JP2004291057A - 摩擦攪拌接合用ツール - Google Patents

Abstract

【課題】先端ピンの長さ調整をツール側だけで容易かつ確実に行なうことができ、従来のピン棒の突出量の調整機構を有しない摩擦攪拌接合装置においても利用可能として、大幅な加工コストの削減を図る。
【解決手段】ツールの回転に対し逆ねじとなる雄ねじ（２４）が外周面に形成されると共に先端部（２１）が接合部材内へ挿入される先端ピン（２３）を形成するピン棒（２０）と、ショルダ部（４）に開口し内周面に雌ねじ（１３）が形成された軸孔（１０）を有すると共にピン棒が先端ピンをショルダ部から突出させて軸孔内へ軸方向に進退可能に螺入されるツール本体（１）と、ツール本体に配設されてピン棒をツール本体に固定するための第１の固定手段とを備える。例えば、第１の固定手段は、ツール本体の外周部（２）から半径方向に螺入されてピン棒に当接するねじ部材（４０）からなる。
【選択図】 図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属材料の固相接合法の一つである摩擦攪拌接合に用いる、摩擦攪拌接合用ツールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年に至り、特にアルミニウム合金の適用が種々の分野において積極的に進められる中、非溶融プロセスを用いる摩擦攪拌接合法が注目されている（例えば、特許文献１）。この摩擦攪拌接合法は、図６（ａ）及び（ｂ）に示すように、中心部に先端ピン１０２を有する硬質丸棒からなるツール１０１を回転させながら接合部材１１１，１１２の接合部内へ挿入する。このとき、先端ピン１０２は接合部材１１１，１１２の中に完全に挿入されるが、ショルダ部１０３もわずかに挿入される。ツール１０１を接合部内へ挿入した後、接合線に沿ってこれを移動させる。
【０００３】
これにより、接合部材１１１，１１２はツール１０１との摩擦熱によりあめ状に軟化し、さらにツール１０１の回転に引きずられて攪拌され、塑性流動が生じる。ツール１０１の移動により、組織は冷却されて一体化し接合される。例えばアルミニウム合金の場合、接合部の温度は５００°Ｃ程度であり、融点（６００〜６６０°Ｃ）以下で接合できる固相接合である。接合断面は、概ね逆三角形を呈す。
【０００４】
この従来の摩擦攪拌接合用ツール１０１は、図６（ｂ）に示すように、ショルダ部１０３から突出する先端ピン１０２がツール１０１に一体に形成される。したがって、接合部材１１１，１１２の板厚に応じて、通常は先端ピン１０２の長さが板厚よりもわずかに短くなるように、その都度ツール１０１を選定して接合を行う。しかしながら、様々な板厚の接合部材１１１，１１２に対し、先端ピン１０２の長さが最適となるすべてのツール１０１を準備することはコスト的に困難である一方、この先端ピン１０２と裏当て材１１３との隙間幅Ｄが略０．５ｍｍ以上になると、攪拌不良が発生しやすく、機械的強度が低下する恐れがあるという問題が発生する。
【０００５】
このような問題を解決しようとする試みの一つとして、ツールをツール本体とこれとは別体のピン棒とから構成し、ピン棒をツール本体の軸方向に進退可能にした摩擦攪拌接合用ツールが提案されている（例えば、特許文献２及び３参照）。ここで、ピン棒をツール本体の軸方向に進退可能にした従来の摩擦攪拌接合用ツールにおいて最も重要な要素は、ピン棒の突出量をどのような手段により調整し、かつ接合部材内へ大きな荷重をかけて挿入するピン棒をどのような手段により支持固定するかであることは言うまでもない。
【０００６】
しかしながら、特許文献２には単に、ピン棒のツール本体に対する突出量を制御すると、また特許文献３には、ピンはショルダの先端面からの突出部分の長さを自在に調節することができると、記載されているだけである。つまり、ピン棒の突出量の具体的な制御方法、及びピン棒の具体的な支持固定方法は何ら開示されていない。したがって、このピン棒をツール本体の軸方向に進退可能にした摩擦攪拌接合用ツールは、いずれも現実の利用に供するものには至っていないという問題がある。
【０００７】
一方、このように、ツールをツール本体とこれとは別体のピン棒とから構成し、ピン棒をツール本体の軸方向に進退可能にし、かつピン棒の突出量の制御方法、及びピン棒の支持固定方法を具体的に記載した摩擦攪拌接合用ツールが開示されている（例えば、特許文献４参照）。このツールは、ピン棒をツール本体の軸方向に進退可能にすると共に、ツールを支持固定する装置側の回転軸をそのホルダに対して移動可能にして、ピン棒の突出量の調整を行なうものである。したがって、この摩擦攪拌接合用ツールによりピン棒の突出量の調整を行うためには、それを取り付ける擦攪拌接合装置が、そのようなピン棒の突出量の調整を行うための機構を備えていなければならない。
【０００８】
【特許文献１】
特表平７−５０５０９０号公報（第２−７頁、第１図）
【特許文献２】
特開平１０−７１４７８号公報（第２−３頁、第１図）
【特許文献３】
特表平２００１−２５２７７４号公報（第２−３頁、第２図）
【特許文献４】
特開平２００２−１７８１６８号公報（第３−７頁、第１図）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、従来の摩擦攪拌接合用ツールにおいて、ピン棒の突出量の調整を行うためには、それを取り付ける摩擦攪拌接合装置が、ピン棒の突出量の調整を行うための機構を備えていなければならない。したがって、接合時に、接合部材の板厚に合わせて先端ピンの長さを最適に調整するためには、ツールと共に、それを利用するための専用の摩擦攪拌接合装置を購入しなければならず、極めてコスト高になるという問題がある。
【００１０】
本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、先端ピンの長さ調整をツール側だけで容易かつ確実に行なうことができ、従来のピン棒の突出量の調整機構を有しない摩擦攪拌接合装置においても利用可能として、大幅な加工コストの削減を図ることができる摩擦攪拌接合用ツールを提供することを課題とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上述の課題を解決するために、本発明の摩擦攪拌接合用ツールは、ツールの回転に対し逆ねじとなる雄ねじが外周面に形成されると共に先端部が接合部材内へ挿入される先端ピンを形成するピン棒と、ショルダ部に開口し内周面に雌ねじが形成された軸孔を有すると共にピン棒が先端ピンをショルダ部から突出させて軸孔内へ軸方向に進退可能に螺入されるツール本体と、ツール本体に配設されてピン棒をツール本体に固定するための第１の固定手段とを備える。例えば、第１の固定手段は、ツール本体の外周部から半径方向に螺入されてピン棒に当接するねじ部材からなる。
【００１２】
このように、ピン棒をツール本体の軸孔内へ進退可能に螺入したから、ピン棒をツール本体にねじ込むことにより、先端ピンの長さを任意に変化させることができ、しかも微調整することができる。また、第１の固定手段により、ピン棒をツール本体に堅固に支持固定すると共に、ピン棒の雄ねじをツールの回転に対して逆ねじとなるように形成したから、ピン棒に高荷重がかかっても先端ピンの長さをこの調整した長さに確実に保持することができる。したがって、本摩擦攪拌接合用ツールによれば、先端ピンの長さ調整を、ツール側だけで容易かつ確実に行なうことができ、ピン棒の突出量の調整機構を有しない従来の摩擦攪拌接合装置においても利用可能となる。
【００１３】
軸孔は、ツール本体の基端部に開口するとよい。軸孔がツール本体の基端部に開口することにより、ピン棒のツール本体への取付けが容易になり、かつピン棒をねじ込んで行なう長さ調整も、この開口部からレンチを挿入することにより容易に行うことができる。
【００１４】
ツール本体の基端部側から軸孔内へ挿入されてピン棒と回動不能に連結される調整棒と、ツール本体に配設されて調整棒をツール本体に固定するための第２の固定手段とをさらに備えるとよい。例えば、第２の固定手段は、ツール本体の外周部から半径方向に螺入されて調整棒に当接するねじ部材からなる。このように、別体の調整棒をピン棒に連結することにより、ピン棒自体も安価に製作することができるようになる。また、ピン棒に連結される調整棒を、第２の固定手段によりツール本体に堅固に支持固定するから、調整棒のみならずピン棒の固定も一層堅固になる。
【００１５】
雄ねじは、先端ピンの先端部まで形成されるとよい。雄ねじを先端ピンの先端部まで形成することにより、この雄ねじが軟化した組織の攪拌を助長し、塑性流動を促進させる。雄ねじは、上述のとおりツールの回転に対し逆ねじに形成されているから、その攪拌作用は極めて大きい。この結果、攪拌不良のない一段と良好な接合を得ることができる。
【００１６】
先端ピンに面取り部を設けるとよい。面取り部を設けることにより、先端ピンの攪拌作用がさらに大きくなる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明に係る摩擦攪拌接合用ツールの発明の実施の形態を、図１ないし図５を参照して詳細に説明する。図１に示すように、本摩擦攪拌接合用ツールは、ツール本体１と、ピン棒２０と、調整棒３０とから構成される。
【００１８】
図２に示すように、ツール本体１は円筒状に形成されて、先端に所定外径のショルダ部４を有する。ショルダ部４は後述する先端ピン２３と共にこの摩擦攪拌接合用ツールの加工部を形成し、接合部材の接合部内へ挿入されて、高速回転による摩擦熱により、接合部をあめ状に軟化させる。ツール本体１の内部には、一端がショルダ部４の中心に開口し、他端が基端面（基端部）６の中心に開口する軸孔１０が穿設される。
【００１９】
軸孔１０は、ツール本体１の先端部３側に配設される小径部１１と、基端部５側に配設される大径部１２とからなり、小径部１１の内周面には、ショルダ部４に至る雌ねじ１３が形成される。雌ねじ１３は、ツールの回転に対し逆ねじになるように形成される。ツール本体１には、その外周部２から軸孔１０の小径部１１へ貫通するねじ孔１４が、例えば周方向に等間隔に４つ穿設され、また、外周部２から軸孔１０の大径部１２へ半径方向に貫通するねじ孔１５が、例えば周方向に等間隔に４つ穿設される。
【００２０】
ピン棒２０は円柱状に形成されて、先端部２１側の外周面には、先端ピン２３の先端部まで連続する雄ねじ２４が形成される。雄ねじ２４は、上述のツール本体１の軸孔１０の雌ねじ１３に螺合することができる。ピン棒２０の基端部２２には、図３（ｂ）に示すように、横断面が多角形、例えば四角形の連結部２５が形成される。ピン棒２０は、例えばＳＫＤ６１相当材で形成される。
【００２１】
図２に示すように、調整棒３０は円柱状に形成されて、先端部には、図３（ｂ）に示すように、その横断面が例えば内四角形の連結孔３１が形成される。連結孔３１は、上述のピン棒２０の連結部２５に挿脱可能に嵌合することができる。調整棒３０の基端部には、図３（ａ）に示すように、その横断面が例えば内六角形のレンチ孔３２が穿設される。調整棒３０は、上述のピン棒２０を回転させ、ピン棒２０の支持固定を強化するためのものであるから、安価な材料で製作することもできる。
【００２２】
図１に示すように、上述のピン棒２０と調整棒３０とをこの順に、ツール本体１の軸孔１０内へ基端部５側から挿入し、図２に示すように、調整棒３０の連結孔３１をピン棒２０の連結部２５に嵌合する。調整棒３０のレンチ孔３２内へ図示しないレンチを挿入し、これにより調整棒３０を回転させて、ピン棒２０の雄ねじ２４をツール本体１の軸孔１０の雌ねじ１３に螺合させる。調整棒３０をさらに回転させて、図４に示すように、ピン棒２０の先端部２１をツール本体１のショルダ部４から所定長Ｌだけ突出させて、先端ピン２３を形成する。この所定長Ｌは、先端ピン２３と図示しない接合部材の裏当て材との隙間幅が、０．５ｍｍを超えないように設定する。
【００２３】
図１及び図２に示すように、ツール本体１の４つのねじ孔１４にねじ部材４０をそれぞれ螺入し、ピン棒２０をツール本体１に固定する。ツール本体１の４つのねじ孔１５にねじ部材４１をそれぞれ螺入し、調整棒３０をツール本体１に固定する。このように組み上げた本摩擦攪拌接合用ツールを摩擦攪拌接合装置に取付け、接合部材の接合を行なう。
【００２４】
本摩擦攪拌接合用ツールによれば、図４に示すように、ピン棒２０をツール本体１の軸孔１０内へ進退可能に螺入したから、ピン棒２０をツール本体１にねじ込むことにより、先端ピン２３の長さＬを任意に変化させることができ、しかも微調整することができる。また、図１及び図２に示すように、ピン棒２０を４つのねじ部材４０によりツール本体１に堅固に支持固定し、図４に示すように、ピン棒２０の雄ねじ２４をツールの回転に対し逆ねじとなるように形成したから、ピン棒２０に高荷重がかかっても、先端ピン２３の長さがこの調整した長さＬに確実に保持される。
【００２５】
したがって、１つのツールにより、種々の板厚の接合部材に対して攪拌不良がない良好な接合を行なうことができる。また、先端ピン２３の長さ調整を、ツール側だけで容易かつ確実に行なうことができ、特にピン棒２０の突出量の調整機構を有しない摩擦攪拌接合装置においても利用可能となって、加工コストの大幅な削減を図ることができる。さらに、調整棒３０を配設したことによりピン棒２０の全長を短くすることができ、これによりピン棒２０自体も安価に製作することができる。
【００２６】
図２に示すように、軸孔１０がツール本体１の基端面６に開口するから、ピン棒２０のツール本体１への取付けは極めて容易であり、かつピン棒２０をツール本体１へねじ込んで行なう先端ピン２３の長さ調整も、レンチをこの開口部から軸孔１０内へ挿入することにより容易に行うことができる。さらに、調整棒３０を４つのねじ部材４１によりツール本体１に固定するから、調整棒３０のみならずピン棒２０の支持固定も一層堅固になる。
【００２７】
図４に示すように、ピン棒２０の雄ねじ２４は先端ピン２３の先端部まで形成されるから、この雄ねじ２４が軟化した組織の攪拌を助長し、塑性流動を促進させる。雄ねじ２４はツールの回転に対し逆ねじに形成されるから、その攪拌作用は極めて大きい。この結果、攪拌不良がない一段と良好な接合を得ることができる。また、図５に示されるように、先端ピン２７に１つ又は複数の面取り部２８を設けることもできる。面取り部２８により、先端ピン２７の攪拌作用がさらに大きくなる。
【００２８】
なお、ピン棒や調整棒をツール本体に固定するための手段は、必ずしも上述のねじ部材４０，４１に限定されるものではない。ツール本体の軸孔は、必ずしもツール本体の基端部に開口する必要はなく、ショルダ部のみに開口するものでもよい。また、必ずしも調整棒を配設する必要はなく、ピン棒のみを配設するようにしてもよい。必ずしも雄ねじを先端ピンの先端部まで形成しなくてもよい。さらに、必ずしも先端ピンに面取り部を設けなくてもよい。
【００２９】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明の摩擦攪拌接合用ツールは、ツールの回転に対し逆ねじとなる雄ねじが外周面に形成されると共に先端部が接合部材内へ挿入される先端ピンを形成するピン棒と、ショルダ部に開口し内周面に雌ねじが形成された軸孔を有すると共にピン棒が先端ピンをショルダ部から突出させて軸孔内へ軸方向に進退可能に螺入されるツール本体と、ツール本体に配設されてピン棒をツール本体に固定するための第１の固定手段とを備える。
【００３０】
したがって、本発明の摩擦攪拌接合用ツールは、先端ピンの長さ調整を、ツール側だけで容易かつ確実に行なうことができ、従来のピン棒の突出量の調整機構を有しない摩擦攪拌接合装置においても利用可能となり、これにより加工コストの大幅な削減を図ることができるという優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る摩擦攪拌接合用ツールを示す組立図である。
【図２】図１の摩擦攪拌接合用ツールを示す縦断面図である。
【図３】（ａ）は図２の矢線Ａ−Ａにおける断面図であり、（ｂ）は図２の矢線Ｂ−Ｂにおける断面図である。
【図４】図２のピン棒を示す縦断面図である。
【図５】別のピン棒を示す縦断面図である。
【図６】（ａ）は従来の摩擦攪拌接合用ツールを示す斜視図であり、（ｂ）はその接合状態を示す縦断面図である。
【符号の説明】
１ ツール本体
２ 外周部
３ 先端部
４ ショルダ部
５ 基端部
６ 基端面
１０ 軸孔
１１ 小径部
１２ 大径部
１３ 雌ねじ
１４，１５ ねじ孔
２０ ピン棒
２１ 先端部
２２ 基端部
２３ 先端ピン
２４ 雄ねじ
２５ 連結部
２７ 先端ピン
２８ 面取り部
３０ 調整棒
３１ 連結孔
３２ レンチ孔
４０，４１ ねじ部材
１０１ ツール
１０２ 先端ピン
１０３ ショルダ部
１１１，１１２ 接合部材
１１３ 裏当て材
Ｄ 隙間幅
Ｌ 先端ピン長さ

Claims (7)

1. ツールの回転に対し逆ねじとなる雄ねじ（２４）が外周面に形成されると共に先端部（２１）が接合部材内へ挿入される先端ピン（２３，２７）を形成するピン棒（２０）と、ショルダ部（４）に開口し内周面に雌ねじ（１３）が形成された軸孔（１０）を有すると共に前記ピン棒が前記先端ピンを前記ショルダ部から突出させて前記軸孔内へ軸方向に進退可能に螺入されるツール本体（１）と、前記ツール本体に配設されて前記ピン棒を前記ツール本体に固定するための第１の固定手段とを備えたことを特徴とする摩擦攪拌接合用ツール。
2. 前記第１の固定手段は、前記ツール本体（１）の外周部（２）から半径方向に螺入されて前記ピン棒（２０）に当接するねじ部材（４０）からなることを特徴とする請求項１に記載の摩擦攪拌接合用ツール。
3. 前記軸孔（１０）は、前記ツール本体（１）の基端部（５）に開口することを特徴とする請求項１又は２に記載の摩擦攪拌接合用ツール。
4. 前記ツール本体（１）の前記基端部（５）側から前記軸孔（１０）内へ挿入されて前記ピン棒（２０）と回動不能に連結される調整棒（３０）と、前記ツール本体に配設されて前記調整棒を前記ツール本体に固定するための第２の固定手段とをさらに備えたことを特徴とする請求項３のいずれかに記載の摩擦攪拌接合用ツール。
5. 前記第２の固定手段は、前記ツール本体（１）の外周部（２）から半径方向に螺入されて前記調整棒（３０）に当接するねじ部材（４１）からなることを特徴とする請求項４に記載の摩擦攪拌接合用ツール。
6. 前記雄ねじ（２４）は、前記先端ピン（２３，２７）の先端部まで形成されたことを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の摩擦攪拌接合用ツール。
7. 前記先端ピン（２７）に面取り部（２８）を設けたことを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の摩擦攪拌接合用ツール。

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