JP2020028897A - 接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】接合強度を高めることができ、第一金属部材の表面にバリが発生するのを防ぐことができるとともに、摩擦攪拌装置にかかる負荷を小さく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】回転ツールＧの攪拌ピンＧ２の外周面は先細りとなるように傾斜しており、攪拌ピンＧ２の先端側には平坦面Ｇ３が形成されるとともに、平坦面Ｇ３に突出する突起部Ｇ４が形成されており、摩擦攪拌工程において、回転ツールＧのショルダ部Ｇ１を凹溝３内に挿入し、ショルダ部Ｇ１を凹溝３の底面３ａから離間させた状態で、第一金属部材１から発生するバリＶをショルダ部Ｇ１で押さえつつ、平坦面Ｇ３を第一金属部材１のみに接触させ、かつ、突起部Ｇ４を第二金属部材２に接触させた状態で突合せ部Ｊを摩擦攪拌接合することを特徴とする。【選択図】図２Ｂ

Description

本発明は、板状の金属部材同士の接合方法に関する。

特許文献１には、板状の第一金属部材と板状の第二金属部材とをＴ字状に突き合わせて接合する接合方法が開示されている。当該接合方法では、第一金属部材の裏面と第二金属部材の端面とを突き合わせて突合せ部を形成する突合せ工程と、第一金属部材の表面から回転ツールを押し込んで突合せ部を摩擦攪拌接合する摩擦攪拌工程とを行う。

特許第３９４７２７１号公報

従来の接合方法では、回転ツールのショルダ部の下端面を第一金属部材の表面に押し込んで摩擦攪拌工程を行うため、第一金属部材の表面にバリが発生する。そのため、バリを除去するバリ除去工程を行わなければならない。また、回転ツールのショルダ部の下端面を第一金属部材の表面に押し込んで摩擦攪拌工程を行うため、摩擦攪拌装置にかかる負荷が大きくなるという問題がある。また、第一金属部材と第二金属部材との接合強度をより高めることが好ましい。

このような観点から、本発明は、接合強度を高めることができ、第一金属部材の表面にバリが発生するのを防ぐことができるとともに、摩擦攪拌装置にかかる負荷を小さくすることができる接合方法を提供することを特徴とする。

このような課題を解決するために本発明は、板状を呈し表面に凹溝を有する第一金属部材の裏面と板状の第二金属部材の端面とを突き合わせて突合せ部を形成する突合せ工程と、前記第一金属部材の表面側から前記凹溝に回転ツールの攪拌ピンを挿入し、前記回転ツールを前記凹溝に沿って相対移動させて、前記突合せ部を摩擦攪拌接合する摩擦攪拌工程と、を含み、前記回転ツールは、円柱状を呈するショルダ部と前記ショルダ部から垂下する攪拌ピンとを有し、前記ショルダ部の直径を前記凹溝の幅よりも小さく設定し、前記攪拌ピンの外周面は先細りとなるように傾斜しており、前記攪拌ピンの先端側には平坦面が形成されるとともに、前記平坦面に突出する突起部が形成されており、前記摩擦攪拌工程において、前記回転ツールのショルダ部を前記凹溝内に挿入し、前記ショルダ部を前記凹溝の底面から離間させた状態で、前記第一金属部材から発生するバリを前記ショルダ部で押さえつつ、前記平坦面を前記第一金属部材のみに接触させ、かつ、突起部を前記第二金属部材に接触させた状態で前記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、凹溝の底面、凹溝の両側壁及びショルダ部の下端面で狭い空間が形成されるため、バリが散飛するのを防ぐとともに凹溝の底面にバリを堆積させることができる。これにより、第一金属部材の表面にバリが発生するのを防ぐことができる。また、凹溝の底面にショルダ部を押し込まないため、摩擦攪拌装置にかかる負荷を小さくすることができる。また、攪拌ピンには平坦面が形成されるとともに、この平坦面に突出する突起部が形成されているので、突起部に沿って摩擦攪拌されて突起部に巻き上げられた塑性流動材は平坦面で押えられる。これにより、突起部周りをより確実に摩擦攪拌することができるとともに界面の酸化皮膜が確実に分断されるので、接合強度を高めることができる。

また、前記第二金属部材の板厚は、前記凹溝の幅よりも小さく設定することが好ましい。かかる接合方法によれば、塑性化領域の幅を小さくすることができるため、第二金属部材の板厚を小さくすることができる。

本発明に係る接合方法によれば、接合強度を高めることができ、第一金属部材の表面にバリが発生するのを防ぐことができるとともに、摩擦攪拌装置にかかる負荷を小さくすることができる。

本発明の第一実施形態に係る接合方法の突合せ工程を示す斜視図である。 第一実施形態に係る接合方法の摩擦攪拌工程を示す斜視図である。 第一実施形態に係る接合方法の摩擦攪拌工程を示す断面図である。 第一実施形態に係る接合方法の摩擦攪拌工程後を示す断面図である。 第一実施形態に係る接合方法の変形例を示す断面図である。 本発明の第二実施形態に係る接合方法の突合せ工程を示す断面図である。 第二実施形態に係る接合方法の第一摩擦攪拌工程を示す断面図である。 第二実施形態に係る接合方法の第二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Ｔ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、突合せ工程と、摩擦攪拌工程とを行う。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。

第一金属部材１は、板状の金属部材である。第一金属部材１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の表面には、断面矩形の凹溝３が形成されている。凹溝３は、第一金属部材１の延長方向に延設されている。第二金属部材２は、板状の金属部材である。第二金属部材２の板厚寸法は適宜設定すればよいが、本実施形態では凹溝３の幅よりも小さく形成されている。第二金属部材２の材料は、前記した摩擦攪拌可能な金属から適宜選択すればよいが、第一金属部材１と同等の材料であることが好ましい。

突合せ工程は、図１に示すように、第一金属部材１の裏面１ｃと、第二金属部材２の端面２ａとを正面視Ｔ字状に突き合わせる工程である。突合せ工程では、凹溝３の対応する位置に第二金属部材２の端面２ａを突き合わせる。第一金属部材１の裏面１ｃと第二金属部材２の端面２ａとを突き合わせることにより突合せ部Ｊが形成される。

摩擦攪拌工程は、図２Ａ及び図２Ｂに示すように、回転ツールＧのショルダ部Ｇ１を凹溝３内に挿入して突合せ部Ｊを摩擦攪拌接合する工程である。回転ツールＧは、円柱状のショルダ部Ｇ１と、ショルダ部Ｇ１の下端面Ｇ１ａから垂下する攪拌ピンＧ２とで構成されている。ショルダ部Ｇ１の外径は、凹溝３の幅よりも若干小さく形成されている。ショルダ部Ｇ１の外径は、ショルダ部Ｇ１の外周面と凹溝３の側壁３ｂ，３ｂとが接触するように設定してもよいが、摩擦攪拌工程を行う際に、ショルダ部Ｇ１の外周面と凹溝３の側壁３ｂ，３ｂとがわずかな隙間をあけて相対移動可能な寸法であることが好ましい。

攪拌ピンＧ２は、先細りになっている。攪拌ピンＧ２の先端には平坦な平坦面Ｇ３が形成されるとともに、当該平坦面Ｇ３に突起部Ｇ４が形成されている。突起部Ｇ４と平坦面Ｇ３とで段差部が形成されている。突起部Ｇ４の形状は特に制限されないが、本実施形態では円柱状になっている。攪拌ピンＧ２の外周面には螺旋溝が形成されている。本実施形態では、回転ツールＧを右回転させるため、攪拌ピンＧ２の螺旋溝は、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。言い換えると、螺旋溝は、螺旋溝を基端から先端に向けてなぞると上から見て左回りに形成されている。

なお、回転ツールＧ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。言い換えると、この場合の螺旋溝は、螺旋溝を基端から先端に向けてなぞると上から見て右回りに形成されている。螺旋溝をこのように設定することで、摩擦攪拌工程の際に塑性流動化した金属が螺旋溝によって攪拌ピンＧ２の先端側に導かれる。これにより、凹溝３の底面３ａから溢れ出る金属の量を少なくすることができる。

摩擦攪拌工程では、回転ツールＧの攪拌ピンＧ２を第一金属部材１の表面１ｂ側から凹溝３の底面３ａの中央に挿入し、突合せ部Ｊ（凹溝３）に沿って回転ツールＧを相対移動させる。回転ツールＧの挿入深さは、適宜設定すればよいが、本実施形態では、攪拌ピンＧ２の平坦面Ｇ３を第一金属部材１のみに接触させ、かつ、突起部Ｇ４が第二金属部材２と接触するように設定している。回転ツールＧの移動軌跡には塑性化領域Ｗが形成される。

また、摩擦攪拌工程では、ショルダ部Ｇ１の下端面Ｇ１ａを、凹溝３の底面３ａから離間させ、かつ、第一金属部材１の表面１ｂよりも低い位置に設定している。つまり、摩擦攪拌工程では、摩擦攪拌によって発生するバリＶをショルダ部Ｇ１の下端面Ｇ１ａで押さえ込みつつ摩擦攪拌接合を行う。特許請求の範囲の「前記ショルダ部を前記凹溝の底面から離間させた状態」とは、バリＶが発生する前の凹溝３の底面３ａからショルダ部Ｇ１の下端面Ｇ１ａを離間させるという意味である。また、特許請求の範囲の「前記第一金属部材から発生するバリを前記ショルダ部で押さえつつ」とは、堆積するバリＶとショルダ部Ｇ１の下端面Ｇ１ａとが接触しており、バリＶの表面（上面）をショルダ部Ｇ１の下端面Ｇ１ａによって押さえるという意味である。

また、ショルダ部Ｇ１の外周面と凹溝３の側壁３ｂ，３ｂとはわずかな隙間をあけて離間している。凹溝３の底面３ａ、凹溝３の側壁３ｂ，３ｂ及びショルダ部Ｇ１の下端面Ｇ１ａで狭い空間が形成されている。

摩擦攪拌工程によって凹溝３の底面３ａにバリＶが発生するが、凹溝３の底面３ａ、凹溝３の側壁３ｂ，３ｂ及びショルダ部Ｇ１の下端面Ｇ１ａで構成された狭い空間（断面矩形の閉空間）に当該バリＶが閉じ込められ、底面３ａにバリＶが堆積する。図３に示すように、バリＶは、凹溝３内に収容されるとともに、バリＶの表面（上面）は、ショルダ部Ｇ１の下端面Ｇ１ａによって押さえられて略平坦になる。

以上説明した本実施形態に係る接合方法によれば、摩擦攪拌工程を行う際に、凹溝３の底面３ａ、凹溝３の側壁３ｂ，３ｂ及びショルダ部Ｇ１の下端面Ｇ１ａで狭い空間が形成されるため、バリＶが散飛するのを防ぐとともに凹溝３の底面３ａにバリＶを堆積させることができる。これにより、第一金属部材１の表面１ｂにバリＶが発生するのを防ぐことができる。よって、第一金属部材１の表面１ｂのバリ除去工程等の表面処理を省略化することができる。

また、本実施形態に係る接合方法によれば、凹溝３の底面３ａにショルダ部Ｇ１を押し込まないため、摩擦攪拌装置にかかる負荷を小さくすることができる。また、本実施形態では、第二金属部材２の板厚寸法を凹溝３の幅よりも小さく設定している。本実施形態では、摩擦攪拌工程の際に、突起部Ｇ４のみを第二金属部材２に接触させるため、攪拌ピンＧ２の平坦面Ｇ３を第二金属部材２に挿入する場合に比べて塑性化領域Ｗの幅を小さくすることができる。これにより、第二金属部材２の板厚寸法を凹溝３よりも小さく設定しても、突合せ部Ｊから塑性流動材が流出するのを防ぐことができ、設計の自由度を高めることができる。

また、攪拌ピンＧ２には平坦面Ｇ３が形成されるとともに、この平坦面Ｇ３に突出する突起部Ｇ４が形成されているので、突起部Ｇ４に沿って摩擦攪拌されて突起部Ｇ４に巻き上げられた塑性流動材は平坦面Ｇ３で押えられる。これにより、突起部Ｇ４（突合せ部Ｊ）周りをより確実に摩擦攪拌することができるとともに界面の酸化皮膜が確実に分断されるので、接合強度を高めることができる。

なお、摩擦攪拌工程を行う前に、第一金属部材１と第二金属部材２とで構成される内隅に溶接を行う溶接工程を行ってもよい。溶接工程を行うことで、摩擦攪拌接合を安定して行うことができる。

［変形例］
図４は、第一実施形態に係る接合方法の変形例を示す断面図である。図４に示すように、第一金属部材１と第二金属部材２とを正面視Ｌ字状に突き合わせてもよい。つまり、変形例に係る突合せ工程では、第一金属部材１の裏面１ｃと第二金属部材２の端面２ａとを突き合わせつつ、第一金属部材１の端面１ａと第二金属部材２の側面２ｃとが面一になるように突き合わせる。変形例では、突合せ工程を除いては第一実施形態と略同等であるため、詳細な説明は省略する。当該変形例によっても第一実施形態と同様の効果を得ることができる。

［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。図５、図６Ａ及び図６Ｂに示すように、第二実施形態に係る接合方法では、一対の第一金属部材１（１Ａ，１Ｂ）と複数の第二金属部材２とを接合して構造物Ｚを形成する。

第一金属部材１Ａは、板状を呈する金属部材である。第一金属部材１Ａの表面１ｂには、複数の凹溝３が形成されている。凹溝３は、所定の間隔をあけて形成されている。第一金属部材１Ｂは、第一金属部材１Ａと同等の部材である。第二実施形態に係る接合方法では、突合せ工程と、摩擦攪拌工程とを行う。

突合せ工程は、第一金属部材１Ａ，１Ｂと複数の第二金属部材２とを突き合わせて複数の突合せ部Ｊ１，Ｊ２を形成する工程である。突合せ工程では、第一金属部材１Ａの裏面１ｃと、複数の第二金属部材２の一方の端面２ａとを突き合わせて複数の突合せ部Ｊ１を形成する。第二金属部材２の一方の端面２ａは、第一金属部材１Ａの凹溝３に対応する位置に突き合わせる。また、突合せ工程では、第一金属部材１Ｂの裏面１ｃと、複数の第二金属部材２の他方の端面２ａとを突き合わせて複数の突合せ部Ｊ２を形成する。第二金属部材２の他方の端面２ａは、第一金属部材１Ｂの凹溝３に対応する位置に突き合わせる。

摩擦攪拌工程は、第一金属部材１Ａと第二金属部材２とで形成された突合せ部Ｊ１を接合する第一摩擦攪拌工程と、第一金属部材１Ｂと第二金属部材２とで形成された突合せ部Ｊ２を接合する第二摩擦攪拌工程とを行う。図６Ａに示すように、第一摩擦攪拌工程では、回転ツールＧを用いて突合せ部Ｊ１を摩擦攪拌接合する。第一摩擦攪拌工程は、第一実施形態の摩擦攪拌工程と同等であるため、詳細な説明は省略する。また、図６Ｂに示すように、第二摩擦攪拌工程では、回転ツールＧを用いて突合せ部Ｊ２を摩擦攪拌接合する。第二摩擦攪拌工程は、第一実施形態の摩擦攪拌工程と同等であるため、詳細な説明は省略する。

第二実施形態に係る接合方法によれば、内部に断面視矩形の複数の中空部Ｘを備えた構造物Ｚを形成することができる。また、第二実施形態に係る接合方法によれば、凹溝３の底面３ａ、凹溝３の側壁３ｂ，３ｂ及びショルダ部Ｇ１の下端面Ｇ１ａで狭い空間が形成されるため、バリＶが散飛するのを防ぐとともに凹溝３の底面３ａにバリＶを堆積させることができる。これにより、第一金属部材１Ａの表面１ｂ及び第一金属部材１Ｂの表面１ｂにバリＶが発生するのを防ぐことができる。また、本実施形態に係る接合方法によれば、凹溝３の底面３ａにショルダ部Ｇ１を押し込まないため、摩擦攪拌装置にかかる負荷を小さくすることができる。

また、攪拌ピンＧ２には平坦面Ｇ３が形成されるとともに、この平坦面Ｇ３に突出する突起部Ｇ４が形成されているので、突起部Ｇ４に沿って摩擦攪拌されて突起部Ｇ４に巻き上げられた塑性流動材は平坦面Ｇ３で押えられる。これにより、突起部Ｇ４（突合せ部Ｊ１，Ｊ２）周りをより確実に摩擦攪拌することができるとともに界面の酸化皮膜が確実に分断されるので、接合強度を高めることができる。

１ 第一金属部材
１ｂ 表面
１ｃ 裏面
２ 第二金属部材
２ａ 端面
３ 凹溝
Ｊ 突合せ部
Ｇ 回転ツール
Ｇ１ ショルダ部
Ｇ２ 攪拌ピン
Ｇ３ 平坦面
Ｇ４ 突起部
Ｗ 塑性化領域

Claims (2)

1. 板状を呈し表面に凹溝を有する第一金属部材の裏面と板状の第二金属部材の端面とを突き合わせて突合せ部を形成する突合せ工程と、
   前記第一金属部材の表面側から前記凹溝に回転ツールの攪拌ピンを挿入し、前記回転ツールを前記凹溝に沿って相対移動させて、前記突合せ部を摩擦攪拌接合する摩擦攪拌工程と、を含み、
   前記回転ツールは、円柱状を呈するショルダ部と前記ショルダ部から垂下する攪拌ピンとを有し、前記ショルダ部の直径を前記凹溝の幅よりも小さく設定し、
   前記攪拌ピンの外周面は先細りとなるように傾斜しており、
   前記攪拌ピンの先端側には平坦面が形成されるとともに、前記平坦面に突出する突起部が形成されており、
   前記摩擦攪拌工程において、前記回転ツールのショルダ部を前記凹溝内に挿入し、前記ショルダ部を前記凹溝の底面から離間させた状態で、前記第一金属部材から発生するバリを前記ショルダ部で押さえつつ、前記平坦面を前記第一金属部材のみに接触させ、かつ、突起部を前記第二金属部材に接触させた状態で前記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。
2. 前記第二金属部材の板厚は、前記凹溝の幅よりも小さく設定することを特徴とする請求項１に記載の接合方法。

Images