JP6606576B2 - 点接合用ツール - Google Patents

Description

本発明は、摩擦攪拌点接合をする際に用いる点接合用ツールに関する。

従来より、重ね合わせた金属板同士を互いに接合する１つの方法として摩擦攪拌による点接合が知られている。この摩擦攪拌点接合には、専用のツールが用いられ、例えば、特許文献１の点接合用ツールは、棒状のツール本体及び該ツール本体の長手方向一端の軸心上に突設されたピンを有している。そして、重ね合わせた第１及び第２金属板の第１金属板側にピンの突出端が対向する姿勢でツール本体を軸心回りに回転させ、その回転状態のツール本体のピン側を上記第１金属板側に押し込むことにより上記両金属板を摩擦熱で攪拌させて互いに固相接合させている。

ところで、特許文献１のツール本体におけるピン側の端面は、平坦な形状をなしており、この点接合用ツールを用いて摩擦攪拌点接合を行うと、第１及び第２金属板の接合部近傍において第１金属板が第２金属板から離間する変形が起きることが一般的に知られている。

これを回避するために、例えば、特許文献２の点接合用ツールは、ツール本体におけるピン側の端面を長手方向他端側に行くにつれて次第に縮径する凹状面にしている。そうすることによって、点接合の際、凹状面の周縁部分で第１金属板を第２金属板側に押し込むようになり、接合部近傍において第１金属板が第２金属板から離間する変形を抑制することができる。

特開２０１０−２３０６８号公報 特開２００５−１６１３８２号公報

しかし、ツール本体の凹状面を第１金属板に押し込み過ぎると、凹状面の周縁部分が第２金属板に近づき過ぎてしまい、当該部分における接合部の板厚が減少してしまう。そうすると、両金属板の間に品質管理上において必要な接合径を有する接合部が形成されていたとしても、接合部に負荷がかかることで接合部の板厚減少部分に亀裂や破断が発生してしまうおそれがある。したがって、接合部において過度の板厚減少が発生しないように接合条件をシビアに設定する必要が生じ、生産管理上において煩雑である。

本発明は、斯かる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、２つの金属板が接合部近傍において離間せず、且つ、接合部において必要な接合強度を確実に得ることができ、しかも、生産管理上において扱い易い摩擦攪拌点接合用ツールを提供することある。

上記の目的を達成するために、本発明は、ツール本体における凹状面の寸法とピンの寸法との組み合わせに工夫を凝らしたことを特徴とする。

具体的には、棒状のツール本体と、該ツール本体の長手方向一端の軸心上に突設されたピンとを備え、重ね合わせた第１及び第２金属板の第１金属板側に上記ピンの突出端が対向する姿勢で上記ツール本体を軸心回りに回転させ、且つ、上記両金属板に上記ツール本体のピン側を押し込むことにより上記両金属板を摩擦熱で攪拌させて互いに固相接合させる点接合用ツールを対象とし、次のような解決手段を講じた。

すなわち、第１の発明では、上記ツール本体の上記ピン側の端面は、上記ツール本体の長手方向他端側に行くにつれて次第に縮径する凹状面であり、上記ピンの側面の上記ツール本体との連続部分には、上記ツール本体に近づくにつれて次第に湾曲しながら拡径する湾曲拡径部が設けられており、上記ピンの突出端には、上記ツール本体から離れるにつれて次第に縮径する湾曲面部が設けられ、上記ピンの側面には、上記湾曲面部に繋がる雄ネジ部が形成されており、上記両金属板を摩擦熱で軟化させて溶接する際に、回転状態の上記ツール本体を上記第１金属板に接触させて押し込んだときには、該摩擦熱で軟化された軟化金属部分が、上記湾曲面部により押し退けられて上記ピンの側方に流れた後、上記湾曲拡径部を通って上記凹状面に向かって流れることを特徴とする。

第２の発明では、第１の発明において、上記凹状面は、上記ツール本体の上記ピン側の端面における外周縁部を除く部分に形成されていることを特徴とする。

第１の発明では、両金属板において、ピンによって押し退けられる軟化金属部分の一部が凹状面によって形成される空間に留まるようになるので、該空間に留まった軟化金属部分を介して第１金属板に対して第２金属板側に向かう力が加わるようになる。これにより、点接合用ツールを両金属板に対して必要以上に押し込まなくても、第１金属板と第２金属板との間の接合部近傍において第１金属板が第２金属板から離間するのを防ぐことができる。また、点接合用ツールを両金属板に対して必要以上に押し込まなくても、接合部の板厚が厚く保たれるようになって必要な接合強度を有する接合部を得ることができる。したがって、例えば、加圧力などの接合条件をシビアに管理する必要がなく、生産管理上において取り扱いが簡単である。

さらに、点接合の際、ピンに押し退けられた軟化金属部分がピンの側方を通過した後、ツール本体の凹状面まで湾曲拡径部によってスムーズに移動するようになる。これにより、凹状面によってピンから離れながら第２金属板側に向かう軟化金属部分の流れに勢いが増し、第１金属板の軟化金属部分と第２金属板の軟化金属部分とをさらに効率良く混合させることができる。さらに、第１金属板を第２金属板側に向かわせる力が大きくなって、接合部近傍において第１及び第２金属板の間を確実に離間させないようにできる。

また、点接合の際、各金属板における軟化金属部分が湾曲面部によってピンの側方にスムーズに案内されるとともに、ピンの側面の雄ネジ部によって激しく流動するようになる。したがって、短時間で第１金属板の軟化金属部分と第２金属板の軟化金属部分とを効率良く混合させることができ、接合時間を短くすることができる。

本発明の実施形態に係る点接合用ツールの先端側正面図である。 本発明の実施形態に係る点接合用ツールを用いて重合状態の２つの金属板を点接合する手順において、接合開始直前の状態を示す図である。 図２の状態の後、点接合用ツールを金属板に接近させて接合をし始めた直後の状態を示す図である。 図３の状態の後、点接合用ツールを重合状態の金属板に押し込んで接合をしている途中の状態を示す図である。 （ａ）は、図４の状態の後、さらに点接合用ツールを重合状態の金属板に押し込んで接合をしている途中の状態を示す図であり、（ｂ）は、（ａ）のＡ部拡大図である。 （ａ）は、図５の状態の後、さらに点接合用ツールを重合状態の金属板に押し込んで接合をしている途中の状態を示す図であり、（ｂ）は、（ａ）のＢ部拡大図である。 図６の状態の後、さらに点接合用ツールを重合状態の金属板に押し込んで接合を終了する直前の状態を示す図である。 図７の状態の後、点接合用ツールを重合状態の金属板から離間させて接合を終了した直後の状態を示す図である。 （ａ）は、従来の摩擦攪拌点接合用ツールＡの先端側正面図であり、（ｂ）は、従来の摩擦攪拌点接合用ツールＢ，Ｃの先端側正面図である。 本発明の実施形態に係る点接合用ツール及び従来の点接合用ツールＡ，Ｂにおける実験結果を示す。 本発明の実施形態に係る点接合用ツール及び従来の点接合用ツールＣにおける実験結果を示す。 （ａ）は、本発明の実施形態に係る点接合用ツールで接合した接合部の断面を、（ｂ）は、従来の点接合用ツールＡで接合した接合部の断面を、（ｃ）は、従来の点接合用ツールＢで接合した接合部の断面を示す写真である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。尚、以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎない。

図１は、本発明の実施形態に係る点接合用ツール１を示す。該点接合用ツール１は、重ね合わせた第１金属板４及び第２金属板５（図２〜８参照）を摩擦攪拌によって互いに点接合するためのものであり、図示しない接合装置に装着して使用される。

上記点接合用ツール１は、熱間工具鋼（ＳＫＤ６１）で一体に形成され、棒状のツール本体２と、該ツール本体２の長手方向一端の軸心Ｃ上に突設されたピン３とを備え、点接合時には、上記軸心Ｃを中心にＸ方向に回転するようになっている。

上記ツール本体２の上記ピン３側の端面は、上記ツール本体２の長手方向他端側に行くにつれて次第に直線状に縮径する凹状面２ａとなっている。凹状面２ａは、ツール本体２のピン３側の端面における外周縁部を除く部分に形成されている。

上記ピン３の突出端には、上記ツール本体２から離れるにつれて次第に縮径する湾曲面部３ａが設けられている。

また、上記ピン３の側面には、上記湾曲面部３ａに繋がる雄ネジ部３ｂが形成され、該雄ネジ部３ｂは、Ｘ方向の回転に対して逆ネジとなっている。

さらに、上記ピン３側面の上記ツール本体２との連続部分には、上記ツール本体２に近づくにつれて次第に湾曲しながら拡径する湾曲拡径部３ｃが設けられている。

そして、第１金属板４及び第２金属板５を重ね合わせるとともに、重ね合わせた第１金属板４及び第２金属板５の第１金属板４側に上記ピン３の突出端が対向する姿勢で上記ツール本体２を軸心Ｃ回りに回転させ、且つ、上記両金属板４，５に上記ツール本体２のピン３側を押し込むことにより上記両金属板４，５を摩擦熱で軟化させて互いに固相接合させるようになっている。

ここで、上記点接合用ツール１において、上記第１金属板４の板厚をＴ１（ｍｍ）、上記第２金属板５の板厚をＴ２（ｍｍ）、及び設定接合幅Ｄｎ（図８参照）とすると、上記ツール本体２の径をＤｔ（ｍｍ）、上記ピン３の高さＨｐ（ｍｍ）、上記ピン３の径Ｄｐ（ｍｍ）、及び上記凹状面２ａの深さ（凹状面２ａのツール本体２における長手方向の寸法）Ｌ（ｍｍ）を以下に示す考えに基づいて設定した。

すなわち、第１及び第２金属板４，５において摩擦熱により軟化する軟化金属部分７ｂはピン３によって攪拌されながら移動するが、図１に示すように、ピン３によって押し退けられる領域Ｒａの軟化金属部分７ｂがツール本体２の外周面より外側の領域に移動すればするほど、接合部７の板厚が薄くなってしまう。したがって、接合部７の板厚を厚く保つためにピン３によって押し退けられる領域Ｒａの軟化金属部分７ｂを、できるだけ凹状面２ａによって形成される領域Ｒｂに留めることがよいと考えた。

一方、第１及び第２金属板４，５の接合部７近傍において第１金属板４が第２金属板５から離間する変形を抑えるために、凹状面２ａの周縁部分で第１金属板４を第２金属板５側に押し込むようにしているが、これに限らず、ピン３によって押し退けられる領域Ｒａの軟化金属部分７ｂがピン３の側方を領域Ｒｂに向かって移動した後、凹状面２ａに沿って領域Ｒｂから第２金属板５側に向かって移動する際の力Ｙ（図７参照）を増やすことによっても第１金属板４が第２金属板５から離間する変形を抑えることができるのではと考えた。

そこで、上記領域Ｒａの軟化金属部分７ｂのうちの半分が上記領域Ｒｂに留まるとともに、残りの半分が上記領域Ｒｂから第２金属板５側に向かって移動する構成にすればよいのではと考え点接合用ツール１を設計した。

尚、Ｄｔの寸法は、摩擦攪拌点接合において標準の寸法である１０ｍｍとした。

また、Ｄｐは、設定接合幅Ｄｎの７５％が適正な値であることが一般的に知られていることから、設定接合幅Ｄｎの７５％に設定した。

尚、上記点接合用ツール１は、当該点接合用ツール１を加工する工具の加工能力から各寸法が±１％程度ばらついた数値のものについても効果が発揮される。

また、本発明の実施形態では、上記湾曲面部３ａの曲率半径を２．９ｍｍに、湾曲拡径部３ｃの曲率半径を０．６ｍｍにそれぞれ設定している。

次に、重ね合わせた第１金属板４及び第２金属板５を上記点接合用ツール１で点接合する方法について説明する。

まず、図２に示すように、第１金属板４が上側になるよう受け台６の上に第１金属板４及び第２金属板５を重ね合わせる。

次に、ツール本体２をピン３が下方に向く姿勢（ピン３の突出端が第１金属板４に対向する姿勢）にし、図示しない回転モータによりツール本体２をＸ方向に所定の回転数で回転させる。

次いで、回転状態のツール本体２を下方に移動させて第１金属板４及び第２金属板５に接近させる。

しかる後、図３に示すように、ピン３の突出端が第１金属板４の表面に接触する。すると、上記第１金属板４が接触部分Ｋから加熱され始める。

その後、ツール本体２を下方に移動させると、図４に示すように、ピン３と第１金属板４との間で発生する摩擦熱が第１金属板４を伝わることで加熱金属部分７ａが広がるとともにピン３が軟化金属部分７ｂに入り込む。

さらに、ツール本体２を下方に移動させると、図５（ａ），（ｂ）に示すように、軟化金属部分７ｂにおいて湾曲面部３ａ及び雄ネジ部３ｂに沿って上昇する流れと当該雄ネジ部３ｂによるピン３周りを周回する流れとがそれぞれ出来て軟化金属部分７ｂにおける攪拌が促進される。また、軟化金属部分７ｂの攪拌が促進されることで加熱金属部分７ａの広がる速度が速くなる。

しかる後、ツール本体２をさらに下方に移動させると、図６（ａ），（ｂ）に示すように、湾曲面部３ａ及び雄ネジ部３ｂに沿って上昇する軟化金属部分７ｂの一部領域が湾曲拡径部３ｃによって渦状に流れるようになる。そして、軟化金属部分７ｂにおいて、湾曲面部３ａ及び雄ネジ部３ｂによって出来た上向きの流れと湾曲拡径部３ｃによって出来た渦状の流れとが混ざり合うことで軟化金属部分７ｂの攪拌が促進されるとともに、加熱金属部分７ａの広がる速度がさらに速くなる。

そして、さらに、ツール本体２を下方に移動させると、図７に示すように、凹状面２ａ全域に軟化金属部分７ｂが接触し、軟化金属部分７ｂにおいて湾曲拡径部３ｃ周りで渦状の流れが出来るだけでなく、凹状面２ａに沿ってピン３から離れながら第２金属板５側に移動する流れも発生する。

しかる後、第１金属板４及び第２金属板５に対してツール本体２を所定の加圧力で押し込んだ状態で所定時間維持し、その後、図８に示すように、回転状態のツール本体２を上方に移動させ、且つ、軟化金属部分７ｂを固化させることにより接合部７が形成される。

次に、本発明の実施形態に係る点接合用ツール１を用いて点接合した実験について説明する。
−実験１−
上記点接合用ツール１及びツールＡ，Ｂを用いて厚さ１ｍｍのアルミニウム合金板（Ａ５０００系）を２枚重ねて接合条件を変更しながら摩擦攪拌によって点接合する実験を実施した。尚、各ツール寸法、接合条件、及び良否判定方法を以下に示す。また、設定接合幅Ｄｎを４ｍｍとした。
＜点接合用ツール１寸法＞
ツール本体２の径Ｄｔを１０ｍｍに、上記ピン３の高さＨｐを１．８３ｍｍに、上記ピン３の径Ｄｐを３ｍｍに、上記凹状面２ａの深さＬを０．４３ｍｍにそれぞれ設定している。
＜ツールＡ寸法＞
ツール本体２の径Ｄｔを１０ｍｍに、上記ピン３の高さＨｐを１．２ｍｍに、上記ピン３の径Ｄｐを３ｍｍにそれぞれ設定し、上記凹状面２ａは平坦な形状をなしている。
＜ツールＢ寸法＞
ツール本体２の径Ｄｔを１０ｍｍに、上記ピン３の高さＨｐを２．０ｍｍに、上記ピン３の径Ｄｐを３ｍｍに、上記凹状面２ａの深さＬを０．６ｍｍにそれぞれ設定している。
＜接合条件＞
・各ツールの回転数：事前に行った仮実験で得た接合条件を管理中心値１５００ｒｐｍとし、この値から±５００ｒｐｍ変化させた回転数でそれぞれデータを取得する。
・各ツールの加圧力：事前に行った仮実験で得た接合条件を管理中心値４４１０Ｎとして、この値から±４９０Ｎ変化させた加圧力でそれぞれデータを取得する。
・各ツールの加圧時間：０．５ｓずつ変化させた加圧時間のデータを取得する。
＜良否判定方法＞
・評価α：第１金属板４側の接合部表面に光沢がある場合を○、接合部表面が荒れている場合（軟化金属部分がうまく流動しなかった場合）を×とした。
・評価β：接合部近傍の第１金属板４と第２金属板５との間の距離を測定し、０．４ｍｍ未満の場合を○、０．４ｍｍ以上の場合を×とした。
・評価γ：第１金属板４と第２金属板５との間の接合幅（接合径）を測定し、４．０ｍｍ以上の場合を○、４．０ｍｍ未満の場合を×とした。
＜実験１の結果＞
図１０に実験結果を示す。評価α〜γが全て○の条件については図中に色を付けた。この結果から判るように、ツールＡやツールＢに比べて本願発明の点接合用ツール１は、接合条件を広くすることができる。
−実験２−
上記点接合用ツール１、及び、ツールＣを用いて厚さ１．８ｍｍのアルミニウム合金板（Ａ６０００系）を２枚重ねて接合条件を変更しながら摩擦攪拌によって点接合する実験を実施した。尚、各ツール寸法及び接合条件を以下に示す。また、設定接合幅Ｄｎを５ｍｍとした。
＜点接合用ツール１寸法＞
ツール本体２の径Ｄｔを１０ｍｍに、上記ピン３の高さＨｐを２．６ｍｍに、上記ピン３の径Ｄｐを３．７５ｍｍに、上記凹状面２ａの深さＬを０．９８ｍｍにそれぞれ設定している。
＜ツールＣ寸法＞
図９（ｂ）に示すように、ツール本体２の径Ｄｔを１０ｍｍに、上記ピン３の高さＨｐを２．７５ｍｍに、上記ピン３の径Ｄｐを４ｍｍに、上記凹状面２ａの深さＬを０．８ｍｍにそれぞれ設定している。
＜接合条件＞
・各ツールの回転数：事前に行った仮実験で得た接合条件を管理中心値２５００ｒｐｍとし、この値から±５００ｒｐｍ変化させた回転数でそれぞれデータを取得する。
・各ツールの加圧力：事前に行った仮実験で得た接合条件を管理中心値４９００Ｎとして、この値から±４９０Ｎ変化させた加圧力でそれぞれデータを取得する。
・各ツールの加圧時間：０．５ｓずつ変化させた加圧時間のデータを取得する。
＜良否判定方法＞
・評価α：第１金属板４側の接合部表面に光沢がある場合を○、接合部表面が荒れている場合（軟化金属部分がうまく流動しなかった場合）を×とした。
・評価β：接合部近傍の第１金属板４と第２金属板５との間の距離を測定し、０．４ｍｍ未満の場合を○、０．４ｍｍ以上の場合を×とした。
・評価δ：第１金属板４と第２金属板５との間の接合幅（接合径）を測定し、５．０ｍｍ以上の場合を○、５．０ｍｍ未満の場合を×とした。
＜実験２の結果＞
図１１に実験結果を示す。評価α，β，δが全て○の条件については図中に色を付けた。この結果から判るように、ツールＣに比べて本願発明の点接合用ツール１は、実験１とは異なる板厚の組み合わせの接合においても、接合条件を広くすることができる。

図１２は、上記点接合用ツール１を用い、厚みが１ｍｍのアルミニウム合金板（Ａ５０００系）を２枚重ねて点接合した断面を示す。上記点接合用ツール１のＤｔを１０ｍｍ、ピン３の高さＨｐを１．８３ｍｍ、ピン３の径Ｄｐを３ｍｍ、及び凹状面２ａの上記ツール本体２における長手方向の深さＬを０．４３ｍｍとし、接合条件は、回転数１５００ｒｐｍ、加圧力を３９２０Ｎ、加圧時間を１．５ｓとした。

図１２（ａ）の結果から判るように、接合部７近傍において第１金属板４と第２金属板５との間に隙間が無く、第１金属板４に板厚減少部分も無い接合構造となっている。

図１２（ｂ）は、ツールＡを用い、厚みが１ｍｍのアルミニウム合金板（Ａ５０５２）を２枚重ねて点接合した断面を示す。接合条件は、回転数１５００ｒｐｍ、加圧力を３９２０Ｎ、加圧時間を１．５ｓとした。

図１２（ｂ）の結果から判るように、接合部近傍において第１金属板４と第２金属板５との間に大きな隙間が発生している。

図１２（ｃ）は、ツールＢを用い、厚みが１ｍｍのアルミニウム合金板（Ａ５０００系）を２枚重ねて点接合した断面を示す。回転数１５００ｒｐｍ、加圧力を３９２０Ｎ、加圧時間を１．５ｓとした。

図１２（ｃ）の結果から判るように、第１金属板４側に板厚が大きく減少した強度の低い部位が発生している。

以上より、本発明の実施形態によると、第１及び第２金属板４，５において、ピン３で押し退けられる軟化金属部分７ｂの一部によって第１金属板４に対して第２金属板５側に向かう力が加わるようになるので、点接合用ツール１を第１及び第２金属板４，５に対して必要以上に押し込まなくても、第１金属板４と第２金属板５との間の接合部７近傍において第１金属板４が第２金属板５から離間するのを防ぐことができる。また、第１及び第２金属板４，５において、ピン３によって押し退けられる軟化金属部分７ｂの一部が凹状面２ａによって形成される空間（領域Ｒ_ｂ）に留まるようになるので、点接合用ツール１を第１及び第２金属板４，５に対して必要以上に押し込まなくても、接合部７の板厚が厚く保たれるようになって必要な接合強度を有する接合部７を得ることができる。さらに、凹状面２ａの傾斜を小さくできるので、ツール形状を起因とした接合部７の過度の板厚減少を気にする必要がなくなる。したがって、例えば、加圧力などの接合条件をシビアに管理する必要がなく、生産管理上において取り扱いが簡単である。

また、点接合の際、各金属板４，５における軟化金属部分７ｂが湾曲面部３ａによってピン３の側方にスムーズに案内されるとともに、ピン３側面の雄ネジ部３ｂによって激しく流動するようになる。したがって、短時間で第１金属板４の軟化金属部分７ｂと第２金属板５の軟化金属部分７ｂとを効率良く混合させることができ、接合時間を短くすることができる。

さらに、点接合の際、ピン３に押し退けられた軟化金属部分７ｂがピン３の側方を通過した後、ツール本体２の凹状面２ａまで湾曲拡径部３ｃによってスムーズに移動するようになるので、凹状面２ａによってピン３から離れながら第２金属板５側に向かう軟化金属部分７ｂの流れに勢いが増し、第１金属板４の軟化金属部分７ｂと第２金属板５の軟化金属部分７ｂとをさらに効率良く混合させることができるとともに、第１金属板４を第２金属板５側に向かわせる力が大きくなって、接合部７近傍において第１及び第２金属板４，５の間を確実に離間させないようにできる。

本発明は、摩擦攪拌点接合をする際に用いる点接合用ツールに適している。

１ 点接合用ツール
２ ツール本体
２ａ 凹状面
３ ピン
３ａ 湾曲面部
３ｂ 雄ネジ部
３ｃ 湾曲拡大部
４ 第１金属板
５ 第２金属板
７ 接合部
７ｂ 軟化金属部分
Ｃ 軸心

Claims (2)

1. 棒状のツール本体と、該ツール本体の長手方向一端の軸心上に突設されたピンとを備え、重ね合わせた第１及び第２金属板の第１金属板側に上記ピンの突出端が対向する姿勢で上記ツール本体を軸心回りに回転させ、且つ、上記両金属板に上記ツール本体のピン側を押し込むことにより上記両金属板を摩擦熱で軟化させて互いに固相接合させる点接合用ツールであって、
   上記ツール本体の上記ピン側の端面は、上記ツール本体の長手方向他端側に行くにつれて次第に縮径する凹状面であり、
   上記ピンの側面の上記ツール本体との連続部分には、上記ツール本体に近づくにつれて次第に湾曲しながら拡径する湾曲拡径部が設けられており、
   上記ピンの突出端には、上記ツール本体から離れるにつれて次第に縮径する湾曲面部が設けられ、上記ピンの側面には、上記湾曲面部に繋がる雄ネジ部が形成されており、
   上記両金属板を摩擦熱で軟化させて溶接する際に、回転状態の上記ツール本体を上記第１金属板に接触させて押し込んだときには、該摩擦熱で軟化された軟化金属部分が、上記湾曲面部により押し退けられて上記ピンの側方に流れた後、上記湾曲拡径部を通って上記凹状面に向かって流れることを特徴とする点接合用ツール。
2. 請求項１に記載の点接合用ツールにおいて、
   上記凹状面は、上記ツール本体の上記ピン側の端面における外周縁部を除く部分に形成されていることを特徴とする点接合用ツール。