WO2015064012A1

WO2015064012A1 - 摩擦攪拌接合装置及び金属製構造体の製造方法

Info

Publication number: WO2015064012A1
Application number: PCT/JP2014/005023
Authority: WO
Inventors: 西田　英人; 脩平吉川; 賢一上向; 豪生岡田; 大樹織部
Original assignee: 川崎重工業株式会社
Priority date: 2013-11-01
Filing date: 2014-10-01
Publication date: 2015-05-07
Also published as: US20160263696A1; EP3064306A4; CA2926542A1; EP3064306B1; JP2015085382A; EP3064306A1; BR112016009172B1; JP6224993B2

Abstract

摩擦攪拌接合装置（１）が、攪拌ピン（２１）を先端に有する回転ツール（２）と、回転ツール（２）に挿通されたショルダ（８）と、回転ツール（２）を軸周りに回転させる回転駆動装置（４１）と、回転ツール（２）及びショルダ（８）を内隅部（９０）へ押圧する押圧装置（４２）と、回転ツール（２）及びショルダ（８）を内隅部（９０）に沿って進行方向へ移動させる移動装置（４３）と、攪拌ピン（２１）により２つの金属部材（被接合部材９１，９２）と共に摩擦攪拌されるワイヤ（５０）を加熱するワイヤ加熱装置（４５）とを備えている。

Description

摩擦攪拌接合装置及び金属製構造体の製造方法

　本発明は、突き合わされた２つの金属部材により形成された内隅部に対して摩擦攪拌接合を行う摩擦攪拌接合装置及びこの摩擦攪拌接合装置を用いた金属製構造体の製造方法に関する。

　従来、金属部材を接合する方法として、摩擦攪拌接合（ＦＳＷ；Friction　Stir　Welding）が知られている。この摩擦攪拌接合は、回転ツールの先端に設けられた攪拌ピンを、２つの金属部材の被接合部に回転させながら押し付けることによって、被接合部周辺を摩擦熱で軟化させることと、被接合部周辺の軟化した部分を攪拌して塑性流動させることと、被接合部を回転ツールから離して冷却させることとを行って、２つの金属部材を接合する技術である。

　特許文献１には、突き合わされた２つの金属部材の内隅部に対して摩擦攪拌接合を行うための内隅用回転ツールが示されている。この回転ツールは、突き合わされた２つの金属部材により形成された内隅部に圧入される攪拌ピンと、この攪拌ピンを回転可能に支持するとともに２つの金属部材の各々に接触するショルダブロックとを備えている。ショルダブロックは、本体部と、本体部に着脱可能に設けられたショルダ部と、本体部とショルダ部を貫通する貫通孔とを有している。上記内隅用回転ツールを用いて摩擦攪拌接合する際には、まず、突き合わされた２つの金属部材の内隅部にショルダブロックを設置し、次に、攪拌ピンをショルダブロックの貫通孔に挿通し、続いて、攪拌ピンを回転させつつショルダブロック及び攪拌ピンを内隅部に押し付けながら当該内隅部のラインに沿って移動させる。

　また、特許文献２には、突き合わされた２つの金属部材により形成された内隅部に沿ってワイヤを配置し、ショルダが装着された攪拌ピンで内隅部の母材とワイヤとを併せて攪拌することにより、内隅部を摩擦攪拌接合することが記載されている。内隅部の母材と合わせて摩擦攪拌されたワイヤにより、接合された内隅部に隅肉が形成される。

特開２０１１－７９０３１号公報特開２０１３－１６６１５９号公報

　上記特許文献１及び特許文献２に記載されているように、突き合わされた２つの金属部材により形成された内隅部を摩擦攪拌接合する際に、ショルダ（又はショルダブロック）が回転しない場合は、ショルダが攪拌ピンと共に回転する場合と比較して、被接合部への入熱量が小さくなる。このため、特に、被接合部の母材と共にワイヤを摩擦攪拌する場合には、入熱量不足により、内隅部の母材とワイヤの軟化が不十分となることがある。この場合、内隅部の母材とワイヤとが十分に攪拌されず、接合後の内隅部の表面に欠陥が生じるおそれがある。

　本発明は以上の事情に鑑みてされたものであり、その目的は、突き合わされた２つの金属部材により形成された内隅部に対して摩擦攪拌接合を行う摩擦攪拌接合装置及びこの摩擦攪拌接合装置を用いた金属製構造体の製造方法において、被接合部（内隅部）の母材とワイヤとが良好に摩擦攪拌されるように、ワイヤを被接合部へ供給することにある。

　本発明に係る摩擦攪拌接合装置は、突き合わされた２つの金属部材により形成された内隅部に対して摩擦攪拌接合を行う摩擦攪拌接合装置であって、
攪拌ピンを先端に有する回転ツールと、
前記回転ツールに挿通され、前記２つの金属部材と当接するショルダと、
前記回転ツールを軸周りに回転させる回転駆動装置と、
前記回転ツール及びショルダを前記内隅部に押圧する押圧装置と、
前記回転ツール及び前記ショルダを前記内隅部に沿って進行方向へ移動させる移動装置と、
前記攪拌ピンにより前記２つの金属部材と共に摩擦攪拌されるワイヤを加熱するワイヤ加熱装置とを備えているものである。

　上記構成の摩擦攪拌接合装置によれば、予熱されたワイヤが被接合部の母材と共に摩擦攪拌される。よって、被接合部の母材及びワイヤへの入熱量不足による、被接合部の母材及びワイヤの軟化不足を解消することが可能となる。また、被接合部の母材及びワイヤが十分に軟化されるので、被接合部の母材及びワイヤを良好に摩擦攪拌することができる。更に、ワイヤが予熱されることで、ワイヤを軟化させるために必要な入熱量が小さくなるので、接合速度の向上を図ることができる。

　上記摩擦攪拌接合装置において、前記ワイヤを前記２つの金属部材の被接合部へ送給するワイヤ送給装置を更に備え、前記ワイヤ加熱装置が、前記ワイヤ送給装置により前記被接合部へ送給される前記ワイヤを加熱するように構成されていることが好ましい。上記構成によれば、加熱されたワイヤを連続的に被接合部へ供給することができる。

　なお、前記ワイヤ加熱装置として、前記ワイヤに通電することにより前記ワイヤを加熱するように構成されたものを用いることができる。或いは、前記ワイヤ加熱装置として、電磁誘導により前記ワイヤを加熱するように構成されたものを用いることができる。或いは、前記ワイヤ加熱装置として、発熱体により前記ワイヤを加熱するように構成されたものを用いることができる。

　上記摩擦攪拌接合装置において、前記ショルダが、
前記回転ツールが挿通される挿通孔と、
前記挿通孔の開口部を間に挟んで前記進行方向と略直交する方向の両側にそれぞれ設けられ、前記２つの金属部材が成す前記内隅部の角度に対応した角度を成す２つのショルダ面と、
前記挿通孔の開口部よりも前記進行方向前方において前記２つのショルダ面が交わる前稜線部に設けられ、前記進行方向と平行に延びる前記ワイヤ用の案内溝とを有しているものであってよい。

　上記構成によれば、ワイヤが案内溝により案内されて被接合部へ供給される。よって、ワイヤが被接合部から移動したり座屈したりすることなく、安定して被接合部へ供給される。

　上記摩擦攪拌接合装置において、前記前稜線部が、前記挿通孔の開口部よりも前記進行方向後方において前記２つのショルダ面が交わる後稜線部よりも、前記内隅部から後退しており、前記後稜線部の前記進行方向の横断面形状が、接合後の前記内隅部の前記進行方向の横断面形状と対応する形状を有していることが好ましい。上記構成によれば、ワイヤが、ショルダや母材によって阻害されることなく、被接合部へ供給される。そして、後稜線部と攪拌後の母材とが接触することで、攪拌後の母材の表面形状が整えられる。

　上記摩擦攪拌接合装置において、前記前稜線部が、前記進行方向前方に向かって前記内隅部から離れるように傾いていることが望ましい。ここで、前記前稜線部の前記進行方向の一端から前記進行方向の他端までの前記案内溝の深さ方向の大きさが、前記案内溝の深さよりも大きいことがよい。上記構成によれば、ワイヤがショルダに引っ掛かることを防止することができる。

　上記摩擦攪拌接合装置において、前記ショルダが着脱可能に取り付けられ、前記ショルダの前記挿通孔と連続する孔を有するベースを更に備えていてよい。上記構成によれば、比較的劣化しやすいショルダを、ベースから独立して交換することができる。

　本発明に係る金属製構造体の製造方法は、
第１金属部材と第２金属部材とをＬ字状又はＴ字状に突き合わせることと、
ワイヤを加熱することと、
突き合わされた前記第１金属部材と前記第２金属部材とにより形成された内隅部へ加熱された前記ワイヤを供給することと、
前記内隅部へ回転する攪拌ピンを圧入して、前記第１金属部材、前記第２金属部材及び前記ワイヤを摩擦攪拌接合することとを含むものである。

　上記金属製構造体の製造方法によれば、予熱されたワイヤが被接合部の母材と共に摩擦攪拌される。よって、被接合部の母材及びワイヤへの入熱量不足による、被接合部の母材及びワイヤの軟化不足を解消することが可能となる。また、被接合部の母材及びワイヤが十分に軟化されるので、被接合部の母材及びワイヤを良好に摩擦攪拌することができる。この結果、金属製構造体における摩擦攪拌接合部の表面に欠陥が生じることを防止できる。更に、ワイヤが予熱されることで、ワイヤを軟化させるために必要な入熱量が小さくなるので、接合速度の向上を図ることができる。

　前記ワイヤを加熱することにおいて、例えば、前記ワイヤに通電することにより前記ワイヤを加熱したり、電磁誘導により前記ワイヤを加熱したり、或いは、発熱体により前記ワイヤを加熱したりすることができる。

　上記金属製構造体の製造方法において、例えば、前記第１金属部材がＡ２０００系アルミ合金から成り、前記第２金属部材がＡ７０００系アルミ合金から成り、前記ワイヤがＡ２０００系アルミ合金又はＡ７０００系アルミ合金から成るものであってよい。

　本発明によれば、予熱されたワイヤが被接合部へ供給されるので、攪拌ピンによる被接合部の入熱により被接合部の母材とワイヤとを適切に軟化することができる。この結果、被接合部の母材とワイヤとが良好に摩擦攪拌される。

図１は、突き合わされた２つの金属部材の内隅部を回転ツールで攪拌している様子を示す図である。図２は、本発明の一実施形態に係る摩擦攪拌接合装置の概略構成を示す図である。図３は、ショルダブロックの進行方向の断面図である。図４は、ショルダを進行方向と直交する方向から見た図である。図５は、図４におけるV矢視図である。図６は、図４におけるVI矢視図である。図７は、図４におけるVII矢視図である。図８は、ショルダの案内溝の変形例を示す、ショルダを進行方向から見た図である。図９は、摩擦攪拌接合装置を用いた金属製構造体の製造方法を示すフローチャートである。図１０は、変形例に係るワイヤ加熱装置を備えた摩擦攪拌接合装置の概略構成を示す図である。

　以下、本発明の一実施形態に係る摩擦攪拌接合装置１及び金属製構造体の製造方法について、図面を参照しながら説明する。図１は突き合わされた２つの金属部材９１，９２の内隅部９０を回転ツール２で攪拌している様子を示す図である。図１に示されるように、本実施形態に係る摩擦攪拌接合装置１は、Ｌ字状又はＴ字状に突き合わされた第１部材９１と第２部材９２とにより形成される内隅部９０に対して摩擦攪拌接合を行う装置である。この摩擦攪拌接合装置１を用いて、摩擦攪拌接合された第１部材９１と第２部材９２とを含む金属製構造体を製造することができる。

　被接合部材である第１部材９１と第２部材９２とは、摩擦攪拌接合が可能な金属材料（素材）であれば、同じ金属材料で構成されていてもよいし、互いに異なる金属材料で構成されていてもよい。第１部材９１と第２部材９２が互いに異なる金属材料で構成されている場合に、例えば、第１部材９１をＡ２０００系アルミ合金製とし、第２部材９２をＡ７０００系アルミ合金製とすることができる。この場合、被接合部材９１，９２と共に摩擦攪拌されるワイヤ５０は、Ａ２０００系アルミ合金又はＡ７０００系アルミ合金製とすることが望ましい。

　Ａ２０００系アルミ合金は、銅を３．５％以上含有するアルミ－銅系合金である。また、Ａ７０００系アルミ合金は、アルミ－亜鉛－マグネシウム－銅系合金である。Ａ７０００系アルミ合金は、Ａ２０００系アルミ合金と比較して極めて高い引っ張り強さ及び硬さを有するが、疲労強度や破壊靭性の点でＡ２０００系アルミ合金に劣っている。そこで、構造物の疲労強度や破壊靭性を向上させるために、構造物の外側面にＡ２０００系アルミ合金を配置し、内部の補強用部材としてＡ７０００系アルミ合金をＴ字状に組み合わせて用いることがある。本実施形態に係る摩擦攪拌接合装置１を用いてＡ２０００系アルミ合金製部材とＡ７０００系アルミ合金製部材とを摩擦攪拌接合すれば、これらの部材が間にリベット等の接続部材などを介さずに直接的に接合されるので、疲労強度や破壊靭性が向上するとともに、コスト削減及び軽量化も可能となる。

　次に、摩擦攪拌接合装置１の構成について詳細に説明する。図２は本発明の実施形態に係る摩擦攪拌接合装置１の概略構成を示す図である。図２において、ショルダブロック３は進行方向１００と直交する方向の断面図として示されている。図３はショルダブロック３の進行方向の断面図であり、この図において回転ツール２が二点鎖線で示されている。

　図２及び図３に示されるように、本実施形態に係る摩擦攪拌接合装置１は、先端に攪拌ピン２１を有する回転ツール２と、回転ツール２に装着されたショルダブロック３と、回転ツール２を回転駆動する回転駆動装置４１と、攪拌ピン２１が被接合部の母材に対して所定の押込力で押し込まれるように回転ツール２を押圧する押圧装置４２と、回転ツール２の移動装置４３と、ワイヤ送給装置４４と、ワイヤ加熱装置４５と、摩擦攪拌接合装置１の動作を制御する制御装置４６とで概略構成されている。被接合部材９１，９２は、回転ツール２からの押圧力を受圧できるように、例えば図１に示されるような治具９５に保持されている。

　移動装置４３は、回転ツール２及びショルダブロック３を、第１部材９１及び第２部材９２により形成された内隅部９０の突き合わせラインに沿って、第１部材９１及び第２部材９２と相対的に移動させる手段である。この明細書において、回転ツール２及びショルダブロック３の移動方向を「進行方向１００」といい、進行方向１００は内隅部９０の突き合わせラインに沿っていることとする。また、進行方向１００のうち、回転ツール２及びショルダブロック３から見てこれらが加工時に移動する向きを「前」（図１中、矢印１００の指す向き）といい、進行方向１００のうち回転ツール２及びショルダブロック３から見て前と逆を「後」ということとする。なお、回転ツール２の回転方向と進行方向１００とが一致する側へ回転ツール２及びショルダブロック３が前進し、回転ツール２の回転方向と進行方向１００とが逆になる側へ回転ツール２及びショルダブロック３が後退する。

　移動装置４３は、例えば、直動案内機構と、制御装置４６により制御される直動案内機構の駆動手段とから構成することができる（いずれも図示せず）。但し、移動装置４３は、ロボットであっても構わない。本実施形態に係る移動装置４３は、回転ツール２を治具９５に保持された被接合部材９１，９２に対して移動させるものであるが、移動装置４３は被接合部材９１，９２を保持する治具９５を回転ツール２に対して移動させるものであってもよい。

　ワイヤ送給装置４４は、ワイヤ５０を被接合部へ接合速度に合わせて送給する手段である。ワイヤ送給装置４４は、例えば、制御装置４６により制御されるサーボモータと、サーボモータにより駆動される送給ローラとにより構成される（いずれも図示せず）。本実施形態において、ワイヤ送給装置４４により被接合部へ送給されるワイヤ５０は、ワイヤリール４７にコイル状に巻かれたものであるが、ワイヤ５０は内隅部９０の突き合わせラインの長さに応じてカットされたものであってもよい。

　ワイヤ加熱装置４５は、被接合部材９１，９２と共に摩擦攪拌されるワイヤ５０を加熱する手段である。このワイヤ加熱装置４５により、被接合部材９１，９２の被接合部に供給されるワイヤ５０が予熱される。本実施形態に係るワイヤ加熱装置４５は、ワイヤ送給装置４４により被接合部へ送給されるワイヤ５０を加熱するように構成されている。ワイヤ加熱装置４５は、例えば、コンタクトチップ４５ａと、コンタクトチップ４５ａと母材に電流を供給するワイヤ加熱電源４５ｂとにより構成される。ワイヤ加熱電源４５ｂの動作は制御装置４６により制御される。このワイヤ加熱装置４５において、コンタクトチップ４５ａに案内されたワイヤ５０には、コンタクトチップ４５ａから電流が供給される。このようにしてワイヤ５０に通電させることにより、ワイヤ５０の抵抗でワイヤ５０が加熱される。

　上記ワイヤ送給装置４４及びワイヤ加熱装置４５のコンタクトチップ４５ａは、ショルダブロック３に固定されたステー３３に取り付けられており、ショルダブロック３に伴って被接合部材９１，９２と相対的に進行方向１００へ移動する。このように、高温のワイヤ５０を安定して被接合部へ送給するために、ワイヤ送給装置４４及びワイヤ加熱装置４５のコンタクトチップ４５ａが常にショルダブロック３及び回転ツール２と近接した位置に在ることが望ましい。但し、ワイヤ送給装置４４及びワイヤ加熱装置４５の少なくとも一方は、ショルダブロック３及び回転ツール２から離れた位置においてこれらから独立して設けられていてもよい。

　ここで、ショルダブロック３について詳細に説明する。図１～３に示されるように、ショルダブロック３は、ショルダ８と、ショルダ８が着脱可能に取り付けられたベース７とで構成されている。このように、ショルダブロック３がベース７とショルダ８とにより分割構成されているので、比較的劣化しやすいショルダ８を、ベース７から独立して交換することができる。図示されないが、ショルダブロック３には回転ツール２を冷却するための冷却孔や冷媒が導通される冷媒通路が形成されている。

　ベース７は、進行方向１００から見た外形が長方形から隣り合う２つの角が切り欠かれた六角形の柱状体である。隣り合う２つの角が切り欠かれて成る面が案内面７２，７２である。なお、押圧装置４２によりショルダブロック３が内隅部９０へ押し込まれたときに、後述するショルダ面８５，８５は被接合部材９１，９２とは当接するが、案内面７２，７２は被接合部材９１，９２と僅かに離間して対峙する。２つの案内面７２，７２が成す角度は、被接合部材９１，９２の成す内隅部９０の角度に対応して定められている。本実施形態において、２つの案内面７２，７２が成す角度は約９０°である。

　２つの案内面７２，７２に挟まれた面が、ショルダ８が取り付けられる取付面７１である。取付面７１には、ショルダ８が設置される凹部７３が設けられている。凹部７３内には、貫通孔７４と複数の取付孔７５（図２）とが開口している。取付孔７５は、凹部７３にショルダ８を固定するためのボルトが挿入される孔であって、内面にネジが切られている。

　図４はショルダ８を進行方向１００と直交する方向から見た図、図５は図４におけるV矢視図、図６は図４におけるVI矢視図、図７は図４におけるVII矢視図である。図４～７に示されるように、ショルダ８には、ベース７の凹部７３に嵌め込まれる基板部８１と、基板部８１から内隅部９０側へ突出した突出部８２とが一体的に形成されている。

　基板部８１には、ベース７の取付孔７５と対応する取付孔８３が設けられている。ショルダ８の基板部８１がベース７の凹部７３に嵌め込まれた状態において、ベース７の取付孔７５とショルダ８の８３とにより連続するボルト孔が形成される。そして、このボルト孔にボルトが挿通されることによって、ベース７にショルダ８が固定される。

　突出部８２の突端には、貫通孔８４が開口している。貫通孔８４は基板部８１と突出部８２とを貫いている。ショルダ８がベース７に取り付けられた状態において、ベース７の貫通孔７４とショルダ８の貫通孔８４とにより一つの連続する挿通孔３１が形成される。

　突出部８２において、貫通孔８４の開口部を間に挟んで進行方向１００と略直交する方向の両側には、それぞれショルダ面８５，８５が形成されている。２つのショルダ面８５，８５が成す角度は、被接合部材９１，９２の成す内隅部９０の角度に対応して定められている。本実施形態において、２つのショルダ面８５，８５が成す角度は約９０°である。ショルダブロック３が内隅部９０に押し当てられたときに、ショルダ面８５，８５が内隅部９０を形成している被接合部材９１，９２と当接する。

　突出部８２において、２つのショルダ面８５，８５が交わる部分に、稜線部８６，８８が形成されている。稜線部８６，８８の延びる方向は内隅部９０の延びる方向と平行である。稜線部は、貫通孔８４よりも進行方向１００の前方部分（以下、前稜線部８６という）と、貫通孔８４よりも進行方向１００の後方部分（以下、後稜線部８８という）とに、貫通孔８４を間に挟んで前後に分かれている。

　前稜線部８６には、ワイヤ５０を案内する案内溝８７が形成されている。案内溝８７は進行方向１００と略平行に延びている。本実施形態に係る案内溝８７の進行方向１００の横断面形状は半球である。但し、案内溝８７の進行方向１００の横断面形状は半球に限定されるものではなく、例えば、図８に示されるように、案内溝８７の進行方向１００の横断面形状は多角形であってもよい。

　従来、内隅部の母材と共にワイヤを摩擦攪拌する場合には、特許文献２に記載されているように、攪拌を行う前にワイヤが内隅部に沿って配置されていた。このワイヤは、内隅部の母材が摩擦攪拌される間に力を受けて移動したり、ショルダなどの周辺部材と当接して座屈したりして、被接合部へ安定して供給されないことがあった。これに対し、本実施形態に係る摩擦攪拌接合装置１では、ショルダ８がワイヤ５０の案内溝８７を有するので、加熱により幾分軟化したワイヤ５０であっても案内溝８７に案内されることで、水平方向や垂直方向に振れたり座屈したりすることなく、安定して被接合部へ供給される。

　前稜線部８６は、進行方向１００前方に向かって、内隅部９０から離れる向きに傾いている。前稜線部８６の傾きは、前稜線部８６の進行方向１００の後端から進行方向１００の前端までに亘って設けられている。前稜線部８６の傾きは貫通孔８４の近傍においては緩やかであるが、貫通孔８４から離れるに従って徐々に大きくなる。なお、前稜線部８６は、斜面で形成されていてもよいし、曲面で形成されていてもよい。このように、前稜線部８６に傾きが設けられていることによって、ショルダ８の進行方向１００への移動が内隅部９０に阻害されにくい。

　さらに、前稜線部８６の進行方向１００の後端から前端までの案内溝８７の深さ方向の大きさＤ₁は、案内溝８７の深さＤ₂よりも大きいことが望ましい（図４）。換言すれば、前稜線部８６の進行方向１００の後端の案内溝８７の深さ方向の位置と前稜線部８６の進行方向１００の前端の案内溝８７の深さ方向の位置とが、案内溝８７の深さＤ₂よりも大きく離れていることが望ましい。これにより、案内溝８７の進行方向１００の前端よりも前方に傾きが設けられた前稜線部８６（特に、図５中に矢印８６ａで示される部分）が存在することとなる。よって、案内溝８７よりも進行方向１００前方を通過中のワイヤ５０は、傾きが設けられた前稜線部８６と接触するので、ワイヤ５０がショルダ８に引っ掛かってワイヤ５０の送給が阻害されることを防止できる。

　後稜線部８８は、攪拌後の母材と接触して接合後の内隅部９０の形状（例えば、曲面形状）を成形する機能を有する。このため、後稜線部８８の進行方向１００の横断面形状は、接合後の内隅部９０の進行方向１００の横断面形状と対応している。本実施形態においては、接合後の内隅部９０に第１部材９１と第２部材９２とを繋ぐ滑らかな曲線が形成されるように、後稜線部８８の進行方向１００の横断面形状が滑らかな山状となっている。

　前稜線部８６は、後稜線部８８よりも内隅部９０から後退している。前稜線部８６と内隅部９０とは、内隅部９０と前稜線部８６とが接触せず且つ内隅部９０と案内溝８７との間にワイヤ５０が導入できるように、離間している。一方、後稜線部８８は、攪拌後の内隅部９０と接触するように、内隅部９０と後稜線部８８との離間距離が僅かであるか殆どない。このように、前稜線部８６が、後稜線部８８よりも内隅部９０から後退していることにより、被接合部へ供給されるワイヤ５０がその過程で前稜線部８６と接触することが回避される。

　上記構成のベース７とショルダ８とは、ベース７の凹部７３にショルダ８の基板部８１が嵌め入れられ、軸方向に一致した取付孔８３と取付孔７５とにボルトが螺入されることにより、一体化されたショルダブロック３となる。ショルダブロック３では、ショルダ８の貫通孔８４とベース７の貫通孔７４とが連通して１つの挿通孔３１が形成されている。挿通孔３１は、ベース７側の入口を含む大径部３１ａと、ショルダ８側の出口を含む小径部３１ｃと、大径部３１ａと小径部３１ｃとを滑らかに接続するテーパ部３１ｂとを有している。小径部３１ｃの径は、攪拌ピン２１の先端の径よりもやや大きい。テーパ部３１ｂの軸方向からの傾きは、回転ツール２の攪拌ピン２１に形成されたテーパ部の傾きと一致している。ショルダブロック３の挿通孔３１に回転ツール２が挿入されると、挿通孔３１のテーパ部３１ｂと攪拌ピンのテーパ部とが当接することにより、ショルダブロック３と回転ツール２とが相対的に位置決めされる。このように位置決めされた回転ツール２とショルダブロック３において、回転ツール２の先端部の攪拌ピン２１がショルダブロック３から所定長さだけ突出した状態となっている。なお、ショルダブロック３の大径部３１ａと回転ツール２との間には、円筒状のカラー４８が設けられている。カラー４８は、ショルダブロック３に対して回転ツール２を安定して回転させるために設けられた部材である。

　ここで、上記構成の摩擦攪拌接合装置１を用いた金属製構造体の製造方法について説明する。図９は摩擦攪拌接合装置を用いた金属製構造体の製造方法を示すフローチャートである。

　図９に示されるように、まず、第１部材９１と第２部材９２とを、図１に示されるようにＬ字状又はＴ字状に突き合わせて、裏当て部材として機能する治具９５で保持する（ステップＳ１）。突き合わされた第１部材９１と第２部材９２とにより、被接合部となる内隅部９０が形成される。

　次に、内隅部９０にショルダブロック３を配置する（ステップＳ２）。ここで、ショルダブロック３のショルダ面８５，８５が第１部材９１及び第２部材９２と当接するように、ショルダブロック３が内隅部９０に配置される。このように内隅部９０に配置されたショルダブロック３において、ショルダ８の前稜線部８６及び後稜線部８８は、内隅部９０の突き合わせラインに沿って並んでおり、当該突き合わせラインと対向している。

　続いて、回転ツール２の攪拌ピン２１をショルダブロック３の挿通孔３１に挿入する（ステップＳ３）。ここで、攪拌ピン２１は、その先端が内隅部９０に当接するまで、挿通孔３１に挿入される。そして、攪拌ピン２１のテーパ部がショルダブロック３のテーパ部３１ｂと当接するまで、攪拌ピン２１を回転させつつ攪拌ピン２１の先端を被接合部の母材へ押し込む。これにより、攪拌ピン２１の先端が被接合部の母材へ圧入される。なお、攪拌ピン２１が被接合部の母材へ圧入されるときの抵抗を小さくするために、内隅部９０に下穴を設けておくことができる。

　続いて、攪拌ピン２１を回転させつつ、攪拌ピン２１とショルダブロック３とを内隅部９０の突き合わせラインに沿って進行方向１００前方へ移動させ、被接合部とワイヤ５０とを摩擦攪拌する（ステップＳ５）。これと同時に又は先だって、ワイヤ送給装置４４により、攪拌ピン２１とショルダブロック３の移動速度（即ち、接合速度）に合わせてワイヤ５０を被接合部へ送給する。ワイヤ５０は、被接合部へ送給される過程で、ワイヤ加熱装置４５によって加熱される。つまり、予熱されたワイヤ５０が被接合部へ供給される（ステップＳ４）。

　回転する攪拌ピン２１により、被接合部の母材（第１部材９１及び第２部材９２）並びに被接合部へ送給されてきたワイヤ５０へ摩擦熱が与えられる。摩擦熱により軟化した被接合部の母材及びワイヤ５０が攪拌されて、これらが塑性流動する。攪拌ピン２１の進行方向１００への相対的な移動によって、内隅部９０で順次可塑化が起こり、第１部材９１と第２部材９２との内隅部９０が固相接合される。

　以上説明した工程で、第１部材９１と第２部材９２とが摩擦攪拌接合されて成る金属製構造体が製造される。そして、上記製造方法においては、被接合部の母材と共に攪拌されるワイヤが予め加熱されている。よって、被接合部の母材及びワイヤ５０への入熱量不足による、被接合部の母材及びワイヤ５０の軟化不足を解消することが可能となる。このように、被接合部の母材とワイヤ５０とが良好に攪拌されるようにワイヤ５０が被接合部へ供給されるので、この摩擦攪拌接合により接合されて成る金属製構造体の接合部の表面に欠陥が生じることを防止できる。つまり、摩擦攪拌接合部の接合状態と接合強度を安定化することができる。更に、ワイヤ５０が予熱されることで、ワイヤ５０を軟化させるために必要な入熱量が小さくなるので、接合速度の向上を図ることができる。

　以上に本発明の好適な実施の形態を説明したが、上記摩擦攪拌接合装置１の構成は例えば以下のように変更することができる。

　例えば、前述の実施形態に係る摩擦攪拌接合装置１のワイヤ加熱装置４５は、ワイヤ５０に通電することによりワイヤ５０を加熱するように構成されている。但し、ワイヤ加熱装置４５の加熱方式はこれに限定されない。例えば、ワイヤ加熱装置４５は電磁誘導や発熱体によりワイヤ５０を加熱するように構成されたものであってもよい。

　図１０は、変形例１に係るワイヤ加熱装置４５を備えた摩擦攪拌接合装置１の概略構成を示す図である。図１０に示されるように、ワイヤ加熱装置４５は、例えば、コイルを備えたヒータ６１と、ヒータ６１で加熱されたワイヤ５０の温度を検出する温度センサ６２と、温度制御器６３とにより構成されている。温度制御器６３は、温度センサ６２で検出されたワイヤ５０の温度に基づいてヒータ６１のコイルへ流す電流を調整するように構成されている。ヒータ６１のコイルへ電流が流れると、コイルの周りに向きと強度が変化する磁力線が発生し、この磁力線の影響を受けてワイヤ５０の中に渦電流が流れる。ワイヤ５０に電流が流れると、ワイヤ５０の抵抗により熱が発生して、ワイヤ５０が自己発熱する。このようにして、ワイヤ５０が電磁誘導により加熱される。なお、上記ヒータ６１が発熱体としてのコイルを備えていてもよい。この場合、ヒータ６１のコイルへ電流が流れるとヒータ６１が発熱し、この熱によりワイヤ５０が加熱される。

　また、例えば、上記実施形態に係る摩擦攪拌接合装置１はワイヤ送給装置４４を備えて、ワイヤ５０を被接合部へ積極的に供給している。この構成によれば、加熱されたワイヤを連続的に被接合部へ供給することが可能となる。但し、摩擦攪拌接合装置１はワイヤ送給装置４４を備えていなくてもよい。この場合、回転ツール２及びショルダブロック３の進行方向１００の移動に従動して、ワイヤ５０が被接合部へ供給される。

　１　摩擦攪拌接合装置
　２　回転ツール
　　２１　攪拌ピン
　３　ショルダブロック
　　３１　挿通孔
　７　ベース
　　７１　取付面
　　７２　案内面
　　７３　凹部
　　７４　貫通孔
　　７５　取付孔
　８　ショルダ
　　８１　基板部
　　８２　突出部
　　８３　取付孔
　　８４　貫通孔
　　８５　ショルダ面
　　８６　前稜線部
　　８７　案内溝
　　８８　後稜線部
　４１　回転駆動装置
　４２　押圧装置
　４３　移動装置
　４４　ワイヤ送給装置
　４５　ワイヤ加熱装置
　４６　制御装置
　５０　ワイヤ
　９０　内隅部
　９１　第１部材
　９２　第２部材

Claims

　突き合わされた２つの金属部材により形成された内隅部に対して摩擦攪拌接合を行う摩擦攪拌接合装置であって、
　攪拌ピンを先端に有する回転ツールと、
　前記回転ツールに挿通され、前記２つの金属部材と当接するショルダと、
　前記回転ツールを軸周りに回転させる回転駆動装置と、
　前記回転ツール及びショルダを前記内隅部に押圧する押圧装置と、
　前記回転ツール及び前記ショルダを前記内隅部に沿って進行方向へ移動させる移動装置と、
　前記攪拌ピンにより前記２つの金属部材と共に摩擦攪拌されるワイヤを加熱するワイヤ加熱装置とを備えている摩擦攪拌接合装置。
　前記ワイヤを前記２つの金属部材の被接合部へ送給するワイヤ送給装置を更に備え、
　前記ワイヤ加熱装置が、前記ワイヤ送給装置により前記被接合部へ送給される前記ワイヤを加熱するように構成されている、請求項１に記載の摩擦攪拌接合装置。
　前記ワイヤ加熱装置が、前記ワイヤに通電することにより前記ワイヤを加熱するように構成されている、請求項１又は２に記載の摩擦攪拌接合装置。
　前記ワイヤ加熱装置が、電磁誘導により前記ワイヤを加熱するように構成されている、請求項１又は２に記載の摩擦攪拌接合装置。
　前記ワイヤ加熱装置が、発熱体により前記ワイヤを加熱するように構成されている、請求項１又は２に記載の摩擦攪拌接合装置。
　前記ショルダが、
　前記回転ツールが挿通される挿通孔と、
　前記挿通孔の開口部を間に挟んで前記進行方向と略直交する方向の両側にそれぞれ設けられ、前記２つの金属部材が成す前記内隅部の角度に対応した角度を成す２つのショルダ面と、
　前記挿通孔の開口部よりも前記進行方向前方において前記２つのショルダ面が交わる前稜線部に設けられ、前記進行方向と平行に延びる前記ワイヤ用の案内溝とを有している、請求項１～５のいずれか一項に記載の摩擦攪拌接合装置。
　前記前稜線部が、前記挿通孔の開口部よりも前記進行方向後方において前記２つのショルダ面が交わる後稜線部よりも、前記内隅部から後退しており、
前記後稜線部の前記進行方向の横断面形状が、接合後の前記内隅部の前記進行方向の横断面形状と対応する形状を有している、請求項６に記載の摩擦攪拌接合装置。
　前記前稜線部が、前記進行方向前方に向かって前記内隅部から離れるように傾いている、請求項６又は７に記載の摩擦攪拌接合装置。
　前記前稜線部の前記進行方向の一端から前記進行方向の他端までの前記案内溝の深さ方向の大きさが、前記案内溝の深さよりも大きい、請求項８に記載の摩擦攪拌接合装置。
　前記ショルダが着脱可能に取り付けられ、前記ショルダの前記挿通孔と連続する孔を有するベースを更に備えている、請求項６～９のいずれか一項に記載の摩擦攪拌接合装置。
　第１金属部材と第２金属部材とをＬ字状又はＴ字状に突き合わせることと、
　ワイヤを加熱することと、
　突き合わされた前記第１金属部材と前記第２金属部材とにより形成された内隅部へ加熱された前記ワイヤを供給することと、
　前記内隅部へ回転する攪拌ピンを圧入して、前記第１金属部材、前記第２金属部材及び前記ワイヤを摩擦攪拌接合することと、を含む金属製構造体の製造方法。
　前記ワイヤを加熱することが、前記ワイヤに通電することにより当該ワイヤを加熱することを含む、請求項１１に記載の金属製構造体の製造方法。
　前記ワイヤを加熱することが、電磁誘導により前記ワイヤを加熱することを含む、請求項１１に記載の金属製構造体の製造方法。
　前記ワイヤを加熱することが、発熱体により前記ワイヤを加熱することを含む、請求項１１に記載の金属製構造体の製造方法。
　前記第１金属部材がＡ２０００系アルミ合金から成り、
　前記第２金属部材がＡ７０００系アルミ合金から成り、
　前記ワイヤがＡ２０００系アルミ合金又はＡ７０００系アルミ合金から成る、請求項１１～１４のいずれか一項に記載の金属製構造体の製造方法。