JPH10193143A - 摩擦撹拌接合法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】厚さ方向に段差を生じる態様で突き合わされた
２個の接合部材を、接合欠陥やバリ等を発生することな
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】厚さ方向に段差４を生じる態様で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。前記段差４に相当する厚さの当て部材５
を、低位側の接合部材２のプローブ挿入側の面に重ね合
わせることにより突き合わせ部３における段差４を解消
し、この状態で両接合部材１、２の前記突き合わせ接合
を行う。

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５
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）に対して相対的に
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（１１
１ａ）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（１１
２）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（１０３）において接合されるものである。

【０００３】このような摩擦攪拌接合法によれば、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】ところで、２個の接合
部材（１０１）（１０２）の突き合わせ部（１０３）
に、厚さ方向の段差が生じるような場合、例えば接合部
材の厚さが異なる場合には次のような欠点があった。

【０００５】即ち、図６に示すように、接合部材（１０
１）（１０２）の底面を揃えることによりてプローブ挿
入側の面に段差がついた状態とし、この状態で回転子
（１１１）の肩部（１１１ａ）を厚肉の接合部材（１０
１）表面に接触させて摩擦撹拌溶接を行うと、薄肉の接
合部材（１０２）の表面には、回転子肩部（１１１ａ）
が接触しないので肩部（１１１ａ）と接合部材（１０
２）との摺動に伴う十分な摩擦熱を発生させることがで
きず、接合欠陥を生じやすいという欠点があった。逆
に、図７に示すように、回転子の肩部（１１１ａ）を薄
肉の接合部材（１０２）の表面に接触させようとして、
回転子（１１１）を強く押し付けると、厚肉側の接合部
材（１０１）の表面が削られて発熱量が増える結果、接
合部の温度が高くなりすぎ肩部外周付近にバリ等が発生
しやすいという欠点があった。

【０００６】なお、薄肉の接合部材（１０２）の底面に
当て板をして、プローブ挿入側の表面を同一高さにそろ
えることも考えられるが、この場合には、突き合わせ部
の裏面にルート割れが発生しやすいという問題がある。

【０００７】この発明は、このような技術的背景に鑑み
てなされたものであって、厚さ方向に段差を生じる態様
で突き合わされた２個の接合部材を、接合欠陥やバリ等
を発生す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。

【０００８】

【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、厚さ方向に段差を生じる態様で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、前記段差に相当する厚さの当て部材を、低位側
の接合部材のプローブ挿入側の面に重ね合わせることに
より突き合わせ部における段差を解消し、この状態で両
接合部材の前記突き合わせ接合を行うことを特徴とする
ものである。

【０００９】このようにすることで、当て部材の存在に
より、接合部材の突き合わせ部には段差が存在せず同一
の高さとなるから、回転子の肩部は接合部材及び当て部
材の表面に均一に接触し、接合部材や当て部材の表面を
削ることなく、かつ適度な量の摩擦熱を発生する。

【００１０】

【発明の実施の形態】図１〜図３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た状態に
配置された厚さの異なる２枚の板状アルミニウム接合部
材である。これら接合部材（１）（２）は、図２に示す
ように、底面を同一高さに配置されており、このため上
面側の突き合わせ部 （３）に段差（４）を生じてい
る。

【００１１】この段差（４）を解消するため、図３に示
すように、段差に相当する厚さのアルミニウム製当て部
材（５）を、薄肉の接合部材（低位側の接合部材）
（２）の上面に、その端縁が厚肉の接合部材（１）の端
部に突き合わされた状態となるように突き合わせ部
（３）に沿って配置する。ここに、当て部材（５）は薄
板でも箔でも良く、段差（４）を解消し得る形状のもの
であれば良い。また、当て部材（５）はその不本意な移
動を防止するため、予め接合部材（２）の表面に接着剤
その他の手段により接合しておくのが良い。接着剤とし
ては、３００℃以下で気化ないし焼失して固形分が残り
にくい樹脂を用いるが良い。これにより、摩擦撹拌接合
時の熱により接着剤を気化ないし焼失させることがで
き、接着剤の残存による接合強度の低下等の不都合を避
けることができる。

【００１２】このような接着剤を構成する樹脂として
は、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、
ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）等の樹脂フィル
ム、ポリウレタン、エポキシ等の有機系接着剤がある。

【００１３】なお、当て部材（５）を予め接合すること
なく、図４に示すように当て部材（５）を供給しつつ突
き合わせ部（３）の摩擦撹拌接合を遂行しても良い。

【００１４】また、当て部材（５）は、接合部材（１）
（２）とともに突き合わせ接合されて、接合後は接合品
の一部を構成することから、その材質として接合部材
（１）（２）と同程度の強度を有するものを用いるのが
望ましく、最も好ましくは接合部材（１）（２）と同一
の材料や共金系の材料を用いるのが良い。また、後述す
るように、当て部材（５）の表面に、接合装置（１０）
の回転子（１１）の肩部（１１ａ）が接触することか
ら、当て部材（５）の幅は回転子（１０）の半径程度あ
るいはそれ以上に設定するのが良い。

【００１５】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）、当て部材（５）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。

【００１６】次に、接合装置（１０）を用い、次のよう
にして摩擦撹拌接合を行う。即ち、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）と接合部材（２）及び当て部材
（５）との突き合わせ部（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）及び当て部材（５）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）、当て部材（５）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。

【００１７】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）及び当て部材（５）が摩擦熱
によって軟化しかつ撹拌されるとともに、プローブ（１
２）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。この現象がプローブ（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）及び当て部材（５）は相互に一体化さ
れ順次接合されていく。しかも、当て部材（５）の存在
により、接合部材（１）（２）の突き合わせ部には段差
（４）が存在せず同一の高さとなっているから、回転子
（１１）の肩部（１１ａ）は接合部材（１）及び当て部
材（５）の表面に均一に接触し、接合部材（１）や当て
部材（５）の表面を削ることなく、かつ適度な量の摩擦
熱を発生する。

【００１８】なお、以上の実施形態では、厚さの異なる
接合部材（１）（２）を突き合わせることにより、突き
合わせ部（３）に段差（４）が生じた場合を示したが、
同一厚さの接合部材を厚さ方向にずらして突き合わせる
ことにより突き合わせ部に段差が生じるような場合に
も、この発明を適用できる。

【００１９】

【実施例】Ａ１１００−Ｈ２４からなる幅５０ｍｍ×長
さ２００ｍｍで厚さがそれぞれ３ｍｍと３．３ｍｍの２
枚のアルミニウム板を接合部材（１）（２）として用
い、各接合部材の幅方向の端部を突き合わせた。突き合
わせは、両接合部材（１）（２）の底面が同一の高さと
なるようにして行った。従って、両接合部材（１）
（２）の上面側に、接合部材の厚さの差に等しい高さ
０．３ｍｍの段差（４）が生じた。

【００２０】次に、Ａ１１００からなる幅１５ｍｍ×長
さ３００ｍｍ×厚さ０．３ｍｍのアルミニウム薄板製当
て部材（５）を、突き合わせ部（３）に隙間が生じない
ように薄肉の接合部材（２）の上面に接着剤により貼り
付けて、突き合わせ部（３）の段差（４）を解消した。
接着剤としてはエポキシ系のものを用いた。

【００２１】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）及び当て部
材（５）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
鋼材（ＳＫ材）からなるものを用い、回転子（１１）の
外径は８ｍｍ、プローブ（１２）の外径は３ｍｍ、回転
子（１１）及びプローブ（１２）の回転速度は１６００
ｒｐｍ、プローブ（１２）の挿入深さは３．０ｍｍとし
た。

【００２２】そして、回転子（１１）の肩部（１１ａ）
を接合部材（１）及び当て部材（５）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２０ｃｍ／
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。

【００２３】こうして得られた接合品の突き合わせ部
（３）の接合状態を目視観察したところ、接合欠陥やバ
リの発生は認められなかった。

【００２４】一方、上記と同一の接合部材（１）（２）
を用い、当て部材を介在させることなく上面突き合わせ
部（３）に段差（４）を生じさせた状態で、上記と同一
の接合装置により、回転子肩部（１１ａ）を厚肉側接合
部材（１）の表面に接触させて突き合わせ部（３）の摩
擦撹拌接合を行った場合には、発熱不足による接合欠陥
が生じた。同じく、回転子肩部（１１ａ）を薄肉側接合
部材（２）の表面に接触するよう押し付けて摩擦撹拌接
合を行った場合には、厚肉の接合部材（１）にバリが発
生した。

【００２５】従って、本発明によれば、接合欠陥やバリ
を生じることなく良好な突き合わせ接合を行いうること
を確認し得た。

【００２６】

【発明の効果】この発明は、上述の次第で、当て部材の
存在により、接合部材の突き合わせ部には段差が存在せ
ず同一の高さとなるから、回転子の肩部は接合部材及び
当て部材の表面に均一に接触し、接合部材や当て部材の
表面を削ることなく、かつ適度な量の摩擦熱を発生する
ことになる。このため、接合部に欠陥やバリ等の不具合
が発生するのを防止でき、良好な接合状態を得ることが
できる。

【００２７】もとより、接合部材の底面に当て部材を配
置するものではないから、ルート割れを発生も防止でき
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】（ａ）は図１の摩擦撹拌接合法に用いる接合部
材を、当て部材を当てることなく突き合わせた状態の斜
視図、（ｂ）は（ａ）のII−II線断面図である。

【図３】（ａ）は図２の接合部材に当て部材を当てた状
態の斜視図、（ｂ）は（ａ）のIII −III 線断面図であ
る。

【図４】この発明の他の実施形態を示す斜視図である。

【図５】摩擦撹拌接合方法を説明するための斜視図であ
る。

【図６】従来の摩擦撹拌接合方法の欠点を示す断面図で
ある。

【図７】同じく従来の摩擦撹拌接合方法の欠点を示す断
面図である。

【符号の説明】

１、２…接合部材 ３…突き合わせ部 ４…段差 ５…当て部材 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 (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 厚さ方向に段差（４）を生じる態様で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、 前記段差に相当する厚さの当て部材（５）を、低位側の
   接合部材（２）のプローブ挿入側の面に重ね合わせるこ
   とにより突き合わせ部（３）における段差（４）を解消
   し、この状態で両接合部材（１）（２）の前記突き合わ
   せ接合を行うことを特徴とする摩擦撹拌接合法。