特開 2024-136334 摩擦攪拌接合方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024136334

(43)【公開日】2024-10-04

(54)【発明の名称】摩擦攪拌接合方法

(51)【国際特許分類】

   B23K 20/12 20060101AFI20240927BHJP

【ＦＩ】

B23K20/12 Z

B23K20/12 330

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023047422

(22)【出願日】2023-03-24

(71)【出願人】

【識別番号】504176911

【氏名又は名称】国立大学法人大阪大学

(71)【出願人】

【識別番号】597065329

【氏名又は名称】学校法人 龍谷大学

(71)【出願人】

【識別番号】000004123

【氏名又は名称】ＪＦＥエンジニアリング株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100112140

【弁理士】

【氏名又は名称】塩島 利之

(74)【代理人】

【識別番号】100119297

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 正男

(72)【発明者】

【氏名】藤井 英俊

(72)【発明者】

【氏名】森貞 好昭

(72)【発明者】

【氏名】森 正和

(72)【発明者】

【氏名】矢野 良明

【テーマコード（参考）】

4E167

【Ｆターム（参考）】

4E167AA02

4E167AA03

4E167AA06

4E167BF02

4E167BG05

4E167BG22

4E167BG25

4E167CC04

4E167CC12

(57)【要約】

【課題】ツールの引き抜きによって生じた被接合材の穴を塞ぐことができる摩擦攪拌接合方法を提供することを目的とする。
【解決手段】回転する第１ツールを２以上の被接合材１，２に押し込み、第１ツールを接合線に沿って移動させ、第１ツールを被接合材１，２から引き抜く。第１ツールを第２ツール１２に交換する。回転する第２ツール１２を第１ツールの引き抜きによって生じた穴４に押し込む。第２ツール１２のプローブ１２ｂを穴４に残置する。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

回転する第１ツールを２以上の被接合材に押し込み、前記第１ツールを接合線に沿って移動させ、前記第１ツールを前記被接合材から引き抜く工程と、
前記第１ツールを第２ツールに交換する工程と、
回転する前記第２ツールを前記第１ツールの引き抜きによって生じた穴に押し込む工程と、
前記第２ツールの少なくともプローブを前記穴に残置する工程と、を備える摩擦攪拌接合方法。

【請求項2】

前記第２ツールを破断して前記第２ツールのプローブを前記穴に残置することを特徴とする請求項１に記載の摩擦攪拌接合方法。

【請求項3】

前記第２ツールが前記被接合材と同材質であることを特徴とする請求項１又は２に記載の摩擦攪拌接合方法。

【請求項4】

前記第２ツールのプローブの径が前記第１ツールのプローブの径以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載の摩擦攪拌接合方法。

【請求項5】

前記穴に前記被接合材と同材質のパウダを充填し、その後、回転する前記第２ツールを前記穴に押し込むことを特徴とする請求項１又は２に記載の摩擦攪拌接合方法。

【請求項6】

回転する前記第２ツールを前記穴に押し込む際、前記被接合材の裏面側を予熱することを特徴とする請求項１又は２に記載の摩擦攪拌接合方法。

【請求項7】

回転するツールを２以上の被接合材に押し込む工程と、
前記ツールを破断して前記ツールのプローブを前記被接合材に残置する工程と、を備える摩擦攪拌接合方法。

【請求項8】

２以上の被接合材の接合部であって、
前記接合部に破断したツールのプローブを摩擦攪拌接合又は溶融接合する接合部。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、２以上の被接合材を摩擦攪拌接合する方法に関する。

【背景技術】

【0002】

摩擦攪拌接合（Friction Stir Welding: FSW）は、１９９１年にイギリスのＴＷＩで開発された固相接合法の一種であり、従来の溶接法にはない種々の特徴を有する。例えば、最高到達温度が融点に達せず、固相状態での接合になるため、接合部における強度低下が溶接法に比べて小さいという特徴を有する。

【0003】

特許文献１には、２以上の被接合材を摩擦攪拌接合する方法が開示されている。この方法では、まず回転するツールを被接合材に押し込む。回転するツールの押し込みにより、ツールと被接合材との間で摩擦熱が発生し、ツールの周囲の被接合材（材料）の温度が上昇する。材料が十分に加熱されて塑性流動を開始できる温度まで到達すると、材料は回転するツールの周りをツールの回転方向に流動する。このとき、ツールの左右の材料の一部が強制的に混合されてツールの周辺領域での接合が実現する。ツールを接合線に沿って移動させると、ツールが移動した後側に連続的に接合部が形成されていく。目的の終端位置に到達したところでツールを引き抜けば、接合が完了する。

【0004】

しかし、ツールを引き抜くと、ツールを引き抜いた終端位置にツールの穴が残る。ツールの穴が残らないように、特許文献１に記載の摩擦攪拌接合方法では、被接合材の終端位置にタブを設置し、ツールをタブへ移動させ、ツールをタブから引き抜いて被接合材にツールの穴を残さないようにしている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特表２００２－５３９９４９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、特許文献１に記載の摩擦攪拌接合方法においては、タブを取り除くのに手間がかかるという課題がある。

【0007】

本発明は、上記の課題を鑑みてなされたものであり、ツールの引き抜きによって生じた被接合材の穴を塞ぐことができ、又はツールを引き抜いても被接合材に穴が生じない摩擦攪拌接合方法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】

上記課題を解決するために、本発明の一態様は、回転する第１ツールを２以上の被接合材に押し込み、前記第１ツールを接合線に沿って移動させ、前記第１ツールを前記被接合材から引き抜く工程と、前記第１ツールを第２ツールに交換する工程と、回転する前記第２ツールを前記第１ツールの引き抜きによって生じた穴に押し込む工程と、前記第２ツールの少なくともプローブを前記穴に残置する工程と、を備える摩擦攪拌接合方法である。

【0009】

本発明の他の態様は、回転するツールを２以上の被接合材に押し込む工程と、前記ツールを破断して前記ツールのプローブを前記被接合材に残置する工程と、を備える摩擦攪拌接合方法である。

【発明の効果】

【0010】

本発明の一態様によれば、第１ツールの引き抜きによって生じた穴に第２ツールのプローブを残置するので、穴をプローブによって塞ぐことができる。また、第１ツールと第２ツールを交換するので、摩擦攪拌接合する第１ツールと穴を塞ぐ第２ツールそれぞれに適したツールを使用することができる。

【0011】

本発明の他の態様によれば、ツールを破断してツールのプローブを被接合材に残置するので、ツールを引き抜いても被接合材に穴が生じない。また、ツールを破断するので、グラインダ等で取り除くツールの部分を少なくすることができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本発明の第１の実施形態の摩擦攪拌接合方法の工程図である（第１ツールを用いて２つの被接合材を接合する工程を示す）。

【図2】本発明の第１の実施形態の摩擦攪拌接合方法の工程図である（第２ツールを用いて穴を塞ぐ工程を示す）。

【図3】本発明の第２の実施形態の摩擦攪拌接合方法の工程図である。

【図4】被接合材としてパイプ材を接合する例を示す斜視図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態の摩擦攪拌接合方法を説明する。ただし、本発明の摩擦攪拌接合方法は、種々の形態で具体化することができ、本明細書に記載される実施形態に限定されるものではない。本実施形態は、明細書の開示を十分にすることによって、当業者が発明を十分に理解できるようにする意図をもって提供されるものである。
（第１の実施形態）

【0014】

図１及び図２は、本発明の第１の実施形態の摩擦攪拌接合方法の工程図を示す。図１は、第１ツール１１を用いて、２つの被接合材１，２を接合する工程（Ｓ１～Ｓ４）を示す。図２は、第２ツール１２を用いて、第１ツール１１の引き抜きによって生じた穴４を塞ぐ工程（Ｓ５～Ｓ７）を示す。図２は、図１のII-II線断面図である。

【0015】

被接合材１，２は、金属製の板材である。被接合材１，２は、パイプ材でもよい。被接合材１，２の材質は、特に限定されるものではなく、例えば鉄、鋼、ステンレス鋼、アルミニウム、アルミニウム合金等である。

【0016】

被接合材１，２の接合は、まず回転する第１ツール１１を被接合材１，２に押し込む工程（Ｓ１，Ｓ２）から開始する。第１ツール１１は、止めねじ１４等により軸線Ｌを中心に回転するホルダ１３に取り付けられる。ホルダ１３に取り付けられた第１ツール１１は、ホルダ１３と共に軸線Ｌを中心に回転する。

【0017】

第１ツール１１は、プローブ１１ｂ（ピンとも呼ばれる）とショルダ１１ａを備える。プローブ１１ｂは、被接合材１，２に進入して摩擦熱を生じさせ、プローブ１１ｂの周囲に塑性流動を誘起する。ショルダ１１ａは、被接合材１，２の表面に接触して摩擦熱を生じさせ、被接合材１，２の表面近傍に塑性流動を誘起する。

【0018】

第１ツール１１には、被接合材１，２よりも強度が高くかつ接合時に発生する摩擦熱に耐えうるものを用いる。例えば被接合材１，２が鉄鋼やステンレス鋼の場合、ツール１１にはＰＣＢＮ、セラミックス材料、超硬合金等を用いる。被接合材１，２がアルミニウムやアルミニウム合金の場合、第１ツール１１には工具鋼等を用いる。

【0019】

回転する第１ツール１１の押し込みにより、第１ツール１１と被接合材１，２との間で摩擦熱が発生し、第１ツール１１の周囲の被接合材１，２（材料）の温度が上昇する。材料が十分に加熱されて塑性流動を開始できる温度まで到達すると、材料は回転する第１ツール１１の周りを第１ツール１１の回転方向に流動する。このとき、第１ツール１１の左右に配置された材料の一部が強制的に混合されて、第１ツール１１の周辺領域での被接合材１，２の接合が実現する。

【0020】

第１ツール１１を接合線に沿って移動させると、第１ツール１１が移動した後側に連続的に接合部３が形成されていく（Ｓ３）。目的の終端位置に到達したところで、第１ツール１１を被接合材１，２から引き抜く（Ｓ４）と、接合部３には第１ツール１１の引き抜きによって穴４が発生する。

【0021】

次に、図２に示すように、第１ツール１１を第２ツール１２に交換する（Ｓ５）。例えば、止めねじ１４を緩めてホルダ１３から第１ツール１１を取り外し、ホルダ１３に第２ツール１２を付け替え、止めねじ１４を締めて第２ツール１２をホルダ１３に固定する。

【0022】

第２ツール１２は、被接合材１，２と同材質である。すなわち、被接合材１，２が鉄ならば第２ツール１２も鉄であり、被接合材１，２が鋼ならば第２ツール１２も鋼であり、被接合材１，２がステンレス鋼ならば第２ツール１２もステンレス鋼であり、被接合材１，２がアルミニウムならば第２ツール１２もアルミウムであり、被接合材１，２がアルミニウム合金ならば第２ツール１２もアルミニウム合金である。

【0023】

第２ツール１２は、被接合材１，２と同一規格で同グレード以上が望ましい。例えば被接合材１，２がＳＭ４９０ならば、第２ツール１２はＳＭ４９０以上（ＳＭ４９０、ＳＭ５２０等）であるのが望ましい。ＳＭ材は、ＪＩＳ Ｇ ３１０６：２０１５に規定されている溶接構造用圧延鋼材である。また、被接合材１，２がパイプ材でＡＰＩ Ｘ５２ならば、第２ツール１２はＡＰＩ Ｘ５２以上（Ｘ５２、Ｘ６０、Ｘ６５等）であるのが望ましい。ＡＰＩは、アメリカ石油協会（American Petroleum Institute）が定めた規格である。ＡＰＩには、ラインパイプが規格化されている。

【0024】

第２ツール１２は、第１ツール１１と同様に、プローブ１２ｂとショルダ１２ａを備える。第２ツール１２のプローブ１２ｂの径は、第１ツール１１のプローブ１１ｂと同サイズか０～２０％未満大きいサイズが望ましい。なお、発明者は実験により、第２ツール１２のプローブ１２ｂの径が第１ツール１１のプローブ１１ｂと同サイズの場合、５％増しの場合、１０％増しの場合のいずれの場合でも、第２ツール１２のプローブ１２ｂを被接合材１，２の穴４に摩擦攪拌接合できたことを確認している。また、２０％増しの場合、第２ツール１２のプローブ１２ｂが穴４に入りきらずに破壊したことを確認している。

【0025】

次に、回転する第２ツール１２を被接合材１，２の穴４に押し込む（Ｓ６）。そして、第２ツール１２の加圧及び回転を所定時間、例えば５秒～１５秒間保持する。回転する第２ツール１２の押し込みにより、第２ツール１２と穴４の周囲の被接合材１，２との間（図２（Ｓ６）の太線の接合部５）で摩擦熱が発生し、塑性流動又は溶融が誘起する。第２ツール１２の回転を停止すると、第２ツール１２と被接合材１，２が図２（Ｓ６）の太線の接合部５で接合する。

【0026】

次に、第２ツール１２を被接合材１，２から引き抜くと、第２ツール１２が破断して第２ツール１２のプローブ１２ｂが穴４に残置し、穴４がプローブ１２ｂによって塞がれる（Ｓ７）。ここで、第２ツール１２は、ショルダ１２ａとプローブ１２ｂの境目で破断する。ショルダ１２ａとプローブ１２ｂの境目は、形状が不連続な部分であり、応力集中部だからである。第２ツール１２を任意の位置で破断するために、第２ツール１２の任意の位置に微小亀裂を事前に入れておいてもよい。

【0027】

回転する第２ツール１２を被接合材１，２の穴４に押し込む際、被接合材１，２の裏面側をパネルヒータ、レーザ加熱、誘導加熱、ガスバーナ等（図示せず）により予熱してもよい。被接合材１，２の裏面側を予熱することによって、摩擦熱が発生しにくい第２ツール１２の先端側の被接合材１，２に熱を供給することができ、この部分に塑性流動又は溶融を促すことができる。

【0028】

太線の接合部５に微小欠陥が発生する場合、穴４に被接合材１，２と同材質のパウダ６を充填し（Ｓ５）、その後、回転する第２ツール１２をパウダ６が充填された穴４に押し込んでもよい。同材質の定義は、上述のとおりである。穴４に被接合材１，２と同材質のパウダ６を充填することで、接合部５の微小欠陥が改善する。

【0029】

図１の工程（Ｓ１）の開始前に、被接合材１，２の裏面側を突合せ部に沿って溶接してもよい。被接合材１，２の裏面側を突合せ部に沿って溶接することで、被接合材１，２の裏面側に板厚差等に起因する筋が発生するのを防止することができる。

【0030】

第２ツール１２のプローブ１２ｂとショルダ１２ａを別体にかつ互いに嵌まり合うように構成し、第２ツール１２を被接合材１，２から引き抜く際、第２ツール１２を破断することなく、第２ツール１２のショルダ１２ａがプローブ１２ｂから分離するようにしてもよい。また、ホルダ１３のみを引き抜き、一体にした第２ツール１２のショルダ１２ａとプローブ１２ｂを被接合材１，２の穴４に残置するようにしてもよい。
以下に、本実施形態の摩擦攪拌接合方法の効果を説明する。

【0031】

第１ツール１１の引き抜きによって生じた穴４に第２ツール１２のプローブ１２ｂを残置するので、穴４をプローブ１２ｂによって塞ぐことができる。また、第１ツール１１と第２ツール１２を交換するので、摩擦攪拌接合する第１ツール１１と穴４を塞ぐ第２ツール１２それぞれに適したツールを使用することができる。例えば第１ツール１１に被接合材１，２よりも強度が高くかつ接合時に発生する摩擦熱に耐えうるツールを使用することができ、第２ツール１２に被接合材１，２と同材質のツールを使用することができる。

【0032】

第２ツール１２を破断して第２ツール１２のプローブ１２ｂを穴４に残置するので、グラインダ等で取り除く第２ツール１２の部分を少なくすることができる。

【0033】

第２ツール１２のプローブ１２ｂの径が第１ツール１１のプローブ１１ｂの径以上であるので、第２ツール１２の周囲に塑性流動又は溶融を誘起することができる。

【0034】

穴４に被接合材１，２と同材質のパウダ６を充填するので、太線の接合部５の微小欠陥を改善することができる。

【0035】

被接合材１，２の裏面側を予熱するので、第２ツール１２の先端側の被接合材１，２の塑性流動又は溶融を促すことができる。
（第２の実施形態）

【0036】

図３は、本発明の第２の実施形態の摩擦攪拌接合方法の工程図を示す。第２の実施形態の摩擦攪拌接合方法は、摩擦攪拌点接合（Friction Stir Spot Welding）である。符号１，２は被接合材、符号１３はホルダ、符号１２はツールである。ホルダ１３、ツール１２の構成は、第１の実施形態のホルダ１３、第２ツール１２と同一であるので、同一の符号を附してその説明を省略する。

【0037】

第２の実施形態における被接合材１，２の接合は、まず回転するツール１２を被接合材１，２に押し込む工程（Ｓ１）から開始する。回転するツール１２の押し込みにより、ツール１２の周辺領域での被接合材１，２の接合が実現する。同時に、ツール１２と被接合材１，２との間（図３（Ｓ２）の太線の接合部５）で摩擦熱が発生し、塑性流動又は溶融が誘起する。ツール１２の回転を停止すると、ツール１２と被接合材１，２が太線の接合部５で接合する。

【0038】

次に、回転を停止したツール１２を被接合材１，２から引き抜くと、ツール１２が破断してプローブ１２ｂが被接合材１，２に残置する（Ｓ３）。このため、ツール１２を引き抜いても被接合材１，２に穴が生じない。また、ツール１２を破断するので、グラインダ等で取り除くツール１２の部分を少なくすることができる。

【0039】

なお、本発明は、上記実施形態に具現化されるのに限られることはなく、本発明の要旨を変更しない範囲で他の実施形態に具現化できる。

【0040】

上記実施形態では、被接合材として板材を接合する例を説明したが、図４に示すように被接合材としてパイプ材２１，２２を接合してもよい。パイプ材２１，２２を接合する場合、回転するツール１１を半径方向及び円周方向に移動させる。パイプ材２１，２２を外面側から接合してもよいし、内面側から接合してもよい。

【0041】

上記実施形態では、突き合せた被接合材を接合する例を説明したが、重ね合わせた被接合材を接合してもよい。

【符号の説明】

【0042】

１，２…被接合材
３，５…接合部
４…穴
６…パウダ
１１…第１ツール
１１ａ…ショルダ
１１ｂ…プローブ
１２…第２ツール
１２ａ…ショルダ
１２ｂ…プローブ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】