JP2016123984A - 摩擦攪拌用工具及び摩擦攪拌用工具を用いた摩擦攪拌接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】隅肉摩擦攪拌接合において、内隅部周辺の流動金属がショルダに付着するのを少なく抑えて、一対の金属部材間に表面が滑らかな接合ビードを形成し得る摩擦攪拌用工具及びこれを用いた摩擦攪拌接合方法を提供する。【解決手段】金属部材Ｗを摩擦攪拌する摩擦攪拌用工具であって、金属部材Ｗに押し当てられた状態で回転して摩擦熱を付与しつつ軟化した流動金属を攪拌する攪拌プローブ２と、プローブ支持孔３３を有し、プローブ支持孔３３で回転する攪拌プローブ２を支持しつつ金属部材Ｗ上を摺動するショルダ３を備え、ショルダ３のプローブ支持孔３３よりもショルダ３の進行方向とは反対側には、攪拌プローブ２で攪拌された流動金属を金属部材Ｗ上に均す成形部３６が配置され、ショルダ３のプローブ支持孔３３よりもショルダ３の進行方向側には、攪拌プローブ２で攪拌された流動金属を成形部３６と金属部材Ｗとの間に導く誘導部３９が配置されている。【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、摩擦攪拌接合（FSW; Friction Stir Welding）や摩擦攪拌処理(FSP; Friction Stir Processing)に用いられる摩擦攪拌用工具及び摩擦攪拌用工具を用いた摩擦攪拌接合方法に関するものである。

従来、上記した摩擦攪拌接合に用いられる摩擦攪拌用工具としては、例えば、特許文献１に記載されたものがある。この摩擦攪拌用工具は、一対の金属部材を突き合せて形成された内隅部に対して摩擦攪拌接合を行う隅肉摩擦攪拌接合用工具であって、一対の金属部材に跨って押し当てられた状態で回転する攪拌プローブと、この攪拌プローブを支持するショルダを備えている。

一対の金属部材に跨って押し当てられた状態で回転する攪拌プローブは、一対の金属部材間の内隅部に摩擦熱を付与しつつ軟化した内隅部及びその周辺の流動金属を練り混ぜることで、一対の金属部材同士を一体化させる。

一方、ショルダは、攪拌プローブが貫通するプローブ支持孔を有し、このプローブ支持孔で回転する攪拌プローブを支持しつつ一対の金属部材間の内隅部上を摺動して、内隅部及びその周辺の練り混ざった流動金属を均して接合ビードを形成する。

特開2011-079031号公報

ところが、上記した従来の摩擦攪拌接合用工具では、攪拌プローブの回転で生じる摩擦熱で軟化して練り混ざった流動金属が、摩擦攪拌接合を続けるうちにショルダに付着するようになり、摩擦攪拌接合の終盤においては、ショルダに付着して溜まった流動金属が接合ビードの終端部のみならずその周囲の一対の金属部材を傷つけてしまうという問題を有しており、この問題を解決することが従来の課題となっていた。

本発明は、上記した従来の課題に着目してなされたもので、例えば、隅肉摩擦攪拌接合に用いた場合において、内隅部周辺の流動金属がショルダに付着するのを少なく抑えることができ、その結果、一対の金属部材間に表面が滑らかな接合ビードを形成することが可能である摩擦攪拌用工具及び摩擦攪拌用工具を用いた摩擦攪拌接合方法を提供することを目的としている。

本発明の第１の態様は、金属部材を摩擦攪拌する摩擦攪拌用工具であって、前記金属部材に押し当てられた状態で回転して摩擦熱を付与しつつ軟化した流動金属を攪拌する攪拌プローブと、前記攪拌プローブが貫通するプローブ支持孔を有し、該プローブ支持孔で回転する前記攪拌プローブを支持しつつ前記金属部材上を摺動するショルダを備え、前記ショルダにおける前記プローブ支持孔よりも該ショルダの進行方向とは反対側には、前記攪拌プローブで攪拌された前記流動金属を前記金属部材上に均す成形部が配置され、前記ショルダにおける少なくとも前記プローブ支持孔よりも該ショルダの進行方向側には、前記攪拌プローブで攪拌された前記流動金属を前記成形部と前記金属部材との間に導く誘導部が配置されている構成としている。

本発明の第２の態様は、一対の金属部材を突き合せて形成された内隅部に対して摩擦攪拌接合を行う隅肉摩擦攪拌接合に用いられる摩擦攪拌用工具であって、前記成形部は、前記一対の金属部材の内隅部を形成する部材表面と当接する一対の成形面及び該一対の成形面が交わる成形稜線から成り、前記誘導部は、前記成形部の一対の成形面に一辺がそれぞれ接続し且つ他辺同士が互いに接続することで、前記一対の金属部材の部材表面に対してそれぞれ隙間をおいて配置される一対の誘導斜面を有している構成としている。

本発明の第３の態様において、前記誘導部は、前記ショルダにおける前記プローブ支持孔の前記金属部材側の開口周縁部に形成された前記ショルダの進行方向及び前記金属部材の双方を向く押し込み斜面を含む構成としている。

本発明の第４の態様において、前記ショルダには、該ショルダと前記金属部材との間にフィラーワイヤを供給するワイヤ導入部が配置されている構成としている。

本発明の第５の態様において、前記誘導部は、前記ショルダにおける前記プローブ支持孔の前記金属部材側の開口周縁部に形成された前記ショルダの進行方向側に位置する誘導溝を含む構成としている。

本発明の第６の態様は、請求項１〜４のいずれかに記載の摩擦攪拌用工具を用いて、一対の金属部材を突き合せて形成された内隅部に対して隅肉摩擦攪拌接合を行う構成としている。

本発明に係る摩擦攪拌用工具によれば、例えば、隅肉摩擦攪拌接合に用いた場合には、内隅部周辺の流動金属がショルダに付着するのを少なく抑えることができ、その結果、一対の金属部材間に表面が滑らかな接合ビードを形成することが可能であるという非常に優れた効果がもたらされる。

本発明の一実施例に係る摩擦攪拌用工具としての摩擦攪拌接合用工具を示す隅肉摩擦攪拌接合を行っている状況の正面説明図である。 図１の隅肉摩擦攪拌接合を行っている状況の摩擦攪拌接合用工具を示す図１Ａ−Ａ線位置に基づく断面説明図である。 図１における摩擦攪拌接合用工具を工具ホルダに装着した状況の斜視説明図である。 図１に示した摩擦攪拌接合用工具におけるショルダの下方からの全体斜視説明図である。 本発明の他の実施例に係る摩擦攪拌用工具としての摩擦攪拌接合用工具のショルダを示す下方からの全体斜視説明図である。 本発明のさらに他の実施例に係る摩擦攪拌用工具としての摩擦攪拌接合用工具のショルダを示す下方からの全体斜視説明図である。 図６に示した摩擦攪拌接合用工具を用いて隅肉摩擦攪拌接合を行った際の接合ビードの平面説明図である。 従来の摩擦攪拌接合用工具を用いて隅肉摩擦攪拌接合を行った際の接合ビードの平面説明図である。 図６に示した摩擦攪拌接合用工具を用いてギャップがある内隅部に対して隅肉摩擦攪拌接合を行った際の接合ビードの平面説明図である。 従来の摩擦攪拌接合用工具を用いてギャップがある内隅部に対して隅肉摩擦攪拌接合を行った際の接合ビードの平面説明図である。 本発明のさらに他の実施例に係る摩擦攪拌用工具を示す下方からの全体斜視説明図である。

以下、本発明を図面に基づいて説明する。
図１〜図４は、本発明の一実施例に係る摩擦攪拌用工具を示しており、この実施例では、本発明に係る摩擦攪拌用工具が摩擦攪拌接合用工具である場合を例に挙げて説明する。

図１及び図２に示すように、この摩擦攪拌接合用工具１は、一対の平板状を成す金属部材Ｗ，Ｗ（例えば、アルミニウムの平板）を突き合せて形成された内隅部Ｗｂに対して摩擦攪拌接合を行う隅肉摩擦攪拌接合用のものであって、一対の金属部材Ｗ，Ｗ間に跨って押し当てられた状態で回転する攪拌プローブ２と、この回転する攪拌プローブ２を支持するショルダ３を備えている。

この摩擦攪拌接合用工具１は、図３にも示すように、工具ホルダ１０を介して図示しない駆動系側に接続されている。工具ホルダ１０は、一対の金属部材Ｗ，Ｗの内隅部Ｗｂを形成する部材表面Ｗａ，Ｗａと対向する一対の斜面１１，１１及びこれらの斜面１１，１１間に位置する平面部１２を有しており、摩擦攪拌接合用工具１は、工具ホルダ１０の平面部１２の中央に着脱可能に装着されるようになっている。

摩擦攪拌接合用工具１の攪拌プローブ２は、駆動系から与えられる回転力で回転して、一対の金属部材Ｗ，Ｗ間の内隅部Ｗｂに摩擦熱を付与しつつ軟化した内隅部Ｗｂ及びその周辺の流動金属を練り混ぜることで、一対の金属部材Ｗ，Ｗ同士を一体化させる。なお、攪拌プローブ２の回転数は、500〜1500(rpm)であり、金属部材Ｗの材質や肉厚により変化する。

一方、摩擦攪拌接合用工具１のショルダ３は、回転する攪拌プローブ２を支持しつつ駆動系から与えられる駆動力により一対の金属部材Ｗ，Ｗ間の内隅部Ｗｂ上を図２矢印方向に摺動して、内隅部Ｗｂの図１及び図２に仮想線で示す練り混ざった流動金属を均して接合部分を成形する。このショルダ３の摺動速度は、金属部材Ｗの材質や肉厚に加えて金属部材Ｗ，Ｗ間のギャップの量により変化する。

このショルダ３は、図４にも示すように、工具ホルダ１０の平面部１２の中央に図示しないボルトにより装着される平板部３１と、この平板部３１の工具ホルダ１０とは反対側に突出する円筒部３２を具備しており、この円筒部３２の中心孔はプローブ支持孔３３として形成されている。また、このショルダ３の円筒部３２には、先端に向けて互いに接近して互いに交わる一対の成形面３４，３４が形成されている。

この一対の成形面３４，３４同士が成す角度は、摩擦攪拌接合を行う際に、一対の金属部材Ｗ，Ｗの内隅部Ｗｂを形成する部材表面Ｗａ，Ｗａと当接するように設定されており、この一対の成形面３４，３４のうちのプローブ支持孔３３よりも後端側（ショルダ３の進行方向とは反対側、図４右側）の部分及びこれらの成形面３４，３４が交わる成形稜線３５により、流動金属を均す成形部３６が構成されている。

この場合、ショルダ３のプローブ支持孔３３よりも前端側（ショルダ３の進行方向側、図４左側）には、攪拌プローブ２で攪拌された流動金属を成形部３６と金属部材Ｗ，Ｗとの間に導く誘導部３９が配置されている。

この誘導部３９は、一対の成形面３４，３４のプローブ支持孔３３よりも前端側に一辺がそれぞれ接続される一対の誘導斜面３７，３７を有しており、これらの誘導斜面３７，３７は、各々の他辺同士を互いに接続することで、摩擦攪拌接合を行う際に、一対の金属部材Ｗ，Ｗの部材表面Ｗａ，Ｗａに対してそれぞれ隙間Ｓをおいて向き合うようになっている。

この実施例において、誘導部３９における一対の誘導斜面３７，３７の互いに接続する他辺同士は、一対の金属部材Ｗ，Ｗの内隅部Ｗｂに対して傾斜する逃げ稜線３８を形成している。

この摩擦攪拌接合用工具１を用いた摩擦攪拌接合方法において、すなわち、この摩擦攪拌接合用工具１を用いて、一対の金属部材Ｗ，Ｗを突き合せて形成された内隅部Ｗｂに対して隅肉摩擦攪拌接合を行う場合において、回転する攪拌プローブ２を支持するショルダ３を駆動系から与えられる駆動力により内隅部Ｗｂ上を摺動させる。

このショルダ３の摺動の間、攪拌プローブ２の回転で練り混ざった流動金属のうちのショルダ３の前端側に止まろうとする流動金属は、ショルダ３の誘導部３９における一対の誘導斜面３７，３７と一対の金属部材Ｗ，Ｗの部材表面Ｗａ，Ｗａとの間の隙間Ｓを通して、成形部３６と金属部材Ｗ，Ｗとの間に導かれるので、摩擦攪拌接合を続けても流動金属がショルダ３に付着することがなくなる。

したがって、摩擦攪拌接合の終盤において、流動金属が接合ビードの終端部のみならずその周囲の一対の金属部材Ｗ，Ｗを傷つけてしまうという事態が回避されることとなり、一対の金属部材Ｗ，Ｗ間に表面が滑らかな接合ビードが形成されることとなる。

また、この摩擦攪拌接合用工具１において、誘導部３９における一対の誘導斜面３７，３７の互いに接続する他辺同士が、一対の金属部材Ｗ，Ｗの内隅部Ｗｂに対して傾斜する逃げ稜線３８を形成しているので、ショルダ３の摺動が円滑に成されることとなる。

この際、逃げ稜線３８を設けることで、逃げ稜線３８と一対の金属部材Ｗ，Ｗの内隅部Ｗｂとの間には空間が形成されるが、この空間を図２に仮想線で示すフィラーワイヤＦＷのワイヤ導入部４１として利用してもよい。このフィラーワイヤＦＷには、通常、一対の金属部材Ｗ，Ｗと同じ材質のものが使用されるが、敢えて一対の金属部材Ｗ，Ｗとは異なる種類の金属のフィラーワイヤＦＷを用いてもよい。

なお、この実施例では、一対の誘導斜面３７，３７の他辺同士を互いに接続させることで逃げ稜線３８を形成するようにしているが、この逃げ稜線３８と一対の金属部材Ｗ，Ｗの内隅部Ｗｂとの間をワイヤ導入部４１として利用する場合には、湾曲面を介して一対の誘導斜面３７，３７の他辺同士を互いに接続させてもよい。

図５は、本発明の他の実施例に係る摩擦攪拌用工具を示しており、この実施例でも、本発明に係る摩擦攪拌用工具が摩擦攪拌接合用工具である場合を例に挙げて説明する。

図５に示すように、この摩擦攪拌接合用工具１Ａのショルダ３Ａが先の実施例における摩擦攪拌接合用工具１のショルダ３と相違するところは、ショルダ３Ａにおけるプローブ支持孔３３の金属部材Ｗ側の開口周縁部に、誘導部３９としてショルダ３Ａの進行方向及び金属部材Ｗの双方（図５左下方向）を向く押し込み斜面４０のみを形成した点にあり、他の構成は先の実施例における摩擦攪拌接合用工具１のショルダ３と同じである。なお、プローブ支持孔３３の開口周縁部に形成される押し込み斜面４０の縦幅（図５上下方向幅）の寸法は、プローブ支持孔３３の口径の１０％とすることが望ましい。

この摩擦攪拌接合用工具１Ａにおいて、隅肉摩擦攪拌接合におけるショルダ３Ａの摺動の間、攪拌プローブ２の回転で練り混ざった流動金属に対して、誘導部３９としての押し込み斜面４０が金属部材Ｗ方向の力を付与するので、一対の金属部材Ｗ，Ｗ間にギャップがあったとしても、このギャップに流動金属が押し込められて接合ビードに未充填部分が残るようなことが回避されることとなる。

図６は、本発明のさらに他の実施例に係る摩擦攪拌用工具を示しており、この実施例でも、本発明に係る摩擦攪拌用工具が摩擦攪拌接合用工具である場合を例に挙げて説明する。

図６に示すように、この摩擦攪拌接合用工具１Ｂのショルダ３Ｂが先の実施例における摩擦攪拌接合用工具１のショルダ３と相違するところは、誘導部３９として一対の誘導斜面３７，３７に加えて押し込み斜面４０を含んでいる点にあり、他の構成は先の実施例における摩擦攪拌接合用工具１のショルダ３と同じである。

この摩擦攪拌接合用工具１Ｂにおいて、隅肉摩擦攪拌接合におけるショルダ３Ｂの摺動の間、攪拌プローブ２の回転で練り混ざった流動金属のうちのショルダ３の前端側に止まろうとする流動金属は、ショルダ３Ｂの誘導部３９における一対の誘導斜面３７，３７と一対の金属部材Ｗ，Ｗの部材表面Ｗａ，Ｗａとの間の隙間Ｓを通して、成形部３６と金属部材Ｗ，Ｗとの間に導かれるので、摩擦攪拌接合を続けても流動金属がショルダ３Ｂに付着することがなくなり、摩擦攪拌接合の終盤において、流動金属が接合ビードの終端部のみならずその周囲の一対の金属部材Ｗ，Ｗを傷つけてしまうという事態が回避されることとなり、したがって、一対の金属部材Ｗ，Ｗ間に表面が滑らかな接合ビードが形成されることとなる。

加えて、ショルダ３Ｂの摺動の間において、攪拌プローブ２の回転で練り混ざった流動金属には、誘導部３９としての押し込み斜面４０から金属部材Ｗ方向の力が付与されるので、一対の金属部材Ｗ，Ｗ間にギャップがあったとしても、このギャップに流動金属が押し込められることとなって、接合ビードに未充填部分が残るようなことも回避されることとなる。

そこで、この実施例における摩擦攪拌接合用工具１Ｂを用いて、一対の金属部材Ｗ，Ｗを突き合せて形成された内隅部Ｗｂに対して隅肉摩擦攪拌接合を行ったところ、図７に示すような接合ビードＢが得られた。この際、比較のために、従来の摩擦攪拌接合用工具を用いて、一対の金属部材Ｗ，Ｗを突き合せて形成された内隅部Ｗｂに対して隅肉摩擦攪拌接合を行ったところ、図８に示すような接合ビードＢｎが得られた。

図７に示すように、この実施例における摩擦攪拌接合用工具１Ｂを用いて行った隅肉摩擦攪拌接合で得られた接合ビードＢにおいて、その終端部Ｂｅの表面が始端部Ｂｓの表面とほとんど変わらない滑らかさなのに対して、図８に示すように、従来の摩擦攪拌接合用工具を用いて行った隅肉摩擦攪拌接合で得られた接合ビードＢｎでは、その終端部Ｂｎｅの表面が始端部Ｂｎｓの表面と比べてささくれ立っていることが判る。

したがって、この摩擦攪拌接合用工具１Ｂでは、摩擦攪拌接合の終盤において、流動金属が接合ビードＢの終端部Ｂｅやその周囲の一対の金属部材Ｗ，Ｗを傷つけてしまうようなことがなく、一対の金属部材Ｗ，Ｗ間に表面が滑らかな接合ビードＢが形成されることが実証できた。

また、上記実施例における摩擦攪拌接合用工具１Ｂを用いて、一対の金属部材Ｗ，Ｗを突き合せて形成されたギャップのある内隅部Ｗｂに対して隅肉摩擦攪拌接合を行ったところ、図９に示すような接合ビードＢが得られた。この際、比較のために、従来の摩擦攪拌接合用工具を用いて、一対の金属部材Ｗ，Ｗを突き合せて形成されたギャップのある内隅部Ｗｂに対して隅肉摩擦攪拌接合を行ったところ、図１０に示すような接合ビードＢｎが得られた。

図９に示すように、この実施例における摩擦攪拌接合用工具１Ｂを用いてギャップのある内隅部Ｗｂに対して行った隅肉摩擦攪拌接合で得られた接合ビードＢには、未充填部分が生じていないのに対して、図１０に示すように、従来の摩擦攪拌接合用工具を用いてギャップのある内隅部Ｗｂに対して行った隅肉摩擦攪拌接合で得られた接合ビードＢｎには、未充填部分Ｂｎｇが生じていることが判る。

したがって、この摩擦攪拌接合用工具１Ｂでは、ギャップのある内隅部Ｗｂに対して隅肉摩擦攪拌接合を行った場合でも、接合ビードＢに不具合が生じることを回避し得ることが実証できた。

また、この摩擦攪拌接合用工具１Ｂでは、従来の摩擦攪拌接合用工具に比べて、１．５〜２．０倍の接合速度で隅肉摩擦攪拌接合を行っても、不具合のない接合ビードＢが得られた。

上記した実施例に係る摩擦攪拌接合用工具１，１Ｂでは、ショルダ３の誘導部３９としての一対の誘導斜面３７，３７をプローブ支持孔３３よりも前端側に配置しているが、一対の誘導斜面３７，３７の一辺を一対の成形面３４，３４のプローブ支持孔３３よりも後端側に接続する、すなわち、誘導部３９をプローブ支持孔３３よりも後端側に伸ばすようにしてもよい。

上記した実施例では、いずれも本発明に係る摩擦攪拌用工具が摩擦攪拌接合用工具である場合を例に挙げて説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、突き合わせ部に対して摩擦攪拌接合を行う突き合わせ摩擦攪拌接合用の工具であってもよい。

すなわち、図１１に示すように、この突き合わせ摩擦攪拌接合用工具１Ｃのショルダ３Ｃにおいて、誘導部３９が、ショルダ３Ｃにおけるプローブ支持孔３３の開口周縁部に形成されたショルダ３Ｃの進行方向側（図示手前側）に位置する誘導溝３７Ｃ及び押し込み斜面４０Ｃを含むものとしている。

また、上記した実施例では、いずれも本発明に係る摩擦攪拌用工具が摩擦攪拌接合用工具である場合を例に挙げて説明したが、これに限定されるものではなく、本発明に係る摩擦攪拌用工具を材料の熱加工処理用工具として、摩擦攪拌プロセスに用いてもよい。

本発明に係る摩擦攪拌用工具及び摩擦攪拌用工具を用いた摩擦攪拌接合方法の構成は、上記した実施例の構成に限定されるものではない。

１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ 摩擦攪拌接合用工具（摩擦攪拌用工具）
２ 攪拌プローブ
３，３Ａ，３Ｂ，３Ｃ ショルダ
３３ プローブ支持孔
３４ 成形面
３５ 成形稜線
３６ 成形部
３７ 誘導斜面
３７Ｃ 誘導溝
３９ 誘導部
４０，４０Ｃ 押し込み斜面
４１ ワイヤ導入部
ＦＷ フィラーワイヤ
Ｓ 隙間
Ｗ 金属部材
Ｗａ 部材表面
Ｗｂ 内隅部

Claims (6)

1. 金属部材を摩擦攪拌する摩擦攪拌用工具であって、
   前記金属部材に押し当てられた状態で回転して摩擦熱を付与しつつ軟化した流動金属を攪拌する攪拌プローブと、
   前記攪拌プローブが貫通するプローブ支持孔を有し、該プローブ支持孔で回転する前記攪拌プローブを支持しつつ前記金属部材上を摺動するショルダを備え、
   前記ショルダにおける前記プローブ支持孔よりも該ショルダの進行方向とは反対側には、前記攪拌プローブで攪拌された前記流動金属を前記金属部材上に均す成形部が配置され、
   前記ショルダにおける少なくとも前記プローブ支持孔よりも該ショルダの進行方向側には、前記攪拌プローブで攪拌された前記流動金属を前記成形部と前記金属部材との間に導く誘導部が配置されている摩擦攪拌用工具。
2. 一対の金属部材を突き合せて形成された内隅部に対して摩擦攪拌接合を行う隅肉摩擦攪拌接合に用いられる摩擦攪拌用工具であって、前記成形部は、前記一対の金属部材の内隅部を形成する部材表面と当接する一対の成形面及び該一対の成形面が交わる成形稜線から成り、前記誘導部は、前記成形部の一対の成形面に一辺がそれぞれ接続し且つ他辺同士が互いに接続することで、前記一対の金属部材の部材表面に対してそれぞれ隙間をおいて配置される一対の誘導斜面を有している請求項１に記載の摩擦攪拌用工具。
3. 前記誘導部は、前記ショルダにおける前記プローブ支持孔の前記金属部材側の開口周縁部に形成された前記ショルダの進行方向及び前記金属部材の双方を向く押し込み斜面を含む請求項１又は２に記載の摩擦攪拌用工具。
4. 前記ショルダには、該ショルダと前記金属部材との間にフィラーワイヤを供給するワイヤ導入部が配置されている請求項１〜３のいずれか一つの項に記載の摩擦攪拌用工具。
5. 前記誘導部は、前記ショルダにおける前記プローブ支持孔の前記金属部材側の開口周縁部に形成された前記ショルダの進行方向側に位置する誘導溝を含む請求項１又は３に記載の摩擦攪拌用工具。
6. 請求項１〜４のいずれかに記載の摩擦攪拌用工具を用いて、一対の金属部材を突き合せて形成された内隅部に対して隅肉摩擦攪拌接合を行う摩擦攪拌用工具を用いた摩擦攪拌接合方法。