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技術 接合方法

出願人 日本軽金属株式会社
発明者 堀久司瀬尾伸城
出願日 2018年8月22日 (2年3ヶ月経過) 出願番号 2018-155624
公開日 2020年2月27日 (9ヶ月経過) 公開番号 2020-028897
状態 未査定
技術分野 圧接、拡散接合
主要キーワード 断面視矩形 金属部材同士 回転ツール バリ除去 攪拌ピン 板厚寸法 塑性流動材 ショルダ
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2020年2月27日)のものです。
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図面 (9)

課題

接合強度を高めることができ、第一金属部材の表面にバリが発生するのを防ぐことができるとともに、摩擦攪拌装置にかかる負荷を小さくすることができる接合方法を提供することを課題とする。

解決手段

回転ツールGの攪拌ピンG2の外周面先細りとなるように傾斜しており、攪拌ピンG2の先端側には平坦面G3が形成されるとともに、平坦面G3に突出する突起部G4が形成されており、摩擦攪拌工程において、回転ツールGのショルダ部G1を凹溝3内に挿入し、ショルダ部G1を凹溝3の底面3aから離間させた状態で、第一金属部材1から発生するバリVをショルダ部G1で押さえつつ、平坦面G3を第一金属部材1のみに接触させ、かつ、突起部G4を第二金属部材2に接触させた状態で突合せ部Jを摩擦攪拌接合することを特徴とする。

概要

背景

特許文献1には、板状の第一金属部材と板状の第二金属部材とをT字状に突き合わせて接合する接合方法が開示されている。当該接合方法では、第一金属部材の裏面と第二金属部材の端面とを突き合わせて突合せ部を形成する突合せ工程と、第一金属部材の表面から回転ツールを押し込んで突合せ部を摩擦攪拌接合する摩擦攪拌工程とを行う。

概要

接合強度を高めることができ、第一金属部材の表面にバリが発生するのを防ぐことができるとともに、摩擦攪拌装置にかかる負荷を小さくすることができる接合方法を提供することを課題とする。回転ツールGの攪拌ピンG2の外周面先細りとなるように傾斜しており、攪拌ピンG2の先端側には平坦面G3が形成されるとともに、平坦面G3に突出する突起部G4が形成されており、摩擦攪拌工程において、回転ツールGのショルダ部G1を凹溝3内に挿入し、ショルダ部G1を凹溝3の底面3aから離間させた状態で、第一金属部材1から発生するバリVをショルダ部G1で押さえつつ、平坦面G3を第一金属部材1のみに接触させ、かつ、突起部G4を第二金属部材2に接触させた状態で突合せ部Jを摩擦攪拌接合することを特徴とする。B

目的

本発明は、接合強度を高めることができ、第一金属部材の表面にバリが発生するのを防ぐことができるとともに、摩擦攪拌装置にかかる負荷を小さくすることができる接合方法を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
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牽制数
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請求項1

板状を呈し表面に凹溝を有する第一金属部材の裏面と板状の第二金属部材の端面とを突き合わせて突合せ部を形成する突合せ工程と、前記第一金属部材の表面側から前記凹溝に回転ツール攪拌ピンを挿入し、前記回転ツールを前記凹溝に沿って相対移動させて、前記突合せ部を摩擦攪拌接合する摩擦攪拌工程と、を含み、前記回転ツールは、円柱状を呈するショルダ部と前記ショルダ部から垂下する攪拌ピンとを有し、前記ショルダ部の直径を前記凹溝の幅よりも小さく設定し、前記攪拌ピンの外周面先細りとなるように傾斜しており、前記攪拌ピンの先端側には平坦面が形成されるとともに、前記平坦面に突出する突起部が形成されており、前記摩擦攪拌工程において、前記回転ツールのショルダ部を前記凹溝内に挿入し、前記ショルダ部を前記凹溝の底面から離間させた状態で、前記第一金属部材から発生するバリを前記ショルダ部で押さえつつ、前記平坦面を前記第一金属部材のみに接触させ、かつ、突起部を前記第二金属部材に接触させた状態で前記突合せ部を摩擦攪拌接合することを特徴とする接合方法

請求項2

前記第二金属部材の板厚は、前記凹溝の幅よりも小さく設定することを特徴とする請求項1に記載の接合方法。

技術分野

0001

本発明は、板状の金属部材同士接合方法に関する。

背景技術

0002

特許文献1には、板状の第一金属部材と板状の第二金属部材とをT字状に突き合わせて接合する接合方法が開示されている。当該接合方法では、第一金属部材の裏面と第二金属部材の端面とを突き合わせて突合せ部を形成する突合せ工程と、第一金属部材の表面から回転ツールを押し込んで突合せ部を摩擦攪拌接合する摩擦攪拌工程とを行う。

先行技術

0003

特許第3947271号公報

発明が解決しようとする課題

0004

従来の接合方法では、回転ツールのショルダ部の下端面を第一金属部材の表面に押し込んで摩擦攪拌工程を行うため、第一金属部材の表面にバリが発生する。そのため、バリを除去するバリ除去工程を行わなければならない。また、回転ツールのショルダ部の下端面を第一金属部材の表面に押し込んで摩擦攪拌工程を行うため、摩擦攪拌装置にかかる負荷が大きくなるという問題がある。また、第一金属部材と第二金属部材との接合強度をより高めることが好ましい。

0005

このような観点から、本発明は、接合強度を高めることができ、第一金属部材の表面にバリが発生するのを防ぐことができるとともに、摩擦攪拌装置にかかる負荷を小さくすることができる接合方法を提供することを特徴とする。

課題を解決するための手段

0006

このような課題を解決するために本発明は、板状を呈し表面に凹溝を有する第一金属部材の裏面と板状の第二金属部材の端面とを突き合わせて突合せ部を形成する突合せ工程と、前記第一金属部材の表面側から前記凹溝に回転ツールの攪拌ピンを挿入し、前記回転ツールを前記凹溝に沿って相対移動させて、前記突合せ部を摩擦攪拌接合する摩擦攪拌工程と、を含み、前記回転ツールは、円柱状を呈するショルダ部と前記ショルダ部から垂下する攪拌ピンとを有し、前記ショルダ部の直径を前記凹溝の幅よりも小さく設定し、前記攪拌ピンの外周面先細りとなるように傾斜しており、前記攪拌ピンの先端側には平坦面が形成されるとともに、前記平坦面に突出する突起部が形成されており、前記摩擦攪拌工程において、前記回転ツールのショルダ部を前記凹溝内に挿入し、前記ショルダ部を前記凹溝の底面から離間させた状態で、前記第一金属部材から発生するバリを前記ショルダ部で押さえつつ、前記平坦面を前記第一金属部材のみに接触させ、かつ、突起部を前記第二金属部材に接触させた状態で前記突合せ部を摩擦攪拌接合することを特徴とする。

0007

かかる接合方法によれば、凹溝の底面、凹溝の両側壁及びショルダ部の下端面で狭い空間が形成されるため、バリが散飛するのを防ぐとともに凹溝の底面にバリを堆積させることができる。これにより、第一金属部材の表面にバリが発生するのを防ぐことができる。また、凹溝の底面にショルダ部を押し込まないため、摩擦攪拌装置にかかる負荷を小さくすることができる。また、攪拌ピンには平坦面が形成されるとともに、この平坦面に突出する突起部が形成されているので、突起部に沿って摩擦攪拌されて突起部に巻き上げられた塑性流動材は平坦面で押えられる。これにより、突起部周りをより確実に摩擦攪拌することができるとともに界面の酸化皮膜が確実に分断されるので、接合強度を高めることができる。

0008

また、前記第二金属部材の板厚は、前記凹溝の幅よりも小さく設定することが好ましい。かかる接合方法によれば、塑性化領域の幅を小さくすることができるため、第二金属部材の板厚を小さくすることができる。

発明の効果

0009

本発明に係る接合方法によれば、接合強度を高めることができ、第一金属部材の表面にバリが発生するのを防ぐことができるとともに、摩擦攪拌装置にかかる負荷を小さくすることができる。

図面の簡単な説明

0010

本発明の第一実施形態に係る接合方法の突合せ工程を示す斜視図である。
第一実施形態に係る接合方法の摩擦攪拌工程を示す斜視図である。
第一実施形態に係る接合方法の摩擦攪拌工程を示す断面図である。
第一実施形態に係る接合方法の摩擦攪拌工程後を示す断面図である。
第一実施形態に係る接合方法の変形例を示す断面図である。
本発明の第二実施形態に係る接合方法の突合せ工程を示す断面図である。
第二実施形態に係る接合方法の第一摩擦攪拌工程を示す断面図である。
第二実施形態に係る接合方法の第二摩擦攪拌工程を示す断面図である。

実施例

0011

[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T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、突合せ工程と、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。

0012

第一金属部材1は、板状の金属部材である。第一金属部材1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の表面には、断面矩形の凹溝3が形成されている。凹溝3は、第一金属部材1の延長方向に延設されている。第二金属部材2は、板状の金属部材である。第二金属部材2の板厚寸法は適宜設定すればよいが、本実施形態では凹溝3の幅よりも小さく形成されている。第二金属部材2の材料は、前記した摩擦攪拌可能な金属から適宜選択すればよいが、第一金属部材1と同等の材料であることが好ましい。

0013

突合せ工程は、図1に示すように、第一金属部材1の裏面1cと、第二金属部材2の端面2aとを正面視T字状に突き合わせる工程である。突合せ工程では、凹溝3の対応する位置に第二金属部材2の端面2aを突き合わせる。第一金属部材1の裏面1cと第二金属部材2の端面2aとを突き合わせることにより突合せ部Jが形成される。

0014

摩擦攪拌工程は、図2A及び図2Bに示すように、回転ツールGのショルダ部G1を凹溝3内に挿入して突合せ部Jを摩擦攪拌接合する工程である。回転ツールGは、円柱状のショルダ部G1と、ショルダ部G1の下端面G1aから垂下する攪拌ピンG2とで構成されている。ショルダ部G1の外径は、凹溝3の幅よりも若干小さく形成されている。ショルダ部G1の外径は、ショルダ部G1の外周面と凹溝3の側壁3b,3bとが接触するように設定してもよいが、摩擦攪拌工程を行う際に、ショルダ部G1の外周面と凹溝3の側壁3b,3bとがわずかな隙間をあけて相対移動可能な寸法であることが好ましい。

0015

攪拌ピンG2は、先細りになっている。攪拌ピンG2の先端には平坦な平坦面G3が形成されるとともに、当該平坦面G3に突起部G4が形成されている。突起部G4と平坦面G3とで段差部が形成されている。突起部G4の形状は特に制限されないが、本実施形態では円柱状になっている。攪拌ピンG2の外周面には螺旋溝が形成されている。本実施形態では、回転ツールGを右回転させるため、攪拌ピンG2の螺旋溝は、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。言い換えると、螺旋溝は、螺旋溝を基端から先端に向けてなぞると上から見て左回りに形成されている。

0016

なお、回転ツールG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。言い換えると、この場合の螺旋溝は、螺旋溝を基端から先端に向けてなぞると上から見て右回りに形成されている。螺旋溝をこのように設定することで、摩擦攪拌工程の際に塑性流動化した金属が螺旋溝によって攪拌ピンG2の先端側に導かれる。これにより、凹溝3の底面3aから溢れ出る金属の量を少なくすることができる。

0017

摩擦攪拌工程では、回転ツールGの攪拌ピンG2を第一金属部材1の表面1b側から凹溝3の底面3aの中央に挿入し、突合せ部J(凹溝3)に沿って回転ツールGを相対移動させる。回転ツールGの挿入深さは、適宜設定すればよいが、本実施形態では、攪拌ピンG2の平坦面G3を第一金属部材1のみに接触させ、かつ、突起部G4が第二金属部材2と接触するように設定している。回転ツールGの移動軌跡には塑性化領域Wが形成される。

0018

また、摩擦攪拌工程では、ショルダ部G1の下端面G1aを、凹溝3の底面3aから離間させ、かつ、第一金属部材1の表面1bよりも低い位置に設定している。つまり、摩擦攪拌工程では、摩擦攪拌によって発生するバリVをショルダ部G1の下端面G1aで押さえ込みつつ摩擦攪拌接合を行う。特許請求の範囲の「前記ショルダ部を前記凹溝の底面から離間させた状態」とは、バリVが発生する前の凹溝3の底面3aからショルダ部G1の下端面G1aを離間させるという意味である。また、特許請求の範囲の「前記第一金属部材から発生するバリを前記ショルダ部で押さえつつ」とは、堆積するバリVとショルダ部G1の下端面G1aとが接触しており、バリVの表面(上面)をショルダ部G1の下端面G1aによって押さえるという意味である。

0019

また、ショルダ部G1の外周面と凹溝3の側壁3b,3bとはわずかな隙間をあけて離間している。凹溝3の底面3a、凹溝3の側壁3b,3b及びショルダ部G1の下端面G1aで狭い空間が形成されている。

0020

摩擦攪拌工程によって凹溝3の底面3aにバリVが発生するが、凹溝3の底面3a、凹溝3の側壁3b,3b及びショルダ部G1の下端面G1aで構成された狭い空間(断面矩形の閉空間)に当該バリVが閉じ込められ、底面3aにバリVが堆積する。図3に示すように、バリVは、凹溝3内に収容されるとともに、バリVの表面(上面)は、ショルダ部G1の下端面G1aによって押さえられて略平坦になる。

0021

以上説明した本実施形態に係る接合方法によれば、摩擦攪拌工程を行う際に、凹溝3の底面3a、凹溝3の側壁3b,3b及びショルダ部G1の下端面G1aで狭い空間が形成されるため、バリVが散飛するのを防ぐとともに凹溝3の底面3aにバリVを堆積させることができる。これにより、第一金属部材1の表面1bにバリVが発生するのを防ぐことができる。よって、第一金属部材1の表面1bのバリ除去工程等の表面処理を省略化することができる。

0022

また、本実施形態に係る接合方法によれば、凹溝3の底面3aにショルダ部G1を押し込まないため、摩擦攪拌装置にかかる負荷を小さくすることができる。また、本実施形態では、第二金属部材2の板厚寸法を凹溝3の幅よりも小さく設定している。本実施形態では、摩擦攪拌工程の際に、突起部G4のみを第二金属部材2に接触させるため、攪拌ピンG2の平坦面G3を第二金属部材2に挿入する場合に比べて塑性化領域Wの幅を小さくすることができる。これにより、第二金属部材2の板厚寸法を凹溝3よりも小さく設定しても、突合せ部Jから塑性流動材が流出するのを防ぐことができ、設計の自由度を高めることができる。

0023

また、攪拌ピンG2には平坦面G3が形成されるとともに、この平坦面G3に突出する突起部G4が形成されているので、突起部G4に沿って摩擦攪拌されて突起部G4に巻き上げられた塑性流動材は平坦面G3で押えられる。これにより、突起部G4(突合せ部J)周りをより確実に摩擦攪拌することができるとともに界面の酸化皮膜が確実に分断されるので、接合強度を高めることができる。

0024

なお、摩擦攪拌工程を行う前に、第一金属部材1と第二金属部材2とで構成される内隅に溶接を行う溶接工程を行ってもよい。溶接工程を行うことで、摩擦攪拌接合を安定して行うことができる。

0025

[変形例]
図4は、第一実施形態に係る接合方法の変形例を示す断面図である。図4に示すように、第一金属部材1と第二金属部材2とを正面視L字状に突き合わせてもよい。つまり、変形例に係る突合せ工程では、第一金属部材1の裏面1cと第二金属部材2の端面2aとを突き合わせつつ、第一金属部材1の端面1aと第二金属部材2の側面2cとが面一になるように突き合わせる。変形例では、突合せ工程を除いては第一実施形態と略同等であるため、詳細な説明は省略する。当該変形例によっても第一実施形態と同様の効果を得ることができる。

0026

[第二実施形態]
次に、本発明の第二実施形態に係る接合方法について説明する。図5図6A及び図6Bに示すように、第二実施形態に係る接合方法では、一対の第一金属部材1(1A,1B)と複数の第二金属部材2とを接合して構造物Zを形成する。

0027

第一金属部材1Aは、板状を呈する金属部材である。第一金属部材1Aの表面1bには、複数の凹溝3が形成されている。凹溝3は、所定の間隔をあけて形成されている。第一金属部材1Bは、第一金属部材1Aと同等の部材である。第二実施形態に係る接合方法では、突合せ工程と、摩擦攪拌工程とを行う。

0028

突合せ工程は、第一金属部材1A,1Bと複数の第二金属部材2とを突き合わせて複数の突合せ部J1,J2を形成する工程である。突合せ工程では、第一金属部材1Aの裏面1cと、複数の第二金属部材2の一方の端面2aとを突き合わせて複数の突合せ部J1を形成する。第二金属部材2の一方の端面2aは、第一金属部材1Aの凹溝3に対応する位置に突き合わせる。また、突合せ工程では、第一金属部材1Bの裏面1cと、複数の第二金属部材2の他方の端面2aとを突き合わせて複数の突合せ部J2を形成する。第二金属部材2の他方の端面2aは、第一金属部材1Bの凹溝3に対応する位置に突き合わせる。

0029

摩擦攪拌工程は、第一金属部材1Aと第二金属部材2とで形成された突合せ部J1を接合する第一摩擦攪拌工程と、第一金属部材1Bと第二金属部材2とで形成された突合せ部J2を接合する第二摩擦攪拌工程とを行う。図6Aに示すように、第一摩擦攪拌工程では、回転ツールGを用いて突合せ部J1を摩擦攪拌接合する。第一摩擦攪拌工程は、第一実施形態の摩擦攪拌工程と同等であるため、詳細な説明は省略する。また、図6Bに示すように、第二摩擦攪拌工程では、回転ツールGを用いて突合せ部J2を摩擦攪拌接合する。第二摩擦攪拌工程は、第一実施形態の摩擦攪拌工程と同等であるため、詳細な説明は省略する。

0030

第二実施形態に係る接合方法によれば、内部に断面視矩形の複数の中空部Xを備えた構造物Zを形成することができる。また、第二実施形態に係る接合方法によれば、凹溝3の底面3a、凹溝3の側壁3b,3b及びショルダ部G1の下端面G1aで狭い空間が形成されるため、バリVが散飛するのを防ぐとともに凹溝3の底面3aにバリVを堆積させることができる。これにより、第一金属部材1Aの表面1b及び第一金属部材1Bの表面1bにバリVが発生するのを防ぐことができる。また、本実施形態に係る接合方法によれば、凹溝3の底面3aにショルダ部G1を押し込まないため、摩擦攪拌装置にかかる負荷を小さくすることができる。

0031

また、攪拌ピンG2には平坦面G3が形成されるとともに、この平坦面G3に突出する突起部G4が形成されているので、突起部G4に沿って摩擦攪拌されて突起部G4に巻き上げられた塑性流動材は平坦面G3で押えられる。これにより、突起部G4(突合せ部J1,J2)周りをより確実に摩擦攪拌することができるとともに界面の酸化皮膜が確実に分断されるので、接合強度を高めることができる。

0032

1 第一金属部材
1b 表面
1c 裏面
2 第二金属部材
2a 端面
3凹溝
J 突合せ部
G回転ツール
G1ショルダ部
G2攪拌ピン
G3平坦面
G4突起部
W 塑性化領域

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