JP4056587B2

JP4056587B2 - 摩擦撹拌接合による継手の形成方法

Info

Publication number: JP4056587B2
Application number: JP18111997A
Authority: JP
Inventors: 浩三道阪
Original assignee: Showa Denko KK
Current assignee: Showa Denko KK
Priority date: 1997-07-07
Filing date: 1997-07-07
Publication date: 2008-03-05
Anticipated expiration: 2017-07-07
Also published as: JPH1128581A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アルミニウム等の金属製構造材等のワークの継手、特に、例えばＴ継手などを摩擦撹拌接合によって形成する方法に関する。
【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５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６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（５１）（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４（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（５６）の肉に及ぶように深く挿入しなければならない。また、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、直径も大きくして強度を確保しておく必要がある。
【０００９】
また、このようにして、図４（ロ）に示すように、プローブ（３）の直径を強度等の理由から第２ワーク（５６）の肉厚を越えて大きくしたような場合、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４（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、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、プローブの挿入深さを浅くしながら両ワークをしっかりと接合することができ、しかも、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接合品を製作することができる摩擦撹拌接合による継手の形成方法を提供することを課題とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題は、第１ワークの一方の面に溝が設けられ、この溝に第２ワークを嵌合し、第１ワークのもう一方の面がわから、直径が前記溝の幅よりも大きい摩擦撹拌用プローブを第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によって解決される。
【００１２】
即ち、第１ワークの一方の面に溝が設けられ、この溝に第２ワークを嵌合するものであることにより、溝により、第１ワークの肉厚が減少され、両ワークの肉内へのプローブの挿入深さを浅くしながら、両ワークをしっかりと接合することができるのはいうまでもない。
【００１３】
しかも、プローブの直径が、その強度確保や第２ワークの肉厚などの理由から、第１ワークの溝の幅よりも大きいものとなるような場合であっても、プローブを第１ワークの溝内の第２ワークの肉に作用させれば両者はしっかりと接合されるから、第１ワークと第２ワークとのコーナー部位置を越えて深く挿入する必要がなく、従って、コーナー部において第２ワークの塑性流動部が遠心力で側方に飛び出して接合不良を招いてしまうというような不都合を生じさせることもなく、品質良好な接合品が得られる。
【００１４】
即ち、本発明方法は、撹拌用プローブの直径が第１ワークの溝の幅よりも大きい場合に、特に有効的な方法といえる。この場合、プローブを両ワークのコーナー部ギリギリのところまで挿入して摩擦撹拌接合を行っていくことにより、第１ワークと第２ワークとを、コーナー部に上記のような接合不良を生じさせることなく、接合面積非常に広くしっかりと強固に接合することができる。
【００１５】
また、第１ワークの一方の面に溝が設けられ、この溝に、溝嵌合部が本体部よりも厚肉である第２ワークの前記溝嵌合部を嵌合し、第１ワークのもう一方の面がわから摩擦撹拌用プローブを第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方法では、第２ワークの肉厚が薄いような場合、第２ワークの溝嵌合部は同第２ワークの本体部よりも厚肉にしておくから、第１ワークと第２ワークとの接合面積を大きくし得て接合強度を高いものにしうる等の理由から好ましい。特に、この厚肉部は、第１ワークの溝の外へ一部突出されているものとするのが良い。即ち、第２ワークの肉厚が薄いような場合、接合面積を広く確保しながら、薄肉部に摩擦撹拌接合部が及ぶのを防ぐことができる。
【００１６】
【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。
【００１７】
本実施形態では、摩擦撹拌接合によりＴ継手を形成する。
【００１８】
図１に示す第１実施形態において、（６）は第１ワーク、（７）は第２ワークである。両ワーク（６）（７）は、アルミニウム製の押出形材によるもので、第１ワーク（６）は板状材、第２ワーク（７）は第１ワーク（６）を補強するリブである。
【００１９】
第１ワーク（６）には、その一方の面に、第２ワーク（７）を嵌合させる溝（６ａ）が押出一体成形されている。第２ワーク（７）は、その本体部（７ａ）が第１ワーク（６）の溝（６ａ）の幅よりも薄く、この溝（６ａ）に嵌合される溝嵌合部（７ｂ）が溝（６ａ）に適合状態に嵌合される厚肉に押出一体成形されている。この厚肉の溝嵌合部（７ｂ）は、第２ワーク（７）を第１ワーク（６）の溝に嵌合した状態で、その一部が溝（６ａ）の外方に突出され、第２ワーク（７）の薄肉の本体部（７ａ）と厚肉の溝嵌合部（７ｂ）との連接部が溝（６ａ）の外に突出されるようになされている。
【００２０】
一方、摩擦撹拌接合に用いるツールは、そのプローブ（３）の直径が、第１ワーク（６）の溝（６ａ）の幅よりも大きく設定されている。このプローブ（３）の外周面には、ネジ（３ａ）が形成されており、回転子（１）はネジ（３ａ）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、ネジ（３ａ）の代え、ループ状の環状溝、凹凸粗面が形成されたものであってもよい。
【００２１】
また、プローブ（３）の先端面は凸球面（３ｂ）に形成されている。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。
【００２２】
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）の溝（６ａ）に第２ワーク（７）を嵌合して、両ワーク（６）（７）をＴ字状に組み合わせる。溝（６ａ）に嵌合して組み合わせるから、両ワーク（６）（７）を容易に相互位置決め状態に組み合わせることができる。次いで、図１（ロ）に示されるように、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。
【００２３】
プローブ（３）は、図１（ハ）に示されるように、両ワーク（６）（７）のコーナー部（Ｃ）（Ｃ）のギリギリのところまで挿入する。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。また、プローブ（３）の先端の凸球面（３ｂ）が第２ワーク（７）の肉に深く及び撹拌効果が高められる。更に、プローブ（３）の挿入深さは、溝（６ａ）の深さ分浅くしえ、それでもプローブ（３）は第２ワーク（７）の肉内に適正深さ挿入される。また、第２ワーク（７）の溝嵌合部（７ｂ）は一部、第１ワーク（６）の溝（６ａ）から外方に突出しているから、プローブ（３）の撹拌効果が第２ワーク（７）の薄肉本体部（７ａ）に及ぶこともない。
【００２４】
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。
【００２５】
因みに、上記実施形態では、溝（６ａ）の深さｄを０．１〜０．５ｍｍ、第２ワーク（７）の溝嵌合部（７ｂ）の外方突出長さａを０．５〜１．０ｍｍに設計している。
【００２６】
図２に示される第２実施形態は、第２ワーク（７）において、溝嵌合部（７ｂ）と本体部（７ａ）との肉厚と同じに設計したものである。その他は第１実施形態と同様である。この場合も、両ワーク（６）（７）は品質良好に接合される。
【００２７】
図３に示される第３実施形態は、第２ワーク（７）において、溝嵌合部（７ｂ）を本体部（７ａ）よりも薄肉に設計したものである。その他は第１実施形態と同様である。この場合も、両ワーク（６）（７）は品質良好に接合される。
【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製押出形材を用いたが、その他の金属であってもよく、また、押出材でなくてもよい。溝もあとから刻設されたものであってよい。また、上記実施形態では、板状材にリブを接合する場合を説明したが、骨材同士をＴ字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、本発明方法は、Ｔ継手の形成に限らず、重ね継手などの形成であってもよく、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。
【００２９】
【発明の効果】
上述の次第で、本発明の摩擦撹拌接合による継手の形成方法は、第１ワークの一方の面に溝が設けられ、この溝に第２ワークを嵌合し、第１ワークのもう一方の面がわから摩擦撹拌用プローブを第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ものであるから、両ワークの肉内へのプローブの挿入深さを浅くしながら、両ワークをしっかりと接合することができるのはいうまでもない。
【００３０】
しかも、プローブの直径が、第１ワークの溝の幅よりも大きいものとなるような場合であっても、第１ワークと第２ワークとのコーナー部に接合不良を生じさせることがなく、両者をしっかりと接合でき、品質良好な接合品を得ることができる。
【００３１】
従って、本発明によれば、これまで摩擦撹拌接合では困難とされていたＴ継手をも、摩擦撹拌接合にて支障なく品質良好に形成することができ、摩擦撹拌接合法の適用範囲を拡大することができる。
【００３２】
また、撹拌用プローブの直径を第１ワークの溝の幅よりも大きくすることにより、プローブの強度を高いものにしながら、上記のように、第１ワークと第２ワークとのコーナー部に接合不良を生じさせずに両者をしっかりと接合でき、品質良好な接合品を得ることができる。この場合、プローブを両ワークのコーナー部ギリギリのところまで挿入して摩擦撹拌接合を行っていくことにより、両ワークを、上記のような接合不良を生じさせることなく、接合面積を極限まで大きくして強固に接合することができる。
【００３３】
また、第２ワークの溝嵌合部を同第２ワークの本体部よりも厚肉にしておくことにより、第２ワークの肉厚が薄いような場合であっても、第１ワークと第２ワークとの接合面積を大きく確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態を示すもので、図（イ）はワークを分離状態で示す斜視図、図（ロ）は両ワークの組み合わせ状態を示す横断面図、図（ハ）はプローブの挿入状態を示す横断面図である。
【図２】第２実施形態を示すもので、図（イ）はワークを分離状態で示す斜視図、図（ロ）は両ワークの組み合わせ状態を示す横断面図、図（ハ）はプローブの挿入状態を示す横断面図である。
【図３】第３実施形態を示すもので、図（イ）はワークを分離状態で示す斜視図、図（ロ）は両ワークの組み合わせ状態を示す横断面図、図（ハ）はプローブの挿入状態を示す横断面図である。
【図４】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５】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６】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】
３…プローブ
６…第１ワーク
６ａ…溝
７…第２ワーク
７ａ…本体部
７ｂ…溝嵌合部

Claims

第１ワークの一方の面に溝が設けられ、この溝に第２ワークを嵌合し、第１ワークのもう一方の面がわから、直径が前記溝の幅よりも大きい摩擦撹拌用プローブを第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。
前記第２ワークの溝嵌合部が同第２ワークの本体部よりも厚肉である請求項１に記載の摩擦撹拌接合による継手の形成方法。
第１ワークおよび第２ワークがいずれもアルミニウム材である請求項１または２に記載の摩擦撹拌接合による継手の形成方法。