JP5596306B2 - 摩擦攪拌接合方法及び摩擦攪拌接合体 - Google Patents
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Description
摩擦攪拌接合では、一対の被接合部材111,112の接合端面111a,112a同士を突き合わせる。そして、ボビンツール120の上回転体121と下回転体122との間に被接合部材111,112の接合部113を挟み込むことにより一対の被接合部材111,112の表裏両面を加圧して接合部113を塞ぎ、この状態で駆動機構124によりボビンツール120を高速回転させる。正常な攪拌接合では、高速回転するボビンツール120を接合部113に沿って図中F方向へ進行させると、上回転体121と下回転体122の間で攪拌軸123が回転し、摩擦熱で接合部113の材料が軟化して攪拌混練されながら攪拌軸123の周りを流れて後方へ移動する。この材料の塑性流動によって一対の被接合部材111,112が接合される。
本実施形態の摩擦攪拌接合方法は、一対の被接合部材111,112の接合部113の始端部113aから攪拌軸123の回転中心軸Qをずらしてボビンツール120を配置した後、ボビンツール120を高速回転させて摩擦攪拌接合することにより、適切な摩擦攪拌接合を簡単に実現できるようにしたものである。
接合部113の始端部113aから攪拌軸123の回転中心軸Qまでの距離を0mmにした場合、すなわち、攪拌軸123の回転中心軸Qと接合部113の始端部113aとを一致させた場合には、ワークの状況に依存して接合が極めて困難であった。また、接合部113の始端部113aから攪拌軸123の回転中心軸Qまでの距離を、攪拌軸123の直径Dの64分の1にした場合にも、ワークの状況に依存して接合が極めて困難であった。これに対して、接合部113の始端部113aから攪拌軸123の回転中心軸Qまでの距離を、攪拌軸123の直径Dの32分の1、16分の1、8分の1、4分の1、2分の1にした場合には、ワークの状況によらず接合部113を接合できた。
なお、ワークの状況とは、ワークの板厚の公差内のばらつき、治具により拘束した際の接合線の隙間(ギャップ)や目違い等の位置のばらつき、その他気温の違いなど、同一条件を再現しようとしても実用上避けることが困難なばらつきがある状況をいう。
本実施例では、図4に示すように、鉄道車両構体に使用される押し出し中空型材50A,50Bを摩擦攪拌接合により接合する。中空型材50A,50Bは、アルミニウム合金を材質とし、長手方向長さが20mほどになる長尺なものである。中空型材50A,50Bは、上面板51A,51Bと下面板52A,52Bとを梁53A,53Bで接続するトラス構造になっている。一方、ボビンツール120は、上回転体121と下回転体122が円筒形状をなし、上面板51A,51Bと下面板52A,52Bの板厚と同じ量だけ間隔を空けて攪拌軸123に固定されている。攪拌軸123は、丸棒形状をなす。一対の中空型材50A,50Bは、上面板51A,51B同士を突き合わせた接合部55と、下面板52A,52B同士を突き合わせた接合部56が、ボビンツール120を用いて摩擦攪拌接合される。
上記実施形態では、攪拌軸123を接合部113の始端部113aからずらして被接合部材111の端面位置111bから接合部113と平行にボビンツール120を移動させることにより予熱を行った。これに対して、図6の軌道D4に示すように、攪拌軸123の回転中心軸Qを接合部113の始端部113aからずらした位置から攪拌軸123を斜めに移動させながら予熱とボビンツール120の進行速度の加速を同時に行い、ボビンツール120の軌道を簡単にしても良い。
ボビンツール120の攪拌軸123の軌道D1が端面位置112bを通過するようにボビンツール120を配置しても良い。
上記実施形態では、被接合部材111,112の板厚が一定であるが、例えば、接合強度を母材強度と同程度又は母材強度以上とするために、被接合部材111,112が接合部分の肉厚を厚くされている場合には、攪拌軸123を接合部113の始端部113aからずらす量は肉厚な範囲に限定される。
上記実施形態では、被接合部材111,112が端面位置111b,112bを揃えてセットしたが、端面位置111b,112bをずらすように被接合部材111,112をセットすることにより、攪拌軸123を接合部113からずらす方向を明示しても良い。
上記実施形態では、ボビンツール120が軌道D1に沿って進行する距離によって摩擦温度が目標温度に達したと推定するが、ボビンツール120の動作(回転速度や回転量、、進行距離など)と摩擦熱との関係を被接合部材の特質(材料、熱特性など)別に図示しない制御装置に記憶しておき、ボビンツール120の動作測定値(回転速度測定値、回転量測定値、進行距離測定値など)から摩擦温度を推定しても良い。また、摩擦温度は実測しても良い。
113 接合部
113a 始端部
120 ボビンツール
123 攪拌軸
Q 回転中心軸
Claims (5)
- 一対の被接合部材の接合端面同士を突き合わせた接合部をボビンツールの上回転体と下回転体との間で挟み込み、前記上回転体と前記下回転体との間の攪拌軸を前記接合部に挿入し、前記接合部に沿って前記ボビンツールを前記一対の被接合部材と相対的に移動させることにより前記一対の被接合部材を接合する摩擦攪拌接合方法において、
前記攪拌軸の回転中心軸を前記接合部の始端部からずらすように前記ボビンツールを前記一対の被接合部材に対して配置し、前記ボビンツールを回転させながら前記攪拌軸の前記回転中心軸を前記接合部からずらして進行させた後、前記攪拌軸の前記回転中心軸を前記接合部に沿わせるように前記ボビンツールを進行させて前記一対の被接合部材を接合すること、
前記攪拌軸の進行側で発生する摩擦温度が摩擦攪拌接合に適した所定の温度に達するまで、前記攪拌軸の前記回転中心軸を前記接合部からずらして前記ボビンツールを進行させること、
前記ボビンツールの進行距離により、前記所定の温度を推定すること、
を特徴とする摩擦攪拌接合方法。 - 一対の被接合部材の接合端面同士を突き合わせた接合部をボビンツールの上回転体と下回転体との間で挟み込み、前記上回転体と前記下回転体との間の攪拌軸を前記接合部に挿入し、前記接合部に沿って前記ボビンツールを前記一対の被接合部材と相対的に移動させることにより前記一対の被接合部材を接合する摩擦攪拌接合方法において、
前記攪拌軸の回転中心軸を前記接合部の始端部からずらすように前記ボビンツールを前記一対の被接合部材に対して配置し、前記ボビンツールを回転させながら前記攪拌軸の前記回転中心軸を前記接合部からずらして進行させた後、前記攪拌軸の前記回転中心軸を前記接合部に沿わせるように前記ボビンツールを進行させて前記一対の被接合部材を接合すること、
ずらして前記ボビンツールを進行させる進行速度が、前記攪拌軸を前記接合部に沿わせて前記ボビンツールを進行させる進行速度より低速であることを特徴とする摩擦攪拌接合方法。 - 一対の被接合部材の接合端面同士を突き合わせた接合部をボビンツールの上回転体と下回転体との間で挟み込み、前記上回転体と前記下回転体との間の攪拌軸を前記接合部に挿入し、前記接合部に沿って前記ボビンツールを前記一対の被接合部材と相対的に移動させることにより前記一対の被接合部材を接合する摩擦攪拌接合方法において、
前記攪拌軸の回転中心軸を前記接合部の始端部からずらすように前記ボビンツールを前記一対の被接合部材に対して配置し、前記ボビンツールを回転させながら前記攪拌軸の前記回転中心軸を前記接合部からずらして進行させた後、前記攪拌軸の前記回転中心軸を前記接合部に沿わせるように前記ボビンツールを進行させて前記一対の被接合部材を接合すること、
前記被接合部材の端面位置から前記接合部に向かって前記攪拌軸を斜めに移動させて前記回転中心軸を前記接合部に一致させることを特徴とする摩擦攪拌接合方法。 - 請求項1乃至請求項3の何れか1つに記載する摩擦攪拌接合方法において、
前記回転中心軸を前記接合部の始端部からずらす量が、前記攪拌軸の直径の32分の1以上であることを特徴とする摩擦攪拌接合方法。 - 一対の被接合部材の接合端面同士を突き合わせた接合部にボビンツールの攪拌軸を挿入し、前記ボビンツールを前記一対の被接合部材と相対的に移動させることにより摩擦攪拌接合された摩擦攪拌接合体において、
前記攪拌軸の回転中心軸を前記接合部の始端部からずらすように前記ボビンツールを前記一対の被接合部材に対して配置し、前記ボビンツールを回転させながら前記攪拌軸の前記回転中心軸を前記接合部からずらして進行させた後、前記攪拌軸の前記回転中心軸を前記接合部に沿わせるように前記ボビンツールを進行させることにより、前記接合端面同士を接合されたものであること、
前記被接合部材の端面位置から前記接合部に向かって前記攪拌軸を斜めに移動させて前記回転中心軸を前記接合部に一致させること、
を特徴とする摩擦攪拌接合体。
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