摩擦攪拌接合における仮付け方法及び摩擦攪拌接合方法並びにそれらの方法に用いるスタッド銃
【課題】摩擦攪拌接合前に実施する両被接合部材の仮付け方法として、安定した摩擦攪拌接合部を提供するとともに効率的な仮付け方法及びそれを用いた摩擦攪拌接合方法を提供する。
【解決手段】接合される部材１０、２０の接合部を摩擦攪拌接合可能な位置に突合せて配置し、突合された両部材１０、２０の表面に重なる位置に仮付け部材４０を配置し、部材１０、２０と仮付け部材４０とをスタッド溶接法または摩擦圧接法により接合した。
【解決手段】接合される部材１０、２０の接合部を摩擦攪拌接合可能な位置に突合せて配置し、突合された両部材１０、２０の表面に重なる位置に仮付け部材４０を配置し、部材１０、２０と仮付け部材４０とをスタッド溶接法または摩擦圧接法により接合した。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、２つの部材を摩擦攪拌接合によって接合する際に、摩擦攪拌接合に先立って行われる仮付け方法及びそれを用いた摩擦攪拌接合方法並びにそれらの方法に用いるスタッド銃に関する。
【背景技術】
【０００２】
アルミ合金製押出し形材等の２つの部材を突合せた状態で摩擦攪拌接合する場合、摩擦攪拌接合中に２つの部材の突合せ部を広げようとする力が発生する場合がある。このような状態において、両部材の突合せ部の隙間が許容以上の広さになると、摩擦攪拌接合部に欠陥が発生する恐れがある。特に、鉄道車両の車体を構成する２０〜２５ｍ程度の長尺な部材の摩擦攪拌接合を行う場合にその現象は顕著である。
【０００３】
摩擦攪拌接合中に突合せ部が開かないように対処するため、摩擦攪拌接合を行う前にアーク溶接等により被接合部材をその接合線に沿って断続的に仮付け溶接することが考えられる。このような例としては、特許文献１が挙げられる。
【０００４】
特許文献１に示された仮付け部は、その幅寸法が摩擦攪拌接合用回転工具の直径の２６〜９０％であり、かつ、その長さが摩擦攪拌接合用回転工具の直径の２〜５倍となっている。したがって、摩擦攪拌接合用回転工具の直径が１５ｍｍの場合、仮付け部の幅寸法は、約４ｍｍから１４ｍｍ程度となる。例えば、ミグ溶接によって前記仮付け部を形成する場合、所定の幅寸法を得るには溶接トーチを幅方向に移動させながら溶接作業を行うことになる。したがって、一定の幅寸法の仮付け部を形成するには、作業者の技量が問われることになり、安定した仮付け部を形成できない場合がある。また、接合される２つの部材の突合せ部すなわち接合線に対して、仮付け部がずれないように形成する必要があり、この点においても、作業者の技量に負うとことが大きいと考えられる。
【０００５】
このように、アーク溶接による仮付け作業は、人手に依る作業であり、仮付け部の溶接の品質は作業者の技量に負うところ大であり、摩擦攪拌接合部の品質が不安定となる懸念があった。仮付け部の強度が十分でない場合は、当該仮付け部の接合力が摩擦攪拌接合中に発生する力に負ける恐れもあり、最悪の場合仮付け部が割れることも予想される。摩擦攪拌接合直前に仮付け部に割れが生じると、摩擦攪拌接合部に欠陥が発生する可能性が非常に高くなる。
【特許文献１】特開平１１−１７９５６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、接合される２つの部材の摩擦攪拌接合前に実施する両部材の仮付け方法として、従来の溶接トーチを用いた手作業に代えて、作業者の技量に寄らない工法を採用することにより、安定した摩擦攪拌接合部を提供するとともに効率的な仮付け方法及びそれを用いた摩擦攪拌接合方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明による摩擦攪拌接合における仮付け方法は、接合される２つの部材を摩擦攪拌接合可能な位置に突合せて配置し、前記両部材の突合せによって形成される突合せ部の表面に重なる位置に仮付け部材を配置し、前記２つの部材と前記仮付け部材とをスタッド溶接法または摩擦圧接法により接合したこと、を特徴としている。
【０００８】
また、本発明による摩擦攪拌接合方法は、接合される２つの部材を突合せて配置し、両部材の突合せによって形成される突合せ部の表面に重なる位置に仮付け部材を配置し、前記２つの部材と前記仮付け部材とを接合し、前記２つの部材の前記突合せ部に沿って摩擦攪拌接合を行うこと、を特徴とする。
【０００９】
さらに、本発明による被接合部材に仮付け部材を接合するスタッド銃は、被接合部材に形成された厚肉部に接して仮付け部材の位置決めを行う位置決め部材を備えたこと、を特徴としている。
【００１０】
摩擦攪拌接合における突合せ部の仮付け方法及びそれを用いた摩擦攪拌接合方法において、スタッド材は円筒状部材とし、また、スタッド材の直径については、摩擦攪拌接合用回転工具の大径部の直径と等しいか小さくすることが好ましい。更に、２つの部材と同素材の円筒状の仮付け部材をスタッド溶接によって、接合線上を断続的に溶接し取り付けることができる。
【発明の効果】
【００１１】
この発明によれば、摩擦攪拌接合を行う前に、２つの部材を仮付け部材で仮付けすることにより、作業者の技量に依存しない安定した摩擦攪拌接合部を提供することができる。また、被接合部材の突合せ部に設けられた厚肉部を基準として仮付け部材を配置することにより、効率的な仮付け作業が行える。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、図１から図３を参照して、本発明による摩擦攪拌接合における仮付け方法及びそれを用いた摩擦攪拌接合方法の実施例を説明する。
【実施例】
【００１３】
図１は、スタッド溶接法の一つであるアークスタッド溶接法によって仮付け部材を被接合部材に接合した状態で、摩擦攪拌接合を行う状況を示した斜視図である。図１において、摩擦攪拌接合によって接合される部材１０、２０として、アルミ合金製押出し形材を例に取って説明する。なお、摩擦攪拌接合によって接合される被接合部材として、アルミ合金の外には、マグネシウム合金、銅合金等が挙げられる。部材１０、２０は、それぞれの接合端部に厚肉部が形成されている。部材１０、２０は、その接合端部を突合せて配置され、拘束されている。部材１０、２０は接合面３０で突合されているが、接合面３０が突合せ部の表面に現われた接合線３０ａに沿って摩擦攪拌接合用回転工具５０が回転しながら移動して接合を行う。この時、摩擦攪拌接合用回転工具５０の先端に設けられた攪拌ピンが部材１０、２０の厚肉部に挿入され、かつ、当該工具下端部が必要な摩擦熱を発生するように各部材の表面に接している。
【００１４】
摩擦攪拌接合に先立って、仮付け部材４０を部材１０、２０が突合せられた接合線３０ａを跨ぐ位置に配置して、摩擦攪拌接合用回転工具５０を挿入する側からスタッド溶接法で取付けることにより、部材１０、２０の仮付けが行われる。
【００１５】
部材１０、２０を摩擦攪拌接合に先立って仮付けするために、仮付け部材４０が図示のように接合線３０ａに沿って等間隔に設置されている。この仮付け部材４０は、その材質（素材）が部材１０、２０と同じ材質で構成されている。これにより、摩擦攪拌接合によって接合された部材１０、２０の突合せ部（仮付け部）の近傍に、色違い等が生じることを防止できる。仮付け部材４０は、所定の厚みを持った円筒形の形状となっている。また、仮付け部材４０の部材１０、２０への接合面は、必要に応じて円錐形或いは小径の突起を設けた形状となっている。仮付け部材４０の外径は、摩擦攪拌接合用回転工具５０の外径と同等か小さく形成されている。したがって、部材１０と部材２０を突合せた状態の厚肉部の幅よりも、摩擦攪拌接合用回転工具５０の外径部は小さいため、仮付け部材４０は前記厚肉部の幅寸法内に設置される。
【００１６】
部材１０及び部材２０を、その接合端部同士を突合せて摩擦攪拌接合可能な状態で配置して拘束する。この状態で、部材１０及び部材２０の接合端部すなわち厚肉部表面に、仮付け部材４０を配置する。仮付け部材４０は、その円形中心部が接合線３０ａの上にほぼ位置するように配置されている。
【００１７】
この仮付け部材４０は、スタッド銃にセットされた状態で、前記のように部材１０、２０に配置され、アークスタッド溶接法により部材１０、２０に接合される。その接合状況としては、スタッド銃にセットされた仮付け部材４０は、一旦、部材１０、２０に接触した後、所定寸法だけ引き上げられ、この状態で仮付け部材４０と部材１０、２０との間に通電される。そして、両者の間にアークが発生して仮付け部材４０と部材１０、２０との対向部が溶融した状態で、仮付け部材４０を部材１０、２０に押し付けて接合する。この接合作業を接合線３０ａに沿って繰り返し、所定の間隔で順次仮付け部材４０を部材１０及び部材２０に接合する。なお、部材１０、２０及び仮付け部材４０がアルミ合金の場合、前記接合作業は不活性ガス雰囲気中で行われることは言うまでもない。
【００１８】
図１に示すように、摩擦攪拌接合それ自体は、２つの部材１０、２０を突合せた状態でその突合せ部に摩擦攪拌接合用回転工具５０を回転・挿入させて材料を攪拌しながら接合線３０ａに沿って移動させることによって行われる。
【００１９】
図２は、図１に示すアークスタッド溶接による仮付け部の横断面図である。図２に示すように、仮付け部材４０は部材１０、２０の厚肉部の表面に接合されており、仮付け部材４０と部材１０、２０の双方が溶融して接合されている。したがって、摩擦攪拌接合時に、部材１０と部材２０との突合せ部を広げようとする力が発生した場合に、垂直断面における仮付け部材４０自体の厚さ及び部材１０と部材２０との溶け込み部４１の厚さ（深さ）によって前記力を支えている。部材１０と部材２０の溶け込み深さは、スタッド溶接法における電流値によって制御可能である。この部材１０と部材２０の溶け込み深さが十分確保可能であれば、仮付け部材４０の厚さは、スタッド銃にセット可能な厚さ寸法に形成されていればよく、また、その大きさすなわち直径も、各仮付け部材４０の設置間隔との関係から決定される。
【００２０】
仮付け部材４０は、円筒形状となっているがスタッド銃にセット可能であれば前記形状に限定されるものではない。
各スタッド材４０は、円筒状部材として製作されており、仮付けされた状態では突合せ部上に未溶接部分が残る。また、スタッド材４０は接合線３０ａに沿って離散的に配置されてアークスタッド溶接されているので、２つの部材１０、２０の突合せ部は接合線３０ａに沿って断続的に溶接されている。断続的な溶接であっても、摩擦攪拌接合用回転工具５０が回転しながら接合線３０ａに沿って移動するときに、両部材の突合せ部を開こうとする力に十分対抗することができる。
【００２１】
仮付け部材４０を部材１０、２０に取付けた後、摩擦攪拌接合用回転工具５０を用いて、部材１０、２０の摩擦攪拌接合を実施する。即ち、上記の仮付け方法で仮付けされた部材１０と部材２０の突合せ部に摩擦攪拌接合用回転工具５０を挿入し、摩擦攪拌接合用回転工具５０を回転させながら接合線３０ａに沿って移動させることで、部材１０、２０を突合せ部で接合する。
【００２２】
各仮付け部材４０の直径を、摩擦攪拌接合用回転工具５０の大径部の直径と等しいか小さくすることにより、各仮付け部材４０は、進行してきた摩擦攪拌接合用回転工具５０によって排除される。なお、部材１０と部材２０との突合せ部に微小な隙間が存在した状態で、仮付け部材４０が接合され、溶融した仮付け部材４０の一部が前記隙間に入り込んだとしても、部材１０、２０及び仮付け部材４０は同じ材質であり、問題となることはない。また、部材１０と部材２０との間の前記隙間についても、摩擦攪拌接合によって埋められる。
【００２３】
仮付け部材４０は、丸棒素材からの削り出し或いは平板素材からの打ち抜きによって製作することが考えられる。このように仮付け部材４０を部材１０、２０に対して、スタッド溶接法によって接合することにより、部材１０と部材２０の仮付け作業が簡単に、かつ、短時間に行える。また、スタッド溶接法における被接合部間の隙間設定或いはアーク発生条件等を部材１０、２０及び仮付け部材４０の材質或いは接合部面積等の諸条件に合せて設定することにより、接合線沿って複数形成される仮付け部の接合条件をほぼ一定に保つことができる。したがって、従来の溶接トーチを用いた手作業に比べて、仮付け部の安定した接合強度が確保できるとともに各仮付け部の均一化を図ることができる。このことにより、部材１０と部材２０の安定した摩擦攪拌接合が可能となり、その結果、摩擦攪拌接合部における仮付け不良に起因した不良を最小限に抑えることができる。
【００２４】
図３は、仮付け部材４０を部材１０、２０に接合するスタッド銃６０の先端部の断面図である。スタッド銃６０の先端部分には、フェルールの機能を有すシールド部材６２と、仮付け部材４０を保持する保持部６５、そして、部材１０、２０の突合せ部の厚肉部に接して仮付け部材４０の位置決めを行う位置決め部材６６が備えられている。図３に詳述しないが、シールド部材６２、保持部６５、位置決め部材６６は、スタッド銃６０に付属している。また、フェルールの機能とは、主に、アーク発生中に空気を遮断して、溶接金属と空気との反応を防止する機能のことであり、さらに、アーク発生時の熱を封じ込め（熱の散逸防止）ること、及び仮付け部材４０を母材の溶融池に押し付けた際に、溶融金属を仮付け部材４０の周囲に留める（鋳型の役割）機能のこともいう。
【００２５】
まず、保持部６５に保持された仮付け部材４０は、所定の仮付け位置で部材１０、２０の突合せ部の表面に当接される。次に、この当接された位置を基準として、所定のアークを得ることができる間隔まで、部材１０、２０の突合せ部から仮付け部材４０を引き上げる。その後、シールド部材６２と部材１０、２０および仮付け部材４０で形成された空間の内部でアークを発生させて、部材１０、２０と仮付け部材４０の対向面を溶融する。最後に、部材１０、２０の接合部の溶融部に、保持部６５が仮付け部材４０を押し付けると同時に、溶接電流を遮断することにより、部材１０、２０の溶融部と仮付け部材４０が一体化して固まり、部材１０、２０の仮付けが完了する。作業者は仮付け部材４０をセットしたスタッド銃６０を接合される部材１０、２０の接合部に位置決めした後、スタッド銃６０をほぼ垂直に保持する。そして、スタッド銃６０のスイッチを投入するだけで、スタッド銃６０を含むアークスタッド溶接システムが、仮付け部材４０の引き上げおよび押し付け、そして、溶接電流の通電と遮断等、一連の仮付けに要す工程を自動的に実施する。このため、作業者の技量に大きく依存することなく、一定の品質の仮付け作業を実施することができる。また、アークを発生させる前工程で、部材１０、２０と仮付け部材４０との空間に、スタッド銃６０を介して必要に応じて不活性ガスを封入してもよい。
【００２６】
スタッド銃６０に備えられた位置決め部材６６は、その先端部を部材１０、２０の厚肉部の縁に掛合した状態で、仮付け部材４０が接合線３０ａに対して所定の位置となるように構成されている。したがって、位置決め部材６６の先端部を部材１０の厚肉部の縁に掛合するだけで、仮付け部材４０を接合線３０ａに対して正確に位置決めすることができる。この構造により、部材１０と部材２０の突合せ部に対して、仮付け部材４０をずれることなく正確に配置して仮付け部を形成することができる。また、この仮付け部材４０の位置決め動作は、非常に簡単に行える。また、簡便に位置決めをするために、位置決め部材６６をスタッド銃６０の長手方向の軸回りに回動可能に取付けてもよい。
【００２７】
部材１０の接合端部に形成した厚肉部を利用することにより、仮付け部材４０の位置決めを非常に簡単な操作で、正確に行うことができる。このことは安定した摩擦攪拌接合部を形成する上で有効である。
【００２８】
ところで、前記実施例においては、仮付け部材を２つの被接合部材に対してスタッド溶接法により接合する例について説明したが、仮付け部材を摩擦圧接法によって２つの被接合部材に接合してもよい。すなわち、前記スタッド銃に代えて、仮付け部材を高速で回転させながら２つの被接合部材に接触させて、接触部分の摩擦熱によりこれらを接合する摩擦圧接装置を用いてもよい。この場合、仮付け部材と２つの被接合部材は、接触面部分のみで接合されることになり、２つの被接合部材同士の溶け込みがあまり期待できない。したがって、摩擦攪拌接合時に生じる被接合部材間を開く力に対して、当該仮付け部材の強度を確保する必要があり、仮付け部材は前記力に耐え得る厚さ及び大きさを確保する必要がある。
【００２９】
このように仮付け部材を２つの被接合部材に対して摩擦圧接で接合する場合、不活性ガスやアーク溶接設備を必要としないため、安価な設備で安定した仮付け部を形成することができる。
【００３０】
なお、一般的に、スタッド溶接法は、アークスタッド溶接法とコンデンサ(コンデンサ充電式)スタッド法に大別される。上記実施例では、主にアークスタッド溶接法による仮付け方法を記載したが、充電されたコンデンサから短時間で放電させることで溶接するコンデンサスタッド溶接法により仮付けを実施しても良い。コンデンサスタッド溶接法による仮付けでは、アークスタッド法による仮付けより信頼性が低下する場合もあるが、溶接機およびスタッド銃からなる溶接システムを小型軽量化できるため、スタッド銃を容易に取り回せるので、作業性をより高めることができる可能性がある。仮付けに要求される品質に応じて、アークスタッド溶接法またはコンデンサスタッド溶接法を適宜選定すればよい。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の一実施例における部材の仮付け部を示した斜視図。
【図２】図１に示す仮付け部の横断面図。
【図３】図１に示した仮付け部を形成するスタッド銃の先端部分の断面図。
【符号の説明】
【００３２】
１０、２０：部材 ３０：接合面 ３０ａ：接合線
４０：仮付け部材 ４１：溶け込み部
５０：摩擦攪拌接合用回転工具 ６０：スタッド銃
６２：シールド部材 ６５：保持部
６６：位置決め部材
【技術分野】
【０００１】
この発明は、２つの部材を摩擦攪拌接合によって接合する際に、摩擦攪拌接合に先立って行われる仮付け方法及びそれを用いた摩擦攪拌接合方法並びにそれらの方法に用いるスタッド銃に関する。
【背景技術】
【０００２】
アルミ合金製押出し形材等の２つの部材を突合せた状態で摩擦攪拌接合する場合、摩擦攪拌接合中に２つの部材の突合せ部を広げようとする力が発生する場合がある。このような状態において、両部材の突合せ部の隙間が許容以上の広さになると、摩擦攪拌接合部に欠陥が発生する恐れがある。特に、鉄道車両の車体を構成する２０〜２５ｍ程度の長尺な部材の摩擦攪拌接合を行う場合にその現象は顕著である。
【０００３】
摩擦攪拌接合中に突合せ部が開かないように対処するため、摩擦攪拌接合を行う前にアーク溶接等により被接合部材をその接合線に沿って断続的に仮付け溶接することが考えられる。このような例としては、特許文献１が挙げられる。
【０００４】
特許文献１に示された仮付け部は、その幅寸法が摩擦攪拌接合用回転工具の直径の２６〜９０％であり、かつ、その長さが摩擦攪拌接合用回転工具の直径の２〜５倍となっている。したがって、摩擦攪拌接合用回転工具の直径が１５ｍｍの場合、仮付け部の幅寸法は、約４ｍｍから１４ｍｍ程度となる。例えば、ミグ溶接によって前記仮付け部を形成する場合、所定の幅寸法を得るには溶接トーチを幅方向に移動させながら溶接作業を行うことになる。したがって、一定の幅寸法の仮付け部を形成するには、作業者の技量が問われることになり、安定した仮付け部を形成できない場合がある。また、接合される２つの部材の突合せ部すなわち接合線に対して、仮付け部がずれないように形成する必要があり、この点においても、作業者の技量に負うとことが大きいと考えられる。
【０００５】
このように、アーク溶接による仮付け作業は、人手に依る作業であり、仮付け部の溶接の品質は作業者の技量に負うところ大であり、摩擦攪拌接合部の品質が不安定となる懸念があった。仮付け部の強度が十分でない場合は、当該仮付け部の接合力が摩擦攪拌接合中に発生する力に負ける恐れもあり、最悪の場合仮付け部が割れることも予想される。摩擦攪拌接合直前に仮付け部に割れが生じると、摩擦攪拌接合部に欠陥が発生する可能性が非常に高くなる。
【特許文献１】特開平１１−１７９５６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、接合される２つの部材の摩擦攪拌接合前に実施する両部材の仮付け方法として、従来の溶接トーチを用いた手作業に代えて、作業者の技量に寄らない工法を採用することにより、安定した摩擦攪拌接合部を提供するとともに効率的な仮付け方法及びそれを用いた摩擦攪拌接合方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明による摩擦攪拌接合における仮付け方法は、接合される２つの部材を摩擦攪拌接合可能な位置に突合せて配置し、前記両部材の突合せによって形成される突合せ部の表面に重なる位置に仮付け部材を配置し、前記２つの部材と前記仮付け部材とをスタッド溶接法または摩擦圧接法により接合したこと、を特徴としている。
【０００８】
また、本発明による摩擦攪拌接合方法は、接合される２つの部材を突合せて配置し、両部材の突合せによって形成される突合せ部の表面に重なる位置に仮付け部材を配置し、前記２つの部材と前記仮付け部材とを接合し、前記２つの部材の前記突合せ部に沿って摩擦攪拌接合を行うこと、を特徴とする。
【０００９】
さらに、本発明による被接合部材に仮付け部材を接合するスタッド銃は、被接合部材に形成された厚肉部に接して仮付け部材の位置決めを行う位置決め部材を備えたこと、を特徴としている。
【００１０】
摩擦攪拌接合における突合せ部の仮付け方法及びそれを用いた摩擦攪拌接合方法において、スタッド材は円筒状部材とし、また、スタッド材の直径については、摩擦攪拌接合用回転工具の大径部の直径と等しいか小さくすることが好ましい。更に、２つの部材と同素材の円筒状の仮付け部材をスタッド溶接によって、接合線上を断続的に溶接し取り付けることができる。
【発明の効果】
【００１１】
この発明によれば、摩擦攪拌接合を行う前に、２つの部材を仮付け部材で仮付けすることにより、作業者の技量に依存しない安定した摩擦攪拌接合部を提供することができる。また、被接合部材の突合せ部に設けられた厚肉部を基準として仮付け部材を配置することにより、効率的な仮付け作業が行える。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、図１から図３を参照して、本発明による摩擦攪拌接合における仮付け方法及びそれを用いた摩擦攪拌接合方法の実施例を説明する。
【実施例】
【００１３】
図１は、スタッド溶接法の一つであるアークスタッド溶接法によって仮付け部材を被接合部材に接合した状態で、摩擦攪拌接合を行う状況を示した斜視図である。図１において、摩擦攪拌接合によって接合される部材１０、２０として、アルミ合金製押出し形材を例に取って説明する。なお、摩擦攪拌接合によって接合される被接合部材として、アルミ合金の外には、マグネシウム合金、銅合金等が挙げられる。部材１０、２０は、それぞれの接合端部に厚肉部が形成されている。部材１０、２０は、その接合端部を突合せて配置され、拘束されている。部材１０、２０は接合面３０で突合されているが、接合面３０が突合せ部の表面に現われた接合線３０ａに沿って摩擦攪拌接合用回転工具５０が回転しながら移動して接合を行う。この時、摩擦攪拌接合用回転工具５０の先端に設けられた攪拌ピンが部材１０、２０の厚肉部に挿入され、かつ、当該工具下端部が必要な摩擦熱を発生するように各部材の表面に接している。
【００１４】
摩擦攪拌接合に先立って、仮付け部材４０を部材１０、２０が突合せられた接合線３０ａを跨ぐ位置に配置して、摩擦攪拌接合用回転工具５０を挿入する側からスタッド溶接法で取付けることにより、部材１０、２０の仮付けが行われる。
【００１５】
部材１０、２０を摩擦攪拌接合に先立って仮付けするために、仮付け部材４０が図示のように接合線３０ａに沿って等間隔に設置されている。この仮付け部材４０は、その材質（素材）が部材１０、２０と同じ材質で構成されている。これにより、摩擦攪拌接合によって接合された部材１０、２０の突合せ部（仮付け部）の近傍に、色違い等が生じることを防止できる。仮付け部材４０は、所定の厚みを持った円筒形の形状となっている。また、仮付け部材４０の部材１０、２０への接合面は、必要に応じて円錐形或いは小径の突起を設けた形状となっている。仮付け部材４０の外径は、摩擦攪拌接合用回転工具５０の外径と同等か小さく形成されている。したがって、部材１０と部材２０を突合せた状態の厚肉部の幅よりも、摩擦攪拌接合用回転工具５０の外径部は小さいため、仮付け部材４０は前記厚肉部の幅寸法内に設置される。
【００１６】
部材１０及び部材２０を、その接合端部同士を突合せて摩擦攪拌接合可能な状態で配置して拘束する。この状態で、部材１０及び部材２０の接合端部すなわち厚肉部表面に、仮付け部材４０を配置する。仮付け部材４０は、その円形中心部が接合線３０ａの上にほぼ位置するように配置されている。
【００１７】
この仮付け部材４０は、スタッド銃にセットされた状態で、前記のように部材１０、２０に配置され、アークスタッド溶接法により部材１０、２０に接合される。その接合状況としては、スタッド銃にセットされた仮付け部材４０は、一旦、部材１０、２０に接触した後、所定寸法だけ引き上げられ、この状態で仮付け部材４０と部材１０、２０との間に通電される。そして、両者の間にアークが発生して仮付け部材４０と部材１０、２０との対向部が溶融した状態で、仮付け部材４０を部材１０、２０に押し付けて接合する。この接合作業を接合線３０ａに沿って繰り返し、所定の間隔で順次仮付け部材４０を部材１０及び部材２０に接合する。なお、部材１０、２０及び仮付け部材４０がアルミ合金の場合、前記接合作業は不活性ガス雰囲気中で行われることは言うまでもない。
【００１８】
図１に示すように、摩擦攪拌接合それ自体は、２つの部材１０、２０を突合せた状態でその突合せ部に摩擦攪拌接合用回転工具５０を回転・挿入させて材料を攪拌しながら接合線３０ａに沿って移動させることによって行われる。
【００１９】
図２は、図１に示すアークスタッド溶接による仮付け部の横断面図である。図２に示すように、仮付け部材４０は部材１０、２０の厚肉部の表面に接合されており、仮付け部材４０と部材１０、２０の双方が溶融して接合されている。したがって、摩擦攪拌接合時に、部材１０と部材２０との突合せ部を広げようとする力が発生した場合に、垂直断面における仮付け部材４０自体の厚さ及び部材１０と部材２０との溶け込み部４１の厚さ（深さ）によって前記力を支えている。部材１０と部材２０の溶け込み深さは、スタッド溶接法における電流値によって制御可能である。この部材１０と部材２０の溶け込み深さが十分確保可能であれば、仮付け部材４０の厚さは、スタッド銃にセット可能な厚さ寸法に形成されていればよく、また、その大きさすなわち直径も、各仮付け部材４０の設置間隔との関係から決定される。
【００２０】
仮付け部材４０は、円筒形状となっているがスタッド銃にセット可能であれば前記形状に限定されるものではない。
各スタッド材４０は、円筒状部材として製作されており、仮付けされた状態では突合せ部上に未溶接部分が残る。また、スタッド材４０は接合線３０ａに沿って離散的に配置されてアークスタッド溶接されているので、２つの部材１０、２０の突合せ部は接合線３０ａに沿って断続的に溶接されている。断続的な溶接であっても、摩擦攪拌接合用回転工具５０が回転しながら接合線３０ａに沿って移動するときに、両部材の突合せ部を開こうとする力に十分対抗することができる。
【００２１】
仮付け部材４０を部材１０、２０に取付けた後、摩擦攪拌接合用回転工具５０を用いて、部材１０、２０の摩擦攪拌接合を実施する。即ち、上記の仮付け方法で仮付けされた部材１０と部材２０の突合せ部に摩擦攪拌接合用回転工具５０を挿入し、摩擦攪拌接合用回転工具５０を回転させながら接合線３０ａに沿って移動させることで、部材１０、２０を突合せ部で接合する。
【００２２】
各仮付け部材４０の直径を、摩擦攪拌接合用回転工具５０の大径部の直径と等しいか小さくすることにより、各仮付け部材４０は、進行してきた摩擦攪拌接合用回転工具５０によって排除される。なお、部材１０と部材２０との突合せ部に微小な隙間が存在した状態で、仮付け部材４０が接合され、溶融した仮付け部材４０の一部が前記隙間に入り込んだとしても、部材１０、２０及び仮付け部材４０は同じ材質であり、問題となることはない。また、部材１０と部材２０との間の前記隙間についても、摩擦攪拌接合によって埋められる。
【００２３】
仮付け部材４０は、丸棒素材からの削り出し或いは平板素材からの打ち抜きによって製作することが考えられる。このように仮付け部材４０を部材１０、２０に対して、スタッド溶接法によって接合することにより、部材１０と部材２０の仮付け作業が簡単に、かつ、短時間に行える。また、スタッド溶接法における被接合部間の隙間設定或いはアーク発生条件等を部材１０、２０及び仮付け部材４０の材質或いは接合部面積等の諸条件に合せて設定することにより、接合線沿って複数形成される仮付け部の接合条件をほぼ一定に保つことができる。したがって、従来の溶接トーチを用いた手作業に比べて、仮付け部の安定した接合強度が確保できるとともに各仮付け部の均一化を図ることができる。このことにより、部材１０と部材２０の安定した摩擦攪拌接合が可能となり、その結果、摩擦攪拌接合部における仮付け不良に起因した不良を最小限に抑えることができる。
【００２４】
図３は、仮付け部材４０を部材１０、２０に接合するスタッド銃６０の先端部の断面図である。スタッド銃６０の先端部分には、フェルールの機能を有すシールド部材６２と、仮付け部材４０を保持する保持部６５、そして、部材１０、２０の突合せ部の厚肉部に接して仮付け部材４０の位置決めを行う位置決め部材６６が備えられている。図３に詳述しないが、シールド部材６２、保持部６５、位置決め部材６６は、スタッド銃６０に付属している。また、フェルールの機能とは、主に、アーク発生中に空気を遮断して、溶接金属と空気との反応を防止する機能のことであり、さらに、アーク発生時の熱を封じ込め（熱の散逸防止）ること、及び仮付け部材４０を母材の溶融池に押し付けた際に、溶融金属を仮付け部材４０の周囲に留める（鋳型の役割）機能のこともいう。
【００２５】
まず、保持部６５に保持された仮付け部材４０は、所定の仮付け位置で部材１０、２０の突合せ部の表面に当接される。次に、この当接された位置を基準として、所定のアークを得ることができる間隔まで、部材１０、２０の突合せ部から仮付け部材４０を引き上げる。その後、シールド部材６２と部材１０、２０および仮付け部材４０で形成された空間の内部でアークを発生させて、部材１０、２０と仮付け部材４０の対向面を溶融する。最後に、部材１０、２０の接合部の溶融部に、保持部６５が仮付け部材４０を押し付けると同時に、溶接電流を遮断することにより、部材１０、２０の溶融部と仮付け部材４０が一体化して固まり、部材１０、２０の仮付けが完了する。作業者は仮付け部材４０をセットしたスタッド銃６０を接合される部材１０、２０の接合部に位置決めした後、スタッド銃６０をほぼ垂直に保持する。そして、スタッド銃６０のスイッチを投入するだけで、スタッド銃６０を含むアークスタッド溶接システムが、仮付け部材４０の引き上げおよび押し付け、そして、溶接電流の通電と遮断等、一連の仮付けに要す工程を自動的に実施する。このため、作業者の技量に大きく依存することなく、一定の品質の仮付け作業を実施することができる。また、アークを発生させる前工程で、部材１０、２０と仮付け部材４０との空間に、スタッド銃６０を介して必要に応じて不活性ガスを封入してもよい。
【００２６】
スタッド銃６０に備えられた位置決め部材６６は、その先端部を部材１０、２０の厚肉部の縁に掛合した状態で、仮付け部材４０が接合線３０ａに対して所定の位置となるように構成されている。したがって、位置決め部材６６の先端部を部材１０の厚肉部の縁に掛合するだけで、仮付け部材４０を接合線３０ａに対して正確に位置決めすることができる。この構造により、部材１０と部材２０の突合せ部に対して、仮付け部材４０をずれることなく正確に配置して仮付け部を形成することができる。また、この仮付け部材４０の位置決め動作は、非常に簡単に行える。また、簡便に位置決めをするために、位置決め部材６６をスタッド銃６０の長手方向の軸回りに回動可能に取付けてもよい。
【００２７】
部材１０の接合端部に形成した厚肉部を利用することにより、仮付け部材４０の位置決めを非常に簡単な操作で、正確に行うことができる。このことは安定した摩擦攪拌接合部を形成する上で有効である。
【００２８】
ところで、前記実施例においては、仮付け部材を２つの被接合部材に対してスタッド溶接法により接合する例について説明したが、仮付け部材を摩擦圧接法によって２つの被接合部材に接合してもよい。すなわち、前記スタッド銃に代えて、仮付け部材を高速で回転させながら２つの被接合部材に接触させて、接触部分の摩擦熱によりこれらを接合する摩擦圧接装置を用いてもよい。この場合、仮付け部材と２つの被接合部材は、接触面部分のみで接合されることになり、２つの被接合部材同士の溶け込みがあまり期待できない。したがって、摩擦攪拌接合時に生じる被接合部材間を開く力に対して、当該仮付け部材の強度を確保する必要があり、仮付け部材は前記力に耐え得る厚さ及び大きさを確保する必要がある。
【００２９】
このように仮付け部材を２つの被接合部材に対して摩擦圧接で接合する場合、不活性ガスやアーク溶接設備を必要としないため、安価な設備で安定した仮付け部を形成することができる。
【００３０】
なお、一般的に、スタッド溶接法は、アークスタッド溶接法とコンデンサ(コンデンサ充電式)スタッド法に大別される。上記実施例では、主にアークスタッド溶接法による仮付け方法を記載したが、充電されたコンデンサから短時間で放電させることで溶接するコンデンサスタッド溶接法により仮付けを実施しても良い。コンデンサスタッド溶接法による仮付けでは、アークスタッド法による仮付けより信頼性が低下する場合もあるが、溶接機およびスタッド銃からなる溶接システムを小型軽量化できるため、スタッド銃を容易に取り回せるので、作業性をより高めることができる可能性がある。仮付けに要求される品質に応じて、アークスタッド溶接法またはコンデンサスタッド溶接法を適宜選定すればよい。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の一実施例における部材の仮付け部を示した斜視図。
【図２】図１に示す仮付け部の横断面図。
【図３】図１に示した仮付け部を形成するスタッド銃の先端部分の断面図。
【符号の説明】
【００３２】
１０、２０：部材 ３０：接合面 ３０ａ：接合線
４０：仮付け部材 ４１：溶け込み部
５０：摩擦攪拌接合用回転工具 ６０：スタッド銃
６２：シールド部材 ６５：保持部
６６：位置決め部材
【特許請求の範囲】
【請求項１】
接合される２つの部材を摩擦攪拌接合可能な位置に突合せて配置し、
前記両部材の突合わせによって形成される突合せ部の表面に重なる位置に仮付け部材を配置し、
前記２つの部材と前記仮付け部材とをスタッド溶接法又は摩擦圧接法により接合したこと、
を特徴とする摩擦攪拌接合における仮付け方法。
【請求項２】
請求項１に記載の摩擦攪拌接合における仮付け方法において、
前記仮付け部材は、接合される２つの前記部材と同じ素材であること、
を特徴とする摩擦攪拌接合における仮付け方法。
【請求項３】
請求項１または２に記載の摩擦攪拌接合における仮付け方法において、
前記仮付け部材は、仮付けされた状態で前記突合せ部上に未溶融部分が残る円筒状部材であること、
を特徴とする摩擦攪拌接合における仮付け方法。
【請求項４】
請求項３に記載の摩擦攪拌接合における仮付け方法において、
前記仮付け部材の直径が摩擦攪拌接合用回転工具の大径部の直径と等しいか小さいこと、
を特徴とする摩擦攪拌接合における仮付け方法。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の摩擦攪拌接合における仮付け方法において、
前記突合せ部は、当該突合せ部の前記表面に現れる接合線に沿って離散的に行われる前記スタッド溶接法によって、断続的に溶接されること、
を特徴とする摩擦攪拌接合における仮付け方法。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか１項に記載の摩擦攪拌接合における仮付け方法において、
前記２つの部材は、摩擦攪拌接合部に厚肉部が形成されており、
一方の部材の厚肉部を基準として前記仮付け部材の位置決めを行うこと、
を特徴とする摩擦攪拌接合における仮付け方法。
【請求項７】
接合される２つの部材を突合せて配置し、
両部材の突合せによって形成される突合せ部の表面に重なる位置に仮付け部材を配置し、
前記２つの部材と前記仮付け部材とを接合し、
前記２つの部材の前記突合せ部に沿って摩擦攪拌接合を行うこと、
を特徴とする摩擦攪拌接合方法。
【請求項８】
請求項１から６のいずれか１項に記載の摩擦攪拌接合における仮付け方法で仮付けられた前記２つの部材の前記突合せ部に摩擦攪拌接合用回転工具を挿入し、当該摩擦攪拌接合用回転工具を回転させながら前記突合せ部を移動させることにより、前記２つの部材を前記突合せ部で摩擦攪拌接合にて接合すること、
を特徴とする摩擦攪拌接合方法。
【請求項９】
接合部の摩擦攪拌接合用厚肉部を形成した被接合部材に仮付け部材を接合するスタッド銃において、
前記厚肉部に接して仮付け部材の位置決めを行う位置決め部材を備えたこと、
を特徴としたスタッド銃。
【請求項１】
接合される２つの部材を摩擦攪拌接合可能な位置に突合せて配置し、
前記両部材の突合わせによって形成される突合せ部の表面に重なる位置に仮付け部材を配置し、
前記２つの部材と前記仮付け部材とをスタッド溶接法又は摩擦圧接法により接合したこと、
を特徴とする摩擦攪拌接合における仮付け方法。
【請求項２】
請求項１に記載の摩擦攪拌接合における仮付け方法において、
前記仮付け部材は、接合される２つの前記部材と同じ素材であること、
を特徴とする摩擦攪拌接合における仮付け方法。
【請求項３】
請求項１または２に記載の摩擦攪拌接合における仮付け方法において、
前記仮付け部材は、仮付けされた状態で前記突合せ部上に未溶融部分が残る円筒状部材であること、
を特徴とする摩擦攪拌接合における仮付け方法。
【請求項４】
請求項３に記載の摩擦攪拌接合における仮付け方法において、
前記仮付け部材の直径が摩擦攪拌接合用回転工具の大径部の直径と等しいか小さいこと、
を特徴とする摩擦攪拌接合における仮付け方法。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の摩擦攪拌接合における仮付け方法において、
前記突合せ部は、当該突合せ部の前記表面に現れる接合線に沿って離散的に行われる前記スタッド溶接法によって、断続的に溶接されること、
を特徴とする摩擦攪拌接合における仮付け方法。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか１項に記載の摩擦攪拌接合における仮付け方法において、
前記２つの部材は、摩擦攪拌接合部に厚肉部が形成されており、
一方の部材の厚肉部を基準として前記仮付け部材の位置決めを行うこと、
を特徴とする摩擦攪拌接合における仮付け方法。
【請求項７】
接合される２つの部材を突合せて配置し、
両部材の突合せによって形成される突合せ部の表面に重なる位置に仮付け部材を配置し、
前記２つの部材と前記仮付け部材とを接合し、
前記２つの部材の前記突合せ部に沿って摩擦攪拌接合を行うこと、
を特徴とする摩擦攪拌接合方法。
【請求項８】
請求項１から６のいずれか１項に記載の摩擦攪拌接合における仮付け方法で仮付けられた前記２つの部材の前記突合せ部に摩擦攪拌接合用回転工具を挿入し、当該摩擦攪拌接合用回転工具を回転させながら前記突合せ部を移動させることにより、前記２つの部材を前記突合せ部で摩擦攪拌接合にて接合すること、
を特徴とする摩擦攪拌接合方法。
【請求項９】
接合部の摩擦攪拌接合用厚肉部を形成した被接合部材に仮付け部材を接合するスタッド銃において、
前記厚肉部に接して仮付け部材の位置決めを行う位置決め部材を備えたこと、
を特徴としたスタッド銃。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１０−３６２０１（Ｐ２０１０−３６２０１Ａ）
【公開日】平成２２年２月１８日（２０１０．２．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１９９９０２（Ｐ２００８−１９９９０２）
【出願日】平成２０年８月１日（２００８．８．１）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年２月１８日（２０１０．２．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年８月１日（２００８．８．１）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
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