JP6704768B2 - 摩擦攪拌接合方法 - Google Patents

Description

本発明は、摩擦攪拌接合方法に関する。

一対の金属板を１８０°の角度をなす直線状ではなく、９０°等の１８０°以外の接合角をなすように摩擦攪拌接合により接合する技術が提案されている。例えば、特許文献１には、一対の金属板の裏面が９０°の角度をなすように一対の金属板を互いに突き合わせ、９０°の角度をなす金属板の裏面を裏当材で支持し、金属板の表面の側から、一対の金属板が突き合わされた部位に回転ツールを挿入することにより、一対の金属板を摩擦攪拌接合により接合する技術が開示されている。

特開２００３‐００１４４０号公報

ところで、摩擦攪拌接合では、回転ツールからの荷重により、一対の金属板が突き合わされた部位から金属板の裏面側に金属板の金属材料が押し出される。一対の金属板を１８０°の角度をなすように直線状に接合する場合には、平板状の裏当材により一対の金属板が突き合わされた部位の裏面側を完全に覆い、回転ツールからの荷重により押し出された金属板の金属材料を受けることが可能である。

しかし、一対の金属板を９０°等の１８０°以外の接合角をなすように接合する場合には、一対の金属板が突き合わされた部位の裏面側を完全に覆うことができないため、回転ツールからの荷重により押し出された金属板の金属材料を完全に受けて、金属材料の逃げを押さえることができない。このため、一対の金属板が突き合わされた部位の裏面側には、元の金属板の金属材料同士の界面の一部が接合されず、未接合部が残存することがある。このような未接合部は、疲労亀裂や静的な破壊の起点になる可能性があり、改善が望まれている。

そこで本発明は、一対の金属板を１８０°以外の接合角をなすように接合する場合に、より良好な接合を得ることができる摩擦攪拌接合方法を提供することを目的とする。

本発明は、第１表面と、第１表面に平行な第１裏面と、第１表面と第１裏面との間で第１表面と第１裏面とに交差する第１接合端面と、第１裏面と第１接合端面とが交差する部位に第１裏面の内側に窪んだ切欠き部とを有する第１金属板と、第２表面と、第２表面に平行な第２裏面と、第２表面と第２裏面との間で第２表面と第２裏面とに交差する第２接合端面とを有する第２金属板とに対して、第１接合端面と第２表面とが沿うように切欠き部に第２接合端面を当接させつつ、第１接合端面及び第２表面の側から切欠き部と第２接合端面との間に円柱状の回転ツールの先端を回転させつつ挿入し、切欠き部と第２接合端面との間に沿って回転ツールを回転させつつ移動させることにより、第１裏面と第２裏面とが１８０°未満の接合角をなすように第１金属板と第２金属板とを接合する摩擦攪拌接合方法である。

この構成によれば、第１金属板は、第１裏面と第１接合端面とが交差する部位に第１裏面の内側に窪んだ切欠き部を有し、第１接合端面と第２表面とが沿うように切欠き部に第２接合端面を当接させつつ、第１接合端面及び第２表面の側から切欠き部と第２接合端面との間に回転ツールを回転させつつ挿入することにより、第１裏面と第２裏面とが１８０°未満の接合角をなすように第１金属板と第２金属板とが接合される。第１裏面の内側に窪んだ切欠き部に第２接合端面を当接させることにより金属材料の逃げを押さえるとともに、第１裏面の内側に窪んだ切欠き部と第２接合端面との間に回転ツールを回転させつつ挿入することにより、回転ツールの速度が０となる回転軸は第１裏面の内側に位置し、回転ツールの速度がより大きい回転ツールの外周部の位置は第１裏面に重なるため、より良好な接合を得ることができる。

この場合、回転ツールの回転方向と移動方向とが一致する側に第１接合端面が位置するようにし、回転ツールの回転方向と移動方向とが反対となる側に第２表面が位置するようにすることが好適である。

この構成によれば、回転ツールの回転方向と移動方向とが一致する側に第１接合端面が位置するようにし、回転ツールの回転方向と移動方向とが反対となる側に第２表面が位置するようにすることにより、さらに良好な接合を得ることができる。

また、回転ツールは、円柱状の本体部と、本体部の先端に本体部よりも直径が小さい円柱状のプローブ部とを有し、切欠き部の第１裏面から窪んだ深さは、プローブ部の直径の１／４以上であって１／２未満であることが好適である。

この構成によれば、切欠き部の第１裏面から窪んだ深さが、プローブ部の直径の１／４以上であって１／２未満であることにより、プローブ部の外周部の位置は第１裏面に重なるため、さらに良好な接合を得ることができる。

本発明の摩擦攪拌接合方法によれば、一対の金属板を１８０°以外の接合角をなすように接合する場合に、より良好な接合を得ることができる。

実施形態に係る摩擦攪拌接合方法における金属板同士を当接させた状態を示す図である。 図１の金属板同士が当接している部位に回転ツールを挿入した状態を示す図である。 実施形態に係る摩擦攪拌接合方法における回転ツールの回転方向と移動方向とを示す斜視図である。 従来の摩擦攪拌接合方法において、金属板同士を当接させた状態を示す図である。 （Ａ），（Ｂ），（Ｃ）及び（Ｄ）は、実施形態に係る摩擦攪拌接合方法において、回転ツールの移動方向に対する回転方向と、プローブ部の挿入位置とをそれぞれ変更した状態を示す斜視図である。 （Ａ），（Ｂ），（Ｃ）及び（Ｄ）は、従来の摩擦攪拌接合方法において、回転ツールの移動方向に対する回転方向と、プローブ部の挿入位置とをそれぞれ変更した状態を示す斜視図である。 実施形態に係る摩擦攪拌接合方法により接合された部位を示す図である。 （Ａ），（Ｂ）及び（Ｃ）のそれぞれは、図５（Ａ）、図５（Ｂ）及び図５（Ｃ）に示す摩擦攪拌接合方法により接合された部位を拡大して示す図である。 （Ａ），（Ｂ），（Ｃ）及び（Ｄ）のそれぞれは、図６（Ａ）、図６（Ｂ）、図６（Ｃ）及び図６（Ｄ）に示す摩擦攪拌接合方法により接合された部位を拡大して示す図である。

以下、本発明の実施形態に係る摩擦攪拌接合方法について、図面を用いて詳細に説明する。

図１に示すように、本実施形態の摩擦攪拌接合方法では、第１金属板１０と第２金属板２０とを摩擦攪拌接合により接合する。第１金属板１０及び第２金属板２０は、直方体の形状を有する平板である。第１金属板１０及び第２金属板２０は、例えば、Ａｌ合金、Ｍｇ合金、Ｆｅ合金により形成されている。

第１金属板１０は、第１表面１１と、第１表面１１に平行な第１裏面１２と、第１表面１１と第１裏面１２との間で第１表面１１と第１裏面１２とに交差する第１接合端面１３とを有する。本実施形態では、第１金属板１０は、第１裏面１２と第１接合端面１３とが交差する部位に第１裏面１２の内側に窪んだ切欠き部１５とを有する。切欠き部１５の第１裏面１２の内側に窪んだ面は、第１裏面１２と平行である。

第２金属板２０は、第２表面２１と、第２表面２１に平行な第２裏面２２と、第２表面２１と第２裏面２２との間で第２表面２１と第２裏面２２とに交差する第２接合端面２３とを有する。

第１金属板１０と第２金属板２０とに対して、第１接合端面１３と第２表面２１とが沿うように切欠き部１５に第２接合端面２３が当接させられる。第１金属板１０の第１裏面１２と第２金属板２０の第２裏面２２とは、１８０°未満の接合角θをなす。

第１接合端面１３と第２表面２１とが沿うとは、例えば、第１接合端面１３と第２表面２１とが同一平面上に位置することを意味する。また、第１接合端面１３と第２表面２１とが沿うとは、例えば、第１接合端面１３と第２表面２１とが平行であって、１〜５［ｍｍ］以内の距離を隔てて位置していることを含む。また、第１接合端面１３と第２表面２１とが沿うとは、第１接合端面１３と第２表面２１とが平行ではなく、例えば、第１接合端面１３と第１裏面１２とが交差する辺と、第２表面２１と第２接合端面２３とが交差する辺とが１〜５［ｍｍ］以内の距離を隔てて位置しつつ、第１接合端面１３と第１裏面１２とが交差する辺が第２接合端面２３に接触している状態や、第２表面２１と第２接合端面２３とが交差する辺が切り欠き部１５に接触している状態を含む。

また、図１の例では、接合角θは９０°であるが、例えば、接合角θは、１５０°、１３５°、１２０°、６０°、４５°及び３０°等の１８０°未満の任意の角度とすることができる。第１裏面１２と第２裏面２２とが接合角θをなすように、切欠き部１５に第２接合端面２３を当接させた場合に、第２接合端面２３の全面が切欠き部１５に当接するように、第２裏面２２と第２接合端面２３とのなす角度は、（１８０°−接合角θ）であり、切欠き部１５の第１裏面１２に平行な方向に沿った長さは、第２接合端面２３の第１裏面１２に平行な方向に沿った長さと等しいことが好ましい。

図２及び図３に示すように、本実施形態の摩擦攪拌接合方法では、第１接合端面１３及び第２表面２１の側から切欠き部１５と第２接合端面２３との間に円柱状の回転ツール５０の先端を回転させつつ挿入し、切欠き部１５と第２接合端面２３との間に沿って回転ツール５０を回転させつつ移動させることにより、第１裏面１２と第２裏面２２とが１８０°未満の接合角θをなすように第１金属板１０と第２金属板２０とが接合される。

なお、切欠き部１５と第２接合端面２３との間に円柱状の回転ツール５０の先端を回転させつつ挿入するとは、切欠き部１５と第２接合端面２３とが互いに当接する面と、回転ツール５０の回転軸とが一致する状態のみならず、少なくとも切欠き部１５と第２接合端面２３とが互いに当接する面と、プローブ部５２が接触する範囲とが重なる状態を含む。

回転ツール５０は、円柱形状を有する本体部５１の先端の中央部に本体部５１よりも小さな直径の円柱状のプローブ部５２を有する。回転ツール５０は、例えば、炭素鋼、工具鋼又はＳｉ_３Ｎ_４等のセラミックスから形成されている。本実施形態の摩擦攪拌接合方法では、図２に示すように、切欠き部１５の第１裏面１２から窪んだ深さｄは、プローブ部５２の直径Ｄの１／４以上であって１／２未満であることが好ましい。また、プローブ部５２が接触する範囲と切欠き部１５の範囲とが重なることが好ましい。

また、本実施形態の摩擦攪拌接合方法では、図３に示すように、回転ツール５０の回転方向Ｒと移動方向Ｊとが一致する側に第１接合端面１３が位置するようにし、回転ツール５０の回転方向Ｒと移動方向Ｊとが反対となる側に第２表面２１が位置するようにすることが好ましい。

従来は、図４に示すように、第１表面１１と第１裏面１２と第１接合端面１３とを有する平板状の第１金属板１０と、第２表面２１と第１裏面１２と第２接合端面２３とを有する平板状の第２金属板２０とに対して、第１裏面１２と第２裏面２２とが１８０°未満の接合角θをなすように第１金属板１０と第２金属板２０とを接合する摩擦攪拌接合方法が行われている。

しかし、この方法では、第１裏面１２と第２接合端面２３との間の第１裏面１２及び第２裏面２２の側を完全に覆うことができないため、回転ツール５０からの荷重により押し出された金属材料を完全に受けて、金属材料の逃げを押さえることができない。このため、第１裏面１２と第２接合端面２３との間の第１裏面１２及び第２裏面２２の側には、元の金属板の金属材料同士の界面の一部が接合されず、未接合部が残存することがある。このような未接合部は、疲労亀裂や静的な破壊の起点になる可能性がある。

一方、本実施形態によれば、第１金属板１０は、第１裏面１２と第１接合端面１３とが交差する部位に第１裏面１２の内側に窪んだ切欠き部１５を有し、第１接合端面１３と第２表面２１とが沿うように切欠き部１５に第２接合端面２３を当接させつつ、第１接合端面１３及び第２表面２１の側から切欠き部１５と第２接合端面２３との間に回転ツール５０を回転させつつ挿入することにより、第１裏面１２と第２裏面２２とが１８０°未満の接合角θをなすように第１金属板１０と第２金属板２０とが接合される。第１裏面１２の内側に窪んだ切欠き部１５に第２接合端面２３を当接させることにより金属材料の逃げを押さえるとともに、第１裏面１２の内側に窪んだ切欠き部１５と第２接合端面２３との間に回転ツール５０を回転させつつ挿入することにより、回転ツール５０の速度が０となる回転軸は第１裏面１２の内側に位置し、回転ツール５０の速度がより大きい回転ツール５０の外周部の位置は第１裏面１２に重なるため、より良好な接合を得ることができる。

Ｌ字の継手をアーク溶接で製作する場合には、歪みが多いため、予め金属板に反りを与えたりする等の処理が必要となり、工作精度を確保することが難しい。一方、本実施形態の摩擦攪拌接合方法によりＬ字の継手を製作することにより、摩擦攪拌接合は歪みが少ないため、より工作精度が向上する。また、Ｌ字の継手をアーク溶接で製作する場合には、裏面に余盛りが生じるが、本実施形態の摩擦攪拌接合方法によりＬ字の継手を製作することにより、第１裏面１２及び第２裏面２２に余盛りの無いＬ字の継手を製作することができる。

また、本実施形態によれば、回転ツール５０の回転方向Ｒと移動方向Ｊとが一致する側に第１接合端面１３が位置するようにし、回転ツール５０の回転方向Ｒと移動方向Ｊとが反対となる側に第２表面２１が位置するようにすることにより、さらに良好な接合を得ることができる。

また、本実施形態によれば、切欠き部１５の第１裏面１２から窪んだ深さｄが、プローブ部５２の直径Ｄの１／４以上であって１／２未満であることにより、プローブ部５２の外周部の位置は第１裏面１２に重なるため、さらに良好な接合を得ることができる。

（実験例）
以下、本発明の実験例について説明する。図５（Ａ）、図５（Ｂ）、図５（Ｃ）及び図５（Ｄ）のそれぞれに示すようにして、Ａｌ合金の第１金属板１０と第２金属板２０とを第１裏面１２と第２裏面２２とが９０°の接合角θをなすように摩擦攪拌接合によりそれぞれ接合した。切欠き部１５の第１裏面１２から窪んだ深さｄは、プローブ部５２の直径Ｄの１／４である。

図５（Ａ）では、回転方向Ｒと移動方向Ｊとが一致する側に第１接合端面１３が位置し、回転方向Ｒと移動方向Ｊとが反対となる側に第２表面２１が位置し、切欠き部１５と第２接合端面２３とが互いに当接する面と、回転ツール５０の回転軸とが一致する。図５（Ｂ）では、回転方向Ｒと移動方向Ｊとが反対となる側に第１接合端面１３が位置し、回転方向Ｒと移動方向Ｊとが一致する側に第２表面２１が位置し、切欠き部１５と第２接合端面２３とが互いに当接する面と、回転ツール５０の回転軸とが一致する。

図５（Ｃ）では、回転方向Ｒと移動方向Ｊとが一致する側に第１接合端面１３が位置し、回転方向Ｒと移動方向Ｊとが反対となる側に第２表面２１が位置し、第１裏面１２と回転ツール５０の回転軸とが一致する。図５（Ｄ）では、回転方向Ｒと移動方向Ｊとが反対となる側に第１接合端面１３が位置し、回転方向Ｒと移動方向Ｊとが一致する側に第２表面２１が位置し、第１裏面１２と回転ツール５０の回転軸とが一致する。

また、図６（Ａ）、図６（Ｂ）、図６（Ｃ）及び図６（Ｄ）のそれぞれに示すようにして、従来の摩擦攪拌接合方法により、Ａｌ合金の第１金属板１０と第２金属板２０とを第１裏面１２と第２裏面２２とが９０°の接合角θをなすように摩擦攪拌接合によりそれぞれ接合した。

図６（Ａ）では、回転方向Ｒと移動方向Ｊとが一致する側に第１接合端面１３が位置し、回転方向Ｒと移動方向Ｊとが反対となる側に第２表面２１が位置し、第１裏面１２と回転ツール５０の回転軸とが一致する。図６（Ｂ）では、回転方向Ｒと移動方向Ｊとが反対となる側に第１接合端面１３が位置し、回転方向Ｒと移動方向Ｊとが一致する側に第２表面２１が位置し、第１裏面１２と回転ツール５０の回転軸とが一致する。

図６（Ｃ）では、回転方向Ｒと移動方向Ｊとが一致する側に第１接合端面１３が位置し、回転方向Ｒと移動方向Ｊとが反対となる側に第２表面２１が位置し、回転ツール５０の回転軸がプローブ部５２の直径Ｄの１／４だけ第１裏面１２の内側に位置する。図６（Ｄ）では、回転方向Ｒと移動方向Ｊとが反対となる側に第１接合端面１３が位置し、回転方向Ｒと移動方向Ｊとが一致する側に第２表面２１が位置し、回転ツール５０の回転軸がプローブ部５２の直径Ｄの１／４だけ第１裏面１２の内側に位置する。

図５（Ａ）の方法による第１金属板１０及び第２金属板２０の第１裏面１２、第１接合端面１３、第２表面２１及び第２裏面２２の状態は、図７に示すようになった。図５（Ａ）、図５（Ｂ）及び図５（Ｃ）の方法による第１金属板１０と第２金属板２０との接合面を拡大した状態を図８（Ａ）、図８（Ｂ）及び図８（Ｃ）にそれぞれ示す。図８（Ａ）、図８（Ｂ）及び図８（Ｃ）のそれぞれに示すように、いずれも未接合部は生じていなかった。また、図５（Ａ）、図５（Ｂ）及び図５（Ｃ）の方法の順に接合面の状態が良好であった。図５（Ｄ）の方法による第１金属板１０と第２金属板２０との接合面には、わずかに未接合部が生じていたが、未接合部以外の接合面の状態は良好であった。

一方、図６（Ａ）、図６（Ｂ）、図６（Ｃ）及び図６（Ｄ）の方法による第１金属板１０と第２金属板２０との接合面を拡大した状態を図９（Ａ）、図９（Ｂ）、図９（Ｃ）及び図９（Ｄ）にそれぞれ示す。いずれの接合面にも、大きな未接合部Ｃが生じていることが判る。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されることなく様々な形態で実施される。

１０…第１金属板、１１…第１表面、１２…第１裏面、１３…第１接合端面、１５…切欠き部、２０…第２金属板、２１…第２表面、２２…第２裏面、５０…回転ツール、５１…本体部、５２…プローブ部、Ｒ…回転方向、Ｊ…移動方向、θ…接合角、ｄ…深さ、Ｄ…直径、Ｃ…未接合部。

Claims (2)

1. 第１表面と、前記第１表面に平行な第１裏面と、前記第１表面と前記第１裏面との間で前記第１表面と前記第１裏面とに交差する第１接合端面と、前記第１裏面と前記第１接合端面とが交差する部位に前記第１裏面の内側に窪んだ切欠き部と、を有する第１金属板と、
   第２表面と、前記第２表面に平行な第２裏面と、前記第２表面と前記第２裏面との間で前記第２表面と前記第２裏面とに交差する第２接合端面と、を有する第２金属板とに対して、
   前記第１接合端面と前記第２表面とが沿うように前記切欠き部に前記第２接合端面を当接させつつ、前記第１接合端面及び前記第２表面の側から前記切欠き部と前記第２接合端面との間に円柱状の回転ツールの先端を回転させつつ挿入し、前記切欠き部と前記第２接合端面との間に沿って前記回転ツールを回転させつつ移動させることにより、前記第１裏面と前記第２裏面とが１８０°未満の接合角をなすように前記第１金属板と前記第２金属板とを接合し、
   前記回転ツールは、円柱状の本体部と、前記本体部の先端に前記本体部よりも直径が小さい円柱状のプローブ部とを有し、
   前記切欠き部の前記第１裏面から窪んだ深さは、前記プローブ部の直径の１／４以上であって１／２未満である、摩擦攪拌接合方法。
2. 前記回転ツールの回転方向と移動方向とが一致する側に前記第１接合端面が位置するようにし、前記回転ツールの回転方向と移動方向とが反対となる側に前記第２表面が位置するようにする、請求項１に記載の摩擦攪拌接合方法。