JP5210807B2 - 摩擦撹拌接合用ツールと摩擦撹拌接合による二部材の接合方法 - Google Patents

Description

本発明は、摩擦撹拌接合用ツールと摩擦撹拌接合による二部材の接合方法に関し、特にパイプ材の端部にそれよりも大径のフランジ部材を摩擦撹拌接合をもって接合する際に、パイプ材の内外に発生するばりの切削除去を同時に行えるようにした摩擦撹拌接合用ツールと二部材の接合方法に関するものである。

アルミニウムに代表されるような軽合金を母材として摩擦撹拌接合を施すにあたり、摩擦撹拌接合のためのツールにカッター機能を具備させておき、接合ビード部に不可避的に発生するばりの切削除去をカッターにて同時に行うようにした技術が特許文献１および特許文献２等で知られている。

また、パイプ材の端面にフランジ部材を摩擦圧接方式にて接合する際に、パイプ材の内部に発生したばりをドリル等にて切削除去するようにした技術が特許文献３に開示されている。
特開２０００−９４１５８号公報 特開２００３−３３４６７２号公報 特開平７−１４４２８７号公報

しかしながら、特許文献１，２に記載されたものでは、平板同士のいわゆる突き合わせ溶接のごとき接合形態には適用可能であっても、例えばパイプ材の内部に発生したばりの除去には対応することができない。

また、特許文献３に記載のものでは、パイプ材の内部に発生したばりの除去に対応可能ではあっても、ドリル等の独立した工具を用いて接合動作とは別にいわゆる内ばりの切削除去を行うものであるから、設備全体が複雑且つ大型のものとなるほか、サイクルタイムの冗長化により生産効率が低下することとなって好ましくない。

本発明はこのような課題に着目してなされたものであり、パイプ材の端部にそれよりも大径のフランジ部材を摩擦撹拌接合をもって接合するにあたり、パイプ材の内外に発生するばりの切削除去を実質的に摩擦撹拌接合と並行して行えるようにした摩擦撹拌接合用ツールと摩擦撹拌接合による二部材の接合方法を提供するものである。

請求項１に記載の発明は、パイプ材の端部にそれよりも大径のフランジ部材を摩擦撹拌接合をもって接合するためのツールであって、摩擦撹拌接合のための摩擦面として機能するショルダー部と、上記ショルダー部の先端側にネック部を隔てて一体に形成されるとともに、パイプ材の内部に挿入可能な外径を有し、パイプ材の内面に発生したばりを切削除去するための内刃と、上記ショルダー部の外側に一体に形成されて、接合部の外側に発生したばりを除去するための外刃と、を備えたことを特徴とする。

この場合において、ツールのショルダー部が接合部にて母材内に押し込まれることを考慮すると、請求項２に記載のように、上記外刃の先端位置はショルダー部よりもわずかに反内刃側寄りの位置に設定されていることが望ましい。

請求項３に記載の発明は、パイプ材の端部にそれよりも大径のフランジ部材を摩擦撹拌接合をもって接合する方法であって、摩擦撹拌接合のための回転式のツールは、摩擦面として機能するショルダー部と、パイプ材の内部に挿入可能な大きさの内刃、および上記ショルダー部よりも大径の外刃を有している。そして、上記フランジ部材に形成された穴にパイプ材の端部を挿入してそのフランジ部材の端面とパイプ材の端面とを揃えた上で、それらフランジ部材とパイプ材との円環状の突き合わせ部に対し上記ツールの軸心方向での往動動作に基づくショルダー部の加圧力をもって摩擦撹拌接合を施し、その摩擦撹拌接合と並行して上記フランジ部材の端面に発生したばりを外刃にて切削除去する一方、摩擦撹拌接合を終えた後の上記ツールの軸心方向での復動動作時には、パイプ材の内面に発生したばりを内刃にて切削除去することを特徴とする。

この場合において、フランジ部材の端面に発生したばりを確実に除去する上では、請求項４に記載のように、上記フランジ部材の端面に発生したばりの外刃による切削除去は、ツールの軸心方向での往動動作に基づく摩擦撹拌接合の末期に行われるものであることが望ましい。

また、請求項５に記載のように、上記ツールの往動動作は当該ツールの正転状態で行い、上記ツールの復動動作は当該ツールの逆転状態で行うようにしても良い。あるいは、請求項６に記載のように、上記ツールの往動動作および復動動作は共に当該ツールの正転状態で行うようにしても良い。そして、前者の場合には、正転状態にあるツールの往動動作時に外刃によるばりの切削除去が行われ、逆転状態にあるツールの復動動作時に内刃によるばりの切削除去が行われるように、それら外刃および内刃の向きが設定される。他方、後者の場合には、ツールの往動動作時および復動動作時共に当該ツールは正転状態にあることから、その正転状態で外刃による切削除去と内刃による切削除去が行われるように、それら外刃および内刃の向きが設定される。

さらに、請求項７としても記載しているように、請求項３〜６のいずれかに記載の二部材の接合方法において、請求項１に記載のツールを用いることももちろん可能である。

したがって、少なくとも請求項１，３に記載の発明では、パイプ材とフランジ部材の端面同士を摩擦撹拌接合にて接合する際に、接合部となる端面やパイプ材の内面ではばりの発生が不可避となるが、それらのばりは摩擦撹拌接合の動作と並行してツールと一体的な動きをする外刃や内刃によって切削除去されることになる。

請求項１〜４に記載の発明によれば、摩擦撹拌接合と並行して、接合部となる端面やパイプ材の内面に発生したばりが内刃および外刃によって切削除去されるので、サイクルタイムの短縮によってばり取り作業を含む効率的な接合を行えるとともに、設備構成も簡単且つ小型のもので済む効果がある。

請求項５，６に記載の発明によれば、パイプ材の内部に挿入されることになる内刃がパイプ材と摺接することで、ツール全体のセンタリング効果（芯出し効果）が発揮されることから、ツールの回転状態が安定化し、接合品質に優れた摩擦撹拌接合を行える。

特に請求項５に記載のように、、ツールの往動動作は当該ツールの正転状態で行い、上記ツールの復動動作は当該ツールの逆転状態で行うようにすれば、摩擦撹拌接合が進行するツールの往動動作時において内刃がパイプ材を切削してしまうことがなく、ツール全体のセンタリング効果が一段と顕著となる。

図１〜７は本発明のより具体的な第１の実施の形態を示す図で、特に図１の（Ａ）は母材としてのアルミニウム合金製のパイプ材１と同じく母材としての同じ材質の円板状のフランジ部材２とを接合する前の状態を、同図（Ｂ）は上記パイプ材１とフランジ部材２とを接合ビード部３での摩擦撹拌接合にて接合した後の状態をそれぞれ示している。

ここでは、図１から明らかなように、フランジ部材２の中央部に予め形成されている直径Ｄ５の円形の穴４にパイプ材１の端部を挿入して、両者の端面１ａ，２ａ同士が面一状態となるように揃えた上で、その端面１ａ，２ａ側でのフランジ部材２とパイプ材１との円環状の突き合わせ部５に摩擦撹拌接合を施して接合一体化するものである。なお、フランジ部材２側の穴４の直径Ｄ５はパイプ材１の直径Ｄ３と同等またはそれよりもよりもわずかに大きく設定されている。また、上記突き合わせ部５に摩擦撹拌接合を施した結果として形成された接合ビード部を符号３で示す。さらに、図１の（Ｂ）から明らかなように、摩擦撹拌接合のためには後述するツール６によるパイプ材１の軸心方向での加圧力が必須であることから、その接合ビード部３はフランジ部材２の端面２ａよりも一段低いものとなる。

図２は、接合前の母材であるパイプ材１とフランジ部材２さらにはツール６との関係を示している。母材であるパイプ材１とフランジ部材２との関係は、図１に基づいて先に説明したとおりである。

摩擦撹拌接合のためのツール６は、母材よりも硬い材質、例えば鉄系やステンレス系の材質のものであって、円柱状のツール本体７の先端に同心状の大径部８を形成するとともに、その大径部８の下面に当該大径部８よりも小径であって、且つ摩擦撹拌接合のための摩擦面として機能する直径Ｄ２のショルダー部９を形成し、さらにそのショルダー部９の外側に大径部８の直径を最大直径とする複数の外刃１０を一体に形成してある。さらに、ショルダー部９の先端側に当該ショルダー部９よりも小径の直径Ｄ６の複数の内刃１１を一体に形成し、全体として変形段付き軸状のものとして形成してある。

ここでは、図２のほか図３，４に示すように、所定角度だけ傾斜した四枚の外刃１０および内刃１１を円周方向の等分四箇所に放射状に形成してある。そして、外刃１０については、切れ刃１０ａをはさんでその両側にすくい面１０ｂと逃げ面１０ｃとを形成してあるとともに、内刃１１についても切れ刃１１ａをはさんでその両側に逃げ面１１ｃとすくい面１１ｂとを形成してある。

内刃１１の直径Ｄ６はパイプ材１の内部に挿入し得る大きさであって、パイプ材１の内径Ｄ４とほぼ同等またはそれよりもわずかに小さい大きさに設定されている（Ｄ６≦Ｄ４）。また、ショルダー部９と内刃１１との間には、長さがＬで、直径Ｄ１が内刃１１の直径Ｄ６よりも小さいネック部１２を形成してある。このネック部１２はショルダー部９と内刃１１との間に段付きとなる周溝状の溝空間Ｐを確保した結果として形成されるもので、図５にも示すように、上記溝空間Ｐは摩擦撹拌接合の際の塑性流動によってパイプ材１の内側に押し出される母材１，２のばりＦ１を受容する役目をする。ここで、パイプ材１の内側に押し出されるばりＦ１の量は、母材１，２に対するツール６の圧入量に依存することから（パイプ材１の内側に押し出されるばりＦ１の量は、母材１，２へのツール６の圧入によって押し出された母材１，２の体積にほかならない。）、上記溝空間Ｐの容積、ひいてはネック部１２の長さ寸法Ｌや直径Ｄ１は母材１，２に対するツール６の圧入量を考慮して決定される。

本実施の形態では、後述するように、摩擦撹拌接合に際して母材１，２に対しツール６を圧入する方向を往動動作とし、且つその時のツール６の回転方向を正転方向Ｒ１とする一方（図２参照）、逆に摩擦撹拌接合を終えてツール６を母材１，２から引き離す方向を復動動作とし、且つその時のツール６の回転方向を逆転方向Ｒ２（図７参照）とするように設定してある。

そこで、上記外刃１０については、ツール６の正転時において、それぞれの切れ刃１０ａの正転方向Ｒ１側がすくい面１０ｂとなり、正転方向Ｒ１の方向と反対側が逃げ面１０ｃとなるように設定してある。これに対して、上記内刃１１については、ツール６の逆転時において、それぞれの切れ刃１１ａの逆転方向Ｒ２側がすくい面１１ｂとなり、逆転方向Ｒ２の方向と反対側が逃げ面１１ｃとなるように設定してある。

これにより、図２に示すように、母材１，２に対してツール６を圧入する往動動作時には、すくい面１０ｂ側が正転方向Ｒ１側となる外刃１０のみが本来の切削機能を発揮し、内刃１１は逃げ面１１ｃ側が正転方向Ｒ１側となるために切削機能は発揮しないことになる。これに対して、図７に示すように、母材１，２からツール６を引き離す復動動作時には、すくい面１１ｂ側が逆転方向Ｒ２側となる内刃１１のみが本来の切削機能を発揮し、外刃１０は逃げ面１０ｃ側が逆転方向Ｒ２側となるために切削機能は発揮しないことになる。

したがって、上記ツール６を用いた摩擦撹拌接合に際しては、図２に示すように、母材であるパイプ材１の端面１ａとフランジ部材２の端面２ａとを面一状態となるように揃えた上で、正転状態としたツール６を往動動作として上記母材１，２同士の突き合わせ部５に対して押し込むものとする。すなわち、図１の（Ａ）に示すように、母材であるパイプ材１の外周面とフランジ部材２側の穴４の内周面とが突き合わされて、円環状の突き合わせ部５が形成されることから、この部分を接合部とするべくツール６を回転させながら押し込むものとする。

母材１，２に対してツール６を押し込むと、図５に示すように、内刃１１がパイプ材１の内周に挿入されるとともに、ショルダー部９がパイプ材１の端面１ａとフランジ部材２の端面の双方に跨るようにして上記突き合わせ部５に圧接する。そして、母材１，２に対するツール６の圧入力と、母材１，２とツール６との相対回転に伴う摩擦熱のために、母材１，２のうち上記突き合わせ部５の近傍が軟化し、母材１，２とツール６との相対回転に伴う塑性流動によって母材１，２同士が接合されることになる。

この時、塑性流動を起こした母材１，２の一部がパイプ材１の内部にばりＦ１として押し出されるが、この押し出されたばりＦ１はネック部１２の周囲の溝空間Ｐにて受容される。

また、母材１，２に対してツール６を圧入する往動動作時には、内刃１１は逃げ面１１ｃ側が回転方向（正転方向Ｒ１）側となるために切削機能は発揮しないことは先に述べたとおりであるもの、パイプ材１の内周面に接触する内刃１１はそのパイプ材１に対するツール６のセンタリグ機能（芯出し機能）を発揮することから、ツール６の回転状態が安定化するとともに、母材であるパイプ材１およびフランジ部材２に対するツール６の同心精度が維持されるようになり、接合不良等のない良好な摩擦撹拌接合を行うことが可能となる。

ここで、上記ツール６に内刃１１や外刃１０が付帯していない場合には、図６に示すように、摩擦撹拌接合の進行に伴ってフランジ部材２側の突き合わせ部５の周囲に***部Ｆ２が発生したり、その***部Ｆ２の一部がばりＦ３として付帯することになるほか、先に述べたようにパイプ材１の内側にも押し出された母材１，２の一部がばりＦ１として残存することになる。

本実施の形態では、母材１，２に対するツール６の圧入が末期になると、図５に示すように、外刃１０がフランジ部材２の端面２ａに接触するようになることから、その正転状態にある外刃１１によって先の***部Ｆ２を含むばりＦ３が切削除去されることになる。ただし、パイプ材１の内側にはなおもばりＦ１が残存したままである。

図５の状態をもって摩擦撹拌接合を終えたならば、図７に示すように、ツール６の回転方向をそれまでの正転方向Ｒ１から逆転方向Ｒ２側に切り換えた上で、ツール６の復動動作としてそのツール６を母材１，２から上昇させて引き離す。その際に、逃げ面１０ｃ側が回転方向（逆転方向Ｒ２）側となる外刃１０はそれまでの切削機能を発揮しなくなるのに対して、代わって内刃１１はそのすくい面１１ｂ側が回転方向（逆転方向Ｒ２）側となるので、内刃１１が切削機能を発揮するようになる。そして、母材１，２からツール６が上昇する過程で内刃１１がパイプ材１の内面のばりＦ１を上方に向かって切削除去することになる。

言い換えるならば、ツール６の往動動作と復動動作の一往復動作を行うだけで、図１の（Ｂ）に示すように母材であるパイプ材１とフランジ部材２とが摩擦撹拌接合をもって接合され、同時にパイプ材１の内外に不可避的に発生した図６のばりＦ１，Ｆ３（***部Ｆ２を含む）も綺麗に切削除去されることになる。

ここで、ツール６の往動動作時と復動動作時とでその回転方向を切り換えることなく、ツール６の往動動作時および復動動作時共にその回転方向を例えば正転方向Ｒ１としても良い。この場合に使用するツール６は図８〜１０に示すものとなり、図２と比較すると明らかなように、内刃１１の傾きが逆のものとなる。

ただし、ツール６の往動動作時に、パイプ材１の内周面に接する内刃１１が切削機能を発揮しながら、同時にセンタリング機能も発揮することになる、そのために、内刃１１との摺接のためにパイプ材１の内周面が切削されたり、傷が付くおそれがあるが、パイプ材１の内周面の精度や平滑度がそれほど問題とならない場合には十分である。

本発明が適用される母材の詳細を示す図で、（Ａ）は摩擦撹拌接合前のパイプ材とフランジ部材との関係を示す断面説明図、（Ｂ）は摩擦撹拌接合後のパイプ材とフランジ部材との関係を示す断面説明図。 本発明の第１の実施の形態として、母材と摩擦撹拌接合用ツールとの関係を示す説明図。 図２のＡ−Ａ線に沿う断面説明図。 図２のＢ−Ｂ線に沿う断面説明図。 図２の状態から摩擦撹拌接合用ツールを母材側に押し込んだ状態を示す説明図。 図１に示した母材でのばりの発生状況を示す断面説明図。 図５の状態から摩擦撹拌接合用ツールを逆転させながら引き上げた状態を示す説明図。 本発明の第２の実施の形態として、摩擦撹拌接合用ツールの構造を示す説明図。 図２のＡ１−Ａ１線に沿う断面説明図。 図２のＢ１−Ｂ１線に沿う断面説明図。

符号の説明

１…パイプ材（母材）
１ａ…端面
２…フランジ部材（母材）
２ａ…端面
３…接合ビード部
４…穴
５…突き合わせ部
６…摩擦撹拌接合用ツール
７…ツール本体
９…ショルダー部
１０…外刃
１１…内刃
１２…ネック部
Ｆ１…ばり
Ｆ２…***部
Ｆ３…ばり
Ｐ…溝空間
Ｒ１…正転方向
Ｒ２…逆転方向

Claims (7)

1. パイプ材の端部にそれよりも大径のフランジ部材を摩擦撹拌接合をもって接合するためのツールであって、
   摩擦撹拌接合のための摩擦面として機能するショルダー部と、
   上記ショルダー部の先端側にネック部を隔てて一体に形成されるとともに、パイプ材の内部に挿入可能な外径を有し、パイプ材の内面に発生したばりを切削除去するための内刃と、
   上記ショルダー部の外側に一体に形成されて、接合部の外側に発生したばりを除去するための外刃と、
   を備えたことを特徴とする摩擦撹拌接合用ツール。
2. 上記外刃の先端位置はショルダー部よりもわずかに反内刃側寄りの位置に設定されていることを特徴とする請求項１に記載の摩擦撹拌接合用ツール。
3. パイプ材の端部にそれよりも大径のフランジ部材を摩擦撹拌接合をもって接合する方法であって、
   摩擦撹拌接合のための回転式のツールは、摩擦面として機能するショルダー部と、パイプ材の内部に挿入可能な大きさの内刃、および上記ショルダー部よりも大径の外刃を有していて、
   上記フランジ部材に形成された穴にパイプ材の端部を挿入してそのフランジ部材の端面とパイプ材の端面とを揃えた上で、それらフランジ部材とパイプ材との円環状の突き合わせ部に対し上記ツールの軸心方向での往動動作に基づくショルダー部の加圧力をもって摩擦撹拌接合を施し、
   その摩擦撹拌接合と並行して上記フランジ部材の端面に発生したばりを外刃にて切削除去する一方、
   摩擦撹拌接合を終えた後の上記ツールの軸心方向での復動動作時には、パイプ材の内面に発生したばりを内刃にて切削除去することを特徴とする摩擦撹拌接合による二部材の接合方法。
4. 上記フランジ部材の端面に発生したばりの外刃による切削除去は、ツールの軸心方向での往動動作に基づく摩擦撹拌接合の末期に行われるものであることを特徴とする請求項３に記載の摩擦撹拌接合による二部材の接合方法。
5. 上記ツールの往動動作は当該ツールの正転状態で行い、上記ツールの復動動作は当該ツールの逆転状態で行うことを特徴とする請求項３または４に記載の摩擦撹拌接合による二部材の接合方法。
6. 上記ツールの往動動作および復動動作は共に当該ツールの正転状態で行うことを特徴とする請求項３または４に記載の摩擦撹拌接合による二部材の接合方法。
7. 請求項３〜６のいずれかに記載の二部材の接合方法において、請求項１に記載のツールを用いることを特徴とする摩擦撹拌接合による二部材の接合方法。

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