JP2019025489A - 接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】金属部材同士の内隅におけるコンタミネーションの発生を低減する。【解決手段】第一金属部材１の裏面１ｃ及び第二金属部材２の第一側面２ｂで形成される内隅Ｕからレーザー光を照射し、当該レーザー光の照射位置を第二突合せ部Ｊ２に沿って相対移動させて第二突合せ部Ｊ２をレーザー溶接する内隅溶接工程を行う。また、第一金属部材１の表面１ｂ側から第一回転ツールの攪拌ピンのみを挿入し、第一回転ツールの攪拌ピンのみを第一金属部材１のみ又は第一金属部材１と前記第二金属部材２との両方に接触させた状態で第一回転ツールを段差部１１に沿って相対移動させて、第一突合せ部Ｊ１を摩擦攪拌接合する第一突合せ部摩擦攪拌工程を行う。【選択図】図４

Description

本発明は、金属部材同士を接合する接合方法に関する。

金属部材同士を接合する方法として、摩擦攪拌接合（ＦＳＷ＝Friction Stir Welding）が知られている。摩擦攪拌接合とは、回転ツールを回転させつつ金属部材同士の突合せ部に沿って移動させ、回転ツールと金属部材との摩擦熱により突合せ部の金属を塑性流動させることで、金属部材同士を固相接合させるものである。
例えば、特許文献１に係る接合方法は、断面Ｌ字状に突き合わされた金属部材同士の内隅に肉盛溶接を行った後、金属部材同士の外隅から摩擦攪拌接合を行うというものである。

特開２０１０−２８４７０４号公報

しかし、特許文献１の摩擦攪拌接合方法であると、金属部材同士の内隅に肉盛溶接を行うため、当該内隅にコンタミネーションが発生するという問題がある。
このような観点から、本発明は、金属部材同士の内隅におけるコンタミネーション発生を低減することを課題とする。

前記の課題を解決するため、本発明は、端部の裏面に段差部が形成された板状の第一金属部材を用意するとともに、板状の第二金属部材を用意する準備工程と、前記第一金属部材の前記段差部の段差底面と、前記第二金属部材の端面とを突き合わせて第一突合せ部を形成するとともに、前記段差部の段差側面と、前記第二金属部材の第一側面とを突き合わせて第二突合せ部を形成する突合せ工程と、前記第一金属部材の裏面及び前記第二金属部材の第一側面で形成される内隅からレーザー光を照射し、当該レーザー光の照射位置を前記第二突合せ部に沿って相対移動させて前記第二突合せ部をレーザー溶接する内隅溶接工程と、前記第一金属部材の表面側から第一回転ツールの攪拌ピンのみを挿入し、前記第一回転ツールの攪拌ピンのみを前記第一金属部材のみか又は前記第一金属部材と前記第二金属部材との両方に接触させた状態で前記第一回転ツールを前記段差部に沿って相対移動させて、前記第一突合せ部を摩擦攪拌接合する第一突合せ部摩擦攪拌工程とを含むことを特徴とする。

本発明によれば、内隅の第二突合せ部をレーザー溶接で接合するので、コンタミネーションを低減することができる。また、第一突合せ部摩擦攪拌工程によれば、摩擦攪拌装置にかかる負荷を軽減することができる。

また、別の本発明は、端部の裏面に段差部が形成された板状の第一金属部材を用意するとともに、板状の第二金属部材を用意する準備工程と、前記第一金属部材の前記段差部の段差底面と、前記第二金属部材の端面とを突き合わせて第一突合せ部を形成するとともに、前記段差部の段差側面と、前記第二金属部材の第一側面とを突き合わせて第二突合せ部を形成する突合せ工程と、前記第一金属部材の裏面及び前記第二金属部材の第一側面で形成される内隅からレーザー光を照射し、当該レーザー光の照射位置を前記第二突合せ部に沿って相対移動させて前記第二突合せ部をレーザー溶接する内隅溶接工程と、前記第一金属部材の表面側からショルダ部と攪拌ピンとを備えた第二回転ツールの攪拌ピンを挿入し、前記ショルダ部を前記第一金属部材の表面に接触させた状態で、前記第二回転ツールの攪拌ピンを前記第一金属部材のみか又は前記第一金属部材と前記第二金属部材との両方に接触させて前記第二回転ツールを前記段差部に沿って相対移動させて、前記第一突合せ部を摩擦攪拌接合する第一突合せ部摩擦攪拌工程とを含むことを特徴とする。

本発明によれば、内隅の第二突合せ部をレーザー溶接で接合するので、コンタミネーションを低減することができる。また、第一突合せ部摩擦攪拌工程によれば、ショルダ部で塑性流動材を抑えることができるので、バリの発生を抑制することができる。

前記の場合に、前記第一金属部材の端面及び前記第二金属部材の第二側面から第一回転ツールの攪拌ピンのみを挿入し、当該第一回転ツールを前記第一突合せ部に沿って相対移動させて前記第一突合せ部を摩擦攪拌接合する外隅摩擦攪拌工程をさらに含むことを特徴とするのが好ましい。

あるいは、前記第一金属部材の端面及び前記第二金属部材の第二側面からショルダ部及び攪拌ピンを備えた第二回転ツールの攪拌ピンを挿入し、前記ショルダ部を前記第一金属部材及び前記第二金属部材に接触させた状態で前記第一突合せ部に沿って相対移動させて前記第一突合せ部を摩擦攪拌接合する外隅摩擦攪拌工程をさらに含むことを特徴とするのが好ましい。

これらの本発明によれば、第一突合せ部を強固に接合することができる。

前記の場合に、前記内隅溶接工程又は前記第一突合せ部摩擦攪拌工程を行う前に、前記第一金属部材の端面及び前記第二金属部材の第二側面側から前記第一突合せ部に対してスポット仮付けを行う外隅仮接合工程をさらに含むことを特徴とするのが好ましい。
本発明によれば、第一金属部材と第二金属部材とが位置ずれしにくく、内隅溶接工程及び第一突合せ部摩擦攪拌工程を容易に行うことができる。

前記の場合に、前記内隅溶接工程又は前記第一突合せ部摩擦攪拌工程を行う前に、前記第一金属部材の裏面及び前記第二金属部材の第一側面で形成される内隅から前記第二突合せ部に対してレーザースポット溶接を行う内隅仮接合工程をさらに含むことを特徴とするのが好ましい。
本発明によれば、第一金属部材と第二金属部材とが位置ずれしにくく、内隅溶接工程及び第一突合せ部摩擦攪拌工程を容易に行うことができる。

本発明によれば、金属部材同士の内隅におけるコンタミネーションの発生を低減することができる。

本発明の第一実施形態に係る準備工程及び突合せ工程を示す断面図である。 本発明の第一実施形態に係る外隅仮接合工程を示す斜視図である。 本発明の第一実施形態に係る内隅仮接合工程を示す斜視図である。 本発明の第一実施形態に係る内隅溶接工程を示す斜視図である。 本発明の第一実施形態に係る内隅溶接工程を示す断面図である。 本発明の第一実施形態に係る第一突合せ部摩擦攪拌工程を示す斜視図である。 本発明の第一実施形態に係る第一突合せ部摩擦攪拌工程を示す断面図である。 本発明の第一実施形態に係る外隅摩擦攪拌工程を示す斜視図である。 本発明の第一実施形態に係る外隅摩擦攪拌工程を示す断面図である。 本発明の第二実施形態に係る第一突合せ部摩擦攪拌工程を示す断面図である。 本発明の第三実施形態に係る外隅摩擦攪拌工程を示す断面図である。

［第一実施形態］
本発明の第一実施形態に係る接合方法について図面を参照して詳細に説明する。図１に示すように、第一実施形態に係る接合方法では、第一金属部材１と第二金属部材２とをＬ字状に突き合わせて接合する。第一実施形態に係る接合方法は、準備工程と、突合せ工程と、外隅仮接合工程と、内隅仮接合工程と、内隅溶接工程と、第一突合せ部摩擦攪拌工程と、外隅摩擦攪拌工程と、を行う。なお、説明における「表面」とは、「裏面」に対する反対側の面という意味である。

準備工程は、図１に示すように、第一金属部材１及び第二金属部材２を用意する工程である。第一金属部材１及び第二金属部材２は、板状の金属部材である。第一金属部材１及び第二金属部材２の材料は、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金、チタン、チタン合金、マグネシウム、マグネシウム合金等の摩擦攪拌可能な金属から適宜選択される。第一金属部材１の端部の裏面１ｃには、段差部１１が形成されている。段差部１１は、段差底面１１ａと、段差底面１１ａから垂直に立ち上がる段差側面１１ｂとで構成されている。段差底面１１ａの幅寸法は、第二金属部材２の板厚寸法と略同一になっている。

突合せ工程は、図１に示すように、第一金属部材１と第二金属部材２とをＬ字状に突き合わせる工程である。突合せ工程では、第一金属部材１の段差底面１１ａに第二金属部材２の端面２ａを突き合わせて第一突合せ部Ｊ１を形成するとともに、段差側面１１ｂに第二金属部材２の第一側面２ｂを突き合わせて第二突合せ部Ｊ２を形成する。第一金属部材１の端面１ａと第二金属部材２の第二側面２ｃとは面一になる。第一金属部材１の裏面１ｃと、第二金属部材２の第一側面２ｂとで内隅Ｕが形成される。

外隅仮接合工程は、図２に示すように、第一金属部材１の端面１ａ及び第二金属部材２の第二側面２ｃ側から第一突合せ部Ｊ１に対してスポット仮付けを行う工程である。スポット仮付けを行う手段としては、摩擦攪拌接合の他、ＭＩＧ溶接（Metal Inert Gas welding）、ＴＩＧ溶接（Tungsten Inert Gas welding）等のアーク溶接やレーザー溶接等の溶接により行うことができる。図２の例では、回転ツール（第一回転ツールＦ）による摩擦攪拌接合によりスポット仮付けを行う例を示している。

第一回転ツールＦは、連結部Ｆ１と、攪拌ピンＦ２とで構成されており、例えば工具鋼で形成されている。連結部Ｆ１は、図示しない摩擦攪拌装置に取り付けられる部位であって、円柱状を呈する。攪拌ピンＦ２は、連結部Ｆ１から垂下しており、連結部Ｆ１と同軸になっている。攪拌ピンＦ２は連結部Ｆ１から離間するにつれて先細りになっている。攪拌ピンＦ２の外周面には螺旋溝が刻設されている。本実施形態では、第一回転ツールＦを右回転させるため、螺旋溝は、基端から先端に向かうにつれて左回りに形成されている。

なお、第一回転ツールＦを左回転させる場合は、螺旋溝を基端から先端に向かうにつれて右回りに形成することが好ましい。螺旋溝をこのように設定することで、摩擦攪拌の際に塑性流動化した金属が螺旋溝によって攪拌ピンＦ２の先端側に導かれる。これにより、被接合金属部材（第一金属部材１と第二金属部材２）の外部に溢れ出る金属の量を少なくすることができる。

第一回転ツールＦでスポット仮付けを行うには、第一金属部材１の端面１ａ及び第二金属部材２の第二側面２ｃ側から第一突合せ部Ｊ１に対して第一回転ツールＦを浅く挿入して、第一突合せ部Ｊ１に所定の間隔をあけてスポットで仮接合を行う。図２の例では、第一回転ツールＦを第一突合せ部Ｊ１に沿って矢印の方向に順次移動させてスポットの仮接合を行っている。これにより、第一突合せ部Ｊ１には、点状の塑性化領域Ｗ０１が形成される。このような外隅仮接合工程は、内隅溶接工程又は第一突合せ部摩擦攪拌工程（何れも後記）の前に行う。すなわち、内隅溶接工程の前でもよいし、第一突合せ部摩擦攪拌工程の前でもよいし、内隅溶接工程及び第一突合せ部摩擦攪拌工程の前でもよい。

内隅仮接合工程は、図３に示すように、第一金属部材１の裏面１ｃ及び第二金属部材２の第一側面２ｂで形成される内隅Ｕから第二突合せ部Ｊ２に対してスポット溶接を行う工程である。スポット溶接にはレーザー溶接を用いるのが好ましい。すなわち、レーザー光を内隅Ｕ（第二突合せ部Ｊ２）に照射させつつ矢印方向に順次移動させ、所定の間隔をあけてスポット溶接を行う。このようにして、スポット溶接を行った部分には、溶接痕Ｗ０２が形成される。このような内隅仮接合工程は、内隅溶接工程又は第一突合せ部摩擦攪拌工程（何れも後記）を行う前に行う。すなわち、内隅溶接工程の前でもよいし、第一突合せ部摩擦攪拌工程の前でもよいし、内隅溶接工程及び第一突合せ部摩擦攪拌工程の前でもよい。
前記の外隅仮接合工程及び内隅仮接合工程は、何れか一方のみを行うだけでもよいし、両方省略してもよい。

内隅溶接工程は、図４、図５に示すように、第一金属部材１の裏面１ｃ及び第二金属部材２の第一側面２ｂで形成される内隅Ｕからレーザー光を照射し、当該レーザー光の照射位置を第二突合せ部Ｊ２に沿って相対移動させて第二突合せ部Ｊ２をレーザー溶接する。すなわち、内隅Ｕの開始位置Ｓｐ１からレーザー光を内隅Ｕ（第二突合せ部Ｊ２）に照射させつつ矢印方向（内隅Ｕに沿った方向）に連続的に移動させて第二突合せ部Ｊ２の全体にレーザー溶接により本接合を行う。レーザー溶接で本接合を行った部分には、溶接痕Ｗ１が形成される。レーザー光は、内隅仮接合工程で用いたものをそのまま使用してもよいし、その他のものを使用してもよい。

第一突合せ部摩擦攪拌工程は、図６、図７に示すように、第一回転ツールＦを第一金属部材１の表面１ｂから挿入し、第一突合せ部Ｊ１を摩擦攪拌接合する工程である。第一突合せ部摩擦攪拌工程では、第一金属部材１の表面１ｂ上で段差部１１の直上の所定位置に設定された開始位置Ｓｐ２に右回転させた第一回転ツールＦを挿入し、段差部１１（第二金属部材２）に沿って第一回転ツールＦを相対移動させる（図６の矢印方向）。図７に示すように、第一回転ツールＦの挿入深さは、本実施形態では、攪拌ピンＦ２が第一金属部材１及び第二金属部材２に接触するように設定している。第一回転ツールＦの移動軌跡には塑性化領域Ｗ２が形成される。なお、攪拌ピンＦ２は、第一金属部材１のみと接触するように挿入深さを設定してもよい。この場合は、攪拌ピンＦ２と第一金属部材１との摩擦熱によって第一突合せ部Ｊ１周りが塑性流動化して接合される。

外隅摩擦攪拌工程は、図８、図９に示すように、外隅から攪拌ピンＦ２を挿入して第一突合せ部Ｊ１を摩擦攪拌接合する工程である。外隅とは、内隅Ｕの反対側を意味し、本実施形態では、第一金属部材１の表面１ｂ、端面１ａ及び第二金属部材２の第二側面２ｃとで構成されている。外隅摩擦攪拌工程では、所定の開始位置Ｓｐ３に右回転させた第一回転ツールＦを挿入し、図８の手前側から奥側に向けて第一突合せ部Ｊ１に沿って第一回転ツールＦを相対移動させる。第一回転ツールＦの移動軌跡には、塑性化領域Ｗ３が形成される。攪拌ピンＦ２の挿入深さは、適宜設定すればよいが、例えば、図９に示すように塑性化領域Ｗ２と塑性化領域Ｗ３とが離間するようにしてもよいし、あるいは、塑性化領域Ｗ２と塑性化領域Ｗ３とが重なるように設定してもよい。

なお、本実施形態では、第一突合せ部攪拌工程の後に、外隅摩擦攪拌工程を行ったが、第一突合せ部攪拌工程の前に外隅摩擦攪拌工程を行ってもよい。
また、第一回転ツールＦは、先端にスピンドルユニット等の駆動手段を備えたロボットアームに取り付けることが好ましい。これにより、後記する外隅摩擦攪拌工程を行う際に、第一回転ツールＦの回転中心軸を容易に傾斜させることができる。

以上説明した本実施形態に係る接合方法によれば、内隅Ｕ（第二突合せ部Ｊ２）の接合をレーザー溶接で行うので、金属部材同士（第一金属部材１及び第二金属部材２）の内隅Ｕにコンタミネーションが発生するのを低減することができる。また、第一突合せ部摩擦攪拌工程によれば、摩擦攪拌装置にかかる負荷を軽減することができる。
外隅摩擦攪拌工程は、必ずしも行わなくてもよいが、外隅摩擦攪拌工程を行うことで、第一突合せ部Ｊ１を強固に接合することができる。また、外隅摩擦攪拌工程を行う場合は、第一突合せ部Ｊ１に対して、二方向から摩擦攪拌接合を行うことになるため、接合後の金属部材の水密性及び気密性を高めることができる。

また、外隅仮接合工程や内隅仮接合工程を行うことで、第一金属部材１と第二金属部材２とが位置ずれしにくく、内隅溶接工程及び第一突合せ部摩擦攪拌工程を容易に行うことができる。すなわち、第一金属部材１と第二金属部材２の目開きを防ぐことができる。また、スポットで仮接合を行うことで接合サイクルを短くすることができる。

［第二実施形態］
以下の実施形態の説明において、第一実施形態と同一の部材等には同一の符号を用い、共通する技術内容については説明を省略する。
第二実施形態に係る接合方法は、準備工程と、突合せ工程と、外隅仮接合工程と、内隅仮接合工程と、内隅溶接工程と、第一突合せ部摩擦攪拌工程と、外隅摩擦攪拌工程と、を行う。第二実施形態が第一実施形態と異なるのは、第一突合せ部摩擦攪拌工程の手法にある。他の工程については第一実施形態と共通であるため、説明は省略する。

以下では、第一突合せ部摩擦攪拌工程について説明する。第二実施形態の第一突合せ部摩擦攪拌工程は、図１０に示すように、第一回転ツールＦに代えて、第二回転ツールＧを用いている。第二回転ツールＧは、ショルダ部Ｇ１と、ショルダ部Ｇ１の下端面Ｇ１ａから垂下する攪拌ピンＧ２とを有する。当該第一突合せ部摩擦攪拌工程では、ショルダ部Ｇ１の下端面Ｇ１ａを第一金属部材１の表面１ｂに接触させるか又は数ミリ程度押し込みながら第一突合せ部Ｊ１に沿って摩擦攪拌接合を行う。

第二実施形態によれば、ショルダ部Ｇ１で塑性流動材を抑えることができるため、摩擦攪拌接合に伴うバリの発生を少なくすることができる。この第一突合せ部摩擦攪拌工程では、第二回転ツールＧの攪拌ピンＧ２を第一金属部材１のみ、又は、第一金属部材１及び第二金属部材２に接触させた状態で第一突合せ部Ｊ１を摩擦攪拌接合する。なお、攪拌ピンＧ２は、第一金属部材１のみと接触するように挿入深さを設定する場合は、攪拌ピンＧ２と第一金属部材１との摩擦熱によって第一突合せ部Ｊ１周りが塑性流動化して接合される。
その他、第二実施形態によれば、第一実施形態と同様の効果を奏することができる。

［第三実施形態］
第三実施形態に係る接合方法は、準備工程と、突合せ工程と、外隅仮接合工程と、内隅仮接合工程と、内隅溶接工程と、第一突合せ部摩擦攪拌工程と、外隅摩擦攪拌工程と、を行う。第二実施形態が第一実施形態と異なるのは、外隅摩擦攪拌工程の手法にある。他の工程については第一実施形態と共通であるため、説明は省略する。

第三実施形態の外隅摩擦攪拌工程は、図１１に示すように、第一回転ツールＦに代えて、第二回転ツールＧを用いている。第二回転ツールＧについては、第二実施形態に説明したとおりである。この場合に、図１１に示すように、塑性化領域Ｗ２の一部も外隅摩擦攪拌工程で摩擦攪拌を行ってもよいし、塑性化領域Ｗ２と塑性化領域Ｗ３とを接触しないようにしてもよい。外隅摩擦攪拌工程を行うときは、ショルダ部Ｇ１を端面１ａ及び第二側面２ｃに数ミリ程度押し込む。
第二実施形態によれば、ショルダ部Ｇ１で塑性流動材を抑えることができるため、バリの発生を少なくすることができる。
その他、第三実施形態によれば、第一実施形態と同様の効果を奏することができる。

１ 第一金属部材
１ａ 端面
１ｂ 表面
１ｃ 裏面
２ 第二金属部材
２ａ 端面
２ｂ 第一側面
２ｃ 第二側面
１１ 段差部
１１ａ 段差底面
１１ｂ 段差側面
Ｆ 第一回転ツール
Ｆ２ 攪拌ピン
Ｇ 第二回転ツール
Ｇ１ ショルダ部
Ｇ２ 攪拌ピン
Ｊ１ 第一突合せ部
Ｊ２ 第二突合せ部
Ｕ 内隅

Claims (6)

1. 端部の裏面に段差部が形成された板状の第一金属部材を用意するとともに、板状の第二金属部材を用意する準備工程と、
   前記第一金属部材の前記段差部の段差底面と、前記第二金属部材の端面とを突き合わせて第一突合せ部を形成するとともに、前記段差部の段差側面と、前記第二金属部材の第一側面とを突き合わせて第二突合せ部を形成する突合せ工程と、
   前記第一金属部材の裏面及び前記第二金属部材の第一側面で形成される内隅からレーザー光を照射し、当該レーザー光の照射位置を前記第二突合せ部に沿って相対移動させて前記第二突合せ部をレーザー溶接する内隅溶接工程と、
   前記第一金属部材の表面側から第一回転ツールの攪拌ピンのみを挿入し、前記第一回転ツールの攪拌ピンのみを前記第一金属部材のみ又は前記第一金属部材と前記第二金属部材との両方に接触させた状態で前記第一回転ツールを前記段差部に沿って相対移動させて、前記第一突合せ部を摩擦攪拌接合する第一突合せ部摩擦攪拌工程とを含むことを特徴とする接合方法。
2. 端部の裏面に段差部が形成された板状の第一金属部材を用意するとともに、板状の第二金属部材を用意する準備工程と、
   前記第一金属部材の前記段差部の段差底面と、前記第二金属部材の端面とを突き合わせて第一突合せ部を形成するとともに、前記段差部の段差側面と、前記第二金属部材の第一側面とを突き合わせて第二突合せ部を形成する突合せ工程と、
   前記第一金属部材の裏面及び前記第二金属部材の第一側面で形成される内隅からレーザー光を照射し、当該レーザー光の照射位置を前記第二突合せ部に沿って相対移動させて前記第二突合せ部をレーザー溶接する内隅溶接工程と、
   前記第一金属部材の表面側からショルダ部と攪拌ピンとを備えた第二回転ツールの攪拌ピンを挿入し、前記ショルダ部を前記第一金属部材の表面に接触させた状態で、前記第二回転ツールの攪拌ピンを前記第一金属部材のみ又は前記第一金属部材と前記第二金属部材との両方に接触させて前記第二回転ツールを前記段差部に沿って相対移動させて、前記第一突合せ部を摩擦攪拌接合する第一突合せ部摩擦攪拌工程とを含むことを特徴とする接合方法。
3. 前記第一金属部材の端面及び前記第二金属部材の第二側面から第一回転ツールの攪拌ピンのみを挿入し、当該第一回転ツールを前記第一突合せ部に沿って相対移動させて前記第一突合せ部を摩擦攪拌接合する外隅摩擦攪拌工程をさらに含むことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の接合方法。
4. 前記第一金属部材の端面及び前記第二金属部材の第二側面からショルダ部及び攪拌ピンを備えた第二回転ツールの攪拌ピンを挿入し、前記ショルダ部を前記第一金属部材及び前記第二金属部材に接触させた状態で前記第一突合せ部に沿って相対移動させて前記第一突合せ部を摩擦攪拌接合する外隅摩擦攪拌工程をさらに含むことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の接合方法。
5. 前記内隅溶接工程又は前記第一突合せ部摩擦攪拌工程を行う前に、前記第一金属部材の端面及び前記第二金属部材の第二側面側から前記第一突合せ部に対してスポット仮付けを行う外隅仮接合工程をさらに含むことを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れかの一項に記載の接合方法。
6. 前記内隅溶接工程又は前記第一突合せ部摩擦攪拌工程を行う前に、前記第一金属部材の裏面及び前記第二金属部材の第一側面で形成される内隅から前記第二突合せ部に対してレーザースポット溶接を行う内隅仮接合工程をさらに含むことを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れかの一項に記載の接合方法。

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