(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
下向きのピンおよびショルダーを有する接合ツールが装着された摩擦攪拌接合装置を用いて一対の被接合物を接合する摩擦攪拌接合方法であって、
前記摩擦攪拌接合装置により前記ピンを前記被接合物中で回転させ、前記ピンの周囲の前記被接合物を流動化させるとともに、
前記摩擦攪拌接合装置により前記接合ツールを前記被接合物の表面に沿って水平に移動させつつ、前記摩擦攪拌接合装置により前記接合ツールを前記被接合物の表面に対して周期的に昇降させ、
前記接合ツールの上昇時に、前記ショルダーで前記被接合物の流動化部分を引き上げ、
前記接合ツールの下降時に、前記ショルダーで前記流動化部分を押圧することを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
【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に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、材料の接合手法として摩擦攪拌接合が用いられている（特許文献１参照）。
摩擦攪拌接合では、回転する接合ツールを被接合物に押し当て、摩擦熱で被接合物を流動化させて接合する。
摩擦攪拌接合において、接合ツールは、摩擦攪拌接合装置の主軸に装着され、被接合物の表面と交差方向の回転軸を中心に回転駆動される。そして、回転状態のまま被接合物の表面の接合部分に沿って平行移動される。
【０００３】
摩擦攪拌接合装置としては、十分な摩擦熱を得るために、接合ツールの回転に高トルクが必要であり、専用の装置が多用される。一方、高トルクであれば、汎用の工作機械も用いられる。
接合ツールとしては、例えば円柱状のホルダの下端面に、同軸で下向きに円錐状のピンを形成したものが用いられる。ピンの周囲には段差状のショルダーが形成される。
摩擦攪拌接合の動作時には、ピンが被接合物の内部に導入され、ショルダーは被接合物の表面に向かい合う状態に維持される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−１７７８４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
摩擦攪拌接合を行う際、被接合物は接合ツールにより流動化される。流動化はピンの周囲で顕著であり、流動化した部分の上面側はショルダーで覆われる。
ところが、状況によって、被接合物の流動化部分が、ピンの周囲から溢れ出ることがある。そして、溢れ出た流動化部分が被接合物の周辺表面まで拡がってしまった場合など、元の流動化部分に戻ることができず、接合ツールが通過した後の被接合物の接合跡が埋められず、接合結果が不良となることがある。
【０００６】
このような溢れの原因として、被接合物の流動化は、回転するピンに対する摩擦熱による温度上昇に基づくものであり、ピンと被接合物との摩擦状態、周辺の気流による放熱状態によって温度が変化し、接合ツールの移動とピンの周囲の流動化とが必ずしも一定の状態で進行しない等が考えられる。しかし、これらの変化を高精度に測定することは難しく、接合ツールの回転状態や移動状態を精密に制御することは現実的に困難であり、流動化部分の溢れを防止できる方法の開発が求められていた。
【０００７】
また、前述した摩擦攪拌接合においては、被接合物に十分な摩擦を生じさせるために、接合ツールを被接合物に強く押し付けることが必要である。被接合物の剛性が高い場合、強い押し付けにも耐えられる。しかし、被接合物が薄い板状である場合など、接合ツールの強い押し付けにより、被接合物が変形し、逃げてしまい、所期の摩擦攪拌が得られない可能性があった。従来、このような変形を防止するために、薄い被接合物の下面側（裏面側）にサポートを設けることも行われる。しかし、設備スペースや被接合物の形状によっては、サポートが設置できないこともある。そこで、薄い被接合物における逃げの問題についても、改善が求められていた。
【０００８】
本発明の主な目的は、簡単な補助動作で流動化部分の溢れを防止できる摩擦攪拌接合方法を提供することにある。
本発明の他の目的は、薄い被接合物に対しても変形が少ない摩擦攪拌接合方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、下向きのピンおよびショルダーを有する接合ツールを用いて一対の被接合物を接合する摩擦攪拌接合方法であって、
前記ピンを前記被接合物中で回転させ、前記ピンの周囲の前記被接合物を流動化させるとともに、
前記接合ツールを前記被接合物の表面に沿って水平に移動させつつ、前記接合ツールを前記被接合物の表面に対して周期的に昇降させ、
前記接合ツールの上昇時に、前記ショルダーで前記被接合物の流動化部分を引き上げ、
前記接合ツールの下降時に、前記ショルダーで前記流動化部分を押圧することを特徴とする。
【００１０】
このような本発明では、接合ツールの移動方向前側で、ピンの周囲の流動化部分が溢れ出そうになっても、ショルダーにより押し付けられてピンの周囲に押し戻される。これにより、接合ツールの移動方向後側には、十分な量の流動化部分が押し戻され、再び固化される。その結果、接合ツールが通過した後の被接合物の接合跡は良好な状態とされる。
このように、本発明によれば、簡単な補助動作で流動化部分の溢れを防止でき、接合結果を良好なものとすることができる。
【００１１】
さらに、本発明の摩擦攪拌接合方法は、薄い被接合物に適用した場合、下面側のサポートがなくても、接合後の変形を押さえることができる。すなわち、本発明では接合ツールを昇降させるため、下降時に押し下げられて被接合物が下方へ変形しても、接合ツールの上昇時に母材の変形が弾性限度内で回復し、次の下降時に元の位置で押し付けを受けることができる。その結果、本発明によれば、薄い被接合物に対しても、変形の少ない摩擦攪拌を確実に行うことができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の摩擦攪拌接合方法によれば、簡単な補助動作で流動化部分の溢れを防止でき、接合結果を良好なものとすることができる。また、被接合物が薄い場合であっても、摩擦攪拌を確実に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施形態の概略を示す斜視図。
【図２】前記実施形態の要部を示す断面図。
【図３】前記実施形態の動作を示す断面図。
【図４】前記実施形態の上昇動作を示す断面図。
【図５】前記実施形態の下降動作を示す断面図。
【図６】前記実施形態に利用可能な他の昇降動作を示すグラフ。
【図７】前記実施形態に利用可能な他の昇降動作を示すグラフ。
【図８】前記実施形態に利用可能な他の昇降動作を示すグラフ。
【図９】本発明の他の実施形態を示す断面図。
【図１０】本発明の他の実施形態を示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の一実施形態を、図面に基づいて説明する。
図１において、本実施形態は、金属材料製の一対の薄板１１，１２を被接合物とし、本発明に基づいて摩擦攪拌接合するものである。
薄板１１，１２は、互いの辺縁１１Ａ，１２Ａを接合線１３で突き合わせた状態で、かつ表面が水平な状態となるように、摩擦攪拌接合装置に固定されている。
【００１５】
本実施形態では、摩擦攪拌接合装置として、図示省略した工作機械を用いる。この工作機械としては、摩擦攪拌接合に十分な高トルクを有するものが選択される。
工作機械の主軸には、摩擦攪拌接合用の接合ツール２０が装着されている。
【００１６】
接合ツール２０は、円柱状のホルダ２１を有し、その下端面に同軸下向きのピン２２を有する。ピン２２は円錐状であるが、最大径となる上部であってもホルダ２１の外径よりは小さい。このため、ピン２２の周囲には、ホルダ２１の下端面が段差状に現れ、この段差によりショルダー２３が形成されている。
【００１７】
接合ツール２０は、摩擦攪拌接合装置である工作機械の各軸移動により、ピン２２が下向きかつ回転軸が垂直となる状態で、薄板１１，１２に対して適用される。
すなわち、薄板１１，１２において、各々の辺縁１１Ａ，１２Ａが接合線１３に沿って突き合わせられている。接合ツール２０は、回転駆動された状態で、接合線１３の一端（図１の下側）に配置され、その先端のピン２２が薄板１１，１２の端面から水平方向に押し付けられる。
ピン２２が回転状態で押し付けられることで、薄板１１，１２には摩擦熱が発生し、薄板１１，１２は接合線１３に沿って流動化する。そして、接合ツール２０を接合線１３に沿って水平に移動させることで、流動化部分は接合線１３に沿って進行する。
【００１８】
図２に示すように、ピン２２が回転状態で押し付けられることで、ピン２２の移動方向前側では、薄板１１，１２が摩擦熱により流動化する。すなわち、薄板１１，１２においては、摩擦熱による昇温範囲Ａ１が形成される。そして、高温となるピン２２の近傍には流動化領域Ａ２が形成される。
【００１９】
一方、ピン２２の移動方向後側では、薄板１１，１２の流動化した部分が混じり合った流動化領域Ａ２が残留する。しかし、ピン２２が離れるに従って、流動化していた部分が冷えて再び固まる。そして、薄板１１，１２の流動化部分が一体で固化して融着領域Ａ３となる。
その結果、接合ツール２０が通過した後の接合線１３においては、薄板１１，１２の流動化部分が一体に固化した接合跡１４が形成されてゆく。この接合跡１４が接合線１３の全長にわたって形成されることで、薄板１１，１２は一体に接合される。
【００２０】
このような接合操作を行う際に、本実施形態では、本発明に基づく補助動作を行う。
すなわち、接合ツール２０を薄板１１，１２の表面に沿って水平に移動させつつ、接合ツール２０を薄板１１，１２の表面に対して、所定のパターンＰに従って昇降させる。
そして、接合ツール２０の下降時に、ショルダー２３により薄板１１，１２の流動化部分を押圧する。
なお、本実施形態において、パターンＰは、周期１Ｈｚ程度の正弦波振動とされる。
【００２１】
図３ないし図５には、本発明に基づく接合ツール２０の昇降動作およびその作用が示されている。
図３において、接合ツール２０を回転させつつ水平移動させてゆくと、薄板１１，１２においては、ピン２２の前側に昇温範囲Ａ１および流動化領域Ａ２が形成され、後側に流動化領域Ａ２および融着領域Ａ３が形成されてゆく。
この際、接合ツール２０の回転状態を調整することで、昇温範囲Ａ１は薄板１１，１２の下面側に到達するものの、流動化領域Ａ２は薄板１１，１２の下面側に現れることはない。
【００２２】
図３において、流動化領域Ａ２は、薄板１１，１２の材料が流動化した状態となっており、ピン２２の特に前側において流動化部分の一部が溢れ１５を生じることがある。
しかし、本実施形態では接合ツール２０を所定のパターンＰで昇降させるため、下降時にショルダー２３による押圧が行われ、流動化部分の溢れ１５を押し戻すことができる。
【００２３】
図４において、先ず、接合ツール２０が上昇することで、ショルダー２３の下面も上昇し、流動化領域Ａ２の流動化部分が引き上げられるとともに、周囲にはみ出た溢れ１５が内向きに引き寄せられ、流動化領域Ａ２に合流される。
図５において、次に、接合ツール２０が下降することで、一旦引き上げられた流動化領域Ａ２の流動化部分および溢れ１５が、ショルダー２３の下面により下向きに押し付けられ、薄板１１，１２の間に押し戻される。
【００２４】
このように、接合ツール２０の昇降により、流動化領域Ａ２の流動化部分のいわばポンピングが行われ、その際に溢れ１５が回収される。
その結果、薄板１１，１２の周囲に溢れ１５が残ることが回避される。さらに、溢れ１５の分の材料が、ピン２２の後側の融着領域Ａ３に戻されることで、融着領域Ａ３での材料不足が回避され、接合線１３の全長にわたって形成される接合跡１４を、欠陥のない良好なものとすることができる。
【００２５】
さらに、薄板１１，１２は、接合ツール２０の下降時に押し下げられ、下方へ変形しようとする。しかし、接合ツール２０は昇降を行うため、続く接合ツール２０の上昇時に母材の変形が弾性限度内で回復する。そして、次の接合ツール２０の下降時には、薄板１１，１２が元の位置で接合ツール２０の押し付けを受けることができる。
このように、接合ツール２０を昇降させることで、変形し易い薄板１１，１２であっても、変形の少ない摩擦攪拌を確実に行うことができる。
【００２６】
以上に述べたように、本実施形態によれば、接合ツール２０の移動方向前側で、ピン２２の周囲の流動化部分が溢れ出そうになっても、ショルダー２３により押し付けてピン２２の周囲に押し戻すことができる。これにより、接合ツール２０の移動方向後側には、十分な量の流動化部分が押し戻され、再び固化される。その結果、接合ツール２０が通過した後の被接合物である薄板１１，１２の接合跡１４は、良好な状態とされる。
従って、本実施形態によれば、パターンＰによる接合ツール２０の昇降という簡単な補助動作で、流動化部分の溢れを防止でき、接合結果を良好なものとすることができる。
【００２７】
さらに、本実施形態によれば、被加工物が変形し易い薄板１１，１２であっても、接合ツール２０を昇降させることで、下降時の押し付け力による変形を、上昇時に緩和することができ、摩擦攪拌を確実に行うことができる。このため、薄板１１，１２の下面側にサポートを設けて支持する必要がなく、設備の簡素化が図れるとともに、サポートで支持しにくい形状の被接合物の接合も容易にできる。
【００２８】
なお、本発明は前述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形などは、本発明に含まれる。
接合ツール２０を昇降させるパターンＰに関して、その周期を１Ｈｚ程度としたが、被接合物である薄板１１，１２の材質や作業環境の気温などの条件、実際に溢れ１５が生じる状態などに応じて、適宜変更すればよい。
周期の変更は、作業開始時に調整してもよいし、溢れ１５の状態を見ながら作業中に変更してもよい。
【００２９】
接合ツール２０の昇降は、前記実施形態のような正弦波状のパターンＰに限らず、他の波形であってもよい。
例えば、図６に示すように、パターンＰとしては、直線的な昇降となる三角波状としてもよい。
接合ツール２０の昇降は、連続的な移動に限らず、断続的な移動による段階的な高さ変化を行うものであってもよい。
例えば、図７に示すように、パターンＰとしては、段差状の変化による三角波などであってもよい。
【００３０】
接合ツール２０の昇降は、上昇と下降とが同じ時間（比率が１：１）であるものに限らず、例えば上昇の時間が短く、下降の時間が長いもの等であってもよい。
例えば、図８に示すように、パターンＰとしては、周期内の上昇時間が３０％で下降時間が７０％などとしてもよい。
上昇時間が短い場合、急速な上昇により溢れ１５の引き戻しを強くすることができる。また、下降は緩やかであるので、ショルダー２３下面の流動化部分が再び溢れ１５となることを防止できる。
一方、材料などの条件によっては、上昇時間を長くして溢れ１５を緩やかに引き戻し、下降を急速にしてショルダー２３による押し下げを強くすることが好ましい場合もある。
【００３１】
前記実施形態においては、摩擦攪拌接合装置として、摩擦攪拌接合に十分な高トルクを有する工作機械を用いるとしたが、摩擦攪拌接合の専用機を用いてもよい。この場合、接合ツール２０の回転駆動、接合ツール２０の水平移動（工作機械ではＸ軸あるいはＹ軸）のほか、本発明に基づく接合ツール２０の昇降が行える機構（工作機械ではＺ軸）を備えたものとする必要がある。
【００３２】
前記実施形態では、被接合物として薄板１１，１２を用いたが、一対のブロック状物その他の形態の被接合物としてもよい。
図９に示すように、被接合物としては、厚みのあるブロック１１Ｂに薄板１２を用いてもよい。この場合も、ブロック１１Ｂと薄板１２との接合線１３に沿って、回転しつつ昇降する接合ツール２０を移動させることで、本発明に基づく整った接合跡１４を形成することができる。
図１０に示すように、被接合物としては、厚みのある一対のブロック１１Ｂ，１２Ｂを用いてもよい。この場合も、ブロック１１Ｂ，１２Ｂの接合線１３に沿って、回転しつつ昇降する接合ツール２０を移動させることで、本発明に基づく整った接合跡１４を形成することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
本発明は摩擦攪拌接合方法に関し、金属材料などを接合する際に利用できる。
【符号の説明】
【００３４】
１１，１２…被接合物である薄板、１１Ｂ，１２Ｂ…被接合物であるブロック、１１Ａ，１２Ａ…辺縁、１３…接合線、１４…接合跡、２０…接合ツール、２１…ホルダ、２２…ピン、２３…ショルダー、Ａ１…昇温範囲、Ａ２…流動化領域、Ａ３…融着領域、Ｐ…パターン。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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