JP2003334672A - 摩擦撹拌接合用回転工具とその回転工具を用いた摩擦撹拌接合方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ばり取り用のカッター機能を備えた摩擦撹拌
接合用回転工具について、過不足なく且つ効率的にばり
取りを行える構造を提供する。 【解決手段】 工具１の主体となるツール本体２の先端
に、相対回転不能で且つ軸心方向にスライド可能なリン
グ状のばり取り用のカッター３を装着する。カッター３
には圧縮コイルスプリング４によって常時下向きの弾性
力が付与され、またカッター３の下面には放射状の複数
の切れ刃８が形成されている。切れ刃８には逃げ角αと
すくい角βが同じ大きさのものとして設定されていて、
工具１自体の前進角θもそれらの逃げ角αおよびすくい
角βと同じ大きさに設定されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、アルミニウム等に
代表されるような軽合金の摩擦撹拌接合に用いられる回
転工具の構造に関し、特に摩擦撹拌接合処理に伴って発
生するばりの除去を目的としたカッター機能を備えた摩
擦撹拌接合用回転工具の構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】摩擦撹拌接合は、図２の（Ａ），（Ｂ）
に示すように先端に小径の突起部３１を有する中実円筒
状の工具３０を回転させながら例えば突き合わせ状態と
したアルミニウム等の被接合部材Ｗ１，Ｗ２に加圧進入
させて摩擦熱を発生させる一方で、接合線Ｐに沿って工
具３０に送りを与え、変形抵抗を失った被接合部材Ｗ
１，Ｗ２同士を塑性流動を基本とする接合力をもって突
き合わせ溶接のごとき形態で接合することを基本として
いる。なお、被接合部材Ｗ１，Ｗ２は裏当て金３２によ
ってバックアップされている。

【０００３】そして、摩擦撹拌接合は摩擦撹拌によって
積極的に塑性流動を発生させるがために接合ビード部Ｆ
にばりＢの発生が不可避であり、そのために工具３０に
ばり取り用のカッターを付加して摩擦撹拌接合処理とい
わゆるばり取りとを同時進行させるようにしたものが例
えば特開平１０−７１４７７号公報、特開２０００−９
４１５８号公報および特開２０００−３３４５７８号公
報等にて提案されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ばり取り用のカッター
を備えた従来の摩擦撹拌接合用工具では、いずれのタイ
プも実質的に工具自体とカッターとが一体構造となって
いるため、被接合部材と工具との相対位置決めをきわめ
て高精度に行う必要があり、必ずしも十分なばり取りを
行えず、特に三次元形状の被接合部材の接合においては
その傾向が一段と顕著となる。したがって、摩擦撹拌接
合処理後に別工程にて再度ばり取り作業を行わなければ
ならず、工数の増加が余儀なくされる。

【０００５】より具体的には、摩擦撹拌接合では工具の
軸心を送り方向後方側にわずかに倒すようにしていわゆ
る前進角を付与することが行われるが、被接合部材の接
合狙い位置に対する工具の押し込み量や前進角等の条件
がわずかでも変化すると、カッターにて被接合部材を過
剰に削り込んでしまったり、あるいはばりの削り残しが
発生して、所期の目的を達成することができなくなるほ
か、工具とカッターとが一体構造であるがためにばり取
り時の切削抵抗によって振動が起こり、本来のの接合品
質に悪影響を与えるおそれがあり好ましくない。

【０００６】本発明はこのような課題に着目してなされ
たものであり、摩擦撹拌接合処理と並行してばり取り作
業を正確に且つ効率よく行えるようにした摩擦撹拌接合
用回転工具とその回転工具を用いた摩擦撹拌接合方法を
提供するものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明
は、ツール本体と、このツール本体の先端にこれと同心
状に形成された小径の突起部と、ツール本体の先端部に
設けられたばり取り用のカッターとを備え、工具の回転
運動に伴う摩擦撹拌接合と並行して接合ビード部に発生
したばりをカッターにて切削除去するようにした摩擦撹
拌接合用回転工具であって、先端に切れ刃が形成された
リング状のカッターをツール本体に対しその軸心方向に
スライド可能に外挿するとともに、そのカッターに突起
部側に向かう弾性力を付与したことを特徴とする。

【０００８】上記弾性力は、請求項２に記載のように、
例えばツール本体とカッターとの間に介装した圧縮コイ
ルスプリング等の弾性体によって与えられる。

【０００９】また、カッターはツール本体に対しその軸
心方向にスライド可能であっても、請求項３に記載のよ
うにツール本体とカッターはその相対回転が阻止されて
いて、且つツール本体に対してカッターが突起部側に最
もスライド変位した状態では、カッターの切れ刃がツー
ル本体の先端面であるショルダー面と整合一致するよう
に設定されていることが望ましい。

【００１０】また、ばり取りを正確且つ確実に行う上で
は、請求項４に記載のようにカッターの切れ刃にはカッ
ター自体の軸心側から外周側に向かって仰角となる逃げ
角が設定されていたり、あるいは請求項５に記載のよう
にカッターの切れ刃には回転方向前方側から後方側に向
かって仰角となるすくい角が設定されていることが望ま
しく、より望ましくは、請求項６に記載のようにカッタ
ーの切れ刃の逃げ角とすくい角とが共に同じ大きさに設
定されているものとする。

【００１１】さらに、請求項１〜６のいずれかに記載の
摩擦撹拌接合用回転工具を用いて摩擦撹拌接合を行う場
合には、ツール本体の先端部よりも上端部側の方が工具
送り方向後方側となるようにツール本体に前進角を持た
せた状態で摩擦撹拌接合処理を行うのが望ましく、特に
請求項６に記載のようにカッターの切れ刃に逃げ角およ
びすくい角が共に同じ大きさのものとして設定されてい
る場合には、請求項７に記載のようにツール本体の先端
部よりも上端部側の方が工具送り方向後方側となるよう
にツール本体に前進角を持たせた上で、そのツール本体
の前進角をカッターの切れ刃の逃げ角およびすくい角に
一致させた状態で摩擦撹拌接合処理を行うことが望まし
い。

【００１２】ここで、上記の前進角は工具の送り速度や
回転数ならびに材質の違い等の影響をほとんど受けるこ
とがないとされており、一般的には４〜５°程度に設定
される。

【００１３】したがって、請求項１〜６に記載の発明で
は、例えば被接合部材の接合位置や形状がばらついて工
具の被接合部材への押し込み量や前進角等が変化した場
合、もしくは摩擦撹拌接合条件の調整のために上記押し
込み量や前進角等を積極的に変化させた場合には、弾性
付勢されているカッターはそれに応じてツール本体の軸
心方向に摺動することから、カッターが被接合部材を過
剰に削り込んでしまうこともなければ、ばりの削り残し
等も発生しにくくなり、摩擦撹拌接合処理に伴って接合
ビード部に発生したばりを綺麗に削り取ることができる
ようになる。

【００１４】特に請求項２に記載のように、ツール本体
とカッターとの間に圧縮コイルスプリング等の弾性体が
介装されていて、この弾性体によってカッターが弾性付
勢されていると、ばりの切削除去に伴う振動が弾性体に
よって吸収されてツール本体には伝わりにくくなるた
め、摩擦撹拌接合処理とばり取りとを並行して行ったと
してもばり取りに伴う振動が本来の摩擦撹拌接合品質に
は何ら影響しなくなる。

【００１５】その上、請求項７に記載のように、カッタ
ーの切れ刃の逃げ角とすくい角を共に同じ大きさに設定
した上で、さらにそれを工具自体の前進角と一致させて
摩擦撹拌接合処理を行うと、工具のうち少なくとも送り
方向後方側ではカッターの切れ刃が被接合部材平面（接
合ビード平面）に対して平行に当たることになるため、
ばりの削り残しがないように綺麗にばりを削り取ること
ができるようになる。

【００１６】

【発明の効果】請求項１に記載の発明によれば、ツール
本体の先端に装着したばり取り用のカッターが突起部側
に向かって弾性付勢されながら軸心方向のスライド自由
度を有しているため、工具の押し込み量や前進角が変化
したとしても高精度な位置決めを要することなしにカッ
ターを被接合部材平面に忠実に追従させることができる
ことから、被接合部材を過剰に削り過ぎたりあるいはば
りの削り残しが発生することがなく、摩擦撹拌接合と並
行してばりを綺麗に切削除去することができ、接合品質
およびばり取り品質共に飛躍的に向上する。その上、後
工程でのさらなるばり取り作業が不要となって、工数削
減にも寄与できるようになる。

【００１７】特に請求項２に記載のように、カッターが
弾性部材でに付勢されていると、その弾性体がばり取り
作業に伴う振動を吸収する機能を発揮することから、ば
り取り作業に伴う振動が接合品質に影響することがなく
なり、接合品質の一層の向上が期待できるようになる。

【００１８】また、請求項３に記載の発明によれば、ツ
ール本体に対してカッターが最も下降した時の位置がシ
ョルダー面と整合一致する位置に規制されているため、
請求項１または２に記載の発明と同様の効果に加えて、
被接合部材への過剰の削り込みをより確実に防止できる
利点がある。

【００１９】請求項４，５に記載の発明によれば、カッ
ターの切れ刃に逃げ角または逃げ角とすくい角の双方を
設定し、さらに請求項６に記載の発明によれば、その逃
げ角とすくい角を共に同じ大きさに設定したため、カッ
ターの被削性が向上するともに、カッターの長寿命化を
図ることができるようになる。

【００２０】請求項７に記載の発明によれば、工具の前
進角をカッターの切れ刃の逃げ角およびすくい角と一致
させた状態で摩擦撹拌接合処理を行うようにしたため、
被接合部材平面に対して切れ刃を平行に当てることがで
きるようになって特にばりの削り残しをなくすることが
でき、ばりの切削除去効率とばり取り作業品質が一段と
向上する。

【００２１】

【発明の実施の形態】図１は本発明に係る摩擦撹拌接合
用回転工具（以下、単に工具という）の好ましい実施の
形態を示す図であり、（Ａ）は同工具を用いた加工時の
側面図を、（Ｂ）はその平面図をそれぞれ示している。

【００２２】同図に示すように、工具１は、ツール本体
２と、そのツール本体２の先端部に装着されたリング状
のばり取り用のカッター３と、それらツール本体２とカ
ッター３との間に介装された弾性体たる圧縮コイルスプ
リング４とから構成されている。

【００２３】ツール本体２は、例えば中実円筒状の工具
鋼もしくはステンレス鋼等をもって段付き軸状に形成し
たもので、一般部たる大径部２ａの先端部側に中径部２
ｂが設定されていて、さらにその中径部２ｂの先端面２
ｃにはピン状の小径の突起部５が一体に形成されてい
る。そして、中径部２ｂの先端面２ｃは、突起部５が被
接合部材Ｗ１，Ｗ２に押し込まれる際のショルダー面と
して機能することになる。

【００２４】ツール本体２の中径部２ｂには、リング状
のカッター３が相対回転を阻止されながら軸心方向にス
ライド可能に外挿されているとともに、大径部２ａと中
径部２ｂとなす段状部とカッター３との間には圧縮コイ
ルスプリング４が介装されていて、これによってカッタ
ー３は常時下方にすなわち突起部５側に向かって弾性付
勢されている。

【００２５】より詳しくは、ツール本体２の中径部２ｂ
には軸心方向に沿って長穴形状となる軸穴６が直径方向
に貫通形成されている一方、カッター３には軸穴６を通
りながらカッター３自体の直径方向に貫通する軸７が圧
入されている。軸７の両端は図示しないボルト，ナット
の形態もしくはかしめ加工等によってカッター３からの
抜け止めが施されているとともに、軸穴６はその長穴範
囲内での軸７の上下動をスムーズに許容するためにその
穴径が軸７の直径よりもわずかに大きく形成されてい
る。これにより、カッター３とツール本体２との相対回
転が阻止されている一方で、カッター３は軸穴６の長穴
範囲内で上下方向にスライド変位可能となっている。

【００２６】そして、ツール本体２に対するカッター３
の最下降位置は軸穴６の下側端面に軸７が当接した状態
をもって規制されることになることから、この状態では
カッター３のうち後述する切れ刃８の最内周側の稜線８
ａがショルダー面２ｃと整合一致し、且つカッター３に
は圧縮コイルスプリング４による所定大きさの弾性力が
作用するように設定されている。

【００２７】カッター３の下面には、クラウンギヤのご
とき形態をもって例えば４枚の切れ刃８が放射状に形成
されている。各切れ刃８には、カッター３自体の軸心と
直交する平面例えばショルダー面２ｃを基準とした場合
にカッター３自体の軸心側から外周側に向かって仰角と
なる逃げ角αが設定されているとともに、同様に回転方
向前方側から後方側に向かって仰角となるすくい角βが
設定されていて、これらの逃げ角αおよびすくい角β共
に例えば４〜５°程度に設定されている。言い換えるな
らば、各切れ刃８は最内周側（ツール本体２の中径部２
ｂに最も近い部分）から外周側に向かって仰角となるよ
うな傾斜面となっているとともに、同様に回転方向にお
いても回転方向前方側から後方側に向かって仰角となる
ような傾斜面となっている。

【００２８】ここで、実際に摩擦撹拌接合処理を行う際
には、工具１を一定方向（例えば矢印Ｄ方向）に回転さ
せながら工具１自体の軸心を後方側に所定角度θだけ傾
斜させて、すなわち工具１の先端部側よりも上端部側の
方が工具送り方向の後方側となるように所定の前進角θ
を与えた状態で所定速度の送りを与えることになるので
あるが、本実施の形態ではその前進角θをカッター３の
切れ刃８の逃げ角αおよびすくい角βと等しくなるよう
に設定してある。なお、工具１に前進角θを与えるの
は、工具１の送り方向前側での回転摩擦力によって工具
１と被接合部材Ｗ１，Ｗ２との相対位置がずれるのを防
ぎつつ送り指向性を高め、同時に摩擦力および塑性流動
量を増加させて撹拌効率を高めるためである。

【００２９】このように各切れ刃８の逃げ角αとすくい
角βおよび前進角θ共に同じ大きさに設定することによ
り、各切れ刃８の最内周側の稜線８ａは回転方向のいず
れの位置においても被接合部材Ｗ，１Ｗ２の平面と平行
となり、且つ切れ刃８そのものを含むすくい面が送り方
向の最も後方位置を通過する際に被接合部材Ｗ１，Ｗ２
の平面と平行となるように考慮されている。

【００３０】したがって、図１に示す本実施の形態によ
れば、摩擦撹拌接合処理に際しては、基本的には従来と
同様に突起部５を含む工具１の先端部を被接合部材Ｗ
１，Ｗ２に圧入しながらこれを回転させて且つ接合中心
線Ｐに沿って送りを与えるものとし、同時に先に述べた
ように工具１の軸線を鉛直軸線よりも後方側に例えば４
〜５°程度倒して前進角θを与える。これにより、被接
合部材Ｗ１，Ｗ２に摩擦撹拌接合が施され、それに伴い
接合ビード部９の幅方向両端部９ａに隆起するようなか
たちでばりＢが発生することになるが（図２の（Ａ）参
照）、その摩擦撹拌接合に伴って接合ビード部９に発生
したばりＢがツール本体２と一体的に回転するカッター
３によって切削除去される。

【００３１】特に、ばりＢはツール本体２の先端の中径
部２ｂが回転しながら移動することによってできる接合
ビード部９の幅方向両端９ａすなわち中径部２ｂの直径
を幅寸法とする接合ビード部９の幅方向両端９ａに多く
発生することになるが、カッター３は摩擦撹拌接合に直
接関与するツール本体２の中径部２ｂよりも外側に位置
していて、しかもカッター３の切れ刃８は中径部２ｂの
円周を始端部としつつ所定の逃げ角αを有しているため
に、摩擦撹拌接合に伴って発生したばりＢはその発生始
端部から綺麗に切削除去される。

【００３２】この場合、工具１の先端のカッター３とツ
ール本体２とは相対回転が阻止されてはいても、カッタ
ー３はツール本体２に対して上下方向にスライド変位可
能であることから、例えば摩擦撹拌接合進行中において
被接合部材Ｗ１，Ｗ２に対する工具１の圧入量や前進角
θが変化した場合、またはそれらの工具圧入量や前進角
θを接合条件制御のために積極的に変化させた場合に
は、それに伴ってカッター３がツール本体２に対して上
下方向にスライド変位して、被接合部材Ｗ１，Ｗ２の平
面との相対位置関係を一定に保つことになる。そのため
に、カッター３が被接合部材Ｗ１，Ｗ２を過剰に削り込
んでしまうこともなければ、ばりＢの削り残しも発生し
にくいものとなる。

【００３３】より詳しくは、ばり取り用のカッター３の
切れ刃８に共に同じ大きさの逃げ角αとすくい角βを予
め設定してある一方で、工具１自体の前進角θもまたそ
れらの逃げ角αおよびすくい角βと同じ大きさに設定し
てあるため、工具１自体の回転中心よりも前方側では切
れ刃８が被接合部材Ｗ１，Ｗ２の平面から浮き上がり気
味になる一方で、切れ刃８のうち中径部２ｂに最も近い
部分の稜線８ａはどの位置でも被接合部材Ｗ１，Ｗ２の
平面と平行となるとともに、工具１自体の回転中心より
も後方側であって且つ送り方向中心線Ｐと合致する位置
を通過する際にその稜線８ａが高さ方向で最も低い位置
となる。また、切れ刃８そのもの（切れ刃８のうちカッ
ター３の直径方向を指向することになる稜線）は、工具
１自体の回転中心よりも後方側であって且つ送り方向中
心線Ｐと合致する位置を通過する際に高さ方向で最も低
い位置となりながら被接合部材Ｗ１，Ｗ２の平面高さ位
置と一致しながらこれと平行となることから、摩擦撹拌
接合に伴って発生したばりＢは過不足なく切削除去され
ることになる。

【００３４】ここで、送り方向中心線Ｐと直交する線Ｑ
上をカッター３の切れ刃８が通過する際にその切れ刃８
の根元部の稜線８ａが被接合部材Ｗ１，Ｗ２の平面高さ
と一致することが理想であるが、その場合には前進角θ
を設定してあることによって工具１自体の回転中心より
も後方側であって且つ送り方向中心線Ｐと合致する位置
を通過する際にその稜線８ａが被接合部材Ｗ１，Ｗ２の
平面高さ位置よりも低い位置となるので、少なくとも工
具１の回転中心よりも後方側では接合ビード部９を凹状
に削り取ってしまうことになり好ましくない。ただし、
この接合ビード部９の凹状に削り取りが許容される場合
には上記の理想的とされる設定としてもよい。

【００３５】このように本実施の形態によれば、工具１
による摩擦撹拌接合処理と並行してその摩擦撹拌接合に
伴って発生したばりＢをカッター３にて過不足なく且つ
綺麗に切削除去することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の好ましい実施の形態を示す図で、
（Ａ）は加工中の摩擦撹拌接合用回転工具の半断面説明
図、（Ｂ）は同図（Ａ）の平面説明図。

【図２】摩擦撹拌接合の基本原理を示す図で、（Ａ）は
その加工中の要部斜視図、（Ｂ）は同図（Ａ）の断面説
明図。

【符号の説明】

１…摩擦撹拌接合用回転工具 ２…ツール本体 ２ｃ…ショルダー面（先端面） ３…カッター ４…圧縮コイルスプリング（弾性体） ５…突起部 ６…軸穴 ７…軸 ８…切れ刃 ８ａ…稜線 ９…接合ビード部 Ｂ…ばり Ｗ１，Ｗ２…被接合部材 α…逃げ角 β…すくい角 θ…前進角

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ツール本体と、このツール本体の先端に
   これと同心状に形成された小径の突起部と、ツール本体
   の先端部に設けられたばり取り用のカッターとを備え、
   工具の回転運動に伴う摩擦撹拌接合と並行して接合ビー
   ド部に発生したばりをカッターにて切削除去するように
   した摩擦撹拌接合用回転工具であって、 先端に切れ刃が形成されたリング状のカッターをツール
   本体に対しその軸心方向にスライド可能に外挿するとと
   もに、そのカッターに突起部側に向かう弾性力を付与し
   たことを特徴とする摩擦撹拌接合用回転工具。
2. 【請求項２】 ツール本体とカッターの間にはそのカッ
   ターを突起部側に向かって弾性付勢する弾性体が介装さ
   れていることを特徴とする請求項１に記載の摩擦撹拌接
   合用回転工具。
3. 【請求項３】 ツール本体とカッターはその相対回転が
   阻止されているとともに、 ツール本体に対してカッターが突起部側に最もスライド
   変位した状態では、カッターの切れ刃がツール本体の先
   端面であるショルダー面と整合一致するように設定され
   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
   撹拌接合用回転工具。
4. 【請求項４】 カッターの切れ刃には、カッター自体の
   軸心側から外周側に向かって仰角となる逃げ角が設定さ
   れていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記
   載の摩擦撹拌接合用回転工具。
5. 【請求項５】 カッターの切れ刃には、回転方向前方側
   から後方側に向かって仰角となるすくい角が設定されて
   いることを特徴とする請求項４に記載の摩擦撹拌接合用
   回転工具。
6. 【請求項６】 カッターの切れ刃の逃げ角とすくい角が
   共に同じ大きさに設定されていることを特徴とする請求
   項５に記載の摩擦撹拌接合用回転工具。
7. 【請求項７】 請求項６に記載の摩擦撹拌接合用回転工
   具を用いた摩擦撹拌接合方法であって、 ツール本体の先端部よりも上端部側の方が工具送り方向
   後方側となるようにツール本体に前進角を持たせた状態
   で摩擦撹拌接合処理を行うにあたり、 ツール本体の前進角をカッターの切れ刃の逃げ角および
   すくい角に一致させた状態で摩擦撹拌接合処理を行うこ
   とを特徴とする摩擦撹拌接合方法。