JP4321017B2

JP4321017B2 - 摩擦撹拌接合方法及び摩擦撹拌接合用回転ツール

Info

Publication number: JP4321017B2
Application number: JP2002217809A
Authority: JP
Inventors: 浩二野村; 益治新井; 尚範中村; 実鈴木; 泰成藤沢; 圭亮内田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2002-07-26
Filing date: 2002-07-26
Publication date: 2009-08-26
Anticipated expiration: 2022-07-26
Also published as: JP2004058084A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は，アルミ板同士を接合させるための摩擦撹拌接合方法に関し、特に詳細には、先端に円柱形状の先端ピンが突出した回転ツールを、回転させながら押圧することにより行う摩擦撹拌接合方法において、強い接合強度を得るための条件に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より，アルミ同士を接合させるために摩擦撹拌接合方法が利用されている。そして、従来より、先端に円柱形状の先端ピンが突出した回転ツールを、回転させながら押圧することによる摩擦撹拌接合方法が使われている。例えば、特開２００１−３２１９６７号公報には、図１４に示すように、点接合用の回転ツールとして、円柱形状の本体１００の先端に円柱形状の先端ピン１０１が形成されたものが記載されている。これにより、２枚のアルミ板１０２，１０３とを点接合させる。このとき、アルミ板には、摩擦撹拌接合により圧入穴１０５が形成され、圧入穴１０５の周囲には、接合部１０４が形成される。
【０００３】
接合部１０４は、アルミが再結晶温度である摂氏約４００度以上、溶融温度である摂氏約６００度以下の温度となり、２枚の板のアルミが半溶融状態で撹拌された部分である。この摩擦撹拌により、２枚のアルミ板１０２，１０３が接合される。
同公報にはまた、図１５に示すように、先端ピンを２段以上に形成することが記載されている。すなわち、先端ピン１０６の本体１００との中間に階段部１０７が形成されている。これにより、撹拌される部分が増大し、接合部１０４の範囲を拡大でき、接合強度を大きくすることができるとしている。
【０００４】
また、特開２０００−２４６４６５号公報には、図１６に示すように、回転ツールの円柱形状の本体１１０に階段部１１３、さらに、先端ピン１１１が形成されている。階段部１１３及び先端ピン１１１の外周には、ネジが形成されている。
先端ピン１１１が階段部１１３の端面と連続する部分には、階段部１１３の端面側に凹部１１２が形成されている。凹部１１２は、先端ピン１１１の外周がそのまま入り込む形状で形成されている。同様に、階段部１１３が本体１１０の端面と連続する部分には、本体１１０の端面側に凹部１１４が形成されている。凹部１１４は、階段部１１３の外周がそのまま入り込む形状で形成されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら，従来の摩擦撹拌接合方法には、次のような問題点があった。
（１）自動車のボディ部品等の接合に摩擦撹拌接合を利用しようとしたときに、従来の方法では、接合強度が規格強度を満足することができない場合があった。そこで、本発明者らは、摩擦撹拌接合による強度に与える要因の分析を行い、何が接合強度に影響を与えるかという要因を突き止めた。
それによれば、特開２００１−３２１９６７号公報等で主張されている、撹拌部分を増加させると、強度が増加するという仮説自体が、ある条件を必要としており、その条件下では正しいが、その条件から外れると正しくないことを発見した。その詳細については、実施の形態の項で説明する。
【０００６】
（２）別の問題として、従来の摩擦撹拌接合を用いた点接合では、回転ツールをロボットに持たせて加工を行うため、回転ツールをアルミ板に対して垂直に押圧できない場合が起こる。その場合に、下側のアルミ板の下表面にバリが発生する問題があった。ここで、自動車のボディ部品等で下側のアルミ板の下面が、直接自動車ユーザーの眼に触れる場合があり、特に問題となる。
【０００７】
本発明は，従来の摩擦撹拌接合方法が有する問題点を解決するためになされたものであり、アルミ板同士を十分強い強度で接合可能な、摩擦撹拌接合方法及び摩擦撹拌接合用回転ツールを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この課題の解決を目的としてなされた摩擦撹拌接合方法及び摩擦撹拌接合用回転ツールは、次の構成を有している。
（１）先端に円柱形状の先端ピンが突出した回転ツールを、回転させながら押圧することにより、アルミ板同士を接合させる摩擦撹拌接合方法であって、回転ツールが、先端ピンから外周方向に向かって所定角度の傾斜部を備える。
（２）（１）に記載する摩擦撹拌接合方法において，前記所定角度が５度以上２５度以下であることを特徴とする。
【０００９】
上記発明の作用を説明する。先端に円筒形状で外周にネジが形成された先端ピンが突出した回転ツールを、回転させながら押圧することにより、アルミ板同士を接合させる摩擦撹拌接合方法であって、回転ツールが、先端ピンから外周方向に向かって所定角度の傾斜部（傾斜角度５度〜２５度）を設けているので、摩擦撹拌接合の工程において、２枚のアルミ板の接合界面が上に上昇しようとするのを妨げることができ、接合界面の巻き上げを防止して、接合強度を強くすることができる。
【００１０】
（３）（２）に記載する摩擦撹拌接合方法において，前記回転ツールの押圧する時間を、前記アルミ板の残存板厚により管理することを特徴とする。
（１）または（２）の発明を実施した場合に、２枚のアルミ板を回転ツールで押圧する時間が長すぎると、接合界面の巻き上げが発生し、接合強度を弱めてしまう恐れがある。本発明では、回転ツールの押圧する時間を、アルミ板の残存板厚により管理しているので、接合界面での巻き上げの発生を防止することができ、接合強度を強くすることができる。
【００１１】
（４）（１）乃至（３）に記載する摩擦撹拌接合方法において，前記回転ツールと、前記アルミ板の反対側にあって前記回転ツールの押圧力を受ける受けツールの表面が、半径１００ｍｍ以上１５０ｍｍ以下の曲率を有することを特徴とする。
これによれば、回転ツール及び受けツールをロボットアームに取り付けて、２枚のアルミ板の摩擦撹拌接合を行ったときに、アルミ板に対して回転ツールの垂直が少しずれても、回転ツールと受けツールとでアルミ板を均一な力で保持しながら摩擦撹拌接合が行えるため、下側のアルミ板の下面にバリが発生することがない。
【００１２】
（５）先端に円柱形状の先端ピンが突出した回転ツールを、回転させながら押圧することにより、アルミ板同士を接合させる摩擦撹拌接合で使用される摩擦撹拌接合用回転ツールであって、回転ツールが、先端ピンから外周方向に向かって所定角度の傾斜部を備える。
（６）（５）に記載する摩擦撹拌接合用回転ツールにおいて，前記所定角度が５度以上２５度以下であることを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下，本発明の摩擦撹拌接合方法及び摩擦撹拌接合方法用回転ツールを具体化した第１の実施の形態について，添付図面を参照して詳細に説明する。
回転ツール１０の形状を図１に示す。円柱形状の本体１３の下端面の中心に円柱形状の先端ピン１４が形成されている。先端ピン１４の外周にはネジが形成されている。先端ピン１４の直径をｄ₂₁とし、先端ピン１４の高さをｈ₂₁とする。先端ピン１４が本体１３と連続する面には、先端ピン１４から外周方向に向かって下向きに凹となるように、所定角度θ₁の傾斜部１５が形成されている。所定角度θ₁は、５度以上２５度以下の角度であることが望ましい。この数値は実験により得たものであり、詳細については、後で説明する。
【００１４】
そして、傾斜部１５は途中から、下向きに凸となるように、傾斜部１６が形成されている。傾斜部１５と傾斜部１６とにより、凹部が形成されている。
この凹部の深さをｈ₂₂とする。また、凹部の最深部の直径をｄ₂₂とする。アルミ板１１の下には、受けツール１７が設置されている。また、接合対象であるアルミ板１２（回転ツール１０側）の厚みをｔ₁とし、アルミ板１１（受けツール１７側）の厚みをｔ₂とする。
【００１５】
先端ピン１４の高さｈ₂₁の条件は、数１に示すとおりである。
【数１】

【００１６】
先端ピン１４の高さｈ₂₁ が０．８ｔ₁より大きくする必要があるのは、上板であるアルミ板１２の板厚ｔ₁ の８０％以上の深さまで、先端ピン１４を差し込まなければ、アルミ板１２とアルミ板１１との界面で十分な発熱が生じないからである。また、総板厚ｔ₁＋ｔ₂ より０．２ｍｍ以上先端ピンの高さが低くないと、先端ピン１４がアルミ板１１を突き抜けて穴があく恐れがあるからである。自動車のボディ部品の場合での利用においては、適用部位によれり、穴があくことは許されない場合がある。
【００１７】
先端ピン１４の直径ｄ₂₁の条件は、数２に示すとおりである。
【数２】

【００１８】
ここで、ｔ_min は、ｔ₁ とｔ₂のうち、薄い方のアルミ板の板厚を示す。板厚の異なる２枚のアルミ板を接合した場合、強度試験を行うと一般的に薄板側が破壊するからである。自動車のボディ等で多用されている抵抗スポット溶接では、実績値として、生成される接合部の直径は、概ね３ｔ_min 〜６ｔ_min 程度である。摩擦撹拌接合で得られる接合穴の径は適正値で選べば、概ねｄ₂₁＋（１〜２ｍｍ）程度なので、本実施の形態では、ｄ₂₁の直径の条件を、２ｔ_min以上かつ、５ｔ_min以下としている。また、必要以上にｄ₂₁を大きくすると、回転ツールの回転数等の適正条件を満たすための必要トルクも増大し、省エネ、設備のコンパクト化の要請に反するからである。
【００１９】
凹部の最深部の直径ｄ₂₂の条件は、数３に示すとおりである。
【数３】

【００２０】
凹部の最深部の直径ｄ₂₂ は、（ｄ₂₂−ｄ₂₁）／２の間で主に接合強度を確保するため、最低（ｄ₂₂−ｄ₂₁）が２ｍｍ以上であることを必要とする。この関係と、ｄ₂₁の考え方から、凹部の最深部の直径ｄ₂₂ は、３ｔ_min以上でかつ８ｔ_min 以下であることが望ましい。然し、この条件は、必須条件ではない。
また、凹部の深さと先端ピン１４の高さの和であるｈ₂₃は、次の点を考慮して決定する。すなわち、先端ピン１４の断面積と、凹部の断面積が等しくなるように凹部の深さ、ｈ₂₂、及び凹部の深さと先端ピン１４の高さの和であるｈ₂₃を決定すると良い。その理由は、先端ピン１４で押しのけられたアルミを凹部で収納すれば、アルミが外にはみ出してばりを形成する恐れがないからである。
【００２１】
アルミ板１１の下面に接して受けツール１７がある。受けツール１７は、アルミ板１２，１１にかかる回転ツールの押圧力を受ける。受けツール１７の上面は、半径Ｒの曲率を有する球面が形成されている。半径Ｒの値は、本実施の形態では、１５０ｍｍとしている。
【００２２】
次に、上記回転ツールを用いて摩擦撹拌接合を行う作用について説明する。本発明者らは、２枚のアルミ板を点接合により上記回転ツールを用いて摩擦撹拌接合したときの強度について、以下のような分析を行った。
図２に、２枚のアルミ板１１，１２とを重ね合わせた状態で摩擦撹拌接合した後の状態の断面を図面で表現したものを示す。
摩擦撹拌により、先端ピン１４の形状が接合穴２１として残る。アルミ板１１，１２の接合穴２１付近には、摩擦撹拌部２３が形成されている。摩擦撹拌部２３は、アルミ板１１の先端ピン１４近くのアルミが再結晶温度以上まで加熱され、半溶融状態となり、再び固形化したものである。アルミ板１２とアルミ板１１との間には、図中点線で示す接合界面２２が形成されている。接合界面２２の直径をＨとする。
【００２３】
接合穴２１の直径は、ほぼ一定なので、接合界面２２の直径の大きさにより、接合面積が決定する。接合強度は、この接合面積と、単位面積当たりの接合強度との積として求められる。しかし、実際の接合界面２２の直径Ｈは、破壊試験を行わないと測定できないので、他に相関のある因子を探す必要がある。
【００２４】
次に、摩擦撹拌接合の工程分析を説明する。図３の（ａ）〜（ｄ）に工程を図で示す。（ａ）は、回転ツール１０が回転を開始して未だアルミ板１２と接触していない状態を示す。回転ツール１０の回転数は、１５００ｒｐｍ〜３５００ｒｐｍの範囲内の所定の回転数である。
【００２５】
（ｂ）は、回転ツール１０をアルミ板１２に押圧して摩擦撹拌を開始した状態を示している。押圧力は、３５００Ｎ〜５１００Ｎの範囲内の所定の力である。回転ツール１０のうち、先端ピン１４の先端部が始めにアルミ板１２に接触し、先端ピン１４の先端部とアルミ板１２との間で摩擦熱が発生し、アルミ板１２が再結晶温度である摂氏４００度を越えると半溶融状態となり、回転ツール１０の押圧力により、図（ｂ）に示すように、半溶融状態のアルミが上側に盛り上がり、先端ピン１４がアルミ板１２内に入る。この状態では、先端ピン１４の周囲のＡで示す部分が加熱され、半溶融状態となっている。
【００２６】
（ｃ）は、摩擦撹拌がさらに進んだ状態を示している。先端ピン１４の先端部がアルミ板１１内に入り始めると共に、回転ツール１０の本体１３の傾斜部１５及び傾斜部１６がアルミ板１２に接触している状態を示している。Ａで示すアルミ板１２の半溶融状態の領域が増大し、アルミ板１１にもＢで示す半溶融状態の領域ができている。この状態で、先端ピン１４の外周に形成されているネジによりアルミ板１２とアルミ板１１との半溶融状態のアルミＡ、Ｂが撹拌される。
このとき、アルミ板１２とアルミ板１１との界面Ｃは、狭い範囲で形成されているに過ぎない。
【００２７】
（ｄ）は、さらに、摩擦撹拌が進み適度な状態を示している。先端ピン１４がアルミ板１１の所定の位置（図ではアルミ板１１の板厚の中間地点付近）まで入り込み、接合界面Ｃが広い範囲となっている。この接合界面Ｃが接合径Ｈに相当する。
アルミ板１２の上面は、傾斜部１５及び傾斜部１６の形状に倣う形状となっている。この状態で、傾斜部１５が、接合界面Ｃが上向きに移動する力を押さえ込んでいる。接合界面Ｃが上に来すぎる状態を「接合界面の巻き上げ」と呼んでいるが、この現象が発生すると、アルミ板１２の残存する肉厚が薄くなり、接合強度が低下してしまう場合がある。そのため、接合界面の巻き上げを発生させないことが、大切である。
【００２８】
本実施の形態によれば、傾斜部１５（傾斜角度５度〜２５度）を設けているので、接合界面Ｃが上に上昇しようとするのを妨げることができ、接合界面の巻き上げを防止して、接合強度を強くすることができる。（ａ）〜（ｄ）の状態までの工程に要する時間は、板厚１ｍｍ同士のアルミ板を接合する場合で、１．５秒から３秒程度である。
傾斜部１５の傾斜角度θを変化させた実験の結果を図１１に示す。横軸が傾斜部１５の傾斜角度であり、縦軸がせん断強度である。せん断強度を高く保つためには、傾斜角度として５度以上２５度以下であれば、良いことがわかる。
【００２９】
図５に図３（ｃ）の状態で摩擦撹拌を停止したときの摩擦撹拌接合の状態を示す。また、図６に図３（ｄ）の状態で摩擦撹拌を停止したときの摩擦撹拌接合の状態を示す。図５では、接合界面Ｃの形成が不充分であり、接合径Ｈが小さく、接合面積が小さくて接合強度が低い。図６では、接合界面Ｃの形成が十分であり、接合径Ｈが適度であり、接合面積が大きくて接合強度が高い。
【００３０】
図３（ｄ）の状態から、さらに摩擦撹拌を進めると、図４に示すように、傾斜部１５で接合界面Ｃの上昇を抑えきれなくなり、接合界面Ｃが上昇してしまう。そのときの摩擦撹拌接合の状態を図７に示す。接合界面Ｃが上昇してしまい、アルミ板１２の残存する肉厚が小さくなりすぎていることがわかる。このため、接合強度が低下してしまう。従って、傾斜部１５を設けることは、接合界面Ｃの上昇を抑えつつ、接合径Ｈを大きくすることにおいて、効果的であるが、先端ピン１４の入り込む距離等で摩擦撹拌する時間を管理する必要がある。
【００３１】
図８（ｃ）に実験結果を示す。横軸は下側のアルミ板１１の残存板厚（単位ｍｍ）を示し、縦軸はせん断強度を示している。実験は、アルミ板１２の板厚が１．０ｍｍ、アルミ板１１の板厚が１．２ｍｍであり、本実施の形態の回転ツール１０を用い、回転数２０００ｒｐｍ、押圧力３９２０Ｎで、加工時間１．５秒から５．０秒で行った。
点線ＳＡで示す範囲内にあるデータは、加工時間が１．５秒以上３秒以下のものであり、点線ＳＢで示す範囲内にあるデータは、加工時間が３．０秒を越えて５．０秒以下のものである。
加工時間が３．０秒を越えると、図４で示す状態となり、接合界面の巻き上げが発生し、ＳＢで示すように接合強度が低下することがわかる。加工時間が３．０秒未満であれば、ＳＡに示すように、適度な接合強度を得られることがわかる。
【００３２】
次に、従来の先端ピンによる摩擦撹拌接合との対比実験について説明する。
図１０に従来の図１４で示す先端ピンで摩擦撹拌接合を行ったときのデータを示す。２つのアルミ板の板厚は共に２．０ｍｍ、各５個づつ実験し、アルミ板の材質を変更して４種類の実験を行った。各実験の条件は、図に記載している通りである。
横軸が実験の種類を示し、縦軸はせん断強度を示している。各実験結果は、Ｌが平均値を示し、Ｈが実際の値のばらつきを示している。また、Ｓは、点溶接における目標値を示している。３番目の種類でＨの下限値が目標値Ｓを割っており、製品として不合格であることを示している。
図１０と、同じアルミ板を用いて、全く同じ条件の実験を、本実施の形態の回転ツール１０を用いて行った。その結果を図９に示す。図に示すように、全ての実験結果が、目標値Ｓを満足していることがわかる。
【００３３】
次に、受けツール１７の作用及び効果について説明する。実験結果を図１２に示す。横軸が実験の種類を示し、縦軸はせん断強度及び目視試験による見栄えレベルを示している。各実験結果は、Ｌが平均値を示し、Ｈが実際の値のばらつきを示している。また、Ｓは、点溶接における目標値を示している。また、折れ線Ｎの丸印は、右端の縦軸に示す見栄えレベルを示している。得点が高い方が見栄えが良いことを示している。見栄えレベルとしては、Ｒ＝１２５ｍｍが最高で、従来ツールである平面のものが最低である。
一方、５番目の種類でＨの下限値が目標値Ｓを下回っている。
このデータより、見栄えとしては、Ｒ＝１００ｍｍ以上かつＲ＝１５０ｍｍ以下であれば、見栄えとしては、問題ないと判断している。
【００３４】
次に、第２の実施の形態について説明する。図１３に第２の実施の形態の回転ツール２０を示す。回転ツール２０は、先端ピン２４と、５度以上２５度以下の傾斜角度θを持つ傾斜部２３が形成されている。第１実施の形態と相違しているのは、傾斜部１６に相当するものを持たない点である。先端ピン２４の直径ｄ₃₁は、第１の実施の形態におけるｄ₂₁と同様に決定する。第１の実施の形態と異なり、回転ツール２０の外周を囲ってパイプ形状の押さえ機構２１が取り付けられている。
【００３５】
例えば、アルミ板１２の端部付近で摩擦撹拌接合を行う場合、アルミ板１２の端部が上向きに反ってしまう問題がある。それを避けるために、押さえ機構２１により、アルミ板１２を下向きに押さえつけているのである。第１の実施の形態には、押さえ機構２１は不要であった。その理由は、傾斜部１６が反り返ろうとするアルミ板１２を下向きに抑える役割、すなわち、押さえ機構２１と同じ作用を行っていたからである。
第２の実施の形態における傾斜部２３の作用及び効果は、第１の実施の形態の傾斜部１５と同じなので、詳細な説明を省略する。
【００３６】
以上詳細に説明したように、本実施の形態の摩擦撹拌接合方法によれば、先端に円筒形状で外周にネジが形成された先端ピン１４が突出した回転ツール１０を、回転させながら押圧することにより、アルミ板同士１１，１２を接合させる摩擦撹拌接合方法であって、回転ツール１０が、先端ピン１４から外周方向に向かって所定角度の傾斜部１５（傾斜角度５度〜２５度）を設けているので、界面Ｃが上に上昇しようとするのを妨げることができ、接合界面の巻き上げを防止して、接合強度を強くすることができる。
さらに、本実施の形態の摩擦撹拌接合方法によれば、回転ツール１０の押圧する時間を、アルミ板１１の残存板厚により管理しているので、接合界面での巻き上げの発生を防止することができ、接合強度を強くすることができる。
【００３７】
また、本実施の形態によれば、アルミ板１２，１１の反対側にあって回転ツール１０の押圧力を受ける受けツール１７の表面が、半径１００ｍｍ以上１５０ｍｍ以下の曲率を有するので、回転ツール１０がアルミ板１２，１１に対して垂直がずれたとしても、受けツール１７の曲面が回転ツール１０の押圧力を垂直に近い状態で受けることができるため、アルミ板１１の下面でバリが発生する恐れを減少させることができる。
【００３８】
なお，本実施の形態は単なる例示にすぎず，本発明を何ら限定するものではない。したがって本発明は当然に，その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良，変形が可能である。
例えば，本実施の形態では、傾斜部１５、傾斜部２３を一定の傾斜角度θとしているが、徐々に変化させてもよいし、また、曲面（例えばＲを付けること。）で構成しても、ほぼ同じ効果を得ることができる。
また、本実施の形態では、先端ピン１４を円柱形状として、外周にネジを形成しているが、円柱の側面に先端が細くなるように、少しテーパ（１５度以上４５度以下）を設けても良い。それにより、接合時間の短縮を図ることができる利点がある。
【００３９】
【発明の効果】
本発明の摩擦撹拌接合方法によれば、先端に円筒形状の先端ピンが突出した回転ツールを、回転させながら押圧することにより、アルミ板同士を接合させる摩擦撹拌接合方法であって、回転ツールが、先端ピンから外周方向に向かって所定角度の傾斜部を設けているので、接合界面が上に上昇しようとするのを妨げることができ、接合界面の巻き上げを防止して、接合強度を強くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１実施の形態である回転ツール１０の構造を示す断面図である。
【図２】摩擦撹拌接合されたアルミ板の状態を示す断面図である。
【図３】摩擦撹拌接合の工程図である。
【図４】摩擦撹拌接合の１工程を示す図である。
【図５】摩擦撹拌接合の１状態を示す断面図である。
【図６】摩擦撹拌接合の１状態を示す断面図である。
【図７】摩擦撹拌接合の１状態を示す断面図である。
【図８】実験結果を示すデータ図である。
【図９】本発明の回転ツール１０を用いた実験結果を示すデータ図である。
【図１０】従来の回転ツールを用いた実験結果を示すデータ図である。
【図１１】傾斜角度と強度との関係を示すデータ図である。
【図１２】見栄え評価の結果を示すデータ図である。
【図１３】第２の実施の形態の回転ツール２０の構成を示す図である。
【図１４】従来の回転ツールの構成を示す図である。
【図１５】従来の回転ツールの構成を示す図である。
【図１６】従来の回転ツールの構成を示す図である。
【符号の説明】
１０回転ツール
１１，１２アルミ板
１３本体
１４先端ピン
１５傾斜部
１６傾斜部
１７受けツール
Ｃ接合界面

Claims

先端に円柱形状の先端ピンが突出した回転ツールを、回転させながら押圧することにより、アルミ板同士を接合させる摩擦撹拌接合方法において、
前記回転ツールが、前記先端ピンの根本から母材と反対側に傾斜面が形成されていること、前記傾斜面の所定角度が５度以上２５度以下であること、
前記回転ツールの押圧する時間を、前記アルミ板の残存板厚により管理することを特徴とする摩擦撹拌接合方法。