JP2018199141A

JP2018199141A - 接合方法

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Publication number: JP2018199141A
Application number: JP2017104164A
Authority: JP
Inventors: 堀　久司; Hisashi Hori; 久司堀; 伸城瀬尾; Nobushiro Seo
Original assignee: Nippon Light Metal Co Ltd
Current assignee: Nippon Light Metal Co Ltd
Priority date: 2017-05-26
Filing date: 2017-05-26
Publication date: 2018-12-20
Anticipated expiration: 2037-05-26
Also published as: JP6740960B2

Abstract

【課題】金属部材同士の内隅を摩擦攪拌接合する場合に、内隅の金属不足を防ぐことができるとともにバリを容易に除去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】第一金属部材１の裏面１ｃと第二金属部材２の第一側面２ｂとで形成された内隅に補助部材１０を配置する補助部材配置工程と、内隅から回転ツールＦの攪拌ピンＦ２を挿入し、回転ツールＦを相対移動させて、第二突合せ部Ｊ２を摩擦攪拌接合する内隅摩擦攪拌工程と、第一金属部材１の表面１ｂ側から回転ツールＦの攪拌ピンＦ２を挿入し、回転ツールＦを段差部に沿って相対移動させて、第一突合せ部Ｊ１を摩擦攪拌接合する第一突合せ部摩擦攪拌工程と、バリが形成された補助部材１０を第一金属部材１又は第二金属部材２から除去する除去工程と、を含むことを特徴とする。
【選択図】図６

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。

金属部材同士を接合する方法として、摩擦攪拌接合（ＦＳＷ＝Friction Stir Welding）が知られている。摩擦攪拌接合とは、回転ツールを回転させつつ金属部材同士の突合せ部に沿って移動させ、回転ツールと金属部材との摩擦熱により突合せ部の金属を塑性流動させることで、金属部材同士を固相接合させるものである。

例えば、特許文献１には、垂直に突き合わされた金属部材同士の内隅に回転ツールの攪拌ピンのみを挿入して突合せ部の摩擦攪拌接合を行う技術が開示されている。内隅に補助部材を配置した状態で摩擦攪拌接合を行うことで、接合部の金属不足を防ぐことができる。

特開２０１５−１３９７９９号公報

しかし、従来の摩擦攪拌接合方法であると、内隅にバリが多く残存するため、バリ除去工程が煩雑になるという問題がある。

このような観点から、本発明は、金属部材同士の内隅を摩擦攪拌接合する場合に、内隅の金属不足を防ぐことができるとともにバリを容易に除去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、端部の裏面に段差部が形成された板状の第一金属部材を用意するとともに、板状の第二金属部材を用意する準備工程と、前記第一金属部材の前記段差部の段差底面と、前記第二金属部材の端面とを突き合わせて第一突合せ部を形成するとともに、前記段差部の段差側面と、前記第二金属部材の第一側面とを突き合わせて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裏面と前記第二金属部材の第一側面とで形成された内隅に補助部材を配置する補助部材配置工程と、前記内隅から回転ツールの攪拌ピンを挿入し、前記回転ツールを前記内隅に沿って相対移動させて、前記第二突合せ部を摩擦攪拌接合する内隅摩擦攪拌工程と、前記第一金属部材の表面側から前記回転ツールの攪拌ピンを挿入し、前記回転ツールを前記段差部に沿って相対移動させて、前記第一突合せ部を摩擦攪拌接合する第一突合せ部摩擦攪拌工程と、バリが形成された前記補助部材を前記第一金属部材又は前記第二金属部材から除去する除去工程と、を含み、前記内隅摩擦攪拌工程では、前記攪拌ピンのみを前記第一金属部材、前記第二金属部材及び前記補助部材に接触させた状態で前記第二突合せ部を摩擦攪拌接合し、前記第一突合せ部摩擦攪拌工程では、前記攪拌ピンのみを前記第一金属部材のみ、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第一突合せ部を摩擦攪拌接合することを特徴とする。

かかる接合方法によれば、内隅に補助部材を配置し、補助部材を介して内隅の摩擦攪拌接合を行うため、内隅の金属不足を防ぐことができる。また、第一金属部材に段差部を設けることにより、突合せ工程において、第一金属部材と第二金属部材の位置決めを容易に行うことができる。また、内隅に発生したバリを補助部材ごと容易に除去することができる。また、内隅摩擦攪拌工程では、攪拌ピンのみを内隅に挿入するため、摩擦攪拌装置にかかる負荷を軽減することができる。

また、本発明は、端部の裏面に段差部が形成された板状の第一金属部材を用意するとともに、板状の第二金属部材を用意する準備工程と、前記第一金属部材の前記段差部の段差底面と、前記第二金属部材の端面とを突き合わせて第一突合せ部を形成するとともに、前記段差部の段差側面と、前記第二金属部材の第一側面とを突き合わせて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裏面と前記第二金属部材の第一側面とで形成された内隅に補助部材を配置する補助部材配置工程と、前記内隅から第一回転ツールの攪拌ピンを挿入し、前記第一回転ツールを前記内隅に沿って相対移動させて、前記第二突合せ部を摩擦攪拌接合する内隅摩擦攪拌工程と、前記第一金属部材の表面側からショルダ部と攪拌ピンとを備えた第二回転ツールの攪拌ピンを挿入し、前記ショルダ部を前記第一金属部材の表面に接触させた状態で前記段差部に沿って相対移動させて、前記第一突合せ部を摩擦攪拌接合する第一突合せ部摩擦攪拌工程と、バリが形成された前記補助部材を前記第一金属部材又は前記第二金属部材から除去する除去工程と、を含み、前記内隅摩擦攪拌工程では、前記第一回転ツールの攪拌ピンのみを前記第一金属部材、前記第二金属部材及び前記補助部材に接触させた状態で前記第二突合せ部を摩擦攪拌接合し、前記第一突合せ部摩擦攪拌工程では、前記第二回転ツールの攪拌ピンを前記第一金属部材のみ、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第一突合せ部を摩擦攪拌接合することを特徴とする。

かかる接合方法によれば、内隅に補助部材を配置し、補助部材を介して内隅の摩擦攪拌接合を行うため、内隅の金属不足を防ぐことができる。また、第一金属部材に段差部を設けることにより、突合せ工程において、第一金属部材と第二金属部材の位置決めを容易に行うことができる。また、内隅に発生したバリを補助部材ごと容易に除去することができる。また、内隅摩擦攪拌工程では、攪拌ピンのみを内隅に挿入するため、摩擦攪拌装置にかかる負荷を軽減することができる。また、第一突合せ部摩擦攪拌工程では、ショルダ部で塑性流動材を抑えることができるためバリの発生を低減することができる。

また、前記内隅摩擦攪拌工程では、摩擦攪拌接合で発生するバリが前記補助部材に形成されるように接合条件を設定することが好ましい。

かかる接合方法によれば、バリをより容易に除去することができる。

本発明に係る接合方法によれば、金属部材同士の内隅を摩擦攪拌接合する場合に、内隅の金属不足を防ぐことができるとともにバリを容易に除去することができる。

第一実施形態に係る準備工程及び突合せ工程を示す断面図である。第一実施形態に係る第一突合せ部摩擦攪拌工程を示す斜視図である。第一実施形態に係る第一突合せ部摩擦攪拌工程を示す断面図である。第一実施形態に係る補助部材配置工程を示す斜視図である。第一実施形態に係る内隅摩擦攪拌工程を示す斜視図である。第一実施形態に係る内隅摩擦攪拌工程を示す断面図である。第二実施形態に係る内隅摩擦攪拌工程を示す斜視図である。第二実施形態に係る第一突合せ部摩擦攪拌工程を示す断面図である。第二実施形態の変形例に係る第一突合せ部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、第一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Ｌ字状に突き合わせて接合する。第一実施形態に係る接合方法は、準備工程と、突合せ工程と、タブ材配置工程と、第一突合せ部摩擦攪拌工程と、補助部材配置工程と、内隅摩擦攪拌工程と、除去工程とを行う。なお、説明における「表面」とは、「裏面」に対する反対側の面という意味である。

準備工程は、図１に示すように、第一金属部材１及び第二金属部材２を用意する工程である。第一金属部材１及び第二金属部材２は、板状の金属部材である。第一金属部材１及び第二金属部材２のの材料は、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のの端部の裏面１ｃには、段差部１１が形成されている。段差部１１は、段差底面１１ａと、段差底面１１ａから垂直に立ち上がる段差側面１１ｂとで構成されている。段差底面１１ａの幅寸法は、第二金属部材２の板厚寸法と同一になっている。

突合せ工程は、図１に示すように、第一金属部材１と第二金属部材２とをＬ字状に突き合わせる工程である。突合せ工程では、第一金属部材１の段差底面１１ａに第二金属部材２の端面２ａを突き合わせて第一突合せ部Ｊ１を形成するとともに、段差側面１１ｂに第二金属部材２の第一側面２ｂを突き合わせて第二突合せ部Ｊ２を形成する。第一金属部材１の端面１ａと第二金属部材２の第二側面２ｃとは面一になる。

タブ材配置工程は、図２に示すように、内隅の両端にタブ材Ｔ，Ｔを配置する工程である（図２では一つのみ描画）。タブ材Ｔは、第一金属部材１と同じ材料からなる板状の金属部材である。タブ材Ｔの板厚寸法は、第一金属部材１の板厚寸法と同じである。タブ材配置工程では、タブ材Ｔの側面を第一金属部材１の側面１ｄに突き合わせて当該突合せ部を溶接で接合する。タブ材Ｔの表面Ｔａと、第一金属部材１の表面１ｂとを面一にするとともに、タブ材Ｔの裏面Ｔｂと第一金属部材１の裏面１ｃとを面一にする。

第一突合せ部摩擦攪拌工程は、図２に示すように、回転ツールＦを第一金属部材１の表面１ｂから挿入し、第一突合せ部Ｊ１を摩擦攪拌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とで構成されており、例えば工具鋼で形成されている。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が刻設されている。本実施形態では、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１、第二金属部材２及び補助部材１０）の外部に溢れ出る金属の量を少なくすることができる。

第一突合せ部摩擦攪拌工程では、図２に示すように、タブ材Ｔの表面Ｔａに設定された開始位置Ｓｐに右回転させた回転ツールＦを挿入し、段差部１１（第二金属部材２）に沿って回転ツールＦを相対移動させる。図３に示すように、回転ツールＦの挿入深さは、本実施形態では、攪拌ピンＦ２が第一金属部材１及び第二金属部材２に接触するように設定している。回転ツールＦの移動軌跡には塑性化領域Ｗ１が形成されている。なお、攪拌ピンＦ２は、第一金属部材１のみと接触するように挿入深さを設定してもよい。この場合は、攪拌ピンＦ２と第一金属部材１との摩擦熱によって第一突合せ部Ｊ１周りが塑性流動化して接合される。

なお、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ロボットアームに取り付けることが好ましい。これにより、後記する内隅摩擦攪拌工程を行う際に、回転ツールＦの回転中心軸を容易に傾斜させることができる。

補助部材配置工程は、図４に示すように、内隅に補助部材１０を配置する工程である。補助部材１０は板状の金属部材であって、本実施形態では、第一金属部材１及び第二金属部材２と同じ材料で形成されている。補助部材配置工程では、補助部材１０の裏面１０ｃを第二金属部材２の第一側面２ｂに面接触させるとともに、端面１０ｄを第一金属部材１の裏面１ｃに当接させる。補助部材１０の板厚寸法は、後記する内隅摩擦攪拌工程後に、接合部に金属不足が発生しないように適宜設定する。

内隅摩擦攪拌工程は、図５に示すように、内隅から攪拌ピンＦ２を挿入して第二突合せ部Ｊ２を摩擦攪拌接合する工程である。内隅摩擦攪拌工程では、タブ材Ｔの表面Ｔａに設定された開始位置Ｓｐに右回転させた回転ツールＦを挿入し、図５の手前側から奥側に向けて第二突合せ部Ｊ２に沿って回転ツールＦを相対移動させる。本実施形態では、回転ツールＦの回転速度を低速に設置している。回転ツールＦの挿入深さや挿入角度は適宜設定すればよい。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。

内隅摩擦攪拌工程では、補助部材１０側にバリＶが発生するように接合条件を設定するのが好ましい。バリＶが発生する位置は、接合条件によって異なる。当該接合条件とは、回転ツールＦの回転速度、回転方向、移動速度（送り速度）、進行方向、攪拌ピンＦ２の傾斜角度（テーパー角度）、被接合金属部材（第一金属部材１、第二金属部材２及び補助部材１０）の材質、被接合金属部材の厚さ等の各要素とこれらの要素の組合せで決定される。

例えば、回転ツールＦの回転速度が遅い場合では、フロー側（retreating side（Ｒｅ側）：回転ツールＦの外周における接線速度から回転ツールの移動速度が減算される側）に比べてシアー側（advancing side（Ａｄ側）：回転ツールＦの外周における接線速度に回転ツールＦの移動速度が加算される側）の方が塑性流動材の温度が上昇しやすくなるため、塑性化領域外のシアー側にバリが多く発生する傾向にある。一方、例えば、回転ツールＦの回転速度が速い場合、シアー側の方が塑性流動材の温度が上昇するものの、回転速度が速い分、塑性化領域外のフロー側にバリＶが多く発生する傾向にある。

本実施形態では、回転ツールＦの回転速度を遅く設定しつつ、進行方向左側に補助部材１０が位置するように設定しているため、図６に示すように、塑性化領域Ｗ２外のシアー側である補助部材１０にバリＶが多く発生する傾向にある。なお、回転ツールＦの接合条件及び補助部材１０の配置位置は、ここで説明したものに限定されるものではなく適宜設定すればよい。

このようにして、バリＶが発生する側又はバリＶが多く発生する側が補助部材１０側となるように接合条件を設定すれば、図６に示すように、補助部材１０の表面１０ｂにバリＶを集約することができる。そのため、後記する除去工程を容易に行うことができるため好ましい。

除去工程は、図６に示すように、補助部材１０を第二金属部材２から除去する工程である。具体的な図示は省略するが、本実施形態では、補助部材１０の先端を折り曲げるようにして第二金属部材２から除去する。また、タブ材Ｔ，Ｔを第一金属部材１から除去する。

以上説明した本実施形態に係る接合方法によれば、内隅に補助部材１０を配置し、補助部材１０を介して内隅の摩擦攪拌接合を行うため、内隅に形成される塑性化領域Ｗ２の金属不足を防ぐことができる。これにより、内隅の水密性及び気密性を高めることができる。

また、第一金属部材１に段差部１１を設けることにより、突合せ工程において、第一金属部材１と第二金属部材２の位置決めを容易に行うことができる。また、段差部１１を設けることで、第一金属部材１の表面１ｂから第一突合せ部Ｊ１までの距離を短くすることができるため、攪拌ピンＦ２を第一突合せ部Ｊ１まで容易に挿入することができる。また、本実施形態によれば、内隅に発生したバリＶを補助部材１０ごと容易に除去することができる。また、内隅摩擦攪拌工程では、攪拌ピンＦ２のみを内隅に挿入するため、摩擦攪拌装置にかかる負荷を軽減することができる。

また、本実施形態では、第一突合せ部攪拌工程においても、攪拌ピンＦ２のみを挿入して摩擦攪拌を行うため、摩擦攪拌装置にかかる負荷を軽減することができる。

［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。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、タブ材配置工程と、補助部材配置工程と、内隅摩擦攪拌工程と、除去工程と、第一突合せ部摩擦攪拌工程と、を行う。第二実施形態は、内隅摩擦攪拌工程を行ってから第一突合せ部摩擦攪拌工程を行う点で第一実施形態と相違する。第二実施形態では、第一実施形態と相違する部分を中心に説明する。

準備工程、突合せ工程及びタブ材配置工程は、第一実施形態と共通である。補助部材配置工程では、図７に示すように、補助部材１０の裏面１０ｃを第一金属部材１の裏面１ｃに面接触させる。

内隅摩擦攪拌工程では、図７に示すように、タブ材Ｔの裏面Ｔｂに設定した開始位置Ｓｐに低速で右回転させた回転ツールＦを挿入し、図７の手前側から奥側に向けて第二突合せ部Ｊ２に沿って回転ツールＦを相対移動させる。これにより、第二突合せ部Ｊ２が摩擦攪拌接合される。内隅摩擦攪拌工程によって、補助部材１０の表面１０ｂにバリＶ（図示省略）が形成される。

除去工程では、図７に示すように、第一金属部材１から補助部材１０を除去する。除去工程では、補助部材１０の端部を折り曲げるようにして第一金属部材１から切除する。

第一突合せ部摩擦攪拌工程では、図８に示すように、第一実施形態と同じ要領で、回転ツールＦを第一金属部材１の表面１ｂから挿入し、第一突合せ部Ｊ１を摩擦攪拌接合する。

以上説明した第二実施形態によっても第一実施形態と同等の効果を奏することができる。ここで、図９は、第二実施形態の変形例に係る第一突合せ部摩擦攪拌工程を示す断面図である。第一実施形態及び第二実施形態とも、図９に示すように、第一突合せ部摩擦攪拌工程において、回転ツール（第一回転ツール）Ｆに代えて、第二回転ツールＧを用いてもよい。第二回転ツールＧは、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とを有する。当該変形例の第一突合せ部摩擦攪拌工程では、ショルダ部Ｇ１の下端面Ｇ１ａを第一金属部材１の表面１ｂに接触させるか又は数ミリ程度押し込みながら第一突合せ部Ｊ１に沿って摩擦攪拌接合を行う。当該変形例によれば、ショルダ部Ｇ１で塑性流動材を抑えることができるため、バリの発生を少なくすることができる。第一突合せ部摩擦攪拌工程では、第二回転ツールＧの攪拌ピンＧ２を第一金属部材１のみ、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第一突合せ部Ｊ１を摩擦攪拌接合する。

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、第一突合せ部摩擦攪拌工程を行う前に、第一突合せ部Ｊ１に対して仮接合を行ってもよい。また、内隅摩擦攪拌工程を行う前に、第二突合せ部Ｊ２に対して仮接合を行ってもよい。仮接合は、摩擦攪拌で行ってもよいし、溶接で行ってもよい。仮接合は、スポットで行ってもよいし、連続的に行ってもよい。

また、補助部材を断面Ｌ字状とし、内隅を覆うように配置してもよい。除去工程においては、第一金属部材１及び第二金属部材２から当該補助部材を除去する。

１第一金属部材
１ｂ表面
１ｃ裏面
２第二金属部材
２ｂ第一側面
２ｃ第二側面
Ｊ１第一突合せ部
Ｊ２第二突合せ部
Ｆ回転ツール（第一回転ツール）
Ｆ１連結部
Ｆ２攪拌ピン
Ｇ第二回転ツール
Ｇ１ショルダ部
Ｇ２攪拌ピン
Ｗ１塑性化領域
Ｗ２塑性化領域

Claims

端部の裏面に段差部が形成された板状の第一金属部材を用意するとともに、板状の第二金属部材を用意する準備工程と、
前記第一金属部材の前記段差部の段差底面と、前記第二金属部材の端面とを突き合わせて第一突合せ部を形成するとともに、前記段差部の段差側面と、前記第二金属部材の第一側面とを突き合わせて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裏面と前記第二金属部材の第一側面とで形成された内隅に補助部材を配置する補助部材配置工程と、
前記内隅から回転ツールの攪拌ピンを挿入し、前記回転ツールを前記内隅に沿って相対移動させて、前記第二突合せ部を摩擦攪拌接合する内隅摩擦攪拌工程と、
前記第一金属部材の表面側から前記回転ツールの攪拌ピンを挿入し、前記回転ツールを前記段差部に沿って相対移動させて、前記第一突合せ部を摩擦攪拌接合する第一突合せ部摩擦攪拌工程と、
バリが形成された前記補助部材を前記第一金属部材又は前記第二金属部材から除去する除去工程と、を含み、
前記内隅摩擦攪拌工程では、前記攪拌ピンのみを前記第一金属部材、前記第二金属部材及び前記補助部材に接触させた状態で前記第二突合せ部を摩擦攪拌接合し、
前記第一突合せ部摩擦攪拌工程では、前記攪拌ピンのみを前記第一金属部材のみ、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第一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。
端部の裏面に段差部が形成された板状の第一金属部材を用意するとともに、板状の第二金属部材を用意する準備工程と、
前記第一金属部材の前記段差部の段差底面と、前記第二金属部材の端面とを突き合わせて第一突合せ部を形成するとともに、前記段差部の段差側面と、前記第二金属部材の第一側面とを突き合わせて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裏面と前記第二金属部材の第一側面とで形成された内隅に補助部材を配置する補助部材配置工程と、
前記内隅から第一回転ツールの攪拌ピンを挿入し、前記第一回転ツールを前記内隅に沿って相対移動させて、前記第二突合せ部を摩擦攪拌接合する内隅摩擦攪拌工程と、
前記第一金属部材の表面側からショルダ部と攪拌ピンとを備えた第二回転ツールの攪拌ピンを挿入し、前記ショルダ部を前記第一金属部材の表面に接触させた状態で前記段差部に沿って相対移動させて、前記第一突合せ部を摩擦攪拌接合する第一突合せ部摩擦攪拌工程と、
バリが形成された前記補助部材を前記第一金属部材又は前記第二金属部材から除去する除去工程と、を含み、
前記内隅摩擦攪拌工程では、前記第一回転ツールの攪拌ピンのみを前記第一金属部材、前記第二金属部材及び前記補助部材に接触させた状態で前記第二突合せ部を摩擦攪拌接合し、
前記第一突合せ部摩擦攪拌工程では、前記第二回転ツールの攪拌ピンを前記第一金属部材のみ、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第一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。
前記内隅摩擦攪拌工程では、摩擦攪拌接合で発生するバリが前記補助部材に形成されるように接合条件を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。