JP3295376B2 - 摩擦撹拌接合法 - Google Patents

摩擦撹拌接合法

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JP3295376B2 JP21394998A JP21394998A JP3295376B2 JP 3295376 B2 JP3295376 B2 JP 3295376B2 JP 21394998 A JP21394998 A JP 21394998A JP 21394998 A JP21394998 A JP 21394998A JP 3295376 B2 JP3295376 B2 JP 3295376B2
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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、例えばアルミニ
ウム材(アルミニウム合金材を含む)等の金属材の接合
に用いられる摩擦撹拌接合法に関し、詳述すれば、円形
断面又は多角形断面を有する接合部材の周面を周方向に
接合する摩擦撹拌接合法に関する。
【0002】
【従来の技術】例えば、図8(a)に示すように、円形
断面を有する2個の金属パイプ材からなる接合部材(5
1)(52)の端面同士を突き合わせ、これら両接合部
材(51)(52)を突合せ部(53)の全周に亘って
接合する場合には、固相接合法の一つである摩擦撹拌接
合法が用いられることがある。
【0003】この摩擦撹拌接合法を説明すれば、次の通
りである。即ち、同図に示すように、径大の円柱状回転
子(61)の端部軸線上に径小のピン状プローブ(6
2)が突出して一体に設けられた接合工具(60)を用
い、前記回転子(61)を回転させつつ、両接合部材
(51)(52)の突合せ部(53)にその外周面から
前記プローブ(62)を挿入する。挿入は、一般には、
回転子(61)のプローブ側平坦面からなる肩部(61
a)が両接合部材(51)(52)に当接するまで行
う。
【0004】そして、図8(b)に示すように、プロー
ブ挿入状態のまま、突合せ部(53)がプローブ(6
2)を順次通過するように両接合部材(51)(52)
をその軸線(Q)を中心にして回転させる。あるいは、
図示していないが、プローブ(62)を挿入状態で突合
せ部(53)に沿って両接合部材(51)(52)の周
方向に移動させても良い。プローブ(62)の回転によ
り発生する摩擦熱、あるいは更に回転子(61)の肩部
(61a)と両接合部材(51)(52)との摺動に伴
い発生する摩擦熱により、プローブ(62)との接触部
分近傍において両接合部材(51)(52)は軟化しか
つプローブ(62)により撹拌されるとともに、両接合
部材(51)(52)の回転に伴って、あるいはプロー
ブ(62)の移動に伴って、軟化撹拌部分がプローブ
(62)の通過溝を埋めるように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。この現象が両接合部
材(51)(52)の回転に伴って、あるいはプローブ
(62)の移動に伴って順次繰り返されていき、最終的
に両接合部材(51)(52)が突合せ部(53)にお
いて接合されるものである。同図において、(X)はこ
の摩擦撹拌接合によって形成された接合ビード部で、突
合せ部(53)に沿って形成されている。また、(X
1)は接合始端部である。
【0005】このような摩擦撹拌接合法によれば、固相
接合であるため、接合部材である金属材の種類に限定さ
れないとか、接合時の熱歪みによる変形が少ない等の利
点がある。
【0006】ところで、上記の接合部材(51)(5
2)を摩擦撹拌接合する場合において、接合始端部(X
1)がプローブ(62)の挿入位置に戻ると、それ以上
接合する必要がないから、接合部材(51)(52)の
回転を停止した後、図9に示するように、プローブ(6
2)を接合部材(51)(52)から引き抜かなければ
ならない。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、プロー
ブ(62)を接合部材(51)(52)の外周面から軸
方向に引き抜くと、接合終端部(X2)には、必ずプロ
ーブ(62)の径、挿入深さに対応する孔(54)が残
ってしまう。この孔(54)は接合強度を局部的に低下
させるものであるため、接合終了後に、これを取り除い
たり、埋めたりしなければならない。
【0008】この孔処理手段として、孔(54)にピン
を埋め込む方法や、TIG、MIG等の溶融溶接により
孔(54)に溶融金属を充填する方法が提案されてい
る。しかし、ピンを埋込む方法は、ピンを機械的な食込
みにより固定するだけなので、強度的信頼性が乏しい。
また、溶融溶接による方法は、溶接時に発生する溶接熱
により接合強度の低下や熱歪みが生じる等の問題があ
る。
【0009】その他、図示していないが、接合終端部が
始端部に戻らないような接合部、例えば表面に直線状の
接合部を有する板材からなる接合部材を摩擦撹拌接合す
る場合には、接合部材の端面における接合終端部にエン
ドタブを接合線方向に取り付け、そしてプローブ(6
2)をエンドタブまで移動させた後、該プローブをエン
ドタブから引き抜き、次いでこのエンドタブを取り除く
方法が有効である。
【0010】しかしながら、この方法は、上記したよう
な円周接合等、円形断面や多角形断面を有する接合部材
の周面に沿って行う周接合に適用する場合には、接合部
材にエンドタブの取付け場所が存在しないので、これを
適用することができない。
【0011】また、上記の接合部材(51)(52)を
接合する場合において、挿入状態のプローブ(62)を
接合部材(51)(52)の他端面から引き抜くことも
考えられが、この場合には、接合部材(51)(52)
の他端面にプローブの引抜き痕として凹部(図示せず)
が形成されることとなるので、得られる接合品の外観が
悪くなるという問題が生じる。
【0012】この発明は、このような問題を解決するた
めになされたもので、周面に周方向の接合部を有する接
合部材を接合する摩擦撹拌接合法において、プローブ引
抜き後の孔や凹部を生じさせない摩擦撹拌接合法を提供
することを目的とする。
【0013】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項1に係る発明は、周面に周方向の接合部を有
する接合部材における前記接合部に、回転するプローブ
を挿入し、プローブとの接触部を摩擦熱にて軟化させ撹
拌しながら、プローブを挿入状態で前記接合部に沿って
相対的に移動させることにより、前記接合部材を接合す
る摩擦撹拌接合法において、接合部材との当接面が接合
部材の外周面に対応するように湾曲した湾曲面からなる
当て部材を用い、前記接合部材の接合終端部に、該接合
終端部における接合線の接線方向又はそれに近い方向に
前記当て部材を、前記当接面が接合部材の外周面に面接
触状態に当接するように当て、前記挿入状態のプローブ
を、接合終端部を通過させ当て部材のプローブ通過面
と移動させることを特徴とする。
【0014】これによれば、接合部材の接合終端部に、
該接合終端部における接合線の接線方向又はそれに近い
方向に当て部材を当てることにより、挿入状態のプロー
ブを挿入状態のままで当て部材に移動させることができ
るようになる。そして、プローブが当て部材に進入する
と、当て部材におけるプローブとの接触軟化部分が後方
へと塑性流動して、プローブの通過後に生じる溝が埋め
られる。次いで、当て部材に移動した挿入状態のプロー
ブを当て部材から引き抜く。こうすることにより、接合
部にプローブ引抜き後の孔や凹部が残存しなくなり、そ
のため接合部の接合強度の低下を防止することができる
し、接合部の強度的信頼性も向上する。その後、更に、
当て部材を除去することにより、接合部材にプローブ引
抜き後の孔や凹部が残存しなくなり、したがってプロー
ブ引抜き後の孔や凹部により生じる接合品の外観体裁の
低下を防止でき、そのため接合品の外観を維持すること
ができるようになる。
【0015】請求項2に係る発明は、上記請求項1記載
の摩擦撹拌接合法において、前記当て部材は、接合部材
の外周面に対応するように湾曲した湾曲面からなる当接
面を有しこの当接面を接合部材の外周面に面接触状態に
当接させた状態に配置された支持部材によって、前記プ
ローブ通過面とは反対側の面において支持されているも
のである。
【0016】
【発明の実施の形態】次に、この発明の実施形態を図面
に基づいて説明する。
【0017】図1〜図6は、この発明の一実施形態を示
すものである。図1において、(1)(2)は、円形断
面で所定長さを有する棒状のアルミニウム押出パイプ材
からなる2個の接合部材である。これら接合部材(1)
(2)は、互いに同形・同寸である。そして、これら接
合部材(1)(2)は、端面同士を突き合わせる態様で
配置されている。この突合せ状態において、これら接合
部材(1)(2)の軸線(P)(P)は一致しており、
したがって一方の接合部材(1)の外周面と他方の接合
部材(2)の外周面とは、面一となっている。
【0018】この実施形態は、上記従来技術と同じく、
突合せ状態に配置した2個の接合部材(1)(2)を、
突合せ部(3)の全周に亘って摩擦撹拌接合する場合を
示すものである。したがって、突合せ部(3)が接合部
材(1)(2)の接合部となり、接合部材(1)(2)
の突合せ部(3)における周方向が接合線方向となる。
そして、この摩擦撹拌接合により接合された接合品は、
サスペンションアーム用部材、エンジンマウント用部
材、スペースフレーム用部材等として用いられる。
【0019】(20)は接合工具であって、径大の円柱
状回転子(21)の端部軸線上に径小のピン状プローブ
(22)が突出して一体に設けられているもので、回転
子(21)を高速回転させることによりプローブ(2
2)も高速回転するものとなされている。なお、プロー
ブ(22)及び回転子(21)は、接合部材(1)
(2)よりも硬質でかつ接合時に発生する摩擦熱に耐え
うる耐熱材料によって形成されている。
【0020】(10)は、板状のアルミニウム製当て部
材である。この当て部材(10)は、後述するように、
接合部材(1)(2)の接合終端部にプローブ(22)
の引抜き孔や凹部を残さなくするためのもので、接合終
端部に、該接合終端部における接合線の接線方向に当て
られるものであり、厚さ方向の片面をプローブ通過面
(11)とし、長さ方向の一端面を接合部材との当接面
(12)とするものである。前記プローブ通過面(1
1)は平坦面からなる一方、前記当接面(12)は接合
部材(1)(2)の外周面に対応するように円弧状に湾
曲した湾曲面からなる。そして、この当て部材(10)
は、これを接合終端部(W2)に、該接合終端部におけ
る接合線の接線方向に当てたときに(図4(a)参
照)、前記当接面(12)が接合部材(1)(2)の外
周面に面接触状態に当接するとともに、前記プローブ通
過面(11)が接合終端部(W2)における接合部材
(1)(2)の外周面と面一となるものとなされてい
る。
【0021】そして、この当て部材(10)は、ブロッ
ク状の金属製支持部材(13)によって安定良く支持さ
れている。この支持部材(13)は、当て部材(10)
とともに接合部材(1)(2)の外周面に当てられるも
のであり、その当接面(14)は、接合部材(1)
(2)の外周面に対応するように円弧状に湾曲した湾曲
面からなる。そして、この支持部材(13)は、前記当
て部材(10)を接合終端部(W2)に当てたときに、
前記当接面(14)が接合部材(1)(2)の外周面に
面接触状態に当接するものとなされている。
【0022】この発明に従う摩擦撹拌接合は次のように
して行う。即ち、前記接合工具(20)の回転状態のプ
ローブ(22)を、図1及び図2(a)に示すように、
突合せ部(3)にその表面から挿入する。そして、図2
(b)に示すように、プローブ挿入状態で、回転子(2
1)の先端の平坦状肩部(21a)を、接合部材(1)
(2)の外周面に当接させるのが、接合開始時あるいは
接合途中の軟化部分の素材の飛散を防止しえて均一な接
合状態を実現し得るとともに、接合部材(1)(2)と
肩部(21a)との摺動により摩擦熱を更に生ぜしめ
て、プローブとの接触部あるいはその近傍の軟化を促進
し、更に接合部材(1)(2)の外周面の凹凸形成を防
止する点から好ましい。
【0023】そして、プローブ挿入状態のまま、突合せ
部(3)がプローブ(22)を順次通過するように接合
部材(1)(2)をその軸線(P)を回転軸として回転
させる。
【0024】プローブ(22)の回転により発生する摩
擦熱、あるいは更に回転子(21)の肩部(21a)と
接合部材(1)(2)の外周面との摺動に伴い発生する
摩擦熱により、プローブ(22)との接触部分近傍にお
いて接合部材(1)(2)は軟化しかつ撹拌されるとと
もに、接合部材(1)(2)の回転に伴って、軟化撹拌
部分がプローブ(22)の通過溝を埋めるように塑性流
動したのち、摩擦熱を急速に失って冷却固化される。こ
の現象が接合部材(1)(2)の回転に伴って順次繰り
返されていき、図3(a)に示すように、突合せ部
(3)において両接合部材(1)(2)は一体化され順
次接合されていく。なお、図3(a)において、(W)
はこの摩擦撹拌接合によって形成された接合ビード部
で、突合せ部(3)に沿って形成されている。また、
(W1)は接合始端部である。
【0025】そして、接合始端部(W1)がプローブ
(22)の挿入位置に戻ってきたとき、あるいは更に接
合始端部(W1)がプローブ(22)の挿入位置を通過
したとき、つまり接合部材(1)(2)が1回転以上、
回転したとき、図3(b)に示すように、両接合部材
(1)(2)は突合せ部(3)の全周に亘って接合され
たこととなるので、接合終了となるが、このプローブ挿
入位置でプローブ(22)を接合部材(1)(2)の外
周面から引き抜くと、上記従来技術で説明したように、
接合終端部(W2)にプローブの引抜き孔が生じてしま
う。
【0026】そこで、接合部材(1)(2)の回転を停
止した後、支持部材(13)により支持された当て部材
(10)を、図4(a)に示すように、接合終端部(W
2)に、該接合終端部(W2)における接合線の接線方
向に当てる。こうして当て部材(10)が接合終端部
(W2)に当てられた状態において、当て部材(10)
のプローブ通過面(11)は、接合終端部(W2)にお
ける接合部材(1)(2)の外周面と面一となってい
る。なお、図示していないが、接合部材(1)(2)が
1回転する前に、予め、当て部材(10)を当てておい
ても良い。
【0027】次いで、図4(b)に示すように、挿入状
態のプローブ(22)を当て部材(10)に移動させ
る。このプローブの移動に際し、当て部材(10)のプ
ローブ通過面(11)は、接合終端部(W2)における
接合部材(1)(2)の外周面と面一となっているか
ら、プローブ(22)を挿入状態のままでスムーズに当
て部材(10)に移動させることができる。
【0028】このようにしてプローブ(22)が当て部
材(10)に進入すると、当て部材(10)におけるプ
ローブ(22)との接触軟化部分が後方へと塑性流動し
て、プローブ(22)の通過後に生じる溝を埋め、従っ
て接合部材(1)(2)の接合終端部(W2)に孔や凹
部が残存することはない。
【0029】次いで、当て部材(10)に移動したプロ
ーブ(22)を、図5に示すように、当て部材(10)
のプローブ通過面(11)から引き抜く。すると、当て
部材(10)にプローブの引抜き孔(4)が形成される
こととなるので、図6に示すように、この当て部材(1
0)を接合部材(1)(2)の外周面に沿って切断除去
する。こうすることにより、接合部材(1)(2)にお
けるプローブ通過跡に孔や凹部が残存しなくなり、その
ため接合状態が良好な接合品を得ることができる。
【0030】なお、図示していないが、当て部材(1
0)に移動したプローブ(22)を当て部材(10)の
端面から引き抜き、次いでこの当て部材(10)を除去
しても良い。
【0031】また、接合部材(1)(2)の突合せ部
(3)を接合する工程と、プローブ(22)を当て部材
(10)に移動させる工程とを、別々に遂行しても良
い。すなわち、例えば接合部材(1)(2)の突合せ部
(3)を接合した後、プローブ(22)を接合部材
(1)(2)から引き抜くことによって、接合終端部
(W2)にプローブの引抜き孔(4)が形成されている
接合品を、予め複数個、製作しておき、その後、接合品
の接合終端部(W2)に当て部材(10)を当てるとと
もに、プローブ引抜き孔(4)にプローブを再度挿入し
て該プローブを当て部材(10)に移動させても良い。
【0032】なお、上述したように、当て部材(10)
の材料の一部が接合部材(1)(2)における接合終端
部のプローブ通過跡に充填されて接合部材の一部をなす
ものとなることから、当て部材(10)は接合部材
(1)(2)と同一材料により製作されるのが望まし
い。
【0033】図7は、上記実施形態の一変形例を示すも
のである。
【0034】この変形例は、複数個の接合部材の突合せ
接合を連続して遂行する場合を示している。この摩擦撹
拌接合法を説明すれば次の通りである。
【0035】すなわち、同図(i)に示すように、接合
部材(1)(2)の突合せ部(3)に、上記実施形態と
同様に、接合工具(20)のプローブ(22)を挿入す
る。そして、接合部材(1)(2)が1回転以上、回転
して、該接合部材(1)(2)が突合せ部(3)の全周
に亘って接合されたら、接合部材(1)(2)の回転を
停止した後、当て部材(10)の一端部を接合終端部
(W2)に当てるとともに他端部を未接合状態の接合部
材(1’)(2’)の突合せ部(3’)に当てる。次い
で、同図(ii)に示すように、挿入状態のプローブ(2
2)を当て部材(10)に移動させる。更にプローブ
(22)を移動させて、同図(iii )に示すように、該
プローブ(22)を未接合状態の接合部材(1’)
(2’)の突合せ部(3’)に進入させる。次いで、当
て部材(10)を未接合状態の接合部材(1’)
(2’)の外周面に沿って切断(切断部10a)した
後、この未接合状態の接合部材(1’)(2’)の突合
せ部(3’)を、同図(i)に示すように、上記実施形
態と同様に摩擦撹拌接合する。
【0036】こうすることにより、複数個の接合部材の
突合せ接合を連続して遂行することができるようにな
り、したがってプローブ引抜き後の孔や凹部が残存して
いない、つまり接合状態の良好な接合品を効率良く得る
ことができる。
【0037】さらにこの発明は上記実施形態に限定され
るものでない。
【0038】例えば、接合部材(1)(2)を回転させ
るのではなく、接合部材(1)(2)を固定しておき、
プローブ(22)を接合部材(1)(2)の突合せ部
(3)に沿って移動させても良い。
【0039】また、当て部材(10)を接合終端部(W
2)に当てる方向は、接合終端部(W2)における接合
線の接線方向に近い方向であっても良い。
【0040】もとより、接合部材(1)(2)は、アル
ミニウム以外の金属材からなるものであっても良いし、
パイプ材である必要もなく、中実材であっても良い。
【0041】
【発明の効果】上述の次第で、この発明は、周面に周方
向の接合部を有する接合部材における前記接合部に、回
転するプローブを挿入し、プローブとの接触部を摩擦熱
にて軟化させ撹拌しながら、プローブを挿入状態で前記
接合部に沿って相対的に移動させることにより、前記接
合部材を接合する摩擦撹拌接合法において、接合部材と
の当接面が接合部材の外周面に対応するように湾曲した
湾曲面からなる当て部材を用い、前記接合部材の接合終
端部に、該接合終端部における接合線の接線方向又はそ
れに近い方向に前記当て部材を、前記当接面が接合部材
の外周面に面接触状態に当接するように当て、前記挿入
状態のプローブを、接合終端部を通過させ当て部材のプ
ローブ通過面へと移動させることを特徴とするものであ
るから、この発明に係る摩擦撹拌接合法によれば、当て
部材におけるプローブとの接触軟化部分によってプロー
ブの通過後に生じる溝を埋めことができる。したがっ
て、周面に周方向の接合部を有する接合部材を摩擦撹拌
接合によって接合する場合であっても、接合終端部にプ
ローブ引抜き後の孔や凹部が残存しない、つまり接合部
の接合強度が高くかつその強度的信頼性も高い接合品を
得ることができる。さらに、当て部材からプローブを引
き抜いた後、この当て部材を除去することにより、接合
部材にプローブ引抜き後の孔や凹部が残存しない、つま
り見栄えの良い接合品を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の一実施形態を示す斜視図である。
【図2】同実施形態を示す図で、(a)は図1中のII−
II線断面図、(b)はプローブを接合部材の突合せ部に
挿入した状態の断面図である。
【図3】同実施形態を示す図で、(a)は接合部材の回
転途中の状態の断面図、(b)は接合部材が1回転した
状態の断面図である。
【図4】同実施形態を示す図で、(a)は当て部材を接
合終端部に当てた状態の断面図、(b)はプローブを当
て部材に移動させた状態の断面図である。
【図5】同実施形態を示す図で、(a)はプローブを当
て部材に移動させた状態の斜視図、(b)はプローブを
当て部材から引き抜いた状態の斜視図である。
【図6】同実施形態を示す図で、当て部材を接合部材か
ら切り離した状態の斜視図である。
【図7】同実施形態の一変形例を示す図で、(i)は接
合部材の回転途中の状態の断面図、(ii)はプローブを
当て部材に移動させた状態の断面図、(iii )は当て部
材を未接合の接合部材から切り離した状態の断面図であ
る。
【図8】従来の摩擦撹拌接合を示す図で、(a)は接合
部材の接合前の状態の斜視図、(b)は接合途中の状態
の斜視図である。
【図9】従来の摩擦撹拌接合の欠点を示す図で、接合部
材の接合後の状態の斜視図である。
【符号の説明】
1、2…接合部材 3…突合せ部(接合部) 4…プローブ引抜き孔 10…当て部材 13…支持部材 20…接合工具 22…プローブ W…接合ビード部 W1…接合始端部 W2…接合終端部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 川田 斉礼 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10−180467(JP,A) 特開 平10−193140(JP,A) C J Dawes,”An int eroduction to fric tion stir welding and its developmen t”,Welding & Metal Fabrication,英国,In ternatinal Trade P ublications Ltd,1995 年 2月13日,第63巻,第1号,P13− 14,16 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) B23K 20/12

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 周面に周方向の接合部(3)を有する接
    合部材(1)(2)における前記接合部(3)に、回転
    するプローブ(22)を挿入し、プローブとの接触部を摩
    擦熱にて軟化させ撹拌しながら、プローブ(22)を挿入
    状態で前記接合部(3)に沿って相対的に移動させるこ
    とにより、前記接合部材(1)(2)を接合する摩擦撹
    拌接合法において、接合部材との当接面(12)が接合部材の外周面に対応す
    るように湾曲した湾曲面からなる当て部材(10)を用
    い、 前記接合部材の接合終端部(W2)に、該接合終端部に
    おける接合線の接線方向又はそれに近い方向に前記当て
    部材(10)を、前記当接面が接合部材の外周面に面接触
    状態に当接するように当て、前記挿入状態のプローブ
    (22)を、接合終端部(W2)を通過させ当て部材(1
    0)のプローブ通過面(11)へと移動させることを特徴
    とする摩擦撹拌接合法。
  2. 【請求項2】 前記当て部材(10)は、接合部材の外周
    面に対応するように湾曲した湾曲面からなる当接面(1
    4)を有しこの当接面を接合部材の外周面に面接触状態
    に当接させた状態に配置された支持部材(13)によっ
    て、前記プローブ通過面(11)とは反対側の面において
    支持されている請求項1記載の摩擦撹拌接合法。
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