摩擦攪拌接合方法及び摩擦攪拌接合体
【課題】一対の被接合部材を簡単かつ適切に接合できる摩擦攪拌接合方法及び摩擦攪拌接合体を提供すること。
【解決手段】攪拌軸１２３の回転中心軸Ｑを接合部１１３の始端部１１３ａからずらしてボビンツール１２０を配置し、ボビンツール１２０を回転させながら攪拌軸１２３の回転中心軸Ｑを接合部１１３からずらして進行させた後、攪拌軸１２３の回転中心軸Ｑを接合部１１３に沿わせるようにボビンツール１２０を進行させることにより、一対の被接合部材１１１，１１２を接合する。
【解決手段】攪拌軸１２３の回転中心軸Ｑを接合部１１３の始端部１１３ａからずらしてボビンツール１２０を配置し、ボビンツール１２０を回転させながら攪拌軸１２３の回転中心軸Ｑを接合部１１３からずらして進行させた後、攪拌軸１２３の回転中心軸Ｑを接合部１１３に沿わせるようにボビンツール１２０を進行させることにより、一対の被接合部材１１１，１１２を接合する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ボビンツールを用いて一対の被接合部材を摩擦熱と圧力により塑性流動化させて接合する摩擦攪拌接合方法及び摩擦攪拌接合体に関し、特に、一対の被接合部材を簡単かつ適切に接合できる摩擦攪拌接合方法及び摩擦攪拌接合体に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、金属材の溶接やロウ付けに変わる新しい接合方法として摩擦攪拌接合方法が種々提案されており、例えば鉄道車両構体を構成する長尺な押出し型材同士の接合にも摩擦攪拌接合方法の利用が進められている。
【０００３】
図７は、摩擦攪拌接合を説明するための図である。
摩擦攪拌接合では、一対の被接合部材１１１，１１２の接合端面１１１ａ，１１２ａ同士を突き合わせる。そして、ボビンツール１２０の上回転体１２１と下回転体１２２との間に被接合部材１１１，１１２の接合部１１３を挟み込むことにより一対の被接合部材１１１，１１２の表裏両面を加圧して接合部１１３を塞ぎ、この状態で駆動機構１２４によりボビンツール１２０を高速回転させる。正常な攪拌接合では、高速回転するボビンツール１２０を接合部１１３に沿って図中Ｆ方向へ進行させると、上回転体１２１と下回転体１２２の間で攪拌軸１２３が回転し、摩擦熱で接合部１１３の材料が軟化して攪拌混練されながら攪拌軸１２３の周りを流れて後方へ移動する。この材料の塑性流動によって一対の被接合部材１１１，１１２が接合される。
【０００４】
図８に示す接合部１１３の始端部１１３ａから摩擦攪拌接合を開始すると、材料が始端部１１３ａから外部へ流れて接合部１１３を接合できない。そのため、図８に示すように、従来の摩擦攪拌接合方法では、接合部１１３の始端部１１３ａの近傍に攪拌軸１２３より僅かに大きいピン孔１３０を設けた後、攪拌軸１２３と一体に設けた下回転体１２２を上回転体１２１から取り外し、攪拌軸１２３をピン孔１３０に挿通して下回転体１２２を上回転体１２１に再度連結することにより、ボビンツール１２０をピン孔１３０に配置することが行われていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−２４３３７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、図８に示す従来の摩擦攪拌接合方法では、被接合部材１１１，１１２の接合部１１３にピン孔１３０を設けた後、上回転体１２１と下回転体１２２とを分解して攪拌軸１２３をピン孔１３０に挿通し、上回転体１２１と下回転体１２２とを再組立することによりボビンツール１２０をピン孔１３０に配置してからでないと、摩擦攪拌接合を開始できなかった。よって、図８に示す摩擦攪拌接合方法は、ピン孔１３０を設ける工数や、ピン孔１３０にボビンツール１２０を取り付ける工数が必要となり、手間がかかっていた。
【０００７】
そこで、本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、一対の被接合部材を簡単かつ適切に接合できる摩擦攪拌接合方法及び摩擦攪拌接合体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】
【０００８】
上記課題を解決すべく、本発明の摩擦攪拌接合方法は、一対の被接合部材の接合端面同士を突き合わせた接合部をボビンツールの上回転体と下回転体との間で挟み込み、前記上回転体と前記下回転体との間の攪拌軸を前記接合部に挿入し、前記接合部に沿って前記ボビンツールを前記一対の被接合部材と相対的に移動させることにより前記一対の被接合部材を接合する摩擦攪拌接合方法において、前記攪拌軸の回転中心軸を前記接合部の始端部からずらすように前記ボビンツールを前記一対の被接合部材に対して配置し、前記ボビンツールを回転させながら前記攪拌軸の前記回転中心軸を前記接合部からずらして進行させた後、前記攪拌軸の前記回転中心軸を前記接合部に沿わせるように前記ボビンツールを進行させて前記一対の被接合部材を接合する。
【０００９】
また、本発明の摩擦攪拌接合方法は、前記攪拌軸の進行側で発生する摩擦温度が摩擦攪拌接合に適した所定の温度に達するまで、前記攪拌軸の前記回転中心軸を前記接合部からずらして前記ボビンツールを進行させることが好ましい。
【００１０】
また、本発明の摩擦攪拌接合方法は、前記攪拌軸の進行側で発生する摩擦温度が前記摩擦攪拌接合に適した所定の温度になるまで前記攪拌軸を前記接合部からずらして前記ボビンツールを進行させる進行速度が、前記攪拌軸を前記接合部に沿わせて前記ボビンツールを進行させる進行速度より低速であることが好ましい。
【００１１】
また、本発明の摩擦攪拌接合方法は、前記被接合部材の端面位置から前記接合部に向かって前記攪拌軸を斜めに移動させて前記回転中心軸を前記接合部に一致させることが好ましい。
【００１２】
また、本発明の摩擦攪拌接合方法では、前記回転中心軸を前記接合部の始端部からずらす量が、前記攪拌軸の直径の３２分の１以上であることが好ましい。
【００１３】
本発明の摩擦攪拌接合体は、一対の被接合部材の接合端面同士を突き合わせた接合部にボビンツールの攪拌軸を挿入し、前記ボビンツールを前記一対の被接合部材と相対的に移動させることにより摩擦攪拌接合された摩擦攪拌接合体において、前記攪拌軸の回転中心軸を前記接合部の始端部からずらすように前記ボビンツールを前記一対の被接合部材に対して配置し、前記ボビンツールを回転させながら前記攪拌軸の前記回転中心軸を前記接合部からずらして進行させた後、前記攪拌軸の前記回転中心軸を前記接合部に沿わせるように前記ボビンツールを進行させることにより、前記接合端面同士を接合されたものである。
【発明の効果】
【００１４】
上記摩擦攪拌接合方法は、攪拌軸の回転中心軸を接合部からずらしてボビンツールを進行させ、攪拌軸の回転により軟化した材料が攪拌軸の後方へ回り込んで攪拌軸の進路を閉じるようにしてから、攪拌軸の回転中心軸を接合部に沿わせるようにボビンツールを進行させるので、一対の被接合部材の接合部が連続して接される。よって、上記摩擦攪拌接合方法によれば、ピン孔を設けてそのピン孔に攪拌軸を挿通してボビンツールを取り付けなくても、攪拌軸の回転中心軸を接合部の始端部からずらしてボビンツールを配置するだけで、一対の被接合部材を簡単且つ適切に接合することができる。
【００１５】
そして、摩擦温度が摩擦攪拌接合に適した所定の温度に達するまで攪拌軸の回転中心軸を接合部からずらすようにボビンツールを進行させれば、攪拌軸の回転中心軸を接合部に沿わせて移動させると同時に一対の被接合部材の接合部を連続して適切に接合できる。
【００１６】
そして、攪拌軸の進行側で発生する摩擦温度が前記摩擦攪拌接合に適した所定の温度になるまで攪拌軸を接合部からずらしてボビンツールを進行させる進行速度を、前記攪拌軸を前記接合部に沿わせて前記ボビンツールを進行させる進行速度より低速にすれば、接合部を接合できない部分を少なくできる。
【００１７】
そして、被接合部材の端面位置から接合部に向かって攪拌軸を斜めに移動させて攪拌軸の回転中心軸を接合部に一致させるようにすれば、被接合部材の端面位置から接合部を適切に接合し始める位置までの距離を短くして、接合不良を生じる部分を少なくできる。
【００１８】
そして、攪拌軸の回転中心軸を接合部の始端部から攪拌軸の直径の３２分の１以上ずらした位置に配置して接合を開始すれば、短い距離で攪拌軸を接合部に合流させることができ、接合不良を生じて廃棄する材料を少なくできる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施形態に係る摩擦攪拌接合方法を概念的に示した図である。
【図２】図１のＡ矢視図である。
【図３】攪拌軸の中心軸を接合部の始端部からずらす量と、接合の可否との関係を調べる実験の実験結果を示す。
【図４】本発明の摩擦攪拌接合方法の実施例を示す図である。
【図５】摩擦攪拌接合後の模式図を示す図である。
【図６】摩擦攪拌接合方法の変形例である。
【図７】摩擦攪拌接合を説明する図である。
【図８】摩擦攪拌接合方法の従来例を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
続いて、本発明に係る摩擦攪拌接合方法及び摩擦攪拌接合体の一実施形態について図面を参照して説明する。
【００２１】
図１は、本発明の実施形態に係る摩擦攪拌接合方法を概念的に示した図である。図２は、図１のＡ矢視図である。
本実施形態の摩擦攪拌接合方法は、一対の被接合部材１１１，１１２の接合部１１３の始端部１１３ａから攪拌軸１２３の回転中心軸Ｑをずらしてボビンツール１２０を配置した後、ボビンツール１２０を高速回転させて摩擦攪拌接合することにより、適切な摩擦攪拌接合を簡単に実現できるようにしたものである。
【００２２】
図１及び図２に示すように、被接合部材１１１，１１２は接合端面１１１ａ，１１２ａが一定の板厚を有する。ボビンツール１２０は、上回転体１２１と下回転体１２２が被接合部材１１１，１１２の表裏両面に密着するように一定間隔を空けて攪拌軸１２３に固定されている。ボビンツール１２０は、図示しない制御装置によって動作を自動制御される。図示しない制御装置には、ボビンツール１２０を攪拌軸１２３を中心に高速回転させながら図１に示す軌道Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３に沿って進行させることにより摩擦攪拌接合を行うプログラムが格納されている。このプログラムは、ボビンツール１２０が軌道Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３を進行する進行速度も制御する。以下、このプログラムにより実行される摩擦攪拌接合手順を説明する。
【００２３】
図１及び図２に示すように、一対の被接合部材１１１，１１２は、接合端面１１１ａ，１１２ａ同士を突き合わせてセットされる。作業者が図示しない制御装置に摩擦攪拌接合開始指示を入力すると、図示しない制御装置は、プログラムを起動して被接合部材１１１，１１２の摩擦攪拌接合を行う。
【００２４】
すなわち、接合端面１１１ａ，１１２ａ同士を突き合わせた接合部１１３の始端部１１３ａから攪拌軸１２３の回転中心軸Ｑを一方の被接合部材１１１側へずらし、一方の被接合部材１１１の端面位置１１１ｂに攪拌軸１２３を接触させるようにボビンツール１２０を配置する。図１及び図２では、ボビンツール１２０は、上回転体１２１と下回転体１２２とが始端部１１３ａに重ならないように攪拌軸１２３の回転中心軸Ｑを始端部１１３ａからずらしているが、上回転体１２１と下回転体１２２とを始端部１１３ａに重ねつつ攪拌軸１２３の回転中心軸Ｑを始端部１１３ａからずらすようにしても良い。これにより、被接合部材１１１，１１２の表裏両面が、ボビンツール１２０の上回転体１２１と下回転体１２２とに挟み込まれて加圧される。
【００２５】
そして、ボビンツール１２０は、高速回転しながら、予めプログラミングされた図１の軌道Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３に沿って進行する。すなわち、図１の軌道Ｄ１に示すように、ボビンツール１２０が接合部１１３の始端部１１３ａからずれた被接合部材１１１の端面位置１１１ｂに攪拌軸１２３を接触させた状態で高速回転すると、被接合部材１１１と攪拌軸１２３の接触部分が温度上昇して軟化する。このとき、ボビンツール１２０が接合部１１３と平行に移動して、被接合部材１１１の軟化した端面位置１１１ｂに攪拌軸１２３を押し込む。攪拌軸１２３の回転中心軸Ｑを始端部１１３ａに一致させて攪拌軸１２３を接合部１１３に押し込むと、材料が攪拌軸１２３の後方へ回り込まずに飛び散り、攪拌軸１２３の後方を閉じることができないが、攪拌軸１２３の回転中心軸Ｑを始端部１１３ａからずらして接合を行うビードオン接合では、材料が飛び散らずに攪拌軸１２３の後方へ回り込んで残り、攪拌軸１２３の後方を閉じていく。
【００２６】
ボビンツール１２０が図１のＦ方向へ進行するにつれて、攪拌軸１２３の進行側の摩擦温度が上昇していき、摩擦攪拌接合に適した所定の温度、すなわち材料を攪拌軸１２３の周りに沿って後方へ十分に送ることができる温度（以下「目標温度」という。）に達する。そこで、軌道Ｄ１の長さは、摩擦温度が目標温度に達するまで攪拌軸１２３の回転中心軸Ｑを接合部１１３からずらした状態でボビンツール１２０を図中Ｆ方向へ進行させて予熱を行うように、設定される。
【００２７】
ここで、軌道Ｄ１に沿ってボビンツール１２０を移動させる間、接合部１１３が接合されないため、軌道Ｄ１をできるだけ短くすることが望ましい。そのため、ボビンツール１２０は、目標温度に予熱するための軌道Ｄ１を進行する進行速度が、後述するように接合部１１３を接合するための軌道Ｄ３を進行する進行速度より低速に設定されている。
【００２８】
ボビンツール１２０が軌道Ｄ１の終点まで進行したことをセンサ等で確認したら、図１の軌道Ｄ２に示すように、ボビンツール１２０を接合部１１３へ向かって移動させ、攪拌軸１２３の回転中心軸Ｑを接合部１１３に合流させて一致させる。ボビンツール１２０は、摩擦攪拌接合時の進行速度になるように加速しながら移動し、攪拌軸１２３の回転中心軸Ｑが接合部１１３に合流すると同時にボビンツール１２０を摩擦攪拌接合に適した速度で進行させ、摩擦攪拌接合にかかる時間を短くできるようにしている。
【００２９】
図１の軌道Ｄ３に示すように、攪拌軸１２３が接合部１１３に合流したときには、すでに摩擦温度が目標温度に達しているので、攪拌軸１２３が接合部１１３に合流して接合を開始する接合開始位置Ｐにおいて、材料が周りに飛び散らずに攪拌軸１２３の後方を閉じるように流れる。よって、一対の被接合部材１１１，１１２の接合部１１３は、接合開始位置Ｐから連続して接合される。
【００３０】
接合部１１３の終端部まで摩擦攪拌接合された摩擦攪拌接合体は、被接合部材１１１，１１２の端面位置１１１ｂ，１１２ｂから接合開始位置Ｐまでの接合部１１３が接合されていないので、接合開始位置Ｐで被接合部材１１１，１１２の端部を切り落とされた後、搬出される。ボビンツール１２０は、摩擦攪拌接合終了後、初期位置に復帰する。これにより、一連の摩擦攪拌接合動作が終了する。
【００３１】
従って、本実施形態の摩擦攪拌接合方法は、攪拌軸１２３の回転中心軸Ｑを接合部１１３からずらしてボビンツール１２０を進行させ、攪拌軸１２３の回転により軟化した材料が飛び散らずに攪拌軸１２３の後方へ回り込んで攪拌軸１２３の進路を閉じるようにしてから、攪拌軸１２３の回転中心軸Ｑを接合部１１３に沿わせるようにボビンツール１２０を進行させるので、一対の被接合部材１１１，１１２の接合部１１３を連続して接合することが可能である。このような摩擦攪拌接合方法によれば、図８に示す従来の摩擦攪拌接合方法のようにピン孔１３０を被接合部材１１１，１１２に設ける必要がない。また、ピン孔１３０に攪拌軸１２３を挿通するために上回転体１２１と下回転体１２２とを分解して再組立する煩わしい作業も必要でない。よって、本実施形態の摩擦攪拌接合方法によれば、図１に示すように攪拌軸１２３の回転中心軸Ｑを接合部１１３の始端部１１３ａからずらして被接合部材１１１の端面位置１１１ｂに攪拌軸１２３を突き当てて上回転体１２１と下回転体１２２との間で被接合部材１１１を挟み込むだけで、簡単且つ適切に一対の被接合部材１１１，１１２を接合できる。
【００３２】
また、本実施形態の摩擦攪拌接合方法によれば、摩擦温度が目標温度に達するまで攪拌軸１２３の回転中心軸Ｑを接合部１１３からずらしてボビンツール１２０を進行させ、予熱を行うので、攪拌軸１２３の回転中心軸Ｑを接合部１１３に沿わせて移動させると同時に一対の被接合部材１１１，１１２を連続して適切に接合できる。
【００３３】
また、本実施形態の摩擦攪拌接合方法によれば、摩擦温度を目標温度に予熱するまで、ボビンツール１２０の進行速度を攪拌軸１２３を接合部１１３に沿わせて移動させる際の進行速度より低速にしているので、端面位置１１１ｂから接合開始位置Ｐまでの接合不良発生部分の距離が短く、材料の無駄が少なくて済む。
【００３４】
また、本実施形態の摩擦攪拌接合方法によれば、従来のようにボビンツール１２０の取り外しが必要でないため、摩擦攪拌接合を完全自動化して作業効率を向上させ、摩擦攪拌接合にかかるコストを安くできる。
【００３５】
ところで、発明者らは、攪拌軸１２３の回転中心軸Ｑを接合部１１３の始端部１１３ａからずらす量と、接合の可否との関係を調べる実験を行った。実験では、接合速度を４００〜２５００ｍｍ／ｍｉｎ、ボビンツール１２０の回転数を３３０〜２０００ｒｐｍとした。この実験結果を図３に示す。
接合部１１３の始端部１１３ａから攪拌軸１２３の回転中心軸Ｑまでの距離を０ｍｍにした場合、すなわち、攪拌軸１２３の回転中心軸Ｑと接合部１１３の始端部１１３ａとを一致させた場合には、ワークの状況に依存して接合が極めて困難であった。また、接合部１１３の始端部１１３ａから攪拌軸１２３の回転中心軸Ｑまでの距離を、攪拌軸１２３の直径Ｄの６４分の１にした場合にも、ワークの状況に依存して接合が極めて困難であった。これに対して、接合部１１３の始端部１１３ａから攪拌軸１２３の回転中心軸Ｑまでの距離を、攪拌軸１２３の直径Ｄの３２分の１、１６分の１、８分の１、４分の１、２分の１にした場合には、ワークの状況によらず接合部１１３を接合できた。
なお、ワークの状況とは、ワークの板厚の公差内のばらつき、治具により拘束した際の接合線の隙間（ギャップ）や目違い等の位置のばらつき、その他気温の違いなど、同一条件を再現しようとしても実用上避けることが困難なばらつきがある状況をいう。
【００３６】
上記実験結果より、ボビンツール１２０により被接合部材１１１，１１２を突き合わせた接合部１１３を接合する場合には、攪拌軸１２３の回転中心軸Ｑを接合部１１３の始端部１１３ａからずらす量を、攪拌軸１２３の直径の３２分の１以上にすることが好ましいことが判明した。
【００３７】
このように、本実施形態の摩擦攪拌接合方法では、少なくとも、攪拌軸１２３の直径の３２分の１だけ攪拌軸１２３の回転中心軸Ｑを接合部１１３の始端部１１３ａからずらせば接合部１１３を接合できるので、攪拌軸１２３の回転中心軸Ｑを始端部１１３ａ側から接合部１１３へ短距離で合流させることができる。この結果、接合不良を生じる始端部１１３ａから接合開始位置Ｐまでの距離が短くなり、接合開始位置Ｐで切断して廃棄する材料を少なくできる。
【実施例】
【００３８】
図４は、本発明の摩擦攪拌接合方法の実施例を示す図である。図５は、摩擦攪拌接合後の模式図である。
本実施例では、図４に示すように、鉄道車両構体に使用される押し出し中空型材５０Ａ，５０Ｂを摩擦攪拌接合により接合する。中空型材５０Ａ，５０Ｂは、アルミニウム合金を材質とし、長手方向長さが２０ｍほどになる長尺なものである。中空型材５０Ａ，５０Ｂは、上面板５１Ａ，５１Ｂと下面板５２Ａ，５２Ｂとを梁５３Ａ，５３Ｂで接続するトラス構造になっている。一方、ボビンツール１２０は、上回転体１２１と下回転体１２２が円筒形状をなし、上面板５１Ａ，５１Ｂと下面板５２Ａ，５２Ｂの板厚と同じ量だけ間隔を空けて攪拌軸１２３に固定されている。攪拌軸１２３は、丸棒形状をなす。一対の中空型材５０Ａ，５０Ｂは、上面板５１Ａ，５１Ｂ同士を突き合わせた接合部５５と、下面板５２Ａ，５２Ｂ同士を突き合わせた接合部５６が、ボビンツール１２０を用いて摩擦攪拌接合される。
【００３９】
すなわち、接合部５５の始端部から中空型材５０Ａ側へ攪拌軸１２３の回転中心軸Ｑを攪拌軸１２３の直径の３２分の１ずらして上回転体１２１と下回転体１２２との間で上面板５１Ａ，５１Ｂを挟むようにボビンツール１２０を配置し、ボビンツール１２０を高速回転させて攪拌軸１２３を中空型材５０Ａの上面板５１Ａに押し込む。ボビンツール１２０が上面板５１Ａの端面位置から攪拌軸１２３の直径と等しい程度進行すると、攪拌軸１２３と上面板５１Ａとの間で発生する摩擦温度が摩擦攪拌接合に適した温度に達する。そこで、攪拌軸１２３を斜めに移動させて回転中心軸Ｑを接合部５５に合流させるようにボビンツール１２０を進行させる。そして、攪拌軸１２３の回転中心軸Ｑを接合部５５に沿わせるようにボビンツール１２０を進行させ、上面板５１Ａ，５１Ｂの接合部５５を接合する。図５に示すように、接合部５５の接合が完了したら、ボビンツール１２０を初期位置に戻し、一対の中空型材５０Ａ，５０Ｂを上下反転させる。そして、接合部５６から攪拌軸１２３の中心を攪拌軸１２３の直径の３２分の１ずらしてボビンツール１２０を配置し、上記接合部５５と同様に接合部５６を接合する。接合部５６の接合が完了したら、接合部５５，５６を接合開始位置Ｐ（図５参照）でそれぞれ切断して、中空型材５０Ａ，５０Ｂの端部を切り落とし、摩擦攪拌接合体を完成させる。
【００４０】
このように中空型材５０Ａ，５０Ｂは、攪拌軸１２３を接合部５５，５６の始端部からずらしてボビンツール１２０を配置すれば、２０ｍもの接合部５５，５６を簡単且つ適切に接合できるので、作業効率が良く、コストを削減できる。そして、ボビンツール１２０を用いた摩擦攪拌接合は溶融溶接やロウ付けよりも低温で被接合部材を接合するので、長尺な中空型材５０Ａ，５０Ｂを摩擦攪拌接合した場合でも、接合時の熱変形や接合部５５，５６の酸化などにより接合不良が生じにくい。そして、中空型材５０Ａ，５０Ｂは、全長２０ｍに対して、接合不良により切り落とされる各端部の長さが僅かであるので、特に中空型材５０Ａ，５０Ｂにピン孔を空けるなどの加工を施さなくても、接合開始位置で端部を切り落とすことにより生じる材料の無駄が少なくて済む。
【００４１】
以上、本発明の摩擦攪拌接合方法及び摩擦攪拌接合体の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。
上記実施形態では、攪拌軸１２３を接合部１１３の始端部１１３ａからずらして被接合部材１１１の端面位置１１１ｂから接合部１１３と平行にボビンツール１２０を移動させることにより予熱を行った。これに対して、図６の軌道Ｄ４に示すように、攪拌軸１２３の回転中心軸Ｑを接合部１１３の始端部１１３ａからずらした位置から攪拌軸１２３を斜めに移動させながら予熱とボビンツール１２０の進行速度の加速を同時に行い、ボビンツール１２０の軌道を簡単にしても良い。
ボビンツール１２０の攪拌軸１２３の軌道Ｄ１が端面位置１１２ｂを通過するようにボビンツール１２０を配置しても良い。
上記実施形態では、被接合部材１１１，１１２の板厚が一定であるが、例えば、接合強度を母材強度と同程度又は母材強度以上とするために、被接合部材１１１，１１２が接合部分の肉厚を厚くされている場合には、攪拌軸１２３を接合部１１３の始端部１１３ａからずらす量は肉厚な範囲に限定される。
上記実施形態では、被接合部材１１１，１１２が端面位置１１１ｂ，１１２ｂを揃えてセットしたが、端面位置１１１ｂ，１１２ｂをずらすように被接合部材１１１，１１２をセットすることにより、攪拌軸１２３を接合部１１３からずらす方向を明示しても良い。
上記実施形態では、ボビンツール１２０が軌道Ｄ１に沿って進行する距離によって摩擦温度が目標温度に達したと推定するが、ボビンツール１２０の動作（回転速度や回転量、、進行距離など）と摩擦熱との関係を被接合部材の特質（材料、熱特性など）別に図示しない制御装置に記憶しておき、ボビンツール１２０の動作測定値（回転速度測定値、回転量測定値、進行距離測定値など）から摩擦温度を推定しても良い。また、摩擦温度は実測しても良い。
【符号の説明】
【００４２】
１１１，１１２ 被接合部材
１１３ 接合部
１１３ａ 始端部
１２０ ボビンツール
１２３ 攪拌軸
Ｑ 回転中心軸
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ボビンツールを用いて一対の被接合部材を摩擦熱と圧力により塑性流動化させて接合する摩擦攪拌接合方法及び摩擦攪拌接合体に関し、特に、一対の被接合部材を簡単かつ適切に接合できる摩擦攪拌接合方法及び摩擦攪拌接合体に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、金属材の溶接やロウ付けに変わる新しい接合方法として摩擦攪拌接合方法が種々提案されており、例えば鉄道車両構体を構成する長尺な押出し型材同士の接合にも摩擦攪拌接合方法の利用が進められている。
【０００３】
図７は、摩擦攪拌接合を説明するための図である。
摩擦攪拌接合では、一対の被接合部材１１１，１１２の接合端面１１１ａ，１１２ａ同士を突き合わせる。そして、ボビンツール１２０の上回転体１２１と下回転体１２２との間に被接合部材１１１，１１２の接合部１１３を挟み込むことにより一対の被接合部材１１１，１１２の表裏両面を加圧して接合部１１３を塞ぎ、この状態で駆動機構１２４によりボビンツール１２０を高速回転させる。正常な攪拌接合では、高速回転するボビンツール１２０を接合部１１３に沿って図中Ｆ方向へ進行させると、上回転体１２１と下回転体１２２の間で攪拌軸１２３が回転し、摩擦熱で接合部１１３の材料が軟化して攪拌混練されながら攪拌軸１２３の周りを流れて後方へ移動する。この材料の塑性流動によって一対の被接合部材１１１，１１２が接合される。
【０００４】
図８に示す接合部１１３の始端部１１３ａから摩擦攪拌接合を開始すると、材料が始端部１１３ａから外部へ流れて接合部１１３を接合できない。そのため、図８に示すように、従来の摩擦攪拌接合方法では、接合部１１３の始端部１１３ａの近傍に攪拌軸１２３より僅かに大きいピン孔１３０を設けた後、攪拌軸１２３と一体に設けた下回転体１２２を上回転体１２１から取り外し、攪拌軸１２３をピン孔１３０に挿通して下回転体１２２を上回転体１２１に再度連結することにより、ボビンツール１２０をピン孔１３０に配置することが行われていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−２４３３７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、図８に示す従来の摩擦攪拌接合方法では、被接合部材１１１，１１２の接合部１１３にピン孔１３０を設けた後、上回転体１２１と下回転体１２２とを分解して攪拌軸１２３をピン孔１３０に挿通し、上回転体１２１と下回転体１２２とを再組立することによりボビンツール１２０をピン孔１３０に配置してからでないと、摩擦攪拌接合を開始できなかった。よって、図８に示す摩擦攪拌接合方法は、ピン孔１３０を設ける工数や、ピン孔１３０にボビンツール１２０を取り付ける工数が必要となり、手間がかかっていた。
【０００７】
そこで、本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、一対の被接合部材を簡単かつ適切に接合できる摩擦攪拌接合方法及び摩擦攪拌接合体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】
【０００８】
上記課題を解決すべく、本発明の摩擦攪拌接合方法は、一対の被接合部材の接合端面同士を突き合わせた接合部をボビンツールの上回転体と下回転体との間で挟み込み、前記上回転体と前記下回転体との間の攪拌軸を前記接合部に挿入し、前記接合部に沿って前記ボビンツールを前記一対の被接合部材と相対的に移動させることにより前記一対の被接合部材を接合する摩擦攪拌接合方法において、前記攪拌軸の回転中心軸を前記接合部の始端部からずらすように前記ボビンツールを前記一対の被接合部材に対して配置し、前記ボビンツールを回転させながら前記攪拌軸の前記回転中心軸を前記接合部からずらして進行させた後、前記攪拌軸の前記回転中心軸を前記接合部に沿わせるように前記ボビンツールを進行させて前記一対の被接合部材を接合する。
【０００９】
また、本発明の摩擦攪拌接合方法は、前記攪拌軸の進行側で発生する摩擦温度が摩擦攪拌接合に適した所定の温度に達するまで、前記攪拌軸の前記回転中心軸を前記接合部からずらして前記ボビンツールを進行させることが好ましい。
【００１０】
また、本発明の摩擦攪拌接合方法は、前記攪拌軸の進行側で発生する摩擦温度が前記摩擦攪拌接合に適した所定の温度になるまで前記攪拌軸を前記接合部からずらして前記ボビンツールを進行させる進行速度が、前記攪拌軸を前記接合部に沿わせて前記ボビンツールを進行させる進行速度より低速であることが好ましい。
【００１１】
また、本発明の摩擦攪拌接合方法は、前記被接合部材の端面位置から前記接合部に向かって前記攪拌軸を斜めに移動させて前記回転中心軸を前記接合部に一致させることが好ましい。
【００１２】
また、本発明の摩擦攪拌接合方法では、前記回転中心軸を前記接合部の始端部からずらす量が、前記攪拌軸の直径の３２分の１以上であることが好ましい。
【００１３】
本発明の摩擦攪拌接合体は、一対の被接合部材の接合端面同士を突き合わせた接合部にボビンツールの攪拌軸を挿入し、前記ボビンツールを前記一対の被接合部材と相対的に移動させることにより摩擦攪拌接合された摩擦攪拌接合体において、前記攪拌軸の回転中心軸を前記接合部の始端部からずらすように前記ボビンツールを前記一対の被接合部材に対して配置し、前記ボビンツールを回転させながら前記攪拌軸の前記回転中心軸を前記接合部からずらして進行させた後、前記攪拌軸の前記回転中心軸を前記接合部に沿わせるように前記ボビンツールを進行させることにより、前記接合端面同士を接合されたものである。
【発明の効果】
【００１４】
上記摩擦攪拌接合方法は、攪拌軸の回転中心軸を接合部からずらしてボビンツールを進行させ、攪拌軸の回転により軟化した材料が攪拌軸の後方へ回り込んで攪拌軸の進路を閉じるようにしてから、攪拌軸の回転中心軸を接合部に沿わせるようにボビンツールを進行させるので、一対の被接合部材の接合部が連続して接される。よって、上記摩擦攪拌接合方法によれば、ピン孔を設けてそのピン孔に攪拌軸を挿通してボビンツールを取り付けなくても、攪拌軸の回転中心軸を接合部の始端部からずらしてボビンツールを配置するだけで、一対の被接合部材を簡単且つ適切に接合することができる。
【００１５】
そして、摩擦温度が摩擦攪拌接合に適した所定の温度に達するまで攪拌軸の回転中心軸を接合部からずらすようにボビンツールを進行させれば、攪拌軸の回転中心軸を接合部に沿わせて移動させると同時に一対の被接合部材の接合部を連続して適切に接合できる。
【００１６】
そして、攪拌軸の進行側で発生する摩擦温度が前記摩擦攪拌接合に適した所定の温度になるまで攪拌軸を接合部からずらしてボビンツールを進行させる進行速度を、前記攪拌軸を前記接合部に沿わせて前記ボビンツールを進行させる進行速度より低速にすれば、接合部を接合できない部分を少なくできる。
【００１７】
そして、被接合部材の端面位置から接合部に向かって攪拌軸を斜めに移動させて攪拌軸の回転中心軸を接合部に一致させるようにすれば、被接合部材の端面位置から接合部を適切に接合し始める位置までの距離を短くして、接合不良を生じる部分を少なくできる。
【００１８】
そして、攪拌軸の回転中心軸を接合部の始端部から攪拌軸の直径の３２分の１以上ずらした位置に配置して接合を開始すれば、短い距離で攪拌軸を接合部に合流させることができ、接合不良を生じて廃棄する材料を少なくできる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施形態に係る摩擦攪拌接合方法を概念的に示した図である。
【図２】図１のＡ矢視図である。
【図３】攪拌軸の中心軸を接合部の始端部からずらす量と、接合の可否との関係を調べる実験の実験結果を示す。
【図４】本発明の摩擦攪拌接合方法の実施例を示す図である。
【図５】摩擦攪拌接合後の模式図を示す図である。
【図６】摩擦攪拌接合方法の変形例である。
【図７】摩擦攪拌接合を説明する図である。
【図８】摩擦攪拌接合方法の従来例を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
続いて、本発明に係る摩擦攪拌接合方法及び摩擦攪拌接合体の一実施形態について図面を参照して説明する。
【００２１】
図１は、本発明の実施形態に係る摩擦攪拌接合方法を概念的に示した図である。図２は、図１のＡ矢視図である。
本実施形態の摩擦攪拌接合方法は、一対の被接合部材１１１，１１２の接合部１１３の始端部１１３ａから攪拌軸１２３の回転中心軸Ｑをずらしてボビンツール１２０を配置した後、ボビンツール１２０を高速回転させて摩擦攪拌接合することにより、適切な摩擦攪拌接合を簡単に実現できるようにしたものである。
【００２２】
図１及び図２に示すように、被接合部材１１１，１１２は接合端面１１１ａ，１１２ａが一定の板厚を有する。ボビンツール１２０は、上回転体１２１と下回転体１２２が被接合部材１１１，１１２の表裏両面に密着するように一定間隔を空けて攪拌軸１２３に固定されている。ボビンツール１２０は、図示しない制御装置によって動作を自動制御される。図示しない制御装置には、ボビンツール１２０を攪拌軸１２３を中心に高速回転させながら図１に示す軌道Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３に沿って進行させることにより摩擦攪拌接合を行うプログラムが格納されている。このプログラムは、ボビンツール１２０が軌道Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３を進行する進行速度も制御する。以下、このプログラムにより実行される摩擦攪拌接合手順を説明する。
【００２３】
図１及び図２に示すように、一対の被接合部材１１１，１１２は、接合端面１１１ａ，１１２ａ同士を突き合わせてセットされる。作業者が図示しない制御装置に摩擦攪拌接合開始指示を入力すると、図示しない制御装置は、プログラムを起動して被接合部材１１１，１１２の摩擦攪拌接合を行う。
【００２４】
すなわち、接合端面１１１ａ，１１２ａ同士を突き合わせた接合部１１３の始端部１１３ａから攪拌軸１２３の回転中心軸Ｑを一方の被接合部材１１１側へずらし、一方の被接合部材１１１の端面位置１１１ｂに攪拌軸１２３を接触させるようにボビンツール１２０を配置する。図１及び図２では、ボビンツール１２０は、上回転体１２１と下回転体１２２とが始端部１１３ａに重ならないように攪拌軸１２３の回転中心軸Ｑを始端部１１３ａからずらしているが、上回転体１２１と下回転体１２２とを始端部１１３ａに重ねつつ攪拌軸１２３の回転中心軸Ｑを始端部１１３ａからずらすようにしても良い。これにより、被接合部材１１１，１１２の表裏両面が、ボビンツール１２０の上回転体１２１と下回転体１２２とに挟み込まれて加圧される。
【００２５】
そして、ボビンツール１２０は、高速回転しながら、予めプログラミングされた図１の軌道Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３に沿って進行する。すなわち、図１の軌道Ｄ１に示すように、ボビンツール１２０が接合部１１３の始端部１１３ａからずれた被接合部材１１１の端面位置１１１ｂに攪拌軸１２３を接触させた状態で高速回転すると、被接合部材１１１と攪拌軸１２３の接触部分が温度上昇して軟化する。このとき、ボビンツール１２０が接合部１１３と平行に移動して、被接合部材１１１の軟化した端面位置１１１ｂに攪拌軸１２３を押し込む。攪拌軸１２３の回転中心軸Ｑを始端部１１３ａに一致させて攪拌軸１２３を接合部１１３に押し込むと、材料が攪拌軸１２３の後方へ回り込まずに飛び散り、攪拌軸１２３の後方を閉じることができないが、攪拌軸１２３の回転中心軸Ｑを始端部１１３ａからずらして接合を行うビードオン接合では、材料が飛び散らずに攪拌軸１２３の後方へ回り込んで残り、攪拌軸１２３の後方を閉じていく。
【００２６】
ボビンツール１２０が図１のＦ方向へ進行するにつれて、攪拌軸１２３の進行側の摩擦温度が上昇していき、摩擦攪拌接合に適した所定の温度、すなわち材料を攪拌軸１２３の周りに沿って後方へ十分に送ることができる温度（以下「目標温度」という。）に達する。そこで、軌道Ｄ１の長さは、摩擦温度が目標温度に達するまで攪拌軸１２３の回転中心軸Ｑを接合部１１３からずらした状態でボビンツール１２０を図中Ｆ方向へ進行させて予熱を行うように、設定される。
【００２７】
ここで、軌道Ｄ１に沿ってボビンツール１２０を移動させる間、接合部１１３が接合されないため、軌道Ｄ１をできるだけ短くすることが望ましい。そのため、ボビンツール１２０は、目標温度に予熱するための軌道Ｄ１を進行する進行速度が、後述するように接合部１１３を接合するための軌道Ｄ３を進行する進行速度より低速に設定されている。
【００２８】
ボビンツール１２０が軌道Ｄ１の終点まで進行したことをセンサ等で確認したら、図１の軌道Ｄ２に示すように、ボビンツール１２０を接合部１１３へ向かって移動させ、攪拌軸１２３の回転中心軸Ｑを接合部１１３に合流させて一致させる。ボビンツール１２０は、摩擦攪拌接合時の進行速度になるように加速しながら移動し、攪拌軸１２３の回転中心軸Ｑが接合部１１３に合流すると同時にボビンツール１２０を摩擦攪拌接合に適した速度で進行させ、摩擦攪拌接合にかかる時間を短くできるようにしている。
【００２９】
図１の軌道Ｄ３に示すように、攪拌軸１２３が接合部１１３に合流したときには、すでに摩擦温度が目標温度に達しているので、攪拌軸１２３が接合部１１３に合流して接合を開始する接合開始位置Ｐにおいて、材料が周りに飛び散らずに攪拌軸１２３の後方を閉じるように流れる。よって、一対の被接合部材１１１，１１２の接合部１１３は、接合開始位置Ｐから連続して接合される。
【００３０】
接合部１１３の終端部まで摩擦攪拌接合された摩擦攪拌接合体は、被接合部材１１１，１１２の端面位置１１１ｂ，１１２ｂから接合開始位置Ｐまでの接合部１１３が接合されていないので、接合開始位置Ｐで被接合部材１１１，１１２の端部を切り落とされた後、搬出される。ボビンツール１２０は、摩擦攪拌接合終了後、初期位置に復帰する。これにより、一連の摩擦攪拌接合動作が終了する。
【００３１】
従って、本実施形態の摩擦攪拌接合方法は、攪拌軸１２３の回転中心軸Ｑを接合部１１３からずらしてボビンツール１２０を進行させ、攪拌軸１２３の回転により軟化した材料が飛び散らずに攪拌軸１２３の後方へ回り込んで攪拌軸１２３の進路を閉じるようにしてから、攪拌軸１２３の回転中心軸Ｑを接合部１１３に沿わせるようにボビンツール１２０を進行させるので、一対の被接合部材１１１，１１２の接合部１１３を連続して接合することが可能である。このような摩擦攪拌接合方法によれば、図８に示す従来の摩擦攪拌接合方法のようにピン孔１３０を被接合部材１１１，１１２に設ける必要がない。また、ピン孔１３０に攪拌軸１２３を挿通するために上回転体１２１と下回転体１２２とを分解して再組立する煩わしい作業も必要でない。よって、本実施形態の摩擦攪拌接合方法によれば、図１に示すように攪拌軸１２３の回転中心軸Ｑを接合部１１３の始端部１１３ａからずらして被接合部材１１１の端面位置１１１ｂに攪拌軸１２３を突き当てて上回転体１２１と下回転体１２２との間で被接合部材１１１を挟み込むだけで、簡単且つ適切に一対の被接合部材１１１，１１２を接合できる。
【００３２】
また、本実施形態の摩擦攪拌接合方法によれば、摩擦温度が目標温度に達するまで攪拌軸１２３の回転中心軸Ｑを接合部１１３からずらしてボビンツール１２０を進行させ、予熱を行うので、攪拌軸１２３の回転中心軸Ｑを接合部１１３に沿わせて移動させると同時に一対の被接合部材１１１，１１２を連続して適切に接合できる。
【００３３】
また、本実施形態の摩擦攪拌接合方法によれば、摩擦温度を目標温度に予熱するまで、ボビンツール１２０の進行速度を攪拌軸１２３を接合部１１３に沿わせて移動させる際の進行速度より低速にしているので、端面位置１１１ｂから接合開始位置Ｐまでの接合不良発生部分の距離が短く、材料の無駄が少なくて済む。
【００３４】
また、本実施形態の摩擦攪拌接合方法によれば、従来のようにボビンツール１２０の取り外しが必要でないため、摩擦攪拌接合を完全自動化して作業効率を向上させ、摩擦攪拌接合にかかるコストを安くできる。
【００３５】
ところで、発明者らは、攪拌軸１２３の回転中心軸Ｑを接合部１１３の始端部１１３ａからずらす量と、接合の可否との関係を調べる実験を行った。実験では、接合速度を４００〜２５００ｍｍ／ｍｉｎ、ボビンツール１２０の回転数を３３０〜２０００ｒｐｍとした。この実験結果を図３に示す。
接合部１１３の始端部１１３ａから攪拌軸１２３の回転中心軸Ｑまでの距離を０ｍｍにした場合、すなわち、攪拌軸１２３の回転中心軸Ｑと接合部１１３の始端部１１３ａとを一致させた場合には、ワークの状況に依存して接合が極めて困難であった。また、接合部１１３の始端部１１３ａから攪拌軸１２３の回転中心軸Ｑまでの距離を、攪拌軸１２３の直径Ｄの６４分の１にした場合にも、ワークの状況に依存して接合が極めて困難であった。これに対して、接合部１１３の始端部１１３ａから攪拌軸１２３の回転中心軸Ｑまでの距離を、攪拌軸１２３の直径Ｄの３２分の１、１６分の１、８分の１、４分の１、２分の１にした場合には、ワークの状況によらず接合部１１３を接合できた。
なお、ワークの状況とは、ワークの板厚の公差内のばらつき、治具により拘束した際の接合線の隙間（ギャップ）や目違い等の位置のばらつき、その他気温の違いなど、同一条件を再現しようとしても実用上避けることが困難なばらつきがある状況をいう。
【００３６】
上記実験結果より、ボビンツール１２０により被接合部材１１１，１１２を突き合わせた接合部１１３を接合する場合には、攪拌軸１２３の回転中心軸Ｑを接合部１１３の始端部１１３ａからずらす量を、攪拌軸１２３の直径の３２分の１以上にすることが好ましいことが判明した。
【００３７】
このように、本実施形態の摩擦攪拌接合方法では、少なくとも、攪拌軸１２３の直径の３２分の１だけ攪拌軸１２３の回転中心軸Ｑを接合部１１３の始端部１１３ａからずらせば接合部１１３を接合できるので、攪拌軸１２３の回転中心軸Ｑを始端部１１３ａ側から接合部１１３へ短距離で合流させることができる。この結果、接合不良を生じる始端部１１３ａから接合開始位置Ｐまでの距離が短くなり、接合開始位置Ｐで切断して廃棄する材料を少なくできる。
【実施例】
【００３８】
図４は、本発明の摩擦攪拌接合方法の実施例を示す図である。図５は、摩擦攪拌接合後の模式図である。
本実施例では、図４に示すように、鉄道車両構体に使用される押し出し中空型材５０Ａ，５０Ｂを摩擦攪拌接合により接合する。中空型材５０Ａ，５０Ｂは、アルミニウム合金を材質とし、長手方向長さが２０ｍほどになる長尺なものである。中空型材５０Ａ，５０Ｂは、上面板５１Ａ，５１Ｂと下面板５２Ａ，５２Ｂとを梁５３Ａ，５３Ｂで接続するトラス構造になっている。一方、ボビンツール１２０は、上回転体１２１と下回転体１２２が円筒形状をなし、上面板５１Ａ，５１Ｂと下面板５２Ａ，５２Ｂの板厚と同じ量だけ間隔を空けて攪拌軸１２３に固定されている。攪拌軸１２３は、丸棒形状をなす。一対の中空型材５０Ａ，５０Ｂは、上面板５１Ａ，５１Ｂ同士を突き合わせた接合部５５と、下面板５２Ａ，５２Ｂ同士を突き合わせた接合部５６が、ボビンツール１２０を用いて摩擦攪拌接合される。
【００３９】
すなわち、接合部５５の始端部から中空型材５０Ａ側へ攪拌軸１２３の回転中心軸Ｑを攪拌軸１２３の直径の３２分の１ずらして上回転体１２１と下回転体１２２との間で上面板５１Ａ，５１Ｂを挟むようにボビンツール１２０を配置し、ボビンツール１２０を高速回転させて攪拌軸１２３を中空型材５０Ａの上面板５１Ａに押し込む。ボビンツール１２０が上面板５１Ａの端面位置から攪拌軸１２３の直径と等しい程度進行すると、攪拌軸１２３と上面板５１Ａとの間で発生する摩擦温度が摩擦攪拌接合に適した温度に達する。そこで、攪拌軸１２３を斜めに移動させて回転中心軸Ｑを接合部５５に合流させるようにボビンツール１２０を進行させる。そして、攪拌軸１２３の回転中心軸Ｑを接合部５５に沿わせるようにボビンツール１２０を進行させ、上面板５１Ａ，５１Ｂの接合部５５を接合する。図５に示すように、接合部５５の接合が完了したら、ボビンツール１２０を初期位置に戻し、一対の中空型材５０Ａ，５０Ｂを上下反転させる。そして、接合部５６から攪拌軸１２３の中心を攪拌軸１２３の直径の３２分の１ずらしてボビンツール１２０を配置し、上記接合部５５と同様に接合部５６を接合する。接合部５６の接合が完了したら、接合部５５，５６を接合開始位置Ｐ（図５参照）でそれぞれ切断して、中空型材５０Ａ，５０Ｂの端部を切り落とし、摩擦攪拌接合体を完成させる。
【００４０】
このように中空型材５０Ａ，５０Ｂは、攪拌軸１２３を接合部５５，５６の始端部からずらしてボビンツール１２０を配置すれば、２０ｍもの接合部５５，５６を簡単且つ適切に接合できるので、作業効率が良く、コストを削減できる。そして、ボビンツール１２０を用いた摩擦攪拌接合は溶融溶接やロウ付けよりも低温で被接合部材を接合するので、長尺な中空型材５０Ａ，５０Ｂを摩擦攪拌接合した場合でも、接合時の熱変形や接合部５５，５６の酸化などにより接合不良が生じにくい。そして、中空型材５０Ａ，５０Ｂは、全長２０ｍに対して、接合不良により切り落とされる各端部の長さが僅かであるので、特に中空型材５０Ａ，５０Ｂにピン孔を空けるなどの加工を施さなくても、接合開始位置で端部を切り落とすことにより生じる材料の無駄が少なくて済む。
【００４１】
以上、本発明の摩擦攪拌接合方法及び摩擦攪拌接合体の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。
上記実施形態では、攪拌軸１２３を接合部１１３の始端部１１３ａからずらして被接合部材１１１の端面位置１１１ｂから接合部１１３と平行にボビンツール１２０を移動させることにより予熱を行った。これに対して、図６の軌道Ｄ４に示すように、攪拌軸１２３の回転中心軸Ｑを接合部１１３の始端部１１３ａからずらした位置から攪拌軸１２３を斜めに移動させながら予熱とボビンツール１２０の進行速度の加速を同時に行い、ボビンツール１２０の軌道を簡単にしても良い。
ボビンツール１２０の攪拌軸１２３の軌道Ｄ１が端面位置１１２ｂを通過するようにボビンツール１２０を配置しても良い。
上記実施形態では、被接合部材１１１，１１２の板厚が一定であるが、例えば、接合強度を母材強度と同程度又は母材強度以上とするために、被接合部材１１１，１１２が接合部分の肉厚を厚くされている場合には、攪拌軸１２３を接合部１１３の始端部１１３ａからずらす量は肉厚な範囲に限定される。
上記実施形態では、被接合部材１１１，１１２が端面位置１１１ｂ，１１２ｂを揃えてセットしたが、端面位置１１１ｂ，１１２ｂをずらすように被接合部材１１１，１１２をセットすることにより、攪拌軸１２３を接合部１１３からずらす方向を明示しても良い。
上記実施形態では、ボビンツール１２０が軌道Ｄ１に沿って進行する距離によって摩擦温度が目標温度に達したと推定するが、ボビンツール１２０の動作（回転速度や回転量、、進行距離など）と摩擦熱との関係を被接合部材の特質（材料、熱特性など）別に図示しない制御装置に記憶しておき、ボビンツール１２０の動作測定値（回転速度測定値、回転量測定値、進行距離測定値など）から摩擦温度を推定しても良い。また、摩擦温度は実測しても良い。
【符号の説明】
【００４２】
１１１，１１２ 被接合部材
１１３ 接合部
１１３ａ 始端部
１２０ ボビンツール
１２３ 攪拌軸
Ｑ 回転中心軸
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の被接合部材の接合端面同士を突き合わせた接合部をボビンツールの上回転体と下回転体との間で挟み込み、前記上回転体と前記下回転体との間の攪拌軸を前記接合部に挿入し、前記接合部に沿って前記ボビンツールを前記一対の被接合部材と相対的に移動させることにより前記一対の被接合部材を接合する摩擦攪拌接合方法において、
前記攪拌軸の回転中心軸を前記接合部の始端部からずらすように前記ボビンツールを前記一対の被接合部材に対して配置し、前記ボビンツールを回転させながら前記攪拌軸の前記回転中心軸を前記接合部からずらして進行させた後、前記攪拌軸の前記回転中心軸を前記接合部に沿わせるように前記ボビンツールを進行させて前記一対の被接合部材を接合する
ことを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
【請求項２】
請求項１に記載する摩擦攪拌接合方法において、
前記攪拌軸の進行側で発生する摩擦温度が摩擦攪拌接合に適した所定の温度に達するまで、前記攪拌軸の前記回転中心軸を前記接合部からずらして前記ボビンツールを進行させる
ことを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載する摩擦攪拌接合方法において、
前記攪拌軸の進行側で発生する摩擦温度が前記摩擦攪拌接合に適した所定の温度になるまで前記攪拌軸を前記接合部からずらして前記ボビンツールを進行させる進行速度が、前記攪拌軸を前記接合部に沿わせて前記ボビンツールを進行させる進行速度より低速である
ことを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３の何れか１つに記載する摩擦攪拌接合方法において、
前記被接合部材の端面位置から前記接合部に向かって前記攪拌軸を斜めに移動させて前記回転中心軸を前記接合部に一致させる
ことを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４の何れか１つに記載する摩擦攪拌接合方法において、
前記回転中心軸を前記接合部の始端部からずらす量が、前記攪拌軸の直径の３２分の１以上である
ことを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
【請求項６】
一対の被接合部材の接合端面同士を突き合わせた接合部にボビンツールの攪拌軸を挿入し、前記ボビンツールを前記一対の被接合部材と相対的に移動させることにより摩擦攪拌接合された摩擦攪拌接合体において、
前記攪拌軸の回転中心軸を前記接合部の始端部からずらすように前記ボビンツールを前記一対の被接合部材に対して配置し、前記ボビンツールを回転させながら前記攪拌軸の前記回転中心軸を前記接合部からずらして進行させた後、前記攪拌軸の前記回転中心軸を前記接合部に沿わせるように前記ボビンツールを進行させることにより、前記接合端面同士を接合されたものである
ことを特徴とする摩擦攪拌接合体。
【請求項１】
一対の被接合部材の接合端面同士を突き合わせた接合部をボビンツールの上回転体と下回転体との間で挟み込み、前記上回転体と前記下回転体との間の攪拌軸を前記接合部に挿入し、前記接合部に沿って前記ボビンツールを前記一対の被接合部材と相対的に移動させることにより前記一対の被接合部材を接合する摩擦攪拌接合方法において、
前記攪拌軸の回転中心軸を前記接合部の始端部からずらすように前記ボビンツールを前記一対の被接合部材に対して配置し、前記ボビンツールを回転させながら前記攪拌軸の前記回転中心軸を前記接合部からずらして進行させた後、前記攪拌軸の前記回転中心軸を前記接合部に沿わせるように前記ボビンツールを進行させて前記一対の被接合部材を接合する
ことを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
【請求項２】
請求項１に記載する摩擦攪拌接合方法において、
前記攪拌軸の進行側で発生する摩擦温度が摩擦攪拌接合に適した所定の温度に達するまで、前記攪拌軸の前記回転中心軸を前記接合部からずらして前記ボビンツールを進行させる
ことを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載する摩擦攪拌接合方法において、
前記攪拌軸の進行側で発生する摩擦温度が前記摩擦攪拌接合に適した所定の温度になるまで前記攪拌軸を前記接合部からずらして前記ボビンツールを進行させる進行速度が、前記攪拌軸を前記接合部に沿わせて前記ボビンツールを進行させる進行速度より低速である
ことを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３の何れか１つに記載する摩擦攪拌接合方法において、
前記被接合部材の端面位置から前記接合部に向かって前記攪拌軸を斜めに移動させて前記回転中心軸を前記接合部に一致させる
ことを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４の何れか１つに記載する摩擦攪拌接合方法において、
前記回転中心軸を前記接合部の始端部からずらす量が、前記攪拌軸の直径の３２分の１以上である
ことを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
【請求項６】
一対の被接合部材の接合端面同士を突き合わせた接合部にボビンツールの攪拌軸を挿入し、前記ボビンツールを前記一対の被接合部材と相対的に移動させることにより摩擦攪拌接合された摩擦攪拌接合体において、
前記攪拌軸の回転中心軸を前記接合部の始端部からずらすように前記ボビンツールを前記一対の被接合部材に対して配置し、前記ボビンツールを回転させながら前記攪拌軸の前記回転中心軸を前記接合部からずらして進行させた後、前記攪拌軸の前記回転中心軸を前記接合部に沿わせるように前記ボビンツールを進行させることにより、前記接合端面同士を接合されたものである
ことを特徴とする摩擦攪拌接合体。
【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２０１１−６０６（Ｐ２０１１−６０６Ａ）
【公開日】平成２３年１月６日（２０１１．１．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１４４６７８（Ｐ２００９−１４４６７８）
【出願日】平成２１年６月１７日（２００９．６．１７）
【出願人】（０００００４６１７）日本車輌製造株式会社 (722)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１月６日（２０１１．１．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年６月１７日（２００９．６．１７）
【出願人】（０００００４６１７）日本車輌製造株式会社 (722)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]