JP2018001213A - 接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】金属部材同士の位置決めが容易であるとともに、摩擦攪拌装置にかかる負荷を小さくすることができる接合方法を提供する。【解決手段】第一金属部材１の端面１ａから突出する突出部１０を形成するとともに、第二金属部材２の裏面２ｃに孔部１１を形成する準備工程と、第一金属部材１の端面１ａと第二金属部材２の裏面２ｃとを重ね合わせて重合部Ｊ２を形成するとともに、孔部１１に突出部１０を挿入して孔部１１と突出部１０とが突き合わされた突合せ部Ｊ１を形成する突合せ工程と、第二金属部材２の表面２ｂ側から回転する接合用回転ツールＦの攪拌ピンＦ２を挿入し、攪拌ピンＦ２のみを第二金属部材２、又は、第一金属部材１及び第二金属部材２に接触させた状態で突合せ部Ｊ１を摩擦攪拌接合する第一摩擦攪拌工程と、を含むことを特徴とする。【選択図】図４

Description

本発明は、金属部材同士を摩擦攪拌接合する接合方法に関する。

特許文献１，２には、金属部材同士を正面視Ｔ字状に突き合わせ、突合せ部を摩擦攪拌接合する技術が開示されている。当該従来技術は、第一金属部材の端面を、第二金属部材の裏面に形成された溝部に挿入した後、第二金属部材の表面側から回転ツールを挿入して突合せ部を摩擦攪拌接合するというものである。

特許第３９４７２７１号公報 特許第４０５６５８７号公報

従来技術であると、第一金属部材の端面を第二金属部材の溝部に挿入する形態であるため、第一金属部材の長手方向に両部材が相対移動する。これにより、金属部材同士の位置決めが困難になるという問題がある。また、従来技術であると回転ツールのショルダ部を第二金属部材の表面に接触させて摩擦攪拌を行うため、摩擦攪拌装置にかかる負荷が大きくなるという問題がある。

このような観点から、本発明は、金属部材同士の位置決めが容易であるとともに、摩擦攪拌装置にかかる負荷を小さくすることができる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、攪拌ピンを備えた回転ツールを用いて第一金属部材及び第二金属部材を接合する接合方法であって、前記第一金属部材の端面から突出する突出部を形成するとともに、前記第二金属部材の裏面に孔部を形成する準備工程と、前記第一金属部材の端面と前記第二金属部材の裏面とを重ね合わせて重合部を形成するとともに、前記孔部に前記突出部を挿入して前記孔部と前記突出部とが突き合わされた突合せ部を形成する突合せ工程と、前記第二金属部材の表面側から回転する前記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第二金属部材、又は、前記第一金属部材及び前記第二金属部材に接触させた状態で前記突合せ部を摩擦攪拌接合する第一摩擦攪拌工程と、を含むことを特徴とする。

また、本発明は、攪拌ピンを備えた回転ツールを用いて第一金属部材及び第二金属部材を接合する接合方法であって、前記第一金属部材の表面から突出する突出部を形成するとともに、前記第二金属部材の裏面に孔部を形成する準備工程と、前記第一金属部材の表面と前記第二金属部材の裏面とを重ね合わせて重合部を形成するとともに、前記孔部に前記突出部を挿入して前記孔部と前記突出部とが突き合わされた突合せ部を形成する重合工程と、前記第二金属部材の表面側から回転する前記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第二金属部材、又は、前記第一金属部材及び前記第二金属部材に接触させた状態で前記突合せ部を摩擦攪拌接合する第一摩擦攪拌工程と、を含むことを特徴とする。

かかる接合方法によれば、孔部に突出部を嵌め合わせると、第一金属部材に対して第二金属部材が移動不能となる。つまり、孔部及び突出部によって両金属部材を容易に位置決めすることができる。また、回転ツールの攪拌ピンのみを、第二金属部材、又は、第一金属部材及び第二金属部材に接触させた状態で突合せ部を摩擦攪拌接合するため、摩擦攪拌装置に作用する負荷を小さくすることができる。

また、前記重合部を摩擦攪拌接合する第二摩擦攪拌工程を含むことが好ましい。かかる接合方法によれば、第一金属部材と第二金属部材との接合強度を高めることができる。

また、前記重合工程の前に、前記第一金属部材の表面及び前記第二金属部材の裏面の少なくとも一方に溝又は凹部を形成することが好ましい。かかる接合方法によれば、第一金属部材と第二金属部材の内部に中空部を形成することができる。

本発明に係る接合方法によれば、金属部材同士の位置決めが容易になるとともに、摩擦攪拌装置にかかる負荷を小さくすることができる。

本発明の第一実施形態に係る接合方法の準備工程を示す斜視図である。 第一実施形態に係る接合方法の突合せ工程を示す断面図である。 第一実施形態に係る接合方法の第一摩擦攪拌工程を示す斜視図である。 第一実施形態に係る接合方法の第一摩擦攪拌工程を示す断面図である。 第一実施形態に係る接合方法の第二摩擦攪拌工程を示す断面図である。 本発明の第二実施形態に係る接合方法の重合工程を示す斜視図である。 第二実施形態に係る接合方法の重合工程を示す断面図である。 第二実施形態に係る接合方法の第一摩擦攪拌工程を示す断面図である。 本発明の第三実施形態に係る接合方法の準備工程を示す斜視図である。 第三実施形態に係る接合方法の重合工程を示す断面図である。 第三実施形態に係る接合方法の第一摩擦攪拌工程を示す断面図である。 第三実施形態に係る接合方法の第二摩擦攪拌工程を示す斜視図である。 第三実施形態に係る接合方法の第二摩擦攪拌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接合方法について図面を参照して詳細に説明する。図１に示すように、本実施形態に係る接合方法では、第一金属部材１と第二金属部材２とを正面視Ｔ字状に突合せて摩擦攪拌により接合する。本実施形態に係る接合方法では、準備工程と、突合せ工程と、第一摩擦攪拌工程と、第二摩擦攪拌工程と、を行う。なお、説明における「表面」とは、「裏面」の反対側の面を意味する。

準備工程は、第一金属部材１及び第二金属部材２を準備する工程である。第一金属部材１及び第二金属部材２は、いずれも板状を呈する。第一金属部材１及び第二金属部材２は、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。

第一金属部材１の端面１ａには、複数の突出部１０（本実施形態では３つ）が形成されている。突出部１０の個数は制限されるものではない。突出部１０は単数でも良い。突出部１０の形状は特に制限されないが本実施形態では円柱状を呈する。突出部１０の高さ寸法は、第二金属部材２の板厚寸法の半分程度になっている。

第二金属部材２の裏面２ｃには、孔部１１が形成されている。孔部１１は、円柱状の中空部になっており、突出部１０に対応する位置に形成されている。孔部１１は、突出部１０が概ね隙間なく嵌め合わされる大きさになっている。

突合せ工程は、図２に示すように、第一金属部材１の端面１ａと第二金属部材２の裏面２ｃとを重ね合わせるとともに、孔部１１に突出部１０を挿入する工程である。突出部１０の外周面と孔部１１の孔壁とが突き合わされることにより突合せ部Ｊ１が形成される。また、第一金属部材１の端面１ａと第二金属部材２の裏面２ｃとが重ね合わされて重合部Ｊ２が形成される。

第一摩擦攪拌工程は、図３及び図４に示すように、第二金属部材２の表面２ｂ側から回転する接合用回転ツールＦを挿入し、突合せ部Ｊ１を摩擦攪拌接合する工程である。接合用回転ツールＦは、連結部Ｆ１と、攪拌ピンＦ２とで構成されている。接合用回転ツールＦは、特許請求の範囲の「回転ツール」に相当する。連結部Ｆ１は、図示しない摩擦攪拌装置に取り付けられる部位であって、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、接合用回転ツール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、接合用回転ツール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（第一金属部材１、第二金属部材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。

第一摩擦攪拌工程では、図３及び図４に示すように、第二金属部材２の表面２ｂから突合せ部Ｊ１に右回転させた攪拌ピンＦ２を挿入する。第一摩擦攪拌工程では、攪拌ピンＦ２のみと第一金属部材１及び第二金属部材２とを接触させた状態で突合せ部Ｊ１に沿って（突出部１０の外周側面に沿って）接合用回転ツールＦを相対移動させる。つまり、攪拌ピンＦ２の基端側を露出させた状態で突合せ部Ｊ１を摩擦攪拌接合する。接合用回転ツールＦの移動軌跡には、塑性化領域Ｗ１が形成される。第一摩擦攪拌工程では、塑性化領域Ｗ１の始端と終端とがオーバーラップするように設定することが好ましい。第一摩擦攪拌工程では、突出部１０及び孔部１１で形成された他の突合せ部Ｊ１に対しても同様に摩擦攪拌接合を行う。

なお、第一摩擦攪拌工程では、攪拌ピンＦ２のみと第二金属部材２のみとを接触させた状態で、突合せ部Ｊ１を摩擦攪拌接合してもよい。この場合は、攪拌ピンＦ２と第二金属部材２との摩擦熱により突合せ部Ｊ１が塑性流動化して接合される。

第二摩擦攪拌稿工程は、図５に示すように、第二金属部材２の表面２ｂ側から回転する接合用回転ツールＦを挿入し、重合部Ｊ２を摩擦攪拌接合する工程である。第二摩擦攪拌工程では、攪拌ピンＦ２が第一金属部材１の端面１ａに達するように設定し、重合部Ｊ２の長手方向に相対移動させる。接合用回転ツールＦの移動軌跡には、塑性化領域Ｗ２が形成される。

第二摩擦攪拌工程が終了したら、第二金属部材２の表面２ｂに発生したバリを除去するバリ除去工程を行うことが好ましい。これにより、第二金属部材２の表面２ｂをきれいに仕上げることができる。

以上説明した本実施形態に係る接合方法によれば、突出部１０を孔部１１に嵌め合わせると、第一金属部材１に対して第二金属部材２が移動不能となる。つまり、突出部１０及び孔部１１によって両金属部材を位置決めすることができる。また、第一摩擦攪拌工程では、接合用回転ツールＦの攪拌ピンＦ２のみを第一金属部材１及び第二金属部材２に接触させた状態、又は、第二金属部材２のみに接触させた状態で突合せ部Ｊ１を摩擦攪拌接合するため、摩擦攪拌装置に作用する負荷を小さくすることができる。

また、本実施形態のように、突出部１０及び孔部１１を複数個設けるとともに各突合せ部Ｊ１に対して摩擦攪拌接合を行うことにより、被接合金属部材の接合強度を高めることができる。

また、第二摩擦攪拌工程では、重合部Ｊ２も摩擦攪拌接合するため、第一金属部材１と第二金属部材２の接合強度を高めることができる。また、第二摩擦攪拌工程でも、接合用回転ツールＦの攪拌ピンＦ２のみを第一金属部材１及び第二金属部材２に接触させた状態で重合部Ｊ２を摩擦攪拌接合するため、摩擦攪拌装置に作用する負荷を小さくすることができる。

［第二実施形態］
次に、第二実施形態に係る接合方法について説明する。図６及び図７に示すように、第二実施形態に係る接合方法では、第一金属部材１Ａと第二金属部材２とを接合する。第二実施形態に係る接合方法では、準備工程と、重合工程と、第一摩擦攪拌工程と、第二摩擦攪拌工程と、を行う。

準備工程は、第一金属部材１Ａと第二金属部材２とを用意する工程である。第二金属部材２は、第一実施形態と同一である。第一金属部材１Ａは、摩擦攪拌可能な金属で形成されており、板状を呈する。第一金属部材１Ａの表面１ｂの中央には、突出部１０が形成されている。突出部１０の個数は制限されないが、本実施形態では３つ形成されている。

重合工程は、第一金属部材１Ａの表面１ｂと第二金属部材２の裏面２ｃとを重ね合わせて重合部Ｊ３を形成するとともに、孔部１１に突出部１０を挿入して孔部１１と突出部１０とが突き合わされた突合せ部Ｊ１を形成する工程である。

第一摩擦攪拌工程は、図８に示すように、第二金属部材２の表面２ｂ側から回転する接合用回転ツールＦの攪拌ピンＦ２を挿入し、攪拌ピンＦ２のみを第二金属部材２、又は、第一金属部材１Ａ及び第二金属部材２に接触させた状態で突合せ部Ｊ１を摩擦攪拌接合する工程である。第一摩擦攪拌工程は、第一実施形態の第一摩擦攪拌工程と同等であるため詳細な説明は省略する。

第二摩擦攪拌工程は、重合部Ｊ３を摩擦攪拌接合する工程である。具体的な図示は省略するが、接合用回転ツールＦの攪拌ピンのみを、第一金属部材１Ａ及び第二金属部材２に接触させた状態で、重合部Ｊ３に沿って接合用回転ツールＦを相対移動させる。接合用回転ツールＦの移動ルートは特に制限されないが、例えば、各塑性化領域Ｗ１を通過するように直線状に設定してもよいし、第二金属部材２の周縁に沿って閉ループ状に設定してもよい。

以上説明した本実施形態に係る接合方法によっても第一実施形態と略同等の効果を奏することができる。

［第三実施形態］
次に、第三実施形態に係る接合方法について説明する。図９に示すように、第三実施形態に係る接合方法では、準備工程と、重合工程と、第一摩擦攪拌工程と、第二摩擦攪拌工程と、を行う。

準備工程は、第一金属部材１Ｂと、第二金属部材２Ｂとを用意する工程である。第一金属部材１Ｂは、摩擦攪拌可能な金属で形成されており板状を呈する。第一金属部材１Ｂの表面１Ｂｂには、凹溝１２が形成されている。凹溝１２は、平面視Ｕ字状、断面矩形を呈する。表面１Ｂｂの四隅には、４つの突出部１０が形成されている。

第二金属部材２Ｂは、摩擦攪拌可能な金属で形成されており板状を呈する。第二金属部材２Ｂの裏面２Ｂｃの四隅には、孔部１１が形成されている。孔部１１は、突出部１０と対応する位置に形成されている。突出部１０及び孔部１１は、隙間なく嵌め合わされる形状になっている。

重合工程は、図１０に示すように、第一金属部材１Ｂの表面１Ｂｂと第二金属部材２Ｂの裏面２Ｂｃとを重ね合わせて重合部Ｊ４を形成するとともに、孔部１１に突出部１０を挿入して孔部１１と突出部１０とが突き合わされた突合せ部Ｊ１を形成する工程である。

第一摩擦攪拌工程は、図１１に示すように、第二金属部材２Ｂの表面２Ｂｂ側から回転する接合用回転ツールＦの攪拌ピンＦ２を挿入し、攪拌ピンＦ２のみを第二金属部材２Ｂ、又は、第一金属部材１Ｂ及び第二金属部材２Ｂに接触させた状態で突合せ部Ｊ１を摩擦攪拌接合する工程である。第一摩擦攪拌工程は、第一実施形態の第一摩擦攪拌工程と同等であるため詳細な説明は省略する。

第二摩擦攪拌工程は、図１２及び図１３に示すように、重合部Ｊ４を摩擦攪拌接合する工程である。図１２に示すように、接合用回転ツールＦの攪拌ピンＦ２を第二金属部材２Ｂの表面２Ｂｂに設定したＳｐに挿入し、第二金属部材２Ｂの外周縁に沿って接合用回転ツールＦを相対移動させる。つまり、第二金属部材２Ｂの四隅にある塑性化領域Ｗ１を通るように、接合用回転ツールＦの移動ルートを設定し、相対移動させる。第二摩擦攪拌工程では、攪拌ピンＦ２のみを第一金属部材１Ｂ及び第二金属部材２Ｂに接触させた状態で重合部Ｊ４に対して摩擦攪拌接合を行う。第二摩擦攪拌工程では、塑性化領域Ｗ２の始端と終端とをオーバーラップさせ、塑性化領域Ｗ２が閉ループとなるようにする。

以上説明した第三実施形態に係る接合方法によっても第一実施形態と略同等の効果を奏することができる。また、第三実施形態に係る接合方法によれば内部に中空部を備えた構造物を形成することができる。また、塑性化領域Ｗ２をオーバーラップさせることにより、構造物の水密性及び気密性を高めることができる。

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。例えば、第一摩擦攪拌工程では、攪拌ピンＦ２が第一金属部材１の端面１ａ、第一金属部材１Ａの表面１ｂ又は第一金属部材１Ｂの表面１Ｂｂに達するように挿入深さを設定してもよい。また、例えば、第三実施形態では、凹溝１２を第一金属部材１Ｂに形成したが、第一金属部材１Ｂ及び第二金属部材２Ｂの少なくとも一方に凹溝を形成すればよい。また、第一金属部材１Ｂ及び第二金属部材２Ｂの少なくとも一方に凹部を形成してもよい。また、第一摩擦攪拌工程及び第二摩擦攪拌工程は、どちらを先に行ってもよい。

１ 第一金属部材
２ 第二金属部材
１０ 突出部
１１ 孔部
１２ 凹溝
Ｆ 接合用回転ツール
Ｆ１ 連結部
Ｆ２ 攪拌ピン
Ｊ１ 突合せ部
Ｊ２ 重合部
Ｗ１ 塑性化領域

Claims (5)

1. 攪拌ピンを備えた回転ツールを用いて第一金属部材及び第二金属部材を接合する接合方法であって、
   前記第一金属部材の端面から突出する突出部を形成するとともに、前記第二金属部材の裏面に孔部を形成する準備工程と、
   前記第一金属部材の端面と前記第二金属部材の裏面とを重ね合わせて重合部を形成するとともに、前記孔部に前記突出部を挿入して前記孔部と前記突出部とが突き合わされた突合せ部を形成する突合せ工程と、
   前記第二金属部材の表面側から回転する前記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第二金属部材、又は、前記第一金属部材及び前記第二金属部材に接触させた状態で前記突合せ部を摩擦攪拌接合する第一摩擦攪拌工程と、を含むことを特徴とする接合方法。
2. 前記重合部を摩擦攪拌接合する第二摩擦攪拌工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の接合方法。
3. 攪拌ピンを備えた回転ツールを用いて第一金属部材及び第二金属部材を接合する接合方法であって、
   前記第一金属部材の表面から突出する突出部を形成するとともに、前記第二金属部材の裏面に孔部を形成する準備工程と、
   前記第一金属部材の表面と前記第二金属部材の裏面とを重ね合わせて重合部を形成するとともに、前記孔部に前記突出部を挿入して前記孔部と前記突出部とが突き合わされた突合せ部を形成する重合工程と、
   前記第二金属部材の表面側から回転する前記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第二金属部材、又は、前記第一金属部材及び前記第二金属部材に接触させた状態で前記突合せ部を摩擦攪拌接合する第一摩擦攪拌工程と、を含むことを特徴とする接合方法。
4. 前記重合工程の前に、前記第一金属部材の表面及び前記第二金属部材の裏面の少なくとも一方に溝又は凹部を形成することを特徴とする請求項３に記載の接合方法。
5. 前記重合部を摩擦攪拌接合する第二摩擦攪拌工程を含むことを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の接合方法。

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