説明

摩擦撹拌接合用ツールと摩擦撹拌接合による二部材の接合方法

【課題】パイプ材の端部にフランジ部材を摩擦撹拌接合をもって接合するにあたり、パイプ材の内外に発生するばりの切削除去を実質的に摩擦撹拌接合と並行して行える摩擦撹拌接合用ツールを提供する。
【解決手段】摩擦撹拌接合のための摩擦面として機能するショルダー部9と、ショルダー部9の先端側にネック部12を隔てて一体に形成されるとともに、パイプ材1の内部に挿入可能な外径を有し、パイプ材1の内面に発生したばりF1を切削除去するための内刃11と、ショルダー部9の外側に一体に形成されて、接合部の外側に発生したばりを除去するための外刃10とを備える。ツール6を母材1,2に圧入する際にはその回転方向を正転方向R1とし、ツール6を母材1,2から引き離す際には逆転状態とする。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、摩擦撹拌接合用ツールと摩擦撹拌接合による二部材の接合方法に関し、特にパイプ材の端部にそれよりも大径のフランジ部材を摩擦撹拌接合をもって接合する際に、パイプ材の内外に発生するばりの切削除去を同時に行えるようにした摩擦撹拌接合用ツールと二部材の接合方法に関するものである。
【背景技術】
【0002】
アルミニウムに代表されるような軽合金を母材として摩擦撹拌接合を施すにあたり、摩擦撹拌接合のためのツールにカッター機能を具備させておき、接合ビード部に不可避的に発生するばりの切削除去をカッターにて同時に行うようにした技術が特許文献1および特許文献2等で知られている。
【0003】
また、パイプ材の端面にフランジ部材を摩擦圧接方式にて接合する際に、パイプ材の内部に発生したばりをドリル等にて切削除去するようにした技術が特許文献3に開示されている。
【特許文献1】特開2000−94158号公報
【特許文献2】特開2003−334672号公報
【特許文献3】特開平7−144287号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
しかしながら、特許文献1,2に記載されたものでは、平板同士のいわゆる突き合わせ溶接のごとき接合形態には適用可能であっても、例えばパイプ材の内部に発生したばりの除去には対応することができない。
【0005】
また、特許文献3に記載のものでは、パイプ材の内部に発生したばりの除去に対応可能ではあっても、ドリル等の独立した工具を用いて接合動作とは別にいわゆる内ばりの切削除去を行うものであるから、設備全体が複雑且つ大型のものとなるほか、サイクルタイムの冗長化により生産効率が低下することとなって好ましくない。
【0006】
本発明はこのような課題に着目してなされたものであり、パイプ材の端部にそれよりも大径のフランジ部材を摩擦撹拌接合をもって接合するにあたり、パイプ材の内外に発生するばりの切削除去を実質的に摩擦撹拌接合と並行して行えるようにした摩擦撹拌接合用ツールと摩擦撹拌接合による二部材の接合方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【0007】
請求項1に記載の発明は、パイプ材の端部にそれよりも大径のフランジ部材を摩擦撹拌接合をもって接合するためのツールであって、摩擦撹拌接合のための摩擦面として機能するショルダー部と、上記ショルダー部の先端側にネック部を隔てて一体に形成されるとともに、パイプ材の内部に挿入可能な外径を有し、パイプ材の内面に発生したばりを切削除去するための内刃と、上記ショルダー部の外側に一体に形成されて、接合部の外側に発生したばりを除去するための外刃と、を備えたことを特徴とする。
【0008】
この場合において、ツールのショルダー部が接合部にて母材内に押し込まれることを考慮すると、請求項2に記載のように、上記外刃の先端位置はショルダー部よりもわずかに反内刃側寄りの位置に設定されていることが望ましい。
【0009】
請求項3に記載の発明は、パイプ材の端部にそれよりも大径のフランジ部材を摩擦撹拌接合をもって接合する方法であって、摩擦撹拌接合のための回転式のツールは、摩擦面として機能するショルダー部と、パイプ材の内部に挿入可能な大きさの内刃、および上記ショルダー部よりも大径の外刃を有している。そして、上記フランジ部材に形成された穴にパイプ材の端部を挿入してそのフランジ部材の端面とパイプ材の端面とを揃えた上で、それらフランジ部材とパイプ材との円環状の突き合わせ部に対し上記ツールの軸心方向での往動動作に基づくショルダー部の加圧力をもって摩擦撹拌接合を施し、その摩擦撹拌接合と並行して上記フランジ部材の端面に発生したばりを外刃にて切削除去する一方、摩擦撹拌接合を終えた後の上記ツールの軸心方向での復動動作時には、パイプ材の内面に発生したばりを内刃にて切削除去することを特徴とする。
【0010】
この場合において、フランジ部材の端面に発生したばりを確実に除去する上では、請求項4に記載のように、上記フランジ部材の端面に発生したばりの外刃による切削除去は、ツールの軸心方向での往動動作に基づく摩擦撹拌接合の末期に行われるものであることが望ましい。
【0011】
また、請求項5に記載のように、上記ツールの往動動作は当該ツールの正転状態で行い、上記ツールの復動動作は当該ツールの逆転状態で行うようにしても良い。あるいは、請求項6に記載のように、上記ツールの往動動作および復動動作は共に当該ツールの正転状態で行うようにしても良い。そして、前者の場合には、正転状態にあるツールの往動動作時に外刃によるばりの切削除去が行われ、逆転状態にあるツールの復動動作時に内刃によるばりの切削除去が行われるように、それら外刃および内刃の向きが設定される。他方、後者の場合には、ツールの往動動作時および復動動作時共に当該ツールは正転状態にあることから、その正転状態で外刃による切削除去と内刃による切削除去が行われるように、それら外刃および内刃の向きが設定される。
【0012】
さらに、請求項7としても記載しているように、請求項3〜6のいずれかに記載の二部材の接合方法において、請求項1に記載のツールを用いることももちろん可能である。
【0013】
したがって、少なくとも請求項1,3に記載の発明では、パイプ材とフランジ部材の端面同士を摩擦撹拌接合にて接合する際に、接合部となる端面やパイプ材の内面ではばりの発生が不可避となるが、それらのばりは摩擦撹拌接合の動作と並行してツールと一体的な動きをする外刃や内刃によって切削除去されることになる。
【発明の効果】
【0014】
請求項1〜4に記載の発明によれば、摩擦撹拌接合と並行して、接合部となる端面やパイプ材の内面に発生したばりが内刃および外刃によって切削除去されるので、サイクルタイムの短縮によってばり取り作業を含む効率的な接合を行えるとともに、設備構成も簡単且つ小型のもので済む効果がある。
【0015】
請求項5,6に記載の発明によれば、パイプ材の内部に挿入されることになる内刃がパイプ材と摺接することで、ツール全体のセンタリング効果(芯出し効果)が発揮されることから、ツールの回転状態が安定化し、接合品質に優れた摩擦撹拌接合を行える。
【0016】
特に請求項5に記載のように、、ツールの往動動作は当該ツールの正転状態で行い、上記ツールの復動動作は当該ツールの逆転状態で行うようにすれば、摩擦撹拌接合が進行するツールの往動動作時において内刃がパイプ材を切削してしまうことがなく、ツール全体のセンタリング効果が一段と顕著となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0017】
図1〜7は本発明のより具体的な第1の実施の形態を示す図で、特に図1の(A)は母材としてのアルミニウム合金製のパイプ材1と同じく母材としての同じ材質の円板状のフランジ部材2とを接合する前の状態を、同図(B)は上記パイプ材1とフランジ部材2とを接合ビード部3での摩擦撹拌接合にて接合した後の状態をそれぞれ示している。
【0018】
ここでは、図1から明らかなように、フランジ部材2の中央部に予め形成されている直径D5の円形の穴4にパイプ材1の端部を挿入して、両者の端面1a,2a同士が面一状態となるように揃えた上で、その端面1a,2a側でのフランジ部材2とパイプ材1との円環状の突き合わせ部5に摩擦撹拌接合を施して接合一体化するものである。なお、フランジ部材2側の穴4の直径D5はパイプ材1の直径D3と同等またはそれよりもよりもわずかに大きく設定されている。また、上記突き合わせ部5に摩擦撹拌接合を施した結果として形成された接合ビード部を符号3で示す。さらに、図1の(B)から明らかなように、摩擦撹拌接合のためには後述するツール6によるパイプ材1の軸心方向での加圧力が必須であることから、その接合ビード部3はフランジ部材2の端面2aよりも一段低いものとなる。
【0019】
図2は、接合前の母材であるパイプ材1とフランジ部材2さらにはツール6との関係を示している。母材であるパイプ材1とフランジ部材2との関係は、図1に基づいて先に説明したとおりである。
【0020】
摩擦撹拌接合のためのツール6は、母材よりも硬い材質、例えば鉄系やステンレス系の材質のものであって、円柱状のツール本体7の先端に同心状の大径部8を形成するとともに、その大径部8の下面に当該大径部8よりも小径であって、且つ摩擦撹拌接合のための摩擦面として機能する直径D2のショルダー部9を形成し、さらにそのショルダー部9の外側に大径部8の直径を最大直径とする複数の外刃10を一体に形成してある。さらに、ショルダー部9の先端側に当該ショルダー部9よりも小径の直径D6の複数の内刃11を一体に形成し、全体として変形段付き軸状のものとして形成してある。
【0021】
ここでは、図2のほか図3,4に示すように、所定角度だけ傾斜した四枚の外刃10および内刃11を円周方向の等分四箇所に放射状に形成してある。そして、外刃10については、切れ刃10aをはさんでその両側にすくい面10bと逃げ面10cとを形成してあるとともに、内刃11についても切れ刃11aをはさんでその両側に逃げ面11cとすくい面11bとを形成してある。
【0022】
内刃11の直径D6はパイプ材1の内部に挿入し得る大きさであって、パイプ材1の内径D4とほぼ同等またはそれよりもわずかに小さい大きさに設定されている(D6≦D4)。また、ショルダー部9と内刃11との間には、長さがLで、直径D1が内刃11の直径D6よりも小さいネック部12を形成してある。このネック部12はショルダー部9と内刃11との間に段付きとなる周溝状の溝空間Pを確保した結果として形成されるもので、図5にも示すように、上記溝空間Pは摩擦撹拌接合の際の塑性流動によってパイプ材1の内側に押し出される母材1,2のばりF1を受容する役目をする。ここで、パイプ材1の内側に押し出されるばりF1の量は、母材1,2に対するツール6の圧入量に依存することから(パイプ材1の内側に押し出されるばりF1の量は、母材1,2へのツール6の圧入によって押し出された母材1,2の体積にほかならない。)、上記溝空間Pの容積、ひいてはネック部12の長さ寸法Lや直径D1は母材1,2に対するツール6の圧入量を考慮して決定される。
【0023】
本実施の形態では、後述するように、摩擦撹拌接合に際して母材1,2に対しツール6を圧入する方向を往動動作とし、且つその時のツール6の回転方向を正転方向R1とする一方(図2参照)、逆に摩擦撹拌接合を終えてツール6を母材1,2から引き離す方向を復動動作とし、且つその時のツール6の回転方向を逆転方向R2(図7参照)とするように設定してある。
【0024】
そこで、上記外刃10については、ツール6の正転時において、それぞれの切れ刃10aの正転方向R1側がすくい面10bとなり、正転方向R1の方向と反対側が逃げ面10cとなるように設定してある。これに対して、上記内刃11については、ツール6の逆転時において、それぞれの切れ刃11aの逆転方向R2側がすくい面11bとなり、逆転方向R2の方向と反対側が逃げ面11cとなるように設定してある。
【0025】
これにより、図2に示すように、母材1,2に対してツール6を圧入する往動動作時には、すくい面10b側が正転方向R1側となる外刃10のみが本来の切削機能を発揮し、内刃11は逃げ面11c側が正転方向R1側となるために切削機能は発揮しないことになる。これに対して、図7に示すように、母材1,2からツール6を引き離す復動動作時には、すくい面11b側が逆転方向R2側となる内刃11のみが本来の切削機能を発揮し、外刃10は逃げ面10c側が逆転方向R2側となるために切削機能は発揮しないことになる。
【0026】
したがって、上記ツール6を用いた摩擦撹拌接合に際しては、図2に示すように、母材であるパイプ材1の端面1aとフランジ部材2の端面2aとを面一状態となるように揃えた上で、正転状態としたツール6を往動動作として上記母材1,2同士の突き合わせ部5に対して押し込むものとする。すなわち、図1の(A)に示すように、母材であるパイプ材1の外周面とフランジ部材2側の穴4の内周面とが突き合わされて、円環状の突き合わせ部5が形成されることから、この部分を接合部とするべくツール6を回転させながら押し込むものとする。
【0027】
母材1,2に対してツール6を押し込むと、図5に示すように、内刃11がパイプ材1の内周に挿入されるとともに、ショルダー部9がパイプ材1の端面1aとフランジ部材2の端面の双方に跨るようにして上記突き合わせ部5に圧接する。そして、母材1,2に対するツール6の圧入力と、母材1,2とツール6との相対回転に伴う摩擦熱のために、母材1,2のうち上記突き合わせ部5の近傍が軟化し、母材1,2とツール6との相対回転に伴う塑性流動によって母材1,2同士が接合されることになる。
【0028】
この時、塑性流動を起こした母材1,2の一部がパイプ材1の内部にばりF1として押し出されるが、この押し出されたばりF1はネック部12の周囲の溝空間Pにて受容される。
【0029】
また、母材1,2に対してツール6を圧入する往動動作時には、内刃11は逃げ面11c側が回転方向(正転方向R1)側となるために切削機能は発揮しないことは先に述べたとおりであるもの、パイプ材1の内周面に接触する内刃11はそのパイプ材1に対するツール6のセンタリグ機能(芯出し機能)を発揮することから、ツール6の回転状態が安定化するとともに、母材であるパイプ材1およびフランジ部材2に対するツール6の同心精度が維持されるようになり、接合不良等のない良好な摩擦撹拌接合を行うことが可能となる。
【0030】
ここで、上記ツール6に内刃11や外刃10が付帯していない場合には、図6に示すように、摩擦撹拌接合の進行に伴ってフランジ部材2側の突き合わせ部5の周囲に隆起部F2が発生したり、その隆起部F2の一部がばりF3として付帯することになるほか、先に述べたようにパイプ材1の内側にも押し出された母材1,2の一部がばりF1として残存することになる。
【0031】
本実施の形態では、母材1,2に対するツール6の圧入が末期になると、図5に示すように、外刃10がフランジ部材2の端面2aに接触するようになることから、その正転状態にある外刃11によって先の隆起部F2を含むばりF3が切削除去されることになる。ただし、パイプ材1の内側にはなおもばりF1が残存したままである。
【0032】
図5の状態をもって摩擦撹拌接合を終えたならば、図7に示すように、ツール6の回転方向をそれまでの正転方向R1から逆転方向R2側に切り換えた上で、ツール6の復動動作としてそのツール6を母材1,2から上昇させて引き離す。その際に、逃げ面10c側が回転方向(逆転方向R2)側となる外刃10はそれまでの切削機能を発揮しなくなるのに対して、代わって内刃11はそのすくい面11b側が回転方向(逆転方向R2)側となるので、内刃11が切削機能を発揮するようになる。そして、母材1,2からツール6が上昇する過程で内刃11がパイプ材1の内面のばりF1を上方に向かって切削除去することになる。
【0033】
言い換えるならば、ツール6の往動動作と復動動作の一往復動作を行うだけで、図1の(B)に示すように母材であるパイプ材1とフランジ部材2とが摩擦撹拌接合をもって接合され、同時にパイプ材1の内外に不可避的に発生した図6のばりF1,F3(隆起部F2を含む)も綺麗に切削除去されることになる。
【0034】
ここで、ツール6の往動動作時と復動動作時とでその回転方向を切り換えることなく、ツール6の往動動作時および復動動作時共にその回転方向を例えば正転方向R1としても良い。この場合に使用するツール6は図8〜10に示すものとなり、図2と比較すると明らかなように、内刃11の傾きが逆のものとなる。
【0035】
ただし、ツール6の往動動作時に、パイプ材1の内周面に接する内刃11が切削機能を発揮しながら、同時にセンタリング機能も発揮することになる、そのために、内刃11との摺接のためにパイプ材1の内周面が切削されたり、傷が付くおそれがあるが、パイプ材1の内周面の精度や平滑度がそれほど問題とならない場合には十分である。
【図面の簡単な説明】
【0036】
【図1】本発明が適用される母材の詳細を示す図で、(A)は摩擦撹拌接合前のパイプ材とフランジ部材との関係を示す断面説明図、(B)は摩擦撹拌接合後のパイプ材とフランジ部材との関係を示す断面説明図。
【図2】本発明の第1の実施の形態として、母材と摩擦撹拌接合用ツールとの関係を示す説明図。
【図3】図2のA−A線に沿う断面説明図。
【図4】図2のB−B線に沿う断面説明図。
【図5】図2の状態から摩擦撹拌接合用ツールを母材側に押し込んだ状態を示す説明図。
【図6】図1に示した母材でのばりの発生状況を示す断面説明図。
【図7】図5の状態から摩擦撹拌接合用ツールを逆転させながら引き上げた状態を示す説明図。
【図8】本発明の第2の実施の形態として、摩擦撹拌接合用ツールの構造を示す説明図。
【図9】図2のA1−A1線に沿う断面説明図。
【図10】図2のB1−B1線に沿う断面説明図。
【符号の説明】
【0037】
1…パイプ材(母材)
1a…端面
2…フランジ部材(母材)
2a…端面
3…接合ビード部
4…穴
5…突き合わせ部
6…摩擦撹拌接合用ツール
7…ツール本体
9…ショルダー部
10…外刃
11…内刃
12…ネック部
F1…ばり
F2…隆起部
F3…ばり
P…溝空間
R1…正転方向
R2…逆転方向

【特許請求の範囲】
【請求項1】
パイプ材の端部にそれよりも大径のフランジ部材を摩擦撹拌接合をもって接合するためのツールであって、
摩擦撹拌接合のための摩擦面として機能するショルダー部と、
上記ショルダー部の先端側にネック部を隔てて一体に形成されるとともに、パイプ材の内部に挿入可能な外径を有し、パイプ材の内面に発生したばりを切削除去するための内刃と、
上記ショルダー部の外側に一体に形成されて、接合部の外側に発生したばりを除去するための外刃と、
を備えたことを特徴とする摩擦撹拌接合用ツール。
【請求項2】
上記外刃の先端位置はショルダー部よりもわずかに反内刃側寄りの位置に設定されていることを特徴とする請求項1に記載の摩擦撹拌接合用ツール。
【請求項3】
パイプ材の端部にそれよりも大径のフランジ部材を摩擦撹拌接合をもって接合する方法であって、
摩擦撹拌接合のための回転式のツールは、摩擦面として機能するショルダー部と、パイプ材の内部に挿入可能な大きさの内刃、および上記ショルダー部よりも大径の外刃を有していて、
上記フランジ部材に形成された穴にパイプ材の端部を挿入してそのフランジ部材の端面とパイプ材の端面とを揃えた上で、それらフランジ部材とパイプ材との円環状の突き合わせ部に対し上記ツールの軸心方向での往動動作に基づくショルダー部の加圧力をもって摩擦撹拌接合を施し、
その摩擦撹拌接合と並行して上記フランジ部材の端面に発生したばりを外刃にて切削除去する一方、
摩擦撹拌接合を終えた後の上記ツールの軸心方向での復動動作時には、パイプ材の内面に発生したばりを内刃にて切削除去することを特徴とする摩擦撹拌接合による二部材の接合方法。
【請求項4】
上記フランジ部材の端面に発生したばりの外刃による切削除去は、ツールの軸心方向での往動動作に基づく摩擦撹拌接合の末期に行われるものであることを特徴とする請求項3に記載の摩擦撹拌接合による二部材の接合方法。
【請求項5】
上記ツールの往動動作は当該ツールの正転状態で行い、上記ツールの復動動作は当該ツールの逆転状態で行うことを特徴とする請求項3または4に記載の摩擦撹拌接合による二部材の接合方法。
【請求項6】
上記ツールの往動動作および復動動作は共に当該ツールの正転状態で行うことを特徴とする請求項3または4に記載の摩擦撹拌接合による二部材の接合方法。
【請求項7】
請求項3〜6のいずれかに記載の二部材の接合方法において、請求項1に記載のツールを用いることを特徴とする摩擦撹拌接合による二部材の接合方法。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【図7】
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【図8】
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【図9】
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【図10】
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【公開番号】特開2010−110791(P2010−110791A)
【公開日】平成22年5月20日(2010.5.20)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2008−285338(P2008−285338)
【出願日】平成20年11月6日(2008.11.6)
【出願人】(000151209)株式会社マーレ フィルターシステムズ (159)
【Fターム(参考)】