JP4898773B2 - 摩擦攪拌接合用工具 - Google Patents

Description

本発明は、上下一対の回転体の間に攪拌軸があって、接合部をショルダ面によって挟み込み、回転する攪拌軸によって接合部を摩擦攪拌接合させるボビンツール式の摩擦攪拌接合用工具に関し、特に被接合部材同士を重ね合わせた部分を接合する摩擦攪拌接合用工具に関する。

アルミニウム材を摩擦攪拌接合する場合には、例えば、接合部に対し、上方から回転する攪拌ピンを挿入するとともに回転体を被接合部材に押付け、その攪拌ピンによって摩擦熱を発生させて接合する。その際、接合ルールの反力に対処するため、被接合部材の接合部分を裏当金で支持する必要があった。この裏当金は被接合物の面板の裏面に密着させて設置するものであって高い剛性を必要とする。一方、摩擦攪拌接合には、従来からこうした工具の他に、下側にも回転体を設けて支持するセルフリアクティングのボビンツール式回転工具を用いた摩擦攪拌接合方法が提案されている。

図８は、ボビンツール式回転工具を用いた摩擦攪拌接合を示した図である。この摩擦攪拌接合では、被接合部材であるアルミニウム合金のプレート１５１，１５２が端面同士突き合わされ、その接合部１５３に沿って摩擦攪拌接合用工具１００が移動する。その摩擦攪拌接合用工具１００は、プレート１５１，１５２の上下を挟み込む上部回転体１０１と下部回転体１０２、そしてその間に配置された攪拌軸１０３を備えた構成をしている。摩擦攪拌接合用工具１００は、モータ１０４の駆動によって上部回転体１０１、下部回転体１０２及び攪拌軸１０３に回転が与えられ、攪拌軸１０３が結合部１５３に沿って矢印Ｆで示す方向に移動する。

攪拌軸１０３は、機械的攪拌によって周囲のアルミニウム合金（材料）を塑性流動化させ、上部回転体１０１と下部回転体１０２は、上下方向からプレート１５１，１５２を挟み込んで可塑性ゾーンから材料が失われるのを防いでいる。従って、この状態で摩擦攪拌接合用工具１００が接合部１５３に沿って移動すると、プレート１５１，１５２の軟化した材料は、塑性流動化して攪拌混練されつつ、移動する攪拌軸１０３の後方に流れる。そして、攪拌軸１０３の後方で互いに混じり合った可塑性材は摩擦熱を失って急速に冷却固化し、プレート１５１，１５２の接合が完結する。
特表平７−５０５０９０号公報 特開２００４−１４１８９７号公報

ところで、ボビンツール式の摩擦攪拌接合用工具１００は、プレート１５１，１５２の端面同士を突き合わせ接合部１５３の接合だけでなく、プレート１５１，１５２を重ね合わせ、その重ね合わせ部分を摩擦攪拌接合することもある。しかし、上下に重ね合わせた被接合部材を摩擦攪拌接合する場合は、安定した摩擦攪拌が困難となる問題があった。
すなわち、水平に突き合わされたプレート１５１，１５２の接合部は、塑性流動化した材料が水平に流れ左右両プレート１５１，１５２間で十分に攪拌混練されるが、プレート１５１，１５２が上下に重ね合わされた場合には、塑性流動化した材料が上下に流れ難いので、両プレート１５１，１５２間で十分な材料の攪拌が行われない。そのため、重ね合わせた被接合部材をボビンツール式の摩擦攪拌接合用工具１００で接合する場合、接合部の接合強度が弱くなる傾向があり、接合強度が安定しない問題があった。

そこで、本発明は、かかる課題を解決すべく、摩擦攪拌時に流動する接合部の材料を軸方向にも攪拌させ、重ね合わせた被接合部材の安定した接合強度を得るためのボビンツール式の摩擦攪拌接合用工具を提供することを目的とする。

本発明に係る摩擦攪拌接合用工具は、被接合部材同士の接合部を上部回転体と下部回転体とで挟み込み、その上部回転体と下部回転体との間で一体になって回転する攪拌軸を移動させ、摩擦熱で被接合部材同士を接合するものであって、前記攪拌軸は、傾きの方向を一定にした攪拌溝が外周面に形成され、回転後方側の前記攪拌溝の傾斜の向きに従い前記上部回転体側または前記下部回転体側の一方向に径が連続して大きくなるように形成されたものであることを特徴とする。
また、本発明に係る摩擦攪拌接合用工具は、前記攪拌軸が、円錐状に径の大きさが変化し、その外周面に螺旋状の溝が形成されたものであることが好ましい。
また、本発明に係る摩擦攪拌接合用工具は、前記攪拌軸が、その周方向に基礎曲面と、平面、基礎曲面より曲率半径の大きな曲面、または中心軸方向に凹んだ曲面のいずれかからなる攪拌面とが周方向に交互に形成され、基礎曲面に対して前記攪拌溝が形成されたものであることが好ましい。

よって、本発明の摩擦攪拌接合用工具によれば、攪拌溝内に入り込んだ材料が溝側面にならって軸方向に動き、また、攪拌溝の溝側面に作用する圧力の軸方向分力によっても材料が軸方向に動いて攪拌されることで、重ね合わせたプレート同士は材料が互いに攪拌混練され、接合面部分での接合強度を安定して確保した接合が可能になる。そして、材料の軸方向の移動によって一方の回転体側の抵抗が大きくなるが、同方向に攪拌軸の径が大きくすることで十分な強度を確保することができる。

次に、摩擦攪拌接合用工具の実施形態について、図面を参照しながら以下に説明する。先ず、図１は、コイルボビン式の摩擦攪拌接合用工具を使用し、被接合部材を重ね合わせた接合部の摩擦攪拌接合を示した側面図である。摩擦攪拌接合用工具１は、上部回転体１１と下部回転体１２とが同軸に配置され、その軸心部を通して攪拌軸１３が設けられている。攪拌軸１３は、上部回転体１１のボスを通して下方に突き出され、先端に下部回転体１２に結合されている。従って、攪拌軸１３は、上部回転体１１と一体になって回転するが、軸方向には移動が可能であって、上部回転体１１と下部回転体１２と
の距離が調整可能であるため、重ね合わせた被接合部材（プレート１５１，１５２）の厚さに対応して調整できるようになっている。

上部回転体１１は下方に押し下げられ、下部回転体１２は攪拌軸１３を介して上方に引き上げられ、それぞれのショルダ面１１１，１１２がプレート１５１，１５２の重ね合わせ部分（接合部１５４）を挟み込む。そして、摩擦攪拌接合用工具１は、その攪拌軸１３がプレート１５１，１５２に直交し、接合部１５４に沿って移動しながら摩擦攪拌を実行する。それにより、回転する攪拌軸１３がプレート１５１，１５２の接合部１５４を貫い状態で摩擦攪拌すると、摩擦熱によって材料が発熱して軟化し、塑性流動してできた可塑性材によって固相接合される。

攪拌軸１３のトルクが作用する接合部１５４は、プレート１５１，１５２が熱を発して軟化し、その部分の材料が回転によって攪拌され、攪拌軸１３前方の軟化攪拌部分が押しのけられ左右から後方に回り込むようにして攪拌軸１３の周りを流動する。しかし、これでは前記課題で述べたように上下に重ねられたプレート１５１，１５２間で材料が攪拌され難く、特に接合面部分１５５で材料が上下に確実に攪拌されないことによって接合強度を安定させた接合が望めない。そこで、攪拌軸１３の周りを流動する材料に上下方向の運動を与えるため、本実施形態では攪拌軸１３を次のように構成した。

図２は、第１実施形態の摩擦攪拌接合用工具を示した斜視図である。本実施形態の摩擦攪拌接合用工具２は、攪拌軸２１の外周面に複数の攪拌溝２２が軸方向に平行に形成されている。この攪拌溝２２は、円柱形状の軸部材に切削加工によって形成され、所定の幅間隔の溝側面と所定の深さの底面からなる。従って、攪拌軸２１は、この攪拌溝２２によって攪拌時に材料と接する面積が増加することになる。攪拌溝２２は、円柱状の攪拌軸２１を一周する環状溝であって、軸方向に変化するように波形状になっている。従って、回転方向に対して傾斜部を有し、溝の位置が軸方向（上下方向）に変化している。

ここで図３は、攪拌軸２１に形成された一つの攪拌溝２２を示した側面図である。この図に示すように、攪拌溝２２は、上下に４往復する９０°の周期で形成された波形状の溝である。攪拌溝２２を波形状にして傾斜部分を設けたのは、摩擦攪拌の際、接合部の材料に伝えるトルクを増加させ、更にその材料を上下方向へ攪拌させるようにするためである。
そこで、図１に示すように上下の回転体１１，１２でプレート１５１，１５２の接合部１５４を挟み込み、回転しながら移動する攪拌軸２１によって摩擦攪拌が行われる。軟化した材料は攪拌溝２２へと入り込む。そのため、材料が接する攪拌軸２１の表面積が大きくなった分、摩擦による接線応力が大きくなり、攪拌軸２１から材料に伝えられるトルクが大きくなる。

そして、波形状の攪拌溝２２は、例えば図３の中央にある傾斜区間について見ると、図面左側の回転方向Ｗに対し、先行する攪拌溝２２の溝側面２３では材料が流れ去るため圧力が下がり、反対の溝側面２４では材料が衝突してくるため圧力が高まる。従って、攪拌溝２２の傾斜部分では、回転方向Ｗに前後して圧力変化が生じることになる。溝側面２３，２４に作用する法線方向の圧力Ｐａ，Ｐｂは軸方向分力と回転方向分力を有し、減圧側と加圧側とで互いに打ち消し合うことはない。そのため、攪拌溝２２に生じる圧力変化は、傾きによって材料を上下に動かし、回転方向には材料に対してトルクとして伝えられる。こうしたことは、波形状をした攪拌溝２２の各傾斜部分において生じている。

よって、摩擦攪拌接合用工具２では、攪拌溝２２内に入り込んだ材料が傾斜した溝側面２３，２４にならって上下に動き、また、攪拌溝２２を波形状にした攪拌軸２１では、溝側面２３，２４の法線方向に作用する圧力の軸方向分力によって材料が上下に動く。そし
て、材料が上下方向にも攪拌されることで、重ね合わせたプレート１５１，１５２同士（図１参照）は材料が互いに攪拌混練され、接合面部分１５５での接合強度を確保した接合が可能になる。
また、回転する攪拌軸２１との接線応力が接合部の材料にトルクとして伝えられ、更には、攪拌溝２２の溝側面２３，２４による圧力変化も接合部の材料に対してトルクとして伝えられる。特に、接触面積が大きくなった分だけ接線応力が大きくなり、また傾斜部分の圧力変化が生じることにより、攪拌する材料へと伝達トルクが大きくなる。

次に、図４は、第２実施形態の摩擦攪拌接合用工具を示した斜視図である。本実施形態の摩擦攪拌接合用工具３は、円柱状の攪拌軸３１に上下方向に連続する螺旋状の攪拌溝３２が形成されている。従って、第１実施形態のものと同様に、回転方向に対して傾斜部を有し、回転に伴って溝の位置が変化するようになっている。攪拌溝３２は、円柱形状の軸部材に対して切削加工によって形成され、所定の幅間隔の溝側面と所定の深さの底面からなる。そのため攪拌軸３１も、こうした攪拌溝３２によって攪拌時に材料と接する面積が大きくなっている。

摩擦攪拌接合用工具３による摩擦攪拌でも、図１に示すように上下の回転体１１，１２でプレート１５１，１５２の接合部１５４を挟み込み、攪拌軸３１による摩擦攪拌が行われる。軟化した材料が攪拌溝３２へと入り込む。そのため、攪拌溝３２によって表面積が大きくなった分、摩擦による接線応力が大きくなって、材料に伝えられるトルクも大きくなる。また、第１実施形態と同様に、傾斜部分に生じる圧力変化の回転方向成分によって攪拌する材料への伝達トルクが大きくなる。

そして、摩擦攪拌接合用工具３では、攪拌溝３２内に入り込んだ材料が傾斜した溝側面にならって軸方向に動き、また、攪拌溝３２を螺旋状にした攪拌軸３１では、傾斜した溝側面の法線方向（図３の圧力Ｐａ，Ｐｂ参照）に作用する圧力の軸方向分力によっても材料が軸方向に動く。本実施形態の場合、攪拌溝３２が傾き一定の螺旋溝であるので、摩擦攪拌接合用工具３の回転が方向Ｗであれば、材料が上方に動いて攪拌される。よって、材料が上下方向にも攪拌されることで、重ね合わせたプレート１５１，１５２同士（図１参照）は材料が互いに攪拌混練され、接合面部分１５５での接合強度を確保した接合が可能になる。
なお、攪拌溝３２の傾きを逆にすれば、同じように回転させた場合に材料が下方に動くが、材料の動きが一方に限定されるものではないため、螺旋方向の設計は自由である。

次に、図５は、第３実施形態の摩擦攪拌接合用工具を示した斜視図である。本実施形態の摩擦攪拌接合用工具４は、攪拌軸４１が多面体形状で形成され、その表面に攪拌溝４２が形成されたものである。ここで、図６は、攪拌軸４１の断面形状を示した図であり、一点鎖線で加工前の軸部材の外形線を示している。攪拌軸４１は、円柱形状をした軸部材そのままの基礎曲面４３を残して軸方向に平行な４つの攪拌面４４が切削加工されたものである。そして、その基礎曲面４３には、全てが同じ方向に傾斜した攪拌溝４２が形成されている。なお、攪拌面４４は、図示するような平面に限定されることなく、基礎曲面４３よりも曲率半径の大きな外側に膨らんだ曲面や、逆に中心軸方向に凹んだ曲面であってもよい。

摩擦攪拌接合用工具４による摩擦攪拌でも、図１に示すように上下の回転体１１，１２でプレート１５１，１５２の接合部１５４を挟み込み、攪拌軸３１による摩擦攪拌が行われる。軟化した材料が攪拌溝４２へと入り込む。攪拌溝４２内に入り込んだ材料が傾斜した溝側面にならって軸方向に動き、また、攪拌溝４２の傾斜した溝側面の法線方向（図３の圧力Ｐａ，Ｐｂ参照）に作用する圧力の軸方向分力によっても材料が軸方向に動く。本実施形態の場合も、攪拌溝４２が傾き一定の螺旋溝であるので、摩擦攪拌接合用工具４の回転が方向Ｗであれば、軸方向分力によって材料が上方に動かされて攪拌される。そして、材料が上下方向にも攪拌されることで、重ね合わせたプレート１５１，１５２同士は材料が互いに攪拌混練され、接合面部分１５５での接合強度を確保した接合が可能になる。

また、本実施形態では、図６に示すように、矢印Ｗ方向に回転しながら矢印Ｆ方向に移動する場合、一つの基礎曲面４３を挟んだ攪拌面４４の隣り合う部分は、回転方向Ｗに対して基礎曲面４３よりも先行する部分には材料が衝突して圧力が高まる一方、基礎曲面４３を追いかける部分では材料が流れ去るため圧力が低下する。すなわち、攪拌面４４の一つについて見た場合、回転方向Ｗに対して基礎曲面４３より先行する部分には正の圧力Ｐｃが作用し、回転方向Ｗに対して基礎曲面４３を後追いする部分には負の圧力Ｐｄが作用する。従って、攪拌軸４１の攪拌面４４の法線方向に作用する圧力Ｐｃ，Ｐｄはいずれも回転方向分力を有し、この回転方向に作用する圧力変化が材料に対してトルクが伝えることになる。そのため、攪拌面４４によって生じる圧力変化からも材料にトルクが伝えられ、回転数を上げたりすることなく仕事率を上げることができる。これは、攪拌面が基礎曲面４３よりも曲率半径の大きな外側に膨らんだ曲面や、逆に中心軸方向に凹んだ曲面であっても同様である。

次に、図７は、第４実施形態の摩擦攪拌接合用工具を示した斜視図である。ところで、図４及び図５に示すように、攪拌溝３２，４２の傾きが一定の場合は、攪拌された材料が上下の一方に動くことになる。そのため、接合部１５４では上部回転体１１側若しくは下部回転体１２側の密度が高くなって、攪拌しながら移動する攪拌軸２２に対して上下片側の抵抗が大きくなる。そこで、本実施形態の摩擦攪拌用接合工具５は、作用する抵抗に応じて攪拌軸５１の太さを変化させるようにし、攪拌軸５１が下部回転体１２から上部回転体１１に向けて徐々に径が大きくなるように円錐状に形成した。そして、このような勾配のついた攪拌軸５１の表面に螺旋状の攪拌溝５２が形成されている。

摩擦攪拌時には、この摩擦攪拌接合用工具５でも、攪拌溝５２内に入り込んだ材料が傾斜した溝側面にならって軸方向に動き、また、攪拌溝５２の傾斜した溝側面の法線方向（図３の圧力Ｐａ，Ｐｂ参照）に作用する圧力の軸方向分力によっても材料が軸方向に動く。本実施形態の場合も、攪拌溝５２が傾き一定の螺旋溝であるので、摩擦攪拌接合用工具５の回転が方向Ｗであれば、軸方向分力によって材料が上方に動かされて攪拌される。そのため、材料が上下方向にも攪拌されることで、重ね合わせたプレート１５１，１５２同士は材料が互いに攪拌混練され、接合面部分１５５での接合強度を安定して確保した接合が可能になる。そして本実施形態では、攪拌しながら移動する攪拌軸５１に対し上部回転体１１側の抵抗が大きくなるが、径が大きくなっているため十分な強度を有している。一方、螺旋の傾きを逆にすれば下方に材料の流れるため、その場合いは逆に下部回転体側の径を大きくする。

以上、摩擦攪拌接合用工具の一実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。
図５に示す摩擦攪拌接合用工具４は、攪拌面４４を周方向に４面設けているが、これは一例であって、４面より少ない３面や、４面より多い５面、６面或いはそれ以上の数の面であってもよい。また、図５に示す摩擦攪拌接合用工具４は、攪拌溝４２の傾きが全て同じ方向であるが、基礎曲面４３毎に逆向きにするようにしてもよい。更に、図７に示す摩擦攪拌接合用工具５のように円錐状にした攪拌軸に攪拌面を形成するようにしてもよい。

ボビンツール式回転工具を用いて被接合部材を重ね合わせた接合部の摩擦攪拌接合を示した図である。 図２は、第１実施形態の摩擦攪拌接合用工具を示した斜視図である。 第１実施形態の摩擦攪拌接合用工具について、その攪拌溝を示した攪拌軸の側面図である。 第２実施形態の摩擦攪拌接合用工具を示した斜視図である。 第３実施形態の摩擦攪拌接合用工具を示した斜視図である。 攪拌面をもつ攪拌軸の断面形状を示した図である。 第４実施形態の摩擦攪拌接合用工具を示した斜視図である。 ボビンツール式回転工具を用いて被接合部材の端面同士を突き合わせた接合部の摩擦攪拌接合を示した図である。

符号の説明

５ 摩擦攪拌接合用工具
１１ 上部回転体
１２ 下部回転体
５１ 攪拌軸
５２ 攪拌溝
１５１，１５２ プレート

Claims (3)

1. 被接合部材同士の接合部を上部回転体と下部回転体とで挟み込み、その上部回転体と下部回転体との間で一体になって回転する攪拌軸を移動させ、摩擦熱で被接合部材同士を接合する摩擦攪拌接合用工具であって、
   前記攪拌軸は、傾きの方向を一定にした攪拌溝が外周面に形成され、回転後方側の前記攪拌溝の傾斜の向きに従い前記上部回転体側または前記下部回転体側の一方向に径が連続して大きくなるように形成されたものであることを特徴とする摩擦攪拌接合用工具。
2. 請求項１に記載する摩擦攪拌接合用工具において、
   前記攪拌軸は、円錐状に径の大きさが変化し、その外周面に螺旋状の溝が形成されたものであることを特徴とする摩擦攪拌接合用工具。
3. 請求項１又は請求項２に記載する摩擦攪拌接合用工具において、
   前記攪拌軸は、その周方向に基礎曲面と、平面、基礎曲面より曲率半径の大きな曲面、または中心軸方向に凹んだ曲面のいずれかからなる攪拌面とが周方向に交互に形成され、基礎曲面に対して前記攪拌溝が形成されたものであることを特徴とする摩擦攪拌接合用工具。

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