(57)【要約】【課題】  高速で接合することが可能な摩擦撹拌接合装置及び摩擦撹拌接合方法を提供すること。【解決手段】  被加工物２１０，２２０同士を突き合わせた接合部２００に回転工具１を回転させながら挿入し、そのまま接合部２００に沿って回転工具１を移動させることにより、摩擦熱で被加工物２１０，２２０同士を接合するものであって、接合部２００に沿って移動する回転工具１の直前部分Ｐで被加工物２１０，２２０を加熱する加熱手段を有する摩擦撹拌接合装置。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加工物同士を突き合わせた接合部に回転工具を回転させながら挿入し、そのまま接合部に沿って当該回転工具を移動させることにより、摩擦熱で被加工物同士を接合する摩擦撹拌接合装置において、
接合部に沿って移動する前記回転工具の移動直前部分にて被加工物を加熱する加熱手段を有することを特徴とする摩擦撹拌接合装置。
【請求項２】
請求項１に記載する摩擦撹拌接合装置において、
前記加熱手段は、前記被加工物に対する加熱領域を任意に設定して加熱するものであることを特徴とする摩擦撹拌接合装置。
【請求項３】
請求項２に記載する摩擦撹拌接合装置において、
前記加熱手段は、前記加熱領域を前記回転工具のプローブ部分の径よりも十分に小さくして加熱するようにしたものであることを特徴とする摩擦撹拌接合装置。
【請求項４】
請求項２又は請求項３に記載する摩擦撹拌接合装置において、
前記加熱手段は、前記加熱領域を接合部に対して主に前記回転工具の回転方向側にして加熱するようにしたものであることを特徴とする摩擦撹拌接合装置。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれかに記載する摩擦撹拌接合装置において、
前記加熱手段は、前記被加工物に対する加熱領域の加熱温度を部分的に変化させるようにしたものであることを特徴とする摩擦撹拌接合装置。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５のいずれかに記載する摩擦撹拌接合装置において、
前記加熱手段は、レーザ発振器と、そのレーザ発振器から出力されたレーザ光を前記加熱領域に導く光学系とを有するものであることを特徴とする摩擦撹拌接合装置。
【請求項７】
被加工物同士を突き合わせた接合部に回転工具を回転させながら挿入し、そのまま接合部に沿って当該回転工具を移動させることにより、摩擦熱で被加工物同士を接合する摩擦撹拌接合方法において、
接合部に沿って移動する前記回転工具の移動直前部分を加熱領域として前記被加工物を加熱するようにしたことを特徴とする摩擦撹拌接合方法。
【請求項８】
請求項７に記載する摩擦撹拌接合方法において、
前記被加工物に対する加熱領域を任意に設定して加熱するようにしたことを特徴とする摩擦撹拌接合方法。
【請求項９】
請求項８に記載する摩擦撹拌接合方法において、
前記加熱領域を前記回転工具のプローブ部分の径よりも十分に小さくなるようにしたことを特徴とする摩擦撹拌接合方法。
【請求項１０】
請求項８又は請求項９に記載する摩擦撹拌接合方法において、
前記加熱領域を前記回転工具の回転方向側にしたことを特徴とする摩擦撹拌接合方法。
【請求項１１】
請求項７乃至請求項１０のいずれかに記載する摩擦撹拌接合方法において、
前記被加工物に対する加熱領域の加熱温度を部分的に変化させるようにしたことを特徴とする摩擦撹拌接合方法。
【請求項１２】
請求項７乃至請求項１１のいずれかに記載する摩擦撹拌接合方法において、
レーザ発振器から出力されたレーザ光を光学系の操作によって前記加熱領域に導いて前記被加工物を加熱するようにし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、被加工物同士を突き合わせた接合部に回転工具を挿入し、そのまま接合部を移動する回転工具の回転によって生じる摩擦熱で接合する摩擦撹拌接合装置及びその摩擦撹拌接合方法に関し、特に回転工具が移動する直前部分で被加工物を加熱することによって高速接合を行う摩擦撹拌接合装置及び摩擦撹拌接合方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
図５は、下記特許文献１に記載する摩擦撹拌接合方法を示した図である。この摩擦撹拌接合方法は、一対のアルミニウム合金プレート２１０，２２０の端面が互いに突き合わされ、その接合部２００に沿って回転工具１００が移動する。回転工具１００は、プレート２１０，２２０の上下を挟むように回転体上部１０１と回転体下部１０２とがプローブ１０３で連結され、モータ１０４によって回転するよう構成されている。そこで、モータ１０４の駆動によって回転する回転工具１００は、プローブ１０３が結合部２００でアルミニウム合金プレート２１０，２２０に接触しながら矢印Ｆ方向に移動する。このときプローブ１０３は、その周りに可塑性材の部分領域を作り、回転体上部１０１と回転体下部１０２は、上下方向からプレート２１０，２２０を押圧し、可塑性ゾーンから材料が失われるのを防いでいる。従って、プレート２１０，２２０は、接合部２００の突き当て部分が発熱して軟化し、塑性流動してできた可塑性材によって固相接合される。
【特許文献１】特表平０７−５０５０９０号公報（第４頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、溶接に要する加工時間の短縮を図るには回転工具１００の移動速度を上げなければならないが、そうした場合には摩擦撹拌を行う被加工物であるアルミニウム合金プレート２１０，２２０の接合部２００に対しより多くのエネルギを与える必要がある。エネルギを与えるには、回転工具１００から出力される回転速度を大きくするか、直接摩擦撹拌を行うプローブ１０３の径をより大きいものにするか、回転体上部１０１および回転体下部１０２の径をより大きくするか、回転体上部１０１と回転体下部１０２とで合金プレート２１０，２２０とを挟む荷重を大きくすることが考えられる。
しかし、これらの方法を用いた場合は、摩擦撹拌接合時に被加工物側で熱影響を受ける部分が拡大し、特に被加工物がアルミニウム合金のような調質された素材の場合には、熱の影響で調質材の強度が低下して接合部分の品質低下を招くことになる。
【０００４】
そこで、本発明は、かかる課題を解決すべく、被加工物同士を高速接合することが可能な摩擦撹拌接合装置及び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】
【０００５】
本発明の摩擦撹拌接合装置は、被加工物同士を突き合わせた接合部に回転工具を回転させながら挿入し、そのまま接合部に沿って当該回転工具を移動させることにより、摩擦熱で被加工物同士を接合するものであって、接合部に沿って移動する前記回転工具の移動直前部分にて被加工物を加熱する加熱手段を有することを特徴とする。
また、本発明の摩擦撹拌接合装置は、前記加熱手段が前記被加工物に対する加熱領域を任意に設定して加熱するものであることを特徴とする。
また、本発明の摩擦撹拌接合装置は、前記加熱手段が前記加熱領域を前記回転工具のプローブ部分の径よりも十分に小さくして加熱するようにしたものであることを特徴とする。
また、本発明の摩擦撹拌接合装置は、前記加熱手段が前記加熱領域を接合部に対して主に前記回転工具の回転方向側にして加熱するようにしたものであることを特徴とする。
また、本発明の摩擦撹拌接合装置は、前記加熱手段が前記被加工物に対する加熱領域の加熱温度を部分的に変化させるようにしたものであることを特徴とする。
更に、本発明の摩擦撹拌接合装置は、前記加熱手段がレーザ発振器と、そのレーザ発振器から出力されたレーザ光を前記加熱領域に導く光学系とを有するものであることを特徴とする。
【０００６】
一方、本発明の摩擦撹拌接合方法は、被加工物同士を突き合わせた接合部に回転工具を回転させながら挿入し、そのまま接合部に沿って当該回転工具を移動させることにより、摩擦熱で被加工物同士を接合するものであって、接合部に沿って移動する前記回転工具の移動直前部分を加熱領域として前記被加工物を加熱するようにしたことを特徴とする。
また、本発明の摩擦撹拌接合方法は、前記被加工物に対する加熱領域を任意に設定して加熱するようにしたことを特徴とする。
また、本発明の摩擦撹拌接合方法は、前記加熱領域を前記回転工具のプローブ部分の径よりも十分に小さくなるようにしたことを特徴とする。
また、本発明の摩擦撹拌接合方法は、前記加熱領域を前記回転工具の回転方向側にしたことを特徴とする。
また、本発明の摩擦撹拌接合方法は、前記被加工物に対する加熱領域の加熱温度を部分的に変化させるようにしたことを特徴とする。
更に、本発明の摩擦撹拌接合方法は、レーザ発振器から出力されたレーザ光を光学系の操作によって前記加熱領域に導いて前記被加工物を加熱するようにしたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
よって、本発明によれば、被加工物の接合部に沿って回転工具を移動させる場合に、回転工具が移動するその直前部分を加熱するようにしたことにより、予め接合部分に熱を入れることによって回転工具の摩擦撹拌作用で材料が素早く軟化するため、材料がプローブを回り込んで後方へスムーズに流動するようになり、それに伴って回転工具が移動する際にかかる抵抗が抑えられるようになったことで、摩擦撹拌接合によって被加工物同士を高速で接合することが可能になった。
また、本発明によれば、被加工物に対する加熱領域を任意に設定し、例えば回転工具のプローブ部分の径よりも十分に小さくすることで、熱影響を受けて接合部の品質が低下するのを防止することができる。更に、加熱領域を回転工具の回転方向側にしたり、同位置の加熱温度を相対的に上げるように部分的に変化させるなど、加熱を設定することで、プローブの周りを回る材料が流動する範囲を効率良く広げ、そのことにより最大の流速を下げることで、材料の流動による応力や荷重などを低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
次に、本発明に係る摩擦撹拌接合装置及び摩擦撹拌接合方法の一実施形態について、図面を参照しながら以下に説明する。図１は、本実施形態の摩擦撹拌接合装置を概念的に示した図である。この摩擦撹拌接合装置は、被加工物として２枚のアルミニウム合金プレート（以下、単に「プレート」と記す）２１０，２２０を図示するように側面を突き合わせて並べ、その接合部２００を摩擦撹拌溶接するものである。
【０００９】
回転工具１は、回転体１１の先端にピン状のプローブ１２が突出したものであり、回転しながら接合部２００に沿って直線的に移動するように設けられている。回転体１１とプローブ１２とは、被加工物であるプレート２１０，２２０よりも硬質の材料で形成されている。そして、回転工具１が移動するその直前部分においてプレート２１０，２２０を加熱するため加熱手段が設けられている。本実施形態では、加熱手段としてＹＡＧレーザ等のレーザ発振器（図示せず）が設けられている。プレート２１０，２２０を加熱するための熱源となるレーザ光１０は、不図示のレーザ発振器から出力され、図示するように反射ミラー２で反射し、移動する回転工具１の直前の加熱領域Ｐに常に照射されるようになっている。
【００１０】
本実施形態の摩擦撹拌接合装置では、反射ミラー２を矢印で示すように操作棒１３によって前後方向の位置や左右の傾きを調整できるようになっており、この反射ミラー２などの光学系によって、レーザ光１０が照射される加熱領域Ｐを任意に設定することができるようになっている。
また、摩擦撹拌接合装置には赤外線温度計３が設けられ、加熱領域Ｐの加熱温度を検出するようにしている。そして、こうした回転工具１、不図示のレーザ発振器、反射ミラー２や赤外線温度計３などは、回転工具１のプレート２１０，２２０に対する移動に連動して移動するように構成されている。
【００１１】
そして、こうした本実施形態の摩擦撹拌接合装置では、次のような摩擦撹拌接合方法によって撹拌摩擦溶接が行われる。
先ず、回転工具１が駆動し、回転するプローブ１２をプレート２１０，２２０の接合部２００に挿入し、そのままＦ方向に回転工具１を移動させる。このとき不図示のレーザ発振器から出力されたレーザ光１０は、プレート２１０，２２０に対して回転工具１の進行方向直前の加熱領域Ｐに照射される。そのため、プレート２１０，２２０はレーザ光１０によって加熱領域Ｐが加熱される。
【００１２】
すなわち、摩擦撹拌接合装置による摩擦撹拌接合方法では、プレート２１０，２２０の接合部２００に予め熱が入れられ、プローブ１２によって軟化し易いようにされる。そのため、そこに回転しながら回転工具１が進入すると、プレート２１０，２２０は、プローブ１２との摩擦熱により接合部２００が発熱して軟化し、塑性流動してできた可塑性材によって固相接合される。すなわち、プローブ１２の応力が作用する接合部分は、プレート２１０，２２０が熱と応力とによって軟化して撹拌され、プローブ１２が移動することによって軟化撹拌部分が押しのけられ周りから後方に回り込むようにして流動し、そのプローブ１２が通った後の隙間が塞がれて溶接接続される。
【００１３】
よって、本実施形態では、こうしてレーザ光１０の照射によって被加工物の接合部分に予め熱を入れるようにしたため、プローブ１２の回転エネルギを受けて材料が素早く軟化するようになり、撹拌も早く、プローブ１２の後方への回り込み流動もスムーズになった。従って、プローブ１２が接合部２００に沿って移動する際の抵抗が抑えられ、回転工具１の移動速度を速めることができるようになった。つまり、被加工物同士を摩擦撹拌溶接するための加工時間の短縮になり、生産効率が向上した。
【００１４】
ここで図２は、レーザ光の加熱領域Ｐの位置を示した図である。回転工具１は、右回転しながら矢印Ｆ方向に移動しており、その回転工具１が通過した後方に接合部２００に沿って溶接部２３０が形成されていく。
ところで、回転工具１によって軟化したプレート２１０，２２０の材料は、撹拌されて次のように流動する。つまり、接合部分を進行方向（矢印Ｆ）に見た場合、接合部２００の右側にあるプレート２２０の材料の一部は回転工具１の回転によってそのまま後方に流れる。一方、接合部２００の左側にあるプレート２１０の材料は、その一部が接合部２００を越えて右側へと移動し、プローブ１２を回り込んで後方に流れる。
【００１５】
また、レーザ光による加熱領域Ｐの加熱幅は、被加工物を直接摩擦撹拌するプローブ１２の径に対して十分小さいことが望ましい。摩擦撹拌溶接では、被加工物の材料が高温になることで軟化して流動するようになるが、その際、入熱量が大き過ぎると被加工物の再結晶温度を超える領域が広がってしまうからである。更に、被加工物がアルミニウム合金の場合、塑性流動には約５００〜５５０℃を超える程度が好ましいが、入熱量が大き過ぎてしまうと熱影響を受けて品質が低下してしまうからである。
【００１６】
そこで、摩擦撹拌接合装置は、被加工物に対する加熱領域Ｐを任意に設定して加熱するようにしているが、そのため軟化流動する材料の移動や入熱及び摩擦撹拌による被加工物の温度を考慮してレーザ光１０による加熱領域Ｐが決定される。本実施形態では、図２に示すようにレーザ光１０による加熱領域Ｐの位置や範囲、加熱温度などを次のように設定した。すなわち加熱領域Ｐは、回転工具１の回転方向側、つまりプローブ１２の進行方向に見て接合部２００の右側に設定し、更にその加熱領域Ｐの幅をプローブ１２の直径の約１／２にした。
【００１７】
なお、回転工具１の進行方向直前部分を、プローブと材料との接触の相対速度が大きい側（Advancing Side）と、プローブと材料との接触の相対速度が小さい側（Retreating Side ）とに分けて見た場合、回転工具１の回転方向側、本実施形態でいえば接合部２００の右側がRetreating Side になる。また、そうした加熱領域Ｐは２００℃〜２５０℃の温度で加熱するように、レーザ光１０の出力が設定されて照射される。
加熱領域Ｐにおける加熱温度は赤外線温度計３によって検出される。そして、その検出信号を受けた不図示のコントローラによってレーザ光１０の出力がフィードバック制御され、加熱領域Ｐにおける加熱温度が調節される。
【００１８】
図３は、本実施形態による摩擦撹拌溶接を行った場合の温度分布を示した図である。接合部２００部分のプレート２１０，２２０の材料は、プローブ１２の周りの流動領域２４０部分が摩擦熱によっ軟化して流動している。図２に示すように、プローブ１２の回転方向側（Retreating Side ）の加熱領域Ｐにレーザ光１０を照射して加熱しているため、図示するように流動領域２４０は接合部２００を挟んで回転方向側（図面下側）の幅が広く、流動し易くなっていることが分かる。そのため、プローブ１２の周りを回る材料が流動する範囲が効率良く広がり、最大の流速を下げることができ、これら応力や荷重などを低減することに寄与する。
また、図２に示すように、加熱領域Ｐを小さくして入熱量を押さえているため、再結晶温度に相当する約３００℃を超える範囲を狭くすることができた。
【００１９】
ところで、前記実施形態では、接合部２００を挟んで回転工具１の回転方向側（Retreating Side ）のみを加熱領域Ｐとし、更にその範囲全体をほぼ均一な温度で加熱するように設定した。しかし、これは本発明の目的である被加工物同士の高速接合を実現するために好適と考えられる一例である。そのため、この他にも例えば図４に示す加熱領域Ｐ´での加熱も好適な例として提案することができる。
【００２０】
本例は、接合部２００を挟んでAdvancing Side（プレート２１０側）とRetreating Side （プレート２２０側）とに、ほぼ対称的になるように加熱領域Ｐ´が設定され、そこにレーザ光１０が照射される。ただし、はAdvancing Sideの加熱領域Ｐ１とRetreating Side の加熱領域Ｐ２との加熱温度が変化するように入熱量が調節される。
図１に示す本実施形態の摩擦撹拌接合装置では、不図示のレーザ発振器から出力されたレーザ光１０の照射スポットを、反射ミラー２の操作によって走査線のように移動させて加熱領域Ｐ´に照射する。
【００２１】
そこで、Advancing SideよりRetreating Side の方に入熱量が多くなるように、反射ミラー２の操作によって加熱領域Ｐ１における照射スポットの移動速度を加熱領域Ｐ２よりも速くしたり、照射密度を加熱領域Ｐ１側を疎にして加熱領域Ｐ２側を密にする。
よって、こうしてレーザ光１０の照射によって被加工物の接合部分に予め熱を入れるようにしたため、プローブ１２の回転エネルギを受けて材料が素早く軟化するようになり、撹拌も早く、プローブ１２の後方への回り込み流動もスムーズになった。従って、プローブ１２が接合部２００に沿って移動する際の抵抗が抑えられ、回転工具１の移動速度を速めることができるようになった。つまり、被加工物同士を摩擦撹拌溶接するための加工時間の短縮になり、生産効率が向上した。
【００２２】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることなくその趣旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。
例えば、前記実施形態では加熱領域Ｐを加熱するための加熱手段としてレーザ発振器を使用したが、この他に電磁誘導等を使用することも考えられる。
また、被加工物の加熱領域やその領域内での加熱温度分布は図２や図４に示すものに限られず、被加工物同士の高速接合に好適なものであればその加熱方法であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】摩擦撹拌接合装置の一実施形態を概念的に示した図である。
【図２】レーザ光による加熱領域を示した図である。
【図３】摩擦撹拌接合方法を実施した場合の温度分布を示した図である。
【図４】レーザ光による加熱領域について他の例を示した図である。
【図５】従来の摩擦撹拌接合方法を示した図である。
【符号の説明】
【００２４】
１      回転体
２      反射ミラー
３      赤外線温度計
１０    レーザ光
２００  接合部
２１０，２２０  アルミニウム合金プレート
Ｐ      加熱領域
【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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