JP2016047549A

JP2016047549A - 摩擦攪拌接合装置

Info

Publication number: JP2016047549A
Application number: JP2014173985A
Authority: JP
Inventors: 宜司伊藤; Takashi Ito; 冨岡　泰造; Taizo Tomioka; 泰造冨岡
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2014-08-28
Filing date: 2014-08-28
Publication date: 2016-04-07
Also published as: US20160059344A1

Abstract

【課題】摩擦熱の不足を効率的に補うことができる摩擦攪拌接合装置を提供することである。【解決手段】実施形態によれば、ツールと、永久磁石または電磁石と、を備えた摩擦攪拌接合装置が提供される。ツールは、シャンクと、ショルダと、プローブと、少なくとも１個以上のヒータと、を有する。シャンクは、ツールの摩擦攪拌接合装置への取付部、中間部および先端部を有する。プローブは、ショルダの端部に設けられ接合対象部材の内部を攪拌する。ヒータは、シャンクの内部に設けられる。中間部は、複数の突起を有する鉄心部と、導体から成り突起に巻かれた少なくとも１個以上のコイルと、を有する。コイルの両端は、ヒータの端子にそれぞれ接続される。中間部の鉄心部の透磁率は、シャンクの先端部およびシャンクの取付部の透磁率よりも高い。【選択図】図３

Description

本発明の実施形態は、摩擦攪拌接合装置に関する。

一般的に、例えば金属などの材料を摩擦攪拌接合方法により接合する摩擦攪拌接合装置がある。摩擦攪拌接合装置は、接合ツールと接合対象部材との間に発生する摩擦熱を利用し、接合対象部材を接合する。

ここで、摩擦攪拌接合装置が比較的狭い領域において接合対象部材を接合する場合には、接合ツールが接合部分以外の部分や接合対象部材以外の部材と干渉することを回避するため、比較的小さい径の接合ツールを用いる必要がある。しかし、相対的に小さい径の接合ツールを用いると、摩擦熱が相対的に減少する。これに対して、必要な摩擦熱を得るためには、例えば接合ツールの回転数を増加する必要がある。しかし、接合ツールの回転数を増加すると、接合部分に欠陥が生ずるおそれがある。摩擦攪拌接合装置において、摩擦熱の不足を効率的に補うことが望まれている。

特開２０１１−８３８０５号公報

本発明が解決しようとする課題は、摩擦熱の不足を効率的に補うことができる摩擦攪拌接合装置を提供することである。

実施形態によれば、ツールと、永久磁石または電磁石と、を備えた摩擦攪拌接合装置が提供される。前記ツールは、接合対象部材に加圧するとともに回転させることで前記接合対象部材を軟化させて塑性流動を生じさせる。前記ツールは、シャンクと、ショルダと、プローブと、少なくとも１個以上のヒータと、を有する。前記シャンクは、前記ツールの前記摩擦攪拌接合装置への取付部、中間部および先端部を有する。前記ショルダは、前記先端部に設けられる。前記プローブは、前記ショルダの端部に設けられ前記接合対象部材の内部を攪拌する。前記ヒータは、前記シャンクの内部に設けられる。前記永久磁石または前記電磁石は、前記シャンクの前記中間部の外周に前記中間部と対向するように配置される。前記中間部は、複数の突起を有する鉄心部と、導体から成り前記突起に巻かれた少なくとも１個以上のコイルと、を有する。前記コイルの両端は、前記ヒータの端子にそれぞれ接続される。前記中間部の前記鉄心部の透磁率は、前記シャンクの前記先端部および前記シャンクの前記取付部の透磁率よりも高い。

本実施形態にかかる摩擦攪拌接合装置を表す模式的平面図である。本実施形態にかかる摩擦攪拌接合方法を説明する模式的斜視図である。本実施形態のツールを表す模式図である。本実施形態の他のツールを表す模式的平面図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。なお、各図面中、同様の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
図１は、本実施形態にかかる摩擦攪拌接合装置を表す模式的平面図である。

図１に表した摩擦攪拌接合装置１００は、基台１１０と、移動部１２０と、主軸回転モータ１２１と、インバータ１２７と、軸調整モータ１２９と、ツール１３０と、を備える。
基台１１０は、軸１１１を有する。軸１１１は、軸調整モータ１２９から伝達された回転力を受けて回転する。

移動部１２０は、軸１１１に接続され、チャック部１２３を有する。チャック部１２３は、ツール１３０を保持する。図１に表した矢印Ａ１のように、軸１１１が軸調整モータ１２９から伝達された回転力を受けて回転すると、移動部１２０は、基台１１０に載置された接合対象部材２１０に近づいたり、接合対象部材２１０から遠ざかる。

これにより、摩擦攪拌接合装置１００は、ツール１３０を接合対象部材２１０に押し付ける力（以下、「押し付け力」と称する。）を調整することができる。あるいは、摩擦攪拌接合装置１００は、ツール１３０の先端部に設けられたプローブ１３３ａ（図２参照）が接合対象部材２１０に圧入される深さを調整することができる。この詳細については、後述する。

インバータ１２７は、例えば、主軸回転モータ１２１の周波数および主軸回転モータ１２１の電圧の少なくともいずれかの制御を行う。なお、インバータ１２７の制御は、これだけには限定されない。

主軸回転モータ１２１は、インバータ１２７が実行した制御に基づいて、所定の回転数で回転する。チャック部１２３は、主軸回転モータ１２１から伝達された回転力を受け回転する。ツール１３０は、チャック部１２３に保持されているため、チャック部１２３が回転するとチャック部１２３とともに回転する。

図２は、本実施形態にかかる摩擦攪拌接合方法を説明する模式的斜視図である。
図３は、本実施形態のツールを表す模式図である。
図３（ａ）は、本実施形態のツールを表す模式的斜視図である。図３（ｂ）は、本実施形態のツールを表す模式的平面図である。図３（ｃ）は、図３（ｂ）に表した切断面Ａ−Ａにおける模式的断面図である。なお、図３（ａ）では、説明の便宜上、磁石を平面的に表している。

図２に表したように、接合対象部材２１０は、第１の接合部材２１１と、第２の接合部材２１２と、を有する。接合対象部材２１０は、基台１１０（図１参照）に載置される。図２に表した摩擦攪拌接合方法においては、第１の接合部材２１１の端面は、当接部２１４において第２の接合部材２１２の端面と接触している。第１の接合部材２１１の厚さ（図２において上下方向の寸法）は、第２の接合部材２１２の厚さと略同じである。接合対象部材２１０の材料は、例えば金属である。より具体的には、接合対象部材２１０の材料は、例えば、鉄、銅、アルミニウム、およびチタンの少なくともいずれかを含む。なお、接合対象部材２１０の材料は、これだけには限定されない。

図３（ａ）および図３（ｂ）に表したように、ツール１３０は、シャンク１３１と、ショルダ１３３と、プローブ１３３ａと、ヒータ１３５と、を有する。シャンク１３１は、取付部１３１ａと、中間部１３１ｂと、先端部１３１ｃと、を有する。中間部１３１ｂは、鉄心部１３２と、導体１３４と、を有する。なお、図２では、ショルダ１３３と、プローブ１３３ａと、を表し、シャンク１３１と、鉄心部１３２と、導体１３３と、ヒータ１３５と、を省略している。ショルダ１３３は、例えば円柱形状を呈し、シャンク１３１の端面１３１ｄに設けられている。プローブ１３３ａは、ショルダ１３３の端面１３３ｂに設けられている。プローブ１３３ａは、端面１３３ｂの略中心部において端面１３３ｂから突出し、ショルダ１３３と一体的に形成されている。シャンク１３１、ショルダ１３３およびプローブ１３３ａの材料は、例えば、一般的に金型に用いられる材料を含む。

図３（ｂ）に表したように、ショルダの直径Ｄ１は、例えば約１〜１０ミリメートル（ｍｍ）程度である。プローブ１３３ａの直径Ｄ２は、例えば約５ｍｍ以下である。プローブ１３３ａの先端の高さＤ３は、例えば約２ｍｍ以下である。
なお、ヒータ１３５、鉄心部１３２、および導体１３４の詳細については、後述する。

第１の接合部材２１１と第２の接合部材２１２とを摩擦攪拌接合方法により互いに接合する場合には、まず、図２に表した矢印Ａ２のように、ツール１３０を所定の回転数で回転させる。続いて、図２に表した矢印Ａ３のように、当接部２１４における接合対象部材２１０の表面にツール１３０のプローブ１３３ａを押し当てる。

これにより、プローブ１３３ａと接合対象部材２１０との間に、摩擦熱が発生する。すると、当接部２１４の近傍の接合対象部材２１０は、プローブ１３３ａと接合対象部材２１０との間に発生した摩擦熱により軟化する。

前述したように、ツール１３０は、所定の圧力で接合対象部材２１０に押し付けられているため、接合対象部材２１０のうちの軟化した部分に圧入されていく。その結果として、図２に表したように、プローブ１３３ａは、接合対象部材２１０の内部に埋没した状態となる。このとき、プローブ１３３ａの周辺の接合対象部材２１０は、ツール１３０の回転に引きずられ塑性流動を起こす。つまり、プローブ１３３ａの周辺の接合対象部材２１０は、プローブ１３３ａの回転力を受けて攪拌される。

続いて、図２に表した矢印Ａ４のように、ツール１３０の回転数およびツール１３０の押し付け力を維持しつつ、当接部２１４に沿ってツール１３０を移動させる。すると、プローブ１３３ａの周辺の接合対象部材２１０は、プローブ１３３ａの回転に基づいて発生する摩擦熱により軟化し、ツール１３０の回転力を受けて塑性流動を起こす。続いて、塑性流動を起こした接合対象部材２１０は、摩擦熱を失って冷却され固化する。このような作用が、プローブ１３３ａの移動に伴って繰り返される。これにより、ツール１３０の後方（ツール１３０からみて矢印Ａ４とは反対の側）には、塑性流動によって一体化した接合部２１６が形成される。

ここで、摩擦攪拌接合装置１００が比較的狭い領域において接合対象部材２１０を接合する場合には、ツール１３０が接合部２１６以外の部分や接合対象部材２１０以外の部材と干渉することを回避するため、比較的小さい径のツール１３０を用いる必要がある。しかし、相対的に小さい径のツール１３０を用いると、摩擦熱が相対的に減少する。本発明者の得た知見によれば、ツール１３０から接合対象部材２１０に供給される熱量は、ショルダ１３３の直径の３乗に比例する。例えば、ショルダ１３３の直径が１／３倍になると、ツール１３０から接合対象部材２１０に供給される熱量は、１／２７倍になる。これに対して、必要な摩擦熱を得るためには、例えばツール１３０の回転数を増加する必要がある。しかし、ツール１３０の回転数を増加すると、接合部２１６に欠陥が生ずるおそれがある。

摩擦熱の不足を補う手段としては、例えば、当接部２１４をレーザにより局所的に加熱する手段や、接合対象部材２１０を加熱する手段や、ツール１３０と接合対象部材２１０とを互いに通電し当接部２１４をジュール熱により加熱する手段などが挙げられる。

しかし、当接部２１４をレーザにより局所的に加熱する手段では、摩擦攪拌接合装置のコストが高くなる。接合対象部材２１０を加熱する手段では、接合を行う前に接合対象部材２１０を加熱する工程が必要となり、生産性が低下する。当接部２１４をジュール熱により加熱する手段では、例えばアルミニウムや銅などの良導体を効率的に加熱することができない。

これに対して、図３に表したように、本実施形態にかかる摩擦攪拌接合装置１００のツール１３０は、シャンク１３１と、ショルダ１３３と、プローブ１３３ａと、ヒータ１３５と、を有する。ツール１３０の外周（より具体的には中間部１３１ｂの外周）には、磁石１４１が設けられている。磁石１４１は、永久磁石であってもよいし、電磁石であってもよい。

シャンク１３１、ショルダ１３３およびプローブ１３３ａは、前述した通りである。
ヒータ１３５は、ツール１３０の内部に設けられている。図３（ａ）〜図３（ｃ）に表したツール１３０では、ヒータ１３５は、シャンク１３１の先端部１３１ｃの内部に設けられている。

鉄心部１３２は、シャンク１３１の中間部１３１ｂに取り付けられ、ショルダ１３３の透磁率およびプローブ１３３ａの透磁率よりも高い透磁率の材料を含む。つまり、鉄心部１３２の透磁率は、ショルダ１３３の透磁率およびプローブ１３３ａの透磁率よりも高い。あるいは、中間部１３１ｂの鉄心部１３２の透磁率は、シャンク１３１の先端部１３１ｃの透磁率およびシャンク１３１の取付部１３１ａの透磁率よりも高い。例えば、鉄心部１３２の材料は、フェライトなどの磁性体を含む。鉄心部１３２は、例えば圧粉成型体や板状の部材が積層された構造を有する。

図３（ａ）〜図３（ｃ）に表したツール１３０では、導体１３４は、例えばコイルである。図３（ｃ）に表したように、鉄心部１３２の外周部には、鉄心部１３２の外周から径外方向へ突出した突起１３２ａが設けられている。図３（ａ）〜図３（ｃ）に表したツールでは、複数の突起１３２ａが設けられている。導体１４３は、複数の突起１３２ａのそれぞれに取り付けられている。導体１３４は、ヒータ１３５と電気的に接続されている。

図１に関して前述したように、ツール１３０は、主軸回転モータ１２１から伝達された回転力を受けて回転する。すると、鉄心部１３２および導体１３４が磁石１４１に対して移動する。より具体的には、鉄心部１３２および導体１３４は、磁石１４１に対して回転する。すると、電磁誘導作用が導体１３４に起こり、誘導電流が導体１３４に流れる。前述したように、ヒータ１３５が導体１３４と電気的に接続されているため、導体１３４に流れた誘導電流は、ヒータ１３５に流れる。

電流がヒータ１３５に流れると、ヒータ１３５は、抵抗熱を発生させる。つまり、電流がヒータ１３５に流れると、ヒータ１３５は、発熱する。
一方で、前述したように、ツール１３０を所定の回転数で回転させ、当接部２１４における接合対象部材２１０の表面にプローブ１３３ａを押し当てると、プローブ１３３ａと接合対象部材２１０との間に摩擦熱が発生する。

これにより、摩擦攪拌接合装置１００が比較的狭い領域において接合対象部材２１０を接合する場合において、プローブ１３３ａと接合対象部材２１０との間に生じた摩擦熱と、ヒータ１３５で生じた抵抗熱と、を利用することができる。そのため、ツール１３０の回転数を増加させなくとも、ヒータ１３５で生じた抵抗熱により摩擦熱の不足を効率的に補うことができる。

また、本実施形態では、ヒータ１３５をツール１３０とは異なる外部電源と電気的に接続する必要がない。ヒータ１３５に電流を流すための配線は、ツール１３０の内部において完結する。これにより、高度な配線が不要となり、より簡易的な配線でヒータ１３５に電流を流すことができる。

また、レーザ装置などの特別な装置は必要ないため、摩擦攪拌接合装置１００のコストを抑えることができる。また、接合を行う前に接合対象部材２１０を加熱する工程は不要であるため、生産性が低下することを抑えることができる。また、ツール１３０は、内部にヒータ１３５を有するため、例えばアルミニウムや銅などの良導体を効率的に加熱することができる。

磁石１４１として電磁石を用いる場合には、個々のツール１３０の回転数においてプローブ１３３ａを所望の温度にするために磁石１４１（ここでは電磁石）に供給する必要な電力を求めておくことができる。言い換えれば、ヒータ１３５の温度の制御は、ツール１３０の回転数に応じて磁石１４１に投入する電流を制御することにより実行される。これにより、ツールの回転数に依らず、磁石１４１（ここでは電磁石）に供給される電力に応じてプローブ１３３ａの温度を制御することができる。

次に、本実施形態の他のツールについて、図面を参照しつつ説明する。
図４は、本実施形態の他のツールを表す模式的平面図である。

図４に表したように、本実施形態の他のツール１３０ａは、シャンク１３１と、ショルダ１３３と、プローブ１３３ａと、ヒータ１３５と、を有する。シャンク１３１は、取付部１３１ａと、中間部１３１ｂと、先端部１３１ｃと、を有する。中間部１３１ｂは、鉄心部１３２と、導体１３４と、を有する。ショルダ１３３は、例えば円柱形状を呈し、シャンク１３１の端面１３１ｄに設けられている。プローブ１３３ａは、ショルダ１３３の端面１３３ｂに設けられている。プローブ１３３ａは、端面１３３ｂの略中心部において端面１３３ｂから突出し、ショルダ１３３と一体的に形成されている。シャンク１３１、ショルダ１３３およびプローブ１３３ａの材料は、例えば、一般的に金型に用いられる材料を含む。

図４に表したように、ショルダ１３３の直径Ｄ１は、例えば約１〜１０ミリメートル（ｍｍ）程度である。プローブ１３３ａの直径Ｄ２は、例えば約５ｍｍ以下である。プローブ１３３ａの高さＤ３は、例えば約２ｍｍ以下である。

ツール１３０ａの外周には、磁石１４１が設けられている。磁石１４１は、永久磁石であってもよいし、電磁石であってもよい。

ヒータ１３５は、ツール１３０ａの内部に設けられている。図４に表したツール１３０ａでは、ヒータ１３５のうちの少なくとも一部は、ショルダ１３３の内部に設けられている。

導体１３４は、ロータバー１３４ａと、エンドリング１３４ｂと、を有し、いわゆる「かご形導体」などと呼ばれる。導体１３４は、鉄心部１３２の周囲に取り付けられ、導電性を有する。導体１３４の材料は、例えばアルミニウムおよび銅の少なくともいずれかを含む。

ツール１３０ａの内部には、空間１３９が設けられている。ツール１３０ａの空間１３９には、電線１３７が配置されている。電線１３７の一端は、導体１３４に接続されている。電線１３７の他端は、ヒータ１３５に接続されている。つまり、ヒータ１３５は、電線１３７を介して導体１３４と電気的に接続されている。

図１に関して前述したように、ツール１３０ａは、主軸回転モータ１２１から伝達された回転力を受けて回転する。すると、鉄心部１３２および導体１３４が磁石１４１に対して移動する。より具体的には、鉄心部１３２および導体１３４は、磁石１４１に対して回転する。すると、電磁誘導作用が導体１３４に起こり、誘導電流が導体１３４に流れる。前述したように、ヒータ１３５が電線１３７を介して導体１３４と電気的に接続されているため、導体１３４に流れた誘導電流は、電線１３７を通してヒータ１３５に流れる。

電流がヒータ１３５に流れると、ヒータ１３５は、抵抗熱を発生させる。つまり、電流がヒータ１３５に流れると、ヒータ１３５は、発熱する。これは、図２〜図３（ｃ）に関して前述した通りである。

これにより、摩擦攪拌接合装置１００が比較的狭い領域において接合対象部材２１０を接合する場合において、プローブ１３３ａと接合対象部材２１０との間に生じた摩擦熱と、ヒータ１３５で生じた抵抗熱と、を利用することができる。そのため、ツール１３０ａの回転数を増加させなくとも、ヒータ１３５で生じた抵抗熱により摩擦熱の不足を効率的に補うことができる。

また、本実施形態では、ヒータ１３５をツール１３０ａとは異なる外部電源と電気的に接続する必要がない。ヒータ１３５に電流を流すための配線は、ツール１３０ａの内部において完結する。これにより、高度な配線が不要となり、より簡易的な配線でヒータ１３５に電流を流すことができる。

また、レーザ装置などの特別な装置は必要ないため、摩擦攪拌接合装置１００のコストを抑えることができる。また、接合を行う前に接合対象部材２１０を加熱する工程は不要であるため、生産性が低下することを抑えることができる。また、ツール１３０ａは、内部にヒータ１３５を有するため、例えばアルミニウムや銅などの良導体を効率的に加熱することができる。

磁石１４１として電磁石を用いる場合には、個々のツール１３０ａの回転数においてプローブ１３３ａを所望の温度にするために磁石１４１（ここでは電磁石）に供給する必要な電力を求めておくことができる。言い換えれば、ヒータ１３５の温度の制御は、ツール１３０の回転数に応じて磁石１４１に投入する電流を制御することにより実行される。これにより、ツールの回転数に依らず、磁石１４１（ここでは電磁石）に供給される電力に応じてプローブ１３３ａの温度を制御することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１００摩擦攪拌接合装置、１１０基台、１１１軸、１２０移動部、１２１主軸回転モータ、１２３チャック部、１２７インバータ、１２９軸調整モータ、１３０、１３０ａツール、１３１シャンク、１３１ｄ端面、１３２鉄心部、１３２ａ突起、１３３ショルダ、１３３ａプローブ、１３３ｂ端面、１３４導体、１３４ａロータバー、１３４ｂエンドリング、１３５ヒータ、１３７電線、１３９空間、１４１磁石、２１０接合対象部材、２１１第１の接合部材、２１２第２の接合部材、２１４当接部、２１６接合部

Claims

接合対象部材に加圧するとともに回転させることで前記接合対象部材を軟化させて塑性流動を生じさせるツールを備えた摩擦攪拌接合装置であって、
前記ツールの前記摩擦攪拌接合装置への取付部、中間部および先端部を有するシャンクと、
前記先端部に設けられたショルダと、
前記ショルダの端部に設けられ前記接合対象部材の内部を攪拌するプローブと、
前記シャンクの内部に設けられた少なくとも１個以上のヒータと、
を有するツールと、
前記シャンクの前記中間部の外周に前記中間部と対向するように配置された永久磁石または電磁石と、
を備え、
前記中間部は、複数の突起を有する鉄心部と、導体から成り前記突起に巻かれた少なくとも１個以上のコイルと、を有し、
前記コイルの両端は、前記ヒータの端子にそれぞれ接続され、
前記中間部の前記鉄心部の透磁率は、前記シャンクの前記先端部および前記シャンクの前記取付部の透磁率よりも高い摩擦攪拌接合装置。
接合対象部材に加圧するとともに回転させることで前記接合対象部材を軟化させて塑性流動を生じさせるツールを備えた摩擦攪拌接合装置であって、
前記ツールの前記摩擦攪拌接合装置への取付部、中間部および先端部を有するシャンクと、
前記先端部に設けられたショルダと、
前記ショルダの端部に設けられ前記接合対象部材の内部を攪拌するプローブと、
前記シャンクまたは前記ショルダの内部に設けられた少なくとも１個以上のヒータと、
を有するツールと、
前記シャンクの前記中間部の外周に前記中間部と対向するように配置された永久磁石または電磁石と、
を備え、
前記中間部は、鉄心部と、エンドリングと、ロータバーと、を有し、
前記中間部の前記鉄心部の透磁率は、前記シャンクの前記先端部および前記シャンクの前記取付部の透磁率よりも高い摩擦攪拌接合装置。
前記ヒータの温度の制御は、前記ツールの回転数に応じて前記電磁石に投入する電流を制御することにより実行される請求項１または２に記載の摩擦攪拌接合装置。