JP2009208121A

JP2009208121A - 摩擦攪拌接合方法

Info

Publication number: JP2009208121A
Application number: JP2008053978A
Authority: JP
Inventors: Shozo Ono; 昇造小野; Takaaki Makino; 隆章槙野
Original assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
Current assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
Priority date: 2008-03-04
Filing date: 2008-03-04
Publication date: 2009-09-17

Abstract

【課題】接合ツールの過度の加熱と、接合部における内部欠陥の発生を防止する。
【解決手段】縁部に面取り部２を設けた第１の被接合材３と、縁部に面取り部のない第２の被接合材６とを突き合わせ、その突き合わせ部７に沿って所定の方向に回転している接合ツール８を移動させながら突き合わせ部７を接合する摩擦攪拌接合方法である。接合ツール８の外周面に接すると共に前記突き合わせ部７と平行な第１の接線ｍの位置における接合ツール８の回転方向Ｂと接合ツール８の進行方向Ａとが同じ方向になる前進側に第１の被接合材３を配置し、接合ツール８の外周面に接すると共に前記突き合わせ部７と平行な第２の接線ｎの位置における接合ツールの回転方向Ｂ’と接合ツール８の進行方向Ａとが正反対になる後退側に第２の被接合材６を配置して摩擦攪拌接合を行う。
【選択図】図２

Description

本発明は、縁部に面取り部を設けた第１の被接合材と、縁部に面取り部のない第２の被接合材とを突き合わせ、その突き合わせ部に沿って所定の方向に回転している接合ツールを移動させながら突き合わせ部を接合する摩擦攪拌接合方法に関するものである。

従来、接合ツールの進行方向と回転方向とが同じ向きになる前進側に高融点の金属材料を配置し、接合ツールの進行方向と回転方向とが正反対になる後退側に低融点の金属材料を配置して摩擦攪拌接合する接合方法（例えば、特許文献１参照。）や、接合ツールの進行方向と回転方向とが同じ向きになる前進側に耐力の低い金属材料を配置して摩擦攪拌接合する接合方法（例えば、特許文献２参照。）などが提案されているが、例えば、図７及び図８に示すように、接合ツール１０８の外周面に接すると共に突き合わせ部１０７と平行な第１の接線ｍの位置における接合ツール１０８の回転方向Ｂと接合ツール１０８の進行方向Ａとが同じ方向になる前進側に第１の被接合材１０６を配置し、接合ツール１０８の外周面に接すると共に突き合わせ部１０７と平行な第２の接線ｎの位置における接合ツール１０８の回転方向Ｂ’と接合ツール１０８の進行方向Ａとが正反対になる後退側に第２の被接合材１０３を配置して摩擦攪拌接合する場合、面取り部１０２に起因する谷部（ギャップ）１１５を埋めるために、接合ツール１０８の加圧力を高めて入熱量を増加させると、被接合材１０６，１０３及び接合ツール１０８が過度に加熱されて接合ツール１０８の消耗が加速される。

例えば、接合ツール１０８の消耗により、溶接の途中で接合ツール１０８を交換すると、溶接部分に溶接中断箇所が残ることから、製品の品質や製品価値が低下し、出荷を断念するなどの問題がある。

他方、被接合材１０６，１０３が過度に加熱されない範囲で接合ツール１０８との摩擦に起因する入熱量を制御すると、被接合材１０６，１０３の流動抵抗が大きくなり、接合ツール１０８が通過した後に形成された接合部１１４には、図９に示すように、内部欠陥１１６が生じ易いという問題があった。
特開２００２−６６７６５号公報特開２００７−２２２８９９号公報

本発明は、このような問題を解消するためになされたものであり、その目的とするところは、面取り部を有する被接合材の配置を、接合ツールの進行方向と接合ツールの回転方向との関係で規定することにより、接合ツールの過度の加熱と、接合部における内部欠陥の発生を防止する摩擦攪拌接合方法を提供することにある。

本願の請求項１に係る摩擦攪拌接合方法は、縁部に面取り部を設けた第１の被接合材と、縁部に面取り部のない第２の被接合材とを突き合わせ、その突き合わせ部に沿って所定の方向に回転している接合ツールを移動させながら突き合わせ部を接合する摩擦攪拌接合方法において、接合ツールの外周面に接すると共に前記突き合わせ部と平行な第１の接線ｍの位置における接合ツールの回転方向Ｂと接合ツールの進行方向Ａとが同じ方向になる前進側に第１の被接合材を配置し、接合ツールの外周面に接すると共に前記突き合わせ部と平行な第２の接線ｎの位置における接合ツールの回転方向Ｂ’と接合ツールの進行方向Ａとが正反対になる後退側に第２の被接合材を配置して摩擦攪拌接合を行うことを特徴とするものである。

本願の請求項２に係る摩擦攪拌接合方法は、請求項１において、第１，第２の被接合材に同種の金属を適用することを特徴とするものである。

本願の請求項１に係る発明は、上記のように、縁部に面取り部を設けた第１の被接合材と、縁部に面取り部のない第２の被接合材とを突き合わせ、その突き合わせ部に沿って所定の方向に回転している接合ツールを移動させながら突き合わせ部を接合する摩擦攪拌接合方法において、接合ツールの外周面に接すると共に前記突き合わせ部と平行な第１の接線ｍの位置における接合ツールの回転方向Ｂと接合ツールの進行方向Ａとが同じ方向になる前進側に第１の被接合材を配置し、接合ツールの外周面に接すると共に前記突き合わせ部と平行な第２の接線ｎの位置における接合ツールの回転方向Ｂ’と接合ツールの進行方向Ａとが正反対になる後退側に第２の被接合材を配置して摩擦攪拌接合を行うので、接合ツールの過度の加熱を防止することができるとともに、接合部における内部欠陥の発生を防止することができた。

以下、本発明に係る実施の形態を図面を用いて説明する。

図１及び図２のように、縁部に斜面又は丸みのある面取り部２を設けた第１の被接合材（面取り材）３と、縁部に面取り部のない第２の被接合材（非面取り材）６を摩擦攪拌接合方法を用いて接合する場合は、第１の被接合材３を図の左側（前進側）に配置すると共に、図の右側（後退側）に第２の被接合材６を配置し、その突き合わせ面１，４を互いに突き合わせる。そして、図１に示すように、時計方向に回転する接合ツール８を第１，第２の被接合材３，６の突き合わせ部７に沿って矢印Ａ方向に進行させる。

換言すれば、接合ツール８の外周面に接すると共に突き合わせ部７と平行な第１の接線ｍの位置における接合ツール８の回転方向Ｂと、接合ツール８の進行方向Ａとが同じ方向になる図の左側（前進側）に第１の被接合材３を配置し、接合ツール８の外周面に接すると共に突き合わせ部７と平行な第２の接線ｎの位置における接合ツール８の回転方向Ｂ’と、接合ツール８の進行方向Ａとが正反対になる図の右側（後退側）に第２の被接合材６を配置する。

上記接合ツール８は、図２に示すように、高速度鋼からなる円柱状の本体９と、その底面（ショルダー面）１０の中心部から同軸芯で突出させた円錐台状のピン１１により形成されている。

この接合ツール８は、通常、１０００〜２０００ｒｐｍの回転数で回転させる。そして、５００〜２０００ｋｇｆの押込み力を加えながら、矢印Ａの方向に２００〜１０００ｍｍ／ｍｉｎの移動速度で送られる。その際、接合ツール８は、図３に示すように、被接合材３又は６の何れか一方の表面に立てた垂線１２に対して接合ツール８の移動（前進）方向と反対の側にθだけ傾斜させる。この傾斜角θとしては、０．５〜２．５°範囲が好ましい。符号１３は、接合ツール８の軸芯を示している。

ちなみに、回転数および押込み力が前記範囲を上回ると過度の加熱となり、下回ると攪拌不足により内部欠陥が発生する。一方、接合速度が前記範囲を下回ると過度の加熱となり、上回ると攪拌不足により内部欠陥が発生する。また、前進角が前記範囲を下回るとシュルダー前方から被接合部材表面が削れてバリが発生しやすく、上回るとシュルダー前方が被接合部材表面へ十分に接触できず攪拌不足となる。

また、被接合材としては、銅、あるいは、アルミニウム合金やマグネシウム合金などの軽金属を挙げることができる。

今、図１，図２に示すように、縁部に面取り部２を設けた第１の被接合材３を図の左側（前進側）に配置すると共に、面取り部のない第２の被接合材６を図の右側（後退側）に配置し、その突き合わせ面１，４を互いに突き合わせる。そして、図１に示すように、時計方向に回転する接合ツール８を第１，第２の被接合材３，６の突き合わせ部７に沿って矢印Ａ方向に進行させる。

図４に示すように、接合ツール８のショルダー面１０とピン１１とを突き合わせ部７の表面側から裏面側の端部７ｂに向けて挿入すると、接合ツール８との摩擦によって第１，第２の被接合材３，６が発熱する。このため、第１，第２の被接合材３，６が塑性状態となって流動化すると共に、互いに攪拌し合った後に固化して接合部１４となる。

その際、図５に示すように、第１の被接合材３の面取り部２と、第２の被接合材６の平坦な突き合わせ面４とにより形成された谷部（ギャップ部）１５は、主として、第２の被接合材６の角部又はコーナー部６ａから矢印のように掻きだされた金属により埋めつくされる。そして、図６に示すように、内部欠陥の存在しない健全な接合部１４となる。

尚、接合ツール８の回転方向が反時計方向の場合には、第２の被接合材６を図の左側に配置し、第１の被接合材３を図の右側に配置する。

（実施例）
下記の（ａ）〜（ｄ）の試験条件により摩擦攪拌接合試験を行ない、その結果を「表１」に示した。「表１」から本発明は、内部欠陥がないことが分かる。

試験条件
（ａ）試験体材質：Ｃ１０２０（無酸素銅）
（ｂ）試験体寸法：２０ｍｍ×４５ｍｍ×４００ｍｍ（片方（前進側）はＲ２面取り。）
（ｃ）接合ツール材質：ＳＫＨ５５（高速度鋼）
（ｄ）接合ツール寸法：ピン長さ３．５ｍｍ、ピン先端径３．５ｍｍ、ショルダー径１５ｍｍ

本発明に係る摩擦攪拌接合方法の実施態様を示す平面図である。図１のＸ−Ｘ断面図である。接合ツールの傾斜を示す側面図である。接合当初の状態を示す概略断面図である。第１，第２の被接合材の突き合わせ部に生じた谷部（ギヤップ部）を第２の被接合材の角部によって埋める様子を示す断面図である。第１，第２の被接合材の接合部の断面図である。従来の摩擦攪拌接合方法を示す平面図である。図７のＹ−Ｙ断面図である。従来の接合部の断面図である。

符号の説明

２面取り部
３第１の被接合材
６第２の被接合材
７突き合わせ部
８接合ツール
Ａ接合ツールの進行方向
Ｂ，Ｂ’ 接合ツールの回転方向
ｍ第１の接線
ｎ第２の接線

Claims

縁部に面取り部を設けた第１の被接合材と、縁部に面取り部のない第２の被接合材とを突き合わせ、その突き合わせ部に沿って所定の方向に回転している接合ツールを移動させながら突き合わせ部を接合する摩擦攪拌接合方法において、接合ツールの外周面に接すると共に前記突き合わせ部と平行な第１の接線ｍの位置における接合ツールの回転方向Ｂと接合ツールの進行方向Ａとが同じ方向になる前進側に第１の被接合材を配置し、接合ツールの外周面に接すると共に前記突き合わせ部と平行な第２の接線ｎの位置における接合ツールの回転方向Ｂ’と接合ツールの進行方向Ａとが正反対になる後退側に第２の被接合材を配置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。
第１，第２の被接合材に同種の金属を適用することを特徴とする請求項１記載の摩擦攪拌接合方法。