(57)【要約】      （修正有）【課題】摩擦攪拌ツールへの負荷を低減し、接合部の欠陥を生じにくくする摩擦攪拌処理方法を提供する。【解決手段】実施形態によれば、第１の接合材１と第２の接合材２との間に設けられた開先４内に充填材５を充填し、摩擦攪拌処理ツール８のピン６を充填材内に挿入し、充填材、第１の接合材および第２の接合材の一部を攪拌する摩擦攪拌処理方法において、充填材は、粉末を空洞が存在するように焼結した焼結材を押付けて空洞をつぶした。【選択図】図１
2012200736.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の接合材と第２の接合材との間に設けられた開先内に充填材を充填し、
摩擦攪拌処理ツールのピンを充填材内に挿入し、
前記充填材、前記第１の接合材および前記第２の接合材の一部を攪拌する
摩擦攪拌処理方法において、
前記充填材は、粉末を空洞が存在するように焼結した焼結材を押付けて前記空洞をつぶしたことを特徴とする摩擦攪拌処理方法。
【請求項２】
第１の接合材と第２の接合材との間に設けられた開先内に充填材を供給し、
摩擦攪拌処理ツールのピンを開先内に挿入し、
前記充填材、前記第１の接合材および前記第２の接合材の一部を攪拌する
摩擦攪拌処理方法において、
前記充填材は、粉末を空洞が存在するように焼結した焼結材であり、
前記充填材を摩擦攪拌処理方向と逆の方向に移動させながら供給して摩擦攪拌処理することを特徴とする摩擦攪拌処理方法。
【請求項３】
前記開先内に供給する前に前記充填材を加熱することを特徴とする請求項２記載の摩擦攪拌処理方法。
【請求項４】
第１の接合材と第２の接合材との間に設けられた開先内に充填材を充填し、
摩擦攪拌処理ツールのピンを充填材内に挿入し、
前記充填材、前記第１の接合材および前記第２の接合材の一部を攪拌する
摩擦攪拌処理方法において、
前記充填材は、積層方向に押付けた積層箔であることを特徴とする摩擦攪拌処理方法。
【請求項５】
前記積層箔の上下部分を発泡金属としたことを特徴とする請求項４記載の摩擦攪拌処理方法。
【請求項６】
第１の接合材と第２の接合材との間に積層箔を挟んで押付けて接合部を形成し、
摩擦攪拌処理ツールのピンを前記接合部内に挿入し、
前記積層箔、前記第１の接合材および前記第２の接合材の一部を攪拌することを特徴とする摩擦攪拌処理方法。
【請求項７】
第１の接合材と第２の接合材との間に設けられた開先内に充填材を充填し、
摩擦攪拌処理ツールのピンを充填材内に挿入し、
前記充填材、前記第１の接合材および前記第２の接合材の一部を攪拌する
摩擦攪拌処理方法において、
前記充填材は、圧縮した発泡金属であることを特徴とする摩擦攪拌処理方法。 
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、摩擦攪拌処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の摩擦攪拌処理方法は、摩擦攪拌処理で補修する部分に充填材を充填して摩擦攪拌ツールで摩擦攪拌処理する。
【０００３】
充填材は、摩擦攪拌ツールへの負荷を低減させるために、粉末や溶射による溶加材としている。粉末等が飛散しないように充填材の表層部をレーザなどで溶融する。
【０００４】
摩擦攪拌ツールのショルダー部は処理材の表面に密着させる必要があり、かつ摩擦攪拌処理における接合部ギャップによる欠陥発生を防止する目的で、ギャップに充填した充填材を上方から押圧することで盛り上がりをなくし、かつ充填密度を高める。
【０００５】
また、摩擦攪拌処理部が元の材料より薄くなることを防止する目的で、加工物の継ぎ目上やまたその周りに、充実材（多数の部片やペレット状の充填材）を充填して摩擦攪拌処理を行う方法もある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−１８５６８３公報
【特許文献２】特開２００７−２９９５５公報
【特許文献３】特開２００７−１４４５１９公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述した摩擦攪拌処理方法では、粉末を充填する場合には下向き以外の姿勢では粉末を保持することができないので処理対象部分が限定される、という課題がある。
【０００８】
また、押圧しているので粉末の充填密度はある程度高まるが、充填された粉末は機械的に圧縮されているだけであり、摩擦攪拌ツールで攪拌されると非常に飛散しやすい状態である。このため、粉末充填の効果が十分に得られず、摩擦攪拌処理部に空洞などの欠陥が発生する、という課題がある。
【０００９】
充実材を充填する場合、粉末のような飛散は生じないが、充実材が盛り上がってしまい、摩擦攪拌ツールのショルダー部を処理材の表面に密着させることができない。また、充実材が盛り上がらないように充填した場合には、充填密度が不十分となる、という課題がある。
【００１０】
本発明が解決しようとする課題は、摩擦攪拌ツールへの負荷を低減し、接合部の欠陥を生じにくくする摩擦攪拌処理方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
実施形態の摩擦攪拌処理方法は、第１の接合材と第２の接合材との間に設けられた開先内に充填材を充填し、摩擦攪拌処理ツールのピンを充填材内に挿入し、前記充填材、前記第１の接合材および前記第２の接合材の一部を攪拌する摩擦攪拌処理方法において、前記充填材は、粉末を空洞が存在するように焼結した焼結材を押付けて前記空洞をつぶしたことを特徴とする。
【００１２】
また、実施形態の摩擦攪拌処理方法は、充填材が粉末を空洞が存在するように焼結した焼結材であり、前記充填材を摩擦攪拌処理方向と逆の方向に移動させながら供給して摩擦攪拌処理することを特徴とする。
【００１３】
また、実施形態の摩擦攪拌処理方法は、充填材が積層方向に押付けた積層箔であることを特徴とする。
【００１４】
また、実施形態の摩擦攪拌処理方法は、第１の接合材と第２の接合材との間に積層箔を挟んで押付けて接合部を形成し、摩擦攪拌処理ツールのピンを前記接合部内に挿入し、前記積層箔、前記第１の接合材および前記第２の接合材の一部を攪拌することを特徴とする。
【００１５】
また、実施形態の摩擦攪拌処理方法は、充填材が圧縮した発泡金属であることを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】第１の実施形態の摩擦攪拌処理方法を示す図。
【図２】第２の実施形態の摩擦攪拌処理方法を示す図。
【図３】第３の実施形態の摩擦攪拌処理方法を示す図。
【図４】第４の実施形態の摩擦攪拌処理方法を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、実施形態の摩擦攪拌処理方法を図面を参照して説明する。
【００１８】
（第１の実施形態）
図１は第１の実施形態の摩擦攪拌処理方法を示す図である。
【００１９】
図１（ａ）に示すように、板厚３ｍｍの炭素鋼材の第１の接合材１と第２の接合材２が突合せ部３で密着され、予め開先４が加工されている。この開先４内に充填するための充填材５は、第１の接合材１と同様の炭素鋼材であるが、充実材ではなく炭素鋼粉末を焼結した焼結材である。この焼結材は、通常粉末冶金で用いられる焼結条件よりも低温、あるいは短時間で焼結し、焼結が不十分なものを、さらにプレスでつぶして未焼結の空洞をつぶしたものである。このような充填材５は密度が１００％に近いが、空洞がつぶれて単に接触しているだけであり、充実材と比較して変形しやすいものである。このような焼結プレスした材料を開先４と同様の形状に加工した充填材５を開先４内に充填する。
【００２０】
次に図１（ｂ）に示すピン６とショルダー７を備えた摩擦攪拌処理ツール８を回転させながら充填材５内に挿入する。
【００２１】
図１（ｃ）に示すように、ピン６が充填材５内に挿入され、充填材５、第１の接合材１、第２の接合材２の一部および突合せ部３を攪拌するとともに、ショルダー７が第１の接合材１と第２の接合材２の表面を摩擦する状態とする。このような状態で摩擦攪拌ツール８を摩擦攪拌処理方向に移動させることで摩擦攪拌処理を行う。
【００２２】
図１（ｄ）は摩擦攪拌処理後の状態を示す。接合前の突合せ部３が消失し接合部９を形成した状態である。
【００２３】
摩擦攪拌条件は通常の炭素鋼充実材の条件と同様の条件でよく、ツールの回転数３００〜５００ｒｐｍ、ツールの移動速度２００〜５００ｍｍ／ｍｉｎとし、ツールとしてはＰＣＢＮ（多結晶立方晶窒化ホウ素）を用いた。ツールの形状はピン直径３ｍｍ、ピン長さ２．８ｍｍ、ショルダー直径１０ｍｍとした。
【００２４】
第１の実施形態によれば、摩擦攪拌ツールのピンが挿入される部分の大部分を攪拌抵抗の大きい充実材に替えて、攪拌抵抗の小さいプレスした焼結材としたので、ピンへの負荷が減少しピンの消耗を少なくできる。また、攪拌抵抗が小さく、ツール回転トルク、ツール押込み荷重が減少するため、従来より小型の摩擦攪拌装置で鉄鋼材料の接合が可能となる。また、変形抵抗の小さい焼結材であるがプレスして密度を１００％に近づけてあるため、開先内への材料供給量は十分であり、接合部に空洞などの欠陥を生じにくくすることができる。また、充填材を焼結材としたので、充填材を供給する場合に下向き以外の姿勢であっても充填材を保持することができる。
【００２５】
なお、充填材５は、密度の低い発泡金属を圧縮し空洞をつぶし密度を高めた圧縮した発泡金属であっても同様の効果が得られる。
【００２６】
（第２の実施形態）
図２は第２の実施形態の摩擦攪拌処理方法を示す図である。
【００２７】
図２（ａ）に示すように、板厚４ｍｍの炭素鋼材の第１の接合材２１と第２の接合材２２が突合せ部２３で密着され、予め開先２４が加工されている。
【００２８】
次に図２（ｂ）に示すように、摩擦攪拌ツール２８のピン２６を開先２４内に回転挿入し、ショルダー２７を接合材の表面に回転摩擦させる。さらに開先２４内の摩擦攪拌処理方向側（図の右側）から開先２４と同様の形状の充填材２５をピン２６の摩擦攪拌処理方向側（図の右側）からピン２６に押し付けた状態とする。
【００２９】
このような状態で、摩擦攪拌ツール２８を摩擦攪拌処理方向（図の右側）に移動させ、充填材２５を摩擦攪拌処理方向と逆の方向（図の左側）に移動させながら供給して接合部２９を形成する状態を図２（ｃ）に示す。
【００３０】
図２（ｄ）は接合後の状態を示す。左端の未接合部および右端の供給材残部は接合後に加工除去する。
【００３１】
摩擦攪拌ツールにはＰＣＢＮ／Ｗ−Ｒｅ合金複合材製でピン直径４ｍｍ、ピン長さ３．８ｍｍ、ショルダー直径１５ｍｍのものを用い、ツール回転数４００ｒｐｍ、ツール移動速度３００ｍｍ／ｍｉｎとした。
【００３２】
充填材２５の移動速度は次のように設定した。充填材２５は第１の接合材２１および第２の接合材２２と同様の炭素鋼材であるが充実材ではなく、空洞が残留する焼結材で密度は８０％である。摩擦攪拌ツール２８は１分間に３００ｍｍの開先２４を進むが、充填材２５が停止している場合はこの容積の８０％分しか材料を供給できない。この供給量を１００％とするためには、３００ｍｍ／ｍｉｎ×（１００−８０）／８０＝７５ｍｍ／ｍｉｎの速度で充填材２５を摩擦攪拌処理方向と逆の方向（図の左側）に移動させればよい。焼結材により密度が異なる場合は、供給量が１００％となるように上述の計算方法により充填材２５の移動速度を設定すればよい。
【００３３】
なお、充填材２５の移動速度はこの計算結果に限定されるものではなく、接合結果をもとに増減が可能である。接合部２９の外に排出されるバリが多い場合は供給量を減少させ、接合部２９の凹みが大きかったり、内部に空洞欠陥が発生する場合は、供給量を増加させる。また、充填材２５がばたついたり、座屈変形したりしてうまく供給できない場合は、図示しないが、充填材２５を開先２４内に押し付けて固定するための固定具を適宜用いればよい。
【００３４】
第２の実施形態によれば、密度の低い供給材を用いたので摩擦攪拌ツールのピンへの負荷が減少しピンの消耗を少なくできる。また、攪拌抵抗が小さく、ツール回転トルク、ツール押込み荷重が減少するため、従来より小型の摩擦攪拌装置で鉄鋼材料の接合が可能となる。また、充填材の密度が低い分を補い開先容積に対する供給量が十分となるように充填材を移動させて供給するようにしたので、充填材の密度が低いにもかかわらず、接合部に凹みや内部空洞などの欠陥を生じにくくすることができる。また、充填材を焼結材としたので、充填材を供給する場合に下向き以外の姿勢であっても充填材を保持することができる。
【００３５】
（第３の実施形態）
図３は第３の実施形態の摩擦攪拌処理方法を示す図である。
【００３６】
第２の実施形態の摩擦攪拌処理方法において、図３に示すように、充填材３３を加熱する高周波誘導加熱コイル３４と、押付けローラ３５とを設けている。
【００３７】
被接合材の開先３１内に、充填材３３を供給する。充填材３３は密度の低い焼結材である。この充填材３３は被接合材の開先３１内に供給される前に、高周波誘導加熱コイル３４で加熱され軟化される。加熱された充填材３３は押し付けローラ３５で被接合材の開先３１内に供給される。ピン３６とショルダー３７を有する摩擦攪拌ツール３８と、高周波誘導加熱コイル３４と、押付ローラ３６とは摩擦攪拌処理方向（図の右側）に移動し、接合部３９を形成する。充填材３３の供給量は、供給量が１００％となるように第２の実施形態の計算方法により押付ローラ３５の回転数を制御すればよい。
【００３８】
本実施例によれば、低密度の焼結材を加熱して軟化させているので、摩擦攪拌ツールのピンへの負荷が減少しピンの消耗を少なくできる。また、充填材を押付ローラで押付けているので供給材のばたつきや変形がなくなり、供給量を安定させることができ、接合部に空洞などの欠陥を生じにくくすることができる。また、充填材を焼結材としたので、充填材を供給する場合に下向き以外の姿勢であっても充填材を保持することができる。
【００３９】
（第４の実施形態）
図４は第４の実施形態の摩擦攪拌処理方法を示す図である。
【００４０】
図４（ａ）は、第１の実施形態の摩擦攪拌処理方法において、充填材を横積層箔４４としたものである。
【００４１】
図４（ｂ）は、板厚３ｍｍの炭素鋼材の第１の接合材４１と第２の接合材４２との間に縦積層箔４５を挟んで両側から押付けて接合部を形成したものである。この場合、開先加工が不要となる。
【００４２】
図４（ｃ）は、図４（ｂ）の縦積層箔４５の上下部分を密度の低い発泡金属４６としたものである。この場合、摩擦攪拌処理による積層箔の飛散を防止できる。
【００４３】
横積層箔４４および縦積層箔４５は、第１の接合材４１および第２の接合材４２と同様の炭素鋼材であるが、積層方向に押付けたものである。このような横積層箔４および縦積層箔４５は密度が１００％に近いが、積層した箔同士は単に接触しているだけであり、充実材と比較して変形しやすいものである。なお、横積層箔４４の積層方向は突合せ部４３に対して垂直、水平のどちらでもよい。
【００４４】
摩擦攪拌条件は通常の炭素鋼充実材の条件と同様の条件でよく、ツールの回転数３００〜５００ｒｐｍ、ツールの移動速度２００〜５００ｍｍ／ｍｉｎとし、ツールとしてはＰＣＢＮ（多結晶立方晶窒化ホウ素）を用いた。ツールの形状はピン直径３ｍｍ、ピン長さ２．８ｍｍ、ショルダー直径１０ｍｍとした。
【００４５】
第４の実施形態によれば、摩擦攪拌ツールのピンが挿入される部分の大部分を攪拌抵抗の大きい充実材に替えて、攪拌抵抗の小さい積層箔としたので、ピンへの負荷が減少しピンの消耗を少なくできる。また、攪拌抵抗が小さく、ツール回転トルク、ツール押込み荷重が減少するため、従来より小型の摩擦攪拌装置で鉄鋼材料の接合が可能となる。また、変形抵抗の小さい焼結材であるがプレスして密度を１００％に近づけてあるため、開先内への材料供給量は十分であり、接合部に空洞などの欠陥を生じにくくすることができる。また、充填材を積層箔としたので、充填材を供給する場合に下向き以外の姿勢であっても充填材を保持することができる。
【００４６】
なお、第１〜第４の実施形態では突合せ継手の例を示したが、Ｔ継手や角継手であっても同様の効果が得られる。
【００４７】
また、第１〜第４の実施形態に共通するが、被接合材は炭素鋼に限定されるものではなく、Ｎｉ基超合金、Ｔｉ合金、ステンレス鋼などの他の硬質材、あるいは銅合金など他の金属材料であってもよい。また摩擦攪拌処理部分は、板厚全体の接合に限定されず、板厚の部分的なもの、あるいは表面部分の肉盛でも可能である。さらには、第１の接合材、第２の接合材および充填材あるいは供給材の材質が異なる場合も本実施形態を適用することが可能である。
【００４８】
以上述べた少なくともひとつの実施形態の摩擦攪拌処理方法によれば、摩擦攪拌ツールへの負荷を低減し、接合部の欠陥を生じにくくすることができる。
【００４９】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００５０】
１、２１、４１          第１の接合材
２、２２、４２          第２の接合材
３、２３、３２、４３    突合せ部
４、２４、３１          開先
５、２５、３３          充填材
６、２６、３６          ピン
７、２７、３７          ショルダー
８、２８、３８          摩擦攪拌ツール
９、２９、３９          接合部
３４                    高周波誘導加熱コイル
３５                    押付ローラ
４４                    横積層箔
４５                    縦積層箔
４６                    発泡金属 
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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