WO2017159627A1 - 摩擦攪拌点接合方法及び摩擦攪拌点接合装置 - Google Patents

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workpiece
press
friction stir
stirring
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俊祐 春名
慎太郎 深田
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川崎重工業株式会社
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    • B23K2103/10—Aluminium or alloys thereof

Definitions

  • the present invention relates to a friction stir spot welding method and a friction stir spot welding apparatus.
  • Friction stir spot joining is expected as an alternative to spot welding joining and rivet joining.
  • a rotating tool is press-fitted into the stacked workpieces, and both the workpieces are partially softened by frictional heat and stirred.
  • Friction stir spot welding includes single-acting friction stir spot welding using a rotating tool with a shoulder and pin fixed, and double-acting friction stir spot welding using a rotating tool in which the shoulder and pin move relative to each other. is there.
  • double-acting friction stir spot welding the backfilling process is performed after the press-fitting process, and the stir material is backfilled in the holes (press-fit holes) generated by press-fitting the rotary tool, so the marks due to the joining are conspicuous. It can be eliminated (see Patent Document 1).
  • a protective layer made of a material different from the base material may be formed on the surface of the object to be bonded by surface treatment such as anodizing treatment or primer coating.
  • surface treatment such as anodizing treatment or primer coating.
  • the present invention has been made in view of the circumstances as described above, and friction that can suppress a decrease in strength of a joint when a workpiece having a protective layer is joined by double-acting friction stir spot joining. It aims at providing the stirring point joining method.
  • a friction stir spot welding method uses a rotary tool having a cylindrical shoulder and a columnar pin that can move inside the shoulder, and a first workpiece and a second workpiece.
  • a double-acting friction stir spot joining method by friction stir spot joining and a protective layer is formed on at least one joining surface of the first article to be joined and the second article to be joined.
  • the shoulder is press-fitted from the first workpiece side toward the second workpiece while rotating the rotary tool, whereby the first workpiece and the first workpiece are joined.
  • the material of the object to be joined is partially stirred to form a stirring portion, and at that time, the press-fitting step for allowing the components of the protective layer to flow into the shoulder together with other stirring materials, and while rotating the rotary tool
  • the shoulder is connected to the first workpiece and the second workpiece so that the components of the protective layer are concentrated in the central portion of the stirring portion when the backfilling step is completed. 1 mm or more is press-fitted from the boundary of the bonded object to the second bonded object side.
  • the stirring portion is formed in the press-fitting step, but the component of the protective layer does not spread over the entire stirring portion, and a layer having a high density of the protective layer component inside the stirring portion, that is, the component of the protective layer is mainly used.
  • a component layer residual layer
  • the backfilling process is performed, so that the remaining layer moves to the vicinity of the position where the protective layer was present.
  • a crack is generated from the remaining layer, and it has been found through experiments by the inventors that this is a cause of a decrease in strength of the joint portion.
  • the remaining layer can be concentrated on the central portion of the stirring portion, so that the remaining portion does not crack and suppresses the strength reduction of the joint portion. Can do.
  • the surface pressure of the shoulder with respect to the stirring portion in the backfilling step may be smaller than the surface pressure of the shoulder with respect to the stirring portion in the press-fitting step.
  • the shoulder may be pressed against the stirrer with a surface pressure of 90 to 175 MPa.
  • the shoulder surface pressure with respect to the stirring unit in the backfilling process is set to a relatively small value of 90 to 175 MPa, the bulge in the peripheral portion of the stirring unit that may occur when the stirring unit is pressed by the shoulder is suppressed. Can do.
  • the friction stir spot welding device is a friction stir point that joins a first workpiece having a protective layer formed on at least one joining surface and a second workpiece by friction stir spot welding.
  • a joining apparatus comprising: a rotating tool having a cylindrical shoulder and a columnar pin movable within the shoulder; and a control unit for controlling the rotating tool, wherein the control unit includes the rotating tool.
  • the material of the first workpiece and the second workpiece is partially agitated by press-fitting the shoulder from the first workpiece side toward the second workpiece while rotating. In this case, after the components of the protective layer are caused to flow into the shoulder together with other stirring materials, the stirring that has flowed into the shoulder in the press-fitting step while rotating the rotary tool.
  • the pin is pushed out of the shoulder by the pin, and at the same time, by retracting the shoulder, the stirring material is filled back into the press-fitting hole generated by press-fitting the shoulder, and the shoulder is formed when the stirring portion is formed. 1 mm or more is press-fitted from the boundary between the first workpiece and the second workpiece to the second workpiece side.
  • FIG. 1 is an overall view of a friction stir spot welding apparatus.
  • FIG. 2 is a block diagram of a control system of the friction stir spot welding device.
  • FIG. 3 is a conceptual diagram showing a press-fitting process of a conventional friction stir spot welding method.
  • FIG. 4 is a conceptual diagram showing a backfilling process of a conventional friction stir spot welding method.
  • FIG. 5 is a conceptual diagram showing a press-fitting process of the friction stir spot welding method according to the embodiment.
  • FIG. 6 is a conceptual diagram showing a backfilling step of the friction stir spot welding method according to the embodiment.
  • FIG. 1 is a schematic view of a joining apparatus 100.
  • FIG. 2 is a block diagram of a control system of the bonding apparatus 100.
  • the joining device 100 is a device that joins the first workpiece 101 and the second workpiece 102 (hereinafter referred to as “the workpiece 103” together) by friction stir spot welding, and the main body 10, A tool unit 20 and a control unit 40 are provided.
  • the main body 10 includes a frame 11 formed in a C shape, a backing 12 that is provided on a portion on one end side of the frame 11 (a lower portion in the drawing in FIG. 1) and supports the article 103 to be joined, and a backing 12. And a tool unit driving unit 13 provided at a portion on the other end side of the frame 11 (an upper portion on the paper surface of FIG. 1).
  • the tool unit driving unit 13 can move the tool unit 20 in a direction toward the workpiece 103 (hereinafter referred to as “advance”) and move in a direction away from the workpiece 103 (hereinafter referred to as “retreat”). ).
  • the tool unit drive part 13 is provided with the tool unit pressure sensor 41 (refer FIG. 2).
  • the tool unit drive unit 13 of the present embodiment is configured by a rack and pinion mechanism, but may be configured by a ball screw mechanism, a hydraulic actuator mechanism, or the like.
  • the tool unit 20 includes a tool holding unit 21 connected to the tool unit driving unit 13 of the main body 10, a clamp 22 held by the tool holding unit 21, and also held by the tool holding unit 21 and positioned inside the clamp 22. And a rotating tool 23.
  • the clamp 22 has a cylindrical pressing member 24 and an urging portion 25 that urges the pressing member 24 toward the workpiece 103.
  • biasing part 25 of this embodiment is comprised by the spring coil, you may comprise by a rack and pinion mechanism, a ball screw mechanism, a hydraulic actuator mechanism, etc.
  • the rotary tool 23 is attached to the tool holding unit 21 via a rotary motor 26. Therefore, the rotating tool 23 rotates with respect to the tool holding unit 21 and the workpiece 103.
  • the rotary tool 23 includes a shoulder holder 27 connected to the rotary motor 26, a shoulder 28 held by the shoulder holder 27, and a pin 29 located inside the shoulder 28.
  • the shoulder 28 is located inside the pressing member 24 and has a cylindrical shape.
  • the central axis of the shoulder 28 coincides with the rotational axis of the rotary tool 23.
  • the shoulder 28 is press-fitted into the workpiece 103 while rotating.
  • the pin 29 has a cylindrical shape.
  • the central axis of the pin 29 coincides with the rotational axis of the rotary tool 23 and the central axis of the shoulder 28.
  • the pin 29 is connected to the shoulder 28 via the pin driving unit 30.
  • the pin driving unit 30 can move the pin 29 in the shoulder 28 along the axial direction. Note that the axial position of the pin 29 with respect to the workpiece 103 is determined by the amount of movement of the tool unit 20 and the amount of movement of the pin 29 with respect to the shoulder 28. Further, the pin 29 rotates together with the shoulder 28.
  • the control unit 40 is configured by a CPU, a ROM, a RAM, and the like, and controls the entire joining apparatus 100 including the rotating tool 23.
  • the control unit 40 is electrically connected to the tool unit pressure sensor 41, and the tool unit 20 is attached to the workpiece 103 based on a measurement signal transmitted from the tool unit pressure sensor 41.
  • the pressing force of the tool unit 20 when pressed (hereinafter referred to as “tool unit pressing force”) can be acquired.
  • the pressing force of the shoulder 28 when the workpiece 103 is pressed (hereinafter referred to as "shoulder pressing force”).
  • the shoulder pressing force may be calculated by an external device (for example, an external PC) provided separately from the joining device 100, or may be calculated by the control unit 40.
  • control unit 40 is electrically connected to the tool unit driving unit 13, the rotary motor 26, and the pin driving unit 30, and by transmitting a control signal to these devices, each of the tool units 20 can be arbitrarily set.
  • the rotary tool 23 can be rotated at an arbitrary rotational speed (hereinafter referred to as “tool rotational speed”), and the pin 29 can be moved relative to the shoulder 28 with an arbitrary moving amount and It can be moved at a moving speed.
  • the moving amount and moving speed of the shoulder 28 are equal to the moving amount and moving speed of the tool unit 20.
  • the clamp 22, the shoulder 28, and the pin 29 are configured to advance and retreat integrally, and the shoulder 28 and the pin 29 are configured to rotate integrally. ing.
  • the clamp 22, shoulder 28, and pin 29 may be configured to move or rotate independently of each other.
  • the first workpiece 101 and the second workpiece 102 are illustrated as flat members, but the first workpiece 101 and the second workpiece 102 are formed as flat members. Not limited.
  • 3 and 4 are conceptual diagrams showing a conventional joining method. 3 and 4, only the shoulder 28, the pin 29, the first object 101, and the second object 102, which are the main parts, are illustrated (the same applies to FIGS. 5 and 6).
  • the 1st to-be-joined object 101 and the 2nd to-be-joined object 102 which are joining objects are aluminum alloys, Comprising: The surface (joint surface) which contact
  • the protective layer 104 includes an anodized layer, a coating layer, a cladding layer, a sealing layer, and the like.
  • the conventional joining method includes a press-fitting step (FIG. 3) and a backfilling step (FIG. 4). Each process is performed by the control unit 40 transmitting control signals to the tool unit driving unit 13, the rotary motor 26, and the pin driving unit 30 to control the operation of the rotary tool 23.
  • the shoulder 28 is press-fitted into the workpiece 103. Specifically, as shown in FIG. 3, the shoulder 28 is advanced from the first workpiece 101 side toward the second workpiece 102 while rotating the rotary tool 23. At this time, the pin 29 is in a retracted state. The shoulder 28 is press-fitted from the boundary between the first workpiece 101 and the second workpiece 102 toward the second workpiece 102 to a position of 0.1 to 0.3 mm.
  • the materials of the first workpiece 101 and the second workpiece 102 are partially softened by frictional heat, and the softened material by the rotation of the shoulder 28 is stirred.
  • a stirring portion 105 (shaded portion) made of the material (stirring material) stirred by the shoulder 28 is formed.
  • the component of the base material of the first workpiece 101, the component of the base material of the second workpiece 102, and the component of the protective layer 104 flow into the shoulder 28.
  • the components of the protective layer 104 do not spread throughout the stirring unit 105 by the press-fitting process, but flow in a state of being hardened to some extent. Therefore, as shown in FIG. 3, a layer having a high component density of the protective layer 104, that is, a layer containing the component of the protective layer 104 as a main component (hereinafter referred to as “residual layer 106”) is formed. The remaining layer 106 flows into the shoulder 28 by the press-fitting process.
  • the shoulder 28 is press-fitted into the workpiece 103. Therefore, when the shoulder 28 is moved back as it is and the stirring portion 105 is cooled and hardened, a press-fitting hole is formed in the portion where the shoulder 28 has been press-fitted. End up. Therefore, the backfilling step described below is performed subsequent to the press-fitting step so that the press-fitting hole is not formed in the stirring unit 105.
  • the pin 29 is advanced relative to the shoulder 28 while rotating the rotary tool 23.
  • the stirring material flowing into the shoulder 28 is pushed out of the shoulder 28 by the pins 29.
  • the stirring material pushed out from the inside of the shoulder 28 applies a force to the end surface (the lower surface in FIG. 3) of the shoulder 28 in the traveling direction to retract the shoulder 28, and the portion into which the shoulder 28 has been press-fitted (press-fit) Flows into the hole).
  • the above operation continues until the axial position of the surface of the pin 29 that contacts the workpiece 103 and the surface of the shoulder 28 that contacts the workpiece 103 coincide. Thereby, the press-fitting hole is backfilled with the stirring material, and the surface of the first workpiece 101 becomes flat.
  • the shoulder 28 moves backward because the shoulder 28 is pushed up by the stirring material. Therefore, the shoulder 28 moves backward while pressing the workpiece 103. That is, the shoulder 28 moves in the direction indicated by the white arrow in FIG. 4, but presses the article 103 (stirring portion 105) in the direction opposite to the moving direction.
  • the pressing force (shoulder pressing force) by the shoulder 28 at that time is about 200 MPa.
  • the material of the first workpiece 101 and the second workpiece 102 is cooled and solidified in a state where the materials of the first workpiece 101 and the second workpiece 102 are partially stirred, thereby forming a cylindrical joint.
  • the first article 101 and the second article 102 are joined.
  • FIG. 5 and 6 are views showing a bonding method according to the present embodiment. Note that a protective layer 104 is formed on the bonding surfaces of the first workpiece 101 and the second workpiece 102.
  • the joining method according to the present embodiment includes a press-fitting step (FIG. 5) and a backfilling step (FIG. 6) as in the conventional joining method.
  • Each process is performed by the control unit 40 transmitting a control signal to the tool unit driving unit 13, the rotary motor 26, and the pin driving unit 30 to control the rotary tool 23.
  • the shoulder 28 is advanced from the first workpiece 101 side toward the second workpiece 102 and press-fitted while rotating the rotary tool 23.
  • the press-fit depth of the shoulder 28 into the workpiece 103 in this embodiment is larger than the press-fit depth in the conventional joining method (see FIG. 3).
  • the shoulder 28 is press-fitted by 1 mm or more from the boundary between the first workpiece 101 and the second workpiece 102 to the second workpiece 102 side.
  • the range of the stirring unit 105 is expanded toward the second workpiece 102 as compared with the case where the press-fitting depth is small. Therefore, among the stirring materials flowing into the shoulder 28, the amount of the base material component of the first workpiece 101 and the amount of the protective layer 104 component is substantially the same as in the case of the conventional press-fitting process. 2 The component of the base material of the workpiece 102 is greatly increased.
  • the stirring material of the first workpiece 101 becomes the second workpiece 102 side.
  • the first workpiece 101 and the second workpiece 102 are not sufficiently mixed. This tendency is particularly remarkable when impurities such as the protective layer 104 exist at the boundary between the first article 101 and the second article 102.
  • the component of the base material of the second article to be joined flowing into the shoulder 28 in the press-fitting process is increased. Therefore, in the backfilling process, as the shoulder 28 moves backward, a large amount of the component of the base material of the second workpiece flows into the portion (press-fit hole) where the shoulder 28 is press-fitted. As a result, as shown in FIG. 6, when the backfilling process is completed, the components of the base material of the first workpiece 101 or the second workpiece 102 are present near the outer peripheral surface of the stirring portion 105 (joining portion). It spreads and the remaining layer 106 is confined inside the stirring unit 105.
  • the components of the protective layer 104 are concentrated in the central portion of the stirring unit 105.
  • the ratio of the component of the protective layer 104 to the stirring material in the portion near the central axis of the stirring portion 105 is larger than that in the outer peripheral portion of the stirring portion 105.
  • the component of the protective layer 104 hardly reaches the outer peripheral portion of the stirring unit 105. Further, the axial position of the outer peripheral portion of the remaining layer 106 is also away from the axial position of the boundary between the first workpiece 101 and the second workpiece 102. Therefore, the joint part formed by the joining method according to the present embodiment has higher strength than the joint part formed by the conventional joining method.
  • the base material of the second workpiece 102 has many parts that are in direct contact with the shoulder 28 and has high comparative fluidity. Therefore, if the shoulder 28 is quickly retracted in the backfilling step, the component of the base material of the second workpiece 102 preferentially flows into the space (press-fit hole) generated by the retracting of the shoulder 28 and remains.
  • the layer 106 can be covered with the base material of the second workpiece 102.
  • the shoulder 28 has a large press-fitting depth, and the amount of heat due to friction increases, so that the material easily flows in a wider range. Therefore, if the shoulder pressing force in the backfilling process is set to the same level as the conventional joining method, the outer portion of the portion directly pressed against the shoulder 28 is raised against the urging force of the clamp 22, A large step is generated between the joint and its peripheral portion.
  • the shoulder pressure is reduced as compared with the conventional bonding method.
  • the surface pressure (shoulder pressure) of the shoulder 28 with respect to the stirring unit 105 in the backfilling process is made smaller than the surface pressure (shoulder pressure) of the shoulder 28 with respect to the stirring unit 105 in the press-fitting process.
  • the shoulder 28 is pressed against the stirring unit 105 with a surface pressure of 90 to 175 MPa.
  • the part which can be raised in the backfilling process is a part on the radially outer side of the stirring unit 105, that is, a part corresponding to the clamp 22. Therefore, it is also conceivable to suppress the bulge by increasing the pressing force by the clamp 22.
  • a mechanism for driving the clamp 22 is required separately, which may increase the size and complexity of the joining device 100. Therefore, the method for reducing the shoulder pressure in the backfilling process as described above is also effective in that the increase in size and complexity of the bonding apparatus 100 can be suppressed.
  • the bonding method may include steps other than the press-fitting step and the backfilling step.
  • the bonding method may include a step of contacting the surface of the first workpiece 101 while rotating the shoulder 28 and the pin 29 and heating the surface before the press-fitting step.

Abstract

本発明の一態様に係る摩擦攪拌点接合方法は、回転ツールを回転させながらショルダ（２８）を第１被接合物（１０１）側から第２被接合物（１０２）に向かって圧入する圧入工程と、圧入工程においてショルダの内部に流入した攪拌材料を外部に押し出し、ショルダを圧入したことで生じる圧入穴に攪拌材料を埋め戻す埋戻し工程と、を含み、埋戻し工程が完了したとき保護層（１０４）の成分が攪拌部（１０５）の中央部分に集中した状態となるよう、圧入工程において、ショルダを第１被接合物と第２被接合物の境界から第２被接合物側へ１ｍｍ以上圧入する。

Description

摩擦攪拌点接合方法及び摩擦攪拌点接合装置
　本発明は、摩擦攪拌点接合方法及び摩擦攪拌点接合装置に関する。
　摩擦攪拌点接合（ＦＳＪ；Friction Spot Joining）は、スポット溶接接合やリベット接合に代わるものとして期待されている。摩擦攪拌点接合では、重ねた被接合物に回転ツールを圧入し、摩擦熱により両被接合物を部分的に軟化させて攪拌することにより接合を行う。摩擦攪拌点接合には、ショルダとピンが固定された回転ツールを用いた単動式の摩擦攪拌点接合と、ショルダとピンが相対移動する回転ツールを用いた複動式の摩擦攪拌点接合がある。このうち複動式の摩擦攪拌点接合では、圧入工程後に埋戻し工程が行われ、回転ツールを圧入することによって生じる穴（圧入穴）に攪拌材料が埋め戻されることから、接合による痕を目立たなくすることができる（特許文献１参照）。
特開２０１２－１９６６８２号公報
　ところで、被接合物の表面には、アノダイズ処理などの表面処理やプライマー塗装によって母材とは異なる材料からなる保護層が形成される場合がある。この保護層を有する被接合物を複動式の摩擦攪拌点接合で接合した場合、保護層を有しない被接合物を同じようにして複動式の摩擦攪拌点接合で接合した場合に比べ、接合部の強度が低下することが判明した。さらに、発明者らは、この接合部の強度低下が複動式の摩擦攪拌点接合における保護層成分の分布に起因することを発見した。
　本発明は、以上のような事情に鑑みてなされたものであり、保護層を有する被接合物を複動式の摩擦攪拌点接合によって接合したときにおける、接合部の強度低下を抑制可能な摩擦攪拌点接合方法を提供することを目的とする。
　本発明の一態様に係る摩擦攪拌点接合方法は、円筒状のショルダと当該ショルダの内部を移動可能な円柱状のピンとを有する回転ツールを用いて、第１被接合物と第２被接合物を摩擦攪拌点接合により接合する複動式の摩擦攪拌点接合方法であって、前記第１被接合物及び前記第２被接合物のうち少なくとも一方の接合面には保護層が形成されており、当該摩擦攪拌点接合方法は、前記回転ツールを回転させながら前記ショルダを前記第１被接合物側から前記第２被接合物に向かって圧入することにより、前記第１被接合物及び前記第２被接合物の材料を部分的に攪拌して攪拌部を形成し、その際に他の攪拌材料とともに保護層の成分を前記ショルダの内部に流入させる圧入工程と、前記回転ツールを回転させながら、前記圧入工程において前記ショルダの内部に流入した攪拌材料を前記ピンによって前記ショルダの外部に押し出すと同時に、前記ショルダを後退させることにより、前記ショルダを圧入したことで生じる圧入穴に攪拌材料を埋め戻す埋戻し工程と、を含み、前記埋戻し工程が完了したとき前記保護層の成分が前記攪拌部の中央部分に集中した状態となるよう、前記圧入工程において前記ショルダを前記第１被接合物と前記第２被接合物の境界から前記第２被接合物側へ１ｍｍ以上圧入する。
　ここで、圧入工程では攪拌部が形成されるが、保護層の成分は攪拌部全体に広がるわけではなく、攪拌部の内部に保護層の成分の密度が高い層、つまり保護層の成分を主成分とする層（残存層）が形成される。そして、従来の摩擦攪拌点接合方法では、埋戻し工程を行うことで、残存層は保護層が存在していた位置の近くにまで移動する。この場合、接合部に力が加わると残存層から亀裂が生じてしまい、これが接合部の強度低下を招く原因であることが発明者らの実験によって判明した。これに対し、上記の方法によれば、埋戻し工程において、残存層を攪拌部の中心部に集中させることができるため、残存部から亀裂が生じることがなく、接合部の強度低下を抑えることができる。
　また、上記の摩擦攪拌点接合方法において、前記埋戻し工程における前記攪拌部に対する前記ショルダの面圧を、前記圧入工程における前記攪拌部に対する前記ショルダの面圧よりも小さくしてもよい。
　前述のように圧入工程において一定以上の圧入深さにまでショルダを圧入する場合、攪拌部のみならず、その周辺部分の材料も流動しやすくなる。そのため、埋戻し工程においてショルダが攪拌部を押圧することにより、攪拌部の周辺部分が隆起するという現象が生じうる。これに対し、上記のように埋め戻し工程における攪拌部に対するショルダの面圧を小さくすることにより、このような現象を防ぐことができる。
　また、上記の摩擦攪拌点接合方法の前記埋戻し工程において、９０～１７５ＭＰａの面圧で前記ショルダを前記攪拌部に押圧してもよい。
　このように、埋戻し工程における攪拌部に対するショルダの面圧を９０～１７５ＭＰａという比較的小さい値にすれば、攪拌部がショルダに押圧されることで生じうる攪拌部の周辺部分における隆起を抑えることができる。
　また、本発明の一態様に係る摩擦攪拌点接合装置は、少なくとも一方の接合面に保護層が形成された第１被接合物と第２被接合物を摩擦攪拌点接合により接合する摩擦攪拌点接合装置であって、円筒状のショルダと当該ショルダの内部を移動可能な円柱状のピンとを有する回転ツールと、前記回転ツールを制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記回転ツールを回転させながら前記ショルダを前記第１被接合物側から前記第２被接合物に向かって圧入することにより、前記第１被接合物及び前記第２被接合物の材料を部分的に攪拌して攪拌部を形成し、その際に他の攪拌材料とともに保護層の成分を前記ショルダの内部に流入させた後、前記回転ツールを回転させながら、前記圧入工程において前記ショルダの内部に流入した攪拌材料を前記ピンによって前記ショルダの外部に押し出すと同時に、前記ショルダを後退させることにより、前記ショルダを圧入したことで生じる圧入穴に攪拌材料を埋め戻し、前記攪拌部を形成する際に前記ショルダを前記第１被接合物と前記第２被接合物の境界から前記第２被接合物側へ１ｍｍ以上圧入する。
　上述した摩擦攪拌点接合方法によれば、保護層を有する被接合物を接合したときにおける、接合部の強度低下を抑えることができる。
図１は、摩擦攪拌点接合装置の全体図である。 図２は、摩擦攪拌点接合装置の制御系のブロック図である。 図３は、従来の摩擦攪拌点接合方法の圧入工程を示した概念図である。 図４は、従来の摩擦攪拌点接合方法の埋戻し工程を示した概念図である 図５は、実施形態に係る摩擦攪拌点接合方法の圧入工程を示した概念図である。 図６は、実施形態に係る摩擦攪拌点接合方法の埋戻し工程を示した概念図である。
　＜接合装置＞
　まず、本実施形態に係る摩擦溶接点接合方法（以下、単に「接合方法」ともいう）で使用する摩擦攪拌点接合装置（以下、単に「接合装置」ともいう）１００について説明する。図１は、接合装置１００の概略図である。また、図２は、接合装置１００の制御系のブロック図である。接合装置１００は、第１被接合物１０１と第２被接合物１０２（以下、これらを合わせて「被接合物１０３」という）を摩擦攪拌点接合によって接合する装置であって、本体１０と、ツールユニット２０と、制御部４０とを備えている。
　本体１０は、Ｃ字状に形成されたフレーム１１と、フレーム１１の一端側の部分（図１の紙面下方部分）に設けられており被接合物１０３を支持する裏当て１２と、裏当て１２に対向するようにフレーム１１の他端側の部分（図１の紙面上方部分）に設けられたツールユニット駆動部１３と、を有している。
　ツールユニット駆動部１３は、ツールユニット２０を被接合物１０３に向かう方向に移動（以下、「進行」という）させることができるとともに、被接合物１０３から離れる方向に移動（以下、「後退」という）させることができる。また、ツールユニット駆動部１３には、ツールユニット圧力センサ４１が設けられている（図２参照）。なお、本実施形態のツールユニット駆動部１３は、ラックアンドピニオン機構によって構成されているが、ボールねじ機構、油圧アクチュエータ機構等によって構成してもよい。
　ツールユニット２０は、本体１０のツールユニット駆動部１３に接続されたツール保持部２１と、ツール保持部２１に保持されたクランプ２２と、同じくツール保持部２１に保持されクランプ２２の内側に位置する回転ツール２３とを有している。
　クランプ２２は、円筒状の押し当て部材２４と、押し当て部材２４を被接合物１０３に向かって付勢する付勢部２５とを有している。なお、本実施形態の付勢部２５は、スプリングコイルによって構成されているが、ラックアンドピニオン機構、ボールねじ機構、油圧アクチュエータ機構等によって構成してもよい。
　回転ツール２３は、回転モータ２６を介してツール保持部２１に取り付けられている。そのため、回転ツール２３は、ツール保持部２１及び被接合物１０３に対して回転する。また、回転ツール２３は、回転モータ２６に接続されたショルダ保持部２７と、ショルダ保持部２７に保持されたショルダ２８と、ショルダ２８の内部に位置するピン２９と、を有している。
　ショルダ２８は、押し当て部材２４の内側に位置しており、円筒状の形状を有している。ショルダ２８の中心軸は、回転ツール２３の回転軸に一致する。摩擦攪拌点接合を行う際には、ショルダ２８は回転しながら被接合物１０３に圧入される。
　ピン２９は、円柱状の形状を有している。ピン２９の中心軸は、回転ツール２３の回転軸及びショルダ２８の中心軸に一致する。ピン２９は、ピン駆動部３０を介してショルダ２８に接続されている。ピン駆動部３０は、ピン２９をショルダ２８の内部を軸方向に沿って移動させることができる。なお、被接合物１０３に対するピン２９の軸方向位置は、ツールユニット２０の移動量とショルダ２８に対するピン２９の移動量によって決まる。また、ピン２９はショルダ２８とともに回転する。
　制御部４０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等によって構成されており、回転ツール２３を含む接合装置１００全体を制御する。
　図２に示すように、制御部４０は、ツールユニット圧力センサ４１と電気的に接続されており、ツールユニット圧力センサ４１から送信される測定信号に基づいて、ツールユニット２０を被接合物１０３に押圧したときのツールユニット２０の押圧力（以下、「ツールユニット押圧力」という）を取得することができる。なお、取得したツールユニット押圧力及びクランプ２２の付勢力（ツールユニット２０の移動量から算出）に基づいて、被接合物１０３を押圧したときのショルダ２８の押圧力（以下、「ショルダ押圧力」という）を算出することができる。ショルダ押圧力は、接合装置１００とは別に設けられた外部装置（例えば外部ＰＣ）で算出してもよく、制御部４０で算出してもよい。
　また、制御部４０は、ツールユニット駆動部１３、回転モータ２６、及びピン駆動部３０と電気的に接続されており、これらの機器に制御信号を送信することにより、それぞれツールユニット２０を任意の移動量及び移動速度で移動させることができ、回転ツール２３を任意の回転速度（以下、「ツール回転速度」という）で回転させることができ、ショルダ２８に対してピン２９を任意の移動量及び移動速度で移動させることができる。なお、ショルダ２８の移動量及び移動速度は、ツールユニット２０の移動量及び移動速度に等しい。
　以上が接合装置１００の説明である。以上で説明した接合装置１００では、クランプ２２、ショルダ２８、及びピン２９は一体となって進行及び後退するように構成されており、ショルダ２８及びピン２９は一体となって回転するように構成されている。しかしながら、クランプ２２、ショルダ２８、及びピン２９は互いに独立して移動又は回転するように構成されていてもよい。なお、図１では、第１被接合物１０１及び第２被接合物１０２は平板状の部材として図示されているが、第１被接合物１０１及び第２被接合物１０２は平板状の部材に限られない。
　＜従来の接合方法＞
　続いて、本実施形態に係る接合方法を説明する前に、従来の接合方法について説明する。図３及び図４は、従来の接合方法を示した概念図である。図３及び図４では、要部であるショルダ２８、ピン２９、第１被接合物１０１、及び第２被接合物１０２のみを図示している（図５及び図６も同様）。
　ここで、接合対象である第１被接合物１０１及び第２被接合物１０２はアルミ合金であって、第１被接合物１０１の第２被接合物１０２と接する面（接合面）には保護層１０４が形成されており、第２被接合物１０２の第１被接合物１０１と接する面（接合面）にも保護層１０４が形成されているものとする。なお、保護層１０４には、アノダイズ処理層、塗装層、クラッド層、シーリング層等が含まれる。
　従来の接合方法には、圧入工程（図３）と、埋戻し工程（図４）とが含まれる。各行程は、制御部４０がツールユニット駆動部１３、回転モータ２６、及びピン駆動部３０に制御信号を送信し、回転ツール２３の動作を制御することにより行われる。
　圧入工程では、ショルダ２８を被接合物１０３に圧入する。具体的には、図３に示すように、回転ツール２３を回転させながらショルダ２８を第１被接合物１０１側から第２被接合物１０２に向かって進行させる。この時、ピン２９は後退した状態にしておく。なお、ショルダ２８は、第１被接合物１０１と第２被接合物１０２の境界から第２被接合物１０２側へ０.１～０.３ｍｍのところにまで圧入する。
　この圧入工程により、第１被接合物１０１及び第２被接合物１０２の材料が摩擦熱により部分的に軟化し、ショルダ２８の回転によって軟化した材料は攪拌される。その結果、ショルダ２８によって攪拌された材料（攪拌材料）からなる攪拌部１０５（斜線部分）が形成される。このとき、第１被接合物１０１の母材の成分、第２被接合物１０２の母材の成分、及び、保護層１０４の成分が、ショルダ２８の内部に流入する。
　ここで、圧入工程によって保護層１０４の成分は攪拌部１０５全体に広がるわけではなく、ある程度固まった状態で流動する。そのため、図３に示すように、保護層１０４の成分の密度が高い層、つまり保護層１０４の成分を主成分とする層（以下、「残存層１０６」という）が形成される。そして、圧入工程によって、残存層１０６はショルダ２８の内部に流入する。
　なお、上記の圧入工程では、被接合物１０３にショルダ２８が圧入されるため、そのままショルダ２８を後退させて攪拌部１０５が冷え固まると、ショルダ２８が圧入されていた部分に圧入穴が形成されてしまう。そこで、攪拌部１０５に圧入穴が形成されないように、圧入工程に引き続いて以下で説明する埋戻し工程を行う。
　埋戻し工程では、回転ツール２３を回転させながら、ショルダ２８に対してピン２９を進行させる。これにより、ショルダ２８の内部に流入した攪拌材料はピン２９によってショルダ２８の外部に押し出される。そして、ショルダ２８の内部から押し出された攪拌材料は、ショルダ２８の進行方向側の端面（図３における下面）に力を加えてショルダ２８を後退させるとともに、ショルダ２８が圧入されていた部分（圧入穴）に流入する。以上の動作はピン２９の被接合物１０３に接触する面とショルダ２８の被接合物１０３に接触する面の軸方向位置が一致するまで続く。これにより、圧入穴が攪拌材料によって埋め戻され、第１被接合物１０１の表面が平らになる。
　また、埋戻し工程ではショルダ２８は後退するが、これは攪拌材料によってショルダ２８が押し上げられることによる。そのため、ショルダ２８は被接合物１０３を押圧したまま後退する。つまり、ショルダ２８は図４の白抜き矢印で示す方向に移動するが、この移動方向とは逆の方向に被接合物１０３（攪拌部１０５）を押圧する。そのときのショルダ２８による押圧力（ショルダ押圧力）は、２００ＭＰａ程度である。
　埋戻し工程が完了すると、攪拌部１０５において第１被接合物１０１と第２被接合物１０２の材料が部分的に攪拌された状態で冷え固まることにより、円柱状の接合部が形成される。これによって、第１被接合物１０１と第２被接合物１０２が接合される。
　ここで、図４に示すように、従来の接合方法では、埋戻し工程において圧入穴に攪拌材料が埋め戻されると、残存層１０６は保護層１０４が存在していた位置の近くにまで押し戻される。これにより第１被接合物１０１と第２被接合物１０２の接合が完了したとき、残存層１０６の外周部分は接合部（攪拌部１０５）の外周面又はその近傍にまで達しており、残存層１０６の外周部分の軸方向位置は第１被接合物１０１と第２被接合物１０２の境界の軸方向位置に近い。この場合、接合部に力が加わると、残存層１０６の外周部分から亀裂が発生しやすくなる。これを原因として、保護層が形成された被接合物同士を接合する場合、保護層が形成されていない被接合物同士を接合する場合に比べて接合部の強度が低下するのである。
　＜実施形態に係る接合方法＞
　次に、本実施形態に係る接合方法について説明する。図５及び図６は、本実施形態に係る接合方法を示した図である。なお、第１被接合物１０１及び第２被接合物１０２の接合面には、保護層１０４が形成されているものとする。
　本実施形態に係る接合方法は、従来の接合方法と同様に、圧入工程（図５）と、埋戻し工程（図６）とが含まれる。各行程は、制御部４０がツールユニット駆動部１３、回転モータ２６、及びピン駆動部３０に制御信号を送信し、回転ツール２３を制御することにより行われる。
　本実施形態の圧入工程では、従来の圧入工程と同様に、回転ツール２３を回転させながらショルダ２８を第１被接合物１０１側から第２被接合物１０２に向かって進行させて圧入する。ただし、図５に示すように、本実施形態におけるショルダ２８の被接合物１０３への圧入深さは、従来の接合方法における圧入深さに比べて大きい（図３参照）。具体的には、本実施形態ではショルダ２８を第１被接合物１０１と第２被接合物１０２の境界から第２被接合物１０２側へ１ｍｍ以上圧入する。
　このように、ショルダ２８の圧入深さを大きくすると、圧入深さが小さい場合に比べて、攪拌部１０５の範囲が第２被接合物１０２側に広がる。そのため、ショルダ２８の内部に流入する攪拌材料のうち、第１被接合物１０１の母材の成分及び保護層１０４の成分の量は従来の圧入工程の場合と比べてほぼ同じであるが、第２被接合物１０２の母材の成分が大幅に増加する。
　なお、圧入工程におけるショルダ２８の圧入を、第１被接合物１０１と第２被接合物１０２の境界付近で止めてしまうと、第１被接合物１０１の攪拌材料が第２被接合物１０２側に押し込まれるだけとなり、第１被接合物１０１と第２被接合物１０２は十分に混合されない。この傾向は、第１被接合物１０１と第２被接合物１０２の境界に保護層１０４などの不純物が存在する場合に特に顕著である。
　続いて、本実施形態の埋戻し工程では、従来の埋戻し工程と同様に、回転ツール２３を回転させながら、ショルダ２８の内部に流入した攪拌材料をピン２９によってショルダ２８の外部に押し出して、ショルダ２８を後退させる。
　前述のとおり、本実施形態に係る接合方法では、圧入工程においてショルダ２８の内部に流入する第２被接合物の母材の成分が増加している。そのため、埋め戻し工程ではショルダ２８が後退することに伴って、ショルダ２８が圧入されていた部分（圧入穴）に第２被接合物の母材の成分が多く流動する。その結果、図６に示すように、埋戻し工程が完了したとき、攪拌部１０５（接合部）の外周面付近には第１被接合物１０１又は第２被接合物１０２の母材の成分が広がり、残存層１０６が攪拌部１０５の内側に閉じ込められた状態となる。つまり、保護層１０４の成分は攪拌部１０５の中央部分に集中した状態となる。また、別の言い方をすれば、攪拌部１０５の外周部分に比べて、攪拌部１０５の中心軸付近の方が、その部分における攪拌材料に対する保護層１０４の成分の割合が大きい。
　そのため、保護層１０４の成分は攪拌部１０５の外周部分にはほとんど達しない。また、残存層１０６の外周部分の軸方向位置は、第１被接合物１０１と第２被接合物１０２の境界の軸方向位置からも離れている。よって、本実施形態に係る接合方法によって形成した接合部は、従来の接合方法によって形成された接合部に比べて強度が高くなる。
　なお、第２被接合物１０２の母材は、ショルダ２８に直接接触する部分が多く比較流動性が高い。そのため、埋戻し工程においてショルダ２８を素早く後退させれば、ショルダ２８が後退することにより生じる空間（圧入穴）には、第２被接合物１０２の母材の成分が優先的に流入し、残存層１０６を第２被接合物１０２の母材で覆うことができる。
　また、本実施形態では、ショルダ２８の圧入深さが大きく、摩擦による熱量が多くなるため、より広い範囲で材料が流動しやすくなる。そのため、埋戻し工程におけるショルダ押圧力を従来の接合方法と同程度の圧力にしてしまうと、ショルダ２８に直接押圧されている部分の外側の部分はクランプ２２の付勢力に抗して隆起し、接合部とその周辺部分の間に大きな段差が生じてしまう。
　そこで、本実施形態の埋戻し工程では、従来の接合方法の場合に比べてショルダ圧力を小さくする。例えば、本実施形態では、埋戻し工程における攪拌部１０５に対するショルダ２８の面圧（ショルダ圧力）を、圧入工程における攪拌部１０５に対するショルダ２８の面圧（ショルダ圧力）よりも小さくする。より具体的には、９０～１７５ＭＰａの面圧でショルダ２８を攪拌部１０５に押圧する。これにより、埋戻し工程によって生じうる接合部とその周辺部分の間の段差を小さく又は無くすことができる。
　なお、埋戻し工程において隆起が生じうる部分は、攪拌部１０５の径方向外方の部分、すなわちクランプ２２に対応する部分である。そのため、クランプ２２による押圧力を大きくして、隆起を抑えることも考えられる。ただし、この場合には、クランプ２２を駆動させる機構が別途必要となり、接合装置１００の大型化及び複雑化を招くおそれがある。そのため、上記のような、埋戻し工程におけるショルダ圧力を小さくする方法は、接合装置１００の大型化及び複雑化を抑えることができるという点でも有効である。
　以上が本実施形態に係る接合方法の説明である。以上で説明した接合方法では、圧入工程及び埋め戻し工程についてのみ説明したが、接合方法には圧入工程及び埋戻し工程以外の工程が含まれていてもよい。例えば、接合方法には、圧入工程の前にショルダ２８及びピン２９を回転させながら第１被接合物１０１の表面に接触させて当該表面を加熱する工程等を含んでいてもよい。
２３　回転ツール
２８　ショルダ
２９　ピン
４０　制御部
１００　摩擦攪拌点接合装置
１０１　第１被接合物
１０２　第２被接合物
１０４　保護層
１０５　攪拌部

Claims (4)

  1. 　円筒状のショルダと当該ショルダの内部を移動可能な円柱状のピンとを有する回転ツールを用いて、第１被接合物と第２被接合物を摩擦攪拌点接合により接合する複動式の摩擦攪拌点接合方法であって、前記第１被接合物及び前記第２被接合物のうち少なくとも一方の接合面には保護層が形成されており、
    　当該摩擦攪拌点接合方法は、
    　前記回転ツールを回転させながら前記ショルダを前記第１被接合物側から前記第２被接合物に向かって圧入することにより、前記第１被接合物及び前記第２被接合物の材料を部分的に攪拌して攪拌部を形成し、その際に他の攪拌材料とともに保護層の成分を前記ショルダの内部に流入させる圧入工程と、
    　前記回転ツールを回転させながら、前記圧入工程において前記ショルダの内部に流入した攪拌材料を前記ピンによって前記ショルダの外部に押し出すと同時に、前記ショルダを後退させることにより、前記ショルダを圧入したことで生じる圧入穴に攪拌材料を埋め戻す埋戻し工程と、を含み、
    　前記埋戻し工程が完了したとき前記保護層の成分が前記攪拌部の中央部分に集中した状態となるよう、前記圧入工程において前記ショルダを前記第１被接合物と前記第２被接合物の境界から前記第２被接合物側へ１ｍｍ以上圧入する、摩擦攪拌点接合方法。
  2. 　前記埋戻し工程における前記攪拌部に対する前記ショルダの面圧を、前記圧入工程における前記攪拌部に対する前記ショルダの面圧よりも小さくする、請求項１に記載の摩擦攪拌点接合方法。
  3. 　前記埋戻し工程において、９０～１７５ＭＰａの面圧で前記ショルダを前記攪拌部に押圧する、請求項１又は２に記載の摩擦攪拌点接合方法。
  4. 　少なくとも一方の接合面に保護層が形成された第１被接合物と第２被接合物を摩擦攪拌点接合により接合する摩擦攪拌点接合装置であって、
    　円筒状のショルダと当該ショルダの内部を移動可能な円柱状のピンとを有する回転ツールと、前記回転ツールを制御する制御部と、を備え、
    　前記制御部は、前記回転ツールを回転させながら前記ショルダを前記第１被接合物側から前記第２被接合物に向かって圧入することにより、前記第１被接合物及び前記第２被接合物の材料を部分的に攪拌して攪拌部を形成し、その際に他の攪拌材料とともに保護層の成分を前記ショルダの内部に流入させた後、前記回転ツールを回転させながら、前記圧入工程において前記ショルダの内部に流入した攪拌材料を前記ピンによって前記ショルダの外部に押し出すと同時に、前記ショルダを後退させることにより、前記ショルダを圧入したことで生じる圧入穴に攪拌材料を埋め戻し、前記圧入穴に攪拌材料を埋め戻したとき前記保護層の成分が前記攪拌部の中央部分に集中した状態となるよう、前記攪拌部を形成する際に前記ショルダを前記第１被接合物と前記第２被接合物の境界から前記第２被接合物側へ１ｍｍ以上圧入する、摩擦攪拌点接合装置。
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