JP2002144053A - 摩擦攪拌ツールおよびこれを用いた接合方法ならびに鋳物表面の微細空隙除去方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】ツール本体および攪拌ピンを太径化することな
く良質な接合部が確実に形成できる摩擦攪拌ツールおよ
びこれを用いた接合方法を提供する。 【解決手段】円形の底面４を含むツール本体３と、この
ツール本体３の底面４から突設され当該ツール本体３の
軸心と平行で且つ係る軸心に対して偏心した軸心を有す
る攪拌ピン８と、を含む、摩擦攪拌ツール１。また、ア
ルミニウム合金板１１，１２を突き合わせて突き合わせ
面１４を形成する工程と、この突き合わせ面１４に沿っ
て上記摩擦攪拌ツール１を回転しつつ移動させることに
より、上記合金板１１，１２を接合部Ｗを介して摩擦攪
拌接合する接合方法も含まれる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、摩擦攪拌ツールお
よびこれを用いた接合方法ならびに鋳物表面の微細空隙
除去方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】同種の金属部材同士を接合する場合はも
ちろん、互いに材質が異なるアルミニウム部材とその他
の金属部材とを接合するため、摩擦攪拌接合を用いるこ
とが提案されている。例えば、アルミニウム合金板と異
種金属の板とを突き合わせた突き合わ面に沿って、高速
回転する摩擦攪拌ツールの攪拌ピンを進入させ、その摩
擦熱により両板材を軟化させて摩擦攪拌接合する方法が
行われている。

【０００３】上記摩擦攪拌ツール７０は、図８(Ａ)，
(Ｂ)に示すように、円柱形のツール本体７２とその底面
７３の中心から本体７２の軸心と同心にして垂下する攪
拌ピン７４とを含み、金属部材７６，７８の突き合わせ
面７７に沿って、高速回転し且つ軸心方向に沿って加圧
されつつ移動方向と逆向きに約３°傾けた状態で移動す
るように操作される。係る攪拌ツール７０が通過した跡
には、攪拌ピン７４により摩擦攪拌された金属部材７
６，７８の双方が含まれる接合部Ｗが形成される。

【０００４】しかしながら、攪拌ピン７４の軸心が突き
合わせ面７７からずれた状態で接合ツール７０を操作し
た場合、図８(Ｃ)に示すように、接合部Ｗ内に未融合部
７９が形成されるため、接合強度が非常に低下してしま
う、という問題があった。また、例えば直径５ｍｍの攪
拌ピン７４を有する摩擦攪拌ツール７０を用い、金属部
材７６，７８間の突き合わせ面７７に形成される隙間が
２ｍｍを越え、且つ攪拌ピン７４の軸心と突き合わせ面
７７とのずれ量が２ｍｍを越えた場合にも、未融合部７
９が形成され易くなる、という問題もあった。

【０００５】更に、図８(Ｂ)に示すように、接合部Ｗの
幅は、攪拌ピン７４の直径よりも僅かに大きくなる程度
であるため、上記突き合わせ接合や重ね合わせ接合を行
う際における摩擦攪拌ツール７０の位置決めに高い精度
が求められる。上記不都合を解消するため、摩擦攪拌ツ
ール７０の攪拌ピン７４を太径にすると共に、突き合わ
せ面や予定移動軌跡をセンシングする方法が考えられ
る。しかし、攪拌ピン７４を太径にすると、前記本体７
２も太径化する必要が生じ、これに加える加圧力や回転
推力が増加するため、設備が大型化しコスト高になる。
しかも、センサ機能を加えると更に高コストになる、と
いう問題があった。あるいは、アルミニウム合金の鋳物
表面(表層を含む)における微細空隙を除去するに際し、
その表面に沿って摩擦攪拌ツール７０を回転しつつ移動
する場合にも、ジグザク状にした移動軌跡を形成するよ
う繰り返し数多くの移動操作を行う必要がある、という
問題があった。

【０００６】

【発明が解決すべき課題】本発明は、以上の従来の技術
における問題点を解決し、ツール本体および攪拌ピンを
太径化することなく良質な接合部が確実に形成でき、あ
るいは、鋳物表面における微細な空隙の除去を効率的に
行える摩擦攪拌ツールおよびこれを用いた接合方法なら
びに鋳物表面の微細空隙除去方法を提供する、ことを課
題とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するため、発明者らの研究の結果、摩擦攪拌ツールに
おける攪拌ピンの回転軌跡を拡大すること、に着想して
成されたものである。即ち、本発明の摩擦攪拌ツール
は、円形の底面を含むツール本体と、このツール本体の
底面から突設され当該ツール本体の軸心と平行で且つ係
る軸心に対して偏心した軸心を有する攪拌ピンと、を含
む、ことを特徴とする。

【０００８】これによれば、攪拌ピンは、ツール本体の
回転に伴って係る本体の軸心を中心として当該攪拌ピン
の直径よりも大きな円形の回転軌跡を形成しつつ移動す
る。このため、攪拌ピンは、一対の金属部材の突き合わ
せ面や重ね合わせ面、あるいは鋳物表面に沿って、連続
する円形回転および直線などの移動を含む軌跡を形成す
るので、従来の攪拌ツールに比べて幅広い断面の接合部
または微細空隙除去部(攪拌部)を容易に形成することが
できる。従って、攪拌ツールの位置決め精度を要したり
センサを設けることなく、品質の良い摩擦攪拌接合を確
実に行ったり、あるいは表層を含む鋳物表面の微細空隙
除去を効率的に行うことが容易となる。尚、上記摩擦攪
拌ツールには、対象とする金属部材や鋳物よりも更に高
融点で且つ硬質の金属または合金、例えば高速度工具鋼
などから成形されたものが用いられる。また、上記ツー
ル本体は、その底面が円形であれば、これを含む円柱
体、円筒体はもちろん、四角柱や六角柱などの多角柱体
としても良い。更に、上記攪拌ツールの回転数は、従来
の攪拌ツールの回転数に比べてやや多めに設定され、且
つ上記偏心量が大きくなるに連れて回転数も増加され
る。

【０００９】また、前記ツール本体の軸心に対する攪拌
ピンの軸心の偏心距離は、係る攪拌ピンの直径の５％以
上である、摩擦攪拌ツールも本発明に含まれる。これに
よれば、幅広い接合部または微細空隙除去部を一層確実
に形成することができる。尚、上記偏心距離が攪拌ピン
の直径の５％未満では、攪拌ピンの回転軌跡が従来の攪
拌ツールに比べてあまり差がなく、攪拌ツールの位置決
めに比較的高い精度が求めれるため、係る範囲を除外し
たものである。付言すれば、偏心距離の上限は、攪拌ピ
ンの直径の４０％未満である。

【００１０】更に、前記ツール本体の底面には、当該底
面における周縁からその中心寄りに向かう渦巻き状の凸
条が更に突設されている、摩擦攪拌ツールも本発明に含
まれる。また、前記攪拌ピンの周面および先端面の少な
くとも一方にネジを含む凹凸が更に設けられている、摩
擦攪拌ツールも本発明に含まれる。更に、前記攪拌ピン
が、断面３角形以上の多角柱を呈する、摩擦攪拌ツール
も本発明に含まれる。これらによれば、攪拌ピン自体の
金属部材や鋳物表面との接触面積が増加するため、攪拌
ピンが描く連続する円形回転と移動とを含む軌跡によ
り、幅広い接合部または微細空隙除去部(攪拌部)を一層
品質良く確実に形成することができる。しかも、渦巻き
状の凸条をツール本体の底面に設けた摩擦攪拌ツールで
は、金属部材や鋳物の表面に対し、ツール本体を垂直姿
勢で接触させることができるため、当該攪拌ツールの回
転および移動操作を容易に行うことも可能となる。尚、
凹凸部には、攪拌ピンの先端面に多数の突起を格子状に
突設した形態、先端面に単数または複数の凸条を突設し
た形態、あるいは先端面に同心円状に複数のリング凸条
を設けた形態が含まれる。また、攪拌ピンの先端面寄り
の周面に対し、その軸方向に沿った多数の凹溝または凹
みを突設した形態も含まれる。

【００１１】また、前記ツール本体と前記攪拌ピンとが
別部材からなり、少なくともツール本体の底面に開口す
る穴に上記攪拌ピンの基端側を挿入して一体化されてい
る、摩擦攪拌ツールも本発明に含まれる。これによれ
ば、ツール本体に、その底面に開口する穴、または底面
から上端面に貫通する孔に攪拌ピンの基端側を挿入して
固定することにより、前記摩擦攪拌ツールを通常の切削
加工などにより容易に製作することができる。尚、上記
穴や孔に挿入した攪拌ピンの基端側を固定するため、ツ
ール本体の周面から細径の固定ピンを打ち込んでも良
い。また、上記穴や孔の内周面に雌ネジを刻設し、これ
に予め雄ネジを刻設した攪拌ピンの基端側を螺入させて
も良く、且つ係るネジ結合部に上記固定ピンを打ち込ん
でも良い。

【００１２】更に、前記ツール本体はその底面の周辺部
分を含む円筒体であり、且つ前記攪拌ピンは太径の基部
を含み且つこの基部の底面においてその軸心から偏心し
て突設され、上記円筒体のツール本体における中空部内
に上記攪拌ピンの基部が挿入されると共に、上記ツール
本体と攪拌ピンを含む部分とが個別に回転可能とされて
いる、摩擦攪拌ツールも本発明に含まれる。あるいは、
前記ツール本体はその底面の周辺部分を含む円筒体で且
つその軸心に対し偏心した中空部を有し、この中空部に
攪拌ピンを底面に有し且つこの攪拌ピンと同軸心で太径
の基部が挿入されると共に、上記ツール本体と攪拌ピン
を含む部分とが個別に回転可能とされている、摩擦攪拌
ツールも本発明に含まれる。これらによれば、摩擦攪拌
ツールにおける攪拌ピンを、ツール本体よりも高速で且
つ遊星回転させ得るため、攪拌ピンにより接合すべき高
融点側の金属部材における流動不足が容易に解消され
る。従って、例えば融点が互いに異なる２つの金属部材
の重ね合わせ面に沿って、低融点側の金属部材の表面か
ら上記攪拌ツールを回転しつつ挿入することにより、両
金属部材の重ね合わせ面に跨り内部欠陥および表面欠陥
のない健全な接合部を確実に形成することが可能とな
る。

【００１３】一方、本発明の接合方法は、一対の金属部
材を突き合わせまたは重ね合わせる工程と、上記一対の
金属部材の突き合わせ面又は重ね合わせ面に沿って前記
摩擦攪拌ツールを回転しつつ移動させることにより、上
記一対の金属部材を摩擦攪拌接合する工程と、を含む、
ことを特徴とする。これによれば、前記攪拌ピンは、一
対の金属部材の突き合わせ面や重ね合わせ面に沿って、
連続する円形回転と移動とを含む軌跡を形成する。従っ
て、従来の攪拌ツールに比べて幅広く健全な接合部を位
置決め精度やセンサを要さずに確実に形成して接合する
ことができる。

【００１４】また、本発明の鋳物表面の微細空隙除去方
法は、鋳物の表面に沿って前記摩擦攪拌ツールを回転し
且つ移動させつつ上記ツールの攪拌ピンを上記鋳物の表
層に挿入する、ことを特徴とする。これによれば、前記
攪拌ピンは、鋳物表面に沿って、連続する円形回転と移
動とを含む軌跡を形成するため、従来の攪拌ツールに比
べて幅広い微細空隙除去部(攪拌部)を容易に形成するこ
とができる。従って、表層を含む鋳物表面の微細な空隙
を少ない移動軌跡により効率良く除去できる。尚、上記
鋳物は、アルミニウムまたはその合金の鋳物を主に対象
とするが、これらの他に、鉄鋳物、鋼鋳物、チタンや銅
およびその合金の鋳物も含まれる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下において本発明の実施に好適
な形態を図面と共に説明する。図１(Ａ)，(Ｂ)は、本発
明における１形態の摩擦攪拌ツール１の斜視図と断面図
である。摩擦攪拌ツール１は、例えば高速度工具鋼から
なり、図１(Ａ)，(Ｂ)に示すように、円形の底面４を含
む円柱形のツール本体３と、その上端面から同軸心で突
出するシャンク２と、上記ツール本体３の底面４から当
該ツール本体３の軸心と平行に突設され、且つ当該ツー
ル本体３の軸心に対して径方向に偏心した位置に軸心を
有する攪拌ピン８と、を有する。尚、シャンク２は、図
示しない旋盤などの接合装置におけるチャックに固定さ
れる。

【００１６】図１(Ａ)，(Ｂ)に示すように、ツール本体
３には、その底面４の中心からずれた位置に開口する雌
ネジ穴(穴)５が形成され、これに攪拌ピン８の基端側に
おける雄ネジ(ネジ)９を螺入すると共に、ツール本体３
の周面から雌ネジ穴５に連通する貫通孔７に打ち込まれ
た固定ピン６の先端を攪拌ピン８の基端側に当接してい
る。これにより、攪拌ピン８は、ツール本体３に固定さ
れ且つこれと一体に回転する。また、攪拌ピン８におい
て、ツール本体３の底面４から突出した部分における雄
ネジ９は、後述する接合すべき金属部材または表層の微
細空隙を除去すべき鋳物表面との接触面積を増やす本発
明の凹凸に相当する。

【００１７】図２(Ａ)，(Ｂ)は、摩擦攪拌ツール１を用
いた接合方法を示す。先ず、一対のアルミニウム合金板
(金属部材)１１，１２の端面同士を突き合わせる工程に
より、突き合わせ面１４を形成する。次に、摩擦攪拌ツ
ール１のツール本体３と攪拌ピン８とを、一対のアルミ
ニウム合金板１１，１２の突き合わせ面１４に沿って回
転させつつ、ツール本体３の底面４を合金板１１，１２
の表面に圧接し且つ攪拌ピン８を突き合わせ面１４付近
に挿入する摩擦攪拌接合工程を行う。この際、攪拌ツー
ル１のツール本体３および攪拌ピン８の軸心は、アルミ
ニウム合金板１１，１２の表面に対する垂線よりも移動
方向と反対側に約３°傾けた姿勢で配置される。また、
摩擦攪拌ツール１は、５００〜１５０００ｒｐｍの回転
数で回転され、且つその本体３の軸心に沿って１〜３０
ｋＮの押し込み力を加えられつつ、攪拌ピン８が突き合
わせ面１４付近に向けて挿入されると共に、図２(Ａ)で
右方向に５０ｍｍ〜２メートル／分の移動速度で送られ
る。

【００１８】図２(Ａ)，(Ｂ)中の実線と破線で示すよう
に、攪拌ピン８は、アルミニウム合金板１１，１２の突
き合わせ面１４付近に沿って、連続する円形回転と直線
移動とを含む軌跡を形成する。この結果、攪拌ピン８に
接触して摩擦され且つ加熱された上記合金板１１，１２
のアルミニウムは、突き合わせ面１４を挟んで塑性流動
化する。この際、ツール本体３の底面４は、上記合金板
１１，１２の表面に押圧され且つ順次形成される接合部
Ｗの表面を押さえて、塑性流動化したアルミニウムの飛
散を防止している。このため、摩擦攪拌ツール１は、前
記図８で示した従来の攪拌ツール７０に比べて、幅広い
断面の接合部Ｗを突き合わせ面１４付近に沿って確実に
形成することができる。

【００１９】従って、アルミニウム合金板１１，１２を
幅広で健全な接合部Ｗを介して強固に接合することがで
きる。しかも、ツール本体３の軸心が、突き合わせ面１
４の両側の何れかに多少ずれていても、幅広い断面の接
合部Ｗにより、アルミニウム合金板１１，１２を確実に
接合することができる。尚、以上の攪拌ツール１は、後
述する鋳物表面の微細空隙除去方法にも適用することが
できる。尚、摩擦攪拌ツール１の回転数は、偏心してい
ない従来の攪拌ツール７０の回転数に比べ、攪拌ピン８
の偏心量(距離)の増加量に応じて、回転数の割合を増加
させることが必要な傾向があると理解される。但し、接
合すべき金属部材の材質および板厚、摩擦攪拌ツールの
押し込み力、ならびに移動速度などの諸条件を考慮して
も最適の回転数を設定することが肝要である。

【００２０】

【実施例】ここで、摩擦攪拌ツール１を用いた本発明の
接合方法の実施例を説明する。ＳＫＤ６１からなり、ツ
ール本体３の直径が１５ｍｍ、Ｍ５の雄ネジ９を有する
前記攪拌ピン８の直径が５ｍｍで且つ長さが４ｍｍであ
ると共に、ツール本体３の軸心に対する攪拌ピン８の軸
心の偏心量を０．５〜１．５ｍｍの範囲で変化させた実
施例１〜３の摩擦攪拌ツール１を用意した。また、ＳＫ
Ｄ６１からなり、各部の寸法が上記と同じで且つ前記従
来の攪拌ツール７０と同じくツール本体３と攪拌ピン８
とが同軸心に形成された比較例１の攪拌ツールを用意し
た。更に、上記と同じ材質および各部の寸法からなり、
ツール本体３と攪拌ピン８との偏心量が２．０ｍｍであ
る比較例２の攪拌ツールも用意した。

【００２１】上記実施例１〜３の摩擦攪拌ツール１と比
較例１，２の攪拌ツールを、厚さ４ｍｍで一対のアルミ
ニウム合金(ＪＩＳ：Ａ６０６１−Ｔ５)板の突き合わせ
面に沿って、回転数１４００ｒｐｍ、移動速度３００ｍ
ｍ／分、および６ｋＮの押し込み力を加えて回転、押し
込み、および移動を伴う接合方法を、直線長さ５０ｃｍ
に亘って個別に行った。各例の攪拌ツール(１)により接
合された接合部Ｗを、切断面により観察してその品質を
評価した。その結果を表１に示した。また、各例の攪拌
ツール(１)において、突き合わせ面１４と回転する攪拌
ピン８とが交叉可能で且つ実用的な摩擦攪拌接合が可能
となる場合における突き合わせ面１４から攪拌ピン８の
軸心までの最長距離を、許容限界ずれ量として併せて表
１に示した。

【００２２】

【表１】

【００２３】表１の結果によれば、本発明の摩擦攪拌ツ
ール１を用いた実施例１〜３では、断面が幅広で且つ融
合不良のような欠陥のない健全な接合部Ｗ(○)が得られ
た。一方、比較例１では、ツール本体３と攪拌ピン８と
が同軸心であるため、健全であるが幅狭な接合部Ｗ(△)
となった。更に、比較例２では、偏心量を攪拌ピン８の
直径に対し４０％と高くししため、攪拌ツールの振動お
よび回転装置への負荷が過大となったことにより、接合
作業自体が不十分(×)となった。以上の結果から、ツー
ル本体３の軸心に対する攪拌ピン８の偏心距離を、該ピ
ン８の直径５％以上とする本発明の摩擦攪拌ツール１の
効果が裏付けられた。付言すれば、偏心量の上限は４０
％未満であり、望ましくは３０％以下であるが、攪拌ツ
ール１を取付ける接合装置を最適化する改良により、上
限は拡大し得る。

【００２４】図３(Ａ)，(Ｂ)は、異なる形態の摩擦攪拌
ツール１ａの斜視図と断面図である。摩擦攪拌ツール１
ａは、前記同様の工具鋼からなる円形の底面４を含む円
柱形のツール本体３と、その上端面から同軸心で突出す
るシャンク２と、ツール本体３の底面４から当該ツール
本体３の軸心と平行に突設され、且つ当該ツール本体３
の軸心に対して径方向に偏心した軸心を有する攪拌ピン
８ａとを有する。攪拌ピン８ａは、断面正六角形の六角
柱であり、ツール本体３の底面４の中心からずれた位置
に形成された六角穴(穴)５ａに、攪拌ピン８ａの基端側
を挿入すると共に、ツール本体３の周面から連通する貫
通孔７に打ち込まれた固定ピン６の先端が攪拌ピン８ａ
の基端側に当接して、当該攪拌ピン８ａを固定してい
る。

【００２５】また、図３(Ａ)，(Ｂ)に示すように、ツー
ル本体３の底面４には、その周縁から中心寄りに向かっ
て１巻き以上とした渦巻き状の凸条４ａが突設されてい
る。凸条４ａは、攪拌ピン８ａと交叉しないように、底
面４において攪拌ピン８ａから離れた位置の周縁にその
外端部を有し、且つ中間で攪拌ピン８ａにやや接近して
いると共に、底面４の中心付近にその内端部を位置させ
ている。渦巻き状の凸条４ａを設けることで、ツール本
体３の底面４付近における接触面積を増やし、且つ塑性
流動化した金属部材の金属材料が外部に飛散し溢れ出す
事態を防ぎ、接合部Ｗや攪拌部における表面欠陥を確実
に防ぐことができる。従って、ツール本体３を接合すべ
き一対の金属部材の表面または微細空隙を除去すべき鋳
物の表面に対し、垂直姿勢にして摩擦攪拌ツール１ａを
回転しつつ移動操作することができる。このため、摩擦
攪拌ツール１ａの操作自体も容易となる。

【００２６】図４(Ａ)，(Ｂ)は、摩擦攪拌ツール１ａを
用いたアルミニウム合金鋳物(鋳物)１５における表層を
含む表面１６の微細空隙除去方法を示す。図４(Ａ)の平
面図に示すように、アルミニウム合金鋳物１５の表面１
６に沿って、ツール本体３とその底面４の中心から偏心
して突出する断面正六角形の攪拌ピン８ａを含む攪拌ツ
ール１ａを、回転させ且つ図４(Ａ)で右方向に直線移動
させた後、表面１６の右端の直前でＵターンさせ且つ左
方向に直線移動させる。この際、攪拌ツール１ａは、５
００〜１５０００ｒｐｍの回転数で回転され、且つその
軸心に沿って１〜３０ｋＮの押し込み力を鋳物１５の表
面１６に向けて加えられつつ、攪拌ピン８ａを鋳物１５
の表層に向けて挿入すると共に、図４(Ａ)で左右方向に
５０ｍｍ〜２メートル／分の移動速度で送られる。

【００２７】図４(Ａ)に示すように、攪拌ツール１ａが
通過した跡には、攪拌部(微細空隙除去部)Ｗ１、Ｕター
ン形の攪拌部Ｗｔ、および攪拌部Ｗ２が形成される共
に、図４(Ｂ)の垂直断面図にも示すように、隣接する攪
拌部Ｗ１，Ｗ２は、部分的に重複している。図４(Ｂ)中
の実線と破線で示すように、攪拌ピン８ａは、アルミニ
ウム合金鋳物１５の表面１６付近に沿って、連続する円
形回転と直線移動または曲線移動とを含む軌跡を形成す
る。この結果、攪拌ピン８ａに接触して摩擦され且つ加
熱された鋳物１５のアルミニウムは、表面１６付近で塑
性流動化する。この際、ツール本体３の底面４は、上記
鋳物１５の表面１６に押圧され且つ攪拌部Ｗの表面を押
さえて塑性流動化したアルミニウムの飛散を防止してい
る。このため、摩擦攪拌ツール１ａは、前記図８で示し
た従来の攪拌ツール７０に比べて、幅広い断面の攪拌部
Ｗを表面１６付近に沿って確実に形成することができ
る。

【００２８】従って、鋳物１５の表面１６付近に存在す
る約０．１ｍｍの微細な空隙を除去して、幅広で健全な
攪拌部Ｗを形成し且つ緻密な組織にすることができる。
また、ツール本体３の軸心が、予定されている移動軌跡
から多少ずれていても、幅広い断面の攪拌部Ｗにより、
アルミニウム合金鋳物１５の表面１６付近における組織
を確実に改質することができる。更に、渦巻き状の凸条
４ａにより、ツール本体３の底面４付近において、塑性
・流動化した鋳物１５のアルミニウムが外部に飛散し溢
れ出す事態を防ぎ、攪拌部Ｗにおける表面欠陥の発生を
確実に防ぐことができる。このため、ツール本体３を微
細空隙を除去すべき鋳物１５の表面１６に対し、垂直姿
勢にして摩擦攪拌ツール１ａを回転しつつ移動操作する
ことができるので、該攪拌ツール１ａの操作自体も容易
となる。尚、以上の攪拌ツール１ａは、前述した一対の
金属部材の接合方法にも適用することができる。

【００２９】図５(Ａ)，(Ｂ)は、更に異なる形態の摩擦
攪拌ツール３０に関する。摩擦攪拌ツール３０は、図５
(Ａ)に示すように、例えば高速度工具鋼からなると共
に、別体の円柱形のツール本体３１と攪拌ピン部分３６
とから構成される。ツール本体３１は、その底面３４の
周辺部を含み且つ同軸心の中空部３３を内設する円筒体
３２である。また、攪拌ピン部分３６は、図５(Ａ)，
(Ｂ)に示すように、上記中空部３３内に軸受３５を介し
て回転可能に収容される太径の基部３９とその底面３７
における基部３９の軸心から偏心した位置より突設され
た攪拌ピン３８とを含む。係るツール本体３１と攪拌ピ
ン部分３６とは、モータなどの専用の駆動源に対し個別
に接続されている。尚、上記ツール本体３１と攪拌ピン
部分３６間の先端部寄りには、図示しない耐熱性のシー
ル材が配置される。

【００３０】図５(Ｃ)，(Ｄ)は、別異の形態の摩擦攪拌
ツール４０に関する。摩擦攪拌ツール４０は、工具鋼か
らなる別体の円柱形のツール本体４１と攪拌ピン部分４
６とから構成される。図５(Ｃ)，(Ｄ)に示すように、ツ
ール本体４１は、その底面４４の周辺部を含み且つ偏心
した位置に軸心を有する中空部４３を内設する円筒体４
２である。また、攪拌ピン部分４６は、上記中空部４３
内に軸受４５を介して回転可能に収容される太径の基部
４９とその底面４７における基部４９の軸心と同軸心の
位置から突設された攪拌ピン４８とを含む。係るツール
本体４１と攪拌ピン部分４６とは、モータなどの専用の
駆動源に対し個別に接続され、両者間の先端部寄りに
は、図示しない耐熱性のシール材が配置される。

【００３１】図６(Ａ)，(Ｂ)は、摩擦攪拌ツール３０，
４０を用いた接合方法を示す。図６(Ａ)に示すように、
先ず、アルミニウム合金板(金属部材)１７とこれよりも
高融点の無酸素銅板(金属部材)１８とを重ね合わせて拘
束する工程により、重ね合わせ面１９を形成する。次
に、アルミニウム合金板１７の表面付近には、前記攪拌
ツール３０を前記同様に傾斜して配置する。この際、攪
拌ピン部分３６をツール本体３１よりも大きな回転数に
よって回転しつつ、摩擦攪拌ツール３０に１〜３０ｋＮ
の押し込み力を加え且つ攪拌ピン３８を重ね合わせ面１
９付近に向けて挿入すると共に、係る接合ツール３０を
図６(Ａ)で手前方向に５０ｍｍ〜２メートル／分の移動
速度で移動させる。係る摩擦攪拌接合工程において、攪
拌ピン３８は、図６(Ａ)の実線と破線で示すように、重
ね合わせ面１９付近において円形軌跡の遊星回転を行い
つつ移動して行く。

【００３２】以上の接合工程では、アルミニウム合金板
１７は、ツール本体３１における円筒体３２の底面３４
と攪拌ピン部分３６における底面３７および攪拌ピン３
８の基端寄り部分とに接触して摩擦発熱して塑性・流動
化する。同時に、無酸素銅板１８も、上記円形軌跡の遊
星回転を行う攪拌ピン３８の先端寄り部分と接触して摩
擦発熱して塑性・流動化する。この際、攪拌ピン部分３
６は、ツール本体３１よりも大きな回転数で回転するの
で、攪拌ピン３８の周辺部におけるアルミニウムおよび
銅の発熱量が増大する。このため、攪拌ピン３８が偏心
軌道に沿って移動する際の抵抗を小さくすることもでき
る。その結果、アルミニウム合金板１７と無酸素銅板１
８とは、互いに攪拌され、攪拌ツール３０が離れるに従
って両者の金属・合金が混合状態で固化した幅広い断面
の接合部Ｗが形成される。しかも、無酸素銅板１８は、
攪拌ピン３８の先端寄り部分に摩擦接触し、その回転数
の増加分に応じて発熱量が増加するため、流動不足を解
消することができる。これにより、内部欠陥(空洞)のな
い健全な接合部Ｗを重ね合わせ面１９の長手方向に沿っ
て形成することが可能となる。

【００３３】また、図６(Ｂ)に示すように、厚板のアル
ミニウム合金板１１，１２を突き合わせて拘束する工程
により、突き合わせ面１４を形成する。次に、アルミニ
ウム合金板１１，１２の表面付近には、前記攪拌ツール
４０を前記同様に傾斜して配置する。攪拌ツール４０
は、前記と同様の押し込み力を加えられ且つ移動速度に
より回転および移動する。この摩擦攪拌接合工程におい
て、攪拌ピン４８は、図６(Ｂ)の実線と破線で示すよう
に、突き合わせ面１４付近に沿って円形軌跡の遊星回転
を行いつつ移動して行く。この結果、アルミニウム合金
板１１，１２は、ツール本体４１における円筒体４２の
底面４４と攪拌ピン部分４６における底面４７および攪
拌ピン４８とに接触して摩擦発熱して塑性流動化する。

【００３４】これにより、図６(Ｂ)に示すように、突き
合わせ面１４に跨って両者のアルミ合金が混合状態で固
化した幅広く且つ深い断面の接合部Ｗが形成される。即
ち、アルミニウム合金板１１，１２の突き合わせ面１４
における攪拌ピン４８が進入する表面と反対側の裏面寄
りの部分でも、攪拌ピン４８の回転数の増加分に応じて
発熱量が増加するため、流動不足を解消することができ
る。従って、内部欠陥のない健全な接合部Ｗを突き合わ
せ面１４に沿って形成することが可能となる。しかも、
攪拌ピン部分４６は、ツール本体４１よりも大きな回転
数で回転するので、攪拌ピン４８の周辺部におけるアル
ミニウムの発熱量が増大する。このため、攪拌ピン４８
が偏心軌道に沿って移動する際の抵抗を抑制することも
できる。尚、摩擦攪拌ツール３０，４０のツール本体３
１，４１の円筒体３２，４２における底面３４，４４に
前述した渦巻き状の凸条を突設しても良い。これによ
り、攪拌ツール３０，４０を垂直姿勢にしてアルミニウ
ム合金板１１，１２等にその攪拌ピン３８，４８を進入
させることが可能となる。また、攪拌ツール３０を突き
合わせ接合に適用したり、攪拌ツール４０を重ね合わせ
接合に適用することもできると共に、両者を前記鋳物表
面の微細空隙除去方法にも適用可能である。

【００３５】図７は、応用形態の摩擦攪拌ツール５０，
６０に関する。図７(Ａ)，(Ｂ)に示すように、摩擦攪拌
ツール５０は、高速度工具鋼からなる円柱形のツール本
体５１とその底面５２における該ツール本体５１の軸心
から偏心して突出する攪拌ピン５３を含み、該攪拌ピン
５３の先端面５４には、その径方向に沿い且つ十字形を
呈する一対の凸条(凹凸)５５が突設されている。この凸
条５５を設けて接触面積を増やすことにより、円形回転
の軌跡を形成する攪拌ピン５３と相まって、金属部材同
士の接合を一層強固に行ったり、あるいは鋳物表面の微
細空隙除去を一層確実に行うことが可能となる。また、
図７(Ｃ)，(ｃ)に示すように、攪拌ピン５３の先端面５
４に細かな立方体の突起(凹凸)５６を格子状に多数突設
した形態や、図７(Ｄ)，(ｄ)に示すように、攪拌ピン５
３の先端面５４にリング凸条(凹凸)５７，５８，５９を
同心円状に突設した形態よっても、上記十字形で一対の
凸条５５と同様の作用・効果を得ることができる。

【００３６】更に、図７(Ｅ)，(ｅ)，(Ｆ)に示すよう
に、摩擦攪拌ツール６０は、円筒形のツール本体６２
と、その底面６４において該ツール本体６２の軸心から
偏心した位置で突出する攪拌ピン６６とを有し、該攪拌
ピン６６における先端面６７寄りの周面にその軸心方向
に沿った複数の凹溝(凹凸)６８を形成している。この凹
溝６８によっても、上記凸条５５と同様の作用・効果を
得ることができる。尚、上記凹溝６８に替えて多数の凹
みを散点状に形成したり、あるいは、攪拌ピン６６周面
の凹溝６８や凹みと共に、その先端面６７に凸条５５、
突起５６、またはリング凸条５７，５８，５９などを併
設することも可能である。また、凸条５５、突起５６、
またはリング凸条５７，５８，５９を、前記摩擦攪拌ツ
ール１，１ａ，３０，４０の攪拌ピン８，８ａ，３８，
４８に適用しても良い。

【００３７】本発明は、以上に説明した形態や実施例に
限定されるものではない。例えば、前記図２(Ｂ)，図６
(Ｂ)に示した突き合わせ面１４には、平面視で直線の形
態に限らず、曲線や途中でＬ形やへ形などに屈曲する形
態も含まれる。また、前記図４に示した鋳物１５の表面
１６に形成される攪拌部Ｗ１，Ｗｔ，Ｗ２の表面は、そ
のままで活用しても良いが、係る攪拌部Ｗ１，Ｗｔ，Ｗ
２の大半を残すように、それらの表面付近を切削する仕
上げ加工を施しても良い。更に、前記図４(Ａ)に示した
鋳物１５の表面１６における摩擦攪拌ツール１ａの移動
に際し、直線移動部(Ｗ１，Ｗ２)同士の間において、鋭
角または鈍角のターンを含めたり、平面視で全体が角形
の渦巻き状の移動軌跡にしても良い。また、鋳物１５の
表面には、前記平坦面１６に限らず、緩いカーブを伴う
突出した曲面または窪んだ曲面も含まれる。尚、摩擦攪
拌ツール１，１ａ，３０，４０，５０，６０の回転を伴
う各種の移動パターンを、当該ツールを制御する例えば
パーソナルコンピュータのＲＡＭなどに予め記憶させて
おき、直線移動の長さやＵターンなどの径を随時入力可
能として、本発明の接合方法や微細空隙除去方法を自動
化することも可能である。

【００３８】

【発明の効果】以上において説明した本発明の摩擦攪拌
ツールによれば、その攪拌ピンは、ツール本体の回転に
伴って該本体の軸心を中心として当該攪拌ピンの直径よ
りも大きな円形の回転軌跡を形成しつつ移動するため、
係る攪拌ピンは、一対の金属部材の突き合わせ面や重ね
合わせ面、あるいは鋳物表面に沿って、連続する円形回
転と直線移動または曲線移動とを含む軌跡を形成する。
このため、従来の攪拌ツールに比べて幅広い断面の接合
部または微細空隙除去部(攪拌部)を容易に形成すること
ができる。従って、攪拌ツールの位置決め精度を要した
りセンサを設けることなく、品質の良い摩擦攪拌接合を
確実に行ったり、あるいは表層を含む鋳物表面の微細空
隙除去を効率的に行うことが容易となる。

【００３９】また、請求項３〜５の摩擦攪拌ツールによ
れば、攪拌ピン自体の金属部材や鋳物表面との接触面積
が増加するため、攪拌ピンが描く連続する円形回転と移
動とを含む軌跡により、幅広い断面の接合部または微細
空隙除去部(攪拌部)を一層品質良く確実に形成すること
ができる。しかも、請求項３の摩擦攪拌ツールでは、金
属部材や鋳物の表面に対し、ツール本体を垂直姿勢で接
触させることができるため、当該攪拌ツールの回転およ
び移動操作を容易に行うことも可能となる。

【００４０】更に、請求項７，８の摩擦攪拌ツールによ
れば、その攪拌ピンを、ツール本体よりも高速で且つ遊
星回転させることができるため、攪拌ピンにより接合す
べき高融点側の金属部材における流動不足が容易に解消
される。このため、例えば融点が互いに異なる２つの金
属部材の重ね合わせ面に沿って、低融点側の金属部材の
表面から上記攪拌ツールの攪拌ピンを回転しつつ挿入す
ることにより、両金属部材の重ね合わせ面に跨り内部欠
陥がなく且つ表面欠陥もない健全な接合部を確実に形成
することが可能となる。

【００４１】一方、本発明の接合方法によれば、前記摩
擦攪拌ツールの攪拌ピンは、一対の金属部材の突き合わ
せ面や重ね合わせ面に沿って、連続する円形回転と移動
とを含む軌跡を形成する。このため、従来の攪拌ツール
に比べて幅広く健全な接合部を、位置決め精度を要する
ことなく確実に形成して接合することができる。また、
本発明の鋳物表面の微細空隙除去方法によれば、前記攪
拌ピンは、鋳物表面に沿って、連続する円形回転と移動
とを含む軌跡を形成するため、従来の攪拌ツールに比べ
て幅広い微細空隙除去部(攪拌部)を容易に形成できる。
従って、表層を含む鋳物表面の微細な空隙を少ない移動
軌跡により効率良く除去できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】(Ａ)は本発明の摩擦攪拌ツールの１形態を示す
斜視図、(Ｂ)はその断面図。

【図２】(Ａ)は図１の摩擦攪拌ツールを用いた本発明の
接合方法を示す概略図、(Ｂ)は(Ａ)中のＢ−Ｂ線に沿っ
た視角の断面図。

【図３】(Ａ)は異なる形態の摩擦攪拌ツールを示す斜視
図、(Ｂ)はその断面図。

【図４】(Ａ)は図３の摩擦攪拌ツールを用いた本発明の
鋳物表面の微細空隙除去方法を示す平面図、(Ｂ)は(Ａ)
中のＢ−Ｂ線に沿った視角の断面図。

【図５】(Ａ)〜(Ｄ)は更に異なる形態の摩擦攪拌ツール
を示す断面図または斜視図。

【図６】(Ａ)，(Ｂ)は図６の各摩擦攪拌ツールを用いた
接合方法を示す概略図。

【図７】(Ａ)，(Ｂ)は別形態の摩擦攪拌ツールの側面図
または斜視図、(Ｃ)，(Ｄ)は異なる形態の凹凸を示す底
面図、(ｃ)は(Ｃ)の形態の側面図、(ｄ)は(Ｄ)中のｄ−
ｄ線に沿った視角における断面図、(Ｅ)，(Ｆ)は更に別
形態の攪拌ツールを示す側面図または斜視図、(ｅ)は
(Ｅ)中のｅ−ｅ線に沿った視角における断面図。

【図８】(Ａ)，(Ｂ)は従来の摩擦攪拌ツールを用いた接
合方法を示す概略図、(Ｃ)は得られた接合部付近を示す
概略図。

【符号の説明】

１，１ａ，３０，４０，５０，６０…………摩擦攪拌ツ
ール ３，３２，４２，５１，６２…………………ツール本体 ４，３４，３７，４４，４７，５２，６４…底面 ４ａ………………………………………………凸条 ５，５ａ…………………………………………雌ネジ穴／
穴(穴) ８，８ａ，３８，４８，５３，６６…………攪拌ピン ９…………………………………………………雄ネジ(ネ
ジ：凹凸) １１，１２，１７………………………………アルミニウ
ム合金板(金属部材) １４………………………………………………突き合わせ
面 １５………………………………………………アルミニウ
ム鋳物(鋳物) １６………………………………………………表面 １８………………………………………………無酸素銅板
(金属部材) １９………………………………………………重ね合わせ
面 ３３，４３………………………………………中空部 ３６，４６……………………………………攪拌ピン部分
(攪拌ピンを含む部分) ３９，４９………………………………………太径の基部 ５４，６４………………………………………先端面 ５５………………………………………………凸条(凹凸) ５６………………………………………………突起(凹凸) ５７，５８，５９………………………………リング凸条
(凹凸) ６８………………………………………………凹溝(凹凸)

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 牧田 慎也 静岡県庵原郡蒲原町蒲原１丁目34番１号 日本軽金属株式会社グループ技術センター 内 Ｆターム(参考） 4E067 AA02 AA04 AA05 AA07 AA12 CA04

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】円形の底面を含むツール本体と、 上記ツール本体の底面から突設され当該ツール本体の軸
   心と平行で且つ係る軸心に対して偏心した軸心を有する
   攪拌ピンと、を含む、 ことを特徴とする摩擦攪拌ツール。
2. 【請求項２】前記ツール本体の軸心に対する攪拌ピンの
   軸心の偏心距離は、係る攪拌ピンの直径の５％以上であ
   る、 ことを特徴とする請求項１に記載の摩擦攪拌ツール。
3. 【請求項３】前記ツール本体の底面には、当該底面にお
   ける周縁からその中心寄りに向かう渦巻き状の凸条が更
   に突設されている、 ことを特徴とする請求項１または２に記載の摩擦攪拌ツ
   ール。
4. 【請求項４】前記攪拌ピンの周面および先端面の少なく
   とも一方にネジを含む凹凸が更に設けられている、 ことを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の摩擦
   攪拌ツール。
5. 【請求項５】前記攪拌ピンが、断面３角形以上の多角柱
   を呈する、 ことを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の摩擦
   攪拌ツール。
6. 【請求項６】前記ツール本体と前記攪拌ピンとが別部材
   からなり、少なくともツール本体の底面に開口する穴に
   上記攪拌ピンの基端側を挿入して一体化されている、こ
   とを特徴とする請求項１乃至５の何れかに記載の摩擦攪
   拌ツール。
7. 【請求項７】前記ツール本体はその底面の周辺部分を含
   む円筒体であり、且つ前記攪拌ピンは太径の基部を含み
   且つこの基部の底面においてその軸心から偏心して突設
   され、上記円筒体のツール本体における中空部内に上記
   攪拌ピンの基部が挿入されると共に、上記ツール本体と
   攪拌ピンを含む部分とが個別に回転可能とされている、 ことを特徴とする請求項１乃至５の何れかに記載の摩擦
   攪拌ツール。
8. 【請求項８】前記ツール本体はその底面の周辺部分を含
   む円筒体で且つその軸心に対し偏心した中空部を有し、
   この中空部に攪拌ピンを底面に有し且つこの攪拌ピンと
   同軸心で太径の基部が挿入されると共に、上記ツール本
   体と攪拌ピンを含む部分とが個別に回転可能とされてい
   る、 ことを特徴とする請求項１乃至５の何れかに記載の摩擦
   攪拌ツール。
9. 【請求項９】一対の金属部材を突き合わせまたは重ね合
   わせる工程と、 上記一対の金属部材の突き合わせ面または重ね合わせ面
   に沿って請求項１〜８の摩擦攪拌ツールを回転しつつ移
   動させることにより、上記一対の金属部材を摩擦攪拌接
   合する工程と、を含む、ことを特徴とする接合方法。
10. 【請求項１０】鋳物の表面に沿って請求項１〜８の摩擦
    攪拌ツールを回転し且つ移動させつつ上記ツールの攪拌
    ピンを上記鋳物の表層に挿入する、ことを特徴とする鋳
    物表面の微細空隙除去方法。