JP7485251B1 - 摩擦エレメント接合方法 - Google Patents
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- Pressure Welding/Diffusion-Bonding (AREA)
Abstract
Description
Jamie D. Skovron, Brandt J. Ruszkiewicz, and Laine Mears, ”INVESTIGATIONOF THE CLEANING AND WELDING STEPS FROM THE FRICTION ELEMENT WELDING PROCESS”, (ASME 2017 12th InternationalManufacturing Science and Engineering Conference collocated with the JSME/ASME2017 6th International Conference on Materials and Processing, June 4-8, 2017Los Angeles, California, USA)
特許文献1には、エレメント(同文献1の「接続要素」に相当する)のマンドレル部先端が実質的に平坦な端面であり、この平坦な端面の中心からピン状の心出し部が突き出した構造であるエレメントが開示されている。エレメントをこのような構造とすることで、ピン状の心出し部によって接続部位へと狙いを付けて各接続プロセスを実行する。これにより、進入するエレメントのそれぞれの位置に、加えられる摩擦エネルギーを集中させることが可能となるというものである。
[1] 2枚以上の金属板を重ね合わせた板組にエレメントを回転させながら圧入して、前記板組の接合を行なう摩擦エレメント接合方法であって、
摩擦発熱による接合を開始する工程の前に、前記エレメントの下部を、前記板組のうち最も下側に配置された最下層の金属板上面に接触させて酸化被膜を除去する酸化被膜除去工程を有し、
前記酸化被膜除去工程では、
エレメント径をD(mm)、エレメント先端の曲率半径をr(mm)、加圧力をP(kN)、回転数をR(rpm)、前記最下層の金属板の引張強さをTS(MPa)としたとき、
5.0>D≧3.0の場合には、前記曲率半径が式(1)およびr≧D/2を満たし、
7.0>D≧5.0の場合には、前記曲率半径が式(2)およびr≧D/2を満たし、
D≧7.0の場合には、前記曲率半径が式(3)およびr≧D/2を満たす、前記エレメントを用いる、摩擦エレメント接合方法。
(-0.017×D+0.13)×(P×R/TS)≦r≦400-D …(1)
(-0.0042×D+0.071)×(P×R/TS)≦r≦400-D …(2)
(-0.00042×D+0.045)×(P×R/TS)≦r≦400-D …(3)
[2] 前記酸化被膜除去工程の前記回転数が500rpm以上である、[1]に記載の摩擦エレメント接合方法。
[3] 前記酸化被膜除去工程の前記加圧力が1kN以上である、[1]または[2]に記載の摩擦エレメント接合方法。
[4] 2枚以上の前記金属板のうち少なくとも1枚は鋼板であり、かつ、該鋼板の引張強さが590MPa以上である、[1]~[3]に記載の摩擦エレメント接合方法。
図示は省略するが、まず、重ね合わせた金属板(すなわち板組)が、接合装置に取り付けられたエレメントと対向するように、接合装置の支持台に板組を設置する。次いで、上板進入工程が開始される。この工程では、接合装置の制御部によってエレメントの回転速度および加圧力が制御される。エレメントは所定の回転速度で回転しながら上板に接触し、更に当該制御部によって加圧力を加えてエレメントを上板に押し込む。これにより、板状部品の上板が摩擦発熱により可塑化し、エレメントのマンドレル部が上板内へ進入し、その後、エレメントが上板を貫通する。そして、エレメント下部が下板上面に接触する。
酸化皮膜除去工程では、回転するエレメント先端(すなわちエレメント下部)を下板上面に当接することで、下板上面に存在する酸化皮膜を排出する。接合装置の制御部によってエレメントが回転することで、下板上面の酸化皮膜除去工程が開始される。この酸化皮膜除去工程では、エレメントの押込み位置が所定の深さ(すなわち、所定の押込み深さ)に達したことを接合装置の制御部によって感知することで、酸化皮膜の除去が完了したと判断され、当該工程が終了する。
塑性変形工程では、接合装置の制御部によって調整された加圧力下で、エレメントを高速で回転させながらエレメントを下板に押込む。これにより、摩擦接合プロセスが開始される。摩擦接合プロセスでは、下板内に進入したエレメント先端が摩擦発熱により下板とエレメントとを塑性変形させる。エレメントのマンドレル部先端が摩擦エレメント接合によって下板と接続し、かつ、塑性変形により押し出された上板の材料がエレメント上部と接触してカラー部で押さえられる。
圧着工程では、エレメントと、板組を構成する2枚以上の金属板との機械的接合を達成する。接合装置の制御部は、最後にエレメントの回転を止めた状態でエレメントに加圧力を加えて、塑性変形により押し出された金属板の材料とエレメントとを圧着させることで、摩擦接合プロセスが完了する。
5.0>D≧3.0の場合には、曲率半径が式(1)およびr≧D/2を満たし、
7.0>D≧5.0の場合には、曲率半径が式(2)およびr≧D/2を満たし、
D≧7.0の場合には、曲率半径が式(3)およびr≧D/2を満たす、エレメントを用いる。
(-0.017×D+0.13)×(P×R/TS)≦r≦400-D …(1)
(-0.0042×D+0.071)×(P×R/TS)≦r≦400-D …(2)
(-0.00042×D+0.045)×(P×R/TS)≦r≦400-D …(3)
酸化皮膜除去工程中の回転数(R)は、500rpm以上とすることが好ましい。回転数(R)が500rpm以上となることで、摩擦発熱による塑性変形が促進され、酸化皮膜除去が促進されるからである。回転数(R)は、5000rpm以上とすることがより好ましい。回転数(R)の上限は特に規定しないが、過剰発熱によるエレメント強度低下抑止の観点から、回転数(R)は9000rpm以下とすることが好ましく、8000rpm以下とすることがより好ましい。
酸化皮膜除去工程中の加圧力(P)は、1kN以上とすることが好ましい。加圧力(P)が1kN以上となることで、下板の塑性変形が促進され、酸化皮膜除去が促進されるからである。加圧力(P)は3kN以上とすることがより好ましく、7kN以上とすることがさらに好ましい。加圧力(P)の上限は特に規定しないが、エレメント強度の観点から、加圧力(P)は10kN以下とすることが好ましく、9kN以下とすることがより好ましい。
本発明の酸化皮膜除去工程の短時間化の評価は、以下の通り行った。
酸化皮膜除去工程終了後の下板を用いて、以下に示す方法で、下板上面に残存する酸化皮膜の分布観察を行った。その後、以下に示す基準で評価した。
2 マンドレル部
3 カラー部
6 板組
7 上板
8 下板
9 エレメントと下板の接合部界面
Claims (5)
- 2枚以上の金属板を重ね合わせた板組にエレメントを回転させながら圧入して、前記板組の接合を行なう摩擦エレメント接合方法であって、
摩擦発熱による接合を開始する工程の前に、前記エレメントの下部を、前記板組のうち最も下側に配置された最下層の金属板上面に接触させて酸化被膜を除去する酸化被膜除去工程を有し、
前記酸化被膜除去工程では、
エレメント径をD(mm)、エレメント先端の曲率半径をr(mm)、加圧力をP(kN)、回転数をR(rpm)、前記最下層の金属板の引張強さをTS(MPa)としたとき、
5.0>D≧3.0の場合には、前記曲率半径が式(1)およびr≧D/2を満たし、
7.0>D≧5.0の場合には、前記曲率半径が式(2)およびr≧D/2を満たし、
D≧7.0の場合には、前記曲率半径が式(3)およびr≧D/2を満たす、前記エレメントを用いる、摩擦エレメント接合方法。
(-0.017×D+0.13)×(P×R/TS)≦r≦400-D …(1)
(-0.0042×D+0.071)×(P×R/TS)≦r≦400-D …(2)
(-0.00042×D+0.045)×(P×R/TS)≦r≦400-D …(3) - 前記酸化被膜除去工程の前記回転数が500rpm以上である、請求項1に記載の摩擦エレメント接合方法。
- 前記酸化被膜除去工程の前記加圧力が1kN以上である、請求項1または2に記載の摩擦エレメント接合方法。
- 2枚以上の前記金属板のうち少なくとも1枚は鋼板であり、かつ、該鋼板の引張強さが590MPa以上である、請求項1または2に記載の摩擦エレメント接合方法。
- 2枚以上の前記金属板のうち少なくとも1枚は鋼板であり、かつ、該鋼板の引張強さが590MPa以上である、請求項3に記載の摩擦エレメント接合方法。
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