JP2012183565A - 摩擦撹拌接合方法及び接合治具 - Google Patents

Abstract

【課題】余肉部の切除面積を減少して外観品質を向上できると共に、余肉部の変形による接合不良を防止できる。
【解決手段】突合せ面が設けられると共に、この突合せ面に連続する接合面を備える余肉部１４が延設された一対の被接合部材１１、１２を用意し、ショルダ部２２の先端面２２Ａにプローブ部２３を一体に備えた接合ツール１３を用意し、前記突合せ面と前記接合面をそれぞれ互いに接触させて連続する接合線を形成するよう被接合部材１１、１２を保持し、この状態で、余肉部１４の裏面２６側に、接合ツール１３の押付荷重を支持する荷重支持治具部２７を設置すると共に、余肉部１４の表面２１側に、余肉部１４の表面２１側への変形を拘束する変形拘束治具部２８を設置し、その後、被接合部材の表面１９に接合ツール１３を回転させながら押し付け、余肉部１４に至るまで接合線に沿って移動させて、被接合部材１１、１２及び余肉部１４を摩擦撹拌接合する。
【選択図】 図３

Description

本発明は摩擦撹拌接合方法、及びこの摩擦撹拌接合方法に用いられる接合治具に関する。

摩擦撹拌接合（ＦＳＷ）は、図１６及び図１７に示すように、回転する接合ツール１０３を、被接合部材１０１及び１０２に押し付けて移動させ、接合ツール１０３と被接合部材１０１及び１０２との摩擦熱により被接合部材１０１及び１０２を軟化させ、接合ツール１０３の回転に伴う塑性流動現象を利用して、被接合部材１０１及び１０２を固相接合させる接合方法である。この摩擦撹拌接合は低入熱であるため、溶接などと異なり、摩擦撹拌接合部１０４に熱歪みや母材の強度低下が少ないという利点がある。

ところが、通常の摩擦撹拌接合では、その接合原理と接合ツール１０３の形状とから、接合体１００に未接合部１０５が残り、更に接合終端部に接合ツール１０３によるツール穴１０６（図１８）が残ってしまう。このため、接合体１００の強度が低下する恐れがある。

そこで、図１９及び図２０に示し且つ特許文献１に記載のように、被接合部材１０１、１０２の端部に余肉部１０７（エンドタブ）を延設し、この余肉部１０７を接合終端部として摩擦撹拌接合を行い、接合後に余肉部１０７を切除線１０８で切除する方法が知られている。この方法によれば、未接合部１０５の発生を防止できると共に、ツール穴１０６が生じた余肉部１０７を切除することで、ツール穴１０６が存在しない製品１１０（図２１）を得ることができる。

特開平１０−７１４７７号公報

ところが、余肉部１０７が設けられた被接合部材１０１、１０２を摩擦撹拌接合する場合には、接合ツール１０３からの押付荷重を余肉部１０７が支持する必要があるため、この余肉部１０７の剛性を確保するために余肉部１０７を大型化しなければならない。そのため、図２１に示すように、余肉部１０７を切除したときの余肉切除面１０９が広い面積になってしまう。

この余肉切除面１０９は、製品１１０の非切除面と比べて外観に差が生ずるため、製品１１０の外観品質が低下してしまう。特に、製品１１０が自動二輪車のフレームのように美観が要求されるものである場合には、外観品質の低下は重要な課題になる。

本発明の目的は、上述の事情を考慮してなされたものであり、余肉部の切除面積を減少して外観品質を向上できると共に、余肉部の変形による被接合部材の接合不良を確実に防止できる摩擦撹拌接合方法及び接合治具を提供することにある。

本発明に係る摩擦撹拌接合方法は、突合せ面がそれぞれ設けられると共に、この突合せ面に連続する接合面を備える余肉部がそれぞれ延設された一対の被接合部材を用意し、円柱形状のショルダ部の先端面に、このショルダ部よりも小径のプローブ部を一体に備えた摩擦撹拌接合用の接合ツールを用意し、前記突合せ面と前記接合面をそれぞれ互いに接触させて連続する接合線を形成するように前記被接合部材を保持し、この状態で、一対の前記余肉部の裏面側に、前記接合ツールの押付荷重を支持する荷重支持治具部を設置すると共に、一対の前記余肉部の表面側に、前記余肉部の表面側への変形を拘束する変形拘束治具部を設置し、その後、前記被接合部材の表面に前記接合ツールを回転させながら押し付け、前記余肉部に至るまで前記接合線に沿って移動させて、前記被接合部材及び前記余肉部を摩擦撹拌接合するものである。

また、本発明に係る接合治具は、突合せ面がそれぞれ設けられると共に、この突合せ面に連続する接合面を備える余肉部がそれぞれ延設された一対の被接合部材が用意され、前記突合せ面と前記接合面をそれぞれ互いに接触させて連続する接合線を形成するように保持された前記被接合部材の表面に接合ツールを回転させながら押し付け、前記接合線に沿って前記余肉部に至るまで移動させて、前記被接合部材及び余肉部を摩擦撹拌接合する際に用いられる接合治具であって、一対の前記余肉部の裏面側に設置されて、前記接合ツールの押付荷重を支持する荷重支持治具部と、一対の前記余肉部の表面側に設置されて、前記余肉部の表面側への変形を拘束する変形拘束治具部と、を有して構成されたことを特徴とするものである。

本発明に係る摩擦撹拌接合方法及び接合治具によれば、被接合部材及び余肉部の接合線に沿って接合ツールを回転させながら押し付けて移動させ、被接合部材及び余肉部を摩擦撹拌接合する際に、余肉部に作用する接合ツールからの押付荷重を荷重支持治具部が支持する。このため、余肉部の断面積を小さくして余肉部を小型化できるので、この余肉部を切除したときの切除面積を減少でき、従って、製品の外観品質を向上できる。

また、被接合部材及び余肉部の接合線に沿って接合ツールを回転させながら押し付けて移動させ、被接合部材及び余肉部を摩擦撹拌接合する際に、余肉部の表面側への変形、つまり、余肉部の浮き上がり変形と、これに伴う余肉部の接合面の開き変形を変形拘束治具部により拘束する。この結果、余肉部の接合面の開き変形による材料不足が回避されて、余肉部の変形による被接合部材の接合不良を確実に防止できる。

本発明係る摩擦撹拌接合方法の一実施形態に用いられる一対の被接合部材を示す斜視図。 図１の被接合部材に摩擦撹拌接合を行うための接合ツールを示す側面図。 図１の被接合部材に摩擦撹拌接合を行っている状況を示す側断面図。 図３の摩擦撹拌接合を行っている状況を示す平面図。 図１の被接合部材の余肉部の断面形状を荷重支持治具部などと共に示す正断面図。 図３の摩擦撹拌接合終了後に接合体から余肉部を切除した状態を示し、（Ａ）が側断面図、（Ｂ）が正面図。 図３の摩擦撹拌接合の接合条件を示す図表。 変形拘束治具部を有しない接合治具を用いて摩擦撹拌接合を行っている状況を示す側断面図。 図８の摩擦撹拌接合を行っている状況を示す平面図。 図７の接合条件で図８に示す摩擦撹拌接合を行った後の接合状態を示す接合体の側面写真。 図１０の接合体を斜め上方から示す写真。 図７の接合条件下で図３の摩擦撹拌接合を行った後の接合状態を示す接合体の側面写真。 図１２の接合体を斜め上方から示す写真。 図１２の接合体を示す正面写真。 図３に示す接合治具における変形拘束治具部の他の形態を用いて摩擦撹拌接合を行っている状況を示す側断面図。 従来の方法で摩擦撹拌接合を行っている状況を示す側断面図。 図１６の摩擦撹拌接合を行っている状況を示す平面図。 図１６の摩擦撹拌接合終了後の状態を示す側断面図。 従来の他の方法で摩擦撹拌接合を行っている状況を示す側断面図。 図１９の摩擦撹拌接合を行っている状況を示す平面図。 図１９の摩擦撹拌接合終了後に余肉部を接合体から切除した状態を示し、（Ａ）が側断面図、（Ｂ）が正面図。

以下、本発明を実施するための実施形態を図面に基づき説明する。但し、本発明は、これらの実施形態に限定されるものではない。

図１は、本発明に係る摩擦撹拌接合の一実施形態に用いられる一対の被接合部材を示す斜視図であり、図２は、図１の被接合部材に摩擦撹拌接合を行うための接合ツールを示す側面図であり、図３は、図１の被接合部材に摩擦撹拌接合を行っている状況を示す側断面図である。

図３に示す摩擦撹拌接合（ＦＳＷ：Ｆｒｉｃｔｉｏｎ Ｓｔｉｒ Ｗｅｌｄｉｎｇ）は、一対の被接合部材１１及び１２（図１）と、回転する接合ツール１３（図２）との摩擦熱により被接合部材１１及び１２を溶融させずに軟化させ、接合ツール１３の回転に伴う塑性流動現象を利用して被接合部材１１及び１２を固相接合する接合方法である。

この摩擦撹拌接合は、具体的には、余肉部１４（図１）がそれぞれ延設された一対の被接合部材１１及び１２と接合ツール１３（図２）とを用意し、次に、一対の被接合部材１１と１２を突き合わせて保持し、この状態で、被接合部材１１と１２のそれぞれの余肉部１４に相対して接合治具１５（図３）を設置し、その後、接合ツール１３を回転させながら被接合部材１１及び１２に押し付けて移動させ、摩擦撹拌接合を実施して接合体１６を得る。この摩擦撹拌接合後、接合体１６から余肉部１４を切除して製品１７（図６）を得る。

図１に示す被接合部材１１、１２は、それぞれ突合せ面１８が設けられると共に、平坦面形状の表面１９が形成されている。これらの被接合部材１１、１２は、アルミニウム合金、マグネシウム合金、銅合金、鉄鋼材料、マトリックス金属としてアルミニウム、マグネシウム、チタンおよびこれらの合金と強化材料として繊維や粒子を含む金属基複合材料など、摩擦攪拌接合が可能な材料で形成した部材である。各被接合部材１１、１２は、同種材料であっても異種材料であっても良い。

更に、被接合部材１１、１２のそれぞれには余肉部１４が外方へ延設され、各余肉部１４に、被接合部材１１、１２の突合せ面１８に連続する接合面２０が設けられている。また、各余肉部１４には、被接合部材１１、１２のそれぞれの表面１９に連続して平坦面形状の表面２１が形成されている。この余肉部１４は、被接合部材１１、１２に一体に成形されてもよく、または別体に成形されて溶接または締結具などにより被接合部材１１、１２に固定されてもよい。

接合ツール１３は、図２に示すように、円柱形状のショルダ部２２の先端面２２Ａにプローブ部２３を一体に備えて構成される。このプローブ部２３は、ショルダ部２２よりも小径に形成されると共に、ショルダ部２２と同軸に設けられている。この接合ツール１３は、摩擦撹拌接合時に、図示しない駆動軸により回転駆動される。

接合ツール１３の回転時にショルダ部２２の先端面２２Ａが被接合部材１１、１２の表面１９に押し付けられることで、被接合部材１１、１２は摩擦熱により軟化されながらも、固相状態を維持して塑性流動が促される。また、プローブ部２３は、接合ツール１３の回転時に被接合部材１１、１２の突合せ面１８に挿入され、これらの被接合部材１１、１２を摩擦熱により軟化させながらも、固相状態を維持して塑性流動させ、更に撹拌する。

ここで、接合ツール１３のショルダ部２２の直径をＡとし、プローブ部２３の長さをＢとしたとき、被接合部材１１、１２に延設された余肉部１４の幅Ｃ（図４）と厚さＤ（図３）は、それぞれ
１．２×Ａ≦Ｃ＜２×Ａ
１．２×Ｂ≦Ｄ＜２×Ｂ

に設定される。更に、この余肉部１４の断面形状は、図５（Ａ）に示すように幅Ｃ×厚さＤの矩形状とすることもできるが、図５（Ｂ）に示すように前記矩形状に面取りを行ったり、或いは、幅Ｃを直径とする半円形状（Ｃ＝２×Ｄ）とすることもできる。本実施形態では、余肉部１４の断面形状は、余肉部１４の幅Ｃを直径とする半円形状に形成されている。

摩擦撹拌接合では、図１に示すように、用意された一対の被接合部材１１、１２の突合せ面１８を互いに接触させ、被接合部材１１、１２のそれぞれの余肉部１４の接合面２０を互いに接触させて、連続する接合線２４を形成するように被接合部材１１と１２を突き合わせて保持する。このとき、互いに接触する突合せ面１８と接合面２０のそれぞれは、摩擦撹拌接合部２５（図３、図４）に欠陥を発生させないように、隙間なく密着されることが好ましい。

この状態で、図３に示すように、一対の余肉部１４の裏面２６側に荷重支持治具部２７を設置し、一対の余肉部１４の表面２１側に変形拘束治具部２８を設置する。この変形拘束治具部２８は、余肉部１４の表面２１に平行して荷重支持治具２７から一体、または溶接もしくは締結具を用いて一体的に突設される。そして、これらの荷重支持治具部２７と変形拘束治具部２８が接合治具１５を構成する。

荷重支持治具部２７は、摩擦撹拌接合時に余肉部１４に作用する接合ツール１３の押付荷重を支持するものであり、この荷重支持治具部２７の存在によって余肉部１４の小型化が図られる。また、変形拘束治具部２８は、摩擦撹拌接合時に発生する接合ツール１３との摩擦熱による余肉部１４の軟化と、上述の接合ツール１３からの押付荷重とにより生ずる余肉部１４の表面２１側への変形（つまり、図８及び図９に示すような余肉部１４の浮き上がり変形と、これに伴う余肉部１４の接合面２０の開き変形）を拘束する。この変形拘束治具部２８は、図３及び図４に示すように、摩擦撹拌接合時に接合ツール１３と干渉しない位置、例えば余肉部１４の表面２１における先端部に当接可能な位置に位置づけられる。

その後、被接合部材１１及び１２の表面１９に接合ツール１３を回転させながら押し付け、この接合ツール１３を余肉部１４に至るまで接合線２４に沿って移動させて、一対の被接合部材１１及び１２と一対の余肉部１４をそれぞれ摩擦撹拌接合する。

実際には、被接合部材１１及び１２の表面１９と余肉部１４の表面２１から離間した位置で接合ツール１３を回転させ、この接合ツール１３を、例えば接合始端部となる一方の余肉部１４における接合線２４に押し付け、この回転する接合ツール１３のプローブ部２３を余肉部１４の接合面２０に挿入し、ショルダ部２２の先端面２２Ａを余肉部１４の表面２１に押し付ける。この状態から、接合終端部となる他方の余肉部１４に到達するまで、接合ツール１３を回転させながら接合線２４に沿って移動させて摩擦撹拌接合を行う。

この摩擦撹拌接合により、被接合部材１１及び１２並びに余肉部１４は、接合ツール１３との摩擦熱により軟化しながらも固相状態を維持し、塑性流動し撹拌されて摩擦撹拌接合部２５を形成し、接合体１６となる。

この摩擦撹拌接合時には、接合ツール１３から余肉部１４に作用する押付荷重が接合治具１５の荷重支持治具部２７により支持される。更に、余肉部１４の軟化と前記押付荷重とにより生ずる余肉部１４の表面２１側への変形（余肉部１４の浮き上がり変形と、これに伴う余肉部１４の接合面２０の開き変形）は、余肉部１４の表面２１における先端部が変形拘束治具部２８に当接することで拘束され防止される。

摩擦撹拌接合後、得られた接合体１６から余肉部１４を切断線３０（図３）に沿って切除して、図６に示す製品１７を得る。この製品１７には、製品１７の端面に小面積の余肉切除面３２が、摩擦撹拌接合部２５の切断面３３と共に形成される。また、摩擦撹拌接合の終端部に残るプローブ穴３４（図３、図１３）は余肉部１４に残るが、この余肉部１４が切除されることで製品１７にプローブ穴３４が残存することはない。
次に、本実施形態の摩擦撹拌接合の実施例について説明する。

この実施例では、被接合体１１、１２は、アルミニウム合金（Ａ６０６１）製であり、機械加工により余肉部１４が一体成形されている。この余肉部１４の寸法は、図７に示すように、例えば、幅Ｃが１４．４ｍｍ、厚さＤが７．２ｍｍ、長さが１１ｍｍにそれぞれ形成されている。

また、接合ツール１３は、合金工具鋼鋼材（ＳＫＤ６１）製であり、その寸法は、図７に示すように、例えば、ショルダ部２２の直径Ａが１２ｍｍ、プローブ部２３の直径が６ｍｍ、プローブ部２３の長さＢが６ｍｍにそれぞれ設定されている。また、摩擦撹拌接合時における接合ツール１３の条件は、図７に示すように、回転速度が８００ｒｐｍであり、送り速度が１５０ｍｍ／分である。

また、摩擦撹拌接合時に荷重支持治具部２７及び変形拘束治具部２８を有する接合治具１５を用いる場合と、図８及び図９に示す荷重支持治具部２７のみを有し変形拘束治具部２８が存在しない接合治具３５を用いた場合とで、図７に示す接合条件を同一にして摩擦撹拌接合を行い、その結果を比較した。

接合治具３５を用いた摩擦撹拌接合では、図１０及び図１１に示すように、摩擦撹拌接合時の接合ツール１３による余肉部１４への押圧荷重と、この余肉部１４の軟化とにより、余肉部１４が表面２１側への浮き上がり（図８及び図１０の矢印Ｐ）、これに伴う余肉部１４の接合面２０の開きＱ（図９、図１１）が発生している。この余肉部１４の開きＱが発生した箇所近傍で接合ツール１３が回転すると材料不足状態になり、接合体１６には図１１に示すように、穴形状の欠陥３６が生じた。

これに対し、荷重支持治具部２７及び変形拘束治具部２８を有する接合治具１５を用いて摩擦撹拌接合を行った場合には、図１２〜図１４に示すように、余肉部１４の表面２１における先端部（本実施例では余肉部１４の表面から２．５ｍｍの範囲）が変形拘束治具部２８により拘束されたので、摩擦撹拌接合時に余肉部１４の浮き上がりが発生せず、従って余肉部１４の接合面２０における開きも発生しない。このため、接合体１６には、接合ツール１３のショルダ部２２により形成されたプローブ穴３４が余肉部１４に残るものの、欠陥３６が存在せず良好な接合が得られた。

尚、図１１〜図１３の符号Ｘは、摩擦撹拌接合時における接合ツール１３の移動方向を示す。また、図１３中の符号３７は、余肉部１４に残された変形拘束治具部２８による当接跡を示す。

以上のように構成されたことから、本実施形態によれば、次の効果（１）〜（４）を奏する。

（１）図３及び図４に示すように、被接合部材１１及び１２並びに余肉部１４の接合線２４に沿って接合ツール１３を回転させながら押し付けて移動させ、被接合部材１１及び１２並びに余肉部１４を摩擦撹拌接合する際に、余肉部１４の裏面２６側に接合治具１５の荷重支持治具部２７が設置されて、接合ツール１３から余肉部１４に作用する押付荷重が支持される。この結果、余肉部１４の断面積を小さくして余肉部１４を小型化できるので、この余肉部１４を切除したときの余肉切除面３２（図６）を減少でき、従って製品１７の外観品質を向上させることができる。

（２）被接合部材１１及び１２並びに余肉部１４の接合線２４に沿って接合ツール１３を回転させながら押し付けて移動させ、被接合部材１１及び１２並びに余肉部１４を摩擦撹拌接合する際に、余肉部１４の表面２１側への変形、つまり、余肉部１４の浮き上がり変形と、これに伴う余肉部１４の接合面２０の開き変形を接合治具１５の変形拘束治具部２８により拘束する。この結果、余肉部１４の接合面２０の開き変形による材料不足が回避されて、余肉部１４の変形による被接合部材１１及び１２の接合不良（図１１に示す欠陥３６の発生）を確実に防止できる。

（３）図２〜図４に示すように、接合ツール１３のショルダ部２２の直径をＡとし、プローブ部２３の長さをＤとしたとき、被接合部材１１、１２の余肉部１４の幅Ｃと厚さＤは、それぞれＣ＜２×Ａ、且つＤ＜２×Ｂにそれぞれ設定されたので、余肉部１４を小型化して余肉切除面３２（図６）を減少でき、製品１７の外観品質を向上させることができる。また、１．２×Ａ≦Ｃ、且つ１．２×Ｂ≦Ｄにそれぞれ設定されたので、接合ツールと接合治具の干渉を防ぐことができるとともに、摩擦撹拌接合時に必要な余肉部１４の剛性を確保でき、従って、余肉部１４の変形を抑制して欠陥３６（図１１）の発生を防止できる。

（４）図５（Ｃ）及び図６に示すように、余肉部１４の断面形状が、余肉部１４の幅Ｃを直径とする半円形状に設定されたので、余肉部１４の小型化をより一層実現でき、余肉切除面３２を最少化して、製品１７の外観品質を向上させることができる。

以上、本発明を上記実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々変形することができる。例えば、図１５に示すように、余肉部１４の先端に、表面２１に直交する仮想面４０に対し傾斜角αだけ傾斜するテーパ面４１を形成する。そして、接合治具４２の変形拘束治具部４３が、上記テーパ面４１に対応する傾斜角αに形成されて、摩擦撹拌接合時にテーパ面４１に当接可能に構成されてもよい。ここで、前記傾斜角αは、例えば１５度以上の角度が好ましい。

１１、１２ 被接合部材
１３ 接合ツール
１４ 余肉部
１５ 接合治具
１８ 突合せ面
１９ 被接合部材の表面
２０ 接合面
２１ 余肉部の表面
２２ ショルダ部
２２Ａ 先端面
２３ プローブ部
２４ 接合線
２５ 摩擦撹拌接合部
２６ 余肉部の裏面
２７ 荷重支持治具部
２８ 変形拘束治具部

Claims (6)

1. 突合せ面がそれぞれ設けられると共に、この突合せ面に連続する接合面を備える余肉部がそれぞれ延設された一対の被接合部材を用意し、
   円柱形状のショルダ部の先端面に、このショルダ部よりも小径のプローブ部を一体に備えた摩擦撹拌接合用の接合ツールを用意し、
   前記突合せ面と前記接合面をそれぞれ互いに接触させて連続する接合線を形成するように前記被接合部材を保持し、
   この状態で、一対の前記余肉部の裏面側に、前記接合ツールの押付荷重を支持する荷重支持治具部を設置すると共に、一対の前記余肉部の表面側に、前記余肉部の表面側への変形を拘束する変形拘束治具部を設置し、
   その後、前記被接合部材の表面に前記接合ツールを回転させながら押し付け、前記余肉部に至るまで前記接合線に沿って移動させて、前記被接合部材及び前記余肉部を摩擦撹拌接合する摩擦撹拌接合方法。
2. 前記余肉部の幅Ｃは、接合ツールのショルダ部の直径をＡとしたとき、
   １．２×Ａ≦Ｃ＜２×Ａ
   に設定されたことを特徴とする請求項１に記載の摩擦撹拌接合方法。
3. 前記余肉部の厚さＤは、接合ツールのプローブ部の長さをＢとしたとき、
   １．２×Ｂ≦Ｄ＜２×Ｂ
   に設定されたことを特徴とする請求項１に記載の摩擦撹拌接合方法。
4. 前記余肉部の断面形状は、この余肉部の幅寸法を直径とする半円形状に設けられたことを特徴とする請求項１に記載の摩擦撹拌接合方法。
5. 突合せ面がそれぞれ設けられると共に、この突合せ面に連続する接合面を備える余肉部がそれぞれ延設された一対の被接合部材が用意され、前記突合せ面と前記接合面をそれぞれ互いに接触させて連続する接合線を形成するように保持された前記被接合部材の表面に接合ツールを回転させながら押し付け、前記接合線に沿って前記余肉部に至るまで移動させて、前記被接合部材及び余肉部を摩擦撹拌接合する際に用いられる接合治具であって、
   一対の前記余肉部の裏面側に設置されて、前記接合ツールの押付荷重を支持する荷重支持治具部と、
   一対の前記余肉部の表面側に設置されて、前記余肉部の表面側への変形を拘束する変形拘束治具部と、を有して構成されたことを特徴とする接合治具。
6. 前記変形拘束治具部は、余肉部の表面先端部に当接可能に荷重支持治具部に設けられたことを特徴とする請求項５に記載の接合治具。