JP2012139721A - 摩擦攪拌接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 被接合部材の一方が薄肉の円筒部材で、他方が厚肉の円柱部材である場合であっても、被接合箇所の膨張を抑えて良好な接合とすることができる摩擦攪拌接合方法を提供する。
【解決手段】
薄肉の円筒状タンク１１と厚肉の蓋体１２との被接合部材同士を接合するにあたって、円筒状タンク１１の開口部と蓋体１２の端部に形成した小径部１２ａとを突き合わせた被接合箇所Ｐを、回転ツール６ｃの先端に設けたピン６ａを円筒状タンク１１の開口部１１ａに押圧した状態で回転させながらこれらを相対移動させることにより発生した摩擦熱で被接合部材の被接合箇所Ｐを塑性流動させて該被接合箇所Ｐを接合する。この場合、ピン６ａは、この中心線Ｅが被接合箇所Ｐに対して厚肉の蓋体１２側へオフセットさせた位置で、被接合部材の円周に沿って相対移動させるようにした。
【選択図】図５

Description

本発明は、互いに接合しようとする被接合部材の被接合箇所を攪拌して摩擦熱により被接合箇所の母材組織を塑性流動させ、その冷却後に母材組織を一体化させて接合を行う摩擦攪拌接合方法に関する

従来の摩擦攪拌接合方法としては、２つの被接合部材を突き合わせて、この突き合わせた部分に、先端にピンを設けた回転ツールを回転させながら押圧することにより発生した摩擦熱で、被接合箇所の母材組織を塑性流動させ、その冷却後に母材組織を一体化させて接合を行うようにした方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１０−１４９１３４号公報

しかしながら、上記従来の摩擦攪拌接合方法にあっては、被接合部材の一方が薄肉の円筒部材で、他方が厚肉の円柱部材である場合の接合にあっては、それらの厚さの相違により熱容量が異なる結果、上記従来技術の方法のように突き合わせ箇所に沿って円周を描きながら摩擦攪拌接合を行うと、熱容量が小さい薄肉の円筒部材の方が厚肉の円柱部材に比べて熱変形が大きく、その結果、接合開始点から例えば３１５°の位置付近で大きく膨らみ、接合不良が生じてしまうといった問題がある。

本発明は、上記問題に着目してなされたもので、その目的とするところは、被接合部材の一方が薄肉の円筒部材で、他方が厚肉の円柱部材である場合であっても、被接合箇所の膨張を抑えて良好な接合を確保することができるようにした摩擦攪拌接合方法を提供することにある。

この目的のため、請求項１に記載の本発明による摩擦攪拌接合方法は、
薄肉の円筒体と厚肉の円柱体との被接合部材同士を接合するにあたって、円筒体の開口部と円柱体の端部に形成した小径部とを突き合わせた円周状の突き合わせ箇所を、回転ツールの先端に設けたピンを被接合部材に押圧した状態で回転させながらこれらを相対移動させることにより発生した摩擦熱で、被接合部材の被接合箇所を塑性流動させて被接合箇所を接合する摩擦攪拌接合方法であって、
ピンは、この中心線が突き合わせ箇所に対して厚肉の円筒体側へオフセットさせた位置で、被接合部材の円周に沿って相対移動させるようにした、
ことを特徴とする。

請求項２に記載の本発明による摩擦攪拌接合方法は、
ピンのオフセット量δは、０＜δ＜ピンの直径×０．５ の範囲である、
ことを特徴とする

請求項１に記載の本発明の摩擦攪拌接合方法にあっては、ピンが熱容量の大きい厚肉の円柱体側へオフセットした位置で回転しながら移動されるので、被接合部材の一方が薄肉の円筒部材で、他方が厚肉の円柱部材である場合であっても、被接合箇所の膨張を抑えて良好な接合とすることができる。

請求項２に記載の本発明の摩擦攪拌接合方法にあっては、ピンの大きさによって最適な大きさのオフセット量の範囲を特定でき、これにより良好な接合特性を得ることができる。

本発明の実施例１の摩擦攪拌接合方法が用いられる摩擦攪拌接合装置と、この装置による被接合部材の摩擦攪拌接合前の状態を示す平面図である。 図１のＳ２−Ｓ２線において拡大した一部断面図である。 図１の摩擦攪拌接合装置の摩擦攪拌接合状態を示す平面図である。 図３のＳ４−Ｓ４線において拡大した一部断面図である。 実施例１の摩擦攪拌接合方法が用いられる摩擦攪拌接合装置の要部と、被接合部材の摩擦攪拌接合直前の位置関係を示す拡大横断面図である。

以下、本発明の実施の形態を、図面に示す実施例に基づき詳細に説明する。

この実施例１の摩擦攪拌接合方法では、図１、２に示すように、被接合部材をこれらの軸心が水平面上にあるようにした、いわゆる横型の摩擦攪拌接合装置が用いられる。
また、一対の被接合部材として、図５にその一部断面を示すように、円筒状の圧力タンク１を構成する一方の一端を閉塞した薄肉のタンク本体（本発明の薄肉の円筒体に相当）１１の開口部に、厚肉の蓋体（本発明の厚肉の円柱体に相当）１２の先端に形成した小径部１２ａを挿入した状態で摩擦攪拌接合して開口部を閉塞する場合を例にとって説明する。なお、ここでは、小径部１２ａの外径は、タンク本体１１の開口部内径よりわずかに小さく形成して挿入可能とするとともに、タンク本体１１と蓋体１２の外径は同じとしてある。したがって、タンク本体１１と蓋体１２の被接合箇所Ｐは、段差が生じることはない。

この実施例１の摩擦攪拌接合方法で用いられる摩擦攪拌接合装置は、図１、２に示すように、タンク本体１１の開口端部付近の外周面に当接し、タンク本体１１を水平状態で回転可能に支持する３つのワーク受けローラ２と、タンク本体１１の芯出しをした状態でタンク本体１１の閉塞側端部を回転自在に支持するセンター出し治具３と、タンク本体１１の開口部１１ａに先端小径部１２ａを嵌入させた状態で仮組みされた蓋体１２をチャック装置４で挟持して円筒状タンク１を軸心Ｑまわりに回転させる電動モータ５と、先端にピン６ａを設けた回転ツール６と、回転ツール６を高速回転させる電動モータ６ｂと、を備える。

回転ツール６は、先端部に備えたピン６ａを、タンク本体１１と蓋体１２の被接合箇所Ｐに対し、その側面から水平状態で押圧し、回転ツール６を電動モータ６ａで高速回転させながら円筒状タンク１を回転（回転ツール６との相対移動）させることにより、発生した摩擦熱で円筒状タンク１の被接合箇所Ｐを塑性流動させて該被接合箇所Ｐをその円周に沿って接合する役目をなす。
すなわち、この実施例１では、回転ツール６は、一定の高さ位置に固定された状態でその軸心方向（水平方向）に進退可能な状態に設けられている。

そして、回転ツール６は、図１、３、５に示すように、その先端のピン６ａの中心線Ｅが、タンク本体１１と蓋体１２の突き合わせ箇所である被接合箇所Ｐに対して厚肉の蓋体１２側へδだけオフセットさせた位置で、円筒状タンク１の円周に沿って回転ツールを相対移動させるようにしている。
なお、この実施例１では、被接合箇所Ｐに対するピン６ａの中心線Ｅのオフセット量δは、０＜δ＜ピンの直径×０．５ の範囲であるように設定される。

次に、上述の摩擦攪拌接合装置を用いた摩擦攪拌接合方法を説明する。
この実施例１の摩擦攪拌接合装置では、上述のように構成されるため、図１、２に示すように、円筒状の圧力タンク１は、図３に示すように、薄肉のタンク本体１１の開口部１１ａに厚肉の蓋体１２の小径部１２ａを嵌入させた状態で仮組みされた状態で、タンク本体１１の閉塞側端部をセンター出し治具３で回転自在に支持する一方、蓋体１２をチャック装置４で挟持するとともに、タンク本体１１の開口端部付近を３つのワーク受けローラ２で回転自在に支持した状態でセットされる。この時点では、ピン６ａと回転ツール６は、これらの軸方向に、圧力タンク１１と蓋体１２の被接合箇所（突き合わせ箇所に相当）から離間されている。この状態で、ピン６ａと回転ツール６は、図５に示すように、ピン６ａが被接合箇所Ｐより蓋体１２側へオフセット量δ分だけずらした位置で待機させる。

次に、図３、４に示すように、電動モータ６ａを駆動して回転ツール６を高速回転させながら、回転ツール６ｃをこの軸方向に進め、先端のピン６ａをタンク本体１１と蓋体１２の被接合箇所Ｐに対し、厚肉の蓋体１２側へδだけオフセットさせた箇所にピン６ａを押圧するとともに、回転ツール６ｃの型部６ｂで押圧する。

そして、電動モータ５を駆動して円筒状タンク１を円周に沿って回転（回転ツール６ｃとの相対移動）させていくと、このオフセットされたピン６ａの押圧箇所が発生した摩擦熱で塑性流動する。このとき、ピン６ａの中心線Ｅのオフセット量δが０＜δ＜ピンの直径×０．５に設定されているので、ピン６ａの少なくとも一部が被接合箇所Ｐにかかること、また塑性流動する範囲はピン６ａよりも広い範囲にわたること、から、薄肉のタンク本体１１の開口部の外端部分を確実に塑性流動させることができる。すなわち、円筒状タンク１の被接合箇所Ｐを摩擦攪拌接合することができる。

このとき、ピン６ａが圧肉の蓋体１２の方にオフセットされ、蓋体１２の方がより多く摩擦熱が発生するものの、こちらは厚肉であるため、その変形量は少ない。一方、タンク本体１１の開口部は薄肉だが、ピン６ａのオフセットによりこちら側の摩擦熱は、蓋体１２側より少なくなって、その結果、摩擦熱による変形量を小さく抑えることができ、タンク本体１１の開口部の接合不良を防止できるようになる。
摩擦攪拌接合が終了すると、ピン６ａを設けた回転ツール６は、その軸方向に後退させられその回転を止められる。その後、円筒状タンク１をセンター出し治具３とチャック装置４から取り外して次の工程へと搬送する。

以上のように、実施例１の摩擦攪拌接合方法にあっては、以下の効果を得ることができる。

(1) この実施例１の摩擦攪拌接合方法にあっては、ピン６ａが熱容量の大きい厚肉の蓋体１２側へオフセットした位置で回転しながら移動されるので、被接合部材の一方が薄肉の円筒状タンク本体１１で、他方が厚肉の円柱状蓋体１２である場合であっても、円筒状タンク本体１１の被接合箇所Ｐでの膨張を抑えて良好な接合とすることができる。

(2) また、被接合箇所Ｐに対するピン６ａの中心線Ｅのオフセット量δを、０＜δ＜ピンの直径×０．５ の範囲であるように設定することで、ピン６ａの大きさによって最適な大きさのオフセット量の範囲を特定でき、これにより良好な接合特性を得ることができる。

以上、本発明を上記各実施例に基づき説明してきたが、本発明はこれらの実施例に限られず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で設計変更等があった場合でも、本発明に含まれる。

たとえば、実施例１では、摩擦攪拌接合装置として、円筒状タンク１を水平状態で回転可能に配置し、回転ツール６ｃを一定の高さ位置に固定してその軸心が水平面上にある状態で円筒状タンク１を回転させる、いわゆる横型の装置を用い、円筒体の円周方向に沿ってツール６を相対移動させるようにしたが、回転ツール６ｃをこの軸心が垂直方向となる、いわゆる縦型の装置、あるいは回転ツール６ｃの軸心を斜めにした装置にも本発明を適用できる。

また、円筒状タンク１を固定し、回転ツール６側を円筒状タンク１の外周に沿って回転させるようにしてもよい。

１ 円筒状タンク（被接合部材）
１１ 薄肉のタンク本体（薄肉の円筒体）
１１ａ 開口部
１２ 厚肉の蓋体（厚肉の円柱体）
１２ａ 小径部
２ ワーク受けローラ
３ センター出し治具
４ チャック装置
５ 電動モータ
６ａ ピン
６ｂ 肩部
６ｃ 回転ツール
６ｄ 電動モータ
Ｅ ピンの中心線
Ｐ 被接合箇所
Ｑ 軸心
δ オフセット量

Claims (2)

1. 薄肉の円筒体と厚肉の円柱体との被接合部材同士を接合するにあたって、前記円筒体の開口部と前記円柱体の端部に形成した小径部とを突き合わせた円周状の突き合わせ箇所を、回転ツールの先端に設けたピンを前記被接合部材に押圧した状態で回転させながらこれらを相対移動させることにより発生した摩擦熱で前記被接合部材の被接合箇所を塑性流動させて該被接合箇所を接合する摩擦攪拌接合方法であって、
   前記ピンは、この中心線が前記突き合わせ箇所に対して前記厚肉の円筒体側へオフセットさせた位置で、前記被接合部材の円周に沿って相対移動させるようにした、
   ことを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
2. 請求項１に記載の摩擦攪拌接合方法において、
   前記ピンのオフセット量δは、０＜δ＜前記ピンの直径×０．５ の範囲である、
   ことを特徴とする摩擦攪拌接合方法。

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