(57)【要約】【課題】簡単な手段で被接合材料の固相拡散を促進できるとともに、残留応力の発生も低減でき、より健全で安定した接合部を得ることが可能な摩擦撹拌接合方法及び装置を提供する。【解決手段】加工物の一方の側に配置した回転ツールを加工物の接合箇所に押し当て、かつ、回転させることにより、回転ツールと加工物との間に発生する摩擦熱に基づく塑性流動によって加工物を接合する摩擦撹拌接合方法において、加工物の他方の側に、超音波打撃子を配置し、加工物の接合後の領域に超音波打撃子による超音波打撃を付加するようにする。【選択図】図３
2008110374.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
加工物の一方の側に配置した回転ツールを加工物の接合箇所に押し当て、かつ、回転させることにより、回転ツールと加工物との間に発生する摩擦熱に基づく塑性流動によって加工物を接合する摩擦撹拌接合方法において、加工物の他方の側に超音波打撃子を配置し、超音波打撃子による超音波打撃を加工物の接合後の接合領域に付加することを特徴とする摩擦撹拌接合方法。
【請求項２】
前記回転ツールを、接合箇所に沿って回転させながら移動させることにより加工物を接合するとともに、前記超音波打撃子による超音波打撃を、加工物の接合後の接合領域に回転ツールの移動と同期して付加することを特徴とする請求項１に記載の摩擦撹拌接合方法。
【請求項３】
超音波打撃子の振動数を１〜７０ｋＨｚ、超音波の出力を１００〜１００００Ｗ、超音波打撃子の加工物への押し付け力を５〜５００Ｎの条件で超音波打撃を付加することを特徴とする請求項１または２に記載の摩擦撹拌接合方法。
【請求項４】
加工物の一方の側に配置した回転ツールを加工物の接合箇所に押し当て、かつ、回転させることにより、回転ツールと加工物との間に発生する摩擦熱に基づく塑性流動によって加工物を接合する摩擦撹拌接合装置において、加工物の他方の側に、加工物の接合後の接合領域に超音波打撃を付加する超音波打撃装置を配置したことを特徴とする摩擦撹拌接合装置。
【請求項５】
前記回転ツールを接合箇所に沿って移動するように配置するとともに、前記超音波打撃装置を回転ツールと同期して移動するように配置したことを特徴とする請求項４に記載の摩擦撹拌接合装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、融点の比較的高い材料の接合でも、欠陥のない安定した接合部を得ることが可能な摩擦撹拌接合方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、新しい固相接合方法として特許文献１に示す摩擦撹拌接合が発明され、アルミニウム合金パネルの接合などで利用が進んでいる。この摩擦撹拌接合は、図１に示すように、先端に突起物（プローブ）２を有し加工物３よりも実質的に硬い材質からなる回転ツール１を用い、その回転ツール１を回転させながら先端のプローブ２を、接合箇所である加工物３の突き合わせ部４に押し込み、回転ツールのショルダー部５と加工物の間に発生する摩擦熱によって軟化した材料を攪拌（塑性流動化）させて接合する技術であり、アーク溶接などの溶融溶接とは異なり固相拡散を利用した接合法なので、接合部６の金属組織は微細な組織となり機械的性質に優れるなどの利点がある。
【０００３】
しかし、この摩擦撹拌接合では、アルミニウム合金などの比較的融点が低い金属材料の接合では、予定した継手性能が得られるが、アルミニウム合金と鉄鋼材料の接合など、アルミニウムよりも融点が高い異種材料との接合や、鉄鋼材料やＮｉ基合金などのアルミニウムよりも融点が高く、高強度の金属材料どうしの接合では、固相拡散が十分に生じない場合があり、そのような場合には安定して継手性能が得られない問題がある。
また、融点が高く、高強度の金属材料の接合では、接合温度が高くなり、熱影響部の温度差も大きくなって、接合部及び熱影響部に引張り残留応力が発生する問題がある。
【０００４】
このような問題に対し、たとえば、特許文献２には、回転ツールに貫通孔をあけ、貫通孔を通して接合箇所をレーザによって予熱することにより、固相拡散を促進する技術が提案されているが、この技術では、残留応力の問題に対しては解決することができない。
【０００５】
また、特許文献３には、摩擦撹拌接合された接合部の表面や接合部に隣接する表面をバニシ加工することにより、接合部やそれに隣接する部分の残留応力を圧縮残留応力に変化させる技術が提案されているが、この技術では、融点が高く、高強度の金属材料を接合する場合の問題に対しては解決することができない。
【０００６】
【特許文献１】特許２７１２８３８号公報
【特許文献２】特開２００５−２８８４９９号公報
【特許文献３】特表２００５−５０８２５６号公報
【特許文献４】特開２００５−３２１０８６号公報
【特許文献５】特開２００４−１６７３６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
そこで、本発明は、摩擦撹拌接合において、簡単な手段で被接合材料の固相拡散を促進できるとともに、残留応力の発生も低減でき、融点の比較的高い材料の接合であっても、より健全で安定した接合部を得ることが可能な摩擦撹拌接合方法及び装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
近年、新たな超音波利用技術として特許文献４に示されるような超音波打撃処理（超音波衝撃処理とも言われる）が、圧縮残留応力の付与など、金属材料などの物理的状態の改変に利用されているが、本発明者は、超音波打撃が材料に与える作用に注目して、この技術を、摩擦撹拌接合における被接合材料の固相拡散を促進し、さらに残留応力を低減する手段として適用することを着想し、本発明に到達した。
【０００９】
上記の着想に基づく本発明は、以下の手段により上記課題を解決するものである。
（１）加工物の一方の側に配置した回転ツールを加工物の接合箇所に押し当て、かつ、回転させることにより、回転ツールと加工物との間に発生する摩擦熱に基づく塑性流動によって加工物を接合する摩擦撹拌接合方法において、加工物の他方の側に超音波打撃子を配置し、超音波打撃子による超音波打撃を加工物の接合後の接合領域に付加することを特徴とする摩擦撹拌接合方法。
【００１０】
（２）前記回転ツールを、接合箇所に沿って回転させながら移動させることにより加工物を接合するとともに、前記超音波打撃子による超音波打撃を、加工物の接合後の接合領域に回転ツールの移動と同期して付加することを特徴とする前記（１）に記載の摩擦撹拌接合方法。
（３）超音波打撃子の振動数を１〜７０ｋＨｚ、超音波の出力を１００〜１００００Ｗ、超音波打撃子の加工物への押し付け力を５〜５００Ｎの条件で超音波打撃を付加することを特徴とする前記（１）または（２）に記載の摩擦撹拌接合方法。
【００１１】
（４）加工物の一方の側に配置した回転ツールを加工物の接合箇所に押し当て、かつ、回転させることにより、回転ツールと加工物との間に発生する摩擦熱に基づく塑性流動によって加工物を接合する摩擦撹拌接合装置において、加工物の他方の側に、加工物の接合後の接合領域に超音波打撃を付加する超音波打撃装置を配置したことを特徴とする摩擦撹拌接合装置。
（５）前記回転ツールを接合箇所に沿って移動するように配置するとともに、前記超音波打撃装置を回転ツールと同期して移動するように配置したことを特徴とする前記（４）に記載の摩擦撹拌接合装置。
【発明の効果】
【００１２】
上記本発明によれば、超音波打撃を加工物の接合後の接合領域に付加するという簡単な手段で、被接合材料の固相拡散を促進することができるとともに、残留応力の発生を低減できるので、より融点が高い材料を接合する場合の上記問題を解決することができる。
また、アルミニウム合金などの融点の比較的低い材料の接合では、接合強度が向上するなどより継手性能の高い接合部を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の摩擦撹拌接合方法及び装置の一実施の形態を、図２、３を用いて詳細に説明する。
【００１４】
本発明では、摩擦撹拌接合における被接合材料の固相拡散を促進する手段として超音波打撃を用いる。本発明では、例えば特許文献５に示されている超音波打撃処理装置が使用できる。図２にその例を示す。
【００１５】
図２において、７は超音波打撃処理装置であり、超音波を発信する磁歪式あるいは圧電式などのトランスデューサー８と、トランスデューサー８で発生した超音波を先端部に導き、振動を増幅させるウエーブガイド９と、ウエーブガイド９の加工物３と対向する側の先端に取り付けられたヘッド１０とから構成される。
【００１６】
ヘッド１０には、その先端に１個又は複数個の孔１１が設けられ、この孔に超音波打撃子となる棒状の打撃ピン１２が挿入されており、トランスデューサー８が超音波を発信すると、その超音波はこれに接続されたウエーブガイド９に伝わり、ウエーブガイド９の先端からヘッド１０に至り、打撃ピン１２を振動させる。この振動により打撃ピン先端が加工物３を超音波打撃することによって超音波打撃処理がなされる。
【００１７】
本発明では、そのような超音波打撃処理装置７を図３のように、被接合材となる加工物３に対し回転ツール１が配置されている側とは反対の側に配置し、回転ツール１の移動と同期して移動させるようにする。
超音波打撃処理装置７を配置する位置は、図３に示すように回転ツール１と対向する位置よりも後行する接合後の接合部の領域に対応する位置とする。
【００１８】
また、超音波打撃処理装置７の前後に、超音波打撃処理装置とともに移動する支持具１３を配置し、回転ツール１による荷重によって加工物３が変形しないように回転ツールとは反対の側から加工物３を支持するようにする。支持具１３にはローラ状のものを用い、超音波打撃処理装置７とともに移動台１４に取り付けて、回転ツール１の移動に同期して移動できるようにする。
【００１９】
そして、超音波打撃処理装置が移動できる空間を隔てて左右に配置された定盤（図示せず）上に、加工物３を固定し、回転ツール１のプルーブ２を、接合箇所である加工物３の突合せ部に挿入し、突合せ部の接合線に沿って回転ツール１を回転させながら移動させるとともに、加工物の回転ツール１とは反対側に配置した超音波打撃処理装置７の打撃ピン１２で、加工物３の接合後の接合領域を超音波打撃する。
【００２０】
これによって、回転ツールと材料間で発生する摩擦熱で材料は軟化し、軟化した材料はツールの回転で攪拌され、加工物３は突合せ部で接合され、接合部が形成される。このとき、回転ツールが配置されている側とは反対の側から接合部に超音波打撃を加えることにより、その材料の固相拡散温度を実質的に低下させることができる。
【００２１】
これにより、その材料の固相拡散現象が加速化され、接合部の組織及びそれに隣接する加工物の組織がより均一になり、接合欠陥の発生を防止して安定した継手性能の接合部を得ることができ、さらに、超音波打撃により圧縮の残留応力を接合部に付加できるので、熱影響部などに発生する引張り残留応力を低減して、耐疲労性能を向上することができる。また、アルミニウム合金などの融点の比較的低い材料の接合では、継手強度を向上することができる。
【００２２】
超音波打撃を与える位置（打撃範囲の中心）は、加工物３の回転ツールと接触する面と反対側の面において、図３に示すように回転ツール１と対向する位置（回転ツールの中心と打撃範囲の中心が一致する位置）よりも後方の接合がすでに行われた接合部、すなわち接合後の接合領域とする。また、超音波打撃を与える位置と回転ツールとの距離が大きすぎると固相拡散の加速化に対する超音波打撃の効果が低下するが、引張り残留応力の低減には、接合後の温度が低下した部分に超音波打撃を付加するのが効果的であるので、前記距離は加工物の厚みｔの５倍以下が好ましい。
また、超音波打撃を与える範囲は、少なくとも加工物の厚みｔ以上は必要であるが、残留応力の低減には、攪拌が行われた接合部とその隣接部を打撃するのが好ましい。しかし、装置の構成上あまり広い範囲の打撃は難しく、厚みの２倍以下の範囲とする。
【００２３】
超音波振動子である打撃ピン１２の振動数は、１〜７０ｋＨｚの範囲から、被接合材料の材質に応じて選択される。振動数が１ｋＨｚ未満では、材料の固相拡散温度を実質的に低下させることができず、７０ｋＨｚを超える振動数では効果が飽和するからである。また、同様な理由から超音波の出力は１００〜１００００Ｗの範囲から、押し付け力は５〜５００Ｎの範囲からそれぞれ選択されるが、５００Ｎを超える押し付け力では、加工物の塑性変形が大きくなり、部品の寸法精度や外観が低下する。
【００２４】
打撃ピン１２は、必要な範囲を打撃できれば一本とすることも可能であるが、接合部とその隣接部を打撃するためには、二本以上を一列或いは複数列に配列するようすることが有利である。また、その先端の形状は、半球状、蒲鉾状、鞍状等のいずれであってもよいが、凸と凹を組み合わせた鞍状が、効果が高い。
【００２５】
本発明で使用される回転ツールは、特別なものは必要でなく、通常使用されているものが使用できるが、鉄鋼材料などの融点が高い材料を接合する場合には、ショルダー部やプルーブを含む先端部は、超硬合金、サイアロンセラミックス、多結晶窒化硼素（ＰＣＢＮ）、多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）などで構成するのが望ましい。
【００２６】
また、回転ツールの操作条件も、従来用いられている条件でよいが、本発明では、上記のように、その材料の固相拡散温度を実質的に低下させることができるから、従来の条件よりも、必要な発熱量が低くできるので、回転ツールの回転速度、押し付け力、移動速度をより負荷が少ないほうに変更することができる。
【００２７】
なお、図２に示す超音波打撃処理装置において、打撃ピン１２は、環状の金具１５によりウエーブガイド３に着脱可能に取り付けられたホルダー１６によって支持されており、ホルダーごと取替え可能となっている。
また、ウエーブガイド９の中間部には、樹脂製のカバー１７を設け、この内部に潤滑冷却材を保持するための多孔体１８を充填することができる。
【００２８】
以上では、接合箇所が線状に連続する突合せ部に沿って線接合する場合を説明したが、本発明は、さらに、点接合にも適用することができる。
点接合では、加工物を重ね合わせ、接合しようとする箇所に、先端にプローブを有する回転ツールを配置し、該回転ツールを回転させながら一方の加工物に押し込み、線接合の場合と同様に回転ツールの回転動作により生じる摩擦熱を用いて重ね合わせた加工物の材料を軟化させ、塑性流動を生じさせ、加工物の重ね合せ部を点接合する。
【００２９】
このとき本発明では、加工物の回転ツールの配置されていない他方の側に、超音波打撃装置を配置し、線接合の場合と同様に加工物の接合後の接合領域に超音波振動子による打撃を加えるようにする。これにより、点溶接の場合も被接合材料の固相拡散を促進することができるとともに、残留応力の発生を低減することができる。
【００３０】
超音波打撃は、接合が終了し回転ツールの回転が停止した後あるいは回転ツールが加工物から離れた後に行うが、その時期は、線接合の場合と同様に、固相拡散の加速化と残留応力の低減のどちらの効果を優先するかによって決められる。
超音波打撃を付加する位置は、接合が終了した接合領域及びその周辺とするが、そのため、打撃の中心位置が接合領域の中心位置から多少ずれていてもよい。
【００３１】
以下、本発明をアルミニウム合金及び鉄鋼材料の接合に適用した実施例を説明するが、本発明は、実施例に示した条件に限定されるものではなく、実施例は、本発明の実施可能性及び効果を確認するための一条件例である。本発明は、特許請求の範囲に記載される事項によってのみ規定されており、その事項の範囲内において種々の条件を採用し得るものである。
【実施例】
【００３２】
（実施例１）
被接合材として、Ａ６０６１アルミ合金、Ａ５０８３アルミ合金よりなる試料を用い、試料裏面から接合後の領域に超音波打撃を付加し、あるいは超音波打撃を付加せずに摩擦攪拌接合を行った。
得られた試料の接合状態を評価するとともに、試料から試験片を切り出し、引っ張り試験を実施した。
【００３３】
摩擦攪拌接合は、径が６．０ｍｍの工具鋼よりなる回転ツールを使用し、回転ツールの回転数を１０００ｒｐｍと１５００ｒｐｍ、移動速度を１３００、１９００、２０００ｍｍ／ｍｉｎの３種類として、突合せ継手を線接合した。
また、一部の試料で実施した超音波打撃処理の条件は、打撃ピンを回転ツールのプルーブの真下の位置から進行方向に対して後方に２〜１３ｍｍ間の距離に配置し、打撃ピンの振動数を１０ｋＨｚと２５ｋＨｚ、超音波の出力を１．５ｋＷと１０ｋＷ、加工物への押し付け力を６、８０、１２０Ｎの３種類とした。
【００３４】
表１のＲ１、１１−１３、Ｒ２、２１−２３、Ｒ３、３１−３３に摩擦攪拌接合や超音波打撃処理の条件を、表２に得られた試験結果を示す。
なお、接合状態を評価するために、接合後にＸ線検査を実施して接合不良箇所を特定し、１ｍあたりの不良箇所が存在する合計長さ（ｍｍ）を測定した。また、引張試験は、Ｘ線検査の結果、健全であると判定された領域から試験片を採取して行った。
【００３５】
Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３は摩擦攪拌接合のみを実施した結果であり、回転ツールの移動速度を通常条件より若干大きくしているため融合不良などの接合不良が発生している。その結果、接合健全部から採取した引張試験片でも破断位置は接合部となっており、十分な接合強度が得られていないことがわかる。
一方、本発明例である１１−１３、２１−２３、３１−３３の場合には、摩擦攪拌接合の後に、その裏面から超音波打撃処理を実施したため、摩擦攪拌接合時に発生する残留応力が低減し、その結果、接合部の疲労強度が大幅に向上した。
また、摩擦攪拌接合のツール部と超音波打撃処理を実施する位置の距離：Ｌが小さいほど、接合欠陥の発生も抑制され、その結果、継手強度も向上した。なお、ＳＲ／ＹＰで表される残留応力の低減効果は、Ｌが板厚よりも大きい方が顕著であった。
【００３６】
（実施例２）
次に、炭素鋼あるいはステンレス鋼よりなる試料を用いて同様に摩擦攪拌接合を実施した。用いた炭素鋼は、ＪＳＣ５９０Ｙ鋼、ＪＳＣ２７０Ｅ鋼、ＪＳＣ７８０Ｙ鋼であり、ステンレス鋼はオーステナイト系のＳＵＳ３０４である。
摩擦攪拌接合は、径が４．５ｍｍと６．９ｍｍのＰＣＢＮよりなる回転ツールを使用し、突合せ継手を、回転ツールの回転数を８００ｒｐｍ、移動速度を８０ｍｍ／ｍｉｎと３０ｍｍ／ｍｉｎとして線接合するとともに、同様のＰＣＢＮよりなる回転ツールを使用し、重ね継手を回転ツールの回転数を８００、１５００ｒｐｍとして点接合した。
【００３７】
また、一部の試料で実施した超音波打撃処理の条件は、突合せ継手では、打撃ピンを回転ツールのプルーブの真下の位置から進行方向に対して後方に２ｍｍと４ｍｍの距離に配置し、打撃ピンの振動数を２０ｋＨｚと２５ｋＨｚ、超音波の出力を２ｋＷと５ｋＷ、加工物への押し付け力を５００Ｎとした。また、重ね継手の点接合では、打撃ピンを回転ツールのプルーブの真下の位置から後方に３ｍｍと５ｍｍの距離に配置し配置し、打撃ピンの振動数を２２５ｋＨｚ、超音波の出力を２、５、１０ｋＷとし、加工物への押し付け力を７０、１５０、４５０Ｎとした。
【００３８】
表１のＲ４、４１、Ｒ５、５１、Ｒ６、６１、Ｒ７、７１、Ｒ８、８１に摩擦攪拌接合や超音波打撃処理の条件を、表２に得られた試験結果を示す。
なお、接合形態が点接合の場合には、接合不良をＸ線で検出することは難しい。しかし、点接合の場合、健全に実施されていれば点接合中心部が凹型にへこむので、そのへこみ量が所定の量（ツールのプルーブの高さ）に達していれば問題がない。すなわち、回転ツールが破損、磨耗して接合部に食い込まなくなると正常な接合ができなくなるので、目視あるいは凹型部の深さを測定することで接合不良の判定が可能である。
そこで、点接合部の健全性指標として前記へこみ量を用い、板厚より大きな凹み量が確保できている接合部を合格、確保できていない接合部を不合格とし、その合格率を表２に記載した。
【００３９】
超音波打撃処理を付加せずに摩擦攪拌接合を行った比較例であるＲ４、Ｒ５、Ｒ６、Ｒ７、Ｒ８は、継手部の健全性が十分でなく、引張強度、疲労強度とも劣るものであった。本発明例である４１、５１、６１、７１、８１は摩擦攪拌接合の後に、その裏面から超音波打撃処理を実施したため、接合時の固相拡散が促進され、継手部の引張強度が向上していた。また、接合時に発生する残留応力も低減し、その結果、継手部の疲労強度が大幅に向上した。
【００４０】
【表１】
2008110374.tif 000003
【００４１】
【表２】
2008110374.tif 000004
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】従来の摩擦攪拌接合を説明するための図である。
【図２】超音波打撃処理装置を説明するための図である。
【図３】本発明を説明するための図である。
【符号の説明】
【００４３】
１    回転ツール
２    回転ツールのプローブ
３    加工物
４    突合せ部
５    回転ツールのショルダー部
６    接合部
７    超音波打撃処理装置
８    トランスデューサー
９    ウエーブガイド
１２    打撃ピン（超音波打撃子）
１３    支持具
１４    移動台
ｔ    加工物の厚み
【図１】
2008110374.tif 000005
【図２】
2008110374.tif 000006
【図３】
2008110374.tif 000007