JP2007326126A - 摩擦攪拌接合用の接合工具、および摩擦攪拌接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】攪拌流動部の温度低下による硬化を抑制し、接合工具に掛かる負荷を軽減して移動速度を速くできるようにするとともに、良好に攪拌できるようにする摩擦撹拌接合用工具とそれを使用した接合方法を提供する。
【解決手段】円柱形状の軸部１２先端中央部に軸部に同心の小径突部１４が突設されると共に、該小径突部の外周面におねじを形成した摩擦撹拌接合用回転工具１０において、軸部の先端面であって該小径突部より外周側の円環状部分は、軸部の外周縁から小径突部に向買うに従って徐々に深くなる凹所２０とされ、該凹所の表面には、周方向において波形状に滑らかに変化する凹凸がもうけられている。凹凸が設けられているため、被接合部材の攪拌流動部との接触面積が大きくなって摩擦熱が増大するとともに、凹凸に伴う攪拌流動部の振動変形による発熱などで温度低下が抑制され、攪拌流動部の軟化状態が良好に維持される。
【選択図】図１

Description

本発明は、軸心まわりに回転駆動されつつ被接合部材に押圧されることにより摩擦熱で被接合部材を軟化させるとともに、その被接合部材に没入させられた小径突部により攪拌して接合する摩擦攪拌接合用の接合工具、および摩擦攪拌接合方法の改良に関するものである。

円柱形状の軸部の先端中央部にその軸部と同心に小径突部が突設されているとともに、その小径突部の外周面におねじが設けられた接合工具を、軸心まわりに回転駆動しながら小径突部を被接合部材に押圧することにより、摩擦熱でその被接合部材を軟化させるとともに小径突部がその被接合部材内に没入させられ、その被接合部材の接合部分を前記おねじにより攪拌して混ぜ合わせて接合する摩擦攪拌接合方法（ＦＳＷ：Friction Stir Welding ）が、アルミニウム合金やマグネシウム合金などの板材の接合方法として提案されている（特許文献１参照）。具体的には、鉄道車両や自動車などの車体を構成している金属板の接合などに利用されており、金属を融点温度以下で軟化させて混ぜ合わせることにより接合するため、レーザー溶接やスポット溶接のように金属を溶かして接合する場合に比較して加工温度が低く、変形や歪が小さい等の利点がある。特許文献１では、上記軸部の先端面であって小径突部よりも外周側の円環状部分が、外周縁から小径突部に向かうに従って徐々に深くなるテーパ形状の凹所とされているとともに、その凹所の表面にうず巻き状の溝が設けられ、被接合部材の攪拌流動部を凹所内に保持するようになっている。
特開２００２−９６１８３号公報

しかしながら、このような従来の摩擦攪拌接合用の接合工具は、軸部の先端に設けられた凹所が単純なテーパ形状であるため、攪拌流動部をその凹所より内側部分に良好に保持できるものの、摩擦による発熱作用が小さくて温度低下により硬化し易く、攪拌が不十分で組織が不均質な状態で硬化して所定の接合強度が得られない場合があるとともに、接合工具を軸心と直角方向へ移動させる際の負荷が大きくて工具寿命が低下したり移動速度が制約されたりする問題があった。

また、従来の摩擦攪拌接合方法は、接合工具を軸心まわりに回転させながら所定の接合線に沿って移動させるだけであるため、工具径によって接合断面積が規定され、その接合断面積に応じて接合強度が決まることから、接合強度に応じて工具径を大きくする必要があるが、工具径を大きくすると、接合終了時に小径突部を被接合部材から引き抜いた部分に生じる工具跡（凹み）が大きくなるという問題があった。

本発明は以上の事情を背景として為されたもので、その第１の目的とするところは、攪拌流動部の温度低下による硬化を抑制するとともに、組織を均質化することであり、別の目的は、小径突部の径寸法が小さくても十分な接合強度が得られるようにして工具跡を小さくできるようにすることにある。

かかる目的を達成するために、第１発明は、円柱形状の軸部の先端中央部にその軸部と同心に小径突部が突設されているとともに、その小径突部の外周面におねじが設けられ、軸心まわりに回転駆動されつつその小径突部が被接合部材に押圧されることにより、摩擦熱でその被接合部材を軟化させるとともに小径突部がその被接合部材内に没入させられ、その被接合部材の接合部分を前記おねじにより攪拌して混ぜ合わせて接合する摩擦攪拌接合用の接合工具において、前記軸部の先端面であって前記小径突部よりも外周側の円環状部分は、その軸部の外周縁からその小径突部に向かうに従って徐々に深くなる凹所とされているとともに、その凹所の表面には、周方向において波形状に滑らかに変化する凹凸が設けられていることを特徴とする。

第２発明は、第１発明の摩擦攪拌接合用の接合工具において、前記凹所の凹凸は、前記軸部の外周縁から前記小径突部に向かうに従って徐々に深くなる凹所の傾斜角度θが、周方向において滑らかに連続的に増減させられることによって設けられていることを特徴とする。

第３発明は、第１発明または第２発明の摩擦攪拌接合用の接合工具において、前記おねじは、前記小径突部の先端側へ向かうに従って小径となり、且つ、前記軸部側から見た軸心まわりの回転駆動方向と逆向きにねじれたテーパおねじで、軸心まわりに回転駆動されることにより、軟化した被接合部材を先端側へ流動させて攪拌することを特徴とする。

第４発明は、第１発明〜第３発明の何れかの接合工具を用いて被接合部材を摩擦攪拌接合する方法であって、前記小径突部を前記被接合部材に没入させた状態で、軸心まわりに回転駆動しつつ、前記軸部の半径寸法より小さな公転半径で公転させることにより、その軸部よりも広い範囲を摩擦攪拌接合することを特徴とする。

このような摩擦攪拌接合用の接合工具によれば、軸部先端の円環状部分が外周縁から小径突部に向かうに従って徐々に深くなる凹所とされているため、被接合部材の攪拌流動部がその凹所より内側部分に良好に保持される一方、その凹所の表面には周方向において波形状に滑らかに変化する凹凸が設けられているため、攪拌流動部との接触面積が大きくなって摩擦熱が増大するとともに、凹凸に伴う攪拌流動部の振動変形による発熱などで温度低下が抑制され、攪拌流動部の軟化状態が良好に維持される。これにより、接合工具を軸心と直角方向へ移動させながら接合処理を行う場合でも、その移動の際に接合工具に掛かる負荷が低減され、工具寿命が向上するとともに移動速度を増大させることができる。また、凹凸に伴う攪拌流動部の振動変形により、軟化状態が良好に維持されることと相まって攪拌が促進されるため、被接合部材の接合部分が十分に攪拌されてその組織が均質化され、接合強度が一層高くなる。

第２発明では、軸部の外周縁から小径突部に向かうに従って徐々に深くなる凹所の傾斜角度θが、周方向において滑らかに連続的に増減させられることによって凹凸が設けられており、外周縁では凹凸が無いため、外周縁に凹凸が存在する場合に比較して、被接合部材の攪拌流動部が凹所より内側部分に良好に保持される。

第３発明では、小径突部の先端側へ向かうに従って小径となり、且つ、軸部側から見た軸心まわりの回転駆動方向と逆向きにねじれたテーパおねじを備えており、軸心まわりに回転駆動されることにより、軟化した被接合部材を先端側へ流動させて攪拌するようになっているため、前記軸部先端の凹所と相まって攪拌流動部が小径突部の近傍で円を描くように対流させられ、良好に攪拌される。また、小径突部の先端側程小径とされているため、その小径突部を被接合部材に押圧して没入させる際の抵抗が小さくなり、円滑に没入させることができるとともに工具寿命が向上する。

第４発明の摩擦攪拌接合方法によれば、接合工具の小径突部を被接合部材に没入させた状態で、軸心まわりに回転駆動しつつ、軸部の半径寸法より小さな公転半径で公転させることにより、その軸部よりも広い範囲を摩擦攪拌接合するため、接合断面積が大きくなり、工具自体の径寸法が小さい場合でも、接合部分の組織の均質化と相まって高い接合強度が得られるようになる。また、同じ接合強度（接合断面積）であれば、小径突部等の工具径が小さい接合工具を使用することができるため、接合終了時に小径突部を被接合部材から引き抜いた部分に生じる工具跡（凹み）が小さくなり、接合品質が向上する。特に、本発明方法で使用する接合工具は、攪拌流動部の軟化状態が良好に維持されることから、移動の際に接合工具に掛かる負荷が低減され、移動速度を増大させることができるため、接合工具を速やかに公転させながら摩擦攪拌接合を行うことができる。

本発明の接合工具および接合方法は、アルミニウム合金やマグネシウム合金などの板材を摩擦攪拌接合する場合に好適に用いられるが、他の金属を接合することも可能である。また、スポット溶接のように断続的に１点ずつ接合する場合でも、所定の接合線に沿って連続的に接合する場合でも使用できる。接合工具の材質としては、合金工具鋼や高速度工具鋼など種々の工具材料を採用できる。

第２発明では、軸部の外周縁から小径突部に向かうに従って徐々に深くなる凹所の傾斜角度θが、周方向において滑らかに連続的に増減させられることによって凹凸が設けられており、小径突部の近傍部分で凹凸の変位量が最も大きくなり、外周縁では凹凸が無くなるが、内周側から外周側まで略同じ変位量で波形状に変化する凹凸を設けることもできる。上記傾斜角度θの最大値は、例えば５°〜２０°程度の範囲内が適当で、最小値は０°より大きく、５°以上が望ましい。内周側から外周側まで略同じ変位量で波形状に変化させる場合の傾斜角度θも、例えば５°〜２０°程度の範囲内が適当である。

凹凸の変位量は、例えば０．２〜０．５ｍｍ程度が適当である。０．２ｍｍより小さいと、摩擦や振動変形による発熱、攪拌の作用が十分に得られない一方、０．５ｍｍを超えると接合工具に掛かる負荷が大きくなる。

第３発明では、小径突部の先端側へ向かうに従って小径となり、且つ、軸部側から見た軸心まわりの回転駆動方向と逆向きにねじれたテーパおねじを備えているが、径寸法が一定のおねじを採用することもできるし、軸部側から見た軸心まわりの回転駆動方向と同じ向きにねじれたおねじを設け、軟化した被接合部材を軸部側へ流動させて攪拌するようにすることも可能である。

第４発明の公転は、一定の公転中心点まわりに回転させるだけで、スポット溶接的に接合処理を行う場合だけでなく、所定の接合線に沿って連続的に接合する場合に、公転中心点をその接合線に沿って連続的、或いは断続的に移動させながら、その公転中心点まわりに公転させて接合処理を連続的に行う場合も含む。第４発明は、あくまでも第１発明〜第３発明の接合工具を用いて摩擦攪拌接合を好適に行うことができる接合方法の一例で、第１発明〜第３発明の接合工具の使用に際しては、必ずしも第４発明の接合方法に限定されるものではない。例えば、公転させることなく一定位置で軸心まわりに回転駆動（自転）するだけでも良いし、その軸心を所定の接合線に沿って直線移動させて連続的に接合する場合であっても良い。また、軸部の半径寸法より大きな公転半径で公転させることもできるし、接合線に沿ってジグザグ（折れ線状）に移動させながら接合処理を行うこともできる。

以下、本発明の実施例を、図面を参照しつつ詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施例である摩擦攪拌接合用の接合工具１０を説明する図で、(a) は軸心Ｓと直角方向から見た正面図、(b) は軸心Ｓに沿って切断した先端部分の拡大断面図、(c) は先端側から見た拡大端面図、(d) は軸部１２の先端面に設けられた円環形状の凹所２０の表面形状を説明する断面図である。接合工具１０は、円柱形状の軸部１２と、その軸部１２の先端中央部に軸部１２と同心に突設された小径突部１４とを備えており、合金工具鋼〔ＳＫＤ（ＨＲＣ６４）〕にて一体に構成されている。小径突部１４は、先端側程小径となるテーパ形状を成しており、その外周面には工具回転方向と逆ねじれのテーパおねじ１６が設けられているとともに、先端面（突部先端面）１８は部分球面形状を成している。本実施例の接合工具１０は、軸部１２側（図１(a) の上方）から見て軸心Ｓの右まわりに回転駆動されて使用されるもので、テーパおねじ１６は、その回転駆動方向と逆向きの左ねじとされている。また、軸部１２の直径は１０ｍｍで、小径突部１４の最大径は４ｍｍ、テーパおねじ１６はＭ４×０．５、テーパ角度は１／１６、突部先端面１８の半径Ｒ１は４ｍｍである。

上記軸部１２の先端面であって小径突部１４よりも外周側に位置する円環状部分は、その外周縁から小径突部１４に向かうに従って徐々に深くなる凹所２０とされているとともに、その凹所２０の表面には、周方向において波形状に滑らかに変化する凹凸が設けられている。この凹凸は、軸部１２の外周縁から小径突部１４に向かうに従って徐々に深くなる凹所２０の傾斜角度θが、周方向において滑らかに連続的に増減させられることによって設けられており、図１の(d) は凹所２０が最も深い部分、すなわち小径突部１４との接続部分における周方向の断面形状である。本実施例では、傾斜角度θの最大値は約１５°で、最小値は約１０°であり、軸心Ｓまわりにおいて等角度間隔（実施例では４５°周期）で滑らかに増減させられており、最も深い部分における変位量ｔは０．５ｍｍ以下で例えば０．３ｍｍ程度である。図１(b) の右半分は凹凸の凹部（θが最大）における断面で、左半分は凹凸の凸部（θが最小）における断面である。

したがって、上記凹凸は、凹所２０の外周側へ向かうに従って変位量ｔが小さくなってなだらかになり、凹所２０の外周縁部では凹凸が完全に無くなって、全周に亘って軸心Ｓに対して直角な一平面内に位置させられている。また、図１(b) に示すように、凹所２０の外周縁部は所定の半径Ｒ２の円弧で外周面に滑らかに接続されており、凹所２０の内周縁部は所定の半径Ｒ３の円弧で小径突部１４の外周面に滑らかに接続されている。本実施例では、半径Ｒ２は約０．４ｍｍで、半径Ｒ３は約０．６ｍｍである。

そして、このような接合工具１０は、例えば図２に示すように、軸心Ｓの右まわりに回転駆動されつつ小径突部１４が一対の被接合部材３０、３２に押圧されることにより、摩擦熱でその被接合部材３０、３２を軟化させるとともに小径突部１４がその被接合部材３０、３２内に没入させられ、軟化部分をテーパおねじ１６により攪拌して混ぜ合わせて接合する。図２は、一対の被接合部材３０、３２の端縁を突き合わせて接合する場合で、(a) は斜視図、(b) は接合部分の拡大断面図、(c) は接合工具１０の移動経路Ｐを示す図であり、接合工具１０は支持台３６との間で被接合部材３０、３２を挟圧して摩擦攪拌接合するようになっている。

図２のの符号３４は、軟化させられるとともにその後の冷却で硬化した或いは硬化する接合部分で、(b) から明らかなように、接合部分３４のうち小径突部１４の近傍に位置する攪拌流動部は、テーパおねじ１６の作用で小径突部１４の先端側へ流動させられる。小径突部１４の先端側へ流動した攪拌流動部は、その後外周側から上昇させられるとともに、凹所２０の作用で小径突部１４側へ流動させられ、矢印で示すように円を描くように対流させられる。その場合に、凹所２０の表面には周方向において波形状に滑らかに変化する凹凸が設けられているため、攪拌流動部との接触面積が大きくなって摩擦熱が増大するとともに、凹凸に伴う攪拌流動部の振動変形による発熱などで温度低下が抑制され、攪拌流動部の軟化状態が良好に維持されるとともに、良好に攪拌される。これにより、一対の被接合部材３０、３２の接合部分３４が良好に攪拌されて両者が混ざり合い、組織が均質になるとともに、冷却して硬化することにより強固に一体的に接合される。この摩擦攪拌接合は、軟化して接合される接合部分３４が被接合部材３０、３２の裏面にまで達しないように行われる。

また、一対の被接合部材３０、３２の突合せ部を連続的に接合するため、接合工具１０は、小径突部１４が接合部分３４内に没入させられた状態で、その突合せ部によって表される接合線Ｌに沿って移動させられるが、本実施例では図２(c) の移動経路Ｐから明らかなように、接合工具１０を軸心Ｓまわりに回転駆動しつつ接合線Ｌを跨いで旋回させるようにして、接合処理を行うようになっている。すなわち、図２の(b) に示すように、接合工具１０を軸心Ｓまわりに回転駆動しつつ公転中心点Ｏを中心として公転させるとともに、その公転中心点Ｏを接合線Ｌに沿って連続的に例えば一定の速度で直線移動させるのである。これにより、接合工具１０の直径寸法より大きな幅寸法で摩擦攪拌接合を行うことができる。公転中心点Ｏを中心とする接合工具１０の公転半径は、公転中心点Ｏ付近に接合残しが生じないように、接合工具１０の軸部１２の半径寸法より小さい寸法とされている。

このように、本実施例の接合工具１０によれば、軸部１２の先端の円環状部分が外周縁から小径突部１４に向かうに従って徐々に深くなる凹所２０とされているため、被接合部材３０、３２の攪拌流動部がその凹所２０より内側部分に良好に保持される一方、その凹所２０の表面には周方向において波形状に滑らかに変化する凹凸が設けられているため、攪拌流動部との接触面積が大きくなって摩擦熱が増大するとともに、凹凸に伴う攪拌流動部の振動変形による発熱などで温度低下が抑制され、攪拌流動部の軟化状態が良好に維持される。これにより、接合工具１０を図２に示すように軸心Ｓと直角方向へ移動させながら摩擦攪拌接合を行う場合でも、その移動の際に接合工具１０に掛かる負荷が低減され、工具寿命が向上するとともに移動速度を増大させることができる。

また、凹所２０の凹凸により攪拌流動部が振動変形させられることにより、軟化状態が良好に維持されることと相まって攪拌が促進されるため、被接合部材３０、３２の接合部分３４が十分に攪拌されてその組織が均質化され、接合強度が一層高くなる。

また、凹所２０の傾斜角度θが周方向において滑らかに連続的に増減させられることによって凹凸が設けられており、その凹所２０の外周縁では凹凸が完全に無くなるため、外周縁まで凹凸が存在する場合に比較して、被接合部材３０、３２の攪拌流動部が凹所２０より内側部分に良好に保持される。

また、小径突部１４は先端側へ向かうに従って小径とされ、軸部１２側から見た軸心Ｓまわりの回転駆動方向と逆向きにねじれたテーパおねじ１６を備えており、軸心Ｓまわりに回転駆動されることにより、接合部分３４の攪拌流動部を先端側へ流動させて攪拌するようになっているため、前記凹所２０と相まって攪拌流動部が小径突部１４の近傍で円を描くように対流させられ、良好に攪拌されて優れた接合強度が得られる。

また、小径突部１４が先端側程小径とされているため、その小径突部１４を被接合部材３０、３２に押圧して没入させる際の抵抗が小さくなり、円滑に没入させることができるとともに工具寿命が向上する。

また、図２に示す例では、接合工具１０の小径突部１４が被接合部材３０、３２内に没入させられた状態で、軸心Ｓまわりに回転駆動されつつ、軸部１２の半径寸法より小さな公転半径で公転させられることにより、その軸部１２よりも広い範囲を摩擦攪拌接合するため、接合断面積が大きくなって軸部１２の直径より大きな幅寸法の接合部分３４が得られ、工具自体の径寸法が小さい場合でも、その接合部分３４の組織の均質化と相まって高い接合強度が得られるようになる。同じ接合強度（接合断面積）であれば、小径突部１４等の工具径が小さい接合工具１０を使用することができるため、接合終了時に小径突部１４を接合部分３４から引き抜いた部分に生じる工具跡（凹み）が小さくなり、接合品質が向上する。特に、本実施例の接合工具１０は、攪拌流動部の軟化状態が良好に維持されることから、移動の際に接合工具１０に掛かる負荷が低減され、移動速度を増大させることができるため、接合工具１０を速やかに公転させながら摩擦攪拌接合を行うことができる。

なお、上記図２の実施例では一対の被接合部材３０、３２を突き合わせて接合する場合について説明したが、図３に示すように、一対の被接合部材３０、３２を重ね合わせて接合することもできる。その場合は、攪拌により両者が混ざり合う接合部分４０が下側の被接合部材３２の板厚の途中まで達するようにして接合処理を行うことになる。

また、図４は、スポット溶接のように断続的に摩擦攪拌接合を行う場合で、複数の接合部分４２が断続的に形成される。各接合部分４２における接合工具１０の移動経路Ｐは、(b) に示すように公転中心点Ｏまわりに１回転させるだけでも良いが、(c) に示すように、公転中心点Ｏまわりに１回転させた後、更に公転中心点Ｏまで滑らかに移動させて接合処理を終了するようにしても良い。その場合は、接合工具１０の軸部１２の半径寸法より大きな公転半径で公転させるようにしても良い。

以上、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明したが、これ等はあくまでも一実施形態であり、本発明は当業者の知識に基づいて種々の変更，改良を加えた態様で実施することができる。

本発明の一実施例である摩擦攪拌接合用の接合工具を説明する図で、(a) は正面図、(b) は先端部分の拡大断面図、(c) は先端側から見た拡大端面図、(d) は凹所に設けられた凹凸を示す断面図である。 図１の接合工具を用いて一対の被接合部材を摩擦攪拌接合する接合方法の一例を説明する図で、(a) は斜視図、(b) は接合部分の拡大断面図、(c) は接合工具の移動経路Ｐを示す図である。 図１の接合工具を用いて一対の被接合部材を摩擦攪拌接合する場合の別の例を説明する図で、図２の(a) に対応する斜視図である。 図１の接合工具を用いて一対の被接合部材を摩擦攪拌接合する場合の更に別の例を説明する図で、(a) は斜視図、(b) および(c) は接合工具の移動経路Ｐの２種類の例を示す図である。

符号の説明

１０：接合工具 １２：軸部 １４：小径突部 １６：テーパおねじ（おねじ） ２０：凹所 ３０、３２：被接合部材 ３４、４０、４２：接合部分 Ｓ：軸心 Ｏ：公転中心点 Ｌ：接合線 Ｐ：移動経路 θ：凹所の傾斜角度

Claims (4)

1. 円柱形状の軸部の先端中央部に該軸部と同心に小径突部が突設されているとともに、該小径突部の外周面におねじが設けられ、軸心まわりに回転駆動されつつ該小径突部が被接合部材に押圧されることにより、摩擦熱で該被接合部材を軟化させるとともに該小径突部が該被接合部材内に没入させられ、該被接合部材の接合部分を前記おねじにより攪拌して混ぜ合わせて接合する摩擦攪拌接合用の接合工具において、
   前記軸部の先端面であって前記小径突部よりも外周側の円環状部分は、該軸部の外周縁から該小径突部に向かうに従って徐々に深くなる凹所とされているとともに、該凹所の表面には、周方向において波形状に滑らかに変化する凹凸が設けられている
   ことを特徴とする摩擦攪拌接合用の接合工具。
2. 前記凹所の凹凸は、前記軸部の外周縁から前記小径突部に向かうに従って徐々に深くなる凹所の傾斜角度θが、周方向において滑らかに連続的に増減させられることによって設けられている
   ことを特徴とする請求項１に記載の摩擦攪拌接合用の接合工具。
3. 前記おねじは、前記小径突部の先端側へ向かうに従って小径となり、且つ、前記軸部側から見た軸心まわりの回転駆動方向と逆向きにねじれたテーパおねじで、軸心まわりに回転駆動されることにより、軟化した被接合部材を先端側へ流動させて攪拌する
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の摩擦攪拌接合用の接合工具。
4. 請求項１〜３の何れか１項に記載の接合工具を用いて被接合部材を摩擦攪拌接合する方法であって、
   前記小径突部を前記被接合部材に没入させた状態で、軸心まわりに回転駆動しつつ、前記軸部の半径寸法より小さな公転半径で公転させることにより、該軸部よりも広い範囲を摩擦攪拌接合する
   ことを特徴とする摩擦攪拌接合方法。

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