特許 6183247 接合方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6183247

(24)【登録日】2017年8月4日

(45)【発行日】2017年8月23日

(54)【発明の名称】接合方法

(51)【国際特許分類】

   B23K 20/12 20060101AFI20170814BHJP

【ＦＩ】

   B23K20/12 310

   B23K20/12 330

【請求項の数】5

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2014-47641(P2014-47641)

(22)【出願日】2014年3月11日

(65)【公開番号】特開2015-171719(P2015-171719A)

(43)【公開日】2015年10月1日

【審査請求日】2016年8月4日

(73)【特許権者】

【識別番号】000004743

【氏名又は名称】日本軽金属株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001807

【氏名又は名称】特許業務法人磯野国際特許商標事務所

(74)【代理人】

【識別番号】100064414

【弁理士】

【氏名又は名称】磯野 道造

(74)【代理人】

【識別番号】100111545

【弁理士】

【氏名又は名称】多田 悦夫

(74)【代理人】

【識別番号】100129067

【弁理士】

【氏名又は名称】町田 能章

(72)【発明者】

【氏名】堀 久司

(72)【発明者】

【氏名】瀬尾 伸城

【審査官】 岩見 勤

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１０−０８２６４９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−２０２６４５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５３−１０６３５２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−１３１６６６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ２３Ｋ ２０／１２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

一対の金属部材の一端側の端面同士を突き合わせて突合せ部を形成する準備工程と、
前記金属部材の表面側から前記突合せ部に溶接を行う第一の本接合工程と、
前記金属部材の裏面側から前記突合せ部に摩擦攪拌を行う第二の本接合工程と、を含み、
前記第一の本接合工程では、肉盛溶接を行うとともに溶接金属を前記金属部材の表面よりも突出させ、
前記第一の本接合工程終了後に前記両金属部材を裏返し、
前記第二の本接合工程では、前記金属部材の他端側に対して一端側が高くなるように前記溶接金属を架台に当接させて前記各金属部材を傾斜させた状態で摩擦攪拌を行うことを特徴とする接合方法。

【請求項2】

前記第一の本接合工程後に前記溶接金属を切削して前記溶接金属の肉盛高さを調節することを特徴とする請求項１に記載の接合方法。

【請求項3】

一対の金属部材の一端側の端面同士を突き合わせて突合せ部を形成する準備工程と、
前記金属部材の表面側から前記突合せ部に溶接を行う第一の本接合工程と、
前記金属部材の裏面側から前記突合せ部に摩擦攪拌を行う第二の本接合工程と、を含み、
前記第一の本接合工程では、肉盛溶接を行うとともに溶接金属を前記金属部材の表面よりも突出させ、
前記第一の本接合工程終了後に前記両金属部材を裏返し、
前記第二の本接合工程では、前記金属部材の他端側に対して一端側が高くなるように架台と前記溶接金属との間にスペーサーを配置して前記各金属部材を傾斜させた状態で摩擦攪拌を行うことを特徴とする接合方法。

【請求項4】

前記第一の本接合工程では、前記金属部材の表面において前記突合せ部に沿って凹溝を形成し、前記凹溝に溶接を行うことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の接合方法。

【請求項5】

前記第二の本接合工程では、前記第一の本接合工程で形成された溶接金属に、塑性化領域を接触させつつ摩擦攪拌を行うことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の接合方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、摩擦攪拌による金属部材同士の接合方法に関する。

【背景技術】

【0002】

金属部材同士を接合する方法として、摩擦攪拌接合（ＦＳＷ＝Friction Stir Welding）が知られている。摩擦攪拌接合とは、回転ツールを回転させつつ金属部材同士の突合せ部に沿って移動させ、回転ツールと金属部材との摩擦熱により突合せ部の金属を塑性流動させることで、金属部材同士を固相接合させるものである。

【0003】

特許文献１には、金属部材同士の端部同士を突き合わせて形成された突合せ部に回転ツールを挿入して、金属部材同士の表面側及び裏面側から突合せ部を摩擦攪拌接合する発明が開示されている。摩擦攪拌接合を行うと、回転ツールの移動軌跡に塑性化領域が形成されるが、当該塑性化領域が熱収縮するため、接合後の金属部材同士が凹状となるように変形してしまう。

【0004】

一方、金属部材の表面側から溶接で接合した後に、裏面側から摩擦攪拌を行って金属部材同士を接合することも考えられる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２００８−２９００９２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、溶接によっても金属部材に熱が作用するため、摩擦攪拌と同じように接合後の金属部材同士が凹状に変形してしまう。

【0007】

このような観点から、本発明は、摩擦攪拌による金属部材同士の接合方法において、接合された金属部材を容易に平坦にすることができる接合方法を提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

このような課題を解決するために本発明は、一対の金属部材の一端側の端面同士を突き合わせて突合せ部を形成する準備工程と、前記金属部材の表面側から前記突合せ部に溶接を行う第一の本接合工程と、前記金属部材の裏面側から前記突合せ部に摩擦攪拌を行う第二の本接合工程と、を含み、前記第一の本接合工程では、肉盛溶接を行うとともに溶接金属を前記金属部材の表面よりも突出させ、前記第一の本接合工程終了後に前記両金属部材を裏返し、前記第二の本接合工程では、前記金属部材の他端側に対して一端側が高くなるように前記溶接金属を架台に当接させて前記各金属部材を傾斜させた状態で摩擦攪拌を行うことを特徴とする。

【0009】

かかる接合方法によれば、第一の本接合工程の溶接で、金属部材に熱収縮が発生して表面側に凹状となるように反りが発生する。第二の本接合工程では、当該反りを利用して金属部材を容易に傾斜させることができる。また、第二の本接合工程を行う際に、溶接金属を利用して、金属部材同士を予め傾斜させておき、摩擦攪拌接合後の熱収縮を利用することで、接合された金属部材を平坦にすることができる。

【0014】

また、前記第一の本接合工程後に前記溶接金属を切削して前記溶接金属の肉盛高さを調節することが好ましい。かかる接合方法によれば、金属部材の傾斜角度を調節することができる。

【0015】

また、本発明は、一対の金属部材の一端側の端面同士を突き合わせて突合せ部を形成する準備工程と、前記金属部材の表面側から前記突合せ部に溶接を行う第一の本接合工程と、前記金属部材の裏面側から前記突合せ部に摩擦攪拌を行う第二の本接合工程と、を含み、前記第一の本接合工程では、肉盛溶接を行うとともに溶接金属を前記金属部材の表面よりも突出させ、前記第一の本接合工程終了後に前記両金属部材を裏返し、前記第二の本接合工程では、前記金属部材の他端側に対して一端側が高くなるように架台と前記溶接金属との間にスペーサーを配置して前記各金属部材を傾斜させた状態で摩擦攪拌を行うことを特徴とする。
かかる接合方法によれば、第一の本接合工程の溶接で、金属部材に熱収縮が発生して表面側に凹状となるように反りが発生する。第二の本接合工程では、当該反りを利用して金属部材を容易に傾斜させることができる。また、第二の本接合工程を行う際に、溶接金属を利用して、金属部材同士を予め傾斜させておき、摩擦攪拌接合後の熱収縮を利用することで、接合された金属部材を平坦にすることができる。また、金属部材の傾斜角度を調節することができる。

【0016】

また、前記第一の本接合工程では、前記金属部材の表面において前記突合せ部に沿って凹溝を形成し、前記凹溝に溶接を行うことが好ましい。

【0017】

かかる接合方法によれば、溶接を容易に行うことができる。

【0018】

また、前記第二の本接合工程では、前記第一の本接合工程で形成された溶接金属に、塑性化領域を接触させつつ摩擦攪拌を行うことが好ましい。

【0019】

かかる接合方法によれば、突合せ部の深さ方向の全体を接合することができるため、接合強度が向上するとともに、接合部の水密性及び気密性を高めることができる。

【発明の効果】

【0020】

本発明に係る接合方法よれば、接合された金属部材を容易に平坦にすることができる。

【図面の簡単な説明】

【0021】

【図1】本発明の第一実施形態に係る接合方法を示す断面図であって、（ａ）は第一の本接合工程を示し、（ｂ）は第一の本接合工程後を示し、（ｃ）は第二の準備工程を示す。

【図2】第一実施形態に係る接合方法を示す断面図であって、（ａ）は第二の本接合工程を示し、（ｂ）は第二の本接合工程後を示す。

【図3】本発明の第二実施形態に係る接合方法を示す断面図であって、（ａ）は凹溝形成工程を示し、（ｂ）は充填工程を示し、（ｃ）は第一の本接合工程後を示す。

【図4】第二実施形態に係る接合方法を示す断面図であって、（ａ）は第二の準備工程を示し、（ｂ）は第二の本接合工程を示す。

【発明を実施するための形態】

【0022】

［第一実施形態］
本発明の第一実施形態について図面を参照して詳細に説明する。図１の（ａ）に示すように、第一実施形態では、金属部材１，１の端部同士を突き合わせて形成された突合せ部Ｊを溶接及び摩擦攪拌によって接合する。第一実施形態に係る接合方法では、第一の準備工程と、第一の本接合工程と、第二の準備工程と、第二の本接合工程とを行う。

【0023】

第一の準備工程は、第一の本接合工程の準備をする工程である。第一の準備工程では、金属部材１，１を架台Ｋに載置して金属部材１，１の端面１ａ，１ａ同士を突き合わせて突合せ部Ｊを形成する。金属部材１，１の裏面１ｃ，１ｃは架台Ｋの表面に面接触する。そして、複数のクランプＫ２で金属部材１，１を移動不能に拘束する。

【0024】

金属部材１は、金属製の板状部材である。金属部材１，１は、同等の形状になっている。また、金属部材１，１は同等の材料で形成されている。金属部材１の材料は、摩擦攪拌可能な金属であれば特に制限されないが、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金、チタン、チタン合金、 マグネシウム、マグネシウム合金等から適宜選択すればよい。

【0025】

第一の本接合工程は、突合せ部Ｊに溶接を行う工程である。第一の本接合工程で行う溶接の種類は特に制限されないが、図１の（ａ）に示すように、本実施形態ではＴＩＧ溶接又はＭＩＧ溶接等の肉盛溶接を行う。肉盛溶接によって突合せ部Ｊには溶接金属Ｕが形成される。本実施形態では、溶接金属Ｕが金属部材１，１の表面１ｂ，１ｂから突出する程度に溶接を行う。

【0026】

第一の本接合工程が終了したら、図１の（ｂ）に示すように、クランプＫ２を解除して金属部材１，１を放置する。溶接金属Ｕの熱収縮によって金属部材１，１の表面１ｂ，１ｂ側が凹状となるように反りが発生する。

【0027】

第二の準備工程は、第二の本接合工程の準備をする工程である。図１の（ｃ）に示すように、第二の準備工程では、まず、金属部材１，１を裏返しつつ、クランプＫ２で金属部材１，１を架台Ｋに移動不能に拘束する。金属部材１，１の表面１ｂ，１ｂ側には表面１ｂ，１ｂよりも突出した溶接金属Ｕが形成されているため、架台Ｋの表面に溶接金属Ｕが当接する。これにより、金属部材１，１の他端側に対して一端側（端面１ａ，１ａ側）が高くなるように金属部材１，１が傾斜する。つまり、突合せ部Ｊが最も高くなる状態で金属部材１，１が架台Ｋに固定される。

【0028】

金属部材１，１が架台Ｋに固定されると、端面１ａ，１ａの下端は当接した状態となるが、端面１ａ，１ａの上端はわずかに離間した状態となる。本実施形態に係る「突合せ部」とは、端面１ａ，１ａが突き合わされており、端面１ａ，１ａ間で形成される空間断面がＶ字状を呈する状態も含むものである。

【0029】

金属部材１，１の傾斜角度は特に限定されないが、金属部材１，１の材質、各部位の寸法、後記する本接合工程の入熱量や接合後の熱収縮等を考慮して、第二の本接合工程後の熱収縮によって金属部材１，１が平坦になるような傾斜角度を適宜設定すればよい。

【0030】

金属部材１，１の傾斜角度を変更する場合は、例えば、溶接金属Ｕのうち表面１ｂ，１ｂから突出した突出部の一部を切削して肉盛高さを小さくすることで、金属部材１，１の傾斜角度を小さくすることができる。一方、例えば、架台Ｋと溶接金属Ｕ（金属部材１，１）との間にスペーサーを配置することによって、金属部材１，１の傾斜角度を大きくすることができる。スペーサーは、例えば、板状部材であって、溶接金属Ｕの延長方向に沿って配置されることが好ましい。

【0031】

第二の本接合工程は、金属部材１，１の裏面１ｃ，１ｃ側から摩擦攪拌を行う工程である。図１の（ｃ）に示すように、第二の本接合工程は、本実施形態では回転ツールＧを用いる。回転ツールＧは、円柱状を呈するショルダ部Ｇ１と、ショルダ部Ｇ１の下端面から突出する攪拌ピンＧ２とで構成されている。攪拌ピンＧ２は、錐台形状を呈する。

【0032】

図２の（ａ）に示すように、第二の本接合工程では、金属部材１，１の裏面１ｃ，１ｃ側から突合せ部Ｊに対して回転した回転ツールＧの攪拌ピンＧ２を挿入する。そして、突合せ部Ｊに沿って回転ツールＧを相対移動させる。

【0033】

本実施形態では、ショルダ部Ｇ１の下端面を、裏面１ｃ，１ｃよりも数ミリ程度押し込んで摩擦攪拌を行う。回転する回転ツールＧによって端面１ａ，１ａの金属が摩擦攪拌されて金属部材１，１が接合される。回転ツールＧの移動軌跡には、塑性化領域Ｗ１が形成される。金属部材１，１に対する攪拌ピンＧ２の挿入深さは適宜設定すればよいが、攪拌ピンＧ２の先端を突合せ部Ｊの深さ方向の１／２以上の位置まで挿入することが好ましい。本実施形態では、塑性化領域Ｗ１と溶接金属Ｕとの間は離間しているが、塑性化領域Ｗ１が溶接金属Ｕとが接触するように攪拌ピンＧ２の挿入深さを設定してもよい。

【0034】

図２の（ｂ）に示すように、第二の本接合工程が終了したら、クランプＫ２を解除して金属部材１，１を放置する。金属部材１，１を放置すると、塑性化領域Ｗ１に熱収縮が発生するため、裏面１ｃ，１ｃ側が凹状となるような反りが発生する。これにより、金属部材１，１が平坦になる。以上により金属部材１，１が接合される。最後に、摩擦攪拌によって発生したバリＶや溶接金属Ｕの表面１ｂ，１ｂから突出する突出部を切除するバリ切除工程を行って金属部材１，１の表面１ｂ及び裏面１ｃを平坦にする。

【0035】

以上接合した接合方法によれば、第一の本接合工程の溶接で、金属部材１，１に熱収縮が発生して表面１ｂ，１ｂ側に凹状となるように反りが発生する。第二の本接合工程では、当該反りを利用して金属部材１，１を容易に傾斜させることができる。また、第二の本接合工程を行う際に、金属部材１，１同士を予め傾斜させておき、摩擦攪拌接合後の熱収縮を利用することで、接合された金属部材１，１を平坦にすることができる。

【0036】

また、本実施形態では、第一の本接合工程で肉盛溶接を行って表面１ｂ，１ｂよりも溶接金属Ｕを突出させることにより、準備工程で当該溶接金属Ｕを利用して金属部材１，１を傾斜させることができる。

【0037】

［第二実施形態］
次に、本発明の第二実施形態に係る接合方法について説明する。第二実施形態に係る接合方法では、図３に示すように、凹溝２０を設ける点で第一実施形態と相違する。第二実施形態では、第一実施形態と相違する部分を中心に説明する。第二実施形態に係る接合方法では、第一の準備工程と、第一の本接合工程と、第二の準備工程と、第二の本接合工程とを行う。

【0038】

図３の（ａ）に示すように、第一の準備工程は、第一の本接合工程の準備する工程である。第一の準備工程では、金属部材１，１を架台Ｋに載置して金属部材１，１の端面１ａ，１ａ同士を突き合わせて突合せ部Ｊを形成する。金属部材１，１の裏面１ｃ，１ｃは架台Ｋの表面に面接触する。そして、複数のクランプＫ２で金属部材１，１を移動不能に拘束する。

【0039】

第一の本接合工程は、突合せ部Ｊに対して溶接を行う工程である。第一の本接合工程では、凹溝形成工程と、充填工程とを行う。凹溝形成工程は、金属部材１，１の突合せ部Ｊに沿って凹溝２０を形成する工程である。凹溝２０の断面形状は特に制限されないが、本実施形態では矩形断面になっている。

【0040】

図３の（ｂ）に示すように、充填工程では、肉盛溶接を行って凹溝２０に溶接金属Ｕを充填する。本実施形態に係る充填工程では、ＴＩＧ溶接又はＭＩＧ溶接等の肉盛溶接を行って凹溝２０に溶接金属Ｕを充填するとともに、金属部材１，１の表面１ｂ，１ｂから溶接金属Ｕが突出する程度に溶接を行う。

【0041】

第一の本接合工程が終了したら、図３の（ｃ）に示すように、クランプＫ２を解除して金属部材１，１を放置する。金属部材１，１を放置すると溶接金属Ｕの熱収縮によって金属部材１，１の表面１ｂ，１ｂ側が凹状となるように反りが発生する。

【0042】

第二の準備工程は、第二の本接合工程の準備をする工程である。図４の（ａ）に示すように、本実施形態に係る準備工程では、まず、架台Ｋの中央にスペーサー１０を配置する。スペーサー１０は、板状部材であって突合せ部Ｊの長手方向に沿って配置される。

【0043】

そして、金属部材１，１を裏返しつつ、スペーサー１０の上に溶接金属Ｕが当接するようにして、クランプＫ２で金属部材１，１を架台Ｋに移動不能に拘束する。これにより、金属部材１，１の他端側に対して一端側（端面１ａ，１ａ側）が高くなるように金属部材１，１が傾斜する。つまり、突合せ部Ｊが最も高くなる状態で金属部材１，１が架台Ｋに固定される。

【0044】

金属部材１，１が架台Ｋに固定されると、端面１ａ，１ａの下端は当接した状態となるが、端面１ａ，１ａの上端はわずかに離間した状態となる。本実施形態に係る「突合せ部」とは、端面１ａ，１ａが突き合わされており、端面１ａ，１ａ間で形成される空間断面がＶ字状を呈する状態も含むものである。

【0045】

金属部材１，１の傾斜角度は特に限定されないが、金属部材１，１の材質、各部位の寸法、後記する本接合工程の入熱量や接合後の熱収縮等を考慮して、第二の本接合工程後の熱収縮によって金属部材１，１が平坦になるような傾斜角度を適宜設定すればよい。

【0046】

金属部材１，１の傾斜角度を変更する場合は、例えば、溶接金属Ｕの突出部の一部を切削して肉盛高さを小さくすることで、金属部材１，１の傾斜角度を小さくすることができる。一方、例えば、スペーサー１０の高さを変更することによって、金属部材１，１の傾斜角度を変更することができる。また、スペーサー１０を省略して金属部材１，１の傾斜角度を調節してもよい。

【0047】

図４の（ｂ）に示すように、第二の本接合工程は、金属部材１，１の裏面１ｃ，１ｃ側から突合せ部Jに沿って摩擦攪拌を行う工程である。回転ツールＧの挿入深さは適宜設定すればよいが、本実施形態では塑性化領域Ｗ１が溶接金属Ｕに接触する程度に設定する。第二の本接合工程が終了したら、クランプＫ２を解除して金属部材１，１を放置する。また、架台Ｋからスペーサー１０を取り除く。以上により金属部材１，１が接合される。最後に、摩擦攪拌によって発生したバリや溶接金属Ｕの表面１ｂ，１ｂから突出する突出部を切除するバリ切除工程を行って金属部材１，１の表面１ｂ及び裏面１ｃを平坦にする。

【0048】

以上説明した接合方法によれば、第一の本接合工程の溶接で、金属部材１，１に熱収縮が発生して表面１ｂ，１ｂ側に凹状となるように反りが発生する。第二の本接合工程では、当該反りを利用して金属部材１，１を容易に傾斜させることができる。また、第二の本接合工程を行う際に、金属部材１，１同士を予め傾斜させておき、摩擦攪拌接合後の熱収縮を利用することで、接合された金属部材１，１を平坦にすることができる。

【0049】

また、本実施形態では、第一の本接合工程で肉盛溶接を行って表面１ｂ，１ｂよりも溶接金属Ｕを突出させることにより、準備工程で当該溶接金属Ｕを利用して金属部材１，１を傾斜させることができる。また、本実施形態ではスペーサー１０を介設しているため、金属部材１，１の傾斜角度をより大きくすることができる。

【0050】

また、本実施形態では第一の本接合工程において、凹溝２０を形成し当該凹溝２０に溶接金属Ｕを充填するようにしているため、肉盛溶接を容易に行うことができる。また、第二の本接合工程における摩擦攪拌によって形成された塑性化領域Ｗ１を溶接金属Ｕに接触させることで突合せ部Jの深さ方向全体が接合される。これにより接合強度が向上するとともに、接合部の水密性及び気密性を高めることができる。

【0051】

以上本発明の実施形態について説明したが、本発明の趣旨に反しない範囲において適宜設計変更が可能である。本実施形態では、第一の本接合工程において肉盛溶接を行ったが、他の溶接を行ってもよい。また、金属部材１，１の表面１ｂ，１ｂから溶接金属Ｕが突出しない程度に溶接を行ってもよい。

【0052】

また、例えば、第二の準備工程において、中央に凸部や傾斜部が形成された架台を用いて金属部材１，１を傾斜させてもよい。また、金属部材１，１の他端側を架台に固定せずに各準備工程及び各本接合工程を行ってもよい。

【符号の説明】

【0053】

１ 金属部材
１ａ 端面
１ｂ 表面
１ｃ 裏面
１０ スペーサー
２０ 凹溝
Ｇ 回転ツール
Ｇ１ ショルダ部
Ｇ２ 攪拌ピン
Ｊ 突合せ部
Ｋ 架台
Ｕ 溶接金属

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】