JP5942034B2 - 摩擦撹拌接合装置および接合方法 - Google Patents

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Description

本発明は、摩擦撹拌接合装置およびこれを用いた接合方法に関する。
摩擦撹拌接合（Friction Stir Welding: FSW）とは、円筒状のツールを回転させながら強い力で被接合部に押し付けることで、被接合部周辺を塑性流動により撹拌して、部材を接合する接合方法である。FSWは、被接合部材を溶融させないため、入熱が小さく、他の溶接法に比べて熱変形が小さいことが特徴の接合方法である。従来、FSWは鉄道車両構体のような、アルミニウムなどの軟質材料で薄板部材の接合に利用されてきた。
近年、ツールの材料開発が進んだことで、FSWによる鉄鋼材料の接合や、厚板部材の接合が可能となってきた。したがって、今後は、FSWがステンレス鋼など腐食環境化で使用される材料の接合にも広く適用されることが期待される。
一方、鉄鋼材料のFSW接合では、アルミニウム等の軟質材料に比べて入熱が大きくなるために、FSWであっても、接合による引張残留応力の発生が懸念される。引張残留応力は、腐食環境化では、いわゆる応力腐食割れ（Stress Corrosion Cracking: SCC）を引起すことが知られているため、十分に考慮しておく必要がある。
従来技術として、特許文献１には、アーク溶接などの一般的な溶接において、溶接直後に接合部を急冷することによる引張残留応力の低減方法が記載されている。また、特許文献２には、FSWにおいて接合部を冷却することによる残留応力の低減について記載されている。
特開２００４−１６７５７５ 特開２００４−１４８３５０
溶接直後の急冷による残留応力の低減方法では、FSWの場合、必ずしも十分な残留応力の低減効果が得られない場合がある。ここで、溶接直後の急冷による残留応力の低減は、被接合部表面と内部の温度差と、この温度差による熱膨張の違いにより起こる。上記の溶接直後の急冷による残留応力の低減方法では、円筒状のツールでの摩擦熱のみにより温度差を発生させているため、十分な残留応力の低減効果を得られない問題がある。そのため、適切に接合部への入熱量を増加させて、冷却時の表面と内部の温度差を大きくする必要がある。
そこで、本発明の目的は、FSWにおいて、適切に被接合部への入熱量を増加させて、接合直後の急冷による引張残留応力の低減効果を大きくすることである。
本発明の摩擦撹拌接合装置は、回転子を用いた摩擦攪拌接合において、前記回転子が通過した前記接合部を冷却する冷却装置を有するとともに、前記回転子の外周において接合部と対向する位置に回転子と共に回転する入熱手段を有することを特徴とする。
本発明の摩擦撹拌接合装置によれば、冷却時の表面と内部の温度差が大きくなり、施工後の引張残留応力の低減効果を大きくすることができる。
本発明の実施例１にかかる摩擦撹拌接合装置を示す模式図。 本発明の原理を説明する被接合部の板厚方向の温度分布を示す模式図。 図１における斜視図。 本発明の実施例２にかかる摩擦撹拌接合装置を示す模式図。 本発明の実施例３にかかる摩擦撹拌接合装置を示す模式図。 本発明の実施例４にかかる摩擦撹拌接合装置を示す模式図。
以下に本発明を、図面を用いて説明する。
本発明の実施例１を以下に説明する。図１は本発明の実施例１にかかる摩擦撹拌接合装置の模式図を示す。図１に示す摩擦撹拌接合装置では、回転子１がプローブ２を備えており、プローブ２が被接合部に圧入されている。プローブ２の取り付け部には、接合部周辺を塑性流動させて練り混ぜることで複数の部材を一体化させるための、ショルダ１１を有する。また、回転子１の進行方向に対して反対側に、冷却装置３を備えており、冷却材４により回転子１が通過した直後の被接合部表面５を冷却している。さらに、ドーナツ状の入熱手段６を回転子１の外側に備えている。入熱手段６は、被接合部に機械加工を施す加工面６ａで被接合部表面５に接しており、押付け機構６ｂの反力により押し付けられている。また、押付け機構６ｂは押さえ板６ｃにより固定されている。さらに、入熱手段６は保持具６ｄにより回転子１に固定されているため、回転子１の回転に伴って回転している。ここで入熱手段６としては、回転による摩擦熱により加工面６ａを加熱させる工具である。入熱手段６は、摩擦熱が大きい研磨が好適であるが、切削など他の加工工具を除外するものではない。
本装置によれば、回転子１の回転に伴って、被接合部表面５が、加工面６ａにより機械加工され、加工の摩擦熱が発生することで、入熱手段６を持たない従来の摩擦撹拌接合装置に比べて、被接合部表面５の温度を上昇させることができる。
図２は、本発明の原理を説明する被接合部の板厚方向の温度分布を示す模式図である。本装置による急冷前の板厚方向の温度分布７ａは、入熱手段を用いない従来法による急冷前の板厚方向の温度分布７ｂに比べて、摩擦熱により接合部表面で高温となる。この状態から、冷却材４により冷却されると、被接合部表面５の温度が低下するため、本装置による急冷直後の温度分布は、本装置による急冷直後の板厚方向の温度分布８ａのように、従来法による急冷直後の温度分布は、従来法による急冷直後の板厚方向の温度分布８ｂのようになる。このとき、本装置では、表面と内部の温度差ΔＴ1が、従来法によるΔＴ2に比べて大きくなる。その結果、表面と内部の熱膨張の差が大きくなることで、本装置では、従来手法に比べてＦＳＷ施工後の引張残留応力を大きく低下させることができる。
図３は、図１における斜視図である。本装置では、通常の接合によるビード５ａだけでなく、入熱手段６による加工痕５ｂが現れる。すなわち、ビード５ａの形状は従来法に比べて入熱手段６により平滑化される。したがって、本装置では、残留応力の改善のみならず、ビード５ａが平滑化され、応力集中が小さくなることによる、疲労強度などの改善も期待できる。
このように、本発明によれば、ＦＳＷ施工後の引張残留応力を、従来法に比べて低下させることができるとともに、ビード形状を平滑化することができる。
次に、図４は実施例２にかかる摩擦撹拌接合装置の模式図を示す。以下では、実施例１と同一の記号の説明は省略する。実施例２は、回転子１が被接合部表面５に対して傾けて施工する場合の例である。回転子１を傾ける場合でも、入熱手段６の加工面６ａを、予め、回転子１の傾き角に合わせた所定の角度に成形しておくことで、進行方向の後方の被接合部表面５を加工面６ａによって加工することができる。
したがって、接合部表面の温度が上昇することで、冷却による残留応力の改善効果を高めることができる。
図５は実施例３にかかる摩擦撹拌接合装置の模式図を示す。実施例３は、入熱手段６による入熱を制御する、入熱制御装置９を持つ。入熱制御機構９は、加力板９ａ、転動部９ｂ、電動アクチュエータ９ｃ、荷重計測装置９ｄ、熱電対９eおよびコントローラで構成されている。入熱制御装置９は荷重計測装置９ｄの位置で固定されており回転せず、回転する入熱手段６とは転動部９ｂを介して接している。実施例３では、熱電対９ｅにより常に進行方向後方の温度を計測している。さらに、電動アクチュエータ９ｃの押し込み量を調節することで、加工面６ａの接触力を制御できる。すなわち、被接合部表面５の温度が、予め求めておいた最適な急冷前の温度となるように、コントローラにより制御することができる。
このように、本発明によれば、ＦＳＷ施工後の引張残留応力を、従来法に比べてより適切に低下させることができるとともに、ビード形状を平滑化することができる。
図６は実施例４にかかる摩擦撹拌接合装置の模式図を示す。実施例４は、入熱制御装置９が、ヒータ１０をもつ。ヒータ１０は、箱形の加力板の内部に備えられている。実施例４では、ヒータ１０により入熱手段６を加熱することで、入熱手段６から被接合部表面５への入熱を大きくすることができる。
本発明は、腐食環境で使用され、引張残留応力によるＳＣＣが問題となる材料である、ステンレス鋼などの接合において好適である。また、変形が拘束されて引張残留応力が発生しやすい、板厚の厚い部材の接合に好適である。
なお、本発明の入熱手段の材質は、熱容量が大きく熱が逃げにくい材料が好適であり、例えばステンレス鋼などが好適である。また、本発明の入熱手段の加工方法は、摩擦熱が大きい研磨が好適であるが、切削など他の加工方法を除外するものではない。また、上記の実施例では加工具の押付け機構にコイル式のバネを用いた例を示したが、板バネなど反力が発生する他の機構を用いてもよい。
１・・・回転子
２・・・プローブ
３・・・冷却装置
４・・・冷却材
５・・・被接合部表面
５ａ・・・ビード
５ｂ・・・加工痕
６・・・入熱手段
６ａ・・・加工面
６ｂ・・・押付け機構
６ｃ・・・押さえ板
６ｄ・・・保持具
７ａ・・・本装置による急冷前の板厚方向の温度分布
７ｂ・・・従来法による急冷前の板厚方向の温度分布
８ａ・・・本装置による急冷直後の板厚方向の温度分布
８ｂ・・・従来法による急冷直後の板厚方向の温度分布
９・・・入熱制御装置
９ａ・・・加力板
９ｂ・・・転動部
９ｃ・・・電動アクチュエータ
９ｄ・・・荷重計測装置
９ｅ・・・熱電対
１０・・・ヒータ
１１・・・ショルダ

Claims (6)

  1. 回転子を用いた摩擦攪拌接合装置において、
    前記回転子が通過した前記接合部を冷却する冷却装置を有するとともに、
    前記回転子の外周において接合部と対向する位置に回転子と共に回転する入熱手段を有し、
    前記入熱手段の前記接合部と対向する面が、前記入熱手段の外側に向かって前記入熱手段の厚みが薄くなるように成形されていることを特徴とした摩擦撹拌接合装置。
  2. 請求項１に記載された摩擦撹拌接合装置において、
    前記入熱手段を被接合部表面へ押付ける押付け機構を有することを特徴とした摩擦撹拌接合装置。
  3. 回転子を用いた摩擦攪拌接合装置において、
    前記回転子が通過した前記接合部を冷却する冷却装置を有するとともに、
    前記回転子の外周において接合部と対向する位置に回転子と共に回転する入熱手段を有し、
    接合部表面の温度を測定する温度測定部と、
    前記温度測定部の測定結果より、前記入熱手段の押し付け力を制御して前記溶接部への入熱を制御する入熱制御装置を有することを特徴とした摩擦撹拌接合装置。
  4. 請求項３に記載された摩擦撹拌接合装置において、
    前記入熱手段を加熱するヒータを有することを特徴とした摩擦撹拌接合装置。
  5. 回転子を用いた摩擦攪拌接合方法において、
    前記回転子が通過した前記接合部を冷却するとともに、前記回転子の外周において接合部と対向する位置に回転子を設けて入熱し、
    接合部表面の温度を測定し、前記測定結果より、前記入熱手段の押し付け力を制御して前記溶接部への入熱を制御することを特徴とした摩擦撹拌接合方法。
  6. 請求項５に記載された摩擦撹拌接合方法において、
    前記入熱手段を加熱することを特徴とした摩擦撹拌接合方法。
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