专利名称：在对接部存在间隙的金属板的双面摩擦搅拌接合方法
技术领域：
本发明涉及对在对接部存在间隙的金属板的接合部从双面进行摩擦搅拌并将其接合的双面摩擦搅拌接合方法。
背景技术：
已知这样一种摩擦搅拌接合技术一边使旋转工具旋转，一边使设在旋转工具的工具主体上的台肩部的表面与接合部件的表面相接触，利用台肩部的表面与接合部件的表面的摩擦热进行摩擦搅拌，在使接合部件为熔点以下的固相状态下对材料进行搅拌并接合。该接合技术以铝合金为主体，正在各种工业领域中被实际应用。在进行摩擦搅拌接合的两张金属板的对接端面不是机械加工面，而是例如基于剪切装置的剪切面或者挤压成形的材料的端面的情况下，由于对接端面的平面度低，因此在两张金属板的对接部产生间隙。作为在对接部存在间隙的情况下使用一根旋转工具的从单侧进行的摩擦搅拌接合方法，在专利文献I中记载了下述方法以旋转工具前端部的探针反复横截接合线的方式边使探针或对接的金属板摆动边进行摩擦搅拌接合。另外，专利文献2中记载了下述方法在产生于对接部的间隙中填充粉末状接合材料，从而不产生空隙，由此防止接合缺陷的发生。另一方面，存在必须对板厚不同的两张金属板进行接合的情况，该情况下，在两张金属板的对接部产生层差。作为当在对接部存在层差的情况下使用一根旋转工具并从单侧进行的摩擦搅拌接合方法，在专利文献3的图4中记载了下述方法使旋转工具朝厚度薄的板倾斜，沿接合线移动接合工具，进行摩擦搅拌接合。另外，在专利文献4的图5以及图6中记载了下述方法以不在插入接合工具的那一侧产生板厚差的方式进行固定，并进行摩擦搅拌接合，由此制成搅拌部后，如图8 图10所示,翻过来对存在层差的部分进行摩擦搅拌接合时，以对搅拌部的一部分再次进行搅拌的方式，消除未接合部。而且，在专利文献4的图12、图13中记载了下述方法以及装置在无层差的接合面(背面)侧，在接合进行方向的先行部配置工具，另一方面，在存在层差的接合面(表面)侧，在接合进行方向的后行部配置工具，从表背面进行摩擦搅拌接合。另一方面，在使用一根旋转工具的从单侧进行的摩擦搅拌接合中，在专利文献5的图3中记载了下述方式在摩擦搅拌接合时，以旋转工具的前端部分朝向旋转工具相对于对接部的移动方向先行的方式，使旋转工具的轴心倾斜。作为使用两根旋转工具的双面摩擦搅拌技术，在专利文献6 (日本专利第2712838号公报)的图14a中记载了下述方式将两根旋转工具在金属板的对接部的表面侧和背面侧以在探针前端间实际不留间隙的状态相对置地配置，从对接部的两侧进行摩擦搅拌并将其接合。现有技术文献专利文献
专利文献1:日本特开2001-340975号公报专利文献2 :日本特开2003-126970号公报专利文献3 :日本专利3452018号公报专利文献4 :日本专利3931118号公报专利文献5 :日本专利2792233号公报专利文献6 :日本专利第2712838号公报非专利文献非专利文献1:《摩擦搅拌接合-FWS的全部》，社団法人焊接学会编，产报出版，p283，2006年I月20日发行
发明内容
发明所要解决的课题<第一课题 > 接合強度的降低作为在两张金属板的对接部存在间隙的情况下使用一根旋转工具的从单侧进行的摩擦搅拌接合的课题，包括因接合缺陷的产生而导致的接合強度的降低。关于这一点，在非专利文献I的P283中记载了 由于若对接部的间隙超过0. 5mm则接合部的拉伸强度急剧降低，因此需要将对接部的间隙确保为0. 5mm以下。这是因为，若对接部的间隙为0. 5mm以上，则在接合部容易产生通道状的内部缺陷或槽状的表面缺陷等的接合缺陷。作为容易产生这样的接合缺陷的理由，认为包括以下理由。(I)因对接部背面的温度降低导致的塑性流动性降低；(2)因带有氧化皮膜的未搅拌部与摩擦搅拌部的压接而导致的接合強度的降低；(3)因对接部背面的压カ降低而导致的空隙等的缺陷的产生。对上述⑴ (3)进行说明。在从单侧进行的摩擦搅拌接合中，多数情况下旋转工具的探针的前端部无法到达对接部的背面，背面的塑性流动不足。另外，由于对接部的背面与支承接合部的垫板接触，因此在旋转工具的台肩部生成的摩擦搅拌热向垫板传递，結果，对接部的背面的温度在接合部区域中成为最低。而且，与探针的前端够不到相伴地，由于背面的温度低所以背面的摩擦搅拌材料的流动性与表面相比显著降低。另外，由于在探针前端达到垫板后，接合部会与垫板接合，因此需要在垫板与探针前端之间设置间隙，由于设定该间隙，很多情况下无法对垫板附近的对接端面进行搅拌。在未被搅拌的对接端面的区域，被摩擦搅拌的材料通过塑性流动而流入，具有氧化皮膜的未被搅拌的对接端面与摩擦搅拌材料被压接。如前述那样，对接部的背面在接合部中温度最低，并且由于为具有氧化皮膜的对接端面与摩擦搅拌材料被压接的状态，因此对接部的背面附近的接合部成为可靠性低的接合条件。而且，在旋转工具的台肩部施加的按压力，在从工具的边缘部几何学地向45度方向延长的背侧区域被保持。例如，在台肩面的直径为12mm，材料厚度为3mm的情况下，背面的平均面压成为台肩部所施加的平均面压的2. 25分之一，成为一半以下的面压。若摩擦搅拌部为液相则由旋转工具施加的面压在垫板部分維持相同的压力，但摩擦搅拌接合为固相接合，被摩擦搅拌的材料具有较大的粘性阻力，由台肩部施加的面压的较大部分被摩擦搅拌部的粘性阻力保持。由此推测，由台肩部施加的按压力在对接部背面大幅衰减几乎降低至前述的面压程度。由于该面压的降低，被认为当在对接部产生O. 5mm以上的间隙的情况下，会产生空隙等的缺陷。当由于这些原因在对接部产生O. 5mm以上的间隙的情况下，认为容易在接合部产生通道状的内部缺陷或槽状的表面缺陷等的接合缺陷。针对这样的课题，专利文献I中，通过探针或者对接的金属板的摆动，专利文献2中，通过向产生于对接部的间隙填充粉末状接合材料，从而抑制接合缺陷的产生。但是，专利文献I以及2的技术，是从单侧进行的摩擦搅拌接合，这一点没有变。因此无法消除上述的(I) (3)的问题，仍会发现在接合部的背面残留未接合部的现象。这样的未接合部的存在成为使接合部的强度降低的原因。另外，在两张金属板的厚度不同，在对接部存在层差的情况下，存在起因于该层差而产生接合缺陷，接合强度降低的课题。在专利文献3的图4中，使旋转工具向厚度薄的板倾斜，沿接合线移动接合工具，进行摩擦搅拌接合，由此希望解决这样的课题。但是，该技术也是针对从单侧进行的摩擦搅拌接合，因此无法消除上述的(I) (3)的问题。因此仍存在在接合部的背面残留未接合部的问题，成为使接合部的强度降低的原因。另外，在专利文献4的图12以及图13的方法中，相对于由无层差的那一侧的工具所产生的朝上负载，在背面侧没有支承该负载的部件，因此在接合部产生弯曲变形。由于接合部弯曲，因此，存在工具的台肩边缘部的与接合部的偏负载变大，阻碍顺畅的摩擦搅拌的问题。在专利文献6中，将两根旋转工具配置于金属板的对接部的表面侧和背面侧，从对接部的两侧进行摩擦搅拌并进行接合。在两张金属板的对接部存在间隙的情况下或在两张金属板的对接部存在层差的情况下考虑适用专利文献6的双面摩擦搅拌接合的技术。但是，在专利文献6的双面摩擦搅拌接合中，在以与表背面相对置的方式配置的两根旋转工具的探针前端间以实际不留间隙的状态进行摩擦搅拌接合，因此，表背面的台肩面间的距离，在与金属板的厚度相应的接合设定位置被固定。在这样的将台肩面间的距离固定的状态下进行的双面摩擦搅拌接合中，在产生金属板的厚度的微小变动的情况下，台肩面与金属板表面的接触面中的面压变动。由于该面压的变动，摩擦热量变动，存在接合部的品质降低、接合强度降低的问题。<第二课题 > 经济性的降低通过以下方式进行两张金属板的握持在各个握持装置中，对金属板的表背面与握持装置的金属板的接触面付与握持力，通过此处的摩擦力对金属板以不会移动的方式进行保持。接合时，握持装置中，当探针通过两张金属板的对接部时，施加有欲将对接部在与接合方向成直角的方向上扩开的排斥力。如厚板或高变形阻力的金属板那样，材料的刚性越高则该排斥力越增加。如非专利文献I中记载的那样，为了防止接合部的拉伸强度的降低，需要将对接部的间隙保持为O. 5mm以下。但是，在将对接部的间隙保持为O. 5mm以下的情况下，为使对接部不在与接合方向成直角的方向上移动，需要通过握持装置的握持力对增加的排斥力进行承受，因此，必须提高握持装置的刚性，其结果是，存在握持装置大型化、经济性变差的问题。而且，由于提高金属板的截断面的直线性也会使对接部的间隙变小，为此，必须减少切断时的切断装置的变形。为了減少切断装置的变形，必须提高切断装置的刚性，其结果是，存在切断装置大型化、经济性变差的问题。专利文献I中，以探针反复横截接合线的方式使探针或者对接的金属板摆动，由此希望抑制接合缺陷的产生。但是，该情况下，需要设置用于使摩擦搅拌接合装置主体或者金属板摆动的新的机构。其结果是仍然存在设备的大型化及经济性变差等的问题。另外，当在厚度的不同两张金属板的对接部存在层差的情况下，在专利文献4的图12以及图13中，在金属板的对接部的表背面侧将工具错开配置并通过辊对基于存在层差的那ー侧的工具的向下负载进行支承，但为了使工具的台肩的面压均匀化，需要使辊大径化从而使接合部平坦化，存在设备大型化的课题。另外，如上述那样，当在两张金属板的对接部存在间隙或层差的情况下，考虑到适用专利文献6的双面摩擦搅拌接合的技术。但是，在专利文献6的双面摩擦搅拌接合中，以在表背面以相对置的方式配置的两根旋转工具的探针前端间实际不留间隙的状态进行摩擦搅拌接合，该情况下，在表背面相对置地配置的两根旋转工具的探针插入量是金属板厚度的一半。因此，若金属板的厚度不同，则必须与之相应地改变探针长度，因此需要与金属板的厚度相符地准备多个具有不同探针长度的旋转工具，存在经济性变差的问题。<第三课题 > 生产效率的降低另外，在无法将对接部的间隙保持为0. 5mm以下的情况下，在专利文献2中，对产生于对接部的间隙填充粉末状接合材料并进行摩擦搅拌接合。但是，该方法中，由于会产生为了对对接部填充粉末状接合材料的新的エ序，因而接合作业时间增加，由此存在接合作业效率降低，生产效率降低的问题。另外，当在厚度不同的两张金属板的对接部存在层差的情况下，在专利文献4的图5以及图6中，对金属板的对接部，分别单面地以单独エ序进行摩擦搅拌由此消除未接合部，由此抑制接合缺陷的产生。但是，该方法的情况下需要两次接合エ序，存在生产效率变差的问题。<第四课题 > 毛刺的产生在专利文献5 (专利2792233)的图3中，摩擦搅拌接合吋，以旋转工具的前端部分朝向旋转工具相对于接合部的移动方向先行的方式倾斜旋转工具的轴心，由此抑制接合缺陷并提升焊接速度。同样在两张金属板的对接部存在间隙的情况下，考虑适用专利文献5的技术并倾斜旋转工具的轴心，来抑制接合缺陷。但是，该情况下，通过将旋转工具的轴心在移动方向上倾斜，由此台肩面的一部分(台肩面的工具移动方向的后方部分)埋没于对接部，与该埋没量相当的部分作为毛刺产生。而且，当在厚度不同的两张金属板的对接部存在层差的情况下适用专利文献5的技术的情况下，与相同的厚度的两张金属板的接合相比，会产生更多的毛刺。这些毛刺，残存于接合焊道表面的端面部，有损产品的外观，并且会降低产品合格率。本发明的目的在于提供一种双面摩擦搅拌接合方法，即使在存在于两张金属板的对接部的间隙超过O. 5mm的情况下，也能够抑制接合缺陷并提高接合强度，抑制设备成本的增加并提高经济性，并且生产效率高。本发明的其他目的在于提供一种双面摩擦搅拌接合方法，即使在存在于两张金属板的对接部的间隙超过O. 5mm的情况下，也能够抑制接合缺陷并提高接合强度，抑制设备成本的增加并提高经济性，并且生产效率高，而且，即使在进行厚度不同的两张金属板的接合的情况下，也能够减少毛刺的产生，产品合格率高。用于解决课题的手段为了解决上述课题的第一技术方案是一种双面摩擦搅拌接合方法，在将两张金属板的端面对接的对接部的表面侧和背面侧，将第一以及第二旋转工具以相对置的方式配置，通过该第一以及第二旋转工具对所述对接部进行摩擦搅拌，由此对所述两张金属板进行摩擦搅拌接合，其特征在于，所述第一以及第二旋转工具的一方是旋转工具，该旋转工具具有工具主体，在其前端部分形成有台肩部；至少一个突起部，其以从该工具主体的前端部分突出的方式形成，所述第一以及第二旋转工具的另一方是旋转工具，该旋转工具具有工具主体，在其前端部分形成有台肩部；至少一个凹部，其形成于该工具主体的前端部分，并在所述两张金属板接合时收纳所述突起部的前端部，在将所述两张金属板的端面对接而成的对接部产生了不足所述突起部的直径的间隙的状态下，分别通过第一以及第二握持装置握持所述两张金属板，使所述第一以及第二旋转工具旋转，使所述第一以及第二旋转工具向相互接近的方向移动，将所述一方的旋转工具的突起部的前端部插入所述另一方的旋转工具的凹部内，并且，将所述第一以及第二旋转工具的所述台肩部的台肩面按压于所述对接部的表面侧和背面侧，在该状态下，使所述第一以及第二旋转工具沿所述对接部移动，对所述对接部的板厚方向整个区域进行摩擦搅拌。另外，为解决上述课题的第二技术方案，在上述第一技术方案的双面摩擦搅拌接合方法中，其特征在于，将所述端面对接的两张金属板，是板厚不同且在所述对接部存在层差的金属板，通过所述第一以及第二旋转工具对存在所述层差的对接部进行摩擦搅拌，从而对所述两张金属板进行摩擦搅拌接合。而且，为解决上述课题的第三技术方案，在上述第一或第二技术方案的双面摩擦搅拌接合方法中，其特征在于，在所述第一以及第二旋转工具的移动中，以所述相对置地配置的所述第一以及第二旋转工具的前端部分相对于后端部分朝所述第一以及第二旋转工具的移动方向先行的方式，使所述第一以及第二旋转工具的各自的轴心倾斜。另外，为解决上述课题的第三技术方案，在上述第二技术方案的双面摩擦搅拌接合方法中，其特征在于，在所述第一以及第二旋转工具的移动中，以所述相对置地配置的所述第一以及第二旋转工具的前端部分相对于后端部分朝所述第一以及第二旋转工具的移动方向先行的方式，使所述第一以及第二旋转工具的各自的轴心倾斜，并且以成为朝所述板厚不同的两张金属板之中的薄板侧倾斜的姿势、且以所述第一以及第二旋转工具的所述台肩部的台肩面与所述板厚不同的两张金属板的双方的表面接触的方式，使第一以及第二旋转工具中的至少位于存在层差的那一侧的旋转工具的轴心倾斜。发明的效果根据本发明，能够获得以下的效果。<效果1:接合强度的提高>
<第一技术方案>第一技术方案中，使第一以及第二旋转工具在相互接近的方向上移动，将一方的旋转工具的突起部的前端部插入到另一方的旋转工具的凹部内，并且，将第一以及第二旋转工具的台肩部的台肩面按压于对接部的表面侧和背面侧，在该状态下使第一以及第二旋转工具沿对接部移动并进行摩擦搅拌。由此，即使在对接部的间隙超过O. 5mm的情况下，只要该间隙不足突起部的直径，就能对对接部的板厚方向整个区域进行摩擦搅拌，两张金属板在对接部的板厚方向整个区域接合。S卩，如前述那样，在从单侧进行的摩擦搅拌接合中，(I)能够通过对接部背面的温度降低而使塑性流动性降低，(2)通过带氧化皮膜的未搅拌部与摩擦搅拌部的压接能够降低接合强度，(3)由于因对接部背面的压力降低会产生空隙等的缺陷，由此，当在对接部产生有O. 5mm以上的间隙的情况下，容易在接合部产生通道状的内部缺陷或槽状的表面缺陷等的接合缺陷。对此，第一发明中，第一以及第二旋转工具的台肩面按压对接部的表面侧和背面侧并从对接部的双面同时进行摩擦搅拌。由此能够防止因单面摩擦搅拌接合而产生的向垫板的热损失，不仅能够防止对接部背面的温度降低，而且，在对接部背面侧还产生摩擦搅拌热从而金属材料高温化。并且，还能够防止对接部背面的面压的降低。另外，突起部对对接部的板厚方向整个区域进行摩擦搅拌。此时，即使为对接部的间隙超过O. 5mm的情况下，只要对接部的间隙不足突起部的直径，则突起部在还包括对接部的板厚中央部附近在内的板厚方向整个区域范围内与金属板材料可靠地接触。通过该突起部向对接部端面的接触和来自对接部双面的向台肩面的按压，能够将对接部端面的氧化皮膜在板厚方向整个区域粉碎。这样从对接部双面同时进行摩擦搅拌并且对对接部的板厚方向整个区域进行摩擦搅拌，由此，(I)能够防止对接部背面的温度降低，(2)能够在对接部端面的板厚方向整个区域的范围内将氧化皮膜 粉碎，(3)能够防止对接部背面部的压力降低。其结果是，能够抑制在接合部产生通道状的内部缺陷或槽状的表面缺陷等的缺陷，能够进行高接合强度、高可靠性的摩擦搅拌接合。另外，如专利文献1、专利文献2那样，在使用一根旋转工具从单侧进行摩擦搅拌接合的情况下，在接合部的背面残存有未接合部，而在本发明中，由于从双面同时进行摩擦搅拌，因此能够抑制在接合部的背面残存未接合部的情况。而且，在专利文献6所记载的双面摩擦搅拌接合中，由于以在两根旋转工具的探针前端间实际上不留有间隙的状态进行摩擦搅拌接合，因此，接合中，在产生金属板的厚度的微小变动的情况下，存在台肩面与金属板表面的接触面的面压发生变动，因摩擦热量的变动使接合强度降低的问题。本发明中，第一以及第二旋转工具是分体的，能够调整两者间的距离，因此，能够对至少一方的旋转工具的向接合部的按压采用负荷控制。由于能够这样采用负荷控制，因此能够根据金属板的厚度(接合部的厚度)的微小变动来调整突起部向凹部的插入量，由此，能够不对第一以及第二旋转工具的台肩面间的距离进行固定地，从双面进行摩擦搅拌接合。由此能够避免金属板的厚度的微小变动所导致的台肩面与金属板接合部表面的接触面的面压发生变动，能够抑制摩擦热量的变动，抑制接合缺陷，能够进行具有高可靠性的接合。
因此，根据第一技术方案，即使在存在于两张金属板的对接部的间隙超过O. 5mm的情况下，也能够抑制接合缺陷，能够进行高接合强度、高可靠性的摩擦搅拌接合。另外，通过从金属板的双面同时对对接部的板厚方向整个区域进行摩擦搅拌接合，能够提高相对于对接部的间隙的接合部强度的牢固性，能够进行高接合品质的摩擦搅拌接合。<第二技术方案>第二技术方案中，在将上述端面对接的两张金属板的板厚不同的情况下，进行第一技术方案的双面摩擦搅拌接合。在两张金属板的厚度不同因而在对接部存在层差的情况下，即使如专利文献3的图4那样使旋转工具向厚度薄的板倾斜，由于是从单侧进行的摩擦搅拌接合，因此，因前述的理由而存在在接合部的背面残存未接合部的情况。但是，在本发明中，使旋转工具的突起部突入至对接部的板厚方向整个区域，从对接部双面同时地并且对对接部的板厚方向整个区域进行摩擦搅拌，因此即使是在对接部存在层差的情况，也能够抑制在接合部的背面残存未接合部。由此能够抑制接合缺陷，能提供高接合强度、高可靠性的摩擦搅拌接合方法。另外，本发明中，第一以及第二旋转工具在其表背面同时夹住厚度不同的两张金属板并从对接部双面同时进行摩擦搅拌。由此能够避免如专利文献4的图12以及图13那样，在金属板的对接部的表背面侧将工具错开配置而进行摩擦搅拌接合的情况下那样的、因接合时的按压力导致在接合部产生弯曲变形的情况，能够抑制接合缺陷，进行高接合强度、高可靠性的接合。<效果2 :经济性的提高><第一技术方案>第一技术方案中，通过第一以及第二握持装置分别对两张金属板进行握持时，即使在对接部的间隙超过O. 5mm的情况下，只要该间隙不足突起部的直径便能够进行良好的接合，因此，不再需要将对接部的间隙保持为O. 5mm以下，能够抑制握持装置以及切断装置的大型化，提高经济性。另外，由于不再需要专利文献I中记载的用于使摩擦搅拌接合装置主体或者金属板摆动的新的机构，因此能够抑制设备的大型化，提高经济性。而且，在专利文献6所记载的双面摩擦搅拌接合中，由于在对两根旋转工具的探针前端间实际不留有间隙的状态下进行摩擦搅拌接合，所以，若金属板的厚度不同，则探针长度也必须据此改变，需要与金属板的厚度相符地准备多个具有不同探针长度的旋转工具。本发明中，在突起部在凹部内的插入量不为零的范围内调整其插入量，由此，能够自由调整第一以及第二旋转工具间的距离，因此即使金属板的厚度不同，也不需要与金属板的厚度相符地准备多个具有不同探针长度的旋转工具，能够抑制运转成本，提高经济性。<第二技术方案>第二技术方案中，即使在两张金属板的厚度不同因而在对接部存在层差的情况下，由于对对接部的表背面同时进行摩擦搅拌接合，因此能够消除如专利文献4的图12以及图13那样，在金属板的对接部的表背面侧将工具错开配置而进行摩擦搅拌接合的情况那样的、必须将支承辊大径化的问题，能够使设备小型化，提高经济性。<效果3 :生产效率的提高><第一技术方案>
第一技术方案中，由于不需要如专利文献2记载的粉末状接合材料的填充，因此能够抑制接合作业效率的降低，提高生产效率。另外，由于第一以及第ニ旋转工具从接合部的表背面的两侧进行摩擦搅拌接合，因此能够防止单面摩擦搅拌接合中产生的向垫板的热损失。因此，能够增加接合部的软化区域，能够将施加于ー根旋转工具上的热负荷降低为1/2以下，能使生产效率提高。另外，能够进行接合品质高的摩擦搅拌接合。<第二技术方案>第二技术方案中，即使在两张金属板的厚度不同因而在对接部存在层差的情况下，由于能够对对接部的表背面同时进行摩擦搅拌接合，因此不需要像专利文献4的图5以及图6那样、对金属板的对接部以单面并分别以单独エ序进行摩擦搅拌，能够抑制生产效率的降低。<效果4 :毛刺的抑制以及接合強度的提高><第二技术方案>第二技术方案中，对金属板的厚度不同的两张金属板通过第一以及第二旋转工具进行摩擦搅拌，从双面同时进行摩擦搅拌接合。在金属板的厚度不同的情况下的双面摩擦搅拌接合中，即使如第三发明那样倾斜第一以及第二旋转工具的轴心，板厚厚的那ー侧的搅拌剩余部分容易作为毛刺产生。本发明中，由于对对接部留有间隙地通过第一以及第二旋转工具从双面同时进行摩擦搅拌接合，因此搅拌剰余部分的大部分立即反埋至对接部J的间隙G中。因此能够抑制毛刺的产生，维持产品的外观，提高产品合格率。另外，由于临时产生的毛刺反埋到对接部的间隙中，因此能够抑制接合部厚度的減少。<第三技术方案>第三技术方案中，在两张金属板的对接部产生有不足突起部的直径的间隙的状态下对两张金属板以第一以及第二握持装置分别进行握持，并进行双面摩擦搅拌接合的第一技术方案中，以第一以及第ニ旋转工具的前端部分相对于后端部分朝第一以及第二旋转エ具的移动方向先行的方式，使第一以及第二旋转工具的各自的轴心傾斜。通过这样使旋转工具的轴心倾斜，第一以及第ニ旋转工具的台肩面的一部分埋没于对接部，与该埋没量相当的部分成为搅拌剰余部分，并作为毛刺产生。但是，本发明中，由于对对接部留有间隙地通过第一以及第二旋转工具从双面同时进行摩擦搅拌接合，因此，搅拌剰余部分的大部分立即反埋至对接部的间隙。因此能够抑制毛刺的产生，维持产品的外观，提高产品合格率。另外，由于临时产生的毛刺反埋至对接部的间隙，因此能够抑制接合部厚度的減少。另外，在两张金属板的厚度不同因而在对接部存在层差的情况下，在以第一以及第二旋转工具的前端部分相对于后端部分朝第一以及第二旋转工具的移动方向先行的方式使第一以及第二旋转工具的各自的轴心倾斜的情况下，因倾斜旋转工具的轴心而产生的台肩面的一部分的埋没量和因厚度不同的两张金属板的板厚之差的双方成为搅拌剰余部分，会产生较多的毛刺。但是，该情况下，搅拌剩余部分的大部分立即反埋至对接部的间隙。因此能够抑制毛刺的产生，维持产品的外观，提高产品合格率。另外，由于临时产生的更多的毛刺被反埋于对接部的间隙中，因此能够抑制接合部厚度的減少。〈第四技术方案〉第四技术方案中，在两张金属板的厚度不同 因而在对接部存在层差的情况下，不仅以第一以及第二旋转工具的前端部分相对于后端部分朝第一以及第二旋转工具的移动方向先行的方式使第一以及第二旋转工具的各自的轴心倾斜，而且，以成为朝板厚不同的两张金属板之中的薄板侧倾斜的姿势，并且以第一以及第二旋转工具的台肩部的台肩面与板厚不同的两张金属板的双方的表面接触的方式，使第一以及第二旋转工具中的至少位于存在层差的那一侧的旋转工具的轴心倾斜。由此能够使两张金属板的厚度不同因而在对接部存在层差的情况下的接合强度进一步提高。另外，与第三技术方案相同，能够抑制毛刺的产生，提高产品合格率，并且由于临时产生的毛刺反埋至对接部的间隙，因此能够进一步抑制接合部厚度的减少。
图1是表示本发明的第一实施方式的双面摩擦搅拌接合方法的图，是表示接合开始之后的状态的立体图。图2是表示本发明的第一实施方式的双面摩擦搅拌接合方法的图，是表示接合中的状态的立体图。图3是接合中的状态的工具移动方向直角方向的剖视图。图4是将金属板与旋转工具的剖面位置错开的接合中的状态的工具移动方向直角方向的剖视图。图5是表示第一以及第二旋转工具的尺寸关系的剖视图。图6是表示基于第一以及第二旋转工具的接合距离(接合开始后的时间)与旋转工具的主轴旋转马达负荷的变化的时间图。图7是相对于对接部的表背面，使第一以及第二旋转工具的配置位置相反的情况的接合时的工具移动方向直角方向的剖视图。图8是表示对接部的间隙与拉伸强度的相关的图。图9是表示实际的操作中的对接部的间隙的图，是从金属板上方对接合中的状态进行观察的图。图10是表示将本发明适用于板厚不同的两张金属板的接合的第二实施方式的双面摩擦搅拌接合方法的图，是接合中的状态的工具移动方向直角方向的剖视图。图11是表示本发明的第二实施方式的实施例1、2以及4中的第一以及第二旋转工具与金属板的位置关系的图，是接合中的状态的工具移动方向的剖视图。图12是表示实施例1的接合部剖面的形状的概念图。图13是表示本发明的第二实施方式的实施例3中的第一以及第二旋转工具与金属板的位置关系的图，是接合中的状态的工具移动方向直角方向的剖视图。图14是表示实施例3中的第一以及第二旋转工具与金属板的位置关系的图，是接合中的状态的工具移动方向的剖视图。图15是表示本发明的第二实施方式的实施例5中的第一以及第二旋转工具与金属板的位置关系的图，是接合中的状态的工具移动方向直角方向的剖视图。图16是表示实施例5的接合部剖面的形状的概念图。图17是在实施例5中，相对于对接部的表背面，使第一以及第二旋转工具的配置位置相反的情况下的工具移动方向直角方向的剖视图。
图18是表示本发明的第二实施方式的实施例6中的第一以及第二旋转工具与金属板的位置关系的图，是接合中的状态的工具移动方向直角方向的剖视图。图19是表示本发明的第二实施方式的实施例7中的第一以及第二旋转工具与金属板的位置关系的图，是在实施例5中，以在两个金属板的对接部的上部不产生层差的方式进行设置并且相对于对接部的表背面，使第一以及第二旋转工具的配置位置相反的情况下的工具移动方向直角方向的剖视图。图20是表示实施例7的接合部剖面的形状的概念图。
具体实施例方式接下来，对本发明的实施方式參照附图进行说明。〈第一实施方式〉首先，使用图1 图9对本发明的第一实施方式进行说明。本实施方式，是将本发明适用于相同的板厚的两张金属板的接合的实施方式。图1 图5是表示本发明的第一实施方式的双面摩擦搅拌接合方法的图，图1是接合开始之后的状态的立体图，图2是接合中的状态的立体图，图3是接合中的状态的工具移动方向直角方向的剖视图，图4是将金属板与旋转工具的剖面位置错开的接合中的状态的工具移动方向直角方向的剖视图， 图5是表示第一以及第二旋转工具的尺寸关系的剖视图。如图1以及图2所示，在本实施方式的双面摩擦搅拌接合方法中，在将两张金属板1、2的端面对接的对接部B的表面侧和背面侧，将第一以及第二旋转工具3、4以相对置的方式配置，通过该第一以及第二旋转工具3、4对对接部B进行摩擦搅拌，对两张金属板1、2行摩擦搅拌接合。首先，对第一以及第ニ旋转工具3、4进行说明。本实施方式中，使用图3 图5所示那样的第一以及第二旋转工具3、4对金属板1、2进行接合。第一旋转工具3具有工具主体3a，在其前端部分上形成有具有对对接部B进行按压的台肩面3b的台肩部3c ;在该エ具主体3a的前端部分以从台肩面3b突出的方式形成的销状的突起部(探针)3d。第二旋转工具4具有工具主体4a，在其前端部分形成有具有对对接部B进行按压的台肩面4b的台肩部4c ;形成于该工具主体4a的台肩面4b并在两张金属板1、2的接合时收纳突起部3d的前端部的凹部4d。第一旋转工具3的突起部(探针)3d具有圆筒形的外周形状，第二旋转工具4的凹部4d也具有圆筒形的内周形状。在突起部(探针)3d的前端插入凹部4d内的状态下，在两者之间形成有呈圆筒形状的环状的间隙。接下来，对使用第一以及第二旋转工具的接合方法进行说明。首先，在将两张金属板1、2的端面la、2a对接的状态下，通过第一以及第二握持装置5、6分别握持两张金属板。握持装置5、6分别具有夹住金属板1、2并进行固定的上下的握持板5a、5b、6a、6b。在被握持装置5、6握持的状态下，在两张金属板1、2的对接部B形成有间隙G。间隙G的宽度不足第一旋转工具3的突起部3d的直径dl。这里，在本实施方式中，为了明确是否能够接合及对接部的机械式性质等的关系(后述)，使对接部B的间隙G在两张金属板1、2的接合长度的全长范围内恒定。该情况下，两张金属板1、2的端面la、2a不接触，严格来说，不处于对接状态。但是，在实际的操作中，两张金属板的端面la、2a会成为在接合长度方向的某个位置接触并对接的状态，考虑到这一情况，在本说明书中，将在接合长度的全长范围内在对接部B存在间隙G的情况也包括在内，将两张金属板1、2的应接合的端面部分称为对接部B。下面，在与两张金属板1、2的对接部B的接合开始侧侧端面lb、2b相邻的位置上，将第一以及第二旋转工具3、4以在对接部B的表面侧和背面侧相对置的方式配置。而且，使第一以及第二旋转工具3、4旋转并且向相互接近的方向移动，将第一旋转工具3的突起部3d的前端部插入第二旋转工具4的凹部4d内，并且，将第一以及第二旋转工具3、4的台肩面3b、4b按压于对接部B的表面侧和背面侧。接着，在该状态下，使第一以及第二旋转工具3、4旋转并且使其沿对接部B向接合进行方向移动，通过第一以及第二旋转工具3、4从对接部B的双面对对接部B的板厚方向整个区域进行摩擦搅拌。由此金属板1、2被接合。另外，在使以相对置的方式配置的第一以及第二旋转工具3、4沿对接部B移动的期间，优选以第一以及第二旋转工具3、4的前端部分相对于后端部分(工具前端部分的相反侧端部)朝向第一以及第二旋转工具3、4的移动方向先行的方式，将第一以及第二旋转工具3、4的各自的轴心15倾斜。此外，并非必须使第一以及第二旋转工具3、4倾斜，第一以及第二旋转工具3、4的各自的轴心15相对于金属板1、2的表面几乎为直角也可以。金属板1、2接合后，对接部B成为接合部。对接合部适当地标注附图标记J进行表示(例如图2、图9等)。根据本实施方式的接合方法，由于从对接部B的双面同时进行摩擦搅拌并且对对接部B的板厚方向整个区域进行摩擦搅拌，所以即使在对接部B的间隙G超过O. 5mm的情况下，只要该间隙G不足突起部3d的直径，对接部B的板厚方向整个区域被摩擦搅拌，两张金属板1、2在对接部B的板厚方向整个区域内被接合。S卩，第一以及第 二旋转工具3、4的台肩面3b、4b对对接部B的表面侧和背面侧进行按压并从对接部B的双面同时进行摩擦搅拌。由此能防止因单面摩擦搅拌接合而产生的向垫板的热损失，能够防止对接部背面的温度降低，并且，不仅能够防止对接部背面的面压的降低，而且在对接部背面侧也产生摩擦搅拌热由此金属材料高温化。并且，还能够防止对接部背面的面压的降低。另外，在使第一以及第二旋转工具3、4沿对接部B移动并进行摩擦搅拌的期间，第一旋转工具3的突起部3d突入至对接部B的板厚方向整个区域，对对接部B的板厚方向整个区域进行摩擦搅拌。此时，即使在对接部B的间隙G超过O. 5mm的情况下，只要对接部B的间隙G不足突起部3d的直径，第一旋转工具3的突起部3d在包含对接部B的板厚中央部附近在内的板厚方向整个区域范围内与金属板材料可靠地接触。由于该突起部的向对接部端面la、2a的接触以及来自对接部双面的对台肩面3b、4b的按压，能够将对接部端面la、2a的氧化皮膜在板厚方向整个区域内粉碎。通过这样从对接部双面同时进行摩擦搅拌并且对对接部B的板厚方向整个区域进行摩擦搅拌，⑴能够防止对接部B的背面的温度降低，⑵能够在对接部端面la、2a的板厚方向整个区域范围内将氧化皮膜粉碎，(3)能够防止对接部背面部的压力降低。其结果是，能够抑制在接合部产生通道状的内部缺陷或槽状的表面缺陷等的缺陷，能够进行接合强度高、可靠性高的摩擦搅拌接合。另外，与单面摩擦搅拌接合相比，能够将施加于一根旋转工具的热负荷变为1/2以下，因此能够提高生产效率。
另外，在以第一以及第ニ旋转工具3、4的前端部分相对于后端部分向第一以及第ニ旋转工具3、4的移动方向先行的方式将第一以及第ニ旋转工具3、4的各自的轴心15倾斜的情况下，第一以及第二旋转工具3、4的台肩面3b、4b的一部分(接合进行方向的台肩后部侧)埋没于对接部B，与该埋没量相当的部分成为搅拌剰余部分，该搅拌剰余部分作为毛刺产生。但是，由于在对接部B形成有间隙G，因此搅拌剰余部分的大部分立即反埋到对接部B的间隙G中。因此能够抑制毛刺的产生，能够维持产品的外观，能够提高产品合格率。另外，由于临时产生于对接部的间隙中的毛刺被反埋，因此接合強度也变高，接合品质得到提闻。另外，由于即使在两张金属板的对接部B的间隙(间隙的最大幅度)超过0.5mm的情况下也能够进行接合，因此无需将对接部B的间隙保持为0. 5mm以下，能够抑制握持装置5、6以及切断金属板1、2的未图示的切断装置的大型化。另外，也不需要用于使摩擦搅拌接合装置主体或者金属板摆动的新的机构。因此，能够抑制设备的大型化，提高经济性。而且，即使在无法将对接部的间隙保持为0. 5mm以下的情况下，由于不需要对产生于对接部的间隙填充粉末状接合材料等的特别的エ序，因此能够抑制接合作业效率的降低，能够提高生产效率。另外，由于第一以及第二旋转工具3、4是分体的，在第二旋转工具4的凹部4d内的第一旋转工具3的突起部3d的插入量(第一以及第ニ旋转工具间的距离)不为零的范围内，能够自由调整该插入量，能够调整第一以及第ニ旋转工具3、4间的距离。因此，能够对至少一方的旋转工具的向接合部的按压采用负荷控制。而且通过采用负荷控制，能够不对上下的台肩面3b、4b间的距离进行固定地从双面进行摩擦搅拌接合。由此能够避免基于金属板的厚度的微小变动的台肩面3b、4b与金属板接合部表面的接触面的面压发生变动，能够抑制摩擦热量的变动，抑制接合缺陷，能够进行具有高可靠性的接合。另外，由于第一以及第二`够与金属板1、2的厚度相符地，将第一旋转工具3的突起部3d插入第二旋转工具4的凹部4d内，从双面且在对接部B的板厚方向整个区域内对突起部3d的长度的范围内的厚度的金属板进行摩擦搅拌接合。由此不需要与金属板的厚度相符地更换具有不同探针长度的旋转工具，因此不必准备多个具有不同探针长度的旋转エ具，能够抑制运转成本，提高经济性。而且，由于第一以及第二旋转工具3、4是分体的，因此能够使第一以及第二旋转工具3、4的旋转方向在对接部B的表面侧和背面侧为相反方向。由此能够将来自对接部B的表面侧的基于搅拌的剪切力和来自背面侧的基于搅拌的剪切力在对接部B的内部抵消，防止材料的断裂，能够进行具有高可靠性的接合。该效果在使第一以及第二旋转工具3、4的台肩面3b、4b的直径相同的情况下尤其明显。图6是表示基于第一以及第二旋转工具3、4的接合距离(接合开始后的时间)与旋转工具的主轴的旋转马达负荷的变化的时间图。当使不具有探针或者突起部的旋转工具在接合方向进行时，若在旋转工具的台肩面与金属板的接触面作用偏芯负载，则会产生微振动，存在摩擦搅拌不均匀、引起接合不良的问题。根据本发明者等所进行的试验，确认了下述事实通过使第一旋转工具3的突起部(探针)3d向第二旋转工具4的凹部4d的插入量超过Omm，如图3的时间图所示，在接合开始之后的数秒内，产生微振动,但此后,能够抑制微振动。这是由于材料软化,材料被填充在凹部4d中，由此，插入的第一旋转工具3的突起部3d经由被软化填充的材料在第二旋转工具4的凹部4d内受到内压，其结果是，会作用减振力。其结果是，能够抑制微振动，能够进行均匀的摩擦搅拌，通过这一点也能够抑制接合不良，能够实现具有高可靠性的接合。另外，在接合开始前，若在凹部4d中填充与间隙相当的量的材料，能够避免该振动。图7是表示相对于对接部B的表背面，将第一以及第二旋转工具的配置位置颠倒的情况的接合方法的图。图1中，在对接部B的表面侧，配置第一旋转工具3，在其工具主体3a的前端部分具有突起部(探针)3d，在对接部B的背面侧，配置第二旋转工具4，在其工具主体4a的前端部分具有凹部4d，但如图7所示，相对于对接部B的表背面，将第一旋转工具3和第二旋转工具4的配置位置颠倒也不会改变摩擦搅拌接合的效果。介绍第一以及第二旋转工具3、4的材质。单面的摩擦搅拌接合，在作为熔点较低的材料即铝等非铁合金领域中已被应用。通常，在摩擦搅拌接合中，需要通过摩擦搅拌热使材料温度上升到熔点的80%左右。其结果是，在超过1000°C的高熔点材料的接合中，基于每单位长度的摩擦搅拌的投入能量变高，而且变形阻力值也变高，因此，旋转工具需要高的耐热强度和破坏韧性，而不得不使用昂贵的多晶金刚石等材料。而且，即使使用这些工具材料，也由于热冲击、工具的磨损以及作用在探针或突起上的弯曲力矩等，使工具寿命变短，成为妨碍摩擦搅拌接合向超过1000°c的高熔点材料的普及的主要原因。在本实施方式中，从对接部B的表背面的两侧进行摩擦搅拌接合，由此，能够防止在单面摩擦搅拌接合中产生的向垫板的热损失。因此，接合部的软化区域增加，能够使施加在一根旋转工具上的热负荷成为1/2以下。而且，如上所述，在至少一个旋转工具向接合部B的按压中采用负荷控制，由此，能够避免金属板的厚度的微小变动而导致的台肩面3b、4b与金属板接合部表面的接触面上的面压力变动，从而降低热负荷的变动。由此，旋转工具的材质不必使用昂贵的多晶金刚石等材料，而使旋转工具的材质为烧结碳化钨的超硬合金、钨合金等。其结果是，在熔点为1000°C以上的金属板的摩擦搅拌中，能够提供一种工具寿命长且经济的旋转工具。<板厚与工具尺寸与间隙的关系>对于第一旋转工具3的各部分的尺寸关系以及第一旋转工具3与第二旋转工具4的尺寸关系，以及第一旋转工具3的突起部3d的直径与对接部B的间隙G的关系，使用图4以及图5和表I进行说明。
权利要求
1.一种双面摩擦搅拌接合方法，在将两张金属板(1、2)的端面(la、2a)对接的对接部 (B)的表面侧和背面侧，将第一以及第二旋转工具(3、4)以相对置的方式配置，通过该第一以及第二旋转工具对所述对接部进行摩擦搅拌，由此对所述两张金属板进行摩擦搅拌接合，其特征在于，所述第一以及第二旋转工具(3、4)的一方是旋转工具(3)，该旋转工具(3)具有工具主体(3a)，在其前端部分形成有台肩部(3c);至少一个突起部(3d)，其以从该工具主体的前端部分突出的方式形成，所述第一以及第二旋转工具的另一方是旋转工具(4)，该旋转工具(4)具有工具主体 (4a)，在其前端部分形成有台肩部(4c);至少一个凹部(4d)，其形成于该工具主体的前端部分，并在所述两张金属板(1、2)接合时收纳所述突起部(3d)的前端部，在将所述两张金属板(1、2)的端面(la、2a)对接而成的对接部产生了不足所述突起部 (3d)的直径(dl)的间隙(G)的状态下，分别通过第一以及第二握持装置握持所述两张金属板(1、2),使所述第一以及第二旋转工具旋转，使所述第一以及第二旋转工具向相互接近的方向移动，将所述一方的旋转工具的突起部(3d)的前端部插入所述另一方的旋转工具的凹部 (4d)内，并且，将所述第一以及第二旋转工具的所述台肩部的台肩面(3b、4b)按压于所述对接部的表面侧和背面侧，在该状态下，使所述第一以及第二旋转工具沿所述对接部移动，对所述对接部的板厚方向整个区域进行摩擦搅拌。
2.如权利要求1所述的双面摩擦搅拌接合方法，其特征在于，将所述端面对接的两张金属板(1、2)，是板厚不同且在所述对接部(B)存在层差的金属板，通过所述第一以及第二旋转工具(3、4)对存在所述层差的对接部进行摩擦搅拌，从而对所述两张金属板进行摩擦搅拌接合。
3.如权利要求1或2所述的双面摩擦搅拌接合方法，其特征在于，在所述第一以及第二旋转工具(3、4)的移动中，以所述相对置地配置的所述第一以及第二旋转工具(3、4)的前端部分相对于后端部分朝所述第一以及第二旋转工具的移动方向先行的方式，使所述第一以及第二旋转工具的各自的轴心(15)倾斜。
4.如权利要求2所述的双面摩擦搅拌接合方法，其特征在于，在所述第一以及第二旋转工具(3、4)的移动中，以所述相对置地配置的所述第一以及第二旋转工具(3、4)的前端部分相对于后端部分朝所述第一以及第二旋转工具的移动方向先行的方式，使所述第一以及第二旋转工具的各自的轴心(15)倾斜，并且以成为朝所述板厚不同的两张金属板(1、2)之中的薄板侧倾斜的姿势、且以所述第一以及第二旋转工具的所述台肩部(3c、4c)的台肩面(3b、4b)与所述板厚不同的两张金属板的双方的表面接触的方式，使第一以及第二旋转工具中的至少位于存在层差的那一侧的旋转工具的轴心(15) 倾斜。
全文摘要
一种双面摩擦搅拌接合方法。在双面摩擦搅拌接合中，即使在存在于两张金属板的对接部的间隙超过0.5mm的情况下，也能够抑制接合缺陷并提高接合强度，抑制设备成本的增加并提高经济性，并且提高生产效率。第一以及第二旋转工具(3、4)分别具有在前端部分形成有台肩部(3c、4c)的工具主体(3a、4a)，第一旋转工具(3)还具有以从工具主体的前端部分突出的方式形成的突起部(3d)，第二旋转工具(4)还具有形成于工具主体的前端部分并在两张金属板(1、2)的接合时收纳突起部(3d)的前端部的凹部(4d)，在将金属板(1、2)的端面对接而成的对接部(B)产生了不足突起部的直径的间隙的状态下，通过握持装置(5、6)对金属板(1、2)进行握持，将旋转工具的突起部(3d)的前端部插入旋转工具的凹部(4d)内，对对接部的板厚方向整个区域进行摩擦搅拌将其接合。
文档编号B23K20/12GK103052463SQ20108006838
公开日2013年4月17日 申请日期2010年9月3日 优先权日2010年9月3日
发明者加贺慎一, 小野濑满, 富永宪明, 斋藤武彦, 芳村泰嗣, 平野聪, 朴胜焕 申请人:三菱日立制铁机械株式会社