JP2005219094A - 摩擦撹拌接合方法及びその治具 - Google Patents

Abstract

【課題】摩擦撹拌接合によって接合強度の大きな接合部位を得る。
【解決手段】摩擦撹拌接合用治具１０を構成する載置治具１６の突出部１８は、支持治具１４の挿入用凹部１２にクリアランス２４が生じた状態で挿入されている。そして、突出部１８の側周壁と、挿入用凹部１２の内周壁との間には、ゴム製のＯリング３０が介在されている。摩擦撹拌接合用工具７のプローブ８が積層部６に埋没されると、肉が載置治具１６の凹部３２に流動するとともに、載置治具１６が、挿入用凹部１２内で、凹部３２の軸線Ｌ１とプローブ８の軸線Ｌ２とが一致する方向に変位する。
【選択図】図４

Description

本発明は、複数個の部材が積層されて形成された積層部を接合するための摩擦撹拌接合方法及びその治具に関する。

部材同士を積層させ、その積層部を接合する方法としては、スポット溶接が一般的であるが、近年、摩擦撹拌接合によって接合することが提案されている。そのように一部分を摩擦撹拌接合する摩擦撹拌接合装置としては、例えば、特許文献１に記載されたものが挙げられる。

ところで、摩擦撹拌接合においては、回転動作する摩擦撹拌接合用工具のプローブを埋没させることにより、部材の肉を塑性流動させる。このため、特許文献１の図１に図示された装置で摩擦撹拌接合を行うと、積層部を載置する受け部が平坦であるため、該積層部の上端面側からプローブが埋没されて肉が塑性流動を起こしても、その肉が下端面側から突出することはできない。すなわち、プローブを埋没させても、肉の流動先がないために該肉が流動し難いので、プローブを埋没させた分の肉が上端面側にバリとして流出することになる。従って、バリを切削する仕上げ工程が必要となる。また、図８に示すように、プローブ８の埋没に伴って圧潰された箇所の肉厚Ｔ３や、該埋没箇所の近傍における下側のワークＷ１が隆起した箇所直上のワークＷ２の肉厚Ｔ４が小さくなるので、積層部６の接合強度が十分でなくなるという不具合を招く。

そこで、図９に示すように、凹部１が設けられた載置治具２を支持治具３の挿入用凹部４に挿入して摩擦撹拌接合用治具５を構成することが想起される。載置治具２の凹部１上に第１ワークＷ１と第２ワークＷ２との積層部６を載置し、摩擦撹拌接合用工具７のプローブ８を埋没させれば、領域Ａの肉が軟化して塑性流動し、最終的に、凹部１内に肉が流入する。このように、プローブ８を埋没させた分の肉が凹部１へ流動するため、バリが発生することが抑制されるとともに、塑性流動した肉が下端面側に突出するので接合後の積層部６の肉厚が小さくなることがないために、接合強度を確保することができると推察される。

特開２００２−１７８１６８号公報

しかしながら、図９に示される摩擦撹拌接合用治具５を使用してもなお、接合強度が十分であるとは言い難い場合がある。この理由は、図１０に示すように、載置治具２に設けられた凹部１の中心部を通る軸線Ｌ１と、摩擦撹拌接合用工具７（プローブ８）の中心部を通る軸線Ｌ２とを一致させることが容易でないためである。

軸線Ｌ１と軸線Ｌ２とが一致していない状態、すなわち、いわゆる芯ずれを起こした状態で摩擦撹拌接合を続行すると、図９に示すように、プローブ８の側周壁と凹部１の内周壁との間隔が大きくなる領域Ｂ１と小さくなる領域Ｂ２とが形成される。この場合、プローブ８の側周壁と凹部１の内周壁との間隔が小さい領域Ｂ２では肉が良好に撹拌されるが、間隔が大きい領域Ｂ１では撹拌される肉の量が少なくなるため、摩擦撹拌接合の度合いが十分ではなくなる。その結果、接合強度が小さくなると推察される。

このような不具合を解消するためには、いわゆる芯出しを予め行い、軸線Ｌ１と軸線Ｌ２とを可及的に一致させるようにすればよい。しかしながら、芯出しは精度を必要とする煩雑な作業であり、しかも、芯出し作業が終了した後に何らかの外乱によって芯ずれが生じたときには、芯出し作業を再度行わなければならない。このため、摩擦撹拌接合の作業効率が低下してしまうという不具合が顕在化している。

本発明は上記した問題を解決するためになされたもので、摩擦撹拌接合の作業効率を向上させ、しかも、摩擦撹拌接合用装置の構成を複雑化させることなく接合部の接合強度を向上させる摩擦撹拌接合方法及びその治具を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明は、複数個の部材が積層されることによって形成された積層部を、支持治具の挿入用凹部にクリアランスが生じるように挿入されて且つ上端面に凹部が設けられた載置治具で支持し、前記積層部の上端面から摩擦撹拌接合用工具のプローブを埋没させて該積層部を摩擦撹拌接合する摩擦撹拌接合方法であって、
前記プローブを回転動作させながら前記積層部の上端面から前記載置治具の凹部に指向して埋没させて該凹部上の前記積層部を摩擦撹拌接合する際、前記支持治具を、該載置治具の凹部の中心部と前記プローブの中心部とが一致する方向に前記挿入用凹部内で変位させることを特徴とする。

本発明においては、積層部にプローブを埋没させることによって該プローブの中心部と載置治具の中心部とを一致させるようにしている。換言すれば、プローブの埋没時に芯出しを行うようにしている。このため、煩雑な芯出しを予め行う必要がない。従って、摩擦撹拌接合の作業効率が向上する。

しかも、上記のように摩擦撹拌接合を行うことによって、プローブの周囲に存在する積層部の肉が部位に関わらず同等に撹拌される。すなわち、撹拌される肉の量が少ない部位がなくなるので、接合強度が小さい部位がなくなる。これにより、接合強度が大きな積層部を得ることができる。

また、この場合、プローブの埋没に伴って、積層されたワーク同士が突出部と陥没部で互いに結合された状態、すなわち、いわゆるかしめ状態が形成される。このことによっても、積層部の接合強度が大きくなる。

さらに、本発明によれば、肉を載置治具の凹部に塑性流動させるので、バリが形成されることを回避することもできる。

本発明は、また、複数個の部材が積層されることによって形成された積層部を摩擦撹拌接合するための摩擦撹拌接合用治具であって、
上端面に凹部が設けられて前記積層部を載置するための載置治具と、
前記載置治具を挿入するための挿入用凹部が設けられた支持治具と、
前記支持治具と、前記載置治具における前記挿入用凹部にクリアランスが生じるように挿入された部位との間に介在された弾性体と、
を有することを特徴とする。

このような構成とすることにより、積層部にプローブを埋没させる際に該プローブの中心部と載置治具の中心部とを一致させ、芯出しを行うことができる。従って、上記したように、摩擦撹拌接合の作業効率を向上させることができるとともに、接合強度に優れた積層部を得ることができる。

しかも、弾性体を介在させることによって載置治具を挿入用凹部内で変位自在としているので、載置治具を挿入用凹部内で変位させるようにしたことに伴って摩擦撹拌接合用治具の構成が複雑になることもない。すなわち、摩擦撹拌接合用治具を簡素な構成とすることができる。

本発明によれば、ワークが積層されることによって形成された積層部を載置する載置治具に凹部を設け、且つ前記積層部に摩擦撹拌接合用工具のプローブが埋没される際、該載置治具を、前記凹部の中心部と前記プローブの中心部とが一致する方向に変位させるようにしている。このため、煩雑な芯出しを予め行う必要がない。

また、本発明においては、凹部の中心部とプローブの中心部とが略一致した状態で摩擦撹拌接合が進行するので、プローブの周囲に存在する積層部の肉が部位に関わらず同等に撹拌される。このため、接合強度が大きな摩擦撹拌接合部位を得ることができるという効果が達成される。

以下、本発明に係る摩擦撹拌接合方法につきそれに使用する摩擦撹拌接合用治具との関係で好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。

本実施の形態に係る摩擦撹拌接合用治具の要部拡大概略斜視図を図１に示す。この摩擦撹拌接合用治具１０は、図２に示す挿入用凹部１２が設けられた支持治具１４と、前記挿入用凹部１２に挿入された載置治具１６とを有する。

この場合、支持治具１４の形状は略直方体であり、前記挿入用凹部１２は該支持治具１４の上端面の略中央部に設けられている。図３から諒解されるように、挿入用凹部１２は、２本の平行な長辺部と、該長辺部に直交する２本の短辺部とをその水平断面に有し、長辺部と短辺部との間には円弧部が介在されている。

図２に示すように、載置治具１６は、水平断面が挿入用凹部１２と相似形であり且つ該挿入用凹部１２に比して若干小寸法の突出部１８と、挿入用凹部１２に比して大径なフランジ部２０と、載置部２２とを有し、このうちの突出部１８が前記挿入用凹部１２に挿入される一方、フランジ部２０の下端面が支持治具１４の上端面に当接している。この当接により、載置治具１６が堰止されている。なお、突出部１８が挿入用凹部１２に比して若干小寸法であるため、挿入用凹部１２の内周壁と突出部１８の側周壁との間にはクリアランス２４が生じている。

また、挿入用凹部１２の内周壁、及び突出部１８の側周壁には環状溝２６、２８がそれぞれ設けられており、これら環状溝２６、２８の中には、弾性体としてのゴム製のＯリング３０が挿入されている。換言すれば、挿入用凹部１２の内周壁と、載置治具１６における突出部１８の側周壁とは、Ｏリング３０が介在された状態で互いにやや離間している。

そして、載置部２２の上端面には、その水平断面が略真円である中空円柱体形状の凹部３２が設けられている（図１参照）。

載置部２２の凹部３２は、後述するように、第１ワークＷ１及び第２ワークＷ２が互いに積層されて形成された積層部６によって覆われる。なお、本実施の形態において、第１ワークＷ１及び第２ワークＷ２は、ＪＩＳ記号の数字が５０００番台であるいわゆる５０００系のアルミニウムからなる。これら第１ワークＷ１及び第２ワークＷ２は、摩擦撹拌接合用治具１０の近傍に配置された図示しない支持台によってそれぞれ支持される。

摩擦撹拌接合用工具７は、回転体３４と、該回転体３４の一端部に連結されて先端部が円錐状に湾曲したプローブ８とを有する。このプローブ８の外径は、載置部２２に設けられた凹部３２の直径に比して小さく設けられる。なお、プローブ８の長さＬ３、第１ワークＷ１の肉厚Ｔ１、第２ワークＷ２の肉厚Ｔ２は、例えば、約２．５ｍｍ、約１．５ｍｍ、約１．０ｍｍに設定することができる。

本実施の形態に係る摩擦撹拌接合用治具１０は、基本的には以上のように構成されるものであり、次に、その作用効果につき、本実施の形態に係る摩擦撹拌接合方法との関係で説明する。

本実施の形態に係る摩擦撹拌接合方法は、以下のようにして実施される。

先ず、図１に示すように、第１ワークＷ１と第２ワークＷ２とを積層して積層部６を形成し、該積層部６を載置治具１６の載置部２２の上端面に載置する。これにより、凹部３２が積層部６で覆われる。

次に、図３に示すように、摩擦撹拌接合用工具７（プローブ８）を、その軸線Ｌ２が凹部３２の軸線Ｌ１に可及的に一致するように配置する。この時点で、軸線Ｌ１と軸線Ｌ２とを完全に一致させる必要は特にない。

そして、プローブ８を、積層部６から所定間隔で離間する位置まで下降させた後、該プローブ８を回転体３４ごと回転付勢する。この状態で、図２に示すように、プローブ８を積層部６の上端面に摺接させる。この摺接に伴い摩擦熱が発生することによって、積層部６におけるプローブ８の当接箇所及びその近傍が軟化する。その結果、図４に示すように、該プローブ８が積層部６に埋没するとともに、この埋没に対応して、積層部６の肉が凹部３２に流入する。上記したように、凹部３２の水平断面の直径がプローブ８の直径に比して大きいため、この流入は容易に進行する。

ここで、回転動作するプローブ８が芯ずれを起こした状態で積層部６に埋没し、肉が凹部３２に流入すると、載置治具１６には、軸線Ｌ１又は軸線Ｌ２に対して直行する方向、すなわち、水平方向に指向する力が作用する。この力は、芯ずれが大きくなる方向に比して芯ずれが小さくなる方向に作用する方が大きい。従って、この力の作用下に、載置治具１６は、挿入用凹部１２の内部で水平方向に指向して変位する。その結果、最終的に、図４及び図５に示すように、軸線Ｌ１と軸線Ｌ２とが一致する。

なお、この変位の際には、弾性体であるＯリング３０が変形する。すなわち、Ｏリング３０によって載置治具１６の変位が妨げられることはない。

すなわち、本実施の形態においては、プローブ８が、該プローブ８の軸線Ｌ２が凹部３２の軸線Ｌ１と一致しない状態で積層部６に埋没した際、載置治具１６が、軸線Ｌ１と軸線Ｌ２とが一致する方向に変位することによって芯出しが営まれる。このため、プローブ８を埋没させる際に軸線Ｌ１と軸線Ｌ２とを精度よく一致させる必要がない。換言すれば、煩雑な作業である芯出しを、摩擦撹拌接合を実施する前に予め行う必要がなくなる。このため、摩擦撹拌接合の作業効率が向上する。

しかも、この場合、軸線Ｌ１と軸線Ｌ２とが略一致した状態でプローブ８の積層部６への埋没が進行するので、プローブ８が、凹部３２の内周壁と一定間隔をもって該凹部３２の略中心部に挿入される。従って、プローブ８の側周壁と凹部３２の内周壁との間に、間隔が小さい領域と大きい領域とが形成されることはない。このため、プローブ８の周囲の肉（撹拌領域Ａ）が同等に撹拌され、その結果、該肉における摩擦撹拌接合の度合いが、部位に関わらず同等となる。すなわち、撹拌される肉の量が少ない部位がないため、接合強度が小さい部位がない。このような理由から、積層部６の接合強度を大きくすることができる。

また、該積層部６の肉が凹部３２に流入しているため、当接部位の肉を多量に撹拌することができる。

さらに、プローブ８の埋没に伴って、第２ワークＷ２における第１ワークＷ１に臨む面に突出部３６が形成されるとともに、第１ワークＷ１における第２ワークＷ２に臨む面に陥没部３８が形成され、該陥没部３８に前記突出部３６が嵌合する。なお、陥没部３８の下端部は、肉の塑性流動が行われない非撹拌部（塑性変形部）である。すなわち、陥没部３８の下端部が、塑性変形によって凹部３２に対応する形状に成形され、いわゆるかしめ状態が設けられる。このように第１ワークＷ１と第２ワークＷ２とでかしめ状態が形成されることによっても、接合強度が向上する。

しかも、本実施の形態によれば、積層部６において、プローブ８が埋没した分の肉が凹部３２に塑性流動する。このため、肉が隆起することがないので、バリが形成されることもない。このように、凹部３２が設けられた載置治具１６を使用することにより、バリを形成することなく積層部６を摩擦撹拌接合することができる。

なお、プローブ８が回転動作することに追従して載置治具１６が回転動作しようとした場合、図６に示すように、突出部１８の外壁部が挿入用凹部１２の内壁部に干渉する。このため、載置治具１６が回転動作することが阻止されるので、摩擦撹拌接合の実施が妨げられることはない。

この場合、撹拌を開始しておよそ２秒後にプローブ８を離脱させることで肉の塑性流動を停止させれば、最終的に、積層部６の肉が冷却固化する。これにより第１ワークＷ１と第２ワークＷ２とが一体的に固相接合されて、図７に示すように、摩擦撹拌接合部位４０が形成されるに至る。この摩擦撹拌接合部位４０における第１ワークＷ１側には、凹部３２に流入した肉が冷却固化することに伴って突出形成された円柱体形状の凸部４２が存在する。すなわち、この場合、該凸部４２の外径は、凹部３２の直径と略同一となる。

なお、載置部２２に設けられる凹部は、円柱形状の凹部３２に特に限定されるものではない。例えば、長尺溝形状のものであってもよい。この場合、プローブ８を走査することで、長尺溝形状の凹部に対応して、長尺な凸部が形成される。

また、凹部３２の全空間に積層部６の肉が充填される必要は特にない。

そして、積層されるワークの個数は２個に限定されるものではなく、３個以上のワークを積層するようにしてもよい。

本実施の形態に係る摩擦撹拌接合用治具と、摩擦撹拌接合される第１ワーク及び第２ワークと、摩擦撹拌接合用工具とを示す要部拡大概略斜視図である。 図１の摩擦撹拌接合用治具を構成する載置治具に積層部が載置された状態を示す一部縦断面拡大図である。 載置治具の凹部の軸線とプローブの軸線とが一致していない状態を示す概略横断面説明図である。 載置治具が挿入用凹部内で変位することに伴って載置治具の凹部の軸線とプローブの軸線とが略一致した状態を示す一部縦断面拡大図である。 載置治具の凹部の軸線とプローブの軸線とが略一致した状態を示す概略横断面説明図である。 載置治具の回転動作が阻止された状態を示す概略横断面説明図である。 本実施の形態に係る摩擦撹拌接合方法によって接合された摩擦撹拌接合部位の要部斜視説明図である。 従来技術に係る摩擦撹拌接合方法を実施している状態を示す一部縦断面図である。 載置治具が変位不可能な摩擦撹拌接合用治具を使用して積層部を摩擦撹拌接合する状態を示す一部縦断面拡大図である。 図９の載置治具の凹部の軸線とプローブの軸線とが一致していない状態を示す概略横断面説明図である。

符号の説明

１、３２…凹部 ２、１６…載置治具
３、１４…支持治具 ４、１２…挿入用凹部
５、１０…摩擦撹拌接合用治具 ６…積層部
７…摩擦撹拌接合用工具 ８…プローブ
１８…突出部 ２０…フランジ部
２２…載置部 ２４…クリアランス
３０…Ｏリング ４０…摩擦撹拌接合部位
Ｌ１、Ｌ２…軸線 Ｗ１、Ｗ２…ワーク

Claims (2)

1. 複数個の部材が積層されることによって形成された積層部を、支持治具の挿入用凹部にクリアランスが生じるように挿入されて且つ上端面に凹部が設けられた載置治具で支持し、前記積層部の上端面から摩擦撹拌接合用工具のプローブを埋没させて該積層部を摩擦撹拌接合する摩擦撹拌接合方法であって、
   前記プローブを回転動作させながら前記積層部の上端面から前記載置治具の凹部に指向して埋没させて該凹部上の前記積層部を摩擦撹拌接合する際、前記支持治具を、該載置治具の凹部の中心部と前記プローブの中心部とが一致する方向に前記挿入用凹部内で変位させることを特徴とする摩擦撹拌接合方法。
2. 複数個の部材が積層されることによって形成された積層部を摩擦撹拌接合するための摩擦撹拌接合用治具であって、
   上端面に凹部が設けられて前記積層部を載置するための載置治具と、
   前記載置治具を挿入するための挿入用凹部が設けられた支持治具と、
   前記支持治具と、前記載置治具における前記挿入用凹部にクリアランスが生じるように挿入された部位との間に介在された弾性体と、
   を有することを特徴とする摩擦撹拌接合用治具。
   
   

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