JP5187712B2 - 接合方法 - Google Patents

Description

本発明は、摩擦攪拌接合を利用した接合方法に関し、詳しくはアルミニウムなどからなる被接合部材を摩擦攪拌接合して接合部を形成し、この接合部に対して、他の被接合部材を溶融溶接する際や、この接合部の溶接欠陥を溶融溶接して補修する際に、ブローホールの発生を低減させるようにしたものに関する。

摩擦攪拌接合（Friction Stir Welding）は、例えば特開２０００−３０１３６３号公報に記載のように、先端に突起のある円筒状のプローブを回転させながら、母材間の接合面に強い力で押し付け、これにより生じる摩擦熱により母材を軟化させるとともに、プローブを貫入させ、プローブの回転力によって接合部周辺を塑性流動させて練り混ぜることにより母材を一体化させる接合技術である。

摩擦攪拌接合によって接合可能な母材は、一般に軟化温度が比較的低い軽金属であり、アルミニウム合金では、非熱処理型アルミニウム合金の1000系、5000系だけではなく、難接合材の熱処理型アルミニウム合金の2000系、6000系、7000系、鋳造材のADC12も接合可能である。アルミニウムは線膨張係数が大きいため、溶接により歪が生じ変形が大きくなるが、摩擦攪拌接合では必要以上の熱がかかることが無いため歪が少ないという優れた特徴を有する。

アルミニウム以外にもマグネシウム合金のAZ31、AZ61、チタンとその合金、銅と その合金、ニッケルとその合金、軟鋼、鉛、鉄鋼材料、プラスチックでも接合が可能である。このように、摩擦攪拌接合では、適用母材の範囲、プローブ形状、プローブ材質等の改良が適宜行われている。

摩擦攪拌接合は、歪の発生を抑えて接合ができるため、軽量化を目的とし、列車の車両、旅客機のボディに適用されている。
しかしながら、本接合では母材間の接合面に沿ってツールを押し付ける必要があるため、直線的な接合部に適用され、複雑な形状には不適な接合方法である。また接合部の始端、終端にはツールのプローブの形状による凹部が残るため、始端、終端は製品外に設ける必要があり、細かい接合には不適である。またツールを母材に荷重２００ｋｇから５０００ｋｇ程度で押し付けることから、母材をしっかりと固定する必要もあり、摩擦攪拌接合は接合工程の初期に、例えば板材を長手方向に接合する場合などに、有効に利用されている。

ところで、車両のボディ等を製造するに当たり、摩擦攪拌接合以降の工程において、摩擦攪拌接合によって形成された接合部に対して、ブラケット、ハンドルなど各種別部材を取り付ける必要がある。この取付けには摩擦攪拌接合を用いることができないので、ＴＩＧ溶接などの溶接による接合が行われる。
さらに摩擦攪拌接合を行った箇所に不具合があった場合、ＴＩＧ溶接等による補修が行われている。

しかしながら、摩擦攪拌接合による接合部に適宜別部材を取り付ける際、また摩擦攪拌接合の箇所を補修する際に摩擦攪拌接合によって形成された接合部にＴＩＧ溶接などの溶融溶接を行うと、ブローホールが生じ、この部分の強度が弱くなる問題がある。

摩擦攪拌接合を行う際、プローブなどの攪拌部が水分などの大気に含まれる成分を溶融金属中に巻き込むこと、また攪拌部がルート面、ショルダー接触面に形成された酸化皮膜を巻き込むことにより、水和物、酸化物が発生し、強度的に弱くなる問題が生じることが、本発明者等の検討により判明した。
特開２０００−３０１３６３号公報

よって、本発明における課題は、摩擦攪拌接合によって形成された接合部に対してその後に溶融溶接または抵抗溶接を行う際に、該接合部でのブローホールの発生を抑えることにある。

かかる課題を解決するため、
請求項１にかかる発明は、不活性シールドガスを流しつつ被接合部材を摩擦攪拌接合して接合部を形成した後、この接合部に対して音波を印加することで、前記摩擦攪拌接合の際に混入した不純物を脱気させつつ溶融溶接または抵抗溶接することを特徴とする接合方法である。

請求項２にかかる発明は、前記音波の周波数を１〜３０ｋＨｚとすることを特徴とする請求項１に記載の接合方法である。

請求項３にかかる発明は、周波数１ｋＨｚ〜３０ｋＨｚの高周波が変調された高周波電流を印加することで、溶接電流波形として１ｋＨｚ〜３０ｋＨｚの高周波を出力し、前記接合部に前記音波を印加することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の接合方法である。

請求項４にかかる発明は、前記音波の周波数を１５〜２０ｋＨｚとすることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の接合方法である。

請求項５にかかる発明は、被接合部材がアルミニウム，アルミニウム合金，マグネシウム，マグネシウム合金，ニッケル，ニッケル合金，チタン，チタン合金，銅，銅合金，鉛または鉄鋼材料であることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の接合方法である。

本発明にあっては、摩擦攪拌接合の際に不活性ガスを用いて接合部をシールドすることにより、溶融金属中に水分などの大気に含まれる成分が巻き込まれなくなり、かつ溶融金属が酸化されないので、酸化皮膜が同様に溶融金属中に持ち込まれることがなくなり、ブローホールの原因となるものが生じなくなって、その後ＴＩＧ溶接などの溶融溶接，または抵抗溶接を行ってもブローホールが少ない接合部とすることができ、接合部の強度の低下を抑えることができる。

また、ＴＩＧ溶接などの溶融溶接時に音波を印加することにより、音波振動によりキャビテーションを溶融初期から強制的に発生させて、溶融部から気体を脱気させることにより、通常の溶融溶接での溶解度の差により凝固直前に発生するブローホールの発生原因を先に取り除くことが可能であることから、最終的に残存するブローホールを軽減することができ、ブローホールの少ない接合部とすることができ、接合部本来の強度を得ることができる。

（実施形態１）
図１は、本発明における摩擦攪拌接合に用いられる装置の一例を示すものである。
この例の装置は、ツールと称する円柱状の回転子１と、この回転子１の底面の中心部に突設された小径の円柱状のプローブ２と、上記回転子１の下部を覆うカバー３と、このカバー３内の空間にシールドガスを供給するシールドガスパイプ４とから概略構成されている。
また、回転子１の上部には図示しない加圧回転駆動部が設けられており、回転子１全体を下方に押し下げるとともに回転子１を回転させるようになっている。
また、図中符号ＡおよびＢは、板状の被接合部材を示し、これら被接合部材Ａ、Ｂは、その端面が密着された状態で固定され、密着された端面間が接合部位となっている。
さらに、上記プローブ２は、回転、加圧されることで、接合部位の接合面を摩擦により攪拌し被接合部材Ａ、Ｂを接合するものである。その際、プローブ２が設けられている回転子１の段部（ショルダー）が、接合部位の攪拌部に接触することになる。

この装置を用いて、被接合部材Ａ、Ｂを接合して接合部Ｃを形成するには、上記接合部位の上にプローブ２を位置させ、この状態で回転子１を加圧、回転させ、プローブ２を上記接合部位に圧入させ、回転させると同時にシールドガスパイプ４から不活性シールドガスをカバー３内の空間に供給してこの空間を不活性ガス雰囲気とする。
そして、回転子１を自転させつつ、上記接合部位に沿って徐徐に移動させることで、被接合部材Ａ、Ｂとが接合した接合部Ｃが形成される。

被接合部材Ａ、Ｂには、上述の非熱処理型アルミニウム合金の1000系、5000系、難接合材の熱処理型アルミニウム合金の2000系、6000系、7000系、鋳造材のADC12、マグネシウム合金のAZ31、AZ61、チタンとその合金、銅とその合金、ニッケルとその合金、鉄鋼材料、鉛などが用いられる。また被接合部材Ａ、Ｂとして同種材料間の他に異種材料間にも適用可能である。

また、回転子１の回転数は、２００〜３０００ｒｐｍ、荷重は５００〜５０００ｋｇ程度とされる。シールドガスには、アルゴン、ヘリウムなどの不活性ガスまたはこれら不活性ガスと窒素、乾燥空気などとの混合ガスが用いられ、その供給量は特に限定されないが、回転子１の下部付近の空間が実質的に不活性ガス雰囲気、すなわち酸素濃度が０．１体積％以下となるようにされる。
さらに、回転子１の移動速度は、０．５〜２２０ｃｍ／分程度される。

ついで、このようにして形成された接合部Ｃに対して、図２に示すような他の被接合部材Ｄを接合する。
図２に示した例は、接合部Ｃにクロスするようにして他の接合部材としてのブラケットＤを立設して、これを被接合部材Ａ、Ｂおよび接合部Ｃに溶接接合するものを示している。

他の被接合部材Ｄとしては、その形状は特に限定されるものではなく、また、その接合形態としては、この例のように、被接合部材Ａ、Ｂおよび接合部Ｃに同時に溶接するものの以外に、接合部Ｃに他の被接合部材Ｄの一部または全部が溶接されるものであればよい。

この他の被接合材Ｄの溶接には、本形態では、通常のＴＩＧ溶接、ＭＩＧ溶接等のガスシールド溶接、電子ビ−ム溶接、レーザ溶接など、またこれらの組合せの溶融溶接がそのまま適用できる。また，スポット溶接、シーム溶接などの抵抗溶接が適用できる。
被接合材Ｄの材質としては、アルミニウムとその合金，マグネシウムとその合金，チタンとその合金、銅とその合金，ニッケルとその合金，鉄鋼材料および鉛などが用いられる。

この実施形態１では、不活性シールドガスを流しつつ被接合部材を摩擦攪拌接合して接合部を形成した後、この接合部に対して、他の被接合部材を溶融溶接するものであるので、摩擦攪拌接合の際に、溶融金属中に空気中の水分が巻き込まれなくなり、かつ溶融金属が酸化されないので、酸化皮膜が同様に溶融金属中に持ち込まれることがなくなり、ブローホールの原因となるものが生じなくなって、その後ＴＩＧ溶接などの溶融溶接を行ってもブローホールが少ない接合部とすることができ、接合部の強度の低下を抑えることができる。

以上の説明では、接合部Ｃに対して他の被接合部材Ｄを溶融溶接する形態を挙げたが、これに限られず、接合部Ｃに溶接欠陥がある場合に、これをＴＩＧ溶接などで補修する際の形態においても同様の操作を行って、ブローホールの発生を低下させることが可能である。

（実施形態２）
この実施形態での摩擦攪拌接合は、不活性シールドガスを流さずに、接合部の形成を空気に接した状態で行う。摩擦攪拌接合のための装置には、図１に示したものをそのまま転用することができ、シールドガスパイプ４からシールドガスを供給しないようにすればよい。
そして、次工程での他の被接合材Ｄの溶接には、超音波を溶接部位に印加または照射しつつ、ＴＩＧ溶接、ＭＩＧ溶接等のガスシールド溶接、電子ビ−ム溶接、レーザ溶接などの溶融溶接を行う方法が採用される。この溶融溶接の形態は、先の図２に示した実施形態１と同じである。

図３は、超音波を溶接部位に印加又は照射しつつＴＩＧ溶接を行うための溶接装置の一例を示すものである。この溶接装置は、交流電源部１１と、パルス幅変調（ＰＷＭ）を行うための波形制御部１２と、直流電源部１３を具備するもので、前記交流電源部１１は、商用交流電流を整流する整流器と、この整流器で得られた直流を交流に変換する高速ＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）からなるインバータと、高周波トランスから構成されている。交流電源部１１のインバータで発生した５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの交流電流に、波形制御部１２からの周波数１ｋＨｚ〜３０ｋＨｚの高周波が変調された高周波電流が、溶接トーチの電極１４に印加されるようになっている。なお、符号１５は上記接合部Ｃ（被接合部材）を示す。また、直流電源部１３からの直流電流が、溶接開始時のアークスタートの時のみに電極１４に印加されるようになっている。

この溶接装置では、溶接電流波形として１ｋＨｚ〜３０ｋＨｚの高周波が出力されることになり、溶接アークが重畳された１ｋＨｚ〜３０ｋＨｚの振動数でＯＮ−ＯＦＦされ、これによりアークが収縮、膨張を繰り返し、これに起因して溶融池に１ｋＨｚ〜３０ｋＨｚの超音波が加わるものと予想されるが、正確なメカニズムは現在不明である。

この溶接装置を用いたＴＩＧ溶接においては、アークスタート時に直流電源部１３からの直流電流を電極１４に印加し、被接合部材がアルミニウム材、マグネシウム材である場合にその表面に形成されている酸化皮膜を除去したのち、印加電流を高周波電流に切り替えて溶接を行う。その溶接条件は通常のＴＩＧ溶接と異なるところはなく、シールドガスとしてアルゴンガスなどの不活性ガスを用い、タングステン電極を用い、溶接電流５０ 〜６４０Ａとして行えばよい。ただし、溶接電流はやや低めでも十分な溶融池が形成される傾向がある。
超音波の周波数は、１ｋＨｚ〜３０ｋＨｚ、好ましくは１５〜２５ｋＨｚとされ、周波数１ｋＨｚ〜３０ｋＨｚの超音波を印加することで、後述の実施例からも明らかなように接合部でのブローホールの生成が少なくなることが確認されている。
なお、図３に示した溶接装置は、交流型であるが、被接合部材が鉄鋼材料である場合には、直流電源を用いたＴＩＧ溶接機からの直流電流にパルス幅変調を行って、高周波を重畳した直流電流を用い、これによりアークの強さを変化させて超音波を発生させるようにすることもできる。

この実施形態２では、ＴＩＧ溶接などの溶融溶接時に超音波を印加することで、図４に示すように、超音波振動によりキャビテーションを溶融初期から強制的に発生させて、溶融部から気体を脱気させることができる。これにより、通常の溶融溶接での溶解度の差により凝固直前に発生するブローホールの発生原因を先に取り除くことが可能であることから、最終的に残存するブローホールを軽減することができ、ブローホールの少ない接合部とすることができ、接合部本来の強度を得ることができる。

以上の説明においても、接合部Ｃに対して他の被接合部材Ｄを溶融溶接する形態を挙げたが、これに限られず、接合部Ｃに溶接欠陥がある場合に、これをＴＩＧ溶接などで補修する際の形態においても同様の超音波を印加する操作を行って、ブローホールの発生を低下させることが可能である。
また、超音波を印加する方法として図３に示した装置の他に、溶接部位に超音波振動子を当て、直接印加する方法でも、同様の効果を得ることができる。

（実施形態３）
実施形態３は、上述の実施形態１におけるシールドガスを流しつつ摩擦攪拌接合を行って接合部を形成した後、実施形態２における超音波を印加してＴＩＧ溶接などの溶融溶接を行って他の被接合部材を接合するものあるいは、接合部の欠陥を補修するものである。
よって、操作方法、作用効果は、実施形態１、２と同様であるので、詳しい説明は省略する。

以下、具体例を示す。
下記の条件で摩擦攪拌接合を行って、接合部を形成し、この接合部に対し、ＴＩＧ溶接を行い、接合部に発生するブローホールの確認を行った。
本実験では、摩擦攪拌接合により生じた水和物，酸化物に対し、ＴＩＧ溶接に伴い発生するブローホールが溶融金属から抜けてしまう可能性があるため、まず下向きにより摩擦攪拌接合を行い、その後、横向きによりＴＩＧ溶接を行った。その結果、摩擦攪拌接合により生じたブローホールは溶融金属の一方に上昇し、本発明の効果を確認できる。

試料：アルミニウム材：Ａ５０８３ （１００ｍｍ×５０ｍｍ×５ｍｍ）
≪摩擦攪拌接合の条件≫
回転速度：６００ｒｐｍ
移動速度：１００ｍｍ／ｍｉｎ
シールドガス：アルゴンガス／なし
シールドガス流量：５０リットル／ｍｉｎ
接合姿勢：下向き

≪ＴＩＧ溶接の条件≫
電 流 通常ＴＩＧ：１００Ａ
超音波ＴＩＧ：約７５Ａ（通常ＴＩＧと同様の溶融池幅を得る条件）
周波数 通常ＴＩＧ：６０Ｈｚ
超音波ＴＩＧ：２０ｋＨｚ
電極 ：タングステン＋２％ＴｈO₂
アーク長：３ｍｍ
シールドガス：アルゴンガス
シールドガス流量：１０リットル／ｍｉｎ
接合姿勢：横向き
溶接速度：１８０ｍｍ／ｍｉｎ

この実験では、摩擦攪拌接合によって形成された接合部に対して、他の被接合部材を溶接するのではなく、溶接部位の実験後の観察が容易に行えるように、単にＴＩＧ溶接で、ビードを接合部上に形成した（走らせた）ものを評価対象とした。
また、評価方法は、ＴＩＧ溶接後の接合部を、溶接方向と直交する方向に、薄片に切断し、その薄片の断面を撮影し、得られた画像中のブローホールの発生状況を観察する方法で行った。なお、図５ないし図９に示した７枚の写真は、切断位置がそれぞれ異なる薄片についてのものである。

実験１は、比較のために行ったものであり、従来一般に行われているＴＩＧ溶接によるものである。その結果を図５に示す。
実験２は、従来法である。摩擦攪拌接合の際にシールドガスを流さず、その後通常のＴＩＧ溶接を行ったものである。その結果を図６に示す。
実験３は、本発明の方法であり、摩擦攪拌接合の際にシールドガスとしてアルゴンガスを流し、その後、通常のＴＩＧ溶接を行ったものである。その結果を図７に示す。

実験４は、本発明の他の方法であり、摩擦攪拌接合の際にシールドガスを流さず、その後、超音波を印加してＴＩＧ溶接を行ったものである。その結果を図８に示す。
実験５は、本発明の更に他の方法であり、摩擦攪拌接合の際にシールドガスとしてアルゴンガスを流し、その後、超音波を印加してＴＩＧ溶接を行ったものである。その結果を図９に示す。

これらの写真画像中の真黒い点は、ブローホールを示す。
図５から通常のＴＩＧ溶接では、ほとんど黒い点は無く、ブローホールが存在しないことがわかる。
図６は、実験２の写真である。下向きで摩擦攪拌接合の際に混入した酸化物，水和物などの不純物が溶接金属中にほぼ均一に存在していたと思われる。その後の横向きＴＩＧ溶接により、ブローホールが発生し溶融金属の上側に集まり、ブローホール同士が融合し、より拡大化していることが判る。
図７は、実験３の断面写真である。本写真からブローホールは存在しているが、図６に比べ、ブローホールの大きさ、および数は少なく、摩擦攪拌接合の際にシールドガスを流す効果が現れている。これはシールドガスにより、ブローホールの発生原因を低減させるため、全体的にブローホールが減少することを示している（原因低減効果）。

図８は、実験４の断面写真である。本写真からブローホールが存在しているが、図７に比べ、ブローホールは点在していなく、数が少ない。特に溶接金属部の中・下部においてブローホールがほぼ消失しており、超音波ＴＩＧ溶接の効果があることが判る。これは発生初期の気泡が、超音波キャビテーションにより溶融池外への逸脱を促進されたことを示している（除去促進効果）。
図９は、実験５の断面写真である。本写真から若干のブローホールが存在していることが判るが、図８に比べ、更にブローホールの数が少なく、摩擦攪拌接合の際にシールドガスを流し、更に超音波ＴＩＧ溶接することにより、かなりの効果があることが判る。これはブローホールの発生原因の低減効果と、発生したブローホールの除去促進効果という２つの異なった効果を組合せたことによるものであり、より大きな効果を得ることが可能である。

次に、ＴＩＧ溶接に適した超音波の周波数を求めるため、同じく図３の装置を用いて実験を行った。周波数としては１５ｋＨｚ、２０ｋＨｚ、３０ｋＨｚ、３５ｋＨｚ、４０ｋＨｚにて行った。摩擦攪拌接合は、シールドガスを流さずにおこなった。また通常のＴＩＧ溶接６０Ｈｚを比較のために行った。その結果を図１０に示す。

図１０から超音波ＴＩＧ溶接は、通常のＴＩＧ溶接よりもブローホールを減らすことができることが判る。また周波数が小さくなると、ブローホールは減少し、２０ｋＨｚにおいて最小となり、さらに小さくすると（１５ｋＨｚ）若干増えることが判る。
接合部のブローホールを低減するには、２０ｋＨｚ以下の周波数が好ましいことがわかった。周波数の効果は３０ｋＨｚを超えると効果が低くなることから、１〜３０ｋＨｚが効果的であるといえる。また、１５ｋＨｚ以下では、騒音が大きくなることから作業環境を考慮すると実用的には、１５〜２５ｋＨｚが好適である。
なお、上記実験では、摩擦攪拌接合を下向き溶接にて行ったあと、溶融溶接を横向き溶接にて行ったが、溶接姿勢に限定されるものではないことは、言うまでもない。

本実験は、アルミニウム合金であるＡ５０８３で行ったが、非熱処理型アルミニウム合金の1000系、難接合材の熱処理型アルミニウム合金の2000系、6000系、7000系、鋳造材のADC12、マグネシウム合金のAZ31、AZ61、チタンとその合金、銅とその合金、ニッケルとその合金、ステンレス鋼等の鉄鋼材料、鉛などでも、有効である。また摩擦攪拌接合の際のシールドガスとしてアルゴンを用いたが、その他の不活性ガス、アルゴン等の不活性ガスに他のガスを混ぜた混合ガスも有効である。さらにスポット摩擦攪拌接合においても，本発明は適用可能であり，本発明においてスポット摩擦攪拌接合は摩擦攪拌接合に含まれる。

本発明の摩擦攪拌接合の際に流すシールドガスは、本実験ではツールと保護カバーの間にシールドガスを供給する手法を用いているが、接合部を大気から遮断することが可能であればよく、ツール側面に設けたガス供給孔からシールドガスを供給することや、ガス供給ノズルにより周囲からシールドガスを供給するといった方法も有効であることは言うまでもない。また、シールドガスを接合工程時に連続的に流すことが望ましいが、後工程において溶融溶接による他の接合部材の取付け位置が予め判っている場合には、シールドガスの削減のため、その部分のみシールドガスを流してもよい。さらにシールドガスを有効に使用するためプローブの反進行方向側の接合部を覆い、シールドガスリッチな状態を維持するアフターシールド治具を設けてもよい。

本発明で用いられる摩擦攪拌接合装置の一例を示す概略構成図である。 本発明にける他の被接合部材の接合形態の例を示す概略斜視図である。 本発明で用いられる超音波ＴＩＧ溶接機の例を概略構成図である。 本発明における超音波印加によるブローホール除去のメカニズムを示す説明図である。 実験１による結果を示す接合部の断面写真である。 実験２による結果を示す接合部の断面写真である。 実験３による結果を示す接合部の断面写真である。 実験４による結果を示す接合部の断面写真である。 実験５による結果を示す接合部の断面写真である。 超音波振動数とブローホールの発生個数とブローホールの気孔径の関係を示す図表である。

符号の説明

１・・回転子、２・・プローブ、３・・カバー、４・・シールドガスパイプ、Ａ、Ｂ・・被接合部材、Ｃ・・接合部、Ｄ・・他の被接合部材

Claims (5)

1. 不活性シールドガスを流しつつ被接合部材を摩擦攪拌接合して接合部を形成した後、この接合部に対して音波を印加することで、前記摩擦攪拌接合の際に混入した不純物を脱気させつつ溶融溶接または抵抗溶接することを特徴とする接合方法。
2. 前記音波の周波数を１〜３０ｋＨｚとすることを特徴とする請求項１に記載の接合方法。
3. 周波数１ｋＨｚ〜３０ｋＨｚの高周波が変調された高周波電流を印加することで、溶接電流波形として１ｋＨｚ〜３０ｋＨｚの高周波を出力し、前記接合部に前記音波を印加することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の接合方法。
4. 前記音波の周波数を１５〜２０ｋＨｚとすることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の接合方法。
5. 被接合部材がアルミニウム，アルミニウム合金，マグネシウム，マグネシウム合金，ニッケル，ニッケル合金，チタン，チタン合金，銅，銅合金，鉛または鉄鋼材料であることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の接合方法。

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