摩擦撹拌接合用の裏当部材及び摩擦撹拌接合方法
【課題】キッシングボンドの発生を防止でき、かつ接合線に沿った接合部の強度を均一化できる摩擦撹拌接合方法用の裏当部材、及びこれを用いた摩擦撹拌接合方法を提供する。
【解決手段】裏当部材１では、接合線Ｒに沿って回転ツール２３からの押圧力による塑性変形を抑える硬化部１２が設けられているので、金属材２２，２２及び裏当部材１に回転ツール２３からの押圧力が作用しても、載置面４の塑性変形が抑制される。このため、載置面４の表面積の増加を回避でき、接合部２６への入熱量が十分なものとなる。その結果、接合部２６での塑性流動が十分になされ、接合部２６の裏面でのキッシングボンドの発生を抑制できる。裏当部材１の変形を抑えることで、回転ツール２３の駆動装置等に対する負荷の変動も抑えられ、接合線Ｒに沿った接合部２６の強度も均一化できる。
【解決手段】裏当部材１では、接合線Ｒに沿って回転ツール２３からの押圧力による塑性変形を抑える硬化部１２が設けられているので、金属材２２，２２及び裏当部材１に回転ツール２３からの押圧力が作用しても、載置面４の塑性変形が抑制される。このため、載置面４の表面積の増加を回避でき、接合部２６への入熱量が十分なものとなる。その結果、接合部２６での塑性流動が十分になされ、接合部２６の裏面でのキッシングボンドの発生を抑制できる。裏当部材１の変形を抑えることで、回転ツール２３の駆動装置等に対する負荷の変動も抑えられ、接合線Ｒに沿った接合部２６の強度も均一化できる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、摩擦撹拌接合用の裏当部材及びこれを用いた摩擦撹拌接合方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属材の接合方法として、摩擦撹拌接合（ＦＳＷ：Friction Stir Welding）が知られている（例えば特許文献１参照）。摩擦撹拌接合では、接合しようとする金属材を接合部において対向させる。そして、回転ツールの先端に設けられたプローブを接合部に押し込んで回転させ、摩擦熱による塑性流動によって２つの金属材を接合する。
【０００３】
このような摩擦撹拌接合において、回転ツールの挿入側及び裏面側の部分で摩擦熱による入熱の不足が生じると、塑性流動が十分になされず、金属材の接合強度が不足してしまうことが考えられる。そこで、特許文献２に記載の摩擦撹拌接合方法では、熱伝導率が低いセラミックス等からなる裏当部材を接合部の裏面側に配置している。
【特許文献１】特開２００４−６６２７６号公報
【特許文献２】特開２００１−５２８９９０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、摩擦撹拌接合では、金属材及び裏当部材に回転ツールからの押圧力が強く作用する。そのため、摩擦撹拌接合の際、金属材の裏側において裏当部材が塑性変形してしまうことがある。裏当部材に塑性変形が生じると、当該部分の表面積が増加する分だけ金属材の裏側にかかる圧力が減少し、接合部への入熱量が損なわれ易くなる。その結果、接合部での塑性流動が不十分となり、接合部の裏面にキッシングボンドが発生するおそれがある。また、裏当部材が変形すると、回転ツールの駆動装置や送り装置に対する負荷が変動し、接合線に沿った接合部の強度が不均一になり易いといった問題も生じ得る。
【０００５】
本発明は、上記課題の解決のためになされたものであり、キッシングボンドの発生を防止でき、かつ接合線に沿った接合部の強度を均一化できる摩擦撹拌接合方法用の裏当部材、及びこれを用いた摩擦撹拌接合方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題の解決のため、本発明に係る摩擦撹拌接合用の裏当部材は、金属材同士の当接部分に回転ツールを押し込み、回転ツールを回転させながら接合線に沿って移動させることによって当接部分に接合部を形成する摩擦撹拌接合用の裏当部材であって、接合線に沿って、回転ツールからの押圧力による塑性変形を抑える硬化部が設けられていることを特徴としている。
【０００７】
この裏当部材では、接合線に沿って設けられた硬化部により、摩擦撹拌接合の際、回転ツールからの押圧力による塑性変形が抑制される。これにより、裏当部材の表面積の増加を回避でき、金属材の裏側にかかる圧力を確保できるので、接合部への入熱量が十分なものとなる。その結果、接合部での塑性流動が十分になされ、接合部の裏面でのキッシングボンドの発生を抑制できる。また、裏当部材の変形を抑えることで、回転ツールの駆動装置や送り装置に対する負荷の変動も抑えられ、接合線に沿った接合部の強度も均一化できる。
【０００８】
また、硬化部は、接合開始位置と接合終了位置との間の中間部分に対応して配置されていることが好ましい。接合開始位置及び接合終了位置は、回転ツールが金属材に対して挿入・退避する部分である。これらの位置を避けて硬化部を配置することにより、回転ツールが硬化部に接触することを防止でき、回転ツールを保護できる。
【０００９】
また、硬化部は、裏当部材の本体部に対して着脱自在であることが好ましい。この場合、金属材の形状・寸法に応じて硬化部を簡単に取り替えることができる。
【００１０】
また、接合開始位置に対応する部分と接合終了位置に対応する部分とに受け部がそれぞれ設けられており、受け部は、裏当部材の本体部に対して着脱自在であることが好ましい。こうすると、回転ツールの挿入・退避によって受け部に変形や傷が生じた場合に、簡単に取り替えを行うことができる。
【００１１】
また、本発明に係る摩擦撹拌接合方法は、金属材同士の当接部分に回転ツールを押し込み、回転ツールを回転させながら接合線に沿って移動させることによって当接部分に接合部を形成する摩擦撹拌接合方法であって、接合線に沿って回転ツールからの押圧力による塑性変形を抑える硬化部が設けられた裏当部材を用意する工程と、裏当部材に金属材を載置し、硬化部上で金属材同士を当接させる工程と、を備えたことを特徴としている。
【００１２】
この摩擦撹拌接合方法では、接合線に沿って設けられた硬化部により、回転ツールからの押圧力による裏当部材の塑性変形が抑制される。これにより、裏当部材の表面積の増加を回避でき、金属材の裏側にかかる圧力を確保できるので、接合部への入熱量が十分なものとなる。その結果、接合部での塑性流動が十分になされ、接合部の裏面でのキッシングボンドの発生を抑制できる。また、裏当部材の変形を抑えることで、回転ツールの駆動装置や送り装置に対する負荷の変動も抑えられ、接合線に沿った接合部の強度も均一化できる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、キッシングボンドの発生を防止でき、かつ接合線に沿った接合部の強度を均一化できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、図面を参照しながら、本発明に係る摩擦撹拌接合用の裏当部材、及びこれを用いた摩擦撹拌接合の好適な実施形態について詳細に説明する。
【００１５】
図１は、本発明に係る摩擦撹拌接合用の裏当部材の一実施形態を示す斜視図である。この裏当部材１は、例えば板状の２つの金属材の端面同士の当接部分を摩擦撹拌接合によって接合する際に、当接部分の下敷きとして用いられる部材である。
【００１６】
図１に示すように、裏当部材１は、例えば工具鋼などの金属材料によって形成された略直方体形状の本体部２を備えている。本体部２における長手方向の長さは、金属材の長さに合わせて設定されている。
【００１７】
本体部２の両側部には、側方に向かって突出する複数の舌片３が設けられている。舌片３は、両側部の下端において、長手方向の両端部及び中央部に計６個設けられている。各舌片３には、ボルト６（図２参照）を螺入するためのボルト孔３ａが形成されている。なお、本体部２の内部には、蓄熱材等を埋設していてもよい。
【００１８】
本体部２の上面は、金属材が載置される載置面４となっている。載置面４の略中央部分には、本体部２の長手方向に沿って帯状の凹部５が形成されている。この凹部５は、金属材に形成する接合部の長さと同等の長さを有している。
【００１９】
また、載置面４には、一対の受け部１１，１１と、硬化部１２とが設けられている。受け部１１，１１は、例えば本体部２と同等の金属材料によって形成され、略正方形の板状をなしている。受け部１１，１１は、摩擦撹拌接合の接合開始位置と接合終了位置とに対応するように凹部５の長手方向の両端部にそれぞれ嵌め込まれ、皿ネジ等を用いて本体部２に着脱自在に固定されている。
【００２０】
一方、硬化部１２は、例えばＳＫＤ６１材等の金属材料に表面チッ化処理を加えて形成され、略長方形の板状をなしている。硬化部１２の硬度は、ＨＶ９９０以上となっており、ヤング率は、約２．０６×１０５Ｎ／ｍｍ２となっている。また、硬化部１２の引張強さは、１５５０Ｎ／ｍｍ２以上となっている。
【００２１】
硬化部１２は、摩擦撹拌接合の接合開始位置と接合終了位置との中間部分に対応するように凹部５の中間部分に嵌めこまれ、受け部１１，１１と同様に、皿ネジ等を用いて本体部２に着脱自在に固定されている。硬化部１２及び受け部１１，１１とは、凹部５内で隙間なく連続し、これらの上面は、本体部４の上面と面一になっている。
【００２２】
続いて、上述した構成を有する裏当部材１を用いた金属材の摩擦撹拌接合方法について説明する。
【００２３】
図２は、図１に示した裏当部材１を用いた摩擦撹拌接合方法の工程を説明する斜視図である。同図に示すように、この摩擦撹拌接合方法を行う場合、まず、本体部２に設けられた各舌片３のボルト孔３ａにボルトをそれぞれ螺入し、載置面４が上面となるようにして裏当部材１を定盤２１の上面にしっかりと固定する。
【００２４】
裏当部材１を定盤２１に固定した後、接合対象となる２つの金属材２２，２２を用意する。金属材２２，２２は、例えば鉄道車両構体に用いられる外板であり、例えばステンレス鋼によって形成されている。金属材２２，２２の厚さは、例えば１．５ｍｍ程度となっている。そして、金属材２２，２２を裏当部材１の載置面４に載置し、凹部５の真上の位置で金属材２２，２２の端面同士を突き合わせる。この端面同士の突き合わせ部分Ｐに沿って接合線Ｒが設定される、
【００２５】
金属材２２，２２の端面同士を突き合わせた後、回転ツール２３を金属材２２，２２の上方に配置し、回転ツール２３の先端に装着されたプローブ２４を突き合わせ部分Ｐの一端（接合開始位置Ｘ１）に押し込む。そして、回転ツール２３を回転させながら接合線Ｒに沿って突き合わせ部分Ｐの他端（接合終了位置Ｘ２）まで移動させる。
【００２６】
これにより、プローブ２４と金属材２２，２２との間で発生する摩擦熱が突き合わせ部分Ｐに入熱し、図３に示すように、摩擦熱による塑性流動によって突き合わせ部分Ｐに接合部２６が形成される。回転ツール２３の回転速度は、例えば６００ｒｐｍであり、回転ツール２３の移動速度は、例えば６００ｍｍ／ｍｉｎである。
【００２７】
このような摩擦撹拌接合における裏当部材１の作用効果について説明する。
【００２８】
摩擦撹拌接合においては、金属材２２，２２及び裏当部材１に回転ツール２３からの押圧力が強く作用する。そのため、従来のように、硬化部１２を設けていない裏当部材３１では、図４に示すように、金属材２２の裏側で載置面３２が凹状に塑性変形してしまうことがある。
【００２９】
このような塑性変形が生じると、載置面３２の表面積が増加する分だけ金属材２２，２２の裏側にかかる圧力が減少し、接合部３５への入熱量が損なわれ易くなる。その結果、接合部２６での塑性流動が不十分となり、接合部３５の裏面にキッシングボンドが発生するおそれがある。また、裏当部材３１が変形すると、回転ツール２３の駆動装置や送り装置に対する負荷が変動し、接合線Ｒに沿った接合部３５の強度が不均一になり易いといった問題も生じ得る。
【００３０】
これに対し、裏当部材１では、接合線Ｒに沿うように、回転ツール２３からの押圧力による塑性変形を抑える硬化部１２が設けられている。この裏当部材１では、図５に示すように、金属材２２，２２及び裏当部材１に回転ツール２３からの押圧力が作用しても、載置面４の塑性変形が抑制される。
【００３１】
このため、載置面４の表面積の増加を回避でき、金属材２２，２２の裏側にかかる圧力を確保できるので、接合部２６への入熱量が十分なものとなる。その結果、接合部２６での塑性流動が十分になされ、接合部２６の裏面でのキッシングボンドの発生を抑制できる。また、裏当部材１の変形を抑えることで、回転ツール２３の駆動装置や送り装置に対する負荷の変動も抑えられ、接合線Ｒに沿った接合部２６の強度も均一化できる。
【００３２】
また、裏当部材１では、接合開始位置Ｘ１と接合終了位置Ｘ２との間の中間部分に対応して硬化部１２が配置され、接合開始位置Ｘ１に対応する部分と接合終了位置Ｘ２に対応する部分とには、受け部１１，１１がそれぞれ配置されている。接合開始位置Ｘ１及び接合終了位置Ｘ２は、回転ツール２３が金属材２２，２２の突き合わせ部分Ｐに対して挿入・退避する部分である。これらの位置を避けて硬化部１２を配置することにより、回転ツール２３が硬化部１２に接触することを防止でき、回転ツールを保護できる。
【００３３】
さらに、硬化部１２及び受け部１１，１１は、皿ネジ等によって本体部２に着脱自在に固定されている。これにより、硬化部１２及び受け部１１，１１を金属材の形状・寸法に応じて、硬化部１２を簡単に取り替えられるようになっている。また、回転ツール２３の挿入・退避によって受け部１１，１１に変形や傷が生じた場合に、受け部１１，１１を簡単に取り替えられるようになっている。
【００３４】
次に、裏当部材の評価試験について説明する。
【００３５】
この評価試験は、裏当部材の載置面に硬化部を設けた場合と、硬化部を設けなかった場合とで、摩擦撹拌接合によって形成した金属材の接合強度を比較したものである。この評価試験では、硬化部を設けていない裏当部材Ａ（比較例１）及び裏当部材Ｂ（比較例２）と、硬化部を設けた裏当部材Ｃ（実施例）の計３種サンプルを用意した。そして、各裏当部材の載置面に金属材を載置し、回転ツールによる摩擦撹拌接合を行った。
【００３６】
なお、回転ツールの移動速度（接合速度）は、３００ｍｍ／ｍｉｎ及び６００ｍｍ／ｍｉｎの２パターンとした。また、回転ツールによる金属材への加圧力は、１２ｋＮとした。
【００３７】
図６は、各サンプルの機械的特性を示した図である。同図に示すように、比較例１に係る裏当部材Ａは、例えばＳ４５Ｃ焼入れ材によって形成され、表面硬度ＨＶ４２０、引張強さ８３０Ｎ／ｍｍ２、降伏点４９０Ｎ／ｍｍ２、ヤング率２．０６×１０５Ｎ／ｍｍ２となっている。比較例２に係る裏当部材Ｂは、例えばＳＣＭ４３５焼入れ材によって形成され、表面硬度ＨＶ５３０、引張強さ９８０Ｎ／ｍｍ２、降伏点８００Ｎ／ｍｍ２、ヤング率２．０６×１０５Ｎ／ｍｍ２となっている。
【００３８】
また、実施例に係る裏当部材Ｃは、ＳＫＤ６１材を表面チッ化処理することによって形成され、表面硬度ＨＶ９９０、引張強さ１５５０Ｎ／ｍｍ２、降伏点１３００Ｎ／ｍｍ２、ヤング率２．０６×１０５Ｎ／ｍｍ２となっている。
【００３９】
図７は、摩擦撹拌接合終了後における各裏当部材の載置面の変形量の測定結果を示す図である。ここでは、摩擦撹拌接合終了後に載置面に生じた凹部（図４参照）の幅及び深さを測定した。図７に示すように、比較例１に係る裏当部材Ａでは、凹部幅が３．０ｍｍ、凹部深さが０．３ｍｍとなった。また、比較例２に係る裏当部材Ｂでは、凹部幅が２．０ｍｍ、凹部深さが０．１ｍｍとなった。一方、裏当部材Ｃでは、載置面の変形は見られなかった。なお、凹部幅及び凹部深さは、接合速度が３００ｍｍ／ｍｉｎの場合と６００ｍｍ／ｍｉｎの場合とで差異は生じなかった。
【００４０】
この結果によれば、裏当部材Ａでは、凹部の表面積は、約２０ｍｍ２と見積もられる。また、回転ツールと凹部とによる金属材への加圧面積は、約１０５ｍｍ２と見積もられる。したがって、金属材の突き合わせ部分にかかる単位面積当たりの加圧力は、約１１２Ｎ／ｍｍ２となる。同様にして、裏当部材Ｂでは、金属材の突き合わせ部分にかかる単位面積当たりの加圧力は、約１２２．４Ｎ／ｍｍ２となり、裏当部材Ｃでは、約１２８．１Ｎ／ｍｍ２となる。
【００４１】
したがって、裏当部材Ａを用いた場合では、裏当部材Ｃを用いた場合に比べて、金属材の突き合わせ部分にかかる単位面積当たりの加圧力が約８８％に減少することがわかる。また、裏当部材Ｂを用いた場合では、裏当部材Ｃを用いた場合に比べて、金属材の突き合わせ部分にかかる単位面積当たりの加圧力が約９５％に減少することがわかる。
【００４２】
図８は、各裏当部材を用いて接合された金属材の引張試験結果を示す図である。同図に示すように、比較例１に係る裏当部材Ａを用いた摩擦撹拌接合では、金属材の引張強度は、接合速度が３００ｍｍ／ｍｉｎの場合で約７００Ｎ／ｍｍ２、接合速度が６００ｍｍ／ｍｉｎの場合で約６００Ｎ／ｍｍ２であった。また、比較例２に係る裏当部材Ｂを用いた摩擦撹拌接合では、金属材の引張強度は、接合速度が３００ｍｍ／ｍｉｎの場合で約７６０Ｎ／ｍｍ２、接合速度が６００ｍｍ／ｍｉｎの場合で約６００Ｎ／ｍｍ２であった。これらの金属材の接合部の裏側には、キッシングボンドの発生が確認された。
【００４３】
一方、実施例に係る裏当部材Ｃを用いた摩擦撹拌接合では、金属材の引張強度は、接合速度が３００ｍｍ／ｍｉｎの場合で約８００Ｎ／ｍｍ２、接合速度が６００ｍｍ／ｍｉｎの場合で約７８０Ｎ／ｍｍ２であった。金属材の接合部の裏側には、キッシングボンドの発生は見られなかった。なお、金属材（母材）の引張強度は、約７６０Ｎ／ｍｍ２であり、実施例に係る裏当部材Ｃを用いた摩擦撹拌接合では、金属材（母材）の引張強度と同等以上の引張強度が得られた。
【００４４】
以上の結果から、本発明に係る裏当部材のように、回転ツールからの押圧力による塑性変形を抑える硬化部を接合線に沿って載置部に設けることが、金属材の接合強度の確保に寄与していることが確認できた。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明に係る摩擦撹拌接合用の裏当部材の一実施形態を示す斜視図である。
【図２】図１に示した裏当部材を用いた摩擦撹拌接合方法の工程を説明する斜視図である。
【図３】図２の後続の工程を説明する斜視図である。
【図４】硬化部を設けていない裏当部材を用いて行う摩擦撹拌接合の様子を示す図である。
【図５】硬化部を設けた裏当部材を用いて行う摩擦撹拌接合の様子を示す図である。
【図６】評価試験に用いた裏当部材のサンプルの機械的特性を示す図である。
【図７】摩擦撹拌接合終了後における各裏当部材の載置面の変形量の測定結果を示す図である。
【図８】各裏当部材を用いて接合された金属材の引張試験結果を示す図である。
【符号の説明】
【００４６】
１…裏当部材、１１…受け部、１２…硬化部、２２…金属材、２３…回転ツール、２６…接合部、Ｐ…突き合わせ部分（当接部分）、Ｒ…接合線、Ｘ１…接合開始位置、Ｘ２…接合終了位置。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、摩擦撹拌接合用の裏当部材及びこれを用いた摩擦撹拌接合方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属材の接合方法として、摩擦撹拌接合（ＦＳＷ：Friction Stir Welding）が知られている（例えば特許文献１参照）。摩擦撹拌接合では、接合しようとする金属材を接合部において対向させる。そして、回転ツールの先端に設けられたプローブを接合部に押し込んで回転させ、摩擦熱による塑性流動によって２つの金属材を接合する。
【０００３】
このような摩擦撹拌接合において、回転ツールの挿入側及び裏面側の部分で摩擦熱による入熱の不足が生じると、塑性流動が十分になされず、金属材の接合強度が不足してしまうことが考えられる。そこで、特許文献２に記載の摩擦撹拌接合方法では、熱伝導率が低いセラミックス等からなる裏当部材を接合部の裏面側に配置している。
【特許文献１】特開２００４−６６２７６号公報
【特許文献２】特開２００１−５２８９９０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、摩擦撹拌接合では、金属材及び裏当部材に回転ツールからの押圧力が強く作用する。そのため、摩擦撹拌接合の際、金属材の裏側において裏当部材が塑性変形してしまうことがある。裏当部材に塑性変形が生じると、当該部分の表面積が増加する分だけ金属材の裏側にかかる圧力が減少し、接合部への入熱量が損なわれ易くなる。その結果、接合部での塑性流動が不十分となり、接合部の裏面にキッシングボンドが発生するおそれがある。また、裏当部材が変形すると、回転ツールの駆動装置や送り装置に対する負荷が変動し、接合線に沿った接合部の強度が不均一になり易いといった問題も生じ得る。
【０００５】
本発明は、上記課題の解決のためになされたものであり、キッシングボンドの発生を防止でき、かつ接合線に沿った接合部の強度を均一化できる摩擦撹拌接合方法用の裏当部材、及びこれを用いた摩擦撹拌接合方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題の解決のため、本発明に係る摩擦撹拌接合用の裏当部材は、金属材同士の当接部分に回転ツールを押し込み、回転ツールを回転させながら接合線に沿って移動させることによって当接部分に接合部を形成する摩擦撹拌接合用の裏当部材であって、接合線に沿って、回転ツールからの押圧力による塑性変形を抑える硬化部が設けられていることを特徴としている。
【０００７】
この裏当部材では、接合線に沿って設けられた硬化部により、摩擦撹拌接合の際、回転ツールからの押圧力による塑性変形が抑制される。これにより、裏当部材の表面積の増加を回避でき、金属材の裏側にかかる圧力を確保できるので、接合部への入熱量が十分なものとなる。その結果、接合部での塑性流動が十分になされ、接合部の裏面でのキッシングボンドの発生を抑制できる。また、裏当部材の変形を抑えることで、回転ツールの駆動装置や送り装置に対する負荷の変動も抑えられ、接合線に沿った接合部の強度も均一化できる。
【０００８】
また、硬化部は、接合開始位置と接合終了位置との間の中間部分に対応して配置されていることが好ましい。接合開始位置及び接合終了位置は、回転ツールが金属材に対して挿入・退避する部分である。これらの位置を避けて硬化部を配置することにより、回転ツールが硬化部に接触することを防止でき、回転ツールを保護できる。
【０００９】
また、硬化部は、裏当部材の本体部に対して着脱自在であることが好ましい。この場合、金属材の形状・寸法に応じて硬化部を簡単に取り替えることができる。
【００１０】
また、接合開始位置に対応する部分と接合終了位置に対応する部分とに受け部がそれぞれ設けられており、受け部は、裏当部材の本体部に対して着脱自在であることが好ましい。こうすると、回転ツールの挿入・退避によって受け部に変形や傷が生じた場合に、簡単に取り替えを行うことができる。
【００１１】
また、本発明に係る摩擦撹拌接合方法は、金属材同士の当接部分に回転ツールを押し込み、回転ツールを回転させながら接合線に沿って移動させることによって当接部分に接合部を形成する摩擦撹拌接合方法であって、接合線に沿って回転ツールからの押圧力による塑性変形を抑える硬化部が設けられた裏当部材を用意する工程と、裏当部材に金属材を載置し、硬化部上で金属材同士を当接させる工程と、を備えたことを特徴としている。
【００１２】
この摩擦撹拌接合方法では、接合線に沿って設けられた硬化部により、回転ツールからの押圧力による裏当部材の塑性変形が抑制される。これにより、裏当部材の表面積の増加を回避でき、金属材の裏側にかかる圧力を確保できるので、接合部への入熱量が十分なものとなる。その結果、接合部での塑性流動が十分になされ、接合部の裏面でのキッシングボンドの発生を抑制できる。また、裏当部材の変形を抑えることで、回転ツールの駆動装置や送り装置に対する負荷の変動も抑えられ、接合線に沿った接合部の強度も均一化できる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、キッシングボンドの発生を防止でき、かつ接合線に沿った接合部の強度を均一化できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、図面を参照しながら、本発明に係る摩擦撹拌接合用の裏当部材、及びこれを用いた摩擦撹拌接合の好適な実施形態について詳細に説明する。
【００１５】
図１は、本発明に係る摩擦撹拌接合用の裏当部材の一実施形態を示す斜視図である。この裏当部材１は、例えば板状の２つの金属材の端面同士の当接部分を摩擦撹拌接合によって接合する際に、当接部分の下敷きとして用いられる部材である。
【００１６】
図１に示すように、裏当部材１は、例えば工具鋼などの金属材料によって形成された略直方体形状の本体部２を備えている。本体部２における長手方向の長さは、金属材の長さに合わせて設定されている。
【００１７】
本体部２の両側部には、側方に向かって突出する複数の舌片３が設けられている。舌片３は、両側部の下端において、長手方向の両端部及び中央部に計６個設けられている。各舌片３には、ボルト６（図２参照）を螺入するためのボルト孔３ａが形成されている。なお、本体部２の内部には、蓄熱材等を埋設していてもよい。
【００１８】
本体部２の上面は、金属材が載置される載置面４となっている。載置面４の略中央部分には、本体部２の長手方向に沿って帯状の凹部５が形成されている。この凹部５は、金属材に形成する接合部の長さと同等の長さを有している。
【００１９】
また、載置面４には、一対の受け部１１，１１と、硬化部１２とが設けられている。受け部１１，１１は、例えば本体部２と同等の金属材料によって形成され、略正方形の板状をなしている。受け部１１，１１は、摩擦撹拌接合の接合開始位置と接合終了位置とに対応するように凹部５の長手方向の両端部にそれぞれ嵌め込まれ、皿ネジ等を用いて本体部２に着脱自在に固定されている。
【００２０】
一方、硬化部１２は、例えばＳＫＤ６１材等の金属材料に表面チッ化処理を加えて形成され、略長方形の板状をなしている。硬化部１２の硬度は、ＨＶ９９０以上となっており、ヤング率は、約２．０６×１０５Ｎ／ｍｍ２となっている。また、硬化部１２の引張強さは、１５５０Ｎ／ｍｍ２以上となっている。
【００２１】
硬化部１２は、摩擦撹拌接合の接合開始位置と接合終了位置との中間部分に対応するように凹部５の中間部分に嵌めこまれ、受け部１１，１１と同様に、皿ネジ等を用いて本体部２に着脱自在に固定されている。硬化部１２及び受け部１１，１１とは、凹部５内で隙間なく連続し、これらの上面は、本体部４の上面と面一になっている。
【００２２】
続いて、上述した構成を有する裏当部材１を用いた金属材の摩擦撹拌接合方法について説明する。
【００２３】
図２は、図１に示した裏当部材１を用いた摩擦撹拌接合方法の工程を説明する斜視図である。同図に示すように、この摩擦撹拌接合方法を行う場合、まず、本体部２に設けられた各舌片３のボルト孔３ａにボルトをそれぞれ螺入し、載置面４が上面となるようにして裏当部材１を定盤２１の上面にしっかりと固定する。
【００２４】
裏当部材１を定盤２１に固定した後、接合対象となる２つの金属材２２，２２を用意する。金属材２２，２２は、例えば鉄道車両構体に用いられる外板であり、例えばステンレス鋼によって形成されている。金属材２２，２２の厚さは、例えば１．５ｍｍ程度となっている。そして、金属材２２，２２を裏当部材１の載置面４に載置し、凹部５の真上の位置で金属材２２，２２の端面同士を突き合わせる。この端面同士の突き合わせ部分Ｐに沿って接合線Ｒが設定される、
【００２５】
金属材２２，２２の端面同士を突き合わせた後、回転ツール２３を金属材２２，２２の上方に配置し、回転ツール２３の先端に装着されたプローブ２４を突き合わせ部分Ｐの一端（接合開始位置Ｘ１）に押し込む。そして、回転ツール２３を回転させながら接合線Ｒに沿って突き合わせ部分Ｐの他端（接合終了位置Ｘ２）まで移動させる。
【００２６】
これにより、プローブ２４と金属材２２，２２との間で発生する摩擦熱が突き合わせ部分Ｐに入熱し、図３に示すように、摩擦熱による塑性流動によって突き合わせ部分Ｐに接合部２６が形成される。回転ツール２３の回転速度は、例えば６００ｒｐｍであり、回転ツール２３の移動速度は、例えば６００ｍｍ／ｍｉｎである。
【００２７】
このような摩擦撹拌接合における裏当部材１の作用効果について説明する。
【００２８】
摩擦撹拌接合においては、金属材２２，２２及び裏当部材１に回転ツール２３からの押圧力が強く作用する。そのため、従来のように、硬化部１２を設けていない裏当部材３１では、図４に示すように、金属材２２の裏側で載置面３２が凹状に塑性変形してしまうことがある。
【００２９】
このような塑性変形が生じると、載置面３２の表面積が増加する分だけ金属材２２，２２の裏側にかかる圧力が減少し、接合部３５への入熱量が損なわれ易くなる。その結果、接合部２６での塑性流動が不十分となり、接合部３５の裏面にキッシングボンドが発生するおそれがある。また、裏当部材３１が変形すると、回転ツール２３の駆動装置や送り装置に対する負荷が変動し、接合線Ｒに沿った接合部３５の強度が不均一になり易いといった問題も生じ得る。
【００３０】
これに対し、裏当部材１では、接合線Ｒに沿うように、回転ツール２３からの押圧力による塑性変形を抑える硬化部１２が設けられている。この裏当部材１では、図５に示すように、金属材２２，２２及び裏当部材１に回転ツール２３からの押圧力が作用しても、載置面４の塑性変形が抑制される。
【００３１】
このため、載置面４の表面積の増加を回避でき、金属材２２，２２の裏側にかかる圧力を確保できるので、接合部２６への入熱量が十分なものとなる。その結果、接合部２６での塑性流動が十分になされ、接合部２６の裏面でのキッシングボンドの発生を抑制できる。また、裏当部材１の変形を抑えることで、回転ツール２３の駆動装置や送り装置に対する負荷の変動も抑えられ、接合線Ｒに沿った接合部２６の強度も均一化できる。
【００３２】
また、裏当部材１では、接合開始位置Ｘ１と接合終了位置Ｘ２との間の中間部分に対応して硬化部１２が配置され、接合開始位置Ｘ１に対応する部分と接合終了位置Ｘ２に対応する部分とには、受け部１１，１１がそれぞれ配置されている。接合開始位置Ｘ１及び接合終了位置Ｘ２は、回転ツール２３が金属材２２，２２の突き合わせ部分Ｐに対して挿入・退避する部分である。これらの位置を避けて硬化部１２を配置することにより、回転ツール２３が硬化部１２に接触することを防止でき、回転ツールを保護できる。
【００３３】
さらに、硬化部１２及び受け部１１，１１は、皿ネジ等によって本体部２に着脱自在に固定されている。これにより、硬化部１２及び受け部１１，１１を金属材の形状・寸法に応じて、硬化部１２を簡単に取り替えられるようになっている。また、回転ツール２３の挿入・退避によって受け部１１，１１に変形や傷が生じた場合に、受け部１１，１１を簡単に取り替えられるようになっている。
【００３４】
次に、裏当部材の評価試験について説明する。
【００３５】
この評価試験は、裏当部材の載置面に硬化部を設けた場合と、硬化部を設けなかった場合とで、摩擦撹拌接合によって形成した金属材の接合強度を比較したものである。この評価試験では、硬化部を設けていない裏当部材Ａ（比較例１）及び裏当部材Ｂ（比較例２）と、硬化部を設けた裏当部材Ｃ（実施例）の計３種サンプルを用意した。そして、各裏当部材の載置面に金属材を載置し、回転ツールによる摩擦撹拌接合を行った。
【００３６】
なお、回転ツールの移動速度（接合速度）は、３００ｍｍ／ｍｉｎ及び６００ｍｍ／ｍｉｎの２パターンとした。また、回転ツールによる金属材への加圧力は、１２ｋＮとした。
【００３７】
図６は、各サンプルの機械的特性を示した図である。同図に示すように、比較例１に係る裏当部材Ａは、例えばＳ４５Ｃ焼入れ材によって形成され、表面硬度ＨＶ４２０、引張強さ８３０Ｎ／ｍｍ２、降伏点４９０Ｎ／ｍｍ２、ヤング率２．０６×１０５Ｎ／ｍｍ２となっている。比較例２に係る裏当部材Ｂは、例えばＳＣＭ４３５焼入れ材によって形成され、表面硬度ＨＶ５３０、引張強さ９８０Ｎ／ｍｍ２、降伏点８００Ｎ／ｍｍ２、ヤング率２．０６×１０５Ｎ／ｍｍ２となっている。
【００３８】
また、実施例に係る裏当部材Ｃは、ＳＫＤ６１材を表面チッ化処理することによって形成され、表面硬度ＨＶ９９０、引張強さ１５５０Ｎ／ｍｍ２、降伏点１３００Ｎ／ｍｍ２、ヤング率２．０６×１０５Ｎ／ｍｍ２となっている。
【００３９】
図７は、摩擦撹拌接合終了後における各裏当部材の載置面の変形量の測定結果を示す図である。ここでは、摩擦撹拌接合終了後に載置面に生じた凹部（図４参照）の幅及び深さを測定した。図７に示すように、比較例１に係る裏当部材Ａでは、凹部幅が３．０ｍｍ、凹部深さが０．３ｍｍとなった。また、比較例２に係る裏当部材Ｂでは、凹部幅が２．０ｍｍ、凹部深さが０．１ｍｍとなった。一方、裏当部材Ｃでは、載置面の変形は見られなかった。なお、凹部幅及び凹部深さは、接合速度が３００ｍｍ／ｍｉｎの場合と６００ｍｍ／ｍｉｎの場合とで差異は生じなかった。
【００４０】
この結果によれば、裏当部材Ａでは、凹部の表面積は、約２０ｍｍ２と見積もられる。また、回転ツールと凹部とによる金属材への加圧面積は、約１０５ｍｍ２と見積もられる。したがって、金属材の突き合わせ部分にかかる単位面積当たりの加圧力は、約１１２Ｎ／ｍｍ２となる。同様にして、裏当部材Ｂでは、金属材の突き合わせ部分にかかる単位面積当たりの加圧力は、約１２２．４Ｎ／ｍｍ２となり、裏当部材Ｃでは、約１２８．１Ｎ／ｍｍ２となる。
【００４１】
したがって、裏当部材Ａを用いた場合では、裏当部材Ｃを用いた場合に比べて、金属材の突き合わせ部分にかかる単位面積当たりの加圧力が約８８％に減少することがわかる。また、裏当部材Ｂを用いた場合では、裏当部材Ｃを用いた場合に比べて、金属材の突き合わせ部分にかかる単位面積当たりの加圧力が約９５％に減少することがわかる。
【００４２】
図８は、各裏当部材を用いて接合された金属材の引張試験結果を示す図である。同図に示すように、比較例１に係る裏当部材Ａを用いた摩擦撹拌接合では、金属材の引張強度は、接合速度が３００ｍｍ／ｍｉｎの場合で約７００Ｎ／ｍｍ２、接合速度が６００ｍｍ／ｍｉｎの場合で約６００Ｎ／ｍｍ２であった。また、比較例２に係る裏当部材Ｂを用いた摩擦撹拌接合では、金属材の引張強度は、接合速度が３００ｍｍ／ｍｉｎの場合で約７６０Ｎ／ｍｍ２、接合速度が６００ｍｍ／ｍｉｎの場合で約６００Ｎ／ｍｍ２であった。これらの金属材の接合部の裏側には、キッシングボンドの発生が確認された。
【００４３】
一方、実施例に係る裏当部材Ｃを用いた摩擦撹拌接合では、金属材の引張強度は、接合速度が３００ｍｍ／ｍｉｎの場合で約８００Ｎ／ｍｍ２、接合速度が６００ｍｍ／ｍｉｎの場合で約７８０Ｎ／ｍｍ２であった。金属材の接合部の裏側には、キッシングボンドの発生は見られなかった。なお、金属材（母材）の引張強度は、約７６０Ｎ／ｍｍ２であり、実施例に係る裏当部材Ｃを用いた摩擦撹拌接合では、金属材（母材）の引張強度と同等以上の引張強度が得られた。
【００４４】
以上の結果から、本発明に係る裏当部材のように、回転ツールからの押圧力による塑性変形を抑える硬化部を接合線に沿って載置部に設けることが、金属材の接合強度の確保に寄与していることが確認できた。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明に係る摩擦撹拌接合用の裏当部材の一実施形態を示す斜視図である。
【図２】図１に示した裏当部材を用いた摩擦撹拌接合方法の工程を説明する斜視図である。
【図３】図２の後続の工程を説明する斜視図である。
【図４】硬化部を設けていない裏当部材を用いて行う摩擦撹拌接合の様子を示す図である。
【図５】硬化部を設けた裏当部材を用いて行う摩擦撹拌接合の様子を示す図である。
【図６】評価試験に用いた裏当部材のサンプルの機械的特性を示す図である。
【図７】摩擦撹拌接合終了後における各裏当部材の載置面の変形量の測定結果を示す図である。
【図８】各裏当部材を用いて接合された金属材の引張試験結果を示す図である。
【符号の説明】
【００４６】
１…裏当部材、１１…受け部、１２…硬化部、２２…金属材、２３…回転ツール、２６…接合部、Ｐ…突き合わせ部分（当接部分）、Ｒ…接合線、Ｘ１…接合開始位置、Ｘ２…接合終了位置。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属材同士の当接部分に回転ツールを押し込み、前記回転ツールを回転させながら接合線に沿って移動させることによって前記当接部分に接合部を形成する摩擦撹拌接合用の裏当部材であって、
前記接合線に沿って前記回転ツールからの押圧力による塑性変形を抑える硬化部が設けられていることを特徴とする摩擦撹拌接合用の裏当部材。
【請求項２】
前記硬化部は、接合開始位置と接合終了位置との間の中間部分に対応して配置されていることを特徴とする請求項１記載の摩擦撹拌接合用の裏当部材。
【請求項３】
前記硬化部は、裏当部材の本体部に対して着脱自在であることを特徴とする請求項１又は２記載の摩擦撹拌接合用の裏当部材。
【請求項４】
前記接合開始位置に対応する部分と前記接合終了位置に対応する部分とに受け部がそれぞれ設けられており、
前記受け部は、裏当部材の本体部に対して着脱自在であることを特徴とする請求項２又は３記載の摩擦撹拌接合用の裏当部材。
【請求項５】
金属材同士の当接部分に回転ツールを押し込み、前記回転ツールを回転させながら接合線に沿って移動させることによって前記当接部分に接合部を形成する摩擦撹拌接合方法であって、
前記接合線に沿って前記回転ツールからの押圧力による塑性変形を抑える硬化部が設けられた裏当部材を用意する工程と、
前記裏当部材に前記金属材を載置し、前記硬化部上で前記金属材同士を当接させる工程と、を備えたことを特徴とする摩擦撹拌接合方法。
【請求項１】
金属材同士の当接部分に回転ツールを押し込み、前記回転ツールを回転させながら接合線に沿って移動させることによって前記当接部分に接合部を形成する摩擦撹拌接合用の裏当部材であって、
前記接合線に沿って前記回転ツールからの押圧力による塑性変形を抑える硬化部が設けられていることを特徴とする摩擦撹拌接合用の裏当部材。
【請求項２】
前記硬化部は、接合開始位置と接合終了位置との間の中間部分に対応して配置されていることを特徴とする請求項１記載の摩擦撹拌接合用の裏当部材。
【請求項３】
前記硬化部は、裏当部材の本体部に対して着脱自在であることを特徴とする請求項１又は２記載の摩擦撹拌接合用の裏当部材。
【請求項４】
前記接合開始位置に対応する部分と前記接合終了位置に対応する部分とに受け部がそれぞれ設けられており、
前記受け部は、裏当部材の本体部に対して着脱自在であることを特徴とする請求項２又は３記載の摩擦撹拌接合用の裏当部材。
【請求項５】
金属材同士の当接部分に回転ツールを押し込み、前記回転ツールを回転させながら接合線に沿って移動させることによって前記当接部分に接合部を形成する摩擦撹拌接合方法であって、
前記接合線に沿って前記回転ツールからの押圧力による塑性変形を抑える硬化部が設けられた裏当部材を用意する工程と、
前記裏当部材に前記金属材を載置し、前記硬化部上で前記金属材同士を当接させる工程と、を備えたことを特徴とする摩擦撹拌接合方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００９−２４１１１０（Ｐ２００９−２４１１１０Ａ）
【公開日】平成２１年１０月２２日（２００９．１０．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−９１４１５（Ｐ２００８−９１４１５）
【出願日】平成２０年３月３１日（２００８．３．３１）
【出願人】（０００００３３７７）東急車輛製造株式会社 (332)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１０月２２日（２００９．１０．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年３月３１日（２００８．３．３１）
【出願人】（０００００３３７７）東急車輛製造株式会社 (332)
【Ｆターム（参考）】
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