JP2000153374A - 摩擦攪拌接合装置及び摩擦攪拌接合ツール並びに摩擦攪拌接合構造物 - Google Patents
摩擦攪拌接合装置及び摩擦攪拌接合ツール並びに摩擦攪拌接合構造物Info
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Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K20/00—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating
- B23K20/12—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
- 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
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- B23K20/1255—Tools therefor, e.g. characterised by the shape of the probe
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- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Pressure Welding/Diffusion-Bonding (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】本発明の目的は、裏波不良の生じない摩擦攪拌
接合装置及びその接合ツールとその接合構造物並びに用
途を提供する。 【解決手段】本発明は、回転駆動装置と、この回転駆動
装置により駆動され、かつ被加工物より硬い材質にて形
成された接合ツール１とを備え、前記接合ツールを被加
工物の接合部に回転させながら押圧挿入して接合面を移
動し、二つの被加工物を摩擦撹拌接合する摩擦攪拌接合
装置又はそのツールにおいて、前記接合ツールの先端部
に、前記被加工物に対して塑性流動を生じさせる攪拌手
段を設けたものである。この装置により特定のビード形
状が得られる。
接合装置及びその接合ツールとその接合構造物並びに用
途を提供する。 【解決手段】本発明は、回転駆動装置と、この回転駆動
装置により駆動され、かつ被加工物より硬い材質にて形
成された接合ツール１とを備え、前記接合ツールを被加
工物の接合部に回転させながら押圧挿入して接合面を移
動し、二つの被加工物を摩擦撹拌接合する摩擦攪拌接合
装置又はそのツールにおいて、前記接合ツールの先端部
に、前記被加工物に対して塑性流動を生じさせる攪拌手
段を設けたものである。この装置により特定のビード形
状が得られる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、例えば、アルミニ
ウム合金材等の接合に用いられる摩擦攪拌接合装置およ
び摩擦攪拌接合ツールとそれによって得られる接合構造
物並びに用途に関するものである。
ウム合金材等の接合に用いられる摩擦攪拌接合装置およ
び摩擦攪拌接合ツールとそれによって得られる接合構造
物並びに用途に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来一般に採用されているこの種の摩擦
攪拌接合装置は、被加工物より実質的に硬い材質で、か
つ先端が半球状をなした接合ツールを備え、そしてこの
接合ツールを二つの被加工物の接合部に回転させながら
押圧挿入して移動させ、すなわち接合方向に沿って移動
させて接合部を塑性流動させ固相接合するものである。
このような摩擦攪拌接合は、通常、アルミニウム合金材
の被加工物の突合せ部や重ね部の結合に適用されてい
る。なお、この種摩擦攪拌接合装置や摩擦攪拌接合ツー
ルに関連するものとしては、例えば特公表7−505090 号
公報、あるいは特公表7−525109 号公報などが挙げられ
る。
攪拌接合装置は、被加工物より実質的に硬い材質で、か
つ先端が半球状をなした接合ツールを備え、そしてこの
接合ツールを二つの被加工物の接合部に回転させながら
押圧挿入して移動させ、すなわち接合方向に沿って移動
させて接合部を塑性流動させ固相接合するものである。
このような摩擦攪拌接合は、通常、アルミニウム合金材
の被加工物の突合せ部や重ね部の結合に適用されてい
る。なお、この種摩擦攪拌接合装置や摩擦攪拌接合ツー
ルに関連するものとしては、例えば特公表7−505090 号
公報、あるいは特公表7−525109 号公報などが挙げられ
る。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】このように形成されて
いる摩擦攪拌接合装置であると、治具の上に、二つの部
材（板）を突合せて配置し、この突合せ面に沿って接合
ツールを回転させながら挿入，かつ移動することにより
接合するので、接合ツールの先端と治具との間には或る
間隔（隙間）があり、従来のこの種の接合ツールでは塑
性流動されない部分が生ずる場合があった。すなわち、
従来の接合ツールは、図４にも示されているように、先
端のピン２とこのピン２よりは大径のショルダー３によ
り構成されており、この接合ツール１では、ピン２の先
端が半球状であるため、ピン２の先端と治具１０との間
の部材が十分に塑性流動されず、その結果、ビード裏側
の部材突合せ面が接合されずに残り、裏波不良が生じ易
いという問題があった。
いる摩擦攪拌接合装置であると、治具の上に、二つの部
材（板）を突合せて配置し、この突合せ面に沿って接合
ツールを回転させながら挿入，かつ移動することにより
接合するので、接合ツールの先端と治具との間には或る
間隔（隙間）があり、従来のこの種の接合ツールでは塑
性流動されない部分が生ずる場合があった。すなわち、
従来の接合ツールは、図４にも示されているように、先
端のピン２とこのピン２よりは大径のショルダー３によ
り構成されており、この接合ツール１では、ピン２の先
端が半球状であるため、ピン２の先端と治具１０との間
の部材が十分に塑性流動されず、その結果、ビード裏側
の部材突合せ面が接合されずに残り、裏波不良が生じ易
いという問題があった。
【０００４】本発明の目的は裏波不良の生じない摩擦攪
拌接合装置及びその接合ツールとそれによって得られる
接合構造物並びに用途を提供することにある。
拌接合装置及びその接合ツールとそれによって得られる
接合構造物並びに用途を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明は、回転駆動装置
と、該回転駆動装置により駆動され、かつ被加工物より
硬い材質にて形成された接合ツールとを備え、前記接合
ツールを被加工物の接合部に回転させながら押圧挿入し
て接合方向に相対移動させるとともに、前記被加工物を
摩擦攪拌接合する摩擦攪拌接合装置において、前記接合
ツールは前記被加工物に対し、前記接合ツールの先端面
より下部で塑性流動を生じさせる攪拌手段を設けたこ
と、前記接合ツールは前記被加工物に対し前記接合ツー
ルの先端面より下部で塑性流動させるように前記先端面
に凹凸を設けたこと、前記接合ツールは前記被加工物に
対し下方に流れる塑性流動を生じさせる攪拌手段を有す
ること、前記接合ツールの先端面を平坦な面に形成する
とともに、この平坦な面に凹部もしくは凸部を設けたこ
とを特徴とする。
と、該回転駆動装置により駆動され、かつ被加工物より
硬い材質にて形成された接合ツールとを備え、前記接合
ツールを被加工物の接合部に回転させながら押圧挿入し
て接合方向に相対移動させるとともに、前記被加工物を
摩擦攪拌接合する摩擦攪拌接合装置において、前記接合
ツールは前記被加工物に対し、前記接合ツールの先端面
より下部で塑性流動を生じさせる攪拌手段を設けたこ
と、前記接合ツールは前記被加工物に対し前記接合ツー
ルの先端面より下部で塑性流動させるように前記先端面
に凹凸を設けたこと、前記接合ツールは前記被加工物に
対し下方に流れる塑性流動を生じさせる攪拌手段を有す
ること、前記接合ツールの先端面を平坦な面に形成する
とともに、この平坦な面に凹部もしくは凸部を設けたこ
とを特徴とする。
【０００６】前記凹部もしくは凸部は、ローレット加工
形状，放射状に設けられた円弧状の溝もしくは円弧状の
突堤，らせん状の溝、もしくはらせん状の突堤のいずれ
かであることが好ましい。
形状，放射状に設けられた円弧状の溝もしくは円弧状の
突堤，らせん状の溝、もしくはらせん状の突堤のいずれ
かであることが好ましい。
【０００７】本発明は、被加工物より硬い材質からなる
接合ツールを被加工物の接合部に回転させながら押圧挿
入して被加工物を摩擦攪拌接合する摩擦攪拌接合ツール
において、該ツールは前記被加工物に対し、前記接合ツ
ールの先端面より下部で塑性流動が生じさせる攪拌手段
を有すること、接合ツールは前記被加工物に対し前記接
合ツールの先端面より下部で塑性流動させるように前記
先端面に凹凸を設けたこと、接合ツールの先端面を平坦
な面に形成するとともに、この平坦な面に凹部もしくは
凸部を設けるようにしたこと、接合ツールは前記被加工
物に対し下方に流れる塑性流動を生じさせる攪拌手段を
有すること、又は接合ツールはその先端部に回転軸に対
して傾斜した平面部を有することを特徴とする。
接合ツールを被加工物の接合部に回転させながら押圧挿
入して被加工物を摩擦攪拌接合する摩擦攪拌接合ツール
において、該ツールは前記被加工物に対し、前記接合ツ
ールの先端面より下部で塑性流動が生じさせる攪拌手段
を有すること、接合ツールは前記被加工物に対し前記接
合ツールの先端面より下部で塑性流動させるように前記
先端面に凹凸を設けたこと、接合ツールの先端面を平坦
な面に形成するとともに、この平坦な面に凹部もしくは
凸部を設けるようにしたこと、接合ツールは前記被加工
物に対し下方に流れる塑性流動を生じさせる攪拌手段を
有すること、又は接合ツールはその先端部に回転軸に対
して傾斜した平面部を有することを特徴とする。
【０００８】本発明は、摩擦接合された接合構造物にお
いて、前記接合によって形成されるビードはその接合方
向に垂直な断面形状において前記ビードの表面と裏面と
の間の中心部における前記ビードと母材との間の界面の
裏面に対する傾斜角度が６０〜８０度であること、好ま
しくは６５〜７５度であること、前記接合によって形成
されるビードはその接合方向に垂直な断面形状において
前記ビードと母材との間の界面の前記ビードの裏面から
の立上がりの裏面に対する傾斜角度が２５〜５０度であ
ること、好ましくは３０〜４５度であること、前記接合
によって形成されるビードは接合ツールの上下方向の移
動によって、その表面側に円弧状の凹凸からなる波状の
加工ラインが形成されており、該波状の数が接合の進行
方向に対し長さ１０mm当り１５〜３０本であること、好
ましくは１５〜２５本であること、前記接合によって形
成されるビードはそのビード内に酸化物粒子が分散して
いることのいずれか、これらの複数又は全部の組み合わ
せを有することを特徴とする。
いて、前記接合によって形成されるビードはその接合方
向に垂直な断面形状において前記ビードの表面と裏面と
の間の中心部における前記ビードと母材との間の界面の
裏面に対する傾斜角度が６０〜８０度であること、好ま
しくは６５〜７５度であること、前記接合によって形成
されるビードはその接合方向に垂直な断面形状において
前記ビードと母材との間の界面の前記ビードの裏面から
の立上がりの裏面に対する傾斜角度が２５〜５０度であ
ること、好ましくは３０〜４５度であること、前記接合
によって形成されるビードは接合ツールの上下方向の移
動によって、その表面側に円弧状の凹凸からなる波状の
加工ラインが形成されており、該波状の数が接合の進行
方向に対し長さ１０mm当り１５〜３０本であること、好
ましくは１５〜２５本であること、前記接合によって形
成されるビードはそのビード内に酸化物粒子が分散して
いることのいずれか、これらの複数又は全部の組み合わ
せを有することを特徴とする。
【０００９】本発明は、アルミ合金よりなり、摩擦接合
された接合構造物よりなる車体によって構成される鉄道
車両において、前記接合構造物は上述に記載の接合構造
物よりなることを特徴とする。
された接合構造物よりなる車体によって構成される鉄道
車両において、前記接合構造物は上述に記載の接合構造
物よりなることを特徴とする。
【００１０】アルミニウム材の種類は限定されることは
なく、純アルミニウム系，Ａｌ−Ｃｕ系（JIS2000系）
合金，Ａｌ−Ｍｎ系（JIS3000系）合金，Ａｌ−Ｓｉ系
（JIS4000系）合金，Ａｌ−Ｍｇ系（JIS5000系）合金，
Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系（JIS6000系）合金，Ａｌ−Ｚｎ−
Ｍｇ系（JIS7000系）合金等の展伸材や、純アルミニウ
ム系，Ａｌ−Ｓｉ系合金，Ａｌ−Ｍｇ系合金，Ａｌ−Ｃ
ｕ−Ｓｉ系合金，Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金，Ａｌ
−Ｍｇ−Ｓｉ系合金等のＪＩＳ規格アルミニウム鋳物材
等の中から、用途との関係で適宜選択使用すれば良い。
なく、純アルミニウム系，Ａｌ−Ｃｕ系（JIS2000系）
合金，Ａｌ−Ｍｎ系（JIS3000系）合金，Ａｌ−Ｓｉ系
（JIS4000系）合金，Ａｌ−Ｍｇ系（JIS5000系）合金，
Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系（JIS6000系）合金，Ａｌ−Ｚｎ−
Ｍｇ系（JIS7000系）合金等の展伸材や、純アルミニウ
ム系，Ａｌ−Ｓｉ系合金，Ａｌ−Ｍｇ系合金，Ａｌ−Ｃ
ｕ−Ｓｉ系合金，Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金，Ａｌ
−Ｍｇ−Ｓｉ系合金等のＪＩＳ規格アルミニウム鋳物材
等の中から、用途との関係で適宜選択使用すれば良い。
【００１１】異種金属材はアルミニウム以外の金属材で
あり、その種類は特に限定されることはなく、ＳＳ材，
ＳＵＳ材等の鉄系材料でも良いし、あるいは銅系，チタ
ン系，Ｍｇ系材料でも良い。
あり、その種類は特に限定されることはなく、ＳＳ材，
ＳＵＳ材等の鉄系材料でも良いし、あるいは銅系，チタ
ン系，Ｍｇ系材料でも良い。
【００１２】上記のようなアルミニウム材と異種金属材
を適宜組み合わせて接合すれば良いが、最も望ましい接
合部材の組み合わせとしては、特に自動車，鉄道車両用
の車体等の構造材や継手に用いる場合は、Ａｌ−Ｍｇ
系，Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系のアルミニウム材と鉄系材料と
の組み合わせが望ましく、電子部品用接合材に用いる場
合には、JIS6000 系アルミニウム材と銅系材料またはチ
タン系材料またはマグネシウム系材料との組み合わせが
望ましく、航空機用接合材に用いる場合には、Ａｌ−Ｃ
ｕ系合金材料またはＡｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系合金材料からな
るアルミニウム材と、チタン系材料からなる異種金属材
との組み合わせが望ましく、いずれも強度が高く外観的
にも優れた接合状態を実現できる。
を適宜組み合わせて接合すれば良いが、最も望ましい接
合部材の組み合わせとしては、特に自動車，鉄道車両用
の車体等の構造材や継手に用いる場合は、Ａｌ−Ｍｇ
系，Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系のアルミニウム材と鉄系材料と
の組み合わせが望ましく、電子部品用接合材に用いる場
合には、JIS6000 系アルミニウム材と銅系材料またはチ
タン系材料またはマグネシウム系材料との組み合わせが
望ましく、航空機用接合材に用いる場合には、Ａｌ−Ｃ
ｕ系合金材料またはＡｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系合金材料からな
るアルミニウム材と、チタン系材料からなる異種金属材
との組み合わせが望ましく、いずれも強度が高く外観的
にも優れた接合状態を実現できる。
【００１３】他、船舶，エレベータ，圧力容器などの構
造体に利用できる。
造体に利用できる。
【００１４】被加工物の厚さを４mm以上のアルミニウム
合金の接合については、接合ツールを８５０rpm 以上、
好ましくは１００〜３０００rpm で回転させ、かつ１分
当り２４０mm以上、好ましくは３００〜１０００mmの速
度で接合線に沿って移動させることができる。３０００
rpm 以上のより高い回転速度では、１秒当り約３００mm
までのより高速度で移動させることができるが、あまり
移動速度を上げすぎると片側に沿ってポアが形成されて
しまう。また、回転速度を３００rpm まで抑え、移動速
度も対応して下げることが可能である。ある移動速度に
ついては、アルミニウムシリコンマグネシウム合金（BS
6082）の場合、１分当り２４０mm程度等、許容可能な回
転速度があり、４４０〜８５０rpm の回転速度が好まし
い。
合金の接合については、接合ツールを８５０rpm 以上、
好ましくは１００〜３０００rpm で回転させ、かつ１分
当り２４０mm以上、好ましくは３００〜１０００mmの速
度で接合線に沿って移動させることができる。３０００
rpm 以上のより高い回転速度では、１秒当り約３００mm
までのより高速度で移動させることができるが、あまり
移動速度を上げすぎると片側に沿ってポアが形成されて
しまう。また、回転速度を３００rpm まで抑え、移動速
度も対応して下げることが可能である。ある移動速度に
ついては、アルミニウムシリコンマグネシウム合金（BS
6082）の場合、１分当り２４０mm程度等、許容可能な回
転速度があり、４４０〜８５０rpm の回転速度が好まし
い。
【００１５】
【発明の実施の形態】実施例１ 図１は本発明の摩擦攪拌接合装置に用いた接合ツール１
の正面図(ａ)及びその下部の平面図（ｂ）である。図１
に示すようにピン２は被接合物に挿入される接合で、回
転軸に対して傾斜した切断面を有し、その切断面はピン
２が棒状であるので、楕円形状の平面を有し、傾斜面１
６を有している。傾斜面１６は接合ツール１の回転軸１
３に対する内角θは本実施例では約３８度である。本発
明においてはこの角度は３０〜８０度が裏波不良防止に
有効である。特に、３５〜６０度が好ましい。また、こ
の傾斜面１６により、ピン２の先端と後述するJISSUS30
4からなる裏当金となる治具１０との間の被接合材を積
極的に塑性流動させる攪拌を生じさせる。この塑性流動
により、ビード裏側の突合せ面が攪拌されて接合後に残
らないために裏波不良を防止することができる。
の正面図(ａ)及びその下部の平面図（ｂ）である。図１
に示すようにピン２は被接合物に挿入される接合で、回
転軸に対して傾斜した切断面を有し、その切断面はピン
２が棒状であるので、楕円形状の平面を有し、傾斜面１
６を有している。傾斜面１６は接合ツール１の回転軸１
３に対する内角θは本実施例では約３８度である。本発
明においてはこの角度は３０〜８０度が裏波不良防止に
有効である。特に、３５〜６０度が好ましい。また、こ
の傾斜面１６により、ピン２の先端と後述するJISSUS30
4からなる裏当金となる治具１０との間の被接合材を積
極的に塑性流動させる攪拌を生じさせる。この塑性流動
により、ビード裏側の突合せ面が攪拌されて接合後に残
らないために裏波不良を防止することができる。
【００１６】本実施例における摩擦攪拌接合法では、高
速回転する接合ツール１を被接合材の接合部に接触させ
て摩擦熱を発生させると同時に接合ツール１のピン２を
接合部に挿入させて接合方向に移動させることにより溶
融させることなく固相状態のままで接合部に塑性流動を
生じさせて接合させるものである。ピン２は長さ4.0m
m，外径６.０mmであり、ショルダー直径は１３.０mmで
ある。回転速度は1600rpm ，接合速度は４００mm／分で
ある。接合ツール１は回転軸を垂直な位置から接合方向
に対して反対の方向に５度以内（好ましくは２〜４度）
傾けられる。
速回転する接合ツール１を被接合材の接合部に接触させ
て摩擦熱を発生させると同時に接合ツール１のピン２を
接合部に挿入させて接合方向に移動させることにより溶
融させることなく固相状態のままで接合部に塑性流動を
生じさせて接合させるものである。ピン２は長さ4.0m
m，外径６.０mmであり、ショルダー直径は１３.０mmで
ある。回転速度は1600rpm ，接合速度は４００mm／分で
ある。接合ツール１は回転軸を垂直な位置から接合方向
に対して反対の方向に５度以内（好ましくは２〜４度）
傾けられる。
【００１７】本実施例に用いた接合ツール１のショルダ
ー３及びピン２は一体の工具鋼が用いられる。工具鋼と
してはＪＩＳ規格に記載されている炭素工具鋼材ＳＫ１
〜７，高速度工具鋼材ＳＫＨ２〜５７，合金工具鋼材Ｓ
ＫＳ１〜９５，ＳＫＤ１〜６等が使用可能である。特
に、本実施例においては合金工具鋼材のＳＫＤ６１を用
いた。
ー３及びピン２は一体の工具鋼が用いられる。工具鋼と
してはＪＩＳ規格に記載されている炭素工具鋼材ＳＫ１
〜７，高速度工具鋼材ＳＫＨ２〜５７，合金工具鋼材Ｓ
ＫＳ１〜９５，ＳＫＤ１〜６等が使用可能である。特
に、本実施例においては合金工具鋼材のＳＫＤ６１を用
いた。
【００１８】図２は本実施例の接合ツールを用いた接合
中の摩擦攪拌接合装置の斜視図である。この図は摩擦攪
拌接合により押出形材５どうしを接合中の状況を示して
いる。この押出形材５は板厚４mmの板９とＴ字型のリブ
８より構成される。リブ８は板９の接合方向に複数配置
されている。また、押出形材５の材質はＭｇ０.７％及
びＳｉ０.７％を含むアルミニウム合金のＪＩＳ規格Ａ
６Ｎ０１である。
中の摩擦攪拌接合装置の斜視図である。この図は摩擦攪
拌接合により押出形材５どうしを接合中の状況を示して
いる。この押出形材５は板厚４mmの板９とＴ字型のリブ
８より構成される。リブ８は板９の接合方向に複数配置
されている。また、押出形材５の材質はＭｇ０.７％及
びＳｉ０.７％を含むアルミニウム合金のＪＩＳ規格Ａ
６Ｎ０１である。
【００１９】この押出形材５どうしの接合では、図のよ
うに押出形材５の端部どうしを突合わせて接合する構造
である。また、接合面６は仮付け２０により固定されて
いる。この仮付けはＴＩＧ溶接により行う。また、押出
形材５は治具１０上に配置され、クランプ１９により固
定されている。
うに押出形材５の端部どうしを突合わせて接合する構造
である。また、接合面６は仮付け２０により固定されて
いる。この仮付けはＴＩＧ溶接により行う。また、押出
形材５は治具１０上に配置され、クランプ１９により固
定されている。
【００２０】このように押出形材５を固定して、接合面
６に沿って、前述のように高速回転する接合ツール１を
移動させるとともに摩擦熱を生じさせるとともに接合部
で塑性流動させることにより接合する。この時、接合ツ
ール１は回転速度が可変である回転モータ２２に接続さ
れ、ガントリー１８を自動的に一定の速度で移動させる
ことにより行う。接合ツール１は左右に駆動手段によっ
て移動可能であり、ガントリー１８はガイドレール２１
上を自動制御装置によって移動する。
６に沿って、前述のように高速回転する接合ツール１を
移動させるとともに摩擦熱を生じさせるとともに接合部
で塑性流動させることにより接合する。この時、接合ツ
ール１は回転速度が可変である回転モータ２２に接続さ
れ、ガントリー１８を自動的に一定の速度で移動させる
ことにより行う。接合ツール１は左右に駆動手段によっ
て移動可能であり、ガントリー１８はガイドレール２１
上を自動制御装置によって移動する。
【００２１】図３は摩擦攪拌接合方法の斜視図を示す。
摩擦攪拌接合法は、接合ツールを回転させながら、接合
面６に沿って移動することにより接合する。
摩擦攪拌接合法は、接合ツールを回転させながら、接合
面６に沿って移動することにより接合する。
【００２２】図４に接合前における接合部の断面図を示
す。継手の形状は接合面６の近傍に台形の厚板部１１を
設けて接合部の板厚を厚くしている。これは、Ａ６Ｎ０
１は時効硬化合金であり接合後の強度が低下するため、
接合部の板厚を厚くして所定の接合強度を確保してい
る。
す。継手の形状は接合面６の近傍に台形の厚板部１１を
設けて接合部の板厚を厚くしている。これは、Ａ６Ｎ０
１は時効硬化合金であり接合後の強度が低下するため、
接合部の板厚を厚くして所定の接合強度を確保してい
る。
【００２３】図５は接合中における接合部の断面図を示
す。接合面６に挿入された接合ツール１の高速回転によ
り、接合ツール１近傍に被加工物自身の塑性流動域１２
が形成される。
す。接合面６に挿入された接合ツール１の高速回転によ
り、接合ツール１近傍に被加工物自身の塑性流動域１２
が形成される。
【００２４】図６に従来の接合ツール形状を示す。接合
ツール１は先端の小径のピン２と大径のショルダー３に
より構成される。従来の接合ツール１では、ピン２の先
端が半球形状であるため、ピン２の先端と治具１０との
間のアルミ部材が十分に塑性流動されない。このため、
ビード裏側の突合せ面が接合されずに残り、裏波不良が
生じ易いとういう問題があった。
ツール１は先端の小径のピン２と大径のショルダー３に
より構成される。従来の接合ツール１では、ピン２の先
端が半球形状であるため、ピン２の先端と治具１０との
間のアルミ部材が十分に塑性流動されない。このため、
ビード裏側の突合せ面が接合されずに残り、裏波不良が
生じ易いとういう問題があった。
【００２５】図７に従来の接合ツールによる接合後のビ
ード断面の６倍の顕微鏡写真を示す。この写真は紙面に
対して奥が溶接方向であり、接合ツールの回転は時計回
りで行ったもので、接合ツールを被接合材面に対して進
行方向でギャップが生じる様に約３度傾けて接合したも
のである。写真上部が接合ツールが挿入される表面であ
り、下部が裏面側である。
ード断面の６倍の顕微鏡写真を示す。この写真は紙面に
対して奥が溶接方向であり、接合ツールの回転は時計回
りで行ったもので、接合ツールを被接合材面に対して進
行方向でギャップが生じる様に約３度傾けて接合したも
のである。写真上部が接合ツールが挿入される表面であ
り、下部が裏面側である。
【００２６】図では明確ではないが、ビード裏側には線
状の欠陥が発生していた。
状の欠陥が発生していた。
【００２７】また、図に示す様にビードの裏面からの立
上がり角度は裏面に対して約１１度及びその後のビード
中央部の直線部の角度は約５７度であった。更に、ビー
ド内には白いジグザグの線が見られ、被接合材表面と開
先面に存在する酸化皮膜が連続して連らなった様に巻き
込まれていた。
上がり角度は裏面に対して約１１度及びその後のビード
中央部の直線部の角度は約５７度であった。更に、ビー
ド内には白いジグザグの線が見られ、被接合材表面と開
先面に存在する酸化皮膜が連続して連らなった様に巻き
込まれていた。
【００２８】図８は図１に示した本発明の接合ツールに
よる接合後のビード断面の６倍の顕微鏡写真である。接
合条件，材質、及び板厚は図７と同じである。本発明で
は、ビードの裏側まで接合面が攪拌されて、ビード裏側
には欠陥がない。
よる接合後のビード断面の６倍の顕微鏡写真である。接
合条件，材質、及び板厚は図７と同じである。本発明で
は、ビードの裏側まで接合面が攪拌されて、ビード裏側
には欠陥がない。
【００２９】摩擦攪拌接合を鉄道車両構体などの大型構
造物に適用した場合、治具の精度及びツールの接合面へ
の倣い精度が悪いため、図７に示したような欠陥が生じ
ることがある。この欠陥は強度低下の原因になる。本発
明の接合ツールで接合することにより大型構造物に対し
て欠陥の発生の無い良好な接合ができる。
造物に適用した場合、治具の精度及びツールの接合面へ
の倣い精度が悪いため、図７に示したような欠陥が生じ
ることがある。この欠陥は強度低下の原因になる。本発
明の接合ツールで接合することにより大型構造物に対し
て欠陥の発生の無い良好な接合ができる。
【００３０】また、図に示す様にビードの裏面からの立
上がり角度は裏面に対して約３８度及びその後のビード
中央部の直線部の角度は同じく裏面に対して約６８度で
あった。更に、ビード内には図７に示す様な酸化皮膜の
連続したものは見当らず、ビード内に粒状で分散されて
いた。従って、本実施例で明らかな様に接合ツール先端
部での被接合部での塑性流動が活発に生じたためにビー
ド裏側でも良好な接合が得られたものである。また、ビ
ード裏側での塑性流動幅は約３.５ と前述の図７の従来
接合ツールを用いたもののそれが本発明の約半分に対し
大きいものであった。
上がり角度は裏面に対して約３８度及びその後のビード
中央部の直線部の角度は同じく裏面に対して約６８度で
あった。更に、ビード内には図７に示す様な酸化皮膜の
連続したものは見当らず、ビード内に粒状で分散されて
いた。従って、本実施例で明らかな様に接合ツール先端
部での被接合部での塑性流動が活発に生じたためにビー
ド裏側でも良好な接合が得られたものである。また、ビ
ード裏側での塑性流動幅は約３.５ と前述の図７の従来
接合ツールを用いたもののそれが本発明の約半分に対し
大きいものであった。
【００３１】更に、本発明の表面側のビード表面は接合
ツールのショルダー３の直径に従って波形の凹凸を呈
し、その波形の本数は接合長さ１０mm当り１９本であっ
た。この波形の本数は接合ツールの回転数と接合速度に
よってコントロールされるものであり、その波形の適正
な本数とすることが必要である。
ツールのショルダー３の直径に従って波形の凹凸を呈
し、その波形の本数は接合長さ１０mm当り１９本であっ
た。この波形の本数は接合ツールの回転数と接合速度に
よってコントロールされるものであり、その波形の適正
な本数とすることが必要である。
【００３２】また、本実施例で得られる溶接ビードは固
相での大きな塑性流動又は攪拌を受けているので、母材
よりも微細な結晶粒が形成され、母材より高い引張強さ
が得られる。
相での大きな塑性流動又は攪拌を受けているので、母材
よりも微細な結晶粒が形成され、母材より高い引張強さ
が得られる。
【００３３】本実施例で用いた接合ツール１は棒状のピ
ン２の先端部をらせん溝１３に対して交叉する角度で楕
円形状の平面部を有するように切断された形を有するの
で、その回転によって切断された部分での被加工物が下
方に流れる塑性流動を生じさせる作用を有する。その結
果、その塑性流動は被加工物の裏側の接合部に達し、裏
側ビードの接合欠陥の発生をなくすことができる。この
下方に流れる塑性流動は良好な裏ビードの形成に大きな
役割をなしており、前述のビード形状を得ることができ
るものである。そして、その下方流への塑性流動は回転
軸に対する切断面のなす角度によって変えることができ
るとともに、ピン２の円周面に交わる方向への塑性流動
に対してもストレートな従来の接合ツールに比較して大
きな塑性流動を生じさせることができるので、より良好
な接合が得られる。
ン２の先端部をらせん溝１３に対して交叉する角度で楕
円形状の平面部を有するように切断された形を有するの
で、その回転によって切断された部分での被加工物が下
方に流れる塑性流動を生じさせる作用を有する。その結
果、その塑性流動は被加工物の裏側の接合部に達し、裏
側ビードの接合欠陥の発生をなくすことができる。この
下方に流れる塑性流動は良好な裏ビードの形成に大きな
役割をなしており、前述のビード形状を得ることができ
るものである。そして、その下方流への塑性流動は回転
軸に対する切断面のなす角度によって変えることができ
るとともに、ピン２の円周面に交わる方向への塑性流動
に対してもストレートな従来の接合ツールに比較して大
きな塑性流動を生じさせることができるので、より良好
な接合が得られる。
【００３４】更に、本実施例における表側のビード幅は
ショルダー３が前述した角度で接合面に対してその後行
側が入り込んだ状態で接合されるので、その直径に従っ
て前述のラインが形成される。そのビード幅は約１３.
５mm で、またわずかにビード幅の両側にバリが生じて
いた。バリの量は深さで約０.５mm 以下であった。バリ
の高さは接合ツールの傾きと押し込み量によって変わる
が、バリがでない様にする接合が好ましい。
ショルダー３が前述した角度で接合面に対してその後行
側が入り込んだ状態で接合されるので、その直径に従っ
て前述のラインが形成される。そのビード幅は約１３.
５mm で、またわずかにビード幅の両側にバリが生じて
いた。バリの量は深さで約０.５mm 以下であった。バリ
の高さは接合ツールの傾きと押し込み量によって変わる
が、バリがでない様にする接合が好ましい。
【００３５】本実施例における裏側のビード幅は外観で
は熱影響部も含んで求めると約９mmであった。前述の図
８に示す断面から塑性流動域における幅は約４mm及び同
じく図７におけるそれが約２mmであった。従って、前述
の様に裏ビードとして欠陥のない接合を得るには３mm以
上が必要と思われる。しかし、あまり大きくすることは
熱影響幅も大きくなり、強度低下になるので、６mm以下
にするのが好ましい。尚、接合の際には接合部に対して
補強として裏当金が必要であるが、ステンレス鋼が用い
られる。銅又は銅合金とを組み合わせて用いることによ
ってＨＡＺの幅を小さくすることはできる。
は熱影響部も含んで求めると約９mmであった。前述の図
８に示す断面から塑性流動域における幅は約４mm及び同
じく図７におけるそれが約２mmであった。従って、前述
の様に裏ビードとして欠陥のない接合を得るには３mm以
上が必要と思われる。しかし、あまり大きくすることは
熱影響幅も大きくなり、強度低下になるので、６mm以下
にするのが好ましい。尚、接合の際には接合部に対して
補強として裏当金が必要であるが、ステンレス鋼が用い
られる。銅又は銅合金とを組み合わせて用いることによ
ってＨＡＺの幅を小さくすることはできる。
【００３６】実施例２図９は本発明の接合ツールの形状
である。図１との相違点は底面２３が無い点であるが、
傾斜面１６を有している。この傾斜面１６により、ピン
２の先端と治具１０との間のアルミ部材を積極的に実施
例１と同様の塑性流動を生じさせるものである。この塑
性流動により、ビード全体の形状及びビード裏側の突合
せ面が前述と同様に形成され、特に裏面の突合せ面にお
いて攪拌されて接合後に残らないため、裏波不良を防止
することができる。
である。図１との相違点は底面２３が無い点であるが、
傾斜面１６を有している。この傾斜面１６により、ピン
２の先端と治具１０との間のアルミ部材を積極的に実施
例１と同様の塑性流動を生じさせるものである。この塑
性流動により、ビード全体の形状及びビード裏側の突合
せ面が前述と同様に形成され、特に裏面の突合せ面にお
いて攪拌されて接合後に残らないため、裏波不良を防止
することができる。
【００３７】実施例３ 図１０は本発明の接合ツールの形状である。この接合ツ
ールでは傾斜面１６がショルダー３まで傾斜している。
この傾斜面１６により、ピン２の先端と治具１０との間
のアルミ部材を積極的に前述と同様に塑性流動させるこ
とができる。この塑性流動により、ビード形状も前述と
同様であり、更にビード裏側の突合せ面が攪拌されて接
合後に残らないため、裏波不良を防止することができ
る。
ールでは傾斜面１６がショルダー３まで傾斜している。
この傾斜面１６により、ピン２の先端と治具１０との間
のアルミ部材を積極的に前述と同様に塑性流動させるこ
とができる。この塑性流動により、ビード形状も前述と
同様であり、更にビード裏側の突合せ面が攪拌されて接
合後に残らないため、裏波不良を防止することができ
る。
【００３８】実施例４ 図１１，図１２、及び図１３は本発明の接合ツールの形
状である。これらの接合ツールでは、ピン２の先端に凹
凸１７を設けた構造である。この凹凸１７により、ピン
２の先端と治具１０との間のアルミ部材を積極的に塑性
流動させることができる。この塑性流動により、ビード
裏側の突合せ面が攪拌されて接合後に残らないため、裏
波不良を防止することができる。
状である。これらの接合ツールでは、ピン２の先端に凹
凸１７を設けた構造である。この凹凸１７により、ピン
２の先端と治具１０との間のアルミ部材を積極的に塑性
流動させることができる。この塑性流動により、ビード
裏側の突合せ面が攪拌されて接合後に残らないため、裏
波不良を防止することができる。
【００３９】すなわち、本実施例は接合ツールの先端面
に、被加工物と接合ツールとの回転摩擦抵抗を増大させ
る凹凸１７を設けたものである。この図では、凹凸１７
の例として、突起を設けた場合の例が示されている。す
なわち、この場合、接合ツールの小径のピン２の先端は
平面であり、その平面部に突起１５ａが設けられてい
る。この突起１５ａはピン２の軸芯以外の部分に設けら
れ、できる限り周縁部に近い方が塑性流動させる効果上
有効である。
に、被加工物と接合ツールとの回転摩擦抵抗を増大させ
る凹凸１７を設けたものである。この図では、凹凸１７
の例として、突起を設けた場合の例が示されている。す
なわち、この場合、接合ツールの小径のピン２の先端は
平面であり、その平面部に突起１５ａが設けられてい
る。この突起１５ａはピン２の軸芯以外の部分に設けら
れ、できる限り周縁部に近い方が塑性流動させる効果上
有効である。
【００４０】このように形成された接合ツールである
と、凹凸１７により、ピン２の先端と治具１０との間の
部材が効率よく、かつ広範囲が塑性流動の状態となり、
この充分な塑性流動により、ビード形状も同様であると
ともに、ビード裏側の突合せ面が攪拌されて接合後に非
塑性流動域が残らず、裏波不良を防止することができる
のである。
と、凹凸１７により、ピン２の先端と治具１０との間の
部材が効率よく、かつ広範囲が塑性流動の状態となり、
この充分な塑性流動により、ビード形状も同様であると
ともに、ビード裏側の突合せ面が攪拌されて接合後に非
塑性流動域が残らず、裏波不良を防止することができる
のである。
【００４１】実施例５ 図１４は本発明の接合ツールの形状である。この接合ツ
ールでは、ピン２に円弧形状の凸部４が設けた構造であ
る。この凸部４により、ピン２の先端と治具１０との間
の部材を前述の実施例と同様に積極的に塑性流動させ
る。この塑性流動により、ビード裏側の突合せ面が攪拌
されて接合後に残らないため、裏波不良を防止すること
ができる。
ールでは、ピン２に円弧形状の凸部４が設けた構造であ
る。この凸部４により、ピン２の先端と治具１０との間
の部材を前述の実施例と同様に積極的に塑性流動させ
る。この塑性流動により、ビード裏側の突合せ面が攪拌
されて接合後に残らないため、裏波不良を防止すること
ができる。
【００４２】実施例６ 図１５にはもう一つの例が示されている。この場合も小
径のピン２の先端は平面であり、その平面にらせん溝１
３が設けられている。このらせん溝１３により、ピン２
の先端と治具１０との間の部材は、前述の実施例同様に
有効な塑性流動状態となる。この塑性流動により、ビー
ド裏側の突合せ面が攪拌されて接合後に残らないため、
裏波不良を防止することができる。
径のピン２の先端は平面であり、その平面にらせん溝１
３が設けられている。このらせん溝１３により、ピン２
の先端と治具１０との間の部材は、前述の実施例同様に
有効な塑性流動状態となる。この塑性流動により、ビー
ド裏側の突合せ面が攪拌されて接合後に残らないため、
裏波不良を防止することができる。
【００４３】実施例７ 図１６にはもう一つの例が示されている。この場合も小
径のピン２の先端は平坦な面に形成され、その平坦な面
に円弧状溝１４が設けられている。この円弧状溝１４に
より、ピン２の先端と治具１０との間の部材は積極的に
塑性流動させられ、前述実施例と同様な効果を奏する。
径のピン２の先端は平坦な面に形成され、その平坦な面
に円弧状溝１４が設けられている。この円弧状溝１４に
より、ピン２の先端と治具１０との間の部材は積極的に
塑性流動させられ、前述実施例と同様な効果を奏する。
【００４４】実施例８ 図１７にはもう一つの例が示されている。この場合も小
径のピン２の先端は平坦な面に形成され、その平坦な面
に放射状に設けられた円弧状の凸部４が設けられてい
る。この円弧状の凸部４により、ピン２の先端と治具１
０との間の部材は積極的に塑性流動させられ、前述実施
例と同様な効果を奏する。なお、この場合、この円弧状
の凸部４に変え、円弧状の溝であっても同様な効果を奏
する。
径のピン２の先端は平坦な面に形成され、その平坦な面
に放射状に設けられた円弧状の凸部４が設けられてい
る。この円弧状の凸部４により、ピン２の先端と治具１
０との間の部材は積極的に塑性流動させられ、前述実施
例と同様な効果を奏する。なお、この場合、この円弧状
の凸部４に変え、円弧状の溝であっても同様な効果を奏
する。
【００４５】実施例９ 図１８にはもう一つの例が示されている。小径のピン２
の先端は平面であり、その平面にローレット形状の凹凸
１７が設けられている。この凹凸１７により、ピン２の
先端と治具１０との間の部材を積極的に塑性流動させ
る。この塑性流動により、ビード裏側の突合せ面が攪拌
されて接合後に残らないため、裏波不良を防止すること
ができる。
の先端は平面であり、その平面にローレット形状の凹凸
１７が設けられている。この凹凸１７により、ピン２の
先端と治具１０との間の部材を積極的に塑性流動させ
る。この塑性流動により、ビード裏側の突合せ面が攪拌
されて接合後に残らないため、裏波不良を防止すること
ができる。
【００４６】実施例１０ 本実施例は実施例１に示す接合ツール１に対し、図１９
に示す切削用円筒ショルダーを示す平面図である。この
平面図は図２０を下から見た図であり、リング状であ
り、３個の切削刃４７が設けられている。切削用円筒シ
ョルダーは図１のショルダー３の先端部に挿入され、ネ
ジ穴４１を通してボルトによってショルダー３の所望の
位置に固定される。
に示す切削用円筒ショルダーを示す平面図である。この
平面図は図２０を下から見た図であり、リング状であ
り、３個の切削刃４７が設けられている。切削用円筒シ
ョルダーは図１のショルダー３の先端部に挿入され、ネ
ジ穴４１を通してボルトによってショルダー３の所望の
位置に固定される。
【００４７】図２０は図１９の１点鎖線で示した部分を
断面図とし、他の部分は横から見た正面図である。切削
刃４７は図に示す様にリングの中心に向かって傾斜して
おり、接合ツール１が実施例１に示す様に進行方向に対
して傾斜して回転するので、切削刃４７の刃部が接合面
で平らになる様に接合ツール１の傾斜角度に合わせた角
度を有し、更に内周側に凹部が形成されている。
断面図とし、他の部分は横から見た正面図である。切削
刃４７は図に示す様にリングの中心に向かって傾斜して
おり、接合ツール１が実施例１に示す様に進行方向に対
して傾斜して回転するので、切削刃４７の刃部が接合面
で平らになる様に接合ツール１の傾斜角度に合わせた角
度を有し、更に内周側に凹部が形成されている。
【００４８】本実施例においても実施例１と同様にＡｌ
又はＡｌ合金の接合ができる。
又はＡｌ合金の接合ができる。
【００４９】本実施例によれば、切削用又は押付け用の
円筒状ショルダーを設けた接合ツールにより、傾斜させ
て接合と同時に排出部材を除去できるため、接合後の切
削工程を省略することができる。
円筒状ショルダーを設けた接合ツールにより、傾斜させ
て接合と同時に排出部材を除去できるため、接合後の切
削工程を省略することができる。
【００５０】実施例１１ 図２１はアルミ合金からなる長さ２５ｍ，幅０.５ｍ ，
厚さ４mmの鉄道車両用被加工物３２の突合せ溶接におい
て、接合ツール１の配置側および反対側（溶接面の裏
側）にピン２の固定治具を配置して溶接する斜視図であ
る。固定治具の配置位置は、溶接裏面側における接合ツ
ール１の前方の他、後方にも配置されている。
厚さ４mmの鉄道車両用被加工物３２の突合せ溶接におい
て、接合ツール１の配置側および反対側（溶接面の裏
側）にピン２の固定治具を配置して溶接する斜視図であ
る。固定治具の配置位置は、溶接裏面側における接合ツ
ール１の前方の他、後方にも配置されている。
【００５１】この溶接方法において、被加工物３２は支
持台３６に固定され、さらに、接合ツール１の荷重によ
って変形しないように、接合ツール１の配置側および反
対側に加工物を支持する支持治具３７および３８を配置
する。この場合、支持治具３７および３８は回転機構が
備えられている。さらに、支持治具３７および３８は、
加工物の上下移動に連動して自動的に上下に移動できる
構造も備えている。溶接は、回転ツールが４方向に回転
しながら方向５に移動して溶接される。
持台３６に固定され、さらに、接合ツール１の荷重によ
って変形しないように、接合ツール１の配置側および反
対側に加工物を支持する支持治具３７および３８を配置
する。この場合、支持治具３７および３８は回転機構が
備えられている。さらに、支持治具３７および３８は、
加工物の上下移動に連動して自動的に上下に移動できる
構造も備えている。溶接は、回転ツールが４方向に回転
しながら方向５に移動して溶接される。
【００５２】なお、本実施例ではＣＣＤカメラによる電
子的監視装置により、溶接表面及び裏面側の溶接状況を
監視しながら溶接した。
子的監視装置により、溶接表面及び裏面側の溶接状況を
監視しながら溶接した。
【００５３】前記のごとく、回転機構および上下移動機
構を備えた加工物の支持治具により、加工物と支持治具
との摩擦抵抗が少なくなる。このため、加工物が長い場
合も容易に安定に固定できる。従って、溶接も安定にで
きる。アルミ合金の突合せ溶接を行った。接合ツールの
形状および溶接条件は実施例１と同じであり、溶接ビー
ド形状もほぼ同じである。この溶接によって、高速鉄道
用の車両を製作することができる。
構を備えた加工物の支持治具により、加工物と支持治具
との摩擦抵抗が少なくなる。このため、加工物が長い場
合も容易に安定に固定できる。従って、溶接も安定にで
きる。アルミ合金の突合せ溶接を行った。接合ツールの
形状および溶接条件は実施例１と同じであり、溶接ビー
ド形状もほぼ同じである。この溶接によって、高速鉄道
用の車両を製作することができる。
【００５４】実施例１２ 図２２は車両用のアルミ合金として前述のアルミ合金か
らなる加工物の突合せ溶接において、接合ツール１を被
加工物３２の表裏両面に配置して表裏両面から溶接する
溶接法と装置の断面図。本実施例では、接合ツール１が
加工物の反対側（溶接裏面側）にも配置され、さらに、
固定治具も溶接方向に対して回転ツールの後方側にも配
置されていることが特徴である。
らなる加工物の突合せ溶接において、接合ツール１を被
加工物３２の表裏両面に配置して表裏両面から溶接する
溶接法と装置の断面図。本実施例では、接合ツール１が
加工物の反対側（溶接裏面側）にも配置され、さらに、
固定治具も溶接方向に対して回転ツールの後方側にも配
置されていることが特徴である。
【００５５】接合ツール１ｂは溶接部の裏面にも配置さ
れ、表面側に配置されている接合ツール１ａの荷重を接
合ツール１ｂで受ける構造である。この溶接方法におい
て、まず、被加工物３２は支持台３６に支持される。こ
の支持だけでは、被加工物３２は接合ツールの荷重によ
り変形し、安定に溶接ができない。このため、接合ツー
ル１の荷重によって変形しないように、接合ツール１の
配置側および反対側に加工物を固定する固定治具３７お
よび３８を合計４個配置する。この場合、固定治具３７
および３８は回転機構が備えられている。さらに、固定
治具３７および３８は、図に示すごとく、支持機構３９
に取付けられ、被加工物３２の上下移動に連動して自動
的に上下に移動できる構造も備えている。また、この回
転機構を備えた固定治具３７及び３８は、接合ツール１
の溶接方向の移動に連動して移動する。
れ、表面側に配置されている接合ツール１ａの荷重を接
合ツール１ｂで受ける構造である。この溶接方法におい
て、まず、被加工物３２は支持台３６に支持される。こ
の支持だけでは、被加工物３２は接合ツールの荷重によ
り変形し、安定に溶接ができない。このため、接合ツー
ル１の荷重によって変形しないように、接合ツール１の
配置側および反対側に加工物を固定する固定治具３７お
よび３８を合計４個配置する。この場合、固定治具３７
および３８は回転機構が備えられている。さらに、固定
治具３７および３８は、図に示すごとく、支持機構３９
に取付けられ、被加工物３２の上下移動に連動して自動
的に上下に移動できる構造も備えている。また、この回
転機構を備えた固定治具３７及び３８は、接合ツール１
の溶接方向の移動に連動して移動する。
【００５６】接合ツール１はモータ４０に取付けられ、
高速回転しながら移動して溶接される。
高速回転しながら移動して溶接される。
【００５７】なお、図に示すごとく、本実施例における
加工物の溶接部の厚さは局部的に０.８mm 高くなってい
ることが特徴である。これにより、回転ツールと加工部
との摩擦によって溶接部の表面に凹みが生じた場合でも
溶接部が厚くなっているため、機械的強度の低下を防止
できる。
加工物の溶接部の厚さは局部的に０.８mm 高くなってい
ることが特徴である。これにより、回転ツールと加工部
との摩擦によって溶接部の表面に凹みが生じた場合でも
溶接部が厚くなっているため、機械的強度の低下を防止
できる。
【００５８】前記のごとく、回転機構および上下移動機
構を備えた加工物の固定治具により、加工物と固定治具
との摩擦抵抗が少なくなる。このため、鉄道車両のよう
に、加工物が長くかつ、大型の場合でも容易に安定に固
定できる。従って、車両のような長尺の加工物でも安定
に溶接できる。接合ツールの形状および溶接条件は実施
例１と同じである。この溶接によって、高速鉄道用の車
両を製作した。
構を備えた加工物の固定治具により、加工物と固定治具
との摩擦抵抗が少なくなる。このため、鉄道車両のよう
に、加工物が長くかつ、大型の場合でも容易に安定に固
定できる。従って、車両のような長尺の加工物でも安定
に溶接できる。接合ツールの形状および溶接条件は実施
例１と同じである。この溶接によって、高速鉄道用の車
両を製作した。
【００５９】実施例１３図２３は押出し加工によって製
作された実施例１に示したアルミ合金からなる鉄道用車
両のハニカムパネル（中空型材）の溶接方法を示す断面
図である。このハニカムパネルは、長さ２５ｍ，幅０.
４ｍ ，厚さ５０mmである。このハニカムパネルは、面
板４２，コアー材４３，縁材４４から構成されている。
ハニカムパネルは支持台３６に配置され、さらに、上下
方向から固定治具３７及び３８によって固定される。溶
接は接合ツール１を縁材４４の接合部に挿入されて加工
物同士を両面から固相接合する。つまり、本溶接方法
は、溶融しないため、溶融金属の重力で溶融金属が下方
に垂れ落ちることはない。このため、溶接はハニカムパ
ネルの接合面６の部分に上下方向から接合ツール１を挿
入して行った。該、接合ツール１は、ネジ穴４１に取付
けられ、モータ４０による駆動力で回転しながら溶接線
方向に移動し、加工物同士を固相接合する。なお、接合
ツール１は、加工物表面の変形に応じて上下方向に自動
的に移動制御できる。さらに、該、接合ツール１は、溶
接線に沿って左右方向にも自動的に移動制御できる。こ
の実施例では、接合部の面板の高さがほかの部分より約
０.８mm 局部的に高くなっていることが特徴である。こ
れにより、接合ツールと加工部との摩擦によって溶接部
の表面に凹みが生じた場合でも溶接部が厚くなっている
ため、機械的強度の低下を防止できる。
作された実施例１に示したアルミ合金からなる鉄道用車
両のハニカムパネル（中空型材）の溶接方法を示す断面
図である。このハニカムパネルは、長さ２５ｍ，幅０.
４ｍ ，厚さ５０mmである。このハニカムパネルは、面
板４２，コアー材４３，縁材４４から構成されている。
ハニカムパネルは支持台３６に配置され、さらに、上下
方向から固定治具３７及び３８によって固定される。溶
接は接合ツール１を縁材４４の接合部に挿入されて加工
物同士を両面から固相接合する。つまり、本溶接方法
は、溶融しないため、溶融金属の重力で溶融金属が下方
に垂れ落ちることはない。このため、溶接はハニカムパ
ネルの接合面６の部分に上下方向から接合ツール１を挿
入して行った。該、接合ツール１は、ネジ穴４１に取付
けられ、モータ４０による駆動力で回転しながら溶接線
方向に移動し、加工物同士を固相接合する。なお、接合
ツール１は、加工物表面の変形に応じて上下方向に自動
的に移動制御できる。さらに、該、接合ツール１は、溶
接線に沿って左右方向にも自動的に移動制御できる。こ
の実施例では、接合部の面板の高さがほかの部分より約
０.８mm 局部的に高くなっていることが特徴である。こ
れにより、接合ツールと加工部との摩擦によって溶接部
の表面に凹みが生じた場合でも溶接部が厚くなっている
ため、機械的強度の低下を防止できる。
【００６０】図２４は上記方法によって製作した鉄道車
両構造体の斜視図を示す。接合部の長さは一部が１２.
５ｍ であるが、最大２５ｍの長さが表裏利用面から形
成されている。接合ツールの形状，溶接条件は接合部の
厚さによって異なるが、ビードの形成は実施例１と同様
であった。
両構造体の斜視図を示す。接合部の長さは一部が１２.
５ｍ であるが、最大２５ｍの長さが表裏利用面から形
成されている。接合ツールの形状，溶接条件は接合部の
厚さによって異なるが、ビードの形成は実施例１と同様
であった。
【００６１】
【発明の効果】本発明によれば、摩擦攪拌接合における
裏波部の良好な接合が得られる摩擦攪拌接合装置及びそ
の接合ツールとそれによって得られる接合構造物とそれ
を用いた各種用途が達成されるという優れた効果が得ら
れるものである。
裏波部の良好な接合が得られる摩擦攪拌接合装置及びそ
の接合ツールとそれによって得られる接合構造物とそれ
を用いた各種用途が達成されるという優れた効果が得ら
れるものである。
【図１】本発明の接合ツールの形状を示す。
【図２】接合中の摩擦攪拌接合装置の斜視図を示す。
【図３】摩擦攪拌接合方法の斜視図を示す。
【図４】接合前における接合部の断面図を示す。
【図５】接合中における接合部の断面図を示す
【図６】従来の接合ツールの形状を示す。
【図７】従来の接合ツールによる接合後のビード断面の
顕微鏡写真を示す。
顕微鏡写真を示す。
【図８】本発明の接合ツールによる接合後のビード断面
の顕微鏡写真を示す。
の顕微鏡写真を示す。
【図９】本発明の接合ツールの形状である。
【図１０】本発明の接合ツールの形状である。
【図１１】本発明の接合ツールの形状である。
【図１２】本発明の接合ツールの形状である。
【図１３】本発明の接合ツールの形状である。
【図１４】本発明の接合ツールの形状である。
【図１５】本発明の接合ツールを示す側面図，平面図お
よび断面図である。
よび断面図である。
【図１６】本発明の接合ツールを示す側面図，平面図お
よび断面図である。
よび断面図である。
【図１７】本発明の接合ツールを示す側面図，平面図お
よび断面図である。
よび断面図である。
【図１８】本発明の接合ツールを示す側面図および平面
図である。
図である。
【図１９】切削用円筒ショルダーの平面図。
【図２０】図１９の断面図。
【図２１】鉄道車両構造体の摩擦接合装置の斜視図であ
る。
る。
【図２２】鉄道車両構造体を両面側より接合する摩擦接
合装置の断面図である。
合装置の断面図である。
【図２３】鉄道車両構造体を両面側より接合する摩擦接
合装置の斜視図である。
合装置の斜視図である。
【図２４】摩擦接合された鉄道車両の斜視図である。
１…接合ツール、２…ピン、３…ショルダー、４…凸
部、５…押出形材、６…接合面、７…ビード、８…リ
ブ、９…板、１０…治具、１１…厚板部、１２…塑性流
動域、１３…らせん溝、１４…円弧状溝、１５…摩擦係
数増大手段、１５ａ…突起、１６…傾斜面、１７…凹
凸、１８…ガントリー、１９…クランプ、２０…仮付
け、２１…ガイドレール、２２…回転モータ、２３…底
面、４１…ネジ穴、４７…切削刃。
部、５…押出形材、６…接合面、７…ビード、８…リ
ブ、９…板、１０…治具、１１…厚板部、１２…塑性流
動域、１３…らせん溝、１４…円弧状溝、１５…摩擦係
数増大手段、１５ａ…突起、１６…傾斜面、１７…凹
凸、１８…ガントリー、１９…クランプ、２０…仮付
け、２１…ガイドレール、２２…回転モータ、２３…底
面、４１…ネジ穴、４７…切削刃。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 舟生 征夫 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 坂本 征彦 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内 Ｆターム(参考） 4E067 AA05 BG02 CA01 CA04 EA00 EA08
Claims (16)
- 【請求項１】回転駆動装置と、該回転駆動装置により駆
動され、かつ被加工物より硬い材質にて形成された接合
ツールとを備え、前記接合ツールを前記被加工物の接合
部に回転させながら押圧挿入して接合方向に相対移動さ
せるとともに、前記被加工物を摩擦攪拌接合する摩擦攪
拌接合装置において、前記接合ツールは前記被加工物に
対し、 前記接合ツールの先端面より下部で塑性流動を生じさせ
る攪拌手段を設けたことを特徴とする摩擦攪拌接合装
置。 - 【請求項２】回転駆動装置と、該回転駆動装置により駆
動され、かつ被加工物より硬い材質にて形成された接合
ツールとを備え、前記接合ツールを前記被加工物の接合
部に回転させながら押圧挿入して接合方向に相対移動さ
せるとともに、前記被加工物を摩擦攪拌接合する摩擦攪
拌接合装置において、前記接合ツールは前記被加工物に
対し前記接合ツールの先端面より下部で塑性流動させる
ように前記先端面に凹凸を設けたことを特徴とする摩擦
攪拌接合装置。 - 【請求項３】回転駆動装置と、該回転駆動装置により駆
動され、かつ被加工物より硬い材質にて形成された接合
ツールとを備え、前記接合ツールを前記被加工物の接合
部に回転させながら押圧挿入して接合方向に相対移動さ
せながら前記被加工物を摩擦攪拌接合する摩擦攪拌接合
装置において、 前記接合ツールの先端面を平坦な面に形成するととも
に、この平坦な面に凹部もしくは凸部を設けるようにし
たことを特徴とする摩擦攪拌接合装置。 - 【請求項４】前記凹部もしくは凸部が、ローレット加工
形状，放射状に設けられた円弧状の溝もしくは円弧状の
突堤，らせん状の溝、もしくはらせん状の突堤のいずれ
かである請求項３記載の摩擦攪拌接合装置。 - 【請求項５】回転駆動装置と、該回転駆動装置により駆
動され、かつ被加工物より硬い材質にて形成された接合
ツールとを備え、前記接合ツールを被加工物の加工部に
回転させながら押圧挿入して接合方向に相対移動させる
とともに、被加工物を摩擦攪拌接合するようになした摩
擦攪拌接合装置において、 前記接合ツールはその先端部に該ツールの回転軸に対し
て傾斜した平面部を有することを特徴とする摩擦攪拌接
合装置。 - 【請求項６】回転駆動装置と、該回転駆動装置により駆
動され、かつ被加工物より硬い材質にて形成された接合
ツールとを備え、前記接合ツールを前記被加工物の接合
部に回転させながら押圧挿入して接合方向に相対移動さ
せるとともに、前記被加工物を摩擦攪拌接合する摩擦攪
拌接合装置において、前記接合ツールは、 前記被加工物に対し下方に流れる塑性流動を生じさせる
攪拌手段を有することを特徴とする摩擦攪拌接合装置。 - 【請求項７】被加工物より硬い材質からなる接合ツール
を前記被加工物の接合部に回転させながら押圧挿入して
被加工物を摩擦攪拌接合する摩擦攪拌接合ツールにおい
て、該ツールは前記被加工物に対し、 前記接合ツールの先端面より下部で塑性流動が生じさせ
る攪拌手段を有することを特徴とする摩擦攪拌接合ツー
ル。 - 【請求項８】被加工物より硬い材質にて形成された接合
ツールを前記被加工物の接合部に回転させながら押圧挿
入して接合方向に相対移動させるとともに、前記被加工
物を摩擦攪拌接合する摩擦攪拌接合ツールにおいて、該
接合ツールは、前記被加工物に対し前記接合ツールの先
端面より下部で塑性流動させるように前記先端面に凹凸
を設けたことを特徴とする摩擦攪拌接合ツール。 - 【請求項９】被加工物より硬い材質にて形成された接合
ツールを被加工物の接合部に回転させながら押圧挿入し
て接合方向に相対移動させながら前記被加工物を摩擦攪
拌接合する摩擦攪拌接合ツールにおいて、 前記接合ツールの先端面を平坦な面に形成するととも
に、この平坦な面に凹部もしくは凸部を設けるようにし
たことを特徴とする摩擦攪拌接合ツール。 - 【請求項１０】被加工物より硬い材質にて形成された接
合ツールを前記被加工物の加工部に回転させながら押圧
挿入して接合方向に相対移動させるとともに、被加工物
を摩擦攪拌接合するようになした摩擦攪拌接合ツールに
おいて、 該接合ツールはその先端部に回転軸に対して傾斜した平
面部を有することを特徴とする摩擦攪拌接合ツール。 - 【請求項１１】被加工物より硬い材質にて形成された接
合ツールを前記被加工物の接合部に回転させながら押圧
挿入して接合方向に相対移動させるとともに、前記被加
工物を摩擦攪拌接合する摩擦攪拌接合ツールにおいて、
前記接合ツールは、 前記被加工物に対し下方に流れる塑性流動を生じさせる
攪拌手段を有することを特徴とする摩擦攪拌接合ツー
ル。 - 【請求項１２】摩擦接合された接合構造物において、前
記接合によって形成されるビードはその接合方向に垂直
な断面形状において前記ビードの表面と裏面との間の中
心部における前記ビードと母材との間の界面の傾斜角度
が６０〜８０度であることを特徴とする接合構造物。 - 【請求項１３】摩擦接合された接合構造物において、前
記接合によって形成されるビードはその接合方向に垂直
な断面形状において前記ビードと母材との間の界面の前
記ビードの裏面からの立上がり傾斜角度が２５〜５０度
であることを特徴とする接合構造物。 - 【請求項１４】摩擦接合された接合構造物において、前
記接合によって形成されるビードはその表面側に円弧状
の凹凸からなる波状が形成されており、該波状の数が接
合の進行方向に対し長さ１０mm当り１５〜３０個である
ことを特徴とする接合構造物。 - 【請求項１５】摩擦接合された接合構造物において、前
記接合によって形成されるビードはそのビード内に酸化
物粒子が分散していることを特徴とする接合構造物。 - 【請求項１６】アルミ合金よりなり、摩擦接合された接
合構造物よりなる車体を有する鉄道車両において、前記
接合構造物は請求項１２〜１５のいずれかに記載の接合
構造物よりなることを特徴とする鉄道車両。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10343645A JP2000153374A (ja) | 1998-11-18 | 1998-11-18 | 摩擦攪拌接合装置及び摩擦攪拌接合ツール並びに摩擦攪拌接合構造物 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10343645A JP2000153374A (ja) | 1998-11-18 | 1998-11-18 | 摩擦攪拌接合装置及び摩擦攪拌接合ツール並びに摩擦攪拌接合構造物 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000153374A true JP2000153374A (ja) | 2000-06-06 |
Family
ID=18363139
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP10343645A Pending JP2000153374A (ja) | 1998-11-18 | 1998-11-18 | 摩擦攪拌接合装置及び摩擦攪拌接合ツール並びに摩擦攪拌接合構造物 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2000153374A (ja) |
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