(57)【要約】【課題】曲面部を摩擦攪拌接合するための被接合部材の摩擦攪拌接合用継手及び接合構体を提供すること。【解決手段】被接合部材１，２の接合端面１ａ，２ａが曲面部にあり、その接合端面同士を突き合わせた接合部５に摩擦攪拌接合用工具１１０のプローブ１１２を挿入して摩擦攪拌接合を行うための継手であって、被接合部材１，２の接合端部には、その接合端面１ａ，２ａと直交する平らな加工面４をもった突起部３が形成され、その突起部３は、加工面４が突起部３を削除した後の製品面６と接合端面１ａ，２ａの位置でほぼ一致するようにした被接合部材の摩擦攪拌接合用継手。【選択図】図２
2008043953.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被接合部材の接合端面が曲面部にあり、その接合端面同士を突き合わせた接合部に摩擦攪拌接合用工具のプローブを挿入して摩擦攪拌接合を行うための、当該被接合部材に形成された摩擦攪拌接合用継手において、
前記被接合部材の接合端部には、接合端面と直交する平らな加工面をもった突起部が形成され、その突起部は、加工面が突起部を削除した後の製品面と接合端面の位置でほぼ一致するようにしたものであることを特徴とする被接合部材の摩擦攪拌接合用継手。
【請求項２】
被接合部材の接合端面が曲面部にあり、その接合端面同士を突き合わせた接合部に摩擦攪拌接合用工具のプローブを挿入して被接合部材同士を接合する接合構体において、
前記被接合部材の接合端部には接合端面と直交する平らな加工面をもった突起部が形成され、その加工面が突起部を削除した後の製品面と接合端面の位置でほぼ一致するようにしたものであって、接合端面同士を突き合わせて前記突起部の加工面に対して摩擦攪拌接合用工具のショルダを押し当てるようにして摩擦攪拌接合を行い、その後、前記製品面が面一になるように前記突起部を削除するようにしたものであることを特徴とする接合構体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被接合部材同士を突き合わせた接合部に回転した攪拌軸を挿入し、摩擦熱によって軟化させて攪拌接合する摩擦攪拌接合に関し、特に接合部が曲面部にある被接合部材に形成された摩擦攪拌用継手及び、その被接合部材を接合してなる接合構体に関する。
【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いる。図４は、そうした摩擦攪拌接合方法の概要を示す図である。摩擦攪拌接合は、図示するように、被接合部材として一対の平らなプレート１０１，１０２の接合面同士を突き合わせ、その突き合わせた接合部が連続する接合線２００に沿ってプレート１０１，１０２よりも硬い材質の攪拌軸（プローブ）１１２を持った摩擦攪拌接合用工具１１０を高速回転させながら挿入させる。すると、一対のプレート１０１，１０２同士が、接合部分で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される。
【０００３】
ところで、こうした摩擦攪拌接合は、図４に示すような平らなプレートだけではなく、例えば鉄道車両用構体のように曲面部をもった被接合部材同士を接合して構成される構体への利用も望まれている。図３は、接合端面が曲面部をなす被接合部材同士の摩擦攪拌接合について従来の接合方法を示した図であり、接合前（ａ）、接合中（ｂ）そして接合後（ｃ）を示している。
摩擦攪拌接合では、摩擦攪拌接合用工具１１０のプローブ１１２が被接合部材１０３，１０４の接合端面同士を突き合わせた接合部２１０に回転しながら挿入する。このとき、回転体１１１下面のショルダ１１３が塑性流動する材料を押さえ込んで材料が流れてしまうのを防止する必要がある。従って、被接合部材１０３，１０４の接合部表面をショルダ１１３全体で押さえ付けるため、図３（ｂ）に示すように、被接合部材１０３，１０４を削るようにして攪拌が行われる。
【特許文献１】特表平７−５０５０９０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、摩擦攪拌接合された被接合部材１０３，１０４は、その接合部が回転体１１１によって削られて、製品面２２０に接合線に沿った平坦面２２１が形成されたり、被接合部材へ回転体１１１の挿入が深くなった場合には溝が形成されてしまう。そこで、曲面部をもった被接合部材を摩擦攪拌接合した構体に対しては、接合後に、平坦面２２１や溝を製品面２２０が面一になるようにパテ埋めして表面を整える後処理が必要であった。例えば、鉄道車両用構体の場合には２０〜２５メートルもの長い距離を接合するため、後処理ではパテなどが大量に必要となる。そして、後処理に使用されたパテなどは、経年劣化や使用時に車体へ負荷がかかって車両構体に変形が生じることにより塗装割れが起こりやすくなる懸念がある。従って、そうした後処理の必要な接合構体は、その後のメンテナンスなどによるコストがかかる問題があった。
【０００５】
そこで、本発明は、かかる課題を解決すべく、曲面部を摩擦攪拌接合するための被接合部材の摩擦攪拌接合用継手及び、当該継手をもった被接合部材からなる接合構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】
【０００６】
本発明に係る被接合部材の摩擦攪拌接合用継手は、被接合部材の接合端面が曲面部にあり、その接合端面同士を突き合わせた接合部に摩擦攪拌接合用工具のプローブを挿入して摩擦攪拌接合を行うための、当該被接合部材に形成されたものであって、前記被接合部材の接合端部には、接合端面と直交する平らな加工面をもった突起部が形成され、その突起部は、加工面が突起部を削除した後の製品面と接合端面の位置でほぼ一致するようにしたものであることを特徴とする。
【０００７】
また、本発明に係る接合構体は、被接合部材の接合端面が曲面部にあり、その接合端面同士を突き合わせた接合部に摩擦攪拌接合用工具のプローブを挿入して被接合部材同士を接合するものであって、前記被接合部材の接合端部には接合端面と直交する平らな加工面をもった突起部が形成され、その加工面が突起部を削除した後の製品面と接合端面の位置でほぼ一致するようにしたものであって、接合端面同士を突き合わせて前記突起部の加工面に対して摩擦攪拌接合用工具のショルダを押し当てるようにして摩擦攪拌接合を行い、その後、前記製品面が面一になるように前記突起部を削除するようにしたものであることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
よって、本発明によれば、摩擦攪拌接合後に切削加工によって表面仕上げを行うことでパテ埋めなどを必要としないため、従来のように接合構体の接合部におけるメンテナンス作業が必要なくなった。また、突起部は、接合端面の位置で加工面と製品面とがほぼ一致する小さな突起となっているため、接合後の処理では大規模な切削装置を用意することなく簡単に切削することが可能になった。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
次に、本発明に係る被接合部材の摩擦攪拌接合用継手及び接合構体について、その一実施形態を図面を参照しながら以下に説明する。
従来では、図３に示すように、接合端面同士を突き合わせた接合部２１０が曲面部にある被接合部材１０３，１０４同士を摩擦攪拌接合する場合、摩擦攪拌接合用工具１１０のショルダ１１３全面が材料を押さえ込むようにするため、回転体１１１が部材表面を削ることになってしまった。そこで、先ず図１に示すように、予め被接合部材に突起を設け、接合部の表面を平面にすることで、摩擦攪拌接合用工具１１０のショルダ１１３と全体が同じ深さで当たるようにすることが考えられる。図１は、接合部表面に突起を設けた被接合部材の摩擦攪拌接合用継手による接合方法を示した図であり、接合前（ａ）、接合中（ｂ）そして接合後（ｃ）を示している。
【００１０】
被接合部材５１，５２は、その接合端部に湾曲した製品面５６を有しており、接合端面５１ａ，５２ａは互いが突き合うように平面が形成されている。そして、その接合端部には曲面部の製品面５６側に突起部５３が形成され、図１（ａ）に示すように、被接合部材５１，５２が突き合わされた状態で一つの平面（加工面）５４を構成するようになっている。加工面５４は、摩擦攪拌接合用工具１１０の回転軸に対して直交した平面になるように形成したものであり、被接合部材５１，５２の接合端面５１ａ，５２ａ同士を突き合わせた接合時には、左右一定幅の突起が長手方向（図面を貫く方向）に形成される。そして、接合端面５１ａ，５２ａが突き合わされた接合部５５に、摩擦攪拌接合用工具１１０のプローブ１１２が高速回転しながら挿入される。
【００１１】
接合時には、摩擦攪拌接合用工具１１０のプローブ１１２が、図１（ｂ）に示すように突起部５３を超えて製品面５６よりも深く入り込み、接合部５５を攪拌させる。そして、そのショルダ１１３が突起部５３上面の加工面５４に押し当てられる。被接合部材５１，５２の接合部５５には、プローブ１１２の攪拌によって摩擦熱が発生し、更にプローブ１１２の移動する圧力によって材料が塑性流動化しつつ攪拌し、突き合わされた被接合部材５１，５２が接合される。そして、被接合部材５１，５２同士の摩擦攪拌接合によって接合構体が構成された後は、後処理として突起５３を取り除くための切削加工が行われる。すなわち、図１（ｃ）に示すように、破線で示した突起部５３を取り除き、被接合部材５１，５２の製品面５６が連続して面一の曲面になるように仕上げられる。
【００１２】
こうして曲面部をもった被接合部材５１，５２の接合に当たって突起部５３を設け、摩擦攪拌接合後に切削加工によって表面仕上げを行うことで、従来のようにパテ埋めなどすることなく、被接合部材５１，５２の母材そのままで接合構体の製品面５６を面一にすることができるようになった。そのため、パテなどにように経年劣化や使用による負荷によって塗装割れなどが生じる問題もなくなり、従来のような接合構体における接合部のメンテナンス作業が必要なくなった。
【００１３】
摩擦攪拌接合用継手に関して図１に示すような接合端部に突起部を設けるようにしたものは、従来から平面の被加工部材同士の摩擦攪拌接合については提案されている。例えば、特許３０１４６５４号公報に記載されている。しかし、これは接合時に、摩擦攪拌接合用工具１１０によって接合部分の突起部が塑性流動した材料が下方に押し流され、流失してしまう体積分を補うための構成である。この点、前述した図１に示した突起部５３は、摩擦攪拌接合用工具１１０のショルダ１１３が当たる平面を形成するためのものであって、接合部の厚みが十分な場合には材料の流出は問題にはならない。
【００１４】
しかし、突起部５３は最終的に切削するものであって、曲面部に単に突起部５３を設けるだけでは、後処理で切削する量を考慮してプローブ１１２による攪拌深さを決定する必要がある。攪拌部５７の深さが浅いと、十分な接合強度が得られなくなるからである。そして、プローブ１１２の長さ寸法が大きくなれば、塑性流動する材料の幅も大きくなるためショルダ１１３の径も大きくする必要があった。よって、ショルダ１１３が当たるように加工面５４の形成された突起部５３は、加工面５４の横幅をショルダ径の１．５倍程度で構成することから、突起部５３が大きくなってしまい、その突起部５３を切削するため、大規模な専用設備を用意するため製造コストが上がってしまう問題があった。
【００１５】
そこで、本発明に係る被接合部材の摩擦攪拌接合用継手は、こうした点を更に考慮して構成したものであり、具体的には図２に示すように構成されている。図２は、実施形態の摩擦攪拌接合用継手による接合方法を示した図であり、接合前（ａ）、接合中（ｂ）そして接合後（ｃ）を示している。図２に示す本実施形態の被接合部材１，２は、その接合端部に湾曲した製品面６を有しており、接合端面１ａ，２ａは互いが突き合うように平面が形成されている。そして、その接合端部には、曲面をなす表面側に突起部３が形成されている。突起部３は、その上面が摩擦攪拌接合用工具１１０の回転軸に対して直交した平面になるように加工面４が形成されている。従って、図１（ａ）に示すように被接合部材１，２の接合端面１ａ，２ａ同士を突き合わせると、左右一定幅の突起が長手方向（図面を貫く方向）に形成されている。
【００１６】
そして、本実施形態の突起部３は、その加工面４の高さが接合端面１ａ，２ａの位置で製品面６（破線で示す部分）とほぼ一致しており、その接合端面から離れるに従って高さｈが大きくなるように形成されている。すなわち、突起部３は、これを削除した後の製品面６から加工面４までの高さｈが接合端面１ａ，２ａの位置ではゼロであり、その接合端面から離れる方向に徐々に高くなっている。そして、突起部３の端にできた製品面６との段差の高さｈは、被接合部材１，２のＲ部における曲率半径と摩擦攪拌接合用工具１１０のショルダ径に依存する。例えば、鉄道車両用構体の場合、肩部の曲率半径が４００ｍｍの場合に概ね０．２ｍｍ程度である。
【００１７】
そこで、被接合部材１，２を接合する場合には、図２（ｂ）に示すように、接合部５に摩擦攪拌接合用工具１１０のプローブ１１２が高速回転しながら挿入され、その接合部５が連続する接合線に沿って（図面を貫く方向に）移動する。そして、このときショルダ１１３が突起部３上面の加工面４に押し当てられている。被接合部材１，２の接合部５には、プローブ１１２の攪拌によって摩擦熱が発生し、更にプローブ１１２の移動する圧力によって材料が塑性流動化しつつ攪拌し、突き合わされた被接合部材１，２が接合される。そして、被接合部材１，２の摩擦攪拌接合が行われた後は、後処理として突起３を取り除くための切削加工が行われる。すなわち、図２（ｃ）に示すように、破線で示した突起部３を取り除き、被接合部材１，２からなる接合構体の製品面６が連続して面一の曲面になるように仕上げられる。
【００１８】
よって、本実施形態の場合、摩擦攪拌接合後に切削加工によって表面仕上げを行うことで、従来のようにパテ埋めなどすることなく、被接合部材１，２の母材そのままによって接合構体の製品面６を面一にすることができるようになった。そのため、被接合部材１，２を接合してなる接合構体は、パテなどの経年劣化や使用による負荷によって塗装割れなどが生じる問題もなくなり、従来のような接合に伴って生じるメンテナンス作業が必要なくなった。
【００１９】
また、突起部３は、接合端面１ａ，２ａの位置で厚さがほぼゼロであるため、突起部３の切削の際、プローブ１１２が摩擦攪拌した摩擦攪拌部７を削り取ってしまうことなく、ほぼそのまま残すことことができる。従って、プローブ１１２の挿入された深さが、そのまま摩擦攪拌接合部の深さになるため、図１に示した場合のように、切削の後処理を考慮してプローブ１１２の長さ寸法や、それに伴ってショルダ１１３の径も大きくする必要がなくなり、その結果、突起部３を小さくすることができた。これにより、後処理では大規模な切削装置を用意することなく、グラインダーなどで簡単に切削することが可能になった。
【００２０】
以上、被接合部材の摩擦攪拌接合用継手及び接合構体について一実施形態を説明したが、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】
【００２１】
【図１】接合部表面に突起を設けた被接合部材の摩擦攪拌接合用継手による接合方法を示した図であり、接合前（ａ）、接合中（ｂ）そして接合後（ｃ）を示している。
【図２】実施形態の摩擦攪拌接合用継手による接合方法を示した図であり、接合前（ａ）、接合中（ｂ）そして接合後（ｃ）を示している。
【図３】接合端面が曲面部をなす被接合部材同士の摩擦攪拌接合について従来の接合方法を示した図であり、接合前（ａ）、接合中（ｂ）そして接合後（ｃ）を示している。
【図４】摩擦攪拌接合方法の概要を示す図である。
【符号の説明】
【００２２】
１，２  被接合部材
３      突起部
４      加工面
５      接合部
６      製品面
１ａ，２ａ  接合端面
１１０  摩擦攪拌接合用工具
１１１  回転体
１１２  プローブ
１１３  ショルダ
【図１】
2008043953.tif 000003
【図２】
2008043953.tif 000004
【図３】
2008043953.tif 000005
【図４】
2008043953.tif 000006