JP3762371B2 - 摩擦撹拌接合方法および装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、第１プレート部材の端部と第２プレート部材の端部とを突き合わせた突き合わせ部の一方の面に、回転するプローブを押し付けながら、前記プローブを前記突き合わせ部に沿って相対的に移動させることにより、前記突き合わせ部を接合する摩擦撹拌接合方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般的に、ワーク（物体）に回転するプローブを挿入する際に発生する摩擦熱を利用して、２つのワークを固相接合する摩擦撹拌溶接（Friction Stir Welding ：以下、ＦＳＷともいう）が知られている。上記の接合によると、ワークの接合部分は、母材に対して８０％程度の強度を維持することができ、結晶の粗大化も防止することが可能になる。
【０００３】
例えば、ワークとしてアルミニウム材を用い、従来のスポット溶接や電子ビームによる溶接を行うと、このアルミニウム材に過剰な熱が付与されてしまう。このため、材料の劣化や粗大化による強度の低下が惹起されるおそれがある。
【０００４】
これに対して、ＦＳＷでは、アルミニウム材のように比較的融点の低い金属材料（アルミニウム材では、６００℃〜６６０℃程度）を用いても、５００℃程度で接合が行われるため、熱による劣化が防止される。従って、ＦＳＷは、アルミニウム材の他、マグネシウムやチタン、高分子等の他の材料にも適用することが可能である。
【０００５】
上記のＦＳＷをアルミニウム材に適用する例として、電車のような大型部材のアルミニウムフレームが挙げられる。この種の大型部材は、接合の強度を重視しており、アルミニウム材の厚さは、通常、５ｍｍ以上に設定されている。一方、ガスタービンエンジン部材のように、強度の向上とともに軽量化を図ることが望まれている部材では、厚さを大きくすることができない。このため、例えば、１．２ｍｍ程度の薄板状のアルミニウム材を用い、ガスタービンエンジンの外枠を構成している。
【０００６】
しかしながら、薄板状のアルミニウム材の両端部を突き合わせた突き合わせ部を、ＦＳＷで接合して比較的大径な円筒部材を形成する際、このアルミニウム材が薄肉であるために真円度を得ることができないという問題がある。
【０００７】
さらに、２つの円筒部材の端部同士を突き合わせた突き合わせ部を、ＦＳＷにより接合する際、各端部の円周長さが同一寸法にならないおそれがある。従って、この状態で、円筒部材をＦＳＷにより接合すると、接合部の最終部位で位相差が発生し、例えば、波形に変形する、所謂、皺が惹起されるという問題がある。
【０００８】
しかも、特に薄板状のアルミニウム材の突き合わせ部は、ＦＳＷにより接合する際に未接合部分が発生し易い。具体的には、図１５に示すように、アルミニウム材Ｗ１、Ｗ２が突き合わされた状態で、突き合わせ部Ｔに回転しているプローブＰが挿入されると、この突き合わせ部Ｔには、プローブ先端Ｐａが到達しないことによる摩擦撹拌不足が惹起し、未接合部分Ｕが発生し易い。
【０００９】
さらに、プローブＰは、プローブ先端Ｐａに近づくにつれて周速が遅くなり、このプローブ先端Ｐａ近傍では、周速の低下によって摩擦撹拌される領域Ｓが制限されてしまう。これにより、摩擦熱が不足して未接合部分Ｕが生じ、この未接合部分Ｕが破壊起点となって構造上の信頼性が低下するという問題がある。
【００１０】
この他、ＦＳＷによる接合時には、薄板状のアルミニウム材Ｗ１、Ｗ２に１ｔ〜２ｔ単位の押し付け力が付与される。このため、アルミニウム材Ｗ１、Ｗ２を確実に保持し得ないと、接合部にはＦＳＷによって凹凸が発生するという問題がある。
【００１１】
そこで、例えば、特許文献１の突き合わせ継手の製造方法では、図１６に示すように、アルミニウム製の接合部材１ａ、１ｂの端面が突き合わされて突き合わせ部２が設けられるとともに、この突き合わせ部２に対応してアルミニウム製の裏当て部材３が配置される。この裏当て部材３の表面には、断面円弧状の凹部３ａが形成されている。
【００１２】
このような構成において、回転子４およびプローブ５を回転させて、このプローブ５を接合部材１ａ、１ｂの突き合わせ部２に挿入する。このため、接合部材１ａ、１ｂの突き合わせ部２は、裏面側が裏当て部材３の凹部３ａに沿って突出変形する。さらに、プローブ５を突き合わせ部２に挿入した状態で、前記突き合わせ部２に沿って移動させることにより、前記突き合わせ部２の全長にわたって摩擦撹拌接合が行われる。次いで、裏当て部材３の凹部３ａに突出変形した変形部６は、フライス盤等により切削されて平坦面が得られる。
【００１３】
【特許文献１】
特開平１０−２２５７８０号公報（段落［００３２］〜［００３６］、図３）
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の特許文献１では、突き合わせ部２の裏面側を裏当て部材３の凹部３ａに突出変形させるために、プローブ５を前記突き合わせ部２の裏面まで挿入する必要がある。このため、特に、薄肉状の接合部材１ａ、１ｂが用いられる際には、接合部材１ａ、１ｂに破損が発生するおそれがある。
【００１５】
しかも、接合処理が終了した後、突き合わせ部２の裏面から裏当て部材３を剥離しなければならない。従って、薄肉状の接合部材１ａ、１ｂでは、裏当て部材３の剥離処理により残留歪みが発生するという問題が指摘されている。
【００１６】
一方、裏当て部材３は、剥離により破損するおそれがあり、これによって繰り返し利用することができず、経済的ではないという問題がある。
【００１７】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、特に薄肉な円筒部材同士を良好に接合するとともに、未接合部分を確実に除去して接合強度を維持することが可能な摩擦撹拌接合方法および装置を提供することを目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明では、突き合わせ部の他方の面を保持する裏当て治具に、前記突き合わせ部に対応して形成された開口部を覆って変形可能なリング状の緩衝部材が取り付けられる。次いで、第１および第２円筒部材が裏当て治具に保持された状態で、プローブを突き合わせ部の一方の面から挿入して前記緩衝部材および前記突き合わせ部の一部を開口部側に突出変形させながら、前記突き合わせ部に沿って摩擦撹拌接合が行われる。そして、摩擦撹拌接合が行われた後、突き合わせ部から開口部側に突出した部分が除去される。
【００１９】
このため、第１および第２円筒部材は、裏当て治具に張り付くことがなく、前記裏当て治具は、前記第１および第２円筒部材から剥離されることによる破損のおそれがない。これによって、裏当て治具は、繰り返し利用することができ、経済的である。さらに、第１および第２円筒部材は、緩衝部材に接合されることがなく、前記緩衝部材の離脱処理が容易に遂行されるとともに、残留歪みが発生することを有効に阻止することが可能になる。
【００２０】
しかも、未接合部分が発生し易い突き合わせ部の他方の面は、裏当て治具の開口部側に突出変形するとともに、摩擦撹拌接合が終了した後に前記突き合わせ部から除去される。従って、第１および第２円筒部材は、未接合部分を確実に除去することができ、接合部の強度が有効に増大して信頼性の向上を図ることが可能になる。
【００２１】
また、摩擦撹拌接合が行われた後、突き合わせ部の他方の面に緩衝部材が圧着した状態で、前記突き合わせ部から裏当て治具のみが離脱される。次に、突き合わせ部の他方の面から緩衝部材が離脱される。このため、第１および第２円筒部材には、裏当て治具および緩衝部材が離脱される際に残留歪みが発生することがない。
【００２２】
さらに、裏当て治具と突き合わせ部の他方の面とを密着状態にすることにより、前記第１および第２円筒部材の端部同士を同一の長さに規制する。従って、特に薄肉でかつ比較的大径な突き合わせ部であっても、プローブの挿入によって変形や皺等による位相差が発生することがなく、前記突き合わせ部の真円度を良好に維持することができ、寸法精度が向上する。しかも、突き合わせ部のずれを阻止して正確な位置出しが可能になり、摩擦撹拌接合処理が効率的に遂行される。
【００２３】
さらにまた、裏当て治具は、真円形状の外周面を有しており、この外周面に密着する第１および第２円筒部材の端部同士を同一の円周長さに規制する。これにより、簡単かつ経済的な構成および工程で、第１および第２円筒部材は、真円度を確実に維持して突き合わせ部の全周が良好に接合される。
【００２４】
その際、裏当て治具は、複数に分割されて径方向に進退自在な分割治具を備えるとともに、緩衝部材は、それぞれの分割治具に形成された各凹状部に一体的に嵌合自在なリング状に構成される。このため、摩擦撹拌接合後に、裏当て治具を突き合わせ部から容易かつ迅速に離脱させることができる。
【００２５】
また、第１および第２円筒部材を裏当て治具に対し相対的に膨張させた状態で、前記裏当て治具に前記第１および第２円筒部材が配置される。例えば、第１および第２円筒部材が加熱されると、この第１および第２円筒部材が熱膨張して内周径が拡大する。従って、第１および第２円筒部材は、裏当て治具に容易に外装されるとともに、冷却されることにより収縮して前記裏当て治具の外周面に確実に密着する。
【００２６】
さらに、第１および第２円筒部材は、プローブの挿入方向と略直交しかつ前記第１および第２円筒部材の突き合わせ方向から加圧力が付与された状態で、突き合わせ部に沿って摩擦撹拌接合される。これにより、第１および第２円筒部材の端部同士を確実に圧着することができ、突き合わせ部を高品質に接合することが可能になる。
【００２７】
さらにまた、第１および第２円筒部材は、厚さが２ｍｍ以下に設定されている。このため、薄肉な円筒部材であっても、摩擦撹拌接合が良好に遂行されるとともに、前記薄肉なプレート部材に残留歪みが発生することを有効に阻止することができる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る摩擦撹拌接合方法が実施されるファンダクト１０を組み込む航空機用ガスタービンエンジン１２の概略構成説明図である。
【００２９】
ガスタービンエンジン１２はファン１４を備え、このファン１４は、高速で回転して外部から空気を吸引し、この空気を圧縮して後方に圧送する。ファン１４の近傍には、コアダクト１６とファンダクト１０とによってファンバイパス通路１８が形成され、このファンバイパス通路１８を通って後方に噴射される空気を介し、図示しない機体に推力を生じさせる。
【００３０】
ファン１４は、低圧圧縮機２０を構成しており、この低圧圧縮機２０で圧縮された空気は、後段の高圧圧縮機２２に送られる。この高圧圧縮機２２で圧縮された空気は、さらに後段の燃焼室２４に送られる。この燃焼室２４は燃料ノズル２６を備え、この燃料ノズル２６から前記燃焼室２４に燃料が圧送される。燃焼室２４では、高圧圧縮機２２から圧送された圧縮空気と、燃料ノズル２６から噴霧された燃料とを混合した混合気が、エンジン始動時に点火されて燃焼する。
【００３１】
混合気が燃焼することによって高温高圧ガスが発生し、この高温高圧ガスは、高圧タービン２８に送られてこの高圧タービン２８を高速回転させる。この高圧タービン２８は、ファン１４のロータ１４ａを回転させる一方、高温高圧ガスは、前記高圧タービン２８を回転駆動した後、低圧タービン３０に送られる。低圧タービン３０は、低圧圧縮機２０のロータ１４ａおよびファン１４を回転させる。
【００３２】
ガスタービンエンジン１２の外部下面には、スタータおよび発電機を組み込むスタータジェネレータ３２が、アクセサリギアボックス３４を介して取り付けられる。
【００３３】
図２は、ファンダクト１０を構成するダクト構造体４０の説明図である。このダクト構造体４０は、薄板状、例えば、厚さが２ｍｍ以下のアルミニウム材を略円筒形状に成形した胴部材（第１円筒部材）４２と、薄板状のアルミニウム材を略円筒形状に成形したフランジ部材（第２円筒部材）４４、４６とを備える。胴部材４２の端部４２ａ、４２ｂと、フランジ部材４４、４６の端部４４ａ、４６ａとを突き合わせた第１および第２突き合わせ部４８、５０は、その外周面（一方の面）４８ａ、５０ａに摩擦撹拌接合が行われ、前記胴部材４２と前記フランジ部材４４、４６とが接合される。
【００３４】
図３は、上記のダクト構造体４０を摩擦撹拌接合する本発明の第１の実施形態に係る摩擦撹拌接合装置６０の一部分解斜視図であり、図４は、前記摩擦撹拌接合装置６０の断面説明図である。
【００３５】
この摩擦撹拌接合装置６０は、回転テーブル６２に固定されて回転されるとともに、予め仮接合された胴部材４２とフランジ部材４４、４６とを一体的に保持する台部材６４を備える。台部材６４の上部には、略円盤状の支持ベース６６が固着され、この支持ベース６６の中央部には、鉛直方向（矢印Ａ方向）に延在して支柱６８が立設される。支柱６８の先端には、加圧機構７０を構成するねじ部７２が形成される。
【００３６】
加圧機構７０は加圧板７４を備え、この加圧板７４は、略円盤状を有するとともに、中央部に支柱６８を挿入する孔部７６が形成される。加圧板７４は、支持ベース６６上に配置される胴部材４２およびフランジ部材４４、４６を後述するプローブ１４４（図５参照）の挿入方向（矢印Ｂ方向）と略直交する矢印Ａ方向から加圧力を付与する機能を有する。
【００３７】
加圧板７４の中央部分には、押圧ブロック７７が係合するとともに、ねじ部７２に螺合するナット部材７８が前記押圧ブロック７７を介して加圧板７４を矢印Ａ方向に加圧する。ねじ部７２の先端には、吊り下げ用ボルト７９が螺着される。加圧板７４には、等角度間隔離間して複数の開口部８０と、前記開口部８０よりも小径な複数の開口部８２とが形成される。
【００３８】
支持ベース６６には、支柱６８を中心に周回するリング部８６が矢印Ａ方向に膨出して形成される。リング部８６の外周には、第１裏当て治具８８が着脱自在に設けられるとともに、前記リング部８６に固定されるロッド９０を介して第２裏当て治具９２が取り付けられる。
【００３９】
第１裏当て治具８８は、例えば、鉄系材料で形成された複数、例えば、４つの分割治具９４ａ〜９４ｄを備えており、全体として略リング状を有する。分割治具９４ａ〜９４ｄは、アクチュエータ、例えば、シリンダ９６ａ〜９６ｄに連結されて半径方向に個別に進退可能に構成される。
【００４０】
第１裏当て治具８８の外周面８８ａは、真円形状に設定される。この第１裏当て治具８８の外周面８８ａには、図５に示すように、胴部材４２とフランジ部材４４との第１突き合わせ部４８の内周面（他方の面）４８ｂに対応して周回する凹状部９７が設けられるとともに、前記凹状部９７の底部に連通して周回する開口部９９が形成される。
【００４１】
凹状部９７には、第１突き合わせ部４８に摩擦撹拌接合が行われた後、前記第１突き合わせ部４８の内周面４８ｂから離脱される第１緩衝部材９８が取り付けられる。この第１緩衝部材９８は、例えば、鉄系材料あるいはアルミニウム製のリング材で構成されるとともに、厚さが凹状部９７の深さと同一寸法、例えば、略１ｍｍ程度の厚さに設定される。開口部９９は、第１裏当て治具８８の外周面８８ａを周回しかつ凹状部９７よりも幅狭な凹状溝に構成され、第１突き合わせ部４８の内周面４８ｂにおいて、摩擦撹拌接合後に未接合部分となり易い領域を収容し得る寸法に限定されている。例えば、未接合部分が２０μｍ〜３０μｍである際に、開口部９９の深さが５０μｍ程度に設定される。
【００４２】
図４に示すように、リング部８６の上面には、所定の角度間隔ずつ離間してねじ穴１００が形成され、前記ねじ穴１００には、各ロッド９０が一方の端部に設けられるねじ部１０２が螺合する。ロッド９０の他方の端部には、ねじ穴１０４が形成され、第２裏当て治具９２を構成する取り付け板１０６からボルト１０８がねじ込まれることにより、前記取り付け板１０６がロッド９０に固定される。
【００４３】
図３および図４に示すように、第２裏当て治具９２は、例えば、鉄系材料で形成された複数の分割治具、例えば、４つの分割治具１１０ａ〜１１０ｄを備えており、全体として略リング状を有する。分割治具１１０ａ〜１１０ｄは、アクチュエータ、例えば、シリンダ１１２ａ〜１１２ｄに連結されて取り付け板１０６上を半径方向に個別に進退可能に構成される。
【００４４】
第２裏当て治具９２の外周面９２ａは、全体として真円形状に構成される。この第２裏当て治具９２の外周面９２ａには、図６に示すように、胴部材４２とフランジ部材４４との第２突き合わせ部５０の内周面（他方の面）５０ｂに対応して周回する凹状部１１４が設けられるとともに、前記凹状部１１４の底部に連通して周回する開口部１１５が形成される。
【００４５】
凹状部１１４には、第２突き合わせ部５０に摩擦撹拌接合が行われた後、前記第２突き合わせ部５０の内周面５０ｂから離脱される第２緩衝部材１１６が取り付けられる。この第２緩衝部材１１６は、例えば、鉄系材料あるいはアルミニウム製のリング材で構成されるとともに、その厚さが凹状部１１４の深さと同一寸法、例えば、略１ｍｍ程度の厚さに設定される。開口部１１５は、第２裏当て治具９２の外周面９２ａを周回しかつ凹状部１１４よりも幅狭な凹状溝に構成され、第２突き合わせ部５０の内周面５０ｂにおいて、摩擦撹拌接合後に未接合部分となり易い領域を収容し得る寸法に設定されている。
【００４６】
図３および図４に示すように、第１および第２裏当て治具８８、９２の外周面８８ａ、９２ａは、ダクト構造体４０のスプリングバックを考慮して、前記ダクト構造体４０を最終的に設計寸法に維持する必要があり、前記第１および第２裏当て治具８８、９２が拡径した際の前記外周面８８ａ、９２ａの最大外径寸法は、加熱前の第１および第２突き合わせ部４８、５０の内径よりも大きい。
【００４７】
第１突き合わせ部４８の外周面４８ａには、前記第１突き合わせ部４８を保持する第１クランプ治具１１７が配置されるとともに、第２突き合わせ部５０の外周面５０ａには、前記第２突き合わせ部５０を保持する第２クランプ治具１１８が配置される。
【００４８】
図３に示すように、第１クランプ治具１１７は、角材をリング状に成形してベルト状に構成される。第１クランプ治具１１７の一方の端面には、ねじ穴１１９が形成されるとともに、他方の端面には、孔部１２０が形成される。ボルト１２２が孔部１２０を通ってねじ穴１１９にねじ込まれることにより、第１クランプ治具１１７は、径方向の寸法が縮小されて第１突き合わせ部４８の外周面４８ａを締め付ける。
【００４９】
図３および図４に示すように、支持ベース６６の外周縁部には、ボルト１２４を介して複数本のロッド１２６が固定される。各ロッド１２６は、矢印Ａ方向に延在しており、その端部にねじ込まれるボルト１２８を介して取り付け板１３０が設けられる。この取り付け板１３０は、略リング状に構成され、ボルト１３２を介して前記取り付け板１３０に第２クランプ治具１１８が固定される。第２クランプ治具１１８は、略リング状に構成され、第２突き合わせ部５０の外周面５０ａを締め付け保持する。
【００５０】
図５に示すように、第１突き合わせ部４８を接合する接合機１４０は、回転工具１４２を備える。この回転工具１４２の先端には、所定の長さだけ突出するプローブ１４４が設けられる。このプローブ１４４は、第１突き合わせ部４８に挿入されるプローブ先端部１１４ａの長さが、前記第１突き合わせ部４８の肉厚よりも短尺に設定される。なお、第２突き合わせ部５０は、上記の接合機１４０により接合してもよく（図６参照）、あるいは個別の接合機を用いて接合作業を行ってもよい。
【００５１】
このように構成される摩擦撹拌接合装置６０の動作について、第１の実施形態に係る摩擦撹拌接合方法との関連で、図７に示すフローチャートに沿って以下に説明する。
【００５２】
まず、円筒形状を有する胴部材４２およびフランジ部材４４、４６が作製される（ステップＳ１）。具体的には、図２に示すように、胴部材４２を構成する薄板状のアルミニウム材を略円筒形状に成形し、その両端部を突き合わせた突き合わせ部４２ｃに沿って摩擦撹拌接合（ＦＳＷ）が行われ、前記突き合わせ部４２ｃが接合される。このため、胴部材４２が得られる。
【００５３】
同様に、フランジ部材４４、４６を構成する薄板状のアルミニウム材が略円筒形状に成形された後、それぞれの突き合わせ部４４ｃ、４６ｃが摩擦撹拌接合により接合される。従って、フランジ部材４４、４６が得られる。
【００５４】
なお、上記の摩擦撹拌接合時には、図示しないプローブが、円筒形状の中心から所定距離だけオフセットして配置されており、接合面の切断を有効に阻止している。
【００５５】
次いで、胴部材４２の端部４２ａ、４２ｂにフランジ部材４４、４６の端部４４ａ、４６ａを突き合わせた状態で、第１および第２突き合わせ部４８、５０には、所定の個所にアルミニウムテープ（図示せず）が貼り付けられる。このため、胴部材４２の両側にフランジ部材４４、４６が仮接合される（ステップＳ２）。この仮接合された胴部材４２およびフランジ部材４４、４６は、図示しない加熱炉内に配置されて所定の温度に加熱される（ステップＳ３）。所定温度に加熱された胴部材４２およびフランジ部材４４、４６は、台部材６４にセットされる（ステップＳ４）。
【００５６】
具体的には、図３および図４に示すように、台部材６４を構成する支持ベース６６上には、リング部８６を周回して第１裏当て治具８８を構成する分割治具９４ａ〜９４ｄが半径内方向に配置されている。従って、第１裏当て治具８８は、外周面８８ａの直径が最小直径に維持されており、この外周面８８ａの凹状部９７に対応して第１緩衝部材９８が配置された状態で、シリンダ９６ａ〜９６ｄが駆動される。このため、分割治具９４ａ〜９４ｄは、半径外方向に移動して第１裏当て治具８８の外周面８８ａが拡径し、この外周面８８ａにより第１緩衝部材９８が押圧保持される。
【００５７】
一方、リング部８６に形成されたねじ穴１００には、ロッド９０のねじ部１０２が螺着される。ロッド９０上には、第２裏当て治具９２を構成する取り付け板１０６が配置され、前記ロッド９０のねじ穴１０４に前記取り付け板１０６の孔部を通ってボルト１０８が螺着される。これにより、各ロッド９０には、取り付け板１０６が固定されるとともに、分割治具１１０ａ〜１１０ｄが半径内方向に配置されている。
【００５８】
この状態で、第２裏当て治具９２の外周面９２ａに第２緩衝部材１１６が配置され、シリンダ１１２ａ〜１１２ｄが駆動されて分割治具１１０ａ〜１１０ｄが半径外方向に移動する。従って、外周面９２ａが拡径してこの外周面９２ａにより第２緩衝部材１１６が押圧保持される。
【００５９】
そこで、所定温度に加熱された胴部材４２およびフランジ部材４４、４６は、第１および第２裏当て治具８８、９２に外装される。この場合、胴部材４２およびフランジ部材４４、４６は、所定の温度に加熱されており、熱膨張によって内周径が拡大している。このため、胴部材４２およびフランジ部材４４、４６の第１および第２突き合わせ部４８、５０は、第１および第２裏当て治具８８、９２に配置された第１および第２緩衝部材９８、１１６に容易に外装される。
【００６０】
さらに、胴部材４２およびフランジ部材４４、４６は、冷却されることによって内周径が収縮し、第１および第２突き合わせ部４８、５０の内周面４８ｂ、５０ｂは、第１および第２裏当て治具８８、９２の外周面８８ａ、９２ａ、すなわち、第１および第２緩衝部材９８、１１６に密着した状態で確実に嵌合する（図５および図６参照）。第１および第２裏当て治具８８、９２の外周面８８ａ、９２ａの最大外径寸法が、加熱前の第１および第２突き合わせ部４８、５０の内周面４８ｂ、５０ｂの内径寸法よりも大きいからである。
【００６１】
ここで、第１および第２裏当て治具８８、９２の外周面８８ａ、９２ａは、真円形状を有しており、この外周面８８ａ、９２ａの凹状部９７、１１４に嵌合する第１および第２緩衝部材９８、１１６に密着する端部４２ａ、４４ａおよび端部４２ｂ、４６ａは、それぞれ同一の円周長さに規制されるとともに、真円形状に維持される。
【００６２】
次に、第２裏当て治具９２上に加圧板７４が配置され、押圧ブロック７７がねじ部７２に外装された後、ナット部材７８が前記ねじ部７２にねじ込まれる。これにより、押圧ブロック７７を介して加圧板７４が加圧され、胴部材４２およびフランジ部材４４、４６は、矢印Ａ方向に締め付け荷重が付与される。この結果、第１および第２突き合わせ部４８、５０は、隙間が生じない状態で押圧保持される（ステップＳ５）。そして、ステップＳ６に進み、第１および第２突き合わせ部４８、５０に貼り付けられているアルミニウムテープ（図示せず）が除去され、表面の洗浄が行われる。
【００６３】
さらに、ステップＳ７において、第１クランプ治具１１７が装着される。この第１クランプ治具１１７は、ベルト状に構成されており、胴部材４２の外周を端部４２ａ側に沿って周回している。そこで、孔部１２０にボルト１２２を挿入し、このボルト１２２をねじ穴１１９にねじ込むことにより、第１クランプ治具１１７の内周径が縮小する。従って、第１クランプ治具１１７は、胴部材４２の外周面を締め付け保持する。
【００６４】
次いで、台部材６４は、回転テーブル６２にねじ止めによって固定される（ステップＳ８）。この状態で、図８に示すように、接合機１４０を構成する回転工具１４２が高速で回転しながら、第１突き合わせ部４８に向かって（矢印Ｂ方向）移動する。このため、高速回転するプローブ１４４のプローブ先端１４４ａが第１突き合わせ部４８に挿入され、摩擦熱によって前記第１突き合わせ部４８が溶接される（図９参照）。
【００６５】
その際、第１突き合わせ部４８には、第１裏当て治具８８に設けられた開口部９９に向かって加圧力が付与される。従って、第１緩衝部材９８の裏面側および第１突き合わせ部４８の一部は、開口部９９内に突出変形する一方、高速回転するプローブ１４４は、回転テーブル６２の回転作用下に前記第１突き合わせ部４８に沿って相対的に移動し、該第１突き合わせ部４８の全周にわたり接合作業が遂行される（ステップＳ９）。
【００６６】
第１突き合わせ部４８の接合作業が終了すると、回転テーブル６２が停止されるとともに、接合機１４０がこの第１突き合わせ部４８から離間する。さらに、第１クランプ治具１１７が取り外される一方、第２クランプ治具１１８が取り付けられる（ステップＳ１０）。第１クランプ治具１１７は、ボルト１２２をねじ穴１１９から離脱させることにより、内周径が拡大して胴部材４２から取り外される。
【００６７】
一方、支持ベース６６の外周縁部には、ボルト１２４を介して複数のロッド１２６が取り付けられ、前記ロッド１２６の先端部には、ボルト１２８を介して取り付け板１３０が取り付けられる。この取り付け板１３０には、ボルト１３２を介して第２クランプ治具１１８が装着され、この第２クランプ治具１１８が胴部材４２の端部４２ｂ側の外周面を締め付け保持する。
【００６８】
この状態で、図１０に示すように、例えば、接合機１４０が第２突き合わせ部５０に対応して配置され、回転工具１４２と一体的にプローブ１４４が回転しながら、このプローブ１４４のプローブ先端１４４ａが前記第２突き合わせ部５０の外周面５０ａに挿入される。この第２突き合わせ部５０は、回転テーブル６２の回転作用下に接合機１４０に対して回転しており、前記第２突き合わせ部５０の全周にわたって摩擦撹拌接合が行われる（ステップＳ１１）。
【００６９】
上記のように、第１および第２突き合わせ部４８、５０が接合されて接合品であるダクト構造体４０が得られた後、このダクト構造体４０は、第１および第２裏当て治具８８、９２とともに、台部材６４から取り外される（ステップＳ１２）。具体的には、第１裏当て治具８８を構成する分割治具９４ａ〜９４ｄは、シリンダ９６ａ〜９６ｄの駆動によって半径内方向に移動し、外周面８８ａが第１緩衝部材９８から離間する（図１１参照）。一方、第２裏当て治具９２を構成する分割治具１１０ａ〜１１０ｄは、シリンダ１１２ａ〜１１２ｄの作用下に半径内方向に移動し、外周面９２ａが第２緩衝部材１１６から離間する。
【００７０】
そこで、吊り下げ用ボルト７９およびナット部材７８がねじ部７２から離脱されて押圧ブロック７７が取り外されるとともに、加圧板７４が支柱６８から取り外される。そして、ダクト構造体４０は、第１および第２緩衝部材９８、１１６を内周面に保持した状態で、支持ベース６６から取り出される。次に、図１２に示すように、第１突き合わせ部４８では、第１緩衝部材９８がダクト構造体４０の内周面から離脱される（ステップＳ１３）。ダクト構造体４０の内周面には、第１突き合わせ部４８に対応して開口部９９側に突出変形した突起部１５０が設けられており、この突起部１５０が切削加工等によって前記内周面から除去される（ステップＳ１４）。なお、第２突き合わせ部５０では、上記の第１突き合わせ部４８と同様の作業が行われる。
【００７１】
このように、第１の実施形態では、第１および第２裏当て治具８８、９２の外周面８８ａ、９２ａに、第１および第２突き合わせ部４８、５０に対応して凹状部９７、１１４が形成され、この凹状部９７、１１４に第１および第２緩衝部材９８、１１６が装着される。このため、第１および第２突き合わせ部４８、５０の内周面４８ｂ、５０ｂに第１および第２緩衝部材９８、１１６が密着した状態で、前記第１および第２突き合わせ部４８、５０の外周面４８ａ、５０ａに摩擦撹拌接合が行われる。
【００７２】
従って、第１および第２突き合わせ部４８、５０は、第１および第２裏当て治具８８、９２に張り付くことがなく、前記第１および第２裏当て治具８８、９２は、ダクト構造体４０から剥離されることによる破損のおそれがない。これによって、第１および第２裏当て治具８８、９２は、繰り返し利用することができ、経済的であるという効果が得られる。
【００７３】
しかも、図９に示すように、第１裏当て治具８８の外周面８８ａには、第１突き合わせ部４８の内周面４８ｂに対応して周回する凹状部９７が設けられるとともに、この凹状部９７の底部に連通して周回する開口部９９が形成されている。凹状部９７には、第１緩衝部材９８が取り付けられており、プローブ先端１４４ａが第１突き合わせ部４８の外周面４８ａから挿入されることにより、第１緩衝部材９８および前記第１突き合わせ部４８の内周面４８ｂの一部が前記開口部９９側に突出変形される。
【００７４】
このため、プローブ先端１４４ａが到達せず、かつ、前記プローブ先端１４４ａの周速の影響によって未接合部分が発生し易い内周面４８ｂ側には、開口部９９側に突出変形して突起部１５０が設けられる。そして、この突起部１５０は、摩擦撹拌接合後に切削加工等によって内周面４８ｂから除去される（図１２および図１３参照）。
【００７５】
従って、ダクト構造体４０は、未接合部分を確実に除去することができ、接合部の強度が有効に増大して信頼性の向上を図ることが可能になるという効果が得られる。
【００７６】
また、第１および第２突き合わせ部４８、５０は、第１および第２緩衝部材９８、１１６に接合されることがなく、前記第１および第２緩衝部材９８、１１６の離脱処理が容易に遂行される。さらに、ダクト構造体４０には、第１および第２緩衝部材９８、１１６の剥離による残留歪みが発生することがない。
【００７７】
特に、第１および第２裏当て治具８８、９２の外周面８８ａ、９２ａが真円形状に構成されており、第１および第２突き合わせ部４８、５０の内周面４８ｂ、５０ｂは、前記外周面８８ａ、９２ａに密着して真円形状が維持される。しかも、それぞれの端部４２ａ、４４ａの内周長さおよび端部４２ｂ、４６ａの円周長さが同一の長さに規制される。
【００７８】
このため、厚さが２ｍｍ以下の薄肉でかつ比較的大径な第１および第２突き合わせ部４８、５０であっても、変形や皺等による位相差が発生することがなく、前記第１および第２突き合わせ部４８、５０の真円度を良好に維持することができ、寸法精度が向上する。これにより、簡単かつ経済的な工程で、第１および第２突き合わせ部４８、５０の摩擦撹拌接合作業が効率的に遂行されるという効果が得られる。
【００７９】
さらに、第１および第２突き合わせ部４８、５０は、第１および第２緩衝部材９８、１１６を介して第１および第２裏当て治具８８、９２の外周面８８ａ、９２ａに密着状態で嵌合する。このため、第１および第２突き合わせ部４８、５０のずれを阻止して正確な位置出しが可能になり、摩擦撹拌接合処理が効率的に遂行される。
【００８０】
その際、第１および第２突き合わせ部４８、５０は、所定温度に加熱されることによって熱膨張により内周径を拡大させた状態で、第１および第２裏当て治具８８、９２に嵌合している。従って、第１および第２裏当て治具８８、９２の外周面８８ａ、９２ａに対し、第１および第２突き合わせ部４８、５０を容易かつ確実に密着させることができる。
【００８１】
さらにまた、胴部材４２とフランジ部材４４、４６とは、加圧機構７０を介してプローブ１４４の挿入方向（矢印Ｂ方向）と略直交する方向（矢印Ａ方向）から加圧力が付与される。これにより、第１および第２突き合わせ部４８、５０に隙間が発生することがなく、確実に圧着することができ、高品質な接合処理が遂行されるとともに、加圧機構７０の構成が容易に簡素化する。
【００８２】
なお、上記した第１の実施形態では、図示しないアルミニウムテープで仮接合された胴部材４２と、フランジ部材４４、４６とを、加熱炉内で所定温度に加熱することにより、内周径を拡径させて第１および第２裏当て治具８８、９２に装着しているが、これに限定されるものではない。例えば、第１および第２裏当て治具８８、９２を冷却して該第１および第２裏当て治具８８、９２の外径寸法を縮小させてもよい。
【００８３】
また、それぞれ４分割された分割治具９４ａ〜９４ｄ、１１０ａ〜１１０ｄを用いているが、分割数は種々選択可能である。さらに、シリンダ９６ａ〜９６ｄ、１１２ａ〜１１２ｄに代替して電磁ソレノイド等の駆動源を用いてもよい。さらにまた、分割治具９４ａ〜９４ｄ（および／または分割治具１１０ａ〜１１０ｄ）を単一の駆動源を介して一体的に進退させることもできる。
【００８４】
図１４は、本発明の第２の実施形態に係る摩擦撹拌接合装置１６０の一部斜視図である。なお、第１の実施形態に係る摩擦撹拌接合装置６０と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００８５】
摩擦撹拌接合装置１６０は、第１および第２裏当て治具１６２、１６４を備える。第１裏当て治具１６２は、例えば、鉄系材料で形成された複数の分割治具、例えば、４つの分割治具９４ａ〜９４ｄと、前記分割治具９４ａ〜９４ｄの内側に配置されて該分割治具９４ａ〜９４ｄを拡径させる第１リング部材１６６とを備える。第２裏当て治具１６４は、第１裏当て治具１６２と同様に、例えば、鉄系材料で形成された複数、例えば、４つの分割治具１１０ａ〜１１０ｄと、前記分割治具１１０ａ〜１１０ｄの内側に配置されて該分割治具１１０ａ〜１１０ｄを拡径させる第２リング部材１６８とを備える。
【００８６】
このように構成される摩擦撹拌接合装置１６０では、第１裏当て治具１６２を構成する分割治具９４ａ〜９４ｄの外周に第１緩衝部材９８が配置された状態で、この分割治具９４ａ〜９４ｄの内側に第１リング部材１６６が挿入される。これにより、分割治具９４ａ〜９４ｄが拡径して前記分割治具９４ａ〜９４ｄの外周に第１リング部材１６６が密着保持される。同様に、第２リング部材１６８が第２裏当て治具１６４を構成する分割治具１１０ａ〜１１０ｄの内側に挿入されることによって、前記分割治具１１０ａ〜１１０ｄの外周には、第２緩衝部材１１６が密着保持される。
【００８７】
従って、第２の実施形態では、第１の実施形態と同様の効果が得られるとともに、構成が一層簡素化するという利点がある。なお、第１および第２リング部材１６６、１６８に代替して楔部材等を使用してもよい。
【００８８】
【発明の効果】
本発明に係る摩擦撹拌接合方法および装置では、未接合部分が発生し易い突き合わせ部の他方の面は、裏当て治具の開口部側に突出変形するとともに、摩擦撹拌接合が終了した後に前記突き合わせ部から除去される。従って、第１および第２円筒部材は、未接合部分を確実に除去することができ、接合部の強度が有効に増大して信頼性の向上を図ることが可能になる。
【００８９】
さらに、裏当て治具は、第１および第２円筒部材から剥離されることによる破損のおそれがなく、前記裏当て治具を繰り返し利用することができ、経済的である。また、緩衝部材の離脱処理が容易に遂行されるとともに、特に薄肉な第１および第２円筒部材であっても、残留歪みが発生することを有効に阻止することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る摩擦撹拌接合方法が実施されるファンダクトを組み込む航空機用ガスタービンエンジンの概略構成説明図である。
【図２】前記ファンダクトを構成するダクト構造体の説明図である。
【図３】前記ダクト構造体を接合する本発明の第１の実施形態に係る摩擦撹拌接合装置の一部分解斜視図である。
【図４】前記摩擦撹拌接合装置の断面説明図である。
【図５】第１裏当て治具の拡大説明図である。
【図６】第２裏当て治具の拡大説明図である。
【図７】前記摩擦撹拌接合方法のフローチャートである。
【図８】第１突き合わせ部を接合する際の動作説明図である。
【図９】前記第１突き合わせ部を接合する際の断面説明図である。
【図１０】第２突き合わせ部を接合する際の動作説明図である。
【図１１】前記第１突き合わせ部から前記第１裏当て治具を分離する際の動作説明図である。
【図１２】前記第１突き合わせ部から第１緩衝部材を分離する際の動作説明図である。
【図１３】前記第１突き合わせ部から未接合部を除去する際の動作説明図である。
【図１４】本発明の第２の実施形態に係る摩擦撹拌接合装置の一部斜視図である。
【図１５】摩擦撹拌接合による未接合部の説明図である。
【図１６】特許文献１のアルミニウム部材の接合方法を示す説明図である。
【符号の説明】
１０…ファンダクト １２…ガスタービンエンジン
１４…ファン ４０…ダクト構造体
４２…胴部材 ４４、４６…フランジ部
４４ａ、４６ａ…端部 ４８、５０…突き合わせ部
４８ａ、５０ａ、８８ａ、９２ａ…外周面 ４８ｂ、５０ｂ…内周面
６０、１６０…摩擦撹拌接合装置 ６２…回転テーブル
６４…台部材 ６６…支持ベース
６８…支柱 ７０…加圧機構
７２…ねじ部 ７４…加圧板
７７…押圧ブロック
８８、９２、１６２、１６４…裏当て治具 ９０…ロッド
９４ａ〜９４ｄ、１１０ａ〜１１０ｄ…分割治具
９６ａ〜９６ｄ、１１２ａ〜１１２ｄ…シリンダ
９７、１１４…凹状部 ９８、１１６…緩衝部材
９９、１１５…開口部 １１７、１１８…クランプ治具
１３０…取り付け板 １４０…接合機
１４４…プローブ １６６、１６８…リング部材
【発明の属する技術分野】
本発明は、第１プレート部材の端部と第２プレート部材の端部とを突き合わせた突き合わせ部の一方の面に、回転するプローブを押し付けながら、前記プローブを前記突き合わせ部に沿って相対的に移動させることにより、前記突き合わせ部を接合する摩擦撹拌接合方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般的に、ワーク（物体）に回転するプローブを挿入する際に発生する摩擦熱を利用して、２つのワークを固相接合する摩擦撹拌溶接（Friction Stir Welding ：以下、ＦＳＷともいう）が知られている。上記の接合によると、ワークの接合部分は、母材に対して８０％程度の強度を維持することができ、結晶の粗大化も防止することが可能になる。
【０００３】
例えば、ワークとしてアルミニウム材を用い、従来のスポット溶接や電子ビームによる溶接を行うと、このアルミニウム材に過剰な熱が付与されてしまう。このため、材料の劣化や粗大化による強度の低下が惹起されるおそれがある。
【０００４】
これに対して、ＦＳＷでは、アルミニウム材のように比較的融点の低い金属材料（アルミニウム材では、６００℃〜６６０℃程度）を用いても、５００℃程度で接合が行われるため、熱による劣化が防止される。従って、ＦＳＷは、アルミニウム材の他、マグネシウムやチタン、高分子等の他の材料にも適用することが可能である。
【０００５】
上記のＦＳＷをアルミニウム材に適用する例として、電車のような大型部材のアルミニウムフレームが挙げられる。この種の大型部材は、接合の強度を重視しており、アルミニウム材の厚さは、通常、５ｍｍ以上に設定されている。一方、ガスタービンエンジン部材のように、強度の向上とともに軽量化を図ることが望まれている部材では、厚さを大きくすることができない。このため、例えば、１．２ｍｍ程度の薄板状のアルミニウム材を用い、ガスタービンエンジンの外枠を構成している。
【０００６】
しかしながら、薄板状のアルミニウム材の両端部を突き合わせた突き合わせ部を、ＦＳＷで接合して比較的大径な円筒部材を形成する際、このアルミニウム材が薄肉であるために真円度を得ることができないという問題がある。
【０００７】
さらに、２つの円筒部材の端部同士を突き合わせた突き合わせ部を、ＦＳＷにより接合する際、各端部の円周長さが同一寸法にならないおそれがある。従って、この状態で、円筒部材をＦＳＷにより接合すると、接合部の最終部位で位相差が発生し、例えば、波形に変形する、所謂、皺が惹起されるという問題がある。
【０００８】
しかも、特に薄板状のアルミニウム材の突き合わせ部は、ＦＳＷにより接合する際に未接合部分が発生し易い。具体的には、図１５に示すように、アルミニウム材Ｗ１、Ｗ２が突き合わされた状態で、突き合わせ部Ｔに回転しているプローブＰが挿入されると、この突き合わせ部Ｔには、プローブ先端Ｐａが到達しないことによる摩擦撹拌不足が惹起し、未接合部分Ｕが発生し易い。
【０００９】
さらに、プローブＰは、プローブ先端Ｐａに近づくにつれて周速が遅くなり、このプローブ先端Ｐａ近傍では、周速の低下によって摩擦撹拌される領域Ｓが制限されてしまう。これにより、摩擦熱が不足して未接合部分Ｕが生じ、この未接合部分Ｕが破壊起点となって構造上の信頼性が低下するという問題がある。
【００１０】
この他、ＦＳＷによる接合時には、薄板状のアルミニウム材Ｗ１、Ｗ２に１ｔ〜２ｔ単位の押し付け力が付与される。このため、アルミニウム材Ｗ１、Ｗ２を確実に保持し得ないと、接合部にはＦＳＷによって凹凸が発生するという問題がある。
【００１１】
そこで、例えば、特許文献１の突き合わせ継手の製造方法では、図１６に示すように、アルミニウム製の接合部材１ａ、１ｂの端面が突き合わされて突き合わせ部２が設けられるとともに、この突き合わせ部２に対応してアルミニウム製の裏当て部材３が配置される。この裏当て部材３の表面には、断面円弧状の凹部３ａが形成されている。
【００１２】
このような構成において、回転子４およびプローブ５を回転させて、このプローブ５を接合部材１ａ、１ｂの突き合わせ部２に挿入する。このため、接合部材１ａ、１ｂの突き合わせ部２は、裏面側が裏当て部材３の凹部３ａに沿って突出変形する。さらに、プローブ５を突き合わせ部２に挿入した状態で、前記突き合わせ部２に沿って移動させることにより、前記突き合わせ部２の全長にわたって摩擦撹拌接合が行われる。次いで、裏当て部材３の凹部３ａに突出変形した変形部６は、フライス盤等により切削されて平坦面が得られる。
【００１３】
【特許文献１】
特開平１０−２２５７８０号公報（段落［００３２］〜［００３６］、図３）
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の特許文献１では、突き合わせ部２の裏面側を裏当て部材３の凹部３ａに突出変形させるために、プローブ５を前記突き合わせ部２の裏面まで挿入する必要がある。このため、特に、薄肉状の接合部材１ａ、１ｂが用いられる際には、接合部材１ａ、１ｂに破損が発生するおそれがある。
【００１５】
しかも、接合処理が終了した後、突き合わせ部２の裏面から裏当て部材３を剥離しなければならない。従って、薄肉状の接合部材１ａ、１ｂでは、裏当て部材３の剥離処理により残留歪みが発生するという問題が指摘されている。
【００１６】
一方、裏当て部材３は、剥離により破損するおそれがあり、これによって繰り返し利用することができず、経済的ではないという問題がある。
【００１７】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、特に薄肉な円筒部材同士を良好に接合するとともに、未接合部分を確実に除去して接合強度を維持することが可能な摩擦撹拌接合方法および装置を提供することを目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明では、突き合わせ部の他方の面を保持する裏当て治具に、前記突き合わせ部に対応して形成された開口部を覆って変形可能なリング状の緩衝部材が取り付けられる。次いで、第１および第２円筒部材が裏当て治具に保持された状態で、プローブを突き合わせ部の一方の面から挿入して前記緩衝部材および前記突き合わせ部の一部を開口部側に突出変形させながら、前記突き合わせ部に沿って摩擦撹拌接合が行われる。そして、摩擦撹拌接合が行われた後、突き合わせ部から開口部側に突出した部分が除去される。
【００１９】
このため、第１および第２円筒部材は、裏当て治具に張り付くことがなく、前記裏当て治具は、前記第１および第２円筒部材から剥離されることによる破損のおそれがない。これによって、裏当て治具は、繰り返し利用することができ、経済的である。さらに、第１および第２円筒部材は、緩衝部材に接合されることがなく、前記緩衝部材の離脱処理が容易に遂行されるとともに、残留歪みが発生することを有効に阻止することが可能になる。
【００２０】
しかも、未接合部分が発生し易い突き合わせ部の他方の面は、裏当て治具の開口部側に突出変形するとともに、摩擦撹拌接合が終了した後に前記突き合わせ部から除去される。従って、第１および第２円筒部材は、未接合部分を確実に除去することができ、接合部の強度が有効に増大して信頼性の向上を図ることが可能になる。
【００２１】
また、摩擦撹拌接合が行われた後、突き合わせ部の他方の面に緩衝部材が圧着した状態で、前記突き合わせ部から裏当て治具のみが離脱される。次に、突き合わせ部の他方の面から緩衝部材が離脱される。このため、第１および第２円筒部材には、裏当て治具および緩衝部材が離脱される際に残留歪みが発生することがない。
【００２２】
さらに、裏当て治具と突き合わせ部の他方の面とを密着状態にすることにより、前記第１および第２円筒部材の端部同士を同一の長さに規制する。従って、特に薄肉でかつ比較的大径な突き合わせ部であっても、プローブの挿入によって変形や皺等による位相差が発生することがなく、前記突き合わせ部の真円度を良好に維持することができ、寸法精度が向上する。しかも、突き合わせ部のずれを阻止して正確な位置出しが可能になり、摩擦撹拌接合処理が効率的に遂行される。
【００２３】
さらにまた、裏当て治具は、真円形状の外周面を有しており、この外周面に密着する第１および第２円筒部材の端部同士を同一の円周長さに規制する。これにより、簡単かつ経済的な構成および工程で、第１および第２円筒部材は、真円度を確実に維持して突き合わせ部の全周が良好に接合される。
【００２４】
その際、裏当て治具は、複数に分割されて径方向に進退自在な分割治具を備えるとともに、緩衝部材は、それぞれの分割治具に形成された各凹状部に一体的に嵌合自在なリング状に構成される。このため、摩擦撹拌接合後に、裏当て治具を突き合わせ部から容易かつ迅速に離脱させることができる。
【００２５】
また、第１および第２円筒部材を裏当て治具に対し相対的に膨張させた状態で、前記裏当て治具に前記第１および第２円筒部材が配置される。例えば、第１および第２円筒部材が加熱されると、この第１および第２円筒部材が熱膨張して内周径が拡大する。従って、第１および第２円筒部材は、裏当て治具に容易に外装されるとともに、冷却されることにより収縮して前記裏当て治具の外周面に確実に密着する。
【００２６】
さらに、第１および第２円筒部材は、プローブの挿入方向と略直交しかつ前記第１および第２円筒部材の突き合わせ方向から加圧力が付与された状態で、突き合わせ部に沿って摩擦撹拌接合される。これにより、第１および第２円筒部材の端部同士を確実に圧着することができ、突き合わせ部を高品質に接合することが可能になる。
【００２７】
さらにまた、第１および第２円筒部材は、厚さが２ｍｍ以下に設定されている。このため、薄肉な円筒部材であっても、摩擦撹拌接合が良好に遂行されるとともに、前記薄肉なプレート部材に残留歪みが発生することを有効に阻止することができる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る摩擦撹拌接合方法が実施されるファンダクト１０を組み込む航空機用ガスタービンエンジン１２の概略構成説明図である。
【００２９】
ガスタービンエンジン１２はファン１４を備え、このファン１４は、高速で回転して外部から空気を吸引し、この空気を圧縮して後方に圧送する。ファン１４の近傍には、コアダクト１６とファンダクト１０とによってファンバイパス通路１８が形成され、このファンバイパス通路１８を通って後方に噴射される空気を介し、図示しない機体に推力を生じさせる。
【００３０】
ファン１４は、低圧圧縮機２０を構成しており、この低圧圧縮機２０で圧縮された空気は、後段の高圧圧縮機２２に送られる。この高圧圧縮機２２で圧縮された空気は、さらに後段の燃焼室２４に送られる。この燃焼室２４は燃料ノズル２６を備え、この燃料ノズル２６から前記燃焼室２４に燃料が圧送される。燃焼室２４では、高圧圧縮機２２から圧送された圧縮空気と、燃料ノズル２６から噴霧された燃料とを混合した混合気が、エンジン始動時に点火されて燃焼する。
【００３１】
混合気が燃焼することによって高温高圧ガスが発生し、この高温高圧ガスは、高圧タービン２８に送られてこの高圧タービン２８を高速回転させる。この高圧タービン２８は、ファン１４のロータ１４ａを回転させる一方、高温高圧ガスは、前記高圧タービン２８を回転駆動した後、低圧タービン３０に送られる。低圧タービン３０は、低圧圧縮機２０のロータ１４ａおよびファン１４を回転させる。
【００３２】
ガスタービンエンジン１２の外部下面には、スタータおよび発電機を組み込むスタータジェネレータ３２が、アクセサリギアボックス３４を介して取り付けられる。
【００３３】
図２は、ファンダクト１０を構成するダクト構造体４０の説明図である。このダクト構造体４０は、薄板状、例えば、厚さが２ｍｍ以下のアルミニウム材を略円筒形状に成形した胴部材（第１円筒部材）４２と、薄板状のアルミニウム材を略円筒形状に成形したフランジ部材（第２円筒部材）４４、４６とを備える。胴部材４２の端部４２ａ、４２ｂと、フランジ部材４４、４６の端部４４ａ、４６ａとを突き合わせた第１および第２突き合わせ部４８、５０は、その外周面（一方の面）４８ａ、５０ａに摩擦撹拌接合が行われ、前記胴部材４２と前記フランジ部材４４、４６とが接合される。
【００３４】
図３は、上記のダクト構造体４０を摩擦撹拌接合する本発明の第１の実施形態に係る摩擦撹拌接合装置６０の一部分解斜視図であり、図４は、前記摩擦撹拌接合装置６０の断面説明図である。
【００３５】
この摩擦撹拌接合装置６０は、回転テーブル６２に固定されて回転されるとともに、予め仮接合された胴部材４２とフランジ部材４４、４６とを一体的に保持する台部材６４を備える。台部材６４の上部には、略円盤状の支持ベース６６が固着され、この支持ベース６６の中央部には、鉛直方向（矢印Ａ方向）に延在して支柱６８が立設される。支柱６８の先端には、加圧機構７０を構成するねじ部７２が形成される。
【００３６】
加圧機構７０は加圧板７４を備え、この加圧板７４は、略円盤状を有するとともに、中央部に支柱６８を挿入する孔部７６が形成される。加圧板７４は、支持ベース６６上に配置される胴部材４２およびフランジ部材４４、４６を後述するプローブ１４４（図５参照）の挿入方向（矢印Ｂ方向）と略直交する矢印Ａ方向から加圧力を付与する機能を有する。
【００３７】
加圧板７４の中央部分には、押圧ブロック７７が係合するとともに、ねじ部７２に螺合するナット部材７８が前記押圧ブロック７７を介して加圧板７４を矢印Ａ方向に加圧する。ねじ部７２の先端には、吊り下げ用ボルト７９が螺着される。加圧板７４には、等角度間隔離間して複数の開口部８０と、前記開口部８０よりも小径な複数の開口部８２とが形成される。
【００３８】
支持ベース６６には、支柱６８を中心に周回するリング部８６が矢印Ａ方向に膨出して形成される。リング部８６の外周には、第１裏当て治具８８が着脱自在に設けられるとともに、前記リング部８６に固定されるロッド９０を介して第２裏当て治具９２が取り付けられる。
【００３９】
第１裏当て治具８８は、例えば、鉄系材料で形成された複数、例えば、４つの分割治具９４ａ〜９４ｄを備えており、全体として略リング状を有する。分割治具９４ａ〜９４ｄは、アクチュエータ、例えば、シリンダ９６ａ〜９６ｄに連結されて半径方向に個別に進退可能に構成される。
【００４０】
第１裏当て治具８８の外周面８８ａは、真円形状に設定される。この第１裏当て治具８８の外周面８８ａには、図５に示すように、胴部材４２とフランジ部材４４との第１突き合わせ部４８の内周面（他方の面）４８ｂに対応して周回する凹状部９７が設けられるとともに、前記凹状部９７の底部に連通して周回する開口部９９が形成される。
【００４１】
凹状部９７には、第１突き合わせ部４８に摩擦撹拌接合が行われた後、前記第１突き合わせ部４８の内周面４８ｂから離脱される第１緩衝部材９８が取り付けられる。この第１緩衝部材９８は、例えば、鉄系材料あるいはアルミニウム製のリング材で構成されるとともに、厚さが凹状部９７の深さと同一寸法、例えば、略１ｍｍ程度の厚さに設定される。開口部９９は、第１裏当て治具８８の外周面８８ａを周回しかつ凹状部９７よりも幅狭な凹状溝に構成され、第１突き合わせ部４８の内周面４８ｂにおいて、摩擦撹拌接合後に未接合部分となり易い領域を収容し得る寸法に限定されている。例えば、未接合部分が２０μｍ〜３０μｍである際に、開口部９９の深さが５０μｍ程度に設定される。
【００４２】
図４に示すように、リング部８６の上面には、所定の角度間隔ずつ離間してねじ穴１００が形成され、前記ねじ穴１００には、各ロッド９０が一方の端部に設けられるねじ部１０２が螺合する。ロッド９０の他方の端部には、ねじ穴１０４が形成され、第２裏当て治具９２を構成する取り付け板１０６からボルト１０８がねじ込まれることにより、前記取り付け板１０６がロッド９０に固定される。
【００４３】
図３および図４に示すように、第２裏当て治具９２は、例えば、鉄系材料で形成された複数の分割治具、例えば、４つの分割治具１１０ａ〜１１０ｄを備えており、全体として略リング状を有する。分割治具１１０ａ〜１１０ｄは、アクチュエータ、例えば、シリンダ１１２ａ〜１１２ｄに連結されて取り付け板１０６上を半径方向に個別に進退可能に構成される。
【００４４】
第２裏当て治具９２の外周面９２ａは、全体として真円形状に構成される。この第２裏当て治具９２の外周面９２ａには、図６に示すように、胴部材４２とフランジ部材４４との第２突き合わせ部５０の内周面（他方の面）５０ｂに対応して周回する凹状部１１４が設けられるとともに、前記凹状部１１４の底部に連通して周回する開口部１１５が形成される。
【００４５】
凹状部１１４には、第２突き合わせ部５０に摩擦撹拌接合が行われた後、前記第２突き合わせ部５０の内周面５０ｂから離脱される第２緩衝部材１１６が取り付けられる。この第２緩衝部材１１６は、例えば、鉄系材料あるいはアルミニウム製のリング材で構成されるとともに、その厚さが凹状部１１４の深さと同一寸法、例えば、略１ｍｍ程度の厚さに設定される。開口部１１５は、第２裏当て治具９２の外周面９２ａを周回しかつ凹状部１１４よりも幅狭な凹状溝に構成され、第２突き合わせ部５０の内周面５０ｂにおいて、摩擦撹拌接合後に未接合部分となり易い領域を収容し得る寸法に設定されている。
【００４６】
図３および図４に示すように、第１および第２裏当て治具８８、９２の外周面８８ａ、９２ａは、ダクト構造体４０のスプリングバックを考慮して、前記ダクト構造体４０を最終的に設計寸法に維持する必要があり、前記第１および第２裏当て治具８８、９２が拡径した際の前記外周面８８ａ、９２ａの最大外径寸法は、加熱前の第１および第２突き合わせ部４８、５０の内径よりも大きい。
【００４７】
第１突き合わせ部４８の外周面４８ａには、前記第１突き合わせ部４８を保持する第１クランプ治具１１７が配置されるとともに、第２突き合わせ部５０の外周面５０ａには、前記第２突き合わせ部５０を保持する第２クランプ治具１１８が配置される。
【００４８】
図３に示すように、第１クランプ治具１１７は、角材をリング状に成形してベルト状に構成される。第１クランプ治具１１７の一方の端面には、ねじ穴１１９が形成されるとともに、他方の端面には、孔部１２０が形成される。ボルト１２２が孔部１２０を通ってねじ穴１１９にねじ込まれることにより、第１クランプ治具１１７は、径方向の寸法が縮小されて第１突き合わせ部４８の外周面４８ａを締め付ける。
【００４９】
図３および図４に示すように、支持ベース６６の外周縁部には、ボルト１２４を介して複数本のロッド１２６が固定される。各ロッド１２６は、矢印Ａ方向に延在しており、その端部にねじ込まれるボルト１２８を介して取り付け板１３０が設けられる。この取り付け板１３０は、略リング状に構成され、ボルト１３２を介して前記取り付け板１３０に第２クランプ治具１１８が固定される。第２クランプ治具１１８は、略リング状に構成され、第２突き合わせ部５０の外周面５０ａを締め付け保持する。
【００５０】
図５に示すように、第１突き合わせ部４８を接合する接合機１４０は、回転工具１４２を備える。この回転工具１４２の先端には、所定の長さだけ突出するプローブ１４４が設けられる。このプローブ１４４は、第１突き合わせ部４８に挿入されるプローブ先端部１１４ａの長さが、前記第１突き合わせ部４８の肉厚よりも短尺に設定される。なお、第２突き合わせ部５０は、上記の接合機１４０により接合してもよく（図６参照）、あるいは個別の接合機を用いて接合作業を行ってもよい。
【００５１】
このように構成される摩擦撹拌接合装置６０の動作について、第１の実施形態に係る摩擦撹拌接合方法との関連で、図７に示すフローチャートに沿って以下に説明する。
【００５２】
まず、円筒形状を有する胴部材４２およびフランジ部材４４、４６が作製される（ステップＳ１）。具体的には、図２に示すように、胴部材４２を構成する薄板状のアルミニウム材を略円筒形状に成形し、その両端部を突き合わせた突き合わせ部４２ｃに沿って摩擦撹拌接合（ＦＳＷ）が行われ、前記突き合わせ部４２ｃが接合される。このため、胴部材４２が得られる。
【００５３】
同様に、フランジ部材４４、４６を構成する薄板状のアルミニウム材が略円筒形状に成形された後、それぞれの突き合わせ部４４ｃ、４６ｃが摩擦撹拌接合により接合される。従って、フランジ部材４４、４６が得られる。
【００５４】
なお、上記の摩擦撹拌接合時には、図示しないプローブが、円筒形状の中心から所定距離だけオフセットして配置されており、接合面の切断を有効に阻止している。
【００５５】
次いで、胴部材４２の端部４２ａ、４２ｂにフランジ部材４４、４６の端部４４ａ、４６ａを突き合わせた状態で、第１および第２突き合わせ部４８、５０には、所定の個所にアルミニウムテープ（図示せず）が貼り付けられる。このため、胴部材４２の両側にフランジ部材４４、４６が仮接合される（ステップＳ２）。この仮接合された胴部材４２およびフランジ部材４４、４６は、図示しない加熱炉内に配置されて所定の温度に加熱される（ステップＳ３）。所定温度に加熱された胴部材４２およびフランジ部材４４、４６は、台部材６４にセットされる（ステップＳ４）。
【００５６】
具体的には、図３および図４に示すように、台部材６４を構成する支持ベース６６上には、リング部８６を周回して第１裏当て治具８８を構成する分割治具９４ａ〜９４ｄが半径内方向に配置されている。従って、第１裏当て治具８８は、外周面８８ａの直径が最小直径に維持されており、この外周面８８ａの凹状部９７に対応して第１緩衝部材９８が配置された状態で、シリンダ９６ａ〜９６ｄが駆動される。このため、分割治具９４ａ〜９４ｄは、半径外方向に移動して第１裏当て治具８８の外周面８８ａが拡径し、この外周面８８ａにより第１緩衝部材９８が押圧保持される。
【００５７】
一方、リング部８６に形成されたねじ穴１００には、ロッド９０のねじ部１０２が螺着される。ロッド９０上には、第２裏当て治具９２を構成する取り付け板１０６が配置され、前記ロッド９０のねじ穴１０４に前記取り付け板１０６の孔部を通ってボルト１０８が螺着される。これにより、各ロッド９０には、取り付け板１０６が固定されるとともに、分割治具１１０ａ〜１１０ｄが半径内方向に配置されている。
【００５８】
この状態で、第２裏当て治具９２の外周面９２ａに第２緩衝部材１１６が配置され、シリンダ１１２ａ〜１１２ｄが駆動されて分割治具１１０ａ〜１１０ｄが半径外方向に移動する。従って、外周面９２ａが拡径してこの外周面９２ａにより第２緩衝部材１１６が押圧保持される。
【００５９】
そこで、所定温度に加熱された胴部材４２およびフランジ部材４４、４６は、第１および第２裏当て治具８８、９２に外装される。この場合、胴部材４２およびフランジ部材４４、４６は、所定の温度に加熱されており、熱膨張によって内周径が拡大している。このため、胴部材４２およびフランジ部材４４、４６の第１および第２突き合わせ部４８、５０は、第１および第２裏当て治具８８、９２に配置された第１および第２緩衝部材９８、１１６に容易に外装される。
【００６０】
さらに、胴部材４２およびフランジ部材４４、４６は、冷却されることによって内周径が収縮し、第１および第２突き合わせ部４８、５０の内周面４８ｂ、５０ｂは、第１および第２裏当て治具８８、９２の外周面８８ａ、９２ａ、すなわち、第１および第２緩衝部材９８、１１６に密着した状態で確実に嵌合する（図５および図６参照）。第１および第２裏当て治具８８、９２の外周面８８ａ、９２ａの最大外径寸法が、加熱前の第１および第２突き合わせ部４８、５０の内周面４８ｂ、５０ｂの内径寸法よりも大きいからである。
【００６１】
ここで、第１および第２裏当て治具８８、９２の外周面８８ａ、９２ａは、真円形状を有しており、この外周面８８ａ、９２ａの凹状部９７、１１４に嵌合する第１および第２緩衝部材９８、１１６に密着する端部４２ａ、４４ａおよび端部４２ｂ、４６ａは、それぞれ同一の円周長さに規制されるとともに、真円形状に維持される。
【００６２】
次に、第２裏当て治具９２上に加圧板７４が配置され、押圧ブロック７７がねじ部７２に外装された後、ナット部材７８が前記ねじ部７２にねじ込まれる。これにより、押圧ブロック７７を介して加圧板７４が加圧され、胴部材４２およびフランジ部材４４、４６は、矢印Ａ方向に締め付け荷重が付与される。この結果、第１および第２突き合わせ部４８、５０は、隙間が生じない状態で押圧保持される（ステップＳ５）。そして、ステップＳ６に進み、第１および第２突き合わせ部４８、５０に貼り付けられているアルミニウムテープ（図示せず）が除去され、表面の洗浄が行われる。
【００６３】
さらに、ステップＳ７において、第１クランプ治具１１７が装着される。この第１クランプ治具１１７は、ベルト状に構成されており、胴部材４２の外周を端部４２ａ側に沿って周回している。そこで、孔部１２０にボルト１２２を挿入し、このボルト１２２をねじ穴１１９にねじ込むことにより、第１クランプ治具１１７の内周径が縮小する。従って、第１クランプ治具１１７は、胴部材４２の外周面を締め付け保持する。
【００６４】
次いで、台部材６４は、回転テーブル６２にねじ止めによって固定される（ステップＳ８）。この状態で、図８に示すように、接合機１４０を構成する回転工具１４２が高速で回転しながら、第１突き合わせ部４８に向かって（矢印Ｂ方向）移動する。このため、高速回転するプローブ１４４のプローブ先端１４４ａが第１突き合わせ部４８に挿入され、摩擦熱によって前記第１突き合わせ部４８が溶接される（図９参照）。
【００６５】
その際、第１突き合わせ部４８には、第１裏当て治具８８に設けられた開口部９９に向かって加圧力が付与される。従って、第１緩衝部材９８の裏面側および第１突き合わせ部４８の一部は、開口部９９内に突出変形する一方、高速回転するプローブ１４４は、回転テーブル６２の回転作用下に前記第１突き合わせ部４８に沿って相対的に移動し、該第１突き合わせ部４８の全周にわたり接合作業が遂行される（ステップＳ９）。
【００６６】
第１突き合わせ部４８の接合作業が終了すると、回転テーブル６２が停止されるとともに、接合機１４０がこの第１突き合わせ部４８から離間する。さらに、第１クランプ治具１１７が取り外される一方、第２クランプ治具１１８が取り付けられる（ステップＳ１０）。第１クランプ治具１１７は、ボルト１２２をねじ穴１１９から離脱させることにより、内周径が拡大して胴部材４２から取り外される。
【００６７】
一方、支持ベース６６の外周縁部には、ボルト１２４を介して複数のロッド１２６が取り付けられ、前記ロッド１２６の先端部には、ボルト１２８を介して取り付け板１３０が取り付けられる。この取り付け板１３０には、ボルト１３２を介して第２クランプ治具１１８が装着され、この第２クランプ治具１１８が胴部材４２の端部４２ｂ側の外周面を締め付け保持する。
【００６８】
この状態で、図１０に示すように、例えば、接合機１４０が第２突き合わせ部５０に対応して配置され、回転工具１４２と一体的にプローブ１４４が回転しながら、このプローブ１４４のプローブ先端１４４ａが前記第２突き合わせ部５０の外周面５０ａに挿入される。この第２突き合わせ部５０は、回転テーブル６２の回転作用下に接合機１４０に対して回転しており、前記第２突き合わせ部５０の全周にわたって摩擦撹拌接合が行われる（ステップＳ１１）。
【００６９】
上記のように、第１および第２突き合わせ部４８、５０が接合されて接合品であるダクト構造体４０が得られた後、このダクト構造体４０は、第１および第２裏当て治具８８、９２とともに、台部材６４から取り外される（ステップＳ１２）。具体的には、第１裏当て治具８８を構成する分割治具９４ａ〜９４ｄは、シリンダ９６ａ〜９６ｄの駆動によって半径内方向に移動し、外周面８８ａが第１緩衝部材９８から離間する（図１１参照）。一方、第２裏当て治具９２を構成する分割治具１１０ａ〜１１０ｄは、シリンダ１１２ａ〜１１２ｄの作用下に半径内方向に移動し、外周面９２ａが第２緩衝部材１１６から離間する。
【００７０】
そこで、吊り下げ用ボルト７９およびナット部材７８がねじ部７２から離脱されて押圧ブロック７７が取り外されるとともに、加圧板７４が支柱６８から取り外される。そして、ダクト構造体４０は、第１および第２緩衝部材９８、１１６を内周面に保持した状態で、支持ベース６６から取り出される。次に、図１２に示すように、第１突き合わせ部４８では、第１緩衝部材９８がダクト構造体４０の内周面から離脱される（ステップＳ１３）。ダクト構造体４０の内周面には、第１突き合わせ部４８に対応して開口部９９側に突出変形した突起部１５０が設けられており、この突起部１５０が切削加工等によって前記内周面から除去される（ステップＳ１４）。なお、第２突き合わせ部５０では、上記の第１突き合わせ部４８と同様の作業が行われる。
【００７１】
このように、第１の実施形態では、第１および第２裏当て治具８８、９２の外周面８８ａ、９２ａに、第１および第２突き合わせ部４８、５０に対応して凹状部９７、１１４が形成され、この凹状部９７、１１４に第１および第２緩衝部材９８、１１６が装着される。このため、第１および第２突き合わせ部４８、５０の内周面４８ｂ、５０ｂに第１および第２緩衝部材９８、１１６が密着した状態で、前記第１および第２突き合わせ部４８、５０の外周面４８ａ、５０ａに摩擦撹拌接合が行われる。
【００７２】
従って、第１および第２突き合わせ部４８、５０は、第１および第２裏当て治具８８、９２に張り付くことがなく、前記第１および第２裏当て治具８８、９２は、ダクト構造体４０から剥離されることによる破損のおそれがない。これによって、第１および第２裏当て治具８８、９２は、繰り返し利用することができ、経済的であるという効果が得られる。
【００７３】
しかも、図９に示すように、第１裏当て治具８８の外周面８８ａには、第１突き合わせ部４８の内周面４８ｂに対応して周回する凹状部９７が設けられるとともに、この凹状部９７の底部に連通して周回する開口部９９が形成されている。凹状部９７には、第１緩衝部材９８が取り付けられており、プローブ先端１４４ａが第１突き合わせ部４８の外周面４８ａから挿入されることにより、第１緩衝部材９８および前記第１突き合わせ部４８の内周面４８ｂの一部が前記開口部９９側に突出変形される。
【００７４】
このため、プローブ先端１４４ａが到達せず、かつ、前記プローブ先端１４４ａの周速の影響によって未接合部分が発生し易い内周面４８ｂ側には、開口部９９側に突出変形して突起部１５０が設けられる。そして、この突起部１５０は、摩擦撹拌接合後に切削加工等によって内周面４８ｂから除去される（図１２および図１３参照）。
【００７５】
従って、ダクト構造体４０は、未接合部分を確実に除去することができ、接合部の強度が有効に増大して信頼性の向上を図ることが可能になるという効果が得られる。
【００７６】
また、第１および第２突き合わせ部４８、５０は、第１および第２緩衝部材９８、１１６に接合されることがなく、前記第１および第２緩衝部材９８、１１６の離脱処理が容易に遂行される。さらに、ダクト構造体４０には、第１および第２緩衝部材９８、１１６の剥離による残留歪みが発生することがない。
【００７７】
特に、第１および第２裏当て治具８８、９２の外周面８８ａ、９２ａが真円形状に構成されており、第１および第２突き合わせ部４８、５０の内周面４８ｂ、５０ｂは、前記外周面８８ａ、９２ａに密着して真円形状が維持される。しかも、それぞれの端部４２ａ、４４ａの内周長さおよび端部４２ｂ、４６ａの円周長さが同一の長さに規制される。
【００７８】
このため、厚さが２ｍｍ以下の薄肉でかつ比較的大径な第１および第２突き合わせ部４８、５０であっても、変形や皺等による位相差が発生することがなく、前記第１および第２突き合わせ部４８、５０の真円度を良好に維持することができ、寸法精度が向上する。これにより、簡単かつ経済的な工程で、第１および第２突き合わせ部４８、５０の摩擦撹拌接合作業が効率的に遂行されるという効果が得られる。
【００７９】
さらに、第１および第２突き合わせ部４８、５０は、第１および第２緩衝部材９８、１１６を介して第１および第２裏当て治具８８、９２の外周面８８ａ、９２ａに密着状態で嵌合する。このため、第１および第２突き合わせ部４８、５０のずれを阻止して正確な位置出しが可能になり、摩擦撹拌接合処理が効率的に遂行される。
【００８０】
その際、第１および第２突き合わせ部４８、５０は、所定温度に加熱されることによって熱膨張により内周径を拡大させた状態で、第１および第２裏当て治具８８、９２に嵌合している。従って、第１および第２裏当て治具８８、９２の外周面８８ａ、９２ａに対し、第１および第２突き合わせ部４８、５０を容易かつ確実に密着させることができる。
【００８１】
さらにまた、胴部材４２とフランジ部材４４、４６とは、加圧機構７０を介してプローブ１４４の挿入方向（矢印Ｂ方向）と略直交する方向（矢印Ａ方向）から加圧力が付与される。これにより、第１および第２突き合わせ部４８、５０に隙間が発生することがなく、確実に圧着することができ、高品質な接合処理が遂行されるとともに、加圧機構７０の構成が容易に簡素化する。
【００８２】
なお、上記した第１の実施形態では、図示しないアルミニウムテープで仮接合された胴部材４２と、フランジ部材４４、４６とを、加熱炉内で所定温度に加熱することにより、内周径を拡径させて第１および第２裏当て治具８８、９２に装着しているが、これに限定されるものではない。例えば、第１および第２裏当て治具８８、９２を冷却して該第１および第２裏当て治具８８、９２の外径寸法を縮小させてもよい。
【００８３】
また、それぞれ４分割された分割治具９４ａ〜９４ｄ、１１０ａ〜１１０ｄを用いているが、分割数は種々選択可能である。さらに、シリンダ９６ａ〜９６ｄ、１１２ａ〜１１２ｄに代替して電磁ソレノイド等の駆動源を用いてもよい。さらにまた、分割治具９４ａ〜９４ｄ（および／または分割治具１１０ａ〜１１０ｄ）を単一の駆動源を介して一体的に進退させることもできる。
【００８４】
図１４は、本発明の第２の実施形態に係る摩擦撹拌接合装置１６０の一部斜視図である。なお、第１の実施形態に係る摩擦撹拌接合装置６０と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００８５】
摩擦撹拌接合装置１６０は、第１および第２裏当て治具１６２、１６４を備える。第１裏当て治具１６２は、例えば、鉄系材料で形成された複数の分割治具、例えば、４つの分割治具９４ａ〜９４ｄと、前記分割治具９４ａ〜９４ｄの内側に配置されて該分割治具９４ａ〜９４ｄを拡径させる第１リング部材１６６とを備える。第２裏当て治具１６４は、第１裏当て治具１６２と同様に、例えば、鉄系材料で形成された複数、例えば、４つの分割治具１１０ａ〜１１０ｄと、前記分割治具１１０ａ〜１１０ｄの内側に配置されて該分割治具１１０ａ〜１１０ｄを拡径させる第２リング部材１６８とを備える。
【００８６】
このように構成される摩擦撹拌接合装置１６０では、第１裏当て治具１６２を構成する分割治具９４ａ〜９４ｄの外周に第１緩衝部材９８が配置された状態で、この分割治具９４ａ〜９４ｄの内側に第１リング部材１６６が挿入される。これにより、分割治具９４ａ〜９４ｄが拡径して前記分割治具９４ａ〜９４ｄの外周に第１リング部材１６６が密着保持される。同様に、第２リング部材１６８が第２裏当て治具１６４を構成する分割治具１１０ａ〜１１０ｄの内側に挿入されることによって、前記分割治具１１０ａ〜１１０ｄの外周には、第２緩衝部材１１６が密着保持される。
【００８７】
従って、第２の実施形態では、第１の実施形態と同様の効果が得られるとともに、構成が一層簡素化するという利点がある。なお、第１および第２リング部材１６６、１６８に代替して楔部材等を使用してもよい。
【００８８】
【発明の効果】
本発明に係る摩擦撹拌接合方法および装置では、未接合部分が発生し易い突き合わせ部の他方の面は、裏当て治具の開口部側に突出変形するとともに、摩擦撹拌接合が終了した後に前記突き合わせ部から除去される。従って、第１および第２円筒部材は、未接合部分を確実に除去することができ、接合部の強度が有効に増大して信頼性の向上を図ることが可能になる。
【００８９】
さらに、裏当て治具は、第１および第２円筒部材から剥離されることによる破損のおそれがなく、前記裏当て治具を繰り返し利用することができ、経済的である。また、緩衝部材の離脱処理が容易に遂行されるとともに、特に薄肉な第１および第２円筒部材であっても、残留歪みが発生することを有効に阻止することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る摩擦撹拌接合方法が実施されるファンダクトを組み込む航空機用ガスタービンエンジンの概略構成説明図である。
【図２】前記ファンダクトを構成するダクト構造体の説明図である。
【図３】前記ダクト構造体を接合する本発明の第１の実施形態に係る摩擦撹拌接合装置の一部分解斜視図である。
【図４】前記摩擦撹拌接合装置の断面説明図である。
【図５】第１裏当て治具の拡大説明図である。
【図６】第２裏当て治具の拡大説明図である。
【図７】前記摩擦撹拌接合方法のフローチャートである。
【図８】第１突き合わせ部を接合する際の動作説明図である。
【図９】前記第１突き合わせ部を接合する際の断面説明図である。
【図１０】第２突き合わせ部を接合する際の動作説明図である。
【図１１】前記第１突き合わせ部から前記第１裏当て治具を分離する際の動作説明図である。
【図１２】前記第１突き合わせ部から第１緩衝部材を分離する際の動作説明図である。
【図１３】前記第１突き合わせ部から未接合部を除去する際の動作説明図である。
【図１４】本発明の第２の実施形態に係る摩擦撹拌接合装置の一部斜視図である。
【図１５】摩擦撹拌接合による未接合部の説明図である。
【図１６】特許文献１のアルミニウム部材の接合方法を示す説明図である。
【符号の説明】
１０…ファンダクト １２…ガスタービンエンジン
１４…ファン ４０…ダクト構造体
４２…胴部材 ４４、４６…フランジ部
４４ａ、４６ａ…端部 ４８、５０…突き合わせ部
４８ａ、５０ａ、８８ａ、９２ａ…外周面 ４８ｂ、５０ｂ…内周面
６０、１６０…摩擦撹拌接合装置 ６２…回転テーブル
６４…台部材 ６６…支持ベース
６８…支柱 ７０…加圧機構
７２…ねじ部 ７４…加圧板
７７…押圧ブロック
８８、９２、１６２、１６４…裏当て治具 ９０…ロッド
９４ａ〜９４ｄ、１１０ａ〜１１０ｄ…分割治具
９６ａ〜９６ｄ、１１２ａ〜１１２ｄ…シリンダ
９７、１１４…凹状部 ９８、１１６…緩衝部材
９９、１１５…開口部 １１７、１１８…クランプ治具
１３０…取り付け板 １４０…接合機
１４４…プローブ １６６、１６８…リング部材
Claims (11)
- 厚さが２ｍｍ以下の板材からなる第１および第２円筒部材を有し、前記第１円筒部材の端部と前記第２円筒部材の端部とを突き合わせた突き合わせ部の一方の面に、回転するプローブを押し付けながら、前記プローブを前記突き合わせ部に沿って相対的に移動させることにより、前記突き合わせ部を接合する摩擦撹拌接合方法であって、
前記突き合わせ部の他方の面を保持する裏当て治具に、前記突き合わせ部に対応して形成された開口部を覆って変形可能なリング状の緩衝部材を取り付ける工程と、
前記第１および第２円筒部材を裏当て治具に保持させた状態で、前記プローブを前記突き合わせ部の一方の面から挿入して前記緩衝部材および該突き合わせ部の一部を前記開口部側に突出変形させながら、該突き合わせ部に沿って摩擦撹拌接合を行う工程と、
前記摩擦撹拌接合が行われた後、前記突き合わせ部から前記開口部側に突出した部分を除去する工程と、
を有することを特徴とする摩擦撹拌接合方法。 - 請求項１記載の摩擦撹拌接合方法において、前記摩擦撹拌接合が行われた後、前記突き合わせ部の他方の面に前記緩衝部材が圧着した状態で、該突き合わせ部から前記裏当て治具のみを離脱させる工程と、
前記突き合わせ部の他方の面から前記緩衝部材を離脱させる工程と、
前記突き合わせ部から前記開口部側に突出した部分を除去する工程と、
を有することを特徴とする摩擦撹拌接合方法。 - 請求項１または２記載の摩擦撹拌接合方法において、前記裏当て治具の外周面に前記突き合わせ部の他方の面を密着状態にすることにより、前記第１および第２円筒部材の端部同士を同一の長さに規制することを特徴とする摩擦撹拌接合方法。
- 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の摩擦撹拌接合方法において、前記裏当て分割治具は、真円形状の外周面を有するとともに、複数に分割されて径方向に進退自在な分割治具を有しており、
前記治具には、底部に前記開口部が連通し前記突き合わせ部の他方の面に対応して周回する凹状部が設けられ、
各凹状部にリング状の前記緩衝部材が一体的に取り付けられた状態で、前記裏当て治具の外周面に密着する前記第１および第２円筒部材の端部同士を同一の円周長さに規制することを特徴とする摩擦撹拌接合方法。 - 請求項３または４記載の摩擦撹拌接合方法において、前記第１および第２円筒部材を前記裏当て治具に対し相対的に膨張させた状態で、該裏当て治具に該第１および第２円筒部材を外装させ、さらに前記第１および第２円筒部材を前記裏当て治具に対し相対的に熱収縮させることにより、該裏当て治具に該第１および第２円筒部材を保持させることを特徴とする摩擦撹拌接合方法。
- 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の摩擦撹拌接合方法において、前記第１および第２円筒部材は、前記プローブの挿入方向と略直交しかつ前記第１および第２円筒部材の突き合わせ方向から加圧力が付与された状態で、前記突き合わせ部に沿って摩擦撹拌接合されることを特徴とする摩擦撹拌接合方法。
- 厚さが２ｍｍ以下の板材からなる第１および第２円筒部材を有し、前記第１円筒部材の端部と前記第２円筒部材の端部とを突き合わせた突き合わせ部の一方の面に、回転するプローブを押し付けながら、前記プローブを前記突き合わせ部に沿って相対的に移動させることにより、前記突き合わせ部を接合する摩擦撹拌接合装置であって、
前記第１および第２円筒部材を配置して前記突き合わせ部の他方の面を保持し、摩擦撹拌接合が行われた後に前記突き合わせ部の他方の面から離脱される裏当て治具を備え、
前記裏当て治具は、前記突き合わせ部の他方の面に対応する凹状部と、
前記凹状部の底部に連通する開口部と、
を設けるとともに、
前記凹状部には、前記摩擦撹拌接合が行われた後に、前記突き合わせ部の他方の面から離脱される変形可能なリング状の緩衝部材が取り付けられ、
前記開口部には、摩擦撹拌接合時に前記緩衝部材および前記突き合わせ部の一部が突出変形されることを特徴とする摩擦撹拌接合装置。 - 請求項７記載の摩擦撹拌接合装置において、前記裏当て治具の外周面に前記突き合わせ部の他方の面を密着状態に配置することにより、前記第１および第２円筒部材の端部同士を同一の長さに規制することを特徴とする摩擦撹拌接合装置。
- 請求項７または８記載の摩擦撹拌接合装置において、前記裏当て治具は、真円形状の外周面を有しており、この外周面に密着状態に嵌合する前記第１および第２円筒部材の端部同士を同一の円周長さに規制することを特徴とする摩擦撹拌接合装置。
- 請求項９記載の摩擦撹拌接合装置において、前記裏当て治具は、複数に分割されて径方向に進退自在な分割治具を備えるとともに、
前記緩衝部材は、それぞれの分割治具に形成された各凹状部に一体的に嵌合自在なリング状に構成されることを特徴とする摩擦撹拌接合装置。 - 請求項７乃至１０のいずれか１項に記載の摩擦撹拌接合装置において、前記第１および第２円筒部材に、前記プローブの挿入方向と略直交しかつ前記第１および第２円筒部材の突き合わせ方向から加圧力を付与する加圧機構を備えることを特徴とする摩擦撹拌接合装置。
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