JP6756105B2 - 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とを断面Ｌ字状に突き合わせて突合せ部を形成した後、内隅部に回転ツールを挿入して突合せ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、攪拌ピンのみを第一金属部材及び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２０１３−４９０７２号公報

従来の接合方法であると、塑性流動化した金属をショルダ部で押さえないため、塑性流動化した金属が外部に溢れ出し接合部が金属不足になるという問題がある。

そこで、本発明は、接合部の金属不足を防ぐ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、前記第一金属部材と前記第二金属部材とを断面略Ｌ字状又は略Ｔ字状に突き合わせて突合せ部を形成する突合せ工程と、前記第一金属部材と前記第二金属部材との内隅部において、前記第一金属部材又は前記第二金属部材に面接触するように一の板状の補助部材を配置する配置工程と、回転する前記攪拌ピンを前記内隅部に挿入し、前記攪拌ピンのみを前記第一金属部材、前記第二金属部材及び前記補助部材に接触させた状態で前記内隅部に沿って前記回転ツールを相対移動させて前記第一金属部材、前記第二金属部材及び前記補助部材を接合する摩擦攪拌工程と、バリが形成された前記補助部材を前記第一金属部材又は前記第二金属部材から除去する除去工程と、を含み、前記摩擦攪拌工程では、摩擦攪拌接合で発生するバリが前記補助部材に形成されるように、前記回転ツールの回転方向及び進行方向を設定することを特徴とする。

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、第一金属部材及び第二金属部材に加え、補助部材も同時に摩擦攪拌接合することにより、接合部の金属不足を防ぐことができる。
また、かかる接合方法によれば、バリが形成された補助部材ごと除去できるのでバリを容易に除去することができる。
また、かかる接合方法によれば、バリを除去する作業をより容易に行うことができる。

また、前記配置工程では、前記第一金属部材、前記第二金属部材及び前記補助部材を治具を用いて移動不能に拘束することが好ましい。

本発明に係る接合方法によれば、接合部の金属不足を防ぐことができる。

本発明の第一実施形態の突合せ工程及び配置工程を示す断面図である。 第一実施形態に係る摩擦攪拌工程を示す断面図である。 第一実施形態に係る除去工程を示す断面図である。 第一実施形態に係る除去工程後を示す断面図である。 第一実施形態に係る摩擦攪拌工程の変形例を示す断面図である。 第二実施形態に係る突合せ工程及び配置工程を示す断面図である。 第二実施形態に係る摩擦攪拌工程を示す断面図である。 第二実施形態に係る除去工程を示す断面図である。 第三実施形態に係る摩擦攪拌工程を示す断面図である。 第四実施形態に係る摩擦攪拌工程を示す断面図である。

［第一実施形態］
本発明の第一実施形態に係る接合方法について図面を参照して詳細に説明する。本実施形態に係る接合方法では、突合せ工程と、配置工程と、摩擦攪拌工程と、除去工程と、を行う。

突合せ工程は、図１に示すように第一金属部材１と第二金属部材２とを断面略Ｌ字状に突き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。

突合せ工程では、第一金属部材１の端面１ａと、第二金属部材２の側面２ｂとを突き合わせて突合せ部Ｊ１を形成する。第二金属部材２の端面２ａと第一金属部材１の側面１ｃとは面一にする。なお、突合せ工程では、第一金属部材１の側面１ｂと第二金属部材２の端面２ａとを突き合わせてもよい。

配置工程は、第一金属部材１と第二金属部材２とで構成される内隅部に補助部材１０を配置する工程である。補助部材１０は金属製の板状部材である。補助部材１０は摩擦攪拌可能な金属であれば特に制限されないが、本実施形態では第一金属部材１及び第二金属部材２と同じ材料になっている。補助部材１０の板厚は、後記する摩擦攪拌工程後の塑性化領域Ｗが金属不足にならないように適宜設定する。

配置工程では、補助部材１０の端面１０ａと第一金属部材１の側面１ｂとを当接させるとともに、補助部材１０の側面１０ｃと第二金属部材２の側面２ｂとを面接触させる。これにより、補助部材１０を安定して配置することができる。また、第一金属部材１、第二金属部材２及び補助部材１０を治具（図示省略）を用いて移動不能に拘束する。なお、補助部材１０は本実施形態では板状としているが、他の形状であってもよい。

摩擦攪拌工程は、図２に示すように、接合用回転ツールＦを用いて第一金属部材１と第二金属部材２との突合せ部Ｊ１を摩擦攪拌によって接合する工程である。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（第一金属部材１、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は、マシニングセンタ等の摩擦攪拌装置に取り付けてもよいが、例えば、先端にスピンドルユニット等の回転手段を備えたアームロボットに取り付けてもよい。アームロボットに接合用回転ツールＦを取り付けることにより接合用回転ツールＦの回転中心軸を容易に変更することができる。

摩擦攪拌工程では、内隅部に右回転させた攪拌ピンＦ２のみを挿入し、被接合金属部材と連結部Ｆ１とは離間させつつ相対移動させる。言い換えると、攪拌ピンＦ２の基端部は露出させた状態で摩擦攪拌接合を行う。そして、第一金属部材１、第二金属部材２及び補助部材１０と攪拌ピンＦ２とを接触させた状態で内隅部に沿って接合用回転ツールＦを相対移動させる。本実施形態では、接合用回転ツールＦの進行方向左側に補助部材１０が位置するように接合用回転ツールＦの進行方向を設定する。接合用回転ツールＦの回転方向及び進行方向は前記したものに限定されるものではなく適宜設定すればよい。例えば、接合用回転ツールＦの進行方向左側に補助部材１０を配置しつつ、接合用回転ツールＦを左回転させてもよい。接合用回転ツールＦの回転方向等の条件と補助部材１０の好ましい位置関係については後記する。

攪拌ピンＦ２の挿入深さは、攪拌ピンＦ２と突合せ部Ｊ１とを接触させつつ、第一金属部材１及び第二金属部材２の板厚等に応じて適宜設定すればよい。これにより突合せ部Ｊ１が摩擦攪拌接合される。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。

摩擦攪拌工程における攪拌ピンＦ２の挿入角度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と接合用回転ツールＦの回転中心軸との角度が約４５°となるように設定している。なお、本実施形態の場合は、攪拌ピンＦ２の挿入角度が４５〜７５°となるように設定してもよい。これにより、突合せ部Ｊ１の深い位置まで摩擦攪拌接合することができる。摩擦攪拌工程後は、図３に示すように、第一金属部材１の側面１ｂと補助部材１０の端部にバリＶ，Ｖがそれぞれ形成される。

除去工程は、補助部材１０を第二金属部材２から除去する工程である。除去工程では、補助部材１０を第二金属部材２から離間する方向に折り曲げて第二金属部材２から除去する。また、第一金属部材１の側面１ｂに形成されたバリＶを切削装置等を用いて除去する。これにより、図４に示すように第一金属部材１と第二金属部材２とが断面略Ｌ字状に接合される。

以上説明した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とが断面略Ｌ字状に接合されるとともに、第一金属部材１及び第二金属部材２に加え、補助部材１０も同時に摩擦攪拌接合することにより、接合部（塑性化領域Ｗ）の金属不足を防ぐことができる。また、本実施形態によれば、第一金属部材１及び第二金属部材２の両側ではなく、片側のみに補助部材１０を配置するだけで金属不足を防ぐことができる。

また、本実施形態によれば、摩擦攪拌工程によって補助部材１０にバリＶが形成されるが、除去工程において補助部材１０ごと取り除くことができる。これにより、バリを除去する作業を容易に行うことができる。図３に示すように、摩擦攪拌工程後は補助部材１０の端面が内隅部に向かうにつれて板厚が薄くなるように傾斜している。補助部材１０は除去装置等を用いてもよいが、本実施形態では手作業で容易に補助部材１０を取り除くことができる。

ここで、本実施形態に係る摩擦攪拌工程では進行方向左側に補助部材１０を配置するとともに接合用回転ツールＦを右回転させるため、補助部材１０側がＡｄ側となる。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から送り速度の大きさが加算される側である。一方、Ａｄ側の反対側がＲｅ側となる。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。

本実施形態では塑性化領域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。本実施形態ではバリＶが補助部材１０側に多く形成されるように接合用回転ツールＦの回転方向及び進行方向を設定している。これにより、補助部材１０に形成されたバリＶは、補助部材１０ごと除去されるため、バリ除去工程をより容易に行うことができる。

［第一実施形態の変形例］
図５は、第一実施形態の変形例に係る摩擦攪拌工程を示す断面図である。当該変形例では、補助部材１０の端面１０ａと第二金属部材２の側面２ｂとを当接させつつ、第一金属部材１の側面１ｂと補助部材１０の側面１０ｂとが面接触するように補助部材１０を配置している。

当該変形例に係る摩擦攪拌工程では、接合用回転ツールＦを左回転させつつ接合用回転ツールＦの進行方向右側に補助部材１０が位置するように接合用回転ツールＦの進行方向を設定する。これにより、当該変形例では補助部材１０側がＡｄ側となる。当該変形例によっても第一実施形態に係る接合方法と略同等の効果を奏することができる。

［第二実施形態］
次に、第二実施形態に係る接合方法について説明する。第二実施形態に係る接合方法は、図６に示すように、断面Ｌ字状の補助部材２０を用いる点で第一実施形態と相違する。第二実施形態に係る接合方法では、第一実施形態と相違する部分を中心に説明する。

本実施形態に係る接合方法は、突合せ工程と、配置工程と、摩擦攪拌工程と、除去工程とを行う。突合工程は、第一実施形態と同じであるため説明を省略する。配置工程は、補助部材２０を第一金属部材１と第二金属部材２の内隅部に配置する工程である。

配置工程は、図６に示すように、第一金属部材１と第二金属部材２とで構成される内隅部に補助部材２０を配置する工程である。補助部材２０は金属製の断面Ｌ字状の部材である。補助部材２０は摩擦攪拌可能な金属であれば特に制限されないが、本実施形態では第一金属部材１及び第二金属部材２と同じ材料になっている。補助部材２０の板厚は、後記する摩擦攪拌工程後の塑性化領域Ｗが金属不足にならないように適宜設定する。

配置工程では、補助部材２０の外面２０ｃ，２０ｃと第一金属部材１の側面１ｂ，第二金属部材２の側面２ｂとをそれぞれ面接触させる。また、第一金属部材１、第二金属部材２及び補助部材２０を治具（図示省略）を用いて移動不能に拘束する。

摩擦攪拌工程は、図７に示すように、接合用回転ツールＦを用いて第一金属部材１と第二金属部材２との突合せ部Ｊ１を摩擦攪拌によって接合する工程である。摩擦攪拌工程では、右回転させた攪拌ピンＦ２を補助部材２０の内隅部（内面２０ｂ，２０ｂの角部）から挿入し、突合せ部Ｊ１に達するように攪拌ピンＦ２の挿入深さを設定する。摩擦攪拌工程では、内隅部に右回転させた攪拌ピン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、攪拌ピンＦ２の基端部は露出させた状態で摩擦攪拌接合を行う。そして、第一金属部材１、第二金属部材２及び補助部材２０と攪拌ピンＦ２とを接触させた状態で内隅部に沿って接合用回転ツールＦを相対移動させる。これにより突合せ部Ｊ１が摩擦攪拌接合される。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。

除去工程は、図８に示すように、摩擦攪拌工程によって分断された補助部材２０，２０を第一金属部材１及び第二金属部材２から除去する工程である。除去工程では、補助部材２０，２０を第一金属部材１及び第二金属部材２から離間する方向にそれぞれ折り曲げて除去する。

以上説明した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とが断面略Ｌ字状に接合されるとともに、第一金属部材１及び第二金属部材２に加え、補助部材２０も同時に摩擦攪拌接合することにより、接合部（塑性化領域Ｗ）の金属不足を防ぐことができる。

また、本実施形態によれば、摩擦攪拌工程によって分断された補助部材２０，２０にそれぞれバリＶ，Ｖが形成されるが、除去工程において補助部材２０ごと取り除くことができる。これにより、バリを除去する作業を容易に行うことができる。また、第二実施形態では分断された補助部材２０，２０が内隅部の両側に形成されるため、バリを除去する作業がより容易となる。図８に示すように、摩擦攪拌工程後は補助部材２０の端面が内隅部に向かうにつれて板厚が薄くなるように傾斜している。補助部材２０は除去装置等を用いてもよいが、本実施形態では手作業で容易に補助部材２０を取り除くことができる。

［第三実施形態］
次に、本発明の第三実施形態に係る接合方法について説明する。図９に示すように、第三実施形態に係る接合方法は、第一金属部材１と第二金属部材２とを断面Ｔ字状に突き合わせる点で第一実施形態と相違する。第三実施形態に係る接合方法では、第一実施形態と相違する点を中心に説明する。第三実施形態に係る接合方法は、突合せ工程と、配置工程と、摩擦攪拌工程と、除去工程とを行う。

突合せ工程は、第一金属部材１と第二金属部材２とを断面Ｔ字状に突き合わせる工程である。突合せ工程では、第一金属部材１の側面１ｂと第二金属部材２の端面２ａとを突き合わせて突合せ部Ｊ２を形成する。

配置工程は、第一金属部材１と第二金属部材２とで構成され、第二金属部材２を挟んで両側に形成される内隅部に補助部材１０,１０をそれぞれ配置する工程である。一方側の内隅部では、補助部材１０の側面１０ｃと第二金属部材２の側面２ｂとを面接触させる。他方側の内隅部では、補助部材１０の側面１０ｃと第一金属部材１の側面１ｂとを面接触させる。また、第一金属部材１、第二金属部材２及び補助部材１０を治具（図示省略）を用いて移動不能に拘束する。

摩擦攪拌工程は、図９に示すように、接合用回転ツールＦを用いて第一金属部材１と第二金属部材２との突合せ部Ｊ２を摩擦攪拌によって接合する工程である。摩擦攪拌工程は、第二金属部材２の両側に形成された内隅部に対して第一実施形態に係る摩擦攪拌工程と同じ要領で摩擦攪拌を行う。これにより、突合せ部Ｊ２に沿って塑性化領域Ｗ，Ｗが形成される。

除去工程は、補助部材１０，１０を第一金属部材１及び第二金属部材２から除去する工程である。除去工程では、補助部材１０を第一金属部材１又は第二金属部材２からそれぞれ離間する方向に折り曲げて第二金属部材２から除去する。また、第一金属部材１の側面１ｂ又は第二金属部材２の側面２ｃに形成されたバリＶを切削装置等を用いて除去する。以上により、第一金属部材１と第二金属部材２とが断面略Ｔ字状に接合される。

以上説明した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とが断面略Ｔ字状に接合されるとともに、第一金属部材１及び第二金属部材２に加え、補助部材１０も同時に摩擦攪拌接合することにより、各接合部（塑性化領域Ｗ）の金属不足を防ぐことができる。なお、摩擦攪拌工程においては、隣り合う塑性化領域Ｗ，Ｗが重複するように接合用回転ツールＦの挿入深さ及び挿入角度を設定してもよい。塑性化領域Ｗ，Ｗが重複することにより、気密性及び水密性を高めることができる。

［第四実施形態］
次に、本発明の第四実施形態に係る接合方法について説明する。図１０に示すように、第四実施形態に係る接合方法は、断面Ｌ字状の補助部材２０，２０を用いる点で第三実施形態と相違する。第四実施形態に係る接合方法では、第三実施形態と相違する点を中心に説明する。第四実施形態に係る接合方法は、突合せ工程と、配置工程と、摩擦攪拌工程と、除去工程とを行う。突合せ工程は、第三実施形態と同じであるため説明を省略する。

配置工程は、第一金属部材１と第二金属部材２とで構成され、第二金属部材２を挟んで両側に形成される内隅部に補助部材２０,２０をそれぞれ配置する工程である。補助部材２０は、金属製であって断面Ｌ字状を呈する。配置工程では、補助部材２０の外面２０ｃ，２０ｃを第一金属部材１の側面１ｂ及び第二金属部材２の側面２ｂ，２ｃにそれぞれ面接触させる。また、第一金属部材１、第二金属部材２及び補助部材２０，２０を治具（図示省略）を用いて移動不能に拘束する。

摩擦攪拌工程は、図１０に示すように、接合用回転ツールＦを用いて第一金属部材１と第二金属部材２との突合せ部Ｊ２を摩擦攪拌によって接合する工程である。摩擦攪拌工程は、第二金属部材２の両側に形成された内隅部に対して第二実施形態に係る摩擦攪拌工程と同じ要領で摩擦攪拌を行う。これにより、突合せ部Ｊ２に沿って塑性化領域Ｗ，Ｗが形成される。

除去工程は、摩擦攪拌工程で分断された補助部材２０，２０を第一金属部材１及び第二金属部材２から除去する工程である。除去工程では、分断された補助部材２０，２０を第一金属部材１及び第二金属部材２からそれぞれ離間する方向に折り曲げて除去する。

以上説明した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とが断面略Ｔ字状に接合されるとともに、第一金属部材１及び第二金属部材２に加え、補助部材２０も同時に摩擦攪拌接合することにより、各接合部（塑性化領域Ｗ）の金属不足を防ぐことができる。なお、摩擦攪拌工程においては、隣り合う塑性化領域Ｗ，Ｗが重複するように接合用回転ツールＦの挿入深さ及び挿入角度を設定してもよい。

以上本発明の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、本実施形態では除去工程を行ったが、補助部材１０，２０を除去せずに、第一金属部材１又は第二金属部材２にそのまま存置してもよい。

また、突合せ工程では、第一金属部材１の端面１ａと第二金属部材２の端面２ａとを斜めにカットして両部材を突き合わせてもよい。

１ 第一金属部材
２ 第二金属部材
１０ 補助部材
２０ 補助部材
Ｆ 接合用回転ツール（回転ツール）
Ｆ１ 連結部
Ｆ２ 攪拌ピン
Ｊ１ 突合せ部
Ｊ２ 突合せ部
Ｖ バリ
Ｗ 塑性化領域

Claims (2)

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、
   前記第一金属部材と前記第二金属部材とを断面略Ｌ字状又は略Ｔ字状に突き合わせて突合せ部を形成する突合せ工程と、
   前記第一金属部材と前記第二金属部材との内隅部において、前記第一金属部材又は前記第二金属部材に面接触するように一の板状の補助部材を配置する配置工程と、
   回転する前記攪拌ピンを前記内隅部に挿入し、前記攪拌ピンのみを前記第一金属部材、前記第二金属部材及び前記補助部材に接触させた状態で前記内隅部に沿って前記回転ツールを相対移動させて前記第一金属部材、前記第二金属部材及び前記補助部材を接合する摩擦攪拌工程と、
   バリが形成された前記補助部材を前記第一金属部材又は前記第二金属部材から除去する除去工程と、を含み、
   前記摩擦攪拌工程では、摩擦攪拌接合で発生するバリが前記補助部材に形成されるように、前記回転ツールの回転方向及び進行方向を設定することを特徴とする接合方法。
2. 前記配置工程では、前記第一金属部材、前記第二金属部材及び前記補助部材を治具を用いて移動不能に拘束することを特徴とする請求項１に記載の接合方法。

Images