JP2013035009A - 回転ツール、及びこれを用いた摩擦撹拌接合方法、摩擦撹拌点接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】クラックの発生を抑制でき、摩擦撹拌接合の接合速度を十分に向上させることができる回転ツール、及びこれを用いた摩擦撹拌接合方法、摩擦撹拌点接合方法を提供する。
【解決手段】回転ツール１１では、ショルダ部１３の頂部１３ａの断面形状が鈍角かつ曲面形状となっている。これにより、接合時にショルダ部１３に過剰な応力がかかることが防止され、回転ツール１１の回転数や走査速度を低下させることなくクラックの発生を抑制できる。また、回転ツール１１では、プローブ部１４の基部１４ｂとショルダ部１３の基部１３ｂとによって形成される環状の凹部１５がプローブ部１４の周りに形成され、この凹部１５の断面形状も鈍角かつ曲面形状となっている。これにより、接合時に凹部１５内で材料を十分な量でかつスムーズに塑性流動させることが可能となる。したがって、接合速度を十分に向上できる。
【選択図】図３

Description

本発明は、回転ツール、及びこれを用いた摩擦撹拌接合方法、摩擦撹拌点接合方法に関する。

金属材の接合方法の一つとして摩擦撹拌接合（ＦＳＷ：Friction Stir Welding）が知られている。摩擦撹拌接合では、金属材同士の当接部分に回転ツールを押し込んで回転させ、摩擦熱による金属部分の塑性流動によって金属材同士を接合させる。回転ツールを当接部分に沿って移動させていく場合には連続接合部が形成され、回転ツールを移動させない場合には点接合部が形成される。

摩擦撹拌接合に用いられる回転ツールとしては、例えば特許文献１に記載の回転ツールがある。この従来の回転ツールは、金属材同士の重ね合わせ部分の摩擦撹拌接合に用いられるものであり、略円柱状の本体部の先端面の中央に本体部よりも小径のプローブ部を備えている。また、本体部の先端面には、プローブ部の周りで緩やかな凹部が環状に形成されており、接合時に軟化した金属材が凹部内に入り込むようになっている。

特許第４５０５８５５号明細書

ところで、上述のような従来の回転ツールでは、凹部の縁部に相当するショルダ部が本体部の先端面側に突出している。このため、接合時に過剰な応力がかかって回転ツールにクラックが発生し、金属材の継ぎ手に良好な接合部を形成することが困難となるおそれがある。また、クラックを発生させないように回転ツールの回転数や走査速度を低下させると、接合速度が低下し、接合の作業性が得られないという問題が生じる。

本発明は、上記課題の解決のためになされたものであり、クラックの発生を抑制でき、摩擦撹拌接合の接合速度を十分に向上させることができる回転ツール、及びこれを用いた摩擦撹拌接合方法、摩擦撹拌点接合方法を提供することを目的とする。

上記課題の解決のため、本発明に係る回転ツールは、略円柱状をなす本体部を備え、本体部の先端側には、頂部が球面状で基部が錘状をなすプローブ部と、当該プローブ部の周りで環状に隆起するショルダ部と、プローブ部の基部とショルダ部の基部とによって形成される環状の凹部とが設けられ、ショルダ部の頂部の断面形状と凹部の底部の断面形状とが、いずれも鈍角かつ曲面形状となっていることを特徴としている。

この回転ツールでは、ショルダ部の頂部の断面形状が鈍角かつ曲面形状となっている。これにより、接合時にショルダ部に過剰な応力がかかることが防止され、回転ツールの回転数や走査速度を低下させることなくクラックの発生を抑制できる。また、この回転ツールでは、プローブ部の基部とショルダ部の基部とによって形成される環状の凹部がプローブ部の周りに形成され、この凹部の断面形状も鈍角かつ曲面形状となっている。これにより、接合時に凹部内で材料を十分な量でかつスムーズに塑性流動させることが可能となる。したがって、この回転ツールでは、摩擦撹拌接合の接合速度を十分に向上できる。

また、ショルダ部の外周部分は、本体部の先端周縁を面取りしてなる面取部によって形成されていることが好ましい。この場合、接合時にショルダ部にかかる応力が一層緩和され、クラックの発生をより好適に抑制できる。

また、本発明に係る摩擦撹拌接合方法は、窒化珪素からなる裏当材上に金属材同士の当接部分を配置すると共に、上記回転ツールのプローブ部を当接部分に押し込み、回転ツールを回転させることによって当接部分に連続接合部を形成することを特徴としている。

この摩擦撹拌接合方法では、上述した回転ツールを用いることにより、回転ツールにクラックが生じることを抑制しつつ、十分な接合速度で摩擦撹拌接合を行うことができる。また、この摩擦撹拌接合方法では、窒化珪素からなる裏当材を用いている。この裏当材を用いることにより、回転ツールからの入熱が接合部から拡散しにくくなり、接合部の表面から裏面までの熱の分布が均一化されることで、安定な接合を実現できる。

また、円柱状の裏当材の周面上に当接部分を配置し、回転ツールの位置と裏当材の位置とを同期させながら当接部分に沿って移動させることにより、当接部分に連続接合部を形成することが好ましい。この場合、簡単な構成で連続接合部の形成が可能となる。また、接合長の制約を受けないという長所もある。

また、裏当材の周面の幅を本体部の直径に略一致させることが好ましい。この場合、裏当材の小型化を実現できる。

また、本発明に係る摩擦撹拌点接合方法は、窒化珪素からなる裏当材上に金属材同士の当接部分を配置すると共に、上記回転ツールの前記プローブ部を当接部分に押し込み、回転ツールを回転させることによって当接部分に点接合部を形成することを特徴としている。

この摩擦撹拌点接合方法では、上述した回転ツールを用いることにより、回転ツールにクラックが生じることを抑制しつつ、十分な接合速度で摩擦撹拌接合を行うことができる。また、この摩擦撹拌接合方法では、窒化珪素からなる裏当材を用いている。この裏当材を用いることにより、回転ツールからの入熱が接合部から拡散しにくくなり、接合部の表面から裏面までの熱の分布が均一化されることで、安定な接合を実現できる。

また、本体部の直径に略一致する直径を有する円柱状の裏当材の端部上に当接部分を配置し、当接部分に点接合部を形成することが好ましい。この場合、簡単な構成で点接合部の形成が可能となる。また、接合姿勢に制約を受けないという長所もある。

本発明によれば、クラックの発生を抑制でき、摩擦撹拌接合の接合速度を十分に向上させることができる。

本発明に係る回転ツールの一実施形態を適用した摩擦撹拌接合装置の概略を示す図である。 図１に示す回転ツールの側面図である。 図２におけるＩＩＩ−ＩＩＩ線の要部拡大断面図である。 図１に示した摩擦撹拌接合装置を用いて形成された連続接合部の一例を示す図である。 本発明に係る回転ツールの一実施形態を適用した摩擦撹拌接合装置の変形例の概略を示す図である。 本発明に係る回転ツールの一実施形態を適用した摩擦撹拌接合装置の別の変形例の概略を示す図である。 本発明に係る回転ツールの一実施形態を適用した摩擦撹拌接合装置の更に別の概略を示す図である。

以下、図面を参照しながら、本発明に係る回転ツール、及びこれを用いた摩擦撹拌接合方法、摩擦撹拌点接合方法の好適な実施形態について詳細に説明する。

図１は、本発明に係る回転ツールの一実施形態を適用した摩擦撹拌接合装置の概略を示す図である。図１に示すように、摩擦撹拌接合装置１は、回転ツール１１を用いることにより、金属材２，２同士の突き合わせ部分Ｐに沿って連続接合部３を形成する荷重制御方式の装置である。接合の対象である金属材２は、例えば鉄道車両構体に用いられる外板であり、ステンレス鋼・冷間圧延鋼などの鉄鋼系材料、及びアルミ合金といった軽合金材料などが挙げられる。

この摩擦撹拌接合装置１は、例えば回転ツール１１を保持するツールホルダ（不図示）と、回転ツール１１を中心軸周りに回転させる回転モータ４と、回転ツール１１を突き合わせ部分Ｐに沿って移動させる移動モータ５と、回転ツール１１を突き合わせ部分に対して押圧する押圧機構６と、各モータを制御するコントローラ７とを含んで構成されている。

ツールホルダは、金属などの延性材料によって略円柱形状に形成されている。ツールホルダは、金属材２の法線方向に対し、接合方向と反対側に約３度傾けられている。ツールホルダの下端部には、回転ツール１１の差込口が形成されており、この差込口に回転ツール１１を差し込むことによって回転ツール１１がツールホルダに保持されるようになっている。

なお、図示しないが、ツールホルダの近傍には、回転ツール１１に向けてシールドガスを供給するガス供給ノズルが配置されている。シールドガスとしては、例えばアルゴンなどの不活性ガスが用いられる。シールドガスの供給により、空気中の酸素及び窒素と接触することによる連続接合部３の粒界脆化を防止でき、より良好な接合が得られる。また、ツールホルダには、接合中に回転ツール１１から伝わる熱を逃がすための冷却ホルダが取り付けられていることが好ましい。

また、金属材２，２の下には、裏当材８が配置されている。裏当材８は、例えば窒化珪素によって金属材２よりも厚い板状に形成されている。裏当材８の熱伝導率は、例えば１５Ｗ／ｍＫ以下であることが好ましく、さらに、９００℃における曲げ強度が５００ＭＰａ以上の耐荷重性を有していることが好ましい。

このような摩擦撹拌接合装置１を用いて接合を行う場合、まず、金属材２，２同士を裏当材８上で突き合わせた後、回転ツール１１を突き合わせ部分Ｐの上方に配置し、回転ツール１１のプローブ部１４（後述する）を突き合わせ部分Ｐの一端に押し込む。そして、シールドガスを供給すると共に、回転ツール１１を回転させながら突き合わせ部分Ｐの他端まで移動させる。これにより、プローブ部１４と金属材２との間で発生する摩擦熱が突き合わせ部分Ｐに入熱し、摩擦熱による塑性流動によって突き合わせ部分Ｐに連続接合部３が形成される。

次に、摩擦撹拌接合装置１に適用される回転ツール１１について詳細に説明する。図２は、回転ツール１１の側面図である。また、図３は、図２におけるＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。なお、本実施形態では、接合対象の金属材２が例えば厚さ１．５ｍｍ程度のステンレス鋼である場合を想定して回転ツール１１の寸法を例示する。

図２に示すように、回転ツール１１は、略円柱状をなす本体部１２を備えている。本体部１２は、裏当材８と同様に窒化珪素によって形成されている。また、本体部１２の直径Ｄｃは例えば１５ｍｍ程度となっている。本体部１２の先端側には、図２及び図３に示すように、ショルダ部１３と、プローブ部１４と、凹部１５とが設けられている。

ショルダ部１３は、プローブ部１４の周りで環状に隆起する部分である。ショルダ部１３の頂部１３ａの断面形状は、鈍角かつ曲面形状となっており、その角度θ１は例えば９１．９°、曲率半径Ｒ１は例えば１．０ｍｍとなっている。ショルダ部１３の基部１３ｂの外周部分１３ｃは、本体部１２の先端周縁を面取りした面取部１６によって形成されている。

外周部分１３ｃと本体部１２の軸線に直交する面との角度θ０は、例えば６９．４°となっている。また、ショルダ部１３の基部１３ｂの内周部分１３ｄと本体部１２の軸線に直交する面との角度θ２は、例えば１８．７°となっている。さらに、外周部分１３ｃを形成している面取部１６は、ショルダ径Ｄを規定している。このショルダ径Ｄは、例えば１２ｍｍ程度となっている。外周部分１３ｃの裾から頂部１３ａに至るショルダ高さＨｓは、例えば４．０ｍｍとなっている。

プローブ部１４は、頂部１４ａが球面状で基部１４ｂが錘状をなし、本体部１２の先端側の略中心部分に位置している。頂部１４ａの直径ｄ１は例えば４．０ｍｍ、高さＨｓｒは例えば０．３８４ｍｍ、曲率半径ＳＲは例えば５．４ｍｍとなっている。また、基部１４ｂの直径（プローブ径）ｄ２は例えば６．０ｍｍとなっており、基部１４ｂと本体部１２の軸線に直交する面との角度θ３は、例えば４８．１°となっている。頂部１４ａと基部１４ｂとを含めたプローブ高さＨは、例えば１．５ｍｍとなっている。

凹部１５は、プローブ部１４の基部１４ｂとショルダ部１３の基部１４ｂとによって環状に形成されている。凹部１５の底部１５ａの断面形状は、鈍角かつ曲面形状となっており、その角度θ４は例えば１１３．２°、曲率半径Ｒ２は例えば０．５ｍｍとなっている。

以上のような回転ツール１１では、ショルダ部１３の頂部１３ａの断面形状が鈍角かつ曲面形状となっている。これにより、ショルダ部の頂部が角部となっている場合に比べて、接合時にショルダ部１３に過剰な応力がかかることが防止され、回転ツール１１の回転数や走査速度を低下させることなくクラックの発生を抑制できる。

また、この回転ツール１１では、プローブ部１４の基部１４ｂとショルダ部１３の基部１３ｂとによって形成される環状の凹部１５がプローブ部１４の周りに形成され、この凹部１５の断面形状も鈍角かつ曲面形状となっている。これにより、接合時に凹部１５内で材料を十分な量でかつスムーズに塑性流動させることが可能となる。したがって、この回転ツール１１を適用した摩擦撹拌接合装置１では、接合速度を十分に向上できる。

また、ショルダ部１３の外周部分１３ｃは、本体部１２の先端周縁を面取りしてなる面取部１６によって形成されている。これにより、接合時にショルダ部１３にかかる応力が一層緩和され、クラックの発生をより好適に抑制できる。

さらに、上述した摩擦撹拌接合装置１による摩擦撹拌接合方法では、窒化珪素からなる裏当材８上に金属材２，２同士の突き合わせ部分Ｐを配置すると共に、回転ツール１１のプローブ部１４を突き合わせ部分Ｐに押し込み、回転ツール１１を回転させることによって突き合わせ部分Ｐに連続接合部３を形成している。窒化珪素からなる裏当材８を用いることにより、回転ツール１１からの入熱が連続接合部３から拡散しにくくなり、連続接合部３の表面から裏面までの熱の分布が均一化されることで、安定な接合を実現できる。

図４は、摩擦撹拌接合装置１を用いて形成された連続接合部の一例を示す図であり、図４（ａ）は平面図、図４（ｂ）は断面図である。この摩擦撹拌接合では、フリガードの式（後述の式（３）参照）から求まる入熱が約２１００Ｗとなるように、回転ツール１１の回転速度及びツール荷重を設定し、厚さ１．５ｍｍのステンレス鋼同士の突き合わせ部分に連続溶接部を接合したものである。この摩擦撹拌接合では、回転ツール１１にクラックが発生することはなく、接合速度３０００ｍｍ／ｍｉｎを実現できた。

回転ツール１１のショルダ部、プローブ部１４、凹部１５の形状パラメータは、接合対象である金属材２の材質や板厚などに応じて、適宜設計変更できる。形状パラメータの設計にあたっては、まず、プローブ部１４の頂部１４ａの直径ｄ１と曲率半径ＳＲを決定する。ｄ１及びＳＲの値は、経験則によって決定され、金属材２の板厚ｔが数ｍｍ程度の範囲では、金属材２の材質にかかわらず、例えばｄ１＝４．０、ＳＲ＝５．４である。

ｄ１及びＳＲを決定した後、以下の式（１）を用いてＨｓｒを求める

また、金属材２の材質及び板厚により、以下の式（２）を用いてショルダ径Ｄを求める。式（２）において、Ｄ_Ｂ及びｔ_Ｂには、公知の定数を代入する。例えば、ステンレス鋼であればＤ_Ｂ＝１２．０、ｔ_Ｂ＝１．５であり、冷間圧延鋼であればＤ_Ｂ＝１２．０、ｔ_Ｂ＝１．６であり、アルミ鋼であればＤ_Ｂ＝１５．０、ｔ_Ｂ＝５．０である。

θ２は、１０°以上３０°以下の範囲で決定されることが好ましい。 ショルダ径Ｄを求めた後、以下の式（３）を用いて回転ツール１１による入熱量Ｑを求め、ツール設計の妥当性を確認する。式（３）は、フリガードの式と呼ばれる関係式であり、μは摩擦係数、Ｐは面圧（ツール荷重／ツール断面積）、Ｎは回転速度である。良好な接合継手を得るには、想定する接合条件範囲において、回転ツール１１から金属材２に加わる熱量が接合に必要な熱量を上回る必要がある。

プローブ部高さＨは、金属材２の材料毎に異なるが、板厚ｔ以下となるように定める。

また、ショルダ径ｄ２を決定する。ショルダ径ｄ２は、経験則によって構築される以下の式（４）を用いて求められる。ショルダ径ｄ２を求めた後、以下の式（５）を用いてθ３を求める。θ３は９０°未満とすることが好ましい。

次に、以下の式（６）を用いてθ０を求める。式（６）に含まれる本体部１２の直径Ｄｃ及びショルダ高さＨｓは、摩擦撹拌接合装置の態様に応じて決定される。θ０は９０°未満とすることが好ましい。

最後に、以下の式（７）を用いてθ１を決定し、式（８）を用いてθ４を決定する。

また、金属材２を載置する裏当材８についても種々の変形を適用できる。例えば上述した実施形態では、板状の裏当材８を用いているが、例えば図５に示すように、円柱状の裏当材１８の周面上に金属材２，２の突き合わせ部分Ｐを配置し、回転ツール１１の位置と裏当材１８の位置とを同期させながら突き合わせ部分Ｐに沿って移動させることにより、連続接合部３を形成するようにしてもよい。さらに、例えば図６に示すように、円柱状の裏当材１９の周面の幅を本体部１２の直径Ｄｃに略一致させてもよい。

このような態様によっても、簡単な構成で連続接合部３を形成することができる。図５に示す例では、裏当材８にプローブ部１４が当たること等による傷の発生が生じにくく、図６に示す例では、裏当材８の小型化が図られる。

また、本発明は、連続接合部３の形成のみならず、図７に示すように、金属材２，２の重ね合わせ部分Ｆにおける点接合部２０の形成にも適用可能である。この場合、図１に示したような板状の裏当材８を用いてもよいが、本体部１２の直径Ｄｃに略一致する直径を有する円柱状の裏当材２１を用い、この裏当材２１の長手方向の一端部上に金属材２，２の重ね合わせ部分Ｆを配置してもよい。

１…摩擦撹拌接合装置、３…連続接合部、８，１８，１９，２１…裏当材、１１…回転ツール、１２…本体部、１３…ショルダ部、１３ａ…頂部、１３ｂ…基部、１３ｃ…外周部分、１４…プローブ部、１４ａ…頂部、１４ｂ…基部、１５…凹部、１５ａ…底部、１６…面取部、２０…点接合部、Ｐ…突き合わせ部分（当接部分）、Ｆ…重ね合わせ部分（当接部分）。

Claims (7)

1. 略円柱状をなす本体部を備え、
   前記本体部の先端側には、頂部が球面状で基部が錘状をなすプローブ部と、当該プローブ部の周りで環状に隆起するショルダ部と、プローブ部の前記基部と前記ショルダ部の基部とによって形成される環状の凹部とが設けられ、
   前記ショルダ部の頂部の断面形状と前記凹部の底部の断面形状とが、いずれも鈍角かつ曲面形状となっていることを特徴とする回転ツール。
2. 前記ショルダ部の外周部分は、前記本体部の先端周縁を面取りしてなる面取部によって形成されていることを特徴とする請求項１記載の回転ツール。
3. 窒化珪素からなる裏当材上に金属材同士の当接部分を配置すると共に、請求項１又は２に記載の回転ツールの前記プローブ部を前記当接部分に押し込み、前記回転ツールを回転させることによって前記当接部分に連続接合部を形成することを特徴とする摩擦撹拌接合方法。
4. 円柱状の前記裏当材の周面上に前記当接部分を配置し、前記回転ツールの位置と前記裏当材の位置とを同期させながら前記当接部分に沿って移動させることにより、前記当接部分に前記連続接合部を形成することを特徴とする請求項３記載の摩擦撹拌接合方法。
5. 前記裏当材の前記周面の幅を前記本体部の直径に略一致させることを特徴とする請求項４記載の摩擦撹拌接合方法。
6. 窒化珪素からなる裏当材上に金属材同士の当接部分を配置すると共に、請求項１又は２に記載の回転ツールの前記プローブ部を前記当接部分に押し込み、前記回転ツールを回転させることによって前記当接部分に点接合部を形成することを特徴とする摩擦撹拌点接合方法。
7. 前記本体部の直径に略一致する直径を有する円柱状の前記裏当材の端部上に前記当接部分を配置し、前記当接部分に前記点接合部を形成することを特徴とする請求項６記載の摩擦撹拌点接合方法。