(57)【要約】【課題】金属材の接合強度を十分に確保でき、かつ耐久性の高い摩擦撹拌接合用の裏当部材、及びこれを用いた摩擦撹拌接合方法を提供する。【解決手段】裏当部材１では、載置部３と側部４，４とによって囲まれる内部空間Ｓ内に蓄熱材７が充填されている。この蓄熱材７により、突き合わせ部分Ｐの裏面側に対して十分な入熱が与えられる。これにより、突き合わせ部分Ｐにおける金属材１２，１２の塑性流動が十分に促進され、接合強度が確保される。かかる裏当部材１では、摩擦熱が入熱したときの温度に対する曲げ強度は、金属製の外郭部材２によって確保される。したがって、回転ツール１３からの荷重や、入熱に対する高い耐久性も同時に担保される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属材の端面同士を突き合わせ、当該突き合わせ部分の一方側から押し込んだ回転ツールを回転させることによって前記金属材同士を接合する摩擦撹拌接合用の裏当部材であって、
前記突き合わせ部分の他方側が載置される載置面を有する載置部と、当該載置部において前記載置面と反対側に立設される側部とを有する金属製の外郭部材を備え、
前記外郭部材において、前記載置部と前記側部とによって囲まれる内部空間に蓄熱材が充填されていることを特徴とする摩擦撹拌接合用の裏当部材。
【請求項２】
前記内部空間には、前記載置部の長手方向に沿って、前記載置面と反対側に立設されるリブが設けられていることを特徴とする請求項１記載の摩擦撹拌接合用の裏当部材。
【請求項３】
前記載置部の前記載置面側には、前記突き合わせ部分に対応して延在する凹部が形成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の摩擦撹拌接合用の裏当部材。
【請求項４】
前記蓄熱材は、前記外郭部材における前記載置部と反対側に露出していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の摩擦撹拌接合用の裏当部材。
【請求項５】
前記蓄熱材は、コンクリートであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載の摩擦撹拌接合用の裏当部材。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一項記載の摩擦撹拌接合用の裏当部材を定盤上に固定し、当該裏当部材の載置面上で金属材の端面同士を突き合わせる工程と、
前記突き合わせ部分の一方側から押し込んだ回転ツールを回転させることによって前記金属材同士を接合する工程とを備えたことを特徴とする摩擦撹拌接合方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、摩擦撹拌接合に用いる裏当部材、及びこれを用いた摩擦撹拌接合方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属材の接合方法として、摩擦撹拌接合（ＦＳＷ：Friction  Stir  Welding）が知られている（例えば特許文献１参照）。摩擦撹拌接合では、接合しようとする金属材を接合部において対向させる。そして、回転ツールの先端に設けられたプローブを接合部に押し込んで回転させ、摩擦熱による塑性流動によって２つの金属材を接合する。
【０００３】
このような摩擦撹拌接合において、接合部におけるプローブの挿入側と反対側（裏面側）の部分では、摩擦熱による入熱の不足が生じ得る。この場合、塑性流動が十分になされず、金属材の接合強度が不足してしまうことが考えられる。そこで、特許文献２に記載の摩擦撹拌接合方法では、熱伝導率が低いセラミックス等からなる裏当部材を接合部の裏面側に配置している。
【特許文献１】特開２００４−６６２７６号公報
【特許文献２】特開２００１−５２８９９０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、接合部の裏面側に配置される裏当部材には、金属材を介して回転ツールから相当の荷重が加えられる。また、接合を行う度に摩擦熱による入熱が繰り返される。そのため、摩擦熱が入熱したときの温度に対する曲げ強度が十分に確保されていないと、裏当部材の耐久性が不足し、例えば数回の使用で裏当部材が破損してしまう場合がある。
【０００５】
本発明は、上記課題の解決のためになされたものであり、金属材の接合強度を十分に確保でき、かつ耐久性の高い摩擦撹拌接合用の裏当部材、及びこれを用いた摩擦撹拌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】
【０００６】
上記課題の解決のため、本発明に係る摩擦撹拌接合用の裏当部材は、金属材の端面同士を突き合わせ、当該突き合わせ部分の一方側から押し込んだ回転ツールを回転させることによって金属材同士を接合する摩擦撹拌接合用の裏当部材であって、突き合わせ部分の他方側が載置される載置面を有する載置部と、当該載置部において載置面と反対側に立設される側部とを有する金属製の外郭部材を備え、外郭部材において、載置部と側部とによって囲まれる内部空間に蓄熱材が充填されていることを特徴としている。
【０００７】
この裏当部材では、載置部と側部とによって囲まれる内部空間に充填された蓄熱材により、突き合わせ部分の他方側からの熱の拡散が防止されると共に、蓄熱材に蓄えられた熱によっても突き合わせ部分の他方側に対して十分な入熱を与えることが可能となる。これにより、突き合わせ部分における金属材の塑性流動が十分に促進され、接合強度が確保される。また、この裏当部材では、摩擦熱が入熱したときの温度に対する曲げ強度は、金属製の外郭部材によって確保される。したがって、この裏当部材では、回転ツールによって加えられる荷重や、接合を行う度に繰り返される摩擦熱による入熱に対する高い耐久性も同時に担保される。
【０００８】
また、内部空間には、載置部の長手方向に沿って、載置面と反対側に立設されるリブが設けられていることが好ましい。こうすると、回転ツールによって加えられる荷重に対する強度を更に高めることができる。
【０００９】
また、載置部の載置面側には、突き合わせ部分に対応して延在する凹部が形成されていることが好ましい。こうすると、回転ツールの先端が載置部に当たってしまうことを防止できる。
【００１０】
また、蓄熱材は、外郭部材における載置部と反対側に露出していることが好ましい。この場合、蓄熱材の充填量が十分なものとなり、蓄熱性の一層の確保が可能となる。また、裏当部材を定盤上に設置する際に、蓄熱材が定盤と接触することにより、金属製の外郭部材が定盤と接触する面積が相対的に小さくなるため、突き合わせ部分の他方側からの熱の拡散を一層効果的に防止することが可能となる。
【００１１】
また、蓄熱材は、コンクリートであることが好ましい。この場合、裏当部材の蓄熱性をより確実に担保できる。
【００１２】
また、本発明に係る摩擦撹拌接合方法は、上述した摩擦撹拌接合用の裏当部材を定盤上に固定し、当該裏当部材の載置面上で金属材の端面同士を突き合わせる工程と、突き合わせ部分の一方側から押し込んだ回転ツールを回転させることによって金属材同士を接合する工程とを備えたことを特徴としている。
【００１３】
この摩擦撹拌接合方法では、裏当部材において、載置部と側部とによって囲まれる内部空間に充填された蓄熱材により、突き合わせ部分の他方側からの熱の拡散が防止されると共に、蓄熱材に蓄えられた熱によっても突き合わせ部分の他方側に対して十分な入熱を与えることが可能となる。これにより、突き合わせ部分における金属材の塑性流動が十分に促進され、接合強度が確保される。また、裏当部材では、摩擦熱が入熱したときの温度に対する曲げ強度は、金属製の外郭部材によって確保される。したがって、回転ツールによって加えられる荷重や、接合を行う度に繰り返される摩擦熱による入熱に対する高い耐久性も同時に担保される。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係る摩擦撹拌接合用の裏当部材及び摩擦撹拌接合方法によれば、金属材の接合強度を十分に確保でき、かつ高い耐久性が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、図面を参照しながら、本発明に係る摩擦撹拌接合用の裏当部材及び摩擦撹拌接合方法の好適な実施形態について詳細に説明する。
【００１６】
［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態に係る摩擦撹拌接合用の裏当部材を示す斜視図である。裏当部材１は、例えば板状の２つの金属材の端面同士の突き合わせ部分を摩擦撹拌接合によって接合する際に、当該突き合わせ部分の下敷きとして用いられる部材である。図１に示すように、裏当部材１は、外郭部材２を備えている。
【００１７】
外郭部材２は、例えば鉄などの金属によって形成され、底面を有しない略直方体形状をなしている。この外郭部材２は、例えばプレス成型によって一体的に形成される載置部３及び側部４を有している。載置部３は、例えば厚さ１０ｍｍ程度の矩形の板状となっている。載置部３の長手方向の長さは、上述した金属材の突き合わせ部分に対応した長さに設定されている。載置部３の上面は、金属材の突き合わせ部分が載置される載置面３ａとなっている。
【００１８】
側部４は、載置部３と同様に、例えば厚さ１０ｍｍ程度の矩形の板状となっている。側部４は、載置部３における幅方向の両端部に沿って、載置面３ａと反対側にそれぞれ立設されている。これにより、外郭部材２の内部には、載置部３と、側部４，４とによって囲まれる略直方体形状の内部空間Ｓが形成されている。
【００１９】
また、側部４の下端部には、外郭部材２の側方に向かって突出する複数の舌片６が設けられている。舌片６は、各側部４の下端部において、長手方向の両端部及び中央部に計６個設けられている。各舌片６には、後述するボルト１０を螺入するためのボルト孔６ａが形成されている。
【００２０】
一方、載置部３と、側部４，４とによって囲まれる内部空間Ｓには、蓄熱材７と、複数（本実施形態では９個）のリブ８とが設けられている。蓄熱材７としては、例えばコンクリートが用いられる。蓄熱材７は、内部空間Ｓの全体を埋めるように充填されており、蓄熱材７の下面は、側部４，４の下端面と略面一となった状態で、外郭部材２における載置部３と反対側に露出している。これにより、蓄熱材７の下面は、裏当部材１を定盤１１（図２参照）に設置する際に、定盤１１に接触する接触面７ａとなる。
【００２１】
リブ８は、外郭部材２と同様に、例えば鉄などの金属によって板状に形成されている。リブ８は、載置部３の長手方向の中心線に沿って、載置面３ａと反対側に所定の間隔をもって一直線状に立設されている。また、各リブ８の高さは、側部４と略同一の高さとなっている。したがって、各リブ８は、蓄熱材７の上面から下面まで通った状態となっている。
【００２２】
続いて、上述した構成を有する裏当部材１を用いた金属材の摩擦撹拌接合方法について説明する。
【００２３】
図２は、本発明の第１実施形態に係る裏当部材１を用いた摩擦撹拌接合方法の工程を説明する斜視図である。図２に示すように、この摩擦撹拌接合方法を行う場合、まず、外郭部材２に設けられた各舌片６のボルト孔６ａにボルト１０をそれぞれ螺入し、載置面３ａが上面となるようにして裏当部材１を定盤１１の上面にしっかりと固定する。
【００２４】
裏当部材１の固定を行った後、接合対象となる２つの金属材１２，１２を用意する。金属材１２，１２は、例えば鉄道車両構体に用いられる外板パネルであり、例えばステンレス鋼によって形成されている。金属材１２，１２の厚さは、１．５ｍｍ程度となっている。この金属材１２，１２を裏当部材１の載置面３ａに載置し、載置面３ａの長手方向に沿って形成される金属材１２，１２の突き合わせ部分Ｐの延在方向が内部空間Ｓ内に配列されたリブ８の配列方向と略一致するように、載置面３ａの略中央部分で金属材１２，１２の端面１２ａ，１２ａ同士を突き合わせる。
【００２５】
金属材１２，１２の端面１２ａ，１２ａ同士を突き合わせた後、回転ツール１３を金属材１２，１２の上方に配置し、回転ツール１３の先端に装着されたプローブ１４を突き合わせ部分Ｐの一端の上面側（一方側）から押し込む。そして、回転ツール１３を、例えば６００ｒｐｍの回転速度で回転させながら、例えば６００ｍｍ／ｍｉｎの移動速度で突き合わせ部分Ｐに沿って移動させる。これにより、プローブ１４と金属材１２，１２との間で発生する摩擦熱が突き合わせ部分Ｐに入熱し、この摩擦熱による塑性流動によって金属材１２，１２の端面１２ａ，１２ａ同士が接合される。
【００２６】
このような摩擦撹拌接合において、プローブ１４が押し込まれる側と反対側、すなわち、突き合わせ部分Ｐの裏面側（他方側）では、摩擦熱による入熱の不足が生じ得る。この場合、塑性流動が十分になされず、金属材１２，１２の接合強度が不足してしまうことが考えられる。
【００２７】
これに対し、本実施形態では、金属材１２，１２の下敷きとして定盤１１上に裏当部材１が設置されており、裏当部材１では、載置部３と側部４，４とによって囲まれる内部空間Ｓ内に、コンクリートからなる蓄熱材７が充填されている。この蓄熱材７により、突き合わせ部分Ｐの裏面側からの熱の拡散が防止されると共に、蓄熱材７に蓄えられた熱によって突き合わせ部分Ｐの裏面側に対して十分な入熱が与えられる。これにより、突き合わせ部分Ｐにおける金属材１２，１２の塑性流動が十分に促進され、接合強度が確保される。
【００２８】
また、裏当部材１では、摩擦熱が入熱したときの温度に対する曲げ強度は、金属製の外郭部材２によって確保され、金属製の外郭部材２自体の蓄熱性の低さは、内部空間Ｓ内に充填された蓄熱材７によって補われている。このような外郭部材２と蓄熱材７との補完関係により、裏当部材１では、金属材１２、２の接合強度の確保と、回転ツール１３によって加えられる荷重、及び接合を行う度に繰り返される摩擦熱による入熱に対する高い耐久性の確保とを両立させることができる。
【００２９】
また、裏当部材１では、内部空間Ｓ内において、載置部３の長手方向の中心線に沿って、載置面３ａと反対側に所定の間隔をもって一直線状に立設される複数のリブ８が設けられている。そして、各リブ８は、蓄熱材７の上面から下面まで通った状態となっている。つまり、裏当部材１では、回転ツールによって荷重が加えられる方向にリブ８が設けられており、回転ツール１３によって加えられる荷重に対する強度が一層高められている。
【００３０】
さらに、裏当部材１では、蓄熱材７が外郭部材２における載置部３と反対側に露出し、蓄熱材７の下面が定盤１１との接触面７ａとなっている。このような構成により、内部空間Ｓ内に充填される蓄熱材７の充填量が十分なものとなり、熱容量の一層の確保が可能となる。また、裏当部材１を定盤１１上に設置する際に、蓄熱材７が定盤と接触することにより、金属製の外郭部材２が定盤１１と接触する面積が相対的に小さくなるため、突き合わせ部分Ｐの裏面側からの熱の拡散が効果的に防止される。
【００３１】
［第２実施形態］
続いて、本発明の第２実施形態に係る裏当部材について説明する。図３は、本発明の第２実施形態に係る裏当部材を示す斜視図である。
【００３２】
同図に示すように、第２実施形態に係る裏当部材２０は、パイプ状のリブ２１を用いている点で、板状のリブ８を用いている第１実施形態と異なっている。その他の点については第１実施形態と同様である。
【００３３】
すなわち、裏当部材２０では、例えば鉄などの金属によってパイプ状に形成されたリブ２１が、載置部３の長手方向の中心線に沿って、載置面３ａと反対側に所定の間隔をもって一直線状に立設されている。各リブ２１の高さは、第１実施形態と同様に、側部４と略同一の高さとなっている。したがって、各リブ２１は、蓄熱材７の上面から下面まで通った状態となっている。このような構成を有する裏当部材２０によっても、上述した実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
【００３４】
［第３実施形態］
本発明の第３実施形態に係る裏当部材について説明する。図４は、本発明の第３実施形態に係る裏当部材を示す斜視図である。
【００３５】
同図に示すように、第３実施形態に係る裏当部材３０は、一枚の板状のリブ３１を用いている点で、複数の板状のリブ８を配列している第１実施形態と異なっている。その他の点については第１実施形態と同様である。
【００３６】
すなわち、裏当部材３０では、例えば鉄などの金属によって載置部３の長手方向の長さと同じ長さに形成された長尺の板状のリブ３１が、載置部３の長手方向の中心線に沿って、載置面３ａと反対側に立設されている。リブ３１の高さは、第１実施形態と同様に、側部４と略同一の高さとなっている。したがって、リブ３１は、蓄熱材７の上面から下面まで通った状態となっている。このような構成を有する裏当部材３０によっても、上述した実施形態と同様の作用効果を得ることができる。また、リブ３１が一枚の板状となっている分、回転ツール１３によって加えられる荷重に対する強度が更に高いものとなる。
【００３７】
［第４実施形態］
本発明の第４実施形態に係る裏当部材について説明する。図５は、本発明の第４実施形態に係る裏当部材を示す斜視図である。
【００３８】
同図に示すように、第４実施形態に係る裏当部材４０は、梯子状に組み立てられたリブ４１を用いている点で、複数の板状のリブ８を配列している第１実施形態と異なっている。その他の点については第１実施形態と同様である。
【００３９】
すなわち、裏当部材１では、リブ４１は、載置部３の長手方向の長さと同じ長さに形成された一対の長尺板状の第１リブ４１ａ，４１ａと、複数の板状の第２リブ４１ｂ，４１ｂとによって構成されている。第１リブ４１ａ，４１ａは、互いに離間した状態で、載置部３の長手方向に沿って略平行に配置されており、第２リブ４１ｂ，４１ｂは、第１リブ４１ａ，４１ａ間において、第１リブ４１ａ，４１ａと直交するように、載置部３の長手方向の中心線に沿って等間隔で配置されている。
【００４０】
リブ４１の高さは、第１実施形態と同様に、側部４と略同一の高さとなっている。したがって、リブ４１は、蓄熱材７の上面から下面まで通った状態となっている。このような構成を有する裏当部材４０によっても、上述した実施形態と同様の作用効果を得ることができる。また、リブ４１が梯子状に組み立てられている分、回転ツール１３によって加えられる荷重に対する強度が更に高いものとなる。
【００４１】
［第５実施形態］
本発明の第５実施形態に係る裏当部材について説明する。図６は、本発明の第５実施形態に係る裏当部材を示す斜視図である。
【００４２】
同図に示すように、第５実施形態に係る裏当部材５０は、第３実施形態と同様に一枚の板状のリブ３１を用いている点、及び載置部３の載置面３ａ側に凹部５１が形成されている点で第１実施形態と異なっている。その他の点については第１実施形態と同様である。
【００４３】
すなわち、裏当部材５０では、載置部３の載置面３ａ側において、突き合わせ部分Ｐに対応して延在する深さ１ｍｍ程度の扁平な直方体形状の凹部５１が形成されている。また、載置部３の長手方向の長さと同じ長さに形成された長尺の板状のリブ３１が、載置部３の長手方向の中心線に沿って、載置面３ａと反対側に立設されている。
【００４４】
このような構成を有する裏当部材５０によっても、上述した実施形態と同様の作用効果を得ることができる。また、凹部５１の形成により、摩擦撹拌接合を行っている最中に、回転ツール１３のプローブ１４の先端が金属材１２，１２の突き合わせ部分Ｐを突き抜けてしまったとしても、当該プローブ１４の先端が載置部３に当たってしまうことを防止できる。また、リブ３１が一枚の板状となっている分、回転ツール１３によって加えられる荷重に対する強度が更に高いものとなる。
【００４５】
本発明は、上記実施形態に限られるものではない。例えば上述した各実施形態では、載置部３における長手方向の両端部には側部を設けていないが、当該両端部にも側部をそれぞれ設けるようにしてもよい。内部空間Ｓ内に充填する蓄熱材７は、コンクリートに限られず、例えば砂を凝固させたものなどを用いてもよい。この場合、例えば天然けい砂に液体樹脂や硬化剤を添加することにより、外郭部材２自体を鋳型として略直方体形状の蓄熱材７を形成することも可能である。また、上述した各裏当部材１，２０，３０，４０，５０は、回転ツール１３を移動させずに接合する、いわゆるスポット摩擦撹拌接合においても適用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の第１実施形態に係る裏当部材を示す斜視図である。
【図２】図１に示した裏当部材を用いた摩擦撹拌接合の工程を説明する斜視図である。
【図３】本発明の第２実施形態に係る裏当部材を示す斜視図である。
【図４】本発明の第３実施形態に係る裏当部材を示す斜視図である。
【図５】本発明の第４実施形態に係る裏当部材を示す斜視図である。
【図６】本発明の第５実施形態に係る裏当部材を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００４７】
１，２０，３０，４０，５０…裏当部材、２…外郭部材、３…載置部、４…側部、３ａ…載置面、７…蓄熱材、８，２１，３１，４１…リブ、１１…定盤、１２…金属材、１２ａ…端面、１３…回転ツール、５１…凹部、Ｐ…突き合わせ部分、Ｓ…内部空間。
【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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【図６】
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