JPH1133750A

JPH1133750A - 摩擦撹拌接合用ツール及び同ツールを用いた継手の形成方法

Info

Publication number: JPH1133750A
Application number: JP19608897A
Authority: JP
Inventors: Kouzou Michisaka; 浩三道阪
Original assignee: Showa Aluminum Corp
Current assignee: Showa Aluminum Can Corp
Priority date: 1997-07-22
Filing date: 1997-07-22
Publication date: 1999-02-09
Anticipated expiration: 2017-07-22
Also published as: JP3990770B2

Abstract

(57)【要約】【課題】摩擦撹拌接合によってＴ継手を形成する。摩
擦撹拌用プローブに充分な強度をもたせながら両ワーク
のコーナー部の接合不良の発生を防止して、品質良好で
しっかりとした継手に形成する。【解決手段】プローブ３が、その先端から基端がわに
向けて径を大きくしていく円錐状部８と、該円錐状部８
の基端側に連設された径大な円柱状部９とを備えてい
る。このプローブ３を用いてＴ継手の摩擦撹拌接合を行
う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、摩擦撹拌接合用ツ
ール、及び、同ツールを用いた継手、例えばアルミニウ
ム等の金属製構造材等のワークのＴ継手の形成方法に関
する。

【０００２】

【従来の技術】アルミニウム等の金属製構造材の接合方
法として、摩擦撹拌接合法と称される接合法がある。

【０００３】この摩擦撹拌接合法は、構造材同士を固相
接合させるもので、図４に示されるような回転子（１）
をツールとして用いる。この回転子（１）は、円柱状回
転子本体（２）の先端軸芯部に、この円柱状回転子本体
（２）よりも径小なピン状の摩擦撹拌用プローブ（３）
を同軸一体に突設させたもので、硬質で耐熱性に優れ
た、鋼などの材料にて製作されている。

【０００４】接合は、図５に示されるように、この回転
子（１）を自軸回りで回転させながら、そのプローブ
（３）の先端を、ワーク（５１）（５２）の突き合わせ
境界部（５３）に押付け状態に当接させ、その摩擦熱で
当接部分を軟化可塑化させる。そして、回転子（１）を
更にワーク（５１）（５２）に押し付けて、プローブ
（３）をワーク（５１）（５２）の肉厚方向に挿入させ
ていき、円柱状回転子本体（２）の先端のショルダー部
（４）をワーク（５１）（５２）に押付け状態に当接さ
せる。しかる後、その状態を維持しながら、回転子
（１）をワーク（５１）（５２）の突き合わせ境界部
（５３）に沿って移動させていく。回転子（１）の通過
する突き合わせ境界部では、周辺の材料が、回転子
（１）の回転による摩擦熱で軟化撹拌され、かつ、円柱
状回転子本体（２）のショルダー（４）にて飛散を規制
されながらプローブ（３）の通過溝を埋めるように塑性
流動したのち、熱を急速に失って冷却固化される。こう
して、突き合わせ部（５３）における材料の軟化、密着
変形、撹拌、冷却固化が回転子（１）の移動に伴って順
次繰り返されていき、突き合わせ部（５３）においてワ
ーク（５１）（５２）同士が互いに一体化され、順次接
合（５８）されていく。

【０００５】この摩擦撹拌接合法は、材料を溶融させる
ことなく軟化状態でワーク（５１）（５２）同士を直接
接合させるものであり、溶接の場合のような熱影響等に
よる品質面での問題が発生せず、高品質で強固な接合部
（５８）を形成できる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記のような
摩擦撹拌接合法では、溶接によれば隅肉溶接となるよう
なＴ継手形式の場合、直角な壁に囲まれたコーナー部に
対して斜め方向から回転子を作用させるのは実際上非常
に難しく、そのため、摩擦撹拌接合法による隅肉接合は
困難とされていた。これまで、摩擦撹拌接合法は、両ワ
ーク（５１）（５２）の側縁部同士をこれらワーク（５
１）（５２）にわたって平坦となるように突き合わせて
接合する場合にしか用いられないものとされていたので
ある。

【０００７】ところで、例えば上記のようなＴ継手の場
合、図３（イ）に示されるように、第１ワーク（５５）
の一方の面に第２ワーク（５６）をＴ字状に組み合わ
せ、第１ワーク（５５）の背面側からプローブ（３）を
第２ワーク（５６）の肉に及ぶように作用せしめて接合
を行うことが考えられる。

【０００８】しかし、この方法では、プローブ（３）を
第１ワーク（５５）の肉厚深さを越えて第２ワーク（５
６）の肉に及ぶように深く挿入しなければならず、プロ
ーブ（３）の長さをある程度長いものにしなければなら
ず、そうすると、直径も大きくして強度を確保しておく
必要がある。

【０００９】このようにして、図３（ロ）に示すよう
に、プローブ（３）の直径が第２ワーク（５６）の肉厚
を越えて大きいものとなったような場合、このプローブ
（３）を第２ワーク（５６）の肉内まで挿入すると、図
３（ハ）に示されるように、第１ワーク（５５）と第２
ワーク（５６）との間の両コーナー部（Ｃ）（Ｃ）にお
いて第２ワーク（５６）の塑性流動部が遠心力で側方に
飛び出し、接合不良を招いてしまう不都合を生じる。特
に、第２ワーク（５６）の肉厚が薄いような場合には、
この問題は摩擦撹拌接合によるＴ継手の実現を妨げる大
きな要因となる。

【００１０】本発明は、例えば、第１ワークの一方の面
に第２ワークを組み合わせ、第１ワークのもう一方の面
がわから摩擦撹拌用のプローブを第１ワークの肉を介し
て第２ワークの肉に及ぶように作用せしめるという新た
な接合方法の採用において、プローブに充分な強度をも
たせながら両ワークのコーナー部の接合不良の発生を防
止し、品質良好なしっかりとした接合品を製作すること
ができるようにして、摩擦撹拌接合法の適用範囲の拡大
を図っていくことを課題の一つとする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記課題は、回転子本体
の先端軸芯部に、該回転子本体よりも径小な摩擦撹拌用
プローブが一体に設けられた摩擦撹拌接合用ツールであ
って、前記撹拌用プローブが、その先端から基端がわに
向けて径を大きくしていく円錐状部を有することを特徴
とする摩擦撹拌接合用の回転ツールによって解決され
る。

【００１２】即ち、例えば、第１ワークの一方の面に第
２ワークを組み合わせ、第１ワークのもう一方の面がわ
からこのツールを第１ワークの肉を介して第２ワークの
肉に挿入して摩擦撹拌接合を実施していく場合、プロー
ブはその先端部に円錐状部を有するから、プローブを、
両ワークのコーナー部から外方に突出させることなく、
第２ワークの肉内に深く挿入していくことができ、コー
ナー部に接合不良を生じさせることなく両ワークをしっ
かりと品質良く接合することができる。

【００１３】しかも、円錐効果により、プローブの先端
部を深く第２ワークの肉内に深く挿入し得ながら、両ワ
ークの当接境界部に面積広くプローブを作用することが
できて、両ワークを強固に接合することができる。

【００１４】また、プローブの先端部は円錐状部の先端
であり、その先端部をワークに対するセンター出しの目
印として用いることによって、センター出しを容易にか
つ能率良く行っていくことができる。

【００１５】上記プローブは、この円錐状部と、円錐状
部の基端側に連設された、円錐状部よりも径大な円柱状
部とを備えることにより、その強度を増すことができ、
接合中のプローブの破壊を有効的に防止することができ
る。

【００１６】上記ツールは、上記のように、第１ワーク
の一方の面に第２ワークを組み合わせ、第１ワークのも
う一方の面がわからツールを第２ワークの肉に及ぶよう
に作用せしめ、第１ワークと第２ワークとを摩擦撹拌接
合する場合に好適に用いることができ、それによって品
質良好な接合品を製作することができる。

【００１７】特に、両腕となる第１ワークの一方の面に
脚となる第２ワークを組み合わせ、第１ワークのもう一
方の面がわから上記のツールを第２ワークの肉に及ぶよ
うに作用せしめ、第１ワークと第２ワークとを摩擦撹拌
接合することにより、これまで困難とされていたＴ継手
を品質良好に形成することができる。

【００１８】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施形態を図面に
基づいて説明する。

【００１９】図１に示される実施形態は、摩擦撹拌接合
によりＴ継手を形成する場合のものである。即ち、
（６）は第１ワーク、（７）は第２ワークであり、両ワ
ーク（６）（７）は、アルミニウム製の平板材からな
り、両腕となる第１ワーク（６）の一方の面に脚となる
第２ワーク（７）を組み合わせてＴ字状となし、第１ワ
ーク（６）の背面がわからツールのプローブ（３）を第
２ワーク（７）の肉に及ぶように作用せしめ、両ワーク
（６）（７）を摩擦撹拌接合してＴ継手を形成する。

【００２０】プローブ（３）は、その先端から基端がわ
に向けて径を大きくしていく円錐状部（８）を有すると
共に、該円錐状部（８）の基端側に径大な円柱状部
（９）が一体に連設されて構成されたものである。

【００２１】円錐状部（８）は、錐面の傾斜角度ａが３
０〜４５°の範囲において設定されているのが好まし
い。３０°を下回って小さいと、第２ワーク（７）の肉
内へのプローブ（３）の挿入深さが不足し、４５°を下
回って大きいと両ワーク（６）（７）のコーナー部
（Ｃ）（Ｃ）において第２ワーク（７）の塑性流動部が
側方に飛び出してしまいやすくなることによる。円錐状
部（８）の直径Ｃは、第２ワーク（７）の肉厚ｔ2 より
も幾らか大きいか、若干小さいか、ほぼ同等に設定され
る。接合中、円錐状部（８）の円錐傾斜面をできるだけ
両ワーク（６）（７）のコーナー部（Ｃ）に接近させ、
両ワーク（６）（７）の接合面積を大きくするためであ
る。

【００２２】円柱状部（９）の直径Ａは、プローブ
（３）の強度確保等の理由から、円錐状部（８）の直径
Ｃよりも大きく設計されるが、その場合、第２ワーク
（７）の板厚ｔ2 の１〜２倍程度に設定しておくのが好
ましい。第２ワーク（７）の肉厚ｔ2 が小さい場合には
板厚ｔ2 の２倍程度、肉厚ｔ2 が大きい場合には板厚ｔ
2 の１倍程度に設定する。また、円柱状部（９）の長さ
Ｂは、第１ワーク（６）の板厚ｔ１よりも１ｍｍ程度短
くしておくのがよい。接合中、円柱状部（９）が第１ワ
ーク（６）の肉内に納まるようにするためであり、ま
た、できる限り円柱状部の長さＢを大きくしてプローブ
（３）の強度を高くするためである。

【００２３】また、このプローブ（３）の外周面には、
円錐状部（８）と円柱状部（９）との両方において、ネ
ジ（３ａ）が形成されている。回転子（１）はネジ（３
ａ）の螺旋方向とは逆の方向に回転駆動されるものとな
されて、ワークの肉へのプローブ（３）の回転挿入中、
プローブ（３）をワークへの挿入方向とは逆の方向に付
勢し、その付勢力の反力にて肉を特にＴ継手用に効果的
に撹拌するものとなされている。なお、プローブ（３）
の外周面には、ネジ（３ａ）に替え、各種の溝や凹凸が
形成されたものであってもよい。また、ショルダー
（４）は、その外周縁からプローブ（３）側に向けてく
ぼんでいくように傾斜されている。

【００２４】第１ワーク（６）と第２ワーク（７）との
接合は、次のようにして行う。まず、第１ワーク（６）
と第２ワーク（７）とを上記のようにＴ字状に組み合わ
せる。次いで、第１ワーク（６）の背後から、回転子
（１）を回転させながら、プローブ（３）を第１ワーク
（６）の肉を介して第２ワーク（７）の肉に及ぶように
挿入していく。

【００２５】プローブ（３）は、図１（ロ）に示される
ように、その円錐状部（８）の傾斜面と、両ワーク
（６）（７）のコーナー部（Ｃ）との間隔距離Ｓが０．
１〜０．２ｍｍとなるところまで深く挿入する。間隔距
離Ｓが０．１ｍｍを下回ると、コーナー部（Ｃ）から第
２ワーク（７）の塑性流動部が飛び出してクラック等の
接合不良を生じさせる原因となり、また、０．２ｍｍを
上回ると、両ワーク（６）（７）の接合面積が狭くなっ
てしまうことによる。このような挿入により、コーナー
部（Ｃ）（Ｃ）に接合不良を生じさせることなく、両ワ
ーク（６）（７）の接合面積を極限まで大きくできる。

【００２６】プローブ（３）のこの挿入状態を維持しな
がら、回転子（１）を溝（６ａ）の長手方向に移動させ
ていく。これにより、第１ワーク（６）と第２ワーク
（７）との品質良好なＴ継手が形成される。

【００２７】図２に示される第２実施形態は、両ワーク
（６）（７）をＴ字状ではなく、端部同士を重ね合わせ
て、その重ね合わせ部に摩擦撹拌接合を行っていく場合
のものである。コーナー部（Ｃ）に接合不良を生じさせ
ることなく、両ワーク（６）（７）をしっかりと接合し
得るなど、上記第１実施形態の場合の同様の効果が奏さ
れる。摩擦撹拌接合による重ね継手の形成を実現するこ
とができる。

【００２８】以上に、本発明の実施形態を示したが、本
発明は、その技術思想を逸脱しない範囲で各種の変更を
なし得る。例えば、上記実施形態では、ワークとしてア
ルミニウム材を用いたが、その他の金属であってもよ
い。また、上記実施形態では、平板材同士の接合につい
て説明したが、平板材と骨材とでＴ字状、重ね状に接合
する場合など、広く各種の構造を形成する場合に適用さ
れてよい。また、本発明は、Ｔ継手、重ね継手の形成に
限られるものではなく、要は、第１ワークの一方の面に
第２ワークを組み合わせ、第１ワークのもう一方の面が
わから摩擦撹拌用のプローブを第１ワークの肉を介して
第２ワークの肉に及ぶように作用せしめる形式の接合に
広く適用され得るものである。また、本発明のツール
は、センター出しのメリットを有するものであり、従っ
て、各種組み合わせ形式の継手の形成に広く有効的に用
いられ得るものであることはいうまでもない。

【００２９】

【発明の効果】上述の次第で、本発明の摩擦撹拌接合用
ツールは、撹拌用プローブが、その先端から基端がわに
向けて径を大きくしていく円錐状部を有するものである
から、例えば、第１ワークの一方の面に第２ワークを組
み合わせ、第１ワークのもう一方の面がわから摩擦撹拌
用のプローブを第１ワークの肉を介して第２ワークの肉
に及ぶように作用せしめるという新たな接合方法の採用
において、プローブを、両ワークのコーナー部から外方
に突出させることなく、第２ワークの肉内に深く挿入し
ていくことができ、プローブに充分な強度をもたせなが
ら両ワークのコーナー部の接合不良の発生を防止して、
品質良好なしっかりとした接合品を製作することがで
き、摩擦撹拌接合法の適用範囲を拡大することができ
る。

【００３０】また、プローブは、円錐状部の基端側に径
大な円柱状部を連設させた構成とすることにより、その
強度を増して、接合中のプローブ破壊を有効的に防止す
ることができる。

【００３１】また、上記ツールを、上記のように、第１
ワークの一方の面に第２ワークを組み合わせ、第１ワー
クのもう一方の面がわからツールを第２ワークの肉に及
ぶように作用せしめて、第１ワークと第２ワークとを摩
擦撹拌接合する場合に用いることにより、品質良好な接
合品を製作することができる。特に、両腕となる第１ワ
ークの一方の面に脚となる第２ワークを組み合わせ、第
１ワークのもう一方の面がわから上記のツールを第２ワ
ークの肉に及ぶように作用せしめ、第１ワークと第２ワ
ークとを摩擦撹拌接合することにより、これまで困難と
されていたＴ継手を品質良好に形成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施形態を示すもので、図（イ）は両ワー
クの組み合わせ状態を示す横断面図、図（ロ）はプロー
ブの挿入状態を示す横断面図である。

【図２】第１実施形態を示すもので、図（イ）は両ワー
クの組み合わせ状態を示す横断面図、図（ロ）はプロー
ブの挿入状態を示す横断面図である。

【図３】摩擦撹拌接合法によるＴ継手の新しい形成法を
示すもので、図（イ）ないし図（ハ）は接合前後のワー
クの断面図である。

【図４】摩擦撹拌接合に用いる回転子の一例を示すもの
で、図（イ）は側面図、図（ロ）は先端面図である。

【図５】従来の摩擦撹拌接合法を示すもので、図（イ）
は接合中のワークの横断面図、図（ロ）は平面図であ
る。

【符号の説明】

２…回転子本体３…プローブ６…第１ワーク７…第２ワーク８…円錐状部９…円柱状部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】回転子本体の先端軸芯部に、該回転子本
体よりも径小な摩擦撹拌用プローブが一体に設けられた
摩擦撹拌接合用ツールであって、前記撹拌用プローブが、その先端から基端がわに向けて
径を大きくしていく円錐状部を有することを特徴とする
摩擦撹拌接合用の回転ツール。
【請求項２】前記プローブは、前記円錐状部と、該円
錐状部の基端側に連設された、円錐状部よりも径大な円
柱状部とを備えている請求項１に記載の摩擦撹拌接合用
の回転ツール。
【請求項３】第１ワークの一方の面に第２ワークを組
み合わせ、第１ワークのもう一方の面がわから請求項１
のツールを第２ワークの肉に及ぶように作用せしめ、第
１ワークと第２ワークとを摩擦撹拌接合することを特徴
とする摩擦撹拌接合による継手の形成方法。
【請求項４】両腕となる第１ワークの一方の面に脚と
なる第２ワークを組み合わせ、第１ワークのもう一方の
面がわから請求項１のツールを第２ワークの肉に及ぶよ
うに作用せしめ、第１ワークと第２ワークとを摩擦撹拌
接合することを特徴とする摩擦撹拌接合によるＴ継手の
形成方法。