JP2020022973A - 摩擦攪拌接合装置、および、これを用いた摩擦攪拌接合体の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】板厚が薄い被接合部材であっても、被接合部材の破損を防止しつつ、摩擦攪拌接合体の強度を向上させる摩擦攪拌接合装置、および、摩擦攪拌接合体の製造方法を提供する。【解決手段】摩擦攪拌接合装置５１は、第１部材１１および第２部材１２を接合する。第１部材１１および第２部材１２は、板状に形成され、互いに接触しており、接触点Ｐａを有する。摩擦攪拌接合装置５１は、ツール２０および制御部４０を備える。ツール２０は、棒状に形成されており、ツール軸Ｏｔ周りに回転可能、かつ、並進運動可能であり、プローブ面２２を有する。プローブ面２２は、第１部材１１および第２部材１２に対向し、曲面となるように形成され、曲率中心Ｐｏをツール２０の内側に含む。制御部４０は、リトリーティングサイドＲｓにツール軸Ｏｔが接触点Ｐａよりも位置しつつ、第１部材１１および第２部材１２とプローブ面２２が摩擦するように、ツール２０を制御する。【選択図】図１

Description

本発明は、摩擦攪拌接合装置、および、これを用いた摩擦攪拌接合体の製造方法に関する。

従来、特許文献１に記載されているように、被接合部材の表面に接触するショルダおよび被接合部材中に押し込まれるプローブを有するツールを用いた摩擦攪拌接合方法が知られている。

特開２０１２−０８６２６７号公報

板厚が比較的厚い被接合部材を摩擦攪拌接合する場合、特許文献１に記載されているようなショルダは、被接合部材への圧力が低下することを防止する。一方で、被接合部材の板厚が薄いとき、被接合部材の熱容量および剛性が小さくなる。このため、板厚が比較的薄い被接合部材を摩擦攪拌接合する場合、ショルダと被接合部材との摩擦によって、被接合部材は、過熱または変形することがあり、被接合部材が破損することがある。

本発明は、上記の点に鑑みて創作されたものであり、その目的は、板厚が薄い被接合部材であっても、被接合部材の破損を防止しつつ、摩擦攪拌接合体の強度を向上させる摩擦攪拌接合装置、および、摩擦攪拌接合体の製造方法を提供することにある。

本発明の摩擦攪拌接合装置は、第１部材（１１）および第２部材（１２）を接合する。第１部材および第２部材は、板状に形成され、互いに接触しており、接触点（Ｐａ）を有する。摩擦攪拌接合装置は、ツール（２０）および制御部（４０）を備える。

ツールは、棒状に形成されており、ツール軸（Ｏｔ）周りに回転可能、かつ、並進運動可能であり、プローブ面を有する。プローブ面は、第１部材および第２部材に対向し、曲面となるように形成されており、曲率中心（Ｐｏ）をツールの内側に含む。

制御部は、ツールの回転方向（Ｄｒ）がツールの移動方向（Ｄｍ）とは逆になる側であるリトリーティングサイド（Ｒｓ）にツール軸が接触点よりも位置しつつ、ツールが回転しながら第１部材および第２部材とプローブ面が摩擦するように、ツールを制御する。

リトリーティングサイドにツール軸が位置することによって、第１部材および第２部材の接合部周辺の温度が均一にすることができる。これにより、第１部材および第２部材の両方の塑性流動が促進され、第１部材および第２部材の接合部の強度が向上する。また、ツールの内側に曲率中心が位置するように、プローブ面が形成されていることにより、第１部材および第２部材の接合部以外が非接触となるため、第１部材および第２部材の接合部以外における摩擦抵抗が低減する。摩擦抵抗が低減するため、第１部材および第２部材の過熱および変形が防止され、第１部材および第２部材の破損を防止する。

また、本発明は、上記摩擦攪拌接合装置を用いた摩擦攪拌接合体の製造方法として提供される。摩擦攪拌接合体の製造方法は、ツール位置調整工程（Ｓ１２）および摩擦攪拌接合工程（Ｓ１３）を有する。ツール位置調整工程では、ツール軸が接触点よりもリトリーティングサイドに位置するように、上記ツールを移動させる。摩擦攪拌接合工程では、ツールを回転させつつ、第１部材および前記第２部材とプローブ面を摩擦させる。これにより、上記摩擦攪拌接合装置と同様の効果を奏する。

一実施形態による摩擦攪拌接合装置の構成図。 一実施形態による摩擦攪拌接合装置の上面図。 一実施形態による摩擦攪拌接合装置のオフセット量を説明するための断面図。 一実施形態による摩擦攪拌接合装置を用いて、第１部材および第２部材を摩擦攪拌接合するときの第１部材および第２部材の温度分布を説明するための断面図。 一実施形態による摩擦攪拌接合装置を用いて、第１部材および第２部材を摩擦攪拌接合したときの摩擦攪拌接合体の側面図。 一実施形態による摩擦攪拌接合体の製造方法を説明するためのフローチャート。 他の実施形態による摩擦攪拌接合装置の構成図。 他の実施形態による摩擦攪拌接合装置の構成図。 他の実施形態による摩擦攪拌接合装置を用いて、第１部材および第２部材を摩擦攪拌接合したときの摩擦攪拌接合体の側面図。 比較例の被接合部材を突き合わせたときに生じる空隙を説明するための拡大図。

以下、実施形態による摩擦攪拌接合装置を図面に基づいて説明する。複数の実施形態の説明において、実質的に同一の構成には、同一の符号を付して説明する。本実施形態という場合、複数の実施形態を包括する。本実施形態の摩擦攪拌接合装置は、第１部材１１および第２部材１２を摩擦攪拌接合するのに用いられる。まず、被接合部材としての第１部材１１および第２部材１２について、説明する。

図１に示すように、第１部材１１および第２部材１２は、互いに接触している。第１部材１１および第２部材１２が接触している点を接触点Ｐａとする。

また、第１部材１１および第２部材１２は、板状に形成されている。第１部材１１の板厚を第１板厚Ｔ１とする。第２部材１２の板厚を第２板厚Ｔ２とする。第１板厚Ｔ１および第２板厚Ｔ２は、０．１ｍｍ−０．５ｍｍ程度である。第１部材１１は、第１板厚Ｔ１が第２板厚Ｔ２と同じになるように、すなわち、Ｔ１＝Ｔ２ となるように、形成されている。なお、本明細書中、「同じ」、「＝」は、常識的な誤差範囲を含むものとする。また、図において、第１部材１１および第２部材１２の厚みを誇張して記載している。

さらに、第１部材１１は、第２部材１２と同じ材料で形成されている。第１部材１１および第２部材１２は、いずれもアルミニウム（Ａｌ）で形成されている。なお、第１部材１１および第２部材１２は、鉄（Ｆｅ）または銅（Ｃｕ）等で形成されてもよい。

（一実施形態）
摩擦攪拌接合装置５１は、ツール２０、支持部としてのベース３０および制御部４０を備える。

ツール２０は、棒状に形成されており、ツール２０の径方向において円形形状の断面を有する。また、ツール２０は、軸方向に延びているツール軸Ｏｔ周りに回転可能、かつ、並進運動可能である。

図２に示すように、ツール２０の回転方向をツール回転方向Ｄｒとする。ツール２０の移動方向をツール移動方向Ｄｍとする。ツール回転方向Ｄｒがツール移動方向Ｄｍとは逆になる側をリトリーティングサイドＲｓとする。ツール回転方向Ｄｒがツール移動方向Ｄｍと一致する側をアドバンシングサイドＡｓとする。

図１に戻って、ツール２０は、工具鋼等で形成されており、プローブ２１を先端に有する。プローブ２１は、プローブ面２２を含む。プローブ面２２は、第１部材１１および第２部材１２に対向しており、曲面形状に形成されている。プローブ面２２の局所的な曲がり具合を円に近似できる。

この近似円の半径を曲率半径ＳＲとする。曲率半径ＳＲを有する円の中心を曲率中心Ｐｏとする。プローブ面２２は、プローブ２１の内側に曲率中心Ｐｏが位置するように、形成されており、第１部材１１および第２部材１２に向かう凸曲面となるように、形成されている。一実施形態では、プローブ面２２は、球面形状に形成されており、曲率半径ＳＲは、一定である。

ベース３０は、板状に形成されており、ツール２０とは反対側に設けられている。ベース３０は、第１部材１１および第２部材１２に接触して、第１部材１１および第２部材１２を支持可能である。第１部材１１および第２部材１２とツール２０とが摩擦するとき、ベース３０は、ツール２０により、第１部材１１および第２部材１２に作用する力を支持する。

制御部４０は、ツール２０の回転および並進運動を制御可能である。制御部４０は、マイコンを主体として構成されており、ＣＰＵ、読み出し可能な非一時的有形記録媒体、ＲＯＭ、Ｉ／Ｏ、および、これらの構成を接続するバスライン等を備えている。制御部４０の各処理は、ＲＯＭ等の実体的なメモリ装置に予め記憶されたプログラムをＣＰＵで実行することによるソフトウェア処理であってもよいし、専用の電子回路によるハードウェア処理であってもよい。

また、制御部４０は、第１部材１１および第２部材１２を摩擦攪拌接合するとき、接触点ＰａよりもリトリーティングサイドＲｓにツール軸Ｏｔが位置しつつ、第１部材１１および第２部材１２とプローブ面２２が摩擦するように、ツール２０を制御する。接触点Ｐａからツール軸Ｏｔまでの距離をオフセット量Ｗｆとする。

図３に示すように、制御部４０は、第１部材１１および第２部材１２を摩擦攪拌接合するとき、オフセット量Ｗｆが以下関係式（１−１）−（１−６）を満たしつつ、第１部材１１または第２部材１２にツール２０を押し込むように、ツール２０を制御する。断面図において、第１部材１１、第２部材１２およびツール２０の関係を明確にするため、ツール２０を白色で記載している。

第１部材１１または第２部材１２にツール２０を押し込む深さを押し込み量Ｈとする。第１部材１１および第２部材１２にプローブ面２２が押し込まれたときの境界部における端点を境界点Ｐｂとする。ツール軸Ｏｔから境界点Ｐｂまでの距離を挿入幅Ｗｂとする。なお、押し込み量Ｈは、第１部材１１および第２部材１２にプローブ面２２が押し込まれたときの第１部材１１または第２部材１２の表面からプローブ２１の先端までの距離である。また、押し込み量Ｈは、実験またはシミュレーション等により予め設定されてもよいし、摩擦攪拌接合毎に調整されてもよい。また、関係式（１−４）におけるθは、度単位またはラジアン単位で表される角度である。

０＜Ｈ＜Ｔ１ ・・・（１−１）
０＜Ｈ＜Ｔ２ ・・・（１−２）
Ｈｚ＝ＳＲ−Ｈ ・・・（１−３）
θ＝ａｒｃｃｏｓ（Ｈｚ／ＳＲ） ・・・（１−４）
Ｗｂ＝ＳＲ×ｓｉｎθ ・・・（１−５）
０＜Ｗｆ＜Ｗｂ ・・・（１−６）

アドバンシングサイドＡｓの部位では、ツールの速度が相対的に速いため、摩擦熱が生じやすく、被接合部材の温度が上昇しやすい。一方、リトリーティングサイドＲｓの部位では、ツールの速度が相対的に遅いため、アドバンシングサイドＡｓの部位よりも摩擦熱が生じにくく、被接合部材の温度がアドバンシングサイドＡｓの部位よりも上昇しにくい。このため、リトリーティングサイドＲｓの部位では、塑性流動が生じにくく、攪拌がされにくくなり、接合体の接合強度が小さくなる。

そこで、図４に示すように、接触点ＰａよりもリトリーティングサイドＲｓにツール軸Ｏｔが位置することによって、第１部材１１および第２部材１２の接合部周辺の温度が均一にすることができる。これにより、第１部材１１および第２部材１２の両方の塑性流動が促進され、第１部材１１および第２部材１２の接合部の強度が向上する。なお、図において、摩擦攪拌接合されるときの温度が比較的高い範囲Ｃをドット柄で記載する。第１部材１１および第２部材１２の接触面Ｂを破線で記載している。

一方、特許文献１では、板厚が異なる被接合部材の摩擦攪拌接合において、被接合部材に向けて凸曲面となるように形成されているショルダおよびそのショルダに接続されているプローブを備えるツールが記載されている。また、特許文献２として、特開２００７−０８３２４２号公報では、異種材料の摩擦攪拌接合において、ショルダおよびプローブを有するツールの中心が軟質金属側に位置しつつ、摩擦攪拌を行うことが記載されている。特許文献３として、特開２０１３−２４８６４７号公報では、ショルダおよびプローブを有するツールの中心がリトリーティングサイドに位置しつつ、摩擦攪拌を行うことが記載されている。

しかし、特許文献１−３の構成のように、板厚が比較的薄い被接合部材を摩擦攪拌接合する場合、ショルダと被接合部材との摩擦によって、被接合部材は、過熱または変形することがあった。また、異種材料の摩擦攪拌接合における軟質金属側、または、リトリーティングサイドにツールが位置して、摩擦攪拌を行っても、板厚が比較的薄い被接合部材を接合する場合、ショルダと被接合部材との摩擦によって、被接合部材が破損することがあった。

そこで、本実施形態の摩擦攪拌接合装置５１では、ショルダがなく、プローブ２１の内側に曲率中心Ｐｏが位置するように、プローブ面２２が形成されている。これにより、第１部材１１および第２部材１２の接合部以外が非接触となり、第１部材１１および第２部材１２の接合部以外における摩擦抵抗が低減する。摩擦抵抗が低減するため、第１部材１１および第２部材１２の過熱および変形が防止され、第１部材１１および第２部材１２の破損を防止する。

ところで、特開２００７−１３６５４４号公報または特開２０１５−０２４４１８号公報に記載されているように、被接合部材を突き合わせて、摩擦攪拌接合することが知られている。特開２０１５−０２４４１８号公報においては、板厚方向に凸部を備える必要があり、摩擦攪拌接合後に、バリが発生しやすい。このため、バリを除去する必要がある。また、特開２０１５−０２４４１８号公報では、摩擦攪拌接合後に、残存する凸部も除去する必要があり、後処理をする必要がある。

また、図１０の示すように、比較例としての２つの被接合部材９０を突き合わせたとき、被接合部材９０のうねりまたは突き合わせ面の形状により、被接合部材９０の間に微小な空隙９１が形成される。このため、被接合部材９０を摩擦攪拌接合するときの圧力により、被接合部材９０は、空隙９１に向かって変形し、圧力が低下することがある。圧力が低下すると、被接合部材９０の接合部への入熱量が小さくなり、被接合部材９０が攪拌されにくい。被接合部材９０の攪拌が不十分であると、摩擦攪拌接合体の強度が低下する虞がある。また、被接合部材９０の板厚が比較的薄い場合、被接合部材９０が空隙９１に向かって変形しても、空隙９１が埋まらず、圧力が低下しやすい。そこで、本実施形態の摩擦攪拌接合装置５１では、以下のように、第１部材１１および第２部材１２の配置を変更し、摩擦攪拌接合体の強度をさらに向上させることを可能にした。

第２部材１２に対向する第１部材１１の対向面を第１対向面１１１とする。第２部材１２側の第１部材１１の端部を第１端部１１２とする。第１部材１１側の第２部材１２の端部を第２端部１２２とする。第２部材１２側の第１端部１１２の端点を第１端点Ｐ１とする。ツール２０側の第２端部１２２の端点を第２端点Ｐ２とする。

図１に戻って、第１部材１１は、第１端部１１２がツール２０側に位置し、かつ、接触点ＰａよりもリトリーティングサイドＲｓに位置するように設けられており、第２部材１２と重なるように設けられている。第１対向面１１１と第２端点Ｐ２との交点が接触点Ｐａとなる。第１端部１１２は、ベース３０に非接触である。

第１部材１１を第２部材１２に重ねることによって、余肉が形成される。このため、板厚が比較的薄い第１部材１１および第２部材１２を摩擦攪拌接合する場合、第１部材１１および第２部材１２が空隙に向かって変形したとき、空隙を埋めることができる。空隙を埋めることができるため、摩擦攪拌接合における圧力を保持することができる。このため、第１部材１１および第２部材１２が攪拌されやすくなり、摩擦攪拌接合体の強度がより向上する。

また、第１部材１１は、第１端点Ｐ１がツール軸Ｏｔ上に位置するように、設けられている。これにより、図５に示すように、余肉部分が過剰にならず、プローブ面２２の痕Ｍが残るのみで、第１部材１１および第２部材１２が変形したときに生じるバリが発生することが抑制される。したがって、バリ等を除去する必要がなくなり、後処理が不要になり、摩擦攪拌接合体の製造が容易になる。

次に、本実施形態の摩擦攪拌接合装置５１を用いた摩擦攪拌接合体の製造方法について、図６のフローチャートを参照して、説明する。以下、フローチャートの説明において、「Ｓ」は、ステップを表す。摩擦攪拌接合装置５１を用いた摩摩擦攪拌接合体の製造方法は、被接合部材セット工程、ツール位置調整工程および摩擦攪拌接合工程を含む。

Ｓ１１の被接合部材セット工程では、ベース３０の上に、第１部材１１および第２部材１２を配置する。また、第１端部１１２がツール２０側に位置し、かつ、接触点ＰａよりもリトリーティングサイドＲｓに位置するように、第２部材１２の上に第１部材１１を重ねる。

Ｓ１２のツール位置調整工程では、制御部４０により、接触点ＰａよりもリトリーティングサイドＲｓにツール軸Ｏｔが位置するように、ツール２０を移動させる。このとき、関係式（１−１）−（１−６）が満たされるように、ツール２０の位置を、調整する。

Ｓ１３の摩擦攪拌接合工程では、関係式（１−１）−（１−６）を満たしつつ、プローブ面２２が第１部材１１および第２部材１２に接触するように、ツール２０を移動させる。そして、ツール２０を回転させつつ、プローブ面２２が接触点Ｐａを通過するようにツール２０を移動させる。なお、第１部材１１の材質、第２部材１２の材質、第１板厚Ｔ１または第２板厚Ｔ２等により、ツール２０の回転速度および移動速度は、適宜調整される。

ツール２０が回転しながら移動したとき、第１部材１１および第２部材１２とプローブ面２２が摩擦する。このとき、第１部材１１および第２部材１２が攪拌され、第１部材１１および第２部材１２は、接合される。摩擦攪拌接合装置５１を用いた摩擦攪拌接合体の製造方法によって、第１部材１１および第２部材１２の破損が防止され、接合部の強度が向上した摩擦攪拌接合体が完成する。また、バリ等を除去する必要がなくなり、後処理が不要になり、摩擦攪拌接合体の製造が容易になる。

（他の実施形態）
［１］図７に示すように、第１部材１１またはツール２０は、ツール軸Ｏｔが第１端点Ｐ１よりもアドバンシングサイドＡｓに位置し、接触点ＰａよりもリトリーティングサイドＲｓに位置するように、設けられてもよい。第１部材１１またはツール２０は、すなわち、ツール軸Ｏｔが第１端点Ｐ１および接触点Ｐａの間に位置するように、設けられてもよい。このような形態においても、第１端点Ｐ１がツール軸Ｏｔ上に位置しているときと同様の効果を奏する。

［２］図８および図９に示すように、第１部材１１は、第１板厚Ｔ１が第２板厚Ｔ２と異なるように、形成されていてもよい。図において、第１板厚Ｔ１が第２板厚Ｔ２よりも小さい場合を記載している。このとき、摩擦攪拌接合装置５１は、板厚調整部としてのスペーサ４５をさらに備える。

スペーサ４５は、第１部材１１およびベース３０の間に設けられている。スペーサ４５の板厚を調整厚みＴｓとする。スペーサ４５は、第１板厚Ｔ１および調整厚みＴｓの和が第２板厚Ｔ２と一致するように、すなわち、Ｔ１＋Ｔｓ＝Ｔ２ となるように、形成されている。このような形態においても、上記と同様の効果を奏する。

［３］第１部材１１は、第２部材１２とは異なる材料で形成されてもよい。第１部材１１は、例えば、アルミニウムで形成されている。第２部材１２は、例えば、鉄で形成されている。第１部材１１は、第１端部１１２がツール２０側に位置し、かつ、接触点ＰａよりもリトリーティングサイドＲｓに位置するように設けられている。このような形態においても、上記と同様の効果を奏する。

なお、第１部材１１および第２部材１２が異なる材料で形成されている場合、鉄の融点よりも融点が低いアルミニウムで形成されている第１部材１１を第２部材１２の上に重ねる。すなわち、融点が低い材料を融点が高い材料の上に重ねる。融点が低い材料を融点が高い材料の上に重ねることで、融点が高い材料の真実接触面積が小さくなり、微視的にかかる圧力が高くなる。このため、融点が高い材料の酸化膜が除去されやすくなり、融点が高い材料が軟化しやすくなり、塑性流動しやすくなる。

［４］プローブ面は、球面形状に限定されず、円柱面等の曲面となるように、形成されてもよい。

以上、本発明はこのような実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の形態で実施することができる。

１１ ・・・第１部材、 １２ ・・・第２部材、
２０ ・・・ツール、
４０ ・・・制御部、
５１ ・・・摩擦攪拌接合装置、
Ｐａ ・・・接触点、
Ｏｔ ・・・ツール軸、
Ｄｒ ・・・ツール回転方向、 Ｄｍ ・・・ツール移動方向、
Ｒｓ ・・・リトリーティングサイド。

Claims (7)

1. 板状に形成され、互いに接触しており、接触点（Ｐａ）を有する第１部材（１１）および第２部材（１２）を接合する摩擦攪拌接合装置（５１）であって、
   棒状に形成されており、ツール軸（Ｏｔ）周りに回転可能、かつ、並進運動可能であり、前記第１部材および前記第２部材に対向し、曲面となるように形成され、曲率中心（Ｐｏ）を内側に含むプローブ面（２２）を有するツール（２０）と、
   前記ツールの回転方向（Ｄｒ）が前記ツールの移動方向（Ｄｍ）とは逆になる側であるリトリーティングサイド（Ｒｓ）に前記ツール軸が前記接触点よりも位置しつつ、前記ツールが回転しながら前記第１部材および前記第２部材と前記プローブ面が摩擦するように、前記ツールを制御する制御部（４０）と、
   を備える摩擦攪拌接合装置。
2. 前記第１部材は、前記第１部材の端部（１１２）が前記ツール側に位置し、かつ、前記接触点よりも前記リトリーティングサイドに位置して、前記第２部材と接触している請求項１に記載の摩擦攪拌接合装置。
3. 前記第１部材の端部（１１２）の端点（Ｐ１）が前記ツール軸上に位置する、または、前記第１部材の端部（１１２）の端点（Ｐ１）および前記接触点の間に前記ツール軸が位置する請求項２に記載の摩擦攪拌接合装置。
4. 前記ツールとは反対側に設けられており、前記第１部材または前記第２部材を支持可能な支持部（３０）をさらに備える請求項１から３のいずれか一項に記載の摩擦攪拌接合装置。
5. 前記第１部材は、前記第２部材と同じ材料で形成されている請求項１から４のいずれか一項に記載の摩擦攪拌接合装置。
6. 前記第１部材は、前記第２部材と異なる材料で形成されており、融点が前記第２部材よりも低く、前記第１部材の端部（１１２）が前記ツール側に位置し、かつ、前記接触点よりも前記リトリーティングサイドに位置して、前記第２部材と接触している請求項１に記載の摩擦攪拌接合装置。
7. 板状に形成されており、互いに接触して接触点（Ｐａ）を有する第１部材（１１）および第２部材（１２）を接合してなる摩擦攪拌接合体の製造方法であって、
   棒状に形成されており、ツール軸（Ｏｔ）周りに回転可能、かつ、並進運動可能であり、前記第１部材および前記第２部材に対向し、曲面となるように形成され、曲率中心（Ｐｏ）を内側に含むプローブ面（２２）を有するツール（２０）の回転方向（Ｄｒ）が前記ツールの移動方向（Ｄｍ）とは逆になる側であるリトリーティングサイド（Ｒｓ）に、前記ツール軸が前記接触点よりも位置するように、前記ツールを移動させるツール位置調整工程（Ｓ１２）と、
   前記ツールを回転させつつ、前記第１部材および前記第２部材と前記プローブ面を摩擦させる摩擦攪拌接合工程（Ｓ１３）と、
   を有する摩擦攪拌接合体の製造方法。

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