JP4467723B2 - 摩擦撹拌接合法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、アルミニウムやその合金材等の金属材からなる接合部材を突合せ接合する摩擦撹拌接合法に関し、詳述すれば、例えば、自動車、鉄道車両、船舶等のボディパネルを製作する際に用いられ、あるいは自動車のサスペンションアームやエンジンマウントを製作する際に用いられ、又は電産機部品を製作する際に用いられる摩擦撹拌接合法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
摩擦撹拌接合法は、固相接合法の範疇に入り、接合部材である金属材の種類に制限を受けない、接合時の熱歪みによる変形が少ない等の利点を有し、近年、様々な構造物の接合手段として用いられている。
【０００３】
図４（イ）は、厚さ方向に段差が生じる態様で突き合わされた２個の接合部材（51）（52）をこの摩擦撹拌接合により突合せ接合する場合について、示している。
【０００４】
同図において、（51）は厚肉の平板状の金属第１接合部材、（52）は薄肉の平板状の金属第２接合部材である。各接合部材（51）（52）は幅方向の端面を突合せ面（53）とするものであり、同図では、両接合部材（51）（52）は裏面同士が面一に連なる態様にして幅方向の端面同士が突き合わされており（突合せ部55）、このため、厚さ方向に両者の肉厚差に対応した段差（54）が生じている。
【０００５】
（Ａ’）は接合装置である。この接合装置（Ａ’）は、接合用ベッド（80）と、摩擦撹拌接合用の接合工具（60）と、該接合工具（60）を昇降させるための昇降装置（70）とを備えている。
【０００６】
前記接合用ベッド（80）の表面上には、両接合部材（51）（52）が上述した突合せ状態で載置されている。前記接合工具（60）は、径大の円柱状回転子（61）と、該回転子（61）の端面（61a）の回転軸線（Ｑ’）上に一体に突設された径小のピン状プローブ（62）とを備えている。前記昇降装置（70）は、前記接合用ベッド（80）の表面に対して垂直な方向に昇降移動するように配置されており、この昇降装置（70）に前記接合工具（60）が取り付けられている。
【０００７】
而して、同図に示した両接合部材（51）（52）を突合せ接合する場合には、突合せ部（55）に段差（54）が生じているから、摩擦熱にて軟化した軟化部中の肉の一部が接合工具（60）のプローブ（62）近傍から飛散することがあり、また摩擦熱の発生量が多すぎたり不足したりして、接合欠陥が生じ易く、そのため、接合強度が低下するという問題があった。
【０００８】
そこで、本出願人は、このような問題を解決するため、鋭意研究した結果、同図に示すように、接合工具（60）の回転軸線（Ｑ’）を第２接合部材（52）側に傾け、この状態で回転子（61）の端面（61a）を突合せ部から突出している第１接合部材（51）の肩部（51a）に圧接して突合せ接合を行う方法を提案した（特開平１０−２４９５５３号公報参照）。
【０００９】
この提案方法によれば、プローブ（62）近傍から飛散した肉を回転子（61）の端面（61a）で反射することができるようになるし、接合工具（60）の回転軸線（Ｑ’）の第２接合部材（52）側への傾斜角θ'を適宜変更することにより摩擦熱の発生量を適度に調節することができるようになるので、接合欠陥の発生を防止でき、高い接合強度を得ることができるという優れた利点を備えている。さらには、回転子（61）の端面（61a）を肩部（51a）に圧接することによって、同図（ロ）に示すように、該肩部（51a）をその表面が斜面になるように塑性変形させることができるようになり、このため応力集中を緩和し得るようになって、接合強度をより一層高くすることができるという優れた利点も備えている。なお、Ｔ’は接合部材（51）（52）の表面の法線を示し、θ’はこの法線Ｔ’に対する接合工具（60）の回転軸線（Ｑ’）の第２接合部材（52）側への傾斜角を示している。
【００１０】
ところで、この提案方法において、回転子（61）の端面（61a）の肩部（51a）への圧接は、従来では、専ら接合装置（Ａ’）に予め備わっている前記昇降装置（70）を降作動させることにより、行われていた。すなわち、前記昇降装置（70）に接合工具（60）をその回転軸線（Ｑ’）が該昇降装置（70）の移動方向に対して斜めになるように取り付け、そしてこの昇降装置（70）を降作動させることにより、プローブ（62）を突合せ部（55）に挿入するとともに回転子（61）の端面（61a）を肩部（51a）に圧接させていた。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この圧接法によれば、昇降装置（70）は上述したように接合用ベッド（80）の表面に対して垂直な方向に移動するように配置され、且つ接合工具（60）の回転軸線（Ｑ’）は昇降装置（70）の移動方向に対して斜めになっているから、昇降装置（70）を降作動させると、回転子（61）の端面（61a）は肩部（51a）をその表面から垂直な方向に塑性変形させるように移動することになる。つまり、肩部（51a）が受ける回転子（61）の端面（61a）からの圧接力は、肩部（51a）の表面に対して垂直な方向に加わることになる。このため、この肩部（61a）を所望形状に塑性変形させるのに時間がかかり、このためプローブ（62）の挿入速度やプローブ（62）の移動速度（即ち、接合速度）を遅くしなければならず、接合作業能率が低下するという難点があった。
【００１２】
なお、この難点については、接合工具（60）を傾けた状態のままで、その回転子（61）の端面（61a）を回転軸線（Ｑ’）方向に移動させることにより解消することができるが、これによれば、このように接合工具（60）を移動させるための装置を別途、接合工具（60）に取り付けなければならず、装置取付けのために手間がかかるし、コストアップにつながるという問題が発生する。
【００１３】
この発明は、このような技術背景に鑑みてなされたもので、その目的は、突合せ部から突出している肩部を迅速に塑性変形させ得て、これによりプローブの挿入速度及び接合速度を速くして接合作業能率を向上させることのできる摩擦撹拌接合法を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、この発明は、径大の回転子と、該回転子の端面の回転軸線上に突設された径小のプローブとを備えた接合工具を用い、厚さ方向に段差が生じる態様で突き合わされた２個の第１及び第２接合部材の突合せ部又はその近傍に、前記接合工具の回転しているプローブを挿入するとともに、回転している回転子の端面を突合せ部から突出している高位側の第１接合部材の肩部に圧接し、この状態でプローブを突合せ部に沿って相対的に移動させることにより、両接合部材を突合せ接合する摩擦撹拌接合法であって、接合工具の回転子及びプローブは、回転軸線方向に移動可能であり、両接合部材を、前記接合工具の回転軸線に垂直な平面に対して突合せ部を中心に第２接合部材が接合工具に接近する方向に傾斜させ、この状態で、前記突合せ接合を行うことを特徴としている。
【００１５】
この摩擦撹拌接合法では、接合工具の回転子及びプローブを回転させて該接合工具の回転子及びプローブを回転軸線方向に移動させることにより、プローブを突合せ部又はその近傍に挿入するとともに、回転子の端面を肩部に圧接する。そして、この状態でプローブを突合せ部に沿って相対的に移動させることによって、両接合部材を突合せ接合するものである。
【００１６】
この摩擦撹拌接合法において、回転子の端面を肩部に圧接するに際して、両接合部材は接合工具の回転軸線に垂直な平面に対して突合せ部を中心に第２接合部材が接合工具に接近する方向に傾斜されており、且つ回転子の端面は回転軸線方向に移動するものであるから、回転子の端面を移動させると、該回転子の端面は肩部をその表面に対して斜め方向に塑性変形させるように移動することになる。つまり、回転子の端面からの圧接力は肩部の表面に対して斜め方向に加わることになる。このため、肩部がその表面が斜面になるように迅速に塑性変形されるようになり、この結果、プローブの挿入速度及び接合速度を速くし得て接合作業能率を向上させ得るようになる。
【００１７】
また、接合工具の回転子の端面を回転軸線方向に移動させることで、肩部を所望形状に塑性変形させ得るので、接合工具の回転子及びプローブの移動手段として、例えば接合装置に予め備わっている昇降装置を利用してかかる塑性変形作業を行えるようになり、接合装置を有効利用し得る。
【００１８】
また、この発明に係る摩擦撹拌接合法において、両接合部材の前記平面に対する傾斜角をθとすると、前記傾斜角θが３°〜４５°の範囲内にある場合には、プローブの挿入速度及び接合速度をより一層速くし得て、接合作業能率が大幅に向上するようになる。また、傾斜角θが４５°を超えると、回転子の端面が第２接合部材の表面にぶつかってプローブを突合せ部又はその近傍に挿入することが難しくなるという不具合が発生するが、傾斜角θを４５°以下にすることにより、かかる不具合を確実に防止することができるようになる。特に傾斜角θは５°〜１０°の範囲内にあることが望ましい。
【００１９】
また、この発明に係る摩擦撹拌接合法において、前記接合工具の回転軸線方向が鉛直方向に向いている場合には、重力の影響による接合工具の回転軸線の軸ずれが防止され、もって接合工具を所定方向に確実に移動させ得るようになる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
次に、この発明の実施形態を図面を参照して説明する。
【００２１】
図１及び図２はこの発明の実施形態を示している。これらの図において、（１）は厚肉の平板状の接合部材、（２）は薄肉の平板状の接合部材である。これら両接合部材（１）（２）は、いずれもアルミニウム合金材からなる。また、各接合部材（１）（２）は幅方向の端面を突合せ面（３）とするものであり、この突合せ面（３）は接合部材（１）（２）の表面及び裏面に対して垂直に形成されている。そして、図２に示すように、これら両接合部材（１）（２）は裏面同士が面一に連なった態様にして幅方向の端面（即ち突合せ面３）同士が突き合わされており、このため、両者の肉厚差に対応した段差（４）が厚さ方向に生じている。この実施形態では、この突合せ部（５）を、段差（４）が生じている側から摩擦撹拌接合により接合しようとするものである。なお、この発明では、説明の便宜上、両接合部材（１）（２）の表面側（即ち、段差が生じている側）から視て、高位側の接合部材（１）を第１接合部材、低位側の接合部材（２）を第２接合部材としている。
【００２２】
（Ａ）は接合装置である。この接合装置（Ａ）は、上記従来例で示したものと同じく、接合用ベッド（30）と、摩擦撹拌接合用の接合工具（10）と、該接合工具（10）を昇降させるための昇降装置（20）とを備えている。
【００２３】
前記接合工具（10）は、径大の円柱状回転子（11）と、該回転子（11）の端面（11a）の回転軸線（Ｑ）上に一体に突設された径小のピン状プローブ（12）とを備えている。前記回転子（11）及びプローブ（12）は、いずれも両接合部材（１）（２）よりも硬質で接合時に発生する摩擦熱に耐えうる耐熱材料から形成されている。また、前記プローブ（12）の外周面には、軟化部中の肉を撹拌するための凸部（図示せず）が設けられている。また、回転子（11）の端面（11a）は、回転軸線（Ｑ）に直交する平面内にあり、この実施形態では平坦面からなる。
【００２４】
前記昇降装置（20）は、前記接合用ベッド（30）の表面に対して垂直な方向に昇降移動するように配置されており、この実施形態では、昇降装置（20）は鉛直方向に昇降移動するように配置されている。一方、前記接合用ベッド（30）の表面は、昇降装置（20）の昇降移動方向に垂直な平面（Ｐ）（即ち水平面）と平行に配置されている。そして、この昇降装置（20）に前記接合工具（10）がその回転軸線（Ｑ）を該昇降装置（20）の昇降移動方向に一致させた態様で取り付けられている。したがって、昇降装置（20）を降作動させると、接合工具（10）の回転子（11）及びプローブ（12）は回転軸線（Ｑ）方向に移動するものとなる。
【００２５】
次に、この両接合部材（１）（２）の突合せ部（５）の接合手順について説明する。
【００２６】
まず、図２（イ）に示すように、接合用ベッド（30）の上方において、両接合部材（１）（２）を、上述した突合せ状態のままで、接合工具（10）の回転軸線（Ｑ）に垂直な平面（Ｐ）（即ち、接合用ベッドの表面）に対して突合せ部（５）を中心に第２接合部材（２）が接合工具（10）に接近する方向に傾斜させる。そしてこの状態で、両接合部材（１）（２）の裏面と接合用ベッド（30）の表面（Ｐ）との間に、断面三角形状の裏当て（７）を介在させて、両接合部材（１）（２）をこの状態に保持する。もちろん、この発明では、まず接合用ベッド（30）の表面上に前記裏当て（７）を載置し、次いでこの裏当て（７）の傾斜面上に両接合部材（１）（２）を載置してこのような状態を実現させても良いし、あるいはまた、裏当て（７）を使用しないで、両接合部材（１）（２）を接合用ベッド（30）の表面上に直接、載置して、この接合用ベッド（30）を傾動させることにより、このような状態を実現させても良い。
【００２７】
両接合部材（１）（２）を傾斜させるに際し、両接合部材（１）（２）の前記平面（Ｐ）に対する傾斜角をθとすると、傾斜角θが３°〜４５°の範囲内で両接合部材（１）（２）を傾斜させることが、望ましい。
【００２８】
次いで、接合工具（10）の回転子（11）を回転軸線（Ｑ）を中心に回転させることによりプローブ（12）を回転させ、昇降装置（20）を降作動させる。これにより、回転子（11）及びプローブ（12）が回転軸線（Ｑ）方向に移動し、回転しているプローブ（12）が両接合部材（１）（２）の突合せ部（５）に挿入されるとともに、回転している回転子（11）の端面（11a）が突合せ部（５）から突出している第１接合部材（１）の肩部（1a）に圧接される。なお、この発明では、プローブ（12）を両接合部材（１）（２）の長さ方向の端面から突合せ部に挿入しても良い。
【００２９】
すると、プローブ（12）の回転に伴い発生する摩擦熱と、回転子（11）の端面（11a）と肩部（1a）及び第２接合部材（２）の表面との摺動に伴い発生する摩擦熱とによって、突合せ部（５）、肩部（1a）及びその近傍が軟化するとともに、該肩部（1a）が回転子（11）の端面（11a）からの圧接力を受けてその表面が斜面になるように塑性変形される。このとき、回転子（11）の端面（11a）からの圧接力は、図２（イ）に示すように、肩部（1a）の表面に対して斜め方向に加わるから、肩部（1a）を所望形状に迅速に塑性変形させることができる。
【００３０】
こうして肩部（1a）を塑性変形させながら、プローブ（12）を突合せ部（５）に挿入し且つ回転子（11）の端面（11a）を肩部（1a）に圧接した状態のままで、該プローブ（12）を突合せ部（５）に沿って該突合せ部（５）の全長に亘って移動させる。なお、この発明では、プローブ（12）及び回転子（11）の端面（11a）の位置を固定しておき、突合せ部（５）が順次プローブ（12）を通過するように両接合部材（１）（２）を移動させても良いことはもちろんである。
【００３１】
すると、摩擦熱にて軟化した軟化部中の肉がプローブ（12）の回転力を受けて撹拌混合されるとともに、該軟化部中の肉がプローブの移動に伴ってプローブの通過溝を埋めるようにプローブの進行方向後方へと回り込む態様で塑性流動した後、摩擦熱を急速に失って冷却固化される。この現象がプローブの移動に伴って順次繰り返されていき、最終的に両接合部材（１）（２）が突合せ部（５）において接合一体化され、もって図２（ロ）に示した所望する突合せ継手が得られる。（Ｗ）はこの突合せ継手の接合部を示している。
【００３２】
こうした得られた突合せ継手は、第１接合部材（１）の肩部（1a）が塑性変形させられてその表面が斜面になっているので、応力集中を緩和できるようになっており、優れた強度的信頼性を備えている。したがって、この突合せ継手に対して曲げ加工、プレス成形加工、切断加工等の様々な加工を行った場合であっても、突合せ継手が接合部（Ｗ）にて不本意に破断したり屈曲したりする不具合が発生せず、加工性が向上している。
【００３３】
しかも、この摩擦撹拌接合法によれば、上述したように、回転子（11）の端面（11a）からの圧接力は、肩部（1a）の表面に対して斜め方向に加わるから、肩部（1a）を所望形状に迅速に塑性変形させることができ、このためプローブ（12）の突合せ部（５）への挿入速度、及びプローブ（12）の移動速度（即ち、接合速度）を速くすることができ、接合作業能率を向上させ得るようになる。
【００３４】
さらに、この摩擦撹拌接合法では、接合装置（Ａ）に予め備わっている昇降装置（20）の降下移動力によって回転子（11）の端面（11a）で肩部（1a）を塑性変形させているので、回転子（11）の端面（11a）に圧接力を付与する装置をわざわざ接合工具（10）に取り付ける必要がないという利点も備えている。
【００３５】
【実施例】
次に、この発明の具体的実施例を説明する。
【００３６】
第１接合部材（１）として平板状のアルミニウム合金材（材質：５０５２−Ｏ、寸法：長さ２００×幅１００×厚さ２ｍｍ）からなるものと、第２接合部材（２）として同じく平板状のアルミニウム合金材（材質：５０５２−Ｏ、寸法：長さ２００×幅１００×厚さ１ｍｍ）からなるものとを準備した。
【００３７】
また、接合工具（10）として、回転子（11）の端部の外径がφ５ｍｍ、プローブ（12）の外径がφ１．５ｍｍのものを準備した。
＜実施例＞
上記実施形態で示された接合方法に従って第１及び第２接合部材を突合せ接合した。傾斜角θは１０°である。
＜比較例＞
上記従来例で示された接合方法に従って第１及び第２接合部材を突合せ接合した。傾斜角θ’は１０°である。
【００３８】
上記の＜実施例＞及び＜比較例＞について、接合工具（10）の回転子（11）の回転数を１０００〜３０００ｒｐｍの範囲内で変えて、プローブ（12）の挿入速度及び接合速度の限界を調べた。その結果を図３に示す。
【００３９】
なお、同図において、△及び○は、それぞれ実施例におけるプローブの挿入速度及び接合速度を示している。また、▲及び●は、それぞれ比較例におけるプローブの挿入速度及び接合速度を示している。
【００４０】
同図から分かるように、プローブの挿入速度（△、▲）について、実施例と比較例を比べると、実施例によればプローブの挿入速度を比較例よりも１．３倍以上速くすることが可能であった。さらに、接合速度（○、●）について、実施例と比較例を比べると、実施例によれば接合速度を比較例よりも１．５倍以上速くすることが可能であった。したがって、この発明によれば、プローブの挿入速度及び接合速度を従来よりも格段に速くすることができ、つまり接合作業能率を大幅に向上させ得ることを確認し得た。
【００４１】
また、肉厚差（即ち、段差寸法）が２ｍｍの平板状のアルミニウム合金材からなる第１及び第２接合部材を準備し、回転子（11）の回転数を２０００ｒｐｍの条件下で、傾斜角θを様々に変えて、プローブの挿入速度及び接合速度の限界を調べたところ、傾斜角θが３°〜４５°の範囲内であれば、上記実施例と同じく、プローブの挿入速度を従来よりも１．３倍以上速くでき、接合速度も従来よりも１．５倍以上速くできることが分かった。したがって、傾斜角θが３°〜４５°の範囲内であれば、プローブの挿入速度及び接合速度を従来よりも格段に速くすることができ、つまり接合作業能率を大幅に向上させ得ることを確認し得た。
【００４２】
【発明の効果】
上述の次第で、この発明では、両接合部材を、接合工具の回転軸線に垂直な平面に対して突合せ部を中心に第２接合部材が接合工具に接近する方向に傾斜させ、この状態で、突合せ接合を行うので、回転子を移動させてその端面を肩部に圧接すると、肩部が回転子の端面からの圧接力を受けてその表面が斜面になるように迅速に塑性変形されるようになり、したがってプローブの挿入速度及び接合速度を速くすることができるようになり、接合作業能率を向上させることができる。
【００４３】
また、接合工具の回転子及びプローブが、回転軸線方向に移動可能であるから、その移動手段として、例えば接合装置に予め備わっている昇降装置を利用してかかる塑性変形作業を行えるようになり、このため、接合工具を回転軸線方向に移動させるための装置をわざわざ接合工具に取り付ける必要がなくなり、もって製造コストを引き下げることができる。
【００４４】
さらに、両接合部材の前記平面に対する傾斜角をθとすると、傾斜角θが３°〜４５°の範囲内にある場合には、プローブの挿入速度及び接合速度をより一層速くし得て、接合作業能率を大幅に向上させることができるし、回転子の端面が第２接合部材の表面にぶつかってプローブを突合せ部又はその近傍に挿入することが困難になるという不具合を防止することができる。
【００４５】
加えて、接合工具の回転軸線方向が鉛直方向に向いている場合には、重力の影響による接合工具の回転軸線の軸ずれを防止することができて、接合工具を確実に所定方向に移動させ得るようになり、このため良好な接合部を確実に形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施形態を示す、両接合部材の斜視図である。
【図２】（イ）は図１中のII−II線断面図、（ロ）は接合後の状態を示す、（イ）に対応する断面図である。
【図３】接合工具の回転子の回転数とプローブの挿入速度及び接合速度との関係を示す図である。
【図４】従来の摩擦撹拌接合法を示す図であって、（イ）は両接合部材の断面図、（ロ）は接合後の状態を示す断面図である。
【符号の説明】
１…第１接合部材
２…第２接合部材
４…段差
５…突合せ部
７…裏当て
10…接合工具
11…回転子
11a…回転子の端面
12…プローブ
20…昇降装置
30…接合用ベッド
Ｐ…接合工具の回転軸線に垂直な平面（接合用ベッドの表面）
Ｑ…接合工具の回転軸線
Ｗ…接合部

Claims (3)

1. 径大の回転子（11）と、該回転子の端面（11a）の回転軸線（Ｑ）上に突設された径小のプローブ（12）とを備えた接合工具（10）を用い、
   厚さ方向に段差（４）が生じる態様で突き合わされた２個の第１及び第２接合部材（１）（２）の突合せ部（５）又はその近傍に、前記接合工具（10）の回転しているプローブ（12）を挿入するとともに、回転している回転子の端面（11a）を突合せ部から突出している高位側の第１接合部材（１）の肩部（1a）に圧接し、この状態でプローブ（12）を突合せ部（５）に沿って相対的に移動させることにより、両接合部材（１）（２）を突合せ接合する摩擦撹拌接合法であって、
   接合工具（10）の回転子（11）及びプローブ（12）は、回転軸線（Ｑ）方向に移動可能であり、
   接合工具の回転軸線（Ｑ）方向が鉛直方向と一致しており、
   両接合部材（１）（２）を、前記接合工具の回転軸線に垂直な平面（Ｐ）に対して突合せ部（５）を中心に第２接合部材（２）が接合工具（10）に接近する方向に傾斜させ、
   この状態で、前記突合せ接合を行うことを特徴とする摩擦撹拌接合法。
2. 前記接合工具（11）の回転しているプローブ（12）を回転軸線（Ｑ）方向に移動させることにより、プローブ（12）を両接合部材（１）（２）の突合せ部（５）又はその近傍に挿入する請求項１記載の摩擦撹拌接合法。
3. 両接合部材（１）（２）の前記平面（Ｐ）に対する傾斜角をθとすると、前記傾斜角θが３°〜４５°の範囲内にある請求項１又は２記載の摩擦撹拌接合法。

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