特許 7374512 線形摩擦接合用固定治具及び線形摩擦接合方法

(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】

(24)【登録日】2023-10-27

(45)【発行日】2023-11-07

(54)【発明の名称】線形摩擦接合用固定治具及び線形摩擦接合方法

(51)【国際特許分類】

   B23K 20/12 20060101AFI20231030BHJP

【ＦＩ】

B23K20/12 B

【請求項の数】 8

(21)【出願番号】P 2021501801

(86)(22)【出願日】2020-01-31

(86)【国際出願番号】 JP2020003710

(87)【国際公開番号】W WO2020170765

(87)【国際公開日】2020-08-27

【審査請求日】2022-10-24

(31)【優先権主張番号】P 2019030186

(32)【優先日】2019-02-22

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成３０年度国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構「革新的新構造材料等研究開発のうち中高炭素鋼／中高炭素鋼の摩擦接合共通基盤研究」に係る委託研究、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願

(73)【特許権者】

【識別番号】504176911

【氏名又は名称】国立大学法人大阪大学

(74)【代理人】

【識別番号】110001885

【氏名又は名称】弁理士法人ＩＰＲコンサルタント

(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】青木 祥宏

【審査官】岩見 勤

(56)【参考文献】

【文献】特開２０００－１４１０６３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－１２２３４３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－０６６５７９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０３－０３２４７９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭５８－０２０３８７（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】

線形摩擦接合装置の被接合材固定部から押圧力を受ける被押圧面と、前記被押圧面の反対側に二つの傾斜面を対向配置して形成された谷部と、を備えた第一部材と、
前記傾斜面と当接する当接面を両端部に備えた第二部材と、を具備し、
二つの前記第一部材と二つの前記第二部材とから構成されること、
を特徴とする線形摩擦接合用固定治具。

【請求項2】

前記第一部材と前記第二部材を組合せた時に、前記第一部材の前記傾斜面と前記第二部材の前記当接面とが略平行であること、
を特徴とする請求項１に記載の線形摩擦接合用固定治具。

【請求項3】

前記第二部材が、略四角錐台形状であること、
を特徴とする請求項１又は２に記載の線形摩擦接合用固定治具。

【請求項4】

被接合材に当接する前記第二部材の面積が、前記被押圧面の面積よりも大きいこと、
を特徴とする請求項１～３のいずれかに記載の線形摩擦接合用固定治具。

【請求項5】

前記第一部材及び／又は前記第二部材が、工具鋼、耐熱鋼、超硬合金、サーメット、ニッケル基合金、コバルト基合金及びチタン合金のうちのいずれかの材料で形成されること、
を特徴とする請求項１～４のいずれかに記載の線形摩擦接合用固定治具。

【請求項6】

一方の被接合材と他方の被接合材とを接合する方法であって、
請求項１～５のいずれかに記載の線形摩擦接合用固定治具によって前記一方の被接合材及び／又は前記他方の被接合材を線形摩擦接合装置に固定すること、
を特徴とする線形摩擦接合方法。

【請求項7】

前記一方の被接合材を前記他方の被接合材に当接させて被接合界面を形成する第一工程と、
前記被接合界面に対して略垂直に圧力を印加した状態で、前記一方の被接合材と前記他方の被接合材とを同一軌跡上で繰り返し摺動させ、前記被接合界面からバリを排出させる第二工程と、
前記摺動を停止して接合界面を形成する第三工程と、を有し、
前記圧力を、所望する接合温度における前記一方の被接合材及び／又は前記他方の被接合材の降伏応力以上かつ引張強度以下に設定すること、
を特徴とする請求項６に記載の線形摩擦接合方法。

【請求項8】

前記一方の被接合材及び／又は前記他方の被接合材が、板厚が３ｍｍ以下の薄板であること、
を特徴とする請求項６又は７に記載の線形摩擦接合方法。

【発明の詳細な説明】

【背景技術】

【0001】

本発明は線形摩擦接合において被接合材の固定に用いる線形摩擦接合用固定治具及び当該線形摩擦接合用固定治具を用いた線形摩擦接合方法に関する。

【0002】

鋼やアルミニウム合金等の金属材料の高強度化に伴い、接合構造物の機械的特性を決定する接合部での強度低下が深刻な問題となっている。これに対し、近年、接合中の最高到達温度が被接合材の融点に達せず、接合部における強度低下が従来の溶融溶接と比較して小さい固相接合法が注目され、急速に実用化が進んでいる。

【0003】

特に、金属部材同士を線形軌跡で摺動させる線形摩擦接合（ＬＦＷ：Ｌｉｎｅａｒ Ｆｒｉｃｔｉｏｎ Ｗｅｌｄｉｎｇ）は、摩擦攪拌接合（ＦＳＷ：Ｆｒｉｃｔｉｏｎ Ｓｔｉｒ Ｗｅｌｄｉｎｇ）のようにツールを用いる必要がないことから、高融点金属にも容易に適用することができ、種々の産業における実用化が期待されている。

【0004】

また、特許文献１（特開２０１８－１２２３４３号公報）には、一方の部材を他方の部材に当接させて被接合界面を形成する第一工程と、被接合界面に対して略垂直に圧力を印加した状態で、一方の部材と他方の部材とを同一軌跡上で繰り返し摺動させ、被接合界面からバリを排出させる第二工程と、摺動を停止して接合面を形成する第三工程と、を有し、一方の部材及び他方の部材の少なくとも一方を、板厚が３ｍｍ以下の薄板とし、圧力を、接合温度における薄板の降伏応力以上に設定してバリを排出させること、を特徴とする線形摩擦接合方法が開示されており、薄板であっても良好な継手の形成を可能としている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開２０１８－１２２３４３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、従来の線形摩擦接合方法では、線形摩擦接合装置に対する被接合材の簡便かつ確実な固定方法が確立されておらず、スペーサ等を用いた不確実かつ煩雑な位置決めや装置が具備する固定機構による簡易な押圧のみで行われているため、二つの被接合材を当接した際に位置ズレ、角度ブレ、及びこれらに起因する隙間の発生等を招くことがあり、接合時の接合界面において不均一な温度上昇が発生し、再現性に問題があった。

【0007】

また、上記被接合材の固定不良に起因して被接合材のブレ（移動や傾き）が発生し、接合圧力及び摺動力を効率的に接合温度に変換することができず、設定した接合条件から得られる接合結果にバラつきが生じる問題があった。特に、被接合材が薄板の場合は当該問題が顕著になる。即ち、確実な被接合材の固定が行えない状況では、産業的に線形摩擦接合を適用することが困難である。

【0008】

ここで、一般的な線形摩擦接合装置が具備する被接合材の固定機構に着目すると、加振部の側面に対して略垂直方向に設けられた略四角形状の固定穴と、当該固定穴の中で一方向に移動可能とした押圧部と、を具備した固定機構が一般的である。当該固定機構は押圧部を移動させることで固定穴内の寸法を変動し、固定穴に挿入した被接合材を押圧固定するものであるため、この固定機構を用いた被接合材の固定方法では、押圧部から印加される押圧力と当該押圧部に対向する固定穴の側面から印加される反力のみしか被接合材の固定に作用しない。

【0009】

また、固定穴は種々のサイズの被接合材を挿入可能にするため大きな寸法で形成されていることから、押圧部の移動方向と略直交する方向は被接合材と当接する部位がないため、固定穴内における被接合材の位置決めが困難になるばかりか、接合中においてもブレを誘発してしまうことは明らかであって、未だ改善する余地があった。

【0010】

以上のような従来技術における問題点に鑑み、本発明は、線形摩擦接合装置に対して簡便かつ確実に被接合材を固定し、接合条件に対応した再現性の高い線形摩擦接合の実施を可能とする線形摩擦接合用固定治具及び線形摩擦接合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】

【0011】

上記の課題を解決すべく、本発明は、
線形摩擦接合装置の被接合材固定部から押圧力を受ける被押圧面と、前記被押圧面の反対側に二つの傾斜面を対向配置して形成された谷部と、を備えた第一部材と、
前記傾斜面と当接する当接面を両端部に備えた第二部材と、を具備し、
二つの前記第一部材と二つの前記第二部材とから構成されること、
を特徴とする線形摩擦接合用固定治具、を提供する。

【0012】

また、本発明の線形摩擦接合用固定治具においては、
前記第一部材と前記第二部材を組合せた時に、前記第一部材の前記傾斜面と前記第二部材の前記当接面とが略平行であることが望ましい。

【0013】

このような構成を有する本発明の線形摩擦接合用固定治具では、線形摩擦接合装置の固定機構から加えられた押圧力が略垂直方向にも変換されることから、被接合材を一義的かつ正確に位置決めしつつ、短時間で確実に固定することができる。また、被接合材は一方の第二部材及び他方の第二部材と広い面積で当接しつつ、これらに挟持されるため、接合中の摺動に起因する高さ方向（摺動方向）のブレを効果的に抑制することができる。

【0014】

被接合材が位置決めされかつ確実に固定されるため、接合前において一方の被接合材と他方の被接合材を位置ズレ及び角度ブレなく正確に当接させることができ、全域に亘って隙間のない良好な接合界面を形成することができる。即ち、線形摩擦接合装置によって双方の被接合材を同一軌跡上に繰り返し摺動させた際、この接合界面全域で略均一な温度上昇が起こるため、接合温度を正確に制御することができる。

【0015】

更に、接合圧力を印加しつつ同一軌跡上に摺動を繰り返す接合中においても、固定不良に起因する被接合材のブレ（移動や傾き）が抑制され、接合圧力及び摺動力を効率的に接合温度に変換することができる。よって、設定した接合条件と接合結果のバラつきを低減させることができる。

【0016】

また、本発明の線形摩擦接合用固定治具においては、
前記第二部材が、略四角錐台形状であることが望ましい。

【0017】

このような構成を有する本発明の線形摩擦接合用固定治具では、第二部材の当接面と第一部材の斜面の角度を同様にし、かつ縦方向の寸法と横方向の寸法を異にして形成することにより、ある程度のサイズ幅の被接合材に対応して使用することができる。また、適宜第二部材の方向を変更しつつ使用することで、一部分のみに接合中の熱影響が繰り返し付与されることがなく、線形摩擦接合用固定治具の寿命を延長することができる。

【0018】

また、本発明の線形摩擦接合用固定治具では、被接合材に当接する前記第二部材の面積が、前記被押圧面よりも大きいこと、が好ましい。本発明の線形摩擦接合用固定治具を用いることで、線形摩擦接合装置からの押圧力が略９０°変換されるため、被接合材に当接する第二部材の面積を被押圧面よりも大きくすることで、より確実かつ効率的に被接合材を固定することができる。特に、被接合材が薄板の場合、板厚方向からの押圧力が板表面方向からの押圧力にも変換され、極めて効率的に被接合材を固定することができる。ここで、第二部材の面積は被押圧面の面積の２倍以上とすることが好ましく、３倍以上とすることがより好ましく、４倍以上とすることが最も好ましい。

【0019】

更に、本発明の線形摩擦接合用固定治具においては、前記第一部材及び／又は前記第二部材が、工具鋼、耐熱鋼、超硬合金、サーメット、ニッケル基合金、コバルト基合金及びチタン合金のうちのいずれかの材料で形成されることが望ましい。第一部材及び／又は第二部材をこれらの材質とすることで、繰り返しの使用による摩耗や形状変化を抑制することができ、接合中の温度上昇に対しても十分な強度及び寸法精度を担保することができる。なお、接合温度を高く設定する場合は、第一部材及び／又は第二部材をセラミックス製とすることが好ましい。

【0020】

また、本発明は、
一方の被接合材と他方の被接合材とを接合する方法であって、
請求項１～５のいずれかに記載の線形摩擦接合用固定治具によって前記一方の被接合材及び／又は前記他方の被接合材を線形摩擦接合装置に固定すること、
を特徴とする線形摩擦接合方法、も提供する。

【0021】

本発明の線形摩擦接合方法では一方の被接合材及び／又は他方の被接合材を、本発明の線形摩擦接合用固定治具を用いて線形摩擦接合装置に固定するため、被接合材の位置決めが容易であると共に、被接合材を確実に固定することができる。その結果、線形摩擦接合装置から印加される応力を無駄なく被接合材に伝達することができ、設定した接合条件（被接合材に対する押圧力や加振力）通りの線形摩擦接合を実行することができる。

【0022】

本発明の線形摩擦接合においては、
前記一方の被接合材を前記他方の被接合材に当接させて被接合界面を形成する第一工程と、
前記被接合界面に対して略垂直に圧力を印加した状態で、前記一方の被接合材と前記他方の被接合材とを同一軌跡上で繰り返し摺動させ、前記被接合界面からバリを排出させる第二工程と、
前記摺動を停止して接合界面を形成する第三工程と、を有し、
前記圧力を、所望する接合温度における前記一方の被接合材及び／又は前記他方の被接合材の降伏応力以上かつ引張強度以下に設定すること、が好ましい。

【0023】

本発明者が鋭意検討を行った結果、線形摩擦接合時の圧力を所望する接合温度における一方の部材及び／又は他方の部材の降伏応力以上かつ引張強度以下に設定することで、接合温度を制御することができることが明らかとなっている。ここで、線形摩擦接合時の圧力を被接合材の降伏応力以上とすることで被接合界面からのバリの排出が開始され、引張強度までの間で当該圧力を増加させると、バリの排出が加速されることになる。降伏応力と同様に、特定の温度における引張強度も被接合材によって略一定であることから、設定した圧力に対応する接合温度を実現することができる。

【0024】

本発明の線形摩擦接合方法においては、線形摩擦接合時の圧力を、所望する接合温度における一方の部材及び／又は他方の部材の降伏応力に設定すること、が好ましい。線形摩擦接合において、バリの排出が開始されるのは圧力が降伏応力に達した瞬間であり、当該圧力をより高い値（引張強度を上限として）とした場合に比べて、より正確に所望の接合温度を実現することができる。

【0025】

また、本発明の線形摩擦接合方法においては、前記一方の被接合材及び／又は前記他方の被接合材が、板厚が３ｍｍ以下の薄板であること、が好ましい。本発明の線形摩擦接合方法では線形摩擦接合中の印加圧力を所望する接合温度における薄板（被接合材）の降伏応力以上に設定することで、加熱されて軟化した領域は速やかにバリとして排出され、摩擦熱の熱伝導によって必要以上に軟化部（高温部）が広がることを抑制することができる。この場合、被接合界面から離れた位置の温度は被接合界面近傍の温度（接合温度）よりも低く、印加している圧力で塑性変形することはない。その結果、板厚が３ｍｍ以下の薄板であっても線形摩擦接合中にその形状を維持することができる。

【発明の効果】

【0026】

本発明によれば、線形摩擦接合装置に対して簡便かつ確実に被接合材を固定し、接合条件に対応した再現性の高い線形摩擦接合の実施を可能とする線形摩擦接合用固定治具及び線形摩擦接合を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0027】

【図1】線形摩擦接合中の状況を示す模式図である。

【図2】本実施形態に係る線形摩擦接合用固定治具１の概要を示す模式図である。

【図3】第一部材３の構造を示す図であって、図３（ａ）は、第一部材３の端面を正面視した第一部材３の側面図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）における矢視Ａの一部を断面視した第一部材３の正面図であり、図３（ｃ）は、図３（ａ）における矢視Ｂを示す第一部材３の底面図である。

【図4】第二部材５の構造を示す図であって、図４（ａ）は、第二部材５の正面図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）における矢視Ｃを示す第二部材５の側面図である。

【図5】被接合材５３に第二部材５を当接させる方法を示す図であって、図５（ａ）は斜視図であり、図５（ｂ）は側面図である。

【図6】被接合材５３に当接した第二部材５に第一部材３を当接させる方法を示す図であって、図６（ａ）は斜視図であり、図６（ｂ）は側面図である。

【図7】当接後の線形摩擦接合用固定治具１及び被接合材５３を示す図であって、図７（ａ）は斜視図であり、図７（ｂ）は側面図である。

【図8】線形摩擦接合装置５１による固定準備体１０１の固定方法を示す図であって、図８（ａ）は固定穴５２に固定準備体１０１を挿入する様子を示す模式図であり、図８（ｂ）は線形摩擦接合用固定治具１による被接合材５３の押圧を示す模式図である。

【図9】その他の線形摩擦接合用固定治具１００１の構造を示す図であって、図９（ａ）は斜視図であり、図９（ｂ）は側面図である。

【図10】実施例及び比較例で用いた線形摩擦接合装置の外観写真である。

【図11】各温度における炭素鋼の変形応力（降伏応力）を示すグラフである。

【図12】実施接合体の外観写真である。

【図13】実施例で用いた線形摩擦接合用固定治具の外観写真である。

【図14】実施例における被接合材の固定状態を示す外観写真である。

【図15】実施接合体の接合界面近傍の断面マクロ写真である。

【図16】比較例における被接合材の固定状態を示す外観写真である。

【図17】比較接合体の接合界面近傍の断面マクロ写真である。

【発明を実施するための形態】

【0028】

以下、図面を参照しながら本発明に係る線形摩擦接合用固定治具及び線形摩擦接合方法の代表的な実施形態について詳細に説明するが、本発明はこれらのみに限定されるものではない。なお、以下の説明では、同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する場合がある。また、図面は、本発明を概念的に説明するためのものであるから、表された各構成要素の寸法やそれらの比は実際のものとは異なる場合もある。

【0029】

１．線形摩擦接合用固定治具１の概要
図１及び図２を用いて、本実施形態に係る線形摩擦接合用固定治具１の概要について説明する。図１は線形摩擦接合中の状況を示す模式図であり、図２は本実施形態に係る線形摩擦接合用固定治具１の概要を示す模式図である。なお、本実施形態では理解容易を図るため、接合圧力を印加する方向をＸ、Ｘと摺動方向に略垂直な方向をＹ、及び摺動方向をＺと定義して記載する。

【0030】

図１に示すとおり、線形摩擦接合は被接合材同士を当接させた状態で双方の対向方向から所定の接合圧力を印加させつつ線形運動で擦りあわせ、この時に生じる摩擦熱を主な熱源とする固相接合である。ここで線形摩擦接合に用いられる主な方法としては、一方の被接合材と他方の被接合材を対向させた状態で線形摩擦接合装置に固定させる予備工程と、双方の被接合材を当接して接合界面を形成する第一工程と、形成した接合界面で双方の被接合材を同一軌跡上に繰り返し摺動させる第二工程と、所定のタイミングで摺動を停止させて接合部を形成する第三工程と、により構成されている。

【0031】

図２に示すとおり、本実施形態の線形摩擦接合用固定治具１は、被接合材５３に直接当接する二つの第二部材５（一方の第二部材５ａ及び他方の第二部材５ｂ）と、この第二部材５を挟持する二つの第一部材３（一方の第一部材３ａ及び他方の第一部材３ｂ）と、により構成された治具であって、被接合材５３と線形摩擦接合装置５１との間にこれら各部材を配置して使用するものである。

【0032】

線形摩擦接合用固定治具１を用いて線形摩擦接合を行うことにより、上記予備工程の作業性を向上しつつ被接合材５３を確実かつ強固に固定することができ、また正確な位置決めが行えるため、第一工程でも良好な接合界面を形成することができる。

【0033】

更に、上記接合準備の改善によって固定不良に起因する被接合材５３のブレ防止が可能となるため、第二工程時の接合温度の制御を容易にし、かつ第三工程の摺動停止時に被接合材５３間で傾き等が発生することを防止することができる。即ち、本実施形態に係る線形摩擦接合用固定治具１は、線形摩擦接合に対して複数の好適な作用効果を与えるものである。

【0034】

なお、本実施形態で用いる線形摩擦接合装置５１は、加振部に被接合材５３の接合面６１とは反対側の端部を挿入する固定穴５２と、この固定穴５２の下端（又は上端）で方向Ｚに上下移動する押圧部５４と、を備えた被接合材５３の固定機構５５を構成しており、固定穴５２に挿入した被接合材５３を押圧部５４によって方向Ｚに押圧固定する態様を有する。被接合材５３を固定するための押圧方向は上記に限定されず、例えば方向Ｙを採用してもよい。

【0035】

２．線形摩擦接合用固定治具１の構造
次に、図３及び図４を用いて、本実施形態に係る線形摩擦接合用固定治具１の構造について詳細に説明する。図３（ａ）（ｂ）（ｃ）は、第一部材３の構造を示す図であって、図３（ａ）は、第一部材３の端面を正面視した第一部材３の側面図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）における矢視Ａの一部を断面視した第一部材３の正面図であり、図３（ｃ）は、図３（ａ）における矢視Ｂを示す第一部材３の底面図である。また、図４（ａ）及び（ｂ）は、第二部材５の構造を示す図であって、図４（ａ）は、第二部材５の正面図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）における矢視Ｃを示す第二部材５の側面図である。

【0036】

＜第一部材３の構造＞
図３（ａ）（ｂ）（ｃ）に示すとおり、第一部材３は線形摩擦接合装置５１から押圧力を受ける被押圧面９と、二つの傾斜面１１を対向配置して形成された谷部７と、を備え、谷部７が被押圧面９の反対側で、押圧力の印加方向（図３（ａ）では方向Ｚの下方）に対向して形成されること、を特徴としている。

【0037】

本実施形態で用いる第一部材３の構造についてより具体的には、線形摩擦接合装置５１の押圧部９又は該押圧部９と対向する固定穴５２の上方側面と当接する略平滑な被押圧面９と、この被押圧面９の略中央近傍から方向Ｚの下方かつ方向Ｙの両側に向けて下降傾斜した二つの傾斜面１１で形成された谷部７と、被押圧面９の方向Ｙの両端と二つの傾斜面１１双方の方向Ｙの端部とを方向Ｚにつなぐ鉛直面と、から構成された側面形状を有し（特に図３（ａ）参照）、この側面形状を方向Ｘに所定寸法押し出した略柱状体である（特に図３（ｂ）及び（ｃ）参照）。

【0038】

二つの傾斜面１１により形成される頂点近傍（谷部７の底）は、２．５Ｒ～５Ｒの範囲で弧状に形成して清掃性及びメンテナンス性を向上させてもよい。また、本実施形態では、第一部材３の両端の側面を方向Ｚに対して平行かつ平滑に形成しているが、線形摩擦接合装置５１の態様や被接合材５３の形状やサイズに応じて適宜異なる形状を採用してもよい。

【0039】

方向Ｚ（鉛直面）に対する傾斜面１１の角度θ１は、第一部材３と後述する第二部材５との良好なスライドを担保するため、３０度～６０度の範囲で設定することが望ましい。また、同様の理由で傾斜面１１は凹凸なく摩擦抵抗の発生を抑える表面粗さとすることが好ましい。なお、本実施形態では歪みのない略直線状の傾斜面１１を採用しているが、例えば緩やかな曲率の円弧等としてもよい。

【0040】

＜第二部材５の構造＞
図４（ａ）（ｂ）（ｃ）に示すとおり、第二部材５は第一部材３が具備する傾斜面１１と当接する当接面１３を両端部に備えて形成され、第一部材３と組合せた時に、当接した傾斜面１１と当接面１３とが略平行であること、を特徴としている。

【0041】

本実施形態で用いる第二部材５の構造についてより具体的には、方向Ｙに対向し被接合材５３に直接当接する略矩形の固定面１５と、この固定面１５の少なくとも方向Ｚの両端部で上方から下方又は下方から上方かつ、方向Ｙにおける固定面１５の反対方向に傾斜する当接面１３と、固定面１５の方向Ｘの両端部で右側から左側又は左側から右側かつ、方向Ｙにおける固定面１５の反対方向に傾斜する斜面１９と、固定面１５と平行かつ反対方向に対向する平行面２１と、から構成された部材である。

【0042】

固定面１５に対する当接面１３の角度θ２は、３０度～６０度の範囲かつ上述した方向Ｚ（鉛直面）に対する傾斜面１１の角度θ１と同じ角度とし、上述した第一部材３との良好なスライドを担保することが望ましい。また、傾斜面１１の表面と同様、当接面１３は凹凸なく摩擦抵抗の発生を抑える面粗度であることが好ましい。

【0043】

第二部材５は、略四角錐台形状であることが望ましい。本実施形態の第二部材５は、上述のとおり方向Ｘの両端部に斜面１９を備えて全体を略四角錐台形状に形成している。第二部材５をこのような構造とすれば、被接合材５３を接合面６１近傍まで固定することができ、より安定した接合を行うことができる。

【0044】

また、固定面１５に対する斜面１９の角度を固定面１５に対する傾斜面１３の角度θ２と同じにすれば、当接面１３と同様に斜面１９も第一部材３の傾斜面１１とスライド自在に係止させることができる。よって、例えばＺ方向の寸法とＸ方向の寸法を異にして第二部材５を形成すれば、被接合材５３のサイズに応じて第二部材５のＺ方向又はＸ方向からより被接合材５３の固定に適した方向を選択して使用可能となり、一つの線形摩擦接合用固定治具１である程度のサイズ幅の被接合材５３に対応することができる。

【0045】

第一部材３及び／又は第二部材５は、工具鋼、耐熱鋼、超硬合金、サーメット、ニッケル基合金、コバルト基合金及びチタン合金のいずれかの材料で形成されることが望ましい。上述した第一部材３及び第二部材５には高い強度や耐摩耗性が要求されるだけでなく、種々の金属材料の被接合材５３の接合に用いるため、接合面６１近傍から熱影響を受ける可能性が高い。また、上述したとおり傾斜面１１、当接面１３、及び斜面１９等は互いにスライド自在に係止させる態様であるから、相応の表面粗さに加工する必要がある。よって、工具鋼、超硬合金、サーメット、ニッケル基合金及びコバルト基合金のいずれかで第一部材３及び／又は第二部材５を形成すれば、機械的性質が十分に担保されると共に接合中の熱影響にも耐えることができる。加えて、比較的容易に精密加工することができる。

【0046】

３．線形摩擦接合用固定治具１の使用方法
＜線形摩擦接合用固定治具１と被接合材５３の当接＞
続いて、図５～図７を用いて、本実施形態に係る線形摩擦接合用固定治具１の使用方法について詳細に説明する。図５（ａ）及び（ｂ）は被接合材５３に第二部材５を当接させる方法を示す図であって、図５（ａ）は斜視図であり、図５（ｂ）は側面図である。図６（ａ）及び（ｂ）は被接合材５３に当接した第二部材５に第一部材３を当接させる方法を示す図であって、図６（ａ）は斜視図であり、図６（ｂ）は側面図である。また、図７（ａ）及び（ｂ）は当接後の線形摩擦接合用固定治具１及び被接合材５３を示す図であって、図７（ａ）は斜視図であり、図７（ｂ）は側面図である。

【0047】

図５（ａ）及び（ｂ）に示すとおり、まず被接合材５３に対して線形摩擦接合用固定治具１の第二部材５の当接を行う。ここで、被接合材５３の方向Ｙに対向する二面を第一面５７及び第二面５９とし、この第一面５７に当接する部材を一方の第二部材５ａ、第二面に当接する部材を他方の第二部材５ｂとする。また説明の便宜上、被接合材５３及び線形摩擦接合用固定治具１は、文章中にて指示しない限り図示した方向性（方向Ｘ、方向Ｙ、及び方向Ｚ）を維持するものとする。

【0048】

被接合材５３の第一面５７に対して固定面１５ａを対向させつつ一方の第二部材５ａを被接合材５３に当接させ、第二面５９に対して固定面１５ｂを対向させつつ他方の第二部材５ｂを被接合材５３に当接させる。この時、被接合材５３の接合面６１を斜面１９ａ及び斜面１９ｂから所定量方向Ｙに突出させる。当該突出量については、被接合材５３のサイズ及び接合条件等に応じて適宜決定すればよい。

【0049】

次に、図６（ａ）及び（ｂ）に示すとおり、上記手順にて当接させた被接合材５３及び第二部材５に対し、第一部材３を当接させる。ここで、被接合材５３及び第二部材５の方向Ｚの上方側に当接させる部材を一方の第一部材５ａ、下方側に当接させる部材を他方の第二部材５ｂとする。

【0050】

方向Ｚの上方に対向した一方の第二部材５ａの当接面１３ａ及び他方の第二部材５ｂの当接面１３ｂに対して一方の第一部材３ａの谷部７ａを対向させ、この谷部７ａを構成する二つの傾斜面１１ａそれぞれに当接面１３ａ及び当接面１３ｂを当接させる。また、方向Ｚの下方に対向した一方の第二部材５ａの当接面１３ａ及び他方の第二部材５ｂの当接面１３ｂに対して他方の第一部材３ｂの谷部７ｂを対向させ、この谷部７ｂを構成する二つの傾斜面１１ｂそれぞれに当接面１３ａ及び当接面１３ｂを当接して係止させる。

【0051】

上記手順を完了させることにより、被接合材５３を一方の第二部材５ａ及び他方の第二部材５ｂによって方向Ｙに当接して支持し、更にこの一方の第二部材５ａ及び他方の第二部材５ｂの方向Ｚの上下で、一方の第一部材３ａ及び他方の第一部材３ｂによって係止し、被接合材５３、第一部材３、及び第二部材５からなる略一体の固定準備体１０１が構成される（特に図７（ａ）及び（ｂ）参照）。

【0052】

＜線形摩擦接合装置５１による固定準備体１０１の固定方法＞
次に、図８を用いて線形摩擦接合装置５１による固定準備体１０１の固定方法について詳細に説明する。図８（ａ）及び（ｂ）は線形摩擦接合装置５１による固定準備体１０１の固定方法を示す図であって、図８（ａ）は固定穴５２に固定準備体１０１を挿入する様子を示す模式図であり、図８（ｂ）は線形摩擦接合用固定治具１による被接合材５３の押圧を示す模式図である。

【0053】

なお、線形摩擦接合を行うには二つの被接合材５３を対向させた状態でそれぞれ線形摩擦接合装置５１に固定する必要があるが、固定方法は同様の手順を踏むためここでは一方の被接合材５３の固定手順のみを説明する。

【0054】

図８（ａ）に示すとおり、上記手順で構成した固定準備体１０１を線形摩擦接合装置５１が具備する固定機構５５の固定穴５２内に挿入する。より具体的には、接合面６１の反対側を固定穴５２に対向させた状態で固定準備体１０１を固定穴５２内に挿入し、一方の第一部材３ａの被押圧面９ａを固定穴５２の方向Ｚの上端に当接する。

【0055】

続いて、図８（ｂ）に示すとおり、固定機構５５が具備する押圧部５４を方向Ｚの下方から上方に移動させ、固定穴５２に挿入した固定準備体１０１を押圧する。押圧部５４を上方に移動させることにより、固定準備体１０１が固定穴５２の上端と押圧部５４との間で押圧され、一方の第一部材３ａの被押圧面９ａ及び他方の第一部材３ｂの被押圧面９ｂが方向Ｚに作用する押圧力Ｐ１を受ける。

【0056】

押圧力Ｐ１は、一方の第一部材３ａ及び他方の第一部材３ｂを被接合材５３側に押圧しつつ、一方の第一部材３ａの傾斜面１１ａ及び他方の第一部材３ｂの傾斜面１１ｂを介して、一方の第二部材５ａの当接面１３ａ及び他方の第二部材５ｂの当接面１３ｂに伝達される。当該伝達時、押圧力Ｐ１の一部が作用方向を変換し被接合材５３に対して略斜め方向に作用する押圧力Ｐ２を生じさせる。

【0057】

上述したように第一部材３と第二部材５は、傾斜した傾斜面１１と当接面１３とを当接することにより互いを係止しているため、上方に位置する一方の第一部材３ａと、下方に位置する他方の第一部材３ｂと、がそれぞれ対向する押圧力Ｐ１及び押圧力Ｐ２を受けて被接合材５３側に向けて方向Ｚに押圧されることにより一方の第二部材５ａ及び他方の第二部材５ｂが略圧縮され、谷部７ａを構成する二つの傾斜面１１ａに当接した当接面１３ａと当接面１３ｂとが自身の傾斜に沿って方向Ｚの上方かつ方向Ｙの被接合材５３側にそれぞれスライドし、また、谷部７ｂを構成する二つの傾斜面１１ｂに当接した当接面１３ａと当接面１３ｂとが自身の傾斜に沿って方向Ｚの下方かつ方向Ｙの被接合材５３側にそれぞれスライドし、被接合材５３に対して方向Ｙに作用する押圧力Ｐ３が作用する。

【0058】

即ち、本実施形態の線形摩擦接合用固定治具１を用いることにより、固定機構５５から固定準備体１０１に対して方向Ｚの上方から下方及び下方から上方に加えられた力は、同方向に作用する押圧力Ｐ１（被接合材５３に対して方向Ｚの上下２方向）、押圧力Ｐ１を第一部材３から第二部材５に伝達する際に略斜め方向に作用する押圧力Ｐ２（被接合材５３に対して斜め４方向）、及び押圧力Ｐ１及び押圧力Ｐ２の作用により第二部材５がスライドすることで方向Ｙに作用する押圧力Ｐ３（被接合材５３に対して方向Ｙの左右２方向）からなる合計８方向の力に変換されことになる。

【0059】

上記８方向の力に押圧された被接合材５３は、押圧力Ｐ３の作用で方向Ｙの略中央に自動かつ正確に位置決めされ、更に押圧力Ｐ１～Ｐ３全ての作用で方向Ｘ、Ｙ，及びＺに対して非常に強固に固定される。なお、被接合材５３の方向Ｚの上下端面は第一部材３及び第二部材５のどちらにも当接していないが、被接合材５３の第一面５７及び第二面５９が一方の第二部材５ａの固定面１５ａ及び他方の第二部材５ｂの固定面１５ｂと広い面積で当接していること、更に被接合材５３の接合面６１と反対側の端面を固定穴５２内部の方向Ｘの側面に当接すること、によって接合中の意図しない被接合材５３の移動等、固定状況の悪化発生を好適に防止することができる。

【0060】

４．線形摩擦接合に及ぼす線形摩擦接合用固定治具１の効果
＜接合準備の改善＞
上述したとおり、線形摩擦接合用固定治具１を用いることにより、線形摩擦接合装置５１に対して被接合材５３を簡便な作業で確実かつ強固に固定することができる。より具体的には、線形摩擦接合装置５１の固定機構５５から加えられた押圧力が線形摩擦接合用固定治具１によって８方向に変換され、これを被接合材５３に等方的に印加することで特に方向Ｙに対する位置決めを一義的かつ正確に行いつつ、短時間で確実に固定することができる。また、被接合材５３は上記８方向からの押圧に加え、一方の第二部材５ａ及び他方の第二部材５ｂと広い面積で当接しつつこれらに挟持されるため、接合中の摺動に起因する方向Ｚのブレを好適に防止することができる。

【0061】

また、第二部材５の当接面１３と斜面１９の角度を同様にし、かつＺ方向の寸法とＸ方向の寸法を異にして形成することにより、ある程度のサイズ幅の被接合材５３に対応して使用することが可能となることに加え、適宜第二部材５の方向を変更しつつ使用することで、一部分のみに繰り返し熱影響を与えることがなく、線形摩擦接合用固定治具１の寿命を好適に延長することができる。

【0062】

＜接合過程の改善＞
線形摩擦接合用固定治具１によって被接合材５３（以下、説明の便宜上被接合材の符号を省略する）が位置決めされかつ確実に固定されるため、接合前において一方の被接合材と他方の被接合材をズレ及び歪みなく正確に当接し、全域に亘って隙間のない良好な接合界面を形成することができる。即ち、線形摩擦接合装置５１によって双方の被接合材を同一軌跡上に繰り返し摺動させた際、この接合界面全域で略均一な温度上昇が起こるため、接合温度を正確に制御することができる。

【0063】

また、上述のとおり線形摩擦接合用固定治具１によって一方の被接合材及び他方の被接合材が確実かつ強固に固定されているため、接合圧力を印加しつつ同一軌跡上に摺動を繰り返す接合中においても、固定不良に起因する被接合材のブレ（移動や傾き）がなく、接合圧力及び摺動力を効率的に接合温度に変換することができる。よって、被接合材の固定具合に起因する接合条件と接合結果のバラつきを好適に減少させることが可能となる。

【0064】

５．その他の線形摩擦接合用固定治具
上述にて、本実施形態に係る線形摩擦接合用固定治具１の基本的な構造及び使用方法について説明したが、線形摩擦接合用固定治具の構造はこれに限定されず、被接合材５３の形状に応じて種々の態様を採用することができる。以下、図９を用いて線形摩擦接合用固定治具の変形例を詳細に説明する。図９（ａ）及び（ｂ）は、その他の線形摩擦接合用固定治具１００１の構造を示す図であって、図９（ａ）は斜視図であり、図９（ｂ）は側面図である。

【0065】

図９（ａ）及び（ｂ）に示すとおり、その他の線形摩擦接合用固定治具１００１は、略円柱形状の被接合材１０５３の固定に使用できるよう形状を最適化したものである。線形摩擦接合用固定治具１００１についても上述した線形摩擦接合用固定治具１と同様に、二つの第一部材１００３及び二つの第二部材１００５により構成された治具であるが、第二部材１００５の固定面１０１５に被接合材１０５３の側面形状に合致する略曲面の凹部１００７が形成されている。

【0066】

凹部１００７の半径は、被接合材１０５３の半径と略同様とし、かつ被接合材１０５３を固定した際に双方の固定面１０１５が当接しない程度の深さで第二部材１００５に形成することが好ましい。また凹部１００７は、双方の第二部材１００５における方向Ｚの略中央で互いに位置ずれがないよう形成することが望ましい。

【0067】

その他の線形摩擦接合用固定治具１００１を使用することにより、略円柱形状の被接合材１０５３に対して８方向の押圧力を作用し、一義的かつ確実な位置決めを行いつつ強固に固定することができる。なお、ここでは略円柱形状の被接合材１０５３に対応可能な変形例を代表して説明したが、上記と同様に固定面の形状を適宜変更することによって、更に多種多様な形状の被接合材にも対応することができることは言うまでもない。

【0068】

以上、本発明の代表的な実施形態について図面を参照しつつ説明してきたが、本発明は、これらの実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載の精神及び教示を逸脱しない範囲でその他の改良例や変形例が存在する。そして、かかる改良例や変形例は全て本発明の技術的範囲に含まれる。

【実施例】

【0069】

≪実施例≫
被接合材に板厚２．６ｍｍの中炭素鋼（ＪＩＳ－Ｓ４５Ｃ：０．４８％Ｃ－０．７７％Ｍｎ－０．２３％Ｓｉ－０．０８％Ｃｒ）薄板を用い、線形摩擦接合を施した。線形摩擦接合装置の外観写真を図１０に示す。

【0070】

各温度における中炭素鋼（ＪＩＳ－Ｓ４５Ｃ）の降伏応力は図１１のＣ＝０．５３ｗｔ％の線を参照することができ、例えば、接合温度を略９５０℃に設定すると、降伏応力は略１５０ＭＰａとなる。本実施例では線形摩擦接合時に印加する圧力を１５０ＭＰａよりも高い２５０ＭＰａとし、加振の周波数を１５Ｈｚ、振幅を２ｍｍとして実施接合体を得た。実施接合体の外観写真を図１２に示す。

【0071】

ここで、実施接合体は図１３に示す本発明の線形摩擦接合用固定治具によって線形摩擦接合装置に強固に固定され、接合プロセスによる変形等は認められなかった。被接合材を線形摩擦接合装置に固定した状態を図１４に示す。線形摩擦接合装置の応力は被接合装置の上方のみから印加されるが、当該応力は被接合材の上下に配置された第一部材から第二部材に伝達され、被接合材は左右からも強固に固定されている。

【0072】

得られた実施接合体の接合界面近傍の断面マクロ写真を図１５に示す。接合界面に欠陥は認められず、良好な継手が得られていることが分かる。

【0073】

≪比較例≫
一般的な固定方法で被接合材を線形摩擦接合装置に固定したこと以外は実施例と同様にして、比較接合体を得た。被接合材を線形摩擦接合装置に固定した状態を図１６に示す。被接合材の左右には当て材が配置され、装置からの押圧力は被接合材の上方のみから印加されている。

【0074】

得られた比較接合体の接合界面近傍の断面マクロ写真を図１７に示す。接合条件は実施例と同様であるにもかかわらず、接合界面には欠陥が形成されている。当該結果は、線形摩擦接合時に印加する圧力や加振力が被接合材にそのまま伝達されなかったことを示唆している。

【符号の説明】

【0075】

１ 線形摩擦接合用固定治具
３ 第一部材
３ａ 一方の第一部材
３ｂ 他方の第一部材
５ 第二部材
５ａ 一方の第二部材
５ｂ 他方の第二部材
７ 谷部
９ 被押圧面
１１、１１ａ、１１ｂ 傾斜面
１３、１３ａ、１３ｂ 当接面
１５、１５ａ、１５ｂ 固定面
１９、１９ａ、１９ｂ 斜面
２１ 平行面
５１ 線形摩擦接合装置
５２ 固定穴
５３ 被接合材
５４ 押圧部
５５ 固定機構
５７ 第一面
５９ 第二面
６１ 接合面
１０１ 固定準備体
１００１ 線形摩擦接合用固定治具
１００３ 第一部材
１００５ 第二部材
１００７ 凹部
１０１５ 固定面
１０５３ 被接合材
Ｐ１ 押圧力
Ｐ２ 押圧力
Ｐ３ 押圧力
θ１ 角度
θ２ 角度

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】