JP4327788B2 - 摩擦攪拌接合方法 - Google Patents

Description

本発明は、金属板材や押出材などの被接合材を摩擦攪拌して接合する摩擦攪拌接合方法に関するものである。

従来、回転する軸状のツールを材料に接触させ、摩擦熱で材料の被接合部を軟化させ、攪拌することで接合する摩擦攪拌接合方法は知られている（例えば、特許文献１参照。）。
特表平７−５０５０９０号公報 特許文献１の技術は、突き合わされたワークの突き合わせ部分に、回転するツールのプローブ（末端部）を接触させて摩擦攪拌させながら、突き合わせ線に沿って移動させることで、突き合わせ部分を接合するものである。

上記した摩擦攪拌接合の際、冷却剤をツールの末端部と溶接部に噴射することで、材料がツールにまとわり付くことを防止する技術が知られている（例えば、特許文献２参照。）。
特許第３５３０３４２号公報

特許文献１の技術では、摩擦攪拌接合の際、摩擦熱でツールが軸方向に熱膨張し、ツールが被接合部材を貫通する場合がある。
このよう事態は、摩擦攪拌接合において良好な接合状態を得られないばかりか、被接合材をバックアップするバックアップ材や被接合材を支えるダイなどにツールが当たり、ツールを破損してしまう虞がある。

特許文献２の技術では、過剰な摩擦熱により材料がツールに付着して溶接速度が遅くなることを防ぐために、過剰な熱を奪熱すべく冷却剤をツール末端部と溶接面に噴射供給することになるが、ツール末端部に冷却剤が当たったのでは、溶接部に充分摩擦熱が発生せず、材料の軟化が不十分となり、良好な摩擦攪拌接合状態が得られない虞がある。

本発明は、摩擦攪拌接合方法において、ツール末端部（ピン及びショルダー）に摩擦攪拌接合に必要な摩擦熱を確保しつつ、ツールの冷却を効果的に行い、ツールの軸方向への熱膨張を防止し、良好な摩擦攪拌接合を行い得るようにした摩擦攪拌接合方法及びこれに用いるに好適なツールを提供することを課題とする。

請求項１に係る発明は、軸部の先部にショルダー及びピンを有する回転するツールを用いて材料を摩擦攪拌して接合し、冷却ノズルから該ツールに冷却剤を噴射して冷却するようにした摩擦攪拌接合方法において、前記冷却剤を、前記ツールのピンの先から２０〜４０mmの部位に噴射し、ツールの軸方向の熱膨張を防止するようにし、前記ツールの軸線は鉛直方向を向き、前記冷却ノズルの噴射方向の軸線は上方を指向し、水平面に対して５°〜３５°上方に傾いていることを特徴とする。

請求項２に係る発明は、請求項１において、前記冷却剤は少なくとも１６０ｍ／秒の流速で噴射するようにしたことを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項１において、前記冷却ノズルの噴出口の断面形状は、上下方向に長く、横方向に短いことを特徴とする。

請求項４に係る発明は、請求項１〜請求項３の何れか１項において、軸部の先部にショルダー及びピンを有する回転するツールを用いて材料を摩擦攪拌して接合し、冷却ノズルから該ツールに冷却剤を噴射して冷却するようにした摩擦攪拌接合方法に用いる摩擦攪拌接合用ツールの軸部の外周面に、軸方向に平行な溝を設けたことを特徴とする。

請求項１に係る発明では、冷却ノズルから該ツールに冷却剤を噴射して冷却するようにした摩擦攪拌接合方法において、冷却剤を、ツールのピンの先から２０〜４０mmの部位に噴射し、ツールの軸方向の熱膨張を防止するようにしたので、材料の突き合わせ部等において、摩擦攪拌接合に関与する軸部先部のショルダー及び先端部のピンの温度低下は小さく、摩擦攪拌接合に必要且つ十分の摩擦熱を確保しつつ、ツールのピンの先から２０〜４０mmの部位が冷却されるので、ツールの軸方向の熱膨張に起因する伸長が防止でき、良好な摩擦攪拌接合を行うことができる。
また、ツールの軸線は鉛直方向を向き、冷却ノズルの噴射方向の軸線を上方に指向させ、水平面に対して５°〜３５°上方に傾くようにしたので、ツールのショルダーやピンへの冷却剤の影響を防止しつつ、ツールの軸方向中間部を効果的に冷却することができ、良好な摩擦攪拌接合を行うことができる。

請求項２に係る発明では、ノズルから噴射される冷却剤の流速を少なくとも１６０ｍ／秒としたので、請求項１の効果に加えるに、ツールの軸方向中間部を効果的に冷却することができ、良好な摩擦攪拌接合を行うことができる。

請求項３に係る発明では、請求項１において、冷却ノズルの噴出口の断面形状を、上下方向に長く、横方向に短くしたので、請求項１〜請求項３の効果に加えるに、冷却剤はツールの軸線方向に沿って供給され、ツール中間部の冷却を効率的に行うことができ、ツールの軸方向の熱膨張に起因する伸長が防止でき、良好な摩擦攪拌接合を行うことができる。

請求項４に係る発明では、ツールの軸部外周面に、軸方向に平行な溝を設けたので、外周面の軸方向の溝でツール外周の表面積を大きくすることができ、冷却剤によるツールの冷却効率もツール外周面の表面積の増大で冷却剤によるツールの冷却効率を向上することができ、又ツールの回転だけでも表面積拡大作用でツール自身を冷却することが可能となり、ツールの冷却効率を一層向上することができ、ツールの軸方向の熱膨張に起因する伸長が防止でき、良好な摩擦攪拌接合を行うことができる。

本発明を実施するための最良の形態を添付図に基づいて以下に説明する。なお、図面は符号の向きに見るものとする。
図１は、本発明に係る摩擦攪拌接合の基本概念を示す説明的側面図であり、図２は、図１の矢視２方向の図で、冷却ノズルの端面図である。
本実施の形態では、ノズルの先部を上方を指向するようにした例を示しているが、後述するようにノズルの冷却剤噴射口の軸線を、ツールの軸線に対して直交するように配置し、ツールの中間部に冷却剤を噴射しても良い。

回転するツール保持具１にツール２は垂下するように支持されており、ツール２は軸方向に長さを有する軸部３を備え、該軸部３の先部６に逆円錐台形状のショルダー４を備え、軸部３の先端部に小径のピン５を備える。
７はパッキングプレート９上に配置した被接合材で、ツール２を回転させ、被接合材の突き合わせ線に沿ってツール２を相対的に矢印ａ方向に移動させ、被接合材７の突き合わせ被接合部８を摩擦攪拌接合する。

摩擦攪拌接合に際し、ツール２のピン５が被接合部８に接触して臨み、ピン５が回転することで摩擦熱を生じ、摩擦熱で被接合材７の突き合わせ被接合部８を接合する。
ツール２の矢印ａ方向への移動で、被接合部８の移動方向後方に接合部１０が形成されることとなる。
以上により、被接合材７の突き合わせ被接合部を摩擦攪拌接合する。

以上において、ツール２の移動方向後方に冷却剤を噴射し、ツール２の軸方向中間部に吹き付けるようにノズル１１を配設する。
ノズル１１はツール２の移動に同期して、一体的に同方向（矢印ａ方向）に移動し、ツール２の移動方向後方の外周面に冷却剤、例えば冷却エアを噴射して吹き付け、ツール２を冷却する。

ノズル１１は、中間部〜上部がツール２から離れるように斜め上方に延び、先部１２がツール２の後面に近づき、湾曲したＶ形のように上方を向き、噴出口１３の軸線Ｃは上方を向く。
具体的には、ノズル１１の噴出口１３は、ツール２の軸部３の移動方向後方の軸方向中間部（高さ方向中間部）に近接して臨み、噴出口１３は軸部３の軸方向に中間部において上方を指向するように開口し、軸部３の軸方向に中間部の後部外周面に向かい合う。

以上において、摩擦攪拌接合時にノズル１１の噴出口１３から、ツール２の軸部３の後部外周面の軸方向中間部に、上方を指向するように冷却エアＡｃを噴射して吹き付ける。
冷却エアＡｃの吹き付け箇所は、摩擦熱を生じるピン５、ショルダー４が臨む被接合部１０から十分に離れた箇所で、冷却エアＡｃが接合部１０にかからない位置とする。

以上により、冷却エアＡｃはツール２の軸部３の軸方向中間部に吹き付けられて該軸部を冷却し、ツール２の軸方向の熱膨張を抑制、防止する。
この際、冷却エアＡｃはツール２の軸部３の軸方向中間部で、上方を指向するように流れるので、摩擦攪拌接合部への冷却エアＡｃの冷却作用の影響を可及的に防止することができる。
従って、摩擦攪拌接合に際し、ツールを冷却しつつ摩擦熱の奪熱を可及的に防止し、円滑で良好な摩擦攪拌接合を行うことができる。

以上において、冷却エアＡｃのツール２の吹き付け位置であるが、ピン５の先から２０〜４０ｍｍ、実際には、ツール２の長さＡ１を被接合材７の被接合部８の表面から冷却エアＡｃまでの距離Ａは２０〜４０ｍｍが好ましく、この部位に冷却エアＡｃを上向きに吹き付ければ、冷却エアＡｃのツールに当たる部分がツール上方となり、ツールの軸方向の熱膨張を抑えることができる。
冷却エアＡｃを吹き付け、当たる部分がツールの上方になりすぎると、摩擦攪拌接合時におけるツールの熱膨張を抑えることができないので、上記範囲が好ましい。

次に、ノズル１１の噴射口１３の上方を指向する傾斜角度であるが、ツール２の軸部３の軸線が鉛直方向であり、噴射口１３の軸線Ｃとツール２の軸線と直交する水平面Ｃ１とのなす各θは５°〜３５°の範囲が上記したＡが２０〜４０ｍｍにおいて好ましい。特にθは２０°が好ましい。

θが５°以上であれば、発熱した接合部に冷却エアが当たる可能性が低く、ツールの末端部（ピン、ショルダー等の発熱部及び摩擦攪拌される接合部）への冷却エアによる影響を防止できる。θが３５°を超えると、冷却エアの流れがツールの軸方向上方に流れる量が多くなり、冷却効果が少なくなる。
従って、上記した角度が好ましい。
尚、θが５°未満の場合は、ツール２に当たる冷却エアの流れが下方を指向する可能性もあり、この場合は冷却エアが上記ツール末端部に流れる虞があり、摩擦熱を奪熱する可能性があり、従って、５°以上が好ましい。

次にノズル１１の噴出口１３の大きさであるが、ツール２の断面直径よりも小さいことが好ましい。例えば、実施例では、ツール２の軸部３の外径が１２mmに対し、噴出口１３の内径は長径７mm×短径１．５mmとした。
噴出口１３の径がツールの外径よりも小さいことで、冷却エアが確実にツール２に当たり、ツールを効率良く冷却することができる。

また、噴出口１３であるが、図２に示したように縦長の形状が好ましい。即ち、ツール２の軸方向を長径とし、ツールの幅方向を短径とした長円形が好ましい。四周をアールとした縦長の矩形形状でも良い。
噴出口１３の内径部分の縦（Ｈ）・横（Ｗ）比は、例えば７：１．５とした。

次に冷却剤の流量であるが、以下が好ましい。
例えば、Ｈが７ｍｍでＷが１．５ｍｍの噴射口１３を用いて、外径が１２ｍｍのツール２に、例えば、毎分１００×１０^ー３〜１３０×１０^−３ｍ^３（１００リットル〜１３０リットル）の冷却エアを吹き付けたところ、ツールの熱膨張を許容範囲に収めることができた。

次に噴射口１３の流速Ｖを計算する。
流速Ｖは、（流量Ｑ／断面積Ｓ）で算出することができる。
流量Ｑは（１００×１０^−３〜１３０×１０^−３）／６０（ｍ^３／秒）、断面積Ｓは（７×１０^−３×１．５×１０^−３）＝１０．５×１０^−６ｍ^２となる。
この結果、 流量Ｖ＝Ｑ／Ｓ＝（１００×１０^−３〜１３０×１０^−３）／（６０×１０．５×１０^−６）＝（１００〜１３０）／０．６３＝１５９〜２０６（ｍ／秒）の計算により、冷却剤の好ましい流速は１６０〜２００（ｍ／秒）となる。
即ち、冷却剤の流速は少なくとも１６０ｍ／秒であれば良く、流速は速ければ速いほど良く、２００ｍ／秒を超えても良い。

以上，実施の形態では冷却剤を冷却エアとして説明したが、冷却水等の液体でも良い。
液体の場合は、気体より格段に比重が大きくて冷却能力が高いため、流速は低くすることができる。
以上の冷却剤の好ましい流量及び冷却剤の好ましい流速であるが、後述するノズルの冷却剤噴射口の軸線を、ツールの軸線の対して直交するように配置し、ツールの中間部に冷却剤を噴射した例においても同様である。

図３及び図４は、摩擦攪拌溶接用ツールに係る発明を示す図で、図３は、図１と同様の説明的側面図、図４は、ツールの説明的横断平面である。
図において、前記と同一部分には同一符号を付し、詳細な説明は省略した。
本発明では、ツール１０２の軸部１０３の外周に軸方向への溝１２０…を射状に複数本形成した。
溝１２０…は、軸部１０３の中間上部から先部のショルダー４の手前まで軸方向に直線状に、軸線と平行するように形成した。

溝１２０…は、図４に示したように径方向の辺１２１を短く、矢印で示したツールの回転方向と順方向の円周方向の辺１２２を長く設定し、溝１２０…の表面積を大きく設定した。
これにより、ツール１０２の外周の表面積は広くなり、この結果、ツール１０２を回転させるだけでも表面積拡大作用でツール自身を冷却することが可能となる。この際、ツールの回転方向は矢印方向とし、ツール１０２の回転方向の辺（壁）１２２がツール外周を流れる風にさらされるようになる。
そして、上記したようにノズル１１による冷却エア等の冷却剤の噴射吹き付けで、冷却作用は一層高まり、上記した冷却作用を一層向上させることができ、ツールの熱膨張を一層効果的に、効率良く抑制することが可能となる。

図５は、図１の実施例の変更実施例を示す斜視図、図６は、図５の縦断側面図である。
図中２はツールを、３は軸部を、４はショルダーを、５はピンを示す。
パッキングプレート９上に配置した被接合材２０７，２０７の、突き合わせ被接合部（接合部２１０）の近傍を押さえる押さえ金２２０，２２０は向かい合って配設された押さえ脚部２２１，２２１で被接合部の近傍を上から押さえ付け、保持する。
この押さえ金２２０，２２０の向かい合う端部間に被接合材２０７，２０７の接合部２１０が臨み、端部間にツール２の末端部が臨み、摩擦攪拌接合作業を行う。

以上の押さえ金２２０，２２０の内部に、向かい合う端面２２２，２２２に開口するように冷却剤の噴出口２１３，２１３を設ける。噴出口２１３，２１３は、押さえ金２２０，２２０の内部に設けたノズルを構成する通路２１１，２１１に連通し、冷却剤供給源から供給される冷却剤をツール２の軸部３の中間部に噴射して吹き付ける。

ところで、ノズルを構成する通路２１１，２１１であるが、図６で明示したように互いに向かい合って上傾するように設定され、噴出口２１３，２１３は角度θ上方に傾斜して設けられている。
通路先端及び噴出口の上傾する角度は、前記と同様である。
このように、被接合材の突き合わせ部分を摩擦攪拌接合する際に用いる押さえ金の内部に冷却剤通路を設け、押さえ金のツールに向かい合う端面に冷却剤の噴出口を開口し、ツールに冷却剤を噴射吹き付けても良い。

図７は、ノズルの冷却剤噴射口の軸線を、ツールの軸線に対して直交するように配置し、ツールの中間部に冷却剤を噴射する実施の形態を示す説明的側面図である。
ツール２の外周で、軸方向長さの中間部周にノズル２１の冷却剤噴射口２３が所定の隙間を空けて臨み、ノズル２１の先部２２は水平方向を向き、冷却剤噴出口２３の軸線Ｃ３はツール２の鉛直方向を向く軸線Ｃ２に対し略々直交する方向を向き、冷却剤噴出口２３の軸線Ｃ３は略々水平である。
冷却剤噴出口２３はツール２の軸部３の長さ方向の中間部に対峙する。

以上のように、ノズル２１の冷却剤噴射口２３の軸線Ｃ３を、ツール２の軸線Ｃ２に対して直交するように配置し、ツール２の軸部３中間部に冷却剤Ａｃを噴射する実施の形態においても、冷却剤の流量及び流速は前記と同様であり、同じ流量、流速の冷却エアを吹き付けたところ、ツールの熱膨張を許容範囲に収めることができた。

図８は、前記した図３の変更された実施の形態であり、ツール１０２の軸部１０３の外周に軸方向への溝１２０…を射状に複数本形成し、ノズル１１１の先部１１２を略々水平方向に向け、略々鉛直方向を向くツール１０２の軸線に対し、冷却剤噴出口１１３の軸線を略々直交する方向に向けたものである。

本実施の形態でも、外周に溝１２０…を設けたツール１０２の軸方向中間部に冷却剤を噴射供給し、溝１２０…により前記と同様にツール１０２の外周の表面積を広くし、ツール１０２を回転させるだけでも表面積拡大作用でツール自身を冷却することが可能となり、ツール１０２の回転方向の辺（壁）１２２がツール外周を流れる風にさらされるようになり、ノズル１１１による冷却エア等の冷却剤の噴射吹き付けで、冷却作用は一層高まり、上記した冷却作用を一層向上させることができ、ツールの熱膨張を一層効果的に、効率良く抑制することが可能となる。

本発明に係る摩擦攪拌接合方法は、被接合材を突き合わせ接合するのに好適である。

本発明に係る摩擦攪拌接合の基本概念を示す説明的側面図である。 図１の矢視２方向の図で、冷却ノズルの端面図である。 摩擦攪拌接合用ツールに係る発明を示す図で、図１と同様の説明的側面図である。 図３に示したツールの説明的横断平面である。 図１の実施例の変更実施例を示す斜視図である。 図５の縦断側面図である。 図１の変更された実施の形態の説明的側面図である。 図３の変更された実施の形態の説明的側面図である。

符号の説明

２…ツール、 ３…軸部、 ４…ショルダー、 ５…ピン、 ６…先部、 ７…材料（被接合材）、 １１…ノズル、 １０２…ツール、 １２０…溝。

Claims (4)

1. 軸部の先部にショルダー及びピンを有する回転するツールを用いて材料を摩擦攪拌して接合し、冷却ノズルから該ツールに冷却剤を噴射して冷却するようにした摩擦攪拌接合方法において、
   前記冷却剤を、前記ツールのピンの先から２０〜４０mmの部位に噴射し、ツールの軸方向の熱膨張を防止するようにし、
   前記ツールの軸線は鉛直方向を向き、前記冷却ノズルの噴射方向の軸線は上方を指向し、水平面に対して５°〜３５°上方に傾いている、
   ことを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
2. 前記冷却剤は、前記ノズルから少なくとも１６０ｍ／秒の流速で噴射することを特徴とする請求項１記載の摩擦攪拌接合方法。
3. 前記冷却ノズルの噴出口の断面形状は、上下方向に長く、横方向に短いことを特徴とする請求項１項記載の摩擦攪拌接合方法。
4. 軸部の先部にショルダー及びピンを有する回転するツールを用いて材料を摩擦攪拌して接合し、冷却ノズルから該ツールに冷却剤を噴射して冷却するようにした摩擦攪拌接合方法に用いる摩擦攪拌接合用ツールにおいて、前記軸部の外周面に、軸方向に平行な溝を設けたことを特徴とする請求項１〜請求項３の何れか１項記載の摩擦攪拌接合方法。

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