JP6019231B2 - 摩擦攪拌接合方法および摩擦攪拌接合装置 - Google Patents

Description

本発明は金属部材の摩擦攪拌接合および摩擦攪拌接合装置に関する。

摩擦攪拌接合は摩擦熱で加熱した箇所を工具で攪拌することにより被接合材を塑性流動させて接合する固相接合手法である。この摩擦攪拌接合は鉄鋼やＴｉ合金およびＮｉ基合金等の融点が高い材料に適用する場合、塑性流動させるために必要な入熱が高く、接合することが困難である。そこで例えば特許文献１には、補助熱源で予熱した後に摩擦攪拌接合する方法が開示されている。

特開２０１２−４０５８４号公報

補助熱源を備えることで、高速の接合や厚板の接合、装置への付加荷重の低減等に寄与し得る。ただし、十分に予熱効果を得るためには被接合部材が赤熱する程度まで加熱する必要が有る。特許文献１のものでは、加熱によって熱変形や局部的な溶融が発生し、表面形状が滑らかでなくなることで摩擦攪拌接合部に欠陥が発生しやすいという課題がある。

そこで本発明は、予熱しても摩擦攪拌接合部の欠陥を低減することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、非接合部材を接合する摩擦攪拌接合方法において、加熱熱源で前記非接合部材を加熱する工程と、加熱された前記非接合部材の表面を平滑部品で均す工程と、均された前記非接合部材の表面を回転工具で摩擦攪拌接合する工程とを備えることを特徴とする。

また、非接合部材を接合する摩擦攪拌接合装置において、前記非接合部材を加熱する加熱熱源と、加熱された前記非接合部材の表面を均す平滑部品と、均された前記非接合部材の表面を摩擦攪拌する回転工具とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、予熱しても摩擦攪拌接合部の欠陥を低減することができる。

滑り摺接部品を備えた摩擦攪拌接合装置の模式図である。 転がり摺接部品を備えた摩擦攪拌接合装置の模式図である。 アーク放電加熱源とシールドとを備え、摺接部品とシールドとが一体化した構造の模式図である。 摩擦攪拌工具の主軸モータへの負荷を示したグラフである。 摺動面に溝を形成した平滑部品の展開図である。

本発明の摩擦攪拌接合装置は、回転工具と加熱熱源との中間に、被接合部材と接触して、その接触部分を滑らかにする平滑部品を備える。非接合部材は加熱熱源により予め加熱され、その加熱された一部又は全部が、平滑部品と接触し押し付けられる。非接合部材と平滑部品とは相対的に逆方向に移動しているので、非接合部材の加熱部の表面に凹凸が存在しても、その凹凸を均して接合に適した表面を得ることができる。

図１および図２に、本発明に係る摩擦攪拌接合の例を示す。何れの図も（ａ）は斜視図、（ｂ）は各装置を通る断面図である。１は回転工具、２は加熱熱源、４は非接合部材である。図１では平滑部品を滑り摺接部品３１とし、凹凸面と滑り摺接部品の摺動面とを接触させ、摺動により滑らかにする形態である。非接合部材と接触する摺動面の形状は平面、曲面、球面等が挙げられる。図２では平滑部品を転がり摺接部品３２とし、回転体を用いて凹凸を上から押し付けて転がすことで凹凸面を滑らかにする形態である。凹凸を均すことができれば滑りと転がりの何れの形態を用いてもよく、またはその滑りと転がりとの両方を用いてもよい。凹凸面の全てを均さなくても部材の接合境界や回転工具が接触する部分が滑らかに均されていればよい。加熱熱源により十分に加熱されるので、凹凸面を滑らかにするための平滑部品を加温する必要はない。何れにしても、加熱熱源により十分に加熱し、それにより生じた凹凸を他の部品により均すことで凹凸が軽減され、摩擦攪拌接合しやすい表面となる。これにより、摩擦攪拌接合部の欠陥を低減することができる。

回転工具は先端に柱状のショルダ部と、ショルダ部の先端にショルダ部より小径の柱状のプローブ部を備えた構造である。材質としては、超硬合金、Ｗ合金、Ｉｒ合金、Ｎｉ合金、Ｃｏ合金等を用いることができる。

加熱熱源はアーク放電加熱、レーザー加熱、高周波誘導加熱、抵抗加熱、マイクロ波加熱等が挙げられ、どれかに限定されるものではないが、アーク放電を用いた加熱方式が好ましい。アーク放電加熱を用いた場合、電極と被接合部材との間にアーク放電を発生させ、その熱エネルギーで部材を加熱するが、その際、周囲のガスは一部がプラズマ化される。そのため、アーク放電を用いた場合は被接合部材にプラズマを吹付けることにより部材表面の酸化皮膜等の大気汚染物を除去する効果も得ることができる。

加熱熱源は不活性ガスを閉じ込めるシールド設備を備えていることが好ましい。鉄鋼材等大気雰囲気で加熱した場合、容易に酸化皮膜が形成される。そのため、少なくとも加熱部表面にはガスシールド設備を備え、内部に不活性ガスを浮遊させることで酸化反応を防ぐことが好ましい。

加熱熱源にアーク放電加熱を用いた場合、その入熱量はアーク溶接時の入熱を現す下記の式（１）において、入熱量Ｈが１ｋＪ／ｃｍ以上であることが好ましい。Ｅはアーク電圧、Ｉはアーク電流、Ｖは送り速度

このとき、加熱部中央は局部的に溶融し、不均一な盛り上がりが形成されるが、前述の摺接部品によりその表面形状変化の影響は排除される。入熱量がこれよりも低い場合、加熱部の表面形状変化が小さい反面、十分な予熱効果を得ることができないため、好ましくない。

平滑部品は、摺動面に摺動方向に沿って更に溝を形成してもよい。溝により被接合材表面の塑性流動をガイドし、装置負荷を減らすことが可能である。

被接合部材は材料を特定するものではないが、本発明は比較的融点が高い材料を用いる場合に好適であり、鉄鋼、Ｔｉ合金、Ｚｒ合金、Ｎｉ合金、Ｎｂ合金等に適している。

回転工具、加熱熱源および平滑部品を独立に設けることも可能であるが、それを一体化した構造に設計することも可能である。例えば、加熱源の周囲にガスシールドを設けた場合、シールドの一部を被接合材と摺動させることで摺接部品の機能を兼ねることができる。これにより部品点数を省略することができ、加熱部と摩擦攪拌部とを比較的近い位置に設計することができる。

実施例１の試験条件を詳しく説明する。回転工具はＰＣＢＮ（多結晶ボロンナイトライド）の焼結体から作製し、プローブとショルダとを持つ外形に成型した。ショルダの直径は１７ｍｍとし、プローブの長さは３ｍｍとした。被接合材はＪＩＳ規格でＳＳ４００に指定される一般構造用圧延材を用意し、外形寸法を１００ｍｍ×３００ｍｍ×５ｍｍに加工した２枚の板材を突き合わせて接合試験を実施した。

図１に示すように、回転工具、加熱熱源および平滑部品は接合方向に沿って配置した。加熱熱源にはアーク放電トーチを採用し、回転工具の外周部から５ｍｍ離して配置し、その間に平滑部品を配置した。平滑部品は超硬合金で作成し、被接合材と滑り摺動させる形態とし、摺動面は幅が３ｍｍ、長さが２０ｍｍとした。また平滑部品の摺動面と回転工具のショルダとがほぼ同じ高さになるよう配し、アーク放電トーチは３ｍｍ高い位置に配した。接合試験は被接合部材から十分に離した場所で回転工具を回転させ、その後に部材に近づけてプローブを挿入した。回転工具のショルダおよび摺接部品が被接合材に接触した直後にアーク放電を点火して加熱を開始した。その状態で３秒保持した後に接合方向に移動させて突合せ接合を実施した。工具の回転速度は２５０ｒｐｍ、傾斜角は３°とし、接合速度は１００〜６００ｍｍ／ｍｉｎの範囲で選択した。アーク放電加熱の入熱条件は約２ｋＪ／ｃｍになるように設定した。

表面欠陥は目視にて接合部表面を観察することで評価し、内部欠陥は接合部断面を加工した試験片を光学顕微鏡で観察することで評価した。下記の表に実施例１〜６および比較例１〜２の条件一覧を示す。

実施例1において、接合速度を変えて検討した結果、最大５００ｍｍ／ｍｉｎまで欠陥がない正常な接合部を形成できることを確認した。一方、摺接部品を用いなかった比較例1は４００ｍｍ／ｍｉｎまで接合できるものの、断面観察の結果、接合部の一部に欠陥が形成されているのが確認された。これは表面に不均一な凹凸が形成された状態で摩擦攪拌接合を実施したために接合環境が安定せず、局所的に欠陥が発生したものである。また加熱熱源および摺接部品を用いずに実施した比較例２においては、接合速度を２００ｍｍ／ｍｉｎ以上にした条件で表面に筋状の欠陥が発生し、塑性流動が不足していることを示した。

実施例２は、図２に示すように、円柱状の摺接部品を転がり摺動させて実施した。この場合も５００ｍｍ／ｍｉｎまで正常な接合部を形成できることを確認した。実施例２のように、転がり摺動の形態にすることにより摺接部品の耐久性向上が期待できる。

アーク放電加熱以外の加熱源として、レーザー加熱（実施例３）および高周波加熱（実施例４）を検討した。アーク放電加熱と同様に接合速度が速い条件でも欠陥がない接合部を形成することができた。ただし、接合部には酸化物を巻き込んだ跡が顕著に確認されていた。酸化物の巻き込みは粒界破壊による靭性低下を引起す可能性があるため、低減することが望ましい。アーク放電加熱の場合はレーザー加熱や高周波加熱と比べると酸化物の巻き込みが少なかった。これはアーク放電により発生したプラズマが表面をクリーニングするためと考えられる。

実施例５は加熱部から摩擦攪拌接合部までの被接合材表面をガスシールドで覆い、アルゴンガスを浮遊させて実施した。この結果、接合部への酸化物の巻き込みはほとんど発生しなかった。実施例６は図３に示す装置配置とした。これはシールド設備を小型化するために、加熱部のみをシールドで覆い、またシールドの一部を被接合材に接触させることで、シールドと摺接部品とを一体化させた構造の平滑部品３３とした。この場合も実施例５と同様に酸化物の巻き込みがほとんど発生しなかった。

次に、実施例１と同じ設備を用いてアーク放電加熱の入熱量を変えた条件で試験し、その結果を比較した。下表に一覧を示す。

接合速度を変えて欠陥が発生しない最大速度を調査した結果、入熱量が１．０ｋＪ／ｃｍの実施例７は４００ｍｍ／ｍｉｎ、入熱量が０．７５ｋＪ／ｃｍの実施例８は１５０ｍｍ／ｍｉｎであった。図４は摩擦攪拌工具を回転させる主軸モータへの負荷を示したグラフである。この結果より、入熱が最も大きい実施例１は比較例２に比べて約３０％の負荷低減を達成しており、入熱量が１．０ｋＪ／ｃｍの実施例７でも約２０％の低減を示した。入熱量が０．７５ｋＪ／ｃｍの実施例8では接合開始時のピーク値が僅かに低減するものの、接合時の負荷ほとんど変わらないレベルであることが分かった。これらの結果から、アーク放電加熱の入熱量は１．０ｋＪ／ｃｍ以上に設定することが好ましいと言える。

次に、実施例１と同様の設備構成を用い、滑り摺接部品の摺動面に溝を設けたものを用意して比較した。図５は実施例９で用いた平滑部品の展開図である。平滑部品３４の摺動面には摺動方向に沿った方向に溝を形成した。溝は断面が三角形状で、深さが０．２ｍｍとなるように設計した。実施例１では接合中に摺接部品が大きく振動する現象が確認されたが、実施例９ではその装置振動が小さくなる傾向を示した。これは摺動方向に溝を形成したことで、塑性流動をガイドし、摺接部品への負荷を低減したためである。このとき、被接合部材の表面には０．２ｍｍ以下の盛り上がりが形成されるが、接合部内部には欠陥を形成しなかった。図５では断面が三角形状の溝としたが、断面が半円や四角でもよい。

１ 回転工具、
２ 加熱熱源、
４ 被接合部材
３１ 滑り摺接部品（平滑部品）、
３２ 転がり摺接部品（平滑部品）、
３３ シールド一体型摺接部品（平滑部品）、
３４ 溝を有した摺接部品（平滑部品）

Claims (12)

1. 被接合部材を接合する摩擦攪拌接合方法において、加熱熱源で前記被接合部材を加熱する工程と、加熱された前記被接合部材の表面を平滑部品で均す工程と、均された前記被接合部材の表面を回転工具で摩擦攪拌接合する工程とを備えることを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
2. 請求項１において、前記均す工程は、前記平滑部品を前記被接合部材に摺動させることを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
3. 請求項１において、前記均す工程は、前記平滑部品を前記被接合部材に接触させながら転がすことを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
4. 請求項１において、前記加熱する工程は不活性ガス中であることを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
5. 請求項１において、前記加熱する工程はアーク放電を用いることを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
6. 請求項１において、前記加熱する工程はアーク放電を用い、入熱量が１ｋＪ／ｃｍ以上であることを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
7. 請求項１において、前記被接合部材は鉄鋼、Ｔｉ、Ｔｉ合金、Ｚｒ、Ｚｒ合金、Ｎｉ合金、Ｎｂ合金のいずれかであることを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
8. 被接合部材を接合する摩擦攪拌接合装置において、前記被接合部材を加熱する加熱熱源と、加熱された前記被接合部材の表面を均す平滑部品と、均された前記被接合部材の表面を摩擦攪拌する回転工具とを備えることを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
9. 請求項８において、前記平滑部品は前記被接合部材と摺動する摺動面を備えることを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
10. 請求項８において、前記平滑部品は前記被接合部材と接触しながら回転する回転体を備えることを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
11. 請求項８において、前記加熱熱源は不活性ガスを閉じ込めるシールドを備えることを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
12. 請求項８において、前記加熱熱源はアーク放電であることを特徴とする摩擦攪拌接合装置。

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