JP2008302422A

JP2008302422A - 接合方法

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Publication number: JP2008302422A
Application number: JP2007154343A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiko Nogami; 一彦野上; Masaaki Kumai; 雅章熊井
Original assignee: Nikkeikin Aluminum Core Technology Co Ltd
Current assignee: Nikkeikin Aluminum Core Technology Co Ltd
Priority date: 2007-06-11
Filing date: 2007-06-11
Publication date: 2008-12-18
Anticipated expiration: 2027-06-11
Also published as: JP5044294B2

Abstract

【課題】回転ツールの軌道を妨げることなく強固に金属部材を固定することで、高精度に金属部材同士の摩擦攪拌接合を行うことを可能とした、接合方法を提供する。
【解決手段】金属部材１０同士を摩擦攪拌接合により接合する方法であって、接合される金属部材１０同士の突合面を突き合わせた状態で、金属部材１０，１０を支持台２０に載置し、少なくとも一方の金属部材１０に形成された挿通孔にボルト３０を挿通するとともに、このボルト３０を利用して金属部材１０を支持台２０に押え付けた後、金属部材１０同士を摩擦攪拌接合する。
【選択図】図１

Description

本発明は、摩擦攪拌を利用した金属部材の接合方法に関する。

金属部材同士を接合する方法として、摩擦攪拌接合（ＦＳＷ＝Friction Stir Welding）が知られている。摩擦攪拌接合は、回転ツールを回転させつつ金属部材同士の突合部に沿って移動させ、回転ツールと金属部材との摩擦熱により突合部の金属を塑性流動させることで、金属部材同士を固相接合させるものである。なお、回転ツールは、円柱状を呈するショルダ部の下端面に攪拌ピン（プローブ）を突設してなるものが一般的である。

摩擦攪拌接合は、回転ツールの移動とともに生じる金属部材のずれなどが原因による、接合欠陥が生じることがないように、金属部材同士を突き合わせた状態で強固に固定する必要がある。

従来、摩擦攪拌接合における金属部材の固定は、突合部をつき合わせた状態で支持台に配置された金属部材を、クランプ等の治具を利用して、両端部を支持台に締着することより行っていた。

ところが、このような固定方法では、金属板の表面に曲がりが生じる場合があった。
そのため、曲がりを矯正することを目的として、多数のクランプを所定の間隔で配置して、金属板を支持台に締着する場合がある。

また、特許文献１には、摩擦攪拌接合における金属部材の固定方法として、支持台の一側方に配置された固定爪と、他側方から突設された水平軸に摺動可能に装着された万力と、を利用する固定方法が開示されている。
特開２００１−２０５４５３号公報

ところが、特許文献１に記載の固定方法では、金属部材同士の突合部から離れた金属部材の側方に設置された万力を介して押さえつけるため、突合部の近傍で固定することができない。そのため、摩擦攪拌接合時に、回転ツールの移動により、突合部にズレが生じる虞があった。

したがって、金属部材の側方から延設されたアームを備えた治具を利用して突合部近傍にて押え付ける必要があるが、アームを介した固定は、十分な押え付け力を得られない虞があった。また、アームを利用して上方から金属部材を固定すると、アームが接合部を跨ぎ、回転ツールの移動を妨げる場合があった。

このような観点から、本発明は、金属部材同士の突合部において摩擦攪拌を行うことで金属部材同士を接合する方法であって、回転ツールの軌道を妨げることなく突合部の近傍で強固に金属部材を固定することで、高精度に金属部材同士の摩擦攪拌接合を行うことが可能な接合方法を提供することを課題とする。

このような課題を解決する本発明に係る接合方法は、複数の金属部材を摩擦攪拌接合により接合する方法であって、接合される前記金属部材同士の突合面を突き合わせた状態で、前記金属部材を支持台に載置し、少なくとも一方の前記金属部材に形成された挿通孔にボルトを挿通するとともに、当該ボルトを利用して該金属部材を前記支持台に押え付けた後、前記金属部材同士を摩擦攪拌接合することを特徴としている。

かかる接合方法によれば、摩擦攪拌接合における接合ライン（金属部材同士の突合部）を横断するアームを介することなく、突合部の近傍において金属部材を固定することが可能なため、回転ツールの軌道が妨げられることがなく、また、回転ツールの移動により金属部材が動くことがない。そのため、高品質な接合を簡易に行うことが可能となる。

また、前記接合方法において、前記ボルトは、前記金属部材の上方に配設された押え板を介して該金属部材を押え付けることを特徴としている。

かかる接合方法によれば、金属部材を、ボルトを介して固定する際に、押え板を介在させるため、ボルトの締め付け力を分散させて、金属部材への負担を軽減させることが可能となる。そのため、ボルトの締め付け力により金属部材に破損が生じることを防止する。

また、前記押え板の前記金属部材側の表面に、保護材が配置されていてもよく、前記保護材が、樹脂部材であってもよい。これにより、上板により金属部材を押え付ける際に、金属部材に破損が生じることを防止する。

また、前記接合方法において、前記金属部材同士の突合部の下面に、接合ライン支持部材が配設されていれば、回転ツールの軌道を、金属部材を挟んで回転ツールと反対側の面から支持するため、突合面がずれることなく、高品質な接合を、簡易かつ安価に行うことが可能となる。

本発明の金属部材の接合方法によれば、回転ツールの軌道を妨げることなく突合部の近傍において強固に金属部材を固定するため、高品質な金属部材同士の摩擦攪拌接合を行うことが可能となる。

本実施形態では、図１に示すように、３つの金属部材１０（第一金属部材１１、第二金属部材１２、第三金属部材１３）を摩擦攪拌接合により接合する場合について説明する。なお、説明における各方向は、図１に示す方向に統一するものとする。

各金属部材１０の形状寸法は限定されるものではなく、適宜設定することが可能である。本実施形態では、断面矩形の中空押出形材からなる第一金属部材１１と、外形断面略Ｔ字の中空押出形材からなる第二金属部材１２および第三金属部材１３を使用する。そして、本実施形態では、第一金属部材１１の左右に、断面略Ｔ字の第二金属部材１２および第三金属部材１３を接合する場合について説明する。

なお、金属部材１０を構成する材料は限定されるものではなく、適宜公知の材料から選定して使用すればよいが、本実施形態では、アルミニウム合金製の金属部材１０を使用する。

また、図１および図２に示すように、各金属部材１０同士の突合部Ｊに対応する個所には、上下に突出する凸部１１ｂ，１２ｂ，１３ｂがそれぞれ形成されている。凸部１１ｂ，１２ｂ，１３ｂの断面形状は限定されるものではないが、摩擦攪拌接合により接合されることで、完成部材として必要な強度を発現することが可能な高さと厚みを有している。
なお、各凸部１１ｂ，１２ｂ，１３ｂは、凸部１１ｂと凸部１２ｂおよび凸部１１ｂと凸部１３ｂを付き合わせた際の幅寸法が、回転ツールＡのショルダ径（ショルダ部Ａ１の外径）よりも大きくなるようになっている（図５（ａ）および（ｂ）参照）。

第一金属部材１１の突合面１１ａ，１１ａは、図２に示すように、平面を呈している。一方、第二金属部材１２と第三金属部材１３の突合面１２ａ，１３ａは、第一金属部材１１の突合面１１ａと突き合せたときに隙間が形成されるように、中間部分に予め凹みが形成されている。このように、第二金属部材１２と第三金属部材１３の突合面１２ａ，１３ａの中間部分に凹みが形成されていることで、突合面１２ａ，１３ａの上下（凸部１２ｂ，１３ｂも含む）が第一金属部材１１の突合面１１ａ，１１ａに密着する。平面からなる突合面同士を突き合わせると、突合面の不陸により密着せずに、高品質な摩擦攪拌接合ができない場合があるが、本実施形態に係る金属部材１０は、互いの突合部Ｊに隙間が形成されていることで、この隙間が突合面の不陸を吸収し、隙間の上方の摩擦攪拌接合を行う接合部分に関しては金属部材１０同士が隙間なく密着し、高品質に摩擦攪拌接合を行うことを可能としている。

なお、本実施形態では、第二金属部材１２と第三金属部材１３の突合面１２ａ，１３ａに凹みを形成するものとしたが、第一金属部材１１の突合面１１ａに凹みを形成してもよい。また、金属部材１０同士の突合面１１ａ，１２ａ，１３ａの形状は前記の形状に限定されないことはいうまでもない。また、各金属部材１０の突合面１１ａ，１２ａ，１３ａの厚さ寸法も限定されるものではないが、本実施形態では、全て同一である。また、突合面１２ａ，１３ａに形成された凹みの深さ（隙間の幅）は、限定されるものではなく適宜設定すればよい。なお、図面上（図１、図２および図５）では、突合面１２ａ，１３ａに形成された凹みの深さが大きく表示されているが、凹みの深さはわずかな隙間が形成される程度であればよい。

本実施形態に係る接合方法は、金属部材１０同士を突き合せる突合工程と、これらの金属部材１０，１０，１０を支持台２０に拘束する拘束工程と、金属部材１０同士の突合部Ｊに対して連続して熱加工を施す接合工程と、を含んでいる。

突合工程では、図１に示すように、接合される金属部材１０同士の突合面１１ａ，１２ａ，１３ａを突き合わせた状態で、これらの金属部材１０，１０，１０を支持台２０に載置する。具体的には、左右の第二金属部材１２および第三金属部材１３の間に、中央の第一金属部材１１を配置して、互いの突合面１１ａ，１２ａ，１３ａを突き合せた状態で支持台２０に載置する。

なお、支持台２０は、図１および図２に示すように、中央に間隔を有した状態で、左右に配置された台座２２，２３と、台座２２，２３の間隔において、左右の台座２２，２３に挟持された支持板２４と、これらの台座２２，２３、支持板２４を下方から支持する支持台本体２１により構成されている。

台座２２，２３は、摩擦攪拌接合を行う金属部材１０（突合部Ｊ）の高さ位置を調整するために支持台本体２１の上面に配置される部材であって、少なくとも一方が支持台本体２１の上面に固定位置を左右方向に変更可能に構成されている。台座２２，２３は、支持板２４の幅寸法に応じて、互いの間隔の幅寸法を変更することで支持板２４を挟持した状態で、支持台本体２１に固定されている。なお、台座２２，２３の支持台本体２１への固定方法は、限定されるものではなく、適宜公知の手段により行うものとする。

支持板２４は、摩擦攪拌接合を行う金属部材１０（突合部Ｊ）の高さ位置を調整するために支持台本体２１の上面に配置される部材である。図１および図２に示すように、支持板２４は、金属製の板材であって、支持台本体２１の上面に載置されるとともに左右の台座２２，２３に挟持された状態で、支持台本体２１に移動不能に固定されている。なお、支持板２４の支持台本体２１への固定方法は限定されるものではなく、適宜公知の方法により行えばよい。

図２および図３に示すように、支持板２４の上面の両端には、支持台２０に載置された金属部材１１，１２，１３同士の突合部Ｊを、下面から支持するための接合ライン支持部材２５，２５が配設されている。また、支持板２４の上面の中央には、第一金属部材１１を支持するための支持部材２６が配設されている。

支持板２４には、接合ライン支持部材２５，２５および支持部材２６の対応する個所に、所定のピッチにより、ボルト２５ａ，２６ａを挿通するための挿通孔が形成されている。また、支持板２４には、接合ライン支持部材２５，２５と支持部材２６との間に、後記するボルト３０を螺合するためのネジ孔２４ａ，２４ａ，…が所定の間隔により形成されている。

接合ライン支持部材２５は、図２に示すように、金属部材１０を支持台２０に載置した状態で、突合部Ｊの下面に当接するように構成されており、摩擦攪拌接合時に、回転ツールの反対側から突合部Ｊを支持する部材である。接合ライン支持部材２５は、摩擦攪拌接合時の圧力に対する十分な耐力を有しているとともに、この圧力により移動することがないように、支持板２４に固定されている。

接合ライン支持部材２５の支持板２４への固定は、図３（ｂ）に示すように、支持板２４を挿通するボルト２５ａにより螺合されることで行われている。なお、接合ライン支持部材２５の支持板２４への固定方法は限定されないことはいうまでもない。
また、本実施形態では、金属部材１１，１２，１３の形状等に応じて、形状が変更可能となるように、支持板２４と接合ライン支持部材２５とを別部材により構成するものとしたが、支持板２４と接合ライン支持部材２５とが予め一体に形成されていてもよい。

支持部材２６は、第一金属部材１１を補助的に支持する部材であって、必要に応じて配置すればよい。本実施形態では、金属部材１０を支持台２０に載置した際に、第一金属部材１１と支持部材２６との間に、わずかな隙間が形成されるように構成されている。つまり、第一金属部材１１と支持部材２６とが常時当接していると、第一金属部材１１または支持部材２６の当接面が不陸であった場合等に、金属部材１０同士の突合部Ｊにずれが生じる虞があるため、このような誤差を回避するように構成されている。なお、支持部材２６は、摩擦攪拌接合時やボルト３０による締め付け時に、第一金属部材１１にたわみが生じた場合等に下方から支持する役目を果たす。

図３（ｂ）に示すように、支持部材２６の支持板２４への固定も接合ライン支持部材２５と同様に、支持板２４を挿通するボルト２６ａにより螺合されることで行われている。
なお、ボルト２５ａおよびボルト２６ａの配置ピッチは限定されるものではなく、適宜設定すればよい。

拘束工程では、図１および図２に示すように、金属部材１０，１０，１０をボルト３０、治具４０、万力５０等を介して、支持台２０に移動不能に拘束する。

第一金属部材１１は、図２に示すように、第一金属部材１１に形成された挿通孔にボルト３０を挿通するとともに、このボルト３０の先端を支持板２４のネジ孔２４ａに螺着することにより、第一金属部材１１を支持台２０に上から押え付けられている。
なお、第一金属部材１１を押え付けるピッチは限定されるものではなく、適宜設定すればよい。

この時、ボルト３０の頭部３０ａと、第一金属部材１１との間には、押え板３１が介在されており、ボルト３０による押え付け力を押え板３１により分散させることで、第一金属部材１１を面的に押え付けるように構成されている。

本実施形態では、ボルト３０を挿通するための挿通孔として、金属部材１１，１２，１３を接合することにより完成された完成部材の使用目的に応じて予め形成された挿通孔を利用するものとする。なお、第一金属部材１１への挿通孔の形成は、支持台２０への載置前に形成していても、載置後に形成してもよい。また、挿通孔は、完成部材の使用に妨げとならず、また、完成部材に必要な強度を維持することが可能であれば、接合時にのみ使用されるものであってもよい。

押え板３１は、図４（ａ）および（ｂ）に示すように、金属製の板材であって、ボルト３０を挿通するための挿通孔３１ａが２箇所に形成されている。また、押え板３１の下面（第一金属部材１１側の表面）には、保護材３２が配置されており、押え板３１が直接第一金属部材１１と接することにより、第一金属部材１１に破損（キズ等）が生じることがないように構成されている。なお、押え板３１に形成される、挿通孔３１ａの数は限定されるものではなく、適宜設定すればよい。

本実施形態では、保護材３２として、樹脂部材により構成されたものを、押え板３１に３個固定するものとする。なお、保護材３２の個数は限定されるものではなく、適宜設定すればよい。また、保護材３２を押え板３１の下面全体に配置してもよい。また、本実施形態では、保護材３２の押え板３１への固定をネジ等の留具３２ａを介して行うものとするが、例えば、接着剤を介して接着してもよく、その固定方法は限定されるものではない。

第二金属部材１２および第三金属部材１３は、図１および図２に示すように、アーム４１を備えた治具４０により、突合部Ｊの近傍であって、押え板３１と同ピッチで、支持台２０に押え付けられている。

本実施形態に係る治具４０は、図２に示すように、アーム４１と固定ボルト４２と補助部材４３とにより構成されている。アーム４１は、金属製の板材により構成されており、固定ボルト４２の押え付け力により変形することない強度を有している。アーム４１は、断面略Ｔ字の第二金属部材１２または第三金属部材１３の突出部分を跨いで、補助部材４３の上面を先端により押さえつけることが可能な長さを有している。また、アーム４１の後端には、固定ボルト４２を挿通する挿通孔が形成されている。

固定ボルト４２は、アーム４１の挿通孔を挿通した状態で、先端が台座２２，２３に螺着されることでアーム４１を下方に押え付ける。そして、この固定ボルト４２の押え付け力は、アーム４１を介して第二金属部材１２または第三金属部材１３に伝達される。

補助部材４３は、第二金属部材１２または第三金属部材１３の上面であって、アーム４１の先端に対応する個所に配設されている。補助部材４３の形状は、第二金属部材１２または第三金属部材１３の形状に応じて形成されている。また、補助部材４３は、樹脂部材により構成されることで、第二金属部材１２または第三金属部材１３に破損（キズ等）が生じることがないように構成されている。

図２に示すように、金属部材１０は、左右から突合面が離間することがないように、万力５０により横方向に押し付けられている。なお、金属部材１１，１２，１３の横方向への押え付け方法は、これに限定されるものではない。

金属部材１０の横方向の押え付けは、左側の台座２２に固定された万力５０と、右側の台座２３に固定された受部材５１により、把持することにより行う。なお、万力５０と第二金属部材１２および受部材５１と第三金属部材１３の間には、それぞれ補助板５２，５２が介在されており、万力５０による押え付け力を分散させて、突合部Ｊ，Ｊの全面が、密着するように構成されている。

なお、本実施形態では、万力５０および受部材５１を、ボルトにより螺合することにより台座２２，２３にそれぞれ固定しているが、万力５０および受部材５１の固定方法は限定されるものではなく、適宜公知の手段により行えばよい。

以上のようにすることで、金属部材１０，１０，１０は、上下方向および左右方向において、移動不能に支持台２０に拘束される。

接合工程では、突合部Ｊに対して連続して摩擦攪拌を行う。具体的には、図５（ａ）に示すように、回転させた回転ツールＡの攪拌ピンＡ２を、凸部１１ｂ，１３ｂ（１２ｂ）の上から凸部１１ｂ，１３ｂ（１２ｂ）の上面に設けた開始位置Ｓに挿入（圧入）するとともに、挿入した攪拌ピンＡ２を途中で離脱させることなく突合部Ｊを含むように設定した摩擦攪拌のルートに沿って相対移動させることで連続して摩擦攪拌を行ったうえで、終了位置で攪拌ピンＡ２を上方に離脱させればよい。
回転ツールＡを回転させつつ突合部Ｊに沿って移動させると、図５（ｂ）に示すように、回転ツールＡと金属との摩擦熱により突合部Ｊの金属が塑性流動化し、突合部Ｊが固相接合される。本実施形態では、突合面１１ａ，１３ａ（１２ａ）同士の間に形成された隙間の上方において、接合後も各金属部材１０の凸部１１ｂ，１２ｂ，１３ｂが残るように摩擦攪拌接合がなされる。

回転ツールＡの形態等に特に制限はないが、本実施形態では、図５（ａ）に示すものを使用している。図５（ａ）に示す回転ツールＡは、工具鋼など接合対象よりも硬質の金属材料からなり、円柱状を呈するショルダ部Ａ１と、このショルダ部Ａ１の下端面Ａ１１に突設された攪拌ピン（プローブ）Ａ２とを備えて構成されている。ショルダ部Ａ１の下端面Ａ１１は、塑性流動化した金属を押えて周囲への飛散を防止する役割を担う部位であり、本実施形態では、凹面状に成形されている。攪拌ピンＡ２は、ショルダ部Ａ１の下端面Ａ１１の中央から垂下しており、本実施形態では、先細りの円錐台状に成形されている。また、攪拌ピンＡ２の周面には、螺旋状に刻設された攪拌翼が形成されている。

回転ツールＡの移動速度（送り速度）は、攪拌ピンＡ２の寸法・形状、摩擦攪拌される金属部材１０等の材質や肉厚等に応じて設定される。回転ツールＡを移動させると、その攪拌ピンＡ２の周囲にある金属が順次塑性流動化するとともに、攪拌ピンＡ２から離れた位置では、塑性流動化していた金属が再び硬化する。

以上説明した接合方法によれば、金属部材１０が、金属部材１０同士の接合部の近傍において、それぞれボルト３０や治具４０を介して固定されているため、摩擦攪拌接合時の回転ツールＡの移動により、突合部Ｊにズレが生じることが無く、高精度に接合を行うことができる。

また、各金属部材１０の支持台２０への固定は、回転ツールＡの摩擦攪拌接合時の軌道を妨げることなく行われているため、好適である。

また、第一金属部材１１の固定について、押え板３１を介在させた状態で行うため、ボルト３０の締め付け力を押え板３１により分散させて面的に押え付けるため、第一金属部材１１への負担を軽減させることが可能となる。そのため、ボルト３０の締め付け力により第一金属部材１１に破損が生じることを防止する。

また、押え板３１の表面には樹脂部材からなる保護材３２が配置されているため、押え板３１により第一金属部材１１を押え付ける際に、第一金属部材１１に破損が生じることを防止する。

また、金属部材１０同士の突合部Ｊの下面には、接合ライン支持部材２５が配設されているため、金属部材１０を挟んで回転ツールＡと反対側の面から回転ツールＡの軌道を支持することで、突合面Ｊが摩擦攪拌接合時にずれることを防止する。したがって、高品質な接合を、簡易かつ安価に行うことが可能となる。

以上、本発明について、好適な実施形態について説明したが、本発明は前記の各実施形態に限られず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜設計変更が可能である。
例えば、前記実施形態では、３つの金属部材を接合する場合について説明したが、本発明の接合方法において接合される金属部材の数量は限定されるものではない。

また、前記実施形態では、中央の金属部材についてボルトにより固定を行い、左右両脇の金属部材については、アームを備えた治具を介して固定するものとしたが、例えば、全ての金属部材について、金属部材に形成された挿通孔を利用してボルトを介して固定するなど、各金属部材の固定方法は前記実施形態の方法に限定されるものではない。

また、第二金属部材および第三金属部材の固定について、アームを備えた治具を使用せずに、クランプなどにより固定してもよい。

また、押え板は、必要に応じて配置すればよく、省略することも可能である。同様に、保護材の省略も可能である。

また、接合する金属部材の下面に凹凸がなく、下面が平面をなす場合には、接合ライン支持部材を要することなく、直接支持台にて突合部を支持してもよい。

本発明の好適な実施形態の接合方法に係る金属部材の固定状況を示す斜視図である。図１に示す金属部材の固定状況の正面図である。支持台の一部分を示す図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図である。押え板を示す図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図である。（ａ）および（ｂ）は、接合工程を説明するための断面図である。

符号の説明

１０金属部材
１１第一金属部材
１２第二金属部材
１３第三金属部材
２０支持台
２５接合ライン支持部材
３０ボルト
３１押え板
４０治具
Ｊ突合部

Claims

複数の金属部材を摩擦攪拌接合により接合する方法であって、
接合される前記金属部材同士の突合面を突き合わせた状態で、前記金属部材を支持台に載置し、少なくとも一方の前記金属部材に形成された挿通孔にボルトを挿通するとともに、当該ボルトを利用して該金属部材を前記支持台に押え付けた後、前記金属部材同士を摩擦攪拌接合することを特徴とする、
接合方法。
前記ボルトは、前記金属部材の上方に配設された押え板を介して該金属部材を押え付けることを特徴とする、
請求項１に記載の接合方法。
前記押え板の前記金属部材側の表面に、保護材が配置されていることを特徴とする、
請求項２に記載の接合方法。
前記金属部材同士の突合部の下面に、接合ライン支持部材が配設されていることを特徴とする、
請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の接合方法。