JP2005205496A - 摩擦撹拌接合用ツール、摩擦撹拌接合用裏当て及び摩擦撹拌接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 被溶接材が曲面を有し、この曲面で相互に摩擦撹拌接合する必要がある場合、被接合材に接合跡が残らず、余分な重量増をもたらさず、表面が美麗な状態で接合可能であると共に、接合コストの上昇を回避できる摩擦撹拌接合用ツール、摩擦撹拌接合用裏当て及び摩擦撹拌接合方法を提供する。
【解決手段】 摩擦撹拌接合ツールは、回転駆動装置に支持された本体部１が円柱状をなし、この本体部１の先端にショルダー部４が設けられており、このショルダー部４の中心にピン２が設けられている。ショルダー部４はその表面が湾曲した半球状の凸曲面を有している。この凸曲面は、被接合部材の凹湾曲面に整合して湾曲している。
【選択図】 図１

Description

本発明は、曲面部を有するアルミニウム又はアルミニウム合金材（以下、総称してアルミニウムという）の摩擦撹拌接合に使用する摩擦撹拌接合用ツール、摩擦撹拌接合用裏当て及び摩擦撹拌接合方法に関する。

車両、自動車、二輪車、架装材等の輸送機に使用される構造材には、軽量化を目的としてアルミニウム材の使用が進んでいる。アルミニウム材を使用してこれらの構造材を製造する場合、アルミニウム材同士を接合する際に、従来はミグ及びティグ等のアーク溶接、レーザー溶接、及びリベット等の機械的接合方法が使用されていた。一方、床材及び屋根材等の構造材並びに内外装材等は、その表面の剛性を向上させるために、又は意匠性を具備させるために、曲面を有するアルミニウム板が使用されている。このアルミニウム板と、骨格部材との接合においては、溶接及びリベット接合等、種々の方法が適用可能であるが、表面の美観性、人が触れたときの感触の良さ、又は空気抵抗が少ないこと等が要求される場合には、表面に接合痕を残さない接合方法を採用することが必要である。

近年、新たな接合方法として、摩擦撹拌接合が開発されているが、これは特許第２７９２２３３号（特許文献１）に示されるように、ツールを被接合材に挿入して固相状態で撹拌することによって接合する技術であり、接合部周辺の熱影響が少ないという利点がある。この摩擦撹拌接合は、施工条件によっては裏面に接合痕が残らないため、アーク及びリベットによる接合方法よりも優れている。図４は従来の摩擦撹拌ツールを示す正面図である。円柱状の本体部１が摩擦撹拌接合装置に支持され、回転駆動される。この本体部１のショルダー部３の表面の中央には、ピン２が設けられており、本体部１を回転駆動し、回転するピン２を被接合部材に挿入することによりピン２と被接合部材との間で発生する摩擦熱により、被接合部材を接合する。このとき、ショルダー部３は、被接合部材を押圧する必要があり、このショルダー部３の面は、ピン２を中心とした円錐状に凹んだものとなっている。

而して、曲面を有する被接合部材の外面を美麗に仕上げるために、内部から摩擦撹拌接合を行う技術として、特開平１１―２６７８５８号公報（特許文献２）に記載されたものがある。この文献に記載された摩擦撹拌接合方法においては、図４に示す摩擦撹拌接合ツールを使用し、凹湾曲した内面の接合部位を、局部的に平坦に成形することにより、図４に示すショルダー部３が平面のツールの使用を可能にしている。

しかし、摩擦撹拌接合は、被接合材に高い押圧力でツールを挿入するため、ツールのショルダー部による接合痕が残る。接合痕は、鋭い凹凸が刻まれた状態であるため、接合後の部材を輸送機構造材に使用した場合は、使用時の振動などにより接合部に繰返し応力がかかった場合、接合痕の鋭い凹凸から亀裂が発生し、疲労強度が低くなってしまう虞がある。

これを防止するため、被接合材の端部に予め厚肉部を設けておき、厚肉部にツールを挿入して摩擦撹拌接合した後に厚肉部表面を削除する技術が知られている（特許文献３：特開平１０−２１６９６４）。

特許第２７９２２３３号 特開平１１―２６７８５８号公報 特開平１０−２１６９６４号公報

しかしながら、この特許文献２に記載の従来方法においては、水平部を設けるため、接合部材の重量が重くなる。特に、曲率半径が比較的小さな部材を接合する場合には、被接合部材の単重が低いために、この水平部を設けることによる被接合部材における重量増の割合（影響）が大きくなってしまう。更に、被接合部材の内面に、部分的に平面を設ける場合、押出形材のように、部分的な材料厚さを自在に設計できるような素材を使用する必要があり、安価な板材を使用することができない。

また、特許文献３に記載の従来方法のように、被接合材の端部に予め厚肉部を設けておき、厚肉部にツールを挿入して摩擦撹拌接合した後に厚肉部の表面を削除する方法では、工程が増えるため、接合コストが高くなるという問題点がある。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、被溶接材が曲面を有し、この曲面で相互に摩擦撹拌接合する必要がある場合、被接合材に接合跡が残らず、余分な重量増をもたらさず、表面が美麗な状態で接合可能であると共に、接合コストの上昇を回避できる摩擦撹拌接合用ツール、摩擦撹拌接合用裏当て及び摩擦撹拌接合方法を提供することを目的とする。

本発明に係る摩擦撹拌接合用ツールは、凹曲面を有する被接合部材同士を摩擦撹拌接合する摩擦撹拌ツールにおいて、回転する本体部と、この本体部の被接合部材側に設けられたショルダー部と、このショルダー部の中心に設けられたピンとを有し、前記ショルダー部の表面は凸曲面であることを特徴とする。

この摩擦撹拌ツールにおいて、前記ショルダー部の表面は、前記被接合部材の前記凹曲面に整合して湾曲した凸曲面であることが好ましい。この凸曲面が凹曲面に整合するとは、被接合部材の凹曲面の曲率半径とほぼ等しい曲率半径で凸形状に湾曲していることを意味する。

本発明に係る摩擦撹拌接合方法は、凹曲面を有する被接合部材同士を突き合わせ又は重ねた後、回転する本体部と、この本体部の被接合部材側に設けられ表面が凸曲面であるショルダー部と、このショルダー部の中心に設けられたピンとを有する摩擦撹拌ツールを、前記被接合部材の前記凹曲面の内面側に配置し、前記本体部を回転させて前記ピンを前記被接合部材に挿入することにより前記被接合部材同士を接合することを特徴とする。

この摩擦撹拌接合方法において、前記被接合部材の外面側にこの外面に整合する凹曲面を有する裏当材を配置することが好ましい。

また、本発明に係る他の摩擦撹拌接合用ツールは、被接合部材を突き合わせて摩擦撹拌接合により凹曲面接合に仕上げるための摩擦撹拌接合用ツールにおいて、回転する本体部と、この本体部の被接合部材側に設けられたショルダー部と、このショルダー部の中心に設けられたピンとを有し、前記ショルダー部の表面は凸曲面であることを特徴とする。

更に、本発明に係る摩擦撹拌接合用裏当ては、上記摩擦撹拌接合用ツールを使用して前記被接合部材を突き合わせ接合する際に、前記被接合部材の突き合わせ部の裏面に配置される裏当てにおいて、前記摩擦撹拌接合用ツールの前記ショルダー部の凸曲面に整合する凹曲面を有し、前記凹曲面とその隣接する面がなだらかに連続していることを特徴とする。なお、この裏当ての凹曲面がツールのショルダー部の凸曲面に整合するということは、裏当ての凹曲面がショルダー部の凸曲面の曲率半径とほぼ等しい曲率半径で凹形状に湾曲していることを意味する。

更に、本発明に係る摩擦撹拌接合方法は、上記摩擦撹拌接合用ツールを使用し、前記被接合部材の突き合わせ部の裏面に上記摩擦撹拌接合用裏当てを配置し、前記本体部を回転させて前記ピンを前記被接合部材に挿入し、前記ショルダー部の凸曲面で前記被接合部材同士を接合し、摩擦撹拌接合した部分とその周囲の部分とがなだらかに連続するように接合することを特徴とする。なお、このなだらかに連続するようにとは、ツールのショルダー部による鋭い凹凸が無く、かつ、断面において矩形上の段差が生じていないことを意味する。

本発明によれば、ツールのショルダー部を被接合部材の内面側曲面形状に適合させることにより、摩擦力を効率よく発生させることができ、必要最低限の押し付け力で接合が可能となる。これにより、特許文献１に記載のような特段の厚肉部を設けなくても、薄肉部材の接合が可能となる。従って、板材同士の突合せ接合はもちろん、板材同士の重ね接合、板材と押出形材の突合せ接合、又は重ね接合などに、本発明を適用することができる。このため、表面側の表面仕上げが要求される箇所に、摩擦撹拌接合による種々の継手を適用することができる。

また、内面側曲面形状に適合させることにより、撹拌部分が最適化され、ツールと接合素材の不必要な接触が低減されるため、従来のツールで内周曲面を摩擦撹拌接合した場合に起こるバリの発生及び工作物の熱変形も抑制することができる。これにより、高品質の接合物を得ることができる。更に、工作物と工具との間の空間から生じる押し付け圧力の低下を防ぎ、これに起因した接合欠陥の抑制も可能である。

更に、本発明によれば、ツールのショルダー部に凸曲面が設けられていることにより、摩擦撹拌接合後の被接合材には表面の段差がなく、これを輸送機等に使用した場合にも亀裂発生などが起こりにくくなる。従って、板材同士の突合せ接合はもちろん、板材同士の重ね接合、板材と押出形材の突合せ接合、又は重ね接合などに、本発明を適用することができる。このため、輸送機構造部材など、使用時に振動が付加され、高い疲労強度が要求される箇所に、摩擦撹拌接合による種々の継手を適用することができる。

以下、本発明の実施の形態について、添付の図面を参照して具体的に説明する。図１は本発明の第１実施形態に係る摩擦撹拌接合ツールを示す正面図である。回転駆動装置に支持された本体部１は円柱状をなし、この本体部１の先端にショルダー部４が設けられ、このショルダー部４の中心にピン２が設けられている。本実施形態においては、ショルダー部４はその表面が湾曲した半球状の曲面を有している。

次に、この摩擦撹拌ツールを使用して重ね接合を行う方法について説明する。図２はこの重ね接合方法を示す断面図である。本実施形態は、骨格部材１０に対して、板材１２を接合する場合のものであり、いずれもアルミニウム合金材である。この骨格部材１０は例えば押出により成形される。この骨格部材１０の上端には外側に湾曲する湾曲部１１が形成されており、この湾曲部１１の外面に板材１２の先端の湾曲部を重ね、更に、板材１２の裏面に裏当金１４を配置して、湾曲部１１の内側から、図１に示す摩擦撹拌ツールを使用して、骨格部材１０と板材１２とを摩擦撹拌接合する。

この場合に、先ず、ツールを回転駆動し、先端のピン２を骨格部材１０の湾曲部１１に挿入し、更に板材１２まで挿入する。これにより、ツールと被接合部材との間の摩擦熱により、ピン２が挿入された部位を中心として、骨格部材１０と板材１２とが接合する。そして、ショルダー部４で湾曲部１１を板材１２に向けて押圧しつつ、ツールを骨格部材１０の長手方向（押出方向）に移動させ、この長手方向に沿って骨格部材１０と板材１２とを摩擦撹拌接合する。

本実施形態においては、ツールのショルダー部４の表面が凸曲面であり、被接合部材の湾曲部１１の凹曲面に重ねたときに、この凹曲面に接触又は密着させることができ、湾曲部１１に格別の平面部を成形することなく、湾曲した接合部材を容易に接合することができる。これにより、被接合部材の外表面に接合痕を残すことなく、接合することができる。

本発明は、ショルダー部の表面を凸曲面にすることを特徴とするが、このショルダー部４の表面の凸曲面は、被接合部材の凹曲面の曲率半径とほぼ等しい曲率半径で凸形状に湾曲していることが望ましい。即ち、ショルダー部４の表面の凸曲面は、被接合部材の凹曲面と整合した形状で凸状に湾曲していることが望ましい。このように、ツールのショルダー部４の表面形状を、被接合部材（湾曲部１１及び板材１２）の内面側曲面形状に適合させることにより、撹拌部分が最適化され、ツールと接合素材の不必要な接触が低減されるため、従来のツールで内周曲面を摩擦撹拌接合した場合に起こるバリの発生及び工作物の熱変形も抑制することができる。これにより、高品質の接合物を得ることができる。更に、工作物と工具との間の空間から生じる押し付け圧力の低下を防ぎ、これに起因した接合欠陥も抑制することができる。なお、ショルダー部４の表面の凸曲面における被接合部材の凹曲面の曲率半径とほぼ等しい曲率半径で湾曲する部分は、ショルダー部４の全面である必要はない。摩擦撹拌接合に寄与する領域において、このように被接合部材の内面側曲面形状に適合させることにより、上述の効果を得ることができる。

次に、突き合わせ接合に本発明を適用した本発明の第２実施形態について図３を参照して説明する。図３の断面図に示すように、断面形状が接合部で１／４円弧状に湾曲した被接合部材の板材１３を突き合わせ、その湾曲外側に裏当金１４を配置し、湾曲内側に本実施形態のツールを配置し、このツールを回転駆動しつつ、ピン２を板材１３の接合部に挿入する。そして、このツールにより板材１３を裏当金１４に押圧しつつ、ツールを突き合わせ端面に沿って移動させる。

本実施形態においては、板材１３の湾曲外面の湾曲面と同一形状に湾曲する裏当金１４を板材１３の湾曲外面に当て、板材１３の湾曲内面にツールのショルダー部４を当てて、ツールと裏当金１４との間で挟持しつつ板材１３同士を突き合わせ接合するので、接合後の形状、特に板材１３の外表面の接合部の表面形状が極めて美麗なものとなる。

次に、本発明の第３実施形態について図４及び図５を参照して説明する。使用する摩擦撹拌接合ツールは、図１に示すものと同様である。図４は、本発明の実施形態に係る摩擦撹拌接合用裏当て２０を示す断面図である。裏当て２０の表面の中央部には、摩擦撹拌ツールのショルダー部４の凸曲面に整合する凹曲面２１が形成されており、その周囲の表面２２は平面であり、凹曲面２１と表面２２とが、段差無くなだらかに連続している。

次に、この摩擦撹拌ツール及び裏当てを使用して突合せ接合を行う方法について説明する。図５はこの突合せ接合方法を示す断面図である。本実施形態は、被接合部材としての板材２３を突き合わせ、裏当て２０の凹曲面２１と板材２３の凸曲面とを重ねるようにして、突き合わせ部の裏面に裏当て２０を配置する。そして、突き合わせ部の表面側に摩擦撹拌接合用ツールを配置し、このツールを回転駆動しつつ、ピン２を板材２３の接合部に挿入する。そして、このツールにより板材２３を裏当て２０に押圧しつつ、ツールを突き合わせ端面に沿って移動させる。これにより、板材２３同士が、摩擦撹拌接合される。

本実施形態においては、ツールのショルダー部４の表面（凸曲面）及びこのショルダー部４の表面に整合した凹曲面２１を有する裏当て２０との間で板材２３を挟持しつつ、板材２３同士を突き合わせ接合するので、接合後の形状、特に板材２３の接合部裏面の表面形状が美麗となり、更にこの接合部裏面に段差が生じないため、接合した部材は繰返し応力を受けても亀裂が発生せず、疲労強度に優れるものとなる。

本発明は、湾曲した被接合部材の摩擦撹拌接合に極めて有益である。

本発明の実施形態に係る摩擦撹拌ツールを示す正面図である。 このツールを使用した本発明の第１実施形態の重ね接合方法を示す断面図である。 このツールを使用した本発明の第２実施形態の突き合わせ接合方法を示す断面図である。 本発明の第３実施形態の摩擦撹拌接合用裏当てを示す断面図である。 このツールを使用した本発明の第３実施形態の突き合わせ接合方法を示す断面図である。 従来の摩擦撹拌ツールを示す正面図である。

符号の説明

１：本体部
２：ピン
３：ショルダー部（平面）
４：ショルダー部（湾曲）
１０：骨格部材
１２、１３，２３：板材
１４：裏当金
２０：裏当て
２１：凹曲面
２２：表面

Claims (7)

1. 凹曲面を有する被接合部材同士を摩擦撹拌接合する摩擦撹拌ツールにおいて、回転する本体部と、この本体部の被接合部材側に設けられたショルダー部と、このショルダー部の中心に設けられたピンとを有し、前記ショルダー部の表面は凸曲面であることを特徴とする摩擦撹拌接合用ツール。
2. 前記ショルダー部の表面は、前記被接合部材の前記凹曲面に整合して湾曲した凸曲面であ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. 凹曲面を有する被接合部材同士を突き合わせ又は重ねた後、回転する本体部と、この本体部の被接合部材側に設けられ表面が凸曲面であるショルダー部と、このショルダー部の中心に設けられたピンとを有する摩擦撹拌ツールを、前記被接合部材の前記凹曲面の内面側に配置し、前記本体部を回転させて前記ピンを前記被接合部材に挿入することにより前記被接合部材同士を接合することを特徴とする摩擦撹拌接合方法。
4. 前記被接合部材の外面側にこの外面に整合する凹曲面を有する裏当材を配置することを特徴とする請求項３に記載の摩擦撹拌接合方法。
5. 被接合部材を突き合わせて摩擦撹拌接合により凹曲面接合に仕上げるための摩擦撹拌接合用ツールにおいて、回転する本体部と、この本体部の被接合部材側に設けられたショルダー部と、このショルダー部の中心に設けられたピンとを有し、前記ショルダー部の表面は凸曲面であることを特徴とする摩擦撹拌接合用ツール。
6. 請求項５に記載の摩擦撹拌接合用ツールを使用して前記被接合部材を突き合わせ接合する際に、前記被接合部材の突き合わせ部の裏面に配置される裏当てにおいて、前記摩擦撹拌接合用ツールの前記ショルダー部の凸曲面に整合する凹曲面を有し、前記凹曲面とその隣接する面がなだらかに連続していることを特徴とする摩擦撹拌接合用裏当て。
7. 請求項５に記載の摩擦撹拌接合用ツールを使用し、前記被接合部材の突き合わせ部の裏面に請求項６に記載の摩擦撹拌接合用裏当てを配置し、前記本体部を回転させて前記ピンを前記被接合部材に挿入し、前記ショルダー部の凸曲面で前記被接合部材同士を接合し、摩擦撹拌接合した部分とその周囲の部分とがなだらかに連続するように接合することを特徴とする摩擦撹拌接合方法。

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