JP3283434B2

JP3283434B2 - 摩擦攪拌接合用治具及びそれを用いた摩擦攪拌接合方法

Info

Publication number: JP3283434B2
Application number: JP05149797A
Authority: JP
Inventors: 正樹熊谷
Original assignee: Sumitomo Light Metal Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Light Metal Industries Ltd
Priority date: 1997-03-06
Filing date: 1997-03-06
Publication date: 2002-05-20
Anticipated expiration: 2017-03-06
Also published as: JPH10249551A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【技術分野】本発明は、摩擦攪拌接合用治具及びそれを
用いた摩擦攪拌接合方法に係り、特に、健全な接合部を
有利に形成することの出来る摩擦攪拌接合用治具と、そ
のような治具を用いて摩擦攪拌接合することにより、欠
陥のない、優れた接合部を有する構造物を製造する方法
に関するものである。

【０００２】

【背景技術】従来から、アルミニウム若しくはその合金
からなるアルミニウム材料の如き金属材料の複数を突き
合わせ、その突き合わせ部位を接合することによって、
複雑な或いは大型の構造物が製造されてきており、例え
ば、ＴＩＧ、ＭＩＧ等のアーク溶接手法を用いて、目的
とする金属材料の接合が行なわれている。

【０００３】しかしながら、そのようなＴＩＧ、ＭＩＧ
等によるアーク溶接にあっては、金属材料自体の熱膨張
係数が大きいことから、大きな歪みが発生し、それが溶
接物体（構造物）に内在することとなるのであり、ま
た、その溶融物が大気中の酸素と反応して生じる酸化皮
膜が溶接部に悪影響をもたらすようになるところから、
シールドガスとしての不活性ガスの使用が不可欠とされ
ているのである。このため、その溶接現場では、実際
に、歪みや酸化皮膜の発生を防止し、或いはそれを除去
するために、不活性ガスを用いると共に、多大な工数と
熟練技能が必要とされているのである。

【０００４】また、かかる従来のイナートガスを用いた
アーク溶接手法に代わる、金属材料の他の接合方法とし
ては、摩擦圧接法、レーザー溶接法、機械的接合法、接
着法等があるが、その施工性や信頼性の面から、或いは
装置コストが高い等の理由から、それらが適用され得る
分野が制限されているのが現状である。中でも、摩擦圧
接法は、古くから利用されている技術であって、接合す
る材料を相対的に高速回転させて、擦り合わせ、発生す
る摩擦熱で接合部が融点に達した時点で、押し付けて、
回転を止める方法であり、バットのグリップの接合等に
おいて実用化されている。しかしながら、そのような摩
擦圧接法も、材料の形状が丸棒やパイプに限られてお
り、板状の金属材料の突き合わせ端部同士の接合には、
利用され難いものであった。

【０００５】ところで、最近、上述の摩擦圧接法と同様
に、摩擦熱を利用して板を突き合わせ接合する方法が、
米国特許第５４６０３１７号明細書や、特表平７−５０
５０９０号公報等において明らかにされている。即ち、
図１に示される如く、接合されるべき２枚の板材２ａ、
２ｂよりも硬い材質のピン４と、それを先端中心部に設
けてなるロッド状の治具本体６とからなる回転治具を用
い、この回転治具、具体的には治具本体６を高速回転せ
しめつつ、その先端のピン４を２枚の板材２ａ、２ｂの
突き合わせ部８部位に差し込み、そして相対的に、該突
き合わせ部８に沿って移動せしめることにより、それら
回転せしめられるピン４や治具本体６と板材２ａ、２ｂ
との間に摩擦熱を発生せしめ、そしてその摩擦熱にて、
突き合わせ部８の周辺部位を塑性加工可能な状態と為
し、更にピン４の高速回転による攪拌作用にて、板材２
ａ、２ｂの突き合わせ部位８の組織を入り交わらせ、以
て溶融せしめることなく、２枚の板材２ａ、２ｂを接合
せしめる、所謂摩擦攪拌接合（Fricton Stir Welding）
なる方法である。

【０００６】このような摩擦攪拌接合手法によれば、従
来の溶接手法とは異なり、溶加材やシールドガス、開先
加工が不要となるのであり、また酸化膜の除去も不要で
あると共に、溶融接合ではなく、固相接合と考えられる
ものであるところから、入熱が非常に少なく、これによ
って接合部、更にはその周りの組織変化が少なく、低歪
みである特徴を有し、このため、歪みの修正作業も必要
でない等の利点を有している。

【０００７】しかしながら、この摩擦攪拌接合手法にあ
っては、安定した継手特性が得られず、実用化には殆ど
至っていないのが、現状である。例えば、接合されるべ
き材料の寸法精度や、その拘束状態にバラツキがある場
合、更にはピンの移動速度が速すぎたりすると、突き合
わされる材料の突き合わせ部位における接合面に凹凸が
生じたり、ルート部にトンネル状の融合不良が発生した
り、また接合部の底部に欠陥が惹起される等して、静的
及び疲労強度に少なからぬ影響をもたらし、健全な接合
部の形成を困難にしているのである。加えて、高速回転
せしめられている回転治具の進行方向の後方側に形成さ
れる接合部の表面、換言すれば突き合わせ接合面には、
回転治具の高速回転に伴うところの窪みが形成され、そ
して、その窪みの左右にバリが突出して形成され、それ
によって、接合強度が低下したり、外観が悪化したりす
る等の問題もあった。

【０００８】

【解決課題】ここにおいて、本発明は、かかる事情を背
景にして為されたものであって、その解決課題とすると
ころは、欠陥のない、優れた特性を有する接合部を安定
して与え得る摩擦攪拌接合用治具を提供することにあ
り、また他の課題とするところは、そのような治具を用
いて、優れた接合部を形成し得る摩擦攪拌接合方法を提
供することにある。

【０００９】

【解決手段】そして、本発明は、そのような課題を解決
するために、軸心回りに回転せしめられるロッド状の治
具本体の先端に、被接合部位に差し込まれるピンを同心
的に設けてなる摩擦攪拌接合用治具において、かかるピ
ンの外周面に、ピン軸方向の少なくとも一部の長さに亘
って、少なくとも一つの凸条乃至は凹溝を螺旋状に設け
たことを特徴とする摩擦攪拌接合用治具を、その要旨と
するものである。

【００１０】すなわち、このような本発明に従う摩擦攪
拌接合用治具にあっては、被接合部位に差し込まれるピ
ンの外周面に、所定の凸条乃至は凹溝が、螺旋状に設け
られているところから、そのようなピンが、軸回りに高
速回転せしめられて、被接合部位に差し込まれると、そ
の攪拌作用にて、かかる凸条乃至は凹溝の周りの材料の
塑性流動が効果的に為され、以て被接合部位の表面付近
よりも、その内部における塑性流動を大きくすることが
出来ることにより、被接合部位における材料組織を均一
に入り交じらわせ、安定して均質な接合組織と為し得る
のであり、また表面の酸化皮膜が内部に巻き込まれて
も、そのような効果的な塑性流動により、酸化皮膜は効
果的に微細に分断され、それに基づくところの影響も、
有利に回避乃至緩和され得ることとなるのである。

【００１１】なお、かくの如き本発明に従う摩擦攪拌接
合用治具においては、有利には、前記凸条乃至は凹溝
が、３°〜７５°の範囲内のリード角をもって設けられ
たり、或いはかかる凸条乃至は凹溝のピン軸方向の長
さ：Ｌｓと、前記ピンの軸方向長さ：Ｌｐとが、次式：
０．１≦Ｌｓ／Ｌｐ≦１．０を満足するように構成さ
れ、これによって、より一層優れた接合特性を備えた接
合部を形成することが可能となる。

【００１２】また、本発明に従う摩擦攪拌接合用治具の
好ましい態様の一つによれば、前記凸条乃至は凹溝は、
少なくとも、前記ピンの軸方向における先端側の１／２
部分の領域に設けられるように構成される。このよう
に、凸条乃至は凹溝が、少なくとも、ピンの先端側の部
位に設けられていることによって、ピンの先端部周辺の
塑性流動を有利に高め、以て接合部の底部、換言すれば
ピンの差し込まれる側とは反対側の接合部位における接
合不良等の欠陥の発生を効果的に阻止乃至は抑制せしめ
得るのである。

【００１３】さらに、かかる本発明に従う摩擦攪拌接合
用治具の好ましい態様の他の一つによれば、前記ピン
は、その先端部において膨径部とされ、且つ少なくとも
該膨径部を含むピン外周面に、前記凸条乃至は凹溝が設
けられており、これによって、ピン先端部周辺における
材料の塑性流動がより効果的と為され得、欠陥発生の阻
止に大きく寄与せしめられることとなる。

【００１４】更にまた、本発明にあっては、前記ロッド
状治具本体の先端が凹面とされ、該凹面の中心部位に、
前記ピンが立設せしめられる構成が、有利に採用される
ものであり、そしてそのような凹面にて形成される凹所
内に、かかるピンの高速回転にて塑性流動せしめられる
材料を潜り込ませることにより、ピン差し込み側の突き
合わせ接合面に生じるバリの発生が、効果的に阻止せし
められ得ることとなるのである。

【００１５】なお、そのようなロッド状の治具本体の先
端の凹面にて形成される凹所の容積（但し、該凹所内に
おける前記ピンの占有容積部分を除く）：Ｂは、前記ピ
ンの該凹所から外方に突出した部分の容積：Ａとの比
（Ｂ／Ａ）において、その値が１．３以下となるよう
に、構成されていることが望ましく、これによって、上
記せる如きバリ発生の阻止効果がより一層有利に達成さ
れるのである。

【００１６】そして、本発明は、上述のような摩擦攪拌
接合用治具を用いた摩擦攪拌接合方法をも対象とするも
のであって、その要旨とするところは、軸心回りに回転
せしめられるロッド状の治具本体と、該治具本体の先端
に同心的に設けられたピンとを備え、且つ該ピンの外周
面に、ピン軸方向の少なくとも一部の長さに亘って、少
なくとも一つの凸条乃至は凹溝を螺旋状に設けてなる摩
擦攪拌接合用治具を用い、かかるピンを、その外周面に
設けられた前記凸条乃至は凹溝の螺旋のピン先端側への
進行方向とは逆となる方向に、前記治具本体と共に一体
的に回転させつつ、被接合部位に差し込み、相対的に移
動せしめることにより、該被接合部位を摩擦攪拌接合す
ることを特徴とする摩擦攪拌接合方法にある。

【００１７】このような本発明に従う摩擦攪拌接合方法
によれば、高速回転せしめられるピンの外周面に設けた
凸条乃至は凹溝の作用にて、被接合部位における材料の
塑性流動がピンの先端側に向けられ、そしてピン先端部
周辺の塑性流動が効果的に高められ得て、均質な接合組
織が安定して形成され、以て欠陥のない、優れた接合部
が実現され得るのであり、またピン差し込み側の表面へ
の塑性流動が抑制されることによって、かかる表面にお
けるバリの発生も、効果的に抑制され得ることとなるの
である。

【００１８】

【発明の実施の形態】ところで、摩擦攪拌接合は、例え
ば、図２に示される如く、接合せしめられるべき２つの
板状の金属材料１２ａ、１２ｂを突き合わせた状態にお
いて拘束し、それらの被接合部位たる突き合わせ部１８
に対して、回転治具２０を構成するロッド状の治具本体
１６の先端部に同心的に設けられたピン１４を、高速回
転せしめつつ差し込み（突き刺し）、そして突き合わせ
部１８に沿って（図２において紙面に垂直な方向に）相
対的に移動せしめることにより、そのようなピン１４、
更には治具本体１６の下部、所謂肩部（ショルダー部）
との接触面において摩擦熱を発生させ、以てその周囲を
可塑化せしめ、更に、ピン１４の高速回転に伴う攪拌作
用にて、板状の金属材料１２ａ、１２ｂの突き合わせ部
１８の組織を入り交り合わせ、以て接合部を形成するも
のである。このため、回転治具２０におけるピン１４や
治具本体１６の下部は、板状の金属材料１２ａ、１２ｂ
に高速回転下に接触せしめられても、殆ど損耗すること
のない材質からなる非消費型の部材とされているのであ
り、また、そのような回転治具２０の高速回転は、公知
の各種の回転駆動装置を用いて実現されることとなる。

【００１９】本発明は、このような回転治具２０におい
て、ロッド状の治具本体１６の先端に同心的に設けられ
るピン１４の外周面に、ピン軸方向の少なくとも一部の
長さに亘って、少なくとも一つの凸条乃至は凹溝を螺旋
状に設けたことを特徴とするものであって、その一例
が、図３に示されている。

【００２０】すなわち、かかる図３に示される例にあっ
ては、ピン１４の外周面に、ピン１４の先端から基部側
に（図において下から上に）向かって、３本の凹溝２２
が、１２０°の位相差をもって螺旋状に設けられている
のである。

【００２１】そして、このようなピン１４の外周面に設
けられた螺旋状の凹溝２２は、ピン１４が板状の金属材
料１２ａ、１２ｂの被接合部位たる突き合わせ部１８に
高速回転せしめられつつ差し込まれた状態下において
は、その攪拌作用によって、発生した摩擦熱による材料
の可塑化流動を効果的に高め得るものであり、これによ
って、そのような凹溝２２の設けられたピン１４の周り
の塑性流動が効果的に高められることになり、以て接合
されるべき２つの板状の金属材料１２ａ、１２ｂの突き
合わせ部１８における組織の混合が有効に為され、容易
に均質な組織とされることにより、そのような突き合わ
せ部１８に形成される接合部に欠陥が発生することが有
利に回避され得ることとなるのであって、強度等の接合
特性も著しく高められ得ることとなるのである。

【００２２】また、かくの如きピン１４の周りの、材料
の塑性流動の向上効果は、前述の如く、凹溝２２を設け
るばかりでなく、図４に示されるように、ピン１４の外
周面に適数条の凸条２４を螺旋状に設けることによって
も、同様に達成することが出来るのである。

【００２３】なお、これらピン１４の外周面に螺旋状に
設けられる、凹溝２２や凸条２４の数としては、目的と
する塑性流動の向上効果に応じて適宜に決定されること
となるが、一般に、１〜４本（条）程度において設けら
れるものであり、またそれら凹溝２２や凸条２４の螺旋
の角度：θとしては、３°〜７５°の範囲内のリード
角、即ち、ピン１４の軸心に垂直な面に対して為す角度
において設定されることとなる。けだし、そのような凹
溝２２や凸条２４のリード角（θ）が３°未満となる
と、それら凹溝２２や凸条２４による攪拌効果が充分で
なくなり、接合部に欠陥が発生する恐れがあるからであ
り、また７５°を越えるようになっても、有効な攪拌効
果を期待することが困難となるのであり、加えて表面付
近での攪拌が強くなり過ぎて、表面の酸化皮膜の巻き込
み等による欠陥の発生の問題を惹起するようになるから
である。

【００２４】また、かかる凹溝２２や凸条２４は、ピン
１４の外周面において、ピン軸方向の一部の長さ若しく
は全長に亘って、連続的に若しくは断続的に、螺旋状に
設けられることとなるが、そのピン軸方向の長さ：Ｌｓ
と、ピン１４の軸方向における長さ：Ｌｐとが、式：
０．１≦Ｌｓ／Ｌｐ≦１．０、好ましくは０．３≦Ｌｓ
／Ｌｐ≦０．７を満足するように構成されていることが
望ましいのである。このＬｓ／Ｌｐの値が０．１よりも
小さくなると、凹溝２２や凸条２４による攪拌効果が充
分でなく、接合部に欠陥が発生する恐れがあるからであ
る。

【００２５】さらに、このような凹溝２２や凸条２４
は、少なくとも、ピン１４の軸方向における先端側の１
／２部分〔図３や図４の（ａ）において、ピン１４の下
半分〕の領域の外周面に設けられていることが望まし
く、これによって、ピン１４の先端側、換言すればピン
１４の差し込み側とは反対側の接合部位となる底部側に
おける塑性流動を効果的に行なわしめ、以て惹起され易
い、底部における融合不良等の欠陥の発生を効果的に阻
止することが出来るのである。

【００２６】更にまた、かかるピン１４の外周面に形成
される螺旋状の凹溝２２や凸条２４のサイズ、例えば深
さや高さ、幅等は、高速回転によっても、破損等の問題
が惹起されないように、適宜に選定されることとなる
が、凹溝２２の深さ：Ｈや溝入口の幅：Ｗは、それぞ
れ、０．０５ｒ≦Ｈ≦０．５ｒ、０．０５ｒ≦Ｗ≦ｒ
（但し、ｒ：ピン１４の半径）なる条件を満足するよう
に選定されることが望ましい。また、凸条２４にあって
も、その高さ：ｈや裾幅：ｗは、それぞれ、０．０５ｒ
≦ｈ≦０．５ｒ、０．０５ｒ≦ｗ≦ｒなる条件を満足す
るように選定されることが望ましいのである。

【００２７】ところで、本発明において、ピン１４の長
さ：Ｌｐやピン先端の直径：ｄ、更には治具本体１６の
肩部（ショルダー部）の直径：Ｄは、接合せしめられる
べき板状の金属材料１２ａ、１２ｂの板厚：ｔに応じ
て、完全溶け込みの接合部が形成されるように適宜に選
定されることとなるが、一般に、ピン長さ：Ｌｐは、
０．７ｔ〜０．９５ｔの範囲内において選定されること
となる。かかるＬｐが０．７ｔよりも小さくなると、接
合不良が惹起され易くなるのであり、また０．９５ｔよ
りも大きくなると、高速回転に際しての負荷が大きくな
る。また、ピン径：ｄは、一般に、０．５ｔ〜２．５ｔ
の範囲内において選択され、余りにも小さなピン径：ｄ
の採用は、ピン１４が折損する危険があり、また２．５
ｔよりも大きくなると、負荷が大となる問題がある。更
に、ショルダー部径：Ｄは、好ましくは２．５ｔ〜８ｔ
の範囲内であり、且つＤは、２ｄよりも大であることが
望ましい。このＤが、２．５ｔよりも小さい場合には、
バリの発生が大となるのであり、また８ｔよりも大きく
なると、摩擦による負荷が大となる問題がある。

【００２８】また、本発明に従う摩擦攪拌接合用治具に
あっては、図５に示されるように、ピン１４の先端部
を、その基部よりも大径の膨径部２６として構成し、更
に該膨径部２６を少なくとも含むピン外周面に、凹溝２
２（または凸条２４）を螺旋状に設けてなる構成も、有
利に採用されることとなる。このような膨径部２６が、
板状の金属材料１２ａ、１２ｂの、被接合部位たる突き
合わせ部１８に差し込まれ、高速回転せしめられること
によって、接合部の内部、特にその底部周辺領域におけ
る塑性流動を、表面付近よりも、より一層効果的に高め
得て、底部における融合不良等の欠陥の発生を有利に阻
止せしめ得るのである。

【００２９】さらに、本発明に従う摩擦攪拌接合用治具
にあっては、図６に示される如く、ロッド状の治具本体
１６の先端が凹面２８とされ、そして、該凹面２８の中
心部位にピン１４が立設せしめられる構成が、有利に採
用されることとなる。なお、ここでは、そのような凹面
２８は、球面の一部をもって構成されており、軸方向の
断面において全体として円弧形状を呈している。

【００３０】このような凹面２８にて、治具本体１６の
先端部には、図６からも明らかな如く、所定深さの凹所
３０が形成されることとなるのであり、そしてこの凹所
３０内に、ピン１４の高速回転に基づくところの摩擦熱
にて、被接合材料を可塑化せしめ、更にピン１４の高速
回転に伴う攪拌作用にて、可塑化された材料を潜り込ま
せることにより、ピン１４の差し込み側の接合部位表面
に生じるバリを、効果的に抑制せしめ得るのである。

【００３１】なお、かかる凹面２８にて形成される凹所
３０の容積（但し、該凹所３０内におけるピン１４の占
有容積部分を除く。図６において、点が点在された部
分）：Ｂが大き過ぎると、そこに潜り込む材料の量が多
くなり過ぎるために、接合部における材料が不足し、欠
陥が惹起され易くなるところから、かかる容積：Ｂとピ
ン１４の凹所３０から外方に突出した部分の容積（図６
において、クロスハッチングした部分）：Ａとの比（Ｂ
／Ａ）が、１．３以下となるように構成することが望ま
しい。

【００３２】そして、本発明にあっては、かくの如き構
成の摩擦攪拌接合用治具（回転治具２０）を用いて、目
的とする板状の金属材料１２ａ、１２ｂの接合を行なう
ものであるが、その摩擦攪拌接合操作に際しては、ピン
１４を、その外周面に設けられた凹溝２２乃至は凸条２
４の螺旋のピン先端側への進行方向とは逆となる方向
に、換言すれば図３（ａ）や図４（ａ）に示される如き
螺旋の方向（右回り）において、ピン１４が左回りとな
る方向に、治具本体１６と共に一体的に高速回転せしめ
つつ、それら板状の金属材料１２ａ、１２ｂの被接合部
位たる突き合わせ部１８に対して差し込み、そして相対
的に移動せしめることによって、かかる突き合わせ部１
８に沿って接合部が形成され、目的とする摩擦攪拌接合
が行なわれるのである。

【００３３】特に、このように、ピン１４の高速回転の
方向を、凹溝２２や凸条２４の螺旋の進行方向とは逆方
向、換言すれば逆ネジ方向に行なわしめることにより、
ピン１４の周りの材料の塑性流動をピン先端側に指向さ
せることが出来るのであり、これによって、ピン１４の
先端部周辺の塑性流動を表面付近よりも効果的に大なら
しめ、以て欠陥の発生し易い接合部の底部における接合
を安定して且つ確実に行なわしめ、健全な接合部を有利
に形成し得るのである。

【００３４】なお、以上の説明においては、接合される
べき２つの金属材料１２ａ、１２ｂとして、その突き合
わせ接合される板状部分のみが例示されているが、それ
ら金属材料の他の部分は、よく知られているように各種
の形状において構成され得るものであり、単なる全体が
板状形状を呈するものの他、リブや脚部が立設せしめら
れたり、箱型形状と為されたりしたもの等の接合にも、
本発明が適用され得るものであることは、言うまでもな
いところである。そして、そのような金属材料１２ａ、
１２ｂの接合されるべき板状部分の厚さは、一般に０．
５〜１５ｍｍ程度とされるのである。また、接合される
べき材料（１２ａ、１２ｂ）の材質としても、摩擦攪拌
接合の適用され得る、公知の材質の何れもが、採用され
得るものであるが、一般に金属材料、中でもアルミニウ
ム若しくはアルミニウム合金からなるアルミニウム材料
の接合に、本発明に従う摩擦攪拌接合用治具や、それを
用いた摩擦攪拌接合方法が、有利に採用されることとな
る。

【００３５】

【実施例】以下に、本発明の実施例を示し、本発明を更
に具体的に明らかにすることとするが、本発明が、その
ような実施例の記載によって、何等の制約をも受けるも
のでないことは、言うまでもないところである。また、
本発明には、以下の実施例の他にも、更には上記した具
体的構成以外にも、本発明の趣旨を逸脱しない限りにお
いて、当業者の知識に基づいて種々なる変更、修正、改
良等を加え得るものであることが、理解されるべきであ
る。

【００３６】先ず、板厚（ｔ）が４ｍｍである、幅：５
００ｍｍ、長さ：５０００ｍｍのアルミニウム押出形材
（６Ｎ０１−Ｔ５形材）を準備した。次いで、そのよう
な押出形材の２つを、幅方向に突き合わせ、図２に示さ
れる如き形態において、図３に示される如き凹溝２２を
外周面に設けた各種の回転治具２０を用いて、それを高
速回転させつつ、ピン１４をそれらの突き合わせ部（１
８）に差し込み、そして該突き合わせ部に沿って移動せ
しめることにより、摩擦攪拌接合を行なった。なお、何
れの回転治具２０においても、ピン１４の長さ：Ｌｐ＝
３．７ｍｍ、ピン１４先端径：ｄ＝４．０ｍｍ、ショル
ダー部径：Ｄ＝２０ｍｍとすると共に、回転数：１５０
０ｒｐｍ、接合（移動）速度：５００ｍｍ／分の摩擦攪
拌接合条件を採用した。

【００３７】かくして得られた、それぞれの回転治具に
対応するアルミニウム押出形材の、各種接合材における
接合部の引張試験を行ない、それぞれの引張強さを測定
すると共に、ＪＩＳ−Ｚ−３１２４に準拠して曲げ試験
を行ない、その試験後の各接合部の欠陥率、即ち、試験
本数中の割れ発生本数の百分率を求め、それらの結果
を、下記表１に併せ示した。また、比較のために、ピン
１４の外周面に凹溝２２を設けていない回転治具を用い
て摩擦攪拌接合せしめてなる接合材についても、その接
合部の引張強さ及び欠陥率を求め、比較例として、下記
表１に示すと共に、更に、通常のＭＩＧ溶接して得られ
た接合材の接合部における引張強さと欠陥率の結果も、
下記表１に示した。

【００３８】

【表１】註）実施例８においては、回転治具のピン先端部が膨径部とされている。

【００３９】かかる表１の結果から明らかな如く、溶接
前のアルミニウム押出形材の引張強さが２５０ＭＰａで
あることを考えると、本発明に従って、ピン１４の外周
面に凹溝２２を設けてなる回転治具を用いて、摩擦攪拌
接合して得られた実施例１〜７に係る接合材にあって
は、何れも、その引張強度が高く、また接合部の欠陥率
においても優れていることが認められるのに対して、凹
溝２２を設けていない回転治具を用いた比較例の場合
や、ＭＩＧ溶接にて得られた接合材にあっては、引張強
度が低く、更に比較例の接合材にあっては、接合部の欠
陥率も高く、健全な接合部を安定して得ることが出来な
いことは、明らかである。

【００４０】また、図４に示される如き、螺旋状の凸条
２４をピン１４の外周面に設けてなる回転治具２０を用
いて、上記と同様にして、アルミニウム押出形材の突き
合わせ接合を摩擦攪拌接合操作にて行ない、得られた各
種の接合材について、上記と同様に評価して、その結果
を、下記表２に併せ示した。

【００４１】

【表２】

【００４２】かかる表２の結果から明らかなように、回
転治具のピン１４の外周面に、螺旋状の凸条２４を設け
ることによっても、接合部の引張強度は著しく高めら
れ、また、接合部の欠陥率においても、優れた結果を示
している。

【００４３】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
に従う摩擦攪拌接合用治具によれば、欠陥のない、優れ
た継手特性を有する接合部を、安定して得ることが出来
るのであり、また、そのような治具を用いた、本発明に
従う摩擦攪拌接合方法の採用によって、ピンの先端部周
辺の塑性流動を、表面付近よりも、より一層効果的に高
めて、接合部の底部における欠陥の発生をより一層有利
に抑制せしめ得たのであり、そこに、本発明の大きな技
術的意義が存するのである。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の摩擦攪拌接合方法を示す説明図である。

【図２】摩擦攪拌接合操作における接合材料と回転治具
との配置関係を示す説明図である。

【図３】本発明に従う摩擦攪拌接合用治具の一例を示す
説明図であって、（ａ）は、そのような治具の主要部の
正面説明図であり、また（ｂ）は、（ａ）におけるＸ−
Ｘ断面拡大説明図であり、更に（ｃ）は、（ａ）におけ
るＹ−Ｙ断面拡大部分説明図である。

【図４】本発明に従う摩擦攪拌接合用治具の他の例を示
す説明図であって、（ａ）は、そのような治具の主要部
の正面説明図であり、また（ｂ）は、（ａ）におけるＺ
−Ｚ断面拡大説明図であり、更に（ｃ）は、（ａ）にお
ける凸条の横断面拡大部分説明図〔図３における（ｃ）
に相当する図〕である。

【図５】本発明に従う摩擦攪拌接合用治具の更に異なる
他の例を示す主要部の正面説明図である。

【図６】本発明に従う摩擦攪拌接合用治具の別の例を示
す、主要部の軸心を通る縦断面説明図である。

【符号の説明】

２ａ、２ｂ板材４、１４ピン６、１６治具本体８、１８突き合わ
せ部１２ａ、１２ｂ金属材料２０回転治
具２２凹溝２４凸条２６膨径部２８凹面３０凹所

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】軸心回りに回転せしめられるロッド状の
治具本体の先端に、被接合部位に差し込まれるピンを同
心的に設けてなる摩擦攪拌接合用治具において、かかる
ピンの外周面に、ピン軸方向の少なくとも一部の長さに
亘って、少なくとも一つの凸条乃至は凹溝を、１５°〜
７５°の範囲内のリード角をもって螺旋状に設けたこと
を特徴とする摩擦攪拌接合用治具。
【請求項２】軸心回りに回転せしめられるロッド状の
治具本体の先端に、被接合部位に差し込まれるピンを同
心的に設けてなる摩擦攪拌接合用治具において、かかる
ピンの外周面に、ピン軸方向の少なくとも一部の長さに
亘って、少なくとも一つの凸条乃至は凹溝を、０．０５ｒ≦ｈ≦０．５ｒ、０．０５ｒ≦ｗ≦ｒ；乃至は０．０５ｒ≦Ｈ≦０．５ｒ０．０５ｒ≦Ｗ≦ｒなる条件（但し、ｒ：ピンの半径、ｈ：凸条の高さ、
ｗ：凸条の裾幅、Ｈ：凹溝の深さ、Ｗ：溝入口の幅）を
満足するようにして螺旋状に設けたことを特徴とする摩
擦攪拌接合用治具。
【請求項３】前記凸条乃至は凹溝のピン軸方向の長
さ：Ｌｓと、前記ピンの軸方向長さ：Ｌｐとが、下式：０．１≦Ｌｓ／Ｌｐ≦１．０を満足するように構成してなる請求項１または請求項２
に記載の摩擦攪拌接合用治具。
【請求項４】前記凸条乃至は凹溝が、少なくとも、前
記ピンの軸方向における先端側の１／２部分の領域に設
けられている請求項１乃至請求項３の何れかに記載の摩
擦攪拌接合用治具。
【請求項５】前記ピンが、その先端部において膨径部
とされ、且つ少なくとも該膨径部を含むピン外周面に、
前記凸条乃至は凹溝が設けられている請求項１乃至請求
項４の何れかに記載の摩擦攪拌接合用治具。
【請求項６】前記ロッド状治具本体の先端が凹面とさ
れ、該凹面の中心部位に、前記ピンが立設せしめられて
いる請求項１乃至請求項５の何れかに記載の摩擦攪拌接
合用治具。
【請求項７】前記ロッド状治具本体の先端の凹面にて
形成される凹所の容積（但し、該凹所内における前記ピ
ンの占有容積部分を除く）：Ｂと、前記ピンの該凹所か
ら外方に突出した部分の容積：Ａとの比（Ｂ／Ａ）が、
１．３以下となるように構成されている請求項６に記載
の摩擦攪拌接合用治具。
【請求項８】軸心回りに回転せしめられるロッド状の
治具本体と、該治具本体の先端に同心的に設けられたピ
ンとを備え、且つ該ピンの外周面に、ピン軸方向の少な
くとも一部の長さに亘って、少なくとも一つの凸条乃至
は凹溝を、１５°〜７５°の範囲内のリード角をもって
螺旋状に設けてなる摩擦攪拌接合用治具を用い、かかる
ピンを、その外周面に設けられた前記凸条乃至は凹溝の
螺旋のピン先端側への進行方向とは逆となる方向に、前
記治具本体と共に一体的に回転させつつ、被接合部位に
差し込み、相対的に移動せしめることにより、該被接合
部位を摩擦攪拌接合することを特徴とする摩擦攪拌接合
方法。
【請求項９】軸心回りに回転せしめられるロッド状の
治具本体と、該治具本体の先端に同心的に設けられたピ
ンとを備え、且つ該ピンの外周面に、ピン軸方向の少な
くとも一部の長さに亘って、少なくとも一つの凸条乃至
は凹溝を、０．０５ｒ≦ｈ≦０．５ｒ、０．０５ｒ≦ｗ≦ｒ；乃至は０．０５ｒ≦Ｈ≦０．５ｒ０．０５ｒ≦Ｗ≦ｒなる条件（但し、ｒ：ピンの半径、ｈ：凸条の高さ、
ｗ：凸条の裾幅、Ｈ：凹溝の深さ、Ｗ：溝入口の幅）を
満足するようにして螺旋状に設けてなる摩擦攪拌接合用
治具を用い、かかるピンを、その外周面に設けられた前
記凸条乃至は凹溝の螺旋のピン先端側への進行方向とは
逆となる方向に、前記治具本体と共に一体的に回転させ
つつ、被接合部位に差し込み、相対的に移動せしめるこ
とにより、該被接合部位を摩擦攪拌接合することを特徴
とする摩擦攪拌接合方法。