JP4196158B2 - 摩擦攪拌接合方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、二枚の板状ワークを重ね合せて接合する方法に係り、特に摩擦熱を利用して二枚重ねの板状ワークを所定の接合線に沿って連続接合する摩擦攪拌接合方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の摩擦攪拌接合方法は、一般に図６、７に示すように、大径のツール本体１の先端に硬質のねじピン２を有するツール３を用い、該ツール３を、そのねじピン２のねじ向きと逆方向へ回転させながら、二枚重ねの板状ワーク（通常、アルミニウム系材料）５、６に対してその法線方向から矢印Ａのように接近させ、ねじピン２を二枚重ねの板状ワーク５、６に押込んで、その時発生する摩擦熱によりねじピン２の周りの材料を軟化しかつ攪拌して両板状ワーク５、６をほぼ貫く接合金属７を形成し、その後、ツール３の回転および押込みを維持しながらこれを所定の接合線に沿って矢印Ｂのように移動（相対移動）させて、前記接合金属７を延長するようにしている。
なお、摩擦攪拌接合としては、例えば、特開２０００−１４１０６６号公報に記載されるように、上記ねじピン２と同様の摩擦ピンを二枚重ねの板状ワークに押込んだ後、該摩擦ピンをそのまま接合金属７内に植込んでスポット的に接合する方法もあるが、このような方法においても、摩擦ピン（ねじピン）を、そのねじ向きと逆方向へ回転させながら板状ワークに押込むようにしている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来の摩擦攪拌接合方法によれば、該ツール３のねじピン２をそのねじ向きと逆方向へ回転させながら、すなわち、ねじピン２が左ねじの場合は右方向へ、ねじピン２が右ねじの場合は左方向へそれぞれ回転させながら板状ワーク５、６に押込むため、前記図６に破線矢印で示すように材料がねじピン２の押込み方向へ塑性流動を起こし、これにねじピン２から押圧力も加わって、図７に示したように２枚の板状ワーク５と６との合せ面Ｓ（図６）に比較的大きな隙間８が生じる。この結果、隙間８内に流動化した材料が流入し、この隙間８内に材料が流入する分、接合金属７側で材料不足が起こり、これによりねじピン２の相対移動により形成される接合金属７の上面には、その長手方向に沿って溝状の引けが生じ、この引けが、接合強度を低下させる大きな原因になっていた。
なお、この隙間発生の問題は、二枚の板状ワーク５と６とを強固にクランプすることによりある程度解決可能であるが、この場合は、大型のクランプ手段を必要とするため、設備コストの上昇が避けられず、その上、ねじピン２の押込み近傍を有効にクランプすることが困難なため、薄板を対象にする場合はその変形が避けられず、クランプ効果はほとんど期待できない。
【０００４】
本発明は、上記した従来の問題点に鑑みてなされたもので、その課題とするところは、特別のクランプ手段に頼ることなく二枚の板状ワーク間における隙間発生を抑えることができ、もって接合強度の安定確保に大きく寄与する摩擦攪拌接合方法を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明は、二枚重ねの板状ワークに対し、その面法線方向から前記板状ワークより硬質のねじピンを回転しながら押込み、この押込み後、前記ねじピンを二枚重ねの板状ワークと相対移動させる摩擦攪拌接合方法において、前記ねじピンを二枚重ねの板状ワークに押込む際、該ねじピンをそのねじ向きと同方向に回転させて、該ねじピンの押込み方向と反対方向へ塑性流動を起こし、前記ねじピンを相対移動させる際、該ねじピンをそのねじ向きと逆方向へ回転させることを特徴とする。
このように行う摩擦攪拌接合方法においては、ねじピンをそのねじ向きと同方向へ回転させながら二枚重ねの板状ワークに押込むので、材料が該ねじピンの押込み方向と反対方向へ塑性流動を起こし、したがって、板状ワークの合せ面に隙間が形成されることはなくなる。また、ねじピンの相対移動中は、該ねじピンから押圧力が加わらないので、両板状ワークは密着状態を維持し、したがって、得られる接合金属の上面に溝状の引けが生じることもない。さらに、ねじピンを相対移動させる際は、該ねじピンをそのねじ向きと逆方向へ回転させるので、材料がねじピンの根元側へ逃げることはなく、したがって、接合金属の内部に空洞が生じることもない。
本発明においては、上記ねじピンを二枚重ねの板状ワークに押込んだ後、該ねじピンを備えたツールのショルダー部にて材料を押えながら、該ねじピンを相対移動させるようにするのが望ましく、この場合は、ショルダー部に接触する材料も流動化するので、ねじピンの移動跡への材料補給が円滑となる。
本発明において、上記板状ワークの材種並びにねじ軸の材種は任意であるが、板状ワークとしてアルミニウム系材料を、ねじ軸として、耐熱、耐摩耗性に富む特殊鋼をそれぞれ選択する場合に有用となる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に基いて説明する。
【０００７】
図１乃至図３は、本発明に係る摩擦攪拌接合方法の実施の形態を示したものである。本実施の形態で用いるツール３は、従来用いられていたもの（図４、５）と全く同じもので、大径のツール本体１の先端に小径のねじピン２を同心に設けた段付き形状となっており、ねじピン２の根元の周りの環状の段差面はショルダー部４として提供されている。ねじピン２は、ここでは左ねじとして構成されており、したがって、その左回転により螺進するようになっている。また、このねじピン２を含むツール３は、ここでは耐熱、耐摩耗性に富む高速度工具鋼からなっており、Ｈ_RＣ６２以上の高硬度に熱処理されている。なお、ツール３は、図示を略す駆動装置の回転ヘッドに支持されている。一方、接合すべき二枚の板状ワーク５、６は、ここではアルミニウム系材料からなっており、その板厚は、それぞれ１〜１２ｍｍ程度となっている。
【０００８】
本摩擦攪拌接合の方法の実施に際しては、接合すべき二枚の板状ワーク５、６を重ね合せてセットし、適宜のクランプ手段により両板状ワーク５、６を相対移動不能に位置固定する。次に、図示を略す駆動装置のヘッドの作動により、図２に示すようにツール３を、前記二枚重ねの板状ワーク５、６における接合始端部Ｐ１に位置決めし、ねじピン２のねじ向きと同方向へ回転（ここでは、左回転）させながら、二枚重ねの板状ワーク５、６に対し、その面法線方向から矢印Ａのように接近させる。すると、ねじピン２は、先ず上側の板状ワーク５に回転しながら押込まれ、このねじピン２の回転押込みにより、該ねじピン２とその周りの材料との間に摩擦熱が発生し、この摩擦熱により板状ワーク５の材料が軟化して流動化しかつ攪拌される。この材料の流動化および攪拌は、ねじピン２の回転押込みに応じて下側の板状ワーク６まで拡大し、遂には、図１に示すように両板状ワーク５、６をほぼ貫く接合金属７が形成される。
【０００９】
上記ねじピン２の回転押込みに際しては、ねじピン２が、そのねじ向きと同方向へ回転していることから、流動化した材料がこのねじピン２の押込み方向（Ａ）と反対方向すなわちねじピン２の根元側へ塑性流動を起こし、したがって、二枚重ねの板状ワーク５と６との合せ面Ｓには、従来のように隙間８（図５）が形成されることはなくなる。一方、このねじピン２の根元側へ塑性流動した材料はツール３のショルダー部４と接触して流動状態を維持する。
さらに、ねじピン２の回転とその螺進方向とが一致しているので、板状ワーク５、６に対するツール３の押込荷重は、従来のように逆回転させる場合に比べて著しく低減し、その分、前記駆動手段に要求される動力が小さくて済み、その上、設備に要求される剛性も小さくなり、この結果、設備コストは低減する。
【００１０】
その後、図３に示すように、図示を略す駆動手段のヘッドの作動により、ツール３を、ねじピン２のねじ向きと逆方向へ回転させ、該ねじピン２の押込み状態を維持しながら、これを所定の接合線に沿って矢印Ｂのように平行移動させる。すると、ねじピン２の移動方向Ｂの前側の材料が摩擦熱により流動化すると共に攪拌され、ねじピン２の移動跡へ補給され、これにより接合金属７が次第に延長する。この時、ツール３のショルダー部４と接触する材料も流動化しているので、ねじピン２の移動跡への材料補給は円滑となり、得られる接合金属７のボリュウムは十分となる。そして、ツール３が接合終端Ｐ２に到達した段階では、所定の長さを有する接合金属７が形成され、両板状ワーク５と６とは該接合金属７を介して強固に接合一体化される。なお、接合終端では、ねじピン２の抜け跡に対する材料補給がないので、接合終端にはねじピン２の抜け跡としての凹部が形成される。
【００１１】
しかして、上記ねじピン２の平行移動に際しては、ねじピン２から押圧力が加わらないので、両板状ワーク５と６とは密着状態を維持し、したがって、得られる接合金属７の上面に溝状の引けが生じることはなく、接合強度は十分となる。また、ねじピン２の平行移動に際しては、ねじピン２をそのねじ向きと逆方向へ回転させているので、ねじピン２の周りの流動化した材料はねじピン２の先端側へ塑性流動を起こして圧密化され、したがって、得られた接合金属７の内部に空洞が生じることはない。因みに、ねじ軸２を、そのねじ向きと同方向へ回転させながら平行移動させた場合は、材料がねじピン２の根元側へ逃げるので、接合金属７の内部に空洞が生じてしまう。
【００１２】
なお、上記実施の形態においては、二枚重ねの板状ワーク５、６を位置固定してツール３を平行移動させたが、これに代えて、ツール３を位置固定して板状ワーク５、６を平行移動させてもよいことはもちろんである。
また、上記実施の形態においては、板状ワーク５、６としてアルミニウム系材料を、ねじピン２として高速度工具鋼を用いたが、本発明は、これらの材種を限定するものではなく、板状ワーク５、６としては、他にマグネシウム系材料、銅系材料等を、ねじピン２としては、他に合金工具鋼、超硬、セラミックス等の高硬度材料をそれぞれ用いることができる。
【００１３】
【実施例】
接合すべき二枚の板状ワークのうち、上側板状ワーク５として、JIS A5454-0 アルミニウム合金展伸材（板厚４mm）、下側板状ワーク６として、JIS A6061-T4 アルミニウム合金展伸材（板厚７mm）を選択し、また、上記ツール３として、直径12mmのツール本体１の先端にＭ５左ねじで長さ5mmのねじピン２を備えたものを用い、ツール３の回転数：1400rpm、ツール３の移動速度：40mm/min、ツール３の前進角（押込み角）：３度の条件で、ねじピン２の押込み時にはツール３を左回転（同方向回転）させ、ねじピン２の移動時にはツール３を右回転（逆方向回転）させて摩擦攪拌接合（実施例）を行い、接合後、接合金属７を中心にワークを横断的に切断して、接合部のマクロ組織を観察した。また、比較のため、前記同様の板状ワーク５、６およびツール３を用い、前記同様の条件で、ねじピン２の押込み時および移動時共にツール３を右回転（逆方向回転）させて摩擦攪拌接合を行い（比較例）、接合後、前記同様に接合部のマクロ組織を観察した。
【００１４】
図４は、本発明の実施例による接合部のマクロ組織を示したもので、上側板状ワーク５と下側板状ワーク６とは相互に密着する状態で接合金属７により確実に接合されている。また、この接合金属７には、その上面側における溝状の引けや内部空洞が全く認められず、極めて健全であることが明らかである。なお、接合金属７の上部側に認められる境界線Ｌは、ツール３のねじピン２により流動化された材料とショルダー部４により流動化された材料との界面である。
図５は、比較例による接合部のマクロ組織を示したもので、上側板状ワーク５と下側板状ワーク６との間には隙間８（図７参照）が形成されると共に、この隙間８内に材料が流入している様子が明らかである。また、その接合金属７の上面側には、かなり大きな溝状の引け１０が認められ、接合強度の面で大きな問題を有することが明らかとなった。
【００１５】
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明に係る摩擦攪拌接合方法によれば、ねじピンの押込時にはそのねじ向きと同方向へ、板状ワークに対するねじピンの相対移動時にはそのねじ向きと逆方向へそれぞれねじピンを回転させるようにしたので、接合金属の内外部に、接合欠陥としての空洞や溝状引けが形成されることはなくなり、所望の接合強度を安定的に確保できるものとなる。また、二枚重ねの板状ワークを強固に押えるクランプ手段も不要となるので、設備コストの可及的低減ヲ達成でき、総じてその利用価値は大なるものがある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る摩擦攪拌接合方法におけるねじピン押込み時の最終段階を示す断面図である。
【図２】本摩擦攪拌接合方法におけるねじピン押込みの直前の状態を示す断面図である。
【図３】本摩擦攪拌接合方法におけるねじピン相対移動後の接合部の状態を示す断面図である。
【図４】本発明の実施例による摩擦攪拌接合後の接合部の組織を示す写真である。
【図５】従来の摩擦攪拌接合方法による接合部の組織を示す写真である。
【図６】従来の摩擦攪拌接合方法におけるねじピン押込み時の初期段階を示す断面図である。
【図７】従来の摩擦攪拌接合方法におけるねじピン押込み時の最終段階を示す断面図である。
【符号の説明】
１ ツール本体
２ ねじピン
３ ツール
４ ショルダー部
５、６ 二枚の板状ワーク
７ 接合金属

Claims (3)

1. 二枚重ねの板状ワークに対し、その面法線方向から前記板状ワークより硬質のねじピンを回転しながら押込み、この押込み後、前記ねじピンを二枚重ねの板状ワークと相対移動させる摩擦攪拌接合方法において、前記ねじピンを二枚重ねの板状ワークに押込む際、該ねじピンをそのねじ向きと同方向に回転させて、該ねじピンの押込み方向と反対方向へ塑性流動を起こし、前記ねじピンを相対移動させる際、該ねじピンをそのねじ向きと逆方向へ回転させることを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
2. ねじピンを二枚重ねの板状ワークに押込んだ後、該ねじピンを備えたツールのショルダー部にて材料を押えながら、該ねじぴんを相対移動させることを特徴とする請求項１に記載の摩擦攪拌接合方法。
3. 板状ワークがアルミニウム系材料からなり、ねじピンが特殊鋼からなることを特徴とする請求項１または２に記載の摩擦攪拌接合方法。

Images