JP2011115845A - 摩擦攪拌接合方法及び摩擦攪拌接合製品 - Google Patents

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Abstract

【課題】接合部位の外観が優れるようにする摩擦攪拌接合方法及びその方法による製品を提供する。
【解決手段】摩擦面を有する接合工具１０を提供するステップと、第一表面層６１及び前記第一表面層に対して傾斜された第一接合部を有する第一部品６０を提供するステップと、第二表面層７１及び前記第一接合部に対接される第二接合部を有する第二部品７０を提供するステップと、前記第一表面層と前記第二表面層とが傾斜又は直交するように前記第一部品と前記第二部品とを対接させるステップと、前記接合工具の摩擦面１１を前記第一部品の第一表面層に圧接し、且つ前記接合工具で前記第一表面層を摩擦攪拌して熱量を産生し、前記熱量は前記第一部品の第一接合部及び前記第二部品の第二接合部に伝達されて前記第一接合部及び前記第二接合部を塑性状態にして、前記第一部品及び前記第二部品が接合されるステップと、を有する。
【選択図】図５

Description

摩擦攪拌接合方法とは、板材を対接させて接合する場合、回転する攪拌工具で接合部位の材料を攪拌して接合することである。前記摩擦攪拌接合方法は、その簡単性及び優れた生産性によって徐々にその適用範囲が拡大している。前記摩擦攪拌接合方法において、攪拌工具の耐久性に対して要求が高いので、アルミニウム（Ａｌ）合金の接合に多く用いられる。しかし、接合面が製品の外表面である場合、接合加工によって製品の外表面に攪拌痕跡又はバリ（Ｂｕｒｒ）が残るので、切削加工又は研磨加工を行って接合ワークの表面層を除去しなければならない。
前記表面層を除去して平滑な接合面を得たとしても、撹拌過程中で撹拌部分に比較的大きい塑性流動が重複するので、撹拌された部位の金属組織が母材と大きく異なることになる。これによって、後続のアルミニウム合金に多用されるアルマイト処理を行う場合、加工面に痕跡が残る。前記痕跡は、機械加工によって除去されるが、アルマイト処理によっては除去されない。即ち、通常のアルマイト処理に化学エッチング効果が付加されるので、前記アルマイト処理によって金属組織の変化が現れてしまう。即ち摩擦攪拌による塑性流動性によって攪拌される部分の材料の金属組織は機械的に改変されて、攪拌される部分の材料の金属組織は母材と大きく異なる。従って、前記摩擦攪拌接合されたワークに対してアルマイト処理を行うと、攪拌された部分の表面に生じる微細な凹凸によって、接合部を視認できる。
さらに、接合部材を炉内に放置し、再結晶温度以上の温度まで加熱して、接合部分の金属組織の局部的な差異を除去する焼鈍などの熱処理を加えても、熱処理条件が適切でなければ、再結晶の時、攪拌部位に存在する差異が現われ、全域にわたり金属組織を均一化することができない。
上述したように、金属組織が相異の接合部分にアルマイト処理を行うと、その金属組織の差異が接合部材の表面から表現される。即ち、同じ成分の金属でも製造方法（圧延、押し出し、鍛造、鋳造、焼結）が異なれば、金属組織は異なるため、接合方法と関係無しに、接合部材に対してアルマイト処理を実施すれば、接合部位を境界とする差異が表現される。さらに摩擦攪拌によって接合された接合部材の接合部位の金属組織が母材と大きく異なるので、接合部材に対してアルマイト処理を実施すれば、接合部位は母材に対して差異が大きい。
上述したように、アルマイト処理を実施する場合、母材の製造方法及びその金属組織を考慮しなければならなく、接合部位を完全に視認できない接合は、理論的にも実現し難い。
以上の問題点に鑑みて、本発明は、接合部位の外観が優れるようにする摩擦攪拌接合方法及び摩擦攪拌接合製品を提供することを目的とする。
前記問題を解決するために、本発明に係る摩擦攪拌接合方法は、摩擦面を有する接合工具を提供するステップと、第一表面層及び前記第一表面層に対して傾斜された第一接合部を有する第一部品を提供するステップと、第二表面層及び前記第一接合部に対接される第二接合部を有する第二部品を提供するステップと、前記第一表面層と前記第二表面層とが傾斜又は直交するように前記第一部品と前記第二部品とを対接させるステップと、前記接合工具の摩擦面を前記第一部品の第一表面層に圧接し、且つ前記接合工具で前記第一表面層を摩擦攪拌して熱量を産生し、前記熱量は前記第一部品の第一接合部及び前記第二部品の第二接合部に伝達されて前記第一接合部及び前記第二接合部を塑性状態にして、前記第一部品及び前記第二部品が接合されるステップと、を備える。
また、本発明に係る摩擦攪拌接合製品は、互いに接合されて接合線を形成する第一部品及び第二部品を備える。前記第一部品と第二部品との接合後の組織と、前記第一部品と第二部品との接合前の組織とが実質的に一致し、前記接合線が前記摩擦攪拌接合製品の辺縁と重畳される。
本発明に係る摩擦攪拌接合方法において、接合工具で第一部品及び第二部品の表面層だけを摩擦攪拌して熱量を産生し、且つ前記熱量を前記第一部品及び前記第二部品の接合部に伝達して前記第一部品及び前記第二部品を接合する。ここで、前記第一部品の表面層の材料だけに塑性流動が発生し、前記第一部品及び前記第二部品の接合部の材料には流動が発生しない。従って、前記第一接合部及び前記第二接合部の材料には組織の変化が極めて少ない。また、接合後の第一部品と第二部品とによる接合線は、摩擦撹拌接合製品の辺角線と重畳されるので、外観から視認し難くて、前記摩擦撹拌接合製品は優れた外観を有する。
本発明に係る摩擦攪拌接合方法に採用される接合工具の斜視図である。 図１に示す接合工具の摩擦面の構造図である。 図１に示す接合工具の摩擦面の他の構造図である。 本発明の第一実施例に係る第一部品及び第二部品を示す図である。 図１に示す接合工具で図４の第一部品及び第二部品を接合する過程を示す図である。 図５に示す第一部品と第二部品とが接合した構造図である。 本発明の第二実施例に係る第一部品及び第二部品を示す図である。 図１に示す接合工具で図７の第一部品及び第二部品を接合する過程を示す図である。
以下、図面に基づいて、本発明に係る摩擦攪拌接合方法及び摩擦攪拌接合製品について詳細に説明する。
図１、図４及び図５を参照すると、本発明の第一実施例に係る摩擦攪拌接合方法は、接合工具１０を採用して第一部品６０及び第二部品７０に対して摩擦攪拌をして、前記第一部品６０と前記第二部品７０とを接合する。
図１乃至図３を参照すると、前記接合工具１０は、実質的に柱状体であり、その一端面は略平面状の摩擦面１１である。前記摩擦面１１には、前記接合工具１０の内部へ凹入された複数の凹部１３が形成されている。前記凹部１３の形状は、螺旋状又は前記接合工具１０の軸中心を共通の起点として放射状に配列される複数の円弧である。作業時の前記接合工具１０の回転方向は、前記凹部１３の中心から周縁へ延伸する方向（例えば、図２及び図３の矢印の方向）と同じである。
図１、図４、図５及び図６を参照すると、前記第一部品６０は、第一表面層６１と、前記第一表面層６１に隣接され且つ前記第一表面層６１に対して傾斜された平面である第一接合部６３と、を備える。
前記第二部品７０は、第二表面層７１と、前記第二表面層７１に隣接され且つ前記第二表面層７１に対して傾斜された平面である第二接合部７３と、を備える。
前記第一部品６０と前記第二部品７０とを接合する過程で、補助的部材２００をさらに設置する。前記補助的部材２００は、端面２０１と、前記端面に隣接する第三表面層２０３と、を備える。
前記第一部品６０と前記第二部品７０とを接合する時、先ず、前記第一部品６０の第一接合部６３と前記第二部品７０の第二接合部７３とを対接させてから、前記第一部品６０及び前記第二部品７０を固定させる。前記第一部品６０の第一表面層６１と前記第二部品７０の第二表面層７１とが成す角度θの範囲は、０度＜θ＜１８０度である。本実施例において、前記第一部品６０の第一表面層６１と前記第二部品７０の第二表面層７１とが成す角度θは、９０度である。即ち、前記第一部品６０と前記第二部品７０は直交する。前記第一部品６０の第一表面層６１の接合辺縁と前記第二部品７０の第二表面層７１の接合辺縁とに接合線６９が形成されている。次に、前記補助的部材２００の第三表面層２０３と前記第一部品６０の第一表面層６１とが同じ平面に置かれるように、前記補助的部材２００の端面２０１を前記第二部品７０の第二表面層７１に当接させる。
次に、前記接合工具１０の摩擦面１１を前記第一部品６０の第一表面層６１と前記補助的部材２００の第三表面層２０３とに圧接（即ち、前記接合線６９の上に圧接）させてから、前記接合工具１０を前記接合線６９の延伸方向を沿って回転及び移動させて、前記第一部品６０の第一表面層６１及び前記補助的部材２００の第三表面層２０３を摩擦攪拌させる。前記摩擦攪拌によって産生される熱量は、摩擦攪拌されない前記第一接合部６３及び前記第二接合部７３に伝達されて前記第一接合部６３及び前記第二接合部７３を塑性状態になるようにする。これによって、前記第一部品６０及び前記第二部品７０は無間隙に接合されて摩擦攪拌接合製品３００を構成する。また、前記接合工具１０で前記第二部品７０の第二表面層７１に対して摩擦攪拌することもできる。最後に、前記補助的部材２００を前記第一部品６０及び前記第二部品７０によって構成された摩擦攪拌接合製品３００から分離させる。
前記接合工具１０の回転方向は、前記凹部１３の摩擦面１１の中心から周縁へ延伸する方向と同じである。前記接合工具１０を、前記摩擦面１１が前記第一部品６０の第一表面層６１及び前記補助的部材２００の第三表面層２０３にやや挿入された状態で高速回転させるとともに低速移動させて、前記第一部品６０及び前記第二部品７０に対して摩擦攪拌接合を行う。前記接合工具１０の回転速度Ｓ、移動速度Ｖ及び前記接合工具１０の先端が前記第一部品６０の第一表面層６１に挿入される深さＨは、前記第一部品６０及び前記第二部品７０の接合部位の厚さ及び材料、前記接合工具１０のサイズ及び材料等によって決定される。即ち、前記第一部品６０及び前記第二部品７０の部分的な材料だけが塑性流動状態になるとともに、十分の熱量を産生して攪拌されない部分に伝達して、前記第一部品６０の第一接合部６３と前記第二部品７０の第二接合部７３とを接合できさえすれば良い。本実施例において、前記接合工具１０の回転速度Ｓは７０００回／分であり、移動速度Ｖは５００ｍｍ／分であり、前記第一表面層６１の摩擦攪拌される厚さＨ（接合工具１０の挿入深さ）は０．１５ｍｍである。
前記摩擦攪拌接合方法において、前記第一部品６０と前記第二部品７０とを対接させる時、前記第一表面層６１と前記第二表面層７１とが一定の角度を成すので、前記第一部品６０と前記第二部品７０との接合後の接合線６９は、前記摩擦攪拌接合製品３００の辺角線（前記第一表面層６１の辺縁線と前記第二表面層７１の辺縁線とが成す箇所）と重畳される。従って、前記接合線は、前記摩擦撹拌接合製品３００の外観から視認し難い。そして、前記補助的部材２００は摩擦面積を増加させるので、摩擦による熱量も増加され、且つ前記熱量が前記第一部品６０の第一接合部６３及び前記第二部品７０の第二接合部７３に伝達されることによって、前記第一部品６０と前記第二部品７０とはより十分に接合される。従って、前記第一部品６０に対する後続の除去の厚さが小さくなるので、前記接合強度を保障することができる。また、前記補助的部材２００が前記第二部品７０の第二表面層７１に当接されるので、対接される前記第一部品６０及び前記第二部品７０の位置決め及び平衡作用はより優れる。また、前記補助的部材２００を省略することもできる。
前記摩擦攪拌接合方法は、摩擦攪拌接合製品３００に対する後処理加工をさらに含む。例えば、前記第一部品６０と前記第二部品７０とを接合した後、前記第一部品６０の第一表面層６１及び前記第二部品７０の第二表面層７１の組織が変化した部分を除去して、組織が変化しない部分又は組織変化が極めて小さい部分を露出させる。これによって、陽極酸化などのような後続の処理を実施しても、接合された製品３００は優れた外観を有する。即ち、摩擦攪拌接合製品３００の外観において、色差などのような欠陥を低減するか、又は欠陥を避けることができる。
図１、図７及び図８を参照すると、本発明の第二実施例に係る摩擦攪拌接合方法は、接合工具１０を採用して第一部品８０及び第二部品９０に対して摩擦攪拌して、前記第一部品８０と前記第二部品９０とを接合する。本実施例の接合工具１０は、第一実施例の接合工具１０と同じである。
前記第一部品８０は、第一表面層８１と、前記第一表面層８１に対して傾斜された平面である第一接合部８３と、前記第一表面８１と前記第一接合部８３とを連結する側面８５と、を備える。
前記第二部品９０は、第二表面層９１と、前記第二表面層９１に隣接され且つ前記第二表面層９１に対して傾斜された平面である第二接合部９３と、を備える。
前記第一部品８０と前記第二部品９０とを接合する時、先ず、前記第一部品８０の第一接合部８３と前記第二部品９０の第二接合部９３とを対接させてから、前記第一部品８０及び前記第二部品９０を固定させる。前記第一部品８０の側面８５と前記第二部品９０の第二表面層９１とは、同じ平面に置かれ、前記第一部品８０の第一表面層８１と前記第二部品９０の第二表面層９１とは任意の角度を成す。本実施例において、前記第一部品８０の第一表面層８１と前記第二部品９０の第二表面層９１とが成す角度θは、９０度である。即ち、前記第一部品８０と前記第二部品９０とは直交する。前記第一接合部８３と前記第二接合部９３は、前記側面８５と前記第二表面層９１との間で接合線８９を形成する。
次に、前記接合工具１０を、前記第一部品８０の側面８５に近接する前記第一部品８０の第一表面層８１に圧接させてから、前記接合工具１０を前記接合線８９の延伸方向に沿って回転及び移動させて、前記第一部品８０の第一表面層８１を摩擦攪拌する。前記摩擦攪拌によって産生される熱量は、摩擦攪拌されない前記第一接合部８３及び前記第二接合部９３に伝達されて前記第一接合部８３及び前記第二接合部９３は塑性状態になる。これによって、前記第一部品８０及び前記第二部品９０は無間隙に接合されて摩擦攪拌接合製品を構成する。
前記接合工具１０の回転方向は、前記凹部１３の摩擦面１１の中心から周縁へ延伸する方向と同じである。前記接合工具１０を、前記摩擦面１１が前記第一部品８０の第一表面層８１にやや挿入された状態で高速回転させるとともに低速移動させて、前記第一部品８０及び前記第二部品９０に対して摩擦攪拌接合を行う。前記接合工具１０の回転速度Ｓ、移動速度Ｖ及び前記接合工具１０の先端が前記第一部品８０の第一表面層８１に挿入される深さＨは、前記第一部品８０及び前記第二部品９０の接合部位の厚さ及び材料、前記接合工具１０のサイズ及び材料等によって決定される。即ち、前記第一部品８０の部分的な材料だけが塑性流動状態になるとともに、十分の熱量を産生して攪拌されない部分に伝達して、前記第一部品８０の第一接合部８３と前記第二部品９０の第二接合部９３とを接合できさえすれば良い。
また、前記第一部品８０と前記第二部品９０とを接合した後、摩擦攪拌によって組織が変化した部分を除去することができる。
本発明における第一部品６０、８０及び第二部品７０、９０の材料は、アルミニウム（Ａｌ）、アルミニウム合金、銅合金、ゴムなどのような低熔点の材料である。前記第一部品６０、８０及び前記第二部品７０、９０の形状は限定されない。第一接合部６３、８３及び第二接合部７３、９３は、面、線又は点とすることができる。
本発明に係る摩擦攪拌接合方法は、主に接合強度の要求が高くない外観製品の接合に用いられる。従って、第一表面層６１、８１だけに対して摩擦攪拌接合する方式は、一般的に外観製品の強度要求を満足させる。また、より高い接合強度を得るために、製品内部の接合部６３、７３、８３、９３に装着溝を設置し、且つ前記装着溝に半田材（Ｓｏｌｄｅｒ）のような低熔点の溶接部材を装着させることができる。前記溶接部材の熔点は、前記第一部品６０、８０及び第二部品７０、９０の熔点より低い。また、熱量の伝達において、摩擦攪拌部位から遠く離れている接合部に伝達される熱量が比較的小さいので、溶接部材を収納する装着溝を前記摩擦撹拌部位から遠く離れている接合部６３、７３、８３、９３に設置して、接合強度をより優れるようにする。
本発明に係る摩擦攪拌接合方法においては、接合される製品のサイズが比較的小さいので、接合に用いられる接合工具１０のサイズも比較的小さい。そして、製品に対して部分的な連続加工を行い、必要とされる加工動力及び加工圧力が比較的小さいので、加工設備は、構造が簡単で、比較的廉価である。
また、本発明に係る摩擦攪拌接合方法に用いられる接合工具１０を汎用の機械加工センター（図示せず）に応用する。即ち、前記第一部品６０、８０及び前記第二部品７０、９０に対して予め処理を行う時、専門設備を必要とせず汎用性に優れ、前記第一部品６０、８０と前記第二部品７０、９０とを摩擦攪拌接合してから、同じ機械加工センターで後処理を行うので、生産効率が高くなる。
また、本発明に係る摩擦撹拌接合方法において、平面である摩擦面１１を有する接合工具１０を採用し、前記接合工具１０が製品の表面に対して加工するので、結合部位が曲面又は曲線でもその接合加工を良好に完成することができる。
以上、本発明の好適な実施例について詳細に説明したが、本発明は前記実施例に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々の変形又は修正が可能であり、該変形又は修正も又、本発明の特許請求の範囲内に含まれるものであることは、いうまでもない。
１０ 接合工具
１１ 摩擦面
１３ 凹部
６０ 第一部品
６１ 第一表面層
６３ 第一接合部
６９ 接合線
７０ 第二部品
７１ 第二表面層
７３ 第二接合部
８０ 第一部品
８１ 第一表面層
８３ 第一接合部
８５ 側面
８９ 接合線
９０ 第二部品
９１ 第二表面層
９３ 第二接合部
２００ 補助的部材
２０１ 端面
２０３ 第三表面層
３００ 摩擦攪拌接合製品

Claims (5)

  1. 摩擦面を有する接合工具を提供するステップと、
    第一表面層及び前記第一表面層に対して傾斜された第一接合部を有する第一部品を提供するステップと、
    第二表面層及び前記第一接合部に対接される第二接合部を有する第二部品を提供するステップと、
    前記第一表面層と前記第二表面層とが傾斜又は直交するように前記第一部品と前記第二部品とを対接させるステップと、
    前記接合工具の摩擦面を前記第一部品の第一表面層に圧接し、且つ前記接合工具で前記第一表面層を摩擦攪拌して熱量を産生し、前記熱量は前記第一部品の第一接合部及び前記第二部品の第二接合部に伝達されて前記第一接合部及び前記第二接合部を塑性状態にして、前記第一部品及び前記第二部品が接合されるステップと、
    を備えることを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
  2. 前記摩擦攪拌接合方法は、端面及び前記端面に隣接する第三表面層を有する補助的部材を提供するステップをさらに備え、
    前記補助的部材の第三表面層及び前記第一部品の第一表面層が同じ平面に置かれるように、前記補助的部材の端面を前記第二部品の第二表面層に当接させてから、前記接合工具で前記補助的部材の第三表面層と前記第一部品の第一表面層とを同時に摩擦攪拌することを特徴とする請求項１に記載の摩擦攪拌接合方法。
  3. 前記摩擦攪拌接合方法は、前記第一表面層から遠く離れている前記第一接合部の一端に装着溝を設置し、前記装着溝に熔点が前記第一部品の熔点より低い溶接部材を装着するステップをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の摩擦攪拌接合方法。
  4. 前記摩擦攪拌接合方法は、前記第一部品と前記第二部品とを接合した後、前記補助的部材を前記第一部品及び前記第二部品から分離させるステップをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の摩擦攪拌接合方法。
  5. 互いに接合されて接合線を形成する第一部品及び第二部品を備える摩擦攪拌接合製品であって、
    前記第一部品と第二部品との接合後の組織と、前記第一部品と第二部品との接合前の組織とが実質的に一致し、前記接合線が前記摩擦攪拌接合製品の辺縁と重畳されることを特徴とする摩擦攪拌接合製品。
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