JP2010110812A - 摩擦撹拌接合工法に用いられる被加工部材 - Google Patents

Abstract

【課題】 被加工部材の表面に発生する接合屑の固着を防止できる摩擦撹拌接合工法に用いられる被加工部材の提供。
【解決手段】 回転体２のプローブ５を回転させながら被加工部材6,7の当接部分１３に押入させて、該当接部分１３を塑性流動させた後、冷却硬化させて接合する摩擦撹拌接合工法に用いられる被加工部材6,7であって、被加工部材6,7の表面に、塑性流動した当接部分１３の一部が外部へ隆起して形成される接合屑１４の固着を防止可能な皮膜９を設けた。
【選択図】 図３

Description

本発明は、摩擦撹拌接合工法に用いられる被加工部材に関する。

従来、摩擦撹拌接合工法及びその被加工部材として特許文献１記載の技術が知られている。
この発明によれば、回転体の突起部を回転させながら複数の被加工部材の当接部分に押入させて、該当接部分を塑性流動させた後、冷却硬化させることにより接合している。
特開２００５−３２４２５１号公報

しかしながら、従来の発明にあっては、塑性流動した当接部分の一部が回転体の側方から被加工部材の表面に隆起して尖鋭な接合屑（所謂バリ）となって固着・残留するという問題点があった。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであって、その目的とするところは、被加工部材の表面に接合屑が固着・残留するのを防止できる摩擦撹拌接合工法に用いられる被加工部材を提供することである。

請求項１記載の発明では、回転体の突起部を回転させながら複数の被加工部材の当接部分に押入させて、該当接部分を塑性流動させた後、冷却硬化させて接合する摩擦撹拌接合工法に用いられる被加工部材であって、上記被加工部材の表面に、前記塑性流動した当接部分の一部が外部へ隆起して形成される接合屑の固着を防止可能な皮膜を設けたことを特徴とする。

この発明では、被加工部材の表面に接合屑の固着を防止可能な皮膜を設けたため、被加工部材の表面に接合屑が固着・残留するのを防止できる。

以下、この発明の実施例を図面に基づいて説明する。

以下、実施例１を説明する。
図１は実施例１の装置を説明する斜視図、図２は図１の矢視Ａ１による断面図、図３は実施例１の被加工部材の表面を説明する断面図、図４は実施例１の被加工部材のボンデ処理を説明する図である。
図５、６は被加工部材の摩擦撹拌接合を説明する図、図７、８は実施例１の回転体の移動を説明する図である。

先ず、実施例１の摩擦撹拌接合工法に用いられる装置を説明する。
図１、２に示すように、摩擦撹拌接合工法に用いられる装置１は、回転体２と、載置台３とが備えられている。

回転体２は、略円柱状のショルダ４と、該ショルダ４の下端部に結合され、該ショルダ４に比べて小径な略円柱状のプローブ５とが備えられている。
また、ショルダ４の上端部は、図示しないスピンドルを介して図示しない回転用モータの回転軸に連結されている。
これにより、回転体２は、回転用モータの駆動動作によって軸周り方向に回転可能に設けられている。
さらに、回転体２（回転用モータやスピンドル共）の上端側は、ショルダ４（プローブ５）の向きや位置を自在に変位可能な図示しない産業用ロボットアームの一端部に配設されている。
なお、回転用モータ及び産業用ロボットアームの駆動動作は、これらと電気的に接続された図示しないコントロールユニットで制御されている。
また、載置台３上には、後述する被加工部材6,7が載置されている。

次に、実施例１の摩擦撹拌接合工法に用いられる被加工部材6,7について説明する。
被加工部材6,7は、それぞれ同一の厚みを有して板状に形成される他、接合すべき端部同士を互いに衝き合わせ当接させた状態で載置台３上に配置されている。
被加工部材６（７）は、アルミ合金製（またはアルミ製）の芯材８と、この芯材８の表裏の一方面（上面）に形成され、芯材８に比べて肉薄の皮膜９とから構成されている。
さらに詳述すると、図３に示すように、皮膜９は、化成皮膜１０と、金属石鹸皮膜１１と、未反応石鹸皮膜１２の３層で構成されている。

被加工部材６（７）の芯材８に皮膜９を形成するには、ボンデ処理が用いられる。
図４に示すように、ボンデ処理は、洗浄工程Ｓ１、化成工程Ｓ２、潤滑剤処理及び乾燥工程Ｓ３の順番に行われる。
洗浄工程Ｓ１では、脱脂剤を用いて芯材８の表面の錆等を除去した後、酸またはアルカリを用いて洗浄する。
化成工程Ｓ２では、硅弗化ナトリウムと弗化亜鉛の処理溶液に芯材８を浸漬して、芯材８の表面に弗素系の化成皮膜１０（Ｎａ_２ＡｌＦ_６：クリオライト）を形成する。
潤滑剤処理及び乾燥工程Ｓ３では、芯材８をステアリン酸の処理溶液に浸漬した後、乾燥させる。
この結果、芯材８の化成皮膜１０の外側にステアリン酸との化学反応により形成された金属石鹸皮膜１１（ステアリン酸亜鉛）を形成すると共に、金属石鹸皮膜１１の外側に未反応の未反応石鹸皮膜１２（ステアリン酸ナトリウム）を形成することにより、所望の被加工部材６（７）を得る。
なお、適宜工程の後に水洗処理または中和処理等が施される。

次に、作用を説明する。
<装置の作動について>
両被加工部材6,7の当接した当接部分１３を接合するには、先ず、図１、２に示すように、コントロールユニットからの指令信号により、産業用ロボットアームが駆動して、回転体２のプローブ５を両被加工部材6,7の当接部分１３の真上に配置する。

次に、コントロールユニットからの指令信号により、回転用モータが駆動して回転体２を軸周り一方方向に回転させる。

次に、図５に示すように、コントロールユニットからの指令信号により、産業用ロボットアームが駆動して回転体２を下降させて、プローブ５を当接部分１３に摺接させる。
この摺接に伴って摩擦熱が発生し、当接部分１３におけるプローブ５の摺接箇所近傍が軟化して塑性流動しながら広がる。

次に、コントロールユニットからの指令信号により、産業用ロボットアームが駆動して回転体２をさらに下降させると、図６に示すように、プローブ５及びショルダ４の一端部が当接部分１３の塑性流動域（図中破線ハッチングで図示）に挿入される。
このプローブ５及びショルダ４の一端部が挿入することによって、塑性流動域が、なお一層撹拌されて広がる。
なお、ショルダ４の一端部を必ずしも挿入する必要はなく、プローブ５のみを挿入するようにしても良い。

次に、図７に示すように、コントロールユニットからの指令信号により、産業用ロボットアームが駆動して回転体２を当接部分１３に沿って接合すべき所定長さに亘って移動させる。

その後、コントロールユニットからの指令信号により、産業用ロボットアームが駆動して回転体２を被加工部材6,7から上昇させた後、初期位置に復帰させる。
この回転体２が通過した当接部分１３は、自然冷却（または強制冷却）により冷却硬化して固相接合し、この結果、当接部分１３を所定長さに亘って接合できる。
また、図８に示すように、実施例１では、回転体２を進行方向とは逆の方向に所定角度だけ傾倒した状態で移動させることで、スムーズな移動を可能にしている。

<接合屑の固着・残留防止について>
ここで、従来の発明にあっては、塑性流動した当接部分の一部がショルダの一端部付近から被加工部材の表面に隆起して、尖鋭な接合屑となって被加工部材の表面に固着・残留するという問題点があった。
この接合屑は、被加工部材の表面と接合されてしまうため、工具を用いて除去・研磨する必要があり、大変手間が掛かる追加の工程が必要になってしまう。

これに対し、実施例１では、前述したように、被加工部材6,7の表面に皮膜９を形成しているため、図６、７に示すように、ショルダ４の一端部付近から隆起した接合屑１４は、皮膜９によって被加工部材6,7の表面と固着することなく外側に分離した状態で飛び出す。
従って、被加工部材6,7の表面に接合屑１４が固着するのを防止でき、追加工程を省略できる。
また、接合部の美観を損ねることなく、製品品質を保つことができる。

なお、図６、７においては、接合屑１４を両被加工部材6,7側にそれぞれ帯状に図示しているが、実際には接合屑１４の大部分が被加工部材６側に発生し、これらは、回転体２の傾斜方向、傾斜角度、回転動作（正転、逆転、または正転と逆転の交互回転等）、進行方向等によって決まる。
また、接合屑１４の固着防止効果は、皮膜９の化成皮膜１０に依るところが大きいと考えられるため、化成皮膜１０の厚みを金属石鹸皮膜１１や未反応石鹸皮膜１２に比べて大きく設定するようにしても良い。

次に、効果を説明する。
以下、実施例１の効果を請求項１、２、５に対応する（１）〜（３）と共に記載する。

（１）回転体２のプローブ５を回転させながら被加工部材6,7の当接部分１３に押入させて、該当接部分１３を塑性流動させた後、冷却硬化させて接合する摩擦撹拌接合工法に用いられる被加工部材6,7であって、被加工部材6,7の表面に、塑性流動した当接部分１３の一部が外部へ隆起して形成される接合屑１４の固着を防止可能な皮膜９を設けた。
これにより、被加工部材6,7の表面に発生する接合屑１４の固着を防止できる。

（２）皮膜９は、弗素系の皮膜であることとした。
これにより、比較的安価で容易に形成可能な皮膜でもって被加工部材6,7の表面に発生する接合屑１４の固着を防止できる。

（３）回転体２のプローブ５（ショルダ４の一端部共）を当接部分１３に沿って相対移動させることにより、該当接部分１３を所定の長さに亘って接合した。
これにより、回転体２を被加工部材6,7に対して相対移動させる場合には、移動させない場合に比べて接合屑１４の発生量が特に多くなるため、この発明で得られる作用・効果が大きく、好適となる。

以下、実施例２を説明する。
実施例２において、実施例１と同様の構成部材については同じ符号を付してその説明は省略し、相違点のみ詳述する。

図９は実施例２の被加工部材を説明する図、図１０は同側断面図、図１１は実施例２の被加工部材を組み付けた容器を説明する図、図１２〜１４は実施例２の被加工部材の摩擦撹拌接合を説明する図である。但し、図１２において容器内の内部構造物については図示を省略する。

実施例２では、摩擦撹拌接合工法を車室内空調用のアキュムレータの製造に適用した例であり、図９に示すように、アキュムレータ１９は、蓋体としての有底円筒状の被加工部材２０と、この被加工部材２０によって開口端側が閉塞されるケーシング本体としての有底円筒状の被加工部材２１が備えられている。

図１０に示すように、被加工部材２０の内周上壁には、図示しないコンプレッサ側の接続管と接続するための接続孔２０ａと、図示しないエバポレータ側の接続管と接続するための接続孔２０ｂとが上方に向けて貫通形成されている。
また、接続孔２０ａには略Ｕ字状に湾曲したパイプ２２の一端部が挿通し固定されている。
パイプ２２の他端部は被加工部材２０の内周上壁に凹設された凹部２０ｃに挿通し固定されている。
なお、パイプ２２の略Ｕ字状の底部には小孔２２ａが開口され、さらに他端部付近には連通孔２２ｂが開口されている。
被加工部材２０の下端外周には、段部２０ｄを有して縮径され、雄螺子溝２０ｅが形成された螺合部２０ｆが形成されている。

一方、被加工部材２１の上端内周には、雄螺子溝２０ｅと螺合可能な雌螺子溝２１ａを有する螺合部２１ｂが形成されている。

そして、両被加工部材20,21は、それぞれ実施例１で説明した被加工部材２１と同様の素材、構造であり、これらはそれぞれ鍛造工法によって母材から最終形状である有底円筒状に加工されている。
この際、両被加工部材20,21の外周面には、鍛造時において母材と成形金型の摩擦抵抗を無くすために母材に予め設けられた皮膜９が形成されている。

このように構成された両被加工部材20,21は、図１０、１１に示すように、被加工部材２０の螺子部２０ｆの雄螺子溝２０ｅと被加工部材２１の螺子部２１ｂの雌螺子溝２１ａを螺合して、被加工部材２１の段部２０ｄと被加工部材２１の上端部２１ｃを衝き合わせて当接させることにより、容器２４を得る。
なお、この際、容器２４内には図示しない多数の粒子状乾燥剤が直接または通気性のある布袋内に入れられた状態で挿入される。あるいは、容器２４内の流通媒体の外部への漏れを検出する蛍光剤が挿入される。

次に、図１２〜１４に示すように、容器２４を図示しない治具で固定して、実施例１と同様に、回転体２を被加工部材２１の段部２０ｄと被加工部材２１の上端部２１ｃとの当接部分２５に沿って移動させながら、容器２４の全周に亘って接合させることにより、所望のアキュムレータ２３を得る。
この際、両被加工部材20,21の外周面には、前述したように、皮膜９が形成されているため、実施例１と同様の作用・効果を得ることができ、接合屑１４が被加工部材20,21の表面に固着する虞がない。
また、当接部分２５が曲面であるため、接合屑１４を自重により落下させることができる。
従って、実施例２では、皮膜９が被加工部材20,21の鍛造時における潤滑剤として機能すると共に、摩擦撹拌接合時には接合屑１４の固着防止剤として機能させることができる。

アキュムレータ２３の作動については、特開２００７−２１２００７に記載の技術と同様であるため、その説明は省略する。

このように形成されたアキュムレータ２３は、摩擦撹拌接合による密閉により、容器２４の密閉強度（耐圧性能）が非常に高いため、ＣＯ_２を冷媒とする高圧の車室内空調用冷凍サイクルに適用して好適となる。

次に、実施例２の効果を請求項３に対応する（４）と共に列記する。
（４）皮膜は、被加工部材20,21の鍛造時における潤滑剤であることとした。
これにより、被加工部材20,21の鍛造時に潤滑剤として用いる皮膜９でもって、接合屑１４が被加工部材20,21の表面に固着するのを防止でき、鍛造部品の接合に用いて好適となる。

以下、実施例３を説明する。
実施例３において、実施例１と同様の構成部材については同じ符号を付してその説明は省略し、相違点のみ詳述する。

図１５は実施例３の皮膜の結晶構造を説明する図である。

実施例３では、皮膜９を炭素系の皮膜で代用している点が実施例１と異なる。
具体的には、実施例３では、炭素系の皮膜としてカーボングラファイトを被加工部材の表面に積層したものが採用されている。
図１５に示すように、カーボングラファイトの結晶構造は、炭素元素Ｃ−Ｃ同士は共有結合で結合力が非常に強いが、繊維層３０と繊維層３０はファンデルワールス結合（分子間結合）で結合力が弱いという特性がある。
なお、繊維層の厚みは０．３４ｎｍ程度である。

これにより、実施例３では、飛び出した接合屑が被加工部材の表面に接触した場合に、炭素系の皮膜が剥がれて、接合屑の固着を防止できる。
従って、接合屑が被加工部材の表面になお一層固着しにくいため、好適となる。

次に、実施例３の効果を請求項４に対応する（５）と共に列記する。
（５）皮膜９を炭素系の皮膜であることとした。
これにより、（１）〜（３）と同様の作用・効果を得ることができる。

以上、実施例を説明してきたが、本発明は上述の実施例に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等があっても、本発明に含まれる。
例えば、複数の被加工部材及び当接部分の数、形状、素材、寸法等については適宜設定できる。
また、被加工部材の当接部分を所定長さに亘って接合する場合には、必ずしも回転体を移動（回転）させる必要はなく、回転体と被加工部材は相対的に移動（回転）すれば良い。
また、図１６、１７に示すように、複数の被加工部材４０を板厚方向に重ねて、該重ねられた部分を当接部分４１として接合する場合もあり得る。
さらに、接合部位をスポット溶接のように１点または複数箇所において点在させて接合する場合もあり得る。

実施例１の装置を説明する斜視図である。 図１の矢視Ａ１による図である。 実施例１の被加工部材の表面を説明する断面図である。 実施例１の被加工部材のボンデ処理を説明する図である。 図１の被加工部材の摩擦撹拌接合を説明する図である。 図１の被加工部材の摩擦撹拌接合を説明する図である。 実施例１の回転体の移動を説明する図である。 実施例１の回転体の移動を説明する図である。 実施例２の被加工部材を説明する図である。 実施例２の被加工部材の側断面図である。 実施例２の被加工部材が組み付けられた容器を説明する図である。 実施例２の被加工部材の摩擦撹拌接合を説明する図である（一部省略）。 実施例２の被加工部材の摩擦撹拌接合を説明する図である。 実施例２の被加工部材の摩擦撹拌接合を説明する図である。 実施例３の皮膜の結晶構造を説明する図である。 その他の実施例の被加工部材の摩擦撹拌接合を説明する図である。 その他の実施例の被加工部材の摩擦撹拌接合を説明する図である。

符号の説明

１ 装置
２ 回転体
３ 載置台
４ ショルダ
５ プローブ
６、７、２０、２１、４０ 被加工部材
８ 芯材
９ 皮膜
１０ 化成皮膜
１１ 金属石鹸皮膜
１２ 未反応石鹸皮膜
１３、２５、４１ 当接部分
１４ 接合屑
２０ａ、２０ｂ 接続孔
２０ｃ 凹部
２０ｄ 段部
２０ｅ 雄螺子溝
２０ｆ、２１ｂ 螺合部
２１ａ 雌螺子溝
２１ｃ 上端部
２２ パイプ
２２ａ 小孔
２２ｂ 連通孔
２３ アキュムレータ
２４ 容器
３０ 繊維層

Claims (5)

1. 回転体の突起部を回転させながら複数の被加工部材の当接部分に押入させて、該当接部分を塑性流動させた後、冷却硬化させて接合する摩擦撹拌接合工法に用いられる被加工部材であって、
   前記被加工部材の表面に、前記塑性流動した当接部分の一部が外部へ隆起して形成される接合屑の固着を防止可能な皮膜を設けたことを特徴とする摩擦撹拌接合工法に用いられる被加工部材。
2. 請求項１記載の摩擦撹拌接合工法に用いられる被加工部材において、
   前記皮膜は、弗素系の皮膜であることを特徴とする摩擦撹拌接合工法に用いられる被加工部材。
3. 請求項２記載の摩擦撹拌接合工法に用いられる被加工部材において、
   前記皮膜は、被加工部材の鍛造時における潤滑剤であることを特徴とする摩擦撹拌接合工法に用いられる被加工部材。
4. 請求項１記載の摩擦撹拌接合工法に用いられる被加工部材において、
   前記皮膜は、炭素系の皮膜であることを特徴とする摩擦撹拌接合工法に用いられる被加工部材。
5. 請求項１〜４のうちのいずれかに記載の摩擦撹拌接合工法に用いられる被加工部材において、
   前記回転体の突起部を前記当接部分に沿って相対移動させることにより、該当接部分を所定の長さに亘って接合することを特徴とする摩擦撹拌接合工法に用いられる被加工部材。

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