JP2018020347A - 摩擦攪拌接合方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】摩擦攪拌装置に作用する負荷を軽減する摩擦攪拌接合方法を提供する。【解決手段】攪拌ピンF2を備えた回転ツールFを用いて第一金属部材10と第二金属部材20とを接合する摩擦攪拌接合方法である。表面の高さが変化する第一金属部材10および第二金属部材20を突き合わせて、第一金属部材10の端面10aと第二金属部材20の表面とで形成される内隅C1を形成しつつ、高さが変化する突合せ部J1を形成する突合せ工程と、内隅C1に回転ツールFの攪拌ピンF2のみを挿入して、内隅C1に沿っ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している。【選択図】図4
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。
前記した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。この接合方法であると、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。
前記課題を解決するための第一の発明は、攪拌ピンを備えた本接合用回転ツールを用いて第一金属部材と第二金属部材とを接合する摩擦攪拌接合方法である。そして、表面の高さが変化する前記第一金属部材および前記第二金属部材を突き合わせて、前記第一金属部材の端面と前記第二金属部材の表面とで形成される内隅を形成しつつ、高さが変化する突合せ部を形成する突合せ工程と、前記内隅に前記本接合用回転ツールの前記攪拌ピンのみを挿入して、前記内隅に沿っ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している。
前記課題を解決するための第二の発明は、攪拌ピンを備えた本接合用回転ツールを用いて第一金属部材と第二金属部材とを接合する摩擦攪拌接合方法である。そして、表面の高さが変化する前記第一金属部材の表面と、裏面の高さが変化する前記第二金属部材の裏面とを重ね合わせて、前記第一金属部材の表面と前記第二金属部材の端面とで形成される表内隅を形成しつつ、高さが変化する重合部を形成する重ね合せ工程と、前記表内隅に前記本接合用回転ツールの前記攪拌ピンのみを挿入して、前記表内隅に沿っ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している。
また、第二の発明の前記本接合工程において、前記第一金属部材の端面と前記第二金属部材の裏面とで形成される裏内隅に前記本接合用回転ツールの前記攪拌ピンのみを挿入して、前記裏内隅に沿って摩擦攪拌接合を行うことが好ましい。
また、第二の発明の前記本接合工程において、前記第一金属部材の端面と前記第二金属部材の裏面とで形成される裏内隅に前記本接合用回転ツールの前記攪拌ピンのみを挿入して、前記裏内隅に沿って摩擦攪拌接合を行うことが好ましい。
かかる摩擦攪拌接合方法によれば、内隅を接合する場合において、本接合用回転ツールの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。
第一の発明の前記本接合工程の前に、前記内隅に仮接合用回転ツールの攪拌ピンのみを挿入してスポットで摩擦攪拌接合を行う仮接合工程を含むことが好ましい。
第二の発明の前記本接合工程の前に、前記表内隅に仮接合用回転ツールの攪拌ピンのみを挿入してスポットで摩擦攪拌接合を行う仮接合工程を含むことが好ましい。
第二の発明の前記本接合工程の前に、前記裏内隅に仮接合用回転ツールの攪拌ピンのみを挿入してスポットで摩擦攪拌接合を行う仮接合工程を含むことが好ましい。
かかる摩擦攪拌接合方法によれば、攪拌ピンのみを金属部材に接触させた状態で突合せ部のスポット仮付けを行うことにより、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、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。
第二の発明の前記本接合工程の前に、前記表内隅に仮接合用回転ツールの攪拌ピンのみを挿入してスポットで摩擦攪拌接合を行う仮接合工程を含むことが好ましい。
第二の発明の前記本接合工程の前に、前記裏内隅に仮接合用回転ツールの攪拌ピンのみを挿入してスポットで摩擦攪拌接合を行う仮接合工程を含むことが好ましい。
かかる摩擦攪拌接合方法によれば、攪拌ピンのみを金属部材に接触させた状態で突合せ部のスポット仮付けを行うことにより、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、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。
第一の発明の前記本接合工程の前に、前記内隅にMIG、TIGまたはレーザーによるスポット溶接を行う仮接合工程を含むことが好ましい。
第二の発明の前記本接合工程の前に、前記表内隅にMIG、TIGまたはレーザーによるスポット溶接を行う仮接合工程を含むことが好ましい。
第二の発明の前記本接合工程の前に、前記裏内隅にMIG、TIGまたはレーザーによるスポット溶接を行う仮接合工程を含むことが好ましい。
かかる摩擦攪拌接合方法によれば、仮接合工程において、溶接で突合せ部のスポット仮付けを行うため、仮付けを摩擦攪拌にて行う場合より、摩擦攪拌装置に作用する負担を軽減できる。また、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。
第二の発明の前記本接合工程の前に、前記表内隅にMIG、TIGまたはレーザーによるスポット溶接を行う仮接合工程を含むことが好ましい。
第二の発明の前記本接合工程の前に、前記裏内隅にMIG、TIGまたはレーザーによるスポット溶接を行う仮接合工程を含むことが好ましい。
かかる摩擦攪拌接合方法によれば、仮接合工程において、溶接で突合せ部のスポット仮付けを行うため、仮付けを摩擦攪拌にて行う場合より、摩擦攪拌装置に作用する負担を軽減できる。また、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、第一の発明および第二の発明の摩擦攪拌接合方法において、前記仮接合用回転ツールおよび前記本接合用回転ツールは同一の回転ツールであることが好ましい。かかる摩擦攪拌接合方法によれば、回転ツールの交換を行う必要が無いため作業効率を高めることができる。
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]
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1〜図8を参照して詳細に説明する。第一実施形態では、厚さの異なる二つの金属板(第一金属部材と第二金属部材)を接合する。第一金属部材と第二金属部材とは、とともに表面に凸部を有しており、表面の高さが変化している。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。
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1〜図8を参照して詳細に説明する。第一実施形態では、厚さの異なる二つの金属板(第一金属部材と第二金属部材)を接合する。第一金属部材と第二金属部材とは、とともに表面に凸部を有しており、表面の高さが変化している。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、厚さの異なる第一金属部材10と第二金属部材20とを突き合わせる工程である。第一金属部材10および第二金属部材20は、アルミニウム合金製の板状部材からなる。第一金属部材10および第二金属部材20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。
第一金属部材10は、直方体を呈する本体部11と、本体部11の上に形成され断面台形状を呈する凸部12とで構成されている。凸部12は、本体部11の中間に配置されている。凸部12の上部表面12aは、本体部11の表面11a,11bよりも上方に位置している。凸部12の第一傾斜表面12bは、台形の斜辺部に相当する部分であって本体部11の表面11aと凸部12の上部表面12aとを連結している。また、凸部12の第二表面12cは、台形の斜辺部に相当する部分であって本体部11の表面11bと凸部12の上部表面12aとを連結している。
第二金属部材20は、直方体を呈する本体部21と、本体部21の上に形成され断面台形状を呈する凸部22とで構成されている。凸部22は、本体部21の中間に配置されている。第二金属部材20の本体部21の厚さは、第一金属部材10の本体部11の厚さより薄い。凸部22の形状は、凸部12と同等である。凸部22の上部表面22aは、本体部21の表面21a,21bよりも上方に位置している。凸部22の第一傾斜表面22bは、台形の斜辺部に相当する部分であって本体部21の表面21aと凸部22の上部表面22aとを連結している。また、凸部22の第二表面22cは、台形の斜辺部に相当する部分であって本体部21の表面21bと凸部22の上部表面22aとを連結している。
突合せ工程では、図2に示すように、第一金属部材10の端面10aと第二金属部材20の端面20aとを突き合わせる。このとき、第一金属部材10の裏面(下面)10cと第二金属部材20の裏面(下面)20cとを面一とするので、第一金属部材10の本体部11の各表面(上面)11a,11bが、第二金属部材20の本体部21の各表面(上面)21a,21bより上方に位置している。また、第一金属部材10の凸部12の各表面(上面)12a,12b,12cが、対応する第二金属部材20の凸部22の各表面(上面)22a,22b,22cよりそれぞれ上方に位置している。また、第一金属部材10の側面10dと第二金属部材20の側面20dとを面一とする。
突合せ工程によって端面10a,20aが面接触して突合せ部J1が形成される。突合せ部J1はその高さ位置が変化するように形成される。突合せ部J1の端部(第二金属部材20の厚さ方向上端部)には、第一金属部材10の端面10aと第二金属部材20の各表面21a,22b,22a,22c,21bとによって内隅C1が形成される。
内隅C1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、内隅C1は、第一平部Caと、第一傾斜部Cbと、第二平部Ccと、第二傾斜部Cdと、第三平部Ceとで構成されている。挿入位置は、第一平部Caにある。
内隅C1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、内隅C1は、第一平部Caと、第一傾斜部Cbと、第二平部Ccと、第二傾斜部Cdと、第三平部Ceとで構成されている。挿入位置は、第一平部Caにある。
また、突合せ工程では、タブ材T,Tを内隅C1の延在方向の両端に配置する。タブ材Tの表面Taは、第二金属部材2の表面21a,21bと面一にする。また、タブ材Tの裏面Tbは、第一金属部材1の裏面10cおよび第二金属部材2の裏面20cと面一にする。
仮接合工程は、図3に示すように、回転ツールF(仮接合用回転ツール)を用いて内隅C1に対して仮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。回転ツールFは、連結部F1と攪拌ピンF2とを備えている。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から延在しており、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。第一実施形態では、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(第一金属部材10および第二金属部材20)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、回転させた回転ツールFの攪拌ピンF2のみを突合せ部J1の端部の内隅C1に接触させてスポット仮付けを行う。仮接合工程では、所定の間隔をあけて攪拌ピンF2のみを突合せ部J1に浅く押し込んでいく。このとき、攪拌ピンF2が第一金属部材10の端面10aの上部に干渉しないように、回転ツールFを傾斜させる。回転ツールFは、連結部F1が第二金属部材20側になるように傾斜させる。攪拌ピンF2の押し込み跡には、溶接痕W0が形成される。
回転ツールFは、先端にスピンドルユニット等の駆動手段を備えたアームロボット(図示せず)に取り付けられることが好ましい。これにより、回転ツールFの回転中心軸を容易に傾けることができるため、容易に内隅C1のスポット仮付けを行うことができる。
また、仮接合工程では、第一金属部材10とタブ材Tとの突合せ部、および第二金属部材20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い、タブ材Tと第一金属部材10および第二金属部材20とを仮接合する。
回転ツールFは、先端にスピンドルユニット等の駆動手段を備えたアームロボット(図示せず)に取り付けられることが好ましい。これにより、回転ツールFの回転中心軸を容易に傾けることができるため、容易に内隅C1のスポット仮付けを行うことができる。
また、仮接合工程では、第一金属部材10とタブ材Tとの突合せ部、および第二金属部材20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い、タブ材Tと第一金属部材10および第二金属部材20とを仮接合する。
本接合工程は、図4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の内隅C1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、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の内隅C1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のみを第一金属部材10および第二金属部材20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。
タブ材T上では、回転ツールFの回転中心軸がタブ材Tの表面Taに直交した状態で回転ツールFを移動させる。回転ツールFが内隅C1の近傍まで移動すると、回転ツールFを第二金属部材20側(表面が低い金属部材側)に傾斜させる。回転ツールFの回転中心軸の傾斜角度は、第一金属部材10の表面10bと第二金属部材20の表面20bとの段差の高さ寸法に応じて適宜設定される。図5に示すように、本実施形態では、回転ツールFの回転中心軸が、第二金属部材20の表面2bに対して60°程度傾斜しており、攪拌ピンF2の先端部が、第一金属部材10と第二金属部材20との突合せ面(第一金属部材10の端面10aと第二金属部材20の端面20aとの当接面)から離れすぎないようになっている。
回転ツールFが内隅C1から離反して他方のタブ材T上に移動すると、回転ツールFの回転中心軸をタブ材Tの表面Taに直交する状態に戻す。回転ツールFが他方のタブ材Tに設定した終了位置に達したら、タブ材Tから回転ツールFを離脱させる。以上の工程によって、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。
タブ材T上では、回転ツールFの回転中心軸がタブ材Tの表面Taに直交した状態で回転ツールFを移動させる。回転ツールFが内隅C1の近傍まで移動すると、回転ツールFを第二金属部材20側(表面が低い金属部材側)に傾斜させる。回転ツールFの回転中心軸の傾斜角度は、第一金属部材10の表面10bと第二金属部材20の表面20bとの段差の高さ寸法に応じて適宜設定される。図5に示すように、本実施形態では、回転ツールFの回転中心軸が、第二金属部材20の表面2bに対して60°程度傾斜しており、攪拌ピンF2の先端部が、第一金属部材10と第二金属部材20との突合せ面(第一金属部材10の端面10aと第二金属部材20の端面20aとの当接面)から離れすぎないようになっている。
回転ツールFが内隅C1から離反して他方のタブ材T上に移動すると、回転ツールFの回転中心軸をタブ材Tの表面Taに直交する状態に戻す。回転ツールFが他方のタブ材Tに設定した終了位置に達したら、タブ材Tから回転ツールFを離脱させる。以上の工程によって、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。
第一実施形態に係る本接合工程では、図6に示すように、突合せ部J1の内隅C1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のみを第一金属部材10および第二金属部材20に接触させた状態で摩擦攪拌を行う。第一実施形態に係る本接合工程では、第一金属部材10と第二金属部材20とを固定された架台(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Caの塑性化領域W1の深さZa、第一傾斜部Cbの塑性化領域W1の深さZb(第一傾斜表面22bと直交する線上における塑性化領域W1の深さ)および第二平部Cc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第二金属部材20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、第一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。
以上説明した第一実施形態に係る摩擦攪拌接合方法によれば、図3に示すように、攪拌ピンF2のみを第一金属部材10と第二金属部材20に接触させた状態で突合せ部J1の内隅C1のスポット仮付けを行うことにより、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、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。本実施形態に係る仮接合工程は、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。
さらに、図6に示すように、本接合工程においても攪拌ピンF2のみを第一金属部材10と第二金属部材20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の深い位置を接合することができる。
また、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。本実施形態に係る仮接合工程は、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。
さらに、図6に示すように、本接合工程においても攪拌ピンF2のみを第一金属部材10と第二金属部材20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の深い位置を接合することができる。
また、第一実施形態では、図5に示すように、回転ツールFの頭部を段差の下側となる第二金属部材20側に傾斜させているので、塑性化領域W1を攪拌ピンF2の周囲にバランスよく形成することができる。また、回転ツールFの回転中心軸の傾斜角度を段差の高さ寸法に応じて設定している。つまり、攪拌ピンF2の先端部が、第一金属部材1と第二金属部材2との突合せ面から離れすぎないように傾斜角度を設定している。これによって、突合せ面の広い範囲に亘って塑性化領域W1が形成されるので、接合強度を高めることができる。
また、第一実施形態では、仮接合工程を行う回転ツールF(仮接合用回転ツール)と、本接合工程を行う回転ツールF(本接合用回転ツール)は同一の回転ツールを用いている。これにより、各工程で回転ツールの交換を行う必要が無いため作業効率を高めることができる。
また、本接合工程では、図6に示すように、高さが変化する突合せ部J1の内隅C1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。
以上本発明の第一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、仮接合用回転ツール又は本接合用回転ツールに、ショルダ部および攪拌ピンを備えた回転ツールを用いてもよい。また、仮接合工程と、本接合工程とで異なる回転ツールを用いてもよい。
また、本接合工程は、第一金属部材10の表面および第二金属部材20の表面側からのみ行ったが、裏面側からも行ってもよい。このとき、表面に形成された塑性化領域W1と裏面側に形成された塑性化領域(図示せず)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。
例えば、仮接合用回転ツール又は本接合用回転ツールに、ショルダ部および攪拌ピンを備えた回転ツールを用いてもよい。また、仮接合工程と、本接合工程とで異なる回転ツールを用いてもよい。
また、本接合工程は、第一金属部材10の表面および第二金属部材20の表面側からのみ行ったが、裏面側からも行ってもよい。このとき、表面に形成された塑性化領域W1と裏面側に形成された塑性化領域(図示せず)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。
図7は、第一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7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の回転軸を内隅線(内隅C1に沿って延在する線)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Ca、第二平部Ccおよび第三平部Ceにおいては、第一実施形態と同様に、回転ツールFを第二金属部材20側(表面が低い金属部材側)に傾斜させる。つまり、回転ツールFを第二金属部材20側から見た側面視(図7の状態)で、回転ツールFを第二金属部材20の表面21aに対して直立させる。
一方、第一傾斜部Cb及び第二傾斜部Cdにおいては、回転ツールFを第二金属部材20側(表面が低い金属部材側)に傾斜させるとともに、回転ツールFを第二金属部20側から見た側面視でも傾斜させる。具体的には、回転ツールFを第二金属部材20側から見た側面視で、回転ツールFを第二金属部材20の凸部22の各表面22b,22cの傾斜面と第一金属部材10の端面とで構成される各内隅線に対してそれぞれ直立させる。以上の状態で、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J1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、各内隅線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、第一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を各内隅線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J1の内隅C1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、第二金属部材20側から見て、各内隅線に対する垂直面(各内隅線の接線に対する法線)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。
なお、接合面が曲面である場合は、第二金属部材20側から見て、各内隅線に対する垂直面(各内隅線の接線に対する法線)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。
また、第一実施形態の仮接合工程では、図3に示すように、回転ツールFを用いて内隅C1に対して仮接合を行っているが、図8に示すように、内隅C1に対して溶接で仮接合を行ってもよい。このとき、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。そして、溶接トーチHを内隅C1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。このようにして、スポット仮付けを行った部分には、溶接痕W0が形成される。
また、第一実施形態では、図2に示すように、厚さの異なる第一金属部材10と第二金属部材20とを突き合わせて内隅C1を形成したが、厚さが等しい第一金属部材の端部と第二金属部材の端部とをオフセットして突き合わせることで、内隅を形成してもよい。
[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、図9〜図13を参照して詳細に説明する。第二実施形態では、重ね合わされた二つの金属板(第一金属部材と第二金属部材)を接合する。本実施形態に係る摩擦攪拌接合方法では、重ね合せ工程と、仮接合工程と、本接合工程と、を行う。
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、図9〜図13を参照して詳細に説明する。第二実施形態では、重ね合わされた二つの金属板(第一金属部材と第二金属部材)を接合する。本実施形態に係る摩擦攪拌接合方法では、重ね合せ工程と、仮接合工程と、本接合工程と、を行う。
重ね合せ工程は、図10に示すように、第一金属部材110と第二金属部材120とを重ね合わせる工程である。第一金属部材110および第二金属部材120は、アルミニウム合金製の板状部材からなる。第一金属部材110および第二金属部材120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。
第二実施形態では、第一金属部材110の厚さ寸法は、第二金属部材120の厚さ寸法と同じである。なお、第一金属部材110の厚さ寸法と第二金属部材120の厚さ寸法は異なっていてもよい。
第二実施形態では、第一金属部材110の厚さ寸法は、第二金属部材120の厚さ寸法と同じである。なお、第一金属部材110の厚さ寸法と第二金属部材120の厚さ寸法は異なっていてもよい。
第一金属部材110の表面110bの中間部111は、図9に示すように、凸状に高さが変化しているとともに、第一金属部材110の裏面110cの中間部111は、凹状に高さが変化している。第一金属部材110の中間部111は正面視で台形状に形成されている。
第二金属部材120の表面120bの中間部121は、凸状に高さが変化しているとともに、第二金属部材120の裏面120cの中間部121は、凹状に高さが変化している。第二金属部材120の中間部121は正面視で台形状に形成されている。
第一金属部材110の中間部111と、第二金属部材120の中間部121とは、同じ形状である。
第二金属部材120の表面120bの中間部121は、凸状に高さが変化しているとともに、第二金属部材120の裏面120cの中間部121は、凹状に高さが変化している。第二金属部材120の中間部121は正面視で台形状に形成されている。
第一金属部材110の中間部111と、第二金属部材120の中間部121とは、同じ形状である。
重ね合せ工程では、図10に示すように、第一金属部材110の表面110bと、第二金属部材120の裏面120cとを重ね合わせて重合部K1を形成する。
重合部K1には、第一金属部材110の表面110bと第二金属部材120の端面120aとによって表内隅C10が形成されている。表内隅C10は、第一金属部材110の表面110bに交差する第二金属部材120の端面120aの下端縁に沿って延在している。
また、重合部K1には、第一金属部材110の端面110aと第二金属部材120の裏面120cとによって裏内隅C20が形成されている。裏内隅C20は、第二金属部材120の裏面120cに交差する第一金属部材110の端面110aの上端縁に沿って延在している。重合部K1は、表面側および裏面側において、その高さ位置が変化するように形成される。
重合部K1には、第一金属部材110の表面110bと第二金属部材120の端面120aとによって表内隅C10が形成されている。表内隅C10は、第一金属部材110の表面110bに交差する第二金属部材120の端面120aの下端縁に沿って延在している。
また、重合部K1には、第一金属部材110の端面110aと第二金属部材120の裏面120cとによって裏内隅C20が形成されている。裏内隅C20は、第二金属部材120の裏面120cに交差する第一金属部材110の端面110aの上端縁に沿って延在している。重合部K1は、表面側および裏面側において、その高さ位置が変化するように形成される。
仮接合工程は、回転ツールF(仮接合用回転ツール)を用いて表内隅C10に対して仮接合を行う工程である。回転ツールFは、第一実施形態と同様のものであって、先端にスピンドルユニット等の駆動手段を備えたアームロボット(図示せず)に取り付けられている。
仮接合工程では、回転させた回転ツールFの攪拌ピンF2のみを表内隅C10に接触させてスポット仮付けを行う。仮接合工程では、所定の間隔をあけて攪拌ピンF2のみを重合部K1に浅く押し込んでいく。このとき、連結部F1が第一金属部材110側になるように回転ツールFを傾斜させる。攪拌ピンF2の押し込み跡には、溶接痕W0が形成される。
本接合工程は、図11および図12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、重合部K1の表内隅C10および裏内隅C20に対して本接合を行う工程である。
第二実施形態では、図11に示すように、最初に表内隅C10の本接合を行う。表内隅C10の一方の端部に、回転させた回転ツールFを挿入し、その回転ツールFを表内隅C10に沿って相対移動させる。本接合工程では、攪拌ピンF2のみを第一金属部材110および第二金属部材120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。このとき、回転ツールFを第一金属部材110側(下側の金属部材側)に傾斜させることで、攪拌ピンF2の先端部が、第一金属部材110と第二金属部材120との重合面(第一金属部材110の表面110bと第二金属部材120の裏面120cとの当接面)から離れすぎないようにする。このようにして、表内隅C10の一方の端部から他方の端部に回転ツールFを移動させると、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。
第二実施形態では、図11に示すように、最初に表内隅C10の本接合を行う。表内隅C10の一方の端部に、回転させた回転ツールFを挿入し、その回転ツールFを表内隅C10に沿って相対移動させる。本接合工程では、攪拌ピンF2のみを第一金属部材110および第二金属部材120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。このとき、回転ツールFを第一金属部材110側(下側の金属部材側)に傾斜させることで、攪拌ピンF2の先端部が、第一金属部材110と第二金属部材120との重合面(第一金属部材110の表面110bと第二金属部材120の裏面120cとの当接面)から離れすぎないようにする。このようにして、表内隅C10の一方の端部から他方の端部に回転ツールFを移動させると、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。
その後、図12に示すように、第一金属部材110および第二金属部材120を上下反転させて、裏内隅C20に対して本接合を行う。ここでは、裏内隅C20の一方の端部に、回転させた回転ツールFを挿入し、回転ツールFを第二金属部材120側(下側の金属部材側)に傾斜させた状態で、裏内隅C20の一方の端部から他方の端部に回転ツールFを移動させる。途中の回転ツールFの傾斜角度や挿入深さは、表内隅C10の本接合と同等である。そして、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。
なお、重合部K1の重ね代を短くしつつ、表内隅C10(図11参照)に形成された塑性化領域W1の底部と、裏内隅C20に形成された塑性化領域W2の底部とを重複させてもよい。これにより、接合強度をより一層高めることができる。
なお、重合部K1の重ね代を短くしつつ、表内隅C10(図11参照)に形成された塑性化領域W1の底部と、裏内隅C20に形成された塑性化領域W2の底部とを重複させてもよい。これにより、接合強度をより一層高めることができる。
以上説明した第二実施形態に係る摩擦攪拌接合方法によれば、図10に示すように、攪拌ピンF2のみを第一金属部材110および第二金属部材120に接触させた状態で重合部K1の表内隅C10のスポット仮付けを行うことにより、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、従来のように重合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。本実施形態の仮接合工程は、重合部K1の表内隅C10の全長が長い場合等においては特に有効である。
さらに、本接合工程においても、図11および図12に示すように、攪拌ピンのみを第一金属部材110および第二金属部材120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、重合部K1の奥深い位置を接合することができる。
また、従来のように重合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。本実施形態の仮接合工程は、重合部K1の表内隅C10の全長が長い場合等においては特に有効である。
さらに、本接合工程においても、図11および図12に示すように、攪拌ピンのみを第一金属部材110および第二金属部材120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、重合部K1の奥深い位置を接合することができる。
第二実施形態では、表内隅C10を本接合するときに、回転ツールFの頭部を段差の底側となる第一金属部材110の表面110b側に傾斜させている。また、裏内隅C20を本接合するときに、回転ツールFの頭部を段差の底側となる第二金属部材110の裏面120c側に傾斜させている。これにより、塑性化領域W1,W2を攪拌ピンF2の周囲にバランスよく形成することができる。
さらに、回転ツールFの回転中心軸の傾斜角度を回転ツールFの形状に応じて設定しているので、攪拌ピンF2の先端部が、第一金属部材110と第二金属部材120との重合面から離れすぎない。これによって、重合面の広い範囲に亘って塑性化領域W1,W2が形成されるので、接合強度を高めることができる。
さらに、回転ツールFの回転中心軸の傾斜角度を回転ツールFの形状に応じて設定しているので、攪拌ピンF2の先端部が、第一金属部材110と第二金属部材120との重合面から離れすぎない。これによって、重合面の広い範囲に亘って塑性化領域W1,W2が形成されるので、接合強度を高めることができる。
第二実施形態では、仮接合工程を行う回転ツールF(仮接合用回転ツール)と、本接合工程を行う回転ツール(本接合用回転ツール)は同一の回転ツールを用いている。これにより、各工程で回転ツールの交換を行う必要が無いため作業効率を高めることができる。
以上本発明の第二実施形態について説明したが、第一実施形態と同様に、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、仮接合用回転ツールまたは本接合用回転ツールに、ショルダ部および攪拌ピンを備えた回転ツールを用いてもよい。また、仮接合工程と、本接合工程とで異なる回転ツールを用いてもよい。
また、第二実施形態で、第一実施形態と同様に、図11および図12に示す表内隅C10および裏内隅C20の両端にタブ材を設け、このタブ材に本接合工程の開始位置および終了位置を設定してもよい。
例えば、仮接合用回転ツールまたは本接合用回転ツールに、ショルダ部および攪拌ピンを備えた回転ツールを用いてもよい。また、仮接合工程と、本接合工程とで異なる回転ツールを用いてもよい。
また、第二実施形態で、第一実施形態と同様に、図11および図12に示す表内隅C10および裏内隅C20の両端にタブ材を設け、このタブ材に本接合工程の開始位置および終了位置を設定してもよい。
さらに、第一実施形態の本接合工程の変形例と同様に、摩擦攪拌中に内隅線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、内隅線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ってもよい。この構成では、回転ツールFを内隅線に対して垂直に挿入することができるため、傾斜面であっても重合部K1の深い位置まで摩擦攪拌を行うことができる。
第二実施形態の本接合工程では、表内隅C10および裏内隅C20に対して本接合しているが、表内隅C10のみに本接合を行ってもよい。
また、第二実施形態の仮接合工程では、表内隅C10のみに対して仮接合を行っているが、裏内隅C20(図12参照)に対しても仮接合を行ってもよい。また、裏内隅C20のみに対して仮接合を行ってもよい。
また、第二実施形態の仮接合工程では、表内隅C10のみに対して仮接合を行っているが、裏内隅C20(図12参照)に対しても仮接合を行ってもよい。また、裏内隅C20のみに対して仮接合を行ってもよい。
第二実施形態の仮接合工程では、図10に示すように、回転ツールFを用いて表内隅C10に対して仮接合を行っているが、図13に示すように、第一実施形態と同様に、溶接トーチHを用いて表内隅C10にスポット仮付けを行ってもよい。このように、表内隅C10に対してMIG溶接、TIG溶接等のアーク溶接やレーザー溶接で仮接合を行ってもよい。
第二実施形態では、図9に示すように、第一金属部材110の表面110bおよび裏面110cの高さが変化するとともに、第二金属部材120の表面120bおよび裏面120cの高さが変化しているが、第一金属部材110は表面110bの高さのみが変化し、第二金属部材120は裏面120cの高さのみが変化するように形成してもよい。
10 第一金属部材(第一実施形態)
10a 端面
10b 表面
10c 裏面
20 第二金属部材(第一実施形態)
20a 端面
20b 表面
20c 裏面
110 第一金属部材(第二実施形態)
110a 端面
110b 表面
110c 裏面
120 第二金属部材(第二実施形態)
120a 端面
120b 表面
120c 裏面
C1 内隅
C10 表内隅
C20 裏内隅
F 回転ツール(仮接合用回転ツール、本接合用回転ツール)
F2 攪拌ピン
J1 突合せ部
K1 重合部
T タブ材
W0 塑性化領域
W1 塑性化領域
W2 塑性化領域
10a 端面
10b 表面
10c 裏面
20 第二金属部材(第一実施形態)
20a 端面
20b 表面
20c 裏面
110 第一金属部材(第二実施形態)
110a 端面
110b 表面
110c 裏面
120 第二金属部材(第二実施形態)
120a 端面
120b 表面
120c 裏面
C1 内隅
C10 表内隅
C20 裏内隅
F 回転ツール(仮接合用回転ツール、本接合用回転ツール)
F2 攪拌ピン
J1 突合せ部
K1 重合部
T タブ材
W0 塑性化領域
W1 塑性化領域
W2 塑性化領域
Claims (11)
- 攪拌ピンを備えた本接合用回転ツールを用いて第一金属部材と第二金属部材とを接合する摩擦攪拌接合方法であって、
表面の高さが変化する前記第一金属部材および前記第二金属部材を突き合わせて、前記第一金属部材の端面と前記第二金属部材の表面とで形成される内隅を形成しつつ、高さが変化する突合せ部を形成する突合せ工程と、
前記内隅に前記本接合用回転ツールの前記攪拌ピンのみを挿入して、前記内隅に沿っ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。 - 前記本接合工程の前に、前記内隅に仮接合用回転ツールの攪拌ピンのみを挿入してスポットで摩擦攪拌接合を行う仮接合工程を含むことを特徴とする請求項1に記載の摩擦攪拌接合方法。
- 前記本接合工程の前に、前記内隅にMIG、TIGまたはレーザーによるスポット溶接を行う仮接合工程を含むことを特徴とする請求項1に記載の摩擦攪拌接合方法。
- 前記仮接合用回転ツールおよび前記本接合用回転ツールは同一の回転ツールであ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。
- 攪拌ピンを備えた本接合用回転ツールを用いて第一金属部材と第二金属部材とを接合する摩擦攪拌接合方法であって、
表面の高さが変化する前記第一金属部材の表面と、裏面の高さが変化する前記第二金属部材の裏面とを重ね合わせて、前記第一金属部材の表面と前記第二金属部材の端面とで形成される表内隅を形成しつつ、高さが変化する重合部を形成する重ね合せ工程と、
前記表内隅に前記本接合用回転ツールの前記攪拌ピンのみを挿入して、前記表内隅に沿っ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。 - 前記本接合工程の前に、前記表内隅に仮接合用回転ツールの攪拌ピンのみを挿入してスポットで摩擦攪拌接合を行う仮接合工程を含むことを特徴とする請求項5に記載の摩擦攪拌接合方法。
- 前記本接合工程の前に、前記表内隅にMIG、TIGまたはレーザーによるスポット溶接を行う仮接合工程を含むことを特徴とする請求項5に記載の摩擦攪拌接合方法。
- 前記本接合工程において、前記第一金属部材の端面と前記第二金属部材の裏面とで形成される裏内隅に前記本接合用回転ツールの前記攪拌ピンのみを挿入して、前記裏内隅に沿って摩擦攪拌接合を行うことを特徴とする請求項5に記載の摩擦攪拌接合方法。
- 前記本接合工程の前に、前記裏内隅に仮接合用回転ツールの攪拌ピンのみを挿入してスポットで摩擦攪拌接合を行う仮接合工程を含むことを特徴とする請求項8に記載の摩擦攪拌接合方法。
- 前記本接合工程の前に、前記裏内隅にMIG、TIGまたはレーザーによるスポット溶接を行う仮接合工程を含むことを特徴とする請求項8に記載の摩擦攪拌接合方法。
- 前記仮接合用回転ツール及び前記本接合用回転ツールは同一の回転ツールであることを特徴とする請求項6または請求項9に記載の摩擦攪拌接合方法。
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