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JP3482523B2 - 摩擦接合方法 - Google Patents

摩擦接合方法

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JP3482523B2
JP3482523B2 JP2000323494A JP2000323494A JP3482523B2 JP 3482523 B2 JP3482523 B2 JP 3482523B2 JP 2000323494 A JP2000323494 A JP 2000323494A JP 2000323494 A JP2000323494 A JP 2000323494A JP 3482523 B2 JP3482523 B2 JP 3482523B2
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JP
Japan
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friction welding
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laminated
friction
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JP2000323494A
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賢一 上向
政一郎 山下
隆行 服部
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Kawasaki Motors Ltd
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Kawasaki Jukogyo KK
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は摩擦接合方法に関
するものであって、特に摩擦接合ツールの回転による摩
擦熱を利用した摩擦接合方法に係るものである。
【0002】
【従来の技術】摩擦接合ツールの回転による摩擦熱を利
用した摩擦接合方法は、例えば第2712838号特許
公報にも記載されているように公知である。この摩擦接
合方法は、この発明の実施の形態を示す図である図1に
示すように、ツール本体1の先端部にそれよりも径小な
ピン2を設け、上記ツール本体1の先端面における上記
ピン2の取付部の周辺をショルダ3として構成した摩擦
接合ツールTを用いる。そしてアルミニウム合金等の一
対の被接合部材P、Pの接合部に上記ピン2を回転させ
ながら挿入すると共に、上記ショルダ3を上記接合部表
面に接触させながら上記被接合部材P、Pと上記摩擦接
合ツールTとを相対移動させる。このとき上記摩擦接合
ツールTは、被接合部材Pの表面に垂直な軸芯に対し、
その先端側が接合進行方向の前方へと所定角度だけ傾斜
した状態に配置し、上記ショルダ3が接合進行方向の後
方側の接合部表面に接触するようにしておく必要があ
る。そして上記摩擦接合ツールTの回転によって摩擦熱
が生じるが、この摩擦熱によって上記接合部及びその近
傍の変形抵抗を減少させると共に、塑性流動を生ぜし
め、被接合部材P、Pの母材組織を攪拌し、冷却後に母
材組織を一体化させることにより接合を行うのである。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】ところで本発明者等
は、上記従来の摩擦接合方法において、一対の被接合部
材P、Pを上下に重ねて、その積層面を重ね接合した場
合、この積層面に対応する部分に割れが生じたり、ある
いは酸化皮膜が層状に残存するという不具合が生じるこ
とがあるのを知見した。そしてその原因について検討し
たところ、次のことが明らかとなった。すなわち、摩擦
接合に際して、接合部近傍に塑性流動が生じるが、この
塑性流動は主として、摩擦接合ツールTの回転軸に略直
交する平面内において生じ、摩擦接合ツールTの軸方
向、つまり被接合部材Pの板厚方向には生じ難いもので
あるため、一対の被接合部材P、Pの積層面は略同一平
面上で流動することになり、この結果、積層面の近傍に
おいては、両被接合部材の混ざり合いが不充分となり、
積層面の酸化皮膜がそのまま層状に残留してしまうとい
うことである。
【0004】この発明は、上記従来の欠点を解決するた
めになされたものであって、その目的は、上記のような
重ね継手の接合を、高品質に行うことが可能な摩擦接合
方法を提供することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】そこで請求項1の摩擦接
合方法は、一対の被接合部材を積層し、回転駆動される
摩擦接合ツールのピンを、上記積層面とは交差方向から
挿入することによって上記積層面に塑性流動を生じさ
せ、積層面において両被接合部材を重ね接合する摩擦接
合方法において、接合される積層面を、少なくとも上記
摩擦接合ツールのピン直径の内側範囲内において、接合
進行方向の横方向であって上記摩擦接合ツールの軸方向
に変化させていることを特徴としている。
【0006】 上記請求項1の摩擦接合方法では、被接
合部材の接合される積層面は、少なくとも上記摩擦接合
ツールのピン直径の内側範囲内において、接合進行方向
の横方向であって摩擦接合ツールの軸方向に変化させて
いるので、摩擦接合ツールの回転軸と略直交して形成さ
れる塑性流動面は、被接合部材の積層面を横切ることに
なる。すなわち、一方の被接合部材と他方の被接合部材
との混ざり合う部分が、摩擦接合ツールの軸方向に変化
することになるのである。この結果、積層面における両
被接合部材が充分に混ざり合い、割れ、酸化皮膜層の残
存等の欠陥の発生を抑制でき、接合品質を向上すること
が可能となる。
【0007】 請求項2の摩擦接合方法は、一対の被接
合部材を積層し、回転駆動される摩擦接合ツールのピン
を、上記積層面とは交差方向から挿入することによって
上記積層面に塑性流動を生じさせ、積層面において両被
接合部材を重ね接合する摩擦接合方法において、接合さ
れる積層面を、上記摩擦接合ツールのピン直径以下の幅
で、上記摩擦接合ツールの軸方向に変化させていること
を特徴としている。
【0008】 上記請求項2の摩擦接合方法では、被接
合部材の接合される積層面は、摩擦接合ツールの軸方向
に変化させているので、摩擦接合ツールの回転軸と略直
交して形成される塑性流動面は、被接合部材の積層面を
横切ることになる。すなわち、一方の被接合部材と他方
の被接合部材との混ざり合う部分が、摩擦接合ツールの
軸方向に変化することになるのである。この結果、積層
面における両被接合部材が充分に混ざり合い、割れ、酸
化皮膜層の残存等の欠陥の発生を抑制でき、接合品質を
向上することが可能となる。しかもこの接合方法におい
ては、摩擦接合ツールの軸方向に変化させる積層面の幅
を、ピンの直径以下としているので、接合終了後には、
積層面の変化部分は残存せず、あたかも平面同士の重ね
継手であるかのような状態が得られる。そのため継手形
状の変化に起因する継手強度の変化に対する配慮が不要
となり、その適用範囲が制限されない。また、変化させ
る積層面の幅が狭くてよいため、その加工を容易に行え
る。
【0009】請求項1あるいは請求項2の摩擦接合方法
は、請求項3のように、連続的に線状に行ってもよい
し、また局所的にスポット状に行ってもよい。
【0010】
【発明の実施の形態】次にこの発明の摩擦接合方法の具
体的な実施の形態について、図面を参照しつつ詳細に説
明する。まず、図1において、Tは摩擦接合ツールを示
しており、ツール本体1の先端部にそれよりも径小なピ
ン2を設け、上記ツール本体1の先端面における上記ピ
ン2の取付部の周辺をショルダ3として構成している。
P、Pは上下に積層配置された板状の被接合部材であ
り、上記摩擦接合ツールTの先端のピン2を上側の被接
合部材Pを貫通し、さらに下側の被接合部材Pに所定深
さだけ挿入した状態において、摩擦接合ツールTを回転
しつつ、摩擦接合ツールTと被接合部材P、Pとを相対
移動させることにより、両被接合部材P、Pの積層面が
重ね接合されるようになっている。
【0011】上記被接合部材P、Pにおいては、接合さ
れるべき積層面(接合面)4が、凹凸面として形成され
ている。すなわち、図2(a)にも示すように、下側の
被接合部材Pの上面には断面三角状の突条5が、また上
側の被接合部材Pの下面には断面三角状の凹溝6が形成
されており、上記突条5と凹溝6との表面は、隙間なく
密着している。そして上記摩擦接合ツールTの回転軸心
が上記突条5の頂部に位置するようにして摩擦接合が行
われる。
【0012】上記の摩擦接合方法では、被接合部材P、
Pの接合される積層面4は、突条5と凹溝6とを形成し
たことによって、上下方向、つまり摩擦接合ツールTの
軸方向に変化している。そのため、摩擦接合ツールTの
回転軸と略直交して形成される塑性流動面は、被接合部
材P、Pの傾斜した積層面4を横切ることになる。すな
わち、一方の被接合部材Pと他方の被接合部材Pとの混
ざり合う部分が、摩擦接合ツールTの軸方向に変化する
ことになるのである。この結果、積層面4においては、
両被接合部材P、Pが充分に混ざり合い、割れ、酸化皮
膜層の残存等の欠陥の発生を抑制でき、接合品質を向上
することが可能となる。
【0013】図2(b)には、断面三角状の突条5と凹
溝6との形成位置を上下逆にした実施の形態を示してい
る。また、図3(a)(b)には、断面台形とした突条
5と凹溝6との実施の形態を示している。さらに、図4
(a)(b)には、断面長方形とした突条5と凹溝6と
の実施の形態を示している。またさらに図5には、積層
面4を傾斜面として形成することで、接合される積層面
4を、上記摩擦接合ツールTの軸方向に変化させた例を
示している。図6には、上下の被接合部材P、Pにそれ
ぞれ凹溝6、6を形成し、この凹溝6、6内に帯状部材
7を嵌め込み、この構造でもって、接合される積層面4
を、上記摩擦接合ツールTの軸方向に変化させた例を示
している。これらいずれの場合にも、一方の被接合部材
Pと他方の被接合部材Pとの混ざり合う部分が、摩擦接
合ツールTの軸方向に変化することになり、この結果、
積層面4においては、両被接合部材P、Pが充分に混ざ
り合い、割れ、酸化皮膜層の残存等の欠陥の発生を抑制
でき、接合品質を向上することが可能となる。特に、図
4(a)(b)、図6のように、摩擦接合ツールの軸方
向に変化させる積層面4の幅を、ピン2の直径以下とし
た場合には、接合終了後には、積層面の変化部分は残存
せず、あたかも平面同士の重ね継手であるかのような状
態が得られるため、継手形状の変化に起因する継手強度
の変化に対する配慮が不要となり、その適用範囲が制限
されないとの利点が生じる。また、変化させる積層面4
の幅、すなわち突条(突部)5や凹溝(凹部)6の幅が
狭くてよいため、その加工を容易に行えることにもな
る。
【0014】 以上にこの発明の摩擦接合方法の具体的
な実施の形態について説明をしたが、この発明は上記実
施の形態に限定されるものではなく、この発明の範囲内
で種々変更して実施することが可能である。例えば、上
記各実施の形態では、連続的に線状に接合を行った例を
示しているが、図7に示すように、摩擦接合を、局所的
にスポット状に行うような場合にもこの発明の適用が可
能である。また、図8(a)(b)〜図11に示すよう
に、一対の被接合部材P、Pの突き合わせ接合と、他の
被接合部材Pの重ね接合とを同時に行うことも可能であ
る。なお、上記各実施の形態では、積層面4は、接合進
行方向の横方向(幅方向)に凹凸変化させたものを示し
ている
【0015】
【発明の効果】請求項1の摩擦接合方法によれば、一方
の被接合部材と他方の被接合部材との混ざり合う部分
が、摩擦接合ツールの軸方向に変化することになり、こ
の結果、積層面における両被接合部材が充分に混ざり合
い、割れ、酸化皮膜層の残存等の欠陥の発生を抑制で
き、接合品質を向上することが可能となる。
【0016】 請求項2の摩擦接合方法によれば、一方
の被接合部材と他方の被接合部材との混ざり合う部分
が、摩擦接合ツールの軸方向に変化することになり、こ
の結果、積層面における両被接合部材が充分に混ざり合
い、割れ、酸化皮膜層の残存等の欠陥の発生を抑制で
き、接合品質を向上することが可能となる。しかもこの
接合方法においては、接合終了後には、積層面の変化部
分は残存せず、あたかも平面同士の重ね継手であるかの
ような状態が得られるので、継手形状の変化に起因する
継手強度の変化に対する配慮が不要となり、その適用範
囲が制限されない。また、変化させる積層面の幅が狭く
てよいため、その加工を容易に行える。
【0017】請求項1あるいは請求項2の摩擦接合方法
は、請求項3のように、連続的に線状に行ってもよい
し、また局所的にスポット状に行ってもよい。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の摩擦接合方法の実施形態の全体の概
略構成を示す説明図である。
【図2】上記実施の形態における重ね継手の積層面の形
状を示す断面図である。
【図3】重ね継手の形状の変更例を示す断面図である。
【図4】重ね継手の形状の他の変更例を示す断面図であ
る。
【図5】重ね継手の形状のさらに他の変更例を示す断面
図である。
【図6】重ね継手の形状の他の変更例を示す断面図であ
る。
【図7】この発明の摩擦接合方法の他の実施形態の全体
の概略構成を示す説明図である。
【図8】さらに他の実施の形態における重ね継手の積層
面の形状を示す断面図である。
【図9】重ね継手の形状の変更例を示す断面図である。
【図10】重ね継手の形状の他の変更例を示す断面図で
ある。
【図11】重ね継手の形状のさらに他の変更例を示す断
面図である。
【符号の説明】
1 ツール本体 2 ピン 3 ショルダ 4 積層面 5 突条 6 凹溝 7 帯状部材 T 摩擦接合ツール P 被接合部材
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平10−71478(JP,A) 特開 平10−193140(JP,A) 特開2001−252774(JP,A) 特開2002−35963(JP,A) C.Schilling et a l.,A PRELIMINARY I NVESTIGATION ON TH E STATIC PROPERTIE S OF FRICTION STIR SPOT WELDS,Second International sym posium on Friction Stir Welding,英国,T he Welding Institu te,2000年 6月26日 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) B23K 20/12

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 一対の被接合部材を積層し、回転駆動さ
    れる摩擦接合ツールのピンを、上記積層面とは交差方向
    から挿入することによって上記積層面に塑性流動を生じ
    させ、積層面において両被接合部材を重ね接合する摩擦
    接合方法において、接合される積層面を、少なくとも上
    記摩擦接合ツールのピン直径の内側範囲内において、接
    合進行方向の横方向であって上記摩擦接合ツールの軸方
    向に変化させていることを特徴とする摩擦接合方法。
  2. 【請求項2】 一対の被接合部材を積層し、回転駆動さ
    れる摩擦接合ツールのピンを、上記積層面とは交差方向
    から挿入することによって上記積層面に塑性流動を生じ
    させ、積層面において両被接合部材を重ね接合する摩擦
    接合方法において、接合される積層面を、上記摩擦接合
    ツールのピン直径以下の幅で、上記摩擦接合ツールの軸
    方向に変化させていることを特徴とする摩擦接合方法。
  3. 【請求項3】 上記摩擦接合は、連続的に線状に行う
    か、あるいは局所的にスポット状に行うことを特徴とす
    る請求項1又は請求項2の摩擦接合方法。
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