JP2009148804A - 摩擦攪拌接合用の回転ツール、および摩擦攪拌接合装置 - Google Patents

Abstract

【課題】摩擦攪拌接合において、作業環境を悪化させることなく、回転ツールの劣化を防止するとともに、回転ツールを搭載する装置が故障する可能性を軽減させる。
【解決手段】摩擦攪拌接合用の回転ツール２００に、円柱状のショルダ部２１０と、ショルダ部２１０の一端の軸心部に形成された回転ピン２２０と、ショルダ部２１０の他端側の外周側面に装着された冷却ユニット２３３とを設ける。また、冷却ユニット２３０に、ショルダ部２１０の外周側面に吸熱面が当接するペルチェ素子と、ペルチェ素子の放熱面に装着された放熱フィンとを設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、２つの材料を結合する摩擦攪拌接合の技術に関する。

従来から、先端に突起（回転ピン）が形成された円柱状の工具（回転ツール）を利用し、材料（被接合材）を接合する摩擦攪拌接合といわれる接合法が知られている。この摩擦攪拌接合は、被接合材の接合部（接合対象の２つのワークを突き合わせた境界部）に、前記回転ツールの回転ピンを回転させながら挿入し、且つ、この回転ツールを接合部に沿って回転させながら移動させることによって、回転ツールと接合部との間に発生する摩擦熱により、被接合材を接合させるものである。
この摩擦攪拌接合には、回転ツールと被接合材との間で発生する摩擦熱の影響により、回転ツール自体が劣化したり、或いは、回転ツールを搭載する装置が回転ツールから伝わる熱で故障するこという技術課題があった。

そして、上記の技術課題を解決するための手法が特許文献１に提案されている。
具体的には、特許文献１には、回転ツールの側方に、エア噴射用のノズルを配置しておき、回転ツールが摩擦攪拌接合を行っているときに、当該ノズルから回転ツールにエアを吹き付け、回転ツールを冷却する手法が開示されている。ここで、特許文献１に開示されている摩擦攪拌接合の手法について図４を用いて説明する。

図４は、従来技術の摩擦攪拌接合の手法を説明するため図である。
図示するように、回転ツール１００は、円柱状のショルダ部１０１と、ショルダ部１０１の先端軸心部に形成された回転ピン１０２とを備える。この回転ツール１００は、図示しないモータ等の回転手段により、自軸回りで回転する。
そして、この回転ツール１００を自軸回りで回転させるとともに、回転ピン１０２の先端を、ワーク１０ａとワーク１０ｂとを突き合わせた境界部１３に押付けながら、回転ピン１０２をワーク１０ａ、１０ｂの肉厚方向に挿入させ、円柱状のショルダ部１０１の先端の環状肩面１０１ａをワーク１０ａ、１０ｂに押付けて当接させる。さらに、上記環状肩面１０１ａをワーク１０ａ、１０ｂに押付けた状態を維持しながら、回転ツール１００を回転させ、且つ境界部１３に沿って移動させていく。

上記のように回転ツール１００を動作させることにより、回転ツール１００が通過するワーク１０ａ、１０ｂの境界部１３では、周辺の材料が、回転ツール１００の回転による摩擦熱で軟化撹拌され、かつ、回転ピン１０２の通過溝を埋めるように塑性流動したのち、熱を急速に失って冷却固化される。境界部１３における材料の軟化、密着変形、撹拌、冷却固化が回転ツール１００の移動に伴って順次繰り返されていき、境界部１３においてワーク１０ａ、１０ｂ同士が互いに一体化され、順次接合されていく。

そして、図示する摩擦攪拌接合の手法では、回転ツール１００の側方に、エア噴射用のノズル１１０を備えたエア配管１１１が設置されている。そして、回転ツール１００を回転および移動させながら摩擦攪拌接合を行っているときに、ノズル１１０からエアが噴射されて、回転ツール１００にエアが吹き付けられる。
この構成により、回転ツール１００と接合部１３との間で発生する摩擦熱の影響による、回転ツール１００の劣化を防止するとともに、回転ツール１００を搭載する装置（図４には示さず）が故障する可能性を軽減させている。

特開平１１−１０３６７号公報

しかしながら、特許文献１に記載されている摩擦攪拌接合は、以下の技術課題を有している。
具体的には、特許文献１のように、ノズルからエアを噴射する手法では、エア騒音が発生するため、作業環境を悪化させてしまう。また、エアを噴射するためのエア配管が必要となり、そのエア配管により生産現場のスペースが占有されてしまう。さらに、エアによる遠隔冷却では安定的な冷却効果が得られない傾向にあった。
なお、特許文献１には、回転ツールの内部に設けた琉路に冷却媒体を流す方法（内部冷却方式）も提案されている。この方法によれば、エアによる遠隔冷却に比べて冷却効果が安定する。しかし、内部冷却方式は、回転ツールの内部に冷却媒体の流路を配設させるとともに、冷却媒体を流すための構成（ポンプ等）を設ける必要があり、回転ツール自体の構成が複雑になり過ぎてしまう。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、回転ツールによる摩擦攪拌接合において、作業環境を悪化させることなく、回転ツールの劣化を防止するとともに、回転ツールを搭載する装置が故障する可能性を軽減させることを目的とする。

上記課題を解決するための本発明は、摩擦攪拌接合用の回転ツールにおいて、円柱状のショルダ部と、前記ショルダ部の一端の軸心部に形成された回転ピンと、前記ショルダ部の他端側の外周側面に装着された冷却ユニットとを備え、前記冷却ユニットは、前記ショルダ部の外周側面に吸熱面が当接するペルチェ素子と、前記ペルチェ素子の放熱面に装着された放熱フィンとを有することを特徴とする。

このように、本発明では、回転ツールを冷却する手段として、静音性に優れたペルチェ素子を有する冷却ユニットを採用している。
そのため、本発明によれば、従来からあるエアノズルによるエア冷却のように騒音を発生させることがなく、回転ツールを冷却することができる。また、ペルチェ素子を用いた冷却ユニットは、上記エア冷却のようにエア配管を必要としていないため、生産現場の省スペース化を図ることができる。
また、本発明では、冷却ユニットをショルダ部の他端側の外周側面に装着し、その外周側面を熱伝導により冷却している。すなわち、本発明によれば、上記のエア冷却による遠隔冷却に比べて安定的な冷却効果が得られるようになる。
また、本発明によれば、上述した従来からある内部冷却方式のように、回転ツール内部に流路を形成するような面倒な手間や、冷媒を流すための構成を設ける必要がない。すなわち、本発明によれば、複雑な構成の装置を採用することなく、安定的に回転ツールを冷却することができる。

また、前記ショルダ部および前記冷却ユニットの回転方向の動作が一致するように、前記ショルダ部および前記冷却ユニットを相互に固定する固定手段を備えることが望ましい。
このように構成すれば、回転ツールを回転させたときに、冷却ユニットがショルダ部とともに回転するようなる。すなわち、ショルダ部が回転しているときには、ペルチェ素子の放熱面に装着された放熱フィンも回転するため、回転により生じる空気対流により、放熱フィンが冷却されるようになる。これにより、ショルダ部の熱を吸熱したペルチェ素子の放熱が促進されるため、ペルチェ素子の冷却効果が高まり、その結果、ショルダ部を効率よく冷却できるようになる。
また、本発明は、摩擦攪拌接合のための回転動作を利用して放熱を促進しているため、放熱を促進するための構成（例えば、放熱ファンおよびファンモータ）を設ける必要がない。

また、上記課題を解決するために、本発明は、前記回転ツールを装着した摩擦攪拌接合装置に適用される。
そして、前記摩擦攪拌接合装置は、前記回転ツールと、前記回転ツールを保持する固定部材と、前記固定部材に保持され、前記回転ツールを回転させる回転機構と、前記回転ツールにより摩擦攪拌接合されるワークを載置するワークテーブルと、前記固定部材を介して、当該固定部材に保持された前記回転ツールの垂直方向および水平方向の位置を制御するとともに、前記回転機構および前記回転ツールのペルチェ素子に電力を供給する装置本体部とを備え、前記装置本体部は、前記回転ツールを回転させている際に、該ペルチェ素子に電力を供給することを特徴とする。
このように、本発明によれば、回転ツールの動力源と、冷却ユニットの動力源とを同じ電力にしている。これにより、本発明によれば、上記のエア冷却と比べて、省エネルギー化を図ることができる。

このように、本発明によれば、冷却ユニットの構成により回転ツールを効率よく冷却できるため、摩擦攪拌接合において、作業環境を悪化させることなく、回転ツールの劣化を防止するとともに、回転ツールを搭載する装置が故障する可能性を軽減させることができる。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。
先ず、本発明の実施形態の摩擦攪拌接合用の回転ツールの概略構成を図１を用いて説明する。

図１は、本発明の実施形態の摩擦攪拌接合用の回転ツールの概略図である。
図示するように、本実施形態の回転ツール２００は、略円柱状のショルダ部２１０と、ショルダ部２１０の先端軸心部に形成された回転ピン２２０と、ショルダ部２１０の上端側の外周側面に装着された冷却ユニット２３０とを備える。なお、回転ピン２２０は、ショルダ部２１０と同軸に形成されている。また、回転ピン２２０の外周面には、所定の凸凹状の溝（例えばネジ溝）が形成されている。
この回転ツール２００は、例えば図３に示す摩擦攪拌接合装置Ｗに取り付けられ、ワーク１０ａ、１０ｂの境界部１３で回転および移動動作を行い、ワーク１０ａ、１０ｂを摩擦攪拌接合する。なお、図示する３１０は、図３に示す摩擦攪拌接合装置Ｗの構成部品である、回転ツール２００を保持する固定部材を示している。
そして、本実施形態の回転ツール２００は、摩擦攪拌接合を行っているときに、冷却ユニット２３０がショルダ部２１０を冷却する。以下、冷却ユニット２３０の詳細な構成を図２に基づいて説明する。

図２は、本発明の実施形態の回転ツールの構成図であり、（ａ）図は回転ツールの上面図であり、（ｂ）図は回転ツールの斜視図である。
図示するように、回転ツール２００のショルダ部２１０に装着された冷却ユニット２３０は、略円筒状の電子冷却部２３１と、電子冷却部２３１の外周面に取り付けられた放熱フィン２３２とを備える。電子冷却部２３１の軸心部には、ショルダ部２１０の外周側面と嵌合する貫通孔２３１ａが形成されている。冷却ユニット２３０は、電子冷却部２１０の貫通孔２３１ａにショルダ部２１０の上端部が挿入されることにより、着脱自在にショルダ部２１０に取り付けられる。

また、回転ツール２００の上端部には、ショルダ部２１０と冷却ユニット２３０とを相互に固定するための固定キー２４０が設けられている。この固定キー２４０により、ショルダ部２１０および冷却ユニット２３０の回転方向の動作が一致する。
なお、この固定キー２４０の構成は特に限定されるものではない。固定キー２４０は、ショルダ部２１０と、冷却ユニット２３０とを相互に固定し、ショルダ部２１０および冷却ユニット２３０の両者の回転方向の動作を一致させるものであればどのような構成のものでもよい。例えば、固定キー２４０を以下のように構成してもよい。

具体的には、ショルダ部２１０の上端面および冷却ユニット２３０の上端面の両者に、冷却ユニット２３０と、ショルダ部２１０とを嵌合させた状態において、ショルダ部２１０の上端面の軸心近傍から、放熱フィン２３２の上端面まで、径方向に沿って形成される矩形凹状の溝を設ける。
そして、上記矩形凹状の溝と嵌合する棒状の固定キー２４０を設け、その固定キー２４０を上記矩形凹状の溝に挿入することにより、ショルダ部２１０と、冷却ユニット２３０とを相互に固定し、ショルダ部２１０および冷却ユニット２３０の両者の回転方向の動作を一致させるようにする。

また、冷却ユニット２３０の電子冷却部２３１は、ペルチェ素子により形成されている。
具体的には、電子冷却部２３１は、内周側面（貫通孔２３１ａ側の側面）側にペルチェ素子の吸熱面が形成され、外周側面（放熱フィン２３２）側にペルチェ素子の放熱面が形成されている。この構成により、冷却ユニット２３０と、ショルダ部２１０とを嵌合させた場合、ペルチェ素子の吸熱面がショルダ部の外周側面と当接する。
なお、電子冷却部２３１は、内周側面（貫通孔２３１ａ側の側面）側にペルチェ素子の吸熱面が形成され、外周側面（放熱フィン２３２側）側にぺルチェ素子の放熱面が形成されている構成であればどのように構成されていてもかまわない。
例えば、電子冷却部２３１は、１枚のペルチェ素子を円筒状に成形し、その筒状の内周面側に吸熱面が形成され、筒状の外周面側に放熱面が形成されるようにしてもよい。また、例えば、電子冷却部２３１は、複数のペルチェ素子により、円筒状の内周側面側にペルチェ素子の吸熱面が形成させ、円筒状の外周側面側にペルチェ素子の放熱面が形成させるようにしてもよい。

そして、電子冷却部２３１は、摩擦攪拌接合装置Ｗの本体部３００（図３参照）からの電力供給を受け、ペルチェ効果によりショルダ部２１０を冷却する（ショルダ部２１０との当接面から熱を吸熱する）。また、電子冷却部２３１がショルダ部２１０から奪った熱は、放熱フィン２３２を介して放熱される。
このように、電子冷却部２３１は、ショルダ部２１０との当接面を熱伝導により冷却するようにしているため、上述した従来からあるエアによる遠隔冷却に比べると、安定的な冷却効果が得られるようになる。

さらに、冷却ユニット２３０は、ショルダ部２１０を冷却しているときに、ショルダ部２１０と共に高速回転している。すなわち、本実施形態では、上記ショルダ部２１０を冷却しているときには、放熱フィン２３２も高速回転している。
そのため、本実施形態によれば、放熱フィン２３２の回転により、冷却ユニット２３０の放熱が促進されるため、ショルダ部２１０を効率よく冷却できるようになる。

なお、本実施形態では、摩擦攪拌接合装置Ｗからの電力供給の構成について特に限定しない。例えば、摩擦攪拌装接合装置Ｗの固定部材３１０（図３参照）と、回転ツール２００とを公知のロータリジョイントにより接合させ、電子冷却部２３１がロータリジョイトを介して電力の供給（摩擦攪拌装接合装置Ｗからの電力供給）を受けるようにしてもよい。このように構成すれば、回転ツール２００の回転にともなう電力線（電子冷却部２３１に電力を供給するための電力線）の絡まりを防止することができる。

つぎに、本実施形態の回転ツール２００が搭載された摩擦攪拌接合装置の構成を図３に基づいて説明する。
図３は、本実施形態の回転ツールを搭載した摩擦攪拌接合装置の側面図である。
なお、本実施形態の摩擦攪拌接合装置Ｗは、回転ツール２００に特徴があり、回転ツール２００以外の構成は、公知の技術により実現される。そのため、以下では、摩擦攪拌接合装置Ｗの各構成の詳細な説明を省略する。

図示するように、本実施形態の摩擦攪拌接合装置Ｗは、上述した回転ツール２００と、装置全体の動作を制御する本体部３００と、回転ツール２００を保持し、且つ回転ツール２００の回転を支える固定部材３１０と、回転ツール２００を回転させる回転機構３２０（例えば、主軸、主軸駆動モータ等により構成される）と、本体部３００に保持され、且つ固定部材３１０を支えるアーム３４０と、ワーク１０ａ、１０ｂを載せて固定するワークテーブル３５０と、本体部３００およびワークテーブル３５０を支持する支持台３６０とを有する。なお、アーム３４０は、上下方向（図示するＹ方向）に移動可能に構成されている。また、本体部３００は、水平方向（図示するＺ方向）に移動可能に構成されている。また、本体部３００は、回転機構３００および回転ツール２００の電子冷却部２３１に電力を供給する。

そして、上記のように構成された摩擦攪拌接合装置Ｗは、以下のように動作する。
摩擦攪拌接合装置Ｗの本体部３００は、回転機構３２０を制御して回転ツール２００を自軸回りで回転させる。本体部３００は、回転ツール２００を回転させながら、アーム３４０を下方向に移動させ、回転ツール２００の回転ピン２２０をワーク１０ａ、１０ｂの境界部１３に押付けて、ショルダ部２１０の先端の環状肩面２１０ａをワーク１０ａ、１０ｂに当接させる（図１参照）。さらに、本体部３００は、ショルダ部２１０の環状肩面２１０ａをワーク１０ａ、１０ｂに押付けた状態を維持しながら、回転ツール２００を回転させながら境界部１３に沿って移動させる。
そして、上記の回転ツール２００の動作により、境界部１３においてワーク１０ａ、１０ｂ同士が互いに一体化され、順次接合されていく。

また、摩擦攪拌接合装置Ｗの本体部３００は、回転ツール２００を回転および移動させている際に、回転ツール２００の冷却ユニット２３０（電子冷却部２３１）に電力を供給する。冷却ユニット２３０は、上記の電力供給を受けると、ペルチェ効果により、ショルダ部２１０との当接面において、ショルダ部２１０から熱を吸熱する。また、冷却ユニット２３０は、上記吸収した熱を放熱フィン２３２を介して放熱する。

このように、本実施形態の冷却ユニット２３０は、高速回転しながら回転ツール２００（回転ツール２００のショルダ部２１０）を冷却する。そして、ショルダ部２１０を冷却している際に、放熱フィン２３２も高速回転しているため、回転により生じる空気対流により、放熱フィン２３２が冷却される。すなわち、冷却ユニット２３０は、高速回転により放熱が促進されるため、ショルダ部２１０を効率よく冷却することができる。

また、本実施形態によれば、回転ツール２００の冷却手段として、静音性に優れたペルチェ素子を用いた冷却ユニット２３０を用いるようにしている。そのため、本実施形態によれば、従来からあるエアノズルによるエア冷却のように騒音を発生させることがない。すなわち、本実施形態によれば、作業環境を悪化させることなく、回転ツール２００の劣化を防止できるとともに、回転ツール２００を搭載する摩擦攪拌接合装置Ｗが故障する可能性を軽減させることができる。
さらに、本実施形態の冷却ユニット２３０は、上記のエア冷却の場合に必要なエア配管を必要としないため、生産現場の省スペース化を図ることができる。

また、本実施形態の回転ツール２００は、上述した特許文献１の内部冷却方式（回転ツールの内部に琉路を設け、その流路に冷却媒体を流す方法）ように、回転ツール内部に流路を形成するような面倒な手間や、冷媒を流すための構成を設ける必要がない。すなわち、本実施形態によれば、複雑な構成を用いることなく、安定的な冷却効果を得ることができるようになる。

また、本実施形態によれば、回転ツール２００の動力源と、冷却ユニット２３０の動力源とを同じ電力にしている。これにより、本実施形態によれば、上記のエア冷却と比べて、省エネルギー化を図ることができる。

また、本実施形態では、冷却ユニット２３０は、ショルダ部２１０の上端部に取り付けられ、ショルダ部２１０との当接面を熱伝導により冷却するようにしている。そのため、本実施形態によれば、上記のエア冷却のように、回転ツール２００とワーク１０ａ、ｂとの接触面を冷却することがないため（冷却する必要がないところを冷却しないため）、摩擦攪拌接合のエネルギー効率を高めることができる。

本発明の実施形態の摩擦攪拌接合用の回転ツールの概略図である。 本発明の実施形態の摩擦攪拌接合用の回転ツールの構成図である。 本発明の実施形態の回転ツールを搭載した摩擦攪拌接合装置の側面図である。 従来技術の摩擦攪拌接合の手法を説明するため図である。

符号の説明

１０ａ、１０ｂ…ワーク
１３…境界部
２００…回転ツール
２１０…ショルダ部
２１０ａ…環状肩面
２２０…回転ピン
２３０…冷却ユニット
２３１…電子冷却部
２３１ａ…貫通孔
２３２…放熱フィン
２４０…固定キー
３００…本体部
３１０…固定部材
３２０…回転機構
３４０…アーム
３５０…ワークテーブル
３６０…支持台

Claims (3)

1. 円柱状のショルダ部と、
   前記ショルダ部の一端の軸心部に形成された回転ピンと、
   前記ショルダ部の他端側の外周側面に装着された冷却ユニットとを備え、
   前記冷却ユニットは、
   前記ショルダ部の外周側面に吸熱面が当接するペルチェ素子と、
   前記ペルチェ素子の放熱面に装着された放熱フィンとを有することを特徴とする摩擦攪拌接合用の回転ツール。
2. 前記ショルダ部および前記冷却ユニットの回転方向の動作が一致するように、前記ショルダ部および前記冷却ユニットを相互に固定する固定手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の摩擦攪拌接合用の回転ツール。
3. 請求項１または２に記載の摩擦攪拌接合用の回転ツールと、
   前記回転ツールを保持する固定部材と、
   前記固定部材に保持され、前記回転ツールを回転させる回転機構と、
   前記回転ツールにより摩擦攪拌接合されるワークを載置するワークテーブルと、
   前記固定部材を介して、当該固定部材に保持された前記回転ツールの垂直方向および水平方向の位置を制御するとともに、前記回転機構および前記回転ツールのペルチェ素子に電力を供給する装置本体部とを備え、
   前記装置本体部は、前記回転ツールを回転させている際に、該ペルチェ素子に電力を供給することを特徴とする摩擦攪拌接合装置。

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