JP2002192357A - 摩擦攪拌ツールおよびこれを用いる接合方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】接合部などに過剰なバリや空隙などの欠陥が生
じにくい摩擦攪拌接合などが確実に行える摩擦攪拌ツー
ルおよびこれを用いた接合方法を提供する。 【解決手段】底面３が円形のシール本体２と、この底面
３の中心部から同軸心で垂下する攪拌ピン６とを含み、
上記ツール本体２の底面３を接合すべき金属部材の表面
に沿って回転しつつ進行方向と反対側に傾斜した姿勢で
移動させると共に、上記攪拌ピンを金属部材の突き合わ
せ面１０付近に挿入して当該部材の金属を攪拌するもの
であり、上記ツール本体２の底面３において上向きに凹
む凹部４の半分の体積であるメタル溜まり部５は、上記
攪拌ピン６が１回転する間に当該攪拌ピン６の移動に伴
ってシフトする上記金属のメタル９の量よりも大きな体
積を有する、摩擦攪拌ツール１。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、一対の金属部材を
摩擦攪拌接合するかまたは鋳物表面の微細な空隙の除去
に用いる摩擦攪拌ツールおよびこれを用いた接合方法に
関する。

【０００２】

【従来の技術】一対の金属部材を突き合わせまたは重ね
合わせ、固相状態で接合する方法として、摩擦攪拌接合
方法が行われている。この方法には、これまで次のよう
な摩擦攪拌ツール２０が用いられている。このツール２
０は、図４(Ａ)に示すように、工具鋼からなる一体物
で、円柱形のツール本体２１、該本体２１において中心
部が上向きに凹んだ底面２２、該底面２２における凹部
２３、および底面２２の中心部からツール本体２１と同
軸心で垂下する攪拌ピン２４を含む。凹部２３にて底面
２２の周縁から中心部に向けた傾斜角度θは一般に１０
°以下であった。

【０００３】図４(Ｂ)，(Ｃ)に示すように、一対の金属
部材２５，２６の突き合わせ面２７に沿って、摩擦攪拌
ツール２０を高速回転させつつその攪拌ピン２４を挿入
した後、且つ図４(Ｃ)中の矢印で示す右方向に沿って移
動させる。この際、上記ツール２０は、進行方向と反対
側に３〜５°傾斜している。金属部材２５，２６の突き
合わせ面２７付近におけるメタルは、図４(Ｂ)，(Ｃ)に
示すように、回転しつつ移動する攪拌ピン２４との摩擦
熱により、攪拌・流動化され軟化して固相状態となった
後、固化することにより接合部２８を突き合わせ面２７
に沿って形成する。この結果、金属部材２５，２６は、
突き合わせ面２７に沿って接合される。

【０００４】ところで、図４(Ｃ)に示すように、攪拌ピ
ン２４により攪拌・流動化されたメタルは、当該攪拌ピ
ン２４が挿入されることにより、その一部は進行方向の
前方寄りのツール本体２１における底面２２の凹部２３
内に一旦押し出される。凹部２３内に入ったメタルは、
図４(Ｃ)中の一点鎖線の矢印で示すように、摩擦攪拌ツ
ール２０の移動に伴って攪拌ピン２４の側方を経て、当
該攪拌ピン２４が直前に位置していた部分に移行した
後、固化して接合部２８となる。しかしながら、摩擦攪
拌ツール２０の上記凹部２３の体積は、比較的小さいた
め、図４(Ｄ)に示すように、挿入された攪拌ピン２４の
体積に見合って軟化したメタルの一部は、凹部２３に入
らずツール本体２１の底面２２の周囲に押し出されて固
化し、接合部２８の表面３０の両側に過剰なバリ２９，
２９を形成する。また、凹部２３内に入り込むメタルが
過少なため、図４(Ｃ)中の一点鎖線の矢印で示す経路に
より攪拌ピン２４の後方への移行量が少なくなる。この
結果、図４(Ｄ)に示すように、接合部２８の中央付近に
はメタル不足に伴う空隙３１が形成されたり、接合部２
８の表面３０付近が凹む表面欠陥を生じ易くなる。

【０００５】

【発明が解決すべき課題】以上のような過剰なバリ２９
や空隙３１などを有する接合部２８を介して金属部材２
５，２６を突き合わせ接合しても、その接合強度が不足
し易く所要の接合強度が得られない、という問題があっ
た。しかも、上記バリ２９を切除するために表面３０に
対して過度の面削加工が必要となる、という問題もあっ
た。本発明は、以上に説明した従来の技術における問題
点を解決し、接合部などに過剰なバリや空隙などの欠陥
を生じにくい摩擦攪拌接合などが確実に行える摩擦攪拌
ツールおよびこれを用いた接合方法を提供する、ことを
課題とする。

【０００６】

【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、発明者らの鋭意研究および調査の結果によ
り得られたもので、摩擦攪拌ツールの本体底面の凹部に
おけるメタル溜まり量を適正化することに着目して成さ
れたものである。即ち、本発明の摩擦攪拌ツールは、少
なくとも底面が円形のシール本体と、この底面の中心部
から同軸心で垂下する攪拌ピンとを含み、上記ツール本
体の底面を接合すべき金属部材の表面または微細空隙を
除去すべき鋳物表面に沿って回転しつつ進行方向と反対
側に傾斜した姿勢で移動させると共に、上記攪拌ピンを
金属部材の突き合わせ面付近または重ね合わせ面付近あ
るいは鋳物の表層に挿入して上記部材の金属または鋳物
を攪拌するものであり、上記ツール本体の底面において
上向きに凹む凹部の半分の体積であるメタル溜まり部
は、上記攪拌ピンが１回転する間に当該攪拌ピンの移動
に伴ってシフトする上記金属などのメタルよりも大きな
体積を有する、ことを特徴とする。

【０００７】これによれば、ツール本体における底面の
凹部の半分を占めるメタル溜まり部が、攪拌ピンの１回
転当たりの移動に伴ってシフトするメタルの量よりも大
きいため、挿入された攪拌ピンにより押し出されるメタ
ルは上記溜まり部内に全量収容される。このため、凹部
内に一旦収容されたメタルは、当該摩擦攪拌ツールの移
動に伴い攪拌ピンの側方を通って、攪拌ピンが直前に位
置していた部位に移行した後、固化して空隙などの欠陥
のない健全な接合部または鋳物表層部を形成することが
できる。従って、所要の接合強度を有する健全な接合部
または鋳物表面付近の微細な空隙を除去した緻密な鋳物
表層部を確実に得ることが可能となる。尚、摩擦攪拌ツ
ールを回転しつつ進行方向と反対側に傾斜した姿勢で移
動させる際の上記傾斜角(前進角)は、３〜５°の範囲内
である。係る傾斜を伴うため、上記メタル溜まり量を上
記凹部の体積の半分としたものである。

【０００８】また、前記攪拌ピンの前記ツール本体の底
面寄りにおける直径ｄと当該ツール本体の直径Ｄとが、
数式２の関係にある、摩擦攪拌ツールも本発明に含まれ
る。

【０００９】

【数２】Ｄ／ｄ≦２．５

【００１０】これによれば、攪拌ピンの直径ｄは、常に
ツール本体の直径Ｄの５分の２以上となるので、当該攪
拌ピンを大径化することにより、接合すべき突き合わせ
面とのセンターずれ許容量を大きくできる。しかも、ツ
ール本体の底面における凹部のメタル溜まり量を一定の
体積で確保することもできる。また、ツール本体を大径
化しなくて済むため、摩擦攪拌ツールを駆動する設備の
負荷を抑制できると共に、当該摩擦攪拌ツール自体の寿
命も向上させることが可能となる。更に、攪拌ピンに伴
いツール本体を細径にすることにより、狭幅な接合が容
易となる。尚、上記比Ｄ／ｄが２．５を越えると、ツー
ル本体の直径が過大に太くなり、上記設備の負荷が過大
となるか、あるいは攪拌ピンの直径が過少となって摩擦
攪拌ツールの寿命も低下する。これらを防ぐため、上記
範囲を除いたものである。即ち、厚肉の金属部材を接合
するには、これに応じて長い攪拌ピンが必要となるが、
ツール本体の直径Ｄを上記範囲内にしてその太径化を制
限することで、当該ツールを駆動する設備負荷を小さく
し、適切な接合を施すことが可能となる。

【００１１】更に、前記ツール本体の底面の凹部におけ
る周縁から中心部に向けた径方向の傾斜角度θが、１１
°以上で且つ３０°以下の範囲内にある、摩擦攪拌ツー
ルも本発明に含まれる。これによれば、ツール本体の底
面における凹部のメタル溜まり量を一定以上の体積で確
実に確保できるので、空隙などの欠陥や過剰なバリのな
い健全な接合部または緻密な鋳物表層部を形成すること
ができる。尚、上記傾斜角度θが１１°未満ではメタル
溜まり量の体積が過少となり、一方３０°を越えると攪
拌ピンの軸方向の長さ、即ち攪拌ピンの根元から先端ま
での長さ(以下、攪拌ピントータル長さと言う)が過度に
長くなり、接合中などに折損し易くなる。これらを防ぐ
ため、傾斜角度θを上記範囲としたものである。

【００１２】一方、本発明の接合方法は、前記のような
摩擦攪拌ツールを、厚肉で一対の金属部材間の突き合わ
せ面に沿って回転しつつ進行方向と反対側に傾斜した姿
勢で移動させ、且つ前記攪拌ピンを金属部材の突き合わ
せ面付近に挿入することにより、上記一対の金属部材を
摩擦攪拌接合する、ことを特徴とする。これによれば、
攪拌ピンにより押し出されるメタルを前記凹部内に全量
収容することができるため、凹部内に一旦収容されたメ
タルは、当該摩擦攪拌ツールの移動に伴って攪拌ピンの
側方を通って、当該攪拌ピンが直前に位置していた部位
に移行した後、固化して空隙などの欠陥のない健全な接
合部を形成することができる。従って、所要の接合強度
を有する突き合わせ接合を確実に得られる。

【００１３】また、前記金属部材がアルミニウム合金板
材で、且つその板厚が１０ｍｍ以上である、接合方法も
本発明に含まれる。これによれば、前記摩擦攪拌ツール
の攪拌ピンが折れない程度に当該攪拌ピンの直径を確保
した状態で、健全な接合部を介して厚肉のアルミニウム
合金板材同士を強固に突き合わせ接合することができ
る。尚、攪拌ピンの直径は上記板厚の７０％以上とする
ことが望ましい。

【００１４】

【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)に示すよ
うに、本発明の摩擦攪拌ツール１は、工具鋼からなり、
円柱形のツール本体２と、その円形の底面３の中心部か
ら同軸心で垂下する円柱形の攪拌ピン６とを一体に有す
る。底面３には上向きに凹む凹部４が形成され、図１
(Ｂ)に示すように、底面３の周縁において水平線と凹部
４の接線との傾斜角θは、１１°〜３０°の範囲内に設
定されている。また、ツール本体２の直径Ｄと攪拌ピン
６における根元の直径ｄとの比Ｄ／ｄは、２．５以下の
範囲とされている。尚、攪拌ピン６の周面やその底面
(先端)８には、図示しない螺旋状のネジ凸条、複数の凹
溝、または散点状の凹凸が付される。また、ツール本体
２は、その底面３が少なくとも円形であれば、８角形や
６角形の多角柱体としても良い。更に、図１(Ｂ)中の符
号Ｌは、攪拌ピン６の軸心方向に沿った長さのうち、上
記凹部４の深さ分を除いた長さを示す。

【００１５】図２(Ａ)は、摩擦攪拌ツール１の使用状態
を示す。当該ツール１は、図示で前後方向に突き合わせ
た一対の金属部材間の突き合わせ面１０に沿って、１０
０〜１５００ｒｐｍで高速回転しつつ０．０５〜２ｍ／
分の移動速度で右方向に移動される。この際、図２(Ａ)
に示すように、ツール本体２および攪拌ピン６は、数ｋ
Ｎ〜３０ｋＮの押し込み力を軸心方向に伴っていると共
に、進行方向と反対側に３〜５°(前進角)の範囲で傾斜
している。また、ツール本体２の底面３は、一対の金属
部材の表面付近において傾斜した姿勢で回転しつつ移動
すると共に、係る底面３における進行方向の前方は金属
部材の表面よりも僅かに上方に位置し、且つ進行方向と
反対の後方は突き合わせ面１０付近に僅かに進入してい
る。

【００１６】攪拌ピン６が挿入されることにより、突き
合わせ面１０付近のメタルは摩擦熱で攪拌され流動化す
る共に、攪拌ピン６により押し出されるメタルの一部
は、凹部４内の前方部分、即ち本発明のメタル溜まり部
５に入り込む。この溜まり部５に入ったメタルは、図２
(Ａ)において、攪拌ピン６の根元付近における回転方向
に沿った側方に通過した後、当該攪拌ピン６が直前に位
置していた部位に移行して固化し、突き合わせ面１０に
沿った接合部Ｓを形成する。

【００１７】図２(Ｂ)は、ツール本体２における底面３
の凹部４の半分の体積を占めるメタル溜まり部５を示
す。この溜まり部５は、３〜５°の範囲で傾斜して移動
する摩擦攪拌ツール１の凹部４内に進入し得るメタルの
体積にほぼ相当する。以上のようなメタル溜まり部５の
体積Ｖは、数式３により算出される。尚、数式３中で、
Ｒはツール本体２の半径(Ｄ／２)、ｒは攪拌ピン６の半
径(ｄ／２)を示す。また、数式３中で中央の「−」の左
側のカッコ内は凹部４とこれに囲まれた攪拌ピン６の基
端部との体積を算出する式、数式３中で中央の「−」の
右側のカッコ内は凹部４に囲まれた攪拌ピン６の基端部
の体積を算出する式であり、最後の「／２」は凹部４全体
の体積を半分にするものである。

【００１８】

【数３】Ｖ＝〔π×((Ｒ＋ｒ)／２)^２×(tanθ×(Ｒ−
ｒ))−π×ｒ^２×(tanθ×(Ｒ−ｒ))〕／２

【００１９】図２(Ｃ)〜(Ｅ)は、攪拌ピン６が１回転す
る間に距離Ｚを水平移動することに伴いシフトするメタ
ル９に関する。即ち、図２(Ｃ)，(Ｄ)に示すように、攪
拌ピン６ａは１回転する間に攪拌ピン６ｂの位置まで距
離Ｚ分を移動し、図２(Ｄ)，(Ｅ)に示すように、ピン６
ａ，６ｂ間には断面三日月形で僅かに傾斜した瓦形状の
メタル９が存在する。メタル９の体積ｖは数式４により
概算値が算出される。即ち、図２(Ｅ)に示すようなシフ
トで生じるメタル９の体積ｖは、図２(Ｃ)中における２
点鎖線の円形からこれに重なる実線の円形部分を差し引
いた面積に、図１(Ｂ)中で示した攪拌ピン６の前記長さ
Ｌを掛けることにより求められる。尚、数式４中で、ｓ
は図２(Ｄ)中の弦の長さを示し、「２×(ｒ^２−(Ｚ／２)
^２)^{１ ／２}」で算出され、ｈは２(Ｄ)中の弧の高さ(幅)を
示し、(ｒ−(Ｚ／２))で算出される。また、ｌは２(Ｄ)
中の弧の長さを示し、「ｒ×θ1」により算出される。但
し、θ1は「２×(cos^−１((Ｚ／２)／ｒ)」で算出される２
(Ｄ)中の弧ｌの中心角である。

【００２０】

【数４】ｖ＝〔π×ｒ^２−２×(１／２×(ｒ×(ｌ−ｓ)
＋ｓ×ｈ))〕×Ｌ

【００２１】摩擦攪拌ツール１におけるメタル溜まり部
５の体積Ｖは、攪拌ピン６が１回転する間に距離Ｚを移
動することに伴ってシフトするメタル９の体積(量)ｖよ
りも常に大きくされている。このため、回転しつつ移動
する攪拌ピン６により押し出されたメタルは、理論上凹
部４内のメタル溜まり部５に全量収容可能となる。但
し、押し出されるメタルの一部は凹部４内に入らず攪拌
ピン６の側方を通過するため、上向きに押し出されるメ
タルを確実にメタル溜まり部５へ収容することができ
る。そして、係るメタルは、凹部４(溜まり部５)からツ
ール本体２の傾斜した底面３に押されつつ、攪拌ピン６
が直前に位置した部位に移行して固化する。この結果、
固化したメタルは空隙や過剰なバリのない健全な接合部
Ｓを形成するので、所要の接合強度を有する突き合わせ
接合を確実に得ることができる。

【００２２】また、攪拌ピン６の直径ｄ(半径ｒ)は、前
記数式２のように常にツール本体２の直径Ｄ(半径Ｒ)の
５分の２以上になるように設定されている。このため、
厚肉の金属部材同士を接合する際にも、ツール本体２を
大径化することなく、一定長さと太さの攪拌ピン６を用
いることができる。このため、摩擦攪拌ツール１を駆動
する図示しない設備の負荷を抑制することができると共
に、当該摩擦攪拌ツール１自体の寿命も向上させること
ができる。換言すれば、攪拌ピン６に伴ってツール本体
２を細径にすることにより、幅狭な接合を行うことも容
易となる。

【００２３】図３(Ａ)は、前述したように、摩擦攪拌ツ
ール１を金属部材１１，１２の突き合わせ面１０に沿っ
て、回転しつつ図示で前方方向に移動させることによ
り、突き合わせ面１０付近に接合部Ｓを形成し、金属部
材１１，１２を突き合わせ接合する状態を示す。また、
摩擦攪拌ツール１は、図３(Ｂ)に示すように、金属部材
１３，１４の重ね合わせ面１６に沿って、回転しつつ図
示で前方方向に移動させることにより、重ね合わせ面１
６付近に接合部Ｓを形成し、金属部材１３，１４を所要
の強度をもって重ね合わせ接合することもできる。更
に、摩擦攪拌ツール１は、図３(Ｃ)に示すように、アル
ミニウム合金の鋳物１８における表層１９を含む表面に
沿って、平面視で蛇行状の移動軌跡を形成するように回
転および移動させ、その跡に形成される複数の攪拌部Ｋ
１，Ｋ２を互いに重複させることもできる。この結果、
鋳物１８の表層１９に存在する微細な空隙を除去し、緻
密な組織の表層１９に改質することが可能となる。

【００２４】

【実施例ア】以下において本発明の具体的な実施例を説
明する。 ＪＩＳ：Ａ６０６１のアルミニウム合金からなり、厚さ
２０ｍｍで且つ１００ｍｍ×３００ｍｍのサイズを有す
る一対のアルミニウム合金板材(金属部材)を複数組用意
した。各組のアルミニウム合金板材同士を、それらの長
手方向に沿って突き合わせて拘束状態とした。また、表
１に示す各部のサイズ、傾斜角度θを有するNo,１〜１
７の摩擦攪拌ツール１を３°の前進角で用い、各ツール
１毎にその回転数Ｒ(ｒｐｍ)と移動速度Ｗ(ｍｍ／分)と
の比を０．２５、０．５、および０．７５の３段階に分
けて、表１に示すように５１種類の摩擦攪拌接合を行っ
た。そして、各接合毎における摩擦攪拌ツール１のメタ
ル溜まり部５の溜まり量(体積)を測定すると共に、得ら
れた接合部Ｓにおける内部欠陥または表面欠陥の有無を
調べ、欠陥がなかつたものを○、何れかの欠陥があった
ものを×として、表１中に併せて表示した。

【００２５】因みに、表１中のNo,１１の摩擦攪拌ツー
ル１を用い、且つ当該ツール１の回転数Ｒが５００ｒｐ
ｍで移動速度Ｗが２５０ｍｍ／分の条件(比Ｗ／Ｒ＝
０．５)で接合した場合、上記ツール１の軸心方向に沿
って生じた反力は２８．３ｋＮで、上記ツール１を用い
た設備の許容能力３０ｋＮの範囲内に収まっていた。こ
の際、摩擦攪拌ツール１の攪拌ピン６は接合作業中に折
れなかった。一方、表１中のNo,１１のサイズを有し傾
斜角度θを５°とした比較例の摩擦攪拌ツールを用い、
上記と同じ回転数および移動速度により接合した場合で
は、当該ツールのメタル溜まり量が過少となったため、
得られた接合部Ｓに表面欠陥が生じていた。また、表１
中のNo,１１の摩擦攪拌ツールであって、ツール本体２
の直径Ｄのみを４０ｍｍとし、その他は上記と同じ条件
による接合の場合では、当該ツールの軸心方向に沿って
生じた反力(負荷)は、上記設備能力を超えてしまったた
め、接合作業自体が行えなかった。

【００２６】

【表１】

【００２７】表１によれば、メタル溜まり量よりもシフ
トしたメタル量が大きくなったNo,１，４，７，９〜１
１，１４における一部の条件による接合において、接合
部Ｓに内部欠陥または表面欠陥の何れかまたは双方が見
つけられた。これら以外の全ての条件による接合、即ち
メタル溜まり量がシフトしたメタル量よりも大きかった
実施例アの各接合では、欠陥のない健全な接合部Ｓが得
られた。以上の結果から、メタル溜まり部５の体積をシ
フトしたメタル量よりも大きすることを指標とする本発
明の摩擦攪拌ツール１によれば、内部欠陥や表面欠陥が
なく且つ過剰なバリもない健全な接合部Ｓが得られるこ
とが裏付けられた。従って、本発明の摩擦攪拌ツール１
とこれを用いた接合方法の優位性が確認された。

【００２８】

【実施例イ】次に、実施例アと同じ材質とサイズの一対
のアルミニウム合金板材(金属部材)を２組用意した。各
組のアルミニウム合金板材同士を、それらの長手方向に
沿って突き合わせて拘束状態とした。そして、表２に示
す各部のサイズ、ツール本体２と攪拌ピン６との直径の
比Ｄ／ｄ、および傾斜角度θを有する実施例１と比較例
１の摩擦攪拌ツール(１)を各組に対し個別に用い、前進
角３°、回転数５００ｒｐｍ、移動速度１５０ｍｍ／分
の条件により、突き合わせによる摩擦攪拌接合をそれぞ
れ行った。各例における摩擦攪拌ツール(１)の軸心方向
に沿って生じた反力(負荷)と当該ツールの攪拌ピン６の
寿命とを測定し、併せて表２に示した。

【００２９】

【表２】

【００３０】表２によれば、比Ｄ／ｄが２．５以下の
１．９である実施例１の摩擦攪拌ツール１に生じた負荷
は２８．３ｋＮで当該ツール１を回転・移動する設備の
許容能力３０ｋＮの範囲内であり、接合中に攪拌ピン６
が折れることもなく健全な接合部Ｓが得られた。これに
対し、比Ｄ／ｄが２．５を越える２．７である比較例１
の摩擦攪拌ツールでは、生じた負荷は設備の上記能力の
範囲内であったが、その攪拌ピン６が長く細径となり、
当該ピン６が受ける負荷が過大となったため、接合作業
中に当該攪拌ピン６が折損した。以上の結果から、ツー
ル本体２の直径Ｄと攪拌ピン６の直径ｄとの比Ｄ／ｄを
２．５以下とする本発明の摩擦攪拌ツール１とこれを用
いた接合方法の優位性が確認できた。

【００３１】

【実施例ウ】更に、実施例アと同じ材質とサイズの一対
のアルミニウム合金板材(金属部材)を４組用意した。各
組のアルミニウム合金板材同士を、それらの長手方向に
沿って突き合わせて拘束状態とした。そして、表３に示
す各部のサイズ、比Ｄ／ｄ、傾斜角度θを有する実施例
２，３と比較例摩擦２，３の摩擦攪拌ツール(１)を各組
に対し個別に用い、前進角３°、回転数５００ｒｐｍ、
移動速度２５０ｍｍ／分の条件により、突き合わせによ
る摩擦攪拌接合をそれぞれ行った。各例で得られた接合
部Ｓにおける内部欠陥または表面欠陥の有無を調べ、欠
陥がなかつたものを○、欠陥があったものを×として、
併せて表３中に表示した。また、各例の摩擦攪拌ツール
(１)の攪拌ピン６の寿命を調べて表３中に示した。

【００３２】

【表３】

【００３３】表３によれば、実施例２，３では健全な接
合部Ｓが得られ且つ接合作業中に攪拌ピン６が折損しな
かった。これに対し、比較例２では傾斜角度θが１１°
未満のため、メタル溜まり部５の溜まり量が過少となっ
たことにより、得られた接合部Ｓに表面欠陥が生じた。
また、比較例３では傾斜角度θが３０°を越えたため、
攪拌ピン６の根元から先端面(底面)８までの長さ(攪拌
ピントータル長さ)が長くなり過ぎたことにより、接合
作業中に当該攪拌ピン６が折損した。以上の結果から、
傾斜角度θを１１°〜３０°の範囲とした本発明の摩擦
攪拌ツール１の優位性を確認することができた。

【００３４】本発明は以上に説明した各形態および実施
例に限定されるものではない。例えば、凹部４の形状
は、前記曲面の形態に限らず、底面３の周縁から１１°
〜３０°の傾斜角度θに沿って接線状で且つ直線状に凹
む形態としても良い。また、攪拌ピン６の形状は、その
根元部分が直径ｄであれば、根元部分から先端の底面８
に向けて僅かに細径となるように側面視で逆台形状とし
ても良い。係る形状の攪拌ピン６とすることで、当該ツ
ール１の傾斜角度θを１５°以上の比較的急な傾斜にし
易くなり、且つ攪拌ピン６自体の折損も防ぎ易くなる。
係る形態の攪拌ピンでは、その根元部分の直径ｄが前記
数式２の範囲にあれば良い。更に、本発明の接合方法の
対象となる厚肉の金属部材には、前記アルミニウム合金
板材に限らず、攪拌ピンの直径が板厚の７０％以上とす
る条件下において、各種の鋼板、ステンレス鋼板、また
はチタン合金板材なども含まれ得る。

【００３５】

【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、ツール本体における底面の凹部の半分
を占めるメタル溜まり部が、攪拌ピンの１回転当たりの
移動に伴ってシフトするメタルの量よりも大きいため、
挿入された攪拌ピンにより押し出されるメタルを上記溜
まり部内に全量収容できる。このため、凹部内に一旦収
容されたメタルは、当該摩擦攪拌ツールの移動に伴って
攪拌ピンの側方を通って、攪拌ピンが直前に位置してい
た部位に移行した後、固化して空隙(内部欠陥)、表面欠
陥、および過剰なバリのない健全な接合部または緻密な
鋳物表層部を形成することができる。従って、所要の接
合強度を有する健全な接合部または鋳物表面付近の微細
な空隙を除去した緻密な鋳物表層部を確実に得ることが
できる。

【００３６】また、請求項２の摩擦攪拌ツールによれ
ば、攪拌ピンの直径は常にツール本体の直径の５分の２
以上となるので、当該攪拌ピンを大径化することによ
り、接合すべき突き合わせ面とのセンターずれ許容量を
大きくできる。しかも、ツール本体の底面における凹部
のメタル溜まり量を一定の容積で確保することもでき
る。また、ツール本体を大径化しなく済むため、当該ツ
ールを駆動する設備の負荷を抑制することができると共
に、当該ツール自体の寿命も向上させることが可能とな
る。更に、攪拌ピンに伴ってツール本体を細径にするこ
とにより、狭隘な幅に沿った接合作業が容易となる。一
方、本発明の接合方法によれば、攪拌ピンにより押し出
されるメタルを前記凹部内に全量収容できるため、凹部
内に一旦収容されたメタルは、摩擦攪拌ツールの移動に
伴って攪拌ピンの側方を通って、当該攪拌ピンが直前に
位置していた部位に移行した後、固化して空隙などの内
部欠陥や表面欠陥のない健全な接合部となる。従って、
所要の接合強度を有する突き合わせ接合を確実に得られ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】(Ａ)は本発明の摩擦攪拌ツールを示す斜視図、
(Ｂ)はその垂直断面図。

【図２】(Ａ)は図１の摩擦攪拌ツールの使用状態を示す
概略図、(Ｂ)はメタル溜まり部を示す模式的斜視図、
(Ｃ)〜(Ｅ)は攪拌ピンの移動とこれに伴ってシフトする
メタルとを示す概略図。

【図３】(Ａ)〜(Ｃ)は図１の摩擦攪拌ツールの異なる使
用状態を示す概略図。

【図４】(Ａ)は従来の摩擦攪拌ツールを示す垂直断面
図、(Ｂ)，(Ｃ)は(Ａ)のツールを用いた接合方法を示す
概略図、(Ｄ)は得られた接合部付近を示す断面図。

【符号の説明】

１…………………………摩擦攪拌ツール ２…………………………ツール本体 ３…………………………底面 ４…………………………凹部 ５…………………………メタル溜まり部 ６…………………………攪拌ピン ９…………………………シフトしたメタル １０………………………突き合わせ面 １１,１２，１３,１４…金属部材 １６………………………重ね合わせ面 １８………………………鋳物 １９………………………表層 Ｄ…………………………ツール本体の直径 ｄ…………………………攪拌ピンの直径 Ｌ…………………………攪拌ピンの長さ(凹部４の深さ
分を除く) θ…………………………傾斜角度 Ｚ…………………………攪拌ピンの１回転当たりの移動
距離

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】少なくとも底面が円形のシール本体と、こ
   の底面の中心部から同軸心で垂下する攪拌ピンとを含
   み、 上記ツール本体の底面を接合すべき金属部材の表面また
   は微細空隙を除去すべき鋳物表面に沿って回転しつつ進
   行方向と反対側に傾斜した姿勢で移動させると共に、上
   記攪拌ピンを金属部材の突き合わせ面付近または重ね合
   わせ面付近あるいは鋳物の表層に挿入して上記部材の金
   属または鋳物を攪拌するものであり、 上記ツール本体の底面において上向きに凹む凹部の半分
   の体積であるメタル溜まり部は、上記攪拌ピンが１回転
   する間に当該攪拌ピンの移動に伴ってシフトする上記金
   属などのメタルよりも大きな体積を有する、 ことを特徴とする摩擦攪拌ツール。
2. 【請求項２】前記攪拌ピンの前記ツール本体の底面寄り
   における直径ｄと当該ツール本体の直径Ｄとが、数式１
   の関係にある、 ことを特徴とする請求項１に記載の摩擦攪拌ツール。 【数１】Ｄ／ｄ≦２．５
3. 【請求項３】前記ツール本体の底面の凹部における周縁
   から中心部に向けた径方向の傾斜角度θが、１１°以上
   で且つ３０°以下の範囲内にある、 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】請求項１乃至３の何れかに記載の摩擦攪拌
   ツールを、厚肉で一対の金属部材間の突き合わせ面に沿
   って回転しつつ進行方向と反対側に傾斜した姿勢で移動
   させ、且つ前記攪拌ピンを金属部材の突き合わせ面付近
   に挿入することにより、上記一対の金属部材を摩擦攪拌
   接合する、ことを特徴とする接合方法。
5. 【請求項５】前記金属部材がアルミニウム合金板材で、
   且つその板厚が１０ｍｍ以上である、ことを特徴とする
   請求項４に記載の接合方法。