JP2007301579A - 摩擦攪拌加工用ツールおよびこれを用いる摩擦攪拌加工品の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 摩擦攪拌加工において、ツールのショルダ部の沈み込みを抑制し、加工中に前進角や後退角が生じても加工部におけるバリの発生や肉厚の減少が少なく、また加工痕が目立ちにくく、品質良好な加工品を得ることのできる摩擦攪拌加工用ツールおよび摩擦攪拌加工品の製造方法を提供する。
【解決手段】 ショルダ面１１と該ショルダ面の中央部に突設されたプローブ１２とを備え、先端が円錐台形に形成された摩擦攪拌加工用ツールであって、円錐台の上底面に更に突設されたプローブを備え、ショルダが円錐台の上底面からなる第１ショルダ面及び円錐台の側面からなる第２ショルダ面からなり、該第１ショルダ面と第２ショルダ面のうち少なくとも第１ショルダ面には渦状の条溝が形成されている。このツールの回転軸を被加工材表面の法線方向プラスマイナス２度内に保ち摩擦攪拌加工により加工品を製造する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、摩擦攪拌加工用ツールおよびこれを用いる摩擦攪拌加工品の製造方法に関する。ここで、摩擦攪拌加工とは、次の背景技術の項で説明する摩擦攪拌接合、摩擦攪拌改質、摩擦攪拌点接合などの加工技術を含む。

アルミニウム合金板等の被接合材同士を接合するに際し、この被接合材の接合面を互いに突き合わせて形成される接合線の一端に、棒状の攪拌工具（ショルダ面と該ショルダ面の中央部に突設されたプローブを備えた硬い工具鋼からなるツール）のプローブを強い力で挿入し、このツールを高速回転させながら接合線に沿って他端に移動させ、その時に発生する摩擦熱により接合面近傍の材料を可塑化し、ツールのショルダ面で圧力を付加しながら被接合材の接合面同士を接合する接合方法は、摩擦攪拌接合（ＦＳＷ： Ｆｒｉｃｔｉｏｎ Ｓｔｉｒ Ｗｅｌｄｉｎｇ）と呼ばれ、広く知られている（例えば特許文献１）。

上記摩擦攪拌接合によれば、ツールと被接合材との摩擦熱を利用して接合するので、最高到達温度が融点に達せず固相状態で接合されるため、アーク溶接などの溶融溶接に比べて、接合部における強度低下が小さく、熱歪み、気孔、割れなどの接合欠陥がなく、接合面も平坦である等の利点があり、すでに鉄道車両、船舶、土木構造物、自動車などの分野で実用化されている。

また、アルミニウム合金板等の被加工材の表面に、上記のような高速回転するツールのプローブを強い力で挿入し、このツールを高速回転させながら一端から他端へ移動させ、その時に発生する摩擦熱によりツールのショルダ面およびプローブの近傍の被加工材を可塑化することにより、被加工材の一定の深さまでの結晶粒径が小さくなり、それにより被加工材の強度および硬度等を向上させる改質方法は、摩擦攪拌改質（ＦＳＰ： Ｆｒｉｃｔｉｏｎ Ｓｔｉｒ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）と呼ばれ、広く知られている（例えば特許文献２）。

上述のような摩擦攪拌加工にあっては、高速回転するツールのプローブを被加工材の加工線に沿って強い力で挿入するとともにショルダ面を強く押し付けるため、このツールの押圧力により軟化した材料がツールの外周縁側に排出されるという不具合が生ずる。その結果、加工部が肉不足になって内部にボイドが生じたり、肉厚が減少したりして加工部の強度が低下する。また、軟化した材料の排出に伴うバリが加工部の表面に発生する等の加工欠陥が発生する。

このような加工欠陥を解消するために、下記の特許文献３は、ショルダ面と該ショルダ面の中央部に突設されたプローブとを備えた摩擦攪拌加工用ツールにおいて、ショルダ面をその外周縁からプローブ中心部側に向かって窪んだ凹面に形成し、さらにこの窪んだ凹面にプローブを取り巻く態様で渦巻き状の条溝が形成されてなる摩擦攪拌接合用ツールおよびこれを用いる摩擦攪拌接合方法が提案されている。

上記提案の摩擦攪拌接合用ツールによれば、軟化材料の肉不足による加工部の強度低下や軟化材料の排出に伴うバリ発生などの接合欠陥がかなり改善される。しかし、摩擦熱により軟化した材料がショルダ面の窪みに溜まりやすくなるため、ツールにより強い力がかかるとツールのショルダ部が軟化材料の中に沈み込みやすくなる。

特に、被加工材が３次元の曲面形状の場合には、ツールの制御上、前進角や後退角が生ずることがあり、このようにツール姿勢に前進角や後退角が生ずると、ツールのショルダの周縁に近い部分が軟化材料の中により多く沈み込むことになり、バリ発生や肉厚減少の改善効果が小さくなるという問題がある。また、ツールのショルダ面によって生じるグルーブと呼ばれる加工痕が目立ちやすくなるという問題もある。摩擦攪拌接合においては被接合材同士を突き合わせて突き合せ部を接合する突合せ接合のみならず、被接合体を重ね合わせて接合する重ね合わせ接合もあるが、重ね合わせ接合においてもツールの前進角や後退角による影響を敏感に受けやすく、接合不良とならないためには、精密なツールの制御が必要とされるという問題がある。
特許第２７１２８３８号公報 特開２００３−６４４５８号公報 特開２００２−９６１８３号公報

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、摩擦攪拌加工において、ツールのショルダ部の沈み込みを抑制し、特に曲線加工や、三次元曲面加工中に前進角や後退角が生じても加工部におけるバリの発生や肉厚の減少が少なく、また加工痕が目立ちにくく、品質良好な加工品を得ることのできる摩擦攪拌加工用ツールおよび摩擦攪拌加工品の製造方法を提供することにある。

上記の目的は、次のような特徴を有する摩擦攪拌加工用ツールおよび摩擦攪拌加工品の製造方法により達成することができる。

すなわち、請求項１に係る発明は、先端が円錐台形に形成された摩擦攪拌加工用ツールであって、円錐台の上底面に更に突設されたプローブを備え、ショルダが円錐台の上底面からなる第１ショルダ面及び円錐台の側面からなる第２ショルダ面からなり、該第１ショルダ面と第２ショルダ面のうち少なくとも第１ショルダ面には渦状の条溝が形成されていることを特徴とする摩擦攪拌加工用ツールである。

請求項２に係る発明は、先端が円錐台形に形成された摩擦攪拌加工用ツールであって、円錐台の上底面に更に突設されたプローブを備え、ショルダが円錐台の上底面からなる第１ショルダ面及び円錐台の側面からなる第２ショルダ面からなり、該第１ショルダ面と第２ショルダ面に両面に連なり全体として渦状の条溝が形成されていることを特徴とする摩擦攪拌加工用ツールである。

請求項３に係る発明は、請求項１又は請求項２に係る発明において、円錐台の上底面と側面とのなす角度（θ）が１〜１０度であることを特徴とする摩擦攪拌加工用ツールである。

請求項４に係る発明は、請求項１又は請求項２に係る発明において、円錐台の上底面と側面とのなす角度（θ）が３〜７度であることを特徴とする摩擦攪拌加工用ツールである。

さらに、請求項５に係る発明は、請求項１〜４のいずれか１項に係る発明の摩擦攪拌加工用ツールを用いて摩擦攪拌加工することを特徴とする摩擦攪拌加工品の製造方法である。

さらに、請求項６に係る発明は、ツールの挿入、移動がツールを被加工材に対し法線方向プラスマイナス２度以内で行うことを特徴とする請求項５記載の摩擦攪拌加工品の製造方法である。

以下、本発明について図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は本発明の摩擦攪拌接合用ツールの一例の先端部を示す。
ツール先端部が先細りの（上底面が下底面より小さい）直円錐の上底面及び側面の形状に形成されている。
（イ）はツールの先端側から見た平面図、（ロ）は（イ）のＡ−Ａ線における断面図である。

図１において、１１はショルダ面、１２はこのショルダ面１１の中央部に突設されたプローブである。上記ショルダ面１１は、円錐台の上底面である第１のショルダ面１１ａと円錐台の側面である第２ショルダ面１１ｂとからなる。さらに、第１ショルダ面１１ａと第２ショルダ面１１ｂには両面に連なり全体として渦状の条溝１１ｃが形成されている。なお、渦状の条溝１１ｃは、少なくとも第１ショルダ平面１１ａのみに形成されていればよい。また、第１ショルダ面１１ａと第２ショルダ面１１ｂには両面形成される場合でも、第２ショルダ傾斜面１１ｂの中途で消失していてもよい。こうして、ツール１０が構成される。

条溝１１ｃが第２ショルダ傾斜面１１ｂの中途で消失せずにツール側面部まで形成されていて、ツール外周側面部に条溝１１ｃの断面が存在するツールの場合には、接合条件によってはツール外周部の条溝１１ｃに軟化した材料が急激に吸い込まれるため軟化した材料の流動状態が不安定となりバリが発生しやすくなるおそれがある。

条溝１１ｃが第２ショルダ傾斜面１１ｂの中途で消失しているツールの場合には、第２ショルダ傾斜面１１ｂの中途から条溝１１ｃが現れるため、軟化した材料を条溝１１ｃにスムースに導入し、プローブ中央部に移動させることができる。

上記ツール１０は、被加工材の材質よりも硬いＳＫＤ６１等のＳＫ或いはＳＫＤ工具鋼やＰＣＢＮ(ｐｏｌｙｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｃｕｂｉｃ ｂｏｒｏｎ ｎｉｔｒｉｄｅ)などからなる。そして、プローブ１２の外周にねじが切ってあるもの、ねじが切ってないものいずれも使用できる。第１ショルダ面１１ａと第２ショルダ面１１ｂとの境界角部、第２ショルダ面１１ｂの終端角部およびプローブ１２の先端角部は全周にわたって丸く面取りされているものが好ましい。

ツール１０のプローブ１２は、通常は断面が円形であり、例えば厚みが３〜１０ｍｍ程度の被加工材を突合せ接合する場合は、上記ショルダ部の直径は１２〜２０ｍｍ程度で、プローブ１２の直径は４〜６ｍｍ程度の棒状のものが好適に使用される。上記プローブ１２の長さは、摩擦攪拌接合する場合は被加工材の裏側に当てがわれる裏当て治具に接触しないように、被加工材の厚みよりも０．２ｍｍ程度短いのが普通である。なお、プローブ１２は先細りのテーパー状であってもよい。

渦状の条溝１１ｃは、加工中にショルダとの摩擦により軟化した被加工材料をこの条溝１１ｃに食い込ませショルダ面１１に適度に保持し留めるためのもので、図示のようにインボルート曲線のように複数条の渦巻き状に広がった曲線状のものに限らず、複数条がプローブ１２の根元からが外方へ緩やかな曲線状に旋回しているものであってもよい。尚インボルート曲線が肉の回収効率が高く望ましい。これ等の条溝１１ｃの断面形状は、通常、図示のような角型（コ字型）、Ｕ型、半円型とされるが、これ等に限定されない。また、条溝１１ｃの溝幅は一般に１〜６ｍｍ、望ましくは２〜４ｍｍとされ、溝深さは一般に０．１〜１．０ｍｍ、望ましくは０．２〜０．５ｍｍとされるが、これ等に限定されない。溝の本数は２本以上、望ましくは３本以上が好ましい。

図２は本発明の摩擦攪拌接合用ツールの他の一例の先端部を示す。本例のように溝の底面を形成する平面が共通の場合には、すなわち第１ショルダ面１１ａにおける溝深さは一定で深く、第２ショルダ面１１ｂにおいては外周に行くほど浅くなるようにされていれば、ショルダの摩擦により加工中に軟化した材料を効果的に中央のプローブ外周に寄せることができるので好ましい。

すなわち、軟化した材料はツールの回転に伴いツ−ルの外周部から中央のプローブに集められるため、外周部とから中央のプローブに向かうほど軟化した材料が移動する量はより多くなる。溝深さが一定の場合には、ツールの回転数が速くなる等により外周部から中央部に向かうに連れて軟化した材料の移動する量が増加すると軟化した材料を溝部で収容できなくなり、溝部から溢れた軟化した材料によりバリが発生することも、条件によっては考えられる。これに対しプローブ外周部から中央部に向かうに連れて溝深さが深くなるようにしておけば、軟化した材料の量を収容できる体積がプローブの外周部から中央部に向かうに連れて大きくなるので、外周部から中央部に向かうに連れて増加する軟化した材料の量を無理なく収容することができるため好ましい。

第１ショルダ面１１ａは、被加工材の加工線に沿って被加工材を押圧するもので、被加工材と当接する面が平坦な平面となされている。この第１ショルダ面１１ａを、その外周縁からプローブ中心部側に向かって窪んだ凹面に形成すると、加工中に軟化した材料がショルダ面１１ａに過剰に溜まりやすくなって、ショルダ部が軟化材料の中に沈み込みやすくなる等の不具合が生ずる。逆に、第１ショルダ面１１ａをその外周縁からプローブ中心部側に向かって膨れた凸面に形成すると、加工中に軟化した材料がツールの外周縁側に過剰に排出されやすくなり、バリが生じる等の不具合が生ずる。

円錐台の側面状の第２ショルダ面１１ｂは、ショルダ部の沈み込みを抑制する働きを担うもので、第１ショルダ面１１ａの外周縁からプローブの反対方向に末広がりに形成されている。この場合、円錐台の上底面と側面とのなす角度、いいかえれば第１ショルダ面１１ａと第２ショルダ面１１ｂとのなす角度（θ）は、１〜１０度とするのが、上記の働きを高める観点から好ましく、３〜７度とするのがさらに好ましい。

当該角度が大き過ぎる場合には、ツールと被加工材の加工部分の当該表面に対する法線方向の角度の変動により第２ショルダ面１１ｂによる上記沈み込みを抑制する働きが小さくなり、第２ショルダ面１１ｂを設置した効果が小さくなる。反対に、当該角度が０°近傍の微小の場合には、ツールと被加工材の加工部分の当該表面に対する法線方向の角度の変動により第２ショルダ面１１ｂが被加工材の加工部分に食い込んでバリの発生の原因となるため、やはり第２ショルダ面１１ｂを設置した効果が小さくなる。

本発明の摩擦攪拌加工用ツール１０は上述のように構成されている。そして、本発明の摩擦攪拌加工用ツール１０を用いて摩擦攪拌加工することにより摩擦攪拌加工品が製造される。摩擦攪拌加工の方法は、本発明のツール１０を用いること以外は公知の摩擦攪拌加工の方法が採用される。一例を説明すると次のとおりである。

先ず、２枚の板状の被接合材を接合面を互いに突き合わせて配置し固定する。被接合材としては、主として、アルミニウム合金をはじめ、マグネシウム合金、銅合金、チタン合金、鉄鋼からなる板状の被接合材が使用される。これ等の被接合材は、平たい単純な板状のもの或いは単純な２次元的な曲面を有する板状のものであってもよく、また３次元的な曲面を有する板状のものであってもよい。

その後、上記被接合材の接合線の一端に、高速回転する上記ツール１０のプローブ１２を強い力で挿入し、上記ツール１０を高速回転させながら接合線に沿って他端に移動させ、その時に発生する摩擦熱により接合面を可塑化して、ツール１０のショルダ面１１による圧力を負荷しながら接合する。ツール１０の回転方向は、渦状の条溝１１ｃにより軟化材料が第１ショルダ面１１ａの中心部に移動するように図のＲ方向に回転させる。また、ツール１０の回転速度は一般に数百〜数千回転／分、接合速度は一般に数十〜数百ｍｍ／分であるが、条件によっては１〜２ｍ／分も可能である。なお、ツール１０の押圧負荷は一般に２５００〜５０００Ｎである。

上記ツール１０は、定盤軸（Ｘ）と横行軸（Ｙ）と昇降軸（Ｚ）の機械３軸からなる公知の摩擦攪拌接合装置に取り付けられて使用される。また、三次元曲面を有する被加工材の加工においては定盤軸（Ｘ）と横行軸（Ｙ）と昇降軸（Ｚ）の機械３軸および揺動軸（Ａ）と旋回軸（Ｃ）のツール２軸とからなる公知の５軸枠型の摩擦攪拌接合装置に取り付けられて使用される。また、三つの関節軸と二つの回転軸を具備した公知のロボットアームの先端に搭載されたマシンヘッドに取り付けても使用されるが、これ等に限定されない。ツールは被加工材に対しツールの回転軸を被加工材の接合部の表面の法線方向に挿入し、あるいは接合線を形成するためツールを移動させるにおいても法線方向を維持して加工することが好ましい。

なお、上例においては、被接合材を接合する摩擦攪拌接合（ＦＳＷ）について説明したが、２枚の被接合材に替えて、これと同様な１枚の被加工材を用い、その表面に高速回転するツール１０のプローブ１２を強い力で挿入し、上記ツール１０を高速回転させながら加工線に沿って他端に移動させ、その時に発生する摩擦熱により加工面を可塑化して、ツール１０のショルダ面１１による圧力を負荷しながら移動させて加工することにより、その時に発生する摩擦熱により被加工材を改質する摩擦攪拌改質（ＦＳＰ）にも適用できる。

本発明の摩擦攪拌加工用ツールを用いて摩擦攪拌加工を行うと、主として第１ショルダ面に形成された渦状の条溝に軟化した材料が食い込み、これがツールの回転に伴いプローブ側に適量が移動する。その結果、軟化した材料がショルダ面に溜まりにくくなりバリが発生しない。

一定箇所にツールが留まるとツールの押圧力のため軟化した被加工材の表面にツールが深く沈み込み抉れた加工跡を残しやすいが、ツールが沈めば第２ショルダ面によってショルダ面積が大きくなり、ツールからの押圧が分散されるため、沈み込みに対し逆方向の作用が働く。このためツール通過跡の加工肉厚減少が抑制される。また、グルーブと呼ばれる加工痕が目立ちにくくなる。

被加工材が３次元の曲面形状の場合は、ツールの制御において前進角を一定にしてツールを移動させて加工しようとすると、接合線が複雑で曲率半径が短ければ、制御が困難になるため複雑な制御をする必要があるが、本発明のツールによれば法線方向から挿入移動させてもバリが生じないため、ツール制御が容易である。

被加工材が３次元の曲面形状の場合は、接合線が複雑で曲率半径が短ければ、ツールの制御が難しくなり前進角や後退角が生じやすくなる。摩擦攪拌接合において、後退角が生じると接合品質の劣化が激しいが、本ツールではその形態上後退角の影響を受けにくく、法線方向以外に後退角の混じるツール制御であっても安定した接合品質が得られる。

被加工材が３次元の曲面形状の場合は、接合線が複雑で曲率半径が短ければ、角度変更部でツールの角度変更制御に時間を要し同一場所に留まるため、ツールのショルダ部が軟化材料の中に沈み込みやすくなるが、第２ショルダ部を有するので沈みにくく安定したか高品質を得ることができる。

ツールの挿入、移動において、ツールを被加工材の加工部分の当該表面に対し法線方向プラスマイナス３度以内で行うので、３次元の曲面形状の場合、接合線が複雑で曲率半径が短い場合に対するツールの制御を厳密に制御せずともよくツール角制御に対する裕度が大きいので、ツールの制御プログラムの作成が容易で、加工時の速度も速くでき、突き合せ接合、重ね合わせ接合においても、接合品質が安定である。

以下、本発明の具体的な実施例を挙げる。なお、本発明はこの実施例に限定されるものではない。

（摩擦攪拌加工用ツールの作製）
図１に示すように、ツールの先端部は円錐台状に形成されており、上底面に相当する平面状の第１ショルダ面１１ａと円錐台の側面に相当する第２ショルダ面１１ｂとからなり、さらに、第１ショルダ面１１ａと第２ショルダ面１１ｂに、この両面に連なり全体としてプローブ１２の根元からが外方へ緩やかな曲線で旋回している４本の渦状の条溝１１ｃが形成されてなる摩擦攪拌加工用ツール１０を作製した。

上記ツール１０は、ＳＫＤ工具鋼からなり、ショルダ部１１とプローブ１２は断面が円形である。プローブ１２は円筒形をなす。上記ツール１０の第１ショルダ面１１ａの直径は１２ｍｍ、第２ショルダ面１１ａの直径は１８ｍｍで、プローブ１２の直径は４ｍｍ、長さは２．８５ｍｍ、第１ショルダ平面１１ａと第２ショルダ傾斜面１１ｂとのなす角度（θ）は５度である。

条溝１１ｃの断面形状は角型（コ字型）、条溝１１ｃの溝幅は４ｍｍ、溝深さは０．３ｍｍであり、この条溝１１ｃは第２ショルダ面の中途で消失している。

（摩擦攪拌接合品の製造）
裏当て治具１０の上に、アルミニウム合金（６０６１−Ｔ６）からなる四分の１半球状の被接合材（厚さ５ｍｍ、曲率半径１０００ｍｍ）の接合面を互いに突き合わせて半球状の裏当て治具の上に載置し固定した。その後、定盤軸（Ｘ）と横行軸（Ｙ）と昇降軸（Ｚ）の機械３軸および揺動軸（Ａ）と旋回軸（Ｃ）のツール２軸とからなる５軸枠型の摩擦攪拌接合装置であって突合せ部の三次元曲線を教示して制御できるようにした摩擦攪拌装置に上記ツール１０を取り付け、プローブ１２を、４７００Ｎの負荷圧力をかけて、１４００ｒｐｍで図のＲ方向に回転させながら被加工材の突合せ部の被加工材表面の法線方向から上記接合線の一端に挿入し、ツールの方向を法線方向プラスマイナス１度内を維持したまま４００ｍｍ／分の送り速度で被接合材の突合せ部に沿って他端に移動させて摩擦攪拌接合を行い、被接合材の接合品を製造した。

上記の摩擦攪拌接合により得られた被接合材の接合品は、接合部の表面にはツールによる細長い接合痕が存在するが、バリの発生や肉厚の減少は極めて少なくその他欠陥はなく、品質良好な半球状接合品が得られた。

（比較例１）
第１ショルダ面をその外周縁からプローブ中心部側に向かって円錐状に窪んだ凹面に形成したことおよび第２ショルダ傾斜面１１ｂを形成しなかったこと以外は、実施例１と同様にして摩擦攪拌接合を行ったところ、細長い接合痕が目立ちし、バリの発生や肉厚の減少が大きい半球状接合品が得られた。

本発明の摩擦攪拌接合用ツールの一例を示し、（イ）はツールの先端側から見た平面図、（ロ）は（イ）のＡ−Ａ線における断面図である。 本発明の摩擦攪拌接合用ツールの他の一例を示し、（イ）はツールの先端側から見た平面図、（ロ）は（イ）のＡ−Ａ線における断面図である。

符号の説明

１０ ツール
１１ ショルダ面
１２ プローブ
１１ａ 平面状の第１ショルダ面
１１ｂ 円錐台側面状の第２ショルダ面
１１ｃ 渦状の条溝

Claims (6)

1. 先端が円錐台形に形成された摩擦攪拌加工用ツールであって、円錐台の上底面に更に突設されたプローブを備え、ショルダが円錐台の上底面からなる第１ショルダ面及び円錐台の側面からなる第２ショルダ面からなり、該第１ショルダ面と第２ショルダ面のうち少なくとも第１ショルダ面には渦状の条溝が形成されていることを特徴とする摩擦攪拌加工用ツール。
2. 先端が円錐台形に形成された摩擦攪拌加工用ツールであって、円錐台の上底面に更に突設されたプローブを備え、ショルダが円錐台の上底面からなる第１ショルダ面及び円錐台の側面からなる第２ショルダ面からなり、該第１ショルダ面と第２ショルダ面に両面に連なり全体として渦状の条溝が形成されていることを特徴とする摩擦攪拌加工用ツール。
3. 円錐台の上底面と側面とのなす角度（θ）が１〜１０度であることを特徴とする請求項１または２に記載の摩擦攪拌加工用ツール。
4. 円錐台の上底面と側面とのなす角度（θ）が３〜７度であることを特徴とする請求項１または２に記載の摩擦攪拌加工用ツール。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の摩擦攪拌加工用ツールを用いて摩擦攪拌加工することを特徴とする摩擦攪拌加工品の製造方法。
6. ツールの挿入、移動がツールを被加工材に対し法線方向プラスマイナス２度以内で行うことを特徴とする請求項５記載の摩擦攪拌加工品の製造方法