專利名稱：摩擦攪拌接合方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)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(gòu)造物。
背景技術(shù)：
例如在專利文獻(xiàn)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(shí)質(zhì)上硬的材質(zhì)的圓柱狀構(gòu)件(以下稱旋轉(zhuǎn)工具)旋轉(zhuǎn)一邊插入到接合材料的接合部，使該旋轉(zhuǎn)工具一邊旋轉(zhuǎn)一邊移動(dòng)，從而由產(chǎn)生于旋轉(zhuǎn)工具與接合材料間的摩擦熱進(jìn)行接合。
該接合方法通過旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)工具的旋轉(zhuǎn)的塑性流動(dòng)現(xiàn)象，其原理與使接合材料熔化后進(jìn)行焊接的方法例如電弧焊等不同。
日本專利2712838號(hào)公報(bào)(WO93/10935)當(dāng)使用該接合方法制作疲勞強(qiáng)度優(yōu)良的接合構(gòu)造物時(shí)，有時(shí)在接合部的近旁設(shè)置空洞部。一邊從與接合面垂直的方向使旋轉(zhuǎn)工具高速旋轉(zhuǎn)一邊將其插入，接合空洞部的上部。
在這樣的場(chǎng)合，不使用對(duì)接合時(shí)的負(fù)荷進(jìn)行支承的襯里金屬(バツクメタル)。為此，當(dāng)在空洞部的附近實(shí)施了接合時(shí)，空洞部的近旁的構(gòu)件變形，從而可能會(huì)在接合部形成未接合部缺陷。
因此可以認(rèn)為，在對(duì)接合部施加了應(yīng)力的場(chǎng)合，會(huì)形成容易發(fā)生切口效應(yīng)的未接合部、在接合部的應(yīng)力集中增大、疲勞特性變差。然而，關(guān)于這樣的未接合部的形成未進(jìn)行研究。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種在使用摩擦攪拌接合方法對(duì)接合材料進(jìn)行接合的場(chǎng)合形成疲勞特性優(yōu)良的接合部的摩擦攪拌接合方法和接合構(gòu)造物。
本發(fā)明的摩擦攪拌接合方法在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下將旋轉(zhuǎn)工具插入到接合材料，該旋轉(zhuǎn)工具在圓柱狀構(gòu)件的端面突出地設(shè)置銷狀摩擦頭，在旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)下使旋轉(zhuǎn)工具移動(dòng)，從而由摩擦攪拌對(duì)2個(gè)以上的上述接合材料進(jìn)行接合。在接合材料的接合部的一部分設(shè)置空洞部，在空洞部形成構(gòu)件，通過摩擦攪拌對(duì)接合材料進(jìn)行接合。
另外，本發(fā)明的接合構(gòu)造物由通過摩擦攪拌對(duì)2個(gè)以上的接合材料進(jìn)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(gòu)件。
在通過摩擦攪拌進(jìn)行接合的場(chǎng)合，有時(shí)對(duì)接合材料的接縫部分實(shí)施接合或從接合材料的一方實(shí)施接合。
空洞部最好為圓形，也可為相對(duì)接合材料的接合部的方向具有預(yù)定曲率半徑的圓弧狀。
另外，埋入到空洞部的構(gòu)件最好為具有與空洞部大致相等的截面形狀的構(gòu)件。
另外，形成于空洞部的構(gòu)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(fā)明，可提供在使用摩擦攪拌接合方法對(duì)接合材料進(jìn)行接合的場(chǎng)合形成優(yōu)良的疲勞特性的接合部的摩擦攪拌接合方法和接合構(gòu)造物。


圖1為由本發(fā)明接合方法的一例示出接合材料與埋入構(gòu)件的位置關(guān)系的示意圖。
圖2為在本發(fā)明接合方法的一例中示出接合前的狀態(tài)的示意圖。
圖3為在本發(fā)明接合方法的一例中示出接合中的狀態(tài)的示意圖。
圖4為示出具有空洞部的接合部的缺陷發(fā)生狀況和旋轉(zhuǎn)工具、接合構(gòu)件的位置關(guān)系的圖。
圖5為示出使用埋入構(gòu)件的接合部的截面照片的圖。
圖6為將使用埋入構(gòu)件的摩擦攪拌接合方法適用于接合構(gòu)造物的示意圖。
圖7為在本發(fā)明的重疊接合方法的一例中示出接合材料與埋入構(gòu)件的位置關(guān)系的示意圖。
圖8為在本發(fā)明重疊接合方法的一例中示出接合前的狀態(tài)的示意圖。
圖9為在本發(fā)明重疊接合方法的一例中示出接合中的狀態(tài)的示意圖。
圖10為在本發(fā)明的對(duì)接方法的一例中示出接合材料與埋入構(gòu)件的位置關(guān)系的示意圖。
圖11為在本發(fā)明對(duì)接方法的一例中示出接合前的狀態(tài)的示意圖。
圖12為在本發(fā)明對(duì)接方法的一例中示出接合中的狀態(tài)的示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面，參照

本發(fā)明的實(shí)施形式。
圖1、圖2、圖3示出本發(fā)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(chǎng)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(dāng)重疊材料1與材料2時(shí)，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(gòu)件5。通過埋入構(gòu)件5重疊具有半圓形截面空洞部的2個(gè)作為接合材料的材料1和材料2。
材料1和材料2的材質(zhì)都為鋁合金。作為適用材料，為實(shí)質(zhì)上可進(jìn)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(jù)適用材料、摩擦攪拌接合裝置和旋轉(zhuǎn)工具的能力決定，但在鋁合金的場(chǎng)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(gòu)件5地設(shè)置的示意圖。對(duì)齊地重疊空洞部3與空洞部4的端部，設(shè)置具有圓形截面的空洞部7。在空洞部7設(shè)置埋入構(gòu)件5。埋入構(gòu)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(yōu)良的接合部，需要設(shè)置具有比形成于接合部近旁的未接合部大的曲率的構(gòu)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(gòu)件5的材質(zhì)為鋼鐵材料，成為比材料1和材料2硬的材質(zhì)。
為了形成疲勞特性優(yōu)良的接合部，空洞部7和埋入構(gòu)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(zhuǎn)工具6與接合線和接合面的位置關(guān)系。旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)工具6端部的摩擦頭(プロ一ブ)10的埋入構(gòu)件5側(cè)的端面11與埋入構(gòu)件5大體接觸地插入，插入旋轉(zhuǎn)工具6時(shí)的端面11與埋入構(gòu)件5的距離為0.5mm左右。
圖3示出將旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)工具6的旋轉(zhuǎn)方向從旋轉(zhuǎn)工具6的上方觀看時(shí)朝順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。接合從材料的前面朝里面進(jìn)行。
如圖3所示那樣，在接合部，與埋入構(gòu)件5接觸地形成由旋轉(zhuǎn)工具6攪拌的攪拌區(qū)域13。這樣，在攪拌區(qū)域13與埋入構(gòu)件5間沒有形成未接合部。
圖4示出未使用埋入構(gòu)件5、僅形成空洞部地實(shí)施摩擦攪拌接合的截面。
材料14與材料15的位置關(guān)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(shí)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(zhuǎn)工具18的形狀為，臺(tái)肩部直徑為10mm，摩擦頭20的直徑為4mm，摩擦頭20的長(zhǎng)度為10mm。
根據(jù)圖4說明旋轉(zhuǎn)工具18與空洞部17的位置關(guān)系。當(dāng)將旋轉(zhuǎn)工具18插入到材料14和材料15時(shí)，摩擦頭20的空洞部側(cè)的端面21與空洞部17的距離為0.2mm。旋轉(zhuǎn)工具18的轉(zhuǎn)速為1000轉(zhuǎn)/分，接合速度為100mm/分。
從圖4可以看出，實(shí)施摩擦攪拌接合后的空洞部形狀17產(chǎn)生較大的變形，失去圓形。其原因可以認(rèn)為是，當(dāng)進(jìn)行摩擦攪拌接合時(shí)，通過插入和移動(dòng)旋轉(zhuǎn)工具18，從而在接合部施加數(shù)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(chǎng)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(shè)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(jié)果，在對(duì)與接合面23垂直的方向施加應(yīng)力的場(chǎng)合，在接合部的應(yīng)力集中大，疲勞特性變差。
圖5示出使用埋入構(gòu)件實(shí)施摩擦攪拌接合的場(chǎng)合的截面照片。
在圖5中，示出了接合結(jié)束后的旋轉(zhuǎn)工具18和埋入構(gòu)件24的位置關(guān)系。接合條件與圖4所示場(chǎng)合大致相等。在旋轉(zhuǎn)工具18與埋入構(gòu)件24間沒有看到未接合缺陷，可觀察到完全進(jìn)行了接合。即使在對(duì)接合部作用了應(yīng)力的場(chǎng)合，也由于沒有形成未接合部、施加了應(yīng)力的面具有大的曲率，所以，可避免應(yīng)力集中。
這樣，通過在具有圓形截面的空洞部設(shè)置埋入構(gòu)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(gòu)造物的示意圖。
該接合構(gòu)造物為壓力容器，對(duì)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(shè)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(gòu)件29。使用旋轉(zhuǎn)工具30由摩擦攪拌接合方法接合材料25與材料26。
旋轉(zhuǎn)工具30與接合面的位置關(guān)系、旋轉(zhuǎn)工具30與埋入構(gòu)件29的位置關(guān)系與圖1、圖2、圖3相同。
在這樣形成的攪拌區(qū)域31與埋入構(gòu)件29之間即使實(shí)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(nèi)側(cè)形成空間32。在從空間32反復(fù)地在相對(duì)面27垂直的方向施加應(yīng)力的場(chǎng)合，由于沒有形成未接合部，所以，可制作疲勞強(qiáng)度優(yōu)良的接合部。
這樣的接合可應(yīng)用于施加這樣的反復(fù)應(yīng)力的接合構(gòu)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(fā)明的其它的實(shí)施例的接合方法。
本實(shí)施例也為適用于重疊接縫的場(chǎng)合的實(shí)施例，但材料33和材料34的形狀與實(shí)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(gòu)件40的位置關(guān)系。在材料33與材料34接觸的面上即對(duì)接面35與對(duì)接面36設(shè)置空洞部38和空洞部39。材料33和材料34的材質(zhì)都為鋁合金。埋入構(gòu)件40的材質(zhì)為比材料33和材料34硬的材質(zhì)，為鋼鐵材料。材料33和材料34的厚度等與實(shí)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(gòu)件40地進(jìn)行設(shè)置的示意圖。
在圖8中，示出對(duì)接面35、對(duì)接面36、及旋轉(zhuǎn)工具37的位置關(guān)系。旋轉(zhuǎn)工具37從與對(duì)接面35和對(duì)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(duì)齊地重疊，設(shè)置具有圓形截面的空洞部41。在空洞部41設(shè)置埋入構(gòu)件40。埋入構(gòu)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(shí)施例1的情形相同。
插入旋轉(zhuǎn)工具37時(shí)的摩擦頭42的埋入構(gòu)件40側(cè)的端面43與埋入構(gòu)件40的位置關(guān)系與記載于實(shí)施例1的位置關(guān)系相同。
圖9示出從材料33的方向?qū)⑿D(zhuǎn)工具37插入到對(duì)接面35和對(duì)接面36、保持著端面43與埋入構(gòu)件40的位置關(guān)系對(duì)材料33與材料34進(jìn)行接合的示意圖。
旋轉(zhuǎn)工具37的旋轉(zhuǎn)方向從旋轉(zhuǎn)工具37上方觀看時(shí)朝順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。摩擦攪拌接合從圖的前面朝里面進(jìn)行。
如圖9所示那樣，在接合部，與埋入構(gòu)件40接觸地形成由旋轉(zhuǎn)工具37攪拌的攪拌區(qū)域44，在攪拌區(qū)域44與埋入構(gòu)件40間沒有形成未接合部。
結(jié)果，可提高接合部的疲勞特性。
圖10、圖11、圖12為示出本發(fā)明另一實(shí)施例的圖。該實(shí)施例為將摩擦攪拌接合適用于對(duì)接接縫的場(chǎng)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(gòu)件49的位置關(guān)系。
將空洞部47和空洞部48設(shè)于材料45與材料46接觸的面上。材料45與材料46的材質(zhì)都為鋁合金。作為適用材料，與在實(shí)施例1中記載的場(chǎng)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(gòu)件49地設(shè)置的示意圖。
使空洞部47與空洞部48的端部合在一起地對(duì)齊，設(shè)置具有圓形截面的空洞部50。在空洞部50設(shè)置埋入構(gòu)件49。埋入構(gòu)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(zhuǎn)工具51與接合線的位置關(guān)系。
旋轉(zhuǎn)工具51從與對(duì)接線53垂直的方向插入。處于旋轉(zhuǎn)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(gòu)件49接觸的位置，插入旋轉(zhuǎn)工具51時(shí)的端面55與埋入構(gòu)件49的距離為0.1mm左右。
圖12示出使旋轉(zhuǎn)工具51沿接合線53對(duì)材料45與材料46進(jìn)行接合的示意圖。
旋轉(zhuǎn)工具51的旋轉(zhuǎn)方向在從旋轉(zhuǎn)工具51的上方觀看時(shí)，朝順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。接合從材料的前面朝里面進(jìn)行。
如圖12所示那樣，在接合部，與埋入構(gòu)件49相接地形成由旋轉(zhuǎn)工具51攪拌的攪拌區(qū)域56。
這樣，在攪拌區(qū)域56與埋入構(gòu)件49之間沒有形成未接合部。摩擦攪拌接合時(shí)，通過使旋轉(zhuǎn)工具51插入和行走，從而在接合部施加數(shù)百千克到約1噸左右的載荷，但通過設(shè)置對(duì)該載荷進(jìn)行支承的埋入構(gòu)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(duì)接合面垂直的方向施加反復(fù)應(yīng)力的場(chǎng)合，由于沒有形成未接合部，所以，可形成疲勞強(qiáng)度優(yōu)良的接合部。
按照這些實(shí)施例，在空洞部的近旁未形成未接合部，所以，切口效應(yīng)減輕，可形成疲勞特性優(yōu)良的接合構(gòu)件。
本發(fā)明涉及在實(shí)施摩擦攪拌接合的場(chǎng)合將空洞部設(shè)于接合面并在將埋入構(gòu)件形成于空洞部的狀態(tài)下進(jìn)行接合的摩擦攪拌接合方法。
權(quán)利要求
1.一種摩擦攪拌接合方法，在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下將工具插入到接合材料，該工具在圓柱狀構(gòu)件的端面突出地設(shè)有銷狀摩擦頭，使上述工具在旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)下移動(dòng)，從而通過摩擦攪拌對(duì)2個(gè)以上的上述接合材料進(jìn)行接合；其特征在于在上述接合材料的接合部的一部分設(shè)置空洞部，在上述空洞部形成構(gòu)件，通過摩擦攪拌對(duì)上述接合材料進(jìn)行接合。
2.根據(jù)權(quán)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(jìn)行接合。
3.根據(jù)權(quán)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(jìn)行接合。
4.根據(jù)權(quán)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(jù)權(quán)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(gòu)件。
6.根據(jù)權(quán)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(duì)上述接合材料的接合部的方向?yàn)閳A弧狀。
7.一種接合構(gòu)造物，由通過摩擦攪拌對(duì)2個(gè)以上的接合材料進(jìn)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(gòu)件。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的接合構(gòu)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(jìn)行接合。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的接合構(gòu)造物，其特征在于從上述接合材料的一方通過摩擦攪拌進(jìn)行接合。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的接合構(gòu)造物，其特征在于上述空洞部為圓形。
11.一種接合構(gòu)造物，其特征在于由根據(jù)權(quán)利要求1所述的摩擦攪拌接合方法進(jìn)行接合。
12.根據(jù)權(quán)利要求7所述的接合構(gòu)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(gòu)件。
13.根據(jù)權(quán)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(gòu)件為比上述接合材料硬的材料。
14.根據(jù)權(quán)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(jù)權(quán)利要求7所述的接合構(gòu)造物，其特征在于形成于上述空洞部的構(gòu)件為比上述接合材料硬的材料。
16.根據(jù)權(quán)利要求10所述的接合構(gòu)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(fā)明的目的在于提供一種在使用摩擦攪拌方法對(duì)接合材料進(jìn)行接合的場(chǎng)合形成疲勞特性優(yōu)良的接合部的摩擦攪拌接合方法。本發(fā)明的摩擦攪拌接合方法在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下將工具插入到接合材料，該工具在圓柱狀構(gòu)件的端面突出地設(shè)置銷狀摩擦頭，使工具在旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)下移動(dòng)，從而通過摩擦攪拌對(duì)2個(gè)以上的接合材料進(jìn)行接合；其特征在于在接合材料的接合部的一部分設(shè)置空洞部，在空洞部形成構(gòu)件，通過摩擦攪拌對(duì)接合材料進(jìn)行接合。按照本發(fā)明，在空洞部的近旁不形成未接合部，所以，切口效應(yīng)減輕，可形成疲勞特性優(yōu)良的接合構(gòu)件。
文檔編號(hào)B29L31/00GK101015879SQ200710003990
公開日2007年8月15日 申請(qǐng)日期2007年1月19日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月7日
發(fā)明者樸勝煥, 平野聰 申請(qǐng)人:株式會(huì)社日立制作所