(57)【要約】【課題】本発明は、接合部位の外観が優れるような摩擦攪拌接合方法及びその方法による製品を提供することを目的とする。【解決手段】本発明の摩擦攪拌接合方法は、摩擦面を有する接合工具を提供する段階と、第一表面層を有する第一部品を提供する段階と、第二表面層を有する第二部品を提供する段階と、融点が第一部品及び第二部品の融点より低い溶接部材を提供する段階と、溶接部材を第一部品と第二部品との接合部に設置し、且つ第一部品と第二部品とを対接する段階と、接合工具の摩擦面を第一部品の第一表面層及び第二部品の第二表面層のうちの少なくとも一方に圧接してから接合工具を回転させながら移動することにより、接合工具の摩擦面は第一部品の第一表面層及び第二部品の第二表面層のうちの少なくとも一方を摩擦攪拌して熱量を生成し、熱量は第一部品及び第二部品の内部に伝達されて塑性状態になり、第一部品及び第二部品が接合される段階と、を備える。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
摩擦面を有する接合工具を提供するステップと、
第一表面層を有する第一部品を提供するステップと、
第二表面層を有する第二部品を提供するステップと、
融点が前記第一部品及び前記第二部品の融点より低い溶接部材を提供するステップと、
前記溶接部材を前記第一部品と前記第二部品との接合部に設置し、且つ前記第一部品と前記第二部品とを対接するステップと、
前記接合工具の摩擦面を前記第一部品の第一表面層及び前記第二部品の第一表面層のうちの少なくとも一方に圧接してから、前記接合工具を回転させながら移動することにより、前記接合工具の摩擦面は前記第一部品の第一表面層及び前記第二部品の第二表面層のうちの少なくとも一方を摩擦攪拌して熱量を生成し、前記熱量は、前記第一部品及び前記第二部品の内部に伝達されて前記第一部品及び前記第二部品の接合部が塑性状態になって、前記第一部品及び前記第二部品が接合されるステップと、
を備えることを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
【請求項２】
前記第一表面層と前記第二表面層の成す角度が０度より大きく１８０度より小さいように、前記第一部品と前記第二部品とを接合す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。
【請求項３】
前記第一部品は、前記第一表面層に接続し且つ前記第一表面層に対して傾斜している斜面である第一接合部をさらに備え、
前記第二部品は、前記第二表面層に接続し且つ前記第二表面層に対して傾斜している斜面である第二接合部をさらに備え、
前記第一接合部と前記第二接合部とを対接して、前記第一部品と前記第二部品とを対接することを特徴とする請求項２に記載の摩擦攪拌接合方法。
【請求項４】
前記第一部品の第一表面層及び前記第二部品の第二表面層が同じ平面に置かれ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。
【請求項５】
前記第一部品と前記第二部品とを接合した後、摩擦攪拌によって組織が変化された部分を除去することを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれの一項に記載の摩擦攪拌接合方法。
【請求項６】
前記接合工具の摩擦面には、前記接合工具の内部に凹入された複数の凹部が形成されてい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。
【請求項７】
互いに接合される第一部品及び第二部品を備えた摩擦攪拌接合製品であって、
前記第一部品と第二部品との接合後の組織と前記第一部品と第二部品との接合前の組織とが基本的に一致し、且つ前記第一部品と第二部品との接合部に、融点が前記第一部品及び前記第二部品の融点より低い溶接部材が設置されていることを特徴とする摩擦攪拌接合製品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、摩擦攪拌接合方法及びその方法による製品に関し、特に攪拌ピン（突起部）を備えない攪拌工具で摩擦攪拌接合する方法及びその方法による製品に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
摩擦攪拌接合方法は、板材を対接して接合する場合、回転する攪拌工具で接合部位の材料を攪拌して接合することである。前記摩擦攪拌接合方法は、その簡単性及び優れた生産性によって徐々にその適用範囲が拡大している。前記摩擦攪拌接合方法において、攪拌工具の耐久性に対して要求が高いので、アルミニウム（Ａｌ）合金の接合に多く用いられる。しかし、接合面が製品の外表面である場合、接合加工によって製品の外表面に攪拌痕跡又はバリ（Ｂｕｒｒ）が残るので、切削加工又は研磨加工を行って接合ワークの表面層を除去しなければならない。
【０００３】
前記表面層を除去して平滑な接合面を得たとしても、撹拌過程中で撹拌部分に比較的大きい塑性流動が重複するので、撹拌された部位の金属組織が母材と大きく異なることになる。これによって、後続のアルミニウム合金に多用されるアルマイト処理を行う場合、加工面に痕跡が残る。前記痕跡は、機械加工によって除去されるが、アルマイト処理によっては除去されない。即ち、通常のアルマイト処理に化学エッチング効果が付加されるので、前記アルマイト処理によって金属組織の変化が現れてしまう。即ち摩擦攪拌による塑性流動性によって攪拌される部分の材料の金属組織は機械的に改変されて、攪拌される部分の材料の金属組織は母材と大きく異なる。従って、前記摩擦攪拌接合されたワークに対してアルマイト処理を行うと、攪拌された部分の表面に生じる微細な凹凸によって、接合部が視認できる。
【０００４】
さらに、接合部材を炉内に放置し、再結晶温度以上の温度まで加熱して、接合部分の金属組織の局部的な差異を除去する焼鈍などの熱処理を加えても、熱処理条件が適切でなければ、再結晶の時攪拌部位に存在する差異が現われ、全域にわたり金属組織を均一化することができない。
【０００５】
上述したように、金属組織が相異の接合部分にアルマイト処理を行うと、その金属組織の差異が接合部材の表面から表現される。即ち、同じ成分の金属でも製造方法（圧延、押し出し、鍛造、鋳造、焼結）が異なれば、金属組織は異なるため、接合方法と関係無しで、接合部材に対してアルマイト処理を実施すれば、接合部位を限界とする差異が表現される。さらに摩擦攪拌によって接合された接合部材の接合部位の金属組織が母材と大きく異なるので、接合部材に対してアルマイト処理を実施すれば、接合部位は母材に対して差異が大きい。
【０００６】
上述したように、アルマイト処理を実施する場合、母材の製造方法及びその金属組織を考慮しなければならず、接合部位を完全に視認できない接合は、理論的にも実現し難い。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
以上の問題点に鑑みて、本発明は、接合部位の外観が優れるような摩擦攪拌接合方法及びその方法による製品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】
前記問題を解決するために、本発明に係る摩擦攪拌接合方法は、摩擦面を有する接合工具を提供するステップと、第一表面層を有する第一部品を提供するステップと、第二表面層を有する第二部品を提供するステップと、融点が前記第一部品及び前記第二部品の融点より低い溶接部材を提供するステップと、前記溶接部材を前記第一部品と前記第二部品との接合部に設置し、且つ前記第一部品と前記第二部品とを対接するステップと、前記接合工具の摩擦面を前記第一部品の第一表面層及び前記第二部品の第二表面層のうちの少なくとも一方に圧接してから、前記接合工具を回転させながら移動することにより、前記接合工具の摩擦面は前記第一部品の第一表面層及び前記第二部品の第二表面層のうちの少なくとも一方を摩擦攪拌して熱量を生成し、前記熱量は、前記第一部品及び前記第二部品の内部に伝達されて前記第一部品及び前記第二部品の接合部が塑性状態になって、前記第一部品及び前記第二部品が接合されるステップと、を備える。
【０００９】
また、本発明に係る摩擦攪拌接合製品は、互いに接合される第一部品及び第二部品を備えた摩擦攪拌接合製品であって、前記第一部品と第二部品との接合において接合後の組織と前記第一部品と第二部品との接合前の組織とが基本的に一致し、且つ前記第一部品と第二部品との接合部に、融点が前記第一部品及び前記第二部品の融点より低い溶接部材が設置されている。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係る摩擦攪拌接合方法において、接合工具で第一部品及び第二部品の表面層だけを摩擦攪拌して熱量を生成し、且つ前記熱量を前記第一部品及び前記第二部品の接合部に伝達して前記第一部品及び前記第二部品を接合するため、前記第一部品または前記第二部品の表面層の材料だけに塑性流動が発生し、前記第一部品及び前記第二部品の接合部の材料には流動が発生しない。従って、前記第一接合部及び前記第二接合部の材料には組織の変化が極めて少ない。また、前記第一部品と前記第二部品との接合部に、融点が低い溶接部材を装着し、前記溶接部材が早く流動状態となり、且つ熱の伝導に有利であるので、前記第一部品及び前記第二部品の接合強度を向上する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明に係る摩擦攪拌接合方法に採用される接合工具の斜視図である。
【図２】図１に示す接合工具の摩擦面の構造図である。
【図３】図１に示す接合工具の摩擦面の他の構造図である。
【図４】本発明に係る摩擦攪拌接合方法による第一部品、第二部品及び溶接部材を示す図である。
【図５】図４に示す第一部品及び第二部品が接合された構造を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面に基づいて、本発明に係る摩擦攪拌接合方法及びその方法による製品について詳細に説明する。
【００１３】
図１及び図４を参照すると、本発明に係る摩擦攪拌接合方法は、接合工具１０を採用して第一部品６０及び第二部品７０に対して摩擦攪拌接合を行う。
【００１４】
図１乃至図３を参照すると、前記接合工具１０は、実質的に柱状体であり、その一端面は略平面状の摩擦面１１である。前記摩擦面１１には、前記接合工具１０の内部へ凹入された複数の凹部１３が形成されている。前記凹部１３の形状は、螺旋状又は前記接合工具１０の軸中心を共同起点として放射状に配列される複数の円弧である。作業時の前記接合工具１０の回転方向は、前記凹部１３の中心から周縁へ延伸する方向（例えば、図２及び図３の矢の方向）と同じである。
【００１５】
図１、図４及び図５を参照すると、前記第一部品６０は、第一表面層６１と、前記第一表面層６１に対して傾斜している平面である第一接合部６３と、前記第一表面層６１から離れている一端の前記第一接合部６３に形成されている第一装着溝６７と、を備える。
【００１６】
前記第二部品７０は、第二表面層７１と、前記第二表面層７１に対して傾斜している平面である第二接合部７３と、前記第二表面層７１から離れている一端の前記第二接合部７３に形成されている第二装着溝７７と、を備える。前記第一装着溝６７と前記第二装着溝７７とは、配合して装着部を構成する。前記装着部には、下述の低融点の溶接部材４００が装着される。
【００１７】
前記第一部品６０と前記第二部品７０とを接合する時、先ず、前記装着部に溶接部材４００を装着し、前記第一部品６０の第一接合部６３と前記第二部品７０の第二接合部７３とを対接してから、前記第一部品６０及び前記第二部品７０を固定する。前記第一部品６０の第一接合表面層６１と前記第二部品７０の第二接合表面層７１とが成す角θの範囲は、０度＜θ＜１８０度である。本実施例において、前記第一部品６０の第一接合表面層６１と前記第二部品７０の第二接合表面層７１とが成す角θは、９０度である。即ち、前記第一部品６０と前記第二部品７０は垂直する。前記第一部品６０と前記第二部品７０との前記第一表面層６１の接合辺縁と前記第二表面層７１の接合辺縁とに接合線６９が形成されている（図５を参照）。即ち、前記接合線６９は、前記第一部品６０と前記第二部品７０とによって形成される摩擦攪拌製品の辺角線と重畳される。
【００１８】
次に、前記接合工具１０の摩擦面１１を前記接合線６９に近接する前記第一部品６０の第一表面層６１に圧接してから、前記接合工具１０を前記接合線６９の延伸方向を沿って回転及び移動させて、前記第一部品６０の第一表面層６１を摩擦攪拌する。前記摩擦攪拌によって産生される熱量は、摩擦攪拌されない前記第一接合部６３及び前記第二接合部７３に伝達されて前記第一接合部６３及び前記第二接合部７３を塑性状態になるようにする。これによって、前記第一部品６０及び前記第二部品７０は無間隙に接合されて摩擦攪拌製品を構成する。また、前記接合工具１０で前記第二部品７０の第二表面層７１に対して摩擦攪拌することもできる。また、前記接合工具１０で前記第一部品６０の第一表面層及び前記第二部品７０の第二表面層７１に対して同時に摩擦攪拌することもできる。
【００１９】
前記第一部品６０の第一表面層６１を摩擦攪拌することによって産生される熱量が前記第一装着溝６７及び前記第二装着溝７７に伝達されれば、前記第一装着溝６７及び前記第二装着溝７７によって構成される装着部に装着された前記溶接部材４００の融点が低いので、溶接部材４００は容易に流動状態になる。これによって、前記第一部品６０と前記第二部品７０との接合強度を高める。また、前記第一部品６０及び前記第二部品７０の中のいずれの一方に装着部を設置することができる。また、前記第一部品６０及び前記第二部品７０にそれぞれ装着部を設置することもできる。
【００２０】
前記溶接部材４００は、融点が前記第一部品６０及び前記第二部品７０の融点より低い材料である。本実施例において、前記溶接部材４００としては、半田材（Ｓｏｌｄｅｒ）である。
【００２１】
前記摩擦攪拌接合方法は、摩擦攪拌製品に対する後処理加工をさらに含む。例えば、前記第一部品６０と前記第二部品７０とを接合した後、前記第一部品６０の第一表面層６１及び前記第二部品７０の第二表面層７１の金属組織が変化した部分を除去して、金属組織が変化しない部分又は金属組織の変化が極めて小さい部分を露出させる。これによって、陽極酸化などのような後続の処理を実施しても、摩擦攪拌接合製品は優れる外観を有する。即ち、摩擦攪拌接合製品の外観において、色差などのような欠陥を低減するか、又は欠陥を避けることができる。
【００２２】
前記接合工具１０の回転方向は、前記凹部１３の摩擦面１１の中心から周縁へ延伸する方向と同じである。前記接合工具１０を、前記摩擦面１１が前記第一部品６０の第一表面層６１にやや挿入された状態で高速回転させるとともに低速移動させて、前記第一部品６０及び前記第二部品７０に対して摩擦攪拌接合を行う。前記接合工具１０の回転速度Ｓ、移動速度Ｖ及び前記接合工具１０の先端が前記第一部品６０の第一表面層６１に挿入される深さＨは、前記第一部品６０及び前記第二部品７０の接合部位の厚さ及び材料、前記接合工具１０のサイズ及び材料等によって決定される。即ち、前記第一部品６０の部分の材料だけが塑性流動状態になるとともに、十分の熱量を産生して攪拌されない部分に伝達して、前記第一部品６０の第一接合部６３と前記第二部品７０の第二接合部７３とが接合できさえすれば良い。本実施例において、前記接合工具１０の回転速度Ｓは７０００回／分であり、移動速度Ｖは５００ｍｍ／分であり、前記第一表面層６１の摩擦攪拌される厚さ（接合工具１０の挿入深さ）Ｈは０．１５ｍｍである。
【００２３】
前記第一部品６０及び前記第二部品７０の材料は、アルミニウム（Ａｌ）、アルミニウム合金、銅合金、ゴムなどのような低融点の材料である。前記第一部品６０及び前記第二部品７０の形状は限定されない。前記第一接合部６３及び前記第二接合部７３は、面、線又は点であることができる。
【００２４】
また、前記第一部品６０と前記第二部品７０とは、角度を成さないように並んで設置されて接合されることもできる。即ち、前記第一部品６０の第一表面層６１と前記第二部品７０の第二表面層７１とが同じ平面に置かれるようにしてから、前記接合工具１０で前記第一表面層６１及び前記第二表面層７１を同時に摩擦撹拌して、前記第一部品６０と前記第二部品７０とを接合する。
【００２５】
本発明に係る摩擦攪拌接合方法において、接合される製品のサイズが比較的小さいので、接合に用いられる接合工具１０のサイズも比較的小さい。そして、製品に対して部分的な連続加工を行い、必要とされる加工動力及び加工圧力が比較的小さいので、加工設備は、構造が簡単で、比較的廉価である。
【００２６】
また、本発明に係る摩擦攪拌接合方法に用いられる接合工具１０を汎用の機械加工センター（図示せず）に応用することができる。即ち、前記第一部品６０及び前記第二部品７０に対して予め処理を行う時、専門設備を必要としないため通用性が優れ、前記第一部品６０と前記第二部品７０とを摩擦攪拌接合してから、同じ機械加工センターで後処理を行うので、生産効率が高くなる。
【００２７】
また、本発明に係る摩擦撹拌接合方法において、平面である摩擦面１１を有する接合工具１０を採用し、前記接合工具１０が製品の表面に対して加工するので、結合部位が曲面又は曲線でもその接合加工を良好に完成することができる。
【００２８】
以上、本発明の好適な実施例について詳細に説明したが、本発明は前記実施例に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々の変形又は修正が可能であり、該変形又は修正も又、本発明の特許請求の範囲内に含まれるものであることは、いうまでもない。
【符号の説明】
【００２９】
１０  接合工具
１１  摩擦面
１３  凹部
６０  第一部品
６１  第一表面層
６３  第一接合部
６７  第一装着溝
６９  接合線
７０  第二部品
７１  第二表面層
７３  第二接合部
７７  第二装着溝
４００  溶接部材
【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５】
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