JP2010137269A - 摩擦撹拌接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】接合屑の発生を抑制できる摩擦撹拌接合方法の提供。
【解決手段】第１被接合部材１及び第２被接合部材２の上面に、互いに衝合した当接部分を形成し、回転体４を回転させて当接部分に埋入した後、これら両者を当接部分に沿って相対移動させることにより、該当接部分を摩擦撹拌接合する方法において、両被接合部材1,2を下方から支持する支持部材３を重ねて配置すると共に、この支持部材３の上面における当接部分５の両側位置に凹部６をそれぞれ形成し、両凹部6,6の内側同士間の寸法をＷ１、両凹部6,6の外側同士間の寸法Ｗ２、回転体４の直径をＤ１とした場合に、Ｗ１≦Ｄ１≦Ｗ２とし、摩擦撹拌接合時に各凹部６内に突出した凸部１０をそれぞれ形成した。
【選択図】図１

Description

本発明は、摩擦撹拌接合方法に関する。

従来、摩擦撹拌接合方法として特許文献１の記載の技術が知られている。
この発明によれば、２つの被接合部材の厚み方向一方面側に互いに衝合した当接部分を形成し、回転体を回転させて前記当接部分に埋入した後、これら両者を当接部分に沿って相対移動させることにより、該当接部分を摩擦撹拌接合している。
特開２００１−２０５４５４号公報

しかしながら、従来の発明にあっては、摩擦撹拌接合時において、両被接合部材の接合面に接合屑（所謂バリ）が発生してしまう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、摩擦撹拌接合方法を提供することである。

請求項１記載の発明では、２つの被接合部材の厚み方向一方面側に互いに衝合した当接部分を形成し、回転体を回転させて上記当接部分に埋入した後、これら両者を当接部分に沿って相対移動させることにより、該当接部分を摩擦撹拌接合する方法において、上記両被接合部材を厚み方向他方面側から支持する支持部材を重ねて配置すると共に、この支持部材の厚み方向一方面における上記当接部分の両側位置に凹部をそれぞれ形成し、上記両凹部の内側同士間の寸法をＷ１、上記両凹部の外側同士間の寸法Ｗ２、上記回転体の直径をＤ１とした場合に、Ｗ１≦Ｄ１≦Ｗ２とし、上記摩擦撹拌接合時に上記各凹部内に突出した凸部をそれぞれ形成したことを特徴とする。

請求項２記載の発明では、厚みが異なる厚肉被接合部材と薄肉被接合部材の厚み方向一方面側に互いに衝合した当接部分を形成し、上記厚肉被接合部材の当接部分側端部に段付き形状の段部を一体形成すると共に、この段部の厚み方向一方面に上記薄肉被接合部材を重ねて配置し、回転体を回転させて上記当接部分に埋入した後、これら両者を当接部分に沿って相対移動させることにより、該当接部分を摩擦撹拌接合する方法において、上記両被接合部材を厚み方向他方面側から支持する段付き形状の支持部材を重ねて配置すると共に、この支持部材の段部の隅部に上記厚肉被接合部材の段部の先端部と上記薄肉被接合部材の他方面との間で囲まれた空間を形成し、上記厚肉被接合部材の段部と上記薄肉被接合部材との重ね代をＷ３、上記回転体の半径をＤ２とした場合に、Ｗ３≦Ｄ２とし、上記摩擦撹拌接合時に上記空間内に突出した凸部を形成したことを特徴とする。

請求項１記載の発明では、両凹部の内側同士間の寸法をＷ１、両凹部の外側同士間の寸法Ｗ２、回転体の直径をＤ１とした場合に、Ｗ１≦Ｄ１≦Ｗ２とし、摩擦撹拌接合時に各凹部内に突出した凸部を形成している。
これにより、摩擦撹拌接合時に凹部内に凸部を形成して、接合屑の発生を抑制できる。

請求項２記載の発明では、厚肉被接合部材の段部と薄肉被接合部材との重ね代をＷ３、回転体の半径をＤ２とした場合に、Ｗ３≦Ｄ２とし、摩擦撹拌接合時に空間内に突出した凸部を形成している。
これにより、摩擦撹拌接合時に空間内に凸部を形成して、接合屑の発生を抑制できる。

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の摩擦撹拌接合方法の被接合部材、支持部材、及び回転体の配置を説明する斜視図、図２は同側断面図、図３〜６は実施例１の摩擦撹拌接合方法を説明する図である。

先ず、全体構成を説明する。
図１、２に示すように、実施例１の摩擦撹拌接合方法では、第１被接合部材１及び第２被接合部材２と、支持部材３と、回転体４とが備えられている。

両被接合部材1,2は、それぞれ金属製で厚みが等しい平板状に形成される他、これら両者の端部1a,2a同士は衝合され、これにより、両被接合部材1,2の当接部分５が該両被接合部材1,2の長手方向に亘って形成されている。

また、両被接合部材1,2の当接部分５付近の下面には、支持部材３が両被接合部材1,2の長手方向に亘って当接され、これにより、両被接合部材1,2が下方から支持されている。
さらに、支持部材３の上面における当接部分５の両側には、四角形状に下方へ凹設された一対の凹部6,6が該両被接合部材1,2の長手方向に亘って形成されている。

回転体４は、略円柱状のショルダ部７と、該ショルダ部７の下端部に結合され、該ショルダ部７に比べて小径な略円柱状のプローブ部８とが備えられている。
また、ショルダ部７の下端外周部には、公知の特開２００３−２９０９３７号公報のものと同様に、下方へ行くに連れて縮径した傾斜面で構成された材料ならし部７ａが形成されている。
一方、ショルダ部７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４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。
また、回転体４（回転用モータやスピンドル共）の上端側は、ショルダ部７（プローブ部８）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。

そして、両凹部6,6の内側同士間の寸法をＷ１、両凹部6,6の外側同士間の寸法Ｗ２、回転体の直径をＤ１とした場合に、Ｗ１≦Ｄ１≦Ｗ２となるように設定されている。

次に、実施例１の作用を説明する。
[摩擦撹拌接合について]
両被接合部材1,2の当接部分５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４のプローブ部８を当接部分５の接合開始位置の真上に配置させる。

次に、コントロールユニットからの指令信号により、回転用モータが回転駆動して、回転体４を図１中矢印Ｘ１方向に回転させる。

次に、図３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４を下降させて、プローブ部８を当接部分５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５におけるプローブ部８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、図４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４をさらに下降させると、プローブ部８及びショルダ部７（材料ならし部７ａ共）が当接部分５の塑性流動域（図中破線ハッチングで図示）に挿入される。
このプローブ部８及びショルダ部７が挿入によって、塑性流動域が、なお一層撹拌されて広がると同時に、各凹部6,6内に該凹部6,6周辺部位の余肉が変形して突出した凸部１０が形成される。

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４を矢印Ｘ１方向に回転させつつ、当接部分５に沿って矢印方向Ｘ２へ接合すべき所定長さに亘って移動させる。
この回転体４が通過した当接部分５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５を所定長さに亘って接合できる。
また、各凸部１０も所定長さに亘って形成される。

その後、図６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４を被接合部材1,2から上昇させた後、初期位置に復帰させる。
なお、回転体４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も良い。
また、実施例１では、回転体４を当接部分５に対して進行方向に移動させているが、これら両者は相対移動すれば良い。

[接合屑について]
実施例１では、前述したように、両凹部6,6の内側同士間の寸法をＷ１、両凹部6,6の外側同士間の寸法Ｗ２、回転体の直径をＤ１とした場合に、Ｗ１≦Ｄ１≦Ｗ２となるように設定されている。
そして、摩擦撹拌接合時において、各凹部6,6内に該各凹部6,6の周辺部位の余肉が変形して突出した凸部１０をそれぞれ形成している。
これにより、塑性流動域の流動した当接部分５が接合面に隆起して接合屑（所謂バリ）になるのを防止でき、接合屑の発生を抑制できる。
なお、Ｄ１<Ｗ１、或いはＤ１>Ｗ２とした場合には、各凹部6,6の周辺部位の余肉を所望のように凹部６内に逃がすことができないため、凸部１０を形成できず、接合面に接合屑が発生してしまう。

[凸部の成形性について]
実施例１では、各凹部6,6を除く両被接合部材1,2の下面における当接部分５の周辺を支持部材３で支持しているため、両被接合部材1,2の素材や厚みに依らず、安定して凸部１０を形成できる。

[材料ならし部について]
実施例１では、ショルダ部７に材料ならし部７ａを形成しているため、公知の特開２００３−２９０９３７と同様に、材料ならし部７ａと第２被接合部材２の上面とを非常に接近させることができ、接合屑の発生をなお一層抑制できる。
なお、公知の特開２００１−２０５４５４号公報のものと同様に回転体４の材料ならし部７ａの内側を窪んだ形状に形成しても良い。
この際、この発明では接合屑の発生を抑制できるため、材料ならし部７ａの半径方向幅を２ｍｍよりも小さい値に設定しても構わない。
また、材料ならし部７ａを省略することもでき、この場合、従来の発明に比べて、回転体４の形状の簡素化を図ることができる。

次に、実施例１の効果を請求項１に対応する（１）と共に記載する。
（１）第１被接合部材１及び第２被接合部材２の上面に互いに衝合した当接部分５を形成し、回転体４を回転させて当接部分５に埋入した後、これら両者を当接部分５に沿って相対移動させることにより、該当接部分５を摩擦撹拌接合する方法において、両被接合部材1,2を下方から支持する支持部材３を重ねて配置すると共に、この支持部材３の上面における当接部分５の両側位置に凹部６をそれぞれ形成し、両凹部6,6の内側同士間の寸法をＷ１、両凹部6,6の外側同士間の寸法Ｗ２、回転体４の直径をＤ１とした場合に、Ｗ１≦Ｄ１≦Ｗ２とし、摩擦撹拌接合時に各凹部６内に突出した凸部１０をそれぞれ形成した。
これにより、接合屑の発生を抑制できる。

また、両被接合部材1,2を支持部材３で下方から支持できるため、両被接合部材1,2の素材や厚みに依らず、安定して凸部１０を形成できる。

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７は実施例２の摩擦撹拌接合方法の被接合部材、支持部材、及び回転体の配置を説明する側断面図、図８は同斜視図、図９〜１２は実施例２の摩擦撹拌接合方法を説明する図である。

図７、８に示すように、実施例２の摩擦撹拌接合方法では、実施例１で説明した第１被接合部材１が第２被接合部材２に比べて肉厚に形成されている。
また、第１被接合部材１の端部１ａには、段付き形状の段部２１が該第１被接合部材１の長手方向に亘って一体形成されている。

一方、第２被接合部材２の端部２ａは段部２１の上面に重ねられて重ね継手となるように組み合わされている。
これにより、両被接合部材1,2の上面に互いに衝合する当接部分５が該両被接合部材1,2の長手方向に亘って形成されている。

また、両被接合部材1,2の下面には、段付き形状の支持部材３が該両被接合部材1,2の長手方向に亘って当接され、これにより、該両被接合部材1,2が下方から支持されている。
さらに、支持部材３の段部２２の隅部２３に第１被接合部材１の段部２１の先端部２１ａと第２被接合部材２の下面との間で囲まれた空間２４が形成されている。

そして、第１被接合部材１の段部２１と第２被接合部材２との重ね代をＷ３、回転体４の半径をＤ２とした場合に、Ｗ３≦Ｄ２となるように設定されている。
その他、実施例２の回転体４のプローブ部８の下端は実施例１に比べて下方に延設されている。

次に、実施例２の作用を説明する。
[摩擦撹拌接合について]
両被接合部材1,2の当接部分５を接合するには、先ず、図７、８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４のプローブ部８を当接部分５の接合開始位置の真上に配置させる。

次に、コントロールユニットからの指令信号により、回転用モータが回転駆動して、回転体４を図７中矢印Ｘ１方向に回転させる。

次に、図９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４を下降させて、プローブ部８を当接部分５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５におけるプローブ部８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、図１０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４をさらに下降させると、プローブ部８及びショルダ部７（材料ならし部７ａ共）が当接部分５の塑性流動域（図中破線ハッチングで図示）に挿入される。
このプローブ部８及びショルダ部７が挿入によって、塑性流動域が、なお一層撹拌されて広がると同時に、空間２４内に該空間２４の周辺部位の余肉が変形して突出した凸部２５が形成される。

次に、図１１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４を矢印Ｘ１方向に回転させつつ、当接部分５に沿って矢印方向Ｘ２へ接合すべき所定長さに亘って移動させる。
この回転体４が通過した当接部分５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５を所定長さに亘って接合できる。
また、凸部２５も所定長さに亘って形成される。

その後、図１２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４を被接合部材1,2から上昇させた後、初期位置に復帰させる。
なお、回転体４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することもできる。
また、実施例２では、回転体４を当接部分５に対して進行方向に移動させているが、これら両者は相対移動すれば良い。

[接合屑について]
実施例２では、前述したように、第１被接合部材１の段部２１と第２被接合部材２との重ね代をＷ３、回転体４の半径をＤ２とした場合に、Ｗ３≦Ｄ２となるように設定している。
そして、摩擦撹拌接合時において、空間２４内に該空間２４の周辺部位の余肉が変形して突出した凸部２５を形成している。
これにより、塑性流動域の流動した当接部分５が接合面に隆起して接合屑（所謂バリ）になるのを防止でき、接合屑の発生を抑制できる。
なお、Ｗ３>Ｄ２とした場合には、隅部９の周辺部位の余肉を所望のように逃がすことができないため、凸部２５を形成できず、接合屑が発生してしまう。

[凸部の成形性について]
実施例２では、空間２４を除く両被接合部材1,2の下面を支持部材３で支持しているため、両被接合部材1,2の素材や厚みに依らず、安定して凸部２５を形成でき、凸部２５の成形性が良い。

なお、ショルダ部７の材料ならし部７ａの作用・効果は実施例１と同様であるため、その説明は省略する。

次に、実施例２の効果を請求項２に対応する（２）と共に記載する。
（２）厚みが異なる第１被接合部材１と第２被接合部材２の上面に互いに衝合した当接部分５を形成し、第１被接合部材１の当接部分５側端部に段付き形状の段部２１を一体形成すると共に、この段部２１の上面に第２被接合部材２を重ねて配置し、回転体４を回転させて当接部分５に埋入した後、これら両者を当接部分５に沿って相対移動させることにより、該当接部分５を摩擦撹拌接合する方法において、両被接合部材1,2を下方から支持する段付き形状の支持部材３を重ねて配置すると共に、この支持部材３の段部２２の隅部２３に第１被接合部材１の段部２１の先端部２１ａと第２被接合部材２の下面との間で囲まれた空間２４を形成し、第１被接合部材１の段部２１と第２被接合部材２との重ね代をＷ３、回転体４の半径をＤ２とした場合に、Ｗ３≦Ｄ２とし、摩擦撹拌接合時に空間２４内に突出した凸部２５を形成した。
これにより、（１）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、一般的には回転体の当接部分に沿う移動方向（図１１の矢印Ｘ２方向）とは反対方向（図１１の矢印Ｘ３方向）と該回転体の回転方向（図１１の矢印Ｘ１方向）とが一致する後退側（第２被接合部材２側）に、より多くの接合屑が発生し易いため、実施例２では、この後退側に空間２４を配置しているが、必ずしもこの限りではない。
即ち、接合屑の発生位置や形状は、回転体の傾斜方向、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）、移動方向（直線状、曲線状）、及び移動動作（往復動）、当接部分の状態（平坦、曲面）等の各種条件によって変わるため、接合屑の発生を抑制するために空間２４の配置方向や回転体の動作の最適な組み合わせを単に特定したものは、全てこの発明の範疇となる。

実施例１の摩擦撹拌接合方法の被接合部材、支持部材、及び回転体の配置を説明する斜視図である。 実施例１の摩擦撹拌接合方法の被接合部材、支持部材、及び回転体の配置を説明する側断面図である。 実施例１の摩擦撹拌接合方法を説明する図である。 実施例１の摩擦撹拌接合方法を説明する図である。 実施例１の摩擦撹拌接合方法を説明する図である。 実施例１の摩擦撹拌接合方法を説明する図である。 実施例２の摩擦撹拌接合方法の被接合部材、支持部材、及び回転体の配置を説明する側断面図である。 実施例２の被接合部材、支持部材、及び回転体の配置を説明する斜視図である。 実施例２の摩擦撹拌接合方法を説明する図である。 実施例２の摩擦撹拌接合方法を説明する図である。 実施例２の摩擦撹拌接合方法を説明する斜視図である。 実施例２の摩擦撹拌接合方法を説明する図である。

符号の説明

１ 第１被接合部材
１ａ、２ａ 端部
２ 第２被接合部材
３ 支持部材
４ 回転体
５ 当接部分
６ 凹部
７ ショルダ部
７ａ 材料ならし部
８ プローブ部
１０ 凸部
２１ 段部
２１ａ 先端部
２２ 段部
２３ 隅部
２４ 空間
２５ 凸部

Claims (2)

1. ２つの被接合部材の厚み方向一方面側に互いに衝合した当接部分を形成し、
   回転体を回転させて前記当接部分に埋入した後、これら両者を当接部分に沿って相対移動させることにより、該当接部分を摩擦撹拌接合する方法において、
   前記両被接合部材を厚み方向他方面側から支持する支持部材を重ねて配置すると共に、この支持部材の厚み方向一方面における前記当接部分の両側位置に凹部をそれぞれ形成し、
   前記両凹部の内側同士間の寸法をＷ１、前記両凹部の外側同士間の寸法Ｗ２、前記回転体の直径をＤ１とした場合に、Ｗ１≦Ｄ１≦Ｗ２とし、
   前記摩擦撹拌接合時に前記各凹部内に突出した凸部をそれぞれ形成したことを特徴とする摩擦撹拌接合方法。
2. 厚みが異なる厚肉被接合部材と薄肉被接合部材の厚み方向一方面側に互いに衝合した当接部分を形成し、
   前記厚肉被接合部材の当接部分側端部に段付き形状の段部を一体形成すると共に、この段部の厚み方向一方面に前記薄肉被接合部材を重ねて配置し、
   回転体を回転させて前記当接部分に埋入した後、これら両者を当接部分に沿って相対移動させることにより、該当接部分を摩擦撹拌接合する方法において、
   前記両被接合部材を厚み方向他方面側から支持する段付き形状の支持部材を重ねて配置すると共に、この支持部材の段部の隅部に前記厚肉被接合部材の段部の先端部と前記薄肉被接合部材の他方面との間で囲まれた空間を形成し、
   前記厚肉被接合部材の段部と前記薄肉被接合部材との重ね代をＷ３、上記回転体の半径をＤ２とした場合に、Ｗ３≦Ｄ２とし、
   前記摩擦撹拌接合時に前記空間内に突出した凸部を形成したことを特徴とする摩擦撹拌接合方法。

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