JP2007245175A - 摩擦攪拌接合用工具 - Google Patents

Abstract

【課題】回転軸の振れを効果的に防止する摩擦攪拌接合を行う摩擦攪拌接合用工具を提供すること。
【解決手段】被接合部材同士を突き合わせた接合部を上部回転体と下部回転体とで挟み込み、その上部回転体１０１と下部回転体１０２との間で一体になって回転する攪拌軸１０３を接合部に沿って移動させることにより、摩擦熱で被接合部材同士を接合するものであって、上部及び下部回転体１０１のショルダ面には、半径方向と円周方向に形成された凹溝が複数設けられ、その凹溝によって区切られた各ブロックは、その表面が回転方向及び／又は中心方向に傾斜して形成された摩擦攪拌接合用工具１００。
【選択図】図１５

Description

本発明は、上下一対の回転体の間に攪拌軸があって、被接合部材同士を突き合わせた接合部をショルダ面によって挟み込み、回転する攪拌軸によって接合部を摩擦攪拌接合させる摩擦攪拌接合用工具に関し、特に回転軸の振れを効果的に防止する摩擦攪拌接合用工具に関する。

アルミニウム材を摩擦攪拌接合する場合、回転する攪拌ピンを挿入するとともに回転体を被接合部材に押付けて、攪拌ピンによって摩擦熱を発生させる。その際、接合ルールの反力に対処するため、被接合部材が裏当金で支えられるようにして行われる。この裏当金は被接合物の面板の裏面に密着させて設置するものであって高い剛性を必要とする。摩擦攪拌接合では、従来から、こうした工具に変えてボビンツールと呼ばれる回転工具を用いた摩擦攪拌接合方法が提案されている。

図１５は、下記特許文献１に記載する摩擦攪拌接合方法を示した図である。この摩擦攪拌接合方法では、被接合部材であるアルミニウム合金のプレート１５１，１５２が端面同士突き合わされ、そうした接合部１５３に沿って摩擦攪拌接合用工具１００が移動する。その摩擦攪拌接合用工具１００は、プレート１５１，１５２の上下を挟み込む上部回転体１０１と下部回転体１０２、そしてその間の攪拌軸１０３を備えて構成されている。摩擦攪拌接合用工具１００は、モータ１０４の駆動によって上部回転体１０１、下部回転体１０２及び攪拌軸１０３に回転が与えられ、攪拌軸１０３が結合部１５３に沿って矢印Ｓで示す方向に移動する。

攪拌軸１０３は、機械的攪拌によって周囲のアルミニウム合金（材料）を塑性流動化させ、上部回転体１０１と下部回転体１０２は、上下方向からプレート１５１，１５２を押さえ込んで可塑性ゾーンから材料が失われるのを防いでいる。従って、この状態で摩擦攪拌接合用工具１００が接合部１５３に沿って移動すると、プレート１５１，１５２の軟化した材料は、塑性流動化して攪拌混練されつつ、移動する攪拌軸１０３の後方に流れる。そして、攪拌軸１０３の後方で互いに混じり合った可塑性材は摩擦熱を失って急速に冷却固化し、プレート１５１，１５２の接合が完結する。
特表平７−５０５０９０号公報 特開２００２−９６１８３号公報 特開２００５−７４６６号公報

しかし、摩擦攪拌接合用工具１００のようなボビンツール型の工具は、上部回転体１０１と下部回転体１０２のショルダ面が材料を挟み込んで接合を行うため、材料の上下面の摩擦係数の違いや突合せ面の段差等によって回転中に攪拌軸が偏心し、摩擦攪拌接合用工具１００に振動を発生させてしまうことがある。この場合、摩擦攪拌接合用工具１００によって安定した接合を行うことが出来なくなり、振れが大きくなると攪拌軸１０３を破損させてしまうといった問題も生じる。

この点、前記特許文献３では、例えば図１６に示すように、上部回転体１０１と下部回転体１０２のショルダ面１０８に回転方向に沿って軸中心に向かう螺旋溝１１０が形成されている。これによれば、前述したような摩擦攪拌接合が行われる場合、被接合部材の肉厚中心側に向かう塑性流動が生じ、材料が攪拌軸１０３の中心側に集積して収縮力が生じる。そして、このときの収縮力が攪拌軸１０３の振れを抑えるように作用する。しかし、攪拌軸１０３の振れ防止することを目的とした場合、このような螺旋溝１１０ではその効果が十分なものではなかった。

そこで、本発明は、かかる課題を解決すべく、回転軸の振れを効果的に防止する摩擦攪拌接合を行う摩擦攪拌接合用工具を提供することを目的とする。

本発明に係る摩擦攪拌接合用工具は、被接合部材同士を突き合わせた接合部を上部回転体と下部回転体とで挟み込み、その上部回転体と下部回転体との間で一体になって回転する攪拌軸を接合部に沿って移動させることにより、摩擦熱で被接合部材同士を接合するものであって、前記上部回転体及び下部回転体のショルダ面には、半径方向と円周方向に形成された凹溝が複数設けられ、その凹溝によって区切られた各ブロックは、その表面が回転方向及び／又は中心方向に傾斜して形成されたものであることを特徴とする。

また、本発明に係る摩擦攪拌接合用工具は、前記ショルダ面の凹溝が、同心円状に形成された複数の環状凹溝と、放射状に形成された複数の直線凹溝であることが好ましい。
また、本発明に係る摩擦攪拌接合用工具は、前記ショルダ面の凹溝が、同心円状に形成された複数の環状凹溝と、その環状凹溝によって区切られた領域ごとに角度を付けて半径方向に並べた傾斜凹溝であることが好ましい。
また、本発明に係る摩擦攪拌接合用工具は、前記ショルダ面の凹溝が、螺旋状に形成された複数の螺旋凹溝と、同心円状に形成された複数の環状凹溝であることが好ましい。
また、本発明に係る摩擦攪拌接合用工具は、半径方向に形成された前記凹溝が、外周側が内周側よりも回転方向に対して先行するように傾斜したものであることが好ましい。

また本発明に係る摩擦攪拌接合用工具は、被接合部材同士を突き合わせた接合部を上部回転体と下部回転体とで挟み込み、その上部回転体と下部回転体との間で一体になって回転する攪拌軸を接合部に沿って移動させることにより、摩擦熱で被接合部材同士を接合するものであって、前記上部回転体及び下部回転体のショルダ面には、半径方向に形成された凹溝が円周方向に複数設けられ、その凹溝によって区切られた各ブロックは、半径方向に複数の段差面が形成され、各段差面が回転方向及び／又は中心方向に傾斜したものであることを特徴とする。

また、本発明に係る摩擦攪拌接合用工具は、前記ショルダ面の凹溝が、螺旋状に形成されたものであることが好ましい。
また、本発明に係る摩擦攪拌接合用工具は、前記上部回転体と下部回転体のショルダ面は環形状をしており、半径方向に形成された前記凹溝は、ショルダ面の内周縁及び外周縁にまで達し、傾斜した前記ブロックの表面によって、ショルダ面の内周縁及び外周縁の高さが変化するようにしたものであることが好ましい。

また、本発明に係る摩擦攪拌接合用工具は、被接合部材同士を突き合わせた接合部を上部回転体と下部回転体とで挟み込み、その上部回転体と下部回転体との間で一体になって回転する攪拌軸を接合部に沿って移動させることにより、摩擦熱で被接合部材同士を接合するものであって、前記上部回転体及び下部回転体のショルダ面には、外周側が回転方向に対して先行するように傾いた短尺な誘導凹部が半径方向に複数並べられたものであることを特徴とする。

また、本発明に係る摩擦攪拌接合用工具は、前記上部回転体と下部回転体のショルダ面は環形状をしており、半径方向に並べられた誘導凹部は、ショルダ面の内周縁及び外周縁に重なって形成されたものであることが好ましい。
また、本発明に係る摩擦攪拌接合用工具は、前記誘導凹部が、楕円形状または雨滴形状で形成されたものであることが好ましい。

よって、本発明の摩擦攪拌接合用工具によれば、被接合部材を挟み込む上部回転体及び下部回転体のショルダ面に、半径方向と円周方向に形成された凹溝が複数設けられ、その凹溝によって区切られた各ブロックの表面が回転方向及び／又は中心方向に傾斜して形成されているため、攪拌部分の材料を攪拌軸のある中心に向けて強力に誘導することになり、攪拌軸の周りの材料密度を高くして回転を安定させ、回転軸の振れを効果的に防止することができる。
また、本発明の摩擦攪拌接合用工具によれば、被接合部材を挟み込む上部回転体及び下部回転体のショルダ面に、外周側が回転方向に対して先行するように傾いた短尺な誘導凹部を半径方向に複数並べるようにしたため、攪拌された接合部の材料が中心方向に誘導されて攪拌軸周りの材料密度が高くなり、攪拌軸を保持する力が高まって回転を安定させ、回転軸の振れを効果的に防止することができる。

次に、本発明に係る摩擦攪拌接合用工具の実施形態について、図面を参照しながら以下に説明する。図１は、本実施形態の摩擦攪拌接合用工具の形状を簡略化して示した一部断面図である。本実施形態の摩擦攪拌接合用工具１は、上部回転体３と下部回転体４とが同軸に配置され、その軸心部を通して攪拌軸５が設けられている。攪拌軸５は、上部回転体３の中心孔を通して下方に突き出され、先端が下部回転体４に連結されている。従って、攪拌軸５は、上部回転体３と一体になって回転するが、軸方向には移動可能に構成されている。

また、摩擦攪拌接合用工具１は、上部回転体３と下部回転体４との離間距離が調整可能であり、その間に挟み込まれる被接合部材（プレート１５１，１５２）の厚さに対応でき、挟み込み荷重を制御することが可能になっている。そのため、下部回転体４は攪拌軸５の延長上に設けられた油圧シリンダなどのアクチュエータが連結され、コントローラによってストロークや荷重調整が行われるようになっている。そして、摩擦攪拌接合用工具１全体は、不図示の油圧モータやサーボモータなどの回転手段が設けられ、やはりコントローラによって回転制御が行われるようになっている。

こうした摩擦攪拌接合用工具１の上部回転体３及び下部回転体４には、回転軸の振れを効果的に防止するため、被接合部材を直接挟み込むショルダ面３ａ，４ａに加工が施されている。ショルダ面３ａ，４ａの加工は、攪拌により塑性流れを起こす接合部の材料を、攪拌軸５が回転する中心部へと誘導するようにしたものである。本実施形態の摩擦攪拌接合用工具１は、こうした材料誘導を行う上部回転体３及び下部回転体４のショルダ面３ａ，４ａに特徴を有する。そこで、各種実施形態のショルダ面について、図面を示しながら以下に説明する。

ここで図２は、第１実施形態について、摩擦攪拌接合用工具のショルダ面を示した図であり、図（ａ）は側面図を示し、図（ｂ）は斜視図を示し、そして図（ｃ）は加工面を正面から示している。また、図３は、本実施形態の摩擦攪拌接合用工具を示した図２（ｃ）のＡ−Ａ断面図である。
図２は、図１の摩擦攪拌接合用工具１を構成する上部回転体３側のショルダ面を示している。下部回転体４のショルダ面は、上部回転体３側のショルダ面と上下対称に形成されているため、ここでは上部回転体３側のショルダ面のみを示している。そこで、他の実施形態を含む以下の説明では、上部回転体３及び下部回転体４をまとめて回転体とする。

回転体１０は、攪拌軸５（図１参照、以下同じ）が通る円形の中心孔１２が形成され、ショルダ面１１には、その中心孔１２と同心円状であって径の異なる複数の環状凹溝１３が形成されている。本実施形態では３重に環状凹溝１３が形成されている。また、環状凹溝１３と交差するように複数の直線凹溝１４が放射状に形成されている。よって、ショルダ面１１は、こうした環状凹溝１３や直線凹溝１４によって複数のブロック１５に区切られている。そして、このブロック１５の表面１５ａは、平面であるが同じ高さで形成されているわけではない。

ブロック１５の表面１５ａは、環状凹溝１３や直線凹溝１４の底部（図面上方）を下にしてみると、その一つずつが、半径方向には外周側から中心孔１２側に向けて低くなるように傾斜し、円周方向には回転方向Ｘの前方が低くなるように傾斜して形成されている。よって、被接合部材に直接押し当てられるブロック１５の表面１５ａは、その全てが同じように回転方向Ｘ及び中心方向に傾斜して形成されている。なお、各ブロック１５の表面１５ａの最も高い位置は全て同じ高さであって、加工前の回転体１０の端面高さである。

そこで、こうしたショルダ面１１を有する上部及び下部の回転体１０によって被接合部材の接合部を挟み込み、その接合部を攪拌軸５を回転させながら接合線に沿って移動して摩擦攪拌接合が行われる。すなわち、回転する攪拌軸５がプレート１５１，１５２の接合部に沿って進入すると、摩擦熱によって接合部の材料が発熱して軟化し、その部分の材料が回転によって攪拌され、塑性流動してできた可塑性材によって固相接合される。その際、前方の軟化攪拌部分は、攪拌軸５によって押しのけられ、左右から後方に回り込むようにして周りを流動する。

こうして流れる接合部の材料に対し、本実施形態の摩擦攪拌接合用工具では、ショルダ面１１に形成された放射状の直線凹溝１４が回転方向Ｘに見かけ上の摩擦係数を高めることになる。従って、上部回転体と下部回転体との挟み込み圧力（押圧荷重）を抑えつつも、材料を攪拌させるための攪拌力（トルク）を維持することができる。
また、ショルダ面１１は、接合部の材料と直接接するブロック１５の表面１５ａが傾斜しているため、この面に衝突する材料には回転方向Ｘの流れとともに中心方向への流れが発生し、攪拌部分の材料が攪拌軸５へ向けて誘導される。

特に本実施形態では、ショルダ面１１の全体にブロック１５があって、それら全ての表面１５ａが傾斜しているため、攪拌部分の材料を攪拌軸５のある中心に向けて強力に誘導することになる。そのため、攪拌軸５の周りの材料密度が高くなり、攪拌軸５を保持する力が高まって回転を安定させ、攪拌軸５の振動を抑えることができる。また、このとき、攪拌軸５に接する材料との接線応力が大きくなって材料に伝えられるトルクが大きくなるため、攪拌軸５の径を大きくしたり、回転数を上げたりすることなく仕事率を上げることができる。従って、接合部に過剰に熱を発生させることはなく、接合強度の低下を抑えることができる。

ところで、ショルダ面１１の外周縁の高さが一定であると、上下のショルダ面１１で挟み込む圧力によって材料が外側へと押し出される。そして、ショルダ面１１の外周縁より材料が盛り上がってできたバリは仕上げの際に排除されるため、結果として接合部の材料が失われることになる。しかし、本実施形態ではブロック１５の表面１５ａが傾斜しているため、図２（ａ）に示すようにショルダ面１１の外周縁は、押し当てられた被接合部材との間に隙間ができる。従って、摩擦攪拌接合用工具の前方で盛り上がった材料は、隙間からショルダ面１１下に誘導され、またショルダ面１１の回転中心に向かう傾斜の作用によって内側に誘導されるので、バリが生じにくくなる。そして、バリが発生したならばその分だけ接合部の材料が失われて空洞が生じやすくなるが、バリの発生を抑えることで空洞の発生も防止することができる。

次に図４は、第２実施形態について、摩擦攪拌接合用工具のショルダ面を示した図であり、図（ａ）は側面図を示し、図（ｂ）は斜視図を示し、そして図（ｃ）は加工面を正面から示している。また、図５は、本実施形態の摩擦攪拌接合用工具を示した図４（ｃ）のＢ−Ｂ断面図である。
回転体２０は、攪拌軸５が通る円形の中心孔２２が形成され、ショルダ面２１には、その中心孔２２と同心円状であって径の異なる複数の環状凹溝２３が形成されている。本実施形態では３重に環状凹溝２３が形成されている。また、半径方向には、ショルダ面２１の内周縁から外周縁にかけて、環状凹溝２３によって区切られた領域ごとに、角度を付けた複数の傾斜凹溝２４が半径方向に並べて形成されている。半径方向に並んだ傾斜凹溝２４の列は、ショルダ面２１全体で見た場合には放射状に形成されている。そして、特にその傾斜凹溝２４は、外周側が回転方向Ｘに対して先行するように傾斜している。

こうしてショルダ面２１は環状凹溝２３や傾斜凹溝２４によって複数のブロック２５に区切られた形状になっている。そして、ブロック２５の表面２５ａは、平面であるが同じ高さで形成されているわけではない。ブロック２５の表面２５ａは、環状凹溝２３や傾斜凹溝２４の底部（図面上方）を下にしてみると、その一つずつが、半径方向には外周側から中心孔２２側に向けて低くなるように傾斜し、円周方向には回転方向Ｘの前方が低くなるように傾斜して形成されている。よって、被接合部材に直接押し当てられるブロック２５の表面２５ａは、その全てが同じように回転方向Ｘ及び中心方向に傾斜して形成されている。なお、各ブロック２５の表面２５ａの最も高い位置は全て同じ高さであって、加工前の回転体２０の端面高さである。

そこで、こうしたショルダ面２１を有する上部及び下部の回転体２０によって被接合部材の接合部を挟み込み、攪拌軸５を回転させながら接合線に沿って移動して摩擦攪拌接合が行われる。すなわち、回転する攪拌軸５がプレート１５１，１５２の接合部に沿って進入し、材料が発熱軟化して攪拌され、塑性流動してできた可塑性材によって固相接合される。その際、本実施形態では、接合部の材料に対してショルダ面２１に形成された傾斜凹溝２４が、回転方向Ｘに見かけ上の摩擦係数を高め、上部回転体と下部回転体との挟み込み圧力（押圧荷重）を抑えつつも、材料を攪拌させるための攪拌力（トルク）を維持することができる。

また、ショルダ面２１は、ブロック２５の表面２５ａが傾斜しているので、この面に衝突する接合部の材料が回転方向の流れとともに、外側から中心方向への流れを発生させる。そのため、ショルダ面２１によって挟まれた攪拌部分の材料は、回転に伴って攪拌軸５のある中心に向けて誘導する流れが生じる。そして、ショルダ面２１の全体にブロック２５があるため、材料を攪拌軸５のある中心に向けて強力に誘導することになる。従って、攪拌軸５の周りの材料密度が高くなり、攪拌軸５を保持する力が高まって回転を安定させ、攪拌軸５の振動を抑えることができる。

また、このとき攪拌軸５に接する材料との接線応力が大きくなって材料に伝えられるトルクが大きくなるため、攪拌軸５の径を大きくしたり、回転数を上げたりすることなく仕事率を上げることができる。従って、接合部に過剰に熱を発生させることはなく、接合強度の低下を抑えることができる。
更に、ショルダ面２１の外周縁は、傾斜した表面２５ａによって押し当てられた被接合部材との間に隙間ができる。そのため、摩擦攪拌接合用工具の前方で盛り上がった材料は、隙間からショルダ面２１下に誘導され、またショルダ面２１の回転中心に向かう傾斜の作用によって内側に誘導されるので、バリが生じにくくなる。そして、バリが発生したならばその分だけ接合部の材料が失われて空洞が生じやすくなるが、バリの発生を抑えることで、空洞の発生も防止することができる。

次に図６は、第３実施形態について、摩擦攪拌接合用工具のショルダ面を示した図であり、図（ａ）は側面図を示し、図（ｂ）は斜視図を示し、そして図（ｃ）は加工面を正面から示している。また、図７は、本実施形態の摩擦攪拌接合用工具を示した図６（ｃ）のＣ−Ｃ断面図である。
回転体３０は、攪拌軸５が通る円形の中心孔３２が形成され、ショルダ面３１には、半径方向に、ショルダ面３１の内周縁から外周縁にかけて複数の螺旋凹溝３３が形成されている。また、中心孔３２に対して同心円状に、螺旋凹溝３３によって区切られた不連続な環状凹溝３４が形成されている。螺旋凹溝３３は、外周側が回転方向Ｘに対して先行する曲線になっている。そして、不連続の環状凹溝３４は、回転方向Ｘに対して先行する側が外周側に位置している。

ショルダ面３１は、こうした螺旋凹溝３３や環状凹溝３４によって複数のブロック３５に区切られた形状になっている。そして、このブロック３５の表面３５ａは平面であるが、同じ高さで形成されているわけではない。ブロック３５の表面３５ａは、螺旋凹溝３３や環状凹溝３４の底部（図面上方）を下にしてみると、その一つずつが、半径方向には外周側から中心孔３２側に向けて低くなるように傾斜し、円周方向には回転方向Ｘの前方が低くなるように傾斜して形成されている。よって、被接合部材に直接押し当てられるブロック３５の表面３５ａは、その全てが同じように回転方向Ｘ及び中心方向に傾斜して形成されている。なお、各ブロック３５の表面３５ａの最も高い位置は全て同じ高さであって、加工前の回転体３０の端面高さである。

そこで、こうしたショルダ面３１を有する上部及び下部の回転体３０によって被接合部材の接合部を挟み込み、攪拌軸５を回転させながら接合線に沿って移動して摩擦攪拌接合が行われる。すなわち、回転する攪拌軸５がプレート１５１，１５２の接合部に沿って進入し、材料が発熱軟化して攪拌され、塑性流動してできた可塑性材によって固相接合される。その際、本実施形態では、接合部の材料に対してショルダ面３１に形成された螺旋凹溝３３だけでなく、環状凹溝３４によっても回転方向Ｘに見かけ上の摩擦係数が高められる。従って、上部回転体と下部回転体との挟み込み圧力（押圧荷重）を抑えつつも、材料を攪拌させるための攪拌力（トルク）を維持することができる。

また、ショルダ面３１は、ブロック３５の表面３５ａが傾斜しているので、この面に衝突する接合部の材料が回転方向の流れとともに、外側から中心方向への流れを発生させる。そのため、ショルダ面３１によって挟まれた攪拌部分の材料は、回転に伴って攪拌軸５のある中心に向けて誘導する流れが生じる。そして、ショルダ面３１の全体にブロック３５があるため、材料を攪拌軸５のある中心に向けて強力に誘導することになる。従って、攪拌軸５の周りの材料密度が高くなり、攪拌軸５を保持する力が高まって回転を安定させ、攪拌軸５の振動を抑えることができる。

また、このとき攪拌軸５に接する材料との接線応力が大きくなって材料に伝えられるトルクが大きくなるため、攪拌軸５の径を大きくしたり、回転数を上げたりすることなく仕事率を上げることができる。従って、接合部に過剰に熱を発生させることはなく、接合強度の低下を抑えることができる。
更に、ショルダ面３１の外周縁は、傾斜した表面３５ａによって押し当てられた被接合部材との間に隙間ができる。そのため、摩擦攪拌接合用工具の前方で盛り上がった材料は、隙間からショルダ面３１下に誘導され、またショルダ面３１の回転中心に向かう傾斜の作用によって内側に誘導されるので、バリが生じにくくなる。そして、バリの発生を抑えることで、空洞の発生も防止することができる。

次に図８は、第４実施形態について、摩擦攪拌接合用工具のショルダ面を示した図であり、図（ａ）は側面図を示し、図（ｂ）は斜視図を示し、そして図（ｃ）は加工面を正面から示している。また、図９は、本実施形態の摩擦攪拌接合用工具を示した図８（ｃ）のＤ−Ｄ断面図である。
回転体４０は、攪拌軸５が通る円形の中心孔４２が形成され、ショルダ面４１には、ショルダ面４１の内周縁から外周縁にかけて半径方向に螺旋凹溝４３が形成されている。螺旋凹溝４３は、回転方向Ｘに対して膨らむ方向に湾曲して形成されている。そして、本実施形態では、隣り合う螺旋凹溝４３によって挟まれ、ショルダ面４１の内周縁から外周縁まで連続する螺旋形状の螺旋ブロック４５が形成されている。

螺旋ブロック４５は、本実施形態では、半径方向に４つの段差面４５ａが形成され、ショルダ面４１全体が複数の段差面４５ａで構成されている。段差面４５ａは、螺旋凹溝４３の底部（図面上方）を下にしてみると、その一つずつが、半径方向には外周側から中心孔４２側に向けて低くなるように傾斜し、円周方向には回転方向Ｘの前方が低くなるように傾斜して形成されている。よって、被接合部材に直接押し当てられる段差面４５ａは、その全てが同じように回転方向Ｘ及び中心方向に傾斜して形成されている。また、段差部分４５ｂは、回転によって材料を中心方向に誘導するため、回転方向Ｘに対して後方が前方よりも中心側に近くなるように傾けられている。なお、各螺旋ブロック４５において各段差面４５ａの最も高い位置は全て同じ高さであって、加工前の回転体４０の端面高さである。

そこで、こうしたショルダ面４１を有する上部及び下部の回転体４０によって被接合部材の接合部を挟み込み、攪拌軸５を回転させながら接合線に沿って移動して摩擦攪拌接合が行われる。すなわち、回転する攪拌軸５がプレート１５１，１５２の接合部に沿って進入し、材料が発熱軟化して攪拌され、塑性流動してできた可塑性材によって固相接合される。本実施形態では、螺旋凹溝４３が回転方向Ｘに対して膨らむ方向に湾曲しているため、接合部の材料は中から外へ送る方向に作用するが、材料と接触する段差面４５ａが中心方向に傾いているので、攪拌部分の材料には回転に伴って攪拌軸５のある中心に向けて誘導する流れが生じる。

本実施形態のショルダ面４１は、その外周部分が攪拌力（トルク）の発生よりも材料を中心方向へ誘導を優先する。一方、内周部分では、攪拌力（トルク）の発生と材料の中心方向への誘導とを同程度に行なう。ショルダ面４１は、径の大きい外周側の周速が大きいので外周部分では仕事率が大きいため、外周での摩擦係数を大きくせずに内周部分での摩擦係数を高めるようにしている。この場合も材料が攪拌軸５のある中心に向けて誘導され、攪拌軸５の周りの材料密度が高くなり、攪拌軸５を保持する力が高まって回転を安定させ、攪拌軸５の振動を抑えることができる。

また、このとき攪拌軸５に接する材料との接線応力が大きくなって材料に伝えられるトルクが大きくなるため、攪拌軸５の径を大きくしたり、回転数を上げたりすることなく仕事率を上げることができる。従って、接合部に過剰に熱を発生させることはなく、接合強度の低下を抑えることができる。
また、ショルダ面４１の外周縁は、傾斜した段差面４５ａによって押し当てられた被接合部材との間に隙間ができる。そのため、摩擦攪拌接合用工具の前方で盛り上がった材料は、隙間からショルダ面４１下に誘導され、またショルダ面４１の回転中心に向かう傾斜の作用によって内側に誘導されるので、バリが生じにくくなる。そして、バリの発生を抑えることで、空洞の発生も防止することができる。
更に、螺旋ブロック４５ごとに各段差面４５ａが平行に形成され、機械加工の複雑さが緩和されている。

次に図１０は、第５実施形態について、摩擦攪拌接合用工具のショルダ面を示した図であり、図（ａ）は側面図を示し、図（ｂ）は斜視図を示し、そして図（ｃ）は加工面を正面から示している。また、図１１は、本実施形態の摩擦攪拌接合用工具を示した図１０（ｃ）のＥ−Ｅ断面図である。
回転体５０は、攪拌軸５が通る円形の中心孔５２が形成され、ショルダ面５１には、半径方向に、ショルダ面５１の内周縁から外周縁にかけて螺旋凹溝５３が形成されている。螺旋凹溝５３は、回転方向Ｘに対して反る方向に湾曲して形成されている。そして、本実施形態では、隣り合う螺旋凹溝５３によって挟まれ、ショルダ面５１の内周縁から外周縁まで連続する螺旋形状の螺旋ブロック５５が形成されている。

螺旋ブロック５５は、半径方向に４つの段差面５５ａが形成され、ショルダ面５１全体が複数の段差面５５ａで構成されている。段差面５５ａは、螺旋凹溝５３の底部（図面上方）を下にしてみると、その一つずつが、半径方向には外周側から中心孔５２側に向けて低くなるように傾斜し、円周方向には回転方向Ｘの前方が低くなるように傾斜して形成されている。よって、被接合部材に直接押し当てられる段差面５５ａは、その全てが同じように回転方向Ｘ及び中心方向に傾斜して形成されている。また、段差部分５５ｂは、回転によって材料を中心方向に誘導するため、回転方向Ｘに対して後方が前方よりも中心側に近くなるように傾けられている。なお、各螺旋ブロック５５において各段差面５５ａの最も高い位置は全て同じ高さであって、加工前の回転体５０の端面高さである。

そこで、こうしたショルダ面５１を有する上部及び下部の回転体５０によって被接合部材の接合部を挟み込み、攪拌軸５を回転させながら接合線に沿って移動して摩擦攪拌接合が行われる。すなわち、回転する攪拌軸５がプレート１５１，１５２の接合部に沿って進入し、材料が発熱軟化して攪拌され、塑性流動してできた可塑性材によって固相接合される。その際、本実施形態では、接合部の材料に対してショルダ面５１に形成された螺旋凹溝５３によっても回転方向Ｘに見かけ上の摩擦係数を高める。従って、上部回転体と下部回転体との挟み込み圧力（押圧荷重）を抑えつつも、材料を攪拌させるための攪拌力（トルク）を維持することができる。

また、ショルダ面５１は、段差面５５ａが傾斜しているので、この面に衝突する接合部の材料が回転方向の流れとともに、外側から中心方向への流れを発生させる。そのため、ショルダ面５１によって挟まれた攪拌部分の材料は、回転に伴って攪拌軸５のある中心に向けて誘導する流れが生じる。そして、ショルダ面５１の全体に段差面５５ａがあるため、材料を攪拌軸５のある中心に向けて強力に誘導することになる。従って、攪拌軸５の周りの材料密度が高くなり、攪拌軸５を保持する力が高まって回転を安定させ、攪拌軸５の振動を抑えることができる。

また、このとき攪拌軸５に接する材料との接線応力が大きくなって材料に伝えられるトルクが大きくなるため、攪拌軸５の径を大きくしたり、回転数を上げたりすることなく仕事率を上げることができる。従って、接合部に過剰に熱を発生させることはなく、接合強度の低下を抑えることができる。
また、ショルダ面５１の外周縁は、傾斜した段差面５５ａによって押し当てられた被接合部材との間に隙間ができる。そのため、摩擦攪拌接合用工具の前方で盛り上がった材料は、隙間からショルダ面５１下に誘導され、またショルダ面５１の回転中心に向かう傾斜の作用によって内側に誘導されるので、バリが生じにくくなる。そして、バリの発生を抑えることで、空洞の発生も防止することができる。
更に、螺旋ブロック５５ごとに各段差面５５ａが平行に形成され、機械加工の複雑さが緩和されている。

次にで図１２は、第６実施形態について、摩擦攪拌接合用工具のショルダ面を示した図であり、図（ａ）は側面図を示し、図（ｂ）は斜視図を示し、そして図（ｃ）は加工面を正面から示している。また、図１３は、本実施形態の摩擦攪拌接合用工具を示した図１２（ｃ）のＦ−Ｆ断面図である。
回転体６０は、攪拌軸５が通る円形の中心孔６２が形成され、ショルダ面６１には、フラットな面に楕円形状の誘導凹部６３が複数形成されている。複数の誘導凹部６３は、本実施形態では、半径方向には４箇所に形成され、ショルダ面６１全体では８方向に形成されている。誘導凹部６３は、半径方向に見て傾斜しており、外周側が内周側よりも回転方向Ｘにおいて先行するように形成されている。そして、半径方向の４箇所に並べられた誘導凹部６３のうち両端の位置にあるものは、ショルダ面６１の内周縁や外周縁に一部がかかって回転体６０の内側面や外側面に開放されている。

そこで、こうしたショルダ面６１を有する上部及び下部の回転体６０によって被接合部材の接合部を挟み込み、攪拌軸５を回転させながら接合線に沿って移動して摩擦攪拌接合が行われる。すなわち、回転する攪拌軸５がプレート１５１，１５２の接合部に沿って進入し、材料が発熱軟化して攪拌され、塑性流動してできた可塑性材によって固相接合される。その際、本実施形態では、接合部の材料に対してショルダ面６１に形成された誘導凹部６３が、回転方向Ｘに見かけ上の摩擦係数を高め、上部回転体と下部回転体との挟み込み圧力（押圧荷重）を抑えつつも、材料を攪拌させるための攪拌力（トルク）を維持することができる。そして、誘導凹部６３が傾きをもって攪拌された接合部の材料を中心方向に誘導する。従って、攪拌軸５の周りの材料密度が高くなり、攪拌軸５を保持する力が高まって回転を安定させ、攪拌軸５の振動を抑えることができる。

また、このとき攪拌軸５に接する材料との接線応力が大きくなって材料に伝えられるトルクが大きくなるため、攪拌軸５の径を大きくしたり、回転数を上げたりすることなく仕事率を上げることができる。従って、接合部に過剰に熱を発生させることはなく、接合強度の低下を抑えることができる。
更に、ショルダ面６１の外周縁には誘導凹部６３による開放部分が形成され、これが材料を押圧しているショルダ面６１下に誘導するためバリが生じにくくなる。そして、バリの発生を抑えることで、空洞の発生も防止することができる。

次に図１４は、第７実施形態について、摩擦攪拌接合用工具のショルダ面を示した図であり、図（ａ）は側面図を示し、図（ｂ）は斜視図を示し、そして図（ｃ）は加工面を正面から示している。
回転体７０は、攪拌軸５が通る円形の中心孔７２が形成され、ショルダ面７１には、フラットな面に雨滴形状の誘導凹部７３が複数形成されている。複数の誘導凹部７３は、本実施形態では、半径方向には４箇所に形成され、ショルダ面７１全体には８方向に並べられている。誘導凹部７３は、半径方向に見て傾斜しており、外周側が内周側よりも回転方向Ｘにおいて先行するように形成されている。特に、雨滴形状の誘導凹部７３は、目詰まりを防ぐため、幅広で深く形成された側が回転方向Ｘにおいて先行するようにしている。そして、半径方向に並べられた誘導凹部７３のうち両端の位置にあるものは、ショルダ面７１の内周縁や外周縁に一部がかかって回転体７０の内側面や外側面に開放されている。

そこで、こうしたショルダ面７１を有する上部及び下部の回転体７０によって被接合部材の接合部を挟み込み、攪拌軸５を回転させながら接合線に沿って移動して摩擦攪拌接合が行われる。すなわち、回転する攪拌軸５がプレート１５１，１５２の接合部に沿って進入し、材料が発熱軟化して攪拌され、塑性流動してできた可塑性材によって固相接合される。その際、本実施形態では、接合部の材料に対してショルダ面７１に形成された誘導凹部７３が、回転方向Ｘに見かけ上の摩擦係数を高め、上部回転体と下部回転体との挟み込み圧力（押圧荷重）を抑えつつも、材料を攪拌させるための攪拌力（トルク）を維持することができる。そして、誘導凹部７３が傾きをもって攪拌された接合部の材料を中心方向に誘導する。従って、攪拌軸５の周りの材料密度が高くなり、攪拌軸５を保持する力が高まって回転を安定させ、攪拌軸５の振動を抑えることができる。

また、このとき攪拌軸５に接する材料との接線応力が大きくなって材料に伝えられるトルクが大きくなるため、攪拌軸５の径を大きくしたり、回転数を上げたりすることなく仕事率を上げることができる。従って、接合部に過剰に熱を発生させることはなく、接合強度の低下を抑えることができる。
更に、ショルダ面７１の外周縁には誘導凹部７３による開放部分が形成され、これが材料を押圧しているショルダ面７１下に誘導するためバリが生じにくくなる。そして、バリの発生を抑えることで、空洞の発生も防止することができる。

以上、本発明に係る摩擦攪拌接合用工具について実施形態を説明したが、本発明はこれに限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。
例えば、図６に示すショルダ面３１では、ブロック３５の表面３５ａが回転方向Ｘ及び中心方向に傾斜して形成されているが、中心方向の流れは螺旋凹溝３３によっても生じるため、回転方向Ｘだけ傾斜させるようにしてもよい。

一実施形態の摩擦攪拌接合用工具を簡略化して示した一部断面図である。 第１実施形態の摩擦攪拌接合用工具について、そのショルダ面を示した側面図、斜視図および正面図である。 第１実施形態の摩擦攪拌接合用工具について、図２（ｃ）のＡ−Ａ断面を示した図である。 第２実施形態の摩擦攪拌接合用工具について、そのショルダ面を示した側面図、斜視図および正面図である。 第２実施形態の摩擦攪拌接合用工具について、図４（ｃ）のＢ−Ｂ断面を示した図である。 第３実施形態の摩擦攪拌接合用工具について、そのショルダ面を示した側面図、斜視図および正面図である。 第３実施形態の摩擦攪拌接合用工具について、図６（ｃ）のＣ−Ｃ断面を示した図である。 第４実施形態の摩擦攪拌接合用工具について、そのショルダ面を示した側面図、斜視図および正面図である。 第４実施形態の摩擦攪拌接合用工具について、図８（ｃ）のＤ−Ｄ断面を示した図である。 第５実施形態の摩擦攪拌接合用工具について、そのショルダ面を示した側面図、斜視図および正面図である。 第５実施形態の摩擦攪拌接合用工具について、図１０（ｃ）のＥ−Ｅ断面を示した図である。 第６実施形態の摩擦攪拌接合用工具について、そのショルダ面を示した側面図、斜視図および正面図である。 第６実施形態の摩擦攪拌接合用工具について、図１２（ｃ）のＦ−Ｆ断面を示した図である。 第７実施形態の摩擦攪拌接合用工具について、そのショルダ面を示した側面図、斜視図および正面図である。 ボビンツール型の摩擦攪拌接合用工具を用いた摩擦攪拌接合方法を示した図である。 上部回転体と下部回転体のショルダ面に螺旋溝を形成した従来の摩擦攪拌接合用工具を示した図である。

符号の説明

１ 摩擦攪拌接合用工具
３ 上部回転体
４ 下部回転体
５ 攪拌軸
１０ 回転体
１１ ショルダ面
１２ 中心孔
１３ 環状凹溝
１４ 直線凹溝
１５ ブロック
１５ａ 表面

Claims (11)

1. 被接合部材同士を突き合わせた接合部を上部回転体と下部回転体とで挟み込み、その上部回転体と下部回転体との間で一体になって回転する攪拌軸を接合部に沿って移動させることにより、摩擦熱で被接合部材同士を接合する摩擦攪拌接合用工具において、
   前記上部回転体及び下部回転体のショルダ面には、半径方向と円周方向に形成された凹溝が複数設けられ、その凹溝によって区切られた各ブロックは、その表面が回転方向及び／又は中心方向に傾斜して形成されたものであることを特徴とする摩擦攪拌接合用工具。
2. 請求項１に記載する摩擦攪拌接合用工具において、
   前記ショルダ面の凹溝は、同心円状に形成された複数の環状凹溝と、放射状に形成された複数の直線凹溝であることを特徴とする摩擦攪拌接合用工具。
3. 請求項１に記載する摩擦攪拌接合用工具において、
   前記ショルダ面の凹溝は、同心円状に形成された複数の環状凹溝と、その環状凹溝によって区切られた領域ごとに角度を付けて半径方向に並べた傾斜凹溝であることを特徴とする摩擦攪拌接合用工具。
4. 請求項１に記載する摩擦攪拌接合用工具において、
   前記ショルダ面の凹溝は、螺旋状に形成された複数の螺旋凹溝と、同心円状に形成された複数の環状凹溝であることを特徴とする摩擦攪拌接合用工具。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれかに記載する摩擦攪拌接合用工具において、
   半径方向に形成された前記凹溝は、外周側が内周側よりも回転方向に対して先行するように傾斜したものであることを特徴とする摩擦攪拌接合用工具。
6. 被接合部材同士を突き合わせた接合部を上部回転体と下部回転体とで挟み込み、その上部回転体と下部回転体との間で一体になって回転する攪拌軸を接合部に沿って移動させることにより、摩擦熱で被接合部材同士を接合する摩擦攪拌接合用工具において、
   前記上部回転体及び下部回転体のショルダ面には、半径方向に形成された凹溝が円周方向に複数設けられ、その凹溝によって区切られた各ブロックは、半径方向に複数の段差面が形成され、各段差面が回転方向及び／又は中心方向に傾斜したものであることを特徴とする摩擦攪拌接合用工具。
7. 請求項６に記載する摩擦攪拌接合用工具において、
   前記ショルダ面の凹溝は、螺旋状に形成されたものであることを特徴とする摩擦攪拌接合用工具。
8. 請求項１乃至請求項７のいずれかに記載する摩擦攪拌接合用工具において、
   前記上部回転体と下部回転体のショルダ面は環形状をしており、半径方向に形成された前記凹溝は、ショルダ面の内周縁及び外周縁にまで達し、傾斜した前記ブロックの表面によって、ショルダ面の内周縁及び外周縁の高さが変化するようにしたものであることを特徴とする摩擦攪拌接合用工具。
9. 被接合部材同士を突き合わせた接合部を上部回転体と下部回転体とで挟み込み、その上部回転体と下部回転体との間で一体になって回転する攪拌軸を接合部に沿って移動させることにより、摩擦熱で被接合部材同士を接合する摩擦攪拌接合用工具において、
   前記上部回転体及び下部回転体のショルダ面には、外周側が回転方向に対して先行するように傾いた短尺な誘導凹部が半径方向に複数並べられたものであることを特徴とする摩擦攪拌接合用工具。
10. 請求項９に記載する摩擦攪拌接合用工具において、
    前記上部回転体と下部回転体のショルダ面は環形状をしており、半径方向に並べられた誘導凹部は、ショルダ面の内周縁及び外周縁に重なって形成されたものであることを特徴とする摩擦攪拌接合用工具。
11. 請求項９又は請求項１０に記載する摩擦攪拌接合用工具において、
    前記誘導凹部は、楕円形状または雨滴形状で形成されたものであることを特徴とする摩擦攪拌接合用工具。

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