JP3081804B2 - 摩擦撹拌接合法 - Google Patents

摩擦撹拌接合法

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JP3081804B2 JP951197A JP951197A JP3081804B2 JP 3081804 B2 JP3081804 B2 JP 3081804B2 JP 951197 A JP951197 A JP 951197A JP 951197 A JP951197 A JP 951197A JP 3081804 B2 JP3081804 B2 JP 3081804B2
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正敏 榎本
清司 田崎
直毅 西川
武典 橋本
雅晴 栃木
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昭和アルミニウム株式会社
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    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K20/00Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating
    • B23K20/12Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating the heat being generated by friction; Friction welding
    • B23K20/122Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating the heat being generated by friction; Friction welding using a non-consumable tool, e.g. friction stir welding
    • B23K20/1245Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating the heat being generated by friction; Friction welding using a non-consumable tool, e.g. friction stir welding characterised by the apparatus
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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Pressure Welding/Diffusion-Bonding (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、アルミニウム材
(アルミニウム合金材を含む)の突き合わせ接合に用い
られる摩擦撹拌接合法に関する。
【0002】
【従来の技術】固相接合法の一つである摩擦撹拌接合法
として、次のような方法が提案されている。即ち、図1
に示すように、径大の円柱状回転子(11)の端部軸線
上に、接合部材(1)(2)よりも硬質の径小のピン状
プローブ(12)が突出して一体に設けられた接合装置
(10)を用い、前記回転子(11)を高速で回転させ
つつ、突き合わせた2枚の接合部材(1)(2)の突き
合わせ部(3)またはその近傍に前記プローブ(12)
を挿入する。挿入は、一般には、回転子(11)のプロ
ーブ側平坦面からなる肩部(11a)が接合部材(1)
(2)に当接するまで行う。そして、プローブ挿入状態
のまま突き合わせ部(3)に沿ってプローブ(12)を
移動させる。プローブ(12)の回転により発生する摩
擦熱、あるいはさらに回転子(11)の肩部(11a)
と接合部材との摺動に伴い発生する摩擦熱により、プロ
ーブ(12)との接触部分近傍において接合部材(1)
(2)は軟化しかつプローブにより撹拌されるととも
に、プローブ(12)の移動に伴って、軟化撹拌部分が
プローブ(12)の進行圧力を受けてプローブの通過溝
を埋めるようにプローブ(12)の進行方向後方へと回
り込む態様で塑性流動したのち摩擦熱を急速に失って冷
却固化される。この現象がプローブ(12)の移動に伴
って順次繰り返されていき、最終的に接合部材(1)
(2)が突き合わせ部(3)において接合されるもので
ある。
【0003】このような突き合わせの摩擦撹拌接合法に
おいては、通常、接合部材(1)(2)の軟化による変
形を防止するために、回転子(11)およびプローブ
(12)の稼働面の裏面に、鉄板やアルミニウム板から
なる裏当材(4)を押し当てた状態で接合が行われる。
また、図2に示すように、接合部材(1)(2)を裏面
まで確実に接合するために、プローブ(12)は接合部
材(1)(2)の裏面に達するまで深く挿入される。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
摩擦撹拌接合法では、回転子(11)のプローブ(1
2)の先端部から軟化したアルミニウムが裏面側に押し
出されて裏当材(4)に接触し、アルミニウムが冷却さ
れて固化すると接合部材(1)(2)と裏当材(4)と
が固着することがあった。これらが固着して容易に剥が
れない場合は、さらに裏当材(4)を除去する作業が必
要であった。
【0005】図3に示すように、プローブ(12)の挿
入深さを接合部材(1)(2)の厚さより浅くして軟化
したアルミニウム材が裏面に押し出されないようにする
と裏当材(4)の固着を防ぐことができるが、その一方
で裏面にルート割れが生じて接合強度が低下するという
不都合が生じる。
【0006】この発明は、このような技術的背景に鑑み
てなされたものであって、アルミニウム材の突き合わせ
接合において、裏当材の固着とルート割れの両方を防
ぎ、良好に接合することのできる摩擦撹拌接合法の提供
を目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、この発明は、アルミニウムからなる接合部材(1)
(2)を突き合わせるとともに、突き合わせ部(3)ま
たはその近傍に、前記接合部材(1)(2)の一面側か
ら回転するプローブ(12)を挿入し、プローブ(1
2)との接触部を摩擦熱にて軟化させ撹拌しながら、プ
ローブ(12)を挿入状態で突き合わせ部(3)に沿っ
て相対的に移動させることにより接合部材(1)(2)
を突き合わせ接合する摩擦撹拌接合法において、前記接
合部材(1)(2)の他面側に、軟化した接合部材
(1)(2)に対する親和性の低い裏当材(4)であっ
て、炭素系材料、金属酸化物、建築用耐火断熱材料のう
ちの1または2以上、または粗面化した金属により構成
される裏当材(4)を、前記両接合部材(1)(2)に
跨がるように突き合わせ部(3)に沿って押し当てた状
態で、両接合部材(1)(2)の前記突き合わせ接合を
行うことを特徴とするものである。
【0008】この発明では、裏当材(4)として、接合
部材(1)(2)の変形を防止するための強度を有する
ことはもとより、軟化した接合部材(1)(2)、即ち
軟化したアルミニウムに対する親和性が低く、冷却固化
後も接合部材(1)(2)に固着しないものを使用す
る。具体的条件として、アルミニウムよりも軟化温度が
高く、接合時に発生する熱によっても軟化せずかつ化学
的にも安定であること、または表面が粗面であって軟化
アルミニウムとの接触面積が小さいことが必要である。
高温安定性材料の場合は200℃〜500℃の高温域で
安定であることが好ましく、粗面材料の場合は表面粗さ
がRmax 3μm以上であることが好ましい。具体的に
は、高温安定性に優れた材料として、黒鉛等の炭素系材
料や、SiO2、Al23、ZrO2、MgO等の金属酸
化物を例示できる。前記炭素系材料のなかでも、黒鉛
は、前記プローブ(12)との潤滑性が良好でプローブ
(12)の摩耗や損傷が少なく、軟化アルミニウムも固
着しにくいため特に好ましい。さらに、前記炭素系材料
や金属酸化物の粉体を主体としてこれらを焼結固形化し
たものは、個々の材料の高温安定性に加えて、粉体の粒
度に応じて表面が粗面となるため特に好適に使用でき、
一般に耐火れんがとして使用されているものがこれに相
当する。また、石膏ボード、石綿スレート、ケイ酸カル
シウム板等の建築用耐火断熱材料は、個々の材料が高温
安定性に優れていることに加えて、配合されている骨材
により表面が粗面になっているため、好適に使用でき
る。また、従来軟化アルミニウムに固着するとして不適
材料であった金属材も、表面を粗面化することにより軟
化アルミニウムが固着しにくくなるため、好適に使用で
きる。金属の種類は、軟化温度がアルミニウムと差の大
きいものが好ましく、鉄または鋼等の鉄合金、銅または
黄銅等の銅合金が好ましい。
【0009】
【実施例】次に、この発明の摩擦撹拌接合法の具体的実
施例について説明する。
【0010】図1乃至図3は、実施例および比較例の接
合法を示すものである。これらの図において、(1)
(2)はJIS A6N01−T5からなり、厚さ3.
0mmの板状接合部材(1)(2)であり、これら(1)
(2)を同一平面内において幅方向の一端面を突き合わ
せた状態に配置し、接合部材(1)(2)の上面側に配
置した接合装置(10)により摩擦撹拌接合するものと
した。
【0011】前記接合装置(10)は、径大の円柱状回
転子(11)の端部軸線上に径小のピン状プローブ(1
2)が突出して一体に設けられたものであり、回転子
(11)を高速回転させることによりプローブ(12)
も高速回転させうるものとなされている。前記回転子
(11)およびプローブ(12)は硬質でかつ接合時に
発生する摩擦熱に耐えうるように、鋼材(SK材)によ
り形成されるとともに、回転子(11)の外径は8.0
mm、プローブ(12)の外径は3.0mmに形成され
ている。
【0012】さらに、突き合わせ状態で配置した前記接
合部材(1)(2)の下面側、即ち前記接合装置(1
0)を配置した裏面側には、両方の接合部材(1)
(2)に跨がるように突き合わせ部(3)に沿って裏当
材(4)を押し当てた状態に配置した。
【0013】そして、前記接合装置(10)の回転子
(11)およびプローブ(12)を回転速度1500r
pmで回転させて、プローブ(12)を突き合わせ部
(3)に所定深さまで挿入し、回転子(11)およびプ
ローブ(12)を突き合わせ部(3)に沿って接合部材
の長さ方向に20cm/分の速度で移動させることによ
り、突き合わせ部(3)を摩擦撹拌接合した。
【0014】表1に示す裏当材(4)の材質、およびプ
ローブ(12)の挿入深さを変えて、上述の工程にもと
づき実施例および比較例の接合を行った。なお、実施例
4で用いた鉄板は表面をRmax 10μmに粗面化したも
のであり、比較例1、2、3の鉄板およびアルミニウム
板はRmax 2μmの平滑面のものである。また、プロー
ブ(12)の挿入深さは、比較例3で接合部材(1)
(2)よりも浅い、即ちプローブ(12)の先端が接合
部材(1)(2)の裏面に達しない2.8mmとし(図
3)、その他は接合部材(1)(2)の厚さと同じ3.
0mmとした(図2)。
【0015】こうして得られた突き合わせ接合品につい
て、裏当材(4)の接合部材(1)(2)への固着の有
無およびルート割れの有無を調べた。これらの結果を表
1に併せて示す。
【0016】
【表1】
【0017】表1の結果から、特定の裏当材を使用した
実施例は、いずれもプローブを深く差し込んでも裏当材
が接合部材に固着せず、かつプローブを深く差し込んだ
ためにルート割れも生じなかった。これに対して、裏当
材として表面が平滑な金属板を使用した比較例において
は、プローブを深く挿入すると裏当材が固着し(比較例
1、2)、浅く挿入すると固着はしないが裏面で未接合
部分が生じてルート割れが発生した(比較例3)。
【0018】
【発明の効果】この発明は、上述の次第で、接合部材の
変形を防止するための裏当材として、軟化アルミニウム
に対して親和性の低い材料である炭素系材料、金属酸化
物、建築用耐火断熱材料のうちの1または2以上、また
は粗面化した金属により構成される裏当材を使用するた
め、プローブを接合部材の裏面に達するまで深く挿入し
ても、押し出された軟化アルミニウムにより裏当材が接
合部材に固着せず、かつアルミニウムが裏面まで十分に
軟化し撹拌されるため、ルート割れのない良好な接合状
態を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の摩擦撹拌接合方法を示す斜視図であ
る。
【図2】プローブを接合部材の裏面まで達するように深
く挿入した状態を示す断面図である。
【図3】プローブを接合部材の厚さよりも浅く挿入した
状態を示す断面図である。
【符号の説明】
1、2…接合部材 3…突き合わせ部 4…裏当材 10…接合装置 11…回転子 11a…肩部 12…プローブ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 橋本 武典 堺市海山町6丁224番地 昭和アルミニ ウム株式会社内 (72)発明者 栃木 雅晴 堺市海山町6丁224番地 昭和アルミニ ウム株式会社内 (56)参考文献 特開 平5−285695(JP,A) 特開 昭64−5698(JP,A) C J Dawes,”An int roduction to frict ion stir welding a nd its developmen t”,TWI,平成7年2月13日国立国 会図書館受入,Vol63,No.1, p.13−14 財団法人溶接学会編,「溶接・接合便 覧」,丸善株式会社,平成2年9月30 日,p1016 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) B23K 20/12,20/26 B23K 37/06 JICSTファイル(JOIS) WPI/L(QUESTEL)

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 アルミニウムからなる接合部材(1)
    (2)を突き合わせるとともに、突き合わせ部(3)ま
    たはその近傍に、前記接合部材(1)(2)の一面側か
    ら回転するプローブ(12)を挿入し、プローブ(1
    2)との接触部を摩擦熱にて軟化させ撹拌しながら、プ
    ローブ(12)を挿入状態で突き合わせ部(3)に沿っ
    て相対的に移動させることにより接合部材(1)(2)
    を突き合わせ接合する摩擦撹拌接合法において、 前記接合部材(1)(2)の他面側に、軟化した接合部
    材(1)(2)に対する親和性の低い裏当材(4)であ
    って、炭素系材料、金属酸化物、建築用耐火断熱材料の
    うちの1または2以上、または粗面化した金属により構
    成される裏当材(4)を、前記両接合部材(1)(2)
    に跨がるように突き合わせ部(3)に沿って押し当てた
    状態で、両接合部材(1)(2)の前記突き合わせ接合
    を行うことを特徴とする摩擦撹拌接合法。
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