(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
両接合部材の接合部近傍に回転するツールのプローブを当接し、プローブとの接触部を摩擦熱で軟化させ撹拌しながらプローブ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、接合部を接合する摩擦撹拌接合法において、
一方の接合部材が難塑性流動材料からなり、他方の接合部材が塑性流動し易い材料からなると共に、前記一方の接合部材の接合面には、両者の結合を補佐するように第１の凹部と第２の凹部とが形成されていて、
前記第１の凹部が、接合部に沿って所定の間隔で複数形成され、その断面形状が開放側が短辺である台形状であり、また
前記第２の凹部の形状が、前記一方の接合部材の厚さ方向に断面Ｖ字状に形成されており、
ツールのプローブが前記他方の接合部材側に当接して、接合部に沿って相対的に移動することを特徴とする摩擦撹拌接合法。
【請求項２】
前記一方の接合部材が、前記他方の接合部材を両側から挟み込む形で配置されていることを特徴とする請求項１に記載の摩擦撹拌接合法。
【請求項３】
前記ツールのプローブを、接合部に近接した前記他方の接合部材の両側部位に当接して接合部に沿って相対移動させることを特徴とする請求項２に記載の摩擦撹拌接合法。
【請求項４】
２枚の接合部材を重ね合わせて接合部近傍に回転するツールのプローブを当接し、プローブとの接触部を摩擦熱で軟化させ撹拌しながら、２枚の接合部材を点接合する摩擦撹拌接合法において、
前記２枚の接合部材が難塑性流動材料からなり、この重ね合わされた前記２枚の接合部材に、その内側面に凸部を有する開口部を形成し、塑性流動し易い材料からなる接合部材を前記開口部に挿入して、前記ツールのプローブを前記塑性流動し易い接合部材に一点で当接し回転させる前記２枚の接合部材を点接合させることを特徴とする摩擦撹拌接合法。
【請求項５】
前記ツールのプローブを一点に固定しないで前記開口部の周辺に向けて放射状に相対移動させることを特徴とする請求項４に記載の摩擦撹拌接合法。
【請求項６】
前記開口部の形状が、前記２枚の重ね合わせた接合部材の表側と裏側の開口面積が大きく、中間部が狭窄した鼓状をしており、前記塑性流動し易い材料の接合部材の形状が円柱状をしていることを特徴とする請求項４又は５に記載の摩擦撹拌接合法。
【請求項７】
前記塑性流動し易い材料の接合部材の体積は、前記難塑性流動材の接合部材と前記塑性流動し易い材料の接合部材とをセットした時に生じる隙間分の体積を増加されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の摩擦撹拌接合法。
【請求項８】
前記ツールの横に押さえ板を設置し、軟化した材料が接合部材の上面から食み出さないようにすることを特徴とする請求項７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を使用して鉄鋼材料等の難塑性流動材の接合を行う摩擦撹拌接合法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に突き合せ状態又は重ね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、接合部材の突き合せ部又は重ね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、プローブを突き合せ部又は重ね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、即ち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されていき、最終的に両接合部材が突き合せ部又は重ね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】
そして、このような従来技術として特許第２７９２２３３号公報による摩擦撹拌溶接方法が知られている。この方法は、同一方向に回転する１本のプローブピンを接合部材の接合部に押し当てて、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。これは接合部材を溶融させずに固相の状態で拡散接合させる画期的な接合法である。しかしながら、その接合部材の材料の適用範囲は、ＡｌやＣｕなどの低温で塑性流動し易い材料に限定されており、鉄鋼材料等の難塑性流動材への適用は制限されている。
【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、鉄鋼材料等の難塑性流動材料における摩擦撹拌接合を可能にすること、及び従来の溶接技術では実現不可能であった材料の組み合わせの接合を可能にす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、一方の接合部材が難塑性流動材料で、他方の接合部材が塑性流動し易い材料からなっていて、一方の接合部材の接合面には両者の接合を補佐するために、断面形状が開放側が短辺である台形状で、接合部に沿って所定の間隔で複数形成されている第１の凹部と、断面形状が一方の接合部材の厚さ方向に断面Ｖ字状である第２の凹部とが形成されており、ツールのプローブを他方の接合部材側に当接させて、接合部に沿って相対的に移動するようにしたものである。これにより、塑性流動し易い材料の他方の接合部材が、難塑性流動材料の一方の接合部材の第１，２の凹部の形状に沿って塑性流動し、両者の強固な接合が実現できる。また、これにより、従来の技術では実施できない材料の接合が可能となった。更に、３次元のどの方向に応力が作用しても容易に破断しない、強固な結合を得ることができる。
【０００８】
請求項２の摩擦撹拌接合法は、難塑性材料の接合部材が塑性流動し易い材料の接合部材を両側から挟み込むように配置したものであり、これにより、塑性流動し易い材料の接合部材を介して、難塑性材料の接合部材同志を接合することが可能となる。
請求項３の摩擦撹拌接合法は、ツールのプローブを、接合部に近接した塑性流動し易い材料の接合部材の両側部位に当接して、接合部に沿って相対移動させるものであり、これにより、両者の一層信頼性の高い接合が可能となる。
【０００９】
請求項４に記載の摩擦撹拌接合法は、難塑性流動材料の２枚の重ね合わせた接合部材に、その内側面に凸部を有する開口部を形成し、塑性流動し易い材料の接合部材をその開口部に挿入してツールのプローブを一点で当接し回転させることで、２枚の接合部材を接合させるものであり、これにより、難塑性流動材料の２枚の接合部材の点接合を可能にしたものである。
請求項５の摩擦撹拌接合法は、ツールのプローブを一点に固定しないで、開口部の周辺に放射状に相対移動させるものであり、これにより、開口部の開口面積が或る程度の大きさを有する場合であっても、難塑性流動材料の２枚の接合部材を強固に接合させることができる。
【００１０】
請求項６の摩擦撹拌接合法は、開口部の形状を鼓状とし、塑性流動し易い材料の接合部材の形状を円柱状と特定したものである。
請求項７の摩擦撹拌接合法は、塑性流動し易い材料の接合部材の体積が、両接合部材がセットされたときに生じる隙間分の体積だけ増加されているものであり、これにより、両接合部材が接合後に、塑性流動し易い材料の接合部材の板厚方向の減少をなくすことができる。
請求項８の摩擦撹拌接合法は、ツールの横に押さえ板を設置し、軟化した材料が接合部材の上面から食み出さないようにしたものであり、これにより、塑性流動し易い材料の接合部材が軟化して、接合部材の上面から食み出すことなく、接合部材間の隙間に効率よく塑性流動し、信頼性のある接合が可能となる。
【００１１】
【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を説明する。図１は、難塑性流動材料からなる接合部材の継手形状を示しており、図２及び図３、図１の接合部材の接合面に形成された凹部の形状を説明する拡大図である。図４は、塑性流動し易い材料からなる接合部材（中間部材）の斜視図である。図５は、図１と図４に示された各接合部材を組み合わせて、本発明の第１の実施形態の摩擦撹拌接合法により両部材を線接合する方法を説明する図である。
【００１２】
鉄鋼材料等の難塑性流動材料からなる接合部材１Ａ，１Ｂの接合面１１には、凹部１２ａ，１２ｂが形成されている。図２は、この第１の凹部１２ａの実施例の拡大図である。第１の凹部１２ａは図１，２に示されるように、接合部に沿って所定の間隔で、接合部材１Ａ，１Ｂの厚さ方向にその板厚と同じ長さでアリ溝状に形成されており、その断面形状は、接合面の開放側が短辺である台形状である。この第１の凹部１２ａは、図１に矢印Ｅで示されるように、応力の作用方向が接合部と平行に作用する場合に有効である。
【００１３】
図３は、接合部材１Ａ，１Ｂの接合面１１に形成される第２の凹部１２ｂの実施例の拡大図である。第２の凹部１２ｂは、接合部材１Ａ，１Ｂの厚さ方向に断面Ｖ字状に形成され、図１に示される例においては、接合面１１の両端部側に形成されている。この第２の凹部１２ｂは、接合部材１Ａ，１Ｂを接合する場合においては、図３に示されるように部材の厚み方向の中央部が広く、部材の表面部を狭めた形状になるため、矢印Ｆで示されるように応力の作用方向が部材の厚み方向（接合部と直交する方向）に作用する場合に有効である。
なお、図１に示される実施例においては、第１の凹部１２ａと第２の凹部１２ｂとを一緒に形成しているが、必要に応じ一方の凹部のみを使用してもよいものである。また、図２、図３は第１、第２の凹部１２ａ，１２ｂの１つの例を示しているにすぎず、凹部の形状は適宜変更可能である。
【００１４】
図４は、ＡｌやＣｕなどの塑性流動し易い材料からなる接合部材（中間部材）２の１実施例を示している。この場合においては、中間部材２は直方体に形成されている。
【００１５】
本発明の第１実施形態の摩擦撹拌接合法は、図５に示すようにして行われる。即ち、難塑性流動材料の接合部材１Ａ，１Ｂが、互いにその接合面１１を対峙する形で、塑性流動し易い材料の中間部材２を挟み込むようにして配置され、図示されないクランプ部材により基台上にクランプされる。
ツール３は、円柱状の回転体３１と、この回転体３１の端部軸線上に一体に突出された小径のピン状のプローブ３２とを有し、回転体３１とプローブ３２とは一体的に回転するようになっている。また、回転体３１とプローブ３２とは、接合部材である中間部材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。
【００１６】
このように構成されたツール３のプローブ３２を接合部に近接した中間部材２上に押し当て、プローブ３２を回転しながら接合部に沿って接合の進行方向に移動させる。この場合、ツール３の移動位置としては、図６に示されるように、中間部材２の中央に沿って移動させてもよいし、又は中間部材２の両側に偏位させて側辺に沿って移動させてもよい。中間部材２の材質にもよるが、中間部材２の幅が比較的狭いものにおいては、中央に沿ったツール３の移動のみで、接合部材１Ａ，１Ｂとの接合を行うことが可能であるが、中間部材２の幅が比較的大きいもの及び信頼性の高い接合を必要とするものにおいては、中間部材２の左側及び右側の位置にプローブ３２の当接位置を偏位させて側辺に沿って移動させる方が好適である。
【００１７】
このように塑性流動し易い材料の中間部材２上をツール３で加圧し回転及び直線的に移動させることで、中間部材２の材料を接合部材１Ａ，１Ｂの接合面の凹部１２ａ，１２ｂにならうように塑性流動させることで、強固な接合が可能となる。
なお、上記説明では、中間部材２を接合部材１Ａ，１Ｂで挟持して接合する場合について説明しているが、単に中間部材と１つの接合部材を当接させて接合させる場合にも、当然利用可能なものである。
【００１８】
図７〜９は、本発明の第２実施形態の摩擦撹拌接合法を説明する図である。第１実施形態は、２つの接合部材１Ａ，１Ｂの側面同志を中間部材２を使用して線接合するものであるが、第２実施形態は、２つの接合部材１Ａ，１Ｂを重ね合わせて中間部材２を使用して点接合している。
図７に示すように、難塑性流動材料の２枚の接合部材１Ａ，１Ｂが重ね合わされており、この重ね合わされた接合部材１Ａ，１Ｂには、点接合用の開口部１３が形成される。この開口部１３の内側面には、凸部１３ａが環状に形成されている。即ちこの開口部１３の形状は、接合部材１Ａ，１Ｂの表側と裏側の開口面積が大きく、中央部が狭窄した鼓状をしている。
【００１９】
図８は、塑性流動し易い材料からなる中間部材２を示しており、この中間部材２の形状は、開口部１３の狭窄部分を挿通出来る外径をもつ円柱体である。
【００２０】
図９に示されるように、第２実施形態の摩擦撹拌接合法においては、２枚の重ね合わされた接合部材１Ａ，１Ｂに形成された開口部１３内に中間部材２が挿通されてセットされる。第１実施形態と同様にツール３のプローブ３２を中間部材２上に押し当て、プローブ３２を回転させて、中間材料（塑性流動し易い材料）上を摩擦撹拌させることによって、中間材料を開口部１３の鼓形状にならうように塑性流動させることで、接合部材１Ａ，１Ｂ同志の強固な点接合状態が実現できる。
【００２１】
この点接合の場合、開口部１３の開口面積が小さい、即ち中間材料２の外径が小さいものにあっては、プローブ３２を中間部材２の一点で当接させて回転させるだけで十分に点接合が可能であるが、中間部材２の外径が或る程度大きいものや、より信頼性の高い点接合が必要とされる場合においては、図９に示すようにプローブ３２を中間部材２の外周縁（開口部の周辺）に向けて放射状に移動させることにより、より強固な信頼性の高い点接合が可能である。
【００２２】
通常、摩擦撹拌接合法では、中間材料を塑性流動させることによって中間部材２の板厚方向の寸法が減少するというデメリットが発生するが、その対策法の一例が図１０に示されている。即ち、接合後の中間部材２の板厚方向寸法の減少をなくすために、中間部材２の体積を予め多く、例えば、接合部材１Ａ，１Ｂの板厚よりも高く、しておく。この増加分の体積は、接合部材１Ａ，１Ｂと中間部材２とをセットしたときに、両者の部材間に生じる隙間ｇ分の体積とすることが好適である。しかしながら、この状態で摩擦撹拌させると図１１に示すように、軟化した中間材料が接合部材１Ａ，１Ｂの上面から食み出すため、適切な接合ができない。
【００２３】
そこで、本実施形態の摩擦撹拌接合法では、図１２及び図１３に示すようにツール３の横に軟化した中間材料を押さえる押さえ板４を設置し、この押さえ板４を上面から押さえながら摩擦撹拌させることによって、軟化した中間材料が接合部材１Ａ，１Ｂの上面からはみ出すことなく、接合部材１Ａ，１Ｂと中間部材２との間に形成される隙間ｇに効率よく塑性流動し、信頼性のある強固な接合が行えるように改良を加えている。
【００２４】
図１２の点接合の場合においては、押さえ板４は、ツール３が挿通できる穴４１が形成された環状をしている。この場合においては、ツール３の放射状への移動は制約を受ける。
図１３の線接合の場合においては、ツール３の進行方向（移動方向）に開いた馬蹄形の押さえ板４を使用し、ツール３の移動速度と同一の移動速度で押さえ板４を移動させることによって、隙間ｇに効率よく中間材料を塑性流動させることが可能となり、信頼性の高い接合が行える。
なお、上記実施形態においては、接合部材側を固定し、ツール側を移動させることで説明しているが、ツール側を固定させ、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すればよいものである。
【００２５】
以上説明したように、本発明の摩擦撹拌接合法により、従来では不可能であった鉄鋼材料等の難塑性流動材料の摩擦撹拌接合が可能となり、更には、従来では不可能であった材料の組み合わせの接合も可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】線接合における接合部材の接合部の継手形状を説明する図である。
【図２】接合部材の接合面に形成される１つの実施例である第１の凹部の拡大図である。
【図３】接合部材の接合面に形成される１つの実施例である第２の凹部の拡大図であり、図１のＡ部を拡大して示している。
【図４】線接合における中間部材の斜視図である。
【図５】本発明の第１実施形態の摩擦撹拌接合法を説明する図である。
【図６】線接合におけるツールの移動位置を説明する図である。
【図７】点接合における接合部材の継手形状を説明する図である。
【図８】点接合における中間部材の斜視図である。
【図９】本発明の第２実施形態の摩擦撹拌接合法を説明する図である。
【図１０】接合後の中間部材の板厚方向の寸法の減少に対する対応策を説明する図である。
【図１１】軟化した中間材料の食み出し現象を説明する図である。
【図１２】点接合における押さえ板の実施例を示す図である。
【図１３】線接合における押さえ板の実施例を示す図である。
【符号の説明】
１Ａ，１Ｂ…接合部材（難塑性流動材料の接合部材）
１１…接合面
１２ａ，１２ｂ…第１、第２の凹部
１３…開口部
１３ａ…凸部
２…中間部材（塑性流動し易い材料の接合部材）
３…ツール
３２…プローブ
４…押さえ板
【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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【図１０】
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【図１１】
0003861719.tif 000012
【図１２】
0003861719.tif 000013
【図１３】
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