JP2009241151A - 摩擦攪拌用回転ツール及び接合方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】摩擦攪拌接合を好適に行うことができる摩擦攪拌用回転ツールを提供することを課題とする。
【解決手段】一対の金属部材1,1同士の突合部を摩擦攪拌するために用いられる摩擦攪拌用回転ツールBであって、金属部材1よりも硬質の金属からなるショルダ部B1と、ショルダ部B1の下端面B11の中央に突設され先細りの円錐台状に形成された攪拌ピンB2と、攪拌ピンB2の外周面に螺旋状に刻設された攪拌翼B3と、を有し、攪拌ピンB2の最大外径Y2に対す記攪拌ピンB2の長さの比が、1.33〜2.03であることを特徴とする。
【選択図】図2
Description
第一の実施形態では、図1に示すように、金属部材1,1を直線状に繋ぎ合せる場合を例示する。すなわち、第一の実施形態は、摩擦攪拌を利用した金属部材同士の接合方法であって、金属部材同士の突合部に対して仮接合としての摩擦攪拌を行った後に、仮接合された状態の突合部に対して本接合としての摩擦攪拌を行う接合方法を例示する。
まず、接合すべき金属部材1,1を詳細に説明するとともに、この金属部材1,1を接合する際に用いられる第一タブ材2と第二タブ材3を詳細に説明する。
図1を参照して準備工程を説明する。準備工程は、接合すべき金属部材1,1や摩擦攪拌の開始位置や終了位置が設けられる当て部材(第一タブ材2および第二タブ材3)を準備する工程であり、本実施形態では、接合すべき金属部材1,1を突き合せる突合工程と、金属部材1,1の突合部J1の両側に第一タブ材2と第二タブ材3を配置するタブ材配置工程と、第一タブ材2と第二タブ材3を溶接により金属部材1,1に仮接合する溶接工程とを具備している。
第一の予備工程は、第一の本接合工程に先立って行われる工程であり、本実施形態では、金属部材1,1と第一タブ材2との突合部J2を接合する第一タブ材接合工程と、金属部材1,1の突合部J1を仮接合する仮接合工程と、金属部材1,1と第二タブ材3との突合部J3を接合する第二タブ材接合工程と、第一の本接合工程における摩擦攪拌の開始位置に下穴を形成する下穴形成工程とを具備している。
まず、図3の(a)に示すように、第一タブ材2の適所に設けた開始位置SPの直上に仮接合用回転ツールAを位置させ、続いて、仮接合用回転ツールAを右回転させつつ下降させて攪拌ピンA2を開始位置SPに押し付ける。仮接合用回転ツールAの回転速度は、攪拌ピンA2の寸法・形状、摩擦攪拌される金属部材1等の材質や肉厚等に応じて設定されるものであるが、多くの場合、500〜2000(rpm)の範囲内において設定される。
第一の本接合工程は、金属部材1,1の突合部J1を本格的に接合する工程である。本実施形態に係る第一の本接合工程では、図2の(b)に示す本接合用回転ツールBを使用し、仮接合された状態の突合部J1に対して金属部材1の表面12側から摩擦攪拌を行う。
まず、図5の(a)に示すように、下穴P1(開始位置SM1)の直上に本接合用回転ツールBを位置させ、続いて、本接合用回転ツールBを右回転させつつ下降させて攪拌ピンB2の先端を下穴P1に挿入する。攪拌ピンB2を下穴P1に入り込ませると、攪拌ピンB2の周面(側面)が下穴P1の穴壁に当接し、穴壁から金属が塑性流動化する。このような状態になると、塑性流動化した金属を攪拌ピンB2の周面で押し退けながら、攪拌ピンB2が圧入されることになるので、圧入初期段階における圧入抵抗を低減することが可能となり、また、本接合用回転ツールBのショルダ部B1が第二タブ材3の表面32に当接する前に攪拌ピンB2が下穴P1の穴壁に当接して摩擦熱が発生するので、塑性流動化するまでの時間を短縮することができ、摩擦攪拌装置の負荷を低減することが可能となり、加えて、本接合に要する作業時間を短縮することが可能となる。
第一の補修工程は、第一の本接合工程により金属部材1に形成された表側塑性化領域W1に対して摩擦攪拌を行う工程であり、表側塑性化領域W1に含まれている可能性がある接合欠陥を補修する目的で行われるものである。
まず、第一タブ材2の適所に設けた開始位置SRに補修用回転ツールCの攪拌ピンC2(図6の(b)参照)を挿入(圧入)して摩擦攪拌を開始し、第二の補修領域R2に対して摩擦攪拌を行う。
第一の横断補修工程も、第一の本接合工程により金属部材1に形成された表側塑性化領域W1に対して摩擦攪拌を行う工程であり、表側塑性化領域W1に含まれている可能性があるトンネル欠陥を分断する目的で行われるものである。
なお、本実施形態では、前記した補修用回転ツールC(図6参照)を横断用回転ツールDとして使用することとし、その詳細な説明は省略する。また、横断用回転ツールDの回転速度、挿入速度、移動速度、離脱速度なども補修用回転ツールCの場合と同様であるので、詳細な説明は省略する。
第一の横断補修工程では、まず、金属部材1の適所に設けた開始位置SCに横断用回転ツールDの攪拌ピンD2(図9参照)を挿入(圧入)して摩擦攪拌を開始し、一つ目の交差ルートF1に沿って連続して摩擦攪拌を行う。
第二の予備工程は、第二の本接合工程に先立って行われる工程であり、本実施形態では、第二の本接合工程における摩擦攪拌の開始位置SM2に下穴P2を形成する下穴形成工程を具備している。なお、第二の予備工程の中に、前記した第一タブ材接合工程、仮接合工程および第二タブ材接合工程を含ませてもよい。
第二の本接合工程は、金属部材1,1の突合部J1を本格的に接合する工程である。本実施形態に係る第二の本接合工程では、図10の(a)および(b)に示すように、第一の本接合工程で使用した本接合用回転ツールBを使用して、突合部J1に対して金属部材1の裏面13側から摩擦攪拌を行う。
まず、図10の(a)に示すように、下穴P2の直上に本接合用回転ツールBを位置させ、続いて、本接合用回転ツールBを右回転させつつ下降させて攪拌ピンB2の先端を下穴P2に挿入する。なお、本接合用回転ツールBの挿入時の回転速度は、前記した第一の本接合工程の場合と同様に、本接合用回転ツールBの移動時の回転速度よりも高速にすることが望ましい。
第二の補修工程は、第二の本接合工程により金属部材1に形成された裏側塑性化領域W2に対して摩擦攪拌を行う工程であり、裏側塑性化領域W2に含まれている可能性がある接合欠陥を補修する目的で行われるものである。第二の補修工程は、金属部材1の裏面13側から摩擦攪拌を行うという点以外は、前記した第一の補修工程と同様であるので、その詳細な説明は省略する。
第二の横断補修工程は、第二の本接合工程により金属部材1に形成された裏側塑性化領域W2に対して摩擦攪拌を行う工程であり、裏側塑性化領域W2に含まれている可能性があるトンネル欠陥を分断する目的で行われるものである。第二の横断補修工程は、金属部材1の裏面13側から摩擦攪拌を行うという点以外は、前記した第一の横断補修工程と同様であるので、その詳細な説明は省略する。
第二の実施形態では、第一の本接合工程および第二の本接合工程を行う際に、回転ツールとして図12に示す本接合用回転ツールK(摩擦攪拌用回転ツールKともいう)を用いるとともに、金属部材1,1の下側に冷却板を備えた状態で摩擦攪拌を行う場合を例示する。
なお、第二の実施形態は、摩擦攪拌用回転ツールKおよび冷却板40を用いる点を除いては第一の実施形態および第二の実施形態と同等であるため、重複する部分については説明を省略する。
2 第一タブ材
3 第二タブ材
J1〜J3 突合部
A 仮接合用回転ツール
A1 ショルダ部
A2 攪拌ピン
B 本接合用回転ツール(摩擦攪拌用回転ツール)
B1 ショルダ部
B2 攪拌ピン
C 補修用回転ツール
D 横断用回転ツール
G 肉盛部
K 本接合用回転ツール(摩擦攪拌用回転ツール)
K1 ショルダ部
K2 攪拌ピン
K3 攪拌用突条体
K4 攪拌翼
P1 下穴
W1,W2 塑性化領域
W3 再塑性化領域
Claims (7)
- 一対の金属部材同士の突合部を摩擦攪拌するために用いられる摩擦攪拌用回転ツールであって、
前記金属部材よりも硬質の金属からなるショルダ部と、
前記ショルダ部の下端面の中央に突設され先細りの円錐台状に形成された攪拌ピンと、
前記攪拌ピンの外周面に螺旋状に刻設された攪拌翼と、を有し、
前記攪拌ピンの最大外径に対する前記攪拌ピンの長さの比が、1.33〜2.03であることを特徴とする摩擦攪拌用回転ツール。 - 一対の金属部材同士の突合部を摩擦攪拌するために用いられる摩擦攪拌用回転ツールであって、
前記金属部材よりも硬質の金属からなるショルダ部と、
前記ショルダ部の下端面の中央に突設され先細りの円錐台状に形成された攪拌ピンと、
前記攪拌ピンの外周面に螺旋状に刻設された攪拌翼と、を有し、
前記攪拌ピンの最小外径に対する前記攪拌ピンの最大外径の比が、2.00〜2.67であることを特徴とする摩擦攪拌用回転ツール。 - 一対の金属部材同士の突合部を摩擦攪拌するために用いられる摩擦攪拌用回転ツールであって、
前記金属部材よりも硬質の金属からなるショルダ部と、
前記ショルダ部の下端面の中央に突設され先細りの円錐台状に形成された攪拌ピンと、
前記攪拌ピンの外周面に螺旋状に刻設された攪拌翼と、を有し、
前記攪拌ピンの最大外径に対する前記ショルダ部の外径の比が、1.56〜2.14であることを特徴とする摩擦攪拌用回転ツール。 - 前記ショルダ部の下端面には、前記攪拌ピンの周囲を囲むように、平面視渦巻き状に突設された攪拌用突条体が形成されていることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか一項に記載の摩擦攪拌用回転ツール。
- 請求項1乃至請求項4のいずれか一項に記載の摩擦攪拌用回転ツールを用いて行う接合方法であって、
一対の金属部材同士の突合部に対して前記金属部材の表面側から摩擦攪拌を行う第一の本接合工程と、
前記突合部に対して前記金属部材の裏面側から摩擦攪拌を行う第二の本接合工程と、を含み、
前記第二の本接合工程において、前記第一の本接合工程で形成された塑性化領域に前記摩擦攪拌用回転ツールの前記攪拌ピンを入り込ませつつ摩擦攪拌を行うことを特徴とする接合方法。 - 前記第一の本接合工程では、前記金属部材の裏面側に冷却板を備えた状態で、前記金属部材の表面側から前記突合部に対して摩擦攪拌を行うことを特徴とする請求項5に記載の接合方法。
- 前記第二の本接合工程では、前記金属部材の表面側に冷却板を備えた状態で、前記金属部材の裏面側から前記突合部に対して摩擦攪拌を行うことを特徴とする請求項5又は請求項6に記載の接合方法。
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