JP6384408B2 - 摩擦撹拌接合方法およびその接合装置 - Google Patents
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Description
前記回転ツールとして2個以上の回転ツールを用い、
該2個以上の回転ツールによる接合を同時に行う、摩擦撹拌接合方法に関する。
前記回転ツールとして2個以上の回転ツールを用い、
該2個以上の回転ツールによる接合を同時に行う、摩擦撹拌接合方法に関する。
前記回転ツールとして2個以上の回転ツールを用い、
該2個以上の回転ツールによる接合を同時に行う、摩擦撹拌接合方法に関する。
回転しつつ、第1部材および第2部材からなるワークを押圧する2個以上の回転ツール;および
該2個以上の回転ツールを回転駆動および押圧駆動させるための駆動制御装置
を含み、
前記駆動制御装置が前記2個以上の回転ツールによる押圧を同時に開始させる、かつ/または同時に終了させる、摩擦撹拌接合装置に関する。
本発明の摩擦撹拌接合方法は、回転ツールを回転させつつ、第1部材および第2部材からなるワークに押圧して摩擦熱を発生させ、この摩擦熱により、第1部材と第2部材との接合を行う方法である。
まず図1は、本発明の接合方法を実施するのに適した摩擦撹拌接合装置の一部の一例を模式的に示す図である。図1に示される摩擦撹拌接合装置1は、第1部材11と第2部材12とを摩擦撹拌接合する装置として構成されており、押圧部材としての円柱状の回転ツール16を具備している。
回転しつつ、第1部材および第2部材からなるワークを押圧する2個以上の回転ツール16A、16B;および
該2個以上の回転ツールを回転駆動および押圧駆動させるための駆動制御装置(図示せず)
を含み、
前記駆動制御装置が前記2個以上の回転ツールによる押圧を同時に開始させる、かつ/または同時に終了させるようになっている。
本発明は、回転ツール16を回転させつつ、第1部材11および第2部材12からなるワーク10に押圧して摩擦熱を発生させ、この摩擦熱により、第1部材11と第2部材12との接合を行う摩擦撹拌接合方法も提供する。
第1部材11と第2部材12とを重ね合わせてワーク10を形成する第1ステップ;および
回転ツール16を回転させつつ、ワーク10に押圧して摩擦熱を発生させ、この摩擦熱により第1部材11と第2部材12との接合を行う第2ステップ:
を含むものであり、
この第2ステップにおいて、上記したように、回転ツールとして2個以上の回転ツールを用い、かつ当該2個以上の回転ツールによる接合を同時に行う。
第1ステップにおいては、図1に示すように、第1部材11と第2部材12とを、第1部材11の下面と第2部材12の上面とで重ね合わせてワーク10を構成する(主面接触方式)。第1部材11と第2部材12とは所望の接合部位で重ね合わせればよい。
第2ステップにおいては、前記2個以上の回転ツールの各回転ツールごとに、後述する工程を連続的に行うに際し、前記2個以上の回転ツール間で、最初の工程での押圧を同時に開始する。接合精度の観点から好ましくは最後の工程での押圧を同時に終了する。接合精度の観点からより好ましくは、同時接合を行う2個以上の回転ツールの全ての回転ツールについて、各工程での加圧力、加圧時間および回転数を同じにする。
また押込み撹拌工程C2の後には、撹拌維持工程C3を行うことが好ましいが、当該工程も必ずしも行わなければならないというわけではない。
本実施態様における各工程は回転ツールの押圧力(加圧力)及び押圧時間の制御によって成されていても良いし、また、回転ツールの押圧方向の移動量(接合部材に接触してからの接合部材への挿入量)及びその移動時間の制御によって成されていても良い。
予熱工程C1は、回転ツール16と受け具17とを相互に近接させることにより、図9に示すように、回転ツール16を第1部材11に押圧し、回転ツール16の先端部のみを第1部材11の表面部(図例では上面部)に接触させた状態で回転ツール16を回転させる工程である。予熱工程C1では、回転ツール16を、第1の加圧力(例えば、900N)で、第1の加圧時間(例えば、1.00秒)だけ、所定回転数(例えば、3000rpm)で回転させる。
押込み撹拌工程C2では、回転ツール16と受け具17とを相互に近接させることにより、図10に示すように、回転ツール16を第1部材11に押し込む。押込み撹拌工程C2を予熱工程C1に次いで行う場合には、回転ツール16と受け具17とをさらに相互に近接させることにより、図10に示すように、回転ツール16を第1部材11に押し込む。これにより、回転ツール16を第1部材11と第2部材12との接合境界面13に達しない深さまで進入させる。このとき、第1部材11の回転ツール直下部110を、図10に示すように、第2部材12側に突出変形させることが好ましい。これにより、回転ツールの直下領域で溶融している第2部材表面の溶融樹脂121について、その溶融と該直下領域から外周領域への流動(図10の矢印方向)を促進させることができる。
撹拌維持工程C3は、回転ツール16と受け具17との相互近接を停止することにより、同じく図10に示すように、回転ツール16を押込み撹拌工程C2で進入させた位置(これを「基準位置」という)で回転ツール16の回転動作を継続させる工程である。撹拌維持工程C3では、回転ツール16を、第1の加圧力より小さい第3の加圧力(例えば、500N)で、第1の加圧時間より長い第3の加圧時間(例えば、6.75秒)だけ、所定回転数(例えば、3000rpm)で回転させる。
撹拌維持工程C3の後には、上記回転ツール16の回転を停止し、その状態で上記回転ツール16を所定の加圧力で所定の加圧時間だけ保持する保持工程C4を行ってもよいし、行わなくても良い。
保持工程C4は、同じく図10に示すように、回転ツール16の回転を停止し、その状態で回転ツール16を所定の加圧力で所定の時間だけ保持する工程である。保持工程C4では、回転ツール16を、第3の加圧力より大きいが第2の加圧力より小さい第4の加圧力(例えば、1000N)で、第3の加圧時間より短いが第2の加圧時間より長い第4の加圧時間(例えば、5.00秒)だけ保持する。
第1部材11は通常、金属からなる金属部材である。第1部材11は、図1等において、全体形状として略平板形状を有しているが、これに限定されるものではなく、接合のために第2部材12と重ね合わせる部分のみが少なくとも略平板形状を有する限り、いかなる形状を有していてもよい。
アルミニウム;
5000系、6000系などのアルミニウム合金;
スチール;
マグネシウムおよびその合金;
チタンおよびその合金。
第2部材12は、金属からなる金属部材であってもよいし、または樹脂からなる樹脂部材であってもよい。第2部材12が金属部材である場合、第2部材12を構成し得る金属としては、第1部材11を構成し得る金属として例示した同様の金属が挙げられる。
ポリエチレン、ポリプロピレンなどのポリオレフィン系樹脂およびその酸変性物;
ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリブチレンテレフタレート(PBT)、ポリトリメチレンテレフタレート(PTT)、ポリ乳酸(PLA)などのポリエステル系樹脂;
ポリメタクリル酸メチル樹脂(PMMA)などのポリアクリレート系樹脂;
ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、ポリフェニレンエーテル(PPE)などのポリエーテル系樹脂;
ポリアセタール(POM);
アクリロニトリル−ブタジエン−スチレンコポリマー系樹脂(ABS);
ポリフェニレンサルファイド(PPS);
PA6、PA66、PA11、PA12、PA6T、PA9T、MXD6などのポリアミド系樹脂(PA);
ポリカーボネート系樹脂(PC);
ポリウレタン系樹脂;
フッ素系ポリマー樹脂;および
液晶ポリマー(LCP)。
第2部材12の融点Tmは、JIS7121により測定された値を用いている。
第1部材11は第2部材12よりも剛性が大きいことが好ましい。回転ツールのモーメントによる第1部材の変形をより一層十分に防止し、接合精度をさらに向上させることができるためである。
・第1部材がスチールからなる金属部材であり、第2部材がアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属部材である;および
・第1部材が金属(好ましくはアルミニウム)からなる金属部材であり、第2部材が樹脂からなる樹脂部材である。
次に、別の実施態様として、端面接触方式を採用する本発明の摩擦撹拌接合方法および接合装置について説明する。上記した好ましい実施態様に係る摩擦撹拌接合方法および接合装置は主面接触方式を採用するものであるが、本発明の摩擦撹拌接合方法および接合装置は端面接触方式を採用してもよい。
第2部材312は前記第1部材11と同様の金属部材が使用される。
第1部材311を構成する金属および第2部材312を構成する金属は、それぞれ独立して選択されてよいが、接合精度および接合強度の観点からは、第2部材312は、第1部材311を構成する金属と同様の金属からなる金属部材であることが好ましい。
第1部材311と第2部材312とを重ね合わせてワーク310を形成する第1ステップ;および
回転ツール316を回転させつつ、ワーク310に押圧して摩擦熱を発生させ、この摩擦熱により第1部材311と第2部材312との接合を行う第2ステップ;
を含むものであり、
この第2ステップにおいて、上記したように、回転ツールとして2個以上の回転ツールを用い、かつ当該2個以上の回転ツールによる接合を同時に行う。
第1ステップにおいては、図11に示すように、第1部材311と第2部材312とをそれぞれの端面で突き合わせてワーク310を形成する(端面接触方式)。第1部材311と第2部材312とは所望の接合部位で重ね合わせればよい。
第2ステップにおいては、前記2個以上の回転ツールの各回転ツールごとに、後述する工程を連続的に行うに際し、前記2個以上の回転ツール間で、最初の工程での押圧を同時に開始する。接合精度の観点から好ましくは最後の工程での押圧を同時に終了する。接合精度の観点からより好ましくは、同時接合を行う2個以上の回転ツールの全ての回転ツールについて、全ての工程で加圧力、加圧時間および回転数を同じにする。
また押込み撹拌工程D2の後には、撹拌維持工程D3を行うことが好ましいが、当該工程も必ずしも行わなければならないというわけではない。
本実施態様における各工程は回転ツールの押圧力(加圧力)及び押圧時間の制御によって成されていても良いし、また、回転ツールの押圧方向の移動量(接合部材に接触してからの接合部材への挿入量)及びその移動時間の制御によって成されていても良い。
予熱工程D1は、図15に示すように、回転ツール16を第1部材311と第2部材312の境界313に押圧し、回転ツール16の先端部のみを前記境界の表面部に接触させた状態で回転ツールを回転させる工程である。予熱工程D1は、回転ツール16を第1部材311と第2部材312の境界313に押圧すること以外、前記予熱工程C1と同様である。
押込み撹拌工程D2は、図16に示すように、回転ツール16を第1部材311と第2部材312の境界313に押し込んで、第1部材311および第2部材312の下面に達しない深さまで進入させる工程である。本工程により、回転ツール直下における第1部材311と第2部材312の境界313近傍が溶融する。押込み撹拌工程D2は、回転ツール16を、第1部材311および第2部材312の下面に達しない深さまで進入させること以外、前記押込み撹拌工程C2と同様である。
撹拌維持工程D3は、図16に示すように、回転ツールを押込み撹拌工程D2で進入させた位置で、回転ツールの回転動作を継続させる工程である。本工程において、多量の摩擦熱が発生し、発生した摩擦熱により、回転ツール直下における第1部材311と第2部材312の境界313近傍の溶融が促進される。撹拌維持工程D3は、回転ツールの回転動作を継続させる位置が、押込み撹拌工程D2で回転ツールを進入させた位置であること以外、前記撹拌維持工程C3と同様である。
(樹脂部材)
炭素繊維を40重量%含むポリプロピレンペレット(PP−CF40−11;ダイセルポリマー社製)を用いて射出成形法により、縦100mm×横30mm×厚み3mm寸法の樹脂部材を製造した。樹脂部材において炭素繊維の平均繊維長は3mm、平均繊維径は7μmであった。樹脂部材の融点Tmは170℃であった。
金属部材としては、6000系のアルミニウム合金製の平板状部材を用いた。金属部材の寸法は縦100mm×横30mm×厚み1.2mmであった。
回転ツールとしては、図2の各部の寸法がD1=10mm、D2=2mm、h=0.5mmの工具鋼製の2個の回転ツール16A、16Bを用いた。回転ツール16A、16Bは、図4に示すように、互いに逆方向に回転するように用いた。回転ツール16A、16Bはそれらの距離20mmで用いた。
以下の方法により、回転ツール16A、16Bを用いて、2箇所で同時に接合を行い、第1部材としての上記金属部材11と第2部材としての上記樹脂部材12との接合体を製造した。
第1ステップ:
金属部材11の下面と樹脂部材12の上面とを図1に示すように重ね合わせた。金属部材11と樹脂部材12とは同寸法であるため、完全に重ねることができた。
まず、図9に示すように、回転ツール16A、16Bの先端部のみを金属部材11の表面部に接触させた状態で回転ツール16を回転させた(予熱工程C1)。回転ツール16A、16Bによる工程条件は同様であり、加圧力900N、加圧時間1.00秒、ツール回転数3000rpmであった。
回転ツール16A、16Bを同方向に回転するように用いたこと以外、実施例1と同様の方法により、金属部材11と樹脂部材12との接合体を製造した。
回転ツール16Aのみを用いて上記予熱工程C1、押込撹拌工程C2および撹拌維持工程3を行った後、回転ツール16Bのみを用いて上記予熱工程C1、押込撹拌工程C2および撹拌維持工程3を行ったこと以外、実施例1と同様の方法により、金属部材11と樹脂部材12との接合体を製造した。
(作業効率)
実施例1および2で要した作業時間は、比較例1で要した作業時間の約半分であり、実施例1での作業効率は比較例1よりも明らかに向上した。
実施例1で得られた接合体においては、第1ステップで金属部材11と樹脂部材12とを重ね合わせた状態が完全に維持されており、金属部材11と樹脂部材12とは完全に重なっていた。
実施例2で得られた接合体においては、第1ステップで金属部材11と樹脂部材12とを重ね合わせた状態がほとんど完全に維持されており、金属部材11と樹脂部材12との間には最大で0.2mmのズレが生じているだけであった。
比較例1で得られた接合体においては、第1ステップで金属部材11と樹脂部材12とを重ね合わせた状態が十分に維持されておらず、金属部材11と樹脂部材12との間に最大で1mmのズレが生じていた。
以上より、実施例1および2で得られた接合体は、比較例1で得られた接合体よりも、接合精度が明らかに向上した。特に実施例1で得られた接合体は、実施例2で得られた接合体よりも、接合精度が明らかに向上した。
本発明に係る接合方法は、特に上記分野における第1部材と第2部材との接合に有用である。
10:310:ワーク
11:311:第1部材
12:312:第2部材
13:313:第1部材と第2部材との接合境界面
16:16A:16B:16C:16D:回転ツール
17:17A:17B::受け具
110:金属部材の回転ツール直下部
P:押圧領域(押圧予定領域)
111:押圧領域(押圧後)
121:回転ツールの直下領域で溶融している溶融樹脂
Claims (21)
- 回転ツールを回転させつつ、第1部材および第2部材からなるワークに押圧して摩擦熱を発生させ、該摩擦熱により、第1部材と第2部材との接合を行う摩擦撹拌接合方法であって、
前記回転ツールとして2列以上で格子点形態に配置される3個以上の回転ツールを用い、
該3個以上の回転ツールのうち少なくとも1個の回転ツールが、隣接する回転ツールとの間で、互いに逆方向に回転する関係を有し、前記隣接する回転ツール間において、一方の回転ツールの回転に起因してワークが受けるモーメントと、他方の回転ツールの回転に起因してワークが受けるモーメントとが互いに打ち消し合うように、前記3個以上の回転ツールによる接合を同時に行う、摩擦撹拌接合方法。 - 前記3個以上の回転ツールによる押圧を同時に開始および/または同時に終了する、請求項1に記載の摩擦撹拌接合方法。
- 前記3個以上の回転ツールのうち各回転ツールは、隣接する回転ツールとの距離が、回転ツールの直径をD1としたとき、0.5×D1〜4×D1である、請求項1または2に記載の摩擦撹拌接合方法。
- 前記3個以上の回転ツールが、碁盤の交点の形態に配置されて用いられる、請求項1〜3のいずれかに記載の摩擦撹拌接合方法。
- 前記3個以上の回転ツールが偶数個の回転ツールである、請求項1〜4のいずれかに記載の摩擦撹拌接合方法。
- 前記3個以上の回転ツールが4個または8個の回転ツールである、請求項1〜4のいずれかに記載の摩擦撹拌接合方法。
- 前記3個以上の回転ツールのうち全ての回転ツールが、全ての隣接する回転ツールとの間で、前記逆回転の関係を有する、請求項1〜6のいずれかに記載の摩擦撹拌接合方法。
- 前記接合が点接合である、請求項1〜7のいずれかに記載の摩擦撹拌接合方法。
- 金属からなる第1部材と金属または樹脂からなる第2部材とを、第1部材の下面と第2部材の上面とで重ね合わせてワークを形成し、回転ツールを回転させつつ、第1部材に押圧して摩擦熱を発生させ、この摩擦熱により少なくとも第2部材を溶融させた後、固化させて接合を行う主面接触方式を採用する、請求項1〜8のいずれかに記載の摩擦撹拌接合方法。
- 前記3個以上の回転ツールの各回転ツールごとに、以下の工程:
回転ツールを第1部材に押圧し、回転ツールの先端部のみを第1部材の表面部に接触させた状態で回転ツールを回転させる予熱工程;
前記回転ツールを第1部材に押し込んで、第1部材と第2部材との界面に達しない深さまで進入させる押込み撹拌工程;および
前記回転ツールを前記押込み撹拌工程で進入させた位置で、回転ツールの回転動作を継続させる撹拌維持工程;
を連続的に行う前記主面接触方式を採用し、
前記3個以上の回転ツール間で、予熱工程での押圧を同時に開始する、請求項9に記載の摩擦撹拌接合方法。 - 前記3個以上の回転ツール間で、押込み撹拌工程および撹拌維持工程の開始および終了も同時に行う、請求項10に記載の摩擦撹拌接合方法。
- 前記第1部材が前記第2部材よりも剛性が大きい、請求項10または11に記載の摩擦撹拌接合方法。
- 前記第1部材がスチールからなる金属部材であり、前記第2部材がアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属部材である、請求項12に記載の摩擦撹拌接合方法。
- 前記第1部材が金属からなる金属部材であり、前記第2部材が樹脂からなる樹脂部材である、請求項12に記載の摩擦撹拌接合方法。
- 金属からなる第1部材と金属からなる第2部材とをそれぞれの端面で突き合わせてワークを形成し、回転ツールを回転させつつ、第1部材と第2部材の境界に押圧して摩擦熱を発生させ、この摩擦熱により第1部材および第2部材を溶融させた後、固化させて接合を行う端面接触方式を採用する、請求項1〜8のいずれかに記載の摩擦撹拌接合方法。
- 前記3個以上の回転ツールの各回転ツールごとに、以下の工程:
回転ツールを第1部材と第2部材の境界に押圧し、回転ツールの先端部のみを前記境界の表面部に接触させた状態で回転ツールを回転させる予熱工程;
前記回転ツールを第1部材と第2部材の境界に押し込んで、第1部材および第2部材の下面に達しない深さまで進入させる押込み撹拌工程;および
前記回転ツールを前記押込み撹拌工程で進入させた位置で、回転ツールの回転動作を継続させる撹拌維持工程;
を連続的に行う前記端面接触方式を採用し、
前記3個以上の回転ツール間で、予熱工程での押圧を同時に開始する、請求項15に記載の摩擦撹拌接合方法。 - 前記3個以上の回転ツール間で、押込み撹拌工程および撹拌維持工程の開始および終了も同時に行う、請求項16に記載の摩擦撹拌接合方法。
- 前記第1部材が金属からなる金属部材であり、前記第2部材が金属からなる金属部材である、請求項15〜17のいずれかに記載の摩擦撹拌接合方法。
- 前記第2部材が第1部材を構成する金属と同様の金属からなる金属部材である、請求項18に記載の摩擦撹拌接合方法。
- 回転しつつ、第1部材および第2部材からなるワークを押圧し、かつ2列以上で格子点形態に配置される3個以上の回転ツール;および
該3個以上の回転ツールを回転駆動および押圧駆動させるための駆動制御装置
を含み、
前記駆動制御装置は、前記3個以上の回転ツールのうち少なくとも1個の回転ツールが、隣接する回転ツールとの間で、互いに逆方向に回転する関係を有し、前記隣接する回転ツール間において、一方の回転ツールの回転に起因してワークが受けるモーメントと、他方の回転ツールの回転に起因してワークが受けるモーメントとが互いに打ち消し合うように、前記3個以上の回転ツールによる接合を同時に行わせる、摩擦撹拌接合装置。 - 請求項1〜19のいずれかに記載の摩擦撹拌接合方法を実施するための、請求項20に記載の摩擦撹拌接合装置。
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