(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
径大の回転子とその軸方向の一端面から突出したプローブとを備えた接合装置を用い、２個の中空材の周壁部の周面どうしを当接させるとともに、当接面の端部またはその近傍に回転する前記プローブを挿入し、プローブとの接触部を摩擦熱にて軟化させ攪拌し、前記回転子の端面を中空材の壁面に押し付けながらプローブを挿入状態で当接面に沿って中空材の長さ方向に相対的に移動させることにより中空材の周壁部の周面どうしを当接接合する摩擦攪拌接合法において、
前記各々の中空材の内部から各中空材の当接する周壁部に当接方向の圧力を付与しつつ前記接合を行うことを特徴とする金属製中空材の摩擦攪拌接合法。
【請求項２】
各々の中空材の内部に流体または粒体物を封入することにより、前記各々の中空材の内部から各中空材の当接壁に当接方向の圧力を付与することを特徴とする請求項１に記載の金属製中空材の摩擦攪拌接合法。
【請求項３】
各々の中空材の内部に中子を挿入し、これらの中子を当接壁に押圧する請求項１に記載の金属製中空材の摩擦攪拌接合法。
【請求項４】
前記中子は、複数のローラーが回転軸を平行にして並列状に並べられるとともに、所定間隔で連結されてなる請求項３に記載の金属製中空材の摩擦攪拌接合法。
【請求項５】
前記中子を前記プローブの移動に伴って移動させる請求項３または４に記載の金属製中空材の摩擦攪拌接合法。
【請求項６】
前記中空材は横断面矩形である請求項１〜５のいずれか１項に記載の金属製中空材の摩擦撹拌接合法。
【請求項７】
前記中空材はアルミニウム製押出材である請求項１〜６のいずれか１項に記載の金属製中空材の摩擦撹拌接合法。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載された摩擦撹拌接合法により接合されたことを特徴とする中空接合品。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えばアルミニウム材（アルミニウム合金材を含む）等の金属材からなる中空材の周壁部どうしを当接して接合するのに用いられる金属製中空材の摩擦攪拌接合法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
建築構造物や車両のスペースフレーム等として、アルミニウム押出材等からなる金属製中空材の周壁部どうしを当接させて、当接面の端部またはその近傍を接合したものが用いられることがある。このような中空材どうしの接合を、ＭＩＧ等の溶融溶接により行うと、熱影響により接合部において中空材の金属組織や組成が変わり強度低下の不具合を生じることがある。
【０００３】
そこで、接合部の溶融を伴わない固相接合法である摩擦攪拌接合法を用いて金属製の中空材を接合することが提案されている。即ち、図４に示すように、径大の円柱状回転子（１１１）の端部軸線上に、中空材（１０１）（１０２）よりも硬質の径小のピン状プローブ（１１２）が突出して一体に設けられた接合装置  （１１０）を用い、前記回転子（１１１）を高速で回転させつつ、周壁部どうしが当接された中空材（１０１）（１０２）の当接面（１０３）の端部に前記プローブ（１１２）を当接面（１０３）に沿って挿入する。挿入は、一般には、プローブ（１１２）が設けられている回転子（１１１）の端面（１１１ａ）が中空材（１０１）（１０２）の上部周壁を押圧するまで行う。そして、プローブ挿入状態のまま当接面（１０３）に沿ってプローブ（１１２）を中空材（１０１）（１０２）に対し相対的に移動させる。プローブ（１１２）の回転により発生する摩擦熱、あるいはさらに回転子（１１１）の端面（１１１ａ）と中空材との摺動に伴い発生する摩擦熱により、プローブ（１１２）との接触部分近傍において中空材（１０１）（１０２）は軟化しかつプローブにより攪拌されるとともに、プローブ（１１２）の移動に伴って、軟化攪拌部分がプローブ（１１２）の進行圧力を受けてプローブの通過溝を埋めるようにプローブ（１１２）の進行方向後方へと回り込む態様で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。この現象がプローブ（１１２）の移動に伴って順次繰り返されていき、最終的に中空材（１０１）（１０２）が当接面（１０３）端部において接合されるものである。
【０００４】
このような摩擦攪拌接合によれば、固相接合であるため、中空材である金属材の種類に制限を受けないとか、接合時の熱歪みによる変形が少ない、等の利点がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、摩擦攪拌接合法は、前記回転子（１１１）の端面（１１１ａ）を中空材（１０１）（１０２）の上部周壁に押し付けながら接合するため、図５に示すように、中空材の周壁の肉厚が薄い場合、回転子（１１１）が押しつけられることによって、当接壁が圧縮力を受けて座屈しまた上部周壁等が変形して歪んだ接合体となる恐れがあった。
【０００６】
この発明は、このような欠点を解消するためになされたものであって、当接壁の座屈を防止し、中空材を変形させることなく歪みのない接合体を得る金属製中空材の摩擦攪拌接合法の提供を目的とするものである。
【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、この発明にかかる金属製中空材の摩擦攪拌接合法は、径大の回転子とその軸方向の一端面から突出したプローブとを備えた接合装置を用い、２個の中空材の周壁部どうしを当接させるとともに、当接面の端部またはその近傍に回転する前記プローブを挿入し、プローブとの接触部を摩擦熱にて軟化させ攪拌し、前記回転子の端面を中空材の壁面に押し付けながらプローブを挿入状態で当接面に沿って中空材の長さ方向に相対的に移動させることにより中空材を当接接合する摩擦攪拌接合法において、前記各々の中空材の内部から各中空材の当接壁に当接方向の圧力を付与しつつ前記接合を行うことを特徴とするものである。
【０００８】
上記方法を採用することにより、中空材の内部から各当接壁に当接方向の圧力を付与しつつ摩擦攪拌接合を施すため、回転子が中空材の周壁に押し付けられることによって生じる当接壁の座屈を抑止し、もって歪みのない中空材の接合体を得ることができる。
【０００９】
また、中空材の内部に流体または粒体物を封入することにより、前記圧力を中空材の当接壁に内部から接合方向に向かって付与するものとすれば、接合に供される中空材が複雑形状であっても、当接壁に均等に圧力を付与することができる。このため、複雑形状の中空材でも当接壁の座屈を抑止しつつ接合できる。また、当接壁以外の壁部にも圧力が付与されるため、中空材全体の変形も有効に抑止される。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１はこの発明の実施形態１を示したものである。同図において、（１ａ）  （１ｂ）は横断面矩形となされたアルミニウム製押出材からなるパイプ状の中空材であり、周壁のひとつである当接壁（３ａ）（３ｂ）どうしが当接された態様で配置されている。
【００１１】
前記中空材（１ａ）（１ｂ）の一端開口部に配置されている部材は、中空材  （１ａ）（１ｂ）の開口部を閉塞状態として導入された流体を封止し加圧状態とするための封止部材（２ａ）（２ｂ）である。一方、図示しない他端開口部も同様の封止部材で封止されている。また、前記封止部材（２ａ）（２ｂ）の面中心には流体を中空材（１ａ）（１ｂ）内部に導入する流体導入口（２１ａ）（２１ｂ）がそれぞれ設けられている。
【００１２】
図１において、（１０）は接合装置であり、径大の円柱状回転子（１１）の端部軸線上に径小のピン状プローブ（１２）が突出して一体に設けられたものであり、回転子（１１）を高速回転させることによりプローブ（１２）も高速回転させうるものとなされている。なお、プローブ（１２）及び回転子（１１）は、中空材（１ａ）（１ｂ）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。
【００１３】
次に、前記接合装置（１０）を用いて中空材（１ａ）（１ｂ）を接合する方法を説明する。
【００１４】
中空材（１ａ）（１ｂ）の開口端面に封止部材（２ａ）（２ｂ）を流体を封止し得る状態で密着させる。続いて、封止部材（２ａ）（２ｂ）に設けられた流体導入口（２１ａ）（２１ｂ）から中空材（１ａ）（１ｂ）内部に流体を導入し中空材（１ａ）（１ｂ）内部を加圧する。前記流体としては、空気等の気体や水・油等の液体を挙示することができる。
【００１５】
前記流体によって中空材（１ａ）（１ｂ）内部を加圧することにより、図２に示すように、中空材（１ａ）（１ｂ）の周壁内面に外向きの圧力が発生する。そして前記圧力のうち当接壁（３ａ）（３ｂ）に働くものが、当接壁（３ａ）（３ｂ）の座屈を抑止する圧力（Ａ）として働く。
【００１６】
そして、前記加圧状態で、高速回転するプローブ（１２）を、中空材（１ａ）（１ｂ）の当接面（３１）の端部（３２）に接触させ、その摩擦熱によりプローブ（１２）との接触部分近傍を軟化可塑化させつつプローブ（１２）を当接面  （３１）に沿って挿入する。挿入は、回転子（１１）の端面（１１ａ）が中空材（１ａ）（１ｂ）の上部周壁に当接し中空材（１ａ）（１ｂ）を押圧するまで行う。この状態において、中空材（１ａ）（１ｂ）の当接壁（３ａ）（３ｂ）は、当接方向に圧力（Ａ）が付与されているため、座屈することがない。
【００１７】
なお、前記端面（１１ａ）の押圧は、接合時の素材の飛散を防止して均一な接合状態を実現するとともに、中空材（１ａ）（１ｂ）と端面（１１ａ）との摺動による摩擦熱を生ぜしめて、プローブ（１２）との接触部あるいはその近傍の軟化を促進し、さらに中空材（１ａ）（１ｂ）表面の凹凸形成を防止するためになされるものである。
【００１８】
プローブ（１２）の挿入後、当接面（３１）に沿って中空材の軸方向に回転子（１１）及びプローブ（１２）を移動させる。プローブ（１２）及び回転子（１１）の回転により、プローブ（１２）との接触部分周辺において、中空材（１ａ）（１ｂ）が摩擦熱によって軟化しかつ攪拌される。プローブ（１２）の移動によって、軟化攪拌部分がプローブ（１２）の進行圧力を受けてプローブ（１２）の進行方向後方へと回り込む態様で塑性流動したのち、摩擦熱を急速に失って冷却固化され、中空材（１ａ）（１ｂ）が接合される。
【００１９】
回転子（１１）は移動中も中空材（１ａ）（１ｂ）を押圧し続けるが、当接壁（３ａ）（３ｂ）は常に当接方向の圧力（Ａ）を受けているため、当接壁（１ａ）（１ｂ）が座屈することなく、また、他の周壁が変形することなく中空材（１ａ）（１ｂ）を接合することができる。
【００２０】
なお、前記流体の代わりに砂等の粒体物を中空材（１ａ）（１ｂ）に充填することにより、前記と同様の作用及び効果を発揮させるものとしても良い。
【００２１】
次に、図３は、当接方向の圧力を別の方法で中空材（１ａ）（１ｂ）の当接壁（３ａ）（３ｂ）に付与する実施形態２を示したものである。なお、この実施形態２において前記実施形態１と同一の名称の部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００２２】
同図において、中空材（１ａ）（１ｂ）は横断面矩形となされたパイプ状のアルミニウム製押出材であり、周壁の一面が当接された状態で配置されている。
【００２３】
（４）は当接壁（３ａ）（３ｂ）に中空材（１ａ）（１ｂ）内部から当接し、当接方向の圧力を当接壁（３ａ）（３ｂ）に付与する中子である。この中子（４）は回転軸を平行にして並列状に並べられたローラー（４１）と該ローラー（４１）を所定間隔で連結する連結部材（４２）で構成されている。そして中子（４）は、ローラー（４１）が中空材（１ａ）（１ｂ）の長さ方向全体を押圧し得るように配置されるとともに、両中空材（１ａ）（１ｂ）の内部に当接壁（３ａ）（３ｂ）を挟着する態様で配置されている。
【００２４】
而して、この実施形態の場合、以下のようにして接合が実施される。即ち、中空材（１ａ）（１ｂ）の一端開口部から中子（４）（４）を挿入し、中子（４）に設けられたローラー（４１）が当接壁（３ａ）（３ｂ）を長さ方向全体に渡って押圧し得るように配置する。そして、中空材（１ａ）（１ｂ）の両開口端部から突出している中子（４）（４）の連結部材（４２）を当接方向に押圧し、当接壁（３ａ）（３ｂ）の内側にローラー（４１）を圧接する。この状態で、前記実施形態１と同様の接合装置（１０）を用い、同様の接合方法によって摩擦攪拌接合を行う。
【００２５】
前記接合時において、中空材（１ａ）（１ｂ）内部に挿通された中子（４）によって当接壁（３ａ）（３ｂ）が当接方向に押圧されている。このため、回転子（１１）の押圧により当接壁（３ａ）（３ｂ）を座屈させようとする力に中子  （４）（４）が抗し、該当接壁（３ａ）（３ｂ）が座屈することなく中空材（１ａ）（１ｂ）を接合することができる。
【００２６】
この実施形態の場合、中子（４）を中空材へ挿入し、当接壁（３ａ）（３ｂ）を挟着するだけで圧力を当接面（３１）に付与することができるため、非常に簡易に接合作業を行うことができる。
【００２７】
なお、中子（４）に配置されるローラー（４１）の数を少なくし、接合装置  （１０）のプローブ（１２）の移動に伴って中子（４）を移動させ、プローブ  （１２）近傍の当接壁（３ａ）（３ｂ）にのみローラー（４１）を当接させて、圧力を付与するものとしても良い。この方法によれば、中子（４）に設けられるローラー（４１）の数が少量で済むため、中子（４）の重量が軽量となり、効率的に接合作業が行える。また、ローラー（４１）の形状を容易に変更することができるため、断面が複雑な形状の押出材であっても柔軟に対応することができるため好ましい。
【００２８】
前記実施形態１、２では、中空材（１ａ）（１ｂ）として横断面矩形のアルミニウム製押出材を用いたが、中空材の種類は特に限定されることはなく、アルミニウム以外の金属よりなる中空材や矩形以外の断面を有する中空材に適用することも勿論可能である。
【００２９】
【実施例】
次に、この発明の実施例を説明する。
【００３０】
アルミニウム製中空押出材よりなる試料を以下の仕様で各２本づつ作成し、周壁どうしが当接するように配置した。
【００３１】
材質        ：６Ｎ０１（調質Ｔ１）
断面外部形状：６０ｍｍ×６０ｍｍ（正方形）
肉厚        ：表１に記載
【００３２】
実施例として、以下の条件によって前記試料の内部から当接壁に圧力を付与しつつ摩擦攪拌接合を行った。
【００３３】
流体による圧力の付与
種類：空気
圧力：４．５気圧
なお、試料に圧力を付与するため、厚さ３ｍｍのアルミニウム板を用いて試料の両開口部を封止すると共に、試料内部にエアーを導入し得る接続プラグを封止された一端部に設けた。
【００３４】
中子（ローラー中子）による圧力の付与
ローラー：径４０ｍｍ×長さ５０ｍｍ
前記ローラー中子を試料にそれぞれ挿通し、固定状態で挟着することにより圧力を付与した。
【００３５】
摩擦攪拌接合条件
回転速度：１５００ｒｐｍ
プローブ：径４ｍｍ×長さ２．５ｍｍ
回転子  ：径１５ｍｍ
【００３６】
また、比較例として、当接壁への内部からの圧力を付与せずに前記と同様の接合条件で接合を行った。
【００３７】
以上のようにして得られた接合品の外部形状を観察し変形状態を調査した。そして、プローブを２ｍｍ挿入した時点で試料に変形が見られるものは×、２．５ｍｍ挿入後回転子の押圧により変形が見られたものは△、変形せず接合が行えたものは○として評価した。その結果を表１に示す。
【００３８】
【表１】
0003844835.tif 000002
【００３９】
以上表１の結果から、この発明によれば薄肉の中空材であっても変形することなく摩擦攪拌接合によって接合することが可能であることが分かる。
【００４０】
【発明の効果】
この発明は、上述の次第で、周壁が当接された中空材を摩擦攪拌接合によって接合する方法であって、中空材内部から当接壁に当接方向の圧力を付与しつつ接合するものである。したがって、接合時に当接壁に付与される回転子の押圧力による当接壁の座屈を抑止し、もって歪みのない中空材の接合体を得ることができる。
【００４１】
また、中空材の内部に流体または粒体物を封入することにより、前記圧力を中空材に付与するものとすれば、接合に供される中空材が複雑形状であっても、当接壁に均等に圧力を付与することができる。また、当接壁以外の壁部にも圧力が付与されるため、中空材全体の変形も有効に抑止される。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施形態１を示す斜視図である。
【図２】図１の摩擦攪拌接合時に付与される圧力状態を示す断面図である。
【図３】この発明の実施形態２を示す一部を破断状態で示す斜視図である。
【図４】摩擦攪拌接合法を説明するための斜視図である。
【図５】回転子の押圧による当接壁の座屈状態を示した断面図である。
【符号の説明】
1a，1b…中空材
3a，3b…当接壁
４…中子
10…接合装置
11…回転子
12…プローブ
41…ローラー
42…連結部材
Ａ…圧力
【図１】
0003844835.tif 000003
【図２】
0003844835.tif 000004
【図３】
0003844835.tif 000005
【図４】
0003844835.tif 000006
【図５】
0003844835.tif 000007