(57)【要約】【課題】容易に被接合物を接合する複合ツール、及びこの複合ツールを用いて容易に被接合物を接合する接合方法を提供する。【解決手段】複合ツール１は、被接合物に貫通孔を形成する切削工具１１と、回転しながら被接合物を押圧し、被接合物を摩擦熱により軟化させて流動させる摩擦攪拌工具１２と、を備える。切削工具１１は、摩擦攪拌工具１２に挿通され、摩擦攪拌工具１２の回転軸線方向に相対直進移動可能に設けられる。切削工具１１は、刃物部１１１を有し被接合物に貫通孔を形成する。摩擦攪拌工具１２は、ショルダ部１２１を有する。摩擦攪拌工具１２を回転させながら、ショルダ部１２１で被接合物を押圧し、被接合物が摩擦攪拌され摩擦熱で固相状態のまま軟化し、軟化した被接合物が貫通孔に流入し、接合部が形成される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被接合物に貫通孔を形成する切削工具と、
回転しながら前記被接合物を押圧し、該被接合物を摩擦熱により軟化させて流動させる摩擦攪拌工具と、を備え、
前記切削工具は前記摩擦攪拌工具に挿通され、前記摩擦攪拌工具の回転軸線方向に相対直進移動可能に設けられる、ことを特徴とする接合に用いる複合ツール。
【請求項２】
前記切削工具の回転軸が、前記摩擦攪拌工具の回転軸と同軸である、ことを特徴とする請求項１に記載の複合ツール。
【請求項３】
前記摩擦攪拌工具は、回転して前記被接合物を押圧するときに該被接合物を内向きに流動させるための渦巻溝が形成されている、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の複合ツール。
【請求項４】
前記摩擦攪拌工具は、回転して前記被接合物を押圧するときに該被接合物を下向きに流動させるための螺旋溝が形成されている、ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の複合ツール。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の複合ツールを用いて、重ねられた第１部材と第２部材とを接合する接合方法であって、
前記切削工具が前記第１部材と前記第２部材とに貫通孔を形成する切削工程と、
前記摩擦攪拌工具が回転しながら前記第１部材を押圧し、前記第１部材と前記摩擦攪拌工具との間に生じた摩擦熱で該第１部材を固相状態のまま軟化させ、軟化した前記第１部材を前記第２部材に形成された前記貫通孔へ流入させ、該貫通孔に流入した前記第１部材に前記第２部材との接合部を形成させる攪拌工程と、
を有する、ことを特徴とする接合方法。
【請求項６】
前記第１部材及び前記第２部材を挟んで前記複合ツールとは反対側に、凹部を持つ下型を配置し、前記第１部材を該凹部に流入させて前記第２部材との機械的な係合部を生成させる、ことを特徴とする請求項５に記載の接合方法。
【請求項７】
前記第１部材が金属材料であり、前記第２部材が前記第１部材より高い融点を有する金属材料である、ことを特徴とする請求項５又は６に記載の接合方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複合ツール及びこれを用いた接合方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、金属材料からなる板状部材を点状に接合する方法として、抵抗スポット溶接、ボルトによる締結、メカニカルクリンチ、摩擦攪拌点接合などがある。
【０００３】
抵抗スポット溶接は、異種金属、例えばアルミニウム合金と鋼材などの場合には部材間に脆い金属間化合物が厚く生成し十分な継手強度が得られない等の問題点がある。そのため、異種金属の接合には機械的締結が用いられることがある。
【０００４】
しかしながら、ボルトによる締結を使用した場合は、副資材が必要という点で接合コストが高くなるという問題がある。
【０００５】
また、メカニカルクリンチを使用した場合、部材同士の変形抵抗が異なる場合、軟質な部材が優先的に変形し、十分な強度が得られない等の問題がある。例えば構造部材の軽量化の観点から、アルミニウム板と鋼板との接合が要求されることがあるが、このような組み合わせになるとメカニカルクリンチによる接合は困難になる。特に、鋼板がより硬質である高張力鋼板であった場合は尚更困難になる。
【０００６】
また、例えば特許文献１に記載されているように、回転工具を部材に押し付けて攪拌する、摩擦攪拌点接合という方法が知られているが、融点が異なる異種金属を接合しようとした場合、摩擦攪拌工具が高融点の部材に触れ、高融点の部材が攪拌されることにより、高融点の材料の融点付近まで温度が上昇し、低融点の材料からなる部材が溶融して、接合がなされない、あるいは脆い金属間化合物が厚く生成し十分な継手強度が得られない、そうならなくとも部材同士の変形抵抗に大きな差がある場合は、攪拌が困難で十分な接合強度が得られにくいなどの問題があり、更には少なくとも一方の部材が鋼材等、高融点・硬質材料の場合、特許文献２やその引用文献に記載されているように、回転工具が硬質材料と擦れ合うため、工具材料には高融点・高強度の特別なセラミックス等を用いる必要があるし、コーティング等工具寿命を延ばす工夫が要求され、工具にかかるコストが高くなる等の問題がある。
【０００７】
摩擦攪拌点接合においては、特許文献３に記載されているような、複動式の摩擦攪拌接合装置が知られており、その装置を用いることで、単動式の摩擦攪拌点接合と比べて攪拌され易くなるし、接合強度を確保し易いが、異種金属を接合する場合、依然として上記の低融点材料が溶融する、金属間化合物が厚く生成する、工具寿命が短くなるというという問題がある。
【０００８】
これらの問題を解決する板状の異種金属材料を低コストにて接合する方法として、特許文献４に記載されている、フリクションメカニカルファスニング法がある。特許文献４によれば、接合部材のうち材料が硬質な部材に、予め穴、又は貫通孔を設けておき、もう一方の軟質な材料にのみ回転工具を押し当て、流動させることで、機械的な締結部を得ることができる。その際、回転工具は硬質な部材には接触しないため、低融点の材料からなる部材が溶融する、金属間化合物が厚く生成するといった問題が発生しない。更には、硬質な部材の表面に、強固な酸化皮膜が存在する、塗装皮膜が存在するなど、部材の面同士の原子レベルの接合を妨げられるものが存在している場合でも、機械的な結合力によって、接合がなされるため、十分な継手強度が得られるという利点がある。更には、回転工具を硬質な部材に接触させなくて済むため、回転工具の材料をより安価に、寿命をより長くできる。特許文献４にて述べられているように、この方法が特に適するもの例としてアルミニウムと鋼、アルミニウムと銅の接合を行う場合が挙げられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００１−３１４９８２号公報
【特許文献２】特開２００８−２４６５５３号公報
【特許文献３】特開２００２−１９２３５８号公報
【特許文献４】特開２００４−１０６０３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、特許文献４に記載されているフリクションメカニカルファスニング法には、予め接合部材に穴又は貫通孔の加工を施しておく必要があり、接合が多工程化し、高コストになるという問題がある。更に、回転工具を押し付ける位置を、穴又は貫通孔のある位置に精度良く合わせなければ十分な継手強度が得られないため、抵抗スポット溶接、摩擦攪拌点接合等の通常の点接合手段に比べ位置合わせの精度が必要になり、そのための設備投資が大きくなってしまうという問題がある。
【００１１】
この発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、容易に被接合物を接合する複合ツール、及びこの複合ツールを用いて容易に被接合物を接合する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】
【００１２】
上記目的を達成するために、本発明の第１の観点に係る接合に用いる複合ツールは、
被接合物に貫通孔を形成する切削工具と、
回転しながら前記被接合物を押圧し、該被接合物を摩擦熱により軟化させて流動させる摩擦攪拌工具と、を備え、
前記切削工具は前記摩擦攪拌工具に挿通され、前記摩擦攪拌工具の回転軸線方向に相対直進移動可能に設けられる、
ことを特徴とする。
【００１３】
前記複合ツールは、
前記切削工具の回転軸が、前記摩擦攪拌工具の回転軸と同軸であってもよい。
【００１４】
前記摩擦攪拌工具は、回転して前記被接合物を押圧するときに該被接合物を内向きに流動させるための渦巻溝が形成されていてもよい。
【００１５】
前記摩擦攪拌工具は、回転して前記被接合物を押圧するときに該被接合物を下向きに流動させるための螺旋溝が形成されていてもよい。
【００１６】
本発明の第２の観点に係る接合方法は、
本発明の第１の観点に係る接合に用いる複合ツールを用いて、重ねられた第１部材と第２部材とを接合する接合方法であって、
前記切削工具が前記第１部材と前記第２部材とに貫通孔を形成する切削工程と、
前記摩擦攪拌工具が回転しながら前記第１部材を押圧し、前記第１部材と前記摩擦攪拌工具との間に生じた摩擦熱で該第１部材を固相状態のまま軟化させ、軟化した前記第１部材を前記第２部材に形成された前記貫通孔へ流入させ、該貫通孔に流入した前記第１部材に前記第２部材との接合部を形成させる攪拌工程と、
を有する、
ことを特徴とする。
【００１７】
前記第１部材及び前記第２部材を挟んで前記複合ツールとは反対側に、凹部を持つ下型を配置し、前記第１部材を該凹部に流入させて前記第２部材との機械的な係合部を生成させてもよい。
【００１８】
前記第１部材が金属材料であり、前記第２部材が前記第１部材より高い融点を有する金属材料であってもよい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、容易に被接合物を接合する複合ツール、及びこの複合ツールを用いて容易に被接合物を接合する接合方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】実施形態の複合ツールを示す断面図である。
【図２】実施形態の複合ツールと被接合物と下型との位置関係を示す断面図である。
【図３】下型を示す斜視図である。
【図４】切削工程により被接合物に貫通孔が形成されていることを示す断面図である。
【図５】攪拌工程により被接合物が機械的に結合していることを示す断面図である。
【図６】（ａ）は、変形例の摩擦攪拌工具を示す側面図であり、（ｂ）は、変形例の切削工具の使用方法を示す断面図である。
【図７】変形例の摩擦攪拌工具を示す図であり、（ａ）は、摩擦攪拌工具のショルダ部に形成された渦巻き状の溝を示す図であり、（ｂ）は、摩擦攪拌工具のショルダ部に通口に対して接線方向に形成された略直線の溝を示す図であり、（ｃ）は、ショルダー部に傾斜を設けた摩擦攪拌工具の断面図であり、（ｄ）は、摩擦回転工具の通口に形成された螺旋状の溝を示す断面図である。
【図８】（ａ）及び（ｂ）は、変形例の下型を示す断面図であり、（ｃ）及び（ｄ）は、変形例の下型を示す上面図である。
【図９】下型をパンチに置き換えた形態を示す図であり、（ａ）は、攪拌工程により第１部材が第２部材に流入した状態を示す断面図であり、（ｂ）は、第２部材の貫通孔から突出した第１部材をパンチでかしめる工程を示す断面図である。
【図１０】被接合部材に前加工を施した形態を示す図であり、（ａ）は、第２部材に凹みを設けた場合の断面図であり、（ｂ）は、第２部材を折り曲げて凹み部分を設けた場合の断面図である。
【図１１】せん断引張試験における破断位置を示す断面図である。
【図１２】十字引張試験における破断位置を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。
【００２２】
（実施形態）
図１に示すように、本実施形態に係る接合に用いる複合ツール１は、第１部材２１と第２部材２２とを重ねた被接合物２に貫通孔を形成する切削工具１１と、回転しながら第１部材２１を押圧し、第１部材２１を摩擦熱により軟化させて流動させる摩擦攪拌工具１２と、を備える。切削工具１１は、摩擦攪拌工具１２に挿通され、摩擦攪拌工具１２の回転軸線方向に相対直進移動可能に設けられる。
【００２３】
切削工具１１は、被接合物に貫通孔を形成するものであり、先端に刃物部１１１と、末端に従シャンク１１２とを備える。刃物部１１１としては、被接合物２と接触する方向に刃を持ち、被接合物２に貫通孔をあけることが可能なものであれば特に限定されないが、例えば、エンドミルを用いることができる。刃物部１１１の材質としては、特に限定されないが、例えば、超硬を用いることができる。従シャンク１１２は、切削工具１１を摩擦回転工具１２に対して相対直進移動させる復動駆動装置に取り付ける部分である。また、前記復動駆動装置としては、特許文献３に記載されている機構と同様のものを用いることもできる。さらに、切削工具１１は、摩擦回転工具１２と独立して回転するようにしてもよい。
【００２４】
摩擦攪拌工具１２は、被接合物２を摩擦攪拌し軟化させて流動させるものであり、先端に切削工具１１の外径よりも大きい外径を有するショルダ部１２１と、切削工具１１を挿通することが可能な通口１２２と、末端に主シャンク１２３とを備える。摩擦攪拌工具１２の材料としては、第１部材２１を摩擦攪拌するのに好適なものであれば特に限定されないが、例えば、工具鋼などを用いることができる。主シャンク１２３は、複合ツール１を回転軸線まわりに回転させ、また回転軸線方向に前進後退させる復動駆動装置等に取り付ける部分である。
【００２５】
切削工具１１は、通口１２２に挿通され、摩擦攪拌工具１２の回転軸線方向に相対直進移動可能に設けられる。通口１２２の径は、特に限定されないが、通口１２２と切削工具１１との隙間が小さくなるように、切削工具１１の径と同じ、又はわずかに大きいことが好ましい。通口１２２と切削工具１１との隙間が狭いことで、通口１２２と切削工具１１との間に入り込む被接合物を少なくすることができる。
【００２６】
切削工具１１の径とショルダ部１２１の外径との比率は、特に限定されない。切削工具１１の径が１とすると、ショルダ部１２１の外径は、１．５以上５以下が好ましく、２以上３以下がより好ましい。ショルダ部１２１の外径が、上記値より小さいと、陥没部２１２が深くなることにより接合部の第１部材２１の厚みが小さくなり接合強度が小さくなる虞がある。ショルダ部１２１の外径が、上記値より大きいと、ショルダ部１２１の外周部で軟化した第１部材２１を貫通孔まで誘導することが困難になる虞がある。
【００２７】
本実施形態の接合方法は、複合ツール１を用いて第１部材２１と第２部材２２とを重ねた被接合物２を接合する方法であって、切削工具１１が被接合物２に貫通孔を形成する切削工程と、摩擦攪拌工具１２が回転しながら第１部材２１を押圧し、第１部材２１と摩擦攪拌工具１２との間に生じた摩擦熱で第１部材２１を固相状態のまま軟化させ、軟化した第１部材２１を第２部材２２に形成された貫通孔２２１へ流入させ、貫通孔２２１に流入した第１部材２１に前記第２部材２２との接合部を形成させる攪拌工程と、を有する。
【００２８】
本発明の接合方法は、接合部の形状を整える下型３をさらに用いることが好ましい。本実施形態の接合方法では、下型３を用いる場合について説明する。
【００２９】
下型３の形状は、特に限定されないが、例えば、図３に示すように略円柱の凹部３１を備えることが好ましい。凹部３１の径は、切削工具１１によって形成される貫通孔の径よりも大きいことが好ましい。凹部３１の径を貫通孔より大きくすることで、流入した第１部材２１が係合部２１３を形成することができる。また、下型３は、凹部３１の中心が複合ツール１の回転軸線の延長線に位置するように、好適な位置に配置可能であることが好ましい。接合装置を、特開２００２−３３６９７７号公報の図１に示されているもののような、所謂Ｃフレーム型の接合装置とし、常に凹部３１の中心が接合ツール１の回転軸線の延長線に配置されるように複合ツールの対向側に下型３を取り付けても良い。
【００３０】
まず、第１部材２１と第２部材２２とを重ねてクランプなどで固定し、図２に示すように被接合物２の接合位置が下型３の凹部３１の上に位置するようにセットする。
【００３１】
つぎに、被接合物２に貫通孔を形成する切削工程を行う。切削工程では、図２に示すように刃物部１１１を突出させた状態で複合ツール１を回転させながら第１部材２１側から被接合物２に挿入し、第１部材２１及び第２部材２２に貫通孔を形成する。切削工程終了時の様子を図４に示す。第１部材２１には貫通孔２１１が形成され、第２部材２２には貫通孔２２１が形成される。
【００３２】
切削工程の後、第１部材２１を摩擦攪拌する攪拌工程を行う。攪拌工程では、切削工具１１を退避した状態にする。このようにすることで、摩擦攪拌工具１２が回転しながら第１部材２１を押圧できる。切削工具１１が退避した状態とは、例えば、切削工具１１の先端部が摩擦攪拌工具１２のショルダ部１２１より引っ込んだ状態、又は図５に示すように刃物部１１１の先端部とショルダ部１２１とが面一となる状態である。この後、摩擦回転工具１２を回転させながら、ショルダ部１２１が第１部材２１を押圧する。これにより、第１部材２１は、摩擦熱により固相状態のまま軟化する。軟化した第１部材は、ショルダ部１２１の圧力によって第２部材２２に開けた貫通孔２２１に流入する。貫通孔２２１に流入した第１部材２１は、さらに下型３の凹部３１内の空間に流入し、係合部２１３が形成される。これにより被接合物２は、図５に示すように機械的に結合される。図５に示す陥没部２１２は、摩擦攪拌工具１２を押し付けたことによる押付け痕である。
【００３３】
本実施形態の接合方法は、切削工具１１と摩擦攪拌工具１２とを備える複合ツール１を用いることで、切削工程と攪拌工程とを連続して行うことができ、短い時間で被接合物２を接合することができる。また、複合ツール１は図１乃至図５に示すように、切削工具１１の回転軸と摩擦攪拌工具１２の回転軸とが同一であるため、切削工程で複合ツール１を接合位置に合わせれば、攪拌工程で複合ツール１を再度位置合わせする手間が省かれる。
【００３４】
本実施形態の接合方法で接合する第１部材２１及び第２部材２２の形状は、重ねて貫通孔を形成できるものであれば特に限定されないが、例えば、板状のものが挙げられる。板状とは、部材全体が板状のものに限定されず、例えば、板を３次元的に成形したものの平坦部、押し出し型材や鋳造材の平坦部等でもよい。また、第１部材２１及び第２部材２２の厚さは、特に限定されないが、第１部材２１が固相状態のまま軟化し、軟化した第１部材２１が第２部材２２の貫通孔２２１に流入することにより、第１部材２１の接合部分の厚みが減少する。このため、第１部材２１の厚みは、第２部材２２の厚みより大きいことが好ましい
【００３５】
第１部材２１の材質は、切削工具１１によって貫通孔２１１を開けることができ、かつ摩擦攪拌工具１２によって固相状態のまま摩擦熱で軟化させられるものであれば特に限定されない。第１部材２１の材質としては、例えば、アルミニウム、銅、鋼、ステンレス等の金属、ポリエチレン、ポリプロピレン等の熱可塑性樹脂などが挙げられる。第２部材２２の材質は、摩擦攪拌工具１２によって固相状態のまま摩擦熱で軟化しないものであっても、切削工具１１によって貫通孔２２１を開けられるものであれば特に限定されない。第２部材２２の材質としては、第１部材２１の材質で挙げたものに加えて、例えば、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂、セラミックス等を用いることができる。また、第１部材２１の材質は、第２部材２２よりも摩擦攪拌が容易な低融点の金属板が用いられることが好ましい。具体的には、例えば、第１部材２１としてはアルミニウム板を用い、第２部材２２としては鋼板を用いることが好ましい。
【００３６】
被接合物２は、３枚以上であっても接合可能な場合がある。具体的には、第１部材２１として融点が同程度の複数枚の部材を重ねて用いる場合及び第２部材に複数枚の部材を重ねて用いる場合である。
【００３７】
（変形例）
本発明の複合ツール１は、第１実施形態の複合ツール１に限らず、様々な変形例を考えうる。
【００３８】
切削工具１１の刃物部１１１は、エンドミル以外にドリルを用いることができる。刃物部１１１がドリルである場合、切削工程において切子が下型３の凹部３１へ落ちにくくなるという利点がある。
【００３９】
切削工具１１は、図６（ｂ）に示すように回転軸線から離れた位置に１つ以上の切削刃１１３を配置する形態にしてもよい。この様な形態にすることで、図６（ａ）に示すように通口１２２の開口面積が小さくなり、攪拌工程において第１部材２１が通口１２２内へ流入しにくくなる。また、切削工具１１は、ホールソーの様に、鋸刃を用いた穴あけ工具を有する形態にすることもできる。ただしこれらの場合、切削工具１１にエンドミルやドリルをもちいた場合に比べ、図６に示すように切削工程時に残りカス２３１及び２３２が発生する。
【００４０】
摩擦攪拌工具１２は、例えば、図７（ａ）に示すように摩擦攪拌工具１２のショルダ部１２１に渦巻き状の溝１２１１を付与し、軟化した第１部材２１を中心に向かって流動させるようにしてもよい。例えば、渦巻き状の溝１２１１が外側から時計回りに中心に近くなるように付与されている場合、摩擦攪拌工具１２が先端側から見て反時計回りに回転すると、軟化した第１部材２１は、渦巻き状の溝１２１１に誘導され内側に導かれる。また、図７（ｂ）に示すように摩擦攪拌工具１２のショルダー部１２１に通口１２２に対して接線方向に略直線の溝１２１２を付与し、軟化した第１部材２１を中心に向かって流動させるようにしてもよい。さらに、図７（ｄ）に示すように通口１２２に螺旋状の溝１２２１を付与し、通口１２２に流入した第１部材２１を下方向に向かって流動するようにしてもよい。例えば、螺旋状の溝１２２１が左雄ネジと同じ向きの溝である場合、摩擦攪拌工具１２が先端側から見て反時計回りに回転すると、軟化した第１部材２１は、螺旋状の溝１２２１溝に誘導され先端方向に導かれる。
【００４１】
下型３の凹部３１は、略円柱状以外の形状とすることができる。例えば、図８（ａ）に示すように、中心で深く、外側寄りで浅くなるように凹部３１を形成してもよい。このようにすることで、接合体の十字引張強度を向上させることができる。また、外側に向かって浅くなることから、第１部材２１の変形能を保ちながら凹部３１に第１部材２１を充填させることも考えられる。図８（ｂ）に示すように中心に突起３１１を付与してもよい。このようにすることで、攪拌工程において第１部材２１を凹部３１の外側寄りに誘導することが考えら得る。また、突起３１１分の体積を外側寄りに流動させ、接合体の十字引張強度をより向上させることができる。図８（ｃ）に示すように凹部３１の形状を略円柱以外の形状にしてもよい。このようにすることで、第１部材２１が外側寄りに広がった部分３１２に流入することで接合体の強度を確保できる。また、内側に寄っている部分３２で第２部材２２の孔２２１付近を支持し、攪拌工程において第２部材２２をたわみにくくできる。さらに、図８（ｄ）に示すように、下型３に排出路３３１と空気流入路３３２とを付与してもよい。このようにすることで、空気流入路３３２から圧縮空気を送り込み、排出路３３１から切削工程において発生し凹部３１内に落ちた切子を排出しやすくすることが考えられる。
【００４２】
攪拌工程において下型３を用いない場合、図９の（ａ）に示すように、突出部２１７が形成され、第１部材２１と第２部材２２とが接合される。突出部２１７によって第１部材２１と第２部材２２とが接合される場合、第１部材２１に面の平行方向に力が加わるとき、第１部材２１は突出部２１７が貫通孔２２１に引っかかり、第２部材２２に対してずれない。第１部材２１が第２部材２２から剥がされるように力が加わるとき、第１部材２１は突出部２１７と貫通孔２２１との摩擦力により第２部材から剥がされにくくなる。また、図９（ｂ）に示すように、パンチ３４を押し付けることにより、突出部２１７を変形させ係合部２１８を得てもよい。このとき、パンチ３４を高速で回転させ、パンチ３４と突出部２１７との間に摩擦熱を発生させ、突出部２１７を局所的に軟化させることが好ましい。
【００４３】
また、本発明は、何ら前加工のない板状部材同士を接合できるという特徴を持つが、何らかの前加工を施すことで、より継手強度を向上させたり、より工程を簡略化したりすることも考えられる。例えば図１０に示すように、第２部材２２の下型３側に、窪み２２２を形成してもよい。このようにすることで、より継手強度を高くすることが考えられる。図１０（ａ）に示すように窪み２２２を形成しておけば下型３に凹部３１がない場合でも機械的に結合することが可能になる。また、第２部材２２を予め図１０（ｂ）に示すように段差を有する形状に成形してもよい。
【実施例】
【００４４】
以下により詳細な実施例を示すが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【００４５】
本実施例では、本発明に係る接合方法で、以下に示す第１部材２１と第２部材２２との接合を行った。
第１部材２１：アルミニウム板（６０００系アルミニウム合金）、板厚２．０ｍｍ
第２部材２２：軟鋼板（ＳＰＣＣ）、板厚１．０ｍｍ
【００４６】
切削工具１１は、刃物部１１１に径６ｍｍの超硬エンドミルを使用した。この超硬エンドミルは、縦削りが可能で、アルミニウム板及び鋼板を切削し貫通孔を形成することが可能である。また、従シャンク１１２に加工を加え、切削工具１１を複動駆動装置に取り付けられるようにした。
【００４７】
摩擦攪拌工具１２の材料は、工具鋼（ＪＩＳ  ＳＫＤ６１）を使用した。摩擦攪拌工具１２は、ショルダ部１２１の外径が１５ｍｍであり、孔径６ｍｍの通口１２２を中心に備えた。さらに、図７（ａ）に示すように、ショルダ部１２１には、攪拌工程で軟化した第１部材２１を中心に向かって流動させる渦巻状の溝１２１１を設けた。さらに、攪拌工程で不可避的に通口１２２へ流入する第１部材２１を押し戻すために、図７（ｄ）に示すように、通口１２２の一部に攪左雌ネジと同じ向きの螺旋状の溝１２２１を設けた。
【００４８】
下型３は、図３に示す円柱状の凹部３１を有するものを用いた。下型３の材料は、工具鋼（ＪＩＳ  Ｓ４５Ｃ）を用いた。凹部３１は、径９ｍｍ、深さ１．３ｍｍの円柱状の穴とした。凹部３１の径は、切削工具１１によってあけられる貫通孔の径よりも大きく、ショルダ部１２１の径よりも小さくした。
【００４９】
まず、第１部材と第２部材とを重ね合わせ固定した。固定した第１部材と第２部材とを図２に示すように下型３の上にセットした。
【００５０】
つぎに、切削工程を行った。図２に示すように切削工具１１の刃物部１１１を摩擦攪拌工具１２の通口１２２から８ｍｍ突出させた。切削工具１１を突出させた複合ツール１を２２００ｒｐｍにて回転させ、切削工具１１を第１部材２１及び第２部材２２に挿入した。なお、切削工具１１の回転方向は、本実施例で使用したエンドミルを通常使用する回転方向と同じ第１部材２１側から見て時計回りとした。切削の縦送り速度は、本実施例で使用したエンドミルを通常使用する切削条件の範囲内である５０ｍｍ／ｍｉｎとした。なお、本実施例では、切削工程及び攪拌工程において切削工具１１と摩擦攪拌工具１２とは同じ回転数で回転させた。この後、切削工具１１を被接合物２から引き抜き、切削により発生した切子を取り除いた。図４に示すように第１部材２１に貫通孔２１１が、第２部材２２に貫通孔２２１が形成された。
【００５１】
切削工程の後、攪拌工程を行った。図５に示すように刃物部１１１の端面がショルダ部１２１の端面と面一になるように刃物部１１１を退避させた。刃物部１１１を退避させた複合ツール１を１５００ｒｐｍにて回転させながら摩擦攪拌工具１２のショルダ部１２１を第１部材２１に対し表面から１．３ｍｍ押込み、第１部材２１を固相状態のまま摩擦熱で軟化させた。押込み速度は、３０ｍｍ／ｍｉｎとした。軟化した第１部材２１は、第２部材２２の貫通孔２２１に流入し、さらに下型３の凹部３１に流入した。この結果、図５に示すように係合部２１３が形成された。
【００５２】
作製した接合体のせん断試験をＪＩＳ  Ｚ３１３６の方法にて行った。せん断強度は、３．５ｋＮであった。せん断破壊は、図１１に示す曲面２１４で起こった。第１部材２１が軟化して流動した部分で破壊するため、継手強度は比較的安定していた。
【００５３】
作製した接合体の十字引張試験をＪＩＳ  Ｚ３１３７の方法にて行った。十字引張強度は、２．１ｋＮであった。破壊は図１２に示す曲面２１５で起こった。十字引張試験時の破壊箇所は、図１２で示す曲面２１５だけでなく曲面２１６又は曲面２２３が考えられるが、本実施例では第２部材２２が第１部材２１と反対側に０．３ｍｍ程度たわんだこと等から曲面２１５で起こったと考えられる。
【符号の説明】
【００５４】
１        複合ツール
１１      切削工具
１１１    刃物部
１１２    従シャンク
１１３    切削刃
１２      摩擦攪拌工具
１２１    ショルダ部
１２１１  渦巻状の溝
１２１２  略直線の溝
１２１３  傾斜
１２２    通口
１２２１  螺旋状の溝
１２３    主シャンク
２        被接合物
２１      第１部材
２１１    第１部材にあけられた貫通孔
２１２    陥没部
２１３    係合部
２１４    せん断引張試験により破断した面
２１５    十字引張試験により破断した面
２１６    十字引張試験により破断し得る面の一つ
２１７    突出部
２１８    係合部
２２      第２部材
２２１    第２部材にあけられた貫通孔
２２２    窪み
２２３    十字引張試験により破断し得る面の一つ
３        下型
３１      凹部
３１１    突起
３１２    凹部における外側寄りに広がった部分
３２      内側に寄っている部分
３３１    排出路
３３２    空気流入路
３４      パンチ
【図１】
2016049547.tif 000003
【図２】
2016049547.tif 000004
【図３】
2016049547.tif 000005
【図４】
2016049547.tif 000006
【図５】
2016049547.tif 000007
【図６】
2016049547.tif 000008
【図７】
2016049547.tif 000009
【図８】
2016049547.tif 000010
【図９】
2016049547.tif 000011
【図１０】
2016049547.tif 000012
【図１１】
2016049547.tif 000013
【図１２】
2016049547.tif 000014
【手続補正書】
【提出日】平成27年8月13日(2015.8.13)
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００１】
本発明は、接合装置及びこれを用いた接合方法に関する。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
この発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、容易に被接合物を接合する接合装置、及びこの接合装置を用いて容易に被接合物を接合する接合方法を提供することを目的とする。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】
上記目的を達成するために、本発明の第１の観点に係る接合に用いる接合装置は、
被接合物に貫通孔を形成する切削工具と、
回転しながら前記被接合物を押圧し、該被接合物を摩擦熱により軟化させて流動させる摩擦攪拌工具と、
凹部を備える下型と、を備え、
前記切削工具は前記摩擦攪拌工具に挿通され、前記摩擦攪拌工具の回転軸線方向に相対直進移動可能に設けられる、
ことを特徴とする。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１３】
前記接合装置は、
前記切削工具の回転軸が、前記摩擦攪拌工具の回転軸と同軸であってもよい。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１６】
本発明の第２の観点に係る接合方法は、
本発明の第１の観点に係る接合に用いる接合装置を用いて、重ねられた第１部材と第２部材とを接合する接合方法であって、
前記切削工具が前記第１部材と前記第２部材とに貫通孔を形成する切削工程と、
前記摩擦攪拌工具が回転しながら前記第１部材を押圧し、前記第１部材と前記摩擦攪拌工具との間に生じた摩擦熱で該第１部材を固相状態のまま軟化させ、軟化した前記第１部材を前記第２部材に形成された前記貫通孔へ流入させ、該貫通孔に流入した前記第１部材に前記第２部材との接合部を形成させる攪拌工程と、
を有し、
前記第１部材及び前記第２部材を挟んで前記摩擦攪拌工具とは反対側に、凹部を持つ下型を配置し、前記第１部材を該凹部に流入させて前記第２部材との機械的な係合部を生成させる、ことを特徴とする。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１７
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１９】
本発明によれば、容易に被接合物を接合する接合装置、及びこの接合装置を用いて容易に被接合物を接合する接合方法を提供することができる。
【手続補正９】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被接合物に貫通孔を形成する切削工具と、
回転しながら前記被接合物を押圧し、該被接合物を摩擦熱により軟化させて流動させる摩擦攪拌工具と、
凹部を備える下型と、を備え、
前記切削工具は前記摩擦攪拌工具に挿通され、前記摩擦攪拌工具の回転軸線方向に相対直進移動可能に設けられる、ことを特徴とする接合に用いる接合装置。
【請求項２】
前記切削工具の回転軸が、前記摩擦攪拌工具の回転軸と同軸である、ことを特徴とする請求項１に記載の接合装置。
【請求項３】
前記摩擦攪拌工具は、回転して前記被接合物を押圧するときに該被接合物を内向きに流動させるための渦巻溝が形成されている、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の接合装置。
【請求項４】
前記摩擦攪拌工具は、回転して前記被接合物を押圧するときに該被接合物を下向きに流動させるための螺旋溝が形成されている、ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の接合装置。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の接合装置を用いて、重ねられた第１部材と第２部材とを接合する接合方法であって、
前記切削工具が前記第１部材と前記第２部材とに貫通孔を形成する切削工程と、
前記摩擦攪拌工具が回転しながら前記第１部材を押圧し、前記第１部材と前記摩擦攪拌工具との間に生じた摩擦熱で該第１部材を固相状態のまま軟化させ、軟化した前記第１部材を前記第２部材に形成された前記貫通孔へ流入させ、該貫通孔に流入した前記第１部材に前記第２部材との接合部を形成させる攪拌工程と、
を有し、
前記第１部材及び前記第２部材を挟んで前記摩擦攪拌工具とは反対側に、凹部を持つ下型を配置し、前記第１部材を該凹部に流入させて前記第２部材との機械的な係合部を生成させる、ことを特徴とする接合方法。
【請求項６】
前記第１部材が金属材料であり、前記第２部材が前記第１部材より高い融点を有する金属材料である、ことを特徴とする請求項５に記載の接合方法。