JP5435468B2 - 摩擦攪拌接合装置、及び摩擦攪拌接合方法 - Google Patents

Description

本発明は、複数の金属体を摩擦攪拌接合により接合する摩擦攪拌接合装置、及び摩擦攪拌接合方法に関する。

従来より、金属体の接合には、電子ビーム溶接、ＹＡＧレーザ溶接、アーク溶接、抵抗スポット溶接、超音波溶接など、様々な溶接方式が用いられている。また、自動車、航空機、船舶、その他輸送機のボディにはアルミ系材料が使われ、摩擦攪拌接合方法によりアルミ系材料を接合することが一般的に行なわれている。

自動車業界では、ハイブリッド車、電気自動車等の環境対応車両の開発が促進されており、これまでにない高電流・高電圧対応の部品類が必要となっている。その中でも、電気を効率よく伝送するための高い電気伝導率、及び高温による熱集中を分散させるための高い熱伝導率を有する純銅系材料の使用用途が多くなっている。

特許文献１及び特許文献２には、摩擦熱を利用した摩擦攪拌接合方法が提案されている。また、特許文献３及び特許文献４には、摩擦接合工具を用いて摩擦攪拌接合を行なう際の摩擦熱により、摩擦接合工具の寿命低下を防ぐための摩擦接合工具の形状に関する発明が開示されている。

特許２７１２８３８号公報 特開２００１−３１４９８３号公報 特開２００７−９０４３６号公報 特開２００７−３２６１２６号公報

しかしながら、純銅系材料を接合させる場合、各種溶接方式では、純銅系材料が有する高熱伝導率、高電気伝導率により、適切な溶接をするための条件が限られており、溶接に時間がかかるため純銅系材料の接合には適さなかった。

また、純銅系材料は、熱伝導率が非常に高く、融点もアルミニウム材料より高いため、摩擦攪拌接合により純銅系材料を接合する場合には、摩擦接合工具と純銅系材料で発生する摩擦熱のみでは十分に摩擦攪拌接合するまで温度を上げられなかった。また、温度を上げるため摩擦接合工具を高速に回転させると擦接合工具の寿命が短くなってしまうという問題があった。

従って、本発明の目的は、高熱伝導率、及び高融点を有する金属体の接合を、摩擦接合工具の寿命を短くすることなく、短時間で接合することができる摩擦攪拌接合装置、及び摩擦攪拌接合方法を提供することである。

本発明の摩擦攪拌接合の態様は、複数の金属体を接合する摩擦攪拌接合装置において、前記複数の金属体の接合部に押込まれる回転駆動する攪拌ツールと、前記複数の金属体を挟み、前記攪拌ツールと対向するように配置されて、前記攪拌ツールとの間で前記複数の金属体を挟む受け部と、前記攪拌ツールと前記受け部に電気的に接続され、前記攪拌ツールが前記複数の金属体に押込まれた時に前記攪拌ツールと前記受け部を介して前記複数の金属体に流す電流を発生させる電流発生部とを備え、前記電流発生部は、前記攪拌ツールと前記受け部に電気的に接続されるコイルと、前記コイルの両側に配置される磁石とを備え、前記コイル、もしくは前記磁石を回転させることで電磁誘導により誘導電流を発生させることを特徴とする。

本発明の摩擦攪拌接合装置の他の態様は、前記複数の金属体のうち少なくとも一つは、純銅系の材料であることを特徴とする。

本発明の摩擦攪拌接合装置の他の態様は、前記攪拌ツールの先端、および前記受け部の先端は、先細り形状となっていることを特徴とする。

本発明の摩擦攪拌接合装置の他の態様は、前記攪拌ツールの先細り形状の先端と、受け部の先細り形状の先端が金属体を挟んで、対向するように配置され、前記複数の金属体を点接合することを特徴とする。

本発明の摩擦攪拌接合方法の態様は、複数の金属体を接合する摩擦攪拌接合方法において、回転駆動する攪拌ツールと、前記攪拌ツールと対向するように配置された受け部との間に前記複数の金属体を挟み、前記複数の金属体の接合部に、回転駆動する前記攪拌ツールを押込んで前記複数の金属体を摩擦攪拌すると共に、前記攪拌ツールと前記受け部に電気的に接続されるコイル、もしくは前記コイルの両側に配置される磁石を回転させることで電磁誘導により誘導電流を発生させ、前記接合部に電流を流すことで、前記複数の金属体を接合することを特徴とする摩擦攪拌接合方法。

本発明の摩擦攪拌接合方法の他の態様は、前記複数の金属体のうち少なくとも一つは、純銅系の材料であることを特徴とする。

本発明の摩擦攪拌接合方法の他の態様は、前記複数の金属体を挟み、前記攪拌ツールと対向するように配置されて、前記攪拌ツールとの間で前記複数の金属体を挟む受け部とを備え、前記攪拌ツールの先端、および前記受け部の先端は、先細り形状となっており、前記攪拌ツールの先細り形状の先端と、受け部の先細り形状の先端が金属体を挟んで、対向するように配置され、前記複数の金属体を点接合することを特徴とする。

本発明では、純銅系材料等の高熱伝導率、及び高融点を有する金属体の接合を、摩擦接合工具と金属体で発生する摩擦熱に加えて、さらに金属体間に電流を流すことで生じる抵抗熱を利用して、摩擦接合工具の寿命を短くすることなく、短時間で行うことができる。

本発明に係る摩擦攪拌接合装置の第一の実施形態を示す図であり、金属体の接合前の状態を示す図である。 本発明に係る摩擦攪拌接合装置の第一実施形態を示す図であり、金属体の接合開始時の状態を示す図である。 本発明に係る摩擦攪拌接合装置の第一実施形態を示す図であり、摩擦攪拌接合中の状態を示す図である。 本発明に係る摩擦攪拌接合装置の第一実施形態を示す図であり、金属体の接合後の状態を示す図である。 本発明に係る摩擦攪拌接合装置の第一実施形態の変形例を示す図であり、金属体の接合開始時の状態を示す図である。 本発明に係る摩擦攪拌接合装置の第二実施形態を示す図であり、金属体の接合開始時の状態を示す図である。

本発明の実施形態に係る摩擦攪拌接合装置、及び摩擦攪拌接合方法を、図１〜図６を用いて以下に説明する。なお、同一機能を有する各構成部については、図示及び説明簡略化のため、同一符号を付して示す。

図１〜４は、摩擦攪拌接合装置、及び摩擦攪拌接合方法の第一実施形態を説明する図である。図１は、金属体の接合前の状態を示す図であり、図２は、金属体の接合開始時の状態を示す図である。そして、図３は、摩擦攪拌接合中の状態を示す図であり、図４は、金属体の接合後の状態を示す図である。

図１は、金属体１（１ａ、１ｂ）の接合前の摩擦攪拌接合装置１００の状態を示している。金属体１ａ、及び金属体１ｂは、高熱伝導率、及び高融点を有する純銅系の材料である。なお、金属体１ａ、１ｂは同じ金属種でも構わないし、純銅系の材料とアルミ系の材料等を接合する場合などのように異なる金属体でも構わない。なお、純銅系の材料としては、無酸素銅Ｃ１０２０や、タフピッチ銅Ｃ１１００を用いることが可能である。

金属体１ａ及び金属体１ｂを接合するため、金属体１ａ側には、攪拌ツール２が配置され、攪拌ツール２の先端には、金属体１ａを攪拌するための圧入ピン２ａが取り付けられている。また、金属体１ｂ側には、金属体１を支持する受け部３が配置され、受け部３の先端には受け部端子３ａが取り付けられている。受け部３で金属体１を支持しつつ、攪拌ツール２を矢印Ｘのように移動させることで、圧入ピン２ａが金属体１ａに接触することとなる。ここで、圧入ピン２ａと受け部端子３ａは、金属体１を挟んで向かい合うように配置されている。なお、圧入ピン２ａの材質として、金属体１より硬質で融点の高い銅タングステン合金を用いることができる。

圧入ピン２ａと、受け部端子３ａは、それぞれ電流源４（電流発生部）に電気的に接続され、電流源４により圧入ピン２ａ、受け部端子３ａを介して金属体１に電流が流れるようになっている。また、圧入ピン２ａ、及び受け部端子３ａの金属体１側先端は先細りに形成されており、金属体１に電流を流した時に、金属体１中を流れる電流の電流経路が短くなるようにされている。なお、図１では、圧入ピン２ａを電流源４の陰極に接続し、受け部端子３ａを陽極に接続しているが、圧入ピン２ａに陽極を接続し、受け部端子３ａに陰極を接続することも可能であり、また、電流源４として、交流の電流源を用いることも可能である。

図２は、金属体１の接合開始時の摩擦攪拌接合装置１００の状態を示している。攪拌ツール２を矢印Ｙのように回転させながら、矢印Ｘのほうに移動させる。そして、圧入ピン２ａ、及び受け部端子３ａが金属体１に接触した時点で、白抜きの矢印の向きに電流が流れ、図２中の金属体１のＡ部分が抵抗熱により発熱する。なお、圧入ピン２ａと受け部端子３ａを金属体１に接触させた後、攪拌ツール２を回転させることも可能である。

この時、抵抗熱をより良く発生させるために、圧入ピン２ａ、及び受け部端子３ａの金属体１側先端を先細りに形成することが好ましく、さらに、圧入ピン２ａと受け部端子３ａが、金属体１を挟んで向かい合うように配置することが特に好ましい。このように圧入ピン２ａ、及び受け部端子３ａを先細り形状にして、それらを向かい合うように配置することで、金属体１に電流を流した時に、金属体１中を流れる電流経路を短くすることができ、効率良く抵抗熱による発熱を実現することができる。

また、従来の摩擦攪拌接合では、攪拌ツール２を金属体１の平面方向に動かすことによって、任意で連続的な接合を実現させていたが、本発明では、効率良く抵抗熱による発熱を実現するために、攪拌ツール２を金属体１に接触させた後、攪拌ツール２を動かさず、所定の接合箇所に対して点で接合させる点接合とすることが特に好ましい。このように攪拌ツール２を動かさずに点接合することで、抵抗熱の拡散を防ぐこととなり、効率良く抵抗熱による発熱を実現することが可能となる。

さらに、金属体１を点接合する場合、精度の良い点接合位置を実現するために、金属体１ａにあらかじめ凹部状のマーカ部を形成することが好ましい。この凹部状のマーカ部を形成し、圧入ピン２ａの先細りの先端を凹部状のマーカ部に対応するように、攪拌ツール２を移動させることにより、位置精度の良い点接合を実現することが可能となる。

図３は、摩擦攪拌接合中の摩擦攪拌接合装置１００の状態を示している。矢印Ｙのように回転している攪拌ツール２を矢印Ｘのように移動させつつ金属体１に電流を流すことによって、金属体１と攪拌ツール２間に生じる摩擦熱に加えて、金属体１に流れる電流で生じる抵抗熱を利用することができる。これにより、攪拌ツール２の高回転化が不要となり、圧入ピン２ａ等の摩擦接合工具の寿命を短くすることなく、短時間で高熱伝導率、及び高融点を有する金属体１の接合が可能となる。なお、図３中の金属体１のＢ部分が塑性流動を生じている箇所である。

図４は、金属体１の接合後の状態を示す摩擦攪拌接合装置１００を示している。図１〜３で説明したように、金属体１と攪拌ツール２間に生じる摩擦熱に加えて、金属体１に流れる電流で生じる抵抗熱を利用して、金属体１を接合した後、最後に、攪拌ツール２を矢印Ｚのように移動させ金属体１から離す。

図５を用いて、第一実施形態の変形例について説明する。図５は金属体１の接合開始時の状態を示す図２の摩擦攪拌接合装置１００の金属体１ｂ側にさらに受け台５を配置したものである。そして、金属体１ｂ側に配置した受け台５表面の一部に、受け部端子３が露出しており、受け部端子３が金属体１ｂに接触する構成となっている。このような構成とすることにより、受け台５を用いて金属体１を支持することが可能となり、金属体１をより安定して接合することが可能となる。

次に、図６を用いて、摩擦攪拌接合装置の第二実施形態を説明する。摩擦攪拌接合装置２００は、図２と同様、金属体１ａ、及び１ｂを接合するため、金属体１ａ側には、攪拌ツール２が配置され、攪拌ツール２の先端には、金属体１ａを攪拌するための圧入ピン２ａが取り付けられている。また、金属体１ｂ側には、金属体１を支持する受け部３が配置され、受け部３の先端には受け部端子３ａが取り付けられている。受け部３で金属体１を支持しつつ、攪拌ツール２を矢印Ｘのように移動させることで、圧入ピン２ａが金属体１ａに接触することとなる。ここで、圧入ピン２ａと受け部端子３ａは、金属体１を挟んで向かい合うように配置される。

図２と異なる点は、電流源４の代わりに、圧入ピン２ａと受け部３ａ間にコイル６が電気的に接続され、コイル６の両側にＮ極磁石７とＳ極磁石８が配置されている点である。そして、コイル６、もしくはＮ極磁石７とＳ極磁石８を回転させることで電磁誘導にて誘導電流を発生させ、金属体１に電流を流すことで抵抗熱による発熱を発生させることが可能となる。この抵抗熱と、金属体１と攪拌ツール２間に生じる摩擦熱で、高熱伝導率、及び高融点を有する金属体１を接合することが可能となる。このように、電磁誘導にて誘導電流を発生させることで、電源を用意する必要が無くなる。

なお、本発明は、厚さ０．４ｍｍ以上の純銅系材料同士を接合する場合に特に有効な方法であり、金属体１と攪拌ツール２間に生じる摩擦熱に加えて、金属体１に流れる電流で生じる抵抗熱を利用すると、攪拌ツールの回転数を従来同様の１０００ｒｐｍ〜４０００ｒｐｍとすることが可能となり、摩擦接合工具の寿命を短くすることなく、短時間で金属体を接合することが可能となる。

１００、２００ 摩擦攪拌接合装置
１ａ、１ｂ 金属体
２ 攪拌ツール
２ａ 圧入ピン
３ 受け部
３ａ 受け部端子
４ 電流源（電流発生部）
５ 受け台
６ コイル
７ Ｎ極磁石
８ Ｓ極磁石

Claims (7)

1. 複数の金属体を接合する摩擦攪拌接合装置において、
   前記複数の金属体の接合部に押込まれる回転駆動する攪拌ツールと、
   前記複数の金属体を挟み、前記攪拌ツールと対向するように配置されて、前記攪拌ツールとの間で前記複数の金属体を挟む受け部と、
   前記攪拌ツールと前記受け部に電気的に接続され、前記攪拌ツールが前記複数の金属体に押込まれた時に前記攪拌ツールと前記受け部を介して前記複数の金属体に流す電流を発生させる電流発生部とを備え、
   前記電流発生部は、前記攪拌ツールと前記受け部に電気的に接続されるコイルと、前記コイルの両側に配置される磁石とを備え、前記コイル、もしくは前記磁石を回転させることで電磁誘導により誘導電流を発生させることを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
2. 前記複数の金属体のうち少なくとも一つは、純銅系の材料であることを特徴とする請求項１に記載の摩擦攪拌接合装置。
3. 前記攪拌ツールの先端、および前記受け部の先端は、先細り形状となっていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の摩擦攪拌接合装置。
4. 前記攪拌ツールの先細り形状の先端と、受け部の先細り形状の先端が金属体を挟んで、対向するように配置され、前記複数の金属体を点接合することを特徴とする請求項３に記載の摩擦攪拌接合装置。
5. 複数の金属体を接合する摩擦攪拌接合方法において、
   回転駆動する攪拌ツールと、前記攪拌ツールと対向するように配置された受け部との間に前記複数の金属体を挟み、
   前記複数の金属体の接合部に、回転駆動する前記攪拌ツールを押込んで前記複数の金属体を摩擦攪拌すると共に、
   前記攪拌ツールと前記受け部に電気的に接続されるコイル、もしくは前記コイルの両側に配置される磁石を回転させることで電磁誘導により誘導電流を発生させ、前記接合部に電流を流すことで、前記複数の金属体を接合することを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
6. 前記複数の金属体のうち少なくとも一つは、純銅系の材料であることを特徴とする請求項５に記載の摩擦攪拌接合方法。
7. 前記複数の金属体を挟み、前記攪拌ツールと対向するように配置されて、前記攪拌ツールとの間で前記複数の金属体を挟む受け部とを備え、
   前記攪拌ツールの先端、および前記受け部の先端は、先細り形状となっており、前記攪拌ツールの先細り形状の先端と、受け部の先細り形状の先端が金属体を挟んで、対向するように配置され、前記複数の金属体を点接合することを特徴とする請求項５又は請求項６のいずれか１項に記載の摩擦攪拌接合方法。

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