(57)【要約】【課題】第１ワークと第２ワークとをギャップを介して配置しても接合することが可能な摩擦撹拌接合方法を提供する。【解決手段】第１ワークＷ１の第１端面１２と第２ワークＷ２の第２端面１４とが互いに傾斜面を構成し、ギャップＧを介して対向配置した状態で摩擦撹拌接合用工具１０を構成するプローブ１８を前記第１ワークＷ１側にオフセットして前記第１ワークＷ１と第２ワークＷ２とを摩擦撹拌接合する。前記プローブ１８のオフセットにより第１ワークＷ１側がアドバンシングサイドとして肉の流動が惹起し前記ギャップＧを埋める。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１ワークの第１端面と、第２ワークの第２端面とを互いに接近して対向配置させた後、回転動作する摩擦撹拌接合用工具によって前記第１端面と第２端面とを接合する摩擦撹拌接合方法であって、
前記第１端面と第２端面とは互いに補角関係を形成するように鈍角と鋭角に傾斜する傾斜面であり、
前記摩擦撹拌用工具を構成するプローブは前記第１ワークと第２ワークに臨む際にその先を端部が徐々に縮径する円錐台状であり、
前記第１ワークの第１端面と第２ワークの第２端面とをギャップ（Ｇ）を介して対向配置する第１の工程と、
前記プローブの先端部中心を前記ギャップよりも第１ワークのアドバンシングサイドに位置決めする第２の工程と、
前記摩擦撹拌用工具を回転駆動するとともに前記プローブの先端部中心を前記第１ワークに回転埋没させて前記ギャップに前記第１ワークと第２ワークの肉を塑性流動させて後固化する第３の工程と、
からなることを特徴とする摩擦撹拌接合方法。
【請求項２】
請求項１記載の摩擦撹拌接合方法において、
前記プローブの円錐台状の周壁の傾斜角度は、該プローブの軸線Ｌ１を基準とするとき、
前記第２ワークの第２端面の傾斜角度よりも前記軸線Ｌ１側に接近するように設定されていることを特徴とする摩擦撹拌接合方法。
【請求項３】
請求項１又は２記載の摩擦撹拌接合方法において、
前記第１ワークの第１端面と、第２ワークの第２端面の間のギャップＧの先端部が前記プローブの先端部の半径内に位置するように該プローブを位置決めすることを特徴とする摩擦撹拌接合方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の摩擦撹拌接合方法において、
前記第１ワークの第１端面と第２ワークの第２端面とを互いにギャップＧを介して対向配置する際に、
前記第２端面の傾斜角度は前記プローブの軸線Ｌ１を中心とすると−２０°〜−３０°の範囲であることを特徴とする摩擦撹拌接合方法。
【請求項５】
請求項１に記載の摩擦撹拌接合方法において、
前記第１ワークの第１端面と第２ワークの第２端面とを互いにギャップＧを介して対向配置する際に、
前記第２ワークの第２端面の傾斜角度は前記プローブの円錐台状の周壁の傾斜角度と同一に形成されていることを特徴とする摩擦撹拌接合方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、同質のある部材（部材Ａ）と他の部材（部材Ｂ）とを隙間を介して対向配置し、前記部材Ａと部材Ｂの端面同士を摩擦撹拌接合用工具によって接合する摩擦撹拌接合方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
摩擦撹拌接合は、対向する部材Ａと部材Ｂの端面同士を固相接合する接合方法の１種として、近年広汎に採用されるに至っている。摩擦撹拌接合を行うには、回転する摩擦撹拌接合用工具の先端部に設けられたプローブが前記端面同士の対向箇所に埋没される。これに伴って該対向箇所の周辺に摩擦熱が発生し、この摩擦熱によって端面を含む部材Ａと部材Ｂの端部の肉が塑性流動を起こし、これによって前記端面同士が接合一体化される。
【０００３】
摩擦撹拌接合には、部材Ａと部材Ｂの接合部に隆起部が形成されないので仕上げ工程が不要となるという利点がある。しかしながら、摩擦撹拌接合では、例えば、ろう部材等の接合材料を用いないため、対向する部材Ａと部材Ｂの端面同士間に隙間（以下、ギャップと記す）があると、そのギャップを埋める部材が不足し、また両部材Ａ、Ｂを互いに接近させる圧力も加わらないために、良好な接合品質を得ることができず、該ギャップが未接合箇所として残留することがある。このような未接合箇所が一部にでも存在すると、両部材Ａ、Ｂの接合部の強度が小さくなる。そして、接合強度が過度に小さくなると、クラック発生の原因となる懸念が生じる。
【０００４】
前記の不都合を回避するために、両部材Ａ、Ｂの端面同士のギャップが所定の範囲、例えば、０．２ｍｍ以下となるように厳密な管理が行われる。
【０００５】
しかしながら、そのために両部材Ａ、Ｂの端面に対し、精度良く機械加工を行うと、加工コスト高の要因となる。さらに、両部材Ａ、Ｂが相当長尺であると、前記ギャップを所定の範囲に留める管理のために精度良く加工を行って寸法出しをすることは困難である。そこで、特許文献１、２において、この不具合を解消するための摩擦撹拌接合方法が提案されている。
【０００６】
特許文献１には、摩擦撹拌接合用工具を構成するプローブをその回転方向と進行方向とが一致しないリトリーティングサイドに存在する端部側に偏在させることにより、未接合箇所が残留することを回避する技術的思想が開示されている。
【０００７】
また、特許文献２には、二つの接合される部材の接合端面が互いに対応するように傾斜させて、その傾斜面に上下一組の摩擦撹拌接合用工具を埋没させるとともに接合端面に沿って移動させることにより、摩擦撹拌接合する方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００４−３１４０８８号公報
【特許文献２】特開２００７−２８３３７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献１の従来技術では、摩擦撹拌接合用工具を構成するプローブの回転方向前方に撹拌する材料が不足するため、十分な接合強度が得られない。また、特許文献２に記載されている摩擦撹拌接合は、一組のボビンツール型工具によって、上下から被接合部材を挟みこむことが前提となる接合方法である。そのため、被接合部材が一組のボビンツール型工具で上下から挟み込むことができない形状では、適用することができないという不具合がある。
【００１０】
本発明は上記した不具合を解決するためになされたもので、摩擦撹拌接合方法において、上下から挟み込むことのできない複雑な被接合部材同士であっても、しかも該被接合部材間にギャップがあったとしても、接合端面に厳格な機械加工を施して面精度を高める必要のない、加工コストも低廉で且つ接合強度に優れた良好な接合品質を得ることができる摩擦撹拌接合方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、第１ワークの第１端面と、第２ワークの第２端面とを互いに接近して対向配置させた後、回転動作する摩擦撹拌接合用工具によって前記第１端面と第２端面とを接合する摩擦撹拌接合方法であって、
前記第１端面と第２端面とは互いに補角関係を形成するように鈍角と鋭角に傾斜する傾斜面であり、
前記摩擦撹拌用工具を構成するプローブは前記第１ワークと第２ワークに臨む際にその先を端部が徐々に縮径する円錐台状であり、
前記第１ワークの第１端面と第２ワークの第２端面とをギャップ（Ｇ）を介して対向配置する第１の工程と、
前記プローブの先端部中心を前記ギャップよりも第１ワークのアドバンシングサイドに位置決めする第２の工程と、
前記摩擦撹拌用工具を回転駆動するとともに前記プローブの先端部中心を前記第１ワークに回転埋没させて前記ギャップに前記第１ワークと第２ワークの肉を塑性流動させて後固化する第３の工程と、
からなることを特徴とする。
【００１２】
前記請求項１で特定される発明によれば、摩擦撹拌接合用工具を構成するプローブがワークのアドバンシングサイドに配置されて摩擦撹拌作業が開始されるために、前記アドバンシングサイド側の肉が塑性流動して容易に第１ワークの第１端面と第２ワークの第２端面の間に形成されたギャップを埋めることができる。
【００１３】
請求項２で特定される発明は、請求項１記載の摩擦撹拌接合方法において、
前記プローブの円錐台状の周壁の傾斜角度は、該プローブの軸線Ｌ１を基準とするとき、
前記第２ワークの第２端面の傾斜角度よりも前記軸線Ｌ１側に接近するように設定されていることを特徴とする。
【００１４】
前記請求項２で特定される発明によれば、前記プローブの円錐台状の周壁の傾斜角度が第２ワークの第２端面の傾斜角度より第１ワークの第１端面側に近くなるように設定されているために、回転するツールの周速が高く、撹拌力が大きくなり、前記円錐台状の周壁がアドバンシングサイドの第１ワークの肉を容易に且つ大量にその塑性流動に供することができ、それによってギャップを確実に埋めることができる。
【００１５】
請求項３で特定される発明は、請求項１又は２記載の摩擦撹拌接合方法において、
前記第１ワークの第１端面と、第２ワークの第２端面の間のギャップＧの先端部が前記プローブの先端部の半径内に位置するように該プローブを位置決めすることを特徴とする。
【００１６】
前記請求項３で特定される発明によれば、前記プローブの先端部の半径内にギャップＧの先端部が位置しているために、プローブ先端が第１ワークと第２ワークに侵入して摩擦撹拌接合のための最深位置に到達した最終段階においても第１ワークと第２ワークの境界面に十分な肉の塑性流動を惹起することができる。
【００１７】
請求項４で特定される発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の摩擦撹拌接合方法において、
前記第１ワークの第１端面と第２ワークの第２端面とを互いにギャップＧを介して対向配置する際に、
前記第２端面の傾斜角度は前記プローブの軸線Ｌ１を中心とすると−２０°〜−３０°の範囲であることを特徴とする。
【００１８】
前記請求項４で特定される発明によれば、前記第２端面の傾斜角度が前記プローブの軸線Ｌ１を中心として−２０°〜−３０°の範囲であるので、該プローブの周壁で第１ワークと第２ワーク間のギャップを埋めるのに十分な肉の塑性流動を惹起する摩擦力を得ることが可能となる。
【００１９】
請求項５で特定される発明は、請求項１に記載の摩擦撹拌接合方法において、
前記第１ワークの第１端面と第２ワークの第２端面とを互いにギャップＧを介して対向配置する際に、
前記第２ワークの第２端面の傾斜角度は前記プローブの円錐台状の周壁の傾斜角度と同一に形成されていることを特徴とする。
【００２０】
前記請求項５で特定される発明によれば、第２ワークの第２端面の傾斜角と前記プローブの周壁の傾斜角度が同一であるために、該プローブの円滑な回転が達成され、肉の塑性流動がより一層円滑化する。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、第１ワークの第１端面と第２ワークの第２端面とが互いに傾斜形成させた状態で設定配置し、摩擦撹拌接合用工具をワークのアドバンシングサイドに存在する端部側に偏在させて埋没させるようにしている。これにより、前記第１端面と第２端面との境界面にギャップを有していても、第１ワーク側からの十分な肉の塑性流動が惹起してキャップを埋め、良好な接合品質を確保することができるとともに、前記第１端面と第２端面とについて加工精度をさほどに高くする必要がないため、加工精度の管理が容易となり、しかも、前記第１端面と前記第２端面に対する機械加工のコストを低減できる効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】摩擦撹拌接合用工具によって、摩擦撹拌接合する状態を示す斜視説明図である。
【図２】摩擦撹拌用工具を構成するプローブの軸線がワークの接合面に対向して配置される境界面からアドバンシングサイド側に存在する状態で、摩擦撹拌接合している状態を示す要部拡大断面図である。
【図３】図２の平面図である。
【図４】図４（ａ）は、摩擦撹拌接合用工具を構成するプローブの軸線Ｌ１とワークの傾斜面との角度関係を示す説明図であり、図４（ｂ）〜（ｅ）は、ワークの傾斜面の角度をそれぞれ−１０〜−４０°の範囲内で設定した際の、アドバンシングサイドからリトリーティングサイドへの肉の流動状態を示す説明図である。
【図５】第４ワークに、第３ワークを載置する段差が設けられた、該第３ワークと第４ワークとを摩擦撹拌接合によって一体化している状態の要部拡大断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明に係る摩擦撹拌接合方法につき好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２４】
図１は、摩擦撹拌接合用工具１０により、ワークＷ１とワークＷ２とを摩擦撹拌接合する状態を示す斜視説明図である。
【００２５】
図２に示すように、ワークＷ１の傾斜する第１端面１２とワークＷ２の傾斜する第２端面１４とを突き合わせると、その境界面にはギャップＧが形成される。前記第１端面１２の傾斜角と第２端面１４の傾斜角は互いに補角の関係を有し、第１端面の傾斜角は鈍角であり、第２端面１４の傾斜角は鋭角である。前記第１端面１２と前記第２端面１４とを摩擦撹拌接合するための摩擦撹拌接合用工具１０は、図示しない摩擦撹拌接合装置のスピンドルに固定された円柱状の回転体１６と、該回転体１６の先端部に設けられて該第１端面１２と該第２端面とを接合するために、ワークＷ１とワークＷ２に埋没されるプローブ１８とを有する。ここで、プローブ１８の外周面の形状を、先端にいくほど縮径する円錐台状とするのが好ましいが、場合によっては可及的に円柱に近づけてもよい。なお、後述する理由に基づき、プローブ１８を、その中心線Ｌ１がワークＷ１側に偏在するように埋没させる。好ましくは、前記プローブ１８の中心線Ｌ１がワークＷ１の傾斜面開始位置、すなわち、鈍角を形成する隅角部と一致させるとよい。十分な摩擦撹拌作用が得られるからである。
【００２６】
図２のワークＷ１、ワークＷ２と工具１０との関係を平面視した状態を図３に示す。この図３において、摩擦撹拌接合用工具１０を構成するプローブ１８は、矢印Ｘ方向に回転動作する。この状態で、プローブ１８を矢印Ｙ方向に沿って移動させると、ワークＷ１、Ｗ２の肉がプローブ１８で撹拌されることに伴って塑性流動する。その後、該プローブ１８が矢印Ｙ方向に指向して撹拌箇所から離間すると、この肉が硬化するに至る。この現象が逐次的に繰り返されることにより、第１端面１２と第２端面１４とが一体的に固相接合され、その結果、第１端面１２と第２端面１４が接合一体化される。
【００２７】
ここで、図３中の左側のワークＷ１では、プローブ１８における第１端面１２と第２端面１４との境界線Ｌ２から最も離間する箇所での回転方向（矢印Ｘ方向）のベクトル成分Ｖ１が指向する方向は、プローブ１８の移動方向（矢印Ｙ方向）と一致する。以下の説明においては、このように前記ベクトル成分Ｖ１が指向する方向がプローブ１８の移動方向と一致する側（以下、アドバンシングサイドという）の第１端面１２を有するワークＷ１を、アドバンシングサイドに存在するワークＷ１ともいう。
【００２８】
一方、図３中の右側のワークＷ２では、プローブ１８における第１端面１２と第２端面１４との境界線Ｌ２から最も離間する箇所での回転方向（矢印Ｘ方向）のベクトル成分Ｖ２が指向する方向は、プローブ１８の移動方向（矢印Ｙ方向）と反対となる。以下、前記ベクトル成分Ｖ２が指向する方向と該プローブ１８の移動方向とが逆になる側（以下、リトリーティングサイドという）の第２端面１４を有するワークＷ２を、リトリーティングサイドに存在するワークＷ２ともいう。
【００２９】
図２に示すように、摩擦撹拌接合される前記第１端面１２と前記第２端面１４とは、互いに補角となる傾斜した平面によって形成される。ここで、摩擦撹拌接合用工具１０のプローブ１８がワークＷ１に埋没する角度を０°とした際（プローブ１８の軸線Ｌ１を０°とする）、前記第１端面１２と前記第２端面１４との境界面の角度は、好ましくは−２０°〜−３０°の範囲内になるように設定しておく。十分な摩擦撹拌作用を営むためである。ここで、以下に、プローブ１８がワークに埋没する角度と境界面の角度との関係を図４（ａ）〜（ｅ）に基づき、説明する。
【００３０】
図４（ａ）は、摩擦撹拌接合用工具１０により、第１端面１２と第２端面１４とを摩擦撹拌接合する場合の側面説明図であり、図４（ｂ）〜（ｅ）は、摩擦撹拌接合用工具１０のプローブ１８をワークに埋没させる角度を図２の中心線Ｌ１に沿う０°とし、第１端面と第２端面を突き合わせて形成される境界面の角度を−１０°〜−４０°と変化させた場合、それぞれ撹拌前から撹拌後までワークＷ１とワークＷ２の間の塑性流動の状態を示す平面説明図である。
【００３１】
ここで、図４（ｂ）は前記境界面の傾斜角度を−１０°とした場合であり、また、図４（ｃ）は前記境界面の傾斜角度を−２０°とした場合であり、さらに、図４（ｄ）は前記境界面の傾斜角度を−３０°とした場合であり、図４（ｅ）は前記境界面の傾斜角度を−４０°とした場合である。ここで、図４（ｂ）〜（ｅ）中の矢印Ｘ方向はプローブ１８の回転方向を示し、矢印Ｙ方向はプローブ１８の移動方向を示す。また、図４（ｂ）〜（ｅ）中の左側はアドバンシングサイドとなり、図４（ｂ）〜（ｅ）中の右側はリトリーティングサイドとなる。
【００３２】
図４（ｂ）中の点Ｐ１は摩擦撹拌前のワークの肉の位置を示し、点Ｐ２は該点Ｐ１から摩擦撹拌された後の肉の位置を示す。図４（ｃ）〜（ｅ）についても、同様に、それぞれ点Ｐ３、Ｐ５、Ｐ７が摩擦撹拌前の肉の位置を示し、それらの点の摩擦撹拌後の肉の位置をそれぞれ点Ｐ４、Ｐ６、Ｐ８に示す。なお、Ｐ２、Ｐ４、Ｐ６およびＰ８から反時計方向に延在する線はそれぞれワークの肉の塑性流動の量を概念的に示すものである。
【００３３】
図４（ｃ）、（ｄ）より、前記境界面の傾斜角度を−２０°と−３０°とに設定した際の点Ｐ３から点Ｐ４への変位と点Ｐ５から点Ｐ６への変位とにおいて、ワークの肉の塑性流動量が徐々に多くなり、第１端面１２と第２端面１４との間のギャップＧに対し、肉の高い充填効果を発揮することが諒解される。さらに、摩擦撹拌前の点Ｐ３、Ｐ５と摩擦撹拌後の点Ｐ４、Ｐ６とを対比すると、プローブ１８の回転方向に伴って、肉がアドバンシングサイド側からリトリーティングサイド側に移動していることが諒解されよう。なお、前記境界面の角度を−４０°に設定すると、プローブが挿入される領域からギャップの一部がはみ出してしまう。一方、これを防ぐためにプローブを大径な形状のものにすると、ツール全体として大型化は避けられず、またプローブを回転させる装置自体も大型化する不都合を露呈する。
【００３４】
そこで、本実施の形態においては、図２に示すように、プローブ１８の中心線Ｌ１を、第１端面１２と第２端面１４との境界面からアドバンシングサイドに存在するワークＷ１側に偏在させる。すなわち、プローブ１８は、アドバンシングサイドに存在するワークＷ１側に偏在させて埋没させる。
【００３５】
換言すれば、図２及び図３に示すように、前記第１端面１２と第２端面１４との境界面をリトリーティングサイドにオフセットする量は、プローブ１８が埋没される側の第１端面１２と第２端面１４との境界線Ｌ２からプローブ１８の先端の直径ｄの１／２の範囲内とし、第１端面１２と第２端面１４とから形成される傾斜した境界面がプローブ１８の先端の直径ｄの１／２の範囲と重なるように設定すると、より良好に摩擦撹拌接合される。円錐台状のプローブ１８の回転する周壁部が十分な摩擦撹拌力を発揮するからである。さらに、プローブ１８の中心線Ｌ１が、第１ワークＷ１の第１端面１２である鈍角端面（隅角部）を通るように設定すると、確実に前記境界面がプローブ１８の円錐台状の傾斜する周壁と重なるように配置されため、良好な接合品質を確保することが可能となる。
【００３６】
この状態で、図１に示す矢印Ｙ方向に沿ってプローブ１８が移動し、プローブ１８によって肉が撹拌されることによって塑性流動する。そして、図２に示すように、第１端面１２と第２端面１４とから形成される傾斜した境界面に沿って、撹拌され軟化した肉が塑性流動し、第１端面１２と第２端面１４との間に存在するギャップＧを埋めることができる。結局、図１に示すように、ワークＷ１、Ｗ２に対し、摩擦撹拌接合用工具１０によって、摩擦撹拌接合することにより、接合強度に優れた接合部が得られる。
【００３７】
本実施の形態に係る摩擦撹拌接合方法は、例えば、図５に示すような薄肉部を備えたワークＷ３と厚肉部を備えたワークＷ４とから構成される形状にも適することができる。ここで、ワークＷ３とワークＷ４とは鋳造成形品である。
【００３８】
ここで、ワークＷ３がアドバンシングサイド側に存在するものとし、ワークＷ４がリトリーディング側に存在するものとする。
【００３９】
ワークＷ３の外周面である第１端面３０に対し、ワークＷ４には、該第１端面３０に対応した第２端面３２が設けられている。ここで、第２端面３２には段部３４が設けられており、第１端面３０は、該段部３４上に配置される。その際、前記第１端面３０と該第２端面３２とから形成される境界面の角度が、摩擦撹拌接合用工具１０のプローブ１８を前記ワークＷ３に埋没させる角度を０°とした場合に（中心軸Ｌ１に沿って埋没する角度を０°とする）、−２０°〜−３０°の範囲内となるように設けられる。
【００４０】
そして、摩擦撹拌接合用工具１０のプローブ１８をアドバンシングサイド側に存在するワークＷ３にオフセットして配置する。その際のオフセット量は、該プローブ１８が埋没する側の第１端面３０と第２端面３２との境界線から該プローブ１８の直径の１／２以内である。好ましくは、プローブ１８の中心Ｌ１がワークＷ３の鈍角を形成する隅角部と一致するか、あるいはアドバンシング側に偏在させてもよい。そして、前記プローブ１８を中心軸Ｌ１に沿って移動させ、摩擦撹拌接合を行うと、前記ワークＷ３と前記ワークＷ４とが良好に接合される。
【００４１】
本発明に係る摩擦撹拌接合方法は、上述の実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。
【符号の説明】
【００４２】
１０…摩擦撹拌接合用工具        １２、３０…第１端面
１４、３２…第２端面            １６…回転体
１８…プローブ                  Ｌ１…プローブの中心線
Ｌ２…境界線                    Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３、Ｗ４…ワーク
Ｖ１、Ｖ２…ベクトル
【図１】
2010201484.tif 000003
【図２】
2010201484.tif 000004
【図３】
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【図４】
2010201484.tif 000006
【図５】
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