(57)【要約】【課題】摩擦撹拌接合において、接合強度の向上やアンダーフィルの防止を図り、終端穴の閉塞処理を行う。【解決手段】接合対象物に挿入されるピンを有する第１工具部６と、接合対象物に摺接する回転盤を有する第２工具部とを有する。ピン及び回転盤には、フィラーワイヤ１４を挿通させる通路とフィラーワイヤ１４を突出させる開口とが形成されている。第１工具部６のピンによって、フィラーワイヤ１４を供給しながら摩擦撹拌接合を行う。ピンを引き抜いた後に形成される穴を、第２工具部の回転盤によって閉塞する。【選択図】　　　図２
2004025296.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
先端部に開口が形成され且つ内部に前記開口につながる通路が形成され、接合対象物の接合部分に挿入される摩擦撹拌接合用のピンと、
前記ピンを回転させる回転機構と、
前記ピンの通路に挿通されて前記開口から突出するフィラーワイヤと、
前記ピンにフィラーワイヤを供給するフィラーワイヤ供給機構と、
を備えている摩擦接合装置。
【請求項２】
先端部に開口が形成され且つ内部に前記開口につながる通路が形成され、接合対象物の接合部分に挿入される摩擦撹拌接合用のピンと、前記ピンを回転させる回転機構と、前記ピンの通路に挿通されて前記開口から突出するフィラーワイヤと、前記ピンにフィラーワイヤを供給するフィラーワイヤ供給機構とを有する摩擦撹拌接合用工具と、
先端部に開口が形成され且つ内部に前記開口につながる通路が形成され、前記接合対象物における前記ピンが引き抜かれた後の穴部分に摺接される回転盤と、前記回転盤を回転させる回転機構と、前記回転盤の通路に挿通されて前記開口から突出するフィラーワイヤと、前記回転盤にフィラーワイヤを供給するフィラーワイヤ供給機構とを有する穴処理用工具と、
接合開始時に前記摩擦撹拌接合用工具のピンを接合対象物に押し当てる一方、前記ピンを接合対象物から引き抜いた後に、前記穴処理用工具の回転盤を前記接合対象物に押し当てる工具選択機構と、
を備えている摩擦接合装置。
【請求項３】
先端部に開口が形成され且つ内部に前記開口につながる通路が形成された摩擦撹拌接合用のピンに対し、フィラーワイヤを前記通路に挿通させると共に前記開口から突出させ、
前記ピンを回転させた状態で接合対象物の接合部分に挿入し、
前記ピンにフィラーワイヤを供給しながら前記接合対象物を前記ピンにより摩擦撹拌接合する摩擦接合方法。
【請求項４】
請求項３記載の摩擦接合方法であって、
接合対象物からピンを引き抜いた後に、
先端部に開口が形成され且つ内部に前記開口につながる通路が形成された回転盤を、フィラーワイヤを前記通路に挿通させると共に前記開口から突出させた状態で回転させ、
前記接合対象物における前記ピンを引き抜いた後の穴部分に、前記回転盤を回転状態で摺接させ、
前記回転盤にフィラーワイヤを供給しながら前記回転盤により前記接合対象物の穴部分を閉塞処理する摩擦接合方法。
【請求項５】
請求項４記載の摩擦接合方法であって、
接合対象物を点状に接合する摩擦接合方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、摩擦接合装置及び摩擦接合方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
複数の部材を組み立ててなる組立構造物等では、それら部材を結合する結合手段が必要である。例えば、そのような結合手段として、接着剤やねじなどが挙げられる。
【０００３】
しかし、接着剤による結合やねじ止めでは、十分な結合強度を確保することは困難である。そこで従来より、十分な結合強度が必要とされる組立構造物に対して、結合手法として、リベット結合や接合面を溶融させる溶接が用いられてきた。
【０００４】
ところが、リベットによる結合では、組立構造物の重量の増加を招くという課題があった。一方、接合面を溶融させる溶接では、異種材料の接合が困難であるという課題があった。そこで、これらの課題を克服する技術として、接合部を溶融させないで固相のまま接合する摩擦撹拌接合が提案されている。
【０００５】
例えば、特表平７−５０５０９０号公報には、２つのアルミニウム合金製プレートの端面同士を突き合わせ、回転するピンをそれらプレートの端面間に沿って移動させることによりプレートの端部に塑性流動を起こし、それら塑性流動部分を冷却固化することによって、プレートを接合する摩擦撹拌接合が開示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、摩擦撹拌接合には、以下のような課題があった。
【０００７】
すなわち、２枚のプレート同士の突き合わせ部分にずれや隙間が生じていると、両プレート間に良好な塑性流動が起こりにくくなり、接合強度が低下するという課題があった。
【０００８】
また、図７に示すように、塑性流動を起こす際に、ピン５１を押し当てることによって接合部分が窪んでしまい、アンダーフィル５４と呼ばれる０．１ｍｍ〜０．２ｍｍ程度の段差が生じていた。このようなアンダーフィル５４は、組立構造物の外観を悪化させ、製品価値の低下を招く要因となる。また、接合部分において板厚が減少し、組立構造物の強度を低下させる要因ともなっていた。
【０００９】
また、摩擦撹拌接合では、接合の最終段階において、プレート５２の接合部分から回転ピン５１を引き抜く必要がある。その結果、図７及び図８に示すように、接合部の終端において、ある程度の大きさの穴（終端穴）５０が残ることとなった。そのため、接合後にプレート５２における穴５０の近傍部分５３を切断し、除去する等の処理が必要であった。また、従来の摩擦撹拌接合は、終端穴の近傍部分を除去できないような接合対象物、例えば接合部が円周状に配置されるような対象物に対しては、適用が困難であった。
【００１０】
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、上記各課題の解決を図り、摩擦撹拌接合の利便性を向上させることにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る摩擦接合装置は、先端部に開口が形成され且つ内部に前記開口につながる通路が形成され、接合対象物の接合部分に挿入される摩擦撹拌接合用のピンと、前記ピンを回転させる回転機構と、前記ピンの通路に挿通されて前記開口から突出するフィラーワイヤと、前記ピンにフィラーワイヤを供給するフィラーワイヤ供給機構とを備えているものである。
【００１２】
上記摩擦接合装置では、回転するピンが接合対象物の接合部分に挿入され、当該部分は摩擦熱によって軟化し、撹拌されて塑性流動を起こす。この際、接合部分に対してピンの開口からフィラーワイヤが供給されるので、当該フィラーワイヤも接合対象物と共に塑性流動を起こすことになる。このように、摩擦撹拌接合の際にフィラーが供給されるので、十分な溶着量を確保することができる。そのため、接合対象物同士にずれや隙間が生じていても、良好な塑性流動を起こすことができる。したがって、接合強度を高く維持することができる。また、アンダーフィルの発生を抑制又は防止することができ、突き合わせ接合の際に接合部の厚みの低下を抑制することができる。
【００１３】
本発明に係る他の摩擦接合装置は、先端部に開口が形成され且つ内部に前記開口につながる通路が形成され、接合対象物の接合部分に挿入される摩擦撹拌接合用のピンと、前記ピンを回転させる回転機構と、前記ピンの通路に挿通されて前記開口から突出するフィラーワイヤと、前記ピンにフィラーワイヤを供給するフィラーワイヤ供給機構とを有する摩擦撹拌接合用工具と、先端部に開口が形成され且つ内部に前記開口につながる通路が形成され、前記接合対象物における前記ピンが引き抜かれた後の穴部分に摺接される回転盤と、前記回転盤を回転させる回転機構と、前記回転盤の通路に挿通されて前記開口から突出するフィラーワイヤと、前記回転盤にフィラーワイヤを供給するフィラーワイヤ供給機構とを有する穴処理用工具と、接合開始時に前記摩擦撹拌接合用工具のピンを接合対象物に押し当てる一方、前記ピンを接合対象物から引き抜いた後に、前記穴処理用工具の回転盤を前記接合対象物に押し当てる工具選択機構とを備えているものである。
【００１４】
上記摩擦接合装置では、接合の開始時には、工具選択機構が摩擦撹拌接合用工具を選択し、摩擦撹拌接合用工具のピンを接合対象物の接合部分に押し当てる。これにより、回転するピンが接合対象物の接合部分に挿入され、当該ピンによって接合対象物が摩擦撹拌接合される。この際、接合部分にフィラーワイヤが供給されるので、溶着量が十分に確保され、接合強度の向上やアンダーフィルの抑制等が図られる。
【００１５】
接合の終了時には接合対象物から前記ピンが引き抜かれ、接合対象物におけるピンが引き抜かれた部分には、穴が残ることになる。次に、工具選択機構は、穴処理用工具の回転盤を接合対象物の穴部分に押し当てる。これにより、接合対象物の穴部分は、回転盤から供給されたフィラーワイヤと共に塑性流動を起こす。その後、回転盤を引き上げると、塑性流動した部分は冷却固化し、前記穴は塞がれる。その結果、接合部分は穴のない状態となる。したがって、接合対象物の穴部分を除去する必要がなくなり、また、外観が良好に保たれる。
【００１６】
本発明に係る摩擦接合方法は、先端部に開口が形成され且つ内部に前記開口につながる通路が形成された摩擦撹拌接合用のピンに対し、フィラーワイヤを前記通路に挿通させると共に前記開口から突出させ、前記ピンを回転させた状態で接合対象物の接合部分に挿入し、前記ピンにフィラーワイヤを供給しながら前記接合対象物を前記ピンにより摩擦撹拌接合するものである。
【００１７】
上記摩擦接合方法によれば、前述したように、接合強度の向上、アンダーフィルの抑制又は防止、並びに、接合部分の厚みの向上を図ることができる。
【００１８】
前記摩擦接合方法において、接合対象物からピンを引き抜いた後に、先端部に開口が形成され且つ内部に前記開口につながる通路が形成された回転盤を、フィラーワイヤを前記通路に挿通させると共に前記開口から突出させた状態で回転させ、前記接合対象物における前記ピンを引き抜いた後の穴部分に、前記回転盤を回転状態で摺接させ、前記回転盤にフィラーワイヤを供給しながら前記回転盤により前記接合対象物の穴部分を閉塞処理することが好ましい。
【００１９】
上記摩擦接合方法によれば、更に、接合対象物の穴部分の削除が不要になり、また、接合対象物の外観が良好に保たれる。
【００２０】
前記摩擦接合方法において、接合対象物を点状に接合してもよい。
【００２１】
接合対象物を点状に接合する場合（言い換えると、スポット的に接合する場合）、ピンを引き抜いた後に残る穴部分を除去すると、接合自体が解除されることになる。そのため、接合対象物を点状に接合する場合には、穴部分の除去は不可能である。一方、何らの処理も施さなければ、接合対象物に穴が残ることになり、接合対象物の外観が悪化し、製品価値が低下する。
【００２２】
しかし、上記摩擦接合方法においては、フィラーワイヤを供給しながら回転盤により前記穴を閉塞するので、接合後の接合対象物には穴は残らない。したがって、外観を良好に保ちつつ、接合対象物を点状に接合することが可能となる。
【００２３】
【発明の効果】
本発明によれば、接合対象物の接合部分にフィラーワイヤを供給し、接合対象物及びフィラーワイヤの両方に同時に塑性流動を起こしたうえで、接合対象物を摩擦撹拌接合することとした。したがって、接合対象物同士に多少のずれや隙間が生じていたとしても、十分な塑性流動を生じさせることができ、接合強度を向上させることができる。
【００２４】
また、接合部分のアンダーフィルを抑制又は防止することができる。また、接合部分の厚みの低下を防止することができる。
【００２５】
接合部分からピンを引き抜いた後にできる穴部分を、フィラーワイヤを供給しながら回転盤で摺接することにより、フィラーワイヤと共に塑性流動させることができる。これにより、接合対象物の穴を塞ぐことができる。したがって、穴部分を除去する必要がなくなり、また、穴部分を除去できないような接合対象物に対しても、摩擦撹拌接合を適用することが可能となる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００２７】
図１に示すように、実施形態に係る摩擦接合装置１は、接合対象物の接合を行う接合機構部３と、接合機構部３にフィラーワイヤを供給するフィラー送給部２とを備えている。
【００２８】
接合機構部３は、第１工具部６及び第２工具部７と、両工具部６，７を選択的に作動させる工具選択機構８とを備えている。フィラー送給部２は、第１工具部６にフィラーワイヤを送り出す第１フィラー送給部４と、第２工具部７にフィラーワイヤを送り出す第２フィラー送給部５とを備えている。第１工具部６と第１フィラー送給部４とは、摩擦撹拌接合用工具３１を構成している。一方、第２工具部７と第２フィラー送給部５とは、穴処理用工具３２を構成している。
【００２９】
図２は、第１フィラー送給部４と第１工具部６とを模式的に示した図である。なお、図示は省略するが、第２フィラー送給部５及び第２工具部７も同様の構成を有している。
【００３０】
図３に示すように、第１工具部６は、回転する円筒状のショルダ１０と、ショルダ１０に取り付けられたピン１１とを有している。ピン１１の先端部は先細り形状の挿入部１２を形成しており、ピン１１の根本部は平坦な端面を有する平坦部１３を構成している。ピン１１及びショルダ１０は共に中空構造に形成され、ピン１１及びショルダ１０の内部には、フィラーワイヤ１４を挿通させる通路１５が形成されている。通路１５は、ショルダ１０及びピン１１の軸中心方向に延びている。ピン１１の挿入部１２の側面には、通路１５につながる開口１６が形成されている。開口１６は、軸方向から傾斜した方向に開口している。ただし、開口１６の位置及び開口方向は特に限定されるものではなく、開口１６は挿入部１２の突端に形成されていてもよく、軸中心に設けられていてもよく、軸方向に開口していてもよい。
【００３１】
ショルダ１０及びピン１１の通路１５には、フィラーワイヤ１４が挿通されている。フィラーワイヤ１４は、ピン１１の開口１６から突出している。
【００３２】
一方、図４に示すように、第２工具部７は、回転する円筒状のショルダ１９と、ショルダ１９に取り付けられた回転盤２０とを有している。回転盤２０の面積は特に限定されないが、ピン１１の平坦部１３の面積以上であることが好ましい。回転盤２０及びショルダ１９は共に中空構造に形成され、それらの内部にはフィラーワイヤ２３を挿通させる通路２１が形成されている。そして、回転盤２０の底面（図４の下面）には、通路２１につながる開口２２が形成されている。通路２１は、ショルダ１９及び回転盤２０の軸中心方向に延びている。開口２２は、回転盤２０の軸中心からずれた位置に設けられている。ただし、開口２２の位置は特に限定されるものではない。フィラーワイヤ２３は、回転盤２０の開口２２から突出している。
【００３３】
図２に示すように、第１フィラー送給部４は、フィラーワイヤ１４が巻き付けられたローラ１７と、ローラ１７から第１工具部６に向かってフィラーワイヤ１４を送り出す搬送ローラ１８とを備えている。なお、第２フィラー送給部５も第１フィラー送給部４と同様の構成を有しているため、第２フィラー送給部５の説明は省略する。
【００３４】
次に、摩擦接合装置１を用いた摩擦接合方法について説明する。ここでは、２枚のプレート２４，２５を突き合わせ接合する方法を説明することとする。プレート２４，２５はいずれもアルミニウムからなり、フィラーワイヤ１４，２３にはアルミニウム製のワイヤを用いることとする。
【００３５】
まず、プレート２４とプレート２５とを作業台（図示せず）上に置き、両プレート２４，２５の端面同士を突き合わせる。次に、摩擦接合装置１を起動する。接合開始時には、工具選択機構８は第１工具部６を選択する。そして、工具選択機構８は、回転する第１工具部６を両プレート２４，２５の突き合わせ部分の一端側（図２の手前側）に押し当てる。これにより、ピン１１の挿入部１２は両プレート２４，２５の突き合わせ部分に挿入される。すると、両プレート２４，２５の突き合わせ部分はピン１１の摩擦熱によって軟化し、撹拌されて塑性流動を起こす。また、ピン１１から突出したフィラーワイヤ１４も、同様に摩擦熱によって軟化し、塑性流動を起こす。
【００３６】
その後、第１工具部６を回転させたまま、第１工具部６を両プレート２４，２５の突き合わせ部分の端面に沿って他端側に移動させる。そして、この第１工具部６の移動に伴い、第１フィラー送給部４からフィラーワイヤ１４を一定の速度で送り出す。すると、第１工具部６の進行方向の後側において、塑性流動した接合部分２６は摩擦熱を失い、冷却固化される。その結果、両プレート２４，２５は接合部分２６において摩擦撹拌接合される。
【００３７】
その後、第１工具部６が両プレート２４，２５の突き合わせ部分の他端に到達すると、工具選択機構８は、第１工具部６のピン１１を引き上げる。その結果、図４に示すように、接合部分２６に穴２７が残ることになる。
【００３８】
次に、工具選択機構８は、工具部として第２工具部７を選択する。そして、回転する第２工具部７を、穴２７が残った接合部分２６に押し当てる。すると、接合部分２６は、回転盤２０の摩擦熱によって軟化し、撹拌されて塑性流動を起こす。また、回転盤２０から突出したフィラーワイヤ２３も、同様に摩擦熱によって軟化し、接合部分２６と共に塑性流動を起こす。
【００３９】
その後、工具選択機構８は第２工具部７を引き上げる。その結果、接合部分２６の塑性流動箇所は冷却固化され、穴２７は塞がれる。これにより、図５に示すように、接合部分２６には、穴２７を閉塞してなる閉塞部２６ａが形成され、終端穴のない接合部分２６が得られる。
【００４０】
本実施形態によれば、摩擦撹拌接合に際して接合部分２６にフィラーワイヤ１４を供給するので、両プレート２４，２５の突き合わせ部分にずれや隙間が生じていたとしても、これらのずれや隙間はフィラーによって埋められる。そのため、溶着量が十分に確保されるので、両プレート２４，２５は十分な強度で接合される。また、接合部分２６における板厚の減少を抑制することができる。
【００４１】
第１工具部６のピン１１によって接合部分２６を押しつけているものの、接合部分２６にはフィラーが供給されるので窪みにくくなり、アンダーフィルは抑制又は防止される。そのため、接合後のプレート２４，２５の外観が良くなる。したがって、接合対象物の製品価値を高めることができる。
【００４２】
また、接合部分２６の終端において、穴の発生を防止することができる。したがって、接合部分２６の終端部を除去する処理が不要となる。また、終端部を除去できないような接合対象物に対しても、摩擦撹拌接合を利用することが可能となる。例えば、接合部分が円周状に配置されたような接合対象物に対して、摩擦撹拌接合を利用することが可能となる。
【００４３】
上記実施形態は、接合部分２６が直線状に配置された形態であった。しかし、接合部分は曲線状に配置されていてもよい。また、接合対象物を点状に接合してもよい。すなわち、接合対象物をスポット的に接合してもよい。接合部２６は散点状に配置されていてもよい。
【００４４】
例えば、図６に示すように、２枚のプレート２８，２９を、複数の接合点３３にて摩擦撹拌接合してもよい。この場合には、第１工具部６を用いて両プレート２８，２９を摩擦撹拌接合した後、接合点３３に残る穴を第２工具部７を用いて閉塞すればよい。本発明によれば、接合後に接合点３３において穴が形成されないので、接合後の組立構造物３０の外観を良好に保つことができる。
【００４５】
上記実施形態はアルミニウム製のプレート同士を接合したものであったが、本発明に係る摩擦接合装置又は摩擦接合方法の接合対象物の材料は、特に限定されるものではない。アルミニウム以外の他の金属の接合において、前記摩擦接合装置又は摩擦接合方法を用いてもよい。また、接合対象物は同種材料からなっていてもよいが、異種材料からなっていてもよい。例えば、アルミニウムと他の金属とを接合してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】摩擦接合装置の構成を示すブロック図である。
【図２】第１フィラー送給部及び第１工具部の模式図である。
【図３】第１工具部による摩擦撹拌接合を示すプレートの断面図である。
【図４】第２工具部による穴の閉塞処理を示すプレートの断面図である。
【図５】接合後のプレートの斜視図である。
【図６】接合後のプレートの斜視図である。
【図７】従来の摩擦撹拌接合を示すプレートの断面図である。
【図８】従来の摩擦撹拌接合により接合されたプレートの斜視図である。
【符号の説明】
１　　　　　摩擦接合装置
２　　　　　　　フィラー送給部
３　　　　　接合機構部
４　　　　　第１フィラー送給部（フィラーワイヤ供給機構）
５　　　　　第２フィラー送給部（フィラーワイヤ供給機構）
６　　　　　第１工具部
７　　　　　第２工具部
８　　　　　工具選択機構
１０，１９　ショルダ（回転機構）
１１　　　　ピン
１４，２３　フィラーワイヤ
１５，２１　通路
１６，２２　開口
２０　　　　回転盤
２４，２５　　プレート
２６　　　　接合部分
３１　　　　摩擦撹拌接合用工具
３２　　　　穴処理用工具
【図１】
2004025296.tif 000003
【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】
2004025296.tif 000008
【図７】
2004025296.tif 000009
【図８】
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