JP5518816B2 - 摩擦攪拌接合方法 - Google Patents

Description

本発明は、摩擦攪拌接合技術に係り、特に、接合部材としての捨て代を有効利用した摩擦攪拌接合技術に関する。

新しい固相接合法として、英国のThe Welding Institute (ＴＷＩ) において摩擦熱を利用した接合技術である摩擦攪拌接合（Friction Stir Welding、ＦＳＷ）が発明された。

研究と実用化が図られ、現在では、アルミニウムの外にマグネシウム、チタン、これらの複合材料、異種材料、発泡材料にも適用が可能になり、応用分野も自動車、鉄道車両、宇宙航空工業に拡大している（非特許文献１）。

ＦＳＷツールとしては、高温においても高強度となる金属間化合物Co₃(Al,W)を分散したコバルト基合金製のＦＳＷツールが開発され、従来のセラミック系ＦＳＷツールに比して、高い耐久性と耐磨耗性を実現している。コバルト基合金製のＦＳＷツールは、鉄、チタン合金、ジルコニウム合金などの接合も可能であることから、電力プラント、化学プラント、自動車などの産業分野への応用展開が期待されている（非特許文献２）。

特許文献１には、凹所を備えたタブ板を、２つの板状部材における突合せ部の接合終端側の端面に当接せしめて、回転治具が突合せ部から凹所を経てタブ板に達した後、摩擦攪拌接合操作を終了することが示されている。

特許文献２には、ロータバーと短絡環を該短絡環の外周面上のロータバーに沿って設けた溶接開先に溶接することによって、溶接欠陥と強度低下の少ないロータバーと短絡環の溶接構造を得ることが示されている。

特開２００４−１５４７９８号公報 特開２０００−１６６１９７号公報

摩擦攪拌接合(Friction Stir Welding、FSW)の進歩と適用、NMCニュース、第８号(7)、２００４年１２月 鉄やチタン合金など融点の高い金属を接合できる摩擦攪拌接合用ツールを開発、プレスリリース、東北大、２０１０年３月２６日

摩擦熱を利用する摩擦攪拌接合（ＦＳＷ）は、入熱が少なく、また接合部の強度低下やひずみの少ない接合方法として利用されている。

図１５、１６は、摩擦攪拌接合により突き合わせ部材を接合する例を説明する図である。 接合する２枚の被接合材Ａ１０１、被接合材Ｂ１０２に対し、これらの被接合材よりも硬い金属で作られた回転ツール４０１を加重Ｗを印加した状態で高速回転させ、その先端のピン４０２を、２枚の被接合材Ａ１０１、被接合材Ｂ１０２の突き合わせ部２００に差し込み、突き合わせ部２００の表面に沿って移動させる。これにより、接合部２１０周辺に生じた摩擦熱と塑性流動によって被接合材を溶融させることなく、２枚の被接合材を接合させることができる。

図１７、１８、１９は、摩擦攪拌接合していない部分を切除する処理を説明する図、図２０は、摩擦攪拌接合した後に曲げ荷重Ｍを加えた例を説明する図である。

図１７に示すように、摩擦攪拌接合の開始点２１３と終了点２１４は、一般の溶接と同様に、２枚の被接合材の突き合わせ部の端面から接合条件に応じた所定の距離だけ離れており、図１７に示されるように接合していない部分２０１が残る。その理由は、回転ツールによって摩擦攪拌された塑性流動状態の金属が接合材の端面から湧き出ることによって接合部に接合欠陥が発生することを阻止するためである。そのため、接合作業の終了後に、そのような接合していない部分を捨て代３００として図１８のように鎖線にしたがって切除する。あるいは接合していない部分に溶接による手直しを施す。

これらの後処理は生産性を悪くするだけでなく、溶接による熱影響により、残留ひずみや溶接欠陥が発生する可能性がある。また、摩擦攪拌接合特有の課題として、回転ツールを引き抜いたときにピンが占めていた部分が凹み２１５として残留することがある。

図１９は、２枚の長方形の被接合材Ａ１０１、被接合材Ｂ１０２の短辺同士を接合し、捨て代材３００を切り離した状態を示している。

図２０は、接合強度を評価するために曲げ荷重Ｍを加えた例を示す図であり、接合部２１０の引張側の最外端の被接合材Ｂとの境界にき裂ｃが生じている。

本発明は、これらの問題点に鑑みてなされたもので、摩擦攪拌接合の開始点、あるいは終了点として設定した部分を強度部材として活用することにより、強度及び生産性の向上を図るものである。

本発明は上記課題を解決するため、次のような手段を採用した。

被接合部材の端部同士を衝合し、衝合部を前記接合部材よりも硬度および耐熱性が高い材料で作成した摩擦攪拌接合ツールを用いて接合する摩擦攪拌接合方法において、前記接合部材の一方の端部を他方の端部よりも幅広に形成するとともに、前記一方の端部に他方の端部が入り込む凹形の切欠き部を形成し、該切欠き部に他方の接合部材の端部を嵌入し、前記一方の接合部材の端部の前記幅広に形成された部分で形成された凸部と接合端の中央部間の前記衝合部を摩擦攪拌接合するとともに、前記他方の接合部材を、幅の狭い複数の接合部材の集合体で形成されたものとする。

本発明は、以上の構成を備えるため、摩擦攪拌接合における強度が増加し、また生産性が向上する。

実施形態１に係る摩擦攪拌接合方法を説明する図である。 接合前の接合材を説明する図である。 実施形態２に係る摩擦攪拌接合方法を説明する図である。 実施形態３に係る摩擦攪拌接合方法を説明する図である。 実施形態４に係る摩擦攪拌接合方法を説明する図である。 実施形態５に係る摩擦攪拌接合方法を説明する図である。 接合前の被接合材を説明する図である。 実施形態６に係る摩擦攪拌接合方法を説明する図である。 接合前の接合材を説明する図である。 実施形態７を説明する図である。 実施形態７を説明する図である。 実施形態７を説明する図である。 実施形態８を説明する図である。 従来のロータバーと短絡環を溶接で接合した例を説明する図である。 摩擦攪拌接合により突き合わせ部材を接合する例を説明する図である。 摩擦攪拌接合により突き合わせ部材を接合する例を説明する図である。 摩擦攪拌接合していない部分を切除する処理を説明する図である。 摩擦攪拌接合していない部分を切除する処理を説明する図である。 摩擦攪拌接合していない部分を切除する処理を説明する図である。 接合強度を評価するために曲げ荷重を加えた例を示す図である。

以下、実施形態を添付図面を参照しながら説明する。

［実施形態１］
本実施形態では、荷重として曲げ荷重Ｍを想定し、応力が零となる中央部に終了点２１４の穴（凹み）２１５が来るように接合している例を説明する。

図１は、実施形態１に係る摩擦攪拌接合方法を説明する図、図２は、接合前の接合材を説明する図である。

図１，２に示すように、被接合材Ａ１０１の接合端の両端に凸部１０４を設け、被接合材Ｂ１０２が入り込む凹部を形成する。凸部を設けることにより、応力が高く、き裂が生じる可能性の高い接合部２１０の端を補強することができる。また、前記凸部に接合の開始点２１３を設定し、曲げ応力が小さい中央に終了点２１４を設定して摩擦攪拌接合を実施する。

この構成によれば、従来強度上問題となっていたＦＳＷの開始点２１３を接合部材Ａの補強部分に設けるため、強度上の問題を解決できる。また、終了点２１４を接合部分の中央の曲げ応力が零の位置に設けるため、強度上問題となる終了点２１４の穴（凹み）２１５には応力が加わらず、強度の問題が無くなる。

このように、被接合材Ａ１０１の接合端の両端には、凸部１０４を設け、また、曲げ応力が小さいと考えられる凸部１０４の先端の角は削り取って滑らかに幅が増加するようにした。また、接合端の両端に設けた凸部１０４により形成される凹部には、被接合材Ｂ１０２を嵌入する。

［実施形態２］
図３は、実施形態２に係る摩擦攪拌接合方法を説明する図である。本実施形態では、荷重として曲げ荷重Ｍを想定し、応力が零となる被接合材Ａ１０１の中央部を摩擦攪拌接合の開始点２１３に設定し、接合端の凸部１０４に終了点２１４を設定して摩擦攪拌接合を実施する。接合端の凸部１０４に形成される穴（凹み）２１５には加工を施して貫通孔を形成し、貫通孔は、き裂停留孔２１６として利用する。

図３に示すように、被接合材Ａ１０１の接合端の両端に凸部１０４を設け、被接合材Ｂ１０２が入り込む凹部を形成する。凸部を設けることにより、応力が高く、き裂が生じる可能性の高い接合部２１０の端を補強することができる。

このように、被接合材Ａ１０１の接合端の両端には、凸部１０４を設け、また、曲げ応力が小さいと考えられる凸部１０４の先端の角は削り取って滑らかに幅が増加するように形成する。また、接合端の両端に設けた凸部１０４により形成される凹部には、被接合材Ｂ１０２を嵌入する。

摩擦攪拌接合に際しては、曲げ応力が小さい被接合材Ａの接合端の中央に摩擦攪拌接合の開始点２１３を設定し、接合端の両端の凸部１０４に終了点を設定する。接合端の凸部１０４に形成される穴（凹み）２１５には加工を施して貫通孔を形成し、貫通孔は、き裂停留孔２１６として利用する
本実施形態によれば、従来強度上問題となっていた摩擦攪拌接合の終了点２１４を接合部材Ａの補強部分に設け、さらに終了点に形成される穴（凹み）２１５に貫通加工を施してき裂停留孔２１６としたため、終了点における強度上の問題を解決できる。また、開始点２１３を接合部分の中央の曲げ応力が零の位置に設けるため、開始点２１３における強度上の問題をなくすることができる。

［実施形態３］
本実施形態は、一方の被接合材（図４では被接合材Ｂ１０２）を複数の接合部材の集合体１０３とした。

図４は、実施形態３に係る摩擦攪拌接合方法を説明する図である。図４に示すように、被接合材Ｂ１０３は複数の被接合部材の集合体で構成する。また、被接合材Ａ１０１の接合端の両端に凸部１０４を設け、被接合材Ｂ１０３が入り込む凹部を形成する。被接合材Ａ１０１の接合端の両端に凸部を設けることにより、応力が高く、き裂が生じる可能性の高い接合部２１０の端を補強することができる。また、前記凸部に接合の開始点２１３を設定し、曲げ応力が小さい中央に終了点２１４を設定して摩擦攪拌接合を実施する。

［実施形態４］
図５は、実施形態４に係る摩擦攪拌接合方法を説明する図である。本実施形態では、荷重として引張り荷重Ｆを想定し、被接合材Ａ１０１の中央部を摩擦攪拌接合の開始点２１３を設定し、接合端の凸部１０４に終了点２１４を設定して摩擦攪拌接合を実施する。なお、終了点２１４は、応力が生じないと考えられる被接合材Ａ１０１の接合端の凸部１０４の先端に設定して摩擦攪拌接合を施す。

摩擦攪拌接合に際しては、被接合材Ａの接合端の中央に摩擦攪拌接合の開始点２１３を設定し、接合端の両端の凸部１０４に終了点を設定し、被接合材Ａと被接合材Ｂとの接合端、および被接合材Ａの凸部１０４に摩擦攪拌接合を施す。

［実施形態５］
本実施形態では、一方の接合材Ａ１０１に形成する凹部をＶ字状に形成し、被接合材Ｂ１０２が入り込む凹部を形成する。前記一方の接合部材の端部の前記幅広に形成された部分で形成された凸部を始点とし、終了点２１４が被接合材Ａ１０１に位置するように摩擦攪拌接合を施す。

図６は、実施形態５に係る摩擦攪拌接合方法を説明する図、図７は、接合前の被接合材１０１と被接合材１０２である。

図に示すように、一方の被接合材Ａ１０１にＶ字状の凹部を形成し、他方の被接合材Ｂ１０３に前記凹部に嵌合するＶ字状の凸部を形成する。なお、被接合材Ｂ１０３として、集合材を用いることもできる。

摩擦攪拌接合に際しては、被接合材Ａ１０１の接合端の両端形成された凸部１０４を始点とし、接合端の中央部のＶ字形の折れ曲がり点を通り過ぎた点を終点として摩擦攪拌接合を施す。

このように、集合体としての被接合材Ｂ１０３の突き合わせ部２００をＶ字形（凸側）形成し、被接合材Ｂの突き合わせ部２００をＶ字形（凹側）２０４とし、両端の凸部を開始点とし、Ｖ字形の尖端部分で接合路が交差するように接合して終了点を２箇所設ける。このようにすれば、強度上問題となる終了点２１４を突き合わせ部２００から離れた強度上問題とならない被接合材Ａ上に設けることができる。また、接合部２１０の長さを長くすることができるので接合部２１０の強度上の負担も軽くすることができる。

［実施形態６］
本実施形態では、実施形態５において、開始点近傍の被接合材Ａ１０１と被接合材Ｂ１０２の突き合わせ部２００を被接合材の長手方向に対して直角とした。

図８は、実施形態６に係る摩擦攪拌接合方法を説明する図、図９は、接合前の接合材を説明する図である。

図に示すように、開始点近傍の被接合材Ａ１０１と被接合材Ｂ１０２の突き合わせ部２００を被接合材の長手方向に対して直角としている。このようにすることによって、被接合材Ａ１０１の凸部１０４と被接合材Ｂ１０２との接合部分がＦＳＷツールの進行方向に対して直角となって接合を容易にすることができる。

［実施形態７］
本実施形態は、誘導電動機の回転子に設けた短絡環とロータバーの接続に摩擦攪拌接合を適用した例を説明する。

図１０，１１，１２は、実施形態７を説明する図である。図に示すように誘導電動機の短絡環１０６の溝の幅を、該溝に嵌入するロータバー１０５の厚みを狭くし、ロータバーの溝に挿入する部分の厚みを溝にあわせて薄く加工して挿入する。これにより形成される、ロータバーと短絡環外周とが接合する接合線を延長したロータバー表面に摩擦攪拌接合の開始点２１３を設定し、ロータバーと短絡環の外周との接合線に沿って軸方向に摩擦攪拌接合する。これにより接合できない部分２０１（図１４）を無くすることができる。

これらの図において、短絡環１０６は、図１１に示すように同心円状にほぼ等間隔にロータバーが外周から挿入される複数の半径方向の溝を備え、短絡環１０６と、その短絡環１０６の各溝に挿入されたロータバー１０５との接合部２１０を摩擦攪拌接合する。このとき、短絡環１０６の溝の幅をロータバー１０５の厚さよりも狭くし、溝に挿入される部分のロータバーの厚さを溝にあわせて薄く加工して挿入する。また、摩擦攪拌接合に際しては、図１０に示すように、ロータバー１０５と短絡環１０６の外周との接合線を延長したロータバー１０５表面に摩擦攪拌接合の開始点２１３を設け、ロータバー１０５と短絡環１０６の外周との接合線に沿って軸方向に摩擦攪拌接合することによって電気的及び機械的に接合している。

図１２は接合前のロータバーと短絡環１０６を示す図であり、ロータバー１０６には厚みが減少する段差部１０７がある。

図１４は従来のロータバー１０５と短絡環１０６を溶接で接合した例であり、接合されない部分２０１からき裂ｃが進展していることを説明している。なお、図１４のうち、図１０ないし図１２に示される部分と同一部分については同一符号を付してその説明を省略する。

［実施形態８］
本実施形態は、実施形態７において、開始点を短絡環１０６表面に設けた例である。

図１３は本実施形態８を説明する図であり、実施形態７において、開始点２１３を短絡環１０６表面に設けている。なお、図１３のうち、図１０ないし図１２に示される部分と同一部分については同一符号を付してその説明を省略する。

以上説明したように、本発明の実施形態によれば、突き合わせ接合部材の一方の接合端の中央に他方の接合端が入り込む凹部を形成し、該凹部を形成する両端の凸部１０４に摩擦攪拌接合の開始又は終了点２１４を設定して接合する。

この接合方法によれば、摩擦攪拌接合に際して、捨て代あるいは捨て代材３００が不要となるため、信頼性の高い摩擦攪拌接合を得ることができる。また、終了点２１４に残留する穴２１５を貫通孔に形成し、この貫通孔を、き裂発生を想定したき裂進展の停留孔２１６として活用することができる。

１００ 被接合材
１０１ 被接合材Ａ
１０２ 被接合材Ｂ
１０３ 複数の接合部材の集合体としての被接合材Ｂ
１０４ 被接合材Ａの接合端の凸部
１０５ ロータバー
１０６ 短絡環
１０７ ロータバーの幅が減少する段差部
２００ 突き合わせ部
２０１ 接合していない部分
２０２ 直線状接合端
２０３ 楔形接合端（凸側）
２０４ 楔形接合端（凹側）
２１０ 接合部（ＦＳＷビード又は溶接ビード）
２１１ 直線形接合部
２１２ 楔形接合部
２１３ 接合開始部
２１４ 接合終了部
２１５ 接合終了部の穴（凹み）
２１６ き裂停留孔
３００ 捨て代材
４０１ 回転ツール
４０２ ピン
４０３ ショルダー
Ｍ 曲げ荷重
Ｆ 引張り荷重
σ 応力
ｃ き裂

Claims (8)

1. 被接合部材の端部同士を衝合し、衝合部を前記接合部材よりも硬度および耐熱性が高い材料で作成した摩擦攪拌接合ツールを用いて接合する摩擦攪拌接合方法において、
   前記接合部材の一方の端部を他方の端部よりも幅広に形成するとともに、前記一方の端部に他方の端部が入り込む凹形の切欠き部を形成し、該切欠き部に他方の接合部材の端部を嵌入し、前記一方の接合部材の端部の前記幅広に形成された部分で形成された凸部と接合端の中央部間の前記衝合部を摩擦攪拌接合するとともに、前記他方の接合部材を、幅の狭い複数の接合部材の集合体で形成されたものとすることを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
2. 請求項１記載の摩擦攪拌接合方法において、
   前記一方の接合部材の端部の前記幅広に形成された部分で形成された凸部を始点とし、接合端の中央部を終点として摩擦攪拌接合することを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
3. 請求項１記載の摩擦攪拌接合方法において、
   前記一方の接合部材の端部の前記幅広に形成された部分で形成された凸部を終点とし、接合端の中央部を始点として摩擦攪拌接合することを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
4. 請求項１記載の摩擦攪拌接合方法において、
   摩擦攪拌接合の終点に形成される穴を貫通孔に形成して、亀裂の進展を停留する構造としたことを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
5. 請求項１記載の摩擦攪拌接合方法において、
   前記切欠き部は、Ｖ字状の切欠きであり、前記一方の接合部材の端部の前記幅広に形成された部分で形成された凸部を始点とし、接合端の中央部のＶ字形の折れ曲がり点を通り過ぎた点を終点として摩擦攪拌接合することを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
6. 請求項１記載の摩擦攪拌接合方法において、
   前記一方の接合部材は電動機のロータバーであり、他方の接合部材はロータバーの端部間を接続する短絡環であることを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
7. 接合部材の端部同士を衝合した部分を前記接合部材よりも硬度および耐熱性が高い材料で作成した摩擦攪拌接合ツールを用いて接合する摩擦攪拌接合方法により接合可能とした接合部材であって、
   前記接合部材の一方の端部は他方の端部よりも幅広に形成されるとともに、前記一方の端部には他方の端部が入り込む凹形の切欠き部が形成され、
   該切欠き部に他方の接合部材の端部を嵌入し、前記一方の接合部材の端部の前記幅広に形成された部分で形成された凸部と接合端の中央部間を摩擦攪拌接合方法により接合可能とし、前記他方の接合部材は、幅の狭い複数の接合部材の集合体で形成されたものとしたことを特徴とする接合部材。
8. 複数のロータバーが同心円状に等間隔に外周から挿入される半径方向の溝を複数設けた短絡環と、該短絡環と該短絡環の各溝に挿入されたロータバーとの接合線上を接合部材よりも硬度及び耐熱性が高い材料で作られた摩擦攪拌接合ツールで接合する摩擦攪拌接合方法において、
   短絡環の溝の幅をロータバーの厚みよりも狭く設定し、ロータバーの前記溝に挿入される部分の厚みを溝にあわせて薄く加工して挿入することにより形成されるロータバーと短絡環外周との接合線を延長したロータバー表面に摩擦攪拌接合の開始点又は終了点を設定し、
   ロータバーと短絡環の外周との接合線に沿って軸方向に摩擦攪拌接合することによってロータバーと短絡環を電気的及び機械的に接合することを特徴とする摩擦攪拌接合方法。