特許ウォッチ

公開番号2025110529
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-07-29
出願番号2024004411
出願日2024-01-16
発明の名称接合体の製造方法
出願人日本軽金属株式会社
代理人弁理士法人磯野国際特許商標事務所
主分類B23K 20/12 20060101AFI20250722BHJP(工作機械;他に分類されない金属加工)
要約【課題】バリの発生と接合部の欠陥の発生を抑えるとともに、回転ツール及び接合装置に加わる負荷を軽減する接合体の製造方法を提供する。
【解決手段】接合径路の一端側から前記接合径路の途中までに設けた第一の点までの第一接合範囲に摩擦攪拌を行う第一の摩擦攪拌接合工程と、第一接合範囲に属する塑性化領域内に設けた第二の点から第二接合範囲に摩擦攪拌を行う第二の摩擦攪拌接合工程と、を含み、第二の摩擦攪拌接合工程では、摩擦攪拌の開始位置SP22において、回転ツールFを螺旋溝の形成方向と同方向に回転させた状態で、攪拌ピンを被接合部材に挿入する挿入工程と、回転ツールFの回転方向を、螺旋溝の形成方向と逆方向に回転させるように変更する変更工程と、回転ツールFを螺旋溝の形成方向と逆方向に回転させた状態で、被接合部材の接合を行う接合工程と、を順に備える、ことを特徴とする。
【選択図】図23
特許請求の範囲【請求項１】
螺旋溝が形成された攪拌ピンを有する回転ツールを用いて、被接合部材同士の接合径路への摩擦攪拌接合により接合体を製造する方法であって、
前記接合径路の一端側から前記接合径路の途中までに設けた第一の点までの第一接合範囲に摩擦攪拌を行う第一の摩擦攪拌接合工程と、
前記第一の摩擦攪拌接合工程により生じた第一接合範囲に属する塑性化領域内に設けた第二の点から前記接合径路の他端側までの第二接合範囲に摩擦攪拌を行う第二の摩擦攪拌接合工程と、を含み、
前記第一の摩擦攪拌接合工程では、前記第一接合範囲に対する摩擦攪拌の開始位置が前記被接合部材同士の前記接合径路の一端側に設定され、かつ、前記第一接合範囲の終了位置が前記接合径路の途中に設けた前記第一の点として設定され、
前記第二の摩擦攪拌接合工程では、前記第二接合範囲に対する摩擦攪拌の開始位置が前記第一接合範囲に属する塑性化領域の端部の点に設定され、前記第二接合範囲に対する摩擦攪拌の終了位置が前記一端側とは反対の前記接合径路の他端側に設定され、かつ、前記第二接合範囲に対する前記開始位置から前記接合径路の一端側に向かって前記第一接合範囲に属する前記塑性化領域に設定された折り返し位置まで摩擦攪拌を行い、当該折り返し位置から折り返して前記接合径路の他端側に向かって前記塑性化領域の摩擦攪拌を行い、再び前記第二接合範囲に対する開始位置を通って前記第二接合範囲に対する終了位置まで残りの前記接合径路の摩擦攪拌を行い、
前記第二の摩擦攪拌接合工程では、前記第二接合範囲に対する摩擦攪拌の開始位置において、
前記回転ツールを前記螺旋溝の形成方向と同方向に回転させた状態で、前記攪拌ピンを前記被接合部材に挿入する挿入工程と、
前記回転ツールの回転方向を、前記螺旋溝の形成方向と逆方向に回転させるように変更する変更工程と、
前記回転ツールを前記螺旋溝の形成方向と逆方向に回転させた状態で、前記被接合部材の接合を行う接合工程と、を順に備える、
ことを特徴とする接合体の製造方法。
続きを表示（約 1,100 文字）【請求項２】
前記第二の摩擦攪拌接合工程では、前記第二接合範囲に対する摩擦攪拌の開始位置が、前記第一の摩擦攪拌接合工程によって形成された抜穴の位置である、請求項１に記載の接合体の製造方法。
【請求項３】
前記第一の摩擦攪拌接合工程において、前記第一接合範囲に対する摩擦攪拌接合を行う際の定常部の前記回転ツールの挿入深さＨ１１と、前記第一の摩擦攪拌接合工程において、前記終了位置付近の前記回転ツールの挿入深さＨ１２との関係が、Ｈ１１×０．６≦Ｈ１２＜Ｈ１１である、請求項１に記載の接合体の製造方法。
【請求項４】
前記第一の摩擦攪拌接合工程において、前記終了位置付近の前記回転ツールの挿入深さＨ１２と、前記第二の摩擦攪拌接合工程において、前記開始位置に前記攪拌ピンを挿入する際の回転ツールの挿入深さＨ２１との関係が、Ｈ１２＜Ｈ２１≦Ｈ１２×１．７である、請求項１に記載の接合体の製造方法。
【請求項５】
前記第二の摩擦攪拌接合工程において、前記開始位置に攪拌ピンを挿入する際の回転ツールの挿入深さＨ２１と、前記第二の摩擦攪拌接合工程において、前記第二接合範囲に対する摩擦攪拌接合を行う際の定常部の回転ツールの挿入深さＨ２２との関係が、Ｈ２２＜Ｈ２１≦Ｈ２２×１．４である、請求項１に記載の接合体の製造方法。
【請求項６】
前記挿入工程における前記回転ツールの回転数が、前記接合工程における前記回転ツールの回転数以上である、請求項１に記載の接合体の製造方法。
【請求項７】
前記挿入工程における前記回転ツールの回転数Ｎ１と、前記接合工程における前記回転ツールの回転数Ｎ２との関係が、Ｎ２≦Ｎ１≦Ｎ２×５である、請求項６に記載の接合体の製造方法。
【請求項８】
前記挿入工程の後に、前記回転ツールを前記被接合部材の表面方向に向けて引き上げる引上げ工程をさらに備え、
前記引上げ工程の後に、前記変更工程を行う、請求項１に記載の接合体の製造方法。
【請求項９】
前記挿入工程における前記回転ツールの挿入深さＨ１と、前記引上げ工程での引上量Ｈ２との関係が、Ｈ１×０．０１≦Ｈ２≦Ｈ１×０．５である、請求項８に記載の接合体の製造方法。
【請求項１０】
前記変更工程の後に、前記回転ツールを前記被接合部材の深さ方向に向けて押し込む押込み工程をさらに備え、
前記押込み工程の後に、前記接合工程を行う、請求項１に記載の接合体の製造方法。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、接合体の製造方法に関する。
続きを表示（約 4,800 文字）【背景技術】
【０００２】
螺旋溝が形成された攪拌ピンを有する回転ツールを用いて被接合部材の摩擦攪拌接合を行うことで接合体を製造する方法が知られている。
通常、螺旋溝が基端から先端に向かうにつれて左巻き（左ネジ）に形成されている場合には、この回転ツールを右回転させて被接合部材に攪拌ピンを挿入して摩擦攪拌接合が行われる。一方、螺旋溝が基端から先端に向かうにつれて右巻き（右ネジ）に形成されている場合には、この回転ツールを左回転させて被接合部材に攪拌ピンを挿入して摩擦攪拌接合が行われる。すなわち、螺旋溝の形成方向と逆方向に回転ツールを回転（以下、この形態を「正回転」とする）させて被接合部材に攪拌ピンを挿入して摩擦攪拌接合が行われている（特許文献１）。
【０００３】
正回転で摩擦攪拌接合を行うことで、塑性流動化した被接合部材の材料を攪拌ピンの先端側に導くことができる。これにより、先端部周辺の塑性流動を大きくすることで、接合部の深い部分における接合を安定して行うことができ、健全な接合部を形成することができる。また、被接合部材の外部に溢れ出る金属の量を少なくすることができる。
【０００４】
また、従来、螺旋溝の形成方向と同方向に回転ツールを回転（以下、この形態を「逆回転」とする）させて被接合部材に攪拌ピンを挿入して摩擦攪拌接合が行われている（特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
特開平１０－２４９５５１号公報
特開２００２－０３５９６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に記載されるように正回転（螺旋溝の形成方向と回転ツールの回転方向が逆）させて摩擦攪拌接合を行う場合には、攪拌ピンと被接合部材との接触によって被接合部材の塑性流動が生じるとともに、攪拌ピンの挿入に伴って攪拌ピンの体積に応じて塑性流動化した被接合部材の材料が被接合部材の外部に溢れ出すことになる。このようにして溢れ出した塑性流動化した被接合部材の材料が固化することによって、接合後の被接合部材の表面にバリが多く発生するという問題がある。
【０００７】
また、正回転で摩擦攪拌接合を行う場合には、塑性流動化した被接合部材の材料を攪拌ピンの先端側に向けて押し付けるようにして摩擦攪拌を行うことになるため、回転ツールを回転させる接合装置への負荷が増大するおそれがある。また、被接合部材の硬度が比較的に高い場合には、回転ツールの破損が生じる場合がある。また、２点の被接合部材を重ね合わせた状態で、正回転で攪拌ピンを挿入して摩擦攪拌接合を行った場合には、塑性流動化した被接合部材の材料の対流が生じることで、重ね面（重合部）に存在する被接合部材の酸化皮膜が巻き上げられることにより、接合部に欠陥が生じることがある。
【０００８】
一方、特許文献２に記載されるように逆回転（螺旋溝の形成方向と回転ツールの回転方向が同一）させて摩擦攪拌接合を行う場合、塑性流動化した領域で生じる過剰な上向きの対流及び界面の巻き込みを抑制することができるとされている。しかしながら、この場合には、攪拌ピンの先端側の位置において材料が不足してしまい、内部に欠陥が生じることがある。
【０００９】
このような観点から本発明は、バリの発生と接合部の欠陥の発生を抑えるとともに、回転ツール及び接合装置に加わる負荷を軽減する接合体の製造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】
【００１０】
（１）螺旋溝が形成された攪拌ピンを有する回転ツールを用いて、被接合部材同士の接合径路への摩擦攪拌接合により接合体を製造する方法であって、前記接合径路の一端側から前記接合径路の途中までに設けた第一の点までの第一接合範囲に摩擦攪拌を行う第一の摩擦攪拌接合工程と、前記第一の摩擦攪拌接合工程により生じた第一接合範囲に属する塑性化領域内に設けた第二の点から前記接合径路の他端側までの第二接合範囲に摩擦攪拌を行う第二の摩擦攪拌接合工程と、を含み、前記第一の摩擦攪拌接合工程では、前記第一接合範囲に対する摩擦攪拌の開始位置が前記被接合部材同士の前記接合径路の一端側に設定され、かつ、前記第一接合範囲の終了位置が前記接合径路の途中に設けた前記第一の点として設定され、前記第二の摩擦攪拌接合工程では、前記第二接合範囲に対する摩擦攪拌の開始位置が前記第一接合範囲に属する塑性化領域の端部の点に設定され、前記第二接合範囲に対する摩擦攪拌の終了位置が前記一端側とは反対の前記接合径路の他端側に設定され、かつ、前記第二接合範囲に対する前記開始位置から前記接合径路の一端側に向かって前記第一接合範囲に属する前記塑性化領域に設定された折り返し位置まで摩擦攪拌を行い、当該折り返し位置から折り返して前記接合径路の他端側に向かって前記塑性化領域の摩擦攪拌を行い、再び前記第二接合範囲に対する開始位置を通って前記第二接合範囲に対する終了位置まで残りの前記接合径路の摩擦攪拌を行い、前記第二の摩擦攪拌接合工程では、前記第二接合範囲に対する摩擦攪拌の開始位置において、前記回転ツールを前記螺旋溝の形成方向と同方向に回転させた状態で、前記攪拌ピンを前記被接合部材に挿入する挿入工程と、前記回転ツールの回転方向を、前記螺旋溝の形成方向と逆方向に回転させるように変更する変更工程と、前記回転ツールを前記螺旋溝の形成方向と逆方向に回転させた状態で、前記被接合部材の接合を行う接合工程と、を順に備える、ことを特徴とする接合体の製造方法。
（２）前記第二の摩擦攪拌接合工程では、前記第二接合範囲に対する摩擦攪拌の開始位置が、前記第一の摩擦攪拌接合工程によって形成された抜穴の位置である、前記（１）に記載の接合体の製造方法。
（３）前記第一の摩擦攪拌接合工程において、前記第一接合範囲に対する摩擦攪拌接合を行う際の定常部の前記回転ツールの挿入深さＨ１１と、前記第一の摩擦攪拌接合工程において、前記終了位置付近の前記回転ツールの挿入深さＨ１２との関係が、Ｈ１１×０．６≦Ｈ１２＜Ｈ１１である、前記（１）に記載の接合体の製造方法。
（４）前記第一の摩擦攪拌接合工程において、前記終了位置付近の前記回転ツールの挿入深さＨ１２と、前記第二の摩擦攪拌接合工程において、前記開始位置に前記攪拌ピンを挿入する際の回転ツールの挿入深さＨ２１との関係が、Ｈ１２＜Ｈ２１≦Ｈ１２×１．７である、前記（１）に記載の接合体の製造方法。
（５）前記第二の摩擦攪拌接合工程において、前記開始位置に攪拌ピンを挿入する際の回転ツールの挿入深さＨ２１と、前記第二の摩擦攪拌接合工程において、前記第二接合範囲に対する摩擦攪拌接合を行う際の定常部の回転ツールの挿入深さＨ２２との関係が、Ｈ２２＜Ｈ２１≦Ｈ２２×１．４である、前記（１）に記載の接合体の製造方法。
（６）前記挿入工程における前記回転ツールの回転数が、前記接合工程における前記回転ツールの回転数以上である、前記（１）に記載の接合体の製造方法。
（７）前記挿入工程における前記回転ツールの回転数Ｎ１と、前記接合工程における前記回転ツールの回転数Ｎ２との関係が、Ｎ２≦Ｎ１≦Ｎ２×５である、前記（６）に記載の接合体の製造方法。
（８）前記挿入工程の後に、前記回転ツールを前記被接合部材の表面方向に向けて引き上げる引上げ工程をさらに備え、前記引上げ工程の後に、前記変更工程を行う、前記（１）に記載の接合体の製造方法。
（９）前記挿入工程における前記回転ツールの挿入深さＨ１と、前記引上げ工程での引上量Ｈ２との関係が、Ｈ１×０．０１≦Ｈ２≦Ｈ１×０．５である、前記（８）に記載の接合体の製造方法。
（１０）前記変更工程の後に、前記回転ツールを前記被接合部材の深さ方向に向けて押し込む押込み工程をさらに備え、前記押込み工程の後に、前記接合工程を行う、前記（１）に記載の接合体の製造方法。
（１１）前記挿入工程における前記回転ツールの挿入深さＨ１と、前記押込み工程での挿入量Ｈ３との関係が、Ｈ１×０．０１≦Ｈ３≦Ｈ１×０．５である、前記（１０）に記載の接合体の製造方法。
（１２）前記挿入工程における前記回転ツールの挿入深さＨ１と、前記接合工程で接合を開始する際の挿入深さＨ４との関係が、Ｈ１×１．０１≦Ｈ４≦Ｈ１×１．５である、前記（１０）に記載の接合体の製造方法。
（１３）前記回転ツールは、平面状又はすり鉢状の下端面が設けられるとともに、柱状又は推台状を呈するショルダ部をさらに有し、前記攪拌ピンは、前記ショルダ部の前記下端面から垂下しており、前記被接合部材に対して前記ショルダ部を接触させるとともに、前記被接合部材に前記攪拌ピンを挿入した状態で、前記被接合部材に対する摩擦攪拌接合を行う、前記（１）に記載の接合体の製造方法。
（１４）前記挿入工程における前記回転ツールの挿入深さＨ１と、前記攪拌ピンの長さＬ１との関係が、Ｌ１×０．５≦Ｈ１≦Ｌ１である、前記（１３）に記載の接合体の製造方法。
（１５）前記回転ツールは、柱状又は推台状を呈する基部を有し、前記攪拌ピンは、前記基部の下端面から垂下しており、前記被接合部材に対して前記基部を離間させるとともに、前記被接合部材に前記攪拌ピンのみを挿入した状態で、前記被接合部材に対する摩擦攪拌接合を行う、前記（１）に記載の接合体の製造方法。
（１６）前記回転ツールは、柱状又は推台状を呈する基部を有し、前記攪拌ピンは、前記基部に連続する基端側ピンと、前記基端側ピンに連続する先端側ピンとを有し、前記基端側ピンのテーパー角度は、前記先端側ピンのテーパー角度よりも大きく、前記基端側ピンの外周面には階段状のピン段差部が形成されており、前記基端側ピンの外周面を前記被接合部材の表面に接触させた状態で、前記被接合部材に対する摩擦攪拌接合を行う、前記（１）に記載の接合体の製造方法。
（１７）前記挿入工程の前に、前記被接合部材に下穴を形成する下穴形成工程をさらに備え、前記挿入工程において、前記下穴に前記攪拌ピンを挿入する、前記（１）に記載の接合体の製造方法。
（１８）前記被接合部材が、第一被接合部材と、前記第一被接合部材よりも硬度が低い第二被接合部材とからなり、前記第一被接合部材と前記第二被接合部材との少なくともいずれか一方の端面が突き合わされて突合せ部が形成されるか、又は前記第一被接合部材の表面に前記第二被接合部材の裏面が重ね合わされて重合部が形成されており、前記挿入工程において、前記第一被接合部材の表面から攪拌ピンを挿入して、前記接合工程において、前記突合せ部又は前記重合部の摩擦攪拌接合を行う、前記（１）に記載の接合体の製造方法。
（１９）前記被接合部材が、第一被接合部材と、第二被接合部材とからなり、前記第一被接合部材と前記第二被接合部材との少なくともいずれか一方の端面が突き合わされて突合せ部が形成されるか、又は前記第一被接合部材の表面に前記第二被接合部材の裏面が重ね合わされて重合部が形成されており、前記挿入工程において、前記突合せ部又は前記重合部に向けて攪拌ピンを挿入する、前記（１）に記載の接合体の製造方法。
【発明の効果】
（【００１１】以降は省略されています）

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