(57)【要約】【課題】  薄肉の被接合部材と厚肉の被接合部材とを突き合わせて接合終了位置が少なくとも接合開始位置まで戻ってくるように摩擦接合する場合にも、その結合強度が低下するのを抑えることができる摩擦攪拌接合方法を提供する。【解決手段】ピン７ａの接合開始部Ｋ１は、薄肉円筒体１と厚肉円筒体２の突き合わせ線Ｅ上の位置とし、続いてピン７ａの接合中心線Ｍを、突き合わせ線Ｅに対し、ピン７ａによる薄肉円筒体１と厚肉円筒体２の溶解部Ｙがオーバーラップしていく範囲Ｗ内で、接合開始部Ｋ１から薄肉円筒体１側を通って厚肉円筒体２側へ向かうようにピン７ａを蛇行させて接合開始部Ｋ１に向かわせた後、ピン７ａの接合終了部Ｋ２を接合開始部Ｋ１の近傍を通り過ぎた位置であって、この位置における接合終了部Ｋ２が先に接合開始部Ｋ１から蛇行させたピン７ａの位置ｍより厚肉円筒体２側にある位置とした。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１被接合部材の薄肉部と第２被接合部材の厚肉部とを突き合わせて、この突き合わせ箇所の部分に、回転ツールの先端に設けたピンを回転しながら押圧することで発生した摩擦熱で、前記突き合わせ箇所の部分を塑性流動させて両被接合部材同士を接合するようにした摩擦攪拌接合方法であって、
前記ピンの接合開始部は、前記薄肉部と前記厚肉部の突き合わせ線上の位置とし、続いて前記ピンの接合中心線を、前記突き合わせ線に対し、前記ピンによる前記薄肉部と前記厚肉部の溶解部がオーバーラップしていく範囲内で、前記接合開始部から前記薄肉部側を通って前記厚肉部側へ向かうようにピンを蛇行させて前記接合開始部に向かわせた後、前記ピンの接合終了部を前記接合開始部又はこの近傍を通り過ぎた位置であって、この位置における前記接合終了部が先に前記接合開始部から蛇行させた前記ピンの位置より前記厚肉部側にある位置とした、
ことを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
【請求項２】
請求項１に記載の摩擦攪拌接合方法において、
前記第２被接合部材の厚肉部は、第１被接合部の薄肉部を係合可能な段差を有する、
ことを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の摩擦攪拌接合方法において、
前記第１被接合部材および前記第２被接合部材は円筒状部材である、
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、被接合部材同士を突き当てて、この突き当て部分に回転ツールのピンを押圧しながら回転することで発生する摩擦熱で突き当て部分を塑性流動して、冷却後一体的に接合させるようにした摩擦攪拌接合方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、摩擦攪拌接合方法としては、薄肉のアルミニウム合金板と厚肉のアルミニウム合金板を、これらの被接合側表面の高さが同じになるようにして定盤上で突き合わせ、その被接合箇所から厚肉側へ少しオフセットした位置で回転ツールの先端に設けたピンおよび回転ツールのショルダ部をアルミニウム合金板に押圧しながら回転させ、発生した摩擦熱でその押圧箇所やその近辺部分を塑性流動させて両アルミニウム合金板を接合するようにしたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−２２４８５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記従来の摩擦攪拌接合方法では、ピンを突き合わせ箇所より厚肉のアルミニウム合金板側へオフセットした位置で押圧・回転させるので、この結果発生する摩擦熱は厚肉のアルミニウム合金板側でより多く発生し、熱容量が小さい薄肉のアルミニウム合金板では少なくなるので、薄肉のアルミニウム合金板の変形を小さく抑えることが可能となる。
しかしながら、この従来の方法を用いて、薄肉の被接合部材と厚肉の被接合部材とを突き合わせ、この突き合わせ箇所からオフセットした位置で摩擦撹拌接合を実施する場合には、接合箇所のどの部分も厚肉側に偏ってしまい、全体の結合強度が劣化してしまうという問題があった。また、たとえばタンク容器のように、漏れがあっては困るものにあっては、ピンの接合終点位置が少なくとも接合開始位置まで戻ってくる摩擦撹拌接合を行う必要があり、接合終点部の外周部分に繰り返し加圧による応力集中が生じてしまって、接合終了時の部分の接合強度が劣化してしまうといった問題があった。
【０００５】
本発明は、上記問題に着目してなされたもので、その目的とするところは、被接合部材がこれらの薄肉部と厚肉部とを突き合わせて接合終了位置が少なくとも接合開始位置まで戻ってくるように摩擦接合する場合にも、その結合強度が低下するのを抑えることができる摩擦攪拌接合方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この目的のため、請求項１に記載の本発明による摩擦攪拌接合方法は、
第１被接合部材の薄肉部と第２被接合部材の厚肉部とを突き合わせて、この突き合わせ箇所の部分に、ピンを先端に設けた回転ツールを回転しながら押圧することで発生した摩擦熱で、突き合わせ箇所の部分を塑性流動させて両被接合部材同士を接合するようにした摩擦攪拌接合方法であって、
ピンの接合開始部は、薄肉部と厚肉部の突き合わせ線上の位置とし、続いてピンの接合中心線を、突き合わせ線に対し、ピンによる薄肉部と厚肉部の溶解部がオーバーラップしていく範囲内で、接合開始部から薄肉部側を通って厚肉部側へ向かうようにピンを蛇行させて接合開始部に向かわせた後、ピンの接合終了部を接合開始部又はこの近傍を通り過ぎた位置であって、この位置における接合終了部が先に接合開始部から蛇行させたピンの位置より厚肉部側にある位置とした、
ことを特徴とする。
【０００７】
請求項２に記載の本発明による摩擦攪拌接合方法は、請求項１に記載の発明において、第２被接合部材の厚肉部が、第１被接合部の薄肉部を係合可能な段差を有するようにしたことを特徴とする。
【０００８】
請求項３に記載の本発明による摩擦攪拌接合方法は、請求項１又は２に記載の発明において、第１被接合部材および第２被接合部材が円筒状部材であることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
請求項１に記載の本発明の摩擦攪拌接合方法にあっては、接合開始点から接合終了点の間を蛇行させながらピンを相対移動させるようにしたので、一部の薄肉部側にも厚肉部側より溶融部が寄ることとなって、厚肉部との結合強度を向上させることができる。また、この場合、薄肉部の一部にしか溶融部が偏らないので、応力集中による薄肉部の変形を抑えて漏れを防止することができる。また、接合終了点を、接合開始部又はこの近傍を通り過ぎた位置であって、この位置における接合終了部が先に接合開始部から蛇行させたピンの位置より厚肉部側にある位置としたので、この部分を繰り返し摩擦攪拌接合しても強度的に弱くなるのを抑制できる。
【００１０】
請求項２に記載の本発明の摩擦攪拌接合方法にあっては、第２被接合部材の突き合わせ箇所を厚肉部の段差にかつ第１被接合部材の薄肉部を係合させた状態でこの部分を摩擦接合するようにしたので、強度を高くすることができ、また、摩擦熱による歪みも抑えることができる。さらに、被接合部材がいずれも薄肉であっても、突き合わせ箇所の一方を段差付き厚肉部とすることで、強度が高く歪みも抑えて薄肉の被接合部材同士を摩擦攪拌接合できる。
【００１１】
請求項３に記載の本発明の摩擦攪拌接合方法にあっては、第１被接合部材および第２被接合部材を円筒状部材としたので、容易にタンク等を形成することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施例１の摩擦攪拌接合方法で用いられる摩擦攪拌接合装置の接合開始直前の状態を示す平面図である。
【図２】図１のＳ２−Ｓ２線における拡大縦断面図である。
【図３】本発明の実施例１の摩擦攪拌接合方法が適用される被接合部材を示す断面図である。
【図４】本発明の実施例１の摩擦攪拌接合方法により接合した被接合部材を展開して示す図で、（イ）はその展開図、（ロ）は（イ）のａ１−ａ１線、ａ２−ａ２線、ａ３−ａ３線、ａ４−ａ４線、ａ５−ａ５線、ａ６−ａ６線、ａ７−ａ７線、における断面図である。
【図５】実施例１の摩擦攪拌接合方法による接合始点と接合終点部分を示す要部の平面図である。
【図６】図５のＳ６−Ｓ６線における断面図である。
【図７】本発明の実施例２の摩擦攪拌接合方法を示す断面図である。
【図８】本発明の実施例３の摩擦攪拌接合方法を示す断面図である。
【図９】本発明のさらに別の実施例の摩擦攪拌接合方法を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態を、図面に示す実施例に基づき詳細に説明する。
【実施例１】
【００１４】
本実施例では、被接合部材Ｇとして、薄肉円筒体（第１被接合部材）１と、この薄肉円筒体１と外径を同じくする厚肉円筒体（第２被接合部材）２との突き合わせ箇所Ｐを摩擦攪拌接合する。
まず、上記摩擦攪拌接合方法を実行するための摩擦攪拌接合装置につき、図１、２に基づき説明する。なお、図１，２は摩擦攪拌接合を行う直前の状態を示している。
【００１５】
この摩擦攪拌接合装置は、薄肉円筒体１の開口端部付近の外周面に当接し、薄肉円筒体１を水平状態で回転可能に支持する３つのワーク受けローラ３と、薄肉円筒体１の芯出しをした状態で薄肉円筒体１側を回転自在に支持するセンター出し治具４と、厚肉円筒体２側をチャック装置５で挟持して被接合部材Ｇを軸心Ｑまわりに回転させる電動モータ６と、回転ツール７と、回転ツール７を高速回転させる電動モータ７ｂと、を備える。また、この回転ツール７は、図示を省略した駆動機構により、その軸心方向（水平方向）の進退可能となっている。
【００１６】
回転ツール７は、先端部に備えたピン７ａとそのショルダ部を、薄肉円筒体１と厚肉円筒体２の突き合わせ箇所Ｐに対し、その側面から水平状態で押圧し、回転ツール７を電動モータ７ａで高速回転させながら被接合部材Ｇを回転（回転ツール７との相対移動）させることにより、発生した摩擦熱で突き合わせ箇所Ｐを塑性流動させて該突き合わせ箇所Ｐを接合する。なお、ピン付き回転ツール７は、この軸心が水平面上にある必要はなく、付き合わせ箇所Ｐの上方など任意の位置に設置しても良い。
【００１７】
被接合部材Ｇは、図３に詳細に示すように、薄肉円筒体（第１被接合部材）１と、この薄肉円筒体１と外径を同じくする厚肉円筒体（第２被接合部材）２と、からなり、厚肉円筒体２における薄肉円筒体１との突き合わせ箇所Ｐ側端面には、段差を設けて形成した小径部２ａを有し、この小径部２ａを薄肉円筒体１の開口部１ａ内に差し込み係合した状態で突き合わせ箇所Ｐの摩擦攪拌接合が行われる。
【００１８】
次に、上記摩擦攪拌接合装置を用いた実施例１の摩擦攪拌接合方法を図４〜６に基づいて説明する。
まず、図１，２に示すように、被接合部材Ｇを摩擦攪拌接合装置にセットした状態で、回転ツール７を高速回転しながら前進させ、回転ツール７のピン７ａを突き合わせ箇所Ｐに押圧し、被接合部材Ｇを回転させて行くことにより、被接合部材Ｇの突き合わせ箇所Ｐを摩擦攪拌接合して行く。
その際、まず、ピン７ａを押圧する接合開始部Ｋ１は、図４、５に示すように、薄肉円筒体１と厚肉円筒体２の突き合わせ線Ｅ上の位置とする。なお、図４は、外周面を展開して示した図である。したがって、３６０°で被接合部材Ｇが１回転することになる。なお、図４において、線Ｄは、ピン7aによる溶融部Ｙにおける薄肉円筒体１側端部である接合基点ｄ１の軌跡を示す。
【００１９】
接合開始部Ｋ１に続いて、被接合部材Ｇの回転に伴い、図４に示すように、ピン７ａの接合中心線Ｍを、突き合わせ線Ｅに対し、ピン７ａによる薄肉円筒体１と厚肉円筒体２の溶解部Ｙがオーバーラップしていく範囲Ｗ内で、突き合わせ線Ｅ上の接合開始部Ｋ１から薄肉円筒体１側を通って被接合部材Ｇを４５°程度回転させた所で厚肉円筒体２側へ向かわせ、９０°付近で突き合わせ線Ｅより厚肉円筒体２側へ寄り始めて、また１８０°付近で突き合わせ線Ｅより薄肉円筒体１側へ寄り、２７０°付近で厚肉側に寄るようにピン７ａを緩やかに蛇行させて３６０°付近で接合開始部Ｋ１もしくはその近傍に向かわせる。したがって、この場合、上記従来技術によるものの場合より、薄肉円筒体１側にも溶融部が寄ることで被接合部材Ｇ全体の強度が向上することとなる。
【００２０】
その後、ピン７ａの接合終了部Ｋ２を、接合開始部Ｋ１を通り過ぎた位置であってこの位置における接合終了部Ｋ２が先に接合開始部Ｋ１から薄肉円筒体１側へ向けて蛇行させたピン７ａの位置ｍより厚肉円筒体２側にある位置となるように制御する。本実施例では、接合終了部Ｋ２は、突き合わせ線Ｅ上とする。接合終了部Ｋ２では、回転ツール７を後退させてピン７ａを突き合わせ箇所Ｐの溶融部分から引き抜く。その結果、図４（ロ）の接合終了部Ｋ２での断面図および図７で明らかなように、接合開始点Ｋ１から接合終了部Ｋ２の間は、先に薄肉円筒体１側に溶融部Ｙが形成された後をオーバーラップしながら、再度、摩擦攪拌接合しながらピン７ａが相対移動することになるが、この再度の摩擦攪拌接合による溶融部の接合基点ｄ１は、突き合わせ線Ｅ上で先の溶融部Ｙの接合基点より厚肉円筒体２側に位置するので、強度的に強い箇所で摩擦攪拌接合が終了しピン７ａが引き抜かれることとなる。
なお、上記溶解部Ｙが、突き合わせ箇所Ｐ、薄肉円筒体１と厚肉円筒体２との両方の部分にオーバーラップするようにするには、突き合わせ線Ｅ上にピン７ａがあるときのこのピン７ａの外径の範囲内Ｗ（図５参照）とすることが望ましい。
【００２１】
以上のように、実施例１の摩擦攪拌接合方法にあっては、以下の効果を得ることができる。
(1)  ピン７ａの接合中心線Ｍを、突き合わせ線Ｅに対し、ピン７ａによる薄肉円筒体１と厚肉円筒体２の溶解部Ｙがオーバーラップしていく範囲Ｗ内で、接合開始部Ｋ１から薄肉円筒体１側を通って厚肉円筒体２側へ向かうようにピン７ａを緩やかに蛇行させて接合開始部Ｋ１に向かわせるようにした。
これにより、接合箇所が厚肉円筒体２側に偏ることがなく薄肉円筒体１側にも一部寄るようになるため、被接合部材Ｇ全体の結合強度の劣化を防止することができる。
【００２２】
(2) 接合終了部Ｋ２におけるピン７ａの接合中心線Ｍの位置が、接合開始部Ｋ１を通り過ぎた位置であってこの位置における接合終了部Ｋ２が先に接合開始部Ｋ１から薄肉円筒体１側へ向けて蛇行させたピン７ａの位置ｍより厚肉円筒体２側にある位置となる。
これにより、接合終了部Ｋ２における溶融部Ｙの薄肉円筒体１側端部である接合基点ｄ１の位置が、先に接合開始部Ｋ１から薄肉円筒体１側へ向けて蛇行させた溶融部Ｙの薄肉円筒体１側端部である接合基点ｄ２の位置より厚肉円筒体２側となるため、接合終了部Ｋ２における薄肉円筒体１側における繰り返し加圧による応力集中を抑制して、接合終了部Ｋ２の接合強度低下を抑制することができる。
【００２３】
次に、他の実施例について説明する。なお、この他の実施例の説明にあたっては、上記実施例１と同様の構成部分については図示を省略し、もしくは同一の符号を付けてその説明を省略し、相違点についてのみ説明する。
【実施例２】
【００２４】
この実施例２の摩擦攪拌接合方法は、図７に示すように、被接合部材Ｇとして、薄肉円筒体（第１被接合部材）１０と、この薄肉円筒体１と外径を同じくする厚肉円柱体（第２被接合部材）２０との突き合わせ箇所Ｐを摩擦攪拌接合するようにした点が、円筒同士の突き合わせ箇所Ｅを摩擦攪拌接合する実施例１とは相違する。
【００２５】
すなわち、この実施例２では、厚肉円柱体２０における薄肉円筒体１０との突き合わせ箇Ｐ所側端面には、段差を設けて形成した小径部２０ａを有し、この小径部２０ａを薄肉円筒体１０の開口部１０ａ内に差し込み係合した状態で突き合わせ箇所Ｐの摩擦攪拌接合が行われる。
従って、この実施例２では、上記実施例１と同様の効果が得られる。
【実施例３】
【００２６】
この実施例３の摩擦攪拌接合方法は、図８に示すように、被接合部材Ｇとして、薄肉円筒体（第１被接合部材）１１と、この薄肉円筒体１１と外径が同じで、接合側端部に段差を設けて形成した、内側に肉厚となる厚肉部２１ａを有する厚肉円筒体（第２被接合部材）２１との突き合わせ箇所Ｐを摩擦攪拌接合するようにした点が、円筒体同士の突き合わせ箇所Ｐを摩擦攪拌接合する実施例１とは相違する。
【００２７】
すなわち、この実施例３では、厚肉円筒体２１の厚肉部２１ａにおける薄肉円筒体１１との突き合わせ箇所Ｐ側端面には、小径部２１ｂを有し、この小径部２１ｂを薄肉円筒体１１の開口部１１ａ内に差し込み係合した状態で突き合わせ箇所Ｐの摩擦攪拌接合が行われる。
従って、この実施例３では、上記実施例１と同様の効果が得られる。
【００２８】
以上、本発明を上記各実施例に基づき説明してきたが、本発明はこれらの実施例に限られず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で設計変更等があった場合でも、本発明に含まれる。
【００２９】
たとえば、実施例では、被接合部材Ｇとして円筒体同士を摩擦攪拌接合する場合を示したが、平板同士を摩擦攪拌接合する場合にも本発明を適用することができる。
【００３０】
また、実施例では、被接合部材Ｇとして、厚肉部側に薄肉部を重ねる段部（小径部）を有する場合を示したが、図９に示すように、段部を設けず、厚肉板材（第２被接合部材）２２と薄肉板材（第１被接合部材）１２の端面を単に突き合わせた状態で、突き合わせ箇所Ｐを摩擦攪拌接合するようにしてもよい。
この場合、段差が設けられた定盤８の上に、厚肉板材２２と、薄肉板材１２を突き合わせて設置した状態で摩擦攪拌接合を行う。なお、定盤８に設けられている段差の高さは、厚肉板材２２と、薄肉板材１２の板厚差と同じに設定されることで、厚肉板材２２と、薄肉板材１２の表面が同じ高さの状態にセットされる。
【符号の説明】
【００３１】
１  薄肉円筒体（第１被接合部材）
１ａ  開口部
２  厚肉円筒体（第２被接合部材）
２ａ  小径部
３  ワーク受けローラ
４  センター出し治具
５  チャック装置
６  電動モータ
７  回転ツール
７ａ  ピン
７ｂ  電動モータ
８  定盤
１０  薄肉円筒体（第１被接合部材）
１０ａ  開口部
１１  薄肉円筒体（第１被接合部材）
１１ａ  開口部
１２  薄肉板材（第１被接合部材）
２０  厚肉円柱体（第２被接合部材）
２０ａ  小径部
２１  厚肉円筒体（第２被接合部材）
２１ａ  厚肉部
２１ｂ  小径部
２２  厚肉板材（第２被接合部材）
Ｄ  基準点の線
ｄ１  基準点
ｄ２  基準点
Ｅ  付き合わせ線
Ｇ  被接合部材
Ｋ１  接合開始部
Ｋ２  接合終了部
Ｍ  ピンの接合中心線
ｍ  蛇行させたピンの位置
Ｐ  突き合わせ箇所
Ｑ  軸心
Ｗ  オーバーラップしていく範囲
Ｙ  溶融部
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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