JP6516605B2 - 固定ショルダ式摩擦攪拌接合工具及びそれを用いた固定ショルダ式摩擦攪拌接合方法 - Google Patents

Description

本発明は、特別な溶加材供給装置を用いること無く、簡便で、装置への負荷が小さい固定ショルダ式摩擦撹拌接合工具及びそれを用いた固定ショルダ式摩擦攪拌接合方法に関する。

１９９１年に英国のＴＷＩにて開発された固相接合方法である摩擦撹拌接合方法は、従来の溶接方法に比べて接合時の投入熱量が小さいため、入熱による強度低下や変形を小さくすることが可能である。そのため、従来の溶接方法で熱変形が問題となっていた大型構造物、例えば鉄道車両、航空機等の接合に適用されており、その他の分野においても摩擦攪拌接合方法を適用した製品は増加している。

図１３に示すように、摩擦撹拌接合方法は、先端にプローブ１２と呼ばれる棒状の突起物と、ショルダ４と呼ばれる略平坦部が設けられた回転ツール１を、高速で回転させながらプローブ１２を被接合部材３、３の突合せ部に押込むと共に、ショルダ４を被接合部材３、３に押付けながら接合方向Ｐに進行させることによって、被接合部材３、３と回転ツール１との間に発生する摩擦熱によって、被接合部材３、３を加熱軟化させると共に、前記プローブ１２によって被接合部材３、３を撹拌・混合することで接合する接合方法である。

前述の通り、摩擦撹拌接合方法は回転ツール１の回転によって被接合部材３、３を撹拌、混合する接合技術であるため、従来の溶接法に比べて接合時に必要となる荷重が大きく、装置と材料を固定するジグに大きな剛性が求められる。特に、Ｍｇを主要添加元素とする５０００系アルミニウム合金は高温強度が大きいため、接合時において装置にかかる荷重が非常に大きく、装置の大型化、送り速度の制限、回転ツール１の低寿命が問題となっていた。そのため、５０８３アルミニウム合金等のＭｇを主要添加元素とする５０００系アルミニウム合金を多く用いる構造物、船舶等への摩擦撹拌接合方法の適用は進んでいないのが現状である。なお、図１３（ｂ）は、Ａ−Ａ矢視からの図１３（ａ）の断面図である。

また、溶接構造品の継手構造として溶融接合では隅肉溶接が多用されているが、従来では摩擦攪拌接合方法は隅肉接合が不可能であったため、継手構造を突合せ、または重ね合わせとなるよう、開先形状を工夫する必要があった。そのため、特殊な開先形状を適用し易い押出形材が多く採用され、押出が困難な５０００系アルミニウム合金より押出が容易な６０００系アルミニウム合金が多く用いられてきた。このように、６０００系アルミニウム合金が採用されている構造品に摩擦撹拌接合方法が多く採用されてきたが、５０００系アルミニウム合金を用いる構造品に摩擦撹拌接合方法の適用は進んでいないのが現状である。

しかしながら、近年になって、ショルダを回転させずにプローブのみを回転させる固定ショルダ式摩擦撹拌接合方法が開発された（特許文献１）。ショルダを固定式とすることで、従来の摩擦撹拌接合方法では困難であった、チタン等の熱伝導率の低い材料の接合が可能となった。また、この固定式ショルダを継手部の形状に合わせた形状とすることで、従来の摩擦撹拌接合方法では不可能であった内隅部の接合も可能となった（特許文献２、３）。しかも、固定式ショルダ式摩擦撹拌接合方法に溶加材を加えて、塑性流動する溶加材と被接合部材を固定式ショルダに沿って成形することで、隅肉接合部に任意形状のフィレットや突合せ接合部に肉盛り部を形成することが可能となった（以下、「ＡｄＳｔｉｒ」と記す）。このような技術が開発されたことで摩擦撹拌接合方法における開先の問題は解決され、荷重の問題は依然として残るものの、５０００系アルミニウム合金を用いた構造部材に摩擦撹拌接合方法が採用される可能性が高まっている。

ところで、上記ＡｄＳｔｉｒの開発以前から、摩擦撹拌接合方法に溶加材を供給する接合方法や、溶加材の供給方法は提案されている（特許文献４〜６）。しかしながら、従来の摩擦撹拌接合方法において溶加材を供給する目的は、材料の寸法不良や溶接中の歪によって発生した突合せ面の隙間を補填することである。そのため、溶加材の材質は基本的には被接合部材と同一の材料が用いられている。

上述のように、通常の摩擦撹拌接合方法では被接合部材を回転する工具と被接合部材の間で発生する摩擦熱で加熱し、この工具が被接合部材を撹拌、混合することで接合する方法である。そして、従来の摩擦撹拌接合用工具としては、略円柱状であって端部は略平面で中央に突起が設けられているものが用いられていた。この略平面の端部はショルダと、突起はプローブと一般的に呼ばれる。このプローブは被接合部材の突合せ部の内部へと没入され、被接合部材との間に摩擦熱を発生させて、被接合部材を加熱、軟化させると共に、撹拌、混合するものである。ショルダは被接合部材表面に加圧接触されて、被接合部材との間に摩擦熱を発生させ、被接合部材を加熱、軟化させると共に、プローブによって撹拌されている材料の被接合部材内部からの流出を抑制するものである。

ここで、通常の摩擦撹拌接合方法において一般に押付荷重と呼ばれる荷重、つまり、ショルダを被接合部材表面に接触させるための荷重は比較的大きいことが知られている。前述のように、ショルダは攪拌中の材料が外部へ流出することを抑制することから、押付荷重は攪拌中の材料が外部へ流出しようとする圧力以上とする必要がある。従って、溶加材を撹拌部へと流入させるには、押付荷重以上の圧力を要するので、溶加材の撹拌部への流入は通常困難であり、従来の方法においては溶加材の供給方法に重点が置かれていた（特許文献４〜６）。

固定ショルダ式摩擦撹拌接合方法の接合原理は従来の摩擦撹拌接合と同様であるが、工具の構成が異なっており、プローブのみ回転して固定ショルダは回転しない。そのため、固定ショルダは被接合部材を加熱せず、プローブによって撹拌されている被接合部材の流出の抑制のみを目的としている。固定ショルダが無回転であるため、固定ショルダの形状の自由度は大きい。この特徴を活かして固定ショルダ式摩擦攪拌接合方法に溶加材を用いる接合方法が提案されている（特許文献７）。

しかしながら、固定ショルダにおいても通常の摩擦攪拌接合方法と同様に固定ショルダには相当な圧力が被接合部材から加わり、特許文献７のように溶加材を攪拌部へと供給する通路が固定ショルダに設けられていると、その通路から攪拌中の材料が外部へと流出する虞があるうえ、溶加材を攪拌部へと供給するためにはそれ相当の圧力が必要となる。特許文献７では溶加材に圧力を加えるような記述はないため、溶加材を攪拌部へと供給できない上、通路を通して攪拌部の材料が流出してしまう問題が残った。

上記のような問題を解決すべく、固定ショルダ式摩擦攪拌接合方法において溶加材を供給するのに特許文献８の方法が提案されている。この方法では溶加材供給装置によって溶加材を付勢し、相当の加圧力を溶加材に加えることで、溶加材を攪拌部へ供給すると共に、攪拌中の材料の流出を抑制することを目的としている。しかしながら、この方法では溶加材自体に、付与される圧力に耐え得る強度が求められる。例えば、高温強度の大きい５０８３アルミニウム合金を被接合部材に用いた場合には、溶加材として純アルミニウム系合金の１０７０を供給する上で、攪拌部が発生する圧力に対応する圧力を溶加材に付与すると、溶加材自体の強度が不足して座屈してしまう問題が残った。

特表２００９−５３７３２５号公報 特許第４２４０５７９号公報 特許第５３０４５８３号公報 特開２００５−１１１５３３号公報 特開２００４−２５２９６号公報 特開２００４−４２０９５号公報 特許第５１８３９１７号公報 特開２０１３−１２３７４５号公報

上記特許文献４〜６に記載されている摩擦撹拌接合方法における溶加材の供給方法は、従来の摩擦撹拌接合方法用のものであり、被接合部材の突合せ面に隙間が生じた場合の材料補填を目的としたものである。そして、固定ショルダ式摩擦撹拌接合方法において溶加材を添加し、接合部に肉盛り部を成形する等の場合には、そのまま転用することはできない。また、特許文献７や特許文献８の摩擦撹拌接合方法には前述のような問題点があり、溶加材が供給できない可能性がある上、溶加材供給装置に特別な制御が必要となる。なお、特許文献１〜３は、固定ショルダ式摩擦撹拌接合に関係するものであるが、摩擦撹拌接合時に溶加材を撹拌部へ供給することは示されていない。

本発明は、被接合部材同士を接合すると共に、溶加材を供給することで接合部に任意形状の肉盛り部を形成する固定ショルダ式摩擦攪拌接合工具であって、特別な溶加材供給装置を用いること無く、簡便で、装置への負荷が小さい固定ショルダ式摩擦撹拌接合工具、ならびに、当該摩擦撹拌接合工具を用いた固定ショルダ式摩擦撹拌接合方法を提供することを目的とする。

本発明は請求項１において、金属からなる被接合部材の突き合わせ部を溶加材を用いて摩擦攪拌接合するのに用いられる、回転ツールと固定ショルダとを含む固定ショルダ式摩擦攪拌接合工具であって、
前記回転ツールは、略円柱状の基部と、当該基部の底面から同心に垂下し被接合部材の突き合わせ部に押し込まれるプローブとを備え、
前記固定ショルダは、その底面で被接合部材の表面に当接し、その内部空間に前記回転ツールの少なくとも一部が収容され、
前記固定ショルダは、回転ツールを挿通するための上面開口部と；被接合部材と接触する面側に溶加材を挿通するための第１の側面開口部と；当該固定ショルダにおいてプローブ攪拌部に対して接合方向前方に設けられ、前記側面開口部からプローブ攪拌部に溶加材を供給するガイド部と；当該固定ショルダにおいてプローブ攪拌部に対して接合方向後方に設けられ、接合部において肉盛り部を成形するための肉盛り成形部と；被接合部材と接触する面側においてプローブ攪拌部に対して前記第１の側面開口部と対向して形成され、肉盛り部が通る第２の側面開口部と；を備え、
前記ガイド部にはプローブ近傍において、被接合部材との間で溶加材を圧下して変形させるための平坦部が設けられており、溶加材は、平坦部と被接合部材との間の隙間を充填するように、かつ、溶加材と平坦部との間に生じる摩擦力によって溶加材が平坦部と被接合部材とに対して固定されるように変形可能であることを特徴とする固定ショルダ式摩擦撹拌接合工具とした。

本発明は請求項２では請求項１において、前記固定ショルダのガイド部における平坦部の長さＬ（ｍｍ）が、溶加材の室温強度をＴＳ１（ＭＰａ）、被接合部材の室温強度をＴＳ２（ＭＰａ）、プローブの直径をＤ（ｍｍ）、被接合部材の板厚をｔ（ｍｍ）、Ｃ（ｍｍ）を定数とし、Ｄ≧ｔ、かつ、０≦Ｃ＜１．０のもとに下記式（１）を満たすと共に、前記固定ショルダのガイド部における平坦部によって圧下される溶加材の被接合部材表面からの高さの変化が、溶加材の変形前の高さをＨ_ｄ（ｍｍ）、変形後の高さをｈ（ｍｍ）として０．６０≦（ｈ／Ｈ_ｄ）≦０．９０を満たすものとした。
Ｌ＝１．５９×（ＴＳ２／ＴＳ１）×（Ｄ／ｔ）＋Ｃ （１）

本発明は請求項３では請求項２において、前記ＴＳ１とＴＳ２が、下記の式（２）式を満たすものとした。
０．８０ＴＳ２＜ＴＳ１＜１．５０ＴＳ２ （２）

本発明は請求項４では、請求項１〜３のいずれか一項に記載の固定ショルダ式摩擦攪拌接合工具と溶加材を用いて、金属からなる被接合部材の突き合わせ部を接合する固定ショルダ式摩擦攪拌接合方法であって、
前記溶加材が平坦部と被接合部材とに対して固定可能で、かつ、平坦部と被接合部材との間で圧下変形可能となる位置まで、前記固定ショルダの第１の側面開口部に溶加材を挿通し、
前記回転ツールのプローブを被接合部材の突き合わせ部に押し込み、
前記平坦部と被接合部材との間で溶加材を圧下変形させることによって、平坦部と被接合部材との間の隙間を充填し、かつ、平坦部と溶加材との間に発生する摩擦力によって溶加材を平坦部と被接合部材とに対して固定しつつ、更に、前記プローブの回転により可塑化した被接合部材と溶加材とによって接合部の前記肉盛り成形部に肉盛り部を成形しつつ、被接合部材の突き合わせ部に沿って前記回転ツールを回転させながら固定ショルダ式摩擦攪拌接合工具を接合方向に移動させることを特徴とする固定ショルダ式摩擦攪拌接合方法とした。

固定ショルダ式摩擦攪拌接合方法において溶加材を接合部に供給する際に、固定ショルダと溶加材に求められる機能は、攪拌されている材料の流出を抑制すると共に、攪拌部において流動する材料の圧力に負けることなく、溶加材を攪拌部へと供給することである。この場合、溶加材自体に、流動する材料に対向する圧力を付与しようとすると、溶加材自体に高強度が求められる上、溶加材を付勢し、溶加材を介して攪拌部に圧力を与えるような供給装置が必要となる。そのため、使用できる溶加材に制限が生じる上、装置に多大なコストが必要となる。そこで、本発明者らは、溶加材自体に圧力を負担させるのではなく、溶加材と平坦部の間に発生する摩擦力をもって攪拌部の材料からの圧力に応じる機構を採用するものである。

このような機構を採用することで、溶加材を撹拌部へと流動させるために供給装置等によって溶加材を付勢する必要がなくなり、また、その時に付与する圧力に耐え得る強度を溶加材にもたせる必要もなく、攪拌部へと溶加材を供給することが可能となると共に、攪拌中の材料が外部へと流出することを抑制することができる。更に、供給する溶加材の材質、サイズ、被接合部材の材質によってガイド部及び平坦部の形状を調整することによって、溶加材と平坦部の間に発生する摩擦力を調整することができるため、被接合部材に比べて著しく強度が小さい溶加材でも、これを撹拌部へと供給することが可能となる。

本発明の特徴は、溶加材を平坦部によって被接合部材へ圧下し、溶加材と平坦部の間に摩擦力を発生させて、この摩擦力によって溶加材を固定することで、溶加材を攪拌部へと供給可能とすること、一定条件の下に（１）式に基づいて平坦部の長さ決定することによって、摩擦力、すなわち溶加材の拘束力を適切に調整可能なことである。

本発明によれば、特別な溶加材供給装置が不要なため低コストで、様々な溶加材と被接合部材の組合せに対して、溶加材を用いた固定ショルダ式摩擦攪拌接合を提供することができる。更に、式（１）、（２）の選定基準で溶加材と被接合部材の組合せを決定することにより、接合中に工具を送るために必要な荷重を小さくすることが可能となり、大型の装置が不要になる。

本発明に係る固定ショルダ式摩擦攪拌接合方法を示す概略図である。 本発明に係る固定ショルダ式摩擦攪拌接合工具の概略図である。 本発明に係る固定ショルダ式摩擦攪拌接合工具の断面図である。 本発明に係る固定ショルダ式摩擦攪拌接合工具の接合時における断面図である。 本発明に係る固定ショルダ式摩擦攪拌接合方法の一実施態様を示す概略図である。 本発明に係る固定ショルダ式摩擦攪拌接合方法の一実施態様を示す概略図である。 本発明に係る固定ショルダ式摩擦攪拌接合方法の一実施態様を示す概略図である。 本発明に係る固定ショルダ式摩擦攪拌接合方法の一実施態様を示す概略図である。 本発明の実施例３におけるＴ字継手の継手形状の正面図である。 本発明の実施例３に用いた固定ショルダ式摩擦攪拌接合工具の概略図である。 本発明の実施例３で用いた固定ショルダ式摩擦攪拌接合方法を示す概略図である。 本発明の実施例３における、（溶加材強度／被接合部材強度）と送り方向の負荷荷重との関係を示すグラフである。 従来の摩擦攪拌接合方法を示す概略図である。

以下、本発明の実施形態について、図面に基づいてより詳細に説明する。なお、本発明の範囲は以下の実施形態に限定されるものではない。

先ずは、本発明に係る固定ショルダ式摩擦攪拌接合工具について図面を用いて具体的に説明する。図１は本発明に係る摩擦攪拌接合方法を示す概略図であり、図２は本発明に係る固定ショルダ式摩擦攪拌接合工具の概略図であり、図３は本発明の固定ショルダ式摩擦攪拌接合工具の断面図であり、図４は本発明の固定ショルダ式摩擦攪拌接合工具の接合時における断面図である。

まず、本発明に係る固定ショルダ式摩擦攪拌接合工具について具体的に説明する。図１（ｂ）に示すように、本発明に係る固定ショルダ式摩擦攪拌接合工具は、回転ツール１と固定ショルダ２から構成される。回転ツール１は、略円柱状の基部１１と、この基部１１の底面から同心に垂下するプローブ１２とを備える。図１（ａ）に示すように、回転ツール１がＲ方向に回転しながら接合方向Ｐに沿って進行し、溶加材６を接合部に供給しながら両被接合部材３、３の突き合わせ部分を接合していく。

図１（ｂ）は、Ａ−Ａ矢視からの図１（ａ）の断面図である。固定ショルダ２は、その底面で被接合部材３、３の表面に当接している。固定ショルダ２の内部空間には、基部１１の下側部分とプローブ１２の上側部分が収容されている。基部１１の上側部分は、固定ショルダ２の上面から外部に突出している。プローブ１２の下側部分は、被接合部材３、３の内部に侵入している。なお、プローブ１２の被接合部材３、３の内部への侵入長さは、攪拌域である被接合部材３、３の厚さより約０．１〜０．２ｍｍ短く設定されている。固定ショルダ２を回転する回転ツール１と独立して固定するため、固定ショルダ２と回転ツール１の間には軸受けが設けられており、不図示のジグによって固定ショルダ２は固定されている。

図２、３に示すように、固定ショルダ２は、回転ツール１を挿通配置するための上面開口部と、固定ショルダ２における被接合部材と接触する面側に、溶加材を挿通するガイド部２１と、接合部に任意形状の肉盛り部を成形する肉盛り成形部２２とを備える。固定ショルダ２の被接合部材と接触する面である接触面２３は、被接合部材における接合部の表面形状を補完する形状となっている。平坦な板状部材の突合せ接合の場合には接触面２３は平坦であり、接合部に開先が設けられてＶ字やＵ字の凹となっている場合には、接触面２３もまたこれを補完するＶ字やＵ字となる。また、図２の下側の断面図は、Ｂ−Ｂ矢視からの平面図における断面図である。なお、図２の上側の平面図の左側はその正面図であり、右側はその背面図である。

上述のように、固定ショルダ２は、攪拌されている材料の流出を抑制するために接合時において押付荷重が付加される。図２、３に例示した機構では、回転ツール１の基部１１側に鍔部１３を設けて、固定ショルダ２側にその受け部２４を設け、鍔部１３と受け部２４の間に軸受け５を設置し、回転ツール１を介して固定ショルダ２へ押付け荷重を付与するようにしている。なお、固定ショルダ２への押付荷重を付与する方法はこの限りではない。

上記ガイド部２１にはプローブ１２側に平坦部２１１が設けられており、この平坦部２１１は溶加材を被接合部材へ押付けて変形させ、平坦部２１１と被接合部材の間の隙間を充填することにより、攪拌部の材料流出を抑制すると共に、平坦部２１１と溶加材間の摩擦力によって溶加材を固定することによって溶加材を攪拌部へと供給している。ここで、平坦部２１１は溶加材との摩擦力によって溶加材を固定する役割を有するため、この摩擦力（平坦部２１１と溶加材６との摩擦）は溶加材と攪拌部されている被接合部材の強度差によって調整する必要があることが判明した。そして、本発明者らが鋭意研究を進めた結果、一定の条件の下であれば平坦部２１１の長さＬ（ｍｍ）は、図４において下記式（１）で決定できることを見出した。

Ｌ＝１．５９×（ＴＳ２／ＴＳ１）×（Ｄ／ｔ）＋Ｃ （１）
ここで、ＴＳ１は溶加材の室温強度（ＭＰａ）、ＴＳ２は被接合部材の室温強度（ＭＰａ）、Ｄはプローブの直径（ｍｍ）、ｔは被接合部材の板厚（ｍｍ）であり、Ｄ≧ｔ、０≦Ｃ＜１．０である。ここで、Ｃを一定範囲の定数としたのは、平坦部の長さを長くすれば溶加材の拘束力を十分以上にでき、溶加材の供給に問題は生じないが、平坦部の長さが長過ぎると被接合部材と溶加材の摩擦力が増加し、装置に大きな出力が求められるためである。

式（１）に基づいて固定ショルダを設計する場合、様々な溶加材と被接合部材の組合せに対して、溶加材を供給する固定ショルダ式摩擦攪拌接合方法を適用できるが、式（１）から分かるように、溶加材の室温強度ＴＳ１が被接合部材の室温強度ＴＳ２に比べて著しく小さいと、平坦部の長さＬが大きくなる。これは、溶加材自体の強度が小さいため、平坦部で発生する摩擦力を大きくする必要があるためである。しかしながら、平坦部の長さが長くなると溶加材と被接合部材間の摩擦力も増加するため、接合工具を送る時の抵抗が大きくなってしまう。この抵抗が大きくなると出力が大きな装置が必要となり、プローブも折損し易くなる問題が生じる。このような問題から、溶加材の選定基準として下記式（２）を設けた。

０．８０ＴＳ２＜ＴＳ１＜１．５０ＴＳ２ （２）
例えば、５０８３アルミニウム合金を被接合部材とし、１０７０アルミニウム合金を溶加材として用いた場合、式（１）を用いることで健全な接合品が得られる。しなしながら、溶加材と被接合部材の強度差が大きいため、接合工具を送る時の抵抗が非常に大きくなってしまう。そこで、式（２）の範囲になるように、溶加材を選定するか、或いは、溶加材の調質を変更することによって、接合工具を送る時の抵抗を低減できる。

ここで、上記一定の条件の一つは、平坦部２１１が溶加材を加圧する力に関係するものである。この平坦部２１１による加圧力とは、溶加材が１０〜４０％変形するときに発生する応力である。すなわち、図４において、０．６０≦ｈ／Ｈ_ｄ≦０．９０である。ここで、Ｈ_ｄは変形前の溶加材の被接合部材表面からの高さ（ｍｍ）であり、ｈは変形後の溶加材の被接合部材表面からの高さ（ｍｍ）である。ｈ／Ｈ_ｄの上限を０．９０とした理由は、０．９０を超えると、溶加材６が平坦部２１１で破断する可能性が高くなるためである。一方、ｈ／Ｈ_ｄの下限を０．６０とした理由は、０．６０未満では溶加材の変形量が小さいため、溶加材と被接合材、溶加材と前記平坦部の接触面積が小さくなるとともに、平坦部から溶加材への押付力も小さくなるため、拘束力が不足するためである。なお、ガイド部２１の入り口の高さＨは溶加材６の厚さｄよりも大きい方が好ましい（１．１〜２倍程度）。また、ガイド部２１及び平坦部２１１の幅（「接合方向Ｐに直交する方向に沿った長さ」であり、以下において同じ）についても、溶加材の変形前における幅よりも大きい方が好ましい。（１〜２倍程度、より好ましくは１．１〜１．４倍）。そして、溶加材６をプローブ１２によって効率良く加熱、攪拌するために、溶加材６の幅は回転ツール１の基部１１の直径よりも小さい方が好ましい。

一定の条件のもう一つは、既に式（１）の成立要件として規定されているものであるが、被接合部材３、３に侵入して被接合部材３、３を攪拌するプローブ１２の直径Ｄ（ｍｍ）が被接合部材３、３の板厚ｔ（ｍｍ）以上であることである。これは、プローブ１２の直径Ｄが被接合部材３、３の板厚ｔより小さい場合には、プローブ１２が折損する可能性が高くなるためである。また、固定ショルダ式摩擦攪拌接合方法は従来の摩擦意攪拌接合方法と異なり、ショルダからの入熱が無いため、プローブ１２からの入熱を大きくするためにもプローブ１２の直径を適度に大きくするのか好ましい。

なお、使用される溶加材６の幅は、接合部に形成される肉盛り部７の幅よりも約２〜４倍大きい方が好ましい。これは、溶加材６の幅を広くすることにより、溶加材６と平坦部２１１、ならびに、溶加材６と被接合部材３、３との接触面積を大きくすることができ、その結果、平坦部２１１と溶加材６との摩擦力を発生し易くすることができると共に、溶加材６の供給速度を摩擦攪拌接合工具の送り速度より小さくできる。溶加材６の供給速度が摩擦攪拌接合工具の送り速度よりも小さい方が、溶加材６を円滑に攪拌部へと供給することができる利点がある。なお、溶加材６の幅方向の断面形状は、入手の容易性やハンドリング等を考慮すると略円形が好ましい。

肉盛り部７の形状については、成形できる領域がプローブ１２によって攪拌され塑性流動している領域となることから、肉盛り部７の幅はプローブの直径以下となる。また、肉盛り部７の高さについては、プローブ１２の長さを変化させることによって調整することができるが、供給する溶加材の形状やハンドリング性等を考慮すると、プローブ１２の長さとの関係でプローブ長さの半分程度、好ましくは３分の１程度に制限される。

次に、上記摩擦攪拌工具を用いた本発明に係る固定ショルダ式摩擦撹拌接合方法について図５〜８に基づいて説明する。なお、ここでは、被接合部材として平板状部材を用いた突合せ接合を例に挙げて説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。

図５〜８において、被接合部材３、３は不図示の固定ジグ等によって強固に固定されている。まず、図５に示すように、固定された被接合部材３、３の突き合わせ部上に溶加材６が載置される。次に、図６に示すように、回転ツール１と固定ショルダ２から構成される固定ショルダ式摩擦攪拌接合工具を用意する。ここで、図６（ａ）は斜視図、（ｂ）は右側面図である。次に、図６（ｂ）及び図７（ｂ）に示すように、溶加材６が固定ショルダ２の平坦部と被接合部材３、３とに対して固定可能で、かつ、平坦部と被接合部材３、３との間で圧下変形可能となる位置まで、固定ショルダの側面開口部（接合方向の前側のもので不図示）から溶加材６を挿通し、溶加材６に固定ショルダ式摩擦攪拌接合工具を被せるようにする。ここで、図７（ａ）は斜視図、（ｂ）は右側の断面図である。このように、溶加材６の一方の端部がプローブ１２の接合方向Ｐの前方側に近接する位置において、プローブ１２が被接合部材３、３の突き合わせ部に押し込まれる。次に、図８に示すように、回転ツール１をＲ方向に回転させながら、接合方向Ｐに進行させて接合が行なわれる。ここで、図８（ａ）は斜視図、（ｂ）は右側面の断面図である。これによって、図８（ａ）において、固定ショルダ式摩擦攪拌接合工具の左側の接合部には肉盛り部７が形成される。以下に、詳細に説明する。

図５〜８において、被接合部材３、３は、その接合部表面の高さが一定となるように固定ジグ等で強固に固定されている。これは、固定ショルダが攪拌中の材料の流出を抑制する機能を達成するために、被接合部材３、３の表面と固定ショルダの間に隙間が生じないようにする必要があるためである。また、接合部にプローブを圧入した際に、ジグの固定力が不足すると突合せ部に隙間が発生する場合があり、このような隙間が発生しないように、被接合部材３、３を固定ジグ等によって強固に固定する必要がある。更に、プローブを被接合部材３、３に圧入した後に接合方向へとプローブを移動させる際に、被接合部材３、３とプローブに大きいな力が作用するため、被接合部材３、３が接合方向に移動しないようにこれらを強固に固定しておく必要もある。このように、被接合部材３、３は、その表面に垂直な方向と平行な方向（送り方向、幅方向）の３方向を固定ジグ等によって強固に固定されている。

被接合部材３、３の接合に供給される溶加材６は、固定ショルダの平坦部によって被接合部材３、３との間で固定されるため、接合時に溶加材６を固定する必要は特にない。しかしながら、平坦部手前のガイド部へと溶加材６が円滑に供給されるように、ガイド部と平坦部の手前で溶加材６を固定するガイドローラー等を設けても良い。

また、接合中は平坦部と被接合部材３、３との間で溶加材６は固定されるため、溶加材６を大掛かりなジグ等で固定又は供給装置によって付勢する必要はない。しかしながら、プローブを被接合部材３、３内に圧入して接合開始後の初期段階では、平坦部における溶加材６と被接合部材３、３の攪拌混合が不十分である。そのため、接合開始の初期段階では、平坦部だけでは溶加材６を十分に拘束することが困難な場合がある。そこで、接合開始の初期段階においてのみ溶加材を固定するジグを設置することが好ましい。

図５〜６に示すように、被接合部材３、３を固定ジグ等で固定した後に接合を開始する。まず、図７に示すように、プローブ１２をＲ方向に回転させながら、接合開始予定箇所にプローブ１２を押込む。この時、溶加材６の端部が固定ショルダ２のガイド部２１における平坦部２１１に当接する位置になるよう溶加材６をジグ固定しておくのが好ましい。溶加材６を固定する理由は、プローブ１２を被接合部材３、３に押込む際にプローブ１２が押込まれることによって排出される被接合部材３、３により、溶加材６が移動してしまう虞があるためである。溶加材６に加えられる力自体は大きくはないいため、簡便なジグで良い。

図７に示すように、プローブ１２を所定の位置まで被接合部材３、３中に押込んだ後に、一定時間そのままの状態で待機する。これは接合開始前に被接合部材３、３と溶加材を加熱するためである。このような待機後に、接合するために接合する方向へ被接合部材３、３又は固定ショルダ式摩擦攪拌接合工具を送る。この時、固定ショルダ２が被接合部材３、３の表面に十分に押付けられるよう、固定ショルダ式摩擦攪拌接合工具には一定の荷重が付加されている。なお、固定ショルダ２の表面と被接合部材３、３の接触状態が一定となるよう、固定ショルダ式摩擦攪拌接合工具に付与される押付方向の荷重が接合中において一定となるよう制御されることが好ましい。被接合部材３、３又は固定ショルダ式摩擦攪拌接合工具が接合方向へと２ｍｍ程度送られた後は、溶加材６を固定していたジグを開放し、溶加材６が平坦部２１１によって固定されるようにする。

接合が開始され、一定荷重で固定ショルダ２が被接合部材３、３及び溶加材６に押付けられることにより、プローブ１２によって攪拌されている被接合部材６と溶加材６の流出が抑制される。また、平坦部２１１と溶加材６との摩擦力によって溶加材６を平坦部２１１と被接合部材３、３との間に固定し、溶加材６をプローブ攪拌部へと供給し、被接合部材３、３を攪拌、接合すると共に、肉盛り成形部２２によって接合部に所定の形状が付与される。そして、固定ショルダ式摩擦攪拌接合工具が所定の位置まで進行し、所定距離の接合が完了した後に、固定ショルダ式摩擦攪拌接合工具に付与されていた荷重は徐荷されプローブ１２が被接合部３、３から引き抜かれる。

本発明に係る固定ショルダ式摩擦攪拌接合工具を用いて、本発明に係る固定ショルダ式摩擦攪拌接合方法を実施することによって、従来のような特殊な溶加材供給装置を用いること無く、円滑にプローブ攪拌部へと溶加材を供給することができ、簡便に健全な継手を製造することができる。また、接合部に任意の形状を付与することができるため、応力集中を回避したフィレット形状や、接合時の入熱によって軟化する部位を厚肉にする等、継手部の強度を幅広く設計することが可能となる。

本発明に係る固定ショルダ式摩擦攪拌接合方法に適用できる被接合部材としては、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、マグネシウム合金などの板材が挙げられる。また、一方の被接合部材と他方の被接合部材が、同一組成の金属材料であっても、異なる組成の金属材料であってもよい。なお、アルミニウム合金としては、１０００系合金、２０００系合金、３０００系合金、５０００系合金、６０００系合金、７０００系合金などが好適に用いられる。

被接合部材の形状や寸法は特に制限されるものではないが、板状の被接合部材を用いる場合の板厚は好ましくは３ｍｍ以上、より好ましくは４ｍｍ以上である。３ｍｍ未満の板厚では、接合中の接合部周囲の材料の強度が不足し、接合中に接合周囲の材料が変形又は破断してしまい、正常に撹拌できない場合があるためである。板厚の上限は特に制限されるものではないが、被接合部材の板厚が大きい程、接合装置、工具に要求される出力、剛性が必要となり、コストが大きくなる。実現性及びコストの点から３０ｍｍ程度である。

以下において、実施例に基づき本発明を更に詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。

実施例１
２枚の被接合部材として板厚５ｍｍの６０６１−Ｔ６の板材を用い、溶加材として一般的な溶接棒である直径４ｍｍの１０７０、４０４３、５３５６、５１８３の各アルミニウム合金、ならびに、直径５ｍｍの６０６１（Ｔ６）の溶加材を上記被接合部材から削り出した溶切棒を用いた。被接合部材とこれら溶加材の室温における引張強さをＪＩＳ Ｚ
２２４１に従って測定した結果を表１に示す。

この実施例で用いた固定ショルダ式摩擦攪拌接合工具は、図２に示す形状のものを用いた。本実施例では継手形状は平板の突合せ継手で、突合せ接合すると共に接合部に幅８ｍｍのＲ１０の肉盛り部が形成される形状とした。用いた固定ショルダにおいて、プローブに対して接合方向前方側にはガイド部及び平坦部が設けられており、接合方向後方側には肉盛り成形部が設定されている。

前記固定ショルダの平坦部の圧下による溶加材の変形割合は、図４に示すように変形前の溶加材の被接合部材表面からの高さをＨ_ｄ、変形後の溶加材の被接合部材表面からの高さをｈとすると、０．６０≦（ｈ／Ｈ_ｄ）≦０．９０となっている。また、プローブの直径Ｄは被接合部材の板厚ｔよりも大きくなるよう、被接合部材の板厚５ｍｍより大きな直径１０ｍｍとした。各溶加材に対する平坦部の長さＬ、ｈ／Ｈ_ｄを表２に示した。また、式（１）のＣは表２に示すように、０≦Ｃ＜１で設定しており、平坦部の長さＬは式（１）を満足している。

表２に示す形状の固定ショルダを用いて、回転速度１５００ｒｐｍ、送り速度５００ｍｍ／分にて摩擦攪拌接合を実施した。実施例１の実験結果を表３に示す。ここで、接合方向の荷重とは、接合時に回転接合工具または被接合部材を接合方向に送るときに、回転接合工具または被接合部材に負荷された荷重である。いずれの溶加材と固定ショルダの組合せにおいても、溶加材は円滑に攪拌部へと供給され、滑らかな肉盛り部を形成し、内部空孔や亀裂の無い健全な接合部の継手が得られた（表３の接合性「○」）。また、表３から分かるように、被接合部位材の引張強さに対する溶加材の引張強さの比が０．８０未満である１０７０、４０４３溶加材では、その他の溶加材を用いた時に比べて接合方向の荷重が１．２〜１．６倍大きくなっていることが分かる。このことから、上記引張強さの比は０．８０以上が好ましいことが分かる。

実施例２
実施例２として、実施例１と同じ被接合部材と溶加材を用い、また、実施例１で用いたのと同じく固定ショルダ式摩擦攪拌接合工具は、図２に示す形状のものを用いた。表４に示す形状を有する固定ショルダ式摩擦工具を用いて、実施例１と同じ接合条件である、回転速度１５００ｒｐｍ、送り速度５００ｍｍ／分にて摩擦攪拌接合を実施した。平坦部の長さＬについては、表２の５、６、１０については式（１）を満足しているが、その他は満足していない。各溶加材に対する平坦部の長さＬ、Ｃ、ｈ／Ｈ_ｄを表４に示した。

実施例２の実験結果を表５に示す。ここで、接合性の△は接合中にプローブに僅かな損傷が発生したしたもの、△△は接合部表面の全長において僅かな溝状の欠陥が発生したもの、△△△は接合部表面の一部に僅かな溝状欠陥が発生したものである。表５から分かるように、平坦部の長さＬが不十分な場合（Ｎｏ．１〜３、８、９）は、実施例１に比べて接合性が劣った。また、ｈ／Ｈ_ｄが小さい場合（Ｎｏ．６、１０）も同様な結果となった。一方、Ｌ、ｈ／Ｈ_ｄが大きい場合（４、５、７、１０）は接合方向の荷重が大きくなり、接合中にプローブに僅かな損傷が発生した。

実施例３
２枚の被接合部材として板厚１０ｍｍの５０８３−Ｏの板材を用い、溶加材として一般的な溶接棒である直径５ｍｍの１０７０、４０４３、５３５６、５１８３の各アルミニウム合金、また市販品ではあるが、上記５３５６、５１８３に比べてＭｇ濃度が大きい、Ａｌ−６％Ｍｇの溶加材（Ａｌ−６Ｍｇ）と、直径５ｍｍの６０６１（Ｔ６）溶加材を板材から削り出した溶接棒を用いた。被接合部材とこれら溶加材の室温における引張強さをＪＩＳ Ｚ ２２４１に従って測定した結果を表６に示す。

この実施例で用いた固定ショルダ式摩擦攪拌接合工具は、図１０に示す形状のものを用いた。本実施例では継手形状は図９に示すようＴ字継手で、内隅部を接合すると共に接合部にＲ５フィレットの肉盛り部が形成される形状とした。それに伴い、図１１に示すように、固定ショルダ２の形状も、被接合部材３、３のＴ字部分を補完するＶ字形状となっている。用いた固定ショルダ２において、プローブ１２に対して接合方向前方側にはガイド部及び平坦部が設けられており、接合方向後方側には肉盛り成形部が設定されている。

前記固定ショルダの平坦部の圧下による溶加材の変形割合は、図１１に示すように変形前の溶加材の被接合部材表面（内隅部頂点）からの高さをＨ_ｄ、変形後の溶加材の被接合部材表面（内隅部頂点）からの高さをｈとすると、０．６０≦（ｈ／Ｈ_ｄ）＜０．９０≦となっている。また、プローブの直径Ｄは被接合部材３、３の板厚ｔよりも大きくなるよう、被接合部材の板厚１０ｍｍより大きな直径１２ｍｍとした。各溶加材に対する平坦部の長さＬ、ｈ/Ｈ_ｄを表７に示した。式（１）のＣは表７に示すように、０≦Ｃ＜１で設定しており、平坦部の長さＬは式（１）を満足している。

表７に示す形状の固定ショルダを用いて、回転速度１０００ｒｐｍ、送り速度４００ｍｍ／分にて摩擦攪拌接合を実施した。この実施例３の実験結果を表８に示す。ここで、接合方向の荷重とは、接合時に回転接合工具または被接合部材を接合方向に送るときに、回転接合工具または被接合部材に負荷された荷重である。いずれの溶加材と固定ショルダの組合せにおいても、溶加材は円滑に攪拌部へと供給され、滑らかな肉盛り部を形成し、内部空孔、亀裂の無い健全な接合部の継手が得られた（表８の接合性「○」）。また、表８から分かるように、被接合部位材の引張強さに対する溶加材の引張強さの比が０．８０未満である１０７０、４０４３溶加材では、その他の溶加材を用いた時に比べて接合方向の荷重が１．４〜１．８倍大きくなっていることが分かる。このことから、本発明における溶加材と被接合部材の強度の比は０．８０以上が好ましいことが分かる。また、被接合部位材の引張強さに対する溶加材の引張強さの比が１．５０を超えるＡｌ−６Ｍｇの溶加材では、接合方向の荷重が１０７０、４０４３同様に１．２〜１．４倍程大きくなっていることが分かる。このことから、上記引張強さの比は１．５０以下が好ましいことが分かる。

実施例３の各継手を接合中の装置の送り方向の負荷荷重を、室温における（溶加材強度／被接合部材強度）に対してプロットしたものを図１２に示す。実施例３における式（２）を満足する溶加材が６０６１、５３５６、５１８３の結果を図１２に黒抜きのひし形のプロットで示す。また、式（２）を満足しない溶加材が１０７０の結果を図１２に中抜きのひし形のプロットで示す。同様に式（２）を満足しない溶加材が４０４３の結果を、図１２に中抜きの○のプロットで示す。同様に式（２）を満足しない溶加材であるＡｌ−６Ｍｇの結果を図１２の中抜きの△で示す。これらの結果から分かるように、室温における溶加材強度／被接合部材強度（室温）が１からずれる程、接合中に接合工具を接合方向へと送るための荷重である送り方向の負荷荷重が大きくなることが分かる。また、室温における溶加材強度／被接合部材強度（室温）が０．８０〜１．５０の範囲内で、送り方向の負荷荷重がほぼ一定で極小値となることが分かる。このことから、本発明に係る固定ショルダ式摩擦攪拌接合工具を用いて接合する際に、用いる溶加材は被接合部材との室温での強度比が０．８０〜１．５０に設定することが望ましいことが分かる。

実施例４
実施例４として、実施例３と同じ被接合部材と溶加材を用い、また、実施例３で用いたのと同じく固定ショルダ式摩擦攪拌接合工具は、図１０に示す形状のものを用いた。表９に示す形状を有する固定ショルダ式摩擦工具を用いて、実施例３と同じ接合条件である、回転速度１０００ｒｐｍ、送り速度４００ｍｍ／分にて摩擦攪拌接合を実施した。各溶加材に対する平坦部の長さＬ、Ｃ、ｈ／Ｈ_ｄを表９に示した。

実施例４の実験結果を表１０に示す。ここで、接合性の△は接合中にプローブに僅かな損傷が発生したしたもの、△△は接合部表面の全長において僅かな溝状の欠陥が発生したもの、△△△は接合部表面の一部に僅かな溝状欠陥が発生したものである。表１０から分かるように、平坦部の長さＬが不十分な場合（Ｎｏ．１〜３、９、１０）は、実施例３に比べて接合性が劣った。また、ｈ／Ｈ_ｄが小さい場合（Ｎｏ．６、１０）も同様な結果となった。一方、Ｌ、ｈ／Ｈ_ｄが大きい場合（２、７、８、９）は接合方向の荷重が大きくなり、接合中にプローブに僅かな損傷が発生した。

本発明に係る固定ショルダ式摩擦攪拌接合工具は、被接合部材同士を接合すると共に、溶加材を供給することで接合部に任意形状の肉盛り部を形成でき、更に、特別な溶加材供給装置を用いること無く、比較的簡便で、装置への負荷が比較的小さい利点を有する。

１・・・回転ツール
１１・・・基部
１２・・・プローブ
１３・・・鍔部
２・・・固定ショルダ
２１・・・ガイド部
２１１・・・平坦部
２２・・・肉盛り成形部
２３・・・接触面
２４・・・受け部
３・・・被接合部材
４・・・ショルダ
５・・・軸受け
６・・・溶加材
７・・・肉盛り部
Ａ−Ａ・・・矢視
Ｂ−Ｂ・・・矢視
Ｃ・・・定数（ｍｍ）
Ｄ・・・プローブの直径
ｄ・・・変形前の溶加材の厚さ（ｍｍ）
Ｈ_ｄ ・・変形直前の溶加材の被接合部材表面からの高さ（ｍｍ）
Ｈ・・・ガイド部の入り口の高さ（ｍｍ）
ｈ・・・変形後の溶加材の厚さ（ｍｍ） Ｌ・・・平坦部の長さ（ｍｍ）
Ｐ・・・接合方向
Ｒ・・・回転ツールの回転方向
ＴＳ１・・・溶加材の室温強度（ＭＰａ）
ＴＳ２・・・被接合部材の室温強度（ＭＰａ）
ｔ・・・被接合部材の板厚（ｍｍ）

Claims (4)

1. 金属からなる被接合部材の突き合わせ部を溶加材を用いて摩擦攪拌接合するのに用いられる、回転ツールと固定ショルダとを含む固定ショルダ式摩擦攪拌接合工具であって、
   前記回転ツールは、略円柱状の基部と、当該基部の底面から同心に垂下し被接合部材の突き合わせ部に押し込まれるプローブとを備え、
   前記固定ショルダは、その底面で被接合部材の表面に当接し、その内部空間に前記回転ツールの少なくとも一部が収容され、
   前記固定ショルダは、回転ツールを挿通するための上面開口部と；被接合部材と接触する面側に溶加材を挿通するための第１の側面開口部と；当該固定ショルダにおいてプローブ攪拌部に対して接合方向前方に設けられ、前記側面開口部からプローブ攪拌部に溶加材を供給するガイド部と；当該固定ショルダにおいてプローブ攪拌部に対して接合方向後方に設けられ、接合部において肉盛り部を成形するための肉盛り成形部と；被接合部材と接触する面側においてプローブ攪拌部に対して前記第１の側面開口部と対向して形成され、肉盛り部が通る第２の側面開口部と；を備え、
   前記ガイド部にはプローブ近傍において、被接合部材との間で溶加材を圧下して変形させるための平坦部が設けられており、溶加材は、平坦部と被接合部材との間の隙間を充填するように、かつ、溶加材と平坦部との間に生じる摩擦力によって溶加材が平坦部と被接合部材とに対して固定されるように変形可能であることを特徴とする固定ショルダ式摩擦撹拌接合工具。
2. 前記固定ショルダのガイド部における平坦部の長さＬ（ｍｍ）が、溶加材の室温強度をＴＳ１（ＭＰａ）、被接合部材の室温強度をＴＳ２（ＭＰａ）、プローブの直径をＤ（ｍｍ）、被接合部材の板厚をｔ（ｍｍ）、Ｃ（ｍｍ）を定数とし、Ｄ≧ｔ、かつ、０≦Ｃ＜１．０のもとに下記式（１）を満たすと共に、前記固定ショルダのガイド部における平坦部によって圧下される溶加材の変形割合が、溶加材の変形前の高さをＨ_ｄ（ｍｍ）、変形後の高さをｈ（ｍｍ）として０．６０≦（ｈ／Ｈ_ｄ）≦０．９０を満たす、請求項１に記載の固定ショルダ式摩擦撹拌接合工具。
   Ｌ＝１．５９×（ＴＳ２／ＴＳ１）×（Ｄ／ｔ）＋Ｃ （１）
3. 前記ＴＳ１とＴＳ２が、下記の式（２）式を満たす、請求項２に記載の固定ショルダ式摩擦撹拌接合工具。
   ０．８０ＴＳ２＜ＴＳ１＜１．５０ＴＳ２ （２）
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の固定ショルダ式摩擦攪拌接合工具と溶加材を用いて、金属からなる被接合部材の突き合わせ部を接合する固定ショルダ式摩擦攪拌接合方法であって、
   前記溶加材が平坦部と被接合部材とに対して固定可能で、かつ、平坦部と被接合部材との間で圧下変形可能となる位置まで、前記固定ショルダの第１の側面開口部に溶加材を挿通し、
   前記回転ツールのプローブを被接合部材の突き合わせ部に押し込み、
   前記平坦部と被接合部材との間で溶加材を圧下変形させることによって、平坦部と被接合部材との間の隙間を充填し、かつ、平坦部と溶加材との間に発生する摩擦力によって溶加材を平坦部と被接合部材とに対して固定しつつ、更に、前記プローブの回転により可塑化した被接合部材と溶加材とによって接合部の前記肉盛り成形部に肉盛り部を成形しつつ、被接合部材の突き合わせ部に沿って前記回転ツールを回転させながら固定ショルダ式摩擦攪拌接合工具を接合方向に移動させることを特徴とする固定ショルダ式摩擦攪拌接合方法。

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