JP5149607B2 - 摩擦攪拌装置及び摩擦攪拌プロセス - Google Patents

Description

本発明は摩擦撹拌装置及び摩擦撹拌プロセスに関する。

部材の突合わせ接合をする方法として、回転する工具を突合わせ部に押しあてて、このときに工具と部材とに発生する摩擦熱を利用して、工具の近傍において部材を軟化させ、部材の突合わせ部に沿って工具を回転させながら移動させることにより、部材どうしの固相接合を行う摩擦攪拌接合方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。また、このような摩擦撹拌接合方法のアプリケーションの１つとして、例えば、アルミ鋳物の改質，アルミ展伸材の結晶組織微細化による超塑性発現，粉末等の他の物質を部材中に分散させる複合化等の改質処理が、摩擦攪拌接合方法と同様のプロセスを用いて行われている（例えば、特許文献２〜４参照）。

摩擦攪拌を利用した改質処理の具体的な適用例として、例えば、ガソリンエンジン等の内燃機関に使用される円筒状のピストンにおけるピストンリング装着用のリング溝近傍の改質処理が挙げられる。ガソリンエンジン等のピストンには、アルミニウム製，アルミニウム合金製又はマグネシウム合金製の鋳物（以下「アルミ鋳物等」という）が広く用いられており、ピストンの周囲にはピストンリングを装着するための溝が設けられ、この溝の表面に耐摩耗性を確保するためのアルマイト処理が施される。

アルマイト処理によって形成されるアルマイト層（被膜）の平滑性はピストンリングのシール性を左右する重要なパラメータである。例えばコンプレッションリング装着用溝の場合、アルマイト層の平滑性が悪いと、燃焼室からクランクケース側へと圧縮ガスが抜ける、所謂、ブローバイを生じさせる原因となる。そこで、このアルマイト層を形成する部分を摩擦攪拌により改質して下地の金属組織を均質化した後に、アルマイト処理を施している。

しかしながら、従来の摩擦撹拌による接合や改質では、工具により攪拌された被加工物質が工具の回転によって外部に排出されてしまい、接合部や改質部にはあたかも切削加工を施したように溝状の欠陥が生じてしまうという問題がある。また、摩擦撹拌による接合や改質の終了後に回転する工具をアルミ鋳物等から引き抜いた際に、所謂、キーホールと呼ばれる工具の先端形状に倣った凹みが形成されるという問題がある。前記したピストンリングの場合には、このキーホールに原因してブローバイが発生するおそれがある。

そこで、この問題を解決する１つ方法として、下地であるアルミ鋳物等においてリング溝が形成される部分を摩擦攪拌により改質して均質化された金属組織を形成した後、リング溝を機械加工により形成し、次いでアルマイト処理を行う技術が提案されている（例えば、特許文献５参照）。この特許文献５に開示された技術では、摩擦攪拌処理後にリング溝を機械加工により形成しているために、その機械加工の際に改質部の表面に形成された溝状の欠陥とキーホールが除去される。
特公表７−５０５０９０号公報 特許第３２２９５５６号公報 特許第３３４６３８０号公報 特開２００７−１００１２９号公報 特開２００７−６４１２９号公報 特許第３２９５３７６号公報

しかしながら、リング溝の機械加工によりキーホールを完全に除去するためには、摩擦撹拌に用いる工具の外径をリング溝の溝幅よりも短くしなければならない。このような条件では、改質部の幅及び深さを十分に取ることは困難である。また、短径の工具を用いる必要があるために、その工具は短寿命となる。これに対して、改質部の幅をリング溝の幅を考慮せずに広く取るための方法として、ピストンに当てブロックを取り付け、摩擦撹拌処理をこの当てブロックにて終了させ、当てブロックをピストンから取り外すという方法を用いることもできるが（例えば、特許文献６参照）、この方法では、ピストンごとに当てブロックを準備する必要があるため、生産コストが高くなる。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、摩擦撹拌された処理部における表面欠陥の発生を抑制することができる摩擦撹拌装置及び摩擦撹拌プロセスを提供することを目的とする。

本発明の第１の観点に係る摩擦撹拌装置は、円柱状の先端部を有する工具と、前記工具を中心軸回りに回転させる回転機構と、前記回転機構により回転する前記工具の先端部を所定の被加工物に押し付ける第１押圧機構と、前記工具の先端部の外周が囲繞されるように前記工具が挿入される工具挿入孔を有する治具と、前記治具を被加工物に対して摺動可能に押し付ける第２押圧機構と、前記工具が前記回転機構により回転して前記工具の先端部が前記第１押圧機構によって前記被加工物に所定深さ没入されている状態から、前記工具及び前記治具と前記被加工物とを相対的に移動させながら、前記工具の先端部が徐々に前記被加工物から引き抜かれるように前記第１押圧機構を制御する押圧制御部と、を具備し、前記被加工物を押し付ける方向において前記治具を振動させる振動機構と、前記工具が前記回転機構により回転して前記工具の先端が前記第１押圧機構によって被加工物に所定深さ没入され、かつ、前記工具及び前記治具と前記被加工物とが相対的に移動しているときに、前記振動機構を動作させる振動制御部と、をさらに具備する構成となっている。

本発明の第２の観点に係る摩擦撹拌プロセスは、円柱状の先端部を有する工具の前記先端部を囲繞し、被加工物に対して摺動する治具を所定の被加工物に押しあて、前記治具に挿入された前記工具を回転させながら前記被加工物に押しあてて、前記工具の先端部を前記被加工物へ没入させ、前記工具及び前記治具と前記被加工物とを相対的に移動させることによって、前記工具の先端部による摩擦撹拌処理を前記被加工物に施し、前記工具及び前記治具と前記被加工物とを相対的に移動させながら、前記工具を徐々に前記被加工物から引き抜き、前記工具を前記被加工物へ没入させる前から、前記被加工物から完全に引き抜かれるまでの間、前記治具が前記被加工物を押し付ける方向において、振動機構によって前記治具を振動させる構成となっている。

本発明によれば、摩擦撹拌された処理部における表面欠陥の発生を抑制することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。ここでは、円柱（円筒）形状の被加工物の曲面に摩擦撹拌処理を施す形態を取り上げるが、被加工物は、摩擦攪拌処理を施す加工面として平面または曲率が一定な曲面を有するものであればよく、このような曲面としては、円筒内面，円筒外面，円柱外面，球面，レンズ状表面等が挙げられる。なお、摩擦撹拌処理とは、摩擦撹拌による接合処理と改質処理を含む概念であり、接合処理であるのか、改質処理であるのか、又は改質接合処理であるのかは、具体的な処理事例ごとに判断される。

《第１実施形態》
図１に第１実施形態に係る摩擦撹拌装置の概略構造を表した断面図を示す。摩擦撹拌装置１００Ａは、円柱状又は円筒状の被加工物１０の外周曲面に沿って円弧を描くように摩擦撹拌処理を施す構造を有している。被加工物１０は受けローラ２０に支持されており、回転テーブル等のモータ（図示せず）によって中心軸回りに回転する。被加工物１０にはリング状の溝Ｇが形成されており、摩擦撹拌装置１００Ａは、被加工物１０を回転させながら溝Ｇに沿って摩擦撹拌処理を施す。

摩擦撹拌装置１００Ａは、円柱状の先端部（以下「ピン」という）１２を有する工具１３と、工具１３を中心軸回りに回転させる回転機構としての機能とピン１２を被加工物１０に押し付ける第１押圧機構としての機能を有する回転押圧機構２５と、工具１３のピン１２を挿入可能な工具挿入孔１６を有する治具（以下「押さえ治具」という）１５と、押さえ治具１５を被加工物１０に対して押し付ける第２押圧機構としての機能とこの押圧方向において押さえ治具１５を振動させる振動機構としての機能を有する押圧振動機構１１と、改質材（フィラ）としてのワイヤ１７を被加工物１０の表面においてピン１２が没入される場所へ供給するためのワイヤ供給機構１８ａと、回転押圧機構２５と押圧振動機構１１を制御する制御部２６とを備えている。なお、制御部２６は被加工物１０を回転させる回転テーブル（図示せず）の駆動制御をも行う。

工具１３において被加工物１０に没入する部分は、ピン１２のさらに先端の一定長さ部分のみであり、ピン１２は被加工物１０に形成された溝Ｇの深さ程度に没入される。工具１３としては、加工対象となる被加工物１０の材質等を考慮して、適切な材料からなるものを選択すればよい。

押さえ治具１５において被加工物１０と接する摺動面１４は、押さえ治具１５が被加工物１０の外周曲面に均一な力で押しあてられるように、被加工物１０の外周曲面の曲率と同じ曲率を有し、被加工物１０の外周曲面と相補する曲面形状となっている。

被加工物１０を回転させると、押さえ治具１５そのものは移動しないが、押さえ治具１５は押圧振動機構１１によって被加工物１０に押しつけられているために、押さえ治具１５は被加工物１０の表面と摩擦しながら相対的に移動することとなり、摺動面１４には潤滑のないドライ環境下での摩擦が生じる。例えば、押さえ治具１５と被加工物１０との間の摩擦力が大きい場合、被加工物１０を回転させる回転テーブル等のモータに大きなトルクが要求されることとなる。また、押さえ治具１５と被加工物１０との相対的な移動速度が低下したり間欠的に変化したりすると、押さえ治具１５に設けられた工具挿入孔１６の内周面に工具１３の外周面が接触して大きな摩擦熱を発生したり、工具１３の破損を引き起こすおそれがある。さらに、押さえ治具１５が、常時、被加工物１０の表面と摩擦状態にあると、被加工物１０の表面にスクラッチ等の欠陥を生じさせるおそれがある。

そこで、押さえ治具１５の摺動面１４は、押さえ治具１５と被加工物１０との間の摩擦力が小さくなるような構造となっていることが好ましく、その具体例については、第２実施形態として後に詳細に説明する。なお、後述するように、押圧振動機構１１は押さえ治具１５と被加工物１０との間の摩擦を軽減する１つの手段である。

押さえ治具１５に形成されている工具挿入孔１６はピン１２の外周を囲繞しており、ピン１２のみが工具挿入口１６から突出することができるようになっている。工具１３を回転させたときに、定常回転状態では、ピン１２の外周面と工具挿入孔１６の内周面とが摺動することはない。ピン１２の外径を一定とすることにより、局部的な摩耗の発生を抑制することができ、また、ピン１２を常に被加工物１０の一定深さにまで没入させることができ、摩擦撹拌による処理領域を一定に確保することができる。

なお、被加工物１０にピン１２のみが没入される構造において、仮に、押さえ治具１５を設けない構造とした場合には、ピン１２により攪拌された物質（被加工物１０を構成する物質及びワイヤ供給機構１８ａにより供給されるワイヤ１７を構成する物質）を被加工物１０内に保持する機構が存在しないことになる。これによって、攪拌された物質が外部へ排出されてしまい、被加工物１０において摩擦撹拌された処理部にはあたかも切削加工を施したように溝状の欠陥が生じてしまう。そこで、被加工物１０にピン１２のみを没入させる摩擦撹拌装置１００Ａの場合には、ピン１２により攪拌された物質の外部への排出を抑制して被加工物１０内に保持する機構が必要であり、押さえ治具１５がその役割を担う。

押圧振動機構１１における押圧機構には、油圧シリンダやエアーシリンダを用いることができる。押圧振動機構１１における振動機構には、機械構造部品を振動させる一般的な回転式バイブレータ又はピストン式バイブレータを用いることができる。振動周波数は特に限定されるものではなく、例えば、２０Ｈｚ程度あれば十分である。これは、一般的な摩擦攪拌処理における工具１３の回転速度が１０００ｒｐｍ（すなわち１６Ｈｚ）であり、後に示す図２の摩擦撹拌された処理部である改質部に現れる半円形のリップルマークが１つ形成される際に１回程度振動すればよいためである。

ワイヤ供給機構１８ａは、被加工物１０の表面改質を行うための材料（フィラ）からなるワイヤ１７をリール状に巻いて収容しており、このワイヤ１７を被加工物１０に形成された溝Ｇに沿って送り出すことによって、ピン１２が没入される場所へワイヤ１７を供給する。ワイヤ供給機構１８ａは、ワイヤ１７に代えて、シートを供給するものであってもよい。ワイヤ１７は被加工物１０とともに軟化し、改質部１９が形成されることとなる。被加工物１０において摩擦撹拌処理を施す部分には溝Ｇが予め設けられているため、ワイヤ１７が押さえ治具１５によって溝Ｇ内に収まりやすくなっており、ピン１２による攪拌によっても外部に排出され難く、ワイヤ１７の利用率（供給量に対して改質部１９に取り込まれる量の割合）が向上する。

なお、ワイヤ１７は、摩擦撹拌処理による改質に適した材質のものが、適宜選ばれる。被加工物１０に形成された溝Ｇを摩擦撹拌処理時に埋めながら同じ材質で組織改質するのであれば、被加工物１０と同じ材質のものを用いることができる。ワイヤ１７は、溝Ｇ内に予め埋設されていてもよく、その場合にはワイヤ供給機構１８ａは必要ではない。

制御部２６は、工具１３の回転速度の制御やピン１２の被加工物１０への没入深さの制御、押圧振動機構１１による押さえ治具１５の被加工物１０への押圧力の制御、押圧振動機構１１による押さえ治具１５の振動の制御、被加工物１０の回転速度の制御等を行う。

［第１処理形態］
摩擦撹拌装置１００Ａを用いた被加工物１０の第１処理形態では、まず、被加工物１０を受けローラ２０に支持させて、ワイヤ供給機構１８ａからワイヤ１７を溝Ｇに沿って、ピン１２を没入させる場所まで挿入し、押さえ治具１５を被加工物１０に一定の力で押しあてる。工具１３を一定速度で回転させて工具挿入口１６に挿入し、ピン１２を被加工物１０に押しあてて一定深さ没入させる。被加工物１０を一定速度で回転させ、その回転速度に合わせてワイヤ１７を送り込む。これにより改質部１９が形成されてゆく。

被加工物１０を３６０°回転（１回転）させる。これにより被加工物１０の全周にわたって摩擦撹拌処理が施され、リング状の改質部１９が形成される。ワイヤ供給機構１８ａは、溝Ｇの一周分の長さのワイヤ１７を供給すると、自動的にワイヤ１７を切断するように構成されていてもよい。この第１処理形態では、この間、押圧振動機構１１による押さえ治具１５の振動動作は行わないものとする。

被加工物１０が１回転し、摩擦撹拌処理の開始点がピン１２の没入位置に到達したら、被加工物１０を継続して回転させながら、ピン１２を徐々に被加工物１０から引き抜く。つまり、摩擦撹拌処理のオーバーラップ領域を設けながら、ピン１２を徐々に被加工物１０から引き抜く。例えば、１回転した被加工物１０をさらに１／４回転させたときに、ピン１２が被加工物１０から完全に引き抜かれるようにする。この第１処理形態に係る摩擦撹拌処理によれば、ピン１２が完全に引き抜かれた場所において、改質部１９の表面にキーホールが発生することを防止することができる。

［第２処理形態］
摩擦撹拌装置１００Ａを用いた被加工物１０の第２処理形態では、まず、被加工物１０を受けローラ２０に支持させて、ワイヤ供給機構１８ａからワイヤ１７を溝Ｇに沿って、ピン１２を没入させる場所まで挿入し、押さえ治具１５を被加工物１０に一定の力で押しあてるとともに、押圧振動機構１１による押さえ治具１５の振動動作を開始する。そして、工具１３を一定速度で回転させて工具挿入口１６に挿入し、ピン１２を被加工物１０に押しあてて、一定深さ没入させる。その後、継続して押さえ治具１５を振動させながら、被加工物１０を一定速度で回転させ、その回転速度に合わせてワイヤ１７を送り込む。これにより改質部１９が形成されてゆく。

被加工物１０が１回転して、被加工物１０の全周にわたって摩擦撹拌処理が施されたら、被加工物１０の回転を停止して、ピン１２を被加工物１０から引き抜き、工具１３の回転を停止させ、また、押さえ治具１５の振動を停止させる。

図２（ａ）にこの第２処理形態により得られる改質部とその近傍の表面の写真（振動あり）を示し、図２（ｂ）には押さえ治具１５の振動動作を全く行わなかった場合の改質部とその近傍の表面の写真（振動なし）を示す。図２（ｂ）に示されるように、押さえ治具１５の振動動作を行わなかった場合には、押さえ治具１５の摺動面１４が被加工物１０の表面との摩擦によって被加工物１０の回転速度が間欠的に変化したことに原因すると考えられる欠陥が発生していることが確認された。これに対して、図２（ａ）に示されるように、第２処理形態に係る摩擦撹拌処理方法によれば、改質部１９の表面は滑らかであることが確認された。これは、押さえ治具１５を振動させることにより、押さえ治具１５と被加工物１０との間の摩擦力が小さくなることによるものと考えられる。

［第３処理形態］
第３処理形態は、被加工物１０を回転させながらオーバーラップ領域を設けて徐々にピン１２を加工物１０から引き抜くという第１処理形態の特徴と、少なくとも摩擦撹拌処理を行っている間は押さえ治具１５を振動させるという第２処理形態の特徴とを併せ持つ処理形態とする。これにより、キーホールの発生を抑制し、さらに、改質部１９の表面を滑らかに仕上げることができる。

《第２実施形態》
図３（ａ）に第２実施形態に係る摩擦攪拌装置１００Ｂの概略構造を表した断面図を示し、図３（ｂ）に図３（ａ）の矢視ＡＡ断面図を示す。この摩擦攪拌装置１００Ｂにおいて、押さえ治具１５の摺動面には、被加工物１０との摩擦による摩耗を抑制するための硬質膜２２が形成されている。硬質膜２２として用いられる好適な材料としては、ダイヤモンドライクカーボン，窒化チタン，窒化クロム等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。ビッカース硬度Ｈｖが約１０００以上の材料であれば、硬質膜２２として用いることができる。また、硬質膜２２の摩擦係数は小さいことが好ましく、０．１以下であることが望ましい。

押さえ治具１５の摺動面にはディンプルや溝等の凹凸パターン（図示せず）が形成されていることが好ましく、これにより、押さえ治具１５と被加工物１０との間の摩擦力をさらに小さくすることができる。なお、押さえ治具１５の摺動面に硬質膜２２が設けられていない場合でも、この摺動面に凹凸パターンを設けることにより、押さえ治具１５と被加工物１０との間の摩擦力を小さくすることができる。

摩擦攪拌装置１００Ｂでは、押さえ治具１５にガス供給孔２３が形成されており、例えば、空気やアルゴン，窒素ガス等が押さえ治具１５と被加工物１０との間の摺動面に供給可能となっている。このようなガスが潤滑剤と作用することにより、押さえ治具１５と被加工物１０との間の摩擦力が小さくなる。このとき不活性ガスを用いると、被加工物１０や押さえ治具１５の摺動面の酸化を防止することができる。前記したように、押さえ治具１５の摺動面に凹凸パターンが形成されている場合には、この凹凸パターンがガスの流路を確保する役割を担い、より良好な摺動性が得られる。

押さえ治具１５には、摩擦攪拌処理による被加工物１０の表面改質を行うためのフィラとして用いる粉末２７をピン１２が没入される場所へ供給するための粉末供給孔２４が形成されており、この粉末供給孔２４の上端に粉末供給機構１８ｂが取り付けられている。粉末供給孔２４の下端をピン１２を没入させる場所の近くに設けることができるために、粉末の飛散による損失を低減し、利用率を高めることができる。また、押さえ治具１５を振動させた場合には、その振動により粉末２７が確実に押さえ治具１５と被加工物１０との摺動面に供給されるようになるために、表面改質を均一に行うことができる。被加工物１０に前記したように溝Ｇ（図３（ａ）に図示せず）が形成されている場合には、溝Ｇへの粉末２７の充填率が高められ、利用率が向上する。

なお、摩擦攪拌装置１００Ｂでは、粉末供給孔２４を通してピン１２が没入される場所へ粉末２７を供給する構成となっているため、押さえ治具１５と被加工物１０との間の摺動面にガス供給孔２３を通して供給されるガスによる粉末２７の飛散を抑制する観点から、ガス供給孔２３と粉末供給孔２４は工具挿入孔１６を挟んで対向する位置に設けられている。被加工物１０の表面改質を粉末２７ではなくワイヤ１７（又はシート）を用いて行う場合には、ガス供給孔２３を粉末供給孔２４が設けられている位置にも設けることができる。

《第３実施形態》
図４に第３実施形態に係る摩擦攪拌装置１００Ｃの概略構造を表した断面図を示す。この摩擦攪拌装置１００Ｃが前記した摩擦攪拌装置１００Ａと異なる点は、工具１３に代えて、従来から一般的に用いられている工具１３ａ、すなわち、円柱状のショルダ２１にショルダ２１よりも短径な短円柱状のピン１２ａを同軸に設けた構造のものが用いられており、この工具１３ａを挿入するための直管状の工具挿入口１６ａが押さえ治具１５に形成されている点である。

工具１３ａを用いて、前記した第１実施形態の第１〜第３処理形態に係る摩擦攪拌処理を行うと、通常、工具１３ａを被加工物１０から引き抜く際に、先にショルダ２１が被加工物１０から離れるために、キーホールが発生する。そのため、摩擦攪拌装置１００Ｃは、キーホールの発生が許容される用途に用いられる。摩擦攪拌装置１００Ｃによる摩擦攪拌処理でも、押さえ治具１５を振動させることより、表面の滑らかな改質部１９を形成することができ、また、フィラとしてのワイヤ１７をピン１２ａが没入される場所へ確実に供給することができるため、ワイヤ１７の利用率が高く、均質な改質部１９を形成することができる。

前記した摩擦攪拌装置１００Ａ〜１００Ｃでは、被加工物１０に形成された溝Ｇへフィラとしてのワイヤ１７又は粉末２７を供給し、溝Ｇが形成されている部分を改質するとしたが、摩擦攪拌装置１００Ａ〜１００Ｃによる摩擦攪拌処理はこのような改質処理に限定されるものではなく、摩擦攪拌接合にも用いることができることは言うまでもなく、表面の滑らかでキーホールの発生が抑制された接合部を形成することができる。

また、前記した摩擦攪拌装置１００Ａ〜１００Ｃでは、被加工物１０を回転させる構成としたが、被加工物１０を固定し、工具１３，１３ａと押さえ治具１５を移動させることによって、被加工物１０に摩擦撹拌処理を施してもよい。例えば、被加工物が大型板状体であって、そのような大型板状体どうしを接合したり、表面改質したりする場合には、大型板状体を移動させる構成では広大な処理スペースが必要となるが、工具と押さえ治具とを一体的に移動させることにより、狭い処理スペースで大型板状体に摩擦撹拌処理を施すことができ、また、摩擦撹拌装置をコンパクトに構成することができる。

次に本発明を実施例により詳細に説明する。ここでは摩擦攪拌装置１００Ｂを用いた被加工物の改質処理と接合処理について説明する。被加工物としては、アルミ合金製ピストン，電動機ハウジング，真空容器を取り上げるが、被加工物はこれらに限定されるものではない。

《実施例１》
図５に実施例１に係る摩擦撹拌処理の形態を模式的に示す。被加工物たるピストン３１が受けローラ２０に支持されており、ピストン３１は回転テーブル（図示せず）により回転する。ピストン３１は、直径がφ１００ｍｍ、長さが８０ｍｍの熱処理されたアルミ合金鋳物である。ここで用いる工具１３は工具鋼製で、ピン１２の直径はφ８ｍｍであり、ピン１２の表面にはネジ模様（図示せず）が形成されている。押さえ治具１５は超硬製であり、その摺動面は曲率半径Ｒが５０ｍｍの曲面であり、ダイヤモンドライクカーボンがコーティングされている。

ここでの摩擦撹拌処理では、まず、押さえ治具１５を押圧振動機構１１（図示せず）によりピストン３１の側面に荷重２００Ｎで押しあて、周波数２０Ｈｚで周期的に振動させた。続いて、回転押圧機構２５（図示せず）により工具１３を１２００ｒｐｍの回転速度で回転させ、ピン１２をピストン３１に５ｍｍ挿入した。次いで、ピストン３１を図５に示される矢印方向（図５参照）に１ｒｐｍの回転速度で回転させた。ピストン３１が３６０°回転（１回転）した後に、ピストン３１の回転速度は一定のまま、工具を６０ｍｍ／分の速度でピストン３１から引き抜いた。工具１３が完全にピストン３１から引き抜かれた後に、ピストン３１の回転を停止し、押さえ治具１５による押圧と振動を解除し、摩擦攪拌処理を終了した。

摩擦攪拌処理終了後のピストン３１を切断し、形成された改質部の組織観察を行った。図６にピストンにおける観察組織位置を模式的に示す図と観察写真を示す。図６に示される“Ｌ”はピン１２の引き抜きを開始した始点部３２からピン１２の引き抜きが終了した終点部３４までのオーバーラップ領域を示している。改質部１９はピストン３１の全周に形成され、始点部３２から角度３０°分のオーバーラップ領域Ｌの間にピンは引き抜かれ，終点部３４では、観察写真に示されるように、キーホールの発生が抑制されていることが確認された。

また、同様に処理した別のピストン３１の鋳肌を研削し、改質部１９に幅が約１ｍｍのリング溝を形成し、アルマイト処理を施した。その結果、均一な厚さのアルマイト層（酸化皮膜）が形成された。このアルマイト処理では、形成されるアルマイト層の平滑性（表面粗さ）は従来よりも１桁程度小さくなった。

《実施例２》
図７に実施例２に係る摩擦撹拌処理の形態を模式的に示す。幅が２ｍｍで深さが５ｍｍの溝３５が予め形成されたピストン３１に対して摩擦攪拌処理を施した。ピストン３１の寸法や工具１３と押さえ治具１５の規格は実施例１の場合と同じである。実施例２では、粉末供給孔２４（図示せず）を通して溝３５にフィラとしてのアルミナ粉末を供給しながら、溝３５に沿ってピストン３１の表面を改質した。アルミナ粉末を均一に分散させるため、工具１３の回転数は１８００ｒｐｍ、ピストン３１の回転速度は０．８ｒｐｍとした。摩擦攪拌処理を終了した後、粉末供給孔２４から供給したアルミナ粉末重量と、溝３５に取り込まれずに外部に排出され回収されたアルミナ粉末重量とから、約９０％という高い利用率で、アルミナ粉末が実効的に改質に用いられたことが確認された。また、ピストン３１の鋳肌を研削し、幅が約１ｍｍのリング溝を形成し、アルマイト処理を施した。こうして作製されたピストンのリング溝の耐摩耗性は従来の場合よりも数倍高くなった。

《実施例３》
図８（ａ）に実施例３に係る摩擦撹拌処理の形態を模式的に表した図を示し、図８（ｂ）に蓋への押さえ治具と工具の押圧形態を模式的に示す。冷却路４３が予め形成された電動機ハウジング４１に蓋４２を摩擦攪拌により重ね接合した。なお、電動機とは電動モータや発電機などであり、近年の高出力・小型化に伴い、内部に水冷機構を有するものである。

電動機ハウジング４１は受けローラ２０に支持されており、図示しない回転テーブルにより回転する。電動機ハウジング４１は、直径がφ１３０ｍｍ、長さが１８０ｍｍの熱処理したアルミ合金鋳物である。また蓋４２は肉厚が２ｍｍのアルミ円筒材であり、電動機ハウジング４１に嵌め込まれ、重ね接合される。これによって冷却路４３が形成される。ここで用いる工具１３は工具鋼製で、ピン１２の直径はφ６ｍｍ、長さは３ｍｍであり、ピン１２の表面にはネジ模様（図示せず）が形成されている。また、押さえ治具１５は超硬製であり、摺動面は曲率半径Ｒが６５ｍｍの曲面であり、その表面にはディンプルパターンが施され、かつ、ダイヤモンドライクカーボン膜がコーティングされている。

蓋４２の重ね接合は図８（ａ）に示す接合線４４に沿って行う。図８（ａ）に示す接合線４４はピン１２が描くルートを示しており、摩擦撹拌接合後には接合線４４に沿って接合部の痕跡が現れることとなる。図８（ｂ）には押さえ治具１５と工具１３を平行に２カ所に示しているが、例えば、実線で描かれた一方の押さえ治具１５と工具１３により摩擦撹拌接合が行われた後、仮想線（二点鎖線）で描かれた押さえ治具１５と工具１３により摩擦撹拌接合が行われる。

ここでの摩擦撹拌接合では、まず、押さえ治具１５を押圧振動機構１１（図示せず）により電動機ハウジング４１の側面に荷重１００Ｎで押しあて、周波数２０Ｈｚで周期的に振動させた。続いて、回転押圧機構２５（図示せず）により工具１３を２５００ｒｐｍの回転速度で回転させ、ピン１２を、蓋４２を貫通させさらに電動機ハウジング４１に３ｍｍ挿入した。次に電動機ハウジング４１を矢印方向（図８（ａ）参照）に１ｒｐｍの回転速度で回転させた。電動機ハウジング４１が３６０°回転した後に、電動機ハウジング４１の回転速度は一定のまま、工具１３を６０ｍｍ／ｍｉｎの速度で引き抜いた。工具１３が完全に蓋４２から引き抜かれた後に電動機ハウジング４１の回転を停止し、押さえ治具１５による押圧と振動を解除して、摩擦撹拌接合処理を終了した。この摩擦撹拌接合処理は２本の接合線４４に対してそれぞれ行われる。

こうして形成された摩擦撹拌接合部にはキーホールが発生しないために、冷却路４３からの冷却水のリーク防止に対する信頼性の高い電動機ハウジング４１が得られる。このように本発明に係る摩擦撹拌処理は、部材表面の改質のみならず、部材の重ね接合や突き合わせ接合等において、キーホールの発生が抑制された良好な接合部を形成する目的でも好適に用いられる。

《実施例４》
図９に実施例４に係る摩擦撹拌処理の形態を模式的に表した斜視図を示す。ここでは、アルミニウムからなる真空容器５１におけるアーク溶接部５２の表面改質を行った。一般に真空容器５１はアルミニウムをアーク溶接することにより作製されるが、アーク溶接部５２ではブローホールが発生することが危惧され、これが真空容器５１のリークにつながるおそれがある。そこで実施例４では、摩擦撹拌によりブローホールのない、均質な改質組織を有する改質部５３を形成することを目的とする。

真空容器５１は直径がφ８００ｍｍ、長さが６００ｍｍ、厚さが２０ｍｍの円筒形である。真空容器５１にはアーク溶接によるアーク溶接部５２が形成されている。まず、アーク溶接によって肉盛された部位を機械加工により除去し、平滑化する。この真空容器５１を受けローラ２０に配置し、図示しない回転テーブルにより回転可能な状態とする。ここで用いる工具１３は工具鋼製で、ピン１２の直径はφ８ｍｍであり、ピン１２の表面にはネジ模様（図示せず）が施されている。押さえ治具１５は超硬製であり、真空容器５１の内周面と摺動するためにその摺動面は曲率半径Ｒが５００ｍｍの凸曲面となっており、ダイヤモンドライクカーボン膜がコーティングされている。

ここでの摩擦撹拌による表面改質では、まず、押さえ治具１５を押圧振動機構１１（図示せず）により真空容器５１の内面に荷重２００Ｎで押しあて（そのときの反力を真空容器５１の対向する内面で受ける構成とするともできる）、周波数２０Ｈｚで周期的に振動させた。続いて、回転押圧機構２５（図示せず）により工具１３を１５００ｒｐｍの回転速度で回転させ、ピン１２を真空容器５１に５ｍｍ挿入した。次に真空容器５１を矢印方向（図９参照）に０．１ｒｐｍの回転速度で回転させ、改質部５３を形成した。真空容器５１が３６０°回転した後に、真空容器５１の回転速度は一定のまま、工具１３を６０ｍｍ／ｍｉｎの速度で引き抜いた。工具１３が完全に真空容器５１から引き抜かれた後に真空容器５１の回転を停止し、押さえ治具１５による押圧と振動を解除して、摩擦撹拌による表面改質を終了した。

図１０（ｂ）に真空容器のアーク溶接部における改質前のミクロ組織の写真を示し、図１０（ａ）に改質後のミクロ組織の写真を示す。図１０（ｂ）に示されるように、アーク溶接部ではデンドライト組織を有する不均一な組織が観察されたが、図１０（ａ）に示されるように、改質部５３では等軸晶からなる組織が形成されており、ブローホールも観察されなかった。

本発明の第１実施形態に係る摩擦撹拌装置の概略構造を示す断面図である。 第２処理形態により得られる改質部とその近傍の表面の写真（ａ）と、押さえ治具の振動動作を行わなかった場合の改質部とその近傍の表面の写真（ｂ）である。 本発明の第２実施形態に係る摩擦攪拌装置の概略構造を示す断面図（ａ）と、矢視ＡＡ断面図（ｂ）である。 本発明の第３実施形態に係る摩擦攪拌装置の概略構造を示す断面図である。 実施例１に係る摩擦撹拌処理の形態を模式的に示す図である。 ピストンにおける観察組織位置を模式的に示す図と観察写真である。 実施例２に係る摩擦撹拌処理の形態を模式的に示す図である。 実施例３に係る摩擦撹拌処理の形態を模式的に示す図（ａ）と、蓋への押さえ治具と工具の押圧形態を模式的に示す図（ｂ）である。 実施例４に係る摩擦撹拌処理の形態を模式的に示す図である。 真空容器のアーク溶接部における改質前のミクロ組織の写真（ｂ）と、改質後のミクロ組織の写真（ａ）である。

符号の説明

１０ 被加工物
１１ 押圧振動機構
１２，１２ａ ピン
１３，１３ａ 工具
１４ 摺動面
１５ 押さえ治具
１６ 工具挿入孔
１７ ワイヤ
１８ａ ワイヤ供給機構１８ａ
１８ｂ 粉末供給機構
１９ 改質部
２０ 受けローラ
２１ ショルダ
２２ 硬質膜
２３ ガス供給孔
２４ 粉末供給孔
２５ 回転押圧機構
２６ 制御部
２７ 粉末
３１ ピストン
３２ 始点部
３４ 終点部
３５ 溝
４１ 電動機ハウジング
４２ 蓋
４３ 冷却路
５１ 真空容器
５２ アーク溶接部
５３ 改質部
１００Ａ〜１００Ｃ 摩擦撹拌装置

Claims (7)

1. 円柱状の先端部を有する工具と、
   前記工具を中心軸回りに回転させる回転機構と、
   前記回転機構により回転する前記工具の先端部を所定の被加工物に押し付ける第１押圧機構と、
   前記工具の先端部の外周が囲繞されるように前記工具が挿入される工具挿入孔を有する治具と、
   前記治具を被加工物に対して摺動可能に押し付ける第２押圧機構と、
   前記工具が前記回転機構により回転して前記工具の先端部が前記第１押圧機構によって前記被加工物に所定深さ没入されている状態から、前記工具及び前記治具と前記被加工物とを相対的に移動させながら、前記工具の先端部が徐々に前記被加工物から引き抜かれるように前記第１押圧機構を制御する押圧制御部と、を具備し、
   前記被加工物を押し付ける方向において前記治具を振動させる振動機構と、
   前記工具が前記回転機構により回転して前記工具の先端が前記第１押圧機構によって被加工物に所定深さ没入され、かつ、前記工具及び前記治具と前記被加工物とが相対的に移動しているときに、前記振動機構を動作させる振動制御部と、をさらに具備することを特徴とする摩擦撹拌装置。
2. 前記工具及び前記治具と前記被加工物とが相対的に移動しているときに、前記工具の進行方向前方から前記工具の先端の前記被加工物への没入位置へ、前記被加工物とは異なる材料の粉末，ワイヤ又はシートを供給する材料供給機構をさらに具備することを特徴とする請求項１に記載の摩擦撹拌装置。
3. 前記治具は、前記工具及び前記治具と前記被加工物とを相対的に移動させた際に前記工具の進行方向前方にあたる所定位置に設けられた孔部を備え、
   前記材料供給機構は前記孔部を通じて前記粉末又は前記ワイヤを供給することを特徴とする請求項２に記載の摩擦撹拌装置。
4. 前記治具は、前記工具及び前記治具と前記被加工物とを相対的に移動させた際に前記工具の進行方向後方にあたる所定位置に、前記治具と前記被加工物との摺動面にガスを供給するための別の孔部を備えていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の摩擦撹拌装置。
5. 前記治具において前記被加工物と摺動する摺動面に、窒化チタン及び窒化クロムから選ばれたいずれかの膜が付与されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の摩擦撹拌装置。
6. 前記治具において前記被加工物と摺動する摺動面に凹凸が付与されていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の摩擦撹拌装置。
7. 円柱状の先端部を有する工具の前記先端部を囲繞し、被加工物に対して摺動する治具を所定の被加工物に押しあて、
   前記治具に挿入された前記工具を回転させながら前記被加工物に押しあてて、前記工具の先端部を前記被加工物へ没入させ、
   前記工具及び前記治具と前記被加工物とを相対的に移動させることによって、前記工具の先端部による摩擦撹拌処理を前記被加工物に施し、
   前記工具及び前記治具と前記被加工物とを相対的に移動させながら、前記工具を徐々に前記被加工物から引き抜き、
   前記工具を前記被加工物へ没入させる前から、前記被加工物から完全に引き抜かれるまでの間、前記治具が前記被加工物を押し付ける方向において、振動機構によって前記治具を振動させることを特徴とする摩擦撹拌プロセス。