JP2005152909A

JP2005152909A - 回転ツール及び摩擦撹拌接合装置及び摩擦撹拌接合方法

Info

Publication number: JP2005152909A
Application number: JP2003391676A
Authority: JP
Inventors: Yasufumi Norimatsu; 康文則松; Nobumi Hiromoto; 悦己広本; Yujiro Watabe; 裕二郎渡部; Yoshikuni Kato; 慶訓加藤; Toyoaki Yasui; 豊明安井; Chie Kusaka; 智恵日下
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2003-11-21
Filing date: 2003-11-21
Publication date: 2005-06-16

Abstract

【課題】長時間使用しても接合材の金属成分が回転ツールに凝着することがない摩擦撹拌接合方法を提供する。
【解決手段】金属に接触する部位である小径部５及び端面２３及びボビン２４の上面にアルミニウムの凝着を阻止するダイヤモンドライクカーボン２５を形成し、長時間使用しても接合材のアルミニウムが凝着することがない回転ツール４を備えた摩擦撹拌接合装置とする。
【選択図】図４

Description

本発明は、金属同士の接合部を摩擦撹拌して一体化するための撹拌接合のための回転ツールに関する。
また、本発明は、金属同士の接合部に回転ツールを挿入して接合を行う摩擦撹拌接合装置及び摩擦撹拌接合方法に関する。

例えば、車両の外板となるアルミ合金の接合を行う場合、鋼板同士の接合部にねじ状の回転ツールを挿入して鋼板同士の接合を行う摩擦撹拌接合が知られている(例えば、非特許文献１、特許文献１参照)。摩擦撹拌接合は、鋼板よりも固い材質(鋼板がアルミ合金の場合、例えば普通鋼)の回転ツールを接合部で回転させながら移動させることで、接合方向に連続な歪接合を施す技術である。摩擦撹拌接合では、接合部の金属組織が鋳造組織ではなく加工組織となって機械特性が優れたものとなる。

従来の摩擦撹拌接合では、回転ツールと鋼板のぬれ性と粘性をバランスさせて条件を設定しているが、塑性流動による接合であるので、接合を繰り返すことにより回転ツールに金属成分(アルミニウム)が凝着してしまい、長時間(例えば、３時間以上)使用することができないのが現状であった。

回転ツールにアルミニウムが凝着した場合、回転ツールを装置から取り外し、酸液に浸漬して凝着したアルミニウムを溶かしていた。このため、連続加工ができずに生産性に限度があった。また、段取り替えに時間を要すると共に加工条件の再設定を行う必要があり、作業性が悪く加工条件を安定させて一定条件での加工を維持することが困難であった。

日本溶接協会、溶接技術、第５１巻、第５号、p.６０〜p.６９、２００３年５月特開２００２-６６７５８号公報

本発明は上記状況に鑑みてなされてもので、長時間使用しても接合材の金属成分が凝着することがない回転ツールを提供することを目的とする。

また、本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、長時間使用しても接合材の金属成分が凝着することがない回転ツールを備えた摩擦撹拌接合装置を提供することを目的とする。

また、本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、長時間使用しても接合材の金属成分が回転ツールに凝着することがない摩擦撹拌接合方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための請求項１の本発明の回転ツールは、
金属同士の接合部を摩擦撹拌して一体化するための摩擦攪拌接合のための回転ツールであって、
金属に接触する部位の表面に接合材金属の付着を阻止する付着阻止皮膜を形成した
ことを特徴とする。

そして、請求項２の本発明の回転ツールは、
請求項１に記載の回転ツールにおいて、
表面に下地層を形成し、下地層の表面に付着阻止皮膜を形成した
ことを特徴とする。

また、請求項３の本発明の回転ツールは、
請求項１もしくは請求項２に記載の回転ツールにおいて、
付着皮膜は表面の不均一部位に形成されている
ことを特徴とする回転ツール。

また、請求項４の本発明の回転ツールは、
請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の回転ツールにおいて、
円柱状の本体部が設けられると共に本体部の先端に小径部が設けられ、接合部に小径部が挿入され、本体部と小径部との間の段差部が接合部の表面に摺接する
ことを特徴とする。

また、請求項５の本発明の回転ツールは、
請求項４に記載の回転ツールにおいて、
少なくとも、小径部が設けられた本体部の端面に付着阻止皮膜を形成した
ことを特徴とする。

また、請求項６の本発明の回転ツールは、
請求項４もしくは請求項５に記載の回転ツールにおいて、
小径部の表面の不均一部位に付着皮膜が形成されている
ことを特徴とする。

また、請求項７の本発明の回転ツールは、
請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の回転ツールにおいて、
アルミニウムもしくはマグネシウムもしくは鉛を含む金属の接合に用いられ、
付着阻止皮膜はダイヤモンドライクカーボンである
ことを特徴とする。

また、請求項８の本発明の回転ツールは、
請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の回転ツールにおいて、
アルミニウムもしくはマグネシウムもしくは鉛を含む金属の接合に用いられ、
付着阻止皮膜は、少なくとも、TiN,CrN,TiC,SiC,TiAlN,AlCrSiNのいずれかである
ことを特徴とする。

また、請求項９の本発明の回転ツールは、
請求項２に記載の回転ツールにおいて、
下地層は、少なくとも、TiN,CrN,TiC,SiC,TiAlN,AlCrSiNのいずれかである
ことを特徴とする。

また、請求項１０の本発明の回転ツールは、
請求項１乃至請求項９のいずれか一項に記載の回転ツールにおいて、
基材は、少なくとも、工具鋼、コバルト基合金、ニッケル基合金、高速度鋼、タングステン、超硬、モリブデン合金、普通鋼、ステンレス、銅合金のいずれかである
ことを特徴とする。

上記目的を達成するための請求項１１の本発明の摩擦撹拌接合装置は、
金属同士の接合部に挿入される回転ツールを備えた摩擦撹拌接合装置において、
請求項１乃至請求項１０のいずれか一項に記載の回転ツールを備えた
ことを特徴とする。

上記目的を達成するための請求項１２の本発明の摩擦撹拌接合方法は、
金属同士の接合部が回転ツールの挿入により接合される摩擦撹拌接合方法において、
請求項５に記載の回転ツールを用い、
接合部における金属の表面に本体部の端面を摺接させて金属同士の接合部を接合させる
ことを特徴とする。

上記目的を達成するための請求項１３の本発明の摩擦撹拌接合方法は、
金属同士の接合部が回転ツールの挿入により接合される摩擦撹拌接合方法において、
回転ツールの挿入箇所における接合部に炭化水素系アルコールを供給して炭化金属を形成することで金属の回転ツールへの凝着を阻止しながら金属同士の接合部を接合させる
ことを特徴とする。

上記目的を達成するための請求項１４の本発明の摩擦撹拌接合装置は、
金属同士の接合部に挿入される回転ツールを備えた摩擦撹拌接合装置において、
炭化金属を形成して金属の回転ツールへの凝着を阻止するため、金属同士の接合部に炭化水素系アルコールを供給するアルコール供給手段を設けた
ことを特徴とする。

上記目的を達成するための請求項１５の本発明の摩擦撹拌接合方法は、
金属同士の接合部が回転ツールの挿入により接合される摩擦撹拌接合方法において、
請求項１乃至請求項１０のいずれか一項に記載の回転ツールを用い、
回転ツールの挿入箇所における接合部に炭化水素系アルコールを供給して炭化金属を形成することで金属の回転ツールへの凝着を阻止しながら金属同士の接合部を接合させる
ことを特徴とする。

上記目的を達成するための請求項１６の本発明の摩擦撹拌接合装置は、
金属同士の接合部に挿入される回転ツールを備えた摩擦撹拌接合装置において、
請求項１乃至請求項１０のいずれか一項に記載の回転ツールを備え、
炭化金属を形成して金属の回転ツールへの凝着を阻止するため、金属同士の接合部に炭化水素系アルコールを供給するアルコール供給手段を設けた
ことを特徴とする。

そして、請求項１７の本発明の摩擦撹拌接合方法は、
請求項１３もしくは請求項１５に記載の摩擦撹拌接合方法において、
炭化水素系アルコールは、エタノールもしくはメタノールもしくはプロパノールであることを特徴とする。

また、請求項１８の本発明の摩擦撹拌接合装置は、
請求項１４もしくは請求項１６に記載の摩擦撹拌接合装置において、
炭化水素系アルコールは、エタノールもしくはメタノールもしくはプロパノールであることを特徴とする。

請求項１の本発明では、付着防止皮膜により接合材の金属成分の凝着が阻止され、長時間にわたり初期の状態が保たれ、安定した加工を継続することができる回転ツールとすることが可能になる。

請求項２の発明では、下地層により付着防止皮膜の割れが防止されると共に、密着性を向上させることができる。

請求項３の発明では、不均一部位の付着防止皮膜により、回転ツールの表面に撹拌を促進する溝などを形成することなく十分な撹拌を得ることができる。

請求項４の発明では、本体部と小径部とからなる回転ツールにより摩擦撹拌接合が行える。

請求項５の発明では、本体部の端面部の付着防止皮膜により、接合材の表面に対するぬれ性が低くなり接合材の品質を向上させることができる。

請求項６の本発明では、小径部の不均一部位の付着防止皮膜により、接合部に挿入される小径部の表面に撹拌を促進する溝などを形成することなく十分な撹拌を得ることができる。

請求項７の本発明では、ダイヤモンドライクカーボンにより接合材のアルミニウム成分の凝着が阻止され、長時間にわたり初期の状態が保たれ、安定した加工を継続することができる。

請求項８の本発明では、少なくとも、TiN,CrN,TiC,SiC,TiAlN,AlCrSiNのいずれかの付着阻止皮膜としたので、耐磨耗性を向上させることができる。

請求項９の本発明では、少なくとも、TiN,CrN,TiC,SiC,TiAlN,AlCrSiNのいずれかの下地層としたので、耐磨耗性を向上させることができる。

請求項１０の本発明では、
基材として、工具鋼、コバルト基合金、ニッケル基合金、高速度鋼、タングステン、超硬、モリブデン合金、普通鋼、ステンレス、銅合金のいずれかを適用することができる。

請求項１１の本発明では、付着防止皮膜により接合材の金属成分の凝着が阻止され、長時間にわたり初期の状態が保たれ、安定した加工を継続することができる回転ツールを備えた摩擦撹拌接合装置とすることができる。したがって、長時間使用しても接合材の金属成分が凝着することがない回転ツールを備えた摩擦撹拌接合装置となる。

請求項１２の本発明では、付着防止皮膜により接合材の金属成分の凝着が阻止され、長時間にわたり初期の状態が保たれ、安定した加工を継続することができる回転ツールによる摩擦撹拌接が行える。したがって、長時間使用しても接合材の金属成分が回転ツールに凝着することがない摩擦撹拌接合方法とすることができる。

請求項１３の本発明の摩擦撹拌接合方法では、炭化水素系アルコールを供給して炭化金属を形成し、炭化金属により金属の新生面を覆い、溶融金属の回転ツールへの凝着を阻止することができる。したがって、長時間使用しても接合材の金属成分が回転ツールに凝着することがない摩擦撹拌接合方法とすることができる。

請求項１４の本発明の摩擦撹拌接合装置では、アルコール供給手段により炭化水素系アルコールを供給することにより炭化金属が形成され、炭化金属により金属の新生面が覆われるので、溶融金属の回転ツールへの凝着を阻止することができる。したがって、長時間使用しても接合材の金属成分が凝着することがない回転ツールを備えた摩擦撹拌接合装置となる。

請求項１５の本発明の摩擦撹拌接合方法では、付着防止皮膜により接合材の金属成分の凝着が阻止され、長時間にわたり初期の状態が保たれ、安定した加工を継続することができる回転ツールによる摩擦撹拌接が行えると共に、炭化水素系アルコールを供給して炭化金属を形成し、炭化金属により金属の新生面を覆い、溶融金属の回転ツールへの凝着を阻止することができる。したがって、長時間使用しても接合材の金属成分が回転ツールに凝着することがない摩擦撹拌接合方法とすることができる。

請求項１６の本発明の摩擦撹拌接合装置では、付着防止皮膜により接合材の金属成分の凝着が阻止され、長時間にわたり初期の状態が保たれ、安定した加工を継続することができる回転ツールを備えた摩擦撹拌接合装置とすることができる共に、アルコール供給手段により炭化水素系アルコールを供給することにより炭化金属が形成され、炭化金属により金属の新生面が覆われるので、溶融金属の回転ツールへの凝着を阻止することができる。したがって、長時間使用しても接合材の金属成分が凝着することがない回転ツールを備えた摩擦撹拌接合装置となる。

以下に本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。

図１には本発明の一実施形態例に係る回転ツールの断面、図２には回転ツールによる撹拌接合状態の説明、図３には図１に示した回転ツールを備えた摩擦撹拌接合装置の概略構成、図４には回転ツールの要部断面、図５、図６には付着防止皮膜の形成状況の説明、図７には摩擦撹拌接合の工程説明、図８には付着防止皮膜を形成する手段の概略構成を示してある。

図１、図２に示すように、例えば、車両の外板となるアルミニウム合金の板材１、２が突き合わされて配置され、突合せの接合部３には回転ツール４の小径部５が挿入される。回転ツール４を所定の回転速度で回転させながら接合部３に沿って移動させることで、接合部３に沿って連続な摩擦撹拌領域６が形成されて板材１、２同士が歪接合される。

尚、板材１、２としては、アルミニウム合金の他にマグネシウムもしくは鉛を含む合金を適用することも可能である。

図３に基づいて摩擦撹拌接合装置の一例を説明する。

ベッド１１にはテーブル１２が設けられ、テーブル１２に板材１、２が固定されるようになっている。ベッド１１に対して門型のコラム１３が紙面に垂直な方向（Ｘ軸方向）に移動自在に支持され、コラム１３には加工ヘッド１４が左右方向（Ｙ軸方向）に移動自在に支持されている。

加工ヘッド１４には回転駆動手段１５を介して回転ツール４が支持されている。コラム１３及び加工ヘッド１４の移動により、回転ツール４はテーブル１２と平行な平面内で任意の位置に移動される。

テーブル１２が昇降自在、もしくは、回転駆動手段１５が昇降自在に支持され、回転ツール４はテーブル１２（板材１、２）に対して相対的に上下方向（Ｚ軸方向）に位置決めされる。

図に示した摩擦撹拌接合装置は一例であり、回転ツール４側を固定状態にして、テーブル１２をＸＹ平面内の任意の位置に移動自在とする構成としてもよい。

図３に示した摩擦撹拌接合装置に板材１、２を固定し、回転駆動手段１５により回転ツール４を所定の回転速度で回転させる。コラム１３及び加工ヘッド１４の移動により、回転ツール４を接合部３に沿って移動させる。これにより、接合部３に沿って連続な摩擦撹拌領域６（図２参照）が形成されて板材１、２同士が歪接合される。

図１に示すように、回転ツール４には、円柱状の本体部２１が設けられると共に本体部２１の軸芯部にはねじ軸２２が螺合している。本体部２１の先端部から突出するねじ軸２２の部位が小径部５とされ、小径部５が接合部３に挿入される。

この状態で、本体部２１と小径部５との間の段差部である本体部２１の端面２３が接合部３の表面３aに摺接する。ねじ軸２２の先端部（小径部５の先端部）には円盤状のボビン２４が螺合し、本体部２１とボビン２４とで接合部３の板材１、２が挟持される。この状態で、本体部２１、ねじ軸２２及びボビン２４が一体に回転する。

回転ツール４の基材（本体部２１、ねじ軸２２及びボビン２４）としては、少なくとも、工具鋼、コバルト基合金、ニッケル基合金、高速度鋼、タングステン、超硬、モリブデン合金、普通鋼、ステンレス、銅合金のいずれかで構成されている。これらの金属の合金で構成することも可能である。

図４に示すように、回転ツール４の板材１、２に接触する部位（本体部２１の端面２３、ねじ軸２２及びボビン２４の上面）の表面には、板材１、２の金属（接合材金属：アルミニウム）の付着を防止する付着阻止皮膜が形成されている。

即ち、本体部２１の端面２３、ねじ軸２２及びボビン２４の上面には、下地層２６が形成され、下地層２６の表面に付着阻止皮膜としてダイヤモンドライクカーボン２５が形成されている。下地層２６は、少なくとも、TiN,CrN,TiC,SiC,TiAlN,AlCrSiNのいずれかで構成されている。

図４に示すように、TiN,CrN,TiC,SiC,TiAlN,AlCrSiNのいずれかの下地層２６の上にダイヤモンドライクカーボン２５を形成したことにより、硬い下地の上にダイヤモンドライクカーボン２５の表層が形成された状態になり、ダイヤモンドライクカーボン２５に割れなどが生じることがない。また、温度伸びに対して有利になり、ダイヤモンドライクカーボン２５の密着性を向上させることができる。更に、付着阻止皮膜としてみた場合、傾斜組成状態の構造となり、耐ぬれ性、低摩擦性、耐磨耗性を持たせることができる。

尚、回転ツール４の基材の硬度が十分であれば、下地層２６を形成せずに、基材に直接ダイヤモンドライクカーボン２５を形成することも可能である。

付着阻止皮膜としてダイヤモンドライクカーボン２５を回転ツール４の表面に形成したことにより、アルミニウムとのぬれ性がなくなり、回転ツール４の表面にアルミニウムが凝着することがなくなる。特に、本体部２１の端面２３と小径部５の境目（ショルダー部）及び小径部５とボビン２４の境目にアルミニウムが凝着することがなくなる。

また、下地層２６及びダイヤモンドライクカーボン２５は本体部２１に螺合する部位のねじ部２２にも形成されているので、アルミニウムが螺合部に入り込むことがなくなる。

また、低磨耗性の向上、超寿命化が図れ、長時間にわたり初期の状態が保たれ、安定した加工を継続することができる。つまり、凝着金属の酸洗い等が不要になり、回転ツール４の交換や段取り替え等の作用が不要になる。

尚、付着阻止皮膜として、少なくとも、TiN,CrN,TiC,SiC,TiAlN,AlCrSiNのいずれかを適用することも可能である。

また、図４に示すように、ダイヤモンドライクカーボン２５は、（1）本体部２１の端面２３と小径部５の境目（ショルダー部）、（2）小径部５とボビン２４の境目、（3）小径部５（ねじ部２２）の部位に形成されている。少なくとも、アルミニウムが凝着しやすい（1）本体部２１の端面２３と小径部５の境目（ショルダー部）及び/または、（2）小径部５とボビン２４の境目にダイヤモンドライクカーボン２５を形成することも可能である。

また、図５に示すように、小径部５の表面の不均一部位として螺旋状にダイヤモンドライクカーボン２５を形成することも可能である。このようにすることで、小径部３に撹拌効果をもたせるためのねじ部を形成することなく、摩擦係数の異なる表面を形成することができる。したがって、小径部の加工を容易にすることができる。

小径部５の表面の不均一部位としては、図７に示すように、矩形のダイヤモンドライクカーボン２５を千鳥状に配置して、摩擦係数の異なる表面を形成し、撹拌効果を持たせるようにすることも可能である。

図７(a)に示すように、板材１、２を所定の隙間tに設定し、図７(b)に示すように、回転ツール４を回転させながら移動させて接合部３に沿って連続な摩擦撹拌領域６を形成する。ダイヤモンドライクカーボン２５が形成されている本体部２１の端面２３が板材１、２の表面に低摩擦状態で摺接し、図７(c)に示すように、板材１、２の表面２７が平坦状態に仕上げられる。

このため、本実施形態例の回転ツール４を用いて摩擦撹拌接合を行うことで、表面後処理等を簡素化しても、品質を向上させることができる製品とすることが可能になる。

また、回転ツール４の表面にダイヤモンドライクカーボン２５が形成されているため、板材１、２の隙間tを最小限に設定することができ、板材１、２の突合せ部位に厚肉部を設けることなく接合された部位の厚さｈを所望の強度を維持する状態に確保することができる。

図８に基づいてダイヤモンドライクカーボン２５を形成する手段を説明する。

図８(a)(b)はプラズマを用いた成膜によりダイヤモンドライクカーボン２５を形成する手段の概略を示し、図８(c)はアセチレンガスの火炎を用いてダイヤモンドライクカーボン２５を形成する手段の概略を示し、図８(d)は真空蒸着によりダイヤモンドライクカーボン２５を形成する手段の概略を示してある。

図８(a)に示すように、真空容器３１には支持台３２が設けられ、支持台３２に回転ツール４（本体部２１、ねじ軸２２及びボビン２４が一体もしくは別体）の基材３０が支持される。真空容器３１の周囲にはプラズマアンテナ３３が設けられ、プラズマアンテナ３３には電源３４から電力が供給される。

例えば、炭水化物系の原料ガスが供給され、プラズマアンテナ３３に給電を行うことで原料ガスプラズマ３５が発生し、真空容器３１を所定の状態（圧力、温度等）に制御して炭化物系の膜を回転ツール４の表面に成長させてダイヤモンドライクカーボン２５を形成する。

図８(b)に示すように、真空容器３１には支持台３２が設けられ、支持台３２に回転ツール４（本体部２１、ねじ軸２２及びボビン２４が一体もしくは別体）の基材３０が支持される。真空容器３１の天井部には炭素材料の被エッチング部材３６が設けられると共に、真空容器３１の周囲にはプラズマアンテナ３３が設けられ、プラズマアンテナ３３には電源３４から電力が供給される。

エッチングガスが供給され、プラズマアンテナ３３に給電を行うことでエッチングガスガスプラズマ３７が発生し、被エッチング部材３６がエッチングされる。エッチングガス成分と炭素成分との前駆体が形成され、真空容器３１を所定の状態（圧力、温度等）に制御することで炭化物系の膜を回転ツール４の表面に成長させてダイヤモンドライクカーボン２５を形成する。

プラズマを用いて成膜によりダイヤモンドライクカーボン２５を形成することで、短時間に均一のダイヤモンドライクカーボン２５の膜を形成することができる。

図８(c)に示すように、アセチレンガスの火炎４０を発生させ、火炎４０の還元炎４１の部位に基材３０を配する。これにより、基材３０の表面にダイヤモンドライクカーボン２５を形成する。したがって、極めて容易にダイヤモンドライクカーボン２５の膜を形成することができる。

図８(d)に示すように、真空蒸着容器４３には炭水化物系の原料４４が備えられ、原料４４はヒータ等の加熱源４５により加熱される。加熱された原料４４は蒸発して基材３３に蒸着し、基材３０の表面にダイヤモンドライクカーボン２５を形成する。したがって、簡単な装置構成により容易にダイヤモンドライクカーボン２５の膜を形成することができる。

ダイヤモンドライクカーボンを切削工具にコーティングする技術は従来から知られているが、回転ツール４は塑性流動、混合を発生させるための工具であり、切削とは加工のメカニズムが全く異なるものである。このため、コーティングの目的も回転ツール４では主にアルミニウムの凝着防止であるが、従来の切削工具は耐摩耗性の向上である。

本発明の他の実施形態例を説明する。図９には本発明の他の実施形態例に係る摩擦撹拌接合装置の概略構成、図１０にはエタノール供給手段を表す回転ツールの外観を示してある。摩擦撹拌接合の原理及び適用する装置、回転ツールは、図１乃至図３で示した実施例と略同一であるので、同一部材には同一符号を付してある。

本実施形態例は、金属同士（アルミニウム合金もしくはマグネシウム合金もしくは鉛合金）の接合部が回転ツールの挿入により接合される摩擦撹拌接合において、回転ツールの挿入箇所における接合部に炭化水素系アルコール（エタノール）を供給して炭化アルミニウムを形成することでアルミニウムの回転ツールへの凝着を阻止しながら金属同士の接合部を接合させるようにしたものである。

尚、炭化水素系アルコールとしては、エタノールの他に、メタノールもしくはプロパノールを適用することも可能である。

本実施形態例で使用する回転ツール４には、下地層２６（図４参照）及びダイヤモンドライクカーボン２５（図４参照）は形成されていない。尚、図１乃至図４に示した回転ツール４（下地層２６及びダイヤモンドカーボン２５が形成されたもの）をそのまま適用することも可能である。

図９に基づいて本実施形態例の摩擦撹拌装置を説明する。図９には本発明の他の実施形態例に係る摩擦撹拌接合装置の概略構成を示してある。

回転駆動手段１５にはアルコール供給手段としてのエタノール供給手段５１が設けられ、エタノール供給手段５１には接合部にエタノールを供給するノズル５２が連結されている。

尚、図１０に示すように、回転ツール４（本体部２１、ねじ軸２２及びボビン２４）にエタノールの流路５３を設け、流路５３をエタノール供給手段５１に連通することも可能である。このとき、流路５３の流出口は、図４に示した（1）（2）（3）の位置にすると好適である。

図９に示した摩擦撹拌接合装置に板材１、２を固定し、回転駆動手段１５により回転ツール４を所定の回転速度で回転させる。コラム１３及び加工ヘッド１４の移動により、回転ツール４を接合部３に沿って移動させる。加工中はノズル５２から接合部位にエタノールを供給する。これにより、接合部３に沿って連続な摩擦撹拌領域６（図２参照）が形成されて板材１、２同士が歪接合される。

エタノールを供給することにより、以下に示した作用が生じる。

即ち、アルミニウム材料を回転ツール４で摩擦すると、アルミニウム材の表層が削り取られてアルミニウムの新生面が形成されて現れる。アルミニウムの新生面は未だ酸化されていない化学的に活性な面であり、その部分にエタノールがあるとエタノールは分解して炭素原子が結合して炭化アルミニウムが形成される（下式参照）。
4Al+2C₂H₅OH→Al₄C₃+CH₄↑+2H₂O↑+2H₂
CH₄及びH₂Oは蒸発してAl₄C₃が残る。

炭化アルミニウムは微粉体でありアルミニウムの新生面を覆う。新生面が炭化アルミニウムで覆われたことによりアルミニウム溶融液が回転ツール４の表面に接触することがなくなる。これにより、回転ツール４の表面へのアルミニウムの凝着が防止され、または、軽減され、摩擦係数が軽減される。

炭化アルミニウムの一部は接合部に巻き込まれて混合されるため、接合部分の金属組織はアルミニウム材と炭化アルミニウムの混合組織となる。この混合組織の材料強度はアルミニウム材料自身の強度よりも向上する。

エタノールの供給を主として本体部２１の端面２３と板材１、２の表面の間に限れば、摩擦撹拌領域６の表層の炭化アルミニウムの濃度を高くすることが可能になる。したがって、この部分の表層部の強度が高くなるので、摩擦撹拌接合で発生する接合部分の減肉による強度低下が防止される。

エタノールを供給しながら摩擦撹拌接合を行うことで、回転ツール４に凝着防止用のコーティングなどを施すことなく、アルミニウムの凝着を抑制することが可能となる。

本発明の回転ツールは、長時間使用しても接合材の金属成分が凝着することがない回転ツールとなる。
また、本発明の摩擦撹拌接合装置は、長時間使用しても接合材の金属成分が凝着することがない回転ツールを備えた摩擦撹拌接合装置となる。
また、本発明の摩擦撹拌接合方法は、長時間使用しても接合材の金属成分が回転ツールに凝着することがない摩擦撹拌接合方法となる。

図１には、図２には、図３には、図４には、図５、図６には、図７には、図８にはを示してある。
本発明の一実施形態例に係る回転ツールの断面図である。回転ツールによる撹拌接合状態の説明図である。図１に示した回転ツールを備えた摩擦撹拌接合装置の概略構成図である。回転ツールの要部断面図である。付着防止皮膜の形成状況の説明図である。付着防止皮膜の形成状況の説明図である。摩擦撹拌接合の工程説明図である。付着防止皮膜を形成する手段の概略構成図である。本発明の他の実施形態例に係る摩擦撹拌接合装置の概略構成図である。エタノール供給手段を表す回転ツールの外観図である。

符号の説明

１,２板材
３接合部
４回転ツール
５小径部
６摩擦撹拌領域
１１ベッド
１２テーブル
１３コラム
１４加工ヘッド
１５回転駆動手段
２１本体部
２２ねじ軸
２３端面
２４ボビン
２５ダイヤモンドライクカーボン
２６下地層
２７表面
３１真空容器
３２支持台
３３基材
３４電源
３５原料ガスプラズマ
３６被エッチング部材
３７エッチングガスプラズマ
４１還元炎
４３真空蒸着容器
５１エタノール供給手段
５２ノズル
５３流路

Claims

金属同士の接合部を摩擦撹拌して一体化するための摩擦攪拌接合のための回転ツールであって、
金属に接触する部位の表面に接合材金属の付着を阻止する付着阻止皮膜を形成した
ことを特徴とする回転ツール。
請求項１に記載の回転ツールにおいて、
表面に下地層を形成し、下地層の表面に付着阻止皮膜を形成した
ことを特徴とする回転ツール。
請求項１もしくは請求項２に記載の回転ツールにおいて、
付着皮膜は表面の不均一部位に形成されている
ことを特徴とする回転ツール。
請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の回転ツールにおいて、
円柱状の本体部が設けられると共に本体部の先端に小径部が設けられ、接合部に小径部が挿入され、本体部と小径部との間の段差部が接合部の表面に摺接する
ことを特徴とする回転ツール。
請求項４に記載の回転ツールにおいて、
少なくとも、小径部が設けられた本体部の端面に付着阻止皮膜を形成した
ことを特徴とする回転ツール。
請求項４もしくは請求項５に記載の回転ツールにおいて、
小径部の表面の不均一部位に付着皮膜が形成されている
ことを特徴とする回転ツール。
請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の回転ツールにおいて、
アルミニウムもしくはマグネシウムもしくは鉛を含む金属の接合に用いられ、
付着阻止皮膜はダイヤモンドライクカーボンである
ことを特徴とする回転ツール。
請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の回転ツールにおいて、
アルミニウムもしくはマグネシウムもしくは鉛を含む金属の接合に用いられ、
付着阻止皮膜は、少なくとも、TiN,CrN,TiC,SiC,TiAlN,AlCrSiNのいずれかである
ことを特徴とする回転ツール。
請求項２に記載の回転ツールにおいて、
下地層は、少なくとも、TiN,CrN,TiC,SiC,TiAlN,AlCrSiNのいずれかである
ことを特徴とする回転ツール。
請求項１乃至請求項９のいずれか一項に記載の回転ツールにおいて、
基材は、少なくとも、工具鋼、コバルト基合金、ニッケル基合金、高速度鋼、タングステン、超硬、モリブデン合金、普通鋼、ステンレス、銅合金のいずれかである
ことを特徴とする回転ツール。
金属同士の接合部に挿入される回転ツールを備えた摩擦撹拌接合装置において、
請求項１乃至請求項１０のいずれか一項に記載の回転ツールを備えた
ことを特徴とする摩擦撹拌接合装置。
金属同士の接合部が回転ツールの挿入により接合される摩擦撹拌接合方法において、
請求項５に記載の回転ツールを用い、
接合部における金属の表面に本体部の端面を摺接させて金属同士の接合部を接合させる
ことを特徴とする摩擦撹拌接合方法。
金属同士の接合部が回転ツールの挿入により接合される摩擦撹拌接合方法において、
回転ツールの挿入箇所における接合部に炭化水素系アルコールを供給して炭化金属を形成することで金属の回転ツールへの凝着を阻止しながら金属同士の接合部を接合させる
ことを特徴とする摩擦撹拌接合方法。
金属同士の接合部に挿入される回転ツールを備えた摩擦撹拌接合装置において、
炭化金属を形成して金属の回転ツールへの凝着を阻止するため、金属同士の接合部に炭化水素系アルコールを供給するアルコール供給手段を設けた
ことを特徴とする摩擦撹拌接合装置。
金属同士の接合部が回転ツールの挿入により接合される摩擦撹拌接合方法において、
請求項１乃至請求項１０のいずれか一項に記載の回転ツールを用い、
回転ツールの挿入箇所における接合部に炭化水素系アルコールを供給して炭化金属を形成することで金属の回転ツールへの凝着を阻止しながら金属同士の接合部を接合させる
ことを特徴とする摩擦撹拌接合方法。
金属同士の接合部に挿入される回転ツールを備えた摩擦撹拌接合装置において、
請求項１乃至請求項１０のいずれか一項に記載の回転ツールを備え、
炭化金属を形成して金属の回転ツールへの凝着を阻止するため、金属同士の接合部に炭化水素系アルコールを供給するアルコール供給手段を設けた
ことを特徴とする摩擦撹拌接合装置。
請求項１３もしくは請求項１５に記載の摩擦撹拌接合方法において、
炭化水素系アルコールは、エタノールもしくはメタノールもしくはプロパノールであることを特徴とする摩擦撹拌接合方法。
請求項１４もしくは請求項１６に記載の摩擦撹拌接合装置において、
炭化水素系アルコールは、エタノールもしくはメタノールもしくはプロパノールであることを特徴とする摩擦撹拌接合装置。