JP2010274320A - 接合方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】金属部材同士の突合部J1に沿って金属部材の表面A側から本接合用回転ツールを移動させて摩擦攪拌接合を行う第一の本接合工程と、第一の本接合工程の後に、突合部J1に沿って金属部材の裏面B側から本接合用回転ツールHを移動させて摩擦攪拌接合を行う第二の本接合工程と、を含み、第二の本接合工程における金属部材への入熱量を、第一の本接合工程における金属部材への入熱量よりも少なく設定する。
【選択図】図9
Description
かかる接合方法によれば、第二の本接合工程における入熱量が、第一の本接合工程における入熱量よりも少なくなるため、接合された金属部材内に残存する熱量の不均衡を是正することができる。これにより、第二の本接合工程において金属部材が反ってしまうのを防ぐことができ、金属部材の平坦性を高めることができる。
また、前記第二の本接合工程を行う前に、前記第二の本接合工程で用いる前記接合用回転ツールよりも小型の仮接合用回転ツールを用いて、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接合を行う仮接合工程を実行することが好ましい。
また、前記第二の本接合工程では、前記金属部材同士の突合部の側方に配置されたタブ材に摩擦攪拌の開始位置又は終了位置を設け、前記第二の本接合工程の後に、前記第二の本接合工程で形成された塑性化領域のうち少なくとも前記タブ材に隣接する部分に対して前記本接合用回転ツールよりも小型の補修用回転ツールを用いて摩擦攪拌を行う補修工程を実行することが好ましい。
次に、本発明の実施形態について説明する。本実施形態では、図1に示すように、金属部材1a,1bを直線状に繋ぎ合せる場合を例示する。まず、接合すべき金属部材1a,1bを詳細に説明するとともに、この金属部材1a,1bを接合する際に用いられる第一タブ材2、第二タブ材3を詳細に説明する。
図1を参照して第一の準備工程を説明する。第一の準備工程は、接合すべき被接合金属部材1の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及び第二タブ材3)を準備する工程であり、本実施形態では、金属部材1a,1b、第一タブ材2及び第二タブ材3の油脂分等の汚れを取り除く脱脂工程と、金属部材1a,1bを突き合せる突合工程と、被接合金属部材1の突合部J1の両側に第一タブ材2、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、第二タブ材3を溶接により被接合金属部材1に仮接合する溶接工程と、被接合金属部材1をテーブルに固定する固定工程を具備している。
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、被接合金属部材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、被接合金属部材1の突合部J1を仮接合する第一の仮接合工程と、被接合金属部材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。
第一の本接合工程は、被接合金属部材1の突合部J1を表面A側から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Gを使用し、仮接合された状態の突合部J1に対して被接合金属部材1の表面A側から摩擦攪拌を行う。
まず、図6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Gを位置させ、続いて、本接合用回転ツール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を下穴P1に入り込ませると、攪拌ピンG2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G2の周面で押し退けながら、攪拌ピンG2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Gのショルダ部G1が第二タブ材3の表面に当接する前に攪拌ピンG2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可能となる。つまり、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。
第二の準備工程は、第二の予備工程に先立って行われる工程であり、本実施形態では、被接合金属部材1の表裏を逆にして、被接合金属部材1を固定治具15(図3参照)でテーブル10に固定する。図8に示すように、被接合金属部材1をテーブル10に固定すると、被接合金属部材1が反って(歪んで)いるため、被接合金属部材1の縁部U,Uとテーブル10とが当接し、テーブル10と被接合金属部材1の表面Aとの間に間隙Pが形成される。
第二の予備工程は、第二の本接合工程に先だって行われる工程であり、本実施形態では、被接合金属部材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、被接合金属部材1の突合部J1を仮接合する第二の仮接合工程と、被接合金属部材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、第二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。第二の予備工程は、被接合金属部材1の表裏を除いては、前記した第一の予備工程と略同等であるため、詳細な説明は省略する。
第二の本接合工程は、被接合金属部材1の突合部J1を裏面B側から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9の(a)〜(c)に示すように、本接合用回転ツールHを使用して、突合部J1に対して被接合金属部材1の裏面B側から摩擦攪拌を行う。
まず、図9の(a)に示すように、下穴P2の直上に本接合用回転ツールHを位置させ、続いて、本接合用回転ツールHを右回転させつつ下降させて攪拌ピンH2の先端を下穴P2に挿入する。
次に、本発明の第二の実施形態について説明する。第二の実施形態は、(1)第一の準備工程、(2)第一の予備工程、(3)第一の本接合工程、(4)第二の準備工程、(5)第二の予備工程、(6)第二の本接合工程、(7)第二の補修工程、(8)第一の補修工程を含む。(1)第一の準備工程から(6)第二の本接合工程までは、第一の実施形態と同等であるため、詳細な説明は省略する。
前記した(6)第二の本接合工程が終了したら、そのまま、第二の補修工程を行う。第二の補修工程は、被接合金属部材1の裏面Bの裏面側塑性化領域W3に含まれる可能性のある接合欠陥を補修する工程である。
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Eの攪拌ピンE2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。
第二の補修工程が終了したら、被接合金属部材1の表裏を逆にして、表面Aに対して第一の補修工程を行う。第一の補修工程は、図14に示すように、被接合金属部材1の表面Aの表面側塑性化領域W1に含まれる可能性のある接合欠陥を補修する工程である。
変形例では、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16に示す本接合用回転ツールKを用いてもよい。なお、変形例は、本接合用回転ツールKを用いる点を除いては第一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。
次に、本発明の実施例について説明する。本発明に係る実施例は、図17の(a)及び(b)に示すように平面視正方形の金属部材200の表面Za及び裏面Zbにそれぞれ3つの円を描くように摩擦攪拌を行い、表面Za側で発生した反りの変形量と、裏面Zb側で発生した反りの変形量を測定した。表面Za側で発生した反りの変形量の値と、裏面Zb側で発生した反りの変形量の値が近いほど、金属部材200の平坦性が高いことを示す。
「FSW1」は、図17を参照するように、基準j’をゼロとして、小円(半径r1)の摩擦攪拌を行った後の、基準j’と各地点との高低差を示している。「裏面側変形量1」は、各地点における(FSW1−FSW前)の値を示している。「裏面側変形量1」の最下欄は、地点a〜地点hの平均値を示す。
「FSW2」は、基準j’をゼロとして、小円(半径r1)に加えてさらに、中円(半径r2)の摩擦攪拌を行った後の、基準j’と各地点との高低差を示している。「裏面側変形量2」は、各地点における(FSW2−FSW前)の値を示している。「裏面側変形量2」の最下欄は、地点a〜地点hの平均値を示す。
「FSW3」は、基準j’をゼロとして、小円(半径r1)、中円(半径r2)に加えてさらに、大円(半径r3)の摩擦攪拌を行った後の、基準j’と各地点との高低差を示している。「裏面側変形量3」は、各地点における(FSW3−FSW前)の値を示している。「裏面側変形量3」の最下欄は、地点a〜地点hの平均値を示す。
前記した変形例に係る本接合用回転ツールKの各要素の条件(寸法)を表5に示す。表5は、本接合用回転ツールKと同等の構成からなるツールI〜ツールIVにおいて、ピン(攪拌ピン)長さ、ピンの最大径、ピンの最小径及びショルダ径の各寸法、各寸法の割合及び回転数・接合速度を示す。表5に記載した各ツールI〜ツールIVを用いて、一対のアルミニウム合金(5052アルミニウム合金)に対して摩擦攪拌接合を行い各ツールI〜ツールIVにおける各ツールの状況について観察した。
1a 金属部材
1b 金属部材
2 第一タブ材
3 第二タブ材
J1〜J3 突合部
A 表面
B 裏面
C 第一側面
D 第二側面
F 仮接合用回転ツール
F1 ショルダ部
F2 攪拌ピン
G 本接合用回転ツール
G1 ショルダ部
G2 攪拌ピン
H 本接合用回転ツール
H1 ショルダ部
H2 攪拌ピン
E 補修用回転ツール
E1 ショルダ部
E2 攪拌ピン
W1,W2 塑性化領域
Claims (14)
- 金属部材同士の突合部に沿って前記金属部材の表面側から本接合用回転ツールを移動させて摩擦攪拌接合を行う第一の本接合工程と、
前記第一の本接合工程の後に、前記突合部に沿って前記金属部材の裏面側から本接合用回転ツールを移動させて摩擦攪拌接合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ける前記金属部材への入熱量を、前記第一の本接合工程における前記金属部材への入熱量よりも少なく設定することを特徴とする接合方法。 - 前記第二の本接合工程で使用する本接合用回転ツールは、前記第一の本接合工程で使用する本接合用回転ツールよりも小さいことを特徴とする請求項1に記載の接合方法。
- 前記第二の本接合工程では、前記第一の本接合工程における前記本接合用回転ツールの送り速度よりも速い送り速度で摩擦攪拌接合を行う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。
- 前記第二の本接合工程の後に、前記金属部材の表面側又は裏面側から摩擦攪拌を行う矯正工程を行う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接合方法。
- 前記第二の本接合工程では、前記第一の本接合工程で形成された塑性化領域に前記本接合用回転ツールの攪拌ピンを入り込ませつつ摩擦攪拌接合を行うことを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれか一項に記載の接合方法。
- 前記金属部材を固定治具によってテーブルに固定した状態で前記第一本接合工程及び前記第二本接合工程を行う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。
- 前記本接合用回転ツールは、
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を1.33〜2.03に設定する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。 - 前記本接合用回転ツールは、
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を2.00〜2.67に設定する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。 - 前記本接合用回転ツールは、
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を1.56〜2.14に設定することを特徴とする請求項1乃至請求項8のいずれか一項に記載の接合方法。 - 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7乃至請求項9のいずれか一項に記載の接合方法。
- 前記第一の本接合工程を行う前に、前記第一の本接合工程で用いる前記接合用回転ツールよりも小型の仮接合用回転ツールを用いて、前記突合部に対して前記金属部材の表面側から摩擦攪拌接合を行う仮接合工程を実行することを特徴とする請求項1乃至請求項10のいずれか一項に記載の接合方法。
- 前記第二の本接合工程を行う前に、前記第二の本接合工程で用いる前記接合用回転ツールよりも小型の仮接合用回転ツールを用いて、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接合を行う仮接合工程を実行することを特徴とする請求項1乃至請求項11のいずれか一項に記載の接合方法。
- 前記第一の本接合工程では、前記金属部材同士の突合部の側方に配置されたタブ材に摩擦攪拌の開始位置又は終了位置を設け、
前記第一の本接合工程の後に、前記第一の本接合工程で形成された塑性化領域のうち少なくとも前記タブ材に隣接する部分に対して前記本接合用回転ツールよりも小型の補修用回転ツールを用いて摩擦攪拌を行う補修工程を実行することを特徴とする請求項1乃至請求項12のいずれか一項に記載の接合方法。 - 前記第二の本接合工程では、前記金属部材同士の突合部の側方に配置されたタブ材に摩擦攪拌の開始位置又は終了位置を設け、
前記第二の本接合工程の後に、前記第二の本接合工程で形成された塑性化領域のうち少なくとも前記タブ材に隣接する部分に対して前記本接合用回転ツールよりも小型の補修用回転ツールを用いて摩擦攪拌を行う補修工程を実行することを特徴とする請求項1乃至請求項12のいずれか一項に記載の接合方法。
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