JP2003062680A - 摩擦攪拌接合方法 - Google Patents
摩擦攪拌接合方法Info
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Abstract
て、良好な摩擦攪拌接合を行えるようにする。 【解決手段】 出入り口110の縁材120と板11
(21)とを摩擦攪拌接合する場合において、縁材12
0に沿って回転工具200を移動させて行う。回転工具
200は移動方向に対して傾斜している。右片120R
から摩擦攪拌接合を開始して、右片120Rから120
Cに至る角部P5に至ると、回転工具200を縁材12
0、板11(21)から抜く。次に、中央片120Cに沿
った移動方向に向けて回転工具を傾斜させる。次に、回
転工具を下降させて挿入し、摩擦攪拌接合を開始させ
る。これによれば、縁材120に回転工具を挿入した状
態で回転工具の向きを変えないので、摩擦熱が過大にな
らず。良好な接合ができる。
Description
関し、鉄道車両等の輸送機器、産業機械、科学機械、家
庭電化品等において、アルミニウム合金の部材を接合に
好適である。
丸棒(回転工具という)を回転させながら接合線に沿っ
て移動させ、接合部を発熱、軟化させ、塑性流動させ、
固相接合する方法である。回転工具は大径部と小径部か
らなる。小径部を接合すべき部材に挿入し、大径部の端
面を前記部材に接触させている。小径部にはねじを設け
ている。小径部側を向いた大径部の端面は円錐状に傾斜
している。この円錐面は凹んでいる。回転工具の軸心は
回転工具の移動方向に対して傾斜している。すなわち、
移動方向に対して後方に傾斜している。
挿入側に凸部を設け、突き合わせ部に回転工具の小径部
を挿入すると共に、回転工具の大径部を凸部内に挿入し
て、摩擦攪拌接合を行う。凸部の金属を原資として2つ
の部材の間の隙間を埋めるものである。凸部は一方の部
材のみに設けてもよい。これは部材を押し出し形材で作
り、押し出し方向を直交させた部分を摩擦攪拌接合する
場合に用いる。
のを摩擦攪拌接合する場合において、複数の回転工具を
1つの移動体に複数の回転工具を設置して行う。窓の直
前の位置で移動体の移動を停止させ、全ての回転工具を
被接合部材から退避させ、窓のない部分の回転工具は再
度挿入し、移動を再開させ、摩擦攪拌接合を再開させ
る。
(EP0752926B1)、特開2000−3432
48号公報(EP1057576A2)に示されてい
る。
員等のための出入り口がある。出入り口には大きな荷重
が加わるので、車体の側面の板に厚い縁材を溶接してい
る。縁材は押し出し形材からなる。車体の板と縁材とを
摩擦攪拌接合する。摩擦攪拌接合用の回転工具は縁材に
沿って移動させる。
構成する。曲げた角部は円弧状になる。
形材を溶接して縁材を製作する場合を考える。各片は実
質的に直交している。この場合、左片と上片との接続
部、また、上片と右片との接続部は直角である。このよ
うな縁材を有する出入り口は乗務員の出入り口に多い。
拌接合する場合は、前記接続部(直角部)において、回
転工具の向き(すなわち、移動方向)を90度変えなけ
ればならない。これは、回転工具は移動方向に対して傾
斜させなければならないためである。向きの変更は、回
転工具の向きを変えるまたは接合すべき部材の向きを変
えて行う。
は停止しなければなならない。移動は停止しているが、
回転工具は接合すべき部材に挿入された状態で回転して
いる。このため、回転工具と接合すべき部材との摩擦熱
が過大になる。このため、摩擦攪拌接合に不良が発生す
ることがある。
小さくても同様の問題が発生する。また、このような向
きを変えなければならないものは、出入り口の縁材のみ
でなく、建築物の各種部材、産業機器等、構造上や意匠
上の観点で、各種で考えられる。
に、光学センサーで突き合わせ部を検出して回転工具を
誘導しているが、前記のように移動方向(接合線の方
向)が90度のように大きく変わる場合は、曲がる点の
近傍になると、突き合わせ部を検出できない。
材で製作し、その押し出し方向が直交していることなど
から、突き合わせ部の隙間を埋める原資となる凸部を一
方の部材にしか設置できない。このため、接合不良が発
生しやすい。
きく変化する場合において、良好な摩擦攪拌接合を行え
るようにすることにある。
の突き合わせ部の摩擦攪拌接合において、良好な摩擦攪
拌接合を行えるようにすることにある。
線に沿って移動中に接合線の方向が変化する位置に至る
と、回転工具を被接合部材から退避させ、前記回転工具
又は前記被接合部材の向きを変更し、実質的に前記退避
させた位置において、前記被接合部材に回転工具を再度
挿入し、新たな接合線に沿って前記回転工具を移動させ
ること、によって達成できる。
部とを突き合わせ、前記突き合わせた線である接合線は
大きく変化しており、前記接合線に対する前記回転工具
の相対的な移動は予め記憶していたデータに基づいて行
うこと、によって達成できる。
部に凸部を有する第2の部材の端部とを突き合わせ、前
記凸部に沿って、前記第2の部材の端部に肉盛り溶接を
行い、前記突き合わせ部に回転工具を挿入して摩擦攪拌
接合を行うこと、によって達成できる。
によって説明する。図1の(A)の被接合部材の接合線
は直交している。図1の(B)は直交する接合線を直線
状に延ばして示している。
側構体101、屋根を構成する屋根構体102、床を構
成する台枠103、長手方向の端部を構成する妻構体1
04とからなる。側構体101、屋根構体102、台枠
104は、それぞれ複数の押し出し形材10、20を接
合して構成している。押し出し形材10、20の長手方
向(押し出し方向)を車体100の長手方向に向けてい
る。押し出し形材10,20はアルミニウム合金製の中
空形材である。
また、人の出入り口110,140がある。出入り口1
10は運転手等の乗務員のための出入り口であリ、その
幅は比較的小さい。出入り口140は運転手等の乗務員
のための出入り口であリ、その幅は大きい。出入り口1
10,140の開口の縁には縁材120,141が接合
されている。
0,20の押出し方向は車体すなわち側構体101の長
手方向である。縁材120(141)も押し出し形材で
あるので、縁材120(141)の左右の片は、縁材1
20(141)の押し出し方向と、形材10,20の押
し出し方向とは直交している。押し出し形材10,20
は中空形材である。
2枚の面板11(21),12(22)と、この2枚の
面板を接続する複数の接続板13(23),14(2
4)と、からなる。
続板14(24)は面板11,12(21,22)に対
して直交している。接続板14と面板11(12)との
接続部の外面側には中空形材20の面板21(22)が
重なる凹部がある。面板11,22の端部には面板2
1,22を支える突出片15がある。突出片15は接続
板14から突出している。突出片15は前記凹部に接続
している。中空形材20の面板21,22の端部は中空
形材10の凹部および突出片15に重なる。
中空形材10,20の外面側(厚さ方向の外側)に突出
する凸部17(27)がある。面板11,21および凸
部17の端面(すなわち、凹部の面板11,12側)は
接続板14の板厚の中心付近にある。中空形材10の面
板11(12)および凸部17の端面と中空形材20の
面板21(22)および凸部27の端面とが突き合わせ
られている。
2)の外面とは同一面にあり、凸部17,27の突出代
は同一である。2つの凸部17,27の幅は同一であ
る。2つの凸部の幅は回転工具200の大径部201の
径よりも大きい。
図5において、接合に当たって、2つの中空形材10,
20は架台310に載せて固定する。回転工具200は
大径部210の先端に小径部220を設けている。小径
部220にはねじを設けている。小径部220側を向い
た大径部210の端面は軸心側が凹んだ円錐状になって
いる。
200を挿入する。大径部210の下端は面板11,2
1よりも上方の凸部17,27内に位置させる。小径部
220は面板11,21の突き合わせ部に入れる。小径
部220の下端は突出片15に若干挿入している。回転
工具200を回転させながら、突き合わせ部の接合線に
沿って移動させる。回転工具200の軸心は移動方向に
対して傾斜している。小径部220側が大径部210側
よりも先行している。凸部17,27の金属は突き合わ
せ部の隙間を埋める原資となる。図5では突き合わせ部
に隙間を示していない。
ら、中空形材10,20を上下に反転させ、同様に摩擦
攪拌接合を行う。
すべての中空形材10,20を接合したならば、車内側
を上方にして、窓130や出入り口110,140の開
口の周囲の不要部分を切削で除去する。この切削によっ
て、窓130や出入り口110,140の開口部分にお
いて、車外側の面板21(11)の端部は車内側の面板
22(12)や接続板23,24(13,14)の端部
よりも開口側に突出する。
に縁材120,141を摩擦攪拌接合する。図3におい
て、縁材120は直線状の3つの押し出し形材120
L,120C,120Rを溶接してU状に構成してい
る。中央片120Cと板11(21)との接合線に対し
て、片120L,120Rと板11(21)との接合線
は直交している。
を閉鎖する片121と、車外側の面板21(11)の外
面よりも外方に突出する凸部123と、面板21(1
1)の内面に重なる突出片125と、車内側の面板の外
面22(12)に重なる突出片127とからなる。凸部
123を除く片121の車外側の端面は面板21(1
1)の外面と実質的に同一面にある。車外側の突出片1
25は車外側から凹んだ位置にある。面板21(11)
の端部は縁材120に突き合わせられている。車内側の
突出片127は車内側の面板22(12)の外側に重な
り、隅肉溶接している。この溶接は摩擦攪拌接合の前後
の適宜な時期に溶接する。
の端部は押し出し方向の端部であるので、面板11,2
1には凸部17,27が無い。U状の縁材120の中央
片120Cに接する中空形材10は幅方向の端部を切削
しているので、凸部17,27が無い。
で、突き合わせ部の隙間を示していない。縁材120お
よび側構体110は架台320に固定している。図6に
おいて、縁材120と妻構体104との間に中空形材1
0,20を配置しているが、単なる板の場合がある。
わせ部を上方から摩擦攪拌接合する。回転工具200の
小径部220は突き合わせ部に挿入する。小径部220
の先端は突出片125に若干挿入されている。大径部2
10の一部は凸部123に入る。大径部210の下端と
面板21(11)の上面との間に若干の隙間があるよう
に挿入する。回転工具200は移動方向に対して大径部
210側を後方に傾斜させて挿入するので、傾斜した大
径部210の最下端と面板21(11)の上面との間に
隙間があるようにする。
隙間の原資となる凸部は、縁材120に凸部123があ
り、中空形材10,20には凸部17,27がない。こ
のように突き合わせ部の一方にしか凸部がない。この状
態でも摩擦攪拌接合は可能であるが、凸部は両方にある
ことが望ましい。このため、側構体101に縁材120
を配置したら、縁材120に沿って、中空形材10,2
0の面板11、21に肉盛り溶接を行う。肉盛り溶接の
高さおよび幅は凸部123に相当する大きさが望ましい
が、それよりも小さくてもそれなりの効果がある。回転
工具200の大径部210の端部は、凸部123の場合
と同様に肉盛り溶接の金属中に入れて、摩擦攪拌接合す
ることが望ましい。この肉盛り溶接123Wは図4のみ
に示している。
ない程度に面板11、21に着いていればよい。面板1
1、21を縁材120に強固に溶接する必要はない。ま
た、溶接した場合に、面板11、21が突出片125に
接触していることが望ましいが、肉盛り溶接を行う場合
はその必要もない。肉盛り溶接がない場合は、回転工具
200の大径部210と面板21(11)との間に隙間
があるので、面板21(11)は突出片125に接触し
ないことがあり、接合不良となりやすい。しかし、肉盛
り溶接をしておけば、この金属が大径部210と面板2
1(11)との間に介在するので、面板218119を
突出片125に密着させることができる。このため、良
好な接合ができる。また、肉盛り溶接を簡単にできるも
のである。
き合わせ部の位置の検出が困難になる。また、接合線の
向きがが大きく変化している場合、例えば、接合線が小
半径の場合や接合線が直交している場合は、光学センサ
ーで接合線を検出することは困難になる。この場合は数
値制御によって回転工具を誘導するのがよい。
0の左片120Lの下端の突き合わせ部に挿入され、こ
こから摩擦攪拌接合を開始する。回転工具200は左片
120Lから中央片120C、右片120Rを順次経由
し、右片120Rの下端で接合を終了する。
た後、回転工具200を回転させながら、接合線に沿っ
て移動させる。移動方向をXで示している。回転工具2
00の軸心は縁材120と面板21(11)との突き合
わせ部の中間にある。
に載せている。架台320の上方を摩擦攪拌接合装置4
00の走行体410が走行する。走行体410は架台3
20の両側のレール350に沿って走行する。走行体4
10のガーダ411には摩擦攪拌接合装置430を載せ
ている。装置430は、ガーダ411に沿って走行する
走行体431、走行体431に対して昇降する昇降体4
33、昇降体433に対して回転する回転装置435、
回転装置435に対して傾斜して設置され、回転工具2
00を回転させる回転装置437からなる。走行体41
0,431の走行によって回転工具200はXY方向に
移動できる。回転装置435によって接合線に対する回
転工具200の傾斜の方向を変えることができる。昇降
体433は回転工具200を昇降させる。走行体42
0,431、回転装置435、回転工具200の高さ位
置等は数値制御によって駆動される。
転させながら接合すべき部材10,120Lの所定位置
に挿入し、X方向に移動させ、摩擦攪拌接合を開始す
る。左片120Lから中央片120Cに至る角部の手前
の所定位置P3(角部から所定距離手前)に至ると、回
転工具200の上昇を開始させる。上昇速度は遅い。回
転工具200の移動は継続させている。このため回転工
具200の挿入深さは徐々に浅くなる。前記所定距離は
例えば50mmである。前記所定距離の間の回転工具の
上昇距離は例えば0.5mmである。所定位置は走行体
320の走行距離で求める。なお、図1の回転工具の高
さ位置の“0”は接合すべき部材120の上面の高さ位
置を言う(ステップS10,S30)。
を停止した回転工具200の先端を側構体101の所定
位置に合わせし、原点を制御装置にテーチングする。原
点は、例えば、中央片120Cの長さ方向の中央であっ
て、上辺に設ける。この位置にあらかじめ原点をけがい
ておく。または、出入り口120の開口の幅の中央であ
って上辺にけがいておく。縁材120の大きさ等は制御
装置に入力している。制御装置は摩擦攪拌接合の開始に
よって、走行体420,431、回転装置435、回転
工具200の高さ位置等を数値制御で駆動する。
至る角部P5に至ると、回転工具200の回転を継続さ
せた状態で、回転工具200の移動を停止させると共
に、回転工具200を上方に移動させ、接合すべき部材
から回転工具200を退避させる(抜く)。回転工具2
00は傾斜した状態で、抜く。走行体320の移動距離
で求める。回転工具200を抜くと、小径部220とほ
ぼ同一の大きさの孔が生じる(ステップS50,S7
0)。
00を水平回転させ、これからの接合線(中央片120
Cに沿った接合線)に対して回転工具200を傾斜させ
る。すなわち、回転工具200の傾斜方向をこれまでの
傾斜方向に対して90度変更する。回転工具200の小
径部220の下端を中心として傾斜させる。このため、
傾斜を変更した回転工具200の小径部220の下端の
位置は、退避させた(抜いた)際の小径部220の下端
の位置と実質的に同一である(ステップS90)。
回転工具200を下降させ、所定位置まで挿入する。回
転工具200を下降させると、小径部220は抜いたと
き生じた孔に入る。このため、抜いた際の孔を含めて摩
擦攪拌接合され、孔はなくなる。回転工具200の挿入
深さは回転工具200を抜く際の挿入深さよりも深い。
すなわち、回転工具200の上昇開始前の挿入深さ、位
置P3の挿入深さと同一である。なお、図1では、回転
工具200を上昇させる位置と下降させる位置が異なっ
ているが、図示を容易にするために異ならせたものであ
る(ステップS110)。
ら、回転工具200を中央片120Cに沿って移動させ
る(ステップS130)。
5の前方の位置P3、そして次の角部P5において、前
記と同様に行う。右片120Rの下端に至ると、回転工
具200を抜き、摩擦攪拌接合を終了する。接合線の終
端に残った孔は溶接等で埋める。この終端から先の未接
合部は溶接で接合する。また、左片120Lの接合開始
点よりも手前の未接合部は溶接で接合する。
を抜き、傾斜方向の向きを変えるので、向きを変えるの
に時間がかかっても、接合すべき部材の温度が過大にな
らないので、良好な摩擦攪拌接合ができる。向きを変更
する際に、回転工具200が接合すべき部材に挿入され
ていると、回転工具200を回転させていなければなら
ないので、摩擦熱が過大になり、欠陥が発生すると考え
られる。
挿入深さを徐々に浅くして移動させ、位置P5において
移動を停止させて回転工具200を抜き、再挿入の際は
移動を停止させる前(抜く前、退避前)の挿入深さより
も深く挿入して移動を開始(摩擦攪拌接合開始)させて
いる。退避前の挿入深さと再挿入したときの挿入深さが
同一の場合は、摩擦攪拌接合が不良になることが多い。
不良は回転工具200の小径部220の先端の近傍で発
生しやすい。しかし、前記のように、退避前よりも深く
挿入して摩擦攪拌接合を再開すると、不良の発生を防止
できる。
くし、この浅くなったものに対して深く挿入していた
が、次のようにできる。角部P5まで同一深さで接合を
行い、再挿入はそれよりも若干深く挿入し(例えば0.
5mm)、移動を開始してから徐々に挿入深さを浅く
し、角部P5までの挿入深さと同一になると、深さの変
更を停止する。例えば、50mmの移動後、角部P5よ
りも前の挿入深さと同一にする。
のように行う。肉盛り溶接も同様に行う。但し、縁材1
41の角部は円弧状のため、回転工具200を退避させ
ないで、円弧状の接合線に沿って回転工具200を移動
させることによって、連続的に摩擦攪拌接合ができる。
最後に、車体の外面側の凸部123や肉盛り溶接123
Wの凸部はグラインダー等で切削して、面板11、21
の外面と同一面にする。
変えていたが、それ以下でもそれ以上に変える場合に
も、回転工具を退避させて向きを変えれば、良好な摩擦
攪拌接合ができるものである。つまり、移動方向を大き
く直線的に大きく変える場合に適用できる。
向きを変えていたが、回転工具200を退避させた後、
接合すべき部材を回転させることによって、回転工具2
00の向きを変えてもよい。これも回転工具200の移
動方向を変えるに相当する。
各請求項に記載の文言あるいは課題を解決するための手
段の項に記載の文言に限定されず、当業者がそれから容
易に置き換えられる範囲にも及ぶものである。
変化する場合において、良好な摩擦攪拌接合が行えるも
のである。
凸部を一方の部材にしか設けられない場合でも、肉盛り
溶接によって、良好な摩擦攪拌接合が行えるものであ
る。
図。
板、110:出入り口、120:縁材、200:回転工
具。
Claims (15)
- 【請求項1】 接合線に沿って移動中に接合線の方向が
変化する位置に至ると、回転工具を被接合部材から退避
させ、 前記回転工具又は前記被接合部材の向きを変更し、 実質的に前記退避させた位置において、前記被接合部材
に回転工具を再度挿入し、 新たな接合線に沿って前記回転工具を移動させること、 を特徴とする摩擦攪拌接合方法。 - 【請求項2】 請求項1の摩擦攪拌接合において、前記
向きの変更は、前記退避の後、前記回転工具を支持する
装置を回転させて、前記移動方向に対する前記回転工具
の傾斜角度を変えて行うこと、を特徴とする摩擦攪拌接
合方法。 - 【請求項3】 請求項1の摩擦攪拌接合において、前記
回転工具の傾斜角度の変更は、前記退避させた位置を基
準として傾斜させて行うこと、を特徴とする摩擦攪拌接
合方法。 - 【請求項4】 請求項1の摩擦攪拌接合において、前記
回転工具の傾斜角度の変更は、前記回転工具の先端を基
準として傾斜させて行うこと、を特徴とする摩擦攪拌接
合方法。 - 【請求項5】 請求項1の摩擦攪拌接合において、前記
再挿入時の前記回転工具の挿入深さは、前記退避位置に
おける前記回転工具の挿入深さよりも深く挿入するこ
と、を特徴とする摩擦攪拌接合方法。 - 【請求項6】 請求項5の摩擦攪拌接合において、 前記退避を行う前から前記回転工具の挿入深さを徐々に
浅くし、 前記再挿入時に、前記挿入深さを徐々に浅くする前の挿
入深さに、前記回転工具を挿入すること、 を特徴とする摩擦攪拌接合方法。 - 【請求項7】 請求項5の摩擦攪拌接合において、前記
際挿入時に退避前の前記回転工具の挿入深さよりも深く
挿入し、 前記移動開始後、徐々に浅くすること、 を特徴とする摩擦攪拌接合方法。 - 【請求項8】 請求項1の摩擦攪拌接合において、前記
退避の際、前記回転工具の移動を停止させて行うこと、
を特徴とする摩擦攪拌接合方法。 - 【請求項9】 請求項1の摩擦攪拌接合において、前記
向きの変更は、前記退避の後、前記被接合部材を回転さ
せて、前記移動方向に対する前記回転工具の傾斜角度を
変えて行うこと、を特徴とする摩擦攪拌接合方法。 - 【請求項10】 第1の部材の端部と第2の部材の端部
とを突き合わせ、 前記突き合わせた線である接合線は大きく変化してお
り、 前記接合線に対する前記回転工具の相対的な移動は予め
記憶していたデータに基づいて行うこと、 を特徴とする摩擦攪拌接合方法。 - 【請求項11】 請求項10の摩擦攪拌接合方法におい
て、 前記回転工具を前記第1の部材または前記第2の部材の
所定の位置に合わせ、 前記所定の位置を原点として記憶させ、 次に、前記突き合わせ部の所定の位置に前記回転工具を
予め記憶していたデータに基づいて相対的に移動させる
こと、 を特徴とする摩擦攪拌接合方法。 - 【請求項12】 第1の部材の端部と端部に凸部を有す
る第2の部材の端部とを突き合わせ、 前記凸部に沿って、前記第2の部材の端部に肉盛り溶接
を行い、 前記突き合わせ部に回転工具を挿入して摩擦攪拌接合を
行うこと、 を特徴とする摩擦攪拌接合方法。 - 【請求項13】 請求項12の摩擦攪拌接合方法におい
て、 前記回転工具の小径部と大径部の境の大径部の端部を、
前記肉盛り溶接の金属中に挿入して、摩擦攪拌接合を行
うこと、 を特徴とする摩擦攪拌接合方法。 - 【請求項14】 請求項12の摩擦攪拌接合方法におい
て、 前記第1の部材および前記第2の部材に対する前記回転
工具の相対的な移動は予め記憶していたデータに基づい
て行うこと、 を特徴とする摩擦攪拌接合方法。 - 【請求項15】 請求項12の摩擦攪拌接合方法におい
て、 前記回転工具を前記第1の部材または前記第2の部材の
所定の位置に合わせ、 前記所定の位置を原点として記憶させ、 次に、前記突き合わせ部の所定の位置に前記回転工具を
予め記憶していたデータに基づいて相対的に移動させる
こと、 を特徴とする摩擦攪拌接合方法。
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