JP6885558B2

JP6885558B2 - 摩擦攪拌接合方法

Info

Publication number: JP6885558B2
Application number: JP2016191779A
Authority: JP
Inventors: 大橋　隆弘; 隆弘大橋
Original assignee: EDUCATIONAL FOUNDATION OF KOKUSHIKAN
Current assignee: EDUCATIONAL FOUNDATION OF KOKUSHIKAN
Priority date: 2016-09-29
Filing date: 2016-09-29
Publication date: 2021-06-16
Anticipated expiration: 2036-09-29
Also published as: JP2018051606A

Description

本発明は摩擦攪拌接合方法に関するものである。

従来より、軸心を中心に回転する回転工具の軸心直角方向の先端接触面を回転させながら接合材に接触させ、摩擦熱を発生させて、加熱状態で攪拌することにより、非溶融状態で塑性流動を生じさせ、被接合材に機械的に接合するようにした摩擦攪拌接合方法が知られてる（たとえば特許文献１）
この摩擦攪拌接合方法によれば、例えば特許文献１に記載のように、被接合材の表面部に形成した凹凸部を成形型として、この凹凸部に塑性流動させた接合材を流入させて接合することができるとされている。

そして近年では、被接合材にあらかじめ開けておいた下穴に対し、摩擦攪拌によって塑性流動させた接合材を流入させ、下穴の背面の金型凹部にまで膨出させてリベット状の接合部を形成することも提案されている（非特許文献１および２）。

以上の様な摩擦攪拌接合法によって、古くからの治金的な接合方法とは異なり、機械的な接合であることから、例えば、鋼材、ガラス、ＣＦＲＰ等の多種の被接合材の選択ができ、リベット等のファスナーを用いる従来法に比べて重量増の問題がない等の特徴が実現されることになる。

特許第４６４６４２１号公報

Journal of Manufacturing Process 15(2003) 616-624 Journal of Manufacturing Science and Engineering OCTOBER 2015, Vol.137 051018-1−051018-9

しかしながら、近年の改良、工夫が試みられているものの、例えばアルミニウム等の軟質材を接合材として用いる場合においても、塑性流動を大きくして、非特許文献１、２のようなリベット状形状の膨出頭部を大きく形成し、接合をより確実にすることは必ずしも容易ではない。回転工具の回転速度を大きくし、接合材への押圧力を増大させても膨出部を大きく形成することは容易ではない。

また、被接合材の下穴の径がより大きくなるに従って、リベット状の膨出部を確実に、所要のものに形成することも容易ではない。

このため、従来の摩擦攪拌接合の方法では、実際的に必要とされる強度を保持することのできるファスナ（リベット）レス接合を簡便に実現することは難しいのが実状であった。

また、従来の方法においては、金型を用いる場合であっても被接合材の変形を防止することにも難点があった。

そこで、本発明は、これまでの改良、工夫による摩擦攪拌接合方法の進展をも踏まえ、従来法による問題点を解消し、リベット形状の膨出部を大きく形成することや、下穴の径が大きな場合であっても接合材の大きな膨出を確実に形成することを容易とし、被接合材の変形を効果的に抑えることも可能とする新しい摩擦攪拌接合方法を提供することを課題としている。

本発明の摩擦攪拌接合方法は、上記の課題を解決するために、円柱形状の先端平面部に突起部を有する摩擦攪拌工具を用いての摩擦攪拌接合方法であって、以下の工程：
（ａ）下穴をあけた板状の被接合材の上面に板状の接合用素材を、また下面には成形金型を当接させ、
（ｂ）接合用素材に対して前記摩擦攪拌工具を回転させながら、下降させ、所定の水平方向へ送りつつ、圧入して摩擦攪拌する
ことにより、流動させた接合用素材を前記成形金型のキャビティ部に変形充満させてリベット状の継手部を形成して、板状の被接合材に接合用素材を機械的に接合することを特徴とする。

また、上記発明方法においては、所定の水平方向に送りつつ、複数の継手部を形成することや、成形金型はスペーサと当て板とを有し、スペーサは、分割可能とされてキャビティ部を形成していること、摩擦攪拌工具を回転前進側にずらして所定の水平方向に送ることも好ましい。

本発明によれば、摩擦攪拌接合方法において、リベット形状の膨出部を大きく形成し、下穴の径が大きな被接合材の場合であっても大きな膨出部を形成することを確実、かつ、容易とすることができる。

また、本発明によれば、被接合材の変形を効果的に抑える技術的手段が提供される。

実施形態を例示した概要正断面図（ａ）と側断面図（ｂ）である。継手部膨出部の他の形態について例示した概要側断面図である。図２とは別の形態について例示した概要側断面図である。摩擦攪拌工具を例示した概要図である。工具の送りについてのオフセット量の設定を例示した平面図である。分割型スペーサと当て板とからなる金型の実施形態を例示した概要側断面図である。膨出部の形成について工具を水平方向に送った場合（Ａ）と送らない場合（Ｂ）について例示した実験写真図である。

図１（ａ）（ｂ）は本発明の一実施形態について例示した概要図である。図１（ａ）は正断面図を、図１（ｂ）は側断面図を示している。

本発明の方法では、例えば円柱形状１の先端平面部１ｂに突起部１ｃを有する摩擦攪拌工具１を用いて摩擦攪拌接合方法を実施する。この方法では、以下の工程：
（ａ）下穴２ａをあけた板状の被接合材２の上面に板状の接合用素材３を、また下面には成形金型４を当接させ、
（ｂ）接合用素材３に対して前記摩擦攪拌工具１を回転させながら、下降させ（方向α）、所定の水平方向へ送りつつ（方向β）、圧入して摩擦攪拌する。
これにより、流動させた接合用素材３を前記成形金型４のキャビティ部４ａに変形充満させてリベット状の継手部５の膨出を形成して、板状の被接合材に接合用素材を機械的に接合する。

ここでの被接合材２としては、各種の材料があってよく、例えば硬質の鋼板やガラス、ＣＦＲＰ等とすることができる。被接合材２における下穴２ａは各種の手段で開けることができ、例えばドリル、穴あけパッキングプレートによるプレスせん断加工等によることができる。被接合材２の厚みや下穴２ａの径も適宜に定めることができる。プレスせん断加工した場合のダレによる下穴壁面の傾斜をリベット状継ぎ手の抜け止めとしてもよい。

接合用素材３については比較的軟質のアルミニウム等の材料とし、その厚みも適宜であってよい。

回転する摩擦攪拌工具１の先端平面部１ｂの面積、突起部１ｃの体積、回転速度、下降させ（方向α）、水平方向へ送りつつ（方向β）、圧入する際の押圧力および圧入量、水平方向への送り力および送り速度については
１）接合用素材３の種類と厚み
２）被接合材２の下穴２ａの径と厚み
３）リベット状継手部５の軸長さと膨出頭部の大きさ
４）接合用素材の軟化温度
５）摩擦攪拌工具１の外縁と接合用素材の接触部に生じるばりの生成状況
等を考慮して定めることができる。摩擦攪拌工具１の圧入及び移動により押しのけられる接合用素材の体積は摩擦攪拌工具１の先端平面部１ｂの外径、突起部１ｃの体積および圧入量によって決まるが、この体積から、ばりの発生により損耗する接合用素材の体積と、摩擦攪拌工具が移動する場合は摩擦攪拌工具の突起部１ｃの移動跡の埋め戻しに必要な体積を差し引くことで、リベット状継手部の体積が決定される。摩擦攪拌工具１の移動の有無に関わらず、突起部１ｃの径を大きくすることは押しのけられる接合用素材の体積を大きくする点においてリベット状継手部の体積を高めるのに効果的であるが、一方で、それにより先端平面部１ｂの面積が小さくなると単位時間当たりの摩擦熱による入熱量が減じ、摩擦攪拌による材料軟化の効果を著しく低下させ、熱応力によって接合用素材内に生じさせしむる圧縮成形力が低下させるため、かえって逆効果となる。そのため、過剰とならないようにするか、同時に先端平面部１ｂの外径を大きくするよう調整する。

また同時に、先端平面部１ｂの外径、回転速度、下降させ（方向α）、水平方向へ送りつつ（方向β）、圧入する際の押圧力および圧入量、水平方向への送り速度は、摩擦攪拌工具１の回転と圧入及び移動により接合用素材内に生じさせしむる圧縮成形力に対し、被接合材２の下穴２ａおよび成形金型４のキャビティ部４ａ壁面により接合用素材に作用する摩擦力が抗し、その差し引きの結果接合用素材が変形しキャビティ部４ａに充満することを考慮して、充満に十分な圧縮成形力と接合用素材の軟化温度が得られるよう決定する。被接合材２の下穴２ａ壁面により接合用素材に作用する摩擦力は穴径が小さくなるほど大きくなる。一方で圧縮成形力と接合用素材の軟化温度が過剰となると摩擦攪拌工具１の先端平面部１ｂの外縁と接合用素材の接触部においてばりが発達するため、過剰とならないように調整する。摩擦攪拌工具１の先端平面部１ｂの面積の増大により単位時間当たりの摩擦熱による入熱量を高め、材料をより軟化させるとともに熱応力によって接合用素材内に生じさせしむる圧縮成形力を増大させるよう調整することができ、摩擦攪拌工具１の送り速度を遅くすると入熱時間を増やして総入熱量を高め材料をより軟化させるよう調整することができる。摩擦攪拌工具１を圧入する際の押圧力および水平方向への送り力を高めることで接合用素材内に生じさせしむる圧縮成形力を増大させるように調整することができる。

以上の方法においては、被接合材２の下穴２ａについては断面円形はもちろんのこと、金型４のキャビティ部４ａの形状選択とともに、断面多角形状や、例えば図２の側断面図に例示したリブ状の継手部５１を形成するようにスリット形状２１ａとしてもよい。

また、接合強度をさらに高めるために、図３に例示したように傾斜面を有する下穴２２ａとして継手部５２を形成すること等の各種の実施形態が考慮される。

いずれの実施形態においても、本発明の摩擦攪拌接合方法では、
＜Ａ＞摩擦攪拌工具１として、図１並びに図４に例示したように、円柱形状１ａの先端平面部１ｂに突起部１ｃを有していること
＜Ｂ＞摩擦攪拌工具１を回転させ、接合材３に圧入しながら、水平方向βに送ることを特徴とし、必須としている。

上記特徴＜Ａ＞＜Ｂ＞によって、摩擦攪拌による被接合素材３の流動を効率化して、より大きな流動量を生成することを可能としている。これによって、リベット形状の継手部５、５１、５２の膨出部を大きく形成し、下穴の径や開口が大きな接合材であっても大きな膨出を形成することを確実、かつ、容易とすることができる。

特徴＜Ａ＞の摩擦攪拌工具１については、突起部１ｃの形状は円板状、円柱状でもよいし、円錐状等としてもよい。また、突起部１ｃが設けられる先端平面部１ｂについては必要に応じて全体として、あるいは部分的に傾斜角θを例えば５°以内程度に設けてもよい。

この傾斜角θは、特徴＜Ｂ＞の実施時に接合用素材内の材料の下方向（成形金型４のキャビティ部４ａへの方向）への移動と摩擦攪拌工具１の水平方向の送りを容易ともする。

この傾斜角θの大きさについては、摩擦攪拌工具１の水平方向の送り力、成形金型４のキャビティ部４ａへの被接合材の充満、ばりの発生、摩擦攪拌工具１の移動跡（ツールマーク）の美観の状況を考慮して定めることが好ましい。

摩擦攪拌工具１は、硬質で耐熱性の高い耐熱合金等によって形成することが好ましく考慮される。成形金型４は耐熱性に加え、被接合材の保温のため、熱伝導率が低いステンレス鋼金等によって形成することが好ましく考慮される。

特徴＜Ｂ＞の水平方向への送り（β）をより円滑に進め、所定位置での継手部の形成をより効果的に行うためには、図５に例示したように、所定の下穴２ａの位置方向に対して摩擦攪拌工具１を回転前進側にずらしてオフセット量を設定して水平方向に送ることが有効でもある。摩擦攪拌工具１の圧入及び移動により押しのけられる接合用素材の体積のうち、摩擦攪拌工具１の回転前進側の接合用素材体積はリベット状継手部の体積とばりの発生により損耗する接合用素材の体積にのみ転化するが、回転後退側の接合用素材体積は、それらに加えて、摩擦攪拌工具の突起部１ｃの移動跡の埋め戻しにも転化する。そのため、先端平面部１ｂ投影面積内に所定の下穴２ａの位置方向が収まる範囲内で、摩擦攪拌工具１を回転前進側にずらすことで、リベット状継手部の体積から摩擦攪拌工具の移動跡の埋め戻しに接合用素材の体積が奪われ難くなる。

このオフセット量の設定は、図５の例示のように、複数の下穴２ａにおいて各々継手部を形成する場合に特に好ましく考慮される。このようなオフセット量の大きさについては摩擦攪拌工具１の先端平面部１ｂの径、突起部１ｃの径および体積を考慮して定めることができる。

図６は本発明の別の実施形態を例示した側断面図である。この実施の形態においては、成形金型４をスペーサ４Ａと当て板４Ｂとによって構成し、スペーサ４Ａは分割可能とされ、キャビティ部４ａが所定の範囲内で可変とされている。

このような構成とすることで、本発明方法の実施において、被接合材２の不必要な変形を抑えることが効果的に可能となる。被接合材２の下穴２ａを支えることになる。

スペーサ４Ａは、分割型として２枚でもよいし、３枚以上でもよい。また、前記下穴２ａを支えられる形状であれば、キャビティ４ａはその断面形状は円形以外でもよい。

図７は、前記の特徴＜Ａ＞＜Ｂ＞について、図４の工具１の円柱形状１ａの径、１５ｍｍ、円板状突起部１ｃの径５ｍｍ、その高さ２．５ｍｍ、傾斜角θが５°のものを用いて、３ｍｍ厚のアルミニウム板と０．８ｍｍ厚のＣＦＲＰ板との接合において、工具１を５０ｍｍ／ｍｉｎで水平方向へ送った場合（図７（ａ））と、比較のために、送らないで下穴中心に工具の圧入のみを行った場合（図７（ｂ））とを、下穴の径に応じてのアルミニウムの膨出の度合を示している。なお、工具１の回転数は１２４０ｒｐｍ、圧入深さは２７．ｍｍとしている。

図７（ａ）に示されているように工具１を水平方向に送った場合には、下穴径が大きい場合でも、継手部を形成する膨出量が大きいのに対し、図７（ｂ）の送らない場合には膨出量はわずかであることがわかる。下穴径が大きい場合には工具１を送る本発明の方法が有効であることがわかる。

実際、金型キャビティ部との組合わせによって、工具を水平方向へ送る場合には、下穴径が大きくても、膨出頭部はしっかりと確実に形成され、リベット状の継手部のが確実に構成されることが確認された。一方、送らない場合には継手部の形成は貧弱であって、実用的レベルにないことが確認された。

１摩擦攪拌工具
２被接合材
２ａ下穴
３接合素材
４金型
４ａキャビティ部
５継手部

Claims

円柱形状の先端平面部に突起部を有する摩擦撹拌工具を用いての摩擦撹拌接合方法であって、
前記突起部の高さは、接合用素材の厚みより小さく、
前記先端平面部には、中心側から外周側に向かって上方に傾斜する、５°以内の傾斜角が設けられており、
以下の工程：
（ａ）複数の下穴をあけた板状の被接合材の上面に板状の接合用素材を、また下面には成形金型を当接させ、
（ｂ）接合用素材に対して前記摩擦撹拌工具を回転させながら、下降させ、回転前進側にずらして所定の水平方向へ送りつつ、圧入して摩擦撹拌する、
ことにより、流動させた接合用素材を前記成形金型のキャビティ部に変形充満させて、複数の前記下穴にリベット状の継手部を形成して、板状の被接合材に接合用素材を機械的に接合することを特徴とする摩擦撹拌接合方法。
成形金型はスペーサと当て板とを有し、スペーサは、分割可能とされてキャビティ部を形成していることを特徴とする請求項１に記載の摩擦撹拌接合方法。