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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12月19日 (1年11ヶ月経過) 出願番号 2018-237177
公開日 2020年6月25日 (4ヶ月経過) 公開番号 2020-097046
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 金属部材同士 挿入角度 摩擦攪拌用
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。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (9)

課題

内隅部の金属不足を防ぐとともに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

一対の金属部材1,2同士を角度をつけて突き合わせて内隅部を形成する突合せ工程と、内隅部を構成する一方の金属部材1の側面1b及び他方の金属部材2の側面2bの少なくとも一方に補助部材10を配置する補助部材配置工程と、内隅部に対して、基端ピンF2と、先端側ピンF3とを備える摩擦攪拌用接合用回転ツールFを用いて摩擦攪拌する摩擦攪拌工程と、を含み、接合用回転ツールFの基端側ピンF2のテーパー角度は、先端側ピンF3のテーパー角度よりも大きくなっており、摩擦攪拌工程では、内隅部に先端側ピンF3を挿入するとともに、補助部材10と基端側ピンF2とを接触させた状態で摩擦攪拌を行うことを特徴とする。

概要

背景

金属部材同士を断面L字状に突き合わせて形成された内隅部を回転ツールを用いて摩擦攪拌接合する接合方法が知られている(特許文献1)。回転ツールは、連結部と、連結部から垂下する攪拌ピンとを備えて構成されている。摩擦攪拌工程では、攪拌ピンのみを内隅部に挿入して摩擦攪拌接合を行うというものである。

概要

内隅部の金属不足を防ぐとともに接合強度を高めることができる接合方法を提供する。一対の金属部材1,2同士を角度をつけて突き合わせて内隅部を形成する突合せ工程と、内隅部を構成する一方の金属部材1の側面1b及び他方の金属部材2の側面2bの少なくとも一方に補助部材10を配置する補助部材配置工程と、内隅部に対して、基端ピンF2と、先端側ピンF3とを備える摩擦攪拌用接合用回転ツールFを用いて摩擦攪拌する摩擦攪拌工程と、を含み、接合用回転ツールFの基端側ピンF2のテーパー角度は、先端側ピンF3のテーパー角度よりも大きくなっており、摩擦攪拌工程では、内隅部に先端側ピンF3を挿入するとともに、補助部材10と基端側ピンF2とを接触させた状態で摩擦攪拌を行うことを特徴とする。

目的

本発明は、内隅部の金属不足を防ぐとともに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
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牽制数
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請求項1

一対の金属部材同士を角度をつけて突き合わせて内隅部を形成する突合せ工程と、前記内隅部を構成する一方の前記金属部材の側面及び他方の前記金属部材の側面の少なくとも一方に補助部材を配置する補助部材配置工程と、前記内隅部に対して、基端ピンと、先端側ピンとを備える摩擦攪拌用回転ツールを用いて摩擦攪拌する摩擦攪拌工程と、を含み、前記回転ツールの前記基端側ピンのテーパー角度は、前記先端側ピンのテーパー角度よりも大きくなっており、前記摩擦攪拌工程では、前記内隅部に前記先端側ピンを挿入するとともに、前記補助部材と前記基端側ピンとを接触させた状態で摩擦攪拌を行うことを特徴とする接合方法

請求項2

一方の金属部材の側面と他方の金属部材の端面とを突き合わせて内隅部を形成する突合せ工程と、前記内隅部を構成する一方の金属部材の側面及び他方の金属部材の側面の少なくとも一方に補助部材を配置する補助部材配置工程と、前記内隅部に対して、基端側ピンと、先端側ピンとを備える摩擦攪拌用の回転ツールを用いて摩擦攪拌する摩擦攪拌工程と、を含み、前記回転ツールの前記基端側ピンのテーパー角度は、前記先端側ピンのテーパー角度よりも大きくなっており、前記摩擦攪拌工程では、前記内隅部に前記先端側ピンを挿入するとともに、前記補助部材と前記基端側ピンとを接触させた状態で摩擦攪拌を行うことを特徴とする接合方法。

請求項3

前記基端側ピンの外周面には階段状の段差部が形成されており、前記摩擦攪拌工程では、前記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請求項1又は請求項2に記載の接合方法。

請求項4

前記基端側ピンのテーパー角度は50〜80°になっていることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか一項に記載の接合方法。

請求項5

前記段差部の段差側面の高さは0.4〜6.0mmになっていることを特徴とする請求項3に記載の接合方法。

請求項6

前記段差部の段差底面と段差側面とでなす角度は90〜120°になっていることを特徴とする請求項3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

金属部材同士を断面L字状に突き合わせて形成された内隅部を回転ツールを用いて摩擦攪拌接合する接合方法が知られている(特許文献1)。回転ツールは、連結部と、連結部から垂下する攪拌ピンとを備えて構成されている。摩擦攪拌工程では、攪拌ピンのみを内隅部に挿入し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2018−069321号公報

発明が解決しようとする課題

0004

特許文献1の従来技術であると、塑性流動材ショルダ部で押さえないため塑性流動材が外部に溢れ出してバリが多く発生するという問題がある。バリが多く発生すると内隅部が金属不足になり接合強度が低下するという問題がある。

0005

このような観点から、本発明は、内隅部の金属不足を防ぐとともに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、一対の金属部材同士を角度をつけて突き合わせて内隅部を形成する突合せ工程と、前記内隅部を構成する一方の前記金属部材の側面及び他方の前記金属部材の側面の少なくとも一方に補助部材を配置する補助部材配置工程と、前記内隅部に対して、基端ピンと、先端側ピンとを備える摩擦攪拌用の回転ツールを用いて摩擦攪拌する摩擦攪拌工程と、を含み、前記回転ツールの前記基端側ピンのテーパー角度は、前記先端側ピンのテーパー角度よりも大きくなっており、前記摩擦攪拌工程では、前記内隅部に前記先端側ピンを挿入するとともに、前記補助部材と前記基端側ピンとを接触させた状態で摩擦攪拌を行うことを特徴とする。

0007

また、本発明は、一方の金属部材の側面と他方の金属部材の端面とを突き合わせて内隅部を形成する突合せ工程と、前記内隅部を構成する一方の金属部材の側面及び他方の金属部材の側面の少なくとも一方に補助部材を配置する補助部材配置工程と、前記内隅部に対して、基端側ピンと、先端側ピンとを備える摩擦攪拌用の回転ツールを用いて摩擦攪拌する摩擦攪拌工程と、を含み、前記回転ツールの前記基端側ピンのテーパー角度は、前記先端側ピンのテーパー角度よりも大きくなっており、前記摩擦攪拌工程では、前記内隅部に前記先端側ピンを挿入するとともに、前記補助部材と前記基端側ピンとを接触させた状態で摩擦攪拌を行うことを特徴とする。

0008

かかる接合方法によれば、先端側ピンのテーパー角度が小さくなっているので、先端側ピンを内隅部に容易に挿入することができる。また、基端側ピンのテーパー角度が大きくなっているので補助部材に接触させやすく、かつ、塑性流動材を押さえることができる。これにより、バリが外部に溢れるのを防ぐとともに内隅部の金属不足を防ぎ、接合強度を高めることができる。

0009

また、前記基端側ピンの外周面には階段状の段差部が形成されており、前記摩擦攪拌工程では、前記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が好ましい。
また、前記基端側ピンのテーパー角度は50〜80°になっていることが好ましい。

また、前記段差部の段差側面の高さは0.4〜6.0mmになっていることが好ましい。
また、前記段差部の段差底面と段差側面とでなす角度は90〜120°になっていることが好ましい。

発明の効果

0010

本発明に係る接合方法によれば、内隅部の金属不足を防ぐとともに接合強度を高めることができる。

図面の簡単な説明

0011

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。
本実施形態に係る接合方法の接合用回転ツールを示す拡大側面図である。
一変形例に係る接合用回転ツールの拡大側面図である。
第二変形例に係る接合用回転ツールの拡大側面図である。
本実施形態に係る接合方法の突合せ工程及び補助部材配置工程を示す側面図である。
本実施形態に係る接合方法の摩擦攪拌工程を示す側面図である。
従来の回転ツールを示す側面図である。
従来の回転ツールを示す側面図である。

実施例

0012

本発明の実施形態に係る接合方法について、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。

0013

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、50〜80°になっている。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、階段状の段差部F21が高さ方向の全体に亘って形成されている。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、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、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。

0014

なお、接合用回転ツールFを左回転させる場合は、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、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。

0015

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、0.4〜6.0mmで設定されている。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、90〜120°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。

0017

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、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100°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鈍角としてもよい。

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、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変形例及び第二変形例によっても、下記の実施形態と同等の効果を奏することができる。

0022

次に、本実施形態の接合方法について説明する。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。図5に示すように、本実施形態に係る接合方法では、金属部材1,2をL字状に突き合わせ、その内隅部を摩擦攪拌接合するというものである。本実施形態の接合方法では、突合せ工程と、補助部材配置工程と、摩擦攪拌工程と、補助部材除去工程と、を行う。

0023

突合せ工程は、板状を呈する金属部材1,2を断面L字状に突き合わせる工程である。突合せ工程では、金属部材1の側面1bに、金属部材2の端面2aを突き合わせる。これにより、突合せ部J1が形成される。金属部材1の端面1aと、金属部材2の側面2cも面一にする。金属部材1,2の材料は、摩擦攪拌可能な金属であれば特に制限されないが、本実施形態ではアルミニウム合金を用いている。金属部材1の側面1bと、金属部材2の側面2bとで内隅部が形成される。なお、金属部材1,2は、本実施形態では内角が90°となるように突き合わせているが、他の角度で突き合わせてもよい。

0024

補助部材配置工程は、内隅部に補助部材10を配置する工程である。補助部材10は、金属部材1,2と同じ材料で形成された板状部材である。補助部材配置工程では、金属部材2の側面2bと補助部材10の裏面10cとを面接触させ、金属部材1の側面1bに補助部材10の端面を接触させる。なお、補助部材10は、金属部材1側と金属部材2側の両方に配置していもよいし、金属部材1と面接触するように配置してもよい。補助部材10の厚みは、後記する摩擦攪拌工程を行った後に、内隅部が金属不足とならない程度に適宜設定する。

0025

摩擦攪拌工程は、接合用回転ツールFを用いて金属部材1,2を摩擦攪拌接合する工程である。摩擦攪拌工程では、図6に示すように、右回転させた接合用回転ツールFを内隅部に挿入し、突合せ部J1に沿って接合用回転ツールFを移動させる。摩擦攪拌工程では、先端側ピンF3を突合せ部J1(内隅部)に挿入するとともに、基端側ピンF2の外周面を補助部材10の一部に接触させる。また、摩擦攪拌工程では、基端側ピンF2を金属部材1,2に接触させないが、基端側ピンF2が金属部材1,2に極力近づくように接合用回転ツールFの挿入深さ、挿入角度等を設定するのが好ましい。

0026

補助部材除去工程は、摩擦攪拌工程後に補助部材10を除去する工程である。補助部材除去工程では、工具を用いて又は手作業で補助部材10を金属部材2の側面2bから離脱させる。摩擦攪拌工程では、補助部材10側にバリが発生するように摩擦攪拌の接合条件を設定することが好ましい。このようにすると、補助部材10ごとバリを除去することができるため、別途バリ除去工程を行う手間を省くことができる。

0027

以上説明した本実施形態の接合方法によれば、先端側ピンF3のテーパー角度Bが小さくなっているので、先端側ピンF3を内隅部に容易に挿入することができる。また、基端側ピンF2のテーパー角度Aが大きくなっているので補助部材10に接触させやすく、かつ、基端側ピンF2で塑性流動材を押さえることができる。これにより、バリが外部に溢れるのを防ぐとともに内隅部の金属不足を防ぎ、接合強度を高めることができる。

0028

ここで、例えば、図7A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7B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。

0029

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。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。

0030

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、階段状の段差部F21は出口が広いため、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、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。

0031

1金属部材
1b 側面
1c 側面
2 金属部材
2b 側面
2c 側面
10補助部材
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
W 塑性化領域

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