JP5954472B2

JP5954472B2 - 空隙形成方法

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Publication number: JP5954472B2
Application number: JP2015138990A
Authority: JP
Inventors: 堀　久司; 久司堀; 伸城瀬尾
Original assignee: Nippon Light Metal Co Ltd
Current assignee: Nippon Light Metal Co Ltd
Priority date: 2015-07-10
Filing date: 2015-07-10
Publication date: 2016-07-20
Anticipated expiration: 2030-07-12
Also published as: JP2015180514A

Description

本発明は、摩擦攪拌によって金属部材の内部に空隙を形成する空隙形成方法に関する。

特許文献１には、ショルダー部とこのショルダー部の底面に垂下された攪拌ピンとを備えた空隙形成用回転ツールが記載されている。この攪拌ピンの外周面には、ネジ溝が刻設されている。金属部材の内部に空隙を形成する際には、ネジ溝の後退方向に回転させた空隙形成用回転ツールを平板状の金属部材の表面に押し込み、一定の高さを保った状態で金属部材に対して相対的に移動させる。これにより、塑性流動化された金属がネジ溝の螺旋誘導によってショルダー部の底面付近に掻き出されるとともに、掻き出された金属の一部がショルダー部の底面で押えられる。したがって、空隙の上部が摩擦攪拌によって塑性化された金属部材によって覆われるため、金属部材の内部にトンネル状の空隙を形成することができる。

特開平１１−４７９６１号公報

しかし、空隙形成用回転ツールの構成によっては、空隙が潰れてしまったり、空隙と金属部材の表面とに連通する孔（以下、「表面欠陥」とも言う）ができたりする可能性があった。

このような観点から、本発明は、摩擦攪拌によって金属部材の内部に空隙を形成する際に、空隙が潰れにくく、かつ、表面欠陥ができにくい空隙形成方法を提供することを課題とする。

このような課題を解決するために本発明は、空隙形成用回転ツールを用いてアルミニウム合金部材の内部に断面視略矩形を呈する空隙を形成する空隙形成方法であって、前記空隙形成用回転ツールは、ショルダー部とこのショルダー部から垂下する攪拌ピンとを有し、前記攪拌ピンの外周面に螺旋溝を刻設し、当該螺旋溝が上方から下方に向かうにしたがって右回りとなるように形成し、前記ショルダー部の外径を前記攪拌ピンの先端の外径で除した値が１．４以上３．１以下となるように設定し、且つ前記攪拌ピンの軸方向を法線とする基準面に対する前記螺旋溝の角度を２０度以上４０度以下に設定し、前記螺旋溝が形成された螺旋溝部と前記螺旋溝が形成されていない平坦面部とを前記攪拌ピンに形成し、前記攪拌ピンの先端から前記螺旋溝部を刻設し、前記空隙形成用回転ツールを前記アルミニウム合金部材に対して相対的に移動させる際に、前記空隙形成用回転ツールを上方からみて右回転させることを特徴とする。
また、本発明は、空隙形成用回転ツールを用いてアルミニウム合金部材の内部に断面視略矩形を呈する空隙を形成する空隙形成方法であって、前記空隙形成用回転ツールは、ショルダー部とこのショルダー部から垂下する攪拌ピンとを有し、前記攪拌ピンの外周面に螺旋溝を刻設し、当該螺旋溝が上方から下方に向かうにしたがって左回りとなるように形成し、前記ショルダー部の外径を前記攪拌ピンの先端の外径で除した値が１．４以上３．１以下となるように設定し、且つ前記攪拌ピンの軸方向を法線とする基準面に対する前記螺旋溝の角度を２０度以上４０度以下に設定し、前記螺旋溝が形成された螺旋溝部と前記螺旋溝が形成されていない平坦面部とを前記攪拌ピンに形成し、前記攪拌ピンの先端から前記螺旋溝部を刻設し、前記空隙形成用回転ツールを前記アルミニウム合金部材に対して相対的に移動させる際に、前記空隙形成用回転ツールを上方からみて左回転させることを特徴とする。

かかる構成によれば、塑性流動化された金属を好適に掻き出すとともに、掻き出された金属をショルダー部の底面で押さえることができるため、空隙が潰れにくく、かつ、金属部材に表面欠陥ができにくい。前記ショルダー部の外径を前記攪拌ピンの先端の外径で除した値が１．４未満であると、掻き出された金属がショルダー部の底面で押えられないため、表面欠陥ができやすい。一方、前記ショルダー部の外径を前記攪拌ピンの先端の外径で除した値が２．２より大きいとショルダー部から金属が掻き出されにくくなるため、金属部材内の空隙が潰れやすい。また、摩擦攪拌装置の主軸モータにかかる負荷が大きくなる。

また、前記攪拌ピンの軸方向を法線とする基準面に対する前記螺旋溝の角度が２０度以上４０度以下にすることで、空隙がより潰れにくい。前記基準面に対する前記螺旋溝の角度が２０度未満であると、角度が浅いためショルダー部から金属が掻き出されにくくなる。また、前記基準面に対する螺旋溝の角度が４０度より大きいと、攪拌ピンに対する螺旋溝長さが短くなるので、ショルダー部から金属が掻き出されにくくなる。したがって、いずれの場合も空隙が潰れる可能性がある。また、攪拌ピンの基端側に平坦面部を形成すれば、金属部材の深い位置に大きな空隙を形成することができるとともに、表面欠陥がより形成されにくい。

また、前記攪拌ピンの外周面に前記螺旋溝を一周以上巻き回すことが好ましい。螺旋溝の巻回が一周未満であると、空隙のいずれか一方の側壁に塑性化された金属が残存し、空隙が潰れる可能性があるが、かかる構成によれば、金属がバランスよく塑性流動化されるため、空隙が潰れるのを回避できる。

また、前記ショルダー部の底面に突条を突設し、前記突条を、前記攪拌ピンの周囲に渦巻き状に形成することが好ましい。かかる構成によれば、形成される空隙が比較的整った形状となる。

また、前記攪拌ピンを、先端から基端まで一定の外径で形成することが好ましい。かかる構成によれば、空隙の幅を一定にすることができる。

本発明に係る空隙形成方法によれば、摩擦攪拌によって金属部材の内部に空隙を形成する際に、空隙が潰れにくくなり、かつ、金属部材に表面欠陥ができにくくなる。

本実施形態に係る空隙形成用回転ツールを示す図であって、（ａ）は側面図、（ｂ）は底面図を示す。本実施形態に係る空隙形成方法を示す図であって、（ａ）は側断面図、（ｂ）は（ａ）のI−I縦断面図を示す。（ａ）は第一変形例を示す側面図であり、（ｂ）は第二変形例を示すショルダー部の底面図である。第三変形例を示す側面図である。螺旋溝角度試験で用いた空隙形成用回転ツールであって、（ａ）はツールＮＯ.Ｓ１、（ｂ）はツールＮＯ.Ｓ２、（ｃ）はツールＮＯ.Ｓ３の側面図及び底面図を示す。螺旋溝角度試験の試験結果を示す金属部材の平面図であって、（ａ）はツールＮＯ.Ｓ１の結果、（ｂ）はツールＮＯ.Ｓ２の結果、（ｃ）はツールＮＯ.Ｓ３の結果を示す。（ａ）は、図６の（ａ）のII−II断面図、（ｂ）は図６の（ｂ）のII−II断面図、（ｃ）は図６の（ｃ）のII−II断面図である。螺旋溝角度試験における空隙面積と隙間との関係をツール別に示すグラフである。螺旋溝角度試験における空隙面積と隙間との関係を移動速度別に示すグラフである。螺旋溝角度試験における空隙面積と移動速度との関係を隙間別に示すグラフである。ショルダー部外径試験で用いた空隙形成用回転ツールであって、（ａ）はツールＮＯ.Ｔ１、（ｂ）はツールＮＯ.Ｔ２、（ｃ）はツールＮＯ.Ｔ３の側面図及び底面図を示す。ショルダー部外径試験の試験結果を示す金属部材の平面図であって、（ａ）はツールＮＯ.Ｔ１の結果、（ｂ）はツールＮＯ.Ｔ２の結果、（ｃ）はツールＮＯ.Ｔ３の結果を示す。（ａ）は図１２の（ａ）のIII−III断面図、（ｂ）は図１２の（ｂ）のIII−III断面図、（ｃ）は図１２の（ｃ）のIII−III断面図である。ショルダー部外径試験における空隙面積と隙間との関係をツール別に示すグラフである。ショルダー部外径試験における空隙面積と隙間との関係をツール別に示すグラフである。ショルダー部外径試験における空隙面積とショルダー部の外径との関係を隙間別に示すグラフである。ショルダー部外径試験における空隙面積とショルダー部の外径との関係を隙間別に示すグラフである。突条試験で用いた空隙形成用回転ツールであって、（ａ）はツールＮＯ.Ｓ３−１、（ｂ）はツールＮＯ.Ｓ３−２、（ｃ）はツールＮＯ.Ｓ３−３の側面図及び底面図を示す。突条試験の試験結果を示す金属部材の断面図であって、（ａ）はツールＮＯ.Ｓ３−１の結果、（ｂ）はツールＮＯ.Ｓ３−２の結果、（ｃ）はツールＮＯ.Ｓ３−３の結果を示す。突条試験における空隙面積と隙間との関係をツール別に示すグラフである。攪拌ピン外径試験で用いた空隙形成用回転ツールであって、（ａ）はツールＮＯ.Ｕ１、（ｂ）はツールＮＯ.Ｕ２、（ｃ）はツールＮＯ.Ｕ３、（ｄ）はツールＮＯ.Ｕ４の側面図及び底面図を示す。攪拌ピン外径試験の試験結果を示す断面図であって、（ａ）はツールＮＯ.Ｕ１の結果、（ｂ）はツールＮＯ.Ｕ２の結果、（ｃ）はツールＮＯ.Ｕ３の結果、（ｄ）はツールＮＯ.Ｕ４の結果を示す。攪拌ピン外径試験における空隙面積と隙間との関係をツール別に示すグラフである。攪拌ピン外径試験における空隙面積と隙間との関係をツール別に示すグラフである。攪拌ピン外径試験における空隙面積と攪拌ピンの外径との関係を隙間別に示すグラフである。空隙深さ試験で用いた空隙形成用回転ツールであって、（ａ）はツールＮＯ.Ｔ２、（ｂ）はツールＮＯ.Ｔ２−１、（ｃ）はツールＮＯ.Ｔ２−２の側面図及び底面図を示す。空隙深さ試験の試験結果を示す断面図であって、（ａ）及び（ｂ）はツールＮＯ.Ｔ２の結果、（ｃ）及び（ｄ）はツールＮＯ.Ｔ２−１の結果を示す。空隙深さ試験の試験結果を示す断面図であって、（ａ）及び（ｂ）はツールＮＯ.Ｔ２−２の結果を示す。空隙深さ試験における空隙深さと平坦面部の高さとの関係を隙間別に表したグラフである。空隙深さ試験における空隙深さと平坦面部の高さとの関係を隙間別に表したグラフである。空隙深さ試験における空隙面積と隙間との関係を螺旋溝部の高さ別に表したグラフである。空隙深さ試験における空隙面積と隙間との関係を螺旋溝部の高さ別に表したグラフである。実施例における各ツールと形成された空隙の状況とを現した表である。実施例における各ツールと形成された空隙の状況とを現した表である。

本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。図１に示すように、本実施形態に係る空隙形成用回転ツール１は、ショルダー部２と、攪拌ピン３とを有する。空隙形成用回転ツール１は、例えば工具鋼等で形成されている。空隙形成用回転ツール１は、金属部材内で回転させつつ移動させることにより、金属部材の内部にトンネル状の空隙を形成するツールである。このツールで形成されたトンネル状の空隙に気体や液体等の流体を流すことで、例えば金属部材を冷却板として利用することができる。

ショルダー部２は、円柱状を呈し、図示しない摩擦攪拌装置に接続される。ショルダー部２の底面２ａには、突条２ｂが形成されている。突条２ｂは、図１の（ｂ）に示すように、攪拌ピン３の周囲に渦巻き状に形成されている。突条２ｂの断面形状は特に制限されないが、本実施形態では矩形になっている。突条２ｂの巻き数は特に制限されないが、本実施形態では約１周半以上巻き回されている。突条２ｂを備えることにより、摩擦攪拌の際に塑性流動化された金属（母材）が攪拌ピン３の基端側の周囲に流動されやすくなる。

突条２ｂの開始位置（攪拌ピン３の基端から突条２ｂの開始位置までの距離Ｐ１）や、突条２ｂのスクロールピッチ（突条２ｂ間距離Ｐ２）は、特に制限されるものではなく適宜設定すればよい。また、突条２ｂは、設けなくてもよい。

攪拌ピン３は、ショルダー部２と同心であってショルダー部２の底面２ａに垂下されている。また、攪拌ピン３は、本実施形態では先細りになっている。攪拌ピン３の長さは、特に制限されるものではなく適宜設定すればよい。

本実施形態では、ショルダー部２の外径Ｘ１と攪拌ピン３の先端の外径Ｙ２とをＸ１／Ｙ２＝１．４〜２．２となるように設定している。このようにすると摩擦攪拌によって金属部材の内部に空隙を形成する際に、空隙が潰れにくく、かつ、金属部材に表面欠陥ができにくい。また、摩擦攪拌装置に与える負荷を軽減することができる。根拠については後記する。

攪拌ピン３の外周面には、攪拌ピン３の先端から基端まで螺旋溝３ａが形成されている。螺旋溝３ａは、本実施形態では、ボールエンドミルで溝加工して形成されている。螺旋溝３ａの断面形状は特に制限されないが、本実施形態では半円になっている。螺旋溝３ａは、本実施形態では上方から下方にたどったときに右回りに形成されている（右ネジ）。

攪拌ピン３の軸方向を法線とする基準面に対する螺旋溝３ａの角度（リード角）αは、２０〜４０度の間で適宜設定されるのが好ましい。螺旋溝３ａの角度αが２０度未満であると、角度が浅すぎてショルダー部２から塑性流動化された金属が掻き出されにくい。一方、螺旋溝３ａの角度αが４０度より大きいと、攪拌ピン３に対する螺旋溝３ａの長さが短くなるので、ショルダー部２から塑性流動化された金属が掻き出されにくくなる。したがって、いずれの場合も空隙が潰れる傾向がある。

螺旋溝３ａの軸方向に対する巻回数は、特に制限されないが、少なくとも一周以上巻き回されていることが好ましい。一周以上巻き回されていると、空隙を大きく形成することができる。螺旋溝３ａの巻回数が一周未満であると、攪拌ピン３に対する螺旋溝３ａの位置に偏りが生じるため、形成された空隙のいずれか一方の側壁に塑性流動化された金属が残存する可能性がある。
なお、螺旋溝３ａは、本実施形態では、前記したように構成したが、上方から下方にたどったときに左回りに形成してもよい（左ネジ）。

次に、本実施形態に係る空隙形成方法について説明する。図２に示すように、本実施形態では、平板状の金属部材Ｚを加工する場合を例示する。金属部材Ｚの素材は特に制限されないが、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金、チタン、チタン合金、マグネシウム、マグネシウム合金等摩擦攪拌可能な金属から選択すればよい。

金属部材Ｚの上方で空隙形成用回転ツール１を回転させて、金属部材Ｚの表面Ｚａに攪拌ピン３を押入し、一定の高さに保った状態で金属部材Ｚに対して相対的に空隙形成用回転ツール１を移動させる。空隙形成用回転ツール１の回転速度は、特に制限されないが、例えば７００〜１３００ｒｐｍの間で設定する。また、空隙形成用回転ツール１の移動速度は、例えば２００ｍｍ／ｍｉｎ〜４００ｍｍ／ｍｉｎの間で設定する。ショルダー部２の底面２ａと金属部材Ｚの表面Ｚａとは当接させつつ移動させてもよいし、隙間をあけて移動させてもよい。ショルダー部２の底面２ａと金属部材Ｚの表面Ｚａとの隙間（距離）Ｋは、例えば０〜３．０ｍｍの間で適宜設定すればよい。

図２の（ａ）に示すように、本実施形態では、上方から下方に向かうにしたがって右回りに螺旋溝３ａが形成されているため、空隙形成方法では、上方から見て右回りに空隙形成用回転ツール１を回転させる。つまり、螺旋溝３ａによって塑性流動化された金属が金属部材Ｚの表面Ｚａに掻き上げられる方向に空隙形成用回転ツール１を回転させつつ移動させる。

ちなみに、螺旋溝３ａを上方から下方に向かうにしたがって左回りに形成した場合は、塑性流動化された金属が金属部材Ｚの表面Ｚａに巻き上げられる方向、つまり左回りに空隙形成用回転ツール１を回転させる。

空隙形成方法では、空隙形成用回転ツール１によって金属部材Ｚが摩擦攪拌され、螺旋溝３ａによって上方への塑性流動が生じる。これにより、溶融した金属が螺旋溝３ａに導かれて金属部材Ｚの表面Ｚａ側に掻き出される。掻き出された金属は、底面２ａと接触しつつ、空隙形成用回転ツール１の押圧力によって押さえ込まれる。空隙形成用回転ツール１が通り過ぎた跡には、金属が掻き出されることによって形成されたトンネル状の空隙Ｍが形成されるとともに、空隙Ｍの上に塑性化領域Ｚ２が形成される。

ここで、図２の（ｂ）に示すように、摩擦攪拌後の金属部材Ｚは、本体部Ｚ１と、本体部Ｚ１の内部に形成された空隙Ｍと、空隙Ｍの上部を覆う塑性化領域Ｚ２と、で構成される。塑性化領域Ｚ２は、摩擦攪拌によって金属が塑性流動化された後、硬化して形成された部位である。塑性化領域Ｚ２は、本実施形態では断面視逆錐台形状を呈し、空隙Ｍの上方を覆うように形成される。塑性化領域Ｚ２は、攪拌ピン３によって摩擦攪拌された金属が、ショルダー部２の底面２ａによって押さえられることにより形成される。摩擦攪拌された金属のうち、ショルダー部２の底面２ａから溢れ出た金属はバリＶとなって表面Ｚａに露出する。バリＶは、切削するなどして除去することが好ましい。

空隙Ｍは、本実施形態では断面視略矩形で形成されている。空隙Ｍは、本実施形態では、密閉空間となっており、塑性化領域Ｚ２の内部や、本体部Ｚ１と塑性化領域Ｚ２の境界部分に空隙Ｍに連通する表面欠陥は形成されていない。なお、空隙Ｍの上端から表面Ｚａまでの距離を、「空隙深さＤ」とする。

空隙形成用回転ツール１の形状によっては、金属が好適に掻き出されずに、空隙Ｍが潰れてしまう可能性がある。一方、金属が掻き出され過ぎて、塑性化領域Ｚ２が薄くなり、塑性化領域Ｚ２の内部や、本体部Ｚ１と塑性化領域Ｚ２の境界部分に空隙Ｍに連通する表面欠陥が形成されてしまう可能性がある。
しかし、空隙形成用回転ツール１によれば、金属を好適に掻き出すとともに、掻き出された金属をショルダー部２の底面２ａで押さえることができるため、空隙Ｍが潰れにくく、かつ、金属部材Ｚに表面欠陥ができにくい。また、摩擦攪拌装置に与える負荷を軽減することができる。ショルダー部２の外径Ｘ１と攪拌ピン２の先端の外径Ｙ２との比率や螺旋溝の角度αの数値等の条件については実施例で述べる。

また、本実施形態に係る攪拌ピン３は先細り形状であるため、金属部材Ｚに押入する際の圧入抵抗を小さくすることができる。

＜第一変形例＞
次に、本発明の第一変形例について説明する。第一変形例に係る空隙形成用回転ツール１Ａでは、攪拌ピン３に平坦面部１１と螺旋溝部１２とを備えている点で前記した実施形態と相違する。

第一変形例に係る攪拌ピン３の外周面には、図３の（ａ）に示すように、溝が形成されていない平坦面部１１と、螺旋溝３ａが形成された螺旋溝部１２とを有する。平坦面部１１の外周面は、平坦になっており、攪拌ピン３の基端から、攪拌ピン３のほぼ中央まで形成されている。

一方、螺旋溝部１２の外周面には、先端からほぼ中央まで（平坦面部１１まで）螺旋溝３ａが形成されている。螺旋溝３ａは、少なくとも一周以上巻き回されていることが好ましい。螺旋溝部１２の高さＨ１は、金属部材Ｚに対する形成予定の隙間Ｍの深さに応じて適宜設定すればよいが、例えば、高さＨ１は攪拌ピン３の長さに対して３０〜７０％（平坦面部１１の高さは攪拌ピン３の長さに対して７０％〜３０％）の長さにするのが好ましい。

図１に示す空隙形成用回転ツール１では、攪拌ピン３の先端から基端まで螺旋溝３ａが形成されているため、金属が比較的掻き出されやすく、空隙深さＤが比較的小さく（浅く）なる傾向がある。
しかし、第一変形例に係る空隙形成用回転ツール１Ａによれば、螺旋溝部１２によって金属が掻き出されて空隙Ｍが形成されるが、平坦面部１１で摩擦攪拌される金属はショルダー部２から外部に掻き出されにくい。したがって、塑性化領域Ｚ２の厚みが大きくなるため、空隙深さＤを大きく（深く）することができる。これにより、金属部材Ｚの深い位置に大きな空隙Ｍを形成することができるとともに、塑性化領域Ｚ２の内部や、本体部Ｚ１と塑性化領域Ｚ２との境界部分に表面欠陥がより形成されにくい。

＜第二変形例＞
次に、本発明の第二変形例について説明する。図３の（ｂ）に示すように、第二変形例に係る空隙形成用回転ツール１Ｂでは、ショルダー部２の底面２ａに形成された突条２ｂが断続的に形成されている点で前記した実施形態と相違する。

第二変形例に係る突条２ｂは、突条２を分断する複数の切欠き部２ｃを備えている。切欠き部２ｃを備えることにより、塑性流動化された金属が切欠き部２ｃを通るため、ショルダー部２の底面２ａの半径方向に塑性流動化された金属が流動しやすくなっている。これにより、攪拌ピン３の基端の周囲に金属が集まりやすく、かつ、切欠き部２ｃから塑性流動化された金属が掻き出されやすくなる。これにより、比較的大きな空隙Ｍを形成することができる。なお、切欠き部２ｃの個数や大きさは適宜設定すればよい。

＜第三変形例＞
次に、本発明の第三変形例について説明する。図４に示すように、第三変形例に係る空隙形成用回転ツール１Ｃでは、攪拌ピン３の外径が一定である点で前記した実施形態と相違する。

空隙形成用回転ツール１Ｃの攪拌ピン３の基端の外径Ｙ１と先端の外径Ｙ２は同等になっている。このように攪拌ピン３の外径を一定としてもよい。これにより、空隙形成方法で形成される空隙Ｍを一定の幅で形成することができる。

以上本発明の実施形態及び変形例について説明したが、本発明の趣旨を反しない範囲において適宜設計変更が可能である。

＜試験概要＞
次に、本発明の実施例について説明する。実施例では、空隙形成用回転ツールを構成する各要素の形状、大きさ、比率等を変化させて空隙形成方法を行い、形成された空隙を観察した。なお、説明の便宜上、空隙形成用回転ツールを以下単に「ツール」ともいう。

実施例では、大きく分けて５種類の試験を行った。ツールの螺旋溝の角度（リード角）の影響を調査する「螺旋溝角度試験」、ショルダー部の外径の影響を調査する「ショルダー部外径試験」、ショルダー部の底面の突条の影響を調査する「突条試験」、攪拌ピンの外径の影響を調査する「攪拌ピン外径試験」、形成された塑性化領域の空隙深さを調査する「空隙深さ試験」を行った。

空隙深さ試験においては、Ａ１０５０合金板を使用し、他の試験においては、Ａ１１００合金板を使用した。攪拌ピンに形成された螺旋溝の断面形状は半円形状を呈し、その半径は１．５ｍｍになっている。突条の開始位置（図１の（ｂ）の距離Ｐ１）は３．０ｍｍとし、スクロールピッチ（図１の（ｂ）の距離Ｐ２）は２．５ｍｍとした。

空隙形成方法では、前記合金板に回転させたツールを押入し、所定の距離を移動させた。ツールの回転数は８００ＲＰＭを基本とし、空隙深さ試験では１２７５ＲＰＭでも摩擦攪拌を行ってツールの回転数の影響についても調査した。

ツールの移動速度は１００ｍｍ／ｍｉｎ又は、３００ｍｍ／ｍｉｎで移動させた。また、螺旋溝角度試験においては、移動速度を５０〜３００ｍｍ／ｍｉｎの間で変化させて移動速度との影響についても調査した。

さらに、各試験において、金属部材の表面からショルダー部の底面までの隙間（図２の（ａ）の距離Ｋ）を０ｍｍ、１．０ｍｍ、２．０ｍｍ、３．０ｍｍと変化させ、単一の金属部材上で摩擦攪拌を行ってそれぞれ形成された空隙を比較した。いずれの合金板（試験体）においても、合金板の中央部を切断して、研磨、エッチングした後、形成された空隙の形状を観察した。また、画像装置を用いて形成された空隙の断面積を計測した。

＜螺旋溝角度試験＞
螺旋溝角度試験では、攪拌ピン３の螺旋溝３ａの角度の影響を調査した。図５に示すように、この試験では三種類のツールＮＯ.Ｓ１〜Ｓ３を使用した。螺旋溝３ａの水平面との角度を、ツールＮＯ.Ｓ１では４０度、ツールＮＯ.Ｓ２では３０度、ツールＮＯ.Ｓ３では２０度に設定した。また、各ツールの螺旋溝の攪拌ピン３の軸方向に対する巻回数は、ツールＮＯ.Ｓ１では約０．８周、ツールＮＯ.Ｓ２では約１．３周、ツールＮＯ.Ｓ３では約２．３周になっている。

螺旋溝３ａの角度以外の構成は、三種類とも同等であって、ショルダー部２の外径は２２ｍｍ、攪拌ピン３の基端の外径は１０ｍｍ、先端の外径は７ｍｍ、攪拌ピン３の長さは１１ｍｍに設定した。また、いずれのツールもショルダー部２の底面２ａに、渦巻き状の突条２ｂを備えている。突条２ｂの高さは１ｍｍとした。

図６は、螺旋溝角度試験の試験結果を示す金属部材の平面図であって、（ａ）はツールＮＯ.Ｓ１の結果、（ｂ）はツールＮＯ.Ｓ２の結果、（ｃ）はツールＮＯ.Ｓ３の結果を示す。図６の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）とも金属部材Ｚ（本体部Ｚ１）の表面Ｚａに四本の塑性化領域Ｚ２が形成されている。塑性化領域Ｚ２は、図面の上から順番に、金属部材Ｚの表面Ｚａからショルダー部２の底面２ａまでの隙間が０ｍｍの場合、１．０ｍｍの場合、２．０ｍｍの場合、３．０ｍｍの場合の結果を示している。
図７の（ａ）は、図６の（ａ）のII−II断面図、（ｂ）は図６の（ｂ）のII−II断面図、（ｃ）は図６の（ｃ）のII−II断面図である。

図６の（ａ）〜（ｃ）に示すように、隙間０ｍｍ、１．０ｍｍの条件では、ショルダー部２の底面２ａの全面が塑性流動化された金属と接触して大きなバリＶが発生している。隙間２．０ｍｍでは、ショルダー部２の底面２ａの全面が塑性流動化された金属と接触しているが、バリＶが比較的少なかった。隙間３．０ｍｍでは、塑性流動化して形成された塑性化領域Ｚ２の幅が、ショルダー部２の外径Ｘ１（図１の（ａ）参照）よりも短かった。

ここで、図６及び図７に示すように、ツールの回転速度にツールの移動速度が加算される側を「Advancing side」（以下、「Ａｄ側」とも言う）、ツールの回転速度にツールの移動速度が減算される側を「Retreating side」（以下、「Ｒｅ側」とも言う）とする。本実施形態では、ツールを右回転させつつ、図６の左から右方向に移動させているため、進行方向左側がＡｄ側、右側がＲｅ側となる。

図７の（ａ)に示すように、ツールＮＯ.Ｓ１における空隙Ｍは、縦に細長い矩形状を呈する。塑性化領域Ｚ２は、空隙Ｍの上方を覆っているが、その一部は空隙ＭのＲｅ側の側壁に残存している。
一方、ツールＮＯ.Ｓ２及びツールＮＯ.Ｓ３において、隙間１．０〜３．０の条件では、略同一形状の空隙Ｍが形成されており、空隙Ｍの側壁には塑性流動化された金属が残存せずに、外部に排出されている。

ツールＮＯ.Ｓ１〜Ｓ３では、隙間が大きくなるにしたがって、空隙Ｍの高さ位置が金属部材Ｚの上方に移動するとともに、空隙Ｍの高さも大きくなることがわかった。また、ツールＮＯ.Ｓ１〜Ｓ３で隙間が大きくなるにしたがって、塑性化領域Ｚ２の断面積が小さくなり、空隙Ｍの上端から金属部材Ｚの表面Ｚａまでの空隙深さＤが小さくなることが分かった。

また、ツールＮＯ.Ｓ２及びツールＮＯ.Ｓ３では、形成された空隙Ｍの幅と攪拌ピン２の先端の外径は略同等であったが、ツールＮＯ.Ｓ１では、形成された空隙の幅は攪拌ピン２の先端の外径よりも小さかった。図７の（ａ）に示すように、空隙ＭのＲｅ側の側壁に塑性化領域Ｚ２の一部が残存している。これは、ＮＯ.Ｓ１ツールの螺旋溝３ａの角度と巻回数に起因すると考えられる。

ツールＮＯ.Ｓ１は、螺旋溝３ａの角度が４０度と深いため、攪拌ピン３に対する螺旋溝の長さが短い。したがって、塑性流動化された金属が排出されにくいと考えられる。また、ツールＮＯ.１では、螺旋溝３ａの巻回数が一周未満であるため、攪拌ピン３に対する螺旋溝３ａの位置に偏りが生じている。このため、形成された空隙Ｍの一方の側壁（ここではＲｅ側）に塑性化された金属が残存すると考えられる。

図８は、螺旋溝角度試験における空隙面積と隙間との関係をツール別に示すグラフである。図７及び図８に示すように、ツールＮＯ.Ｓ２及びツールＮＯ.Ｓ３で形成した空隙Ｍの空隙面積は、略同等であったが、ツールＮＯ.Ｓ１で得られた空隙面積は、ツールＮＯ.Ｓ２及びツールＮＯ.Ｓ３の空隙面積よりも小さかった。

また、図８に示すように、ツールＮＯ.Ｓ１〜Ｓ３で隙間が増加するにしたがって、空隙面積（空隙Ｍの断面積）が増加した。要するに、金属部材Ｚからツールを離して、塑性流動化された金属を掻き出しやすくすると、空隙Ｍの空隙面積を大きくすることができることがわかった。ツールＮＯ.Ｓ１〜Ｓ３とも空隙面積の増加割合（グラフの傾き）は、約７ｍｍ^２／ｍｍであって攪拌ピン３の先端の外径と略同等になった。

図９は、螺旋溝角度試験における空隙面積と隙間との関係を移動速度別に示すグラフである。ツールＮＯ.Ｓ１〜Ｓ３ともに略同様な結果となったので、図９では代表例としてツールＮＯ.Ｓ２の結果を示している。
図１０は、螺旋溝角度試験における空隙面積と移動速度との関係を隙間別に示したグラフである。図１０では、ツールＮＯ.Ｓ３で得られた空隙面積と移動速度との関係を示している。
図９及び図１０から明らかなように、空隙面積は、移動速度の変化によってはさほど影響を受けないことがわかった。

＜ショルダー部外径試験＞
ショルダー部外径試験では、ショルダー部２の外径の影響を調査した。図１１に示すように、この試験では三種類のツールＮＯ.Ｔ１〜Ｔ３を使用した。ショルダー部２の外径を、ツールＮＯ.Ｔ１では２０ｍｍ、ツールＮＯ.Ｔ２では１８ｍｍ、ツールＮＯ.Ｔ３では１６ｍｍに設定した。ショルダー部２の外径以外の構成は、三種類とも同等であって、攪拌ピン３の基端の外径は１０ｍｍ、先端の外径は７ｍｍ、攪拌ピン３の長さは１１ｍｍに設定した。また、いずれのツールもショルダー部２の底面２ａに、渦巻き状の突条２ｂを備えている。突条２ｂの高さは１ｍｍとした。

図１２は、ショルダー部外径試験の試験結果を示す金属部材の平面図であって、（ａ）はツールＮＯ.Ｔ１の結果、（ｂ）はツールＮＯ.Ｔ２の結果、（ｃ）はツールＮＯ.Ｔ３の結果を示す。また、図１３の（ａ）は図１２の（ａ）のIII−III断面図、（ｂ）は図１２の（ｂ）のIII−III断面図、（ｃ）は図１２の（ｃ）のIII−III断面図である。なお、図５の（ｃ）に示すように、前記したツールＮＯ.Ｓ３は、ショルダー部２の外径が２２ｍｍであり、他の構成がツールＮＯ.Ｔ１〜Ｔ３と同等であるので、図６の（ｃ）、図７の（ｃ）とも対比して考察する。

ショルダー部２の外径を小さくすることによって、隙間が２．０ｍｍであってもショルダー部２の底面２ａに塑性流動化された金属が接触してＲｅ側からバリＶが多く排出されていることがわかった。隙間３．０ｍｍでは、Ｒｅ側にバリＶが排出されているが、ツールＮＯ.Ｔ１、ツールＮＯ.Ｔ３で塑性化領域Ｚ２の金属が不足して空隙Ｍに連通する表面欠陥Ｅが形成された。

一方、ショルダー部２の外径が小さくなるにしたがって、空隙Ｍの高さが増加した。ショルダー部２の外径を小さくすることにより、ショルダー部２の底面２ａによって押えられる金属が減少する。このため、塑性流動化された金属が掻き出されやすくなり、空隙Ｍの高さの増加に繋がったと考えられる。

図１４及び図１５は、いずれもショルダー部外径試験における空隙面積と隙間との関係をツール別に示すグラフであって、図１４は移動速度を１００ｍｍ／ｍｉｎ、図１５は移動速度を３００ｍｍ／ｍｉｎに設定した場合の結果を示している。

図１４及び図１５に示すように、全てのツールで隙間が大きくなるにしたがって、空隙面積が増加した。要するに、金属部材Ｚからツールを離して、塑性流動化された金属を掻き出しやすくすると、空隙Ｍの空隙面積を大きくすることができることがわかった。ツールＮＯ.Ｓ３、ツールＮＯ.Ｔ１〜Ｔ３とも空隙面積の増加割合（増加の傾き）は、約７ｍｍ^２／ｍｍであり攪拌ピン３の先端の外径と同等になった。

図１６及び図１７は、いずれもショルダー部外径試験における空隙面積とショルダー部の外径との関係を隙間別に示すグラフであって、図１６は移動速度を１００ｍｍ／ｍｉｎ、図１７は移動速度を３００ｍｍ／ｍｉｎに設定した場合の結果を示している。

図１６及び図１７に示すように、隙間２．０ｍｍの条件では、ショルダー部２の外径が２２ｍｍで得られた空隙面積と、ショルダー部２の外径が２０ｍｍで得られた空隙面積とが略同等であった。ショルダー部２の外径が２０ｍｍから１６ｍｍの範囲では、ショルダー部２の外径が減少するにしたがって、空隙面積が増加した。空隙面積の増加割合（増加の傾き）は、約５ｍｍ^２／ｍｍであった。

図１６に示すように、移動速度が１００ｍｍ／ｍｉｎで隙間３．０ｍｍの条件では、ショルダー部２の外径が２２ｍｍから１６ｍｍの範囲でショルダー部２の外径が小さくなるにしたがって、空隙面積が直線的に増加した。これは、ショルダー部２の外径が小さくなるにしたがってショルダー部２からの加圧が減少して、排出される金属が増加するためであると考えられる。
一方、図１７に示すように、移動速度が３００ｍｍ／ｍｉｎの条件で隙間３．０ｍｍの条件では、ショルダー部２の外径が１６ｍｍ、１８ｍｍで塑性化領域に表面欠陥が発生したので空隙面積が減少した。

＜突条試験＞
突条試験では、ショルダー部２の底面２ａに形成された突条２ｂの影響を調査した。図１８に示すように、この試験では三種類の空隙形成用回転ツールツールＮＯ.Ｓ３−１〜Ｓ３−３を使用した。突条２ｂの切欠き部２ｃの幅を、ツールＮＯ.Ｓ３−１では２ｍｍ、ツールＮＯ.Ｓ３−２では６ｍｍに設定した。ツールＮＯ.Ｓ３−３では突条を設けていない。突条２ｂ以外の構成は、三種類とも同等であって、ショルダー部２の外径は２２ｍｍ、攪拌ピン３の基端の外径は１０ｍｍ、先端の外径は７ｍｍ、攪拌ピンの長さは１１ｍｍに設定した。

図１９は、突条試験の試験結果を示す金属部材の断面図であって、（ａ）はツールＮＯ.Ｓ３−１の結果、（ｂ）はツールＮＯ.Ｓ３−２の結果、（ｃ）はツールＮＯ.Ｓ３−３の結果を示す。図２０は、突条試験における空隙面積と隙間との関係をツール別に示すグラフである。なお、図５の（ｃ）に示すように、前記した空隙形成用回転ツールツールＮＯ.Ｓ３は、切欠き部２ｃの無い突条２ｂを備えており、他の構成がツールＮＯ.Ｓ３−１〜Ｓ３−３と同等であるので、図６の（ｃ）、図７の（ｃ）とも対比して考察する。

図７の（ｃ）、図１９の（ａ）及び図２０に示すように、ツールＮＯ.３、ツールＮＯ.３−１及びツールＮＯ.３−３との空隙面積は略同等であった。ツールＮＯ.３の結果とツールＮＯ.３−３の結果とを対比すると、突条２ｂの有無では空隙面積の結果に影響が無いことがわかった。しかし、図７の（ｃ）と図１９の（ｃ）を対比すると、突条２ｂを有するツールＮＯ.３の空隙Ｍの方が、形状が整っていることがわかった。これは、突条２ｂがあることで、攪拌ピン３の基端側の周囲に塑性流動化された金属が集まりやすいことに起因すると考えられる。

ツールＮＯ.３−２のように、切欠き部２ｃの長さが６ｍｍとその長さが比較的大きいと、空隙面積も大きかった。これは、切欠き部２ｃの長さが大きいと、塑性流動化された金属がショルダー部２の底面２ａの半径方向に流れやすくなり、この金属が掻き出されやすくなることに起因すると考えられる。

＜攪拌ピン外径試験＞
攪拌ピン外径試験では、攪拌ピン３の外径を一定にしつつ、外径の大きさを可変させて攪拌ピン３の外径の影響を調査した。図２１に示すように、この試験では４種類の空隙形成用回転ツールツールＮＯ.Ｕ１〜Ｕ４を使用した。攪拌ピン３の外径を、ツールＮＯ.Ｕ１では１０ｍｍ、ツールＮＯ.Ｕ２では１２ｍｍ、ツールＮＯ.Ｕ３では１４ｍｍ、ツールＮＯ.Ｕ４では１６ｍｍに設定した。攪拌ピン３の外径以外の構成は、四種類とも同等であって、ショルダー部２の外径は２２ｍｍ、攪拌ピン３の長さは１１ｍｍに設定した。また、いずれのツールもショルダー部２の底面２ａに、渦巻き状の突条２ｂを備えている。突条２ｂの高さは１ｍｍとした。

図２２の（ｄ）に示すように、ツールＮＯ.Ｕ４の隙間３．０ｍｍの条件では、表面欠陥Ｅができることがわかった。図２２及び図２３に示すように、ツールＮＯ.Ｕ１〜Ｕ４で隙間が大きくなるにしたがって空隙面積も大きくなることがわかった。ツールＮＯ.Ｕ１〜Ｕ３の空隙面積の増加割合（グラフの傾き）は、それぞれのツールの攪拌ピン３の外径に近い値となった。

つまり、ツールＮＯ.Ｕ１の空隙面積の増加割合（グラフの傾き）は図２３では１０ｍｍ^２／ｍｍ、図２４では１０．７ｍｍ^２／ｍｍ、ツールＮＯ.Ｕ２の空隙面積の増加割合は図２３では１２．６ｍｍ^２／ｍｍ、図２４では１２．５ｍｍ^２／ｍｍ、ツールＮＯ.Ｕ３の空隙面積の増加割合は図２３では１３．７ｍｍ^２／ｍｍ、図２４では１４．４ｍｍ^２／ｍｍであった。これは、各ツールとも隙間を１ｍｍ大きくすると、攪拌ピン３の外径分空隙Ｍが増えることになるため、形成される空隙面積も攪拌ピン３の外径分大きくなると考えられる。

なお、図２３及び図２４に示すように、移動速度の差異は、空隙面積には影響しないことがわかった。また、図２５に示すように、攪拌ピン３の外径が大きくなるにしたがって、空隙面積も増加するが、その増加傾向は二次関数的であることがわかった。

＜空隙深さ試験＞
空隙深さ試験では、図３の（ａ）に示すように、螺旋溝３ａが形成されていない平坦面部１１を備えた空隙形成用回転ツールを用いて、形成される空隙Ｍの深さ位置を調査した。図２６に示すように、この試験では３種類の空隙形成用回転ツールを使用した。ツールＮＯ.Ｔ２は、比較例であって図１１の（ｂ）で示すツールと同等である。

図２７の（ａ）に示すように、ツールＮＯ.Ｔ２の螺旋溝部１２の高さは、攪拌ピン３の長さと同等であって１１．０ｍｍである。図２７の（ｃ）に示すように、ツールＮＯ.Ｔ２−１の平坦面部１１の高さは３．５ｍｍ、螺旋溝部１２の高さは７．５ｍｍである。図２８の（ａ）に示すように、ツールＮＯ.Ｔ２−２の平坦面部１１の高さは６．０ｍｍ、螺旋溝部１２の高さは５．０ｍｍである。

螺旋溝部１２の高さ以外の構成は、三種類とも同等であって、ショルダー部２の外径は１８ｍｍ、攪拌ピン３の基端の外径は１０ｍｍ、先端の外径は７ｍｍとした。いずれのツールもショルダー部２の底面２ａに、渦巻き状の突条２ｂを備えている。突条２ｂの高さは１ｍｍとした。なお、空隙深さ試験では、金属部材Ｚの表面Ｚａからショルダー部２の底面２ａまでの隙間は０ｍｍ、１．０ｍｍ、２．０ｍｍの三種類とした。また、各ツールにおいて、８００ＲＰＭと１２７５ＲＰＭの二種類の回転数で試験を行った。

図２７は、空隙深さ試験の試験結果を示す断面図であって、（ａ）及び（ｂ）はツールＮＯ.Ｔ２の結果、（ｃ）及び（ｄ）はツールＮＯ.Ｔ２−１の結果を示す。図２８は、空隙深さ試験の試験結果を示す断面図であって、（ａ）及び（ｂ）はツールＮＯ.Ｔ２−２の結果を示す。図２９は、空隙深さ試験における空隙深さと平坦面部の高さとの関係を隙間別に表したグラフである。図３０は、空隙深さ試験における空隙深さと平坦面部の高さとの関係を隙間別に表したグラフである。図２９と図３０とはツールの回転数が相違し、図２９に係る試験の回転数は８００ＲＰＭ、図３０に係る試験の回転数は１２７５ＲＰＭである。

図２９及び図３０に示すように、平坦面部１１の高さ（攪拌ピン３の長さ−螺旋溝部１２の高さ）が大きくなるほど、空隙深さＤも大きくなることがわかった。また、隙間が小さくなるほど空隙深さＤが大きくなることがわかった。図２９と図３０とを対比すると、ツールの回転数が高い方が空隙深さＤが若干大きくなることがわかった。

図３１は、空隙深さ試験における空隙面積と隙間との関係を螺旋溝部の高さ別に表したグラフである。図３２は、空隙深さ試験における空隙面積と隙間との関係を螺旋溝部の高さ別に表したグラフである。図３１と図３２とはツールの回転数が相違し、図３１に係る試験の回転数は８００ＲＰＭ、図３２に係る試験の回転数は１２７５ＲＰＭである。

図３１，３２及び図２７，２８に示すように、螺旋溝部１１の高さが大きくなるほど、空隙面積が大きくなることがわかった。図３１と図３２とを対比すると、ツールの回転数は空隙面積の増減にはほぼ影響がないことがわかった。
以上より、空隙試験によると、平坦面部１１の高さを大きくすると、空隙Ｍを深い位置に形成することができることがわかった。一方、平坦面部１１の高さを大きくしすぎると、空隙Ｍの空隙面積が小さくなってしまうことがわかった。

＜ショルダー部の外径／攪拌ピンの先端の外径と試験結果との対比＞
図３３及び図３４は、実施例における各ツールと形成された空隙の状況とを現した表である。「状況」の項目の「○」は空隙Ｍの状態が良好を示し、「×」は表面欠陥Ｅが発生している状態を示す。

図３３及び図３４に示すように、ショルダー部の外径を攪拌ピンの先端の外径で除した値は１．４〜２．２である場合に、表面欠陥Ｅが発生せず、空隙Ｍの状態が概ね良好であった。この値が１．４未満であると、掻き出された金属がショルダー部２の底面２ａで押えられないため、表面欠陥Ｅができやすい。一方、この値が２．２よりも大きいとショルダー部２から塑性流動化された金属が掻き出されにくくなるため、空隙が潰れやすい。また、この値が、２．２よりも大きいと摩擦攪拌装置の主軸モータにかかる負荷が大きくなるため好ましくない。

１空隙形成用回転ツール
２ショルダー部
２ａ底面
２ｂ突条
２ｃ切欠き部
３攪拌ピン
３ａ螺旋溝
Ｄ空隙深さ
Ｋ隙間
Ｍ空隙
Ｖバリ
Ｚ金属部材
Ｚ１本体部
Ｚ２塑性化領域
Ｚａ表面

Claims

空隙形成用回転ツールを用いてアルミニウム合金部材の内部に断面視略矩形を呈する空隙を形成する空隙形成方法であって、
前記空隙形成用回転ツールは、
ショルダー部とこのショルダー部から垂下する攪拌ピンとを有し、
前記攪拌ピンの外周面に螺旋溝を刻設し、当該螺旋溝が上方から下方に向かうにしたがって右回りとなるように形成し、
前記ショルダー部の外径を前記攪拌ピンの先端の外径で除した値が１．４以上３．１以下となるように設定し、且つ前記攪拌ピンの軸方向を法線とする基準面に対する前記螺旋溝の角度を２０度以上４０度以下に設定し、前記螺旋溝が形成された螺旋溝部と前記螺旋溝が形成されていない平坦面部とを前記攪拌ピンに形成し、前記攪拌ピンの先端から前記螺旋溝部を刻設し、
前記空隙形成用回転ツールを前記アルミニウム合金部材に対して相対的に移動させる際に、前記空隙形成用回転ツールを上方からみて右回転させることを特徴とする空隙形成方法。
空隙形成用回転ツールを用いてアルミニウム合金部材の内部に断面視略矩形を呈する空隙を形成する空隙形成方法であって、
前記空隙形成用回転ツールは、
ショルダー部とこのショルダー部から垂下する攪拌ピンとを有し、
前記攪拌ピンの外周面に螺旋溝を刻設し、当該螺旋溝が上方から下方に向かうにしたがって左回りとなるように形成し、
前記ショルダー部の外径を前記攪拌ピンの先端の外径で除した値が１．４以上３．１以下となるように設定し、且つ前記攪拌ピンの軸方向を法線とする基準面に対する前記螺旋溝の角度を２０度以上４０度以下に設定し、前記螺旋溝が形成された螺旋溝部と前記螺旋溝が形成されていない平坦面部とを前記攪拌ピンに形成し、前記攪拌ピンの先端から前記螺旋溝部を刻設し、
前記空隙形成用回転ツールを前記アルミニウム合金部材に対して相対的に移動させる際に、前記空隙形成用回転ツールを上方からみて左回転させることを特徴とする空隙形成方法。
前記攪拌ピンの外周面に前記螺旋溝を一周以上巻き回すことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の空隙形成方法。
前記ショルダー部の底面に突条を突設し、
前記突条を、前記攪拌ピンの周囲に渦巻き状に形成することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の空隙形成方法。
前記攪拌ピンを、先端から基端まで一定の外径で形成することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の空隙形成方法。