JP4838389B1 - 突合せ部に隙間のある金属板の両面摩擦攪拌接合方法 - Google Patents
突合せ部に隙間のある金属板の両面摩擦攪拌接合方法Info
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Abstract
第1及び第2の回転ツール3,4はそれぞれショルダ部3c,4cを先端部分に形成したツール本体3a,4aを有し、第1の回転ツール3は更にツール本体の先端部分から突出するよう形成された突起部3dを有し、第2の回転ツール4は更にツール本体の先端部分に形成され、2枚の金属板1,2の接合時に突起部3dの先端部を収納する凹み部4dを有し、金属板1,2の端面を突合せた突合せ部Bに突起部の直径未満の隙間が生じた状態で、金属板1,2を把持装置5,6で把持し、回転ツールの突起部3dの先端部を回転ツールの凹み部4d内に挿入し、突合せ部の板厚方向全域を摩擦攪拌して接合する。
【選択図】図4
Description
(2)酸化皮膜付き未攪拌部と摩擦攪拌部の圧接による接合強度の低下;
(3)突合せ部裏面での圧力低下による空隙等の欠陥の発生。
<第1の発明>
<第2の発明>
第2の発明においては、前記端面を突合せた2枚の金属板の板厚が異なる場合に、第1の発明の両面摩擦攪拌接合を行う。
<第1の発明>
<第2の発明>
第2の発明においては、2枚の金属板の厚みが異なり、突合せ部に段差がある場合でも、突合せ部の表裏面を同時に摩擦攪拌接合できるため、特許文献4の図12および図13のように、金属板の突合せ部の表裏面側でツールをずらして配置して摩擦攪拌接合を行った場合のように、支持ローラを大径化しなければならないというような問題もなく、設備を小型化でき、経済性を向上することができる。
<第1の発明>
<第2の発明>
<第2の発明>
第2の発明においては、金属板の厚みの異なる2枚の金属板を第1および第2の回転ツールにより摩擦攪拌し、両面から同時に摩擦攪拌接合する。金属板の厚みが異なる場合の両面摩擦攪拌接合では、第3の発明のように第1および第2の回転ツールの軸心を傾けなくても、板厚の厚い側の攪拌余剰分がバリとして発生し易い。本発明では、突合せ部に隙間を与えて第1および第2の回転ツールで両面から同時に摩擦攪拌接合するため、攪拌余剰分の大部分は直ちに突合せ部Jの隙間Gに埋め戻される。このためバリの発生が抑制され、製品の外観が維持され、製品歩留りが高くなる。また、突合せ部の隙間に一旦発生したバリが埋め戻されるため、接合部厚みの低減を抑制することができる。
<第3の発明>
<第4の発明>
第4の発明においては、2枚の金属板の厚みが異なり、突合せ部に段差がある場合に、第1および第2の回転ツールの先端部分が後端部分に対し第1および第2の回転ツールの移動方向に向かって先行するように、第1および第2の回転ツールのそれぞれの軸心を傾けるだけでなく、更に、板厚の異なる2枚の金属板のうちの薄板側に傾斜した姿勢となりかつ第1および第2の回転ツールのショルダ部のショルダ面が板厚の異なる2枚の金属板の両方の表面に接触するように、第1および第2の回転ツールのうち少なくとも段差がある側に位置する回転ツールの軸心を傾ける。これにより2枚の金属板の厚みが異なり、突合せ部に段差がある場合の接合強度を更に高めることができる。また、第3の発明と同様、バリの発生が抑制され、製品歩留りが高くなり、かつ突合せ部の隙間に一旦発生しバリが埋め戻されるため、接合部厚みの低減を更に抑制することができる。
まず、本発明の第1の実施の形態を図1〜図9を用いて説明する。本実施の形態は、同じ板厚の2枚の金属板の接合に本発明を適用したものである。
片面の摩擦攪拌接合は、比較的融点の低い材料であるアルミニウムなどの非鉄合金の分野では、実用化されている。一般に、摩擦攪拌接合では、材料温度を融点の80%程度まで摩擦攪拌熱で上昇させる必要がある。その結果、1000℃を超える高融点材料の接合では、単位長さ当たりの摩擦攪拌による投入エネルギーが高くなり、更には変形抵抗値も高くなることから、回転ツールには高い耐熱強度と破壊靭性が求められ、高価な多結晶ダイヤモンド等の材料を使用せざるを得なかった。
第1の回転ツール3の各部の寸法関係および第1の回転ツール3と第2の回転ツール4の寸法関係、並びに第1の回転ツール3の突起部3dの直径と突合せ部Bの隙間Gの関係について図4および図5と表1を用いて説明する。
(ショルダ径D1)
まず、第1の回転ツール3のショルダ部3c(ショルダ面3b)の直径D1について言及する。ショルダ直径D1の主たる決定要因は、単位時間当たりに接合部に投入する熱量である。摩擦攪拌接合では、摩擦発熱量不足または摩擦発熱量過多で接合不良を起こす。したがって、所望の摩擦発熱量を生成するショルダ直径D1を選定する必要がある。
次に、ツール本体3aの先端部分に突起部3d(プローブ)を有する第1の回転ツール3のショルダ部3c(ショルダ面3b)の突起部3dの直径d1について言及する。
また、ツール本体4aの先端部分に凹み部4dを有する第2の回転ツール4のショルダ部4c(ショルダ面4b)の直径D2および凹み部4dの直径d2、凹み部4dの深さL2は、第1の回転ツール3のショルダ直径D1、突起部直径d1、突起部長さL1に応じて決定される。本発明者等が行なった試験によれば、第2の回転ツール4のショルダ直径D2は、第1の回転ツール3のショルダ直径D1と同じ値にすることが好ましい。また、凹み部直径d2は、突起部直径d1より大径となり、d1+2mm以下が好ましい。また、凹み部深さL2は、突起部長さL1より長くなり、L1+1mm以下で良好な接合部が得られた。
また、本実施の形態では前述したように、好ましくは、第1および第2の回転ツール3,4の先端部分が後端部分に対し接合進行方向(図1の紙面直角方向)に向かって先行するように、第1および第2の回転ツール3,4の軸心を傾けた状態で摩擦攪拌接合する。
ツールの突起部3bと突合せ部Bの隙間Gの関係を、発明者等は試験により確認した。図8は、突合せ部隙間と引張強度の相関を示す。
以上説明した実施の形態および本発明者等が行なった試験では、接合長さの全長にわたり、突合せ部の隙間を一定とした。これは、突合せ部の隙間に対し、接合可能可否や接合部の機械的性質などの関係を明確にするためである。また、接合長さの全長にわたり、突合せ部の隙間が存在するため、厳しい接合条件で接合したことになる。
次に、本発明の第2の実施の形態を説明する。本実施の形態は、板厚の異なる2枚の金属板の接合に本発明を適用したものである。
次に、本発明の第2の実施の形態において、相対向するように配置した第1および第2の回転ツール3,4の先端部分が後端部分に対し第1および第2の回転ツールの移動方向に向かって先行するように、第1および第2の回転ツールのそれぞれの軸心を傾け、両面から同時に摩擦攪拌接合する場合の実施例を説明する。
金属板1(板厚1mmの5052アルミ合金)と金属板2(板厚2mmの5052アルミ合金)を突合せ接合した。実施例1における第1および第2の回転ツール3,4と金属板1,2の位置関係を図11に示す。図11は、接合中の状態のツール移動方向の断面図である。接合中の状態のツール移動方向直角方向の断面図は、回転ツールを傾けない場合の上述した図10と同じである。金属板1,2は突合せ部Bの下面に段差が生じないようにセットした。
実施例1に記載の金属板1,2および回転ツール3,4を用いて、上側の第1の回転ツール3の傾斜角度θ1を9度に変更し、両面同時摩擦攪拌接合を行った。接合部の品質は傾斜角度θを2度にした場合に比べて劣るものの、健全な接合部が作製可能であることを確認した。
実施例3における第1および第2の回転ツール3,4と金属板1,2の位置関係を図13および図14に示す。図13は、接合中の状態のツール移動方向直角方向の断面図であり、図14は、接合中の状態のツール移動方向の断面図である。金属板1,2は突合せ部Bの上側と下側に共に段差が生じるように、板厚中心を揃えてセットした。
実施例1に記載の金属板1,2および回転ツール3,4を用いて、金属板1,2の回転方向を同じ方向に変更し、両面同時摩擦攪拌接合を行った。この場合、回転ツール3,4によるせん断力の向きが同方向となるため、回転ツール3,4の間に流動した材料と母材部の境界部で破断した。これは、金属板1,2の板厚が薄く、上下の回転ツール3,4により発生するせん断力より金属板1,2の耐力が低いためである。したがって、金属板1,2の板厚が薄い場合は、上下回転ツール3,4の回転方向は逆になるように設定するのが望ましい。
1a,2a 突合せ端面
1b,2b 側端面
1c,2c 側端面
3 第1の回転ツール(上回転ツール)
3a ツール本体
3b ショルダ部
3c ショルダ面
3d 突起部(プローブ)
4 第2の回転ツール(下回転ツール)
4a ツール本体
4b ショルダ部
4c ショルダ面
4d 凹み部
5 第1の把持装置
5a,5b 上下把持板
6 第2の把持装置
6a,6b 上下把持板
B 突合せ部
G 隙間
J 接合部
θ1,θ2 傾き角
Claims (4)
- 2枚の金属板(1,2)の端面(1a,2a)を突合せた突合せ部(B)の表面側と裏面側に、第1および第2の回転ツール(3,4)を相対向するように配置し、この第1および第2の回転ツールにより前記突合せ部を摩擦攪拌し、前記2枚の金属板を摩擦攪拌接合する両面摩擦攪拌接合方法において、
前記第1および第2の回転ツール(3,4)の一方は、ショルダ部(3c)を先端部分に形成したツール本体(3a)と、このツール本体の先端部分から突出するよう形成された少なくとも1つの突起部(3d)とを有する回転ツール(3)であり、
前記第1および第2の回転ツールの他方は、ショルダ部(4c)を先端部分に形成したツール本体(4a)と、このツール本体の先端部分に形成され、前記2枚の金属板(1,2)の接合時に前記突起部(3d)の先端部を収納する少なくとも1つの凹み部(4d)とを有する回転ツール(4)であり、
前記2枚の金属板(1,2)の端面(1a,2a)を突合せた突合せ部に前記突起部(3d)の直径(d1)未満の隙間(G)が生じた状態で、前記2枚の金属板(1,2)を第1および第2把持装置でそれぞれ把持し、
前記第1および第2の回転ツールを回転させ、前記第1および第2の回転ツールを互いに近づく方向に移動して、前記一方の回転ツールの突起部(3d)の先端部を前記他方の回転ツールの凹み部(4d)内に挿入するとともに、前記第1および第2の回転ツールの前記ショルダ部のショルダ面(3b,4b)を前記突合せ部の表面側と裏面側に押圧し、
この状態で、前記第1および第2の回転ツールを前記突合せ部に沿って移動させ、前記突合せ部の板厚方向全域を摩擦攪拌することを特徴とする両面摩擦攪拌接合方法。 - 請求項1に記載の両面摩擦攪拌接合方法において、
前記端面を突合せた2枚の金属板(1,2)は板厚が異なり、前記突合せ部(B)に段差のある金属板であり、前記第1および第2の回転ツール(3,4)により前記段差のある突合せ部を摩擦攪拌し、前記2枚の金属板を摩擦攪拌接合することを特徴とする両面摩擦攪拌接合方法。 - 請求項1又は2に記載の両面摩擦攪拌接合方法において、
前記第1および第2の回転ツール(3,4)の移動中に、前記相対向するように配置した前記第1および第2の回転ツール(3,4)の先端部分が後端部分に対し前記第1および第2の回転ツールの移動方向に向かって先行するように、前記第1および第2の回転ツールのそれぞれの軸心(15)を傾けることを特徴とする両面摩擦攪拌接合方法。 - 請求項2に記載の両面摩擦攪拌接合方法において、
前記第1および第2の回転ツール(3,4)の移動中に、前記相対向するように配置した前記第1および第2の回転ツール(3,4)の先端部分が後端部分に対し前記第1および第2の回転ツールの移動方向に向かって先行するように、前記第1および第2の回転ツールのそれぞれの軸心(15)を傾け、かつ前記板厚の異なる2枚の金属板(1,2)のうちの薄板側に傾斜した姿勢となりかつ前記第1および第2の回転ツールの前記ショルダ部(3c,4c)のショルダ面(3b,4b)が前記板厚の異なる2枚の金属板の両方の表面に接触するように、第1および第2の回転ツールのうち少なくとも段差がある側に位置する回転ツールの軸心(15)を傾けることを特徴とする両面摩擦攪拌接合方法。
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