摩擦攪拌接合方法
【課題】軟化温度が異なる異種材料を摩擦攪拌用ツールを用いて接合するに際し、軟化温度の低い方の金属部材に割れや空洞欠陥を発生することなく、接合部の強度を高く保持できるようにする。
【解決手段】軟化温度が異なる第１及び第２の金属部材の板状部３及び２を重ね合わせ接合する方法において、軟化温度が高い方の第２の金属部材２の板状部の接合箇所に溝５を設け、軟化温度が低い方の第１の金属部材３の溝５に対面する部位を摩擦攪拌用ツール６で塑性流動を生じさせながら、該摩擦攪拌用ツールのプローブ６ａの先端を該塑性流動箇所を通して溝５の内部に挿入し、該プローブの先端を溝５に挿入しながら回転させることにより塑性流動した第１の金属部材３を該溝内に押し込む押し込み力を発生させて、塑性流動材３ａを溝５に充填させ冷却固化させる。
【解決手段】軟化温度が異なる第１及び第２の金属部材の板状部３及び２を重ね合わせ接合する方法において、軟化温度が高い方の第２の金属部材２の板状部の接合箇所に溝５を設け、軟化温度が低い方の第１の金属部材３の溝５に対面する部位を摩擦攪拌用ツール６で塑性流動を生じさせながら、該摩擦攪拌用ツールのプローブ６ａの先端を該塑性流動箇所を通して溝５の内部に挿入し、該プローブの先端を溝５に挿入しながら回転させることにより塑性流動した第１の金属部材３を該溝内に押し込む押し込み力を発生させて、塑性流動材３ａを溝５に充填させ冷却固化させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、軟化温度の異なる異種金属部材を重ね合わせて摩擦攪拌接合方法により接合する場合に、軟化温度の高い方の金属部材の内部に空洞欠陥や割れ等を生じることなく、強度のある接合部を形成することができる摩擦攪拌接合方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に突き合せ状態又は重ね合わせ状態に配置した2個の接合部材を接合する摩擦攪拌接合法は、固相接合法の一つであり、接合部材の突き合せ部又は重ね合わせ部に回転しているプローブを挿入し、このプローブとショルダとの接触部を摩擦熱にて軟化させ攪拌しながら塑性流動させ、プローブを突き合わせ部又は重ね合わせ部に沿って移動させながら塑性流動部を冷却固化し、両者を接合させるものである。
【０００３】
このような摩擦攪拌接合法は、固相接合であるため、接合部材の材料の種類に制限を受けないとか、ＭＩＧ，ＴＩＧ，レーザ溶接等といった溶融溶接法と比較して接合時の熱歪みによる変形が少ない等の利点がある。
しかしながらその接合部材の材料の適用範囲は、ＡｌやＣｕなどの低温で塑性流動し易い材料に限定されており、鉄鋼材料等の難塑性流動材への適用は制限されている。
【０００４】
鉄鋼材料などの軟化温度の高い材料に対してプローブを当てると、プローブが破損するおそれがあり、従ってＡｌやＣｕなどの低温で塑性流動し易い材料と鉄鋼材料等の難塑性流動材とを摩擦攪拌接合法で接合することは、接合欠陥を生じやすく、健全な接合部が得られにくいため、異種金属部材の接合方法について、従来様々な工夫が試みられてきた。
【０００５】
例えば特許文献１（特開２００３−２６６１８３号公報）では、難塑性流動材料同士を摩擦攪拌接合法で突き合せ接合する場合に、その突き合せ接合面に塑性流動しやすい中間部材を介在させ、難塑性流動材料側の突き合せ面に凹部を設け、中間部材上に摩擦攪拌用ツールのプローブを押し当て摩擦攪拌しながらプローブを中間部材の内部に挿入し、中間部材の材料を該凹部にならうように塑性流動させる方法が開示されている。
【０００６】
また特許文献２（特開２００４−４２１１７号公報）には、異種材料同士を突き合せ接合する場合に、プローブを突き合せ面近傍の一方の塑性流動しやすい部材側に挿入し、他方の難塑性流動部材にはプローブを挿入しないようにし、プローブを挿入した側の部材のみを塑性流動させることで、塑性流動によって接合界面での原子の拡散を促進させて、拡散接合させるものである。特許文献２の図５には、難塑性流動部材側の突き合せ面に凹部を設け、塑性流動した部材を該凹部に導入させることにより、その楔効果で機械的結合力を付加するようにした手法が開示されている。
【０００７】
また特許文献３（特開２００５−２８８５２５号公報）には、材質及び硬度が異なる金属部材を重ね合わせて点接合するに際し、硬度の低い金属部材側に凸型治具を配置する一方、硬度の高い金属部材側に凹型治具を配置して、点接合する部位に対して、凸型治具の凸部を硬度の低い金属部材の表面側から差し込むことにより、凹型治具の凹所内に２種の金属を押し込んだ後、凸型治具の回転を開始して、硬度の低い金属部材を塑性流動せしめて、両者を点接合する方法が開示されている。
【０００８】
また従来リニアモータカー用のリアクションプレートは、台車側の一次鉄心及び一次導体に対応する二次鉄心及び二次導体及びそれらを水平に支持する架台とから構成されている。うず電流が流れる二次導体が、リニアモータの磁路を構成する二次鉄心の上側に一体的に結合される。
二次導体は通常アルミや銅からなり、二次鉄心と材質が異なるため、これらを溶接で接合することができず、従って従来爆着法、または圧着法を採用し、また二次鉄心と架台とのずれを防止するため、これらを隅肉溶接していた。
【０００９】
あるいは非特許文献１（川崎製鉄技報Ｖｏｌ．２２ Ｎｏ．３ １９９０）に開示されているように、二次導体と二次鉄心とアンカーボンド法で接合する方法も行われていたが、この機械的接合方法は、過去熱間圧延では困難とされていたアリ溝を平鋼の表面に成形し、そのアリ溝内にアルミ板又は銅板の突出部を冷間加工で塑性変形により充填させ接合するものである。
【００１０】
【特許文献１】特開２００３−２６６１８３号公報
【特許文献２】特開２００４−４２１１７号公報（段落［００２３］、図５）
【特許文献３】特開２００５−２８８５２５号公報
【非特許文献１】川崎製鉄技報Ｖｏｌ．２２ Ｎｏ．３ １９９０
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら特許文献１に開示された方法は、プローブを回転可能に支持しているプローブ上方のショルダ部が鉄鋼材料等の難塑性流動材料の表面に当って破損するおそれがある。またプローブが突き合せ面に設けた凹部に挿入されていないので、塑性流動された中間部材が該凹部に容易に入り込むことができない。また塑性流動された中間部材が該凹部に入り込んだとしても、前述のようにショルダ部が難塑性流動材料の表面に当ってしまうので、塑性流動された中間部材に押し込み力を付与することができず、従って中間部材の内部に空洞欠陥や割れが発生し、強度が低下するという問題がある。
【００１２】
また特許文献２に開示された方法は、ショルダ部が当る難塑性流動部材表面を塑性流動しやすい部材と同材質の部材で覆うようにしたので、ショルダ部が破損するおそれはなくなるが、特許文献２と同様に、プローブが突き合せ面に設けた凹部に挿入されていないので、塑性流動した部材が該凹部に容易に入り込まず、また塑性流動された中間部材が該凹部に入り込んだとしても、それに伴って中間部材の内部に空洞欠陥や割れが発生し、強度が低下するという問題がある。
【００１３】
また特許文献３に開示された方法は、凸型治具を重ね合わせた異種金属部材に挿入して塑性変形させるので、大きな荷重が凸型治具に加わり、凸型治具を破損させるおそれがある。また硬度の異なる異種の金属部材が重ね合わされた状態で変形されるため、硬度の低い方の金属部材が圧迫されて膜状を保つことができず、凸型治具の周辺に硬度の低い金属部材からなるバリを形成してしまうという問題がある。
【００１４】
またリニアモータカー用のリアクションプレートには車両側からかなり強い引張り力が働くため、二次導体が長手方向両端部から剥がれるおそれがある。従来行なわれていた爆着法、圧着法や、非特許文献１に開示されたアンカーボンド法による接合方法は、大掛かりな装置を必要とし、手軽に施工することができないという問題がある。また従来二次鉄心と架台間は隅肉溶接で接合していたが、車両からの強い引張り力で隅肉溶接部に割れが発生してしまうという問題がある。
【００１５】
本発明は、かかる従来技術の課題に鑑み、軟化温度が異なる異種材料を摩擦攪拌用ツールを用いて接合するに際し、軟化温度の低い方の金属部材に割れや空洞欠陥を発生することなく、接合部の強度を高く保持できる接合方法を提案することを目的とする。
また特にリニアモータカー用のリアクションプレートを構成する二次鉄心と二次導体との接合を簡易な方法で接合部の構造的な欠陥を生じることなく達成可能な摩擦攪拌法を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
前記目的を達成するため、本発明の摩擦攪拌接合方法は、
軟化温度が異なる第１及び第２の金属部材の板状部を重ね合わせ接合する方法において、
軟化温度が高い方の第２の金属部材の板状部の接合箇所に溝を設け、
軟化温度が低い方の第１の金属部材の該溝に対面する部位を摩擦攪拌用ツールで塑性流動を生じさせながら、該摩擦攪拌用ツールのプローブの先端を該塑性流動部位を通して前記溝の内部に挿入し、
該プローブの先端を前記溝に挿入しながら回転させることにより塑性流動した第１の金属部材を該溝内に押し込む押し込み力を発生させて、該塑性流動部材を該溝に充填させ冷却固化させるものである。
【００１７】
本発明において、摩擦攪拌用ツールのプローブは、前記溝の内部で回転させることにより、第１の金属部材からなる塑性流動材が溝の内部へ押し込められる押し込み力を発生させる構造のものを使用する。例えばプローブ周面にネジ部を設けるか、あるいはプローブを先細りに傾斜した円錐形状とする。プローブ周面にネジ部を設ける場合、左ネジとした場合プローブを時計方向に回転させ、右ネジとした場合プローブを反時計方向に回転させるようにする。
【００１８】
塑性流動材は、冷却固化したときに収縮しないため、溝内で空隙を生じることがない。従って接合部の強度が保持される。また該溝の形状は、奥にいくほど面積が拡大される楔形状とすれば、塑性流動材が溝内に充填され、冷却固化したときに楔効果により接合部の結合力が強固になる。
【００１９】
また塑性流動材が該溝に充填されたとき、溝に充填された分だけ第１の金属部材表面に凹みが生じる。そのため溝内に予め第１金属部材と同じ材質の補充材を入れておくことによって、凹みを生じないようにすることができる。あるいは第１の金属部材の溝に対面する部位の上面又は下面に該溝の幅に相当する幅と該溝の容積に相当する容積を有する凸部を設けたり、あるいは第１の金属部材の溝に対面する部位の上面に該溝の幅に相当する幅と該溝の容積に相当する容積を有する第１の金属材料からなる補充材を予め設置しておけば、第１金属部材の表面に凹みを生じない。
【００２０】
また前記溝は、延設された線状か、あるいはスポット状に形成することができる。該溝を延設された線状に形成したとき、第１の金属部材の該溝に対面する部位を摩擦攪拌用ツールで塑性流動を生じさせながら、該摩擦攪拌用ツールのプローブの先端を該塑性流動部位を通して該溝の内部に挿入し、該プローブを該溝の内部に挿入したまま該溝に沿って摩擦攪拌用ツールを移動させることにより線状の接合部を連続的に形成することができる。
【００２１】
また前記溝をスポット状に形成したとき、該溝の内面に雌ねじを形成し、第１の金属部材からなる塑性流動材を該溝に該雌ねじに対する雄ねじを形成するように充填すれば、塑性流動材が冷却固化したとき第１の金属部材と第２の金属部材とをボルト結合した状態となり、強固な結合力を得ることができる。
また第１の金属部材の厚さを、必要板厚に該第１の金属部材が塑性流動して前記溝に充填されることにより伴う該第１の金属部材の凹み量に相当する分の削り代を付加して設定し、摩擦攪拌接合後、該削り代を切削するようにしてもよい。
【００２２】
また本発明は、特にリニアモータカー用リアクションプレートの製造に適用して好適である。即ち第１の金属部材がリニアモータカー用リアクションプレートの二次導体であり、第２の金属部材が該リアクションプレートの架台又は該架台に取り付けられた二次鉄心であり、該架台又は該二次鉄心の該二次導体との重ね合わせ面に線状又はスポット状の溝を形成し、該溝内に該二次導体の塑性流動材を充填することにより接合部を形成することができる。これにより従来のように爆着法、圧着法やアンカーボンド法のように大掛かりな設備、施工を必要としない。
【００２３】
さらには前記架台又は二次鉄心の長手方向に全長に亘って複数の線状溝を設けるとともに、該架台又は前記二次鉄心の長手方向両端部に該線状溝の間に複数のスポット状溝を形成し、線状溝及びスポット状溝に二次導体の塑性流動材を充填するようにすれば、特に剥がれやすい二次導体両端部の接合強度を大きくすることができる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明方法によれば、軟化温度が高い第２の金属部材の板状部の接合箇所に溝を設け、軟化温度が低い方の第１の金属部材の該溝に対面する部位を摩擦攪拌用ツールで塑性流動を生じさせながら、該摩擦攪拌用ツールのプローブの先端を該塑性流動箇所を通して溝の内部に挿入し、該プローブの先端を溝に挿入しながら回転させることにより塑性流動した第１の金属部材を該溝内に押し込む押し込み力を発生させて、該塑性流動材を該溝に充填させるようにしたため、塑性流動材に対して溝内への十分な押し込み力が働き、かつ溝内で十分な攪拌力が働き、十分な強度を有する接合部を形成できる。
【００２５】
また前記従来方法のように、塑性流動材の溝内への充填に伴う軟化温度の低い第１金属部材中に割れや空洞欠陥が生じることがなく、また好ましくは、第１金属部材と同材質の補充材を予め溝内に充填するか、あるいは第１金属部材からなる凸部を第１金属部材の該溝内に対面する部位の上面又は下面に設けることによって、塑性流動材の溝内への充填に伴う凹みを防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明を図に示した実施例を用いて詳細に説明する。但し、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明をそれのみに限定する趣旨ではない。
図１（ａ）は、本発明をリニアモータカー用のリアクションプレートの製造に適用した第１実施例の断面立面図（（ｂ）のＡ−Ａ断面）、（ｂ）は同じく平面図、図２は、第１実施例での摩擦攪拌接合法を示す説明図、図３の（ａ）は、同じくリアクションプレートの製造に適用した本発明の第２実施例の断面立面図（（ｂ）のＢ−Ｂ断面）、（ｂ）は同じく平面図、（ｃ）は（ａ）のＣ部拡大図である。
【００２７】
図４の（ａ）は、同じくリアクションプレートの製造に適用した本発明の第３実施例の断面立面図（（ｂ）のＤ−Ｄ断面図）、（ｂ）は同じく平面図、（ｃ）は（ａ）のＥ部拡大図、図５の（ａ）は、同じくリアクションプレートの製造に適用した本発明の第４実施例の断面立面図（（ｂ）のＦ−Ｆ断面図）、（ｂ）は同じく平面図、（ｃ）は（ａ）のＧ部拡大図、（ｄ）は（ａ）のＨ部拡大図、図６〜図１０は、それぞれ本発明の変形例の説明図である。
【実施例１】
【００２８】
第１実施例を示す図１において、リニアモータカー用リアクションプレート１は、基本的な構成要素として、台車側の一次鉄心及び一次導体に対応する二次鉄心２及びに二次導体３、並びにそれらを支持する架台４とを具える。うず電流が流れる二次導体３がリニアモータの磁路を構成する二次鉄心２の上側に一体的に結合されている。架台４は、図示しない固定手段によって枕木（図示略）に固定される。
【００２９】
本実施例において、架台４及び二次鉄心２は軟鋼（ＳＳ４００）からなり、架台４の頂部上面に取り付けられる二次鉄心２は、隅肉溶接ｗで架台４に取り付けられ、二次鉄心２とアルミ、または銅からなる二次導体３とは、図２に示す摩擦攪拌接合法によって接合される。二次鉄心２には長手方向に複数の線状溝５が平行に設けられている。該線状溝５は、底部ほど面積の大きい先細りの楔形状をなしている。
【００３０】
図２において、二次鉄心２の線状溝５に対面する二次導体３側の表面に摩擦攪拌用ツール６が押し当てられる。摩擦攪拌用ツール６はともに回転するプローブ６ａとショルダー６ｂとからなり、押し付け力ｆを二次導体３の表面に付与しながらｒ方向に回転する。プローブ６ａの周面には雄ねじ７が形成され、摩擦攪拌用ツール６が時計方向に回転するときは左ねじが切られ、反時計方向に回転するときは右ねじが切られる。かかる構成によって摩擦攪拌用ツール６が回転したときは、塑性流動した二次導体の材料を線状溝５の中に押し込む押し込み力ｇが与えられる。
【００３１】
摩擦攪拌用ツール６が線状溝５に対面する二次導体３の表面に押し当てられ、ｒ方向に回転すると、プローブ６ａに接する二次導体材が塑性流動状態となる。そのため摩擦攪拌用ツール６を回転させながらさらにプローブ６ａを挿入し、その先端が溝５の内部に入り込むまで挿入する。プローブ６ａの周面には雄ねじ７が形成されているので、塑性流動した二次導体材を溝５の内部に押し込む押し込み力ｇが発生し、その作用により、線状溝５の内部が二次導体材で充填される。このとき二次鉄心２は塑性流動しない。
【００３２】
線状溝５の内部に充填された二次導体材が冷却固化すると、楔形状を有する溝５に充填された二次導体材の楔効果により二次鉄心２と二次導体３とを強固に結合することができる。
従来二次鉄心２とアルミ、または銅からなる二次導体３との接合は、両者が異種材料であるため、爆着法、圧着法や非特許文献１に開示されたアンカーボンド法を採用していたが、爆着法は大掛かりな設備を必要とし、大きな爆発音を発し、施工が面倒であり、また圧着法、アンカーボンド法も同様に大掛かりな設備を要し施工も面倒であったが、本実施例のように摩擦攪拌接合法を採用することにより簡易な装置で容易に接合することができるとともに、接合部の強度も向上する。
【００３３】
また本実施例によれば、一方の二次導体材３のみを塑性流動させ、二次鉄心２は塑性流動せず、二次導体３の塑性流動材３ａが二次鉄心２に設けられた線状溝５に入り込むようになっているので、両材料の軟化温度が異なっても、無理に軟化温度の高い二次鉄心２を塑性流動させる必要がなく、摩擦攪拌用ツール６を破損させるおそれがなく、かつ大きな動力を必要としない。
【００３４】
また本実施例では、線状溝５に充填された塑性流動材に相当する容量の凹みを二次導体表面に生じることはあるが、重ね合わせ面の接合であるため、二次導体表面から摩擦攪拌用ツール６のショルダ６ｂで加圧力を加え、あるいはプローブ６ａの挿入深さを調整することにより、特許文献１又は２のように塑性流動材の内部に割れや空洞欠陥を生じることはない。
【００３５】
またプローブ表面にねじ部７を設け、塑性流動材を線状溝５内に押し込む押し込み力ｇを付与しているので、塑性流動材を線状溝５内に確実に充填することができるとともに、プローブ６ａの先端を線状溝５の内部に挿入して回転させているので、溝内で十分な攪拌力が働き、そのため割れや空隙等を生じることもなく、十分な強度を有する接合部を形成できる。また塑性流動材は冷却固化しても収縮することがないので、冷却固化後も溝内に空隙を生じることがない。
本実施例では、線状溝５を架台４の長手方向に等間隔で形成し、該線状溝５で強固な接合部を形成しているので、二次導体３の二次鉄心２に対する結合力が強固なものになる。
【００３６】
なお本実施例では、線状溝５の内部へ塑性流動材の押し込み力ｇを付与する構成として、プローブ６ａの周面に雄ねじ７を形成していたが、押し込み力を形成する別な手段として、プローブ６ａを先細りの円錐形状とし、該円錐形状の傾斜した周面に沿って線状溝５の内部へ押し込み力を付与するようにしてもよい。
【実施例２】
【００３７】
次に本発明の第２実施例を図３に基づいて説明する。本実施例は、前記第１実施例と同様に、リニアモータカー用のリアクションプレートに適用した場合の実施例であるが、本実施例のリアクションプレート１１は二次鉄心をなくし、リアクションプレートの架台１３に直接二次導体を接合する構成のものである。図３において、図（ａ）は図（ｂ）のＢ−Ｂ断面図、図（ｂ）は平面図、図（ｃ）は図（ａ）中のＣ部拡大図である。リアクションプレート１１は、長手方向に長尺状をなし軟鋼（ＳＳ４００）製の架台１３上に長辺が例えば約５ｍであってアルミ、または銅製の二次導体１２を繋ぎ合わせて接合していくことで構成されている。
【００３８】
架台１３の上面には、前記第１実施例と同様に、長手方向に等間隔で複数の線状溝１４が設けられ、線状溝１４は、前記第１実施例と同様に奥に行くほど面積が広がる楔形をなす。架台１３の上面に二次導体１２が載置されて、互いに接合される重ね合わせ面を形成する。この重ね合わせ面を前記第１実施例の図２に示す方法と同じ方法で摩擦攪拌用ツール６を用い、摩擦攪拌接合する。
【００３９】
即ち該線状溝１４に対面する二次導体１２の表面に摩擦攪拌用ツール６を当て、二次導体１２に押し付け力を付与しながら回転することで、二次導体１２を塑性流動させ、さらにプローブ６ａを塑性流動した二次導体１２の内部に挿入して二次導体を構成するアルミ、または銅材を攪拌させながら、プローブ６ａの先端を線状溝１４の内部に挿入する。
【００４０】
このようにプローブ６ａを線状溝１４の内部で回転させることにより、塑性流動材を線状溝１４の内部に押し込む押し込み力を発生させて、塑性流動材１２ａを線状溝１４の内部に充填するとともに、プローブ６ａを線状溝１４の内部で回転させることにより、線状溝１４の内部に充填された塑性流動材１２ａを十分攪拌することにより、高い強度を有する接合部を形成することができる。図３（ｃ）は、塑性流動材１２ａが線状溝１４に充填された状態を示す。このような摩擦攪拌接合法を実施することによる作用効果は、前記第１実施例と同一である。
【００４１】
また本実施例においては、二次鉄心をなくしたことにより、前記第１実施例のように、架台４と二次鉄心２とを隅肉溶接する必要がなくなり、隅肉溶接部の割れを心配する必要がなくなる。
【実施例３】
【００４２】
次に本発明の第３実施例を図４により説明する。本実施例は、前記第２実施例と同一の構成を有するリアクションプレートの製造（即ち二次鉄心をなくした構成）に適用するものであり、第２実施例とは線状溝２１の形状が異なり、その他の構成は同一である。なお前記第２実施例と同一の構成及び機能を有する部位については、第２実施例と同一の符号を付している。図４において、線状溝２１は、架台１３の長手方向に等間隔で線状に設けられている点は、前記第２実施例と同一であるが、線状溝２１の形状は、楔形状はなく開口部及び底部ともに同一の面積を有する延設された直方体形状をなし、かつ内面に長手方向に延設された凹凸部２２が設けられている。
【００４３】
従って該線状溝２１に二次導体１２を構成するアルミ、または銅材の塑性流動材１２ａが押し込まれたとき、該塑性流動材１２ａが凹凸部２２に入り込むことによって、架台１３との間で強固な結合力を発揮することができる。図４（ｃ）は、塑性流動材１２ａが溝２１の内部に充填された状態を示す。
その他の作用効果は、前記第２実施例と同一である。
【実施例４】
【００４４】
次に本発明の第４実施例を図５により説明する。本実施例は、前記第２実施例と比べて、線状溝１４の配置のみならず、二次導体１２の長手方向両端部において、架台１３の長手方向に等間隔で配置された線状溝１４の間にスポット状の溝３１を設け、線状溝１４及びスポット状溝３１の箇所で摩擦攪拌接合したものである。
【００４５】
線状溝１４の断面は、前記第２実施例と同様に奥広がりの楔形断面形状を有するが、一方スポット状溝３１の内面は、図５（ｄ）に示すように、円柱形で架台１３の下面まで貫通しており、内面に雌ねじ３２が形成されている。図５の（ｄ）は、摩擦攪拌接合によりスポット状溝３１の中間部まで二次導体１２の塑性流動材１２ｂが入り込んで冷却固化した状態を示す。
【００４６】
スポット状溝３１では、雌ねじ３２の凹凸に塑性流動材１２ｂが入り込んで冷却固化することにより、二次導体１２と架台１３とがボルト結合と同一の結合状態となり、二次導体１２と架台１３との間で強固な結合力を得ることができる。二次導体１２の長手方向両端部は、特に架台１３から剥がれやすいが、本実施例のように線状溝１４のみならず、内面に雌ねじ３２が形成されたスポット状溝３１を設けることにより、強固な結合力を発生できるので、二次導体１２がその長手方向両端部から剥がれるおそれがない。
【００４７】
つぎに本発明の種々の変形例について図６から図１０により説明する。図６から図１０は、塑性流動しやすい部材（例えばアルミ）４１と塑性流動し難い部材４２の重ね合わせ面の接合部を示す。本発明では、接合部において塑性流動しやすい部材４１が摩擦攪拌用ツールにより塑性流動され、塑性流動材が溝４３の内部に充填される。その充填量に相当する容量だけ塑性流動しやすい部材４１の表面に凹みが生じるが、図６では、摩擦攪拌接合前に予め部材４１の表面に該充填量に相当する容積の凸部４４を形成しておくことにより、部材４１の表面に凹みを生じることがない。
【００４８】
図７では、部材４１の溝４３に対面する下面に同様の凸部４５を形成することで、図８では、予め溝４３の内部に部材４１と同一材質の補充材４６を挿入しておくことで、また図９では、部材４１の表面に部材４１と同一材質の補充材４７を載置あるいは貼着しておくことで、部材４１の表面に凹みを生じることを防止することができる。
【００４９】
また図１０では、部材４１の板厚を、溝４３への塑性流動材の充填量に相当する削り代ｈ２を必要板厚ｈ１に足した板厚とし、摩擦攪拌接合法による接合後、溝４３に対面する部材４１の表面に凹みを生じたら、残りの削り代ｈ２を削り取ることにより、凹みの発生を防止することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明によれば、軟化温度のことなる異種材料を摩擦攪拌接合法で接合する場合に、軟化温度の高い方の金属部材を摩擦攪拌することなく、軟化温度の低い方の金属部材のみ摩擦攪拌するだけで、簡単に接合強度の優れた接合部が得られ、かつ塑性流動材の内部に割れや空洞欠陥のない摩擦攪拌接合法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】（ａ）は、本発明をリニアモータカー用のリアクションプレートの製造に適用した第１実施例の断面立面図（（ｂ）のＡ−Ａ断面）、（ｂ）は同じく平面図である。
【図２】前記第１実施例での摩擦攪拌接合法を示す説明図である。
【図３】（ａ）は、同じくリアクションプレートの製造に適用した本発明の第２実施例の断面立面図（（ｂ）のＢ−Ｂ断面）、（ｂ）は同じく平面図、（ｃ）は（ａ）のＣ部拡大図である。
【図４】（ａ）は、同じくリアクションプレートの製造に適用した本発明の第３実施例の断面立面図（（ｂ）のＤ−Ｄ断面図）、（ｂ）は同じく平面図、（ｃ）は（ａ）のＥ部拡大図である。
【図５】（ａ）は、同じくリアクションプレートの製造に適用した本発明の第４実施例の断面立面図（（ｂ）のＦ−Ｆ断面図）、（ｂ）は同じく平面図、（ｃ）は（ａ）のＧ部拡大図、（ｄ）は（ａ）のＨ部拡大図である。
【図６】本発明の変形例の説明図である。
【図７】本発明の別な変形例の説明図である。
【図８】本発明の別な変形例の説明図である。
【図９】本発明の別な変形例の説明図である。
【図１０】本発明の別な変形例の説明図である。
【符号の説明】
【００５２】
１、１１ リニアモータカー用リアクションプレート
２ 二次鉄心
３、１２ 二次導体
３ａ、１２ａ、１２ｂ 塑性流動材
４、１３ 架台
５、１４、２１ 線状溝
６ 摩擦攪拌用ツール
６ａ プローブ
６ｂ ショルダ部
７ 雄ねじ部
３１ スポット状溝
２２ 凹凸部
３２ 雌ねじ部
４４、４５ 凸部
４６、４７ 補充材
ｈ１ 塑性流動しやすい部材４１の必要板厚
ｈ２ 塑性流動しやすい部材４１の削り代
ｇ 押し込み力
ｒ 回転方向
ｗ 隅肉溶接部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、軟化温度の異なる異種金属部材を重ね合わせて摩擦攪拌接合方法により接合する場合に、軟化温度の高い方の金属部材の内部に空洞欠陥や割れ等を生じることなく、強度のある接合部を形成することができる摩擦攪拌接合方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に突き合せ状態又は重ね合わせ状態に配置した2個の接合部材を接合する摩擦攪拌接合法は、固相接合法の一つであり、接合部材の突き合せ部又は重ね合わせ部に回転しているプローブを挿入し、このプローブとショルダとの接触部を摩擦熱にて軟化させ攪拌しながら塑性流動させ、プローブを突き合わせ部又は重ね合わせ部に沿って移動させながら塑性流動部を冷却固化し、両者を接合させるものである。
【０００３】
このような摩擦攪拌接合法は、固相接合であるため、接合部材の材料の種類に制限を受けないとか、ＭＩＧ，ＴＩＧ，レーザ溶接等といった溶融溶接法と比較して接合時の熱歪みによる変形が少ない等の利点がある。
しかしながらその接合部材の材料の適用範囲は、ＡｌやＣｕなどの低温で塑性流動し易い材料に限定されており、鉄鋼材料等の難塑性流動材への適用は制限されている。
【０００４】
鉄鋼材料などの軟化温度の高い材料に対してプローブを当てると、プローブが破損するおそれがあり、従ってＡｌやＣｕなどの低温で塑性流動し易い材料と鉄鋼材料等の難塑性流動材とを摩擦攪拌接合法で接合することは、接合欠陥を生じやすく、健全な接合部が得られにくいため、異種金属部材の接合方法について、従来様々な工夫が試みられてきた。
【０００５】
例えば特許文献１（特開２００３−２６６１８３号公報）では、難塑性流動材料同士を摩擦攪拌接合法で突き合せ接合する場合に、その突き合せ接合面に塑性流動しやすい中間部材を介在させ、難塑性流動材料側の突き合せ面に凹部を設け、中間部材上に摩擦攪拌用ツールのプローブを押し当て摩擦攪拌しながらプローブを中間部材の内部に挿入し、中間部材の材料を該凹部にならうように塑性流動させる方法が開示されている。
【０００６】
また特許文献２（特開２００４−４２１１７号公報）には、異種材料同士を突き合せ接合する場合に、プローブを突き合せ面近傍の一方の塑性流動しやすい部材側に挿入し、他方の難塑性流動部材にはプローブを挿入しないようにし、プローブを挿入した側の部材のみを塑性流動させることで、塑性流動によって接合界面での原子の拡散を促進させて、拡散接合させるものである。特許文献２の図５には、難塑性流動部材側の突き合せ面に凹部を設け、塑性流動した部材を該凹部に導入させることにより、その楔効果で機械的結合力を付加するようにした手法が開示されている。
【０００７】
また特許文献３（特開２００５−２８８５２５号公報）には、材質及び硬度が異なる金属部材を重ね合わせて点接合するに際し、硬度の低い金属部材側に凸型治具を配置する一方、硬度の高い金属部材側に凹型治具を配置して、点接合する部位に対して、凸型治具の凸部を硬度の低い金属部材の表面側から差し込むことにより、凹型治具の凹所内に２種の金属を押し込んだ後、凸型治具の回転を開始して、硬度の低い金属部材を塑性流動せしめて、両者を点接合する方法が開示されている。
【０００８】
また従来リニアモータカー用のリアクションプレートは、台車側の一次鉄心及び一次導体に対応する二次鉄心及び二次導体及びそれらを水平に支持する架台とから構成されている。うず電流が流れる二次導体が、リニアモータの磁路を構成する二次鉄心の上側に一体的に結合される。
二次導体は通常アルミや銅からなり、二次鉄心と材質が異なるため、これらを溶接で接合することができず、従って従来爆着法、または圧着法を採用し、また二次鉄心と架台とのずれを防止するため、これらを隅肉溶接していた。
【０００９】
あるいは非特許文献１（川崎製鉄技報Ｖｏｌ．２２ Ｎｏ．３ １９９０）に開示されているように、二次導体と二次鉄心とアンカーボンド法で接合する方法も行われていたが、この機械的接合方法は、過去熱間圧延では困難とされていたアリ溝を平鋼の表面に成形し、そのアリ溝内にアルミ板又は銅板の突出部を冷間加工で塑性変形により充填させ接合するものである。
【００１０】
【特許文献１】特開２００３−２６６１８３号公報
【特許文献２】特開２００４−４２１１７号公報（段落［００２３］、図５）
【特許文献３】特開２００５−２８８５２５号公報
【非特許文献１】川崎製鉄技報Ｖｏｌ．２２ Ｎｏ．３ １９９０
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら特許文献１に開示された方法は、プローブを回転可能に支持しているプローブ上方のショルダ部が鉄鋼材料等の難塑性流動材料の表面に当って破損するおそれがある。またプローブが突き合せ面に設けた凹部に挿入されていないので、塑性流動された中間部材が該凹部に容易に入り込むことができない。また塑性流動された中間部材が該凹部に入り込んだとしても、前述のようにショルダ部が難塑性流動材料の表面に当ってしまうので、塑性流動された中間部材に押し込み力を付与することができず、従って中間部材の内部に空洞欠陥や割れが発生し、強度が低下するという問題がある。
【００１２】
また特許文献２に開示された方法は、ショルダ部が当る難塑性流動部材表面を塑性流動しやすい部材と同材質の部材で覆うようにしたので、ショルダ部が破損するおそれはなくなるが、特許文献２と同様に、プローブが突き合せ面に設けた凹部に挿入されていないので、塑性流動した部材が該凹部に容易に入り込まず、また塑性流動された中間部材が該凹部に入り込んだとしても、それに伴って中間部材の内部に空洞欠陥や割れが発生し、強度が低下するという問題がある。
【００１３】
また特許文献３に開示された方法は、凸型治具を重ね合わせた異種金属部材に挿入して塑性変形させるので、大きな荷重が凸型治具に加わり、凸型治具を破損させるおそれがある。また硬度の異なる異種の金属部材が重ね合わされた状態で変形されるため、硬度の低い方の金属部材が圧迫されて膜状を保つことができず、凸型治具の周辺に硬度の低い金属部材からなるバリを形成してしまうという問題がある。
【００１４】
またリニアモータカー用のリアクションプレートには車両側からかなり強い引張り力が働くため、二次導体が長手方向両端部から剥がれるおそれがある。従来行なわれていた爆着法、圧着法や、非特許文献１に開示されたアンカーボンド法による接合方法は、大掛かりな装置を必要とし、手軽に施工することができないという問題がある。また従来二次鉄心と架台間は隅肉溶接で接合していたが、車両からの強い引張り力で隅肉溶接部に割れが発生してしまうという問題がある。
【００１５】
本発明は、かかる従来技術の課題に鑑み、軟化温度が異なる異種材料を摩擦攪拌用ツールを用いて接合するに際し、軟化温度の低い方の金属部材に割れや空洞欠陥を発生することなく、接合部の強度を高く保持できる接合方法を提案することを目的とする。
また特にリニアモータカー用のリアクションプレートを構成する二次鉄心と二次導体との接合を簡易な方法で接合部の構造的な欠陥を生じることなく達成可能な摩擦攪拌法を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
前記目的を達成するため、本発明の摩擦攪拌接合方法は、
軟化温度が異なる第１及び第２の金属部材の板状部を重ね合わせ接合する方法において、
軟化温度が高い方の第２の金属部材の板状部の接合箇所に溝を設け、
軟化温度が低い方の第１の金属部材の該溝に対面する部位を摩擦攪拌用ツールで塑性流動を生じさせながら、該摩擦攪拌用ツールのプローブの先端を該塑性流動部位を通して前記溝の内部に挿入し、
該プローブの先端を前記溝に挿入しながら回転させることにより塑性流動した第１の金属部材を該溝内に押し込む押し込み力を発生させて、該塑性流動部材を該溝に充填させ冷却固化させるものである。
【００１７】
本発明において、摩擦攪拌用ツールのプローブは、前記溝の内部で回転させることにより、第１の金属部材からなる塑性流動材が溝の内部へ押し込められる押し込み力を発生させる構造のものを使用する。例えばプローブ周面にネジ部を設けるか、あるいはプローブを先細りに傾斜した円錐形状とする。プローブ周面にネジ部を設ける場合、左ネジとした場合プローブを時計方向に回転させ、右ネジとした場合プローブを反時計方向に回転させるようにする。
【００１８】
塑性流動材は、冷却固化したときに収縮しないため、溝内で空隙を生じることがない。従って接合部の強度が保持される。また該溝の形状は、奥にいくほど面積が拡大される楔形状とすれば、塑性流動材が溝内に充填され、冷却固化したときに楔効果により接合部の結合力が強固になる。
【００１９】
また塑性流動材が該溝に充填されたとき、溝に充填された分だけ第１の金属部材表面に凹みが生じる。そのため溝内に予め第１金属部材と同じ材質の補充材を入れておくことによって、凹みを生じないようにすることができる。あるいは第１の金属部材の溝に対面する部位の上面又は下面に該溝の幅に相当する幅と該溝の容積に相当する容積を有する凸部を設けたり、あるいは第１の金属部材の溝に対面する部位の上面に該溝の幅に相当する幅と該溝の容積に相当する容積を有する第１の金属材料からなる補充材を予め設置しておけば、第１金属部材の表面に凹みを生じない。
【００２０】
また前記溝は、延設された線状か、あるいはスポット状に形成することができる。該溝を延設された線状に形成したとき、第１の金属部材の該溝に対面する部位を摩擦攪拌用ツールで塑性流動を生じさせながら、該摩擦攪拌用ツールのプローブの先端を該塑性流動部位を通して該溝の内部に挿入し、該プローブを該溝の内部に挿入したまま該溝に沿って摩擦攪拌用ツールを移動させることにより線状の接合部を連続的に形成することができる。
【００２１】
また前記溝をスポット状に形成したとき、該溝の内面に雌ねじを形成し、第１の金属部材からなる塑性流動材を該溝に該雌ねじに対する雄ねじを形成するように充填すれば、塑性流動材が冷却固化したとき第１の金属部材と第２の金属部材とをボルト結合した状態となり、強固な結合力を得ることができる。
また第１の金属部材の厚さを、必要板厚に該第１の金属部材が塑性流動して前記溝に充填されることにより伴う該第１の金属部材の凹み量に相当する分の削り代を付加して設定し、摩擦攪拌接合後、該削り代を切削するようにしてもよい。
【００２２】
また本発明は、特にリニアモータカー用リアクションプレートの製造に適用して好適である。即ち第１の金属部材がリニアモータカー用リアクションプレートの二次導体であり、第２の金属部材が該リアクションプレートの架台又は該架台に取り付けられた二次鉄心であり、該架台又は該二次鉄心の該二次導体との重ね合わせ面に線状又はスポット状の溝を形成し、該溝内に該二次導体の塑性流動材を充填することにより接合部を形成することができる。これにより従来のように爆着法、圧着法やアンカーボンド法のように大掛かりな設備、施工を必要としない。
【００２３】
さらには前記架台又は二次鉄心の長手方向に全長に亘って複数の線状溝を設けるとともに、該架台又は前記二次鉄心の長手方向両端部に該線状溝の間に複数のスポット状溝を形成し、線状溝及びスポット状溝に二次導体の塑性流動材を充填するようにすれば、特に剥がれやすい二次導体両端部の接合強度を大きくすることができる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明方法によれば、軟化温度が高い第２の金属部材の板状部の接合箇所に溝を設け、軟化温度が低い方の第１の金属部材の該溝に対面する部位を摩擦攪拌用ツールで塑性流動を生じさせながら、該摩擦攪拌用ツールのプローブの先端を該塑性流動箇所を通して溝の内部に挿入し、該プローブの先端を溝に挿入しながら回転させることにより塑性流動した第１の金属部材を該溝内に押し込む押し込み力を発生させて、該塑性流動材を該溝に充填させるようにしたため、塑性流動材に対して溝内への十分な押し込み力が働き、かつ溝内で十分な攪拌力が働き、十分な強度を有する接合部を形成できる。
【００２５】
また前記従来方法のように、塑性流動材の溝内への充填に伴う軟化温度の低い第１金属部材中に割れや空洞欠陥が生じることがなく、また好ましくは、第１金属部材と同材質の補充材を予め溝内に充填するか、あるいは第１金属部材からなる凸部を第１金属部材の該溝内に対面する部位の上面又は下面に設けることによって、塑性流動材の溝内への充填に伴う凹みを防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明を図に示した実施例を用いて詳細に説明する。但し、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明をそれのみに限定する趣旨ではない。
図１（ａ）は、本発明をリニアモータカー用のリアクションプレートの製造に適用した第１実施例の断面立面図（（ｂ）のＡ−Ａ断面）、（ｂ）は同じく平面図、図２は、第１実施例での摩擦攪拌接合法を示す説明図、図３の（ａ）は、同じくリアクションプレートの製造に適用した本発明の第２実施例の断面立面図（（ｂ）のＢ−Ｂ断面）、（ｂ）は同じく平面図、（ｃ）は（ａ）のＣ部拡大図である。
【００２７】
図４の（ａ）は、同じくリアクションプレートの製造に適用した本発明の第３実施例の断面立面図（（ｂ）のＤ−Ｄ断面図）、（ｂ）は同じく平面図、（ｃ）は（ａ）のＥ部拡大図、図５の（ａ）は、同じくリアクションプレートの製造に適用した本発明の第４実施例の断面立面図（（ｂ）のＦ−Ｆ断面図）、（ｂ）は同じく平面図、（ｃ）は（ａ）のＧ部拡大図、（ｄ）は（ａ）のＨ部拡大図、図６〜図１０は、それぞれ本発明の変形例の説明図である。
【実施例１】
【００２８】
第１実施例を示す図１において、リニアモータカー用リアクションプレート１は、基本的な構成要素として、台車側の一次鉄心及び一次導体に対応する二次鉄心２及びに二次導体３、並びにそれらを支持する架台４とを具える。うず電流が流れる二次導体３がリニアモータの磁路を構成する二次鉄心２の上側に一体的に結合されている。架台４は、図示しない固定手段によって枕木（図示略）に固定される。
【００２９】
本実施例において、架台４及び二次鉄心２は軟鋼（ＳＳ４００）からなり、架台４の頂部上面に取り付けられる二次鉄心２は、隅肉溶接ｗで架台４に取り付けられ、二次鉄心２とアルミ、または銅からなる二次導体３とは、図２に示す摩擦攪拌接合法によって接合される。二次鉄心２には長手方向に複数の線状溝５が平行に設けられている。該線状溝５は、底部ほど面積の大きい先細りの楔形状をなしている。
【００３０】
図２において、二次鉄心２の線状溝５に対面する二次導体３側の表面に摩擦攪拌用ツール６が押し当てられる。摩擦攪拌用ツール６はともに回転するプローブ６ａとショルダー６ｂとからなり、押し付け力ｆを二次導体３の表面に付与しながらｒ方向に回転する。プローブ６ａの周面には雄ねじ７が形成され、摩擦攪拌用ツール６が時計方向に回転するときは左ねじが切られ、反時計方向に回転するときは右ねじが切られる。かかる構成によって摩擦攪拌用ツール６が回転したときは、塑性流動した二次導体の材料を線状溝５の中に押し込む押し込み力ｇが与えられる。
【００３１】
摩擦攪拌用ツール６が線状溝５に対面する二次導体３の表面に押し当てられ、ｒ方向に回転すると、プローブ６ａに接する二次導体材が塑性流動状態となる。そのため摩擦攪拌用ツール６を回転させながらさらにプローブ６ａを挿入し、その先端が溝５の内部に入り込むまで挿入する。プローブ６ａの周面には雄ねじ７が形成されているので、塑性流動した二次導体材を溝５の内部に押し込む押し込み力ｇが発生し、その作用により、線状溝５の内部が二次導体材で充填される。このとき二次鉄心２は塑性流動しない。
【００３２】
線状溝５の内部に充填された二次導体材が冷却固化すると、楔形状を有する溝５に充填された二次導体材の楔効果により二次鉄心２と二次導体３とを強固に結合することができる。
従来二次鉄心２とアルミ、または銅からなる二次導体３との接合は、両者が異種材料であるため、爆着法、圧着法や非特許文献１に開示されたアンカーボンド法を採用していたが、爆着法は大掛かりな設備を必要とし、大きな爆発音を発し、施工が面倒であり、また圧着法、アンカーボンド法も同様に大掛かりな設備を要し施工も面倒であったが、本実施例のように摩擦攪拌接合法を採用することにより簡易な装置で容易に接合することができるとともに、接合部の強度も向上する。
【００３３】
また本実施例によれば、一方の二次導体材３のみを塑性流動させ、二次鉄心２は塑性流動せず、二次導体３の塑性流動材３ａが二次鉄心２に設けられた線状溝５に入り込むようになっているので、両材料の軟化温度が異なっても、無理に軟化温度の高い二次鉄心２を塑性流動させる必要がなく、摩擦攪拌用ツール６を破損させるおそれがなく、かつ大きな動力を必要としない。
【００３４】
また本実施例では、線状溝５に充填された塑性流動材に相当する容量の凹みを二次導体表面に生じることはあるが、重ね合わせ面の接合であるため、二次導体表面から摩擦攪拌用ツール６のショルダ６ｂで加圧力を加え、あるいはプローブ６ａの挿入深さを調整することにより、特許文献１又は２のように塑性流動材の内部に割れや空洞欠陥を生じることはない。
【００３５】
またプローブ表面にねじ部７を設け、塑性流動材を線状溝５内に押し込む押し込み力ｇを付与しているので、塑性流動材を線状溝５内に確実に充填することができるとともに、プローブ６ａの先端を線状溝５の内部に挿入して回転させているので、溝内で十分な攪拌力が働き、そのため割れや空隙等を生じることもなく、十分な強度を有する接合部を形成できる。また塑性流動材は冷却固化しても収縮することがないので、冷却固化後も溝内に空隙を生じることがない。
本実施例では、線状溝５を架台４の長手方向に等間隔で形成し、該線状溝５で強固な接合部を形成しているので、二次導体３の二次鉄心２に対する結合力が強固なものになる。
【００３６】
なお本実施例では、線状溝５の内部へ塑性流動材の押し込み力ｇを付与する構成として、プローブ６ａの周面に雄ねじ７を形成していたが、押し込み力を形成する別な手段として、プローブ６ａを先細りの円錐形状とし、該円錐形状の傾斜した周面に沿って線状溝５の内部へ押し込み力を付与するようにしてもよい。
【実施例２】
【００３７】
次に本発明の第２実施例を図３に基づいて説明する。本実施例は、前記第１実施例と同様に、リニアモータカー用のリアクションプレートに適用した場合の実施例であるが、本実施例のリアクションプレート１１は二次鉄心をなくし、リアクションプレートの架台１３に直接二次導体を接合する構成のものである。図３において、図（ａ）は図（ｂ）のＢ−Ｂ断面図、図（ｂ）は平面図、図（ｃ）は図（ａ）中のＣ部拡大図である。リアクションプレート１１は、長手方向に長尺状をなし軟鋼（ＳＳ４００）製の架台１３上に長辺が例えば約５ｍであってアルミ、または銅製の二次導体１２を繋ぎ合わせて接合していくことで構成されている。
【００３８】
架台１３の上面には、前記第１実施例と同様に、長手方向に等間隔で複数の線状溝１４が設けられ、線状溝１４は、前記第１実施例と同様に奥に行くほど面積が広がる楔形をなす。架台１３の上面に二次導体１２が載置されて、互いに接合される重ね合わせ面を形成する。この重ね合わせ面を前記第１実施例の図２に示す方法と同じ方法で摩擦攪拌用ツール６を用い、摩擦攪拌接合する。
【００３９】
即ち該線状溝１４に対面する二次導体１２の表面に摩擦攪拌用ツール６を当て、二次導体１２に押し付け力を付与しながら回転することで、二次導体１２を塑性流動させ、さらにプローブ６ａを塑性流動した二次導体１２の内部に挿入して二次導体を構成するアルミ、または銅材を攪拌させながら、プローブ６ａの先端を線状溝１４の内部に挿入する。
【００４０】
このようにプローブ６ａを線状溝１４の内部で回転させることにより、塑性流動材を線状溝１４の内部に押し込む押し込み力を発生させて、塑性流動材１２ａを線状溝１４の内部に充填するとともに、プローブ６ａを線状溝１４の内部で回転させることにより、線状溝１４の内部に充填された塑性流動材１２ａを十分攪拌することにより、高い強度を有する接合部を形成することができる。図３（ｃ）は、塑性流動材１２ａが線状溝１４に充填された状態を示す。このような摩擦攪拌接合法を実施することによる作用効果は、前記第１実施例と同一である。
【００４１】
また本実施例においては、二次鉄心をなくしたことにより、前記第１実施例のように、架台４と二次鉄心２とを隅肉溶接する必要がなくなり、隅肉溶接部の割れを心配する必要がなくなる。
【実施例３】
【００４２】
次に本発明の第３実施例を図４により説明する。本実施例は、前記第２実施例と同一の構成を有するリアクションプレートの製造（即ち二次鉄心をなくした構成）に適用するものであり、第２実施例とは線状溝２１の形状が異なり、その他の構成は同一である。なお前記第２実施例と同一の構成及び機能を有する部位については、第２実施例と同一の符号を付している。図４において、線状溝２１は、架台１３の長手方向に等間隔で線状に設けられている点は、前記第２実施例と同一であるが、線状溝２１の形状は、楔形状はなく開口部及び底部ともに同一の面積を有する延設された直方体形状をなし、かつ内面に長手方向に延設された凹凸部２２が設けられている。
【００４３】
従って該線状溝２１に二次導体１２を構成するアルミ、または銅材の塑性流動材１２ａが押し込まれたとき、該塑性流動材１２ａが凹凸部２２に入り込むことによって、架台１３との間で強固な結合力を発揮することができる。図４（ｃ）は、塑性流動材１２ａが溝２１の内部に充填された状態を示す。
その他の作用効果は、前記第２実施例と同一である。
【実施例４】
【００４４】
次に本発明の第４実施例を図５により説明する。本実施例は、前記第２実施例と比べて、線状溝１４の配置のみならず、二次導体１２の長手方向両端部において、架台１３の長手方向に等間隔で配置された線状溝１４の間にスポット状の溝３１を設け、線状溝１４及びスポット状溝３１の箇所で摩擦攪拌接合したものである。
【００４５】
線状溝１４の断面は、前記第２実施例と同様に奥広がりの楔形断面形状を有するが、一方スポット状溝３１の内面は、図５（ｄ）に示すように、円柱形で架台１３の下面まで貫通しており、内面に雌ねじ３２が形成されている。図５の（ｄ）は、摩擦攪拌接合によりスポット状溝３１の中間部まで二次導体１２の塑性流動材１２ｂが入り込んで冷却固化した状態を示す。
【００４６】
スポット状溝３１では、雌ねじ３２の凹凸に塑性流動材１２ｂが入り込んで冷却固化することにより、二次導体１２と架台１３とがボルト結合と同一の結合状態となり、二次導体１２と架台１３との間で強固な結合力を得ることができる。二次導体１２の長手方向両端部は、特に架台１３から剥がれやすいが、本実施例のように線状溝１４のみならず、内面に雌ねじ３２が形成されたスポット状溝３１を設けることにより、強固な結合力を発生できるので、二次導体１２がその長手方向両端部から剥がれるおそれがない。
【００４７】
つぎに本発明の種々の変形例について図６から図１０により説明する。図６から図１０は、塑性流動しやすい部材（例えばアルミ）４１と塑性流動し難い部材４２の重ね合わせ面の接合部を示す。本発明では、接合部において塑性流動しやすい部材４１が摩擦攪拌用ツールにより塑性流動され、塑性流動材が溝４３の内部に充填される。その充填量に相当する容量だけ塑性流動しやすい部材４１の表面に凹みが生じるが、図６では、摩擦攪拌接合前に予め部材４１の表面に該充填量に相当する容積の凸部４４を形成しておくことにより、部材４１の表面に凹みを生じることがない。
【００４８】
図７では、部材４１の溝４３に対面する下面に同様の凸部４５を形成することで、図８では、予め溝４３の内部に部材４１と同一材質の補充材４６を挿入しておくことで、また図９では、部材４１の表面に部材４１と同一材質の補充材４７を載置あるいは貼着しておくことで、部材４１の表面に凹みを生じることを防止することができる。
【００４９】
また図１０では、部材４１の板厚を、溝４３への塑性流動材の充填量に相当する削り代ｈ２を必要板厚ｈ１に足した板厚とし、摩擦攪拌接合法による接合後、溝４３に対面する部材４１の表面に凹みを生じたら、残りの削り代ｈ２を削り取ることにより、凹みの発生を防止することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明によれば、軟化温度のことなる異種材料を摩擦攪拌接合法で接合する場合に、軟化温度の高い方の金属部材を摩擦攪拌することなく、軟化温度の低い方の金属部材のみ摩擦攪拌するだけで、簡単に接合強度の優れた接合部が得られ、かつ塑性流動材の内部に割れや空洞欠陥のない摩擦攪拌接合法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】（ａ）は、本発明をリニアモータカー用のリアクションプレートの製造に適用した第１実施例の断面立面図（（ｂ）のＡ−Ａ断面）、（ｂ）は同じく平面図である。
【図２】前記第１実施例での摩擦攪拌接合法を示す説明図である。
【図３】（ａ）は、同じくリアクションプレートの製造に適用した本発明の第２実施例の断面立面図（（ｂ）のＢ−Ｂ断面）、（ｂ）は同じく平面図、（ｃ）は（ａ）のＣ部拡大図である。
【図４】（ａ）は、同じくリアクションプレートの製造に適用した本発明の第３実施例の断面立面図（（ｂ）のＤ−Ｄ断面図）、（ｂ）は同じく平面図、（ｃ）は（ａ）のＥ部拡大図である。
【図５】（ａ）は、同じくリアクションプレートの製造に適用した本発明の第４実施例の断面立面図（（ｂ）のＦ−Ｆ断面図）、（ｂ）は同じく平面図、（ｃ）は（ａ）のＧ部拡大図、（ｄ）は（ａ）のＨ部拡大図である。
【図６】本発明の変形例の説明図である。
【図７】本発明の別な変形例の説明図である。
【図８】本発明の別な変形例の説明図である。
【図９】本発明の別な変形例の説明図である。
【図１０】本発明の別な変形例の説明図である。
【符号の説明】
【００５２】
１、１１ リニアモータカー用リアクションプレート
２ 二次鉄心
３、１２ 二次導体
３ａ、１２ａ、１２ｂ 塑性流動材
４、１３ 架台
５、１４、２１ 線状溝
６ 摩擦攪拌用ツール
６ａ プローブ
６ｂ ショルダ部
７ 雄ねじ部
３１ スポット状溝
２２ 凹凸部
３２ 雌ねじ部
４４、４５ 凸部
４６、４７ 補充材
ｈ１ 塑性流動しやすい部材４１の必要板厚
ｈ２ 塑性流動しやすい部材４１の削り代
ｇ 押し込み力
ｒ 回転方向
ｗ 隅肉溶接部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
軟化温度が異なる第１及び第２の金属部材の板状部を重ね合わせ接合する方法において、
軟化温度が高い方の第２の金属部材の板状部の接合箇所に溝を設け、
軟化温度が低い方の第１の金属部材の該溝に対面する部位を摩擦攪拌用ツールで塑性流動を生じさせながら、該摩擦攪拌用ツールのプローブの先端を該塑性流動箇所を通して前記溝の内部に挿入し、
該プローブの先端を前記溝に挿入しながら回転させることにより塑性流動した第１の金属部材を該溝内に押し込む押し込み力を発生させて、該塑性流動材を該溝に充填させ冷却固化させることを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
【請求項２】
前記プローブ周面にネジ部を設けることにより、塑性流動した第１の金属部材を前記溝内に押し込む押し込み力を発生させることを特徴とする請求項１記載の摩擦攪拌接合方法。
【請求項３】
前記プローブを先細りに傾斜した円錐形状とすることにより、塑性流動した第１の金属部材を前記溝内に押し込む押し込み力を発生させることを特徴とする請求項１記載の摩擦攪拌接合方法。
【請求項４】
前記溝の断面形状を該溝の奥にいくほど面積が拡大される楔状としたことを特徴とする請求項１記載の摩擦攪拌接合方法。
【請求項５】
前記溝の内部に第１の金属部材と同じ材質の補充材を予め充填しておくことを特徴とする請求項１記載の摩擦攪拌接合方法。
【請求項６】
前記第１の金属部材の前記溝に対面する部位の上面又は下面に該溝の幅に相当する幅と該溝の内容積に相当する容積を有する凸部を設けたことを特徴とする請求項１記載の摩擦攪拌接合方法。
【請求項７】
前記第１の金属部材の前記溝に対面する部位の上面に該溝の幅に相当する幅と該溝の容積に相当する容積を有し該第１の金属材料と同じ材質からなる補充材を予め設置しておくことを特徴とする請求項１記載の摩擦攪拌接合方法。
【請求項８】
前記第１の金属部材の厚さを、必要板厚に該第１の金属部材が塑性流動して前記溝に充填されることにより伴う該第１の金属部材の凹み高さに相当する分の削り代を付加して設定し、摩擦攪拌接合後、該削り代を切削することを特徴とする請求項１記載の摩擦攪拌接合方法。
【請求項９】
前記溝が延設された線状をなし、第１の金属部材の該溝に対面する部位を摩擦攪拌用ツールで塑性流動を生じさせながら、該摩擦攪拌用ツールのプローブの先端を該塑性流動部位を通して前記溝の内部に挿入し、
該プローブ先端を該溝の内部に挿入した状態で該溝に沿って摩擦攪拌用ツールを移動させることにより線状の接合部を形成することを特徴とする請求項１記載の摩擦攪拌接合方法。
【請求項１０】
前記溝がスポット状をなし、該溝の内面に雌ねじが形成され、前記第１の金属部材からなる塑性流動材を該溝の該雌ねじに対する雄ねじを形成するように充填することを特徴とする請求項１記載の摩擦攪拌接合方法。
【請求項１１】
前記第１の金属部材がリニアモータカー用リアクションプレートの二次導体であり、前記第２の金属部材が該リアクションプレートの架台又は該架台に取り付けられた二次鉄心であり、該架台又は該二次鉄心と該二次導体との重ね合わせ面に線状又はスポット状の溝を形成し、該溝内に該二次導体の塑性流動材を充填することにより接合部を形成することを特徴とする請求項１記載の摩擦攪拌接合方法。
【請求項１２】
前記架台又は前記二次鉄心の長手方向に全長に亘って複数の線状溝を設けるとともに、前記架台又は前記二次鉄心の長手方向両端部に該線状溝の間に複数のスポット状溝を形成し、
前記線状溝及び前記スポット状溝に二次導体の塑性流動財物を充填するようにしたことを特徴とする請求項１記載の摩擦攪拌接合方法。
【請求項１】
軟化温度が異なる第１及び第２の金属部材の板状部を重ね合わせ接合する方法において、
軟化温度が高い方の第２の金属部材の板状部の接合箇所に溝を設け、
軟化温度が低い方の第１の金属部材の該溝に対面する部位を摩擦攪拌用ツールで塑性流動を生じさせながら、該摩擦攪拌用ツールのプローブの先端を該塑性流動箇所を通して前記溝の内部に挿入し、
該プローブの先端を前記溝に挿入しながら回転させることにより塑性流動した第１の金属部材を該溝内に押し込む押し込み力を発生させて、該塑性流動材を該溝に充填させ冷却固化させることを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
【請求項２】
前記プローブ周面にネジ部を設けることにより、塑性流動した第１の金属部材を前記溝内に押し込む押し込み力を発生させることを特徴とする請求項１記載の摩擦攪拌接合方法。
【請求項３】
前記プローブを先細りに傾斜した円錐形状とすることにより、塑性流動した第１の金属部材を前記溝内に押し込む押し込み力を発生させることを特徴とする請求項１記載の摩擦攪拌接合方法。
【請求項４】
前記溝の断面形状を該溝の奥にいくほど面積が拡大される楔状としたことを特徴とする請求項１記載の摩擦攪拌接合方法。
【請求項５】
前記溝の内部に第１の金属部材と同じ材質の補充材を予め充填しておくことを特徴とする請求項１記載の摩擦攪拌接合方法。
【請求項６】
前記第１の金属部材の前記溝に対面する部位の上面又は下面に該溝の幅に相当する幅と該溝の内容積に相当する容積を有する凸部を設けたことを特徴とする請求項１記載の摩擦攪拌接合方法。
【請求項７】
前記第１の金属部材の前記溝に対面する部位の上面に該溝の幅に相当する幅と該溝の容積に相当する容積を有し該第１の金属材料と同じ材質からなる補充材を予め設置しておくことを特徴とする請求項１記載の摩擦攪拌接合方法。
【請求項８】
前記第１の金属部材の厚さを、必要板厚に該第１の金属部材が塑性流動して前記溝に充填されることにより伴う該第１の金属部材の凹み高さに相当する分の削り代を付加して設定し、摩擦攪拌接合後、該削り代を切削することを特徴とする請求項１記載の摩擦攪拌接合方法。
【請求項９】
前記溝が延設された線状をなし、第１の金属部材の該溝に対面する部位を摩擦攪拌用ツールで塑性流動を生じさせながら、該摩擦攪拌用ツールのプローブの先端を該塑性流動部位を通して前記溝の内部に挿入し、
該プローブ先端を該溝の内部に挿入した状態で該溝に沿って摩擦攪拌用ツールを移動させることにより線状の接合部を形成することを特徴とする請求項１記載の摩擦攪拌接合方法。
【請求項１０】
前記溝がスポット状をなし、該溝の内面に雌ねじが形成され、前記第１の金属部材からなる塑性流動材を該溝の該雌ねじに対する雄ねじを形成するように充填することを特徴とする請求項１記載の摩擦攪拌接合方法。
【請求項１１】
前記第１の金属部材がリニアモータカー用リアクションプレートの二次導体であり、前記第２の金属部材が該リアクションプレートの架台又は該架台に取り付けられた二次鉄心であり、該架台又は該二次鉄心と該二次導体との重ね合わせ面に線状又はスポット状の溝を形成し、該溝内に該二次導体の塑性流動材を充填することにより接合部を形成することを特徴とする請求項１記載の摩擦攪拌接合方法。
【請求項１２】
前記架台又は前記二次鉄心の長手方向に全長に亘って複数の線状溝を設けるとともに、前記架台又は前記二次鉄心の長手方向両端部に該線状溝の間に複数のスポット状溝を形成し、
前記線状溝及び前記スポット状溝に二次導体の塑性流動財物を充填するようにしたことを特徴とする請求項１記載の摩擦攪拌接合方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００７−２２２９２５（Ｐ２００７−２２２９２５Ａ）
【公開日】平成１９年９月６日（２００７．９．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−４９２２４（Ｐ２００６−４９２２４）
【出願日】平成１８年２月２４日（２００６．２．２４）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年９月６日（２００７．９．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年２月２４日（２００６．２．２４）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
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