金属材の接合方法
【課題】効率良く接合部の裏面側を加熱しつつ摩擦攪拌接合を行うことができる金属材の接合方法を提供する。
【解決手段】接合ツール１８を接合部１６の上側から挿入し、加熱裏板２８を接合部１６の下側から当接させる。接合ツール１８を接合ツール回転方向２４側に回転させ、加熱裏板２８を接合ツール回転方向２４側とは逆の加熱裏板回転方向３２側に回転させる。接合ツール１８及び加熱裏板２８の回転速度を、接合ツール１８及び加熱裏板２８それぞれが金属材１２，１４に与えるトルクを互いに相殺し合うように制御する。接合ツール１８と加熱裏板２８とを対向させつつ接合部１６の長手方向に沿って移動させる。加熱裏板２８が接合部１６を摩擦熱によって直接的に加熱し、接合ツール１８が接合部１６の金属を攪拌することにより金属材１２，１４を接合することができる。
【解決手段】接合ツール１８を接合部１６の上側から挿入し、加熱裏板２８を接合部１６の下側から当接させる。接合ツール１８を接合ツール回転方向２４側に回転させ、加熱裏板２８を接合ツール回転方向２４側とは逆の加熱裏板回転方向３２側に回転させる。接合ツール１８及び加熱裏板２８の回転速度を、接合ツール１８及び加熱裏板２８それぞれが金属材１２，１４に与えるトルクを互いに相殺し合うように制御する。接合ツール１８と加熱裏板２８とを対向させつつ接合部１６の長手方向に沿って移動させる。加熱裏板２８が接合部１６を摩擦熱によって直接的に加熱し、接合ツール１８が接合部１６の金属を攪拌することにより金属材１２，１４を接合することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は金属材の接合方法に関し、接合部を加熱しつつ摩擦攪拌接合を行う金属材の接合方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の金属材の接合方法においては、摩擦攪拌接合（ＦＳＷ＝Friction Stir Welding）により金属材を接合する技術が知られている。摩擦攪拌接合では、接合しようとする金属材を接合部において対向させ、接合ツールの先端に設けられたプローブを接合部に挿入し、接合部の長手方向に沿って接合ツールを回転させつつ移動させて、摩擦熱により金属材を塑性流動させることによって２つの金属材を接合する。摩擦攪拌接合は原則として良好な接合強度を得ることができるが、接合部のプローブを挿入した側（表面側）とは反対側（裏面側）の部分では、入熱が不足して接合不良となり接合強度が不足するおそれがある。そこで、特許文献１では、接合部の裏面側にヒータ線からなる加熱手段を設け、接合部の裏面側を加熱しつつ摩擦攪拌接合を行う技術が記載されている。
【特許文献１】特開２００２−７９３８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記の技術のようにヒータを設けて接合部の裏面側を加熱しても、上記技術では熱した加熱手段を接合部の裏面に当接させることにより間接的に接合部の裏面側に熱を伝えるため、接合部の裏面側への入熱が不十分となり、結局、接合部の接合強度が不足する場合がある。
【０００４】
本発明は、斯かる実情に鑑み、効率良く接合部の裏面側を加熱しつつ摩擦攪拌接合を行うことができる金属材の接合方法を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、２つの金属材を接合部において対向させ、接合部の一方の側から棒状の接合ツールを挿入し、接合部の他方の側に加熱裏板を接合ツールと対向するように当接させ、接合ツールと加熱裏板とを回転させて、２つの金属材を接合する金属材の接合方法である。
【０００６】
この構成によれば、接合部の一方の側から棒状の接合ツールを挿入し、接合部の他方の側に加熱裏板を接合ツールと対向するように当接させ、接合ツールと加熱裏板とを回転させるため、接合部の裏面側を裏面の加熱裏板と被接合材との摩擦熱のみにより加熱しつつ金属材を摩擦攪拌接合することができる。接合部の裏面側は加熱裏板との摩擦により直接的に熱を与えられるため、ヒータ等の手段により間接的に熱を与えられる場合に比べて効率良く接合部の裏面側を加熱することができる。
【０００７】
なお、本発明の金属材の接合方法においては、回転ツールを回転させつつ接合部の長手方向に沿って移動させる場合と、接合部において回転させた回転ツールを移動させずにその箇所で回転させ続ける場合とを含む。また、本明細書で「摩擦攪拌接合」とは、（１）板状の金属材の端部同士を突き合わせて接合部とし、回転ツールをその接合部の長手方向に沿って回転させつつ移動させて金属材同士を接合する摩擦攪拌接合、（２）板状の金属材の端部同士を突き合わせて接合部とし、回転ツールをその接合部で移動させずに回転させて接合するスポット摩擦攪拌接合（スポットＦＳＷ）、（３）金属材同士を接合部において重ね合わせ、接合部に回転ツールを挿入し、回転ツールをその箇所で移動させずに回転させて金属材同士を接合するスポット摩擦攪拌接合、（４）金属材同士を接合部において重ね合わせ、接合部に回転ツールを挿入し、回転ツールをその接合部の長手方向に沿って回転させつつ移動させて金属材同士を接合する摩擦攪拌接合の（１）〜（４）の４つの態様およびこれらの組み合わせを含む。
【０００８】
この場合、接合ツールと加熱裏板とをそれぞれ逆方向に回転させることが好適である。
【０００９】
この構成によれば、接合ツールと加熱裏板とをそれぞれ逆方向に回転させることにより、攪拌効率が向上する。また、接合ツールと加熱裏板とが金属材に与えるトルクを相殺しやすくなり、金属材を保持する労力を軽減することができる。
【００１０】
この場合、接合ツール及び加熱裏板のそれぞれが２つの金属材に与えるトルクを互いに相殺し合うように接合ツールと加熱裏板の回転速度を制御しながら回転させることがさらに好適である。
【００１１】
この構成によれば、接合ツールと加熱裏板とのそれぞれが２つの金属材に与えるトルクを互いに相殺し合うように接合ツールと加熱裏板とを回転させるため、金属材を保持する労力をさらに軽減することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の金属材の接合方法によれば、効率良く接合部の裏面側を加熱しつつ摩擦攪拌接合を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して説明する。
【００１４】
図１は、本発明の第１実施形態に係る定置式接合装置を示す斜視図であり、図２は、本発明の第１実施形態に係る金属材の接合方法の基本的な概念を示す図である。図１に示すように、本実施形態の接合装置１０ａは、基台３８上に、接合ツール１８、接合ツール駆動部２２、加熱裏板２８、加熱裏板駆動部３０及び制御部３６を備える。図２に示すように、本実施形態の接合装置１０ａは、加熱裏板２８によって接合部１６の裏面側を加熱しつつ、接合ツール１８によって金属材１２，１４を摩擦攪拌接合することができるように構成されている。
【００１５】
接合ツール１８は、金属材１２，１４を摩擦攪拌接合するための物で、略円筒状をなし、先端に本体より小径の略円柱状のプローブ２０を備えている。なお、プローブは必ず必要なものではなく、場合によってはプローブを有しない略円筒状の接合ツールを用いても良い。接合ツール１８の材質は、例えば、ＪＩＳに規格されているＳＫＤ６１鋼等の工具鋼や、タングステンカーバイト（ＷＣ）、コバルト（Ｃｏ）からなる超硬合金、またはＳｉ３Ｎ４等のセラミックス、またはＷ、Ｍｏ、イリジウム（Ｉｒ）、イリジウム合金やハフニウム（Ｈｆ）等の高融点金属からなるものとすることができる。接合ツール１８は、金属材１２，１４の表面の垂直方向に対して必要に応じて所定の角度をなし、例えば０〜５°の角度をなす。
【００１６】
接合ツール駆動部２２は、接合ツール１８を、接合ツール回転方向２４側に回転させ、接合ツール移動方向２６に沿って移動させる物である。接合ツール駆動部２２は、制御部３６からの制御信号によって駆動され、接合ツール１８の回転速度及び移動速度は制御部３６によって制御される。
【００１７】
加熱裏板２８は、接合部１６の裏面側に当接しつつ回転し、摩擦熱によって接合部１６を加熱する物である。加熱裏板２８は平板状をなし、例えば、角形板または円板であり、あるいは、直方体状または略円筒状の形態を有する。加熱裏板２８は、接合部１６の広範囲に摩擦熱を与えるためと、後述するように接合ツール１８のトルクを相殺するために必要な回転数を低くするため、接合ツール１８よりも大きな直径を有する。具体的には、加熱裏板２８の直径（あるいは一辺）は接合ツール１８の直径の１〜７倍とされ、より好ましくは２〜５倍とされる。あるいは、広範囲に摩擦熱を与えるために、加熱裏板２８の直径（あるいは一辺）は接合ツール１８の直径の１５〜２５倍としても良い。
【００１８】
加熱裏板２８の材質は、接合ツール１８と同様に、例えば、ＪＩＳに規格されているＳＫＤ６１鋼等の工具鋼や、タングステンカーバイト（ＷＣ）、コバルト（Ｃｏ）からなる超硬合金、またはＳｉ３Ｎ４等のセラミックス、あるいはイリジウム（Ｉｒ）、イリジウム合金やハフニウム（Ｈｆ）からなるものとすることができる。加熱裏板２８は、金属材１２，１４の裏面の垂直方向に対して必要に応じて所定の角度をなし、例えば０〜５°の角度をなす。図２に示すように、加熱裏板２８は接合ツール１８と対向しつつ、接合ツール１８の回転軸と加熱裏板２８の回転軸とが同一直線上になるように配置される。ただし、場合に応じて、接合ツール１８の回転軸と加熱裏板２８の回転軸とが所定の角度をなすようにして配置しても良い。また、接合ツール１８の回転軸と加熱裏板２８の回転軸とを所定距離だけずらすように配置しても良い。なお、図１及び２の例では、加熱裏板２８は略円筒状をなすが、四角柱、六角柱等の角柱状、あるいはその他の形状としても良い。また、加熱裏板２８の先端は、必ずしも平面でなくともよく、凹面あるいは凸面としても良い。
【００１９】
加熱裏板駆動部３０は、加熱裏板２８を、加熱裏板回転方向３２側に回転させ、接合ツール移動方向３４に沿って移動させる物である。加熱裏板駆動部３０は、制御部３６からの制御信号によって駆動され、加熱裏板２８の回転速度及び移動速度は制御部３６によって制御される。
【００２０】
制御部３６は、接合ツール駆動部２２及び加熱裏板駆動部３０に対して制御信号を与える物である。制御部３６は、接合ツール１８と加熱裏板２８とが対向しつつ接合部１６の長手方向に沿って移動するように制御する。また、制御部３６は、接合ツール１８と加熱裏板２８とのそれぞれが金属材１２，１４に与えるトルクが互いに相殺し合うように、接合ツール１８及び加熱裏板２８の回転を制御する。
【００２１】
本実施形態において、金属材１２，１４としては、Ａｌ等を含む軽合金系材料を適用することができるが、本実施形態では、加熱裏板２８の働きによって、接合部１６の表面側から裏面側まで、より均一に熱を与えることが可能になるため、１０００℃以上の融点を有する高融点材料や、Ｆｅ等を含む鉄鋼系材料を適用することが好適である。具体的には、例えば、炭素鋼、合金鋼、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３０１Ｌ、ＳＵＳ３１６Ｌ等のオーステナイト系ステンレス鋼、ＳＵＳ４３０等のフェライト系ステンレス鋼あるいは２相ステンレス鋼を適用することができる。あるいは、金属材１２，１４として、同種の材料ではなく、異種材料を適用することもできる。具体的には、例えば、ＳＳ４００とＳ４５Ｃとの接合等の炭素鋼同士の接合、ＳＳ４００とＳＵＳ３０４との接合等の炭素鋼とステンレス鋼との接合、Ａ５０８３とＡＺ４１との接合等の軽合金同士の接合、板厚が厚いＡ５０８３等の非熱処理材料であるアルミニウム合金同士の接合、及びＡ５０８３とＡ６Ｎ０１との接合等の非熱処理材料と熱処理材料との接合を本実施形態の接合方法では行うことができる。なお、図１および２の例では、接合ツール１８及び加熱裏板２８が固定された金属材１２，１４に対して移動するようにされているが、逆に位置が固定された接合ツール１８及び加熱裏板２８に対して金属材１２，１４が移動するようにされていても良い。
【００２２】
接合時には、図２に示すように、金属材１２，１４を接合部１６にて対向させ、接合ツール１８のプローブ２０を接合部１６の上側から挿入し、加熱裏板２８を接合部１６の下側から当接させる。制御部３６からの制御信号により、接合ツール駆動部２２は接合ツール１８を接合ツール回転方向２４側に回転させ、加熱裏板駆動部３０は加熱裏板２８を加熱裏板回転方向３２側に回転させる。接合ツール回転方向２４と加熱裏板回転方向３２とは、それぞれ反対方向である。また、制御部３６は、接合ツール１８及び加熱裏板２８の回転速度を、接合ツール１８及び加熱裏板２８それぞれが金属材１２，１４に与えるトルクを互いに相殺し合う速度となるように制御する。図２の例では、接合ツール１８より加熱裏板２８の直径が大きいため、加熱裏板２８の回転速度を接合ツール１８の回転速度よりも低い回転速度とすることにより、接合ツール１８及び加熱裏板２８それぞれが金属材１２，１４に与えるトルクを互いに相殺し合うようにすることができる。
【００２３】
制御部３６からの制御信号により、接合ツール駆動部２２と加熱裏板駆動部３０とはそれぞれ接合ツール１８と加熱裏板２８とを対向させつつ接合部１６の長手方向に沿って所定の接合速度で移動させる。加熱裏板２８が接合部１６を摩擦熱によって加熱し、接合ツール１８が接合部１６の金属を塑性流動させて攪拌することにより、金属材１２，１４を接合することができる。接合ツール１８およびそのプローブ２０、並びに加熱裏板２８が使用によって磨耗した場合は、適宜、交換することによって、接合を続行することができる。
【００２４】
本実施形態では、接合部１６の表面側から接合ツール１８を挿入し、接合部１６の裏面側に加熱裏板２８を接合ツール１８と対向するように当接させ、接合ツール１８と加熱裏板２８とを回転させるため、接合部１６の裏面側を加熱しつつ金属材１２，１４を摩擦攪拌接合することができる。接合部１６の裏面側は加熱裏板２８との摩擦により直接的に熱を与えられるため、ヒータ等の手段により間接的に熱を与えられる場合に比べて効率良く接合部１６の裏面側を加熱することができる。その結果、接合部の表面側と裏面側とで攪拌の度合いが等しくなり、欠陥が発生しにくくなり、接合強度が安定して高強度となる継手が作成できる。本実施形態の方法は、特に炭素鋼やステンレス鋼等の高融点金属を接合する際に効力を発揮する。また、より高い接合速度であっても高強度となる継手が作成できる。
【００２５】
また本実施形態では、接合ツール１８と加熱裏板２８とのそれぞれが金属材１２，１４に与えるトルクを互いに相殺し合うように接合ツール１８と加熱裏板２８とを互いに逆方向に回転させる。そのため、本来、接合ツールから被接合物に加えられるトルクのために、被接合物を保持するために大規模な固定具等が必要な摩擦攪拌接合において、被接合物を簡易な手法で保持することができる。さらに、接合ツール１８と加熱裏板２８とを逆に回転させることから、攪拌効率が向上し、結合力を持たない密着した割れ面であるキッシングボンドの発生も防止できる。
【００２６】
さらに本実施形態では、加熱裏板２８が接合部１６の裏面側に当接しつつ回転し、加熱裏板２８と接合部１６との間の摩擦力が動摩擦係数で算出される小さいものとなるため、固定されたヒータ等を接合部１６に当接させた場合に比べて小さな力で加熱裏板２８を接合部１６に沿って移動させることができる。
【００２７】
なお、本実施形態の金属材の接合方法は、図５に示すように、鉄道車両構体１００の側面外板及び屋根の接合に適用することができる。また、本実施形態の金属材の接合方法は、図６に示すように、タンクローリ１０２の胴板の接合に適用することができる。さらに、本実施形態の金属材の接合方法は、図７に示すように、立体駐車装置のパレット１０４の接合に適用することができる。図８に示すように、コンテナ１０６の外板及び内壁の接合に適用することができる。
【００２８】
図３は、本発明の第２実施形態に係る携帯式接合装置を示す斜視図である。図３に示すように、本実施形態の携帯式接合装置１０ｂは、第１実施形態の定置式接合装置１０ａとほぼ同等の構成要素を備えるが、装置の大きさは作業者が持ち運ぶことが可能な程度の大きさであり、作業者が保持することができるようにストラップ４０が設けられている点が第１実施形態の定置式接合装置１０ａと異なっている。本実施形態の携帯式接合装置１０ｂは、接合ツール１８と加熱裏板２８とのそれぞれが金属材に与えるトルクを互いに相殺し合うように接合ツール１８と加熱裏板２８とを互いに逆方向に回転させるため、携帯式接合装置１０ｂや被加工物の保持に大きな力を必要とせず、大規模な固定具等がなくとも人力で作業を行うことが可能である。このため、狭い箇所の補修等の作業に極めて有益な物となる。
【００２９】
図４は、本発明の第３実施形態に係る金属材の接合方法の基本的な概念を示す図である。図４に示すように、本実施形態では、金属材１２，１４同士を接合部１６において重ね合わせ、金属材１２を通して接合部１６に接合ツール１８を挿入し、接合ツール１８を回転させて金属材１２，１４同士を接合する。同様にして、他の箇所にも順次接合ツール１８を挿入して回転させることにより、広い接合部１６においても摩擦攪拌接合を行うことができる。
【００３０】
尚、本発明の金属材の接合方法は、上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。例えば、上記実施形態では、接合ツールと加熱裏板とを互いに逆方向に回転させる態様を中心に説明したが、本発明はこれに限定されず、接合ツールと加熱裏板とを互いに同方向に回転させた方が良好な接合部を得ることができる場合には、両者を同方向に回転させても良く、このような態様も本発明の範囲に含まれる。
【００３１】
また、上記実施形態では、２つの金属材を接合する態様を中心に説明したが、本発明は、金属材の接合は行わず、金属材の改質に適用することもできる。例えば、一つの金属材に接合ツールと加熱裏板とを対向するように当接させ、接合ツールと加熱裏板とを回転させることにより、塑性流動により金属材を改質させることができる。
【００３２】
（実験例１）
図９に示す条件でステンレス鋼であるＳＵＳ３０４の板材の接合を行った。一方は、固定定盤上で接合ツール１８を接合部１６の表面側のみから挿入して、回転する加熱裏板２８を用いないで接合を行った（通常接合）。もう一方は、本発明の接合方法により、接合ツール１８と加熱裏板２８を用いて接合を行った（両面接合）。
【００３３】
図１０（ａ）はステンレス鋼の通常片面接合における接合部１６の縦断面を示す図であり、図１０（ｂ）は図１０（ａ）の拡大視である。また、図１１（ａ）はステンレス鋼の両面接合における接合部１６の縦断面を示す図であり、図１１（ｂ）は図１１（ａ）の拡大視である。図１０（ｂ）に示すように、通常接合による接合部１６には、裏面側にキッシングボンドと呼ばれる結合力を持たない密着した割れ面が生じていることが判る。一方、図１１（ｂ）に示すように、本発明の両面接合による接合部１６には、裏面側にキッシングボンドが発生していないことが判る。
【００３４】
図１２は、ステンレス鋼における通常片面接合と両面接合の引張強さを比較したグラフ図である。図１２に示すように、通常接合での引張強さは６８４ＭＰａであるのに対し、両面接合の引張強さは７３４ＭＰａと大幅に向上していることが判る。
【００３５】
（実験例２）
図１３に示す条件でアルミニウム合金であるＡ６Ｎ０１の板材の接合を行った。一方は、固定定盤上で接合ツール１８を接合部１６の表面側のみから挿入して、回転する加熱裏板２８を用いないで接合を行った（通常接合）。もう一方は、本発明の接合方法により、接合ツール１８と加熱裏板２８を用い、加熱裏板２８の回転速度を変化させて接合を行った（両面接合）。
【００３６】
図１４（ａ）はアルミニウム合金の通常片面接合における接合部の縦断面を示す図であり、図１４（ｂ）は図１４（ａ）の拡大視である。また、図１５（ａ）はアルミニウム合金の両面接合における接合部の縦断面を示す図であり、図１５（ｂ）は図１５（ａ）の拡大視である。図１４（ｂ）に示すように、通常接合による接合部１６には、裏面側にキッシングボンドと呼ばれる結合力を持たない密着した割れ面が生じていることが判る。一方、図１５（ｂ）に示すように、本発明の両面接合による接合部１６には、裏面側にキッシングボンドが発生していないことが判る。
【００３７】
図１６は、アルミニウム合金における通常片面接合と両面接合の引張強さを比較したグラフ図である。図１６に示すように、通常接合での引張強さに対し、両面接合の引張強さは、いずれの加熱裏板２８の回転速度においても大幅に向上していることが判る。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の第１実施形態に係る定置式接合装置を示す斜視図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る金属材の接合方法の基本的な概念を示す図である。
【図３】本発明の第２実施形態に係る携帯式接合装置を示す斜視図である。
【図４】本発明の第３実施形態に係る金属材の接合方法の基本的な概念を示す図である。
【図５】第１実施形態に係る金属材の接合方法を鉄道車両の側面外板及び屋根に適用した例を示す斜視図である。
【図６】第１実施形態に係る金属材の接合方法をタンクローリの胴板に適用した例を示す斜視図である。
【図７】第１実施形態に係る金属材の接合方法を立体駐車装置のパレットに適用した例を示す斜視図である。
【図８】第１実施形態に係る金属材の接合方法をコンテナの外板及び内壁に適用した例を示す斜視図である。
【図９】実験例１に係るステンレス鋼の接合条件を示した表である。
【図１０】（ａ）はステンレス鋼の通常片面接合における接合部の縦断面を示す図であり、（ｂ）は（ａ）の拡大視である。
【図１１】（ａ）はステンレス鋼の両面接合における接合部の縦断面を示す図であり、（ｂ）は（ａ）の拡大視である。
【図１２】ステンレス鋼における通常片面接合と両面接合の引張強さを比較したグラフ図である。
【図１３】実験例１に係るアルミニウム合金の接合条件を示した表である。
【図１４】（ａ）はアルミニウム合金の通常片面接合における接合部の縦断面を示す図であり、（ｂ）は（ａ）の拡大視である。
【図１５】（ａ）はアルミニウム合金の両面接合における接合部の縦断面を示す図であり、（ｂ）は（ａ）の拡大視である。
【図１６】アルミニウム合金における通常片面接合と両面接合の引張強さを比較したグラフ図である。
【符号の説明】
【００３９】
１０ａ…定置式接合装置、１０ｂ…携帯式接合装置、１２，１４…金属材、１６…接合部、１８…接合ツール、２０…プローブ、２２…接合ツール駆動部、２４…接合ツール回転方向、２６…接合ツール移動方向、２８…加熱裏板、３０…加熱裏板駆動部、３２…加熱裏板回転方向、３４…加熱裏板移動方向、３６…制御部、３８…基部、４０…ストラップ、１００…鉄道車両構体、１０２…タンクローリ、１０４…パレット、１０６…コンテナ。
【技術分野】
【０００１】
本発明は金属材の接合方法に関し、接合部を加熱しつつ摩擦攪拌接合を行う金属材の接合方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の金属材の接合方法においては、摩擦攪拌接合（ＦＳＷ＝Friction Stir Welding）により金属材を接合する技術が知られている。摩擦攪拌接合では、接合しようとする金属材を接合部において対向させ、接合ツールの先端に設けられたプローブを接合部に挿入し、接合部の長手方向に沿って接合ツールを回転させつつ移動させて、摩擦熱により金属材を塑性流動させることによって２つの金属材を接合する。摩擦攪拌接合は原則として良好な接合強度を得ることができるが、接合部のプローブを挿入した側（表面側）とは反対側（裏面側）の部分では、入熱が不足して接合不良となり接合強度が不足するおそれがある。そこで、特許文献１では、接合部の裏面側にヒータ線からなる加熱手段を設け、接合部の裏面側を加熱しつつ摩擦攪拌接合を行う技術が記載されている。
【特許文献１】特開２００２−７９３８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記の技術のようにヒータを設けて接合部の裏面側を加熱しても、上記技術では熱した加熱手段を接合部の裏面に当接させることにより間接的に接合部の裏面側に熱を伝えるため、接合部の裏面側への入熱が不十分となり、結局、接合部の接合強度が不足する場合がある。
【０００４】
本発明は、斯かる実情に鑑み、効率良く接合部の裏面側を加熱しつつ摩擦攪拌接合を行うことができる金属材の接合方法を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、２つの金属材を接合部において対向させ、接合部の一方の側から棒状の接合ツールを挿入し、接合部の他方の側に加熱裏板を接合ツールと対向するように当接させ、接合ツールと加熱裏板とを回転させて、２つの金属材を接合する金属材の接合方法である。
【０００６】
この構成によれば、接合部の一方の側から棒状の接合ツールを挿入し、接合部の他方の側に加熱裏板を接合ツールと対向するように当接させ、接合ツールと加熱裏板とを回転させるため、接合部の裏面側を裏面の加熱裏板と被接合材との摩擦熱のみにより加熱しつつ金属材を摩擦攪拌接合することができる。接合部の裏面側は加熱裏板との摩擦により直接的に熱を与えられるため、ヒータ等の手段により間接的に熱を与えられる場合に比べて効率良く接合部の裏面側を加熱することができる。
【０００７】
なお、本発明の金属材の接合方法においては、回転ツールを回転させつつ接合部の長手方向に沿って移動させる場合と、接合部において回転させた回転ツールを移動させずにその箇所で回転させ続ける場合とを含む。また、本明細書で「摩擦攪拌接合」とは、（１）板状の金属材の端部同士を突き合わせて接合部とし、回転ツールをその接合部の長手方向に沿って回転させつつ移動させて金属材同士を接合する摩擦攪拌接合、（２）板状の金属材の端部同士を突き合わせて接合部とし、回転ツールをその接合部で移動させずに回転させて接合するスポット摩擦攪拌接合（スポットＦＳＷ）、（３）金属材同士を接合部において重ね合わせ、接合部に回転ツールを挿入し、回転ツールをその箇所で移動させずに回転させて金属材同士を接合するスポット摩擦攪拌接合、（４）金属材同士を接合部において重ね合わせ、接合部に回転ツールを挿入し、回転ツールをその接合部の長手方向に沿って回転させつつ移動させて金属材同士を接合する摩擦攪拌接合の（１）〜（４）の４つの態様およびこれらの組み合わせを含む。
【０００８】
この場合、接合ツールと加熱裏板とをそれぞれ逆方向に回転させることが好適である。
【０００９】
この構成によれば、接合ツールと加熱裏板とをそれぞれ逆方向に回転させることにより、攪拌効率が向上する。また、接合ツールと加熱裏板とが金属材に与えるトルクを相殺しやすくなり、金属材を保持する労力を軽減することができる。
【００１０】
この場合、接合ツール及び加熱裏板のそれぞれが２つの金属材に与えるトルクを互いに相殺し合うように接合ツールと加熱裏板の回転速度を制御しながら回転させることがさらに好適である。
【００１１】
この構成によれば、接合ツールと加熱裏板とのそれぞれが２つの金属材に与えるトルクを互いに相殺し合うように接合ツールと加熱裏板とを回転させるため、金属材を保持する労力をさらに軽減することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の金属材の接合方法によれば、効率良く接合部の裏面側を加熱しつつ摩擦攪拌接合を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して説明する。
【００１４】
図１は、本発明の第１実施形態に係る定置式接合装置を示す斜視図であり、図２は、本発明の第１実施形態に係る金属材の接合方法の基本的な概念を示す図である。図１に示すように、本実施形態の接合装置１０ａは、基台３８上に、接合ツール１８、接合ツール駆動部２２、加熱裏板２８、加熱裏板駆動部３０及び制御部３６を備える。図２に示すように、本実施形態の接合装置１０ａは、加熱裏板２８によって接合部１６の裏面側を加熱しつつ、接合ツール１８によって金属材１２，１４を摩擦攪拌接合することができるように構成されている。
【００１５】
接合ツール１８は、金属材１２，１４を摩擦攪拌接合するための物で、略円筒状をなし、先端に本体より小径の略円柱状のプローブ２０を備えている。なお、プローブは必ず必要なものではなく、場合によってはプローブを有しない略円筒状の接合ツールを用いても良い。接合ツール１８の材質は、例えば、ＪＩＳに規格されているＳＫＤ６１鋼等の工具鋼や、タングステンカーバイト（ＷＣ）、コバルト（Ｃｏ）からなる超硬合金、またはＳｉ３Ｎ４等のセラミックス、またはＷ、Ｍｏ、イリジウム（Ｉｒ）、イリジウム合金やハフニウム（Ｈｆ）等の高融点金属からなるものとすることができる。接合ツール１８は、金属材１２，１４の表面の垂直方向に対して必要に応じて所定の角度をなし、例えば０〜５°の角度をなす。
【００１６】
接合ツール駆動部２２は、接合ツール１８を、接合ツール回転方向２４側に回転させ、接合ツール移動方向２６に沿って移動させる物である。接合ツール駆動部２２は、制御部３６からの制御信号によって駆動され、接合ツール１８の回転速度及び移動速度は制御部３６によって制御される。
【００１７】
加熱裏板２８は、接合部１６の裏面側に当接しつつ回転し、摩擦熱によって接合部１６を加熱する物である。加熱裏板２８は平板状をなし、例えば、角形板または円板であり、あるいは、直方体状または略円筒状の形態を有する。加熱裏板２８は、接合部１６の広範囲に摩擦熱を与えるためと、後述するように接合ツール１８のトルクを相殺するために必要な回転数を低くするため、接合ツール１８よりも大きな直径を有する。具体的には、加熱裏板２８の直径（あるいは一辺）は接合ツール１８の直径の１〜７倍とされ、より好ましくは２〜５倍とされる。あるいは、広範囲に摩擦熱を与えるために、加熱裏板２８の直径（あるいは一辺）は接合ツール１８の直径の１５〜２５倍としても良い。
【００１８】
加熱裏板２８の材質は、接合ツール１８と同様に、例えば、ＪＩＳに規格されているＳＫＤ６１鋼等の工具鋼や、タングステンカーバイト（ＷＣ）、コバルト（Ｃｏ）からなる超硬合金、またはＳｉ３Ｎ４等のセラミックス、あるいはイリジウム（Ｉｒ）、イリジウム合金やハフニウム（Ｈｆ）からなるものとすることができる。加熱裏板２８は、金属材１２，１４の裏面の垂直方向に対して必要に応じて所定の角度をなし、例えば０〜５°の角度をなす。図２に示すように、加熱裏板２８は接合ツール１８と対向しつつ、接合ツール１８の回転軸と加熱裏板２８の回転軸とが同一直線上になるように配置される。ただし、場合に応じて、接合ツール１８の回転軸と加熱裏板２８の回転軸とが所定の角度をなすようにして配置しても良い。また、接合ツール１８の回転軸と加熱裏板２８の回転軸とを所定距離だけずらすように配置しても良い。なお、図１及び２の例では、加熱裏板２８は略円筒状をなすが、四角柱、六角柱等の角柱状、あるいはその他の形状としても良い。また、加熱裏板２８の先端は、必ずしも平面でなくともよく、凹面あるいは凸面としても良い。
【００１９】
加熱裏板駆動部３０は、加熱裏板２８を、加熱裏板回転方向３２側に回転させ、接合ツール移動方向３４に沿って移動させる物である。加熱裏板駆動部３０は、制御部３６からの制御信号によって駆動され、加熱裏板２８の回転速度及び移動速度は制御部３６によって制御される。
【００２０】
制御部３６は、接合ツール駆動部２２及び加熱裏板駆動部３０に対して制御信号を与える物である。制御部３６は、接合ツール１８と加熱裏板２８とが対向しつつ接合部１６の長手方向に沿って移動するように制御する。また、制御部３６は、接合ツール１８と加熱裏板２８とのそれぞれが金属材１２，１４に与えるトルクが互いに相殺し合うように、接合ツール１８及び加熱裏板２８の回転を制御する。
【００２１】
本実施形態において、金属材１２，１４としては、Ａｌ等を含む軽合金系材料を適用することができるが、本実施形態では、加熱裏板２８の働きによって、接合部１６の表面側から裏面側まで、より均一に熱を与えることが可能になるため、１０００℃以上の融点を有する高融点材料や、Ｆｅ等を含む鉄鋼系材料を適用することが好適である。具体的には、例えば、炭素鋼、合金鋼、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３０１Ｌ、ＳＵＳ３１６Ｌ等のオーステナイト系ステンレス鋼、ＳＵＳ４３０等のフェライト系ステンレス鋼あるいは２相ステンレス鋼を適用することができる。あるいは、金属材１２，１４として、同種の材料ではなく、異種材料を適用することもできる。具体的には、例えば、ＳＳ４００とＳ４５Ｃとの接合等の炭素鋼同士の接合、ＳＳ４００とＳＵＳ３０４との接合等の炭素鋼とステンレス鋼との接合、Ａ５０８３とＡＺ４１との接合等の軽合金同士の接合、板厚が厚いＡ５０８３等の非熱処理材料であるアルミニウム合金同士の接合、及びＡ５０８３とＡ６Ｎ０１との接合等の非熱処理材料と熱処理材料との接合を本実施形態の接合方法では行うことができる。なお、図１および２の例では、接合ツール１８及び加熱裏板２８が固定された金属材１２，１４に対して移動するようにされているが、逆に位置が固定された接合ツール１８及び加熱裏板２８に対して金属材１２，１４が移動するようにされていても良い。
【００２２】
接合時には、図２に示すように、金属材１２，１４を接合部１６にて対向させ、接合ツール１８のプローブ２０を接合部１６の上側から挿入し、加熱裏板２８を接合部１６の下側から当接させる。制御部３６からの制御信号により、接合ツール駆動部２２は接合ツール１８を接合ツール回転方向２４側に回転させ、加熱裏板駆動部３０は加熱裏板２８を加熱裏板回転方向３２側に回転させる。接合ツール回転方向２４と加熱裏板回転方向３２とは、それぞれ反対方向である。また、制御部３６は、接合ツール１８及び加熱裏板２８の回転速度を、接合ツール１８及び加熱裏板２８それぞれが金属材１２，１４に与えるトルクを互いに相殺し合う速度となるように制御する。図２の例では、接合ツール１８より加熱裏板２８の直径が大きいため、加熱裏板２８の回転速度を接合ツール１８の回転速度よりも低い回転速度とすることにより、接合ツール１８及び加熱裏板２８それぞれが金属材１２，１４に与えるトルクを互いに相殺し合うようにすることができる。
【００２３】
制御部３６からの制御信号により、接合ツール駆動部２２と加熱裏板駆動部３０とはそれぞれ接合ツール１８と加熱裏板２８とを対向させつつ接合部１６の長手方向に沿って所定の接合速度で移動させる。加熱裏板２８が接合部１６を摩擦熱によって加熱し、接合ツール１８が接合部１６の金属を塑性流動させて攪拌することにより、金属材１２，１４を接合することができる。接合ツール１８およびそのプローブ２０、並びに加熱裏板２８が使用によって磨耗した場合は、適宜、交換することによって、接合を続行することができる。
【００２４】
本実施形態では、接合部１６の表面側から接合ツール１８を挿入し、接合部１６の裏面側に加熱裏板２８を接合ツール１８と対向するように当接させ、接合ツール１８と加熱裏板２８とを回転させるため、接合部１６の裏面側を加熱しつつ金属材１２，１４を摩擦攪拌接合することができる。接合部１６の裏面側は加熱裏板２８との摩擦により直接的に熱を与えられるため、ヒータ等の手段により間接的に熱を与えられる場合に比べて効率良く接合部１６の裏面側を加熱することができる。その結果、接合部の表面側と裏面側とで攪拌の度合いが等しくなり、欠陥が発生しにくくなり、接合強度が安定して高強度となる継手が作成できる。本実施形態の方法は、特に炭素鋼やステンレス鋼等の高融点金属を接合する際に効力を発揮する。また、より高い接合速度であっても高強度となる継手が作成できる。
【００２５】
また本実施形態では、接合ツール１８と加熱裏板２８とのそれぞれが金属材１２，１４に与えるトルクを互いに相殺し合うように接合ツール１８と加熱裏板２８とを互いに逆方向に回転させる。そのため、本来、接合ツールから被接合物に加えられるトルクのために、被接合物を保持するために大規模な固定具等が必要な摩擦攪拌接合において、被接合物を簡易な手法で保持することができる。さらに、接合ツール１８と加熱裏板２８とを逆に回転させることから、攪拌効率が向上し、結合力を持たない密着した割れ面であるキッシングボンドの発生も防止できる。
【００２６】
さらに本実施形態では、加熱裏板２８が接合部１６の裏面側に当接しつつ回転し、加熱裏板２８と接合部１６との間の摩擦力が動摩擦係数で算出される小さいものとなるため、固定されたヒータ等を接合部１６に当接させた場合に比べて小さな力で加熱裏板２８を接合部１６に沿って移動させることができる。
【００２７】
なお、本実施形態の金属材の接合方法は、図５に示すように、鉄道車両構体１００の側面外板及び屋根の接合に適用することができる。また、本実施形態の金属材の接合方法は、図６に示すように、タンクローリ１０２の胴板の接合に適用することができる。さらに、本実施形態の金属材の接合方法は、図７に示すように、立体駐車装置のパレット１０４の接合に適用することができる。図８に示すように、コンテナ１０６の外板及び内壁の接合に適用することができる。
【００２８】
図３は、本発明の第２実施形態に係る携帯式接合装置を示す斜視図である。図３に示すように、本実施形態の携帯式接合装置１０ｂは、第１実施形態の定置式接合装置１０ａとほぼ同等の構成要素を備えるが、装置の大きさは作業者が持ち運ぶことが可能な程度の大きさであり、作業者が保持することができるようにストラップ４０が設けられている点が第１実施形態の定置式接合装置１０ａと異なっている。本実施形態の携帯式接合装置１０ｂは、接合ツール１８と加熱裏板２８とのそれぞれが金属材に与えるトルクを互いに相殺し合うように接合ツール１８と加熱裏板２８とを互いに逆方向に回転させるため、携帯式接合装置１０ｂや被加工物の保持に大きな力を必要とせず、大規模な固定具等がなくとも人力で作業を行うことが可能である。このため、狭い箇所の補修等の作業に極めて有益な物となる。
【００２９】
図４は、本発明の第３実施形態に係る金属材の接合方法の基本的な概念を示す図である。図４に示すように、本実施形態では、金属材１２，１４同士を接合部１６において重ね合わせ、金属材１２を通して接合部１６に接合ツール１８を挿入し、接合ツール１８を回転させて金属材１２，１４同士を接合する。同様にして、他の箇所にも順次接合ツール１８を挿入して回転させることにより、広い接合部１６においても摩擦攪拌接合を行うことができる。
【００３０】
尚、本発明の金属材の接合方法は、上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。例えば、上記実施形態では、接合ツールと加熱裏板とを互いに逆方向に回転させる態様を中心に説明したが、本発明はこれに限定されず、接合ツールと加熱裏板とを互いに同方向に回転させた方が良好な接合部を得ることができる場合には、両者を同方向に回転させても良く、このような態様も本発明の範囲に含まれる。
【００３１】
また、上記実施形態では、２つの金属材を接合する態様を中心に説明したが、本発明は、金属材の接合は行わず、金属材の改質に適用することもできる。例えば、一つの金属材に接合ツールと加熱裏板とを対向するように当接させ、接合ツールと加熱裏板とを回転させることにより、塑性流動により金属材を改質させることができる。
【００３２】
（実験例１）
図９に示す条件でステンレス鋼であるＳＵＳ３０４の板材の接合を行った。一方は、固定定盤上で接合ツール１８を接合部１６の表面側のみから挿入して、回転する加熱裏板２８を用いないで接合を行った（通常接合）。もう一方は、本発明の接合方法により、接合ツール１８と加熱裏板２８を用いて接合を行った（両面接合）。
【００３３】
図１０（ａ）はステンレス鋼の通常片面接合における接合部１６の縦断面を示す図であり、図１０（ｂ）は図１０（ａ）の拡大視である。また、図１１（ａ）はステンレス鋼の両面接合における接合部１６の縦断面を示す図であり、図１１（ｂ）は図１１（ａ）の拡大視である。図１０（ｂ）に示すように、通常接合による接合部１６には、裏面側にキッシングボンドと呼ばれる結合力を持たない密着した割れ面が生じていることが判る。一方、図１１（ｂ）に示すように、本発明の両面接合による接合部１６には、裏面側にキッシングボンドが発生していないことが判る。
【００３４】
図１２は、ステンレス鋼における通常片面接合と両面接合の引張強さを比較したグラフ図である。図１２に示すように、通常接合での引張強さは６８４ＭＰａであるのに対し、両面接合の引張強さは７３４ＭＰａと大幅に向上していることが判る。
【００３５】
（実験例２）
図１３に示す条件でアルミニウム合金であるＡ６Ｎ０１の板材の接合を行った。一方は、固定定盤上で接合ツール１８を接合部１６の表面側のみから挿入して、回転する加熱裏板２８を用いないで接合を行った（通常接合）。もう一方は、本発明の接合方法により、接合ツール１８と加熱裏板２８を用い、加熱裏板２８の回転速度を変化させて接合を行った（両面接合）。
【００３６】
図１４（ａ）はアルミニウム合金の通常片面接合における接合部の縦断面を示す図であり、図１４（ｂ）は図１４（ａ）の拡大視である。また、図１５（ａ）はアルミニウム合金の両面接合における接合部の縦断面を示す図であり、図１５（ｂ）は図１５（ａ）の拡大視である。図１４（ｂ）に示すように、通常接合による接合部１６には、裏面側にキッシングボンドと呼ばれる結合力を持たない密着した割れ面が生じていることが判る。一方、図１５（ｂ）に示すように、本発明の両面接合による接合部１６には、裏面側にキッシングボンドが発生していないことが判る。
【００３７】
図１６は、アルミニウム合金における通常片面接合と両面接合の引張強さを比較したグラフ図である。図１６に示すように、通常接合での引張強さに対し、両面接合の引張強さは、いずれの加熱裏板２８の回転速度においても大幅に向上していることが判る。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の第１実施形態に係る定置式接合装置を示す斜視図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る金属材の接合方法の基本的な概念を示す図である。
【図３】本発明の第２実施形態に係る携帯式接合装置を示す斜視図である。
【図４】本発明の第３実施形態に係る金属材の接合方法の基本的な概念を示す図である。
【図５】第１実施形態に係る金属材の接合方法を鉄道車両の側面外板及び屋根に適用した例を示す斜視図である。
【図６】第１実施形態に係る金属材の接合方法をタンクローリの胴板に適用した例を示す斜視図である。
【図７】第１実施形態に係る金属材の接合方法を立体駐車装置のパレットに適用した例を示す斜視図である。
【図８】第１実施形態に係る金属材の接合方法をコンテナの外板及び内壁に適用した例を示す斜視図である。
【図９】実験例１に係るステンレス鋼の接合条件を示した表である。
【図１０】（ａ）はステンレス鋼の通常片面接合における接合部の縦断面を示す図であり、（ｂ）は（ａ）の拡大視である。
【図１１】（ａ）はステンレス鋼の両面接合における接合部の縦断面を示す図であり、（ｂ）は（ａ）の拡大視である。
【図１２】ステンレス鋼における通常片面接合と両面接合の引張強さを比較したグラフ図である。
【図１３】実験例１に係るアルミニウム合金の接合条件を示した表である。
【図１４】（ａ）はアルミニウム合金の通常片面接合における接合部の縦断面を示す図であり、（ｂ）は（ａ）の拡大視である。
【図１５】（ａ）はアルミニウム合金の両面接合における接合部の縦断面を示す図であり、（ｂ）は（ａ）の拡大視である。
【図１６】アルミニウム合金における通常片面接合と両面接合の引張強さを比較したグラフ図である。
【符号の説明】
【００３９】
１０ａ…定置式接合装置、１０ｂ…携帯式接合装置、１２，１４…金属材、１６…接合部、１８…接合ツール、２０…プローブ、２２…接合ツール駆動部、２４…接合ツール回転方向、２６…接合ツール移動方向、２８…加熱裏板、３０…加熱裏板駆動部、３２…加熱裏板回転方向、３４…加熱裏板移動方向、３６…制御部、３８…基部、４０…ストラップ、１００…鉄道車両構体、１０２…タンクローリ、１０４…パレット、１０６…コンテナ。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つの金属材を接合部において対向させ、前記接合部の一方の側から棒状の接合ツールを挿入し、前記接合部の他方の側に加熱裏板を前記接合ツールと対向するように当接させ、前記接合ツールと前記加熱裏板とを回転させて、前記２つの金属材を接合する金属材の接合方法。
【請求項２】
前記接合ツールと前記加熱裏板とをそれぞれ逆方向に回転させる、請求項１に記載の金属材の接合方法。
【請求項３】
前記接合ツール及び前記加熱裏板のそれぞれが前記２つの金属材に与えるトルクを互いに相殺し合うように前記接合ツールと前記加熱裏板の回転速度を制御しながら回転させる、請求項２に記載の金属材の接合方法。
【請求項１】
２つの金属材を接合部において対向させ、前記接合部の一方の側から棒状の接合ツールを挿入し、前記接合部の他方の側に加熱裏板を前記接合ツールと対向するように当接させ、前記接合ツールと前記加熱裏板とを回転させて、前記２つの金属材を接合する金属材の接合方法。
【請求項２】
前記接合ツールと前記加熱裏板とをそれぞれ逆方向に回転させる、請求項１に記載の金属材の接合方法。
【請求項３】
前記接合ツール及び前記加熱裏板のそれぞれが前記２つの金属材に与えるトルクを互いに相殺し合うように前記接合ツールと前記加熱裏板の回転速度を制御しながら回転させる、請求項２に記載の金属材の接合方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１２】
【図１３】
【図１６】
【図１０】
【図１１】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１２】
【図１３】
【図１６】
【図１０】
【図１１】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２００８−１３７０７５（Ｐ２００８−１３７０７５Ａ）
【公開日】平成２０年６月１９日（２００８．６．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２８６３７７（Ｐ２００７−２８６３７７）
【出願日】平成１９年１１月２日（２００７．１１．２）
【出願人】（５０４１７６９１１）国立大学法人大阪大学 (1,536)
【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２０年６月１９日（２００８．６．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１１月２日（２００７．１１．２）
【出願人】（５０４１７６９１１）国立大学法人大阪大学 (1,536)
【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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