JP2010253542A - 摩擦攪拌接合の接合用工具および接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】接合効果の高い摩擦攪拌接合の接合用工具および接合方法を提供すること。
【解決手段】工具本体のショルダ面５からピン状の攪拌軸１を突き出したものであって、被接合材同士を重ねた接合部に対してショルダ面５を押し当て、攪拌軸１によって当該接合部の材料を塑性流動させて摩擦攪拌接合するものであって、攪拌軸１が、環状溝１０による山部１２と谷部１１とが表面に形成され、摩擦攪拌接合時の状態で、重ねられた被接合材同士の接合境界面２１に山部１２が位置するようにした摩擦攪拌接合の接合用工具。
【選択図】 図１

Description

本発明は、重ね合わせた被接合材同士を摩擦攪拌接合する固定ピン式の接合用工具及びその接合用工具を使用した接合方法に関し、特に攪拌軸に環状溝を形成した接合用工具を使用して行う摩擦攪拌接合の接合効果を向上させるための接合用工具及び接合方法に関する。

一組の被接合材を重ね合わせた接合部に対する摩擦攪拌接合では、図５に示すような固定ピン式の接合用工具を用いた接合境界面の接合が行われる。接合用工具１００は、円柱状の工具本体１０１と、その下端のショルダ面１１０から下方に突き出したピン状の攪拌軸１０２とを備えている。摩擦攪拌接合では、被接合材２０１，２０２を重ねた接合部２１０に、接合用工具１００の攪拌軸１０２が回転しながら挿入される。ショルダ面１１０が被接合材２０１上面に押し付けられ、接合部２１０を加圧したまま接合用工具２１０が回転しながら進行する。被接合材２０１，２０２の接合部２１０は、攪拌軸１０２の摩擦熱によって軟化した材料が塑性流動化し、攪拌軸１０２の後方で互いに混じり合った可塑性材が摩擦熱を失って急速に冷却固化して接合される。

ところで、上下に重ねた被接合材２０１，２０２に対する摩擦攪拌接合では、摩擦攪拌による材料の流れが攪拌軸１０２の回転方向に平行な流れだけではなく、接合境界面２２０を介して上下するような流れを生じさせることが好ましい。下記特許文献２には、攪拌軸表面に螺旋状のネジが具体的に記載され、その他にも環状溝や凹凸粗面について言及されている。こうして攪拌軸の表面形状を工夫することで軟化した材料が上下方向に変動すれば、接合を阻害する接合境界面２２０上の酸化皮膜を破壊しやすくなり、より安定した接合品質が得られるからである。また、酸化皮膜を破壊するだけに留まらず、接合部２１０に生じる材料の塑性流動にも大きく関わり接合の効率に影響するからである。

特開２００６−１９２５０１号公報 特開平１１−２８５８１号公報

摩擦攪拌接合は、溶融溶接と異なり溶加材を使用しない接合方法である。そのため、接合境界面２２０の隙間を埋めるのは軟化した被接合材２０１，２０２の材料自身であるが、外部から溶加材を充填しないで隙間が大きくなってしまうと、軟化した材料がこの隙間に充分に流れ込まなくなり接合不良を起こしやすくなる。この問題対策としては、接合境界を密着させる以外に、軟化した材料が接合境界面２２０に充分に流れ込むような塑性流動を生じさせることが挙げられる。

そこで、本願発明者は、攪拌軸の表面形状について、ネジのような上下一方向に材料の流れを生じさせるものではなく、上下両方向に材料の流れを生じさせる環状溝に着目した。表面に環状溝を形成した攪拌軸によれば、回転方向に材料の流れを生じさせる他、軸方向に沿った上下方向の流れも生じさせる。しかし、従来は接合用工具や接合方法では、そうした上下方向の材料の流れに関して、環状溝の山や谷の位置によって部分的に如何なる流れの変化が生じているかまで考慮されていなかった。そこで、本願発明者は、重ねた被接合材同士の接合境界面と、攪拌軸に形成する環状溝との関係について検討した。

本発明は、そうした攪拌軸の環状溝と接合境界面との関係に基づき接合効果の高い摩擦攪拌接合の接合用工具および接合方法を提供することを目的とするものである。

本発明に係る摩擦攪拌接合の接合用工具は、工具本体のショルダ面からピン状の攪拌軸を突き出したものであって、被接合材同士を重ねた接合部に対して前記ショルダ面を押し当て、前記攪拌軸によって当該接合部の材料を塑性流動させて摩擦攪拌接合するものであって、前記攪拌軸が、環状溝による山部と谷部とが表面に形成され、前記摩擦攪拌接合時の状態で、重ねられた前記被接合材同士の接合境界面に前記山部が位置するようにしたものであることを特徴とする。

また、本発明に係る摩擦攪拌接合の接合用工具は、前記攪拌軸が、前記環状溝による山部が複数ある場合に、前記接合境界面に位置する山部が当該攪拌軸の先端から見て第一の山部であることが好ましい。
また、本発明に係る摩擦攪拌接合の接合用工具は、前記攪拌軸が、第一の山部から当該攪拌軸の先端にかけて当該攪拌軸の径が小さくなる方向に変化するものであることが好ましい。

本発明に係る摩擦攪拌接合の接合方法は、工具本体のショルダ面からピン状の攪拌軸が突き出し、その攪拌軸表面に環状溝による山部と谷部とが形成され接合用工具を使用し、被接合材同士を重ねた接合部に対して前記ショルダ面を押し当て、前記攪拌軸によって当該接合部の材料を塑性流動させて摩擦攪拌接合するものであって、前記ショルダ面を前記被接合材に押し当て、前記攪拌軸の山部が重ねられた前記被接合材同士の接合境界面に位置するようにした状態で、前記接合用工具を回転させ、接合部に沿って所定方向に進行させることを特徴とする。

本発明によれば、接合境界面に対して環状溝よる山部の位置を合わせるようにしたので、摩擦撹拌接合時に、重ねた被接合材の接合境界面付近に材料が上下から集まり、接合境界面に隙間があったとしても、そこに材料が流れ込んで接合強度を確保した接合が可能になる。また、接合境界面に位置する山部を攪拌軸の先端から見て第一の山部にすること、又は更にその山部から先端までの径を小さく変化させることにより、接合境界面の下側では材料が上下に大きく移動し、接合を阻害する接合境界面上の酸化皮膜を効果的に破壊することで、より安定した品質の接合が可能になる。

実施形態の接合用工具を他の接合工具との攪拌軸を示した側面図である。 攪拌軸近傍の材料の流れについて、実施形態の接合用工具による摩擦攪拌接合のシミュレーション結果をグラフに示した図である。 攪拌軸近傍の材料の流れについて、他の接合用工具による摩擦攪拌接合のシミュレーション結果をグラフに示した図である。 摩擦攪拌接合による接合境界面の材料の流れについてのシミュレーション結果を可視化して示した図である。 固定ピン式の接合用工具を用いた重ね継手に対する摩擦攪拌接合を示した斜視図である。

次に、本発明に係る摩擦攪拌接合の接合用工具および接合方法について、その一実施形態を図面を参照しながら以下に説明する。本実施形態の接合用工具は、図５に示した従来例のものと同様に、円柱状の工具本体と、その下端のショルダ面から攪拌軸が突き出した固定ピン式であって、特に上下に重ねた被接合材２０１，２０２の接合部２１０に対して摩擦攪拌接合するものである。図１は、本実施形態の接合用工具を他の接合工具と比較して示した図であり、特に工具本体を省略して特徴となる攪拌軸のみを示している。

図１の（ａ）（ｂ）に示した接合用工具の攪拌軸１，２は、その表面に環状溝１０が上下に複数形成されており、これによって攪拌軸表面に谷部１１と山部１２とが軸方向（上下）に交互に存在する。図１では、攪拌軸１，２の両接合用工具ともショルダ面５の高さ位置を揃え、不図示の被接合材同士の接合境界面２１（図５に示す接合境界面２２０に対応する）が同じ高さになるように表されている。そして、両方の攪拌軸１，２は、同じ軸径及び長さであって、環状溝１０のピッチも同じ寸法で形成されている。

ただし、攪拌軸１，２に形成された環状溝１０は、それによる谷部１１と山部１２との軸方向の位置が異なっており、そのためショルダ面５との連結部分１５，２５と、下端部１６，２６の形状が異なっている。図１（ａ）に示す攪拌軸１が本実施形態であり、図１（ｂ）に示す攪拌軸２が比較形態であるが、その違いは、攪拌軸１は、接合境界面２１の位置に環状溝１０による山部１２が位置し、攪拌軸２は、接合境界面２１に谷部１１が位置している点である。

本実施形態の接合用工具は、こうして攪拌軸１に形成された山部１２が、接合境界面２１の高さに合わせられるように形成されている。特に、複数ある環状溝１による山部１２のうち、下端面１７から見て第一の山部１２ａが接合境界面２１の高さに合うように形成されている。よって、攪拌軸１は、ショルダ面５から山部１２ａの中央までが上側被接合材の厚さ寸法であって、その山部１２ａの中央から先端までが下側被接合材へ入り込む分になる。一方の攪拌軸２は、接合境界面２１の高さに谷部１１の途中が位置し、端部２６は下端面２７に向けて径が広がった形状になっている。

次に、図２及び図３は、攪拌軸１，２の各接合用工具による摩擦攪拌接合のシミュレーション結果を示した図である。特に、攪拌軸１，２の近傍に生じる被接合材の材料の流れを示したものであり、図２が本実施形態の攪拌軸１の場合を示し、図３が比較形態の攪拌軸２の場合を示している。各図のグラフは、縦軸に被接合材の位置を示し、横軸に材料の速度を示している。縦軸の位置は、ゼロ点が攪拌軸１，２の下端面１７，２７の位置であり、その上に位置する二点鎖線で示した位置が接合境界面２１である。そして横軸の速度は、正の値が上向きの流れを示し、負の値が逆に下向きの流れを示している。

図２及び図３のグラフに示した実線と破線は、同図に各々示した攪拌軸１，２の側面形状に対応しており、太実線が山部１２の軸方向の中央位置を示し、太破線が谷部１１の最小径位置を示している。ところで、図２及び図３には、攪拌軸１，２の側面形状に対応した被接合材の材料の流れの向きを矢印によって模式的に示している。
環状溝１０を形成した攪拌軸１，２による摩擦攪拌接合では、山部１２へ向けて上下方向からの流れが生じ、谷部１１では、逆に材料がその部分から上下方向への流れが生じている。従ってこのことから、山部１２へは上下方向から周囲の材料が吸い寄せられる一方で、谷部１１からは材料が離れる傾向にあることが分かる。

また、図２及び図３のグラフに示した縦軸ゼロ位置の細線が、攪拌軸１，２の下端面１７，２７に対応する位置を示している。その下端面１７，２７の位置で生じる材料の流れについて攪拌軸１，２を比較すると、何れも値が正を示し上向きの流れが生じていることが分かる。そして、その流れは本実施形態の攪拌軸１の方が値が大きく、比較形態の攪拌軸２よりも上向きに強い流れが生じていることが分かる。

ここで、図４は、シミュレーションによって被接合材の接合部における材料の塑性流動を可視化したものであり、被接合材の接合境界面に配置したパーティクルが攪拌によって移動した結果をパーティクルトレースで示したものである。図４（ａ）が本実施形態の攪拌軸１を備えた接合用工具で摩擦攪拌した結果であり、４（ｂ）が比較形態の攪拌軸２を備えた接合用工具で摩擦攪拌した結果である。そして、いずれの場合も図中に示した二点鎖線が被接合材による接合境界面２１の位置を示している。

図４に示すシミュレーション結果からは、図４（ａ）に示す攪拌軸１の場合の方が、図４（ｂ）の攪拌軸２よりもパーティクルが接合境界面２１の下側に多く分布している。これは、図２に示す下端面１７付近で起こる上向きの強い流れに伴うカウンターフローによって逆に下向きの流れが発生していると考えられる。そしてこのことから、図４（ｂ）の攪拌軸２は、接合境界面２１の材料の移動が小さく、対する図４（ａ）に示す攪拌軸１は、接合境界面２１の材料が大きく下方へ移動していることが分かる。

次に、接合境界面２１での材料の流れは、図２及び図３のＰ１，Ｐ２に示すように、攪拌軸２で上向きの流速が大きく、攪拌軸１はゼロに近い流速であることを示している。従って、攪拌軸２は、接合境界面２１を挟んだ上下の範囲の材料が全体的に上へ移動してしまう。そして、図４（ｂ）に示すように、パーティクルが接合境界面２１の上側に流れて分布してしまい、その接合境界面２１には下の被接合材から材料が流れ込むことになる。一方で、攪拌軸１は、パーティクルが多少上昇しているが、山部１２を対応させた接合境界面２１付近に材料が集まる流れになっていると考えられる。

従って、本実施形態の接合用工具は、図１に示すように、工具本体のショルダ面５から突き出した攪拌軸１に複数の環状溝１０が形成されたものである。特に、攪拌軸１の下端面１７から最初の山部１２ａが、重ね合わせた被接合材の接合境界面２１に位置するように形成されている。そのため、ショルダ面５から山部１２ａの中央までの寸法ｈ１が、上から重ねられる被接合材の厚さ寸法に合わせて形成される。また、山部１２ａから下の寸法ｈ２は、山部１２ａが第１の山部になるようであれば下端面１７が谷部１１のどの位置でもよいが、本実施形態のように下端面１７が最小径になることが好ましい。すなわち、攪拌軸１の径が下端面１７に向けて小さくなるように変化することが好ましい。

そして、攪拌軸１をもった接合用工具によって行う摩擦攪拌接合は、例えば図５に示すように、上下に重ねた被接合材２０１，２０２の接合部２１０に対し、接合用工具を回転させながら上側から攪拌軸１が挿入され、ショルダ面５が上側の被接合材２０１上面に押し付けられる。このとき、攪拌軸１は、下端部１６が下側の被接合材２０２内に入り込み、下端面１７から見て第一の山部１２ａが接合境界面２２０（図１の接合境界面２１）に位置する。そして、接合用工具が回転しながら接合部２１０に沿って進行する。その際、ショルダ面５を介して被接合材２０１，２０２に荷重をかけながら、攪拌軸１が接合部２１０を摩擦熱によって軟化した材料が塑性流動化し、攪拌軸１の後方で互いに混じり合った可塑性材が摩擦熱を失って急速に冷却固化して接合される。

よって、本実施形態の接合用工具および接合方法による摩擦攪拌接合では、接合境界面２１に対して環状溝１０による山部１２ａを位置させることにより、接合境界面２１付近に材料を集める流れをつくる。そのため、接合境界面２１に隙間があったとしても、そこへ材料が流れ込んで隙間を埋め、よって接合強度を確保した安定した接合が可能になる。また、接合境界面２１に材料が集まる他、接合境界面２１の下側では材料が上下に大きく移動することにより、接合を阻害する接合境界面２１上の酸化皮膜を効果的に破壊することで、より安定した品質の接合が可能になる。

以上、本発明に係る摩擦攪拌接合の接合用工具および接合方法について実施形態を示したが、本発明はこれに限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。
前記実施形態では、接合境界面２１に対して攪拌軸１の下端面１７から見て第一の山部１２ａが位置するように接合用工具を構成し、また第一の山部１２ａが位置するようにした方法を説明したが、例えば、図２に示すように、第二、第三の山部１２であっても効果は小さくなるが、攪拌した材料が集まる流れをつくることになる。従って、接合境界面２１に対して下端面１７から見て第二、第三の山部１２が位置するようにしてもよい。
また、前記実施形態の攪拌軸１では複数の環状溝１０を形成したが、例えば、下端面１７から見て一番目の山部１２ａのみを残し、それ以外の山部１２を構成する環状溝を省略した形状の攪拌軸としてもよい。

１ 攪拌軸
５ ショルダ面
１０ 環状溝
１１ 谷部
１２，１２ａ 山部
１６ 下端部
１７ 下端面
２１ 接合境界面
２０１，２０２ 被接合材
２１０ 接合部
２２０ 接合境界面

Claims (4)

1. 工具本体のショルダ面からピン状の攪拌軸を突き出したものであって、被接合材同士を重ねた接合部に対して前記ショルダ面を押し当て、前記攪拌軸によって当該接合部の材料を塑性流動させて摩擦攪拌接合する接合用工具において、
   前記攪拌軸は、環状溝による山部と谷部とが表面に形成され、前記摩擦攪拌接合時の状態で、重ねられた前記被接合材同士の接合境界面に前記山部が位置するようにしたものであることを特徴とする摩擦攪拌接合の接合用工具。
2. 請求項１に記載する摩擦攪拌接合の接合用工具において、
   前記攪拌軸は、前記環状溝による山部が複数ある場合に、前記接合境界面に位置する山部が当該攪拌軸の先端から見て第一の山部であることを特徴とする摩擦攪拌接合の接合用工具。
3. 請求項２に記載する摩擦攪拌接合の接合用工具において、
   前記攪拌軸は、第一の山部から当該攪拌軸の先端にかけて当該攪拌軸の径が小さくなる方向に変化するものであることを特徴とする摩擦攪拌接合の接合用工具。
4. 工具本体のショルダ面からピン状の攪拌軸が突き出し、その攪拌軸表面に環状溝による山部と谷部とが形成され接合用工具を使用し、被接合材同士を重ねた接合部に対して前記ショルダ面を押し当て、前記攪拌軸によって当該接合部の材料を塑性流動させて摩擦攪拌接合する接合方法であって、
   前記ショルダ面を前記被接合材に押し当て、前記攪拌軸の山部が重ねられた前記被接合材同士の接合境界面に位置するようにした状態で、前記接合用工具を回転させ、接合部に沿って所定方向に進行させることを特徴とする摩擦攪拌接合の接合方法。

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