JP4438403B2 - 摩擦撹拌接合方法 - Google Patents

Description

本発明は、被接合物を摩擦撹拌接合する摩擦撹拌接合方法に関する。

図２３は、従来技術の摩擦撹拌接合方法を説明するための断面図である。被接合物２３は、２つの被接合部材２１，２２が突合わされることによって継ぎ手部分５を形成する。摩擦撹拌接合方法は、継ぎ手部分５に接合ツール４を摺動させて摩擦熱を発生する。そして摩擦熱によって被接合物２３を部分的に流動化し、２つの被接合部材２１，２２を接合する。従来技術では、被接合物２３のうち接合ツール４と反対側の表面７に、裏当て部材８を当接させる。これによって被接合物２３が、接合時に変形することを防ぐ。

図２４は、突合わされる被接合部材２１，２２を示す平面図である。突合わされる２つの被接合部材２１，２２の間にギャップ１０が存在する場合、接合された継ぎ手部分５の減厚および接合欠陥が発生するという問題がある。この問題を解決するために、ギャップ１０に粉末や棒状の充填材を充填するいくつかの方法が提案されている。特許文献１に開示される方法では、充填材を摩擦撹拌接合または溶接によって仮接合することによって、接合時に充填材がギャップ１０から飛び出すことを防いでいる。

特開２０００−２３３２８５号公報

上述するように、従来の技術では、接合時における被接合物２３の変形を防ぐために、被接合物２３に裏当て部材８を当接させる。この場合、被接合物２３の大型化にともなって、裏当て部材８もまた大型化してしまう。これによって摩擦撹拌接合装置が大型化および重量化し、製造コストが大きくなってしまうという問題がある。また裏当て部材８をローラ形状にした場合には、裏当て部材８の大型化については防がれるものの、摩擦撹拌接合装置の構造が複雑化するという問題がある。

また、被接合物２３の厚み方向Ａ全域にわたって、各被接合部材２１，２２を接合する場合、接合ツール４と裏当て部材８との接触を防止するとともに、各被接合部材２１，２２の接合不足を防ぐために、接合ツール４の先端部と裏当て部材８との間の距離１１を、０．１〜０．２ｍｍに管理する必要がある。しかしながら正確にその距離１１を管理することは困難である。

したがって本発明の目的は、裏当て部材を用いる必要がない摩擦撹拌接合方法を提供することである。

また特許文献１に開示される摩擦撹拌接合方法では、摩擦撹拌接合前に、被接合部材２１，２２と充填材とを仮接合する必要がある。この場合、施工効率が低下するという問題がある。

したがって本発明の他の目的は、仮接合を行わずに充填材の飛び出しを防ぐ摩擦撹拌接合方法を提供することである。

本発明は、複数の被接合部材によって構成される被接合物に、回転する接合ツールを没入させて、接合ツールと被接合物との摩擦熱によって各被接合部材を接合する摩擦撹拌接合方法であって、
被接合物の厚み方向一方側から接合ツールを没入させ、被接合物の厚み方向他方側に流動化していない非流動化部分を被接合物に残した状態で、各被接合部材を接合する第１接合工程と、
被接合物の厚み方向他方側から接合ツールを没入させ、前記非流動化部分を流動化させた状態で、各被接合部材を接合する第２接合工程とを含み、
前記第１および第２接合工程では、裏当て部材を用いずに前記各被接合部材が接合され、
前記第１接合工程において、非流動化部分の厚み寸法は、非流動化部分を構成する材料の引張り強さおよび非流動化部分の厚み寸法に比例する非流動化部分の変形抵抗力が、接合ツールから与えられる予め定めるツール押圧力以上となるように決定されることを特徴とする摩擦撹拌接合方法である。

本発明に従えば、第１接合工程で、非流動化部分を残した状態で各被接合部材を接合する。このとき、ツール押圧力以上の変形抵抗能を有するように非流動化部分を残した状態で、各被接合部材を部分的に接合する。これによって接合ツールからツール押圧力が与えられても、被接合物の厚み方向他方への塑性変形を抑制することができる。また第２接合工程で、各被接合部材の厚み方向他方側部分を接合することによって、各被接合部材の両面を接合することができる。また、非流動化部分のツール没入方向寸法を設定することによって、非流動化部分を形成する材料自体の強度が小さくても、接合時における非流動化部分の変形抵抗能、すなわち変形抵抗力をツール押圧力以上にすることができる。

また本発明は、前記第１接合工程は、少なくとも接合ツールによって前記ツール押圧力が被接合物に与えられている間に、非流動化部分を冷却する工程を含み、非流動化部分の冷却温度と非流動化部分の厚み寸法とは、非流動化部分を構成する材料の温度と前記引張り強さとの関係に基づいて、前記変形抵抗力が前記ツール押圧力以上となるように決定されることを特徴とする。

本発明に従えば、非流動化部分を冷却することによって、接合時の摩擦熱に起因する非流動化部分の軟化を抑えて、接合変形（ひずみ）や接合欠陥の発生を抑制することができる。これによって非流動化部分のツール没入方向寸法が小さくても、接合時における非流動化部分の変形抵抗能をツール押圧力以上にすることができる。

また本発明は、第１接合工程および第２接合工程では、被接合物を流動化する流動化部分の厚み寸法を、被接合物の厚み寸法の半分以上にすることを特徴とする。

本発明に従えば、第１接合工程で残った非流動化部分を第２接合工程で確実に流動化させることができ、被接合物の厚み方全域にわたって、各被接合部材を確実に接合することができる。これによって接合後の被接合物の強度を向上することができる。

また本発明は、接合ツールを没入する前に、互いに突合わされる２つの被接合部材の間に形成される隙間に、被接合物の厚み方向両側から突出する突出部分を形成して充填材を挿入し、充填材の突出部分を残余の部分に対して屈曲させることを特徴とする。

本発明に従えば、充填材を隙間に挿入し、被接合物から突出する部分を屈曲させることによって、充填材が被接合物に係止される。これによって摩擦撹拌接合時に、隙間から充填材が飛び出ることを防ぐことができる。

また本発明は、充填材は、被接合部材と同質の材料または各被接合部材を摩擦撹拌接合可能な化学的性質を有する材料によって実現されることを特徴とする。

本発明に従えば、充填材によって接合部分の減厚や接合欠陥を防止するとともに、被接合部材の接合強度を向上させることができる。

また本発明は、接合ツールを被接合物に没入した状態で、突合せ面に沿って接合ツールを移動させる連続接合方法であることを特徴とする。

本発明に従えば、第２工程において被接合物の厚み方向他方への塑性変形を抑制した状態で、接合ツールを接合面に沿って移動させることができる。

本発明によれば、非流動化部分を残した状態で、摩擦撹拌接合を行うことによって、被接合物の塑性変形を抑制することができる。これによって裏当て部材を用いることなく摩擦撹拌接合を行うことができる。裏当て部材を不要とすることによって、摩擦撹拌接合装置を小型化および簡略化することができ、摩擦撹拌接合装置の製造コストを低減することができる。

また裏当て部材を用いずとも、第２接合工程において、被接合物の厚み方向他方側の塑性変形がないまたは小さい状態で、接合ツールを被接合物に没入することができる。これによって接合ツールを目標位置にずれなく没入させることができる。また接合後の被接合物の変形を小さくすることができる。このように裏当て部材を不要としても、接合品質の低下を防ぐことができる。

また裏当て部材を用いる従来技術では、没入させた接合ツールと裏当て部材との間の距離を正確に管理する必要があったが、本発明のように裏当て部材を不要とすることによって、接合ツールの没入量を正確に管理する必要がなくなり、被接合物の寸法が少々変動しても、各被接合部材を容易に接合することができる。また、非流動化部分のツール没入方向寸法を設定することによって、非流動化部分を形成する材料自体の強度が小さくても、非流動化部分の変形を小さくすることができる。これによって裏当て部材を用いることなく接合することができる被接合部材の材料の選択肢を増やすことができる。

また本発明によれば、非流動化部分を冷却することによって、接合時の摩擦熱に起因する非流動化部分の軟化を抑えて、変形抵抗能の低下を抑制することができる。これによって裏当て部材を用いることなく、厚み寸法が小さい各被接合部材を接合することができる。

また本発明によれば、第１接合工程で残った非流動化部分を第２接合工程で流動化させることで、被接合物の厚み方全域にわたって、各被接合部材を接合することができる。これによって接合強度をさらに向上することができる。

また本発明によれば、充填材を屈曲させるだけで、接合時における充填材の飛び出しを防ぐことができ、充填材を仮止めする手間を省くことができる。これによって摩擦撹拌接合に費やす時間を短縮化することができる。なお、上述したように、裏当て部材を用いる必要がないので、被接合部材の間の隙間に挿入した充填材を容易に屈曲させることができる。また充填材を屈曲させた状態で容易に摩擦撹拌接合を行うことができる。

また本発明によれば、充填材によって接合部分の減厚や接合欠陥を防止するとともに、充填材を被接合部材の接合に寄与させることができる。これによって接合後の被接合物の品質および強度を向上することができる。

また本発明によれば、裏当て部材を用いることなく、被接合物の厚み方向他方への塑性変形を抑制した状態で、接合ツールを接合面に沿って移動させることができる。これによって接合ツールを走行経路に沿ってずれなく移動させることができ、接合品質の低下を防ぐことができる。また従来、連続接合の場合には、その裏当て部材は被接合物に応じて大型化するか、ローラ形状に形成されて複雑化してしまう。本発明では、裏当て部材を必要としないので、摩擦撹拌接合装置の小型化および簡略化の効果が大きい。

図１は、本発明の実施の一形態である摩擦撹拌接合方法の接合手順を示すフローチャートである。また図２は、本発明の実施の一形態である接合手順を示す断面図であり、図３および図４は、接合手順を示す斜視図である。

本実施の形態の摩擦撹拌接合（Friction Stir Welding：略称ＦＳＷ）は、突合わされる２つの被接合部材２１，２２を接合する。各被接合部材２１，２２は、それぞれ突合わされた状態で被接合物２３を構成する。被接合物２３は、２つの被接合部材２１，２２が突合わされる部分が、継ぎ手部分２８となる。継ぎ手部分２８は直線状に延びる。本実施の形態では、接合ツール２４を継ぎ手部分２８の伸延方向Ｃに沿って移動させて、各被接合部材２１，２２を接合、いわゆる連続接合する。各被接合部材２１，２２は、たとえばアルミ合金から成る。

摩擦撹拌接合は、接合ツール２４を回転および移動させる摩擦撹拌接合装置（以下単に接合装置という）を用いて行う。図２に示すように、接合ツール２４は、略円柱状に形成される本体部２５と、本体部２５から軸線方向一方に突出し、略円柱状に形成されるピン部２６とを有する。本体部２５は、軸線方向一方側端面となるショルダ面３０を有する。ショルダ面３０は、接合ツール２４の軸線Ｌ１に対して略垂直（＋５°〜−１５°）に形成される。ピン部２６は、ショルダ面３０から垂直に突出する。本体部２５とピン部２６とは、同軸に形成され、ピン部２６の外径は、本体部２５の外径よりも小さく形成される。

摩擦撹拌接合において、作業者は、ステップａ０で、仮付け溶接または拘束治具などによって、２つの被接合部材２１，２２を突合わせた状態で、ワーク保持手段に保持させる。また接合ツール２４の回転速度、接合ツール２４の没入量、接合ツール２４の移動速度、接合ツール２４の押圧力など、接合条件を設定する。このように摩擦撹拌接合に関する準備が完了すると、ステップａ１に進み、作業者は、接合装置を用いて、摩擦撹拌接合動作を開始する。

ステップａ１では、作業者は、接合ツール２４のピン部２６を被接合物２３の厚み方向一方側表面３１に対向させる。また接合ツール２４の軸線Ｌ１を被接合部材２１，２２の境界線３２の延長線上に配置し、ステップａ２に進む。

本実施の形態では、被接合部材２１，２２の境界線３２は、被接合物２３の厚み方向Ａに沿って延びる。したがって接合ツール２４の軸線方向と、被接合物２３の厚み方向Ａとは一致する。以後、被接合物２３の厚み方向を単に厚み方向と称する。

ステップａ２では、図２（１）に示すように、作業者は、接合ツール２４を予め設定される設定回転速度で軸線Ｌ１まわりに回転させ、ステップａ３に進む。ステップａ３では、図２（２）に示すように、回転する接合ツール２４を被接合物２３の厚み方向一方Ａ１側から厚み方向他方Ａ２側に向かって被接合物２３に没入させる。

接合ツール２４が回転しながら被接合物２３に没入することによって、摩擦熱が生じて被接合物２３が部分的に流動化する。被接合物２３を構成する各被接合部材２１，２２のうち流動化した第１流動化部分２７ａは、撹拌されて互いに混ぜ合わされる。このとき接合ツール２４は、厚み方向一方Ａ１側から厚み方向他方Ａ２側に、予め設定されるツール押圧力Ｆ１で被接合物２３を押圧する。

ステップａ３では、接合ツール２４を予め定める第１設定没入量Ｚ１だけ被接合物２３に没入させる。このとき、接合ツール２４のショルダ面３０は、被接合物２３の厚み方向一方側表面３１に摺動接触する。第１設定没入量Ｚ１は、ピン部２６の端面３３が厚み方向Ａに被接合物２３に没入する量である。本実施の形態では、第１設定没入量Ｚ１は、ショルダ面３０からピン部２６の端面３３までの軸線方向寸法である。

被接合物２３には、継ぎ手部分２８のうち、厚み方向一方Ａ１側に第１流動化部分２７ａが形成され、厚み方向他方Ａ２側に流動化しない非流動化部分２９が残る。非流動化部分２９は、接合ツール２４に厚み方向他方Ａ２側から臨む。また非流動化部分２９の厚み方向寸法は、予め定める残板量Ｚ２に設定される。

たとえば第１設定没入量Ｚ１は、被接合物２３の厚み方向寸法Ｚ３の半分以上に設定され、第１流動化部分２７ａの残板量Ｚ２は、被接合物２３の厚み方向寸法Ｚ３の半分以下に設定される。このようにして、継ぎ手部分２８のうち非流動化部分２９を残した状態で、第１流動化部分２７ａを十分に流動化すると、ステップａ４に進む。

ステップａ４では、図３に示すように、接合ツール２４を回転させた状態で、継ぎ手部分２８の伸延方向Ｃに沿って接合ツール２４を移動させる。これによって、伸延方向Ｃにわたって、継ぎ手部分２８のうち厚み方向他方Ａ２側に非流動化部分２９を残した状態で、継ぎ手部分２８のうち厚み方向一方Ａ１側に第１流動化部分２７ａを形成する。

伸延方向Ｃ全域にわたって接合ツール２４を移動させると、接合ツール２４を被接合物２３から退出させ、ステップａ５に進む。被接合物２３は、第１流動化部分２７ａが固まることによって、継ぎ手部分２８のうち厚み方向一方Ａ１側部分が接合される。

なお、ステップａ１〜ステップａ４を第１の接合工程と称する。第１の接合工程では、被接合物２３のうち、ツール没入方向上流側は厚み方向一方Ａ１側となり、ツール没入方向下流側は厚み方向他方Ａ２側となる。

ステップａ５では、作業者は、接合ツール２４と被接合物２３との相対位置を変更する。具体的には、接合ツール２４のピン部２６を被接合物２３の厚み方向他方側表面３４に対向させる。また接合ツール２４の軸線Ｌ１を被接合部材２１，２２の境界線３２の延長線上に配置し、ステップａ６に進む。

ステップａ６では、図２（３）に示すように、接合ツール２４を設定回転速度で軸線Ｌ１まわりに回転させ、ステップａ７に進む。ステップａ７では、図２（４）に示すように、回転する接合ツール２４を厚み方向他方Ａ２側から厚み方向一方Ａ１側に向かって被接合物２３に没入させる。接合ツール２４が回転しながら被接合物２３に没入することによって、摩擦熱が生じて被接合物２３が部分的に流動化する。

被接合物２３を構成する各被接合部材２１，２２のうち流動化した第２流動化部分２７ｂは、撹拌されて互いに混ぜ合わされる。このとき接合ツール２４は、厚み方向他方Ａ２側から厚み方向一方Ａ１側に、予め設定されるツール押圧力Ｆ２で被接合物２３を押圧する。

ステップａ６では、接合ツール２４を予め定める第２設定没入量Ｚ４だけ被接合物２３に没入させる。このとき、接合ツール２４のショルダ面３０は、被接合物２３の厚み方向他方側表面３４に摺動接触する。第２設定没入量Ｚ４は、ピン部２６の端面４３が厚み方向Ａに被接合物２３に没入する量である。本実施の形態では、ショルダ面３０からピン部２６の端面３３までの軸線方向寸法である。

被接合物２３には、継ぎ手部分２８のうち、厚み方向他方Ａ２側に第２流動化部分２７ｂが形成される。これによって継ぎ手部分２８のうち、厚み方向他方Ａ２側に残っていた非流動化部分２９を流動化することができ、継ぎ手部分２８のうち厚み方向両側に流動化部分２７を形成することができる。

たとえば第２設定没入量Ｚ４は、被接合物２３の厚み方向寸法Ｚ３の半分以上に設定され、第２流動化部分２７ｂの残板量Ｚ２は、被接合物２３の厚み方向寸法Ｚ３の半分以下に設定される。このようにして、厚み方向他方Ａ２側に形成した第２流動化部分２７ｂを十分に流動化すると、ステップａ８に進む。

ステップａ８では、図４に示すように、接合ツール２４を回転させた状態で、継ぎ手部分２８の伸延方向Ｃに沿って接合ツール２４を移動させる。これによって、伸延方向Ｃにわたって、継ぎ手部分２８のうち厚み方向他方Ａ２側に形成される第２流動化部分２７ｂを形成する。継ぎ手部分２８の伸延方向Ｃ全域にわたって接合ツール２４を移動させると、接合ツール２４を被接合物２３から退出させ、ステップａ９に進む。被接合物２３は、第２流動化部分２７ｂが固まることによって、継ぎ手部分２８のうち厚み方向他方Ａ２側部分が接合される。ステップａ９では、接合動作を終了する。

なお、ステップａ５〜ステップａ８を第２の接合工程と称する。第２の接合工程では、被接合物２３のうち、ツール没入方向上流側は厚み方向他方Ａ２側となり、ツール没入方向下流側は厚み方向一方Ａ１側となる。

また、ステップａ４およびａ８の前に、必要に応じて、ツール回転数を変更してもよい。たとえば走行用回転速度よりも没入時の設定回転速度を高くする。これによって、接合ツールが被接合物に没入するまでに接合ツールから被接合物に与える入熱量を大きくすることができ、接合時間を短縮できる。

本実施の形態では、このように被接合物２３の厚み方向一方Ａ１側を接合する第１接合工程の後、被接合物２３の厚み方向他方Ａ２側を接合する第２接合工程を行うことによって、継ぎ手部分２８を厚み方向両側にわたって、かつ継ぎ手部分２８の伸延方向Ｃにわたって２つの被接合部材２１，２２を接合することができる。

第１接合工程において、非流動化部分２９を残した状態で各被接合部材２１，２２を接合する。接合ツール２４が被接合物２３を押圧すると、接合ツール２４のツール押圧力Ｆ１は、非流動化部分２９に与えられる。非流動化部分２９は、流動化部分に比べて変形抵抗能、言い換えると変形抵抗力が大きい。非流動化部分２９によって、ツール押圧力Ｆ１を受け持たせることによって、被接合物２３の塑性変形を抑制することができる。これによって裏当て部材を用いることなく摩擦撹拌接合を行うことができる。裏当て部材を不要とすることによって、摩擦撹拌接合装置を小型化および簡略化することができ、摩擦撹拌接合装置の製造コストを低減することができる。

また本実施の形態によれば、被接合部材２１，２２を連続接合する。従来、連続接合の場合には、その裏当て部材は被接合物に応じて大型化するか、ローラ形状に形成されて複雑化してしまう。本実施の形態では、裏当て部材が必要ないので、摩擦撹拌接合装置の小型化および簡略化をより効果的に実現可能となる。

また、第２接合工程は、第１接合工程の裏面側であって第１接合工程で接合ツールが没入する位置よりやや後ろ、すなわちやや接合方向下流側に接合ツールを配置して並列動作としてもよい。これによって接合時間を短縮することができる。

また第１接合工程で厚み方向他方Ａ２に被接合物２３が少々変形しても、第２接合工程で厚み方向他方側から接合ツール２３を没入させることによって、第１接合工程における変形の影響をなくして被接合部材２１，２２を接合することができる。

また裏当て部材を用いる従来技術では、没入させた接合ツール２４と裏当て部材との間の距離を正確に管理する必要があったが、本発明のように裏当て部材を不要とすることによって、接合ツール２４の没入量を正確に管理する必要がなくなり、被接合物２３の寸法が少々変動しても、被接合物２３の厚み方向全域にわたって各被接合部材２１，２２を接合することができる。

また第１設定没入量Ｚ１と第２設定没入量Ｚ４とを、被接合物２３の厚み寸法の半分に設定することによって、第１接合工程と第２接合工程とを同じ接合ツール２４を用いることができる。また被接合物２３の厚み方向全域にわたって、各被接合部材２１，２２を接合することができ、接合強度を向上することができる。また本実施の形態では、接合ツール２４を伸延方向Ｃにわたって、厚み方向一方Ａ１側と厚み方向他方Ａ２側との両方向で移動させる必要がある。しかしながら接合ツール２４の没入量を被接合物の厚さ寸法の半分とすることで、ツール没入量が被接合物の厚さ寸法程度である場合に比べて、伸延方向Ｃに移動する移動速度を速くすることができる。これによって従来技術に比べて接合時間が大幅に長くなることを防ぐことができる。またツール没入量を少なくすることができるので、接合ツール２４に被接合物２３から与えられる負荷を小さくすることができる。

図５は、第１接合工程を終えた被接合物２３の接合状態を拡大して示す断面図である。非流動化部分２９の厚み方向寸法である残板量Ｚ２が大きくなるにつれて、厚み方向Ａに与えられる力に対する、非流動化部分２９の変形抵抗力が大きくなる。

非流動化部分２９の変形抵抗力は、非流動化部分２９の変形量δ１が許容変形量δ２だけ塑性変形するために必要な、非流動化部分２９に与えられる力である。非流動化部分２９の変形量δ１は、厚み方向他方側端部となる変形部分３５の厚み方向の変形量である。また許容変形量δ２は、接合品質として許容される変形部分３５の最大変形量δである。たとえば許容変形量δ２は、第２接合工程で、接合ツール２４のピン部２６が被接合物２３の厚み方向他方側表面３４に当接したときに、ピン部２６の軸線Ｌ１が継ぎ手部分２８からずれない量に設定される。

本実施の形態では、ツール押圧力Ｆ１よりも非流動化部分２９の接合強度が大きく設定される。これによって接合ツール２４から押圧力Ｆ１が与えられた場合に、非流動化部分２９の変形部分３５が厚み方向他方Ａ２に変形する変形量δ１が許容変形量δ２よりも小さくなる。非流動化部分２９の変形量δ１が小さいと、従来技術における裏当て部材と同じ効果を非流動化部分２９によって得ることができる。すなわち裏当て部材を用いることなく、被接合部材２１，２２を確実に接合することができる。

図６は、比較例の接合状態を示す断面図である。非流動化部分２９の変形抵抗力がツール押圧力Ｆ１よりも小さい場合には、非流動化部分２９の変形部分３５の変形量δ１が許容変形量δ２よりも大きくなる。また非流動化部分２９が厚み方向他方Ａ２に大きく変形することによって、継ぎ手部分２８の厚み方向他方Ａ２側表面３４に開口Ｐが形成する場合がある。

非流動化部分２９の厚み方向の変形抵抗力Ｖは、少なくとも、非流動化部分２９を構成する材料の引張り強さσと、残板量Ｚ２とに関連して変化する。したがって変形抵抗力Ｖがツール押圧力Ｆ１以上となるように、引張り強さσおよび残板量Ｚ２を設定することによって、裏当て部材を用いることなく摩擦撹拌接合を行うことができる。

大略的には、変形抵抗力Ｖは、次式によって表わされる。
Ｖ∝α・σ（ｔ）・Ｚ２
ここで、∝は、その両側の数値が比例関係にあることを表わす。またＶは変形抵抗力を表わし、αは、接合ツール２４の形状および残板量Ｚ２の温度勾配に依存する係数であり、σ（ｔ）は、引張り強さを表わす。ただし、この引張り強さσ（ｔ）は、温度によって変化する変数である。またＺ２は、残板量を表わす。

すなわち、大略的には、変形抵抗力Ｖは、係数αと、引張り強さσ（ｔ）と、残板量Ｚ２とを乗算した値に比例する。裏当て部材を不要とするためには、ツール押圧力Ｆ１＜変形抵抗力Ｖである必要がある。言い換えれば変形抵抗力Ｖがツール押圧力Ｆ１よりも大きくなるように、引張強さσ（ｔ）および残板量Ｚ２の少なくともいずれかを設定する必要がある。

また非流動化部分２９の変形量δ１が、予め定められる許容変形量δ２以下であれば、第２接合工程に影響を与えることがない。たとえば許容変形量δ２は、１．０ｍｍ程度である。摩擦撹拌接合においては、非流動化部分２９とショルダー部との間で、流動化する材料を十分に挟み込んで加圧した状態で撹拌しなければ、非流動化部分２９の変形量δ１が許容変形量δ２を超えて、接合欠陥が発生する。たとえば接合欠陥として、接合後の被接合物２３のひずみの発生、接合ツールの没入跡の形成、流動化部分の空洞の発生および接合部の減厚などである。

図７〜図１０は、第１接合工程を終えた状態の被接合物の実験結果を示す断面図である。図７および図８は、各被接合部材２１，２２として、日本工業規格によって規定される合金番号５０８３で示されるアルミ合金を焼きなましした材料、いわゆる５０８３−Ｏを用いた場合を示す。なお、図７〜図１０には、第１流動化部分２７ａと非流動化部分２９とを明確にするために、その境界を誇張して示す。図７および図８は、被接合物２３の厚み寸法Ｚ３が１０ｍｍの場合である。

図７は、残板量Ｚ２が良好に設定される場合である。第１設定没入量Ｚ１が４ｍｍの場合、非流動化部分２９の変形量δ１が０．８ｍｍであり、許容変形量δ２よりも小さくなる。

図８は、残板量Ｚ２が良好でない場合である。第１設定没入量Ｚ１が６ｍｍの場合、非流動化部分２９の変形量δ１が４．６ｍｍであり、許容変形量δ２よりも大きくなる。また被接合物２３が接合方向下流側に大きく隆起するとともに、被接合部材２１，２２の間に開口Ｐが形成されて、接合品質が低下する。

図９および図１０は、被接合物２３の厚み寸法Ｚ３が２０ｍｍの場合である。図９は、残板量Ｚ２が良好に設定される場合である。第１設定没入量Ｚ１が１０ｍｍの場合、非流動化部分２９の変形量δ１が０．２ｍｍであり、許容変形量δ２よりも小さくなる。

図１０は、残板厚Ｚ２が良好でない場合である。第１設定没入量Ｚ１が１５ｍｍの場合、非流動化部分２９の変形量δ１が１．８ｍｍであり、許容変形量δ２よりも大きくなる。また第１流動化部分２７ａに空孔および凹所が形成されて接合品質が低下する。

図９〜図１０に示すように、残板量Ｚ２は、被接合部材２１，２２の材料などの接合条件によって決定される臨界残板量Ｚ５を超えるように設定することによって、接合品質を維持したうえで、裏当て部材を不要にして摩擦撹拌接合を行うことができる。なお、許容変形量δ２および臨界残板量Ｚ５は、試験によって求めてもよいし、数値解析によって求めてもよい。

第１接合工程と第２接合工程とについて、同じ形状の接合ツール２４を用いる場合には、第１設定没入量Ｚ１と第２設定没入量Ｚ４とが同じ値となる。この場合、継ぎ手方向２８のうち厚み方向全域にわたって接合するためには、第１設定没入量Ｚ１および第２設定没入量Ｚ４が、被接合物２３の厚み方向寸法Ｚ３の半分以上に設定される。ここで、第１設定没入量Ｚ１が、被接合物２３の厚み方向寸法Ｚ３の半分以上に設定した場合に、残板量Ｚ２が臨界残板量Ｚ５以下となる場合には、非流動化部分２９を冷却することによって、裏当て部材を不要とすることができる。

図１１は、非流動化部分２９の厚み方向他端部の温度変化を示すグラフである。被接合物２３は、接合ツール２４から与えられる摩擦熱によって時間とともにその温度が上昇する。非流動化部分２９は、摩擦撹拌接合時には、最大で３００℃に達する。被接合物２３は、温度が上昇するにつれて、引張り強さが低下する。

表１は、合金記号５０８３−Ｏで表わされるアルミ合金における温度毎の引張り強さ、耐力および伸びを示す。表１に従うと、アルミ合金は、常温、たとえば２５℃での引張強さは、２９０Ｎ/ｍｍ^２であるが３１５℃での引張強さは、７５Ｎ/ｍｍ^２である。摩擦撹拌接合時に、非流動化部分２９の裏面側を１００℃に冷却することによって、引張り強さを２７５Ｎ/ｍｍ^２とすることができる。また非流動化部分を冷却しすぎると、接合部分の入熱量が不足する。この場合、入熱不足による接合欠陥やツール折損が発生する。

このように非流動化部分２９を冷却することによって、非流動化部分２９の引張り強さを向上することができ、変形抵抗力Ｖを大きくすることができる。これによって残板量Ｚ２が小さい場合であっても、非流動化部分２９の変形抵抗力Ｖを、接合ツールの押圧力Ｆ１以上とすることができ、接合時における非流動化部分２９の変形量δ１を、許容変形量δ２以下とすることができる。

図１２は、冷却手段５１を備える接合装置５０を示す断面図である。摩擦撹拌接合時に非流動化部分２９を冷却する場合、冷却手段５１を備える接合装置５０を用いて摩擦撹拌接合を行う。接合装置５０は、ツール保持手段４１と、回転駆動手段４２と、押圧駆動手段４３と、連続移動手段４４と、ワーク保持手段５２と、冷却手段５１と、制御手段４５とを含んで構成される。

ツール保持手段４１は、接合ツール２４を着脱可能に保持する。ツール保持手段４１に装着された接合ツール２４は、その軸線が、ツール保持手段４１と同軸に配置される。ツール保持手段４１は、軸線Ｌ１まわりに回転可能に設けられる。またツール保持手段４１は、その軸線Ｌ１に沿って変位可能に設けられる。またツール保持手段４１は、ワーク保持手段５２によって保持される被接合物２３の継ぎ手部分２８の伸延方向に沿って変位可能に設けられる。

回転駆動手段４２は、ツール保持手段４１をその軸線Ｌ１まわりに回転駆動する。回転駆動手段４２は、たとえば誘導モータまたはサーボモータによって実現される。なお、電動モータは、制御手段４５によって制御される。この場合、制御手段４５は、モータに与える電流を調整する。

変位駆動手段４３は、ツール保持手段４１を基準軸線方向Ａに変位駆動する。押圧駆動手段４３は、ツール保持手段４１を軸線方向に変位駆動する。押圧駆動手段４３は、たとえば復動式エアシリンダによって実現される。なお、エアシリンダは、制御手段４５によって制御される。この場合、制御手段４５は、シリンダに供給する圧縮空気の供給径路および供給状態を調整する。

連続移動手段４４は、ツール保持手段４１を被接合物２３の継ぎ手部分２８の伸延方向Ｃに沿って変位駆動する。連続移動手段４４は、ツール保持部４１を支持する支持部と、支持部を伸延方向に案内するレール機構と、支持部を伸延方向に移動させる走行手段とを有する。支持部は、ツール保持部４１を上方から片持ちまたは両持ち支持する。レール機構は、伸延方向に基準軸線方向Ａに延びるレールと、レールに案内される案内体とを含む。案内体は、伸延方向に変位自在に設けられ、その他の方向の変位が阻止される。支持部は、案内体に連結される。走行手段によって、支持部を変位駆動することによって、支持部とともにツール保持部４１を伸延方向に移動させることができる。

ワーク保持手段５２は、被接合部材２１，２２のそれぞれの接合面を突合わせた状態で、被接合物２３を保持する。ワーク保持手段５２は、継ぎ手部分２８に当接する裏当て部材が省かれる。これによってワーク保持手段５２に保持された状態で、継ぎ手部分２８は、その厚み方向両側に空間が形成される。ワーク保持手段５２は、被接合物２３に継ぎ手部分２８をのぞく任意の部分的に当接して、被接合物を下方側から支持する。

冷却手段５１は、接合ツール没入方向と反対側から被接合物２３を冷却する。具体的には、冷却手段５１は、空気供給源５１ａと、空気噴出ノズル５１ｂとを含む。空気供給源５１ａは、常温の空気または常温よりも冷却した空気を圧縮して空気噴出ノズル５１ｂに与える。空気噴出ノズル５１ｂは、空気供給源５１ａから与えられる空気を噴出部から噴出する。噴出部は、継ぎ手部分２８のうちツール没入方向下方側表面に対向して配置される。これによって非流動化部分２９を効率よく冷却することができる。なお、噴出部は、継ぎ手部分２８の伸延方向Ｃに並んで複数箇所に設けられる。冷却手段５１が空気を噴出するタイミングは、制御手段４５によって制御される。

制御手段４５は、入力部と、出力部と、記憶部と、演算部とを含む。入力部は、操作者からの指令が入力され、入力された指令を演算部に与える。また入力部は、作業者から摩擦撹拌接合に関する設定値が入力されてもよい。

入力部は、ボタンなどによって実現される。出力部は、演算部によって演算される演算結果を出力する。具体的には、出力部は、回転駆動手段４２、押圧駆動手段４３および連続移動手段４４に駆動指令および停止指令を与える。記憶部は、予め定める演算プログラムを記憶するとともに、演算部が演算した演算結果を記憶する。演算部は、記憶部に記憶される演算プログラムを読出して実行する。演算部は、演算プログラムを実行することによって、予め定める摩擦撹拌接合手順に従った指令を出力部に与える。たとえば記憶部は、ＲＡＭ（Random Access Memory）およびＲＯＭ（Read Only Memory）によって実現される。またたとえば演算部は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）によって実現される。このような接合装置５０は、図１および図２に示す摩擦撹拌接合についても用いることができる。

作業者は、このような接合装置５０によって、第１接合工程および第２接合工程を行う。なお、制御手段４５は、少なくとも、接合ツール２４がツール押圧力Ｆ１を被接合物２３に与えている間、空気噴出ノズル５１ｂから空気を噴出させる。これによって被接合物２３の非流動化部分２９を冷却して、非流動化部分２９の変形抵抗力を向上する。このように非流動化部分２９を冷却することによって、非流動化部分２９を冷却しない場合に比べて、接合ツール２４の没入量を大きくすることができる。

これによって被接合物２３の厚み方向寸法が薄い場合であって、第１接合工程における残板量Ｚ２を大きくすることができない場合であっても、非流動化部分２９の変形を抑制して、被接合部材２１，２２を接合することができる。これによって裏当て部材を用いることなく接合することができる被接合部材２１，２２の選択肢を広げることができる。

図１３は、図７の接合条件における数値解析結果を示す断面図である。図１３（１）は、温度分布を示す軸対称モデルであり、図１３（２）は、変形状態を示す軸対称モデルである。図８の接合条件、すなわち残板量Ｚ２が１０ｍｍの場合、非流動化部分２９の変形部分３５の温度は、３００℃を超えて４００℃以下となる。また非流動化部分２９の変形量δ１は、０．４４ｍｍとして算出される。この場合、図７の実験結果に示すように、接合後の被接合物２３に欠陥が生じない。

図１４は、図８の接合条件における数値解析結果を示す断面図である。図１４（１）は、温度分布を示す軸対称モデルであり、図１４（２）は、変形状態を示す軸対称モデルである。図８の接合条件、すなわち残板量Ｚ２が５ｍｍの場合、非流動化部分２９の変形部分３５の温度は、３００℃を超えて４００℃以下となる。また非流動化部分２９の変形量δ１は、０．９３ｍｍとして算出される。この場合、図８の実験結果に示すように、接合後の被接合物２３に欠陥が生じる。

図１５は、図８の接合条件に比べて、非流動部分の変形部分３５を約１００℃に冷却した場合における数値解析結果を示す断面図である。図１５（１）は、温度分布を示す軸対称モデルであり、図１５（２）は、変形状態を示す軸対称モデルである。図８の接合条件に比べて、非流動化部分２９の変形部分３５の温度を、１００℃を超えて２００℃以下に冷却した場合には、数値解析結果から、非流動化部分２９の変形量δ１は、０．２９ｍｍとして算出される。

図１６は、図８の接合条件に比べて、非流動部分の変形部分３５を約２００℃に冷却した場合における数値解析結果を示す断面図である。図１６（１）は、温度分布を示す軸対称モデルであり、図１６（２）は、変形状態を示す軸対称モデルである。図８の接合条件に比べて、非流動化部分２９の変形部分３５の温度を、２００℃を超えて３００℃以下に冷却した場合には、数値解析結果から、非流動化部分２９の変形量δは、０．７２ｍｍとして算出される。

図１３に示すように、数値解析結果から変形量δが０．４４ｍｍとして算出される場合には、実験結果では接合後の被接合物２３に欠陥が生じない。欠陥が生じる臨界変形量δを０．４５ｍｍと仮定する。

この場合、図１５に示すように、残板量Ｚ２が５ｍｍの場合に、１００℃を超えて２００℃以下に非流動化部分２９を冷却した場合の変形量δが０．２９ｍｍとして算出されることによって、接合後の被接合物２３に欠陥が生じないことが推定される。また図１６に示すように、残板量Ｚ２が５ｍｍの場合に、２００℃を超えて３００℃以下に非流動化部分２９を冷却した場合の変形量δが０．７２ｍｍとして算出されることによって、残板量Ｚ２が５ｍｍには、接合後の被接合物２３に欠陥が生じる可能性がある。

このように非流動化部分２９を冷却した場合における非流動化部分２９の変形量δ１を数値解析によって算出し、許容変形量δ２以下となる場合の非流動化部分２９の温度を算出する。そしてその温度に非流動化部分２９を冷却することによって、残板量Ｚ２が小さい場合であっても、接合後の被接合物２３の欠陥をなくすことができる。

図１７は、充填材６０が充填される被接合物２３を示す平面図である。各被接合部材２１，２２は、突合わされた状態で、被接合物２３の間にギャップＵ１，Ｕ２が形成される場合がある。本実施の形態では、接合前に、このギャップＵ１，Ｕ２に充填材６０を挿入する。充填材６０は、摩擦撹拌接合によって流動化する材料からなる。充填材６０は、被接合部材２１，２２と同じ材質の薄板圧延材であることが好ましい。たとえば本実施の形態の場合、被接合部材２１，２２がアルミ合金から成り、充填材６０は、溶接用のアルミ線材によって実現される。たとえば充填材６０は、日本工業規格で規定されるＪＩＳ−Ｚ−３２３２の溶加棒または溶接ワイヤを焼きなまししたものが用いられる。また被接合部材と同質でなくとも各被接合部材を接合可能な化学的性質を有する材料によって充填材６０が実現されてもよい。

図１８は、図１７をＡ−Ａ切断面線から見た断面図である。摩擦撹拌接合手順のうち、作業者は、被接合部材２１，２２を突合わせた状態において、被接合部材２１，２２の間のギャップＵ１に充填材６０を挿入する。充填材６０は、ギャップＵ１を埋めるように充填される。このとき充填材６０は、被接合物２３の厚み方向両側Ａ１，Ａ２に突出する突出部分６１，６２がそれぞれ形成される。そして各突出部分６１，６２は、残余の部分６３に対して、厚み方向Ａと交差する方向Ｂに屈曲して形成される。本実施の形態では、充填材６０の長手方向両端部６１，６２は、同方向に屈曲し、略Ｕ字状に形成される。

図１９は、図１７をＢ−Ｂ切断面線から見た断面図である。略Ｕ字状に形成される充填材６０を挿入した状態で、充填材６０と被接合部材２１，２２との間に隙間Ｕ３が形成される場合には、図１９に示すように、略Ｕ字状に形成される第１の充填材６０のほかに、その隙間Ｕ３を埋める第２の充填材６６を挿入してもよい。第２の充填材６４が接合時に隙間Ｕ３から飛び出すことを防ぐために、第２の充填材６４を第１の充填材６０の屈曲部分６１，６２で覆うことが好ましい。

図２０は、他の第２の充填材６５を示す断面図である。上述した第２の充填材６４に代えて、粉末状の充填材６５が第１の充填材６３と被接合部材２１，２２の隙間Ｕ３に充填されてもよい。なお、前述した場合と同様に、粉末状の充填材６０が接合時に隙間Ｕ３から飛び出すことを防ぐために、粉末状の充填材６５を第１の充填材６３の屈曲部分６１，６２で覆うことが好ましい。また充填材６３は、屈曲が容易となるように焼鈍処理することが好ましい。

図２１は、充填材６０を充填する場合の摩擦撹拌接合手順を示す断面図である。図２１（１）に示すように、被接合物２３を接合した状態でギャップＵ１が形成される場合には、図２１（２）に示すように、ギャップＵ１に充填材６０を挿入する。充填材６０は、被接合物２３の厚み方向寸法Ｚ３よりも長手方向寸法Ｚ６が長いものを用いる。充填材６０の長手方向一端部６１を被接合物２３に対して厚み方向一方Ａ１から突出させ、長手方向他端部６２を被接合物２３に対して厚み方向他方Ａ２から突出させる。

次に、図２１（３）に示すように、充填材６０の長手方向両端部６１，６２を残余の部分６３に対して屈曲させ、充填材６０を略Ｕ字状に形成する。この状態で、上述するステップａ１〜ａ１０と同様の動作を行う。第１の接合工程を行うことによって、図２１（４）に示すように、被接合物２３とともに充填材６０に摩擦熱を与え、厚み方向一方Ａ１側部分を流動化させる。次に第２の接合工程を行うことによって、図２１（５）に示すように、被接合物２３とともに充填材６０に摩擦熱を与え、厚み方向他方Ａ２側部分を流動化させる。

本実施の形態のように、充填材６０を屈曲させることによって、充填材６０の屈曲部分６１，６２が被接合物２３に係止され、摩擦撹拌接合時に充填材６０が飛び出ることを防ぐことができる。これによって充填材６０を仮接合する必要がなく、接合された継ぎ手部分２８の減厚および接合欠陥の発生を低減することができ、さらに接合品質を向上することができる。

なお、本実施の形態では、裏当て部材を不要とすることができる。これによって図１２に示すように、ワーク保持手段５２によって、被接合部材２１，２２を突合わせた状態で、継ぎ手部分２８の厚み方向両側に空間を形成することができる。これによって、ギャップＵ１への充填材６０の挿入動作および充填材６０の両端部の屈曲動作を容易に行うことができる。また継ぎ手部分２８の厚み方向両側に空間を形成した状態で、接合動作が行われるので、充填材６０の屈曲部分６１，６２が第１接合工程を阻害することがない。

図２２は、充填材６０の他の屈曲状態を示す断面図である。ギャップＵ１が大きい場合には、図２２に示すように、複数の充填材６０をギャップＵ１に挿入した状態で、各充填材６０の長手方向一端部６１を厚み方向に交差する第１方向一方および第１方向他方にそれぞれ屈曲させる。同様に各充填材６０の長手方向他端部６２を厚み方向に交差する第１方向の両側にそれぞれ屈曲させる。これによって複数の充填材によって、Ｘ状に屈曲される。このように屈曲させた場合であっても、被接合物２３を接合することができる。

上述した本発明の実施の形態である摩擦撹拌方法は、発明の一例示であって、発明の範囲内で構成を変更することができる。たとえば被接合部材２１，２２は、突合わされる以外に重ね合わされて被接合物２３を構成してもよい。また本実施の形態では、被接合物２３の厚み方向Ａに被接合部材２１，２２を突合わせて接合させたが、被接合物２３の厚み方向以外、たとえば幅方向または長手方向に突合わせて被接合部材を接合させてもよい。また連続接合以外にスポット接合であってもよい。また被接合部材２１，２２は、アルミ合金であるとしたが、他の材料であってもよい。

また本実施の形態では、被接合物２３の厚み方向Ａ全域にわたって、被接合部材２１，２２を接合したが、仮接合などの場合には、厚み方向一方Ａ１のみ接合するだけでもよい。すなわち第１の接合工程だけを行う場合も本発明に属する。この場合であっても、裏当て部材を用いることなく、被接合部材２１，２２を部分的に接合することができる。また第１接合工程と第２接合工程とで接合ツール２４の形状などの接合条件を変更してもよい。

本発明の実施の一形態である摩擦撹拌接合方法の接合手順を示すフローチャートである。 本発明の実施の一形態である接合手順を示す断面図である。 接合手順を示す斜視図である。 接合手順を示す斜視図である。 第１接合工程を終えた被接合物２３の接合状態を拡大して示す断面図である。 比較例の接合状態を示す断面図である。 第１接合工程を終えた状態の被接合物の実験結果を示す断面図である。 第１接合工程を終えた状態の被接合物の実験結果を示す断面図である。 第１接合工程を終えた状態の被接合物の実験結果を示す断面図である。 第１接合工程を終えた状態の被接合物の実験結果を示す断面図である。 非流動化部分２９の厚み方向他端部の温度変化を示すグラフである。 冷却手段５１を備える接合装置５０を示す断面図である。 図７の接合条件における数値解析結果を示す断面図である。 図８の接合条件における数値解析結果を示す断面図である。 図８の接合条件に比べて、非流動部分の変形部分３５を約１００℃に冷却した場合における数値解析結果を示す断面図である。 図８の接合条件に比べて、非流動部分の変形部分３５を約２００℃に冷却した場合における数値解析結果を示す断面図である。 充填材６０が充填される被接合物２３を示す平面図である。 図１７をＡ−Ａ切断面線から見た断面図である。 図１７をＢ−Ｂ切断面線から見た断面図である。 他の第２の充填材６５を示す断面図である。

充填材６０を充填する場合の摩擦撹拌接合手順を示す断面図である。 充填材６０の他の屈曲状態を示す断面図である。 従来技術の摩擦撹拌接合方法を説明するための断面図である。 突合わされる被接合部材２１，２２を示す平面図である。

符号の説明

２１,２２ 被接合部材
２３ 被接合物
２４ 接合ツール
２７ 流動化部分
２８ 継ぎ手部分
２９ 非流動化部分
６０ 充填材
Ａ 厚み方向
Ａ１ 厚み方向一方
Ａ２ 厚み方向他方

Claims (6)

1. 複数の被接合部材によって構成される被接合物に、回転する接合ツールを没入させて、接合ツールと被接合物との摩擦熱によって各被接合部材を接合する摩擦撹拌接合方法であって、
   被接合物の厚み方向一方側から接合ツールを没入させ、被接合物の厚み方向他方側に流動化していない非流動化部分を被接合物に残した状態で、各被接合部材を接合する第１接合工程と、
   被接合物の厚み方向他方側から接合ツールを没入させ、前記非流動化部分を流動化させた状態で、各被接合部材を接合する第２接合工程とを含み、
   前記第１および第２接合工程では、裏当て部材を用いずに前記各被接合部材が接合され、
   前記第１接合工程において、非流動化部分の厚み寸法は、非流動化部分を構成する材料の引張り強さおよび非流動化部分の厚み寸法に比例する非流動化部分の変形抵抗力が、接合ツールから与えられる予め定めるツール押圧力以上となるように決定されることを特徴とする摩擦撹拌接合方法。
2. 前記第１接合工程は、少なくとも接合ツールによって前記ツール押圧力が被接合物に与えられている間に、非流動化部分を冷却する工程を含み、非流動化部分の冷却温度と非流動化部分の厚み寸法とは、非流動化部分を構成する材料の温度と前記引張り強さとの関係に基づいて、前記変形抵抗力が前記ツール押圧力以上となるように決定されることを特徴とする請求項１記載の摩擦撹拌接合方法。
3. 第１接合工程および第２接合工程では、被接合物を流動化する流動化部分の厚み寸法を、被接合物の厚み寸法の半分以上にすることを特徴とする請求項１または２に記載の摩擦撹拌接合方法。
4. 接合ツールを没入する前に、互いに突合わされる２つの被接合部材の間に形成される隙間に、被接合物の厚み方向両側から突出する突出部分を形成して充填材を挿入し、充填材の突出部分を残余の部分に対して屈曲させることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の摩擦撹拌接合方法。
5. 充填材は、被接合部材と同質の材料または各被接合部材を摩擦撹拌接合可能な化学的性質を有する材料によって実現されることを特徴とする請求項４記載の摩擦撹拌接合方法。
6. 接合ツールを被接合物に没入した状態で、突合せ面に沿って接合ツールを移動させる連続接合方法であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の摩擦撹拌接合方法。

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