JP5148169B2 - Friction stir tool - Google Patents
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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。 The present invention relates to a friction stir tool used for friction stir welding.
図14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102の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。
FIG. 14 shows an example of a conventional friction stir tool. The
ところが、摩擦撹拌ツール100を折り返したり、自由曲線状をなす経路で移動させると、本体部101における軸線Cの傾きを反転等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が、本体部101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る。
However, when the
そこで、撹拌ピンの周囲へ螺旋状等をなす凸条部を設け、本体部101を傾けなくても流動化材料を中心部へ送り込むようにしたものがある(特許文献1参照)。
なお、本願においてショルダ部の面や後述する凸条部(チップ)の高さとは接合材料表面へ向かって突出する高さを意味するものとする。
In addition, in this application, the surface of a shoulder part and the height of the protruding item | line part (chip | tip) mentioned later shall mean the height which protrudes toward the bonding material surface.
ところで、ショルダ部102及び撹拌ピン103は摩耗を受けやすいので、短期間で撹拌ツール全体の交換が必要になる。しかし撹拌ツールは比較的高価な材料を用いているので、交換が多くなればそれだけランニングコストを上昇させることになるから、交換を考慮したランニングコストの低下が望まれる。そのうえショルダ部102や撹拌ピン103を複雑な形状にすれば、それだけ加工工数が多くなって高価になるとともに、摩耗や破損を生じやすくなり、耐久性が低下するので、なおさら上記要請が強くなる。
そこで本願は、このような諸要請の実現を目的とする。
By the way, since the
Therefore, the present application aims to realize such various requests.
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、 接合材料の表面へ当接するショルダ部と、接合材料中へ差し込まれる撹拌ピンとを、棒状の本体部先端側に設けた摩擦撹拌ツールにおいて、
前記接合材料中へ入り込むように突出するチップを、前記撹拌ピンを囲んで前記ショルダ部に複数設け、
少なくとも前記各チップを交換可能になるよう、前記ショルダ部と別体に設けるとともに、
前記各チップが前記ショルダ部に設けられた取付穴へ嵌合して一体化されることを特徴とする。
In order to solve the above-mentioned problem, the invention of
Tip projecting so as to enter into the bonding material, a plurality set on the shoulder portion surrounds the stirring pins,
At least the so as to be replaceable each chip, Rutotomoni provided in the shoulder portion and the separate,
Each of the chips is integrated by being fitted into a mounting hole provided in the shoulder portion .
請求項2の発明は、上記請求項1において、前記各チップが、前記ショルダ部を回転軸方向から見たとき回転方向へ長い凸条をなし、このチップの回転方向前端部側が低く、回転方向後端部側が高くなるように周方向の高さが変化することを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, in the first aspect, each of the tips has a long ridge in the rotational direction when the shoulder portion is viewed from the rotational axis direction. The height in the circumferential direction changes so that the rear end side becomes higher.
請求項3の発明は、上記請求項2において、前記各チップの回転方向前端部と前記撹拌ピンとの間隙を、回転方向後端部側と前記撹拌ピンとの間隙よりも大きくしたことを特徴とする。
The invention of
請求項4の発明は上記請求項1〜3のいずれかにおいて、前記撹拌ピンを前記ショルダ部と別体に設けたことを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention , in any one of the first to third aspects, the stirring pin is provided separately from the shoulder portion .
請求項1によれば、接合材料中へ入り込むように突出するチップを、撹拌ピンを囲んでショルダ部に複数設けるとともに、少なくともチップを交換可能になるよう、本体部と別体に設けたので、接合材料を撹拌することによりチップが摩耗や破損したとき、比較的小さなチップ又はこれを含む一部分だけを交換することができ、チップの破損等により本体部全体を交換する場合と比べて遙かに経済的であるとともに、ランニングコストを抑制できる。しかも機械加工の必要なチップを本体部側と別体にすることにより加工も容易になる。
そのうえ、各チップがショルダ部に設けられた取付穴へ嵌合して一体化されるので、各チップ毎に交換が可能になり、交換部分を最小化できるから、さらにコストパフォーマンスがよくなる。
According to
In addition, since each chip is fitted and integrated into a mounting hole provided in the shoulder portion, it is possible to replace each chip and minimize the replacement portion, thereby further improving cost performance.
請求項2によれば、各チップは前記ショルダ部を回転軸方向から見たとき回転方向へ長い凸条をなし、このチップの回転方向前端部側が低く、回転方向後端部側が高くなるように周方向の高さを変化させたので、本体部を直立させても実質的に常時向かい角を形成したと同様の状態にすることができ、回転するにしたがって回転方向後端部側へ流動化材料を大量に送り込むことができ、かつスムーズに回転できる。
According to
請求項3によれば、各チップの回転方向前端部と撹拌ピンとの間隙を、回転方向後端部側と撹拌ピンとの間隙よりも大きくしたので、回転方向へ流動化材料をチップの内側へ集めて溜めやすくなり、実質的に常時向かい角を形成したと同様の状態にすることができる。 According to the third aspect, since the gap between the front end portion in the rotation direction of each chip and the stirring pin is made larger than the gap between the rear end portion side in the rotation direction and the stirring pin, the fluidized material is collected inside the chip in the rotation direction. It is easy to accumulate and can be made to be in a state substantially the same as the case where the opposite corner is formed at all times.
請求項4によれば、加工に手間がかかりしかも破損しやすい撹拌ピンを別体で作成し、ショルダ部に対して着脱自在に取付けて交換可能にしたので、撹拌ピン単独の交換が可能になり、交換部分を最小化してコストパフォーマンスを高くすることができる。そのうえ摩擦撹拌対象の材料に応じて、撹拌ピンの材料を他の部分よりも超硬等に変更する等、材料を変更することが容易になる。 According to the fourth aspect , the stirrer pin, which is troublesome and easily damaged, is created separately and is detachably attached to the shoulder portion so that it can be replaced. Therefore, it is possible to replace the stirrer pin alone. The cost can be improved by minimizing the exchange part. In addition, it becomes easy to change the material, such as changing the material of the stirring pin to carbide or the like rather than other parts, depending on the material to be frictionally stirred.
図1〜6は第1参考例に係り、図1は摩擦撹拌ツール1の撹拌ヘッド側外観を示す図、図2はその軸方向断面図、図3は分解断面図である。これらの図において、この摩擦撹拌ツール1は丸棒状をなす本体部2と、その先端へ着脱自在に設けられた別体の撹拌ヘッド3を有する。本体部2は一般的な鋼材等の剛性部材からなり、中心部に図の下方へ開放された取付穴4が設けられている。取付穴4は撹拌ヘッド3を取付ける本体部2の端面から軸方向へ彫り込まれて形成されている。
1 to 6 relate to a first reference example , FIG. 1 is a view showing an appearance of the
撹拌ヘッド3は超硬度材料を用いて焼結や放電加工により形成され、一面をショルダ部5、他面を取付面6とし、ショルダ部5の中心部には軸方向へ突出する撹拌ピン7が一体に設けられ、取付面6の中心部には撹拌ピン7と軸方向反対側へ突出する取付軸8を一体に有する。取付面6には回り止め凸部10が一体に形成されている。取付軸8は本体部2の取付穴4へ圧入等で嵌合一体化し、回り止め凸部10は取付面6と接触する本体部2の端面を軸方向へ彫り込んで形成された位置決め凹部11へ嵌合して撹拌ヘッド3と本体部2との位置決め及び回転時の回り止めを行なっている。なお取付軸8を角形状とし、取付穴4をこれに対応する角穴とすれば、回り止め凸部10及び位置決め凹部11を省略することもできる。
The
撹拌ピン7にはネジ12が形成されている。このネジ12は撹拌時に流動化材料を接合材料側へ送り込むようになっている。ショルダ部5の表面は径方向断面にて、中心部が低く外周部が高くなるように略山形の傾斜面になっており、摩擦撹拌接合時に流動化材料を中心部へ溜めてバリを阻止するようになっている。ショルダ部5の表面からは凸条をなすチップ13が突出形成されている。
A
図4はショルダ部5の軸方向下方から示す図(図1のD矢示方向図)であり、図5はチップ13の側方視図であり、上下反転して示す図である。これらの図において、チップ13は撹拌ピン7を挟んで対称に配置される一対の円弧状部であり、それぞれは径方向外方へ凸に湾曲する円弧状をなすとともに、中心Oに対する同心円E上に配置され、かつそれぞれが同心円Eに対して傾いて配置され、撹拌ヘッド3の回転方向をBとしたとき、回転方向前端部14が回転方向後端部15よりも外周側に位置するよう開き、回転方向前端部14側ほど撹拌ピン7から離れ、回転方向後端部15側ほど撹拌ピン7へ接近している。
FIG. 4 is a view (a view in the direction of arrow D in FIG. 1) shown from the lower side in the axial direction of the
その結果、回転方向前端部14と撹拌ピン7との間隙16は、回転方向後端部15と撹拌ピン7との間隙17より広く、間隙16及び17の各寸法をa、bとすれば、a>bの関係があり、回転方向Bにおいて、広い間隙16と狭い間隙17が交互に配置されている。なお同心円Eは回転方向後端部15の内周部を通るものを例示してある。
As a result, the
各チップ13は互いに連続せず独立し、隣り合うチップ13の回転方向前端部14と回転方向後端部15との間には分離部が形成されている。
さらに、回転方向前端部14と撹拌ヘッド3(ショルダ部5)の外周との間隔をcとし、回転方向後端部15における間隔をdとすれば、これらの間隔の間に、c<dの関係があり、回転方向前端部14と回転方向後端部15との間に径方向差(d−c)が形成される。
Each
Furthermore, if the distance between the
広い間隙16は流動化材料をチップ13の内側へ大量に巻き込むことを可能にする。円弧状のチップ13は巻き込んだ流動化材料が狭い間隙17側へ移動することをスムーズにする。狭い間隙17はチップ13の内側へ巻き込まれた流動化材料の流出を絞って一定量の溜まりを維持するとともに、あふれる程の過剰分は狭い間隙17から流出させ、直後に位置する別のチップ13における広い間隙16で再び別のチップ13の内側へ巻き込むようになっている。
The
図5に示すように、チップ13は、回転方向前端部14が最も低く、回転方向後端部15が最も高くなるよう、チップ13の高さは回転方向に向かって次第に高くなるように傾斜する斜面をなし、この傾斜角度が向かい角θを形成している。このように回転方向に向かって傾斜面をなすことにより、進行方向に対して常時向かい角θを維持することができる。したがって、本体部2を直立させて保持角一定に保持しても、接合材料の表面上を自由な方向へ移動させることができる。
As shown in FIG. 5, the
図6はこの摩擦撹拌ツール1を用いた接合作業状態を示す図である。接合材料20及び21を突き合わせ、この突き合わせ部22に沿って回転した撹拌ピン7を差し込み、かつショルダ部5を接合材料20及び21の表面20a及び21aへ摺接させながら、摩擦撹拌すると、突き合わせ部22を挟んで両側の接合材料20及び21が溶融撹拌されて撹拌混合層23が形成され、この撹拌混合層23により、接合材料20及び21が結合一体化される。
FIG. 6 is a view showing a joining operation state using the
なお、チップ13の数や形状は自由であり、例えば、図7の第2参考例に示すように、平板状をなし図示状態では直線状のチップ13を3本設けてもよい。また、図8の第3参考例に示すように、4本のチップ13を撹拌ピン7の周囲へ略四辺形状に設けてもよい。また、このような直線状のチップ13は形状がシンプルなだけ製造容易になる。これらのチップ13の数は既に示した2〜4本の他、より多数を設けることができる。また、図4に示した円弧状のチップ13も、3本以上の数にすることもできる。
The number and shape of the
このように、本体部2と摩耗を受けやすいショルダ部5、撹拌ピン7及びチップ13が形成された撹拌ヘッド3を別体にするので、摩耗したとき、撹拌ヘッド3のみを本体部2から外して交換できる。このため大型の本体部2を共通使用できるから経済的である。また、機械加工等が必要な撹拌ピン7やチップ13を、撹拌ヘッド3に設けることにより、小部品の撹拌ヘッド3を加工するだけでよいので、撹拌ヘッド3の形成が容易になる。しかも撹拌ヘッド3のみ希望するレベルの高硬度にすることが自由にできる。
In this way, the
そのうえ、複数のチップ13を設け、かつ各チップ13を回転方向前端部14と撹拌ピン7との広い間隙16が回転方向後端部15と撹拌ピン7との狭い間隙17より広がるように設けたので、流動化材料をチップ13の内側へ確実に集めることができ、バリの発生を阻止して摩擦撹拌を効率化できる。しかも実質的に向かい角を形成できる。さらにチップ13の高さを回転方向前端部14が低くなるように回転方向で変化させたので、これによっても実質的に向かい角を形成でき、摩擦撹拌ツール1の進行経路が折り返されたり自由曲線を描くものであっても、常時向かい角θを維持して摩擦撹拌接合することを可能にする。
In addition, a plurality of
また、チップ13を円弧状とすれば、巻き込んだ流動化材料の流れを中心側の撹拌ピン7へ向かってスムーズにすることができ、平板状にすればチップ13の加工が容易になる。さらに、一方のチップ13の回転方向後端部15近傍に他方のチップ13の回転方向前端部14を配置することにより、一方の回転方向後端部15から流動化材料があふれても、後続の回転方向前端部14の内側へ収容されるので、バリの発生を阻止できる。
Further, if the
図9〜11は、回転方向前端部14が撹拌ヘッド3の外周部まで達するように設けた例である。図9は第4参考例であり、Aは撹拌ヘッド3の斜視図、BはAの状態にて軸方向上方から示す図である(以下の図10及び11も同様)。この例ではショルダ部5の表面に中心を挟んで向かい合い、かつ互いに径方向逆側へ若干ずれて配置された一対の円弧状をなすチップ13、13が一体に突出形成されている。チップ13が2つの円弧状をなす点で第1参考例に近似する。各チップ13は回転方向前端部14と回転方向後端部15を備え、回転方向前端部14は撹拌ヘッド3の外周部近傍に達しており、回転方向後端部15は中心側の撹拌ヘッド7近傍に位置する。
9 to 11 are examples in which the rotation direction
したがって、回転方向前端部14は回転方向Bに向かって、撹拌ピン7との間隙を大きく開き、回転方向後端部15は撹拌ピン7と中心部との間隙を小さくして絞っている。このため、ショルダ部5がB矢示方向へ回転すると、回転方向前端部14側の広い間隙から流動化材料をチップ13の内側へ取り込んで溜めることができる。しかも回転方向後端部15側の間隙は絞られているため、流動化材料の流出を絞るように調節できるから、中心部へ多くの流動化材料を送り込んで接合品質を高めることができる。
Therefore, the
図10は第5参考例である。この例は、図9においてチップ13を一対で設けていたところを、さらに1本のチップ13を追加して、120°間隔で、計3本のチップ13を配置したものに相当する。このようにすると、各チップ13・13・13を短くして小型化できるので、破損しにくくすることができる。なお、チップ13の本数は2本以上の複数であれば本数は問わない。
FIG. 10 is a fifth reference example . In this example, a pair of
図11は第6参考例であり、この例では、第2参考例に近似する平板状をなす3個のチップ13・13・13が突出形成されるが、それぞれはショルダ部5を回転軸方向から見たとき直線状をなす(B)。各チップ13の回転方向前端部14を撹拌ヘッド3の外周部に臨ませ、回転方向後端部15を中心側の撹拌ピン7近傍に臨ませれば、図7の第2参考例と近似したものになる。
FIG. 11 shows a sixth reference example . In this example, three
図12は、チップ13のみを別体にした第1実施例であり、Aは図1に相当し、Bは図2に相当し、Cは図3に相当する。これらの図において、本体部2とショルダ部5は一体であり、ショルダ部5の表面には軸方向へ彫り込まれた取付穴30が形成され、ここに予め別体に形成されたチップ13が圧入されて嵌合一体化されている。このチップ13は第1〜6の各参考例に示した形状のもの等を適宜利用できる。
FIG. 12 shows a first embodiment in which only the
このようにすると、チップ13が破損したとき、そのチップ13のみを交換すれば足りるため、各チップ13毎に交換が可能になり、交換部分を最小化できるから、さらにコストパフォーマンスがよくなり、ランニングコストが最も低くなるから経済的になる。また、チップ13を本体部2と別に加工できるので加工が容易となり、かつ本体部2におけるチップ13の取付構造は取付穴30を形成するだけであるから機械加工も最小になり、かつ加工形状も単純になる。
In this way, when the
なお、撹拌ピン7を撹拌ヘッド3と別体に設け着脱自在にすることもできる。図13はこれを第2実施例として示す図であり、図中のAは図2の第1参考例に対して撹拌ピン7を別体にした参考例であり、Bは図12の第1実施例に対して適用した第2実施例である。」まずAにおいて、本体部2及び撹拌ヘッド3の各中心に回転軸線に沿って取付穴40及び41を設け、これに別体に形成した撹拌ピン7を嵌合して着脱自在に取付ける。このとき例えば撹拌ピン7の嵌合部42を角軸状に形成し、取付穴40及び41側をこれに対応する角穴状とし、圧入等で一体化する。なお、撹拌ヘッド3は撹拌ピン7により本体部2へ固定することができる。また撹拌ピン7とは別に本体部2に予め嵌合等で着脱自在に取付ける。この場合は回り止め凸部10及び位置決め凹部11の数を図示のようにそれぞれ複数にしてもよい。
Note that the stirring
Bでは、撹拌ヘッド3が本体部2と一体であるから、撹拌ヘッド3から本体部2へ取付穴40を形成し、Aと同様の撹拌ピン7を取付ける。なお、撹拌ピン7の本体部2側に対する取付けはA及びBに示すものばかりでなく種々可能であり、例えば回転により締まる方向に形成されたネジにより取付けることもできる。
In B, since the
このように、加工に手間がかかり、しかも破損しやすい撹拌ピン7をショルダ部5と別体にして交換可能にしたことにより、交換部分を最小化してコストパフォーマンスを高くすることができる。そのうえ摩擦撹拌対象の材料に応じて、撹拌ピン7の材料を他の部分よりも超硬等に変更する等、材料を変更することが容易になる。
As described above, since the processing is troublesome and the
1:摩擦撹拌ツール、2:本体部、3:撹拌ヘッド、4:取付穴、5:ショルダ部、7:撹拌ピン、13:チップ、14:回転方向前端部、15:回転方向後端部、16:広い間隙、17:狭い間隙、20:接合材料、21:接合材料、30:取付穴、40:取付穴、41:取付穴、42:嵌合部 1: Friction stirring tool, 2: Main body part, 3: Stirring head, 4: Mounting hole, 5: Shoulder part, 7: Stirring pin, 13: Tip, 14: Front end part in the rotational direction, 15: Rear end part in the rotational direction, 16: wide gap, 17: narrow gap, 20: bonding material, 21: bonding material, 30: mounting hole, 40: mounting hole, 41: mounting hole, 42: fitting part
Claims (4)
前記接合材料中へ入り込むように突出するチップを、前記撹拌ピンを囲んで前記ショルダ部に複数設け、
少なくとも前記各チップを交換可能になるよう、前記ショルダ部と別体に設けるとともに、
前記各チップが前記ショルダ部に設けられた取付穴へ嵌合して一体化されることを特徴とする摩擦撹拌ツール。 In the friction stir tool provided on the front end side of the rod-shaped main body portion, a shoulder portion that comes into contact with the surface of the bonding material, and a stirring pin inserted into the bonding material,
Tip projecting so as to enter into the bonding material, a plurality set on the shoulder portion surrounds the stirring pins,
At least the so as to be replaceable each chip, Rutotomoni provided in the shoulder portion and the separate,
The friction stir tool, wherein each of the chips is fitted into a mounting hole provided in the shoulder portion and integrated .
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