JP3971482B2

JP3971482B2 - 摩擦撹拌接合法

Info

Publication number: JP3971482B2
Application number: JP10417697A
Authority: JP
Inventors: 正敏榎本; 清司田崎; 直毅西川; 一郎岩井; 武典橋本
Original assignee: Showa Denko KK
Current assignee: Showa Denko KK
Priority date: 1997-04-22
Filing date: 1997-04-22
Publication date: 2007-09-05
Anticipated expiration: 2017-04-22
Also published as: JPH10296462A

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板状の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３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、一般には、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、最終的に接合部材（１０１）（１０２）が突合せ部（１０３）において接合されるものである。また、このような摩擦撹拌接合法は、同図に示すような突合せ接合の他、重ね接合にも用いられている。
【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）である金属材の種類に制限を受けないとか、ＭＩＧやＴＩＧ等による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）とくに薄肉長尺な接合部材は、厚さ方向に反っていたり捩じれていたりして平坦でない場合がある。このような接合部材（１０１）（１０２）を用いてこれらを突き合わせると、突合せ部（１０３）に、反りによる段差や捩れによる隙間が発生し、この状態のまま摩擦撹拌接合を行うと、目違いを生じたり継手効率が低下したりするという問題が生じる。とくに摩擦撹拌接合は、固相接合であるので、突合せ部（１０３）に生じた隙間が僅かであっても継手効率が著しく低下してしまう。また、摩擦撹拌接合といえども薄肉長尺な接合部材を接合する場合には、変形を生じ易く、高品位の接合品を得ることが難しかった。
【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、目違いの発生を防止すると共に継手効率を向上させることができ、更に薄肉長尺な接合部材を接合する場合であっても変形を小さく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、この発明の請求項１は、２枚の板状接合部材同士の突合せ部若しくは重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又は重合せ部に沿って相対的に移動させることにより、接合部材同士を突合せ接合又は重ね接合する摩擦撹拌接合法において、前記両接合部材上において、前記プローブの移動方向の前後に、プローブが移動する方向に突合せ部又は重合せ部を転動しながら移動する接合部材押えローラを配置し、これら前後の押えローラにより、両接合部材のプローブ前後両側を押えながら、摩擦撹拌接合を行うことを特徴とするものである。
【０００８】
これによれば、両接合部材は前後の押えローラによりプローブ前後両側が押えら、反りや捩れが矯正されて前後両押えローラ間において平坦状になり、両接合部材の接触面積が増加して継手効率が向上する。また、両接合部材は前後押えローラ間において平坦状になった状態で接合されるので、目違いの発生を防止し得る。加えて、前後の押えローラによって両接合部材のプローブ前後両側が押え付けられた拘束状態のもとで接合されるので、接合による歪みの発生が抑えられ、接合部材の変形が小さくなる。
【０００９】
また、請求項２では、上記請求項１記載の摩擦撹拌接合法において、前記前後の押えローラの移動速度を、後側の押えローラよりも前側の押えローラの方が相対的に高速になるように制御することにより、前後の押えローラ間における突合せ部又は重合せ部に引張り方向のテンションを加えながら、摩擦撹拌接合を行うこととした。
【００１０】
これによれば、両接合部材は引張り方向のテンションによって更に平坦化され、両接合部材の接触面積が増えて継手効率が一段と向上する。また、接合により生じる歪みが、この引張り方向のテンションによって吸収され、接合部材の変形が格段に小さくなる。而して、接合歪みを吸収するに際し、両接合部材の両端部から引張り方向のテンションを加える構成を採用しても、接合歪みを吸収することができる。しかしながら、この場合にあっては、両接合部材が長尺なものであるときには、引張りテンションを発生させるのに大型の装置が必要となってしまい、実施上難点がある。一方、この請求項２では、このようなテンションを発生させる前後の押えローラは、両接合部材上を移動するものであることから、接合部材の長さに制限を受けず、長尺な接合部材であっても簡単に接合歪みを吸収し得るものとなる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１及び図２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厚さの等しい２枚の薄肉長尺のアルミニウム板状接合部材である。これら接合部材（１）（２）は、接合部材載置台（図示せず）上に載置されている。そして、図２に示すように厚さ方向にうねり状の反り及び小さな捩れを生じているため、突合せ部（３）に、反りによる段差（４）及び捩れによる小さな隙間（図示せず）が発生した状態になっている。
【００１２】
（１０）は接合装置であり、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）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。
【００１３】
（２０）（２１）は、図示しない移動機構及び加圧機構を備えた、互いに同径の回転自在の接合部材押えローラであって、両接合部材（１）（２）上においてプローブ（１２）の移動方向の前側及び後側の近傍位置に突合せ部（３）と直交する態様に配置されている。これら前後の押えローラ（２０）（２１）は、移動機構及び加圧機構によって、その周面を両接合部材（１）（２）の表面に押圧した状態のもとで、プローブ（１２）が移動する方向に突合せ部（３）を転動しながら移動するものとなされている。
【００１４】
このような前後の押えローラ（２０）（２１）を用いることにより、接合の際に、両接合部材（１）（２）のプローブ（１２）前後両側が押圧され、これによって両接合部材（１）（２）の反りや捩れが矯正されて両接合部材（１）（２）を前後両押えローラ（２０）（２１）間において平坦状にすることができ、両接合部材（１）（２）の接触面積を増加させることができる。更に、これら前後の押えローラ（２０）（２１）は、両接合部材（１）（２）のプローブ（１２）前後両側を押圧することから、両接合部材（１）（２）を局部的に拘束する作用も有している。
【００１５】
また、これら前後の押えローラ（２０）（２１）は、後側の押えローラ（２１）の移動速度はプローブ（１２）の移動速度と等しく、前側の押えローラ（２０）の移動速度は後側の押えローラ（２１）の移動速度よりも若干高速になるように、その移動速度を制御しうるものとなされている。このように前後の押えローラ（２０）（２１）の移動速度を異ならせるように制御することによって、前後両押えローラ（２０）（２１）間の突合せ部（３）に引張り方向のテンションを加えることができる。
【００１６】
すなわち、プローブ（１２）が移動する方向に転動しながら移動する前後両押えローラ（２０）（２１）は、その周面を両接合部材（１）（２）の表面に押圧した状態になっているところ、前側の押えローラ（２０）は、後側の押えローラ（２１）よりも移動速度が高速になるように制御されることにより、両接合部材（１）（２）を前側の押えローラ（２０）の接触部から前方側へ引っ張るものとなる結果、両接合部材（１）（２）の前後両押えローラ（２０）（２１）間に引張り方向のテンションが発生するからである。
【００１７】
次に、前記接合装置（１０）及び前記前後両押えローラ（２０）（２１）を用いて摩擦撹拌接合を行う場合について説明する。
【００１８】
前後両押えローラ（２０）（２１）を両接合部材（１）（２）上に載置して両接合部材（１）（２）を押圧すると共に、接合装置の回転子（１１）を回転させてこれと一体回転するプローブ（１２）を突合せ部（３）又はその近傍に接触させる。両接合部材（１）（２）は、前後の押えローラ（２０）（２１）によって反り及び捩れが矯正されて、前後両押えローラ（２０）（２１）間において平坦状になり、突合せ部（３）に隙間の存在しない密着状態になる。
【００１９】
そして、回転するプローブ（１２）との接触により生じる摩擦熱により両接合部材（１）（２）の接触部分を軟化可塑化させ、更にプローブ（１２）を押し付けて該プローブ（１２）を接合部材（１）（２）の厚さ方向内部に挿入していく。プローブ（１２）の挿入状態で、回転子（１１）の肩部（１１ａ）を接合部材（１）（２）の表面に当接させる。肩部（１１ａ）の当接により、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得て均一な接合状態を実現し得ると共に、接合部材（１）（２）と肩部（１１ａ）との摺動による摩擦熱を生ぜじめて、プローブ（１２）との接触部あるいはその近傍の軟化を促進し、さらに接合部材（１）（２）表面の凹凸形成を防止する。
【００２０】
プローブ（１２）の挿入後、突合せ部（３）に沿ってプローブ（１２）及び前後の押えローラ（２０）（２１）を移動させる。
【００２１】
すると、プローブ（１２）及び回転子（１１）の回転により、プローブ（１２）との接触部分周辺において、接合部材（１）（２）が摩擦熱によって軟化し且つ撹拌される。そして、プローブ（１２）の移動によって、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（１２）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急冷固化される。このとき、接合部材（１）（２）には、摩擦熱によって接合歪みが生じるが、前後の押えローラ（２０）（２１）間の突合せ部（３）に加えられた引張り方向のテンションによりその歪みが吸収されて、平坦状のまま接合される。また、両接合部材（１）（２）は、前後の押えローラ（２０）（２１）によって平坦状になっているので、突合せ部（３）に隙間が存在しない状態のもとで接合される。
【００２２】
こうして、平坦状のまま突合せ部（３）に隙間が存在しない状態のもとで、突合せ部（３）の迅速軟化、撹拌、冷却固化がプローブ（１２）の移動に伴って順次繰り返されていき、突合せ部（３）において接合部材（１）（２）は相互に一体化され順次接合され、良好な接合状態の接合品が得られる。
【００２３】
なお、上記実施形態では、接合部材（１）（２）は突合せ接合によって一体化しているが、この発明では、この他、重ね接合によって一体化しても良い。
【００２４】
【実施例】
Ａ６Ｎ０１−Ｔ５アルミニウム押出材からなる幅２００ｍｍ×長さ１０００ｍｍ×厚さ３ｍｍの２枚の薄肉長尺の接合部材（１）（２）を用い、各接合部材（１）（２）の幅方向の端面を突き合わせた。
【００２５】
そして、図１に示した接合装置（１０）と押えローラ（２０）（２１）を用い、接合装置（１０）の回転子（１１）及びプローブ（１２）を回転させて、回転子肩部（１１ａ）が接合部材（１）（２）の表面に当接するまでプローブ（１２）を突合せ部（３）に挿入し、次のようにして摩擦撹拌接合を行った。
【００２６】
ここに、回転子（１１）の外径は３ｍｍ、プローブ（１２）の外径は９ｍｍ、プローブ（１２）の挿入深さは３ｍｍ、プローブ（１２）の移動速度は６００ｍｍ／ｍｉｎである。また、前後の押えローラ（２０）（２１）の外径はともに６０ｍｍであって、プローブ（１２）と前側の押えローラ（２０）との距離を９０ｍｍ、プローブ（１２）と後側の押えローラ（２１）との距離を１００ｍｍにして配置した。
【００２７】
参考例１
後側の押えローラ（２１）の移動速度をプローブ（１２）の移動速度と同じになるように制御すると共に、前側の押えローラ（２０）の移動速度もプローブ（１２）の移動速度と同じになるように制御して、摩擦撹拌接合を行った。
【００２８】
実施例１
後側の押えローラ（２１）の移動速度をプローブ（１２）の移動速度と同じになるように制御すると共に、前側の押えローラ（２０）の移動速度を後側の押えローラ（２１）よりも１０％だけ高速になるように制御して、摩擦撹拌接合を行った。
【００２９】
比較例１
前後両押えローラ（２０）（２１）を用いないで、摩擦撹拌接合を行った。
【００３０】
以上の参考例１、実施例１及び比較例１にて接合した接合品について、目違い、継手効率及び最大たわみ量を検査・測定したところ、表１に示す結果が得られた。
【００３１】
【表１】

【００３２】
表１に示すように、参考例１及び実施例１では、目違いが発生せず、且つ継手効率も比較例に比して向上し、更に最大たわみ量も小さくなっており、高品位の接合品を得ることができることが分かる。また、参考例１及び実施例１のうち、前後の押えローラ（２０）（２１）の移動速度を異ならせて突合せ部（３）に引張り方向のテンションを加えた実施例１は、参考例１よりも継手効率が向上しており、更に最大たわみ量も一段と小さくなっていることが分かる。
【００３３】
【発明の効果】
上述の次第で、請求項１の発明は、両接合部材上において、前記両接合部材上において、前記プローブの移動方向の前後に、プローブが移動する方向に突合せ部又は重合せ部を転動しながら移動する接合部材押えローラを配置し、これら前後の押えローラにより、両接合部材のプローブ前後両側を押えながら、摩擦撹拌接合を行うものであるので、両接合部材が前後両押えローラ間において平坦状になり、両接合部材の接触面積が増加して継手効率を向上させることができる。また、両接合部材が前後両押えローラ間において平坦状になった状態で接合されるので、目違いの発生を防止することができる。加えて、前後の押えローラによって両接合部材のプローブ前後両側が押え付けられた拘束状態のもとで接合されるので、接合による歪みの発生が抑えられ、接合部材の変形を小さくすることができる。したがって、目違いの発生を防止でき、しかも継手効率が高く且つ変形量の少ないといった高品位の接合品を得ることのできる接合方法が提供される。
【００３４】
また、請求項２の発明は、前後の押えローラの移動速度を、後側の押えローラよりも前側の押えローラの方が相対的に高速になるように制御することにより、前後の押えローラ間における突合せ部又は重合せ部に引張り方向のテンションを加えながら、摩擦撹拌接合を行うものであるので、引張り方向のテンションによって両接合部材が更に平坦化され、両接合部材の接触面積が増加して、継手効率をより一層向上させることができる。また、接合により生じる歪みを引張り方向のテンションによって吸収しうるものとなり、接合部材の変形を格段に小さくすることができる。しかも、このようなテンションを発生させる前後の押えローラは、両接合部材上を移動するものであることから、接合部材の長さに制限を受けず、長尺な接合部材であっても簡単に接合歪みを吸収することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施形態を示す斜視図である。
【図２】図１の摩擦撹拌接合に用いる接合部材を突き合わせた状態の斜視図である。
【図３】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…段差
１０…接合装置
１１…回転子
１２…プローブ
２０、２１…接合部材押えローラ

Claims

２枚の板状接合部材（１）（２）同士の突合せ部（３）若しくは重合せ部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）又は重合せ部に沿って相対的に移動させることにより、接合部材（１）（２）同士を突合せ接合又は重ね接合する摩擦撹拌接合法において、
前記両接合部材（１）（２）上において、前記プローブ（12）の移動方向の前後に、プローブが移動する方向に突合せ部（３）又は重合せ部を転動しながら移動する接合部材押えローラ（20）（21）を配置し、これら前後の押えローラ（20）（21）により、両接合部材（１）（２）のプローブ（12）前後両側を押えるとともに、前記前後の押えローラ（20）（21）の移動速度を、後側の押えローラ（21）よりも前側の押えローラ（20）の方が相対的に高速になるように制御することにより、前後の押えローラ（20）（21）間における突合せ部（３）又は重合せ部に引張り方向のテンションを加えながら、摩擦撹拌接合を行うことを特徴とする摩擦撹拌接合法。
２枚の板状接合部材はアルミニウム材からなる請求項１記載の摩擦撹拌接合法。