JP2020097046A - 接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】内隅部の金属不足を防ぐとともに接合強度を高めることができる接合方法を提供する。【解決手段】一対の金属部材１，２同士を角度をつけて突き合わせて内隅部を形成する突合せ工程と、内隅部を構成する一方の金属部材１の側面１ｂ及び他方の金属部材２の側面２ｂの少なくとも一方に補助部材１０を配置する補助部材配置工程と、内隅部に対して、基端側ピンＦ２と、先端側ピンＦ３とを備える摩擦攪拌用の接合用回転ツールＦを用いて摩擦攪拌する摩擦攪拌工程と、を含み、接合用回転ツールＦの基端側ピンＦ２のテーパー角度は、先端側ピンＦ３のテーパー角度よりも大きくなっており、摩擦攪拌工程では、内隅部に先端側ピンＦ３を挿入するとともに、補助部材１０と基端側ピンＦ２とを接触させた状態で摩擦攪拌を行うことを特徴とする。【選択図】図６

Description

本発明は、接合方法に関する。

金属部材同士を断面Ｌ字状に突き合わせて形成された内隅部を回転ツールを用いて摩擦攪拌接合する接合方法が知られている（特許文献１）。回転ツールは、連結部と、連結部から垂下する攪拌ピンとを備えて構成されている。摩擦攪拌工程では、攪拌ピンのみを内隅部に挿入して摩擦攪拌接合を行うというものである。

特開２０１８−０６９３２１号公報

特許文献１の従来技術であると、塑性流動材をショルダ部で押さえないため塑性流動材が外部に溢れ出してバリが多く発生するという問題がある。バリが多く発生すると内隅部が金属不足になり接合強度が低下するという問題がある。

このような観点から、本発明は、内隅部の金属不足を防ぐとともに接合強度を高め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、一対の金属部材同士を角度をつけて突き合わせて内隅部を形成する突合せ工程と、前記内隅部を構成する一方の前記金属部材の側面及び他方の前記金属部材の側面の少なくとも一方に補助部材を配置する補助部材配置工程と、前記内隅部に対して、基端側ピンと、先端側ピンとを備える摩擦攪拌用の回転ツールを用いて摩擦攪拌する摩擦攪拌工程と、を含み、前記回転ツールの前記基端側ピンのテーパー角度は、前記先端側ピンのテーパー角度よりも大きくなっており、前記摩擦攪拌工程では、前記内隅部に前記先端側ピンを挿入するとともに、前記補助部材と前記基端側ピンとを接触させた状態で摩擦攪拌を行うことを特徴とする。

また、本発明は、一方の金属部材の側面と他方の金属部材の端面とを突き合わせて内隅部を形成する突合せ工程と、前記内隅部を構成する一方の金属部材の側面及び他方の金属部材の側面の少なくとも一方に補助部材を配置する補助部材配置工程と、前記内隅部に対して、基端側ピンと、先端側ピンとを備える摩擦攪拌用の回転ツールを用いて摩擦攪拌する摩擦攪拌工程と、を含み、前記回転ツールの前記基端側ピンのテーパー角度は、前記先端側ピンのテーパー角度よりも大きくなっており、前記摩擦攪拌工程では、前記内隅部に前記先端側ピンを挿入するとともに、前記補助部材と前記基端側ピンとを接触させた状態で摩擦攪拌を行うことを特徴とする。

かかる接合方法によれば、先端側ピンのテーパー角度が小さくなっているので、先端側ピンを内隅部に容易に挿入することができる。また、基端側ピンのテーパー角度が大きくなっているので補助部材に接触させやすく、かつ、塑性流動材を押さえることができる。これにより、バリが外部に溢れるのを防ぐとともに内隅部の金属不足を防ぎ、接合強度を高めることができる。

また、前記基端側ピンの外周面には階段状の段差部が形成されており、前記摩擦攪拌工程では、前記段差部の段差底面で塑性流動材を押さえながら摩擦攪拌を行うことが好ましい。
また、前記基端側ピンのテーパー角度は５０〜８０°になっていることが好ましい。

また、前記段差部の段差側面の高さは０．４〜６．０ｍｍになっていることが好ましい。
また、前記段差部の段差底面と段差側面とでなす角度は９０〜１２０°になっていることが好ましい。

本発明に係る接合方法によれば、内隅部の金属不足を防ぐとともに接合強度を高めることができる。

本発明の実施形態に係る接合方法に用いる接合用回転ツールを示す側面図である。 本実施形態に係る接合方法の接合用回転ツールを示す拡大側面図である。 第一変形例に係る接合用回転ツールの拡大側面図である。 第二変形例に係る接合用回転ツールの拡大側面図である。 本実施形態に係る接合方法の突合せ工程及び補助部材配置工程を示す側面図である。 本実施形態に係る接合方法の摩擦攪拌工程を示す側面図である。 従来の回転ツールを示す側面図である。 従来の回転ツールを示す側面図である。

本発明の実施形態に係る接合方法について、適宜図面を参照しながら説明する。まずは、本実施形態に係る接合方法で用いる接合用回転ツール（回転ツール）について説明する。接合用回転ツールは、摩擦攪拌接合に用いられるツールである。図１に示すように、接合用回転ツールＦは、例えば工具鋼で形成されており、基軸部Ｆ１と、基端側ピンＦ２と、先端側ピンＦ３とで主に構成されている。基軸部Ｆ１は、円柱状を呈し、摩擦攪拌装置の主軸に接続される部位である。

基端側ピンＦ２は、基軸部Ｆ１に連続し、先端に向けて先細りになっている。基端側ピンＦ２は、円錐台形状を呈する。基端側ピンＦ２のテーパー角度Ａは適宜設定すればよいが、例えば、５０〜８０°になっている。テーパー角度Ａは、後記する先端側ピンＦ３のテーパー角度Ｂよりも大きくなっている。図２に示すように、基端側ピンＦ２の外周面には、階段状の段差部Ｆ２１が高さ方向の全体に亘って形成されている。段差部Ｆ２１は、右回り又は左回りで螺旋状に形成されている。つまり、段差部Ｆ２１は、平面視して螺旋状であり、側面視すると階段状になっている。本実施形態では、接合用回転ツールＦを右回転させるため、段差部Ｆ２１は基端側から先端側に向けて左回りに設定している。

なお、接合用回転ツールＦを左回転させる場合は、段差部Ｆ２１を基端側から先端側に向けて右回りに設定することが好ましい。これにより、段差部Ｆ２１によって塑性流動材が先端側に導かれるため、被接合金属部材の外部に溢れ出る金属を低減することができる。

段差部Ｆ２１は、段差底面Ｆ２１ａと、段差側面Ｆ２１ｂとで構成されている。隣り合う段差部Ｆ２１の各頂点Ｆ２１ｃ，Ｆ２１ｃの距離Ｘ１（水平方向距離）は、後記する段差角度Ｃ及び段差側面Ｆ２１ｂの高さＹ１に応じて適宜設定される。

段差側面Ｆ２１ｂの高さＹ１は適宜設定すればよいが、例えば、０．４〜６．０ｍｍで設定されている。段差底面Ｆ２１ａと段差側面Ｆ２１ｂとでなす段差角度Ｃは適宜設定すればよいが、例えば、９０〜１２０°で設定されている。段差底面Ｆ２１ａは、本実施形態では水平面と平行になっている。

段差底面Ｆ２１ａは、ツールの回転軸から外周方向に向かって水平面に対して−５°〜１５°内の範囲で傾斜していてもよい（マイナスは水平面に対して下方、プラスは水平面に対して上方）。距離Ｘ１、段差側面Ｆ２１ｂの高さＹ１、段差角度Ｃ及び水平面に対する段差底面Ｆ２１ａの角度は、摩擦攪拌を行う際に、塑性流動材が段差部Ｆ２１の内部に滞留して付着することなく外部に抜けるとともに、段差底面Ｆ２１ａで塑性流動材を押えて接合表面粗さを小さくすることができるように適宜設定する。

図１に示すように、先端側ピンＦ３は、基端側ピンＦ２に連続して形成されている。先端側ピンＦ３は円錐台形状を呈する。先端側ピンＦ３の先端は平坦面になっている。先端側ピンＦ３のテーパー角度Ｂは、基端側ピンＦ２のテーパー角度Ａよりも小さくなっている。図２に示すように、先端側ピンＦ３の外周面には、螺旋溝Ｆ３１が刻設されている。螺旋溝Ｆ３１は、右回り、左回りのどちらでもよいが、本実施形態では接合用回転ツールＦを右回転させるため、基端側から先端側に向けて左回りに刻設されている。

なお、接合用回転ツールＦを左回転させる場合は、螺旋溝Ｆ３１を基端側から先端側に向けて右回りに設定することが好ましい。これにより、螺旋溝Ｆ３１によって塑性流動材が先端側に導かれるため、被接合金属部材の外部に溢れ出る金属を低減することができる。螺旋溝Ｆ３１は、螺旋底面Ｆ３１ａと、螺旋側面Ｆ３１ｂとで構成されている。隣り合う螺旋溝Ｆ３１の頂点Ｆ３１ｃ，Ｆ３１ｃの距離（水平方向距離）を長さＸ２とする。螺旋側面Ｆ３１ｂの高さを高さＹ２とする。螺旋底面Ｆ３１ａと、螺旋側面Ｆ３１ｂとで構成される螺旋角度Ｄは例えば、４５〜９０°で形成されている。螺旋溝Ｆ３１は、被接合金属部材と接触することにより摩擦熱を上昇させるとともに、塑性流動材を先端側に導く役割を備えている。

接合用回転ツールＦは、適宜設計変更が可能である。図３は、本発明の回転ツールの第一変形例を示す側面図である。図３に示すように、第一変形例に係る接合用回転ツールＦＡでは、段差部Ｆ２１の段差底面Ｆ２１ａと段差側面Ｆ２１ｂとのなす段差角度Ｃが１００°になっている。段差底面Ｆ２１ａは、水平面と平行である。このように、段差底面Ｆ２１ａは水平面と平行であるとともに、段差角度Ｃは、摩擦攪拌中に段差部Ｆ２１内に塑性流動材が滞留して付着することなく外部に抜ける範囲で鈍角としてもよい。

図４は、本発明の接合用回転ツールの第二変形例を示す側面図である。図４に示すように、第二変形例に係る接合用回転ツールＦＢでは、段差底面Ｆ２１ａがツールの回転軸から外周方向に向かって水平面に対して１０°上方に傾斜している。段差側面Ｆ２１ｂは、鉛直面と平行になっている。このように、摩擦攪拌中に塑性流動材を押さえることができる範囲で、段差底面Ｆ２１ａがツールの回転軸から外周方向に向かって水平面よりも上方に傾斜するように形成されていてもよい。上記の接合用回転ツールの第一変形例及び第二変形例によっても、下記の実施形態と同等の効果を奏することができる。

次に、本実施形態の接合方法について説明する。以下の説明における「表面」とは、「裏面」の反対側の面を意味する。図５に示すように、本実施形態に係る接合方法では、金属部材１，２をＬ字状に突き合わせ、その内隅部を摩擦攪拌接合するというものである。本実施形態の接合方法では、突合せ工程と、補助部材配置工程と、摩擦攪拌工程と、補助部材除去工程と、を行う。

突合せ工程は、板状を呈する金属部材１，２を断面Ｌ字状に突き合わせる工程である。突合せ工程では、金属部材１の側面１ｂに、金属部材２の端面２ａを突き合わせる。これにより、突合せ部Ｊ１が形成される。金属部材１の端面１ａと、金属部材２の側面２ｃも面一にする。金属部材１，２の材料は、摩擦攪拌可能な金属であれば特に制限されないが、本実施形態ではアルミニウム合金を用いている。金属部材１の側面１ｂと、金属部材２の側面２ｂとで内隅部が形成される。なお、金属部材１，２は、本実施形態では内角が９０°となるように突き合わせているが、他の角度で突き合わせてもよい。

補助部材配置工程は、内隅部に補助部材１０を配置する工程である。補助部材１０は、金属部材１，２と同じ材料で形成された板状部材である。補助部材配置工程では、金属部材２の側面２ｂと補助部材１０の裏面１０ｃとを面接触させ、金属部材１の側面１ｂに補助部材１０の端面を接触させる。なお、補助部材１０は、金属部材１側と金属部材２側の両方に配置していもよいし、金属部材１と面接触するように配置してもよい。補助部材１０の厚みは、後記する摩擦攪拌工程を行った後に、内隅部が金属不足とならない程度に適宜設定する。

摩擦攪拌工程は、接合用回転ツールＦを用いて金属部材１，２を摩擦攪拌接合する工程である。摩擦攪拌工程では、図６に示すように、右回転させた接合用回転ツールＦを内隅部に挿入し、突合せ部Ｊ１に沿って接合用回転ツールＦを移動させる。摩擦攪拌工程では、先端側ピンＦ３を突合せ部Ｊ１（内隅部）に挿入するとともに、基端側ピンＦ２の外周面を補助部材１０の一部に接触させる。また、摩擦攪拌工程では、基端側ピンＦ２を金属部材１，２に接触させないが、基端側ピンＦ２が金属部材１，２に極力近づくように接合用回転ツールＦの挿入深さ、挿入角度等を設定するのが好ましい。

補助部材除去工程は、摩擦攪拌工程後に補助部材１０を除去する工程である。補助部材除去工程では、工具を用いて又は手作業で補助部材１０を金属部材２の側面２ｂから離脱させる。摩擦攪拌工程では、補助部材１０側にバリが発生するように摩擦攪拌の接合条件を設定することが好ましい。このようにすると、補助部材１０ごとバリを除去することができるため、別途バリ除去工程を行う手間を省くことができる。

以上説明した本実施形態の接合方法によれば、先端側ピンＦ３のテーパー角度Ｂが小さくなっているので、先端側ピンＦ３を内隅部に容易に挿入することができる。また、基端側ピンＦ２のテーパー角度Ａが大きくなっているので補助部材１０に接触させやすく、かつ、基端側ピンＦ２で塑性流動材を押さえることができる。これにより、バリが外部に溢れるのを防ぐとともに内隅部の金属不足を防ぎ、接合強度を高めることができる。

ここで、例えば、図７Ａに示すように、従来の回転ツール２００であると、ショルダ部で被接合金属部材２１０の表面を押えないため段差凹溝（被接合金属部材の表面と塑性化領域の表面とで構成される凹溝）が大きくなるとともに、接合表面粗さが大きくなるという問題がある。また、段差凹溝の脇に膨出部（接合前に比べて被接合金属部材の表面が膨らむ部位）が形成されるという問題がある。一方、図７Ｂの回転ツール２０１のように、回転ツール２０１のテーパー角度βを回転ツール２００のテーパー角度αよりも大きくすると、回転ツール２００に比べて被接合金属部材２１０の表面を押えることはできるため、段差凹溝は小さくなり、膨出部も小さくなる。しかし、下向きの塑性流動が強くなるため、塑性化領域の下部にキッシングボンドが形成されやすくなる。

これに対し、本実施形態の接合用回転ツールＦは、基端側ピンＦ２と、基端側ピンＦ２のテーパー角度Ａよりもテーパー角度が小さい先端側ピンＦ３を備えた構成になっている。先端側ピンＦ３のテーパー角度Ｂが小さいため、回転ツール２０１に比べて下向きの塑性流動を抑えることができる。このため、塑性化領域Ｗの下部にキッシングボンドが形成されるのを防ぐことができる。一方、基端側ピンＦ２のテーパー角度Ａは大きいため、従来の回転ツールに比べ、被接合金属部材の厚さや接合の高さ位置が変化しても安定して接合することができる。

また、基端側ピンＦ２の外周面で塑性流動材を押えることができるため、接合表面に形成される段差凹溝を小さくすることができるとともに、段差凹溝の脇に形成される膨出部を無くすか若しくは小さくすることができる。また、階段状の段差部Ｆ２１は出口が広いため、塑性流動材を段差底面Ｆ２１ａで押さえつつ塑性流動材が段差部Ｆ２１の外部に抜けやすくなっている。そのため、基端側ピンＦ２で塑性流動材を押えても基端側ピンＦ２の外周面に塑性流動材が付着し難い。よって、接合表面粗さを小さくすることができるとともに、接合品質を好適に安定させることができる。

１ 金属部材
１ｂ 側面
１ｃ 側面
２ 金属部材
２ｂ 側面
２ｃ 側面
１０ 補助部材
Ｆ 接合用回転ツール（回転ツール）
Ｆ２ 基端側ピン
Ｆ３ 先端側ピン
Ｗ 塑性化領域

Claims (6)

1. 一対の金属部材同士を角度をつけて突き合わせて内隅部を形成する突合せ工程と、
   前記内隅部を構成する一方の前記金属部材の側面及び他方の前記金属部材の側面の少なくとも一方に補助部材を配置する補助部材配置工程と、
   前記内隅部に対して、基端側ピンと、先端側ピンとを備える摩擦攪拌用の回転ツールを用いて摩擦攪拌する摩擦攪拌工程と、を含み、
   前記回転ツールの前記基端側ピンのテーパー角度は、前記先端側ピンのテーパー角度よりも大きくなっており、
   前記摩擦攪拌工程では、前記内隅部に前記先端側ピンを挿入するとともに、前記補助部材と前記基端側ピンとを接触させた状態で摩擦攪拌を行うことを特徴とする接合方法。
2. 一方の金属部材の側面と他方の金属部材の端面とを突き合わせて内隅部を形成する突合せ工程と、
   前記内隅部を構成する一方の金属部材の側面及び他方の金属部材の側面の少なくとも一方に補助部材を配置する補助部材配置工程と、
   前記内隅部に対して、基端側ピンと、先端側ピンとを備える摩擦攪拌用の回転ツールを用いて摩擦攪拌する摩擦攪拌工程と、を含み、
   前記回転ツールの前記基端側ピンのテーパー角度は、前記先端側ピンのテーパー角度よりも大きくなっており、
   前記摩擦攪拌工程では、前記内隅部に前記先端側ピンを挿入するとともに、前記補助部材と前記基端側ピンとを接触させた状態で摩擦攪拌を行うことを特徴とする接合方法。
3. 前記基端側ピンの外周面には階段状の段差部が形成されており、
   前記摩擦攪拌工程では、前記段差部の段差底面で塑性流動材を押さえながら摩擦攪拌を行う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。
4. 前記基端側ピンのテーパー角度は５０〜８０°になっていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の接合方法。
5. 前記段差部の段差側面の高さは０．４〜６．０ｍｍになっていることを特徴とする請求項３に記載の接合方法。
6. 前記段差部の段差底面と段差側面とでなす角度は９０〜１２０°になっていることを特徴とする請求項３に記載の接合方法。

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