JPH11156561A - 金属材の接合方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 摩擦撹拌接合における金属材の接合におい
て、引上げ孔の存在による用途面での支障や外観の悪化
を阻止することができ、かつ孔埋め部材の寸法精度の厳
格性を緩和することのできる金属材の接合方法を提供す
ること。 【解決手段】 金属材１、１同士の接合線Ｌに沿って回
転するプローブ１２を挿入状態で相対的に移動させて両
金属材同士を接合一体化する摩擦撹拌接合において、接
合終端部での前記プローブの引上げによって生じた引上
げ孔４に、回転する孔埋め部材２２を埋入する。そし
て、孔埋め部材２２の回転数を急激に変化させることに
より埋入状態の孔埋め部材２２を引上げ孔４上部におい
てねじり破断して金属材側に残す。

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、摩擦撹拌接合法
により、金属板材、押出形材、鋳物等の金属材を接合す
る金属材の接合方法に関する。

【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１
に示すように、径大の円柱状回転子（１１）と、該回転
子（１１）の端部軸線上に突出して設けられ金属材
（１）（１）よりも硬質の径小のピン状プローブ（１
２）とを有する接合工具（１０）を用い、前記回転子
（１１）を高速で回転させつつ、突合せ状態に配置した
２枚の板状金属材（１）（１）の突合せ部（Ｌ）又はそ
の近傍に前記プローブ（１２）を挿入する。挿入は、プ
ローブ（１２）の先端が両金属材（１）（１）のプロー
ブ挿入側の面と反対側の面の近傍、即ち突合せ部（Ｌ）
の裏面の近傍に到達するまで行う。通常、このときに回
転子（１１）のプローブ側平坦面からなる肩部（１１
ａ）を、両金属材（１）（１）の突合せ部（Ｌ）のプロ
ーブ（１２）挿入側の面、即ち突合せ部（Ｌ）の上面に
圧接させておく。そして、プローブ挿入状態のまま突合
せ部（Ｌ）に沿ってプローブ（１２）を相対的に移動さ
せる。プローブ（１２）の回転により発生する摩擦熱、
あるいは更に回転子（１１）の肩部（１１ａ）と両金属
材（１）（１）との摺動に伴い発生する摩擦熱により、
プローブ（１２）との接触部分近傍において両金属材
（１）（１）は軟化しかつ撹拌されるとともに、プロー
ブ（１２）の移動に伴って、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、最終的に両金属材（１）（１）が突
合せ部（Ｌ）において接合一体化されるものである。同
図において、（３）は、前記プローブ（１２）により接
合された両金属材（１）（１）の接合部である。また、
このような摩擦撹拌接合法は、同図に示すような突合せ
接合の他、重ね接合等にも用いられている。

【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、金属材（１）（１）の種類に制限を受け
ないとか、ＭＩＧやＴＩＧ等といった溶融溶接と比較し
て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、このよ
うな摩擦撹拌接合において、金属材（１）（１）同士の
接合終端部で回転子（１１）を引き上げて挿入していた
プローブ（１２）を抜き出すと、該接合終端部にはプロ
ーブと同じ径及び同じ深さの孔が生じることになるが、
この引上げ孔の存在によって用途面で様々な支障をきた
したり、外観の悪化により商品価値が低下するという問
題があった。

【０００５】また、引上げ孔を塞ぐために、引上げ孔に
孔埋め部材を埋入することも考えられるが、この場合、
埋入した孔埋め部材を引上げ孔から不用意に抜けないよ
うにするために、孔埋め部材の寸法精度を厳格に設定し
なければならず、このため孔埋め部材を必要寸法精度に
仕上げるための特別な加工が強いられる。

【０００６】この発明は、このような難点を解決するた
めになされたもので、摩擦撹拌接合による金属材の接合
において、引上げ孔の存在による用途面での支障や外観
の悪化を阻止することができ、かつ孔埋め部材の寸法精
度の厳格性を緩和することのできる金属材の接合方法を
提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、この発明に係る金属材の接合方法は、金属材同士の
接合線に沿って回転するプローブを挿入状態で相対的に
移動させて両金属材同士を接合一体化する摩擦撹拌接合
において、接合終端部での前記プローブの引上げによっ
て生じた引上げ孔に、回転する孔埋め部材を埋入すると
ともに、前記孔埋め部材の回転数を急激に変化させるこ
とにより埋入状態の孔埋め部材をねじり破断して金属材
側に残すことを特徴としている。

【０００８】これによれば、引上げ孔が孔埋め部材の埋
入によって塞がれ、引上げ孔の存在による用途面での支
障や外観の悪化が阻止される。また、引上げ孔に埋入し
た孔埋め部材のねじり破断は、孔埋め部材の回転数を急
激に変化させることにより生じるねじり応力によって行
われる。また、孔埋め部材を必要寸法精度に仕上げるた
めの特別な加工を施していない場合であっても、孔埋め
部材の引上げ孔への埋入の際、孔埋め部材が引上げ孔に
接触し、この接触により生じる磨耗や摩擦熱によって、
孔埋め部材と引上げ孔が互いに適合状態に変形するもの
となり、孔埋め部材の寸法を厳密に設定する必要がなく
なる。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施形態を図面
を参照して説明する。図２は第１実施形態、図３は第２
実施形態を示す。

【００１０】図２（ｉ）は、既述の図１を用いて説明し
た摩擦撹拌接合における接合終端部で回転子（１１）を
引き上げた状態を示しており、接合されたアルミニウム
又はその合金等からなる金属板（１）（１）には、挿入
していた接合工具（１０）のプローブ（１２）の引上げ
による引上げ孔（４）を生じている。而して、この実施
形態では、前記引上げ孔（４）を塞ぐために、同図（i
i）に示すように、引上げ孔（４）に埋入して該引上げ
孔（４）を塞ぐ孔埋め部材（２２）を有する孔埋め工具
（２０）が用いられている。

【００１１】前記孔埋め工具（２０）は、前記金属材
（１）（１）の摩擦撹拌接合の際に用いた接合工具（１
０）のプローブ（１２）を前記埋め部材（２２）に取り
替えることによって構成されたものである。すなわち、
接合の際に用いられた前記接合工具（１０）は、同図
（ｉ）に示すように、径大の円柱状回転子（１１）と、
前記金属材（１）（１）より硬質の径小のピン状プロー
ブ（１２）と有している。そして、前記プローブ（１
２）が、前記回転子（１１）の端部平坦面の中央部に設
けられた取付け孔（１１ｂ）に、該回転子（１１）の端
部軸線上に突出する態様にして該回転子（１１）と一体
回転可能にかつ着脱自在に取り付けられているものであ
る。同図（ｉ）では、かかる構成の接合工具（１０）を
用いて金属材（１）（１）を摩擦撹拌接合し、接合終端
部で回転子（１１）を引き上げることで、金属材（１）
（１）にプローブ（１２）の引上げ孔（４）を生じてい
る。そして、この引上げ孔（４）を塞ぐために、前記接
合工具（１０）のプローブ（１２）を取付け孔（１１
ｂ）から取り外し、空いた取付け孔（１１ｂ）に前記孔
埋め部材（２２）を前記回転子（１１）の端部軸線上に
突出する態様にして該回転子（１１）と一体回転可能に
かつ着脱自在に取り付けることで、前記孔埋め工具（２
０）が構成されている。なお、同図（ii）〜（iv）にお
いて、前記孔埋め工具（２０）の回転子（２１）の符号
は、前記接合工具（１０）の回転子（１１）に付された
数字に１０を加算した数字で示している。

【００１２】前記孔埋め部材（２２）は、前記金属材
（１）（１）と同じ材料からなる径小のピン状のもの
で、その直径が前記引上げ孔（４）の孔径と同じ乃至は
若干大きく設定され、前記引上げ孔（４）に適合状態に
乃至はきつく埋入しうるものとなされている。また、前
記回転子（２１）の端部平坦面からの前記孔埋め部材
（２２）の突出長さは、前記引上げ孔（４）の深さと略
同じ長さに設定され、前記引上げ孔（４）をその底部ま
で完全に埋めることができるものとなされている。な
お、（２１ａ）は前記回転子（２１）の平坦面からなる
肩部である。

【００１３】以上のように構成した孔埋め工具（２０）
を用い、次のようにして前記引上げ孔（４）を塞ぐ。す
なわち、前記回転子（２１）を所定の回転数、例えば摩
擦撹拌接合を行ったときの接合工具（１０）の回転子
（１１）の回転数と同じ回転数で回転させてこれと一体
回転する孔埋め部材（２２）を引上げ孔（４）に埋入す
る。この孔埋め部材（２２）の埋入状態において、前述
したように孔埋め部材（２２）の突出長さは前記引上げ
孔（４）の深さと略同じ長さに設定されているので、同
図（iii ）に示すように回転子（２１）の肩部（２１
ａ）は金属材（１）（１）の上面に当接する。埋入した
孔埋め部材（２２）の回転により発生する摩擦熱、ある
いは更に回転子（２１）の肩部（２１ａ）と金属材
（１）（１）上面との摺動に伴い発生する摩擦熱によっ
て、接触部分近傍において孔埋め部材（２２）の外周部
と金属材（１）（１）の引上げ孔（４）内周部とは、互
いに軟化しかつ撹拌される。そして、この状態のまま回
転子（２１）の回転、即ち孔埋め部材（２２）の回転を
一気に止める。すると、軟化撹拌部分が摩擦熱を急速に
失って冷却固化され、その結果、埋入状態の孔埋め部材
（２２）が引上げ孔（４）に固着するとともに、該孔埋
め部材（２２）がねじり応力を受けて引上げ孔（４）開
口部においてねじり破断されて、同図（iv）に示すよう
に引上げ孔（４）内に残るものとなる。こうして引上げ
孔（４）が塞がれる。なお、同図（iv）において、（２
２ａ）は孔埋め部材（２２）の破断面である。

【００１４】次いで、回転子（２１）の取付け孔（２１
ｂ）内に残った部位を取り外し、空いた取付け孔（２１
ｂ）に再度、前記プローブ（１２）を取り付けること
で、上記の接合工具（１０）を再構成することができ
る。

【００１５】かくして接合された金属板（１）（１）
は、接合終端部に生じた引上げ孔（４）が塞がっている
から、この引上げ孔（４）による用途面での支障や外観
の悪化がなく、高い商品価値を有するものとなる。しか
も、引上げ孔（４）が金属材（１）（１）と同じ材料か
らなる孔埋め部材（２２）によって塞がれているから、
均質な物理的・化学的特性を有するものとなる。また、
引上げ孔（４）に埋入した孔埋め部材（２２）のねじり
破断は、孔埋め部材（２２）の回転を一気に止めること
により生じるねじり応力によって行われるから、極めて
簡単である。さらに、孔埋め部材（２２）の直径が引上
げ孔（４）の孔径より若干大きい等、孔埋め部材（２
２）の寸法が引上げ孔（４）とぴったりと適合しない場
合であっても、孔埋め部材（２２）を引上げ孔（４）に
埋入する途中で、孔埋め部材（２２）が引上げ孔（４）
に接触し、この接触により生じる磨耗や摩擦熱によっ
て、孔埋め部材（２２）と引上げ孔（４）が互いに適合
状態に変形するので、孔埋め部材（２２）の寸法を厳密
に設定する必要がなくなる。さらに、この実施形態で
は、孔埋め工具（２０）は、摩擦撹拌接合を行う接合工
具（１０）のプローブ（１２）を孔埋め部材（２２）に
取り替えるたけで構成されるので、１つの接合作業ライ
ンで稼働させうるものとなる。

【００１６】図３に示す第２実施形態では、引上げ孔
（４）を塞ぐために用いられる孔埋め工具（３０）は、
上記の接合工具（１０）の回転子（１１）と同径の円柱
状回転子（３１）と、前記金属材（１）（１）と同じ材
料からなる径小の長棒状孔埋め部材（３２）とを有して
いる。そして、前記孔埋め部材（３２）が、前記回転子
（３１）の内部軸線上に設けられた挿通保持孔（３１
ｂ）に、該回転子（３１）の端部軸線上に突出する態様
にして該回転子（３１）と一体回転可能にかつ突き出し
可能に挿通保持されているものである。

【００１７】而して、金属材（１）（１）の接合終端部
に生じた引上げ孔（４）は、この孔埋め工具（３０）を
用いて上記第１実施形態と同様の手順により塞がれる。
引上げ孔（４）を塞いだ後の孔埋め工具（３０）は、孔
埋め部材（３２）の先端部がねじり破断されて回転子
（３１）から孔埋め部材（３２）が突出する状態になっ
ていないが、孔埋め部材（３２）を必要量だけ突き出す
ことで、元の状態に戻るものとなる。このように、この
孔埋め工具（３０）は、孔埋め部材（３２）を連続的に
供給することができ、作業能率を向上させることができ
る。

【００１８】以上、この発明の実施形態を説明したが、
この発明はこれら実施形態に限定されるものではない。
例えば、これら実施形態では、引上げ孔（４）に埋入し
た孔埋め部材（２２）（３２）のねじり破断は、孔埋め
部材（２２）（３２）の回転を一気に止めることにより
行われているが、要は孔埋め部材（２２）（３２）の回
転数を急激に変化させることによって埋入状態の孔埋め
部材（２２）（３２）にねじり応力を発生させ該孔埋め
部材（２２）（３２）をねじり破断すれば良い。また、
上記実施形態では、金属材（１）（１）を突合せ接合す
る場合について示しているが、重ね接合やＴ継手接合等
で接合する場合であっても良いことはもちろんである。

【００１９】

【発明の効果】上述の次第で、この発明に係る金属材の
接合方法は、摩擦撹拌接合において、接合終端部でのプ
ローブの引上げによって生じた引上げ孔に、回転する孔
埋め部材を埋入するとともに、前記孔埋め部材の回転数
を急激に変化させることにより埋入状態の孔埋め部材を
ねじり破断して金属材側に残すものであるから、引上げ
孔の存在によって用途面に様々な支障をきたしたり、外
観の悪化により商品価値が低下するといった問題を解決
でき、もって高い強度的信頼性と高い商品価値とを兼ね
備えた接合品を得ることができる。しかも、引上げ孔に
埋入した孔埋め部材のねじり破断は、孔埋め部材の回転
数を急激に変化させるだけで行うことができるので、極
めて簡単である。また、孔埋め部材を必要寸法精度に仕
上げるための特別な加工を施していない場合であって
も、孔埋め部材の引上げ孔への埋入の際、孔埋め部材が
引上げ孔に接触し、この接触により生じる磨耗や摩擦熱
によって、孔埋め部材と引上げ孔が互いに適合状態に変
形するものとなり得ることから、孔埋め部材の寸法を厳
密に設定する必要がなくなり、孔埋め部材の寸法精度の
厳格性を緩和することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】摩擦撹拌接合法を説明するための斜視図であ
る。

【図２】この発明に係る金属材の接合方法の一実施形態
（第１実施形態）を示し、（ｉ）は接合終端部で接合工
具の回転子を引き上げた状態の縦断正面図、（ii）は引
上げ孔に孔埋め工具の孔埋め部材を埋入する直前の状態
の縦断正面図、（iii ）は引上げ孔に孔埋め部材を埋入
した状態の縦断正面図、（iV）は引上げ孔に埋入した孔
埋め部材をねじり破断した状態の縦断正面図である。

【図３】同接合方法のもう一つの実施形態（第２実施形
態）に用いられる孔埋め工具を示す、図２（ii）に対応
する図である。

【符号の説明】

Ｌ…突合せ部（接合線） １…金属材 ４…引上げ孔 １０…接合工具 １２…プローブ ２０、３０…孔埋め工具 ２２、３２…孔埋め部材

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 金属材（１）（１）同士の接合線（Ｌ）
   に沿って回転するプローブ（12）を挿入状態で相対的に
   移動させて両金属材（１）（１）同士を接合一体化する
   摩擦撹拌接合において、 接合終端部での前記プローブの引上げによって生じた引
   上げ孔（４）に、回転する孔埋め部材（22）（32）を埋
   入するとともに、前記孔埋め部材の回転数を急激に変化
   させることにより埋入状態の孔埋め部材（22）（32）を
   ねじり破断して金属材（１）（１）側に残すことを特徴
   とする金属材の接合方法。