(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
両接合部材の接合部に回転するツールのピンを当接し、ピンとの接触部を摩擦熱で軟化させ撹拌しながら、ピンを当接状態で接合部に沿って相対的に移動させることにより、両接合部材を接合する摩擦撹拌接合法において、
回転する第１ツールのピンを両接合部材の接合部に沿って相対的に移動させて、両接合部材を接合した後に、前記第１ツールよりも小さい第２ツールのピンを、前記第１ツールの回転方向とは逆に回転して前記接合部に当接させて、再度、前記接合部に沿って相対的に移動して両接合部材を再接合させることを特徴とする摩擦撹拌接合法。
【請求項２】
前記第２ツールにより再接合させた後に、前記第２ツールより更に小さい第３ツールを用いて再々接合させることを特徴とする請求項１に記載の摩擦撹拌接合法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、塑性流動性のある金属や樹脂等の材料からなる接合部材に用いられる摩擦撹拌接合法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
突合せ状態又は重合せ状態に配置した２個の接合部材を接合する摩擦撹拌接合法は、固相接合法の一つであり、接合部材の突合せ部又は重合せ部に回転しているプローブを挿入し、この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、プローブを突合せ部又は重合せ部に沿って移動させながら冷却固化し、両者を接合させるものである。即ち、プローブの移動に伴って、軟化撹拌部分がプローブの進行圧力を受けてプローブの通過溝で受けるようにプローブの進行方向後方へと回り込む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。この現象がプローブの移動に伴って順次繰り返えされていき、最終的に両接合部材が突合せ部又は重合せ部において接合一体化される。
【０００３】
このような摩擦撹拌接合法は、固相接合であるため、接合部材の材料の種類に制限を受けないとか、ＭＩＧ，ＴＩＧ、レーザ溶接等といった溶融溶接法と比較して接合時の熱歪みによる変形が少ない等の利点がある。
【０００４】
ところで、特許第２７９２２３３号公報等に示される従来技術の摩擦撹拌接合方法は、図８に示すように、１つの回転するツールＡのピンを、クランプ治具Ｃ１，Ｃ２によりそれぞれ固定された両接合部材Ｂ１，Ｂ２の接合部ｂに押し当てて、その接触部の材料を摩擦熱により塑性流動撹拌させて接合するものである。しかし、この方法では一方向のみにツールＡを回転させながらかつ移動させているため、接合部ｂの両側に圧縮残留応力が発生するが、図９に示すように、とくにツールＡの回転方向と進行方向とが同一方向となる接合部ｂの図中の左側に、より大きい圧縮残留応力が発生し、その応力により溶接変形の原因となっている。即ち、接合部ｂの左右の非対称な残留応力によって図９に示すような方向への溶接変形が生じる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記問題に鑑みなされたもので、その目的は、両接合部材の接合部の両側に発生する圧縮残留応力を時間的又は空間的に相殺することによって、この残留応力による溶接変形を防止することができる摩擦撹拌接合法を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記課題を解決するための手段として、特許請求の範囲の各請求項に記載の摩擦撹拌接合法を提供する。
請求項１に記載の摩擦撹拌接合法は、第１ツールによって一度接合した部分を、この第１ツールよりも小さい第２ツールを使用し、第１ツールの回転方向とは逆に第２ツールを回転させて、再度接合させるようにしたものである。これにより、第１ツールによる接合によって生じた残留応力を、回転方向を逆にした第２ツールによって再接合し、第１ツールによる接合で生じた場所と接合線に対し軸対象の位置に第２ツールによる残留応力を発生させて、発生応力を相殺させることができ、残留応力による溶接変形が防止できる。
【０００７】
請求項２の摩擦撹拌接合法は、第２ツールにより再接合された部分に、第２ツールより更に小さい第３ツールを用いて再々接合されるようにしたものであり、これにより、発生した残留応力を更に相殺させることができ、一層の溶接変形の防止が可能となる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態の摩擦撹拌接合法について説明する。図１は、本発明の第１実施形態の摩擦撹拌接合法を説明する斜視図である。図２は、第１実施形態における圧縮残留応力の相殺について説明する図である。
【００１０】
２つの接合部材１，２が接合面を当接させて基板３上に載置され、この状態でそれぞれクランプ治具４ａ，４ｂにより基板３に適度のクランプ力によって固定される。接合部材１，２は、塑性流動性のある金属や樹脂等から形成されている。
回転する第１ツール５は、プローブであるピン５１とショルダー５２とより一体に構成されており、これらのピン５１とショルダー５２とは、接合部材１，２よりも硬質でかつ接合時に発生する摩擦熱に耐えられる耐熱材料によって形成されている。第１ツール５は、図示しない駆動装置により、回転する。
【００１１】
回転する第２ツール６は、第１ツール５と同様の構造をしており、ピン６１とショルダー５２とより一体に構成されていて、耐熱材料によって形成されている。但し、第２ツール６は、第１ツール５よりも小さく、相似して形成されている。従って、第２ツール６のピン６１は、第１ツール５のピン５１よりも小径に形成されている。また、第２ツール６は、図示されない駆動装置により、第１ツール５の回転方向とは逆方向に回転する。即ち、第１ツール５が正回転する場合は、第２ツール６は逆回転する。
更に、これらの第１及び第２ツール５，６は、それぞれ加圧装置（図示せず）を有しており、それぞれのピン５１，６１は、両接合部材１，２の接合部１０に加圧力を働かせることができる。
【００１２】
このように構成された摩擦撹拌接合装置において、第１ツール５のピン５１を、基板３上にクランプされた両接合部材１，２の接合部１０に押し当て、第１ツール５を例えば正回転方向に回転させながら、接合進行方向に移動させる。これにより、図２に明示されるように、第１ツール５による接合部１０ａの左側に圧縮残留応力領域２０ａが形成される。
【００１３】
次いで、第２ツール６のピン６１を、第１ツール５によって形成された接合部１０ａ上に押し当て、第１ツール５の正回転方向とは逆方向に回転させながら、接合部１０ａ上を第１ツール５と同じ方向に移動させる。これにより、図２に示されるように、第１ツール５による接合部１０ａ上に第２ツール６により再接合部１０ｂが形成されるとともに、再接合部１０ｂの右側に第２ツール６による圧縮残留応力領域２０ｂが形成される。その結果、第１ツール５による接合によって生じた圧縮残留応力領域２０ａと接合線１１の線対称の位置に第２ツール６によって圧縮残留応力領域２０ｂが形成されるので、その発生残留応力を相殺することができる。なお、第１ツール５によって生じる発生応力は、第２ツール６によって生じる発生応力よりも大きいため、完全に相殺することはできない。
【００１４】
このため、必要に応じて、第２ツール６よりも更に小さな第３ツール（図示せず）を用いて、再接合部１０ｂ上を第２ツール６と同じ回転方向に回転させて、移動させることによって、再々接合をするとともに圧縮残留応力領域を接合線１１の右側に形成して、第１ツール５によって生じる発生応力を更に相殺するようにする。この場合、それぞれのツールの大きさは、適性な接合を実施できる範囲内であるならば特に制約はない。
【００１５】
このとき、第２ツール６の大きさは第１ツール５の大きさよりも小さくしなければならない。もしも、第１ツール５と第２ツール６の大きさが同じならば、第１ツール５の後で実施する第２ツール６による接合時に、第１ツール５によって生じた圧縮残留応力領域２０ａを再度塑性流動してしまうので、その残留応力が完全にキャンセルされ、第２ツール６によって発生した残留応力のみとなり、発生応力を相殺する効果が得られない。したがって、第２ツール６の大きさは第１ツール５より小さくし、第１ツール５で生じた圧縮残留応力領域２０ａを残しつつ、第２ツール６によって新らたな圧縮残留応力領域２０ｂを形成して、それら２つの応力を相殺させる必要がある。
【００１６】
図３は、本発明の第２実施形態の摩擦撹拌接合法を説明する斜視図である。この第２実施形態では、１つのツール７のみを使用し、このツール７を周期的に逆回転させて、接合進行方向に移動させる。ツール７は、基本的に第１実施形態と同様にピン７１とショルダー７２とから図５（ａ）に示すように一体に構成されているが、図示されない駆動装置によって、正回転及び逆回転が可能になっている。即ち、ツール７のピン７１を両接合部材１，２の接合部１０に押し当て、ツール７を正回転方向及び逆回転方向への回転を交互に周期に繰り返えしながら、接合部１０に沿って接合進行方向に移動して接合を実行する。
【００１７】
このようにツール７を周期的に逆回転させることによって、図４に示すように、それぞれの回転方向により発生する圧縮残留応力領域２０ｃが接合線１１上の対称位置に交互に形成されるため、全体として残留応力が相殺され、溶接変形を防止できる。なお、この場合においても、ツールの移動速度、回転速度および反転周期は、適正な接合を実施できる範囲内であるならば特に制約はない。
【００１８】
図５（ａ）は、上記第１及び第２実施形態に使用されるピン５１，６１，７１とショルダー５２，６２，７２とが一体化されているツール５，６，７を示しており、ピンとショルダーとは同一方向に回転する。図５（ｂ）は、本発明の第３実施形態の摩擦撹拌接合法に用いるツール８を示しており、図６は、第３実施形態の摩擦撹拌接合法を説明する図である。図７は、ツール８の１つの実施例を示す断面図である。
ツール８においては、ピン８１とショルダー８２とが別体で構成されている。例えば、図７に示すように、ピン８１とショルダー８２とはベアリング８３を介して同軸に配置されており、ショルダー８２の外周面には歯８２ａが形成されている。ピン８１は、図示しない加圧装置によって加圧された状態で、モータ等の回転体（図示せず）と直結して回転する。一方、ショルダー８２の歯８２ａはギア８４と噛合していて、別のモータ等の回転がギア８４を介して伝達され、ショルダー８２を回転させる。この場合、ピン８１とショルダー８２とは、互いに逆の方向に回転するようにする。また、ピン８１に加えられる加圧力は、ベアリング８３を介してとショルダー８２へも伝達される。
【００１９】
上記のように構成されたツール８のピン８１を両接合部材１，２の接合部１０に押し当て、回転することで接合部１０が軟化して塑性流動化し、図６に示されるように、ピン８１が接合部１０の内部に入り込み、ツール８のショルダー８２が接合部１０上面に押し当てられる。この状態でピン８１とショルダー８２とは互いに逆方向に回転しながら、接合進行方向にツール８が移動することで、両接合部材１，２の接合が行われる。このとき、接合部材１の板厚上部にはショルダー８２によって生じた圧縮残留応力領域２０ｄが、また、接合部材２の板厚下部にはピン８１によって生じた圧縮残留応力領域２０ｅが、それぞれ接合線１０上の対称位置に形成されるため、残留応力が相殺されて、溶接変形が防止できる。
【００２０】
なお、上述の説明においては、ツールを接合進行方向に移動させるものとして説明しているが、ツール側を固定し、接合部材側を移動させるようにしてもよい。要は、両者が相対的に移動できればよい。
以上説明したように、本発明においては、ツールの回転及び移動により接合部に発生する残留応力を相殺することができるので、従来技術では実現不可能であった溶接変形のない接合部材の高精度な摩擦撹拌接合が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態の摩擦撹拌接合法を説明する斜視図である。
【図２】第１実施形態における圧縮残留応力の相殺について説明する図である。
【図３】本発明の第２実施形態の摩擦撹拌接合法を説明する斜視図である。
【図４】第２実施形態における圧縮残留応力の相殺について説明する図である。
【図５】（ａ）ショルダーとピンとが一体化されて、同一方向に回転するツールと、（ｂ）ショルダーとピンとが別体で形成され、両者が逆方向に回転するツールと、を示している。
【図６】本発明の第３実施形態の摩擦撹拌接合法を説明する斜視図である。
【図７】第３実施形態に使用される、一実施例のツールの縦断面図である。
【図８】従来の摩擦撹拌接合法を説明する斜視図である。
【図９】従来の摩擦撹拌接合法における圧縮残留応力の発生状況を説明する図である。
【符号の説明】
１，２…接合部材
１０，１０ａ，１０ｂ…接合部
１１…接合線
２０ａ〜２０ｅ…圧縮残留応力領域
３…基板
４ａ，４ｂ…クランプ治具
５，６，７，８…ツール
５１，６１，７１，８１…ピン
５２，６２，７２，８２…ショルダー
８３…ベアリング
８４…ギア
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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