JP2003001440A

JP2003001440A - すみ摩擦攪拌接合用部材及びその接合方法

Info

Publication number: JP2003001440A
Application number: JP2001191157A
Authority: JP
Inventors: Kazutaka Okamoto; 和孝岡本; Masayuki Doi; 昌之土井; Masahiko Sakamoto; 征彦坂本; Satoshi Hirano; 平野　　聡; Hisanori Okamura; 久宜岡村
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2001-06-25
Filing date: 2001-06-25
Publication date: 2003-01-08

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】接合部の凹凸や、接合部内部のポロシティー等
の溶融溶接の欠陥等がなく、内すみ接合方法を提供す
る。【解決手段】内面のなす角度が所定の角度αであるよう
に配置された一対の被接合材１５，１６のすみ継手摩擦
攪拌接合方法において、すみ継手の内側に三角柱状の突
起１７が設けられており、回転ツール１９を突起側から
被接合材１５，１６に挿入し、被接合材１５，１６と突
起部１７を同時に接合する。又、平板面の一方の面に三
角形状の突起１７を有し、該突起１７の三角形の一辺が
接合部端面の延長線上に形成されているすみ継手摩擦攪
拌接合用部材にある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、摩擦攪拌接合よ
り、例えばアルミニウム、アルミニウム合金、マグネシ
ウム、マグネシウム合金、銅、銅合金、鉄、鉄合金、チ
タン、チタン合金等の同一、又は異種材の新規なすみ継
手摩擦攪拌接合用部材及びその接合方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の溶融溶接法によるすみ接合では、
溶融溶接であるため次のような問題点がある。ポロシ
ティーなどの溶接欠陥の発生による接合部の信頼性、
ヒューム、スパッタなどの発生による作業環境の悪化、
溶融部の凝固収縮による変形、溶接変形の矯正、
マグネシウム合金やチタン合金などの活性金属の場合、
溶融部の酸化防止のための不活性ガスシールドや真空装
置が必要である。

【０００３】上記のような溶融溶接による問題点に対し
て、特公表7-505090号公報(FP0615480B1)では摩擦攪拌
接合法が示されている。摩擦攪拌接合法は、部材の接合
をする場合、回転する回転ツールを接合部に挿入後、回
転ツールと接合材との摩擦熱で加熱された材料を、回転
ツールを移動させることにより相対的に回転ツールの後
方へ移動させて固相接合を行うものである。固相接合で
あるため、上記からの問題は基本的には解決でき
る。

【０００４】しかし、摩擦攪拌接合法の場合、回転する
回転ツールを言わば強引に接合材に挿入しかつ移動させ
るため、接合材は回転ツールから大きな力を受ける。例
えば厚さ5mmのアルミ合金を接合する場合は、接合材が
受ける力はおよそ1000kgf程度である。したがって接合
材は例えば鋼板などの強度の高い裏当て材を用いてリジ
ッドに支持されることが重要である。これは平板の接合
では比較的容易に達成し得るが、すみ接合の場合は継手
形状に工夫する必要がある。

【０００５】特表平9-508073号公報には、摩擦攪拌接合
法によるすみ接合が示されている。これは図1に示すよ
うにピン1及びショルダー2からなる回転する回転ツール
3を一対の接合材4及び5の突合せ部近傍に挿入し、その
状態で接合方向6に沿って回転ツール3を移動させること
により、接合部7を形成する方法である。この方法は、
外すみ接合である、接合部の外面に僅かな凹凸が発
生する、前記接合材が回転ツールから受ける力をリジ
ッドに受けるため、例えば図1に示すような裏当て材8及
び9は複数方向の力に耐えるように配置される必要があ
り煩雑である、などの問題点がある。

【０００６】特開平11-320128号には、内すみ接合方法
が示されている。これは図2に示すように、押えブロッ
ク10と回転ツール11からなるプローブを用いて、図3に
示すように内すみ接合するものである。被接合材12及び
13を裏当て部材14にリジッドに固定し、押えブロック10
と回転ツール11からなるプローブを接合部に沿って移動
させることにより摩擦攪拌接合する。しかしながらここ
に示される方法では、プローブが押えブロックと回転
ツールからなるため複雑であり、また押えブロックを被
接合材に押し当てるが被接合材の上昇が押えられなく、
高い精度が必要であり、プローブの作製が難しい、接
合部が曲線の場合、押えブロックの形状などが詳細に示
されていない、などの問題点がある。

【０００７】本発明の目的は、被接合材の上昇が押え、
溶融溶接に見られる欠陥や凹凸が無く、かつ曲線接合に
対応できるすみ摩擦攪拌接合用部材及びその接合方法を
提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、内面のなす角
度が所定の角度であるように配置された一対の被接合材
のすみ継手摩擦攪拌接合方法において、すみ継手の内側
にはその表面に接する突起が設けられており、回転する
回転ツールを突起側から被接合材に挿入し、回転ツール
と被接合材の接触による摩擦熱にて該被接合材を軟化さ
せ攪拌しながら該回転ツールを挿入状態で移動させ、少
なくとも一方の被接合材に設けられた突起部を介して接
合することを特徴とする。

【０００９】内面のなす角度が所定の角度αであるよう
に配置された一対の被接合材のすみ継手接合方法におい
て、すみ継手の内側にはその表面に接する2辺が等しく
頂角角度αの逆三角柱形状の突起が設けられており、回
転する回転ツールを突起側から被接合材に挿入し、回転
ツールと該被接合材の接触による摩擦熱にて被接合材を
軟化させ攪拌しながら回転ツールを挿入状態で移動さ
せ、前述と同様に突起部を介して接合することを特徴と
する。

【００１０】本発明は、平板面の一方の面に三角形状の
突起を有し、該突起の三角形の一辺が接合部端面の延長
線上に形成されていることを特徴とするすみ摩擦攪拌接
合用部材にある。

【００１１】具体的には、接合部端面が平板面に対して
傾斜しており、該傾斜面に沿って形成された三角形状の
突起を有し、前記傾斜面の延長線上に前記突起の三角形
の一辺が形成されていること、又、接合部端部の一方の
平板面上に三角形状の突起を有することを特徴とするす
み摩擦攪拌接合用部材にある。

【００１２】上述の突起は、被接合部材に押出し加工に
よって一体に設けられるのが最も好ましいが、被接合部
材と同種の材料で別途設けられ、接合によって一体に接
合されるものでもよい。

【００１３】本発明は、所定の角度で配置された一対の
被接合材を互いにすみで接合するすみ継手摩擦攪拌接合
方法において、前記被接合材の少なくとも一方の接合部
端部内角に突起が設けられ、該突起部に回転ツールを挿
入し、摩擦攪拌接合することを特徴とする。

【００１４】更に、本発明は、所定の角度で配置された
一対の被接合材を互いにすみで接合するすみ継手摩擦攪
拌接合方法において、前記被接合材の一方の接合部端部
内角に突起が設けられ、該突起部に回転ツールを挿入
し、摩擦攪拌接合すること、又、所定の角度で配置され
た一対の被接合材を互いにすみで接合するすみ継手摩擦
攪拌接合方法において、前記被接合材の両方の接合部端
部内角に突起が設けられ、該突起同志を互いに接し、前
記突起に回転ツールを挿入し、摩擦攪拌接合することを
特徴とする。

【００１５】又、前述のすみ継手摩擦攪拌接合方法にお
いて、被接合材が前述に記載の接合用部材を用いること
を特徴とする。

【００１６】本発明は、前記被接合部材を裏当て治具へ
固定して回転ツールの挿入によって摩擦攪拌接合するこ
と、そして被接合部材には治具への固定用孔を設けるの
が好ましい。これによって、健全な接合が得られるもの
である。

【００１７】図4は、本発明のすみ継手摩擦攪拌接合方
法を説明する断面図である。すなわち一対の接合材15及
び16の内、すみ部に突起17を配置し、これらを裏当て部
材18に図示していないクランプ機構によりリジッドに固
定する。次に回転する回転ツール19を図5に示すように
挿入し、さらに回転ツール19をすみ部に沿って移動させ
て接合する。突起17は被接合材16に一体となって形成さ
れたものではないが、被接合材と同種の材料からなり、
被接合材の接合と同時に一体に接合され、接合の際の押
し上げが防止される。突起17の回転ツール側の辺の幅は
回転ツールのショルダーの直径より大きくするのが好ま
しい。

【００１８】このとき突起17はすみ部のなす角αと同じ
頂角αの逆三角柱形状がよく、より好ましくは逆二等辺
三角形がよい。摩擦攪拌接合を行う場合、被接合材はリ
ジッドに固定されている必要があり、例えば被接合材の
長さが長くなった場合、突起17をリジッドに固定するこ
とが難しくなる。また接合中に回転ツールを移動した場
合、被接合材は回転ツールの進行方向に対しても回転ツ
ールから力を受けるため、細長い突起では突起自体の剛
性が不足し、突起の変形や浮上りが起こる。このため突
起17は一対の被接合材15及び16の少なくとも一方と一体
であることが望ましい。例えば図6に示す場合は、突起1
7は被接合材16に一体となって形成されたものであり、
接合の際の押し上げが防止される。突起17の回転ツール
側の辺の幅は回転ツールのショルダーの直径より大きく
するのが好ましい。

【００１９】図7、本発明の他のすみ継手摩擦攪拌接合
方法を説明する断面図である。図７に示す場合は、突起
17(17aと17b)は被接合材15及び16の2つの部材の一部と
なっている。このように突起17を被接合材と一体化させ
ることにより接合中の突起17の変形を回避できる。被接
合材15及び16の接合部端面が平板面に対して傾斜してお
り、傾斜面に沿って形成された三角形状の突起17aと17b
を有し、傾斜面の延長線上に突起の三角形の一辺が形成
されているものである。突起17aと17bの回転ツール側の
辺の長さは回転ツールのショルダーの直径の半分以上が
好ましい。

【００２０】さらに一対の被接合材15及び16の厚みがt₁
及びt₂(≧t₁)であった場合、突起17の高さhはh≧t₁/2す
なわち一対の被接合材の薄い方の板厚の半分以上である
ことが望ましい。これは逆三角柱形状の上面の幅wをあ
る程度大きくすることにより、回転ツールの形状を大き
くするためである。すなわち幅wが小さくなると回転ツ
ール形状が小さくなり強度を保てず、接合中の回転ツー
ルの破損が懸念される。以上のような突起が被接合材と
一体となっているすみ接合部材は、例えば押出し成形に
より作製するとよい。すなわち押出しダイスの穴を上記
のような形状にして接合部材を製造することにより、部
材製造コストの低減が可能となる。

【００２１】使用する回転ツール19のショルダー部直径
Dはおよそ幅wと同等であることが好ましい。ショルダー
部直径Dが幅wに比較して極度に大きくなると、ショルダ
ー部20が被接合材15や16に食込み、切削してしまうため
である。

【００２２】以上のようなすみ接合は、被接合材として
アルミまたはアルミ合金、マグネシウムまたはマグネシ
ウム合金、銅または銅合金、鉄または鉄合金、チタンま
たはチタン合金、ニッケルまたはニッケル合金など多く
の金属材料やその化合物に適用できる。またすみ部は直
線状の1次元、平面曲線状の2次元、任意曲面状の3次元
でも、本発明によれば接合可能となる。

【００２３】また図11及び図12に示す本実施例のように
被接合部材15及び16は鉛直方向に対してV型、L型などに
配置してもよく、その配置はこれに限定されない。すな
わち被接合材15及び16と回転ツール19の相対関係が取れ
ていればよいことは言うまでもない。図12においては、
被接合材21の端部の両側に三角形状の突起17を設け、平
板の被接合材23の両側に被接合材21を前述と同様に接合
するものである。

【００２４】以上の様に、従来、接合の際に回転ツール
を被接合材に挿入することにより被接合材が回転ツール
に設けられているネジ溝によって押し上げられる力を受
け、健全な接合が出来ないが、本発明の被接合材に設け
られた突起によってその力が押えられ、欠陥や凹凸が無
く、かつ曲線接合に対応できるすみ摩擦攪拌接合が得ら
れるものである。

【００２５】

【発明の実施の形態】（実施例1）本発明の具体的な摩
擦攪拌接合の具体的な内容を以下に示す。図9に示すよ
うに、被接合材15及び16は板厚がともに8mm、長さ1mの
アルミ合金であり、押出し加工により製造した。突起17
は被接合材16と一体の逆二等辺三角柱形状であり、図面
p=6mmである。すなわち高さh=6/√2≒4．24mmであり、
幅w=6√2≒8．49mmであり、頂角α=90°である。回転ツ
ール19は工具鋼であり、ショルダー部20の直径D=9mmで
ある。接合手順は、まず図9のように被接合材15及び16
を図示していない裏当て部材にリジッドに固定した。次
に回転ツール19を1000rpmで回転させて突起17側から被
接合材15及び16に挿入した。このときショルダー部20は
突起17に約0。1mm挿入した。次に回転ツール19をすみ部
の接合線に沿って300mm/minで移動させ接合を行った。
このとき回転ツール19は回転ツールの移動方向に対して
後方に3°傾けた。被接合材15及び16は、いずれも裏当
て部材18に固定用孔を通してボルトによって固定して接
合される。

【００２６】以上の様に、従来、接合の際に回転ツール
19を被接合材に挿入することにより被接合材が回転ツー
ル19に設けられているネジ溝によって押し上げられる力
を受け、健全な接合が出来ないが、本実施例の被接合材
に設けられた突起17によってその力が押えられ、欠陥や
凹凸が無く、かつ曲線接合に対応できるすみ継手摩擦攪
拌接合が得られた。

【００２７】図10は、すみ継手摩擦攪拌接合されたすみ
接合部及びその外側の外観を示す図である。図10に示す
様に、いずれも平坦であり、一対の被接合材は互いに強
固に接合されていることが確認された。

【００２８】（実施例2）本発明の別の実施例を以下に
示す。図11に示すように、被接合材15及び16は板厚がと
もに12mmの銅合金である。突起17a及び17bは被接合材15
及び16と一体の逆二等辺三角柱形状であり、図面p=9mm
である。すなわち高さh=9/√2≒6。36mmであり、幅w=9
√2≒12。7mmであり、頂角α=90°である。回転ツール1
9は超硬であり、ショルダー部20の直径D=13mmである。
接合手順は実施例1と同様に、まず図11のように被接合
材15及び16を図示していない裏当て部材にリジッドに固
定した。次に回転ツール19を1300rpmで回転させて突起1
7側から被接合材15及び16に挿入した。このときショル
ダー部20は突起17に約0。1mm挿入した。次に回転ツール
19をすみ部の接合線に沿って200mm/minで移動させ接合
を行った。このとき回転ツール19は回転ツールの移動方
向に対して後方に3°傾けた。以上の方法により、すみ
接合を容易に実施可能であった。

【００２９】以上の様に、本実施例の被接合材に設けら
れた突起17によってその力が押えられ、欠陥や凹凸が無
く、かつ曲線接合に対応できるすみ摩擦攪拌接合が得ら
れた。又、以上の方法で実施したすみ接合部及びその外
側の外観はいずれも平坦であり、一対の被接合材は互い
に強固に接合されていることが確認された。

【００３０】（実施例3）本発明のリブ構造部品への適
用例の断面図を図12に示す。前記部品は十字型のアルミ
製リブ構造体であり、突起17を有する被接合材21及び22
を平板状の被接合材23に摩擦攪拌接合で接合したもので
ある。本部品の製造方法を図13に示す。なお接合条件は
実施例2と同じとした。まず被接合材21及び23を図示し
ていない冶具に固定する。次に回転する回転ツール19を
図13(a)に示すように紙面右側の突起17に挿入し、回転
ツール19を紙面奥方向に移動させて接合する。次に図13
(b)に示すように同様の方法で紙面左側の部分を接合す
る。このようにして被接合材21及び23を一体化したT型
部材24を作製する。次に図13(c)に示すように被接合材2
2及びT型部材24を同様の方法で接合する。本実施例によ
り接合部の信頼性に優れた部品が得られる。

【００３１】以上の様に、本実施例の被接合材に設けら
れた突起17によってその力が押えられ、欠陥や凹凸が無
く、かつ曲線接合に対応できるすみ摩擦攪拌接合が得ら
れた。又、以上の方法で実施したすみ接合部及びその外
側の外観はいずれも平坦であり、寸法安定性や見栄えが
良く、一対の被接合材は互いに強固に接合されているこ
とが確認された。

【００３２】

【発明の効果】本発明によれば、接合部が平坦でかつポ
ロシティーなどの欠陥が無く、信頼性が高く、更に溶接
で見られるヒュームやスパッタなども無く作業環境性に
優れており、変形も小さいすみ接合を形成可能である。
また接合部はすみ部内側にあり、外観も良好である。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の外すみ継手摩擦攪拌接合を示す斜視
図。

【図２】従来の押えブロックを用いたすみ継手摩擦攪
拌接合用回転ツールの斜視図。

【図３】従来の押えブロックを用いた内すみ継手摩擦
攪拌接合方法を示す断面図。

【図４】本発明のすみ継手摩擦攪拌接合方法を示す断
面図。

【図５】本発明のすみ摩擦攪拌接合方法を示す断面
図。

【図６】本発明のすみ継手摩擦攪拌接合方法を示す断
面図。

【図７】本発明のすみ継手摩擦攪拌接合方法を示す断
面図。

【図８】本発明のすみ継手摩擦攪拌接合方法の詳細を
示す断面図。

【図９】実施例1のすみ継手摩擦攪拌接合方法を示す
断面図。

【図１０】実施例1のすみ継手摩擦攪拌接合部の外観
を示す図。

【図１１】実施例2のすみ継手摩擦攪拌接合方法を示
す断面図。

【図１２】実施例3のすみ継手摩擦攪拌接合方法を示
す断面図。

【図１３】実施例3のすみ継手摩擦攪拌接合方法の製
造手順を示す断面図。

【符号の説明】

1…ピン、2…ショルダー、3…回転ツール、4…被接合
材、5…被接合材、6…接合方向、7…接合部、8…裏当て
材、9…裏当て材、10…押えブロック、11…回転ツー
ル、12…被接合材、13…被接合材、14…裏当て部材、15
…被接合材、16…被接合材、17、17a、17b…突起、18…
裏当て部材、19…回転ツール、20…ショルダー部、21…
被接合材、22…被接合材、23…被接合材、24…T型部
材。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者坂本征彦茨城県日立市大みか町七丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者平野聡茨城県日立市大みか町七丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者岡村久宜茨城県日立市大みか町七丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内Ｆターム(参考） 4E067 AA02 AA05 AA06 AA07 AA12 AA26 BG00 DA13 EC00

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】平板面の一方の面に三角形状の突起を有
し、該突起の三角形の一辺が接合部端面の延長線上に形
成されていることを特徴とするすみ継手摩擦攪拌接合用
部材。
【請求項２】接合部端面が平板面に対して傾斜してお
り、該傾斜面に沿って形成された三角形状の突起を有
し、前記傾斜面の延長線上に前記突起の三角形の一辺が
形成されていることを特徴とするすみ継手摩擦攪拌接合
用部材。
【請求項３】接合部端部の一方の平板面上に三角形状の
突起を有することを特徴とするすみ継手摩擦攪拌接合用
部材。
【請求項４】請求項１〜３のいずれかにおいて、回転ツ
ールの挿入によって摩擦攪拌接合する際の裏当て治具へ
の固定用孔が設けられていることを特徴とするすみ継手
摩擦攪拌接合用部材。
【請求項５】所定の角度で配置された一対の被接合材を
互いにすみで接合するすみ継手摩擦攪拌接合方法におい
て、前記被接合材の少なくとも一方の接合部端部内角に
突起が設けられ、該突起部に回転ツールを挿入し、摩擦
攪拌接合することを特徴とするすみ継手摩擦攪拌接合方
法。
【請求項６】所定の角度で配置された一対の被接合材を
互いにすみで接合するすみ継手摩擦攪拌接合方法におい
て、前記被接合材の一方の接合部端部内角に突起が設け
られ、該突起部に回転ツールを挿入し、摩擦攪拌接合す
ることを特徴とするすみ継手摩擦攪拌接合方法。
【請求項７】所定の角度で配置された一対の被接合材を
互いにすみで接合するすみ継手摩擦攪拌接合方法におい
て、前記被接合材の両方の接合部端部内角に突起が設け
られ、該突起同志を互いに接し、前記突起に回転ツール
を挿入し、摩擦攪拌接合することを特徴とするすみ継手
摩擦攪拌接合方法。
【請求項８】所定の角度で配置された一対の被接合材を
互いにすみで接合するすみ継手摩擦攪拌接合方法におい
て、前記被接合材が請求項５〜７のいずれかに記載の接
合用部材からなることを特徴とするすみ継手摩擦攪拌接
合方法。
【請求項９】請求項５〜８のいずれかにおいて、前記被
接合部材を裏当て治具へ固定して回転ツールの挿入によ
って摩擦攪拌接合することを特徴とするすみ継手摩擦攪
拌接合方法。