拌接合は、十分に高温に耐えられるツールを使用し、大きな圧力に耐えられる剛性を持った装置を用いることにより原理的には可能である。しかし、鉄鋼材料やＮｉ基合金等は、融点が１４００℃以上と高く、それに伴って塑性流動化の開始温度も１０００℃以上と考えられるから、これらの材料の接合に摩擦攪拌接合を適用する場合、摩擦力にともなう発熱だけで材料の温度を１２００℃近辺まで上昇させなければならず、材料の高温強度が高いために工具が損耗しやすく、長い距離を連続して接合することは難しいなどの問題点があった。

従来、これらの問題点を解消するための一つの手段として、回転ツールのショルダー面に、ショルダー面の回転運動に起因する摩擦熱をショルダー面の外側から中央側に強制的に移動させるパターンを形成する方法や、特許文献２により提案されている、回転ツールのプルーブやショルダー部を多結晶窒化硼素（ＰＣＢＮ）や多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）で形成し、軸部を焼結炭化タングステンなどの高耐摩耗性材料で形成する方法が提案されているが、融点の高い材料に対し、回転ツールの改良のみで長い距離に耐えて連続して摩擦攪拌接合することは、回転ツールの磨耗や折損などのため困難である。

また、他の手段として、予熱などの材料の塑性流動を容易にして拡散を促進するための手段に関する提案もなされている。
たとえば、特許文献３、４には、回転ツールに貫通孔をあけ、貫通孔を通して接合部をレーザによって予熱する技術が提案されており、特許文献３には、さらに、接合部に隙間を設け、その隙間にインサート材を挿入して、摩擦熱がインサート材に集中するようにするとともに、インサート材に超音波を照射してインサート材を予備加熱することが記載されている。

これらの技術は接合部のみの狭い範囲を予熱できるため、広い範囲を予熱する場合の加工物の変形など不都合は避けることができるが、ツールなどに貫通孔をあけるため、貫通孔の大きさを大きくするとツールの耐久性に問題が生じるため、接合部を十分予熱できない問題がある。また、インサート材を使用する方法やその方法に超音波の照射を付加する方法では、発熱の効果が十分でないという問題がある。

特許２７１２８３８号公報特表２００３−５３２５４３号公報特開２００５−２８８４９９号公報特表２００５−５１９７７３号公報特開２００５−３２１０８６号公報特開２００４−１６７３６３号公報

そこで、本発明は、摩擦撹拌接合において、簡単な手段で被接合材料の塑性流動を容易化及び促進化して、回転ツールに対する負荷を低減できることにより、鉄鋼材料などの融点の高い材料の接合であっても、長い距離を連続して接合することが可能な摩擦撹拌接合方法及び装置を提供することを課題とする。

近年、新たな超音波利用技術として特許文献５に示されるような超音波打撃処理（超音波衝撃処理とも言われる）が、金属材料などの物理的状態の改変に利用されているが、本発明者は、超音波打撃が材料に与える作用に注目して、この技術を、摩擦撹拌接合における被接合材料の塑性流動を容易化し促進化する手段として適用することを着想し、本発明に到達した。

上記の着想に基づく本発明は、以下の手段により上記課題を解決するものである。
（１）加工物の一方の側に配置した回転ツールを加工物の接合箇所に押し当て、かつ、回転させることにより、回転ツールと加工物との間に発生する摩擦熱に基づく塑性流動によって加工物を接合する摩擦撹拌接合方法において、加工物の他方の側に超音波打撃子を配置し、超音波打撃子による超音波打撃を加工物の接合領域に付加することを特徴とする摩擦撹拌接合方法。

（２）回転ツールを、接合箇所に沿って回転させながら移動させることにより加工物を接合するとともに、超音波打撃子による超音波打撃を、加工物の接合領域に回転ツールの移動と同期して付加することを特徴とする前記（１）に記載の摩擦撹拌接合方法。
（３）回転ツールと対向する加工物の領域に超音波打撃を付加することを特徴とする前記（１）または（２）に記載の摩擦撹拌接合方法。
（４）回転ツールと対向する位置よりも移動方向前方の加工物の領域に超音波打撃を付加することを特徴とする前記（２）に記載の摩擦撹拌接合方法。
（５）超音波打撃子の振動数を１〜７０ｋＨｚ、超音波の出力を１００〜１０００Ｗ、超音波打撃子の加工物への押し付け力を５〜５００Ｎの条件で超音波打撃を付加することを特徴とする前記（１）〜（４）のいずれかに記載の摩擦撹拌接合方法。

（６）加工物の一方の側に配置した回転ツールを加工物の接合箇所に押し当て、かつ、回転させることにより、回転ツールと加工物との間に発生する摩擦熱に基づく塑性流動によって加工物を接合する摩擦撹拌接合装置において、加工物の他方の側に、加工物の接合領域に超音波打撃を付加する超音波打撃装置を配置したことを特徴とする摩擦撹拌接合装置。
（７）回転ツールを加工物の接合箇所に沿って移動するように配置するとともに、超音波打撃装置を回転ツールの移動と同期して移動するように配置したことを特徴とする前記（６）に記載の摩擦撹拌接合装置。

本発明によれば、超音波打撃を加工物の接合領域に付加するという簡単な手段で、被接合材料の塑性流動を容易化及び促進化でき、これによって回転ツールに対する負荷を低減できるので、鉄鋼材料などの融点の高い材料の接合であっても、長い距離を連続して溶接することができる。また、アルミニウム合金などの融点の比較的低い材料の接合では、接合速度を速めることや回転ツールの寿命を向上することができる。

以下、本発明の摩擦撹拌接合方法及び装置の一実施の形態を、図２、３を用いて詳細に説明する。

本発明では、摩擦撹拌接合における被接合材料の塑性流動を容易する手段として超音波打撃を用いる。本発明では、例えば特許文献６に示されている超音波打撃処理装置が使用できる。図２にその例を示す。

図２において、７は超音波打撃処理装置であり、超音波を発信する磁歪式あるいは圧電式などのトランスデューサー８と、トランスデューサー８で発生した超音波を先端部に導き、振動を増幅させるウエーブガイド９と、ウエーブガイド９の加工物３と対向する側の先端に取り付けられたヘッド１０とから構成される。

ヘッド１０には、その先端に１個又は複数個の孔１１が設けられ、この孔に超音波打撃子となる棒状の打撃ピン１２が挿入されており、トランスデューサー８が超音波を発信すると、その超音波はこれに接続されたウエーブガイド９に伝わり、ウエーブガイド９の先端からヘッド１０に至り、打撃ピン１２を振動させる。この振動により打撃ピン先端が加工物３を超音波打撃することによって超音波打撃処理がなされる。

本発明では、そのような超音波打撃処理装置７を図３のように、被接合材となる加工物３に対して回転ツール１が配置されている側とは反対の側に配置し、回転ツール１の移動と同期して移動させるようにする。
超音波打撃処理装置７を配置する位置は、加工物の突合せ部の回転ツール１による接合が行われている領域あるいはその領域に隣接しこれから接合が行われる領域（これらの領域を接合領域という。）とする。すなわち、図３に示すように回転ツール１と対向する位置よりも多少先行する位置とするか、あるいは、回転ツール１と対向する位置とする。

また、超音波打撃処理装置７の前後に、超音波打撃処理装置とともに移動する支持具１３を配置し、回転ツール１による荷重によって加工物が変形しないように回転ツールとは反対の側から加工物を支持するようにする。支持具１３にはローラ状のものを用い、超音波打撃処理装置７とともに移動台１４に取り付けて、回転ツールの移動に同期して同一方向に移動できるようにする。

そして、超音波打撃処理装置が移動できる空間を隔てて左右に配置された定盤（図示せず）上に、加工物３を固定し、回転ツール１のプルーブ２を、接合箇所である加工物３の突合せ部に挿入し、突合せ部の接合線に沿って回転ツール１を回転させながら移動させるとともに、加工物３の回転ツール１とは反対側に配置した超音波打撃処理装置７の打撃ピン１２で、加工物３の回転ツール１と対向する位置、あるいはその位置よりも多少先行する領域を回転ツールの移動と同期して超音波打撃する。

これによって、回転ツールと材料間で発生する摩擦熱で材料は軟化し、軟化した材料はツールの回転で攪拌され、加工物３は突合せ部で接合され、接合部が形成されるが、同時に、回転ツールにより接合領域に超音波打撃を加えることにより、超音波打撃を加えられた領域の材料の冶金的な温度を上げることができるので、その材料の固相拡散温度を実質的に低下させることができる。

これにより、回転ツール１に対する負荷が低減され、鉄鋼材料などの融点の高い材料の接合であっても、長い距離を連続して溶接することができる。また、アルミニウム合金などの融点の低い材料の接合では、接合速度を速めることや回転ツールの寿命を向上することができる。

超音波打撃を与える位置（打撃範囲の中心）は、加工物３の回転ツール１と接触する面と反対側の面において、回転ツール１と対向する位置（回転ツールの中心と打撃範囲の中心が一致する位置）とするか、あるいは、図３に示すように、回転ツール１と対向する位置よりも超音波打撃を与える位置が多少先行する位置とする。先行する場合、回転ツールの中心との距離が大きすぎると超音波打撃の効果が低下するので、加工物の厚みｔの２倍以下の距離が好ましい。

また、超音波打撃を与える範囲は、少なくとも加工物の厚みｔ以上は必要であり、回転ツール１に対する負荷を低減させるためにはより広い範囲が好ましい。しかし、装置の構成上あまり広い範囲の打撃は難しく、回転ツールの幅の２倍程度で十分な効果が得られる。

超音波振動子である打撃ピン１２の振動数は、１〜７０ｋＨｚの範囲から、被接合材料の材質に応じて選択される。振動数が１ｋＨｚ未満では、材料の固相拡散温度を実質的に低下させることができず、７０ｋＨｚを超える振動数では効果が飽和するからである。また、同様な理由から超音波の出力は１００〜１０００Ｗの範囲から、押し付け力は５〜５００Ｎの範囲からそれぞれ選択されるが、５００Ｎを超える押し付け力では、加工物の塑性変形が大きくなり、部品の寸法精度や外観が低下する。

打撃ピンは、必要な範囲を打撃できれば一本とすることも可能である、二本以上を一列或いは複数列に配列するようにするのが好ましい。また、その先端の形状は、半球状、蒲鉾状、鞍状等のいずれであってもよいが、凸と凹を組み合わせた鞍状が、効果が高い。

本発明で使用される回転ツールは、特別なものは必要でなく、通常使用されているものが使用できるが、鉄鋼材料などの融点が高い材料を接合する場合には、ショルダー部やプルーブを含む先端部は、超硬合金、サイアロンセラミックス、多結晶窒化硼素（ＰＣＢＮ）、多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）などで構成するのが望ましい。

また、回転ツールの操作条件も、従来用いられている条件でよいが、本発明では、上記のように、その材料の固相拡散温度を実質的に低下させることができるから、従来の条件よりも、必要な発熱量が低くできるので、回転ツールの回転速度、押し付け力、移動速度をより負荷が少ないほうに変更することができる。

なお、図２に示す超音波打撃処理装置において、打撃ピン１２は、環状の金具１５によりウエーブガイド３に着脱可能に取り付けられたホルダー１６によって支持されており、ホルダーごと取替え可能となっている。
また、ウエーブガイド９の中間部には、樹脂製のカバー１７を設け、この内部に潤滑冷却材を保持するための多孔体１８を充填することができる。

以上では、加工物の突合せ部に沿って線接合する場合を説明したが、本発明は、さらに、点接合にも適用することができる。
点接合では、加工物を重ね合わせ、点接合しようとする箇所に、先端にプルーブを有する回転ツールを配置し、該回転ツールを回転させながら一方の加工物に押し込み、線接合の場合と同様に回転ツールの回転動作により生じる摩擦熱を用いて重ね合わせた加工物の材料を軟化させ、塑性流動を生じさせ、加工物の重ね合せ部を点接合する。

このとき本発明では、加工物の回転ツールの配置されていない他方の側に、回転ツールと対向するように超音波打撃装置を配置し、線接合の場合と同様に、加工物の接合領域に超音波振動子による打撃を加えるようにする。
これにより、点溶接の場合も回転ツールに対する負荷が低減され、点溶接できる回転ツールの打点数が増加し、ツール寿命を向上させることができる。

超音波打撃の付加は、超音波打撃装置を回転ツールと対向する位置に配置して、回転ツールの動作と同時期に打撃を開始し、接合の終了とともに打撃を終了することにより行うのがよい。この場合には、スポット溶接などで用いられているロボットのアーム先端部に摩擦攪拌接合装置と超音波打撃装置を対向するように取り付けて、複数箇所の点接合を連続的に実施することができる。
なお、その場合、超音波打撃を先に開始してもよいし、また、回転ツールと対向する位置から２ｍｍ程度中心位置がずれた位置に超音波打撃装置を配置してもよい。

以下、本発明をアルミニウム合金及び鉄鋼材料の接合に適用した実施例を説明するが、本発明は、実施例に示した条件に限定されるものではなく、実施例は、本発明の実施可能性及び効果を確認するための一条件例である。本発明は、特許請求の範囲に記載される事項によってのみ規定されており、その事項の範囲内において種々の条件を採用し得るものである。

（実施例１）
被接合材として、Ａ６０６１アルミ合金、Ａ５０８３アルミ合金よりなる試料を用い、試料裏面から接合領域に超音波打撃を付加し、あるいは超音波打撃を付加せずに摩擦攪拌接合を行った。
得られた試料の接合状態を評価するとともに、試料から試験片を切り出し、引っ張り試験を実施した。

摩擦攪拌接合は、径が６．０ｍｍの工具鋼（タングステン合金）よりなる回転ツールを使用し、回転ツールの回転数を１０００ｒｐｍと１５００ｒｐｍ、移動速度を１０００ｍｍ／ｍｉｎと１５００ｍｍ／ｍｉｎの２種類として、突合せ継手を線接合した。
また、一部の試料で実施した超音波打撃処理の条件は、打撃ピンを回転ツールのプルーブの真下の位置から進行方向に０〜５０ｍｍ間の先行する位置に配置し、打撃ピンの振動数を１０ｋＨｚと２５ｋＨｚ、超音波の出力を１．５ｋＷと１０ｋＷ、加工物への押し付け力を６Ｎと８０Ｎと１２０Ｎとした。

表１のＲ１、１１−１３、Ｒ２、２１−２３、Ｒ３、３１−３３に、摩擦攪拌接合や超音波打撃処理の条件を、表２に得られた試験結果を示す。
なお、接合状態を評価するために、接合後にＸ線検査を実施して接合不良箇所を特定し、１ｍあたりの不良箇所が存在する合計長さ（ｍｍ）を測定した。また、引張試験は、Ｘ線検査の結果、健全であると判定された領域から試験片を採取して行った。

Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３は摩擦攪拌接合のみを実施した結果であり、回転ツールの移動速度を通常条件より若干大きくしているため、融合不良などの接合不良が発生している。その結果、接合健全部から採取した引張試験片でも、破断位置は接合部となっており、十分な接合強度が得られていないことがわかる。
一方、本発明例である１１−１３、２１−２３、３１−３３の場合には、摩擦攪拌接合に先行する形で、その裏面から超音波打撃処理を実施したため、接合欠陥の発生が大幅に抑制され、引張試験結果においても、接合部からの破断は認められなかった。
なお、アルミ合金の接合では、工具鋼ツールを使用しているが、新品のツールで２００ｍ以上の接合がどの条件でも可能であり、寿命上の問題はなかった。

（実施例２）
次に、炭素鋼あるいはステンレス鋼よりなる試料を用いて同様に摩擦攪拌接合を実施した。用いた炭素鋼は、ＪＳＣ５９０Ｙ鋼、ＪＳＣ２７０Ｅ鋼、ＪＳＣ７８０Ｙ鋼であり、ステンレス鋼はオーステナイト系のＳＵＳ３０４である。
摩擦攪拌接合は、径が４．５ｍｍと６．９ｍｍのＰＣＢＮよりなる回転ツールを使用し、突合せ継手を、回転ツールの回転数を８００ｒｐｍ、移動速度を８０ｍｍ／ｍｉｎと３０ｍｍ／ｍｉｎとして線接合するとともに、径が４．５ｍｍのＰＣＢＮよりなる回転ツールを使用し、重ね継手を回転ツールの回転数を８００、１５００ｒｐｍとして点接合した。

また、一部の試料で実施した超音波打撃処理の条件は、突合せ継手では、打撃ピンを回転ツールのプルーブの真下の位置から進行方向に５ｍｍと９ｍｍ先行する位置に配置し、打撃ピンの振動数を２０ｋＨｚと２５ｋＨｚ、超音波の出力を２ｋＷと５ｋＷ、加工物への押し付け力を５００Ｎとした。また、重ね継手の点接合では、打撃ピンを回転ツールのプルーブの真下の位置及びその位置から２ｍｍずれた位置に配置し、打撃ピンの振動数を２２５ｋＨｚ、超音波の出力を２、５、１０ｋＷとし、加工物への押し付け力を１５０、３５０、４５０Ｎとした。

表１のＲ４、４１、Ｒ５、５１、Ｒ６、６１、Ｒ７、７１、Ｒ８、８１に、摩擦接合や超音波打撃処理の条件を、表２に得られた試験結果を示す。
なお、接合形態が点接合の場合には、接合不良をＸ線で検出することは難しい。しかし、点接合の場合、健全に実施されていれば点接合中心部が凹型にへこむので、そのへこみ量が所定の量（ツールのプルーブの高さ）に達していれば問題がない。すなわち、回転ツールが破損、磨耗して接合部に食い込まなくなると正常な接合ができなくなるので、目視あるいは凹型部の深さを測定することで接合不良の判定が可能である。
そこで、点接合部の健全性指標として前記へこみ量を用い、板厚より大きな凹み量が確保できている接合部を合格、確保できていない接合部を不合格とし、その合格率を表２に記載した。

超音波打撃処理を付加せずに摩擦攪拌接合を行った比較例のＲ４、Ｒ５、Ｒ６、Ｒ７、Ｒ８は、極めて高価なＰＣＢＮ工具を用いても、ツール寿命は短く接合部の健全性も十分ではなかった。
本発明例である４１、５１、６１、７１、８１の場合は、超音波打撃処理を摩擦攪拌接合と同時または先行して適用したことにより、接合部の塑性流動を助長し、ツールの負担を軽減できるため、ツール寿命が増大し、接合部の欠陥発生率も低下する。その結果、継手引張試験において接合部破断から母材破断へと改善することができた。

従来の摩擦攪拌接合を説明するための図である。超音波打撃処理装置を説明するための図である。本発明を説明するための図である。

符号の説明

１回転ツール
２回転ツールのプローブ
３加工物
４突合せ部（接合部）
５回転ツールのショルダー部
６接合後の接合部
７超音波打撃処理装置
８トランスデューサー
９ウエーブガイド
１２打撃ピン（超音波打撃子）
１３支持具
１４移動台
ｔ加工物の厚み

Claims

加工物の一方の側に配置した回転ツールを加工物の接合箇所に押し当て、かつ、回転させることにより、回転ツールと加工物との間に発生する摩擦熱に基づく塑性流動によって加工物を接合する摩擦撹拌接合方法において、加工物の他方の側に超音波打撃子を配置し、超音波打撃子による超音波打撃を加工物の接合領域に付加することを特徴とする摩擦撹拌接合方法。
前記回転ツールを、接合箇所に沿って回転させながら移動させることにより加工物を接合するとともに、前記超音波打撃子による超音波打撃を、加工物の接合領域に回転ツールの移動と同期して付加することを特徴とする請求項１に記載の摩擦撹拌接合方法。
回転ツールと対向する加工物の領域に超音波打撃を付加することを特徴とする請求項１または２に記載の摩擦撹拌接合方法。
回転ツールと対向する位置よりも移動方向前方の加工物の領域に超音波打撃を付加することを特徴とする請求項２に記載の摩擦撹拌接合方法。
超音波打撃子の振動数を１〜７０ｋＨｚ、超音波の出力を１００〜１０００Ｗ、超音波打撃子の加工物への押し付け力を５〜５００Ｎの条件で超音波打撃を付加することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の摩擦撹拌接合方法。
加工物の一方の側に配置した回転ツールを加工物の接合箇所に押し当て、かつ、回転させることにより、回転ツールと加工物との間に発生する摩擦熱に基づく塑性流動によって加工物を接合する摩擦撹拌接合装置において、加工物の他方の側に、加工物の接合領域に超音波打撃を付加する超音波打撃装置を配置したことを特徴とする摩擦撹拌接合装置。
前記回転ツールを加工物の接合箇所に沿って移動するように配置するとともに、前記超音波打撃装置を回転ツールと同期して移動するように配置したことを特徴とする請求項６に記載の摩擦撹拌接合装置。