JP3289690B2

JP3289690B2 - アルミニウム合金板材の接合方法

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Publication number: JP3289690B2
Application number: JP33627998A
Authority: JP
Inventors: 純原; 博通佐野; 雅章熊井; 久司堀; 慎也牧田
Original assignee: Nippon Light Metal Co Ltd
Current assignee: Nippon Light Metal Co Ltd
Priority date: 1998-11-26
Filing date: 1998-11-26
Publication date: 2002-06-10
Anticipated expiration: 2018-11-26
Also published as: JP2000158154A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、一対のアルミニウ
ム合金板材をそれぞれの端面に沿って、突合わせ状態に
接合する接合方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、アーク溶接等に比べて簡単に金属
材同士を接合できる摩擦撹拌接合が注目されている。こ
の摩擦撹拌接合は図５(Ａ)及び(Ｂ)に示すように、互い
に端面を突合わせ且つ拘束した一対のアルミニウム合金
製の板材５０，５１間の突合わせ面に沿って、回転する
工具５２を押圧しつつ移動することにより施される。こ
の工具５２は、被接合材より硬度及び軟化温度が高い材
料からなり、回転する円筒形のボビン５４と、その凹ん
だ底面である表面抑え部５６と、その中心からボビン５
４と同軸に垂下する摩擦ピン５８からなる。

【０００３】そして、図５(Ｂ)に示すように、工具５２
は上記突合わせ面に沿ってやや傾けた状態で水平(左)方
向に移動され、且つ垂直方向の押し込み力が付加され
る。上記摩擦ピン５８の周面には、図示しない水平方向
に沿ったネジ状の摩擦撹拌翼が形成されている。尚、通
常摩擦ピン５８の摩擦部の長さは１〜１０ｍｍ、その直
径は１〜１０ｍｍ、表面抑え部５６の直径は６〜２５ｍ
ｍである。また、この場合工具５２の回転速度は５００
〜１５０００ｒｐｍ、送り速度は０.０５〜２ｍ／分で、
工具５２に加える軸方向の押し込み力は１ｋＮ〜２０ｋ
Ｎの範囲で用いられる。

【０００４】上記摩擦ピン５８の回転と移動に伴って、
各板材５０，５１の突合わせ面付近のアルミニウムは、
摩擦熱により加熱して可塑化されると共に、突合わせ面
を挟んで各板材５０，５１間に渉って水平及び垂直方向
に流動化される。また、表面抑え部５６は、流動化した
アルミニウムの垂直方向の動きを抑制すると共に、摩擦
ピン５８により流動化されたアルミニウムを撹拌する。
これにより、図５(Ｃ)に示すように、上記アルミニウム
は可塑化された状態から固化し、一定の幅と深さを有す
る接合線Ｗとなる。従って、アーク溶接等のように盛り
上がった凹凸のある溶接ビートがなく、後加工が容易に
なる。

【０００５】

【発明が解決すべき課題】しかしながら、上記流動化さ
れたアルミニウムの撹拌及び表面抑え部５６の押圧によ
り、板材５０，５１の接合部付近の板厚が減り、図５
(Ｃ)に示すように、接合線Ｗの表面に凹溝Ｗａが形成さ
れる。この凹溝Ｗａの深さ分だけ、少なくとも一対の板
材５０，５１間の接合強度が低下するという問題を有す
る。この凹溝Ｗａの問題は、アルミニウム合金板材の板
厚が薄くなるほど顕著である。即ち、厚肉の板材同士を
接合する場合、接合線Ｗを深く形成しても形成される凹
溝Ｗａの深さはあまり変わらないため、所要の接合強度
が保てるためである。

【０００６】一方、図５(Ｄ)に示すように、一対のアル
ミニウム合金の押出形材６０，６１を接合する場合、各
形材６０,６１の端面に沿って厚肉にした凸条部６２,６
２を予め一体に形成することができる。従って、各形材
６０，６１の端面付近を摩擦撹拌接合すると、各凸条部
６２の厚さにより、凹溝Ｗａによる板厚減少を補う厚さ
の接合線Ｗを形成することができる。これにより、係る
接合線Ｗの表面の凹溝Ｗａによる強度低下を吸収するこ
とができる。本発明は、以上に説明した従来の技術にお
ける問題点を解決し、比較的薄肉のアルミニウム合金板
材同士を所要の強度を保ちつつ、確実且つ容易に摩擦撹
拌接合できるアルミニウム合金板材の接合方法を提供す
ることを課題とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、接合すべきア
ルミニウム合金板材の端縁を断面略Ｕ字形に折り曲げ
て、新たな端面に沿って形成される折り曲げ部により、
接合部の薄肉化による強度低下を防ぐことに着想して成
されたものである。

【０００８】即ち、本発明のアルミニウム合金板材の接
合方法は、アルミニウム合金板材の端縁をその端面に沿
って断面略Ｕ字形に折り曲げて、新たな端面に沿った折
り曲げ部を形成する工程と、上記折り曲げ部を形成した
一対のアルミニウム合金板材の各折り曲げ部が隣接する
ように、一対のアルミニウム合金板材同士を各端面同士
が当接した状態で拘束する工程と、ボビンと、その底面
の表面抑え部と、該表面抑え部の中心からボビンと同軸
に垂下する摩擦ピンとを有する工具を用い、上記表面抑
え部を上記一対のアルミニウム合金板材の各折り曲げ部
に押圧し、ボビンと同時に回転する摩擦ピンを各板材の
各折り曲げ部の隣接部付近から各板材の当接する端面同
士付近に所定の深さ進入させると共に、上記ボビン及び
摩擦ピンを有する工具を各板材の端面に沿って移動して
摩擦撹拌接合を施す工程と、を含む、ことを特徴とす
る。

【０００９】これによれば、薄い板厚の各アルミニウム
合金板材自体の端縁を折り曲げて得た折り曲げ部によ
り、各板材間に跨る接合部の板厚減少を補うことがで
き、一対の板材を突合わせ状態にして所要の強度を保ち
つつ、確実且つ容易に摩擦撹拌接合できる。尚、板材の
上記端縁には、予め当該板材の板厚の一部を切除して残
った薄肉の突出部分も含まれる。

【００１０】また、前記各板材の隣接する一対の折り曲
げ部全体の幅(Ｘ)が、各板材の板厚(ｔ)の３倍〜６倍の
範囲にあるアルミニウムニウム板材の接合方法も含まれ
る。これによれば、一対の折り曲げ部による接合部の断
面積の増加を図ることができ、強度低下しない接合線を
形成することができる。尚、上記幅(Ｘ)が板厚(ｔ)の３
倍未満の場合は折り曲げ加工自体が困難であり、一方、
板厚(ｔ)の６倍を超えると可塑・流動化されず接合線の
形成に関与しない部分が生じ易く不経済であるため、こ
れらを除いた上記範囲とした。

【００１１】更に、前記各板材の隣接する一対の折り曲
げ部全体の幅(Ｘ)が、前記ボビンの外径(Ｐ)の０.８倍
〜１.２倍の範囲にある、アルミニウムニウム板材の接
合方法も含まれる。これによれば、ボビン底面の表面抑
え部により各折り曲げ部を押圧でき、且つこれらを摩擦
ピンにより確実に可塑・流動化でき、健全な接合線を得
ることができる。尚、上記幅(Ｘ)が外径(Ｐ)の０．８倍
未満では各折り曲げ部の断面積が不十分になり、一方、
１.２倍を超えると各折り曲げ部の両端部が可塑・流動
化されず不経済となるため、これらを除いた上記範囲と
した。

【００１２】また、前記摩擦ピンの直径(ｐ)が、各板材
の折り曲げ中心(ｚ)間の距離(ｘ)の０.６倍以上である、
アルミニウムニウム板材の接合方法も含まれる。これに
よれば、各板材の新たな端面付近が摩擦撹拌接合による
可塑・流動化を受け、所要幅を有する健全な接合線を容
易に形成することができる。尚、上記直径(ｐ)が中心間
距離(ｘ)の０.６倍未満では接合線の幅が不十分となる
ため、除外した。一方、直径(ｐ)の上限は経験的に距離
(ｘ)の約２倍程度である。

【００１３】更に、前記摩擦ピンの長さ(Ｓ)が、板材の
板厚(ｔ)を２倍した数値から０.０５ｍｍ〜０.４ｍｍ差
引いた範囲内にある、アルミニウムニウム板材の接合方
法も含まれる。これによれば、折り曲げ部を含めた一対
の各板材の端面付近の断面全体に渉る深さの健全な接合
線を容易に形成し易くなる。尚、上記ピンの長さ(Ｓ)が
板厚ｔの２倍から０.４ｍｍを差し引いた長さ未満では、
接合線が浅くなり所要の強度が得られない。一方、上記
長さ(Ｓ)が板厚ｔの２倍から０.０５ｍｍを差し引いた
長さを超えると、摩擦ピンが各板材の折り曲げ部のない
反対側の側面から外方へ突出し得るため、これらを除外
した上記範囲とした。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下において本発明の実施に好適
な形態を図面と共に説明する。図１(Ａ)は突合わせ状態
で接合すべき一対のアルミニウム合金板材１ａ，１ｂの
断面を示し、それぞれ垂直な端面２ａ，２ｂを有する。
板材１ａ，１ｂの板厚は１.０〜３ｍｍ程度で、そのア
ルミニウム合金には、純Ａｌ系(JIS:Ａ１０８０,Ａ１１
００)、Ａｌ−Ｍｎ系(JIS:Ａ３００３)、Ａｌ−Ｍｇ系
(JIS:Ａ５０５２，Ａ５４５７)、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系(J
IS:Ａ６０６１)等が用いられる。

【００１５】先ず、各板材１ａ，１ｂにおける端面２
ａ，２ｂに沿う所要幅の端縁を図示しないプレスブレー
キ等を用いて１８０度折り曲げて断面略Ｕ字形にする。
すると、図１(Ｂ)に示すように、図示で上方に張り出し
た一対の折り曲げ部４ａ，４ｂと、これを含む新たな端
面６ａ，６ｂが形成される。次に、図１(Ｃ)に示すよう
に、折り曲げ部４ａ，４ｂを有する板材１ａ，１ｂをそ
れらの端面６ａ，６ｂで当接させ、これらを含む接合面
８を形成した状態で、各板材１ａ，１ｂを図示しない治
具により拘束する。

【００１６】更に、拘束した上記板材１ａ，１ｂの接合
面８の外側付近に摩擦撹拌接合用の治具１０を近付け
る。治具１０は例えば特殊鋼等からなり、円筒形のボビ
ン１２と、その底面を形成する緩くカーブして凹む表面
抑え部１４と、その中心からボビン１２と同軸にして垂
下する摩擦ピン１６とを有する。該ピン１６の表面には
図示しないネジ形状の水平な摩擦撹拌翼が形成されてい
る。尚、工具１０の回転速度は５００〜１５０００ｒｐ
ｍ、送り速度は０.０５〜２ｍ／分で、工具１０の軸方向
に加える押し込み力は１ｋＮ〜２０ｋＮ程度である。

【００１７】ここで、板材１ａ，１ｂと工具１０との関
係を図２により説明する。先ず、一対の折り曲げ部４
ａ，４ｂ全体の幅Ｘは、各板材１ａ，１ｂの板厚ｔの３
倍〜６倍の範囲とするのが望ましい。上記幅Ｘは、折り
曲げ加工の容易性を考慮した場合、少なくとも板厚ｔの
約３倍になるためである。一方、仮に上記幅Ｘを板厚ｔ
の例えば１０倍にすると折り曲げ易くなるが摩擦撹拌接
合に用いない部分が多くなるため、幅Ｘを板厚ｔの６倍
未満とした上記範囲が推奨される。また、一対の折り曲
げ部４ａ,４ｂ全体の幅Ｘは、工具１０におけるボビン１
２の外径Ｐの０．８倍〜１．２倍とするのが望ましい。
これにより、ボビン１２底面の表面抑え部１４により一
対の折り曲げ部４ａ，４ｂの略全体を下向きに押圧で
き、且つ可塑・流動化したアルミニウムが外部に飛散す
るのを防ぎ得る。

【００１８】更に、工具１０における摩擦ピン１６の直
径ｐは、板材１ａ，１ｂの折り曲げ中心ｚ，ｚ間の距離
ｘの０．６倍以上とすることが望ましい。これにより、
摩擦ピン１６が各板材１ａ，２ａの端面６ａ，６ｂ付近
に十分進入し、係る部位の可塑・流動化による健全な撹
拌部を有する接合線Ｗを形成することができる。尚、上
記直径ｐの上限は距離ｘの約２倍程度が好ましい。加え
て、前記摩擦ピン１６の長さＳは、板材１ａ,１ｂの板厚
ｔを２倍した数値から００.５ｍｍ〜０.４ｍｍ差し引い
た範囲内の長さにすることが好ましい。これにより、深
さ方向にも健全な撹拌部を有する接合線Ｗを接合部の断
面全体に形成することができる。

【００１９】次に、拘束した板材１ａ，１ｂの摩擦撹拌
接合について図３により説明する。図３(Ａ)は板材１
ａ，１ｂに対し、５００〜１５０００ｒｐｍで回転する
工具１０を僅かに接合面８の長手方向に対しやや傾けて
進入させる状態を示す。同時に工具１０の表面抑え部１
４を、一対の折り曲げ部４ａ，４ｂに上側から押え込
む。この状態で、工具１０を図示で手前方向に移動(送
り)させることにより、摩擦撹拌接合の施工が可能とな
る。工具１０は、図３(Ｂ)に示すように、摩擦ピン１６
の先端を接合面８の下部付近まで進入させ、且つ表面抑
え部１４を折り曲げ部４(４ａ,４ｂ)全体に押圧する。
この際の工具１０の軸方向に加える押し込み力は１ｋＮ
〜２０ｋＮ程度である。この状態で、工具１０は図示で
左側に送られる。その送り速度は０.０５〜２ｍ／分で
ある。

【００２０】これによって、図３(Ｃ)にも示すように、
上記摩擦ピン１６の回転と移動に伴って、各板材１ａ,
１ｂの折り曲げ部４ａ，４ｂを含む端面６ａ,６ｂ付近
の各アルミニウムは、摩擦熱により加熱して可塑化され
ると共に、接合面８を挟んで各板材１ａ，１ｂ間に渉っ
て水平及び垂直方向に流動化される。また、表面抑え部
１４は、流動化したアルミニウムの垂直方向の動きを抑
制すると共に、摩擦ピン１６により流動化されたアルミ
ニウムを撹拌する。

【００２１】その結果、工具１０が通過した跡には、図
３(Ｄ)に示すように、上記アルミニウムは可塑状態から
固化し、一定の幅と深さの撹拌部を有する接合線Ｗが形
成される。この接合線Ｗの表面には、中央に極く浅い凹
溝Ｗａと、その両側に低い一対の凸部Ｗｂが形成され
る。これら凹溝Ｗａ及び凸部Ｗｂは、何れも各板材１
ａ，１ｂ本来の各側面(表面)よりもやや外方に位置して
いるため、接合線Ｗによって板材１ａ，１ｂの板厚より
も薄肉の部分が形成されない。また、接合線Ｗの底部Ｗ
ｃは各板材１ａ，１ｂの反対側の表面に達している。係
る接合線Ｗを形成することにより、板材１ａ，１ｂ間の
接合強度を低下させず、健全な接合を行うことができ
る。尚、各凸部Ｗｂを凹溝Ｗａの位置まで切除すると、
接合部の外観上も好ましくなる。

【００２２】図４は本発明の変形形態による接合方法に
関する。図４(ａ)に示すように、一対の板材２０ａ,２
０ｂを当初の端面２２ａ,２２ｂに沿って所要幅の端縁
を１８０度断面略Ｕ字形に折り曲げると、得られる一対
の折り曲げ部２４ａ,２４ｂは、その弾性(スプリングバ
ック)によりやや斜め上方に張出し、これを含む新たな
断面半円形状の端面２６ａ，２６ｂが形成される。これ
ら一対の板材２０ａ,２０ｂをその端面２６ａ,２６ｂで
当接し、図４(Ａ)のように、前記工具１０を回転しつつ
上方から略垂直に下降して、その摩擦ピン１６を端面２
６ａ，２６ｂ付近に進入させる。すると、図示のように
工具１０の表面抑え部１４が傾斜した折り曲げ部２４
ａ，２４ｂを上側から押圧して水平状態にした後、前記
同様の摩擦撹拌接合を施すことができる。即ち、板材２
０ａ，２０ｂの折り曲げ部２４ａ,２４ｂがやや上向き
に傾斜していても、工具１０の押圧力により偏平にな
り、本発明の接合方法を適用することが十分可能であ
る。

【００２３】図４(ｂ)は、端面３２をやや傾斜させた板
材３０を、端面３２付近の端縁を所要の幅で図示で反時
計回りに１８０度折り曲げて、上側の折り曲げ部３４と
これを含む新たな端面３６とを形成する工程を示す。当
初の端面３２は、折り曲げ部３４の外側の傾斜面とな
る。係る加工により得られた一対の板材３０ａ，３０ｂ
を、図４(Ｂ)に示すように、各端面３６ａ，３６ｂで当
接して拘束する。そして、得られた接合面３８付近に回
転する工具１０の摩擦ピン１６を垂下させると、その表
面抑え部１４は一対の折り曲げ部３４ａ，３４ｂ全体を
上から押圧しつつ摩擦する。この際、折り曲げ部３４
ａ，３４ｂは、外側が対称な傾斜面３２ａ，３２ｂであ
るため、その付近のアルミニウムが可塑・流動化しても
外部に飛散することなく表面抑え部１４により下向きに
抑制される。従って、得られる接合線の表面の両側に沿
ってバリが突出するのを予防することが容易となる。

【００２４】図４(ｃ)は、予め板材４０の端面４２の図
示で下側を切除した段部４１と、この段部４１と残った
端面４２を有する薄肉部４２′との間に短いスリット４
３を形成した後、上記薄肉部４２′を、図示で反時計回
りに１８０度折り曲げて、上側の折り曲げ部４４とこれ
を含む新たな端面４６を形成する工程を示す。上記加工
により得られた一対の板材４０ａ,４０ｂを、図４(Ｃ)
に示すように、各端面４６ａ,４６ｂで当接して拘束す
る。そして、得られる接合面４８に沿って回転する工具
１０の摩擦ピン１６を垂下させると、前記同様の摩擦撹
拌接合を施すことができる。この板材４０では、折り曲
げ部４４ａ，４４ｂの厚さが当初の板厚よりも薄肉であ
るため、板厚の減少を補うのに好適であり、且つ工具１
０の傾斜姿勢を垂直に近付け易くなり、その操作も容易
となる。

【００２５】本発明は、以上に説明した各形態に限定さ
れるものではない。例えば、接合すべき一対の板材が、
各折り曲げ部を含む厚さで多少相違していても、工具の
進入姿勢を調整することにより、本発明の接合方法を施
すことが可能である。また、接合すべき端面に沿う一部
にのみ折り曲げ部を形成した一対の板材の接合にも本発
明の接合方法を行えることも明白である。更に、各折り
曲げ部を含む厚さが略同じであれば、折り曲げ部がやや
斜め上向きになった一方の板材と、水平な折り曲げ部を
形成した他方の板材との接合も十分行うことができる。
尚、接合すべき一対の板材の材質は、同種のアルミニウ
ム合金同士は勿論、異なる合金成分のアルミニウム合金
同士であっても良い。

【００２６】

【発明の効果】以上において説明した本発明の接合方法
によれば、一対の比較的薄肉のアルミニウム合金板材に
おける端面に沿って折り曲げ部を形成することにより、
摩擦撹拌接合による接合部の強度低下を防ぎ、所定の強
度をもって容易且つ確実に接合することができる。ま
た、請求項２乃至５の接合方法によれば、一層確実に上
記接合を行うことが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】(Ａ)〜(Ｃ)は本発明接合方法の各工程を示す部
分概略図。

【図２】一対の板材と摩擦撹拌用工具の各部分との関係
を説明する概略図。

【図３】(Ａ)〜(Ｄ)は本発明接合方法の各工程を示す部
分概略図。

【図４】(ａ),(Ａ)、(ｂ),(Ｂ)、(ｃ),(Ｃ)はそれぞれ
異なる形態の接合方法の各工程を示す部分概略図。

【図５】(Ａ)〜(Ｃ)は従来の摩擦撹拌接合の各工程を示
す概略図、(Ｄ)は押出形材同士の摩擦撹拌接合を示す部
分概略図。

【符号の説明】

１ａ，１ｂ,２０ａ,２０ｂ,３０ａ,３０ｂ,４０ａ,４０
ｂ…板材２ａ，２ｂ,２２ａ,２２ｂ,３２,４２……………………
……当初の端面(端面) ４,４ａ,４ｂ,２４ａ,２４ｂ,３４,４４…………………
……折り曲げ部６ａ，６ｂ,２６ａ,２６ｂ,３６,４６……………………
……新たな端面(端面) １０……………………………………………………………
……工具１２……………………………………………………………
……ボビン１４……………………………………………………………
……表面抑え部１６……………………………………………………………
……摩擦ピン

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者堀久司静岡県庵原郡蒲原町蒲原一丁目34番１号日本軽金属株式会社グループ技術センター内 (72)発明者牧田慎也静岡県庵原郡蒲原町蒲原一丁目34番１号日本軽金属株式会社グループ技術センター内 (56)参考文献特開平10−230376（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B23K 20/12

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】アルミニウム合金板材の端縁をその端面に
沿って断面略Ｕ字形に折り曲げて、新たな端面に沿った
折り曲げ部を形成する工程と、上記折り曲げ部を形成した一対のアルミニウム合金板材
の各折り曲げ部が隣接するように、一対のアルミニウム
合金板材同士を各端面同士が当接した状態で拘束する工
程と、ボビンと、その底面の表面抑え部と、該表面抑え部の中
心からボビンと同軸に垂下する摩擦ピンとを有する工具
を用い、上記表面抑え部を上記一対のアルミニウム合金
板材の各折り曲げ部に押圧し、ボビンと同時に回転する
摩擦ピンを各板材の各折り曲げ部の隣接部付近から各板
材の当接する端面同士付近に所定の深さ進入させると共
に、上記ボビン及び摩擦ピンを有する工具を各板材の端
面に沿って移動して摩擦撹拌接合を施す工程と、を含む、ことを特徴とするアルミニウム合金板材の接合
方法。
【請求項２】前記各板材の隣接する一対の折り曲げ部全
体の幅(Ｘ)が、各板材の板厚(ｔ)の３倍〜６倍の範囲に
ある、ことを特徴とする請求項１に記載のアルミニウム合金板
材の接合方法。
【請求項３】前記各板材の隣接する一対の折り曲げ部全
体の幅(Ｘ)が、前記ボビンの外径(Ｐ)の０.８倍〜１.２
倍の範囲にある、ことを特徴とする請求項１又は２に記
載のアルミニウム合金板材の接合方法。
【請求項４】前記摩擦ピンの直径(ｐ)が、各板材の折り
曲げ中心(ｚ)間の距離(ｘ)の０．６倍以上である、こと
を特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載のアルミニ
ウム合金板材の接合方法。
【請求項５】前記摩擦ピンの長さ(Ｓ)が、板材の板厚
(ｔ)を２倍した数値から０.０５ｍｍ〜０.４ｍｍ差引い
た範囲内にある、ことを特徴とする請求項１乃至４の何
れかに記載のアルミニウム合金板材の接合方法。