JP4516410B2

JP4516410B2 - 積層体の接合方法

Info

Publication number: JP4516410B2
Application number: JP2004326908A
Authority: JP
Inventors: 聡士大久保; 泰成脇坂; 克也松本
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2004-11-10
Filing date: 2004-11-10
Publication date: 2010-08-04
Anticipated expiration: 2024-11-10
Also published as: JP2006136906A

Description

本発明は、摩擦撹拌接合用工具を用いて積層体を接合する積層体の接合方法に関する。

ワーク同士を接合する際、該ワーク同士を積層して積層体を形成し、この積層体をボルト・ナット、リベット等で締結することが広汎に行われているが、これらの手法には、締結部品が必要であり、また、作業が煩雑であるという不具合がある。

このような不具合を解消するには、特許文献１で提案されているように、摩擦撹拌接合用工具を利用して積層体を接合することが想起される。特許文献１記載の技術では、積層体を構成する第１ワークと第２ワークのうちの第１ワークに貫通孔を設け、該貫通孔に比して大寸法の凹部が設けられた支持用治具に積層体を載置する際、該貫通孔が設けられた第１ワークを下方とし、貫通孔と凹部の位置を合わせる。

その後、積層体を構成する上方の第２ワークの肉を、回転動作する摩擦撹拌接合用工具のプローブで撹拌することによって、貫通孔及び凹部に塑性流動させる。この肉を冷却硬化すれば、該肉を介して双方のワークが接合される。なお、凹部に流入した分の肉は貫通孔から突出し、この肉が該貫通孔に比して大寸法であるため、抜け止めとなる。

特開２００４−１４８３２０号公報

上記したように回転動作するプローブで上方の第２ワークの肉を撹拌する際、該プローブの回転トルクによって、第２ワークを回転させようとする力が作用する。第２ワークが僅かでも回転すると、該第２ワークと下方の第１ワークとの位置ずれが生じ、その結果、ワーク同士を所望の方向に向けることが困難となる。

この不具合を解消するべく、例えば、支持用治具に複数本のノックピンを設置し、該ノックピン間にワークを挿入して該ワークを位置決めすることが想起される。しかしながら、ノックピン間の距離は、ワークの寸法にバラツキがあることを考慮し、大寸法のワークであっても位置決め可能とするために、比較的大きく設定されている。このため、ワークによっては、位置ずれが発生することが懸念される。

また、仮に上方の第２ワークが回転した場合、該第２ワークがノックピンに当接し、このために第２ワークに傷が発生することも懸念される。

さらに、第２ワークの回転を確実に抑制可能なクランプ手段を採用しようとすると、プローブによる回転トルクが非常に大きいため、過大なクランプ力が得られるクランプ手段を構成する必要がある。このようなクランプ手段の製作費は概して高く、従って、設備投資が高騰するという不都合を招く。

本発明は上記した問題を解決するためになされたもので、簡便な作業によってワーク同士に位置ずれが起こることを回避可能であり、しかも、コストを高騰させることもない積層体の接合方法を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明は、貫通孔が設けられた第１ワークと、第２ワークとが積層された積層体を接合する積層体の接合方法であって、
前記第１ワークと、前記第２ワークとを積層して積層体を形成する工程と、
摩擦撹拌接合用工具のプローブを用いて前記第２ワークに突起部を突出形成するとともに、前記突起部を前記第１ワークの前記貫通孔に嵌合して前記第２ワークを位置決めする工程と、
前記第２ワークの突起部の肉を回転動作する前記プローブで撹拌し、該積層体を支持する支持用治具に設けられた凹部に前記撹拌された肉を塑性流動させる工程と、
前記塑性流動させた肉を硬化させて前記凹部の形状に対応する形状の凸部を形成して前記貫通孔からの抜け止めを設ける工程と、
を有することを特徴とする。

すなわち、本発明においては、先ず、貫通孔が形成された第１ワークの上方に積層された第２ワークを塑性変形させ、前記第１ワークの前記貫通孔に嵌合する突起部を設けるようにしている。このため、摩擦撹拌接合用工具で摩擦撹拌を行う際、第２ワークに回転力が作用しても、突起部が貫通孔の内壁で堰止されるので、第２ワークが回転することが回避される。従って、第２ワークと第１ワークが相対的に位置ずれを起こすことを回避することができるとともに、第２ワークが何らかの部材に当接して該第２ワークに傷が発生する懸念を払拭することができる。

その後、支持用治具で積層体を支持し、回転動作する摩擦撹拌接合用工具のプローブを摺接させて前記突起部の肉を塑性流動させる。この肉は、該支持用治具の凹部に流入し、この肉が冷却硬化することに伴って、有孔の第１ワークと第２ワークとが互いに接合される。

このように、突起部を設けた箇所に対して摩擦撹拌接合を行うので、突起部の肉が第１ワークの貫通孔を通過した後、前記凹部に流入する。

肉が冷却硬化する際には、貫通孔の内壁や第１ワークの端面と該肉とが互いに良好に接合する。しかも、貫通孔から突出した肉（凸部）が貫通孔からの抜け止めとしても機能する。このため、接合強度に優れた積層体を得ることができる。

そして、この場合、１工程で且つ簡便な作業によって積層体を接合することができるので、作業効率が向上する。すなわち、積層体を効率よく接合することができる。

なお、摩擦撹拌接合用工具のプローブの長さが積層体の肉厚（第１ワークと他のワークとの合計肉厚）に比して大きい場合であっても、第２ワークの肉が凹部に流入することによって該第２ワークが陥没するので、プローブの先端部が凹部の底面に到達することが回避される。換言すれば、本発明においては、プローブが支持用治具に干渉することを回避することができ、このため、第２ワークの肉の塑性流動が妨げられることはない。

このことから諒解されるように、本発明においては、接合する積層体の肉厚に応じて摩擦撹拌接合用工具を用意する必要も交換する必要も特にない。従って、コストを低廉化することができるとともに、煩雑な交換作業が不要となる。

また、摩擦撹拌接合用工具のプローブを使用して突起部を設けるので、突起部を設けることに伴ってパンチ等の塑性変形用金型を別途用意する必要がなく、このため、コストが高騰することが回避される。なお、プローブによって突起部を設ける際、プローブで第２ワークを押圧してもよいし、回転動作するプローブを第２ワークに極短時間のみ摺接させ、これにより該第２ワークの肉が貫通孔内に若干突出する程度に塑性流動させて突起部を設けるようにしてもよい。

本発明によれば、第１ワークに積層された第２ワークを塑性変形させて、前記第１ワークの貫通孔に嵌合する突起部を設けるようにしている。これにより、摩擦撹拌接合用工具で積層体の摩擦撹拌を行う際、第２ワークに回転力が作用しても、突起部が貫通孔の内壁で堰止される。このため、第２ワークが回転することを回避することができるので、第２ワークと第１ワークが相対的に位置ずれを起こすことを回避することができるとともに、第２ワークが何らかの部材に当接して該第２ワークに傷が発生する懸念が払拭される。

以下、本発明に係る積層体の接合方法につき好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。

図１は、支持用治具１０と、載置用治具１２と、鋼材からなる肉厚約０．５ｍｍの第１ワーク１４と、ＪＩＳ記号の数字が５０００番台であるいわゆる５０００系のアルミニウムからなる肉厚約１．５ｍｍの第２ワーク１６と、摩擦撹拌接合用工具１８との要部拡大概略斜視図である。

この場合、支持用治具１０は略円柱体形状であり、載置用治具１２を臨む側の先端面には、該先端面を円錐状に切り欠いた形状の凹部２０が設けられている。該凹部２０の開口直径及び深さは、それぞれ、約６ｍｍ及び約１．２ｍｍに設定されている。

一方、載置用治具１２の形状は略直方体であり、第１ワーク１４と第２ワーク１６とが積層されて構成される積層体２２が載置される略中央部には、長方形状に開口して貫通した矩形孔２４が設けられている。

載置用治具１２の一端面には、積層体２２を位置決めするための６本のノックピン２６ａ〜２６ｆが設置されている。また、該一端面の両端部には、積層体２２の端部を把持するためのクランプ手段２８ａ、２８ｂが配設されている。これらクランプ手段２８ａ、２８ｂは、それぞれ、載置用治具１２に立設された四角柱状部材３０ａ、３０ｂ及び円柱状部材３２ａ、３２ｂと、四角柱状部材３０ａ、３０ｂの上端面に連結されるとともに先端部が載置用治具１２側に向けて折曲されたクランプ板３４ａ、３４ｂと、円柱状部材３２ａ、３２ｂの先端部から突出するとともに、該クランプ板３４ａ、３４ｂを下端面側から支持して該クランプ板３４ａ、３４ｂの高さを調整可能な調整ねじ３６ａ、３６ｂとを有する。なお、図１中、参照符号３８は、載置用治具１２と第２ワーク１６との間に介装されるスペーサを示す。このスペーサ３８の肉厚は、第１ワーク１４と同一肉厚に設定される。

また、積層体２２において下方側となる第１ワーク１４には、２つの貫通孔４０、４２が設けられている。すなわち、第１ワーク１４は、貫通孔４０、４２を有する有孔ワークである。

これら貫通孔４０、４２の直径は前記凹部２０の開口直径に比して小さく設定され、この場合、約５ｍｍである。換言すれば、凹部２０の開口直径は、貫通孔４０、４２に比して大寸法に設定される。なお、本実施の形態においては、凹部２０の底面直径も貫通孔４０、４２に比して大きく設定されている。

摩擦撹拌接合用工具１８は、回転体４４と、該回転体４４の一端部に連結されて先端部が円錐状に湾曲したプローブ４６とを有する。この場合、プローブ４６の外径及び長さは、例えば、３．５ｍｍ及び２．５ｍｍに設定される。

本実施の形態に係る積層体の接合方法は、以下のようにして実施される。

先ず、図２に示すように、第１ワーク１４と第２ワーク１６とを積層して積層体２２を形成する。この際、第１ワーク１４を、貫通孔４０、４２が設けられた部位が積層体２２に含まれるように、且つ該積層体２２の下方となるように積層する。

このようにして積層体２２を形成した第１ワーク１４及び第２ワーク１６を、矩形孔２４を覆うように載置用治具１２に載置する。この際、載置用治具１２と第２ワーク１６との間に、第１ワーク１４と同一肉厚のスペーサ３８（図１参照）を介装し、これにより第２ワーク１６が自重で傾斜することを防止する。

載置に際しては、積層された第１ワーク１４と第２ワーク１６を前記ノックピン２６ａ〜２６ｆで囲繞する。この時点では、ノックピン２６ａ〜２６ｆと、第１ワーク１４及び第２ワーク１６との間に遊びが存在していてもよい。その後、クランプ手段２８ｂのクランプ板３４ｂで第１ワーク１４をクランプするとともに、クランプ手段２８ａのクランプ板３４ａで第２ワーク１６をクランプする。クランプ板３４ａ、３４ｂの高さは、調整ねじ３６ａ、３６ｂの突出長さを予め調整することによって設定しておけばよい。

さらに、図２に示すように、第１ワーク１４における貫通孔４０が設けられた近傍を、支持用治具１０で支持する。すなわち、凹部２０の位置と貫通孔４０の位置とを対応させ、凹部２０と貫通孔４０とを連通状態とする。

次に、摩擦撹拌接合用工具１８を、その軸線が貫通孔４０の軸線に略一致する位置に配置する。そして、図３に示すように、この摩擦撹拌接合用工具１８を下降し、積層体２２の上端面、すなわち、第２ワーク１６の上端面をプローブ４６で押圧する。この押圧に伴い、図４に示すように、第２ワーク１６が第１ワーク１４の貫通孔４０に陥没するように塑性変形を起こす。その結果、貫通孔４０に嵌合する突起部５０が形成される。

なお、この突起部５０が形成される際、第１ワーク１４が支持用治具１０で支持されているので、塑性変形する第２ワーク１６に押圧されて該第１ワーク１４が矩形孔２４に沿って塑性変形を起こすことが阻止される。

次に、摩擦撹拌接合用工具１８及び支持用治具１０の双方を貫通孔４２の軸線に略一致する位置に配置した後、上記と同様の作業を行って、図４に示すように、貫通孔４２に嵌合する突起部５２を形成する。勿論、摩擦撹拌接合用工具１８及び支持用治具１０の位置を変更することに代替して、載置用治具１２、ひいては積層体２２の位置を変更するようにしてもよい。

次に、摩擦撹拌接合用工具１８を積層体２２に対して相対的に変位させ、図５及び図６に示すように、該摩擦撹拌接合用工具１８を、突起部５０が設けられた箇所の上方から所定距離で離間する位置まで下降させた後、回転体４４ごとプローブ４６を回転付勢する。この状態で、図７に示すように、突起部５０の上端面（第２ワーク１６の上端面）にプローブ４６を摺接させる。この摺接に伴って摩擦熱が発生することにより、突起部５０におけるプローブ４６の当接箇所及びその近傍が軟化する。その結果、該プローブ４６で突起部５０の肉が撹拌されるとともに、この撹拌に対応して、軟化した突起部５０の肉が第１ワーク１４の貫通孔４０を通過し、最終的に、支持用治具１０の凹部２０に流入する。凹部２０の開口直径（約６ｍｍ）がプローブ４６の直径（約３．５ｍｍ）よりも大きく、且つプローブ４６の長さ（約２．５ｍｍ）が積層体２２の肉厚（第１ワーク１４の肉厚と第２ワーク１６の肉厚との合計：約２．０ｍｍ）よりも大きいため、この流入は容易に進行する。

この摩擦撹拌が営まれる間、突起部５０、５２が貫通孔４０、４２にそれぞれ嵌合しているため、プローブ４６の回転トルクによって第２ワーク１６に回転力が作用しても、突起部５０、５２が貫通孔４０、４２の内周壁によって堰止される。このため、第２ワーク１６が回転すること、換言すれば、位置ずれを起こすことが回避される。

すなわち、本実施の形態によれば、突起部５０、５２を貫通孔４０、４２に嵌合するという簡便な作業を行うことにより、第１ワーク１４と第２ワーク１６との相対的な位置ずれを回避することができる。しかも、これにより第２ワーク１６が回転してノックピン２６ａ〜２６ｆに当接することが回避されるので、該第２ワーク１６に傷が発生する懸念を払拭することもできる。

その上、クランプ手段２８ａ、２８ｂとして、該クランプ手段２８ａ、２８ｂのクランプ力のみで第２ワーク１６の回転を確実に阻止可能なものを設置する必要は特にないので、設備投資が高騰することもない。

凹部２０内に塑性流動した肉は、プローブ４６で押圧されることによって、該凹部２０の内壁に沿ってさらに塑性流動を起こす。所定時間が経過した後、該プローブ４６を第２ワーク１６から離脱させることで肉の塑性流動を停止させれば、凹部２０に肉が充填されるとともに、該肉が冷却硬化し、その結果、凹部２０の形状に対応する円柱形状の凸部５４が設けられる。

上記したように、凹部２０の開口直径が貫通孔４０の直径に比して大きいため、凸部５４は、その底面が貫通孔４０を閉塞するように形成される。このようにして凸部５４が貫通孔４０を閉塞することにより、第２ワーク１６の第１ワーク１４からの抜け止めがなされる。

なお、凸部５４は、貫通孔４０の内壁に沿って塑性流動した肉が冷却硬化することによって形成されるので、該凸部５４と貫通孔４０との間にクリアランスが生じることはない。しかも、軟化した肉が冷却硬化する際、貫通孔４０の内壁や第１ワーク１４の下端面に強固に接合するため、第１ワーク１４と第２ワーク１６との接合強度が大きくなる。従って、接合後においても、第１ワーク１４と第２ワーク１６が相互に位置ずれを起こすことが回避される。

また、軟化した突起部５０の肉は、概して高温である。このため、第１ワーク１４において、高温となった肉に接触する部位、例えば、貫通孔４０の内壁や該貫通孔４０近傍の下端面では、該第１ワークの材質である鋼材と、第２ワーク１６の材質であるアルミニウムとの金属間化合物が形成される。このため、第１ワーク１４と第２ワーク１６との接合強度が一層向上する。

なお、バリ５６が生じた場合には、このバリ５６を切削除去する仕上げ工程を行えばよい。

以上と同様の摩擦撹拌作業を突起部５２に対して行えば、この突起部５２からも凸部が設けられる。上記したように、第１ワーク１４と第２ワーク１６とが前記凸部５４を介して既に接合されているので、この際においても第２ワーク１６が回転することが回避される。

ここで、プローブ４６の長さが積層体２２の肉厚に比して大きい場合であっても、突起部５０、５２の肉が凹部２０に流入することによって該突起部５０、５２が陥没するので、プローブ４６の先端部が凹部２０の底面に到達することはない。このため、プローブ４６が支持用治具１０に干渉することがないので、第２ワーク１６の肉の塑性流動が妨げられることもない。また、プローブ４６と凹部２０が互いに接触することがないので、プローブ４６と凹部２０が摩耗することもない。

すなわち、本実施の形態によれば、接合作業の際、ワークの肉厚に対応する寸法の摩擦撹拌接合用工具に交換するという煩雑な交換作業を行う必要がない。また、異なる寸法の摩擦撹拌接合用工具を種々用意する必要がなく、しかも、突起部５０、５２を設ける際に使用した摩擦撹拌接合用工具１８を接合作業にも使用することができる上、突起部５０、５２を設けるためにパンチ等を用意する必要もないので、接合に要するコストを著しく低廉化することもできる。

さらに、第２ワーク１６の肉の軟化、塑性流動及び凹部２０への充填のすべてを、摩擦撹拌接合用工具１８を交換することなく１工程で、しかも、簡便な作業で行うことができるので、作業効率が向上するという利点が得られる。

なお、上記した実施の形態においては、２箇所の突起部５０、５２を設けるようにしているが、突起部を１箇所のみ、又は３箇所以上設けることもできる。

また、この実施の形態では、摩擦撹拌接合用工具１８のプローブ４６で第２ワーク１６を押圧して突起部５０、５２を設けるようにしているが、回転動作するプローブ４６を第２ワーク１６の上端面に極短時間のみ摺接させ、これにより該第２ワーク１６の肉を凹部２０に到達しない程度に塑性流動させて突起部５０、５２を設けるようにしてもよい。

いずれの場合においても、貫通孔４０、４２を有する第１ワーク１４（有孔ワーク）に積層されるワークの個数は１個に限定されるものではなく、２個以上のワークを積層することもできる。

そして、互いに接合される第２ワーク１６と第１ワーク１４の材質は、互いに同一であってもよいし、相違していてもよいことはいうまでもない。

さらに、第２ワーク１６に突起部５０、５２を設ける際、第１ワーク１４が塑性変形を起こさない程度の剛性を有するものであれば、該第１ワーク１４を支持用治具１０で支持する必要は特にない。

さらにまた、第１ワーク１４の貫通孔４０、４２は、真円形状に特に限定されるものではなく、楕円形状であってもよいし、多角形状であってもよい。一方、支持用治具１０の凹部２０は、凸部５４が貫通孔４０、４２からの抜け止めとなる寸法であれば、例えば、一部の径の寸法が貫通孔４０、４２に比して小さいものであってもよい。

本実施の形態に係る接合方法を実施するための支持用治具及び載置用治具と、接合される第１ワーク及び第２ワークと、摩擦撹拌接合用工具とを示す要部拡大概略斜視図である。図１の支持用治具に積層体が載置された状態を示す一部縦断面拡大図である。積層体を構成する第２ワークが摩擦撹拌接合用工具のプローブで押圧され、突起部が突出形成された状態を示す一部縦断面拡大図である。２箇所の突起部が突出形成された積層体の平面説明図である。突起部が設けられた箇所に対して摩擦撹拌を行う工程を示す要部拡大概略斜視図である。図５の縦断面要部拡大図である。突起部が塑性流動を起こして支持用治具の凹部に流入した状態を示す一部縦断面拡大図である。

１０…支持用治具１２…載置用治具
１４、１６…ワーク１８…摩擦撹拌接合用工具
２０…凹部２２…積層体
２４…矩形孔２８ａ、２８ｂ…クランプ手段
４０、４２…貫通孔４６…プローブ
５０、５２…突起部５４…凸部

Claims

貫通孔が設けられた第１ワークと、第２ワークとが積層された積層体を接合する積層体の接合方法であって、
前記第１ワークと、前記第２ワークとを積層して積層体を形成する工程と、
摩擦撹拌接合用工具のプローブを用いて前記第２ワークに突起部を突出形成するとともに、前記突起部を前記第１ワークの前記貫通孔に嵌合して前記第２ワークを位置決めする工程と、
前記第２ワークの突起部の肉を回転動作する前記プローブで撹拌し、該積層体を支持する支持用治具に設けられた凹部に前記撹拌された肉を塑性流動させる工程と、
前記塑性流動させた肉を硬化させて前記凹部の形状に対応する形状の凸部を形成して前記貫通孔からの抜け止めを設ける工程と、
を有することを特徴とする積層体の接合方法。