JP2006088173A

JP2006088173A - ダブルスキン形材の摩擦撹拌接合方法

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Publication number: JP2006088173A
Application number: JP2004274241A
Authority: JP
Inventors: Masaki Kumagai; 正樹熊谷; Sunao Tanaka; 直田中
Original assignee: Sumitomo Light Metal Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Light Metal Industries Ltd
Priority date: 2004-09-21
Filing date: 2004-09-21
Publication date: 2006-04-06

Abstract

【課題】ダブルスキン形材を摩擦撹拌接合操作にて突き合わせ接合するに際して、中空部内面側における未接合部乃至はキッシングボンドの発生を有利に防止すると共に、バリの発生をも効果的に抑制して、健全な接合部を形成し得る、ダブルスキン形材の摩擦撹拌接合方法を提供すること。
【解決手段】互いに対向する面板２２，２４を有するダブルスキン構造の中空形材２０ａ，２０ｂを、各面板２２，２４の端面同士において突き合わせて、突合せ部２８，３０を形成せしめた後、互いに対向する第一及び第二のショルダ面１２，１４とプローブ１６とが、同軸的に且つ一体回転可能に配されてなる摩擦撹拌接合工具１８を用いて、所定の条件を満たすように、摩擦撹拌接合操作を実施するように構成した。
【選択図】図３

Description

本発明は、ダブルスキン形材の摩擦撹拌接合方法に係り、特に、摩擦撹拌接合部の健全化を図ることにより、亀裂の発生を有利に防止乃至は抑制することの出来るダブルスキン形材の摩擦撹拌接合方法に関するものである。

従来から、互いに対向して平行に位置する二つの面板がそれらの対向面間に延びる複数のリブにて一体的に連結されてなる、所謂ダブルスキン構造（二面構造）の中空形材が、様々な用途に用いられてきている。例えば、アルミニウム合金製のダブルスキン形材は、軽量であると共に形材の断面形状の最適化により高剛性且つ優れた平滑性を実現し得るといった特性を有しており、車両や航空機等の側面構体や床構体、或いは建物の屋根構体等に好適に用いられている。

しかしながら、そのような中空形材は、多くの場合、押出成形手法によって形成されることとなるところから、その幅寸法は、押出機の大きさに依存することとなって制限されてしまい、車両用構体等において要望される広幅の形材を、押出成形にて得ることが困難となっている。このため、かかる中空形材は、一般に、複数のものが、対応する面板の端面同士において突き合わされ、かかる突合せ部が接合されて、広幅の接合体（パネル）とされた上で、上記の如き各種の構体として、それぞれの用途において使用されている。

そして、近年では、そのような複数の中空形材の突合せ接合手法の一種として、アーク溶接（ＴＩＧ、ＭＩＧ等）等とは異なって、溶融溶接特有のブローホールや凝固割れ等の接合欠陥の発生が有利に回避され得る摩擦撹拌接合手法が、一部で適用されてきているのである。

しかしながら、図１に示される如き、ロッド状の工具本体２の先端にピン状の硬質プローブ４を同心的に設けた構造の、一般的な摩擦撹拌接合工具（ピン型工具６）を用い、これを、ダブルスキンパネル等の中空形材の突合せ部に、高速回転させながら差し込んで、摩擦撹拌接合すると、工具による押圧力によって、接合部が曲がったり、座屈する等といった問題を生じる虞があった。そこで、そのような座屈等の発生を防止するために、突合せ部の裏側の面、つまり、中空形材の中空部内には、硬質の裏当て部材を配設する必要があったのであるが、その場合において、かかる裏当て部材の形状が、中空部の形状によって制限されたり、中空部内への裏当て部材の挿入操作や、接合後の抜き取り操作等が必要となって、接合作業が煩雑となる等の問題が内在している。

また、それに加えて、ピン型工具６を用いて摩擦撹拌接合を行う場合には、一般に、接合される中空形材の面板の厚さよりも所定寸法短い長さのプローブ４を有する工具が用いられるところから、プローブ４が貫通位置せしめられない部分で、メタルが充分に撹拌され得ず、そのために、接合部の裏面（中空部の内面）側に、未接合部乃至はキッシングボンド（kissing bond）が残存する場合があり、これによって、疲労強度が低下せしめられる虞があったのである。また、そのような接合不良は、中空形材の内側に形成されるところから、その検出が困難であるといった問題もあった。

一方、特許文献１〜３には、摩擦撹拌接合工具として、上記したピン型工具６とは異なる構造を有する、ボビン型工具（糸巻き型工具）が明らかにされている。かかるボビン型工具は、図２に示されているように、接合対象である金属板の両面を挟持するように対向配置された一対のショルダ面１２，１４と、それら一対のショルダ面１２，１４の間に同軸的に設けられたプローブ１６とを有して構成されている。そして、そのような一対のショルダ面１２，１４にて、金属板を挟むように両面側から押圧し、それらショルダ面１２，１４及びプローブ１６を一体的に高速回転せしめることにより、それぞれの面で、摩擦熱を発生せしめることが出来るようになっている。このため、かかるボビン型工具を用いて摩擦撹拌接合を行えば、中空内部側の面も確実に接合することが可能となり、以て、上述せる如きキッシングボンド等の接合不良の発生を、極めて有利に防止することが出来る。また、一対のショルダ面１２，１４において、相互の押圧力を受ける（支持する）ようになっているため、裏当て部材が不要となるといった利点も享受され得るのである。

ところが、そのような摩擦撹拌接合工具（ボビン型工具）１８を用いて、ダブルスキンパネル等の中空形材の接合を実施したときに、中空部外面側の接合部に加えて、中空形材の中空部内面側にも、接合部の延びる方向における両側（面板とショルダ面１４との接触部位で、接合部形成方向の両側）に、接合方向に延出するバリが突出するように形成され、そして、このバリによって形成された鋭いエッジ部が起点となって、亀裂が生じ易いといった問題が惹起されることが、明らかとなった。なお、そのような亀裂の発生を防止するためには、接合後において、バリを取り除く研磨加工等を実施すれば良いのであるが、中空部の内面側に形成されたバリを取り除くことは、非常に困難であったのである。また、そのようなバリの発生に基づいて、摩擦撹拌接合部において撹拌流動せしめられる材料の量が減少することによって、摩擦撹拌接合操作の進行方向において、材料の欠損部が発生して、それが接合部欠陥として現れる問題も内在しているのである。

米国特許６１９９７４５号明細書特表平７−５０５０９０号公報特開２００４−４２１１５号公報

ここにおいて、本発明は、かかる事情を背景にして為されたものであって、その解決課題とするところは、ダブルスキン形材を摩擦撹拌接合操作にて突き合わせ接合するに際して、中空部内面側における未接合部乃至はキッシングボンドの発生を有利に防止すると共に、バリの発生をも効果的に抑制して、健全な接合部を形成し得る、ダブルスキン形材の摩擦撹拌接合方法を提供することにある。

そして、本発明者らは、そのような課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、ボビン型工具を用いて、所定の条件を満たすように摩擦撹拌接合を行うことによって、未接合部乃至はキッシングボンド等の接合不良が防止され、更には、バリの発生も有利に抑制され得ることを見出したのである。

従って、本発明は、かかる知見に基づいて完成されたものであって、その要旨とするところは、互いに対向して平行に位置する二枚の面板が、それら対向面間に延びる複数のリブにて一体的に連結されてなるダブルスキン構造の中空形材の二つを、対応する面板の端面同士において突き合わせて、少なくとも一つの突合せ部を形成せしめた後、該突合せ部を摩擦撹拌接合する方法であって、摩擦撹拌接合工具として、前記突合せ部の一方の側の面に接して回転せしめられる第一のショルダ面と、該突合せ部を貫通するように位置させられて回転せしめられるプローブと、該突合せ部の他方の側の面に接して回転せしめられる第二のショルダ面とが同軸的に配設されてなる構造のものを用いると共に、該第一及び第二のショルダ面の直径：Ｄと、該プローブの直径：ｄと、該突合せ部の板厚：Ｔｔとが、下記式（Ｉ）を満たすようにして、該プローブを、該第一及び第二のショルダ面と共に回転駆動させつつ、該突合せ部に対して相対移動せしめることにより、該突合せ部を摩擦撹拌接合するようにしたことを特徴とするダブルスキン形材の摩擦撹拌接合方法にある。

すなわち、このような本発明に従うダブルスキン形材の摩擦撹拌接合方法によれば、摩擦撹拌接合工具として、突合せ部の両側の面にて摩擦熱をそれぞれ発生せしめることが可能な構造の、所謂ボビン型工具が採用されていると共に、かかる摩擦撹拌接合工具の第一及び第二のショルダ面の直径：Ｄと、被接合材の組織を入り交じり合わせて撹拌するプローブの直径：ｄと、突合せ部の板厚：Ｔｔとが、前記式（Ｉ）を満たすようにして、摩擦撹拌接合操作が行われるようになっているところから、突合せ部の中空部側（内側）においても、充分な可塑化が実現されて、未接合部乃至はキッシングボンド等の発生が効果的に防止され得る共に、撹拌接合部のメタルが、摩擦撹拌接合工具のショルダ面の縁部から外に湧き出して、バリが発生するようなことも、極めて有利に抑制され得ることとなるのである。このため、接合部における欠陥の発生が効果的に抑制乃至は阻止され得ることとなって、接合材に対するプレス加工等の後加工時に、亀裂が発生するようなことも顕著に防止され得ることとなる。

また、上述せる如き構造の摩擦撹拌接合工具にあっては、第一のショルダ面と第二のショルダ面との間で、突合せ部を挟んで、それらのショルダ面にて互いの押圧力を受けるようになっているため、裏当て部材が不要となり、従って中空部内への裏当て部材の挿入操作や抜き取り操作等の面倒な作業も必要でなくなり、作業の簡略化が図られ得るといった利点も享受され得るのである

従って、本発明によれば、例えば、車両や航空機等の側面構体や床構体、建物の屋根構体等の、目的とするダブルスキン形材の接合体を、健全な構造と、充分な接合強度をもって、容易に得ることが出来るのである。

以下、本発明を更に具体的に明らかにするために、本発明の実施の形態について、図面を参照しつつ、詳細に説明することとする。

先ず、図３には、本発明手法に従って、二つのダブルスキン構造の中空形材を摩擦撹拌接合して、広幅パネルを得る一工程例が、概略的に示されている。かかる図３から明らかなように、ここでは、摩擦撹拌接合される二つのダブルスキン形材２０ａ，２０ｂのそれぞれが、横断面形態において、概略的に示されている。かかるダブルスキン形材２０ａ，２０ｂは、互いに上下方向に対向して、平行に位置せしめられた、平板形態を呈する上面板２２と下面板２４とを有し、かかる上下面板２２，２４が、それらの対向面間に延びる複数のリブ２６（ここでは、一つのみを示す）にて一体的に連結されてなる構造（二面構造）を有している。

なお、かかるダブルスキン形材２０ａ，２０ｂの材質としては、例えば、アルミニウム若しくはアルミニウム合金からなるアルミニウム部材、銅若しくは銅合金からなる銅部材、マグネシウム若しくはマグネシウム合金からなるマグネシウム部材等の金属部材等の、摩擦撹拌接合可能な公知の材料を挙げることが出来る。そして、その中でも、アルミニウム合金を採用する場合には、時効処理によって強度を高めることが可能な、Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系（２０００系）、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系（６０００系）、Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系（７０００系）の熱処理型Ａｌ合金が、特に好適に用いられ得るのである。また、ダブルスキン形材２０ａ，２０ｂの形成手法も、何等限定されるものではなく、公知の各種の方法に従って形成され得るものであるが、一般に、押出成形操作によって得られる押出形材が有利に用いられることとなる。

そして、本実施形態においては、そのような二つのダブルスキン形材２０ａ，２０ｂに対する摩擦撹拌接合操作の実施に際して、先ず、それら二つのダブルスキン形材２０ａ，２０ｂが、幅方向（図３中、左右方向）に並べられて、それぞれの上面板２２，２２が幅方向の端面同士において突き合わされると共に、それぞれの下面板２４，２４も幅方向の端面同士において突き合わされることとなる。これによって、かかる二つのダブルスキン形材２０ａ，２０ｂの上面板２２，２２及び下面板２４，２４のそれぞれの表面が面一とされると共に、二つのダブルスキン形材２０ａ，２０ｂの間に、上面板２２同士が突き合わされてなる上側突合せ部２８と、下面板２４同士が突き合わされてなる下側突合せ部３０とが、上下面板２２，２４の対向方向たる上下方向に、上下面板２２，２４の対向面間の距離に応じた距離を隔てて、形成される。また、それら二つのダブルスキン形材２０ａ，２０ｂが突き合わされることによって、上下面板２２，２４及びリブ２６，２６にて囲まれ、長さ方向（図３中、紙面に垂直な方向）に延出する中空部３２が形成される。

次いで、それら二つのダブルスキン形材２０ａ，２０ｂが、上下方向や水平方向に相対的に移動することがないように、図示しない固定治具によって、固定、拘束された後、それら二つのダブルスキン形材２０ａ，２０ｂ間に形成された上側突合せ部２８及び下側突合せ部３０のうちの何れか一方、或いは、両方が、同時に、摩擦撹拌接合されるのであるが、ここでは、上側突合せ部２８及び下側突合せ部３０が、所定の摩擦撹拌接合工具１８を用いて、同時に、それぞれ接合されることとなる。なお、以下においては、上側突合せ部２８及び下側突合せ部３０のうち、上側突合せ部２８の接合に関して詳述するが、下側突合せ部３０も上側突合せ部２８と同様に、その接合が行われ得ることが、理解されるべきである。

ここにおいて、本実施形態において採用される摩擦撹拌接合工具１８は、図３に示される如く、二つの回転部材３４，３６を有している。そして、それら二つの回転部材３４，３６のうち、第一の回転部材３４は、全体として、略円筒形状を有しており、その先端面が、水平方向に広がる平坦な円環面からなる、第一のショルダ面１２とされている。また、第二の回転部材３６は、全体として、略円柱形状を有しており、その先端部の外周面には、径方向に所定寸法突出し、且つ周方向に連続して延びる外フランジ部３８が、一体的に形成されており、かかる外フランジ部３８の第一のショルダ面１２側の面が、該第一のショルダ面１２と同一の外径及び内径を有する、水平方向に広がる平坦な円環面からなる第二のショルダ面１４とされている。

そして、第二の回転部材３６が、その外フランジ部３８の形成部位を含む先端部側部分を、円筒状の第一の回転部材３４における内孔４０の開口部から外方に突出させた状態で、かかる内孔４０内に、同軸的に且つ軸方向（上下方向）に相対移動可能に挿入、配置されており、以て、第一及び第二の回転部材３４，３６のそれぞれのショルダ面１２，１４が、上下方向に所定距離を隔てて、対向して、平行に位置せしめられている。また、第一の回転部材３４の先端部から外方に所定長さだけ突出せしめられた、第二の回転部材３６の外フランジ部３８を除く先端部部位、つまり、第一及び第二のショルダ面１２，１４間の部位が、プローブ１６とされているのである。また、それら第一及び第二のショルダ面１２，１４、プローブ１６は、接合されるべきダブルスキン形材２０ａ，２０ｂの材質よりも硬い材料にて形成されており、そのため、それらが高速回転せしめられて、ダブルスキン形材２０ａ，２０ｂに接触せしめられても、殆ど損耗することのない非消耗型の部材とされている。

なお、図示されてはいないものの、ここでは、第一及び第二の回転部材３４，３６が、それぞれの基部側部位において、互いに同期せしめられた別個のモータ等に連結されて、一体回転せしめられ得るようになっている。更に、それら各回転部材３４，３６の基部側部位は、公知の油圧機構により突出／引込作動せしめられる別個の油圧シリンダにも、各々連結されて、それら各油圧シリンダの突出／引込作動に伴って、下方／上方に相対移動せしめられると共に、各油圧シリンダが、所定の作動位置で停止せしめられることによって、各回転部材３４，３６が、任意の移動位置にて、上下方向の相対移動が停止せしめられるようになっている。換言すれば、第二の回転部材３６の外フランジ部３８が、第一の回転部材３４と一体回転可能な状態で、第一の回転部材３４に対して、接近／離隔移動可能とされ、また、それら相互の離間距離が、任意に調整し得るように構成されているのである。

これによって、第一の回転部材３４のショルダ面１２、第二の回転部材３６のショルダ面１４、及びプローブ１６が、一体回転可能とされていると共に、プローブ１６の長さ（第一及び第二のショルダ面１２，１４間の距離）が任意に調整され、所望とする長さに維持されるようになっている。

かくして、上記の如き構造の摩擦撹拌接合工具１８を用いて、二つのダブルスキン形材２０ａ，２０ｂ間に形成された上側突合せ部２８を摩擦撹拌接合する作業が、本発明に従って、例えば、以下の如くして、実施されることとなる。

すなわち、先ず、摩擦撹拌接合工具１８の第二の回転部材３６が、第一の回転部材３４に対して上下方向に接近／離隔移動（相対移動）せしめられて、第一の回転部材３４のショルダ面１２と第二の回転部材３６のショルダ面１４との間の距離、つまりプローブ１６の長さが、上側突合せ部２８（上面板２２）の板厚：Ｔｔと同一とされ、その位置で、第二の回転部材３６が、移動不能とされる（ショルダ面１２，１４間の距離の固定）。

次いで、第一及び第二の回転部材３４，３６が一体回転せしめられ、そして、その後に、或いはその前に、第二の回転部材３６の下端部部位からなるプローブ１６が、上側突合せ部２８に対して、貫通するように位置せしめられるのであるが、これは、例えば、以下の（１）或いは（２）の二つの配置方法のうちの何れかによって、実施される。

すなわち、（１）の配置方法では、第一及び第二の回転部材３４，３６が一体回転せしめられた状態下で、プローブ１６の側面が、上側突合せ部２８の接合開始側の端面に各々当接せしめられて、プローブ１６が、上側突合せ部２８に沿って、その接合終了側に向かって押圧される。これにより、プローブ１６が、上側突合せ部２８の接合開始側端部にそれぞれ入り込まされて、上側突合せ部２８内に、それを貫通するように、位置せしめられることとなる。

また、（２）の配置方法を実施する際には、先ず、図４に示されるように、上側突合せ部２８の接合開始側の端部における対応部位に、予め、プローブ１６が挿通可能な挿通孔４２が、上下方向に貫通するように穿設される。この上側突合せ部２８に穿設される挿通孔４２は、二つのダブルスキン形材２０ａ，２０ｂの各上面板２２の突合せ状態を解消したときに、図４に二点鎖線で示されるように、それら各上面板２２の幅方向端部に対して、半円状の切欠として、形成されるものである。

そして、かかる挿通孔５０がそれぞれ形成されたら、一旦、二つのダブルスキン形材２０ａ，２０ｂの突合せ状態が解消される（図４において、二点鎖線で示される状態とされる）。その後、第一及び第二の回転部材３４，３６の一体回転が停止せしめられた状態下で、上面板２２の端面同士の間に、摩擦撹拌接合工具１８のプローブ１６が位置せしめられた後、再び、二つダブルスキン形材２０ａ，２０ｂが突き合わされる。これによって、プローブ１６が、上側突合せ部２８に設けられた挿通孔４２内に挿通された状態とされ、以て、プローブ１６が、上側突合せ部２８内に、それらを貫通するように、それぞれ位置せしめられる。なお、この場合には、例えば、二つのダブルスキン形材２０ａ，２０ｂの再度の突合せ操作の後、第一及び第二の回転部材３４，３６が一体回転せしめられるようになる。

従って、上述の如き（１）及び（２）の配置方法の何れか方法、或いはそれら以外の別の方法により、プローブ１６が上側突合せ部２８を貫通するように位置せしめられた状態下で、第一及び第二の回転部材治具３４，３６が一体回転せしめられることにより、第一の回転部材３４のショルダ面１２と第二の部材３６のショルダ面１４とが、一体回転せしめられつつ、上側突合せ部２８の外面４４と内面４６とに接触せしめられるのである。

これにより、突合せ部２８とプローブ１６及びショルダ面１２，１４との接触面において摩擦熱が発生され、その周囲が可塑化せしめられると共に、プローブ１６の高速回転に伴う撹拌作用にて、両側の上面板２０ａ，２０ｂのそれぞれの端部部位の組織が入り交じり合うようになる。

そして、このような状態から、摩擦撹拌接合工具１８が、上側突合せ部２８に対して、それらに沿って（図４においては、矢印Ａ方向に）相対的に一体移動させられることによって、上側突合せ部２８が摩擦撹拌接合されることとなるのであるが、本発明においては、特に、下記式（Ｉ）を満たすように、摩擦撹拌接合が進められるのである。

なお、上記の式（Ｉ）において、Ｄは、摩擦撹拌接合工具１８の第一及び第二のショルダ面１２，１４のそれぞれの直径を示し、また、ｄは、プローブ１６の直径を示し、更に、Ｔｔは、被接合部である上側突合せ部２８（上面板２２）の板厚を示している。

ここで、上記式（Ｉ）における左側の不等式は、突合せ部の板厚と、プローブ１６の半径（ｄ／２）との関係を表す式であり、本発明においては、板厚が、プローブ１６の半径と同じか、それよりも大きくなることが必要とされる。なぜならば、板厚が、プローブ１６の半径よりも小さい場合、つまりプローブ１６の径が、被接合部たる上側突合せ部２８の板厚に対して大き過ぎるような場合には、健全な接合部が形成され得なくなるといった問題が生じることとなるからである。より具体的には、摩擦撹拌接合時において、摩擦撹拌接合工具１８が突合せ部２８に沿って相対的に移動せしめられる際に、板厚に対してプローブ１６が太過ぎると、摩擦熱により可塑化された上側突合せ部２８のメタルが、プローブ１６の進行方向後方側に充分に回り込まなくなって、プローブ１６の貫入によって形成された穴を埋めるように、メタルが行き渡らず、健全な接合部が形成され得なくなるのである。

一方、上記式（Ｉ）における右側の不等式は、下記式（II）から誘導される式であり、かかる式（II）の左辺は、軸心を含むプローブ１６の断面の面積（Ｓ₁）を示す一方、かかる式（II）の右辺は、突合せ部２８の外面４４と内面４６に対してそれぞれ接触せしめられる第一のショルダ面１２と第二のショルダ面１４の面積を合わせた面積（Ｓ₂）を示している。

つまり、本実施形態においては、プローブ１６の断面積（Ｓ₁）が、第一及び第二のショルダ面１２，１４の合計面積（Ｓ₂）と同じか、それよりも小さくなるようにして、摩擦撹拌接合を実施する必要があるのである。このようにして、上側突合せ部２８を摩擦撹拌接合すると、プローブ１６の貫入によって外面４４側や内面４６側に押出された撹拌接合部のメタルが、摩擦撹拌接合工具１８の第一及び第二のショルダ面１２，１４からはみ出して、ショルダ面１２，１４のそれぞれの縁部から外に湧き出すようなことが極めて効果的に防止され、かかる面内で充分に押さえられることとなり、その結果、亀裂の発生原因となるようなバリの発生が効果的に抑制乃至は防止されるようになる。

なお、ショルダ面の直径：Ｄにあっては、前述せる如き式（Ｉ）を満たす範囲であれば、特に制限されるものでないものの、図３に示されるように、第二のショルダ面１４が接触する中空部の内面４６の、接合方向に直交する方向の平坦部の幅：Ｌよりも小さなものが採用されることとなる。また、ショルダ面の直径：Ｄとプローブの直径：ｄとの関係や、ショルダ面の直径：Ｄと板厚：Ｔｔとの関係にあっても、何等限定されるものではないものの、健全な接合部をより一層有利に実現するためには、ぞれぞれ、下記式（III）又は下記（IV）を満たすことが、望ましい。
１．５ｄ ≦ Ｄ ≦ ４ｄ・・・（III）
１．２Ｔｔ ≦ Ｄ ≦ １６Ｔｔ・・・（IV）

また、本実施形態においては、第一の回転部材３４のショルダ面１２と第二の回転部材３６のショルダ面１４とが、回転状態下で、上側突合せ部２８の外面４４と内面４６とにそれぞれ接触せしめられるようになっているところから、それらの接触面同士の間で生ずる摩擦熱により、上側突合せ部２８の全体が充分に可塑化されて、上側突合せ部２８全体（外面４４側から内面４６側まで）のメタルが、効果的に撹拌されることとなる。このため、接合部の外面４４側のみならず、内面４６側も充分な接合が施され、未接合部乃至はキッシングボンド等の接合不良の無い健全な接合部が、有利に形成されることとなる。

加えて、本実施形態においては、一対のショルダ面１２，１４間で、互いの押圧力を受け合うようになっているところから、二つのダブルスキン形材２０ａ，２０ｂを突き合わて形成される中空部３２の形状に応じて、裏当て治具を準備したり、かかる裏当て治具を中空部３２内へ挿入したりする等の作業が何等必要とされず、接合作業の簡略化が、有利に図られ得るようになっている。

しかも、本実施形態においては、上面板２２の上側突合せ部２８の摩擦撹拌接合操作と同時に、下面板２４の下側突合せ部３０の摩擦撹拌接合操作も実施されるようになっているところから、二つのダブルスキン形材２０ａ，２０ｂの接合作業の作業時間の短縮化が有利に図られ得ると共に、接合後におけるダブルスキン形材２０ａ，２０ｂの各面板２２，２４の撓みの発生が効果的に回避され得て、最終的に得られる接合体に歪みが生じるようなことが有利に回避され得るようになっている。なお、二つの突合せ部２８，３０を順次に摩擦撹拌接合すると、先に形成される接合部が若干収縮して、面板が反り返り、次に実施する突合せ部の接合が困難となる傾向があるが、上側突合せ部２８と下側突合せ部３０とを、同時に且つ並行して接合すると、収縮のバランスが取れて、歪みの少ないダブルスキン構造の広幅パネルが得られるのである。

従って、本実施形態によれば、目的とするダブルスキン構造の広幅パネルを、バリや、キッシングボンド等の接合不良のない、健全で且つ充分な接合強度を有する接合部をもって、安定的に得ることが可能となるのである。そして、そのような接合製品は、車両や航空機等の側面構体や床構体、或いは建物の屋根構体等として、中でも、道路橋や歩道橋等の橋梁用床版として有利に用いられることとなる。

以上、本発明の代表的な実施形態について詳述してきたが、それは、あくまでも例示に過ぎないものであって、本発明は、そのような実施形態に係る具体的な記述によって、何等限定的に解釈されるものではないことが、理解されるべきである。

例えば、上記の実施形態では、ダブルスキン形材として、突き合わされる上下面板２２，２４の板厚が、幅方向及び長さ方向において、一定なものが採用されていたが、板厚がプローブの太さに比して薄過ぎるような場合には、前述せる如き式（Ｉ）を満足するように、突合せ部を形成する自由端の部位を厚く設計する、つまり、幅方向において上下面板の厚みを変えることも、勿論、可能である。また、上例では、リブ２６が上下面板２２，２４に対して垂直に形成されていたが、所定の角度をもって傾斜した形態において形成されていても良く、公知の各種形状のダブルスキン形材を採用することが出来る。

さらに、前記実施形態では、第一及び第二のショルダ面１２，１４が、何れも平坦面とされていたが、中心に向かって湾曲する凹面形状であっても良く、従来から公知の形状が、適宜に採用され得る。

その他、一々列挙はしないが、本発明は、当業者の知識に基づいて、種々なる変更、修正、改良等を加えた態様において実施され得るものであり、そして、そのような実施態様が、本発明の趣旨を逸脱しない限り、何れも、本発明の範囲内に含まれるものであることは、言うまでもないところである。

以下に、本発明の代表的な実施例を示し、本発明を更に具体的に明らかにすることとするが、本発明が、そのような実施例の記載によって、何等の制約をも受けるものでないことは、言うまでもないところである。

先ず、接合されるべきダブルスキン形材として、アルミニウム合金（６Ｎ０１−Ｔ５）からなり、上下面板の厚さ、全体の高さ、幅、長さが、それぞれ、下記表１に示される押出形材を、それぞれ、２つずつ準備した。また、摩擦撹拌接合装置として、図３に示される如き構造を有する鋼製の摩擦撹拌接合工具を二つ準備した。なお、第一及び第二のショルダ面の直径、プローブの直径を、それぞれ、下記表１に示した。

そして、準備された二つのダブルスキン形材を幅方向において突き合わせて、各押出形材の二枚の面板の対向方向において対応する上側突合せ部と下側突合せ部とを、それぞれ形成せしめて、それら二つのダブルスキン形材を拘束、固定した。

一方、各摩擦撹拌接合工具の第二の回転部材を第一の回転部材に対して相対移動させて、第一及び第二のショルダ面間の距離を、面板の板厚と同じとなるように調節した。その後、各摩擦撹拌接合工具を１０００ｒｐｍの回転速度で回転させつつ、各プローブの側面を、上側及び下側突合せ部の接合開始側の端面にそれぞれ押し付けて、各プローブを、上側及び下側突合せ部にそれぞれ入り込ませた。このとき、各摩擦撹拌接合工具の第一のショルダ面が突合せ部の外面に接触し、第二のショルダ面が突合せ部の裏面（中空部内面）に接触するようにした。

その後、各摩擦撹拌接合工具の第一及び第二回転部材を、回転速度：１０００ｒｐｍ、接合速度：５００ｍｍ／分の条件で、突合せ部に沿って、水平に、且つ二つの摩擦撹拌接合工具を並行に移動させて、上側及び下側突合せ部を同時に摩擦撹拌接合し、目的とする広幅パネルを得た。

そして、得られた広幅パネルを、接合方向に対して直角な方向で切断して、接合部の断面を視認により観察したところ、実施例１については、欠陥は、何等認められなかったのに対し、比較例１では、板厚がプローブの半径よりも小さく、突合せ部で面板が破れ、また、比較例２では、バリが形成されると共に、撹拌部の中央にトンネル状の穴が形成された。

更に、公知の手法により、広幅パネルの引張試験と静的４点曲げ試験とを行った結果、実施例１では、接合部から離れた面板部位で、破断したのに対し、比較例１及び比較例２においては、接合部で破断が起こり、強度も実施例１に比べて劣るものであった。

以上の結果からも明らかなように、本発明に従って、所定の条件を満たすようにして、摩擦撹拌接合を実施すれば、中空部側内面における未接合部乃至はキッシングボンドの発生を有利に防止することが出来ると共に、バリの発生をも有利に抑制することが出来、以て、接合強度の高い接合品を製造することが出来る。

従来の摩擦撹拌接合工具を示す概略説明図である。本発明に従う構造を有する摩擦撹拌接合工具の一具体例を示す概略説明図である。図２に示される摩擦撹拌接合工具を用いて、二つのダブルスキン形材を摩擦撹拌接合する際の一工程例を示す断面説明図である。本発明に従って、二つのダブルスキン形材を摩擦撹拌接合する際の別の工程例を示す説明図である。

符号の説明

１２第一のショルダ面１４第二のショルダ面
１６プローブ１８摩擦撹拌接合工具
２０ａ，２０ｂダブルスキン形材２２上面板
２４下面板２６リブ
２８上側突合せ部３０下側突合せ部
３２中空部３４第一の回転部材
３６第二の回転部材３８外フランジ部
４０内孔４２挿通孔
４４外面４６内面

Claims

互いに対向して平行に位置する二枚の面板が、それら対向面間に延びる複数のリブにて一体的に連結されてなるダブルスキン構造の中空形材の二つを、対応する面板の端面同士において突き合わせて、少なくとも一つの突合せ部を形成せしめた後、該突合せ部を摩擦撹拌接合する方法であって、
摩擦撹拌接合工具として、前記突合せ部の一方の側の面に接して回転せしめられる第一のショルダ面と、該突合せ部を貫通するように位置させられて回転せしめられるプローブと、該突合せ部の他方の側の面に接して回転せしめられる第二のショルダ面とが同軸的に配設されてなる構造のものを用いると共に、該第一及び第二のショルダ面の直径：Ｄと、該プローブの直径：ｄと、該突合せ部の板厚：Ｔｔとが、下記式（Ｉ）を満たすようにして、該プローブを、該第一及び第二のショルダ面と共に回転駆動させつつ、該突合せ部に対して相対移動せしめることにより、該突合せ部を摩擦撹拌接合するようにしたことを特徴とするダブルスキン形材の摩擦撹拌接合方法。