JP3262163B2 - 摩擦攪拌接合装置及び摩擦攪拌接合方法 - Google Patents

摩擦攪拌接合装置及び摩擦攪拌接合方法

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JP3262163B2
JP3262163B2 JP519399A JP519399A JP3262163B2 JP 3262163 B2 JP3262163 B2 JP 3262163B2 JP 519399 A JP519399 A JP 519399A JP 519399 A JP519399 A JP 519399A JP 3262163 B2 JP3262163 B2 JP 3262163B2
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    • B23K20/1245—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating the heat being generated by friction; Friction welding using a non-consumable tool, e.g. friction stir welding characterised by the apparatus
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、摩擦攪拌接合装置
及び摩擦攪拌接合方法に関し、特に接合部上部に塑性流
動化（可塑化）固相の量の不足に起因して発生し、接合
強度を低下させる溝状欠陥、トンネル状空洞欠陥や、接
合部上端面外側のバリ欠陥等の表面欠陥を生じること無
く摩擦攪拌接合が可能で、しかも、汎用の数値制御加工
機を利用して安価に構築することが可能な摩擦攪拌接合
装置及び摩擦攪拌接合方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】特表平９−５０８０７３号公報には、下
記のような摩擦攪拌接合が開示されている。すなわち、
片方の被接合部材１００ａの突合わせ面１０６に沿った
側断面図である図４に示すように、曲率半径Ｒの凹面の
底面１０３を有する半径ｒs の回転円筒体１０２と、前
記凹面の底面１０３の中心から前記被接合部材１００ａ
の厚みｔ (mm) に略等しい長さだけ下方へ突出した攪拌
ピン１０４とからなる回転ツール１０１を、矢印ｒの方
向に回転させつつ、前記突合わせ面１０６に沿って矢印
ｗの方向に前進速度（以後接合速度という）ｗ(mm/min)
で前進させながら、被接合部材１００ａと図示せぬ１０
０ｂを摩擦攪拌接合する。この際、前記回転円筒体１０
２と攪拌ピン１０４の中心軸ＡＸを、攪拌ピン１０４の
先端中心点Ｃｂをとおる垂直線Ｌｖに対して、前記回転
ツール１０１の前進方向（矢印ｗ）とは反対側に傾斜角
θをなすように傾斜させて、前記回転ツール１０１を前
記中心軸ＡＸと同じ矢印Ｆで示す方向に押圧力Ｆ(N) で
押圧しながら、摩擦攪拌接合する方法である。なお、図
４のｈs (mm)は接合された被接合部材の上面から中に入
る回転ツールの肩１０５の後端の深さ、即ち図６（ａ）
に示すアンダーカットｄucの深さを示している。なお、
上記公報には、回転プローブ１０１を傾斜させる目的・
作用・効果や、前記傾斜角θの決定の仕方や具体的な数
値範囲は開示されていない。
【０００３】また、上記公報には、図５に示すように、
前記所定限度以上の深さｈs (mm)のアンダーカットｄuc
や図６（ｂ）に示す溝状欠陥ｄg 等の表面欠陥のない滑
らかな表面を有し、かつ、図６（ｃ）に示すトンネル状
空洞欠陥ｄtvのない、健全な接合を得るための、回転ツ
ール１０１のそれぞれの回転速度における回転ツールに
加えられた下向きの押圧圧力Ｆ／π・ｒs2(N/mm2)と実
際の接合速度ｗ(mm/min)との間の最適な関係を上限曲線
ηmax と下限曲線ηmin とで概略的に開示している。さ
らに、上記のような最適な「押圧圧力／接合速度」比の
実際の値は幾つかの要因、例えば、被接合部材の材料
（アルミニウム合金の種類等）、前記回転ツールの肩の
形状等に左右されるとしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】前記図４、図５に示さ
れた特表平９−５０８０７３号公報に開示の技術につい
て、発明者等の研究によると、回転ツール１０１の前記
傾斜角θと、前記回転ツール１０１の矢印ｗで示す前進
方向に対する回転ツールの肩１０５の後端の被接合部材
１００ａ、１００ｂの上面からの深さ（回転ツール後端
の肩の押込深さ）ｈｓは、接合部上端部の溝状欠陥ｄg
やトンネル状空洞欠陥ｄtv、接合部表面の外側のバリ欠
陥や接合部上端面が母材部表面より窪んで溝状になる所
謂アンダーカットｄucの程度に大きな影響を持つことが
分かり、これらの欠陥の発生を防止するための前記傾斜
角θと回転ツール後端の肩１０５の押込深さｈｓ(mm)の
適切な決定方法の提供が課題であった。
【０００５】また、水平に置かれた被接合部材に対し
て、前記のような必ずしも一定値に固定できない傾斜角
θになるように、回転ツール１０１の前進方向即ちｘ軸
と垂直な方向即ちｚ軸を含む面内で、前記回転ツール１
０１をチャックを介して把持・回転駆動する主軸を所定
の範囲内で回動可能な構造・制御装置を有する専用の摩
擦攪拌接合装置を設けることは、機械的構造や制御装置
が複雑で高価なものになり、問題があった。
【０００６】また、前記図５に概略的に示される最適な
「押圧圧力／接合速度」の実際的な値を決めるに当たっ
ては、前記の回転ツール１０１の下方への押圧力Ｆ
(N）、又は押圧力Ｆ(N）と加圧ローラによる加圧力Ｆ８
(N）との二つの下方への加圧力と、裏当金部を含む被接
合部材の支持テーブルの曲げ剛性との関係によって決ま
る接合中の前記支持テーブル上面の下方への沈下量(m
m)、換言すれば被接合部材の下方への沈下量(mm)と、そ
れに伴う前記回転ツール１０１の降下量(mm)との間の関
係によって決まる、接合中の回転ツールの肩１０５の被
接合部材１００ａ、１００ｂの上面からの実際の押込量
ｈsa(mm)の影響を無視することはできない。
【０００７】即ち、実際の摩擦攪拌接合に際しては、前
記図５の上限曲線ηmax と下限曲線ηmin とで挟まれた
範囲に示すような接合欠陥のない健全な接合部を、でき
るだけ高い接合速度で得るために、被接合部材の支持テ
ーブルの曲げ剛性の大きさ、言い換えれば、前記の回転
ツール１０１の下方への押圧力Ｆ(N) 又は該押圧力Ｆ
(N) と前記加圧ローラの加圧力Ｆ8(N)との和に対する特
に裏当金部を主体とする被接合部材の支持テーブルの支
持面の許容最大沈下量Ｓta (mm) を決め、この許容最大
沈下量Ｓta (mm) をクリヤーするための支持テーブルの
構築を、前記回転ツール１の肩５の直径、回転ツール１
の回転速度、前記接合速度ｗ（mm/min) やそれに対応し
た前記回転ツールの肩５の押込深さｈs(mm) の目標量を
考慮しつつ行い、また、そのような条件下で、摩擦攪拌
接合を行うことが要求される。即ち、実際の摩擦攪拌接
合装置の構築や、それを用いた摩擦攪拌接合方法の実施
に際して、上記のような裏当金部を含む支持テーブルの
支持面の沈下量Ｓt(mm) とそれに関連する要因との観点
から何らかの対応策を講じることが必要であった。
【０００８】本発明は、上記の従来技術の問題点を解消
し、 （１）接合強度に影響の大きい接合部上部の溝状欠陥や
トンネル状空洞欠陥等の発生がなく、滑らかな表面を有
する接合部を、できるだけ高速の接合速度で実現が可能
で、 （２）汎用の数値制御加工機を活用して、機械的構造や
制御装置が簡単で、安価に構築することができる、摩擦
攪拌接合装置及びこれを用いた摩擦攪拌接合方法の提供
を課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明の摩擦攪拌接合装
置は、上記の課題を解決するために、凹面の底面と該底
面中心から下方に突出する攪拌ピンを備えた回転ツール
と、該回転ツールを回転駆動する回転駆動手段と、前記
回転ツールとともに回転する攪拌ピンを裏面を裏当金で
支持された被接合部材の突合わせ部の中に押し込み、前
記回転ツールを回転軸方向の所定の押圧力で前記被接合
部材の上端部に押し付ける押圧手段と、前記回転ツール
を前記突合わせ部に沿って移動させる移動駆動手段とか
らなる摩擦攪拌接合装置であって、前記被接合部材を支
持する支持テーブルのワーク支持台長手方向からはみ出
す部分の下面を、基礎に固定された支柱と該支柱の上端
に固定されたスクリュウジャッキとで支持されることに
よって、該支持テーブルの支持面が、前記回転ツールの
回転軸に対して垂直な面と、回転ツールの前進方向の前
方が下がるように予め決められた所定の傾斜角をなすよ
うに傾斜・固定自在に設けるように、基本的に構成し
た。
【００１０】また、本発明の摩擦攪拌接合装置は、凹面
の底面と該底面中心から下方に突出する攪拌ピンを備え
た回転ツールと、該回転ツールを回転駆動する回転駆動
手段と、前記回転ツールとともに回転する攪拌ピンを裏
面を裏当金で支持された被接合部材の突合わせ部の中に
押し込み、前記回転ツールを回転軸方向の所定の押圧力
で前記被接合部材の上端部に押し付ける押圧手段と、前
記回転ツールを前記突合わせ部に沿って移動させる移動
駆動手段とからなる摩擦攪拌接合装置であって、前記被
接合部材を支持する支持テーブルとして、使用頻度の高
い傾斜角を有する支持テーブルの他に、傾斜角が段階的
に異なる数種類の支持テーブルが追加可能で、該支持テ
ーブルのワーク支持台長手方向からはみ出す部分の下面
を、基礎に固定された支柱で支持されることによって、
該支持テーブルの支持面が、前記回転ツールの回転軸に
対して垂直な面と、回転ツールの前進方向の前方が下が
るように予め決められた所定の傾斜角をなすように傾斜
・固定自在に設けるように構成した。
【００１１】上記本発明の摩擦攪拌接合装置において
は、 前記回転ツールの前進方向側の回転ツール近傍の前
記突合わせ部を中心とした両被接合部材端部上面を加圧
する加圧ロ−ラを付加して構成した。
【００１２】上記本発明の摩擦攪拌接合装置において
は、前記回転ツールの回転軸方向の押圧力と前記加圧ロ
−ラによる加圧力の和が、１００〜１０００kgの範囲に
ある場合に、前記裏当金部を含む支持テーブルの支持面
の沈下量が、前記回転ツールの直下の位置において０〜
０．１mmのできるだけ小さな値となるように構成するこ
とが望ましい。
【００１３】上記本発明の摩擦攪拌接合装置において
は、 前記回転ツールを、トップビームの長手方向に平行
な水平軸即ちＸ軸と垂直軸即ちＺ軸の方向に主軸の移動
制御が可能で、前記Ｘ軸及びＺ軸の両方に直交するＹ軸
方向に移動・固定自在なワーク支持台を備えた汎用の数
値制御加工機の主軸ユニットの下端の工具チャックに把
持せしめて構成することが望ましい。
【００１４】上記本発明の摩擦攪拌接合装置において
は、 前記被接合部材の支持テーブルが、前記汎用の数値
制御加工機のワーク支持台に搭載、固定されたものであ
るよう構成することが好ましい。
【００１５】本発明の摩擦攪拌接合方法は、上記の課題
を解決するために、凹面の底面と該底面中心から下方に
突出する攪拌ピンを備えた回転ツールの、前記攪拌ピン
を回転させながら裏面を裏当金で支持された被接合部材
の突合わせ部の中に押し込み、前記回転ツールを回転軸
方向の所定の押圧力で前記被接合部材の上端部に押し付
け、前記回転ツールを前記突合わせ部に沿って移動させ
ることによって、前記被接合部材を摩擦熱により固相接
合する摩擦攪拌接合方法において、前記被接合部材を支
持する支持テーブルのワーク支持台長手方向からはみ出
す部分の下面を、基礎に固定された支柱と該支柱の上端
に固定されたスクリュウジャッキとで支持しておくこと
によって、該支持テーブルの支持テーブルの支持面を、
前記回転ツールの凹面の底面の下端稜線（以後回転ツ−
ルの肩と称する）の直径と接合中の回転ツールの１回転
当たりの前進速度（以後、接合速度と称する）とに応じ
て、前記回転ツールの回転軸に対して垂直な面と、回転
ツールの前進方向の前方が下がるように予め決められた
所定の傾斜角をなすように傾斜させた状態で摩擦攪拌接
合するように構成した。
【００１６】また、本発明の摩擦攪拌接合方法は、凹面
の底面と該底面中心から下方に突出する攪拌ピンを備え
た回転ツールを、前記攪拌ピンを回転させながら裏面を
裏当金で支持された被接合部材の突合わせ部の中に押し
込み、前記回転ツールを回転軸方向の所定の押圧力で前
記被接合部材の上端部に押し付け、前記回転ツールを前
記突合わせ部に沿って移動させることによって、前記被
接合部材を摩擦熱により固相接合する摩擦攪拌接合方法
において、前記被接合部材を支持する支持テーブルとし
て、使用頻度の高い傾斜角を有する支持テーブルの他
に、傾斜角が段階的に異なる数種類の支持テーブルが追
加可能で、該支持テーブルのワーク支持台長手方向から
はみ出す部分の下面を、基礎に固定された支柱で支持さ
れることによって、該支持テーブルの支持テーブルの支
持面を、前記回転ツールの凹面の底面の下端稜線（以後
回転ツ−ルの肩と称する）の直径と接合中の回転ツール
の１回転当たりの前進速度（以後、接合速度と称する）
とに応じて、前記回転ツールの回転軸に対して垂直な面
と、回転ツールの前進方向の前方が下がるように予め決
められた所定の傾斜角をなすように傾斜させた状態で摩
擦攪拌接合するように構成した。
【００１７】上記本発明の摩擦攪拌接合方法は、 前記回
転ツールの前進方向側の回転ツール近傍の前記突合わせ
部を中心とした両被接合部材端部上面を加圧ローラによ
り加圧しながら摩擦攪拌接合することが望ましい。
【００１８】上記本発明の摩擦攪拌接合方法は、前記回
転ツールの押圧力と前記加圧ローラよる加圧力の和に起
因する裏当金部を含む支持テーブルの支持面の沈下量
が、０〜０．１mmのできるだけ小さな値となる条件下で
行うことが望ましい。
【００１９】
【発明の実施の形態】本発明の摩擦攪拌接合装置の実施
の形態を、添付の図面を参照しながら、順次以下に説明
する。
【００２０】本発明の摩擦攪拌接合装置の第１の実施の
形態は、一部拡大正面図である図１（ａ）｛（ｂ）のＢ
−Ｂ線矢視図｝、（ａ）のＡ−Ａ線矢視図である（ｂ）
に示すように、凹面の底面７ｂｓと該底面中心から下方
に突出する攪拌ピン７ｓｐを備えた回転ツール７と、該
回転ツール７を回転駆動する図示せぬ回転駆動手段と、
前記回転ツール７とともに回転する攪拌ピン７ｓｐを裏
面を裏当金３で支持された被接合部材１ａ、１ｂの各々
の面板１ａｐ、１ｂｐの突合わせ部２の中に押し込み、
前記回転ツール７を回転軸方向の所定の押圧力Ｆで前記
被接合部材１ａ、１ｂの各々の面板１ａｐ、１ｂｐの上
端部に押し付ける図示せぬ押圧手段と、前記回転ツール
７を前記突合わせ部２に沿って移動させる図示せぬ移動
駆動手段とからなる摩擦攪拌接合装置ＦＳＷ−１を、前
記被接合部材１ａ、１b の各々の面板１ａｐ、１ｂｐの
前記裏当金３を含む支持テーブルの支持面２５ｕｓが、
前記回転ツール７の回転軸７ｒａに対して垂直な面と、
回転ツール７の前進方向（矢印イの方向）の前方が下が
るように予め決められた所定の傾斜角θ（度）をなすよ
うに傾斜・固定自在に設けて、基本的に構成される。さ
らに、具体的に説明すれば、前記裏当金３を含む支持テ
ーブル２５の支持面２５ｕｓが、換言すれば、被接合部
材１ａ、１ｂの各々の面板１ａｐ、１ｂｐの上面が前記
回転ツール７の回転軸７ｒａに対して垂直な面（水平
面）ＨＳと、回転ツール７の前進方向（矢印イの方向）
の前方が下がるような、回転ツール７の底面７ｂｓの下
端部（以後回転ツールの肩と称する）７ｓの直径に応じ
て予め決められる所定の傾斜角θをなすように傾動・固
定自在に設けられて、基本的に構成されている。
【００２１】上記の実施の形態は、さらに以下のような
具体的構成を有する。即ち、前記支持テーブル２５は水
平な下面２５ｂｓに対して、裏当金の上面３ｕｓを含む
被接合部材の支持面２５ｕｓが、前記回転ツール７の肩
７s の直径に対応して変化する傾斜角θの平均的な数値
θａｖをなすように、予め形成されており、その下面２
５ｂｓのワーク支持台３４の上面の長手方向端部からは
み出した前端部と後端部を、基礎ＦＤ上面に底部フラン
ジを固定された支柱２５ｓｐと、該支柱２５ｓｐの上端
に底端のフランジを固定されたスクリュウジャッキ２５
ｓｊと、該スクリュウジャッキ２５ｓｊの上端のフラン
ジの上面に水平回転自在に取り付けられた水平ピン孔を
有する連結板２５ｃｐを、前記支持テーブル２５に固定
され水平ピン孔を有する一対の連結部材２５ｔｐで挟ま
れ、前記連結板２５ｃｐと前記一対の連結部材２５ｔｐ
のピン孔を貫通する連結ピン２５ｐｎとにより、両長手
方向端部の裏当金３の直下を含む幅方向の３ヶ所以上を
支持されている。
【００２２】本発明の第２の実施の形態の摩擦攪拌接合
装置ＦＳＷ−２は、一部拡大正面図である図２に示すよ
うに、上記の第１の実施の形態における摩擦攪拌接合装
置ＦＳＷ−１に前記回転ツール７の前進方向側（矢印イ
側）の回転ツール７近傍の前記突合わせ部２を中心とし
た両被接合部材１ａ、１ｂの各々の面板１ａｐ、図示せ
ぬ１bpの端部上面を加圧する加圧ロ−ラ８を付加した点
が異なるだけであって、その他の構成は上記の第１の実
施の形態の構成と同じである。
【００２３】上記のように構成された本発明の第１と第
２の実施の形態においては、長手方向両端部のスクリュ
ウジャッキ２５ｓｊ、２５ｓｊで、前記支持テーブル２
５の底面２５ｂｓの上下方向位置を別個に調整すること
により、前記傾斜角θを任意に設定できる。なお、スク
リュウジャッキ２５ｓｊ、２５ｓｊとして、バックラッ
シュの無いもの、又は、ダブルナットと同じような原理
でバックラッシュによる降下を防止可能なものの採用が
望ましい。仮に多少のバックラッシュがある場合は、バ
ックラッシュによる摩擦攪拌接合中の支持テーブルの降
下・沈下を防止するために、スクリュウジャッキ２５ｓ
ｊ、２５ｓｊの各々のスクリュウを目標位置より少し高
い位置まで上昇させておいたのちに、目標位置まで下降
させるようにして前記角度θ（度）を調整してもよい。
さらに、上記のような傾斜角θの調整の結果、支持テー
ブル２５の下面２５ｂｓとワーク支持台３４の上面に隙
間が生じた場合は、予め準備しておいた平板や長手方向
の厚みの異なる傾斜板をこの隙間に挟むことにより、支
持テーブル２５の撓みを防止すればよい。
【００２４】なお、傾斜角θは後述するように、回転ツ
ールの肩の直径や接合速度に対応して、多少の許容幅が
あるので、必ずしも、上記のようにスクリュウジャッキ
等を使用して、連続的に傾斜角θを設定できるようにす
る必要はなく、使用頻度の高い傾斜角θを含めて、段階
的に傾斜角θを変化させた支持テーブル２５を数種類用
意しておき、必要に応じて、適切な傾斜角θを持つ支持
テーブル２５を選定使用してもよい。ただし、この場合
も、ワーク支持台３４から長手方向にはみ出した支持テ
ーブル２５の下面２５ｂｓは、前述のとおり流体シリン
ダー等、回転ツール７の回転軸７ｒａの方向の下方への
押圧力と加圧ローラ８の加圧力等により降下・沈下量の
大きいもので支持することなく、前記図１〜図３に示す
ような剛性の大きな支持ポスト２５ｓｐのみか、これと
バックラッシュ防止手段を備えたスクリュウジャッキ２
５ｓｊとの併用により支持することが必要である。
【００２５】上記の本発明の実施の形態の作用・効果
は、後述する本発明の摩擦攪拌接合方法の実施の形態の
構成と作用の説明とともに行い、ここでは省略する。
【００２６】本発明の摩擦攪拌接合装置は、上記の構成
に加えて、正面図である図３（ａ）、（ａ）のＡ−Ａ線
矢視側面図である図３（ｂ）に示されるように、前記回
転プローブ７を、ｘ軸及びｚ軸方向に主軸ユニット５の
移動が可能で、工機ＮＣＭＵの主軸ユニット５の下端の
工具チャック６に把持せしめて、基本的に構成される。
【００２７】本発明の摩擦攪拌接合装置は、上記の構成
に加えて、正面図である図３（ａ）、（ａ）のＡ−Ａ線
矢視側面図である図３（ｂ）に示されるように、前記の
被接合部材の支持テーブル２５が、前記汎用の数値制御
加工機ＮＣＭＵのワーク支持台３４に搭載・固定され
て、基本的に構成されている。
【００２８】上記の実施の形態は、さらに以下のような
具体的な構成を有する。即ち、汎用の数値制御加工機Ｎ
ＣＭＵは、ボトムビーム４３により下部を連結され、ト
ップビーム４５によって上部を連結された左右一対のコ
ラム４４、４４からなるフレーム４６の、上記トップビ
ーム４５の前面に設けられ、水平方向に延びる上下方向
一対のｘ軸レール４２ｘｒ、４２ｘｒに案内されて、ｘ
軸方向に往復移動する横行ユニット４２と、該横行ユニ
ット４２の前面に上下方向に延びるように設けられた左
右一対のｚ軸レール４１ｚｒ、４１ｚｒに案内されて、
上下方向に往復移動する昇降ユニット４１と、該昇降ユ
ニット４１の側面に設けられ工具（回転ツール７）を回
転させる前記主軸ユニット５と、前記ｘ、ｚ両軸に直交
するｙ軸方向に延びる左右一対のｙ軸レール３４ｙｒ、
３４ｙｒに案内されて、ｙ軸方向に進退移動・固定自在
な前記ワーク支持台３４とを備えて構成される。なお、
前記の被接合部材の支持テーブル２５が、前記汎用の数
値制御加工機ＮＣＭＵのワーク支持台３４に搭載されて
支持・固定される構成は、前記本発明の摩擦攪拌接合装
置の実施の形態における構成と同じであるので、重複説
明を省略する。
【００２９】上記のように構成された本発明の実施の形
態によれば、主軸ユニットがｘ軸とｚ軸を含む面内で回
動可能に形成され、前記回転ツール７の回転軸が前記傾
斜角θに調節可能なように構成された専用の自動摩擦攪
拌接合装置に比べて、機械構造や制御装置が簡単で、安
価な汎用の数値制御加工機を利用して、安価な自動摩擦
攪拌接合装置の構築が可能である。即ち、汎用の数値制
御加工機の数値制御装置を改造又は交換する必要がな
く、また、被接合部材の支持テーブル２５と、該支持テ
ーブル２５がワーク支持台３４の長手方向からはみ出す
部分の下面２５ｂｓを、前記傾斜角θの調節が可能なよ
うに支持する支持ポスト２５ｓｐとスクリュウジャッキ
２５ｓｊ等からなる剛性の高い支持構造を追加するのみ
で、あるいは、使用頻度の高い傾斜角θを有する支持テ
ーブル２５の他に、傾斜角θが段階的に異なる数種類の
支持テーブル２５と、該支持テーブル２５の下面の一部
を支持する剛性の高い支持ポスト２５ｓｐとを追加する
のみでよく、その結果、機械的構造が簡単で、安価な自
動摩擦攪拌接合装置を構築することができる。
【００３０】本発明の摩擦攪拌接合装置の実施の形態で
は、図１において、主軸ＡＸの軸方向に下向きに作用す
る押圧力Ｆ(N) と被接合部材１ａ、１ｂの突合わせ部２
の上面部の加圧ローラ８による加圧力Ｆ8(N)との和が、
１００〜１０００kgf の範囲にある場合に、前記回転ツ
ール７の直下の位置における裏当金３の上面３ｕｓ（支
持テーブル２５の上面２５ｕｓ）の沈下量が０〜０．１
mmの範囲のできるだけ小さな値であるように構成され
る。
【００３１】上記の数値限定理由については、後の本発
明の摩擦攪拌接合方法の実施の形態の説明において述べ
ることとする。
【００３２】なお、上記のような要件は、図３に示した
ように、摩擦攪拌接合装置として汎用の数値制御加工機
ＮＣＭＵを用い、そのワーク支持台３４をそのまま摩擦
攪拌接合装置用の被接合部材支持テーブル２５として利
用する場合や、前記ワーク支持台３４の長さが、摩擦攪
拌接合装置用の被接合部材支持テーブル２５としては短
い場合で、前記ワーク支持台３４の上に載置される被接
合部材支持テーブル２５の下面２５ｂｓの長さ方向の一
部が前記ワーク支持台の長さ方向両端よりはみ出す場合
に、特に考慮が必要な要件である。因みに前記被接合部
材支持テーブルの前記ワーク支持台よりのはみ出し部
を、油圧シリンダー等で支持すると、沈下量が０．３mm
以上に達し問題がある。従って、図３に示すように、前
記ワーク支持台３４よりのはみ出し部をコンクリート製
の基礎面又は床面から、剛性の大きな支柱２５ｓｐか、
該支柱２５ｓｐとバックラッシュ防止手段の付いたスク
リュウジャッキ２５ｓｊ等で、剛的に支持する必要があ
る。
【００３３】次に、本発明の摩擦攪拌接合方法の実施の
形態を、前記の図面を含めた添付の図面を参照して、ま
た、具体的な実施例を適宜交えつつ以下に説明する。
【００３４】まず、本発明の摩擦攪拌接合方法の実施の
形態として、前記図１の裏当金３を含む被接合部材１
ａ、１ｂの支持テーブル２５の支持面２５ｕｓが、前記
回転ツール７の回転軸７ｒａに対して垂直な面（水平
面）ＨＳと、回転ツール７の前進方向（矢印イの方向）
の前方が下がるような傾斜角θを、回転ツールの肩７ｓ
の直径Ｄ7s(mm)と回転ツール１回転当たりの接合速度Ｖ
wr(mm/回転) とに応じて予め決める理由について、以下
に説明する。
【００３５】発明者らの研究によると、前記傾斜角θを
０度とした場合には、前記回転ツーの前端部の肩の押込
深さと後端部の肩の押込深さとをいずれも、０．２〜
０.５mmと深くしても、あたかも船首が水を押し退けて
進むように、回転ツールの前進方向の肩から塑性流動化
（可塑化）した固相が回転ツールの外側の被接合部材の
上面に溢れでてしまい、その結果攪拌ピンを含む回転ツ
ール下端部の接合方向への移動後に、それらが占めてい
た空間を埋めるべき塑性流動化（可塑化）固相の量に不
足が生じ、その結果、接合部上部に溝状欠陥やトンネル
状空洞欠陥等の重大な接合部欠陥が発生する。このよう
な重大な接合部欠陥の発生を防止するためには、以下の
ような点を考慮して、適正な傾斜角θだけ回転ツールを
傾けてやればよい。
【００３６】 （１）回転ツールの肩の直径Ｄ7s(mm)が小さいと、傾斜
角θ（度）を大きくしても回転ツールの後端の肩の押込
み量ｈs(mm) があまり大きくなることはなく、押込み量
過大による接合部上端面両側のバリ欠陥の発生を防止で
き、傾斜角θ（度）を大きくすることによって、前記の
ような接合部上部の溝状欠陥やトンネル状空洞欠陥等の
発生を防止しやすい。 （２）回転ツールの肩の直径Ｄ7s(mm)が大きいと、傾斜
角θ（度）を大きくし過ぎると回転ツールの後端の肩の
押込み量ｈs(mm) が大きくなり、押込み量過大によりバ
リ欠陥が発生し易い。そして、回転ツールの肩の直径Ｄ
7s(mm)が大きいと、回転ツールの肩７ｓで内部に囲みこ
まれる塑性流動化（可塑化）固相量が多くなり、傾斜角
θ（度）をあまり大きくしなくても攪拌ピンを含む回転
ツール下端部の接合方向への移動後の空間充填用の固相
量が不足しにくく、溝状欠陥やトンネル状空洞欠陥等が
発生しにくい。 （３）接合速度Ｖwr(mm/回転) が大きいと塑性流動化
（可塑化）固相を回転ツールの肩の外側へ排出しようと
する接線方向のエネルギーが大きくなり、傾斜角θを相
対的に大きくしないと、溝状欠陥やトンネル状空洞欠陥
等の発生を防止できない。 （４）接合速度Ｖwr(mm/回転) が小さいと塑性流動化
（可塑化）固相を回転ツールの肩の外側へ排出しようと
する接線方向のエネルギーが小さくなり、傾斜角θを相
対的に小さくしても、溝状欠陥やトンネル状空洞欠陥等
が発生しにくい。
【００３７】本発明の実施の形態として、図２におい
て、主軸ＡＸM の軸方向に下向きに作用する押圧力Ｆ
(N) と被接合部材１ａ、１ｂの突合わせ部２の上面部の
加圧ローラ８による加圧力Ｆ8(N)との和が、１００〜１
０００kgf の範囲にある場合において、裏当金に厚さ５
mmの銅板を、被接合部材として板厚ｔ＝５mmの「ＪＩＳ
Ｈ ４１００」に規定されたアルミニウム合金押出形材
５０５２−３４を用い、その他は下記表１に記載した条
件で、摩擦攪拌接合実験を行い、裏当金の上面の沈下量
が接合ビードの上部の溝状欠陥やトンネル状欠陥の発生
に及ぼす影響を調査した。調査結果を下記表１に示し
た。
【００３８】
【表１】
【００３９】表１から、何れの摩擦攪拌接合条件におい
ても、裏当金の上面の沈下量が０〜０．１mmの場合に
は、接合部上部の溝状欠陥やトンネル状欠陥の発生は認
められなかったが、沈下量が０．２mmの場合には溝状欠
陥やトンネル状欠陥の発生が認められたことが分かる。
【００４０】以上、本発明の摩擦攪拌接合装置及び摩擦
攪拌接合方法の実施の形態を示したが、本発明は、上記
の実施の形態に限られるものではなく、その構成の要旨
を逸脱しない範囲内で、他の実施の形態をも含むもので
あることは論を待たない。
【００４１】
【発明の効果】本発明の摩擦攪拌接合装置及び摩擦攪拌
接合方法は、以下のような優れた効果を奏する。 （１）回転ツールの回転軸が被接合部材表面と垂直な線
となす傾斜角や回転ツールの前進方向後端の肩の押込深
さに起因するか、又は、回転ツールの下方への押圧力や
加圧ローラの加圧力等による裏当金部を含む被接合部材
の指示テーブルの支持面の過大な沈下に起因して、回転
ツールの肩の押込量が不足し、接合強度に影響の大きい
接合部上部の溝状欠陥やトンネル状空洞欠陥が発生する
こともなく、また、回転ツールの肩の押込量の過大に起
因する所定の限度以上に深いアンダーカット等の発生が
なく、滑らかな表面を有する良好な接合部を、できるだ
け高い接合速度で実現が可能である。 （２）汎用の数値制御加工機を活用して、機械構造や制
御装置が簡単で、安価な自動摩擦攪拌接合装置を、構築
することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施の形態の一部の構成を示
し、（ａ) は（ｂ）のＢ−Ｂ線矢視拡大正面図、（ｂ）
は（ａ）のＡ−Ａ線矢視図である。
【図２】 本発明の第２の実施の形態の一部拡大正面図
である。
【図３】 本発明の実施の形態の構成を示し、（ａ）は
正面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線矢視側面図である。
【図４】 特表平９−５０８０７３号公報に開示の技術
の、概略の原理的な特徴を示す側断面図である。
【図５】 特表平９−５０８０７３号公報に開示の技術
の、回転ツールに加えられた下向きの押圧圧力Ｆ／π・
ｒs2(N/mm2)と実際の接合速度ω(mm/min)との間の健全
な接合を得るための最適な関係を概略的に示すグラフで
ある。
【図６】 接合部上部の欠陥の各々を示す斜視図であっ
て、（ａ）はアンダーカットｄucを、（ｂ）は溝状欠陥
ｄg を、（ｃ）はトンネル状空洞欠陥ｄtvを示す。
【符号の説明】
１ａ、１ｂ 被接合部材 １ａｐ、１ｂｐ 面板 ２ 突合わせ部 ２ｂ 接合部 ３ 裏当金 ３ｕｓ 裏当金上面 ５ 主軸ユニット ６ 工具チャック ７ 回転ツール ７ｂｓ 凹面の底面 ７ｓｐ 攪拌ピン ７ｓ 回転ツールの肩 ７ｒａ 回転ツール回転軸 ８ 加圧ロ−ラ ２５ 支持テーブル ２５ｓｐ 支柱 ２５ｓｊ スクリュウジャッキ ２５ｕｓ 支持テーブル支持面 ３４ ワーク支持台 ４１ 昇降ユニット ４２ 横行ユニット ４３ ボトムビーム ４４ コラム ４５ トップビーム ４６ フレーム ＡＸM 主軸 Ｆ 回転ツール押圧力 Ｆ8 ロ−ラ加圧力 ＨＳ 水平面 ＨＬ 水平線 ＦＤ 基礎 ＮＣＭＵ 数値制御加工機 ｄuc アンダーカット ｄg 溝状欠陥 ｄtv トンネル状空洞欠陥 θ 傾斜角
フロントページの続き (72)発明者 牧田 慎也 静岡県庵原郡蒲原町蒲原１丁目34番１号 日本軽金属株式会社グル−プ技術セン ター内 (56)参考文献 特開 平10−52772（ＪＰ，Ａ) 特開 昭51−20186（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−100842（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−296462（ＪＰ，Ａ) 英国特許出願公開2306366（ＧＢ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) B23K 20/12

Claims (10)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 凹面の底面と該底面中心から下方に突出
    する攪拌ピンを備えた回転ツールと、該回転ツールを回
    転駆動する回転駆動手段と、前記回転ツールとともに回
    転する攪拌ピンを裏面を裏当金で支持された被接合部材
    の突合わせ部の中に押し込み、前記回転ツールを回転軸
    方向の所定の押圧力で前記被接合部材の上端部に押し付
    ける押圧手段と、前記回転ツールを前記突合わせ部に沿
    って移動させる移動駆動手段とからなる摩擦攪拌接合装
    置であって、 前記被接合部材を支持する支持テーブルのワーク支持台
    長手方向からはみ出す部分の下面を、基礎に固定された
    支柱と該支柱の上端に固定されたスクリュウジャッキと
    で支持されることによって、該 支持テーブルの支持面
    が、前記回転ツールの回転軸に対して垂直な面と、回転
    ツールの前進方向の前方が下がるように予め決められた
    所定の傾斜角をなすように傾斜・固定自在に設けられた
    ことを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
  2. 【請求項２】 凹面の底面と該底面中心から下方に突出
    する攪拌ピンを備えた回転ツールと、該回転ツールを回
    転駆動する回転駆動手段と、前記回転ツールとともに回
    転する攪拌ピンを裏面を裏当金で支持された被接合部材
    の突合わせ部の中に押し込み、前記回転ツールを回転軸
    方向の所定の押圧力で前記被接合部材の上端部に押し付
    ける押圧手段と、前記回転ツールを前記突合わせ部に沿
    って移動させる移動駆動手段とからなる摩擦攪拌接合装
    置であって、 前記被接合部材を支持する支持テーブルとして、使用頻
    度の高い傾斜角を有する支持テーブルの他に、傾斜角が
    段階的に異なる数種類の支持テーブルが追加可能で、 該支持テーブルのワーク支持台長手方向からはみ出す部
    分の下面を、基礎に固定された支柱で支持されることに
    よって、該 支持テーブルの支持面が、前記回転ツールの
    回転軸に対して垂直な面と、回転ツールの前進方向の前
    方が下がるように予め決められた所定の傾斜角をなすよ
    うに傾斜・固定自在に設けられたことを特徴とする摩擦
    攪拌接合装置。
  3. 【請求項３】 前記回転ツールの前進方向側の回転ツー
    ル近傍の前記突合わせ部を中心とした両被接合部材端部
    上面を加圧する加圧ロ−ラを付加したことを特徴とする
    請求項１又は請求項２に記載の摩擦攪拌接合装置。
  4. 【請求項４】 前記回転ツールの回転軸方向の押圧力と
    前記加圧ロ−ラによる加圧力の和が、１００〜１０００
    kgの範囲にある場合に、前記裏当金部を含む支持テーブ
    ルの支持面の沈下量が、前記回転ツールの直下の位置に
    おいて０〜０．１mmである請求項３に記載の摩擦攪拌接
    合装置。
  5. 【請求項５】 前記回転ツールを、トップビームの長手
    方向に平行な水平軸即ちＸ軸と垂直軸即ちＺ軸の方向に
    主軸の移動制御が可能で、前記Ｘ軸及びＺ軸の両方に直
    交するＹ軸方向に移動・固定自在なワーク支持台を備え
    た汎用の数値制御加工機の主軸ユニットの下端の工具チ
    ャックに把持せしめたものである請求項１〜請求項４の
    何れか１項に記載の摩擦攪拌接合装置。
  6. 【請求項６】 前記被接合部材の支持テーブルが、前記
    汎用の数値制御加工機のワーク支持台に搭載、固定され
    たものである請求項５に記載の摩擦攪拌接合装置。
  7. 【請求項７】 凹面の底面と該底面中心から下方に突出
    する攪拌ピンを備えた回転ツールを、前記攪拌ピンを回
    転させながら裏面を裏当金で支持された被接合部材の突
    合わせ部の中に押し込み、前記回転ツールを回転軸方向
    の所定の押圧力で前記被接合部材の上端部に押し付け、
    前記回転ツールを前記突合わせ部に沿って移動させるこ
    とによって、前記被接合部材を摩擦熱により固相接合す
    る摩擦攪拌接合方法において、 前記被接合部材を支持する支持テーブルのワーク支持台
    長手方向からはみ出す部分の下面を、基礎に固定された
    支柱と該支柱の上端に固定されたスクリュウジャッキと
    で支持しておくことによって、該支持テーブルの支持テ
    ーブルの支持面を、前記回転ツールの凹面の底面の下端
    稜線（以後回転ツ−ルの肩と称する）の直径と接合中の
    回転ツールの１回転当たりの前進速度（以後、接合速度
    と称する）とに応じて、 前記回転ツールの回転軸に対し
    て垂直な面と、回転ツールの前進方向の前方が下がるよ
    うに予め決められた所定の傾斜角をなすように傾斜させ
    た状態で摩擦攪拌接合することを特徴とする摩擦攪拌接
    合方法。
  8. 【請求項８】 凹面の底面と該底面中心から下方に突出
    する攪拌ピンを備えた回転ツールを、前記攪拌ピンを回
    転させながら裏面を裏当金で支持された被接合部材の突
    合わせ部の中に押し込み、前記回転ツールを回転軸方向
    の所定の押圧力で前記被接合部材の上端部に押し付け、
    前記回転ツールを前記突合わせ部に沿って移動させるこ
    とによって、前記被接合部材を摩擦熱により固相接合す
    る摩擦攪拌接合方法において、 前記被接合部材を支持する支持テーブルとして、使用頻
    度の高い傾斜角を有する支持テーブルの他に、傾斜角が
    段階的に異なる数種類の支持テーブルが追加可能で、 該支持テーブルのワーク支持台長手方向からはみ出す部
    分の下面を、基礎に固定された支柱で支持されることに
    よって、該支持テーブルの支持テーブルの支持面を、前
    記回転ツールの凹面の底面の下端稜線（以後回転ツ−ル
    の肩と称する）の直径と接合中の回転ツールの１回転当
    たりの前進速度（以後、接合速度と称する）とに応じ
    て、前記回転ツールの回転軸に対して垂直な面と、回転
    ツールの前進方向の前方が下がるように予め決められた
    所定の傾斜角をなすように傾斜させた状態で摩擦攪拌接
    合することを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
  9. 【請求項９】 前記回転ツールの前進方向側の回転ツー
    ル近傍の前記突合わせ部を中心とした両被接合部材端部
    上面を加圧ローラにより加圧しながら摩擦攪拌接合する
    ことを特徴とする請求項７又は請求項８に記載の摩擦攪
    拌接合方法。
  10. 【請求項１０】 前記回転ツールの押圧力と前記加圧ロ
    ーラよる加圧力との和に起因する前記裏当金部を含む支
    持テーブルの支持面の沈下量が、０〜０．１mmである請
    求項９に記載の摩擦攪拌接合方法。
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