JP2018176200A - 摩擦攪拌接合方法、及び摩擦攪拌接合用回転工具 - Google Patents

Abstract

【課題】摩擦攪拌接合を用いた直線加工などを行う際にも、加工端で生じる凹部の埋め戻しが可能な摩擦攪拌接合方法の提供。【解決手段】ピン部材２０と、その外側を囲うように配置されるショルダ部材１０と、ショルダ部材１０とピン部材２０の間にスリーブ部材３０と、を備え、スリーブ部材３０の先端からショルダ部材１０とピン部材２０が納められていた状態で、スリーブ部材３０の先端を被加工物２００の表面に当接させ、ピン部材２０を回転させながら軸線方向に前進させて被加工物２００の内部にピン部材２０を挿入することでスリーブ部材３０が被加工物２００の一部によって押し上げられ、被加工物２００の一部は空間５０内に保持され、ピン部材２０で被加工物２００の加工箇所である加工部Ｐ１を加工した後、ピン部材２０を後退させることでスリーブ部材３０が移動し、被加工物２００の一部が空間５０から排出される。【選択図】図１

Description

本発明は、アルミニウムなどを接合する摩擦攪拌接合方法、及びその回転工具に関し、具体的には、摩擦攪拌接合を行った際に、被加工物の終端の孔を埋め戻すことができる技術に関する。

自動車や鉄道車両などの輸送機器のボディを作るにあたって、金属材料を接合する時には抵抗スポット溶接またはリベット接合が用いられている。しかしながら、近年では摩擦攪拌接合を用いて接合する方法にも注目が集まっている。これは、固相状態で接合するために部材の溶融を伴わず接合部の熱影響を抑制できる他、アーク溶接などに見られるビード形成などが無い為に、加工後の外見が良好で後処理が容易になるといったメリットがあるためである。

特許文献１及び特許文献２には、摩擦攪拌点接合装置及び摩擦攪拌点接合方法についての技術が開示されている。回転工具によって被接合物を部分的に攪拌することにより接合する摩擦攪拌点接合装置は、ピン部材と、ショルダ部材と、工具駆動部と、圧入基準設定部と、工具駆動制御部と、位置ずれ量算出部とを備えている。そしてピン部材は、前記回転工具として軸周りに回転し、軸線方向に進退移動可能に構成された円柱状の部材である。また、ショルダ部材は、ピン部材の外側を囲うように配置されてピン部材と同一の軸線周りに回転すると共に軸線方向に進退移動可能な円筒状の部材である。

また、工具移動部はピン部材及びショルダ部材をそれぞれ軸線に沿って進退移動するように動作させる。工具移動部の動作は工具移動制御部によって制御され、ピン部材またはショルダ部材の先端位置のずれ量は位置ずれ量算出部によって算出される。このような構成で、ピン部材の被接合物の表面から圧入深さを制御していることで、ピン部材挿入部の周囲に形成される凹部を埋め戻すことができる。

特開２０１５−１８０５１３号公報 特許第５８１５９６１号公報

特許文献１や特許文献２に説明されるように、摩擦攪拌接合によって接合をする場合には、被加工物の表面に盛り上がり部と凹部が形成される点が問題視される。特許文献１及び特許文献２では摩擦攪拌点接合について説明しているが、直線加工などする場合でも同様の問題が生じ、加工開始端に盛り上がりが出来て、加工終了端に凹みが出来てしまう。このため、特許文献１及び特許文献２ではピン部材とショルダ部材の位置制御を行うことで、被加工物の一部の盛り上がり部を、加工後に凹部が形成される部分に埋め戻すといった処理を行って、表面の状態を良好に保つような試みが成されている。これを、被加工物を突き合わせ接合するといった直線加工などに応用することが考えられるが、課題もある。

それは、特許文献１及び特許文献２では、ピン部材とその周囲に配置されるショルダ部材がそれぞれ回転する構成となっているが、直線加工などするためには回転させながら被加工物の内部に挿入され、その状態で接合線に沿って移動させる必要がある。このためにピン部材に曲げ応力がかかる。その結果、ショルダ部材の回転を阻害するなどの問題が考えられるためである。

そこで、本発明はこの様な課題を解決する為に、摩擦攪拌接合を用いた直線加工などを行う際にも、加工端で生じる凹部の埋め戻しが可能な摩擦攪拌接合方法、及び摩擦攪拌接合用回転工具を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明の一態様による摩擦攪拌接合方法は、以下のような特徴を有する。
（１）回転工具によって被加工物の加工箇所を攪拌することにより接合する摩擦攪拌接合方法において、前記回転工具は、軸線方向に進退可能で、軸線を中心として回転運動可能に備えられる円柱状のピン部材と、該ピン部材の外側を囲うように配置される略円筒形状のショルダ部材と、該ショルダ部材と前記ピン部材の間に形成される空間の中を前記軸線方向に進退可能な円筒形状のスリーブ部材と、を備え、該スリーブ部材の先端から前記ショルダ部材と前記ピン部材が納められた状態で、前記スリーブ部材の先端を前記被加工物の表面に当接させ、前記ピン部材を回転させながら前記軸線方向に前進させて前記被加工物の内部に前記ピン部材を挿入することで前記スリーブ部材が前記被加工物の一部によって押し上げられ、前記被加工物の一部は前記空間内に保持され、前記ピン部材で前記被加工物の前記加工箇所を加工した後、前記ピン部材を後退させることで前記スリーブ部材が移動し、前記被加工物の一部が前記空間から排出されることで、前記被加工物の前記加工箇所の終端部分が埋め戻しされること、を特徴とする。

上記（１）に記載の態様により、摩擦攪拌接合方法によって接合などの線加工を行った際にも、被加工物の加工箇所の終端部に凹部が形成されることなく埋め戻すことが可能となる。これは、以下のような理由による。まず、ショルダ部材とピン部材の間に形成される空間に、加工開始後に被加工物の一部を吸い上げる。この結果、回転を続けるピン部材の周囲に被加工物の一部が保持される。凹部が形成されるのは加工箇所の終端部分である為、このように空間に被加工物の一部を保持し、加工を終えてピン部材を引き抜く際にこの空間に保持されている被加工物の一部を埋め戻す為である。この結果、被加工物の加工表面を良好に保つことができ、加工コストなどにも良好な効果が期待できる。
（２）（１）に記載の摩擦攪拌接合方法において、前記スリーブ部材を軸方向に押圧する押圧機構を、前記ショルダ部材内部に備えていること、が好ましい。

上記（２）に記載の態様により、スリーブ部材を軸方向に押し下げる機構を備えることで、より確実に加工箇所の終端部分の埋め戻しが可能となる。

また、前記目的を達成するために、本発明の他の態様による摩擦攪拌接合用回転工具は、以下のような特徴を有する。
（３）被加工物の加工箇所を攪拌することにより接合する摩擦攪拌接合用回転工具において、軸線方向に進退可能で、軸線を中心として回転運動可能に備えられる円柱状のピン部材と、該ピン部材の外側を囲うように配置される略円筒形状のショルダ部材と、該ショルダ部材と前記ピン部材の間に形成される空間の中を前記軸線方向に進退可能な円筒形状のスリーブ部材と、前記スリーブ部材を軸方向に押圧する押圧機構を、前記ショルダ部材内部に備えていること、を特徴とする。

上記（３）に記載の態様により、摩擦攪拌接合を行うにあたって、被加工物の加工箇所の終端部に凹部が形成されることなく埋め戻すことが可能となる。これは、ピン部材が上下することによって、加工開始時に回転を続けるピン部材の周囲に被加工物の一部を保持し、加工終了時に被加工物の一部を埋め戻すことで、被加工物の加工表面を良好に保つことができる。

本実施形態の、回転工具の断面図である。 （ａ）本実施形態の、加工開始前の回転工具の状態を示したものである。（ｂ）本実施形態の、加工開始時の回転工具の状態を示したものである。（ｃ）本実施形態の、加工中の回転工具の状態を示したものである。（ｄ）本実施形態の、加工終了時の回転工具の状態を示したものである。 本実施形態の、回転工具を用いた加工時の斜視図である。 本実施形態の、回転工具を用いた加工時の側面からの様子を示す断面図である。 本実施形態の、摩擦攪拌接合の様子を示す側面断面図である。

まず、本発明の実施形態について図面を用いて説明を行う。図１に、本実施形態の回転工具の断面図を示す。回転工具１００は、アルミニウムなどの被加工物を摩擦攪拌接合する為の回転工具であり、ショルダ部材１０、ピン部材２０、スリーブ部材３０などからなる。ショルダ部材１０は、回転せずに被加工物の表面に当接する部材であり、円筒形状の外筒部１１と外筒部１１の一端に取り付けられる先端部１２と外筒部１１の他端に取り付けられる蓋部１３の３つの部分よりなる。外筒部１１の内側には段差部１１ａが形成されている。

ピン部材２０は、円柱状のプローブ又はピンと呼ばれる部材であり、先端２０ａは円錐台状に加工され、被加工物の中に回転しながら挿入される金属部材である。必要に応じてネジ状の螺旋溝が設けられているが、ここではその形状については省略する。材質についてもＰＣＢＮ（立方晶窒化ホウ素焼結体）やＷ−Ｒｅ（タングステン−レニウム）合金、超硬合金、Ｉｒ（イリジウム）合金など様々なものが考えられるが、被加工部材に応じて最適に選ばれるべきであり、ここでは特に言及しない。

スリーブ部材３０は、段付きの円筒状をしておりショルダ部材１０とピン部材２０の間に配置される。スリーブ部材３０には一端に先端部３０ａが形成され他端部には後端面３０ｃと、その付近には段差部３０ｂが形成される。スリーブ部材３０の後端面３０ｃはバネ４０が当接するようになっており、スリーブ部材３０の先端がショルダ部材１０の先端と揃うようにバネ４０からスリーブ部材３０に付勢されるように構成されている。バネ４０の一端はスリーブ部材３０の後端面３０ｃに、他端は蓋部１３に当接するように配置される。

スリーブ部材３０は、ショルダ部材１０とピン部材２０との間の空間５０に、ピン部材２０の軸方向に進退可能に配置され、バネ４０でスリーブ部材３０が突出する方向に付勢されているので、先端部１２が被加工物２００に当接していない状態では図１に示すような、先端部１２の先端とスリーブ部材３０の先端部３０ａの高さが揃った状態となっている。このスリーブ部材３０の前進位置は、段差部１１ａと段差部３０ｂとが当接することで位置決めされる。なお、バネ４０の代わりにエア圧によってスリーブ部材３０を押圧するような構成を採用することを妨げない。

回転工具１００は上記構成であり、ピン部材２０が図示しない回転機構によって回転させられることで被加工物が加工される。次に、回転工具１００を用いた摩擦攪拌接合方法の手順について説明する。図２（ａ）に、加工開始前の回転工具１００の状態を示す。（ｂ）に、加工開始時の回転工具１００の状態を示す。（ｃ）に、加工中の回転工具１００の状態を示す。（ｄ）に加工終了時の回転工具１００の状態を示す。図２は何れも断面図としている。被加工物２００は、アルミニウムなどの融点の低い軽金属を想定しているが、鋼材や樹脂材にも適用が可能である。

回転工具１００は、図２（ａ）に示される様に被加工物２００に先端部１２を当接させる。この際にはピン部材２０の先端２０ａは先端部１２から突出していない。また、スリーブ部材３０の先端部３０ａはピン部材２０の先端２０ａと揃った位置にある。つまり、先端部１２とピン部材２０の先端２０ａとスリーブ部材３０の先端部３０ａの先端位置が揃った状態にある。そしてピン部材２０を回転させながら、被加工物２００の加熱を開始し、図２（ｂ）に示すようにピン部材２０を前進させる。この時、被加工物２００とピン部材２０と接触する部分が摩擦により発熱し、材料が軟化して流動し易くなるためスリーブ部材３０が後退するのと同時に後述する空間５０に流入部２００ａが形成される。

そして、その状態で回転工具１００の移動をさせて、被加工物２００の加工を行う。図２（ｃ）に示すような状態で加工を行い、その状態では流入部２００ａが維持され続ける。図２（ｄ）では、ピン部材２０が引き抜かれると同時に、スリーブ部材３０が元の位置に戻り、流入部２００ａは被加工物２００側に押しだされる。図３に、回転工具１００による加工時の斜視図を示す。被加工物２００は直線状に加工跡が形成されており、これを加工部Ｐ１とすると、加工開始端Ｐ２と加工終了端Ｐ３とが形成されることになる。加工開始端Ｐ２では図２（ｂ）の状態となり、加工終了端Ｐ３では図２（ｄ）の状態となる。この加工終了端Ｐ３にて、図２（ｄ）に示すように被加工物２００の埋め戻しが行われるのである。

本実施形態の摩擦攪拌接合方法は、上記構成となっているので、以下に説明する作用及び効果を奏する。具体的には、例えば本発明による摩擦攪拌接合方法によって母材への熱影響を防ぎ、美しい加工表面が得られる。これは、回転工具１００によって被加工物２００を攪拌することにより接合する摩擦攪拌接合方法において、回転工具１００は、軸線方向に進退可能で、軸線を中心として回転運動可能に備えられる円柱状のピン部材２０と、ピン部材２０の外側を囲うように配置される略円筒形状のショルダ部材１０と、ショルダ部材１０とピン部材２０の間に形成される空間５０の中を軸線方向に進退可能な円筒形状のスリーブ部材３０と、を備え、スリーブ部材３０の先端からショルダ部材１０とピン部材２０が納められていた状態で、スリーブ部材３０の先端を被加工物２００の表面に当接させ、ピン部材２０を回転させながら軸線方向に前進させて被加工物２００の内部にピン部材２０を挿入することでスリーブ部材３０が被加工物２００の一部によって押し上げられ、被加工物２００の一部は空間５０内に保持され、ピン部材２０で被加工物２００の加工箇所である加工部Ｐ１を加工した後、ピン部材２０を後退させることでスリーブ部材３０が移動し、被加工物２００の一部が空間５０から排出されることで、被加工物２００の加工部Ｐ１の終端部分である加工終了端Ｐ３が埋め戻しされる為である。

つまり、回転工具１００によって被加工物２００を加工する場合、加工開始端Ｐ２では図２（ｂ）の状態であり、加工終了端Ｐ３では図２（ｄ）に示すような状態となる。つまり、加工開始端Ｐ２で材料の盛り上がり部分を、加工終了端Ｐ３で流入部２００ａを埋め戻している。こうすることで、加工終了端Ｐ３で、課題に示したような凹部が出来ずに加工を終了することが可能となる。

図４に、加工時の側面からの様子を断面図として示す。回転工具１００を被加工物２００内部に挿入した状態で直線加工を行う場合、被加工物２００が抵抗となってピン部材２０に曲げ応力が発生する。この結果、図４に示すようにピン部材２０に撓みが発生する。この場合に、空間５０には流入部２００ａが満たされている状態ではあるが、流入部２００ａは比較的流動的な状態になっているので、ピン部材２０が撓んだ場合にはそれに沿って形状を変化させることになる。このため、スリーブ部材３０が摩擦攪拌接合を阻害することが無い。また、スリーブ部材３０が前進して流入部２００ａを押し出す際には、回転工具１００のピン部材２０は加工を終えているので、ピン部材２０にかかる曲げ応力は無くなった状態であり、スリーブ部材３０の前進を阻害しない。

図５に、摩擦攪拌接合の様子を示す側面断面図を示す。図５はプレート２０１にＬ型ブラケット２０２を接合する事例を示している。プレート２０１の裏面からＬ型ブラケット２０２を当接させて、回転工具１００で摩擦攪拌接合を行っている。加工部Ｐ１は、Ｌ型ブラケット２０２と共に形成され、ピン部材２０で攪拌しながら接合を行う。この様にプレート２０１の裏面から摩擦攪拌接合が可能となるため、表面の仕上げが不要となる。この結果、鉄道車両などのボディ形成の際にはコストダウンに貢献することが可能となる。

また、回転工具１００内部に、スリーブ部材３０に付勢するバネ４０が備えられているので、加工終了端Ｐ３にて流入部２００ａを押し出す力となり、スムーズな埋め戻しが可能となる。加工部Ｐ１の加工終了端Ｐ３に至った際に、ピン部材２０を回転工具１００内に引き込む動作をするが、その際に被加工物２００との関係でスリーブ部材３０は前進、つまり引き出される方向に力が働くため、バネ４０を備えなくとも空間５０から流入部２００ａは出ていくと考えられるが、バネ４０でスリーブ部材３０に付勢することで、この動作がよりスムーズに行われる事が期待される。

以上、本発明に係る摩擦攪拌接合方法の実施形態を説明したが、本発明はこれに限定されるわけではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。例えば、本実施形態では、回転工具１００にバネ４０を備えてスリーブ部材３０への付勢を行っているが、これをエア圧による付勢など別の機構に置き換えることを妨げない。また、図５に示すような加工事例に限定されることなく様々な加工に適用することが可能である。

１０ ショルダ部材
１１ 外筒部
１２ 先端部
１３ 蓋部
２０ ピン部材
３０ スリーブ部材
４０ バネ
１００ 回転工具

Claims (3)

1. 回転工具によって被加工物の加工箇所を攪拌することにより接合する摩擦攪拌接合方法において、
   前記回転工具は、
   軸線方向に進退可能で、軸線を中心として回転運動可能に備えられる円柱状のピン部材と、
   該ピン部材の外側を囲うように配置される略円筒形状のショルダ部材と、
   該ショルダ部材と前記ピン部材の間に形成される空間の中を前記軸線方向に進退可能な円筒形状のスリーブ部材と、を備え、
   該スリーブ部材の先端から前記ショルダ部材と前記ピン部材が納められた状態で、前記スリーブ部材の先端を前記被加工物の表面に当接させ、
   前記ピン部材を回転させながら前記軸線方向に前進させて前記被加工物の内部に前記ピン部材を挿入することで前記スリーブ部材が前記被加工物の一部によって押し上げられ、前記被加工物の一部は前記空間内に保持され、
   前記ピン部材で前記被加工物の前記加工箇所を加工した後、前記ピン部材を後退させることで前記スリーブ部材が移動し、前記被加工物の一部が前記空間から排出されることで、前記被加工物の前記加工箇所の終端部分が埋め戻しされること、
   を特徴とする摩擦攪拌接合方法。
2. 請求項１に記載の摩擦攪拌接合方法において、
   前記スリーブ部材を軸方向に押圧する押圧機構を、前記ショルダ部材内部に備えていること、
   を特徴とする摩擦攪拌接合方法。
3. 被加工物の加工箇所を攪拌することにより接合する摩擦攪拌接合用回転工具において、
   軸線方向に進退可能で、軸線を中心として回転運動可能に備えられる円柱状のピン部材と、
   該ピン部材の外側を囲うように配置される略円筒形状のショルダ部材と、
   該ショルダ部材と前記ピン部材の間に形成される空間の中を前記軸線方向に進退可能な円筒形状のスリーブ部材と、
   前記スリーブ部材を軸方向に押圧する押圧機構を、前記ショルダ部材内部に備えていること、
   を特徴とする摩擦攪拌接合用回転工具。

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