(57)【要約】      （修正有）【課題】母材の突合わせ部に間隙が生じた場合でも良好な接合が可能な接合方法を提供する。【解決手段】１対の母材５，５を突合わせる際に該母材間の間隙にバルク材８を充填させる工程と、プローブ部と該プローブ部の両端に設けられたショルダ部を有する工具１により、前記母材と前記バルク材との突合わせ部を摩擦撹拌により接合する工程とを有し、前記工具の中心位置は前記間隙の幅方向中心よりも前記工具の進行方向に対して該工具の外縁部の移動方向が逆方向となる側に位置している。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
１対の母材を突合わせる際に該母材間の間隙にバルク材を充填させる工程と、プローブ部と該プローブ部の両端に設けられたショルダ部を有する工具により、前記母材と前記バルク材との突合わせ部を摩擦撹拌により接合する工程とを有し、前記工具の中心位置は前記間隙の幅方向中心よりも前記工具の進行方向に対して該工具の外縁部の移動方向が逆方向となる側に位置している接合方法。
【請求項２】
前記バルク材は幅や長さが異なる複数の板材から構成され、前記間隙の形状に合わせて複数の前記バルク材が充填される請求項１の接合方法。
【請求項３】
前記バルク材は粉末材であり、前記間隙に前記バルク材が充填される請求項１の接合方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、摩擦撹拌接合により母材を接合する接合方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
母材の突合わせ部の接合を行う接合方法の１つとして、摩擦撹拌接合（ＦＳＷ：Ｆｒｉｃｔｉｏｎ  Ｓｔｉｒ  Ｗｅｌｄｉｎｇ）がある。摩擦撹拌接合では、棒状のプローブが突設された摩擦撹拌接合ツールが用いられる。プローブを回転させながら母材の突合わせ部に押圧することにより、突合わせ部に摩擦熱を生じさせ、摩擦熱により軟化した突合わせ部にプローブを没入させる。没入後は、プローブの回転により、プローブの周囲に塑性流動を生じさせて撹拌混合し、更に突合わせ部の接合線に沿ってプローブを移動させることで、母材同士が接合される。
【０００３】
又、摩擦撹拌接合を行う為の摩擦撹拌接合ツールとして、プローブの両端にプローブよりも大径のショルダが設けられたものがあり、プローブとショルダとが一体に回転する様に構成されている。
【０００４】
上記した摩擦撹拌接合ツールにより摩擦撹拌接合を行なう際には、突合わせ部の接合開始端部にプローブを押圧すると共に、突合わせ部を上下両面からショルダにより挾込む様にして回転させることで、突合わせ部に摩擦熱を生じさせ軟化させた後、接合線に沿って移動する様摩擦撹拌接合ツールを牽引することで、プローブが突合わせ部に没入し、摩擦撹拌接合が行われる。
【０００５】
摩擦撹拌接合では、突合わせ部に存在する間隙が欠陥の原因となる為、アーク溶接等により仮付けを行い、突合わせ部に間隙が生じない様にする必要がある。
【０００６】
然し乍ら、長尺の母材同士を接合する場合、母材には撓みやうねり等の初期変形が存在することから、突合わせ部に生じる間隙をなくすことは困難である。突合わせ部に間隙が生じたまま摩擦撹拌接合を行った場合には、間隙を充填するだけの母材の回込みが不足することで、接合を行った箇所に孔が生じる等、接合欠陥を引起こす虞れがある。
【０００７】
尚、特許文献１には、中空形材間に中間プレートを介設し、前記中空形材の端面がそれぞれ前記中間プレートの両面に突合う様に前記中空形材同士を配置し、回転ツールの撹拌ピンを前記中間プレートの端面に押し当て、前記中空形材と前記中間プレートとの突合わせ部を摩擦撹拌接合する構成が開示されている。然し乍ら、特許文献１では、前記中間プレートの中央を狙って摩擦撹拌接合を行っている為、接合欠陥を引起こす虞れがあり、又破断強度も低いと考えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００９−６３９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は斯かる実情に鑑み、母材の突合わせ部に間隙が生じた場合でも良好な接合が可能な接合方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、１対の母材を突合わせる際に該母材間の間隙にバルク材を充填させる工程と、プローブ部と該プローブ部の両端に設けられたショルダ部を有する工具により、前記母材と前記バルク材との突合わせ部を摩擦撹拌により接合する工程とを有し、前記工具の中心位置は前記間隙の幅方向中心よりも前記工具の進行方向に対して該工具の外縁部の移動方向が逆方向となる側に位置している接合方法に係るものである。
【００１１】
又本発明は、前記バルク材は幅や長さが異なる複数の板材から構成され、前記間隙の形状に合わせて複数の前記バルク材が充填される接合方法に係るものである。
【００１２】
更に又本発明は、前記バルク材は粉末材であり、前記間隙に前記バルク材が充填される接合方法に係るものである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、１対の母材を突合わせる際に該母材間の間隙にバルク材を充填させる工程と、プローブ部と該プローブ部の両端に設けられたショルダ部を有する工具により、前記母材と前記バルク材との突合わせ部を摩擦撹拌により接合する工程とを有し、前記工具の中心位置は前記間隙の幅方向中心よりも前記工具の進行方向に対して該工具の外縁部の移動方向が逆方向となる側に位置しているので、前記間隙により不足した接合材料が前記バルク材により充填され、接合材料不足による接合欠陥を抑制できると共に、破断強度が向上され、接合状態を改善させることができるという優れた効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施例に係る接合方法に用いられるツールを示す斜視図である。
【図２】前記ツールによる母材の接合を説明する概略図である。
【図３】（Ａ）はツールの中心をバルク材の中心線と一致させた状態を示す説明図であり、（Ｂ）はツールの中心をバルク材の中心線よりもＲｅｔ側に位置させた状態を示す説明図であり、（Ｃ）はツールの中心をバルク材の中心線よりもＡｄｖ側に位置させた状態を示す説明図である。
【図４】異なる条件で摩擦撹拌接合を行った試験片に対する側曲げ試験の試験結果をまとめたグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施例を説明する。
【００１６】
先ず、図１に於いて、母材を摩擦撹拌接合により接合する為の工具であるツールについて説明する。ツール１は、摩擦撹拌接合装置（図示せず）に取付けられるものであり、該摩擦撹拌接合装置により前記ツール１が回転しつつ、接合線に沿って移動されることで摩擦撹拌接合が行われる様になっている。
【００１７】
前記ツール１は、円柱状のプローブ２と、該プローブ２の両端部に取付けられ、該プローブ２と同心であるショルダ３，３とを有している。該ショルダ３，３は前記プローブ２よりも大径、例えば該プローブ２の２倍程度の径を有する円柱状であり、前記ショルダ３，３と向合う端面４，４は前記プローブ２の中心軸に対して垂直となっている。
【００１８】
前記プローブ２は、例えば両端部にネジ部（図示せず）が刻設され、前記ショルダ３，３に穿設されたネジ穴（図示せず）に螺着されることで、前記プローブ２と前記ショルダ３，３とが一体化される。この時、前記プローブ２のネジ部は、前記ツール１を回転させた場合に母材５（後述）から受ける摩擦力により締まる方向に形成される。
【００１９】
前記プローブ２の周面には全面に亘って溝部６が形成されている。尚、図１中では、該溝部６はネジ状となっているが、該溝部６の形状は他の形状であってもよい。又、図示では該溝部６は前記プローブ２の両端部で左右逆ネジとなっている場合を示している。
【００２０】
前記ショルダ３，３の、前記プローブ２側の外周縁にはテーパ部７，７が形成されている。尚、前記端面４，４間の間隔は、前記母材５の厚みよりも僅かに小さくなっており、前記テーパ部７，７の外周縁間の間隔は、前記母材５の厚みよりも大きくなっている。
【００２１】
次に、図２に於いて、前記ツール１を用いた摩擦撹拌接合について説明する。尚、本実施例では、開先形状がＩ形である場合について説明する。
【００２２】
図２中、５はアルミニウムやアルミニウム合金や銅等、融点の低い材質からなる母材を示している。本実施例では、該母材５，５間には間隙が形成されており、該間隙には前記母材５，５と同材質、且つ該母材５と同等の板厚を有する板状のバルク材８が充填されている。尚、図２中、９は摩擦撹拌接合後に生じるビードであり、１１，１１は前記バルク材８を介して前記母材５，５を突合わせた際の接合線である。
【００２３】
該バルク材８を前記母材５，５間に充填した際には、アーク溶接にて前記母材５，５と前記バルク材８とを仮止めしている。該バルク材８を仮止めすることで、摩擦撹拌接合の際の前記母材５，５と前記バルク材８との位置ズレを防止している。尚、図２中、１２はアーク溶接を行なった際の仮付け部を示している。
【００２４】
前記ツール１を用いて前記母材５，５の摩擦撹拌接合を行なう際には、先ず、図示しない摩擦撹拌接合装置により該ツール１を接合始端（図２中紙面に対して左側）に移動させる。更に、前記母材５，５を摩擦撹拌接合装置にセットする。
【００２５】
次に、前記母材５，５及び前記バルク材８の始端部の上面及び下面の高さ位置が、前記ショルダ３，３の前記テーパ部７，７に一致する様、前記ツール１の高さを調整する。該ツール１の高さ調整が完了すると、該ツール１を所定の回転速度で回転させ、該ツール１を所定の速度で終端側へと移動させる。例えば、該ツール１の回転速度は２３０ｒｐｍであり、該ツール１の進行速度は１５０ｍｍ／ｍｉｎである。
【００２６】
該ツール１が移動されると、前記母材５，５及び前記バルク材８の始端部が、前記テーパ部７，７に導かれて前記ショルダ３，３間に強制的に挾込まれる。前記ツール１の回転により、前記ショルダ３，３と前記母材５，５及び前記バルク材８との間に摩擦熱が生じ、摩擦熱により前記母材５，５及び前記バルク材８が軟化する。
【００２７】
更に、前記プローブ２を前記母材５，５及び前記バルク材８の始端部に押圧することで、前記プローブ２が前記母材５，５及び前記バルク材８に没入し、前記プローブ２の周囲で塑性流動が生じ、該プローブ２の周囲の素材が前記溝部６に導かれて撹拌され、撹拌混合が行われる。
【００２８】
この状態で、前記ツール１を前記接合線１１，１１に沿って移動させることにより、前記母材５，５及び前記バルク材８の撹拌が行われる。前記母材５，５間に前記バルク材８が充填されることで、前記母材５，５間に間隙が生じていた場合でも、該間隙が前記バルク材８により充填され、摩擦撹拌接合により良好な接合状態を得ることができる。
【００２９】
本実施例に於いて、前記母材５，５及び前記バルク材８の摩擦撹拌接合では、前記母材５，５の突合わせ部に前記バルク材８が介在することで、接合線１１が２つ存在することになる。従って、該接合線１１，１１と前記ツール１の工具中心Ｏとの位置関係が重要となる。
【００３０】
図３（Ａ）〜図３（Ｃ）は、前記バルク材８の長手方向中心線１３即ち前記母材５，５間の間隙の幅方向中心に対する前記ツール１の工具中心Ｏの概略位置を示している。
【００３１】
尚、本実施例では、前記ツール１の進行方向に対して、該ツール１の外縁部の移動方向が順方向となる側をＡｄｖａｎｃｉｎｇ  ｓｉｄｅ（Ａｄｖ側）とし、該ツール１の外縁部の移動方向が逆方向となる側をＲｅｔｒｅａｔｉｎｇ  ｓｉｄｅ（Ｒｅｔ側）としている。即ち、図３（Ａ）〜図３（Ｃ）に示される様に、該ツール１が反時計回り方向に回転する場合には、該ツール１の進行方向に対して右側がＡｄｖ側、左側がＲｅｔ側となる。
【００３２】
図３（Ａ）は、前記ツール１の工具中心Ｏが前記バルク材８の前記長手方向中心線１３と一致、即ち前記接合線１１，１１の真中と一致している状態を示している。又、図３（Ｂ）は、前記ツール１の工具中心Ｏが前記バルク材８の前記長手方向中心線１３よりもＲｅｔ側に位置（オフセット）している状態を示し、図３（Ｃ）は、前記ツール１の工具中心Ｏが前記バルク材８の前記長手方向中心線１３よりもＡｄｖ側に位置（オフセット）している状態を示している。
【００３３】
本実施例では、前記接合線１１，１１に対する前記ツール１の工具中心Ｏの位置を異ならせ、複数の条件でそれぞれ摩擦撹拌接合を行い、各条件毎に作成した複数種類の試験片に対して側曲げ試験を行い、側曲げ試験の際に試験片に生じた亀裂の開口長を比較した。
図４は、各試験片に生じた亀裂の開口長を纏めたグラフである。
【００３４】
試験片を作成する為に、前記バルク材８の幅を３ｍｍとし、前記ツール１の工具中心Ｏを前記長手方向中心線１３と一致させた場合、前記工具中心Ｏを前記長手方向中心線１３からＡｄｖ側に１ｍｍずらした場合、前記工具中心Ｏを前記長手方向中心線１３からＡｄｖ側に２ｍｍずらした場合、前記工具中心Ｏを前記長手方向中心線１３からＲｅｔ側に１ｍｍずらした場合、前記工具中心Ｏを前記長手方向中心線１３からＲｅｔ側に２ｍｍずらした場合、前記工具中心Ｏを前記長手方向中心線１３からＲｅｔ側に３ｍｍずらした場合、前記工具中心Ｏを前記長手方向中心線１３からＲｅｔ側に４ｍｍずらした場合について、それぞれ摩擦撹拌接合を実施した。
【００３５】
同様に、前記バルク材８の幅を５ｍｍとし、前記ツール１の工具中心Ｏを前記長手方向中心線１３と一致させた場合、前記工具中心Ｏを前記長手方向中心線１３からＡｄｖ側に１ｍｍずらした場合、前記工具中心Ｏを前記長手方向中心線１３からＲｅｔ側に１ｍｍずらした場合、前記工具中心Ｏを前記長手方向中心線１３からＲｅｔ側に２ｍｍずらした場合、前記工具中心Ｏを前記長手方向中心線１３からＲｅｔ側に３ｍｍずらした場合についてそれぞれ摩擦撹拌接合を実施した。上記した１２種類の条件で作成した試験片を各４本ずつ用い、側曲げ試験を行った。
【００３６】
図４中、棒グラフは側曲げ試験により４本の試験片に生じた亀裂の開口長の最大値を示したものである。左側の太線が前記バルク材８の幅を３ｍｍとした試験片の側曲げ試験結果であり、右側の細線が前記バルク材８の幅を５ｍｍとした試験片の側曲げ試験結果である。
【００３７】
又、図４中、プロットは側曲げ試験により４本の試験片に生じた亀裂の開口長の平均を示したものである。ひし形のプロットが前記バルク材８の幅を３ｍｍとした場合の結果を示し、正方形のプロットが前記バルク材８の幅を５ｍｍとした場合の結果を示している。
又、図４中、太線の破線は前記バルク材８の幅を３ｍｍとした場合の亀裂の平均開口長の近似曲線を示し、細線の破線は前記バルク材の幅を５ｍｍとした場合の亀裂の平均開口長の近似曲線を示している。
【００３８】
尚、図４中、開口長が１２ｍｍとなっているのは、側曲げ試験の結果試験片が曲がることなく破断した状態を示している。
【００３９】
図４に示される様に、前記ツール１の工具中心Ｏを前記バルク材８の前記長手方向中心線１３と一致させた場合、及び前記ツール１の工具中心Ｏを前記長手方向中心線１３よりもＡｄｖ側に位置させた場合には、いずれの場合にも曲がることなく破断した試験片が存在し、亀裂の平均開口長も大きくなっている。
【００４０】
一方、前記ツール１の工具中心Ｏを前記バルク材８の前記長手方向中心線１３よりもＲｅｔ側に位置させた場合には、曲がることなく破断した試験片は存在せず、又亀裂の平均開口長も、前記工具中心Ｏを前記長手方向中心線１３と一致させた場合や、該長手方向中心線１３よりもＡｄｖ側に位置させた場合よりも小さくなっている。
【００４１】
又、前記バルク材８の幅を３ｍｍとし、前記ツール１の工具中心Ｏを前記バルク材８の前記長手方向中心線１３よりもＲｅｔ側に３ｍｍずらして位置させた場合には、４本の試験片のいずれにも亀裂が発生しなかった。
【００４２】
上記した様に、前記母材５，５間に前記バルク材８を介在させ、突合わせ部に前記接合線１１，１１が２つ存在する場合には、摩擦撹拌接合を行なう際の前記ツール１の工具中心Ｏの位置を、前記バルク材８の前記長手方向中心線１３よりもＲｅｔ側に位置させることで、良好な接合結果が得られることがわかった。
【００４３】
又、幅３ｍｍの前記バルク材８を用い、前記ツール１の工具中心Ｏを前記長手方向中心線１３よりもＲｅｔ側に３ｍｍずらして位置させることで、更に良好な接合結果が得られることがわかった。
【００４４】
上述の様に、本実施例では、前記母材５，５を突合わせた際に、該母材５，５間に間隙が生じていた場合、該間隙に前記母材５と同材質且つ同等の板厚のバルク材を充填し、摩擦撹拌接合を行っている。
【００４５】
従って、前記母材５，５間の間隙により不足した接合材料が前記バルク材８により充填されるので、接合材料不足による孔の発生等の接合不良を抑制することができる。
【００４６】
又、前記間隙に前記バルク材８を充填することで、突合わせ部には前記接合線１１が２つ存在することとなるが、摩擦撹拌接合を行なう際に、前記ツール１の工具中心Ｏを前記バルク材８の前記長手方向中心線１３よりもＲｅｔ側に位置させることで、即ち前記接合線１１（開先）がＡｄｖ側へとずれることで、撹拌中に接合材料が受けるひずみが大きくなり、撹拌混合が促進される。従って、前記長手方向中心線１３に沿って摩擦撹拌接合を行った場合に比べ破断強度が向上し、接合状態を改善することができる。尚、工具中心Ｏを前記長手方向中心線１３からずらす距離は、前記プローブ２の直径の半分以下とする。
【００４７】
尚、本実施例では、前記母材５，５間に充填する前記バルク材８として、幅が全長に亘って一定な板状のものを用いているが、該バルク材８は他の形状であってもよい。例えば、該バルク材８として幅や長さが異なる板状のものを複数用意し、前記母材５，５間の間隙の形状に合わせて複数の前記バルク材８を充填する様にしてもよいし、粉末状にした該バルク材８を前記母材５，５間の間隙に隙間なく充填する様にしてもよい。更に、ろう等で前記間隙の型を取り、型に合わせて前記バルク材８を作成し、前記間隙に充填してもよい。
【００４８】
前記バルク材８が前記間隙に隙間なく充填されることで、摩擦撹拌接合の際の接合材料不足をより効果的に防止することができる。
【００４９】
又、本実施例では、Ｉ形開先に於ける摩擦撹拌接合について説明したが、他の開先形状であっても本実施例の摩擦撹拌接合方法が適用可能であるのは言う迄もない。
【符号の説明】
【００５０】
１    ツール              ２    プローブ
３    ショルダ            ５    母材
８    バルク材            １１  接合線
１３  長手方向中心線
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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