JP2016036836A - 摩擦攪拌接合用工具及び接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】表面に段差が生じた突合せ継手を接合する際に、追加的な工具や前処理工程を必要とせずに摩擦攪拌接合を行うことができる摩擦攪拌接合用工具を提供する。
【解決手段】被接合部材の端部どうしの突合せ部の表面に段差が形成されている場合に前記突合せ部を摩擦攪拌接合するための摩擦攪拌接合用工具であって、円柱状の大径部と前記大径部の中央部から突出する円柱状の小径部とを備え、前記大径部の前記小径部が突出する側の端面は、外周近傍の代替凸部形成用ショルダ部と、前記代替凸部形成用ショルダ部より小径でかつ前記小径部より大径となる接合用ショルダ部と、からなる二段ショルダ部を備える。
【選択図】図３

Description

本発明は摩擦攪拌接合に使用する工具、及び当該工具を用いて摩擦攪拌接合する方法に関する。

摩擦攪拌接合方法は、大径部（ショルダ部）と小径部（プローブ）とからなる回転工具を回転させながら被接合部材に挿入し、この回転工具を接合線に沿って移動させることにより、回転工具と母材との摩擦熱で被接合部材の材料を軟化させ、この状態で上記回転工具に設けられた小径部によって材料を塑性流動させて接合部を形成し、固相接合する方法である。

従来、摩擦攪拌接合方法を用いて金属部材の組立を行う際に、例えば図９に示すように、凸部１１を有する部材１０と凸部を有しない部材２０とを突き合せて両者の突合せ部の表面に段差が生じた部材どうしの継手の接合を行う必要が生じる場合がある。
このような継手を摩擦攪拌接合する場合、図９に示すように、第１の工程として、先端が実質的に平坦面で丸棒形状の代替凸部形成用工具２００を用いて摩擦攪拌動作を行うことにより、上記段差のうち高さの高い方の部材の突部１１を塑性流動させて突合せ部の上面に代替凸部２５１を形成する。
続いて図１０に示すように、第２の工程として、大径部と小径部とからなる通常の摩擦攪拌接合用工具２１０を用いて、上記第１の工程で形成された代替凸部２５１に摩擦攪拌接合用工具２１０の大径部の幅全体が挿入されるように摩擦攪拌動作を行う。
このような接合工程を行うことにより、図１１に示すような接合部２５０を形成する（例えば、特許文献１参照）。

特開２００６−２８９３７５号公報

しかしながら、図９〜図１１に示す従来の接合方法によれば、突合せ部の表面に段差が生じた部材どうしの継手を接合する際に、通常の摩擦攪拌接合工程（第２の工程）の前に代替凸部形成用工具２００を用いて代替凸部２５１を形成する工程（第１の工程）を実施する必要がある。
したがって、追加的な工具と前処理工程が必要となるため、工具の費用がかさむ上に、全体の接合時間が長くなってしまうという問題点があった。
そこで、本発明は、表面に段差が生じた突合せ継手を接合する際に、追加的な工具や前処理工程を必要とせずに摩擦攪拌接合を行うことができる摩擦攪拌接合用工具を提供する。

上記課題を解決するための構成として、本発明の摩擦攪拌接合用工具は、円柱状の大径部と前記大径部の中央部から突出する円柱状の小径部とを備え、前記大径部の前記小径部が突出する側の端面は、外周近傍の代替凸部形成用ショルダ部と、前記代替凸部形成用ショルダ部より小径でかつ前記小径部より大径となる接合用ショルダ部と、からなる二段ショルダ部を備えている。

本発明によれば、表面に段差が生じた突合せ継手を接合する際に、追加的な工具や前処理工程を必要とせずに摩擦攪拌接合を行うことができる。
したがって、追加的な工具にかかる費用や前処理工程を行う時間を削減することができる。
上記した以外の課題、構成及び効果については、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の摩擦攪拌接合用工具での接合鳥瞰図である。 図１の工具近傍における接合線に直交する面での断面図である。 図１の工具近傍における接合線に平行な面での断面図である。 図１の工具近傍における接合線の外観を示す上面図である。 本発明の摩擦攪拌接合用工具の形状の具体例を示す側面図及び下面図である。 本発明の摩擦攪拌接合用工具の形状の他の具体例を示す側面図及び下面図である。 本発明の摩擦攪拌接合用工具を用いた摩擦攪拌接合の具体的な製品への適用例を示す概略図である。 図７の接合部における接合前と接合後の概要を示す断面図である。 従来の摩擦攪拌接合方法による第１の工程の概要を示す図である。 従来の摩擦攪拌接合方法による第２の工程の概要を示す図である。 従来の摩擦攪拌接合方法によって形成された接合部の概要を示す図である。

以下本発明の一実施例を図１から図７により、説明する。
図１は、本発明による摩擦攪拌接合用工具１００を用いて、凸部１１を有する部材１０と凸部を有さない部材２０とを突合せた突合せ部３０を摩擦攪拌接合する動作の概要を示す要部の斜視図である。
図１に示すように、突合せ部の肉厚がＴ１である凸部１１を備えた部材１０の端部と肉厚がＴ２である部材２０の端部とを突合せ（図示のとおりＴ１＞Ｔ２とする）、摩擦攪拌接合用工具１００を上面視で時計回りに回転させつつ突合せ部３０に挿入し、当該摩擦攪拌接合用工具１００を突合せ部３０に沿って移動することにより摩擦攪拌接合を行う。

このとき、肉厚が大きい部材１０を摩擦攪拌用工具１００の進行方向に対して左側に配置して接合を行う。すなわち、工具の回転方向と進行方向とが同一方向となる側（アドバンシングサイド）に肉厚の大きい方の部材を配置する。
このような部材配置と工具の回転方向を選択することにより、摩擦攪拌接合用工具１００の進行方向前側の大径部によって部材１０の凸部１１の上面近傍の材料が塑性流動して部材２０側に移動することとなり、この塑性流動で移動した材料を原資に摩擦攪拌接合が行われる。

図２〜図４は、図１に示す本発明の摩擦攪拌接合用工具１００を用いた接合中の動作について、工具近傍での概要を示す要部拡大図である。
ここで、図２は、工具の挿入位置近傍における接合線と直交する面での断面図であり、図３は、工具の挿入位置近傍における接合線と平行な面での断面図であり、図４は、工具の挿入位置を含む接合部の外観を示す上面図である。

図２に示すように、摩擦攪拌接合用工具１００は、大径部（ショルダ部）と小径部（プローブ）とからなり、大径部は、略円柱状の部材であって、代替凸部形成用ショルダ部１１０と当該代替凸部形成用ショルダ部１１０よりも小径の接合用ショルダ部１２０とからなる、二段ショルダ部を備えている。
一方、プローブ１３０は、上記接合用ショルダ部１２０の中心部から突出する略円柱状の部材であって、その先端が半球状に丸められている。
また、摩擦攪拌接合用工具１００は、接合の進行方向並びに部材１０及び部材２０の表面に対してそれぞれ直交するように突合せ部３０に挿入される。
このため、摩擦攪拌接合用工具１００の代替凹部形成用ショルダ部１１０及び接合用ショルダ部１２０は、部材１０の凸部１１の表面より下側へ挿入されているが、部材２０の表面２０ａには接触しない高さに位置する。

図３に示すように、摩擦攪拌接合用工具１００は、接合の進行方向に対して所定の前進角で傾斜するように挿入される。
このとき、摩擦攪拌接合用工具１００の代替凸部形成用ショルダ部１１０は、接合の進行方向前端では部材１０の凸部１１に挿入（接触）され、進行方向後端では部材１０の表面１０ａ及び部材２０の表面２０ａのいずれにも接触しない位置となる。
このような位置関係を採用することにより、摩擦攪拌接合用工具１００の代替凸部形成用ショルダ部１１０は、接合の進行方向前端側において部材１０の凸部１１の材料を塑性流動により移動させる機能を発揮する。

一方、摩擦攪拌接合用工具１００の接合用ショルダ部１２０は、接合の進行方向後側において部材１０の表面１０ａ及び部材２０の表面２０ａの両者に接触又は挿入される位置となる。
このような位置関係を採用することにより、摩擦攪拌接合用工具１００の接合用ショルダ部１２０は、代替凸部形成用ショルダ部１１０が形成した代替凸部１５１（図４参照）に全面が接触又は挿入されることとなり、結果として安定した摩擦発熱が得られるとともに、突合せ部３０に欠陥のない接合部１５０（図４参照）を形成する。
したがって、本発明の摩擦攪拌接合用工具１００を用いて、表面に段差を生じた突合せ部を摩擦攪拌する際に、代替凸部形成用ショルダ部は代替凸部形成にのみ作用し、摩擦攪拌接合には作用せず、接合用ショルダ部１２０のみが摩擦攪拌接合に作用することになる。

これらのことから、図４に示すように、本発明の摩擦攪拌接合用工具１００で表面に段差を生じた部材１０と部材２０との突合せ部３０を接合すると、接合の進行方向に幅広の代替凸部１５１と当該代替凸部１５１の内側に摩擦攪拌接合による接合部１５０とが形成される。
また、上述のとおり、図４に示す代替凸部１５１と接合部１５０とは、従来の代替凸部形成用工具を用いた２工程による接合を行うことなく、本発明の摩擦攪拌接合用工具１００を用いて１度の摩擦攪拌工程によって接合を行うことが可能となる。
したがって、追加的な工具にかかる費用や前処理工程を行う時間を削減することができる。
また、従来２工程の摩擦攪拌処理を行うことにより、被接合部材の材料が摩擦発熱による２度の熱履歴を受けていたのに対して、本発明の摩擦攪拌接合用工具による接合は１工程の熱履歴を受けるだけで済むので、例えばいわゆる６０００系アルミニウム合金製の押出部材の接合においては、熱履歴による強度低下を抑制することができる。

図５は、本発明の摩擦攪拌接合用工具の形状の具体例を示す図であり、図５（ａ）は側面図、図５（ｂ）はプローブ側から見た下面図をそれぞれ示す。
図５に示す摩擦攪拌接合用工具１００において、接合用ショルダ部１２０には、摩擦攪拌接合に必要なテーパ部１２１が形成されているのに対し、代替凸部形成用ショルダ部１１０は平坦面となっている。

図６は、本発明の摩擦攪拌接合用工具の形状の他の具体例を示す図であり、図６（ａ）は側面図、図６（ｂ）はプローブ側から見た下面図をそれぞれ示す。
図６に示す摩擦攪拌接合用工具１００において、図５の具体例と同様に、代替凸部形成用ショルダ部１１０は平坦面となっている。
一方、接合用ショルダ部１２０には、摩擦攪拌接合に必要なテーパ部１２１とともに一部が突出する攪拌フィン１２２が形成されている。
このような構成を採用することにより、摩擦攪拌接合における材料の塑性流動を促進し攪拌作用を高めることが可能となる。

本発明の摩擦攪拌接合用工具は、上記説明したものに限定されるものではなく、種々の変更等を行うことが可能である。
例えば、図５及び図６に示す具体例において、接合用ショルダ部１２０に形成されているテーパ部を代替凸部形成用ショルダ部に適用してもよい。
また、図５及び図６の具体例において、図示は省略したが、プローブ１３０の外周面にネジやフィンを形成してもよい。

図７は、本発明の摩擦攪拌接合用工具を用いた摩擦攪拌接合の具体的な製品への適用例を示す概略図である。
図７に示すように、本発明の摩擦攪拌接合用工具を用いた接合は、例えばアルミニウム合金製鉄道車両の側構体のドア付近の構造体を製造する場合に適用される。
側構体８０は、複数のアルミニウム合金製押出形材を長手方向（押出方向）に接合された構造物であって、鉄道車両のドア領域に該当する部分に開口部を形成したものである。
そして、この開口部の内周面にアルミニウム合金製押出形材からなる出入口フレーム９０を突合せて摩擦攪拌接合により接合し一体化する。

図８は、図７に示す側構体８０と出入口フレーム９０との接合位置での断面図であり、図８（ａ）は接合前の継手を示し、図８（ｂ）は接合後の継手を示す。
上述のとおり、側構体８０は２つの面板８１及び８２とそれらをつなぐ内部トラス８３で構成された中空押出形材であって、その押出方向は図示上の左右方向となる。
このとき、押出方向と異なる上記開口部の端面には、摩擦攪拌接合のための厚肉部を形成することができないため、出入口フレーム９０の凸部９１との突合せ部に段差が形成されることがある。
このような継手に対して本発明の摩擦攪拌接合用工具１００を用いて接合を行うことにより、欠陥のない健全な接合部１５０を得ることが可能となる。

なお、本発明は、上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。
例えば、図５及び図６に示す摩擦攪拌接合用工具の具体例において、接合用ショルダ部１２０から突出する攪拌フィン１２２を渦巻状に形成してもよい。
また、接合用ショルダ部１２０に攪拌フィンに代えて溝部を形成してもよい。
さらに、プローブ１３０をその根元から先端に向けて先細となるテーパ状に形成してもよい。

上記した実施例は、本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。
また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。
さらに、各実施例の構成の一部について、その他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１０、２０ 部材
１０ａ、２０ａ 部材表面
１１ 凸部
３０ 突合せ部
８０ 側構体
８１、８２ 面板
８３ 内部トラス
９０ 出入口フレーム
９１ 凸部
１００ 摩擦攪拌接合用工具
１１０ 代替凸部形成用ショルダ部
１２０ 接合用ショルダ部
１２１ テーパ部
１２２ 攪拌用フィン
１３０ プローブ
１５０ 接合部
１５１ 代替凸部

Claims (7)

1. 被接合部材の端部どうしの突合せ部の表面に段差が形成されている場合に前記突合せ部を摩擦攪拌接合するための摩擦攪拌接合用工具であって、
   円柱状の大径部と前記大径部の中央部から突出する円柱状の小径部とを備え、
   前記大径部の前記小径部が突出する側の端面は、外周近傍の代替凸部形成用ショルダ部と、前記代替凸部形成用ショルダ部より小径でかつ前記小径部より大径となる接合用ショルダ部と、からなる二段ショルダ部を備える
   ことを特徴とする摩擦攪拌接合用工具。
2. 前記接合用ショルダ部は、外周部から前記小径部の根元に向けて凹形状となるテーパ部を備える
   ことを特徴とする請求項１に記載の摩擦攪拌接合用工具。
3. 前記接合用ショルダ部は、小径部の根元から外周部に向けて放射状に攪拌フィンを備える
   ことを特徴とする請求項２に記載の摩擦攪拌接合用工具。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載された摩擦攪拌接合用工具を用いて、被接合部材の端部どうしの突合せ部の表面に段差が形成されている場合に前記突合せ部を摩擦攪拌接合する方法であって、
   前記摩擦攪拌接合用工具を接合の進行方向に対して前進角となるように傾斜させるとともに、前記突合せ部の表面に対しては垂直となるように維持され、
   前記代替凸部形成用ショルダ部が、前記進行方向の前端位置で前記被接合部材に挿入され、かつ前記進行方向の後端位置で前記被接合部材に接触しない状態とする
   ことを特徴とする接合方法。
5. 前記段差のうち高さの高い方の被接合部材を、前記摩擦攪拌接合用工具に対してアドバンシングサイドに配置して接合を行う
   ことを特徴とする請求項４に記載の接合方法。
6. 請求項４又は５に記載された接合方法によって接合された接合体。
7. 請求項４又は５に記載された接合方法によって接合された鉄道車両用構体。

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