JP4939829B2 - 摩擦撹拌接合方法 - Google Patents

Description

本発明は、摩擦撹拌接合方法に関するものである。

従来より、非溶融の状態で複数の材料を接合する方法として摩擦撹拌接合（Friction Stir Welding：略称ＦＳＷ）が知られており、図５〜図７に示す如く、この種の摩擦撹拌接合では、相互に重ね合わせた複数の材料１，２に対し、その重ね方向の一方の側から接合ツール３のピン部３ａを回転しながら押し付け（図５参照）、該接合ツール３のピン部３ａと各材料１，２との間に生じる摩擦熱により各材料１，２を固相状態のまま局所的に軟化させて接合ツール３を各材料１，２の重ね方向に没入し（図６参照）、これにより各材料１，２間の境界部分を撹拌させてから接合ツール３を引き抜き（図７参照）、前記境界部分を硬化させて各材料１，２を接合するようにしている（図５〜図７中の符号の４は裏当て部材、５は撹拌領域を示す）。

尚、この種の摩擦撹拌接合に関連する先行技術文献情報としては下記の特許文献１等がある。
特開２００４−１３６３６５号公報

しかしながら、従来における摩擦撹拌接合では、図８中にＡで示す如き設定条件で摩擦撹拌接合が実行されることを理想とし、この設定条件Ａに即して接合ツール３のピン部３ａの先端位置が時間的に推移するような加圧力と回転数を設定し、この加圧力と回転数を一律に保持したまま時間制御で摩擦撹拌接合を行うようにしていたため、打点を連続させて材料１，２同士の接合を図るような場合に、初打点から暫くは一律の接合時間、加圧力、回転数で良好な接合結果が得られるものの、接合ツール３と材料１，２の温度が打点数が増すに従い高くなって、接合ツール３のピン部３ａが各材料１，２に対し没入し易くなってくると、該各材料１，２を接合ツール３のピン部３ａが貫通して孔明きを起こす虞れが生じた。

このため、通常においては、接合ツール３のピン部３ａが各材料１，２を貫通してしまうことを防ぐ位置下限リミットＬを設定し、図８中にＢで示す如く、位置下限リミットＬまで接合ツール３のピン部３ａが到達してしまったら、直ちに接合を終了して接合ツール３を引き上げ、接合異常であることを外部に報知するか、そのまま接合装置を異常停止する措置が採られるようにしている。

ただし、このような措置を採った場合、接合ツール３のピン部３ａが各材料１，２を貫通して孔明きを起こす虞れを未然に回避することができる反面、予め設定された接合時間が経過するよりも早く接合が終了してしまうことになるため、各材料１，２間の境界部分の撹拌が不十分となって必要強度が得られなくなり、また、接合装置を異常停止にしてしまう場合には生産性も低下してしまうという問題を招いていた。

また、特に中、厚板の材料１，２同士を接合する場合に、接合ツール３及び材料１，２の温度上昇に伴いピン部３ａが各材料１，２に対し没入し易くなると、図９に示す如く、接合ツール３のピン部３ａより体積が大きなショルダ部３ｂが急激に深く上板の材料１に減り込み、行き場を失った材料１の一部が板界面より貝柱状に膨出して上下の材料１，２間に隙間が空いてしまう現象が起こり、接合完了後の外観が著しく損なわれて品質低下を招いてしまうという問題もあった。

尚、接合ツール３及び材料１，２は空冷や水冷で冷却されるようになっているため、ある打点数以降で温度は安定することになるが、このような冷却の強化にも限界があって、前述の如き不具合を解消するまでには到っていない。

本発明は上述の実情に鑑みてなしたもので、材料の孔明き、撹拌不足による強度低下、接合装置の異常停止による生産性の低下、外観不良による品質の低下といった従来の問題を同時に解決し得る摩擦撹拌接合方法を提供することを目的とする。

本発明は、相互に重ね合わせた複数の材料に対し、その重ね方向の一方の側から接合ツールを回転しながら押し付け、該接合ツールと各材料との間に生じる摩擦熱により各材料を固相状態のまま局所的に軟化させて接合ツールを各材料の重ね方向に没入し、これにより各材料間の境界部分を撹拌させてから前記接合ツールを引き抜き、前記境界部分を硬化させて各材料同士を接合する摩擦撹拌接合方法において、各材料の重ね方向における任意の位置に複数の目標位置を定め且つ該目標位置により重ね方向に区分けされる各位置制御範囲ごとに接合時間と加圧力と回転数の接合条件を設定して接合ツールの位置制御を行い、該接合ツールの先端位置が目標位置に対し当該位置制御範囲で設定された接合時間より早く到達した時に残りの接合時間が経過するまで前記目標位置に接合ツールを保持する一方、接合ツールの先端位置が目標位置に対し当該位置制御範囲で設定された接合時間を過ぎても到達しない時には前記目標位置に到達するまで接合時間を延長することを特徴とするものである。

而して、このようにすれば、打点を連続させて材料同士の接合を図る際に、打点数が増すに従い接合ツールと各材料の温度が高くなって、接合ツールが各材料に対し没入し易くなっても、その没入し易さに拘わらず接合ツールが最終的な目標位置を越えて没入しないよう位置制御されるので、各材料を接合ツールが貫通して孔明きが起こる虞れが未然に回避される。

即ち、接合ツールの先端位置が最終的な目標位置に対し当該位置制御範囲で設定された接合時間より早く到達しても、残りの接合時間が経過するまで接合ツールが目標位置に保持され、仮に接合ツールの先端位置が最終的な目標位置に対し当該位置制御範囲で設定された接合時間を過ぎて到達しなかったとしても、目標位置に到達するまで接合時間が延長されることになるので、接合ツールは何れの場合も最終的な目標位置で留まることになる。

また、接合ツールの先端位置が最終的な目標位置に早く到達した際に、残りの接合時間が経過するまで接合ツールが目標位置に保持されて撹拌が継続されるので、従来の如く、位置下限リミットまで接合ツールが到達した時点で直ちに接合ツールを引き抜いて接合装置を異常停止していた場合と比較して、各材料の撹拌不足による強度低下が未然に回避され、しかも、接合装置の異常停止による生産性の低下も回避される。

更に、特に中、厚板の材料同士を接合する場合に、接合ツール及び材料の温度上昇に伴い接合ツールが各材料に対し没入し易くなっても、前述の如き位置制御によって、接合ツールの体積の大きな部分が急激に深く材料に減り込むような事態が未然に防止されるので、行き場を失った材料の一部が板界面より貝柱状に膨出して材料間に隙間が空いてしまう現象が起こらなくなり、接合完了後の外観不良による品質の低下が回避される。

また、目標位置は最終的な目標位置以外にも各材料の重ね方向の任意の位置に必要なだけ設定することが可能であり、その目標位置により重ね方向に区分けされる各位置制御範囲ごとに接合時間、加圧力、回転数の接合条件を設定し、その接合条件に従い接合ツールの位置制御を行うことによって、強度的に重要な位置の撹拌域を必要なだけ増大させて、更なる材料の強度向上を図ることが可能となる。

更に、本発明においては、接合ツールの先端位置が目標位置に対し当該位置制御範囲で設定された接合時間より早く到達した時の残りの接合時間と、接合ツールの先端位置が目標位置に対し当該位置制御範囲で設定された接合時間を過ぎても到達しなかった時の接合時間の延長分とを接合結果として確認し、この接合結果に基づいて次の摩擦撹拌接合の接合条件を修正すると良い。

このようにすれば、直前の接合結果に基づいて次の摩擦撹拌接合の接合条件を修正し、より好ましい接合条件で摩擦撹拌接合を実行していくことが可能となるので、接合完了後の各材料の更なる強度向上及び品質向上を図ることが可能となる。

上記した本発明の摩擦撹拌接合方法によれば、下記の如き種々の優れた効果を奏し得る。

（Ｉ）本発明の請求項１に記載の発明によれば、接合ツール及び材料の温度上昇に伴い接合ツールが各材料に対し没入し易くなっても、接合ツールが最終的な目標位置を越えて没入しないように位置制御することができるので、接合ツールの貫通による材料の孔明きを確実に防止することができる。

（ＩＩ）本発明の請求項１に記載の発明によれば、接合ツールの先端位置が最終的な目標位置に早く到達しても、当該位置制御範囲での残りの接合時間が経過するまで接合ツールを目標位置に保持して撹拌を継続させることができるので、各材料の撹拌不足による強度低下を未然に回避することができ、しかも、接合装置の異常停止による生産性の低下も回避することができる。

（ＩＩＩ）本発明の請求項１に記載の発明によれば、特に中、厚板の材料同士を接合する場合に、接合ツール及び材料の温度上昇に伴い接合ツールが各材料に対し没入し易くなっても、接合ツールの体積の大きな部分が急激に深く材料に減り込むような事態を未然に防止することができるので、行き場を失った材料の一部が板界面より貝柱状に膨出して材料間に隙間が空いてしまう現象を防ぐことができ、接合完了後の外観を良好な品質で仕上げることができる。

（ＩＶ）本発明の請求項１に記載の発明によれば、各材料の重ね方向の任意の位置に目標位置を必要なだけ設定し、その目標位置により重ね方向に区分けされる各位置制御範囲ごとに接合時間、加圧力、回転数の接合条件を個別に設定することができるので、強度的に重要な位置の撹拌域を必要なだけ増大させることができて、各材料のより一層の強度向上を図ることができる。

（Ｖ）本発明の請求項２に記載の発明によれば、直前の接合結果に基づいて次の摩擦撹拌接合の接合条件を修正し、より好ましい接合条件で摩擦撹拌接合を実行していくことができるので、接合完了後の各材料の更なる強度向上及び品質向上を図ることができる。

以下本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。

図１〜図４は本発明を実施する形態の一例を示すもので、図５〜図９と同一の符号を付した部分は同一物を表わしている。

本形態例においては、先に図８で説明した従来の時間制御による摩擦撹拌接合に替えて、図１に示す如く、各材料１，２の重ね方向における任意の位置に複数の目標位置を定め、これらの目標位置により重ね方向に区分けされる各位置制御範囲ａ〜ｆごとに接合時間、加圧力、回転数の接合条件を個別に設定して位置制御を行うようにしている。

ここで、図２に一覧の表にして示している通り、前記各材料１，２の重ね方向に定められた目標位置は、何れも６ｍｍ厚のアルミ材からなる各材料１，２を最上面から１.５ｍｍ刻みで分割した位置に夫々設定されており、その最深部に位置する９.０ｍｍ深さの目標位置が最終的な目標位置を成すようになっている。

尚、この最終的な目標位置は、およそ接合ツール３のピン部３ａの長さ分に相当する深さに設定されるのが通常であるが、上板の材料１の下面に貝柱状の膨出が生じない範囲内で接合ツール３のショルダ部３ｂを上板の材料１に多少減り込ませた方が良い場合（ショルダ部３ｂ側からの摩擦熱により撹拌域の拡大が期待できる場合）も想定されるので、このような場合には接合ツール３のピン部３ａの長さ分より若干深い位置に最終的な目標位置が設定されることも有り得る。

また、各位置制御範囲ａ〜ｆごとに個別に設定される接合条件（接合時間、加圧力、回転数）は図２の表に示す通りであるが、接合ツール３のピン部３ａの先端位置が各目標位置の夫々に対し当該位置制御範囲で設定された接合時間より早く到達した時には、残りの接合時間が経過するまで現在の目標位置を保持するようにしており、一方、ピン部３ａの先端位置が各目標位置の夫々に対し当該位置制御範囲で設定された接合時間を過ぎても到達しない時には、前記目標位置に到達するまで接合時間を延長するようにしている。

しかも、接合ツール３の先端位置が目標位置に対し当該位置制御範囲で設定された接合時間より早く到達した時の残りの接合時間と、接合ツール３の先端位置が目標位置に対し当該位置制御範囲で設定された接合時間を過ぎても到達しなかった時の接合時間の延長分とは、一つの打点での摩擦撹拌接合が完了する度に接合結果としてモニタ等に表示するようにし、このモニタ等に表示される接合結果に基づいて次の摩擦撹拌接合の接合条件がオペレータにより修正されるようにしてある。

更に、特に本形態例においては、図２の表にも示してある通り、ピン部３ａの先端位置が最終的な目標位置である９.０ｍｍ深さに到達し且つ当該位置制御範囲ｆでの接合時間２.５秒が経過した後に、それ以前の接合条件で設定されていた２５００回転より大幅に低い５００回転に回転数を下げ、前記最終的な目標位置に接合ツール３を５秒間保持してから引き抜くようにしている。

而して、以上に詳述した如き位置制御を採用し、打点を連続させて材料１，２同士の摩擦撹拌接合を行うようにすれば、打点数が増すに従い接合ツール３と各材料１，２の温度が高くなって、接合ツール３のピン部３ａが各材料１，２に対し没入し易くなっても、例えば、図３中に一例として示すＣのように、接合ツール３のピン部３ａ先端位置が各目標位置に対し当該位置制御範囲で設定された接合時間より早く到達した際に、残りの接合時間が経過するまで接合ツール３が目標位置に保持されていくことになる。

そして、接合ツール３のピン部３ａ先端位置が９.０ｍｍ深さの最終的な目標位置に対し当該位置制御範囲ｆで設定された接合時間２.５秒より早く到達した際も、残りの接合時間が経過するまで接合ツール３が最終的な目標位置に保持されるので、該接合ツール３の各材料１，２への没入し易さに拘わらず接合ツール３のピン部３ａが最終的な目標位置を越えて没入しないよう位置制御され、各材料１，２を接合ツール３が貫通して孔明きが起こる虞れが未然に回避されることになる。

また、このように残りの接合時間が経過するまで接合ツール３が最終的な目標位置に保持されて撹拌が継続されることにより、従来の如き位置下限リミットＬまで接合ツール３が到達した時点で直ちに接合ツール３を引き抜いて接合装置を異常停止していた場合（図８参照）と比較して、各材料１，２の撹拌不足による強度低下が未然に回避され、しかも、接合装置を異常停止させる場合の生産性の低下も回避される。

尚、仮に接合ツール３のピン部３ａの先端位置が各目標位置に対し当該位置制御範囲で設定された接合時間を過ぎても到達しない事態が起こったとしても、各目標位置に到達するまで接合時間が延長されることになるので、接合ツール３が当該位置制御範囲での接合時間の超過により目標位置に達しないといった事態は起こらない。

更に、特に中、厚板の材料１，２同士を接合する場合に、接合ツール３及び材料１，２の温度上昇に伴い接合ツール３が各材料１，２に対し没入し易くなっても、前述の如き位置制御によって、接合ツール３のピン部３ａより体積の大きなショルダ部３ｂが急激に深く材料１，２に減り込むような事態が未然に防止されるので、行き場を失った材料１，２の一部が板界面より貝柱状に膨出して材料１，２間に隙間が空いてしまう現象が起こらなくなり、接合完了後の外観不良による品質の低下が回避される。

また、各目標位置により重ね方向に区分けされる各位置制御範囲ａ〜ｆごとに接合時間、加圧力、回転数の接合条件を個別に設定し、その接合条件に従い接合ツール３の位置制御を行うようにしているので、強度的に重要な位置の撹拌域を必要なだけ増大させて、更なる材料１，２の強度向上を図ることが可能となる。

従って、上記形態例によれば、接合ツール３及び材料１，２の温度上昇に伴い接合ツール３が各材料１，２に対し没入し易くなっても、接合ツール３のピン部３ａが最終的な目標位置を越えて没入しないように位置制御することができるので、接合ツール３のピン部３ａの貫通による材料１，２の孔明きを確実に防止することができる。

また、接合ツール３の先端位置が最終的な目標位置に早く到達しても、当該位置制御範囲での残りの接合時間が経過するまで接合ツール３を目標位置に保持して撹拌を継続させることができるので、各材料１，２の撹拌不足による強度低下を未然に回避することができ、しかも、接合装置を異常停止させる場合の生産性の低下も回避することができる。

更に、特に中、厚板の材料１，２同士を接合する場合に、接合ツール３及び材料１，２の温度上昇に伴い接合ツール３が各材料１，２に対し没入し易くなっても、接合ツール３の体積の大きな部分が急激に深く材料１，２に減り込むような事態を未然に防止することができるので、行き場を失った材料１，２の一部が板界面より貝柱状に膨出して材料１，２間に隙間が空いてしまう現象を防ぐことができ、接合完了後の外観を良好な品質で仕上げることができる。

しかも、各材料１，２の重ね方向の任意の位置に目標位置を必要なだけ設定し、その目標位置により重ね方向に区分けされる各位置制御範囲ａ〜ｆごとに接合時間、加圧力、回転数の接合条件を個別に設定することができるので、強度的に重要な位置の撹拌域を必要なだけ増大させることができて、各材料１，２のより一層の強度向上を図ることができる。

事実、図４にグラフで示している通り、本発明者による強度比較（引張り剪断）の検証実験では、従来の時間制御を採用した摩擦撹拌接合の場合よりも約２.１倍もの強固な引張り剪断強度が得られることが確認された。

更に、特に本形態例においては、接合ツール３の先端位置が目標位置に対し当該位置制御範囲で設定された接合時間より早く到達した時の残りの接合時間と、接合ツール３の先端位置が目標位置に対し当該位置制御範囲で設定された接合時間を過ぎても到達しなかった時の接合時間の延長分とを接合結果として確認し、この接合結果に基づいて次の摩擦撹拌接合の接合条件を修正するようにしているので、直前の接合結果に基づいて次の摩擦撹拌接合の接合条件を修正し、より好ましい接合条件で摩擦撹拌接合を実行していくことができ、接合完了後の各材料１，２の更なる強度向上及び品質向上を図ることができる。

尚、本発明の摩擦撹拌接合方法は、上述の形態例にのみ限定されるものではなく、目標位置の設定位置や設定数は任意であって図示する例に限定されないこと、また、形態例の説明で図示されている接合ツールの形状は一例に過ぎないものであり、図示以外の変更形状を接合ツールに採用しても良いこと、その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

本発明を実施する形態の位置制御範囲に関する説明図である。 各位置制御範囲ごとに設定された接合条件を一覧にした表である。 位置制御を採用した場合のツール先端位置の推移を示すグラフである。 強度比較（引張り剪断）の検証実験の結果を示すグラフである。 摩擦撹拌接合の概要を示す断面図である。 図５の接合ツールのピン部を各材料に没入させた状態を示す断面図である。 図６の状態から接合ツールを引き上げた状態を示す断面図である。 従来の時間制御を採用した場合のツール先端位置の推移を示すグラフである。 上板の材料の一部が板界面より貝柱状に膨出した状態を示す断面図である。

符号の説明

１ 材料
２ 材料
３ 接合ツール
３ａ ピン部
３ｂ ショルダ部
４ 裏当て部材
Ｌ 位置下限リミット
ａ〜ｆ 位置制御範囲

Claims (2)

1. 相互に重ね合わせた複数の材料に対し、その重ね方向の一方の側から接合ツールを回転しながら押し付け、該接合ツールと各材料との間に生じる摩擦熱により各材料を固相状態のまま局所的に軟化させて接合ツールを各材料の重ね方向に没入し、これにより各材料間の境界部分を撹拌させてから前記接合ツールを引き抜き、前記境界部分を硬化させて各材料同士を接合する摩擦撹拌接合方法において、各材料の重ね方向における任意の位置に複数の目標位置を定め且つ該目標位置により重ね方向に区分けされる各位置制御範囲ごとに接合時間と加圧力と回転数の接合条件を設定して接合ツールの位置制御を行い、該接合ツールの先端位置が目標位置に対し当該位置制御範囲で設定された接合時間より早く到達した時に残りの接合時間が経過するまで前記目標位置に接合ツールを保持する一方、接合ツールの先端位置が目標位置に対し当該位置制御範囲で設定された接合時間を過ぎても到達しない時には前記目標位置に到達するまで接合時間を延長することを特徴とする摩擦撹拌接合方法。
2. 接合ツールの先端位置が目標位置に対し当該位置制御範囲で設定された接合時間より早く到達した時の残りの接合時間と、接合ツールの先端位置が目標位置に対し当該位置制御範囲で設定された接合時間を過ぎても到達しなかった時の接合時間の延長分とを接合結果として確認し、この接合結果に基づいて次の摩擦撹拌接合の接合条件を修正することを特徴とする請求項１に記載の摩擦撹拌接合方法。

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