JP5840212B2 - 摩擦撹拌接合用工具 - Google Patents

Description

本発明は、摩擦撹拌接合に用いる工具の改良に関する。

接合法の１つに摩擦撹拌接合法がある。摩擦撹拌接合法は、ピン部を高速で回し、発生する摩擦熱で被接合材を塑性流動させて均一化を図る接合法である。この接合には、ピン部を有するプローブと、このプローブと保持するホルダとからなる工具が用いられる。プローブが消耗し、プローブの交換頻度が高まるため、ホルダに対してプローブの交換が容易であることが望まれる。

プローブがホルダに着脱可能に取付けられるようにした摩擦撹拌接合用工具が、例えば、特許文献１に開示されているように知られている。図８は、特許文献１に開示されている摩擦撹拌接合用工具の断面を示している。

図８を参照するに、工具１００は、縦穴１０１を有するホルダ１０２と、縦穴１０１に下から差し込まれるプローブ１０３と、このプローブ１０３を固定するためにホルダ１０２にねじ込まれ先端面でプローブ１０３を押す固定ボルト１０４とからなる。

ホルダ１０２を高速で回すと、プローブ１０３が高速で回され、摩擦撹拌接合が実施される。接合作業中に、プローブ１０３に微小振動などの外力が加わるため、固定ボルト１０４が緩む。そこで、頻繁に固定ボルト１０４を増し締めする必要がある。結果、作業能率が低下し、生産性に影響がでる。また、接合作業中にプローブ１０３に過負荷が加わると、逆に、固定ボルト１０４が締まり過ぎて、交換作業時に外れにくい事象が発生することもある。

そこで、生産性の向上が求められている中、固定ボルトの緩みや締まり過ぎを防止できるような摩擦撹拌接合用工具が望まれる。

特開２００８−３６６６４号公報

本発明の課題は、固定ボルトの緩みや締まり過ぎを防止できる摩擦撹拌接合用工具を提供することにある。

請求項１に係る発明によれば、ピン部を高速で回し、発生する摩擦熱で被接合材を塑性流動させて接合する摩擦撹拌接合用工具であって、先端に前記ピン部を有し基部にプローブ側凸部及びプローブ側凹部を有すると共に雌ねじ部を有するプローブと、先端に前記プローブ側凸部に嵌合するホルダ側凹部及び前記プローブ側凹部に嵌合するホルダ側凸部を有し軸中心に貫通孔を有する柱状のホルダと、前記貫通孔に通され前記雌ねじにねじ込まれる雄ねじ部を先端に有し前記ホルダの先に前記プローブを保持させるボルトと、を具備している摩擦撹拌接合用工具が提供される。

請求項２に係る発明では、好ましくは、前記摩擦撹拌接合用工具は、前記ホルダの先端と前記プローブの基部に介設された中空状のノックピンを更に備えており、前記プローブの軸中心は、前記ノックピンでもって前記ホルダの軸中心に合致する。

請求項３に係る発明では、好ましくは、前記プローブは、前記ホルダより焼戻し温度が高い材料からなる。

請求項４に係る発明では、好ましくは、前記焼戻し温度が高い材料は、ニッケル基合金からなる。

請求項１に係る発明では、プローブに加わる外力は、プローブ側凸部からホルダ側凹部に伝達されると共にプローブ側凹部からホルダ側凸部に伝達される。すなわち、ボルトにはプローブに加わる外力が殆ど伝達されない。結果、ねじ結合が緩んだり締まり過ぎたりする心配はない。

請求項２に係る発明では、ノックピンでホルダの軸中心にプローブの軸中心を合致させるようにした。ホルダに対してプローブ交換を実施するときに、ノックピンでセンターリングされるため、プローブの交換作業が容易になり、作業性を高めることができる。

請求項３に係る発明では、プローブがホルダより焼戻し温度が高い材料で作製される。プローブは高温になるが、プローブが焼戻し温度の高い材料で作製されることで、寿命を延ばすことができ、交換頻度を少なくすることができることから生産性を高めることができる。一方、ホルダは、プローブほどは高温にならない。そこで、ホルダは焼戻し温度が比較的低い材料で作製する。ホルダの材料費を下げることができる。

請求項４に係る発明では、焼戻し温度が高い材料は、ニッケル基合金を採用する。焼戻し温度が高い材料はコバルト基合金も採用可能であるが、ニッケル基合金の方が寿命が長い。

本発明に係る摩擦撹拌接合用工具の分解図である。 図１に示された摩擦撹拌接合用工具の先端部分を拡大して斜視図である。 図３（ａ）は、図２の３ａ−３ａ線に沿った矢視図であり、図３（ｂ）は、図２の３ｂ−３ｂ線に沿った矢視図である。 図１に示した摩擦撹拌接合用工具の断面図である。 摩擦撹拌接合用工具の作用図である。 プローブの交換手順を示した図である。 実験で得た接合長さを比較するグラフである。 従来の摩擦撹拌接合用工具の断面図である。

以下、本発明の好ましい実施例について、添付した図面に基づいて詳細に説明する。

図１に示すように、摩擦撹拌接合用工具１０は、先端にピン部１１を有し基部に雌ねじ部１２を有するプローブ１３と、軸中心に貫通穴１５を有する柱状のホルダ１６と、貫通穴１５に通され雌ねじ部１２にねじ込まれる雄ねじ部１７を先端に有するボルト１８と、ホルダ１６の先端とプローブ１３の基部とに介設される中空状のノックピン１９とからなる。

ノックピン１９は、外径が精密に仕上げられる。ホルダ１６の先端にホルダ側ピン収納部２１が設けられ、このホルダ側ピン収納部２１が、ノックピン１９の外径に対応して精密に仕上げられる。プローブ１３の基部にもプローブ側ピン収納部２２が設けられ、このプローブ側ピン収納部２２が、ノックピン１９の外径に対応して精密に仕上げられる。

ホルダ側ピン収納部２１にノックピン１９が嵌められると、ホルダ１６の軸中心にノックピン１９の軸中心が良好に合致する。このノックピン１９にプローブ側ピン収納部２２が嵌められると、ノックピン１９の軸中心にプローブ１３の軸中心が良好に合致する。すなわち、ノックピン１９を介することにより、ノックピン１９の軸中心にプローブ１３の軸中心が良好に合致する。

プローブ１３と、ホルダ１６と、ボルト１８と、ノックピン１９は、互いに別部品である。そのため、これらの材質を、相互に自由に選択可能となる。これらの中で、プローブ１３はピン部１１が被接合材３２（図５参照）に接触し高温になるため、高い焼戻し温度が不可欠となる。その理由は次の通りである。

焼戻しは、脆い鋼に靱性等を付与するために行われる熱処理の一種である。材質毎に好適な焼戻し温度が定められている。好適な焼戻し温度以外の温度で焼戻しを実施すると、焼戻し脆性が起こり、脆性破壊の危険性が増す。

アルミニウム合金同士における接合部の温度は４００〜５００℃である。しかし、ピン部が挿入される際には、一時的にそれ以上の温度になると考えられる。仮に、プローブの好適な焼戻し温度が５６０℃とする。一方、ピン部が挿入される際にプローブが一時的に５６０℃を超えることがあり得る。すると、プローブは好ましくない温度に達して焼戻しされる虞がある。結果、プローブが機械的に破壊する危険性が増す。

プローブが５５０℃、好ましくは５６０℃を超えるような高い焼戻し温度の材料で作製されれば、焼戻しが起こることはなく、好ましくない温度で焼戻しされる心配もない。したがって、プローブは、ホルダより焼戻し温度が高い材料で作製されることが望まれる。

ホルダ１６と、ノックピン１９は、比較的に低温であるため、比較的低グレードの材料で作製することができる。

高い焼戻し温度が求められるプローブ１３は、ニッケル基合金やコバルト基合金が好適である。ただし、後述の実験によれば、寿命的にはニッケル基合金の方が優れている。高い焼戻し温度が求められないホルダ１６は、合金工具鋼が好適である。また、ボルト１８は、耐熱性に富むオーステナイト系ステンレス鋼が好適である。ノックピン１９は、マルテンサイト系ステンレス鋼が好適である。

図２に示すように、先端にピン部１１を有するプローブ１３は、基部（後部、後端）に複数のプローブ側凸部２４及び複数のプローブ側凹部２５を有する。ホルダ１６は、先端にプローブ側凸部２４に嵌合する複数のホルダ側凹部２７及びプローブ側凹部２５に嵌合する複数のホルダ側凸部２８を有する。

図３（ａ）に示すように、ホルダ１６は、直線状のホルダ側凸部２８を３個有し、且つ扇形のホルダ側凹部２７を３個有する。すなわち、ホルダ側凸部２８は１２０°ピッチで等間隔に設けられる。ホルダ側凹部２７は、隣り合うホルダ側凸部２８、２８間に設けられる。

図３（ｂ）に示すように、プローブ１３は、直線状のプローブ側凹部２５を３個有し、且つ扇形のプローブ側凸部２４を３個有する。すなわち、プローブ側凹部２５は１２０°ピッチで等間隔に設けられる。プローブ側凸部２４は、隣り合うプローブ側凹部２５、２５間に設けられている。直線状のホルダ側凸部２８と直線状のプローブ側凹部２５が嵌合し、扇形のホルダ側凹部２７が扇形のホルダ側凸部２８に嵌合する。

この実施例では数は３個としたが、２個又は４個以上であっても良い。ただし、回転に伴う共振を回避するには、３、５、７のような奇数が望まれる。３個は奇数（１は除く。）の最小値である。機械加工コストは凹凸の数に影響されるので、３個が最適である。また、ホルダ側凸部２８を凹部に変更し、プローブ側凹部２５を凸部に変更する凹凸を逆にしても良い。

図２に示すように、ホルダ１６にプローブ１３を取付けた後は、プローブ１３に加わる回転力は、プローブ側凸部２４の側面２４ａとホルダ側凹部２７の側壁２７ａとの当接によって支持される。また、プローブ１３に加わる軸力は、プローブ側凸部２４の前面２４ｂとホルダ側凹部２７の底２７ｂとの当接によって支持される。

プローブ側凸部２４をホルダ側凹部２７に嵌め、プローブ側凹部２５をホルダ側凸部２８に嵌めた上で、図４に示すように、ボルト１８を貫通孔１５に通し、先端の雄ねじ部１７を雌ねじ部１２にねじ込む。ボルト１８のボルト頭１８ａはホルダ１６の後端に当たる。これで、プローブ１３がホルダ１６から外れる心配はなくなる。

次に、摩擦撹拌接合法の原理について、図５に基づいて説明する。
図５に示すように、被接合材３１に被接合材３２を重ねる。そして、ホルダ１６及びプローブ１３を高速で例えばＸ方向に回転させる。ピン部１１と被接合材３１、３２との摩擦熱で、被接合材３１、３２の一部が溶ける。結果、ピン部１１が被接合材３２に挿入され、このピン部１１により溶融金属が撹拌され均一化される。ホルダ１６及びプローブ１３を回転させながらＹ方向に移動させることで、被接合材３１と被接合材３２を接合することができる。

この接合作業中は、図２で説明したように、プローブ１３に加わる回転力は、プローブ側凸部２４の側面２４ａとホルダ側凹部２７の側壁２７ａとの当接によって支持される。また、プローブ１３に加わる軸力は、プローブ側凸部２４の前面２４ｂとホルダ側凹部２７の底２７ｂとの当接によって支持される。図３に示すボルト１８には外力（軸力及び回転力）は殆ど作用しない。

図５に示すように、プローブ１３は高温下で被接合材３１、３２に接するため、摩耗する。そこで、寿命がきたプローブ１３は、新品のプローブ１３と交換する必要がある。その交換手順について図６に基づいて以下に説明する。

図６（ａ）に示すように、ホルダ１６からボルト１８を外す。次に、使用済みのプローブ１３をホルダ１６から外す。図３に示すプローブ側凸部２４がホルダ側凹部２７に嵌り、プローブ側凹部２５にホルダ側凸部２８が嵌っているだけであるから、図６（ａ）では、使用済みのプローブ１３は容易にホルダ１６から分離することができる。

次に、図６（ｂ）に示すように、新しいプローブ１３をホルダ１６に合わせる。図３に示すプローブ側凸部２４をホルダ側凹部２７に嵌め、プローブ側凹部２５をホルダ側凸部２８に嵌めるだけであるから、図６（ｂ）では、新しいプローブ１３は容易にホルダ１６にセットすることができる。次に、図６（ｃ）に示すように、ボルト１８でホルダ１６からプローブ１３が外れないようにする。

図６（ｂ）において、ノックピン１９にプローブ１３を嵌めるだけで、ホルダ１６の軸心にプローブ１３の軸心を合わせることができる。ホルダ１６の先端に円筒突起を一体形成することで、ノックピン１９を省くことは可能である。ただし、円筒突起の材質をホルダ１６と異なるようにすることを考慮すると、本実施例のように、ノックピン１９が推奨される。

次に、本発明の実験例を以下に述べる。本発明は実験例に限定されるものではない。

（実験例）
共通条件：
・テストピース： 長さ３００ｍｍ×幅１００ｍｍの３ｍｍ厚さのアルミニウム合金（ＪＩＳ ＡＤＣ３相当品）と、２ｍｍ厚さの２７０ＭＰａ級ＧＡメッキ鋼板（ＪＩＳ Ｇ ３３０２）を重ねて、以下の条件で溶接する。
・プローブの回転速度： 毎分１０００回転
・プローブの送り速度： 毎分５００ｍｍ
・プローブの加圧力： １０００〜１５００ｋＮ
・ホルダの材質： 日立金属工具（株）製ＤＡＣ５５（ＪＩＳ−ＳＫＤ６１（合金工具鋼）改良品。）
・締結具： ＳＵＳ３０４ボルト
・ノックピンの材質： ＳＵＳ４２０

プローブ：
・ピン部の寸法： 直径７ｍｍ×長さ３．２ｍｍ
・材質： 実験０１用に、高硬度の高速度工具鋼でプローブを作製する。
実験０２用に、耐熱性、高温強度が期待できるコバルト基合金でプローブを作製する。実験０３用に、耐熱性、耐クリープ性が高いニッケル基合金でプローブを作製する。詳細な組成（質量％）は、表１に示す。

実験項目：
・ピン部が１０％相当長さ摩耗するまでの接合長さ又はピン部が欠損するまでの接合長さ。
・短い方で評価するものとし、結果を表１に示す。

表１に示した接合長さをグラフ化して、図７に示す。
実験０１（高速度工具鋼）では、ピン部が１０％摩耗までに、１２．０ｍの接合が可能であった。

実験０２（コバルト基合金）では、ピン部が欠損したため、２．９１ｍの接合長さに留まった。
実験０３（ニッケル基合金）では、ピン部が１０％摩耗までに、２１．２ｍの接合が可能であった。

プローブの材質は、高速度工具鋼、コバルト基合金、ニッケル基合金、これに類する合金の何れでも採用可能である。ただし、ホルダ（焼戻し温度約５６０℃）よりも高い焼戻し温度の材質であるという条件を加えると、コバルト基合金（焼戻し温度８３０℃）及びニッケル基合金（焼戻し温度６３０℃）が候補となる。さらに、上記実験からはニッケル基合金が推奨される。

本発明の摩擦撹拌接合用工具は、アルミニウム合金板同士の重ね接合や、アルミニウム合金と鉄系材料の重ね接合に好適である。

１０…摩擦撹拌接合用工具、１１…ピン部、１２…雌ねじ部、１３…プローブ、１５…貫通孔、１６…ホルダ、１７…雄ねじ部、１８…ボルト、１９…ノックピン、２４…プローブ側凸部、２５…プローブ側凹部、２７…ホルダ側凹部、２８…ホルダ側凸部、３１、３２…被接合材。

Claims (4)

1. ピン部を高速で回し、発生する摩擦熱で被接合材を塑性流動させて接合する摩擦撹拌接合用工具であって、
   先端に前記ピン部を有し基部にプローブ側凸部及びプローブ側凹部を有すると共に雌ねじ部を有するプローブと、
   先端に前記プローブ側凸部に嵌合するホルダ側凹部及び前記プローブ側凹部に嵌合するホルダ側凸部を有し軸中心に貫通孔を有する柱状のホルダと、
   前記貫通孔に通され前記雌ねじにねじ込まれる雄ねじ部を先端に有し前記ホルダの先に前記プローブを保持させるボルトと、
   を具備していることを特徴とする摩擦撹拌接合用工具。
2. 前記摩擦撹拌接合用工具は、前記ホルダの先端と前記プローブの基部に介設された中空状のノックピンを更に備えており、前記プローブの軸中心は、前記ノックピンでもって前記ホルダの軸中心に合致する、請求項１に記載の摩擦撹拌接合用工具。
3. 前記プローブは、前記ホルダより焼戻し温度が高い材料からなる、請求項１に記載の摩擦撹拌接合用工具。
4. 前記焼戻し温度が高い材料は、ニッケル基合金からなる、請求項３に記載の摩擦撹拌接合用工具。

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