JP5863862B2

JP5863862B2 - 摩擦撹拌接合工具の寸法設定方法

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Publication number: JP5863862B2
Application number: JP2014060905A
Authority: JP
Inventors: 加藤　慶訓; 慶訓加藤; 佐藤　広明; 広明佐藤
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2014-03-24
Filing date: 2014-03-24
Publication date: 2016-02-17
Anticipated expiration: 2031-05-27
Also published as: JP2014138957A

Description

本発明は、ワークに対して摩擦攪拌接合を行う摩擦攪拌接合方法に関する。

２つの部材からなるワークを接合する方法の一つとして摩擦攪拌接合が知れられている。摩擦攪拌接合とは、ワークの接合箇所に、工具のショルダ面と呼ばれる面で所定の加圧力で加圧した状態で該工具を回転させることにより、ワーク表面に摩擦熱を生じさせ、この摩擦熱によってワークを軟化させて接合させるものである。
このような摩擦攪拌接合には、ボビンツール型と呼ばれる工具を用いる方式がある（例えば特許文献１〜４参照）。

ボビンツール型工具は、一のショルダ面を有する表面側ショルダと、一のショルダ面と対向する他のショルダ面を有する裏面側ショルダとを有している。裏面側ショルダは、表面側ショルダを貫通する軸部に取り付けられている。摩擦攪拌接合を行う際には、軸部をワークに貫通させて、ワークの表面側に表面側ショルダを配置し、裏面側に裏面側ショルダを配置する。そして、表面側ショルダ及び裏面側ショルダのそれぞれのショルダ面によってワークの表面及び裏面を挟み込むように加圧して摩擦熱を生じさせることでワークを軟化させる。この際、軟化部分に挿入された軸部によって軟化したワークを攪拌することによって摩擦攪拌接合が行われる。

このようなボビンツール型の工具では、ワークの歪や製作誤差による板圧変動が生じると、一対のショルダ面からワークに作用する加圧力が変動してしまい、接合不良が生じるおそれがある。これに対して特許文献５には、ショルダ面をテーパ状に形成するとともに該ショルダ面に螺旋形状溝又は同心状溝を形成することで、ワークの板厚変動を抑える技術が開示されている。

また、特許文献６には、接合作業中、即ち、工具進行中に、ワークの厚さに応じて一対のショルダ面の間隔を調整可能な可動式のボビンツール型工具において、ショルダ面に渦状の溝を形成することで、ワークに生じる反りを抑制する技術が開示されている。

特開２００２−２６３８６３号公報特開２００５−７４５１８号公報特表２００５−５１９７６９号公報特開２００３−３２６３７６号公報特開２００３−３２０４６５号公報特開２００５−７４６６号公報

ところで、特許文献５に記載の工具では、ワークの板厚変動によって一対のショルダ面の間隔よりもワークの厚みが大きくなった場合、これらショルダ面によってワーク表面が削り取られて工具の外部に排出される。この結果、ワークに極端な減厚が生じてしまい、良好な接合を行うことができない。また、テーパ状のショルダ面のワークに対する接触範囲が変化することにより、摩擦熱による入熱が変動し、接合不良が生じるおそれがある。

一方、特許文献６に記載の工具のように接合作業中、即ち、工具進行中に、ワークの厚さに応じてショルダ面の間隔を調整可能な工具においては、当該間隔をワークの板厚変動に追従するように制御することも考えられる。しかしながら、板厚変動が微小の場合、当該制御をすることは困難であり、やはり良好な接合を行うことができない。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであって、ワークに板厚変動が生じた場合であっても良好な接合を容易に行うことのできる摩擦攪拌接合方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を採用している。
即ち、本発明に係る摩擦撹拌接合工具の寸法設定方法は、対象となるワークの表面に当接される第一ショルダ面と、該第一ショルダ面と対向配置されて前記ワークの裏面に当接される第二ショルダ面と、前記第一ショルダ面及び前記第二ショルダ面の間隔を固定して連結する軸部と、を備え、前記第一ショルダ面及び前記第二ショルダ面の一方に、前記第一ショルダ面または前記第二ショルダ面において外周側に向かうに従って前記軸部の軸線回りの工具回転方向前方側に延びて外周側端縁に開口する溝部が形成された摩擦撹拌接合工具の寸法設定方法であって、前記軸部の軸線方向における前記第一ショルダ面と前記第二ショルダ面の間の間隔を以下の数式（１）によって決定することを特徴とする。
Ｔ１＜＝ＷＬＭＳ−ΔＬ・・・（１）
なお、Ｔ１は前記軸部の軸線方向における前記第一ショルダ面と前記第二ショルダ面の間の間隔であり、ＷＬＭＳはワーク厚みの最小許容寸法であり、ΔＬは前記軸部の摩擦攪拌接合時における前記軸線方向の熱膨張量である。

このような特徴の摩擦攪拌接合方法によれば、摩擦攪拌接合装置における第一ショルダ面及び第二ショルダ面の間隔に応じて、ワーク厚みの最小許容寸法を決定することができる。即ち、所与の摩擦攪拌接合装置に最小許容寸法未満の厚みを有するワークを適用することで生じる、ワークに対する第一ショルダ面及び第二ショルダ面の接触範囲の極端な変化を抑制することができる。したがって、摩擦熱によるワークへの入熱の変動を抑制することができる。
また、第一ショルダ面と第二ショルダ面との間隔は軸部によって固定されているため、これら第一ショルダ面と第二ショルダ面との間隔をワークの板厚変動に応じて可変制御することなく、適切に摩擦攪拌接合を行うことができる。

また、本発明に係る摩擦攪拌接合工具の寸法設定方法は、対象となるワークの表面に当接される第一ショルダ面と、該第一ショルダ面と対向配置されて前記ワークの裏面に当接される第二ショルダ面と、前記第一ショルダ面及び前記第二ショルダ面の間隔を固定して連結する軸部と、を備え、前記第一ショルダ面及び前記第二ショルダ面の一方に、前記第一ショルダ面または前記第二ショルダ面において外周側に向かうに従って前記軸部の軸線回りの工具回転方向前方側に延びて外周側端縁に開口する溝部が形成された摩擦撹拌接合工具の寸法設定方法であって、前記溝部の底部と前記第一ショルダ面及び前記第二ショルダ面の他方との前記軸部の軸線方向における間隔を以下の数式（２）によって決定することを特徴とする。
Ｔ３＞＝ＷＭＭＳ−ΔＬ・・・（２）
なお、ＷＭＭＳはワーク厚みの最大許容寸法であり、Ｔ３は、前記溝部の底部と前記第一ショルダ面及び前記第二ショルダ面の他方との前記軸部の軸線方向における間隔であり、ΔＬは前記軸部の摩擦攪拌接合時における前記軸線方向の熱膨張量である。

このような特徴の摩擦攪拌接合方法によれば、摩擦攪拌接合装置における溝部の底部と第一ショルダ面及び第二ショルダ面の他方との軸部の軸線方向における間隔に応じて、ワーク厚みの最大許容寸法を決定することができる。即ち、所与の摩擦攪拌接合装置に最大許容寸法を超える厚みを有するワークを適用することで生じる、ワークに対する第一ショルダ面及び第二ショルダ面の接触範囲の極端な変化を抑制することができる。したがって、摩擦熱によるワークへの入熱の変動を抑制することができる。
また、第一ショルダ面と第二ショルダ面との間隔は軸部によって固定されているため、これら第一ショルダ面と第二ショルダ面との間隔をワークの板厚変動に応じて可変制御することなく、適切に摩擦攪拌接合を行うことができる。

さらに、本発明に係る摩擦攪拌接合工具の寸法設定方法は、対象となるワークの表面に当接される第一ショルダ面と、該第一ショルダ面と対向配置されて前記ワークの裏面に当接される第二ショルダ面と、前記第一ショルダ面及び前記第二ショルダ面の間隔を固定して連結する軸部と、を備え、前記第一ショルダ面及び前記第二ショルダ面の両方に、外周側に向かうに従って前記軸部の軸線回りの工具回転方向前方側に延びて外周側端縁に開口する溝部が形成された摩擦撹拌接合工具の寸法設定方法であって、前記軸部の軸線方向における前記第一ショルダ面と前記第二ショルダ面の間の間隔を以下の数式（３）によって決定することを特徴とする。
Ｔ１＜＝ＷＬＭＳ−ΔＬ・・・（３）
なお、Ｔ１は前記軸部の軸線方向における前記第一ショルダ面と前記第二ショルダ面の間の間隔であり、ＷＬＭＳはワーク厚みの最小許容寸法であり、ΔＬは前記軸部の摩擦攪拌接合時における前記軸線方向の熱膨張量である。

また、本発明に係る摩擦攪拌接合工具の寸法設定方法は、対象となるワークの表面に当接される第一ショルダ面と、該第一ショルダ面と対向配置されて前記ワークの裏面に当接される第二ショルダ面と、前記第一ショルダ面及び前記第二ショルダ面の間隔を固定して連結する軸部と、を備え、前記第一ショルダ面及び前記第二ショルダ面の両方に、外周側に向かうに従って前記軸部の軸線回りの工具回転方向前方側に延びて外周側端縁に開口する溝部が形成された摩擦撹拌接合工具の寸法設定方法であって、前記第一ショルダ面及び前記第二ショルダ面における前記溝部の底部同士の前記軸部の軸線方向における間隔を以下の数式（４）によって決定することを特徴とする。
Ｔ２＞＝ＷＭＭＳ−ΔＬ・・・（４）
なお、Ｔ２は前記第一ショルダ面及び前記第二ショルダ面における前記溝部の底部同士の前記軸部の軸線方向における間隔であり、ＷＭＭＳはワーク厚みの最大許容寸法であり、ΔＬは前記軸部の摩擦攪拌接合時における前記軸線方向の熱膨張量である。

このような特徴の摩擦攪拌接合方法によれば、第一ショルダ面及び第二ショルダ面における溝部の底部同士の軸部の軸線方向における間隔に応じて、ワーク厚みの最大許容寸法を決定することができる。即ち、所与の摩擦攪拌接合装置に最大許容寸法を超える厚みを有するワークを適用することで生じる、ワークに対する第一ショルダ面及び第二ショルダ面の接触範囲の極端な変化を抑制することができる。したがって、摩擦熱によるワークへの入熱の変動を抑制することができる。
また、第一ショルダ面と第二ショルダ面との間隔は軸部によって固定されているため、これら第一ショルダ面と第二ショルダ面との間隔をワークの板厚変動に応じて可変制御することなく、適切に摩擦攪拌接合を行うことができる。

本発明の摩擦攪拌接合工具の寸法設定方法によれば、溝部の深さの範囲内でワークの板厚変動に対応することができる。さらに、摩擦熱による入熱の変動を抑えることができる他、ショルダ面の間隔の制御も必要としないため、ワークに対して良好な接合を容易に行うことが可能となる。

本発明の実施形態に係る摩擦攪拌接合装置の縦断面図である。図１の一部拡大図であって、摩擦攪拌接合工具の詳細を説明する図である。図２のＡ−Ａ断面図である。図２のＢ−Ｂ断面図である。図１の一部拡大図であって、支持部材の可動範囲を説明する図である。変形例に係る摩擦攪拌接合工具の縦断面図である。

以下、本発明の実施形態に係るボビンツール（摩擦攪拌接合工具）及び摩擦攪拌接合装置について、図面を参照して詳細に説明する。
図１に示すように、本実施形態の摩擦攪拌接合装置１００は、第一部材Ｗ１及び第二部材Ｗ２の２つの部材からなるワークＷを摩擦攪拌接合により接合する装置である。以下では、板状をなす第一部材Ｗ１及び第二部材Ｗ２における互いに対向又は当接する接合端面同士を、摩擦攪拌接合装置１００によって接合する例について説明する。

この摩擦攪拌接合装置１００は、図示しない加工機の主軸に取り付けられた本体部１０と、該本体部１０によって支持された工具保持部２０と、該工具保持部２０に一体に保持されたボビンツール３０と、ワークＷの表面に当接される支持部材４０とを備えている。

本体部１０は、ワークＷの表面側において該ワークＷと間隔をあけて配置されており、ワークＷの延在方向（本実施形態においては水平方向）に直交する軸線Ｏを中心とした円筒部１１と、該円筒部１１における軸線Ｏ方向一方側（ワークＷの表面側において該表面から離間する側。以下、単に上方と称する。）を閉塞する蓋部１６とを備えた有底筒状をなしている。即ち、この本体部１０は、円筒部１１における軸線Ｏ方向他方側（ワークＷの表面側において該表面に近接する側。以下、単に下方と称する）の開口部を該ワークＷの表面に臨ませるように配置されている。このような本体部１０は、一体に固定される加工機の主軸の移動に伴って軸線Ｏ方向及びワークＷの表面に沿った方向に任意に移動可能とされている。

円筒部１１の内周面には、軸線Ｏを中心として径方向外側に環状に凹む第一環状凹部１２及び第二環状凹部１３が形成されている。これら第一環状凹部１２及び第二環状凹部１３は互いに軸線Ｏ方向に離間して配置されており、第一環状凹部１２の方が第二環状凹部１３よりも上方に位置している。また、第一環状凹部１２には、円筒部１１の内外を径方向に貫通する第一孔部１４の径方向内側の端部が開口している。さらに、第二環状凹部１３には、円筒部１１の内外を径方向に貫通する第二孔部１５の径方向内側の端部が開口している。

工具保持部２０は、軸線Ｏを中心とする多段円柱状をなしており、本体部１０における円筒部１１の下端開口から該本体部１０の内側において、該本体部１０に対して軸線Ｏ方向に相対変位可能に配置されている。

この工具保持部２０の外周面は、第一外周面２２、第二外周面２３及び第三外周面２４とを有している。第一外周面２２は、工具保持部２０における上方を向く第一端面２１に接続されており、円筒部１１の内周面と同一の外径を有している。第二外周面２３は、第一外周面２２の下方に配置されており、該第一外周面２２よりも一段小さい外径を有している。第三外周面２４は、第二外周面２３の下方に配置されており、第一外周面２２同様、円筒部１１の内周面と同一の外径を有している。また、この第三外周面２４は、工具保持部２０における下方を向く第二段面に接続されている。

なお、第一外周面２２と第二外周面２３との間の段部は、環状をなして下方を向く第一段差面２５とされている。また、第二外周面２３と第三外周面２４との間の段部は、環状をなして上方を向く第二段差面２６とされている。

そして、本体部１０内には、蓋部１６、工具保持部２０の第一端面２１及び円筒部１１の内周面によって第一流体室２８が画成されている。この第一流体室２８には第一環状凹部１２が存在しており、これによって第一孔部１４の径方向内側の端部は第一流体室２８内に向けて開口している。
さらに、本体部１０内には、第二外周面２３、第一段差面２５、第二段差面２６及び円筒部１１の内周面によって第二流体室２９が画成されている。この第二流体室２９には第二環状凹部１３が存在しており、これによって第二孔部１５の径方向内側の端部は第二流体室２９内に向けて開口している。

また、第一孔部１４及び第二孔部１５の径方向外側の端部は、それぞれ図示しない圧力制御弁を介して流体圧源に接続されている。これにより、圧力制御弁の開閉によって流体圧源から流体圧の給排が行われることで、第一流体室２８内及び第二流体室２９内の圧力が調整されるようになっている。本実施形態では、工具保持部２０及び本体部１０の軸線Ｏ方向の相対変位させた場合であっても工具保持部２０が本体部１０に対して静止するように第一流体室２８内及び第二流体室２９内の圧力が圧力制御弁によって制御されている。即ち、工具保持部２０は、第一流体室２８内及び第二流体室２９内の流体圧のバランスによって、本体部１０に対して軸線Ｏ方向に相対変位自在に支持されている。
なお、流体圧としては、油圧であってもよいし、空圧であってもよい。

この工具保持部２０は、図示しない回転機構に連結されることにより軸線Ｏ回りに回転可能とされている。このように工具保持部２０が回転する際、及び、工具保持部２０が本体部１０に対して軸線Ｏ方向に相対変位する際には、第一外周面２２及び第三外周面２４が円筒部１１の内周面に摺接する。

ボビンツール３０は、軸線Ｏを中心として形成されて互いに一体をなす第一ショルダ部３１、第二ショルダ部３４及び軸部３７を有している。このボビンツール３０は、工具保持部２０の軸線Ｏ回りの回転に伴って該軸線Ｏ回りに回転する。以下では、このボビンツール３０の軸線Ｏ回りの回転方向を工具回転方向Ｒと称する。

第一ショルダ部３１は、軸線Ｏを中心とした円柱状をなしており、その軸線Ｏ方向一方側の端部、即ち、上端部が工具保持部２０に一体に固定されるとともに、その軸線Ｏ方向他方側の端面、即ち、下端面がワークＷの表面側に配置されて該表面を押圧する第一ショルダ面３２とされている。

第二ショルダ部３４は、軸線Ｏを中心とした円柱状をなしており、ワークＷの裏面側に配置されて該裏面を押圧する第二ショルダ面３５を有しており、即ち、第二ショルダ面３５は第一ショルダ面３２と軸線Ｏ方向に間隔をあけた状態で該第一ショルダ面３２の下方に対向配置されている。なお、第二ショルダ面３５は第一ショルダ面３２と平行をなしている。

軸部３７は、第一ショルダ部３１及び第二ショルダ部３４よりも外径が小さく形成された軸線Ｏに沿って延びる柱状をなしており、第一ショルダ面３２と第二ショルダ面３５とを軸線Ｏ方向に連結している。

なお、本実施形態においては、軸部３７によって第一ショルダ面３２と第二ショルダ面３５との間隔が固定されており、即ち、ボビンツール３０は、第一ショルダ面３２と第二ショルダ面３５との相対位置が接合中は互いに不動に固定された固定型とされている。

そして、第一ショルダ面３２及び第二ショルダ面３５には第一渦溝（溝部）３３又は第二渦溝（溝部）３６が形成されている。
即ち、第一ショルダ面３２には、図３に示すように、外周側に向かうに従って、即ち、軸線Ｏの径方向外側に向かうに従って、漸次工具回転方向Ｒ前方側に向かって渦巻き状に捩れる第一渦溝３３が形成されている。この第一渦溝３３の径方向外側の端部は、該第一渦溝３３の外周側にある第一ショルダ部３１の外周面、即ち、外周側端縁に開口している。この第一渦溝３３の深さ、即ち、第一ショルダ面３２から第一渦溝３３の底部までの軸線Ｏ方向の寸法は、該第一渦溝３３の延在方向全域にわたって一定とされている。

また、第二ショルダ面３５には、図４に示すように、外周側に向かうに従って、即ち、軸線Ｏの径方向外側に向かうに従って、漸次工具回転方向Ｒ前方側に向かって渦巻き状に捩れる第二渦溝３６が形成されている。この第二渦溝３６の径方向外側の端部は、該第二渦溝３６の外周側にある第二ショルダ部３４の外周面、即ち、外周側端縁に開口している。この第二渦溝３６の深さ、即ち、第二ショルダ面３５から第二渦溝３６の底部までの軸線Ｏ方向の寸法は、その延在方向全域にわたって一定とされている。

ここで、本実施形態においては、第一ショルダ面３２と第二ショルダ面３５との軸線Ｏ方向の間隔、及び、第一渦溝３３の底部と第二渦溝３６の底部との軸線Ｏ方向の間隔は、それぞれ予め定められた所定の寸法に設定されている。

即ち、第一ショルダ面３２と第二ショルダ面３５との軸線Ｏ方向の間隔Ｔ１は、下記（１）式に示すように、ワークＷの上下方向の厚みの最小許容寸法ＷＬＭＳから摩擦攪拌接合時における軸部３７の軸線Ｏ方向の熱膨張量ΔＬを減じた寸法以下に設定されている。
Ｔ１≦ＷＬＭＳ−ΔＬ …（１）
なお、上記間隔Ｔ１は、ワークＷの上下方向の厚みの最小許容寸法ＷＬＭＳから摩擦攪拌接合時における軸部３７の軸線Ｏ方向の熱膨張量ΔＬを減じた寸法と同じ値に設定することがより好ましい。また、Ｔ１の最小値はワークＷの厚みに応じて適宜設定することができ、例えば１０ｍｍ程度に設定することができる。

また、第一渦溝３３と第二渦溝３６の底部同士の軸線Ｏ方向の間隔Ｔ２は、下記（２）に示すように、ワークＷの軸線Ｏ方向の厚みの最大許容寸法ＷＭＭＳから摩擦攪拌接合時における軸部３７の軸線Ｏ方向の熱膨張量ΔＬを減じた寸法以上に設定されている。
Ｔ２≧ＷＭＭＳ−ΔＬ …（２）
なお、上記間隔Ｔ２は、ワークＷの軸線Ｏ方向の厚みの最大許容寸法ＷＭＭＳから摩擦攪拌接合時における軸部３７の軸線Ｏ方向の熱膨張量ΔＬを減じた寸法と同じ値に設定することがより好ましい。また、Ｔ２の最大値は、第一ショルダ部３１及び第二ショルダ部３４の軸線Ｏ方向の厚みに応じて適宜設定することができる。

なお、摩擦攪拌接合時における軸部３７の軸線Ｏ方向の熱膨張量ΔＬとは、軸部３７を構成する材料の熱膨張係数、摩擦攪拌接合時の接合部の温度（例えば４５０℃〜５００℃）、常温時の軸部３７の軸線Ｏ方向の寸法、即ち、常温時の第一ショルダ面３２及び第二ショルダ面３５の軸線Ｏ方向の間隔に基づいて算出される値である。

支持部材４０は、図１に示すように、工具保持部２０の第二端面２７とワークＷにおける第一部材Ｗ１の表面又は第二部材Ｗ２の表面とにわたって一対が設けられている。この支持部材４０は、一端が工具保持部２０の第二端面２７に固定されて下方に向かって延びるコイルスプリング４１（付勢部材）と、該コイルスプリング４１の下端側に一体に設けられたローラ４２とを備えている。
なお、コイルスプリング４１に代えて、例えばゴム等の弾性体を用いてもよい。

ローラ４２は、コイルスプリング４１の他端に固定されて軸線Ｏを含む断面逆Ｕ字状をなすローラ支持部４３と、該ローラ支持部４３の内側において軸線Ｏに直交する回転軸回りに回転可能に配置されてワークＷの表面に当接するローラ本体４４とを有している。
このような支持部材４０は、接合端面の延在方向（ボビンツール３０を走査する方向）に直交する水平方向から該ボビンツール３０を挟むようにして両側に対をなして配置されている。

支持部材４０におけるコイルスプリング４１は、図５に示すように少なくともローラ４２の下端の軸線Ｏ方向の位置が、第一ショルダ面３２に一致する状態と第一渦溝３３の底部に一致する状態との間において、軸線Ｏ方向に伸縮可能とされている。

次に、この実施形態の作用について説明する。
摩擦攪拌接合を行う場合には、図１に示すように、第一ショルダ部３１の第一ショルダ面３２と第二ショルダ部３４の第二ショルダ面３５との間にワークＷを挟み込むように配置する。これによって、第一ショルダ面３２からワークＷの表面に加圧力を付与するとともに第二ショルダ面３５からワークＷの裏面に加圧力を付与する。またこの際、ワークＷの表面上に支持部材４０のローラ４２を配置させる。

そして、この状態で工具保持部２０とともにボビンツール３０を工具回転方向Ｒに回転させると、第一ショルダ面３２及び第二ショルダ面３５と、ワークＷの表面及び裏面との間には摩擦熱が生じて軟化し、この軟化部を軸部３７で攪拌することで摩擦攪拌接合が行われる。このような摩擦攪拌接合は、本体部１０の移動に伴い工具保持部２０及びボビンツール３０を第一部材Ｗ１及び第二部材Ｗ２の接合端面の延在方向に沿って走査することで順次行われていく。この際、支持部材４０のローラ４２は、ワークＷの表面に当接した状態でボビンツール３０の走査とともに転動しながらワークＷの表面上を進行していく。

ここで、ワークＷにおける軸線Ｏ方向の寸法、即ち、ワークＷとしての第一部材Ｗ１及び第二部材Ｗ２の厚みは、最大許容寸法と最小許容寸法との間でばらつきをもって設定されている。したがって、ボビンツール３０によって摩擦攪拌される箇所にはボビンツール３０の走査に伴い板厚変動が生じる。

これに対して、本実施形態のボビンツール３０では、ワークＷに板厚変動が生じて該ワークＷの厚みが第一ショルダ面３２及び第二ショルダ面３５の間隔よりも大きくなった場合には、これら第一ショルダ面３２及び第二ショルダ面３５に形成された第一渦溝３３及び第二渦溝３６によってワークＷの余剰な肉厚が掻き込まれていく。
即ち、軸線Ｏの径方向外側に向かうに従って工具回転方向Ｒ前方側に延びる第一渦溝３３及び第二渦溝３６がボビンツール３０の外周側、即ち、外周側端縁に開口しているため、軸線Ｏ回りの回転に伴ってワークＷの一部が第一渦溝３３又は第二渦溝３６内に侵入するように掻き込まれていく。そして、このように溝部内に掻き込まれて軟化されたワークＷの一部は、軸部３７によって攪拌されて接合部となるため、ワークＷに極端な減厚が生じることはない。

また、第一ショルダ面３２と第二ショルダ面３５との軸線Ｏ方向の間隔Ｔ１が、ワークＷの上下方向の厚みの最小許容寸法ＷＬＭＳから摩擦攪拌接合時における軸部３７の軸線Ｏ方向の熱膨張量ΔＬを減じた寸法以下に設定されているため、ワークＷの板厚変動が該ワークＷの厚さの最小許容寸法まで達した場合であっても、第一ショルダ面３２及び第二ショルダ面３５のそれぞれがワークＷに当接した状態となる。これによって、第一ショルダ面３２及び第二ショルダ面３５とワークＷとの接触面積が大きく変化することはないため、摩擦熱によるワークＷへの入熱を一定とすることができ、ワークＷの接合箇所に入熱の違いによるムラの発生を回避できる。

さらに、第一渦溝３３と第二渦溝３６の底部同士の軸線Ｏ方向の間隔Ｔ２がワークＷの軸線Ｏ方向の厚みの最大許容寸法ＷＭＭＳから摩擦攪拌接合時における軸部３７の軸線Ｏ方向の熱膨張量ΔＬを減じた寸法以上に設定されているため、ワークＷの板厚変動が該ワークＷの厚さの最大許容寸法まで達した場合であっても、該ワークＷの余剰な肉厚を溝部内に確実に掻き込むことができる。したがって、第一ショルダ面３２及び第二ショルダ面３５によってワークＷの表面が削り取られることはないため、ワークＷに極端な減厚が生じることはない。

このように、本実施形態のボビンツール３０では、第一渦溝３３及び第二渦溝３６の深さの範囲内でワークＷの板厚変動に対応することができるため、ボビンツール３０の走査に伴ってワークＷに板厚変動が生じた場合であっても良好な接合を容易に行うことができる。

また、本実施形態の摩擦攪拌接合装置１００では、工具保持部２０及び本体部１０を軸線Ｏ方向の相対変位させた場合であっても工具保持部２０が本体部１０に対して静止するように第一流体室２８内及び第二流体室２９内の圧力が制御されており、即ち、工具保持部２０が本体部１０に対して軸線Ｏ方向に相対変位自在に支持されたフローティング機構を採用している。

これによって、ワークＷに板厚変動が生じて該ワークＷからボビンツール３０に付与される圧力に変動が生じた場合には、当該ボビンツール３０を保持する工具保持部２０が軸線Ｏ方向に自在に相対変位する。したがって、ワークＷの板厚変動によるうねりに対してボビンツール３０を追従させることができるため、ワークＷに対してより良好に接合を施すことが可能となる。

さらに、ワークＷに板厚変動によるうねりが生じた際には、該ワークＷに当接する支持部材４０のコイルスプリング４１ワークＷの板厚変動に応じて軸線Ｏ方向に伸縮する。これによって、ワークＷの板厚変動を支持部材４０によって吸収しながら摩擦攪拌接合工具によって摩擦攪拌接合を行うことができるため、ワークＷに対する荷重変動を抑制することができ、該ワークＷに対してより良好に接合を施すことが可能となる。

なお、この際、支持部材４０におけるコイルスプリング４１の圧縮に伴って該コイルスプリング４１によって工具保持部２０に付与される圧縮力から、ボビンツール３０の第一ショルダ面３２によってワークＷの表面に付与される力を減じた力の値が、１０ｋｇｆ〜５０ｋｇｆの範囲となるようにコイルスプリング４１のバネ定数が設定されていることが好ましい。これによって、ボビンツール３０からワークＷに対する荷重変動を適切に抑制することができる。

次に本発明の第二実施形態について図６を参照して説明する。第二実施形態では第一実施形態と同様の構成要素には同様の符号を付して詳細な説明を省略する。
この第二実施形態のボビンツール３０は、第一ショルダ面３２のみに第一渦溝３３が形成されており、第二ショルダ面３５には第二渦溝３６が形成されていない点で第一実施形態と相違する。このボビンツール３０の第二ショルダ面３５は、軸線Ｏに直交する平坦状をなしている。

ここで、本実施形態においては、第一ショルダ面３２と第二ショルダ面３５との軸線Ｏ方向の間隔Ｔ１は、第一実施形態と同様、上記（１）式に示すように、ワークＷの上下方向の厚みの最小許容寸法ＷＬＭＳから摩擦攪拌接合時における軸部３７の軸線Ｏ方向の熱膨張量ΔＬを減じた寸法以下に設定されている。

また、第一渦溝３３の底部と第二ショルダ面３５の軸線Ｏ方向の間隔Ｔ３は、下記（３）に示すように、ワークＷの軸線Ｏ方向の厚みの最大許容寸法ＷＭＭＳから摩擦攪拌接合時における軸部３７の軸線Ｏ方向の熱膨張量ΔＬを減じた寸法以上に設定されている。
Ｔ３≧ＷＭＭＳ−ΔＬ …（３）
なお、上記間隔Ｔ３は、ワークＷの軸線Ｏ方向の厚みの最大許容寸法ＷＭＭＳから摩擦攪拌接合時における軸部３７の軸線Ｏ方向の熱膨張量ΔＬを減じた寸法と同じ値に設定することがより好ましい。また、Ｔ３の最大値は、第一ショルダ部３１の厚みに応じて適宜設定することができる。

これによっても第一実施形態と同様に、ワークＷの板厚変動が該ワークＷの厚さの最小許容寸法まで達した場合には、第一ショルダ面３２及び第二ショルダ面３５がそれぞれワークＷに当接するため、ワークＷの接合箇所に入熱の違いによるムラの発生を回避できる。

また、ワークＷの板厚変動が該ワークＷの厚さの最大許容寸法まで達した場合であっても、該ワークＷの余剰な肉厚を溝部内に確実に掻き込むことができる。
よって、溝部の深さの範囲内でワークＷの板厚変動に対応することができるため、ワークＷに板厚変動が生じた場合であっても良好な接合を容易に行うことができる。

以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明の技術的思想を逸脱しない限り、これらに限定されることはなく、多少の設計変更等も可能である。
例えば第二実施形態においては、第一ショルダ面３２のみに第一渦溝３３を形成して第二ショルダ面３５を平坦状に形成したが、第一ショルダ面３２を平坦状に形成して第二ショルダ面３５に第二渦溝３６を形成してもよい。この場合でも上記同様、ワークＷに板厚変動が生じた場合であっても良好な接合を容易に行うことができる。

また、実施形態では、第一ショルダ面３２及び第二ショルダ面３５に形成される溝部として渦状をなす第一渦溝３３及び第二渦溝３６を形成した例について説明したが、溝部は必ずしも渦状に形成されていなくともよい。即ち、第一ショルダ面３２又は第二ショルダ面３５の少なくとも一方に形成される溝部は、少なくとも外周側に向かうに従って工具回転方向Ｒ前方側に延びて外周側、即ち、外周側端縁に開口するものであればよく、例えば円弧状や直線状をなしているものであってもよい。この場合であっても、外周側からワークＷを溝部内に掻き込むことができるため、ワークＷの板厚変動に柔軟に対応することが可能となる。

なお、実施形態では第一部材Ｗ１及び第二部材Ｗ２の接合端面を該接合端面の延在方向にわたって接合する例について説明したが、摩擦攪拌接合装置１００を例えばスポット接合等の局所的な接合に使用してもよい。
また、第一ショルダ面３２と第二ショルダ面３５との間隔は、接合前にワークＷの厚さに応じて任意に調整されるものとしてもよい。
さらに、実施形態では、第一ショルダ面３２と第二ショルダ面３５とが互いに平行な場合について説明したが、これら第一ショルダ面３２と第二ショルダ面３５とが平行でなくともよく、即ち、第一ショルダ面３２と第二ショルダ面３５とが互いに傾斜して配置されていてもよい。

１０本体部、１１円筒部、１２第一環状凹部、１３第二環状凹部、１４第一孔部、１５第二孔部、１６蓋部、２０工具保持部、２１第一端面、２２第一外周面、２３第二外周面、２４第三外周面、２５第一段差面、２６第二段差面、２７第二端面、２８第一流体室、２９第二流体室、３０ボビンツール（摩擦攪拌接合工具）、３１第一ショルダ部、３２第一ショルダ面、３３第一渦溝、３４第二ショルダ部、３５第二ショルダ面、３６第二渦溝、３７軸部、４０支持部材、４１コイルスプリング（付勢部材）、４２ローラ、４３ローラ支持部、４４ローラ本体、１００摩擦攪拌接合装置、Ｗワーク、Ｗ１第一部材、Ｗ２第二部材、Ｏ軸線、Ｒ工具回転方向

Claims

対象となるワークの表面に当接される第一ショルダ面と、
該第一ショルダ面と対向配置されて前記ワークの裏面に当接される第二ショルダ面と、
前記第一ショルダ面及び前記第二ショルダ面の間隔を固定して連結する軸部と、を備え、
前記第一ショルダ面及び前記第二ショルダ面の一方に、前記第一ショルダ面または前記第二ショルダ面において外周側に向かうに従って前記軸部の軸線回りの工具回転方向前方側に延びて外周側端縁に開口する溝部が形成された摩擦撹拌接合工具の寸法設定方法であって、
前記軸部の軸線方向における前記第一ショルダ面と前記第二ショルダ面の間の間隔を以下の数式（１）によって決定することを特徴とする摩擦撹拌接合工具の寸法設定方法。
Ｔ１＜＝ＷＬＭＳ−ΔＬ・・・（１）
なお、Ｔ１は前記軸部の軸線方向における前記第一ショルダ面と前記第二ショルダ面の間の間隔であり、ＷＬＭＳはワーク厚みの最小許容寸法であり、ΔＬは前記軸部の摩擦攪拌接合時における前記軸線方向の熱膨張量である。
対象となるワークの表面に当接される第一ショルダ面と、
該第一ショルダ面と対向配置されて前記ワークの裏面に当接される第二ショルダ面と、
前記第一ショルダ面及び前記第二ショルダ面の間隔を固定して連結する軸部と、を備え、
前記第一ショルダ面及び前記第二ショルダ面の一方に、前記第一ショルダ面または前記第二ショルダ面において外周側に向かうに従って前記軸部の軸線回りの工具回転方向前方側に延びて外周側端縁に開口する溝部が形成された摩擦撹拌接合工具の寸法設定方法であって、
前記溝部の底部と前記第一ショルダ面及び前記第二ショルダ面の他方との前記軸部の軸線方向における間隔を以下の数式（２）によって決定することを特徴とする摩擦撹拌接合工具の寸法設定方法。
Ｔ３＞＝ＷＭＭＳ−ΔＬ・・・（２）
なお、ＷＭＭＳはワーク厚みの最大許容寸法であり、Ｔ３は、前記溝部の底部と前記第一ショルダ面及び前記第二ショルダ面の他方との前記軸部の軸線方向における間隔であり、ΔＬは前記軸部の摩擦攪拌接合時における前記軸線方向の熱膨張量である。
対象となるワークの表面に当接される第一ショルダ面と、
該第一ショルダ面と対向配置されて前記ワークの裏面に当接される第二ショルダ面と、
前記第一ショルダ面及び前記第二ショルダ面の間隔を固定して連結する軸部と、を備え、
前記第一ショルダ面及び前記第二ショルダ面の両方に、外周側に向かうに従って前記軸部の軸線回りの工具回転方向前方側に延びて外周側端縁に開口する溝部が形成された摩擦撹拌接合工具の寸法設定方法であって、
前記軸部の軸線方向における前記第一ショルダ面と前記第二ショルダ面の間の間隔を以下の数式（３）によって決定することを特徴とする摩擦撹拌接合工具の寸法設定方法。
Ｔ１＜＝ＷＬＭＳ−ΔＬ・・・（３）
なお、Ｔ１は前記軸部の軸線方向における前記第一ショルダ面と前記第二ショルダ面の間の間隔であり、ＷＬＭＳはワーク厚みの最小許容寸法であり、ΔＬは前記軸部の摩擦攪拌接合時における前記軸線方向の熱膨張量である。
対象となるワークの表面に当接される第一ショルダ面と、
該第一ショルダ面と対向配置されて前記ワークの裏面に当接される第二ショルダ面と、
前記第一ショルダ面及び前記第二ショルダ面の間隔を固定して連結する軸部と、を備え、
前記第一ショルダ面及び前記第二ショルダ面の両方に、外周側に向かうに従って前記軸部の軸線回りの工具回転方向前方側に延びて外周側端縁に開口する溝部が形成された摩擦撹拌接合工具の寸法設定方法であって、
前記第一ショルダ面及び前記第二ショルダ面における前記溝部の底部同士の前記軸部の軸線方向における間隔を以下の数式（４）によって決定することを特徴とする摩擦撹拌接合工具の寸法設定方法。
Ｔ２＞＝ＷＭＭＳ−ΔＬ・・・（４）
なお、Ｔ２は前記第一ショルダ面及び前記第二ショルダ面における前記溝部の底部同士の前記軸部の軸線方向における間隔であり、ＷＭＭＳはワーク厚みの最大許容寸法であり、ΔＬは前記軸部の摩擦攪拌接合時における前記軸線方向の熱膨張量である。