JP4352814B2 - 摩擦攪拌接合方法 - Google Patents
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また、被接合部材間の接合終端部に当て部材を連設し、上記ツールにより形成される接合部の終端を当て部材に位置させて、攪拌ピンの引き抜き後に孔や凹部の発生を防ぐ摩擦攪拌接合方法も提案されている(例えば、特許文献2参照)。
また、被接合部材間の接合終端部に予め当て部材を連設する摩擦攪拌接合方法では、接合部形成前の被接合部材間の始端付近や中間付近で開きや段差を生じ易いため、メタル不足および加圧不足による欠陥が生じ易く且つ所要の断面積を有する健全で十分な強度を有する接合部を得られない、という問題があった。
即ち、本発明の摩擦攪拌接合方法(請求項1)は、回転体と係る回転体の底面から垂下する攪拌ピンとを備えたFSWツールを用い、上記攪拌ピンを被接合部材間の突き合わせ面付近に挿入し且つ上記底面を被接合部材の上面に押し付けつつ、上記FSWツールを回転させながら上記突き合わせ面に沿って移動させることにより、上記被接合部材同士を接合する摩擦攪拌接合方法において、上記被接合部材同士を突き合わせ面で突き合わせ且つ係る突き合わせ面の両端に一対の当て部材をそれぞれ摩擦攪拌接合する仮接合工程と、その後に上記FSWツールを回転させつつ上記突き合わせ面に沿って移動させて、上記被接合部材同士を摩擦攪拌接合する本接合工程と、を含み、上記仮接合工程において、上記攪拌ピンの挿入位置(始端)および抜き出し位置(終端)は、上記各当て部材の内側に個別に位置しており、上記本接合工程において、上記攪拌ピンの挿入位置(始端)および抜き出し位置(終端)は、上記一対の当て部材の内側に個別に位置していると共に、上記仮接合工程により被接合部材と当て部材との間に形成される仮接合部の長さは、上記本接合工程に用いるFSWツールにおける回転体の底面の直径の2〜10倍であり、上記仮接合工程により被接合部材と当て部材との間に形成される仮接合部と、上記本接合工程により被接合部材同士間の突き合わせ面に沿って形成される本接合部とは、互いに直交するか、あるいは、任意の角度で交差している、ことを特徴とする。
しかも、仮接合工程と本接合工程とに用いる前記FSWツールの攪拌ピンの挿入が開始され、且つ隙間を生じてメタル不足による欠陥を生じ易い仮接合部および本接合部の始端側と、上記攪拌ピンが抜き出された抜け跡に凹孔が残る仮接合部および本接合部の終端とを、一対の当て部材に個別に形成できる。その結果、被接合部材間の突き合わせ面の全長に沿って、トンネル欠陥などのない健全な本接合部を確実に形成可能となる。
しかも、突き合わせ面の両端付近で且つ被接合部材と当て部材との間に形成される仮接合部は、本接合工程で形成される本接合部と直交するか、あるいは任意の傾斜角度で交差する。この結果、仮接合部の大半は、当初の状態で被接合部材と当て部材とを強固に仮接合した状態で、本接合工程の全体にわたって保たれるため、本接合部の全体を健全で強固なものにすることができる。
従って、前記摩擦攪拌接合方法によれば、開きや段差のない突き合わせ面に沿って形成される本接合部は、その全長においてトンネル欠陥や表面欠陥などが少ない健全なものとなり、被接合部材同士を強固で確実に接合することができる。
尚また、仮接合部と本接合部とが直交する形態は、被接合部材間の突き合わせ面の両端に一対の当て部材を係る突き合わせ面と直角に固定した場合である。また、仮接合部と本接合部とが任意の傾斜角度で交差する形態とは、一対の被接合部材の端部を互いに直角に当接し、両者の内隅側に沿って配置した当て部材との仮接合部と本接合工程の本接合部とが交差する形態である。
尚更に、仮接合部の長さは、前記回転体の底面の直径の2〜10倍であるが、係る仮接合部の長さには、その始端および終端付近は含まれない。
これによれば、第1FSWツールの攪拌ピンにより摩擦攪拌されて形成される仮接合部の幅は、第2FSWツールの攪拌ピンにて同様に形成される本接合部の幅の約半分となる。このため、仮接合部を所要の接合強度で形成した状態で、所要の断面積を有する本接合部を前記突き合わせ面に沿って確実且つ効率良く形成できる。
尚、上記攪拌ピンの直径が20%未満になると、仮接合部の強度が不足して本接合工程が不安定になり、一方、60%を越えると、後述する除去工程における当て部材の除去作業が高負荷になる。このため、上記範囲としたものである。
これによれば、比較的長尺な突き合わせ面を適宜の間隔を置いて仮付けし、且つ係る突き合わせ面の両端に前記当て部材をそれぞれ仮接合するため、本接合工程に際して当該突き合わせ面の全長において開きや段差が生じなくすることができる。
尚、上記仮付けには、仮接合工程と同様な摩擦攪拌接合による接合部の他、点溶接や短い溶接ビードやロウ材を形成する各種の溶接やロウ付けが含まれる。
これによれば、本接合工程により健全で強固な本接合部を形成した被接合部同士のみからなる接合組立製品を提供できる。尚、当て部材の除去は、丸鋸やバンドソーなどを用いる切断やプレスなどによる剪断にて行う。
図1は、本発明の摩擦攪拌接合方法における仮接合工程を示す。
図1に示すように、例えばアルミニウム合金の厚板である接合すべき被接合部材1a,1bの対向する側面同士を突き合わせて、突き合わせ面2を形成した状態で、図示しない治具によって係る被接合部材1a,1bを拘束する。
次に、突き合わせ面2の両端に、上記と同種のアルミニウム合金の厚板である当て部材5,7を、突き合わせ面2と直交するように配置し、同様に拘束する。
次に、図1の右側に示すように、被接合部材1a,1bの右端面4とその右側に配置した当て部材7との突き合わせ面8に沿って高速回転する第1FSWツール10aを移動させ、摩擦攪拌接合による仮接合部wを形成する(仮接合工程)。
引き続いて、図1の左側に示すように、被接合部材1a,1bの左端面3とその左側に配置した当て部材5との突き合わせ面6に沿って、高速回転する第1FSWツール10aを移動させ、前記同様の仮接合部wを形成する(仮接合工程)。
上記仮接合部wの始端waおよび終端wbは、図1の左右のように、当て部材5,7の内側に位置している。即ち、始端waおよび終端wbを含む仮接合部wは、図1に示すように、平面視でほぼコ字形を呈する。係る始端waと終端wbは、その仮接合部wの両端における位置が逆であっても良い。尚、仮接合工程は、左側の当て部材5を仮接合した後で、右側の当て部材7を仮接合しても良い。
第2FSWツール10bの攪拌ピン16は、左側の当て部材5の内側に挿入されるため、図2に示すように、本接合部Wのうち、トンネル欠陥を生じ易い始端Waは、左側の当て部材5の内側(中央付近)に位置し、係る本接合部Wは、左側の当て部材5との仮接合部wの中間部分と直角に交差している。
また、後述するように本接合部Wの終端Wbは、右側の当て部材7の内側に位置するようにされる。
第1・第2FSWツール10a,10bの回転数は、500〜5000rpm、送り速度は0.05〜2m/分であり、当該FSWツール10a,10bの軸方向に加える押し込み力は1kN〜20kN程度である。
図3中の直線の矢印で示すように、高速回転する第1FSWツール10aの攪拌ピン16を、前記予め当て部材7の内側に挿入して移動させた後、被接合部材1a,1bと当て部材7との突き合わせ面8に沿って移動させると、図4に示すように、前記仮接合部wが形成される(仮接合工程)。
仮接合・本接合工程において、第1・第2FSWツール10a,10bの回転軸は、被接合部材1a,1bの表面(上面)に傾斜して接触させる。係る傾斜は、回転体12および攪拌ピン16が図3の前後方向に1〜3度傾く前進角である。但し、係る前進角をなくし、回転体12と攪拌ピン16とを垂直としても良い。
係る状態で高速回転する攪拌ピン16により、その周囲に位置する被接合部材1a,1bや当て部材5,7のアルミニウム合金材料(メタル)は、攪拌ピン16との摩擦熱により加熱され、半固相状態で塑性化し且つ流動化(物質移動)する。
この結果、図4に示すように、突き合わせ面2,8(6)に沿って断面ほぼ半円形の仮接合部wまたは本接合部Wが形成される。この際、回転体12の上向きに凹んだ底面14は、塑性流動化したアルミニウム合金材料の飛散を防止する。
尚、本接合部W(仮接合部wを含む)の表面Wfには、回転体12の底面14の周縁の跡である微細な凹凸群が位置している。
そして、第2FSWツール10bを抜き出すと、その抜き出し位置には、攪拌ピン16の抜き出た跡である凹孔(図示せず)が位置する終端Wbが形成される。
この結果、図5に示すように、被接合部材1a,1b間の突き合わせ面2の全長に沿って、トンネル欠陥や表面欠陥などがなく健全な組織で且つ所要の断面積を有する本接合部Wが形成されると共に、その始端Waは当て部材5の内側に、終端Wbは当て部材7の内側に位置している。
最後に、仮接合部w,wに沿って回転する丸鋸を移動させるか、プレスなどによる剪断加工によって、本接合部Wにより摩擦攪拌接合された被接合部材1a,1bからなる接合組立製品から当て部材5,7を除去する(当て部材除去工程)。
尚、本接合工程は、図2,5において、高速回転する第2FSWツール10bの攪拌ピン16を、右側の当て部材7の内側(中央付近)に挿入し、当該当て部材7との仮接合部wの中間部分と直角に交差させ且つ被接合部材1a,1b間の突き合わせ面2に沿って移動させた後、左側の当て部材5との仮接合部wと直交させ、係る当て部材5の内側で抜き出すようにして行っても良い。また、突き合わせ面2が例えば1メートル以上の長尺である場合は、仮接合工程の前に、係る突き合わせ面2に沿って長さ数〜数10mmの仮付け部をほぼ等間隔に複数個形成する仮付け工程を、第1FSWツール10aを用いて行うと良い。
アルミニウム合金(JIS:A6061)からなり、突き合わせ面2となる側面の長さ1000mm×端面3,4の長さ200mm×厚さ10mmの被接合部材1a,1bを複数組用意した。各組の被接合部材1a,1bの上記側面で突き合わせて突き合わせ面2を形成し、その両端に上記アルミニウム合金からなり、突き合わせ面6,8となる側面の長さ150mm×両端面の長さ50mmで上記と同じ厚さの当て部材5,7を前記図1と同様の位置に配置して拘束した。
また、工具鋼(SKD61)からなる第1FSWツール10aは、その回転体12の底面14の直径R:12mm、攪拌ピン16の直径d:X(変数)mm×長さ3mmとし、上記工具鋼からなる第2FSWツール10bは、その回転体12の底面14の直径R:22mm、攪拌ピン16の直径d:12mm×長さ10mmとした。
そして、第1FSWツール10aを用いて、各組の被接合部材1a,1bと当て部材5,7とを、前記図1に示したと同様の仮接合工程を施して仮接合部w,wにより摩擦攪拌接合した後、第2FSWツール10bを用い、前記図2,5に示したと同様の本接合工程を表1に示す条件で行うことで、本接合部Wを形成した。
各例において、仮接合工程の工数の大少、本接合工程を行った後の仮接合部wの状態を調べ、その結果を表2に示した。また、各例の被接合部材1a,1bからなる接合組立製品について、その本接合部Wを幅方向に沿って同じ位置で3箇所ずつ切断し、現れた本接合部Wについて目視観察およびX線透過試験を行って、トンネル欠陥や突き合わせ面2の段違いによるいびつな断面形状の欠陥を有するか否かについて調べた。そして、3箇所とも健全な断面の本接合部Wである場合は「良好」、2箇所で欠陥があったものを「やや不良」、3箇所全てで欠陥あったものを「不良」として、表2に示した。
一方、比較例1は、仮接合部wの長さLが第2FSWツール10bの回転体12の底面14の直径Rと同じであったため、表2に示すように、その仮接合部wは第2FSWツール10bによる本接合工程を受けると、ほぼ消滅した。
また、比較例2,3は、その仮接合部wの長さLが第2FSWツール10bの回転体12の底面14の直径Rよりも小さかったため、その仮接合部wは第2FSWツール10bによる本接合工程により消滅した。
以上のような実施例1〜3による条件を用いることにより、本発明の摩擦攪拌接合方法が確実に実行でき、且つ本発明の作用および効果が裏付けられた。
接合すべき被接合部材1c,1dは、前記同様のアルミニウム合金の厚板で、図6に示すように、垂直姿勢の被接合部材1cの端面1czを水平姿勢の被接合部材1dの内側面1dyの端部に当接し、平面視でL字形で且つ直角にして拘束する。上記端面1czと内側面1dyとの間に、突き合わせ面2が形成される。
図6の左側に示すように、突き合わせ面2の左端で且つ被接合部材1cの外側面1cxと被接合部材1dの端面1dzとに跨って、当て部材20を配置して拘束する。また、図6の右側に示すように、突き合わせ面2の右端で且つ被接合部材1cの内側面1cyと被接合部材1dの内側面1dyとの間に当て部材22を配置して拘束する。尚、図中の符合1dxは、被接合部材1dの外側面を示す。
また、図6の左側に示すように、第1FSWツール10aの攪拌ピン16を左側の当て部材20の内側に挿入始端waを形成し、係る当て部材20と被接合部材1dとの突き合わせ面および当て部材20と被接合部材1cとの突き合わせ面に沿って直線形で移動させて仮接合部wを形成した後、当て部材20の内側に移動させ、更に攪拌ピン16を抜き出して終端wbを形成する(仮接合工程)。
尚、図6中の各仮接合部wの長さLは、次の本接合工程で用いる第2FSWツール10bにおける回転体12の底面14の直径Rよりも大きく形成されている。また、仮接合工程は、突き合わせ面2を形成して拘束した被接合部材1c,1dに対し、先に当て部材20を仮接合した後、当て部材22を仮接合しても良い。
その後、図7で右側のL字形の仮接合部wにおけるコーナー付近と任意の傾斜角度で交差するよう移動させ、右側の当て部材20の内側(中央付近)で攪拌ピン16を抜き出して、その位置に終端Wbを形成する(本接合工程)。
そして、仮接合部wに沿って回転する丸鋸またはバンドソーを移動させて、本接合部Wにより接合された被接合部材1c,1dからなる接合組立製品から、当て部材20,22を切断して除去する(当て部材除去工程)。
これにより、トンネル欠陥などを含まず健全で強固な本接合部Wが突き合わせ面2の全長に沿って形成された接合組立製品を得ることができる。
また、突き合わせ面2が例えば1メートル以上の長尺である場合は、仮接合工程の前に、係る突き合わせ面2に沿って数mmの長さの仮付け部をほぼ等間隔に複数個形成する仮付け工程を、第1FSWツール10aを用いて行うと良い。
更に、一対ずつの被接合部材1c,1dを図6で示したように、直角に接続して突き合わせ面2をコーナーの4箇所に形成し、前記同様の仮接合工程および本接合工程を施すことにより、四角枠形の接合組立製品を得ることもできる。
例えば、被接合部材には、アルミニウム合金からなる押出形材同士や、同種のアルミニウム合金の板材と押出形材との組み合わせも含まれる。この際に用いる当て部材は、同種のアルミニウム合金からなる板材や押出形材が用いられる。
あるいは、同種の鋼板同士、型鋼同士、鋼板と型鋼との組み合わせ、ステンレス型鋼板同士、チタン合金板同士からなる被接合部材も含まれ、当て部材もこれらと同じか同種の素材からなるものが用いられる。
また、被接合部材間の突き合わせ面には、前記の直線形の形態に限らず、緩くカーブする形態や、途中で緩く傾斜する形態なども含まれる。
更に、第1・第2FSWツールの攪拌ピンは、回転体の底面の中心部付近から垂下する形態に限らず、係る底面の中心から偏寄した位置から垂下する攪拌ピンや、上底面の中心部付近から平行に垂下する細径で複数の攪拌ピンも含まれる。
2………………………突き合わせ面
5,7,20,22…当て部材
10a…………………第1FSWツール
10b…………………第2FSWツール(FSWツール)
12……………………回転体
14……………………底面
16……………………攪拌ピン
d,D…………………攪拌ピンの直径
R………………………底面の直径
w………………………仮接合部
W………………………本接合部
Wa……………………始端
Wb……………………終端
L………………………仮接合部の長さ
Claims (4)
- 回転体と係る回転体の底面から垂下する攪拌ピンとを備えたFSWツールを用い、上記攪拌ピンを被接合部材間の突き合わせ面付近に挿入し且つ上記底面を被接合部材の上面に押し付けつつ、上記FSWツールを回転させながら上記突き合わせ面に沿って移動させることにより、上記被接合部材同士を接合する摩擦攪拌接合方法において、
上記被接合部材同士を突き合わせ面で突き合わせ且つ係る突き合わせ面の両端に一対の当て部材をそれぞれ摩擦攪拌接合する仮接合工程と、
その後に上記FSWツールを回転させつつ上記突き合わせ面に沿って移動させて、上記被接合部材同士を摩擦攪拌接合する本接合工程と、を含み、
上記仮接合工程において、上記攪拌ピンの挿入位置および抜き出し位置は、上記各当て部材の内側に個別に位置しており、
上記本接合工程において、上記攪拌ピンの挿入位置および抜き出し位置は、上記一対の当て部材の内側に個別に位置していると共に、
上記仮接合工程により被接合部材と当て部材との間に形成される仮接合部の長さは、上記本接合工程に用いるFSWツールにおける回転体の底面の直径の2〜10倍であり、
上記仮接合工程により被接合部材と当て部材との間に形成される仮接合部と、上記本接合工程により被接合部材同士間の突き合わせ面に沿って形成される本接合部とは、互いに直交するか、あるいは、任意の角度で交差している、
ことを特徴とする摩擦攪拌接合方法。 - 前記仮接合工程に用いる第1FSWツールにおける攪拌ピンの直径は、前記本接合工程に用いる第2FSWツールにおける攪拌ピンの直径の20〜60%である、
ことを特徴とする請求項1に記載の摩擦攪拌接合方法。 - 前記仮接合工程の前に、前記被接合部材同士間の記突き合わせ面に単数または複数の仮付け部を形成する仮付け工程を有する、
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。 - 前記本接合工程の後に、前記一対の当て部材を本接合された被接合部材から除去する当て部材除去工程を更に有する、
ことを特徴とする請求項1乃至3の何れか一項に記載の摩擦攪拌接合方法。
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