JP4861656B2 - 摩擦攪拌接合方法および中空体の製造方法 - Google Patents

摩擦攪拌接合方法および中空体の製造方法 Download PDF

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Description

この発明は、各種産業において利用される金属製品を製造するための摩擦攪拌接合方法、および中空体の製造方法に関する。
この明細書および特許請求の範囲において、「アルミニウム」という用語には、純アルミニウムの他にアルミニウム合金を含むものとする。
摩擦攪拌接合方法は固相接合方法であることから、ＴＩＧやＭＩＧなどのアーク溶接法に比較して熱歪みによる変形や割れが生じにくいという利点がある。また、アルミニウムなどの軽金属からなる被接合材を溶け込み深さが５ｍｍ以上となるように接合するには、アーク溶接法では多層溶接する必要があって工程数が増えるとともに、ブローホール欠陥や高温割れが発生して接合品質が低下するという問題がある。また、電子ビーム溶接法によれば、溶け込み深さが５ｍｍ以上であっても１パスで接合可能であるが、真空中で行う必要があるため装置コストが高くなり、しかもビーム径が小さいために開先の寸法精度や位置決め精度を高めなければならず、その作業が面倒である。これに対し、摩擦攪拌接合方法は、接合深さが２５ｍｍ程度までは容易に１パスで接合することができ、アーク溶接で述べたような欠陥が発生することはなく、また溶加材やシールドガスなどの消耗品も使用しないので実施コストが安価になる。
しかしながら、摩擦攪拌接合方法においても、接合長さが長い場合や、接合深さが深い場合や、被接合材の変形抵抗が大きい場合などには、接合時に発生する摩擦熱量が著しく多くなる。したがって、接合に要する時間が長い場合や、変形抵抗の大きい材質からなる被接合材を接合する場合や、熱の溜まりやすい形状の被接合材を接合する場合などには、接合開始部と接合終了部の温度差が大きくなり、接合部の長さ方向に関して接合品質に大きな差が生じるという問題がある。
このような問題を解決した摩擦攪拌接合方法として、摩擦攪拌接合工具の両側に、摩擦攪拌接合工具と同期して移動する冷却手段を配置し、摩擦攪拌接合時に、摩擦攪拌接合工具のプローブと冷却手段を移動させながら、プローブの進行方向前側部分および進行方向後側部分に、冷却手段から冷却媒体を噴霧するとともに、この噴霧量を制御装置により制御する方法が提案されている（特許文献１参照）。
しかしながら、特許文献１記載の方法では、冷却手段を摩擦攪拌接合工具と同期して移動させる必要があるとともに、冷却手段からの冷却媒体の噴霧量を制御装置により制御する必要があり、この方法を実施するための装置のコストが高くなるという問題がある。また、プローブの進行方向前側部分にも冷却媒体を噴霧しているので、冷却媒体が未だ接合されていない被接合材の界面に侵入し、この状態で接合されるおそれがあるので、接合品質が低下することがある。
特開２００４−１４８３５０号公報
この発明の目的は、上記問題を解決し、特許文献１記載の方法に比較して、実施のためのコストが安価になる摩擦攪拌接合方法および中空体の製造方法を提供することにある。
本発明は、上記目的を達成するために以下の態様からなる。
1)２つの金属製被接合材の接合予定部位に摩擦攪拌接合用工具のプローブを埋入し、プローブを回転させつつプローブと両被接合材とを相対的に移動させることにより、プローブを両被接合材の接合予定部位に沿って移動させて両被接合材を摩擦攪拌接合する方法であって、
少なくともいずれか一方の被接合材におけるプローブ埋入側の表面に、摩擦攪拌接合中に潜熱を奪う冷却媒体を保持しておき、この状態で両被接合材を摩擦攪拌接合することを含み、冷却媒体を保持すべき被接合材を押さえるクランプ部材に、冷却媒体収容凹部を有する保持部を形成し、クランプ部材の保持部の冷却媒体収容凹部内に冷却媒体を入れておくことを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
2)両被接合材の熱容量が異なっており、両被接合材のうちの少なくとも熱容量が小さい被接合材側の表面に、冷却媒体を保持しておく上記1)記載の摩擦攪拌接合方法。
3)両被接合材の高温変形抵抗が異なっており、両被接合材のうちの少なくとも高温変形抵抗の大きい被接合材側の表面に、冷却媒体を保持しておく上記1)記載の摩擦攪拌接合方法。
4)被接合材がアルミニウムからなる上記1)〜3)のうちのいずれかに記載の摩擦攪拌接合方法。
5)凹所を有するベースと、凹所内に嵌め入れられかつ凹所の開口を塞ぐ蓋とを用意し、凹所の内周面における高さの中間部に、蓋の周縁部を受ける段部を形成しておき、蓋を凹所内に嵌め入れて段部上に乗せた後、ベースにおける凹所の開口周縁部と蓋の周縁部とに跨るように外側から摩擦攪拌接合用工具のプローブを埋入し、ついでベースおよび蓋とプローブとを相対的に移動させることによって、プローブを凹所の開口周縁部と蓋の周縁部の全周にわたって移動させ、ベースと蓋とを摩擦攪拌接合する中空体の製造方法であって、
蓋の外面に、摩擦攪拌接合中に潜熱を奪う冷却媒体を保持しておき、この状態でベースと蓋とを摩擦攪拌接合することを含み、蓋を押さえるクランプ部材に、冷却媒体収容凹部を有する保持部を形成し、クランプ部材の保持部の冷却媒体収容凹部内に冷却媒体を入れておくことを特徴とする中空体の製造方法。
6)ベースおよび蓋がアルミニウムからなる上記5)記載の中空体の製造方法。
7)ベースの凹所の開口および蓋が円形である上記5)または6)記載の中空体の製造方法。
上記1)〜4)の方法によれば、接合時に発生する摩擦熱は、保持されている冷却媒体に潜熱として奪われるので、接合に要する時間が長い場合や、変形抵抗の大きい材質からなる被接合材を接合する場合や、熱の溜まりやすい形状の被接合材を接合する場合などにも、接合開始部と接合終了部の温度差が大きくなることが抑制されるとともに、接合部の長さ方向に関して接合品質に大きな差が生じることが抑制される。また、接合終了部における著しい温度上昇が抑制されるので、接合終了部での欠陥の発生が防止される。したがって、接合部の全体にわたって所定の接合強度を確保することができるとともに、接合ビードの外観が安定する。しかも、接合予定部位の全長にわたって冷却媒体を保持しておくだけでよいので、特許文献１記載の方法のように、冷却手段を移動させる手段や制御装置を必要とせず、実施のためのコストが安くなる。さらに、冷却媒体が未だ接合されていない被接合材の界面に侵入することが防止されるので、接合品質の低下が抑制される。
また、上記1)の方法によれば、被接合材毎に保持部を形成しておく必要がなく、多くの被接合材に適用することが可能になる。
上記2)の方法によれば、次の効果を奏する。すなわち、熱容量の小さい被接合材の場合には、摩擦熱の入熱による温度上昇が著しくなるので、接合開始部と接合終了部の温度差が著しく大きくなり、接合部の長さ方向に関して接合品質に大きな差が生じるとともに、温度が大きく上昇する接合終了部において欠陥が発生しやすい。ところが、熱容量が小さい被接合材側の表面に、冷却媒体を保持しておくと、このような問題の発生が防止される。
上記3)の方法によれば、次の効果を奏する。すなわち、高温変形抵抗の大きい被接合材の場合には、発生する摩擦熱量が多くなって温度上昇が著しくなるので、接合開始部と接合終了部の温度差が著しく大きくなり、接合部の長さ方向に関して接合品質に大きな差が生じるとともに、温度が大きく上昇する接合終了部において欠陥が発生しやすい。ところが、高温変形抵抗が大きい被接合材側の表面に、冷却媒体を保持しておくと、このような問題の発生が防止される。
上記5)の方法によれば、接合時に発生する摩擦熱は、蓋に保持されている冷却媒体に潜熱として奪われるので、接合に要する時間が長い場合や、変形抵抗の大きい材質からなるベースや蓋を接合する場合などにも、接合開始部と接合終了部の温度差が大きくなることが抑制されるとともに、接合部の長さ方向に関して接合品質に大きな差が生じることが抑制される。また、接合終了部における著しい温度上昇が抑制されるので、接合終了部での欠陥の発生が防止される。したがって、製造された中空体においては、蓋とベースとの接合部の全体にわたって所定の接合強度を確保することができるとともに、接合ビードの外観が安定する。しかも、蓋に冷却媒体を保持しておくだけでよいので、特許文献１記載の方法のように、冷却手段を移動させる手段や制御装置を必要とせず、実施のためのコストが安くなる。さらに、冷却媒体が未だ接合されていない蓋とベースの界面に侵入することが防止されるので、接合品質の低下が抑制される。
また、上記5)の方法によれば、中空体を構成する蓋毎に保持部を形成しておく必要がなくなる。
以下、この発明の実施形態を、図面を参照して説明する。なお、全図面を通じて同一部分および同一物には同一符号を付して重複する説明を省略する。
実施形態１
この実施形態は図１〜図３に示すものであり、凹所を有するベースと、凹所内に嵌め入れられかつ凹所の開口を塞ぐ蓋とよりなる中空体を製造する方法である。
まず、内周面が円形である凹所(2)を有するベース(1)と、凹所(2)内に嵌め入れられかつ凹所(2)の開口を閉鎖する円板状の蓋(3)とを用意する。ベース(1)の凹所(2)内周面における底側の部分に、蓋(3)の周縁部を支持する段部(4)を形成しておく。蓋(3)の肉厚は凹所(2)全体の深さよりも小さくかつ凹所(2)における段部(4)よりも上方の部分の深さと等しくしておく。蓋(3)の直径は、凹所(2)における段部(4)よりも上方の部分の内径と等しいか、あるいはこれよりも若干小さくなっている。ベース(1)よりも熱容量の小さい蓋(3)の上面には、内部が冷却媒体収容凹部(6)となされた円筒状の冷却媒体保持部(5)が、蓋(3)と同心状となるように一体に形成されている。
ベース(1)および蓋(3)は、それぞれ、たとえばJIS Ａ２０００系合金、JIS Ａ５０００系合金、JIS Ａ６０００系合金およびJIS Ａ７０００系合金のうちのいずれかにより形成されている。ベース(1)および蓋(3)は同じ材料で形成されていてもよいし、あるいは異なる材料で形成されていてもよい。
ついで、蓋(3)を凹所(2)内に嵌め入れてその周縁部を段部(4)に支持させることにより、ベース(1)における凹所(2)の周囲の部分の上面と蓋(3)の上面とを同一面内に位置させる（図１参照）。ここで、ベース(1)の凹所(2)における段部(4)よりも上方の部分の内周面と、蓋(3)の外周面とが近接した部分が、円周状の接合予定部位となる。
そして、蓋(3)の保持部(5)の冷却媒体収容凹部(6)内に、水、エタノール、液体窒素などの液相の冷却媒体を入れ、摩擦攪拌接合用工具(7)を用いてベース(1)と蓋(3)とを摩擦攪拌接合する。液相の冷却媒体は、相変化の際に潜熱を奪うことによりベース(1)および蓋(3)を冷却する。
摩擦攪拌接合用工具(7)は、先端部にテーパ部を介して小径部(8a)が同軸上に一体に形成された円柱状回転子(8)と、回転子(8)の小径部(8a)の端面に小径部(8a)と同軸上に一体に形成されかつ小径部(8a)よりも小径であるピン状プローブ(9)とを備えている。回転子(8)およびプローブ(9)は、ベース(1)および蓋(3)よりも硬質でかつ接合時に発生する摩擦熱に耐えうる耐熱性を有する材料で形成されている。
ついで、摩擦攪拌接合用工具(7)の回転子(8)およびプローブ(9)を回転させながら、上記接合予定部位における周方向の１箇所に、ベース(1)における凹所(2)の開口周縁部と蓋(3)の周縁部とに跨るように外側から摩擦攪拌接合用工具(7)のプローブ(9)を埋入するとともに、工具(7)における小径部(8a)とプローブ(9)との間の肩部(8b)を、ベース(1)および蓋(3)の上面に押し付ける（図２参照）。
ついで、回転子(8)およびプローブ(9)を回転させながら、ベース(1)および蓋(3)と摩擦攪拌接合用工具(7)とを相対的に移動させることによって、プローブ(9)を上記接合予定部位の周方向に移動させる。
すると、プローブ(9)の回転により発生する摩擦熱と、ベース(1)および蓋(3)と肩部(8b)との摺動により発生する摩擦熱とによって、上記接合予定部位の近傍においてベース(1)および蓋(3)の母材となる金属は軟化するとともに、この軟化部がプローブ(9)の回転力を受けて攪拌混合され、さらにこの軟化部がプローブ(9)通過溝を埋めるように塑性流動した後、摩擦熱を失って冷却固化するという現象が、プローブ(9)の移動に伴って繰り返されることにより、ベース(1)と蓋(3)とが接合されていく。接合ビードを(10)で示す（図３参照）。
このとき、液相の冷却媒体が潜熱を奪って気化するので、上記摩擦熱が奪われ、ベース(1)および蓋(3)、特にベース(1)に比べて熱容量の小さい蓋(3)の著しい温度上昇が抑制される。
そして、プローブ(9)が上記接合予定部位の全周にわたって移動したときに、ベース(1)における凹所(2)の開口周縁部と蓋(3)の周縁部とが全周にわたって接合される。ついで、プローブ(9)が埋入位置に戻った後、好ましくは埋入位置を通過した後に、プローブを上記接合予定部位の接線方向に直線的に移動させ、ベースの外周に配置した当て部材（図示略）までプローブを移動させ、ここでプローブ(9)を引き抜く。こうして、ベース(1)と蓋(3)とが摩擦攪拌接合され、中空体が製造される。
なお、図示は省略したが、摩擦攪拌接合の際には、ベース(1)および蓋(3)は適当なクランプ部材によりクランプされる。
次に、実施形態１の方法の具体的実験例について、比較例とともに説明する。
実験例
JIS Ａ２０１４−Ｔ６からなるベース(1)および蓋(3)を用意した。ベース(1)の外径(D1)：２００ｍｍ、肉厚(T1)：３０ｍｍ、凹所(2)における段部(4)よりも上方の部分の内径(D2)（＝蓋(3)の直径）：１００ｍｍ、蓋(3)の肉厚(T2)（＝凹所(2)における段部(4)よりも上方の部分の深さ）：１０ｍｍ、保持部(5)の高さ(H)：５０ｍｍ、保持部(5)の内径(D3)：５０ｍｍ、保持部(5)の外径(D4)：７０ｍｍである。
また、摩擦攪拌接合用工具(7)として、回転子(8)の小径部(8a)端面における肩部(8b)の直径(d1)：２０ｍｍ、プローブ(9)の直径(d2)：９ｍｍ、プローブ(9)の長さ(l)：１０ｍｍのものを用意した。
そして、保持部(5)の冷却媒体収容凹部(6)内に、常温の水を深さ３０ｍｍとなるように入れておき、プローブ回転数：５００ｒｐｍ、プローブ進行速度：２０mm/分として、上記接合予定部位を３６０度にわたって摩擦攪拌接合した後、プローブ(9)を接合部の接線方向に６０ｍｍ直線移動させて引き抜いた。
比較例
保持部を持たない蓋を使用した他は、上記実験例と同様にしてベースと蓋とを摩擦攪拌接合した。
評価試験
上述した摩擦攪拌接合の間に、接合開始点からプローブ進行方向に５度進んだ位置にある第１点、および接合終了開始点からプローブ進行方向に３５５度進んだ位置にある第２点において、上記接合予定部位から内外両側にそれぞれ１５ｍｍ離れた箇所における表面から２ｍｍの深さ位置の温度を、熱電対を用いて測定した。その最高到達温度を表１に示す。表１から、実験例においては、比較例に比べて、接合予定部位の内外両側における第１点と第２点での温度差が少なく、かつ接合予定部位の内外両側における第１点と第２点での最高到達温度も低いことが分かる。
Figure 0004861656
また、接合部の断面を観察した結果、実験例の場合には接合部の全周にわたって欠陥は見出されなかったのに対し、比較例においては第２点において欠陥が見出された。
実施形態２
この実施形態は図４に示すものであり、凹所を有するベースと、凹所内に嵌め入れられかつ凹所の開口を塞ぐ蓋とよりなる中空体を製造する方法である。
実施形態２においては、蓋(3)の上面には保持部(5)は形成されていない。また、摩擦攪拌接合時には、ベース(1)をターンテーブル(20)上に乗せ、ターンテーブル(20)に設けられた複数のベース用クランプ部材(21)によりベース(1)をターンテーブル(20)上に固定する。さらに、蓋(3)はターンテーブル(20)とは別個に設けられた蓋用クランプ部材(22)によりベース(1)に固定しておく。
そして、蓋用クランプ部材(22)に、有底状の冷却媒体収容凹部(24)を有する保持部(23)を設けておき、保持部(23)の冷却媒体収容凹部(24)内に液相の冷却媒体を入れた状態で、実施形態１の場合と同様にして、ベース(1)と蓋(3)とを摩擦攪拌接合する。
その他の構成は、実施形態１の中空体の製造方法と同じである。
なお、実施形態２において、蓋用クランプ部材(22)の先端部に上下方向の貫通穴を形成しておき、この貫通穴を冷却媒体収容凹部(24)としてもよい。この場合、液相の冷却媒体が冷却媒体収容凹部(24)から洩れることがあるが、冷却媒体が潜熱を奪って気化するので、特に問題はない。
実施形態３
この実施形態は図５に示すものであり、２つの板状被接合材を摩擦攪拌接合する方法である。
まず、肉厚の等しい２つの板状被接合材(30)を用意する。両被接合材(30)は、それぞれ、たとえばJIS Ａ２０００系合金、JIS Ａ５０００系合金、JIS Ａ６０００系合金およびJIS Ａ７０００系合金のうちのいずれかにより形成されている。両被接合材(30)は同じ材料で形成されていてもよいし、あるいは異なる材料で形成されていてもよい。
ついで、両被接合材(30)を側縁部どうしが当接するように配置し、両被接合材(30)における当接部分の近傍を、それぞれ当接部分のほぼ全長にわたってクランプ部材(31)により固定する。ここで、両被接合材(30)の側縁部どうしが当接した部分が、直線状の接合予定部位となる。クランプ部材(31)には、冷却媒体収容凹部(33)を有する保持部(32)を設けておく。
そして、クランプ部材(31)の保持部(32)の冷却媒体収容凹部(33)内に、水、エタノール、液体窒素などの液相の冷却媒体を入れる。
ついで、摩擦攪拌接合用工具(7)の回転子(8)およびプローブ(9)を回転させながら、両被接合材(30)の側縁部どうしが当接している上記接合予定部位における長さ方向の一端部に、両被接合材(30)に跨るように上側から摩擦攪拌接合用工具(7)のプローブ(9)を埋入するとともに、工具(7)における小径部(8a)とプローブ(9)との間の肩部(8b)を、両被接合材(30)の上面に押し付ける。
ついで、回転子(8)およびプローブ(9)を回転させながら、両被接合材(30)と摩擦攪拌接合用工具(7)とを相対的に移動させることによって、プローブ(9)を上記接合予定部位の長さ方向に移動させる。
すると、プローブ(9)の回転により発生する摩擦熱と、両被接合材(30)と肩部(8b)との摺動により発生する摩擦熱とによって、上記接合予定部位の近傍において両被接合材(30)の母材となる金属は軟化するとともに、この軟化部がプローブ(9)の回転力を受けて攪拌混合され、さらにこの軟化部がプローブ(9)通過溝を埋めるように塑性流動した後、摩擦熱を失って冷却固化するという現象が、プローブ(9)の移動に伴って繰り返されることにより、両被接合材(30)が接合されていく。
このとき、液相の冷却媒体が潜熱を奪って気化するので、上記摩擦熱が奪われ、両被接合材(30)の著しい温度上昇が抑制される。
そして、プローブ(9)が上記接合予定部位の全長にわたって移動したときに両被接合材(30)の側縁部どうしが全長にわたって接合される。ついで、両被接合材(30)の接合予定部位の終端部に配置した当て部材（図示略）までプローブ(9)を移動させ、ここでプローブ(9)を引き抜く。こうして、両被接合材(30)が摩擦攪拌接合される。
上記実施形態３においては、両被接合材(30)を固定するクランプ部材(31)にそれぞれ冷却媒体収容凹部(33)を有する保持部(32)が形成されているが、これに限定されるものではなく、両被接合材(30)のうちいずれか一方の被接合材の高温変形抵抗が大きい場合、または熱容量が小さい場合には、その被接合材を固定するクランプ部材(31)だけに冷却媒体収容凹部(33)を有する保持部(32)を設けておいてもよい。また、両被接合材(30)のうちいずれか一方の被接合材の高温変形抵抗が大きい場合、または熱容量が小さい場合には、その被接合材に冷却媒体収容凹部を有する保持部を一体に形成しておいてもよい。
上記３つの実施形態においては、液相の冷却媒体が用いられているが、これに代えて、氷、ドライアイスなどの固相の冷却媒体を用いてもよい。
上記３つの実施形態において、使用する冷却媒体の量は試験的に求められる。すなわち、摩擦攪拌接合の終了時点においても、無くならないような冷却媒体の量を試験的に求めておく。
この発明の実施形態１の中空体の製造方法における工程の一部分を示す垂直断面図である。 この発明の実施形態１の中空体の製造方法における工程の他の一部分を示す部分拡大垂直断面図である。 この発明の実施形態１の中空体の製造方法における工程のさらに他の一部分を示す垂直断面図である。 この発明の実施形態２の中空体の製造方法における工程の一部分を示す垂直断面図である。 この発明の実施形態３の被接合材の摩擦攪拌接合方法における工程の一部分を示す斜視図である。
(1)：ベース
(2)：凹所
(3)：蓋
(4)：段部
(5)：保持部
(6)：冷却媒体収容凹部
(7)：摩擦攪拌接合用工具
(9)：プローブ
(22)：蓋用クランプ部材
(23)：保持部
(24)：冷却媒体収容凹部
(30)：板状被接合材
(31)：クランプ部材
(32)：保持部
(33)：冷却媒体収容凹部

Claims (7)

  1. ２つの金属製被接合材の接合予定部位に摩擦攪拌接合用工具のプローブを埋入し、プローブを回転させつつプローブと両被接合材とを相対的に移動させることにより、プローブを両被接合材の接合予定部位に沿って移動させて両被接合材を摩擦攪拌接合する方法であって、
    少なくともいずれか一方の被接合材におけるプローブ埋入側の表面に、摩擦攪拌接合中に潜熱を奪う冷却媒体を保持しておき、この状態で両被接合材を摩擦攪拌接合することを含み、冷却媒体を保持すべき被接合材を押さえるクランプ部材に、冷却媒体収容凹部を有する保持部を形成し、クランプ部材の保持部の冷却媒体収容凹部内に冷却媒体を入れておくことを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
  2. 両被接合材の熱容量が異なっており、両被接合材のうちの少なくとも熱容量が小さい被接合材側の表面に、冷却媒体を保持しておく請求項１記載の摩擦攪拌接合方法。
  3. 両被接合材の高温変形抵抗が異なっており、両被接合材のうちの少なくとも高温変形抵抗の大きい被接合材側の表面に、冷却媒体を保持しておく請求項１記載の摩擦攪拌接合方法。
  4. 被接合材がアルミニウムからなる請求項１〜３のうちのいずれかに記載の摩擦攪拌接合方法。
  5. 凹所を有するベースと、凹所内に嵌め入れられかつ凹所の開口を塞ぐ蓋とを用意し、凹所の内周面における高さの中間部に、蓋の周縁部を受ける段部を形成しておき、蓋を凹所内に嵌め入れて段部上に乗せた後、ベースにおける凹所の開口周縁部と蓋の周縁部とに跨るように外側から摩擦攪拌接合用工具のプローブを埋入し、ついでベースおよび蓋とプローブとを相対的に移動させることによって、プローブを凹所の開口周縁部と蓋の周縁部の全周にわたって移動させ、ベースと蓋とを摩擦攪拌接合する中空体の製造方法であって、
    蓋の外面に、摩擦攪拌接合中に潜熱を奪う冷却媒体を保持しておき、この状態でベースと蓋とを摩擦攪拌接合することを含み、蓋を押さえるクランプ部材に、冷却媒体収容凹部を有する保持部を形成し、クランプ部材の保持部の冷却媒体収容凹部内に冷却媒体を入れておくことを特徴とする中空体の製造方法。
  6. ベースおよび蓋がアルミニウムからなる請求項５記載の中空体の製造方法。
  7. ベースの凹所の開口および蓋が円形である請求項５または６記載の中空体の製造方法。
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