JP2007007685A - 摩擦攪拌接合ツール - Google Patents

Abstract

【課題】短時間で簡単に最適な接合条件を見出すことを可能にすることにある。
【解決手段】回転軸心部に貫通孔２１を有するショルダ２と、ショルダ２の先端面（一端面）２ａから突出可能に貫通孔２１に挿入され、先端面２ａから突出する側の外周面に摩擦攪拌接合用の凹凸３ａを有する棒状のプローブ３とを備え、ショルダ２には、外周面から貫通孔２１の第３貫通孔２１ｃに達するねじ穴２ｂを形成し、かつねじ穴２ｂにプローブ３をショルダ２に固定するための止めねじ５を設けるべく構成した。貫通孔２１とプローブ３との間に、止めねじ５の先端の圧力を間接的にプローブ３に伝えて、プローブ３をショルダ２に固定するスリーブ４を設けることが好ましい。凹凸３ａはプローブ３の外周面に螺旋状に突出する突条によって形成し、第１貫通孔２１ａには突条に螺合するピッチの雌ねじ部（雌ねじ）２１ｄを形成することが好ましい。
【選択図】 図３

Description

本発明は、金属やプラスチック等の被接合部材同士を摩擦攪拌接合により接合するための摩擦攪拌接合ツールに関するものである。

この種の摩擦攪拌接合ツールとしては、例えば、円柱状のショルダと、ショルダの一端面から同軸状に突出する円柱状のプローブとによって一体に形成されたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。プローブの外周面は、通常、ねじ状（螺旋状の突条によって凹凸を有する形状）に形成されている。

このように構成された摩擦攪拌接合ツールにおいては、ショルダを回転駆動することによって、プローブを軸心回りに回転駆動し、このプローブを被接合部材の突き合わせ部に沿って移動することにより、プローブと被接合部材との間に発生する摩擦熱と塑性流動を利用して被接合部材同士を接合することができる。

この場合、被接合部材としての金属部材の最高到達温度が融点に達しないため、接合部における強度低下がこれまでの溶融溶接に比べて小さいという特徴がある。即ち、被接合部材を固相接合することができるので、例えば接合部における結晶粒の粗大化を抑制することができ、また異なる材質の金属部材同士をも接合することができる等の利点がある。
特表平７−５０５０９０号公報

ところが、上記従来の摩擦攪拌接合ツールにおいては、例えば被接合部材の材質等の要因が異なるごとに、プローブにおける材質、軸方向の長さ、ねじ（凹凸）のピッチや形状等を変更して摩擦攪拌接合に最適な条件を見出す必要があるが、このプローブの形状等を変更する際には当該プローブと一体に形成されたショルダも交換することになる。このため、プローブの材質、長さ、ねじのピッチ等の組み合わせとして最適な接合条件のものを見出すのに多くの時間がかかるという問題があった。

この発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、短時間で簡単に最適な接合条件を見出すことのできる摩擦攪拌接合ツールを提供することを課題としている。

上記課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、回転軸心部に貫通孔を有するショルダと、このショルダの一端面から突出可能に上記貫通孔に挿入され、上記一端面から突出する側の外周面に摩擦攪拌接合用の凹凸を有する棒状のプローブとを備え、上記ショルダには、外周面から上記貫通孔に達するねじ穴が形成され、かつ上記ねじ穴に上記プローブを上記ショルダに固定するための止めねじが設けられていることを特徴としている。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、上記貫通孔と、上記プローブとの間に挿入され、上記止めねじの先端の圧力を間接的に上記プローブに伝えて、当該プローブをショルダに固定するためのスリーブを備えていることを特徴としている。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の発明において、上記摩擦攪拌接合用の凹凸は、上記プローブの外周面に螺旋状に突出する突条によって形成されており、上記ショルダにおける上記貫通孔には、上記一端面側の部分に、上記突条に螺合するピッチのねじが形成されていることを特徴としている。

上記のように構成された請求項１に記載の発明によれば、ショルダの貫通孔にプローブを挿入し、このプローブの凹凸を有する先端部をショルダの一端面から突出させ、かつこのプローブの突出長さを調整した上で、止めねじを締め付けることにより、プローブをショルダに一体的に固定することができると共に、ショルダを回転軸回りに回転駆動することにより、プローブをショルダと同軸状に回転駆動することができる。

また、プローブの突出長さは、止めねじを緩めてから、当該プローブを軸方向に移動した後、再び止めねじを締め付けることにより、簡単に調整することができる。しかも、材質の異なる種々のプローブにも簡単に交換することができる。この場合、プローブとしては、汎用性のある市販のタップを用いることができる。このタップを用いた場合には、ねじ部がプローブにおける凹凸を有する部分となり、シャンク部がプローブにおける凹凸を有しない部分であって止めねじでショルダに固定される部分となる。そして、このようなタップを用いた場合には、切削用のタップや転造用のタップ等の種々の形状のねじ部（凹凸）を有するものや、高速度鋼、超硬合金等の種々の材質のものや、チタンカーバイド等の種々の表面処理を施したもの等を容易に、安価にかつ短時間で入手することができる。

従って、摩擦攪拌接合のための最適な条件を短時間で簡単に見出すことができる。しかも、プローブが摩耗した場合には、当該プローブのみを交換するだけ済むので、プローブ及びショルダを一体的に交換する場合に比べて、摩擦攪拌接合のためのコストを低減することができる。

請求項２に記載の発明によれば、ショルダの貫通孔とプローブとの間にスリーブを挿入するように構成しているので、止めねじの先端が当たることによって、プローブに傷が付くのを防止することができる。従って、プローブをショルダに対してスムーズに脱着することができると共に、プローブのショルダからの突出長さを容易に調整することができる。

請求項３に記載の発明によれば、摩擦攪拌接合用の凹凸がプローブの外周面に螺旋状に突出する突条によって形成され、ショルダにおける貫通孔には一端面側の部分に上記突条に螺合するピッチのねじが形成されているので、プローブの回転角度を調整することにより、プローブのショルダからの突出長さを容易にかつ正確に調整することができる。また、止めねじによって、プローブをショルダにより確実に固定することができる利点もある。

以下、この発明の最良の実施の形態を図面を参照しながら説明する。まず、第１の実施の形態について説明する。

この第１の実施の形態で示す摩擦攪拌接合ツール１は、図１〜図６に示すように、回転軸心部に貫通孔２１を有するショルダ２と、このショルダ２の先端面（一端面）２ａから突出可能に貫通孔２１に挿入され、先端面２ａから突出する側の外周面に摩擦攪拌接合用の凹凸３ａを有する断面円形状の棒状のプローブ３とを備えている。

ショルダ２は、円筒状に形成されていると共に、先端側の外周面の径がこれより基端側の外周面の径より大きく形成されている。また、先端面２ａは、外周縁から内周縁に向けて僅かに凹状になるようにテーパ状に形成されている。貫通孔２１は、先端から基端に向けて順次径が段階的に大きくなるように形成された第１貫通孔２１ａ、第２貫通孔２１ｂ及び第３貫通孔２１ｃによって構成されている。

ショルダ２における第３貫通孔２１ｃに対応する位置には、外周面から第３貫通孔２１ｃに達するように貫通するねじ穴２ｂが２つ形成されている。これらのねじ穴２ｂは、貫通孔２１の軸心に直交する方向に形成されていると共に、当該貫通孔２１の軸方向に並列に配置されている。各ねじ穴２ｂには、プローブ３を後述するスリーブ４を介してショルダ２に固定するための止めねじ５が設けられている。

更に、ショルダ２には、基端面から先端側に向けて矩形状の凹部２ｃが形成されている。この凹部２ｃは、図２に示すように、ねじ穴２ｂに対して、ショルダ２の軸心回りに９０度離れた位置に形成されており、後述するスリーブ４の位置決め孔４ｂの位置合わせに用いられると共に、位置決め孔４ｂへのピンやピンセットの先端部等の挿入を可能にするようになっている。

プローブ３の凹凸３ａは、外周面に螺旋状に突出する突条によって形成されている。即ち、プローブ３における凹凸３ａを有する部分がねじ部３１ａになっている。また、プローブ３は、その外周面が先端から基端に向けて順次、上記ねじ部３１ａ、首部３１ｂ及びシャンク部３１ｃによって同軸状に形成されている。また、プローブ３の先端面は、ほぼ球面状に突出した形状になっている。

ねじ部３１ａは、ショルダ２の第１貫通孔２１ａに嵌合し、かつ当該第１貫通孔２１ａに案内されて軸方向に移動可能な外径に形成されている。首部３１ｂは、ねじ部３１ａの谷径より径の小さな小径部及びこの小径部からシャンク部３１ｃに達するように漸次直線状に拡径されたテーパ部を有している。

シャンク部３１ｃは、先端面２ａからのねじ部３１ａの突出長さを調整すべく軸方向に移動した場合でも、２つのねじ穴２ｂに対応する位置に配置された状態となるような軸方向の寸法を有している。なお、図面のシャンク部３１ｃの軸方向長さは単なる例であり、このシャンク部３１ｃは基端方向に更に長いもので構成してもよい。また、シャンク部３１ｃは、第２貫通孔２１ｂの径よりも若干小さな径に形成されており、第２貫通孔２１ｂへの移動も可能になっている。

スリーブ４は、第３貫通孔２１ｃと、シャンク部３１ｃとの間に挿入すべく、第３貫通孔２１ｃに嵌合する外径を有すると共に、シャンク部３１ｃに嵌合する内径を有する円筒状に形成されている。このスリーブ４は、その先端面が第２貫通孔２１ｂと第３貫通孔２１ｃとの段差部に当接することによって、第３貫通孔２１ｃ内に完全に挿入されるようになっていると共に、この完全に挿入された状態において、その基端面がショルダ２の基端面にほぼ一致するように軸方向の長さが設定されている。これにより、各止めねじ５の締付力がスリーブ４の外周面に必ず作用するようになっている。

また、スリーブ４には、弾性的に縮径変形することを可能にすべく、軸方向にスリット４ａが形成されている。更に、スリーブ４には、スリット４ａに対して、軸心回りに１８０度離れた位置で、かつスリーブ４における基端面の近傍位置に、位置決め孔４ｂが形成されている。このスリーブ４は、図２（摩擦攪拌接合ツール１を基端側から端面視した図）に示すように、第３貫通孔２１ｃに完全に挿入した状態において、位置決め孔４ｂが凹部２ｃから露出した状態になると共に、スリット４ａがねじ穴２ｂに対して時計回りにほぼ９０度回転した位置となるように形成されている。このように形成されたスリーブ４は、止めねじ５の先端の圧力を間接的にプローブ３に伝えて、当該プローブ３をショルダ２に固定するようになっている。

止めねじ５は、スリーブ４に当接する先端が平面状に形成された平先のもので構成されていると共に、スリーブ４を介してプローブ３をショルダ２に固定すべく締め込んだ状態において、その締め込むための六角穴を有する外側の端部がショルダ２の外周面から突出しないようにその軸方向の長さが設定されたものが用いられている。

なお、ショルダ２としては例えば高速度鋼が用いられ、プローブ３としては例えば高速度鋼や超硬合金、タングステンカーバイド等の表面処理をしたものなどが用いられる。

上記のように構成された摩擦攪拌接合ツール１においては、位置決め孔４ｂが凹部２ｃに対応した位置となるように軸心回りの角度を調整しながら、スリーブ４を第３貫通孔２１ｃに挿入することにより、位置決め孔４ｂが凹部２ｃから露出し、かつスリット４ａがねじ穴２ｂから軸心回りにほぼ９０度離れた状態となる。

そこで、プローブ３を貫通孔２１に差し込むと共に、先端面２ａからのねじ部３１ａの突出長さを調整した後、各止めねじ５を締め付ける。この場合、スリーブ４のスリット４ａがねじ穴２ｂから軸心回りにほぼ９０度離れた状態となっており、各止めねじ５の締付力を受けて、スリーブ４が縮径方向に弾性的に撓みやすくなっているので、プローブ３をスリーブ４を介してショルダ２に確実に固定することができる。

また、ショルダ２の基端側の外周面を例えばチャックで保持して回転軸回りに回転駆動することにより、プローブ３もショルダ２と同軸状に回転駆動させることができる。

そして、例えば２つの被接合部材を突き合わせ接合する場合には、各被接合部材を裏あて板の上に設置した状態で各被接合部材の突き合わせ部に沿って回転駆動されたプローブ３をその先端を裏あて板に接近させながら移動することになる。この際、プローブ３のねじ部３１ａが右ねじの場合には、当該プローブ３を左方向に回転しながら摩擦攪拌接合することになる。

一方、プローブ３の突出長さは、止めねじ５を緩めてから、当該プローブ３を軸方向に移動した後、再び止めねじ５を締め付けることにより、簡単に調整することができる。しかも、材質の異なる種々のプローブ３にも簡単に交換することができる。この場合、プローブ３としては、汎用性のある市販のタップを用いることができる。なお、上述したプローブ３は、市販のタップを用いたものを示している。そして、このようなタップを用いた場合には、切削用のタップや転造用のタップ等の種々の形状のねじ部３１ａ（凹凸３ａ）を有するものや、高速度鋼、超硬合金等の種々の材質のものや、チタンカーバイド等の種々の表面処理を施したもの等を容易に、安価にかつ短時間で入手することができる利点がある。

従って、摩擦攪拌接合のための最適な条件を短時間で簡単に見出すことができる。しかも、プローブ３が摩耗した場合には、当該プローブ３のみを交換するだけ済むので、プローブ及びショルダが一体的に形成された従来のものに比べて、摩擦攪拌接合のためのコストを低減することができる。

また、ショルダ２の貫通孔２１とプローブ３との間にスリーブ４を挿入するように構成しているので、止めねじ５の先端によってプローブ３に傷を付けることなく、当該プローブ３をショルダ２に固定することができる。従って、プローブ３をショルダ２に対してスムーズに脱着することができると共に、ショルダ２からのプローブ３の突出長さも容易に調整することができる。

しかも、プローブ３として市販のタップを用いた場合に、ねじ部３１ａの外径が同じでもシャンク部３１ｃの径が異なる場合があり得るが、この場合でもショルダ２を交換することなく、スリーブ４を交換することで、当該プローブをショルダ２に取り付けることが可能となる。この際、スリーブ４を第３貫通孔２１ｃに対して外すことになるが、凹部２ｃに位置決め孔４ｂが露出した状態になっているので、この位置決め孔４ｂにピンやピンセットの先端部を差し込むことにより、スリーブ４を第３貫通孔２１ｃから容易に取り出すことができる。

次に、この発明の第２の実施の形態について説明する。但し、上記第１の実施の形態で示した構成要素と共通する要素には同一の符号を付しその説明を簡略化する。

この実施の形態で示す摩擦攪拌接合ツール６が図７〜図１１に示されている。図示されるように、この摩擦攪拌接合ツール６が第１の実施の形態と異なる主な点は、第１貫通孔２１ａの内面がねじ部３１ａに螺合する雌ねじ部２１ｄによって形成されている点、及びシャンク部３１ｃの基端面に四角柱部３１ｄが一体に形成されている点である。

即ち、ショルダ２には、貫通孔２１における先端面２ａ側の部分である第１貫通孔２１ａの内面がねじ部３１ａに螺合する雌ねじ部（雌ねじ）２１ｄによって形成されている。

また、プローブ３には、シャンク部３１ｃの基端面に四角柱部３１ｄが同軸状に形成されている。この四角柱部３１ｄは、先端面２ａからのねじ部３１ａの突出長さを調整する状態において、ショルダ２の基端面から軸方向の外側に突出するような長さに形成されており、図示しないタップハンドルの固定コマと可動コマとによる保持が可能になっている。なお、プローブ３の先端面はほぼ円錐状に突出した形状に形成されている。このプローブ３も、市販のタップを用いたもので構成されている。

上記のように構成された摩擦攪拌接合ツール６によれば、ショルダ２の第１貫通孔２１ａが雌ねじ部２１ｄによって形成されているので、プローブ３の回転角度を調整することにより、ショルダ２からのプローブ３の突出長さを容易にかつ正確に調整することができる。しかも、止めねじ５による締付力よって、プローブ３をショルダ２により確実に固定することができる。

なお、上記各実施の形態においては、プローブ３として市販のタップを用いた例を示したが、このようなタップ以外のもので構成されたプローブ３を用いてもよいことは言うまでもない。この場合、凹凸３ａとしては、ねじ以外の形状のもので構成することができる。

この発明の第１の実施の形態として示した摩擦攪拌接合ツールを示す正面図である。 同摩擦攪拌接合ツールを示す図であって、図１のII矢視図である。 同摩擦攪拌接合ツールを示す断面図である。 同摩擦攪拌接合ツールにおけるショルダを示す断面図である。 同摩擦攪拌接合ツールにおけるプローブを示す正面図である。 同摩擦攪拌接合ツールにおけるスリーブを示す図であって、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。 この発明の第２の実施の形態として示した摩擦攪拌接合ツールを示す正面図である。 同摩擦攪拌接合ツールを示す図であって、図７のVIII矢視図である。 同摩擦攪拌接合ツールを示す断面図である。 同摩擦攪拌接合ツールにおけるショルダを示す断面図である。 同摩擦攪拌接合ツールにおけるプローブを示す正面図である。

符号の説明

１、６ 摩擦攪拌接合ツール
２ ショルダ
２ａ 先端面（一端面）
２ｂ ねじ穴
３ プローブ
３ａ 摩擦攪拌接合用の凹凸
４ スリーブ
４ａ スリット
４ｂ 位置決め孔
５ 止めねじ
２１ 貫通孔
２１ａ 第１貫通孔（貫通孔の一端側の部分）
２１ｄ 雌ねじ部（雌ねじ）
３１ａ ねじ部

Claims (3)

1. 回転軸心部に貫通孔を有するショルダと、このショルダの一端面から突出可能に上記貫通孔に挿入され、上記一端面から突出する側の外周面に摩擦攪拌接合用の凹凸を有する棒状のプローブとを備え、
   上記ショルダには、外周面から上記貫通孔に達するねじ穴が形成され、かつ上記ねじ穴に上記プローブを上記ショルダに固定するための止めねじが設けられていることを特徴とする摩擦攪拌接合ツール。
2. 上記貫通孔と、上記プローブとの間に挿入され、上記止めねじの先端の圧力を間接的に上記プローブに伝えて、当該プローブをショルダに固定するためのスリーブを備えていることを特徴とする請求項１に記載の摩擦攪拌接合ツール。
3. 上記摩擦攪拌接合用の凹凸は、上記プローブの外周面に螺旋状に突出する突条によって形成されており、
   上記ショルダにおける上記貫通孔には、上記一端面側の部分に、上記突条に螺合するピッチのねじが形成されてい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ツール。
   

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