JP3825140B2

JP3825140B2 - 摩擦撹拌接合法

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Publication number: JP3825140B2
Application number: JP17133597A
Authority: JP
Inventors: 正敏榎本; 清司田崎; 直毅西川; 武典橋本
Original assignee: Showa Denko KK
Current assignee: Showa Denko KK
Priority date: 1997-06-27
Filing date: 1997-06-27
Publication date: 2006-09-20
Anticipated expiration: 2017-06-27
Also published as: JPH1110368A

Description

【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等の金属材からなる接合部材の接合に用いられる摩擦撹拌接合法に関する。
【０００２】
なお、この明細書において、「アルミニウム」の語はその合金を含む意味において用いる。
【０００３】
【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６に示すように、径大の円柱状回転子（１１１）の端部軸線上に、接合部材（１０１）（１０２）よりも硬質の径小のピン状プローブ（１１２）が突出して一体に設けられた接合装置（１１０）を用い、前記回転子（１１１）を高速で回転させつつ、突き合わせた２枚の板状の接合部材（１０１）（１０２）の突合せ部（１０３）又はその近傍に前記プローブ（１１２）を挿入する。挿入は、回転子（１１１）のプローブ側平坦面からなる肩部（１１１ａ）が接合部材（１０１）（１０２）に当接するまで行う。そして、プローブ挿入状態のまま、突合せ部（１０３）に沿って、プローブ（１１２）を接合部材（１０１）（１０２）に対し相対的に移動させる。プローブ（１１２）の回転により発生する摩擦熱、あるいはさらに回転子（１１１）の肩部（１１１ａ）と接合部材（１０１）（１０２）の表面との摺動に伴い発生する摩擦熱により、プローブ（１１２）との接触部分近傍において接合部材（１０１）（１０２）は軟化し、かつプローブの回転により撹拌されるとともに、プローブ（１１２）の移動に伴って、軟化撹拌部分がプローブ（１１２）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（１１２）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（１１２）の移動に伴って順次繰り返されていき、最終的に２個の接合部材（１０１）（１０２）が突合せ部（１０３）において接合一体化されるものである。
【０００４】
このような摩擦撹拌接合によれば、固相接合であるため、接合部材（１０１）（１０２）を形成している金属材の種類に制限を受けないとか、ＭＩＧやＴＩＧ等といった溶融溶接と比較して接合時の熱歪みによる変形が少ない、等の利点がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
而して、接合部材（１０１）（１０２）の突合せ面には、少なからず凹凸が存在している。そのため、接合部材（１０１）（１０２）を突き合わせると、その突合せ部（１０３）には必然的に間隙（図示せず）が形成されることとなる。このような状態のままで摩擦撹拌接合により突合せ接合を行うと、撹拌が不十分となったり接合部において未接合部分が生じたりする等、接合不良を招いてしまう虞がある。とくに摩擦撹拌接合は、固相接合であるので、突合せ部（１０３）に形成された隙間が僅かであってもかかる接合不良を招き易い。
【０００６】
この発明は、このような難点を解消するためになされたものであって、突合せ接合を行う場合であっても、接合不良を防止し得て、高品位の突合せ接合品を得ることのできる摩擦撹拌接合法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、この発明は、２個の接合部材を突き合わせるとともに、突合せ部又はその近傍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突合せ部に沿って相対的に移動させることにより両接合部材を突合せ接合する摩擦撹拌接合法において、板状の位置決め部とこれに断面Ｔ状をなして連設された鍔部とを備えた接合補助材を、その位置決め部が両接合部材の突合せ部に介在配置され、鍔部が両接合部材の突合せ部を跨ぎかつ接合部材のプローブ挿入側の面に沿うように配置し、前記プローブをこの接合補助材の鍔部及び位置決め部に接触させる態様にして挿入し、摩擦熱にて両接合部材とともにこれらを軟化撹拌させることにより、両接合部材を突合せ接合することを特徴とするものである。
【０００８】
上記のように接合部材に配置された接合補助材は、回転するプローブとの接触により発生する摩擦熱にて軟化されて、その鍔部素地の一部乃至全部が、突合せ部に形成された間隙へ充填され間隙を閉塞するものとなる。このような鍔部素地の間隙への充填は、プローブの相対的な移動に伴って生じることから、両接合部材は、プローブ挿入位置において間隙が閉塞された状態のもとで接合されるものとなり、その結果、接合不良や未接合部の発生といった溶接不良が防止されて、高品位の接合品が得られる。
【０００９】
また、突合せ接合するに際して、両接合部材の突合せ面を平坦にするための特別な加工を施す必要がないから、簡便な接合方法となり得て、作業能率が向上する。
【００１０】
また、接合補助材として、接合部材を形成している金属とは異なるものを選択することにより、得られる接合品の局部的な特性改良が可能となる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、この発明に係る摩擦撹拌接合法を図面に基づいて説明する。
【００１２】
図１乃至図４はこの発明の一実施形態に係るものである。これらの図において、（１）（２）は同一平面内において幅方向の一端面を突き合わせ状態に配置されたアルミニウム鋳物材（ダイカスト材を含む）からなる２個の板状接合部材である。各接合部材（１）（２）は、図２に示すように、突合せ面にうねり状の凹凸を生じているため、突合せ部（３）に間隙（４）が形成されている。なお、同図は、説明の便宜上、間隙（４）を誇張して示している。
【００１３】
この状態のまま後述する接合装置（１０）を用い、そのプローブ（１２）を突合せ部（３）に接合部材（１）（２）の上面側から挿入して両接合部材（１）（２）の突合せ接合を行うと、間隙（４）の存在によって接合不良を生じてしまう虞がある。そこで、この実施形態では、図３に示すようにアルミニウム製接合補助材（２０）を用いて両接合部材（１）（２）を接合する。
【００１４】
この接合補助材（２０）は、板状の位置決め部（２０ｂ）と、これに断面Ｔ状をなして連設された１つの鍔部（２０ａ）とを備えており、全体形状が断面Ｔ字状に形成されたものである。かかる接合補助材（２０）は次のようにして両接合部材（１）（２）に装着される。すなわち、図３に示すように両接合部材（１）（２）を少し離して、この離間部に位置決め部（２０ｂ）を配置させる。そして、両接合部材（１）（２）を突き合わせる。これにより、図４に示されるように、接合補助材（２０）は、その位置決め部（２０ｂ）が両接合部材（１）（２）の突合せ部（３）に介在配置されると共に、その鍔部（２０ａ）が両接合部材（１）（２）の突合せ部（３）を跨ぎかつ接合部材（１）（２）の上面に沿うように配置される。
【００１５】
こうして両接合部材（１）（２）に接合補助材（２０）を装着した後、図１に示すように、接合装置（１０）を用いて摩擦撹拌接合を行う。この接合装置（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（１２）が突出して一体に設けられたものであり、回転子（１１）を回転させることによりプローブ（１２）も回転させうるものとなされている。なお、プローブ（１２）及び回転子（１１）は、接合部材（１）（２）及び接合補助材（２０）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。
【００１６】
このような接合装置（１０）を用いて、次のように摩擦撹拌接合法を行う。前記接合装置（１０）の回転子（１１）を高速で回転させつつ、プローブ（１２）を両接合部材（１）（２）の突合せ部（３）に挿入する。挿入は、プローブ（１２）先端が接合補助材（２０）の鍔部（２０ａ）の肉厚を越えて接合部材（１）（２）に挿入されるまで行い、また回転子（１１）のプローブ（１２）側平坦面からなる肩部（１１ａ）が接合補助材（２０）の鍔部（２０ａ）に当接するまで行う。そして、プローブ挿入状態のまま、回転子（１１）の肩部（１１ａ）で鍔部（２０ａ）を両接合部材（１）（２）に押し付けながら、突合せ部（３）に沿って、プローブ（１２）を進行方向と逆方向に僅かに傾けて回転子（１１）の肩部（１１ａ）の進行方向側の部分を僅かに浮かせた状態で、相対的に移動させる。すると、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）と接合補助材（２０）の鍔部（２０ａ）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両接合部材（１）（２）は軟化すると共に、接合補助材（２０）の鍔部（２０ａ）及び位置決め部（２０ｂ）も軟化する。そして、この軟化した接合補助材（２０）の鍔部（２０ａ）素地の一部乃至全部は、両接合部材（１）（２）の突合せ部（３）に形成された間隙（４）に充填され、かつ位置決め部（２０ｂ）及び両接合部材（１）（２）の軟化部分とともに撹拌される。そして、プローブ（１２）の移動に伴って、これら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、最終的に両接合部材（１）（２）が、突合せ部（３）において接合一体化される。
【００１７】
こうして、軟化した鍔部（２０ａ）素地の間隙（４）への充填によって、間隙（４）が存在しなくなり、撹拌不良や未接合部の発生といった溶接不良が防止されて、高品位の突合せ接合品が得られる。
【００１８】
なお、同図では、接合補助材（２０）の鍔部（２０ａ）素地の略全部が過不足なしに突合せ部（３）の間隙（４）に充填され、接合された両接合部材（１）（２）の表面は略平坦状になっている。
【００１９】
以上、この発明の実施形態を説明したが、この発明は上記実施形態に限定されるものではなく、種々変更可能である。例えば、上記実施形態では、プローブ（１２）を、接合部材（１）（２）の上面側から即ち片面側から挿入することにより接合するものであるが、プローブ（１２）を、接合部材（１）（２）の両面側から挿入することにより接合しても良く、この場合には、図５に示すような接合補助材（２０）が好適に用いられる。この接合補助材（２０）を説明すると、接合補助材（２０）は、板状の位置決め部（２０ｂ）と、これに断面Ｔ状をなして連設された上下の２つの鍔部（２０ａ）（２０ａ）とを備えており、全体形状が断面横Ｈ字状に形成されているものである。そして、位置決め部（２０ｂ）が両接合部材（１）（２）の突合せ部（３）に介在配置されると共に、両鍔部（２０ａ）（２０ａ）が両接合部材（１）（２）の突合せ部（３）を跨ぎかつ接合部材（１）（２）のプローブ挿入側の面、即ち上下両面に沿うように配置されている。そして、プローブ（１２）は両接合部材（１）（２）の上下両面側から挿入され、上記実施形態と同様の手順で接合が行われ、もって接合不良のない高品位の接合品が得られる。
【００２０】
なお、以上の実施形態では、接合部材（１）（２）としてアルミニウム鋳物材を用いたが、接合部材（１）（２）の種類はとくに限定されることはなく、アルミニウム展伸材あるいはアルミニウム以外の金属のものを用いても良い。接合補助材（２０）についても同様に、アルミニウム以外の金属のものを用いても良く、また接合部材（１）（２）と同種金属である必要もなく異種金属のものであっても良い。このように接合補助材（２０）として異種金属のものを用いると、得られる接合品の局部的な特性改良が可能となり、用途拡大に寄与するものとなる。
【００２１】
【発明の効果】
上述の次第で、この発明に係る摩擦撹拌接合法は、板状の位置決め部とこれに断面Ｔ状をなして連設された鍔部とを備えた接合補助材を、その位置決め部が両接合部材の突合せ部に介在配置され、鍔部が両接合部材の突合せ部を跨ぎかつ接合部材のプローブ挿入側の面に沿うように配置し、プローブをこの接合補助材の鍔部及び位置決め部に接触させる態様にして挿入し、摩擦熱にて両接合部材とともにこれらを軟化撹拌させることにより、両接合部材を突合せ接合するものであるから、突合せ部に間隙が形成された状態のままで突合せ接合を行う場合であっても、摩擦熱にて軟化した鍔部素地が間隙へ充填され、これにより間隙が閉塞されて、間隙の存在による撹拌不良や未接合部の発生といった溶接不良が防止され、高品位の接合品を得ることができる。
【００２２】
さらに、突合せ接合するに際して、両接合部材の突合せ面を平坦にするための特別な加工を施す必要がないから、簡便な突合せ接合方法となり得て作業能率を向上させることができる。
【００２３】
しかも、接合補助材として、接合部材を形成している金属とは異なるものを選択することにより、得られる接合品の局部的な特性改良が可能となり、用途拡大に寄与する。とくに、摩擦撹拌接合法は固相接合の一種であることから、接合補助材の金属を選択するに際し、高温割れ感受性を考慮する必要がなく各種金属の選択が可能となり、もって多種多様の特性改良を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施形態を示す図であって、（イ）は斜視図、（ロ）は（イ）のＩ−Ｉ線断面図である。
【図２】図１の摩擦撹拌接合法に用いる接合部材を、接合補助材を用いることなく突き合わせた状態の図であって、（イ）は斜視図、（ロ）は（イ）のII−II線断面図である。
【図３】図２の接合部材に接合補助材を装着する途中の状態の図であって、（イ）は斜視図、（ロ）は（イ）のIII −III 線断面図である。
【図４】図３の接合部材に接合補助材を装着した状態の図であって、（イ）は斜視図、（ロ）は（イ）のIV−IV線断面図である。
【図５】上記実施形態の一変形例を示す、図４に対応した図であって、（イ）は斜視図、（ロ）は（イ）のＶ−Ｖ線断面図である。
【図６】摩擦撹拌接合方法を説明するための斜視図である。
【符号の説明】
１、２…接合部材
３…突合せ部
４…間隙
１０…接合装置
１１…回転子
１２…プローブ
２０…接合補助材
２０ａ…鍔部
２０ｂ…位置決め部

Claims

２個の接合部材（１）（２）を突き合わせるとともに、突合せ部（３）又はその近傍に回転するプローブ（12）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（12）を挿入状態で突合せ部（３）に沿って相対的に移動させることにより両接合部材（１）（２）を突合せ接合する摩擦撹拌接合法において、
板状の位置決め部（20b ）とこれに断面Ｔ状をなして連設された鍔部（20a ）とを備えた接合補助材（20）を、その位置決め部（20b ）が両接合部材（１）（２）の突合せ部（３）に介在配置され、鍔部（20a）が両接合部材（１）（２）の突合せ部（３）を跨ぎかつ接合部材（１）（２）のプローブ挿入側の面に沿うように配置し、
前記プローブ（12）をこの接合補助材（20）の鍔部（20a ）及び位置決め部（20b ）に接触させる態様にして挿入し、摩擦熱にて両接合部材（１）（２）とともにこれらを軟化撹拌させることにより、両接合部材（１）（２）を突合せ接合することを特徴とする摩擦撹拌接合法。
請求項１の接合方法において、接合補助部材として、断面Ｔ状をなして連接された上下２つの鰐部を備えており、全体形状が断面横Ｈ字状に形成された接合補助部材を用い、プローブを両接合材の上下から挿入し、両接合部材を突合せ接合することを特徴とする摩擦撹拌接合法。
接合補助部材として、接合部材を形成している金属とは異なる材料を使用することを特徴とする請求項１または２に記載の摩擦撹拌接合法。
請求項１ないし３に記載のいずれか１項に記載の接合方法により接合された接合品。