JP2012125822A - 摩擦攪拌接合用工具及び亀裂の補修方法 - Google Patents

Abstract

【課題】摩擦攪拌接合用工具及び亀裂の補修方法において、バリの発生を抑制可能とする。
【解決手段】回転体２１とピン部２２とショルダ部２３とスクロール溝２４を設けて構成し、ピン部２２とショルダ部２３とを合わせた回転軸心Ｏ方向の長さを、亀裂深さに予め設定された余裕分を加味して設定された工具差込深さより約０．５ｍｍ長く設定し、ショルダ部２３の平面部が部材３１の表面３２に接触した状態すなわち工具の最外周部が部材に接触しない状態で摩擦攪拌接合用工具１０を回転させて摩擦攪拌接合を行う。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ナトリウム中で、部材の表面に生じている亀裂の補修を行う亀裂の補修方法、この亀裂の補修方法に用いられる摩擦攪拌接合用工具に関するものである。

部材の表面に生じている亀裂の補修を行う亀裂の補修方法として、摩擦撹拌溶接方法がある。この摩擦撹拌溶接方法は、工具と加工物との間に発生した熱や、変形されて混合される加工物材料から塑性流動の結果として生じる熱などの摩擦熱を利用し、亀裂の補修を行う方法である。ここで発生した摩擦熱は、加工品材料を軟化させ、それらを混ぜ合わせることを可能とし、亀裂を補修する。

このような摩擦撹拌溶接方法として、下記特許文献１に記載されたものがある。この特許文献１に記載された補修方法は、ナトリウム中で回転工具を亀裂に押し付けて回転させることより、摩擦攪拌接合によって亀裂を補修するものである。また、この摩擦撹拌溶接方法に用いられる工具として、下記特許文献２に記載されたものがある。この特許文献２に記載された摩擦撹拌溶接工具は、回転可能な支持体の下端部に下方へ伸長する回転ピンを設け、支持体の肩部に外側縁から回転ピンに向かって下方へと延長するテーパを設け、このテーパに溝を形成したものである。

特開２００７−０８３２６７号公報 特許第４２１０１４８号公報

上述した従来の亀裂の補修方法は、ナトリウム中で回転工具を加工物の亀裂に押し付けて回転させることで、摩擦攪拌接合により亀裂を補修している。この場合、補修部は、ナトリウムの残留もなく、加工物と同等の引張強度を得られるものの、補修部の表面に摩擦攪拌接合による施工に伴ってバリが発生してしまう。補修部の周囲に発生したバリは、加工物の使用中に、各種機器の障害の要因となるおそれがある。そのため、このバリを、例えば、グラインダなどで除去しなければならないが、ナトリウム中では、視認性も悪く、切削したバリの回収等が困難となってしまう。

本発明は上述した課題を解決するものであり、バリの発生を抑制可能とする摩擦攪拌接合用工具及び亀裂の補修方法を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するための本発明の摩擦攪拌接合用工具は、ナトリウム中で、部材の表面にある亀裂に対して押し付けて回転させることで、摩擦攪拌接合により亀裂を補修するための摩擦攪拌接合用工具であって、回転可能な回転体と、該回転体の回転軸心上を先端側に突出したピン部と、前記回転体の先端側で外周部から前記ピン部に向かって先端側に突出するように傾斜するショルダ部と、該ショルダ部の表面に前記回転体の回転方向に沿って形成されたスクロール溝と、を有し、前記ピン部と前記ショルダ部とを合わせた回転軸心方向の長さが、前記亀裂深さに予め設定された余裕分を加味して設定された工具差込深さより長く設定される、ことを特徴とするものである。

従って、ピン部とショルダ部とを合わせた回転軸心方向の長さが亀裂深さに予め設定された余裕分を加味して設定された工具差込深さより長く設定することで、バリになる可能性がある部材表面の材料が回転するショルダ部の平面部と部材との間で挟まれ、ショルダ部のスクロール溝により工具中心方向へ塑性流動することで材料が部材の表面上へ押し出されることがなく、接合後のバリの発生を抑制することができる。

本発明の亀裂の補修方法は、ナトリウム中で、部材の表面にある亀裂に対して、工具を押し付けて回転させることで、摩擦攪拌接合により亀裂を補修する亀裂の補修方法において、前記工具は、回転可能な回転体と、該回転体の回転軸心上を先端側に突出したピン部と、前記回転体の先端側で外周部から前記ピン部に向かって先端側に突出するように傾斜するショルダ部と、該ショルダ部の表面に前記回転体の回転方向に沿って形成されたスクロール溝と、を有し、前記亀裂深さに予め設定された余裕分を加味して工具差込深さを設定し、前記ショルダ部の平面部が、前記部材の表面に接触した状態すなわちピン部とショルダ部の合計長さを工具差込深さより深く設定することで工具の最外周部が部材に接触しない状態で、前記工具を回転させて摩擦攪拌接合を行う、ことを特徴とするものである。

従って、ショルダ部の平面部が部材の表面に接触した状態で工具を回転させて摩擦攪拌接合を行うことで、バリになる可能性がある部材表面の材料が回転するショルダ部の平面部と部材との間で挟まれ、ショルダ部のスクロール溝により工具中心方向へ塑性流動することで材料が部材の表面上へ押し出されることがなく、接合後のバリの発生を抑制することができる。

本発明の摩擦攪拌接合用工具及び亀裂の補修方法によれば、ピン部とショルダ部とを合わせた回転軸心方向の長さを亀裂深さに予め設定された余裕分を加味して設定された工具差込深さより長く設定するので、部分的な部材の盛り上がりなどで亀裂深さが変動した場合に未補修部を残さずにバリの発生を抑制可能とすることができる。

図１は、本発明の実施例１に係る摩擦攪拌接合用工具を表す正面図である。 図２は、実施例１の摩擦攪拌接合用工具の下面図である。 図３は、実施例１の摩擦攪拌接合用工具の要部を表す断面図である。 図４−１は、実施例１の摩擦攪拌接合用工具による亀裂の補修方法を表す概略図である。 図４−２は、実施例１の摩擦攪拌接合用工具による亀裂の補修方法を表す概略図である。 図４−３は、実施例１の摩擦攪拌接合用工具による亀裂の補修方法を表す概略図である。 図４−４は、実施例１の摩擦攪拌接合用工具による亀裂の補修方法を表す概略図である。 図４−５は、実施例１の摩擦攪拌接合用工具による亀裂の補修方法を表す概略図である。 図５は、本発明の実施例２に係る摩擦攪拌接合用工具の要部を表す断面図である。 図６は、本発明の実施例３に係る摩擦攪拌接合用工具の要部を表す断面図である。

以下に添付図面を参照して、本発明に係る摩擦攪拌接合用工具及び亀裂の補修方法の好適な実施例を詳細に説明する。なお、この実施例により本発明が限定されるものではなく、また、実施例が複数ある場合には、各実施例を組み合わせて構成するものも含むものである。

図１は、本発明の実施例１に係る摩擦攪拌接合用工具を表す正面図、図２は、実施例１の摩擦攪拌接合用工具の下面図、図３は、実施例１の摩擦攪拌接合用工具の要部を表す断面図、図４−１から図４−５は、実施例１の摩擦攪拌接合用工具による亀裂の補修方法を表す概略図である。

実施例１の摩擦攪拌接合用工具による亀裂の補修方法は、液体ナトリウムなどの液体中で、部材の表面にある亀裂に対して摩擦攪拌接合用工具を押し付けて回転させることで、摩擦攪拌接合（ＦＳＷ）により亀裂を補修するためのものである。

実施例１において、図１及び図２に示すように、摩擦攪拌接合用工具１０は、図示しない駆動装置の出力軸に保持される回転軸１１と、この回転軸１１の先端部に装着されるヘッド部１２とを有している。そして、このヘッド部１２は、回転可能な回転体２１と、この回転体２１の回転軸心上を先端側に突出したピン部２２と、回転体２１の先端側で外周部からピン部２２に向かって先端側に突出するように傾斜するショルダ部２３と、ショルダ部２３の表面に回転体２１の回転方向に沿って形成されたスクロール溝２４とを有している。

回転体２１は、円柱形状をなし、回転軸１１の先端部に一体に固定されてなり、この回転軸１１と共に回転可能となっている。ピン部２２は、回転体２１と同心の円錐台形状をなし、この回転体２１の先端部に突出するように一体に固定されてなり、回転体２１と共に回転可能となっている。ショルダ部２３は、回転体２１の先端側で外周部からピン部２２に向かって先端側に突出するように傾斜した円錐形状（リング形状）をなしている。この場合、ショルダ部２３は、直線的な傾斜面であっても、ピン部２２側に突出する曲線的な傾斜面であってもよい。そして、このショルダ部２３の表面（先端面）に回転体２１の回転方向に沿ってスクロール溝２４が形成されている。なお、回転体２１の先端外周面とショルダ部２３の外周部との間に、リング形状をなす面取り部２５が形成されている。

このように構成された摩擦攪拌接合用工具１０にて、実施例１では、ピン部２２とショルダ部２３とを合わせた回転軸心Ｏ方向の長さが、亀裂深さに予め設定された余裕分として約１．０ｍｍを加味して設定された工具差込深さより長く設定されている。

具体的に説明すると、摩擦攪拌接合用工具１０のヘッド部１２において、図３に示すように、回転体２１の外径Ｒ１、ショルダ部２３の外径Ｒ２、ピン部２２の基端部外径Ｒ３、ピン部２２の軸方向長さＬ１、ショルダ部２３の軸方向長さＬ２、ピン部２２とショルダ部２３とを合わせた摩擦攪拌接合領域となる軸方向長さＬ３とする。また、回転軸心Ｏに対するピン部２２の傾斜角度θ１、加工する部材３１の表面32に対するショルダ部２３の傾斜角度θ２とする。

実施例１では、部材の表面に形成された深さＤ＝５．０ｍｍの亀裂を実施例１の摩擦攪拌接合用工具１０による亀裂の補修方法で補修する場合、回転体２１の外径Ｒ１＝３０ｍｍ、ショルダ部２３の外径Ｒ２＝２８．５ｍｍ、ピン部２２の軸方向長さＬ１＝５．０ｍｍ、ショルダ部２３の軸方向長さＬ２＝１．５ｍｍ、ピン部２２とショルダ部２３とを合わせた摩擦攪拌接合領域となる軸方向長さＬ３＝６．５ｍｍとしている。また、回転軸心Ｏに対するピン部２２の傾斜角度θ１＝３０度としている。

即ち、実施例１の摩擦攪拌接合用工具１０は、ピン部２２とショルダ部２３とを合わせた軸心方向長さＬ３＝６．５ｍｍは、亀裂深さＤ＝５．０ｍｍに予め設定された余裕長さＭ＝１．０ｍｍを加算して設定された工具差込深さＬＤ＝６．０ｍｍより０．５ｍｍ長く設定されている。この場合、０．５ｍｍ、この数値に限定されるものではない。

ここで、実施例１の摩擦攪拌接合用工具１０による亀裂の補修方法について説明する。

図３及び図４−１に示すように、部材３１の表面３２に亀裂３３が形成されているとき、この部材３１を液体ナトリウムなどの液体中に浸漬させ、摩擦攪拌接合用工具１０を用いて亀裂３３の補修を行う。即ち、部材３１の表面３２に長手方向に沿って延びた亀裂３３が検出された場合、まず、図示しない回転工具移動機構により摩擦攪拌接合用工具１０を図４−１の矢印Ａ方向に移動し、先端部を亀裂３３の位置まで移動させる。次に、図４−２に示すように、摩擦攪拌接合用工具１０を回転軸心Ｏ方向に沿って移動し、先端部を亀裂３３に押し付け、この摩擦攪拌接合用工具１０を矢印Ｂ方向に回転させる。

すると、図４−３に示すように、亀裂３３において、部材３１と摩擦攪拌接合用工具１０との摩擦により、この部材３１が塑性流動化し、摩擦攪拌接合用工具１０が亀裂３３の深さ方向へと部材３１内に入り込んでいき、摩擦攪拌接合用工具１０のヘッド部１２が部材３１の表面３２に当接する。そして、図４−４に示すように、塑性流動化された範囲で部材３１が攪拌されることにより、亀裂３３が接合される。更に、図４−５に示すように、摩擦攪拌接合用工具１０の差込動作の完了と共に、図４−４の矢印Ｃ方向に、つまり、亀裂３３の長手方向に沿って移動させることで、順次、部材３１が塑性流動化されて攪拌される。その結果、亀裂３３全体が摩擦攪拌接合によって補修される。

この摩擦攪拌接合用工具１０を用いた摩擦攪拌接合による亀裂３３の補修方法では、液体ナトリウム中であっても、即ち、亀裂３３内に液体ナトリウムが入り込んでいる状態であっても、この液体ナトリウムは補修時に亀裂３３外方に排出され、補修後に部材３１内に液体ナトリウムが閉じ込められることはない。この原因としては、塑性流動化した部材３１によって亀裂３３内が塞がれることにより、亀裂３３内の液体ナトリウムが亀裂３３の外方に押し出されることや、塑性流動化した部材３１は、その表面３２に向かって流動するという性質があるため、この部材３１の流動に伴って亀裂３３内の液体ナトリウムも、部材３１の表面３２へと移動して亀裂３３の外方に流れ出るということが考えられる。

また、実施例１では、図３に示すように、摩擦攪拌接合用工具１０を回転しながら移動することで、亀裂３３を摩擦攪拌接合によって補修するとき、ショルダ部２３が部材３１の表面３２と接触するようにしている。そのため、回転する摩擦攪拌接合用工具１０と部材３１との摩擦によって部材３１が塑性流動化し、塑性流動化された範囲で部材３１が攪拌されて亀裂３３が接合されるとき、ショルダ部２３（スクロール溝２４）により塑性流動化されたものが部材３１の表面３２上へ押し出されることがなく、接合後のバリの発生を抑制することができる。

このように実施例１の摩擦攪拌接合用工具１０を用いた亀裂３３の補修方法にあっては、工具の回転体２１とピン部２２とショルダ部２３とスクロール溝２４を設けて構成し、ピン部２２とショルダ部２３とを合わせた回転軸心Ｏ方向の長さを工具の直径を大径化することで、亀裂深さに予め設定された余裕分を加味して設定された工具差込深さより約０．５ｍｍ長く設定し、ショルダ部２３の平面部が部材３１の表面３２に接触した状態で摩擦攪拌接合用工具１０を回転させて摩擦攪拌接合を行うようにしている。

また、摩擦攪拌接合用工具１０におけるピン部２２とショルダ部２３とを合わせた回転軸心Ｏ方向の長さが亀裂深さに予め設定された余裕分を加味して設定された工具差込深さより約０．５ｍｍ長く設定されることで、ショルダ部２３が部材３１の表面３２に接触した状態で摩擦攪拌接合用工具１０を回転して摩擦攪拌接合を行うこととなる。その結果、バリになる可能性がある部材表面の材料が回転するショルダ部２３の平面部と部材３１との間で挟まれ、ショルダ部２３のスクロール溝２４により工具中心方向へ塑性流動することで、材料が部材３１の表面上へ押し出されることがなく、接合後のバリの発生を抑制することができる。

図５は、本発明の実施例２に係る摩擦攪拌接合用工具の要部を表す断面図である。なお、上述した実施例と同様の機能を有する部材には、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。

実施例２にて、図５に示すように、摩擦攪拌接合用工具のヘッド部１２Ａは、部材３１の表面３２に形成された深さＤ＝５．０ｍｍの亀裂を実施例２の摩擦攪拌接合用工具による亀裂の補修方法で補修する場合、回転体２１の外径Ｒ１＝２３．５ｍｍ、ショルダ部２３の外径Ｒ２＝２２．０ｍｍ、ピン部２２の軸方向長さＬ１＝５．０ｍｍ、ショルダ部２３の軸方向長さＬ２＝１．５ｍｍ、ピン部２２とショルダ部２３とを合わせた摩擦攪拌接合領域となる軸方向長さＬ３＝６．５ｍｍとしている。また、回転軸心Ｏに対するピン部２２の傾斜角度θ１＝３０度以上とし、加工する部材３１の表面３２に対するショルダ部２３の傾斜角度θ２を実施例１よりも大きく設定している。

即ち、実施例２の摩擦攪拌接合用工具は、ピン部２２とショルダ部２３とを合わせた軸心方向長さＬ３＝６．５ｍｍが、亀裂深さＤ＝５．０ｍｍに予め設定された余裕長さＭ＝１．４ｍｍを加算して設定された工具差込深さＬＤ＝６．４ｍｍより、０．５ｍｍ長く設定されている。

このように実施例２では、回転体２１の外径Ｒ１を実施例１よりも小さくし、加工する部材３１の表面３２に対するショルダ部２３の傾斜角度θ２を実施例１よりも大きく設定することで、ヘッド部１２Ａ全体の小径化を可能とし、製作コストの増加を抑制することができる。

図６は、本発明の実施例３に係る摩擦攪拌接合用工具の要部を表す断面図である。なお、上述した実施例と同様の機能を有する部材には、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。

実施例３にて、図６に示すように、摩擦攪拌接合用工具のヘッド部１２Ｂは、部材３１の表面３２に形成された深さＤ＝５．０ｍｍの亀裂を実施例３の摩擦攪拌接合用工具による亀裂の補修方法で補修する場合、回転体２１の外径Ｒ１＝２３．５ｍｍ、ショルダ部２３の外径Ｒ２＝２２．０ｍｍ、ピン部２２の軸方向長さＬ１＝５．２５ｍｍ、ショルダ部２３の軸方向長さＬ２＝１．２５ｍｍ、ピン部２２とショルダ部２３とを合わせた摩擦攪拌接合領域となる軸方向長さＬ３＝６．５ｍｍとしている。

即ち、実施例３の摩擦攪拌接合用工具は、ピン部２２とショルダ部２３とを合わせた軸心方向長さＬ３＝６．５ｍｍが、亀裂深さＤ＝５．０ｍｍに予め設定された余裕長さＭ＝１．４ｍｍを加算して設定された工具差込深さＬＤ＝６．４ｍｍより、０．５ｍｍ長く設定されている。

このように実施例３では、回転体２１の外径Ｒ１を実施例１よりも小さくすることで、ヘッド部１２Ｂ全体を小径化し製作コストの増加を抑制することができると共に、ピン部２２の長さを長くしてショルダ部２３の長さを短くすることで、実績がある従来工具からわずかの設計変更に留めることで接合欠陥発生のリスクを分散し、製品品質を向上することができる。

本発明に係る摩擦攪拌接合用工具及び亀裂の補修方法は、ピン部とショルダ部とを合わせた回転軸心方向の長さを亀裂深さに対して適正に設定することで、バリの発生を抑制可能とするものであり、いずれの摩擦攪拌接合用工具及び亀裂の補修方法にも適用することができる。

１０ 摩擦攪拌接合用工具
１１ 回転軸
１２，１２Ａ，１２Ｂ ヘッド部
２１ 回転体
２２ ピン部
２３ ショルダ部
２４ スクロール溝
３１ 部材
３３ 亀裂

Claims (2)

1. ナトリウム中で、部材の表面にある亀裂に対して押し付けて回転させることで、摩擦攪拌接合により亀裂を補修するための摩擦攪拌接合用工具であって、
   回転可能な回転体と、
   該回転体の回転軸心上を先端側に突出したピン部と、
   前記回転体の先端側で外周部から前記ピン部に向かって先端側に突出するように傾斜するショルダ部と、
   該ショルダ部の表面に前記回転体の回転方向に沿って形成されたスクロール溝と、
   を有し、
   前記ピン部と前記ショルダ部とを合わせた回転軸心方向の長さが、前記亀裂深さに予め設定された余裕分を加味して設定された工具差込深さより長く設定される、
   ことを特徴とする摩擦攪拌接合用工具。
2. ナトリウム中で、部材の表面にある亀裂に対して、工具を押し付けて回転させることで、摩擦攪拌接合により亀裂を補修する亀裂の補修方法において、
   前記工具は、
   回転可能な回転体と、
   該回転体の回転軸心上を先端側に突出したピン部と、
   前記回転体の先端側で外周部から前記ピン部に向かって先端側に突出するように傾斜するショルダ部と、
   該ショルダ部の表面に前記回転体の回転方向に沿って形成されたスクロール溝と、
   を有し、
   前記亀裂深さに予め設定された余裕分を加味して工具差込深さを設定し、前記ショルダ部の平面部が、前記部材の表面に接触した状態すなわちピン部とショルダ部の合計長さを工具差込深さより深く設定することで工具の最外周部が部材に接触しない状態で、前記工具を回転させて摩擦攪拌接合を行う、
   ことを特徴とする亀裂の補修方法。
   

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