JP4195579B2

JP4195579B2 - 摩擦攪拌接合材及びその製造方法

Info

Publication number: JP4195579B2
Application number: JP2002134085A
Authority: JP
Inventors: 慶訓加藤; 勝美鳥取; 泰宏金川; 悦己広本; 幸男真鍋
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2002-05-09
Filing date: 2002-05-09
Publication date: 2008-12-10
Anticipated expiration: 2022-05-09
Also published as: JP2003326376A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、摩擦攪拌接合型材及びその製造方法に関し、特に、鉄道車両、船舶、及び航空機等の大型構造物に用いられる摩擦攪拌接合型材の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、鉄道車両、船舶、及び航空機等の大型構造物に用いられ、長手方向に延材する長尺な中空型材等の二面構造体（パネル）は押し出し成形材を複数平行に配設したものを突き合わせ接合して構成されてあり、このような押し出し型材同士を接合する際には、例えば、ＭＩＧ溶接等を用いて突き合わせ接合部を形成する等がある。しかしながら溶融接合する方法では熱歪み等の問題が生じる。
【０００３】
一方、特表平７−５０５０９０号公報には、摩擦攪拌接合による部材同士の接合が記載されており固相接合方法として、加工物より実質的に硬い材質からなる回転ツ−ルを加工物の接合部に挿入し、回転ツ−ルを回転させながら移動することにより、回転ツ−ルと加工物との間に生じる摩擦熱による塑性流動によって加工物を接合する接合方法がある。
【０００４】
かかる摩擦攪拌接合法は、接合部材を固相状態で、回転ツ−ルを回転させながら移動して軟化させた部分を一体化しながら接合できるために、熱歪みがなく接合方向に対して実質的に無限に長い部材でもその長手方向に連続的に固相接合できる利点がある。さらに、回転ツ−ルと接合部材との摩擦熱による金属の塑性流動を利用した固相接合のため、接合部を溶融させることなく接合できる。また、接合温度が低いため、接合後の変形が少ない。接合部は溶融されないため、欠陥が少ないなどの多くの利点がある。
【０００５】
このような摩擦攪拌接合の際には、工具で押し付けながら接合が行われるため、接合部に極めて大きな押し付け力が作用する。従って、押しつけ力による型材の変形等を防止するため、工具と反対側に押し付け力を支える支持部材が必要となる。
【０００６】
一方、摩擦攪拌接合を行う際、工具として、ピン（プローブ）をその両端から所定の間隔をおいて挟むよう二つのショルダ部を有するものを用いて、二つのショルダ部によって接合部を表面及び裏面方向から挟むようにして型材を接合することが行われている。この手法によれば、二つのショルダ部によって接合部を表面及び裏面から挟んでいる関係上、押し付け力が極めて少なく、前述の支持部材等が不要となる。
【０００７】
ところが、二つのショルダ部を有する工具（ボビンツールと呼ぶ）を用いた際、ショルダ部の間隔と接合部との間に空隙があると、接合部に圧力がかからないため、空洞的な欠陥が発生してしまう。ショルダ部の間隔と接合部の厚さが同一の場合には、接合部が接合部以外の厚さより薄くなる。このため、接合部の品質に問題が発生することがある。
【０００８】
また、接合部にギャップ（隙間）が存在すると、ボビンツールを用いて接合部を接合する際、ギャップを補充することができず、接合欠陥が生じることがある。
【０００９】
このような不具合に対処するため、例えば、特開２００２−１８５８０公報に記載されたものが知られている（以下従来例と呼ぶ）。従来例では、上下ショルダ部の間に挟まれる接合材の接合部厚さを、上ショルダ部と下ショルダ部との間隔よりも大きくして、接合を行っている。具体的には、従来例では、互いに対向する二つの接合材の接合部をはめ込み構造として、接合の厚さを接合部以外の厚さよりも局部的に厚くして、さらに、接合部の厚みを上下ショルダ部の間隔よりも大きくしている。これによって、摩擦熱によって接合部のギャップが変化することを防止するとともに、接合後の接合部の厚さが他の部分よりも薄くなることを防止している。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来例においては、予め接合部の厚さを上下ショルダ部の間隔よりも局部的に大きくしておく必要があり、接合過程（製造過程）において、接合部に生じるギャップが異なることを考慮すると、接合部の厚さを接合部以外の部分に対してどの程度厚くしておければよいか事前に知ることは難しい。つまり、ギャップを考慮して、予め接合部の厚さを上下ショルダ部の間隔よりも局部的に大きくしておくことは極めて困難であり、ギャップが大きいと、接合部の厚さを上下ショルダ部の間隔よりも局部的に大きくしておいても、接合過程においてギャップが十分に補充できないことがある。このため、接合欠陥が生じる恐れがある。
【００１１】
本発明の目的は接合欠陥の生じない摩擦攪拌接合材の製造方法を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、被加工物に摩擦熱を付与する円形ショルダを長手方向に延在する型材同士の突き合わせ接合部の表側若しくは表裏両側に摩擦熱を付与させつつ回転させて、前記接合部付近を塑性流動させつつ被加工物同士の摩擦攪拌接合を行って摩擦攪拌接合材を形成する製造方法において、
前記型材同士の突き合わせ接合部を幅域方向若しくは高さ方向に嵌め込みされる嵌合構造とし、前記接合部の前記円形ショルダとの摩擦力付与面側に前記ショルダ面の直径より小の幅域の板材を前記接合部の延在方向に沿って固定するとともに、前記板材の工具突入端を徐々に薄肉化するようにし、前記ショルダ面の摩擦熱を前記板材を介して前記接合部に加え、前記接合部を塑性流動させて前記型材同士を接合するようにしたことを特徴とする摩擦攪拌接合材の製造方法が得られる。
【００１３】
かかる発明によれば、型材同士をその接合部で嵌合して摩擦力付与面側にショルダ面の直径以下の幅域の板材が接合部の延在方向に沿って固定されているから、接合部のギャップに応じて板材の厚さ等を容易に設定することができ、その結果、接合過程において、ギャップを十分に補充することができる。従って、接合欠陥が生じることがない。
【００１４】
本発明では、工具はプローブを挟んで接合部の表裏両側に位置する一対のショルダ部を有するボビンツールが好ましく、一対のショルダ部の間隔が前記接合部の厚さ以上で前記板材を加えた厚さより小に設定されている。このようにすれば、ショルダ部から板材を介して接合部に十分な摩擦熱を付与することができ、良好に摩擦攪拌接合を行うことができる。
【００１５】
本発明では、前記板材は型材と同一の材質か若しくは、それより融点の低い材質が好ましく、その固定が、前記摩擦熱による温度よりもその蒸発温度が低い接着剤か若しくはスポット溶接で前記接合部に固定されている。このように、板材を型材と同一の材質か若しくは、それより融点の低い材質とすれば、板材は型材とともに摩擦攪拌接合されることになり、しかも、板材と型材との固定を接着剤で行えば、簡単に固定を行うことができ、接着剤はその蒸発温度が摩擦熱による温度よりも低いから、摩擦攪拌接合の過程で接着剤は蒸発してしまうので、何等問題はない。さらに、スポット溶接によって、板材と型材とを固定すれば、簡単に仮固定を行うことができる。
【００１６】
本発明では、前記板材の断面面積を前記接合部に生じる嵌合隙間の総面積の１倍以上３倍以下とするのが良い。このように規定することによって、良好に摩擦攪拌接合することができる。なお、前記板材の厚さを前記接合部に生じる嵌合隙間の１倍以上３倍以下とするようにしても、同様に、良好に摩擦攪拌接合することができる。
【００１７】
本発明では、前記板材の幅を前記接合部に形成される嵌合部幅以上でショルダ直径以下とするのが良い。ここでは、板材の幅を接合部に形成される嵌合部幅以上で、ショルダ直径以下としたから、板材がショルダ部（つまり、工具）からはみ出すことがなく、良好に摩擦攪拌接合を行うことができる。
【００１８】
本発明によれば、前記板材の工具突入端が徐々に薄肉化されている。このようにすれば、摩擦攪拌接合の際、接合部の始点にボビンツール等の工具を容易に挿入することができることになる。
【００１９】
さらに、本発明においても、例えば、工具はプローブを挟んで接合部の表裏両側に位置する一対のショルダ部を有するボビンツールとして、前記一対のショルダ部の間隔を前記接合部の厚さ以上で前記板材を加えた厚さより小に設定するようにしてもよく、前記板材を型材と同一の材質か若しくは、それより融点の低い材質として、その固定を前記摩擦熱による温度よりもその蒸発温度が低い接着剤か若しくはスポット溶接で前記接合部に固定するようにしてもよい。
【００２０】
加えて、前記板材の幅は前記接合部に形成される嵌合部幅以上でショルダ直径以下とされ、嵌合部が幅域方向の離接動作で嵌め合い可能にする。そして、前記板材の工具突入端を徐々に薄肉化する。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下本発明について図面を参照して説明する。なお、図示の例に記載された構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に限定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
【００２２】
図１を参照して、図示の工具１１は細いプローブ１２とこのプローブ１２を挟む一対の断面円形のショルダ部１３及び１４を有しており、このような工具はボビンツールと呼ばれる。ショルダ部１３の下面及びショルダ部１４の上面には円形ショルダ面１３ａ及び１４ａが生成されており、ショルダ面１３ａ及び１４ａによって、後述するようにして、被加工物である型材同士の突き合わせ接合部に摩擦熱が付与される。
【００２３】
図示のように、ショルダ部１３及び１４の直径（Ａ）はプローブ１２の直径よりも大きく、ショルダ部１３及び１４の間隔（つまり、ショルダ面１３ａ及び１４ａの間隔）（Ｂ）は、後述する板材の厚さと突き合わせ接合部の厚さに応じて設定される。
【００２４】
図２を参照して、ここでは、例えば、鉄道車両に用いられる長尺型材同士の接合について説明する。長尺型材２１及び２２は、例えば、断面コ字形状の押出し型材であり、アルミニウム合金製である。図示の例では、型材（長尺型材）２１は、長手方向（図２において、紙面の表側から裏側の方向（長尺方向））に延びており（例えば、２５メートル程度）、面板部２１ａ及び２１ｂを備えている。これら面板部２１ａ及び２１ｂは、面板部２１ａ及び２１ｂに対して垂直に配置されたリブ部材２１ｃによって予め規定された間隔に保持されている。長尺型材２１の一端部（図中右側）には接合部が規定されおり、この一端部（つまり、面板部２１ａ及び２１ｂの一端部）に幅方向に凹状の嵌合溝２１ｄが形成されている。そして、この嵌合溝は長尺方向に延びている。
【００２５】
同様に、長尺型材２２は、長手方向に延びており、面板部２２ａ及び２２ｂを備えている。これら面板部２２ａ及び２２ｂは、面板部２２ａ及び２２ｂに対して垂直に配置されたリブ部材２２ｃによって予め規定された間隔に保持されている。長尺型材２２の一端部（図中左側）には接合部が規定されている。この一端部（つまり、面板部２２ａ及び２２ｂの一端部）には幅方向に凸状の嵌合突部２２ｄが形成形成されており、この嵌合突部は長尺方向に延びている。
【００２６】
長尺型材２１及び２２を摩擦攪拌接合によって接合する際には、長尺部材２１及び２２を架台（図示せず）上に固定して、嵌合溝２１ｄに嵌合突部２２ｄを嵌合して長尺部材２１及び２２を組み合わせる（突き合わせる）。つまり、長尺型材２１及び２２は嵌合構造によって組み合わされることになる。この際、不可避的に嵌合隙間（嵌合ギャップ）が生じる。このような嵌合隙間が生じると、前述したように、この嵌合隙間に起因して接合不良が生じることがある。このため、接合部に沿って予め板材３１を接合部の延在方向に沿って固定する。板材３１は長尺型材２１及び２２と同一の材質か又は長尺型材２１及び２２よりも融点の低い材質であり、板材３１を固定する際には、ボビンツール１１によって付与される摩擦熱による温度よりも、その蒸発温度が低い接着剤を用いて、板材３１の固定が行われる。
【００２７】
図２では、板材３１は接合部の表面側に固定されているが、接合部の裏面側にも板部材３１が接合部に沿って固定される場合もある。つまり、板材３１はボビンツール１１が摩擦力を付与する摩擦力付与面側に固定されることになる。
【００２８】
ここで、図３及び図４も参照して、いま、嵌合幅をＧ、板材３１の幅をＣとすると、Ｇ＜Ｃ≦Ａ（Ａはショルダ部１３及び１４の直径）に規定される。さらに、接合部の厚さ、つまり、長尺型材２１及び２２の厚さ（言い換えると、面板部２１ａ、２１ｂ、２２ａ、及び２２ｂの厚さ）をＤ、板材３１の厚さをＥとすると、Ｄ≦Ｂ（Ｂはショルダ部１３及び１４の間隔）とされ、さらに、２×Ｅ＋Ｄ＞Ｂに設定される。
【００２９】
摩擦攪拌接合を行う際には、ボビンツール１１を長尺方向に延びる接合部の始点Ｓから終点（図示せず）まで移動させることになるが、図示の例では、板材３１のボビンツール突入端がナイフエッジ状に徐々に薄肉化されている。つまり、板材３１は始点Ｓにおいて前方に向かってその肉厚が薄くなるようにナイフエッジ状に傾斜して、傾斜面が形成されている（つまり、始点Ｓは傾斜端となっている）。
【００３０】
いま、プローブ１２及び一対のショルダ部１３及び１４を一体的に回転させて（例えば、図４において、太線矢印で示す方向）、ボビンツール１１を始点Ｓから挿入する。この際、前述のように、板材３１はその肉厚が薄くなるようにナイフエッジ状に傾斜しているから、始点Ｓにおいては、接合部の厚さはほぼＤに等しい。そして、Ｄ≦Ｂであるから、容易にボビンツール１１を接合部に挿入することができることになる。
【００３１】
ボビンツール１１を回転させつつ、接合部に沿って移動させる。前述のように、板材３１はその肉厚が薄くなるようにナイフエッジ状に傾斜しているから、始点Ｓを過ぎると、板材３１の厚さと接合部の厚さの合計はショルダ部１３及び１４の間隔よりも徐々に大きくなり、この結果、ショルダ部１３及び１４によってそれぞれ摩擦力が板材３１を介して接合部に付与されることになる。そして、突入端（つまり、板材３１の先端部）を過ぎると、接合部と板材３１との合計厚さは２×Ｅ＋Ｄとなって、強い摩擦力が板材３１に付与されることなって、摩擦熱及び攪拌作用によって接合部が板材３１とともに摩擦攪拌接合されることになる。
【００３２】
この際、嵌合隙間は接合部の表面側及び裏面側から板材３１で埋められることになる。そして、接着剤はその蒸発温度がボビンツール１１によって付与される摩擦熱による温度よりも低いから、摩擦攪拌接合が行われると、蒸発してしまい、品質に影響を与えることがない。
【００３３】
発明者等の実験によれば、前述のように、Ｇ＜Ｃ≦Ａに規定するとともに、Ｄ≦Ｂ＜２×Ｅ＋Ｄに規定して、二つの板材３１の断面面積を種々変化させて摩擦攪拌接合を行ったところ、この断面積を、接合部に生じる嵌合隙間の総面積の１倍以上３倍以下とすれば、嵌合隙間を埋めて良好に摩擦攪拌接合できることがわかった。
【００３４】
なお、板材３１の合計厚さを接合部に生じる嵌合隙間幅の１倍以上３倍以下としても、嵌合隙間を埋めて良好に摩擦攪拌接合できることがわかった。また、摩擦攪拌接合に当たっては、例えば、ボビンツール１１の回転数は８００〜２０００ｒｐｍ、送り速度（ボビンツール１１の移動速度）は１００〜１０００ｍｍ／分とされる。
【００３５】
このようにして、面板部２１ａ及び２２ａを開先で摩擦攪拌接合した後、反転して、同様にして、面板部２１ｂ及び２２ｂを摩擦攪拌接合して、摩擦攪拌接合によって長尺型材２１及び２２を長尺摩擦攪拌接合材とする。
【００３６】
なお、上述の例では、板材３１の固定に当たって接着剤を用いたが、スポット溶接によって板材３１を接合部に仮固定するようにしてもよい。
【００３７】
上述の例では、嵌合構造として幅方向に凹の嵌合溝２１ｄ及び幅方向に凸の嵌合突部２２ｄを用いる例について説明したが、図５に示す嵌合構造を用いる用にしてもよい。つまり、面板部２１ａの一端部に厚さ（高さ）方向に凹の嵌合溝４１ａを形成するとともに、厚さ方向に凸の嵌合突部４１ｂを形成する。同様にして、面板部２２ａの一端部に厚さ方向に凸の嵌合突部４２ａを形成するとともに、厚さ方向に凹の嵌合溝４２ｂを形成する。なお、図示はしないが、面板部２１ｂ及び２２ｂにも同様に、厚さ方向に凹の嵌合溝及び厚さ方向に凸の嵌合突部が形成される。そして、図５に示すように、嵌合溝４１ａに嵌合突部４２ａを嵌合するとともに、嵌合溝４２ｂに嵌合突部４１ｂを嵌合して、長尺型材２１及び２２を組み合わせる（突き合わせる）ようにしてもよい。その後、前述のように、接合部に沿って板材３１が固定され、摩擦攪拌接合が行われる。
【００３８】
さらに、図６に示す嵌合構造を用いる用にしてもよい。つまり、面板部２１ａの一端部にその裏面側から厚さ方向に切り欠きを設けて、係止突部５１を形成するとともに、面板部２２ａの一端部にその表面側から厚さ方向に切り欠きを設けて、係止片部５２を形成する。なお、図示はしないが、面板部２１ｂ及び２２ｂにも同様にして、係止突部及び係止片部が形成される。そして、図６に示すように、係止突部５１を係止片部５２に係止して長尺型材２１及び２２を組み合わせる（突き合わせる）ようにしてもよい。その後、前述のように、接合部に沿って板材３１が固定され、摩擦攪拌接合が行われる。
【００３９】
なお、上述の例では、工具としてボビンツールを用いたが、一つのショルダ部にプローブが垂設された工具を用いて摩擦攪拌接合を行う際にも、同様にして接合部に板材を固定して板材を介して摩擦熱を付与するようにすればよい。つまり、接合部にショルダ部による押圧力を受ける部材（リブ部材等）が存在する際には、ボビンツールを用いることはできないが、この際においても、一つのショルダ部にプローブが垂設された工具を用いて接合部に板材を固定して板材を介して摩擦熱を付与するようにすればよい。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、型材同士の突き合わせ接合部を幅域方向又は高さ方向に嵌め込みされる嵌合構造として、接合部の円形ショルダとの摩擦力付与面側にショルダ面の直径以下の幅域の板材を接合部の延在方向に沿って固定して、ショルダ面の摩擦熱を板材を介して接合部に加え、接合部を塑性流動しつつ型材同士を接合するようにしたので、接合部のギャップ（隙間）に応じて板材の厚さ等を容易に設定することができ、その結果、接合過程において、ギャップを十分に補充することができるという効果があり、接合欠陥が生じることがない。
【００４１】
又、本発明は工具として、プローブを挟んで接合部の表裏両側に位置する一対のショルダ部を有するボビンツールを用いて、一対のショルダ部の間隔を接合部の厚さ以上で、板材を加えた厚さより小に設定したから、ショルダ部から板材を介して接合部に十分な摩擦熱を付与することができ、良好に摩擦攪拌接合を行うことができるという効果がある。
【００４２】
更に、本発明は板材を型材と同一の材質か又はそれより融点の低い材質として、板材の固定を、摩擦熱による温度よりもその蒸発温度が低い接着剤か又はスポット溶接で行うようにしたので、板材は型材とともに摩擦攪拌接合されることになり、しかも、板材と型材との固定を接着剤で行えば、簡単に固定を行うことができ、接着剤はその蒸発温度が摩擦熱による温度よりも低いから、摩擦攪拌接合の過程で接着剤は蒸発してしまい、品質に影響することがない。そして、スポット溶接によって、板材と型材とを固定しても、簡単に仮固定を行うことができるという効果がある。
【００４３】
又、本発明は、板材の断面面積を接合部に生じる嵌合隙間の総面積の１以上３倍以下としたので、良好に摩擦攪拌接合することができるという効果がある。さらに、板材の厚さを接合部に生じる嵌合隙間の１倍以上３倍以下とすれば、同様に、良好に摩擦攪拌接合することができるという効果がある。
【００４４】
更に本発明は、板材の幅を接合部に形成される嵌合部幅より大でショルダ直径以下としたので、板材がショルダ部からはみ出すことがなく、良好に摩擦攪拌接合を行うことができるという効果がある。
【００４５】
更に本発明は、板材の工具突入端を徐々に薄肉化するようにしたので、摩擦攪拌接合の際、接合部の始点にボビンツール等の工具を容易に挿入することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による摩擦攪拌接合で用いられるボビンツールの一例を示す側面図である。
【図２】型材同士の突き合わせ接合部に板材を固定した状態を示す斜視図である。
【図３】図１に示すボビンツールを用いて摩擦攪拌接合を行う状態を示す断面図である。
【図４】型材同士の突き合わせ接合部を摩擦攪拌溶接する状態の一例を示す断面図である。
【図５】型材同士の突き合わせ接合部を摩擦攪拌溶接する状態の他の例を示す断面図である。
【図６】型材同士の突き合わせ接合部を摩擦攪拌溶接する状態のさらに他の例を示す断面図である。
【符号の説明】
１１工具（ボビンツール）
１２プローブ
１３，１４ショルダ部
２１，２２型材（長尺型材）
３１板材

Claims

被加工物に摩擦熱を付与する円形ショルダを長手方向に延在する型材同士の突き合わせ接合部の表側若しくは表裏両側に摩擦熱を付与させつつ回転させて、前記接合部付近を塑性流動させつつ被加工物同士の摩擦攪拌接合を行って摩擦攪拌接合材を形成する製造方法において、
前記型材同士の突き合わせ接合部を幅域方向若しくは高さ方向に嵌め込みされる嵌合構造とし、前記接合部の前記円形ショルダとの摩擦力付与面側に前記ショルダ面の直径より小の幅域の板材を前記接合部の延在方向に沿って固定するとともに、前記板材の工具突入端を徐々に薄肉化するようにし、前記ショルダ面の摩擦熱を前記板材を介して前記接合部に加え、前記接合部を塑性流動させて前記型材同士を接合するようにしたことを特徴とする摩擦攪拌接合材の製造方法。
工具はプローブを挟んで接合部の表裏両側に位置する一対のショルダ部を有するボビンツールであり、前記一対のショルダ部の間隔を前記接合部の厚さより大で前記板材を加えた厚さより小に設定したことを特徴とする請求項１に記載の摩擦攪拌接合材の製造方法。
前記板材は型材と同一の材質か若しくは、それより融点の低い材質であり、その固定が前記摩擦熱による温度よりもその蒸発温度が低い接着剤か若しくはスポット溶接で前記接合部に固定するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の摩擦攪拌接合材の製造方法。
前記板材の幅を前記接合部に形成される嵌合部幅以上ショルダ直径以下としたことを特徴とする請求項１に記載の摩擦攪拌接合材の製造方法。