(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒材が周方向に２分割された２個の断面半円弧状の第１及び第２円筒材構成部材を準備し、該両構成部材の互いに対応する側縁部端面同士を突き合わせて円筒状に形成するとともに、該円筒状接合部材の外周面に形成された２つの長さ方向に延びる突合せ部のうち一方の突合せ部に、回転するプローブを挿入し、プローブとの接触部を摩擦熱にて軟化させ撹拌しながら、プローブ挿入状態で、プローブを前記一方の突合せ部に沿って移動させ、あるいは前記一方の突合せ部が順次プローブを通過するように接合部材を移動させることにより、前記一方の突合せ部を接合する摩擦撹拌接合法であって、
前記プローブに対向して配置された受けローラと、前記プローブと前記受けローラとの間に形成された接合部材通過空間の周囲に配置され、前記接合部材を該空間に案内するガイドローラとを備え、かつ前記受けローラ及び前記ガイドローラはいずれも前記接合部材の外周面に対応するように湾曲した周面を有するとともに、これら周面が前記空間を通過する接合部材の外周面に当接することにより該接合部材を拘束してその形状を保持するものとなされた拘束治具を用い、
前記空間に前記接合部材を通過させて、該接合部材が拘束されるとともに、該接合部材の外周面が前記受けローラの周面に当接支持され、かつ前記一方の突合せ部に前記プローブが挿入された態様となし、さらに、前記第１構成部材の側縁部に連設されるとともに、摩擦熱にて軟化した軟化部が前記接合部材の中空部に流出するのを防止する裏当てとしての受け部により、前記一方の突合せ部を跨いで前記第２構成部材の側縁部の内面を当接状態に受けた態様となし、
この状態を保持しつつ、前記プローブを前記拘束治具とともに移動させ、あるいは前記接合部材を移動させることを特徴とする摩擦撹拌接合法。
【請求項２】
前記接合部材の他方の突合せ部の外面を含む外周面が前記受けローラの周面に当接支持された請求項１記載の摩擦撹拌接合法。
【請求項３】
円筒材が周方向に２分割された２個の断面半円弧状の第１及び第２円筒材構成部材を準備し、両構成部材の互いに対応する側縁部端面同士を突き合わせて円筒状に形成するとともに、該円筒状接合部材の外周面に形成された２つの長さ方向に延びる突合せ部のうち一方の突合せ部に、回転するプローブを挿入し、プローブとの接触部を摩擦熱にて軟化させ撹拌しながら、プローブ挿入状態で、プローブを前記一方の突合せ部に沿って移動させ、あるいは前記一方の突合せ部が順次プローブを通過するように接合部材を移動させることにより、前記一方の突合せ部を摩擦撹拌接合する円筒材の製造方法であって、
前記プローブに対向して配置された受けローラと、前記プローブと前記受けローラとの間に形成された接合部材通過空間の周囲に配置され、前記接合部材を該空間に案内するガイドローラとを備え、かつ前記受けローラ及び前記ガイドローラはいずれも前記接合部材の外周面に対応するように湾曲した周面を有するとともに、これら周面が前記空間を通過する接合部材の外周面に当接することにより該接合部材を拘束してその形状を保持するものとなされた拘束治具を用い、
前記空間に前記接合部材を通過させて、該接合部材が拘束されるとともに、該接合部材の外周面が前記受けローラの周面に当接支持され、かつ前記一方の突合せ部に前記プローブが挿入された態様となし、さらに、前記第１構成部材の側縁部に連設されるとともに、摩擦熱にて軟化した軟化部が前記接合部材の中空部に流出するのを防止する裏当てとしての受け部により、前記一方の突合せ部を跨いで前記第２構成部材の側縁部の内面を当接状態に受けた態様となし、
この状態を保持しつつ、前記プローブを前記拘束治具とともに移動させ、あるいは前記接合部材を移動させることを特徴とする円筒材の製造方法。
【請求項４】
前記接合部材の他方の突合せ部の外面を含む外周面が前記受けローラの周面に当接支持された請求項３記載の円筒材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えば、金属製丸パイプ等の円筒材を組立製作する際に用いられる摩擦撹拌接合法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
アルミニウム（その合金を含む、以下同じ）からなる円筒材の製造方法の一つに、図４（ａ）に示すように、円筒材（５１）を分割構成して、各構成部材（５３）（５４）の側縁部同士を突き合わせて円筒体（５２）を製作した後、各突合せ部（５６）（５６）をそれぞれ摩擦撹拌接合することにより、円筒材（５１）を組立製作する方法がある。
【０００３】
この方法によれば、突合せ部（５６）（５６）の接合手段として、ＭＩＧ、ＴＩＧ、レーザー溶接等の溶融溶接法ではなく、固相接合法の一つである摩擦撹拌接合法を採用しているので、接合状態の良好な円筒材（５１）を得ることができるという利点がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この摩擦撹拌接合は、回転しているプローブ（７２）を突合せ部（５６）に外周面から挿入した後、該プローブ（７３）を回転させている回転子（７１）の肩部（７１ａ）を円筒体（５２）の外周面に押し付けながらプローブ（７２）を突合せ部（５６）に沿って移動させ、あるいは突合せ部（５６）が順次プローブ（７２）を通過するように円筒体（５２）を移動させることにより、遂行されるものなので、接合の際に、同図（ｂ）の鎖線に示すように、円筒体（５２）がプローブ（７２）の挿入圧や回転子（７１）の肩部（７１ａ）の押付け圧を受けて偏平状に変形してしまうといった問題が生じる。このように円筒体（５２）が変形してしまうと、高い寸法精度を有する円筒材（５１）を得ることができなくなる。
【０００５】
また、接合状態の均質な円筒材（５１）を得るためには、プローブ（７２）の突合せ部（５６）への挿入深さを一定に保ちながら、プローブ（７２）又は円筒体（５２）を移動させなければならない。しかしながら、突合せ部（５６）の長さ方向全域に亘ってプローブ（７２）の挿入深さを一定に保つことは難しく、例えばプローブ（７２）や円筒体（５２）を移動させる途中で、プローブ（７２）の挿入深さが深くなり過ぎてプローブ（７２）の先端が円筒体（５２）の内周面から突き出たり、プローブ（７２）の挿入深さが浅くなったりする場合があった。このようにプローブ（７２）の挿入深さが変化してしまうと、接合状態の均質な円筒材（５１）を得ることができなくなる。
【０００６】
この発明は、このような難点に鑑みてなされたもので、円筒状接合部材の長さ方向の接合予定部位を接合する摩擦撹拌接合法であって、高い寸法精度を有しかつ接合状態の均質な円筒状の接合品を得ることのできる摩擦撹拌接合法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、この発明は、円筒状接合部材の長さ方向の接合予定部位に、回転するプローブを挿入し、プローブとの接触部を摩擦熱にて軟化させ撹拌しながら、プローブ挿入状態で、プローブを接合予定部位に沿って移動させ、あるいは接合予定部位が順次プローブを通過するように接合部材を移動させることにより、接合予定部位を接合する摩擦撹拌接合法であって、前記プローブに対向して配置された受けローラと、前記プローブと前記受けローラとの間に形成された接合部材通過空間の周囲に配置され、前記接合部材を該空間に案内するガイドローラとを備え、かつ前記受けローラ及び前記ガイドローラはいずれも前記接合部材の外周面に対応するように湾曲した周面を有するとともに、これら周面が前記空間を通過する接合部材の外周面に当接することにより該接合部材を拘束してその形状を保持するものとなされた拘束治具を用い、前記空間に前記接合部材を通過させて、該接合部材が拘束されるとともに、該接合部材の外周面が前記受けローラの周面に当接支持され、かつ前記接合予定部位に前記プローブが挿入された態様となし、この状態を保持しつつ、前記プローブを前記拘束治具とともに移動させ、あるいは前記接合部材を移動させることを特徴とする。
【０００８】
これによれば、プローブの先端から受けローラの周面までの距離は、受けローラが回転しても一定であることから、プローブの接合予定部位への挿入深さを一定に保った状態で、プローブ又は接合部材を移動させることができるようになる。したがって、接合状態の均質な円筒状の接合品を製造することができる。
【０００９】
また、接合の際に接合部材が拘束されていることから、プローブの挿入圧や回転子の肩部の押付け圧により生じる円筒状接合部材の変形を防止することができ、このため寸法精度の高い円筒状の接合品を製造することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
次に、この発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１１】
図１及び図２はこの発明の一実施形態を示すものである。この実施形態は、アルミニウム製円筒材（１）を組立製作する際に用いられる摩擦撹拌接合法を示している。
【００１２】
前記円筒材（１）は、周方向に２分割されているものであって、断面半円弧状の２個の円筒材構成部材（３）（４）から構成されているものである。各構成部材（３）（４）は、ともにアルミニウム押出形材からなり、説明の便宜上、一方の構成部材（３）を第１構成部材、他方の構成部材（４）を第２構成部材と呼ぶこととする。
【００１３】
この実施形態は、前記第１及び第２構成部材（３）（４）の側縁部端面同士を突き合わせて円筒体（２）を製作するとともに、各突合せ部（６）（６）をそれぞれ摩擦撹拌接合することにより、前記円筒材（１）を組立製作しようとするものである。したがって、前記円筒体（２）が円筒状接合部材となり、前記突合せ部（６）（６）が円筒状接合部材の外周面に形成された長さ方向に延びる接合予定部位となる。
【００１４】
前記第１及び第２構成部材（３）（４）のうちの第１構成部材（３）の各側縁部には、対応する突合せ部（６）（６）を跨ぐ態様で第２構成部材（４）の対応する側縁部の内面を当接状態に受ける受け部（３ａ）（３ａ）がそれぞれ連設されている。したがって、これら両構成部材（３）（４）が上記のように突き合わされた状態において、第２構成部材（４）の各側縁部の内面は、対応する前記受け部（３ａ）（３ａ）に当接状態に受けられたものとなっている。このように、第２構成部材（４）の各側縁部の内面を対応する前記受け部（３ａ）（３ａ）で受けることにより、突合せ状態を安定良く維持することができるし、位置決めも容易にかつ精度良く行うことができる。さらに、これら受け部（３ａ）（３ａ）は「裏当て」としても機能するもので、これら受け部（３ａ）（３ａ）によって摩擦熱にて軟化した軟化部が円筒体（２）の中空部（５）に流出するのを防止することができるようになっている。
【００１５】
（２０）は、前記突合せ部（６）（６）を摩擦撹拌接合するための接合工具で、径大の円柱状回転子（２１）と、該回転子（２１）の肩部（２１ａ）軸線上に突設された径小のピン状プローブ（２２）とを有している。前記回転子（２１）と前記プローブ（２２）はともに、第１及び第２構成部材（３）（４）よりも硬質でかつ接合時に発生する摩擦熱に耐えうる耐熱材料によって形成されている。そして、この接合工具（２０）は、前記円筒体（２）の上方にそのプローブ（２２）を下方に向ける態様にして配置されている。更に、この接合工具（２０）は、図示しない昇降装置に取り付けらて上下方向に移動し得るものとなされており、この昇降装置を操作することによりプローブ（２２）の挿入や引抜きを行うことができるようになっている。
【００１６】
また、この接合工具（２０）は、図示していないが、円筒体（２）の移動方向（８）側に僅かに傾けられており、プローブ（２２）を突合せ部（６）に挿入すると、回転子（２１）の肩部（２１ａ）における円筒体（２）の移動方向側の部分が、円筒体（２）の外周面に接触する状態となる一方、回転子（２１）の肩部（２１ａ）における円筒体（２）の移動方向反対側の部分が、円筒体（２）の外周面から僅かに浮上する状態となるものとなされている。こうすることにより、円筒体（２）の移動の際に、回転子（２１）の肩部（２１ａ）における円筒体（２）の移動方向反対側の部分のコーナー部が、円筒体（２）の表面に存在することのある微細な凹凸に引っ掛かってしまうことを防止することができる。
【００１７】
（１０）は、接合の際に前記円筒体（２）をその外周面から拘束して該円筒体（２）の形状を保持する拘束治具である。
【００１８】
この拘束治具（１０）は、受けローラ（１１）と、複数個（同図では４個）の回転自在なガイドローラ（１２ａ）（１２ｂ）（１２ｃ）（１２ｄ）とからなる。
【００１９】
前記受けローラ（１０）は、図２に示すように、前記プローブ（２２）に対向して、つまり円筒体（２）の下方側に配置されている。
【００２０】
前記プローブ（２２）と前記受けローラ（１１）との間に形成された空間は、円筒体通過空間（１３）となるもので、この空間（１３）の周囲に、前記ガイドローラ（１２ａ）（１２ｂ）（１２ｃ）（１２ｄ）が配置され、円筒体（２）を前記空間（１３）に案内することができるようになっている。
【００２１】
また、前記受けローラ（１１）は、回転駆動されるものであって、図示しない駆動機構を備え、前記空間（１３）を通過する円筒体（２）を長さ方向側に移動させる駆動ローラとしても機能するものとなされている。
【００２２】
前記４個のガイドローラ（１２ａ〜ｄ）のうち、２個のガイドローラ（１２ａ）（１２ｂ）は、前記空間（１３）の左右両側に対向状に配置され、プローブ（２２）の挿入圧及び回転子（２１）の肩部（２１ａ）の押付け圧により生じる円筒体（２）の変形を確実に阻止しうるものとなされている。すなわち、前記空間（１３）を通過する円筒体（２）は、接合の際に前記プローブ（２２）の挿入圧、あるいは更に前記回転子（２１）の肩部（２１ａ）の押付け圧を受けて、偏平状に変形して左右両側に向かって広がろうとするが、前記空間（１３）の左右両側にはガイドローラ（１２ａ）（１２ｂ）が配置されているので、これら両ガイドローラ（１２ａ）（１２ｂ）によりその変形が阻止されることとなる。このため、円筒体（２）の変形を確実に阻止することができるようになっている。
【００２３】
更に、前記４個のガイドローラ（１２ａ〜ｄ）のうち、残りの２個のガイドローラ（１２ｃ）（１２ｄ）は、前記空間（１３）の上側で前記接合工具（２０）の両側に該接合工具（２０）に近接して配置されている。
【００２４】
また、これら４個のガイドローラ（１２ａ〜ｄ）及び受けローラ（１１）は、いずれも円筒体（２）の外周面に対応するように湾曲した周面を有しており、各ローラ（１２ａ〜ｄ）（１１）の周面は、前記空間（１３）を通過する円筒体（２）の外周面にそれぞれ線接触状態に当接するものとなされている。一方、円筒体（２）は、その外周面の略全周が、これらガイドローラ（１２ａ〜ｄ）及び受けローラ（１１）の周面に当接されることとなり、このため堅く拘束されてその形状が確実に保持されるものとなる。
【００２５】
次に、上記接合工具（２０）及び拘束治具（１０）を用いて摩擦撹拌接合法を行う場合について説明する。
【００２６】
まず、プローブ（２２）を受けローラ（１１）の上方に待機させた状態で、円筒体（２）を移動させてその長さ方向の一端部を拘束治具（１０）の円筒体通過空間（１３）に通す。
【００２７】
この空間（１３）に通された円筒体（２）は、ガイドローラ（１２ａ〜ｄ）及び受けローラ（１１）により拘束されてその形状が保持されるとともに、円筒体（２）の下側の突合せ部（６）の外面を含む外周面が受けローラ（１１）の周面に当接されて該受けローラ（１１）から駆動力が付与されこの駆動力により長さ方向側に移動する。
【００２８】
円筒体（２）の上側の突合せ部（６）の接合開始予定部位が前記空間（１３）に到達したとき、受けローラ（１１）の回転駆動を一旦停止し、円筒体（２）の移動を止める。そして、接合工具（２０）のプローブ（２２）を回転させながら下降させる。プローブ（２２）の先端が円筒体（２）の突合せ部（６）に接触すると、該接触部は摩擦熱によって軟化するため、更にプローブ（２２）を下降させて突合せ部（６）に挿入し、プローブ（２２）の先端が突合せ部（６）の奥まで到達したとき、プローブ（２２）の下降を停止し該プローブ（２２）の位置を固定する。このプローブ（２２）の挿入に際し、円筒体（２）は、その外周面の略全周が受けローラ（１１）の周面及びガイドローラ（１２ａ〜ｄ）の周面に当接支持されることにより拘束されているので、プローブ（２２）の挿入圧により変形することはない。
【００２９】
こうして、円筒体（２）を円筒体通過空間（１３）に通過させて、円筒体（２）が拘束されるとともに、突合せ部（６）にプローブ（２２）が挿入され、かつ円筒体（２）の下側の突合せ部（６）の外面を含む外周面が受けローラ（１１）の周面に当接支持された態様となす。なお、プローブ（２２）を予め下降させておき、円筒体通過空間（１３）に円筒体（２）を強制的に通すことにより、円筒体（２）の移動方向前端面において、プローブ（２２）を側方から突合せ部（６）にもぐり込ませて、挿入状態となるようにしても良い。
【００３０】
次に、受けローラ（１１）を再駆動する。この受けローラ（１１）の駆動力により、上側の突合せ部（６）にプローブ（２２）が挿入された円筒体（２）は、その下側の突合せ部（６）の外面を含む外周面が受けローラ（１１）の周面に当接支持され、かつ拘束された状態で、突合せ部（６）が順次プローブ（２２）を通過するように移動していく。また、接合工具（２０）は僅かに傾けられているから、回転子（２１）の肩部（２１ａ）における円筒体（２）の移動方向側の部分が円筒体（２）の外周面に接触した状態となる一方、回転子（２１）の肩部（２１ａ）における円筒体（２）の移動方向反対側の部分が円筒体（２）の外周面から僅かに浮上する状態で、円筒体（２）は移動することとなる。このようにして円筒体（２）は移動していく。
【００３１】
こうして円筒体（２）が移動することにより、プローブ（２２）との接触部が摩擦熱にて順次軟化撹拌されて、隣接する両構成部材（３）（４）は、突合せ部（６）において接合一体化される。
【００３２】
すなわち、プローブ（２２）の回転により発生する摩擦熱、あるいは更に回転子（２１）の肩部（２１ａ）の摺動に伴い発生する摩擦熱により、プローブ（２２）との接触部近傍において両構成部材（３）（４）は軟化する。そして、この軟化部がプローブ（２２）の回転により撹拌されるとともに、円筒体（２）の移動に伴って、軟化撹拌部分がプローブ（２２）の通過溝を埋めるように塑性流動したのち、摩擦熱を急速に失って冷却固化される。ここに、第２構成部材（３）の内面が受け部（３ａ）に面接触状態に当接されているので、軟化部は中空部（５）内に流出することなく該突合せ部（６）において冷却固化するものとなる。この現象が円筒体（２）の移動に伴って順次繰り返されていき、最終的に両構成部材（３）（４）が突合せ部（６）において接合一体化される。
【００３３】
次いで、他方の突合せ部（６）を摩擦撹拌接合すべく、この円筒体（２）を再度、円筒体通過空間（１３）に通し、上記と同様の手順によって他方の突合せ部（６）を摩擦撹拌接合することにより、所期する円筒材（１）を得ることができる。
【００３４】
こうして得られた円筒材（１）は、軟化部の中空部（５）内への流出が阻止された状態で接合されているので、接合状態の良好なものとなっている。
【００３５】
また、この摩擦撹拌接合法によれば、接合工具（２０）の回転子（２１）の肩部（２１ａ）における円筒体（２）の移動方向側の部分が、円筒体（２）の外周面に接触した状態のもとで、円筒体（２）が移動するので、軟化撹拌部分の素材の飛散が防止されかつ加圧されて、均一な接合状態を確実に実現することができるとともに、円筒体（２）の外周面の凹凸形成が防止されて、接合部（７）の表面を平滑にすることができる。
【００３６】
また、プローブ（２１）の先端から受けローラ（１１）の周面までの距離は、受けローラ（１１）が回転しても一定であることから、円筒体（２）の移動途中でプローブ（２１）の突合せ部（６）への挿入深さが変化することはない。したがって、接合状態の均質な円筒材（１）を得ることができる。
【００３７】
加えて、円筒体（２）が拘束されてその形状が保持された状態で接合されるから、接合の際にプローブ（２２）の挿入圧や回転子（２１）の肩部（２１ａ）の押付け圧によって円筒体（２）が変形することがなくなり、このため寸法精度の高い円筒材（１）を得ることができる。
【００３８】
以上、この発明の実施形態を説明したが、この発明は上記実施形態に限定されるものではない。
【００３９】
例えば、この実施形態は、円筒体（２）を移動させることにより摩擦撹拌接合する場合を示しているが、この発明は、プローブ（２２）を拘束治具（１０）とともに移動させることにより摩擦撹拌接合するものであっても良い。また、受けローラ（１１）は、必ずしも回転駆動されるものである必要はなく、回転自在なものであっても良い。
【００４０】
さらに、円筒材（１）を構成する構成部材（３）（４）の側縁部は、図３（ａ）に示す本ざね形、同図（ｂ）に示す鉤形等の互いに嵌合する形状となっていても良い。このような嵌合形の側縁部を有する構成部材（３）（４）を用いることにより、接合に際し、構成部材（３）（４）同士を容易にかつ精度良く位置決めすることができるとともに、接合時の位置ずれを確実に防止することができるようになり、このため最終的に得られる円筒材（１）の寸法精度を更に向上させることができる。
【００４１】
【発明の効果】
上述の次第で、この発明に係る摩擦撹拌接合法によれば、プローブの先端から受けローラの周面までの距離は、受けローラが回転しても一定であることから、プローブの接合予定部位への挿入深さを一定に保った状態で、プローブ又は接合部材を移動させることができるようになる。したがって、接合状態の均質な円筒状接合品を製造することができる。さらに、接合の際に接合部材が拘束されていることから、プローブの挿入圧や回転子の肩部の押付け圧により生じる接合部材の変形を防止することができる。したがって、寸法精度の高い円筒状接合品を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施形態を示す、円筒体の突合せ部を接合する途中の状態の斜視図である。
【図２】図１中II−II線断面図である。
【図３】（ａ）はこの発明のもう一つの実施形態を示す円筒体の断面図、（ｂ）はこの発明の更にもう一つの実施形態を示す円筒体の断面図である。
【図４】従来例を示す図で、（ａ）は円筒体の突合せ部を接合する前の状態の斜視図、（ｂ）は接合途中の状態の断面図である。
【符号の説明】
１…円筒材（接合品）
２…円筒体（円筒状接合部材）
３、４…円筒材構成部材
６…突合せ部（長さ方向の接合予定部位）
７…接合部
１０…拘束治具
１１…受けローラ
１２ａ〜ｄ…ガイドローラ
１３…円筒体通過空間（接合部材通過空間）
２０…接合工具
２２…プローブ
【図１】
0004014289.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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