(57)【要約】【課題】  接合部における応力集中を防止し、さらにはフレッティングを防止して、疲労強度特性を改善して疲労寿命が向上するＦＳＷ重ね合わせ接合継手を提供する。【解決手段】  ＦＳＷ重ね合わせ接合継手を、重ね合わせた板状の部材甲と部材乙を部材甲側からプローブをアクセスしＦＳＷを行い同部材甲、乙の間に接合部を形成するＦＳＷ重ね合わせ接合継手において、前記部材乙の前記接合部を設ける位置の周囲に、同部材乙の他の部分よりも前記部材甲側に厚さを増した肉厚部を予め形成してなるように構成し、接合部の周囲に設けられた肉厚部によって、肉厚部のない従来例に比べて、接合部端部から部材乙の肉厚部の他の部分に至る間に、肉厚部の外周部に段部が形成されるため、接合部端部での部材乙の剛性の変化が緩和され、接合部端部への応力集中が緩和されて疲労強度特性が改善され、疲労寿命が向上したＦＳＷ重ね合わせ接合継手とした。【選択図】            図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
重ね合わせた板状の部材甲と部材乙を部材甲側からプローブをアクセスしＦＳＷを行い同部材甲、乙の間に接合部を形成するＦＳＷ重ね合わせ接合継手において、前記部材乙の前記接合部を設ける位置の周囲に、同部材乙の他の部分よりも前記部材甲側に厚さを増した肉厚部を予め形成してなることを特徴とするＦＳＷ重ね合わせ接合継手。
【請求項２】
請求項１に記載のＦＳＷ重ね合わせ接合継手において、前記部材乙の肉厚部と前記他の部分との間は凹曲面または傾斜面で接続されてなることを特徴とするＦＳＷ重ね合わせ接合継手。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載のＦＳＷ重ね合わせ接合継手において、前記部材甲と部材乙の接する側の少なくとも一方の面には、潤滑性のコーティングを施されてなることを特徴とするＦＳＷ重ね合わせ接合継手。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のＦＳＷ重ね合わせ接合継手において、前記部材甲が航空機部材の骨材の平板部であり、前記部材乙が航空機部材の外板であることを特徴とするＦＳＷ重ね合わせ接合継手。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、摩擦攪拌接合（Ｆｒｉｃｔｉｏｎ  Ｓｔｉｒ  Ｗｅｌｄｉｎｇ：以下本明細書において、また特許請求の範囲において「ＦＳＷ」という）による改良された重ね合わせ接合継手に関する。
【背景技術】
【０００２】
図４から図６に基づき、従来のＦＳＷ重ね合わせ接合継手について説明する。図４（ａ）は、従来のリベットによる重ね合わせ接合継手の断面図、（ｂ）はＦＳＷによる重ね合わせ接合継手の断面図、図５は接合中の一般的なＦＳＷ重ね合わせ接合継手の断面図、図６は従来のＦＳＷ重ね合わせ接合継手の問題点の説明図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は同断面の部材乙の模式図である。
【０００３】
従来、板材同士の重ね合わせ接合は、特に、航空機部材のようにアルミニウム合金等の薄板同士の場合、熱による金属組織的問題や変形の問題を避けるため通常の溶接によらず図４（ａ）に示すようなリベット１０による接合を多用している。図４（ａ）、（ｂ）は、航空機部材のストリンガー１１（もしくは図示しないフレーム）等骨材の平板部と、スキン１２等外板とを重ね合わせ接合する場合を示している。（なお、航空機部材としてストリンガー１１と交差しストリンガー１１より大きな骨材として、図示しない「フレーム」が用いられフレームの平板部もまたスキン１２と接合されることがあり、本明細書においてはその都度注記を省略し、ストリンガー１１を例に記載するが、ストリンガー１１に代えて図示しないフレームをスキン１２と接合する場合も同様のこととする。）
しかしながら、リベット１０による接合では、重ね合わせる両方の板状の部材（図４においてはストリンガー１１とスキン１２）とリベット１０は互いに溶接されてはおらず依然独立状態であること、またリベット穴１３が応力集中源となり、疲労損傷がリベット穴１３から起こり易いこと等の問題があった。そこで、図４（ｂ）に示すような、重ね合わせた板材同士を摩擦により接合するＦＳＷの適用が検討されている。１４はＦＳＷによる接合部である。
【０００４】
図５により、一般的なＦＳＷ重ね合わせ接合を概略説明すると、重ね合わせたアルミ合金等の板状の部材甲１５（例えばストリンガー１１）と、部材乙１６（例えばスキン１２）との一方側（図示例は部材甲１５側）から、アルミ合金より高強度の工具鋼（ＳＫＤ６１）等のロッドツール２０の回転中心軸Ｃ上先端に設けられたプローブ２１をアクセスし、高速回転Ｔさせつつ押し当てＰを行うことで、プローブ２１と部材甲１５、更には部材乙１６との間の摩擦により、両部材１５、１６が軟化しプローブ２１が図中２点鎖線で示すように押し込まれ、プローブ２１の周囲の軟化した両部材１５、１６が攪拌及び塑性流動して空洞のない接合部１４が得られる。
【０００５】
プローブ２１は、部材甲１５の厚さｔａより大で、部材甲１５の厚さｔａと部材乙１６の厚さｔｂの合計（ｔａ＋ｔｂ）より小な高さｈを有するものを用いれば、ロッドツール２０のプローブ２１周囲に形成されたショルダー部２２が部材甲１５の表面に当接した状態で、プローブ２１が両部材１５、１６を突き抜けることなく接合部１４が両部材１５、１６を接合することとなる。プローブ２１を押し込んだまま高速回転させた状態で図５において紙面に垂直方向に移動させることで、順次プローブ２１の通過後の部分に接合部１４が形成され、所定の接合中心線上に沿って両部材１５、１６が接合されて、ＦＳＷ重ね合わせ接合継手が得られる。
【０００６】
ＦＳＷ接合は、リベット接合に比べ、生産速度が速く、製造コストも低減可能となり、特に航空機部材のストリンガー１１やスキン１２のようなアルミ合金の薄板部の接合を行う場合に有効である。
【０００７】
しかしながら、図６（ａ）に示すように、板状の部材甲１５、部材乙１６を上記のようにＦＳＷ重ね合わせ接合を行うと、両部材１５、１６は接合部１４により接合されるが、以下のような問題があった。
【０００８】
航空機部材のスキン１２におけるように、部材乙１６に沿った負荷Ｆ１がかかった状態を想定すると、部材乙１６においては図６（ｂ）に模式的に示すように、上記接合部１４は板状の部材乙１６の一部から突出して形成された不連続な凸状部１７として作用し、凸状部１７が形成された部分１６ａとそれに接続する凸状部１７がない部分１６ｂの間で部材乙１６は剛性が大きく変化する。そのため、同凸状部１７（接合部１４）の両端と部材乙１６表面との境界の隅部１８が応力集中箇所となり、疲労強度の低下の問題が生じる恐れがあった。
【０００９】
また、部材乙１６に垂直に（両部材１５、１６を引き離す方向に）負荷Ｆ２がかかった場合も、接合部１４両端の隅部１８が応力集中箇所となり、疲労強度の低下の問題が生じる恐れがあった。
【００１０】
そしてさらに、両部材１５、１６の接触面においては、負荷により擦れ合いが起こり、表面にフレッティングが発生して、疲労強度が低下する問題も生じていた。
【００１１】
したがって、航空機部材のストリンガー１１（及びフレーム）とスキン１２のように部材内や部材間の負荷に対する強度を要求される場合の、ＦＳＷ重ね合わせ接合継手での応力集中やフレッティングの問題の改善による疲労寿命の向上が求められている。
【００１２】
ＦＳＷは、例えば特開平１１−４７９５９号公報（特許文献１）に、リベット接合に代えてストリンガーとスキンとを突合せ部でＦＳＷ接合を行うことが示されるように、突合せ接合に適するが、例えば特開２００２−２２４８６１公報（特許文献２）に密閉性の高い容器を作るためにフランジ部のＦＳＷ重ね合わせ接合を行うことが示されているように、重ね合わせ接合にも用いられている。また、ＦＳＷ重ね合わせ接合の接合線の終端部において上記プローブ２１を抜き取った穴が応力集中箇所となる問題に関しては、例えば特許第３０４５６８２号公報（特許文献３）にプローブを徐々に引き抜いたりプローブ抜き取り穴を除去する技術が示されている。しかし、ＦＳＷ重ね合わせ接合における接合部１４両端の応力集中やフレッティングの問題の解決に関しては十分な対処を示すものはなかった。
【００１３】
【特許文献１】特開平１１−４７９５９号公報（２頁、３頁、図１）
【特許文献２】特開２００２−２２４８６１公報（３頁、４頁、図３）
【特許文献３】特許第３０４５６８２号公報（４頁、図４、図５）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明は、上記のような従来のＦＳＷ重ね合わせ接合継手における問題を解消し、接合部における応力集中を防止し、さらにはフレッティングを防止して、疲労強度特性を改善して疲労寿命が向上するＦＳＷ重ね合わせ接合継手を提供することを課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は、上記の課題を解決するためになされ、下記の（１）から（５）の手段を提供するものであり、以下、特許請求の範囲に記載の順に説明する。
（１）その第１の手段として、重ね合わせた板状の部材甲と部材乙を部材甲側からプローブをアクセスしＦＳＷを行い同部材甲、乙の間に接合部を形成するＦＳＷ重ね合わせ接合継手において、前記部材乙の前記接合部を設ける位置の周囲に、同部材乙の他の部分よりも前記部材甲側に厚さを増した肉厚部を予め形成してなることを特徴とするＦＳＷ重ね合わせ接合継手を提供する。
（２）第２の手段としては、第１の手段のＦＳＷ重ね合わせ接合継手において、前記部材乙の肉厚部と前記他の部分との間は凹曲面または傾斜面で接続されてなることを特徴とするＦＳＷ重ね合わせ接合継手を提供する。
（３）また、第３の手段として、第１の手段または第２の手段のＦＳＷ重ね合わせ接合継手において、前記部材甲と部材乙の接する側の少なくとも一方の面には、潤滑性のコーティングを施されてなることを特徴とするＦＳＷ重ね合わせ接合継手を提供する。
（４）第４の手段として、第１の手段ないし第３の手段のいずれかのＦＳＷ重ね合わせ接合継手において、前記部材甲が航空機部材の骨材の平板部であり、前記部材乙が航空機部材の外板であることを特徴とするＦＳＷ重ね合わせ接合継手を提供する。
【発明の効果】
【００１６】
（１）特許請求の範囲に記載の請求項１の発明によれば、ＦＳＷ重ね合わせ接合継手を、重ね合わせた板状の部材甲と部材乙を部材甲側からプローブをアクセスしＦＳＷを行い同部材甲、乙の間に接合部を形成するＦＳＷ重ね合わせ接合継手において、前記部材乙の前記接合部を設ける位置の周囲に、同部材乙の他の部分よりも前記部材甲側に厚さを増した肉厚部を予め形成してなるように構成したので、接合部の周囲に設けられた肉厚部によって、肉厚部のない従来例に比べて、接合部端部から部材乙の肉厚部の他の部分に至る間に、肉厚部の外周部に段部が形成されるため、接合部端部での部材乙の剛性の変化が緩和され、接合部端部への応力集中が緩和されて疲労強度特性が改善され、疲労寿命が向上したＦＳＷ重ね合わせ接合継手となる。
【００１７】
（２）請求項２の発明によれば、請求項１に記載のＦＳＷ重ね合わせ接合継手において、前記部材乙の肉厚部と前記他の部分との間は凹曲面または傾斜面で接続されてなるように構成したので、請求項１の発明の効果に加え、部材乙の肉厚部と部材乙の他の部分との間の段部が凹曲面または傾斜面で形成されるために、そこにおける部材乙の剛性の急な変化が生じることが防止され、同段部での応力集中も防止される。
【００１８】
（３）請求項３の発明によれば、請求項１または請求項２に記載のＦＳＷ重ね合わせ接合継手において、前記部材甲と部材乙の接する側の少なくとも一方の面には、潤滑性のコーティングを施されてなるように構成したので、請求項１または請求項２の発明の効果に加え、潤滑性のコーティングが部材甲、部材乙の接合面に介在することにより、フレッティングの問題が解消しさらに疲労強度を高めることができ、疲労寿命を向上させる。
【００１９】
（４）請求項４の発明によれば、請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のＦＳＷ重ね合わせ接合継手において、前記部材甲が航空機部材の骨材の平板部であり、前記部材乙が航空機部材の外板であるように構成したので、請求項１ないし請求項３のいずれかの発明の効果により、航空機部材としてのストリンガー、フレーム等の骨材、スキン等の外板のＦＳＷ重ね合わせ接合構造において、スキン等外板内にかかる負荷、スキン等外板とストリンガー、フレーム等骨材との間にかかる負荷においても、応力集中を緩和でき、疲労強度が高く信頼性の高いＦＳＷ重ね合わせ接合継手となる。また、潤滑性コーティングを施した場合は、繰り返し負荷においても、フレッティングが防止されさらに疲労強度を高め、疲労寿命が向上したＦＳＷ重ね合わせ接合継手となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本発明を実施するための最良の形態として、以下に一実施例を説明する。
【実施例】
【００２１】
図１から図３に基づき、本発明の一実施例に係るＦＳＷ重ね合わせ接合継手を説明する。図１は、本実施例のＦＳＷ重ね合わせ接合継手の断面図であり、図２は本実施例のＦＳＷ重ね合わせ接合継手の応力集中部での最大応力の説明図であって、（ａ）、（ｂ）は負荷のケースの説明図、（ｃ）は最大応力の比較表である。図３は、本実施例のＦＳＷ重ね合わせ接合継手の潤滑性のコーティングに関する他の例の説明図であり、（ａ）は接合継手の断面図、（ｂ）は接合継手の疲労寿命の比較表である。
【００２２】
図１に示すように、本実施例のＦＳＷ重ね合わせ接合継手は、図５で説明したと同様に、重ね合わせたアルミ合金等の板状の部材甲１５（例えばストリンガー１１）と、部材乙１６（例えばスキン１２）との一方側（図示例は部材甲１５側）から、プローブ２１をアクセスし、高速回転させつつ押し当てを行うことで、両部材１５、１６の間に接合部１４を形成したものである。
【００２３】
本実施例においては部材乙１６の接合部１４を設ける位置の周囲に、従来同様の厚さｔｂの他の部分よりも、部材甲１５側に厚さｐだけ増した厚さ（ｔｂ＋ｐ）の肉厚部１６ｃが予め形成されており、肉厚部１６ｃにおいてＦＳＷ重ね合わせ接合を行い接合部１４が形成される。
【００２４】
肉厚部１６ｃの端部は、凹曲面（断面半径ｒ）をなす段部をもって通常の厚さｔｂの部材乙１６の他の部分に接続されている。例えば、部材甲１５の厚さｔａは２ｍｍ、部材乙１６の厚さｔｂは２ｍｍ、肉厚部１６ｃの増厚ｐは０．５ｍｍ〜１ｍｍ、部材乙の肉厚部１６ｃの厚さｔｃは２．５ｍｍ〜３ｍｍ、断面半径ｒは２ｍｍ程度である。肉厚部１６ｃの端部は、そこにおける部材乙１６の剛性の急な変化が生じないものであればよく、凹曲面に代えて傾斜面や曲面と傾斜面の組み合わせで接続したものであってもよい。なお、ここで「傾斜面」とは、垂直より傾めに表面を上に向けて寝た斜面を指す。
【００２５】
なお、通常厚さｔｂの部材乙１６に対し、接合箇所に接合相手の部材甲１５側に増厚した肉厚部１６ｃを設けることは、薄板に対してリベット接合を行う場合においてリベット接合部の部材強度を確保する最小厚さがあるために、従来、航空機構造においては通常に行われたことであるが、その技術的な理由は本発明と異なる。
【００２６】
それに対し、ＦＳＷ重ね合わせ接合を行うケースにおいては、従来肉厚部１６ｃを設ける必要は特段認識されていなかったところを、本発明は、リベット接合の場合とは全く異なる技術的理由で、敢えて肉厚部１６ｃを採用したものである。また、接合箇所に肉厚部１６ｃを設けることは、リベット接合による従来例の場合に対してはコストアップを伴うものとはならないというコスト上の利点がある。
【００２７】
以上のような本実施の形態のＦＳＷ重ね合わせ接合継手においては、負荷のケース１として、図２（ａ）に示すように部材乙１６に部材面に沿った方向で引っ張り負荷Ｆ１をかけ、また、負荷のケース２として、図２（ｂ）に示すように部材甲１５と部材乙１６とを引き離す方向に（部材乙１６に略垂直に）負荷Ｆ２をかけた場合、応力集中箇所となる接合部１４の接合端部１４ａ（図１（ｂ）の隅部１８に相当）での最大応力の例を示すと、肉厚部１４ｃの増厚ｐにより、図２（ｃ）のようになる。（なお、肉厚部１６ｃの厚さｔｃ＝ｔｂ＋ｐである。）
すなわち、ケース１（負荷Ｆ１、ｔａ＝２ｍｍ、ｔｂ＝２ｍｍ、ｒ＝２ｍｍ）において、
ｐ＝０ｍｍの場合（肉厚部１６ｃがない従来例の場合）の最大応力を、１とすると、
ｐ＝０．５ｍｍの場合（肉厚部１６ｃの厚さｔｃ＝２．５ｍｍ）の最大応力は、０．４１、
ｐ＝１．０ｍｍの場合（肉厚部１６ｃの厚さｔｃ＝３．０ｍｍ）の最大応力は、０．０７５、である。
【００２８】
ケース２（負荷Ｆ２、ｔａ＝２ｍｍ、ｔｂ＝２ｍｍ、ｒ＝２ｍｍ）において、
ｐ＝０ｍｍの場合（肉厚部１６ｃがない従来例の場合）の最大応力を、１とすると、
ｐ＝０．５ｍｍの場合（肉厚部１６ｃの厚さｔｃ＝２．５ｍｍ）の最大応力は、０．７５、
ｐ＝１．０ｍｍの場合（肉厚部１６ｃの厚さｔｃ＝３．０ｍｍ）の最大応力は、０．５７、である。
【００２９】
上記に示されるように、接合部１４の周囲に設けられた肉厚部１６ｃによって、肉厚部１６ｃのない従来例に比べて、応力集中箇所の最大応力を著しく低減できることが分かる。これは、接合部１４から部材乙１６の通常の厚さｔｂの部分１６ｂに至る間に、肉厚部１６ｃの外周部の段部が形成されるため、接合部１４の端部（図１（ｂ）の隅部１８に相当）での剛性の変化が緩和され、接合端部１４ａへの応力集中が緩和されるためである。
【００３０】
また、部材乙１６の肉厚部１６ｃと部材乙１６の他の部分１６ｂとの間の段部が凹曲面または傾斜面で形成されるために、段部における部材乙１６の剛性の急な変化が生じることが防止され、同段部での応力集中も防止されている。
【００３１】
その結果、本実施例のＦＳＷ重ね合わせ接合継手は、疲労強度特性が改善され疲労寿命が向上する。特に、航空機部材としてのストリンガー１１、フレーム等の骨材と、スキン１２等の外板とのＦＳＷ重ね合わせ接合構造において、スキン１２等外板内にかかる負荷、スキン１２等外板とストリンガー１１、フレーム等骨材との間にかかる負荷に対しても、応力集中を緩和でき、疲労強度が高く信頼性の高いＦＳＷ重ね合わせ接合継手となる。
【００３２】
そして、上記実施例ではさらに、図１に示すように、部材甲１５と部材乙１６の接する側の少なくとも一方の面には、潤滑性のコーティング１９が施されている。コーティング１９は、予め部材甲１５または部材乙１６の両方または一方の表面に施されたアノダイズ皮膜（陽極酸化皮膜）が好ましく、化学皮膜でもよく、耐摩耗性を併せ備えるものが好ましい。
【００３３】
本実施例においてフレッティング対策として、部材甲１５と部材乙１６の互いに接する側の両面に潤滑性のコーティング１９としてアノダイズ皮膜を形成し、上記ケース１で、負荷Ｆ１＝２００ＭＰａで疲労試験を行った結果、
コーティング１９なしの場合の、１５万サイクルに対して、
コーティング１９を施した場合は、２００万サイクルの疲労寿命が得られた。
【００３４】
本実施例の変形例として、図３（ａ）に示すように、部材甲１５と部材乙１６の両部材の接合面に上記ケース１と同様のコーティング１９を施し、両部材間に接合面に平行に負荷Ｆ３＝５０ＭＰａを加えて、疲労試験を行った結果、
コーティング１９なしの場合の、３８万サイクルに対して、
コーティング１９を施した場合は、１０３万サイクルの疲労寿命が得られた。
【００３５】
以上のように、潤滑性のコーティング１９が両部材１５，１６の接合面に介在することにより、フレッティングの問題を解消しさらに疲労強度を高めることができ、疲労寿命を向上させる。
【００３６】
したがって、例えば航空機部材として、部材甲１５がストリンガー１１等の骨材、部材乙１６がスキン１２等の外板として用いられた場合では、スキン１２等外板内にかかる繰り返し負荷、スキン１２等外板とストリンガー１１等骨材との間にかかる繰り返し負荷においても、フレッティングが防止されさらに疲労強度を高めるものとなり、疲労寿命が向上したＦＳＷ重ね合わせ接合継手となる。
【００３７】
なお、コーティング１９は両部材１５、１６の一方に施した場合も一定の同様効果が得られる。また、ＦＳＷ重ね合わせ接合継手における疲労強度を増すためには、フレッティング防止の観点から、部材表面粗さを低くし、部材角部を丸める、等を加えればより効果が高くなる。
【００３８】
以上、本発明を図示の実施例について説明したが、本発明は上記の実施例に限定されず、本発明の範囲内でその具体的構造に種々の変更を加えてよいことはいうまでもない。
【００３９】
たとえば、上記実施例では部材甲１５、部材乙１６の組み合わせとして航空機部材のストリンガー１１、スキン１２の組み合わせを例に説明したが、前述のように航空機部材の図示しないフレームとスキン１２の組み合わせにおいても同様である。
【００４０】
そして、本発明のＦＳＷ重ね合わせ接合継手は、上記の航空機部材を例に説明した実施例に限られず、ＦＳＷによる重ね合わせ接合継手一般に適用されその作用効果を奏し得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の一実施例に係るＦＳＷ重ね合わせ接合継手の断面図である。
【図２】本実施例のＦＳＷ重ね合わせ接合継手の応力集中部での最大応力の説明図であって、（ａ）、（ｂ）は負荷のケースの説明図、（ｃ）は最大応力の比較表である。
【図３】本実施例のＦＳＷ重ね合わせ接合継手の潤滑性のコーティングに関する他の例の説明図であり、（ａ）は接合継手の断面図、（ｂ）は接合継手の疲労寿命の比較表である。
【図４】（ａ）は、従来のリベットによる重ね合わせ接合継手の断面図、（ｂ）はＦＳＷによる重ね合わせ接合継手の断面図である。
【図５】接合中の一般的なＦＳＷ重ね合わせ接合継手の断面図
【図６】従来のＦＳＷ重ね合わせ接合継手の問題点の説明図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は同断面の模式図である。
【符号の説明】
【００４２】
１０                リベット
１１                ストリンガー
１２                スキン
１３                リベット穴
１４                接合部
１４ａ              接合端部
１５                部材甲
１６                部材乙
１６ｃ              肉厚部
１７                凸状部
１８                隅部
１９                コーティング
２０                ロッドツール
２１                プローブ
２２                ショルダー部
【図１】
2005169412.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】
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