接合構造物の製造方法
【課題】金属部材同士の接合部における気密性及び水密性を向上させることができる接合構造物の製造方法を提供することを課題とする。
【解決手段】接合構造物の製造方法であって、第一金属部材1aと第二金属部材1bとの突合部J1に表面Aから摩擦攪拌を行う第一接合工程と、突合部J1に裏面Bから摩擦攪拌を行う第二接合工程と、側面C,Dにおいて突合部J1に沿って凹溝K1を形成する凹溝形成工程と、凹溝K1に継手部材Hを挿入する継手部材挿入工程と、接合構造物1と継手部材Hとの突合部J2,J3に表面Aから摩擦攪拌を行う第三接合工程と、突合部J2,J3に裏面Bから摩擦攪拌を行う第四接合工程と、突合部J2,J3において、第三接合工程で形成された塑性化領域W3と第四接合工程で形成された塑性化領域W4との間に形成された未塑性化領域に対して溶接を行う側面溶接工程と、を含んでいることを特徴としている。
【解決手段】接合構造物の製造方法であって、第一金属部材1aと第二金属部材1bとの突合部J1に表面Aから摩擦攪拌を行う第一接合工程と、突合部J1に裏面Bから摩擦攪拌を行う第二接合工程と、側面C,Dにおいて突合部J1に沿って凹溝K1を形成する凹溝形成工程と、凹溝K1に継手部材Hを挿入する継手部材挿入工程と、接合構造物1と継手部材Hとの突合部J2,J3に表面Aから摩擦攪拌を行う第三接合工程と、突合部J2,J3に裏面Bから摩擦攪拌を行う第四接合工程と、突合部J2,J3において、第三接合工程で形成された塑性化領域W3と第四接合工程で形成された塑性化領域W4との間に形成された未塑性化領域に対して溶接を行う側面溶接工程と、を含んでいることを特徴としている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、摩擦攪拌を利用した接合構造物の製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
金属部材同士を突き合わせてなる接合構造物の製造方法としては、摩擦攪拌接合(FSW=Friction Stir Welding)を用いた方法が知られている。この摩擦攪拌接合は、回転ツールを回転させつつ金属部材同士の突合部に沿って移動させ、回転ツールと金属部材との摩擦熱により突合部の金属を塑性流動させることで、金属部材同士を固相接合させるものである。なお、回転ツールは、円柱状を呈するショルダ部の下端面に攪拌ピン(プローブ)を突設したものが一般的である。
【0003】
ここで、回転ツールの攪拌ピンの長さに対して金属部材の肉厚が大きい場合には、金属部材の厚みに応じて攪拌ピンの長さを大きくすることで、突合部の深さ方向の全長に亘って隙間なく接合することができる。しかしながら、回転ツールは、金属部材内に攪拌ピンを埋没させて高速で回転しながら移動するため、攪拌ピンの長さを大きくすると、摩擦攪拌装置の駆動手段及び攪拌ピンに作用する負荷が増大し、装置の短寿命化を招来するという問題がある。
【0004】
そこで、回転ツールの攪拌ピンの長さに対して金属部材の肉厚が大きい場合には、厚みの異なる段部を備えた一対の金属部材の間に継手部材を介して段階的に摩擦攪拌を行うことで接合構造物を製造する方法が知られている。
前記した従来の製造方法に用いられる金属部材は、図15に示すように、第一金属部材110a及び第二金属部材110bの本体部101,101の縁部に、本体部101よりも肉厚の小さい段部102,102が形成されている。
【0005】
そして、従来の接合構造物の製造方法は、第一金属部材110a及び第二金属部材110bの段部102,102同士を突き合わせる突合工程と、段部102,102同士の突合部Jdに対して摩擦攪拌を行う段部摩擦攪拌工程と、突合工程で形成された凹部103に継手部材Uを配置する継手部材配置工程と、第一金属部材110aと継手部材Uとの突合部Ja及び第二金属部材110bと継手部材Uとの突合部Jbに対して摩擦攪拌を行う摩擦攪拌工程と、を備えている。この製造方法によれば、金属部材の肉厚が大きい部材であっても金属部材同士を接合することができる。
【0006】
【特許文献1】特開2004−358535号公報(段落0019、図2参照)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
しかしながら、前記した従来の接合構造物の製造方法では、第一金属部材110a及び第二金属部材110bと継手部材Uとの継ぎ目が接合構造物の側面に露出しており、この継ぎ目は凹部103の底面103aと継手部材Uの下面Uaとの間の未接合部に通じているため、金属部材110a,110bの接合部における気密性及び水密性が低下してしまうという問題がある。
【0008】
そこで、本発明では、前記した問題を解決し、金属部材同士の接合部における気密性及び水密性を向上させることができる接合構造物の製造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】
【0009】
前記課題を解決するため、本発明は、第一金属部材及び第二金属部材の端面同士を突き合わせてなる接合構造物の製造方法であって、第一金属部材と第二金属部材との突合部に対して、接合構造物の表面から摩擦攪拌を行う第一接合工程と、第一金属部材と第二金属部材との突合部に対して、接合構造物の裏面から摩擦攪拌を行う第二接合工程と、接合構造物の側面において、第一金属部材と第二金属部材との突合部に沿って、接合構造物の表面から裏面に亘って凹溝を形成する凹溝形成工程と、凹溝に継手部材を挿入する継手部材挿入工程と、接合構造物と継手部材との突合部に対して、接合構造物の表面から摩擦攪拌を行う第三接合工程と、接合構造物と継手部材との突合部に対して、接合構造物の裏面から摩擦攪拌を行う第四接合工程と、接合構造物と継手部材との突合部において、第三接合工程で形成された塑性化領域と第四接合工程で形成された塑性化領域との間に形成された未塑性化領域に対して、接合構造物の側面から溶接を行う側面溶接工程と、を含んでいることを特徴としている。
【0010】
この構成では、接合構造物の表面、裏面及び側面において、接合構造物と継手部材との突合部が接合され、接合構造物と継手部材との継ぎ目全体が閉じられるため、第一金属部材と第二金属部材との接合部における気密性及び水密性を向上させることができる。
【0011】
前記した接合構造物の製造方法において、凹溝形成工程の後に、第一金属部材と第二金属部材との突合部において、第一接合工程で形成された塑性化領域と第二接合工程で形成された塑性化領域との間に形成された未塑性化領域に対して、凹溝内から溶接を行うように構成することができる。
また、凹溝形成工程の後に、第一金属部材と第二金属部材との突合部において、第一接合工程で形成された塑性化領域と第二接合工程で形成された塑性化領域との間に形成された未塑性化領域に沿って、凹溝内に溝部を形成し、この溝部に溶接金属を充填してもよい。
【0012】
この構成では、第一金属部材と第二金属部材との突合部に形成された未塑性化領域に対して、凹溝内から溶接が行われた後に、凹溝に継手部材が挿入され、接合構造物と継手部材との突合部に対して側面から溶接が行われる。したがって、接合構造物の側部は肉厚方向において二重に溶接された状態となるため、第一金属部材と第二金属部材との接合部における気密性及び水密性を向上させることができる。
また、未塑性化領域に沿って形成された溝部に溶接金属を充填する構成では、溶接金属の充填作業を容易に行うことができるとともに、未塑性化領域を確実に閉じることができる。
【0013】
前記した接合構造物の製造方法において、側面溶接工程では、接合構造物と継手部材との突合部において、第三接合工程で形成された塑性化領域と第四接合工程で形成された塑性化領域との間に形成された未塑性化領域に沿って、接合構造物の側面に溝部を形成し、この溝部に溶接金属を充填してもよい。
【0014】
この構成では、接合構造物と継手部材との突合部に沿って形成された溝部に溶接金属を充填することで、溶接金属の充填作業を容易に行うことができるとともに、未塑性化領域を確実に閉じることができる。
【0015】
前記した接合構造物の製造方法において、凹溝内に形成された溝部に充填された溶接金属のうち凹溝の側面から突出した部分を切除することが望ましい。
この構成では、凹溝の側面が平滑に成形され、凹溝の側面と継手部材の外面とを密着させることができるため、接合構造物と継手部材との接合部における気密性及び水密性を向上させることができる。
【0016】
前記した接合構造物の製造方法において、接合構造物の側面に形成された溝部に充填された溶接金属のうち接合構造物の側面から突出した部分を切除することが望ましい。
この構成では、接合構造物の側面から突出した溶接金属を切除することで、接合構造物の仕上がり面を平滑に成形することができる。
【発明の効果】
【0017】
本発明の接合構造物の製造方法によれば、接合構造物と継手部材との継ぎ目全体が閉じられるため、第一金属部材と第二金属部材との接合部における気密性及び水密性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0018】
次に、本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。
本実施形態の接合構造物の製造方法は、図1に示すように、第一金属部材1aの端面11a(図2(a)参照)と第二金属部材1bの端面11b(図2(a)参照)とを突き合わせてなる接合構造物1の製造方法であって、接合構造物1の表面A及び裏面Bから摩擦攪拌接合を行った後に、第一側面C及び第二側面Dに形成された凹溝K1,K1に継手部材H,Hを挿入して溶接接合を行うものである。
【0019】
本実施形態の接合構造物の製造方法は、(1)突合工程、(2)第一接合工程、(3)第二接合工程、(4)凹溝形成工程、(5)第一側面溶接工程、(6)継手部材挿入工程、(7)第三接合工程、(8)第四接合工程、(9)第二側面溶接工程を含むものである。以下、各工程について詳細に説明する。なお、本実施形態における上下左右前後は、図1の矢印に従う。
【0020】
(1)突合工程
突合工程は、図2(a)及び(b)に示すように、第一金属部材1aの端面11aと第二金属部材1bの端面11bとを突き合わせる工程である。
第一金属部材1a及び第二金属部材1bは、図2(a)に示すように、断面視矩形の金属部材であって、略同等の形状となっている。第一金属部材1a及び第二金属部材1bは、例えば、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、マグネシウム合金など摩擦攪拌可能な金属材料である。
【0021】
突合工程では、図2(b)に示すように、第一金属部材1aの端面11aと第二金属部材1bの端面11bとを突き合わせるとともに、第一金属部材1aの表面12aと第二金属部材1bの表面12bとを面一にし、第一金属部材1aの裏面13aと第二金属部材1bの裏面13bとを面一にする。また、第一金属部材1aの側面14aと第二金属部材1bの側面14bとを面一にし、第一金属部材1aの側面15aと第二金属部材1bの側面15bとを面一にする。そして、第一金属部材1aの端面11aと第二金属部材1bの端面11aとの突合せ面には、突合部J1が形成されている。
【0022】
第一金属部材1aと第二金属部材1bとを突き合わせて形成した部材を以下、接合構造物1とする。また、図2(b)における接合構造物1の上面を表面A、下面を裏面Bとし、接合構造物1のうち、第一金属部材1aの側面14aと第二金属部材1bの側面14bとで構成される面を第一側面Cとする。また、接合構造物1のうち、第一金属部材1aの側面15aと第二金属部材1bの側面15bとで構成される面を第二側面Dとする。
なお、第一金属部材1a及び第二金属部材1bの形状・寸法は特に制限はないが、少なくとも突合部J1における厚さ寸法を同一にすることが望ましい。
【0023】
(2)第一接合工程
第一接合工程は、図6に示すように、第一金属部材1aと第二金属部材1bとの突合部J1に対して、接合構造物1の表面Aから回転ツールG(図4参照)を用いて摩擦攪拌接合を行う工程である。
第一接合工程は、接合構造物1にタブ材2,3を配置するタブ材配置工程(図3参照)と、第一金属部材1aと第二金属部材1bとの突合部J1に対して表面Aから摩擦攪拌を行う本接合工程(図6参照)と、を含むものである。
【0024】
タブ材配置工程は、図3に示すように、接合構造物1の接合部の左右両側に一対のタブ材2,3を配置する工程である。このタブ材2,3は、後記する摩擦攪拌工程において、回転ツールG(図4参照)を押圧させる開始位置、及び回転ツールGを離脱させる終了位置を設定するものである。
【0025】
第一タブ材2及び第二タブ材3は、直方体の金属部材であり、本実施形態では接合構造物1と同等の素材を用いている。第一タブ材2及び第二タブ材3の表面及び裏面は、接合構造物1の表面A及び裏面Bと面一に形成されている。
第一タブ材2は、接合構造物1の第一側面Cに当接して配置され、第二タブ材3は、接合構造物1の第二側面Dに当接して配置される。
第一タブ材2及び第二タブ材3と接合構造物1とは、それぞれ入り隅部において溶接により仮接合されている。
【0026】
図4に示す回転ツールGは、工具鋼など接合構造物1よりも硬質の金属材料からなり、円柱状を呈するショルダ部G1と、このショルダ部G1の下端面G11に突設された攪拌ピン(プローブ)G2とを備えている。回転ツールGの寸法・形状は、接合構造物1の材質や厚さ等に応じて設定されている。
ショルダ部G1の下端面G11は、塑性流動化した金属を押えて周囲への飛散を防止する役割を担う部位であり、本実施形態では凹面状に成形されている。
攪拌ピンG2は、ショルダ部G1の下端面G11の中央から垂下しており、本実施形態では、先細りの円錐台状に成形されている。また、攪拌ピンG2の周面には、螺旋状に刻設された攪拌翼が形成されている。
【0027】
本接合工程は、図6に示すように、摩擦攪拌の開始位置P1に挿入した回転ツールGの攪拌ピンG2を、途中で離脱させることなく終了位置P2まで移動させて、突合部J1の摩擦攪拌を行う工程である。
【0028】
まず、図5(a)に示すように、第一タブ材2の適所に設けた開始位置P1の直上に回転ツールGを位置させ、続いて、回転ツールGを回転させつつ下降させて攪拌ピンG2を開始位置P1に押し付ける。
回転ツールGの回転速度は、攪拌ピンG2の寸法・形状、摩擦攪拌される接合構造物1等の材質や肉厚等に応じて設定されている。
【0029】
攪拌ピンG2が第一タブ材2の表面に接触すると、摩擦熱によって攪拌ピンG2の周囲にある金属が塑性流動化し、図5(b)に示すように、攪拌ピンG2が第一タブ材2に挿入される。
なお、回転ツールGの挿入予定位置に予め下穴を形成した場合には、回転ツールGを押し込む際の圧入抵抗を低減することができ、摩擦攪拌接合の精度を高めるとともに、迅速に接合作業を行うことができる。
【0030】
攪拌ピンG2全体が第一タブ材2に入り込み、かつ、ショルダ部G1の下端面G11の全面が第一タブ材2の表面に接触したら、図6に示すように、回転ツールGを回転させつつ突合部J1に向けて移動させる。
回転ツールGの移動速度(送り速度)は、攪拌ピンG2の寸法・形状、摩擦攪拌される接合構造物1等の材質や肉厚等に応じて設定されている。
回転ツールGを移動させると、その攪拌ピンG2の周囲にある金属が順次塑性流動化するとともに、攪拌ピンG2から離れた位置では、塑性流動化していた金属が再び硬化して塑性化領域W1が形成される(図5(b)参照)。
【0031】
本接合工程では、開始位置P1から第一金属部材1aと第二金属部材1bとの継ぎ目(境界線)上に設定したルートに沿って、回転ツールGを連続して移動させることで、第一金属部材1aと第二金属部材1bとの突合部J1に対して摩擦攪拌を行う。
【0032】
そして、回転ツールGが突合部J1を通過し、第二タブ材3の適所に設けた終了位置P2に達したら、回転ツールGを回転させつつ上昇させて攪拌ピンG2を終了位置P2から離脱させる。これにより、接合構造物1の表面A側の摩擦攪拌接合が完了する。
【0033】
なお、本実施形態では、第一タブ材2に開始位置P1を設け、第二タブ材3に終了位置P2設けているが、第二タブ材3に開始位置P1を設け、第一タブ材2に終了位置P2を設けてもよい。
【0034】
(3)第二接合工程
第二接合工程は、図7に示すように、第一金属部材1aと第二金属部材1bとの突合部J1に対して、接合構造物1の裏面Bから摩擦攪拌接合を行う工程である。
第二接合工程では、第一接合工程が終了したら、接合構造物1を図示せぬ摩擦攪拌装置から一旦取り外し、裏面Bを上方に向けて再度固定する。
第二接合工程は、タブ材配置工程が含まれないこと以外は、前記した第一接合工程と同等であるため、その詳細な説明は省略する。
なお、第二接合工程で形成された塑性化領域を塑性化領域W2とする。また、第二接合工程が終了したら、接合構造物1からタブ材2,3を切削して除去する。
【0035】
(4)凹溝形成工程
凹溝形成工程は、図8に示すように、接合構造物1の第一側面C及び第二側面Dにおいて、第一金属部材1aと第二金属部材1bとの突合部J1に沿って凹溝K1,K1を形成する工程である。本実施形態では、公知のエンドミル等の切削工具を用いて、一定の幅及び深さで表面Aから裏面Bに亘って連続して凹溝K1,K1を形成している。また、本実施形態では、両側の凹溝K1,K1の間に残された突合部J1の幅が、接合構造物1の最大幅の半分程度になるように凹溝K1の深さを設定している。
【0036】
(5)第一側面溶接工程
第一側面溶接工程は、第一金属部材1aと第二金属部材1bとの突合部J1に沿って、両側の凹溝K1,K1内に第一溝部K2を形成する溝部形成工程(図9参照)と、第一溝部K2に溶接金属を充填する溶接金属充填工程(図10参照)と、を含むものである。
【0037】
溝部形成工程では、図9に示すように、両側の凹溝K1,K1内の側面に露出した突合部J1に沿って、凹状の第一溝部K2を形成する。本実施形態では、公知のエンドミル等の切削工具を用いて、一定の幅及び深さで表面Aから裏面Bに亘って連続して第一溝部K2を形成している。
第一溝部K2の溝幅は限定されるものではないが、本実施形態では塑性化領域W1,W2の幅よりも小さい溝幅に設定されている。なお、塑性化領域W1,W2に空洞欠陥が形成される虞がある場合には、空洞欠陥を含むように第一溝部K2内の溝幅を設定することが望ましい。
【0038】
溶接金属充填工程では、図10に示すように、第一溝部K2にMIG溶接等の肉盛溶接を行うことで、第一溝部K2に溶接金属L1を充填する。これにより、表面A側の塑性化領域W1と裏面B側の塑性化領域W2との間に形成された未塑性化領域が閉じられる。また、第一溝部K2内に空洞欠陥が含まれる場合には、その空洞欠陥が溶接金属L1によって閉塞される。
なお、溶接金属充填工程は、MIG溶接に限定するものではなく、他の公知の溶接を行ってもよい。また、溶接材料は、接合構造物1と異なっていてもよいが、本実施形態では同一の材料を用いている。
また、第一溝部K2に溶接金属L1を充填した後に、第一溝部K2に充填された溶接金属L1のうち凹溝K1内の側面から突出している部分を切除する。
【0039】
(6)継手部材挿入工程
継手部材挿入工程は、図11に示すように、両側の凹溝K1,K1に継手部材Hを挿入する工程である。
継手部材Hは、直方体の金属部材であり、その上下高さ寸法、左右幅寸法、前後幅寸法を、凹溝K1の各寸法と同一にしている。本実施形態では、接合構造物1と同一組成の金属材料で継手部材Hを形成しているが、摩擦攪拌可能な金属材料であればよい。
第一側面C側の凹溝K1に挿入された継手部材Hでは、表面(上面)と接合構造物1の表面Aとを面一にし、側面と接合構造物1の側面Cとを面一にし、裏面(下面)と接合構造物1の裏面Bとを面一にする。
同様に、第二側面D側の凹溝K1に挿入された継手部材Hでは、表面(上面)と接合構造物1の表面Aとを面一にし、側面と接合構造物1の側面Dとを面一にし、裏面(下面)と接合構造物1の裏面Bとを面一にする。
【0040】
(7)第三接合工程
第三接合工程は、図13に示すように、接合構造物1と各継手部材H,Hとの突合部J2,J3に対して、接合構造物1の表面Aから回転ツールG(図4参照)を用いて摩擦攪拌接合を行う工程である。
第三接合工程は、接合構造物1にタブ材4,5を配置するタブ材配置工程(図12参照)と、接合構造物1と各継手部材H,Hとの突合部J2,J3に対して表面Aから摩擦攪拌を行う本接合工程(図13参照)と、を含むものである。
【0041】
タブ材配置工程は、図12に示すように、接合構造物1の接合部の左右両側に一対のタブ材4,5を配置する工程である。このタブ材4,5は、後記する本接合工程において、回転ツールG(図4参照)を押圧させる開始位置P3,P5、及び回転ツールGを離脱させる終了位置P4,P6を設定するものである(図13参照)。
【0042】
第三タブ材4及び第四タブ材5は、直方体の金属部材であり、本実施形態では接合構造物1と同等の素材を用いている。第三タブ材4及び第四タブ材5の表面及び裏面は、接合構造物1の表面A及び裏面Bと面一に形成されている。
第三タブ材4は、接合構造物1の第一側面Cに当接して配置され、第四タブ材5は、接合構造物1の第二側面Dに当接して配置される。
第三タブ材4及び第四タブ材5と接合構造物1とは、それぞれ入り隅部において溶接により仮接合されている。
【0043】
本接合工程では、図13に示すように、第三タブ材4の表面に設定された開始位置P3に挿入した回転ツールG(図4参照)の攪拌ピンG2を、接合構造物1と右側の継手部材Hとの継ぎ目を通過して、第三タブ材4の表面に設定された終了位置P4まで移動させることで、接合構造物1と右側の継手部材Hとの突合部J2の摩擦攪拌を行う。
同様に、第四タブ材5の表面に設定された開始位置P5に挿入した回転ツールGの攪拌ピンG2を、接合構造物1と左側の継手部材Hとの継ぎ目を通過して、第四タブ材5の表面に設定された終了位置P6まで移動させることで、接合構造物1と左側の継手部材Hとの突合部J3の摩擦攪拌を行う。
なお、第三接合工程で行われる摩擦攪拌接合は、第一接合工程及び第二接合工程で行われた摩擦攪拌接合と同等であるため、その詳細な説明は省略する。
【0044】
(8)第四接合工程
第四接合工程は、図14に示すように、接合構造物1と各継手部材H,Hとの突合部J2,J3に対して、接合構造物1の裏面Bから回転ツールG(図4参照)を用いて摩擦攪拌を行う工程である。
第四接合工程では、第三接合工程が終了したら、接合構造物1を図示せぬ摩擦攪拌装置から一旦取り外し、裏面Bを上方に向けて再度固定する。
第四接合工程は、タブ材配置工程が含まれないこと以外は、前記した第三接合工程と同等であるため、その詳細な説明は省略する。
なお、第四接合工程で形成された塑性化領域を塑性化領域W4とする。また、第四接合工程が終了したら、接合構造物1からタブ材4,5を切削して除去する。
【0045】
(9)第二側面溶接工程
第二側面溶接工程は、接合構造物1の両側面C,Dにおいて、接合構造物1と継手部材Hとの突合部J2,J3に沿って、第二溝部K3・・・を形成する溝部形成工程(図14参照)と、第二溝部K3に溶接金属を充填する溶接金属充填工程(図1参照)と、を含むものである。
【0046】
溝部形成工程では、図14に示すように、接合構造物1の両側面C,Dに露出した突合部J2,J3に沿って、凹状の第二溝部K3を形成する。本実施形態では、公知のエンドミル等の切削工具を用いて、一定の幅及び深さで表面Aから裏面Bに亘って連続して第二溝部K3を形成している。
第二溝部K3の溝幅は限定されるものではないが、本実施形態では塑性化領域W3,W4の幅よりも小さい溝幅に設定されている。なお、塑性化領域W3,W4に空洞欠陥が形成される虞がある場合には、空洞欠陥を含むように第二溝部K3内の溝幅を設定することが望ましい。
【0047】
溶接金属充填工程では、図1に示すように、第二溝部K3にMIG溶接等の肉盛溶接を行うことで、第二溝部K3に溶接金属L2を充填する。これにより、表面A側の塑性化領域W3と裏面B側の塑性化領域W4との間に形成された未塑性化領域が閉じられる。また、第二溝部K3内に空洞欠陥が含まれる場合には、その空洞欠陥が溶接金属L2によって閉塞される。
なお、溶接金属充填工程は、MIG溶接に限定するものではなく、他の公知の溶接を行ってもよい。また、溶接材料は、接合構造物1と異なっていてもよいが、本実施形態では同一の材料を用いている。
また、第二溝部K3に溶接金属L2を充填した後に、第二溝部K3に充填された溶接金属L2のうち接合構造物1の側面C,Dから突出している部分を切除する。
【0048】
以上のような各工程により、図1に示すように、第一金属部材1aの端面11a(図2(a)参照)と第二金属部材1bの端面11b(図2(a)参照)とが接合された接合構造物1が形成される。
【0049】
本実施形態の接合構造物の製造方法によれば、図1に示すように、接合構造物1の表面A、裏面B及び両側面C,Dにおいて、接合構造物1と各継手部材H,Hとの突合部J2,J3が接合され、接合構造物1と各継手部材H,Hとの継ぎ目全体が閉じられるため、第一金属部材1aと第二金属部材1bとの接合部における気密性及び水密性を向上させることができる。
【0050】
また、第一側面溶接工程において、第一金属部材1aと第二金属部材1bとの突合部J1に対して、凹溝K1内から溶接が行われた後に、凹溝K1に継手部材Hが挿入され、第二側面溶接工程において、接合構造物1と継手部材Hとの突合部J2,J3に対して側面C,Dから溶接が行われる。したがって、接合構造物1の側部は肉厚方向において二重に溶接された状態となるため、第一金属部材1aと第二金属部材1bとの接合部における気密性及び水密性を向上させることができる。
特に、本実施形態のように、突合部J1の幅が接合構造物1の最大幅の半分程度となるように設定した場合には、接合構造物1の中心部で溶接が行われるため、第一金属部材1aと第二金属部材1bとの接合部における気密性及び水密性を向上させることができる。
【0051】
また、第一側面溶接工程では、突合部J1に沿って形成された第一溝部K2に溶接金属F1を充填し、第二側面溶接工程では、突合部J2,J3に沿って形成された第二溝部K3に溶接金属L2を充填することで、溶接金属L1,L2の充填作業を容易に行うことができるとともに、各突合部J1,J2,J3を確実に閉じることができる。
【0052】
また、第一側面溶接工程では、第一溝部K2に充填された溶接金属L2のうち凹溝K1の側面から突出した部分を切除することで、凹溝K1の側面が平滑に成形され、凹溝K1の側面と継手部材Hの外面とを密着させることができるため、接合構造物1と継手部材Hとの接合部における気密性及び水密性を向上させることができる。
【0053】
また、第二側面溶接工程では、第二溝部K3に充填された溶接金属のうち接合構造物1の側面C,Dから突出した部分を切除することで、接合構造物1の仕上がり面を平滑に成形することができる。
【0054】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜に設計変更が可能である。
例えば、本実施形態の第一側面溶接工程では、図10に示すように、突合部J1に沿って、表面Aから裏面Bに亘って第一溝部K2を形成しているが、表面A側の塑性化領域W1と裏面B側の塑性化領域W2との間に形成された未塑性化領域に対応する部位に溝部を形成し、この溝部に溶接金属を充填することで未塑性化領域を閉じてもよい。
【0055】
また、本実施形態の第二側面溶接工程では、図14に示すように、突合部J2,J3に沿って、表面Aから裏面Bに亘って第二溝部K3を形成しているが、表面A側の塑性化領域W3と裏面B側の塑性化領域W4との間に形成された未塑性化領域に対応する部位に溝部を形成し、この溝部に溶接金属を充填することで未塑性化領域を閉じてもよい。
【0056】
また、第一接合工程及び第二接合工程の前に、回転ツールG(図4参照)よりも小型の回転ツールを用いて、突合部J1を摩擦攪拌接合する仮接合工程を行ってもよい。このように、突合部J1を仮接合することで、突合部J1に回転ツールGが押し込まれたときに、目開きが生じるのを防ぐことができる。同様に、第三接合工程の前に、突合部J2,J3を仮接合することで、突合部J2,J3に回転ツールGが押し込まれたときに、目開きが生じるのを防ぐことができる。
【0057】
また、本実施形態の第一接合工程及び第二接合工程では、図6に示すように、接合構造物1の左右両側に一対のタブ材2,3を配置しているが、タブ材は必ずしも設けなくてもよい。このように、タブ材を省略する場合には、第一金属部材1aと第二金属部材1bとの突合部J1の両端部に摩擦攪拌の開始位置及び終了位置を設定し、第一側面溶接工程において、摩擦攪拌の開始位置及び終了位置が切除されるように第一溝部K2を形成することが望ましい。
同様に、第三接合工程及び第四接合工程においてもタブ材を設けることなく、突合部J2,J3の両端部に摩擦攪拌の開始位置及び終了位置を設定し、第二側面溶接工程において、開始位置及び終了位置が切除されるように第三溝部K3を形成することが望ましい。
【0058】
また、本実施形態では、図11に示すように、凹溝K1の断面形状を矩形に形成し、この凹溝K1に直方体の継手部材Hを挿入しているが、凹溝K1及び継手部材Hの形状は限定されるものではなく、他の形状であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【0059】
【図1】本実施形態の製造方法によって接合された接合構造物を示した斜視図である。
【図2】本実施形態の突合工程を示した図で、(a)は第一金属部材と第二金属部材とを突き合わせる前の斜視図、(b)は第一金属部材と第二金属部材とを突き合わせた後の斜視図である。
【図3】本実施形態の第一接合工程におけるタブ材配置工程を示した斜視図である。
【図4】本実施形態の回転ツールを示した側面図である。
【図5】本実施形態の回転ツールの使用状態を示した図で、(a)は回転ツールをタブ材に当接させたときの側面図、(b)は回転ツールをタブ材に押し込んだときの側面図である。
【図6】本実施形態の第一接合工程における本接合工程を示した平面図である。
【図7】本実施形態の第二接合工程を終了した後に、タブ材を除去した状態の接合構造物を示した斜視図である。
【図8】本実施形態の凹溝形成工程を示した斜視図である。
【図9】本実施形態の第一側面溶接工程における溝部形成工程を示した斜視図である。
【図10】本実施形態の第一側面溶接工程における溶接金属充填工程を示した斜視図である。
【図11】本実施形態の継手部材挿入工程を示した斜視図である。
【図12】本実施形態の第三接合工程におけるタブ材配置工程を示した斜視図である。
【図13】本実施形態の第三接合工程における本接合工程を示した平面図である。
【図14】本実施形態の第二側面溶接工程における溝部形成工程を示した斜視図である。
【図15】従来の接合構造物の製造方法を示した断面図である。
【符号の説明】
【0060】
1 接合構造物
1a 第一金属部材
1b 第二金属部材
A 表面
B 裏面
C 第一側面
D 第二側面
H 継手部材
J1 突合部(第一金属部材と第二金属部材)
J2 突合部(接合構造物と継手部材)
J3 突合部(接合構造物と継手部材)
K1 凹溝
K2 第一溝部
K3 第二溝部
L1 溶接金属
L2 溶接金属
G 回転ツール
G2 攪拌ピン
W1 塑性化領域(表面)
W2 塑性化領域(裏面)
W3 塑性化領域(表面)
W4 塑性化領域(裏面)
【技術分野】
【0001】
本発明は、摩擦攪拌を利用した接合構造物の製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
金属部材同士を突き合わせてなる接合構造物の製造方法としては、摩擦攪拌接合(FSW=Friction Stir Welding)を用いた方法が知られている。この摩擦攪拌接合は、回転ツールを回転させつつ金属部材同士の突合部に沿って移動させ、回転ツールと金属部材との摩擦熱により突合部の金属を塑性流動させることで、金属部材同士を固相接合させるものである。なお、回転ツールは、円柱状を呈するショルダ部の下端面に攪拌ピン(プローブ)を突設したものが一般的である。
【0003】
ここで、回転ツールの攪拌ピンの長さに対して金属部材の肉厚が大きい場合には、金属部材の厚みに応じて攪拌ピンの長さを大きくすることで、突合部の深さ方向の全長に亘って隙間なく接合することができる。しかしながら、回転ツールは、金属部材内に攪拌ピンを埋没させて高速で回転しながら移動するため、攪拌ピンの長さを大きくすると、摩擦攪拌装置の駆動手段及び攪拌ピンに作用する負荷が増大し、装置の短寿命化を招来するという問題がある。
【0004】
そこで、回転ツールの攪拌ピンの長さに対して金属部材の肉厚が大きい場合には、厚みの異なる段部を備えた一対の金属部材の間に継手部材を介して段階的に摩擦攪拌を行うことで接合構造物を製造する方法が知られている。
前記した従来の製造方法に用いられる金属部材は、図15に示すように、第一金属部材110a及び第二金属部材110bの本体部101,101の縁部に、本体部101よりも肉厚の小さい段部102,102が形成されている。
【0005】
そして、従来の接合構造物の製造方法は、第一金属部材110a及び第二金属部材110bの段部102,102同士を突き合わせる突合工程と、段部102,102同士の突合部Jdに対して摩擦攪拌を行う段部摩擦攪拌工程と、突合工程で形成された凹部103に継手部材Uを配置する継手部材配置工程と、第一金属部材110aと継手部材Uとの突合部Ja及び第二金属部材110bと継手部材Uとの突合部Jbに対して摩擦攪拌を行う摩擦攪拌工程と、を備えている。この製造方法によれば、金属部材の肉厚が大きい部材であっても金属部材同士を接合することができる。
【0006】
【特許文献1】特開2004−358535号公報(段落0019、図2参照)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
しかしながら、前記した従来の接合構造物の製造方法では、第一金属部材110a及び第二金属部材110bと継手部材Uとの継ぎ目が接合構造物の側面に露出しており、この継ぎ目は凹部103の底面103aと継手部材Uの下面Uaとの間の未接合部に通じているため、金属部材110a,110bの接合部における気密性及び水密性が低下してしまうという問題がある。
【0008】
そこで、本発明では、前記した問題を解決し、金属部材同士の接合部における気密性及び水密性を向上させることができる接合構造物の製造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】
【0009】
前記課題を解決するため、本発明は、第一金属部材及び第二金属部材の端面同士を突き合わせてなる接合構造物の製造方法であって、第一金属部材と第二金属部材との突合部に対して、接合構造物の表面から摩擦攪拌を行う第一接合工程と、第一金属部材と第二金属部材との突合部に対して、接合構造物の裏面から摩擦攪拌を行う第二接合工程と、接合構造物の側面において、第一金属部材と第二金属部材との突合部に沿って、接合構造物の表面から裏面に亘って凹溝を形成する凹溝形成工程と、凹溝に継手部材を挿入する継手部材挿入工程と、接合構造物と継手部材との突合部に対して、接合構造物の表面から摩擦攪拌を行う第三接合工程と、接合構造物と継手部材との突合部に対して、接合構造物の裏面から摩擦攪拌を行う第四接合工程と、接合構造物と継手部材との突合部において、第三接合工程で形成された塑性化領域と第四接合工程で形成された塑性化領域との間に形成された未塑性化領域に対して、接合構造物の側面から溶接を行う側面溶接工程と、を含んでいることを特徴としている。
【0010】
この構成では、接合構造物の表面、裏面及び側面において、接合構造物と継手部材との突合部が接合され、接合構造物と継手部材との継ぎ目全体が閉じられるため、第一金属部材と第二金属部材との接合部における気密性及び水密性を向上させることができる。
【0011】
前記した接合構造物の製造方法において、凹溝形成工程の後に、第一金属部材と第二金属部材との突合部において、第一接合工程で形成された塑性化領域と第二接合工程で形成された塑性化領域との間に形成された未塑性化領域に対して、凹溝内から溶接を行うように構成することができる。
また、凹溝形成工程の後に、第一金属部材と第二金属部材との突合部において、第一接合工程で形成された塑性化領域と第二接合工程で形成された塑性化領域との間に形成された未塑性化領域に沿って、凹溝内に溝部を形成し、この溝部に溶接金属を充填してもよい。
【0012】
この構成では、第一金属部材と第二金属部材との突合部に形成された未塑性化領域に対して、凹溝内から溶接が行われた後に、凹溝に継手部材が挿入され、接合構造物と継手部材との突合部に対して側面から溶接が行われる。したがって、接合構造物の側部は肉厚方向において二重に溶接された状態となるため、第一金属部材と第二金属部材との接合部における気密性及び水密性を向上させることができる。
また、未塑性化領域に沿って形成された溝部に溶接金属を充填する構成では、溶接金属の充填作業を容易に行うことができるとともに、未塑性化領域を確実に閉じることができる。
【0013】
前記した接合構造物の製造方法において、側面溶接工程では、接合構造物と継手部材との突合部において、第三接合工程で形成された塑性化領域と第四接合工程で形成された塑性化領域との間に形成された未塑性化領域に沿って、接合構造物の側面に溝部を形成し、この溝部に溶接金属を充填してもよい。
【0014】
この構成では、接合構造物と継手部材との突合部に沿って形成された溝部に溶接金属を充填することで、溶接金属の充填作業を容易に行うことができるとともに、未塑性化領域を確実に閉じることができる。
【0015】
前記した接合構造物の製造方法において、凹溝内に形成された溝部に充填された溶接金属のうち凹溝の側面から突出した部分を切除することが望ましい。
この構成では、凹溝の側面が平滑に成形され、凹溝の側面と継手部材の外面とを密着させることができるため、接合構造物と継手部材との接合部における気密性及び水密性を向上させることができる。
【0016】
前記した接合構造物の製造方法において、接合構造物の側面に形成された溝部に充填された溶接金属のうち接合構造物の側面から突出した部分を切除することが望ましい。
この構成では、接合構造物の側面から突出した溶接金属を切除することで、接合構造物の仕上がり面を平滑に成形することができる。
【発明の効果】
【0017】
本発明の接合構造物の製造方法によれば、接合構造物と継手部材との継ぎ目全体が閉じられるため、第一金属部材と第二金属部材との接合部における気密性及び水密性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0018】
次に、本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。
本実施形態の接合構造物の製造方法は、図1に示すように、第一金属部材1aの端面11a(図2(a)参照)と第二金属部材1bの端面11b(図2(a)参照)とを突き合わせてなる接合構造物1の製造方法であって、接合構造物1の表面A及び裏面Bから摩擦攪拌接合を行った後に、第一側面C及び第二側面Dに形成された凹溝K1,K1に継手部材H,Hを挿入して溶接接合を行うものである。
【0019】
本実施形態の接合構造物の製造方法は、(1)突合工程、(2)第一接合工程、(3)第二接合工程、(4)凹溝形成工程、(5)第一側面溶接工程、(6)継手部材挿入工程、(7)第三接合工程、(8)第四接合工程、(9)第二側面溶接工程を含むものである。以下、各工程について詳細に説明する。なお、本実施形態における上下左右前後は、図1の矢印に従う。
【0020】
(1)突合工程
突合工程は、図2(a)及び(b)に示すように、第一金属部材1aの端面11aと第二金属部材1bの端面11bとを突き合わせる工程である。
第一金属部材1a及び第二金属部材1bは、図2(a)に示すように、断面視矩形の金属部材であって、略同等の形状となっている。第一金属部材1a及び第二金属部材1bは、例えば、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、マグネシウム合金など摩擦攪拌可能な金属材料である。
【0021】
突合工程では、図2(b)に示すように、第一金属部材1aの端面11aと第二金属部材1bの端面11bとを突き合わせるとともに、第一金属部材1aの表面12aと第二金属部材1bの表面12bとを面一にし、第一金属部材1aの裏面13aと第二金属部材1bの裏面13bとを面一にする。また、第一金属部材1aの側面14aと第二金属部材1bの側面14bとを面一にし、第一金属部材1aの側面15aと第二金属部材1bの側面15bとを面一にする。そして、第一金属部材1aの端面11aと第二金属部材1bの端面11aとの突合せ面には、突合部J1が形成されている。
【0022】
第一金属部材1aと第二金属部材1bとを突き合わせて形成した部材を以下、接合構造物1とする。また、図2(b)における接合構造物1の上面を表面A、下面を裏面Bとし、接合構造物1のうち、第一金属部材1aの側面14aと第二金属部材1bの側面14bとで構成される面を第一側面Cとする。また、接合構造物1のうち、第一金属部材1aの側面15aと第二金属部材1bの側面15bとで構成される面を第二側面Dとする。
なお、第一金属部材1a及び第二金属部材1bの形状・寸法は特に制限はないが、少なくとも突合部J1における厚さ寸法を同一にすることが望ましい。
【0023】
(2)第一接合工程
第一接合工程は、図6に示すように、第一金属部材1aと第二金属部材1bとの突合部J1に対して、接合構造物1の表面Aから回転ツールG(図4参照)を用いて摩擦攪拌接合を行う工程である。
第一接合工程は、接合構造物1にタブ材2,3を配置するタブ材配置工程(図3参照)と、第一金属部材1aと第二金属部材1bとの突合部J1に対して表面Aから摩擦攪拌を行う本接合工程(図6参照)と、を含むものである。
【0024】
タブ材配置工程は、図3に示すように、接合構造物1の接合部の左右両側に一対のタブ材2,3を配置する工程である。このタブ材2,3は、後記する摩擦攪拌工程において、回転ツールG(図4参照)を押圧させる開始位置、及び回転ツールGを離脱させる終了位置を設定するものである。
【0025】
第一タブ材2及び第二タブ材3は、直方体の金属部材であり、本実施形態では接合構造物1と同等の素材を用いている。第一タブ材2及び第二タブ材3の表面及び裏面は、接合構造物1の表面A及び裏面Bと面一に形成されている。
第一タブ材2は、接合構造物1の第一側面Cに当接して配置され、第二タブ材3は、接合構造物1の第二側面Dに当接して配置される。
第一タブ材2及び第二タブ材3と接合構造物1とは、それぞれ入り隅部において溶接により仮接合されている。
【0026】
図4に示す回転ツールGは、工具鋼など接合構造物1よりも硬質の金属材料からなり、円柱状を呈するショルダ部G1と、このショルダ部G1の下端面G11に突設された攪拌ピン(プローブ)G2とを備えている。回転ツールGの寸法・形状は、接合構造物1の材質や厚さ等に応じて設定されている。
ショルダ部G1の下端面G11は、塑性流動化した金属を押えて周囲への飛散を防止する役割を担う部位であり、本実施形態では凹面状に成形されている。
攪拌ピンG2は、ショルダ部G1の下端面G11の中央から垂下しており、本実施形態では、先細りの円錐台状に成形されている。また、攪拌ピンG2の周面には、螺旋状に刻設された攪拌翼が形成されている。
【0027】
本接合工程は、図6に示すように、摩擦攪拌の開始位置P1に挿入した回転ツールGの攪拌ピンG2を、途中で離脱させることなく終了位置P2まで移動させて、突合部J1の摩擦攪拌を行う工程である。
【0028】
まず、図5(a)に示すように、第一タブ材2の適所に設けた開始位置P1の直上に回転ツールGを位置させ、続いて、回転ツールGを回転させつつ下降させて攪拌ピンG2を開始位置P1に押し付ける。
回転ツールGの回転速度は、攪拌ピンG2の寸法・形状、摩擦攪拌される接合構造物1等の材質や肉厚等に応じて設定されている。
【0029】
攪拌ピンG2が第一タブ材2の表面に接触すると、摩擦熱によって攪拌ピンG2の周囲にある金属が塑性流動化し、図5(b)に示すように、攪拌ピンG2が第一タブ材2に挿入される。
なお、回転ツールGの挿入予定位置に予め下穴を形成した場合には、回転ツールGを押し込む際の圧入抵抗を低減することができ、摩擦攪拌接合の精度を高めるとともに、迅速に接合作業を行うことができる。
【0030】
攪拌ピンG2全体が第一タブ材2に入り込み、かつ、ショルダ部G1の下端面G11の全面が第一タブ材2の表面に接触したら、図6に示すように、回転ツールGを回転させつつ突合部J1に向けて移動させる。
回転ツールGの移動速度(送り速度)は、攪拌ピンG2の寸法・形状、摩擦攪拌される接合構造物1等の材質や肉厚等に応じて設定されている。
回転ツールGを移動させると、その攪拌ピンG2の周囲にある金属が順次塑性流動化するとともに、攪拌ピンG2から離れた位置では、塑性流動化していた金属が再び硬化して塑性化領域W1が形成される(図5(b)参照)。
【0031】
本接合工程では、開始位置P1から第一金属部材1aと第二金属部材1bとの継ぎ目(境界線)上に設定したルートに沿って、回転ツールGを連続して移動させることで、第一金属部材1aと第二金属部材1bとの突合部J1に対して摩擦攪拌を行う。
【0032】
そして、回転ツールGが突合部J1を通過し、第二タブ材3の適所に設けた終了位置P2に達したら、回転ツールGを回転させつつ上昇させて攪拌ピンG2を終了位置P2から離脱させる。これにより、接合構造物1の表面A側の摩擦攪拌接合が完了する。
【0033】
なお、本実施形態では、第一タブ材2に開始位置P1を設け、第二タブ材3に終了位置P2設けているが、第二タブ材3に開始位置P1を設け、第一タブ材2に終了位置P2を設けてもよい。
【0034】
(3)第二接合工程
第二接合工程は、図7に示すように、第一金属部材1aと第二金属部材1bとの突合部J1に対して、接合構造物1の裏面Bから摩擦攪拌接合を行う工程である。
第二接合工程では、第一接合工程が終了したら、接合構造物1を図示せぬ摩擦攪拌装置から一旦取り外し、裏面Bを上方に向けて再度固定する。
第二接合工程は、タブ材配置工程が含まれないこと以外は、前記した第一接合工程と同等であるため、その詳細な説明は省略する。
なお、第二接合工程で形成された塑性化領域を塑性化領域W2とする。また、第二接合工程が終了したら、接合構造物1からタブ材2,3を切削して除去する。
【0035】
(4)凹溝形成工程
凹溝形成工程は、図8に示すように、接合構造物1の第一側面C及び第二側面Dにおいて、第一金属部材1aと第二金属部材1bとの突合部J1に沿って凹溝K1,K1を形成する工程である。本実施形態では、公知のエンドミル等の切削工具を用いて、一定の幅及び深さで表面Aから裏面Bに亘って連続して凹溝K1,K1を形成している。また、本実施形態では、両側の凹溝K1,K1の間に残された突合部J1の幅が、接合構造物1の最大幅の半分程度になるように凹溝K1の深さを設定している。
【0036】
(5)第一側面溶接工程
第一側面溶接工程は、第一金属部材1aと第二金属部材1bとの突合部J1に沿って、両側の凹溝K1,K1内に第一溝部K2を形成する溝部形成工程(図9参照)と、第一溝部K2に溶接金属を充填する溶接金属充填工程(図10参照)と、を含むものである。
【0037】
溝部形成工程では、図9に示すように、両側の凹溝K1,K1内の側面に露出した突合部J1に沿って、凹状の第一溝部K2を形成する。本実施形態では、公知のエンドミル等の切削工具を用いて、一定の幅及び深さで表面Aから裏面Bに亘って連続して第一溝部K2を形成している。
第一溝部K2の溝幅は限定されるものではないが、本実施形態では塑性化領域W1,W2の幅よりも小さい溝幅に設定されている。なお、塑性化領域W1,W2に空洞欠陥が形成される虞がある場合には、空洞欠陥を含むように第一溝部K2内の溝幅を設定することが望ましい。
【0038】
溶接金属充填工程では、図10に示すように、第一溝部K2にMIG溶接等の肉盛溶接を行うことで、第一溝部K2に溶接金属L1を充填する。これにより、表面A側の塑性化領域W1と裏面B側の塑性化領域W2との間に形成された未塑性化領域が閉じられる。また、第一溝部K2内に空洞欠陥が含まれる場合には、その空洞欠陥が溶接金属L1によって閉塞される。
なお、溶接金属充填工程は、MIG溶接に限定するものではなく、他の公知の溶接を行ってもよい。また、溶接材料は、接合構造物1と異なっていてもよいが、本実施形態では同一の材料を用いている。
また、第一溝部K2に溶接金属L1を充填した後に、第一溝部K2に充填された溶接金属L1のうち凹溝K1内の側面から突出している部分を切除する。
【0039】
(6)継手部材挿入工程
継手部材挿入工程は、図11に示すように、両側の凹溝K1,K1に継手部材Hを挿入する工程である。
継手部材Hは、直方体の金属部材であり、その上下高さ寸法、左右幅寸法、前後幅寸法を、凹溝K1の各寸法と同一にしている。本実施形態では、接合構造物1と同一組成の金属材料で継手部材Hを形成しているが、摩擦攪拌可能な金属材料であればよい。
第一側面C側の凹溝K1に挿入された継手部材Hでは、表面(上面)と接合構造物1の表面Aとを面一にし、側面と接合構造物1の側面Cとを面一にし、裏面(下面)と接合構造物1の裏面Bとを面一にする。
同様に、第二側面D側の凹溝K1に挿入された継手部材Hでは、表面(上面)と接合構造物1の表面Aとを面一にし、側面と接合構造物1の側面Dとを面一にし、裏面(下面)と接合構造物1の裏面Bとを面一にする。
【0040】
(7)第三接合工程
第三接合工程は、図13に示すように、接合構造物1と各継手部材H,Hとの突合部J2,J3に対して、接合構造物1の表面Aから回転ツールG(図4参照)を用いて摩擦攪拌接合を行う工程である。
第三接合工程は、接合構造物1にタブ材4,5を配置するタブ材配置工程(図12参照)と、接合構造物1と各継手部材H,Hとの突合部J2,J3に対して表面Aから摩擦攪拌を行う本接合工程(図13参照)と、を含むものである。
【0041】
タブ材配置工程は、図12に示すように、接合構造物1の接合部の左右両側に一対のタブ材4,5を配置する工程である。このタブ材4,5は、後記する本接合工程において、回転ツールG(図4参照)を押圧させる開始位置P3,P5、及び回転ツールGを離脱させる終了位置P4,P6を設定するものである(図13参照)。
【0042】
第三タブ材4及び第四タブ材5は、直方体の金属部材であり、本実施形態では接合構造物1と同等の素材を用いている。第三タブ材4及び第四タブ材5の表面及び裏面は、接合構造物1の表面A及び裏面Bと面一に形成されている。
第三タブ材4は、接合構造物1の第一側面Cに当接して配置され、第四タブ材5は、接合構造物1の第二側面Dに当接して配置される。
第三タブ材4及び第四タブ材5と接合構造物1とは、それぞれ入り隅部において溶接により仮接合されている。
【0043】
本接合工程では、図13に示すように、第三タブ材4の表面に設定された開始位置P3に挿入した回転ツールG(図4参照)の攪拌ピンG2を、接合構造物1と右側の継手部材Hとの継ぎ目を通過して、第三タブ材4の表面に設定された終了位置P4まで移動させることで、接合構造物1と右側の継手部材Hとの突合部J2の摩擦攪拌を行う。
同様に、第四タブ材5の表面に設定された開始位置P5に挿入した回転ツールGの攪拌ピンG2を、接合構造物1と左側の継手部材Hとの継ぎ目を通過して、第四タブ材5の表面に設定された終了位置P6まで移動させることで、接合構造物1と左側の継手部材Hとの突合部J3の摩擦攪拌を行う。
なお、第三接合工程で行われる摩擦攪拌接合は、第一接合工程及び第二接合工程で行われた摩擦攪拌接合と同等であるため、その詳細な説明は省略する。
【0044】
(8)第四接合工程
第四接合工程は、図14に示すように、接合構造物1と各継手部材H,Hとの突合部J2,J3に対して、接合構造物1の裏面Bから回転ツールG(図4参照)を用いて摩擦攪拌を行う工程である。
第四接合工程では、第三接合工程が終了したら、接合構造物1を図示せぬ摩擦攪拌装置から一旦取り外し、裏面Bを上方に向けて再度固定する。
第四接合工程は、タブ材配置工程が含まれないこと以外は、前記した第三接合工程と同等であるため、その詳細な説明は省略する。
なお、第四接合工程で形成された塑性化領域を塑性化領域W4とする。また、第四接合工程が終了したら、接合構造物1からタブ材4,5を切削して除去する。
【0045】
(9)第二側面溶接工程
第二側面溶接工程は、接合構造物1の両側面C,Dにおいて、接合構造物1と継手部材Hとの突合部J2,J3に沿って、第二溝部K3・・・を形成する溝部形成工程(図14参照)と、第二溝部K3に溶接金属を充填する溶接金属充填工程(図1参照)と、を含むものである。
【0046】
溝部形成工程では、図14に示すように、接合構造物1の両側面C,Dに露出した突合部J2,J3に沿って、凹状の第二溝部K3を形成する。本実施形態では、公知のエンドミル等の切削工具を用いて、一定の幅及び深さで表面Aから裏面Bに亘って連続して第二溝部K3を形成している。
第二溝部K3の溝幅は限定されるものではないが、本実施形態では塑性化領域W3,W4の幅よりも小さい溝幅に設定されている。なお、塑性化領域W3,W4に空洞欠陥が形成される虞がある場合には、空洞欠陥を含むように第二溝部K3内の溝幅を設定することが望ましい。
【0047】
溶接金属充填工程では、図1に示すように、第二溝部K3にMIG溶接等の肉盛溶接を行うことで、第二溝部K3に溶接金属L2を充填する。これにより、表面A側の塑性化領域W3と裏面B側の塑性化領域W4との間に形成された未塑性化領域が閉じられる。また、第二溝部K3内に空洞欠陥が含まれる場合には、その空洞欠陥が溶接金属L2によって閉塞される。
なお、溶接金属充填工程は、MIG溶接に限定するものではなく、他の公知の溶接を行ってもよい。また、溶接材料は、接合構造物1と異なっていてもよいが、本実施形態では同一の材料を用いている。
また、第二溝部K3に溶接金属L2を充填した後に、第二溝部K3に充填された溶接金属L2のうち接合構造物1の側面C,Dから突出している部分を切除する。
【0048】
以上のような各工程により、図1に示すように、第一金属部材1aの端面11a(図2(a)参照)と第二金属部材1bの端面11b(図2(a)参照)とが接合された接合構造物1が形成される。
【0049】
本実施形態の接合構造物の製造方法によれば、図1に示すように、接合構造物1の表面A、裏面B及び両側面C,Dにおいて、接合構造物1と各継手部材H,Hとの突合部J2,J3が接合され、接合構造物1と各継手部材H,Hとの継ぎ目全体が閉じられるため、第一金属部材1aと第二金属部材1bとの接合部における気密性及び水密性を向上させることができる。
【0050】
また、第一側面溶接工程において、第一金属部材1aと第二金属部材1bとの突合部J1に対して、凹溝K1内から溶接が行われた後に、凹溝K1に継手部材Hが挿入され、第二側面溶接工程において、接合構造物1と継手部材Hとの突合部J2,J3に対して側面C,Dから溶接が行われる。したがって、接合構造物1の側部は肉厚方向において二重に溶接された状態となるため、第一金属部材1aと第二金属部材1bとの接合部における気密性及び水密性を向上させることができる。
特に、本実施形態のように、突合部J1の幅が接合構造物1の最大幅の半分程度となるように設定した場合には、接合構造物1の中心部で溶接が行われるため、第一金属部材1aと第二金属部材1bとの接合部における気密性及び水密性を向上させることができる。
【0051】
また、第一側面溶接工程では、突合部J1に沿って形成された第一溝部K2に溶接金属F1を充填し、第二側面溶接工程では、突合部J2,J3に沿って形成された第二溝部K3に溶接金属L2を充填することで、溶接金属L1,L2の充填作業を容易に行うことができるとともに、各突合部J1,J2,J3を確実に閉じることができる。
【0052】
また、第一側面溶接工程では、第一溝部K2に充填された溶接金属L2のうち凹溝K1の側面から突出した部分を切除することで、凹溝K1の側面が平滑に成形され、凹溝K1の側面と継手部材Hの外面とを密着させることができるため、接合構造物1と継手部材Hとの接合部における気密性及び水密性を向上させることができる。
【0053】
また、第二側面溶接工程では、第二溝部K3に充填された溶接金属のうち接合構造物1の側面C,Dから突出した部分を切除することで、接合構造物1の仕上がり面を平滑に成形することができる。
【0054】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜に設計変更が可能である。
例えば、本実施形態の第一側面溶接工程では、図10に示すように、突合部J1に沿って、表面Aから裏面Bに亘って第一溝部K2を形成しているが、表面A側の塑性化領域W1と裏面B側の塑性化領域W2との間に形成された未塑性化領域に対応する部位に溝部を形成し、この溝部に溶接金属を充填することで未塑性化領域を閉じてもよい。
【0055】
また、本実施形態の第二側面溶接工程では、図14に示すように、突合部J2,J3に沿って、表面Aから裏面Bに亘って第二溝部K3を形成しているが、表面A側の塑性化領域W3と裏面B側の塑性化領域W4との間に形成された未塑性化領域に対応する部位に溝部を形成し、この溝部に溶接金属を充填することで未塑性化領域を閉じてもよい。
【0056】
また、第一接合工程及び第二接合工程の前に、回転ツールG(図4参照)よりも小型の回転ツールを用いて、突合部J1を摩擦攪拌接合する仮接合工程を行ってもよい。このように、突合部J1を仮接合することで、突合部J1に回転ツールGが押し込まれたときに、目開きが生じるのを防ぐことができる。同様に、第三接合工程の前に、突合部J2,J3を仮接合することで、突合部J2,J3に回転ツールGが押し込まれたときに、目開きが生じるのを防ぐことができる。
【0057】
また、本実施形態の第一接合工程及び第二接合工程では、図6に示すように、接合構造物1の左右両側に一対のタブ材2,3を配置しているが、タブ材は必ずしも設けなくてもよい。このように、タブ材を省略する場合には、第一金属部材1aと第二金属部材1bとの突合部J1の両端部に摩擦攪拌の開始位置及び終了位置を設定し、第一側面溶接工程において、摩擦攪拌の開始位置及び終了位置が切除されるように第一溝部K2を形成することが望ましい。
同様に、第三接合工程及び第四接合工程においてもタブ材を設けることなく、突合部J2,J3の両端部に摩擦攪拌の開始位置及び終了位置を設定し、第二側面溶接工程において、開始位置及び終了位置が切除されるように第三溝部K3を形成することが望ましい。
【0058】
また、本実施形態では、図11に示すように、凹溝K1の断面形状を矩形に形成し、この凹溝K1に直方体の継手部材Hを挿入しているが、凹溝K1及び継手部材Hの形状は限定されるものではなく、他の形状であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【0059】
【図1】本実施形態の製造方法によって接合された接合構造物を示した斜視図である。
【図2】本実施形態の突合工程を示した図で、(a)は第一金属部材と第二金属部材とを突き合わせる前の斜視図、(b)は第一金属部材と第二金属部材とを突き合わせた後の斜視図である。
【図3】本実施形態の第一接合工程におけるタブ材配置工程を示した斜視図である。
【図4】本実施形態の回転ツールを示した側面図である。
【図5】本実施形態の回転ツールの使用状態を示した図で、(a)は回転ツールをタブ材に当接させたときの側面図、(b)は回転ツールをタブ材に押し込んだときの側面図である。
【図6】本実施形態の第一接合工程における本接合工程を示した平面図である。
【図7】本実施形態の第二接合工程を終了した後に、タブ材を除去した状態の接合構造物を示した斜視図である。
【図8】本実施形態の凹溝形成工程を示した斜視図である。
【図9】本実施形態の第一側面溶接工程における溝部形成工程を示した斜視図である。
【図10】本実施形態の第一側面溶接工程における溶接金属充填工程を示した斜視図である。
【図11】本実施形態の継手部材挿入工程を示した斜視図である。
【図12】本実施形態の第三接合工程におけるタブ材配置工程を示した斜視図である。
【図13】本実施形態の第三接合工程における本接合工程を示した平面図である。
【図14】本実施形態の第二側面溶接工程における溝部形成工程を示した斜視図である。
【図15】従来の接合構造物の製造方法を示した断面図である。
【符号の説明】
【0060】
1 接合構造物
1a 第一金属部材
1b 第二金属部材
A 表面
B 裏面
C 第一側面
D 第二側面
H 継手部材
J1 突合部(第一金属部材と第二金属部材)
J2 突合部(接合構造物と継手部材)
J3 突合部(接合構造物と継手部材)
K1 凹溝
K2 第一溝部
K3 第二溝部
L1 溶接金属
L2 溶接金属
G 回転ツール
G2 攪拌ピン
W1 塑性化領域(表面)
W2 塑性化領域(裏面)
W3 塑性化領域(表面)
W4 塑性化領域(裏面)
【特許請求の範囲】
【請求項1】
第一金属部材及び第二金属部材の端面同士を突き合わせてなる接合構造物の製造方法であって、
前記第一金属部材と前記第二金属部材との突合部に対して、前記接合構造物の表面から摩擦攪拌を行う第一接合工程と、
前記第一金属部材と前記第二金属部材との突合部に対して、前記接合構造物の裏面から摩擦攪拌を行う第二接合工程と、
前記接合構造物の側面において、前記第一金属部材と前記第二金属部材との突合部に沿って、前記接合構造物の表面から裏面に亘って凹溝を形成する凹溝形成工程と、
前記凹溝に継手部材を挿入する継手部材挿入工程と、
前記接合構造物と前記継手部材との突合部に対して、前記接合構造物の表面から摩擦攪拌を行う第三接合工程と、
前記接合構造物と前記継手部材との突合部に対して、前記接合構造物の裏面から摩擦攪拌を行う第四接合工程と、
前記接合構造物と前記継手部材との突合部において、前記第三接合工程で形成された塑性化領域と前記第四接合工程で形成された塑性化領域との間に形成された未塑性化領域に対して、前記接合構造物の側面から溶接を行う側面溶接工程と、を含んでいることを特徴とする接合構造物の製造方法。
【請求項2】
前記凹溝形成工程の後に、前記第一金属部材と前記第二金属部材との突合部において、前記第一接合工程で形成された塑性化領域と前記第二接合工程で形成された塑性化領域との間に形成された未塑性化領域に対して、前記凹溝内から溶接を行うことを特徴とする請求項1に記載の接合構造物の製造方法。
【請求項3】
前記凹溝形成工程の後に、前記第一金属部材と前記第二金属部材との突合部において、前記第一接合工程で形成された塑性化領域と前記第二接合工程で形成された塑性化領域との間に形成された未塑性化領域に沿って、前記凹溝内に溝部を形成し、この溝部に溶接金属を充填することを特徴とする請求項1に記載の接合構造物の製造方法。
【請求項4】
前記側面溶接工程では、前記接合構造物と前記継手部材との突合部において、前記第三接合工程で形成された塑性化領域と前記第四接合工程で形成された塑性化領域との間に形成された未塑性化領域に沿って、前記接合構造物の側面に溝部を形成し、この溝部に溶接金属を充填することを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の接合構造物の製造方法。
【請求項5】
前記凹溝内に形成された溝部に充填された溶接金属のうち前記凹溝の側面から突出した部分を切除することを特徴とする請求項3に記載の接合構造物の製造方法。
【請求項6】
前記接合構造物の側面に形成された溝部に充填された溶接金属のうち前記接合構造物の側面から突出した部分を切除することを特徴とする請求項4に記載の接合構造物の製造方法。
【請求項1】
第一金属部材及び第二金属部材の端面同士を突き合わせてなる接合構造物の製造方法であって、
前記第一金属部材と前記第二金属部材との突合部に対して、前記接合構造物の表面から摩擦攪拌を行う第一接合工程と、
前記第一金属部材と前記第二金属部材との突合部に対して、前記接合構造物の裏面から摩擦攪拌を行う第二接合工程と、
前記接合構造物の側面において、前記第一金属部材と前記第二金属部材との突合部に沿って、前記接合構造物の表面から裏面に亘って凹溝を形成する凹溝形成工程と、
前記凹溝に継手部材を挿入する継手部材挿入工程と、
前記接合構造物と前記継手部材との突合部に対して、前記接合構造物の表面から摩擦攪拌を行う第三接合工程と、
前記接合構造物と前記継手部材との突合部に対して、前記接合構造物の裏面から摩擦攪拌を行う第四接合工程と、
前記接合構造物と前記継手部材との突合部において、前記第三接合工程で形成された塑性化領域と前記第四接合工程で形成された塑性化領域との間に形成された未塑性化領域に対して、前記接合構造物の側面から溶接を行う側面溶接工程と、を含んでいることを特徴とする接合構造物の製造方法。
【請求項2】
前記凹溝形成工程の後に、前記第一金属部材と前記第二金属部材との突合部において、前記第一接合工程で形成された塑性化領域と前記第二接合工程で形成された塑性化領域との間に形成された未塑性化領域に対して、前記凹溝内から溶接を行うことを特徴とする請求項1に記載の接合構造物の製造方法。
【請求項3】
前記凹溝形成工程の後に、前記第一金属部材と前記第二金属部材との突合部において、前記第一接合工程で形成された塑性化領域と前記第二接合工程で形成された塑性化領域との間に形成された未塑性化領域に沿って、前記凹溝内に溝部を形成し、この溝部に溶接金属を充填することを特徴とする請求項1に記載の接合構造物の製造方法。
【請求項4】
前記側面溶接工程では、前記接合構造物と前記継手部材との突合部において、前記第三接合工程で形成された塑性化領域と前記第四接合工程で形成された塑性化領域との間に形成された未塑性化領域に沿って、前記接合構造物の側面に溝部を形成し、この溝部に溶接金属を充填することを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の接合構造物の製造方法。
【請求項5】
前記凹溝内に形成された溝部に充填された溶接金属のうち前記凹溝の側面から突出した部分を切除することを特徴とする請求項3に記載の接合構造物の製造方法。
【請求項6】
前記接合構造物の側面に形成された溝部に充填された溶接金属のうち前記接合構造物の側面から突出した部分を切除することを特徴とする請求項4に記載の接合構造物の製造方法。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【公開番号】特開2009−195949(P2009−195949A)
【公開日】平成21年9月3日(2009.9.3)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2008−40063(P2008−40063)
【出願日】平成20年2月21日(2008.2.21)
【出願人】(000004743)日本軽金属株式会社 (627)
【Fターム(参考)】
【公開日】平成21年9月3日(2009.9.3)
【国際特許分類】
【出願日】平成20年2月21日(2008.2.21)
【出願人】(000004743)日本軽金属株式会社 (627)
【Fターム(参考)】
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