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WO2007020883A1 - 摩擦攪拌接合方法および中空体の製造方法 - Google Patents

摩擦攪拌接合方法および中空体の製造方法 Download PDF

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WO2007020883A1
WO2007020883A1 PCT/JP2006/315908 JP2006315908W WO2007020883A1 WO 2007020883 A1 WO2007020883 A1 WO 2007020883A1 JP 2006315908 W JP2006315908 W JP 2006315908W WO 2007020883 A1 WO2007020883 A1 WO 2007020883A1
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WO
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recess
lid
friction stir
cooling medium
probe
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PCT/JP2006/315908
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French (fr)
Inventor
Yoshitaka Nagano
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Resonac Holdings Corp
Original Assignee
Showa Denko KK
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Publication date
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    • B23K20/122—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating the heat being generated by friction; Friction welding using a non-consumable tool, e.g. friction stir welding
    • B23K20/123—Controlling or monitoring the welding process
    • B23K20/1235—Controlling or monitoring the welding process with temperature control during joining
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    • B23K2103/00—Materials to be soldered, welded or cut
    • B23K2103/08—Non-ferrous metals or alloys
    • B23K2103/10—Aluminium or alloys thereof

Definitions

  • the present invention relates to a friction stir welding method for manufacturing metal products used in various industries, and a method for manufacturing a hollow body.
  • the friction stir welding method is a solid phase bonding method, there is an advantage that deformation and cracking due to thermal strain are less likely to occur compared to arc welding methods such as TIG and MIG. Also, in order to join materials to be welded made of light metals such as aluminum so that the penetration depth is 5 mm or more, arc welding requires multi-layer welding, which increases the number of processes and increases the number of processes. There is a problem that the bonding quality deteriorates due to the occurrence of hole defects and high temperature cracks. Also, according to the electron beam welding method, even if the penetration depth is 5 mm or more, it can be joined in one pass.
  • the equipment cost is high, and the force is also small because the beam diameter is small.
  • the friction stir welding method can be easily joined in one pass up to a joining depth of about 25 mm, and defects such as those described in arc welding are unlikely to occur. Since no consumables such as gas are used, the implementation cost is low.
  • cooling means that move in synchronization with the friction stir welding tool are arranged on both sides of the friction stir welding tool, and at the time of friction stir welding, the friction stir welding tool While moving the probe and the cooling means, the cooling means force sprays the cooling medium on the front part and the rear part of the probe in the direction of travel.
  • a method of controlling the spray amount with a control device has been proposed (see Patent Document 1).
  • Patent Document 1 JP 2004-148350 A
  • An object of the present invention is to provide a friction stir welding method and a hollow body manufacturing method that solve the above-described problems and that are less expensive to implement than the method described in Patent Document 1. is there.
  • the present invention has the following aspect.
  • the high-temperature deformation resistance of the two materials to be joined is different, and at least the high-temperature deformation resistance of both of the materials to be joined! ) Friction stir welding method.
  • a base having a recess and a lid fitted in the recess and closing the opening of the recess are provided, and a peripheral portion of the lid is provided at an intermediate portion of the height of the inner peripheral surface of the recess.
  • the base and the lid are friction stir welded, and a cooling medium that takes away latent heat during the friction stir welding is held on the outer surface of the lid.
  • a method for producing a hollow body comprising: agitation and welding.
  • the frictional heat generated at the time of joining is taken away as latent heat by the retained cooling medium, so that the time required for joining is long or the deformation resistance is large.
  • an increase in the temperature difference between the joining start part and joining end part is suppressed. It is possible to suppress a large difference in the bonding quality with respect to the length direction of the bonding portion.
  • a significant temperature rise at the junction end is suppressed, the occurrence of defects at the junction end is prevented. Therefore, a predetermined bonding strength can be ensured over the entire bonding portion, and the appearance of the bonding bead is stabilized.
  • the following effects are obtained.
  • the temperature rises remarkably as the amount of generated frictional heat increases, so that the temperature difference between the joining start part and the joining end part becomes remarkably large.
  • such a problem can be prevented by holding a cooling medium on the surface of the material to be joined, which has a high temperature deformation resistance.
  • the cooling medium can be held on the material to be joined relatively easily.
  • the frictional heat generated at the time of joining is held by the lid !, and is taken away as latent heat by the cooling medium, so that the time required for joining is long or the deformation resistance is low.
  • the temperature difference between the joining start part and joining end part is suppressed, and a large difference in joining quality occurs in the length direction of the joining part. It is suppressed.
  • the manufactured hollow body can ensure a predetermined bonding strength over the entire bonding portion between the lid and the base, and stabilize the appearance of the bonding bead.
  • the cooling medium can be held on the lid relatively easily.
  • aluminum includes aluminum as well as pure aluminum.
  • This embodiment is shown in FIGS. 1 to 3 and is a method of manufacturing a hollow body including a base having a recess and a lid fitted in the recess and closing the opening of the recess.
  • a base (1) having a recess (2) having a circular inner peripheral surface, and a disk-like shape fitted into the recess (2) and closing the opening of the recess (2) Prepare the lid (3).
  • a step (4) that supports the peripheral edge of the lid (3) is formed in the recess (2) on the bottom side of the inner peripheral surface of the base (1).
  • the thickness of the lid (3) is smaller than the entire depth of the recess (2) and equal to the depth of the upper portion of the recess (2) above the step (4).
  • the diameter of the lid (3) is equal to or slightly smaller than the inner diameter of the portion (4) above the step (4) in the recess (2).
  • a cylindrical cooling medium holding part (5) with a cooling medium accommodating recess (6) inside is concentric with the lid (3). It is integrally formed to be.
  • the base (1) and the lid (3) are each formed of, for example, any one of a JIS A2000 alloy, a JIS A5000 alloy, a JIS A6000 alloy, and a JIS A7000 alloy.
  • the base (1) and the lid (3) may be made of the same material or may be made of different materials.
  • the lid (3) is fitted into the recess (2) and the periphery thereof is supported by the stepped portion (4), so that the periphery of the recess (2) in the base (1) is supported. Place the upper surface of the part and the upper surface of the lid (3) in the same plane. (See Fig. 1).
  • the inner peripheral surface of the portion above the step (4) in the recess (2) of the base (1) and the outer peripheral surface of the lid (3) are close to each other in a circumferential shape. It becomes a part.
  • a cooling medium in a liquid phase such as water, ethanol, or liquid nitrogen is placed in the cooling medium accommodating recess (6) of the holding part (5) of the lid (3), and the friction stir welding tool (7) Is used to friction stir weld the base (1) and the lid (3).
  • the liquid phase cooling medium cools the base (1) and the lid (3) by removing latent heat during the phase change.
  • the friction stir welding tool (7) includes a cylindrical rotor (8) in which a small diameter portion (8a) is coaxially formed integrally at a tip portion via a tapered portion, and a rotor (8).
  • the small-diameter portion (8a) is provided with a pin-like probe (9) integrally formed on the same axis as the small-diameter portion (8a) and having a smaller diameter than the small-diameter portion (8a).
  • the rotor (8) and the probe (9) are made of a material that is harder than the base (1) and the lid (3) and has heat resistance that can withstand the frictional heat generated during joining.
  • the opening peripheral edge of the recess (2) and the peripheral edge of the lid (3) in the base (1) extend over the entire circumference. Be joined.
  • the probe (9) returns to the implantation position, preferably after passing through the implantation position, the probe is linearly moved in the tangential direction of the site to be joined and placed on the outer periphery of the base. The probe is moved to (not shown), and the probe (9) is pulled out here.
  • the base (1) and the lid (3) are friction stir welded to produce a hollow body.
  • the diameter (dl) of the shoulder (8b) at the end surface of the small diameter part (8a) of the rotor (8): 20mm, the diameter (d2) of the probe (9) : 9mm, probe (9) length (1): 10mm was prepared.
  • the base and the lid were friction stir welded in the same manner as in the above experimental example, except that a lid having no holding part was used.
  • the position advanced 5 degrees in the probe advancing direction from the welding start point 2mm depth from the surface at the first point at the position and the second point at which the welding end point force is also 355 degrees in the direction of probe travel The temperature of was measured using a thermocouple. Table 1 shows the maximum temperature. From Table 1, in the experimental example, compared with the comparative example, the temperature difference between the first point and the second point on both the inside and outside of the site to be welded is smaller, and the first point and the number on the inside and outside of the site to be joined are smaller. It can be seen that the maximum temperature reached at two points is also low.
  • This embodiment is shown in FIG. 4 and is a method of manufacturing a hollow body comprising a base having a recess and a lid fitted in the recess and closing the opening of the recess.
  • the holding portion (5) is formed on the upper surface of the lid (3). Also, during friction stir welding, the base (1) is placed on the turntable (20), and the base (1) is placed on the turntable (20 by a plurality of base clamping members (21) provided on the turntable (20). ) Fix on top. Further, the lid (3) is fixed to the base (1) by a lid clamping member (22) provided separately from the turntable (20).
  • a holding part (23) having a bottomed cooling medium accommodation recess (24) is provided in the lid clamping member (22), and the cooling medium accommodation recess (24) of the holding part (23) is provided.
  • the base (1) and the lid (3) are friction stir welded in the same manner as in Embodiment 1 with the liquid-phase cooling medium inside.
  • the other configuration is the same as the method for manufacturing the hollow body of the first embodiment.
  • a vertical through hole is formed at the tip of the lid clamping member (22).
  • the through hole may be formed as a cooling medium accommodating recess (24).
  • the cooling medium in the liquid phase may leak the cooling medium housing recess (24) force, but there is no particular problem because the cooling medium takes away latent heat.
  • This embodiment is shown in FIG. 5, and is a method of friction stir welding two plate-like workpieces.
  • Both the materials to be joined (30) are made of any one of JIS A2000 alloy, JIS A5000 alloy, JIS A6000 alloy and JIS A7000 alloy, for example. Both materials to be joined (30) may be made of the same material, or may be made of different materials.
  • both the members to be joined (30) are arranged so that the side edge portions come into contact with each other, and the vicinity of the abutting portions in both the to-be-joined materials (30) is respectively clamped over almost the entire length of the abutting portions.
  • the portion where the side edge portions of the two materials to be joined (30) are in contact with each other is the linear joining scheduled portion.
  • the clamp member (31) is provided with a holding portion (32) having a cooling medium accommodating recess (33).
  • a liquid phase cooling medium such as water, ethanol, liquid nitrogen, or the like is placed in the cooling medium accommodating recess (33) of the holding part (32) of the clamp member (31).
  • the holding member (32) having the cooling medium accommodating recess (33) is formed on the clamp member (31) for fixing both the members to be joined (30). This is not limited to this. If either one of the materials to be joined (30) has a high temperature deformation resistance, or if the heat capacity S is small, the clamp part that fixes the material to be joined. Only the material (31) may be provided with a holding portion (32) having a cooling medium accommodating recess (33). Also, if either one of the materials to be joined (30) has a high temperature deformation resistance, or if the heat capacity is small, the material to be joined has a cooling medium accommodating recess. The parts may be formed as a single unit.
  • a force using a liquid-phase cooling medium may be used instead of a solid-phase cooling medium such as ice or dry ice.
  • the amount of the cooling medium to be used is determined experimentally. In other words, the amount of the cooling medium that will not be lost even at the end of the friction stir welding is obtained on a trial basis.
  • the method for producing a hollow body according to the present invention is applied to produce a hollow body used in various industries.
  • FIG. 1 is a vertical sectional view showing a part of a process in a hollow body manufacturing method according to Embodiment 1 of the present invention.
  • 2 A partially enlarged vertical sectional view showing another part of the process in the method for manufacturing the hollow body according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a vertical sectional view showing still another part of the process in the method for manufacturing the hollow body according to the first embodiment of the present invention.
  • ⁇ 4 A vertical sectional view showing a part of a process in the method for manufacturing a hollow body according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a perspective view showing a part of a process in the friction stir welding method for a material to be joined according to Embodiment 3 of the present invention.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Pressure Welding/Diffusion-Bonding (AREA)

Abstract

　凹所２を有するベース１と、凹所２内に嵌め入れられかつ凹所２の開口を塞ぐ蓋３とを用意する。凹所２の内周面における高さの中間部に、蓋３の周縁部を受ける段部４を形成する。蓋３の外面に、冷却媒体収容凹部６を有する円筒状の保持部５を一体に形成しておく。蓋３を凹所２内に嵌め入れて段部４上に乗せる。蓋３の保持部５の冷却媒体収容凹部６内に、潜熱を奪う冷却媒体を入れておく。ベース１における凹所２の開口周縁部と蓋３の周縁部とに跨るように外側から摩擦攪拌接合用工具７のプローブ９を埋入し、ついでプローブ９を回転させつつベース１および蓋３とプローブ９とを相対的に移動させることによって、ベース１と蓋３とを摩擦攪拌接合する。この中空体の製造方法によれば、実施のためのコストが安価になる。

Description

明 細 書
摩擦攪拌接合方法および中空体の製造方法
技術分野
[0001] この発明は、各種産業において利用される金属製品を製造するための摩擦攪拌接 合方法、および中空体の製造方法に関する。
背景技術
[0002] 摩擦攪拌接合方法は固相接合方法であることから、 TIGや MIGなどのアーク溶接 法に比較して熱歪みによる変形や割れが生じにくいという利点がある。また、アルミ- ゥムなどの軽金属からなる被接合材を溶け込み深さが 5mm以上となるように接合す るには、アーク溶接法では多層溶接する必要があって工程数が増えるとともに、プロ 一ホール欠陥や高温割れが発生して接合品質が低下するという問題がある。また、 電子ビーム溶接法によれば、溶け込み深さが 5mm以上であっても 1パスで接合可能 であるが、真空中で行う必要があるため装置コストが高くなり、し力もビーム径が小さ いために開先の寸法精度や位置決め精度を高めなければならず、その作業が面倒 である。これに対し、摩擦攪拌接合方法は、接合深さが 25mm程度までは容易に 1 パスで接合することができ、アーク溶接で述べたような欠陥が発生することはなぐま た溶加材ゃシールドガスなどの消耗品も使用しないので実施コストが安価になる。
[0003] しかしながら、摩擦攪拌接合方法においても、接合長さが長い場合や、接合深さが 深い場合や、被接合材の変形抵抗が大きい場合などには、接合時に発生する摩擦 熱量が著しく多くなる。したがって、接合に要する時間が長い場合や、変形抵抗の大 ヽ材質からなる被接合材を接合する場合や、熱の溜まりやす!/ヽ形状の被接合材を 接合する場合などには、接合開始部と接合終了部の温度差が大きくなり、接合部の 長さ方向に関して接合品質に大きな差が生じるという問題がある。
[0004] このような問題を解決した摩擦攪拌接合方法として、摩擦攪拌接合工具の両側に、 摩擦攪拌接合工具と同期して移動する冷却手段を配置し、摩擦攪拌接合時に、摩 擦攪拌接合工具のプローブと冷却手段を移動させながら、プローブの進行方向前側 部分および進行方向後側部分に、冷却手段力も冷却媒体を噴霧するとともに、この 噴霧量を制御装置により制御する方法が提案されている (特許文献 1参照)。
[0005] しかしながら、特許文献 1記載の方法では、冷却手段を摩擦攪拌接合工具と同期し て移動させる必要があるとともに、冷却手段力 の冷却媒体の噴霧量を制御装置に より制御する必要があり、この方法を実施するための装置のコストが高くなるという問 題がある。また、プローブの進行方向前側部分にも冷却媒体を噴霧しているので、冷 却媒体が未だ接合されて 、な 、被接合材の界面に侵入し、この状態で接合されるお それがあるので、接合品質が低下することがある。
特許文献 1 :特開 2004— 148350号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0006] この発明の目的は、上記問題を解決し、特許文献 1記載の方法に比較して、実施 のためのコストが安価になる摩擦攪拌接合方法および中空体の製造方法を提供する ことにある。
課題を解決するための手段
[0007] 本発明は、上記目的を達成するために以下の態様力もなる。
[0008] 1)2つの金属製被接合材の接合予定部位に摩擦攪拌接合用工具のプローブを埋 入し、プローブを回転させつつプローブと両被接合材とを相対的に移動させることに より、プローブを両被接合材の接合予定部位に沿って移動させて両被接合材を摩擦 攪拌接合する方法であって、少なくとも!/、ずれか一方の被接合材におけるプローブ 埋入側の表面に、摩擦攪拌接合中に潜熱を奪う冷却媒体を保持しておき、この状態 で両被接合材を摩擦攪拌接合することを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
[0009] 2)接合予定部位の両側において、各被接合材の表面に冷却媒体を保持しておく 上記 1)記載の摩擦攪拌接合方法。
[0010] 3)両被接合材の熱容量が異なっており、両被接合材のうちの少なくとも熱容量が小 さ ヽ被接合材側の表面に、冷却媒体を保持しておく上記 1)記載の摩擦攪拌接合方 法。
[0011] 4)両被接合材の高温変形抵抗が異なっており、両被接合材のうちの少なくとも高温 変形抵抗の大き!ヽ被接合材側の表面に、冷却媒体を保持しておく上記 1)記載の摩 擦攪拌接合方法。
[0012] 5)冷却媒体を保持すべき被接合材の表面に、冷却媒体収容凹部を有する保持部 を一体に形成しておく上記 1)記載の摩擦攪拌接合方法。
[0013] 6)冷却媒体を保持すべき被接合材を押さえるクランプ部材に、冷却媒体収容凹部 を有する保持部を形成しておく上記 1)記載の摩擦攪拌接合方法。
[0014] 7)凹所を有するベースと、凹所内に嵌め入れられかつ凹所の開口を塞ぐ蓋とを用 意し、凹所の内周面における高さの中間部に、蓋の周縁部を受ける段部を形成して おき、蓋を凹所内に嵌め入れて段部上に乗せた後、ベースにおける凹所の開口周 縁部と蓋の周縁部とに跨るように外側カゝら摩擦攪拌接合用工具のプローブを埋入し 、ついでプローブを回転させつつベースおよび蓋とプローブとを相対的に移動させる ことによって、プローブを凹所の開口周縁部と蓋の周縁部の全周にわたって移動さ せ、ベースと蓋とを摩擦攪拌接合する中空体の製造方法であって、蓋の外面に、摩 擦攪拌接合中に潜熱を奪う冷却媒体を保持しておき、この状態でベースと蓋とを摩 擦攪拌接合することを特徴とする中空体の製造方法。
[0015] 8)蓋の外面に、冷却媒体収容凹部を有する保持部を一体に形成しておく上記 7)記 載の中空体の製造方法。
[0016] 9)蓋を押さえるクランプ部材に、冷却媒体収容凹部を有する保持部を形成しておく 上記 7)記載の中空体の製造方法。
発明の効果
[0017] 上記 1)〜4)の方法によれば、接合時に発生する摩擦熱は、保持されている冷却媒 体に潜熱として奪われるので、接合に要する時間が長い場合や、変形抵抗の大きい 材質からなる被接合材を接合する場合や、熱の溜まりやす!ヽ形状の被接合材を接合 する場合などにも、接合開始部と接合終了部の温度差が大きくなることが抑制される とともに、接合部の長さ方向に関して接合品質に大きな差が生じることが抑制される。 また、接合終了部における著しい温度上昇が抑制されるので、接合終了部での欠陥 の発生が防止される。したがって、接合部の全体にわたって所定の接合強度を確保 することができるとともに、接合ビードの外観が安定する。し力も、接合予定部位の全 長にわたって冷却媒体を保持しておくだけでよいので、特許文献 1記載の方法のよう に、冷却手段を移動させる手段や制御装置を必要とせず、実施のためのコストが安く なる。さら〖こ、冷却媒体が未だ接合されていない被接合材の界面に侵入することが防 止されるので、接合品質の低下が抑制される。
[0018] 上記 3)の方法によれば、次の効果を奏する。すなわち、熱容量の小さい被接合材 の場合には、摩擦熱の入熱による温度上昇が著しくなるので、接合開始部と接合終 了部の温度差が著しく大きくなり、接合部の長さ方向に関して接合品質に大きな差が 生じるとともに、温度が大きく上昇する接合終了部において欠陥が発生しやすい。と ころが、熱容量が小さい被接合材側の表面に、冷却媒体を保持しておくと、このよう な問題の発生が防止される。
[0019] 上記 4)の方法によれば、次の効果を奏する。すなわち、高温変形抵抗の大き!、被 接合材の場合には、発生する摩擦熱量が多くなつて温度上昇が著しくなるので、接 合開始部と接合終了部の温度差が著しく大きくなり、接合部の長さ方向に関して接 合品質に大きな差が生じるとともに、温度が大きく上昇する接合終了部において欠陥 が発生しやすい。ところが、高温変形抵抗が大きい被接合材側の表面に、冷却媒体 を保持しておくと、このような問題の発生が防止される。
[0020] 上記 5)の方法によれば、冷却媒体を比較的簡単に被接合材に保持することができ る。
[0021] 上記 6)の方法によれば、被接合材毎に保持部を形成しておく必要がなぐ多くの被 接合材に適用することが可能になる。
[0022] 上記 7)の方法によれば、接合時に発生する摩擦熱は、蓋に保持されて!、る冷却媒 体に潜熱として奪われるので、接合に要する時間が長い場合や、変形抵抗の大きい 材質力もなるベースや蓋を接合する場合などにも、接合開始部と接合終了部の温度 差が大きくなることが抑制されるとともに、接合部の長さ方向に関して接合品質に大き な差が生じることが抑制される。また、接合終了部における著しい温度上昇が抑制さ れるので、接合終了部での欠陥の発生が防止される。したがって、製造された中空 体にぉ 、ては、蓋とベースとの接合部の全体にわたって所定の接合強度を確保する ことができるとともに、接合ビードの外観が安定する。しかも、蓋に冷却媒体を保持し ておくだけでよいので、特許文献 1記載の方法のように、冷却手段を移動させる手段 や制御装置を必要とせず、実施のためのコストが安くなる。さらに、冷却媒体が未だ 接合されていない蓋とベースの界面に侵入することが防止されるので、接合品質の 低下が抑制される。
[0023] 上記 8)の方法によれば、冷却媒体を比較的簡単に蓋に保持することができる。
[0024] 上記 9)の方法によれば、中空体を構成する蓋毎に保持部を形成しておく必要がな くなる。
発明を実施するための最良の形態
[0025] 以下、この発明の実施形態を、図面を参照して説明する。なお、全図面を通じて同 一部分および同一物には同一符号を付して重複する説明を省略する。
[0026] 以下の説明において、「アルミニウム」という用語には、純アルミニウムの他にアルミ
-ゥム合金を含むものとする。
[0027] 実施形態 1
この実施形態は図 1〜図 3に示すものであり、凹所を有するベースと、凹所内に嵌 め入れられかつ凹所の開口を塞ぐ蓋とよりなる中空体を製造する方法である。
[0028] まず、内周面が円形である凹所 (2)を有するベース (1)と、凹所 (2)内に嵌め入れられ かつ凹所 (2)の開口を閉鎖する円板状の蓋 (3)とを用意する。ベース (1)の凹所 (2)内周 面における底側の部分に、蓋 (3)の周縁部を支持する段部 (4)を形成しておく。蓋 (3)の 肉厚は凹所 (2)全体の深さよりも小さくかつ凹所 (2)における段部 (4)よりも上方の部分 の深さと等しくしておく。蓋 (3)の直径は、凹所 (2)における段部 (4)よりも上方の部分の 内径と等しいか、あるいはこれよりも若干小さくなつている。ベース (1)よりも熱容量の 小さい蓋 (3)の上面には、内部が冷却媒体収容凹部 (6)となされた円筒状の冷却媒体 保持部 (5)が、蓋 (3)と同心状となるように一体に形成されている。
[0029] ベース (1)および蓋 (3)は、それぞれ、たとえば JIS A2000系合金、 JIS A5000系合 金、 JIS A6000系合金および JIS A7000系合金のうちのいずれかにより形成されて いる。ベース (1)および蓋 (3)は同じ材料で形成されていてもよいし、あるいは異なる材 料で形成されて ヽてもよ ヽ。
[0030] ついで、蓋 (3)を凹所 (2)内に嵌め入れてその周縁部を段部 (4)に支持させることによ り、ベース (1)における凹所 (2)の周囲の部分の上面と蓋 (3)の上面とを同一面内に位 置させる（図 1参照)。ここで、ベース (1)の凹所 (2)における段部 (4)よりも上方の部分の 内周面と、蓋 (3)の外周面とが近接した部分が、円周状の接合予定部位となる。
[0031] そして、蓋 (3)の保持部 (5)の冷却媒体収容凹部 (6)内に、水、エタノール、液体窒素 などの液相の冷却媒体を入れ、摩擦攪拌接合用工具 (7)を用いてベース (1)と蓋 (3)と を摩擦攪拌接合する。液相の冷却媒体は、相変化の際に潜熱を奪うことによりベース (1)および蓋 (3)を冷却する。
[0032] 摩擦攪拌接合用工具 (7)は、先端部にテーパ部を介して小径部 (8a)が同軸上に一 体に形成された円柱状回転子 (8)と、回転子 (8)の小径部 (8a)の端面に小径部 (8a)と同 軸上に一体に形成されかつ小径部 (8a)よりも小径であるピン状プローブ (9)とを備えて いる。回転子 (8)およびプローブ (9)は、ベース (1)および蓋 (3)よりも硬質でかつ接合時 に発生する摩擦熱に耐えうる耐熱性を有する材料で形成されている。
[0033] ついで、摩擦攪拌接合用工具 (7)の回転子 (8)およびプローブ (9)を回転させながら、 上記接合予定部位における周方向の 1箇所に、ベース (1)における凹所 (2)の開口周 縁部と蓋 (3)の周縁部とに跨るように外側から摩擦攪拌接合用工具 (7)のプローブ (9)を 埋入するとともに、工具 (7)における小径部 (8a)とプローブ (9)との間の肩部 (8b)を、ベ ース (1)および蓋 (3)の上面に押し付ける（図 2参照)。
[0034] ついで、回転子 (8)およびプローブ (9)を回転させながら、ベース (1)および蓋 (3)と摩 擦攪拌接合用工具 (7)とを相対的に移動させることによって、プローブ (9)を上記接合 予定部位の周方向に移動させる。
[0035] すると、プローブ (9)の回転により発生する摩擦熱と、ベース (1)および蓋 (3)と肩部 (8b )との摺動により発生する摩擦熱とによって、上記接合予定部位の近傍においてべ一 ス (1)および蓋 (3)の母材となる金属は軟ィ匕するとともに、この軟ィ匕部がプローブ (9)の 回転力を受けて攪拌混合され、さらにこの軟ィ匕部がプローブ (9)通過溝を埋めるように 塑性流動した後、摩擦熱を失って冷却固化するという現象が、プローブ (9)の移動に 伴って繰り返されることにより、ベース (1)と蓋 (3)とが接合されていく。接合ビードを (10) で示す (図 3参照)。
[0036] このとき、液相の冷却媒体が潜熱を奪って気化するので、上記摩擦熱が奪われ、ベ ース (1)および蓋 (3)、特にベース (1)に比べて熱容量の小さ!/、蓋 (3)の著し 、温度上昇 が抑制される。
[0037] そして、プローブ (9)が上記接合予定部位の全周にわたって移動したときに、ベース (1)における凹所 (2)の開口周縁部と蓋 (3)の周縁部とが全周にわたって接合される。 ついで、プローブ (9)が埋入位置に戻った後、好ましくは埋入位置を通過した後に、 プローブを上記接合予定部位の接線方向に直線的に移動させ、ベースの外周に配 置した当て部材（図示略)までプローブを移動させ、ここでプローブ (9)を引き抜く。こう して、ベース (1)と蓋 (3)とが摩擦攪拌接合され、中空体が製造される。
[0038] なお、図示は省略したが、摩擦攪拌接合の際には、ベース (1)および蓋 (3)は適当な クランプ部材によりクランプされる。
[0039] 次に、実施形態 1の方法の具体的実験例について、比較例とともに説明する。
[0040] 実験例
JIS A2014— T6からなるベース (1)および蓋 (3)を用意した。ベース (1)の外径 (D1) : 200mm,肉厚 (Tl) : 30mm、凹所 (2)における段部 (4)よりも上方の部分の内径 (D2) ( =蓋 (3)の直径）：100mm、蓋 (3)の肉厚 (T2) ( =凹所 (2)における段部 (4)よりも上方の 部分の深さ）： 10mm,保持部 (5)の高さ (H) : 50mm、保持部 (5)の内径 (D3) : 50mm、 保持部 (5)の外径 (D4)： 70mmである。
[0041] また、摩擦攪拌接合用工具 (7)として、回転子 (8)の小径部 (8a)端面における肩部 (8b )の直径 (dl)： 20mm,プローブ (9)の直径 (d2)： 9mm、プローブ (9)の長さ (1)： 10mmの ものを用意した。
[0042] そして、保持部 (5)の冷却媒体収容凹部 (6)内に、常温の水を深さ 30mmとなるよう に入れておき、プローブ回転数： 500rpm、プローブ進行速度： 20mm/分として、上 記接合予定部位を 360度にわたって摩擦攪拌接合した後、プローブ (9)を接合部の 接線方向に 60mm直線移動させて引き抜 、た。
[0043] 比較例
保持部を持たない蓋を使用した他は、上記実験例と同様にしてベースと蓋とを摩擦 攪拌接合した。
[0044] 評価試験
上述した摩擦攪拌接合の間に、接合開始点カゝらプローブ進行方向に 5度進んだ位 置にある第 1点、および接合終了開始点力もプローブ進行方向に 355度進んだ位置 にある第 2点において、上記接合予定部位から内外両側にそれぞれ 15mm離れた 箇所における表面から 2mmの深さ位置の温度を、熱電対を用いて測定した。その最 高到達温度を表 1に示す。表 1から、実験例においては、比較例に比べて、接合予 定部位の内外両側における第 1点と第 2点での温度差が少なぐかつ接合予定部位 の内外両側における第 1点と第 2点での最高到達温度も低いことが分かる。
[表 1]
Figure imgf000010_0001
[0045] また、接合部の断面を観察した結果、実験例の場合には接合部の全周にわたつて 欠陥は見出されな力つたのに対し、比較例においては第 2点において欠陥が見出さ れた。
[0046] 実施形態 2
この実施形態は図 4に示すものであり、凹所を有するベースと、凹所内に嵌め入れ られかつ凹所の開口を塞ぐ蓋とよりなる中空体を製造する方法である。
[0047] 実施形態 2にお 、ては、蓋 (3)の上面には保持部 (5)は形成されて ヽな 、。また、摩 擦攪拌接合時には、ベース (1)をターンテーブル (20)上に乗せ、ターンテーブル (20) に設けられた複数のベース用クランプ部材 (21)によりベース (1)をターンテーブル (20) 上に固定する。さらに、蓋 (3)はターンテーブル (20)とは別個に設けられた蓋用クラン プ部材 (22)によりベース (1)に固定しておく。
[0048] そして、蓋用クランプ部材 (22)に、有底状の冷却媒体収容凹部 (24)を有する保持部 (23)を設けておき、保持部 (23)の冷却媒体収容凹部 (24)内に液相の冷却媒体を入れ た状態で、実施形態 1の場合と同様にして、ベース (1)と蓋 (3)とを摩擦攪拌接合する。
[0049] その他の構成は、実施形態 1の中空体の製造方法と同じである。
[0050] なお、実施形態 2において、蓋用クランプ部材 (22)の先端部に上下方向の貫通穴を 形成しておき、この貫通穴を冷却媒体収容凹部 (24)としてもよい。この場合、液相の 冷却媒体が冷却媒体収容凹部 (24)力も洩れることがあるが、冷却媒体が潜熱を奪つ て気ィ匕するので、特に問題はない。
[0051] 実施形態 3
この実施形態は図 5に示すものであり、 2つの板状被接合材を摩擦攪拌接合する方 法である。
[0052] まず、肉厚の等しい 2つの板状被接合材 (30)を用意する。両被接合材 (30)は、それ ぞれ、たとえば JIS A2000系合金、 JIS A5000系合金、 JIS A6000系合金および JIS A7000系合金のうちのいずれか〖こより形成されている。両被接合材 (30)は同じ材料 で形成されて 、てもよ 、し、あるいは異なる材料で形成されて 、てもよ 、。
[0053] ついで、両被接合材 (30)を側縁部どうしが当接するように配置し、両被接合材 (30) における当接部分の近傍を、それぞれ当接部分のほぼ全長にわたってクランプ部材 (31)により固定する。ここで、両被接合材 (30)の側縁部どうしが当接した部分が、直線 状の接合予定部位となる。クランプ部材 (31)には、冷却媒体収容凹部 (33)を有する保 持部 (32)を設けておく。
[0054] そして、クランプ部材 (31)の保持部 (32)の冷却媒体収容凹部 (33)内に、水、エタノー ル、液体窒素などの液相の冷却媒体を入れる。
[0055] ついで、摩擦攪拌接合用工具 (7)の回転子 (8)およびプローブ (9)を回転させながら、 両被接合材 (30)の側縁部どうしが当接している上記接合予定部位における長さ方向 の一端部に、両被接合材 (30)に跨るように上側カゝら摩擦攪拌接合用工具 (7)のプロ一 ブ (9)を埋入するとともに、工具 (7)における小径部 (8a)とプローブ (9)との間の肩部 (8b) を、両被接合材 (30)の上面に押し付ける。
[0056] ついで、回転子 (8)およびプローブ (9)を回転させながら、両被接合材 (30)と摩擦攪 拌接合用工具 (7)とを相対的に移動させることによって、プローブ (9)を上記接合予定 部位の長さ方向に移動させる。
[0057] すると、プローブ (9)の回転により発生する摩擦熱と、両被接合材 (30)と肩部 (8b)との 摺動により発生する摩擦熱とによって、上記接合予定部位の近傍において両被接合 材 (30)の母材となる金属は軟ィ匕するとともに、この軟ィ匕部がプローブ (9)の回転カを受 けて攪拌混合され、さらにこの軟ィ匕部がプローブ (9)通過溝を埋めるように塑性流動し た後、摩擦熱を失って冷却固化するという現象が、プローブ (9)の移動に伴って繰り返 されること〖こより、両被接合材 (30)が接合されていく。
[0058] このとき、液相の冷却媒体が潜熱を奪って気化するので、上記摩擦熱が奪われ、両 被接合材 (30)の著 、温度上昇が抑制される。
[0059] そして、プローブ (9)が上記接合予定部位の全長にわたって移動したときに両被接 合材 (30)の側縁部どうしが全長にわたって接合される。ついで、両被接合材 (30)の接 合予定部位の終端部に配置した当て部材（図示略)までプローブ (9)を移動させ、ここ でプローブ (9)を引き抜く。こうして、両被接合材 (30)が摩擦攪拌接合される。
[0060] 上記実施形態 3においては、両被接合材 (30)を固定するクランプ部材 (31)にそれぞ れ冷却媒体収容凹部 (33)を有する保持部 (32)が形成されているが、これに限定され るものではなぐ両被接合材 (30)のうちいずれか一方の被接合材の高温変形抵抗が 大きい場合、または熱容量力 S小さい場合には、その被接合材を固定するクランプ部 材 (31)だけに冷却媒体収容凹部 (33)を有する保持部 (32)を設けてぉ 、てもよ 、。また 、両被接合材 (30)のうちいずれか一方の被接合材の高温変形抵抗が大きい場合、ま たは熱容量が小さ!ヽ場合には、その被接合材に冷却媒体収容凹部を有する保持部 を一体に形成してお 、てもよ 、。
[0061] 上記 3つの実施形態においては、液相の冷却媒体が用いられている力 これに代 えて、氷、ドライアイスなどの固相の冷却媒体を用いてもよい。
[0062] 上記 3つの実施形態において、使用する冷却媒体の量は試験的に求められる。す なわち、摩擦攪拌接合の終了時点においても、無くならないような冷却媒体の量を試 験的に求めておく。
産業上の利用可能性
[0063] この発明による中空体の製造方法は、各種産業にお!、て利用される中空体を製造 するのに適用される。
図面の簡単な説明
[0064] [図 1]この発明の実施形態 1の中空体の製造方法における工程の一部分を示す垂直 断面図である。 圆 2]この発明の実施形態 1の中空体の製造方法における工程の他の一部分を示す 部分拡大垂直断面図である。
圆 3]この発明の実施形態 1の中空体の製造方法における工程のさらに他の一部分 を示す垂直断面図である。
圆 4]この発明の実施形態 2の中空体の製造方法における工程の一部分を示す垂直 断面図である。
圆 5]この発明の実施形態 3の被接合材の摩擦攪拌接合方法における工程の一部分 を示す斜視図である。

Claims

請求の範囲
[1] 2つの金属製被接合材の接合予定部位に摩擦攪拌接合用工具のプローブを埋入し 、プローブを回転させつつプローブと両被接合材とを相対的に移動させることにより、 プローブを両被接合材の接合予定部位に沿って移動させて両被接合材を摩擦攪拌 接合する方法であって、少なくとも 、ずれか一方の被接合材におけるプローブ埋入 側の表面に、摩擦攪拌接合中に潜熱を奪う冷却媒体を保持しておき、この状態で両 被接合材を摩擦攪拌接合することを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
[2] 接合予定部位の両側において、各被接合材の表面に冷却媒体を保持しておく請求 項 1記載の摩擦攪拌接合方法。
[3] 両被接合材の熱容量が異なっており、両被接合材のうちの少なくとも熱容量が小さい 被接合材側の表面に、冷却媒体を保持しておく請求項 1記載の摩擦攪拌接合方法
[4] 両被接合材の高温変形抵抗が異なっており、両被接合材のうちの少なくとも高温変 形抵抗の大き!ヽ被接合材側の表面に、冷却媒体を保持しておく請求項 1記載の摩 擦攪拌接合方法。
[5] 冷却媒体を保持すべき被接合材の表面に、冷却媒体収容凹部を有する保持部を一 体に形成しておく請求項 1記載の摩擦攪拌接合方法。
[6] 冷却媒体を保持すべき被接合材を押さえるクランプ部材に、冷却媒体収容凹部を有 する保持部を形成しておく請求項 1記載の摩擦攪拌接合方法。
[7] 凹所を有するベースと、凹所内に嵌め入れられかつ凹所の開口を塞ぐ蓋とを用意し 、凹所の内周面における高さの中間部に、蓋の周縁部を受ける段部を形成しておき 、蓋を凹所内に嵌め入れて段部上に乗せた後、ベースにおける凹所の開口周縁部と 蓋の周縁部とに跨るように外側カゝら摩擦攪拌接合用工具のプローブを埋入し、つい でプローブを回転させつつベースおよび蓋とプローブとを相対的に移動させることに よって、プローブを凹所の開口周縁部と蓋の周縁部の全周にわたって移動させ、ベ ースと蓋とを摩擦攪拌接合する中空体の製造方法であって、蓋の外面に、摩擦攪拌 接合中に潜熱を奪う冷却媒体を保持しておき、この状態でベースと蓋とを摩擦攪拌 接合することを特徴とする中空体の製造方法。 蓋の外面に、冷却媒体収容凹部を有する保持部を一体に形成しておく請求項 7記載 の中空体の製造方法。
蓋を押さえるクランプ部材に、冷却媒体収容凹部を有する保持部を形成しておく請 求項 7記載の中空体の製造方法。
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