JP2002035964A

JP2002035964A - 重ね継手の摩擦撹拌接合方法及び重ね継手の摩擦撹拌接合用工具

Info

Publication number: JP2002035964A
Application number: JP2001150245A
Authority: JP
Inventors: Koichi Matsumoto; 公一松本; Seiji Sasabe; 誠二笹部
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2000-05-19
Filing date: 2001-05-21
Publication date: 2002-02-05

Abstract

(57)【要約】【課題】板材の界面において十分な撹拌接合領域を得
ることができ、継手強度を高くすることができる重ね継
手の溶接撹拌接合方法及び摩擦撹拌接合用工具を提供す
る。【解決手段】ツール２０は基部１０と、この基部１０
の先端に形成されたピン部２とからなる。このピン部１
１は、基部１０よりも小径であり、その表面にネジ部１
２が形成されている。ピン部１１が先端に向かうにつれ
て直径が太くなっており、先端部が太径部である。この
ようにピン部１１において基端部よりも先端部側の直径
を太くすることにより、撹拌接合領域を広げることがで
きる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は器物、蓋物又は板材
同士等の重ね継手の摩擦撹拌接合方法及びそれに使用さ
れる摩擦撹拌接合用工具に関し、特に圧力容器、燃料タ
ンク、鉄道車両又は自動車等の重ね継手の摩擦撹拌接合
方法及びそれに使用される摩擦撹拌接合用工具に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、器物、蓋物又は板材同士等の重ね
継手を作製する場合には、複数の板材を貫通するような
形となるアーク溶接若しくはレーザ溶接等の溶融溶接又
は抵抗シーム溶接等が使用されている。しかし、これら
の材料の溶融を伴う接合方法は、溶接金属部にブローホ
ール又は割れ等の欠陥が生じやすいという欠点がある。
また、板材間の界面形状に継手の品質が左右されること
が多い。更に、これらの接合方法は気密性又は液密性等
の点で不安が大きい。

【０００３】これに対して、重ね継手に素材を溶融しな
い摩擦撹拌接合（ＦＳＷ）を適用することにより、安定
した性能を持つ継手を作製することが可能となる。図４
（ａ）は従来の摩擦撹拌接合工具により接合された突合
せ継手を示す模式図、（ｂ）は同じく下板の板厚が上板
の板厚よりも厚い重ね継手を示す模式図、（ｃ）は上板
及び下板の板厚が等しい重ね継手を示す模式図、（ｄ）
は上板の板厚が下板の板厚よりも厚い重ね継手を示す模
式図である。

【０００４】この摩擦撹拌接合に使用される摩擦撹拌接
合用工具（以下、ツールという）２０は、円柱状の基部
１０と、この基部１０の端面の中心に形成された円筒状
のピン部１５とからなる。また、ピン部１５が形成され
ている基部１０の面の縁部をショルダ部１３という。こ
のツール２０を回転させつつ、板材１に接触させ、ツー
ル２０と板材１との間の摩擦熱により板材１、２を加熱
して軟化させ、ツール２０を２枚の板材１、２に向けて
押圧することにより、ツール２０を板材１、２中に進入
させる。そして、ツール２０を回転させつつ所定の溶接
線に沿って移動させる。これにより、板材１及び２は摩
擦撹拌接合される。突合せ継手又は重ね継手を形成す
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、摩擦撹
拌接合方法により突合せ継手又は重ね継手を接合した場
合でも、ツールのピン部１５の形状が円筒に近い形状で
あるため、図４（ａ）乃至（ｄ）に示すように、接合撹
拌部３はピン部１５の圧入方向に対して板材１、２の幅
が狭くなるような断面形状となる。即ち、板材１、２の
幅方向の断面形状は下底が短辺になる台形状となる。

【０００６】このため、重ね継手において、板材１、２
の板厚差が大きく板材１、２の界面４が全接合厚に対し
てかなり下側に位置する場合、即ち、図４（ｄ）に示す
ように、上側の板材１の板厚が下側の板材２の板厚より
も厚い場合に、図４（ｂ）に示す重ね継手と比較して接
合界面が著しく狭くなる虞がある。このため、重ね継手
の強度を保持することができなくなる虞がある。

【０００７】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
のであって、板材の界面において十分な撹拌接合領域を
得ることができ、継手強度を高くすることができる重ね
継手の溶接撹拌接合方法及び摩擦撹拌接合用工具を提供
することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明に係る重ね継手の
摩擦撹拌接合方法は、アルミニウム又はアルミニウム合
金からなる１対の部材の接合すべき部分を重ね合わせ、
この重ね合わせ部を表面にネジが形成されたツールによ
り摩擦撹拌接合する方法において、前記ツールは基端側
から先端側に向けて径が大きくなる部分を有することを
特徴とすることを特徴とする。

【０００９】本発明においては、先端側から基端側に向
けて径が大きくなる部分を有するツールを使用して摩擦
撹拌接合している。このため、部材の接合時に十分な撹
拌領域を得ることができるので、接合面積を大きくする
ことができる。従って、継手強度が高い重ね継手を得る
ことができる。

【００１０】この場合、前記ツールは径が最大の位置か
ら先端側に向けて径が小さくなる部分を有することが好
ましい。

【００１１】本発明に係る他の重ね継手の摩擦撹拌接合
方法は、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる１
対の部材の接合すべき部分を重ね合わせ、この重ね合わ
せ部を表面にネジが形成されたツールにより摩擦撹拌接
合する方法において、前記ツールはその先端に前記部材
の裏面に接触する張り出し部を有することを特徴とす
る。

【００１２】本発明においては、先端部の部材の裏面に
接触する張り出し部が形成されたツールを使用して摩擦
撹拌接合している。このため、部材の接合時に裏面側か
らも部材は加熱されて塑性流動するので十分な撹拌領域
を得ることができる。これにより、接合面積を大きくす
ることができるので、継手強度が高い重ね継手を得るこ
とができる。

【００１３】前記部材は、例えば、フランジ部を有し、
このフランジ部を重ね合わせて摩擦撹拌接合することが
できる。

【００１４】本発明に係る重ね継手の摩擦撹拌接合用工
具は、基部と、前記基部から突出し表面にネジが形成さ
れたピン部とを有し、前記ピン部は基端側から先端側に
向けて径が大きくなる部分を有することを特徴とする。

【００１５】本発明に係る他の重ね継手の摩擦撹拌接合
用工具は、基部と、前記基部から突出し表面にネジが形
成されたピン部と、前記ピン部の先端部に設けられ接合
すべき部分の裏面に接触する張り出し部とを有すること
を特徴とする。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例に係る重ね
継手の摩擦撹拌接合方法及び重ね継手の摩擦撹拌接合用
工具について添付の図面を参照して詳細に説明する。図
１（ａ）は本発明の第１の実施例に係る重ね継手の摩擦
撹拌接合用工具を示す模式図、（ｂ）は本実施例の摩擦
撹拌接合工具により作製された重ね継手を示す断面図で
ある。

【００１７】本実施例の摩擦撹拌接合用工具は、図４
（ａ）に示す従来のツール２０と比較してピン部１１の
形状が異なり、それ以外の構成は従来のツール２０と同
一であり、その詳細な説明は省略する。本実施例のツー
ル２０においては、ピン部１１が先端に向かうにつれて
直径が太くなっており、先端部が太径部である。このよ
うにピン部１１において基端部よりも先端部側の直径を
太くすることにより、撹拌接合領域を広げることができ
る。

【００１８】次に、本実施例のツール２０を使用して上
側の板材１の板厚が下側の板材２よりも厚い重ね継手を
接合した場合について説明する。なお、この重ね継手は
ピン部１１が圧入される板材２の裏面にパッキング材
（図示せず）を設けて接合したものである。本実施例に
おいては、図４（ａ）に示す従来の摩擦撹拌接合方法と
同様にして接合することができ、重ね継手を形成するこ
とができる。この場合、図１（ｂ）に示すように、従来
のように撹拌接合領域３の形状が台形状ではなく、板材
１の表面が一番幅広く徐々に幅が狭くなり板材１の中心
部で一番幅が狭くなって、そこから接合界面に向けて幅
が広くなり、接合界面から板材２の裏面に向かって幅が
狭くなる形状をしている。即ち、拡散接合領域界面３０
がテーパ状ではなく、曲線になっている。裏面側の領域
３の幅が狭くなるのは、パッキング材により冷却されて
しまうためである。このように、接合界面の面積を大き
くすることができるので、重ね継手の所定の強度を保持
することができる。また、ピン部１１の太径部は板材
１、２の界面４と整合する位置に形成されていることが
好ましい。これにより、更に一層接合面積を大きくする
ことができるので、継手の強度を更に一層向上させるこ
とができる。

【００１９】図２は本発明の第２の実施例に係る摩擦撹
拌接合工具を示す模式図である。なお、図１（ａ）及び
（ｂ）に示す第１の実施例と同一構成物には同一符号を
付しその詳細な説明は省略する。本実施例は、第１の実
施例と比較してピン部１１ａの途中に太径部が形成され
ている点が異なり、それ以外の構成は第１の実施例の構
成と同様である。本実施例のピン部１１ａは、基端部か
ら太径部までの長さがｔ₁、太径部から先端までの長さ
がｔ₂である。本実施例においても、ツール２０を使用
して、第１の実施例と同様に板材１、２を接合し、重ね
継手を形成することができる。

【００２０】また、基端部の直径がＤ、太径部の直径が
１．２Ｄである。この基端部から太径部までの長さｔ₁
及び太径部から先端までの長さｔ₂は、重ね継手を構成
する板材１、２の板厚ｔ₁及びｔ₂に対応している。即
ち、接合時に板材１、２の界面４と太径部との位置が一
致する。これにより、接合面積を更に大きくすることが
でき、強度が更に高い重ね継手を作製することができ
る。本実施例においては、例えば重ね継手の総板厚が３
ｍｍで、板材１の板厚ｔ₁が２ｍｍ、板材２の板厚ｔ₂が
１ｍｍのとき、ピン部１１の基端部の直径Ｄは５ｍｍで
あり、ピン部１１の太径部の直径は６ｍｍである。

【００２１】図３（ａ）は本発明の第３の実施例に係る
摩擦撹拌接合工具を示す模式図、（ｂ）は本実施例の摩
擦撹拌接合工具により作製された重ね継手を示す断面図
である。なお、図１（ａ）及び（ｂ）に示す第１の実施
例と同一構成物には同一符号を付しその詳細な説明は省
略する。本実施例は、第１の実施例と比較してピン部１
１ｂの形状が従来のツールのピン部１５と同一形状であ
り、また、ピン部１１ｂの先端に張り出し部１４が設け
られている点が異なり、それ以外の構成は第１の実施例
の構成と同一である。この張り出し部１４はパッキング
材の代わりに設けられているものであり、接合する板材
１、２の裏面に接触するように配置されている。張り出
し部１４はツール２０が回転すると回転し、板材２の裏
面を摩擦して板材２を裏面側から塑性流動させるもので
ある。

【００２２】本実施例のツール２０を使用して、第１の
実施例と同様に上側の板材１の板厚が下側の板材２より
も厚い重ね継手を接合した場合について説明する。この
場合も、第１の実施例と同様にして板材１、２を接合す
ることができ、これにより、図３（ｂ）に示すように、
重ね継手を形成することができる。本実施例において
は、張り出し部１４の回転による摩擦熱により板材２の
裏面が加熱されて塑性流動される。このため、撹拌接合
領域界面３１は直線状ではなく、重ね継手の板厚方向の
中央部付近において撹拌接合領域３の幅が狭くなるよう
な、継手の板厚中央部付近で屈曲した界面３１となる。
このように、接合界面において十分な接合幅を得ること
ができる。これにより、接合面積を大きくすることがで
きるので、強度が高い重ね継手を作製することができ
る。

【００２３】いずれの本実施例においても、２枚の板材
を重ね合わせた重ね継手を作製したが、本発明はこれに
限定されるものではなく、フランジ部を有する部材を重
ね合わせ、このフランジ部を接合することもできる。な
お、本発明の重ね継手の摩擦撹拌接合用工具の用途とし
ては、例えば圧力容器、燃料タンク、鉄道車両又は自動
車等である。また、本発明において、重ね継手に使用さ
れる板材としては、例えば５０００系又は６０００系等
のアルミニウム合金材である。

【００２４】また、いずれの実施例においても、ツール
２０の回転方向を逆回転方向に回転させたが、順回転方
向に回転させても接合することができる。この場合、ツ
ール２０による塑流動領域の対流が抑制されるので、板
材１、２の界面４が若干亀裂状に上方に巻き込まれるこ
とが防止され、重ね継手の強度低下を抑制することがで
きる。

【００２５】また、本発明においては、ツール２０は、
例えば工具鋼又は高速度工具鋼からなるものであり、板
材の種類によっては、ツール２０の表面にコーティング
をしてもよい。

【００２６】

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、先
端側から基端側に向けて径が大きくなる部分を有するツ
ールを使用して摩擦撹拌接合している。このため、部材
の接合時に十分な撹拌領域を得ることができるので、接
合面積を大きくすることができる。従って、継手強度が
高い重ね継手を得ることができる。

【００２７】また、本発明によれば、先端部の部材の裏
面に接触する張り出し部が形成されたツールを使用して
摩擦撹拌接合しているので、部材の接合時に裏面側から
も部材は加熱されて塑性流動されるので、十分な撹拌領
域を得ることができる。これにより、接合面積を大きく
することができるので、継手強度が高い重ね継手を得る
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は本発明の第１の実施例に係る重ね継手
の摩擦撹拌接合用工具を示す模式図、（ｂ）は本実施例
の摩擦撹拌接合工具により作製された重ね継手を示す断
面図である。

【図２】本発明の第２の実施例に係る摩擦撹拌接合工具
を示す模式図である。

【図３】（ａ）は本発明の第３の実施例に係る摩擦撹拌
接合工具を示す模式図、（ｂ）は本実施例の摩擦撹拌接
合工具により作製された重ね継手を示す断面図である。

【図４】（ａ）は従来の摩擦撹拌接合工具により接合さ
れた突合せ継手を示す模式図、（ｂ）は同じく下板の板
厚が上板の板厚よりも厚い重ね継手を示す模式図、
（ｃ）は上板及び下板の板厚が等しい重ね継手を示す模
式図、（ｄ）は上板の板厚が下板の板厚よりも厚い重ね
継手を示す模式図である。

【符号の説明】

１、２；板材３；撹拌接合領域４、５；界面１０；基部１１、１１ａ、１１ｂ、１５；ピン部１２；ネジ部１３；ショルダ部１４；張り出し部３０、３１；摩擦撹拌接合界面

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】アルミニウム又はアルミニウム合金から
なる１対の部材の接合すべき部分を重ね合わせ、この重
ね合わせ部を表面にネジが形成されたツールにより摩擦
撹拌接合する方法において、前記ツールは基端側から先
端側に向けて径が大きくなる部分を有することを特徴と
することを特徴とする重ね継手の摩擦撹拌接合方法。
【請求項２】前記ツールは径が最大の位置から先端側
に向けて径が小さくなる部分を有することを特徴とする
請求項１に記載の重ね継手の摩擦撹拌接合方法。
【請求項３】アルミニウム又はアルミニウム合金から
なる１対の部材の接合すべき部分を重ね合わせ、この重
ね合わせ部を表面にネジが形成されたツールにより摩擦
撹拌接合する方法において、前記ツールはその先端に前
記部材の裏面に接触する張り出し部を有することを特徴
とする重ね継手の摩擦撹拌接合方法。
【請求項４】前記部材はフランジ部を有し、このフラ
ンジ部を重ね合わせて摩擦撹拌接合することを特徴とす
る請求項１乃至３のいずれか１項に記載の重ね継手の摩
擦撹拌接合方法。
【請求項５】基部と、前記基部から突出し表面にネジ
が形成されたピン部とを有し、前記ピン部は基端側から
先端側に向けて径が大きくなる部分を有することを特徴
とする重ね継手の摩擦撹拌接合用工具。
【請求項６】基部と、前記基部から突出し表面にネジ
が形成されたピン部と、前記ピン部の先端部に設けられ
接合すべき部分の裏面に接触する張り出し部とを有する
ことを特徴とする重ね継手の摩擦撹拌接合用工具。