(57)【要約】【課題】回転ツールの設計及び製作に要する費用を低減でき、被接合材の厚さに関わらず、接合品質を安定させることができる摩擦撹拌接合方法を提供する。【解決手段】被接合材２，２同士の突き合わせ部分Ｐに、回転ツール１１のプローブ部１４を入れ、ショルダ部１３を突き合わせ部分Ｐに当接させつつ回転ツール１１を回転させることによって突き合わせ部分Ｐを接合する摩擦撹拌接合方法であって、突き合わせ部分ｐの厚さｔ１よりも、プローブ部１４のプローブ長ｐを長くする。このため、被接合材２，２の厚さｔ１に関わらず、同じ回転ツール１１を用いて摩擦撹拌接合を行うことができ、回転ツール１１の設計及び製作に要する費用を低減することができる。プローブ長ｐが突き合わせ部分Ｐの厚さよりも長いため、キッシングボンド等の未接合部が生じにくく、被接合材２，２の厚さｔ１に関わらず、接合品質が安定する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被接合材同士の当接部分に、円柱状の本体部と前記本体部の先端の中央部に突出したプローブ部とを備えた回転ツールの前記プローブ部を入れ、前記本体部の先端の周辺部を前記当接部分に当接させつつ前記回転ツールを回転させることによって前記当接部分を接合する摩擦撹拌接合方法であって、
前記プローブ部を入れる方向に沿った前記当接部分の厚さよりも、前記プローブ部の長さを長くする、摩擦撹拌接合方法。
【請求項２】
前記当接部分の前記本体部の側とは反対側において、裏当材を前記被接合材に当接させ、
前記裏当材には、前記裏当材と前記プローブ部とが接触しないように、前記当接部分に沿い且つ前記プローブ部の直径よりも幅が広い隙間を設け、
前記裏当材及び前記当接部分の前記プローブ部を入れる方向に沿った厚さの合計を、前記プローブ部の長さ以上とする、請求項１に記載の摩擦撹拌接合方法。
【請求項３】
前記本体部の直径を前記裏当材の前記隙間の幅よりも大きくする、請求項２に記載の摩擦撹拌接合方法。
【請求項４】
前記裏当材に熱源を配置する、請求項２又は３に記載の摩擦撹拌接合方法。
【請求項５】
前記本体部の先端の周辺部に凹凸部を設ける、請求項１〜４のいずれか１項に記載の摩擦撹拌接合方法。
【請求項６】
前記当接部分の前記本体部の側において、前記当接部分に沿ってフィラワイヤを設置した後に、前記当接部分に前記回転ツールの前記プローブ部を入れ、前記本体部の先端の周辺部を前記フィラワイヤに当接させつつ前記回転ツールを回転させる、請求項１〜５のいずれか１項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、摩擦攪拌接合方法に関し、特に、被接合材同士の当接部分に、回転ツールの先端の中央部に突出したプローブ部を入れ、回転ツールの先端の周辺部を当接部分に当接させつつ回転ツールを回転させることによって当接部分を接合する摩擦撹拌接合方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
鉄鋼、アルミニウム合金、マグネシウム合金等の金属材料や、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタラート）等の有機材料の接合方法の一つとして摩擦撹拌接合（ＦＳＷ：Friction  Stir  Welding）が知られている。摩擦撹拌接合では、特許文献１に記載されているように、円柱形状の本体部と本体部の先端の中央部で突出したプローブ部とを有する回転ツールを用いる。被接合材同士の突き合わせ部分に被接合材よりも硬い材質のプローブ部を挿入し、プローブ部を回転させつつ移動させることで、被接合材同士の当接部分を接合する。特許文献１の摩擦撹拌接合では、被接合材の表面と裏面との両方からプローブ部に接続された回転可能な本体部を被接合材の突き合わせ部分に当接させつつ回転させることにより、摩擦撹拌接合を行う。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表平７−５０５０９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、回転ツールには、本体部分とプローブ部とが一体型の回転ツールと、本体部分とプローブ部とが非一体型の回転ツールとがある。本体部分とプローブ部とが一体型の回転ツールでは、被接合材の板厚に適した長さのプローブ部を有する回転ツールを選定する必要がある。本体部分とプローブ部とが非一体型の回転ツールでは、プローブ部が被接合材の板厚に適した長さとなるように、プローブ部を選択及び調整する必要がある。例えば、特許文献１の技術では、プローブ部の両端に本体部が接続されているが、被接合材の表面と裏面との両方から本体部を当接させるために、板厚に応じたプローブ部の調整は必要となる。したがって、回転ツールの設計や製作に要する費用が大きい。また、もし、プローブ部の長さが被接合材の板厚に比べて短すぎると、キッシングボンド等の未接合部が生じ易い。そのため、接合品質が回転ツールの形状に左右され易い欠点がある。
【０００５】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、回転ツールの設計及び製作に要する費用を低減させることができ、被接合材の厚さの大小に関わらず、接合品質を安定させ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】
【０００６】
本発明は、被接合材同士の当接部分に、円柱状の本体部と本体部の先端の中央部に突出したプローブ部とを備えた回転ツールのプローブ部を入れ、本体部の先端の周辺部を当接部分に当接させつつ回転ツールを回転させることによって当接部分を接合する摩擦撹拌接合方法であって、プローブ部を入れる方向に沿った当接部分の厚さよりも、プローブ部の長さを長くする摩擦撹拌接合方法である。
【０００７】
この構成によれば、被接合材同士の当接部分に、円柱状の本体部と本体部の先端の中央部に突出したプローブ部とを備えた回転ツールのプローブ部を入れ、本体部の先端の周辺部を当接部分に当接させつつ回転ツールを回転させることによって当接部分を接合する摩擦撹拌接合方法であって、プローブ部を入れる方向に沿った当接部分の厚さよりも、プローブ部の長さを長くする。このため、金属材の厚さの大小に関わらず、回転ツールのプローブ部の長さの調整の必要が無い。したがって、同じ回転ツールを用いて摩擦撹拌接合を行うことができるため、回転ツールの設計及び製作に要する費用を低減させることができる。また、プローブ部の長さが当接部分の厚さよりも長いため、キッシングボンド等の未接合部が生じにくい。そのため、被接合材の厚さの大小に関わらず、接合品質を安定させることができる。
【０００８】
この場合、当接部分の本体部の側とは反対側において、裏当材を被接合材に当接させ、裏当材には、裏当材とプローブ部とが接触しないように、当接部分に沿い且つプローブ部の直径よりも幅が広い隙間を設け、裏当材及び当接部分のプローブ部を入れる方向に沿った厚さの合計を、プローブ部の長さ以上とすることが好適である。
【０００９】
この構成によれば、当接部分の本体部の側とは反対側において、裏当材を被接合材に当接させる。このため、当接部分により均一に回転ツールからの摩擦熱を与えることができる。また、裏当材には、裏当材とプローブ部とが接触しないように、当接部分に沿い且つプローブ部の直径よりも幅が広い隙間を設け、裏当材及び当接部分のプローブ部を入れる方向に沿った厚さの合計を、プローブ部の長さ以上とする。このため、プローブ部の長さが当接部分の厚さよりも長いにも関わらず、裏当材とプローブ部とが接触しないようにしつつ、プローブ部は裏当材から突出していない状態となる。このため、プローブ部が長いにも関わらず、安全に摩擦撹拌接合を行うことができる。
【００１０】
この場合、本体部の直径を裏当材の隙間の幅よりも大きくすることが好適である。
【００１１】
この構成によれば、本体部の直径を裏当材の隙間の幅よりも大きくする。このため、当接部分において本体部からの入熱が裏当材によって保たれやすくなり、当接部分により均一に回転ツールからの摩擦熱を与えることができる。
【００１２】
また、裏当材に熱源を配置することが好適である。
【００１３】
この構成によれば、裏当材に熱源を配置するため、当接部分により均一に回転ツールからの摩擦熱を与えることができる。
【００１４】
また、本体部の先端の周辺部に凹凸部を設けることが好適である。
【００１５】
この構成によれば、本体部の先端の周辺部に凹凸部を設ける。このため、回転ツールの先端の周辺部から当接部分に摩擦熱が伝わり易くなる。
【００１６】
また、当接部分の本体部の側において、当接部分に沿ってフィラワイヤを設置した後に、当接部分に回転ツールのプローブ部を入れ、本体部の先端の周辺部をフィラワイヤに当接させつつ回転ツールを回転させることが好適である。
【００１７】
この構成によれば、当接部分の本体部の側において、当接部分に沿ってフィラワイヤを設置した後に、当接部分に回転ツールのプローブ部を入れ、本体部の先端の周辺部をフィラワイヤに当接させつつ回転ツールを回転させる。このため、本体部の先端の周辺部と当接部分との接触により、当接部分が摩耗して肉厚が薄くなり過ぎることを防止することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の摩擦撹拌接合方法によれば、回転ツールの設計及び製作に要する費用を低減させることができ、被接合材の厚さの大小に関わらず、接合品質を安定させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明に係る回転ツールの一実施形態を適用した摩擦撹拌接合装置の概略を示す図である。
【図２】図１の回転ツール及び接合部周辺の側面図である。
【図３】別態様の回転ツールの斜視図である。
【図４】別態様の回転ツールの斜視図である。
【図５】板厚が薄い被接合材を接合する際の側面図である。
【図６】板厚が厚い被接合材を接合する際の側面図である。
【図７】ショルダ径と裏当板の間隔との関係を示す側面図である。
【図８】板厚が薄い被接合材を接合する際に裏当板の間隔がショルダ径よりも小さい状態を示す側面図である。
【図９】板厚が厚い被接合材を接合する際に裏当板の間隔がショルダ径よりも小さい状態を示す側面図である。
【図１０】板厚が薄い被接合材を接合する際に裏当板の間隔がショルダ径と等しい状態を示す側面図である。
【図１１】板厚が厚い被接合材を接合する際に裏当板の間隔がショルダ径と等しい状態を示す側面図である。
【図１２】板厚が薄い被接合材を接合する際に裏当板の間隔がショルダ径よりも大きい状態を示す側面図である。
【図１３】板厚が厚い被接合材を接合する際に裏当板の間隔がショルダ径よりも大きい状態を示す側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る摩擦攪拌接合方法の好適な実施形態について詳細に説明する。
【００２１】
図１に示すように、摩擦撹拌接合装置１は、回転ツール１１を用いることにより、鉄鋼、アルミニウム合金、マグネシウム合金等の金属材料や、ＰＥＴ等の有機材料からなる板状の被接合材２，２同士の突き合わせ部分Ｐに沿って接合部３を形成する装置である。摩擦撹拌接合装置１は、回転ツール１１の先端の位置（深度）を任意に制御可能な位置制御方式の装置である。回転ツール１１が突き合わせ部分Ｐに加える荷重を制御する荷重制御方式の装置ではなく、位置制御方式の装置とすることで、薄い被接合材２，２を接合する際に、荷重により被接合材２，２が変形し、回転ツール１１が突き合わせ部分Ｐを突き抜けることを防止することができる。
【００２２】
この摩擦撹拌接合装置１は、回転ツール１１を保持するツールホルダ（不図示）を備えている。回転ツール１１の動作は、制御部２０により制御される。制御部２０は、回転ツール１１を回転軸Ａ周りに回転させる回転モータ２４と、回転ツール１１を突き合わせ部分Ｐに沿って移動させる移動モータ２５と、回転ツール１１の突き合わせ部分Ｐに対する深度を調整する深度調整モータ２６と、各モータを制御するコントローラ２７とを含んで構成されている。
【００２３】
ツールホルダは、金属などの延性材料によって略円柱形状に形成されている。ツールホルダは、被接合材２，２の法線方向に対し、接合方向と反対側に約３〜４度傾けられている。ツールホルダの下端部には、回転ツール１１の差込口が形成されており、この差込口に回転ツール１１を差し込むことによって回転ツール１１がツールホルダに保持されるようになっている。
【００２４】
なお、図示しないが、ツールホルダの近傍には、回転ツール１１に向けてシールドガスを供給するガス供給ノズルが配置されている。シールドガスとしては、例えばアルゴンなどの不活性ガスが用いられる。シールドガスの供給により、空気中の酸素及び窒素と接触することによる接合部３の粒界脆化を防止でき、より良好な接合が得られる。また、ツールホルダには、接合中に回転ツール１１から伝わる熱を逃がすための冷却ホルダが取り付けられていることが好ましい。
【００２５】
図１に示すように、突き合わせ部分Ｐの上には、すなわち突き合わせ部Ｐの回転ツール１１の側には、突き合わせ部分Ｐの伸びる方向に沿って、２本のフィラワイヤ４が設置される。フィラワイヤ４は、被接合材２，２と同じ材質のものを使用することができる。
【００２６】
図１及び２に示すように、被接合材２，２の下には、すなわち突き合わせ部分Ｐの回転ツール１１とは反対の側には、２枚の板状の裏当材８，８が配置されている。２枚の裏当材８，８は、突き合わせ部分Ｐが伸びる方向に沿った間隔を空けて配置されている。裏当材８，８は、例えば窒化珪素等からなる。裏当材８，８それぞれの下部には、所定量の熱を発するヒータ９，９が配置されている。
【００２７】
次に、摩擦撹拌接合装置１に適用される回転ツール１１及び裏当材８，８について詳細に説明する。図２に示すように、回転ツール１１は、略円柱状をなす本体部１２を備えている。回転ツール１１は、Ｓｉ３Ｎ４及びＡｌ２Ｏ３等のセラミックスから形成されている。本体部１２の先端側には、図２に示すように、ショルダ部１３と、プローブ部１４と、環状部１５とが設けられている。
【００２８】
ショルダ部１３は、本体部１２の先端の周縁の部分である。プローブ部１４は、本体部１２の先端の中央部から突出した円筒状をなす部位である。環状部１５は、ショルダ部１３とプローブ部１４との間の環状の部分である。
【００２９】
図２に示すように、本実施形態では、プローブ部１４はショルダ部１３からプローブ長ｐで突出している。プローブ長ｐは、回転ツール１１の回転軸の方向に沿った被接合材２，２の厚さｔ１よりも長くなるように設定されている。プローブ長ｐは、例えば被接合材２，２の厚さｔ１の１０５〜７７０％の長さとすることができる。
【００３０】
一方、回転ツール１１の回転軸の方向に沿った被接合材２，２の厚さｔ１と回転ツール１１の回転軸の方向に沿った裏当材８，８の厚さｔ２との合計は、プローブ長ｐ以上となるように設定されている。また、裏当材８，８同士の間隔である裏当材間隔Ｇは、裏当材８，８とプローブ部１４とが接触しないように、プローブ部１４の直径ｄよりも広く設定されている。
【００３１】
環状部１５は、被接合材２，２に十分な摩擦熱を与えることを目的として、回転ツール１１の回転軸周りに軸対称となる凹凸が設けられており、被接合材２，２との接触面積を増やすようにされている。この場合、図３に示すように、環状部１５には、螺旋状溝部１５ｓが設けられていても良い。あるいは、図４に示すように、環状部１５には、十字状突起ｃが設けられていても良い。
【００３２】
このような摩擦撹拌接合装置１を用いて接合が行われる場合、まず、２枚の裏当材８，８が、所定の間隔を空けて同一平面上に配置される。次に、被接合材２，２同士が、裏当材８，８の間隔の中心線にそれらの突き合わせ部分Ｐが沿うように突き合せられる。突き合わせ部分Ｐが伸びる方向に沿って２本のフィラワイヤ４が配置される。ヒータ９，９により、裏当材８，８に所定量の熱が加えられる。
【００３３】
回転ツール１１が突き合わせ部分Ｐの上方に配置される。回転ツール１１のプローブ部１４の側面が、突き合わせ部分Ｐの一端に当接させられる。同時にショルダ部１３が突き合わせ部分Ｐの上面に当接させられる。シールドガスが供給される共に、回転ツール１１が回転させられながら突き合わせ部分Ｐの他端まで移動されられる。これにより、ショルダ部１３とプローブ部１４と被接合材２，２との間で発生する摩擦熱が突き合わせ部分Ｐに入熱し、摩擦熱による塑性流動によって突き合わせ部分Ｐに接合部３が形成される。
【００３４】
以下、本実施形態の摩擦撹拌接合装置１が様々な接合条件で摩擦撹拌接合を行う態様について説明する。例えば、プローブ長ｐ＝２３（ｍｍ）であり、裏当材８，８の厚さｔ２が２０（ｍｍ）であると仮定する。図５に示すように、例えば被接合材２，２の厚さｔ１が３ｍｍの場合は、被接合材２，２の厚さｔ１と裏当材８，８の厚さｔ２との合計の長さは、プローブ長ｐと等しくなる。このため、プローブ部１４の先端は裏当材８，８から突出することがない。このように被接合材２，２の厚さｔ１が比較的に薄い場合、プローブ長ｐは、被接合材２，２の厚さｔ１の７７０％の長さとなる。
【００３５】
一方、図６に示すように、図５と同じプローブ長ｐと裏当材８，８の厚さｔ２とにおいて、例えば被接合材２，２の厚さｔ１が２２ｍｍの場合は、被接合材２，２の厚さｔ１と裏当材８，８の厚さｔ２との合計の長さは、プローブ長ｐよりも長くなる。このため、プローブ部１４の先端は裏当材８，８から突出することがない。このように被接合材２，２の厚さｔ１が比較的に厚い場合でも、プローブ長ｐは、被接合材２，２の厚さｔ１の１０５％の長さとなり、被接合材２，２の厚さｔ１よりも長くなる。つまり、被接合材２，２の厚さｔ１に関わらず、プローブ長ｐは被接合材２，２の厚さｔ１よりも長くなり、未接合部が生じないため、回転ツール１１の交換の必要が無い。
【００３６】
以下、裏当材８，８の配置と回転ツール１１のショルダ部１３の径との関係について説明する。図７に示すように、ショルダ部１３の直径であるショルダ径Ｄ（半径Ｄ／２）と、裏当材８，８の間隔である裏当材間隔Ｇ（間隔の半分の値Ｇ／２）とを規定する。裏当材８，８の厚さｔ２が２０（ｍｍ）であると仮定する。なお、上述したように、プローブ部１４と裏当材８，８との接触を避けるため、裏当材間隔Ｇは、裏当材８，８とプローブ部１４とが接触しないように、プローブ部１４の直径ｄよりも広く設定されている。
【００３７】
図８に示すように被接合物２，２の厚さｔ１が３（ｍｍ）と薄い場合及び図９に示すように被接合物２，２の厚さｔ１が２２（ｍｍ）と厚い場合のいずれも、裏当材間隔Ｇ＜ショルダ径Ｄの場合は、ショルダ部１３及び環状部１５と被接合材２，２との間の摩擦熱が被接合材２，２の厚み方向に均一に保たれ易い。
【００３８】
図１０に示すように被接合物２，２の厚さｔ１が３（ｍｍ）と薄い場合及び図１１に示すように被接合物２，２の厚さｔ１が２２（ｍｍ）と厚い場合のいずれも、裏当材間隔Ｇ＝ショルダ径Ｄの場合も、ショルダ部１３及び環状部１５と被接合材２，２との間の摩擦熱が被接合材２，２の厚み方向に均一に保たれ易い。
【００３９】
一方、裏当材間隔Ｇ＞ショルダ径Ｄの場合は、図１２に示すように被接合物２，２の厚さｔ１が３（ｍｍ）と薄い場合よりも、図１３に示すように被接合物２，２の厚さｔ１が２２（ｍｍ）と厚い場合の方が接合は容易である。したがって、裏当材間隔Ｇ＜ショルダ径Ｄとすることが好ましい。
【００４０】
本実施形態によれば、被接合材２，２同士の突き合わせ部分Ｐに、円柱状の本体部１２と本体部１２の先端の中央部に突出したプローブ部１４とを備えた回転ツール１１のプローブ部１４を入れ、本体部１２の先端の周辺部であるショルダ部１３を突き合わせ部分Ｐに当接させつつ回転ツール１１を回転させることによって突き合わせ部分Ｐを接合する摩擦撹拌接合方法であって、プローブ部１４を入れる方向に沿った突き合わせ部分ｐの厚さｔ１よりも、プローブ部１４のプローブ長ｐを長くする。このため、被接合材２，２の厚さｔ１の大小に関わらず、回転ツール１１のプローブ部１４のプローブ長ｐの調整の必要が無い。したがって、同じ回転ツール１１を用いて摩擦撹拌接合を行うことができるため、回転ツール１１の設計及び製作に要する費用を低減させることができる。また、プローブ部１１のプローブ長ｐが突き合わせ部分Ｐの厚さよりも長いため、キッシングボンド等の未接合部が生じにくい。そのため、被接合材２，２の厚さｔ１の大小に関わらず、接合品質を安定させることができる。
【００４１】
また、本実施形態によれば、突き合わせ部分Ｐの本体部１２の側とは反対側において、裏当材８，８を被接合材２，２に当接させる。このため、突き合わせ部分Ｐにより均一に回転ツール１１からの摩擦熱を与えることができる。また、裏当材８，８には、裏当材８，８とプローブ部１４とが接触しないように、突き合わせ部分Ｐに沿い且つプローブ部１４の直径ｄよりも幅が広い裏当材間隔Ｇを設け、裏当材８，８及び突き合わせ部分Ｐのプローブ部１４を入れる方向に沿った厚さの合計ｔ１＋ｔ２を、プローブ部１４のプローブ長ｐ以上とする。このため、プローブ部１４のプローブ長ｐが突き合わせ部分Ｐの厚さｔ１よりも長いにも関わらず、裏当材８，８とプローブ部１４とが接触しないようにしつつ、プローブ部１４は裏当材８，８から突出していない状態となる。このため、プローブ部１４が長いにも関わらず、安全に摩擦撹拌接合を行うことができる。
【００４２】
また、本実施形態によれば、本体部１２の直径であるショルダ径Ｄを裏当材８，８の隙間の幅である裏当材間隔Ｇよりも大きくする。このため、突き合わせ部分Ｐにおいて本体部１２からの入熱が裏当材８，８によって保たれやすくなり、突き合わせ部分Ｐにより均一に回転ツール１１からの摩擦熱を与えることができる。
【００４３】
また、本実施形態によれば、裏当材８，８にヒータ９，９を配置するため、突き合わせ部分Ｐにより均一に回転ツール１１からの摩擦熱を与えることができる。
【００４４】
また、本実施形態によれば、本体部１２の先端の周縁の環状部１５に凹凸を設ける。このため、回転ツール１１の環状部１５から突き合わせ部分Ｐに摩擦熱が伝わり易くなる。
【００４５】
また、本実施形態によれば、突き合わせ部分Ｐの本体部１２の側において、突き合わせ部分Ｐに沿ってフィラワイヤ４を設置した後に、突き合わせ部分Ｐに回転ツール１１のプローブ部１４を入れ、本体部１２のショルダ部１３をフィラワイヤ４に当接させつつ回転ツール１１を回転させる。このため、ショルダ部１３と突き合わせ部分Ｐとの接触により、突き合わせ部分Ｐが摩耗して肉厚が薄くなり過ぎることを防止することができる。
【００４６】
本発明は上記実施形態に限定されず、様々な変形態様が可能である。
【符号の説明】
【００４７】
２…被接合材、３…接合部、４…フィラワイヤ、８…裏当板、９…ヒータ、１０…摩擦撹拌接合装置、１１…回転ツール、１２…本体部、１３…ショルダ部、１４…プローブ部、１５…環状部、１５ｓ…螺旋状溝部、１５ｃ…十字状突起、２０…制御部、２４…回転モータ、２５…移動モータ、２６…深度調整モータ、２７…コントローラ、Ｐ…突き合わせ部分（当接部分）、Ｇ…裏当板間隔、Ｄ…ショルダ径。
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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