JP2010247183A - 摩擦撹拌接合用工具 - Google Patents

Abstract

【課題】シャンクに回転子を確実に保持できると共にシャンクの回転駆動力を回転子に確実に伝達でき、さらに回転子の交換作業性に優れる摩擦撹拌接合用工具を提供すること。
【解決手段】係合突部と、係合突部を軸線方向に沿って挿抜可能に受け入れる係合凹部とを備える。係合凹部は、係合突部が挿入されることで回転子３に対するシャンク２の軸線Ｃまわりの相対回転を規制する。さらに超合金製の回転子３の一部が着磁されている。これにより、回転子３の軸線Ｃまわりの相対回転を規制し、空回りすることなく、シャンク２の回転駆動力を回転子３に確実に伝達できる。また回転子３を磁性材料製のシャンク２に磁力で吸着させ、シャンク２に回転子３を確実に保持できる。さらに回転子３を交換する際には、磁力に抗する力で回転子３を軸線Ｃ方向に沿って引き離すだけで、回転子３をシャンク２から取り外すことができ交換作業性に優れる。
【選択図】図２

Description

本発明は、摩擦撹拌接合用工具に関し、特に、シャンクに回転子を確実に保持できると共にシャンクの回転駆動力を回転子に確実に伝達でき、さらに回転子の交換作業性に優れる摩擦撹拌接合用工具に関するものである。

摩擦撹拌接合法は、高速回転させた摩擦撹拌接合用工具のピンを被接合材の接合線に押し込み、所定の速度で接合線に沿って移動させることにより、摩擦撹拌接合用工具と被接合材との間に生じた摩擦熱を利用して被接合材を軟化させ、塑性流動を起させて被接合材同士を接合する方法である。

ここで、摩擦撹拌接合用工具は、一般に工具鋼で製造されるが、軟化した被接合材が溶着し易く、また早期に摩耗し耐久性に欠ける。工具鋼の代わりに超硬合金で製造した場合は、耐溶着性と耐久性とを向上できるが、材料コストが増加する。

そこで、被接合材に押し込まれるピンを有する回転子と、その回転子に回転駆動力を与えるシャンクとを別体とし、被接合材と接触する回転子を超硬合金で形成すると共に、シャンクを工具鋼で形成し、回転子をシャンクに着脱自在に固定する技術が開示されている（特許文献１）。特許文献１に開示される技術では、回転子の後部側に係止部を切欠き形成すると共に、シャンクに回転子の後部側を挿入する収容部を形成している。回転子の後端部を収容部内に挿入すると共に、収容部内に挿入された回転子の係止部にねじを押し付けて、回転子をシャンクに固定する。

また、着脱可能に作られた回転子をシャンクに固定する技術として、摩擦撹拌接合用工具の回転に対し逆ねじとなる雄ねじが外周面に形成されたピン棒を、ツール本体（シャンク）に形成された軸孔に螺入して固定する技術がある（特許文献２）。

特開２００５−１９９２８１号公報 特開２００４−２９１０５７号公報

しかしながら、特許文献１に開示される技術では、被接合材と回転子との間に発生した摩擦熱が回転子およびシャンクに伝わるため、回転子およびシャンクが熱膨張し、振動で回転子の係止部に押し付けたねじが緩み易くなる。ねじが緩むと、回転子が収容部内で空回りして、シャンクの回転駆動力が回転子に伝達されなくなるという問題点があった。また、接合前、回転子を高速回転させるときや、接合後、被接合材に押し込んだ回転子を引き抜くときに、意図しないのに、回転子がシャンクから外れるという問題点があった。

また、特許文献２に開示される技術では、ピン棒には逆ねじが形成されているので、回転させたピン棒を被接合材に押し付けると、ピン棒はシャンクにねじ込まれる傾向となる。このため、摩耗したピン棒や被接合材が溶着したピン棒を、交換するためにシャンクから取り外そうとしても外し難く、交換作業性に欠けるという問題点があった。

本発明は上述した問題点を解決するためになされたものであり、シャンクに回転子を確実に保持できると共にシャンクの回転駆動力を回転子に確実に伝達でき、さらに回転子の交換作業性に優れる摩擦撹拌接合用工具を提供することを目的としている。

この目的を達成するために、請求項１記載の摩擦撹拌接合用工具は、軸線まわりに回転される回転子本体およびその回転子本体の前端部に突設されるピンを有する超硬合金製の回転子と、その回転子の後端部に前端部が着装される磁性材料製のシャンクと、を備えるものであり、前記回転子の後端部または前記シャンクの前端部の一方から突設される係合突部と、前記回転子の後端部または前記シャンクの前端部の他方に凹設され前記係合突部を軸線方向に沿って挿抜可能に受け入れると共に前記係合突部と軸線まわりに係合する係合凹部と、前記シャンクおよび前記回転子に形成され前記係合凹部に前記係合突部が挿入されることで互いに当接し前記シャンクに対する前記回転子の軸線方向の相対移動を規制する第１面および第２面と、を備え、前記回転子の少なくとも一部が着磁されている。

請求項２記載の摩擦撹拌接合用工具は、請求項１記載の摩擦撹拌接合用工具において、前記係合突部および前記係合凹部が、前記軸線に対して点対称状に形成されている。

請求項３記載の摩擦撹拌接合用工具は、請求項１又は２に記載の摩擦撹拌接合用工具において、前記係合突部は前記回転子の後端部から突設されており、前記係合突部の磁束密度が、前記ピンの磁束密度より大きくされている。

請求項４記載の摩擦撹拌接合用工具は、請求項１から３のいずれかに記載の摩擦撹拌接合用工具において、前記係合突部が、前記軸線と平行に歯すじが形成された複数の突条を備え、前記係合凹部が、前記軸線と平行に形成された複数の凹溝を備える。

請求項１記載の摩擦撹拌接合用工具によれば、回転子を構成する超硬合金は、主成分となる高融点金属の炭化物に鉄系金属（結合剤）を混合して焼結した複合材料であるため、回転子の後端部を着磁（磁化）できる。さらに、摩擦撹拌接合用工具は、係合凹部に係合突部が挿入されることで互いに当接する第１面および第２面を備えているので、回転子を磁性材料製のシャンクに磁力で吸着させることで、シャンクに対する回転子の軸線方向の相対移動を規制して、シャンクの前端部に回転子を確実に保持できるという効果がある。

また、摩擦撹拌接合用工具は、係合突部と、係合突部を軸線方向に沿って挿抜可能に受け入れる係合凹部とを備えているので、回転子を交換する際には、磁力に抗する力で回転子を軸線方向に沿って引き離すだけで、回転子をシャンクから取り外すことができ、回転子の交換作業性に優れるという効果がある。また、係合凹部に係合突部が挿入されることで回転子に対するシャンクの軸線まわりの相対回転を規制するので、空回りすることなく、シャンクの回転駆動力を回転子に確実に伝達できるという効果がある。

請求項２記載の摩擦撹拌接合用工具によれば、請求項１記載の摩擦撹拌接合用工具の奏する効果に加え、係合突部および係合凹部が、軸線に対して点対称状に形成されているので、回転子が被接合材から受ける反作用を偏りなくシャンクに伝達することができる。よって、係合突部および係合凹部が偏荷重によって早期に破損することを防止し、耐久性を向上できるという効果がある。

請求項３記載の摩擦撹拌接合用工具によれば、請求項１又は２に記載の摩擦撹拌接合用工具の奏する効果に加え、係合突部は回転子の後端部から突設されているので、係合突部の後端とピンとの距離を大きくとることができ、係合突部の後端とピンとの磁束密度差を大きくできる。さらに、係合突部の磁束密度が、ピンの磁束密度より大きくされているため、ピンが被接合材から受ける吸着力より、回転子の係合突部がシャンクから受ける吸着力を大きくできる。この結果、接合後、回転子を被接合材から引き抜く際、回転子が被接合材に吸着されて被接合材に取り残されることを防止できるという効果がある。

請求項４記載の摩擦撹拌接合用工具によれば、請求項１から３のいずれかに記載の摩擦撹拌接合用工具の奏する効果に加え、係合突部が軸線と平行に歯すじが形成された複数の突条を備え、係合凹部が軸線と平行に形成された複数の凹溝を備えるから、係合突部と係合凹部との接触面積を増やすことができる。この結果、被接合材と回転子との間に発生した摩擦熱を、シャンクに効率良く伝導して拡散させ放出させることができる。これにより、被接合材の接合部の蓄熱を抑制して、接合部が熱変形することを抑制できる効果がある。

（ａ）は本発明の第１実施の形態における摩擦撹拌接合用工具の側面図であり、（ｂ）は本発明の第１実施の形態における摩擦撹拌接合用工具の正面図である。 図１（ｂ）のＩＩ−ＩＩ線における摩擦撹拌接合用工具の断面図である。 図１（ａ）のＩＩＩ−ＩＩＩ線における摩擦撹拌接合用工具の断面図である。 本発明の第２実施の形態における摩擦撹拌接合用工具の軸線と平行方向における軸線を通る断面図である。 本発明の第３実施の形態における摩擦撹拌接合用工具及び変形例における摩擦撹拌接合用工具の軸線と直交方向における断面図である。 本発明の第４実施の形態における摩擦撹拌接合用工具の分解斜視図である。

以下、本発明の好ましい実施の形態について、添付図面を参照して説明する。図１（ａ）は本発明の第１実施の形態における摩擦撹拌接合用工具の側面図であり、図１（ｂ）は本発明の第１実施の形態における摩擦撹拌接合用工具の正面図である。

まず、摩擦撹拌接合用工具１の概略構成について説明する。図１に示すように、摩擦撹拌接合用工具１は、円筒状に形成されたシャンク２と、シャンク２の前端部に固着された回転子３とを主に備えて構成されている。回転子３は、円筒状の回転子本体４と、回転子本体４の前端部の軸線Ｃ上に突設したピン６とを備えており、回転子本体４の前端部のピン６の周囲に肩部５が形成されている。回転子３は、超硬合金製で回転子本体４及びピン６が一体に形成されている。本実施の形態においては、シャンク２は磁性材料である工具鋼で形成されている。

次いで、各部の詳細構成について説明する。図２は図１（ｂ）のＩＩ−ＩＩ線における摩擦撹拌接合用工具１の断面図であり、図３は図１（ａ）のＩＩＩ−ＩＩＩ線における摩擦撹拌接合用工具１の断面図である。

図２に示すように、摩擦撹拌接合用工具１のシャンク２の前端部の軸線Ｃ上に、凹陥部７が形成されている。回転子３の後端部には、凹陥部７に挿入される凸部８が回転子本体４と一体に軸線Ｃ上に突設されている。凸部８の外径は高さ方向（図２上側）に対して同一の大きさに形成されており、凹陥部７の内径は深さ方向（図２上側）に対して同一の大きさに形成されている。

ここで、本実施の形態においては、凹陥部７の深さが、凸部８の高さより少し深めに形成されている。この結果、回転子３の後端部に突設された凸部８をシャンク２の凹陥部７に挿入すると、回転子３の凸部８の周囲に形成された回転子３の第２面３ａは、シャンク２の凹陥部７の周囲に形成されたシャンク２の第１面２ａと軸線Ｃ方向に当接する。これにより、シャンク２に対する回転子３の軸線Ｃ方向の相対移動が規制され、シャンク２からの軸線Ｃ方向の圧力を回転子３に確実に伝達できる。

次いで、図３に示すように、摩擦撹拌接合用工具１を軸線Ｃと直交方向に断面視して、凸部８は円形状に形成されている。凸部８は高さ方向（図３の紙面奥側）に延設されて全体として円筒状に形成されている。回転子３の後端部から、凸部８の外周面に沿って高さ方向（図３の紙面奥側）に亘り、軸線Ｃに対して点対称状の複数（本実施の形態においては８本）の突条の係合突部８ａが突設されている。本実施の形態においては、突条は軸線Ｃに対して歯すじ８ｂが平行に形成されている。

一方、シャンク２には、凹陥部７の内周面に沿って深さ方向に凹溝状の係合凹部７ａが複数個所に形成されている。係合凹部７ａはシャンク２の前端部に凹設されており、回転子３の係合突部８ａと対応する位置に、軸線Ｃに対して平行に形成されている。これにより、凹陥部７に凸部８を挿入すると、係合突部８ａは係合凹部７ａに嵌挿される。

また、係合突部８ａ及び係合凹部７ａは、軸線Ｃと垂直に交差する面において、軸線Ｃから所定量離れたところに形成されているので、回転子３に対するシャンク２の軸線Ｃまわりの相対回転が規制され、空回りすることなく、シャンク２の回転駆動力を回転子３に確実に伝達することができる。また、係合突部８ａは、軸線Ｃと平行に歯すじ８ｂが形成されているので、シャンク２からの回転駆動力が分散することなく回転子３に伝達される。さらに、係合突部８ａが、軸線Ｃと平行に歯すじ８ｂが形成されており、係合凹部７ａが軸線Ｃに対して平行に形成されているので、回転子３を軸線Ｃに沿って挿抜でき、回転子３の交換作業性に優れている。

なお、回転子３は、高融点金属の炭化物を主成分とし、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ等の鉄系金属を結合剤として焼結した超硬合金で形成されている。このため、静電場着磁やパルス着磁によって、回転子３の後端部側（凸部８、係合突部８ａ及び第２面３ａ）の少なくとも一部を着磁できる。回転子３の後端部側の少なくとも一部が着磁されていると、磁性材料製のシャンク２に形成された凹陥部７に凸部８を挿入すれば、回転子３は磁力でシャンク２に吸着され保持される。このため、接合前、回転子３を被接合材（図示しない）の外側で高速回転させるときに、回転子３がシャンク２から抜けて外れることを防止できる。

また、本実施の形態においては、静電場着磁やパルス着磁によって、回転子３の凸部８及び係合突部８ａを部分的に着磁するか、若しくは回転子３の全体を着磁した後、ピン６の近傍を部分的に脱磁している。係合突部８ａは回転子３の後端部から突設されているので、係合突部８ａの後端とピン６との距離を大きくとることができ、係合突部８ａの後端とピン６との磁束密度差を大きくできる。さらに、回転子３は、係合突部８ａの磁束密度がピン６の磁束密度より大きくされているため、ピン６が被接合材から受ける吸着力より、回転子３がシャンク２から受ける吸着力を大きくできる。これにより、接合後、回転子３を被接合材から引き抜く際、回転子３が被接合材に吸着されて取り残されることを防止できる。

また、係合突部８ａ及び係合凹部７ａが、軸線Ｃに対して点対称状に形成されているので、接合時に回転子３が被接合材（図示しない）から受ける反作用を、偏りなく係合凹部７ａに伝達することができ、係合突部８ａや係合凹部７ａが偏荷重によって早期に破損することを防止し、耐久性を向上できる。

また、係合突部８ａが、軸線Ｃと平行に歯すじ８ｂが形成された複数の突条を備え、係合凹部７ａが複数の凹溝を備えているから、係合突部８ａと係合凹部７ａとの接触面積を増やすことができる。この結果、被接合材（図示しない）と回転子３との間に発生した摩擦熱を、係合突部８ａから係合凹部７ａに効率良く伝導してシャンク２に拡散させ放出させることができる。これにより、連続して摩擦撹拌接合を行う場合でも、被接合材の接合部（図示しない）の蓄熱を抑制して、接合部が熱変形することを抑制できる。

次いで、図４を参照して、第２実施の形態について説明する。図４は本発明の第２実施の形態における摩擦撹拌接合用工具１１の軸線Ｃと平行方向における軸線Ｃを通る断面図である。第１実施の形態においては、凸部８の外径が高さ方向に対して同一径の円筒状に形成されており、凹陥部７の内径が深さ方向に対して同一の大きさに形成されている場合について説明した。これに対し、第２実施の形態においては、凸部１８が高くなるにつれて外径が漸次小さくなるように形成されており、凹陥部１７が深くなるにつれて内径が漸次小さくなるように形成されている場合について説明する。

なお、第１実施の形態と同一の部分については同一の符号を付して、その説明を省略する。また、本実施の形態における摩擦撹拌接合用工具１１の凸部１８及び凹陥部１７の軸線Ｃと直交方向の断面視における形状は、第１実施の形態における摩擦撹拌接合用工具１の凸部８及び凹陥部７の軸線Ｃと直交方向の断面視における形状と同じものとして説明する。

摩擦撹拌接合用工具１１は、シャンク２の前端部の中心の軸線Ｃ上に凹陥部１７が形成されている。回転子３の後端部には、凹陥部１７に挿入される凸部１８が回転子本体４と一体に軸線Ｃ上に形成されている。凹陥部１７は深さ（図４上側）が増すにつれ内径が漸次小さくなるように形成されており、凸部１８は高さ（図４上側）が増すにつれ外径が漸次小さくなるように形成されている。また、凸部１８は、凸部１８の最大外径が、凹陥部１７の最大内径より大きくなるように形成されている。この結果、凸部１８を凹陥部１７に挿入すると、凸部１８の周囲の平坦面と凹陥部１７の周囲の平坦面とは互いに当接せず、凸部１８の高さ方向の傾斜面（第２面３ａ）と凹陥部１７の深さ方向の傾斜面（第１面２ａ）とが互いに当接し、シャンク２に対する回転子３の軸線Ｃ方向の相対移動を規制する。

これにより、凸部の外径を高さ方向（図４上側）に対して同一の大きさに形成する場合（第１実施の形態の場合）と比較して、凸部１８の体積を減らすことができるため、第１実施の形態における作用に加え、回転子３を構成する高価な超硬合金の材料コストを低減させることができる。また、凸部１８は高さが増すにつれ外径が漸次小さくなるように形成されているので、凸部の外径を高さ方向に対して同一の大きさに形成する場合（第１実施の形態の場合）と比較して、凹陥部１７への凸部１８の挿抜を容易にすることができる。

次いで、図５を参照して、第３実施の形態における摩擦撹拌接合用工具２１及び第３実施の形態の変形例における摩擦撹拌接合用工具３１，４１，５１について説明する。図５（ａ）は本発明の第３実施の形態における摩擦撹拌接合用工具２１の軸線Ｃと直交方向における断面図であり、図５（ｂ）〜図５（ｄ）は第３実施の形態の変形例における摩擦撹拌接合用工具３１，４１，５１の軸線Ｃと直交方向における断面図である。なお、第１実施の形態と同一の部分については同一の符号を付して、その説明を省略する。

図５（ａ）に示すように、摩擦撹拌接合用工具２１は、回転子３の後端部の凸部２８が、軸線Ｃと直交方向に断面視して三角状に形成されており、高さ方向（図５（ａ）の紙面奥側）に延設されて全体として三角柱状または三角錐状に突設されている。凸部２８の外周面には、軸線Ｃに対して点対称状に複数（本実施の形態においては３本）の凸稜線２８ｂが形成されており、この凸稜線２８ｂを形成する壁面が係合突部２８ａとなる。各々の凸稜線２８ｂは、軸線Ｃを含む仮想平面内に形成されている。また、回転子３の凸部２８及び係合突部２８ａは着磁されている。

一方、シャンク２の前端部には、係合突部２８ａを受け入れる凹陥部２７が形成されている。凹陥部２７は、軸線Ｃと直交方向に断面視して三角状に形成されており、内周面に複数（本実施の形態においては３本）の凹稜線が形成されている。凹稜線を形成する壁面が、係合突部２８ａに対応した係合凹部２７ａとなる。係合凹部２７ａをつくる各々の凹稜線は、軸線Ｃを含む仮想平面内に形成されている。

この結果、凹陥部２７に凸部２８を挿入すると、回転子３の後端部に突設された係合突部２８ａは、シャンク２の前端部に凹設された係合凹部２７ａと軸線Ｃを中心とする回転方向に係合する。係合突部２８ａ及び係合凹部２７ａは、軸線Ｃと垂直に交差する面において、軸線Ｃから所定量離れたところに形成されているので、回転子３に対するシャンク２の軸線Ｃまわりの相対回転を規制し、空回りすることなく、シャンク２の回転駆動力を回転子３に確実に伝達することができる。

また、回転子３の凸部２８の各々の凸稜線２８ｂと、シャンク２の凹陥部２７の各々の凹稜線とは、いずれも軸線Ｃを含む仮想平面内に形成されているので、磁力に抗する力で回転子３を軸線Ｃ方向に沿って引き離すことで、回転子３をシャンク２から取り外すことができ、回転子３の交換作業性に優れる。

また、係合突部２８ａ及び係合凹部２７ａが、軸線Ｃに対して点対称状に形成されているので、回転子３が被接合材（図示しない）から受ける反作用を偏りなくシャンク２の係合凹部２７ａに伝達することができ、係合突部２８ａ及び係合凹部２７ａが偏荷重によって早期に破損することを防止し、耐久性を向上できる。さらに、係合突部２８ａが凸部２８の凸稜線２８ｂによって形成されているので、加工が容易で、摩擦撹拌接合用工具２１の生産性に優れる。

次に、図５（ｂ）を参照して、摩擦撹拌接合用工具３１は、回転子３の後端部に突設された凸部３８が、軸線Ｃと直交方向に断面視して方形状に形成されており、高さ方向（図５（ｂ）の紙面奥側）に延設されて全体として四角柱状または四角錐状に形成されている。凸部３８の外周面には、軸線Ｃに対して点対称状に複数（本実施の形態においては４本）の凸稜線３８ｂが形成されており、この凸稜線３８ｂを形成する壁面が係合突部３８ａとなる。

一方、シャンク２の前端部には、係合突部３８ａを受け入れる凹陥部３７が形成されている。凹陥部３７は、軸線Ｃと直交方向に断面視して方形状に形成されて内周面に複数（本実施の形態においては４本）の凹稜線が形成されている。凹稜線を形成する壁面が、係合突部３８ａに対応した係合凹部３７ａとなる。係合凹部３７ａをつくる各々の凹稜線は、軸線Ｃを含む仮想平面内に形成されている。

この結果、凹陥部３７に凸部３８を挿入すると、回転子３の後端部に突設された係合突部３８ａは、シャンク２の前端部に凹設された係合凹部３７ａと軸線Ｃを中心とする回転方向に係合する。係合突部３８ａ及び係合凹部３７ａは、軸線Ｃと垂直に交差する面において、軸線Ｃから所定量離れたところに形成されているので、回転子３に対するシャンク２の軸線Ｃまわりの相対回転を規制し、空回りすることなく、シャンク２の回転駆動力を回転子３に確実に伝達することができる。

また、回転子３の凸部３８の各々の凸稜線３８ｂと、シャンク２の凹陥部３７の各々の凹稜線とは、いずれも軸線Ｃを含む仮想平面内に形成されているので、磁力に抗する力で回転子３を軸線Ｃと平行方向に引き離すことで、回転子３をシャンク２から容易に取り外すことができる。

また、係合突部３８ａが、軸線Ｃに対して点対称状に形成されているので、回転子３が被接合材（図示しない）から受ける反作用を偏りなくシャンク２の係合凹部３７ａに伝達することができ、係合突部３８ａが偏荷重によって早期に破損することを防止して耐久性を向上できる。さらに、凸部３８が全体として四角柱状または四角錐状に形成されているので、加工が容易で摩擦撹拌接合用工具３１の生産性に優れると共に、凸部３８の断面積を増加させて機械的強度を向上させる。

次に、図５（ｃ）を参照して、摩擦撹拌接合用工具４１は、回転子３の凸部４８が、軸線Ｃと直交方向に断面視して円形状に形成されており、高さ方向（図５（ｄ）の紙面奥側）に延設されて全体として円柱状または円錐状に形成されている。凸部４８の外周面には、軸線Ｃに対して点対称状に形成された複数（本実施の形態においては２本）の凹溝状の係合凹部４８ａを備えている。係合凹部４８ａは、凸部４８の高さ方向（図５（ｃ）紙面奥側）に亘って、軸線Ｃを含む仮想平面内に形成されている。

一方、シャンク２に形成された凹陥部４７の内周面には、係合凹部４８ａと回転方向（図５（ｃ）において矢印で示す）に係合可能な複数（本実施の形態においては２本）の突条の係合突部４７ａが、凹陥部４７の深さ方向（図５（ｃ）紙面奥側）に亘って、軸線Ｃを含む仮想平面内に形成されている。

これにより、上述したように、摩擦撹拌接合用工具４１は、回転子３が空回りすることなく、シャンク２の回転駆動力を回転子３に確実に伝達することができると共に、軸線Ｃ方向に沿って回転子３を挿抜できる。また、係合凹部４８ａが、軸線Ｃに対して点対称状に形成されているので、回転子３が被接合材（図示しない）から受ける反作用を偏りなくシャンク２の係合突部４７ａに伝達することができる。

次に、図５（ｄ）を参照して、摩擦撹拌接合用工具５１の回転子３の凸部５８に、外周面の複数個所（本実施の形態においては４箇所）に、軸線Ｃと直交方向に断面視して半円形状の突条からなる係合突部５８ａが突設されている。係合突部５８ａは回転子３の後端部に突設され、凸部５８の高さ方向（図５（ｅ）の紙面奥側）亘って、同一断面形状で形成されている。

一方、シャンク２に形成された凹陥部５７の内周面には、係合突部５８ａが嵌挿される複数（本実施の形態においては４本）の凹溝状の係合凹部５７ａが形成されている。係合凹部５７ａは、シャンク２の前端部に凹設され、凹陥部５７の深さ方向に亘って形成されている。これにより、摩擦撹拌接合用工具５１は、回転子３が空回りすることなく、シャンク２の回転駆動力を回転子３に確実に伝達することができると共に、回転子３を軸線Ｃ方向に沿って挿抜できる。また、係合突部５８ａが、軸線Ｃに対して点対称状に形成されているので、回転子３が被接合材（図示しない）から受ける反作用を偏りなく係合凹部５７ａに伝達することができる。さらに、係合突部５８ａの断面形状が、角張らない半円柱状のため、係合突部５８ａを欠け難くすることができ耐久性に優れる。

次いで、図６を参照して、第４実施の形態について説明する。図６は本発明の第４実施の形態における摩擦撹拌接合用工具６１の分解斜視図である。第１実施の形態から第３実施の形態においては、シャンク２の前端部に凹陥部７，１７，２７，３７，４７，５７が形成され、その凹陥部７，１７，２７，３７，４７，５７に挿入される凸部８，１８，２８，３８，４８，５８が回転子３の後端部に突設されており、回転子３の凸部８，１８，２８，３８，４８，５８の外周面に係合突部８ａ，２８ａ，３８ａ，５８ａ又は係合凹部４８ａが形成され、シャンク２の凹陥部７，１７，２７，３７，４７，５７の内周面に係合凹部７ａ，２７ａ，３７ａ，５７ａ又は係合突部４７ａが形成されている場合について説明した。これに対し、第４実施の形態においては、シャンク２に凹陥部７，１７，２７，３７，４７，５７や回転子３に凸部８，１８，２８，３８，４８，５８を形成することなく、シャンク２の前端部６２に係合凹部６２ｄが凹設され、回転子３の後端部６３に係合突部６３ｂが突設されている場合について説明する。なお、第１実施の形態と同一の部分については同一の符号を付して、その説明を省略する。

摩擦撹拌接合用工具６１のシャンク２は、シャンク２の前端部６２の中心に円筒状の切欠部６２ａが設けられている。また、シャンク２の前端部６２の中心の切欠部６２ａから放射状に外周縁に向かって幅広となる略扇状の切欠部６２ｂが複数個所（本実施の形態においては４か所）に形成されている。この結果、切欠部６２ａ，６２ｂの残部として、シャンク２の前端部６２に４つの略扇状の係合突部６２ｃが軸線Ｃに対して点対称状に突設されている。係合突部６２ｃの側壁６２ｄは、軸線Ｃに対して平行に形成されていると共に、回転方向に対して垂直に交差している。

一方、摩擦撹拌接合用工具６１の回転子３は、回転子３の後端部６３の外周縁から中心に向かって幅狭となる略扇状の係合凹部６３ａが、軸線Ｃに対し点対称状となる複数個所（本実施の形態においては４か所）に凹設されている。回転子３の後端部６３に凹設された４つの係合凹部６３ａには、シャンク２の前端部６２に突設された４つの係合突部６２ｃがそれぞれ挿入される。係合凹部６３ａの側壁６３ｂは、軸線Ｃに対して平行に形成されていると共に、回転方向に対して垂直に交差している。

ここで、本実施の形態においては、シャンク２の係合突部６２ｃの高さは、回転子３の係合凹部６３ａの深さより少し小さめに形成されている。この結果、シャンク２の係合突部６２ｃを回転子３の係合凹部６３ａに挿入すると、シャンク２の切欠部６２ａ，６２ｂの底部（シャンク２の第１面）が、回転子３の係合凹部６３ａの残部の頂部６３ｃ（回転子３の第２面）と軸線Ｃ方向に当接する。これにより、シャンク２に対する回転子３の軸線Ｃ方向の相対移動を規制し、シャンク２からの軸線Ｃ方向の圧力を回転子３に確実に伝達できる。

また、シャンク２の前端部６２に突設された係合突部６２ｃを回転子３の係合凹部６３ａに挿入すると、シャンク２の係合突部６２ｃの側壁６２ｄが、回転子３の係合凹部６３ａの側壁６３ｂと摩擦撹拌接合用工具６１の回転方向（図６において矢印で示す）に当接して係合する。係合突部６２ｃ及び係合凹部６３ａは、軸線Ｃと垂直に交差する面において、軸線Ｃから所定量離れたところに形成されているので、シャンク２からの回転駆動力を回転子３に確実に伝達できる。

また、本実施の形態においては、回転子３の係合凹部６３ａの残部の頂部６３ｃ（第２面）および係合凹部６３ａの底部（第１面）が着磁されている。この結果、回転子３の後端部６３をシャンク２の前端部６２に磁力で吸着させることができる。さらに、係合突部６２ｃの側壁６２ｄ及び係合凹部６３ａの側壁６３ｂが、軸線Ｃに対して平行に形成されているので、シャンク２に吸着させた回転子３を、磁力に抗する力を加えて軸線Ｃと平行方向に移動させるだけで、容易に挿抜できる。

以上のことから、摩擦撹拌接合用工具６１は、回転子３が空回りすることなく、シャンク２の回転駆動力を回転子３に確実に伝達することができる。また、係合突部６２ｃ及び係合凹部６３ａが、軸線Ｃに対して点対称状に形成されているので、回転子３が被接合材（図示しない）から受ける反作用を偏りなく係合突部６２ｃに伝達することができる。さらに、回転子３の後端部６３に係合凹部６３ａが凹設され、シャンク２の前端部６２に係合突部６２ｃが突設されているので、放電加工で係合突部６２ｃや係合凹部６３ａを形成する場合の加工量を減らすことができ、摩擦撹拌接合用工具６１の生産性に優れる。

以上、実施の形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改良変形が可能であることは容易に推察できるものである。例えば、上記実施の形態で挙げた数値（例えば、各構成の数量や寸法等）は一例であり、他の数値を採用することは当然可能である。

上記第１実施の形態では、回転子３の凸部８の外周面に沿って８本の係合突部８ａが突設され、これに対応する係合凹部７ａがシャンク２の前端部に凹設された場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではなく、係合突部８ａ及び係合凹部７ａの数は適宜設定することが可能である。但し、係合突部８ａ及び係合凹部７ａの数を多くするにつれ、１組の係合突部８ａ及び係合凹部７ａに作用する回転方向の力を分散させて係合突部８ａ及び係合凹部７ａを破損し難くできると共に、係合突部８ａと係合凹部７ａとの接触面積を増やし、回転子３からシャンク２への熱伝導特性を向上させることができる。なお、係合突部８ａ及び係合凹部７ａの数は３〜８組が好ましい。２組以下となると熱伝導特性が低下し、９組以上となると断面積が低下し係合突部８ａの機械的強度が低下するからである。

上記実施の形態では、シャンク２は磁性材料である工具鋼で形成されている場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではなく、他の磁性材料を用いることが可能である。他の磁性材料としては、一般構造用鋼等の鋼、ケイ素鋼、パーマロイ、アモルファス磁性合金などを用いることが可能である。これらの磁性材料を用いた場合にも、後端部を着磁させた回転子を、シャンクに吸着させることが可能である。

上記第１実施の形態では、凹陥部７の深さが、凸部８の高さより少し深めに形成されている場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。凹陥部７の深さを、凸部８の高さより少し浅めに形成することも可能である。この場合は、回転子３の後端部の凸部８をシャンク２の凹陥部７に挿入すると、凸部８の頂部が軸線Ｃ方向に当接し、凹陥部７の底部および凸部８の頂部が第１面および第２面となる。この場合も、シャンク２からの軸線Ｃ方向の圧力を回転子３に確実に伝達できる。

上記第３実施の形態では、回転子３の後端部の凸部２８の断面視が三角状の場合、凸部３８の断面視が方形状の場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。凸部の断面視を矩形状とすることも可能である。また、凸部の断面視を５角形状や６角形状の多角形状とすることも可能である。これらの場合も、シャンク２からの軸線Ｃの廻りの回転駆動力を回転子３に確実に伝達できる。

上記第１実施の形態から第３実施の形態においては、シャンク２の前端部に凹陥部７，１７，２７，３７，４７，５７が形成され、回転子３の後端部にその凹陥部に挿入可能な凸部８，１８，２８，３８，４８，５８が形成された場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。回転子３の後端部に凹陥部を形成し、シャンク２の前端部に凸部を形成することも可能である。これらの場合も、回転子３をシャンク２に挿抜可能とすることができる。

上記第４実施の形態では、シャンク２の前端部６２に突設された係合突部６２ｃの側壁６２ｄ及び回転子３の後端部６３に形成された係合凹部６３ａの側壁６３ｂが、軸線Ｃに対して平行に形成されており、回転方向に対して直交している場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。係合突部６２ｃの側壁６２ｄを回転方向に対して傾斜させる（係合突部６２ｃの軸線Ｃに対して垂直方向における断面積を底部から頂部に向けて狭くする）と共に、係合凹部６３ａの側壁６３ｂを回転方向に対して傾斜させる（係合凹部６３ａの軸線Ｃに対して垂直方向における面積を上部から底部に向けて狭くする）ことも可能である。摩擦撹拌接合法は、シャンク２及び回転子３を高速回転させながら、シャンク２で回転子３を被接合材（図示しない）に押し付けて接合を行う方法であるから、側壁６２ｄ，６３ｂが回転方向に対して傾斜していても、係合凹部６３ａ及び係合突部６２ｃが滑ることなく噛み合う。このため、シャンク２からの軸線Ｃの廻りの回転駆動力を回転子３に確実に伝達できる。

上記第４実施の形態では、係合突部６２ｃ及び係合凹部６３ａの正面視が扇状に形成された場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。係合突部６２ｃ及び係合凹部６３ａの正面視を矩形状や三角状とすることも可能である。この場合も、シャンク２からの軸線Ｃの廻りの回転駆動力を回転子３に確実に伝達でき、シャンク２からの軸線Ｃ方向の圧力を回転子３に確実に伝達できる。

上記第４実施の形態では、シャンク２の前端部６２に係合突部６２ｃが突設され、回転子３の後端部６３に係合凹部６３ａが凹設された場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではなく、シャンク２の前端部６２に係合凹部を凹設し、回転子３の後端部６３に係合突部を突設することも可能である。この場合も、シャンク２からの軸線Ｃの廻りの回転駆動力を回転子３に確実に伝達でき、シャンク２からの軸線Ｃ方向の圧力を回転子３に確実に伝達できる。

１，１１，２１，３１，４１，５１，６１ 摩擦撹拌接合用工具
２ シャンク
２ａ 第１面
３ 回転子
３ａ，６３ｃ 第２面
４ 回転子本体
６ ピン
７ａ，２７ａ，３７ａ，４８ａ，５７ａ，６３ａ 係合凹部
８ａ，２８ａ，３８ａ，４７ａ，５８ａ，６２ｃ 係合突部
Ｃ 軸線

Claims (4)

1. 軸線まわりに回転される回転子本体およびその回転子本体の前端部に突設されるピンを有する超硬合金製の回転子と、その回転子の後端部に前端部が着装される磁性材料製のシャンクと、を備えた摩擦撹拌接合用工具であって、
   前記回転子の後端部または前記シャンクの前端部の一方から突設される係合突部と、
   前記回転子の後端部または前記シャンクの前端部の他方に凹設され前記係合突部を軸線方向に沿って挿抜可能に受け入れると共に前記係合突部と軸線まわりに係合する係合凹部と、
   前記シャンクおよび前記回転子に形成され前記係合凹部に前記係合突部が挿入されることで互いに当接し前記シャンクに対する前記回転子の軸線方向の相対移動を規制する第１面および第２面と、を備え、
   前記回転子の少なくとも一部が着磁されていることを特徴とする摩擦撹拌接合用工具。
2. 前記係合突部および前記係合凹部が、前記軸線に対して点対称状に形成されていることを特徴とする請求項１記載の摩擦撹拌接合用工具。
3. 前記係合突部は前記回転子の後端部から突設されており、前記係合突部の磁束密度が、前記ピンの磁束密度より大きくされていることを特徴とする請求項１又は２に記載の摩擦撹拌接合用工具。
4. 前記係合突部が、前記軸線と平行に歯すじが形成された複数の突条を備え、前記係合凹部が、前記軸線と平行に形成された複数の凹溝を備えることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の摩擦撹拌接合用工具。

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