JP2008207255A - 摩擦攪拌接合型材の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 摩擦攪拌接合の際、ショルダ部による押圧力を受圧する垂直押圧対向壁がない場合でも、該押圧力を全て流体チューブ４３で受けることができる結果、部材を強く押圧することができ、安価で接合精度のよい摩擦攪拌接合型材の製造方法を提供出来る。
【解決手段】 被加工物に摩擦熱を付与する円形ショルダ21a面と該ショルダ面より被加工物接合線に沿って挿設されるプローブ21bを有する工具を用いて被加工物同士の摩擦撹拌接合を行う摩擦撹拌接合型材の製造方法において、前記ショルダ２１によって摩擦熱を付与されながら押圧される被加工物の裏面にショルダの押圧力を受圧する流体内包体４３が配設されている。
【選択図】 図５

Description

本発明は、摩擦攪拌接合型材及びその製造方法に関し、特に、鉄道車両、船舶、及び航空機等の大型構造物に用いられる摩擦攪拌接合型材の製造方法に関する。

一般に、鉄道車両、船舶、及び航空機等の大型構造物に用いられ、長手方向に延材する長尺な中空型材等の二面構造体（パネル）は押し出し成形材を複数平行に配設したものを突き合わせ接合して構成されており、このような押し出し型材同士を接合する際には、例えば、ＭＩＧ溶接等を用いて突き合わせ接合部を溶融溶接にて接合部を形成する。しかしながら、溶融溶接で接合する方法では熱歪み等の問題が生じる。

一方、特表平７−５０５０９０号公報には、摩擦攪拌接合による部材同士の接合が記載されており固相接合方法として、加工物より実質的に硬い材質からなる回転ツ−ルを加工物の溶接部に挿入し、回転ツ−ルを回転させながら移動することにより、回転ツ−ルと加工物との間に生じる摩擦熱による塑性流動によって加工物を接合する接合方法がある。

かかる摩擦溶接法は、溶接部材を固相状態で、回転ツ−ルを回転させながら移動しながら軟化させた固相部分を一体化しながら接合できるために、熱歪みがなく溶接方向に対して実質的に無限に長い部材でもその長手方向に連続的に固相接合できる利点がある。さらに、回転ツ−ルと溶接部材との摩擦熱による金属の塑性流動を利用した固相接合のため、接合部を溶融させることなく接合できる。また、加熱温度が低いため、接合後の変形が少ない。接合部は溶融されないため、欠陥が少ないなどの多くの利点がある。

さらに、特許第３１５２４２０号公報には、鉄道車両、船舶、及び航空機等の大型構造物に用いられる長尺な中空型材等の二面構造体（パネル）は押し出し成形材を複数平行に配設したものを突き合わせ接合して構成摩擦攪拌接合による二面構造体（パネル）同士の接合が記載されている。

かかる技術は、第１の板の端部と第２の板の端部との突合わせ部のそれぞれの前記板の一方側の面に裏当てを当てた状態で、他方側の面のみから回転工具を前記突合わせ部に挿入して、前記突合わせ部を摩擦接合するとともに該突合わせ部の前記一方側の面を実質的に平に摩擦接合し、前記摩擦接合によって得られた物の前記一方側の面を構造体の外面に位置させて、構造体を製作することによって達成できるものである。

さらに、回転ツ−ルを回転させながら移動することにより接合する方法をハニカムパネルに適用した場合の問題点として、溶接中は回転ツ−ルの荷重によってハニカムパネルが変形する。このため、ハニカムパネルのような面板やコア−材が薄い場合は接合が困難である。 特に回転ツ−ルとハニカムパネル表面との摩擦によって接合部の表面に凹みができる。このため、実質的に接合部の厚さが減少するため、接合部の強度が低下し、信頼性の点で問題がある。特開平１０−５２７７２号公報には、ハニカムパネルの材質より実質的に硬い材質からなる引き抜き状の棒状型材を該ハニカムパネルの接合部に挿入し、回転ツ−ルを回転させながら移動することによって発生する回転ツ−ルとハニカム材との摩擦熱を利用した接合方法であって、ハニカムパネルの接合部には、補強材が設けられ、補強材も同時に接合することを特徴とする技術が提案されており、面板の接合部の強化を引き抜き状の棒型との接合の際に、回転ツールの押圧力を前記棒状型材で保持して強度維持しながら摩擦攪拌接合によって接合部を接合することが記載されている。そして、特開平１０−５２７７２号公報では、面板とコア材とを接合してハニカムパネル構造体を構成する。つまり、特開平１０−５２７７２号公報では、ハニカムパネル構造体を製造する際、コア材によって回転ツ−ル（工具）の荷重によって面板が変形するのを防止して、面板が薄い場合においても摩擦攪拌接合ができるようにしている。さらに、特開平１０−５２７７２号公報では、回転ツ−ルと面板表面との摩擦撹拌による塑性流動によって接合部の表面に凹みができるのを防止して、接合部の強度の低下を防いでいる。

ところで、前述の二面構造体（パネル）は押出し型材の組み合わせの加工材でパネル体を製造刷り物である以上、不可避的にパネルの形状が制約されてしまうばかりでなく、長尺なパネルを製造するには、型材を押し出しで製造するために、大型のプレス機械が必要となり、ダイスの製作コスト及び期間も多大となる。このため、長尺な押し出し型材同士を、摩擦接合の前に製造する際にその押し出しの製造コスト及び期間が無用に大になり、特定の形状のダイスを必要とする型材を必要とするために製造コストが大幅にアップしてしまう。

特開平１０−５２７７２号公報で用いられるコア材も押し出し加工材であり、長尺なコア材を押し出し加工成形する際には、不可避的に設備空間が長くなってしまう。さらに、同公報では、コア材によって、摩擦攪拌接合の際に生じる面板の変形及び接合部の強度低下を防止しているものの、摩擦攪拌接合の際には、工具のショルダ部で面板が強く押圧され、コア材の形状によっては、十分なる補強効果を得ることができず、面板に過度の押圧力がかかり、コア材側が変形してしまうことがある。

さらに、特開平１０−５２７７２号公報のように、単にコア材を配置したのみでは、摩擦攪拌接合の際に発生する摩擦熱によって面板が変形すると、これによって、接合部が変形して面板間のギャップ（隙間）がずれてしまい、この結果、精度よく摩擦攪拌接合を行うことができないという課題がある。

本発明の目的は、安価で接合精度のよい摩擦攪拌接合型材の製造方法を提供することにある。

本発明は、、被加工物に摩擦熱を付与する円形ショルダ面と該ショルダ面より被加工物接合線に沿って挿設されるプローブを有する工具を用いて被加工物同士の摩擦撹拌接合を行う摩擦撹拌接合型材の製造方法において、前記ショルダによって摩擦熱を付与されながら押圧される被加工物の裏面にショルダの押圧力を受圧する流体内包体が配設されていることを特徴とする。

かかる発明によればショルダの押圧力を受圧する補強材がないＨ形材でも更にはロの字状の中空型材であっても裏側に補強材がない組み合わせでも流体内包体が補強材の役目をして、ショルダによって接合部を強く押圧しても型材裏面の流体内包体によって受圧し且つ型材が薄肉であっても変形がなく、精度よく摩擦攪拌接合を行うことができ、さらに、容易にしかも安価に中空パネルを製造することができることになる。

この場合前記流体内包体を形成する外被体が可撓性を有し、且つ非膨張の材質で形成されているのがよい。非膨張体であるので、ショルダによって接合部を強く押圧しても裏面の非膨張流体内包体によって受圧力を確実に保持し且つ中空型材が薄肉であっても変形がなく、一層精度よく摩擦攪拌接合を行うことができる。

また、前記流体内包体が接合位置に沿って延在する可撓性の流体チューブ体であるようにするのがよい。これにより、接合位置長さ方向に亘って１本の前記流体内包体を延在するだけで補強材と同様な効果が得られ、然も流体チューブの流体を抜くことにより繰り返し再利用が図れる。

さらに、前記流体内包体の被加工材裏面当接幅が、ショルダ面直径より大になるように、可撓性と直径を設定することが望ましい。これにより確実なショルダの押圧が可能となる。

本発明によれば、被加工物に摩擦熱を付与する円形ショルダ面とショルダ面より被加工物接合線に沿って挿設されるプローブを有する工具を用いて被加工物同士の摩擦撹拌接合を行う際、前記ショルダによって摩擦熱を付与されながら押圧される被加工物の裏面にショルダの押圧力を受圧する流体内包体を配設するようにして、この流体内包体の被加工材裏面当接幅が、ショルダ面直径より大になるように可撓性と直径を設定したので、流体内包体でショルダによる押圧力が支持される結果、接合部を強く押圧することができ、精度よく摩擦攪拌接合を行うことができるという効果がある。そして、容易にしかも安価に中空型材等の摩擦攪拌接合型材を製造することができるという効果がある。

特に、かかる発明によれば、ショルダの押圧力を受圧する補強材がないＨ形材でも更にはロの字状の中空型材であっても裏側に補強材がない組み合わせでも流体内包体が補強材の役目をして、ショルダによって接合部を強く押圧しても型材裏面の流体内包体によって受圧し且つ型材が薄肉であっても変形がなく、精度よく摩擦攪拌接合を行うことができ、さらに、容易にしかも安価に中空パネルを製造することができることになる。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。但しこの実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。

以下本発明について図面を参照して説明する。なお、図示の例に記載された構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に限定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
（参考例１）

図１を参照して、ここでは、長さ方向（図１において、紙面の表側から裏側に向かう方向（長手方向））に延びる上長尺平板（第１の平板）１１に対して、同様に長さ方向に延びる下長尺平板（第２の平板）１２が長さ方向に延びるリブ部材（チャネル部材：第３の部材）１３を用いて摩擦攪拌接合され、摩擦攪拌接合型材（中空型材）とされる。上長尺平板１１及び下長尺平板１２は、長手方向に延びる板材であり、例えば、約２５メートル程度の平板である。リブ部材１３は長さ方向に直交する方向に予め規定された間隔をおいて配置されており（図１においては、二つのリブ部材１３が示されている）、リブ部材１３によって、上長尺平板１１及び下長尺平板１２が所定の規定間隔に規定される。そして、後述するようにして、リブ部材１３と上長尺平板１１及び下長尺平板１２とが摩擦攪拌接合される。上長尺平板１１及び下長尺平板１２は、例えば、アルミニウム合金製であり、リブ部材１３は、例えば、アルミニウム合金製のプレス成形部材や型材である。

図１に示すように、各リブ部材１３は断面略コ字形状をしており、各リブ部材１３は、フランジ部１３ａ及び１３ｂとフランジ部１３ａ及び１３ｂを連結するチャネル部１３ｃとを有しており、フランジ部１３ａ及び１３ｂは長さ方向に延びるとともに長さ方向と直交する方向に突出している。そして、チャネル部１３ｃは長さ方向に延びている。

ここで、図２も参照して、上長尺平板１１及び下長尺平板１２をリブ部材１３で接合して中空型材とする際には、下長尺平板１２は架台（図示せず）に載せられ、移動しないように固定され、この状態で予め規定された間隔でリブ部材１３が下長尺平板１２上に配置される。この際、フランジ部１３ｂは下長尺平板１２の一面（裏面）に当接することになる。その後、リブ部材１３上に上長尺平板１１が配置される（この際、フランジ部１３ａは上長尺平板１１の裏面に当接する）。そして、リブ部材１３及び上長尺平板１１は支持体（図示せず）によって固定支持される。

図１に示すように、工具２１はショルダ部２１ａとこのショルダ部２１ａに備えられたピン（プローブ）２１ｂとを備えており、このショルダ部２１ａは円形ショルダ面を有している。そして、円形ショルダ面によって被加工物に摩擦熱が付与される。一方、プローブ２１ｂは被加工物の接合線（接合部）に沿って挿入されることになる。いま、ショルダ部２１ａ、つまり、円形ショルダ面の径（直径）をＢとし、プローブ２１ｂの長さをＰとする。また、リブ部材１３の一面（図２において右側面）からフランジ部１３ａ及び１３ｂの先端（外面）までの距離（つまり、リブ部材１３の当接面の幅）をＡ、上長尺平板１１及び下長尺平板１２の厚さをＣ、フランジ部１３ａ及び１３ｂの厚さをＤとすると、図２に示すように、Ａ≧Ｂに規定される。また、Ｃ＜Ｐ＜（Ｃ＋Ｄ）に規定される。

摩擦攪拌接合を行う際には、工具２１を回転させつつ、プローブ２１ｂを接合部、つまり、フランジ部１３ａの所定方向（長手方向）中心線上に対応する位置で上長尺平板１１に挿入して、接合部（図１に破線で示す）に沿って（図１において実線矢印で示す方向に）工具２１を移動させる。そして、摩擦攪拌接合の際には、ショルダ部２１ａ（円形ショルダ面）が上長尺平板１１に強く押しつけられることになるが、前述のように、Ａ≧Ｂに規定されているから、この押し付け力はリブ部材１３によって全て受けられることになる。さらに、Ｃ＜Ｐ＜（Ｃ＋Ｄ）に規定されているから、プローブ２１ｂは少なくとも上長尺平板１１とフランジ部１３ａとの界面に達することになる。なお、摩擦攪拌接合に当たっては、例えば、工具２１の回転数は８００〜２０００ｒｐｍ、送り速度（工具２１の移動速度）は１００〜１０００ｍｍ／分とされる。

このようにして、上長尺平板１１とリブ部材１３とを摩擦攪拌接合した後、反転して、同様にして、下長尺平板１２とリブ部材１３とを摩擦攪拌接合する。

上述のようにして、工具２１を用いて摩擦攪拌接合を行うと、上長尺平板１１及び上長尺平板１２はそれぞれリブ部材１３と接合部において摩擦攪拌接合されることになり、接合部には接合ビード（図示せず）が形成される。そして、接合ビードの深さは接合部に挿入したプローブ２１ｂの長さによって決定される。

なお、上述の例では、リブ部材として断面コ字形状のリブ部材を用いたが、図３（ａ）に示すように、断面Ｈ字形状のＨ形材を用いるようにしてもよい。この際には、第１及び第２のフランジ部の直交方向長さ（幅：長さ方向に直交する方向の長さ）ＡがＡ≧Ｂとされる。さらに、図３（ｂ）に示すように、リブ部材１３として、断面ロ字形状の長手方向に延材する中空角管部材を用いるようにしてもよい。この際、中空角管部材の幅をＡ、角管部材の肉厚をＤ、上長尺板１１及び下長尺板の厚さをＣとすると、Ａ≧Ｂ（Ｂはショルダ部２１ａの直径）、Ｃ＜Ｐ＜（Ｃ＋Ｄ）に規定される（Ｐはプローブ２１ｂの長さ）。このような角管部材をリブ部材１３として用いても、角管部材の図中上下方向に延びる壁面がチャネル部として機能するから、工具２１（つまり、ショルダ部２１ａ）による押し付け力を支持することができる。

このように、図１〜図３に示す例では、中空型材等の摩擦攪拌接合型材を得る際、少なくともリブ部材１３はプレス成形や型材によって成形されているから、上長尺平板１１及び下長尺平板１２とリブ部材１３とが長尺部材であることを考慮すると、中空型材等の摩擦攪拌接合型材を容易にしかも安価に製造することができることになる。

さらに、リブ部材１３のフランジ部１３ａ及び１３ｂの幅≧ショルダ部２１ａの直径としたから、摩擦攪拌接合の際、ショルダ部２１ａによる押圧力がリブ部材で全て受けることができる結果、上長尺平板１１及び下長尺平板１２を強く押圧することができ、精度よく摩擦攪拌接合を行うことができることになる。また、リブ部材１３の配置間隔を適宜変更すれば、中空型材の形状（空間部分の容積の変更）を容易に行うことができることになる。また、プレス成形によって、少なくとリブ部材１３を成形する場合、リブ部材１３の製造設備を短くすることができる。

次に、図４（ａ）を参照して、長さ方向（図４（ａ）において、紙面の表側から裏側に向かう方向）に延びる部材３１に対して、同様に長さ方向に延びる部材３２を接合して、中空型材とする場合について説明する。部材３１及び３２は、長さ方向に延びる長尺板材であり、例えば、約２５メートル程度の部材である。部材３１及び３２は、例えば、アルミニウム合金製のプレス成形部材や押出し型材である。

部材３１及び３２は少なくとも断面略コ字形状を有しており、部材３１は長さ方向に延びる一対の板部（水平支持面）３１ａ及び３１ｂと板部３１ａ及び３１ｂをその一端部で連結する板部（垂直押圧対向壁）３１ｃとを有しており、板部３１ｃは長さ方向に延びるとともに長さ方向と直交している。同様にして、部材３２は長さ方向に延びる一対の板部（水平支持面）３２ａ及び３２ｂと板部３２ａ及び３２ｂをその一端部で連結する板部（垂直押圧対向壁）３２ｃとを有しており、板部３２ｃは長さ方向に延びるとともに長さ方向と直交している。

図示のように、板部３１ｃ及び３２ｃ同士を当接した状態で（突き合わせた状態で）、架台（図示せず）に載せられ、移動しないように固定される。いま、板部３１ｃと板部３２ｃとの肉厚の合計をＡとすると、つまり、一対の垂直押圧対向壁の厚さ（合計厚さ）をＡとすると、Ａ≧Ｂ（Ｂはショルダ部２１ａの直径）に規定される。

摩擦攪拌接合を行う際には、工具２１を回転させつつ、プローブ２１ｂを接合部、つまり、板部３１ｃと板部３２ｃとの当接面に挿入して、接合部に沿って（図４（ａ）において紙面の表側から裏側に向かう方向に）工具２１を移動させる。この際、プローブ２１ｂの回転中心は、板部３１ｃ及び３２ｃの間にある。そして、摩擦攪拌接合の際には、ショルダ部２１ａが板部３１ｃ及び３２ｃに押しつけられることになる。なお、摩擦攪拌接合に当たっては、例えば、工具２１の回転数は８００〜２０００ｒｐｍ、送り速度（工具２１の移動速度）は１００〜１０００ｍｍ／分とされる。

前述のようにして、工具２１を用いて摩擦攪拌接合を行うと、部材３１及び３２は接合部において摩擦攪拌接合されることになり、接合部には接合ビード（図示せず）が形成される。この接合ビードは板部３１ｃ及び３２ｃの当接面の延長線上にその幅の中心が位置する。接合ビードの深さは接合部に挿入したプローブ２１ｂの長さによって決定される。

なお、上述のようして、板部３１ｃ及び３２ｃの一端面側を摩擦攪拌接合した後、反転して同様にして、他端面側が摩擦攪拌接合される。さらに、部材３１及び３２の他端側（板部３１ｃ及び３２ｃと反対側の端部）は、後述する本発明の実施例にかかる流体チューブを用いて摩擦攪拌接合される。

このように、図４（ａ）に示す例では、部材３１及び３２を接合する際、板部３１ｃ及び３２ｃの合計厚さ≧ショルダ部２１ａの直径としたから、摩擦攪拌接合の際、ショルダ部２１ａによる押圧力を全て板部３１ｃ及び３２ｃで受けることができる結果、部材３１及び３２を強く押圧することができ、精度よく摩擦攪拌接合を行うことができることになる。

さらに、部材３１及び３２をプレス成形によって成形すれば、部材３１及び３２が長尺部材であることを考慮すると、中空型材等の摩擦攪拌接合型材を容易にしかも安価に製造することができることになる。なお、図４（ｂ）に示すように、部材３１及び３２がコア材３１ｄ及び３２ｄを有する押出し型材（つまり、所謂ダブルスキン材）である際においても、板部３１ｃ及び３２ｃで部材３１及び３２を当接して、前述のようにして、摩擦攪拌接合を行うようにすればよい。

次に、図５を参照して、長さ方向（図５において、紙面の表側から裏側に向かう方向）に延びるＨ形状の部材４１に対して、同様に長さ方向に延びる部材４２を接合して、中空型材とする場合について説明する。部材４１及び４２は、長さ方向に延びる長尺材であり、例えば、約２５メートル程度の部材である。部材４１及び４２は、例えば、アルミニウム合金製のプレス成形部材又は押出し型材である。

部材４１及び４２は少なくとも断面略Ｈ形状を有しており、部材４１は長さ方向に延びる一対の板部（水平支持面）４１ａ及び４１ｂと板部４１ａ及び４１ｂをその一端部で連結する板部（垂直壁）４１ｃとを有しており、板部４１ｃは長さ方向に延びるとともに長さ方向と直交している。同様にして、部材４２は長さ方向に延びる一対の板部（水平支持面）４２ａ及び４２ｂと板部４２ａ及び４２ｂをその一端部で連結する板部（垂直壁）４２ｃとを有しており、板部４２ｃは長さ方向に延びるとともに長さ方向と直交している。なお、板部４１ｃ及び４２ｃにはさらに水平支持面が連続するかもしれない。

図示のように、板部４１ａの一端部と板部４２ａの一端部を当接するとともに板部４１ｂの一端部と板部４２ｂの一端部を当接した状態で、架台（図示せず）に載せられ、移動しないように固定される。その後、中空空間内に流体内包体が配設される。この流体内包体はその外被体が可撓性を有し、且つ非膨張の材質で形成されている。例えば、流体内包体は接合位置に沿って延在する可撓性はあるが非膨張性材質からなる流体チューブ体である。流体チューブ体は例えばゴムホースの表面に布材を巻き付けて形成される消防用ホースを用いてもよい。

そして本実施例においては、図示のように、中空空間内に接合線に沿って長さ方向に延びる可撓性の流体チューブ４３を延在配置する。そして、この流体チューブ４３に水や空気、窒素等の流体を充填して封止する。流体としては、例えば、水又は空気等が用いられ、その圧力はショルダの押圧力に基づいて決定される。流体を予め定められた圧力で流体チューブ４３に流して充填すると、流体チューブ４３は断面円形に拡がり、板部４１ａと板部４２ａとの突き合わせ部を支える支持面が形成されることになる。流体の充填圧力は、工具２１による押圧力に基づいて定められる。つまり、流体チューブ４３が工具２１の押圧力に抗して弾性変形（凹まない程度）の充填圧力で流体チューブ４３に流体が充填されることになる。

流体チューブ４３が板部４１ａ及び４２ａと当接する面は突き合わせ部を中心として接合線方向に延びており、さらに、突き合わせ部を中心として接合線方向に直交する方向に偏平化されている。いま、上記の偏平部における当接幅をＡとすると、Ａ≧Ｂ（Ｂはショルダ部２１ａの直径）に規定される。なお、板部４１ａ及び４２ａの厚さをＤとすると、Ｄ＞Ｐ（Ｐはプローブ２１ｂの長さ）とされる。

摩擦攪拌接合を行う際には、工具２１を回転させつつ、プローブ２１ｂを接合部、つまり、板部４１ａと板部４２ａとの当接面に挿入して、接合部に沿って（図５において紙面の表側から裏側に向かう方向に）工具２１を移動させる。この際、プローブ２１ｂの回転中心は、板部４１ａ及び４２ａの間にある。そして、摩擦攪拌接合の際には、ショルダ部２１ａが板部４１ａ及び４２ａに押しつけられることになるが、この押圧力は流体チューブ４３で支えられることになる。なお、摩擦攪拌接合に当たっては、例えば、工具２１の回転数は８００〜２０００ｒｐｍ、送り速度（工具２１の移動速度）は１００〜１０００ｍｍ／分とされる。

前述のようにして、工具２１を用いて摩擦攪拌接合を行うと、部材４１及び４２は接合部において摩擦攪拌接合されることになり、接合部には接合ビード（図示せず）が形成される。この接合ビードは板部４１ａ及び４２ａの当接面の延長線上にその幅の中心が位置する。接合ビードの深さは接合部に挿入したプローブ２１ｂの長さによって決定される。

なお、上述のようして、板部４１ａ及び４２ａの一端面側を摩擦攪拌接合した後、反転して同様にして、板部４１ｂ及び４２ｂが摩擦攪拌接合される。

このように、図５に示す例では、部材４１及び４２を接合する際、流体チューブ４３を中空空間に挿入して、この流体チューブ４３で接合部を支持するようにして、流体チューブ４３の偏平部分で接合部を支える幅≧ショルダ部２１ａとなるように中空型材の中空部内接空間より大としたから、摩擦攪拌接合の際、ショルダ部２１ａによる押圧力を全て流体チューブ４３で受けることができる結果、部材４１及び４２を強く押圧することができ、精度よく摩擦攪拌接合を行うことができることになる。

さらに、部材４１及び４２を押出し型材にすれば、部材４１及び４２が長尺部材であることを考慮すると、中空型材等の摩擦攪拌接合型材を容易にしかも安価に製造することができることになる。なお、図４に示す例において、部材３１及び３２の他端側（板部３１ｃ及び３２ｃと反対側の端部）を接合する際には、流体チューブ４３を用いて接合部を支えて摩擦攪拌接合が行うことも可能である。
（参考例２）

図６を参照して、長さ方向（図６において、紙面の表側から裏側に向かう方向）に延びる部材（長尺型材）５１に対して、同様に長さ方向に延びる部材（長尺型材）５２を接合して、中空型材とする場合について説明する。部材５１及び５２は、長さ方向に延びる長尺板材であり、例えば、約２５メートル程度の板材である。部材５１及び５２は、例えば、アルミニウム合金製の押出し型材である。

部材５１及び５２は少なくとも断面略Ｌ字形状を有しており、部材５１は長さ方向に延びる板部（水平支持面）５１ａと長さ方向に延び板部５１ａの一端に連続して長さ方向と直交する板部（垂直押圧対向壁）５１ｂとを有している。そして、板部５１ａの反対側の延在他端が開口している。同様に、部材５２は長さ方向に延びる板部（水平支持面）５２ａと長さ方向に延び板部５２ａの一端に連続して長さ方向と直交する板部（垂直押圧対向壁）５２ｂとを有しており、板部５２ａの反対側の延在他端が開口している。板部５１ａ及び５２ａの先端部にはそれぞれ長さ方向に延在する鍵型の嵌合片部５１ｃ及び５２ｃが形成されており、板部５１ｂ及び５２ｂの先端部（一端部）には長さ方向に延在する嵌合溝５１ｄ及び５２ｄが形成されている。嵌合片部５１ｃは嵌合溝５２ｄに嵌合され、嵌合片部５２ｃは嵌合溝５１ｄに嵌合されて、断面ロ字形の中空型材形状とされる。この際、板部５１ａ及び５２ｂの突き合わせ部は平面状となり、同様に、板部５１ｂ及び５２ａの突き合わせ部は平面状となる。つまり、被加工物が１つ垂直押圧対向壁とこの垂直押す圧対向壁の上下の一側に水平に延在する水平支持面を有し、水平支持面の対向壁反対側の延在他端が開口している略Ｌ字形の長尺型材同士が上下逆にして水平自由端が他の被加工物の垂直押圧対向壁の上部に係合するように組み合わされることになる。

上述のようにして、部材５１及び５２が嵌合された状態で、架台（図示せず）に載せられ、移動しないように固定される。いま、板部５１ｂ及び５２ｂの厚さ（幅）をＡとすると、Ａ≧Ｂ（Ｂはショルダ部２１ａの直径）に規定される。

摩擦攪拌接合を行う際には、工具２１を回転させつつ、プローブ２１ｂを接合部、つまり、嵌合片部５１ｃと嵌合溝５２ｄとの当接面に挿入して、接合部に沿って（図６において紙面の表側から裏側に向かう方向に）工具２１を移動させる。この際、プローブ２１ｂの回転中心は、嵌合片部５１ｃと嵌合溝５２ｄとの間にある。そして、摩擦攪拌接合の際には、ショルダ部２１ａが板部５１ａ及び５２ｂに押しつけられることになるが、前述のように、Ａ≧Ｂであるから、この押圧力は板部５２ｂによって支えられることになる。なお、摩擦攪拌接合に当たっては、例えば、工具２１の回転数は８００〜２０００ｒｐｍ、送り速度（工具２１の移動速度）は１００〜１０００ｍｍ／分とされる。

前述のようにして、工具２１を用いて摩擦攪拌接合を行うと、部材５１及び５２は接合部において摩擦攪拌接合されることになり、接合部には接合ビード（図示せず）が形成される。この接合ビードは嵌合片部５１ｃと嵌合溝５２ｄとの当接面の延長線上にその幅の中心が位置する。接合ビードの深さは接合部に挿入したプローブ２１ｂの長さによって決定される。

なお、上述のようして、板部５１ａ及び５２ｂを摩擦攪拌接合した後、反転して同様にして、板部５１ｂ及び５２ａが摩擦攪拌接合される。

このように、図６に示す例では、部材５１及び５２を接合する際、板部５１ｂ及び５２ｂ（つまり、垂直押圧対向壁）の厚さ≧ショルダ部２１ａの直径としたから、摩擦攪拌接合の際、ショルダ部２１ａによる押圧力を全て板部５１ｂ又は５２ｂで受けることができる結果、接合部を強く押圧することができ、精度よく摩擦攪拌接合を行うことができることになる。なお、板部５１ａ及び５２ａの厚さをＤとすると、Ｐ（Ｐはプローブ２１ｂの長さ）≧Ｄとすることが望ましい。

さらに、部材５１及び５２をプレス成形又は押出し型材とすれば、部材５１及び５２が長尺部材であることを考慮すると、中空型材等の摩擦攪拌接合型材を容易にしかも安価に製造することができることになる。

また、前述のように、部材５１及び５２は嵌合されているから、摩擦熱によって部材５１及び５２が変形しようとしても、変形することができず、その結果、接合部のギャップ（間隙）が変形することがなく、良好な摩擦攪拌接合を行うことができる。

図７に示すように、接合部に凸部（突設平面）６１を設けるようにしてもよく、このように凸部６１を設ければ、摩擦攪拌接合の際、接合部の表面に凹みができることがない。つまり、接合部の強度が低下することがない。なお、凸部６１の幅をＣとすると、Ｃ≦Ｂに規定される。このようにすれば、摩擦攪拌接合の際、凸部６１がショルダ部２１ａからはみ出ることがない。

さらに、図８に示すように、板部５２ｂの一端部に長さ方向に延びる係止部（係止溝）６３を形成して、板部５１ａの一端部を係止部６３に係止するようにしてもよい。つまり、垂直押圧対向壁の自由端係合位置に切り欠きを設けるようにしてもよい。この場合においても、嵌合片部５２ｃは嵌合溝５１ｄに嵌合されているから、摩擦熱によって部材５１及び５２が変形しようとしても、変形することができず、その結果、接合部のギャップ（間隙）が変形することがなく、良好な摩擦攪拌接合を行うことができる。

さらに、図９に示すように、板部５１ｂ及び５２ｂの一端部（嵌合溝が形成される端部）にテーパー面６２を形成するようにしてもよく、このようにすれば、摩擦攪拌接合の際の接合部における強度を増すことができる。

加えて、図１０に示すように、板部５２ｂの一端部に長さ方向に延びる係止部（係止溝）６３を形成して、板部５１ａの一端部を係止部６３に係止するようにしてもよい。この場合においても、嵌合片部５２ｃは嵌合溝５１ｄに嵌合されているから、摩擦熱によって部材５１及び５２が変形しようとしても、変形することができず、その結果、接合部のギャップ（間隙）が変形することがなく、良好な摩擦攪拌接合を行うことができる。

また、図１１に示すように、板部５１ｂ及び５２ｂにそれぞれ長さ方向に延び断面Ｌ字形の嵌合体６４及び６５を形成して、嵌合溝とし、一方、板部５１ａ及び５２ａの一面（互いに対向する面）に突起部６６及び６７を形成して、嵌合体６４及び６５に突起部６７及び６６を嵌合するようにしてもよい。なお、図１２に示すように、接合部に凸部６１を設けるようにしてもよい。

さらに、図１３に示すように、板部５２ｂの一端部に長さ方向に延びる係止部（係止溝）６３を形成して、板部５１ａの一端部を係止部６３に係止するようにしてもよい。この場合においても、突起部６７は嵌合体６４に嵌合しているから、摩擦熱によって部材５１及び５２が変形しようとしても、変形することができず、その結果、接合部のギャップ（間隙）が変形することがなく、良好な摩擦攪拌接合を行うことができる。なお、図１４に示すように、接合部に凸部６１を設けるようにしてもよい。また、図１５に示すように、テーパー面６２を形成するようにしてもよく、図１６に示すように、テーパー面６２を形成するとともに凸部６１を形成するようにしてもよい。この際、板部５１ａの上面からテーパー面６２の下端までの距離をＥとすると、Ｅ＞Ｐに規定することが望ましい。

また、図１７に示すように、複数の部材７１を嵌合溝７１ａ及び嵌合片部７１ｂを用いて嵌合させれば、同時に複数の接合部を摩擦攪拌接合することができることになる。この際、図１８に示すように係止部６３を用いて、部材７１の一端部を係止するようにしてもよい。

本発明によれば、摩擦攪拌接合の際、ショルダ部による押圧力を受圧する垂直押圧対向壁がない場合でも、該押圧力を全て流体チューブ４３で受けることができる結果、部材を強く押圧することができ、安価で接合精度のよい摩擦攪拌接合型材の製造方法を提供出来る。

本発明の参考例による摩擦攪拌接合型材である中空型材の第１の例を工具とともに示す斜視図である。 図１に示す中空型材の断面図である。 本発明の参考例による摩擦攪拌接合型材である中空型材の第２の例を示す断面図であり、（ａ）はリブ部材としてＨ形材を用いた際の中空型材を示す断面図、（ｂ）はリブ部材として角管部材を用いた際の中空型材を示す断面図である。 本発明の参考例による摩擦攪拌接合型材である中空型材の第３の例を示す断面図であり、（ａ）は少なくとも断面略コ字形を有する部材を摩擦攪拌接合した状態を示す断面図、（ｂ）はコア材を有するダブルスキン部材を摩擦攪拌接合した状態を示す断面図である。 本発明の実施例による摩擦攪拌接合型材である中空型材の第４の例を示す断面図である。 本発明の参考例による摩擦攪拌接合型材である中空型材の第５の例を示す断面図である。 本発明の参考例による摩擦攪拌接合型材である中空型材の第６の例を示す断面図である。 本発明の参考例による摩擦攪拌接合型材である中空型材の第７の例を示す断面図である。 本発明の参考例による摩擦攪拌接合型材である中空型材の第８の例を示す断面図である。 本発明の参考例による摩擦攪拌接合型材である中空型材の第９の例を示す断面図である。 本発明の参考例による摩擦攪拌接合型材である中空型材の第１０の例を示す断面図である。 本発明の参考例による摩擦攪拌接合型材である中空型材の第１１の例を示す断面図である。 本発明の参考例による摩擦攪拌接合型材である中空型材の第１２の例を示す断面図である。 本発明の参考例による摩擦攪拌接合型材である中空型材の第１３の例を示す断面図である。 本発明の参考例による摩擦攪拌接合型材である中空型材の第１４の例を示す断面図である。 本発明の参考例による摩擦攪拌接合型材である中空型材の第１５の例を示す断面図である。 本発明の参考例による摩擦攪拌接合型材である中空型材の第１６の例を示す断面図である。 本発明による摩擦攪拌接合型材である中空型材の第１７の例を示す断面図である。

符号の説明

１１ 上長尺平板（第１の平板）
１２ 下長尺平板（第２の平板）
１３ リブ部材（チャネル部材）
２１ 工具
３１，３２，４１，４２，５１，５２，７１ 部材
４３ 流体チューブ
６１ 凸部
６２ テーパー面
６３ 係止部
６４，６５ 嵌合体
６６，６７ 突起部

Claims (4)

1. 被加工物に摩擦熱を付与する円形ショルダ面と該ショルダ面より被加工物接合線に沿って挿設されるプローブを有する工具を用いて被加工物同士の摩擦撹拌接合を行う摩擦撹拌接合型材の製造方法において、前記ショルダによって摩擦熱を付与されながら押圧される被加工物の裏面にショルダの押圧力を受圧する流体内包体が配設されていることを特徴とする摩擦撹拌接合型材の製造方法。
2. 前記流体内包体を形成する外被体が可撓性を有し、且つ非膨張の材質で形成されていることを特徴とする請求項１記載の摩擦撹拌接合型材の製造方法。
3. 前記流体内包体が接合位置に沿って延在する可撓性の流体チューブ体であることを特徴とする請求項２記載の摩擦撹拌接合型材の製造方法。
4. 前記流体内包体の被加工材裏面当接幅が、ショルダ面直径より大になるように、可撓性と直径を設定したことを特徴とする請求項２記載の摩擦撹拌接合型材の製造方法。

Images