JP6060922B2

JP6060922B2 - 接合方法

Info

Publication number: JP6060922B2
Application number: JP2014041739A
Authority: JP
Inventors: 堀　久司; 久司堀; 伸城瀬尾
Original assignee: Nippon Light Metal Co Ltd
Current assignee: Nippon Light Metal Co Ltd
Priority date: 2014-03-04
Filing date: 2014-03-04
Publication date: 2017-01-18
Anticipated expiration: 2034-03-04
Also published as: JP2015166108A

Description

本発明は、摩擦攪拌による金属部材同士の接合方法に関する。

金属部材同士を接合する方法として、摩擦攪拌接合（ＦＳＷ＝Friction Stir Welding）が知られている。摩擦攪拌接合とは、回転ツールを回転させつつ金属部材同士の突合せ部に沿って移動させ、回転ツールと金属部材との摩擦熱により突合せ部の金属を塑性流動させることで、金属部材同士を固相接合させるものである。

特許文献１には、金属部材同士の端部同士を突き合わせて形成された突合せ部に回転ツールを挿入して、金属部材同士の表面側及び裏面側から突合せ部を摩擦攪拌接合する発明が開示されている。摩擦攪拌接合を行うと、回転ツールの移動軌跡に塑性化領域が形成されるが、当該塑性化領域が熱収縮するため、接合後の金属部材同士が凹状となるように変形してしまう。

特開２００８−２９００９２号公報

金属部材同士の表面側から摩擦攪拌を行った後に金属部材同士を裏返すと、金属部材同士が上方に凸状となるように反った状態となる。この状態で金属部材同士の裏面側から摩擦攪拌を行うと、回転ツールのショルダ部と金属部材との接触部分が大きくなるため回転ツールの操作性が低下するという問題がある。かかる問題を解消するために、例えば、特許文献１に示すように、接合後の金属部材をロール部材で挟持しつつ当該金属部材に対してロール部材を相対移動させて、凹状に変形した金属部材を平坦にすればよいが、当該矯正作業が煩雑になる。

また、金属部材同士の裏面側から突合せ部に摩擦攪拌を行った後も、金属部材同士の裏面側（摩擦攪拌を行った面側）が凹状となるように変形するため、矯正作業を合わせて二回行わなければならず、作業手間がかかるという問題がある。

このような観点から、本発明は、摩擦攪拌による金属部材同士の接合方法において、接合された金属部材を容易に平坦にすることができる接合方法を提供することを課題とする。

このような課題を解決するために本発明は、一対の金属部材の一端側の端面同士を突き合わせて突合せ部を形成する準備工程と、前記金属部材の表面側から前記突合せ部に摩擦攪拌を行う第一の本接合工程と、前記金属部材の裏面側から前記突合せ部に摩擦攪拌を行う第二の本接合工程と、を含み、前記金属部材は、アルミニウム合金製であり、前記準備工程では、架台と前記金属部材の裏面側との間にスペーサーを配置するとともに、前記スペーサーを用いて他端側に対して前記一端側が高くなるように前記各金属部材を傾斜させ、前記第一の本接合工程では、前記金属部材の他端側に対して一端側が高くなるように前記金属部材を傾斜させた状態で摩擦攪拌を行い、前記第一の本接合工程終了後に摩擦攪拌で発生したバリを除去し、前記第一の本接合工程後の熱収縮によって平坦になった前記両金属部材を裏返し、前記第二の本接合工程後に、前記第二の本接合工程における摩擦攪拌により形成された前記金属部材の表面側に凸となる反りを矯正する矯正工程を含むことを特徴とする。

かかる接合方法によれば、第一の本接合工程を行う際に、金属部材同士を予め傾斜させておき、摩擦攪拌接合後の熱収縮を利用することで、接合された金属部材を平坦にすることができる。これにより、金属部材同士が平坦な状態で第二の本接合工程を行うことができる。また、第一の本接合工程後にバリ切除工程を行うことで、第二の本接合工程において、金属部材がガタつくことなく安定して摩擦攪拌を行うことができる。

また、第二の本接合工程を行った後に矯正工程を行うことで、金属部材同士を平坦にすることができる。つまり、一回の矯正工程で金属部材同士を平坦にすることができるため、作業手間を少なくすることができる。

また、前記矯正工程では、前記金属部材の裏面側に引張応力が発生するような曲げモーメントを作用させることで前記反りを矯正することが好ましい。

かかる接合方法によれば、反りを確実に矯正することができる。

また、前記矯正工程では、一対のロール部材を前記金属部材の表面及び裏面で移動させるロール矯正により前記反りを矯正するとともに、前記第一の本接合工程及び前記第二の本接合工程における回転ツールの移動方向を前記ロール部材の送り方向とすることが好ましい。
また、前記矯正工程では、プレス矯正により前記反りを矯正することが好ましい。

かかる接合方法によれば、矯正工程を容易に行うことができる。

また、前記矯正工程では、前記金属部材の表面に当接する第一の補助部材を前記第一の本接合工程で形成された塑性化領域に沿って配置するとともに、前記金属部材の裏面に当接する第二及び第三の補助部材を、前記塑性化領域を挟んで両側に配した状態で前記ロール矯正又はプレス矯正を行うことが好ましい。

かかる接合方法によれば、ロール矯正又はプレス矯正を容易に行うことができる。

また、前記金属部材よりも硬度の低い材料で前記各補助部材を形成することが好ましい。

かかる接合方法によれば、金属部材の損傷を防ぐことができる。

本発明に係る接合方法よれば、接合された金属部材を容易に平坦にすることができる。

本発明の第一実施形態に係る接合方法を示す断面図であって、（ａ）は準備工程を示し、（ｂ）は第一の本接合工程を示す。第一実施形態に係る接合方法を示す断面図であって、（ａ）はバリ切除工程を示し、（ｂ）は第二の本接合工程を示す。第一実施形態に係る接合方法の第二本接合工程後の金属部材を示す断面図である。第一実施形態に係る接合方法の矯正工程を示す断面図であって、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は矯正前を示し、（ｃ）は矯正後を示す。矯正工程の変形例を示す斜視図である。

［第一実施形態］
本発明の第一実施形態について図面を参照して詳細に説明する。図１の（ａ）に示すように、第一実施形態では、金属部材１，１の端部同士を突き合わせて形成された突合せ部Ｊを摩擦攪拌によって接合する。第一実施形態に係る接合方法では、準備工程と、第一の本接合工程と、バリ切除工程と、第二の本接合工程と、矯正工程とを行う。

準備工程は、突合せ部Ｊが高くなるように、金属部材１，１を架台Ｋに固定する工程である。架台Ｋは、基板Ｋ１と複数のクランプＫ２とで構成されている。基板Ｋ１は、直方体を呈する。

準備工程では、金属部材１，１の一端側の端面１ａ，１ａを突き合わせて突合せ部Ｊを形成しつつ、金属部材１，１の一端側をスペーサー１０の上に配置する。また、金属部材１，１の他端側をクランプＫ２で固定する。つまり、金属部材１，１の他端側に対して一端側（端面１ａ，１ａ側）が高くなるように金属部材１，１を傾斜させる。これにより、突合せ部Ｊが最も高くなる状態で金属部材１，１が固定される。

金属部材１は、金属製の板状部材である。金属部材１，１は、同等の形状になっている。また、金属部材１，１は同等の材料で形成されている。金属部材１の材料は、摩擦攪拌可能な金属であれば特に制限されないが、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金、チタン、チタン合金、マグネシウム、マグネシウム合金等から適宜選択すればよい。

スペーサー１０は、基板Ｋ１の中央に配置される板状部材である。スペーサー１０は、突合せ部Ｊの延長方向に沿って配置される。スペーサー１０の材料は特に制限されるものではない。

金属部材１，１が架台Ｋに固定されると、端面１ａ，１ａの下端は当接した状態となるが、端面１ａ，１ａの上端はわずかに離間した状態となる。本実施形態に係る「突合せ部」とは、端面１ａ，１ａが突き合わされており、端面１ａ，１ａ間で形成される空間断面がＶ字状を呈する状態も含むものである。

金属部材１，１の傾斜角度は、特に限定されないが、金属部材１，１の材質、各部位の寸法、後記する本接合工程の入熱量や接合後の熱収縮等を考慮して、第一の本接合工程後の熱収縮によって金属部材１，１が平坦になるような傾斜角度を適宜設定すればよい。

第一の本接合工程は、突合せ部Ｊに対して金属部材１，１の表面１ｂ，１ｂ側から摩擦攪拌接合を行う工程である。図１の（ｂ）に示すように、第一の本接合工程は、本実施形態では回転ツールＧを用いる。回転ツールＧは、円柱状を呈するショルダ部Ｇ１と、ショルダ部Ｇ１の下端面から突出する攪拌ピンＧ２とで構成されている。攪拌ピンＧ２は、錐台形状を呈する。

第一の本接合工程では、金属部材１，１の表面１ｂ，１ｂ側から突合せ部Ｊに対して回転した回転ツールＧの攪拌ピンＧ２を挿入する。そして、突合せ部Ｊに沿って回転ツールＧを相対移動させる。

本実施形態では、ショルダ部Ｇ１の下端面を、表面１ｂ，１ｂよりも数ミリ程度押し込んで摩擦攪拌を行う。回転する回転ツールＧによって端面１ａ，１ａの金属が摩擦攪拌されて金属部材１，１が接合される。回転ツールＧの移動軌跡には、塑性化領域Ｗ１が形成される。金属部材１，１に対する攪拌ピンＧ２の挿入深さは適宜設定すればよいが、攪拌ピンＧ２の先端を突合せ部Ｊの深さ方向の１／２以上の位置まで挿入することが好ましい。第一の本接合工程が終了したら、クランプＫ２を解除して金属部材１，１を放置する。また、架台Ｋからスペーサー１０を取り除く。

図２の（ａ）に示すように、バリ切除工程は、第一の本接合工程で発生したバリＶを切除する工程である。バリ切除工程では、金属部材１，１の表面１ｂ，１ｂに発生したバリＶを切除して表面１ｂ，１ｂを平担にする。

第二の本接合工程は、突合せ部Ｊに対して金属部材１，１の裏面１ｃ，１ｃ側から摩擦攪拌接合を行う工程である。図２の（ｂ）に示すように、第二の本接合工程では、まず、金属部材１，１を裏返し、クランプＫ２を介して架台Ｋに金属部材１，１を移動不能に拘束する。金属部材１，１の表面１ｂ，１ｂは、基板Ｋ１の表面と面接触する。また、第二の本接合工程では、金属部材１，１の裏面１ｃ，１ｃから突合せ部Ｊに対して回転した回転ツールＧの攪拌ピンＧ２を挿入する。そして、突合せ部Ｊに沿って回転ツールＧを相対移動させる。

本実施形態では、ショルダ部Ｇ１の下端面を、裏面１ｃ，１ｃよりも数ミリ程度押し込んで摩擦攪拌を行う。回転する回転ツールＧによって端面１ａ，１ａの金属が摩擦攪拌されて金属部材１，１が接合される。回転ツールＧの移動軌跡には、塑性化領域Ｗ２が形成される。金属部材１，１に対する攪拌ピンＧ２の挿入深さは適宜設定すればよいが、塑性化領域Ｗ１と塑性化領域Ｗ２とが接触する程度に挿入することが好ましい。より好ましくは、本実施形態のように攪拌ピンＧ２が塑性化領域Ｗ１に入り込む程度に挿入することが好ましい。

第二の本接合工程が終了したら、クランプＫ２を解除して金属部材１，１を放置する。図３に示すように、金属部材１，１を放置すると、第二の本接合工程で形成された塑性化領域Ｗ２が熱収縮を起こすため、金属部材１，１の裏面１ｃ，１ｃ側が凹状となるように反った状態となる。

矯正工程は、金属部材１，１の反りを矯正する工程である。前記した本接合工程が終了したら、摩擦攪拌で発生したバリを除去するとともに、金属部材１，１の表面１ｂ，１ｂが上方を向くように裏返し、塑性化領域Ｗ１の延長方向と平行になるように長板形状の第一の補助部材Ｔ１を配置する。さらに、金属部材１，１の裏面１ｃ，１ｃの縁部において第一の補助部材Ｔ１と平行になるように、長板形状の第二の補助部材Ｔ２及び第三の補助部材Ｔ３を配置する。即ち、第二の補助部材Ｔ２及び第三の補助部材Ｔ３は、塑性化領域Ｗ１，Ｗ２（第一の補助部材Ｔ１）を挟んで両側に配置される。

そして、第一の補助部材Ｔ１の上側に、第一の補助部材Ｔ１と直交するようにロール部材Ｒ１を配置し、第二の補助部材Ｔ２及び第三の補助部材Ｔ３の下側に第二の補助部材Ｔ２及び第三の補助部材Ｔ３と直交するようにロール部材Ｒ２を配置する。つまり、金属部材１，１は、図４の（ｂ）に示すように、上側に凸の状態でロール部材Ｒ１，Ｒ２の間に配置され、第一の補助部材Ｔ１乃至第三の補助部材Ｔ３を介してロール部材Ｒ１，Ｒ２に狭持される。

第一の補助部材Ｔ１乃至第三の補助部材Ｔ３は、ロール矯正を行う際の当て材であるとともに、金属部材１，１が傷つかないようにするための部材である。第一の補助部材Ｔ１乃至第三の補助部材Ｔ３は、金属部材１，１よりも軟質の材料であることが好ましく、例えば、アルミニウム合金、硬質ゴム、プラスチック、木材を用いることができる。第一の補助部材Ｔ１乃至第三の補助部材Ｔ３は省略してもよい。

ロール部材Ｒ１，Ｒ２が互いに近づいて金属部材１，１に圧力を加えると、図４の（ｂ）及び（ｃ）に示すように、第一の補助部材Ｔ１が金属部材１，１を下側に押し、第二の補助部材Ｔ２及び第三の補助部材Ｔ３が金属部材１，１の両端側を上側に押すため、金属部材１，１に曲げモーメントが作用する。この曲げモーメントは金属部材１，１の裏面１ｃ，１ｃ側に引張応力を発生させるため、金属部材１，１が強制的に下側に凸に撓ませられる。

また、図４の（ａ）に示すように、ロール部材Ｒ１が矢印α方向に回転するとともに、ロール部材Ｒ２が矢印β方向に回転すると、ロール部材Ｒ１，Ｒ２は金属部材１，１に対して矢印γ方向（ロール送り方向）に相対的に移動する。また、ロール部材Ｒ１が矢印β方向に回転するとともにロール部材Ｒ２が矢印α方向に回転すると、ロール部材Ｒ１，Ｒ２は金属部材１，１に対して矢印δ方向（ロール送り方向）に相対的に移動する。つまり、ロール送り方向は、回転ツールＧの移動方向（塑性化領域Ｗ１，Ｗ２）と略平行となる。

したがって、金属部材１，１に作用する曲げモーメントの位置が、その相対的な移動に伴って遷移していくため、金属部材１，１の全体が強制的に下側に凸に撓まされる。そのため、この相対的な移動を繰り返して往復動させることによって、反りを矯正していくことが可能になる。なお、第一の補助部材Ｔ１乃至第三の補助部材Ｔ３は、金属部材１，１の力学特性や反りの曲率に応じて、反りとは反対側に撓ませて反りを矯正するのに十分な厚みで設定すればよい。

また、金属部材１，１の縦方向（塑性化領域Ｗ１，Ｗ２と平行な方向）にロール部材Ｒ１，Ｒ２を回転させて矯正工程を行った後、横方向にロール部材Ｒ１，Ｒ２を回転させてもよい。即ち、第一の補助部材Ｔ１乃至第三の補助部材Ｔ３を横方向と平行になるように配置するとともに、第一の補助部材Ｔ１乃至第三の補助部材Ｔ３に対して直交するようにロール部材Ｒ１，Ｒ２を配置する。そして、ロール部材Ｒ１，Ｒ２を横方向に往復動させる。これにより、金属部材１，１をバランスよく矯正することができる。

また、ここでは、金属部材１，１の表面１ｂ，１ｂを上にして、矯正工程を行うものとして説明したが、裏返さずに裏面１ｃ，１ｃを上にして矯正工程を行うようにしてもよい。

以上説明した本実施形態に係る接合方法によれば、第一の本接合工程を行う際に、金属部材１，１同士を予め傾斜させておき、摩擦攪拌接合後の熱収縮を利用することで、第一の本接合工程後に接合された金属部材１，１を平坦にすることができる。これにより、金属部材１，１を裏返しても金属部材１，１が平坦となっているため、第二の本接合工程を好適に行うことができる。

また、矯正工程を行うことで金属部材１，１に発生した反りを矯正して金属部材１，１を平坦にすることができる。本実施形態によれば、一回の矯正工程を行えばよいため、作業手間を少なくすることができる。また、第一の本接合工程後にバリ切除工程を行うことで、第二の本接合工程において、金属部材１，１がガタつくことなく安定して摩擦攪拌を行うことができる。

また、本実施形態の接合方法のように、第二接合工程を行う際に、塑性化領域Ｗ１に攪拌ピンＧ２を入り込ませることにより、塑性化領域Ｗ１の先端側を再度攪拌することができる。これにより、塑性化領域Ｗ１に接合欠陥が発生した場合に、塑性化領域Ｗ１が再度摩擦攪拌されるため、当該接合欠陥を修復することができる。よって、接合部の水密性及び気密性を高めることができる。また、突合せ部Ｊの深さ方向の全体が接合されるため、接合強度を高めることができる。

また、架台Ｋと金属部材１，１との間にスペーサー１０を配置することにより、金属部材１，１を傾斜させつつ金属部材１，１同士を突き合わせる作業を容易に行うことができる。また、スペーサー１０の高さを変更するだけで、金属部材１，１の傾斜角度を変更することができる。

なお、本実施形態ではスペーサー１０を用いて金属部材１，１を傾斜させたが、突合せ部Ｊが高くなるように金属部材１，１を傾斜させることが可能であれば、スペーサー１０を省略してもよい。また、スペーサー１０に替えて、凸部又は傾斜部を設けた架台を用いて準備工程を行ってもよい。

［変形例］
図５は、矯正工程の変形例を示す斜視図である。変形例に係る矯正工程では、プレス矯正を行う。図５に示すように、プレス矯正でも、ロール矯正と同様に第一乃至第三の補助部材Ｔ１〜Ｔ３を配置する。

各補助部材を配置したら、公知のプレス装置を用いて、金属部材１，１の表面１ｂ，１ｂから押圧する。第一の補助部材Ｔ１にプレス装置のポンチＰを押し当て、所定の押圧力で押圧する。プレス装置によって金属部材１，１に圧力が加えられると、第一の補助部材Ｔ１が金属部材１，１を下側に押し、第二の補助部材Ｔ２及び第三の補助部材Ｔ３が金属部材１，１の両端側を上側に押すため、金属部材１，１には曲げモーメントが作用する。この曲げモーメントは金属部材１，１の裏面１ｃ，１ｃ側に引張応力を発生させるため、金属部材１，１が強制的に下側に凸に撓ませられる。

プレス装置の押圧力は、金属部材１，１の厚みや材料によって適宜設定すればよいが、金属部材１，１の裏面１ｃ，１ｃ側が下に凸となって、裏面１ｃ，１ｃに引張応力が発生するような曲げモーメントを作用させることが好ましい。

また、プレス矯正では、金属部材１，１の中央だけでなく他の部位も押圧することでバランスよく平坦性を高めることができる。

以上本発発明の実施形態及び変形例について説明したが、本発明の趣旨に反しない範囲において適宜設計変更が可能である。例えば、本実施形態では、金属部材１，１を両方とも同じ角度で傾斜させているが、両者の傾斜角度が異なってもよい。一方の金属部材１を水平にして、他方の金属部材１を傾斜させてもよい。また、金属部材１，１の他端側を架台に固定せずに第一の本接合工程及び第二の本接合工程を行ってもよい。

１金属部材
１ａ端面
１ｂ表面
１ｃ裏面
１０スペーサー
Ｇ回転ツール
Ｇ１ショルダ部
Ｇ２攪拌ピン
Ｊ突合せ部
Ｒ１ロール部材
Ｒ２ロール部材
Ｖバリ

Claims

一対の金属部材の一端側の端面同士を突き合わせて突合せ部を形成する準備工程と、
前記金属部材の表面側から前記突合せ部に摩擦攪拌を行う第一の本接合工程と、
前記金属部材の裏面側から前記突合せ部に摩擦攪拌を行う第二の本接合工程と、を含み、前記金属部材は、アルミニウム合金製であり、
前記準備工程では、架台と前記金属部材の裏面側との間にスペーサーを配置するとともに、前記スペーサーを用いて他端側に対して前記一端側が高くなるように前記各金属部材を傾斜させ、
前記第一の本接合工程では、前記金属部材の他端側に対して一端側が高くなるように前記金属部材を傾斜させた状態で摩擦攪拌を行い、
前記第一の本接合工程終了後に摩擦攪拌で発生したバリを除去し、前記第一の本接合工程後の熱収縮によって平坦になった前記両金属部材を裏返し、
前記第二の本接合工程後に、前記第二の本接合工程における摩擦攪拌により形成された前記金属部材の表面側に凸となる反りを矯正する矯正工程を含むことを特徴とする接合方法。
前記矯正工程では、前記金属部材の裏面側に引張応力が発生するような曲げモーメントを作用させることで前記反りを矯正することを特徴とする請求項１に記載の接合方法。
前記矯正工程では、一対のロール部材を前記金属部材の表面及び裏面で移動させるロール矯正により前記反りを矯正するとともに、前記第一の本接合工程及び前記第二の本接合工程における回転ツールの移動方向を前記ロール部材の送り方向とすることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の接合方法。
前記矯正工程では、前記金属部材の表面に当接する第一の補助部材を前記第一の本接合工程で形成された塑性化領域に沿って配置するとともに、前記金属部材の裏面に当接する第二及び第三の補助部材を、前記塑性化領域を挟んで両側に配した状態で前記ロール矯正を行うことを特徴とする請求項３に記載の接合方法。
前記矯正工程では、プレス矯正により前記反りを矯正することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の接合方法。
前記矯正工程では、前記金属部材の表面に当接する第一の補助部材を前記第一の本接合工程で形成された塑性化領域に沿って配置するとともに、前記金属部材の裏面に当接する第二及び第三の補助部材を、前記塑性化領域を挟んで両側に配した状態で前記プレス矯正を行うことを特徴とする請求項５に記載の接合方法。
前記金属部材よりも硬度の低い材料で前記各補助部材を形成することを特徴とする請求項４又は請求項６に記載の接合方法。