JP2018008302A - 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り、また、金属部材の表面にバリが発生するのを防ぐことができるとともに、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。
【解決手段】底面３ａに孔部１１が形成された凹溝３を有する板状の第一金属部材１と、端面２ａに突出部１０を有する板状の第二金属部材２を準備する準備工程と、孔部１１に突出部１０を挿入して、第一金属部材１の裏面１ｃに第二金属部材２の端面２ａが突き合わされた突合せ部Ｊ１と、孔部１１と突出部１０とが突き合わされた突合せ部Ｊ２を形成する突合せ工程と、凹溝３に回転ツールＧを挿入して凹溝３に沿って相対移動させ、各突合せ部Ｊ１，Ｊ２を摩擦攪拌接合する摩擦攪拌工程とを含み、第一金属部材１から発生するバリＶを回転ツールＧのショルダ部Ｇ１で押さえつつ摩擦攪拌接合を行う。
【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凹溝に挿入した後、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凹溝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、回転ツールのショルダ部の下端面を第二金属部材の表面に押し込んで摩擦攪拌工程を行うため、第一金属部材の表面にバリが発生する。そのため、バリを除去するバリ除去工程を行わなければならない。更には、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り、また、金属部材の表面にバリが発生するのを防ぐことができるとともに、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特徴とする。

このような課題を解決するために本発明は、板状を呈し表面に凹溝を有するとともに前記凹溝に孔部を有する第一金属部材と、板状を呈し端面に突出部を有する第二金属部材と、を準備する準備工程と、前記第一金属部材の裏面に前記第二金属部材の端面を突き合わせるとともに、前記孔部に前記突出部を挿入し、前記第一金属部材の裏面と前記第二金属部材の端面とが突き合わされた第一突合せ部と、前記孔部と前記突出部とが突き合わされた第二突合せ部を形成する突合せ工程と、前記第一金属部材の表面側から前記凹溝に回転ツールの攪拌ピンを挿入し、前記回転ツールを前記凹溝に沿って相対移動させて、前記第一突合せ部及び前記第二突合せ部を摩擦攪拌接合する摩擦攪拌工程と、を含み、前記回転ツールは、円柱状を呈するショルダ部と前記ショルダ部から垂下する攪拌ピンとを有し、前記ショルダ部の直径を前記凹溝の幅よりも小さく設定し、前記摩擦攪拌工程において、前記回転ツールのショルダ部を前記凹溝内に挿入し、前記ショルダ部を前記凹溝の底面から離間させた状態で、前記第一金属部材から発生するバリを前記ショルダ部で押さえつつ、前記第一突合せ部及び前記第二突合せ部を摩擦攪拌接合することを特徴とする。

かかる方法によれば、突出部及び孔部によって両金属部材を位置決めすることができる。この位置決めした状態で双方の金属部材を摩擦攪拌接合するので、接合精度を高めることができる。また、凹溝の底面、凹溝の側壁及びショルダ部の下端面で狭い空間が形成されるため、バリが散飛するのを防ぐとともに凹溝の底面にバリを堆積させることができる。これにより、第一金属部材の表面にバリが発生するのを防ぐことができるとともに、第一金属部材の表面のバリ除去工程等の表面処理を省略化することができる。また、凹溝の底面にショルダ部を押し込まないため、摩擦攪拌装置にかかる負荷を小さくすることができる。

また、前記摩擦攪拌工程の前に、前記第二突合せ部を仮接合する仮接合工程を含むことを特徴とする。

かかる方法によれば、摩擦攪拌の際に第一金属部材の裏面と第二金属部材の端面とが突き合わされた第一突合せ部の目開きを防ぐことができる。

また、前記第二金属部材の板厚は、前記凹溝の幅よりも大きく設定することを特徴とする。

かかる方法によれば、第二金属部材の板厚寸法を第一金属部材の凹溝の幅よりも大きく設定しているため、回転ツールの攪拌ピンによって塑性流動化した材料が、第一突合せ部から飛び出ることを確実に防止することができる。

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であり、また、金属部材の表面にバリが発生するのを防ぐことができるとともに、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斜視図である。 第一実施形態に係る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接合方法の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摩擦攪拌工程後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突合せ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。 第二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、仮接合工程と、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の表面には、断面矩形の凹溝３が形成されている。凹溝３は、第一金属部材１の延長方向に延設されている。凹溝３の底面３ａには、底面３ａから裏面１ｃに貫通する複数の孔部１１が形成されている。孔部１１は、円柱状の中空部になっている。第二金属部材２の端面２ａ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、第一金属部材１の凹溝３の底面３ａと裏面１ｃ間の板厚寸法と同等になっている。突出部１０は、孔部１１に対応する位置に形成されており、孔部１１に概ね隙間なく嵌め合わされる大きさになっている。

第二金属部材２は、板状の金属部材である。第二金属部材２の板厚寸法は適宜設定すればよいが、本実施形態では凹溝３の幅よりも大きく形成されている。第二金属部材２の材料は、前記した摩擦攪拌可能な金属から適宜選択すればよいが、第一金属部材１と同等の材料であることが好ましい。

突合せ工程は、図２に示すように、第一金属部材１の裏面１ｃと、第二金属部材２の端面２ａとを突き合わせるとともに、孔部１１に突出部１０を挿入する工程である。第一金属部材１の裏面１ｃと第二金属部材２の端面２ａとが突き合わされて突合せ部Ｊ１（第一突合せ部）が形成される。また、突出部１０の外周面１０ａと孔部１１の孔壁１１ａとが突き合わされることにより突合せ部Ｊ２（第二突合せ部）が形成される。

仮接合工程は、図３に示すように、第一金属部材１の表面１ｂ側から回転する回転ツールＦを挿入し、凹溝３の底面３ａに露出する突合せ部Ｊ２の一部又は全てを摩擦攪拌して接合（仮接合）する工程である。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。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Ｆ３が刻設されている。本実施形態では、回転ツールＦを矢印で示すように右回転させるため、螺旋溝Ｆ３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。言い換えると、螺旋溝Ｆ３は、螺旋溝Ｆ３を基端から先端に向けてなぞると上から見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Ｆ３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。言い換えると、この場合の螺旋溝Ｆ３は、螺旋溝Ｆ３を基端から先端に向けてなぞると上から見て右回りに形成されている。螺旋溝Ｆ３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Ｆ３によって攪拌ピンＦ２の先端側に導かれる。これにより、第一金属部材１の外部に溢れ出る金属の量を少なくすることができる。

仮接合工程では、図３に示すように、第一金属部材１の表面１ｂから突合せ部Ｊ２に右回転させた攪拌ピンＦ２を挿入する。仮接合工程では、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Ｊ２に沿って回転ツールＦを相対移動させる。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。攪拌ピンＦ２の挿入深さは適宜設定すればよく、塑性化領域Ｗ１が突合せ部Ｊ１に達するように設定してもよい。

仮接合工程では、突出部１０及び孔部１１で形成された他の突合せ部Ｊ２に対しても同様に摩擦攪拌接合を行う。なお、仮接合工程は溶接で行ってもよい。また、仮接合工程は省略してもよい。

摩擦攪拌工程は、図４及び図５に示すように、回転ツールＧのショルダ部Ｇ１を凹溝３内に挿入して突合せ部Ｊ１を摩擦攪拌接合する工程である。回転ツールＧは、円柱状のショルダ部Ｇ１と、ショルダ部Ｇ１の下端面Ｇ１ａから垂下する攪拌ピンＧ２とで構成されている。ショルダ部Ｇ１の外径は、凹溝３の幅よりも若干小さく形成されている。ショルダ部Ｇ１の外径は、ショルダ部Ｇ１の外周面と凹溝３の側壁３ｂ，３ｂとが接触するように設定してもよいが、摩擦攪拌工程を行う際に、ショルダ部Ｇ１の外周面と凹溝３の側壁３ｂ，３ｂとが僅かな隙間をあけて相対移動可能な寸法であることが好ましい。

攪拌ピンＧ２は、先細りになっている。攪拌ピンＧ２の外周面には螺旋溝が形成されている。本実施形態では、回転ツールＧを右回転させるため、攪拌ピンＧ２の螺旋溝は、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。言い換えると、螺旋溝は、螺旋溝を基端から先端に向けてなぞると上から見て左回りに形成されている。

なお、回転ツールＧ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。言い換えると、この場合の螺旋溝は、螺旋溝を基端から先端に向けてなぞると上から見て右回りに形成されている。螺旋溝をこのように設定することで、摩擦攪拌工程の際に塑性流動化した金属が螺旋溝によって攪拌ピンＧ２の先端側に導かれる。これにより、凹溝３の底面３ａから溢れ出る金属の量を少なくすることができる。

摩擦攪拌工程では、回転ツールＧの攪拌ピンＧ２を第一金属部材１の表面１ｂ側から凹溝３の底面３ａの中央に挿入し、突合せ部Ｊ１（凹溝３）に沿って回転ツールＧを相対移動させる。回転ツールＧの挿入深さは、適宜設定すればよいが、本実施形態では、攪拌ピンＧ２が第二金属部材２に達するように、つまり、第一金属部材１及び第二金属部材２と攪拌ピンＧ２とを接触させた状態で摩擦攪拌接合を行う。回転ツールＧの移動軌跡には塑性化領域Ｗが形成される。

また、摩擦攪拌工程では、ショルダ部Ｇ１の下端面Ｇ１ａを、凹溝３の底面３ａから離間させ、かつ、第一金属部材１の表面１ｂよりも低い位置に設定している。つまり、摩擦攪拌工程では、摩擦攪拌によって発生するバリＶをショルダ部Ｇ１の下端面Ｇ１ａで押さえ込みつつ摩擦攪拌接合を行う。特許請求の範囲の「前記ショルダ部を前記凹溝の底面から離間させた状態」とは、バリＶが発生する前の凹溝３の底面３ａからショルダ部Ｇ１の下端面Ｇ１ａを離間させるという意味である。また、特許請求の範囲の「前記第一金属部材から発生するバリを前記ショルダ部で押さえつつ」とは、堆積するバリＶとショルダ部Ｇ１の下端面Ｇ１ａとが接触しており、バリＶの表面（上面）をショルダ部Ｇ１の下端面Ｇ１ａによって押さえるという意味である。

また、ショルダ部Ｇ１の外周面と凹溝３の側壁３ｂ，３ｂとは僅かな隙間をあけて離間している。凹溝３の底面３ａ、凹溝３の側壁３ｂ，３ｂ及びショルダ部Ｇ１の下端面Ｇ１ａで狭い空間が形成されている。

摩擦攪拌工程によって凹溝３の底面３ａにバリＶが発生するが、凹溝３の底面３ａ、凹溝３の側壁３ｂ，３ｂ及びショルダ部Ｇ１の下端面Ｇ１ａで構成された狭い空間（断面矩形の閉空間）に当該バリＶが閉じ込められ、底面３ａにバリＶが堆積する。図６に示すように、バリＶは、凹溝３内に収容されるとともに、バリＶの表面（上面）は、ショルダ部Ｇ１の下端面Ｇ１ａによって押さえられて略平坦になる。

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、第二金属部材２に対して第一金属部材１が移動不能となる。突出部１０及び孔部１１によって第一金属部材１及び第二金属部材２を位置決めした状態で、摩擦攪拌接合を行うため、接合精度を高めることができる。また、仮接合を行うことにより、摩擦攪拌工程の際に突合せ部Ｊ１の目開きを防ぐことができるため、第一金属部材１と第二金属部材２の接合精度をより高めることができる。

また、凹溝３の底面３ａ、凹溝３の側壁３ｂ及びショルダ部Ｇ１の下端面Ｇ１ａで狭い空間が形成されるため、バリＶが散飛するのを防ぐとともに凹溝３の底面３ａにバリＶを堆積させることができる。これにより、第一金属部材１の表面１ｂにバリが発生するのを防ぐことができる。よって、第一金属部材１の表面１ｂのバリ除去工程等の表面処理を省略化することができる。また、凹溝３の底面３ａにショルダ部Ｇ１を押し込まないため、摩擦攪拌装置にかかる負荷を小さくすることができる。

また、第二金属部材２の板厚寸法を、第一金属部材１の凹溝３の幅よりも大きく設定しているため、回転ツールＧの攪拌ピンＧ２によって塑性流動化した材料が、突合せ部Ｊ１から飛び出ることを確実に防止することができる。

［第二実施形態］
次に、本発明の第二実施形態に係る接合方法について説明する。図７、図８及び図９に示すように、第二実施形態に係る接合方法では、一対の第一金属部材１（１Ａ，１Ｂ）と複数の第二金属部材２とを接合して構造物Ｚを形成する。

第一金属部材１Ａは、板状を呈する金属部材である。第一金属部材１Ａの表面１ｂには、複数の凹溝３が形成されている。凹溝３は、所定の間隔をあけて形成されている。凹溝３の底面３ａには、底面３ａから裏面１ｃに貫通する複数の孔部１１が形成されている。孔部１１は、円柱状の中空部になっている。第一金属部材１Ｂは、第一金属部材１Ａと同等の部材である。

第二金属部材２の両側の端面２ａには、複数の突出部１０が形成されている。突出部１０の形状は特に制限されないが、ここでは円柱状を呈する。突出部１０の高さ寸法は、第一金属部材１Ａ，１Ｂの凹溝３の底面３ａと裏面１ｃ間の板厚寸法と同等になっている。突出部１０は、孔部１１に対応する位置に形成されており、孔部１１に概ね隙間なく嵌め合わされる大きさになっている。第二実施形態に係る接合方法では、準備工程と、突合せ工程と、仮接合工程と、摩擦攪拌工程とを行う。

準備工程は、上述した一対の第一金属部材１Ａ，１Ｂ及び複数の第二金属部材２を準備する工程である。

突合せ工程は、図７に示すように、一対の第一金属部材１Ａ，１Ｂと複数の第二金属部材２とを突き合わせて複数の突合せ部Ｊ１ａ，Ｊ１ｂ，Ｊ２を形成する工程である。突合せ工程では、第一金属部材１Ａの裏面１ｃと、複数の第二金属部材２の一方の端面２ａとを突き合わせて複数の突合せ部Ｊ１ａ（第一突合せ部）を形成する。第二金属部材２の一方の端面２ａは、第一金属部材１Ａの凹溝３に対応する裏面１ｃの位置に突き合わせる。この際、突出部１０の外周面１０ａと孔部１１の孔壁１１ａとが突き合わされることにより突合せ部Ｊ２（第二突合せ部）が形成される。また、突合せ工程では、第一金属部材１Ｂの裏面１ｃと、複数の第二金属部材２の他方の端面２ａとを突き合わせて複数の突合せ部Ｊ１ｂ（第一突合せ部）を形成する。第二金属部材２の他方の端面２ａは、第一金属部材１Ｂの凹溝３に対応する裏面１ｃの位置に突き合わせる。この際、突出部１０の外周面１０ａと孔部１１の孔壁１１ａとが突き合わされることにより突合せ部Ｊ２（第二突合せ部）が形成される。

仮接合工程は、第一金属部材１Ａ，１Ｂの表面１ｂ側から回転する回転ツールＦ（図３参照）を挿入し、凹溝３の底面３ａに露出する各突合せ部Ｊ２の一部又は全てを摩擦攪拌して仮接合する工程である。なお、仮接合工程は省略することも可能である。

摩擦攪拌工程は、第一金属部材１Ａと第二金属部材２とで形成された突合せ部Ｊ１ａを接合する第一摩擦攪拌工程と、第一金属部材１Ｂと第二金属部材２とで形成された突合せ部Ｊ２ｂを接合する第二摩擦攪拌工程とを行う。図８に示すように、第一摩擦攪拌工程では、回転ツールＧを用いて突合せ部Ｊ１ａを摩擦攪拌接合する。第一摩擦攪拌工程は、第一実施形態の摩擦攪拌工程と同等であるため、詳細な説明は省略する。また、図９に示すように、第二摩擦攪拌工程では、回転ツールＧを用いて突合せ部Ｊ１ｂを摩擦攪拌接合する。第二摩擦攪拌工程は、第一実施形態の摩擦攪拌工程と同等であるため、詳細な説明は省略する。

第二実施形態に係る接合方法によれば、内部に断面視矩形の複数の中空部Ｘを備えた構造物Ｚを形成することができる。また、第二実施形態に係る接合方法によれば、第二金属部材２の両端の突出部１０を、上下の第一金属部材１Ａ，１Ｂの孔部１１に嵌め合わせると、第二金属部材２に対して第一金属部材１Ａ，１Ｂが移動不能となる。突出部１０及び孔部１１によって上下の第一金属部材１Ａ，１Ｂ及び第二金属部材２を位置決めした状態で摩擦攪拌接合を行うため、接合精度を高めることができる。また、仮接合工程を行うことにより、第一摩擦攪拌工程及び第二摩擦攪拌工程の際に突合せ部Ｊ１ａ，Ｊ１ｂの目開きを防ぐことができるため、各第一金属部材１Ａ，１Ｂと第二金属部材２との接合精度をより高めることができる。

また、第二実施形態に係る接合方法によれば、凹溝３の底面３ａ、凹溝３の側壁３ｂ，３ｂ及びショルダ部Ｇ１の下端面Ｇ１ａで狭い空間が形成されるため、バリＶが散飛するのを防ぐとともに凹溝３の底面３ａにバリＶを堆積させることができる。これにより、第一金属部材１Ａ，１Ｂの表面１ｂ及び第一金属部材１Ｂの表面１ｂにバリＶが発生するのを防ぐことができる。更に、第二実施形態に係る接合方法によれば、凹溝３の底面３ａにショルダ部Ｇ１を押し込まないため、摩擦攪拌装置にかかる負荷を小さくすることができる。

１ 第一金属部材
１ｂ 表面
１ｃ 裏面
２ 第二金属部材
２ａ 端面
２ｂ 表面
２ｃ 裏面
３ 凹溝
３ａ 底面
３ｂ 側壁
１０ 突出部
１０ａ 外周面
１１ 孔部
１１ａ 孔壁
Ｆ 回転ツール（仮接合用回転ツール）
Ｆ１ 連結部
Ｆ２ 攪拌ピン
Ｇ 回転ツール（接合用回転ツール）
Ｇ１ ショルダ部
Ｇ２ 攪拌ピン
Ｊ１ 突合せ部 （第一突合せ部）
Ｊ２ 突合せ部（第二突合せ部）
Ｗ 塑性化領域
Ｗ１ 塑性化領域

Claims (3)

1. 板状を呈し表面に凹溝を有するとともに前記凹溝に孔部を有する第一金属部材と、板状を呈し端面に突出部を有する第二金属部材と、を準備する準備工程と、
   前記第一金属部材の裏面に前記第二金属部材の端面を突き合わせるとともに、前記孔部に前記突出部を挿入し、前記第一金属部材の裏面と前記第二金属部材の端面とが突き合わされた第一突合せ部と、前記孔部と前記突出部とが突き合わされた第二突合せ部を形成する突合せ工程と、
   前記第一金属部材の表面側から前記凹溝に回転ツールの攪拌ピンを挿入し、前記回転ツールを前記凹溝に沿って相対移動させて、前記第一突合せ部及び前記第二突合せ部を摩擦攪拌接合する摩擦攪拌工程と、を含み、
   前記回転ツールは、円柱状を呈するショルダ部と前記ショルダ部から垂下する攪拌ピンとを有し、前記ショルダ部の直径を前記凹溝の幅よりも小さく設定し、
   前記摩擦攪拌工程において、前記回転ツールのショルダ部を前記凹溝内に挿入し、前記ショルダ部を前記凹溝の底面から離間させた状態で、前記第一金属部材から発生するバリを前記ショルダ部で押さえつつ、前記第一突合せ部及び前記第二突合せ部を摩擦攪拌接合することを特徴とする接合方法。
2. 前記摩擦攪拌工程の前に、前記第二突合せ部を仮接合する仮接合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. 前記第二金属部材の板厚は、前記凹溝の幅よりも大きく設定することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の接合方法。

Images