JP2010540251A - 摩擦攪拌によって部材同士を接合するための、二重ショルダー部付きの接合装置と接合方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、摩擦攪拌によって部材同士を接合するための、二重ショルダー部付きの接合装置（１）に関するものであり、これにおいて少なくとも一つのショルダー部（３，４）は、同心の二つの平らな支持面（１０，１１）を配する同心の二つのクラウン体（８，９）を備え、接合装置（１）の前進の際クラウン体（８，９）は、直径が小さいクラウン体（８）が接合対象の部材同士の攪拌される素材を押しつぶしするのに適するように、そして、直径が大きいクラウン体（９）が、直径が小さいクラウン体（８）の入り込みに対するリミットストッパを形成するのに適するように配置されることを特徴とするものである。本発明は、また、本発明に係る接合装置（１）を用いた摩擦攪拌による接合方法に関するものでもあり、これにおいて前記装置（１）の応力は制御される。
【選択図】図１

Description

本発明は、「摩擦攪拌溶接ボビンツール（Ｆｒｉｃｔｉｏｎ Ｓｔｉｒ Ｗｅｌｄｉｎｇ Ｂｏｂｂｉｎ Ｔｏｏｌ）」とも呼ばれる、摩擦攪拌によって部材同士を溶接、接合する、二重ショルダー部付きの接合装置に関するものである。本発明は、また、このような接合装置を用いた接合方法に関するものでもある。本発明は、二つの部材同士を突き合わせ接合や重ね接合で接合する必要のある分野であれば、どの分野にでも応用することができ、また、これらの二つの部材は、どのような種類の合金であってもよく、また、特にアルミニウム合金であってもよい。このような接合装置は、航空機の胴体用の板の接合に特に適しているが、翼部、または翼部の中央箱型構造、ならびに宇宙船、ミサイル、自動車等の構造材の接合に使われる、厚めの板の接合にも適している。

このような接合装置は、接合する素材を貫通し、接合装置が前進するに従って攪拌する攪拌突起を備えるとともに、上のショルダー部ならびに下のショルダー部を備えている。下のショルダー部は攪拌突起に固定されるが、上のショルダー部は攪拌突起に沿って平行移動するように取り付けられる。このようにして二つのショルダー部の間に可変する間隔を設けることができるが、これら二つのショルダー部の間には、接合対象の部材が挟まれるようになっている。二重ショルダー部付きの接合装置により、接合された接合部の両側に発熱状態を作り出すことが可能になり、それにより熱の配分を改善することができる。さらに、上のショルダー部から加わる圧力を下のショルダー部が引き受けることになるため、従来の工具や引き込み式の突起の鍛造応力を引き受けることができない部材同士でも接合することができる。

現在、二重ショルダー部付きの接合装置の操作方法は、部材同士を摩擦攪拌接合するために大きく分けて二通り存在し、つまり、応力を制御する操作方法と、二つのショルダー部の間隔を制御する操作方法とが存在する。

応力を制御する方法、すなわち応力を用いた操作の方が、実施が容易である。それは、接合装置の二つのショルダー部の間に一定の応力を加えることからなる。しかしながら、このような実施方法では、一定の厚みの接合された接合部を得ることができず、厚みの大幅な減少につながり、接合部が崩壊しかねない。実際、接合過程で二つのショルダー部間の作業温度が上昇すると、応力を用いた操作は、接合する素材の過剰な押しつぶしを引き起こし、それに伴い、可塑化された素材を接合装置の外部に押し出す傾向がある。実際、温度が上昇するに従って素材の強度は益々低下し、一定の応力を維持することは、ショルダー部による押しつぶしに益々大きな負担を課す傾向がある。このような方法は、システムの破綻を引き起こす。それゆえ、このような方法は制御が難しい。

逆に、規定の間隔を操作することで、寸法を決定する働きをすること、接合された接合部の厚みのコントロールすること、そして、より良い質の接合部を得ることも可能にする。間隔とは、接合装置の二つのショルダー部の間の距離のことである。押しつぶしとは、接合対象の部材の厚みと接合された接合部の厚みとの差、すなわち、接合対象の部材の厚みと間隔との差のことである。最近の研究により解明されたところによると、数ミリメートルの板については、１００μｍ程度の押しつぶしを規定することにより、接合された接合部の質をとてもよいものにすることができる。しかしながら、このような操作方法は、接合対象の部材の厚みの僅かな変動を考慮することができないため、ショルダー部の間隔を固定すると、接合装置は一定しない応力（強すぎる、または不十分な）を接合対象の部材同士に加えかねない。これらの変動を考慮に入れ、二つのショルダー部の間隔の修正を可能にするには、厚みの変動を測定する手段が必要になる。

本発明においては、規定の応力の操作方法で、接合対象の部材同士の押しつぶしを規制することのできる、二重ショルダー部付きの摩擦攪拌接合装置を提供することを目的とする。

そのために、本発明に係る接合装置の二つのショルダー部の少なくとも一つは、互いに中心を同じくする円に対応する関係、つまり同心の二つのクラウン体から形成されており、それらのクラウン体は、一方が他方の上に配置され、互いに他方に対して固定されている。直径が小さい方のクラウン体は、内側、すなわち、接合対象の部材同士を受けるために、二つのショルダー部の間に設けられた間隔の方向に向けられている。このように、内側のクラウン体は、接合対象の部材同士と接触するのに適している。逆に、直径が大きい方のクラウン体は、装置の外側に向けられている。このような同心の二つのクラウン体は、接合装置の攪拌突起から放射状に延びている。直径が小さい方のクラウン体は、接合装置が前進する際に、接合対象の部材同士の素材の中に入り込んでいくようになっているが、直径が大きい方のクラウン体の外部環は直径が小さい方のクラウン体の周辺部まで放射状に延び、接合された接合部の両側で、接合対象の部材同士の冷えた素材に歯止め、リミットストッパを掛ける形になり、このように、接合装置が前進するにつれて、直径が小さい方のクラウン体が、攪拌突起で攪拌される、熱せられた素材の中に入り込んでいくのを制限する。ショルダー部を担う二つの表面の高低差の作用によって、素材の押しつぶしを、直径が小さい方のクラウン体に対して固定することを可能にし、この方法が破綻することを防止する。厚みの変動のような、寸法の産業上の欠点を補うことができるという理由から、一定の応力での操作が生産に最適である限りにおいて、本発明に係る二重ショルダー部付きの接合装置は、応力を用いた操作で、摩擦攪拌接合を行うのに有利に使用されている。このように、本発明に係る接合装置を一定の応力での操作に用いる際には、直径が大きい方のクラウン体の支持面は、押しつぶしを制限するリミットストッパの役割を果たす。本発明に係る接合装置の一定の応力での操作は、結局のところ、制御された押しつぶし作業を可能にし、また、接合対象の部材同士の厚みに関係なくそれを行うことを可能にする。

それゆえ、本発明は、部材同士を摩擦攪拌接合するための二重ショルダー部付きの接合装置を対象とするものであり、少なくともショルダー部の一つは、同心の二つの平らな支持面を配する、同心の二つのクラウン体すなわち、内側のクラウン体と外側のクラウン体を備えており、直径が小さい内側のクラウン体と直径が大きい外側のクラウン体は、内側のクラウン体が、接合装置が前進する際に接合対象の部材同士の攪拌される素材を押しつぶししやすいように、そして、外側のクラウン体が、外側のクラウン体が接合対象の部材同士に寄り掛かることで、内側のクラウン体が攪拌される素材の中に入り込んでいくのを制限するために、接合された接合部の両側にリミットストッパを形成するように配置されていることを特徴とするものである。

内側のクラウン体の支持面は、内側のクラウン体の内側の全表面、すなわち、接合対象の部材同士と接触することになる面によって形成されている。外側のクラウン体の支持面は、外側のクラウン体の内側の表面によって形成されており、外側のクラウン体の位置が内側のクラウン体上に位置する範囲で、内側のクラウン体の周辺部から外側へと放射状に延びている。それゆえ二つの支持面は、互いの上下に位置しており、互いに平行に延びている。外側のクラウン体の支持面は、ショルダー部が接合対象の両部材の素材の中に入り込んでいくのを止めるのに足るものである。

内側のクラウン体だけが接合対象の部材同士の素材の中に入り込んでいくようになっているため、入り込みに対するリミットストッパを形成する外側のクラウン体の存在によって、接合された接合部の幅をコントロールすることができる。

有利には、下のショルダー部は攪拌突起の下部に固定されるが、上のショルダー部は攪拌突起の上部に平行移動をするように取り付けられ、特に接合対象の部材同士の厚みに応じてショルダー部の間隔を変動させることができるようにする。

内側のクラウン体は、ある程度の厚みまたは高さを有しており、前記内側のクラウン体の支持面と、外側のクラウン体の支持面との間に、段を配することを可能にする。

本発明による接合装置の実施例によれば、以下のようなさらなる特徴のすべてまたは一部を想定することが可能である。

−内側のクラウン体の支持面と外側のクラウン体の支持面との間の距離は、ショルダー部の、接合対象の部材同士の素材の中への、望ましい最大の入り込み距離に対応する。前記距離は、内側のクラウン体の高さまたは厚み、すなわち、前記クラウン体の平らな表面に対して直角に延びる内側のクラウン体の寸法に対応するものである。

−内側のクラウン体の支持面と外側のクラウン体の支持面との距離は、接合対象の部材同士の厚みの０．５〜５％の間に含まれる。接合対象の部材同士の厚みとは、接合装置の二つのショルダー部の間に延びる部材の寸法のことである。それゆえ、このような部材同士の厚みは、突き合わせ接合の場合は、接合線の位置にあるそれぞれの部材同士の厚みに、または、重ね接合の場合には二つの部材同士の積み重なった厚みに対応するものである。このようにして、接合装置の片方のショルダー部にのみ同心の二つのクラウン体が備えられている場合には０．５〜５％の間に含まれる押しつぶし、接合装置の二つのショルダー部に同心の二つのクラウン体が備えられている場合には、１〜１０％の間に含まれる押しつぶしが得られる。

−内側のクラウン体は、攪拌突起の外径の１．２〜２．５倍の間に含まれる外径を有する。内側のクラウン体の直径は、接合の終わりに得られる、接合された接合部の幅に対応する。接合された接合部の幅は、接合装置の前進軸に対して横手方向に延びる前記接合部の寸法である。内側のクラウン体の直径は、前記内側のクラウン体が素材の中に確実に入り込んでいけるような直径である。

−外側のクラウン体は、攪拌突起の外径の１．５〜３．５倍の間に含まれる外径を有する。このように配された支持面は、ショルダー部が素材の中に入り込むのがその唯一の内側のクラウン体に限られるように、リミットストッパをかけるのに適している。

−外側のクラウン体には、その外周に１〜５ｍｍの長さまたは半径をそれぞれ呈する面取り部分、または、凹くり部分を具備していてもよい。このようにして外側のクラウン体の外周の位置に尖った出隅ができること、したがって、接合装置を操作している間に、外側のクラウン体が接合対象の部材同士の表面に寄り掛かっている際に接合された接合部の両側で接合対象の部材同士に印が付くことを阻止する。

−このような二つのショルダー部のうちの少なくとも一つは、本発明の対象である同心の二つのクラウン体を備えるものである。第一のショルダー部だけが外側のクラウン体がと内側のクラウン体を備えている場合には、第二のショルダー部は滑らかな表面を備えている。この場合操作の応力は、前記第一のショルダー部の外側のクラウン体がリミットストッパの役目を務めるようにして加えられる。

−このような二つのショルダー部がそれぞれ本発明の対象である同心の二つのクラウン体を呈している場合には、内側のクラウン体と外側のクラウン体は、それぞれ異なる、すなわち一致しない直径のショルダー部を有することができる。

−下のショルダー部は攪拌突起の下部に固定されるが、上のショルダー部は攪拌突起に沿って平行移動で、二つのショルダー部の間隔を変動させることができるように可動式に取り付けられる。

本発明は、同様に、本発明の接合装置を用いた摩擦攪拌による接合方法に関するものでもあり、
−接合対象の部材同士の押しつぶしを、それらの厚みに応じて固定し、そして
−一定の応力で装置を操作する。

突き合わせ接合を行いたい場合、接合対象の部材同士は互いに隣接して配置される。接合装置は、この場合、接合された接合部を形成するために、隣接端部に沿って移動させられる。このため、接合された接合部は、前記隣接端部に沿って延びる。

重ね接合の場合、部材同士は重ね合わせて配置される。ショルダー部は、二つの部材同士の厚みの重なりを挟みこみ、それぞれを、接合対象の部材同士のうちの一つの表面上にスライドさせる。攪拌突起は二つの部材同士の厚みの重なりを貫き、前記二つの部材同士の素材を攪拌する。

有利には、押しつぶしは、接合対象の部材同士の厚みの０．５〜５％の間に固定される。

有利には、接合応力は、ショルダー部の少なくとも一つの内側のクラウン体を用いて接合対象の部材同士の素材の押しつぶしを行える程度に固定し、そして、前記ショルダー部の外側のクラウン体の支持面が、接合対象の部材同士の一方または両方に寄り掛かる位置に来たら、直ちに、さらなる素材の全ての押しつぶしを止める。このように、外側のクラウン体が接合対象の部材同士に接触しても外側のクラウン体が内側のクラウン体の入り込みに対するリミットストッパの役割を果たしているため、応力は変わらないのにも係わらず押しつぶしが増大することもない。外側のクラウン体は、内側のクラウン体よりも大きな支持面を有している。このように、接合装置の応力の制御は、前記応力の値が、内側のクラウン体の入り込みを保証するのに十分なものでありながらも、外側のクラウン体の入り込みのない支えを確保することできるようにして行われる。

例えば、二つのクラウン体の支持面にもたらされる操作応力は、２０ＭＰａを下回るものであり、内側のクラウン体の支持面にもたらされる操作応力は、３０ＭＰａを超えるものである。

本発明は、以下の説明を読み、添付図面を参照することで、さらによく理解することができるものである。添付図面はあくまで参考であり、本発明を限定する趣旨のものではない。

この唯一の図面は、本発明に係る二重ショルダー部付きの接合装置の、接合ヘッドの位置から切った概略的な横断面図を示す。

唯一の図面、図１で見てわかるように、本発明に係る接合装置１は、二つのショルダー部、すなわち下のショルダー部３と上のショルダー部４がそれぞれ取り付けられている、攪拌突起２を備えている。

下のショルダー部３は、攪拌突起２の下部５に固定されている。ネジ６が下のショルダー部３のために下部リミットストッパを形成する。下のショルダー部３は、接合装置１の前記接合対象の部材同士の接合された接合部に沿った移動の際に、接合対象の部材同士の下の面に沿って移動するようになっている。上のショルダー部４は、攪拌突起２の上部７に沿って平行移動するように取り付けられている。このようにして、下のショルダー部３と上のショルダー部４との間の間隔Ｅを調整することが可能である。

唯一の図面、図１に示された例は、ショルダー部３とショルダー部４に、それぞれ同心の二つのクラウン体、すなわち内側のクラウン体８と外側のクラウン体９を具備している。当然ながら、二つのショルダー部のうちの一つだけが同心の二つのクラウン体を具備する接合装置１を想定することも可能である。

内側のクラウン体８の直径は、外側のクラウン体９の直径よりも厳密に小さいものである。有利には、内側のクラウン体８の外径は、攪拌突起２の外径ｄの１．２〜２．５倍に等しいが、外側のクラウン体９の外径は、攪拌突起２の直径ｄの１．５〜３．５倍に等しい。内側のクラウン体８の内側１０が第一の支持面を形成するが、外側のクラウン体９の内側１１は、内側のクラウン体８の支持面から放射状に延びて第二の支持面を形成する。内側１０、１１とは、ここで考える二つのショルダー部の一つのクラウン体８、９の、もう一方のショルダー部に向かっている面のことを言う。

内側のクラウン体８の厚みｅは、接合対象の部材同士の位置で行われるのが望ましい最大押しつぶしに対応するものであり、内側のクラウン体８の内側１０を、ここで考えるショルダー部３、４の外側のクラウン体９の内側１１から隔てる距離に対応する。

ショルダー部３、４の内側のクラウン体８は、接合対象の部材同士の素材の中に入り込むことによって、厚みｅの二倍の厚みの、接合対象の部材同士の素材に押しつぶしを施すようになっている。

有利には、内側のクラウン体８の内側の支持面１０と外側のクラウン体９の内側の支持面１１とを隔てる角度は、内側のクラウン体８を素材の中に自由に入り込ませることを可能にし、本発明の接合装置１で得られる、接合された接合部の幅を完全に制御できるよう、ほぼ９０°となっている。接合された接合部の幅とは、このようにして得られた前記接合された接合部の長手軸に直角に延びる寸法のことをいう。外側のクラウン体９の平らな支持面がリミットストッパを形成し、対応するショルダー部が接合対象の部材同士の素材の中に入り込むのを制限する。

少なくとも一つのショルダー部４の外側のクラウン体の外周位置に、出隅の面取り部分、または、凹くり部１２を想定することが可能である。面取り部分、または、凹くり部１２は、ショルダー部３、４の外側のクラウン体９が接合対象の部材同士にリミットストッパを掛ける際に、接合対象の部材同士に接触するショルダー部４の外縁の尖った出隅を取り除くことを可能にする。このようにして、接合された接合部に沿って接合装置１が移動する際に、ショルダー部４が接合対象の部材同士に擦り傷をつけることを阻止する。このような面取り部分１２を二つのショルダー部３、４の二つの外側のクラウン体９に具備させることは、当然可能である。

厚みｅすなわち、本発明に係る接合装置１のショルダー部３、４の内側のクラウン体８と外側のクラウン体９との間の距離を固定することで、たとえこの装置の操作を応力の制御で有利に行うことが可能であったとしても、本発明に係る接合装置１を使用する際に最大押しつぶしを課すことができる。

本発明に係る接合装置１は、あらゆる合金、特にアルミニウム合金の接合を可能にするものであるが、それらアルミニウム合金には、その熱伝導率の低さのために摩擦攪拌による溶接では困難を呈するリチウム合金を含む、溶融による手法では接合が困難であるとみなされている組織硬化合金も含まれる。

例１：アルミニウム・リチウム合金２１９８Ｔ８製の金属板同士の突き合わせ接合。
両部材それぞれの厚みＥ＝２．５ｍｍ
両部材それぞれの寸法：１０００ｘ３００ｍｍ
接合装置の各寸法：
−攪拌突起の外径ｄ＝６ｍｍ
−内側のクラウン体の外径＝１２ｍｍ
−外側のクラウン体の外径＝１８ｍｍ
−内側のクラウン体の厚みｅ＝０．０５ｍｍ
−二つのショルダー部は、内側のクラウン体と外側のクラウン体を具備している。

接合装置の応力を、応力＝３ｋＮつまり３５ＭＰａで制御する。

例２：アルミニウム合金７４４９Ｗ製の部材同士の突き合わせ接合。
両部材それぞれの厚みＥ＝１５ｍｍ
両部材それぞれの寸法：１０００ｘ３００ｍｍ
接合装置の各寸法：
−攪拌突起の外径ｄ＝１５ｍｍ
−内側のクラウン体の外径＝２３ｍｍ
−外側のクラウン体の外径＝２９ｍｍ
−内側のクラウン体の厚みｅ＝０．１ｍｍ
−二つのショルダー部は内側のクラウン体と外側のクラウン体を具備している。

接合装置の応力を、応力＝８ｋＮつまり３３．５ＭＰａで制御する。

さらに、一般的には、間隔Ｅは２〜２０ｍｍの間とし、クラウン体の厚みｅは０．０５〜０．２ｍｍの間とするのが、好適である。このようにして、あまりにも素材が摩擦攪拌を受けるということにより、部材同士が組立体として、急速に過熱される事態を回避する。

１ 接合装置
２ 攪拌突起
３、４ ショルダー部
・ クラウン体
１０、１１ 支持面

Claims (7)

1. 部材同士を摩擦攪拌接合するための二重ショルダー部付きの摩擦攪拌接合装置（１）であり、少なくともショルダー部（３，４）の一つは、同心の二つの平らな支持面（１０，１１）を配する、同心の二つのディスク（８，９）すなわち、内側のディスクと外側のディスクを備えており、直径が小さい内側のディスクと直径が大きい外側のディスクは、内側のディスクが、接合装置が前進する際に接合対象の部材同士の摩擦攪拌される素材を押しつぶししやすいように、そして、外側のディスクが、外側のディスクが接合対象の部材同士に寄り掛かることで、内側のディスクが摩擦攪拌される素材の中に入り込んでいくのを制限するために、接合された接合部の両側に、内側のディスクへの入り込みに対するリミットストッパを形成するように配置されていることを特徴とする、摩擦攪拌接合装置。
2. 前記内側のディスクの支持面と外側のディスクの支持面との距離（ｅ）が、接合対象の板の厚みの０．５〜５％の間に含まれることを特徴とする、請求項１に記載の摩擦攪拌接合装置。
3. 前記内側のディスクが、前記攪拌突起の外径の１．２〜２倍の間に含まれる外径を有するとともに、前記外側のディスクが、攪拌突起の外径の１．５〜３．５倍の間に含まれる外径を有することを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の摩擦攪拌接合装置。
4. 前記二つのショルダー部が、同心の二つのディスクを具備していることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一つに記載の摩擦攪拌接合装置。
5. −接合対象の部材同士を、接合したいと思う位置に互い違いに配置し、
   −接合対象の部材同士の押しつぶしを、それらの厚みに応じて固定し、そして
   −一定の応力で装置を操作する
   という手順からなることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一つに記載の摩擦攪拌接合装置を用いた部材同士の摩擦攪拌接合方法。
6. 前記押しつぶしが、接合対象の部材同士の厚みの０．５〜５％の間に固定されることを特徴とする、請求項５に記載の摩擦攪拌接合方法。
7. 二つのディスクの支持面にもたらされる操作応力が、２０ＭＰａを下回るものであり、内側のディスクの支持面にもたらされる操作応力は、３０ＭＰａを超えるものであることを特徴とする、請求項５また請求項６に記載の摩擦攪拌接合方法。

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