JP6056786B2

JP6056786B2 - 接合方法

Info

Publication number: JP6056786B2
Application number: JP2014027458A
Authority: JP
Inventors: 堀　久司; 久司堀; 伸城瀬尾
Original assignee: Nippon Light Metal Co Ltd
Current assignee: Nippon Light Metal Co Ltd
Priority date: 2014-02-17
Filing date: 2014-02-17
Publication date: 2017-01-11
Anticipated expiration: 2034-02-17
Also published as: JP2015150595A

Description

本発明は、摩擦攪拌による金属部材同士の接合方法に関する。

金属部材同士を接合する方法として、摩擦攪拌接合（ＦＳＷ＝Friction Stir Welding）が知られている。摩擦攪拌接合とは、回転ツールを回転させつつ金属部材同士の突合せ部に沿って移動させ、回転ツールと金属部材との摩擦熱により突合せ部の金属を塑性流動させることで、金属部材同士を固相接合させるものである。

特許文献１には、金属部材同士の端部同士を突き合わせて形成された突合せ部に回転ツールを挿入して、金属部材同士の表面側及び裏面側から突合せ部を摩擦攪拌接合する発明が開示されている。摩擦攪拌接合を行うと、回転ツールの移動軌跡に塑性化領域が形成されるが、当該塑性化領域が熱収縮するため、接合後の金属部材同士が凹状となるように変形してしまう。

特開２００８−２９００９２号公報

金属部材同士の表面側から摩擦攪拌を行った後に金属部材同士を裏返すと、金属部材同士が上方に凸状となるように反った状態となる。この状態で金属部材同士の裏面側から摩擦攪拌を行うと、回転ツールのショルダ部と金属部材との接触部分が大きくなるため回転ツールの操作性が低下するという問題がある。かかる問題を解消するために、例えば、特許文献１に示すように、接合後の金属部材をロール部材で挟持しつつ当該金属部材に対してロール部材を相対移動させて、凹状に変形した金属部材を平坦にすればよいが、当該矯正作業が煩雑になる。

また、金属部材同士の裏面側から突合せ部に摩擦攪拌を行った後も、金属部材同士の裏面側（摩擦攪拌を行った面側）が凹状となるように変形するため、再度矯正作業を行わなければならず、作業手間がかかるという問題がある。

このような観点から、本発明は、摩擦攪拌による金属部材同士の接合方法において、接合された金属部材を容易に平坦にすることができる接合方法を提供することを課題とする。

このような課題を解決するために本発明は、一対の金属部材の一端側の端面同士を突き合わせて突合せ部を形成する準備工程と、前記金属部材の表面側から前記突合せ部に摩擦攪拌を行う第一の本接合工程と、前記金属部材の裏面側から前記突合せ部に摩擦攪拌を行う第二の本接合工程と、を含み、前記金属部材は、アルミニウム合金製であり、前記準備工程では、冷却板を備える架台と前記金属部材の裏面側との間にスペーサーを配置するとともに、前記スペーサーを用いて他端側に対して前記一端側が高くなるように前記各金属部材を傾斜させ、前記第一の本接合工程では、前記金属部材の他端側に対して一端側が高くなるように前記金属部材を傾斜させた状態で摩擦攪拌を行い、前記第一の本接合工程終了後に摩擦攪拌で発生したバリを除去し、前記第一の本接合工程後の熱収縮によって平坦になった前記両金属部材を裏返し、前記両金属部材の表面を前記冷却板の表面と面接触させ、前記第二の本接合工程では、前記金属部材の表面側に配置された前記冷却板で冷却しつつ摩擦攪拌を行うことを特徴とする。

かかる接合方法によれば、第一の本接合工程を行う際に、金属部材同士を予め傾斜させておき、摩擦攪拌接合後の熱収縮を利用することで、接合された金属部材を平坦にすることができる。これにより、金属部材同士が平坦な状態で第二の本接合工程を行うことができる。また、第一の本接合工程後にバリ切除工程を行うことで、第二の本接合工程において、金属部材がガタつくことなく安定して摩擦攪拌を行うことができる。

また、第二の本接合工程を行う際に、冷却板で金属部材を冷却しながら摩擦攪拌を行うため、摩擦攪拌接合後の熱収縮の発生を抑制することができる。これにより、第二の本接合後の金属部材同士を平坦にすることができる。また、第一の本接合工程後にバリを除去することで、冷却板と金属部材との接触面積を大きくすることができるため冷却効率を高めることができる。

かかる接合方法によれば、突合せ部が高くなるように金属部材を容易に傾斜させることができる。また、冷却板を備えた架台を用いることで、摩擦攪拌に用いられる装置点数を削減することができる。

また、前記第二の本接合工程では、前記第一の本接合工程で形成された塑性化領域に回転ツールの攪拌ピンを入り込ませつつ摩擦攪拌を行うことが好ましい。

かかる接合方法によれば、第一の本接合工程において塑性化領域内に形成された接合欠陥を第二の本接合工程で再度摩擦攪拌することができるため、接合部の水密性及び気密性を高めることができる。

本発明に係る接合方法よれば、接合された金属部材を容易に平坦にすることができる。

本発明の第一実施形態に係る接合方法を示す断面図であって、（ａ）は第一架台を示し、（ｂ）は準備工程を示す。第一実施形態に係る接合方法を示す断面図であって、（ａ）は第一の本接合工程を示し、（ｂ）はバリ切除工程を示す。第一実施形態に係る接合方法を示す断面図であって、（ａ）は第二の本接合工程の接合前を示し、（ｂ）は第二の本接合工程の接合中を示す。第二実施形態に係る接合方法を示す断面図であって、（ａ）は第一の本接合工程を示し、（ｂ）は第二の本接合工程を示す。第三実施形態に係る接合方法を示す断面図であって、（ａ）は第一の本接合工程を示し、（ｂ）は第二の本接合工程を示す。架台の変形例を示す断面図である。

［第一実施形態］
本発明の第一実施形態について図面を参照して詳細に説明する。まずは、本実施形態で用いる第一架台について説明する。

図１の（ａ）に示すように、第一実施形態に係る接合方法では、第一架台Ｋを用いる。第一架台Ｋは、冷却板Ｋ１と、クランプＫ２と、冷却流路Ｋ３とで構成されている。第一架台Ｋは、図１の（ｂ）に示すように、金属部材１，１を接合する際に用いられる台であるとともに、金属部材１，１を冷却することができる。

冷却板Ｋ１は、金属製であって、直方体を呈する。冷却板Ｋ１は、伝熱性の高い金属で形成されていることが好ましい。クランプＫ２は、冷却板Ｋ１の表面に複数個設けられている。クランプＫ２は、冷却板Ｋ１に金属部材１，１を移動不能に拘束する部材である。

冷却流路Ｋ３は、冷媒（冷水又は冷気）が流通する流路である。冷却流路Ｋ３の配設位置、配設本数は特に制限されるものではないが、後記する突合せ部Ｊに近い位置において、突合せ部Ｊの延長方向に沿って配設されていることが好ましい。

次に、第一実施形態に係る接合方法について説明する。図１の（ｂ）に示すように、第一実施形態では、金属部材１，１の端部同士を突き合わせて形成された突合せ部Ｊを摩擦攪拌によって接合する。第一実施形態に係る接合方法では、準備工程と、第一の本接合工程と、バリ切除工程と、第二の本接合工程とを行う。

準備工程は、突合せ部Ｊが高くなるように、金属部材１，１を第一架台Ｋに固定する工程である。準備工程では、金属部材１，１の一端側の端面１ａ，１ａを突き合わせて突合せ部Ｊを形成しつつ、金属部材１，１の一端側をスペーサー１０の上に配置する。また、金属部材１，１の他端側をクランプＫ２で固定する。つまり、金属部材１，１の他端側に対して一端側（端面１ａ，１ａ側）が高くなるように金属部材１，１を傾斜させる。これにより、突合せ部Ｊが最も高くなる状態で金属部材１，１が固定される。

金属部材１は、金属製の板状部材である。金属部材１，１は、同等の形状になっている。また、金属部材１，１は同等の材料で形成されている。金属部材１の材料は、摩擦攪拌可能な金属であれば特に制限されないが、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金、チタン、チタン合金、マグネシウム、マグネシウム合金等から適宜選択すればよい。

スペーサー１０は、冷却板Ｋ１の中央に配置される板状部材である。スペーサー１０は、突合せ部Ｊの延長方向に沿って配置される。スペーサー１０の材料は特に制限されるものではない。

金属部材１，１が第一架台Ｋに固定されると、端面１ａ，１ａの下端は当接した状態となるが、端面１ａ，１ａの上端はわずかに離間した状態となる。本実施形態に係る「突合せ部」とは、端面１ａ，１ａが突き合わされており、端面１ａ，１ａ間で形成される空間断面がＶ字状を呈する状態も含むものである。

金属部材１，１の傾斜角度は、特に限定されないが、金属部材１，１の材質、各部位の寸法、後記する本接合工程の入熱量や接合後の熱収縮等を考慮して、第一の本接合工程後の熱収縮によって金属部材１，１が平坦になるような傾斜角度を適宜設定すればよい。

第一の本接合工程は、突合せ部Ｊに対して金属部材１，１の表面１ｂ，１ｂ側から摩擦攪拌接合を行う工程である。図１の（ｂ）に示すように、第一の本接合工程は、本実施形態では回転ツールＧを用いる。回転ツールＧは、円柱状を呈するショルダ部Ｇ１と、ショルダ部Ｇ１の下端面から突出する攪拌ピンＧ２とで構成されている。攪拌ピンＧ２は、錐台形状を呈する。

図２の（ａ）に示すように、第一の本接合工程では、金属部材１，１の表面１ｂ，１ｂ側から突合せ部Ｊに対して回転した回転ツールＧの攪拌ピンＧ２を挿入する。そして、突合せ部Ｊに沿って回転ツールＧを相対移動させる。

本実施形態では、ショルダ部Ｇ１の下端面を、表面１ｂ，１ｂよりも数ミリ程度押し込んで摩擦攪拌を行う。回転する回転ツールＧによって端面１ａ，１ａの金属が摩擦攪拌されて金属部材１，１が接合される。回転ツールＧの移動軌跡には、塑性化領域Ｗ１が形成される。金属部材１，１に対する攪拌ピンＧ２の挿入深さは適宜設定すればよいが、攪拌ピンＧ２の先端を突合せ部Ｊの深さ方向の１／２以上の位置まで挿入することが好ましい。第一の本接合工程が終了したら、クランプＫ２を解除して金属部材１，１を放置する。また、第一架台Ｋからスペーサー１０を取り除く。

図２の（ｂ）に示すように、バリ切除工程は、第一の本接合工程で発生したバリＶを切除する工程である。バリ切除工程では、金属部材１，１の表面１ｂ，１ｂに発生したバリＶを切除して表面１ｂ，１ｂを平担にする。

第二の本接合工程は、第一架台Ｋの冷却流路Ｋ３に冷媒を流して金属部材１，１を冷却しつつ、突合せ部Ｊに対して金属部材１，１の裏面１ｃ，１ｃ側から摩擦攪拌接合を行う工程である。図３の（ａ）に示すように、第二の本接合工程では、まず、金属部材１，１を裏返し、クランプＫ２を介して第一架台Ｋに金属部材１，１を移動不能に拘束する。金属部材１，１の表面１ｂ，１ｂは、冷却板Ｋ１の表面と面接触する。図３の（ｂ）に示すように、第二の本接合工程では、金属部材１，１の裏面１ｃ，１ｃから突合せ部Ｊに対して回転した回転ツールＧの攪拌ピンＧ２を挿入する。そして、突合せ部Ｊに沿って回転ツールＧを相対移動させる。

本実施形態では、ショルダ部Ｇ１の下端面を、裏面１ｃ，１ｃよりも数ミリ程度押し込んで摩擦攪拌を行う。回転する回転ツールＧによって端面１ａ，１ａの金属が摩擦攪拌されて金属部材１，１が接合される。回転ツールＧの移動軌跡には、塑性化領域Ｗ２が形成される。金属部材１，１に対する攪拌ピンＧ２の挿入深さは適宜設定すればよいが、塑性化領域Ｗ１と塑性化領域Ｗ２とが接触する程度に挿入することが好ましい。より好ましくは、本実施形態のように攪拌ピンＧ２が塑性化領域Ｗ１に入り込む程度に挿入することがこのましい。以上の工程によって金属部材１，１が接合される。

以上説明した本実施形態に係る接合方法によれば、第一の本接合工程を行う際に、金属部材１，１同士を予め傾斜させておき、摩擦攪拌接合後の熱収縮を利用することで、第一の本接合工程後に接合された金属部材１，１を平坦にすることができる。これにより、金属部材１，１を裏返しても金属部材１，１が平坦となっているため、第二の本接合工程を好適に行うことができる。

また、第二の本接合工程を行う際に、冷却板Ｋ１で金属部材１，１を冷却しながら摩擦攪拌を行うため、第二の本接合工程後の熱収縮の発生を抑制することができる。これにより、第二の本接合工程後の金属部材１，１を容易に平坦にすることができる。

また、第一の本接合工程後にバリ切除工程を行うことで、冷却板Ｋ１と金属部材１，１との接触面積を大きくすることができるため冷却効率を高めることができる。また、第一の本接合工程後にバリ切除工程を行うことで、第二の本接合工程において、金属部材１，１がガタつくことなく安定して摩擦攪拌を行うことができる。また、突合せ部Ｊの延長方向に沿って冷却流路Ｋ３を配設することにより、摩擦熱が発生する部分を集中的に冷却することができるため、冷却効率を高めることができる。

また、本実施形態の接合方法のように、第二接合工程を行う際に、塑性化領域Ｗ１に攪拌ピンＧ２を入り込ませることにより、塑性化領域Ｗ１の先端側を再度攪拌することができる。これにより、塑性化領域Ｗ１に接合欠陥が発生した場合に、塑性化領域Ｗ１が再度摩擦攪拌されるため、当該接合欠陥を修復することができる。よって、接合部の水密性及び気密性を高めることができる。

また、第一架台Ｋと金属部材１，１との間にスペーサー１０を配置することにより、金属部材１，１を傾斜させつつ金属部材１，１同士を突き合わせる作業を容易に行うことができる。また、スペーサー１０の高さを変更するだけで、金属部材１，１の傾斜角度を変更することができる。

また、第一架台Ｋは、冷却板Ｋ１を備えているため、第一の本接合工程及び第二の本接合工程を同じ架台で行うことができるため、摩擦攪拌で用いられる装置点数を削減することができる。

なお、本実施形態ではスペーサー１０を用いて金属部材１，１を傾斜させたが、突合せ部Ｊが高くなるように金属部材１，１を傾斜させることが可能であれば、スペーサー１０を省略してもよい。

［第二実施形態］
次に、本発明の第二実施形態に係る接合方法について説明する。第二実施形態に係る接合方法では、図４に示すように、冷却板Ｋ１及び第二架台Ｌを用いる点で第一実施形態と相違する。第二実施形態では、第一実施形態と相違する部分を中心に説明する。

冷却板Ｋ１は、第一実施形態と同様に冷却流路Ｋ３を備えている。第二架台Ｌは、基板Ｌ１と、クランプＬ２と、で構成されている。基板Ｌ１は、金属製であって直方体を呈する。基板Ｌ１は、伝熱性の高い金属で形成されることが好ましい。

第二実施形態に係る接合方法では、準備工程と、第一の本接合工程と、バリ切除工程と、第二の本接合工程とを行う。

準備工程では、冷却板Ｋ１の上に第二架台Ｌを配置する。そして、準備工程では、第二架台Ｌ上において、金属部材１，１の一端側の端面１ａ，１ａを突き合わせて突合せ部Ｊを形成しつつ、金属部材１，１の一端側をスペーサー１０の上に配置する。また、金属部材１，１の他端側をクランプＬ２で固定する。つまり、金属部材１，１の他端側に対して一端側が高くなるように金属部材１，１を傾斜させる。これにより、突合せ部Ｊが最も高くなる状態で金属部材１，１が固定される。

第一の本接合工程及びバリ切除工程は、第一実施形態と同等である。図４の（ｂ）に示すように、第二の本接合工程では、まず、バリを切除した金属部材１，１を裏返し、クランプＬ２を介して金属部材１，１を第二架台Ｌに移動不能に拘束する。そして、第二の本接合工程では、冷却板Ｋ１の冷却流路Ｋ３に冷媒を流して金属部材１，１を冷却しつつ、突合せ部Ｊに対して金属部材１，１の裏面１ｃ，１ｃ側から摩擦攪拌接合を行う。第二の本接合工程は、冷却板Ｋ１及び第二架台Ｌを用いている点を除いて第一実施形態と同等である。

以上説明した第二実施形態のように、冷却板Ｋ１と第二架台Ｌとを積層させて金属部材１，１を接合してもよい。当該形態であっても、第二の本接合工程において、金属部材１，１を冷却しつつ摩擦攪拌を行うことができる。第二実施形態に係る接合方法においても、第一実施形態と略同等の効果を奏することができる。

［第三実施形態］
次に、本発発明の第三実施形態に係る接合方法について説明する。第三実施形態に係る接合方法では、第一の本接合工程と第二の本接合工程とにおいて、異なる架台を用いる点で第一実施形態と相違する。第三実施形態に係る接合工程では、第一実施形態と相違する部分を中心に説明する。

第三実施形態に係る接合方法では、準備工程と、第一の本接合工程と、バリ切除工程と、第二の本接合工程とを行う。

図５の（ａ）に示すように、準備工程では、第三架台Ｍに金属部材１，１を移動不能に拘束する。第三架台Ｍは、基板Ｍ１と、クランプＭ２と、凸部Ｍ３とで構成されている。凸部Ｍ３は、基板Ｍ１の中央に凸設されおり、突合せ部Ｊの延長方向に沿って延設されている。凸部Ｍ３の断面形状は特に制限されるものではない。

準備工程では、第三架台Ｍ上において、金属部材１，１の一端側の端面１ａ，１ａを突き合わせて突合せ部Ｊを形成しつつ、金属部材１，１の一端側を凸部Ｍ３の上に配置する。また、金属部材１，１の他端側をクランプＭ２で固定する。つまり、金属部材１，１の他端側に対して一端側（端面１ａ，１ａ側）が高くなるように金属部材１，１を傾斜させる。これにより、突合せ部Ｊが最も高くなる状態で金属部材１，１が固定される。

第一の本接合工程及びバリ切除工程は、第一実施形態と同等である。図５の（ｂ）に示すように、第二の本接合工程では、第一架台Ｋを用いて摩擦攪拌を行う。第二の本接合工程では、バリを切除した金属部材１，１を裏返し、クランプＫ２を介して金属部材１，１を第一架台Ｋに移動不能に拘束する。そして、第二の本接合工程では、冷却板Ｋ１の冷却流路Ｋ３に冷媒を流して金属部材１，１を冷却しつつ、突合せ部Ｊに対して金属部材１，１の裏面１ｃ，１ｃ側から摩擦攪拌接合を行う。第二の本接合工程は、第一実施形態と同等である。

以上説明した第三実施形態のように、第三架台Ｍと第一架台Ｋとを別個に設け、第一の本接合工程は第三架台Ｍで行い、第二の本接合工程は第一架台Ｋで行ってもよい。このようにしても、第一実施形態と略同等の効果を奏することができる。凸部Ｍ３によっても突合せ部Ｊが高くなるように金属部材１，１を容易に傾斜させることができる。

なお、第二実施形態に係る第一の本接合工程（図４の（ａ）参照）において、第二架台Ｌに替えて、冷却板Ｋ１の上に第三架台Ｍを積層させて金属部材１，１を接合してもよい。

［変形例］
次に、架台の変形例について説明する。図６は、架台の変形例を示す断面図である。図６に示すように、第四架台Ｎは、基板Ｎ１と、クランプＮ２と、基板Ｎ１に設けられた傾斜載置部Ｎ４とで構成されている。

傾斜載置部Ｎ４は、断面三角形状を呈し、傾斜面Ｎ４ａ，Ｎ４ａを備えている。準備工程では、金属部材１，１の裏面１ｃを傾斜面Ｎ４ａ，Ｎ４ａにそれぞれ面接触させつつ、頂点Ｎ４ｂに突合せ部Ｊが位置するように配置し、クランプＮ２で固定する。つまり、第四架台Ｎによっても、金属部材１，１の他端側に対して一端側（端面１ａ，１ａ側）が高くなるように金属部材１，１を傾斜させることができる。

第二実施形態に係る第一の本接合工程（図４の（ａ）参照）において、第二架台Ｌに替えて、冷却板Ｋ１の上に第四架台Ｎを積層させて金属部材１，１を接合してもよい。また、第三実施形態に係る第一の本接合工程（図５の（ａ）参照）において、第三架台Ｍに替えて、第四架台Ｎで金属部材１，１を接合してもよい。このように、傾斜載置部Ｎ４を備えた第四架台Ｎを用いても準備工程及び第一の本接合工程を行うことができる。

以上本発発明の実施形態及び変形例について説明したが、本発明の趣旨に反しない範囲において適宜設計変更が可能である。例えば、本実施形態では、金属部材１，１を両方とも同じ角度で傾斜させているが、両者の傾斜角度が異なってもよい。

また、傾斜載置部Ｎ４は、傾斜面Ｎ４ａ，Ｎ４ａを備えるようにしたが、これに限定されるものではない。具体的な図示は省略するが、傾斜載置部を水平面と傾斜面Ｎ４ａとで構成してもよい。この場合の準備工程では、一方の金属部材１を水平面に載置するとともに、他方の金属部材１を傾斜面Ｎ４ａに載置する。このようにしても、第二の本接合工程において金属部材の他端側に対して一端側が高くなるように傾斜させた状態で摩擦攪拌を行うことができる。

また、金属部材１，１の他端側を架台に固定せずに第一の本接合工程及び第二の本接合工程を行ってもよい。

１金属部材
１ａ端面
１ｂ表面
１ｃ裏面
１０スペーサー
Ｇ回転ツール
Ｇ１ショルダ部
Ｇ２攪拌ピン
Ｊ突合せ部
Ｋ第一架台（架台）
Ｋ１冷却板
Ｋ２クランプ
Ｋ３冷却流路
Ｌ第二架台（架台）
Ｌ１基板
Ｌ２クランプ
Ｍ第三架台（架台）
Ｍ１基板
Ｍ２クランプ
Ｍ３凸部
Ｎ第四架台（架台）
Ｎ１基板
Ｎ２クランプ
Ｎ４傾斜載置部

Claims

一対の金属部材の一端側の端面同士を突き合わせて突合せ部を形成する準備工程と、
前記金属部材の表面側から前記突合せ部に摩擦攪拌を行う第一の本接合工程と、
前記金属部材の裏面側から前記突合せ部に摩擦攪拌を行う第二の本接合工程と、を含み、前記金属部材は、アルミニウム合金製であり、
前記準備工程では、冷却板を備える架台と前記金属部材の裏面側との間にスペーサーを配置するとともに、前記スペーサーを用いて他端側に対して前記一端側が高くなるように前記各金属部材を傾斜させ、
前記第一の本接合工程では、前記金属部材の他端側に対して一端側が高くなるように前記金属部材を傾斜させた状態で摩擦攪拌を行い、
前記第一の本接合工程終了後に摩擦攪拌で発生したバリを除去し、前記第一の本接合工程後の熱収縮によって平坦になった前記両金属部材を裏返し、前記両金属部材の表面を前記冷却板の表面と面接触させ、
前記第二の本接合工程では、前記金属部材の表面側に配置された前記冷却板で冷却しつつ摩擦攪拌を行うことを特徴とする接合方法。
前記第二の本接合工程では、前記第一の本接合工程で形成された塑性化領域に回転ツールの攪拌ピンを入り込ませつつ摩擦攪拌を行うことを特徴とする請求項１に記載の接合方法。