(57)【要約】【課題】接合点におけるワークの厚さが薄くなることを効果的に防止して接合強度の向上を図ることが可能な摩擦攪拌接合冶具およびそれを用いた摩擦攪拌接合方法を提供する。また、接合ピンや回転子のショルダ部によるワークの飛び散りやバリの発生を軽減可能な摩擦攪拌接合冶具およびそれを用いた摩擦攪拌接合方法を提供する。【解決手段】先端部に接合ピン３を有する回転子２を備えた摩擦攪拌接合冶具１であって、回転子２および接合ピン３の中心を貫通する貫通孔６が設けられており、貫通孔６の内部に回転軸方向に移動可能な可動ピン７を備えている。【選択図】図１
2005319484.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
先端部に接合ピンを有する回転子を備えた摩擦攪拌接合冶具であって、前記回転子および前記接合ピンの中心を貫通する貫通孔が設けられており、前記貫通孔の内部に回転軸方向に移動可能な可動ピンを備えることを特徴とする摩擦攪拌接合冶具。
【請求項２】
前記回転子と前記可動ピンとの間隙に、潤滑剤が充填されていることを特徴とする請求項１に記載の摩擦攪拌接合冶具。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の摩擦攪拌接合冶具の前記接合ピンおよび前記可動ピンを回転させながら重ね合わせ状態または突き合わせ状態の被接合部材に押圧する摩擦工程と、
前記可動ピンを前記回転子後端側に移動させながら前記接合ピンを摩擦熱により軟化した前記被接合部材に圧入する圧入工程と、
前記接合ピンにより軟化した前記被接合部材を攪拌して一体化させる溶接工程と、
前記可動ピンを前記回転子先端側に移動させながら前記接合ピンを前記被接合部材から引き抜く引抜工程と
を含む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、摩擦攪拌接合冶具およびそれを用いた摩擦攪拌接合方法に係り、特に、接合点におけるワークの厚さが薄くなることを防止可能な摩擦攪拌接合冶具およびそれを用いた摩擦攪拌接合方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
アルミニウムやマグネシウム、鉄等の金属材料や樹脂材料等よりなる被接合部材（以下、ワークという。）を接合する方法として、近年、摩擦攪拌接合法が注目され、種々の摩擦攪拌接合冶具が開発されている（例えば、特許文献１、２等参照）。この摩擦攪拌接合法は、従来のアーク溶接等の接合法に比べ、接合後のワークのひずみが小さく、アーク溶接における接合強度以上の接合強度が得られるという特徴を有する。
【０００３】
この摩擦攪拌接合冶具は、通常、先端に接合ピン１０１と呼ばれる突起部を有する円柱形状の回転子１００を備える（図５参照）。そして、回転子１００を高速で回転させながら、裏側から裏当て材Ｍをあてがわれた重ね合わせ状態或いは端部を突き合わせた状態の一対のワークＷ１、Ｗ２の接合点Ｐに接合ピン１０１を押し付け［図５（Ａ）参照］、接合点近傍が摩擦熱で軟化したら、さらに接合ピン１０１を圧入し［図５（Ｂ）参照］、接合ピン１０１や接合ピンを支える回転子１００のショルダ部１０２で軟化したワークW１、W２の接合点近傍を攪拌し、塑性流動を生じさせて、ワーク同士を冶金的に一体化させる［図５（Ｃ）参照］。
【０００４】
しかし、接合完了後、接合ピン１０１を引き抜くと、図５（Ｃ）に示したように、ワークに空洞Ｈが残り、接合点Ｐでのワークの厚さＴが薄くなる。そのため、接合点Ｐでの接合強度が低下してしまうという問題があった。
【０００５】
このような接合点Ｐでの接合強度の低下を防止する方法としては、接合ピン１０１の周囲や接合ピン１０１の先端にワークと同じ材料よりなる付加材料片を取り付けて、ワークとともに付加材料片を摩擦熱により溶融させてワークと一体化させることにより、空洞Ｈやその周辺に付加材料片を供給し、接合点Ｐやその周辺でのワークの厚さを厚くして接合強度を向上させる方法が開示されている（特許文献３参照）。
【特許文献１】特開２００２−２２４８５９号公報
【特許文献２】特開２００２−６６７６０号公報
【特許文献３】特開２００３−６２６７８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、摩擦攪拌接合では、従来から、接合ピンや回転子のショルダ部の高速回転により、溶融したワークが飛び散ったりワークの表面にバリが生じる等の問題が指摘されている（前記特許文献１、２等参照）。そのような状態で、特許文献３に記載の方法に従ってさらに付加材料片を供給してしまうと、回転子やショルダ部の高速回転により溶融したワークに加えて溶融した付加材料片が大量に飛び散り、ワーク表面により大きなバリが頻繁に発生するようになる。そのため、バリの除去が必要になり、製造効率が悪化するとともに製造コストがかさむという問題があった。
【０００７】
また、特許文献３に記載の方法では接合ピンに付加材料片を取り付けるが、付加材料片の取り付け不良が発生すると、それに起因して接合不良やその修正等の種々の問題が生じるため、溶接のたびに付加材料片を接合ピンに正確に取り付けなければならない。しかし、実際にはその作業は非常に煩雑であり、生産効率の低下を招く等の問題があり、必ずしも実用的な方法とは言い難かった。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、接合点におけるワークの厚さが薄くなることを効果的に防止して接合強度の向上を図ることが可能な摩擦攪拌接合冶具およびそれを用いた摩擦攪拌接合方法を提供することである。また、本発明は、接合ピンや回転子のショルダ部によるワークの飛び散りやバリの発生を軽減可能な摩擦攪拌接合冶具およびそれを用いた摩擦攪拌接合方法を提供することをも目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記の問題を解決するために、請求項１の摩擦攪拌接合冶具は、
先端部に接合ピンを有する回転子を備えた摩擦攪拌接合冶具であって、前記回転子および前記接合ピンの中心を貫通する貫通孔が設けられており、前記貫通孔の内部に回転軸方向に移動可能な可動ピンを備えることを特徴とする。
【００１０】
請求項１に記載の発明によれば、摩擦攪拌接合冶具によりワークを接合する際に、回転子および接合ピンに設けた貫通孔の内部で可動ピンを回転軸方向、すなわち、回転子の後端方向または先端方向に移動させることができる。
【００１１】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の摩擦攪拌接合冶具において、前記回転子と前記可動ピンとの間隙に、潤滑剤が充填されていることを特徴とする。
【００１２】
請求項２に記載の発明によれば、回転子に設けられた貫通孔の内壁と可動ピンとの間に潤滑剤を充填して、可動ピンの貫通孔内での移動の際の摩擦が少なくなる。
【００１３】
請求項３に記載の発明は、摩擦攪拌接合方法において、
請求項１または請求項２に記載の摩擦攪拌接合冶具の前記接合ピンおよび前記可動ピンを回転させながら重ね合わせ状態または突き合わせ状態の被接合部材に押圧する摩擦工程と、
前記可動ピンを前記回転子後端側に移動させながら前記接合ピンを摩擦熱により軟化した前記被接合部材に圧入する圧入工程と、
前記接合ピンにより軟化した前記被接合部材を攪拌して一体化させる溶接工程と、
前記可動ピンを前記回転子先端側に移動させながら前記接合ピンを前記被接合部材から引き抜く引抜工程と
を含むことを特徴とする。
【００１４】
請求項３に記載の発明によれば、接合ピンをワークに圧入する際に、可動ピンを回転子後端方向に移動させながら接合ピンを圧入し、接合ピンを引き抜く際には、接合ピン部分の貫通孔に入り込んだ溶融したワークを可動ピンで押し出しつつ接合ピンを引き抜くように動作させることができる。
【発明の効果】
【００１５】
請求項１に記載の発明によれば、摩擦攪拌接合冶具によりワークを接合する際に、回転子および接合ピンに設けた貫通孔の内部で可動ピンを回転子の後端方向または先端方向に移動させることができるため、ワークに対する接合ピンの圧入に際しては可動ピンを後端方向に移動させ、接合ピンを引き抜く際には、可動ピンを先端方向に移動させて接合ピン部分の貫通孔に溜まった溶融したワークを押し出すことができる。そのため、接合ピンにより形成される接合点の空洞を浅くし、接合点におけるワークの厚さを厚くすることができ、接合点における接合強度を向上させることが可能となる。
【００１６】
また、従来の摩擦攪拌接合冶具では飛び散ったりバリとなっていた溶融したワークを接合ピンに設けられた貫通孔に一旦逃がすことができるため、ワークの飛び散りやバリの発生を回避し、軽減することが可能となる。さらに、接合ピンに付加材料片を取り付ける作業やバリ除去の作業が不要となるため、作業を容易にかつ効率的に行うことができ、実用的である。
【００１７】
請求項２に記載の発明によれば、回転子に設けられた貫通孔の内壁と可動ピンとの間に潤滑剤を充填して、可動ピンの貫通孔内での移動の際の摩擦が少なくなるため、前記請求項１に記載の発明の効果に加え、貫通孔内での可動ピンをより正確に移動させることが可能となると同時に、回転子と可動ピンとの間隙に溶融したワークが入り込むことを有効に防止することができる。
【００１８】
請求項３に記載の発明によれば、接合ピンをワークに圧入する際に、可動ピンを回転子後端方向に移動させながら接合ピンを圧入し、接合ピンを引き抜く際には、接合ピン部分の貫通孔に入り込んだ溶融したワークを可動ピンで押し出しつつ接合ピンを引き抜くように動作させることができる。そのため、接合ピンにより形成される接合点の空洞を浅くし、接合点におけるワークの厚さを厚くすることができ、接合点における接合強度を向上させることが可能となる。
【００１９】
また、従来の摩擦攪拌接合冶具では飛び散ったりバリとなっていた溶融したワークを接合ピンに設けられた貫通孔に一旦逃がすことができるため、ワークの飛び散りやバリの発生を回避し、軽減することが可能となる。さらに、接合ピンに付加材料片を取り付ける作業やバリ除去の作業が不要となるため、作業を容易にかつ効率的に行うことができ、実用的である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明に係る摩擦攪拌接合冶具およびそれを用いた摩擦攪拌接合方法の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００２１】
図１（Ａ）は、本実施形態の摩擦攪拌接合冶具の斜視図であり、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）の摩擦攪拌接合冶具のＸ−Ｘ線断面図である。摩擦攪拌接合冶具１は、円柱形状の回転子２を備えており、回転子２は、後端側の図示しない摩擦攪拌接合装置本体により回転軸Ｌを中心に高速回転されるように構成されている。
【００２２】
回転子２の先端面中央部には、先端角部が面取りされた円柱形状の接合ピン３が回転子２と同軸になるように回転子２と一体的に突設されている。接合ピン３の長さ等は、接合する図示しないワークの厚さ等により適宜選択される。
【００２３】
回転子２の先端面であって接合ピン３の外周部分には、外周縁部から中心の接合ピン３に向かうに従って回転子内部に入り込むように、すなわち、対向するワークから遠ざかるように傾斜するショルダ部４が設けられており、このショルダ部４は、摩擦熱により溶融したワークを収容するようになっている。従って、ショルダ部４の傾斜の度合、すなわち、接合ピン３の外周とショルダ部４により形成される溶融したワークの溜まり部５の容積は、接合ピン３により押し出される溶融したワークをすべて収容できるように適宜決定される。
【００２４】
回転子２および接合ピン３の中心部には、貫通孔６が回転軸Ｌに沿ってそれらを貫通した状態に穿設されている。また、貫通孔６の内部には、棒状の可動ピン７が挿通されており、可動ピン７は、回転子後端側の摩擦攪拌接合装置内の図示しない駆動装置により回転軸方向に移動可能に構成されている。
【００２５】
回転子２および接合ピン３と可動ピン７との間隙には、潤滑剤８が充填されており、潤滑剤８としては、油類や固体潤滑剤等が用いられる。回転子２と可動ピン７との間隙は、０．２ｍｍ以下程度の範囲内で適宜設定される。
【００２６】
次に、図２は、本実施形態の前記摩擦攪拌接合冶具を用いた摩擦攪拌接合方法の各工程を示す模式図である。図２では、重ね合わせた状態のワークＷ１、Ｗ２を摩擦攪拌接合冶具１を用いてスポット溶接する場合を示す。
【００２７】
図２（Ａ）に示す摩擦工程では、摩擦攪拌接合冶具１の接合ピン３および可動ピン７を、先端を揃えた状態で高速回転させながら、裏側から裏当て材Ｍがあてがわれた状態の重ね合わされたワークＷ１、Ｗ２に先端部分を押し当てることで、ワークの表面を摩擦する。それらとワークとの間の摩擦により、摩擦熱が発生し、この摩擦熱によりワークが軟化する。
【００２８】
図２（Ｂ）に示す圧入工程では、摩擦熱で軟化したワークに対して可動ピン７を回転子２の後端側に移動させながら接合ピン３を圧入する。ワークが軟化すると、図２（Ｂ）に示したように、接合ピン３はそのままワークの内部に圧入されていくが、同時に可動ピン７を回転子２の後端方向に移動させることで、接合ピン３に設けられた貫通孔６に溶融したワークの一部が入り込む。
【００２９】
図２（Ｃ）に示す溶接工程では、ショルダ部４の外周縁部がワーク表面に接し或いはある程度圧入された状態で接合ピン３およびショルダ部４により軟化したワークを攪拌して上下のワークＷ１、Ｗ２を一体化させる。その際、可動ピン７はその先端部が上側のワークＷ１の表面位置と略同一の位置になるように回転子２の後端方向に移動されている。
【００３０】
具体的には、図２（Ｃ）に示したように、接合ピン３をさらに押し込んでいくと、ショルダ部４の外周縁部がワーク表面に当接する状態となり、高速回転している接合ピン３およびショルダ部４により軟化したワークが攪拌され、塑性流動を生じて、上下のワークＷ１、Ｗ２が一体化される。その際、可動ピン７はその先端部が上側のワークＷ１の表面位置と略同一の位置になるように回転子２の後端方向に移動されるため、接合ピン３に設けられた貫通孔６にさらに溶融したワークが入り込む。しかし、押し込まれた接合ピン３の体積分のワークが盛り上がり、ワークは接合ピン３の外周とショルダ部４により形成される溜まり部５を充填する。
【００３１】
図２（Ｄ）に示す引抜工程では、可動ピン７の先端部の位置が上側のワークＷ１の表面位置と略同一の位置を保つように回転子２の先端方向に移動させながら、回転子２を引き上げて接合ピン３をワークから引き抜く。その際、図２（Ｄ）に示したように、可動ピン７の先端部の位置が上側のワークＷ１の表面位置と略同一の位置を保つように回転子２の先端方向に移動させることにより、接合ピン３に設けられた貫通孔内部の溶融したワークが押し出され、接合ピン３の外部にあった溶融したワークと結合する。
【００３２】
なお、引抜工程では、接合ピン３の外部の溶融したワークと接合ピン３に設けられた貫通孔６［図２（Ｃ）参照］に入り込んでいる溶融したワークを確実に結合させるために、可動ピン７を移動させる際に、貫通孔６に入り込んでいる溶融したワークに多少圧力をかけながら押し出すようにすることも可能である。このように、可動ピン７で貫通孔内部の溶融したワークに多少圧力をかけながら押し出すようにすれば、貫通孔内にあったワークと接合ピン３の外部のワークとを確実に結合させることが可能となる。
【００３３】
以上のように、本実施形態の摩擦攪拌接合冶具およびそれを用いた摩擦攪拌接合方法によれば、従来の摩擦攪拌接合冶具による接合のように（図５参照）のように、単に接合ピンを圧入して引き抜くだけでなく、接合ピン３を引き抜く際に、接合ピン３に設けられた貫通孔６に溜まった溶融したワークを可動ピン７により押し出すことができる。そのため、図３（Ｂ）に示すような従来の摩擦攪拌接合冶具により生じる接合点Ｐの空洞Ｈと比較して、本実施形態の摩擦攪拌接合冶具１では、図３（Ａ）に示すように、接合点Ｐの空洞Ｈが浅くなり、接合点Ｐにおけるワークの厚さＴを厚くすることができ、接合点における接合強度を向上させることが可能となる。
【００３４】
また、従来の摩擦攪拌接合冶具や前述した特許文献３に記載された摩擦攪拌接合冶具および接合方法では、接合ピン３やショルダ部４の高速回転により溶融したワークや付加材料片が行き場を失って回転子２の外側に飛び散ったり、ワークにバリＢ［図３（Ｂ）参照］を形成したりした。それに対し、本実施形態の摩擦攪拌接合冶具１および摩擦攪拌接合方法によれば、溶融したワークを接合ピン３に設けられた貫通孔６に一旦逃がすことができるため、ワークの飛び散りやバリの発生を回避し、軽減することが可能となる。
【００３５】
さらに、本実施形態の摩擦攪拌接合冶具１および摩擦攪拌接合方法では、前記特許文献３に記載の冶具や接合方法とは異なり、接合ピン３に付加材料片を取り付ける等の煩雑な工程がなく、ただ接合ピン３や可動ピン７をワークに押圧し、貫通孔６の内部で可動ピン７を移動させるだけなので、作業を容易にかつ効率的に行うことができ、実用的である。
【００３６】
なお、本実施形態では、摩擦攪拌接合冶具１およびそれを用いた摩擦攪拌接合方法により、重ね合わせたワークをスポット溶接する場合について述べたが、これらの冶具や方法は、端部を突き合わせた状態のワークをスポット溶接する場合も用いることができることは言うまでもなく、同様に説明することができる。
【００３７】
また、例えば、図４に示すように、回転子２を高速回転させ、端部を突き合わせた状態のワークＷ１、Ｗ２の突き合わせ面Ｆに接合ピン３を圧入させた状態で、摩擦攪拌接合冶具１を突き合わせ面Ｆに沿って移動させて、一対のワークＷ１、Ｗ２を連続的に接合することも可能である。この場合、接合ピン３およびショルダ部４は、移動方向前方のワークを摩擦熱で溶融し、攪拌しながら後方へ送る。そして、接合ピン３を引き抜く際に可動ピン７を移動させて貫通孔６の内部の溶融したワークを押し出すことで、前記の効果を発揮することができる。また、重ね合わせた一対のワークを連続接合する場合も同様である。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】（Ａ）は、本実施形態の摩擦攪拌接合冶具の斜視図であり、（Ｂ）は、（Ａ）の摩擦攪拌接合冶具のＸ−Ｘ線断面図である。
【図２】本実施形態の前記摩擦攪拌接合冶具を用いた摩擦攪拌接合方法の各工程を示す模式図である。
【図３】（Ａ）は、本実施形態の摩擦攪拌接合冶具により生じる空洞を示す模式図であり、（Ｂ）は、従来の摩擦攪拌接合冶具により生じる空洞を示す模式図である。
【図４】本実施形態の摩擦攪拌接合冶具を用いて端部を突き合わせたワークを連続接合する状態を示す斜視図である。
【図５】従来の摩擦攪拌接合冶具を用いて重ね合わせたワークを接合する状態を示す図である。
【符号の説明】
【００３９】
１    摩擦攪拌接合冶具
２    回転子
３    接合ピン
６    貫通孔
７    可動ピン
８    潤滑剤
Ｌ    回転軸
Ｗ１、Ｗ２  被接合部材（ワーク）
【図１】
2005319484.tif 000003
【図２】
2005319484.tif 000004
【図３】
2005319484.tif 000005
【図４】
2005319484.tif 000006
【図５】
2005319484.tif 000007