JP6645372B2 - 接合方法 - Google Patents

Description

本発明は、金属部材同士を摩擦攪拌で接合する接合方法に関する。

例えば、特許文献１には、第一金属部材と第二金属部材を重ね合わせて重合部を形成した後、第二金属部材の表面から回転ツールを挿入して重合部を摩擦攪拌接合する接合方法が記載されている。当該摩擦攪拌接合では、攪拌ピンのみを第一金属部材及び第二金属部材に接触させた状態で摩擦攪拌を行うというものである。

特開２０１５−１３９８００号公報

従来の接合方法であると、塑性流動化した金属を回転ツールのショルダ部で押さえないため、バリが第二金属部材の表面に発生し、当該バリを除去する工程が煩雑になるという問題がある。

そこで、本発明は、バリを容易に除去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。

前記課題を解決するために、本発明は、攪拌ピンを備えた回転ツールを用いて第一金属部材と第二金属部材とを接合する接合方法であって、少なくとも表面の高さが変化する前記第一金属部材の表面に、表面及び裏面の高さが変化する前記第二金属部材の裏面を重ね合わせて高さが変化する重合部を形成する重合工程と、前記第二金属部材の表面から回転する前記回転ツールを挿入し、前記攪拌ピンのみを前記第二金属部材に接触させた状態又は、前記第一金属部材及び前記第二金属部材の両方に接触させた状態で、高さが変化する前記重合部に対して前記回転ツールを相対移動させて摩擦攪拌接合を行う摩擦攪拌工程と、前記摩擦攪拌工程で形成された塑性化領域を境に、前記第二金属部材のうちバリが形成された余剰片部ごと除去する除去工程と、を含むことを特徴とする。

かかる接合方法によれば、高さが変化する重合部を接合することができるとともに、バリが形成された余剰片部ごと除去するため、バリを容易に除去することができる。

また、前記除去工程では、前記塑性化領域に形成された凹溝を境に前記余剰片部を除去することが好ましい。かかる接合方法によれば、バリをより容易に除去することができる。

また、前記摩擦攪拌工程では、摩擦攪拌接合で発生するバリが前記余剰片部に形成されるように接合条件を設定することが好ましい。かかる接合方法によれば、余剰片部にバリを集約することができるため、バリをより容易に除去することができる。

また、前記摩擦攪拌工程では、摩擦攪拌接合の終了と同時に前記第二金属部材から前記余剰片部が除かれるように、接合条件を設定することが好ましい。かかる接合方法によれば、接合サイクルを短くすることができる。

本発明に係る接合方法によれば、バリを容易に除去することができる。

本発明の第一実施形態に係る接合方法の第一金属部材及び第二金属部材を示す斜視図である。 第一実施形態に係る接合方法の重合工程を示す断面図である。 第一実施形態に係る接合方法の摩擦攪拌工程を示す斜視図である。 第一実施形態に係る接合方法の摩擦攪拌工程を示す断面図である。 第一実施形態に係る接合方法の除去工程を示す断面図である。 第一実施形態に係る接合方法の除去工程を示す斜視図である。 第一実施形態に係る接合方法の変形例の摩擦攪拌工程を示す断面図である。 第二実施形態に係る接合方法の摩擦攪拌工程を示す断面図である。

［第一実施形態］
本発明の第一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。本実施形態に係る接合方法では、重合工程と、摩擦攪拌工程と、除去工程と、を行う。なお、以下の説明における「表面」とは、「裏面」の反対側の面という意味である。

重合工程は、図１及び図２に示すように、第一金属部材１と、第二金属部材１０とを重ね合わせる工程である。第一金属部材１及び第二金属部材１０は、いずれも金属製の部材であって、同等の材料で形成されている。第一金属部材１及び第二金属部材１０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される。

第一金属部材１は、直方体を呈する本体部２と、本体部２の上に形成され断面台形状を呈する凸部３とで構成されている。凸部３の表面３ａは、本体部２の表面２ａ，２ｂよりも上方に位置している。凸部３の第一表面３ｂは、傾斜しており本体部２の表面２ａと凸部３の表面３ａとを連結している。また、凸部３の第二表面３ｃは、傾斜しており本体部２の表面２ｂと凸部３の表面３ａとを連結している。

第二金属部材１０は、一定の板厚で形成された高さの異なる板状部材である。第二金属部材１０は、基部１１，１１と、中央部１２と、傾斜部１３，１４とで構成されている。中央部１２は、基部１１，１１の中央において、基部１１，１１よりも高い位置に形成されている。傾斜部１３は、一方の基部１１と中央部１２とを斜めに連結している。傾斜部１４は、他方の基部１１と中央部１２とを斜めに連結している。また、基部１１，１１のそれぞれの端部の中央付近には、スリット５，５が設けられている。

重合工程では、図２に示すように、第一金属部材１の表面に、第二金属部材１０の裏面を重ね合わせて重合部Ｊ１を形成する。より詳しくは、本体部２の表面２ａ，２ｂと、基部１１，１１の裏面１１ｂ，１１ｂとを重ね合わせるとともに、凸部３の表面３ａと中央部１２の裏面１２ｂとを重ね合わせる。また、凸部３の第一表面３ｂと傾斜部１３の裏面１３ｂとを重ね合わせるとともに、凸部３の第二表面３ｃと傾斜部１４の裏面１４ｂとを重ね合わせる。

第一金属部材１と第二金属部材１０とはほぼ隙間なく重ね合わされる。重合部Ｊ１は、その高さ位置が変化するように形成される。つまり、重合部Ｊ１は、摩擦攪拌の始点（挿入位置）の高さ（標高）を基準高さとすると、始点から終点に至るまでに基準高さと高さの異なる区間が存在している。本実施形態では、重合部Ｊ１は、第一平部Ｊａと、第一傾斜部Ｊｂと、第二平部Ｊｃと、第二傾斜部Ｊｄと、第三平部Ｊｅとで構成されている。

摩擦攪拌工程は、図３に示すように、接合用回転ツールＦを用いて第一金属部材１と第二金属部材１０との重合部Ｊ１を摩擦攪拌によって接合する工程である。接合用回転ツールＦは、連結部Ｆ１と、攪拌ピンＦ２とで構成されている。接合用回転ツールＦは、特許請求の範囲の「回転ツール」に相当する。接合用回転ツールＦは、例えば工具鋼で形成されている。連結部Ｆ１は、摩擦攪拌装置の回転軸（図示省略）に連結される部位である。連結部Ｆ１は円柱状を呈している。

攪拌ピンＦ２は、連結部Ｆ１から垂下しており、連結部Ｆ１と同軸になっている。攪拌ピンＦ２は連結部Ｆ１から離間するにつれて先細りになっている。攪拌ピンＦ２の外周面には螺旋溝が刻設されている。本実施形態では、接合用回転ツールＦを右回転させるため、螺旋溝は、基端から先端に向かうにつれて左回りに形成されている。

なお、接合用回転ツールＦを左回転させる場合は、螺旋溝を基端から先端に向かうにつれて右回りに形成することが好ましい。螺旋溝をこのように設定することで、摩擦攪拌の際に塑性流動化した金属が螺旋溝によって攪拌ピンＦ２の先端側に導かれる。これにより、被接合金属部材（第一金属部材１及び第二金属部材１０）の外部に溢れ出る金属の量を少なくすることができる。

接合用回転ツールＦは、マシニングセンタ等の摩擦攪拌装置に取り付けてもよいが、例えば、先端にスピンドルユニット等の回転手段を備えたアームロボットに取り付けてもよい。アームロボットに接合用回転ツールＦを取り付けることにより接合用回転ツールＦの回転中心軸Ｃを容易に傾斜させることができる。

摩擦攪拌工程では、第二金属部材１０の表面に設定した開始位置Ｓｐに、右回転させた接合用回転ツールＦの攪拌ピンＦ２を挿入し、重合部Ｊ１に沿って接合用回転ツールＦを相対移動させる。本実施形態では、接合用回転ツールＦの回転中心軸が、常に鉛直軸と平行となる状態で摩擦攪拌を行う。摩擦攪拌工程によって攪拌ピンＦ２の周囲が摩擦攪拌され第一金属部材１と第二金属部材１０とが接合される。接合用回転ツールＦの移動軌跡には、塑性化領域Ｗが形成される。

図４に示すように、本実施形態に係る接合工程では、重合部Ｊ１に対する攪拌ピンＦ２の挿入深さをほぼ一定に保ちつつ、攪拌ピンＦ２のみを第一金属部材１及び第二金属部材１０に接触させた状態で摩擦攪拌を行う。本実施形態に係る摩擦攪拌工程では、第一金属部材１及び第二金属部材１０が固定された架台（図示省略）に対して接合用回転ツールＦを上下動させることにより摩擦攪拌を行う。

これにより、第一平部Ｊａの塑性化領域Ｗの深さＺａ、第一傾斜部Ｊｂの塑性化領域Ｗの深さＺｂ（傾斜部１３の表面１３ａと直交する線上における塑性化領域Ｗの深さ）及び第二平部Ｊｃの塑性化領域Ｗの深さＺｃをほぼ同等にすることができる。攪拌ピンＦ２の「挿入深さ」とは、接合用回転ツールＦの回転中心軸Ｃ上における第二金属部材１０の表面から攪拌ピンＦ２の先端までの距離を意味する。

なお、本実施形態に係る接合工程では、架台（図示省略）に対して接合用回転ツールＦを上下動させたが、接合用回転ツールＦの高さ位置を固定して、架台を上下動させることにより摩擦攪拌を行ってもよい。また、本実施形態では、攪拌ピンＦ２のみを第一金属部材１及び第二金属部材１０に接触させた状態で摩擦攪拌接合を行ったが、攪拌ピンＦ２のみを第二金属部材１０のみに接触させた状態で摩擦攪拌接合を行ってもよい。この場合は、第二金属部材１０と攪拌ピンＦ２の摩擦熱によって重合部Ｊ１が塑性流動化する。

図５に示すように、本実施形態では、接合用回転ツールＦのシアー側（advancing side：回転ツールの外周における接線速度に回転ツールの移動速度が加算される側）が進行方向左側となるように、接合用回転ツールＦの移動方向と回転方向を設定している。接合用回転ツールＦの回転方向及び進行方向は前記したものに限定されるものではなく適宜設定すればよい。

例えば、接合用回転ツールＦの回転速度が遅い場合では、塑性化領域Ｗのフロー側（retreating side：回転ツールの外周における接線速度から回転ツールの移動速度が減算される側）に比べてシアー側の方が塑性流動材の温度が上昇しやすくなるため、塑性化領域Ｗ内のシアー側に凹溝が発生し、塑性化領域Ｗ外のシアー側にバリＶが多く発生する傾向にある。一方、例えば、接合用回転ツールＦの回転速度が速い場合、シアー側の方が塑性流動材の温度が上昇するものの、回転速度が速い分、塑性化領域Ｗ内のフロー側に凹溝が発生し、塑性化領域Ｗ外のフロー側にバリＶが多く発生する傾向にある。

本実施形態では、接合用回転ツールＦの回転速度を速く設定しているため、図５に示すように、塑性化領域Ｗ内のフロー側に凹溝Ｄが発生し、塑性化領域Ｗ外のフロー側にバリＶが多く発生する傾向にある。図５中の符号Ｘは接合中心線である。凹溝Ｄは、塑性化領域Ｗのうち、より深くえぐれる部位である。また、接合用回転ツールＦの回転速度を速く設定することにより、接合用回転ツールＦの移動速度（送り速度）を高めることができる。これにより、接合サイクルを短くすることができる。

摩擦攪拌工程の際に、接合用回転ツールＦの進行方向のどちら側にバリＶが発生するかは接合条件によって異なる。当該接合条件とは、接合用回転ツールＦの回転速度、回転方向、移動速度（送り速度）、攪拌ピンＦ２の傾斜角度（テーパー角度）、第一金属部材１及び第二金属部材１０の材質、厚さ等の各要素とこれらの要素の組み合わせで決定される。接合条件に応じて、バリＶが発生する側又はバリＶが多く発生する側が後記する余剰片部２０側となるように設定すれば、塑性化領域Ｗ内に形成される凹溝Ｄも余剰片部２０側に形成される傾向があるので、後記する除去工程を容易に行うことができるため好ましい。

除去工程は、図５及び図６に示すように、第二金属部材１０の一部である余剰片部２０を切除する工程である。余剰片部２０とは、第二金属部材１０において、塑性化領域Ｗを境にして切除される部位である。本実施形態では、第二金属部材１０に形成された凹溝Ｄよりも外側（接合用回転ツールＦの進行方向右側）の部位を余剰片部２０としている。

除去工程では、スリット５，５の一方を起点として余剰片部２０の端部をめくり上げつつ、折り曲げるようにして除去する。除去工程では、装置を用いて余剰片部２０を折り曲げてもよいが、本実施形態では、手作業で折り曲げて切除している。

以上説明した接合方法によれば、高さが変化する重合部Ｊ１を接合することができるとともに、バリＶが形成された余剰片部２０ごと除去するため、バリＶを容易に除去することができる。また、摩擦攪拌工程では、余剰片部２０側にバリＶが形成されるように接合条件を設定している。これにより、余剰片部２０にバリＶを集約させることができるため、バリＶをより容易に除去することができる。

また、本実施形態のように攪拌ピンＦ２のみを第一金属部材１及び第二金属部材１０に接触させた状態、又は攪拌ピンＦ２のみを第二金属部材１０のみに接触させた状態で摩擦攪拌を行うことで摩擦攪拌装置に大きな負荷がかからない状態で深い位置にある重合部Ｊ１を摩擦攪拌接合することができる。また、塑性化領域Ｗを一定にすることにより、接合強度を一定にすることができる。

また、図５に示すように、本実施形態によれば、凹溝Ｄは塑性化領域Ｗ内で、かつ、フロー側に形成される。また、バリＶは塑性化領域Ｗ外で、かつ、フロー側に形成されるので、余剰片部２０とともにバリＶを効率よく切除することができる。これにより、接合部（塑性化領域Ｗ）を大きく残存させることができるため、接合強度を高めることができる。また、凹溝Ｄによって余剰片部２０を容易に折り曲げることができるとともに、バリ除去作業を別途行わなくても接合部（塑性化領域Ｗ）をきれいに仕上げることができる。

なお、摩擦攪拌工程では、摩擦攪拌接合の終了と同時に第二金属部材１０から余剰片部２０が除かれるように、接合条件を設定してもよい。つまり、当該摩擦攪拌工程では、凹溝Ｄがより深く形成されるとともに、摩擦攪拌接合の終了と同時に余剰片部２０が第二金属部材１０から離脱するように、接合条件を設定してもよい。これにより、接合サイクルを短くすることができる。この場合は、第一金属部材１の本体部２と同じ板厚の一対のタブ材を、第一金属部材１の両端に設けつつ、当該タブ材に摩擦攪拌の開始位置及び終了位置を設定して第二金属部材１０の全長に亘って摩擦攪拌を行うことが好ましい。

［変形例］
図７は、第一実施形態に係る接合方法の変形例の摩擦攪拌工程を示す断面図である。図７に示すように、変形例では、摩擦攪拌工程を行う際に、接合用回転ツールＦを接合面に対して垂直に挿入しつつ摩擦攪拌を行う。変形例の摩擦攪拌工程では、第一平部Ｊａ、第二平部Ｊｃ及び第三平部Ｊｅにおいては、第一実施形態と同様に接合用回転ツールＦの回転中心軸Ｃを鉛直軸と平行にした状態で摩擦攪拌を行う。一方、第一傾斜部Ｊｂ及び第二傾斜部Ｊｄにおいては、接合用回転ツールＦを鉛直軸に対して傾斜させて、第一傾斜部Ｊｂ及び第二傾斜部Ｊｄの接合面に対して接合用回転ツールＦの回転中心軸を垂直にした状態で摩擦攪拌を行う。

変形例を行う場合は、例えば、先端にスピンドルユニット等の駆動手段を備えたロボットアームに接合用回転ツールＦを取り付けて摩擦攪拌を行うことが好ましい。このような摩擦攪拌装置によれば、接合用回転ツールＦの回転中心軸Ｃの角度を容易に変更することができる。これにより、重合部Ｊ１の高さが変化する場合においても、摩擦攪拌中に鉛直軸に対する接合用回転ツールＦの回転中心軸Ｃの角度を変更することで、接合面に対して接合用回転ツールＦを常に垂直にした状態で連続して摩擦攪拌を行うことができる。

前記した変形例であっても、第一実施形態と略同等の効果を奏することができる。また、接合用回転ツールＦを各接合面に対して垂直に挿入することができるため、傾斜面であっても重合部Ｊ１の深い位置まで摩擦攪拌を行うことができる。

［第二実施形態］
次に、本発明の第二実施形態について説明する。第二実施形態に係る接合方法では、重合工程と、摩擦攪拌工程と、除去工程とを行う。第二実施形態では、金属部材同士が湾曲している点で第一実施形態と相違する。

図８に示すように、重合工程では、第一金属部材３０と、第二金属部材４０とを重ね合わせる。第一金属部材３０及び第二金属部材４０は、摩擦攪拌可能な金属で形成されるとともに、同等の曲率半径で湾曲形成されている。第一金属部材３０の表面３０ａと、第二金属部材４０の裏面４０ｂとを重ね合わせることにより、重合部Ｊ２が形成される。重ね合わされた第一金属部材３０及び第二金属部材４０は、治具によって架台Ｋにクランプされる。

摩擦攪拌工程は、接合用回転ツールＦを用いて重合部Ｊ２を摩擦攪拌接合する工程である。摩擦攪拌工程では、接合用回転ツールＦの攪拌ピンＦ２を第二金属部材４０の表面４０ａから挿入し、重合部Ｊ２に沿って接合用回転ツールＦを相対移動させる。摩擦攪拌工程では、接合用回転ツールＦの回転中心軸Ｃが第二金属部材４０の法線と重なるように、接合用回転ツールＦの傾斜角度を漸次変更する。また、摩擦攪拌工程では、塑性化領域Ｗ１が一定になるように攪拌ピンＦ２の挿入深さを設定する。除去工程は、第一実施形態と同等であるため説明を省略する。

以上説明した第二実施形態に係る摩擦攪拌接合においても、第一実施形態と略同等の効果を奏することができる。また、第一金属部材３０及び第二金属部材４０のように、重合部Ｊ２が湾曲している場合であっても、本発明を適用することができる。

以上本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。

１ 第一金属部材
２ 第二金属部材
Ｆ 接合用回転ツール（回転ツール）
Ｆ１ 連結部
Ｆ２ 攪拌ピン
Ｃ 回転中心軸
Ｊ１ 重合部
Ｖ バリ
Ｗ 塑性化領域

Claims (4)

1. 攪拌ピンを備えた回転ツールを用いて第一金属部材と第二金属部材とを接合する接合方法であって、
   少なくとも表面の高さが変化する前記第一金属部材の表面に、表面及び裏面の高さが変化する前記第二金属部材の裏面を重ね合わせて高さが変化する重合部を形成する重合工程と、
   前記第二金属部材の表面から回転する前記回転ツールを挿入し、前記攪拌ピンのみを前記第二金属部材に接触させた状態又は、前記第一金属部材及び前記第二金属部材の両方に接触させた状態で、高さが変化する前記重合部に対して前記回転ツールを相対移動させて摩擦攪拌接合を行う摩擦攪拌工程と、
   前記摩擦攪拌工程で形成された塑性化領域を境に、前記第二金属部材のうちバリが形成された余剰片部ごと除去する除去工程と、を含むことを特徴とする接合方法。
2. 前記除去工程では、前記塑性化領域に形成された凹溝を境に前記余剰片部を除去することを特徴とする請求項１に記載の接合方法。
3. 前記摩擦攪拌工程では、摩擦攪拌接合で発生するバリが前記余剰片部に形成されるように接合条件を設定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。
4. 前記摩擦攪拌工程では、摩擦攪拌接合の終了と同時に前記第二金属部材から前記余剰片部が除かれるように、接合条件を設定することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の接合方法。

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