JP2003290936A - 表面摩擦接合装置及び表面摩擦ツール - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】接合面近傍を高速で回転するツールの表面で圧
迫摩擦することにより、素材の塑性流動を生ぜしめ、板
材同士を簡便に接合する表面摩擦接合装置を提供する。 【解決手段】所定の回転軸のまわりに回転駆動が可能
で、かつ回転軸方向に圧迫か可能な回転圧迫駆動部と、
底面が円形平面な摩擦面２３を有し、摩擦面と直角方向
にあり、かつ摩擦面の中心を通る軸が回転圧迫駆動部の
車転軸と一致するように装着された摩擦ツール２０とを
備え、隣接配置した被加工物の表面に摩擦面を密着し、
圧迫摩擦することにより、被加工物の摩擦部近傍に塑性
流動を生起させ、接合する。

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、表面の加圧摩擦
により比較的容易に塑性流動する板素材同士の接合に関
するものである。さらに詳しく述べると、接合しようと
するアルミニウム等の板素材表面の接合面近傍を高速で
回転するツールの表面で圧迫し摩擦することにより、そ
の近傍の素材の塑性流動を生じせしめ、板素材同士を簡
便に固相接合する装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、一般に広く採用されているこの種
の接合装置として、摩擦撹拌接合（ＦＳＷ）装置が挙げ
られる。この装置は、接合しようとする板素材の厚さと
同程度の長さのピンを高速回転しながら板素材の接合面
に挿入して、ピン近傍の素材を塑性流動させるものであ
り、このピンを素材の接合面に沿って適切な速度で移動
することにより接合面の隙間に塑性流動した素材を埋め
込み、素材同士の接合を行うものである。また、このピ
ンはショルダーと呼ばれるピンよりも大径の円柱状ツー
ルの底面中央に設けられており、高速回転のショルダー
表面と素材表面との摩擦により生じた熱がショルダー下
部の素材に適切に供給されると共に、ピン近傍の塑性流
動した素材はこのショルダー面によってショルダー外周
への流出が抑えられる。このような摩擦撹拌を用いる接
合方法はアルミニウム合金等の様々な形態の接合に有効
であり、広く活用されている。

【０００３】ショルダーによって加工素材を圧迫加熱
し、ピンで撹拌流動せしめる摩擦撹拌接合法は、寸法形
状の素材を加工することができる点で原理的には極めて
道理に適った接合方法であると言える。例えば、素材へ
の入熱量はショルダーとの接触面積と回転速度によって
調節可能であり、素材の肉厚に対してはピンのサイズを
変更することによって対応可能である。

【０００４】しかしながら、ピンとショルダーとがお互
いに補完しあって固相接合を達成する摩擦撹拌接合法で
は、接合面近傍材料の適度な撹拌と封じ込めが接合の必
須の課題であり、この接合技術を実用化するには相応の
ノウハウの確立が必要であった。例えば、従来の摩擦撹
拌接合法では、加工素材に塑性流動を生じせしめる撹拌
を行うには素材の肉厚と同程度の長さのピンを用いる必
要がある。従って、肉厚の薄い素材の接合には微細なピ
ンを準備し整備する必要があるだけでなく、ピンの位置
決め、ショルダー面と加工素材面との成す角度（前進
角）に対して細心の調整が必要であった。また、接合の
終端でピンを取り出す場合、ピンの跡が穴になって残る
という問題もある。さらに、摩擦撹拌接合の共通した技
術的問題として、ピンを移動する速度、即ち、接合速度
やその際の前進角が適切でないと、接合部となるピンの
通過した跡の仕上がり具合に支障が生じることがあり、
このような相関性のある複数の接合条件の最適化は困難
を極め、そのノウハウの確立には個々の応用での試行錯
誤が不可避であった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上述の如く、本発明に
関わる従来技術の分野では、ピンとショルダーから成る
摩擦撹拌ツールの回転によりアルミニウム板等の加工素
材を容易に接合することが可能となったが、ショルダー
により加工素材を保持加熱し、さらにピンにより加工素
材を直接に撹拌する従来の接合方法では、特に肉厚の薄
い加工素材の接合には困難が伴う。また、上述のごとく
複数の加熱撹拌条件が絡み合っているだけでなく、ピン
側面にネジ溝を設けるなど、摩擦撹拌ツールへの細工が
複雑となり、最適な加工条件を先験的、理論的に求める
ことがますます困難となっている。

【０００６】本発明は、分離したアルミニウム等の加工
素材がその材料の塑性流動によって一体化するという接
合の基本的な概念に回帰して考案されたものである。即
ち、高速で回転する硬質の概ね平らな面を、適切な圧力
を加えながら加工素材の表面に接触させることにより、
加工素材の接合面近傍の材料が加熱軟化し、微細化・流
動化する。そして、流動化した材料は分離面の溝を埋め
るだけでなく、溝周辺の材料の混成化が進行し、加工素
材の一体化が達成される。このように、本発明では材料
を撹拌するピンが不要となるだけではなく、表面摩擦の
よる近傍材料の塑性流動によってのみ接合を達成する。
従って、ピンにより加工素材の肉厚程度の深さにまで材
料を撹拌する従来の接合法とは異なって、接合作業の開
始・終了時点でピン体積分がバリとなったり穴となった
りする問題や、接合速度と前進角との関係により接合欠
陥が生じるような問題が回避される簡便な接合装置を提
供することが本発明の主要な課題である。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、表面の加圧摩
擦により比較的容易に塑性流動する板素材同士の接合を
行う表面摩擦接合装置及び表面摩擦ツールに関するもの
である。

【０００８】本発明の請求項１に係わる表面摩擦接合装
置は、所定の回転軸まわりに回転駆動が可能で且つ回転
軸方向に圧迫が可能な回転圧迫駆動部と、底面が円形平
面であって、円形平面と直角方向にあり且つ円形平面の
中心を通る軸が回転圧迫駆動部の回転軸と一致するよう
に回転圧迫駆動部に装着された第１種表面摩擦ツールと
を備え、回転圧迫駆動部により回転駆動された第１種表
面摩擦ツールの底面を密着することにより隣接配置した
複数の被加工物の表面を同時に圧迫摩擦して、第１種表
面摩擦ツールの底面近傍にある被加工物の素材の塑性流
動を生起させることにより素材同士の接合を行うことを
特徴としたものである。

【０００９】また、本発明の請求項２に係わる表面摩擦
接合装置は、所定の回転軸まわりに回転駆動が可能で且
つ回転軸方向に圧迫が可能な回転圧迫駆動部と、底面が
回転楕円体の一部分の曲面であって、回転楕円体の回転
軸が回転駆動部の回転軸と一致するように回転圧迫駆動
部に装着された第２種表面摩擦ツールとを備え、回転圧
迫駆動部により回転駆動された第２種表面摩擦ツールの
底面を密着することにより隣接配置した複数の被加工物
の表面を同時に圧迫摩擦して、第２種表面摩擦ツールの
底面近傍にある被加工物の素材の塑性流動を生起させる
ことにより素材同士の接合を行うことを特徴としたもの
である。

【００１０】また、本発明の請求項３に係わる第３種表
面摩擦ツールは、請求項１に記載された第１種表面摩擦
ツールの底面上に底面の周辺から中央に向かう渦巻き状
の溝が設けられたことを特徴としたものである。

【００１１】また、本発明の請求項４に係わる第４種表
面摩擦ツールは、請求項２に記載された第２種表面摩擦
ツールの底面上に底面の周辺から中央に向かう渦巻き状
の溝が設けられたことを特徴としたものである。

【００１２】また、本発明の請求項５に係わる表面摩擦
接合装置は、請求項１及び請求項２に記載された表面摩
擦接合装置において、第１種、第２種、第３種及び第４
種表面摩擦ツールの底面と被加工物の表面との離間距離
と被加工物への印可圧力とを所定値に保持するスカート
が回転圧迫駆動部の非回転部に装着されたことを特徴と
したものである。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、図を参照して、本発明の実
施形態を詳細に説明する。表面摩擦接合装置は回転圧迫
駆動部と表面摩擦ツールとから成る。図１は、請求項１
記載の表面摩擦接合装置に適用される回転圧迫駆動部１
０の概念図であり、回転シャフト１３が回転支持機構１
２及び圧力支持機構１１を介して、シャフトの回転と圧
力を供給するための駆動機構１５に連結される。そし
て、シャフトの底面には表面摩擦ツールを取り付けるた
めの表面摩擦ツール取付穴１４が設けられている。回転
支持機構１２は外側が非回転の回転安定化機構であり、
後述のスカートを固定する機構ともなる。また、圧力支
持機構１１は回転シャフト軸方向の圧力を支持する機構
であり、圧力計測と圧力制御を行うことも前提とするこ
とができる。

【００１４】図２は、請求項１記載の表面摩擦接合装置
に適用される表面摩擦ツール２０の概念図であり、取付
シャフト２１を表面ツール取付穴１４に挿入することに
より、図３に示すように回転圧迫駆動部１０の回転シャ
フト１３に固定される。取付シャフト２１には摩擦台座
２２が固定されており、その底面が摩擦面２３となる。
この摩擦面２３は回転シャフト１３の回転軸に直交する
平面を成し、これを回転しつつ加工素材の表面に適切な
圧力で圧迫接触することにより材料の塑性流動を発生さ
せることになる。また、図２の摩擦面２３には第１種表
面摩擦ツールに相当する摩擦模様２４が刻印されてい
る。

【００１５】図４は、表面摩擦接合装置に装着された表
面摩擦ツール２０の摩擦面２３が加工架台３０に固定さ
れた２枚の加工素材３１の接合面３２の近傍に圧迫接触
された状態を示した概念図であり、摩擦面２３が加工素
材３１の接合面３２に沿うように回転圧迫駆動部１０を
適切な速度で移動することにより、加工素材３１の接合
が可能となる。

【００１６】また、図２の摩擦面２３に刻印されている
摩擦模様２４は、請求項３記載の発明の一実施例を示す
ものであり、この模様は渦巻きを描く細い溝から成る。
従って、摩擦面２３を加工素材３１の表面に圧迫接触さ
せつつ回転シャフトの回転軸回りに回転させると、塑性
流動化した材料が渦巻き状の摩擦模様２４の影響を受
け、摩擦面２３の中心に向かって移動することになり、
接合面３２での加工素材３１の一体化が進行する。

【００１７】ここで、請求項１記載の第１種表面摩擦ツ
ールは摩擦模様２４のない表面摩擦ツールであり、請求
項３記載の第３種表面摩擦ツールは摩擦模様２４のある
表面摩擦ツールである。第３種表面摩擦ツールは第１種
表面摩擦ツールの改良型であり、摩擦模様が渦巻き状で
ある場合は塑性流動化し微細化した材料を摩擦面２３の
中央に集めるような性質を帯びる。このような考案によ
り接合時に発生するバリを低減することが可能になる。

【００１８】図５は、請求項２記載の表面摩擦接合装置
に適用される表面摩擦ツール４０の概念図であり、取付
シャフト４１を回転圧迫駆動部１０の回転シャフト１３
にある表面ツール取付穴１４に挿入することにより、回
転圧迫駆動部１０の回転シャフト１３に固定される。こ
の表面摩擦ツール４０が回転圧迫駆動部１０に取り付け
られる状態は表面摩擦ツール２０が回転圧迫駆動部１０
に取り付けられる場合の図３と同様である。取付シャフ
ト４１には摩擦台座４２が固定されており、その底面が
摩擦面４３となる。この摩擦面４３は楕円をその主軸回
りに回転させた場合に形成される回転楕円体表面の一部
分である中華鍋のような曲面であり、その回転主軸は回
転シャフト１３の回転軸と一致する。通常、この局面は
ほとんど平面に近い。従って、図６のように加工素材３
１の接合面３２に圧迫接触している状態では、摩擦面４
３の回転により摩擦面直下のほとんどの場所で、加工素
材３１の母材が塑性流動化する。そして、塑性流動化し
た母材が渦巻き状の摩擦模様４４の影響を受けて摩擦面
４３の中心に向かって移動する。かくして、摩擦面４３
の近傍域での加工素材の混合と成形が行われ、摩擦面４
３の通過の後には接合面３２での加工素材３１の一体化
が完了する。

【００１９】ここで、請求項２記載の第２種表面摩擦ツ
ールは摩擦模様４４のない表面摩擦ツールであり、請求
項４記載の第４種表面摩擦ツールは摩擦模様４４のある
表面摩擦ツールである。第４種表面摩擦ツールは第２種
表面摩擦ツールの改良型であり、摩擦模様が渦巻き状で
ある場合は塑性流動化した材料を摩擦面４３の中央に集
めるような性質を帯びる。このような考案により接合時
に発生するバリを低減することが可能になる。

【００２０】図７は、請求項１記載の回転圧迫駆動部１
０に装着される請求項５記載のスカート５０の概念図で
ある。表面摩擦接合を行う際、スカート５０は第１種表
面摩擦ツールの摩擦面２３及び第２種表面摩擦ツールの
摩擦面４３が加工素材３１の表面に加える圧力や表面に
食い込む量を調整する機能を持つ。図８に示すように、
表面摩擦ツールの摩擦面２３及び４３はスカート接触面
５１からスカートの外側に僅かに飛び出るような位置関
係にある。従って、スカート５０を圧力支持機構１１に
取り付け、圧力支持機構１１を使用して回転支持機構１
２を回転シャフト１３の回転軸方向に加圧すると、加工
素材３１の接合近傍の材料に対して最適な摩擦接合条件
を付与することが可能となる。

【００２１】図９及び図１０は表面摩擦ツールの底面に
刻印された溝の模様、即ち摩擦模様の実施例を示したも
のである。図９には、最も標準的な摩擦模様として、一
本の溝が底面の円周辺から概ね円の中間域に達するまで
約６回渦巻き状に回転する模様２５を示した。応用分野
によっては、渦巻き数の少ない溝が数本組み合わさった
摩擦模様や、溝が底面中央まで続く摩擦模様も、適切な
素材混合を与える有効な方法である。また図１０には、
ピッチが相反する２つの渦巻き状の溝２５及び２６が概
ね円の中間域で出会う摩擦模様を示したものであるが、
ツール底面を大きくした接合では、このような摩擦模様
を表面摩擦ツールの底面に刻印することは素材混合の均
一化に有効な方法である。

【００２２】

【発明の効果】本発明の実施により、接合時に発生する
バリを低減し、終了端でのピンの痕跡をなくすことが可
能となった。また、肉厚の薄いアルミニウム板の接合が
容易に行えるようになった。さらに重要なことは、一旦
個々の応用分野に適応されるべき表面摩擦ツールが特定
された後は、最適化されるべき接合条件として表面摩擦
ツールの回転数と移動速度のみに注目すればよいことに
なり、簡便な接合技術として確立することが可能になっ
た。

【図面の簡単な説明】

【図１】は、表面摩擦接合装置を構成する回転圧迫駆動
部の概念図である。

【図２】は、表面摩擦接合装置を構成する第１種表面摩
擦ツールの概念図である。ツール底面の摩擦面は外周が
円形状の平面である。また、ツール底面には、請求項３
記載の発明を反映して、渦巻き状の溝が刻印されてい
る。

【図３】は、第１種表面摩擦ツールを回転圧迫駆動部に
取り付けた状態を示した図である。

【図４】は、表面摩擦ツールが加工架台上に設置された
２枚の加工素材の接合面に圧迫接触させ、加工素材を摩
擦接合する模様を示した図である。

【図５】は、表面摩擦接合装置を構成する第２種表面摩
擦ツールの概念図である。ツール底面４３は外周が円形
状の曲面であり、回転楕円体表面の一部分である。ま
た、ツール底面には、請求項４記載の発明を反映して、
渦巻き状の溝が刻印されている。

【図６】は、回転圧迫駆動部に取り付けられた第２種表
面摩擦ツールの底面が加工素材の接合面に接触している
状態を示した図である。この場合、ツール底面の摩擦面
の形状は球面（一般的には回転楕円体）表面の一部分を
成す局面であるため、この図では、底面４３の一部が加
工素材の表面を圧迫接触している。

【図７】は、回転圧迫駆動部の圧力支持機構にスカート
が取り付けられた状態を示す図である。

【図８】は、加工素材を押さえつけるスカートの接触面
５１と表面摩擦ツールの底面４３との位置関係を示した
図である。

【図９】は、表面摩擦ツールの底面に刻印された典型的
な溝の模様を示した図である。

【図１０】は、表面摩擦ツールの底面に刻印された改良
型の溝の模様を例示した図である。

【符号の説明】

１０…回転圧迫駆動部 １１…圧力支持機構 １２…回転支持機構 １３…回転シャフト １４…表面摩擦ツール取付穴 ２０…第１種表面摩擦ツール ２１…取付シャフト ２２…摩擦台座 ２３…摩擦面 ２４…摩擦模様（全面渦巻き型） ２５…摩擦模様（外半分渦巻き型） ２６…摩擦模様（２層渦巻き型） ３０…加工架台 ３１…加工素材 ３２…接合面 ４０…第２種表面摩擦ツール ４１…取付シャフト ４２…摩擦台座 ４３…摩擦面 ４４…摩擦模様 ５０…スカート ５１…スカート接触面

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 所定の回転軸まわりに回転駆動が可能で
   且つ該回転軸方向に圧迫が可能な回転圧迫駆動部と、底
   面が円形平面であって、該円形平面と直角方向にあり且
   つ該円形平面の中心を通る軸が前記回転圧迫駆動部の該
   回転軸と一致するように前記回転圧迫駆動部に装着され
   た第１種表面摩擦ツールとを備え、前記回転圧迫駆動部
   により回転駆動された前記第１種表面摩擦ツールの該底
   面を密着することにより隣接配置した複数の被加工物の
   表面を同時に圧迫摩擦して、前記第１種表面摩擦ツール
   の該底面近傍にある該被加工物の素材の塑性流動を生起
   させることにより該素材同士の接合を行うことを特徴と
   する表面摩擦接合装置。
2. 【請求項２】 所定の回転軸まわりに回転駆動が可能で
   且つ該回転軸方向に圧迫が可能な回転圧迫駆動部と、底
   面が回転楕円体の一部分の曲面であって、該回転楕円体
   の回転軸が前記回転駆動部の該回転軸と一致するように
   前記回転圧迫駆動部に装着された第２種表面摩擦ツール
   とを備え、前記回転圧迫駆動部により回転駆動された前
   記第２種表面摩擦ツールの該底面を密着することにより
   隣接配置した複数の被加工物の表面を同時に圧迫摩擦し
   て、前記第２種表面摩擦ツールの該底面近傍にある該被
   加工物の素材の塑性流動を生起させることにより該素材
   同士の接合を行うことを特徴とする表面摩擦接合装置。
3. 【請求項３】 請求項１に記載された第１種表面摩擦ツ
   ールの底面上に、該底面の周辺から中央に向かう渦巻き
   状の溝が設けられたことを特徴とする第３種表面摩擦ツ
   ール。
4. 【請求項４】 請求項２に記載された第２種表面摩擦ツ
   ールの底面上に、該底面の周辺から中央に向かう渦巻き
   状の溝が設けられたことを特徴とする第４種表面摩擦ツ
   ール。
5. 【請求項５】 請求項１及び請求項２に記載された表面
   摩擦接合装置において、前記第１種、前記第２種、前記
   第３種及び前記第４種表面摩擦ツールの該底面と被加工
   物の表面との離間距離と被加工物への印可圧力とを所定
   値に保持するスカートが前記回転圧迫駆動部の非回転部
   に装着されたことを特徴とする表面摩擦接合装置。