JP6750562B2 - 接合方法 - Google Patents

Description

本発明は、金属部材同士を摩擦攪拌で接合する接合方法に関する。

例えば、特許文献１には、第一金属部材と第二金属部材を重ね合わせて重合部を形成した後、第二金属部材の表面から回転ツールを挿入して重合部を摩擦攪拌接合する接合方法が記載されている。当該摩擦攪拌接合では、攪拌ピンのみを第二金属部材に接触させた状態で摩擦攪拌を行うというものである。

特開２０１４−９４４０９号公報

従来の接合方法であると、ショルダ部で塑性流動化した金属を押さえないため、塑性流動化した金属が第二金属部材の外部に溢れ出しバリが発生しやすくなる。これにより、切削装置等を用いて第二金属部材からバリを除去するバリ除去工程が煩雑になるという問題がある。

そこで、本発明は、バリを容易に除去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。

前記課題を解決するために、本発明は、攪拌ピンを備えた回転ツールを用いて第一金属部材と第二金属部材とを接合する接合方法であって、前記第一金属部材の裏面と前記第二金属部材の表面とを重ね合わせて重合部を形成する重ね合わせ工程と、前記第一金属部材の表面から回転する前記回転ツールを挿入し、前記攪拌ピンのみを前記第一金属部材に接触させた状態又は、前記第一金属部材及び前記第二金属部材の両方に接触させた状態で前記重合部に沿って前記回転ツールを相対移動させて摩擦攪拌接合を行う第一摩擦攪拌工程と、前記第一摩擦攪拌工程で形成された塑性化領域を境に、前記第一金属部材のうちバリが形成された余剰片部ごと除去する第一除去工程と、前記第二金属部材の裏面から回転する前記回転ツールを挿入し、前記攪拌ピンのみを前記第二金属部材に接触させた状態又は、前記第一金属部材及び前記第二金属部材の両方に接触させた状態で前記重合部に沿って前記回転ツールを相対移動させて摩擦攪拌接合を行う第二摩擦攪拌工程と、前記第二摩擦攪拌工程で形成された塑性化領域を境に、前記第二金属部材のうちバリが形成された余剰片部ごと除去する第二除去工程と、を含むことを特徴とする。

かかる接合方法によれば、第一金属部材と第二金属部材とが接合されるとともに、第一金属部材および第二金属部材のバリを、バリが形成された余剰片部ごと除去することで、バリを容易に除去することができる。さらに、重合部の両面から摩擦攪拌接合を行うので、第一金属部材と第二金属部材との接合強度を高めることができる。

また、前記第一除去工程および前記第二除去工程では、前記塑性化領域に形成された凹溝を境に前記余剰片部を除去することが好ましい。かかる接合方法によれば、余剰片部をさらに容易に除去することができる。

また、前記第一摩擦攪拌工程および前記第二摩擦攪拌工程では、摩擦攪拌接合で発生するバリが前記余剰片部に形成されるように接合条件を設定することが好ましい。かかる接合方法によれば、バリを余剰片部に集約できるので、バリをさらに容易に除去することができる。

また、前記第一摩擦攪拌工程では、摩擦攪拌接合と同時に前記第一金属部材から前記余剰片部が除かれるように接合条件を設定し、前記第一除去工程と前記第一摩擦攪拌工程とが同時に行われることが好ましい。また、前記第二摩擦攪拌工程では、摩擦攪拌接合と同時に前記第二金属部材から前記余剰片部が除かれるように接合条件を設定し、前記第二除去工程と前記第二摩擦攪拌工程とが同時に行われることが好ましい。かかる接合方法によれば、接合サイクルをより短くすることができる。

本発明に係る接合方法によれば、バリを容易に除去することができる。

本発明で用いられる接合用回転ツールを示す側面図である。 本発明の実施形態に係る重ね合わせ工程を示す斜視図である。 実施形態に係る第一摩擦攪拌工程を示す斜視図である。 実施形態に係る第一摩擦攪拌工程を示す断面図である。 実施形態に係る第一摩擦攪拌工程後を示す断面図である。 実施形態に係る第一除去工程を示す断面図である。 実施形態に係る第二摩擦攪拌工程を示す斜視図である。 実施形態に係る第二摩擦攪拌工程を示す断面図である。 実施形態に係る第二摩擦攪拌工程後を示す断面図である。 実施形態に係る第二除去工程を示す断面図である。 本発明に係る接合方法で第一金属部材と第二金属部材が接合された状態を示す断面図である。

本発明の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接合用回転ツールＦについて説明する。

図１に示すように、接合用回転ツールＦは、連結部Ｆ１と、攪拌ピンＦ２とで構成されている。接合用回転ツールＦは、特許請求の範囲の「回転ツール」に相当する。接合用回転ツールＦは、例えば工具鋼で形成されている。連結部Ｆ１は、摩擦攪拌装置の回転軸（図示省略）に連結される部位である。連結部Ｆ１は円柱状を呈している。

攪拌ピンＦ２は、連結部Ｆ１から垂下しており、連結部Ｆ１と同軸になっている。攪拌ピンＦ２は連結部Ｆ１から離間するにつれて先細りの円錐台形状になっている。攪拌ピンＦ２の外周面には螺旋溝が刻設されている。本実施形態では、接合用回転ツールＦを右回転させるため、螺旋溝は、基端から先端に向かうにつれて左回りに形成されている。言い換えると、螺旋溝は、螺旋溝を基端から先端に向けてなぞると上から見て左回りに形成されている。

なお、接合用回転ツールＦを左回転させる場合は、螺旋溝を基端から先端に向かうにつれて右回りに形成することが好ましい。言い換えると、この場合の螺旋溝は、螺旋溝を基端から先端に向けてなぞると上から見て右回りに形成されている。螺旋溝をこのように設定することで、摩擦攪拌の際に塑性流動化した金属が螺旋溝によって攪拌ピンＦ２の先端側に導かれる。これにより、被接合金属部材（後記する第一金属部材１及び第二金属部材２）の外部に溢れ出る金属の量を少なくすることができる。螺旋溝は省略してもよい。

接合用回転ツールＦを用いて摩擦攪拌接合をする際には、まず、二つの被接合金属部材を重ね合わせて摩擦攪拌装置用の架台（図示省略）に載置し、治具によって被接合金属部材を固定する。次に、摩擦攪拌装置および回転ツールのうち、回転した攪拌ピンＦ２のみを挿入し、被接合金属部材と連結部Ｆ１とは離間させつつ移動させる。言い換えると、被接合金属部材から発生するバリ等も連結部Ｆ１に接触しないように、攪拌ピンＦ２の基端部は十分に露出させた状態で摩擦攪拌接合を行う。即ち、摩擦攪拌装置および回転ツールのうち、回転ツールの攪拌ピンＦ２のみを被接合金属部材に接触させた状態で摩擦攪拌接合を行う。

次に、本発明の第一実施形態に係る接合方法について説明する。本実施形態に係る接合方法では、重ね合わせ工程と、第一摩擦攪拌工程と、第一除去工程と、反転工程と、第二摩擦攪拌工程と、第二除去工程と、を行う。なお、下記の説明における「表面」とは、「裏面」の反対側の面という意味である。

重ね合わせ工程は、図２に示すように、第一金属部材１と第二金属部材２とを重ね合わせる工程である。第一金属部材１及び第二金属部材２は、金属製の板状部材である。第一金属部材１及び第二金属部材２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。第一金属部材１及び第二金属部材２の板厚は同等になっている。第一金属部材１及び第二金属部材２の板厚は適宜設定すればよい。

重ね合わせ工程では、第一金属部材１の裏面１ｂの一部と、第二金属部材２の表面２ａの一部とを重ね合わせて重合部Ｊ１を形成する。重ね合わせ工程では、第二金属部材２の左側（接合用回転ツールＦの進行方向（図３参照）に対して左側）の端面２ｃを第一金属部材１の裏面１ｂの下に位置させるとともに、第一金属部材１の右側の端面１ｄを第二金属部材２の表面２ａの上に位置させる。重ね代は特に制限されないが、本実施形態では約20ｍｍに設定した。

第一摩擦攪拌工程は、図３に示すように、重合部Ｊ１を第一金属部材１の表面１ａ側から摩擦攪拌接合する工程である。第一摩擦攪拌工程では、第一金属部材１の表面１ａから右回転させた接合用回転ツールＦを挿入し、重合部Ｊ１に沿って接合用回転ツールＦを相対移動させる。接合用回転ツールＦの進行方向は、第一金属部材１の端面１ｄが接合用回転ツールＦの右側に位置するように設定する。接合用回転ツールＦの回転速度は適宜設定すればよいが、1000〜20000ｒｐｍであれば好ましく、3000〜17500ｒｐｍであればより好ましい。

接合用回転ツールＦの送り速度（接合速度）は、適宜設定すればよいが、400〜2000ｍｍ／ｍｉｎであれば好ましく、600〜1800ｍｍ／ｍｉｎであればより好ましく、1000〜1800ｍｍ／ｍｉｎであるとさらにより好ましい。接合用回転ツールＦの移動軌跡には塑性化領域Ｗが形成される。塑性化領域Ｗは、第二金属部材２に達するように形成されている。

図４に示すように、接合用回転ツールＦの攪拌ピンＦ２の挿入深さは、適宜設定すればよいが、本実施形態では第一金属部材１及び第二金属部材２の両方に接触するように設定している。第一金属部材１及び第二金属部材２の両方が摩擦攪拌されることにより、重合部Ｊ１近傍の第一金属部材１及び第二金属部材２の金属が塑性流動化して接合される。

なお、接合用回転ツールＦの攪拌ピンＦ２の挿入深さは、攪拌ピンＦ２が第一金属部材１のみに接触するように設定してもよい。この場合、塑性化領域Ｗが第二金属部材２に達する深さまで、攪拌ピンＦ２を挿入する。

図５に示すように、第一摩擦攪拌工程後の塑性化領域Ｗの表面には、塑性化領域Ｗの延長方向に亘って凹溝Ｐが形成される。凹溝Ｐは、より深くえぐられる部位であって本実施形態ではＲｅ側（Retreating side）に形成される。Ｒｅ側とは、本実施形態では接合用回転ツールＦを右回転させているため、進行方向右側となる。より詳しくは、Ｒｅ側とは、接合用回転ツールＦの外周における接線速度の大きさから送り速度の大きさが減算される側である。一方、接合線Ｃを挟んでＲｅ側とは反対側がＡｄ側（Advancing side）となる。Ａｄ側とは、接合用回転ツールＦの外周における接線速度の大きさに送り速度の大きさが加算される側である。

例えば、回転ツールＦの回転速度が遅い場合では、塑性化領域ＷのＲｅ側に比べてＡｄ側の方が塑性流動材の温度が上昇しやすくなるため、Ａｄ側にバリＶが多く発生する傾向にある。一方、例えば、回転ツールＦの回転速度が速い場合、Ａｄ側の方が塑性流動材の温度が上昇するものの、回転速度が速い分、Ｒｅ側にバリＶが発生する傾向にある。

本実施形態では、回転ツールＦの回転速度を速く設定しているため、Ｒｅ側即ち余剰片部１０側にバリＶが発生する。つまり、本実施形態ではバリＶが余剰片部１０側に多く形成されるように回転ツールＦの回転速度、回転方向及び進行方向等の接合条件を設定している。

図５に示すように、塑性化領域ＷのうちＲｅ側、特に、凹溝Ｐの部位は金属不足が多くなっている。一方、塑性化領域ＷのうちＡｄ側の金属不足は少なくなっている。Ｒｅ側の第一金属部材１の表面１ａにはバリＶが形成されている。バリＶは塑性化領域Ｗの延長方向に沿って連続的に形成されている。凹溝Ｐの最深部における鉛直方向線が破断線Ｌ１となる。本実施形態では、第一金属部材１のうち破断線Ｌ１よりも端面１ｄ側の部位が余剰片部１０となっている。余剰片部１０とは、第一金属部材１のうち、接合後に第一金属部材１から取り除かれる部位である。第一摩擦攪拌工程では、余剰片部１０側（Ｒｅ側）に凹溝Ｐ及びバリＶが発生するように接合用回転ツールＦの回転方向及び進行方向、さらには回転速度、送り速度及び挿入深さ等の接合条件を設定する。

第一除去工程は、図５，６に示すように、第一金属部材１のうちバリＶが形成された余剰片部１０ごと除去する工程である。図５に示すように、第一除去工程では、凹溝Ｐ（破断線Ｌ１）を境に、第一金属部材１のうち余剰片部１０を第二金属部材２から離間する方向に折り曲げる。これにより、図６に示すように、凹溝Ｐ（破断線Ｌ１）を境に余剰片部１０が切断される。

反転工程は、第一摩擦攪拌工程で接合された第一金属部材１と第二金属部材２を反転させる工程である。第一摩擦攪拌工程では、第一金属部材１の表面１ａと第二金属部材２の表面２ａがそれぞれ上側になっていたが、反転工程では、第一金属部材１の裏面１ｂと第二金属部材２の裏面２ｂがそれぞれ上側になるように反転する。

第二摩擦攪拌工程は、図７に示すように、重合部Ｊ１を第二金属部材２の裏面２ｂ側から摩擦攪拌接合する工程である。第二摩擦攪拌工程では、第二金属部材２の裏面２ｂから右回転させた接合用回転ツールＦを挿入し、重合部Ｊ１に沿って接合用回転ツールＦを相対移動させる。接合用回転ツールＦの進行方向は、第二金属部材２の端面２ｃが接合用回転ツールＦの右側に位置するように設定する。接合用回転ツールＦの回転速度、送り速度（接合速度）は第一摩擦攪拌工程と同じである。接合用回転ツールＦの移動軌跡には塑性化領域Ｗが形成される。塑性化領域Ｗは、第一金属部材１に達するように形成されている。

図８に示すように、接合用回転ツールＦの攪拌ピンＦ２の挿入深さは、適宜設定すればよいが、本実施形態では第一金属部材１及び第二金属部材２の両方に接触するように設定している。第一金属部材１及び第二金属部材２の両方が摩擦攪拌されることにより、重合部Ｊ１近傍の第一金属部材１及び第二金属部材２の金属が塑性流動化して接合される。なお、接合用回転ツールＦの攪拌ピンＦ２の挿入深さは、攪拌ピンＦ２が第二金属部材２のみに接触するように設定してもよい。この場合、塑性化領域Ｗが第一金属部材１に達する深さまで、攪拌ピンＦ２を挿入する。

図９に示すように、第二摩擦攪拌工程後の塑性化領域Ｗの表面には、塑性化領域Ｗの延長方向に亘って凹溝Ｐが形成される。凹溝Ｐの形状は、第一摩擦攪拌工程で形成された凹溝Ｐと同様である。つまり、第二摩擦攪拌工程では、余剰片部１１側（Ｒｅ側）に凹溝Ｐ及びバリＶが発生するように接合用回転ツールＦの回転方向及び進行方向、さらには回転速度、送り速度及び挿入深さ等の接合条件を設定する。

第二除去工程は、図１０に示すように、第二金属部材２のうちバリＶが形成された余剰片部１１ごと除去する工程である。第二除去工程では、凹溝Ｐ（破断線Ｌ１）を境に、第二金属部材２のうち余剰片部１１を、第一金属部材１から離間する方向に折り曲げる。これにより、図１１に示すように、凹溝Ｐ（破断線Ｌ１）を境に余剰片部１１が切断される。

以上説明したように本実施形態に係る接合方法によれば、第一金属部材１と第二金属部材２とが接合されるとともに、第一金属部材１と第二金属部材２のバリＶを、余剰片部１０（１１）ごと除去することで、バリＶを容易に除去することができる。また、塑性化領域Ｗのうち接合線Ｃ付近及びＡｄ側は金属不足が少なく強固に接合されている。

また、塑性化領域Ｗに形成された凹溝Ｐを境に除去することにより、余剰片部１０（１１）をきれいにかつ容易に除去することができる。機械装置又は治具等で余剰片部１０（１１）を除去してもよいが、本実施形態によれば人手で折り曲げるだけで簡単に余剰片部１０（１１）を除去することができる。

また、第一摩擦攪拌工程および第二摩擦攪拌工程で、摩擦攪拌接合で発生するバリが余剰片部１０（１１）に形成されるように接合条件を設定しているので、バリＶを余剰片部１０（１１）に集約することができる。これによって、余剰片部１０（１１）を除去するだけでバリＶの除去をすることができる。さらに、余剰片部１０（１１）を除去した後の塑性化領域Ｗの仕上げ作業が容易になる。

さらに、重合部Ｊ１の両面から摩擦攪拌接合を行うので、塑性化領域Ｗが両面に形成される。また、重合部Ｊ１を挟んで塑性化領域Ｗが二列形成されるので、重合部Ｊ１が開くことがない。したがって、第一金属部材と第二金属部材との接合強度を高めることができる。

以上本発明の第一実施形態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、前記実施形態では、回転ツールＦの回転速度を速く設定してＲｅ側にバリＶが発生するように接合条件を設定しているが、これに限定されるものではない。回転ツールＦの回転速度を遅くして、Ａｄ側に多くのバリを発生させるようにしてもよい。また、回転ツールＦの回転方向や進行方向を適宜変更して、余剰片部側にバリが発生するようにしてもよい。

また、第一摩擦攪拌工程で、摩擦攪拌接合と同時に第一金属部材１から余剰片部１０が除かれるように接合条件を設定するとともに、第二摩擦攪拌工程で、摩擦攪拌接合と同時に第二金属部材２から余剰片部１１が除かれるように接合条件を設定してもよい。具体的には、第一摩擦攪拌工程（第二摩擦攪拌工程）での摩擦攪拌接合で形成される塑性化領域Ｗの凹溝Ｐの深さ寸法が第一金属部材１（第二金属部材２）の厚さ寸法と同等になるように、接合用回転ツールＦの回転速度、送り速度及び挿入深さ等接合条件を設定する。このように設定することで、摩擦攪拌接合を行いながら、余剰片部１０（１１）が第一金属部材１（第二金属部材２）から切り離されて除かれる。これによって、第一除去工程と第一摩擦攪拌工程とが同時に行われ、また第二除去工程と第二摩擦攪拌工程とが同時に行われる。よって、接合サイクルをより短くすることができる。

１ 第一金属部材
１ａ 表面
１ｂ 裏面
２ 第二金属部材
２ａ 表面
２ｂ 裏面
１０ 余剰片部
１１ 余剰片部
Ｆ 接合用回転ツール（回転ツール）
Ｆ１ 連結部
Ｆ２ 攪拌ピン
Ｊ１ 重合部
Ｐ 凹溝
Ｖ バリ
Ｗ 塑性化領域

Claims (5)

1. 攪拌ピンを備えた回転ツールを用いて第一金属部材と第二金属部材とを接合する接合方法であって、
   前記第一金属部材の裏面と前記第二金属部材の表面とを重ね合わせて重合部を形成する重ね合わせ工程と、
   前記第一金属部材の表面から回転する前記回転ツールを挿入し、前記攪拌ピンのみを前記第一金属部材に接触させた状態又は、前記第一金属部材及び前記第二金属部材の両方に接触させた状態で前記重合部に沿って前記回転ツールを相対移動させて摩擦攪拌接合を行う第一摩擦攪拌工程と、
   前記第一摩擦攪拌工程で形成された塑性化領域を境に、前記第一金属部材のうちバリが形成された余剰片部ごと除去する第一除去工程と、
   前記第二金属部材の裏面から回転する前記回転ツールを挿入し、前記攪拌ピンのみを前記第二金属部材に接触させた状態又は、前記第一金属部材及び前記第二金属部材の両方に接触させた状態で前記重合部に沿って前記回転ツールを相対移動させて摩擦攪拌接合を行う第二摩擦攪拌工程と、
   前記第二摩擦攪拌工程で形成された塑性化領域を境に、前記第二金属部材のうちバリが形成された余剰片部ごと除去する第二除去工程と、を含むことを特徴とする接合方法。
2. 前記第一除去工程および前記第二除去工程では、前記塑性化領域に形成された凹溝を境に前記余剰片部を除去することを特徴とする請求項１に記載の接合方法。
3. 前記第一摩擦攪拌工程および前記第二摩擦攪拌工程では、摩擦攪拌接合で発生するバリが前記余剰片部に形成されるように接合条件を設定することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の接合方法。
4. 前記第一摩擦攪拌工程では、摩擦攪拌接合と同時に前記第一金属部材から前記余剰片部が除かれるように接合条件を設定し、前記第一除去工程と前記第一摩擦攪拌工程とが同時に行われることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の接合方法。
5. 前記第二摩擦攪拌工程では、摩擦攪拌接合と同時に前記第二金属部材から前記余剰片部が除かれるように接合条件を設定し、前記第二除去工程と前記第二摩擦攪拌工程とが同時に行われることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の接合方法。

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