JP5022776B2 - 摩擦撹拌ツール - Google Patents

Description

この発明は、摩擦撹拌接合に用いる摩擦撹拌ツールに関する。

図１０のＡは従来の摩擦撹拌ツールの一例であり、摩擦撹拌ツール１００は、本体部１０１の先端をショルダ部１０２とし、その中央に撹拌ピン１０３を突出させるとともに、本体部１０１の軸線Ｃを進行方向Ａに対して後傾させ、接合材料１０４の表面１０５へショルダ部１０２を接触させて向かい角θを形成するように保持して回転させ、撹拌ピン１０３を接合材料１０４中へ差し込み進行方向Ａへ移動させるようになっている。向かい角は流動化材料をショルダ部下方へ巻き込むことにより接合部における撹拌層の肉厚を一定にするので、接合強度を安定化させる上で重要である。

ところが図１０のＢに示すように、接合材料１０４Ａと１０４Ｂの接合部を始点１０６から終点１０７に向かって直線的な接合線１０８を形成するとき、まず始点１０６から矢示Ｄ方向に移動させるが、向かい角があるため終点１０７部分の接合ができないので、途中で中止して終点１０７から矢示Ｅ方向へ折り返して接合しなければならない。しかしこの場合には終点１０７で折り返すときに本体部１０１における軸線Ｃの傾きを反転して向かい角を折り返し方向に形成しなければならず、このためには本体部１０１の支持装置における本体部支持角度を変更しなければならない。また、接合材料１０４Ｂと１０４Ｃの接合部を自由曲線の接合線１０８Ａとする場合にも同様の問題が生じる。しかし本体部の支持角度を進行方向に応じて自在に変更できる支持装置は極めて高価なものとなってしまう。そこで摩擦撹拌ツールを傾けずに摩擦撹拌接合できるノンチルト式の摩擦撹拌ツールが望まれることになった。

このようなノンチルト式の摩擦撹拌ツールとしては、ショルダ部に渦巻き状等の凸条部を設け、この凸条部に流動化材料を案内させて中心部の撹拌ピンへ送り込むものもある（特許文献１・２）。
また、ショルダ部の表面を中心側へ傾斜させて外部へ流動化材料があふれ出さないようにしたものものある（特許文献２）。
さらに、ショルダ部の表面のうち約１／４程度を斜めに切り欠いて、回転方向及び径方向に傾斜する斜面を設けたものもある（特許文献３）。

ＷＯ９９／５２６６９号公報 特許第３４０９７９１号公報 特開２００５−８１４２７号公報

ところで、上記のようにショルダ部に凸条部を設けた場合、この凸条部で接合材料を摩擦撹拌することになるから、比較的破損しやすく、かつ加工も比較的複雑なため、耐久性の向上やコスト面に課題があった。また、特許文献１及び２のように凸条部及びその間に形成される溝状部はそれぞれ回転方向の高さが一定であるから、より大量に流動化材料を中心へ送り込むことができなかった。また、特許文献３のようにショルダ部の一部を切り欠いたものでは、連続的に流動化材料を中心へ送り込むことができず、ノンチルト加工に適しない。そこで本願は、このような要請の実現を目的とする。

上記課題を解決するため摩擦撹拌ツールに係る請求項１の発明は、棒状の本体部と、この本体部の軸方向端面に形成されて接合材料の表面へ当接するショルダ部と、このショルダ部の中心部から突出して接合材料中へ差し込まれる撹拌ピンとを備えた摩擦撹拌ツールにおいて、
前記ショルダ部を、回転するにしたがって次第に接合材料中へ深く食い込むよう全周に亘って高さが変化する押圧面であり、
前記押圧面は、前記ショルダ部の表面全周にて単一の面で構成されることを特徴とする

請求項２の発明は、棒状の本体部と、この本体部の軸方向端面に形成されて接合材料の表面へ当接するショルダ部と、このショルダ部の中心部から突出して接合材料中へ差し込まれる撹拌ピンとを備えた摩擦撹拌ツールにおいて、
前記ショルダ部を、回転するにしたがって次第に接合材料中へ深く食い込むよう全周に亘って高さが変化する押圧面であり、
前記押圧面が、前記ショルダ部の表面全周にて２面以上の面で構成され、各押圧面は回転方向後方側の幅が、徐々に狭くなって外周側が中心側へ近づくように変化するとともに、他の押圧面と径方向にて重なることを特徴とする。

請求項３の発明は上記請求項１又は２のいずれかにおいて、前記押圧面が、径方向でも外周から中心へ向かって傾斜していることを特徴とする。

請求項１の発明によれば、ショルダ部の表面を、回転するにしたがって次第に接合材料中へ深く食い込むよう回転方向にて全周に亘って高さが変化する押圧面で構成したので、接合材料の表面との間に常時向かい角を形成でき、押圧面で接合材料を摩擦撹拌して、押圧面の上に沿って流動化材料を回転方向後方へ送り、中心部へ送り込むことができ、大量の流動化材料を中心部へ送り込むことを可能にしつつ、破損しやすい凸条部を不要にして耐久性を向上させることができる。また凸条部ほどの複雑な加工が不要になるので、摩擦撹拌ツールの製造コストも下げることができる。

さらに、押圧面をショルダ部の表面全周にて単一の面で構成したので、押圧面が簡単になり、容易に製造できる。

請求項２の発明によれば、複数の押圧面のうち、隣り合う一つの押圧面の回転方向先端が、他方の押圧面における回転方向後端側の外周側へ径方向にて重なって位置するとともに、各押圧面は回転方向後方側の幅が、徐々に狭くなって外周側が中心側へ近づくように変化するので、複数の押圧面で同時に各先端側から流動化材料を送り込むから大量の流動化材料を中心部へ常時送り込むことが可能になる。そのうえ後端側が中心側へ近づくように幅狭に変化するので、流動材料を後端部側で確実に中心側へ送り込むことができる。

請求項３の発明によれば、押圧面をショルダ部の径方向でも中心へ向かって傾斜させたので、押圧面は３次元的に捩れた形状をなし、流動化材料を外部へあふれにくくし、中心部へ確実に送り込むことができる。

以下、図面に基づいて参考例を説明する。図１〜６は参考例に係り、図１は摩擦撹拌ツール１の正面図、図２はショルダ部の底面視形状図、図３はショルダ部及び撹拌ピン部分を示す斜視図、図４は図２の４−４線に沿う断面図、図５はショルダ部３の表面形状を図１の方向から見た状態で展開して示す図、図６は摩擦撹拌接合時の状態を示す図である。

図１に示すように、摩擦撹拌ツール１は、丸棒状の本体部２とその端面に形成されたショルダ部３及びショルダ部３の中心部から突出する撹拌ピン４を備え、進行方向Ａに沿ってＢ矢示方向へ回転させつつ移動させて摩擦撹拌接合するようになっている。Ｃは本体部２の中心軸線であり回転中心でもある。
なお、本願において上下方向等は摩擦撹拌ツール１の使用状態を基準とし、図１の上下方向を摩擦撹拌ツール１の上下方向とし、図１の下方から示すショルダ部３の形状（すなわち図２の状態）を底面視形状ということにする。またショルダ部３における面の高低は、下方へ突出する高さで表現し、下方突出量が多いほど高いと表現する。

図１〜６において、ショルダ部３は、本体部２の下方側端面であって接合材料の表面（図６参照）に対面する部分であり、接合材料中へ食い込んで接合材料を流動化させる部分でもある。撹拌ピン４は、ショルダ部３の中央から下方へ一体に突出形成されており、接合材料中へ差し込まれて材料を撹拌するためのものであり、図示省略してあるが、多くの場合は周囲にネジが切られ、摩擦撹拌接合時に流動化材料を中心部へ押し込むようになっている。

図３に示すように、ショルダ部３は互いに逆方向に傾斜する半円状の第１押圧面５と第２押圧面６を向かい合わせにし、本体部２の中心軸線であり回転中心でもある軸線Ｃ方向から見たとき、底面視形状が一つの円形を形成するようにする（図２参照）。２つの押圧面５，６の境界は段差部７をなす。

但し、第１押圧面５と第２押圧面６は、回転方向Ｂ（図２）すなわちショルダ部３の円周方向に見た場合、同一方向へ傾斜する斜面をなす。すなわち図５に示すように、各押圧面５，６は段差部７を挟んで平行に同一方向へ傾斜し、各押圧面（５、６）はそれぞれ回転方向Ｂに向かって先端８側が低く後端９側が高くなるように連続的に高さが変化する傾斜面をなし、水平方向に対して角θなる傾斜角を有し、この傾斜角度が向かい角θとなる。
なお図中には、先端８が最も低いのでＬを添え、後端９が最も高いのでＨを添えて高低を示す。

このようにすると、図６に作業状態を示すように、進行方向に向かって常にθなる向かい角（傾斜角）を維持できる。このため、本体部２の取付角を変更することなく、進行方向が変化する作業を行うことができる。
また、第１押圧面５と第２押圧面６はそれぞれショルダ部３の径方向において外周側が高く内周側が低くなるように傾斜し、全体として３次元的に捩れた曲面をなしている。

図６において、接合材料１０，１１が接合線１２で突き合わされ、この接合線１０上に撹拌ピン４が差し込まれ、Ｂ矢示方向に回転させつつ、ショルダ部３を接合材料１０，１１の表面１４へ摺接させながら、接合線１２の上に沿って移動させる。すると、接合線１２を挟む両側に位置する接合材料１０，１１の材料を流動化させつつ摩擦撹拌して格子状のハッチングで示す融合部１３を形成し、ここで接合材料１０，１１が結合一体化する。

このとき摩擦撹拌ツール１は直立状態で、ショルダ部３は第１押圧面５及び第２押圧面６が常に接合材料１０，１１の表面へ傾斜角θをなして当接する。このため、流動化材料は、ショルダ部３と表面１４との間に形成される傾斜角θなるショルダ部３の下にある空間内へ送り込まれる。このとき、ショルダ部３は回転により接合材料の表面１４に接触する第１押圧面５及び第２押圧面６を有し、第１押圧面５及び第２押圧面６がそれぞれ、低い先端８から後端９に向かって次第に高くなるため、徐々に接合材料中へ食い込み、材料を流動化させつつ、第１押圧面５及び第２押圧面６の上を回転方向後方へ送り込み、最も高い後端９にて中心側の撹拌ピン７の周囲へ送り込む。したがって大量の流動化材料を送り込むことができるとともに、第１押圧面５及び第２押圧面６がそれぞれ径方向でも内側へ傾いているため、流動化材料を外側へ逃がさないように送り込むことができ、確実な摩擦撹拌を実現する。

しかも、接合線１２が平面視で屈曲等することにより進行方向が種々に変化しても本体部２の軸線Ｃを直立したままで、常時進行方向に傾斜角θを維持できるので、高価な摩擦撹拌ツール１の支持装置を必要とせずに折り返しや自由曲線（図１０のＢにおける１０８Ａ参照）を描くような作業ができるようになる。そのうえ、ショルダ部３を第１押圧面５及び第２押圧面６からなる面で構成するので、破損しやすい凸条部を設ける必要がなくなり、耐久性を向上させ、かつ比較的簡単な加工でショルダ部３を形成でき、安価に製造できる。

以下、本願発明を構成するショルダ部３における変形例を示す。図７は第１実施例であり、上段（ａ）にショルダ部３の斜視図、中段（ｂ）にショルダ部３の底面視形状図、下段（ｃ）にショルダ部３の高さ変化を示すため上段に示す上下反転させた状態のショルダ部３を側方から示す図である。なお、以下の図８及び図９も同様の図面構成である。

図７において、ショルダ部３の表面は全周方向へ連続する単一の傾斜面である押圧面２０で構成されるが、この押圧面２０は回転方向Ｂに対して先端８が最も低く、後端９が最も高くなるよう連続変化し、先端８と後端９は段差部７の上下に位置し、上下方向にて重なっている。しかも押圧面２０は外周側が高く、内周側が低くなるよう、径方向にても傾斜し、全体として３次元的に捩れた曲面をなしている。

このようにしても、下段（ｃ）に示すように、ショルダ部３の表面は向かい角θを形成できるので、回転により接合材料の表面に接触する押圧面２０は、低い先端８から高い後端９に向かって次第に高くなるため、徐々に接合材料中へ食い込み、材料を流動化させつつ、押圧面２０の上を回転方向後方へ送り込み、最も高い後端９にて中心側の撹拌ピン４の周囲へ送り込む。したがって大量の流動化材料を送り込むことができるとともに、押圧面２０が径方向でも内側へ傾いているため、流動化材料を外側へ逃がさないように送り込むことができる。しかも押圧面２０を全周に亘って単一の面で構成するので、構造が簡単で製造も容易になる。

図８は第２実施例であり、略半円状をなす第１押圧面３０及び第２押圧面３１からなる２面を備え、段差部３２で接続する。３３は側道部、３４は先端、３５は後端である。側道部３３は、各押圧面３０、３１の後端部分側外周部を部分的に切り欠くことにより、この切り欠き部３６の径方向外方に形成される。中段（ｂ）に明らかなように、切り欠き部３６は先端３４側から後端３５へ向かうほど中心側へ接近するように形成した円弧部をなし、後端３５側の径方向幅ｗは、後端３５に近いほど狭くなる。ｄは側道部３３の径方向幅であり、後端３５側ほど広くなる。

側道部３３は後端３５の属する押圧面と別の押圧面に連続する。例えば、第２押圧面３１における後端３５の外周側に形成される側道部３３は、第１押圧面３０と連続し、第２押圧面３１の後端３５と段差をなしてその下方外周部へ傾斜して回り込み、先端３４に向かって次第に幅が狭くなり、やがて先端３４で消滅する。先端３４は回転方向先端部である。また他方側の側道部３３も同様構造をなす。
側道部３３と後端３５は段差部３２による段差をなし、この段差部３２の外側が側道部３３の開始部分となっている。各面の先端３４及び後端３５は撹拌ピン４を挟んで対称位置に形成されている。なお図中には、先端３４が最も低いのでＬを添え、後端３５が最も高いのでＨを添えて高低を示す。

後端３５は側道部３３の分だけ狭くなっており、各押圧面３０及び３１は、後端３５の径方向外方における側道部３３の幅ｄは、先端３４と後端３５（最も径方向外側部分）との径差でもある。なお、各押圧面３０及び３１もそれぞれショルダ部３の径方向において、外周側が高く内周側が低くなるように傾斜し、全体として３次元的に捩れた曲面をなしている。

このようにしても、下段（ｃ）に示すように、向かい角θを形成できることは同様であり、流動化材料を先端３４から後端３５へ向かって送り込むことができる。また、側道部３３を設けたことにより、一つの押圧面における先端３４から後端３５までの長さは半円以上に長くなるので、先端３４から後端３５まで長い経路でより多くの流動化材料を後端３５側へ送り込むことができ、後端部に達した流動化材料は、後端３５側の押圧面が内側へ狭められるため、徐々に内側へ集められ、やがて後端３５から確実に中心部へ送り込まれる。このとき、押圧面が径方向でも外周側から中心側へ傾斜するよう３次元の曲面をなしていることも流動化材料を中心部へ効率的に送り込むことに役立っている。
したがってより多くの流動化材料を確実に中心側へ送り込むことができるようになり、接合品質をより一層高めることができる。

なお、先端３４の位置は、中段（ｂ）に示すショルダ部の底面視形状において、後端３５と径差ｄをなすように、径方向に対して先端３４が外側、後端３５が内側になるよう内外に配置すればよく、先端３４が他方の押圧面側まで回り込む程度は自由に設定できる。

図９は第３実施例であり、図７及び８における上段（ａ）及び中段（ｂ）に相当する部分のみを示し、下段（ｃ）に相当する部分は省略してある。
この例では、１２０°間隔で分割された３つの押圧面である、第１押圧面４０・第２押圧面４１・第３押圧面４２の各周方向一端を隣り合う押圧面の上へ段差部４３をなして順次重ねたものであり、この実施例でも、重なり合う２面の間で前記第２実施例同様の側道部４４を形成している。４５は先端、４６は切り欠き部である。

各押圧面４０・４１・４２は回転方向へ向かって先端４５側が低く後端（段差４３に同じ）側が高くなるように連続変化する同様の傾斜面をなし、かつショルダ部３の径方向において、外周側が高く内周側が低くなるように傾斜し、全体として３次元的に捩れた曲面をなしている。このため、やはり向かい角θ（図８参照）を形成できる。しかもこの例では、回転方向において同様に傾斜する３つの押圧面を重ね合わせるため、ショルダ部３を容易に形成できる。

なお、この場合押圧面は２面以上であれば、何面でも同様の傾斜面を形成できる。
また、参考例、第２及び第３実施例のように、ショルダ部３を複数の押圧面で形成するため、摩擦撹拌ツール１で接合材料を押圧するとき、中心に対して複数の対称位置にて同じ高さで同時に押圧するから、中心線に沿って押圧力を均一にできる。このため作業が安定化し、摩擦撹拌される接合材料が均一化するので、接合性が安定し、接合品質が向上する。

参考例に係る摩擦撹拌ツールの正面図 ショルダ部の底面視形状図 ショルダ部及び撹拌ピン部分を示す斜視図 図２の４−４線断面図 ショルダ部の形状変化を示す展開図 摩擦撹拌作業を示す図 第１実施例のショルダ部を示す図 第２実施例に係る同上図 第３実施例に係る同上図 従来例の摩擦撹拌ツール等を示す図

符号の説明

１：摩擦撹拌ツール、２：本体部、３：ショルダ部、４：撹拌ピン、５：第１押圧面、６：第２押圧面、７：段差部、８：先端、９：後端、１２：接合線、２０：押圧面、３０：第１押圧面、３１：第２押圧面、３３：側道部、３４：先端、３５：後端、３６：切り欠き部、４０：第１押圧面、４１：第２押圧面、４２：第３押圧面、４３：段差部（後端）、４４：側道部、４５：先端、４６：切り欠き部

Claims (3)

1. 棒状の本体部と、この本体部の軸方向端面に形成されて接合材料の表面へ当接するショルダ部と、このショルダ部の中心部から突出して接合材料中へ差し込まれる撹拌ピンとを備えた摩擦撹拌ツールにおいて、
   前記ショルダ部を、回転するにしたがって次第に接合材料中へ深く食い込むよう全周に亘って高さが変化する押圧面であり、
   前記押圧面は、前記ショルダ部の表面全周にて単一の面で構成されることを特徴とする摩擦撹拌ツール。
2. 棒状の本体部と、この本体部の軸方向端面に形成されて接合材料の表面へ当接するショルダ部と、このショルダ部の中心部から突出して接合材料中へ差し込まれる撹拌ピンとを備えた摩擦撹拌ツールにおいて、
   前記ショルダ部を、回転するにしたがって次第に接合材料中へ深く食い込むよう全周に亘って高さが変化する押圧面であり、
   前記押圧面は、前記ショルダ部の表面全周にて２面以上の面で構成され、各押圧面は回転方向後方側の幅が、徐々に狭くなって外周側が中心側へ近づくように変化するとともに、他の押圧面と径方向にて重なることを特徴とする摩擦撹拌ツール。
3. 前記押圧面は、径方向でも外周から中心へ向かって傾斜していることを特徴とする請求項１又は２のいずれかに記載した摩擦撹拌ツール。

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