(57)【要約】    【課題】  優れた継手強度が得られ、接合部にバリ等を発生させずに厚さの異なる金属材料同士を接合することができる摩擦撹拌接合方法を提供する。    【解決手段】  薄板材３及び厚板材４を突き合わせて、底面が同一平面になるように配置する。次に、ピン部２を接合方向と逆の方向に角度θ傾かせて薄板材３と厚板材４との突き合わせ部に接触させ、回転させながら前記突き合わせ部方向に押圧することによりピン部２を突き合わせ部に進入させる。このとき、ショルダー部１の端部が、薄板材３及び厚板材４により形成された段差の中間部と薄板材３の上面との間に位置するまでピン部２を進入させる。そして、ピン部２が突き合わせ面を通過するように、ピン部２及びショルダー部１を回転させながら前進角θで移動させる。【選択図】    図１
2005021967.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
円柱状のショルダー部とこのショルダー部の端面に同軸的に形成され前記ショルダー部より小径のピン部とが設けられた接合工具を使用し、第１の部材とこの第１の部材より厚い第２の部材とを突き合わせる工程と、前記ピン部を前記第１の部材と前記第２の部材との突き合わせ部に接触させ前記接合工具を回転させながら前記突き合わせ部に向けて押圧することにより前記ピン部を前記突き合わせ部に進入させる工程と、前記接合工具を回転させながら前記ピン部が前記突き合わせ面を通過するように前記接合工具を前進角θで移動させることにより前記第１の部材と前記第２の部材とを接合する工程と、を有し、前記第１の部材の厚さをｔ１、前記第２の部材の厚さをｔ２、前記ショルダー部の直径をｄとするとき、前進角θが下記数式を満たすことを特徴とする摩擦撹拌接合方法。
2005021967.tif 000006
【請求項２】
前記第１及び第２の部材は、アルミニウム又はアルミニウム合金製であることを特徴とする請求項１に記載の摩擦撹拌接合方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アルミニウム合金等の金属材料の摩擦撹拌接合方法に関し、特に、厚さが異なる部材同士を接合する差厚継手摩擦撹拌接合方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
摩擦撹拌接合法は、部材より硬質な材料で形成されたピン部が設けらている接合工具を使用し、このピン部を回転させながら相互に突き合わされた１対の部材に押し込み、接合線に沿って接合工具を回転しながら移動させることにより、部材同士を接合する方法である。このとき、部材に押し込まれたピン部の周囲には摩擦熱による加熱され、接合工具の回転による塑性流動が生じる。このため、接合工具を突き合わせ面に沿って移動させると、ピン部の前面の金属が塑性流動しながらピン後方に移動して接合組織が形成される。前記摩擦撹拌接合方法は、継手強度が大きく、歪みが小さいため残留応力が少なく、溶接割れを生じやすい材料、鋳物、複合材料及び異種材質等の接合が可能であるため、種々の材料の接合に使用されている。
【０００３】
従来、摩擦撹拌接合は、ピン部を部材に対して垂直に挿入していたため、厚さが異なる部材を接合する場合は、撹拌された材料が飛散する等の問題があった。そこで、従来の摩擦撹拌接合方法においては、厚さが異なる部材を接合する際は、突き合わせ面に対してピン部を斜めに挿入する方法が適用されている（例えば、特許文献１及び２参照）。図４（ａ）は特許文献１に記載の摩擦撹拌接合方法を示す断面図であり、図４（ｂ）は特許文献２に記載の摩擦撹拌接合方法を示す断面図である。図４（ａ）に示すように、特許文献１に記載の摩擦接合方法は、接合工具１１を薄板材１２側に傾斜させた状態でピン部１１ａを挿入する方法である。一方、図４（ｂ）に示すように、特許文献２に記載の摩擦接合方法は、接合工具１１の角度は変えず、部材（薄板材１２及び厚板材１３）を密着させた状態で斜めに配置してピン部１１ａを挿入する方法である。また、ピン挿入面を平坦にして接合する方法もある（例えば、特許文献３参照）。図５は特許文献３に記載摩擦撹拌接合方法を示す断面図である。図５に示すように、特許文献３に記載の摩擦接合方法は、薄板材１２の厚さと厚板材１３の厚さとの差と同じ高さの段差が形成された裏当て１４の上に、薄板材１２及び厚板材１３を配置することにより上面（ピン挿入面）を平坦にして、その状態でピン１１ａを垂直に挿入して接合する方法である。
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−２４９５５３号公報  （第２−４頁、第１図）
【特許文献２】特開２００２−１１５８３号公報  （第３−５頁、第１−２図）
【特許文献３】特開２０００−１６７６７６号公報  （第３−７頁、第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、前述の従来の技術には以下に示す問題点がある。特許文献１に記載の方法の場合、接合工具１１を部材の突き合わせ面に対して２方向に傾斜させる必要性があるため、直交３軸以外に傾斜用の２軸を有する加工機が必要になる。また、特許文献２に記載の方法の場合、部材を傾斜させるような治具設計が必要である。更に、特許文献３に記載の方法は、工具１１は通常仕様のものが使用可能であるが、薄板材１２を面合わせするための治具に工夫が必要であり、操作が煩雑である。
【０００６】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、優れた継手強度が得られ、接合部にバリ等を発生させずに厚さの異なる金属材料同士を接合することができる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】
【０００７】
本発明に係る摩擦撹拌接合方法は、円柱状のショルダー部とこのショルダー部の端面に同軸的に形成され前記ショルダー部より小径のピン部とが設けられた接合工具を使用し、第１の部材とこの第１の部材より厚い第２の部材とを突き合わせる工程と、前記ピン部を前記第１の部材と前記第２の部材との突き合わせ部に接触させ前記接合工具を回転させながら前記突き合わせ部に向けて押圧することにより前記ピン部を前記突き合わせ部に進入させる工程と、前記接合工具を回転させながら前記ピン部が前記突き合わせ面を通過するように前記接合工具を前進角θで移動させることにより前記第１の部材と前記第２の部材とを接合する工程と、を有し、前記第１の部材の厚さをｔ１、前記第２の部材の厚さをｔ２、前記ショルダー部の直径をｄとするとき、前進角θが下記数式１を満たすことを特徴とする。
【０００８】
【数１】
2005021967.tif 000003
【０００９】
本発明者等は、摩擦撹拌接合方法について鋭意実験研究した結果、板厚が異なる板状部材同士を、段差がある面からピン部を進入させて摩擦攪拌接合する場合、板厚が等しい板状部材を接合する際と前進角を同じにすると、差厚接合部に充分な攪拌金属を充填することができないということを見出した。そこで、本発明においては、ピン部の前進角θを上記数式１の範囲にすることにより、ショルダー部の下端部を第２の部材に進入させる。ピン部と同様にショルダー部も回転しているため、このショルダー部が進入した部分にも塑性流動が生じて、接合部の空隙が充填される。
【００１０】
なお、前記第１及び第２の部材は、例えば、アルミニウム又はアルミニウム合金製である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の摩擦撹拌接合方法によれば、板厚さの半分から薄板の上面までの範囲にショルダー部の端部が位置するように前進角を調整することにより、接合用工具を薄板側に傾斜させたり、部材を傾斜させて配置したりせずに、厚さの異なる部材同士を摩擦撹拌接合方法により突き合わせ継手することができるため、加工機の軸の増加及び拘束治具等の煩雑さが解消される。また、本発明の摩擦撹拌接合方法で接合することにより、継手強度に優れ、バリ等がない優れた突き合わせ継手が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態に係る摩擦撹拌接合方法について、添付の図面を参照して具体的に説明する。図１（ａ）は本実施形態の摩擦撹拌接合方法を示す側面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）に示すＡ−Ａ線による断面図である。また、図２（ａ）は本発明の実施形態の摩擦撹拌接合方法で使用される接合工具を示す断面図であり、図２（ｂ）はこの接合工具が部材に挿入された状態を示す断面図である。本実施形態の摩擦撹拌接合方法においては、厚さがｔ１である薄板材３とこの薄板材３より厚い厚板材４とを、直径がｄである円柱状のショルダー部１の端面に、ショルダー部１と同軸で、ショルダー部１より小径のピン部２が設けられた接合工具を使用して接合する。この接合工具におけるピン部２の材料としては、部材である薄板材３及び厚板材４より硬い材料が使用される。なお、本実施形態における薄板材３及び厚板材４は、例えば、アルミニウム板及びアルミニウム合金板等を使用することができるが、本発明はこれに限定されるものではなく、摩擦撹拌接合が可能な金属板であればよい。
【００１３】
先ず、薄板材３及び厚板材４の接合面を突き合わせて、これらの底面が同一平面になるように配置する。このとき、上面には段差が生じる。次に、薄板材３と厚板材４の突き合わせ部にピン部２を、接合方向５と逆の方向に角度θ傾かせた状態で接触させ、接合工具を回転させながら突き合わせ部に向かって押圧することにより、ピン部２を突き合わせ部に進入させる。このとき、ショルダー部１の端部も厚板材４に押し込まれる。ショルダー部１の押し込み量は、薄板材３と厚板材４とにより形成される段差の半分の位置から、薄板材３の上面までであることが好ましく、押し込み量を示す（ｄ／２）×ｓｉｎθは上記数式１の範囲内とする。ショルダー部１の押し込み量が、薄板材３と厚板材４との板厚差の半分以下であると、継手が形成されない。また、ショルダー部１を薄板材３にまで押し込むと、バリ等の発生量が増加する。
【００１４】
そして、ピン部２が突き合わせ面を通過するように、接合工具を回転させながら前進角θで移動させる。このとき、ピン部２及びショルダー部１の周囲は摩擦熱による加熱されて塑性流動が生じるため、ピン部２を突き合わせ面に沿って移動させることにより、ピン部２及びショルダー部１の前方の金属が塑性流動しながらこれらの後方に移動して接合組織が形成される。
【００１５】
また、ピン部２の長さＬは、（ｔ２／ｃｏｓθ）より短いことが好ましい。ピン部２の長さＬが（ｔ２／ｃｏｓθ）より長いと、ピン部２が部材を突き抜けてしまう。また、ピン部２の長さＬを（ｔ２／ｃｏｓθ）にすると、接合部における未撹拌部分をなくすことはできるが、ピン部２が部材を突き抜けてしまう可能性がある。よって、ピン部２の長さＬは（ｔ２／ｃｏｓθ）よりも０．１乃至０．２ｍｍ程度短くすることが好ましい。
【００１６】
本実施形態においては、厚さが異なる部材（薄板材２及び厚板材３）を、段差がある面からピン部２を進入させて摩擦攪拌接合する際の前進角θを、上記数式１の範囲内になるようにする。これにより、ショルダー部１の端部が厚板材３に押し込まれるため、このショルダ−部１が進入した部分も、ピン部２の周囲と同様に塑性流動が生じて接合組織が形成される。その結果、従来の摩擦撹拌接合方法のようにピン部２を接合面に対して傾けて進入させなくても、継手強度が優れ、接合部にバリがない継手を作製することができる。
【実施例】
【００１７】
以下、本発明の実施例について、本発明の範囲から外れる比較例と比較して具体的に説明する。本発明の実施例として、ショルダー部１の直径が１２．５ｍｍである接合工具を使用し、前進角θが３°（比較例１）、６°（実施例１）、９°（実施例２）の３水準で、厚さ１．０ｍｍアルミニウム合金板と、厚さが２．０ｍｍのアルミニウム合金板との突き合わせ継手を作製した。図３（ａ）乃至（ｃ）は本発明の実施例の摩擦接合方法における前進角を示す模式図である。また、表１には本実施例で使用したアルミニウム合金（Ａ５１８２Ｐ−Ｏ）の組成を示す。これらのアルミニウム合金板の継手について、接合部の観察及び引張試験を行った。その結果を表２に示す。
【００１８】
【表１】
2005021967.tif 000004
【００１９】
【表２】
2005021967.tif 000005
【００２０】
表２に示すように、前進角が本発明の範囲より小さい３°である比較例１の突き合わせ継手は、塑性流動する金属の絶対量が少ないために、表面に開口するような線状欠陥が残存した。そのため、継手としては利用できないレベルであった。一方、前進角が６°である実施例１の突き合わせ継手は、塑性流動する金属量が確保されるため、良好な接合部が形成されていた。また、前進角が９°である実施例２の突き合わせ継手においては、接合部の形成がやや乱れるものの充分な金属の塑性流動が得られた。また、引張試験においては、前進角が３°である比較例１の継手は十分な接合強度が得られなかった。一方、前進角が６°及び９°である実施例１及び２の突き合わせ継手は、薄板材側で破断が生じ、優れた接合強度を示した。
【００２１】
以上の結果より、異なる厚さの部材を摩擦撹拌接合方法により接合する場合、部材により形成される段差の半分より薄板側に回転部材のショルダー部の端部が位置するように前進角θを設定することにより、良好な接合状態が得られることがわかった。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】（ａ）は本発明の実施形態の摩擦撹拌接合方法を示す側面図であり、（ｂ）は（ａ）に示すＡ−Ａ線による断面図である。
【図２】（ａ）は本発明の実施形態の摩擦撹拌接合方法で使用される接合工具を示す断面図であり、（ｂ）は（ａ）に示す接合工具が部材に挿入された状態を示す断面図である。
【図３】（ａ）乃至（ｃ）は本発明の実施例の摩擦接合方法における前進角を示す模式図である。
【図４】（ａ）は特許文献１に記載の摩擦撹拌接合方法を示す断面図であり、（ｂ）は特許文献２に記載の摩擦撹拌接合方法を示す断面図である。
【図５】特許文献３に記載の摩擦撹拌接合方法を示す断面図である。
【符号の説明】
【００２３】
１；ショルダー部
２、１１ａ；ピン部
３、１２；薄板材
４、１３；厚板材
５；接合方向
１１；接合工具
１４；裏当て
【図１】
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【図２】
2005021967.tif 000008
【図３】
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【図４】
2005021967.tif 000010
【図５】
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