JP2007167902A - 摩擦攪拌接合方法及び摩擦攪接合用回転ツール - Google Patents

Abstract

【課題】摩擦攪拌接合にあたり接合強度を確保しつつ設備負荷の低減が得られる摩擦攪拌接合方法、及び摩擦攪拌接合用回転ツールを提供する。
【解決手段】摩擦攪拌接合において被接合部材５１、５２に挿入するピン部挿入深さｙを、回転ツール１０のショルダー部１１から突出するピン部２１のピン部突き出し長さｘよりも小さくする。摩擦熱でピン部２１周囲の被接合部材５１を加熱軟化させてピン部２１をピン部挿入深さｙまで挿入しても、回転ツール１０のショルダー部１１が直接被接合部材５１に接触することがなく、接合時に要する接合荷重を大幅に低減することができ、接合時に設備に掛かる荷重、即ち設備負荷が極めて小さくなり、設備の小型化が可能になり、設備コスト及びランニングコストの大幅な削減が期待できる。
【選択図】図４

Description

本発明は、アルミニウム合金板等の被接合部材を摩擦攪拌接合する摩擦攪拌接合方法及び摩擦攪拌接合用回転ツールに関する。

従来から、板状の被接合部材を接合する方法としては、ボルトやリベットによる機械的接合或いは抵抗スポット溶接がある。この抵抗スポット溶接は、ボルトやリベットによる機械的接合に比べ、製品が軽量化され、工数も少なくかつ装置が比較的簡単で広く利用されている。

しかし、抵抗スポット溶接は、重ねられた接合すべき被接合部材を対向する溶接電極間で挟み通電し、その抵抗発熱によって接合部をほぼ溶融温度に加熱し、かつ電極間で加圧して接合することから、接合時に大容量の電力を必要とすると共に溶接電極は汚染や消耗に起因して寿命が短く、更に溶接電力以外に冷却用の冷却水やエアの配管、及び使用に伴い消耗して変形した溶接電極の頂部を成形するためのチップドレッサ等の付帯設備を要し、高い設備コスト及びランニングコストやメンテナンスコストが要求される。また、接合作業時に飛散するスパッタ等による作業環境への影響が懸念される。

特に、アルミニウム合金板等の抵抗スポット溶接時には、溶接電極の消耗が激しく、また溶接打点が近接すると、通電時にその近接する溶接打点に電流が流れる分流減少が生じて溶接接合性能が不安定になることから、各溶接打点間を近接することができず連続打点性能に乏しく所期の接合強度が得られないことがある。

この対策として、例えば特許文献１に示されるように、被接合部材より硬い材質でつくられた回転ツールを回転させながら接合点に押圧し、摩擦熱と圧力によって接合点を加熱、軟化させると共に接合点付近の被接合部材を攪拌して接合する摩擦攪拌接合がある。

図９は、この摩擦攪拌接合に用いる回転ツールの先端部を示す図、図１０は摩擦攪拌接合方法を示す図である。

回転ツール１０１は円柱状であって、その先端に円柱状のショルダー部１０２が形成されている。ショルダー部１０２の底面１０３は、中央が基端側に凹むように逆円錐状に形成され、最も凹んだ中央部からピン部１０６が軸線Ｌに沿って先端方向に突出する。また、ショルダー部１０２の外周面１０４から底面１０３に亘る角部１０５には円弧状に滑らかに連なる、いわゆるショルダーＲが形成され、底面１０３とピン部１０６とが連なる部分１０７も円弧状に滑らかに連なるように、いわゆる隅Ｒが形成される。

この回転ツール１０１を用いる摩擦攪拌接合方法は、図１０（ａ）に示すように、摩擦攪拌接合装置１００のワーク受け部材１１１の受け面１１１ａ上に２枚の被接合部材１２１、１２２の接合点Ｐが軸線Ｌに一致するように重ねて配置する。そして回転ツール１０１を高速で回転させながら軸線Ｌに沿って下降させる。

回転ツール１０１のピン部１０６が被接合部材１２１に達すると、回転するピン部１０６と被接合部材１２１との摩擦熱によって被接合部材１２１が加熱されて軟化し、ピン部１０６が挿入される。ピン部１０６が挿入されると、ショルダー部１０２の底面１０３も被接合部材１２１に接触し、この底面１０３と被接合部材１２１とによる摩擦熱によって接合点Ｐ近傍が更に加熱される。このようにして加熱されて軟化した被接合部材１２１にピン部１０６が挿入された状態で回転することによって塑性流動が誘起され、回転するピン部１０６によって接合点Ｐ近傍の母材が攪拌される。

このようにしてピン部１０６の先端１０６ａが被接合部材１２１と被接合部材１２２との境界面１２３を越えた状態で、回転ツール１０１を回転させることによって接合点Ｐ付近が攪拌されて母材による塑性流動域が形成され、被接合部材１２１と１２２が接合点Ｐで一体となる。所定の時間攪拌後、図１０（ｂ）に示すように、回転ツール１０１を被接合部材１２１及び１２２から引き抜く。ピン部１０６を引き抜くと、塑性流動していた母材が硬化し、接合点Ｐにおいて被接合部材１２１と１２２が接合される。

また、摩擦攪拌接合にあたり図１１に示すように、回転ツール１０１のピン部１０６及びショルダー部１０２を被接合部材１２１、１２２へ挿入すると、ピン部１０６及びショルダー部１０２により押し出されて排出された母材１２４ａにより図１２に示すように、バリ１２４が被接合部材１２１の表面に生成される。この被接合部材１２１の表面に発生したバリ１２４を除去するためのバリ取りカッターを回転ツールの先端外周に備える摩擦攪拌接合用回転ツールも知られている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００１−３１４９８２号公報 特開２０００−３３４５７８号公報

上記特許文献１の摩擦攪拌接合によると、回転ツール１０１を高速で回転させながら、被接合部材１２１と１２２の接合点Ｐにピン部１０６を押し付け、その摩擦熱で加熱、軟化した接合点Ｐにピン部１０６を挿入させて母材を攪拌させ、塑性流動により被接合部材１２１と１２２の接合点Ｐを結合することから、抵抗スポット溶接に比べ、極めて小容量の電力でスポット接合できると共に、冷却用の冷却水やエア及びその付帯設備が不要である。また、スパッタ等の発生もなく回転ツール１０１の汚染や損耗が極めて少なく回転ツール１０１の長時間使用が可能であり、メンテナンスコスト及びランニングコストの低減が得られる。また、互いの接合点Ｐを近接配置することが可能で優れた接合強度を確保することができる。

しかし、摩擦攪拌接合にあたり、回転ツール１０１のピン部１０６及びショルダー部１０２を軟化した被接合部材１２１に挿入することから、回転ツール１０１を被接合部材１２１に挿入するために大きな押圧力、即ち接合荷重を付与する必要がある。

ここで、発明者は鋭意研究実験の結果、摩擦攪拌接合にあたり、被接合部材１２１へのピン部１０６の挿入に要する押圧力、即ち接合荷重に対し、ショルダー部１０２の被接合部材１２１への接触及び挿入に伴う接合荷重が極めて大きく、その接合荷重はショルダー部１０２が被接合部材１２１に挿入する時間、即ち挿入深さに起因することを見出した。図１３は、この摩擦接合における回転ツール１０１の接合荷重の推移を示す図である。

また、ピン部１０６の径ｄに対しショルダー部１０２の径Ｄは、通常約２〜３倍であり、接合時に要する接合荷重による負荷はショルダー部１０２の径Ｄに依存する割合が大きい。このとき、特にピン部１０６及びショルダー部１０２の挿入に対する抗力が大きい材料の接合においては、接合時に設備に掛かる荷重、即ち設備負荷が極めて大きくなり、設備の大型化を招き設備コスト及びランニングコストの増大要因となる。

一方、上記特許文献２によると、摩擦攪拌接合により被接合部材の表面に発生したバリを回転ツールに備えたバリ取りカッターで除去することによって、被接合部材の外観品質が確保できる。しかし、回転ツールにバリ取りカッターを備えることから、回転ツールが複雑になり設備コストの増大を招くと共に、バリ取りカッターで切除されたバリを除去するバリ処理作業が余儀なくされる。

従って、かかる点に鑑みなされた本発明の第１の目的は、摩擦攪拌接合にあたり接合強度を確保しつつ設備負荷の低減が得られる摩擦攪拌接合方法、及び摩擦攪拌接合用回転ツールを提供することにある。

また、本発明の第２の目的は、上記第１の目的に加え更にバリの発生が抑制できる摩擦攪拌接合方法、及び摩擦攪拌接合用回転ツールを提供することにある。

上記第１の目的を達成する請求項１に記載の摩擦攪拌接合方法の発明は、円柱状のショルダー部の底面から同軸上で軸線に沿って突出するピン部を備えた回転ツールを有し、重ねられた被接合部材の接合点に上記ピン部を押圧しながら回転ツールを軸線まわりに回転させ、摩擦熱でピン部周囲の上記被接合部材を加熱軟化させてピン部を予め設定されたピン部挿入深さまで挿入すると共に回転するピン部で接合点付近の被接合部材を攪拌して互いの被接合部材を接合点で一体化させた後、軸線に沿って引き抜いて被接合部材を接合点でスポット接合する摩擦攪拌接合方法において、上記ショルダー部から突出するピン部のピン部突き出し長さより上記ピン部挿入深さが小さいこと特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の摩擦攪拌接合方法において、上記ピン部挿入深さへのピン部の挿入に伴って被接合部材とショルダー部の底面との間に押し出される母材の体積を排出母材体積、ピン部挿入深さへのピン部の挿入時における被接合部材とショルダー部の底面との間の体積をショルダー部体積とすると、排出母材体積／ショルダー部体積≧１であることを特徴とする。

上記第２の目的を達成する請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の摩擦攪拌接合方法において、上記ピン部挿入深さへのピン部の挿入に伴って被接合部材とショルダー部の底面との間に押し出される母材の体積を排出母材体積、ピン部挿入深さへのピン部の挿入時における被接合部材とショルダー部の底面との間の体積をショルダー部体積とすると、１≦排出母材体積／ショルダー部体積≦２であることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか１項の摩擦攪拌接合方法において、上記ピン部挿入深さにおいて上記ピン部が上記重ねられた被接合部材の境界面に達することを特徴とする。

上記第１の目的を達成する請求項５に記載の摩擦攪拌接合用回転ツールの発明は、円柱状のショルダー部の底面から同軸上で軸線に沿って突出するピン部を備え、重ねられた被接合部材の接合点に上記ピン部を押圧しながら軸線まわりに回転させ、摩擦熱でピン部周囲の上記被接合部材を加熱軟化させてピン部を予め設定されたピン部挿入深さまで挿入すると共に回転するピン部で接合点付近の被接合部材を攪拌して互いの被接合部材を接合点で一体化させた後、軸線に沿って引き抜いて被接合部材を接合点でスポット接合する摩擦攪拌接合用回転ツールにおいて、上記ショルダーから突出するピン部のピン部突き出し長さが、上記ピン部挿入深さより大であること特徴とする。

請求項６に記載の摩擦攪拌接合用回転ツールの発明は、請求項５の摩擦攪拌接合用回転ツールにおいて、上記ピン部挿入深さへのピン部の挿入に伴って被接合部材とショルダー部の底面との間に押し出される母材の体積を排出母材体積、ピン部挿入深さへのピン部の挿入時における被接合部材とショルダー部の底面との間の体積をショルダー部体積とすると、排出母材体積／ショルダー部体積≧１の条件を満たすピン部及びショルダー部の底面を有することを特徴とする。

第２の目的を達成する請求項７に記載の発明は、請求項５の摩擦攪拌接合用回転ツールにおいて、上記ピン部挿入深さへのピン部の挿入に伴って被接合部材とショルダー部の底面との間に押し出される母材の体積を排出母材体積、ピン部挿入深さへのピン部の挿入時における被接合部材とショルダー部の底面との間の体積をショルダー部体積とすると、１≦排出母材体積／ショルダー部体積≦２の条件を満たすピン部及びショルダー部の底面を有することを特徴とする。

請求項８に記載の発明は、請求項５〜７のいずれか１項の摩擦攪拌接合用回転ツールにおいて、上記ピン部が、上記ピン部挿入深さにおいて上記重ねられた被接合部材の境界面に達するピン部突出長さを有することを特徴とする。

請求項９に記載の発明は、請求項５〜８のいずれか１項の摩擦攪拌接合用回転ツールにおいて、上記軸線と直交する仮想平面と底面とのなすショルダー角をθとすると、θ＞０°であることを特徴とする。

請求項１の発明の摩擦攪拌接合方法によると、摩擦攪拌接合において被接合部材に挿入するピン部挿入深さを、ショルダー部から突出するピン部のピン部突き出し長さよりも小さくする。これによりピン部と被接合部材との摩擦熱及びピン部の挿入に伴って被接合部材とショルダーの底面との間に押し出される母材とショルダー部の摩擦熱でピン部周囲の被接合部材を加熱軟化させてピン部をピン部挿入深さまで挿入しても、回転ツールのショルダー部が直接被接合部材に接触することがなく、ピン部に加えショルダー部を被接合部材に接触及び挿入して被接合部材を一体化する従来の摩擦攪拌接合方法に比べ、接合時に要する接合荷重を大幅に低減することができる。接合荷重の大幅な低減に伴い接合時に設備に掛かる荷重、即ち設備負荷が極めて小さくなり、設備の小型化が可能になり、設備コスト及びランニングコストやメンテナンスコストの大幅な削減が期待できる。

請求項２の発明によると、ピン部挿入深さへのピン部の挿入に伴って被接合部材とショルダー部の底面との間に押し出される排出母材体積に対して、ピン部の挿入時における被接合部材とショルダー部の底面との間のショルダー部体積を小さくすることで、ピン部の挿入によって押し出された母材によって被接合部材とショルダーとの間が満たされ、ピン部の挿入による排出母材がショルダー部と被接合部材との間に押し込められて被接合部材の攪拌が促進されて塑性流動域が確保され、接合強度が増大する。

請求項３の発明によると、ピン部挿入深さへのピン部の挿入に伴って被接合部材とショルダー部の底面との間に押し出される排出母材体積と、ピン部の挿入時における被接合部材とショルダー部の底面との間のショルダー部体積とを、１≦排出母材体積／ショルダー部体積≦２に設定することで、請求項２の発明の効果に加え、ピン部挿入深さへのピン部の挿入に伴って被接合部材とショルダー部の底面との間に押し出された母材が、被接合部材とショルダー部との間から外部に流出することが抑制され、バリの発生が減少する。バリの発生の減少によりバリを除去するバリ処理作業の省略、或いはバリ取り作業の軽減が可能になる。

請求項４の発明によると、ピン部が重ねられた被接合部材の境界面に達するピン部挿入深さを有することから、互いの被接合部材間の攪拌及び塑性流動域が確保されて接合強度が増大する。

請求項５の発明によると、回転ツールのショルダー部から突出するピン部のピン部突き出し長さをピン部挿入深さより大きくする。これによりピン部と被接合部材との間及びピン部の挿入に伴って被接合部材とショルダー部の底面との間に押し出される母材とショルダー部との間の摩擦熱でピン部周囲の被接合部材を加熱軟化させてピン部をピン部挿入深さまで挿入しても、回転ツールのショルダー部が直接被接合部材に接触することがなく、従来の摩擦攪拌接合方法に比べ、接合時に要する接合荷重を大幅に低減することができる。接合荷重の低減により接合時に設備に掛かる荷重、即ち設備負荷が極めて小さくなり、設備の小型化が可能になり、設備コスト及びランニングコストやメンテナンスコストの大幅な削減が期待できる。

請求項６の発明によると、ピン部挿入深さへのピン部の挿入に伴って被接合部材とショルダー部の底面との間に押し出される排出母材体積に対して、ピン部の挿入時における被接合部材とショルダー部の底面との間のショルダー部体積を小さくなるようにピン部及びショルダー部の底面を設定する。これによりピン部の挿入によって押し出された母材によって被接合部材とショルダー部との間が満たされ、ピン部の挿入による排出母材が内部に押し込められて被接合部材の攪拌が促進されて塑性流動域が確保され、接合強度が増大する。

請求項７の発明によると、排出母材体積と、ショルダー部体積とを、１≦排出母材体積／ショルダー部体積≦２になるようにピン部及びショルダー部の底面を設定することで、請求項６の発明の効果に加え、ピン部挿入深さへのピン部の挿入に伴って被接合部材とショルダー部の底面との間に押し出される母材が、被接合部材とショルダー部との間から外部に流出することが抑制され、バリの発生が減少し、バリを除去するバリ処理作業の省略、或いはバリ取り作業の軽減が可能になる。

請求項８の発明によると、ピン部が被接合部材の境界面に達するピン部挿入深さを有することから、互いの被接合部材間の攪拌及び塑性流動域が確保されて接合強度が増大する。

請求項９の発明によると、ショルダー角θを、θ＞０°に設定することで、ピン部の挿入によって押し出された母材によって被接合部材とショルダー部との間が満たされ、ピン部の挿入による排出母材が内部に押し込められて被接合部材の攪拌が促進されて塑性流動域が確保されて接合強度が増大する。

以下、本発明に係る摩擦攪拌接合方法、及び摩擦攪拌接合用回転ツールの実施の形態を図を参照して説明する。

図１は、摩擦攪拌接合装置１の要部を示す概念図である。摩擦攪拌接合装置１は、上部に受け面２ａを備えたワーク受け部２と、ワーク受け面２ａと対向配置されて回転ツール１０を上下方向に延在する軸線Ｌまわりに回転駆動するインダクションモータ等の回転駆動手段３と、回転ツール１０を軸線Ｌに沿って受け面２ａに対して接離する上下方向に移動させると共に回転ツール１０に接合荷重を付与するサーボモータ等の回転ツール押動手段４とを備えている。

回転ツール１０は円柱状であって、その先端に円柱状のショルダー部１１が形成され、ショルダー部１１の底面１３の中央から軸線Ｌに沿って突出するピン部２１が形成されている。ショルダー部１１の底面１３は、図２に断面図を示すように、中央が基端側に凹むように逆円錐状に形成され、最も凹んだ中央部からピン部２１が軸線Ｌに沿って先端方向に突出している。

ショルダー部１１の外周面１２と底面１３に亘る環状の角部１４における軸線Ｌに直交する仮想平面Ｌａと底面１３とのなす角度θがショルダー角である。このショルダー部１１の先端となる外周面１２から底面１３に亘る角部１４は円弧状に滑らかに連続する、いわゆるショルダーＲが形成されている。また、底面１３とピン部２１とが連なる部分１５も円弧状に滑らかに連なる、いわゆる隅Ｒが形成されている。

ピン部２１は円柱状であって、その外周面２２に螺旋状のネジ部２２が形成され、角部１４からピン部２１の先端２３が角部１４より軸線Ｌ方向に突出し、角部１４からピン部２１の先端２３までの突出寸法がピン部突き出し長さｘである。

このように構成された回転ツール１０は、回転駆動手段３により回転させながら回転ツール押動手段４によって軸線Ｌに沿って下降させ、回転するピン部２１と被接合部材５１との接触による摩擦熱によって被接合部材５１、５２が加熱されて軟化し、ピン部２１を図３に示すようにショルダー部１１の角部１４が被接合部材５１の表面５１ａに接近するまで挿入し、この被接合部材５１に挿入された状態で回転するピン部２１によって接合点Ｐ近傍の母材を攪拌し、この攪拌により母材に塑性流動域が形成され、被接合部材５１と５２が接合点Ｐで一体となる。図３において被接合部材５１の表面５１ａから回転ツール１０のピン部２１の先端２３までがピン部挿入深さｙである。

ここで、ピン部２１のピン部挿入深さｙは、被接合部材５１と５２の境界面５３を越えて被接合部材５２に達するように設定することが好ましく、このときのピン部２１が被接合部材５１、５２に挿入されるピン部挿入体積をＶｐとすると、ピン部２１の挿入に伴ってピン部２１の外周面２２に沿って被接合部材５１の表面５１ａ上に押し出される母材の体積、即ち排出母材体積もＶｐとなる（ピン部挿入体積＝排出母材体積＝Ｖｐ）。

図３に示すようにピン部２１をショルダー部１１の角部１４が被接合部材５１の表面５１ａに接近するまで挿入し、即ちピン部挿入深さｙまで挿入したとき排出母材体積Ｖｐに対する被接合部材５１とショルダー部１１の底面１３とで囲まれる体積、即ちショルダー部体積Ｖｓが１以上、好ましくは１以上でかつ２以下（１≦Ｖｐ／Ｖｓ≦２）となるようにショルダー部１１の径Ｄ、ピン部２１の径ｄ、ピン部挿入深さｙ、ショルダー角θ等を設定する。

ここで、排出母材体積Ｖｐ及びショルダー部体積Ｖｓの算出方法の１例を図４に基づいて説明する。

図４は、図３と対応するピン部２１がピン部挿入深さｙにおける状態を模式的に示す図である。排出母材体積Ｖｐは次式で表される。

排出母材体積Ｖｐ＝ピン部２１の断面積×ピン部挿入深さ
＝π（ｄ／２）^２×ｙ
一方、図４に示すように底面がショルダー径Ｄでありショルダー角θで頂点ａが軸線Ｌに達する仮想円錐体の体積をＶａ、底面がピン部２１の径ｄでありショルダー角θで頂点ａが軸線Ｌに達する仮想円錐体の体積をＶｂ、ショルダー部１１内におけるピン部２１の体積をＶｃ、ショルダー部１１の角部１４による仮想平面と被接合部材５１の表面５１ａとの間の仮想環状体の体積をＶｄとすると、ショルダー部体積Ｖｓは次式で表される。

ショルダー部体積Ｖｓ＝体積Ｖａ−体積Ｖｂ−体積Ｖｃ＋体積Ｖｄ
ここで、体積Ｖａ＝｛π／３（Ｄ／２）^２×（Ｄ／２）Ｔａｎθ｝
体積Ｖｂ＝｛π／３（ｄ／２）^２×（ｄ／２）Ｔａｎθ｝
体積Ｖｃ＝｛（ｄ／２）^２π×（Ｄ−ｄ）／２×Ｔａｎθ）｝
体積Ｖｄ＝｛（Ｄ／２）^２π−（ｄ／２）^２π｝×（ｘ−ｙ）であり、
ショルダー部体積Ｖｓ＝｛π／３（Ｄ／２）^２×（Ｄ／２）Ｔａｎθ｝−｛π／３（ｄ／２）^２×（ｄ／２）Ｔａｎθ｝−｛（ｄ／２）^２π×（Ｄ−ｄ）／２×Ｔａｎθ）｝＋｛（Ｄ／２）^２π−（ｄ／２）^２π｝×（ｘ−ｙ）
（但し、Ｄ：ショルダー径、ｄ：ピン部径、θ：ショルダー角、ｘ：突き出し長さ、ｙ：ピン部挿入深さ）

ここで、ピン部２１の径ｄは、攪拌面積に影響することから、ピン部２１の径ｄを大きくすることによって塑性流動域が増大して接合強度が増大するが、ピン部２１の挿入による塑性流動域の拡大により被接合部材５１の浮き上がりを起こし、被接合部材５１と５２の境界面５３に隙間が生じて接合強度にバラツキが発生する要因となる。一方、ショルダー部１１はピン部２１の挿入による排出母材を内部に押し込めて攪拌を促進させる機能を有することから、ショルダー部１１の径Ｄを大きくすることで攪拌領域が拡大する結果、塑性流動域が増大して強固な接合強度が得られるが、接合時の接合荷重及び回転駆動力の増大が要求される。ショルダー角θはピン部２１の挿入により排出される母材を内部へ押さえ込む際、排出された母材を底面１３に沿って内側の攪拌部に円滑に誘導するようにショルダー角θを、θ＞０°、例えば１５〜３０°に設定する。また、ショルダー部１１の角部１４に形成されるショルダーＲは、過度に鋭角であると該部に応力が集中し、亀裂等の発生要因となる一方、ショルダーＲ及び隅Ｒを大きくするとピン部２１の挿入により排出された母材がショルダー部１１の外部へ流出する、いわゆる逃げが発生し易くなることから例えば０．２〜０．４ｍｍに設定される。これらショルダー部１１の径Ｄ、ピン部２１の径ｄ、ショルダー角θ、ショルダーＲ及び隅Ｒは実験やシミュレーション等に基づいて設定することが好ましい。

図５は、摩擦攪拌接合方法を示す図である。先ず図１に示すように、アルミニウム合金板からなる２枚の被接合部材５１及び５２の接合点Ｐを、軸線Ｌと一致させて摩擦攪拌接合装置１のワーク受け部２のワーク受け面２ａ上に重ねて載置し、その状態で被接合部材５１、５２を図示しないクランプ装置によってワーク受け部２にクランプする。

そして、図５（ａ）に示すように回転ツール１０が被接合部材５１から離れた上昇位置において、インダクションモータ等の回転駆動手段３により回転ツール１０をピン部２１の外周２３に形成されたネジ部２２の螺旋方向と逆方向に、例えば８００〜１５００ｒｐｍ程度の高速で回転駆動させる。

次に、回転ツール押動手段４によって回転ツール１０を軸線Ｌに沿って下降させる。そして、図５（ｂ）のように回転ツール１０のピン部２１の先端２３が被接合部材５１に達して当接すると、回転するピン部２１と被接合部材５１との摩擦熱によって被接合部材５１、５２が加熱されて被接合部材５１及び５２の接合点Ｐ付近が軟化する。

更なる回転ツール押動手段４による押動によって、回転するピン部２１が軟化した被接合部材５１、５２に挿入されて、図５（ｃ）に示すようにピン部２１の先端２３が被接合部材５１と５２の境界面５３を越えて被接合部材５２に達する予め設定されたピン部挿入深さｙまで、即ちショルダー部１１の角部１４が被接合部材５１の表面５１ａに接近して被接合部材５１の表面５１ａと角部１４との間に若干の隙間Ａを形成する位置に達すると回転ツール押動手段４によるピン部２１の挿入が停止する。

このピン部２１の被接合部材５１、５２への挿入にあたり、ピン部２１と被接合部材５１、５２との摩擦熱で加熱され軟化した被接合部材５１、５２にピン部２１の挿入に伴って軟化した母材が、ピン部２１のネジ部２２即ち外周面に沿って押し出されて被接合部材５１とショルダー部１１の底面１３との間に充填されると共に、ショルダー角θで傾斜する底面１３に沿って角部１４側に誘導されて被接合部材５１側、即ち内部側に押し込められる。このときピン部２１の挿入に伴って押し出される排出母材体積Ｖｐに対して被接合部材５１とショルダー部１１の底面１３との間に形成されるショルダー部体積Ｖｓが小さく設定されることから、余剰の母材、即ち余肉が被接合部材５１の表面５１ａと角部１４との間に若干の隙間Ａから図５（ｃ）に示すように流出する。

この被接合部材５１とショルダー部１１の底面１３との間に充填された母材とショルダー部１１の底面１３との摩擦熱、及び底面１３と被接合部材５１との摩擦熱によって加熱されて軟化した被接合部材５１、５２にピン部２１がピン部挿入深さｙまで挿入された状態で回転することによって塑性流動が誘起され、回転するピン部２１によって接合点Ｐ近傍が攪拌される。ここで、被接合部材５１とショルダー部１１の底面１３とで囲まれる体積、即ちショルダー部体積Ｖｓが排出母材体積Ｖｐに対して１／２以上から１以下の範囲（即ち、１≦Ｖｐ／Ｖｓ≦２）に設定されことから、ピン部２１の挿入によって押し出された母材をショルダー部１１の底面１３によって内部側へ押し込める結果、ピン部２１の周辺の母材が密となって被接合部材５１及び５２が加熱されると共に攪拌されて塑性流動が促進される。

このようにしてピン部２１の先端２３が被接合部材５１と５２との境界面５３を越えた状態で、回転ツール１０を回転させることによって接合点Ｐ付近に攪拌された母材の塑性流動域が形成され、被接合部材５１と５２が接合点Ｐで一体となる。所定の時間攪拌後、図５（ｄ）に示すように、回転ツール１０を被接合部材５１及び５２から引き抜く。ピン部２１を引き抜くと、塑性流動していた母材が硬化し、接合点Ｐにおいて被接合部材５１と５２が接合される。

図６は、接合後の被接合部材５１、５２の接合点の断面を示す図である。図６に斜線で示すように、ピン部２１が挿入された凹所５４の周囲及びショルダー部１１の底面１４によって被接合部材５１の表面５１ａ側に凹所５４を囲むように環状に隆起した環状部分５５において塑性流動して被接合部材５１と５２が一体となり、ピン部２１が挿入されない被接合部材５２の表面５２ａは平滑な面形状が維持されている。

また、環状部分５５の外周に沿ってバリ５６が発生するが、このバリ５６はピン部２１の挿入に伴って押し出される排出母材体積Ｖｐに対する被接合部材５１とショルダー部１１の底面１３との間に形成されるショルダー部体積Ｖｓの体積差を小さく設定することによって、被接合部材５１の表面５１ａと角部１４との隙間Ａから流出する余肉を低減させることで小さくすることができる。従ってバリ５６を小さくすることによって、接合された被接合部材５１、５２の品質が向上し、後工程におけるバリ取り工程を省略或いはバリ取り工程におけるバリ取り作業の大幅な軽減ができる。

図７は、ショルダー部体積Ｖｓに対する排出母材体積Ｖｐの体積比（排出母材体積Ｖｐ／ショルダー部体積Ｖｓ）と接合強度の関係を示す図である。この図７における従来回転ツールは、本実施の形態における回転ツールのショルダー部及びピン部と同一径のショルダー部及びピン部を有する回転ツールにより従来の摩擦攪拌接合方法による接合強度である。

図７より被接合部材５１と５２の接合強度は、ショルダー部体積Ｖｓと排出母材体積Ｖｐの体積比と相関が見られ、排出母材体積Ｖｐ／ショルダー部体積Ｖｓが１未満では極端に接合強度が減少し、逆に排出母材体積Ｖｐ／ショルダー部体積Ｖｓが１以上において接合強度が確保できると共にこの接合強度はほぼ一定であることが確認できる。

図８は、ショルダー部体積Ｖｓに対する排出母材体積Ｖｐの体積比（排出母材体積Ｖｐ／ショルダー部体積Ｖｓ）と接合荷重の関係を示す図である。この図８における従来回転ツールとは、本実施の形態における回転ツールのショルダー部と同一径及びピン部と同一径の回転ツールにより従来の摩擦攪拌接合方法における接合荷重である。

図８より、接合荷重は、ショルダー部体積Ｖｓと排出母材体積Ｖｐの体積比と相関が見られ、排出母材体積Ｖｐ／ショルダー部体積Ｖｓの増加に伴って接合荷重が増加すること確認できる。

一方、排出母材体積Ｖｐ／ショルダー部体積Ｖｓの増大に伴って回転ツール１０のショルダー部１１の角部１４と被接合部材５１との隙間Ａから外部に押し出される母材が増加してバリが多く発生することを考慮すると、ショルダー部体積Ｖｓに対する排出母材体積Ｖｐの体積比を１以上から２以下の範囲（１≦排出母材体積Ｖｐ／ショルダー部体積Ｖｓ≦２）に設定することにより、接合荷重の軽減を図りつつ接合強度を確保すると共にバリの発生が抑制でき、良好な摩擦攪拌接合が得られることが確認できる。

このような本発明の摩擦攪拌接合方法によると、摩擦攪拌接合に要する接合荷重が大幅に低減され、接合時に設備に掛かる荷重、即ち設備負荷が極めて小さくなり設備の小型化が可能になり、設備コスト、及びランニングコストやメンテナンスコストの大幅な削減が期待できる。

具体的には、例えば設備として多関節型ロボットに摩擦攪拌接合装置を装着することも、また、摩擦攪拌接合装置をバランサによって移動可能に支持し、作業者が摩擦攪拌接合装置を保持してスポット接合作業を行うことができる。

なお、本発明は、上記実施の形態に限定されることなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。例えば、上記実施の形態における回転ツール１０のピン部２１の外周にネジ部２２を形成したが、十分な塑性流動が確保できる場合にはネジ部を省略して形状の簡素化を図ることができる。また、上記実施の形態ではピン部２１をピン部挿入深さｙまで挿入された状態で設定時間回転することによって塑性流動を形成したが、このピン部挿入深さｙまで挿入した状態で設定時間回転する保持時間を接合強度等を考慮して適宜設定することができる。

実施の形態に係る摩擦攪拌接合装置の要部を示す概念図である。 回転ツールの要部断面図である。 ピン部の挿入状態を示す図である。 排出母材体積及びショルダー部体積の算出を説明する図である。 摩擦攪拌接合方法を示す図である。 接合後の被接合部材の接合点の断面を示す図である。 ショルダー部体積に対する排出母材体積の体積比と接合強度の関係を示す図である。 ショルダー部体積に対する排出母材体積の体積比と接合荷重の関係を示す図である。 従来例に係り、摩擦攪拌接合用回転ツールの先端を示す図である。 同上、摩擦攪拌接合方法の説明図である。 同上、摩擦攪拌接合方法の説明図である。 同上、接合後の被接合部材の接合点の断面を示す図である。 同上、摩擦攪拌接合方法における接合荷重の推移を示す図である。

符号の説明

１ 摩擦攪拌接合装置
３ 回転駆動手段
４ 回転ツール押動手段
１０ 回転ツール
１１ ショルダー部
１２ 外周面
１３ 底面
１４ 角部
２１ ピン部
２２ ネジ部
５１、５２ 被接合部材
５３ 境界面
Ｌ 軸線
Ｐ 接合点
ｘ 突き出し長さ
ｙ ピン部挿入深さ
Ｖｐ ピン部挿入体積（排出母材体積）
Ｖｓ ショルダー部体積
θ ショルダー角

Claims (9)

1. 円柱状のショルダー部の底面から同軸上で軸線に沿って突出するピン部を備えた回転ツールを有し、重ねられた被接合部材の接合点に上記ピン部を押圧しながら回転ツールを軸線まわりに回転させ、摩擦熱でピン部周囲の上記被接合部材を加熱軟化させてピン部を予め設定されたピン部挿入深さまで挿入すると共に回転するピン部で接合点付近の被接合部材を攪拌して互いの被接合部材を接合点で一体化させた後、軸線に沿って引き抜いて被接合部材を接合点でスポット接合する摩擦攪拌接合方法において、
   上記ショルダー部から突出するピン部のピン部突き出し長さより上記ピン部挿入深さが小さいことを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
2. 上記ピン部挿入深さへのピン部の挿入に伴って被接合部材とショルダー部の底面との間に押し出される母材の体積を排出母材体積、ピン部挿入深さへのピン部の挿入時における被接合部材とショルダー部の底面との間の体積をショルダー部体積とすると、
   排出母材体積／ショルダー部体積≧１
   であることを特徴とする請求項１に記載の摩擦攪拌接合方法。
3. 上記ピン部挿入深さへのピン部の挿入に伴って被接合部材とショルダー部の底面との間に押し出される母材の体積を排出母材体積、ピン部挿入深さへのピン部の挿入時における被接合部材とショルダー部の底面との間の体積をショルダー部体積とすると、
   １≦排出母材体積／ショルダー部体積≦２
   であることを特徴とする請求項１に記載の摩擦攪拌接合方法。
4. 上記ピン部挿入深さにおいて上記ピン部が上記重ねられた被接合部材の境界面に達することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の摩擦攪拌接合方法。
5. 円柱状のショルダー部の底面から同軸上で軸線に沿って突出するピン部を備え、重ねられた被接合部材の接合点に上記ピン部を押圧しながら軸線まわりに回転させ、摩擦熱でピン部周囲の上記被接合部材を加熱軟化させてピン部を予め設定されたピン部挿入深さまで挿入すると共に回転するピン部で接合点付近の被接合部材を攪拌して互いの被接合部材を接合点で一体化させた後、軸線に沿って引き抜いて被接合部材を接合点でスポット接合する摩擦攪拌接合用回転ツールにおいて、
   上記ショルダー部から突出するピン部のピン部突き出し長さが、上記ピン部挿入深さより大であること特徴とする摩擦攪拌接合用回転ツール。
6. 上記ピン部挿入深さへのピン部の挿入に伴って被接合部材とショルダー部の底面との間に押し出される母材の体積を排出母材体積、ピン部挿入深さへのピン部の挿入時における被接合部材とショルダー部の底面との間の体積をショルダー部体積とすると、
   排出母材体積／ショルダー部体積≧１
   の条件を満たすピン部及びショルダー部の底面を有することを特徴とする請求項５に記載の摩擦攪拌接合用回転ツール。
7. 上記ピン部挿入深さへのピン部の挿入に伴って被接合部材とショルダー部の底面との間に押し出される母材の体積を排出母材体積、ピン部挿入深さへのピン部の挿入時における被接合部材とショルダー部の底面との間の体積をショルダー部体積とすると、
   １≦排出母材体積／ショルダー部体積≦２
   の条件を満たすピン部及びショルダー部の底面を有することを特徴とする請求項５に記載の摩擦攪拌接合用回転ツール。
8. 上記ピン部は、上記ピン部挿入深さにおいて上記重ねられた被接合部材の境界面に達するピン部突出長さを有することを特徴とする請求項５〜７のいずれか１項に記載の摩擦攪拌接合用回転ツール。
9. 上記軸線と直交する仮想平面と底面とのなすショルダー角をθとすると、θ＞０°であることを特徴とする請求項５〜８のいずれか１項に記載の摩擦攪拌接合用回転ツール。
   

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