JP4161581B2 - 摩擦撹拌接合方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、摩擦撹拌接合方法に関し、特に接合部表面に酸化膜層、異種金属層、塗料層等の表皮層が形成されている被接合材の摩擦撹拌接合に適用して好適な摩擦撹拌接合方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
アルミニウム素材をＴＩＧ溶接、ＭＩＧ溶接等によって溶融溶接する場合、溶接部の表面に酸化膜層、異種金属層、塗料層等の溶接に不適な表皮層が存在すると、溶接部内にブローホールが発生したり、異物が巻き込まれて接合強度および耐食性を低下させるため、溶接部の表皮層を除去して溶接している。例えば、亜鉛精錬に使用された陰極板を溶接する場合、表面に残存するＺｎ層が溶接熱で蒸発して溶接部内に混入すると溶接不良が発生するので、予め機械加工によって表面のＺｎ層を除去している。
【０００３】
ＴＩＧ溶接、ＭＩＧ溶接等の溶融溶接の代わりに固相接合によってアルミニウム合金からなる２つの金属材料（被接合材）を接合する摩擦撹拌接合（Friction Stir Welding ）は、溶融溶接に比べて被接合材の表面の清浄度が多少低くても接合できることが知られており、例えば表面に油等が付着していても接合できる。
【０００４】
摩擦撹拌接合方法は、摩擦熱を利用して被接合材の接合部を互いに突き合わせるかまたは重ね合わせて接合する方法であって、図５および図６を用いて２つの被接合材を突き合わせ接合する場合について説明する。この摩擦撹拌接合方法は被接合材１，２よりも硬質で耐熱性に優れた材料からなる摩擦撹拌ツール３を高速回転させ、その先端に一体に突設した撹拌ピン４を被接合材１，２の接合面６に沿って押し込み、ツール３を接合面６に沿って矢印Ａ方向に移動させることにより、接合部５に摩擦熱を発生させる。この摩擦熱により２つの被接合材１，２の接合面６付近のメタルＭは塑性化可能な状態にまで軟化され、撹拌ピン４の高速回転による撹拌作用により撹拌・流動した後、撹拌ピン４の通過により加熱源を失って冷却・固化することにより、接合部５を固相接合するものである。この場合、摩擦撹拌ツール３を進行方向と反対方向に角度α（前進角α：３〜５°）だけ傾斜させることで摩擦撹拌ツール３の前方のメタルを摩擦撹拌ツール３のメタル溜めに導入し、撹拌ピン４が通過した部分への供給を可能にしている。このため、摩擦撹拌ツール３は通常ツール本体３Ａの移動方向前端縁８が接合部５の表面より上方に位置する状態に保持されて移動し接合部５を摩擦撹拌接合する。なお、ここでは前進角αをもって傾斜させた状態で使用される摩擦撹拌ツール３を傾斜ツールと称する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来の傾斜ツール３を用いた摩擦撹拌接合方法では、被接合材１，２の表面にアルマイト、塗装またはＺｎ層等の表皮層７がある場合、この表皮層７はツール本体３Ａの下面９側において撹拌ピン４によって剥ぎ取られるため可塑化したメタルＭ内に巻き込まれて撹拌されると接合部５に異物が混入するため耐食性および接合強度を低下させるという問題があった。そこで、摩擦撹拌接合する場合は被接合材１，２の表面を覆っている表皮層７を溶融溶接の場合と同様に予め機械加工によって除去する必要があった。このため、作業工程が１工程増え、その作業が煩わしいばかりか製造コストが高くなるという問題があった。
【０００６】
摩擦撹拌接合に不適な表皮層７が接合部５に巻き込まれないようにするための対策の１つとしては、図６に二点鎖線で示すように摩擦撹拌ツール３の接合部５への押し込み量を増大させてツールの移動方向前端縁８を接合部５に押し込むことが考えられる。このようにすると、摩擦撹拌ツール３の移動方向前端縁８によって表皮層７を剥ぎ取ることができるため、前工程として機械加工によって表皮層７を除去する必要はなくなる。しかし、この場合は摩擦撹拌ツール３のメタル溜めにメタルを取り込むことができず表面欠陥を生じ、また押し込み量の増加によって接合部５の板厚がＴ1 からＴ2 に減少するため、接合部５の接合強度も低下するという問題が起きる。例えば、板厚が６ｍｍの場合では接合部５の厚さが１ｍｍ程度減少してしまう。
【０００７】
また、最近では接合部に略垂直に挿入して摩擦撹拌接合するようにした摩擦撹拌ツールが開発されている。この摩擦撹拌ツール２０は、図７および図８に示すように柱状のツール本体２０Ａと、このツール本体２０Ａの平坦な底面２１の中央に一体に突設された撹拌ピン２０Ｂと、この撹拌ピン２０Ｂを取り囲むように前記底面２１に一体に突設された渦巻き状の撹拌用突条体２０Ｃとで構成することにより、ここではスクロールツールと称する。スクロールツールは、接合部５に前記撹拌ピン２０Ｂと撹拌用突条体２０Ｃが略垂直（前進角α＝０°）に挿入され、高速回転されつつ接合面に沿って移動されることにより接合部５を摩擦撹拌接合するものである。
【０００８】
このようなスクロールツール２０によれば、前進角（α）が零であるため、スクロールツール２０の前方の接合部５の表面を覆っている例えばＺｎからなる接合に不適な表皮層７を前記撹拌用突条体２０Ｃによって剥ぎ取ることができる。しかし、ツール本体２０の底面２１で接合部前方の表皮層７を押圧しているため、底面２１側において撹拌用突条体２０Ｃにより剥ぎ取られた表皮層７の一部が底面２１の外側にはじき出されずスクロールツール２０の回転に伴い可塑化したメタルＭ内に巻き込まれる。このため、図５および図６に示した傾斜ツール３による摩擦撹拌接合と同様に接合部５に表面欠陥や内部欠陥等が生じ接合部５の外観、耐食性および接合強度を低下させる。
【０００９】
このため、接合部の表皮層をツールの進行方向の前側において剥ぎ取って可塑化したメタル内に混入させず、接合部に表面欠陥や内部欠陥等が生じないようにすることにより接合部の外観、耐食性および接合強度を向上させることができるようにした摩擦撹拌接合方法およびそのツールの開発が要請されている。
【００１０】
本発明は上記した従来の問題および要請に応えるべくなされたもので、その目的とするところは、接合部の表面を覆っている接合に不適な表皮層が接合部に混入するのを防止し、接合部の品質、外観、耐食性、強度等を向上させることができるようにした摩擦撹拌接合方法を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために第１の発明に係る摩擦撹拌接合方法は、接合部表面に酸化膜層、異種金属層、塗料層等の表皮層が形成されている被接合材の前記接合部に沿って摩擦撹拌ツールを回転させつつ移動させることにより前記接合部を摩擦撹拌接合する方法であって、前記摩擦撹拌ツールは、柱状のツール本体と、このツール本体の底面中央に突設された撹拌ピンと、この撹拌ピンの周囲を取り囲むように前記底面に渦巻き状に突設された撹拌用突条体とを備え、前記摩擦撹拌ツールは、前記撹拌ピンおよび撹拌用突条体を接合部内に前進角が零で挿入して前記ツール本体を前記接合部の表面を覆っている表皮層の厚み分だけ接合部の表面に押し込み、前記ツール本体の最外周面でツールの進行方向の前側の接合部表面を覆っている前記表皮層を剥ぎ取りながら前記接合部を摩擦撹拌接合するものである。
【００１２】
第１の発明においては、接合部の表面を覆っている接合に不適な表皮層を摩擦撹拌ツールの最外周面で剥ぎ取るため、剥ぎ取られた層が可塑化したメタル内に巻き込まれることがない。
【００１３】
第２の発明に係る摩擦撹拌接合方法は、接合部表面に酸化膜層、異種金属層、塗料層等の表皮層が形成されている被接合材の前記接合部に沿って摩擦撹拌ツールを回転させつつ移動させることにより前記接合部を摩擦撹拌接合する方法であって、前記摩擦撹拌ツールは、柱状のツール本体と、このツール本体の底面中央に突設された撹拌ピンと、この撹拌ピンの周囲を取り囲むように前記底面に渦巻き状に突設された撹拌用突条体および前記底面の外周に突設された剥離用突条体とを備え、前記剥離用突状体は、前記底面からの突出寸法が前記撹拌用突条体の突出寸法よりも短く、外周面が前記ツール本体の外周面とともに摩擦撹拌ツールの最外周面を形成し、前記摩擦撹拌ツールは、前記撹拌ピンおよび撹拌用突条体を接合部内に前進角が零で挿入して前記剥離用突条体を前記接合部の表面を覆っている表皮層の厚み分だけ接合部の表面に押し込み、前記剥離用突条体の外周面でツールの進行方向の前側の接合部表面を覆っている前記表皮層を剥ぎ取りながら前記接合部を摩擦撹拌接合するものである。
【００１４】
第２の発明においては、接合部の表面を覆っている接合に不適な表皮層を剥離用突条体の外周面によって剥ぎ取るため、剥ぎ取られた表皮層がツール本体の底面側に入り込み可塑化したメタル内に巻き込まれることがない。
【００１５】
第３の発明に係る摩擦撹拌接合方法は、接合部表面に酸化膜層、異種金属層、塗料層等の表皮層が形成されている被接合材の前記接合部に沿って摩擦撹拌ツールを回転させつつ移動させることにより前記接合部を摩擦撹拌接合する方法であって、前記摩擦撹拌ツールは、柱状のツール本体と、このツール本体の底面中央に突設された撹拌ピンと、この撹拌ピンの周囲を取り囲むように前記底面に渦巻き状に突設された撹拌用突条体とを備え、前記撹拌ピン、前記撹拌用突条体および前記ツール本体の下部を接合部内に前進角が零で挿入して前記底面で接合部表面を押圧し、前記ツール本体の前記接合部内に挿入されている下端部外周面でツールの進行方向の前側の接合部表面を覆っている前記表皮層を剥ぎ取りながら前記接合部を摩擦撹拌接合するものである。
【００１６】
第３の発明においては、接合部の表面を覆っている接合に不適な表皮層をツール本体の下端部外周面によって剥ぎ取るため、剥ぎ取られた表皮層がツール本体の底面側に入り込み可塑化したメタル内に巻き込まれることがない。
【００１７】
第４の発明に係る摩擦撹拌接合方法は、上記第１の発明において、摩擦撹拌ツールの最外周面の被接合材への押込量を０．０５〜０．５ｍｍとしたものである。
第５の発明に係る摩擦撹拌接合方法は、上記第２の発明において、ツール本体の剥離用突状体の外周面の被接合材への押込量を０．０５〜０．５ｍｍとしたものである。
第６の発明に係る摩擦撹拌接合方法は、上記第３の発明において、ツール本体の下端部外周面の被接合材への押込量を０．０５〜０．５ｍｍとしたものである。
【００１８】
第４の発明においては、押込量が０．０５〜０．５ｍｍであるため、酸化膜層、異種金属層、塗料層等の接合に不適な表皮層を確実に剥ぎ取ることができる。押込量が０．０５ｍｍ以下では表面層の摩擦撹拌ツールのメタル溜めへの導入を確実に防止することが困難となり、接合部への混入を生じさせやすくなる。押込量が０．５ｍｍ以上ではバリの発生が増え、また摩擦撹拌ツールの移動負荷が大きくなり、接合が困難となる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図面に示す実施の形態に基づいて詳細に説明する。
図１は第１の発明に係る摩擦撹接合方法を示す平面図、図２は摩擦撹拌ツールの使用状態を示す断面図である。これらの図において、符号３０，３１で示すものはアルミニウム合金の押出形材によって矩形板状に形成された被接合材で、その長手方向の一端面が互いに突き合わされ、この突き合わせ側端縁とその付近が摩擦撹拌接合される接合部３２を形成し、突き合わせ面が接合面３２Ａを形成している。また、被接合材３０，３１の表面には、厚さが０．１ｍｍ程度のＺｎ層（表皮層）３３が形成されている。一方、被接合材３０，３１の裏面側には、銅からなる裏当て３４が接合部３２に沿って密接されている。
【００２０】
前記被接合材３０，３１の接合面３２Ａを摩擦撹拌接合するために用いられる摩擦撹拌ツール３６は、被接合材３０，３１より融点が高い金属、例えば工具鋼等によって製作されたもので、円柱状のツール本体３６Ａと、このツール本体３６Ａの底面３７の中央に一体に突設された撹拌ピン３６Ｂと、同じく前記底面３７に一体に突設され前記撹拌ピン３６Ｂの周囲を取り囲み、撹拌ピン３６Ｂに向かって求心する渦巻き状の撹拌用突条体３６Ｃと、前記底面３７の外周に一体に突設された剥離用突条体３６Ｄとで構成されている。ツール本体３６Ａは円柱形に限らず四角柱、六角柱等の多角柱を含む。ツール本体３６Ａの底面３７は平坦面に形成されている。撹拌ピン３６Ｂは、被接合材３０，３１の板厚より短い長さを有し、その外周には撹拌効果を高めるために雄ねじ３８が形成されている。撹拌ピン３６Ｂは、ツール本体３６Ａと略軸線が一致するものに限らずツール本体３６Ａに対して若干偏心しているものであってもよい。撹拌用突条体３６Ｃは、前記撹拌ピン３６Ｂより低く形成されている。前記剥離用突条体３６Ｄは前記撹拌用突条体３６Ｃより低く形成されている。
【００２１】
このような摩擦撹拌ツール３６を用いて被接合材３０，３１の接合面３２Ａを摩擦撹拌接合するには、摩擦撹拌ツール３６をモータによって５００〜１００００ｒｐｍ程度の回転数で回転させながら撹拌ピン３６Ｂを接合面３２Ａ上に位置させて接合部３２表面に押し付け、摩擦熱によって接合部３２の撹拌ピン３６Ｂによって押し付けられている表面部分およびその近傍を加熱、可塑化させ、撹拌ピン３６Ｂ、撹拌用突条体３６Ｃおよび剥離用突条体３６Ｄを接合部３２内に徐々に押し込む。剥離用突条体３６Ｄが接合部３２の表面に押し込まれる量（押込量）は、Ｚｎ層３３を確実に剥ぎ取ることができる量で、必要以上に押し込み量を大きくすると、被接合材の厚さが必要以上に薄くなり、また摩擦撹拌接合を円滑に行えなくなることがあるため好ましくない。また、摩擦撹拌ツール３６は、底面３７の全面が接合部３２の表面を均一に押圧するように接合部３２の表面に対して略垂直に押し込まれる。
【００２２】
撹拌ピン３６Ｂ、撹拌用突条体３６Ｃおよび剥離用突条体３６Ｄが接合部３２内に所定量押し込まれると、この状態で摩擦撹拌ツール３６を接合面３２Ａに沿って矢印Ａ方向に８．５〜３ｍ／ｍｉｎ程度の送り速度（接合速度）で移動させることで、接合部３２を摩擦撹拌接合する。すなわち、摩擦撹拌ツール３６を高速回転させながら接合面３２Ａに沿って移動させると、接合面３２Ａとその近傍部は、撹拌ピン３６Ｂおよび撹拌用突条体３６Ｃによって加熱されることにより可塑化され、水平および垂直方向に流動化する。そして、流動化したメタルＭは、撹拌ピン３６Ｂが通過することにより加熱源を失って冷却し固化する。
【００２３】
摩擦撹拌ツール３６を矢印Ａ方向に移動させると、剥離用突条体３６Ｄは接合部３２に押し込まれているので、ツール前方側のＺｎ層３３を外周面によって剥ぎ取る。剥離用突条体３６Ｄの外周面は、ツール本体３６Ａの外周面とともに摩擦撹拌ツール３６の最外周面を形成している。剥ぎ取られたＺｎ層３３は、ツール本体３６Ａの底面３７が前記剥離用突条体３６Ｄより内側に位置しているため、剥離用突条体３６Ｄの下方を通って底面３７の下側に入り込むことがなく、可塑化したメタルＭに混入することがない。したがって、接合部３２の外観、耐食性および接合強度を増大させることができる。
【００２４】
また、剥離用突条体３６Ｄの突出寸法を撹拌用突条体３６Ｃの突出寸法より短くしているので、摩擦撹拌ツール３６の中心より進行方向の後方側において撹拌用突条体３６Ｃの内側から外側に押し出された可塑化したメタルＭは剥離用突条体３６Ｄの下面高さまで上昇する。言い換えれば、剥離用突条体３６Ｄの下面は摩擦撹拌接合後の接合部３２の厚さＴを規定する。したがって、接合部３２の板厚の厚さは、Ｚｎ層３３の厚さ以上に不必要に取り除かれることがなく、被接合材の接合部３２の強度低下を軽減することができる。
【００２５】
図３は第２の発明に係る摩擦撹拌接合方法を示す平面図、図４は摩擦撹拌ツールの使用状態を示す断面図である。これらの図において、アルミニウム合金の押出形材によって矩形板状に形成された被接合材３０，３１は、その長手方向の一端面が互いに突き合わされることにより、この突き合わせ側端縁とその付近が摩擦撹拌される接合部３２を形成し、突き合わせ面が接合面３２Ａを形成している。また、被接合材３０，３１の表面には、厚さが０．１ｍｍ程度のＺｎ層３３が形成されている。一方、被接合材３０，３１の裏面側には、銅からなる裏当て３４が接合部３２に沿って密接されている。
【００２６】
前記被接合材３０，３１の接合面３２Ａを摩擦撹拌接合するために用いられる摩擦撹拌ツール４０は、図７および図８に示した従来のスクロールツール２０と同一形状に形成されることにより、円柱状のツール本体４０Ａと、このツール本体４０Ａの底面４１の中央に一体に突設された撹拌ピン４０Ｂと、同じく前記底面４１に前記撹拌ピン４０Ｂの周囲を取り囲むように渦巻き状に一体に突設された撹拌用突条体４０Ｃとで構成されている。ツール本体４０Ａの底面４１は平坦面に形成されている。撹拌ピン４０Ｂは、被接合材３０，３１の板厚と略等しい長さを有し、外周に雄ねじ４２が形成されている。撹拌用突条体４０Ｃは、前記撹拌ピン４０Ｂより低く形成されている。
【００２７】
このような摩擦撹拌ツール４０を用いて被接合材３０，３１の接合面３２Ａを摩擦撹拌接合するには、摩擦撹拌ツール４０をモータによって５００〜１００００ｒｐｍ程度の回転数で回転させながら撹拌ピン４０Ｂを接合面３２Ａ上に位置させて接合部３２の表面に押し付け、摩擦熱によって接合部３２の撹拌ピン４０Ｂによって押し付けられている表面部分およびその近傍を加熱、可塑化させ、撹拌ピン４０Ｂと撹拌用突条体４０Ｃを接合部３２内に徐々に押し込む。ツール本体４０Ａが接合部３２の表面に押し込まれる量（押込量）は、Ｚｎ層３３を確実に剥ぎ取ることができる量で、必要以上に押し込み量を大きくすると、被接合材の厚さが必要以上に薄くなり、また摩擦撹拌接合を円滑に行えなくなることがあるため好ましくない。また、摩擦撹拌ツール４０は、底面４１の全面が接合部３２の表面を均一に押圧するように接合部３２の表面に対して略垂直に押し込まれる。
【００２８】
撹拌ピン４０Ｂと撹拌用突条体４０Ｃが接合部３２内に所定量押し込まれると、この状態で摩擦撹拌ツール４０を接合面３２Ａに沿って矢印Ａ方向に０．５〜３ｍ／ｍｉｎ程度の接合速度で移動させることで、接合部３２を摩擦撹拌接合する。すなわち、摩擦撹拌ツール４０を高速回転させながら接合面３２Ａに沿って移動させると、接合面３２Ａとその近傍部は、撹拌ピン４０Ｂおよび撹拌用突条体４０Ｃによって加熱されることにより可塑化され、水平および垂直方向に流動化する。そして、流動化したメタルＭは、撹拌ピン４０Ｂが通過することにより加熱源を失って冷却し固化する。
【００２９】
摩擦撹拌ツール４０を矢印Ａ方向に移動させると、ツール本体４０Ａは下端部が接合部３２に押し込まれているので、下端部外周面によってツール前方側のＺｎ層３３を剥ぎ取る。すなわち、この第２の発明は、最外周面であるツール本体４０Ａの下端部外周面で表皮層３３を剥ぎ取るものであるから、この点で図７および図８に示した従来のスクロールツール２０による摩擦撹拌接合方法と異なっている。ツール本体４０Ａの下端部外周面によって剥ぎ取られたＺｎ層３３は、ツール本体４０Ａの底面４１が接合部３２の表面を押圧しているため、底面４１と接合部３２の表面との間に入り込むことがなく、可塑化したメタルＭに混入することがない。したがって、上記した第１の実施の形態と同様に摩擦撹拌接合された接合部３２の表面に、剥ぎ取られたＺｎ層３３が混入することがなく、良好かつ確実に接合することができ、接合部３２の外観、耐食性および接合強度を増大させることができる。
【００３０】
【実施例１】
被接合材として亜鉛精錬に使用された陰極板からなる素材を切り出して互いに突き合わせ、その突き合わせ接合部を摩擦撹拌接合した。素材は、Ａｌ純度が高くＳｉ含有量の低い板厚６ｍｍのＪＩＳ Ａ１０７０−Ｏである。摩擦撹拌接合に当たっては、図２に示した剥離用突条体付きスクロールツール３６と、図６に示した従来の傾斜ツール３と、図７に示した従来のスクロールツール２０を用いて行った。図２に示すスクロールツール３６は剥離用突条体３６ＤをＺｎ層３３を確実に剥ぎ取ることができる量だけ被接合部材３０，３１の接合部３２内に押し込んで摩擦撹拌接合を行う。傾斜ツール３は、進行方向と反対方向に前進角度α（＝３〜５°）だけ傾斜させることで進行方向前方のメタルを摩擦撹拌ツール３のメタル溜まり部Ｄに導入し、撹拌ピン４が通過した部分へ供給しながら摩擦撹拌接合を行う。図７に示すスクロールツール２０は、前進角α＝０°で渦巻き状の撹拌用突条体２０Ｃを表皮層７より下方に押し込んで摩擦撹拌接合を行う。各ツールの回転速度と接合速度は、それぞれ９００ｒｐｍと３００ｍｍ／ｍｉｎである。その結果を表１に示す。
【００３１】
【表１】
【００３２】
この表１から明らかなように、剥離用突条体付きスクロールツール３６を使用すると、従来の傾斜ツール３およびスクロールツール２０に比べて接合部の品質が良好で表面欠陥や内部欠陥が生じることがなく、外観、耐食性および強度を向上させることができる。また、接合部の板厚の減少を少なくすることができるので、所要の強度を有する接合部を得ることができる。なお、表１の三段目の従来のスクロールツール標準はツール本体の最外周が被接合材の表面と接しないもの、四段目の従来のスクロールツール大はツール本体の最外周が被接合材の表面より埋没するものである。
【００３３】
【実施例２】
被接合材として表面に９μｍの酸化膜層が形成された板厚６ｍｍのＪＩＳ Ａ６０６３−Ｔ５からなる素材を互いに突き合わせ、その突き合わせ接合部を摩擦撹拌接合した。摩擦撹拌接合に当たっては、上記した実施例１と同様に図１に示した本発明ツール３６と、図５および図６に示した従来の傾斜ツール３と、図７および図８に示した従来のスクロールツール２０を用いて上記した実施例１と同様に摩擦撹拌接合を行った。ツールの回転速度と接合速度は、それぞれ９００ｒｐｍと３００ｍｍ／ｍｉｎである。その結果を表２に示す。
【００３４】
【表２】
【００３５】
この表２から明らかなように、剥離用突条体付きスクロールツール３６を使用すると、上記した実施例１と同様に従来の傾斜ツール３およびスクロールツール２０に比べて接合部の品質が良好で表面欠陥や内部欠陥が生じることがなく、外観、耐食性および強度を向上させることができる。また、接合部の板厚の減少を少なくすることができるので、所要の強度を有する接合部を得ることができる。
【００３６】
なお、上記した実施の形態においては、接合部の表皮層がＺｎ層、酸化膜層である場合について説明したが、本発明はこれに限らずアルマイト処理によって酸化被膜が形成され、さらにその上に塗装膜が形成されているものであってもよく、要は摩擦撹拌接合に不適な表皮層が形成されている金属部材であればよい。
また、第１の実施の形態においては、摩擦撹拌ツール３６のツール本体３６Ａの底面３７に突設される撹拌用突条体３６Ｃを同心円状からなる大小２つのリング状突条体で構成した例を示したが、これに限らず１つのリング状突条体であってもよく、また図８に示す渦巻き状の突条体２０Ｃであってもよい。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように本発明に係る摩擦撹拌接合方法によれば、接合部表面に存在する摩擦撹拌接合に不適な酸化膜層、異種金属層、塗料層等の表皮層をツールの移動方向前方側の最外周面によって剥ぎ取ることができるので、可塑化したメタル内に剥ぎ取られた表皮層が混入することがない。したがって、接合部の表面や内部に欠陥が生じたりすることがなく、接合部の外観、耐食性および強度を向上させることができる。
また、摩擦撹拌ツールの最外周面の被接合材への押込量を０．０５〜０．５ｍｍとしているので、確実に摩擦撹拌接合することができ、また被接合材の板厚の減少量が少なく、所要の強度を有する接合部を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 第１の発明に係る摩擦撹接合方法を示す平面図である。
【図２】 摩擦撹拌ツールの使用状態を示す断面図である。
【図３】 第２の発明に係る摩擦撹接合方法を示す平面図である。
【図４】 摩擦撹拌ツールの使用状態を示す断面図である。
【図５】 従来の傾斜ツールによる摩擦撹拌接合の状態を示す斜視図である。
【図６】 傾斜ツールの使用状態を示す断面図である。
【図７】 従来のスクロールツールによる摩擦撹拌接合の状態を示す斜視図である。
【図８】 スクロールツールの使用状態を示す断面図である。
【符号の説明】
１，２…接合材、３…傾斜ツール、５…接合部、６…接合面、７…Ｚｎ層、２０…スクロールツール、３０，３１…接合材、３２…接合部、３２Ａ…接合面、３４…裏当て、３６…摩擦撹拌ツール、３６Ａ…ツール本体、３６Ｂ…撹拌ピン、３６Ｃ…撹拌用突条体、３６Ｄ…剥離用突条体、３７…底面、４０…摩擦撹拌ツール、４０Ａ…ツール本体、４０Ｂ…撹拌ピン、４０Ｃ…撹拌用突条体、４１…底面。
【発明の属する技術分野】
本発明は、摩擦撹拌接合方法に関し、特に接合部表面に酸化膜層、異種金属層、塗料層等の表皮層が形成されている被接合材の摩擦撹拌接合に適用して好適な摩擦撹拌接合方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
アルミニウム素材をＴＩＧ溶接、ＭＩＧ溶接等によって溶融溶接する場合、溶接部の表面に酸化膜層、異種金属層、塗料層等の溶接に不適な表皮層が存在すると、溶接部内にブローホールが発生したり、異物が巻き込まれて接合強度および耐食性を低下させるため、溶接部の表皮層を除去して溶接している。例えば、亜鉛精錬に使用された陰極板を溶接する場合、表面に残存するＺｎ層が溶接熱で蒸発して溶接部内に混入すると溶接不良が発生するので、予め機械加工によって表面のＺｎ層を除去している。
【０００３】
ＴＩＧ溶接、ＭＩＧ溶接等の溶融溶接の代わりに固相接合によってアルミニウム合金からなる２つの金属材料（被接合材）を接合する摩擦撹拌接合（Friction Stir Welding ）は、溶融溶接に比べて被接合材の表面の清浄度が多少低くても接合できることが知られており、例えば表面に油等が付着していても接合できる。
【０００４】
摩擦撹拌接合方法は、摩擦熱を利用して被接合材の接合部を互いに突き合わせるかまたは重ね合わせて接合する方法であって、図５および図６を用いて２つの被接合材を突き合わせ接合する場合について説明する。この摩擦撹拌接合方法は被接合材１，２よりも硬質で耐熱性に優れた材料からなる摩擦撹拌ツール３を高速回転させ、その先端に一体に突設した撹拌ピン４を被接合材１，２の接合面６に沿って押し込み、ツール３を接合面６に沿って矢印Ａ方向に移動させることにより、接合部５に摩擦熱を発生させる。この摩擦熱により２つの被接合材１，２の接合面６付近のメタルＭは塑性化可能な状態にまで軟化され、撹拌ピン４の高速回転による撹拌作用により撹拌・流動した後、撹拌ピン４の通過により加熱源を失って冷却・固化することにより、接合部５を固相接合するものである。この場合、摩擦撹拌ツール３を進行方向と反対方向に角度α（前進角α：３〜５°）だけ傾斜させることで摩擦撹拌ツール３の前方のメタルを摩擦撹拌ツール３のメタル溜めに導入し、撹拌ピン４が通過した部分への供給を可能にしている。このため、摩擦撹拌ツール３は通常ツール本体３Ａの移動方向前端縁８が接合部５の表面より上方に位置する状態に保持されて移動し接合部５を摩擦撹拌接合する。なお、ここでは前進角αをもって傾斜させた状態で使用される摩擦撹拌ツール３を傾斜ツールと称する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来の傾斜ツール３を用いた摩擦撹拌接合方法では、被接合材１，２の表面にアルマイト、塗装またはＺｎ層等の表皮層７がある場合、この表皮層７はツール本体３Ａの下面９側において撹拌ピン４によって剥ぎ取られるため可塑化したメタルＭ内に巻き込まれて撹拌されると接合部５に異物が混入するため耐食性および接合強度を低下させるという問題があった。そこで、摩擦撹拌接合する場合は被接合材１，２の表面を覆っている表皮層７を溶融溶接の場合と同様に予め機械加工によって除去する必要があった。このため、作業工程が１工程増え、その作業が煩わしいばかりか製造コストが高くなるという問題があった。
【０００６】
摩擦撹拌接合に不適な表皮層７が接合部５に巻き込まれないようにするための対策の１つとしては、図６に二点鎖線で示すように摩擦撹拌ツール３の接合部５への押し込み量を増大させてツールの移動方向前端縁８を接合部５に押し込むことが考えられる。このようにすると、摩擦撹拌ツール３の移動方向前端縁８によって表皮層７を剥ぎ取ることができるため、前工程として機械加工によって表皮層７を除去する必要はなくなる。しかし、この場合は摩擦撹拌ツール３のメタル溜めにメタルを取り込むことができず表面欠陥を生じ、また押し込み量の増加によって接合部５の板厚がＴ1 からＴ2 に減少するため、接合部５の接合強度も低下するという問題が起きる。例えば、板厚が６ｍｍの場合では接合部５の厚さが１ｍｍ程度減少してしまう。
【０００７】
また、最近では接合部に略垂直に挿入して摩擦撹拌接合するようにした摩擦撹拌ツールが開発されている。この摩擦撹拌ツール２０は、図７および図８に示すように柱状のツール本体２０Ａと、このツール本体２０Ａの平坦な底面２１の中央に一体に突設された撹拌ピン２０Ｂと、この撹拌ピン２０Ｂを取り囲むように前記底面２１に一体に突設された渦巻き状の撹拌用突条体２０Ｃとで構成することにより、ここではスクロールツールと称する。スクロールツールは、接合部５に前記撹拌ピン２０Ｂと撹拌用突条体２０Ｃが略垂直（前進角α＝０°）に挿入され、高速回転されつつ接合面に沿って移動されることにより接合部５を摩擦撹拌接合するものである。
【０００８】
このようなスクロールツール２０によれば、前進角（α）が零であるため、スクロールツール２０の前方の接合部５の表面を覆っている例えばＺｎからなる接合に不適な表皮層７を前記撹拌用突条体２０Ｃによって剥ぎ取ることができる。しかし、ツール本体２０の底面２１で接合部前方の表皮層７を押圧しているため、底面２１側において撹拌用突条体２０Ｃにより剥ぎ取られた表皮層７の一部が底面２１の外側にはじき出されずスクロールツール２０の回転に伴い可塑化したメタルＭ内に巻き込まれる。このため、図５および図６に示した傾斜ツール３による摩擦撹拌接合と同様に接合部５に表面欠陥や内部欠陥等が生じ接合部５の外観、耐食性および接合強度を低下させる。
【０００９】
このため、接合部の表皮層をツールの進行方向の前側において剥ぎ取って可塑化したメタル内に混入させず、接合部に表面欠陥や内部欠陥等が生じないようにすることにより接合部の外観、耐食性および接合強度を向上させることができるようにした摩擦撹拌接合方法およびそのツールの開発が要請されている。
【００１０】
本発明は上記した従来の問題および要請に応えるべくなされたもので、その目的とするところは、接合部の表面を覆っている接合に不適な表皮層が接合部に混入するのを防止し、接合部の品質、外観、耐食性、強度等を向上させることができるようにした摩擦撹拌接合方法を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために第１の発明に係る摩擦撹拌接合方法は、接合部表面に酸化膜層、異種金属層、塗料層等の表皮層が形成されている被接合材の前記接合部に沿って摩擦撹拌ツールを回転させつつ移動させることにより前記接合部を摩擦撹拌接合する方法であって、前記摩擦撹拌ツールは、柱状のツール本体と、このツール本体の底面中央に突設された撹拌ピンと、この撹拌ピンの周囲を取り囲むように前記底面に渦巻き状に突設された撹拌用突条体とを備え、前記摩擦撹拌ツールは、前記撹拌ピンおよび撹拌用突条体を接合部内に前進角が零で挿入して前記ツール本体を前記接合部の表面を覆っている表皮層の厚み分だけ接合部の表面に押し込み、前記ツール本体の最外周面でツールの進行方向の前側の接合部表面を覆っている前記表皮層を剥ぎ取りながら前記接合部を摩擦撹拌接合するものである。
【００１２】
第１の発明においては、接合部の表面を覆っている接合に不適な表皮層を摩擦撹拌ツールの最外周面で剥ぎ取るため、剥ぎ取られた層が可塑化したメタル内に巻き込まれることがない。
【００１３】
第２の発明に係る摩擦撹拌接合方法は、接合部表面に酸化膜層、異種金属層、塗料層等の表皮層が形成されている被接合材の前記接合部に沿って摩擦撹拌ツールを回転させつつ移動させることにより前記接合部を摩擦撹拌接合する方法であって、前記摩擦撹拌ツールは、柱状のツール本体と、このツール本体の底面中央に突設された撹拌ピンと、この撹拌ピンの周囲を取り囲むように前記底面に渦巻き状に突設された撹拌用突条体および前記底面の外周に突設された剥離用突条体とを備え、前記剥離用突状体は、前記底面からの突出寸法が前記撹拌用突条体の突出寸法よりも短く、外周面が前記ツール本体の外周面とともに摩擦撹拌ツールの最外周面を形成し、前記摩擦撹拌ツールは、前記撹拌ピンおよび撹拌用突条体を接合部内に前進角が零で挿入して前記剥離用突条体を前記接合部の表面を覆っている表皮層の厚み分だけ接合部の表面に押し込み、前記剥離用突条体の外周面でツールの進行方向の前側の接合部表面を覆っている前記表皮層を剥ぎ取りながら前記接合部を摩擦撹拌接合するものである。
【００１４】
第２の発明においては、接合部の表面を覆っている接合に不適な表皮層を剥離用突条体の外周面によって剥ぎ取るため、剥ぎ取られた表皮層がツール本体の底面側に入り込み可塑化したメタル内に巻き込まれることがない。
【００１５】
第３の発明に係る摩擦撹拌接合方法は、接合部表面に酸化膜層、異種金属層、塗料層等の表皮層が形成されている被接合材の前記接合部に沿って摩擦撹拌ツールを回転させつつ移動させることにより前記接合部を摩擦撹拌接合する方法であって、前記摩擦撹拌ツールは、柱状のツール本体と、このツール本体の底面中央に突設された撹拌ピンと、この撹拌ピンの周囲を取り囲むように前記底面に渦巻き状に突設された撹拌用突条体とを備え、前記撹拌ピン、前記撹拌用突条体および前記ツール本体の下部を接合部内に前進角が零で挿入して前記底面で接合部表面を押圧し、前記ツール本体の前記接合部内に挿入されている下端部外周面でツールの進行方向の前側の接合部表面を覆っている前記表皮層を剥ぎ取りながら前記接合部を摩擦撹拌接合するものである。
【００１６】
第３の発明においては、接合部の表面を覆っている接合に不適な表皮層をツール本体の下端部外周面によって剥ぎ取るため、剥ぎ取られた表皮層がツール本体の底面側に入り込み可塑化したメタル内に巻き込まれることがない。
【００１７】
第４の発明に係る摩擦撹拌接合方法は、上記第１の発明において、摩擦撹拌ツールの最外周面の被接合材への押込量を０．０５〜０．５ｍｍとしたものである。
第５の発明に係る摩擦撹拌接合方法は、上記第２の発明において、ツール本体の剥離用突状体の外周面の被接合材への押込量を０．０５〜０．５ｍｍとしたものである。
第６の発明に係る摩擦撹拌接合方法は、上記第３の発明において、ツール本体の下端部外周面の被接合材への押込量を０．０５〜０．５ｍｍとしたものである。
【００１８】
第４の発明においては、押込量が０．０５〜０．５ｍｍであるため、酸化膜層、異種金属層、塗料層等の接合に不適な表皮層を確実に剥ぎ取ることができる。押込量が０．０５ｍｍ以下では表面層の摩擦撹拌ツールのメタル溜めへの導入を確実に防止することが困難となり、接合部への混入を生じさせやすくなる。押込量が０．５ｍｍ以上ではバリの発生が増え、また摩擦撹拌ツールの移動負荷が大きくなり、接合が困難となる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図面に示す実施の形態に基づいて詳細に説明する。
図１は第１の発明に係る摩擦撹接合方法を示す平面図、図２は摩擦撹拌ツールの使用状態を示す断面図である。これらの図において、符号３０，３１で示すものはアルミニウム合金の押出形材によって矩形板状に形成された被接合材で、その長手方向の一端面が互いに突き合わされ、この突き合わせ側端縁とその付近が摩擦撹拌接合される接合部３２を形成し、突き合わせ面が接合面３２Ａを形成している。また、被接合材３０，３１の表面には、厚さが０．１ｍｍ程度のＺｎ層（表皮層）３３が形成されている。一方、被接合材３０，３１の裏面側には、銅からなる裏当て３４が接合部３２に沿って密接されている。
【００２０】
前記被接合材３０，３１の接合面３２Ａを摩擦撹拌接合するために用いられる摩擦撹拌ツール３６は、被接合材３０，３１より融点が高い金属、例えば工具鋼等によって製作されたもので、円柱状のツール本体３６Ａと、このツール本体３６Ａの底面３７の中央に一体に突設された撹拌ピン３６Ｂと、同じく前記底面３７に一体に突設され前記撹拌ピン３６Ｂの周囲を取り囲み、撹拌ピン３６Ｂに向かって求心する渦巻き状の撹拌用突条体３６Ｃと、前記底面３７の外周に一体に突設された剥離用突条体３６Ｄとで構成されている。ツール本体３６Ａは円柱形に限らず四角柱、六角柱等の多角柱を含む。ツール本体３６Ａの底面３７は平坦面に形成されている。撹拌ピン３６Ｂは、被接合材３０，３１の板厚より短い長さを有し、その外周には撹拌効果を高めるために雄ねじ３８が形成されている。撹拌ピン３６Ｂは、ツール本体３６Ａと略軸線が一致するものに限らずツール本体３６Ａに対して若干偏心しているものであってもよい。撹拌用突条体３６Ｃは、前記撹拌ピン３６Ｂより低く形成されている。前記剥離用突条体３６Ｄは前記撹拌用突条体３６Ｃより低く形成されている。
【００２１】
このような摩擦撹拌ツール３６を用いて被接合材３０，３１の接合面３２Ａを摩擦撹拌接合するには、摩擦撹拌ツール３６をモータによって５００〜１００００ｒｐｍ程度の回転数で回転させながら撹拌ピン３６Ｂを接合面３２Ａ上に位置させて接合部３２表面に押し付け、摩擦熱によって接合部３２の撹拌ピン３６Ｂによって押し付けられている表面部分およびその近傍を加熱、可塑化させ、撹拌ピン３６Ｂ、撹拌用突条体３６Ｃおよび剥離用突条体３６Ｄを接合部３２内に徐々に押し込む。剥離用突条体３６Ｄが接合部３２の表面に押し込まれる量（押込量）は、Ｚｎ層３３を確実に剥ぎ取ることができる量で、必要以上に押し込み量を大きくすると、被接合材の厚さが必要以上に薄くなり、また摩擦撹拌接合を円滑に行えなくなることがあるため好ましくない。また、摩擦撹拌ツール３６は、底面３７の全面が接合部３２の表面を均一に押圧するように接合部３２の表面に対して略垂直に押し込まれる。
【００２２】
撹拌ピン３６Ｂ、撹拌用突条体３６Ｃおよび剥離用突条体３６Ｄが接合部３２内に所定量押し込まれると、この状態で摩擦撹拌ツール３６を接合面３２Ａに沿って矢印Ａ方向に８．５〜３ｍ／ｍｉｎ程度の送り速度（接合速度）で移動させることで、接合部３２を摩擦撹拌接合する。すなわち、摩擦撹拌ツール３６を高速回転させながら接合面３２Ａに沿って移動させると、接合面３２Ａとその近傍部は、撹拌ピン３６Ｂおよび撹拌用突条体３６Ｃによって加熱されることにより可塑化され、水平および垂直方向に流動化する。そして、流動化したメタルＭは、撹拌ピン３６Ｂが通過することにより加熱源を失って冷却し固化する。
【００２３】
摩擦撹拌ツール３６を矢印Ａ方向に移動させると、剥離用突条体３６Ｄは接合部３２に押し込まれているので、ツール前方側のＺｎ層３３を外周面によって剥ぎ取る。剥離用突条体３６Ｄの外周面は、ツール本体３６Ａの外周面とともに摩擦撹拌ツール３６の最外周面を形成している。剥ぎ取られたＺｎ層３３は、ツール本体３６Ａの底面３７が前記剥離用突条体３６Ｄより内側に位置しているため、剥離用突条体３６Ｄの下方を通って底面３７の下側に入り込むことがなく、可塑化したメタルＭに混入することがない。したがって、接合部３２の外観、耐食性および接合強度を増大させることができる。
【００２４】
また、剥離用突条体３６Ｄの突出寸法を撹拌用突条体３６Ｃの突出寸法より短くしているので、摩擦撹拌ツール３６の中心より進行方向の後方側において撹拌用突条体３６Ｃの内側から外側に押し出された可塑化したメタルＭは剥離用突条体３６Ｄの下面高さまで上昇する。言い換えれば、剥離用突条体３６Ｄの下面は摩擦撹拌接合後の接合部３２の厚さＴを規定する。したがって、接合部３２の板厚の厚さは、Ｚｎ層３３の厚さ以上に不必要に取り除かれることがなく、被接合材の接合部３２の強度低下を軽減することができる。
【００２５】
図３は第２の発明に係る摩擦撹拌接合方法を示す平面図、図４は摩擦撹拌ツールの使用状態を示す断面図である。これらの図において、アルミニウム合金の押出形材によって矩形板状に形成された被接合材３０，３１は、その長手方向の一端面が互いに突き合わされることにより、この突き合わせ側端縁とその付近が摩擦撹拌される接合部３２を形成し、突き合わせ面が接合面３２Ａを形成している。また、被接合材３０，３１の表面には、厚さが０．１ｍｍ程度のＺｎ層３３が形成されている。一方、被接合材３０，３１の裏面側には、銅からなる裏当て３４が接合部３２に沿って密接されている。
【００２６】
前記被接合材３０，３１の接合面３２Ａを摩擦撹拌接合するために用いられる摩擦撹拌ツール４０は、図７および図８に示した従来のスクロールツール２０と同一形状に形成されることにより、円柱状のツール本体４０Ａと、このツール本体４０Ａの底面４１の中央に一体に突設された撹拌ピン４０Ｂと、同じく前記底面４１に前記撹拌ピン４０Ｂの周囲を取り囲むように渦巻き状に一体に突設された撹拌用突条体４０Ｃとで構成されている。ツール本体４０Ａの底面４１は平坦面に形成されている。撹拌ピン４０Ｂは、被接合材３０，３１の板厚と略等しい長さを有し、外周に雄ねじ４２が形成されている。撹拌用突条体４０Ｃは、前記撹拌ピン４０Ｂより低く形成されている。
【００２７】
このような摩擦撹拌ツール４０を用いて被接合材３０，３１の接合面３２Ａを摩擦撹拌接合するには、摩擦撹拌ツール４０をモータによって５００〜１００００ｒｐｍ程度の回転数で回転させながら撹拌ピン４０Ｂを接合面３２Ａ上に位置させて接合部３２の表面に押し付け、摩擦熱によって接合部３２の撹拌ピン４０Ｂによって押し付けられている表面部分およびその近傍を加熱、可塑化させ、撹拌ピン４０Ｂと撹拌用突条体４０Ｃを接合部３２内に徐々に押し込む。ツール本体４０Ａが接合部３２の表面に押し込まれる量（押込量）は、Ｚｎ層３３を確実に剥ぎ取ることができる量で、必要以上に押し込み量を大きくすると、被接合材の厚さが必要以上に薄くなり、また摩擦撹拌接合を円滑に行えなくなることがあるため好ましくない。また、摩擦撹拌ツール４０は、底面４１の全面が接合部３２の表面を均一に押圧するように接合部３２の表面に対して略垂直に押し込まれる。
【００２８】
撹拌ピン４０Ｂと撹拌用突条体４０Ｃが接合部３２内に所定量押し込まれると、この状態で摩擦撹拌ツール４０を接合面３２Ａに沿って矢印Ａ方向に０．５〜３ｍ／ｍｉｎ程度の接合速度で移動させることで、接合部３２を摩擦撹拌接合する。すなわち、摩擦撹拌ツール４０を高速回転させながら接合面３２Ａに沿って移動させると、接合面３２Ａとその近傍部は、撹拌ピン４０Ｂおよび撹拌用突条体４０Ｃによって加熱されることにより可塑化され、水平および垂直方向に流動化する。そして、流動化したメタルＭは、撹拌ピン４０Ｂが通過することにより加熱源を失って冷却し固化する。
【００２９】
摩擦撹拌ツール４０を矢印Ａ方向に移動させると、ツール本体４０Ａは下端部が接合部３２に押し込まれているので、下端部外周面によってツール前方側のＺｎ層３３を剥ぎ取る。すなわち、この第２の発明は、最外周面であるツール本体４０Ａの下端部外周面で表皮層３３を剥ぎ取るものであるから、この点で図７および図８に示した従来のスクロールツール２０による摩擦撹拌接合方法と異なっている。ツール本体４０Ａの下端部外周面によって剥ぎ取られたＺｎ層３３は、ツール本体４０Ａの底面４１が接合部３２の表面を押圧しているため、底面４１と接合部３２の表面との間に入り込むことがなく、可塑化したメタルＭに混入することがない。したがって、上記した第１の実施の形態と同様に摩擦撹拌接合された接合部３２の表面に、剥ぎ取られたＺｎ層３３が混入することがなく、良好かつ確実に接合することができ、接合部３２の外観、耐食性および接合強度を増大させることができる。
【００３０】
【実施例１】
被接合材として亜鉛精錬に使用された陰極板からなる素材を切り出して互いに突き合わせ、その突き合わせ接合部を摩擦撹拌接合した。素材は、Ａｌ純度が高くＳｉ含有量の低い板厚６ｍｍのＪＩＳ Ａ１０７０−Ｏである。摩擦撹拌接合に当たっては、図２に示した剥離用突条体付きスクロールツール３６と、図６に示した従来の傾斜ツール３と、図７に示した従来のスクロールツール２０を用いて行った。図２に示すスクロールツール３６は剥離用突条体３６ＤをＺｎ層３３を確実に剥ぎ取ることができる量だけ被接合部材３０，３１の接合部３２内に押し込んで摩擦撹拌接合を行う。傾斜ツール３は、進行方向と反対方向に前進角度α（＝３〜５°）だけ傾斜させることで進行方向前方のメタルを摩擦撹拌ツール３のメタル溜まり部Ｄに導入し、撹拌ピン４が通過した部分へ供給しながら摩擦撹拌接合を行う。図７に示すスクロールツール２０は、前進角α＝０°で渦巻き状の撹拌用突条体２０Ｃを表皮層７より下方に押し込んで摩擦撹拌接合を行う。各ツールの回転速度と接合速度は、それぞれ９００ｒｐｍと３００ｍｍ／ｍｉｎである。その結果を表１に示す。
【００３１】
【表１】
この表１から明らかなように、剥離用突条体付きスクロールツール３６を使用すると、従来の傾斜ツール３およびスクロールツール２０に比べて接合部の品質が良好で表面欠陥や内部欠陥が生じることがなく、外観、耐食性および強度を向上させることができる。また、接合部の板厚の減少を少なくすることができるので、所要の強度を有する接合部を得ることができる。なお、表１の三段目の従来のスクロールツール標準はツール本体の最外周が被接合材の表面と接しないもの、四段目の従来のスクロールツール大はツール本体の最外周が被接合材の表面より埋没するものである。
【００３３】
【実施例２】
被接合材として表面に９μｍの酸化膜層が形成された板厚６ｍｍのＪＩＳ Ａ６０６３−Ｔ５からなる素材を互いに突き合わせ、その突き合わせ接合部を摩擦撹拌接合した。摩擦撹拌接合に当たっては、上記した実施例１と同様に図１に示した本発明ツール３６と、図５および図６に示した従来の傾斜ツール３と、図７および図８に示した従来のスクロールツール２０を用いて上記した実施例１と同様に摩擦撹拌接合を行った。ツールの回転速度と接合速度は、それぞれ９００ｒｐｍと３００ｍｍ／ｍｉｎである。その結果を表２に示す。
【００３４】
【表２】
この表２から明らかなように、剥離用突条体付きスクロールツール３６を使用すると、上記した実施例１と同様に従来の傾斜ツール３およびスクロールツール２０に比べて接合部の品質が良好で表面欠陥や内部欠陥が生じることがなく、外観、耐食性および強度を向上させることができる。また、接合部の板厚の減少を少なくすることができるので、所要の強度を有する接合部を得ることができる。
【００３６】
なお、上記した実施の形態においては、接合部の表皮層がＺｎ層、酸化膜層である場合について説明したが、本発明はこれに限らずアルマイト処理によって酸化被膜が形成され、さらにその上に塗装膜が形成されているものであってもよく、要は摩擦撹拌接合に不適な表皮層が形成されている金属部材であればよい。
また、第１の実施の形態においては、摩擦撹拌ツール３６のツール本体３６Ａの底面３７に突設される撹拌用突条体３６Ｃを同心円状からなる大小２つのリング状突条体で構成した例を示したが、これに限らず１つのリング状突条体であってもよく、また図８に示す渦巻き状の突条体２０Ｃであってもよい。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように本発明に係る摩擦撹拌接合方法によれば、接合部表面に存在する摩擦撹拌接合に不適な酸化膜層、異種金属層、塗料層等の表皮層をツールの移動方向前方側の最外周面によって剥ぎ取ることができるので、可塑化したメタル内に剥ぎ取られた表皮層が混入することがない。したがって、接合部の表面や内部に欠陥が生じたりすることがなく、接合部の外観、耐食性および強度を向上させることができる。
また、摩擦撹拌ツールの最外周面の被接合材への押込量を０．０５〜０．５ｍｍとしているので、確実に摩擦撹拌接合することができ、また被接合材の板厚の減少量が少なく、所要の強度を有する接合部を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 第１の発明に係る摩擦撹接合方法を示す平面図である。
【図２】 摩擦撹拌ツールの使用状態を示す断面図である。
【図３】 第２の発明に係る摩擦撹接合方法を示す平面図である。
【図４】 摩擦撹拌ツールの使用状態を示す断面図である。
【図５】 従来の傾斜ツールによる摩擦撹拌接合の状態を示す斜視図である。
【図６】 傾斜ツールの使用状態を示す断面図である。
【図７】 従来のスクロールツールによる摩擦撹拌接合の状態を示す斜視図である。
【図８】 スクロールツールの使用状態を示す断面図である。
【符号の説明】
１，２…接合材、３…傾斜ツール、５…接合部、６…接合面、７…Ｚｎ層、２０…スクロールツール、３０，３１…接合材、３２…接合部、３２Ａ…接合面、３４…裏当て、３６…摩擦撹拌ツール、３６Ａ…ツール本体、３６Ｂ…撹拌ピン、３６Ｃ…撹拌用突条体、３６Ｄ…剥離用突条体、３７…底面、４０…摩擦撹拌ツール、４０Ａ…ツール本体、４０Ｂ…撹拌ピン、４０Ｃ…撹拌用突条体、４１…底面。
Claims (6)
- 接合部表面に酸化膜層、異種金属層、塗料層等の表皮層が形成されている被接合材の前記接合部に沿って摩擦撹拌ツールを回転させつつ移動させることにより前記接合部を摩擦撹拌接合する方法であって、
前記摩擦撹拌ツールは、柱状のツール本体と、このツール本体の底面中央に突設された撹拌ピンと、この撹拌ピンの周囲を取り囲むように前記底面に渦巻き状に突設された撹拌用突条体とを備え、
前記摩擦撹拌ツールは、前記撹拌ピンおよび撹拌用突条体を接合部内に前進角が零で挿入して前記ツール本体を前記接合部の表面を覆っている表皮層の厚み分だけ接合部の表面に押し込み、前記ツール本体の最外周面でツールの進行方向の前側の接合部表面を覆っている前記表皮層を剥ぎ取りながら前記接合部を摩擦撹拌接合することを特徴とする摩擦撹拌接合方法。 - 接合部表面に酸化膜層、異種金属層、塗料層等の表皮層が形成されている被接合材の前記接合部に沿って摩擦撹拌ツールを回転させつつ移動させることにより前記接合部を摩擦撹拌接合する方法であって、
前記摩擦撹拌ツールは、柱状のツール本体と、このツール本体の底面中央に突設された撹拌ピンと、この撹拌ピンの周囲を取り囲むように前記底面に渦巻き状に突設された撹拌用突条体および前記底面の外周に突設された剥離用突条体とを備え、
前記剥離用突状体は、前記底面からの突出寸法が前記撹拌用突条体の突出寸法よりも短く、外周面が前記ツール本体の外周面とともに摩擦撹拌ツールの最外周面を形成し、
前記摩擦撹拌ツールは、前記撹拌ピンおよび撹拌用突条体を接合部内に前進角が零で挿入して前記剥離用突条体を前記接合部の表面を覆っている表皮層の厚み分だけ接合部の表面に押し込み、前記剥離用突条体の外周面でツールの進行方向の前側の接合部表面を覆っている前記表皮層を剥ぎ取りながら前記接合部を摩擦撹拌接合することを特徴とする摩擦撹拌接合方法。 - 接合部表面に酸化膜層、異種金属層、塗料層等の表皮層が形成されている被接合材の前記接合部に沿って摩擦撹拌ツールを回転させつつ移動させることにより前記接合部を摩擦撹拌接合する方法であって、
前記摩擦撹拌ツールは、柱状のツール本体と、このツール本体の底面中央に突設された撹拌ピンと、この撹拌ピンの周囲を取り囲むように前記底面に渦巻き状に突設された撹拌用突条体とを備え、
前記撹拌ピン、前記撹拌用突条体および前記ツール本体の下部を接合部内に前進角が零で挿入して前記底面で接合部表面を押圧し、前記ツール本体の前記接合部内に挿入されている下端部外周面でツールの進行方向の前側の接合部表面を覆っている前記表皮層を剥ぎ取りながら前記接合部を摩擦撹拌接合することを特徴とする摩擦撹拌接合方法。 - 請求項１記載の摩擦撹拌接合方法において、
摩擦撹拌ツールの最外周面の被接合材への押込量が０．０５〜０．５ｍｍであることを特徴とする摩擦撹拌接合方法。 - 請求項２記載の摩擦撹拌接合方法において、
ツール本体の剥離用突状体の外周面の被接合材への押込量が０．０５〜０．５ｍｍであることを特徴とする摩擦撹拌接合方法。 - 請求項３記載の摩擦撹拌接合方法において、
ツール本体の下端部外周面の被接合材への押込量が０．０５〜０．５ｍｍであることを特徴とする摩擦撹拌接合方法。
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