(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
部材を重ね合せてなるワークを、該ワークに挿入されるプローブ、及び該プローブを支持するショルダを有する摩擦撹拌接合用のツールによって接合した際の接合部に対し、前記プローブの挿入側と反対側から超音波を入射する入射工程と、
前記超音波によって前記接合部の超音波透過画像を得る画像取得工程と、
前記超音波透過画像で得られる前記接合部の幅寸法が前記プローブの外径以上となっており、かつ、前記超音波透過画像における前記ショルダの外径以下の範囲に、所定の大きさ以上の接合欠陥が無い場合に前記接合部が接合されたと判断する判断工程と、
を含み、
前記判断工程では、前記プローブの外径と、前記超音波透過画像から得た前記ワークにおける前記プローブの引き抜き穴の内径との比を用い、前記超音波透過画像から得た前記接合欠陥の大きさを補正する補正工程を含む接合部の判定方法。
【請求項２】
前記判断工程では、前記超音波透過画像における前記プローブの外径以上で、かつ、前記ショルダの外径以下の範囲に、所定の大きさ以上の接合欠陥が無い場合に前記接合部が接合されたと判断する請求項１に記載の接合部の判定方法。
【請求項３】
前記判断工程では、前記接合欠陥を前記プローブの挿入方向に交差する方向からみた際の該接合欠陥の最大寸法が、前記ワークのうちの前記プローブの挿入側の前記部材の板厚の０．２倍以下である場合に、前記接合部が接合されたと判断する請求項１又は２に記載の接合部の判定方法。
【請求項４】
前記入射工程では、前記超音波を前記ワークの表面に対して入射角０度で入射させる請求項１から３のいずれか一項に記載の接合部の判定方法。
【請求項５】
部材を重ね合せてなるワークを摩擦撹拌接合によって接合する接合工程と、
前記ワークの接合後に、接合部に対して適用される請求項１から４のいずれか一項に記載の判定方法と、
を含む接合材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ワークを摩擦撹拌接合によって接合した後に実行する接合部の判定方法、及び、この判定方法を含む接合材の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
二つの部材からなるワークを接合する方法の一つとして摩擦攪拌接合が知られている。摩擦攪拌接合は、ワークの接合部をツールのショルダ面で加圧した状態でツールを回転させることでワーク表面に生じさせた摩擦熱でワークを接合する接合方法である。
【０００３】
ところで、従来、摩擦撹拌接合の接合部は、接合後に超音波探傷検査（ＵＴ：Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ  Ｔｅｓｔｉｎｇ）によって接合状態の検査が行われている。
超音波探傷検査では、内部欠陥や、例えば特許文献１に記載されているような接合径を検査することが可能である。特許文献１の手法を用いることで、圧接面領域を拡散接合領域と誤認されることを回避し、拡散接合径を精度よく測定することを可能としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１３−４７６４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載された手法では、被接合部材の裏面との距離ΔＴに基づいて接合径を推定しているため、この接合径は実測値ではない。従って、接合状態が十分であるか否かの判断は実測値ではなく、推定値に基づいて行われることになり、十分な接合品質を確保することができない場合がある。
【０００６】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、簡易な手法で、接合部の接合状態の判断を行って、接合品質を向上可能な接合部の判定方法、及び、この判定方法を含む接合材の製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
本発明の第一の態様に係る接合部の判定方法は、部材を重ね合せてなるワークを、該ワークに挿入されるプローブ、及び該プローブを支持するショルダを有する摩擦撹拌接合用のツールによって接合した際の接合部に対し、前記プローブの挿入側と反対側から超音波を入射する入射工程と、前記超音波によって前記接合部の超音波透過画像を得る画像取得工程と、前記超音波透過画像で得られる前記接合部の幅寸法が前記プローブの外径以上となっており、かつ、前記超音波透過画像における前記ショルダの外径以下の範囲に、所定の大きさ以上の接合欠陥が無い場合に前記接合部が接合されたと判断する判断工程と、を含み、前記判断工程では、前記プローブの外径と、前記超音波透過画像から得た前記ワークにおける前記プローブの引き抜き穴の内径との比を用い、前記超音波透過画像から得た前記接合欠陥の大きさを補正する補正工程を含んでいる。
【０００８】
接合部に超音波を入射することで、接合が行われている部分は、超音波が反射せずに、超音波透過画像として取得される。この際、接合が不十分な圧接部（不完全に接合されており、部材同士が圧接されている状態となっている部分）についても接合が行われているとみなされることがある。この場合、超音波透過画像ので得られる接合部の幅寸法は上記の圧接部を含んでいることになり、プローブの外径よりも大きな範囲が超音波透過画像として取得される。
ここで、プローブが通過する位置ではワークは撹拌されるため、超音波透過画像で得られる前記接合部の幅寸法がプローブの外径以上となっていれば、少なくともプローブの外径の範囲では接合がしっかりと行われているとみなすことができる。そして、プローブの外径の範囲で接合が行われていれば、ショルダの外径以下の範囲の接合欠陥の大きさが所定値に抑えられている場合、接合強度を維持できるといえる。
本発明では少なくともショルダの外径以下の範囲での接合欠陥の大きさを超音波透過画像から判断し、この範囲で接合欠陥の大きさが所定値に抑えられているかどうかを検出できる。このため、上述のように、この検出結果を基に接合状態が良好であるか否かを容易に判断できる。
また、プローブの引き抜き穴の大きさや形状は、プローブの大きさや形状にほぼ一致する。このため、実際のプローブの外径と、超音波透過画像から得た引き抜き穴の内径とを用いて、その比から超音波透過画像から取得した接合欠陥の大きさに補正をかけることで、より正確に接合欠陥の大きさの情報を得ることができる。従って、接合状態の良否の判定をより正確に行うことができる。
【０００９】
また、本発明の第二の態様に係る接合部の判定方法では、上記第一の態様における前記判断工程では、前記超音波透過画像における前記プローブの外径以上で、かつ、前記ショルダの外径以下の範囲に、所定の大きさ以上の接合欠陥が無い場合に前記接合部が接合されたと判断してもよい。
【００１０】
プローブの外径以上、かつ、ショルダの外径以下の範囲での接合欠陥の大きさを超音波透過画像から判断し、この範囲で接合欠陥の大きさが所定値に抑えられているかどうかを検出できる。このため、この検出結果を基に接合状態が良好であるか否かを容易に判断できる。
【００１１】
また、本発明の第三の態様に係る接合部の判定方法では、上記第一又は第二の態様における前記判断工程では、前記接合欠陥を前記プローブの挿入方向に交差する方向からみた際の該接合欠陥の最大寸法が、前記ワークのうちの前記プローブの挿入側の前記部材の板厚の０．２倍以下である場合に、前記接合部が接合されたと判断してもよい。
【００１２】
「０．２倍以下」とはＩＳＯ２５２３９−５：２０１１に規定された数値であり、判断工程においてワークの板厚の０．２倍以下に接合欠陥の最大寸法を抑えることが可能となることで、接合部の接合状態を良好なものとすることができる。
なお、プローブの挿入方向に交差する方向からみた際の接合欠陥の最大寸法とは、ツールが進行する接合方向に交差するワークの断面をみた際の最大寸法を意味しており、接合方向に沿う方向の最大寸法ではない。
【００１３】
また、本発明の第四の態様に係る接合部の判定方法では、上記第一から第三のいずれかの態様における前記入射工程では、前記超音波を前記ワークの表面に対して入射角０度で入射させてもよい。
【００１４】
このように超音波の入射角を０度とすることで、ワークの接合部が圧接面となっているのか、又は、撹拌接合がなされているのかを検出し易くなり、即ち、接合部での接合幅の情報を超音波透過画像からより正確に検出できる。
【００１６】
プローブの引き抜き穴の大きさや形状は、プローブの大きさや形状にほぼ一致する。このため、実際のプローブの外径と、超音波透過画像から得た引き抜き穴の内径とを用いて、その比から超音波透過画像から取得した接合欠陥の大きさに補正をかけることで、より正確に接合欠陥の大きさの情報を得ることができる。従って、接合状態の良否の判定をより正確に行うことができる。
【００１７】
また、本発明の第五の態様に係る接合部の接合材の製造方法は、部材を重ね合せてなるワークを摩擦撹拌接合よって接合する接合工程と、前記ワークの接合後に、接合部に対して適用される上記第一から第四のいずれかの態様における判定方法と、を含んでいてもよい。
【００１８】
このような接合材の製造方法によれば、判定方法が含まれていることで、ショルダの外径以下の範囲で、接合欠陥の大きさが所定値に抑えられているかどうかを検出でき、この検出結果を基に、接合状態が良好であるか否かを容易に判断できる。
【発明の効果】
【００１９】
上記の接合部の判定方法、及び接合材の製造方法によれば、簡易な手法で、接合部の接合状態の判断を行って、接合品質を向上することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施形態に係る接合材の製造方法で製造された接合材を示す斜視図である。
【図２】本発明の実施形態に係る接合材の製造方法に含まれる判定方法を実行している状態を示すワーク表面に直交する断面を示す図である。
【図３】本発明の実施形態に係る接合材の製造方法を示すフロー図である。
【図４】本発明の実施形態に係る接合材の製造方法に含まれる判定方法を実行している状態の他の例を示すワーク表面に直交する断面を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の実施形態に係る接合部の判定方法を含む接合材Ｗ１の製造方法について、図１及び図２を参照して説明する。
接合材Ｗ１の製造方法は、二枚の板材Ｗａ（部材）を板厚方向に重ね合せてなるワークＷに摩擦撹拌接合を施して接合材Ｗ１を製造する際に用いられ、摩擦撹拌接合が行われた接合部Ｊの状態を判定するものである。
【００２２】
具体的には、図３に示すように、接合材Ｗ１の製造方法は、ワークＷに摩擦撹拌接合を施してワークＷの接合を行う接合工程Ｓ１と、接合後、ワークＷの接合部Jの状態を判断する工程を含む判定方法とを含んでいる。
【００２３】
まず、接合工程Ｓ１を実行する。接合工程Ｓ１では、板材Ｗａの板厚方向、即ちワークＷにおける重ね合せ方向の一方側から摩擦撹拌接合用のツール１を近接させ、ツール１を板材Ｗａの表面に押し付けつつ回転させることでワークＷに塑性流動を生じさせ、ワークＷを接合する。
【００２４】
ここで、摩擦撹拌接合用のツール１は、棒状をなして接合時にワークＷの表面からワークＷ内に挿入されるプローブ２と、棒状をなしてプローブ２の一端を支持するとともにプローブ２よりも大径に形成され、かつ、接合時に板材Ｗａの表面に押圧されるショルダ面３ａを有するショルダ３とを備えている。
【００２５】
次に、接合部Jの判定方法を実行する。
判定方法は、超音波ＵＳを入射させる入射工程Ｓ２と、入射させた超音波ＵＳによって超音波透過画像を得る画像取得工程Ｓ３と、超音波透過画像から接合部Ｊの状態を判断する判断工程Ｓ４とを含んでいる。
【００２６】
判定方法では、まず入射工程Ｓ２を実行する。即ち、ワークＷの接合部Ｊに対して、板厚方向の他方側、即ち、ツール１が板材Ｗａに押圧される側とは反対側から超音波ＵＳを入射させる。
【００２７】
ここで、接合部Ｊを検査する方法として、超音波探傷検査（ＵＴ：Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ  Ｔｅｓｔｉｎｇ）というものが一般に知られている。この超音波探傷検査は、非破壊検査の一種であり、超音波パルスを接合部に発信した際に、接合部の内部の接合欠陥に反射される反射波から画像を作成、確認することで、接合欠陥の大きさや位置を特定することを可能とする。超音波が反射されずに透過する部分は接合が行われているとみなすことができ、この部分を示す情報を超音波透過画像として取得することが可能となっている。
【００２８】
次に画像取得工程Ｓ３を実行する。即ち、入射させた超音波ＵＳが透過する部分の情報として超音波透過画像を取得する。本実施形態では、超音波ＵＳは、板材Ｗａの表面に対して直交する方向から入射される。即ち、表面に対して入射角０度で入射される。
【００２９】
ここで、超音波ＵＳによって超音波透過画像を得た場合、接合が行われている部分は、上述したように超音波ＵＳが反射せずに、超音波透過画像として取得される。この際、接合が不十分な圧接部ＰＡ（不完全に接合されており、部材同士が圧接されている状態となっている部分、図２参照）についても接合が行われているとみなされることがある。この場合、超音波透過画像で得られる接合部Ｊの幅寸法は上記の圧接部ＰＡを含んでいることになり、プローブ２の外径ｄよりも大きな範囲が超音波透過画像として取得される。
なお、接合部Ｊの幅寸法とは、ツール１が進行する接合方向、及び板材Ｗａの板厚方向に直交する方向の寸法である。
【００３０】
最後に判断工程Ｓ４を実行する。即ち、超音波透過画像で得られる接合部Ｊの幅寸法がプローブ２の外径ｄ以上となっており、かつ、超音波透過画像におけるプローブ２の外径ｄ以上でショルダ３の外径Ｄ以下の範囲に、所定の大きさ以上の接合欠陥ＪＤが無い場合に、接合部Ｊが接合されたと判断され、接合材Ｗ１の製造が完了する。
【００３１】
本実施形態では、判断工程Ｓ４で判断される接合欠陥ＪＤの直径ｄ１が、ワークＷのうちのプローブ２の挿入側の板材Ｗａの板厚ｓの０．２倍以下である場合に、接合部Ｊが接合されたと判断される。即ち、ｄ１≦０．２ｓが成立する。この式は、「ＩＳＯ２５２３９−５：２０１１」に規定された数値である。
なお、接合欠陥ＪＤの直径ｄ１とは、ワークＷの板厚方向（プローブの挿入方向）に直交する方向（交差する方向でもよい）から接合欠陥ＪＤを見た際の接合欠陥ＪＤの最大寸法を示し、接合欠陥ＪＤが楕円状をなす場合には長径に相当する。
即ち、接合欠陥ＪＤの最大寸法とは、接合方向に直交するワークＷの断面をみた際の最大寸法を意味しており、接合方向に沿う方向の最大寸法ではない。
【００３２】
さらに、判断工程Ｓ４では、プローブ２の外径ｄと、超音波透過画像から得たワークＷにおけるプローブ２の引き抜き穴の内径との比を用い、超音波透過画像から得た接合欠陥ＪＤの大きさを補正する補正工程Ｓ４ａを含んでいる。
なお、摩擦撹拌接合では、接合後にワークＷに挿入されたプローブ２を引き抜く必要があり、引き抜きの際に、上記の引き抜き穴が形成される。
【００３３】
このような接合材Ｗ１の製造方法によると、接合部Ｊの判定方法が実行されることで、少なくともプローブ２の外径ｄ以上でショルダ３の外径Ｄ以下の範囲での接合欠陥ＪＤの大きさを超音波透過画像から判断し、この位置で所定の大きさの接合欠陥ＪＤの有無を検出可能である。
【００３４】
ここで、プローブ２が通過する位置ではワークＷは撹拌されるため、超音波透過画像で得られる前記接合部の幅寸法がプローブ２の外径ｄ以上となっていれば、少なくともプローブ２の外径ｄの範囲では接合がしっかりと行われているとみなすことができる。
そして、プローブ２の外径ｄの範囲で接合が行われている場合、プローブ２の外径ｄ以上でショルダ３の外径Ｄ以下の範囲の接合欠陥ＪＤの大きさが所定値に抑えられていれば、接合強度を維持できるといえる。
【００３５】
従って、本実施形態では、上記のようにプローブ２の外径ｄ以上でショルダ３の外径以下の範囲の接合欠陥ＪＤの大きさが所定値に抑えられているかどうかを検出することで、この検出結果を基に、接合状態が良好であるか否かを容易に判断できる。
【００３６】
さらに、接合欠陥の大きさがｄ１≦０．２ｓを満足することを接合状態の良否の判定基準とすることで、接合部Ｊの接合状態をさらに良好なものとすることができる。
【００３７】
ここで、図４に示すように、摩擦撹拌接合を行った際には、接合部Ｊ１がプローブ２の外面に沿うような形状となり、かつ、プローブ２の径方向外側でプローブ２に近接する位置で接合欠陥ＪＤ（ボイド）が生じることがある。このような場合には、接合部Ｊ１の接合強度が特に低くなってしまうが、本実施形態における接合部の判定方法を実行することで、接合状態を良好なものとすることができる。
【００３８】
さらに、超音波ＵＳの入射角を０度とすることで、ワークＷの接合部Ｊが圧接面ＰＡとなっているのか、又は、撹拌接合がなされているのかを検出し易くなり、即ち、接合部Ｊの幅寸法の情報を超音波透過画像からより正確に検出できる。
【００３９】
また、プローブ２の引き抜き穴の大きさや形状は、プローブ２の大きさや形状にほぼ一致する。このため、判断工程Ｓ４で補正工程Ｓ４ａを実行し、実際のプローブの外径ｄと、超音波透過画像から得た引き抜き穴の内径とを用いて、その比から、超音波透過画像から取得した接合欠陥ＪＤの大きさに補正をかけることで、より正確に接合欠陥ＪＤの大きさの情報を得ることができる。従って、接合状態の良否の判定をより正確に行うことができる。
【００４０】
本実施形態の接合材Ｗ１の製造方法によると、上述した判定方法を用いることで、簡易な手法で接合状態の判断を行い、接合材Ｗ１の接合品質を向上することが可能となる。
【００４１】
以上、本発明の実施形態について詳細を説明したが、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内において、多少の設計変更も可能である。
例えば、上述の実施形態では、超音波ＵＳの入射角を０度としていたが、必ずしもこれに限定されることはない。例えば入射角４５度で超音波ＵＳを入射させることも可能である。この場合、板厚方向に沿って延びる接合欠陥ＪＤが接合部Ｊ（Ｊ１）に存在する場合に、このような接合欠陥を発見し易くなる。
【００４２】
また、判断工程Ｓ４では、必ずしも補正工程Ｓ４ａが実行されなくてもよい。
さらに、上述の判定方法を摩擦撹拌スポット接合にも適用可能である。なお、この摩擦撹拌スポット溶接では、接合部にプローブ２の引き抜き穴が形成されないように、接合後にワークＷの表面に沿って接合部から離間する位置まで多少ツール１を移動させた後に、プローブ２を引き抜くようにする。
【００４３】
また、判断工程Ｓ４では、少なくとも超音波透過画像におけるショルダ３の外径Ｄ以下の範囲に、所定の大きさ以上の接合欠陥ＪＤが無い場合に、接合部Ｊが接合されたと判断すればよい。即ち、必ずしもプローブ２の外径ｄ以上かつショルダ３の外径Ｄ以下の範囲での接合欠陥ＪＤの有無を基に判断を行わなくてもよい。
また、判断工程Ｓ４では、接合欠陥ＪＤの直径ｄ１が上述した０．２ｓ以下である場合に接合部Ｊが接合されたと判断される場合に限定されず、直径ｄ１が４ｍｍ以下である場合に接合部Ｊが接合されたと判断されてもよい。
【００４４】
さらに、上述の製造方法では、上記のツール１に代えて、プローブ２を両端から支持する二つのショルダ（上ショルダ及び下ショルダ）を有して、これら二つのショルダによってワークＷを挟み込んで接合を行うボビンツールを用いることも可能である。この場合、超音波ＵＳは、板厚方向の一方側、他方側のいずれから入射させてもよい。
【００４５】
なお、ワークＷを構成する部材は板材である場合に限定されず、少なくとも重ね合せて摩擦撹拌接合によって接合可能な部材、例えば押し出し形材等であってもよい。
【符号の説明】
【００４６】
１…ツール  
２…プローブ  
３…ショルダ  
３ａ…ショルダ面  
Ｗ１…接合材  
Ｗ…ワーク  
Ｗａ…板材（部材）  
ＰＡ…圧接部
Ｊ、Ｊ１…接合部  
ＪＤ…接合欠陥
ＵＳ…超音波  
Ｓ１…接合工程  
Ｓ２…入射工程  
Ｓ３…画像取得工程  
Ｓ４…判断工程  
Ｓ４ａ…補正工程  
【図１】
0006402993.tif 000002
【図２】
0006402993.tif 000003
【図３】
0006402993.tif 000004
【図４】
0006402993.tif 000005