JP5920826B2 - 摩擦攪拌加工用裏当て部材、摩擦攪拌加工方法及び摩擦攪拌加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、平板材を円筒状に曲成した円筒ワークの端部同士を突き合せた接合線に沿って回転するツールを押し付けて摩擦攪拌加工するときに用いられる摩擦攪拌加工用裏当て部材、摩擦攪拌加工方法及び摩擦攪拌加工装置に関する。

例えば、ワークとして金属材料の被加工材同士を突き合せた接合線に対して円柱状のツール（ショルダ部の先端中央に突設するプローブを有するツール）を回転させながら押し付けて接合線方向に相対移動させることにより、発生する摩擦熱で被加工材を軟化させて接合する技術は、摩擦攪拌接合（ＦＳＷ）として知られている。また、上記ツールを用いて、被加工材表面の強度及び硬さ等を向上させる摩擦攪拌プロセス（ＦＳＰ）や、被加工材を点接合する摩擦攪拌点接合（ＦＳＪ）も行われ、これらＦＳＷ、ＦＳＰ、ＦＳＪを総称して摩擦攪拌加工と称される。

摩擦攪拌接合は、ツールの耐熱性及び耐摩耗性の問題からワークとしてアルミニウム等の軽金属の接合が主流である。ワークの形状としては、平板や円筒形状等がある。ツールは、主として円柱状のショルダ部において先端のショルダ面中央にプローブを突設したツールが使用される。

摩擦攪拌接合においては、ツールをワークに押圧する必要があるので、ワークを支持するための裏当て部材が必要である（例えば、特許文献１の「第１中子部材１５２」）。裏当て部材は、ワークにおいてツールを押し付ける側と反対側の面にあてがわれてワークの加工部に当接される。従って、裏当て部材は、ワークと溶着しないような材質を選択する必要があり、一般に、アルミニウム製ワークの場合には、裏当て部材は鉄系材料が使用されるが、鉄系高融点材料製ワークの場合には、裏当て部材は通常はセラミックス系材料が使用される。

ところで、円筒ワークを摩擦攪拌接合する場合には、平板材を円筒状に曲成した端部同士を突き合せた接合線に沿って外壁面側からツールを押し付けるので、裏当て部材は接合線に対応して円筒ワークの内壁面に当接させて配置される。この裏当て部材として、円筒ワークの内壁面の曲面形状にほぼ対応して上面を略円弧形状に形成した裏当て部材が使用される。例えば、特許文献１において「第１中子部材１５２」と称される裏当て部材は、上面を湾曲上面とし、この湾曲上面に円筒ワークの内壁面を当接させるようにしている（特許文献１の段落００５８、図１０等）。

特開２００５−２８４４８号公報

しかるに、摩擦攪拌接合の操作中にはツールをワークに押圧させるため、ツールの押圧力がワークを介して裏当て部材にも作用する。そうすると、円筒ワークを摩擦攪拌接合する場合には、裏当て部材の円弧状上面においてツールの押圧力が特に円筒ワークの接合線に沿った部位に集中する。そのため、裏当て部材の円弧状上面における当該部位が直ぐに陥没、変形等して破損してしまうという問題があった。

例えば、鉄系高融点材料製の円筒ワークを摩擦攪拌接合する場合には、セラミックス製の裏当て部材が使用される。この場合、プローブを突設したツールによって円筒ワークを摩擦攪拌接合すると、ツールの押圧力が集中するブローブ先端とセラミックス製裏当て部材の円弧状上面とが点接触のような押圧状態になる。そうすると、靱性に劣るセラミックス製裏当て部材は、ツールのプローブが配置される円筒ワークの接合線に対応して、円弧状上面の局所部分が容易に欠損してしまう。

また、図８に示すように、円弧状上面６６０とする裏当て部材６００を用いて、円筒ワークＷを摩擦攪拌接合する場合、接合線となる端部ｅ１，ｅ２同士の突き合せ部分では、外側で拡開傾向となって隙間Ｓが形成されるため、接合部に欠陥が生じる場合があった。なお、図８中、３１はツール、３１１はショルダ部、３１２はプローブである。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、円筒ワークを摩擦攪拌加工する場合に破損し難い摩擦攪拌加工用の裏当て部材を提供する。また、上記裏当て部材を用いて円筒状ワークに対して良好な接合を行うことができる摩擦攪拌加工方法及び摩擦攪拌加工装置を提供する。

本発明に係る摩擦攪拌加工用裏当て部材は、
平板材を円筒状に曲成した円筒ワークの端部同士を突き合せた接合線に沿って円筒ワークの外壁面側から回転するツールを押し付けて摩擦攪拌加工するとき上記ツールの押圧力を受け止めるように円筒ワークの内壁面にあてがわれる裏当て部材であって、
円筒ワークの内壁面に当接する円弧状上面には、上記接合線に沿って延在する平面部が形成されている。

上記構成より、円筒ワークを摩擦攪拌加工するとき、ツールを円筒ワークの外壁面側から接合線に押し付けると、円筒ワークの突き合せた端部が裏当て部材の平面部に沿って当接される。従って、ツール先端面と裏当て部材の平面部とが円筒ワークを介して対面するような押圧状態となり、従来の円弧状上面を形成しただけの裏当て部材のように点接触のような押圧状態となることが回避され、ツールの押圧力が裏当て部材の上面の局所部分に集中することが防止される。よって、裏当て部材の上面の破損が抑制される。

上記平面部の幅は、ツールのショルダ径以下の寸法に設定されるのが望ましい。
ここで、ショルダ径とは、円筒ワークに接触させるツール先端部の外径のことである。
上記平面部の幅がツールのショルダ径よりも幅広となると、ツールの押し付けによって、ショルダ径よりも広い範囲で円筒ワークの突き合せた端部の周辺部分が裏当て部材の上記平面部に倣って変形して、接合部周辺に凹みを生じさせてしまう。これに対して、裏当て部材の上記平面部の幅をツールのショルダ径以下とすることにより、裏当て部材の上記平面部に押し付けられた円筒ワークの端部全域が摩擦攪拌加工された接合部となるので、接合部周辺に凹んだ変形を生じさせることがない。

上記裏当て部材は、セラミックス系材料からなる場合に有利である。
すなわち、セラミックスは破壊靱性が小さいため、セラミックス系材料からなる裏当て部材は円筒ワークを介したツールの押圧力により破損し易い。ところが、このようなセラミックス系材料からなる裏当て部材であっても、裏当て部材の円弧状上面に上記平面部を形成することにより、ツールの押圧力が裏当て部材の上面の局所部分に集中することが防止され、裏当て部材の上面の破損が抑制される。例えば、鉄系高融点材料製の円筒ワークを摩擦攪拌加工するときにセラミックス系材料からなる裏当て部材を使用する場合であっても、裏当て部材の耐久性が向上されて寿命を長くすることができる。

また、本発明に係る摩擦攪拌加工方法は、
上記摩擦攪拌加工用の裏当て部材を用いた摩擦攪拌加工方法であって、
回転するツールを、円筒ワークの突き合せた端部が上記裏当て部材の上記平面部に当接するように押し付けながら接合線に沿って移動させる方法である。
上記構成より、ツールを円筒ワークの外壁面側から接合線に押し付けると、円筒ワークの突き合せた端部が裏当て部材の平面部に当接されて、上記端部同士が真っ直ぐ突き合わされる。従って、接合線となる端部同士の突き合せ部分は、ほとんど隙間なく当接される。よって、接合部に欠陥が生じるのを抑制することができ、良好な接合を行うことができる。

また、本発明に係る摩擦攪拌加工装置は、
上記摩擦攪拌加工用の裏当て部材を備える摩擦攪拌加工装置であって、
回転するツールを、円筒ワークの突き合せた端部が上記裏当て部材の上記平面部に当接するように押し付けながら接合線に沿って移動させる加工機構を備える装置である。
この摩擦攪拌加工装置によれば、上述の摩擦攪拌加工方法と同様の作用効果が発揮され、接合部に欠陥が生じるのを抑制して良好な接合を行うことができる。

以上のように、本発明に係る摩擦攪拌用裏当て部材によれば、ツールの押圧力が裏当て部材の上面の局所部分に集中することが防止され、裏当て部材の上面の破損が抑制されるので、裏当て部材の耐久性が向上されて寿命を長くすることができる。
また、本発明に係る摩擦攪拌加工方法及び摩擦攪拌加工装置によれば、接合部に欠陥が生じるのを抑制することができ、良好な接合を行うことができる。

実施形態の摩擦攪拌加工装置を示した斜視図である。 摩擦攪拌加工装置におけるワーク取付部の冶具の取り付け状態を示した一部断面図である。 冶具に装着した円筒ワークを挟持するクランプを説明するための模式図である。 裏当て部材の構造を示した斜視図である。 摩擦攪拌加工方法を説明するための模式図である。 上面に平面部を形成した裏当て部材において、摩擦攪拌接合操作を５０回行った後の状態を撮影した写真である。 上面に平面部を形成しない従来の裏当て部材において、摩擦攪拌接合操作を５回行った後の状態を撮影した写真である。 従来の裏当て部材に円筒ワークを配置した状態を説明するための部分拡大図である。

以下に、本発明の実施形態を、添付図面を参照しながら説明する。
まず、摩擦攪拌加工装置について説明する。
図１に示すように、摩擦攪拌加工装置１は、平板材を円筒状に曲成した円筒ワークＷを冶具５に装着して、この円筒ワークＷの端部同士を突き合せた接合線Ｌに沿って回転するツール３１を押し付けて摩擦攪拌接合（ＦＳＷ）する装置である。摩擦攪拌加工装置１は、機台１０において、円筒ワークＷを保持するワーク取付部２と、円筒ワークＷに対して摩擦攪拌接合を行うための加工機構３とが設けられている。

ワーク取付部２は、円筒ワークＷを横向きにして外嵌保持する円柱状の金属製の冶具５を備える。この冶具５の外径は、円筒ワークＷの内径と同じか少し小さく設定されている。冶具５は、左右側の２方が定盤２０に立設する外枠２１に囲まれて定盤２０上に配置されている。冶具５は、前後の端面の中心部に支軸５１が設けられており、図２を参照して、後側の支軸５１Ｂが外枠２１の後壁に取り付けられて片持ち状態に設置されている。従って、この冶具５には、外枠２１の開放された前側から円筒ワークＷが着脱される。そして、冶具５に円筒ワークＷを装着すると、外枠２１の前部に回動可能に設けたサポータ２２を上方へ回動させて起立させ、このサポータ２２により冶具５の前側の支軸５１Ａが支持される。

図３を参照して、冶具５の上部には、長さ方向の全長にわたって凹状の保持溝５２が設けられており、この保持溝５２内に裏当て部材６が嵌め込まれる。この裏当て部材６は、円筒ワークＷの接合線Ｌ周辺における内壁面にあてがわれて、ツール３１の押圧力を受け止めるとともに円筒ワークＷの内壁面側からの放熱を遮断するための部材である。この裏当て部材６については後記で詳述する。なお、保持溝５２には、円筒ワークＷの接合線Ｌの全体に配置されるように、１本の長い裏当て部材６を嵌め込んでもよいし、数本の短い裏当て部材６を保持溝５２の長さ方向に並べて嵌め込むようにしてもよい。また、冶具５の外周面には、長さ方向に延在した切欠部５３が周方向の複数位置（本実施形態では３箇所）に設けられている。この切欠部５３によって冶具５の軽量化が図られる。

冶具５の左右両側には、冶具５に装着した円筒ワークＷを固定するための一対のクランプ２３が配設されている。図３を参照して、各クランプ２３は、内側面が円筒ワークＷの外壁面に沿った断面略半円弧状に形成されている。各クランプ２３は、外枠２１の左右の内側壁にそれぞれ取り付けられており（図１参照）、エアシリンダ等の駆動手段７により冶具５側に向かって接近・離間可能に設置されている。すなわち、冶具５に円筒ワークＷを着脱する際は左右のクランプ２３を離間させておき、冶具５に円筒ワークＷを装着すると左右のクランプ２３を互いに接近させて冶具５に装着した円筒ワークＷを挟持して固定させる。クランプ２３は、円筒ワークＷを挟持固定した状態では、上部にツール３１を進入可能とするような間隔が形成される。

再び図１を参照して、加工機構３は、ツール３１を取り付けた加工ヘッド３０を備える。ツール３１は、円柱状のショルダ部３１１と、ショルダ部３１１の先端のショルダ面において中央に突設した断面弧状のプローブ３１２とを備える（図３参照）。ただし、ツール３１は、これに限定されず、ショルダ面が平面又は曲面となったもの、プローブ３１２が円柱状、裁頭円錐状等の各種形状に形成されたもの、プローブ３１２にネジ溝を設けたもの等その他種々のものが使用される。なお、ツール３１の材質は、ＰＣＢＮ（立方晶窒化ホウ素焼結体）等のセラミックスや、Ｗ−Ｒｅ合金、工具鋼等の金属が採用される。

加工ヘッド３０は、下部にツール３１を着脱自在に取り付けるツールホルダ３２を備え、ツールホルダ３２は、加工ヘッド３０の上部に設置するツール回転用モータ４１と連結されている。従って、ツール回転用モータ４１の駆動によりツールホルダ３２とともにツール３１が回転される。加工ヘッド３０は、スライダ１４の前板部１４ａに対して回動自在に取り付けられており、加工ヘッド３０を回動させて、ツール３１の前進角（ツール３１の先端部よりも上端部側の方がツール送り方向後方側となるようにツール３１を傾けたときの垂直線に対する傾き角度）が設定される。加工ヘッド３０を取り付けた前板部１４ａは、スライダ１４に対してボールネジ機構等（図示せず）により昇降自在に取り付けられており、スライダ１４の上部に設置する昇降用モータ４２の駆動によりワーク取付部２に対して上下移動される。これにより、前板部１４ａとともに加工ヘッド３０が上下移動されるので、円筒ワークＷに押し付けるツール３１のツール高さや加圧力が設定される。また、スライダ１４は、一対のガイドレール１２とボールネジ１３とを備える直動機構１１に取り付けられており、機台１０の上部に設置する送り用モータ４３の駆動によりワーク取付部２に対して前後移動される。これにより、スライダ１４とともに加工ヘッド３０が前後移動されるので、ツール３１が円筒ワークＷの加工方向となる接合線Ｌ方向に沿って移動される。

次に、裏当て部材６について説明する。
図４に示すように、裏当て部材６は、長尺な略角柱形状に形成されており、長さ方向を円筒ワークＷの軸線と合致するようにして配置される。この裏当て部材６の材質は、円筒ワークＷと溶着しない材質が選択され、例えば、鉄系高融点材料製ワークの場合にはＳｉＮ（窒化珪素）やアルミナ等のセラミックス系材料が使用される。

裏当て部材６は、冶具５の保持溝５２内に嵌め込んで、冶具５の外面に露出させた上面６０により円筒ワークＷの内壁面が支持される（図３参照）。この上面６０は、幅方向の輪郭線の大部分が円筒ワークＷの内径円弧と同じか少し小さい径の円弧状に形成された円弧状上面としているが、中央部には、長さ方向の全長にわたって平面部６１が形成されている。平面部６１の両側は、円筒ワークＷの内壁面の円弧形状にほぼ沿った曲面部６２としている。そして、この裏当て部材６の上面６０には、円筒ワークＷの突き合せた端部が配置され、平面部６１上には、円筒ワークＷの端部同士を突き合せた接合線Ｌが配置される。平面部６１の両側の各曲面部６２には、円筒ワークＷの各端部の周辺部分が当接される。

図５（ａ）を参照して、平面部６１の幅ｈは、ツール３１のショルダ径ｍ（ツール３１先端の外径）以下の寸法に設定される。すなわち、平面部６１の幅ｈがツール３１のショルダ径ｍよりも幅広となると、ツール３１の押し付けによって、ショルダ径ｍよりも広い範囲で円筒ワークＷの突き合せ端部ｅ１，ｅ２の周辺部分が裏当て部材６の平面部６１に倣って変形し、接合部周辺に凹みを生じさせてしまう。そこで、この平面部６１の幅ｈをツール３１のショルダ径ｍ以下とすることにより、裏当て部材６の平面部６１に押し付けられた円筒ワークＷの突き合せ端部ｅ１，ｅ２の全域が摩擦攪拌接合される接合部Ｂとなるので、接合部Ｂ周辺において凹んだ変形を生じさせることもない。この平面部６１の幅ｈは、例えば、ツール３１のショルダ径ｍの２０％〜８０％の幅寸法に設定されるが好ましい。

次に、上記の裏当て部材６を用いた摩擦攪拌加工方法について説明する。
図５を参照して、まず、平板材を円筒状に曲成した円筒ワークＷを冶具５に外嵌させて装着する。このとき、円筒ワークＷの端部同士を突き合せた接合線Ｌを冶具５に取り付けた裏当て部材６の平面部６１上に配置させる（図５（ａ））。そして、クランプ２３で冶具５に装着した円筒ワークＷを挟持して固定させ、サポータ２２を起立させて冶具５の前側の支軸５１を支持させる（図１、図２参照）。

次いで、ツール３１を回転させながら加工ヘッド３０を下降させ、この回転するツール３１を円筒ワークＷの外壁面側から接合線Ｌ上の一端に押し付ける（図５（ｂ））。このとき、ツール３１の回転数は、例えば、５００ｒｐｍ〜２０００ｒｐｍ程度に設定される。また、ツール３１の高さは、例えば、プローブ３１２先端位置が裏当て部材６の平面部６１から０．１ｍｍ〜０．２ｍｍの高さ位置となるように設定される。このツール３１の押し付け状態では、円筒ワークＷの突き合せた端部ｅ１，ｅ２が裏当て部材６の平面部６１に当接されて端部ｅ１，ｅ２同士が真っ直ぐ突き合わされる。これにより、接合線Ｌとなる端部ｅ１，ｅ２同士の突き合せ部分は、ほとんど隙間なく当接される。

そして、回転するツール３１により発生する摩擦熱で円筒ワークＷの接合線Ｌ周辺が軟化されると、上記ツール３１高さを維持して加工ヘッド３０を後方へ移動させてツール３１を接合線Ｌの他端に向かって走行させる。このとき、ツール３１の送り速度は、例えば、５００ｍｍ／ｍｉｎ〜１０００ｍｍ／ｍｉｎに設定される。すると、円筒ワークＷの接合線Ｌ周辺が連続的に軟化され、円筒ワークＷの接合線Ｌ部分が摩擦攪拌接合された接合部Ｂとなる（図５（ｃ））。

以上より、上記構成の裏当て部材６によれば、円弧状の上面６０に平面部６１を形成することにより、ツール３１を円筒ワークＷの外壁面側から接合線Ｌに押し付けると、円筒ワークＷの突き合せた端部ｅ１，ｅ２が裏当て部材６の平面部６１に沿って当接される。これにより、ツール３１先端と裏当て部材６の平面部６１とが円筒ワークＷを介して対面するような押圧状態となり、従来の円弧状上面を形成しただけの裏当て部材６のように点接触のような押圧状態となることが回避され、ツール３１の押圧力が裏当て部材６の上面６０の局所部分に集中することが防止される。従って、裏当て部材６の上面６０の破損が抑制され、裏当て部材６の耐久性が向上されて寿命を長くすることができる。

特に、セラミックス製の裏当て部材６では上記効果が顕著であり有利となる。すなわち、セラミックスは破壊靱性が小さいため、セラミックス製の裏当て部材６はツール３１の押圧力により破損し易いが、円弧状の上面６０に平面部６１を形成することにより、この平面部６１によってツール３１の押圧力が局所部分に集中することが防止され、裏当て部材６の上面６０の破損が抑制される。例えば、鉄系高融点材料製の円筒ワークＷを摩擦攪拌接合するときにセラミックス系材料からなる裏当て部材６を使用する場合であっても、裏当て部材６の耐久性が向上されて寿命を長くすることができる。

また、上記裏当て部材６を用いた摩擦攪拌加工方法や摩擦攪拌加工装置１によれば、ツール３１の押し付けにより、円筒ワークＷの突き合せた端部ｅ１，ｅ２同士が裏当て部材６の平面部６１上で真っ直ぐ突き合わされる。従って、接合線Ｌとなる端部同士の突き合せ部分は、ほとんど隙間なく当接され、接合部Ｂに欠陥が生じるのを抑制することができ、良好な接合を行うことができる。
なお、本発明は、以上の実施形態のみに限定されず、本発明の要旨の範囲内で種々の変更を施すことが可能である。

次に、上記構成の裏当て部材６の効果を確かめるために耐久試験を行った。
すなわち、上記構成の裏当て部材６を、図１に示した摩擦攪拌加工装置１に取り付けて、円筒ワークＷの突き合せた端部ｅ１，ｅ２を摩擦攪拌接合する操作を行って、設置した裏当て部材６の上面６０に欠損が生じた接合回数を確かめた。

実施例として、裏当て部材６は、窒化珪素（ＳｉＮ）製からなり、３０×３０ｍｍ角、長さ３５０ｍｍの角柱材とし、上面６０は、幅方向の輪郭線が５６Ｒの円弧状をなし、中央部に６ｍｍ幅の平面部６１を長さ方向の全長にわたって形成したものを使用した。なお、比較例として、上記平面部６１を形成しない円弧状上面だけとした裏当て部材６００についても同様の耐久試験を行った。

そして、この耐久試験で使用した円筒ワークＷ、ツール３１、及び接合条件は、以下のとおりである。
円筒ワークＷは、平板材を円筒状に曲成したもので、厚さ０．９１ｍｍのＳＵＳ４３０からなり、内径１１３．２ｍｍ、外径１１５ｍｍ、長さ３００ｍｍとするものである。
ツール３１は、円柱状のショルダ部３１１を有し、先端のショルダ面中央に断面弧状のプローブ３１２を突設したもので、Ｎｉ基２重複相金属間化合物合金製からなり、ショルダ径が１２ｍｍ、プローブ径が４ｍｍ、プローブ長が０．８ｍｍとし、プローブ形状は半径２．２５ｍｍの半球形状とするものである。
接合条件は、ツール３１の前進角が３度、ツール回転数が１２００ｒｐｍ、ツール送り速度が９００ｍｍ／ｍｉｎ、ツール３１の円筒ワークＷへの加圧力を０．５ｔｏｎに設定した。

以上の耐久試験の結果、比較例の裏当て部材６００は、接合回数５回目で円弧状上面に欠損が生じた（図７の写真）。これに対して、実施例の裏当て部材６は、接合回数５０回目でも上面６０に欠損が生じなかった（図６の写真）。この結果より、円筒ワークＷに用いる裏当て部材６は、円弧状上面に平面部６１を設けることで、耐久性が格段に向上し長寿命となることが実証された。今回の試験によれば、裏当て部材６の耐久性及び寿命が少なくとも１０倍向上したことが確認された。

１ 摩擦攪拌加工装置
６ 裏当て部材
３１ ツール
６０ 上面
６１ 平面部
ｅ１，ｅ２ 端部
Ｌ 接合線
Ｗ 円筒ワーク

Claims (5)

1. 平板材を円筒状に曲成した円筒ワークの端部同士を突き合せた接合線に沿って円筒ワークの外壁面側から回転するツールを押し付けて摩擦攪拌加工するとき上記ツールの押圧力を受け止めるように円筒ワークの内壁面にあてがわれる裏当て部材であって、
   円筒ワークの内壁面に当接する円弧状上面には、上記接合線に沿って延在する平面部が形成されている摩擦攪拌加工用裏当て部材。
2. 請求項１に記載の摩擦攪拌加工用裏当て部材において、
   上記平面部の幅は、ツールのショルダ径以下の寸法に設定されている摩擦攪拌加工用裏当て部材。
3. 請求項１又は２に記載の裏当て部材は、セラミックス系材料からなる摩擦攪拌加工用裏当て部材。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の摩擦攪拌加工用の裏当て部材を用いた摩擦攪拌加工方法であって、
   回転するツールを、円筒ワークの突き合せた端部が上記裏当て部材の上記平面部に当接するように押し付けながら接合線に沿って移動させる摩擦攪拌加工方法。
5. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の摩擦攪拌加工用の裏当て部材を備える摩擦攪拌加工装置であって、
   回転するツールを、円筒ワークの突き合せた端部が上記裏当て部材の上記平面部に当接するように押し付けながら接合線に沿って移動させる加工機構を備える摩擦攪拌加工装置。