CN111745282A - 摩擦搅拌接合用工具 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种摩擦搅拌接合用工具。摩擦搅拌接合用工具(10)具有搅拌针(38)，该搅拌针(38)具有顶端面(38a)和外周面(38b)，在搅拌针(38)上形成有沿着其旋转轴(Ax)延伸至顶端面(38a)的外周凹部(40)。摩擦搅拌接合用工具(10)通过使搅拌针(38)在以旋转轴(Ax)为中心旋转的状态下埋设在工件(W)内，来接合工件(W)。在顶端面(38a)上形成有顶端凹部(48)，该顶端凹部(48)位于顶端面(38a)的中央部并与外周凹部(40)连通。据此，能够使进入到外周凹部的软化材料顺畅地塑性流动到搅拌针的顶端侧，从而能够得到良好的接合质量。

Description

摩擦搅拌接合用工具

技术领域

本发明涉及一种摩擦搅拌接合用工具，其具有搅拌针(probe)，该搅拌针具有顶端面和外周面，通过使所述搅拌针在以旋转轴为中心旋转的状态下埋设在工件内，来接合所述工件。

背景技术

在日本发明专利公开公报特开2008-307606号的图9和第【0007】段中公开了一种在搅拌针的外周面形成有外周凹部的摩擦搅拌接合用工具。该外周凹部沿搅拌针的旋转轴延伸至搅拌针的顶端面。

发明内容

在上述摩擦搅拌接合用工具中，能够使工件中因搅拌针的摩擦热而软化的软化材料从搅拌针的侧方进入到外周凹部内，并使其向搅拌针的顶端侧塑性流动。然而，有时由于搅拌针的顶端面不具有用于贮存从外周凹部导入的材料的部分，因此，无法使进入到外周凹部内的材料顺畅地塑性流动到搅拌针的顶端侧。因此，担忧无法获得良好的接合品质。

本发明是考虑到这样的技术问题而完成的，其目的在于提供一种能够得到良好的接合质量的摩擦搅拌接合用工具。

本发明的一技术方案的摩擦搅拌接合用工具，其具有搅拌针，该搅拌针具有顶端面和外周面，在所述外周面上形成有延伸至所述顶端面的外周凹部，所述摩擦搅拌接合用工具通过使所述搅拌针在以旋转轴为中心旋转的状态下埋设在工件内，来接合所述工件，在所述顶端面上形成有顶端凹部，该顶端凹部位于所述顶端面的中央部并与所述外周凹部连通。

根据本发明，在搅拌针的顶端面上形成有与外周凹部连通的顶端凹部。据此，能够将进入到外周凹部的软化材料贮存在顶端凹部内。即，能够使进入到外周凹部的软化材料顺畅地塑性流动到搅拌针的顶端侧。因此，能够得到良好的接合品质。

根据参照附图对所要说明的以下实施方式的说明，可容易地理解上述的目的、特征及优点。

附图说明

图1是本发明一实施方式所涉及的具有摩擦搅拌接合用工具的摩擦搅拌接合系统的整体结构示意图。

图2是摩擦搅拌接合用工具的局部立体图。

图3A是图2的摩擦搅拌接合用工具的侧视图，图3B是从顶端方向观察图2的摩擦搅拌接合用工具的图。

图4是使用图2所示的摩擦搅拌接合用工具的重叠接合的立体说明图。

图5是图4的重叠接合的剖视说明图。

图6A是从顶端方向观察具有第1变形例所涉及的搅拌针的摩擦搅拌接合用工具的图，图6B是从顶端方向观察具有第2变形例所涉及的搅拌针的摩擦搅拌接合用工具的图。

图7A是从顶端方向观察具有第3变形例所涉及的搅拌针的摩擦搅拌接合用工具的图，图7B是从顶端方向观察具有第4变形例所涉及的搅拌针的摩擦搅拌接合用工具的图。

图8是从顶端方向观察具有第5变形例所涉及的搅拌针的摩擦搅拌接合用工具的图。

具体实施方式

下面，在本发明所涉及的摩擦搅拌接合用工具与摩擦搅拌接合系统的关系方面，列举优选的实施方式，一边参照附图，一边对本发明所涉及的摩擦搅拌接合用工具进行说明。

如图1所示，摩擦搅拌接合系统12通过一边使摩擦搅拌接合用工具10(以下有时称为“接合用工具10”)旋转一边将其按压到工件W，来对工件W进行摩擦搅拌接合(FSW：Friction Stir Welding)。

工件W例如具有板状的第1部件100和板状的第2部件102。工件W以第1部件100和第2部件102彼此重叠的状态被固定在固定台13上。

第1部件100和第2部件102分别由例如铝、镁、铜、铁、钛、或它们的合金等金属材料构成。第1部件100和第2部件102可以由彼此相同的材料构成，也可以由彼此不同的材料构成。此外，第1部件100和第2部件102中的至少任意一个也可以由树脂材料构成。第1部件100和第2部件102的大小和形状可适宜地设定。

摩擦搅拌接合系统12具有：工业用多关节型的机器人14；接合装置主体18，其通过连接部16设置在机器人14的机器人臂14a顶端；接合用工具10，其能够相对于接合装置主体18拆装；和控制部20，其统一控制整个系统。

机器人14通过调整接合装置主体18相对于工件W的位置及姿势，使接合用工具10相对于工件W作相对移动。具体而言，在对工件W进行线接合的情况下，机器人14以使接合用工具10相对于工件W在接合方向(图4的箭头F方向)上移动的方式调整接合装置主体18的位置和姿势。即，机器人14作为接合用工具10的移动机构及倾摆机构发挥作用。

接合装置主体18包括：C字状的支承臂22、设置在支承臂22的一端部的驱动单元24、设置在驱动单元24上并夹紧接合用工具10的卡盘部26、和设置在支承臂22的另一端部的承受部件27。

驱动单元24具有旋转用马达28和致动器30，其中，旋转用马达28用于使安装于卡盘部26的接合用工具10沿规定的旋转方向(图2的箭头R方向)旋转；致动器30用于使接合用工具10沿旋转轴Ax方向(图2的箭头B方向)进退。在对工件W进行摩擦搅拌接合时，承受部件27位于卡盘部26(接合用工具10)的隔着工件W的相反侧。承受部件27从接合用工具10受到作用于工件W的按压力(加压力)。

接合用工具10具有大致圆筒状的保持部件32和能够相对于保持部件32拆装的工具34。保持部件32的基端部被卡盘部26夹紧。在保持部件32的顶端部，工具34能够与保持部件32同轴地安装。工具34是消耗品，在因进行摩擦搅拌接合而磨损时被更换为新品。

如图2～图3B所示，工具34具有大致圆柱状的肩部36和设置在肩部36的顶端面36a上的小径的搅拌针38。接合用工具10使搅拌针38在以旋转轴Ax为中心沿箭头R方向旋转的状态下埋设在工件W内，据此来接合工件W。

工具34通过对圆柱状的金属材料实施切削加工而制造。但是，刀具34也可以通过切削加工以外的方法(例如，铸造法、层叠法等)来制造。作为工具34的构成材料，优选使用硬度比工件W高且耐热性及耐磨损性优异的工具钢。但是，工具34的构成材料并不限定于工具钢，而能够适宜地设定。

肩部36的基端部(箭头B2方向的端部)形成为能够相对于保持部件32(参照图1)拆装。肩部36的顶端面36A(箭头B1方向的端面)平坦地形成(参照图2和图3A)。

搅拌针38从肩部36的顶端面36a向顶端方向(箭头B1方向)突出(参照图2和图3A)。搅拌针38相对于肩部36同轴地设置。搅拌针38的外径和突出长度根据作为接合对象的工件W的形状、大小、材质等适宜地设定。

搅拌针38形成为圆柱状，具有顶端面38a和外周面38b。在搅拌针38的外周面38b上形成有沿着搅拌针38的旋转轴Ax延伸至顶端面38a的多个(在图示例中为3个)外周凹部40(侧面槽)。各外周凹部40形成为槽状。

多个外周凹部40在搅拌针38的周向上以等角度间隔(在图示例中为120°间隔)配置(参照图2和图3B)。各外周凹部40形成为随着从搅拌针38的外周面38b靠向顶端面38a而宽度大致恒定。各外周凹部40的基端位于搅拌针38的基端。

搅拌针38在搅拌针38的周向上相邻的外周凹部40之间具有爪部42。换言之，搅拌针38具有与外周凹部40的数量对应的数量的爪部42。

在图2和图3A中，在搅拌针38的外周面38b上形成有第1外周边缘44和第2外周边缘46。第1外周边缘44形成各外周凹部40的位于搅拌针38的旋转方向前方(箭头R方向)的缘部。第1外周边缘44与搅拌针38的旋转轴Ax平行地延伸。第1外周边缘44的基端(箭头B2方向的端部)位于搅拌针38的基端。第1外周边缘44的顶端(箭头B1方向的端部)位于搅拌针38的顶端面38a。

第2外周边缘46形成各外周凹部40中的位于搅拌针38的旋转方向后方(与箭头R方向相反的方向)的缘部。第2外周边缘46相对于搅拌针38的旋转轴Ax平行地延伸。第2外周边缘46的基端(箭头B2方向的端部)位于搅拌针38的基端。第2外周边缘46的顶端(箭头B1方向的端部)位于搅拌针38的顶端面38a。

如图2和图3B所示，旋转轴Ax位于搅拌针38的顶端面38a的中央。在搅拌针38的顶端面38a上形成有顶端凹部48，该顶端凹部48位于顶端面38a的中央部，并与外周凹部40连通。顶端凹部48包括位于顶端面38a的中央的中央凹部50。顶端凹部48(中央凹部50)以旋转轴Ax为中心旋转对称地形成。

在从搅拌针38的顶端方向观察时，中央凹部50形成为通过三个外周凹部40对以旋转轴Ax为中心的圆(比搅拌针38的顶端面38a的外周小一圈的圆)的外缘部的一部分切除而形成缺口的形状。因此，中央凹部50与各外周凹部40连通。中央凹部50也可以形成为在从搅拌针38的顶端方向观察时通过外周凹部40对多边形(三角形或四边形等)的外缘部的一部分切除而形成缺口的形状。

构成中央凹部50的壁面的沿着旋转轴Ax的截面形成为圆弧状。但是，构成中央凹部50的壁面的沿着旋转轴Ax的截面形状能够适宜地设定，例如也可以形成为字母U字状或V字状。搅拌针38的顶端面38a中的中央凹部50的外周侧的部分是沿与旋转轴Ax正交的方向延伸的平坦面。

在搅拌针38的顶端面38a上形成有外侧顶端边缘54和内侧顶端边缘56。外侧顶端边缘54形成各外周凹部40的顶端缘部。即，外侧顶端边缘54将第1外周边缘44的顶端与第2外周边缘46的顶端彼此连结。

具体而言，外侧顶端边缘54包括第1边缘58、第2边缘60和中间边缘62。第1边缘58形成爪部42的顶端面中的位于搅拌针38的旋转方向后方(与箭头R方向相反的方向)的缘部。第1边缘58与第1外周边缘44的顶端连结。第1边缘58以随着从第1外周边缘44的顶端朝向旋转轴Ax所处位置的内侧而向搅拌针38的旋转方向后方倾斜的方式延伸。即，搅拌针38的外周面38b与第1边缘58所成的角度θ1被设定为钝角。

第2边缘60形成爪部42的顶端面中的位于搅拌针38的旋转方向前方(箭头R方向)的缘部。第2边缘60与第2外周边缘46的顶端连结。第2边缘60以随着从第2外周边缘46的顶端朝向旋转轴Ax所处位置的内侧而向搅拌针38的旋转方向前方倾斜的方式延伸。即，搅拌针38的外周面38b与第2边缘60所成的角度θ2被设定为钝角。

中间边缘62将第1边缘58与第2边缘60彼此连结。中间边缘62形成为构成中央凹部50的壁面与构成外周凹部40的壁面之间的边界部。中间边缘62呈圆弧状延伸。

内侧顶端边缘56形成中央凹部50的外缘部。换言之，形成为构成中央凹部50的壁面与爪部42的顶端面之间的边界部。内侧顶端边缘56与外侧顶端边缘54连结。

接着，对使用上述的接合用工具10将工件W的第1部件100(例如铁板)与第2部件102(铝合金板)重叠接合的例子进行说明。

在这种情况下，在图1中，工件W在第1部件100和第2部件102彼此重叠的状态下被固定于固定台13。具体而言，如图4和图5所示，第1部件100的一方的表面(第1外表面100a)位于肩部36侧。第1部件100的另一方的表面(第1内表面100b)与第2部件102的一方的表面(第2内表面102b)接触。第2部件102的另一方的表面(第2外表面102a)与承受部件27接触。

然后，控制部20通过控制驱动单元24的驱动，使接合用工具10一边旋转一边向工件W(箭头B1方向)移动，将搅拌针38的顶端面38a按压到第1部件100的第1外表面100a。

于是，如图5所示，搅拌针38一边切削第1部件100一边插入到第1部件100内。此时，由于在搅拌针38与第1部件100之间产生摩擦热，因此，第1部件100中的搅拌针38的周围软化。

接着，当搅拌针38的顶端面38a到达第2部件102的第2内表面102b时，搅拌针38一边切削第2部件102一边插入到第2部件102内。此时，在搅拌针38与第2部件102之间产生摩擦热，并且在第1部件100产生的摩擦热被传递到第2部件102，因此，第2部件102中的搅拌针38的周围软化。然后，搅拌针38被完全埋设在工件W内，肩部36的顶端面36a成为与第1部件100的第1外表面100a接触的状态。

第1部件100的软化部分(第1软化材料104)和第2部件102的软化部分(第2软化材料106)被搅拌针38的旋转拉动而塑性流动，而被彼此搅拌。

具体而言，存在于搅拌针38的侧方的第1软化材料104被分别取入多个外周凹部40中。进入到各外周凹部40内的第1软化材料104被导入中央凹部50内，在搅拌针38的顶端侧与第2软化材料106混合(搅拌)。

然后，如图4所示，一边维持接合用工具10的旋转和加压，一边使接合用工具10向接合方向(箭头F方向)移动，据此，第1部件100和第2部件102被彼此摩擦搅拌接合而一体化。据此，在工件W上形成接合部108(接合压边(Joining bead))。

在这种情况下，本实施方式所涉及的接合用工具10具有以下效果。

在搅拌针38的顶端面38a上形成有顶端凹部48，该顶端凹部48位于顶端面38a的中央部并与外周凹部40连通。

根据这种结构，能够将进入外周凹部40的第1软化材料104贮存在顶端凹部48内。即，能够使进入到外周凹部40的第1软化材料104顺畅地塑性流动到搅拌针38的顶端侧。因此，能够有效地搅拌第1软化材料104和第2软化材料106，从而能够得到良好的接合品质。

顶端凹部48包括位于顶端面38a的中央的中央凹部50，外周凹部40以将中央凹部50的外缘部的一部分切除而形成缺口的方式形成。

根据这种结构，能够通过简易的结构使中央凹部50与外周凹部40彼此连通。

在搅拌针38的顶端面38a上形成有外侧顶端边缘54，该外侧顶端边缘54形成外周凹部40中的位于搅拌针38的顶端方向的缘部。外侧顶端边缘54以外侧顶端边缘54与外周面38b所成的角度θ1、θ2为钝角的方式延伸。

根据这种结构，能够提高由搅拌针38的外周面38b和外侧顶端边缘54形成的角部的刚性(强度)。

(第1变形例)

接着，对第1变形例所涉及的搅拌针38A进行说明。此外，在搅拌针38A的说明中，对于与上述搅拌针38相同的结构，标注相同的附图标记，并省略其说明。另外，在搅拌针38A中，对于与搅拌针38相同的结构，起到相同的作用效果。

如图6A所示，形成于搅拌针38A的顶端面38a的顶端凹部48a包括多个(在图示例中为3个)顶端槽70，该顶端槽70从顶端面38a的中央朝向搅拌针38A的径向外侧延伸并与外周凹部40连通。顶端凹部48a以旋转轴Ax为中心旋转对称地形成。

多个顶端槽70形成为彼此相同。各顶端槽70的槽宽与外周凹部40的槽宽(第1外周边缘44与第2外周边缘46之间的间隔)相同。构成顶端槽70的壁面的横截面形成为圆弧状。但是，构成顶端槽70的壁面的横截面形状也可以适宜地设定，也可以是字母U字状或V字状等。搅拌针38A的顶端面38a中的顶端槽70和外周凹部40以外的部分是沿与旋转轴Ax正交的方向延伸的平坦面。

在搅拌针38A的顶端面38a上形成有外侧顶端边缘54a、第1槽边缘74、第2槽边缘76和第3槽边缘78。外侧顶端边缘54a形成外周凹部40的顶端缘部。换言之，外侧顶端边缘54a形成为构成顶端槽70的壁面与构成外周凹部40的壁面之间的边界部。外侧顶端边缘54a将第1外周边缘44的顶端与第2外周边缘46的顶端彼此连结。

第1槽边缘74形成顶端槽70中的搅拌针38A的旋转方向前方(箭头R方向)的侧缘部。第1槽边缘74中的位于搅拌针38A的外周侧的外端与第1外周边缘44的顶端连结。

第2槽边缘76形成顶端槽70中的位于搅拌针38A的旋转方向后方(与箭头R方向相反的方向)的侧缘部。第1槽边缘74和第2槽边缘76隔着顶端槽70彼此平行地延伸。第2槽边缘76中的位于搅拌针38A的外周侧的外端与第2外周边缘46的顶端连结。在彼此相邻的顶端槽70中，位于一方的顶端槽70的第1槽边缘74中的位于搅拌针38A的中央侧的内端，与位于另一方的顶端槽70的第2槽边缘76中的位于搅拌针38A的中央侧的内端相连结。

第3槽边缘78是从顶端面38a的中央朝向第1槽边缘74与第2槽边缘76的连结部呈直线状延伸的棱线。彼此相邻的第3槽边缘78所成的角度θ3被设定为120°。

在本变形例中，顶端凹部48a包括顶端槽70，该顶端槽70从顶端面38a的中央朝向搅拌针38A的径向外侧延伸并与外周凹部40连通。

根据这种结构，能够将从外周凹部40流入到顶端槽70的第1软化材料104高效地引导至搅拌针38A的顶端面38a的中央部。

外周凹部40和顶端槽70分别各设置有三个，在顶端面38a上形成有第3槽边缘78，该第3槽边缘78以从顶端面38a的中央分隔彼此相邻的顶端槽70的方式延伸。

根据这种结构，能够使在顶端槽70中塑性流动的第1软化材料104触碰到第3槽边缘78，而将其向搅拌针38A的顶端方向引导。据此，能够在搅拌针38A的顶端方向更有效地搅拌第1软化材料104和第2软化材料106。

(第2变形例)

接着，对第2变形例所涉及的搅拌针38B进行说明。此外，在搅拌针38B的说明中，对与上述搅拌针38A相同的结构标注相同的附图标记，并省略其说明。另外，在搅拌针38B中，对于与搅拌针38A相同的结构，起到相同的作用效果。

如图6B所示，形成于搅拌针38B的顶端面38a的顶端凹部48b包括宽度较窄的顶端槽70a来代替顶端槽70。顶端槽70a的槽宽比外周凹部40的槽宽窄。在搅拌针38B的顶端面38a上形成有外侧顶端边缘54b、第1槽边缘74、第2槽边缘76和第3槽边缘78。

外侧顶端边缘54b形成各外周凹部40的顶端缘部。外侧顶端边缘54b包括第1边缘80、第2边缘82和中间边缘84。第1边缘80形成爪部42的顶端面中的位于搅拌针38B的旋转方向后方(与箭头R方向相反的方向)的缘部。第1边缘80与第1外周边缘44的顶端连结。第1边缘80以随着从第1外周边缘44的顶端朝向旋转轴Ax所处位置的内侧而向搅拌针38B的旋转方向后方倾斜的方式延伸。即，搅拌针38B的外周面38b与第1边缘80所成的角度θ4被设定为钝角。

第2边缘82形成爪部42的顶端面中的搅拌针38B的旋转方向前方(箭头R方向)的缘部。第2边缘82与第2外周边缘46的顶端连结。第2边缘82以随着从第2外周边缘46的顶端朝向旋转轴Ax所处位置的内侧而向搅拌针38B的旋转方向前方倾斜的方式延伸。即，搅拌针38B的外周面38b与第2边缘82所成的角度θ5被设定为钝角。

中间边缘84将第1边缘80和第2边缘82彼此连结。中间边缘84形成为构成顶端槽70a的壁面和构成外周凹部40的壁面的边界部。

在本变形例中，外周凹部40形成为槽状，顶端槽70a的槽宽比外周凹部40的槽宽窄。

根据这种结构，与上述的搅拌针38A相比，能够将爪部42形成为厚壁，因此能够提高爪部42的刚性(强度)。另外，能够提高在顶端槽70a中流通的第1软化材料104的流速。据此，能够将第1软化材料104高效地导向搅拌针38B的顶端方向。因此，能够提高接合速度。

(第3变形例)

接着，对第3变形例所涉及的搅拌针38C进行说明。此外，在搅拌针38C的说明中，对与上述搅拌针38A相同的结构标注相同的附图标记，并省略其说明。另外，在搅拌针38C中，对于与搅拌针38A相同的结构而言，起到相同的作用效果。

如图7A所示，形成于搅拌针38C的顶端面38a的顶端凹部48c包括：中央凹部86，其位于顶端面38a的中央；和多个(在图示例中为3个)顶端槽70，其将中央凹部86和外周凹部40彼此连结。顶端凹部48c以旋转轴Ax为中心旋转对称地形成。

在从搅拌针38C的顶端方向观察时，中央凹部86形成为圆形。构成中央凹部86的壁面的沿着旋转轴Ax的截面形成为圆弧状。但是，构成中央凹部86的壁面的截面形状能够适宜地设定，也可以是字母U字状或V字状等。顶端槽70的槽宽被设定为与中央凹部86的直径相同的长度。顶端槽70的槽宽被设定为与外周凹部40的槽宽相同的长度。

在搅拌针38C的顶端面38a上形成有外侧顶端边缘54a、第1槽边缘74、第2槽边缘76、第3槽边缘88。第3槽边缘88形成为构成中央凹部86的壁面与构成顶端槽70的壁面之间的边界部。第3槽边缘88与第1槽边缘74的内端和第2槽边缘76的内端相连结。

在本变形例中，顶端凹部48c包括：中央凹部86，其位于顶端面38a的中央；和顶端槽70，其将中央凹部86与外周凹部40彼此连结。

根据这种结构，能够将进入到外周凹部40的第1软化材料104经由顶端槽70引导至中央凹部86。

在从搅拌针38C的顶端方向观察时，中央凹部86形成为圆形，顶端槽70的槽宽被设定为与中央凹部86的直径相同的长度。

根据这种结构，与顶端槽70的槽宽比中央凹部86的直径窄的情况相比，能够增加在顶端槽70中流动的第1软化材料104的流量。

(第4变形例)

接着，对第4变形例所涉及的搅拌针38D进行说明。此外，在搅拌针38D的说明中，对与上述搅拌针38C相同的结构标注相同的附图标记，并省略其说明。另外，在搅拌针38D中，对于与搅拌针38C相同的结构而言，起到相同的作用效果。

如图7B所示，形成于搅拌针38D的顶端面38a的顶端凹部48d包括宽度较窄的顶端槽70a来代替顶端槽70。顶端槽70a的槽宽比外周凹部40的槽宽窄。另外，顶端槽70a的槽宽比中央凹部86的直径窄。

在搅拌针38D的顶端面38a上形成有外侧顶端边缘54b、第1槽边缘74、第2槽边缘76、第3槽边缘88和内侧顶端边缘90。内侧顶端边缘90形成为构成中央凹部86的壁面与爪部42的顶端面之间的边界部。

在本变形例中，中央凹部86在从搅拌针38D的顶端方向观察时形成为圆形，顶端槽70a的槽宽比中央凹部86的直径窄。

根据这种结构，能够提高各爪部42的刚性(强度)。另外，能够提高在顶端槽70a中流动的第1软化材料104的流速。据此，能够使第1软化材料104向搅拌针38D的顶端方向高效地塑性流动，因此能够提高接合速度。

(第5变形例)

接着，对第5变形例所涉及的搅拌针38E进行说明。此外，在搅拌针38E的说明中，对与上述搅拌针38A相同的结构标注相同的附图标记，并省略其说明。另外，在搅拌针38E中，对于与搅拌针38A相同的结构而言，起到相同的作用效果。

如图8所示，形成于搅拌针38E的顶端面38a的顶端凹部48e包括多个(在图示例中为3个)顶端槽70b，该顶端槽70b以彼此交叉的方式从外周凹部40向从搅拌针38E的顶端面38a的中央(旋转轴Ax)偏移的位置呈直线状延伸。顶端凹部48e以旋转轴Ax为中心旋转对称地形成。

在从搅拌针38E的顶端方向观察时，顶端槽70b以顶端槽70b的中心线L1通过从搅拌针38E的顶端面38a的中央(旋转轴Ax)偏移的位置的方式呈直线状延伸。连接外周凹部40的宽度方向中央和旋转轴Ax的线段L2与中心线L1所成的角度(顶端槽70b的偏移角度θ6)能够适宜地设定。

多个顶端槽70b形成为彼此相同。各顶端槽70b的槽宽设定为与外周凹部40的槽宽相同。构成顶端槽70b的壁面的横截面形成为圆弧状。但是，构成顶端槽70b的壁面的横截面形状能够适宜地设定，也可以是字母U字状或V字状等。

搅拌针38E的顶端面38a包括外侧顶端边缘54a、第1槽边缘92、第2槽边缘94和第3槽边缘96。第1槽边缘92形成顶端槽70b中的位于搅拌针38E的旋转方向前方(箭头R方向)的侧缘部。第1槽边缘92中的位于搅拌针38E的外周侧的外端与第1外周边缘44的顶端连结。

第2槽边缘94形成顶端槽70b的位于搅拌针38E的旋转方向后方向(与箭头R方向相反的方向)的侧缘部。第1槽边缘92和第2槽边缘94隔着顶端槽70b彼此平行地延伸。第2槽边缘94中的位于搅拌针38E的外周侧的外端与第2外周边缘46的顶端连结。

在彼此相邻的顶端槽70b中，位于一方的顶端槽70b的第1槽边缘92的位于搅拌针38E的中央侧的内端与位于另一方的顶端槽70b的第2槽边缘94的位于搅拌针38E的中央侧的内端相连结。第2槽边缘94的全长比第1槽边缘92的全长短。在从搅拌针38E的顶端方向观察时，顶端槽70b的中心线L1位于比顶端面38a的中央(旋转轴Ax)靠该顶端槽70b的第1槽边缘92侧的位置。

第3槽边缘96是以从顶端面38a的中央以分隔彼此相邻的顶端槽70b的方式延伸的棱线。第3槽边缘96形成顶端槽70b的延伸方向的缘部，并且形成相邻的顶端槽70b的侧方缘部的一部分。第3槽边缘96具有：第1直线部98a，其从顶端面38a的中央延伸；和第2直线部98b，其从第1槽边缘92和第2槽边缘94的连结部延伸至第1直线部98a。第1直线部98a和第2直线部98b彼此长度相同。换言之，第1直线部98a与第2直线部98b的交点位于顶端槽70b的延伸端。

在本变形例中，顶端凹部48e包括与外周凹部40连通的顶端槽70b，外周凹部40在搅拌针38E的周向上设有多个，顶端槽70b以彼此交叉的方式设有多个，在从搅拌针38E的顶端方向观察时，顶端槽70b以顶端槽70b的中心线L1通过从搅拌针38E的顶端面38a的中央偏移的位置的方式呈直线状延伸，在搅拌针38E上，在彼此相邻的顶端槽70b之间形成有爪部42。

根据这种结构，通过调整搅拌针38E的顶端面38a的中央与顶端槽70b的中心线L1的偏移量(偏移角度θ6)，能够变更爪部42的形状(能够提高爪部42的形状的自由度)。具体而言，偏移角度θ6越小，爪部42的位于搅拌针38E的旋转方向前方(箭头R方向)的角部(搅拌针38E的外周面38b与第2槽边缘94所成的角度θ7)越小。在该情况下，爪部42对工件W的切削性能提高。另一方面，偏移角度θ6越大，所成的角度θ7越大。在该情况下，由于能够提高爪部42的刚性(强度)，因此搅拌针38E的耐用性提高。

在顶端面38a上形成有第3槽边缘96，该第3槽边缘96以从顶端面38a的中央分隔彼此相邻的顶端槽70b的方式延伸。

根据这种结构，能够使在顶端槽70b中塑性流动的第1软化材料104触碰到第3槽边缘96，而将其向搅拌针38E的顶端方向引导。据此，能够更有效地搅拌第1软化材料104和第2软化材料106。

在本变形例所涉及的搅拌针38E中，顶端槽70b也可以形成为，在从搅拌针38E的顶端方向观察时，顶端槽70b的中心线L1位于比顶端面38a的中央(旋转轴Ax)靠该顶端槽70b的第2槽边缘94侧的位置。在该情况下，偏移角度θ6越小，所成的角度θ7越大，偏移角度θ6越大，所成的角度θ7越小。

在搅拌针38E中，顶端槽70b的槽宽也可以比外周凹部40的槽宽小。

本发明不限于上述实施方式，在不脱离本发明的主旨的范围内，可以进行各种改变。

接合用工具10也可以是对三块以上的板材重叠而成的工件W进行重叠接合的工具。接合用工具10还可以用于以在将两块板材的端面彼此对接的状态下对该对接部分进行摩擦搅拌接合的对接接合。外周凹部40、顶端槽70、70a、70b各自的大小、形状、位置和数量能够适宜地变更。

以上的实施方式归纳如下。

上述实施方式公开了一种摩擦搅拌接合用工具(10)，其具有搅拌针(38A～38E)，该搅拌针(38A～38E)具有顶端面(38a)和外周面(38b)，在所述外周面(38b)上形成有延伸至所述顶端面(38a)的外周凹部(40)，所述摩擦搅拌接合用工具(10)通过使所述搅拌针(38A～38E)在以旋转轴(Ax)为中心旋转的状态下埋设在工件(W)内，来接合所述工件(W)，在所述摩擦搅拌接合用工具(10)中，在所述顶端面(38a)上形成有顶端凹部(48、48a～48e)，该顶端凹部(48、48a～48e)位于所述顶端面(38a)的中央部并与所述外周凹部(40)连通。

在所述摩擦搅拌接合用工具(10)中，可以为：所述顶端凹部(48a)包含位于所述顶端面(38a)的中央的中央凹部(50)，所述外周凹部(40)以切除所述中央凹部(50)的外缘部的一部分而形成缺口的方式形成。

在所述摩擦搅拌接合用工具(10)中，可以为：所述顶端凹部(48b)包括顶端槽(70、70a)，该顶端槽(70、70a)从所述顶端面(38a)的中央向所述搅拌针(38A～38D)的径向外侧延伸，并与所述外周凹部(40)连通。

在所述摩擦搅拌接合用工具(10)中，可以为：所述外周凹部(40)和所述顶端槽(70、70a)分别设置有多个，在所述顶端面(38a)上形成有棱线(78)，该棱线(78)以从所述顶端面(38a)的中央分隔彼此相邻的所述顶端槽(70、70a)的方式延伸。

在所述摩擦搅拌接合用工具(10)中，可以为：所述外周凹部(40)形成为槽状，所述顶端槽(70a)的槽宽比所述外周凹部(40)的槽宽窄。

在所述摩擦搅拌接合用工具(10)中，可以为：所述顶端凹部(48c、48d)包括：中央凹部(86)，其位于所述顶端面(38a)的中央；和顶端槽(70、70a)，其将所述中央凹部(86)和所述外周凹部(40)彼此连结。

在所述摩擦搅拌接合用工具(10)中，可以为：所述中央凹部(86)在从所述搅拌针(38C)的顶端方向观察时形成为圆形，所述顶端槽(70)的槽宽被设定为与所述中央凹部(86)的直径相同的长度。

在所述摩擦搅拌接合用工具(10)中，可以为：所述中央凹部(86)在从所述搅拌针(38D)的顶端方向观察时形成为圆形，所述顶端槽(70a)的槽宽比所述中央凹部(86)的直径窄。

在所述摩擦搅拌接合用工具(10)中，可以为：所述顶端凹部(48e)包括与所述外周凹部(40)相连通的顶端槽(70b)，所述外周凹部(40)在所述搅拌针(38E)的周向上设置有多个，所述顶端槽(70b)以彼此交叉的方式设置有多个，在从所述搅拌针(38E)的顶端方向观察时，所述顶端槽(70b)以所述顶端槽(70b)的中心线(L1)通过从所述搅拌针(38E)的顶端面(38a)的中央偏移的位置的方式呈直线状延伸，在所述搅拌针(38E)上，在彼此相邻的所述顶端槽(70b)之间形成有爪部(42)。

在所述摩擦搅拌接合用工具(10)中，可以为：在所述顶端面(38a)上形成棱线(96)，该棱线(96)以从所述顶端面(38a)的中央分隔彼此相邻的所述顶端槽(70b)的方式延伸。

在所述摩擦搅拌接合用工具(10)中，可以为：在所述顶端面(38a)上形成有外侧顶端边缘(54、54b)，该外侧顶端边缘(54、54b)形成所述外周凹部(40)中的位于所述搅拌针(38、38B、38D)的顶端方向的缘部，所述外侧顶端边缘(54、54b)以该外侧顶端边缘(54、54b)与所述外周面(38b)所成的角度(θ1、θ2、θ4、θ5)为钝角的方式延伸。

Claims (11)

1.一种摩擦搅拌接合用工具(10)，其具有搅拌针(38A～38E)，该搅拌针具有顶端面(38a)和外周面(38b)，在所述外周面上形成有延伸至所述顶端面的外周凹部(40)，通过使所述搅拌针在以旋转轴(Ax)为中心旋转的状态下埋设在工件(W)内，来接合所述工件，所述摩擦搅拌接合用工具的特征在于，

在所述顶端面上形成有顶端凹部(48、48a～48e)，该顶端凹部位于所述顶端面的中央部并与所述外周凹部连通。

2.根据权利要求1所述的摩擦搅拌接合用工具，其特征在于，

所述顶端凹部包含位于所述顶端面的中央的中央凹部(50)，

所述外周凹部以切除所述中央凹部的外缘部的一部分而形成缺口的方式形成。

3.根据权利要求1所述的摩擦搅拌接合用工具，其特征在于，

所述顶端凹部包括顶端槽(70、70a)，该顶端槽从所述顶端面的中央向所述搅拌针的径向外侧延伸，并与所述外周凹部连通。

4.根据权利要求3所述的摩擦搅拌接合用工具，其特征在于，

所述外周凹部和所述顶端槽分别设置有多个，

在所述顶端面上形成有棱线(78)，该棱线以从所述顶端面的中央分隔彼此相邻的所述顶端槽的方式延伸。

5.根据权利要求3所述的摩擦搅拌接合用工具，其特征在于，

所述外周凹部形成为槽状，

所述顶端槽的槽宽比所述外周凹部的槽宽窄。

6.根据权利要求1所述的摩擦搅拌接合用工具，其特征在于，

所述顶端凹部包括：中央凹部(86)，其位于所述顶端面的中央；和顶端槽(70、70a)，其将所述中央凹部和所述外周凹部彼此连结。

7.根据权利要求6所述的摩擦搅拌接合用工具，其特征在于，

所述中央凹部在从所述搅拌针的顶端方向观察时形成为圆形，

所述顶端槽的槽宽被设定为与所述中央凹部的直径相同的长度。

8.根据权利要求6所述的摩擦搅拌接合用工具，其特征在于，

所述中央凹部在从所述搅拌针的顶端方向观察时形成为圆形，

所述顶端槽的槽宽比所述中央凹部的直径窄。

9.根据权利要求1所述的摩擦搅拌接合用工具，其特征在于，

所述顶端凹部包括与所述外周凹部相连通的顶端槽(70b)，

所述外周凹部在所述搅拌针的周向上设置有多个，

所述顶端槽以彼此交叉的方式设置有多个，

在从所述搅拌针的顶端方向观察时，所述顶端槽以所述顶端槽的中心线(L1)通过从所述搅拌针的顶端面的中央偏移的位置的方式呈直线状延伸，

在所述搅拌针上，在彼此相邻的所述顶端槽之间形成有爪部(42)。

10.根据权利要求9所述的摩擦搅拌接合用工具，其特征在于，

在所述顶端面上形成棱线(96)，该棱线以从所述顶端面的中央分隔彼此相邻的所述顶端槽的方式延伸。

11.根据权利要求1～10中任一项所述的摩擦搅拌接合用工具，其特征在于，

在所述顶端面上形成有外侧顶端边缘(54、54b)，该外侧顶端边缘形成所述外周凹部中的位于所述搅拌针的顶端方向的缘部，

所述外侧顶端边缘以该外侧顶端边缘与所述外周面所成的角度(θ1、θ2、θ4、θ5)为钝角的方式延伸。

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