JP2017217691A - 摩擦攪拌接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】摩擦攪拌装置に作用する負荷を軽減することができる摩擦攪拌接合方法を提供することを課題とする。【解決手段】二つの金属部材１，２を接合する摩擦攪拌接合方法であって、金属部材１，２の突合せ部Ｊ１に溶接でスポット仮付けを行う仮接合工程と、突合せ部Ｊ１に回転した回転ツールＦの攪拌ピンＦ２を挿入し、攪拌ピンＦ２のみを金属部材１，２に接触させた状態で突合せ部Ｊ１に沿って相対移動させて摩擦攪拌接合を行う本接合工程と、を含むことを特徴とする。【選択図】図３

Description

本発明は、摩擦攪拌接合方法に関する。

特許文献１には、金属部材同士が突き合わされた突合せ部に対して、小型の回転ツールで仮接合工程を行った後、大型の回転ツールで本接合工程を行う摩擦攪拌接合方法が記載されている。仮接合工程を行うことにより、本接合工程の際に、突合せ部の目開きを防ぐことができる。

特開２０１０−２７４３２０号公報

当該摩擦攪拌接合方法の仮接合工程は、小型の回転ツールのショルダ部を数ミリ程度金属部材に押し込んで接合するというものである。当該接合方法であると、ショルダ部を金属部材に押し込むため摩擦攪拌装置に作用する負荷が大きくなるという問題がある。

そこで、本発明は、摩擦攪拌装置に作用する負荷を軽減することができる摩擦攪拌接合方法を提供することを課題とする。

このような課題を解決するために本発明は、二つの金属部材を接合する摩擦攪拌接合方法であって、前記金属部材の突合せ部に溶接でスポット仮付けを行う仮接合工程と、前記突合せ部に回転した回転ツールの攪拌ピンを挿入し、前記攪拌ピンのみを前記金属部材に接触させた状態で前記突合せ部に沿って相対移動させて摩擦攪拌接合を行う本接合工程と、を含むことを特徴とする。
また、本発明は、表面の高さが変化する金属部材同士を突き合わせて高さが変化する突合せ部を形成する突合せ工程と、高さが変化する前記突合せ部に対して溶接でスポット仮付けを行う仮接合工程と、前記突合せ部に回転した回転ツールの攪拌ピンを挿入し、前記攪拌ピンのみを前記金属部材に接触させた状態で前記突合せ部に沿って相対的に移動させて摩擦攪拌接合を行う本接合工程と、を含むことを特徴とする。

かかる摩擦攪拌接合方法によれば、仮接合工程においては溶接で突合せ部のスポット仮付けを行うため、従来のように突合せ部の全長に対して仮接合を行う場合に比べて工程時間を短くすることができる。また、本接合工程においては攪拌ピンのみを金属部材に接触させた状態で摩擦攪拌接合を行うことにより、摩擦攪拌装置に作用する負荷を軽減することができる。

また、前記仮接合工程では、ＭＩＧ溶接、ＴＩＧ溶接又はレーザー溶接を行うことが好ましい。また、前記仮接合工程では、溶加材を供給しつつ溶接を行い前記突合せ部に溶接金属を形成し、前記本接合工程では、前記攪拌ピンのみを前記金属部材及び前記溶接金属に接触させた状態で摩擦攪拌接合を行うことが好ましい。

また、前記本接合工程では、高さが変化する前記突合せ部に対する前記攪拌ピンの挿入深さをほぼ一定に保ちつつ摩擦攪拌を行うことが好ましい。
また、前記本接合工程では、摩擦攪拌によって形成される塑性化領域の深さがほぼ一定になるように、高さが変化する前記突合せ部に対する前記攪拌ピンの挿入深さを調節することが好ましい。

かかる摩擦攪拌接合方法によれば、接合部の接合強度をほぼ一定に保つことができる。

本発明に係る摩擦攪拌接合方法によれば、摩擦攪拌装置に作用する負荷を軽減することができる。

第一実施形態に係る摩擦攪拌接合方法の突合せ工程を示す斜視図である。 第一実施形態に係る摩擦攪拌接合方法の仮接合工程を示す斜視図である。 第一実施形態に係る摩擦攪拌接合方法の本接合工程を示す斜視図である。 第二実施形態に係る摩擦攪拌接合方法の突合せ工程前を示す斜視図である。 第二実施形態に係る摩擦攪拌接合方法の突合せ工程後を示す斜視図である。 第二実施形態に係る摩擦攪拌接合方法の仮接合工程を示す斜視図である。 第二実施形態に係る摩擦攪拌接合方法の本接合工程を示す断面図である。 第二実施形態に係る摩擦攪拌接合方法の変形例の本接合工程を示す断面図である。

［第一実施形態］
本発明の第一実施形態に係る摩擦攪拌接合方法について、図面を参照して詳細に説明する。本実施形態に係る摩擦攪拌接合方法では、突合せ工程と、仮接合工程と、本接合工程と、を行う。なお、以下の説明における「表面」とは、「裏面」の反対側の面という意味である。

突合せ工程は、図１に示すように、金属部材１，２を突き合わせる工程である。金属部材１，２は、アルミニウム合金製の板状部材である。金属部材１，２の材料は、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金、チタン、チタン合金、マグネシウム、マグネシウム合金等の摩擦攪拌可能な金属から適宜選択される。突合せ工程では、金属部材１の端面１ａと、金属部材２の端面２ａとを突き合わせて突合せ部Ｊ１を形成する。また、突合せ工程では、金属部材１，２の表面１ｂ，２ｂ、裏面１ｃ，２ｃ及び側面１ｄ，２ｄをそれぞれ面一にする。

また、突合せ工程では、タブ材Ｔ，Ｔを突合せ部Ｊ１の両端に配置する。タブ材Ｔの表面Ｔａは、金属部材１，２の表面１ｂ，２ｂと面一にする。また、タブ材Ｔの裏面Ｔｂは、金属部材１，２の裏面１ｃ，２ｃと面一にする。

仮接合工程は、図２に示すように、突合せ部Ｊ１に対して溶接で仮接合を行う工程である。溶接の種類は特に制限されないが、例えば、ＭＩＧ溶接、ＴＩＧ溶接等のアーク溶接やレーザー溶接で行うことができる。本実施形態の仮接合工程では、レーザー溶接を例示している。

仮接合工程では、溶接トーチＨを突合せ部Ｊ１に近接させつつ、所定の間隔をあけてスポット仮付けを行う。スポット仮付けを行った部分には、溶接痕Ｗ１０が形成される。また、仮接合工程では、金属部材１，２とタブ材Ｔとの突合せ部に対してもスポット仮付けを行うとともに、タブ材Ｔと金属部材１，２とで構成された内隅に対してもスポット仮付けを行い、タブ材Ｔと金属部材１，２とを仮接合する。

本接合工程は、図３に示すように、回転ツールＦ（本接合用回転ツール）を用いて突合せ部Ｊ１に対して本接合を行う工程である。回転ツールＦは、例えば工具鋼で形成されている。連結部Ｆ１は、摩擦攪拌装置の回転軸に連結される部位である。連結部Ｆ１は円柱状を呈する。

攪拌ピンＦ２は、連結部Ｆ１から垂下しており、連結部Ｆ１と同軸になっている。攪拌ピンＦ２は連結部Ｆ１から離間するにつれて先細りになっている。攪拌ピンＦ２の外周面には螺旋溝が刻設されている。本実施形態では、回転ツールＦを右回転させるため、螺旋溝は、基端から先端に向かうにつれて左回りに形成されている。

なお、回転ツールＦを左回転させる場合は、螺旋溝を基端から先端に向かうにつれて右回りに形成することが好ましい。螺旋溝をこのように設定することで、摩擦攪拌の際に塑性流動化した金属が螺旋溝によって攪拌ピンＦ２の先端側に導かれる。これにより、被接合金属部材（金属部材１，２）の外部に溢れ出る金属の量を少なくすることができる。

本接合工程では、一方のタブ材Ｔに設定した開始位置Ｓｐに右回転させた回転ツールＦを挿入した後、突合せ部Ｊ１に沿って回転ツールＦを相対移動させる。本接合工程では、攪拌ピンＦ２のみを金属部材１，２に接触させ、攪拌ピンＦ２の基端側は露出させた状態で摩擦攪拌接合を行う。回転ツールＦの移動軌跡には塑性化領域Ｗ１が形成される。回転ツールＦが他方のタブ材Ｔに設定した終了位置Ｅｐに達したら、タブ材Ｔから回転ツールＦを離脱させる。

以上説明した本実施形態に係る摩擦攪拌接合方法によれば、仮接合工程においては溶接で突合せ部Ｊ１のスポット仮付けを行うことで、従来のように突合せ部Ｊ１の全長に対して仮接合を行う場合に比べて工程時間を短くすることができる。本実施形態の仮接合工程は、突合せ部Ｊ１の全長が長い場合等においては特に有効である。また、本接合工程においては攪拌ピンのみを金属部材１，２に接触させた状態で摩擦攪拌接合を行うことにより、摩擦攪拌装置に作用する負荷を軽減することができる。さらに、本接合工程では攪拌ピンＦ２のみを金属部材１，２に接触させた状態で摩擦攪拌接合を行うことにより、摩擦攪拌装置に作用する負荷を軽減した状態で、突合せ部Ｊ１の深い位置を接合できる。

以上本発明の実施形態について説明したが、本発明の趣旨に反しない範囲において適宜設計変更が可能である。また、本接合工程は、金属部材１，２の表面１ｂ，２ｂ側からのみ行ったが、裏面１ｃ，２ｃ側からも行ってもよい。このとき、表面１ｂ，２ｂに形成された塑性化領域Ｗ１と裏面１ｃ、２ｃ側に形成された塑性化領域とが重複するようにすれば突合せ部Ｊ１の接合強度を高めることができる。

また、仮接合工程のＴＩＧ溶接、ＭＩＧ溶接又はレーザ溶接等において、溶加材を用いて溶接を行う場合は、突合せ部Ｊ１に溶接金属が形成される。この場合は、本接合工程において、攪拌ピンＦ２のみに金属部材１，２及び溶接金属を接触させた状態で摩擦攪拌接合を行う。

［第二実施形態］
次に、本発明の第二実施形態に係る摩擦攪拌接合方法について説明する。本実施形態に係る摩擦攪拌接合方法では、突合せ工程と、仮接合工程と、本接合工程と、を行う。

突合せ工程は、図４に示すように、同形状からなる金属部材１０１，１０１を突き合わせる工程である。金属部材１０１，１０１は、本実施形態ではアルミニウム合金製であるが、摩擦攪拌接合が可能な金属から適宜選択すればよい。

金属部材１０１は、直方体を呈する本体部１０２と、本体部１０２の上に形成され断面台形状を呈する凸部１０３とで構成されている。凸部１０３の表面１０３ａは、本体部１０２の表面１０２ａ，１０２ｂよりも上方に位置している。凸部１０３の第一表面１０３ｂは、傾斜しており本体部１０２の表面１０２ａと凸部１０３の表面１０３ａとを連結している。また、凸部１０３の第二表面１０３ｃは、傾斜しており本体部１０２の表面１０２ｂと凸部１０３の表面１０３ａとを連結している。

突合せ工程では、金属部材１０１，１０１の各表面同士が面一になるように突き合わせる。図５に示すように、突合せ工程によって端面１０１ａ，１０１ａが面接触して突合せ部Ｊ２が形成される。突合せ部Ｊ２はその高さ位置が変化するように形成される。つまり、突合せ部Ｊ２は、摩擦攪拌の始点（挿入位置）の高さ（標高）を基準高さとすると、始点から終点に至るまでに基準高さと高さの異なる区間が存在している。本実施形態では、突合せ部Ｊ２は、第一平部Ｊａと、第一傾斜部Ｊｂと、第二平部Ｊｃと、第二傾斜部Ｊｄと、第三平部Ｊｅとで構成されている。

仮接合工程は、図６に示すように、突合せ部Ｊ２に対して溶接で仮接合を行う工程である。溶接の種類は特に制限されないが、例えば、ＭＩＧ溶接、ＴＩＧ溶接等のアーク溶接やレーザー溶接で行うことができる。本実施形態の仮接合工程では、ＴＩＧ溶接（肉盛溶接）を例示している。

仮接合工程では、溶接トーチＨ１を突合せ部Ｊ１に近接させ溶加材（図示省略）を供給しつつ、所定の間隔をあけてスポット仮付けを行う。スポット仮付けを行った部分には、溶接金属Ｙが形成される。

本接合工程は、図７に示すように、回転ツールＦ（本接合用回転ツール）を用いて突合せ部Ｊ２に対して摩擦攪拌接合を行う工程である。本接合工程では、突合せ部Ｊ２の第一平部Ｊａの端部に回転した回転ツールＦの攪拌ピンＦ２を挿入し、突合せ部Ｊ２に沿って回転ツールＦを相対移動させる。本実施形態では、回転ツールＦの回転中心軸が、常に鉛直軸と平行となる状態で摩擦攪拌を行う。本接合工程によって攪拌ピンＦ２の周囲の金属部材１０１，１０１が摩擦攪拌され金属部材１０１，１０１が接合される。回転ツールＦの移動軌跡には、塑性化領域Ｗ１が形成される。

本実施形態に係る本接合工程では、突合せ部Ｊ２に対する攪拌ピンＦ２の挿入深さをほぼ一定に保ちつつ、攪拌ピンＦ２のみを金属部材１０１，１０１及び溶接金属Ｙに接触させた状態で摩擦攪拌を行う。本実施形態に係る本接合工程では、金属部材１０１，１０１が固定された架台（図示省略）に対して回転ツールＦを上下動させることにより摩擦攪拌を行う。

これにより、第一平部Ｊａの塑性化領域Ｗ１の深さＺａ、第一傾斜部Ｊｂの塑性化領域Ｗ１の深さＺｂ（第一表面１０３ｂと直交する線上における塑性化領域Ｗ１の深さ）及び第二平部Ｊｃの塑性化領域Ｗ１の深さＺｃをほぼ同等にすることができる。攪拌ピンＦ２の「挿入深さ」とは、回転ツールＦの回転中心軸上における金属部材１０１の表面から攪拌ピンＦ２の先端までの距離を意味する。

なお、本実施形態に係る本接合工程では、架台（図示省略）に対して回転ツールＦを上下動させたが、回転ツールＦの高さ位置を固定して、架台を上下動させることにより摩擦攪拌を行ってもよい。また、第二実施形態では、第一実施形態と同様に突合せ部Ｊ２の両端にタブ材を設け、当該タブ材に本接合工程の開始位置及び終了位置を設定してもよい。

以上説明した本実施形態に係る摩擦攪拌接合方法によれば、仮接合工程においては溶接で突合せ部Ｊ２のスポット仮付けを行うことで、従来のように突合せ部Ｊ２の全長に対して仮接合を行う場合に比べて工程時間を短くすることができる。本実施形態の仮接合工程は、突合せ部Ｊ２の全長が長い場合等においては特に有効である。また、本接合工程においては攪拌ピンのみを金属部材１０１，１０１及び溶接金属Ｙに接触させた状態で摩擦攪拌接合を行うことにより、摩擦攪拌装置に作用する負荷を軽減することができる。さらに、本接合工程では攪拌ピンＦ２のみを金属部材１０１，１０１及び溶接金属Ｙに接触させた状態で摩擦攪拌接合を行うことにより、摩擦攪拌装置に作用する負荷を軽減した状態で、突合せ部Ｊ２の深い位置を接合できる。

また、本接合工程では、高さが変化する突合せ部Ｊ２に対する攪拌ピンＦ２の挿入深さをほぼ一定に保ちつつ摩擦攪拌を行っているため、接合部の接合強度をほぼ一定に保つことができる。

以上本発明の実施形態について説明したが、本発明の趣旨に反しない範囲において適宜設計変更が可能である。図８は、第二実施形態に係る摩擦攪拌接合方法の変形例の本接合工程を示す断面図である。図８に示すように、変形例では、本接合工程を行う際に、回転ツールＦを接合面に対して垂直に挿入しつつ摩擦攪拌を行う。変形例の本接合工程では、第一平部Ｊａ、第二平部Ｊｃ及び第三平部Ｊｅにおいては、第二実施形態と同様に回転ツールＦの回転中心軸を鉛直軸と平行にした状態で摩擦攪拌を行う。一方、第一傾斜部Ｊｂ及び第二傾斜部Ｊｄにおいては、回転ツールＦを鉛直軸に対して傾斜させて、第一傾斜部Ｊｂ及び第二傾斜部Ｊｄの接合面（第一表面１０３ｂ、第二表面１０３ｃ）に対して回転ツールＦの回転中心軸を垂直にした状態で摩擦攪拌を行う。

変形例を行う場合は、例えば、先端にスピンドルユニット等の駆動手段を備えたロボットアームに回転ツールＦを取り付けて摩擦攪拌を行うことが好ましい。このような摩擦攪拌装置によれば、鉛直軸に対する回転ツールＦの回転中心軸の角度を容易に変更することができる。これにより、突合せ部Ｊ２の高さが変化する場合においても、摩擦攪拌中に鉛直軸に対する回転ツールＦの回転中心軸の角度を変更することで、接合面に対して回転ツールＦを常に垂直にした状態で連続して摩擦攪拌を行うことができる。

前記した変形例であっても、第二実施形態と略同等の効果を奏することができる。また、回転ツールＦを各接合面に対して垂直に挿入することができるため、傾斜面であっても突合せ部Ｊ２の深い位置まで摩擦攪拌を行うことができる。なお、接合面が曲面である場合は、その接合面の法線と回転ツールＦの回転中心軸とを重ね合わせつつ摩擦攪拌を行えばよい。

１ 金属部材
１ｂ 表面
１ｃ 裏面
２ 金属部材
２ｂ 表面
２ｃ 裏面
Ｆ 回転ツール（仮接合用回転ツール、本接合用回転ツール）
Ｔ タブ材

Claims (6)

1. 二つの金属部材を接合する摩擦攪拌接合方法であって、
   前記金属部材の突合せ部に溶接でスポット仮付けを行う仮接合工程と、
   前記突合せ部に回転した回転ツールの攪拌ピンを挿入し、前記攪拌ピンのみを前記金属部材に接触させた状態で前記突合せ部に沿って相対移動させて摩擦攪拌接合を行う本接合工程と、を含むことを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
2. 表面の高さが変化する金属部材同士を突き合わせて高さが変化する突合せ部を形成する突合せ工程と、
   高さが変化する前記突合せ部に対して溶接でスポット仮付けを行う仮接合工程と、
   前記突合せ部に回転した回転ツールの攪拌ピンを挿入し、前記攪拌ピンのみを前記金属部材に接触させた状態で前記突合せ部に沿って相対的に移動させて摩擦攪拌接合を行う本接合工程と、を含むことを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
3. 前記仮接合工程では、ＭＩＧ溶接、ＴＩＧ溶接又はレーザー溶接を行うことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の摩擦攪拌接合方法。
4. 前記仮接合工程では、溶加材を供給しつつ溶接を行い前記突合せ部に溶接金属を形成し、
   前記本接合工程では、前記攪拌ピンのみを前記金属部材及び前記溶接金属に接触させた状態で摩擦攪拌接合を行うことを特徴とする請求項1乃至請求項３のいずれか一項に記載の摩擦攪拌接合方法。
5. 前記本接合工程では、高さが変化する前記突合せ部に対する前記攪拌ピンの挿入深さをほぼ一定に保ちつつ摩擦攪拌を行うことを特徴とする請求項２に記載の摩擦攪拌接合方法。
6. 前記本接合工程では、摩擦攪拌によって形成される塑性化領域の深さがほぼ一定になるように、高さが変化する前記突合せ部に対する前記攪拌ピンの挿入深さを調節することを特徴とする請求項２に記載の摩擦攪拌接合方法。

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