JP2024093539A - 接合用工具及び接合部材 - Google Patents

Abstract

【課題】摩擦攪拌接合により円環形状の孔部を接合するときに適した接合用工具及び接合部材を提供する。
【解決手段】接合用工具Ａは、第１部材１０の円形状の第１孔部１４と第２部材２０の円形状の第２孔部２６とを摩擦攪拌接合により接合する。接合用工具Ａは、回転軸芯Ｘ周りに回転可能なショルダ１と、ショルダ１から延出するプローブ５と、を備えており、プローブ５は回転軸芯Ｘを中心とした円環形状である。
【選択図】図２

Description

本発明は、接合用工具及び接合部材に関する。

従来、金属部材同士を接合する際に摩擦熱を利用する方法の一つとして摩擦攪拌接合法がある。この方法では、同種の金属部材同士若しくは異種の金属部材同士を突き合わせた部位に回転ツールであるプローブを高速回転させた状態で接触させ、その摩擦熱により金属部材を軟化させる。これにより、両金属部材が混合状態で固化した接合部が形成され、両金属部材は接合される。

特許文献１には、一対の金属部材の突合せ部に回転させながら接触させて摩擦攪拌接合する摩擦攪拌接合ツールが開示されている。該摩擦攪拌接合ツールは、ツール先端部の中央に突設され一対の金属部材内に挿入させるプローブと、プローブとツール先端部の外周縁との間に形成され部材表面を押え付けるショルダ部とを有する。摩擦攪拌接合ツールを一対の金属部材の突合せ部に沿って移動させることにより、突合せ部の端面は相互に摩擦攪拌接合される。

特開２０２１－０６２３７６号公報

特許文献１に開示された摩擦攪拌接合ツールのプローブは、円柱形状である。そのた、め、一対の金属部材の突合せ部が円環状の場合（例えば、円筒若しくは円柱の接合部材に円形の孔が開いた金属板を外嵌して摩擦攪拌接合する場合）、プローブを円環状の突合せ面に沿って移動させる必要があり、更なる改良の余地がある。

本開示は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、摩擦攪拌接合により円環形状の孔部を接合するときに適した接合用工具及び接合部材を提供する点にある。

本発明に係る接合用工具の一つの実施形態は、第１部材の円形状の第１孔部と第２部材の円形状の第２孔部とを摩擦攪拌接合により接合する接合用工具であって、回転軸芯周りに回転可能なショルダと、前記ショルダから延出するプローブと、を備え、前記プローブは前記回転軸芯を中心とした円環形状である。

本実施形態によると、プローブが円環形状を有しているので、プローブの外径を第１孔部若しくは第２孔部の内径近傍に設定することにより、プローブを回転させたときに、第１孔部と第２孔部とが接合される円環状の部分の全体を一度に軟化させて接合することができる。これにより、従来のように、プローブを突合せ面に沿って環状に移動させて第１孔部と第２孔部とを接合する場合と比較して、接合時間を大幅に短縮することができる。

本発明に係る接合用工具の他の一つの実施形態において、前記ショルダは、前記プローブの径外側かつ前記回転軸芯周りに円環形状の凹部を有する。

プローブを回転させて摩擦攪拌接合を行うと、摩擦により軟化した第１部材及び／又は第２部材の一部はプローブの外方に押出され、バリになって硬化する。そのため、接合後にバリを取除く工程が発生する。しかし、本実施形態によると、プローブの回転により軟化して外方に押出された第１部材及び／又は第２部材の一部は、ショルダに形成された円環形状の凹部に収容されて硬化する。そのため、バリが発生しないので、第１部材と第２部材の接合後のバリを取除く工程が不要となり、更に接合時間を短縮することができる。

本発明に係る接合用工具の他の一つの実施形態において、前記プローブは、外周面に摩擦により前記第１部材と前記第２部材との少なくとも一方を塑性流動させるテーパ形状の摩擦部を有する。

本実施形態によると、プローブがテーパ形状の摩擦部を有するので、該摩擦部を第１孔部若しくは第２孔部の内周面に押付けた場合に、常に内周面に摩擦部を押付けることができる。

本発明に係る接合部材の一つの実施形態は、第１部材の円形状の第１孔部と第２部材の円形状の第２孔部とを円環形状のプローブを用いて摩擦攪拌接合により接合した接合部材であって、前記第１部材と前記第２部材とが接合された摩擦接合部の幅が４ｍｍ以下である。

従来のように、プローブを環状に移動させて第１孔部と第２孔部とを接合する場合、摩擦攪拌接合の品質確保のため、ショルダの直径は最低でも直径５ｍｍが必要であった。その場合、摩擦接合部の径方向の幅は少なくとも５ｍｍ以上になった。しかし、本実施形態によると、プローブが円環形状を有しているので、プローブの強度を確保した上で、摩擦接合部の幅を４ｍｍ以下にすることができる。

本発明に係る接合部材の他の一つの実施形態において、前記摩擦接合部が前記第２部材に対して円環状に隆起している。

本実施形態によると、プローブの回転により外方に押出された第１部材及び／又は第２部材の摩擦接合部がバリにならずに、リベット接合されたリベットのように円環状に隆起する。そのため、接合部材の形成後にバリを取除く工程が不要となり、短い接合時間で接合部材を得ることができると共に、第１部材と第２部材とを強固に接合することができる。

第１実施形態に係る接合用工具及び接合部材を表す斜視図である。 接合用工具を用いて接合部材を形成する工程を表す概略断面図である。 第２実施形態に係る接合用工具を用いて接合部材を形成する工程を表す概略断面図である。 第３実施形態に係る接合用工具を用いて接合部材を形成する工程を表す概略断面図である。

以下、本発明に係る接合用工具及び接合部材の実施形態について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に記載される実施形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明をこれらの実施形態にのみ限定するものではない。したがって、本発明は、その要旨を逸脱しない限り、様々な形態で実施することができる。

〔第１実施形態〕
〔接合用工具の構成〕
摩擦攪拌接合は、金属部材同士を突き合わせた部位に回転工具である接合用工具のプローブを高速回転させた状態で接触させて摩擦熱を供給し、その摩擦熱により金属部材を軟化させて接合し接合部材を形成する工法である。摩擦攪拌接合に用いられる金属部材は同種の金属部材であってもよいし、融点が互いに異なる金属部材であってもよい。

図１は、第１部材１０、第２部材２０、及び第１部材１０と第２部材２０とを摩擦攪拌接合により接合するために用いられる接合用工具Ａを表す斜視図である。図２は、接合用工具Ａを用いて第１部材１０と第２部材２０とを摩擦攪拌接合により接合して接合部材Ｂを形成する工程を表す概略断面図である。

図１、図２に示されるように、接合用工具Ａは、回転軸芯Ｘを中心とした円柱形状のショルダ１と、ショルダ１よりも小径かつ回転軸芯Ｘと同軸芯になるようにショルダ１の下端１ａに回転軸芯Ｘと平行な方向に延出して形成されたプローブ５と、を備えている。プローブ５は、ショルダ１と一体となって回転する。本実施形態に係るプローブ５は、回転軸芯Ｘに垂直な断面が円環形状を有している。

プローブ５は、プローブ５が回転した状態で第１部材１０に当接することにより第１部材１０に摩擦熱を発生させて溶融させる摩擦部７を外周面に有している。摩擦部７は、ショルダ１から延出する方向に縮径するテーパ形状を有している。摩擦部７は、後述する第１部材１０との摩擦により第１部材１０を軟化させ、第１部材１０を塑性流動させる。

ショルダ１は、プローブ５の径外側かつ回転軸芯Ｘの周りに円環形状となる凹部２を有している。凹部２は、図２に示されるように、ショルダ１の下端１ａよりもプローブ５の延出方向と反対方向に窪んでいる。なお、本実施形態においては、接合用工具Ａのショルダ１の外径は約１１ｍｍである。

〔接合部材の形成工程〕
次に、接合用工具Ａを用いて第１部材１０と第２部材２０とを接合することにより接合部材Ｂを形成する工程について説明する。第１部材１０は、アルミニウムからなり、図１に示されるように、軸芯Ｙを中心とする円筒形状を有している。第１部材１０は軸芯Ｙに沿う方向の一端に縮径接合部１２を有する。縮径接合部１２は、軸芯Ｙと同軸芯で、第１部材１０の最外径よりも縮径された円筒形状を有している。第１部材１０は軸芯Ｙを中心として軸芯Ｙに沿って形成された貫通孔である第１孔部１４を有している。第１孔部１４の内径は縮径接合部１２の外径よりも小さく、第１孔部１４は、縮径接合部１２を含む第１部材１０の全体を貫通している。なお、本実施形態においては、第１孔部１４の内径は約７ｍｍである。

第２部材２０は、アルミニウム又は鉄等からなり、軟化温度が第１部材１０の軟化温度以上である。第２部材２０は、平行な二つの板面である上面２２と下面２４とを有し、上面２２から下面２４に亘って貫通形成された円形状の第２孔部２６を有する。図２（ａ）に示されるように、摩擦攪拌接合を行う際に、第２孔部２６は第１部材１０の縮径接合部１２に外嵌される。このとき、第２部材２０の下面２４が第１部材１０の載置部１６に当接すると共に、第２孔部２６の内周面２６ａが縮径接合部１２の外周面１２ａに当接する。また、縮径接合部１２は、第２部材２０の上面２２よりも上方に突出している。すなわち、縮径接合部１２の軸芯Ｙに沿う方向の長さは、第２部材２０の板厚よりも長い。

次に、第２部材２０が第１部材１０の縮径接合部１２に外嵌された状態で、回転軸芯Ｘが軸芯Ｙと同軸芯になるように、接合用工具Ａを第１部材１０及び第２部材２０に対して上方に配置する。そして、接合用工具Ａを下方に移動させて、プローブ５の摩擦部７を第１部材１０の第１孔部１４の内周面１４ａの上端に押当てる。このとき、ショルダ１とプローブ５とは一体回転している。上述したように、円環形状のプローブ５は摩擦部７がテーパ形状を有しており、プローブ５（摩擦部７）の先端側の外径は第１孔部１４の内径よりも小さく、基端側の外径は第１孔部１４の内径よりも大きい。これにより、第１孔部１４の内周面１４ａに、常にプローブ５の摩擦部７を押当てることができる。

プローブ５が回転した状態で摩擦部７は第１部材１０の第１孔部１４の内周面１４ａに押当てられているので、摩擦部７が押当てられた内周面１４ａには摩擦熱が発生し、当該箇所が軟化する。プローブ５が回転しているので、第１部材１０の内周面１４ａのうち軟化した部位（以下、摩擦接合部１８という）は塑性流動により混ぜられる。摩擦接合部１８は軟化しているので、接合用工具Ａは下方への更なる移動が可能になる。接合用工具Ａは、下方に移動して軟化していない第１部材１０を新たに軟化させる。このように接合用工具Ａは、第１部材１０を軟化させながら下方に移動する。この結果、第１部材１０における摩擦接合部１８の量（体積）は増加する。

通常、プローブ５を回転させて摩擦攪拌接合を行うと、摩擦により軟化した第１部材１０の摩擦接合部１８の一部がプローブ５の外方に押出され、バリになって硬化する。そのため、接合後にバリを取除く工程が発生する。しかし、本実施形態では、ショルダ１が、プローブ５の径外側かつ回転軸芯Ｘの周りに円環形状となる凹部２を有している。そのため、第１部材１０の摩擦接合部１８のうちプローブ５の回転により外方に押出されたものは、バリにならずに凹部２に収容される。そして、摩擦接合部１８のうち凹部２に収容された部分は、軟化した状態のまま凹部２の形状に沿って縮径接合部１２の径外方向に流動し、第２部材２０の上面２２のうち第２孔部２６の近傍を覆う（図２（ｂ）参照）。このように、接合用工具Ａを用いて摩擦攪拌接合を行うとバリが発生しないので、第１部材１０と第２部材２０の接合後にバリを取除く工程が不要となる。

接合用工具Ａは、ショルダ１の下端１ａが第２部材２０の上面２２に近接若しくは当接するまで下方に移動し、その後上方に移動する。接合用工具Ａが上方に移動すると、プローブ５と第１部材１０の第１孔部１４の内周面１４ａとが離間するので、第１部材１０には摩擦熱が発生しなくなる。そのため、軟化した摩擦接合部１８は、第２部材２０の第２孔部２６と上面２２とに密着しつつ硬化する。このようにして、第１部材１０と第２部材２０とは接合され、接合部材Ｂが形成される（図２（ｃ）参照）。このとき、凹部２に収容された摩擦接合部１８は、凹部２の形状に倣った形状で硬化する。

図２（ｃ）に示されるように、凹部２に収容されて硬化した摩擦接合部１８は、リベット接合されたリベットのように第２部材２０の上面２２よりも上方に円環状に隆起している。これにより、第１部材１０と第２部材２０とを強固に接合することができる。このとき、摩擦接合部１８は、径方向で、第１孔部１４からショルダ１の下端１ａに亘って形成されている。したがって、摩擦接合部１８の径方向の幅ｄは、約２ｍｍ（＝（１１ｍｍ－７ｍｍ）／２）である。

〔第１実施形態の効果〕
本実施形態の接合用工具Ａにおいては、プローブ５が円環形状を有しており、プローブ５（摩擦部７）の先端側の外径は第１孔部１４の内径よりも小さく、基端側の外径は第１孔部１４の内径よりも大きい。これにより、プローブ５を回転させたときに、第１孔部１４の円環状の内周面１４ａの全体を一度に軟化させて接合することができる。その結果、従来のように、プローブを環状に移動させて第１孔部１４と第２孔部２６とを接合する場合と比較して、接合時間を大幅に短縮することができる。

本実施形態によると、プローブ５の回転により軟化して外方に押出された第１部材１０の摩擦接合部１８は、ショルダ１に形成された円環形状の凹部２に収容されて硬化する。そのため、バリが発生しないので、接合部材Ｂの形成後にバリを取除く工程が不要となり、更に接合時間を短縮することができる。

本実施形態によると、プローブ５がテーパ形状の摩擦部７を有するので、摩擦部７を第１孔部１４の内周面１４ａに押付けた場合に、常に内周面１４ａに摩擦部７を押付けて摩擦接合部１８を生成することができる。

従来のように、プローブを環状に移動させて第１孔部１４と第２孔部２６とを接合する場合、摩擦攪拌接合の品質確保のため、ショルダの直径は最低でも直径５ｍｍが必要であった。その場合、摩擦接合部の径方向の幅は少なくとも５ｍｍ以上になった。しかし、本実施形態の接合用工具Ａであれば、プローブ５を円環形状にしてショルダ１に凹部２を設けることにより、プローブ５の強度を確保した上で、摩擦接合部１８の幅ｄを約２ｍｍと従来の半分以下にすることができる。

本実施形態によると、プローブ５の回転により外方に押出された第１部材１０の摩擦接合部１８がバリにならずに、リベット接合されたリベットのように円環状に隆起する。そのため、接合部材Ｂの形成後にバリを取除く工程が不要となり、短い接合時間で接合部材Ｂを得ることができると共に、第１部材１０と第２部材２０とを強固に接合することができる。

〔第２実施形態〕
次に、第２実施形態に係る接合用工具Ａと接合部材Ｂの構成について図３を用いて説明する。本実施形態においては、接合用工具Ａ及び第１部材１０の形状が第１実施形態とは異なっている。それ以外は第１実施形態と同様の構成を有している。そのため、本実施形態の説明においては、第１実施形態と同様の構成の箇所については同じ符号を付し、同様の構成に関する詳細な説明を省略する。

本実施形態においては、第２部材２０の第２孔部２６は第１部材１０の縮径接合部１２に外嵌されているが、縮径接合部１２は第２部材２０の上面２２から上方に突出していない。すなわち、縮径接合部１２の上面１２ｂと第２部材２０の上面２２とは、面一になっている。本実施形態においては、第１部材１０と第２部材２０の材質は同じであり、例えば、いずれもアルミニウムからなる。

本実施形態に係る接合用工具Ａにおいて、プローブ５は円環形状であり、ショルダ１から回転軸芯Ｘに沿って鉛直下方に延出している。本実施形態のプローブ５は摩擦部７を有しておらず、ショルダ１は凹部２を有していない。プローブ５の先端は、回転軸芯Ｘと軸芯Ｙとが同軸芯になったときに第１部材１０の縮径接合部１２の外周面１２ａと第２部材２０の第２孔部２６の内周面２６ａとの境界近傍に位置するように構成されている。

図３（ａ）に示されるように、第２部材２０が第１部材１０の縮径接合部１２に外嵌された状態で、回転軸芯Ｘが軸芯Ｙと同軸芯になるように、接合用工具Ａを第１部材１０及び第２部材２０に対して上方に配置する。そして、接合用工具Ａを下方に移動させて、プローブ５の先端を第１部材１０の縮径接合部１２の外周面１２ａと第２部材２０の第２孔部２６の内周面２６ａとの境界を含むその近傍（以下、この部分を突合せ部２８という）に押当てる。

プローブ５が回転した状態でプローブ５の先端は突合せ部２８に押当てられているので、プローブ５が押当てられた突合せ部２８は、第１部材１０と第２部材２０とに亘って摩擦熱が発生し、突合せ部２８の近傍が軟化して摩擦接合部１８となる。本実施形態においては、第１部材１０と第２部材２０とは同じ材質であるため、第１部材１０と第２部材２０の両方が摩擦熱により軟化する。そして接合用工具Ａは、第１部材１０と第２部材２０とを軟化させながら下方に移動する（図３（ｂ）参照）。

接合用工具Ａは、ショルダ１の下端１ａが第２部材２０の上面２２に近接若しくは当接するまで下方に移動し、その後上方に移動する（図３（ｃ）参照）。接合用工具Ａが上方に移動すると、プローブ５と摩擦接合部１８とが離間するので、第１部材１０及び第２部材２０には摩擦熱が発生しない。そのため、軟化した摩擦接合部１８は、第１部材１０と第２部材２０とに密着しつつ硬化する。このようにして、第１部材１０と第２部材２０とは接合され、接合部材Ｂが形成される。

〔第３実施形態〕
次に、第３実施形態に係る接合用工具Ａと接合部材Ｂの構成について図４を用いて説明する。本実施形態においては、第１部材１０及び第２部材２０の形状が第２実施形態とは異なっている。それ以外は第２実施形態と同様の構成を有している。そのため、本実施形態の説明においては、第２実施形態と同様の構成の箇所については同じ符号を付し、同様の構成に関する詳細な説明を省略する。

本実施形態においては、第１部材１０は、縮径接合部１２を有していない。また、第１部材１０は、第１孔部１４の内周面１４ａの端部に第１テーパ１９を有する。第２部材２０は、第２孔部２６が板厚方向の全体に亘って第２テーパ２９を有する。第１テーパ１９の軸芯Ｙに対する角度は、第２テーパ２９の第２孔部２６の中心軸に対する角度よりも大きい。そして、第１テーパ１９と第２テーパ２９とは、第１孔部１４の軸芯Ｙと第２孔部２６の中心軸とが同軸芯になるように第１部材１０の上に第２部材２０を配置したときに、第２部材２０の第２テーパ２９と第１部材１０の第１テーパ１９とが連続するように形成されている（図４（ａ）参照）。すなわち、第１部材１０の載置部１６と交差する箇所における第１テーパ１９の内径と、第２部材２０の下面２４と交差する箇所における第２テーパ２９の内径とは同じである。なお、本実施形態においても、第２実施形態と同様に第１部材１０と第２部材２０の材質は同じであり、例えば、いずれもアルミニウムからなる。

本実施形態に係る接合用工具Ａは、第２実施形態と同様、プローブ５が円環形状かつショルダ１から回転軸芯Ｘに沿って鉛直下方に延出している。本実施形態のプローブ５の先端は、回転軸芯Ｘと軸芯Ｙとが同軸芯になったときに第１部材１０の第１テーパ１９と第２部材２０の第２テーパ２９との境界近傍に位置するように構成されている。

図４（ａ）に示されるように、第１孔部１４の軸芯Ｙと第２孔部２６の中心軸とが同軸芯になるように第２部材２０が第１部材１０に配置された状態で、回転軸芯Ｘが軸芯Ｙと同軸芯になるように、接合用工具Ａを第１部材１０及び第２部材２０に対して上方に配置する。そして、接合用工具Ａを下方に移動させて、プローブ５の先端を第１部材１０の第１テーパ１９と第２部材２０の第２テーパ２９との境界を含むその近傍（以下、この部分を突合せ部２８という）に押当てる。

プローブ５が回転した状態でプローブ５の先端は突合せ部２８に押当てられているので、プローブ５が押当てられた突合せ部２８は、第１部材１０と第２部材２０とに亘って摩擦熱が発生し、突合せ部２８の近傍が軟化して摩擦接合部１８となる。本実施形態においては、第１部材１０と第２部材２０とは同じ材質であるため、第１部材１０と第２部材２０の両方が摩擦熱により軟化する。そして接合用工具Ａは、第１部材１０と第２部材２０とを軟化させながら下方に移動する（図４（ｂ）参照）。

接合用工具Ａは、ショルダ１の下端１ａが第２部材２０の上面２２に近接若しくは当接するまで下方に移動し、その後上方に移動する（図４（ｃ）参照）。接合用工具Ａが上方に移動すると、プローブ５と摩擦接合部１８とが離間するので、第１部材１０及び第２部材２０には摩擦熱が発生しない。そのため、軟化した摩擦接合部１８は、第１部材１０と第２部材２０とに密着しつつ硬化する。このようにして、第１部材１０と第２部材２０とは接合され、接合部材Ｂが形成される。

〔その他の実施形態〕
本発明は、上記の実施形態以外に以下のように構成してもよい（実施形態と同じ機能を有するものには、実施形態と共通の番号、符号を付している）。

（１）上記各実施形態の接合用工具Ａにおいて、ショルダ１とプローブ５とは一体的に形成されていたが、ショルダ１とプローブ５とを別々に形成して組付けるようにしてもよい。

（２）上記第３実施形態において、第１テーパ１９の軸芯Ｙに対する角度は、第２テーパ２９の中心軸に対する角度よりも大きかったが、これに限られるものではない。第１テーパ１９の軸芯Ｙに対する角度と、第２テーパ２９の中心軸に対する角度とが同じ大きさであってもよい。また、第１テーパ１９の軸芯Ｙに対する角度が、第２テーパ２９の中心軸に対する角度よりも小さくてもよい。

（３）第２実施形態と第３実施形態においては、ショルダ１に凹部２は形成されていなかったが、ショルダ１が凹部２を有していてもよい。凹部２を設けることにより、第１部材１０と第２部材２０との接合後にバリを取除く工程が不要になる。

本発明は、接合用工具及び接合部材に利用することができる。

１ ：ショルダ
２ ：凹部
５ ：プローブ
７ ：摩擦部
１０ ：第１部材
１４ ：第１孔部
１８ ：摩擦接合部
２０ ：第２部材
２６ ：第２孔部
Ａ ：接合用工具
Ｂ ：接合部材
ｄ ：幅
Ｘ ：回転軸芯

Claims (5)

1. 第１部材の円形状の第１孔部と第２部材の円形状の第２孔部とを摩擦攪拌接合により接合する接合用工具であって、
   回転軸芯周りに回転可能なショルダと、
   前記ショルダから延出するプローブと、を備え、
   前記プローブは前記回転軸芯を中心とした円環形状である接合用工具。
2. 前記ショルダは、前記プローブの径外側かつ前記回転軸芯周りに円環形状の凹部を有する請求項１に記載の接合用工具。
3. 前記プローブは、外周面に摩擦により前記第１部材と前記第２部材との少なくとも一方を塑性流動させるテーパ形状の摩擦部を有する請求項１又は２に記載の接合用工具。
4. 第１部材の円形状の第１孔部と第２部材の円形状の第２孔部とを円環形状のプローブを用いて摩擦攪拌接合により接合した接合部材であって、
   前記第１部材と前記第２部材とが接合された摩擦接合部の幅が４ｍｍ以下である接合部材。
5. 前記摩擦接合部が前記第２部材に対して円環状に隆起している請求項４に記載の接合部材。