JP5863247B2 - 摩擦撹拌接合の接合方法及び重ね合わせ継手 - Google Patents

Description

本発明は、摩擦撹拌接合によって接合した線状の接合部（接合線）について、その接合端部の接合強度を向上させた摩擦撹拌接合の接合方法及び重ね合わせ継手に関する。

摩擦撹拌接合では、摩擦撹拌用接合工具の撹拌軸（プローブ）が被接合部材に押し込まれ、回転しながら移動する間にプローブのまわりの材料が塑性流動して摩擦撹拌溶接が行われる。プローブが突出したいわゆる固定ピン式の回転工具の場合、接合線の接合終点でプローブが抜かれる。単に抜かれるだけの場合、接合端部の形状は、プローブの形状そのままの半円形であって、幅が狭くなって応力集中による疲労亀裂が発生しやすくなる。そこで、下記特許文献１には、終端に達した後に同終端位置から離れるようにプローブを移動させる接合方法や重ね合わせ継手が提案されている。

図７は、特許文献１の接合方法による重ね合わせ継手の接合線の形状を示した図である。図７（ａ）に示す接合方法では、終端位置から横方向に回転工具を移動する方法がとられ、接合線１１０にＬ字状になるように接合端部１１１が形成されている。図７（ｂ）に示す接合方法では、終端位置から横方向及び戻る方向に回転工具を移動する方法がとられ、接合線１１０にコの字状になるように接合端部１１２が形成されている。いずれの接合端部１１１，１１２も幅が広がって応力集中が緩和され、その分だけ接合強度の向上が図られる。

特開２００５−９５９５１号公報

しかし、従来の接合方法では接合端部１１１，１１２の横幅が広がってはいるが、回転工具のプローブ径による応力集中が考慮されてはいなかった。つまり、前述したようにＬ字やコの字形状の接合端部１１１，１１２は、その角部Ｋの曲率半径がプローブの径に影響されるので、例えば使用される回転工具のプローブが６ｍｍの径であれば、角部Ｋの曲率半径は３ｍｍ程度になる。そのため、接合線１１０の長手方向に引張り荷重が作用するような場合には、接合端部１１１，１１２の横幅が広い分だけ応力は小さくなるが、斜め方向に作用する荷重に対しては角部Ｋに応力が集中し易くなってしまっていた。

よって、本発明は、かかる課題を解決すべく、接合端部の強度を向上させた摩擦撹拌接合の接合方法及び重ね合わせ継手を提供することを目的とする。

本発明に係る摩擦撹拌接合の接合方法は、重ね合わせた被接合部材に対して回転する摩擦撹拌用接合工具の撹拌軸を挿入し、前記摩擦撹拌用接合工具が連続して移動してできる接合線によって当該被接合部材同士を接合する場合に、前記接合線の終端にて接合端部を形成するものであり、前記摩擦撹拌用接合工具は、前記接合線の終端にて円弧を描くように移動して前記接合端部を鉤状に形成し、前記接合線の横で前記摩擦撹拌接合を終了することを特徴とする。

本発明に係る重ね合わせ継手は、重ね合わせた被接合部材に対して回転する摩擦撹拌用接合工具の撹拌軸を挿入し、前記摩擦撹拌用接合工具が連続して移動してできる接合線によって当該被接合部材同士を接合するものであり、前記接合線の接合端部が、前記接合線の横に鉤状の円弧部を有すること、前記接合線の接合端部の終了位置は、前記接合線の中心軸線とは異なる位置にあること、を特徴とする。

従来、接合端部の外形の曲線部分は撹拌軸の径の大きさによって決まってしまい、曲率半径の小さい当該部分に応力が集中してしまったが、本発明によれば、摩擦撹拌用接合工具が円弧を描くように移動することで曲線部分の曲率半径が大きくなって応力集中が緩和され、その結果、接合端部の強度向上が可能になる。

摩擦撹拌接合による接合時の状態を示した図である。 従来の接合方法による重ね合わせ継手を示した斜視図である。 従来の接合方法によるＬ字形状接合端部の重ね合わせ継手を示した斜視図である。 実施形態の方法による接合端部の重ね合わせ継手を示した斜視図である。 本実施形態による接合方法を示した図である。 各パターンの接合方法による重ね合わせ継手を示した平面図である。 従来の接合方法による重ね合わせ継手の接合部分のみを示した図である。

次に、本発明に係る摩擦撹拌接合の接合方法及び重ね合わせ継手について、その実施形態を図面を参照しながら以下に説明する。図１は、摩擦撹拌接合による接合時の状態を示した図である。ここで示したものは、摩擦撹拌接合の接合端部について行う強度実験のための試験用接合部材１０であり、重ね合わせた２枚のプレート１１，１２が接合されたものである。一方のプレート１１は平板であり、他方のプレート１２は縁に沿って起立した起立部１２１が形成され、接合方向に変形し難いようにした剛性プレートである。

摩擦撹拌接合では、プレート１１，１２よりも硬い材質の撹拌軸（プローブ）５１を持ったいわゆる固定ピン式の摩擦撹拌用接合工具５０が使用される。摩擦撹拌用接合工具５０は、高速回転しながらプローブ５１がプレート１１，１２内に挿入され、そのまま起立部１２１と平行に直線移動する。回転するプローブ５１の周りは摩擦熱が発生し、柔らかくなったプレート１１，１２の材料が塑性流動する。塑性流動した材料は、プローブ５１の進行圧力を受けて撹拌混練され、直進するプローブ５１の後方へ回り込むようにして流れ、図示するように接合線２０が形成される。その後、塑性流動した材料は摩擦熱を急速に失って冷却固化し、それにより接合線２０の部分で上下のプレート１１，１２が接合される。

ここでは、接合線２０の終端の形状を３つのパターンに分け、各重ね合わせ継手による試験用接合部材１０を作製した。図２乃至図４は、そうした試験用接合部材１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃを示した斜視図である。図６の（ａ）乃至（ｃ）は、各パターンの重ね合わせ継手による試験用接合部材１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃを示した平面図である。

図２及び図６（ａ）に示すパターン１の試験用接合部材１０Ａは、摩擦撹拌用接合工具５０が直線的に移動して接合線２０が形成され、終端では、そのままプローブ５１が抜かれて接合端部２１が形成される。また、図３及び図６（ｂ）に示すパターン２の試験用接合部材１０Ｂは、摩擦撹拌用接合工具５０が直線的に移動して接合線２０が形成され、終端位置では、摩擦撹拌用接合工具５０が直交方向に移動方向を変えて所定距離進み、その後プローブ５１が抜かれてＬ字形状の接合端部２２が形成される。

そして、図４及び図６（ｃ）に示すパターン３の試験用接合部材１０Ｃは、本実施形態の接合方法によって接合端部が形成されたものである。また、図５は、そうした本実施形態による接合方法を示した図である。本実施形態の接合方法では、摩擦撹拌用接合工具５０が直線的に移動して接合線２０が形成され、終端位置に到達した摩擦撹拌用接合工具５０は、そのまま円弧を描くように移動する。すなわち、摩擦撹拌用接合工具５０は、その回転軸がＪの字を描くように移動し、ほぼ半円を描くように移動した後、摩擦撹拌用接合工具５０が上昇してプローブがプレート１１，１２から抜かれ、図４に示すように鉤状の丸い接合端部２３が形成される。

接合端部２３の形成に当たっては、摩擦撹拌用接合工具５０は、回転軸Ｏの移動半径Ｒ１が３．２ｍｍの円弧を描くように移動する。従って、半径が３ｍｍのプローブ５１である場合、接合端部２３の外形線の曲率半径Ｒ２が６．２ｍｍの円弧になる。一方、パターン１の接合端部２１は、その先端がプローブ５１の形状になっているため、当該円弧の曲率半径Ｒがプローブ５１の半径３ｍｍである。また、パターン２の接合端部２２では、角部の曲率半径Ｒは、やはりプローブ５１の外形に影響されるため、その円弧部分の曲率半径は３ｍｍである。

ここで図２乃至図４では、プレート１２を拘束させた状態でプレート１１に対して引張り荷重Ｆ１，Ｆ２を作用させた場合を矢印で示している。このように引張り荷重Ｆ１，Ｆ２を作用させた場合に、接合端部２１，２２，２３に生じる最大応力について有限要素法を利用して応力解析を行った。その結果、接合線２０に沿って引張り荷重Ｆ１のみを作用させた場合には、パターン２の接合端部２２がパターン３の接合端部２３よりもよい結果が得られた。これは、接合端部２２の方が接合端部２３よりも幅が広いからと考えられる。しかし、引張り荷重Ｆ１，Ｆ２を同時に作用させた場合には、パターン３として示す本実施形態の接合端部２３の方が最大応力の値が小さくなり、良い結果が得られた。

すなわち、接合線２０に対して角度を付けて荷重が作用した場合には、接合端部２１，２２よりも円弧部分の曲率半径が大きい本実施形態の接合端部２３の方が応力集中が緩和され、最大応力の値が小さくなった。例えば応力を１５パーセント低下させると、接合部の寿命は２倍程度延びるとも言われており、僅かな応力の緩和が接合強度の向上につながる。前述した例で最大応力を数値計算したところ、試験用接合部材１０Ａの接合端部２１には３４．５ＭＰａの応力が作用するのに対し、試験用接合部材１０Ｃの接合端部２３に作用する応力の値は２９．３ＭＰａとなった。これにより最大応力を１５．０７パーセント低下させることができる。従って、本実施形態の接合方法によって形成された接合端部２３は、応力集中の緩和により接合強度の向上が可能になる。

以上、本発明に係る摩擦撹拌接合の接合方法及び重ね合わせ継手について実施形態を説明したが、本発明はこれに限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。
例えば、前記実施形態では、固定ピン式の摩擦撹拌用接合工具５０を使用した場合について説明したが、その外にもいわゆるコイルボビン式の摩擦撹拌用接合工具であってもよい。

１０（１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ） 試験用接合部材
１１，１２ プレート
２０ 接合線
２１，２２，２３ 接合端部
５０ 摩擦撹拌接合用工具
５１ 撹拌軸（プローブ）

Claims (2)

1. 重ね合わせた被接合部材に対して回転する摩擦撹拌用接合工具の撹拌軸を挿入し、前記摩擦撹拌用接合工具が連続して移動してできる接合線によって当該被接合部材同士を接合する場合に、前記接合線の終端にて接合端部を形成する摩擦撹拌接合の接合方法において、
   前記摩擦撹拌用接合工具は、前記接合線の終端にて円弧を描くように移動して前記接合端部を鉤状に形成し、前記接合線の横で前記摩擦撹拌接合を終了することを特徴とする摩擦撹拌接合の接合方法。
2. 重ね合わせた被接合部材に対して回転する摩擦撹拌用接合工具の撹拌軸を挿入し、前記摩擦撹拌用接合工具が連続して移動してできる接合線によって当該被接合部材同士を接合する重ね合わせ継手において、
   前記接合線の接合端部が、前記接合線の横に鉤状の円弧部を有すること、
   前記接合線の接合端部の終了位置は、前記接合線の中心軸線とは異なる位置にあること、
   を特徴とする重ね合わせ継手。

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