JP4473713B2

JP4473713B2 - 摩擦撹拌接合方法

Info

Publication number: JP4473713B2
Application number: JP2004343003A
Authority: JP
Inventors: 泰成脇坂; 聡士大久保; 克也松本
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2004-11-26
Filing date: 2004-11-26
Publication date: 2010-06-02
Anticipated expiration: 2024-11-26
Also published as: JP2006150389A

Description

本発明は、貫通孔を有する有孔ワークが介装された積層部を摩擦撹拌接合する摩擦撹拌接合方法に関する。

燃費を向上させる方策の１つとして、自動車の車体を軽量化することが図られている。そして、軽量化を実現するべく、車体の外板等の材質を、従来の鋼材よりも比重が小さなアルミニウム材に置換することが検討されつつある。

ところで、フレームや内板等の材質としては、小寸法で強度を確保するべく、鋼材が選定されることが一般的である。このような場合、鋼材とアルミニウム材という別種の金属材同士を接合する必要があり、そのための接合方法として、高速で回転動作するプローブをワークに摺接させ、その際に発生した摩擦熱で該ワークの肉を塑性流動させる、摩擦撹拌接合が着目されている（例えば、特許文献１参照）。摩擦撹拌接合には、例えば、アーク接合と比較した場合、ワークの温度上昇を抑制することができるので接合後のワークの歪みがほとんどなく、アークを発生させる必要がないので低コストであり、しかも、溶接ビードが形成されることがないので外観が良好である等の利点がある。

しかしながら、摩擦撹拌接合では、鋼材等の高融点金属がワークである場合、該ワークの肉を塑性流動させることは困難であり、このため、摩擦撹拌接合を採用することは容易ではない。しかも、耐熱性に極めて優れたプローブを有する摩擦撹拌接合用工具を使用する必要があり、コスト的に不利でもある。

また、特許文献１記載の技術においては、該特許文献１の図５に示されるように、最上層と中間層とが接合されるのみで、最上層と最下層とは接合されない。このため、積層部に十分な接合強度が確保されないことが懸念される。

このような不都合を解消するべく、特許文献２には、貫通孔が設けられた有孔ワーク上にワークを積層して積層部を形成し、該積層部の前記ワーク側から摩擦撹拌接合用工具のプローブを埋没させて該ワークの肉を塑性流動させ、貫通孔から突出したこの肉の直径が該貫通孔に比して大きく拡径した後に硬化させることが提案されている。すなわち、この場合、貫通孔から突出して硬化した肉を抜け止めとし、これにより、有孔ワークとワークとを接合するとのことである。

また、特許文献３には、低融点金属である最上層と最下層との間に高融点金属材からなる中間層を介装して形成された３層以上からなる積層部を摩擦撹拌接合する際、プローブで中間層（高融点金属材）を破断させ、且つ最上層と最下層とを摩擦撹拌接合することが提案されている。

特開２００４−１６７５２５号公報特開２００４−１４８３２０号公報特開平１０−７１４７９号公報

しかしながら、特許文献２記載の技術には、抜け止めの肉が突出形成されてしまうので、外観を損なうという不具合がある。

一方、特許文献３記載の技術には、中間層をプローブで破断するので、該プローブが早期に摩耗してしまう。さらに、鋼材のような硬質材からなる中間層をプローブで破断しようとした場合、該中間層が波状に変形し、このために中間層と最下層又は最上層との間に間隙が生じることがある。しかも、中間層には、プローブと略同程度の直径の貫通孔が形成される程度であるので、最上層と最下層との肉同士を十分に撹拌することができないことが懸念される。この場合、接合強度が確保できなくなる。

本発明は上記した問題を解決するためになされたもので、外観が良好であり、しかも、接合強度が十分な積層部を設けることが可能な摩擦撹拌接合方法を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明は、貫通孔が設けられた有孔ワークが第１層と第２層との間に少なくとも１つ介装されることによって形成された積層部を摩擦撹拌接合する摩擦撹拌接合方法であって、
前記貫通孔に挿入された際に遊びが生じる寸法のプローブを有する摩擦撹拌接合用工具を使用し、
最上層から埋没した前記プローブを、前記貫通孔を通過させて、最下層における該貫通孔に露呈した側の端面まで到達させ、
前記プローブの回転動作によって前記最上層の肉を塑性流動させ、該肉を、前記最下層における前記貫通孔に露呈した側の端面の肉と接合することを特徴とする。

本発明においては、最上層の肉を貫通孔の内壁全面にわたって接合するとともに、該最上層と最下層とを一体的に融合させるので、十分な接合強度が確保される。

また、プローブを有孔ワークの貫通孔に通過させるので、該有孔ワークをプローブによって破断する必要がない。このため、有孔ワークを破断することによってプローブ２４が摩耗することを回避することができる。しかも、有孔ワークを波状に変形させることもないので、有孔ワークと第１層又は第２層との間に間隙が生じることもない。

さらに、本発明によれば、突出部を形成することなく積層部を接合することができるので、外観が良好な製品を得ることができる。

ここで、積層部を構成する第１層及び第２層は、別部材であってもよいし、又は、部材を折曲させることによって互いに離間して対向した部位同士であってもよい。すなわち、同一部材の別部位をそれぞれ第１層及び第２層として摩擦撹拌接合を行うようにしてもよい。この場合、離間した前記部位同士の間に有孔ワークを挿入すればよい。

本発明において、有孔ワークと、第１層及び第２層を構成するワークとは、同一材質からなるものであってもよいが、互いに別材質からなるものであってもよい。すなわち、本発明は、別材質からなる部材同士であっても接合することが可能である。また、有孔ワークの材質は金属に限定されるものではなく、セラミックスやプラスチックであってもよい。

有孔ワークと、第１層及び第２層を構成するワークとの材質を、例えば、互いに異種の金属とする場合、有孔ワークの好適な材質としては鉄又は鉄系合金が挙げられ、一方、ワークの好適な材質としては、アルミニウム又はアルミニウム系合金が挙げられる。

本発明によれば、有孔ワークを間に介在させて積層部を設け、該有孔ワークの貫通孔に摩擦撹拌接合用工具のプローブを通過させるようにしている。これに伴って塑性流動した最上層の肉が貫通孔の内壁に接合するとともに、最下層の肉と一体的に摩擦撹拌接合されるので、有孔ワークを破断させることなく接合強度に優れた積層部を得ることができる。

しかも、貫通孔から肉が突出することがないので、得られた積層部は、外観が良好である。

以下、本発明に係る摩擦撹拌接合方法につき好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。

図１に、３層からなる積層部１０の縦断面を示す。この積層部１０においては、ＪＩＳ記号の数字が６０００番台であるいわゆる６０００系のアルミニウムからなる第１ワーク１２と、該第１ワーク１２と同様に６０００系のアルミニウムからなる第２ワーク１４との間に、鋼材からなる有孔ワーク１６が介装されている。すなわち、この積層部１０では、第１層である第１ワーク１２が最下層、有孔ワーク１６が中間層、第２層である第２ワーク１４が最上層である。

この積層部１０は、第１ワーク１２、有孔ワーク１６、第２ワーク１４をこの順序で積層することによって設けられる。勿論、この際には、有孔ワーク１６における貫通孔１８が設けられた部位が積層部１０に含まれるように積層する。

なお、第１ワーク１２、第２ワーク１４及び有孔ワーク１６の肉厚は、それぞれ、Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３に設定されている。また、有孔ワーク１６に形成されたの貫通孔１８の直径は、Ｄ１に設定されている。

図１に示すように、この積層部１０を摩擦撹拌接合によって一体化するための摩擦撹拌接合用工具２０は、回転体２２と、該回転体２２の一端部に連結されて先端部が円錐状に湾曲したプローブ２４とを有する。

ここで、プローブ２４としては、直径Ｄ２が貫通孔１８の直径Ｄ１に比して小さく、また、長さＬ１が、第２ワーク１４（最上層）の肉厚Ｔ２と有孔ワーク１６の肉厚Ｔ３との合計肉厚を超え、且つ積層部１０の肉厚未満であるものが選定される。換言すれば、プローブ２４としては、下記の条件式（１）、（２）を同時に満足するものが予め選定される。
Ｄ２＜Ｄ１ …（１）
Ｔ２＋Ｔ３＜Ｌ１＜Ｔ１＋Ｔ２＋Ｔ３ …（２）

Ｄ１は、例えば、Ｄ２＋２ｍｍに設定すればよい。また、Ｌ１は、例えば、Ｔ１＋Ｔ２＋Ｔ３から０．５ｍｍを差し引いた程度とすればよい。

本実施の形態に係る摩擦撹拌接合方法は、このようなプローブ２４を有する摩擦撹拌接合用工具２０を使用し、積層部１０に対して以下のように実施される。

図示しない支持台に載置された積層部１０上に、先ず、図１に示すように、摩擦撹拌接合用工具２０を、その軸線が貫通孔１８の軸線に略一致するように配置する。これにより、プローブ２４が貫通孔１８の上方に位置する。

次に、摩擦撹拌接合用工具２０を積層部１０から所定距離で離間する位置まで下降させた後に回転体２２ごとプローブ２４を回転付勢し、この状態で、積層部１０の最上層（第２ワーク１４）の上端面にプローブ２４を摺接させる。この摺接に伴って摩擦熱が発生することにより、第２ワーク１４におけるプローブ２４の当接箇所及びその近傍が軟化する。この軟化がさらに進行すると、図２に示すように、プローブ２４が第２ワーク１４に埋没するとともに、この埋没に対応して、軟化した第２ワーク１４の肉が有孔ワーク１６の貫通孔１８に流入する。貫通孔１８の直径Ｄ１がプローブ２４の直径Ｄ２よりも大きいため、この流入は容易に進行する。そして、貫通孔１８に流入した第２ワーク１４の肉の一部は、該貫通孔１８の内周壁に付着する。

上記したように、プローブ２４の長さＬ１は、Ｔ２＋Ｔ３（第２ワーク１４と有孔ワーク１６との合計肉厚）よりも大きく、Ｔ１＋Ｔ２＋Ｔ３（積層部１０の肉厚）よりも小さい。このため、プローブ２４は、貫通孔１８を通過し、該貫通孔１８に露呈した第１ワーク１２（最下層）の上端面に到達する。これに伴い、貫通孔１８に流入した第２ワーク１４の肉のうち、内周壁に付着しなかった残部がプローブ２４に押されながら下降し、最終的に、該プローブ２４とともに第１ワーク１２の上端面に到達する。

第１ワーク１２の上端面に到達したプローブ２４は、該上端面に摺接してこの上端面を軟化させる。これにより、第１ワーク１２の上端面の肉と、該上端面に到達した第２ワーク１４の肉とが、回転動作するプローブ２４で一体的に撹拌混合され、結局、双方の肉が塑性流動される。この際、プローブ２４の長さＬ１が積層部１０の肉厚に比して小さく設定され、且つ第２ワーク１４の肉の一部が貫通孔１８の内周壁に付着するので、第１ワーク１２の肉が突出することはない。

このようにして第２ワーク１４（最上層）と第１ワーク１２（最下層）との肉を一体的に撹拌して所定時間が経過した後、図３に示すように、摩擦撹拌接合用工具２０を上方に変位させて、プローブ２４を積層部１０から離間させる。撹拌が終了することに伴って摩擦熱が発生しなくなり、塑性流動した肉が自然冷却によって硬化する。その結果、冷却硬化した第２ワーク１４の肉が貫通孔１８の内周壁に接合するとともに、一体的に撹拌混合された第１ワーク１２の肉と接合し、これにより積層部１０が接合されるに至る。

このようにして接合された積層部１０では、第２ワーク１４の肉が貫通孔１８の内周壁全面にわたって接合し、且つ第２ワーク１４と第１ワーク１２とが互いに接合しているので、十分な接合強度が確保される。

また、本実施の形態によれば、鋼材である有孔ワーク１６をプローブ２４によって破断する必要がなく、従って、有孔ワーク１６を破断することに伴ってプローブ２４が摩耗することもない。このため、プローブ２４の寿命を長期化することができる。しかも、この場合、有孔ワーク１６が波状に変形することもないので、第１ワーク１２と有孔ワーク１６との間、又は有孔ワーク１６と第２ワーク１４との間に間隙が生じることもない。

さらに、有孔ワーク１６の肉を塑性流動させないので、耐熱性に優れるプローブを用意する必要がない。このため、コスト的に有利である。

さらにまた、本実施の形態によれば、第２ワーク１４の肉の軟化、該肉の貫通孔１８を介しての第１ワーク１２への塑性流動、接合のすべてを１工程で、しかも、簡便な作業で行うことができるので、作業効率が向上する。

その上、上記したように、本実施の形態においては、突出部を形成することなく積層部１０を接合することができる。このため、第１ワーク１２側をユーザーに視認される外面とすることにより、外観が良好な製品を得ることができる。

バリ２８が形成された場合、積層部１０に対し、該バリ２８を切削除去する仕上げ加工が施される。

なお、上記した実施の形態では、有孔ワーク１６を１つのみ介装して積層部１０を設けるようにしているが、２つ以上介装するようにしてもよいことはいうまでもない。この場合、貫通孔１８同士が連通するように有孔ワーク１６同士を積層すればよい。

そして、有孔ワーク１６の材質は、アルミニウムであってもよい。

次に、図４に示す積層部３０を摩擦撹拌接合する場合につき説明する。

この場合、有孔ワークは、自動車のドアパネルを構成するインナパネル３２である。そして、該インナパネル３２における貫通孔３４が設けられた部位が、アウタパネル３６が折曲されることによって互いに対向した部位同士の間に介装されることにより、積層部３０が形成されている。

すなわち、この実施の形態では、最下層と最上層は、アウタパネル３６（同一部材）の別部位である。なお、以下の説明では、アウタパネル３６において、図４中、インナパネル３２よりも下方に位置する部位を第１層と表記し、その参照符号を３８とするとともに、インナパネル３２よりも上方に位置する部位を第２層と表記し、その参照符号を４０とする。

インナパネル３２は鋼材からなり、通常、肉厚Ｔ６は０．５〜１．５ｍｍに設定される。一方、アウタパネル３６はアルミニウムからなり、肉厚は１〜１．５ｍｍに設定されるのが一般的である。すなわち、第１層３８と第２層４０の肉厚Ｔ４、Ｔ５は、一般的には１〜１．５ｍｍである。

積層部３０は、アウタパネル３６の端部を、該端部でインナパネル３２の端部を囲繞するように折曲する、いわゆるヘミング加工を行うことによって形成される。

この積層部３０を摩擦撹拌接合によって一体化するための摩擦撹拌接合用工具２０としては、プローブ２４が上記と同様の条件を満足するものが選定される。すなわち、プローブ２４の直径Ｄ２は、貫通孔の直径Ｄ３に比して小さく設定される。また、長さＬ１は、第２層４０（最上層）の肉厚Ｔ５とインナパネル３２の肉厚Ｔ６との合計肉厚を超え、且つ積層部３０の肉厚未満であるものが選定される。換言すれば、プローブ２４としては、下記の条件式（３）、（４）を同時に満足するものが予め選定される。
Ｄ２＜Ｄ３ …（３）
Ｔ５＋Ｔ６＜Ｌ１＜Ｔ４＋Ｔ５＋Ｔ６ …（４）

Ｄ３は、例えば、Ｄ２＋２ｍｍに設定すればよい。また、Ｌ１は、例えば、Ｔ４＋Ｔ５＋Ｔ６から０．５ｍｍを差し引いた程度とすればよい。

以降は、上記と同様の作業を行えばよい。すなわち、摩擦撹拌接合用工具２０を積層部１０から所定距離で離間する位置まで下降させた後に回転体２２を回転付勢し、この状態で、積層部３０の最上層（第２層４０）の上端面にプローブ２４を摺接させる。第２層４０の肉が軟化すると、図５に示すように、プローブ２４が第２層４０に埋没するとともに、軟化した第２層４０の肉がインナパネル３２の貫通孔３４に流入する。貫通孔３４に流入した第２層４０の肉の一部は、該貫通孔３４の内周壁に付着する。

その一方で、プローブ２４が貫通孔３４を通過し、該貫通孔３４に露呈した第１層３８（最下層）の上端面に到達する。これに伴い、貫通孔３４に流入した第２層４０の肉の一部が第１層３８の上端面に到達する。

その後、上記と同様に、回転動作するプローブ２４によって第１層３８の上端面の肉と、該上端面に到達した第２層４０の肉とが一体的に撹拌混合される。換言すれば、双方の肉が塑性流動される。

所定時間が経過した後、図６に示すように、摩擦撹拌接合用工具２０を上方に変位させて、プローブ２４を積層部３０から離間させる。塑性流動した肉が自然冷却によって硬化すれば、第２層４０の肉が貫通孔３４の内周壁に接合するとともに、一体的に撹拌混合された第１層３８の肉と接合し、これにより積層部３０が接合されるに至る。この場合、第１層３８側を視認可能な外面とすればよい。バリ２８が形成された場合、仕上げ加工を施して該バリ２８を切削除去すればよい。

勿論、この場合においても、積層部１０を接合する場合と同一の効果が得られる。複数層のインナパネル３２を積層してもよいことはいうまでもない。

そして、十分な強度が確保される寸法であれば、インナパネル３２の材質を、アウタパネル３６と同様にアルミニウムとしてもよい。

なお、上記した実施の形態のいずれにおいても、貫通孔１８、３４が真円形状である必要は特になく、該貫通孔１８、３４にプローブ２４が挿入された際に遊びが生じる寸法であれば、楕円形状であってもよいし、多角形形状であってもよい。

また、Ｌ１が上記条件式（２）を満足する必要は特にない。この場合においても、第１ワーク１２と第２ワーク１４とを接合することができる。

積層部の縦断面と、摩擦撹拌接合用工具の要部とを示す一部縦断面説明図である。図１の積層部に摩擦撹拌接合用工具のプローブが埋没した状態を示す一部縦断面拡大図である。本実施の形態に係る摩擦撹拌方法によって接合された積層部を示す一部縦断面拡大図である。別形態の積層部の縦断面と、摩擦撹拌接合用工具の要部とを示す一部縦断面拡大図である。図４の積層部に摩擦撹拌接合用工具のプローブが埋没した状態を示す一部縦断面拡大図である。本実施の形態に係る摩擦撹拌方法によって接合された積層部を示す一部縦断面拡大図である。

符号の説明

１０、３０…積層部１２…第１ワーク（第１層）
１４…第２ワーク（第２層）１６…有孔ワーク
１８、３４…貫通孔２０…摩擦撹拌接合用工具
２４…プローブ３２…インナパネル（有孔ワーク）
３６…アウタパネル３８…第１層
４０…第２層Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３…直径
Ｌ１…長さ
Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４、Ｔ５、Ｔ６…肉厚

Claims

貫通孔が設けられた有孔ワークが第１層と第２層との間に少なくとも１つ介装されることによって形成された積層部を摩擦撹拌接合する摩擦撹拌接合方法であって、
前記貫通孔に挿入された際に遊びが生じる寸法のプローブを有する摩擦撹拌接合用工具を使用し、
前記第１層及び前記第２層として、部材を折曲させることによって互いに離間して対向した部位同士を用いるとともに、離間した前記部位同士の間に前記有孔ワークを挿入し、
最上の前記第２層から埋没した前記プローブを、前記貫通孔を通過させて、最下の前記第１層における該貫通孔に露呈した側の端面まで到達させ、
前記プローブの回転動作によって前記第２層の肉を塑性流動させ、該肉を、前記第１層における前記貫通孔に露呈した側の端面の肉と接合することを特徴とする摩擦撹拌接合方法。
貫通孔が設けられた有孔ワークが第１層と第２層との間に少なくとも１つ介装されることによって形成された積層部を摩擦撹拌接合する摩擦撹拌接合方法であって、
前記有孔ワークとして、前記第１層及び前記第２層を構成するワークとは異種金属からなるものを選定して前記第１層と前記第２層の間に介装し、
前記貫通孔に挿入された際に遊びが生じる寸法のプローブを有する摩擦撹拌接合用工具を使用し、
最上の前記第２層から埋没した前記プローブを、前記貫通孔を通過させて、最下の前記第１層における該貫通孔に露呈した側の端面まで到達させ、
前記プローブの回転動作によって前記第２層の肉を塑性流動させ、該肉を、前記第１層における前記貫通孔に露呈した側の端面の肉と接合することを特徴とする摩擦撹拌接合方法。