WO2011118299A1 - 摩擦加工用ツール、これを用いた摩擦加工装置及び摩擦加工方法 - Google Patents

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WO2011118299A1
WO2011118299A1 PCT/JP2011/053399 JP2011053399W WO2011118299A1 WO 2011118299 A1 WO2011118299 A1 WO 2011118299A1 JP 2011053399 W JP2011053399 W JP 2011053399W WO 2011118299 A1 WO2011118299 A1 WO 2011118299A1
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friction
friction processing
processing
workpiece
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PCT/JP2011/053399
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隆幸 高杉
泰幸 金野
幸男 沖
圭史 久保
昇 望月
智丈 平田
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公立大学法人大阪府立大学
学校法人近畿大学
アイセル株式会社
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K20/00—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating
    • B23K20/12—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating the heat being generated by friction; Friction welding
    • B23K20/122—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating the heat being generated by friction; Friction welding using a non-consumable tool, e.g. friction stir welding
    • B23K20/1245—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating the heat being generated by friction; Friction welding using a non-consumable tool, e.g. friction stir welding characterised by the apparatus
    • B23K20/1255—Tools therefor, e.g. characterised by the shape of the probe
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • B23K20/26—Auxiliary equipment

Definitions

  • the present invention relates to, for example, a friction processing tool used to affix workpieces of metal materials butted together and soften them by friction heat and join them, and a friction processing apparatus and a friction processing method using the same.
  • Friction stir welding is known as the above processing method.
  • FSP friction stir reforming
  • FSJ friction point joining
  • the friction stir processing tool includes a cylindrical tool body, a shoulder surface formed on the tip end surface of the tool body, and a probe projecting from the center of the shoulder surface.
  • the friction stir processing tool is required to be a material with higher physical properties such as hardness, melting point and wear resistance than the work material, and SKD steel etc. is used for joining the work material of low melting point material such as aluminum material Tool steel is mainly used.
  • a friction stir processing tool made of ceramic or cemented carbide is used in the case of joining workpieces of an iron-based material such as stainless steel.
  • a friction stir processing tool made of ceramic or cemented carbide is used.
  • the friction stir processing tool made of ceramics is easily broken, and the friction stir processing tool made of cemented carbide has problems such as wear easily in a short time. Therefore, as a material of the friction stir processing tool, one made of a Ni-based dual dual phase intermetallic compound alloy having high strength and excellent high temperature characteristics has been proposed (Patent Document 1).
  • the probe of the above-described friction stir processing tool is provided with the intention of causing the softened metal material to flow in the longitudinal direction of the probe when bonding the workpieces together, thereby improving the bonding strength. Because the processing of the probe is required, the shape of the tool becomes complicated, the manufacturing cost is high, and if the probe is broken, the friction stir processing tool can not be used any more. Further, depending on the depth of the probe, there is a possibility that a defect such as an opening may be easily caused in the bonding portion when FSW is performed to bond the thin plates to each other.
  • the present invention provides a tool for friction processing, which can improve tool life and can reduce manufacturing labor and manufacturing cost, and a friction processing apparatus and a friction processing method using the same.
  • the friction processing tool according to the present invention is A friction processing tool for softening and processing a work material by frictional heat generated by pressing while rotating the work material of a metal material, A cylindrical tool main body is provided, and the tip end surface of the tool main body to be brought into contact with the work material is formed only by a flat shoulder surface.
  • the shoulder surface is not provided with a probe that is easily worn, etc.
  • the life of the friction processing tool is improved.
  • the effort and manufacturing cost which manufacture the tool for friction processing can be held down.
  • the tip end surface of the tool main body to be brought into contact with the work material is formed only by the flat shoulder surface, the work material is softened by frictional heat to cause plastic deformation or flow mainly in the radial direction of the shoulder surface. Can be processed.
  • a tool based on such processing principle is called a friction processing tool.
  • the material of the friction processing tool is preferably a Ni-based dual dual phase intermetallic compound alloy.
  • the friction processing tool is excellent in heat resistance and wear resistance. Therefore, the present friction processing tool exhibits the required hardness even at high temperatures due to frictional heat at the time of processing of a workpiece, and is good for a workpiece made of an iron-based material such as stainless steel even without a probe. Bonding can be performed.
  • the friction processing device is A friction processing apparatus comprising a processing mechanism for rotating and pressing a friction processing tool against a workpiece of a metal material while rotating the tool for relative movement in the processing direction,
  • the friction processing tool is the friction processing tool according to claim 1 or 2, wherein a ratio of a shoulder diameter to a thickness of a thin plate to be a workpiece is 6.5 to 15,
  • the machining mechanism has a tool feed speed set to 500 to 900 mm / min.
  • the conditions for the above-described friction processing tool and processing mechanism are desirably set for thin plates made of an iron-based material having a thickness of 1.5 mm or less as a work material.
  • the tool has a tool regeneration mechanism that grinds the tip surface formed only by the shoulder surface of the friction processing tool that has been worn due to friction processing using a grinding stone,
  • the tool regeneration mechanism controls the grinding wheel to rotate while grinding the friction processing tool to grind the shoulder surface of the tool body, and the output value of the torque detection means for detecting the rotational torque of the friction processing tool is It is desirable to include control means for controlling to stop reproduction when a predetermined set value is reached.
  • the tool regenerating mechanism can restore the shoulder surface to a planar state and reproduce. Therefore, since the tool for friction processing which has been worn can be reused by regeneration, the life of the tool for friction processing can be further improved and the frequency of tool replacement can be reduced. In particular, since the present friction processing tool does not have a probe, the structure of the grindstone in the tool regenerating mechanism can be simply formed, and the regeneration becomes easy.
  • the torque detection unit detects the rotational torque of the friction processing tool, and for example, the value of the rotational torque when the shoulder surface becomes a smooth plane is taken as the set value, and the rotational torque becomes this set value. By stopping the reproduction at the same time, it is possible to perform good tool reproduction without waste of time and excessive cutting.
  • the friction processing method according to the present invention is A friction processing method in which a workpiece is softened and processed by frictional heat by pressing a friction processing tool against a workpiece of a metal material while rotating and relatively moving the tool in the processing direction,
  • the friction processing tool is the friction processing tool according to claim 1 or 2, wherein a ratio of a shoulder diameter to a thickness of a thin plate made of an iron-based material having a thickness of 1.5 mm or less as a work material is 6 Process the work piece using one of 5 to 15. Thereby, the same effect as the above-described friction processing tool and friction processing device is exhibited.
  • the tool life of the friction processing tool can be improved, and the labor and cost of manufacturing can be suppressed.
  • good bonding and the like can be performed on a thin plate or the like of a workpiece made of an iron-based material such as stainless steel.
  • FIG. 1 It is a figure which shows the tool for friction processing by embodiment
  • the figure (A) is a perspective view of a tool
  • the figure (B) is the side view.
  • the friction processing tool softens the work material by friction heat generated by rotating and pressing against the work material of the metal material and is processed by plastic deformation or flow mainly in the radial direction of the shoulder surface It is a tool for The friction processing tool (hereinafter appropriately referred to as “tool”) is made of a Ni-based dual dual phase intermetallic compound alloy, has a cylindrical tool main body, and has a tip end face of the tool main body to be brought into contact with a workpiece It is formed only by a flat shoulder surface.
  • the tool may be referred to as a friction stir processing tool when it is used for friction stir welding (FSW), friction stir reforming (FSP), friction point bonding (FSJ), etc. described in the background art.
  • the tool 20 has a cylindrical tool main body 21 and a hexagonal columnar mounting portion 24 formed on the proximal end side of the tool main body 21 via the flange 23.
  • the mounting portion 24 is detachably fixed to the tool holder 3 of the friction processing apparatus, and the tool main body 21 is pressed against the workpiece.
  • the tip end surface of the tool main body 21 to be pressed against the workpiece is formed only by the flat shoulder surface 22, and the shoulder surface 22 does not have a projecting probe as in the prior art. Therefore, the flat shoulder surface 22 is friction-welded by pressing it while rotating it against a joint line where the end portions of the plate materials are butt-welded as a workpiece.
  • the shoulder surface 22 may have a curved surface in which the generatrix is slightly convex or slightly concave, as well as a plane whose generatrix is perpendicular to the axis of the tool body 21.
  • the shoulder diameter of the tool 20 (the diameter of the shoulder surface 22) is set so that the ratio of the shoulder diameter to the thickness of the thin plate to be processed is 6.5 to 15. For example, when the thickness of the thin plate is 1.5 mm or less, the shoulder diameter of the tool is set to 8 to 14 mm.
  • the tool 20 is formed of a Ni-based dual dual phase intermetallic compound alloy so that joining can be performed reliably even if the material to be processed is an iron-based alloy or the like having a high melting point as compared to an aluminum alloy or the like. Ru.
  • the Ni-based dual dual phase intermetallic compound alloy is not limited as long as it is an alloy having a Ni-based dual dual phase intermetallic compound.
  • Ni-based dual dual phase intermetallic compound alloy for example, Ni 3 Al (L 1 2 ) -Ni 3 Ti (D 0 24 ) -Ni 3 V (D 0 22 ) type intermetallic compound alloy (International Publication WO 2006/1011212 pamphlet And Ni 3 Al (L 1 2 ) -Ni 3 Nb (D 0 a ) -Ni 3 V (D 0 22 ) -based intermetallic compound alloys (see International Publication WO 2007/086185).
  • the above-mentioned Ni 3 Al (L 1 2 ) -Ni 3 Ti (D 0 24 ) -Ni 3 V (D 0 22 ) -based phase intermetallic compound alloy is more than 5 atomic% of Al and 13 atomic% or less, V: 9.5 atomic% or more and less than 17.5 atomic%, Ti: 0 atomic% or more and 3.5 atomic% or less, B: 0 weight ppm or more and 1000 weight ppm or less, the rest being impurities excluding Ni And a Ni 3 Al-based intermetallic compound having a dual phase structure of a pro-eutectic L1 2 phase and a (L1 2 + D0 22 ) eutectoid structure.
  • the first heat treatment is performed at a temperature at which the pro-eutectoid L1 2 phase and the Al phase coexist with respect to the alloy material consisting of Ni and 1000 ppm by weight or less and the remainder excluding impurities and consisting of Ni, and thereafter L1 2 phase If either is the D0 22 phase is cooled to a temperature to coexist, the change by performing the second heat treatment at a temperature and the L1 2 phase and D0 22 phase coexist, the Al phase (L1 2 + D0 22) eutectoid tissue It can be manufactured by a method comprising the steps of: Alternatively, it can also be manufactured by a method including the step of forming a dual dual phase structure by gradually cooling an alloy of the above composition from a high temperature A1 single phase region.
  • Ni 3 Al (L 1 2 ) -Ni 3 Nb (D 0 a ) -Ni 3 V (D 0 22 ) -based intermetallic compound alloy specifically, Al is larger than 5 atomic% and 13 atomic% or less. , V: 9.5 atomic% or more and less than 17.5 atomic%, Nb: 0 atomic% or more and 5 atomic% or less, B: 50 weight ppm or more and 1000 weight ppm or less, the balance is made of Ni excluding impurities.
  • a Ni 3 Al-based intermetallic compound having a dual phase structure of a proeutectoid L1 2 phase and a (L1 2 + D0 22 ) eutectoid structure is mentioned.
  • Al more than 5 atomic percent and 13 atomic percent or less, V: 9.5 atomic percent or more and less than 17.5 atomic percent, Nb: 0 atomic percent or more and 5 atomic percent or less, B: 1000 ppm by weight to 50 ppm by weight or less, the balance being the alloy material consisting of Ni remove impurities, proeutectoid L1 2 phase and Al phase and the temperature to coexist, or the pro-eutectoid L1 2 phase and Al phase and D0 a
  • a first heat treatment at a temperature coexist then either cooled to a temperature that coexist and L1 2 phase and D0 22 phase, by performing a second heat treatment at that temperature, the Al phase (L1 2 + D0 22)
  • It can be manufactured by the process of changing to eutectoid structure to form a dual phase structure.
  • it can also be manufactured by a method including the step of forming a dual dual phase structure by gradually cooling an alloy of the above composition from a high temperature A1 single phase
  • the material of the tool 20 is mainly composed of Ni and Al: 2 to 9 atomic%, V: 10 to 17 atomic%, Ta and / or W: 0.5 to 8 atomic%, Nb: 0 to 6 atomic%, Co: 0 ⁇ 6 atomic%, Cr: 0 ⁇ 6 B relative to the total weight of the total of 100 atomic% of the composition containing atomic%: 10-1000 comprise ppm by weight and the pro-eutectoid L1 2 phase and (L1 2 + D 0 22 )
  • a Ni-based dual dual phase intermetallic compound alloy having a dual dual phase structure composed of eutectoid structure is preferable in that it is excellent in heat resistance and wear resistance.
  • the above “to” includes the upper limit value and the lower limit value, respectively.
  • the effect of improving the hardness can be obtained.
  • Nb, Co, and Cr are optional components, Nb is added to improve the strength of the double dual phase structure, and Co and Cr are added to improve the oxidation resistance.
  • B is added to improve the ductility of the resulting alloy.
  • the intermetallic compound alloy is excellent in mechanical properties such as tensile strength and creep resistance characteristics by having a double dual phase structure consisting of a pro-eutectoid L1 2 phase and a (L1 2 + D0 22 ) eutectoid structure. .
  • the material of the tool 20 is mainly composed of Ni and Al: 5.5 to 13 atomic%, V: 10 to 17 atomic%, Nb: 0 to 6 atomic%, Ti: 0 to 6 atomic%, Co : 0-6 atomic%, Cr: 0-6 B relative to the total weight of the total of 100 atomic% of the composition containing atomic%: 10-1000 comprise ppm by weight and the pro-eutectoid L1 2 phase and (L1 2 + D0 22)
  • a Ni-based dual dual phase intermetallic compound alloy having a dual duplex phase structure composed of a eutectic phase is also preferable in terms of excellent heat resistance and wear resistance, as in the above.
  • the tool 20 may be manufactured by a melting and casting method, a plastic material such as hot forging, a cast material, and a powder metallurgy method.
  • a melting and casting method for a Ni-based dual dual phase intermetallic compound alloy
  • the manufacture of a tool for a Ni-based dual dual phase intermetallic compound alloy can be carried out by various manufacturing methods, and a bare metal of a predetermined element (each having a purity of 99.9% by weight or more so as to obtain a predetermined composition)
  • the ingot is prepared by melting and casting the weighed product of B) and B) by vacuum induction melting method, arc melting method or the like.
  • a tool is manufactured by processing this ingot into a predetermined shape by appropriately using electric discharge machining, cutting, grinding, polishing and the like.
  • the tip end surface of the tool main body 21 to be brought into contact with the workpiece is formed only by the flat shoulder surface 22, the workpiece is softened by frictional heat and the shoulder surface 22 is mainly formed.
  • the present friction processing tool 20 exerts the required hardness (for example, Vickers hardness of 400 or more at 800 ° C.) even at high temperatures due to frictional heat at the time of processing of a workpiece, and stainless steel etc.
  • Favorable joining etc. can be performed also to the to-be-processed material which consists of said iron-type material.
  • it is suitable for joining butts of thin plates having a thickness of 1.5 mm or less as a work material.
  • the shoulder surface 22 of the tool 20 is flat without a probe, the outer peripheral surface shape of the grindstone 51 for grinding the shoulder surface 22 of the tool 20 which has been worn etc. is also flat in the tool regenerating mechanism 5 described later. It can be made into a simple shape that is easy to manufacture.
  • the friction stir welding apparatus 1 includes a processing mechanism 2 that performs friction welding on the works W1 and W2 on a base 7 on which the works W1 and W2 are disposed.
  • a backing jig 4 on which two flat plate-like works W1 and works W2 are disposed is provided on the base 7, and the works W1 and W2 disposed on the backing jig 4 are a backing jig.
  • the bonding wire L in which the workpiece W1 and the workpiece W2 are butted to each other is fixed so as to be positioned at the center of the backing jig 4 by the workpiece presser 6 provided at 4.
  • the workpieces W1 and W2 are high melting point materials such as iron-based alloys
  • ceramics such as silicon nitride
  • the backing jig 4 may be configured by a flat plate member, a rod-like member, or the like formed of a material having a small thermal conductivity.
  • the processing mechanism 2 moves the tool holding unit 30 for holding the tool 20, the rotation motor 23 for rotating the tool 20, the elevating motor 85 for raising and lowering the tool holding unit 30, and the tool holding unit 30 in the lateral direction. And a linear motion mechanism 84.
  • the tool holder 30 includes a tool holder 3 at its lower portion for detachably attaching the tool 20.
  • the tool holder 3 is connected to a tool rotation motor 32, and the tool 20 is rotated together with the tool holder 3 by driving the tool rotation motor 32.
  • the tool holding unit 30 is attached to be able to move up and down with respect to the slider 80, and is made movable up and down with respect to the base 7 by the raising and lowering motor 85 provided on the slider 80, thereby a tool for the works W1 and W2 The height is adjusted.
  • the tool holding portion 30 is rotatably attached to the slider 80 so that the tool 20 can be set to a predetermined advancing angle ⁇ (see FIG. 4).
  • the slider 80 is attached to the pair of guide rails 81 and the ball screw 82 in the linear motion mechanism 84 provided with the pair of guide rails 81, the ball screw 82 and the feed motor 83, and is parallel to the base 7 by the drive of the feed motor 83. It is movable to
  • the tool 20 rotated at high speed (for example, about 500 rpm to 2000 rpm) is pressed against one end of the joining line L of the workpiece W1 and the workpiece W2.
  • the works W1 and W2 around the bonding line L are softened by the generated frictional heat.
  • the workpieces W1 and W2 around the bonding line L are continuously softened by frictional heat due to rotation and plastic deformation mainly in the radial direction of the shoulder surface 22 Or flow, and the vicinity of the bonding line L of the workpieces W1 and W2 is frictionally bonded.
  • the plate material to be processed be a thin plate. Therefore, the plate material (workpieces W1 and W2) as a material to be processed is a thin plate made of an iron-based material, and is suitably used to join materials having a plate thickness of 1.5 mm or less.
  • the backing jig 4 disposed on the back surface of the thin plate a material having a small thermal conductivity (for example, Si 3 N 4) that can block heat radiation from the back surface side of the thin plate. It is possible to perform good joining by setting it as.
  • the smaller the thermal conductivity the larger the softening depth of the thin plate from the shoulder surface 22 of the tool 20 in contact with the thin plate, and as a result, good bonding can be obtained.
  • the tool 20 used for this friction stir welding apparatus 1 is set to the magnitude
  • the friction bonding conditions in the friction stir welding apparatus be set so that the feed speed of the tool 20 is 500 mm / min or more and 900 mm / min or less.
  • the rotational speed of the tool 20 can be set to a rotational speed that generates heat to about 800 to about 1000 ° C. by frictional heat when the tool is pressed against the workpiece.
  • the rotation speed of the tool 20 is preferably set in the range of 700 rpm or more and 1800 rpm or less.
  • the advancing angle ⁇ (see FIG. 4) of the tool 20 is preferably set, for example, in a range of 2 degrees or more and 5 degrees or less.
  • the friction stir welding apparatus 1 further includes a tool grinding apparatus 5 as a tool regenerating mechanism for regenerating the tool 20.
  • the tool grinding device 5 is for grinding the shoulder surface 22 of the tool 20 which has been worn due to the processing of the work material to restore it to the original planar shape and regenerating it. It is arranged on one side of 7 (see FIG. 2). Then, as shown in FIG. 3, the tool grinding device 5 is connected to the grindstone 51 formed on the outer periphery of the disk-like grindstone support plate 52 and the rotary shaft 58 attached to the grindstone support plate 52. And a grinding wheel rotating motor 53 for rotating. As the grindstone 51, it is preferable to use a diamond grindstone or the like so that the tool 20 can be ground smoothly.
  • the present invention is not limited to this.
  • cubic boron nitride (CBN) or the like such as borazone It is good.
  • the grindstone 51 is covered by a cover 54 so that grinding debris and the like generated from the tool 20 and the grindstone 51 are not scattered to the outside, and a tool insertion port 56 for arranging the tool 20 in the cover 54. Is provided on the upper surface, and a discharge port 57 for discharging grinding debris and the like is provided on the lower surface.
  • the tool grinding device 5 is moved to the upper side of the tool grinding device 5 while rotating the worn tool etc., and the shoulder surface 22 of the tip is rotated to the grindstone 51 being rotated. Abut and grind. Thereby, the shoulder surface 22 of the tool 20 is regenerated to the original flat state.
  • the tool grinding apparatus 5 is disposed on the base 7 so that the direction in which the bonding lines L of the workpieces W1 and W2 extend and the rotational direction of the grinding stone 51 coincide with each other. Since grinding is possible with the grindstone 51 while keeping the advancing angle ⁇ , the regenerating operation of the tool 20 can be facilitated.
  • the peripheral speed of the grindstone 51 is set to about 5 to 80 m / sec in the case of CBN (orthogonal boron nitride) or a diamond grindstone, but is not limited thereto.
  • CBN orthogonal boron nitride
  • the number of revolutions optimum for grinding is set in consideration of the type of the whetstone 51, the peripheral speed of the whetstone 51 and the like.
  • the rotational speed is relatively slow.
  • the rotational speed of the tool 20 is preferably set to about 100 rpm, but is not limited thereto.
  • cold air and / or mist may be supplied around the grindstone 51.
  • the roughness of the grinding surface of the grinding wheel 51 can be made finer, and the tool 20 can be ground smoothly and efficiently.
  • the shoulder surface 22 of the tool 20 can be restored to a planar state by the tool grinding device 5 and regenerated. Therefore, since the worn tool etc. can be reused by regeneration, the life of the tool 20 can be further improved and tool replacement frequency can be reduced. In particular, since the present friction processing tool 20 does not have a probe, the structure of the grindstone 51 can be simply formed, and regeneration becomes easy.
  • a torque detection unit for detecting the rotational torque of the tool 20 is connected to the tool rotation motor 32 for rotating the tool 20. This torque detection unit The rotational torque of the tool 20 is also detected while grinding 20 with the grindstone 51.
  • the friction stir welding apparatus 1 is provided with control means (not shown) for controlling to stop the grinding process when the rotational torque detected by the torque detection unit reaches a predetermined setting value during tool grinding.
  • the set value as the rotational torque to stop the grinding process is smoother by grinding than the rotational torque when grinding is performed with the shoulder surface 22 of the tool 20 worn away due to friction bonding and the plane smoothness is lost.
  • the rotational torque decreases, the grinding process is stopped when the rotational torque decreases and the constant value is maintained for a predetermined time.
  • the rotational torque of the tool 20 is detected by the torque detection unit, and for example, the value of the rotational torque when the shoulder surface 22 becomes a smooth plane is taken as a set value, and the rotational torque becomes this set value.
  • the torque detection unit detects the rotation torque of the tool rotation motor 32
  • the rotation torque of the grinding wheel rotation motor 53 may be detected.
  • Example 1 The friction processing tool used has a shoulder diameter of 10 mm and a flat shoulder surface as shown in FIG. 1 and does not have a probe, and the plate thickness of the friction stir welding tool shown in FIG. Friction welding was performed by butting two thin plates (workpieces) made of 1.0 mm SUS430 into contact with each other.
  • the material of the tool for friction processing is 50 wt ppm of B based on the total weight of the composition of 100 at% including 75 at% of Ni, 7 at% of Al, 13 at% of V, and 5 at% of Ta. It is a Ni-based dual dual phase intermetallic alloy alloy having a dual dual phase structure comprising a primary phase L1 2 phase and a (L1 2 + D0 22 ) eutectic phase.
  • a plate-like back jig is used.
  • the back jig is made of silicon nitride (Si 3 N 4 ) and has a length of 30 ⁇ 30 mm.
  • Three 100 mm square bars were used side by side in the bonding direction.
  • the friction bonding conditions are such that the tool is pressed onto the bonding line of the two thin plates as the work material while rotating the tool at an advancing angle of 3 degrees and the tool rotation speed of 1500 rpm, and the tool emits orange light due to frictional heat. It was set to move linearly 250 mm at a feed speed of 900 mm / min, and a joining line where two thin plates were butted was friction-joined.
  • the load to the tool at the time of processing was set to about 0.7 ton. And after joining, the construction state in the junction part of a thin plate is shown in the photograph of FIG.
  • Test piece had a width of 25 mm and a parallel part length of 50 mm according to the shape of the JIS Z 2201 5 test piece.
  • the crosshead speed at the time of measurement was 20 mm / min.
  • Example 2 friction bonding was performed in the same manner as in Example 1 except that the friction processing tool used had a shoulder diameter of 12 mm, and a test piece was prepared and a tensile test was performed. And about Example 2, the construction state in the junction part of a thin plate is shown in the photograph of FIG. 6 after joining.
  • Example 3 friction welding is performed in the same manner as in Example 1 except that the friction processing tool uses a shoulder diameter of 14 mm, and the friction bonding condition is set to a tool feed rate of 700 mm / min. Test pieces were prepared and subjected to a tensile test. And about Example 3, the construction state in the junction part of a thin plate is shown in the photograph of FIG. 7 after joining.
  • Example 4 In Example 4, the friction processing tool used had a shoulder diameter of 12 mm, and the thin plate as the work material had a plate thickness of 0.8 mm, and the friction bonding conditions were a tool feed speed of 550 mm / mm. Friction bonding was performed in the same manner as in Example 1 except that the value was min, test pieces were prepared, and a tensile test was performed. And about Example 4, the construction state in the junction part of a thin plate is shown in the photograph of FIG. 8 after joining.
  • Example 5 friction bonding was performed in the same manner as in Example 4 except that the friction bonding condition was set to a tool feed rate of 650 mm / min, and a tensile test was performed by preparing a test piece. And about Example 5, the construction state in the junction part of a thin plate is shown in the photograph of FIG. 9 after joining.
  • Example 6 friction bonding was performed in the same manner as in Example 1 except that a friction processing tool having a shoulder diameter of 8 mm was used, a test piece was prepared, and a tensile test was performed. And about Example 6, the construction state in the junction part of a thin plate is shown in the photograph of FIG. 10 after joining.
  • Example 7 friction bonding was performed in the same manner as in Example 6 except that the friction bonding conditions were set to a tool feed rate of 700 mm / min, and test pieces were manufactured and tensile tests were performed. And about Example 7, the construction state in the junction part of a thin plate is shown in the photograph of FIG. 11 after joining.
  • Example 8 friction bonding was performed in the same manner as in Example 6 except that the friction bonding condition was set to a tool feed rate of 500 mm / min, and a tensile test was performed by preparing a test piece. And about Example 8, the construction state in the junction part of a thin plate is shown in the photograph of FIG. 12 after joining.
  • Example 9 the thin plate as the work material has a plate thickness of 1.5 mm, and the friction bonding conditions are the same as in Example 1 except that the tool feed rate is 700 mm / min. Then, test pieces were prepared and subjected to a tensile test. And about Example 9, the construction state in the junction part of a thin plate is shown in the photograph of FIG. 13 after joining.
  • Example 10 friction bonding was performed in the same manner as in Example 9 except that friction bonding conditions were set to a tool feed rate of 500 mm / min, and test pieces were manufactured and tensile tests were performed. And about Example 10, the construction state in the junction part of a thin plate is shown in the photograph of FIG. 14 after joining.
  • Example 11 In Example 11, the thin plate as the work material has a plate thickness of 0.8 mm, and the friction bonding conditions are that the tool rotation speed is 1000 rpm and the tool feed rate is 500 mm / min. Friction bonding was performed in the same manner, test pieces were prepared, and tensile tests were performed. And about Example 11, the construction state in the junction part of a thin plate is shown in the photograph of FIG. 15 after joining.
  • Example 12 In Example 12, the friction processing tool uses a shoulder diameter of 14 mm, the thin plate as the work material has a plate thickness of 1.5 mm, and the friction bonding condition is a tool rotation speed of 900 rpm. The friction bonding was performed in the same manner as in Example 1 except that the tool feeding speed was 500 mm / min, and a test piece was prepared and a tensile test was performed. And about Example 12, the construction state in the junction part of a thin plate is shown in the photograph of FIG. 16 after joining.
  • Example 13 In Example 13, the friction processing tool uses a tool with a shoulder diameter of 12 mm, and the friction bonding conditions are the same as in Example 1 except that the tool rotational speed is 800 rpm and the tool feed rate is 500 mm / min. It joined and produced the test piece and did the tension test. And about Example 13, the construction state in the junction part of a thin plate is shown in the photograph of FIG. 17 after joining.
  • the friction processing tool has a shoulder diameter of 12 mm, and a spherically projecting probe with a radius of 2 mm and a height of 0.73 mm is provided at the center of the shoulder surface. Friction stir welding was performed in the same manner as in Example 1 except that the tool rotational speed was set to 1400 rpm, and a test piece was prepared and a tensile test was performed. And about the reference example, the construction state in the junction part of a thin plate is shown in the photograph of FIG. 18 after joining.
  • each of the examples is in the range of 492 ⁇ 566N / mm 2, even compared to 535N / mm 2 of Reference Example, good bonding strength so as not to unfavorably was obtained.
  • Friction stir welding equipment (friction processing equipment) 2 Machining mechanism 5 Tool regeneration mechanism (tool grinding device) 20 friction working tool 21 tool main body 22 shoulder surface 51 grinding wheel L bonding line W1, W2 workpiece (work material) ⁇ advance angle

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Abstract

ツール寿命が向上され、製造の手間や製造コストを抑えることができる摩擦加工用ツール、これを用いた摩擦加工装置及び摩擦加工方法を提供する。金属材料の被加工材に対して回転させながら押し当てて発生する摩擦熱により被加工材Ｗ１，Ｗ２を軟化させて加工するための摩擦加工用ツール２０であって、円柱状のツール本体２１を備え、被加工材Ｗ１，Ｗ２に接触させるツール本体の先端面が平坦なショルダ面２２のみで形成されている。摩擦加工用ツール２０の材質は、Ｎｉ基２重複相金属間化合物合金からなる。

Description

摩擦加工用ツール、これを用いた摩擦加工装置及び摩擦加工方法
　本発明は、例えば、金属材料の被加工材同士を突き合せて摩擦熱により軟化させて接合するために用いられる摩擦加工用ツール、これを用いた摩擦加工装置及び摩擦加工方法に関する。
　上記加工法として、摩擦攪拌接合（ＦＳＷ）が知られている。摩擦攪拌接合は、金属材料の被加工材同士を突き合せて形成される接合線に沿って円柱状のツールを回転させながら押し当て、接合方向に相対移動させることにより、発生する摩擦熱により被加工材を軟化させて接合する方法である。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改質（ＦＳＰ）や、被加工材を点接合する摩擦点接合（ＦＳＪ）も行われ、これらと上記摩擦攪拌接合とを総称して摩擦攪拌加工と称される。
　上記摩擦攪拌加工用ツールは、円柱状のツール本体と、ツール本体の先端面に形成されるショルダ面と、ショルダ面の中央に突設するプローブとを備える。そして、摩擦攪拌加工用ツールは、被加工材よりも硬さ、融点、耐摩耗性等の物性の高い材料が要求され、アルミニウム材等の低融点材料の被加工材の接合にはＳＫＤ鋼等の工具鋼が主に使用されている。一方、ステンレス等の鉄系材料の被加工材を接合する場合には、セラミックス製や超硬合金製の摩擦攪拌加工用ツールが使用されている。しかし、セラミックス製の摩擦攪拌加工用ツールは破損しやすく、超硬合金製の摩擦攪拌加工用ツールは短時間で摩耗が生じやすい等の問題がある。そこで、摩擦攪拌加工用ツールの材質として高強度で優れた高温特性を有するＮｉ基２重複相金属間化合物合金からなるものが提案されている（特許文献１）。
特開２００９－２５５１７０号公報
　ところで、上記摩擦攪拌加工用ツールのプローブは、被加工材同士を接合する場合に軟化した金属材料をプローブの長さ方向に流動させ、接合強度を向上させることを意図して設けられているが、プローブの加工を必要とするためツールの形状が複雑になり、製作コストが高く、また、プローブが破損すると、その摩擦攪拌加工用ツールはそれ以上使用できなくなる。また、上記プローブ深さによっては、薄板同士を接合させるＦＳＷを行う場合に接合部に開口等の欠陥を起こし易くなる等のおそれがある。
　本発明は、上記事情に鑑み、ツール寿命が向上され、製造の手間や製造コストを抑えることができる摩擦加工用ツール、これを用いた摩擦加工装置及び摩擦加工方法を提供するものである。
　本発明に係る摩擦加工用ツールは、
　金属材料の被加工材に対して回転させながら押し当てて発生する摩擦熱により被加工材を軟化させて加工するための摩擦加工用ツールであって、
　円柱状のツール本体を備え、被加工材に接触させるツール本体の先端面が平坦なショルダ面のみで形成されている。
　これにより、ショルダ面には摩耗等し易いプローブが設けられていないので、摩擦加工用ツールの寿命が向上される。また、ショルダ面にプローブを形成する必要がないので、摩擦加工用ツールを製造する手間や製造コストを抑えることができる。また、被加工材に接触させるツール本体の先端面が平坦なショルダ面のみで形成されていることにより、被加工材を摩擦熱により軟化させて主にショルダ面の径方向に塑性変形ないし流動させて加工することができる。なお、このような加工原理によるツールを摩擦加工用ツールと呼ぶ。
　上記摩擦加工用ツールの材質は、Ｎｉ基２重複相金属間化合物合金であるのが好ましい。
　この場合、摩擦加工用ツールは、耐熱及び耐摩耗性に優れるものとなる。従って、本摩擦加工用ツールは、被加工材の加工時に摩擦熱による高温下でも必要な硬さを発揮し、プローブが無くてもステンレスなどの鉄系材料からなる被加工材に対しても良好な接合等を行うことができる。
　また、本発明に係る摩擦加工装置は、
　金属材料の被加工材に対して摩擦加工用ツールを回転させながら押し当てて、加工方向に相対移動させる加工機構を備える摩擦加工装置であって、
　摩擦加工用ツールは、請求項１又は２に記載の摩擦加工用ツールであって、被加工材となる薄板の板厚に対するショルダ径の比率が６．５～１５であり、
　加工機構は、ツール送り速度が５００～９００ｍｍ／ｍｉｎに設定されている。
　なお、上記の摩擦加工用ツール及び加工機構の条件は、被加工材として板厚が１．５ｍｍ以下の鉄系材料からなる薄板に対する設定とするのが望ましい。
　これにより、上記摩擦加工用ツールの作用効果に加え、プローブが無い摩擦加工用ツールによりステンレスなどの鉄系材料からなる被加工材の薄板に対しても良好な接合等を行うことができる。
　上記摩擦加工装置において、
　摩擦加工により摩耗等した摩擦加工用ツールにおけるショルダ面のみで形成する先端面を砥石により研削するツール再生機構を備え、
　ツール再生機構は、上記摩擦加工用ツールを回転させながら砥石を回転させてツール本体のショルダ面を研削するように制御し、上記摩擦加工用ツールの回転トルクを検出するトルク検出手段の出力値が所定の設定値に達すると再生停止するように制御する制御手段を備えるのが望ましい。
　ショルダ面が摩耗することにより、ショルダ面と被加工材の接触状態が不安定になり良好な接合状態を得ることができなくなる。これに対して、上記ツール再生機構によれば、摩擦加工用ツールのショルダ面が摩耗等しても、ツール再生機構によりショルダ面を平面状態に復元して再生することができる。従って、摩耗等した摩擦加工用ツールを再生により再使用することができるので、摩擦加工用ツールの寿命が更に向上され、ツール交換頻度を少なくすることができる。特に、本摩擦加工用ツールにはプローブが無いので、上記ツール再生機構における砥石の構造も簡素に形成でき、再生が容易となる。
　また、ツール再生時に摩擦加工用ツールの回転トルクをトルク検出部により検出して、例えばショルダ面が滑らかな平面になった時の回転トルクの値を設定値とし、回転トルクがこの設定値になった時に再生停止することで、時間の無駄がなく、削りすぎることもなく良好なツール再生を行なうことができる。
　一方、本発明に係る摩擦加工方法は、
　金属材料の被加工材に対して摩擦加工用ツールを回転させながら押し当てて加工方向に相対移動させることにより、摩擦熱により被加工材を軟化させて加工する摩擦加工方法であって、
　摩擦加工用ツールは、請求項１又は２に記載の摩擦加工用ツールであって、被加工材として板厚が１．５ｍｍ以下の鉄系材料からなる薄板の板厚に対するショルダ径の比率が６．５～１５のものを用いて被加工材を加工する。
　これにより、上述した摩擦加工用ツール、摩擦加工装置と同様の作用効果が発揮される。
　以上のように、本発明によれば、摩擦加工用ツールのツール寿命が向上され、製造の手間や製造コストを抑えることができる。しかも、プローブが無くてもステンレスなどの鉄系材料等からなる被加工材の薄板等に対しても良好な接合等を可能とする。
実施形態による摩擦加工用ツールを示す図であり、同図（Ａ）はツールの斜視図であり、同図（Ｂ）はその側面図である。 摩擦攪拌接合装置の全体構成を示す斜視図である。 摩擦攪拌接合装置のツール再生機構としてのツール研削装置の部分を拡大した断面図である。 ワーク加工操作位置とツール再生操作位置との関係を示す模式図である。 実施例１の摩擦接合により得られた薄板の接合部を表側から撮影した写真である。 実施例２の摩擦接合により得られた薄板の接合部を表側から撮影した写真である。 実施例３の摩擦接合により得られた薄板の接合部を表側から撮影した写真である。 実施例４の摩擦接合により得られた薄板の接合部を表側から撮影した写真である。 実施例５の摩擦接合により得られた薄板の接合部を表側から撮影した写真である。 実施例６の摩擦接合により得られた薄板の接合部を表側から撮影した写真である。 実施例７の摩擦接合により得られた薄板の接合部を表側から撮影した写真である。 実施例８の摩擦接合により得られた薄板の接合部を表側から撮影した写真である。 実施例９の摩擦接合により得られた薄板の接合部を表側から撮影した写真である。 実施例１０の摩擦接合により得られた薄板の接合部を表側から撮影した写真である。 実施例１１の摩擦接合により得られた薄板の接合部を表側から撮影した写真である。 実施例１２の摩擦接合により得られた薄板の接合部を表側から撮影した写真である。 実施例１３の摩擦接合により得られた薄板の接合部を表側から撮影した写真である。 参考例の摩擦攪拌接合により得られた薄板の接合部を表側から撮影した写真である。
（摩擦加工用ツール）
　摩擦加工用ツールは、金属材料の被加工材に対して回転させながら押し当てて発生する摩擦熱により被加工材を軟化させて、主にショルダ面の径方向に塑性変形ないし流動させて加工するためのツールである。摩擦加工用ツール（以下、適宜「ツール」と呼ぶ。）は、Ｎｉ基２重複相金属間化合物合金からなり、円柱状のツール本体を備え、被加工材に当接させるツール本体の先端面が平坦なショルダ面のみで形成されている。なお、ツールは、背景技術で述べた摩擦攪拌接合（ＦＳＷ）、摩擦攪拌改質（ＦＳＰ）、摩擦点接合（ＦＳＪ）等に用いる場合を摩擦攪拌加工用ツールと呼ぶことができる。
　すなわち、図１に示すように、ツール２０は、円柱状のツール本体２１と、ツール本体２１の基端側にフランジ２３を介して形成する六角柱状の取付部２４とを有する。この取付部２４を摩擦加工装置のツールホルダー３に着脱自在に固定して、ツール本体２１を被加工材に押し当てる。このツール２０は、被加工材に押し当てるツール本体２１の先端面が平坦なショルダ面２２のみで形成されており、ショルダ面２２には従来のような突起状のプローブが無い。従って、平坦なショルダ面２２は、被加工材として例えば板材同士の端部を突き合せた接合線上に対して回転させながら圧接させて摩擦接合を行なう。なお、ショルダ面２２は、その母線がツール本体２１の軸線に垂直な平面のみならず、母線がやや凸又はやや凹の曲面となっていてもよい。そして、ツール２０のショルダ径（ショルダ面２２の直径）は、被加工材となる薄板の板厚に対するショルダ径の比率が６．５～１５となるように設定される。例えば、薄板の板厚が１．５ｍｍ以下である場合、ツールのショルダ径は、８～１４ｍｍに設定される。
　ツール２０は、被加工材がアルミニウム合金等に比べて高融点材料の鉄系合金等であっても確実に接合を行なえるようにするために、Ｎｉ基２重複相金属間化合物合金により形成される。このＮｉ基２重複相金属間化合物合金として、Ｎｉ基２重複相金属間化合物を有する合金であれば、限定されない。
　Ｎｉ基２重複相金属間化合物合金として、例えば、Ｎｉ３Ａｌ（Ｌ１２）－Ｎｉ３Ｔｉ（Ｄ０２４）－Ｎｉ３Ｖ（Ｄ０２２）系金属間化合物合金（国際公開ＷＯ２００６／１０１１２１２号パンフレットを参照）や、Ｎｉ３Ａｌ（Ｌ１２）－Ｎｉ３Ｎｂ（Ｄ０ａ）－Ｎｉ３Ｖ（Ｄ０２２）系金属間化合物合金（国際公開ＷＯ２００７／０８６１８５号パンフレットを参照）などが知られている。
　上記Ｎｉ３Ａｌ（Ｌ１２）－Ｎｉ３Ｔｉ（Ｄ０２４）－Ｎｉ３Ｖ（Ｄ０２２）系相金属間化合物合金として、具体的には、Ａｌ：５原子％より大で１３原子％以下、Ｖ：９．５原子％以上で１７．５原子％より小、Ｔｉ：０原子％以上で３．５原子％以下、Ｂ：０重量ｐｐｍ以上で１０００重量ｐｐｍ以下、残部は不純物を除きＮｉからなり、かつ初析Ｌ１2相と（Ｌ１2＋Ｄ０22）共析組織との２重複相組織を有するＮｉ３Ａｌ基金属間化合物が挙げられる。
　この金属間化合物は、Ａｌ：５原子％より大で１３原子％以下、Ｖ：９．５原子％以上で１７．５原子％より小、Ｔｉ：０原子％以上で３．５原子％以下、Ｂ：０重量ｐｐｍ以上で１０００重量ｐｐｍ以下、残部は不純物を除きＮｉからなる合金材に対して、初析Ｌ１2相とＡｌ相とが共存する温度で第１熱処理を行い、その後Ｌ１2相とＤ０22相とが共存する温度に冷却するか、当該Ｌ１2相とＤ０22相とが共存する温度で第２熱処理を行うことによって、Ａｌ相を（Ｌ１2＋Ｄ０22）共析組織に変化させて２重複相組織を形成する工程を備える方法によって製造することができる。もしくは、上記組成の合金を高温のＡ１単相領域から徐冷することによって２重複相組織を形成する工程を備える方法によっても製造することができる。
　また、上記Ｎｉ３Ａｌ（Ｌ１２）－Ｎｉ３Ｎｂ（Ｄ０ａ）－Ｎｉ３Ｖ（Ｄ０２２）系金属間化合物合金として、具体的には、Ａｌ：５原子％より大で１３原子％以下、Ｖ：９．５原子％以上で１７．５原子％より小、Ｎｂ：０原子％以上で５原子％以下、Ｂ：５０重量ｐｐｍ以上１０００重量ｐｐｍ以下、残部は不純物を除きＮｉからなり、初析Ｌ１2相と（Ｌ１2＋Ｄ０22）共析組織との２重複相組織を有するＮｉ３Ａｌ基金属間化合物が挙げられる。
　この金属間化合物は、Ａｌ：５原子％より大で１３原子％以下、Ｖ：９．５原子％以上で１７．５原子％より小、Ｎｂ：０原子％以上で５原子％以下、Ｂ：５０重量ｐｐｍ以上で１０００重量ｐｐｍ以下、残部は不純物を除きＮｉからなる合金材に対して、初析Ｌ１2相とＡｌ相とが共存する温度、又は初析Ｌ１２相とＡｌ相とＤ０ａが共存する温度で第１熱処理を行い、その後、Ｌ１２相とＤ０22相とが共存する温度に冷却するか、その温度で第２熱処理を行うことによって、Ａｌ相を（Ｌ１2＋Ｄ０22）共析組織に変化させて２重複相組織を形成する工程によって製造することができる。もしくは、上記組成の合金を高温のＡ１単相領域から徐冷することによって２重複相組織を形成する工程を備える方法によっても製造することができる。
　そして、ツール２０の材質には、Ｎｉを主成分とし且つＡｌ：２～９原子％、Ｖ：１０～１７原子％、Ｔａ及び／又はＷ：０．５～８原子％、Ｎｂ：０～６原子％、Ｃｏ：０～６原子％、Ｃｒ：０～６原子％を含む合計１００原子％の組成の合計重量に対してＢ：１０～１０００重量ｐｐｍを含み且つ初析Ｌ１2相と（Ｌ１2＋Ｄ０22）共析組織とからなる２重複相組織を有するＮｉ基２重複相金属間化合物合金が、耐熱及び耐摩耗性に優れる点で好ましい。なお、本明細書において、上記「～」は、上限値、下限値をそれぞれ含む。
　Ｔａ及び／又はＷが０．５～８原子％含むことにより硬さの向上効果が得られる。
　Ｎｂ、Ｃｏ、Ｃｒは、任意成分であるが、Ｎｂは、２重複相組織の強度向上のために添加され、また、Ｃｏ、Ｃｒは、耐酸化性向上のために添加される。
　Ｂは、得られる合金の延性向上のために添加される。
　また、初析Ｌ１2相と（Ｌ１2＋Ｄ０22）共析組織とからなる２重複相組織を有することにより、金属間化合物合金は引張強度などの機械的特性や耐クリープ特性に優れるものとなる。
　また、ツール２０の材質には、Ｎｉを主成分とし且つＡｌ：５．５～１３原子％、Ｖ：１０～１７原子％、Ｎｂ：０～６原子％、Ｔｉ：０～６原子％、Ｃｏ：０～６原子％、Ｃｒ：０～６原子％を含む合計１００原子％の組成の合計重量に対してＢ：１０～１０００重量ｐｐｍを含み且つ初析Ｌ１2相と（Ｌ１2＋Ｄ０22）共析組織とからなる２重複相組織を有するＮｉ基２重複相金属間化合物合金も、上記のものと同様に、耐熱及び耐摩耗性に優れる点で好ましい。
　ツール２０の製造は、溶解・鋳造法、鋳造材を熱間鍛造等の塑性加工、粉末冶金法等にて賦形してもよい。例えば、Ｎｉ基２重複相金属間化合物合金のツールの製造は、種々の製造方法にて行うことができ、所定の組成になるように所定の元素の地金（それぞれ純度９９．９重量％以上）とＢを秤量したものを真空誘導溶解法やアーク溶解法等によって溶解、鋳造することによって鋳塊を作製する。この鋳塊から放電加工、切削加工、研削加工、研磨加工等を適宜用いて所定の形状に加工することによりツールを製造する。
　以上のツール２０によれば、被加工材に接触させるツール本体２１の先端面が平坦なショルダ面２２のみで形成されていることにより、被加工材を摩擦熱により軟化させて主にショルダ面２２の径方向に塑性変形ないし流動させて加工することができる。ツール２０のショルダ面２２が平坦に形成されており、ショルダ面２２には摩耗、破損等し易いプローブが設けられていないので、ツール２０の寿命が向上される。また、ショルダ面２２にプローブを形成する必要がないので、ツール２０を製造する手間や製造コストを抑えることができる。さらに、ツール２０がＮｉ基２重複相金属間化合物合金からなるので、耐熱及び耐摩耗性に優れる。従って、本摩擦加工用ツール２０は、被加工材の加工時に摩擦熱による高温下でも必要な硬さ（例えば、８００℃ではビッカース硬さが４００以上）を発揮し、プローブが無くてもステンレスなどの鉄系材料からなる被加工材に対しても良好な接合等を行うことができる。特に、被加工材として板厚が１．５ｍｍ以下の薄板の突き合わせを接合するのに好適である。また、ツール２０のショルダ面２２はプローブが無く平坦に形成されるので、後述するツール再生機構５においても、摩耗等したツール２０のショルダ面２２を研削する砥石５１の外周面形状も平坦面とすることができ、製造容易な簡単な形状にすることができる。
（摩擦加工装置）
　次に、摩擦加工装置の一実施形態として、被加工材となる板材（ワーク）の端面を突き合わせて摩擦接合するための摩擦攪拌接合装置を説明する。図２に示すように、摩擦攪拌接合装置１は、ワークＷ１，Ｗ２を配置するための基台７上に、ワークＷ１，Ｗ２に対して摩擦接合を行う加工機構２を備える。
　基台７上には、２枚の平板状のワークＷ１及びワークＷ２が配される裏当て冶具４が設けられ、裏当て冶具４の上に配置されたワークＷ１及びワークＷ２は、裏当て冶具４に設けたワーク押さえ６によりワークＷ１及びワークＷ２を突き合せた接合線Ｌが裏当て冶具４の中央に位置するように固定される。裏当て冶具４は、ワークＷ１，Ｗ２が鉄系合金等の高融点材料の場合には窒化珪素などのセラミックス等が使用されることが好ましいが、これらに限定されるものではない。また、裏当て冶具４は、熱伝導率の小さい材料で形成される平板部材や棒状部材等で構成してもよい。
　加工機構２は、ツール２０を保持するツール保持部３０と、ツール２０を回転させる回転用モータ２３と、ツール保持部３０を昇降させる昇降用モータ８５と、ツール保持部３０を横方向に移動させる直動機構８４とを備える。ツール保持部３０は、下部にツール２０を着脱自在に取り付けるツールホルダー３を備える。ツールホルダー３は、ツール回転用モータ３２と連結されており、このツール回転用モータ３２の駆動によりツールホルダー３とともにツール２０が回転される。ツール保持部３０は、スライダー８０に対して昇降自在に取り付けられており、スライダー８０に設ける昇降用モータ８５によって基台７に対して上下に移動自在にされ、これにより、ワークＷ１，Ｗ２に対するツール高さが調節される。また、ツール保持部３０は、スライダー８０に対して回動自在に取り付けられ、ツール２０を所定の前進角θ（図４参照）に設定できるようになっている。スライダー８０は、一対のガイドレール８１、ボールネジ８２及び送り用モータ８３を備える直動機構８４における一対のガイドレール８１、ボールネジ８２に取り付けられており、送り用モータ８３の駆動により基台７に平行に移動自在となっている。
　そして、ワークＷ１，Ｗ２を接合する際、高速回転（例えば、５００ｒｐｍ～２０００ｒｐｍ程度）させたツール２０を、ワークＷ１及びワークＷ２の接合線Ｌの一端に押し付ける。すると、発生する摩擦熱により接合線Ｌ周辺のワークＷ１，Ｗ２が軟化する。そして、ツール２０を接合線Ｌの他端に向かって移動させると、回転による摩擦熱で接合線Ｌ周辺のワークＷ１，Ｗ２が連続的に軟化して主にショルダ面２２の径方向に塑性変形ないし流動して、ワークＷ１，Ｗ２の接合線Ｌ付近が摩擦接合される。
　本実施形態では、プローブを有しないツール２０の平坦なショルダ面２２を板材の突き合せ部である接合線Ｌ上の表面に圧接させるだけで摩擦接合を行なうため、接合する板材の裏面まで摩擦熱を十分到達させる必要があり、被加工材となる板材が薄板であるこことが好ましい。従って、被加工材としての板材（ワークＷ１，Ｗ２）が鉄系材料からなる薄板であって、板厚が１．５ｍｍ以下のものを接合するのに好適に使用される。なお、薄板の板厚が１．５ｍｍを超えても、薄板の裏面に配置する裏当て冶具４として、薄板の裏面側からの放熱を遮断できる熱伝導率の小さい材質（例えば、Ｓｉ３Ｎ４）とすることにより良好な接合を行うことが可能である。この裏当て冶具４は、熱伝導率が小さいほど、薄板に当接されているツール２０のショルダ面２２からの薄板の軟化する深さが増加し、その結果、良好な接合が得られる。
　そして、この摩擦攪拌接合装置１に用いられるツール２０は、被加工材としての薄板の板厚に対するショルダ径の比率が６．５以上１５以下の範囲となる大きさに設定されるのが好ましい。さらに、摩擦攪拌接合装置での摩擦接合条件は、ツール２０の送り速度が５００ｍｍ／ｍｉｎ以上９００ｍｍ／ｍｉｎ以下で加工を行なうように設定されるのが好ましい。また、ツール２０の回転数は、ツールが被加工材に圧接されたとき、摩擦熱により約８００～約１０００℃程度に発熱する回転数とすることができる。例えば、ツール２０の回転数は、７００ｒｐｍ以上１８００ｒｐｍ以下の範囲に設定されるのが好ましい。さらに、ツール２０の前進角θ（図４参照）は、例えば、２度以上５度以下の範囲で設定されるのが好ましい。
　以上の条件設定により、プローブが無い摩擦加工用ツール２０により、被加工材としてステンレスなどの鉄系材料からなる薄板（Ｗ１，Ｗ２）の突き合わせ部に対しても良好な接合を行うことができる。また、ツール２０は、従来のように被加工材の突合せ部の端面間にプローブを挿入する必要がないので、ツール２０の深さ方向の位置を高い精度で制御する必要がなくなる。
（ツール再生機構）
　また、摩擦攪拌接合装置１は、ツール２０を再生させるツール再生機構としてのツール研削装置５を備えている。ツール研削装置５は、被加工材の加工により摩耗等したツール２０のショルダ面２２を研削して元の平面形状に復元し再生するためのものであり、裏当て冶具４に隣接して基台７上の一方側に配置されている（図２参照）。そして、図３に示すように、ツール研削装置５は、円板状の砥石支持板５２の外周に形成した砥石５１と、砥石支持板５２に取り付けられた回転軸５８に接続されて砥石５１を回転させる砥石回転用モータ５３とを備える。砥石５１としては、ツール２０の研削が円滑に行えるようにダイヤモンド砥石等を使用することが好ましいが、これに限定されるものではなく、例えば、ボラゾンのような立方晶窒化ホウ素（ＣＢＮ）等によるものでも良い。また、砥石５１は、ツール２０及び砥石５１から発生する研削クズ等が外部に飛散されないようにするため、カバー５４により覆われており、このカバー５４には、ツール２０を配置させるツール挿入口５６が上面に設けられるとともに、研削クズ等を排出させる排出口５７が下面に設けられている。
　そして、図３を参照して、ツール２０の再生の際は、摩耗等したツール２０を回転させながらツール研削装置５の上方に移動させて先端のショルダ面２２を、回転している砥石５１に当接させて研削する。これにより、ツール２０のショルダ面２２が元の平坦な状態に再生される。
　また、図４を参照して、ワークＷ１，Ｗ２の接合線Ｌが伸びる方向と砥石５１の回転方向が一致するようにツール研削装置５を基台７上に配設することにより、ツール２０に前進角θを保持させた状態のままでも砥石５１により研削できるので、ツール２０の再生操作を容易にすることができる。
　上記再生操作の際、砥石５１の周速は、ＣＢＮ（立法晶窒化硼素）やダイヤモンド砥石の場合は５～８０ｍ／ｓｅｃ程度に設定されるが、これらには限られない。これにより、ツール２０を回転させながら砥石５１を回転させて研削するに際して、ツール２０を欠損等させることなく円滑に研削することができる。また、この再生時のツール２０の回転数は、砥石５１の種類や砥石５１の周速等を考慮して研削に最適な回転数が設定される。通常は、比較的遅い回転数とされ、例えば、ツール２０の回転数は、１００ｒｐｍ前後程度に設定されるのが好ましいが、これに限定されない。
　なお、このツール２０の研削時には、砥石５１周辺に冷風及び／又はミストを供給するようにしてもよい。これにより、ツール研削時に冷風及び／又はミストを供給することで、砥石５１の研削面の粗さを細かくし、滑らかに且つ効率的にツール２０を研削することができる。
　以上の再生操作により、ツール２０のショルダ面２２が摩耗等しても、ツール研削装置５によりショルダ面２２を平面状態に復元して再生することができる。従って、摩耗等したツール２０を再生により再使用することができるので、ツール２０の寿命が更に向上され、ツール交換頻度を少なくすることができる。特に、本摩擦加工用ツール２０にはプローブが無いので、砥石５１の構造も簡素に形成でき、再生が容易となる。
　さらに、ツール２０を回転させるツール回転用モータ３２には、図示していないが、ツール２０の回転トルクを検出するトルク検出部（図示せず）が接続されており、このトルク検出部は、ツール２０を砥石５１により研削している最中もツール２０の回転トルクを検出するようになっている。そして、ツール研削中にトルク検出部で検出した回転トルクが所定の設定値に達すると研削加工を停止するように制御する制御手段（図示せず）が摩擦攪拌接合装置１に設けられている。研削加工を停止する回転トルクとしての設定値は、ツール２０のショルダ面２２が摩擦接合により摩耗等して平面平滑性が無くなった状態で研削されている時の回転トルクよりも研削により平滑になった時の回転トルクが小さくなるので、回転トルクが減少して所定時間一定値を維持すると研削加工を停止するようになっている。
　これにより、ツール再生時にツール２０の回転トルクをトルク検出部により検出して、例えばショルダ面２２が滑らかな平面になった時の回転トルクの値を設定値とし、回転トルクがこの設定値になった時に再生停止することで、時間の無駄がなく、削りすぎることもなく良好なツール再生を行なうことができる。
　なお、本発明は上記実施形態のみに限定されず、本発明の範囲で種々の変更を施すことが可能である。例えば、上記トルク検出部は、ツール回転用モータ３２の回転トルクを検出するが、砥石回転用モータ５３の回転トルクを検出するようにしてもよい。
　摩擦加工用ツールとして、プローブの無いものでも良好な摩擦接合が行えることを確かめるため、以下の実施例を行った。
（実施例１）
　摩擦加工用ツールは、ショルダ径が１０ｍｍで、図１に示すようにショルダ面が平坦な平面に形成されてプローブを有しないものを用い、図２に示した摩擦攪拌接合装置により、板厚が１．０ｍｍのＳＵＳ４３０からなる２枚の薄板（被加工材）を突き合わせて摩擦接合を行った。
　摩擦加工用ツールの材質は、Ｎｉが７５原子％、Ａｌが７原子％、Ｖが１３原子％、Ｔａが５原子％を含む合計１００原子％の組成の合計重量に対してＢが５０重量ｐｐｍを含み且つ初析Ｌ１2相と（Ｌ１2＋Ｄ０22）共析組織とからなる２重複相組織を有するＮｉ基２重複相金属間化合物合金である。
　薄板の裏当て冶具は、図２に示す摩擦攪拌接合装置では、板状のものを使用するが、実施例１では、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）製からなり、３０×３０ｍｍ角、長さ１００ｍｍの角材を接合方向に３本並べて使用した。
　摩擦接合条件は、ツールを、前進角３度、ツール回転数１５００ｒｐｍで回転させながら上記被加工材としての２枚の薄板の接合線上に押し付け、摩擦熱によりツールがオレンジ色に発光した後、ツール送り速度９００ｍｍ／ｍｉｎで直線状に２５０ｍｍ移動させるように設定し、２枚の薄板を突き合わせた接合線を摩擦接合した。なお、加工時のツールへの負荷は約０．７ｔｏｎに設定した。
　そして、接合後、薄板の接合部における施工状態は図５の写真に示す。
（引張試験）
　次いで、上記薄板の突き合せ接合した接合部の強度を調べるために、接合部の接合方向に対して直交する向きに切り出して試験片を作製し、ＪＩＳＺ ２２４１「金属材料引張試験方法」に準じて引張試験を行った。
　試験片は、ＪＩＳＺ　２２０１　５号試験片の形状に準じ、幅２５ｍｍ、平行部長さ５０ｍｍとした。また、測定時のクロスヘッド速度は２０ｍｍ／ｍｉｎとした。
（実施例２）
　実施例２では、摩擦加工用ツールはショルダ径が１２ｍｍとしたものを用いた以外は、実施例１と同様にして摩擦接合を行い、試験片を作製して引張試験を行った。
　そして、実施例２について、接合後、薄板の接合部における施工状態は図６の写真に示す。
（実施例３）
　実施例３では、摩擦加工用ツールはショルダ径が１４ｍｍとしたものを用い、また、摩擦接合条件はツール送り速度７００ｍｍ／ｍｉｎとしたこと以外は、実施例１と同様にして摩擦接合を行い、試験片を作製して引張試験を行った。
　そして、実施例３について、接合後、薄板の接合部における施工状態は図７の写真に示す。
（実施例４）
　実施例４では、摩擦加工用ツールはショルダ径が１２ｍｍとしたものを用い、また、被加工材としての薄板は板厚が０．８ｍｍのものとし、さらに、摩擦接合条件はツール送り速度５５０ｍｍ／ｍｉｎとしたこと以外は、実施例１と同様にして摩擦接合を行い、試験片を作製して引張試験を行った。
　そして、実施例４について、接合後、薄板の接合部における施工状態は図８の写真に示す。
（実施例５）
　実施例５では、摩擦接合条件はツール送り速度６５０ｍｍ／ｍｉｎとしたこと以外は、実施例４と同様にして摩擦接合を行い、試験片を作製して引張試験を行った。
　そして、実施例５について、接合後、薄板の接合部における施工状態は図９の写真に示す。
（実施例６）
　実施例６では、摩擦加工用ツールはショルダ径が８ｍｍとしたものを用いたこと以外は、実施例１と同様にして摩擦接合を行い、試験片を作製して引張試験を行った。
　そして、実施例６について、接合後、薄板の接合部における施工状態は図１０の写真に示す。
（実施例７）
　実施例７では、摩擦接合条件はツール送り速度７００ｍｍ／ｍｉｎとしたこと以外は、実施例６と同様にして摩擦接合を行い、試験片を作製して引張試験を行った。
　そして、実施例７について、接合後、薄板の接合部における施工状態は図１１の写真に示す。
（実施例８）
　実施例８では、摩擦接合条件はツール送り速度５００ｍｍ／ｍｉｎとしたこと以外は、実施例６と同様にして摩擦接合を行い、試験片を作製して引張試験を行った。
　そして、実施例８について、接合後、薄板の接合部における施工状態は図１２の写真に示す。
（実施例９）
　実施例９では、被加工材としての薄板は板厚が１．５ｍｍのものとし、また、摩擦接合条件はツール送り速度７００ｍｍ／ｍｉｎとしたこと以外は、実施例１と同様にして摩擦接合を行い、試験片を作製して引張試験を行った。
　そして、実施例９について、接合後、薄板の接合部における施工状態は図１３の写真に示す。
（実施例１０）
　実施例１０では、摩擦接合条件はツール送り速度５００ｍｍ／ｍｉｎとしたこと以外は、実施例９と同様にして摩擦接合を行い、試験片を作製して引張試験を行った。
　そして、実施例１０について、接合後、薄板の接合部における施工状態は図１４の写真に示す。
（実施例１１）
　実施例１１では、被加工材としての薄板は板厚が０．８ｍｍのものとし、また、摩擦接合条件はツール回転数が１０００ｒｐｍ、ツール送り速度５００ｍｍ／ｍｉｎとしたこと以外は、実施例１と同様にして摩擦接合を行い、試験片を作製して引張試験を行った。
　そして、実施例１１について、接合後、薄板の接合部における施工状態は図１５の写真に示す。
（実施例１２）
　実施例１２では、摩擦加工用ツールはショルダ径が１４ｍｍとしたものを用い、また、被加工材としての薄板は板厚が１．５ｍｍのものとし、さらに、摩擦接合条件はツール回転数が９００ｒｐｍ、ツール送り速度５００ｍｍ／ｍｉｎとしたこと以外は、実施例１と同様にして摩擦接合を行い、試験片を作製して引張試験を行った。
　そして、実施例１２について、接合後、薄板の接合部における施工状態は図１６の写真に示す。
（実施例１３）
　実施例１３では、摩擦加工用ツールはショルダ径が１２ｍｍとしたものを用い、摩擦接合条件はツール回転数が８００ｒｐｍ、ツール送り速度５００ｍｍ／ｍｉｎとしたこと以外は、実施例１と同様にして摩擦接合を行い、試験片を作製して引張試験を行った。
　そして、実施例１３について、接合後、薄板の接合部における施工状態は図１７の写真に示す。
（参考例）
　参考例では、摩擦加工用ツールは、ショルダ径を１２ｍｍとし、ショルダ面の中央に半径２ｍｍ、高さ０．７３ｍｍの球面状に突出したプローブを設けたものを用い、また、摩擦攪拌接合条件はツール回転数を１４００ｒｐｍとしたこと以外は、実施例１と同様にして摩擦攪拌接合を行い、試験片を作製して引張試験を行った。
　そして、参考例について、接合後、薄板の接合部における施工状態は図１８の写真に示す。
　以上の各実施例、参考例の条件及び結果を表１に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
 　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　表１より、各実施例において、ＳＵＳ４３０の薄板（板厚０．８～１．５ｍｍ）の摩擦接合した接合部の施工状態は、外観上、いずれも良好であった。このことから、Ｎｉ基２重複相金属間化合物合金からなり、プローブを有しないツールを用いた各実施例であっても、同材質のプローブを有するツールを用いた参考例と同様に、薄板の接合部は良好な仕上り状態が得られた。
　また、引張強度についても、各実施例は、４９２～５６６Ｎ／ｍｍ２の範囲に有り、参考例の５３５Ｎ／ｍｍ２と比較しても、見劣りしない程度の良好な接合力が得られた。なお、実施例で示した上記引張試験と同条件で測定したＳＵＳ４３０母材の引張強度は、ｎ＝３の平均が５１９Ｎ／ｍｍ２であったことから、上記各実施例の引張強度は、ＳＵＳ４３０母材と比較しても見劣りしない十分な強度が得られていることが判った。
　以上より、Ｎｉ基２重複相金属間化合物合金からなり、プローブを有しないツールを用いても、従来のようなプローブを有するツールを用いた場合とほとんど変わりない品質で、ＳＵＳ４３０の薄板の摩擦接合を行うことができた。
１　摩擦攪拌接合装置（摩擦加工装置）
２　加工機構
５　ツール再生機構（ツール研削装置）
２０　摩擦加工用ツール
２１　ツール本体
２２　ショルダ面
５１　砥石
Ｌ　接合線
Ｗ１，Ｗ２　ワーク（被加工材）
θ　前進角

Claims (6)

  1. 　金属材料の被加工材に対して回転させながら押し当てて発生する摩擦熱により被加工材を軟化させて加工するための摩擦加工用ツールであって、
    　円柱状のツール本体を備え、被加工材に接触させるツール本体の先端面が平坦なショルダ面のみで形成されている摩擦加工用ツール。
  2. 　請求項１に記載の摩擦加工用ツールにおいて、
    　材質がＮｉ基２重複相金属間化合物合金からなる摩擦加工用ツール。
  3. 　金属材料の被加工材に対して摩擦加工用ツールを回転させながら押し当て、加工方向に相対移動させる加工機構を備える摩擦加工装置であって、
    　摩擦加工用ツールは、請求項１又は２に記載の摩擦加工用ツールであって、被加工材となる薄板の板厚に対するショルダ径の比率が６．５～１５であり、
    　加工機構は、ツール送り速度が５００～９００ｍｍ／ｍｉｎに設定されている摩擦加工装置。
  4. 　請求項３に記載の摩擦加工装置において、
    　上記の摩擦加工用ツール及び加工機構の条件は、被加工材として板厚が１．５ｍｍ以下の鉄系材料からなる薄板に対する設定とする摩擦加工装置。
  5. 　請求項３又は４に記載の摩擦加工装置において、
    　摩擦加工により摩耗した摩擦加工用ツールにおけるショルダ面のみで形成する先端面を砥石により研削するツール再生機構を備え、
    　ツール再生機構は、上記摩擦加工用ツールを回転させながら砥石を回転させてツール本体の先端面を研削するように制御し、上記摩擦加工用ツールの回転トルク又は砥石の回転トルクを検出するトルク検出手段の出力値が所定の設定値に達すると再生が停止するように制御する制御手段を備える摩擦加工装置。
  6. 　金属材料の被加工材に対して摩擦加工用ツールを回転させながら押し当てて加工方向に相対移動させることにより、摩擦熱により被加工材を軟化させて加工する摩擦加工方法であって、
    　摩擦加工用ツールは、請求項１又は２に記載の摩擦加工用ツールであって、被加工材として板厚が１．５ｍｍ以下の鉄系材料からなる薄板の板厚に対するショルダ径の比率が６．５～１５のものを用いて被加工材を加工する摩擦加工方法。
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