JP4346578B2 - 摩擦攪拌接合用工具 - Google Patents

Description

本発明は、一対の被接合部材を突き合わせた接合部に回転した攪拌軸を挿入し、摩擦熱によって軟化させつつ攪拌することによって接合させる摩擦攪拌接合用工具に関し、特に工具破損による接合不良などを防止し、長寿命化を図った摩擦攪拌接合用工具に関する。

近年、金属材の溶接やロウ付けに代わる新しい接合方法として、摩擦攪拌接合方法が種々提案されている。図５は、そうした摩擦攪拌接合方法の概要を示す図である。この摩擦攪拌接合では、図示するように、被接合部材として一対のプレート１０１，１０２の接合面同士を突き合わせる。そして、その突き合わせた接合部が連続する接合線２００に沿ってプレート１０１，１０２よりも硬い材質の攪拌軸（プローブ）を持った摩擦攪拌接合用工具１１０を高速回転させながら挿入させる。すると、一対のプレート１０１，１０２同士が、接合部分で発生する摩擦熱と圧力によって塑性流動化しつつ攪拌して接合される。こうした摩擦攪拌接合は、溶融溶接やろう付よりも低温で接合できるため、接合時の熱変形や接合部の酸化による接合不良が少ない利点がある。

ところで、摩擦攪拌接合方法に使用される摩擦攪拌接合用工具１１０としては、例えば図６に示すような攪拌部を有するものが特開２００３−２２５７７７号公報に提案されている。この摩擦攪拌接合用工具１１０は、図示しない回転駆動装置の駆動部と結合した回転体１１１を有し、その先端には同軸に突設された攪拌軸（以下、「プローブ」という）１１２が形成されている。プローブ１１２は、回転体１１１の端面１１３中央からプレート１０１，１０２の厚さに相当する長さだけ突出している。そして、そのプローブ１１２の外周面には根元部１１４を除く部分にネジ山１１５が形成されている。

そこで、この摩擦攪拌接合用工具１１０は、図示しない回転駆動部により回転体１１１及びその先端に突設したプローブ１１２が高速で回転し、図５に示すように、突き合わせた２枚のプレート１０１，１０２の突合せ部にプローブ１１２を押し当てるように挿入される。そして、回転体１１１の端面１１３はプレート１０１，１０２の上面に押し当てられ、その状態で接合線２００に沿って相対的に移動することになる。これにより、前述した場合と同様、塑性流動化したプレート１０１，１０２の接合部分はプローブ１１２の進行圧力を受けて攪拌混練され、摩擦攪拌接合用工具１１０の後方へ回り込むように塑性流動した後、摩擦熱を急速に失って冷却固化して接合される。

ところで、この摩擦攪拌接合用工具１１０は、根元部１１４とネジ山１１５が異なる径であって段差が設けられていること、及びプローブ１１２と回転体１１１との連結部１１６にＲが形成されていることにより、摩擦攪拌接合時には、プレート１０１，１０２がプローブ１１２の根元部１１４に凝着することを防止し、プレート１０１，１０２が浮き上がることがない。そのため、ネジ山１１５が止まるところ及びプローブ１１２の根元部１１４に応力が集中することが防止できるため、プローブ１１２の根元部１１４の強度が増し、摩擦攪拌接合用工具の寿命が長くなるという効果を奏する。
特表平７−５０５０９０号公報（第２−６頁、図１） 特開２００３−２２５７７７号公報（第２−３頁、図１、図２）

ところで、こうした接合方法に使用される摩擦攪拌接合用工具１１０などは、プレートよりも硬度、融点、耐摩耗性などの特性が十分に高い材料が使用され、その一方で、図６に示すようにプローブ１１２のネジ山１１５などを形成可能なものであることが要求される。そのため、摩擦攪拌接合用工具１１０などには、従来から例えばＳＫＤ材などのダイス鋼が使用されている。しかしながら、そのような材料であっても接合時の高温及び高圧下の作業により、更には荷重の変動などによって摩擦攪拌接合用工具１１０の特にプローブ１１２に欠損や折損が生じてしまうことがある。

接合作業中にプローブ１１２の一部が欠け、或いは折れたりすると、その一部がプレート中に残留することとなり、その回復を含め補修作業の負担が大きなものとなる。例えば、工具の欠損などにより接合部に欠陥が生じた場合には、例えば特許第３４５９１９３号公報に開示されているような方法によって補修を行わなければならない。その補修方法とは、接合ビードに含まれる欠陥を研削加工により除去して補修領域を形成し、その補修領域に部材の母材と同材料の溶接棒を用いてＴＩＧ溶接によって補修ビードを形成するようにした方法である。しかしながら、摩擦攪拌接合の施工中に摩擦攪拌接合用工具に欠損や折損が発生して施工不良となった場合、前記補修作業を行っても該当部分の品質低下や外観の劣化は避けられなかった。

そこで、本発明は、かかる課題を解決すべく、長寿命かつ良好な接合を可能とする摩擦攪拌接合用工具を提供することを目的とする。

本発明に係る摩擦攪拌接合用工具は、円柱形状の回転体とその端面から同軸上に突設した攪拌軸とを有し、一対の被接合部材を突き合わせた接合部に回転させながら攪拌軸を挿入し、発生する摩擦熱によって軟化させつつ攪拌させて接合させるものであって、ＳＫＤ材またはＳＫＨ材によって形成され、前記回転体及び攪拌軸の外形形状を構成する工具外形部材と、超硬合金によって形成され、前記工具外形部材内の回転軸上に装填された工具芯部材とが一体になって設けられたものであることを特徴とする。

また、本発明に係る摩擦攪拌接合用工具は、攪拌軸が突設した回転体の端面を被接合部材の一方の面に押し付ける片押しタイプの工具であって、前記工具外形部材は、前記攪拌軸の先端側に開口して前記回転体の部分にまで入り込む深さで挿入穴が形成され、前記工具芯部材が、その挿入穴内に装填されて固定されたものであることが好ましい。
また、本発明に係る摩擦攪拌接合用工具は、前記回転体の端面から突設した攪拌軸に下部回転体が一体に形成され、被接合部材を回転体と下部回転体とで挟み込むようにしたボビンタイプの工具であって、前記工具外形部材は、前記下部回転体の先端側に開口して前記攪拌軸を貫通し、更に回転体の部分にまで入り込む深さで挿入穴が形成され、前記工具芯部材が、その挿入穴内に装填されて固定されたものであることが好ましい。

よって、本発明の摩擦攪拌接合用工具を使用して一対の被接合部材を接合する場合、その回転体及び攪拌軸が高速で回転し、突き合わせた接合部分を接合線に沿って移動する。それにより塑性流動化した被接合部材の接合部分が攪拌軸の進行圧力を受けて攪拌混練され、摩擦攪拌接合用工具１の後方へ回り込むように塑性流動した後、摩擦熱を急速に失って冷却固化して接合される。
そして、こうした摩擦攪拌接合を繰り返す本発明の摩擦攪拌接合用工具によれば、靱性の高い材質で形成した工具外形部材を剛性の高い材質で形成した工具芯部材で内部から補強しているため、繰り返し荷重による負荷を抑えて寿命を従来のものと比べて長くすることができ、また工具欠損などによる接合部の品質低下を回避できるようになる。

次に、本発明に係る摩擦攪拌接合用工具の一実施形態について図面を参照しながら以下に説明する。図１は、第１実施形態の摩擦攪拌接合用工具を概念的に示した図である。
この摩擦攪拌接合用工具１も従来例で説明したものと同様の方法で摩擦攪拌接合を行うものであり、一対の被接合部材同士を突き合わせた接合部に攪拌軸が挿入され、その接合部が連続する接合線に沿って回転しながら相対的に移動する際、発生する摩擦熱と圧力によって塑性流動化しつつ攪拌して接合するようにしたものである。

その摩擦攪拌接合用工具１は、図示しない回転駆動装置の駆動部と結合した円柱形状の回転体１１を有し、その端面１３には、同軸に突出した円柱形状の攪拌軸（以下、「プローブ」という）１２が一体になって形成されている。このプローブ１２は、回転体１１の端面１３中央から被接合部材の接合部厚さに相当する長さで形成されている。そして、本実施形態の摩擦攪拌接合用工具１は、特に二層構造になって形成されている点に特徴を有する。すなわち、摩擦攪拌接合用工具１は、その外形形状を構成する工具外形部材１Ａと、その中に挿入固定された工具芯部材１Ｂとから構成されている。

ところで、図６に示すような従来の摩擦攪拌接合用工具１１０などでは、前述したように、工具の材料として熱間強度が高く耐摩耗性も良好なＳＫＤ材などのダイス鋼が使用されているが、高温及び高圧下で繰り返し行われる荷重の変動などによって、摩擦攪拌接合用工具１１０の特にプローブ１１２に欠損や折損が生じてしまうことが問題であった。そのため、こうした問題を解決するには、まず強度を上げるべく、従来の工具よりも耐欠損性、耐折損性の高い材質で作ることが考えられる。

しかし、一般的には、高い耐欠損性、耐折損性（つまり、高い靱性）の材料は剛性が低く、摩擦攪拌接合時の高温及び高圧下であって繰り返される荷重の変動が作用する状況では、疲労脆化が進行しやすく十分な工具寿命を得ることができない。従って、長時間使用すると繰り返し荷重による疲労が原因でプローブ１１２が折れてしまうと考えられる。その一方で、剛性の高い硬い材質を選択した場合には、加工が難しく、図６で示したようなネジ山１１５などをプローブ１１２に施すことが困難になり、加工コストを上げる結果となってしまう。また、剛性の高い材質では衝撃に対してもろい面も有するため、そのまま摩擦攪拌接合用工具に使用するのは好ましくない。

そこで、本実施形態では、こうした点を考慮して二層構造の摩擦攪拌接合用工具１を提案することとした。すなわち、摩擦攪拌接合用工具１は、その外形をなす工具外形部材１Ａには靱性の高い材質を使用し、その中に挿入固定された工具芯部材１Ｂには剛性の高い材質を使用することにした。工具外形部材１Ａを形成する靱性の高い材質には、例えば従来から摩擦攪拌接合用工具に使用されるＳＫＤやＳＫＨなどの工具鋼が使用される。一方、工具芯部材１Ｂを形成する剛性の高い材質には、例えば超硬合金などの工具用合金が使用される。

摩擦攪拌接合用工具１を構成する工具外形部材１Ａは、前述したように回転体１１の端面１３中央から被接合部材の厚さに相当する長さでプローブ１２が同軸に突設されている。また、工具外形部材１Ａは、そうした外形形状で形成される他、その軸芯部分には、プローブ１２の先端側が開口し、回転体１１にまで入り込む深さで挿入穴１４が形成され中空形状になっている。そして、その挿入穴１４には、超硬合金からなる円柱形状の工具芯部材１Ｂが装填されている。

その工具芯部材１Ｂは、工具外形部材１Ａに対してロウ付け、若しくは焼きばめや冷やしばめ、または溶接などの方法を利用して強固に固定され、接合作業中に容易に分離しないよう一体になっている。本実施形態の摩擦攪拌接合用工具１は、こうして工具芯部材１Ｂを中心に入れて剛性を高めている。そして、超硬合金だけで工具を形成したのではプローブに対するネジ山などの加工を施すのが容易ではないため、外側にＳＫＤやＳＫＨなどの工具鋼からなる工具外形部材１Ａを設け、プローブ１２に図示しないネジ山などの表面加工を施すようにしている。

そこで、こうした構成の摩擦攪拌接合用工具１によれば、図３に示すようにして攪拌接合が行われるが、その施工方法は従来の場合となんら変わるところはない。すなわち、一対のプレート１０１，１０２を接合する場合、図示しない回転駆動部により回転体１１及びその先端に突設したプローブ１２が高速で回転し、突き合わせた２枚のプレート１０１，１０２の突合せ部にプローブ１２を押し当てるように挿入させる。そして、このとき回転体１１の端面１３はプレート１０１，１０２の上面を加圧するように押し当てられる。そして、摩擦攪拌接合用工具１は、プレート１０１，１０２の接合線２００に沿って相対的に移動し、塑性流動化したプレート１０１，１０２の接合部分がプローブ１２の進行圧力を受けて攪拌混練され、摩擦攪拌接合用工具１の後方へ回り込むように塑性流動した後、摩擦熱を急速に失って冷却固化して接合される。

こうした摩擦攪拌接合が繰り返される中で本実施形態の摩擦攪拌接合用工具１は、表面には従来の工具と同様に靱性の高いＳＫＤやＳＫＨなどの工具鋼が使用されているが、その内部の軸芯部分には剛性の高い超硬合金などからなる工具芯部材１Ｂで補強されている。そのため、プローブ１２部分が施工中に受ける荷重を工具芯部材１Ｂが支え、繰り返し荷重による負荷を抑えている。従って、本実施形態では、摩擦攪拌接合用工具１の寿命を従来のものと比べて長くすることができ、更に工具の欠損などによる接合部の品質低下を回避できるようになった。そして、寿命が延びることによって工具の取り替え回数が減ってコストを下げることができ、また補修作業を行う頻度も少なくなって、この点でもコストを下げることができるようになった。

ところで、摩擦攪拌接合用工具には、図１に示したタイプの他、図２に示すようなタイプのものもある。図２は、第２実施形態の摩擦攪拌接合用工具を概念的に示した図である。図１の摩擦攪拌接合用工具１は、回転体１１から単にプローブ１２が突設された形状のものであって、接合時に摩擦熱を発生させるため被接合部材に対して端面１３を押しつける片押しタイプである。そのため、接合時にその押し付け荷重を支えるため、被接合部材の端側に裏当が必要であった。第２実施形態の摩擦攪拌接合用工具２は、こうした裏当を必要としないボビンタイプの工具である。

摩擦攪拌接合用工具２は、回転駆動装置の駆動部と結合した円柱形状の回転体２１に攪拌軸（以下、「プローブ」という）２２が同軸上に突設され、更にそのプローブ２２に下部回転体２３が一体に形成されている。そして、本実施形態でも二層構造で形成されている点に特徴を有し、外形をなす工具外形部材２Ａと、その中に挿入固定された工具芯部材２Ｂとから構成されている。工具外形部材２Ａには靱性の高い材質として例えばＳＫＤやＳＫＨなどの工具鋼が使用され、その中に挿入固定された工具芯部材２Ｂには剛性の高い材質として例えば超硬合金などの工具用合金が使用される。

工具外形部材２Ａは、その外形には回転体２１、プローブ１２及び下部回転体２３が形成され、その軸芯部分には、下部回転体２３の下端側が開口し、その下部回転体２３からプローブ２２を突き抜け回転体２１にまで入り込む深さで挿入穴２４が形成されている。工具外形部材２Ａは中空形状で形成され、その挿入穴２４に超硬合金からなる円柱形状の工具芯部材２Ｂが装填される。工具芯部材２Ｂは、工具外形部材２Ａに対してロウ付け、若しくは焼きばめや冷やしばめ、または溶接などの方法を利用して強固に固定され、接合作業中に容易に分離しないよう一体になっている。摩擦攪拌接合用工具２は、こうして工具芯部材２Ｂを軸心部分に入れて剛性を高め、工具鋼からなる工具外形部材２Ａにはプローブ１２には図示しないネジ山などの表面加工が施される。

そこで、本実施形態の摩擦攪拌接合用工具２によって図４に示すように一対のプレート１０１，１０２を接合する場合、図示しない回転駆動部により回転体２１、プローブ２２及び下部回転体２３が高速で回転し、突き合わせた２枚のプレート１０１，１０２の突合せ部にプローブ２２を押し当てるように挿入させる。摩擦攪拌接合用工具２は、プレート１０１，１０２の接合線２００に沿って相対的に移動するが、その際、プレート１０１，１０２を回転体２１と下部回転体２３とで挟み込むようにしている。そして、摩擦攪拌接合用工具２の移動により、塑性流動化したプレート１０１，１０２の接合部分がプローブ２２の進行圧力を受けて攪拌混練され、摩擦攪拌接合用工具２の後方へ回り込むように塑性流動した後、摩擦熱を急速に失って冷却固化して接合される。

こうした摩擦攪拌接合が繰り返される中で本実施形態の摩擦攪拌接合用工具２は、表面には従来の工具と同様に靱性の高いＳＫＤやＳＫＨなどの工具鋼が使用されているが、その内部の軸芯部分には剛性の高い超硬合金などからなる工具芯部材２Ｂで補強されている。そのため、プローブ２２部分が施工中に受ける荷重を工具芯部材２Ｂが支え、繰り返し荷重による負荷を抑えている。従って、本実施形態では、摩擦攪拌接合用工具２の寿命を従来のものと比べて長くすることができ、更に工具の欠損などによる接合部の品質低下を回避できるようになった。そして、寿命が延びることによって工具の取り替え回数が減ってコストを下げることができ、また補修作業を行う頻度も少なくなって、この点でもコストを下げることができるようになった。

以上、本発明に係る摩擦攪拌接合用工具の一実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。

第１実施形態の摩擦攪拌接合用工具を概念的に示した図である。 第２実施形態の摩擦攪拌接合用工具を概念的に示した図である。 第１実施形態の摩擦攪拌接合用工具を使用したプレートの接合方法を示した図である。 第２実施形態の摩擦攪拌接合用工具を使用したプレートの接合方法を示した図である。 摩擦攪拌接合方法の概要を示す図である。 従来の摩擦攪拌接合用工具を概念的に示した断面図である。

１ 摩擦攪拌接合用工具
１Ａ 工具外形部材
１Ｂ 工具芯部材
１１ 回転体
１２ プローブ
１４ 挿入穴

Claims (3)

1. 円柱形状の回転体とその端面から同軸上に突設した攪拌軸とを有し、一対の被接合部材を突き合わせた接合部に回転させながら攪拌軸を挿入し、発生する摩擦熱によって軟化させつつ攪拌させて接合させる摩擦攪拌接合用工具において、
   ＳＫＤ材またはＳＫＨ材によって形成され、前記回転体及び攪拌軸の外形形状を構成する工具外形部材と、超硬合金によって形成され、前記工具外形部材内の回転軸上に装填された工具芯部材とが一体になって設けられたものであることを特徴とする摩擦攪拌接合用工具。
2. 請求項１に記載する摩擦攪拌接合用工具において、
   攪拌軸が突設した回転体の端面を被接合部材の一方の面に押し付ける片押しタイプの工具であって、
   前記工具外形部材は、前記攪拌軸の先端側に開口して前記回転体の部分にまで入り込む深さで挿入穴が形成され、前記工具芯部材が、その挿入穴内に装填されて固定されたものであることを特徴とする摩擦攪拌接合用工具。
3. 請求項１に記載する摩擦攪拌接合用工具において、
   前記回転体の端面から突設した攪拌軸に下部回転体が一体に形成され、被接合部材を回転体と下部回転体とで挟み込むようにしたボビンタイプの工具であって、
   前記工具外形部材は、前記下部回転体の先端側に開口して前記攪拌軸を貫通し、更に回転体の部分にまで入り込む深さで挿入穴が形成され、前記工具芯部材が、その挿入穴内に装填されて固定されたものであることを特徴とする摩擦攪拌接合用工具。

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