JP6351553B2

JP6351553B2 - 中空容器の製造方法

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Publication number: JP6351553B2
Application number: JP2015143204A
Authority: JP
Inventors: 諒吉田; 堀　久司; 久司堀
Original assignee: Nippon Light Metal Co Ltd
Current assignee: Nippon Light Metal Co Ltd
Priority date: 2015-07-17
Filing date: 2015-07-17
Publication date: 2018-07-04
Anticipated expiration: 2032-08-17
Also published as: JP2015180516A

Description

本発明は、中空容器の製造方法に関する。

摩擦圧接は、ワークの歪みが小さく、また、加工速度が速いという利点がある。しかしながら、摩擦圧接は、固相接合ではあるが動的なプロセスを伴うため、接合部における水密性及び気密性が不安定になりやすく、接合部にバリが発生するという問題があった。例えば、特許文献１では、外バリに対して切削刃を自動的に位置決めできるように改良した、摩擦圧接機用の外バリ切削装置が提案されている。

特開平０７−５１９０２号公報特開２００５−２５１５９５号公報特開平０８−２１５８６３号公報

また、特許文献２では、切削加工によるバリ除去に先立って、バリの全体を高周波誘導加熱により適温に高周波誘導加熱し、その後のバリの切削除去の容易化や効率化を可能にする高周波誘導加熱コイル装置が提案されている。

さらに、摩擦圧接時に発生するバリの切除を不要にするための方法も提唱されている。例えば、特許文献３では、対向して把持された一対の母材を互いに相対回転させながら接触させて発熱させ、母材接触端部溶融後さらに母材同士を押し付けて接合する摩擦圧接方法において、母材同士を押し付けた際に母材接合部に生じるバリを、バリ発生方向に対向して力を加えて押圧成形する工程を含む摩擦圧接方法が提案されている。

しかしながら、これらの方法では、その方法を実現する装置の機構が複雑となり、さらに工程が一つ増すことによりコストアップの要因となっていた。

このような観点から、本発明は、摩擦圧接で発生したバリを除去しつつ、同時に接合品質の向上を図ることができる中空容器の製造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、第一金属部材と第二金属部材とを摩擦圧接する摩擦圧接工程と、前記摩擦圧接工程の後に、前記第一金属部材の外側面のみに摩擦圧接によって発生し突出したバリを溶加材として前記外側面同士のみをレーザー溶接する溶接工程と、を含み、前記第一金属部材は、Ａ６０６３合金からなり、前記第二金属部材は、ＡＤＣ１２合金からなり、前記第一金属部材及び前記第二金属部材の対向面のそれぞれに凹部が形成されていることを特徴とする中空容器の製造方法である。

かかる方法によれば、第一金属部材と第二金属部材とで構成される中空容器又は蓋付中空容器の水密性及び気密性を向上させることができる。また、レーザー溶接を行うことで容易に溶接することができ、仕上がり面もきれいにすることができる。また、仮に、摩擦圧接工程で接合欠陥が発生した場合であっても、溶接工程でその接合欠陥を補修することができる。

本発明に係る中空容器の製造方法によれば、摩擦圧接で発生したバリを除去しつつ、同時に接合品質の向上を図ることができる。

本実施形態に係る第一金属部材及び第二金属部材の斜視図である。（ａ）は本実施形態に係る摩擦圧接工程を示す断面図であり、（ｂ）は本実施形態に係る溶接工程を示す断面図である。実施例に係る試験体Ａ，Ｂを示す図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＩ−Ｉ断面図である。実施例に係る試験体Ｃ〜Ｆを示す図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のII−II断面図である。（ａ）は試験体Ａ，Ｂの溶接条件を示し、（ｂ）は試験体Ｃ，Ｄの溶接条件を示し、（ｃ）は試験体Ｅ，Ｆの溶接条件を示す。（ａ）は試験体Ａの摩擦圧接工程後における健全な部分の模式断面図である。（ｂ）は試験体Ａの摩擦圧接工程後における接合欠陥を含む部分の模式断面図である。（ｃ）は試験体Ａの溶接工程後における模式断面図である。実施例の条件及び圧力低下率を示す表である。

本発明の実施形態に係る接合方法について、図面を参照して詳細に説明する。図１に示すように、本実施形態に係る接合方法では内部に中空部を有する金属製の中空容器１を製造する場合を例示する。まずは、接合する第一金属部材２及び第二金属部材３について説明する。以下の説明における「上」、「下」は、図１，２の状態を基準にしているが、便宜的なものであり、摩擦圧接や溶接時の向きを限定するものではない。

図１に示すように、第一金属部材２は、底部１１と、底部１１に垂直に立設する側壁部１２とで構成されている。側壁部１２は、平面視矩形枠状を呈し、その上面が平坦になっている。側壁部１２の壁厚みＴの寸法は各壁とも同等になっている。第一金属部材２のうち、第二金属部材３と対向する対向面の中央には凹部１３が形成されている。凹部１３は、本実施形態では、直方体を呈する中空部となっている。

第二金属部材３は、底部２１と、底部２１に垂直に立設する側壁部２２とで構成されている。第二金属部材３は、第一金属部材２と同じ形状になっている。側壁部２２は、平面視矩形枠状を呈し、その下面が平坦になっている。側壁部２２の壁厚みＴの寸法は各壁とも同等になっている。第二金属部材３のうち、第一金属部材２と対向する対向面の中央には凹部２３が形成されている。凹部２３は、本実施形態では、直方体を呈する中空部となっている。第一金属部材２及び第二金属部材３は、アルミニウム、アルミニウム合金、銅等摩擦圧接可能な材料であれば特に制限されないが、本実施形態ではいずれもアルミニウム合金で形成されている。

次に、本実施形態に係る接合方法について説明する。本実施形態に係る接合方法では、突合工程と、摩擦圧接工程と、溶接工程とを行う。

突合工程では、図１に示すように、第一金属部材２の凹部１３と、第二金属部材３の凹部２３とを対向させつつ、第一金属部材２と第二金属部材３とを突き合わせる。具体的には、第一金属部材２の側壁部１２の上面と、第二金属部材３の側壁部２２の下面とを面接触させる。これにより、各部材の接触部分には平面視枠状の突合部Ｊが形成される（図２の（ａ）参照）。

摩擦圧接工程では、摩擦工程と圧接工程とを行う。摩擦工程では、第一金属部材２と第二金属部材３とを互いに近接する方向に押圧した状態で、第一金属部材２及び第二金属部材３を相対的に往復移動させる。移動方向は、特に制限されないが、本実施形態では、側壁部１２の長辺部と平行な方向に沿って直線的に移動させる。また、本実施形態では、第一金属部材２は移動させず、第二金属部材３のみを直線的に往復移動させている。

摩擦工程における条件は適宜設定すればよいが、例えば、周波数１００〜２６０Ｈｚ、振幅１．０〜２．０ｍｍ、摩擦圧力２０〜６０ＭＰａ、に設定する。摩擦工程の時間は５〜１０秒程度に設定する。

圧接工程では、摩擦工程が終わった後に、第一金属部材２及び第二金属部材３を相対移動させずに互いに近接する方向に押圧する。圧接工程における条件は適宜設定すればよいが、例えば、圧力を６０〜８０ＭＰａに設定する。圧接工程の時間は３〜５秒程度に設定する。摩擦圧接工程によって、側壁部１２の外側面１２ａ及び側壁部２２の外側面２２ａには外周全体又は外周の一部にバリＰが発生する。

溶接工程では、図２の（ｂ）に示すように、側壁部１２及び側壁部２２の外周全体に亘って、バリＰ，Ｐを溶加材として外側面１２ａ，２２ａを溶接する。溶接の種類は特に制限されないが、本実施形態ではレーザー溶接を行う。溶接工程後には、外側面１２ａ，２２ａに溶接金属Ｑが形成される。以上により内部に中空部を備えた中空容器１が製造される。

以上説明した本実施形態に係る接合方法によれば、摩擦圧接工程によって不可避的に発生するバリＰ，Ｐを溶加材として外側面１２ａ，２２ａ同士を溶接することにより、バリＰを除去しつつ接合品質を向上させることができる。また、本実施形態のように、内部に中空部を有する中空容器１を製造する場合には、摩擦圧接工程に加えて溶接工程を行うことで中空容器１の水密性及び気密性を向上させることができる。

また、本実施形態によれば、従来行っていたバリの切除工程を省略することができる。また、溶接工程でレーザー溶接を行うことで容易に溶接することができ、仕上がり面もきれいにすることができる。また、仮に、摩擦圧接工程で接合欠陥が発生した場合であっても、溶接工程でその接合欠陥を補修することができる。

摩擦圧接は、固相接合ではあるが動的なプロセスを伴うため、接合部における水密性及び気密性が不安定になりやすく、接合部にバリが発生するという問題があるものの、その接合品質は、被接合材内部の鋳巣、突合せ面における隙間、酸化皮膜、汚れ等の影響を受けにくいという利点がある。

一方、溶接は、アークやレーザーなどの熱源による溶加材、被接合材表面の溶融を伴うため、その接合品質は、被接合材内部の鋳巣、突合せ面における隙間、酸化皮膜、汚れ等の影響を受けやすいという問題があるものの、水密性及び気密性が良好になるとともに、接合面が比較的滑らかであるという利点がある。

本願発明のように、先に摩擦圧接を行うことで、接合強度が高く、接合品質の比較的良好な接合部が得られる。次に、この接合部の外側面に対して溶接を行うことで、外側面に発生したバリを溶加材として溶接を行うことができ、水密性及び気密性がさらに良好になるとともに、外側面が比較的滑らかになる。

仮に、摩擦圧接前において、被接合材の内部に鋳巣が存在したり、突合せ面において隙間、酸化皮膜、汚れ等が存在したとしても、これらの欠陥等は、摩擦圧接による材料攪拌によって圧壊され、或いは細かく均一に分散される。このため、溶接工程においてブローホール等の溶接欠陥の発生を抑制することができる。また、溶接工程における溶け込みが十分でなくとも、水密性及び気密性がさらに良好になる。

また、特にレーザー溶接の場合、ワークの歪みが小さく、また、加工速度が速いという摩擦圧接と共通する利点がある。つまり、本発明では、摩擦圧接工程及び溶接工程の相互の利点を生かしつつ、相互の技術課題を相互に補填し合うことで、より高品質な水密性及び気密性を備えた中空容器を製造することができる。

以上本発明の実施形態について説明したが、前記した接合方法に限定されるものではない。例えば、本実施形態では、側壁部１２の外側面１２ａ及び側壁部２２の外側面２２ａの両方のバリＰを利用して溶接工程を行ったが、外側面１２ａ及び外側面２２ａの一方にしかバリＰが発生しなかった場合は、そのバリＰを利用して溶接工程を行ってもよい。

また、本実施形態では、第一金属部材２及び第二金属部材３にそれぞれ凹部１３，２３がある形態を例示したが、いずれか一方に凹部を備える形態であってもよい。具体的には、例えば、第一金属部材２と金属板とを摩擦圧接して蓋付中空容器を製造する場合に本発明を適用してもよい。また、凹部１３，２３の形状は直方体に限らず他の形状であってもよい。

また、凹部を備えていない金属部材同士を接合して、中空部の無い製品を製造する場合に本発明を適用してもよい。また、摩擦圧接工程における振幅方向は、本実施形態では、側壁部１２，２２の長辺部と平行になるように設定したが、短辺部と平行になるように設定してもよいし、長辺部に対して斜めに設定してもよい。また、本実施形態では摩擦圧接工程における移動方向を直線状に設定したが、例えば、円柱状又は円筒状の金属部材同士を接合する場合等には金属部材同士を回転させて摩擦圧接工程を行ってもよい。

次に、本発明の実施例について説明する。実施例では、第一金属部材２及び第二金属部材３の試験体を各６体用意して、試験体の大きさ、材質、溶接条件等を変えて、それぞれの試験体について前記した接合方法を行った。また、それぞれの試験体について溶接工程を行う前と後の圧力低下率を計測し対比した。なお、試験体Ｆは、摩擦圧接工程は行わずに溶接工程のみを行い、圧力低下率を計測した。

試験体Ａ，Ｂは、図３に示すように、長さの短い金属部材同士（第一金属部材２、第二金属部材３）を接合した。試験体Ｄ〜Ｆは、図４に示すように、試験体Ａ，Ｂよりも長さが長い金属部材同士（第一金属部材２、第二金属部材３）を接合した。寸法線の単位はｍｍである。

図７に示すように、試験体Ａの第一金属部材２の材質は、ＪＩＳ：Ａ６０６３（Ｓｉ；０．２０〜０．６０％、Ｆｅ；０．３５％以下、Ｃｕ；０．１０％以下、Ｍｎ；０．１０％以下、Ｍｇ；０．４５〜０．９０％、Ｃｒ；０．１０％以下、Ｚｎ；０．１０％以下、Ｔｉ；０．１０％以下、Ａｌ；残部）である。

試験体Ｂ〜Ｆの第一金属部材２の材質は、ＪＩＳ：Ａ１０５０（Ｓｉ；０．２５％以下、Ｆｅ；０．４０％以下、Ｃｕ；０．０５％以下、Ｍｎ；０．０５％以下、Ｍｇ；０．０５％以下、Ｚｎ；０．０５％以下、Ｖ；０．０５％以下、Ｔｉ；０．０３％以下、Ａｌ；９９．５０％以上）である。

試験体Ａ〜Ｆの第二金属部材３の材質は、ＪＩＳ：ＡＤＣ１２（Ｃｕ；１．５〜３．５％、Ｓｉ；９．６〜１２．０％、Ｍｇ；０．３％以下、Ｚｎ；１．０％以下、Ｆｅ；１．３％以下、Ｍｎ；０．５％以下、Ｎｉ；０．５％以下、Ｔｉ；０．３％以下、Ｐｂ；０．２％以下、Ｓｎ；０．２％以下、Ａｌ；残部）である。

試験体Ｃと試験体Ｄの摩擦圧接工程に係る摩擦工程では、試験体Ｃよりも試験体Ｄの方の摩擦荷重を大きくするとともに摩擦時間を長くして試験を行った。

試験体Ａ，Ｂに係る溶接工程では、低出力ＹＡＧレーザー溶接装置を用いて図５の（ａ）の条件で溶接を行った。試験体Ｃ，Ｄに係る溶接工程では、ファイバーレーザー溶接装置を用いて図５の（ｂ）の条件で溶接を行った。試験体Ｅ，Ｆに係る溶接工程では、高出力ＹＡＧレーザー溶接装置を用いて図５の（ｃ）の条件で溶接を行った。

圧力低下率とは、中空容器の一部に穿設した孔からエアーを供給し、エアーを遮断した段階からの減圧速度を意味するものである。本実施例では、中空容器の一部に孔を開け、その孔から５００ｋＰａでエアーを供給し、エアーの供給を遮断したときから中空容器の内圧が１００ｋＰａになるまでの時間を計測した。計測時間は最大６０秒までとし、６０秒を超えても内圧が１００ｋＰａに到達しない場合は、６０秒経過時の内圧を計測した。

圧力低下率（ｋＰａ／ｓｅｃ）は以下の式１で示される。
圧力低下率＝（Ｐ_０−Ｐ_ｍｉｎ）／Ｔ（式１）
Ｐ_０：初期圧力（５００ｋＰａ）
Ｐ_ｍｉｎ：最低圧力
Ｔ：圧力供給遮断から最低圧力に達するまでの時間
要するに、圧力低下率が低い値であるほど、水密性及び気密性は高いことになる。

図６の（ａ）は試験体Ａの摩擦圧接工程後における健全な部分の模式断面図である。一方、図６の（ｂ）は試験体Ａの摩擦圧接工程後における接合欠陥を含む部分の模式断面図である。図６の（ａ）、（ｂ）ともに、側壁部１２の内側面及び外側面にバリＰが発生している。図６の（ａ）では、突合部Ｊがきれいに接合しているが、図６の（ｂ）では、突合部Ｊに接合欠陥Ｒが発生していることがわかる。なお、試験体Ａでは、第一金属部材２よりも第二金属部材３の方が硬質であるため、第一金属部材２のみからバリＰが発生していると考えられる。

図６の（ｃ）は、試験体Ａの溶接工程後における模式断面図である。図６の（ｃ）では、溶接工程によって形成された溶接金属Ｑが突合部Ｊ付近の外側面１２ａ，２２ａを覆っている。また、側壁部１２の外側のバリＰが消失している。また、接合欠陥Ｒも補修されている。

図７に示すように、試験体Ａ〜試験体Ｅとも溶接工程を行う前に比べて、溶接工程を行った後の方が、圧力低下率がかなり低くなることが確認できた。つまり、摩擦圧接工程に加えて溶接工程を行った方が、中空容器の水密性及び気密性を大幅に向上させることができる。また、試験体Ｆと他の試験体の圧力低下率を比較すると、溶接工程のみを行う場合よりも、摩擦圧接工程及び溶接工程を行った方が水密性及び気密性を向上させることができる。

１中空容器
２第一金属部材
３第二金属部材
１１底部
１２側壁部
１２ａ外側面
２１底部
２２側壁部
２２ａ外側面
Ｊ突合部
Ｐバリ
Ｑ溶接金属
Ｔ壁厚み

Claims

第一金属部材と第二金属部材とを摩擦圧接する摩擦圧接工程と、
前記摩擦圧接工程の後に、前記第一金属部材の外側面のみに摩擦圧接によって発生し突出したバリを溶加材として前記外側面同士のみをレーザー溶接する溶接工程と、を含み、
前記第一金属部材は、Ａ６０６３合金からなり、前記第二金属部材は、ＡＤＣ１２合金からなり、
前記第一金属部材及び前記第二金属部材の対向面のそれぞれに凹部が形成されていることを特徴とする中空容器の製造方法。