JP2018140404A - 摩擦攪拌接合装置及び摩擦攪拌接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】接合ツールの温度上昇を早めることにより被接合材の接合開始までの時間を短くすることが可能な摩擦攪拌接合装置及び摩擦攪拌接合方法を提供する。【解決手段】回転する接合ツール２を被接合材Ｗに押し付けて相対的に移動させて被接合材Ｗを摩擦攪拌接合する摩擦攪拌接合装置１である。摩擦攪拌接合装置１は、摩擦攪拌接合中に被接合材Ｗを加熱する加熱部３が接合ツール２の進行方向前方に配設されている。加熱部３には、少なくとも接合ツール２の外周面を隙間Ｓ２を有して囲んで接合ツール２を加熱するツール加熱部３４が設けられ、ツール加熱部３４が摩擦攪拌接合完了後から次の摩擦攪拌接合開始時までの待機中の接合ツール２を予熱する構成とする。【選択図】図１

Description

本発明は、回転した接合ツールを被接合材に押し付けて相対的に移動させて被接合材を摩擦攪拌接合する摩擦攪拌接合装置及び摩擦攪拌接合方法に関する。

摩擦攪拌接合は、回転する接合ツールを被接合材に押し付けた際に発生する摩擦熱により、被接合材を軟化させるとともに、回転力により攪拌させることにより被接合材を接合する技術である。従来、摩擦攪拌接合装置において、接合ツールの進行方向前方に予熱機構を配置し、予熱による被接合材の軟化によって接合ツールの進行方向を誘導するものが提案されている（特許文献１）。

特開２０１５−１８２１３３号公報

上記従来技術のように、被接合材を予熱することにより、摩擦攪拌接合中においては、接合ツールの回転接触により被接合材が摩擦攪拌可能な温度に上昇するまでの時間を早めることができる。
ところで、接合ツールは、接合開始時に被接合材に回転接触した後、数秒間温度上昇するまで待機して接合を始め、接合完了後には大気等により自然冷却される。そのため、被接合材を交換する等の間に接合ツールが冷却されるため、再び接合を行う際においても、接合ツールが温度上昇するまでの待機時間により、接合開始するまでの時間が長くなる問題が生じ、生産性が向上しない問題があった。

本発明は、以上の事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、接合ツールの温度上昇を早めることにより被接合材の接合開始までの時間を短くすることが可能な摩擦攪拌接合装置及び摩擦攪拌接合方法を提供することである。

本発明に係る摩擦攪拌接合装置は、
回転する接合ツールを被接合材に押し付けて相対的に移動させて被接合材を摩擦攪拌接合する摩擦攪拌接合装置において、
摩擦攪拌接合中に被接合材を加熱する加熱部が接合ツールの進行方向前方に配設され、
加熱部には、少なくとも接合ツールの外周面を隙間を有して囲んで接合ツールを加熱するツール加熱部が設けられ、
ツール加熱部が摩擦攪拌接合完了後から次の摩擦攪拌接合開始時までの待機中の接合ツールを予熱する構成とする。

また、本発明に係る摩擦攪拌接合方法は、
回転する接合ツールを被接合材に押し付けて相対的に移動させて被接合材を摩擦攪拌接合する摩擦攪拌接合方法において、
接合ツールの進行方向前方に配設する加熱部により接合ツールの進行方向前方における被接合材の接合領域を加熱しながら、接合ツールにより摩擦攪拌接合を行う工程と、
前記加熱部により摩擦攪拌接合完了後から次の摩擦攪拌接合開始時までの待機中の接合ツールを予熱する工程とを有する。

本発明によれば、摩擦攪拌接合完了後から次の摩擦攪拌接合開始時までの待機中は、接合ツールが予熱・保温されているので、摩擦攪拌接合開始時における接合ツールの温度上昇を早めることができる。従って、被接合材の摩擦攪拌接合開始までの時間を短くすることができる。よって、摩擦攪拌接合の生産性を向上することができる。

実施形態１による摩擦攪拌接合装置の主要構成部分を示す断面図である。 実施形態１による摩擦攪拌接合装置における接合ツールを示す側面図（図２（ａ））及び底面図（図２（ｂ））である。 実施形態１による摩擦攪拌接合装置における加熱部を示す側面図（図３（ａ））及び底面図（図３（ｂ））である。 実施形態２による摩擦攪拌接合装置の主要構成部分を示す断面図である。 実施形態３による摩擦攪拌接合装置の主要構成部分を示す断面図である。

以下に、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
（実施形態１）
図１に示すように、実施形態１の摩擦攪拌接合装置１は、被接合材Ｗを摩擦攪拌接合する接合ツール２と、接合ツール２の進行方向前方に配設する加熱部３とを備える。この摩擦攪拌接合装置１では、回転した接合ツール２を被接合材Ｗに押し付けて相対的に移動させることにより被接合材Ｗを摩擦攪拌接合し、この摩擦攪拌接合中に加熱部３により接合ツール２の進行方向前方における被接合材Ｗの接合領域を加熱して予熱を行うようにしている。被接合材Ｗをその素材の融点の６０％以下の温度（例えば、アルミ素材であれば融点６６０℃であるので、３９６℃以下の温度）で予熱することにより、被接合材Ｗの接合領域が軟化して接合ツール２が受ける荷重を軽減することができ、従って、接合ツール２の移動速度を上げて摩擦攪拌接合を早く行うことができる。この摩擦攪拌接合装置１では、例えば、二枚の被接合材Ｗの端部同士を突き合わせた突き合せ部分の接合や、二枚の被接合材Ｗの各端部を重ね合わせた重ね合わせ部分の接合等を行うことができる。

接合ツール２は、図２（ａ）（ｂ）も参照して、円柱状のショルダ２１と、ショルダ２１の下面中央に突設する円柱状の攪拌ピン２２と、ショルダ２１の外周面に設けるフランジ状の工具取付部２３とを有する。工具取付部２３には、取付穴２４が設けられ、取付穴２４を介してスピンドル等の回転主軸２５が接続される。この接合ツール２は、回転させて被接合材Ｗに押し付けることにより、ショルダ２１により被接合材Ｗ表面で摩擦熱を発生させ、被接合材Ｗに侵入した攪拌ピン２２により被接合材Ｗを塑性流動化して攪拌し、二枚の被接合材Ｗの突き合わせ部分等を一体化して接合する。接合ツール２の材質は、公知の種々の金属材、超硬合金、セラミックス材等を用いることができ、例えば、機械的特性や加工性等を考慮すると、ＳＫＤ等の工具鋼等を用いることが好ましい。また、被接合材Ｗは、アルミニウム、鉄等の金属板が用いられる他に、プラスチック板等を用いることもできる。

加熱部３は、図示しない支柱に取り付けられて接合ツール２の進行方向前方に配設される。加熱部３は、接合ツール２と一定間隔を保って一緒に移動するように構成されている。例えば、加熱部３を取り付ける支柱が接合ツール２を取り付ける回転主軸２５の移動装置等に接続され、この移動装置により接合ツール２を移動させると一緒に加熱部３も移動させることができる。つまり、加熱部３は、接合ツール２と一緒に被接合材Ｗ上を水平移動したり上下移動したり等する。なお、加熱部３は、接続ツール２とは別に上下移動する機構を設けても良い。

加熱部３は、図３も参照して、ヒータ３１を設けた矩形ブロック状の熱板３２により構成され、ヒータ３１で加熱した熱板３２により被接合材Ｗだけでなく接合ツール２も加熱することができ、被接合材Ｗと接合ツール２の両方の予熱を行うように構成されている。この場合、接合ツール２は、被接合材Ｗの予熱温度と同じ温度で予熱される。熱板３２は、例えば、銅などの熱伝導率の良い金属により形成されている。ヒータ３１は、熱板３２内部に埋設されているが、これに限らず、熱板３２表面にヒータ３１を添設等するようにしてもよい。このヒータ３１は、例えば、シーズヒータ等で構成することができる。

熱板３２の下面（すなわち、被接合材Ｗの対向面）には、接合ツール２の進行方向に沿って下方に隆起させたワーク加熱部３３が形成されている。ワーク加熱部３３は、被接合材Ｗの接合領域と接触するように形成されている。このワーク加熱部３３は、摩擦攪拌接合中の被接合材Ｗに対して走行する接合ツール２の進行方向前方の接合領域を接合前に加熱して予熱を行う。また、ワーク加熱部３３は、摩擦攪拌接合開始前の被接合材Ｗに対して走行停止している接合ツール２の進行方向前方の接合領域を接合前に加熱して予熱することもできる。ワーク加熱部３３の幅（接合ツール２の進行方向に対する左右方向の幅）は、例えば、接合ツール２におけるショルダ２１の直径の１／２以上２倍以下の範囲に設定するのが好ましい。これにより、ワーク加熱部３３による予熱で被接合材Ｗが軟化することによって接合ツール２の進行方向を誘導することができる。

熱板３２の後面（すなわち、接合ツール２の対向面）には、接合ツール２の外周面を囲むツール加熱部３４が形成されている。具体的に、ツール加熱部３４は、熱板３２の後面において接合ツール２側（後方）に延びる二つの凸部３５が形成され、この二つの凸部３５間に形成される凹部３６内に接合ツール２を受け入れる構成とされている。凸部３５は、被接合材Ｗ表面との間に隙間Ｓ１が形成される高さ位置に形成されている。すなわち、凸部３５は、ワーク加熱部３３の下面より高い位置に形成されている。凸部３５と被接合材Ｗとの間に隙間Ｓ１を設けることにより、凸部３５は、被接合材Ｗと接触しないので、接合ツール２の移動に伴って凸部３５や被接合材Ｗが互いの接触によって損傷することがない。凹部３６は、接合ツール２の外周面を囲むように、接合ツール２の外周面形状に沿って断面略円弧形状に形成されている。凹部３６は、少なくとも接合ツール２の外周の１／４以上の範囲を囲み、好ましくは、１／２以上の範囲を囲むように形成される。また、凹部３６と接合ツール２との間には、隙間Ｓ２が設けられている。この隙間Ｓ２により、凹部３６は、接合ツール２と接触しないので、接合ツール２の回転に伴って凹部３６や接合ツール２が互いの接触によって損傷することがない。

以上の摩擦攪拌接合装置１による摩擦攪拌接合方法では、回転する接合ツール２を被接合材Ｗに押し付けて相対的に移動させて被接合材Ｗを摩擦攪拌接合する際、加熱部３のワーク加熱部３３により接合ツール２の進行方向前方における被接合材Ｗの接合領域を加熱しながら、接合ツール２により摩擦攪拌接合を行う。そして、摩擦攪拌接合が完了すると、接合ツール２は回転停止され、また、加熱部３のツール加熱部３４により摩擦攪拌接合完了後から次の摩擦攪拌接合開始時までの待機中の接合ツール２を加熱して予熱を行う。

以上より、本実施形態１では、接合ツール２は、ツール加熱部３４により摩擦攪拌接合完了後に被接合材Ｗを交換している間に大気等で自然冷却されることがなく、所定温度以上に予熱・保温される。このツール加熱部３４によれば、接合ツール２の外周面を凹部３６で囲んだ状態とするので、接合ツール２を良好に且つ効率よく予熱・保温する効果が得られる。従って、接合ツール２において摩擦攪拌接合完了後から次の摩擦攪拌接合開始時までの待機中は、予熱・保温されているので、次の摩擦攪拌接合開始時に被接合材Ｗと回転接触させた際に接合ツール２の温度上昇を早めることができる。よって、次に被接合材Ｗの摩擦攪拌接合を開始するまでの時間を短くすることができる。その結果、摩擦攪拌接合の生産性を向上することができる。

（実施形態２）
実施形態２の摩擦攪拌接合装置１Ａでは、図４に示すように、接合ツール２Ａは、被接合材Ｗを表裏面から挟み込んで摩擦攪拌接合を行うように被接合材Ｗの表面側に配設される表側回転体２０Ａと、被接合材Ｗの裏面側に配設される裏側回転体２０Ｂとを有する対向型接合ツール２Ａとする。表側回転体２０Ａは、実施形態１の接合ツール２と同様の構成を有する。裏側回転体２０Ｂは、攪拌ピン２２を有さず、ショルダ２１における被接合材Ｗの接触面が平滑面とされている以外は、実施形態１の接合ツール２と同様の構成を有する。なお、裏側回転体２０Ｂも攪拌ピン２２を有するものとしてもよい。表側回転体２０Ａと裏側回転体２０Ｂとは、別々の回転主軸２５Ａ，２５Ｂが接続されている。従って、表側回転体２０Ａと裏側回転体２０Ｂとは、ともに同方向に回転させたり、異なる方向に回転させたりすることができる。

また、加熱部３も、表側回転体２０Ａと裏側回転体２０Ｂとのそれぞれに対応して表側加熱部３Ａと裏側加熱部３Ｂとを有する。表側加熱部３Ａと裏側加熱部３Ｂとは、対応した各回転体２０Ａ，２０Ｂの進行方向前方に配設されるともに、被接合材Ｗを表裏面から挟んで対向配置されている。表側加熱部３Ａと裏側加熱部３Ｂとは、ともに実施形態１の加熱部３と同様の構成を有する。そして、表側加熱部３Ａと裏側加熱部３Ｂとは、実施形態１の加熱部３の場合と同様に被接合材Ｗと対向型接合ツール２Ａとを加熱し予熱を行う。

この実施形態２の摩擦攪拌接合装置１Ａによれば、対向型接合ツール２Ａの表側回転体２０Ａと裏側回転体２０Ｂのそれぞれに対して表側加熱部３Ａと裏側加熱部３Ｂとが設けられているので、対向型接合ツール２Ａの予熱・保温効果を増大することができ、被接合材Ｗの摩擦攪拌接合を開始するまでの時間をさらに短くすることができる。また、表側加熱部３Ａと裏側加熱部３Ｂとによって被接合材Ｗを表裏両面から加熱するので、被接合材Ｗをムラ無く予熱・保温することができるとともに、入熱量が増えるから被接合材Ｗを予熱温度まで早く上昇させることができる。
なお、この実施形態２のように表側加熱部３Ａと裏側加熱部３Ｂとを配設する形態は、対向型接合ツール２Ａに限らず、ボビン型接合ツールに対しても適用することができる。

（実施形態３）
実施形態３の摩擦攪拌接合装置１Ｂでは、図５に示すように、接合ツール２Ｂは、被接合材Ｗの表裏面にそれぞれ配置される一対のショルダ２１Ａ，２１Ｂを有し、回転主軸２５Ｃが一方のショルダ２１Ａ側に配置されているボビン型接合ツール２Ｂとする。回転主軸２５Ｃは、外スピンドル２５１と、外スピンドル２５１の内部に配設する内スピンドル２５２とを有する内外二重構造となっている。外スピンドル２５１は、一方のショルダ２１Ａに接続されている。内スピンドル２５２は、他方のショルダ２１Ｂに接続されている。他方のショルダ２１Ｂは、被接合材Ｗに当接されるショルダ面中央部から延設された軸２２１を有し、この軸２２１が一方のショルダ２１Ａの中央部に設けた貫通孔を通して内スピンドル２５２に接続されている。軸２２１は、攪拌ピン２２の機能も有する。外スピンドル２５１と内スピンドル２５２とは、独立に回転駆動してショルダ２１Ａとショルダ２１Ｂとを独立に回転させることができるが、外スピンドル２５１と内スピンドル２５２とが連動して回転駆動するものでもよい。
この実施形態３では、ボビン型接合ツール２Ｂは、一方のショルダ２１Ａが被接合材Ｗの裏面側に配置され、回転主軸２５Ｃが被接合材Ｗの下側に配置されている。従って、ボビン型接合ツール２Ｂの移動装置等も被接合材Ｗの支持テーブル等とともに装置下部に設置することができるので、装置上部を小さくして高さの低いコンパクトな装置とすることができる。

また、加熱部３Ｃは、回転主軸２５を配設していない他方のショルダ２１Ｂを配置した被接合材Ｗの表面側に配置されている。この加熱部３Ｃでは、熱板３２で形成されたツール加熱部３４が他方のショルダ２１Ｂの全体を含む範囲にまで設けられ、このツール加熱部３４の下面（被接合材Ｗの対向面）に他方のショルダ２１Ｂに覆い被さる収容凹部３７が設けられている。これにより、収容凹部３７が他方のショルダ２１Ｂの上部を全体的に囲い込むので、ボビン型接合ツール２Ｂの予熱・保温を効率よく行うことができ、また、他方のショルダ２１Ｂが摩擦攪拌接合中に破損した際その破片の飛散を防止することができる。また、収容凹部３７と他方のショルダ２１Ｂとの間には、他方のショルダ２１Ｂが収容凹部３７と接触しないように隙間Ｓ３が設けられており、このボビン型接合ツール２Ｂの回転に伴って収容凹部３７や他方のショルダ２１Ｂが互いの接触によって損傷することがない。

加熱部３Ｃの熱板３２に設けるヒータ３１は、ボビン型接合ツール２Ｂの回転中心軸線上に重なる位置であり、熱板３２におけるツール加熱部３４の形成部分を含むようにツール加熱部３４側寄りに配設されている。これにより、熱板３２は、接合ツール２Ｂの進行方向に沿った前方の長さをワーク加熱部３３を設ける範囲までに短縮することができる。従って、加熱部３Ｃは、長さが短くコンパクトに構成することができる。
なお、ボビン型接合ツールとして、図５に示したように一対のショルダ２１Ａ，２１Ｂが各々独立して回転可能な別体型に限られず、一対のショルダ２１Ａ，２１Ｂが攪拌ピン２２によって連結されたダンベル状の一体型でもよい。この一体型のボビン型接合ツールの場合、一対のショルダ２１Ａ，２１Ｂのどちらか一方（例えば、一方のショルダ２１Ａ）に１つの回転主軸２５が接続される構造とすることができる。

なお、本発明は、以上の各実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲を逸脱しない範囲で変更を施すことが可能である。

１ 摩擦攪拌接合装置
２ 接合ツール
２Ａ 対向型接合ツール
２Ｂ ボビン型接合ツール
３ 加熱部
３Ａ 表側加熱部
３Ｂ 裏側加熱部
３Ｃ 加熱部
２０Ａ 表側回転体
２０Ｂ 裏側回転体
２１ ショルダ
２１Ａ 一方のショルダ
２１Ｂ 他方のショルダ
２２ 攪拌ピン
２３ 工具取付部
２４ 取付穴
２５，２５Ａ，２５Ｂ，２５Ｃ 回転主軸
３１ ヒータ
３２ 熱板
３３ ワーク加熱部
３４ ツール加熱部
３５ 凸部
３６ 凹部
３７ 収容凹部
２２１ 軸
２５１ 外スピンドル
２５２ 内スピンドル
Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３ 隙間
Ｗ 被接合材

Claims (7)

1. 回転する接合ツールを被接合材に押し付けて相対的に移動させて被接合材を摩擦攪拌接合する摩擦攪拌接合装置において、
   摩擦攪拌接合中に被接合材を加熱する加熱部が接合ツールの進行方向前方に配設され、
   加熱部には、少なくとも接合ツールの外周面を隙間を有して囲んで接合ツールを加熱するツール加熱部が設けられ、
   ツール加熱部が摩擦攪拌接合完了後から次の摩擦攪拌接合開始時までの待機中の接合ツールを予熱する構成とする摩擦攪拌接合装置。
2. 請求項１に記載の摩擦攪拌接合装置において、
   接合ツールは、被接合材を表裏面から挟み込んで摩擦攪拌接合を行う表側回転体と裏側回転体とを有するボビン型又は対向型の接合ツールであり、
   加熱部は、被接合材を表裏面から挟んで対向配置される表側加熱部と裏側加熱部とを有し、
   表側加熱部には、少なくとも表側回転体の外周面を隙間を有して囲んで表側回転体を加熱する表側ツール加熱部が設けられ、
   裏側加熱部には、少なくとも裏側回転体の外周面を隙間を有して囲んで裏側回転体を加熱する裏側ツール加熱部が設けられている摩擦攪拌接合装置。
3. 請求項１に記載の摩擦攪拌接合装置において、
   接合ツールは、被接合材の表裏面にそれぞれ配置される一対のショルダを有し、回転主軸が一方のショルダ側に配置されているボビン型接合ツールであり、
   加熱部は、被接合材の表裏面のうち回転主軸を配置していない他方のショルダが配置される面側に配設され、
   加熱部のツール加熱部は、他方のショルダに覆い被さる収容凹部が設けられている摩擦攪拌接合装置。
4. 請求項３に記載の摩擦攪拌接合装置において、
   加熱部は、ヒータを設けた熱板により構成され、
   ヒータは、ボビン型接合ツールの回転中心軸線上に重なる位置であり、熱板におけるツール加熱部の形成部分を含むように配設されている摩擦攪拌接合装置。
5. 請求項３又は４に記載の摩擦攪拌接合装置において、
   ボビン型接合ツールは、一方のショルダが被接合材の裏面側に配置され、一方のショルダ側に配置する回転主軸が被接合材の下側に配置される構成とする摩擦攪拌接合装置。
6. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の摩擦攪拌接合装置において、
   加熱部は、ヒータを設けた熱板により構成され、
   熱板における被接合材の対向面には、接合ツールの進行方向に沿って隆起して被接合材の接合領域と接触して加熱するワーク加熱部が形成され、
   熱板における接合ツールの対向面には、被接合材表面との間に隙間が形成される高さ位置で接合ツール側に延びる二つの凸部が形成され、二つの凸部間に形成される凹部内に隙間を有して接合ツールを受け入れる構成の前記ツール加熱部が形成されている摩擦攪拌接合装置。
7. 回転する接合ツールを被接合材に押し付けて相対的に移動させて被接合材を摩擦攪拌接合する摩擦攪拌接合方法において、
   接合ツールの進行方向前方に配設する加熱部により接合ツールの進行方向前方における被接合材の接合領域を加熱しながら、接合ツールにより摩擦攪拌接合を行う工程と、
   前記加熱部により摩擦攪拌接合完了後から次の摩擦攪拌接合開始時までの待機中の接合ツールを予熱する工程とを有する摩擦攪拌接合方法。

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