JPH1110363A - 摩擦攪拌接合用治具 - Google Patents
摩擦攪拌接合用治具Info
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Abstract
優れた継手特性を有する健全な接合部を安定して与え得
る摩擦攪拌接合用治具を提供すること。 【解決手段】 軸心回りに回転せしめられるロッド状の
治具本体16の先端面17の中心に、被接合部位に差し
込まれるピン14を同心的に立設してなる摩擦攪拌接合
用治具において、かかる治具本体16の先端面17に、
該ピン14の周りに位置するように、周溝22を設けた
ことを特徴とする。
Description
り、特に、バリの発生を抑制して、健全な接合部を有利
に形成することの出来る摩擦攪拌接合用治具に関するも
のである。
からなるアルミニウム材料の如き金属材料の複数を突き
合わせ、その突き合わせ部位を接合することによって、
複雑な或いは大型の構造物が製造されてきており、例え
ば、TIG、MIG等のアーク溶接手法を用いて、目的
とする金属材料の接合が行なわれている。
等によるアーク溶接にあっては、金属材料自体の熱膨張
係数が大きいことから、大きな歪みが発生し、それが溶
接物体(構造物)に内在することとなるのであり、ま
た、その溶融物が大気中の酸素と反応して生じる酸化皮
膜が溶接部に悪影響をもたらすようになるところから、
シールドガスとしての不活性ガスの使用が不可欠とされ
ているのである。このため、その溶接現場では、実際
に、歪みや酸化皮膜の発生を防止し、或いはそれを除去
するために、不活性ガスを用いると共に、多大な工数と
熟練技能が必要とされているのである。
アーク溶接手法に代わる、金属材料の他の接合方法とし
ては、摩擦圧接法、レーザー溶接法、機械的接合法、接
着法等があるが、その施工性や信頼性の面から、或いは
装置コストが高い等の理由から、それらが適用され得る
分野が制限されているのが現状である。中でも、摩擦圧
接法は、古くから利用されている技術であって、接合す
る材料を相対的に高速回転させて、擦り合わせ、発生す
る摩擦熱で接合部が融点に達した時点で、押し付けて、
回転を止める方法であり、バットのグリップの接合等に
おいて実用化されている。しかしながら、そのような摩
擦圧接法も、材料の形状が丸棒やパイプに限られてお
り、板状の金属材料の突き合わせ端部同士の接合には、
利用され難いものであった。
に、摩擦熱を利用して板を突き合わせ接合する方法が、
米国特許第5460317号明細書や、特表平7−50
5090号公報等において明らかにされている。即ち、
図1に示される如く、接合されるべき2枚の板材2a、
2bよりも硬い材質のピン4と、それを先端面の中心部
に立設してなるロッド状の治具本体6とからなる回転治
具(所謂ピン型回転工具)を用い、この回転治具、具体
的には治具本体6を高速回転せしめつつ、その先端のピ
ン4を2枚の板材2a、2bの突き合わせ部8部位に差
し込み、そして相対的に、該突き合わせ部8に沿って移
動せしめることにより、それら回転せしめられるピン4
や治具本体6と板材2a、2bとの間に摩擦熱を発生せ
しめ、そしてその摩擦熱にて、突き合わせ部8の周辺部
位を塑性加工可能な状態と為し、更にピン4の高速回転
による攪拌作用にて、板材2a、2bの突き合わせ部位
8の組織を入り交わらせ、以て溶融せしめることなく、
2枚の板材2a、2bを接合せしめる、所謂摩擦攪拌接
合(Fricton Stir Welding)なる方法である。
来の溶接手法とは異なり、溶加材やシールドガス、開先
加工が不要となるのであり、また酸化膜の除去も不要で
あると共に、溶融接合ではなく、固相接合と考えられる
ものであるところから、入熱が非常に少なく、これによ
って接合部、更にはその周りの組織変化が少なく、低歪
みである特徴を有し、このため、歪みの修正作業も必要
でない等の利点を有している。
っては、安定した継手特性が得られ難く、実用化には殆
ど至っていないのが、現状である。因みに、上述の如き
摩擦攪拌接合操作によれば、接合部の裏・表面は略平坦
となるはずであるが、実際には、少しの条件のずれ、例
えばピン型回転工具におけるピンの差し込み深さや、接
合されるべき材料の寸法精度等の如何により、突き合わ
せ接合面に、バリが突出して形成されるようになるので
あり、また、材料の寸法精度や拘束状態にバラツキがあ
る場合には、接合面に凹凸が生じたり、ルート部にトン
ネル状の融合不良が発生する等して、静的及び疲労強度
に少なからぬ影響をもたらし、健全な接合部の形成を困
難としているのであり、更には、接合強度の低下や外観
の悪化等の問題も惹起しているのである。
景にして為されたものであって、その解決課題とすると
ころは、バリの発生を効果的に抑制乃至は阻止して、優
れた継手特性を有する健全な接合部を安定して与え得る
摩擦攪拌接合用治具を提供することにある。
するために、軸心回りに回転せしめられるロッド状の治
具本体の先端面の中心に、被接合部位に差し込まれるピ
ンを同心的に立設してなる摩擦攪拌接合用治具におい
て、かかる治具本体の先端面に、該ピンの周りに位置す
るように、周溝を設けたことを特徴とする摩擦攪拌接合
用治具を、その要旨とするものである。
拌接合用治具にあっては、被接合部位の表面(突き合わ
せ接合部における表面)に接するロッド状の治具本体の
先端面において、所定の周溝が、ピンの周りに形成され
ているところから、高速回転せしめられるピンによる攪
拌作用にて塑性流動せしめられる材料が、かかる周溝の
存在によって、治具本体の先端面が接する接合領域内に
効果的に押さえ込まれ、以てそのような攪拌材料が、治
具本体の先端面の外周部の外側にバリとして排出される
のを抑制乃至は阻止して、接合部における材料不足に基
づくところの欠陥を有利に解消せしめ得るのである。
合用治具において、有利には、前記周溝は、次式:0.
5R≦r≦0.95R(但し、rは周溝の内側直径であ
り、Rは治具本体の直径である)を満足するように、前
記治具本体の先端面に設けられたり、また、0.025
R〜0.25R(但し、Rは治具本体の直径である)の
範囲内の溝幅:wを有するものとされ、更には、0.0
1L〜0.33L(但し、Lはピンの長さである)の範
囲内の溝深さ:dを有するものとされ、これによって、
より一層優れた接合特性を備えた接合部を形成すること
が可能となるのである。
ば、図2に示される如く、接合せしめられるべき2つの
板状の金属材料12a、12bを突き合わせた状態にお
いて拘束し、それらの被接合部位たる突き合わせ部18
に対して、回転治具(ピン型回転工具)20を構成する
ロッド状の治具本体16の先端面の中心に同心的に立設
されてなるピン14を、高速回転せしめつつ差し込み
(突き刺し)、そして該突き合わせ部18に沿って(図
2において紙面に垂直な方向に)相対的に移動せしめる
ことにより、そのようなピン14、更には治具本体16
の下部、所謂肩部(ショルダー部)の下面(先端面)と
の接触面において摩擦熱を発生させ、以てその周囲を可
塑化せしめ、更には、ピン14の高速回転に伴う攪拌作
用にて、板状の金属材料12a、12bの突き合わせ部
18の組織を入り交り合わせ、以て接合部を形成するも
のである。このため、回転治具20におけるピン14や
治具本体16の下部は、板状の金属材料12a、12b
に高速回転下に接触せしめられても殆ど損耗することの
ない材質からなる非消費型の部材とされているのであ
り、また、そのような回転治具20の高速回転は、公知
の各種の回転駆動装置を用いて実現されることとなる。
転工具)20において、ロッド状治具本体16の先端面
の中心に同心的に設けられたピン14の周りに位置する
ように、所定の周溝を、かかる治具本体16の先端面に
設けたことを特徴とするものであって、その一例が、図
3に示されている。
ては、ロッド状の治具本体16の下端面たる先端面17
において、その外周縁部側に位置するように、V字型断
面形状の周溝22が該外周縁部に沿って設けられてお
り、かかる先端面17の中心部に立設された所定高さの
ピン14の周りに配置せしめられているのである。
に接する先端面17に設けられた周溝22の存在によっ
て、そのような先端面17の外側にバリとして排出され
ようとする塑性流動せる材料を、接合部の領域に効果的
に押さえ込むことが出来ることとなり、以て接合部にお
ける材料不足の問題の発生を効果的に解消し得たのであ
り、加えて、バリの発生の抑制乃至は阻止によって、接
合面の特性や強度等の接合特性も、著しく高められ得る
こととなるのである。
は、例示の如きV字型断面形状のみならず、U字型断面
形状であっても、更には円弧状や矩形の断面形状等、各
種の断面形状を採用することが可能である。
の周りに位置するように、換言すればピン14を中心に
して円形形状を呈するように、有利には、次式:0.5
R≦r≦0.95R(但し、rは周溝22の内側直径で
あり、Rは治具本体16の直径である)を満足するよう
にして、治具本体16の先端面17に設けられることが
望ましいのである。
側に、塑性流動した材料がバリとして排出されるのを効
果的に抑制するには、そのような周溝22は、該周溝2
2よりも径方向外側に先端面17が可及的に存在しない
ように、かかる先端面17の外周縁部側に近接して配置
せしめることが望ましいからであり、従って、かかるr
が0.5Rよりも小さな値となる、ピン14に近接配置
せしめられた状態下においては、周溝22は必然的に大
きくなり、そのために攪拌された材料の多くが周溝22
内に移動してしまい、接合部が充分に埋まらないところ
から、接合部に空洞状の欠陥が生じる等の問題を惹起す
ることとなるのであり、また、0.95Rを越えるよう
な、先端面17の外周縁に余りにも近接して配置せしめ
る場合にあっては、必然的に、周溝22自体が小さくな
り、そのために先端面17が平坦な場合と殆ど変わら
ず、周溝22の配設による効果が小さくなる。
方向外側に先端面17が存在しないようにする(周溝2
2の外側直径:2w+rと治具本体16の直径:Rとが
一致する)ことが望ましいのであるが、実際には、それ
を実現することは難しく、一般にr+2w<Rとなっ
て、ある程度の幅において先端面17が周溝22の径方
向外側に残存することとなる。
ましい態様によれば、0.025R〜0.25Rの範囲
内となるようにされることが望ましく、これによって、
外部にバリとして排出される塑性流動した材料が、その
ような周溝22内に効果的に保持されるようになるので
ある。特に、このような溝幅:wにおいて、前記rとR
の関係式を満たすように、周溝22が先端面17の外周
縁部側に設けられていることが望ましく、これによっ
て、バリの発生をより一層有利に阻止せしめることが可
能となる。
は、0.01L〜0.33L(但し、Lはピン14の軸
方向における長さである)の範囲内の溝深さ:dを有し
ていることが望ましいのである。この溝深さ:dが0.
01L未満の場合には、攪拌される材料の押さえ込み効
果を充分に発揮せしめることが困難となり、先端面17
が平坦な場合と殆ど変わらず、充分な効果を奏し得ず、
また、0.33Lを越えるようになると、攪拌された材
料の多くが周溝22内に移動してしまい、接合部が充分
に埋まらないために、接合部に空洞状の欠陥が惹起され
る等の問題を生じるからである。
成の摩擦攪拌接合用治具(回転治具20)を用いて、目
的とする板状の金属材料12a、12bの接合を行なう
ものであるが、その摩擦攪拌接合操作は公知の如くして
行なわれ得、具体的には、ピン14を、治具本体16と
共に一体的に高速回転せしめつつ、それら板状の金属材
料12a、12bの被接合部位たる突き合わせ部18に
対して差し込み、そして相対的に移動せしめることによ
って、かかる突き合わせ部18に沿って接合部を形成す
るものであり、以てバリの発生が効果的に抑制された、
接合特性に優れた健全な接合部を、安定して実現し得た
のである。
べき2つの金属材料12a、12bとして、その突き合
わせ接合される板状部分のみが例示されているが、それ
ら金属材料の他の部分は、よく知られているように、各
種の形状において構成され得るものであり、単なる全体
が板状形状を呈するものの他、リブや脚部が立設せしめ
られたり、箱型形状と為されたりしたもの等の接合に
も、本発明が適用され得るものであることは、言うまで
もないところである。そして、そのような金属材料12
a、12bの接合されるべき板状部分の厚さは、一般に
0.5〜15mm程度とされるのである。また、接合さ
れるべき材料(12a、12b)の材質としても、摩擦
攪拌接合の適用され得る公知の材質の何れもが、採用さ
れ得るものであるが、一般に金属材料、中でもアルミニ
ウム若しくはアルミニウム合金からなるアルミニウム材
料の接合に、本発明に従う摩擦攪拌接合用治具が、有利
に採用されることとなる。
に具体的に明らかにすることとするが、本発明が、その
ような実施例の記載によって、何等の制約をも受けるも
のでないことは、言うまでもないところである。また、
本発明には、以下の実施例の他にも、更には上記した具
体的構成以外にも、本発明の趣旨を逸脱しない限りにお
いて、当業者の知識に基づいて種々なる変更、修正、改
良等を加え得るものであることが、理解されるべきであ
る。
00mm、長さ:5000mmのアルミニウム押出形材
(6N01−T5形材)を準備した。次いで、そのよう
な押出形材の2つを、幅方向に突き合わせ、図2に示さ
れる如き形態において、図3に示される如き周溝22を
下記表1に示される条件にて先端面17に設けた治具本
体16を有する各種の回転治具20を用いて、それを高
速回転させつつ、ピン14をそれらの突き合わせ部(1
8)に差し込み、そして該突き合わせ部に沿って移動せ
しめることにより、摩擦攪拌接合を行なった。なお、何
れの回転治具20においても、ピン14の長さ:L=
3.7mm、ピン14の先端径=5.0mm、治具本体
16の直径:R=15mmとすると共に、回転数:10
00rpm、接合(移動)速度:300mm/分の摩擦
攪拌接合条件を採用した。
対応するアルミニウム押出形材の、各種接合材における
接合部の引張試験を行ない、それぞれの引張強さを測定
すると共に、JIS−Z−3124に準拠して曲げ試験
を行ない、その試験後の各接合部の欠陥率、即ち、試験
本数中の割れ発生本数の百分率を求め、それらの結果
を、下記表1に併せ示した。また、比較のために、治具
本体16の先端面17に周溝22を設けていない回転治
具を用いて摩擦攪拌接合せしめてなる接合材について
も、その接合部の引張強さ及び欠陥率を求め、比較例と
して、下記表1に示すと共に、更に、通常のMIG溶接
して得られた接合材の接合部における引張強さと欠陥率
の結果も、下記表1に示した。
合前のアルミニウム押出形材の引張強さが250MPa
であることを考えると、本発明に従って、治具本体16
の先端面17に、所定の周溝22を設けてなる回転治具
20を用いて、摩擦攪拌接合して得られた実施例1〜6
に係る接合材にあっては、何れも、その引張強度が高
く、また接合部の欠陥率においても優れていることが認
められるのに対して、周溝22を設けていない回転治具
を用いた比較例の場合や、MIG溶接にて得られた接合
材にあっては、引張強度が低く、更に比較例の接合材に
あっては、接合部の欠陥率も高く、健全な接合部を安定
して得ることが出来ないことは、明らかである。
に従う摩擦攪拌接合用治具によれば、治具本体の先端面
に設けられた周溝の存在によって、攪拌されて塑性流動
する材料が治具本体の外側にバリとして排出されるのが
効果的に抑制乃至は阻止され、以て接合部において材料
不足に基づくところの欠陥の発生が効果的に阻止され得
ることとなり、優れた継手特性を有する健全な接合部
が、安定して得られることとなったのであり、そこに、
本発明の大きな技術的意義が存するのである。
との配置関係を示す説明図である。
縦断面説明図である。
せ部 12a、12b 金属材料 17 先端面 20 回転治具 22 周溝
Claims (4)
- 【請求項1】 軸心回りに回転せしめられるロッド状の
治具本体の先端面の中心に、被接合部位に差し込まれる
ピンを同心的に立設してなる摩擦攪拌接合用治具におい
て、かかる治具本体の先端面に、該ピンの周りに位置す
るように、周溝を設けたことを特徴とする摩擦攪拌接合
用治具。 - 【請求項2】 前記周溝が、次式:0.5R≦r≦0.
95R(但し、rは周溝の内側直径であり、Rは治具本
体の直径である)を満足するように、前記治具本体の先
端面に設けられている請求項1記載の摩擦攪拌接合用治
具。 - 【請求項3】 前記周溝が、0.025R〜0.25R
(但し、Rは治具本体の直径である)の範囲内の溝幅:
wを有している請求項1または請求項2記載の摩擦攪拌
接合用治具。 - 【請求項4】 前記周溝が、0.01L〜0.33L
(但し、Lはピンの長さである)の範囲内の溝深さ:d
を有している請求項1乃至請求項3の何れかに記載の摩
擦攪拌接合用治具。
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JP16831197A JP3283439B2 (ja) | 1997-06-25 | 1997-06-25 | 摩擦攪拌接合用治具 |
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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Publication Number | Publication Date |
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JPH1110363A true JPH1110363A (ja) | 1999-01-19 |
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ID=15865683
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