JPH10249553A

JPH10249553A - 摩擦攪拌接合方法

Info

Publication number: JPH10249553A
Application number: JP5330597A
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; Ichiro Iwai; 一郎岩井
Original assignee: Showa Aluminum Corp
Current assignee: Showa Aluminum Can Corp
Priority date: 1997-03-07
Filing date: 1997-03-07
Publication date: 1998-09-22
Anticipated expiration: 2017-03-07
Also published as: JP3290608B2

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、接合部に欠陥を発生させることな
く、また、突き合わせ部にや熱的悪影響を及ぼすことな
く、さらに、接合部材の表面を汚すことなく良好に接合
することのできる摩擦撹拌接合法の提供。【解決手段】径大の円柱状回転子４１の端面回転軸線
Ａ上にピン状プローブ４２が突出して設けられた接合装
置４を用い、厚さ方向に段差を生じる態様で突き合わさ
れた接合部材１、２の前記突き合わせ部またはその近傍
に、回転する前記プローブ４２を挿入するとともに、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、両接合部材１、２を突き合わせ接合する摩擦撹
拌接合法において、前記プローブ４２の回転軸線を接合
部材１、２の突き合わせ面に対して１０゜以下の傾斜角
度θで接合部材の低位側に傾けた状態で前記接合を行
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）等の金属材を段差
を生じる態様で突き合わせて接合する場合に用いられる
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６
に示すように、径大の円柱状回転子（１１１）の端面軸
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）に前記
プローブ（１１２）を挿入する。挿入は、一般には、回
転子（１１１）のプローブが設けられている端面（１１
１ａ）が接合部材（１０１）（１０２）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（１１２）を接合部材（１
０１）（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）の端面（１１１ａ）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（１１
２）との接触部分近傍において接合部材（１０１）（１
０２）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（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、厚さ方向に
段差があるような接合部材（１０１）（１０２）の突き
合わせ部（１０３）を前記摩擦攪拌接合法によって接合
する場合、次のような欠点があった。

【０００５】即ち、図７に示すように、回転子（１１
１）の端面（１１１ａ）を高位側の接合部材（１０１）
の表面に接触させた状態で接合を行うものとすれば、プ
ローブ（１１２）によって攪拌された高位側の接合部材
（１０１）が低位側接合部材の方向に平行に飛散して、
接合部材（１０２）の表面を著しく汚すことがあり、ま
た、低位側の接合部材（１０２）の表面に端面（１１１
ａ）が接触していないため、攪拌された接合部材（１０
１）（１０２）の一部がプローブ（１１２）近傍から飛
散し接合部に欠損が生じる等の欠点があった。また、図
８に示すように、回転子の端面（１１１ａ）を低位側の
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、回転子（１１１）に
よって塑性変形された高位側の接合部材（１０１）がさ
らに低位側の接合部材（１０２）の方向に飛散するばか
りか、回転子（１１１）が接合部材（１０１）の端部を
大きな接触面積で強引に塑性変形させるため大きな摩擦
熱が発生し、接合部近傍に熱的な悪影響を及ぼすという
欠点があった。

【０００６】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、接合部に欠陥を発
生させることなく、また、突き合わせ部に熱的悪影響を
及ぼすことなく、さらに、接合部材の表面を汚すことな
く良好に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。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この発明者らは、前記欠
点を解決する方法として、段差が生じている接合部材の
突き合わせ面に前記プローブを斜めに進入させつつ接合
することを想到し、さらに、鋭意研究と実験の結果、所
定の接合強度を維持し得るプローブの最適な傾斜角度を
見出だすに至った。

【０００８】即ち、径大の円柱状回転子の端面回転軸線
上にピン状プローブが突出して設けられた接合装置を用
い、厚さ方向に段差を生じる態様で突き合わされた接合
部材の前記突き合わせ部またはその近傍に、回転する前
記プローブを挿入するとともに、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、両接合部材
を突き合わせ接合する摩擦撹拌接合法において、前記プ
ローブの回転軸線を接合部材の突き合わせ面に対して１
０゜以下の傾斜角度で接合部材の低位側に傾けた状態で
前記接合を行うことを特徴とするものである。

【０００９】上記に示すように、接合装置の回転軸線を
接合部材の高位側から低位側方向に傾けた状態として接
合すれば、露出している高位側接合部材の端部を避けて
突き合わせ部にプローブを挿入することができるから、
該高位側接合部材端部のプローブによる攪拌を回避する
ことができる。また、プローブ近傍から飛散してくる接
合部材の一部を、回転子の端面が反射し、再びプローブ
によって突き合わせ部に巻き込むことができるため接合
部に発生する欠損を有効に抑止することができる。

【００１０】接合装置の回転軸線の突き合わせ面に対す
る傾斜角度を１０゜以下に設定すれば、プローブが突き
合わせ面から大きく外れることがなく、十分に突き合わ
せ面近傍を攪拌接合することができるため、高い接合強
度を得ることができる。

【００１１】また、回転子の端面を、突き合わせ部から
突出している高位側接合部材の肩部に圧接し、当該肩部
を塑性変形せしめて接合部材の突き合わせ部に形成され
るコーナー部を充填するものとすれば、接合部材の突き
合わせ面が攪拌接合されるのに加えて、飛散した高位側
接合部材の肩部もプローブによって攪拌されつつコーナ
ー部を充填するため、接合部に欠損が発生することがな
く、突き合わせ面端部が肉盛状態となされるため、さら
に接合強度を向上させることができる。

【００１２】

【発明の実施の形態】図１〜図３はこの発明の実施形態
１にかかるものである。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、底面が同一面となされるように配置されてお
り、このため上面側の突き合わせ部（３）に段差が生じ
ている。

【００１３】図１において、（４）は接合装置であり、
径大の円柱状回転子（４１）の端部軸線上に径小のピン
状プローブ（４２）が突出して一体に設けられ、回転子
（４１）を高速回転させることによりプローブ（４２）
も高速回転させうるものとなされている。なお、プロー
ブ（４２）及び回転子（４１）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。

【００１４】次に、接合装置（４）を用い、接合部材
（１）（２）を摩擦撹拌接合する。即ち、接合装置
（４）したがってプローブ（４２）の回転軸線（Ａ）を
接合部材（１）（２）の突き合わせ面（３１）に対して
１０゜以下の角度範囲内に傾ける。図１において、前記
傾斜角（θ）は回転軸線（Ａ）と突き合わせ面（３１）
の仮想延長面（Ｂ）とがなす角によって表されている。
そして、回転子（４１）を回転させることにより、これ
と一体回転するプローブ（４２）を高位側接合部材
（１）の突き合わせ面と低位側接合部材（２）の上面と
で形成されるコーナー部（３２）に突き立て、その摩擦
熱によりプローブ（４２）との接触部分を軟化可塑化さ
せつつ突き合わせ部（３）に挿入させていく。挿入は、
回転子（４１）先端の平坦状端面（４１ａ）が、高位側
接合部材（１）の肩部に当接またはその近傍に位置する
か、または、回転子（４１）の端部周縁が低位側接合部
材（２）の表面に当接またはその近傍に位置するまで行
う。

【００１５】プローブ（４２）及び回転子（４１）の回
転により、プローブ（４２）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。また、この攪拌に伴いプローブ（４２）の
挿入部分から接合部材（１）（２）の一部が飛散する
が、当該接合部材（１）（２）の一部は回転子（２）の
端面（４１ａ）で反射され、再びプローブ（４２）によ
って接合部に巻き込まれる。そして、突き合わせ部
（３）に沿って回転子（４１）及びプローブ（４２）を
移動させる。プローブ（４２）の移動によって、軟化撹
拌部分がプローブ（４２）の進行圧力を受けてプローブ
（４２）の通過溝を埋めるようにプローブ（４２）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
（４２）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）が順次接合
されていく。

【００１６】以上のように接合することにより、プロー
ブ（４２）の挿入部分から飛散した接合部材（１）
（２）の一部は再び接合部に巻き込まれるため、接合部
の欠損が有効に抑制される。また、プローブ（４２）が
接合面に対してθ≦１０゜の範囲で挿入されるため、突
き合わせ面（３１）からプローブ（４２）が大きく外れ
ることがなく、突き合わされた接合部材（１）（２）の
両方を有効に攪拌して接合することができるので、高い
接合強度を得ることができる。

【００１７】次に、この発明にかかる実施形態２を図
４、図５に基づき説明する。

【００１８】この実施形態２において、接合部材（１）
（２）及び接合装置（４）に関しては実施形態１と変わ
る所がないためその説明を省略する。また、その接合方
法の主たる部分は実施形態１と同様であるためその説明
を省略し、相違点のみ以下に説明する。

【００１９】この実施形態２では、図３に示すように、
プローブ（４２）の挿入を回転子（４１）の端面（４１
ａ）が高位側接合部材（１）の肩部（１１）を押圧しそ
れを塑性変形させるまで行われる。そして、この状態で
突き合わせ部（３）に沿ってプローブ（４２）等を移動
させ肩部（１１）を塑性変形させつつ攪拌接合をする。

【００２０】以上のように、回転子（４１）の端面（４
１ａ）で高位側の接合部材（１）の肩部（１１）を塑性
変形させることにより、変形した肩部（１１）はプロー
ブ（４２）の回転に巻き込まれ、プローブ（４２）の挿
入部から飛散する接合部材（１）（２）の一部とともに
攪拌され、図５に示すように、高位側接合部材（１）の
突き合わせ面と低位側接合部材（２）の上面とで形成さ
れるコーナー部（３２）を充填する。

【００２１】したがって、この実施形態２では、実施形
態１に示したように突き合わせ部（３）に位置する接合
部材（１）（２）をプローブ（４２）によって攪拌接合
するばかりか、回転子（４１）の端面（４１ａ）で塑性
変形させた接合部材（１）の肩部（１１）をも攪拌して
コーナー部（３２）を充填するため、欠損が発生するこ
となく肉盛状態となってさらに高い接合強度を得ること
ができる。

【００２２】なお、この発明は上記実施形態に限定され
るわけではない。例えば、回転子（４１）を低位側の接
合部材（２）に押し付けつつ、高位側接合部材（１）の
肩部（１１）を押し付ける方法を採用しても良い。ま
た、接合部材もアルミニウムばかりでなくその合金や他
の金属でも構わない。

【００２３】

【実施例】次に、この発明の実施例を説明する。

【００２４】以下に記載の接合部材を準備した接合部材材質：６Ｎ０１厚さ：高位側３．３ｍｍ、低位側３．０ｍｍ幅：２００ｍｍ長さ：５００ｍｍ

【００２５】上記接合部材をそれぞれ同一面上に載置し
て幅方向の端部を突き合わせ、突き合わせ部に段差のあ
る方向からプローブを挿入し、接合部材の長さ方向全体
にわたって下記要領で摩擦攪拌接合を行った。

【００２６】摩擦攪拌接合条件回転速度：１５００ｒｐｍプローブ：径３．５ｍｍ×長さ３ｍｍ回転子：径１２．５ｍｍ傾斜角θ：表１に記載

【００２７】以上の要領により得られた試料の接合部を
観察して欠損の有無を調べた。また、引張試験を行っ
た。その結果を表１に示す。なお、引張試験の評価とし
て、板厚３ｍｍの２個の接合部材を傾斜角０゜で摩擦攪
拌接合した試料を準備し、当該試料の引っ張り強さに対
して９８％未満の引っ張り強さの試料には×を、９８％
以上の引っ張り強さを有する試料には○を付した。

【００２８】

【表１】

【００２９】以上表１より、この発明によれば、プロー
ブの傾斜角度を１０゜以下にすることにより接合部に欠
損が生じることなく強固に接合し得ることが分かる。

【００３０】

【発明の効果】この発明は、上述の次第であり、厚さ方
向に段差を生じる態様で突き合わされた接合部材を、プ
ローブの回転軸線を突き合わせ面に対して傾斜角を１０
゜以下の範囲で低位側の接合部材の方向に傾斜させて接
合する方法である。したがって、突き合わせ面が露出し
ている高位側接合部材の端部を避けて突き合わせ部にプ
ローブを挿入することができるから、該高位側接合部材
端部のプローブによる攪拌を回避することができるとと
もに、プローブ近傍から飛散してくる接合部材の一部
を、回転子の端面が反射し、再びプローブによって突き
合わせ部に巻き込むことができるため、接合部に発生す
る欠損を有効に抑止することができ、また、プローブが
突き合わせ面から大きく外れることがなく、十分に突き
合わせ面近傍を攪拌接合することができるため、高い接
合強度を得ることができる。

【００３１】さらに、回転子の端面を、突き合わせ部か
ら突出している高位側接合部材の肩部に圧接し、当該肩
部を塑性変形せしめて接合部材の突き合わせ部に形成さ
れるコーナー部を充填することにより、接合部に欠損が
発生することがなく、突き合わせ面端部が肉盛状態とな
されるため、さらに接合強度を向上させることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施形態１を示す断面図である。

【図２】（ａ）は図１の摩擦撹拌接合される前の突き合
わされた接合部材を示す斜視図、（ｂ）は（ａ）のII−
II線断面図である。

【図３】実施形態１における接合状態を示す断面図であ
る。

【図４】この発明の実施形態２を示す断面図である。

【図５】実施形態２における接合状態を示す断面図であ
る。

【図６】摩擦撹拌接合方法を説明するための斜視図であ
る。

【図７】従来の摩擦撹拌接合方法の欠点を示す断面図で
ある。

【図８】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…接合部材（高位側）２…接合部材（低位側）３…突き合わせ部４…接合装置 11…肩部 31…突き合わせ面 32…コーナー部 41…回転子 41a …端面 42…プローブＡ…回転軸線Ｂ…仮想延長面 θ…傾斜角

───────────────────────────────────────────────────── 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 (72)発明者岩井一郎堺市海山町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】径大の円柱状回転子の端面回転軸線上に
ピン状プローブが突出して設けられた接合装置を用い、
厚さ方向に段差を生じる態様で突き合わされた接合部材
の前記突き合わせ部またはその近傍に、回転する前記プ
ローブを挿入するとともに、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、両接合部材を突
き合わせ接合する摩擦撹拌接合法において、前記プローブの回転軸線を接合部材の突き合わせ面に対
して１０゜以下の傾斜角度で接合部材の低位側に傾けた
状態で前記接合を行うことを特徴とする摩擦攪拌接合
法。
【請求項２】回転子の端面を、突き合わせ部から突出し
ている高位側接合部材の肩部に圧接し、当該肩部を塑性
変形せしめて接合部材の突き合わせ部に形成されるコー
ナー部を充填することを特徴とする請求項１に記載の摩
擦攪拌接合法。