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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 堀久司山中宏介半田岳士
出願日 2018年12月19日 (1年11ヶ月経過) 出願番号 2018-236943
公開日 2020年6月25日 (5ヶ月経過) 公開番号 2020-097045
状態 未査定
技術分野 圧接、拡散接合
主要キーワード テーパー角度β テーパー角度α 螺旋角度 水平方向距離 段差側面 接線速度 金属部材同士 回転対象
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6月25日)のものです。
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図面 (20)

課題

バリが少なく、かつ、接合強度を高めることができる接合方法を提供する。

解決手段

段差を備えた突合せ部Jを形成する突合せ工程と、突合せ部Jを摩擦攪拌接合する接合工程と、を含み、接合用回転ツールFは、基端ピンF2のテーパー角度を先端側ピンF3のテーパー角度よりも大きく設定するとともに、基端側ピンF2の外周面階段状のピン段差部を形成し、接合工程では、第二金属部材2側がアドバンシング側となるように、接合用回転ツールFの回転方向進行方法を設定し、接合後に、第二金属部材2の表面2bに生成されるバリの厚みが0〜130μmとなるように、接合用回転ツールFの回転中心軸を第二金属部材2側に傾かせる角度である狙い角を設定し、当該狙い角を維持した状態で、ピン段差部の段差底面で塑性流動材押さえながら摩擦攪拌を行うことを特徴とする。

概要

背景

回転ツールを用いて厚さの異なる金属部材摩擦攪拌接合する技術が知られている。特許文献1に記載の発明では、厚さの異なる金属部材同士の突合せ部に回転ツールを垂直に挿入し、突合せ部に沿って回転ツールを移動させて摩擦攪拌接合を行うというものである。

概要

バリが少なく、かつ、接合強度を高めることができる接合方法を提供する。段差を備えた突合せ部Jを形成する突合せ工程と、突合せ部Jを摩擦攪拌接合する接合工程と、を含み、接合用回転ツールFは、基端ピンF2のテーパー角度を先端側ピンF3のテーパー角度よりも大きく設定するとともに、基端側ピンF2の外周面階段状のピン段差部を形成し、接合工程では、第二金属部材2側がアドバンシング側となるように、接合用回転ツールFの回転方向進行方法を設定し、接合後に、第二金属部材2の表面2bに生成されるバリの厚みが0〜130μmとなるように、接合用回転ツールFの回転中心軸を第二金属部材2側に傾かせる角度である狙い角を設定し、当該狙い角を維持した状態で、ピン段差部の段差底面で塑性流動材押さえながら摩擦攪拌を行うことを特徴とする。

目的

本発明は、バリが少なく、かつ、接合強度を高め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
0件
牽制数
0件

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請求項1

第一金属部材の表面よりも第二金属部材の表面が低くなるように金属部材の端面同士を突き合わせて段差を備えた突合せ部を形成する突合せ工程と、回転ツールを用いて前記突合せ部を摩擦攪拌接合する接合工程と、を含み、前記回転ツールは、基端ピンと、先端側ピンとを備え、前記基端側ピンのテーパー角度を前記先端側ピンのテーパー角度よりも大きく設定するとともに、前記基端側ピンの外周面階段状のピン段差部を形成し、前記接合工程では、前記第二金属部材側がアドバンシング側となるように、前記回転ツールの回転方向進行方法を設定し、接合後に、前記第二金属部材の表面に生成されるバリの厚みが0〜130μmとなるように、前記回転ツールの回転中心軸を前記第二金属部材側に傾かせる角度である狙い角を設定し、前記回転ツールの前記狙い角を維持した状態で、前記ピン段差部の段差底面で塑性流動材押さえながら摩擦攪拌を行うことを特徴とする接合方法

請求項2

前記回転ツールの回転中心軸を含み、前記回転ツールの進行方向に垂直な断面において、前記基端側ピンの外周面と前記第一金属部材の表面との交点を交点dとし、前記回転中心軸に対して前記交点dの回転対象となる点を交点eとした場合、交点eが前記第二金属部材の表面に位置するか、あるいは当該第二金属部材の表面よりも高い位置となるように前記狙い角を設定することを特徴とする請求項1に記載の接合方法。

請求項3

前記第二金属部材と第一金属部材との厚さの比が1:1.33〜1:2の範囲である場合、前記狙い角をθとし、前記バリの厚みをsとすると、−0.05θ+0.16≦s≦−0.05θ+0.40となるように前記狙い角を設定する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。

技術分野

0001

本発明は、接合方法に関する。

背景技術

0002

回転ツールを用いて厚さの異なる金属部材摩擦攪拌接合する技術が知られている。特許文献1に記載の発明では、厚さの異なる金属部材同士の突合せ部に回転ツールを垂直に挿入し、突合せ部に沿って回転ツールを移動させて摩擦攪拌接合を行うというものである。

先行技術

0003

特開2012−218001号公報

発明が解決しようとする課題

0004

従来の技術であると、金属部材と回転ツールとの間に隙間が生じ、塑性流動材を十分に押さえることができなくなり、バリが多く発生するとともに所望の接合強度が得られないという問題がある。

0005

このような観点から、本発明は、バリが少なく、かつ、接合強度を高めることができる接合方法を提供することを課題とする。

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、第一金属部材の表面よりも第二金属部材の表面が低くなるように金属部材の端面同士を突き合わせて段差を備えた突合せ部を形成する突合せ工程と、回転ツールを用いて前記突合せ部を摩擦攪拌接合する接合工程と、を含み、前記回転ツールは、基端ピンと、先端側ピンとを備え、前記基端側ピンのテーパー角度を前記先端側ピンのテーパー角度よりも大きく設定するとともに、前記基端側ピンの外周面階段状のピン段差部を形成し、前記接合工程では、前記第二金属部材側がアドバンシング側となるように、前記回転ツールの回転方向進行方法を設定し、接合後に、前記第二金属部材の表面に生成されるバリの厚みが0〜130μmとなるように、前記回転ツールの回転中心軸を前記第二金属部材側に傾かせる角度である狙い角を設定し、前記回転ツールの前記狙い角を維持した状態で、前記ピン段差部の段差底面で塑性流動材を押さえながら摩擦攪拌を行うことを特徴とする。

0007

かかる接合方法によれば、回転ツールを第二金属部材側に傾けるとともに、テーパー角度の大きい基端側ピンの外周面で第一金属部材及び第二金属部材の表面を押えることができるため、バリの発生を抑制することができるとともに接合強度を高めることができる。第二金属部材の表面に形成されるバリの厚みが0未満、つまり、アンダーカットが発生すると接合強度が低下する。また、バリの厚みが130μmを超えるとバリが多く発生し接合部の金属が不足して接合強度が低下する。

0008

また、前記回転ツールの回転中心軸を含み、前記回転ツールの進行方向に垂直な断面において、前記基端側ピンの外周面と前記第一金属部材の表面との交点を交点dとし、前記回転中心軸に対して前記交点dの回転対象となる点を交点eとした場合、交点eが前記第二金属部材の表面に位置するか、あるいは当該第二金属部材の表面よりも高い位置となるように前記狙い角を設定することが好ましい。

0009

また、前記第二金属部材と第一金属部材との厚さの比が1:1.33〜1:2の範囲である場合、前記狙い角をθとし、前記バリの厚みをsとすると、−0.05θ+0.16≦s≦−0.05θ+0.40となるように前記狙い角を設定することが好ましい。

0010

かかる接合方法によれば、第二金属部材の表面にアンダーカットが発生したり、バリの厚みが大きくなったりするのを防ぐことができる。

発明の効果

0011

本発明に係る接合方法によれば、バリが少なく、かつ、接合強度を高めることができる。

図面の簡単な説明

0012

本発明の実施形態に係る接合方法に用いる接合用回転ツールを示す側面図である。
接合用回転ツールの拡大断面図である。
接合用回転ツールの第一変形例を示す断面図である。
接合用回転ツールの第二変形例を示す断面図である。
接合用回転ツールの第三変形例を示す断面図である。
本発明の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。
本実施形態に係る接合方法の接合工程を示す斜視図である。
本実施形態に係る接合方法の接合工程を示す断面図である。
接合工程の狙い角を説明するための断面図である。
接合工程の狙い角を説明するための断面図である。
接合工程の狙い角を説明するための断面図である。
従来の回転ツールを示す断面図である。
従来の回転ツールを示す断面図である。
試験1に係るバリの厚みと疲労強度との関係を表すグラフである。
試験1に係る試験体P1の第二金属部材の表面と塑性化領域境界付近を示すマクロ組織図である。
試験1に係る試験体P2の第二金属部材の表面と塑性化領域の境界付近を示すマクロ組織図である。
試験1に係る試験体P3の第二金属部材の表面と塑性化領域の境界付近を示すマクロ組織図である。
試験1に係る試験体P4の第二金属部材の表面と塑性化領域の境界付近を示すマクロ組織図である。
試験2に係る狙い角とバリの厚みとの関係を示すグラフである。

0013

本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら説明する。まずは、本実施形態に係る接合方法で用いる接合用回転ツール(回転ツール)について説明する。接合用回転ツールは、摩擦攪拌接合に用いられるツールである。図1に示すように、接合用回転ツールFは、例えば工具鋼で形成されており、基軸部F1と、基端側ピンF2と、先端側ピンF3とで主に構成されている。基軸部F1は、円柱状を呈し、摩擦攪拌装置主軸に接続される部位である。

0014

基端側ピンF2は、基軸部F1に連続し、先端に向けて先細りになっている。基端側ピンF2は、円錐台形状を呈する。基端側ピンF2のテーパー角度Aは適宜設定すればよいが、例えば、135〜160°になっている。テーパー角度Aが135°未満であるか、又は、160°を超えると摩擦攪拌後の接合表面粗さが大きくなる。テーパー角度Aは、後記する先端側ピンF3のテーパー角度Bよりも大きくなっている。図2に示すように、基端側ピンF2の外周面には、階段状のピン段差部F21が高さ方向の全体に亘って形成されている。ピン段差部F21は、右回り又は左回り螺旋状に形成されている。つまり、ピン段差部F21は、平面視して螺旋状であり、側面視すると階段状になっている。本実施形態では、接合用回転ツールFを右回転させるため、ピン段差部F21は基端側から先端側に向けて左回りに設定している。

0015

なお、接合用回転ツールFを左回転させる場合は、ピン段差部F21を基端側から先端側に向けて右回りに設定することが好ましい。これにより、ピン段差部F21によって塑性流動材が先端側に導かれるため、被接合金属部材の外部に溢れ出る金属を低減することができる。ピン段差部F21は、段差底面F21aと、段差側面F21bとで構成されている。隣り合うピン段差部F21の各頂点F21c,F21cの距離X1(水平方向距離)は、後記する段差角度C及び段差側面F21bの高さY1に応じて適宜設定される。

0016

段差側面F21bの高さY1は適宜設定すればよいが、例えば、0.1〜0.4mmで設定されている。高さY1が0.1mm未満であると接合表面粗さが大きくなる。一方、高さY1が0.4mmを超えると接合表面粗さが大きくなる傾向があるとともに、有効段差部数(被接合金属部材と接触しているピン段差部F21の数)も減少する。

0017

段差底面F21aと段差側面F21bとでなす段差角度Cは適宜設定すればよいが、例えば、85〜120°で設定されている。段差底面F21aは、本実施形態では水平面と平行になっている。段差底面F21aは、ツールの回転軸から外周方向に向かって水平面に対して−5°〜15°内の範囲で傾斜していてもよい(マイナスは水平面に対して下方、プラスは水平面に対して上方)。距離X1、段差側面F21bの高さY1、段差角度C及び水平面に対する段差底面F21aの角度は、摩擦攪拌を行う際に、塑性流動材がピン段差部F21の内部に滞留して付着することなく外部に抜けるとともに、段差底面F21aで塑性流動材を押えて接合表面粗さを小さくすることができるように適宜設定する。

0018

図1に示すように、先端側ピンF3は、基端側ピンF2に連続して形成されている。先端側ピンF3は円錐台形状を呈する。先端側ピンF3の先端は平坦面になっている。先端側ピンF3のテーパー角度Bは、基端側ピンF2のテーパー角度Aよりも小さくなっている。図2に示すように、先端側ピンF3の外周面には、螺旋溝F31が刻設されている。螺旋溝F31は、右回り、左回りのどちらでもよいが、本実施形態では接合用回転ツールFを右回転させるため、基端側から先端側に向けて左回りに刻設されている。

0019

なお、接合用回転ツールFを左回転させる場合は、螺旋溝F31を基端側から先端側に向けて右回りに設定することが好ましい。これにより、螺旋溝F31によって塑性流動材が先端側に導かれるため、被接合金属部材の外部に溢れ出る金属を低減することができる。螺旋溝F31は、螺旋底面F31aと、螺旋側面F31bとで構成されている。隣り合う螺旋溝F31の頂点F31c,F31cの距離(水平方向距離)を長さX2とする。螺旋側面F31bの高さを高さY2とする。螺旋底面F31aと、螺旋側面F31bとで構成される螺旋角度Dは例えば、45〜90°で形成されている。螺旋溝F31は、被接合金属部材と接触することにより摩擦熱を上昇させるとともに、塑性流動材を先端側に導く役割を備えている。

0020

接合用回転ツールFは、適宜設計変更が可能である。図3は、本発明の回転ツールの第一変形例を示す側面図である。図3に示すように、第一変形例に係る接合用回転ツールFAでは、ピン段差部F21の段差底面F21aと段差側面F21bとのなす段差角度Cが85°になっている。段差底面F21aは、水平面と平行である。このように、段差底面F21aは水平面と平行であるとともに、段差角度Cは、摩擦攪拌中にピン段差部F21内に塑性流動材が滞留して付着することなく外部に抜ける範囲で鋭角としてもよい。

0021

図4は、本発明の接合用回転ツールの第二変形例を示す側面図である。図4に示すように、第二変形例に係る接合用回転ツールFBでは、ピン段差部F21の段差角度Cが115°になっている。段差底面F21aは水平面と平行になっている。このように、段差底面F21aは水平面と平行であるとともに、ピン段差部F21として機能する範囲で段差角度Cが鈍角となってもよい。

0022

図5は、本発明の接合用回転ツールの第三変形例を示す側面図である。図5に示すように、第三変形例に係る接合用回転ツールFCでは、段差底面F21aがツールの回転軸から外周方向に向かって水平面に対して10°上方に傾斜している。段差側面F21bは、鉛直面と平行になっている。このように、摩擦攪拌中に塑性流動材を押さえることができる範囲で、段差底面F21aがツールの回転軸から外周方向に向かって水平面よりも上方に傾斜するように形成されていてもよい。上記の接合用回転ツールの第一〜第三変形例によっても、下記の実施形態と同等の効果を奏することができる。

0023

[第一実施形態]
次に、本実施形態の接合方法について説明する。本実施形態に係る接合方法では、突合せ工程と、接合工程と、を行う。以下の説明における「表面」とは、「裏面」の反対側の面を意味する。

0024

突合せ工程は、図6に示すように、第一金属部材1と第二金属部材2とを突き合わせる工程である。第一金属部材1及び第二金属部材2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で形成されている。第一金属部材1及び第二金属部材2は、本実施形態では、いずれもアルミニウム合金で形成されている。第一金属部材1と第二金属部材2とは異なる種類の金属でもよい。

0025

第一金属部材1は、第二金属部材2よりも板厚寸法が大きくなっている。第一金属部材1の裏面1cと第二金属部材2の裏面2cとは面一であるため、端面1a,2a同士が突き合わされた突合せ部Jには段差が形成されている。第一金属部材1と第二金属部材2との板厚寸法の比率は適宜設定すればよいが、例えば、第二金属部材2の板厚を1とすると、第一金属部材1の板厚を1.2〜2.5、好ましくは1.33〜2.0の範囲で板厚を設定すればよい。なお、突合せ工程では、例えば、同じ板厚の金属部材同士を段差があるように突き合わせてもよい。

0026

接合工程は、図7に示すように、接合用回転ツールFを用いて突合せ部Jを摩擦攪拌接合する工程である。接合工程では、右回転させた接合用回転ツールFを突合せ部Jに挿入し、突合せ部Jに沿って接合用回転ツールFを移動させる。本実施形態では、接合用回転ツールFの進行方向右側に第一金属部材1を配置して、接合用回転ツールFを右回転するように設定する。これにより、第二金属部材2側がアドバンシング側となり、第一金属部材1がリトリーティング側となる。

0027

なお、アドバンシング側(シアー側)とは、被接合部に対する接合用回転ツールFの外周の相対速度が、接合用回転ツールFの外周における接線速度の大きさに移動速度の大きさを加算した値となる側を意味する。一方、リトリーティング側(フロー側)とは、接合用回転ツールFの移動方向の反対方向に接合用回転ツールFが回動することで、被接合部に対する接合用回転ツールFの相対速度が低速になる側を言う。

0028

図8に示すように、接合工程では、接合用回転ツールFの回転中心軸Uを突合せ面(端面1a,2a)に対して第二金属部材2側に傾斜角度(狙い角)θで傾けた状態で摩擦攪拌を行う。接合用回転ツールFの移動軌跡には塑性化領域Wが形成される。

0029

ここで、図9〜11は、接合工程の狙い角を説明するための断面図である。図9に示すように、基端側ピンF2の外周面と第一金属部材1の表面1bとの交点を交点dとし、回転中心軸Uに対して交点dの回転対象となる点を交点eとした場合、交点eが第二金属部材2の表面2bの位置となるように前記狙い角を設定する。

0030

もしくは、図10に示すように、基端側ピンF2の外周面と第一金属部材1の表面1bとの交点を交点dとし、回転中心軸Uに対して交点dの回転対象となる点を交点eとした場合、交点eが第二金属部材2の表面2bよりも高い位置となるように前記狙い角を設定する。ただし、第二金属部材2の表面2bと交点eとが大きく離れていると、塑性流動材を押さえることができなくなり第二金属部材2の表面2bに生成されるバリの厚みが大きくなる。

0031

一方、図11に示すように、基端側ピンF2の外周面と第一金属部材1の表面1bとの交点を交点dとし、回転中心軸Uに対して交点dの回転対象となる点を交点eとした場合、交点eが第二金属部材2の表面2bよりも下方に位置すると、接合用回転ツールFの進行方向に沿ってアンダーカットが形成されるため好ましくない。

0032

接合工程における傾斜角度(狙い角)θは、接合後に第二金属部材2の表面2bに生成されるバリの厚みが0〜130μmとなるように適宜設定する。詳しくは、第二金属部材2の表面2bに生成されるバリの厚みをs(mm)とすると、−0.05θ+0.16≦s≦−0.05θ+0.40(式1)を満たすように設定することが好ましい。

0033

以上説明した本実施形態に係る接合方法によれば、接合用回転ツールFを第二金属部材2側に傾けるとともに、テーパー角度の大きい基端側ピンF2の外周面で第一金属部材1及び第二金属部材2の表面1b,2bを押えることができるため、バリの発生を抑制することができるとともに接合強度を高めることができる。バリの厚みが0未満、つまり、アンダーカットが発生すると接合強度が低下する。また、バリの厚みが130μmを超えるとバリが多く発生し、接合部の金属が不足して接合強度が低下する。

0034

ここで、例えば、図12Aに示すように、従来の回転ツール200であると、ショルダ部で被接合金属部材210の表面を押えないため段差凹溝(被接合金属部材の表面と塑性化領域の表面とで構成される凹溝)が大きくなるとともに、接合表面粗さが大きくなるという問題がある。また、段差凹溝の脇に膨出部(接合前に比べて被接合金属部材の表面が膨らむ部位)が形成されるという問題がある。一方、図12Bの回転ツール201のように、回転ツール201のテーパー角度βを回転ツール200のテーパー角度αよりも大きくすると、回転ツール200に比べて被接合金属部材210の表面を押えることはできるため、段差凹溝は小さくなり、膨出部も小さくなる。しかし、下向きの塑性流動が強くなるため、塑性化領域の下部にキッシングボンドが形成されやすくなる。

0035

これに対し、本実施形態の接合用回転ツールFは、基端側ピンF2と、基端側ピンF2のテーパー角度Aよりもテーパー角度が小さい先端側ピンF3を備えた構成になっている。これにより、突合せ部Jに接合用回転ツールFを挿入しやすくなる。また、先端側ピンF3のテーパー角度Bが小さいため、突合せ部Jの深い位置まで接合用回転ツールFを容易に挿入することができる。また、先端側ピンF3のテーパー角度Bが小さいため、回転ツール201に比べて下向きの塑性流動を抑えることができる。このため、塑性化領域Wの下部にキッシングボンドが形成されるのを防ぐことができる。一方、基端側ピンF2のテーパー角度Aは大きいため、従来の回転ツールに比べ、被接合金属部材の厚さや接合の高さ位置が変化しても安定して接合することができる。

0036

また、基端側ピンF2の外周面で塑性流動材を押えることができるため、接合表面に形成される段差凹溝を小さくすることができるとともに、段差凹溝の脇に形成される膨出部を無くすか若しくは小さくすることができる。また、階段状のピン段差部F21は浅く、かつ、出口が広いため、塑性流動材を段差底面F21aで押さえつつ塑性流動材がピン段差部F21の外部に抜けやすくなっている。そのため、基端側ピンF2で塑性流動材を押えても基端側ピンF2の外周面に塑性流動材が付着し難い。よって、バリの発生を抑え、接合表面粗さを小さくすることができるとともに、接合品質を好適に安定させることができる。

0037

ここでは、バリの厚みと疲労強度との関係を確認するための試験1と、接合用回転ツールFの傾斜角度(狙い角)θとバリの厚みとの関係を確認するための試験2を行った。試験1では、アルミニウム合金A5052で形成された第一金属部材1及び第二金属部材2を準備して、接合用回転ツールFを用いて摩擦攪拌接合を行った。母材の疲労強度は120MPaである。試験体はP1〜P5まで五体用意した。接合用回転ツールFの傾斜角度(狙い角)θは、試験体P1が傾斜角度θ1とし、試験体P2が傾斜角度θ2とし、試験体P3が傾斜角度θ3とし、試験体P4が傾斜角度θ4とし、試験体P5が傾斜角度θ5とした。傾斜角度はθ1>θ2>θ3>θ4>θ5となるように設定した。

0038

試験体P1は、図11に示すように交点eが第二金属部材2の表面2bよりも下方に位置した状態で接合工程を行った。試験体P1は、図14に示すように、第二金属部材2の表面2bにアンダーカットKが形成されている。アンダーカットKの深さは約66μmであった。説明の便宜上、当該アンダーカットを「バリの厚み=−66μm」としている。つまり、バリの厚みがマイナスになる場合は、第二金属部材2の表面2bにアンダーカットKが発生していることを意味する。

0039

図13に示すように、試験体P1の疲労強度は約52MPaであり、閾値60MPaを下回った。つまり、試験体P1であると、第二金属部材2の表面2bにアンダーカットKが形成されてしまい、疲労強度が弱いことがわかった。

0040

試験体P2は、図10に示すように交点eが第二金属部材2の表面2bよりも上方に位置した状態で接合工程を行った。試験体P2は、図15に示すように、第二金属部材2の表面2bにバリSが形成されている。バリSの厚み(第二金属部材2の表面2bからバリSの先端までの高さ)は23μmであった。図13に示すように、試験体P2であると疲労強度は約109MPaと最も高い数値であった。つまり、試験体P2であると、バリSは最も少なく、疲労強度は最も高かった。

0041

試験体P3は、図10に示すように交点eが第二金属部材2の表面2bよりも上方に位置した状態で接合工程を行った。試験体P3の交点eは、試験体P2の交点eよりも上方に位置している。試験体P3は、図16に示すように、第二金属部材2の表面2bにバリSが形成されている。バリSの厚みは57μmであった。図13に示すように、試験体P3であると疲労強度は約88MPaと二番目に高い数値であった。

0042

試験体P4は、図10に示すように交点eが第二金属部材2の表面2bよりも上方に位置した状態で接合工程を行った。試験体4の交点eは、試験体P3の交点eよりも上方に位置している。試験体P4は、図17に示すように、第二金属部材2の表面2bにバリSが形成されている。バリSの厚みは93μmであった。図13に示すように、試験体P4であると疲労強度は約70MPaと三番目に高い数値であった。

0043

試験体P5は図10に示すように交点eが第二金属部材2の表面2bよりも上方に位置した状態で接合工程を行った。試験体P5の交点eは、試験体P4の交点eよりも上方に位置している。試験体P5は、図示は省略するが、試験体P4よりも大きなバリSが形成されている。図13に示すように、試験体P5であると疲労強度は約58MPaとなり閾値を下回った。つまり、試験体P5のように、バリSが大きくなりすぎると、接合部の金属が不足するため、強度が低下することがわかった。

0044

試験1についてまとめると、接合用回転ツールFの傾斜角度(狙い角)θが大きすぎると試験体P1のようにアンダーカットになって疲労強度も低下して好ましくない。一方、接合用回転ツールFの傾斜角度(狙い角)θが小さすぎると試験体P5のように塑性流動材を押さえることができずバリの厚みが大きくなり、疲労強度も低下して好ましくない。試験体P2〜P4であるとバリの厚みを小さく抑えることができるとともに、疲労強度の低下も許容できる範囲に収まる。言い換えると、バリの厚みが0〜130μmとなるように、接合用回転ツールFの傾斜角度(狙い角)θを調節することが好ましい。

0045

試験2では、第二金属部材2と第一金属部材1との板厚の割合を「ケース1=1:2.0」、「ケース2=1:1.67」、「ケース3=1:1.33」とし、それぞれ接合用回転ツールFの傾斜角度(狙い角)θを設定し、接合工程を行った。ケース1では、傾斜角度(狙い角)θを0°、3°、6°に設定し、それぞれ接合工程を行った。ケース2では、傾斜角度(狙い角)θを0°、2°、4°、5°、6°、7°、8°に設定し、接合工程を行った。ケース3では、傾斜角度(狙い角)θを2°、3°に設定し、それぞれ接合工程を行った。

0046

図18に示すように、ケース1では、接合用回転ツールFの傾斜角度(狙い角)θを0°にすると、第二金属部材2の表面2bに発生するバリSの厚みが0.4mm(400μm)と最も大きくなることがわかる。一方、ケース1において、接合用回転ツールFの傾斜角度(狙い角)θを6°にすると、バリSの厚みが0.13mm(130μm)以下となり好ましい。

0047

図18に示すように、ケース2では、接合用回転ツールFの傾斜角度(狙い角)θを0°にすると、第二金属部材2の表面2bに発生するバリSの厚みが0.35mm(350μm)と最も大きくなることがわかる。一方、接合用回転ツールFの傾斜角度(狙い角)θを8°にすると、バリSの厚みがマイナスになる(アンダーカットKが発生する)ことがわかる。接合用回転ツールFの傾斜角度(狙い角)θを4°〜7°にするとバリの厚みが0〜0.13mm(0〜130μm)となり好ましい。

0048

図18に示すように、ケース3では、接合用回転ツールFの傾斜角度(狙い角)θを0.5°〜3°にすると、第二金属部材2の表面2bに発生するバリSの厚みが0〜0.13mm(0〜130μm)となり好ましい。

0049

ケース1,2,3を対比すると、ケース1のように第一金属部材1と第二金属部材2の板厚差が大きい場合は、ケース3よりも接合用回転ツールFの傾斜角度(狙い角)θを大きくする必要がある。一方、ケース3のように第一金属部材1と第二金属部材2の板厚差が小さい場合は、ケース1よりも接合用回転ツールFの傾斜角度(狙い角)θは小さくする必要がある。ケース3の場合に、傾斜角度(狙い角)θを4°以上にするとアンダーカットKも大きくなる傾向があることがわかった。

実施例

0050

ケース1の結果を最小二乗法相関関係を求めるとYa=−0.05θ+0.40となる。ケース2の結果を最小二乗法で相関関係を求めるとYb=−0.05θ+0.35となる。ケース3の結果を最小二乗法で相関関係を求めるとYc=−0.05θ+0.16となる。第二金属部材2と第一金属部材1との厚さの比が1:1.33〜1:2の範囲である場合、バリSの厚みが0〜130μmとなるように、接合用回転ツールFの回転中心軸Uを第二金属部材2側に傾かせ、かつ、接合用回転ツールFの傾斜角度(狙い角)をθ(°)とし、バリSの厚みをs(mm)とすると、−0.05θ+0.16≦s≦−0.05θ+0.40を満たすように傾斜角度(狙い角)θを設定することが好ましい。

0051

1 第一金属部材
2 第二金属部材
F接合用回転ツール(回転ツール)
F2基端側ピン
F3 先端側ピン
J 突合せ部
Sバリ
W 塑性化領域

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