JP2000271766A - 摩擦攪拌接合用ツール - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 変形抵抗の大きい材料に対しても良好に摩擦
攪拌接合しうる摩擦攪拌接合用ツールの提供を目的とす
る。 【解決手段】 径大の回転子21と該回転子21の端部回転
軸Ｑ上に突設された径小のプローブ22とを有する摩擦攪
拌接合用ツールにおいて、前記プローブ22の直径（ｄ）
と長さ（Ｌ）とが１＜ｄ／Ｌ≦５および２≦Ｄ／ｄ≦５
を満たす範囲に形成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、摩擦攪拌接合、
特に高変形抵抗材料の接合に用いられる摩擦攪拌接合用
ツールに関する。

【０００２】

【従来の技術】固相接合の一つである摩擦攪拌接合は、
高速で回転するプローブを接合予定部あるいはその近傍
に挿入し、発生する摩擦熱でプローブの接触部分を軟化
させつつ攪拌して接合するものである。このような摩擦
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
少ないというような利点がある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、Ａｌ高
力合金、ＣｕまたはＣｕ合金、ＦｅまたはＦｅ合金のよ
うに硬く変形抵抗の大きい材料を摩擦攪拌接合するに
は、軟化に多量の熱量を必要とするため、比較的変形抵
抗の少ない材料と同じツールを用いて摩擦攪拌接合しよ
うとすると発熱量が不足するという問題があった。ま
た、高温下の接合ではツールが破損しやすい、ツールに
材料が凝着しやすいといった問題点があった。

【０００４】この発明は、このような技術背景に鑑み、
変形抵抗の大きい材料に対しても良好に摩擦攪拌接合し
うる摩擦攪拌接合用ツールの提供を目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、この発明の第１の摩擦攪拌接合用ツールは、径大の
回転子（21）と、該回転子（21）の端部回転軸（Ｑ）上
に突設されて該回転子（21）とともに回転する径小のプ
ローブ（22）とを有し、接合部材（Ａ）（Ｂ）の接合部
に前記プローブ（22）を挿入状態に配置するとともに、
前記回転子（21）の端面を接合部上面に接触させ、プロ
ーブ（22）の回転により発生する摩擦熱と回転子（21）
の回転摺動により発生する摩擦熱とにより接合部を軟化
させつつプローブ（22）の回転により攪拌する摩擦攪拌
接合用ツールにおいて、前記回転子（21）の直径（Ｄ）
と、前記プローブ（22）の直径（ｄ）および長さ（Ｌ）
とが、１＜ｄ／Ｌ≦５および２≦Ｄ／ｄ≦５を満たす範
囲に形成されていることを特徴とする。

【０００６】また、第２の摩擦攪拌接合用ツールは、前
記第１の摩擦攪拌接合用ツールにおいて、前記回転子
（21）の直径（Ｄ）と、前記プローブ（22）の直径
（ｄ）および長さ（Ｌ）とが、１＜ｄ／Ｌ≦４および２
＜Ｄ／ｄ＜４を満たす限定的範囲に形成されている。

【０００７】さらに、第３の摩擦攪拌接合用ツールは、
前記回転子（21）の直径（Ｄ）と、前記プローブ（22）
の直径（ｄ）および長さ（Ｌ）とが、１≦ｄ／Ｌ≦５お
よび２＜Ｄ／ｄ≦５を満たす範囲に形成されていること
を特徴とする。

【０００８】この発明の各摩擦攪拌接合用ツールは、径
大の回転子（21）と、該回転子（21）の端部回転軸
（Ｑ）上に突設されて該回転子（21）とともに回転する
径小のプローブ（22）とを有するものである。また、摩
擦攪拌接合においてこれらのツールは、接合部材（Ａ）
（Ｂ）の接合部にプローブ（22）を挿入する状態に配置
するとともに、前記回転子（21）の端面を接合部上面に
接触させ、プローブ（22）の回転により発生する摩擦熱
と回転子（21）の回転摺動により発生する摩擦熱とによ
り接合部を軟化させつつプローブ（22）の回転により攪
拌するために用いられる。そして、プローブ（22）を接
合部から除去すると、摩擦熱を急速に失って冷却固化
し、接合部材（Ａ）（Ｂ）は接合される。

【０００９】なお、以下の説明において、高変形抵抗材
料とは、硬く変形抵抗の大きい材料であり、具体的には
いわゆる高力アルミニウム合金と称される５０００系、
２０００系、７０００系の各Ａｌ合金、ＣｕまたはＣｕ
合金、ＦｅまたはＦｅ合金等をいう。

【００１０】この発明の３つの摩擦攪拌接合用ツール
は、プローブ（22）の直径（ｄ）と長さ（Ｌ）との関係
を規定することにより、プローブ（22）の強度を高めて
高変形抵抗材料の攪拌を可能とするとともに攪拌力を増
強し、かつ前記回転子（21）の直径（Ｄ）と前記プロー
ブ（22）の直径（ｄ）との関係を規定することにより、
回転子（21）の端面における摺動面積を適正化して摺動
による発熱量の増大を図るものである。

【００１１】第１の摩擦攪拌接合用ツールは、前記回転
子（21）の直径（Ｄ）と、前記プローブ（22）の直径
（ｄ）および長さ（Ｌ）とが、１＜ｄ／Ｌ≦５および２
≦＜Ｄ／ｄ≦５を満たしていることを要する。前記プロ
ーブ（22）の直径（ｄ）と長さ（Ｌ）との関係ｄ／Ｌに
おいて、１≧ｄ／Ｌの細いプローブでは強度が低く破損
しやすい上に攪拌範囲が狭くなり、ｄ／Ｌ＞５の太いプ
ローブでは、強度は高くなり攪拌範囲も拡大されるが、
これよりも接合界面から離れた部分まで攪拌してもさら
なる接合力の向上は望めないからである。また、前記回
転子（21）の直径（Ｄ）と前記プローブ（22）の直径
（ｄ）との関係Ｄ／ｄにおいて、２＞Ｄ／ｄでは回転子
の摺動面積が小さすぎて発熱量が不足して、多量の熱量
を要する高変形抵抗材料を充分に軟化させることはでき
ず、Ｄ／ｄ≧５では摺動面積が拡大されるが、接合界面
から離れた位置まで摺動される結果となり、発生した摩
擦熱がプローブ（22）による攪拌部分に充分に伝達され
ず無駄になるからである。

【００１２】第２の摩擦攪拌接合用ツールは、第１の摩
擦攪拌接合用ツールの条件において好適範囲を定めるも
のである。即ち、ツール強度をさらに高めて攪拌力を増
強するために、プローブ（22）の直径（ｄ）と長さ
（Ｌ）との関係を１＜ｄ／Ｌ≦４とするとともに、回転
子（21）の摺動面積をさらに適正化して発熱量の増大を
図るために、回転子（21）の直径（Ｄ）とプローブ（2
2）の直径（ｄ）との関係Ｄ／ｄを２＜Ｄ／ｄ＜４とし
ている。これらの関係において、さらなる好適範囲は、
２≦ｄ／Ｌ≦３であり、２≦Ｄ／ｄ≦３である。

【００１３】第３の摩擦攪拌接合用ツールは、前記回転
子（21）の直径（Ｄ）と、前記プローブ（22）の直径
（ｄ）および長さ（Ｌ）とが、１≦ｄ／Ｌ≦５および２
＜Ｄ／ｄ≦５を満たしていることを要する。即ち、前記
プローブ（22）の直径（ｄ）と長さ（Ｌ）との関係ｄ／
Ｌにおいて、第１の摩擦攪拌接合用ツールには含まれな
いｄ／Ｌ＝１を含むとき、前記回転子（21）の直径
（Ｄ）と前記プローブ（22）の直径（ｄ）との関係Ｄ／
ｄにおいて、２＜Ｄ／ｄという限定を加えることによ
り、プローブの強度向上による攪拌の増強効果と回転子
の摺動面積の適正化による発熱量の増大とのバランスを
とりつつ、高変形抵抗材料の摩擦攪拌接合を可能として
いる。

【００１４】前記摩擦攪拌接合用ツールの材料は、接合
部材よりも高い強度を有するものであれば良く、特に各
種ダイス鋼が好ましい。

【００１５】上記の形状に形成されたこの発明の各摩擦
攪拌接合用ツールにおいては、プローブの強度向上と強
度向上による攪拌力の増強により、高変形抵抗材料に対
しても破損することなく接合部を充分に攪拌することが
でき、かつ発熱量を増大させることにより接合部の軟化
を促進して攪拌を容易にしている。そして、これらの相
乗効果により、高変形抵抗材料の摩擦攪拌接合が可能と
なる。

【００１６】なお、上述したように、この発明の各摩擦
攪拌接合用ツールは、高変形抵抗材料をも良好に接合し
うるツールであるが、上述の各材料よりも変形抵抗の低
い材料の接合に使用して良好に接合できることは言うま
でもない。

【００１７】

【実施例】次に、この発明の摩擦攪拌接合用ツールの具
体的実施例について、図面を参照しつつ説明する。

【００１８】図１および図２に示すように、摩擦攪拌接
合装置（20）において、摩擦攪拌接合用ツール（23）
は、径大の円柱状回転子（21）と、該回転子（21）の端
部回転軸（Ｑ）上に突出して設けられた径小のピン状プ
ローブ（22）とを有し、図外の駆動装置により回転子
（21）を高速で回転させることにより、プローブ（22）
も回転可能となされている。本実施例では、ツール材料
はＳＫＤ６１で共通とし、前記回転子（21）およびプロ
ーブ（22）を表１に示す寸法に各種変更して複数のツー
ル（23）を用意した。

【００１９】前記各ツール（23）を用いた摩擦攪拌接合
例として、５０８３Ａｌ合金からなる厚さ４mmの平板を
接合部材（Ａ）（Ｂ）とした突き合わせ継ぎ手を製作し
た。

【００２０】接合は、前記回転子（21）およびプローブ
（22）を高速で回転させた状態で、突き合わせた２枚の
接合部材（Ａ）（Ｂ）の突き合わせ部（１）に前記プロ
ーブ（22）を挿入するとともに、回転子（21）の端面を
両接合部材の上面に接触させ、この状態でツール（23）
を突き合わせ部（１）に沿って移動させることにより行
う。即ち、プローブ（22）の回転により発生する摩擦
熱、および回転子（21）の端面（21a ）と両接合部材
（Ａ）（Ｂ）の上面との摺動に伴い発生する摩擦熱によ
り、ツール（23）接触部分近傍において接合部材（Ａ）
（Ｂ）は軟化しかつプローブ（22）の回転により攪拌さ
れる。そして、ツール（23）の移動に伴って、軟化攪拌
部分がプローブ（22）の進行圧力を受けてプローブ（2
2）通過溝を埋めるようにツール（23）の進行方向後方
へと回り込む態様で塑性流動したのち摩擦熱を急速に失
って冷却固化する。この現象がツール（23）の移動に伴
って順次繰り返されていき、最終的に両接合部材（Ａ）
（Ｂ）が突き合わせ部（１）において接合一体化され
る。図中、（２）は前記摩擦攪拌接合装置（20）により
接合された接合部である。また、前記ツール（23）の稼
働条件は、いずれも回転速度１０００ｒｐｍ、移動速度
８０ｃｍ／ｍｉｎとした。

【００２１】ツールを変えて製作した各継ぎ手につい
て、次の基準で接合性を評価するとともに、ツールの損
傷状態を調べた。これらの結果を表１に併せて示す。

【００２２】（接合性）Ｘ線透過試験による欠陥の有無
で接合の良否を判断した。また、外観品質について目視
で良否を判断した。表１において、良品を○、不良品を
×で示す。

【００２３】（ツールの損傷）ツールの破損の有無によ
り判断した。

【００２４】

【表１】

【００２５】表１の結果より、所定形状のツールを用い
ることにより、高変形抵抗材料の摩擦攪拌接合を良好に
行え、かつツールにも損傷がないことを確認できた。

【００２６】

【発明の効果】以上の次第で、この発明は、径大の回転
子と、該回転子の端部回転軸上に突設されて該回転子と
ともに回転する径小のプローブとを有し、接合部材の接
合部に前記プローブを挿入状態に配置するするととも
に、前記回転子の端面を接合部上面に接触させ、プロー
ブの回転により発生する摩擦熱と回転子の回転摺動によ
り発生する摩擦熱とにより接合部を軟化させつつプロー
ブの回転により攪拌する摩擦攪拌接合用ツールにおい
て、回転子およびプローブが所定形状に形成されている
ため、高変形抵抗材料の摩擦攪拌接合が可能となり、ツ
ールの損傷も低減する。

【００２７】即ち、第１の摩擦攪拌接合用ツールは、前
記回転子（21）の直径（Ｄ）と、前記プローブ（22）の
直径（ｄ）および長さ（Ｌ）とが、１＜ｄ／Ｌ≦５およ
び２≦Ｄ／ｄ≦５を満たす範囲に形成されているため、
プローブの強度が向上し、かつ強度向上により攪拌力が
増強されて、高変形抵抗材料に対しても破損することな
く接合部を充分に攪拌することができるとともに、発熱
量が増大して高変形抵抗材料に対しても接合部が充分に
軟化させて攪拌が容易となり、これらの相乗効果により
接合性が向上する。

【００２８】また、第２の摩擦攪拌接合用ツールは、前
記第１の摩擦攪拌接合用ツールにおいて、前記回転子
（21）とプローブ（22）とが１＜ｄ／Ｌ≦４および２＜
Ｄ／ｄ＜４を満たす限定的範囲に形成されているため、
前記効果が助長されて、さらに接合性が改善される。

【００２９】また、第３の摩擦攪拌接合用ツールは、前
記回転子（21）の直径（Ｄ）と、前記プローブ（22）の
直径（ｄ）および長さ（Ｌ）とが、１≦ｄ／Ｌ≦５およ
び２＜Ｄ／ｄ≦５を満たす範囲に形成されているため、
プローブの強度向上および攪拌力の増強と発熱量の増大
の相乗効果により、接合性が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】摩擦攪拌接合方法の一例を示す斜視図である。

【図２】この発明の摩擦攪拌接合用ツールを示す縦断面
図である。

【符号の説明】

Ａ，Ｂ…接合部材 Ｑ…回転軸 21…回転子 22…プローブ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 橋本 武典 堺市海山町６丁224番地 昭和アルミニウ ム株式会社内 Ｆターム(参考） 4E067 BG02 CA01

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 径大の回転子（21）と、該回転子（21）
   の端部回転軸（Ｑ）上に突設されて該回転子（21）とと
   もに回転する径小のプローブ（22）とを有し、接合部材
   （Ａ）（Ｂ）の接合部に前記プローブ（22）を挿入状態
   に配置するとともに、前記回転子（21）の端面を接合部
   上面に接触させ、プローブ（22）の回転により発生する
   摩擦熱と回転子（21）の回転摺動により発生する摩擦熱
   とにより接合部を軟化させつつプローブ（22）の回転に
   より攪拌する摩擦攪拌接合用ツールにおいて、 前記回転子（21）の直径（Ｄ）と、前記プローブ（22）
   の直径（ｄ）および長さ（Ｌ）とが、１＜ｄ／Ｌ≦５お
   よび２≦Ｄ／ｄ≦５を満たす範囲に形成されていること
   を特徴とする摩擦攪拌接合用ツール。
2. 【請求項２】 前記回転子（21）の直径（Ｄ）と、前記
   プローブ（22）の直径（ｄ）および長さ（Ｌ）とが、１
   ＜ｄ／Ｌ≦４および２＜Ｄ／ｄ＜４を満たす範囲に形成
   されている請求項１に記載の摩擦攪拌接合用ツール。
3. 【請求項３】 径大の回転子（21）と、該回転子（21）
   の端部回転軸（Ｑ）上に突設されて該回転子（21）とと
   もに回転する径小のプローブ（22）とを有し、接合部材
   （Ａ）（Ｂ）の接合部に前記プローブ（22）を挿入状態
   に配置するするとともに、前記回転子（21）の端面を接
   合部上面に接触させ、プローブ（22）の回転により発生
   する摩擦熱と回転子（21）の回転摺動により発生する摩
   擦熱とにより接合部を軟化させつつプローブ（22）の回
   転により攪拌する摩擦攪拌接合用ツールにおいて、 前記回転子（21）の直径（Ｄ）と、前記プローブ（22）
   の直径（ｄ）および長さ（Ｌ）とが、１≦ｄ／Ｌ≦５お
   よび２＜Ｄ／ｄ≦５を満たす範囲に形成されていること
   を特徴とする摩擦攪拌接合用ツール。