JP2007144479A - 摩擦撹拌接合用工具及びそれを用いた摩擦撹拌接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】摩擦撹拌接合を実施する際、ワークに尖鋭なバリが生じることを回避する。
【解決手段】摩擦撹拌接合用工具１０の回転体１２には、側周壁から底面にかけて前記側周壁が湾曲に切り欠かれたような形状の湾曲部１８が環状に設けられている。積層された第１ワークＷ１と第２ワークＷ２にプローブ１４及び回転体１２の先端部が挿入されると、この挿入に対応して第２ワークＷ２の上端面から排出される方向に肉の塑性流動が生じる。湾曲部１８によって肉の流動方向が第２ワークＷ２の上端面に向かう方向に変更されるので、肉が円環状に隆起して硬化し、最終的に、円環状バリ２２が形成される。
【選択図】図２

Description

本発明は、積層されたワーク同士、又は、突き合わせ当接されたワークの端面同士を摩擦撹拌接合するための摩擦撹拌接合用工具及びそれを用いた摩擦撹拌接合方法に関する。

摩擦撹拌接合は、摩擦撹拌接合用工具でワーク同士の肉を軟化して塑性流動させ、その後に該肉を冷却硬化させることで前記ワーク同士を接合する手法として知られ、広汎に採用されるに至っている。

摩擦撹拌接合用工具は、略円柱体形状の回転体と、前記回転体の底面に固定されて該回転体に比して小径なプローブとを有し、この中の回転体は、例えば、スピンドル等を介してモータに支持されている。摩擦撹拌接合が実施される際には、モータが付勢されることに伴ってスピンドルが回転動作を開始し、これに追従して摩擦撹拌接合用工具も回転動作を開始する。

回転動作する摩擦撹拌接合用工具は、先ず、プローブがワークの上端面に摺接し、これにより該ワークとの間に摩擦熱を発生させる。この摩擦熱によってワークの肉が軟化して塑性流動を起こし、その結果、プローブ及び回転体の先端部の若干量がワークに挿入される。

ところで、このようにして摩擦撹拌接合用工具がワークに挿入されると、塑性流動した肉がプローブや回転体の先端部に押圧されて隆起する。この隆起した肉は、ワークの上端面に尖鋭なバリとして残留する。

尖鋭なバリが残留したままでは、該バリが何らかの物体に触れた際にその物体に傷が付くことが予想される。また、ワークに塗装を施す場合、塗膜の一部がバリに付着するために良好な塗膜を形成することが困難となり、塗膜品質の圧下を招く。従って、バリを除去することが行われるが、このような作業を行うこと自体煩雑であるし、また、全作業が終了するまでの作業効率が低下するという指摘がある。

このような観点から、摩擦撹拌接合用工具にバリを除去可能なバリ取り手段を設けることが提案されている。例えば、特許文献１には、回転体の先端に段差を設け、この段差を、バリを切削除去するカッターとして機能させるようにすることが開示されている。

また、バリが発生すること自体を抑制することについても提案がある。すなわち、特許文献２には、回転体の側周壁と底面との境界に傾斜部を設けると、この傾斜部がワークの上端面に著しく近接するので、該上端面にバリが生じることが抑制されるとの説明がある。また、特許文献３には、回転体の底面における縁部近傍に周溝を設け、隆起した肉をこの周溝内に流動させることで、該肉がバリとして排出されることが抑制されるとの記載がある。

特開２００２−６６７６０号公報 特開２００３−２９０９３７号公報 特許第３２８３４３９号公報

特許文献１に記載されているような段差を設けると、この段差は、いわば大径部のような形状をなすため、該段差に当接したバリは、段差（回転体）の直径方向外方に拡開するように流動してしまう。また、段差によってバリを圧潰するためには、摩擦撹拌接合用工具のワークへの挿入量を厳密に設定しなければならないので、工程管理を厳格に行う必要を招く。

一方、特許文献２記載の構造を採用しても、バリの直径方向外方への拡開を抑制することは容易ではないと懸念される。バリが拡開してしまうと、摩擦撹拌接合後のワークの美観が損なわれる。

さらに、特許文献３記載の構成では、周溝を設けることに伴い、回転体の底面における縁部近傍が薄肉で環状突出することになる。このため、摩擦撹拌接合用工具がワークへ繰り返し挿入・離脱される摩擦撹拌接合では、薄肉な縁部近傍に欠落が起こることが懸念される。

本発明は上記した問題を解決するためになされたもので、尖鋭なバリが形成されることを回避可能であり、このために美観に優れた製品を得ることができ、しかも、強度に優れるので縁部が欠落する懸念もない摩擦撹拌接合用工具及びそれを用いた摩擦撹拌接合方法を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明は、略円柱体形状の回転体と、前記回転体の底面に配設されてワークに挿入されるプローブとを有する摩擦撹拌接合用工具であって、
前記回転体の側周壁から底面にかけて該回転体を縮径する湾曲部が設けられ、
前記湾曲部において、回転体側周壁側端部から前記回転体の軸線方向に沿って延在する第１仮想線を引き、且つ回転体底面側端部から前記回転体の直径方向外方に沿って延在する第２仮想線を引いたとき、該第１仮想線及び該第２仮想線が互いに垂直に交わる交点から前記回転体側周壁側端部までの距離、及び前記交点から前記回転体底面側端部までの距離が０．２〜１ｍｍの範囲内であることを特徴とする。

このように構成された摩擦撹拌接合用工具を用いて摩擦撹拌接合を実施した場合、プローブや回転体の先端部がワークに挿入されることに対応して該ワークの上端面から離間する方向に流動する肉が、湾曲部によって案内されて前記上端面側に戻る。このため、形成されたバリの頂部が湾曲する。

換言すれば、本発明においては、尖鋭なバリが生じることが回避される。このため、バリが物体等に引っ掛かることで該物体に傷が付くこともない。また、ワークに塗装を施す場合には、品質が良好な塗膜を形成することができる。しかも、このために煩雑なバリ取り作業が不要となり、全体作業の効率も向上する。

その上、本発明では、摩擦撹拌接合用工具の底面に薄肉の環状突出部が形成されることもない。従って、摩擦撹拌接合用工具の剛性・強度を確保することができ、摩擦撹拌接合時に摩擦撹拌接合用工具に欠落が生じる懸念を払拭することもできる。

ここで、前記交点から前記回転体側周壁側端部までの距離と、前記交点から前記回転体底面側端部までの距離とを同一に設定することが好ましい。この場合、湾曲部を容易に形成することができるからである。

なお、交点から回転体側周壁側端部までの距離、及び交点から回転体底面側端部までの距離が０．２ｍｍ未満であると、肉が回転体の直径方向外方に指向して流動する傾向が大きくなり、結局、大寸法のバリが形成されてしまう。このようなバリが存在すると、ワークの美観が損なわれる。

一方、前記距離が１ｍｍを超えると、肉が大きく隆起することになるので、高さが大きなバリが形成され、しかも、該バリの頂部を湾曲させることが困難となる。前記距離の一層好ましい範囲は、０．４〜０．８ｍｍである。

また、本発明は、略円柱体形状の回転体と、前記回転体の底面に配設されてワークに挿入されるプローブとを有する摩擦撹拌接合用工具を使用して摩擦撹拌接合を行う摩擦撹拌接合方法であって、
前記摩擦撹拌接合用工具は、前記回転体の側周壁から底面にかけて該回転体を縮径する湾曲部が設けられ、前記湾曲部において、回転体側周壁側端部から前記回転体の軸線方向に沿って延在する第１仮想線を引き、且つ回転体底面側端部から前記回転体の直径方向外方に沿って延在する第２仮想線を引いたとき、該第１仮想線及び該第２仮想線が互いに垂直に交わる交点から前記回転体側周壁側端部までの距離、及び前記交点から前記回転体底面側端部までの距離が０．２〜１ｍｍの範囲内であり、
前記プローブを前記ワークに挿入した際、塑性流動する肉を前記湾曲部で案内して該湾曲部に対応する形状に湾曲させることを特徴とする。

すなわち、前記摩擦撹拌接合用工具を使用することで、上記したように、隆起する肉を湾曲部で湾曲させることができる。結局、頂部が湾曲形成されたバリが形成されるので、尖鋭なバリが形成されていたときに実施されていたバリ取り作業が不要となる。

なお、摩擦撹拌接合を行う際には、ワークに少なくともプローブを挿入する必要があるが、回転体の先端部をともにワークに挿入するようにしてもよい。この場合、湾曲部の一部をワークに挿入し且つ残部をワークから露呈させれば、頂部が湾曲形成されたバリを設けることができる。

いずれの場合においても、前記ワークの上端面と、前記湾曲部の前記回転体側周壁側端部とを０．２〜０．６ｍｍ離間させることが好ましい。０．２ｍｍ未満では、肉が回転体の直径方向外方に指向して流動する傾向が大きくなり、大寸法のバリが形成されてワークの美観が損なわれることがある。また、０．６ｍｍを超えると、高さが大きなバリが形成される傾向が大きくなるとともに、該バリの頂部を湾曲させることが容易でなくなる。

以上の摩擦撹拌接合方法は、例えば、互いに積層された複数個の前記ワークをスポット状に接合するスポット接合を行う際に採用することができる。又は、互いに突き合わせ当接された複数個の前記ワークの端面同士を直線状に接合する線状接合を行うようにしてもよい。

本発明においては、摩擦撹拌接合用工具を構成する回転体の側周壁から底面を切り欠くような形状の湾曲部を環状に設けるようにしている。このため、該摩擦撹拌接合用工具のプローブや回転体の先端部がワークに挿入されることに対応して該ワークの上端面側に排出される方向に流動する肉は、湾曲部に案内されて上端面側に戻される。従って、頂部が湾曲したバリが形成される。

すなわち、本発明によれば、尖鋭なバリが形成されることを回避することができる。このため、煩雑なバリ取り作業が不要となり、その結果、全体作業の効率も向上するという効果が得られる。

以下、本発明に係る摩擦撹拌接合用工具につき、それを用いて実施する摩擦撹拌接合方法との関係で好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本実施の形態に係る摩擦撹拌接合用工具１０の要部拡大概略斜視図である。この摩擦撹拌接合用工具１０は、図示しないスピンドルに連結された略円柱体形状の回転体１２と、該回転体１２の一端部に連結されて該回転体１２に比して小径な略円柱体状であるプローブ１４とを有する。摩擦撹拌接合用工具１０は、前記スピンドルを回転付勢する回転用サーボモータの作用下に回転動作可能であり、且つ図示しない昇降用サーボモータの作用下に図１における上下方向（矢印Ｘ方向）に変位可能である。

以上の摩擦撹拌接合用工具１０、回転用サーボモータ、昇降用サーボモータ等を含む摩擦撹拌接合装置は、例えば、６軸ロボットのアーム部先端に配設される。そして、このアーム部には、図２に示すように、プローブ１４に対向する位置に、積層された第１ワークＷ１と第２ワークＷ２を支持するための支持治具１６が配設される。

摩擦撹拌接合用工具１０を構成する回転体１２には、その側周壁から底面にかけて、該回転体１２を縮径するように切り欠く形状の湾曲部１８が環状に設けられている。すなわち、回転体１２の先端部は、底面に接近するにつれて縮径するように成形されている。

ここで、湾曲部１８の側周壁側端部から底面方向に向け、換言すれば、回転体１２の軸線方向に沿って延在するように第１仮想線Ｆ１を引き、且つ、湾曲部１８の底面側端部から底面の直径方向外方に延在する第２仮想線Ｆ２を引いた状態を図３に示す。なお、図３中の参照符号Ｏは、第１仮想線Ｆ１と第２仮想線Ｆ２との交点を表す。

本実施の形態において、側周壁側端部から交点Ｏに至るまでの距離Ｌ１と、底面側端部から交点Ｏに至るまでの距離Ｌ２は、ともに０．６ｍｍに設定されている。すなわち、この場合、湾曲部１８は、半径０．６ｍｍの仮想円Ｃ１が内接する曲率半径で設けられている。

一方、回転体１２の底面に固定されたプローブ１４は、上記したように、回転体１２に比して小径な略円柱体である（図１及び図２参照）。摩擦撹拌接合が営まれる際、このプローブ１４の全体が第１ワークＷ１及び第２ワークＷ２の積層部位に挿入される（図２参照）。

このように構成された摩擦撹拌接合用工具１０を用いて実施される摩擦撹拌接合方法につき、積層された第１ワークＷ１及び第２ワークＷ２をスポット状に接合するスポット接合を例示して説明する。

先ず、図２に示すように、第１ワークＷ１と第２ワークＷ２を積層する。この場合、第１ワークＷ１及び第２ワークＷ２は、双方とも、ＪＩＳ記号の数字が５０００番台であるいわゆる５０００系のアルミニウム合金からなる。

第１ワークＷ１と第２ワークＷ２が積層されると、前記６軸ロボットは、この積層部位が支持治具１６とプローブ１４との間に介在されるように動作する。積層部位が支持治具１６に載置された後、次に、前記回転用サーボモータが付勢されて前記スピンドルが回転動作を開始し、これに伴って摩擦撹拌接合用工具１０が回転動作を開始する。その後、前記昇降用サーボモータの作用下に摩擦撹拌接合用工具１０が積層部位に指向して下降するように変位を開始し、その結果、プローブ１４が積層部位の上端面（第２ワークＷ２の上端面）に摺接する。

この摺接に伴って摩擦熱が発生し、積層部位におけるプローブ１４の摺接箇所及びその近傍が軟化する。これにより、図２に示すように、プローブ１４及び回転体１２の先端部の若干量が積層部位に挿入される。ここで、回転体１２の挿入量は、図４に示すように、湾曲部１８の側周壁側端部と第２ワークＷ２の上端面との離間距離Ｌ３が０．４ｍｍとなる量に設定される。本実施の形態における湾曲部１８を平面視すると、該湾曲部１８は、半径０．６ｍｍ、中心角９０°の扇形形状であるから（図３参照）、挿入量は０．２ｍｍとすればよい。

プローブ１４及び回転体１２の先端部が挿入されることに対応して、積層部位の肉が一層の塑性流動を起こし撹拌される。この際、一部の肉が摩擦撹拌接合用工具１０に押圧され、一部は第２ワークＷ２の上端面側に排出される方向に流動する。

このようにして隆起した肉の流動方向は、湾曲部１８に案内されることによって第２ワークＷ２の上端面に向かうように変更される。このため、肉は、最終的に、図２に示すように頂部が湾曲して円環状に隆起する。

所定の時間が経過すると、前記昇降用サーボモータの作用下に摩擦撹拌接合用工具１０が図１及び図２における上方に変位する。すなわち、プローブ１４及び回転体１２の先端部が積層部位から離間し、このために摩擦熱が発生しなくなる。これに伴い肉が自然冷却されて硬化し、第１ワークＷ１１２と第２ワークＷ２１４との固相接合がなされる。

第２ワークＷ２の上端面には、図５に示すように、プローブ１４が離脱することに伴って離脱穴２０が形成されるとともに、この離脱穴２０を囲繞するように円環状バリ２２が形成される。勿論、この円環状バリ２２は、円環状に隆起した前記肉が硬化したものである。

上記したように、円環状バリ２２の頂部は湾曲形成されている。このため、円環状バリ２２が何らかの物体や作業者に引っ掛かることはない。従って、円環状バリ２２によって物体等に傷が付くこともない。また、塗装を行う場合には、円環状バリ２２全体に塗膜が形成されるので、塗膜品質が良好となる。

さらに、湾曲部１８が存在することで、排出された肉の流動方向が第２ワークＷ２の上端面に向かうように変換されるので、肉が回転体１２の直径方向外方に過度に流動することがない。このため、円環状バリ２２が過度に拡径することが回避されるので、接合部位の美観を損なうこともない。

しかも、本実施の形態では尖鋭なバリが形成されることがないので、バリ除去作業を行う必要がない。従って、作業を簡素化することが可能となり、また、全体作業の効率も向上するという利点が得られる。

その上、本実施の形態によれば、回転体１２に肉薄な突出部が設けられることがないので、回転体１２の剛性・強度も確保される。従って、摩擦撹拌接合用工具１０に欠落が生じる懸念が払拭される。

なお、上記した実施の形態においては、図３に示すように、側周壁側端部から交点Ｏに至るまでの距離Ｌ１と、底面側端部から交点Ｏに至るまでの距離Ｌ２とをともに０．６ｍｍとしているが、Ｌ１及びＬ２の値は特にこれに限定されるものではなく、０．２〜１ｍｍの範囲内であればよい。

また、Ｌ１とＬ２の値は、０．２〜１ｍｍの範囲内で互いに個別に設定することが可能であり、同一にする必要は特にない。例えば、図６に示すように、Ｌ１を０．８ｍｍ、Ｌ２を０．４ｍｍに設定してもよいし、図７に示すように、Ｌ１を０．４ｍｍ、Ｌ２を０．８ｍｍに設定してもよい。

さらに、回転体１２の先端部を第２ワークＷ２に挿入する必要は特になく、図８に示すように、プローブ１４のみを挿入するようにしてもよい。この場合、回転体１２の底面を第２ワークＷ２の上端面に摺接させ、且つ湾曲部１８の側周壁側端部から第２ワークＷ２の上端面までの距離Ｌ３を０．２〜０．６ｍｍとすることが好ましい。

上記したいずれの場合も、スポット接合のみに限定されるものではない。すなわち、線状接合を行うようにしてもよい。この場合、図９に示すように、第１ワークＷ１と第２ワークＷ２の端面同士を突き合わせ当接させ、この当接した端面同士にプローブ１４や回転体１２の先端部を挿入した後、端面の当接線に沿って摩擦撹拌接合用工具１０を線状に変位させればよい。この場合、頂部が湾曲形成された線状バリ２４ａ、２４ｂが２本形成される。

本実施の形態に係る摩擦撹拌接合用工具の要部拡大概略斜視図である。 積層された第１ワークと第２ワークに対して摩擦撹拌接合（スポット接合）が施されている状態を示す一部縦断面概略説明図である。 湾曲部に第１仮想線及び第２仮想線を仮想的に引いた状態を示す要部拡大説明図である。 プローブと回転体の先端部がワークに挿入された状態を示す一部縦断面概略説明図である。 離脱穴及び円環状バリを示す上方矢視平面図である。 別の実施形態において、湾曲部に第１仮想線及び第２仮想線を仮想的に引いた状態を示す要部拡大説明図である。 さらに別の実施形態において、湾曲部に第１仮想線及び第２仮想線を仮想的に引いた状態を示す要部拡大説明図である。 プローブのみがワークに挿入された状態を示す一部縦断面概略説明図である。 突き合わせ当接された第１ワークと第２ワークの端面同士に対して摩擦撹拌接合（線状接合）が施されている状態を示す一部縦断面概略説明図である。

符号の説明

１０…摩擦撹拌接合用工具 １２…回転体
１４…プローブ １６…支持治具
１８…湾曲部 ２２…円環状バリ
２４ａ、２４ｂ…線状バリ Ｃ１…仮想円
Ｆ１、Ｆ２…仮想線 Ｌ１〜Ｌ３…距離
Ｏ…交点 Ｗ１、Ｗ２…ワーク

Claims (7)

1. 略円柱体形状の回転体と、前記回転体の底面に配設されてワークに挿入されるプローブとを有する摩擦撹拌接合用工具であって、
   前記回転体の側周壁から底面にかけて該回転体を縮径する湾曲部が設けられ、
   前記湾曲部において、回転体側周壁側端部から前記回転体の軸線方向に沿って延在する第１仮想線を引き、且つ回転体底面側端部から前記回転体の直径方向外方に沿って延在する第２仮想線を引いたとき、該第１仮想線及び該第２仮想線が互いに垂直に交わる交点から前記回転体側周壁側端部までの距離、及び前記交点から前記回転体底面側端部までの距離が０．２〜１ｍｍの範囲内であることを特徴とする摩擦撹拌接合用工具。
2. 請求項１記載の工具において、前記交点から前記回転体側周壁側端部までの距離と、前記交点から前記回転体底面側端部までの距離とが同一であることを特徴とする摩擦撹拌接合用工具。
3. 略円柱体形状の回転体と、前記回転体の底面に配設されてワークに挿入されるプローブとを有する摩擦撹拌接合用工具を使用して摩擦撹拌接合を行う摩擦撹拌接合方法であって、
   前記摩擦撹拌接合用工具は、前記回転体の側周壁から底面にかけて該回転体を縮径する湾曲部が設けられ、前記湾曲部において、回転体側周壁側端部から前記回転体の軸線方向に沿って延在する第１仮想線を引き、且つ回転体底面側端部から前記回転体の直径方向外方に沿って延在する第２仮想線を引いたとき、該第１仮想線及び該第２仮想線が互いに垂直に交わる交点から前記回転体側周壁側端部までの距離、及び前記交点から前記回転体底面側端部までの距離が０．２〜１ｍｍの範囲内であり、
   前記プローブを前記ワークに挿入した際、塑性流動する肉を前記湾曲部で案内して該湾曲部に対応する形状に湾曲させることを特徴とする摩擦撹拌接合方法。
4. 請求項３記載の接合方法において、前記湾曲部の一部を前記ワークに挿入するとともに、該湾曲部の残部を前記ワークから露呈させることを特徴とする摩擦撹拌接合方法。
5. 請求項３又は４記載の接合方法において、前記ワークの上端面と、前記湾曲部の前記回転体側周壁側端部とを０．２〜０．６ｍｍ離間させることを特徴とする摩擦撹拌接合方法。
6. 請求項３〜５のいずれか１項に記載の接合方法において、互いに積層された複数個の前記ワークをスポット状に接合するスポット接合を行うことを特徴とする摩擦撹拌接合方法。
7. 請求項３〜５のいずれか１項に記載の接合方法において、互いに突き合わせ当接された複数個の前記ワークの端面同士を直線状に接合する線状接合を行うことを特徴とする摩擦撹拌接合方法。

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