(57)【要約】【課題】板厚の微妙な変化等の前提条件の微小変化が生じても健全な接合状態を得ることができる摩擦攪拌接合方法を提供すること。【解決手段】裏当て治具３に載置したアルミニウム合金板よりなる第１接合部材及び第２接合部材の端面を突き合せ、突き合せ部分２３を接合する摩擦攪拌接合方法。径大部と、径大部の端面であるショルダー１１の回転軸上に設けられた径小のプローブ１２とを有する。プローブ１２のショルダー１１からの突出量Ｌを変更可能な複動式回転工具１を用い、複動式回転工具１を回転させながら突き合せ部分２３に差し込んだ後、突き合せ部分２３に沿って複動式回転工具１を平面方向に移動させるに当たり、複動式回転工具１、第１接合部材２１、第２接合部材２２、又は裏当て治具３の状態の微妙な変化を示す微小変化を測定し、その測定結果に応じてプローブ１２の突出量Ｌを変更しながら複動式回転工具１の移動を行う。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
裏当て治具に載置した、板厚が０．７〜３ｍｍのアルミニウム合金板よりなる２枚の接合部材の端面を突き合せ、その突き合せ部分を接合する摩擦攪拌接合方法であって、
径大部と、該径大部の端面であるショルダーの回転軸上に設けられた径小のプローブとを有し、上記プローブのショルダーからの突出量を変更可能な複動式回転工具を用い、
該複動式回転工具を回転させながら上記突き合せ部分に差し込んだ後、上記突き合せ部分に沿って上記複動式回転工具を平面方向に移動させるに当たり、
上記複動式回転工具、上記接合部材、又は上記裏当て治具の状態の微妙な変化を示す微小変化を測定し、その測定結果に応じて上記プローブの突出量を変更しながら上記複動式回転工具の移動を行うことを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
【請求項２】
請求項１において、上記微小変化は、一方又は両方の上記接合部材の板厚変動、上記裏当て治具の起伏変動、上記複動式回転工具を上記接合部材に差し込む方向の荷重変動、上記接合部材又は上記複動式回転工具の温度変化のいずれかである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、ショルダーとプローブとが複動式の回転工具を用いた摩擦攪拌接合方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
最近、地球環境保護あるいは省エネルギーの観点から、自動車の排出する有毒なガスや二酸化炭素の抑止、燃費の向上が叫ばれている。これらを達成する一つの方法として、自動車の軽量化、即ち軽量材料の使用が最も有効であり、ボディ及び部品の鋼からアルミニウムへの転換が盛んに検討されている。素材をできるだけ節約し、部材の適材適所を図るため、異なる板を接合しプレス成形に供するテーラードブランクの考え方がある。
【０００３】
鋼板のテーラードブランク材は、レーザー溶接やマッシュシーム溶接により実用化されている。アルミニウム合金の場合、レーザー溶接では、レーザー光の反射率が高く、表面状態によるばらつきが大きく、ポロシティが生じやすい等の問題があり、安定な継手が得られない。マッシュシーム溶接も、アルミニウム合金の場合は熱が逃げやすく局部的な溶融しかできないため、プレス成形に耐えうる滑らかな表面を有する継手を得るのは困難である。
【０００４】
一方、入熱が少なく、軟化や歪みの程度が軽い接合方法として、アルミニウム合金の突き合せ摩擦攪拌接合方法が報告されている（特許文献１）。この方法は、硬質の裏当ての上に、軟質素材を突き合せて拘束し、硬質のピン型工具を突き合せ部分に高速回転させながら差し込み移動させる方法で、接合部が溶融しないのが特徴である。軟らかく、融点が低い金属に向いており、アルミニウム合金の接合に適する。この方法を用いてテーラードブランク材を製造することにより安定な継手特性を得ることが可能となる（特許文献２）。
【０００５】
アルミニウム合金のテーラードブランクでは対象となる板厚が０．７〜３．０ｍｍ程度である。この範囲内の特に薄い領域で等厚または差厚突き合せの接合を摩擦攪拌接合方法により行った場合に、必ずしも健全とは言えない接合状態が得られる場合がある。この原因は、対象とする板厚が薄い場合には、板厚の微妙な変化や裏当て治具の微妙な起伏等が接合状態に大きな影響を与えるためであると考えられる。
【０００６】
【特許文献１】特許第２７１２８３８号明細書
【特許文献２】特許第３２６２５３３号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、板厚の微妙な変化等の前提条件の微小変化が生じても健全な接合状態を得ることができる摩擦攪拌接合方法を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、裏当て治具に載置した、板厚が０．７〜３ｍｍのアルミニウム合金板よりなる２枚の接合部材の端面を突き合せ、その突き合せ部分を接合する摩擦攪拌接合方法であって、
径大部と、該径大部の端面であるショルダーの回転軸上に設けられた径小のプローブとを有し、上記プローブのショルダーからの突出量を変更可能な複動式回転工具を用い、
該複動式回転工具を回転させながら上記突き合せ部分に差し込んだ後、上記突き合せ部分に沿って上記複動式回転工具を平面方向に移動させるに当たり、
上記複動式回転工具、上記接合部材、又は上記裏当て治具の状態の微妙な変化を示す微小変化を測定し、その測定結果に応じて上記プローブの突出量を変更しながら上記複動式回転工具の移動を行うことを特徴とする摩擦攪拌接合方法にある（請求項１）。
【０００９】
本発明の摩擦攪拌接合方法では、上記複動式回転工具を積極的に採用する。即ち、径大部と、該径大部の端面であるショルダーの回転軸上に設けられた径小のプローブとを有し、上記プローブのショルダーからの突出量を変更可能な複動式回転工具を用いる。そして、該複動式回転工具を回転させながら上記突き合せ部分に差し込んだ後、上記突き合せ部分に沿って上記複動式回転工具を平面方向に移動させる。
【００１０】
また、単に上記複動式回転工具を用いるというだけでなく、上記接合部材、又は上記裏当て治具の状態の微妙な変化を示す微小変化を測定し、その測定結果に応じて上記プローブの突出量を変更しながら上記複動式回転工具の移動を行う。そのため、上記微小変化に応じて上記プローブの差込み深さを微調整することができ、この微調整を行わない場合に比べてより健全な接合状態を得ることができる。特に、本発明の接合部材の板厚は０．７〜３ｍｍという薄板であるので、上記摩擦攪拌接合方法が有効である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明においては、上記接合部材の板厚を０．７〜３ｍｍの範囲とする。なお、接合すべき２枚の接合部材が同じ板厚の場合だけでなく、異なる板厚の板を突き合せる場合にも本発明を適用することができるが、いずれの場合も両方の接合部材の板厚を０．７〜３ｍｍの範囲とする。
上記接合部材の板厚が０．７ｍｍ未満の場合には、摩擦攪拌接合方法の適用自体が困難となる。一方、上記接合部材の板厚が３ｍｍを超える場合には、上記複動式回転工具のプローブの突出量を微小制御することによる効果が十分に得られないおそれがある。
【００１２】
上記微小変化は、一方又は両方の上記接合部材の板厚変動、上記裏当て治具の起伏変動、上記複動式回転工具を上記接合部材に差し込む方向の荷重変動、上記接合部材又は上記複動式回転工具の温度変化のいずれかであることが好ましい（請求項２）。
これらの微小変化は、接合部材が上記のごとく薄板の場合に接合状態に影響を与えやすい。そのため、これらの微小変化に応じて上記プローブの突出量制御を行うことが好ましい。
【００１３】
上記板厚変動を測定する方法としては、Ｘ線板厚計、超音波板厚計、レーザー変化計等の非接触式板厚計又は、ローラー式のマイクロメーター等の接触式板厚計を上記複動式回転工具と伴に移動させる方法等がある。上記裏当て治具の起伏変動を測定する方法としては、ローラーにより変位をとらえるセンサーを用いる方法等がある。上記複動式回転工具を上記接合部材に差し込む方向の荷重変動を測定する方法としては、ロードセルによる方法、油圧、エアー等による差圧センサーによる方法等がある。上記接合部材又は上記複動式回転工具の温度変化を測定する方法としては、赤外線センサーなどの非接触式温度計または、工具内に埋め込んだ熱伝対等の接触式温度計による方法等がある。
【実施例】
【００１４】
本発明の実施例にかかる摩擦攪拌接合方法につき、図１〜図６を用いて説明する。なお、本例は、本発明の一実施様態を示すものであり、本発明はこれに限定されるものではない。
【００１５】
（実施例１）
図１に示すごとく、本例は、第１接合部材２１である材質６１１１合金、質別Ｔ４、厚み１ｍｍｔの板（５００ｍｍＷ×１ｍＬ）と、第２接合部材２２である材質６１１１合金、質別Ｔ４、厚み２ｍｍｔの板（５００ｍｍＷ×１ｍＬ）とを裏当て治具３上に載置して幅方向端面を突き合せて拘束し、その突き合せ部分２３を接合する摩擦攪拌接合方法である。
【００１６】
複動式回転工具１は、ショルダー１１とプローブ１２とが同軸の別駆動制御、つまり、
それぞれが荷重制御と、位置制御が可能であり、プローブ１２をショルダー１１に対して、相対的に進退させることができるように構成したものを用いた。そして、図１に示すごとく、この別駆動制御を行う油圧制御装置６は、上記複動式回転工具１に設けた測定装置５１、５２に電気的に接続され、該測定装置５１、５２から測定結果に応じて制御を行うように構成した。
【００１７】
このような摩擦攪拌接合装置４を用いて接合を行うに当たっては、まず、上記第１接合部材２１と上記第２接合部材２２との突き合せ面２００に対して、上記複動式回転工具１の回転軸Ｃを第１接合部材２１の方に角度θ（θ＝５度）傾斜させる。さらに、図３に示すごとく、後に行う平面方向への移動方向Ａと反対側の方向にも角度α（α＝３度）だけ傾斜させた姿勢に上記回転工具１を配置する。そして、複動式回転工具１を、裏当て治具３に対して鉛直な方向から上記突き合せ部分２３へと回転させながら真下に差し込んだ後、上記突き合せ部分２３に沿って上記複動式回転工具１を平面方向に移動させる。このとき、複動式回転工具１の回転数は１５００ｒｐｍ、その移動速度、つまり接合速度は２ｍ／ｍｉｎとした。
【００１８】
従来ならば、突き合せ接合を行う際には、ショルダーとプローブとが固定された複動式でない回転工具を用いて一定条件で移動させる、あるいは、複動式回転工具を用いても、一旦突き合せ部分に差し込んだ後は、ショルダーとプローブとを動かないように固定して平面方向に移動させる方法がとられていた。これに対し、本例では、複動式回転工具１、第１接合部材、第２接合部材、又は裏当て治具３の状態の微妙な変化を示す微小変化を測定し、その測定結果に応じて上記プローブ１２の突出量を変更しながら上記複動式回転工具１の移動を行う。
【００１９】
図１及び図２に示すごとく、接合には、径大部１０と、該径大部１０の端面であるショルダー１１の回転軸上に設けられた径小のプローブ１２とを有し、上記プローブ１２のショルダー１１からの突出量Ｌを変更可能な複動式回転工具１を用いる。上記ショルダー１１の直径Ｄ１は１５ｍｍ、上記プローブ１２の直径Ｄ２は３ｍｍである。
【００２０】
また、本例では、図１に示すごとく、上記複動式回転工具１を備えた摩擦攪拌接合装置として、ガントリー型の摩擦攪拌接合装置４を用いた。該摩擦攪拌接合装置４は、ガントリー４０に上下スライドするベース板を取り付け、複動式回転工具１の傾斜をガントリー４０の横柱方向に＋−１５度振ることができるように、上記ベース板４１に、上記複動式回転工具１を固定した接合ヘッド４２を取り付けた構造を有する。
【００２１】
上記微小変化測定としては、本例では接合部の差込み深さを一定にしての荷重制御を採用し、その測定は、ロードセルによる荷重測定という方法を採用した。この測定を実現すべく、後述する摩擦攪拌接合装置４には、ロードセルとその値を差込深さにフィードバックするという構成の測定装置５１、５２を径大部１０及びプローブ１２に対してそれぞれ設け、その測定結果に基づいて複動式回転工具１のプローブの突出量を変更するように構成した。
【００２２】
具体的な複動式回転工具１の動作は、図４、図５に示すごとく、接合開始時には上記プローブ１２の先端面１２０と上記ショルダー１１とを面一にしておき、上記ショルダー１１で接合部材を加熱した後（ショルダー１１接触後１０秒経過後）、図６に示すごとく、上記プローブ１２を突き出し、その後は、複動式回転工具１全体を突き合せ部分２３に沿って移動させると共に、上記測定装置５１、５２の測定結果に応じてプローブ１２の突出量Ｌを微小に変更しながら接合を行った。そして、接合終了位置では、上記プローブ１２の突出状態を維持したまま、複動式回転工具１を上方に引き抜いた。
その結果、接合終了位置においては、固定式の回転工具を用いた場合と同様に、プローブ１２が存在していた部分が穴状に残存していたが、それ以外の接合部全長にわたって、トンネルポア（長手方向に続いた欠陥）やキッシングボンド（裏面の未接合部）を防ぐことができ、健全な接合が可能であった。
【００２３】
（実施例２）
本例では、実施例１と基本的に同じ摩擦攪拌接合方法により、接合終了位置に穴が残らないテーラードブランクを得る具体例を示す。
実施例１と同様の装置を用いて、接合終了位置近傍に到達するまでには、実施例１と同条件（回転数、接合速度、板の大きさ）で行った。接合終了位置の３０ｍｍ手前からプローブ１２の先端面１２０をショルダー１１面まで引っ込め、接合終了時位置では、ショルダー１１面を０．１ｍｍ差し込んだ。その結果、接合終了位置では、プローブ１２が存在していた部分が塞がれた状態となった。
このように本例では、終了部に穴が残らないテーラードブランクを得ることができた。その他は実施例１と同様の作用効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】摩擦攪拌接合装置を示す説明図。
【図２】複動式回転工具を示す断面図。
【図３】複動式回転工具の移動方向に対する角度を示す説明図。
【図４】接合開始時の複動式回転工具を示す説明図。
【図５】ショルダーで加熱される接合部材を示す説明図。
【図６】プローブが突出している接合状態を示す説明図。
【符号の説明】
【００２５】
１  複動式回転工具
１０  径大部
１１  ショルダー
１２  プローブ
１２０  先端面
２００  突き合せ面
２１  第１接合部材
２２  第２接合部材
２３  突き合せ部分
３  裏当て治具
４  摩擦攪拌接合装置
４０  ガントリー
４２  接合ヘッド
６  油圧制御装置
【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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【図６】
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