JPH10193139A

JPH10193139A - 摩擦撹拌接合法

Info

Publication number: JPH10193139A
Application number: JP676897A
Authority: JP
Inventors: Masatoshi Enomoto; 正敏榎本; Seiji Tazaki; 清司田崎; Naoki Nishikawa; 直毅西川; Takenori Hashimoto; 武典橋本
Original assignee: Showa Aluminum Corp
Current assignee: Showa Aluminum Can Corp
Priority date: 1997-01-17
Filing date: 1997-01-17
Publication date: 1998-07-28

Abstract

(57)【要約】【課題】突き合わせ部に隙間が存在していても、接合部
に接合欠陥を生じることなく良好に突き合わせ接合する
ことのできる摩擦撹拌接合法を提供する。【解決手段】２個の接合部材１、２を突き合わせるとと
もに、突き合わせ部３またはその近傍に回転するプロー
ブ１２を挿入し、プローブ１２との接触部を摩擦熱にて
軟化させ撹拌しながら、プローブ１２を挿入状態で突き
合わせ部３に沿って相対的に移動させることにより接合
部材１、２を突き合わせ接合する。そのとき、前記接合
部材１、２を突き合わせ方向に加圧しながら接合を行
い、突き合わせ部の軟化部分を密着変形させ、隙間４を
消失させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、例えばアルミニ
ウム材（アルミニウム合金材を含む）等の金属材の突き
合わせ接合に用いられる摩擦撹拌接合法に関する。

【０００２】

【従来の技術】固相接合法の一つである摩擦撹拌接合法
として、次のような方法が提案されている。即ち、図４
に示すように、径大の円柱状回転子（１１１）の端部軸
線上に、接合部材（１０１）（１０２）よりも硬質の径
小のピン状プローブ（１１２）が突出して一体に設けら
れた接合装置（１１０）を用い、前記回転子（１１１）
を高速で回転させつつ、突き合わせた２枚の接合部材
（１０１）（１０２）の突き合わせ部（１０３）または
その近傍に前記プローブ（１１２）を挿入する。挿入
は、一般には、回転子（１１１）のプローブ側平坦面か
らなる肩部（１１１ａ）が接合部材（１０１）（１０
２）に当接するまで行う。そして、プローブ挿入状態の
まま突き合わせ部（１０３）に沿ってプローブ（１１
２）を接合部材（１０１）（１０２）に対し相対的に移
動させる。プローブ（１１２）の回転により発生する摩
擦熱、あるいはさらに回転子（１１１）の肩部（１１１
ａ）と接合部材との摺動に伴い発生する摩擦熱により、
プローブ（１１２）との接触部分近傍において接合部材
（１０１）（１０２）は軟化しかつプローブにより撹拌
されるとともに、プローブ（１１２）の移動に伴って、
軟化撹拌部分がプローブ（１１２）の進行圧力を受けて
プローブの通過溝を埋めるようにプローブ（１１２）の
進行方向後方へと回り込む態様で塑性流動したのち摩擦
熱を急速に失って冷却固化される。この現象がプローブ
（１１２）の移動に伴って順次繰り返されていき、最終
的に接合部材（１０１）（１０２）が突き合わせ部（１
０３）において接合されるものである。

【０００３】このような摩擦撹拌接合によれば、固相接
合であるため、接合部材である金属材の種類に制限を受
けないとか、接合時の熱歪みによる変形が少ない、等の
利点がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、２個の
接合部材（１０１）（１０２）の突き合わせ面に凹凸が
存在するような場合には、突き合わせ部（１０３）に隙
間が生じるため、摩擦撹拌接合時にこの隙間の空気が接
合部に巻き込まれてボイドを生じ、この部分において接
合欠陥となるいう欠点があった。

【０００５】この発明は、このような欠点を解消するた
めになされたものであって、突き合わせ部に隙間が存在
していても、接合部に接合欠陥を生じることなく良好に
突き合わせ接合することのできる摩擦撹拌接合法の提供
を目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、この発明は、２個の接合部材を突き合わせるととも
に、突き合わせ部またはその近傍に回転するプローブを
挿入し、プローブとの接触部を摩擦熱にて軟化させ撹拌
しながら、プローブを挿入状態で突き合わせ部に沿って
相対的に移動させることにより接合部材を突き合わせ接
合する摩擦撹拌接合法において、前記接合部材を突き合
わせ方向に加圧しながら、摩擦撹拌接合を行うことを特
徴とするものである。

【０００７】こうすることにより、突き合わせ部に隙間
が存在していても、突き合わせ部における軟化部分が容
易に密着変形して隙間に存在する空気が接合部外へ逃
げ、接合部への空気の巻き込みが防止される。

【０００８】

【発明の実施の形態】図１はこの発明の一実施形態に係
るものである。同図において、（１）（２）は同一平面
内において幅方向の一端面を突き合わせ状態に配置され
たアルミニウム鋳物材（ダイカスト材を含む）からなる
２枚の板状接合部材である。これら接合部材（１）
（２）は、図２に示すように、突き合わせ面にうねり状
の凹凸を生じているため、突き合わせ部（３）に隙間
（４）を生じている。

【０００９】（２０）は加圧装置である。この加圧装置
は、両接合部材（１）（２）の幅方向外側面に、接合部
材の長さ方向に沿って分割配置された複数個の加圧体
（２１）と、この加圧体（２１）を外側から突き合わせ
方向に押圧する油圧式あるいは空圧式のシリンダ（２
２）とを備えている。そして、シリンダ（２２）の進退
動作により、加圧体（２１）を介して両接合部材（１）
（２）は突き合わせ方向に加圧され、あるいは加圧が解
除されるものとなされている。

【００１０】図１において、（１０）は接合装置であ
り、径大の円柱状回転子（１１）の端部軸線上に径小の
ピン状プローブ（１２）が突出して一体に設けられたも
のであり、回転子（１１）を高速回転させることにより
プローブ（１２）も高速回転させうるものとなされてい
る。なお、プローブ（１２）及び回転子（１１）は、接
合部材（１）（２）よりも硬質でかつ接合時に発生する
摩擦熱に耐えうる耐熱材料によって形成されている。

【００１１】次に、接合装置（１０）及び加圧装置（２
０）を用い、次のようにして摩擦撹拌接合を行う。即
ち、加圧装置（２０）のシリンダ（２２）を進出駆動し
て加圧体（２１）を介して両接合部材（１）（２）の長
さ方向全体に突き合わせ方向の加圧力を付与する。

【００１２】そして、この状態で、回転子（１１）を回
転させることによりこれと一体回転するプローブ（１
２）を、接合部材（１）（２）の突き合わせ部（３）ま
たはその近傍に接触させて、その摩擦熱により接触部分
を軟化可塑化させ、さらにプローブ（１２）を押し付け
て該プローブを接合部材（１）（２）の厚さ方向内部に
挿入していく。プローブ（１２）の挿入状態で、回転子
（１１）先端の平坦状肩部（１１ａ）は接合部材（１）
（２）の表面に当接させる。肩部（１１ａ）の当接によ
り、接合開始時あるいは接合途中の軟化部分の素材の飛
散を防止しえて均一な接合状態を実現し得るとともに、
接合部材（１）（２）と肩部（１１ａ）との摺動による
摩擦熱を生ぜしめて、プローブ（１２）との接触部ある
いはその近傍の軟化を促進し、さらに接合部材（１）
（２）表面の凹凸形成を防止する。

【００１３】プローブ（１２）の挿入後、突き合わせ部
（３）に沿って回転子（１１）及びプローブ（１２）を
移動させる。プローブ（１２）及び回転子（１１）の回
転により、プローブ（１２）との接触部分周辺におい
て、接合部材（１）（２）が摩擦熱によって軟化しかつ
撹拌される。プローブ（１２）の移動によって、軟化撹
拌部分がプローブ（１２）の進行圧力を受けてプローブ
（１２）の通過溝を埋めるようにプローブ（１２）の進
行方向後方へと回り込む態様で塑性流動したのち、摩擦
熱を急速に失って冷却固化される。

【００１４】而して、プローブ（１２）による軟化撹拌
に際しては、接合部材（１）（２）は加圧装置（２０）
により突き合わせ方向に加圧されているから、突き合わ
せ部（３）における軟化部分が容易に密着変形して隙間
（４）が消滅し、該隙間（４）に存在する空気は接合部
外へ逃げ、接合部への空気の巻き込みが防止される。

【００１５】こうして、突き合わせ部（３）の軟化、密
着変形、撹拌、冷却固化がプローブ（１２）の移動に伴
って順次繰り返されていき、突き合わせ部（３）におい
て接合部材（１）（２）は相互に一体化され順次接合さ
れていき、接合部のボイドを５０μｍ以下に抑制した接
合品が得られる。

【００１６】図３は加圧装置の変形例を示すものであ
る。この加圧装置（３０）は、両接合部材（１）（２）
の幅方向外側面に配置された各１個のローラー（３１）
を備え、これらローラー（１）がその周面を接合部材
（１）（２）の外側端面に圧接された状態で、接合部材
（１）（２）の長さ方向に転動するものとなされてい
る。

【００１７】図３に示した加圧装置（３０）を用いた摩
擦撹拌接合では、プローブ（１２）が突き合わせ部
（３）に沿って移動するのに合わせて、周面が接合部材
（１）（２）の外側端面に圧接した前記ローラー（３
１）を接合部材（１）（２）の長さ方向に転動させるこ
とにより、両接合部材（１）（２）を突き合わせ方向に
連続的に加圧する。これにより、突き合わせ部（３）の
軟化部分が順次密着変形し、図１に示した場合と同様
に、接合部への空気の巻き込みを防止しつつ突き合わせ
部（３）が連続的に接合されていく。このように、ロー
ラー（３１）を使用することにより、接合中の必要部分
のみを加圧することができるから、極めて効率的であ
る。

【００１８】なお、図３に示した実施形態において、接
合装置（１０）による摩擦撹拌接合法は図１に示したも
のと同一である。

【００１９】なお、以上の実施形態では、接合部材
（１）（２）としてアルミニウム鋳物材を用いたが、接
合部材の種類は特に限定されることはなく、アルミニウ
ム展伸材あるいはアルミニウム以外の金属を用いても良
い。しかし、アルミニウム鋳物材のように、製造凝固時
のガスを吸収、固溶してそれ自体に気孔が存在している
ような材料を含む部材の接合に適用した方が、突き合わ
せ部の隙間だけでなく該気孔に基づく空気の巻き込みを
も有効に防止し得る点から望ましい。また、加圧装置
（２０）（３０）による接合部材（１）（２）への加圧
力が大きすぎると、接合部材が座屈する恐れがあること
から、加圧力は接合部材（１）（２）が座屈しない値に
設定する必要がある。

【００２０】

【実施例】

（実施例１）ＡＣ４Ａアルミニウム鋳物材からなる幅６
０ｍｍ×長さ１５０ｍｍ×厚さ２０ｍｍの２枚の接合部
材（１）（２）を用い、各接合部材の幅方向の端面を突
き合わせた。

【００２１】そして、図１に示した加圧体（２１）とシ
リンダ（２２）とからなる加圧装置（２０）を用い、接
合部材（１）（２）を突き合わせ方向に表１に示した加
圧力で加圧した。

【００２２】この状態で、図１に示した接合装置（１
０）の回転子（１１）及びプローブ（１２）を回転させ
て、回転子肩部（１１ａ）が接合部材（１）（２）の表
面に当接するまでプローブ（１２）を突き合わせ部
（３）に挿入し、摩擦撹拌接合を行った。ここに、接合
装置の回転子（１１）及びプローブ（１２）は熱間ダイ
ス鋼からなるものを用い、回転子（１１）の外径は５４
ｍｍ、プローブ（１２）の外径は１８ｍｍ、回転子（１
１）及びプローブ（１２）の回転速度は１０００ｒｐ
ｍ、プローブ（１２）の挿入深さは１９．８ｍｍとし
た。

【００２３】そして、回転子（１１）の肩部（１１ａ）
を接合部材（１）（２）の表面に接触させたまま、回転
子（１１）及びプローブ（１２）を突き合わせ部（３）
に沿って接合部材の長さ方向に０．１ｃｍ／分の速度で
移動させることにより、突き合わせ部（３）を摩擦撹拌
接合した。

【００２４】一方、接合部材を加圧しなかった以外は上
記と同様にして突き合わせ部の摩擦撹拌接合を行った。

【００２５】こうして得られた接合品の突き合わせ部
（３）の断面を顕微鏡により観察して接合状態を調査し
た。その結果を表１に示す。

【００２６】

【表１】

【００２７】（実施例２）６Ｎ０１−Ｔ５アルミニウム
押出材からなる幅６０ｍｍ×長さ３００ｍｍ×厚さ１５
ｍｍの２枚の接合部材（１）（２）を用い、各接合部材
の幅方向の端面を突き合わせた。なお、両接合部材には
押出後のストレッチを施さなかった。

【００２８】そして、図３に示したローラー（３１）を
備えた加圧装置（３０）を用い、接合部材（１）（２）
を突き合わせ方向に加圧した。

【００２９】この状態で、上記実施例１と同様の条件
（ただしプローブ（１２）の挿入深さは１４．８ｍｍと
した）で、突き合わせ部（３）の摩擦撹拌接合を行っ
た。

【００３０】一方、接合部材（１）（２）を加圧しなか
った以外は上記と同様にして突き合わせ部の摩擦撹拌接
合を行った。

【００３１】こうして得られた接合品の突き合わせ部
（３）の断面を顕微鏡により観察して接合状態を調査し
た。その結果を表２に示す。

【００３２】

【表２】

【００３３】以上の表１、２の結果から、本発明によれ
ば、突き合わせ部（３）の接合欠陥を抑制して、良好な
突き合わせ接合を行いうることを確認し得た。

【００３４】

【発明の効果】この発明は、上述の次第で、接合部材を
突き合わせ方向に加圧しながら、摩擦撹拌接合を行うか
ら、突き合わせ部に隙間が存在していても、突き合わせ
部における軟化部分が容易に密着変形して隙間に存在す
る空気を接合部外へ逃がすことができ、接合部への空気
の巻き込みを防止できる。従って、接合部におけるボイ
ドの発生を防止でき、接合欠陥の少ない高品質の突き合
わせ接合品を提供することができる。

【００３５】しかも、突き合わせ部の密着変形により、
接合部材の全体寸法を矯正することができる利点もあ
る。

【００３６】また、加圧により接合時における接合部材
の位置ずれを防止でき、突き合わせ部に沿って的確な摩
擦撹拌接合を行わせることができる。

【００３７】しかもまた、アルミニウム鋳物材等のよう
に、接合部材自体に気孔等の欠陥が存在する場合でも、
加圧することで接合部分における該気孔内の空気を逃が
すことができ、加圧しない場合に比べて益々接合欠陥の
少ない接合品の提供が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施形態を示す斜視図である。

【図２】図１の摩擦撹拌接合法に用いる接合部材を突き
合わせた状態の斜視図である。

【図３】この発明の他の実施形態を示す斜視図である。

【図４】摩擦撹拌接合方法を説明するための斜視図であ
る。

【符号の説明】

１、２…接合部材３…突き合わせ部４…隙間１０…接合装置１１…回転子１１ａ…肩部１２…プローブ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者橋本武典堺市海山町６丁224番地昭和アルミニウム株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】２個の接合部材（１）（２）を突き合わ
せるとともに、突き合わせ部（３）またはその近傍に回
転するプローブ（１２）を挿入し、プローブ（１２）と
の接触部を摩擦熱にて軟化させ撹拌しながら、プローブ
（１２）を挿入状態で突き合わせ部（３）に沿って相対
的に移動させることにより接合部材（１）（２）を突き
合わせ接合する摩擦撹拌接合法において、前記接合部材（１）（２）を突き合わせ方向に加圧しな
がら、摩擦撹拌接合を行うことを特徴とする摩擦撹拌接
合法。