JP2013252524A - 摩擦攪拌接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】一対の中空扁平管の突合部の湾曲部を欠陥生ずることがない状態で摩擦攪拌接合することができる摩擦攪拌接合方法を提供すること。
【解決手段】湾曲突合部３Ｒ１，３Ｒ２の曲率半径ｒを扁平管（中空扁平管）１，２の厚さｔの１／２以上とすると共に、扁平管１，２の厚さの１／２ｔの位置で且つ扁平管１，２の端ｅからの距離が扁平管１，２の厚さｔの１／２の位置の部分を扁平管１，２と回転ツール４との相対的な回転中心Ｏとしたとき、扁平管１，２と回転ツール４とを回転中心Ｏを中心に相対回転させて湾曲突合部３Ｒ１，３Ｒ２を回転ツール４により摩擦撹拌接合するようにしている。
【選択図】 図５

Description

本発明は、２つの中空扁平管の端部同士を回転ツールにより摩擦熱で軟化させると共に攪拌させて接合させる摩擦撹拌接合法に関するものである。

突合せ状態又は重合せ状態に配置した２個の接合部材を接合する工法としては、ＦＳＷ（Friction Stir Welding）と呼ばれる摩擦攪拌接合法が知られている（例えば、特許文献１参照）。この摩擦撹拌接合法は、接合部材の突合せ部又は重合せ部を回転している回転ツール（プローブ）で軟化させて攪拌した後に、冷却固化させることにより、突合せ部又は重合せ部を接合するようにしたものである。

即ち、摩擦撹拌接合法では、先ず接合部材の突合せ部又は重合せ部に回転している回転ツール（プローブ）を押し付けることにより、接合部材の突合せ部又は重合せ部を回転ツールで軟化させて、接合部材の突合せ部又は重合せ部に回転ツールを挿入させるようにしている。そして、摩擦撹拌接合法では、接合部材の突合せ部又は重合せ部の回転ツールとの接触部を摩擦熱にて軟化させ撹拌しながら、回転ツール（プローブ）を突合せ部又は重合せ部に沿って移動させることにより、回転ツールで軟化攪拌された部分を冷却固化し、両者を接合させるようにしている。

ところで、図８，図９に示すような扁平な中空容器１００を製造する場合、図８に示したような扁平管１０１，１０２を突き合わせて、扁平管１０１，１０２の突合部(接合部）１０３を接合することが考えられる。

この扁平管１０１，１０２は、間隔をおいた平行な平面部Ｐｓ１，Ｐｓ２が設けられた扁平部ＰｓＬと、平面部Ｐｓ１，Ｐｓ２の両側縁を連設する湾曲面（湾曲部）Ｓｒ１，Ｓｒ２を有する。ここで、扁平管（中空扁平管）１０１，１０２の厚さ（扁平部ＰｓＬの高さ）をｔとしたとき、湾曲面Ｓｒ１，Ｓｒ２の曲率は扁平管１０１，１０２の厚さｔの１／２に設定されている。

これにより扁平管１０１，１０２の突合部１０３は、図９に示したように平面部Ｐｓ１，Ｐｓ２の突合縁である直線突合部（直線部）Ｌｓ１，Ｌｓ２および湾曲面Ｓｒ１，Ｓｒ２の突合縁である湾曲突合部（湾曲部）Ｒ１ｔ，Ｒ２ｔを有する。尚、直線突合部Ｌｓ１，Ｌｓ２および湾曲突合部Ｒ１ｔ，Ｒ２ｔの連設点を左回りにＰ１〜Ｐ４とする。尚、湾曲突合部（湾曲部）Ｒ１ｔ，Ｒ２ｔの曲率中心は、扁平管１０１，１０２の厚さｔの１／２に設定されている。

このような扁平管１０１，１０２突合部１０３を接合する際、図１０に示した回転ツール１０４で突合部１０３を摩擦攪拌接合することができる。この回転ツール１０４は、図１０に示したように平坦な先端面が設けられた回転加圧軸１０５と、この回転加圧軸１０５の先端面の中央部に同心且つ一体に設けられた小径のプローブ１０６を有する。そして、この回転加圧軸１０５の先端面のプローブ１０６より外側の部分は、プローブ１０６が突合部１０３を摩擦熱で軟化させて扁平管１０１，１０２間に挿入された際に、突合部１０３に対して回転摺接して突合部１０３を軟化させ且つ平坦化させるショルダー１０５ａとなっている。この回転ツール１０４は、一般的に知られている構造である。

特開２００３−１１２２７２号公報

このような回転ツール１０４を突合部１０３の連設点Ｐ１から図１０の矢印Ａ１で示した方向に直線突合部Ｌｓ１に対して左方に移動させながら、直線突合部Ｌｓ１を回転ツール１０４により摩擦攪拌接合した後、引き続いて湾曲突合部Ｒ２ｔ，直線突合部Ｌｓ２，湾曲突合部Ｒ１ｔの順に回転ツール１０４により摩擦攪拌接合する。

この湾曲突合部Ｒ２ｔを図１１，図１２に示したように回転ツール１０４により摩擦攪拌接合する際、湾曲突合部（湾曲部）Ｒ１ｔ，Ｒ２ｔにおいては湾曲突合部Ｒ１ｔ，Ｒ２ｔの曲率中心を回転中心Ｏとして扁平管１０１，１０２と回転ツール１０４を相対回転させて、湾曲突合部Ｒ１ｔ，Ｒ２ｔを回転ツール１０４により摩擦攪拌接合する。しかし、この湾曲突合部Ｒ１ｔ，Ｒ２ｔでは、図１２に示したように、ショルダー１０５ａのプローブ１０６より後側の部分と湾曲突合部Ｒ２ｔとの間に隙間１０７が形成される。

このような湾曲突合部Ｒ２ｔの攪拌軟化部はショルダー１０５ａで押圧されことがなく、湾曲突合部Ｒ２ｔの攪拌軟化部の表面が平坦にならず且つ攪拌軟化部内も密にならないため、湾曲突合部Ｒ２ｔには欠陥が生じることも考えられる。

そこで、この発明は、一対の中空扁平管の突合部の湾曲部を欠陥生ずることがない状態で摩擦攪拌接合することができる摩擦攪拌接合方法を提供することを目的とするものである。

この目的を達成するため、この発明は、側部に湾曲部が設けられた一対の中空扁平管を突き合わせて、前記一対の中空扁平管の突合部を回転ツールにより摩擦撹拌接合する接合方法において、前記湾曲部の曲率半径を前記中空扁平管の厚さの１／２以上とすると共に、前記中空扁平管の厚さの１／２の位置で且つ前記中空扁平管の端からの距離が前記中空扁平管の厚さの１／２の位置の部分を前記中空扁平管と前記回転ツールとの相対的な回転中心としたとき、前記中空扁平管と前記回転ツールとを前記回転中心を中心に相対回転させて前記湾曲部を前記回転ツールにより摩擦撹拌接合することを特徴とする。

この構成によれば、直線部と湾曲部を有する中空扁平管の一対の突合部を摩擦攪拌接合する際に、回転ツールのショルダーと湾曲部との間に隙間が生ずることがないので、一対の中空扁平管の突合部の湾曲部を欠陥が生ずることがない状態で摩擦攪拌接合することができる。

この発明に係る摩擦攪拌接合方法で形成される扁平容器の概略斜視図である。 図１の一対の扁平管の突合部の説明図である。 図２の突合部の拡大説明図である。 図２の扁平管の突合部を摩擦攪拌接合する際の回転ツールの移動方向を示す説明図である。 図４の回転ツールが扁平管の突合部の湾曲部直前まで移動したときの説明図である。 図４の回転ツールが扁平管の突合部の湾曲部まで移動したときの説明図である。 図７は図６の拡大説明図である。 摩擦攪拌接合方法で形成される扁平容器の参考例を示す概略斜視図である。 図８の一対の扁平管の突合部の説明図である。 図８の扁平管の突合部を摩擦攪拌接合する際の回転ツールの移動方向を示す説明図である。 図８の回転ツールが扁平管の突合部の湾曲部まで移動したときの説明図である。 図８の拡大説明図である。

図１はこの発明に係る摩擦攪拌接合方法で形成される扁平容器の概略斜視図、図２は図１の一対の扁平管の突合部の説明図、図３は図２の突合部の拡大説明図である。また、図４は図２の扁平管の突合部を摩擦攪拌接合する際の回転ツールの移動方向を示す説明図、図５は図４の回転ツールが扁平管の突合部の湾曲部直前まで移動したときの説明図、図６は図４の回転ツールが扁平管の突合部の湾曲部直まで移動したときの説明図、図７は図６の拡大説明図である。

図１の扁平容器Ｃは、扁平管（中空扁平管）１，２を備えている。この扁平管１，２は、扁平部Ｆと、扁平部Ｆの両側に設けられた切円筒状の湾曲面（湾曲部）Ｒｓ１，Ｒｓ２を有する。

扁平部Ｆは間隔をおいた平行な平面部ｆｐ１，ｆｐ２を有し、平面部ｆｐ１，ｆｐ２の両側縁が湾曲面Ｒｓ１，Ｒｓ２により連設されている。また、扁平管１，２は、開口端（開口縁）が突合せられた突合部３を形成している。この突合部３は、図２に示したように平面部ｆｐ１，ｆｐ２の突合縁である直線突合部３Ｌ１，３Ｌ２および湾曲面Ｒｓ１，Ｒｓ２の突合縁である湾曲突合部３Ｒ１，３Ｒ２を有する。尚、直線突合部３Ｌ１，３Ｌ２および湾曲突合部３Ｒ１，３Ｒ２の連設点を左回りにＰ１〜Ｐ４とする。

この湾曲突合部３Ｒ１，３Ｒ２を図４の回転ツール４で摩擦接合する際、扁平管１，２を回転させる図３の回転中心Ｏは扁平管１，２の厚さｔの１／２の位置で且つ湾曲突合部３Ｒ１，３Ｒ２の両端（互いに反対側の端）ｅからの距離が厚さｔの１／２の位置の部分に設定される。

ここで、回転中心Ｏを中心とするｔ／２の半径の湾曲突合部をＲ１ｔ，Ｒ２ｔと仮想する。これに対して、本実施例では、図３に示したように、扁平管（中空扁平管）１，２の厚さ（湾曲部３Ｒ１，３Ｒ２の両端部間の扁平部Ｆの高さ）をｔとしたとき、湾曲突合部３Ｒ１，３Ｒ２の曲率半径ｒが扁平管１，２の厚さｔの１／２以上に形成されている。即ち、図３では、湾曲突合部３Ｒ１，３Ｒ２の曲率半径ｒは仮想の湾曲部Ｒ１ｔ，Ｒ２ｔよりも大きく形成されていて、曲率半径ｒの曲率中心はＯ２となっている。この結果、湾曲突合部３Ｒ１，３Ｒ２を有する扁平管１，２の直線部３Ｌ１，３Ｌ２は、仮想の湾曲部Ｒ１ｔ，Ｒ２ｔの扁平管の直線部よりもＸだけ長く延長されている。この延長部をＸとする。

回転ツール４は、図４に示したように平坦な先端面が設けられた回転加圧軸５と、この回転加圧軸５の先端面の中央部に同心且つ一体に設けられた小径のプローブ６を有する。そして、この回転加圧軸５の先端面のプローブ６より外側の部分は、プローブ６が突合部３を摩擦熱で軟化させて扁平管１，２間に挿入された際に、突合部３に対して回転摺接して突合部３を軟化させ且つ平坦化させるショルダー５ａとなっている。

この回転ツール４は、回転軸線Ｏ１の回りに回転させてプローブ６を接合部又は重合部等に押し付けることにより、プローブ６が接合部又は重合部等を軟化させて接合部又は重合部等に挿入される。この状態で回転ツール４のショルダー５ａを接合部又は重合部等に押し付けながら接合部又は重合部等に沿って移動させることにより、接合部又は重合部等が摩擦攪拌接合される。

従って、回転ツール４を回転軸線Ｏ１の回りに回転させてプローブ６を突合部３の連設点Ｐ１の位置に押し付けることにより、プローブ６が連設点Ｐ１の位置で突合部３を軟化させて突合部３に挿入させ、回転ツール４のショルダー５ａを連設点Ｐ１の位置で突合部３に押し付ける。この状態で、連設点Ｐ１から図４の矢印Ａ１で示した方向に直線突合部３Ｌ１に対して左方に移動させながら、直線突合部３Ｌ１を回転ツール４により摩擦攪拌接合した後、引き続いて湾曲突合部３Ｒ２，直線突合部３Ｌ２，湾曲突合部３Ｒ１の順に回転ツール４により摩擦攪拌接合する。

この摩擦攪拌接合において、湾曲突合部３Ｒ２を図５，図６，図７に示したように回転ツール４により摩擦攪拌接合する際、回転ツール４の回転軸線Ｏ１を回転中心Ｏから湾曲突合部３Ｒ２の端ｅ側にΔｘだけずれた位置まで移動させることにより、回転ツール４のショルダー５ａの周縁を直線突合部３Ｌ１の端の連設点Ｐ２に略一致させる。

この位置では、回転ツール４の移動方向においてショルダー５ａのプローブ６より移動方向前側の部分を移動のために延長部Ｘから若干浮かせると共に、ショルダー５ａのプローブ６より移動方向後側の部分を延長部Ｘに押し付ける。この状態から回転中心Ｏを中心として扁平管１，２と回転ツール４を相対回転させて、湾曲突合部３Ｒ２を回転ツール４により摩擦攪拌接合させる。

このような湾曲突合部３Ｒ２の回転ツール４による摩擦攪拌接合に際して、図６，図７に示したように、回転ツール４の移動方向においてショルダー５ａのプローブ６より移動方向前側および後側の部分と湾曲突合部３Ｒ２との間に隙間が生ずることがない。

この結果、湾曲突合部３Ｒ２の攪拌軟化部は、ショルダー５ａで押圧されて、湾曲突合部３Ｒ２の攪拌軟化部の表面が滑らかに形成され且つ攪拌軟化部内も押圧されて密になるため、湾曲突合部３Ｒ２には欠陥が生じることがない。

このような摩擦攪拌接合を湾曲突合部３Ｒ１で行う場合にも、ショルダー５ａの周縁を直線突合部３Ｌ２の端の連設点Ｐ４に一致させて、回転中心Ｏを中心として扁平管１，２と回転ツール４を相対回転させることで、湾曲突合部３Ｒ２の摩擦攪拌接合と同様な効果が得られる。
（補足説明１）
以上説明したように、この発明の実施の形態の摩擦攪拌接合方法は、側部に湾曲部（湾曲突合部３Ｒ１，３Ｒ２）が設けられた一対の中空扁平管（扁平管１，２）を突き合わせて、前記一対の中空扁平管（扁平管１，２）の突合部３を回転ツール４により摩擦撹拌接合するようにしている。しかも、前記湾曲部（湾曲突合部３Ｒ１，３Ｒ２）の曲率半径ｒを前記中空扁平管（扁平管１，２）の厚さｔの１／２以上とすると共に、前記中空扁平管（扁平管１，２）の厚さの１／２ｔの位置で且つ前記中空扁平管（扁平管１，２）の端ｅからの距離が前記中空扁平管（扁平管１，２）の厚さｔの１／２の位置の部分を前記中空扁平管（扁平管１，２）と前記回転ツール４との相対的な回転中心Ｏとしたとき、前記中空扁平管（扁平管１，２）と前記回転ツール４とを前記回転中心Ｏを中心に相対回転させて前記湾曲部（湾曲突合部３Ｒ１，３Ｒ２）を前記回転ツール４により摩擦撹拌接合するようにしている。

この構成によれば、湾曲部（湾曲突合部３Ｒ１，３Ｒ２）を有する中空扁平管（扁平管１，２）の一対の突合部３を摩擦攪拌接合する際に、回転ツール４のショルダー５ａのプローブ６より移動方向後ろ側の部分を直線突合部に隙間なく当接させることができる。しかも、湾曲部（湾曲突合部３Ｒ１，３Ｒ２）と回転ツール４を回転中心Ｏを中心として相対回転させたときに、回転ツール４のショルダー５ａと湾曲部（湾曲突合部３Ｒ１，３Ｒ２）との間に隙間が生ずることがなくできるので、一対の中空扁平管（扁平管１，２）の突合部３の湾曲部（湾曲突合部３Ｒ１，３Ｒ２）を欠陥が生ずることがない状態で摩擦攪拌接合することができる。
（補足説明２）
また、この発明の実施の形態の摩擦攪拌接合方法は、湾曲部（湾曲突合部３Ｒ１，３Ｒ２）の摩擦撹拌接合時、回転ツール４の先端部を中空扁平管（扁平管１，２）の厚さｔの１／２の前記回転中心Ｏの位置より端部側に位置させるようにしている。

この構成によれば、中空扁平管（扁平管１，２）と回転ツール４を湾曲部（湾曲突合部３Ｒ１，３Ｒ２）の部分において相対的に回転させたときに、回転ツール４の先端部すなわちショルダー５ａのプローブ６より移動方向前側の部分を延長部Ｘの部分に隙間なく当接させるようにすることができると共に、ショルダー５ａのプローブ６より移動方向後ろ側の部分も直線突合部に隙間なく当接させるようにすることができるので、湾曲部（湾曲突合部３Ｒ１，３Ｒ２）を回転ツール４により摩擦撹拌接合する際に、回転ツール４のショルダー５ａと湾曲部（湾曲突合部３Ｒ１，３Ｒ２）との間に隙間が生ずることがないので、一対の中空扁平管（扁平管１，２）の突合部３の湾曲部（湾曲突合部３Ｒ１，３Ｒ２）を欠陥が生ずることがない状態で摩擦攪拌接合することができる。

Ｃ 扁平容器
１ 扁平管
２ 扁平管
Ｆ 扁平部
ｆｐ１ 平面部
ｆｐ２ 平面部
Ｒｓ１ 湾曲面（湾曲部）
Ｒｓ２ 湾曲面（湾曲部）
３ 突合部
３Ｌ１ 直線突合部（直線部）
３Ｌ２ 直線突合部（直線部）
３Ｒ１ 湾曲突合部（湾曲部）
３Ｒ２ 湾曲突合部（湾曲部）
４ 回転ツール
５ 回転加圧軸
５ａ ショルダー
６ プローブ
Ｐ１ 連設点
Ｐ２ 連設点
Ｐ３ 連設点
Ｐ４ 連設点
Ｘ 延長部
ｅ 端
ｔ 厚さ

Claims (2)

1. 側部に湾曲部が設けられた一対の中空扁平管を突き合わせて、前記一対の中空扁平管の突合部を回転ツールにより摩擦撹拌接合する接合方法において、
   前記湾曲部の曲率半径を前記中空扁平管の厚さの１／２以上とすると共に、前記中空扁平管の厚さの１／２の位置で且つ前記中空扁平管の端からの距離が前記中空扁平管の厚さの１／２の位置の部分を前記中空扁平管と前記回転ツールとの相対的な回転中心としたとき、前記中空扁平管と前記回転ツールとを前記回転中心を中心に相対回転させて前記湾曲部を前記回転ツールにより摩擦撹拌接合することを特徴とする摩擦撹拌接合方法。
2. 請求項１に記載の摩擦攪拌接合方法において、
   湾曲部の摩擦撹拌接合時、回転ツールの先端部を中空扁平管の厚さの１／２の前記回転中心の位置より端部側に位置させることを特徴とする請求項１に記載の摩擦撹拌接合方法。