(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
厚肉アルミニウム部材の端面に段差部を形成し、当該段差部に薄肉アルミニウム材を前記厚肉アルミニウム部材と直交する方向に、当該薄肉アルミニウム材の表面と前記厚肉アルミニウム部材の端面の先端面とが同一面となるように押し当てて厚肉アルミニウム部材と薄肉アルミニウム材の突合せ部を形成し、当該突合せ部に回転ツールの攪拌ピンを押し込み、回転ツールの進行速度に回転速度が加算されるシアー側に厚肉アルミニウム材が位置する方向に回転ツールを回転させながら前記攪拌ピンを突合せ部に押込んだ状態のままで当該突合せ部に沿って回転ツールを進行させることを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
【請求項２】
断面長円状の内部空間をもつアルミニウム材料製容器本体に、厚肉アルミニウ部材からなり端面に容器本体側の寸法が小さくなるような段差部を形成した蓋体の、寸法が小さくなるように形成された段差部で形成される挿入部を差し込み、容器本体の側壁と蓋体の側壁とを突き合わせて容器本体を周回する突合せ部を形成し、当該突合せ部に回転ツールの攪拌ピンを押し込み、回転ツールの進行速度に回転速度が加算されるシアー側に蓋体が位置する方向に回転ツールを回転させながら前記攪拌ピンを突合せ部に押込んだ状態のままで当該突合せ部に沿って回転ツールを進行させることを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
【請求項３】
回転ツールの表面押え部を被接合材表面に接触させた状態で被接合材表面の法線と攪拌ピンの軸線との間の角度を前進角θ＝３〜３０度の範囲に設定する請求項１又は２記載の摩擦攪拌接合方法。
【請求項４】
断面長円状の内部空間をもつアルミニウム材料製の容器本体と、該内部空間に対応する断面形状の挿入部がカバー部から段差をつけて形成されたアルミニウム材料製の蓋体とを備え、容器本体に挿入部が差し込まれた状態でカバー部の側壁が容器本体の側壁に摩擦攪拌接合で気密接合されている密封容器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、肉厚の異なる部材間の周状突合せ部を摩擦攪拌接合で気密接合する方法及びそれにより得られた電池ケース等の密閉容器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
アルミニウム，アルミニウム合金等のアルミニウム材料製密封容器の製造に際しては、ＭＩＧ溶接等の溶融溶接で容器本体に蓋体を密封状態で一体化しているが、被溶接材料に大量の熱が与えられるため熱変形が生じ易い。一般的に容器本体は薄肉、蓋体は厚肉であるため、熱容量の相違に起因して溶接熱によって上昇する温度も容器本体と蓋体では異なったものとなりやすい。この状態で容器本体に蓋体が接合されるため、熱変形による開先形状の変形，溶込み不良等から接合部の気密性が十分に確保できない。
【０００３】
溶融溶接に替わる方法として、摩擦攪拌接合が注目されている。摩擦攪拌接合では、図１（ａ）に示すように、一対のアルミニウム材料製板材１ａ，１ｂの突合せ端面に沿って回転ツール２を押圧状態で移動させる。回転ツール２は、被接合材である板材１ａ，１ｂよりも硬度及び軟化温度の高い材料でできており、円筒形ツール２ａの下端から攪拌ピン２ｂが軸方向に突出している。円筒形ツール２ａの底面は、軸中心に向かって窪んだ表面押え部２ｃとなっている。
【０００４】
板材１ａ，１ｂの突合せ端面に対し、図１（ｂ）に示すように、回転ツール２を若干傾けて回転させながら左方向に移動する。板材１ａ，１ｂの突合せ端面近傍にあるアルミニウム材料は、攪拌ピン２ｂの回転移動による摩擦熱で加熱され可塑化される。その結果、突合せ端面の近傍にあるメタルは、各板材１ａ，１ｂ間にわたって水平方向及び垂直方向に流動化し攪拌される。表面押え部２ｃは、流動化したアルミニウム材料の垂直方向の動きを抑制して摩擦熱を発生させると共に、攪拌ピン２ｂと相俟って流動化したアルミニウム材料を攪拌する。その結果、一定の幅及び深さをもつ接合部３が形成される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
摩擦攪拌接合で形成された接合部３は、アーク溶接等で形成される盛り上がったビードと異なり、板材１ａ，１ｂの表面とほぼ同じ表面になるため、後加工も容易である。しかも、アーク溶接等の溶融溶接に比較して板材１ａ，１ｂに与える熱量が大幅に少ないため、溶接時に発生しがちな熱変形も抑制される。
しかし、従来の摩擦攪拌接合では、被接合材料を一平面上に配置し、直線状又は曲線状の突合せ部を接合することが大半であった。また、電池ケースの容器本体と蓋体とのように肉厚の異なる材料を摩擦攪拌接合すると、厚肉材と薄肉材とではメタルの攪拌流動に差が生じるため、十分な攪拌状態が得られず未溶接部等の欠陥を含む接合部が形成されがちである。また、摩擦熱で可塑化した薄肉側のメタルが厚肉側に流動し、接合後の薄肉側に肉不足が生じることもある。肉不足は、継手強度を低下させるばかりでなく、気密性を損ねる原因にもなる。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、このような問題を解消すべく案出されたものであり、被接合材の肉厚との関係で回転ツールの回転方向を規制することにより、接合界面を介し厚肉及び薄肉の両被接合材にわたって可塑化されたアルミニウム材料の流動を均一化し、気密性の高い接合部を形成させることを目的とする。
本発明の摩擦攪拌接合方法は、その目的を達成するため、厚肉アルミニウム部材の端面に段差部を形成し、当該段差部に薄肉アルミニウム材を前記厚肉アルミニウム部材と直交する方向に、当該薄肉アルミニウム材の表面と前記厚肉アルミニウム部材の端面の先端面とが同一面となるように押し当てて厚肉アルミニウム部材と薄肉アルミニウム材の突合せ部を形成し、当該突合せ部に回転ツールの攪拌ピンを押し込み、回転ツールの進行速度に回転速度が加算されるシアー側（たとえば、ツール回転方向が下向き時計回りの場合では接合進行方向左側）に厚肉アルミニウム材が位置する方向に回転ツールを回転させながら前記攪拌ピンを突合せ部に押込んだ状態のままで当該突合せ部に沿って回転ツールを進行させることを特徴とする。
【０００７】
電池ケース等の容器本体に蓋体を気密接合する場合、断面長円状の内部空間をもつアルミニウム材料製容器本体に、厚肉アルミニウ部材からなり端面に容器本体側の寸法が小さくなるような段差部を形成した蓋体の、寸法が小さくなるように形成された段差部で形成される挿入部を差し込み、容器本体の側壁と蓋体の側壁とを突き合わせて容器本体を周回する突合せ部を形成し、突合せ部に回転ツールの攪拌ピンを押し込み、回転ツールの進行速度に回転速度が加算されるシアー側に蓋体が位置する方向に回転ツールを回転させながら前記攪拌ピンを突合せ部に押込んだ状態のままで当該突合せ部に沿って回転ツールを進行させる。
回転ツールは、表面押え部を被接合材表面に接触させた状態で、被接合材表面の法線と攪拌ピンの軸線との間の角度で定義される前進角θを３〜３０度の範囲に設定することが好ましい。
【０００８】
【実施の形態】
以下、電池ケースの容器本体に蓋体を気密接合する場合を例にとって本発明を具体的に説明するが、本発明はこれに拘束されるものではなく、肉厚が異なるアルミニウム材料を周回する突合せ部に沿って接合する場合にも同様に適用される。
電池ケースの容器本体１０は、アルミニウム材料の深絞り加工又は扱き加工で作られており、図２に示すように断面がほぼ長円形で、底板が一体成形された深い形状をもっている。容器本体１０の厚みｔ1 は、深絞り加工を容易にし、且つ電池ケースの軽量化を図るため、電池ケースのサイズにもよるが通常０．５〜２ｍｍの範囲に設定されている。
【０００９】
容器本体１０に気密接合される蓋体２０は、アルミニウム材料の鍛造加工等によって作られており、容器本体１０の断面長円形の内部空間に差し込まれる挿入部２１をカバー部２２の下方に備えている。カバー部２２は、容器本体１０の外側形状と同じ形状をもっており、挿入部２１を容器本体１０に差し込んだとき、容器本体１０の側壁１１及びカバー部２２の側壁２３が連続面を形成する。蓋体１０は、最も厚い部分で３〜１５ｍｍの厚みをもっている。
容器本体１０に蓋体２０を気密接合するに際しては、図３に示すように容器本体１０に挿入部２１を挿し込み、容器本体１０の側壁１１にカバー部２２の側壁２３を位置合せする。側壁１１と側壁２３との突合せ部に回転ツール３０の攪拌ピン３１を押し込み、回転ツール３０を高速回転すると、接合界面近傍にある側壁１１及び２３のメタルは攪拌ピン３１及び表面押え部３２との摩擦によって加熱され可塑化し流動する。
【００１０】
メタルの流動によって側壁１１と２３との間に接合部Ｗが形成されるが、回転ツール３０の回転方向が接合部Ｗの形状や継手強度，気密性等に大きな影響を及ぼす。
進行方向Ｄに進む回転ツール３０の進行速度Ｖadが回転ツール３０の回転速度Ｖrtに加算される側（以下、シアー側といい、反対側をフロー側という）に厚肉の蓋体２０が位置する場合（図４ａ）、先ず回転ツール３０と蓋体２０及び容器本体１０との間で摩擦熱が発生する。発生した摩擦熱で蓋体２０の材料が可塑化され、攪拌ピン３１の挿入及び回転による塑性流動で攪拌ピン３１の上方に移動する。移動した材料は、回転ツール３０の回転によって更に後方に押し流され、回転ツール３０の最下点で表面押え部３２の後端により押し込まれる。その結果、容器本体１０の接合部近傍に肉不足を生じることなく、突合せ部が強固に接合される。
【００１１】
これに対し、フロー側に厚肉の蓋体２０が位置すると、摩擦熱によって可塑化された容器本体１０の材料が攪拌ピン３１及び回転ツール３０の回転によって上方に移動するが、回転速度Ｖrtと進行速度Ｖadの差ΔＶ（＝Ｖrt−Ｖad）の分だけメタル流動量が少なくなる。移動した材料は、回転ツール３０の回転により更に後方に押し流され、回転ツール３０の最下点で押し込まれる。その結果、容器本体１０の接合部近傍に肉不足が生じ、接合強度が不充分で気密性にも劣る継手が形成される。
また、蓋体２０の挿入部２１を容器本体１０に差し込んだ状態で側壁１１と２３との突合せ部に回転ツール３０を押し当てているので、回転ツール３０の押圧力は蓋体２０の平面方向で受け止められる。その結果、平面状ベースに突合せ部を載置しなくても、容器本体１０の変形が防止され、容器本体１０を周回する気密接合部が形成される。
【００１２】
摩擦攪拌接合に際しては、表面押え部３２の縁部が被接合材料である容器本体１０及び蓋体２０の表面に接する状態で、回転ツール３０の前進角θを３〜３０度の範囲に設定することが好ましい。前進角θは、図５に示すように容器本体１０及び蓋体２０につけた曲面の法線Ｌ1 と攪拌ピン３１の軸線Ｌ2 との間の角度として定義される。前進角θが３度未満になると、接合部前方にある容器本体１０及び蓋体２０のメタルを押圧する表面押え部３２の前方に働く力が大きくなりすぎ、摩擦熱で可塑化したメタルが回転ツール３０の外方に排出され、接合部に欠陥が発生しやすくなる。逆に３０度を超える前進角θでは、接合部後方にある容器本体１０及び蓋体２０のメタルを押圧する表面押え部３２の範囲が小さすぎるため、可塑化したメタルがスムーズに押し込まれず、ピン孔を埋めることができず、メタル不足に起因した欠陥が接合部に発生しやすくなる。
【００１３】
【実施例】
アルミニウム材料として５０８３−Ｏ材を用い、肉厚０．８ｍｍの側壁間の内法幅ｗが２３．６ｍｍで、内法半径ｒ＝１１ｍｍの半円筒部を両側につけた断面長円形状の内部空間をもつ深さｄ＝１５０ｍｍの容器本体１０（図２）を深絞り加工により成形した。蓋体２０も同じ材料５０８３−Ｏ材を鍛造加工によって成形し、挿入部２１の高さｈを１０ｍｍに設定した。
回転ツール３０には、直径９．５ｍｍの円筒部の底面を半径１１．８ｍｍの曲面でえぐって表面押え部３２とし、直径２ｍｍ，突出長さ１．５ｍｍの攪拌ピン３１を表面押え部３２から突出させたものを使用した。
【００１４】
蓋体２０の挿入部２１を容器本体１０に差し込み、容器本体１０の側壁１１に蓋体２０の側壁２３を突き合わせた。側壁１１−２３の突合せ部に回転ツール３０の攪拌ピン３１を押し込み、進行速度Ｖad＝２００ｍｍ／分，回転速度Ｖrt＝８０００ｒｐｍで回転ツール３０を駆動させた。回転ツール３０は、シアー側に蓋体２０又は容器本体１０が位置する２方向に回転させた。シアー側に容器本体１０が位置する場合（図４ｂ）、接合部Ｗの内部に未接合部Ｗｆが残っており、接合部Ｗの幅も０．３ｍｍに過ぎず、気密性に劣る接合部Ｗであった。これに対し、シアー側に蓋体２０が位置する場合（図４ａ）、接合部Ｗの内部に未接合部Ｗf が検出されず、接合幅も２ｍｍと広くなった健全で気密性に優れた接合部Ｗが形成された。
シアー側に蓋体２０が位置する条件（図４ａ）下で、回転ツール３０の前進角θが接合の良否に及ぼす影響を調査した。表１の調査結果にみられるように、前進角θが３〜３０度の範囲にあるとき、未接合部Ｗf がなく平坦度の高い接合部Ｗが形成された。他方、前進角θが１度になるとトンネル状空洞部等の欠陥が接合部に発生し、前進角θが４０度では開口状等の欠陥が接合部に発生した。
【００１５】
0004300618.tif 000002
【００１６】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明においては、厚肉材と薄肉材との摩擦攪拌接合に際し、シアー側に厚肉材がくるように回転ツールの回転方向を規制している。これにより、厚肉材側では摩擦熱によって可塑化したメタルの攪拌流動が促進され、接合に必要なメタル量を確保すると共に、薄肉材に肉不足を引き起こすことなく、健全で気密性に優れた接合部を形成している。接合された部材は、摩擦攪拌溶接本来の接合部形状特性が良好なことを活用し、矯正等の後加工が大幅に軽減され製品として使用される。
【図面の簡単な説明】
【図１】  従来の摩擦攪拌溶接を説明するために接合界面方向（ａ）及び整合界面と直交する方向（ｂ）からみた接合部の断面
【図２】  本発明の攪拌摩擦接合が適用される電池ケースの容器本体及び蓋体の斜視図
【図３】  本発明に従った攪拌摩擦接合における接合部の断面図
【図４】  厚肉の蓋体がシアー側（ａ）及びフロー側（ｂ）にある場合の説明図
【図５】  回転ツールの前進角θを説明する図
【符号の説明】
１０：容器本体    １１：容器本体の側壁
２０：蓋体    ２１：挿入部    ２２：カバー部    ２３：側壁
３０：回転ツール    ３１：攪拌ピン    ３２：表面押え部
Ｄ：回転ツールの進行方向    Ｗ：接合部    Ｗf ：未接合部
θ：回転ツールの前進角    Ｌ1 ：曲面部の法線    Ｌ2 ：攪拌ピンの軸線
【図１】
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【図２】
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【図３】
0004300618.tif 000005
【図４】
0004300618.tif 000006
【図５】
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