JP2010082649A - 接合方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明に係る接合方法は、一対の金属部材である平板14と、角部材R4とを突き合わせて形成された構造体(被接合金属部材N)において、前記金属部材同士を突き合わせてなる突合部J8の接合方法であって、突合部J8に対して構造体の内面B側から溶接を行う溶接工程を行った後、突合部J8に対して構造体の外面A側から摩擦攪拌を行う摩擦攪拌工程を含むことを特徴とする。
【選択図】図12
Description
本発明に係る接合方法について図面を用いて詳細に説明する。本実施形態に係る接合方法については、図1に示すように、4つの壁部材H1,H2,H3,H4によって囲まれて形成された筒状を呈する構造体1を製造する場合を例にして説明する。なお、説明においては、構造体1の中空部側を内側、反対側を外側とする。また、構造体1の内側を構成する面を内面、外側を構成する面を外面とする。
以下、本実施形態の接合方法について詳細に説明する。なお、壁部材H1,H2,H3からなる断面視U字状の中間部材については、従来の摩擦攪拌接合と略同等であるから、簡単に説明する。
中間部材接合工程は、構造体1の中間体である中間部材20(図3の(b)参照)を形成する工程である。中間部材20は、構造体1から平板14のみ取り除いた部材であって、断面視略U字状を呈する。中間部材20は、対向配置された壁部材H1及び壁部材H3と、壁部材H1と壁部材H3の間に介設される平板12(壁部材H2)とを有する。中間部材接合工程では、壁部材H1、壁部材H3をそれぞれ形成した後、平板12と壁部材H1及び壁部材H3とを接合する。
突合工程では、図4に示すように、中間部材20の上下を逆さまにした後、中間部材20の開口部21(図3の(b)参照)に平板14を挿入する。平板14の幅は、開口部21の幅と略同等に形成されている。即ち、開口部21に平板14を挿入すると、開口部21に現れる一対の側端面R3b,R4aと平板14の側端面14a,14bとがそれぞれ突き合わされる。図4に示すように、平板14の他方の側端面14aと角部材R3の一方の側端面R3bとの突合面には突合部J7が形成されている。一方、平板14の一方の側端面14bと角部材R4の他方の側端面R4aとの突合面には突合部J8が形成されている。
また、図5に示すように、平板14と角部材R4とが突き合わされて形成された金属部材を、被接合金属部材Nともいう。また、被接合金属部材Nの外側の面を外面A、内側の面を内面B、一方の端面を第一端面C、他方の端面を第二端面D(図10参照)ともいう。
溶接工程は、被接合金属部材Nの内面B側から突合部J8に沿って溶接を行う工程である。溶接工程では、図5に示すように、TIG溶接又はMIG溶接などの肉盛溶接を行って、突合部J8に沿って溶接金属T1を形成する。肉盛溶接は、被接合金属部材Nの内面Bから溶接金属T1が突出する程度に行う。溶接工程を行うことで、後記する本接合工程(摩擦攪拌工程)を行う際に、突合部J8の内面B側に切欠き(Kissing Bond)が形成されることを防止することができる。なお、溶接金属T1のうち、内面Bから突出する部分は、切削することが好ましい。これにより、内面Bを平滑に形成することができる。
溝部形成工程では、図7に示すように、突合部J8の外面A側に、突合部J8の長手方向に沿って溝部Kを形成する。ここで、溝部形成工程、後記する摩擦攪拌工程、継手部材挿入工程、外側仮接合工程及び外側本接合工程では、中間部材20の内側に裏当台25を配置するのが好ましい。裏当台25は、図6に示すように、中間部材20の内側から平板14を支持する部材である。裏当台25は、離間して配置された第一裏当材25a及び第二裏当材25bと、第一裏当材25aと第二裏当材25bとの間に立設された縦部材25c,25cとからなる。第一裏当材25a及び第二裏当材25bの長さは、平板14よりも長く形成されている(図10参照)。第一裏当材25aの外側の面から第二裏当材25bの外側の面までの距離は、平板12の内側の面から平板14の内側の面(図2参照)までの距離と略同等に形成されている。裏当台25は、本実施形態においては、突合部J7,J8ごとに一つずつ設ける。
摩擦攪拌工程では、図7の(b)に示すように、溝部Kの底面に現れる突合部J8に沿って大型回転ツールGを用いて摩擦攪拌を行う。摩擦攪拌工程は、本実施形態では、一対のタブ材を配置するタブ材配置工程と、突合部J8に対して仮接合を行う仮接合工程と、本接合工程の挿入予定位置に下穴を形成する下穴形成工程と、突合部J8に対して本接合を行う本接合工程とを含む。
ショルダ部G1の下端面G11は、小型回転ツールFと同様に、凹面状に成形されている。攪拌ピンG2は、ショルダ部G1の下端面G11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。
なお、本実施形態では、第二タブ材32に摩擦攪拌の開始位置SM1を設け、第一タブ材31に終了位置EM1を設けているが、開始位置SM1と終了位置EM1の位置を限定する趣旨ではない。
まず、開始位置SM1(下穴P1)の直上に大型回転ツールGを位置させ、続いて、大型回転ツールGを右回転させつつ下降させて攪拌ピンG2の先端を下穴P1に挿入する。攪拌ピンG2の全体が第二タブ材32に入り込み、かつ、ショルダ部G1の下端面G11の全面が第二タブ材32の表面に接触したら、摩擦攪拌を行いながら突合部J8の一端に向けて大型回転ツールGを相対移動させ、突合部J8に突入させる。大型回転ツールGを移動させると、その攪拌ピンG2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G2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して塑性化領域(以下、「溝部塑性化領域W8」という。)が形成される。
継手部材挿入工程は、図13に示すように、溝部Kに継手部材Uを挿入する工程である。継手部材Uの幅、深さ及び長さは、溝部Kの幅、深さ及び長さとそれぞれ略同等の寸法で形成されている。したがって、溝部Kに継手部材Uを挿入すると、継手部材Uの表面(上面)と被接合金属部材Nの外面Aとが面一になるとともに、継手部材Uの両端面は、被接合金属部材Nの第一端面C及び第二端面Dと面一に形成される。継手部材Uは、被接合金属部材Nと同等の組成からなる金属で形成されている。
外側仮接合工程では、図14及び図15に示すように、平板14と継手部材Uとの突合部J8a及び角部材R4と継手部材Uとの突合部J8bに沿って小型回転ツールFを用いて仮接合を行う。本実施形態における外側仮接合工程は、一対のタブ材を配置するタブ材配置工程と、突合部J8a及び突合部J8bに対して小型回転ツールFを用いて仮接合を行う外側仮接合工程と、大型回転ツールGの挿入予定位置に下穴を形成する下穴形成工程を含むものである。
外側本接合工程は、被接合金属部材Nの外面Aに現れる突合部J8a及びJ8bを本格的に接合する工程である。本実施形態に係る外側本接合工程は、大型回転ツールGを使用し、仮接合された状態の突合部J8a及び突合部J8bに対して被接合金属部材Nの外面A側から摩擦攪拌を行う。
まず、図16(a)に示すように、開始位置SM2(下穴P1)の直上に大型回転ツールGを位置させ、続いて、大型回転ツールGを右回転させつつ下降させて攪拌ピンG2の先端を下穴に挿入する。攪拌ピンG2の全体が第一タブ材33に入り込み、かつ、ショルダ部G1の下端面G11の全面が第一タブ材33の表面に接触したら、摩擦攪拌を行いながら突合部J8bの一端に向けて大型回転ツールGを相対移動させ、突合部J8bに突入させる。大型回転ツールGを移動させると、その攪拌ピンG2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G2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して塑性化領域(以下、「外側塑性化領域W8’」という。)が形成される。
なお、外側塑性化領域W8’が突合部J34及び突合部J33に接触しないように大型回転ツールGを往復させることで、突合部J34及び突合部J33に形成される酸化皮膜の巻き込みを防止することができる。
また、構造体1の内面B側から溶接を行うことで、摩擦攪拌を行う場合に比べて装置の取り合い等の問題が解消されるため、比較的容易に接合作業を行うことができる。また、摩擦攪拌工程では、一対の金属部材同士を仮付けした状態で摩擦攪拌を行うことができるため、作業性を高めることができる。
次に、本発明の第二実施形態について説明する。第一実施形態に係る溶接工程においては、突合部J8に直接溶接を行ったが、第二実施形態に係る溶接工程のように、予め凹部M1を形成してもよい。なお、第二実施形態に係る接合方法は、溶接工程を除いては第一実施形態と同一であるため、他の工程の説明を省略する。
次に、本発明の第三実施形態について説明する。第三実施形態では、図18に示すように、一対の平板状の金属部材である第一金属部材1aの端部と、第二金属部材1bの端部とを垂直に突き合わせて接合する点で、第一実施形態と相違する。第三実施形態に係る接合方法では、(1)突合工程、(2)溶接工程、(3)摩擦攪拌工程を含む。
突合工程では、図18の(a)に示すように、第一金属部材1aの端部と、第二金属部材1bの端部とを直角に突き合わせる。第一金属部材1a及び第二金属部材1bは、平板状を呈し、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金、チタン、チタン合金、マグネシウム、マグネシウム合金など摩擦攪拌可能な金属材料からなる。第一金属部材1aの端部には、第一金属部材1aの板幅の略半分の幅で断面視矩形に切り欠かれた凹溝部41と、第一金属部材1aの板幅の略半分の幅で断面視矩形を呈するように突出する突出部42とを有する。同様に、第二金属部材1bの端部には、第二金属部材1bの板幅の略半分の幅で断面視矩形に切り欠かれた凹溝部43と、第二金属部材1bの板幅の略半分の幅で断面視矩形を呈するように突出する突出部44とを有する。
溶接工程では、図18の(b)に示すように、被接合金属部材N1の内隅部Iに現われる突合部J10に対して溶接を行う。ここで、内隅部Iとは、第一金属部材1aと第二金属部材1bとで形成された内側の角部分をいう。即ち、溶接工程では、被接合金属部材N1の内面B(被接合金属部材N1の内側)から、突合部J10の長手方向に沿ってTIG溶接又はMIG溶接等の肉盛溶接を行う。なお、溶接工程によって形成された溶接金属T3において、被接合金属部材N1の内面Bから突出した部分については、切削して平滑に形成するのが好ましい。
本実施形態に係る摩擦攪拌工程は、被接合金属部材N1にタブ材46を取り付けるタブ材設置工程と、突合部J10に対して外面A側から摩擦攪拌を行う本接合工程とを含む。タブ材設置工程では、図19の(a)に示すように、被接合金属部材N1の第一端面C及び第二端面(図示省略)に一対のタブ材46を取り付ける。タブ材46は、被接合金属部材N1と同一組成からなる板状部材であって、第二金属部材1bの板厚と略同等に形成されている。タブ材46は、被接合金属部材N1の外面Aとタブ材46の上面とが面一になるように配置されて、溶接により接合されている。
次に、本発明の第四実施形態について説明する。第四実施形態に係る接合方法は、第三実施形態の変形例であって、内隅部Iに凹部を備える点で第三実施形態と相違する。第四実施形態に係る接合方法は、(1)突合工程、(2)溶接工程、(3)摩擦攪拌工程を含む。
突合工程では、図20の(a)に示すように、第一金属部材51aの端部と、第二金属部材51bの端部とを直角に突き合わせる。第一金属部材51a及び第二金属部材51bは、板状を呈し、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金、チタン、チタン合金、マグネシウム、マグネシウム合金など摩擦攪拌可能な金属材料からなる。第一金属部材51aは、本体部52と、本体部52によりも板薄に形成された第一段部53と、第一段部53よりも板薄に形成された第二段部54とを有する。第二段部54の長さpは、第二金属部材51bの板厚と略同等に形成されている。第一段部53の長さqは、第二段部54の長さよりも小さく形成されている。
溶接工程では、図20の(c)に示すように、被接合金属部材N2の突合部J11に沿って形成された凹部M2に対してTIG溶接又はMIG溶接等の肉盛溶接を行う。なお、溶接工程によって、形成された溶接金属T4において、被接合金属部材N2の内面Bから突出した部分については、切削して平滑に形成するのが好ましい。
摩擦攪拌工程では、突合部J11の外面A側から大型回転ツールGを用いて摩擦攪拌を行う。摩擦攪拌工程については、第三実施形態と略同等であるため、詳細な説明は省略する。なお、第二金属部材51bの板厚が薄い場合は、摩擦攪拌工程で形成される塑性化領域W11と溶接金属T4を接触させることで、より水密性及び気密性を高めることができる。
また、具体的な説明は省略するが、図21に示すように、第四実施形態に係る接合方法を用いて、第一金属部材51a、第二金属部材51b、第一金属部材51aと同等の部材である第三金属部材51c及び第二金属部材51bと同等の部材である第四金属部材51dからなる断面視矩形の筒状の構造体Zを形成することができる。このような構造体Zを例えば、真空容器として使用することができる。
次に、本発明の第五実施形態について説明する。第五実施形態に係る接合方法は、図22及び図23に示すように、円筒状を呈する筒状部材61aと、筒状部材61aの端部を覆う蓋部材61bとを接合する点で第一実施形態と相違する。本実施形態に係る接合方法は、(1)突合工程、(2)溶接工程、(3)摩擦攪拌工程を含む。
突合工程では、図22に示すように、筒状部材61aの端面と蓋部材61bとを突き合わせる。筒状部材61aは、円筒を呈する金属部材である。筒状部材61aの端部は、板厚の半分の幅で断面視矩形に切り欠かれた凹溝部62と、板厚の半分の幅で断面視矩形を呈するように突出する突出部63とを有する。
蓋部材61bは、筒状部材61aの開口部を隙間なく覆う部材であって、円板状の本体部64と、本体部64の一端側に突出し断面視円形を呈する突部65とを有する。突部65は、本体部64と同心で形成されており、本体部64の直径よりも小さく形成されている。
溶接工程では、図23の(a)に示すように、被接合金属部材N3の内隅部I’に形成された突合部J12に沿って、溶接を行う。本実施形態では、被接合金属部材N3の内面Bに平面視円形に溶接金属T5が形成されるように、TIG溶接又はMIG溶接等の肉盛溶接を行う。
摩擦攪拌工程では、図23の(b)に示すように、大型回転ツールGを用いて被接合金属部材N3の外面A側から突合部J12に沿って摩擦攪拌を行う。摩擦攪拌工程においては、突合部J12に沿って大型回転ツールGを右回転させながら、蓋部材61bの正面側からみて反時計回りに移動させて摩擦攪拌を行う。このように、大型回転ツールGを右回転させて進行方向左側に蓋部材61bが配置されるように設定することで、蓋部材61b側に空洞欠陥が形成される可能性が高い。これにより、空洞欠陥を被接合金属部材N3の中空部から離れた位置で形成することができる。
11〜14 平板
31 第一タブ材
32 第二タブ材
F 小型回転ツール
G 大型回転ツール
H1〜H4 壁部材
J 突合部
K 溝部
M1 凹部
P1 下穴
R1〜R4 角部材
T 溶接金属
W 塑性化領域
Claims (8)
- 一対の金属部材同士を突き合わせてなる突合部の接合方法であって、
前記突合部に対して一方の面側から溶接を行う溶接工程を行った後、
前記突合部に対して他方の面側から摩擦攪拌を行う摩擦攪拌工程を含むことを特徴とする接合方法。 - 複数の金属部材を突き合わせて形成された筒状の構造体において、前記金属部材同士を突き合わせてなる突合部の接合方法であって、
前記突合部に対して前記構造体の内面側から溶接を行う溶接工程を行った後、
前記突合部に対して前記構造体の外面側から摩擦攪拌を行う摩擦攪拌工程を含むことを特徴とする接合方法。 - 前記溶接工程において形成された溶接金属と、前記摩擦攪拌工程において形成された塑性化領域とを接触させることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の接合方法。
- 前記溶接工程では、前記一方の面に現れる突合部に沿って形成された凹部に、溶接金属を充填する溶接金属充填工程を含むことを特徴とする請求項1に記載の接合方法。
- 前記溶接工程では、前記構造体の内面に現れる突合部に沿って形成された凹部に、溶接金属を充填する溶接金属充填工程を含むことを特徴とする請求項2に記載の接合方法。
- 前記摩擦攪拌工程において、大型の回転ツールによって本接合を行う本接合工程を行う前に、小型の回転ツールによって仮接合を行う仮接合工程を含むことを特徴とする請求項1乃至請求項5のいずれか一項に記載の接合方法。
- 前記摩擦攪拌工程において、前記突合部の両側に一対のタブ材を配置するタブ材配置工程と、前記タブ材と前記金属部材との突合部に沿って摩擦攪拌を行うタブ材仮接合工程とを含むことを特徴とする請求項1乃至請求項6のいずれか一項に記載の接合方法。
- 前記摩擦攪拌工程において、摩擦攪拌を行う回転ツールの挿入予定位置に予め下穴を形成する下穴形成工程を含むことを特徴とする請求項1乃至請求項7のいずれか一項に記載の接合方法。
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