專利名稱：摩擦攪拌接合方法
技術領域：
本發明涉及一種摩擦攪拌接合方法及由摩擦攪拌接合方法接合的接合構造物。
背景技術：
例如在專利文獻1中記載了這樣的摩擦攪拌接合方法，該摩擦攪拌接合方法通過一邊使比接合材料實質上硬的材質的圓柱狀構件(以下稱旋轉工具)旋轉一邊插入到接合材料的接合部，使該旋轉工具一邊旋轉一邊移動，從而由產生于旋轉工具與接合材料間的摩擦熱進行接合。
該接合方法通過旋轉工具與接合材料的摩擦熱使接合材料軟化，利用伴隨著旋轉工具的旋轉的塑性流動現象，其原理與使接合材料熔化后進行焊接的方法例如電弧焊等不同。
日本專利2712838號公報(WO93/10935)當使用該接合方法制作疲勞強度優良的接合構造物時，有時在接合部的近旁設置空洞部。一邊從與接合面垂直的方向使旋轉工具高速旋轉一邊將其插入，接合空洞部的上部。
在這樣的場合，不使用對接合時的負荷進行支承的襯里金屬(バツクメタル)。為此，當在空洞部的附近實施了接合時，空洞部的近旁的構件變形，從而可能會在接合部形成未接合部缺陷。
因此可以認為，在對接合部施加了應力的場合，會形成容易發生切口效應的未接合部、在接合部的應力集中增大、疲勞特性變差。然而，關于這樣的未接合部的形成未進行研究。
發明內容
本發明的目的在于提供一種在使用摩擦攪拌接合方法對接合材料進行接合的場合形成疲勞特性優良的接合部的摩擦攪拌接合方法和接合構造物。
本發明的摩擦攪拌接合方法在旋轉狀態下將旋轉工具插入到接合材料，該旋轉工具在圓柱狀構件的端面突出地設置銷狀摩擦頭，在旋轉的狀態下使旋轉工具移動，從而由摩擦攪拌對2個以上的上述接合材料進行接合。在接合材料的接合部的一部分設置空洞部，在空洞部形成構件，通過摩擦攪拌對接合材料進行接合。
另外，本發明的接合構造物由通過摩擦攪拌對2個以上的接合材料進行接合的摩擦攪拌接合方法形成；其特征在于在接合材料的接合部的一部分具有空洞部，在上述空洞部中形成有構件。
在通過摩擦攪拌進行接合的場合，有時對接合材料的接縫部分實施接合或從接合材料的一方實施接合。
空洞部最好為圓形，也可為相對接合材料的接合部的方向具有預定曲率半徑的圓弧狀。
另外，埋入到空洞部的構件最好為具有與空洞部大致相等的截面形狀的構件。
另外，形成于空洞部的構件最好為比接合材料硬的材料，空洞部的半徑最好小于等于接合材料的厚度的一半。
按照本發明，可提供在使用摩擦攪拌接合方法對接合材料進行接合的場合形成優良的疲勞特性的接合部的摩擦攪拌接合方法和接合構造物。
圖1為由本發明接合方法的一例示出接合材料與埋入構件的位置關系的示意圖。
圖2為在本發明接合方法的一例中示出接合前的狀態的示意圖。
圖3為在本發明接合方法的一例中示出接合中的狀態的示意圖。
圖4為示出具有空洞部的接合部的缺陷發生狀況和旋轉工具、接合構件的位置關系的圖。
圖5為示出使用埋入構件的接合部的截面照片的圖。
圖6為將使用埋入構件的摩擦攪拌接合方法適用于接合構造物的示意圖。
圖7為在本發明的重疊接合方法的一例中示出接合材料與埋入構件的位置關系的示意圖。
圖8為在本發明重疊接合方法的一例中示出接合前的狀態的示意圖。
圖9為在本發明重疊接合方法的一例中示出接合中的狀態的示意圖。
圖10為在本發明的對接方法的一例中示出接合材料與埋入構件的位置關系的示意圖。
圖11為在本發明對接方法的一例中示出接合前的狀態的示意圖。
圖12為在本發明對接方法的一例中示出接合中的狀態的示意圖。
具體實施例方式
下面，參照
本發明的實施形式。
圖1、圖2、圖3示出本發明的接合方法的一例，為將摩擦攪拌接合方法適用于重疊接縫的場合。
在圖1中，示出作為接合材料的材料1和材料2。在材料1和材料2分別形成具有半圓形截面的空洞部3和空洞部4。
當重疊材料1與材料2時，形成具有圓形截面的空洞部，形成具有與該空洞部大體相等的截面形狀的埋入構件5。通過埋入構件5重疊具有半圓形截面空洞部的2個作為接合材料的材料1和材料2。
材料1和材料2的材質都為鋁合金。作為適用材料，為實質上可進行摩擦攪拌接合的材料。例如可以是鎂合金、銅合金、鋼鐵材料等金屬材料。
材料1和材料2的厚度都使用10mm的厚度。適用材料的厚度根據適用材料、摩擦攪拌接合裝置和旋轉工具的能力決定，但在鋁合金的場合，可適用到0.5mm～100mm左右的厚度。
圖2為可接合材料1、材料2、埋入構件5地設置的示意圖。對齊地重疊空洞部3與空洞部4的端部，設置具有圓形截面的空洞部7。在空洞部7設置埋入構件5。埋入構件5的截面形狀與空洞部7大致相等。由具有半圓形截面的空洞部3和空洞部4形成的空洞部7的半徑大致為材料1的厚度的一半。
即，為了形成疲勞特性優良的接合部，需要設置具有比形成于接合部近旁的未接合部大的曲率的構件。
因此，空洞部7的半徑比由材料1和材料2形成的重疊面的間隙大，以材料1的厚度的一半為限度。
埋入構件5的材質為鋼鐵材料，成為比材料1和材料2硬的材質。
為了形成疲勞特性優良的接合部，空洞部7和埋入構件5的截面形狀不限于圓形，只要具有曲率大的截面形狀即可。例如，可以是橢圓形等。
另外，圖2示出旋轉工具6與接合線和接合面的位置關系。旋轉工具6從與接合面8平行且與接合面9垂直的方向插入。
處于旋轉工具6端部的摩擦頭(プロ一ブ)10的埋入構件5側的端面11與埋入構件5大體接觸地插入，插入旋轉工具6時的端面11與埋入構件5的距離為0.5mm左右。
圖3示出將旋轉工具6插入到接合面8和接合面9、沿接合線12接合材料1與材料2的示意圖。
旋轉工具6的旋轉方向從旋轉工具6的上方觀看時朝順時針方向旋轉。接合從材料的前面朝里面進行。
如圖3所示那樣，在接合部，與埋入構件5接觸地形成由旋轉工具6攪拌的攪拌區域13。這樣，在攪拌區域13與埋入構件5間沒有形成未接合部。
圖4示出未使用埋入構件5、僅形成空洞部地實施摩擦攪拌接合的截面。
材料14與材料15的位置關系由虛線16示出。在材料14與材料15接觸的面上，具有重疊半圓形截面形狀的空洞部。實施空洞部的摩擦攪拌接合之前的形狀如用虛線17表示那樣，其截面形狀為圓形。
旋轉工具18的形狀為，臺肩部直徑為10mm，摩擦頭20的直徑為4mm，摩擦頭20的長度為10mm。
根據圖4說明旋轉工具18與空洞部17的位置關系。當將旋轉工具18插入到材料14和材料15時，摩擦頭20的空洞部側的端面21與空洞部17的距離為0.2mm。旋轉工具18的轉速為1000轉/分，接合速度為100mm/分。
從圖4可以看出，實施摩擦攪拌接合后的空洞部形狀17產生較大的變形，失去圓形。其原因可以認為是，當進行摩擦攪拌接合時，通過插入和移動旋轉工具18，從而在接合部施加數百千克到約1噸程度的載荷，所以，在沒有支承該載荷的襯里金屬的場合，材料14和材料15的受到載荷的材料流入到空洞部。
這樣，用于提高接合部的疲勞特性而設置的空洞部的形狀變形。即，在接合部近旁沒有曲率大的面，在接合面23形成未接合部，結果，在對與接合面23垂直的方向施加應力的場合，在接合部的應力集中大，疲勞特性變差。
圖5示出使用埋入構件實施摩擦攪拌接合的場合的截面照片。
在圖5中，示出了接合結束后的旋轉工具18和埋入構件24的位置關系。接合條件與圖4所示場合大致相等。在旋轉工具18與埋入構件24間沒有看到未接合缺陷，可觀察到完全進行了接合。即使在對接合部作用了應力的場合，也由于沒有形成未接合部、施加了應力的面具有大的曲率，所以，可避免應力集中。
這樣，通過在具有圓形截面的空洞部設置埋入構件，從而可提高接合部的疲勞特性。
圖6示出將這樣的接合方法適用于接合構造物的示意圖。
該接合構造物為壓力容器，對齊端部地重合作為容器的材料25與作為蓋的材料26。在材料25與材料26接觸的面27設置圓形的空洞部28。在空洞部28埋入具有大致相等截面形狀的構件29。使用旋轉工具30由摩擦攪拌接合方法接合材料25與材料26。
旋轉工具30與接合面的位置關系、旋轉工具30與埋入構件29的位置關系與圖1、圖2、圖3相同。
在這樣形成的攪拌區域31與埋入構件29之間即使實施摩擦攪拌接合也不形成未接合部，可獲得具有大的曲率的面。通過接合材料25與材料26，從而可在其內側形成空間32。在從空間32反復地在相對面27垂直的方向施加應力的場合，由于沒有形成未接合部，所以，可制作疲勞強度優良的接合部。
這樣的接合可應用于施加這樣的反復應力的接合構造物，例如具有水路的冷卻裝置、壓力容器等。
圖7、圖8、圖9示出本發明的其它的實施例的接合方法。
本實施例也為適用于重疊接縫的場合的實施例，但材料33和材料34的形狀與實施例1的材料1和材料2不同。
圖7示出材料33、材料34、具有半圓形截面的空洞部38、具有半圓形截面的空洞部39、具有圓形截面的埋入構件40的位置關系。在材料33與材料34接觸的面上即對接面35與對接面36設置空洞部38和空洞部39。材料33和材料34的材質都為鋁合金。埋入構件40的材質為比材料33和材料34硬的材質，為鋼鐵材料。材料33和材料34的厚度等與實施例1所示厚度等相同。
圖8為可接合材料33、材料34、空洞部38、空洞部39、埋入構件40地進行設置的示意圖。
在圖8中，示出對接面35、對接面36、及旋轉工具37的位置關系。旋轉工具37從與對接面35和對接面36垂直的方向插入。
空洞部38的端部與空洞部39的端部對齊地重疊，設置具有圓形截面的空洞部41。在空洞部41設置埋入構件40。埋入構件40的截面形狀與空洞部41大致相等。由具有半圓形截面的空洞部38和具有半圓形截面的空洞部39形成的空洞部41的半徑大致為材料33的厚度的一半，與記載于實施例1的情形相同。
插入旋轉工具37時的摩擦頭42的埋入構件40側的端面43與埋入構件40的位置關系與記載于實施例1的位置關系相同。
圖9示出從材料33的方向將旋轉工具37插入到對接面35和對接面36、保持著端面43與埋入構件40的位置關系對材料33與材料34進行接合的示意圖。
旋轉工具37的旋轉方向從旋轉工具37上方觀看時朝順時針方向旋轉。摩擦攪拌接合從圖的前面朝里面進行。
如圖9所示那樣，在接合部，與埋入構件40接觸地形成由旋轉工具37攪拌的攪拌區域44，在攪拌區域44與埋入構件40間沒有形成未接合部。
結果，可提高接合部的疲勞特性。
圖10、圖11、圖12為示出本發明另一實施例的圖。該實施例為將摩擦攪拌接合適用于對接接縫的場合。
在圖10中，示出材料45、材料46、具有半圓形截面的空洞部47、具有半圓形截面的空洞部48、及具有圓形截面的埋入構件49的位置關系。
將空洞部47和空洞部48設于材料45與材料46接觸的面上。材料45與材料46的材質都為鋁合金。作為適用材料，與在實施例1中記載的場合相同。材料45與材料46的厚度都使用10mm的厚度。
圖11為可接合材料45、材料46、空洞部47、空洞部48、埋入構件49地設置的示意圖。
使空洞部47與空洞部48的端部合在一起地對齊，設置具有圓形截面的空洞部50。在空洞部50設置埋入構件49。埋入構件49的截面形狀與空洞部50大致相等。由空洞部47與空洞部48形成的空洞部50的半徑大致為材料45和材料46的厚度的一半。
圖11示出旋轉工具51與接合線的位置關系。
旋轉工具51從與對接線53垂直的方向插入。處于旋轉工具51的端部的摩擦頭54的下部端面55插入到大體與埋入構件49接觸的位置，插入旋轉工具51時的端面55與埋入構件49的距離為0.1mm左右。
圖12示出使旋轉工具51沿接合線53對材料45與材料46進行接合的示意圖。
旋轉工具51的旋轉方向在從旋轉工具51的上方觀看時，朝順時針方向旋轉。接合從材料的前面朝里面進行。
如圖12所示那樣，在接合部，與埋入構件49相接地形成由旋轉工具51攪拌的攪拌區域56。
這樣，在攪拌區域56與埋入構件49之間沒有形成未接合部。摩擦攪拌接合時，通過使旋轉工具51插入和行走，從而在接合部施加數百千克到約1噸左右的載荷，但通過設置對該載荷進行支承的埋入構件49，從而沒有曲率變形、未接合部的形成，可承受載荷。在朝相對接合面垂直的方向施加反復應力的場合，由于沒有形成未接合部，所以，可形成疲勞強度優良的接合部。
按照這些實施例，在空洞部的近旁未形成未接合部，所以，切口效應減輕，可形成疲勞特性優良的接合構件。
本發明涉及在實施摩擦攪拌接合的場合將空洞部設于接合面并在將埋入構件形成于空洞部的狀態下進行接合的摩擦攪拌接合方法。
權利要求
1.一種摩擦攪拌接合方法，在旋轉狀態下將工具插入到接合材料，該工具在圓柱狀構件的端面突出地設有銷狀摩擦頭，使上述工具在旋轉的狀態下移動，從而通過摩擦攪拌對2個以上的上述接合材料進行接合；其特征在于在上述接合材料的接合部的一部分設置空洞部，在上述空洞部形成構件，通過摩擦攪拌對上述接合材料進行接合。
2.根據權利要求1所述的摩擦攪拌接合方法，其特征在于在上述接合材料的接縫部分通過摩擦攪拌進行接合。
3.根據權利要求1所述的摩擦攪拌接合方法，其特征在于從上述接合材料的一方通過摩擦攪拌進行接合。
4.根據權利要求1所述的摩擦攪拌接合方法，其特征在于上述空洞部為圓形。
5.根據權利要求1所述的摩擦攪拌接合方法，其特征在于在上述空洞部埋入了具有與上述空洞部大致相等截面形狀的構件。
6.根據權利要求1所述的摩擦攪拌接合方法，其特征在于上述空洞部相對上述接合材料的接合部的方向為圓弧狀。
7.一種接合構造物，由通過摩擦攪拌對2個以上的接合材料進行接合的摩擦攪拌接合方法形成；其特征在于在接合材料的接合部的一部分具有空洞部，在上述空洞部中形成有構件。
8.根據權利要求7所述的接合構造物，其特征在于在上述接合材料的接縫部分通過摩擦攪拌進行接合。
9.根據權利要求7所述的接合構造物，其特征在于從上述接合材料的一方通過摩擦攪拌進行接合。
10.根據權利要求7所述的接合構造物，其特征在于上述空洞部為圓形。
11.一種接合構造物，其特征在于由根據權利要求1所述的摩擦攪拌接合方法進行接合。
12.根據權利要求7所述的接合構造物，其特征在于在上述空洞部埋入了具有與上述空洞部大致相等截面形狀的構件。
13.根據權利要求1所述的摩擦攪拌接合方法，其特征在于形成在上述空洞部中的構件為比上述接合材料硬的材料。
14.根據權利要求4所述的摩擦攪拌接合方法，其特征在于上述空洞部的半徑小于等于上述接合材料的厚度的一半。
15.根據權利要求7所述的接合構造物，其特征在于形成于上述空洞部的構件為比上述接合材料硬的材料。
16.根據權利要求10所述的接合構造物，其特征在于上述空洞部的半徑小于等于上述接合材料的厚度的一半。
全文摘要
本發明的目的在于提供一種在使用摩擦攪拌方法對接合材料進行接合的場合形成疲勞特性優良的接合部的摩擦攪拌接合方法。本發明的摩擦攪拌接合方法在旋轉狀態下將工具插入到接合材料，該工具在圓柱狀構件的端面突出地設置銷狀摩擦頭，使工具在旋轉的狀態下移動，從而通過摩擦攪拌對2個以上的接合材料進行接合；其特征在于在接合材料的接合部的一部分設置空洞部，在空洞部形成構件，通過摩擦攪拌對接合材料進行接合。按照本發明，在空洞部的近旁不形成未接合部，所以，切口效應減輕，可形成疲勞特性優良的接合構件。
文檔編號B29L31/00GK101015879SQ200710003990
公開日2007年8月15日 申請日期2007年1月19日 優先權日2006年2月7日
發明者樸勝煥, 平野聰 申請人:株式會社日立制作所