JP2013094790A - 摩擦攪拌接合方法、摩擦攪拌接合物、及び摩擦攪拌接合工具 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】2つの被加工材を重ね合わせた重ね合わせ部に対して表側の被加工材表面から工具を回転しつつ押し当てて2つの被加工材中に塑性流動域を生成する。この際、2つの被加工材の重ね合わせ界面を含まない表側の被加工材に対して板厚方向に対流して塑性流動させる第1塑性流動域を生成するとともに、前記重ね合わせ界面及び裏側の被加工材に対して板厚方向から傾いた斜め方向に前記第1塑性流動域とは逆方向に対流して塑性流動させる第2塑性流動域を生成することにより、前記塑性流動域外周部での重ね合わせ界面の板厚方向への移動を抑制して前記2つの被加工材を摩擦攪拌接合する。
【選択図】図5
Description
また、本発明の目的は、前記摩擦攪拌接合方法によって接合強度の高い接合を行った摩擦攪拌接合物を提供する。
また、本発明の目的は、前記摩擦攪拌接合方法を実現するための摩擦攪拌接合工具を提供する。
2つの被加工材を重ね合わせた重ね合わせ部に対して表側の被加工材表面から工具本体の肩部にピンを設けた摩擦攪拌接合工具を回転しつつ押し当てて前記2つの被加工材中に塑性流動域を生成し、この摩擦攪拌接合工具を前記重ね合わせ部に沿って相対移動させることにより前記2つの被加工材を摩擦攪拌接合する摩擦攪拌接合方法において、
前記塑性流動域として、2つの被加工材の重ね合わせ界面を含まない表側の被加工材に対して板厚方向に対流して塑性流動させる第1塑性流動域を生成するとともに、前記重ね合わせ界面及び裏側の被加工材に対して板厚方向から傾いた斜め方向に前記第1塑性流動域とは逆方向に対流して塑性流動させる第2塑性流動域を生成することにより、前記塑性流動域外周部での重ね合わせ界面の板厚方向への移動を抑制して前記2つの被加工材を摩擦攪拌接合する。
前記摩擦攪拌接合工具は、回転される工具本体の端面に設けられた径大の肩部と、前記肩部の工具回転軸線上に突設された径小のピンとを有し、
前記ピンは、ネジ部が形成された円柱状のピン基端部と、前記ピン基端部からピン先端に向かって先細状に形成されたテーパー部を有し且つ前記ネジ部と逆方向の巻き方向となった渦状溝が全域に形成されたピン先端部とを備え、
前記摩擦攪拌接合時に、前記摩擦攪拌接合工具をピンのネジ部の巻き方向と逆方向に回転しつつ、表側の被加工材表面に肩部を平行に押し付けてピンを2つの被加工材中に挿入し、この際、ピン先端部のテーパー部を2つの被加工材の重ね合わせ界面に配置させ、
前記ネジ部を形成した円柱状のピン基端部の全部を表側の被加工材中に配置して前記ネジ部により前記重ね合わせ界面を含まない表側の被加工材に対して板厚方向に対流して塑性流動させる第1塑性流動域を生成するとともに、前記渦状溝を形成したピン先端部のテーパー部の一部を裏側の被加工材中に挿入して前記渦状溝により前記重ね合わせ界面及び裏側の被加工材に対して板厚方向から傾いた斜め方向に前記第1塑性流動域とは逆方向に対流して塑性流動させる第2塑性流動域を生成することにより、前記塑性流動域外周部での重ね合わせ界面の板厚方向への移動を抑制して前記2つの被加工材を摩擦攪拌接合することができる。
前記肩部は、工具本体の径方向に平行な平面を有し、且つピンの突設部分から肩部の外径付近まで延びて工具本体の側面に開放しない凹部が形成され、
前記肩部を押し当てている表側の被加工材表面の材料を工具回転に伴って前記凹部により中心部側へ誘導させることが望ましい。
前記ピン先端部は、先端部分がピン径方向と平行な平面部で構成され、前記渦状溝が前記テーパー部から前記平面部の全域にわたって連続して形成され、
前記テーパー部及び前記平面部に沿って前記第2塑性流動域を生成することが望ましい。
前記ネジ部を形成した円柱状のピン基端部の全部を表側の被加工材中にその板厚の70%〜95%の範囲で挿入するとともに、前記渦状溝を形成したテーパー部を有するピン先端部の一部を裏側の被加工材中に表側の被加工材板厚の20%〜70%の深さで挿入することが望ましい。
摩擦攪拌接合工具を重ね合わせ部に沿って相対移動させた接合線終端の最終接合部では、工具引抜位置を囲むように摩擦攪拌接合工具を移動させて、工具引抜位置のピン穴周りを補う形で接合部を形成することが望ましい。この場合、工具をピン穴周りに1周移動させたり部分円弧状に移動させたり進行方向と反対方向に並行移動させる等の種々の方法を含む。
前記ピンを工具回転軸線に対して傾けて肩部に突設した摩擦攪拌接合工具により摩擦攪拌接合することが望ましい。
工具引抜位置のピン穴周りに生じる攪拌部位を切除する形で裏側の被加工材を含めて貫通又は非貫通する加工を行い、最終接合部における工具引抜位置のピン穴周辺に発生しやすい接合欠陥を除去することが望ましい。
表側の被加工材として2枚の板材を左右に配置して突合せ、この突合せ部に沿って裏側の被加工材と重ね合わせ接合することができる。
また、前記摩擦攪拌接合物は、リム部とディスク部とを重ね合わせた重ね合わせ部を摩擦攪拌接合した接合部を備えた車両用ホイールとすることができる。この車両用ホイールの場合、工具引抜位置に形成された非貫通穴には耐圧性シリコン樹脂等の封止材を充填してエア漏れを防止する構成とする一方、貫通穴の場合には該貫通穴をバルブ穴とする構成を採用することができる。
2つの被加工材を重ね合わせた重ね合わせ部を摩擦攪拌接合する摩擦攪拌接合工具において、
回転される工具本体の端面に設けられて表側の被加工材表面を押さえる径大の肩部と、
前記肩部の工具回転軸線上に突設されて2つの被加工材中に挿入される径小のピンとを有し、
前記ピンは、
表側の被加工材板厚の70%〜95%の長さに設定された円柱状のピン基端部と、
前記ピン基端部からピン先端に向かって先細状に形成されたテーパー部を有し、先端部分をピン径方向と平行な面で形成された平面部とするピン先端部とで構成され、且つ
前記ピン基端部には全長にわたって摩擦攪拌接合時の工具回転方向に対して巻き方向が逆方向となるネジ部が形成されるとともに、
前記ピン先端部にはテーパー部から平面部の全域にわたって前記ネジ部と逆方向の巻き方向となった渦状溝が連続して形成されている。
前記テーパー部のテーパー角は、60度以上120度以内に設定されることが望ましい。
また、前記摩擦攪拌接合工具において、
前記ピンは、工具回転軸線に対して傾けて肩部に突設されるようにしてもよい。
図1、図2及び図3に示すように、実施形態の摩擦攪拌接合工具1は、回転駆動装置(図示せず)に装着されて回転しつつ、上下に重ね合わせた2つの被加工材61,62の重ね合わせ部に対して上側の被加工材61表面から押し当てて前記重ね合わせ部を摩擦攪拌接合するためのものである。この摩擦攪拌接合工具(以下、適宜「工具」という。)1は、接合する被加工材61,62よりも硬質で且つ接合時の摩擦熱に耐え得る耐熱材料から形成される。例えば、被加工材61,62がアルミニウム、マグネシウム、これらの合金などの場合、工具1はSKDなどの鋼材で製作することができる。
また、これと併用・否併用問わず、最終接合部のピン穴周りに形成される摩擦攪拌影響部を下側の被加工材62を含めて貫通させるか非貫通とするかは問わず切除することで最終接合部に生じやすい欠陥部位を除去することで破断起点となることを防止してもよい。
以上の摩擦攪拌接合方法及び摩擦攪拌接合工具1は、車両用ホイールにおいて、円筒状のリムの内周部に円盤状のディスクを嵌め合わせ、このリムとディスクとの重ね合わせ部を摩擦攪拌接合して車両用ホイールを製造する場合に適用することができる。この場合、図7に示すように、リム8とディスク9との重ね合わせ部Tにおいて、前記摩擦攪拌工具1を回転しつつピン3をリム8の外周面から差し込み、ピン3がリム8を貫通してディスク9の外周部に達するように挿入するとともに、肩部21をリム8の外周面に対して略平行に押し付ける。このとき、上述のとおり、ピン3のテーパー部31がリム8とディスク9の重ね合わせ界面(60)に配置される高さに設定する。そして、この摩擦攪拌接合工具1をリム8の周方向に相対移動させ、リム8とディスク9との重ね合わせ部を摩擦攪拌接合する(図9参照)。
なお、前記ピン穴hには耐圧性シリコン樹脂等の封止材を充填するのが好ましく、その場合、封止材によって当該ピン穴h部分からのタイヤの空気漏れを確実に防止することができる。また、貫通穴を設けた場合、該貫通穴をエアバルブ穴として用いることも可能である。
なお、前記摩擦攪拌接合操作に際して、リム8の外周面側又は内周面側から接合部(J1)(J2)に向けて水などの冷媒、あるいは冷却空気などを噴き付けて冷却しながら接合操作を行うようにしてもよい。この場合、ディスク9への熱影響を確実に阻止することができるので、ディスク9の塗膜やディスク面の焼けや変色を防止して、高品質の車両用ホイールを得ることができる。
本発明は、表側の被加工材61として2枚の板材を左右に配置して突合せ、この突合せ部に沿って裏側の被加工材62と重ね合わせ接合するようにしてもよい。すなわち、裏側の被加工材62上に、表側の被加工材61として2枚の板材を突合せて配置し、この2枚の板材を突合せた突合せ部に沿って工具1を相対移動させることで、表側の2枚の板材の被加工材61を突合せ接合するとともに、裏側の被加工材62との重ね合わせ接合を同時に行う。
図11に示すように、摩擦攪拌接合工具1Aの肩部21は、スリット24等の凹部を形成することなく平面23のみとしてもよい。
2 工具本体
3 ピン
3a ピン基端部
3b ピン先端部
4 ネジ部
5 渦状溝
7 塑性流動域
8 リム
9 ディスク
21 肩部
22 肩部21の外周部
23 肩部21の平面
24 スリット(凹部)
30 軸部
31 テーパー部
32 平面部
60 重ね合わせ界面
60a 酸化層
60b 塑性流動域外周部の重ね合わせ界面
61 上側の被加工材(表側)
62 下側の被加工材(裏側)
71 第1塑性流動域
72 第2塑性流動域
α テーパー角
C ピン傾斜角
Claims (15)
- 2つの被加工材を重ね合わせた重ね合わせ部に対して表側の被加工材表面から工具本体の肩部にピンを設けた摩擦攪拌接合工具を回転しつつ押し当てて前記2つの被加工材中に塑性流動域を生成し、この摩擦攪拌接合工具を前記重ね合わせ部に沿って相対移動させることにより前記2つの被加工材を摩擦攪拌接合する摩擦攪拌接合方法において、
前記塑性流動域として、2つの被加工材の重ね合わせ界面を含まない表側の被加工材に対して板厚方向に対流して塑性流動させる第1塑性流動域を生成するとともに、前記重ね合わせ界面及び裏側の被加工材に対して板厚方向から傾いた斜め方向に前記第1塑性流動域とは逆方向に対流して塑性流動させる第2塑性流動域を生成することにより、前記塑性流動域外周部での重ね合わせ界面の板厚方向への移動を抑制して前記2つの被加工材を摩擦攪拌接合する摩擦攪拌接合方法。 - 請求項1に記載の摩擦攪拌接合方法において、
前記摩擦攪拌接合工具は、回転される工具本体の端面に設けられた径大の肩部と、前記肩部の工具回転軸線上に突設された径小のピンとを有し、
前記ピンは、ネジ部が形成された円柱状のピン基端部と、前記ピン基端部からピン先端に向かって先細状に形成されたテーパー部を有し且つ前記ネジ部と逆方向の巻き方向となった渦状溝が全域に形成されたピン先端部とを備え、
前記摩擦攪拌接合時に、前記摩擦攪拌接合工具をピンのネジ部の巻き方向と逆方向に回転しつつ、表側の被加工材表面に肩部を平行に押し付けてピンを2つの被加工材中に挿入し、この際、ピン先端部のテーパー部を2つの被加工材の重ね合わせ界面に配置させ、
前記ネジ部を形成した円柱状のピン基端部の全部を表側の被加工材中に配置して前記ネジ部により前記重ね合わせ界面を含まない表側の被加工材に対して板厚方向に対流して塑性流動させる第1塑性流動域を生成するとともに、前記渦状溝を形成したピン先端部のテーパー部の一部を裏側の被加工材中に挿入して前記渦状溝により前記重ね合わせ界面及び裏側の被加工材に対して板厚方向から傾いた斜め方向に前記第1塑性流動域とは逆方向に対流して塑性流動させる第2塑性流動域を生成することにより、前記塑性流動域外周部での重ね合わせ界面の板厚方向への移動を抑制して前記2つの被加工材を摩擦攪拌接合する摩擦攪拌接合方法。 - 請求項1又は2に記載の摩擦攪拌接合方法において、
前記肩部は、工具本体の径方向に平行な平面を有し、且つピンの突設部分から肩部の外径付近まで延びて工具本体の側面に開放しない凹部が形成され、
前記肩部を押し当てている表側の被加工材表面の材料を工具回転に伴って前記凹部により中心部側へ誘導させる摩擦攪拌接合方法。 - 請求項1〜3のいずれか1項に記載の摩擦攪拌接合方法において、
前記ピン先端部は、先端部分がピン径方向と平行な平面部で構成され、前記渦状溝が前記テーパー部から前記平面部の全域にわたって連続して形成され、
前記テーパー部及び前記平面部に沿って前記第2塑性流動域を生成する摩擦攪拌接合方法。 - 請求項1〜4のいずれか1項に記載の摩擦攪拌接合方法において、
前記ネジ部を形成した円柱状のピン基端部の全部を表側の被加工材中にその板厚の70%〜95%の範囲で挿入するとともに、前記渦状溝を形成したテーパー部を有するピン先端部の一部を裏側の被加工材中に表側の被加工材板厚の20%〜70%の深さで挿入する摩擦攪拌接合方法。 - 請求項1〜5のいずれか1項に記載の摩擦攪拌接合方法において、
摩擦攪拌接合工具を重ね合わせ部に沿って相対移動させた接合線終端の最終接合部では、工具引抜位置を囲むように摩擦攪拌接合工具を移動させて、工具引抜位置のピン穴周りを補う形で接合部を形成する摩擦攪拌接合方法。 - 請求項1〜6のいずれか1項に記載の摩擦攪拌接合方法において、
前記ピンを工具回転軸線に対して傾けて肩部に突設した摩擦攪拌接合工具により摩擦攪拌接合する摩擦攪拌接合方法。 - 請求項1〜7のいずれか1項に記載の摩擦攪拌接合方法において、
工具引抜位置のピン穴周りに生じる攪拌部位を切除する形で裏側の被加工材を含めて貫通又は非貫通する加工を行い、最終接合部における工具引抜位置のピン穴周辺に発生しやすい接合欠陥を除去する摩擦攪拌接合方法。 - 請求項1〜8のいずれか1項に記載の摩擦攪拌接合方法において、
表側の被加工材として2枚の板材を左右に配置して突合せ、この突合せ部に沿って裏側の被加工材と重ね合わせ接合する摩擦攪拌接合方法。 - 請求項1〜9のいずれか1項に記載の摩擦攪拌接合方法によって2つの被加工材を重ね合わせた重ね合わせ部を摩擦攪拌接合した接合部を備えた摩擦攪拌接合物であって、
前記接合部外周部での前記2つの被加工材の重ね合わせ界面の板厚方向への変動が抑制された断面形状を有する摩擦攪拌接合物。 - 請求項10に記載の摩擦攪拌接合物であって、
リム部とディスク部とを重ね合わせた重ね合わせ部を摩擦攪拌接合した接合部を備えた車両用ホイール。 - 請求項8を引用する請求項10を引用する請求項11に記載の車両用ホイールであって、
工具引抜位置に形成された非貫通穴には耐圧性シリコン樹脂等の封止材を充填してエア漏れを防止する構成とする一方、貫通穴の場合には該貫通穴をバルブ穴とする構成の車両用ホイール。 - 2つの被加工材を重ね合わせた重ね合わせ部を摩擦攪拌接合する摩擦攪拌接合工具において、
回転される工具本体の端面に設けられて表側の被加工材表面を押さえる径大の肩部と、
前記肩部の工具回転軸線上に突設されて2つの被加工材中に挿入される径小のピンとを有し、
前記ピンは、
表側の被加工材板厚の70%〜95%の長さに設定された円柱状のピン基端部と、
前記ピン基端部からピン先端に向かって先細状に形成されたテーパー部を有し、先端部分をピン径方向と平行な面で形成された平面部とするピン先端部とで構成され、且つ
前記ピン基端部には全長にわたって摩擦攪拌接合時の工具回転方向に対して巻き方向が逆方向となるネジ部が形成されるとともに、
前記ピン先端部にはテーパー部から平面部の全域にわたって前記ネジ部と逆方向の巻き方向となった渦状溝が連続して形成されている摩擦攪拌接合工具。 - 請求項13に記載の摩擦攪拌接合工具において、
前記テーパー部のテーパー角は、60度以上120度以内に設定される摩擦攪拌接合工具。 - 請求項13又は14に記載の摩擦攪拌接合工具において、
前記ピンは、工具回転軸線に対して傾けて肩部に突設されている摩擦攪拌接合工具。
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