(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
工具本体と、
前記工具本体の軸方向の一端に形成され、前記工具本体の軸線を中心とする円柱状をなす突起状のプローブと、
前記プローブよりも前記工具本体の他端寄りに形成されたショルダと、
前記プローブに、前記ショルダとの間に所定の間隔を空けて形成され、前記二つの積層材を接合する際、前記プローブの前記軸を中心とする回転に伴って、前記二つの積層材の下層部分に前記プローブの先端部へ向かう塑性流動を促進する流動促進部とを備える摩擦撹拌接合工具を使用して、それぞれが第一層と第二層とからなる二つの積層材を接合する方法であって、
前記二つの積層材を、それらの端面同士を突き合わせて配置し、
前記ショルダと前記流動促進部との間隔が、前記積層材の前記第二層の厚さよりも大きい前記摩擦撹拌接合工具を、前記軸を中心として回転させながら、前記二つの積層材の前記端面同士の突合せ部に、前記第二層から第一層に向けて前記プローブを挿入し、
前記摩擦撹拌接合工具の回転を維持しながら、前記プローブを前記突合せ部に沿って移動させ、前記二つの積層材を摩擦撹拌接合する積層材の接合方法。
【請求項２】
前記流動促進部として前記プローブの先端部に雄ねじ部が形成されている前記摩擦撹拌接合工具を、該工具とともに前記雄ねじ部が回転すると前記突合せ部に向かって前進する方向に回転させる請求項１に記載の積層材の接合方法。
【請求項３】
前記雄ねじ部が左ねじとして形成され、前記摩擦撹拌接合工具を、前記雄ねじ部が前記突合せ部に向かって前進するように反時計回りに回転させる請求項２に記載の積層材の接合方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二種類の材料を重ね合わせた板材同士を突き合わせて接合する際に用いる摩擦撹拌接合工具を用いた積層材の接合方法に関する。
本願は、２０１３年１０月７日に日本に出願された特願２０１３−２１０１５３号に対して優先権を主張し、その内容をここに援用する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、被接合材となる二つの部材の端面同士を突き合わせて接合する方法の一つとして摩擦撹拌接合が知られている。摩擦撹拌接合には、専用の工具が用いられる。工具は、被接合材の中に完全に挿入されるプローブと呼ばれる突起と、塑性流動される被接合材を押えこむ役割のショルダと呼ばれる部分とで構成される。摩擦撹拌接合は、突合せ部に工具を挿入し、加圧した状態で工具を回転させ、被接合材の摩擦熱と塑性流動とを発生させることによって接合する方法である。【０００３】
ここで、特許文献１には、被接合材としてクラッド材（積層材）を接合する摩擦撹拌接合方法が開示されている。このクラッド材は、炭素鋼層と高耐食性材料(クラッド層)とから構成され、耐食性と強度の両方が要求されるような、例えば硫化水素雰囲気等の高腐食環境に使用されるラインパイプなどに用いられる材料である。従来のラインパイプなどに用いられる当該クラッド材の現地溶接は、まずパイプ内面側に配置されたクラッド層を高耐食性材料用の溶接材料を用いたアーク溶接で接合し、その後パイプ外面側に配置された炭素鋼層を高耐食性材料用の溶接材料を用いたアーク溶接で接合する方法で行われていた。
このクラッド材に摩擦撹拌接合を適用することで、一つの接合金属内でクラッド層と炭素鋼層とを混合させないことができるため、炭素鋼層とクラッド層とを同時に接合することが可能であるとともに、接合部分のキズ発生の防止、クラッド層表面の耐食性の確保、および敷設能率の向上などが達成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−２５５４１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載の接合方法を用いる場合、クラッド層と炭素鋼層との混合を防止するためには、工具の回転速度を比較的低速にする必要があるため、工具を回転させるモータに作用する負荷トルクが大きくなってしまう。この結果、大きな負荷トルクに対応するため、モータ等およびギアボックスなどの駆動系が大型化してしまい、かつこれらを支持するフレームの強度向上も必要となり、接合装置全体の大型化は避けられない。ここで例えば、クラッド鋼管同士を突き合わせて管の内面側から摩擦撹拌接合を行ってクラッドパイプラインを敷設する場合などでは、接合装置を管内に挿入する必要がある。
しかし、接合装置が大型化すると接合装置のクラッド鋼管への挿入が困難となってしまう。【０００６】
本発明はこのような事情を考慮してなされたものであり、積層材の接合時に、接合キズの発生を抑制しつつ、かつ接合装置全体の小型化を図ることが可能な摩擦撹拌接合工具を用いた積層材の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】
【００１０】
本発明に係る積層材の接合方法は、それぞれが第一層と第二層とからなる二つの積層材を接合するための方法であって、
前記二つの積層材を、それらの端面同士を突き合わせて配置し、
工具本体と、前記工具本体の軸方向の一端に形成され、前記工具本体の軸線を中心とする円柱状をなす突起状のプローブと、前記プローブよりも前記工具本体の他端寄りに形成されたショルダと、前記プローブに、前記ショルダとの間に所定の間隔を空けて形成され、前記二つの積層材を接合する際、前記プローブの前記軸を中心とする回転に伴って、前記二つの積層材の下層部分に前記プローブの先端部へ向かう塑性流動を促進する流動促進部とを備える摩擦撹拌接合工具であって、前記ショルダと前記流動促進部との間隔が、前記積層材の前記第二層の厚さよりも大きい前記摩擦撹拌接合工具を、前記軸を中心として回転させながら、前記二つの積層材の前記端面同士の突合せ部に、前記第二層から第一層に向けて前記プローブを挿入し、
前記摩擦撹拌接合工具の回転を維持しながら、前記プローブを前記突合せ部に沿って移動させ、前記二つの積層材を摩擦撹拌接合する。
【００１１】
本発明に係る積層材の接合方法においては、前記流動促進部として前記プローブに雄ねじ部が形成されている前記摩擦撹拌接合工具を、該工具とともに前記雄ねじ部が回転すると前記突合せ部に向かって前進する方向に回転させてもよい。
さらに、本発明に係る積層材の接合方法においては、前記雄ねじ部が左ねじとして形成され、前記摩擦撹拌接合工具を、前記雄ねじ部が前記突合せ部に向かって前進するように反時計回りに回転させてもよい。
【００１２】
本発明に係る積層材の接合方法によれば、二層構造の積層材同士を摩擦撹拌接合する際、プローブを二つの積層材の端面間に挿入し、ショルダを二つの積層部材の上層（第二層）表面に当接させると、プローブの流動促進部が二つの積層材の下層（第一層）内部に配置される。このため、流動促進部によって第一層内の材料のみが撹拌され、第二層の材料は塑性流動されないので、第二層の材料が、流動促進部によって塑性流動された第一層の材料と混合されてしまうことを抑制できる。従って、二つの積層材の突合せ部において第一層と第二層とを混合させることなく同時に接合できる。また、工具の回転速度を速めたとしても、第一層の材料と第二層の材料とが混合されない。
さらに、流動促進部としてプローブに形成された雄ねじ部によって第一層の材料がプローブの先端部に向かって流動するので、第一層の材料と第二層の材料との混合を効果的に抑制できる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、ショルダと流動促進部との間隔が、積層材の上層（第二層）の厚さよりも大きい摩擦撹拌接合工具を使用することにより、二つの積層材の突合せ部において第一層と第二層とを混合させることなく同時に接合できる。これにより、突合せ部における接合欠陥（キズ）の発生を防ぐことができる。加えて、小さい負荷で摩擦撹拌接合工具を回転させることができるので、工具を装着して駆動する接合装置の小型化が可能となる。【００１４】
本発明によれば、流動促進部としてプローブに雄ねじ部を形成することにより、第一層の材料がプローブの先端部に向かって流動するので、プローブの先端部近傍での接合キズの発生を抑制し、二つの積層材の接合欠陥の発生をより効果的に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施形態に係る摩擦撹拌接合工具によってクラッド鋼板を接合している状態を示す斜視図である。
【図２】本発明の実施形態に係る摩擦撹拌接合工具のプローブを示す正面図である。
【図３】本発明の実施形態に係る摩擦撹拌接合工具のプローブの先端部周辺を拡大して示す縦断面図である。
【図４】本発明の実施形態に係る摩擦撹拌接合工具を用いた積層材の接合方法の工程を示すフロー図である。
【図５】炭素鋼層とクラッド層とが混合して接合された場合の突合せ部の状態を示す断面図である。
【図６】本発明の実施形態に係る摩擦撹拌接合工具で接合を行った場合の突合せ部の状態を示す断面図である。
【図７】本発明の実施形態に係る摩擦撹拌接合工具によってクラッド鋼管を接合している状態を示す縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態に係る摩擦撹拌接合工具１について説明する。
図１に示すように、摩擦撹拌接合工具１は、被接合材である二枚のクラッド鋼板１２０（積層材）の端面同士を突き合わせた突合せ部１２０ａに配されて、これらクラッド鋼板１２０同士を摩擦撹拌接合し、接合材１００を製造するものである。
【００１７】
ここで、クラッド鋼板１２０は、炭素鋼層１２１（第一層）と、炭素鋼層１２１の上部に積層されたクラッド層１２２（第二層）とを積層してなる部材である。クラッド層１２２は、炭素鋼層１２１に比べて高い耐食性を有する材料によって形成されており、例えばステンレス鋼材等が使用される。
以下、本実施形態では、クラッド鋼板１２０のクラッド層１２２側を上方、炭素鋼層１２１側を下方として、説明を行う。
【００１８】
この摩擦撹拌接合工具１の材料としては、炭素鋼層１２１及びクラッド層１２２の融点よりも高い温度でこれら炭素鋼層１２１及びクラッド層１２２よりも高強度な材料が使用される。
【００１９】
図２に示すように、摩擦撹拌接合工具１は、接合時にクラッド鋼板１２０に接触するショルダ５と、ショルダ５から下方に突出するプローブ６と、プローブ６及びショルダ５を支持する工具本体８とを備えている。
【００２０】
工具本体８は、軸線Ｏを中心とした円柱状をなし、不図示の摩擦撹拌接合装置に取り付けられて、軸線Ｏ回りに回転可能となっている。
【００２１】
ショルダ５は、工具本体８の下面に設けられてクラッド層１２２に接触する部分であって、工具本体８の一端に形成されたプローブ６よりも工具本体８の他端寄りに形成されており、ショルダ５の軸線Ｏに交わる方向の径はプローブ６の径よりも大きい。
ショルダ５は、工具本体８によって上方から支持されて、軸線Ｏ回りに回転可能となっている。そして接合時には、炭素鋼層１２１とクラッド層１２２とが積層される積層方向に向かって、即ち下方に向かって、クラッド層１２２に対して工具本体８を介して押圧荷重が付与されるようになっている。
【００２２】
プローブ６は、ショルダ５から同心軸上に下方に突出するようにしてショルダ５と一体に設けられて、ショルダ５とともに軸線Ｏ回りに回転可能となっている。即ち、プローブ６はショルダ５によって上方から支持されていることになる。また、プローブ６は、軸線Ｏを中心とした円柱状をなし、ショルダ５から離間するに従って、即ち下方に向かうに従って直径が徐々に小さくなっている。
【００２３】
さらに、このプローブ６は、ショルダ５がクラッド層１２２に当接した状態で、突合せ部１２０ａに挿入されるようになっている。
【００２４】
また、図３に示すように、このプローブ６には、ショルダ５がクラッド層１２２に当接した状態で、炭素鋼層１２１とクラッド層１２２との境界部分Ｂよりも下方、即ち炭素鋼層１２１側となる中途位置から、炭素鋼層１２１側の先端部６ａまで、雄ねじ部７（流動促進部）が形成されている。雄ねじ部７は、ショルダ５との間に所定の間隔を空けて形成されており、その間隔はクラッド層１２２の厚さよりも大きい。このため、二つのクラッド鋼板１２０を接合する際、プローブ６の回転に伴って、クラッド鋼板１２０の下層の炭素鋼層１２１に、プローブ６の先端部へ向かう塑性流動が促進される。
【００２５】
雄ねじ部７は、プローブ６の回転に伴って突合せ部１２０ａにねじ込まれる方向に形成されている。本実施形態では、図１の矢印に示すように上方から摩擦撹拌接合工具１を視た場合には、摩擦撹拌接合工具１は反時計回りに回転するため、左ねじとして形成されている。
【００２６】
次に、図４を参照して、二枚のクラッド鋼板１２０同士を接合して接合材１００を製造する方法について説明する。
まず、準備工程Ｓ１を実行し、クラッド鋼板１２０の端面を、炭素鋼層１２１同士、クラッド層１２２同士が上記積層方向に直交する方向に対向するように突き合わせる。なお、これらクラッド鋼板１２０は、不図示の摩擦撹拌接合装置の定盤に載置されている。
【００２７】
次に、工具挿入押圧工程Ｓ２を実行する。即ち、クラッド鋼板１２０の端面同士が突き合わされた突合せ部１２０ａの上方から、ツールを回転させながら挿入し、ショルダ５をクラッド層１２２に押し付ける。この時、当然ながらプローブ６は完全にクラッド鋼板１２０内に挿入されている。
【００２８】
そして、接合工程Ｓ３を実行する。即ち、ショルダ５及びプローブ６の回転を維持しつつ、突合せ部１２０ａの延在方向（図１の紙面に向かう方向、すなわち接合方向）に沿って、ショルダ５及びプローブ６を摩擦撹拌接合装置（不図示）によって移動させる。
【００２９】
このような摩擦撹拌接合工具１によると、接合時にショルダ５がクラッド層１２２に当接し、プローブ６が突合せ部１２０ａに挿入された状態では、境界部分Ｂよりも下方に雄ねじ部７が位置することになるため、雄ねじ部７が炭素鋼層１２１内のみに配置される。
【００３０】
ここで、仮に雄ねじ部７がプローブ６の全域にわたって形成されている場合、接合時に雄ねじ部７は、炭素鋼層１２１とクラッド層１２２との間にわたって配されることになる。このため、摩擦撹拌によって塑性流動したクラッド層１２２が炭素鋼層１２１に向かって流動し、図５に示すようにこれら炭素鋼層１２１とクラッド層１２２とが混合されてしまう可能性がある。そして、このように炭素鋼層１２１とクラッド層１２２とが混合された場合には、形成された接合金属(撹拌部)の耐食性低下などの問題が生じてしまう。
【００３１】
一方で、仮に雄ねじ部７が全く形成されていない場合には、プローブ６の先端部６ａでの塑性流動量が小さくなり、形成された接合金属(撹拌部)内に接合不良による空洞状のキズが発生する可能性がある。
【００３２】
この点、本実施形態では、雄ねじ部７が、ショルダ５との間に所定の間隔を空けて形成されており、二枚のクラッド鋼板１２０同士を接合する場合、ショルダ５と雄ねじ部７との間隔が、上層のクラッド層１２２の厚さよりも大きい摩擦撹拌接合工具１を使用することにより、炭素鋼層１２１とクラッド層１２２との境界部分Ｂよりも下方に雄ねじ部７が位置する。このため、摩擦撹拌接合時には雄ねじ部７によって炭素鋼層１２１のみが撹拌され、炭素鋼層１２１は塑性流動されないので、炭素鋼層１２１の材料が、雄ねじ部７によって塑性流動された炭素鋼層１２１の材料と混合されてしまうことを抑制できる。即ち、図６に示すように、炭素鋼層１２１とクラッド層１２２との境界部分Ｂを維持したままの接合が可能となる。
【００３３】
従って、このような雄ねじ部７によって、突合せ部１２０ａでのクラッド鋼板１２０の撹拌を促進できるだけでなく、摩擦撹拌接合工具１の回転速度を速め、突合せ部１２０ａで炭素鋼層１２１とクラッド層１２２とを同時に接合したとしても、これら炭素鋼層１２１とクラッド層１２２とが混合されない。このため、突合せ部１２０ａでの接合欠陥の発生を抑制することが可能となる。
【００３４】
また、雄ねじ部７は、プローブ６の回転に伴ってプローブ６が突合せ部１２０ａにねじ込まれるように形成されているため、突合せ部１２０ａで炭素鋼層１２１がプローブ６の先端部６ａに向かって流動する。この結果、プローブ６の先端部６ａで接合キズが発生することを抑制できる。
【００３５】
ここで、接合装置の大きさは摩擦撹拌接合工具を回転させるモータのサイズに依存し、このモータのサイズは接合中にモータへ付与される負荷トルクに支配される。工具の回転速度とモータ負荷トルクの間には逆比例の関係があり、工具の回転速度が速い場合は、モータ負荷トルクは小さくなり、ツールの回転速度が遅い場合は、モータ負荷トルクは大きくなる。
【００３６】
上述したように、プローブ全体に雄ねじがある工具を用いた場合においては、クラッド鋼材１２０の二種類の材料の混合が発生するため、工具の回転速度を速くできない。即ち、モータ負荷トルクが大きい状態でしか接合することが出来ないため、接合装置のサイズが大きくなってしまう。
【００３７】
一方で、本実施形態の摩擦撹拌接合工具１では、回転速度を速くした場合においても、クラッド鋼材１２０の二種類の材料の混合を抑制できるため、モータ負荷トルクが小さい状態で接合することが可能である。よって、接合装置のサイズを小さくすることが出来る。
【００３８】
従って、本実施形態の摩擦撹拌接合工具１によると、接合時に炭素鋼層１２１内のみに位置する雄ねじ部７によって、接合キズの発生を抑制できる。加えて、摩擦撹拌接合工具１の回転速度を速くすることが可能となるため接合装置の小型化が可能となる。
【００３９】
以上、本発明の実施形態について詳細を説明したが、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内において、多少の設計変更も可能である。
例えば、上述の実施形態では、摩擦撹拌接合工具１によって二枚のクラッド鋼板１２０同士の接合を行う場合について説明を行ったが、積層材としてクラッド鋼管１２０Ａ同士を接合する場合に、摩擦撹拌接合工具１を用いてもよい。
【００４０】
具体的には、図７に示すように、炭素鋼層１２１が外周側に配され、クラッド層１２２が内周側に配されたクラッド鋼管１２０Ａの端面同士を突き合わせ、この突合せ部分１２０Ａａをクラッド鋼管１２０Ａの内面から周溶接することで、クラッド鋼管１２０Ａを継ぎ、接合材１００Ａを製造する。
【００４１】
ここで上述したように、摩擦撹拌接合工具１の雄ねじ部７によって摩擦撹拌接合装置全体の小型化が可能となるため、クラッド鋼管１２０Ａが小径であっても、クラッド鋼管１２０Ａ内へ摩擦撹拌接合装置を挿入して接合を行うことが可能となる。
【００４２】
なお、クラッド鋼板１２０（クラッド鋼管１２０Ａ）において、上述した実施形態とは逆に、炭素鋼層１２１側からプローブ６を挿入して接合を行ってもよい。
【００４３】
また、クラッド鋼板１２０（クラッド鋼管１２０Ａ）は、炭素鋼層１２１とクラッド層１２２とを組み合わせたものに限らず、炭素鋼と二相ステンレス鋼、炭素鋼とニッケル基合金、炭素鋼とチタン合金など、様々なクラッド材であってよい。
【００４４】
また、クラッド鋼板１２０（クラッド鋼管１２０Ａ）に代えて、二種類の材料を重ね合わせたものを、板厚方向へ重ね接合する場合においても本発明を適用することが可能である。このような材料は、例えば、ステンレス鋼と炭素鋼の積層材、アルミニウム合金と炭素鋼との積層材、炭素鋼と鋳鉄との積層材、マグネシウム合金と炭素鋼との積層材、アルミニウム合金とマグネシウム合金の積層材などである。
【００４５】
さらに、雄ねじ部７は、必ずしもプローブ６における炭素鋼層１２１内に位置する領域の全域に形成されていなくともよく、少なくともプローブ６の先端部６ａに形成されていればよい。
【００４６】
また、上述の実施形態では、炭素鋼層１２１をプローブ６の先端部６ａに向かって流動させる流動促進部として雄ねじ部７を用いている。しかし、雄ねじ部７に代えて、プローブ６の表面から軸線Ｏの径方向外側に向かって突出する突起や、プローブ６の表面から径方向内側に向かって切り欠かれた切欠き部を形成してもよい。即ち、プローブ６の周囲の炭素鋼層１２１の材料に対して先端部６ａへ向かう流れを促進するようなものであれば、雄ねじ部７に限定されない。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明は、二つの部材の端面同士を接合する時に、接合キズの発生を抑制しつつ、かつ接合装置全体の小型化を図ることが可能な摩擦撹拌接合工具を用いた積層材の接合方法に関する。
【符号の説明】
【００４８】
１…摩擦撹拌接合工具
５…ショルダ
６…プローブ
６ａ…先端部
７…雄ねじ部（流動促進部）
８…工具本体
１００…接合材
１２０…クラッド鋼板（積層材）
１２０ａ…突合せ部
１２１…炭素鋼層（第一層）
１２２…クラッド層（第二層）
Ｂ…境界部分
Ｏ…軸線
１００Ａ…接合材
１２０Ａ…クラッド鋼管
１２０Ａａ…突合せ部
Ｓ１…準備工程
Ｓ２…工具挿入押圧工程
Ｓ３…接合工程
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図７】
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【図５】
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【図６】
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