(57)【要約】【課題】  隙間が生じる接合部をより簡単な処理によって補填することができる摩擦攪拌接合方法及び当該方法によって接合した摩擦攪拌接合体を提供すること。【解決手段】  一対の被接合部材２１，２２を突き合わせた接合部に回転した接合工具５０の攪拌軸５２を挿入し、被接合部材２１，２２に対してその接合部が連続する接合線２０に沿って接合工具５０を相対的に移動させ、発生する摩擦熱によって接合部を軟化させつつ攪拌混練して被接合部材同士を接合するものであって、被接合部材２１，２２に対し上下平らな帯状プレート１０を接合線２０に沿って重ね合わせ、回転させた接合工具の攪拌軸５２を接合部に挿入し接合線に沿って相対的に移動させることにより、その接合部に発生する摩擦熱によって被接合部材２１，２２と帯状プレート１０とを同時に軟化させつつ攪拌混練して接合させる摩擦攪拌接合方法。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の被接合部材を突き合わせた接合部に回転した接合工具の攪拌軸を挿入し、被接合部材に対してその接合部が連続する接合線に沿って接合工具を相対的に移動させ、発生する摩擦熱によって接合部を軟化させつつ攪拌混練して被接合部材同士を接合する摩擦攪拌接合方法において、
前記被接合部材に対し上下平らな帯状プレートを接合線に沿って重ね合わせ、回転させた接合工具の攪拌軸を接合部に挿入し接合線に沿って相対的に移動させることにより、その接合部に発生する摩擦熱によって被接合部材と帯状プレートとを同時に軟化させつつ攪拌混練して接合させることを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
【請求項２】
請求項１に記載する摩擦攪拌接合方法おいて、
前記被接合部材の接合線上に重ねた前記帯状プレートを、接合工具の挿入に先立ち、その帯状プレートを溶接又は摩擦攪拌接合によって被接合部材に対して長手方向に数カ所仮止めしておくことを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載する摩擦攪拌接合方法おいて、
前記帯状プレートは、前記被接合部材同士を突き合わせた接合線の隙間よりも寸法の大きい板厚を有することを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載する摩擦攪拌接合方法おいて、
前記接合工具は、回転体の端面に攪拌軸が突設したものであり、その回転体の端面を前記帯状プレートに押し付けて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５】
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載する摩擦攪拌接合方法おいて、
前記接合工具は、回転体の端面から突設した攪拌軸に下部回転体が一体に形成されたものであり、その回転体と下部回転体によって被接合部材と帯状プレートを挟み込んで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６】
一対の被接合部材が突き合わされ接合部に回転した接合工具の攪拌軸が挿入され、被接合部材に対してその接合部が連続する接合線に沿って接合工具が相対的に移動することにより、発生する摩擦熱によって接合部が軟化し攪拌混練することにより接合して形成される摩擦攪拌接合体において、
前記被接合部材に対し上下平らな帯状プレートが接合線に沿って重ね合わされ、その状態で回転させた接合工具の攪拌軸が接合部に挿入し接合線に沿って相対的に移動することにより、その接合部に発生する摩擦熱によって被接合部材と帯状プレートとが同時に軟化し攪拌混練して接合したものであることを特徴とする摩擦攪拌接合体。
【請求項７】
請求項６に記載する摩擦攪拌接合体おいて、
前記被接合部材が押出中空型材であることを特徴とする摩擦攪拌接合体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一対の被接合部材を摩擦熱と圧力によって塑性流動化させて接合する摩擦攪拌接合方法及び当該方法によって接合した摩擦攪拌接合体に関し、被接合部材間における接合面の密着度が接合品質に多大に影響し、特に接合部に隙間が不規則に存在する場合でもその隙間を簡単な処理によって補填することができる摩擦攪拌接合方法及び当該方法によって接合した摩擦攪拌接合体に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、金属材の溶接やロウ付けに代わる新しい接合方法として摩擦攪拌接合方法が種々提案されており、例えば鉄道車両構体を構成する長尺な押出し型材同士の接合にも摩擦攪拌接合方法の利用が進められている。こうした摩擦攪拌接合は、溶融溶接やろう付よりも低温で接合できるため、接合時の熱変形や接合部の酸化による接合不良が少ない利点があり、長尺な押出し型材同士の接合に適している。
【０００３】
ここで、図４は、その摩擦攪拌接合方法の概要を示した図である。この摩擦攪拌接合では、図示するように、被接合部材として一対の被接合プレート２１，２２の接合面同士が突き合わされる。摩擦攪拌接合を行う摩擦攪拌接合用工具５０は、回転体５１に被接合プレート２１，２２よりも硬い材質の攪拌軸（プローブ）５２が突設されたものである。そして、被接合プレート２１，２２を接合するには、その回転体５１を高速回転させ、突き合わされた接合部が連続する接合線２０に沿ってプローブ５２が挿入される。その際、被接合プレート２１，２２に対して摩擦攪拌接合用工具５０が相対的に移動することにより、プローブ５２によって素材が塑性流動した固相接合が行われる。
【０００４】
ところで、この摩擦攪拌接合では、突き合せた被接合部材である被接合プレート２１，２２間の隙間が大きくなると良好な接合ができなくなる。そのため、摩擦攪拌接合には従来から次のような方法が提案されている。
例えば、特開２００４−２６１８５９号公報で提案されている方法では、被接合部材の突き合せ面（接合部）に均一幅で切削加工が施され、そうしてできた被接合部材間の接合溝に対して補填材が挿入される。この補填材は突き合せ部に沿った帯状の材料であって、接合溝に挿入した状態で拘束しやすいように断面形状がＴ字形になっている。そして、その補填材がローラで溝に押し込まれ、摩擦攪拌接合工具がこの挿入された補填材を中心として摩擦攪拌接合を行い、摩擦攪拌接合部が形成される。
【０００５】
その他にも特開２００２−２１０５７１号公報には、次のような方法が提案されている。接合部の隙間ができるだけ小さくなるように被接合部材が突き合わされ、拘束された被接合部材の突き合わせ面が上方から切削具で切削され、接合部に一定の幅の溝が形成される。その溝には補填材が配置され、溝の近傍凸部を上方から押さえて角部が溝側に曲げられ、補填材が押さえられて被接合部材に固定される。こうすることにより、摩擦攪拌接合する際に補填材が移動しないようになっている。そして、摩擦攪拌用工具を突き合わせ部に上方から挿入され、被接合部材および補填材の３者が摩擦攪拌接合される。
【特許文献１】特開２００４−２６１８５９号公報（第５頁、図５）
【特許文献２】特開２００２−２１０５７１号公報（第５−６頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、従来の方法は、被接合部材同士が突き合わされた接合部に切削加工が施され、更に形成された溝には補填材が入れられるため、加工に手間がかかり、また加工コストを引き上げてしまっていた。例えば、鉄道車両構体を構成する押出し型材について摩擦攪拌接合を行う場合を考えると、被接合部材同士の接合部は２０ｍもの長さになってしまう。そうした場合、切削加工はまさに手間のかかる負担の大きい作業となり、しかもその切削加工した溝には補填材を入れなくてはいけないため、溝側と補填材側との両方に相当程度の加工精度が要求されることになって更にコストアップとなる。そして、いくら加工精度を上げたとしても、数メートルに渡って僅かな幅の溝に補填材を整然と装填させていくことは困難であり、現実的には難しいと考えられる。
【０００７】
そこで、本発明は、かかる課題を解決すべく、隙間が生じる接合部をより簡単な処理によって補填することができる摩擦攪拌接合方法及び当該方法によって接合した摩擦攪拌接合体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】
【０００８】
本発明に係る摩擦攪拌接合方法は、一対の被接合部材を突き合わせた接合部に回転した接合工具の攪拌軸を挿入し、被接合部材に対してその接合部が連続する接合線に沿って接合工具を相対的に移動させ、発生する摩擦熱によって接合部を軟化させつつ攪拌混練して被接合部材同士を接合するものであって、前記被接合部材に対し上下平らな帯状プレートを接合線に沿って重ね合わせ、回転させた接合工具の攪拌軸を接合部に挿入し接合線に沿って相対的に移動させることにより、その接合部に発生する摩擦熱によって被接合部材と帯状プレートとを同時に軟化させつつ攪拌混練して接合させることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明に係る摩擦攪拌接合方法は、前記被接合部材の接合線上に重ねた前記帯状プレートを、接合工具の挿入に先立ち、その帯状プレートを溶接又は摩擦攪拌接合によって被接合部材に対して長手方向に数カ所仮止めしておくことが好ましい。
また、本発明に係る摩擦攪拌接合方法は、前記帯状プレートが前記被接合部材同士を突き合わせた接合線の隙間よりも寸法の大きい板厚を有することが好ましい。
【００１０】
また、本発明に係る摩擦攪拌接合方法は、前記接合工具が回転体の端面に攪拌軸が突設したものであり、その回転体の端面を前記帯状プレートに押し付けて摩擦攪拌接合することが好ましい。
また、本発明に係る摩擦攪拌接合方法は、前記接合工具が回転体の端面から突設した攪拌軸に下部回転体が一体に形成されたものであり、その回転体と下部回転体によって被接合部材と帯状プレートを挟み込んで摩擦攪拌接合することが好ましい。
【００１１】
一方、本発明に係る摩擦攪拌接合体は、一対の被接合部材が突き合わされ接合部に回転した接合工具の攪拌軸が挿入され、被接合部材に対してその接合部が連続する接合線に沿って接合工具が相対的に移動することにより、発生する摩擦熱によって接合部が軟化し攪拌混練することにより接合して形成されるものであって、前記被接合部材に対し上下平らな帯状プレートが接合線に沿って重ね合わされ、その状態で回転させた接合工具の攪拌軸が接合部に挿入し接合線に沿って相対的に移動することにより、その接合部に発生する摩擦熱によって被接合部材と帯状プレートとが同時に軟化し攪拌混練して接合したものであることを特徴とする。
また、本発明に係る摩擦攪拌接合体は、前記被接合部材が押出中空型材であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
よって、本発明によれば、突き合わせた被接合部材の接合部が連続する接合線上に帯状プレートを重ね合わせるだけでよく、例えば従来のように接合部に切削加工を施したり、そうしてできた溝に補填材を装填するようなものではないため、簡単な処理によって接合部の隙間を埋めた摩擦攪拌接合を行うことができる。そして、接合部を確実に接合させることができ、水密および気密を確保した摩擦攪拌接合体を提供することができる。
また、従来は、接合部に対する溝加工や補填材を形成するための加工機が必要であり、そのための作業も必要であったが、本発明では、帯状プレートを用意するだけで特殊な加工を施す必要もなく、摩擦攪拌接合を簡略化することができ、加工コストを抑えることにもなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
次に、本発明に係る摩擦攪拌接合方法及び当該方法によって接合した摩擦攪拌接合体について、その一実施形態を図面を参照しながら以下に説明する。図１は、第１実施形態の摩擦攪拌接合方法を概念的に示した図である。この摩擦攪拌接合方法は、一対の被接合部材である被接合プレート２１，２２同士を突き合わせた接合部に摩擦攪拌接合用工具の攪拌軸が挿入され、その接合部が連続する接合線２０に沿って回転しながら相対的に移動する際、発生する摩擦熱と圧力によって塑性流動化しつつ攪拌して接合が行われるようにしたものである。
【００１４】
摩擦攪拌接合用工具５０は、例えば、図示しない回転駆動装置の駆動部と結合した円柱形状の回転体５１とを有し、その端面には同軸に突出した円柱形状の攪拌軸（以下、「プローブ」という）５２が一体になって形成されている。このプローブ５２は、回転体５１の端面中央から被接合部材の接合部厚さに相当する長さで形成されている。そして、材料の攪拌を効率よく行うことなどのため、プローブ５２にネジが切られたり、その他にも回転体５１の端面へ様々な加工が施されたりしている。
【００１５】
被接合プレート２１，２２は、突き合わせた端面同士が気密に突き合わされず隙間２３が生じてしまっている箇所がある。本実施形態では、こうして被接合プレート２１，２２の接合部を連続する接合線２０に沿って見た場合、突き合わされた部分だけでなく隙間２３が空いた部分があってもそのままにし、その上に補填材として帯状プレート１０を重ねるようにした。帯状プレート１０は、被接合プレート２１，２２間に生じる隙間２３の最大幅よりも板厚の寸法が大きくなるように形成されたものであり、被接合プレート２１，２２と同じ材質で形成されたものである。接合部が連続する接合線２０において連続して配置され、或いは分割して配置されている。ただし、この状態で摩擦攪拌接合したのでは施工中に帯状プレート１０が接合線２０からずれてしまうこともあるので、予め帯状プレート１０を被接合プレート２１，２２に対して溶接や、摩擦攪拌接合によって複数箇所を取り付けておく。
【００１６】
そこで、突き合わせた被接合プレート２１，２２に帯状プレート１０を重ね合わせた後、図示しない回転駆動部によって回転体５１及びその先端に突設したプローブ５２に高速回転が与えられ、そのプローブ５２が、突き合わせた２枚の被接合プレート２１，２２の突合せ部に押し当てられて挿入させる。そして、このときプローブ５２が突設した回転体５１の端面は、帯状プレート１０の上面を加圧するように押し当てられる。
【００１７】
摩擦攪拌接合用工具５０は、被接合プレート２１，２２の接合線２０に沿って相対的に移動し、塑性流動化した帯状プレート１０及び被接合プレート２１，２２の接合部分がプローブ５２の進行圧力を受けて攪拌混練され、摩擦攪拌接合用工具５０の後方へ回り込むように塑性流動した後、摩擦熱を急速に失って冷却固化して接合される。このとき、突き合わせた被接合プレート２１，２２の間に隙間２３が生じている場合でも、補填材である帯状プレート１０が攪拌混練されて隙間２３が埋められた接合が行われる。
【００１８】
よって、本実施形態の摩擦攪拌接合方法によれば、突き合わせた被接合プレート２１，２２の接合部に帯状プレート１０を重ね合わせるだけで、簡単な作業によって接合部の隙間２３を埋めた摩擦攪拌接合を行うことができるようになった。すなわち、従来方法のように、接合部に切削加工を施してできた溝に補填材を装填するような手間のかかる処理を施すことなく、簡単に隙間２３を埋めた摩擦攪拌接合が可能となった。そして、接合部を確実に接合させることができ、水密および気密を確保した摩擦攪拌接合体を提供することができるようになった。
また、従来方法では、接合部に対する溝加工や補填材を形成するための加工機が必要であり、そのための作業も必要であったが、本実施形態の摩擦攪拌接合方法では、帯状プレート１０を用意するだけで特殊な加工を施す必要もなく、摩擦攪拌接合を簡略化することができ、加工コストを抑えることにもなった。
【００１９】
次に、本発明の摩擦攪拌接合方法及び当該方法によって接合した摩擦攪拌接合体は、前述したような被接合プレート２１，２２の接合だけでなく他の被接合部材間の接合にも有効である。鉄道車両などでは、その車両構体が押出し中空型材によって構成されているが、そうした押出し中空型材同士の接合にも有効である。図２は、押出し中空型材同士を接合する第２実施形態の摩擦攪拌接合方法を概念的に示した図である。
【００２０】
押出し中空型材３１，３２は、押出し成形されてできたアルミニウム型材であって、図面横方向に所定幅で長手方向は２０ｍほどになる長尺なものである。そして、この押出し中空型材３１，３２を長手方向に見た断面は上面板３５と下面板３６とが複数の斜面板３７によって連結されたトラス構造になっている。そのうち下面板３６が幅方向に突き出され、その下面板３６同士が突き合わされた接合部に摩擦攪拌接合が行われる。なお、本実施形態では下面板３６側のみ突き当てられているが、上面板３５側も両方で突き当てられるようにしたものであってもよい。
【００２１】
押出し中空型材３１，３２は、突き合わせた下面板３６の端面同士が気密に突き合わされず隙間３３が生じてしまっている箇所がある。本実施形態でも、こうして下面板３６，３６の接合部を連続する接合線３０に沿って見た場合、突き合わされた部分だけでなく隙間３３が空いた部分があってもそのままにし、その上に補填材として帯状プレート１１を重ねるようにした。帯状プレート１１は、下面板３６，３６間に生じる隙間３３の最大幅よりも板厚の寸法が大きくなるように形成されたものであり、押出し中空型材３１，３２と同じ材質で形成されたものである。
【００２２】
帯状プレート１１は、接合部が連続する接合線３０において連続して配置され、或いは分割して配置されている。ただし、この状態で摩擦攪拌接合したのでは施工中に帯状プレート１１が接合線３０からずれてしまうので、予め帯状プレート１１を下面板３６，３６に対して溶接や、摩擦攪拌接合によって複数箇所を取り付けておく。こうして帯状プレート１１を重ね合わせた後、図示しない回転駆動部により回転体５１及びその先端に突設したプローブ５２に高速回転が与えられ、プローブ５２が、突き合わせた２枚の下面板３６，３６の突合せ部に押し当てるように挿入される。そして、このときプローブ５２が突設した回転体５１の端面は、帯状プレート１１の上面を加圧するように押し当てられる。
【００２３】
摩擦攪拌接合用工具５０は、下面板３６，３６の接合線３０に沿って相対的に移動し、塑性流動化した帯状プレート１１及び下面板３６，３６の接合部分がプローブ５２の進行圧力を受けて攪拌混練され、摩擦攪拌接合用工具５０の後方へ回り込むように塑性流動した後、摩擦熱を急速に失って冷却固化して接合される。このとき、突き合わせた下面板３６，３６の間に隙間３３が生じている場合でも、補填材である帯状プレート１１が攪拌混練されて隙間３３が埋められた接合が行われる。
【００２４】
よって、本実施形態の摩擦攪拌接合方法によれば、突き合わせた押出し中空型材３１，３２の接合部に帯状プレート１１を重ね合わせるだけで、簡単な作業によって接合部の隙間３３を埋めた摩擦攪拌接合を行うことができるようになった。すなわち、従来方法のように、接合部に切削加工を施してできた溝に補填材を装填するような手間のかかる処理を施すことなく、簡単に隙間３３を埋めた摩擦攪拌接合が可能となった。そして、接合部を確実に接合させることができ、水密および気密を確保した摩擦攪拌接合体を提供することができるようになった。
また、従来方法では、接合部に対する溝加工や補填材を形成するための加工機が必要であり、そのための作業も必要であったが、本実施形態の摩擦攪拌接合方法では、帯状プレート１１を用意するだけで特殊な加工を施す必要もなく、摩擦攪拌接合を簡略化することができ、加工コストを抑えることにもなった。
【００２５】
次に、本発明の摩擦攪拌接合方法及び当該方法によって接合した摩擦攪拌接合体は、同じ被接合プレート２１，２２の接合や押出し中空型材３１，３２の接合に対し、摩擦攪拌接合用工具５０とは異なる工具を使用することができる。即ち図１、図２に示した摩擦攪拌接合用工具５０は、回転体５１に同軸のプローブ５２が突設した形状をした片押しタイプのものであって、摩擦攪拌時には、被接合プレート２１，２２などの被接合部材の下側に裏当を置き、上方から回転体５１を押し当てて加工が行われる。これに対し、裏当を必要としない図３に示すようなボビンタイプの摩擦攪拌接合用工具６０がある。摩擦攪拌接合用工具６０は、回転駆動装置の駆動部と結合した円柱形状の回転体６１にプローブ６２が同軸上に突設され、更にそのプローブ６２に下部回転体６３が一体に形成されている。図３は、この第３実施形態の摩擦攪拌接合方法を概念的に示した図である。
【００２６】
被接合プレート２１，２２には、突き合わせた端面同士が気密に突き合わされず隙間２３が生じてしまっている箇所がある。本実施形態でも、こうした隙間２３はそのままにし、接合線２０上に補填材として帯状プレート１０が重ねられる。帯状プレート１０は、被接合プレート２１，２２間に生じる隙間２３の最大幅よりも板厚の寸法が大きく、被接合プレート２１，２２と同じ材質で形成されたものである。この帯状プレート１０は、接合線２０上に連続して配置され、或いは分割して配置される。ただし、置いただけでは施工中に帯状プレート１０が接合線２０からずれてしまうので、予め帯状プレート１０を被接合プレート２１，２２に対して溶接や、摩擦攪拌接合用工具５０を使用した摩擦攪拌接合によって複数箇所を取り付けておく。
【００２７】
被接合プレート２１，２２を突き合わせ、接合線２０上に帯状プレート１０が重ねられた後は、図示しない回転駆動部により回転体６１、プローブ６２及び下部回転体６３に高速回転が与えられ、プローブ６２が、突き合わせた２枚の被接合プレート２１，２２の突合せ部に押し当てられるようにして挿入される。摩擦攪拌接合用工具６０は、重なった被接合プレート２１，２２と帯状プレート１０とを回転体２１と下部回転体２３とで挟み込み、被接合プレート２１，２２の接合線２０に沿って相対的に移動する。それにより塑性流動化した帯状プレート１０及び被接合プレート２１，２２の接合部分がプローブ６２の進行圧力を受けて攪拌混練され、摩擦攪拌接合用工具６０の後方へ回り込むように塑性流動した後、摩擦熱を急速に失って冷却固化して接合される。このとき、突き合わせた被接合プレート２１，２２の間に隙間２３が生じている場合でも、補填材である帯状プレート１０が攪拌混練されて隙間２３が埋められた接合が行われる。
【００２８】
よって、本実施形態の摩擦攪拌接合方法によれば、突き合わせた被接合プレート２１，２２の接合部に帯状プレート１０を重ね合わせるだけで、簡単な作業によって接合部の隙間２３を埋めた摩擦攪拌接合を行うことができるようになった。すなわち、従来方法のように、接合部に切削加工を施してできた溝に補填材を装填するような手間のかかる処理を施すことなく、簡単に隙間２３を埋めた摩擦攪拌接合が可能となった。そして、接合部を確実に接合させることができ、水密および気密を確保した摩擦攪拌接合体を提供することができるようになった。
【００２９】
また、従来方法では、接合部に対する溝加工や補填材を形成するための加工機が必要であり、そのための作業も必要であったが、本実施形態の摩擦攪拌接合方法では、帯状プレート１０を用意するだけで特殊な加工を施す必要もなく、摩擦攪拌接合を簡略化することができ、加工コストを抑えることにもなった。
なお、摩擦攪拌接合用工具６０を使用した場合でも、図２に示した第２実施形態の押出し中空型材３１，３２の接合部に帯状プレート１１を重ね合わせた摩擦攪拌接合が可能であり、特に裏当が不要なので上面板３５同士も突き当てられた押出し中空型材に有効である。
【００３０】
以上、本発明に係る摩擦攪拌接合工具の一実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】第１実施形態の摩擦攪拌接合方法を概念的に示した図である。
【図２】第２実施形態の摩擦攪拌接合方法を概念的に示した図である。
【図３】第３実施形態の摩擦攪拌接合方法を概念的に示した図である。
【図４】一般的な摩擦攪拌接合方法の概要を示す図である。
【符号の説明】
【００３２】
１０  帯状プレート
２０  接合線
２１，２２  被接合プレート
２３  隙間
５０  摩擦攪拌接合用工具
５１  回転体
５２  プローブ
【図１】
2006312198.tif 000003
【図２】
2006312198.tif 000004
【図３】
2006312198.tif 000005
【図４】
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