特許 6766415 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】6766415

(24)【登録日】2020年9月23日

(45)【発行日】2020年10月14日

(54)【発明の名称】接合方法

(51)【国際特許分類】

   B23K 20/12 20060101AFI20201005BHJP

【ＦＩ】

   B23K20/12 364

   B23K20/12 310

【請求項の数】5

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2016-73866(P2016-73866)

(22)【出願日】2016年4月1日

(65)【公開番号】特開2017-185501(P2017-185501A)

(43)【公開日】2017年10月12日

【審査請求日】2018年8月1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

(72)【発明者】

【氏名】堀 久司

(72)【発明者】

【氏名】瀬尾 伸城

【審査官】 黒石 孝志

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００４−９１１３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１５／０６０００７（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００７−１６７９０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２００５／０９２５５８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開平１１−７０９４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１５−８９５５０（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】

表面に凹溝を有する第一金属部材の裏面と、第二金属部材の表面とを重ね合せて重合部を形成する重合工程と、
前記第一金属部材の表面側から前記凹溝に回転ツールの攪拌ピンを挿入し、前記回転ツールを前記凹溝に沿って相対移動させて、前記重合部を摩擦攪拌接合する摩擦攪拌工程と、を含み、
前記回転ツールは、円柱状を呈するショルダ部と前記ショルダ部から垂下する前記攪拌ピンとを有し、前記ショルダ部の直径を前記凹溝の幅よりも若干小さく設定し、
前記摩擦攪拌工程において、前記第一金属部材のみ、又は前記第一金属部材及び前記第二金属部材に前記攪拌ピンを接触させて塑性流動化させるとともに、前記回転ツールのショルダ部を前記凹溝内に挿入し、前記ショルダ部の外周面と前記凹溝の側壁とをわずかな隙間をあけて離間させて、前記ショルダ部を前記凹溝の底面から離間させた状態で、前記第一金属部材から発生するバリを前記ショルダ部で押えつつ、前記重合部を摩擦攪拌接合することを特徴とする接合方法。

【請求項2】

表面に凹溝を有する第一金属部材の裏面と、第二金属部材の表面とを重ね合せて重合部を形成する重合工程と、
前記第一金属部材の表面側から前記凹溝に回転ツールの攪拌ピンを挿入し、前記回転ツールを前記凹溝に沿って相対移動させて、前記重合部を摩擦攪拌接合する摩擦攪拌工程と、を含み、
前記凹溝を閉ループとなるように形成し、
前記回転ツールは、円柱状を呈するショルダ部と前記ショルダ部から垂下する前記攪拌ピンとを有し、前記ショルダ部の直径を前記凹溝の幅よりも若干小さく設定し、
前記摩擦攪拌工程において、前記第一金属部材のみ、又は前記第一金属部材及び前記第二金属部材に前記攪拌ピンを接触させて塑性流動化させるとともに、前記回転ツールのショルダ部を前記凹溝内に挿入し、前記ショルダ部の外周面と前記凹溝の側壁とをわずかな隙間をあけて離間させて、前記ショルダ部を前記凹溝の底面から離間させた状態で、前記第一金属部材から発生するバリを前記ショルダ部で押えつつ、前記重合部を摩擦攪拌接合することを特徴とする接合方法。

【請求項3】

前記摩擦攪拌工程では、前記回転ツールを前記凹溝に沿って一周させて前記重合部を摩擦攪拌接合することを特徴とする請求項２に記載の接合方法。

【請求項4】

前記攪拌ピンの外周面には、螺旋溝が形成されており、前記螺旋溝を基端から先端に向かうにつれて左回りに形成した場合には、前記回転ツールを右回転させ、前記螺旋溝を基端から先端に向かうにつれて右回りに形成した場合には、前記回転ツールを左回転させる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】

前記攪拌ピンは、前記ショルダ部から垂下して先細りになっている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、金属部材同士の接合方法に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、第一金属部材と第二金属部材とを重ねわせて接合する接合方法が開示されている。当該接合方法では、第一金属部材の裏面と第二金属部材の表面とを重ね合せて重合部を形成する重合工程と、第一金属部材の表面から回転ツールを押し込んで重合部を摩擦攪拌接合する摩擦攪拌工程とを行う。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特許第４１２６９６６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

従来の接合方法では、回転ツールのショルダ部の下端面を第一金属部材の表面に押し込んで摩擦攪拌工程を行うため、第一金属部材の表面にバリが発生する。そのため、バリを除去するバリ除去工程を行わなければならない。また、回転ツールのショルダ部の下端面を第一金属部材の表面に押し込んで摩擦攪拌工程を行うため、摩擦攪拌装置にかかる負荷が大きくなるという問題がある。

【0005】

このような観点から、本発明は、第一金属部材の表面にバリが発生するのを防ぐことができるとともに、摩擦攪拌装置にかかる負荷を小さくすることができる接合方法を提供することを特徴とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

このような課題を解決するために本発明は、表面に凹溝を有する第一金属部材の裏面と、第二金属部材の表面とを重ね合せて重合部を形成する重合工程と、前記第一金属部材の表面側から前記凹溝に回転ツールの攪拌ピンを挿入し、前記回転ツールを前記凹溝に沿って相対移動させて、前記重合部を摩擦攪拌接合する摩擦攪拌工程と、を含み、前記回転ツールは、円柱状を呈するショルダ部と前記ショルダ部から垂下する前記攪拌ピンとを有し、前記ショルダ部の直径を前記凹溝の幅よりも若干小さく設定し、前記摩擦攪拌工程において、前記第一金属部材のみ、又は前記第一金属部材及び前記第二金属部材に前記攪拌ピンを接触させて塑性流動化させるとともに、前記回転ツールのショルダ部を前記凹溝内に挿入し、前記ショルダ部の外周面と前記凹溝の側壁とをわずかな隙間をあけて離間させて、前記ショルダ部を前記凹溝の底面から離間させた状態で、前記第一金属部材から発生するバリを前記ショルダ部で押えつつ、前記重合部を摩擦攪拌接合することを特徴とする。
また、本発明は、表面に凹溝を有する第一金属部材の裏面と、第二金属部材の表面とを重ね合せて重合部を形成する重合工程と、前記第一金属部材の表面側から前記凹溝に回転ツールの攪拌ピンを挿入し、前記回転ツールを前記凹溝に沿って相対移動させて、前記重合部を摩擦攪拌接合する摩擦攪拌工程と、を含み、前記凹溝を閉ループとなるように形成し、前記回転ツールは、円柱状を呈するショルダ部と前記ショルダ部から垂下する前記攪拌ピンとを有し、前記ショルダ部の直径を前記凹溝の幅よりも若干小さく設定し、前記摩擦攪拌工程において、前記第一金属部材のみ、又は前記第一金属部材及び前記第二金属部材に前記攪拌ピンを接触させて塑性流動化させるとともに、前記回転ツールのショルダ部を前記凹溝内に挿入し、前記ショルダ部の外周面と前記凹溝の側壁とをわずかな隙間をあけて離間させて、前記ショルダ部を前記凹溝の底面から離間させた状態で、前記第一金属部材から発生するバリを前記ショルダ部で押えつつ、前記重合部を摩擦攪拌接合することを特徴とする。さらに、前記摩擦攪拌工程では、前記回転ツールを前記凹溝に沿って一周させて前記重合部を摩擦攪拌接合することが好ましい。
また、本発明は、前記攪拌ピンの外周面には、螺旋溝が形成されており、前記螺旋溝を基端から先端に向かうにつれて左回りに形成した場合には、前記回転ツールを右回転させ、前記螺旋溝を基端から先端に向かうにつれて右回りに形成した場合には、前記回転ツールを左回転させることが好ましい。
また、本発明は、前記攪拌ピンが、前記ショルダ部から垂下して先細りになっていることが好ましい。

【0007】

かかる接合方法によれば、凹溝の底面、凹溝の両側壁及びショルダ部の下端面で狭い空間が形成されるため、バリが散飛するのを防ぐとともに凹溝の底面にバリを堆積させることができる。これにより、第一金属部材の表面にバリが発生するのを防ぐことができる。また、凹溝の底面にショルダ部を押し込まないため、摩擦攪拌装置にかかる負荷を小さくすることができる。

【発明の効果】

【0008】

本発明に係る接合方法によれば、第一金属部材の表面にバリが発生するのを防ぐことができるとともに、摩擦攪拌装置にかかる負荷を小さくすることができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本発明の第一実施形態に係る接合方法の重合工程を示す斜視図である。

【図2】第一実施形態に係る接合方法の摩擦攪拌工程を示す斜視図である。

【図3】第一実施形態に係る接合方法の摩擦攪拌工程を示す断面図である。

【図4】第二実施形態に係る接合方法の重合工程を示す斜視図である。

【図5】第二実施形態に係る接合方法の摩擦攪拌工程を示す平面図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

[第一実施形態]
本発明の第一実施形態に係る接合方法について図面を参照して詳細に説明する。図１に示すように、第一実施形態に係る接合方法では、第一金属部材１と第二金属部材２とを重ね合せて接合する。第一実施形態に係る接合方法は、重合工程と、タブ材配置工程と、摩擦攪拌工程とを行う。なお、説明における「表面」とは、「裏面」に対する反対側の面という意味である。

【0011】

第一金属部材１は、板状の金属部材である。第一金属部材１の材料は、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の摩擦攪拌可能な金属から適宜選択される。第一金属部材１の表面１ｂには、断面矩形の凹溝３が形成されている。凹溝３は、第一金属部材１の延長方向に延設されている。凹溝３は、底面３ａと、底面３ａから立ち上る側壁３ｂ，３ｂとで構成されている。

【0012】

第二金属部材２は、板状の金属部材である。第二金属部材２の材料は、前記した摩擦攪拌可能な金属から適宜選択すればよいが、第一金属部材１と同等の材料であることが好ましい。第二金属部材２は、第一金属部材１と同形状になっているが、異なる形状であってもよい。また、第一金属部材１及び第二金属部材２の形状は本実施形態ではいずれも板状（直方体）を呈するが、平面視他の多角形状であってもよいし、平面視円形又は楕円形であってもよい。

【0013】

重合工程は、図１に示すように、第一金属部材１の裏面１ｃと、第二金属部材２の表面２ｂとを重ね合せる工程である。第一金属部材１の裏面１ｃと第二金属部材２の表面２ｂとを重ね合せることにより重合部Ｊが形成される。

【0014】

タブ材配置工程は、図１に示すように、タブ材Ｔ，Ｔを配置する工程である。タブ材Ｔは、直方体を呈する。タブ材Ｔの表面Ｔａと、凹溝３の底面３ａとが面一になるようにして、第一金属部材１及び第二金属部材２の端面１ａ，２ａに溶接によりタブ材Ｔを仮接合する。

【0015】

摩擦攪拌工程は、図１及び図２に示すように、回転ツールＧのショルダ部Ｇ１を凹溝３内に挿入して重合部Ｊを摩擦攪拌接合する工程である。回転ツールＧは、円柱状のショルダ部Ｇ１と、ショルダ部Ｇ１の下端面Ｇ１ａから垂下する攪拌ピンＧ２とで構成されている。ショルダ部Ｇ１の直径は、凹溝３の幅よりも若干小さく形成されている。ショルダ部Ｇ１の直径は、ショルダ部Ｇ１の外周面と凹溝３の側壁３ｂ，３ｂとが接触するように設定してもよいが、摩擦攪拌工程を行う際に、ショルダ部Ｇ１の外周面と凹溝３の側壁３ｂ，３ｂとがわずかな隙間をあけて相対移動可能な寸法であることが好ましい。

【0016】

攪拌ピンＧ２は、先細りになっている。攪拌ピンＧ２の外周面には螺旋溝が形成されている。本実施形態では、回転ツールＧを右回転させるため、攪拌ピンＧ２の螺旋溝は、基端から先端に向かうにつれて左回りに形成されている。言い換えると、螺旋溝は、螺旋溝を基端から先端に向けてなぞると上から見て左回りに形成されている。

【0017】

なお、回転ツールＧを左回転させる場合は、螺旋溝を基端から先端に向かうにつれて右回りに形成することが好ましい。言い換えると、この場合の螺旋溝は、螺旋溝を基端から先端に向けてなぞると上から見て右回りに形成されている。螺旋溝をこのように設定することで、摩擦攪拌工程の際に塑性流動化した金属が螺旋溝によって攪拌ピンＧ２の先端側に導かれる。これにより、凹溝３の底面３ａから溢れ出る金属の量を少なくすることができる。

【0018】

摩擦攪拌工程では、回転ツールＧの攪拌ピンＧ２を一方のタブ材Ｔの表面Ｔａに設定された開始位置Ｓｐ１に挿入し、他方のタブ材Ｔの表面Ｔａに設定された終了位置Ｅｐ１まで重合部Ｊ（凹溝３）に沿って回転ツールＧを相対移動させる。回転ツールＧの挿入深さは、適宜設定すればよいが、本実施形態では図３に示すように、攪拌ピンＧ２が第二金属部材２に達するように、つまり、第一金属部材１及び第二金属部材２と攪拌ピンＧ２とを接触させた状態で摩擦攪拌接合を行う。回転ツールＧの移動軌跡には塑性化領域Ｗが形成される。

【0019】

また、摩擦攪拌工程では、図３に示すように、ショルダ部Ｇ１の下端面Ｇ１ａを、凹溝３の底面３ａから離間させ、かつ、第一金属部材１の表面１ｂよりも低い位置に設定している。つまり、摩擦攪拌工程では、摩擦攪拌によって発生するバリＶをショルダ部Ｇ１の下端面Ｇ１ａで押さえ込みつつ摩擦攪拌接合を行う。特許請求の範囲の「前記ショルダ部を前記凹溝の底面から離間させた状態」とは、バリＶが発生する前の凹溝３の底面３ａからショルダ部Ｇ１の下端面Ｇ１ａを離間させるという意味である。また、特許請求の範囲の「前記第一金属部材から発生するバリを前記ショルダ部で押さえつつ」とは、堆積するバリＶとショルダ部Ｇ１の下端面Ｇ１ａとが接触しており、バリＶの表面（上面）をショルダ部Ｇ１の下端面Ｇ１ａによって押さえるという意味である。

【0020】

また、ショルダ部Ｇ１の外周面と凹溝３の側壁３ｂ，３ｂとはわずかな隙間をあけて離間している。凹溝３の底面３ａ、凹溝３の側壁３ｂ，３ｂ及びショルダ部Ｇ１の下端面Ｇ１ａで狭い空間が形成されている。

【0021】

なお、攪拌ピンＧ２は、第二金属部材２に達しないように設定してもよい。つまり、摩擦攪拌工程では、第一金属部材１と攪拌ピンＧ２のみ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。このように、攪拌ピンＧ２の先端が、第二金属部材２に達しないように設定する場合は、第一金属部材１と攪拌ピンＧ２との摩擦熱によって重合部Ｊの周囲の金属が塑性流動化して第一金属部材１と第二金属部材２とが接合するようにする。

【0022】

摩擦攪拌工程によって凹溝３の底面３ａにバリＶが発生するが、凹溝３の底面３ａ、凹溝３の側壁３ｂ，３ｂ及びショルダ部Ｇ１の下端面Ｇ１ａで構成された狭い空間（断面矩形の閉空間）に当該バリＶが閉じ込められ、底面３ａにバリＶが堆積する。図３に示すように、バリＶは、凹溝３内に収容されるとともに、バリＶの表面（上面）は、ショルダ部Ｇ１の下端面Ｇ１ａによって押さえられて略平坦になる。回転ツールＧが終了位置Ｅｐ１に達したら、タブ材Ｔから回転ツールＧを離脱させるとともに、タブ材Ｔ，Ｔを切除する。

【0023】

以上説明した本実施形態に係る接合方法によれば、摩擦攪拌工程を行う際に、凹溝３の底面３ａ、凹溝３の側壁３ｂ，３ｂ及びショルダ部Ｇ１の下端面Ｇ１ａで狭い空間が形成されるため、バリＶが散飛するのを防ぐとともに凹溝３の底面３ａにバリＶを堆積させることができる。これにより、第一金属部材１の表面１ｂにバリＶが発生するのを防ぐことができる。よって、第一金属部材１の表面１ｂのバリ除去工程等の表面処理を省略することができる。

【0024】

また、本実施形態に係る接合方法によれば、凹溝３の底面３ａにショルダ部Ｇ１を押し込まないため、摩擦攪拌装置にかかる負荷を小さくすることができる。なお、摩擦攪拌工程を行う前に、第一金属部材１の端面１ａと第二金属部材２の端面２ａから、重合部Ｊに対して仮接合を行う仮接合工程を行ってもよい。この場合は、例えば、小型の仮接合用回転ツールを用いて重合部Ｊに対して仮接合を行う。仮接合工程は、溶接で行ってもよい。仮接合工程を行うことで、回転ツールＧを用いた前記摩擦攪拌工程において、第一金属部材１と第二金属部材２とが位置ずれしにくくなり、安定して作業を行うことができる。

【0025】

［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。本実施形態に係る接合方法は、重合工程と、摩擦攪拌工程とを行う。本実施形態に係る接合方法では、タブ材配置工程を省略する点、凹溝３が閉ループとなっている点で第一実施形態と相違する。第二実施形態に係る接合方法では、第一実施形態と相違する部分を中心に説明する。

【0026】

図４に示すように、第一金属部材１は、板状の金属部材である。第一金属部材１の表面１ｂには、閉ループの凹溝３が形成されている。閉ループとは、凹溝３が循環するように閉じられていることを意味する。凹溝３の平面形状は閉じられていればどのような形状であってもよいが、本実施形態では第一金属部材１の周縁に沿って平面視矩形枠状に形成されている。

【0027】

第二金属部材２は、板状の金属部材である。第二金属部材２は、第一金属部材１と同形状になっているが、異なる形状であってもよい。また、第一金属部材１及び第二金属部材２の形状は本実施形態ではいずれも板状（直方体）を呈するが、平面視他の多角形状であってもよいし、平面視円形又は楕円形であってもよい。また、第二金属部材２の表面２ｂに、溝又は凹部が形成されていてもよい。当該溝又は凹部は、第一金属部材１の凹溝３の内側に位置するように形成することが好ましい。

【0028】

重合工程は、図４に示すように、第一金属部材１の裏面１ｃと、第二金属部材２の表面２ｂとを重ね合せる工程である。第一金属部材１の裏面１ｃと第二金属部材２の表面２ｂとを重ね合せることにより重合部Ｊが形成される。

【0029】

摩擦攪拌工程は、図４及び図５に示すように、回転ツールＧのショルダ部Ｇ１を凹溝３内に挿入して重合部Ｊを摩擦攪拌接合する工程である。摩擦攪拌工程では、凹溝３内に設定した開始位置Ｓｐに回転ツールＧの攪拌ピンＧ２を挿入し、凹溝３に沿って重合部Ｊを接合する。回転ツールＧの移動軌跡には塑性化領域Ｗが形成される。攪拌ピンＧ２の挿入深さやバリＶをショルダ部Ｇ１の下端面Ｇ１ａで押えることは第一実施形態と同等である。

【0030】

回転ツールＧを凹溝３に沿って一周させたら塑性化領域Ｗの始端と終端とをオーバーラップさせて、凹溝３に設定された終了位置Ｅｐで回転ツールＧを第一金属部材１から離脱させる。

【0031】

以上説明した本実施形態に係る接合方法によれば、摩擦攪拌工程を行う際に、凹溝３の底面３ａ、凹溝３の側壁３ｂ，３ｂ及びショルダ部Ｇ１の下端面Ｇ１ａで狭い空間が形成されるため、バリＶが散飛するのを防ぐとともに凹溝３の底面３ａにバリＶを堆積させることができる。これにより、第一金属部材１の表面１ｂにバリＶが発生するのを防ぐことができる。よって、第一金属部材１の表面１ｂのバリ除去工程等の表面処理を省略することができる。また、閉ループの凹溝３に沿って重合部Ｊの摩擦攪拌接合を行うことで、接合強度を高めることができる。また、閉ループの凹溝３の内側に閉じられた領域を形成することができる。

【0032】

また、本実施形態に係る接合方法によれば、凹溝３の底面３ａにショルダ部Ｇ１を押し込まないため、摩擦攪拌装置にかかる負荷を小さくすることができる。なお、摩擦攪拌工程を行う前に、第一金属部材１の端面１ａと第二金属部材２の端面２ａから、重合部Ｊに対して仮接合を行う仮接合工程を行ってもよい。また、摩擦攪拌工程では、閉ループの凹溝３に沿って回転ツールＧを一周させない（塑性化領域Ｗの始端と終端とをオーバーラップさせない）ようにしてもよい。

【符号の説明】

【0033】

１ 第一金属部材
１ｂ 表面
１ｃ 裏面
２ 第二金属部材
２ｂ 表面
２ｃ 裏面
３ 凹溝
Ｊ 重合部
Ｇ 回転ツール
Ｇ１ ショルダ部
Ｇ２ 攪拌ピン
Ｖ バリ
Ｗ 塑性化領域

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】