JP6329351B2 - 摩擦攪拌ツール - Google Patents

Description

本発明は摩擦攪拌ツールに関する。

イナートガスを用いたアーク溶接手法に代わる金属材料の接合方法としては、摩擦圧接法、レーザ溶接法等があるが、これらは施工性や信頼性の面、あるいは装置コストが高い等の理由から、各接合法が適用される分野が限定されているという実情がある。

ところで、特許文献１に記載されているように、近年になって、入熱が小さく、接合による軟化や歪みが小さい接合方法として摩擦攪拌接合が提案されている。

摩擦攪拌接合において、プローブの形状は接合欠陥の有無などを左右するため、様々なプローブの形状が開発されている。たとえば、特許文献２に示すように、意図的に下降流を発生させるネジのようなものを付与することで欠陥を発生しにくくするプローブや、特許文献３に示すようにプローブを単純な円柱でなく多角形や突起または溝のある断面にすることで被加工材の攪拌域を拡げたり、被加工材の突き合わせ面の表面酸化物を効率良く攪拌したりするプローブが知られている。また、特許文献２および特許文献３のプローブの形状を併せたものとして特許文献４に記載されるプローブ等がある。

特表平７−５０５０９０号公報 特開平１０−２４９５５１号公報 特開２００１−２６９７７９号公報 特開２００７−１７５７６４号公報

しかしながら、たとえば、特許文献１〜特許文献４に記載されているような従来から用いられている摩擦攪拌ツールを用いて摩擦攪拌を行う際には、摩擦攪拌ツールに大きな抵抗がかかり、摩擦攪拌ツールの回転手段および移動手段に大きな負荷をかけるという課題があった。

すなわち、摩擦攪拌においては、摩擦攪拌ツールを用いて被加工材を塑性変形させるために、摩擦攪拌ツールは大きな抵抗を受ける。種々の抵抗のうち特に課題となるのは、回転手段の駆動を妨げる抵抗力と加工方向への移動を妨げる抵抗力である。回転手段の駆動を妨げる抵抗力は摩擦攪拌ツールの回転手段への負荷トルクとなるため、摩擦攪拌ツールの回転手段の能力を超えないようにする必要がある。また、加工方向への移動を妨げる抵抗力は摩擦攪拌ツールの強度および摩擦攪拌ツールの移動手段の許容荷重を超えないようにする必要がある。そのため、たとえば、被加工材が硬質で厚い板の場合などにおいては、被加工材の加工欠陥の発生の有無にかかわらず、摩擦攪拌ツールの回転手段および移動手段にかかる抵抗力が大きくなることによって、加工速度を制限しなければならないことがあった。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、摩擦攪拌能力を損なうことなく摩擦攪拌抵抗および負荷トルクを低減する摩擦攪拌ツールを提供することを目的とする。

本発明の第一の観点に係る摩擦攪拌ツールは、
本体と、前記本体と略同軸に設けられたプローブと、を備える摩擦攪拌ツールであって、
前記プローブの側面に凹凸形状が設けられ、
前記プローブの少なくとも一部が被加工材の内部に埋没され、
前記プローブが回転しつつ加工方向に移動する際に、前記プローブの前記加工方向の後退側の前記凹凸形状によって、前記被加工材が押し留められ、
前記凹凸形状は、前記プローブの半径方向の内側に向かって軸中心からの距離を急変させる複数のエッジ部と、前記エッジ部の縁部から前記プローブの外接円の径に向かって前記軸中心からの距離が除変する渦巻線の形状を有する径除変部と、を備える形状であり、
前記エッジ部の個数をＮとし、前記径除変部の角度範囲をφとしたとき、２≦Ｎ≦９、且つ、２π／９≦φ≦π、を満たし、
前記エッジ部の高さをｈとし、前記外接円の半径をＲとし、ｘ＝ｈ／Ｒとしたとき、０．０５≦ｘ≦０．４を満たし、
前記エッジ部は、円周方向に垂直となる形状を有し、
前記渦巻線は、前記軸中心を原点とした極座標系において、距離をｒとし、角度をθとし、定数をａ、ｂとしたとき、ｒ＝ａθ＋ｂで表される形状を有する、
ことを特徴とする。

本発明の第二の観点に係る摩擦攪拌ツールは、
本体と、前記本体と略同軸に設けられたプローブと、を備える摩擦攪拌ツールであって、
前記プローブの側面に凹凸形状が設けられ、
前記プローブの少なくとも一部が被加工材の内部に埋没され、
前記プローブが回転しつつ加工方向に移動する際に、
前記プローブの後退側においては、前記凹凸形状の凹部に位置する前記被加工材が前記加工方向の後方に流動し、
前記プローブの前進側においては、前記凹凸形状の凹部によって、前記被加工材の前記加工方向の前方への流動が妨げられ、
前記凹凸形状は、前記プローブの半径方向の内側に向かって軸中心からの距離を急変させる複数のエッジ部と、前記エッジ部の縁部から前記プローブの外接円の径に向かって前記軸中心からの距離が除変する渦巻線の形状を有する径除変部と、を備える形状であり、
前記エッジ部の個数をＮとし、前記径除変部の角度範囲をφとしたとき、２≦Ｎ≦９、且つ、２π／９≦φ≦π、を満たし、
前記エッジ部の高さをｈとし、前記外接円の半径をＲとし、ｘ＝ｈ／Ｒとしたとき、０．０５≦ｘ≦０．４を満たし、
前記エッジ部は、円周方向に垂直となる形状を有し、
前記渦巻線は、前記軸中心を原点とした極座標系において、距離をｒとし、角度をθとし、定数をａ、ｂとしたとき、ｒ＝ａθ＋ｂで表される形状を有する、
ことを特徴とする。

本発明によれば、摩擦攪拌能力を損なうことなく摩擦攪拌抵抗および負荷トルクを低減する摩擦攪拌ツールを提供することができる。

本発明の実施形態に係る摩擦攪拌接合用工具の形状を模式的に示す断面図である。 本発明の実施形態に係る摩擦攪拌接合用工具を用いた摩擦攪拌接合方法を模式的に示す斜視図である。 本発明の実施形態に係る摩擦攪拌接合用工具の一部の形状を模式的に示す断面図である。 本発明の実施形態に係る摩擦攪拌接合用工具の一部の形状および被加工材の動きを模式的に示す断面図である。 本発明の実施形態に係る摩擦攪拌接合用工具の形状および被加工材の動きを模式的に示す断面図である。 （ａ）〜（ｆ）は、本発明の変形例に係る摩擦攪拌接合用工具の一部の形状を模式的に示す拡大断面図である。 （ａ）〜（ｂ）は、本発明の比較例に係る摩擦攪拌接合用工具の形状を模式的に示す拡大断面図である。 本発明の実施例における摩擦攪拌用接合工具を用いた実験方法を模式的に説明するための断面図である。

以下、本発明の実施形態に係る摩擦攪拌接合用工具１００（摩擦攪拌ツール）および摩擦攪拌接合用工具１００を用いた摩擦攪拌接合方法について、図面を用いて説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る摩擦攪拌接合用工具１００の全体の形状を模式的に示す断面図である。図１に示すように、摩擦攪拌接合用工具１００は、保持部材１０１と、本体１０２と、本体１０２と略同軸に設けられたプローブ１０３と、を備え、プローブ１０３の側面に凹凸形状９（図５）が設けられ、プローブ１０３の少なくとも一部が被加工材の内部に埋没され、プローブ１０３が回転しつつ加工方向Ｙ４（図２）に移動する際に、プローブ１０３の加工方向の後退側の凹凸形状９（図５）によって、被加工材が押止される。本明細書において、「略同軸」とは、同軸である形態だけではなく、わずかに軸の角度が異なっていたり、わずかに軸の位置がずれていたりするが、同軸の場合と同様にプローブ１０３が動作することができる形態をも含むものとする。

保持部材１０１は、摩擦攪拌接合を行う際に回転手段（図示せず）に取り付けられる。本体１０２は、本体１０２の上部と保持部材１０１の下部とが接するように保持部材１０１に取り付けられる。プローブ１０３は、プローブ１０３の上部が本体１０２の下部に埋め込まれるように本体１０２に取り付けられる。保持部材１０１、本体１０２、プローブ１０３の材質は本発明の効果を奏する範囲で適宜選択され、以下に限定されるものではないが、たとえば、ＪＩＳ ＳＫＤ６１などの工具鋼が用いられる。また、本発明の実施形態においては、保持部材１０１、本体１０２、プローブ１０３の軸方向の形状は、たとえば、いずれも軸方向に向かって略一定の大きさとする。また、回転手段（図示せず）と保持部材１０１との間、保持部材１０１と本体１０２との間、本体１０２とプローブ１０３との間の取り付けは、常法によって行われる。

図２に示すように、本発明の実施形態に係る摩擦攪拌接合方法は、アルミニウム合金板等の金属板からなる被接合部材１０５ａ（被加工材）と被接合部材１０５ｂ（被加工材）とを、鋼板等の硬質な裏当て板１０６の上に載置して突き合わせ、その突合せ部に、硬質な摩擦攪拌接合用工具１００を、回転手段（図示せず）を用いて、矢印Ｙ２の方向に高速で回転させながら押し込み、突き合わせ部分に沿って移動手段（図示せず）を用いて矢印Ｙ３の方向に移動させることによって被接合部材１０５ａと被接合部材１０５ｂとを接合する方法である。図１に示すように、摩擦攪拌接合用工具１００はプローブ１０３を有しており、プローブ１０３が被接合部材１０５ａと被接合部材１０５ｂとの間の突き合わせ部に押し込まれる。摩擦攪拌接合は接合部の最高到達温度が融点に達しない固相接合であり、通常の溶接に比べて入熱が小さいことが特徴である。

図２に示すように、摩擦攪拌接合は接合方向（加工方向）を持つ接合方法である。本明細書において、摩擦攪拌接合用工具１００の移動方向、すなわち接合方向（加工方向）が矢印Ｙ３に示す方向であるとき、矢印Ｙ４で示す方向を「接合方向（加工方向）前方」と呼び、矢印Ｙ５で示す方向を「接合方向（加工方向）後方」と呼ぶ。また、摩擦攪拌接合は接合方向（加工方向）に関して左右非対称な接合方法であり、摩擦攪拌接合用工具１００の回転方向が矢印Ｙ２で示す方向の場合、矢印Ｙ３で示す接合方向（加工方向）との関係より、矢印Ｙ６で示す側を「前進側」と呼び、矢印Ｙ７で示す側を「後退側」と呼ぶ。

図３は、本発明の実施形態に係るプローブ１０３の、プローブ１０３の回転軸１に対して垂直な断面の模式図である。

図３に示すように、本発明の実施形態に係る摩擦攪拌接合用工具１００のプローブ１０３の側面は凹凸形状を有する。本発明の実施形態においては、プローブ１０３の側面における凹凸形状は、プローブ１０３の回転に関して方向性を持つ形状である。

プローブ１０３の側面は、図３に示すように、プローブ１０３の外接円８に対して凹部を有しており、かつ、回転方向に径徐変部４が配置され、回転方向と逆方向にエッジ部３が配置されている。図３に示すように、本発明の実施形態において、径徐変部４はプローブ１０３の回転軸１との距離を徐変させる部分であり、エッジ部３は回転軸１との距離を急変させる部分である。また、図３に示すように、径徐変部４が存在する部分の角度をφとする。図３中、エッジ部３でも径徐変部４でもない部分を外周部５とする。図３に示すように、本発明の実施形態に係るプローブ１０３においては、エッジ部３の形状は、プローブ１０３の回転軸１に関する半径方向に平行な面となる形状である。

エッジ部３の個数は本発明の効果を奏する範囲で適宜選択され、以下に限定されるものではないが、たとえば、エッジ部３の個数をＮとしたときに、Ｎが２以上１２以下の整数であることがより好ましい。Ｎが２以上の整数であることによって、摩擦攪拌接合中、エッジ部３が常に前進側と後退側の両方に存在し、摩擦攪拌接合中に負荷トルクを低減する効果および接合抵抗を低減する効果をより安定的に得られるからである。また、Ｎが１２以下の整数であることによって、プローブ１０３の多角形状の断面が維持され、負荷トルクを低減する効果および接合抵抗を低減する効果をより高く得られるからである。また、接合抵抗を低下させるためには、さらに好ましくはＮ＝３、５、７、さらに一層好ましくはＮ＝３が選択される。すなわち、図３に示すプローブ１０３の断面形状の概形は正Ｎ角形であり、Ｎが奇数、さらに一層好ましくはＮ＝３の場合、プローブ１０３の最大投影面積はプローブ１０３の外接円８によって構成される円筒の投影面積よりも小さくなるため、接合抵抗をより一層小さくすることができる。

エッジ部３の位置は、本発明の効果を奏する範囲で適宜選択され、以下に限定されるものではないが、たとえば、円周方向に均等に配置されることがより好ましい。すなわち、隣り合うエッジ部３同士のなす角度が、エッジ数をＮとしたときに、２π／Ｎとなることがより好ましい。プローブ１０３において、それぞれのエッジ部３の大きさが等しいことがより好ましい。また、プローブ１０３の回転軸１からのそれぞれの最大距離が等しいことがより好ましい。

エッジ部３の高さをｈ、プローブ１０３の断面の外接円８の半径をＲ、ｘ＝ｈ／Ｒとするとき、ｘの範囲は本発明の効果を奏する範囲で適宜選択され、以下に限定されるものではないが、たとえば、０．０５以上０．４以下であることが好ましい。ｘが０．０５以上であることによってプローブ１０３の断面形状を多角形状のまま維持することが可能となり、負荷トルクを低減する効果および接合抵抗を低減する効果を十分に得ることができる。また、ｘが０．４以下であることによって、径徐変部の機能とエッジ部の機能との差が十分に確保され、本発明の効果を十分に得ることができる。

図３に示すように、径徐変部４が存在する角度範囲をφとする。径徐変部４が存在する角度範囲φとは、図３に示すように、エッジ部３の個数をＮとした時に、プローブ１０３の回転軸１と径徐変部４の一端とを結ぶ直線と、プローブ１０３の回転軸１と径徐変部４の他端とを結ぶ直線とが成す角度のことをさす。φの範囲は、本発明の効果を奏する範囲で適宜選択され、以下に限定されるものではないが、たとえば、２π／９以上π以下がより好ましい。φが２π／９以上であることによって、摩擦攪拌接合中に被接合部材をエッジ部３に向けて十分に流動させることが可能となるため、負荷トルクを減ずる効果を十分に得ることができ、また、摩擦攪拌接合中にエッジ部３付近の被接合部材を接合方向後方に十分に排出することが可能となるため、接合抵抗を低減する効果を十分に得ることが可能となる。また、エッジ部３が摩擦攪拌接合中、常に前進側と後退側との両方に存在していることがより好ましいことから、φはπ以下であることがより好ましい。また、φの値は、エッジ部３を均等に配置する場合では、２π／Ｎが自ずと上限値となる。

本発明の実施形態において、径徐変部４の形状は、プローブ１０３の回転軸１からの距離を徐変させる形状である。径徐変部４の形状は、本発明の効果を奏する範囲で適宜選択され、以下に限定されるものではないが、たとえば、平面あるいは複数の平面を連続させる形状とすると製造容易性をより向上させることができる。また、たとえば、径徐変部４の断面形状をプローブ１０３の回転軸１に関する対数渦巻線とすることによって、径徐変部４はプローブ１０３の回転軸１に関する円周方向と常に平行に近い角を成す面とすることが可能となる。対数渦巻線はプローブ１０３の回転軸１を原点とした極座標系において距離をｒ、角度をθ、定数をａ、ｂとしたときに、ｒ＝ａｂ^θで表され、円周方向と常に一定の角を成すため、円周方向と成す角の最大値が最も小さい形状となる。また、たとえば、径徐変部４の断面形状をプローブ１０３の回転軸１に関するアルキメデスの渦巻線とすることによって、径徐変部４は角度に対する距離の変化量を一定にすることが可能になる。ここで、アルキメデスの渦巻線は、プローブ１０３の回転軸１を原点とした極座標系において、距離をｒ、角度をθ、定数をａ、ｂとしたときに、ｒ＝ａθ＋ｂで表され、角度θに対する距離ｒの変化量が一定の形状となる。

本発明の実施形態に係る摩擦攪拌接合用工具１００を用いることで負荷トルクを減少させることが可能となる理由を、図４を用いて以下に説明する。凹凸形状を有する本発明の実施形態に係るプローブ１０３を用いて摩擦攪拌接合を行った時の被接合部材の流動を、図４中の矢印６、矢印７、矢印１５に模式的に示す。なお、接合方向は矢印１３で示す方向である。矢印１５は、プローブ１０３の周りの被接合部材の、プローブ１０３の移動に関する相対的な流動である。該流動は、接合方向前方から接合方向後方に向かって流れている。矢印６は、後退側においてプローブ１０３の側面に沿って接合方向前方から接合方向後方に向かう被接合部材の流動である。矢印６で示される流動がエッジ部３によって堰き止められるため、プローブ１０３が後退側において矢印１５で示される流動から受ける抵抗は、エッジ部３が存在しない場合と比べて大きくなる。矢印７は、前進側においてプローブ１０３の側面に沿って接合方向前方から接合方向後方に向かう被接合部材の流動である。矢印７で示される流動は、矢印６で示される流動のようにエッジ部３によって堰き止められず、プローブ１０３が後退側において矢印１５で示される流動から受ける抵抗は小さい。プローブ１０３が矢印１５で示される流動から受ける負荷トルクは、プローブ１０３の回転方向Ｙ１を踏まえると、矢印６で示される流動の抵抗が大きいほど小さくなり、矢印７で示される流動の抵抗が小さいほど負荷トルクが小さくなる。すなわち、プローブ１０３は、プローブ１０３が被接合部材に埋没し、回転しながら接合方向前方に移動する際、接合方向前方に移動することによってプローブ１０３が被接合部材から受ける抵抗が前進側に比べ後退側の方が大きくなるように、前進側に比べ後退側では接合方向前方からプローブ１０３に沿って後方に流動しようとする被接合部材を堰き止める平面または曲面を多く有するような凹凸形状を側面に有する。したがって、図４に示す断面形状を有するプローブ１０３を用いることによって、摩擦攪拌接合時の負荷トルクが低減される。

本発明の実施形態に係る摩擦攪拌接合用工具１００を用いることによって接合抵抗を低減させることが可能になる理由を、図５を用いて以下に説明する。図５は、図４と同様、プローブ１０３の回転軸１に垂直な断面およびプローブ１０３の周りの被接合部材の相対的な流動を示す図である。なお、接合方向は、図４と同様、矢印１３で示す方向である。

はじめに、たとえば特許文献１〜特許文献４に記載されているような摩擦攪拌接合用工具を用いた場合の接合抵抗が、本発明の実施形態に係る摩擦攪拌接合用工具を用いた場合の接合抵抗に比べて大きくなる理由を説明する。

第一に、プローブ形状が完全な円筒形状の場合、プローブが接合方向に移動する際、接合方向前方の被接合部材の圧力を大きく増加させることによって接合方向前方の被接合部材を排除し、接合方向後方へ移動させなければならないため、プローブが接合方向に移動するために必要な力、すなわち接合抵抗が大きくなる。

第二に、たとえば特許文献３に示すように、摩擦攪拌接合用工具のプローブが凹形状を有するが回転に関して方向性を持たない断面形状を持つ場合には、プローブの凹形状に被接合部材を入れて移動させることが可能であるが、後退側において接合方向前方の材料をプローブの回転によって接合方向後方に移動させると同時に、前進側において接合方向後方の材料をプローブの回転によって接合方向前方に移動させるため、実質的には、プローブの回転によって被接合部材を接合方向前方から接合方向後方に移動させる効果が無く、プローブが接合方向に移動する際には、プローブ形状が完全な円柱の場合と同様に、接合方向前方の材料の圧力を大きく増加させなければならなくなるからである。

第三に、たとえば特許文献４に示すように、プローブが回転方向に関して方向性を持つ凹形状を有し、該凹形状が被接合部材を回転方向に向かって掻き進めるような向きのエッジ部を有する形状である場合、プローブの回転によって材料を移動させる効果は、上述の例よりもさらに大きくなるが、この場合も接合方向前方の被接合部材を接合方向後方に移動させる効果と接合方向後方の被接合部材とを、接合方向前方に移動させる効果が等しく、実質的にはプローブの回転によって被接合部材を接合方向前方から接合方向後方に移動させる効果が無く、プローブが接合方向に移動する際には、プローブ形状が完全な円柱の場合と同様に、接合方向前方の材料の圧力を大きく増加させなければならなくなるからである。

一方、本発明の実施形態に係るプローブ１０３においては、図５に示すように、凹凸形状９の凹部がエッジ部３と径徐変部４とによって構成されており、矢印１５によって示される被接合部材の流動よりも主に後退側において接合方向前方の被接合部材が凹凸形状９の凹部に入り、プローブ１０３の回転によって被接合部材が接合方向後方に移動して凹凸形状９の凹部から排出される一方で、プローブ１０３の側面には被接合部材をプローブ１０３の回転方向に掻き進める向きにはエッジ部を有さないため、前進側においては接合方向後方の被接合部材をプローブ１０３の回転によって接合方向前方に移動させにくい。すなわち、プローブ１０３は、プローブ１０３が被接合部材に埋没し、回転しながら接合方向前方に移動することによって、被接合部材がプローブ１０３の周りを接合方向の前方から後方に向かって流れようとする際、後退側においてはプローブ１０３の凹部に入っている被接合部材がプローブ１０３の回転に沿って前方から後方に流動することが出来る一方で、前進側においてはプローブの回転に沿って後方から前方に被接合部材を送り込む流動が起こりにくくなるように、プローブ１０３は凹部を有しており、かつ、後退側に比べ前進側において接合方向前方からプローブ１０３に沿って後方に流動しようとする被接合部材を接合方向後方からプローブ１０３に沿って前方に掻き進めるような平面または曲面を持たない凹凸形状を側面に有する。このため、プローブ１０３の回転によって被接合部材を接合方向前方から接合方向後方に移動させる効果が実質的にあり、接合方向前方の圧力を大きく増加させることなく、被接合部材を接合方向に移動させることが可能となるため接合抵抗が低減される。

以上説明したように、本発明の実施形態に係る摩擦攪拌接合用工具１００を用いることによって、プローブ１０３が回転しながら被接合部材１０５ａと１０５ｂとの間の突き合わせ部分に埋没し、接合方向に移動する際に発生する負荷トルクおよび接合抵抗を減少させることが可能となる。

なお、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲であれば種々の変形が可能である。たとえば、本発明の実施形態においては、摩擦攪拌接合に対して摩擦攪拌ツールを用いる形態について説明したが、材料改質等を目的とした摩擦攪拌プロセス用に本発明の実施形態に係る摩擦攪拌ツールを用いてもよい。また、摩擦攪拌工具として工業用に用いるだけではなく、工業以外の産業用に本発明の実施形態に係る摩擦攪拌ツールを用いてもよい。

また、本発明の実施形態においてはプローブ１０３のエッジ部３の形状として、図３および図６（ａ）に示されるようなプローブ１０３の回転軸１に関する半径方向に平行な面である形態について説明したが、エッジ部３の形状は本発明の効果を奏する範囲で適宜選択され、以下に限定されるものではないが、たとえば、図６（ｂ）〜図６（ｆ）に示されるような形状であってもよい。図６（ｂ）および図６（ｃ）のように、図３および図６（ａ）に示される形状のエッジ部３を内側に窪ませたような形状を用いた場合も、図３および図６（ａ）に示される形状を用いた場合と同様に、被接合部材を堰き止める効果を有する。また、図６（ｄ）に示すようにエッジ部３の端部Ａが径徐変部４から離れる側にある場合も、被接合部材を堰き止める効果を有する。たとえば、図６（ｆ）に示すようにエッジ部３中の回転軸に近い側の端部Ｂを基準としてφを規定し、φがより好ましい範囲である２π／９以上π以下にあり、プローブ１０３の回転軸１とエッジ部３のプローブ１０３の回転軸１に近い側の端部Ｂとを通る直線と、端部Ａと端部Ｂとを通る直線と、の成す角をαとおき、αが０°以上４５°以下の範囲にあることがより好ましく、また、αが０°以上２０°以下の範囲にあることがより一層好ましい。αが２０°以下であることによって、エッジ部３は被接合部材をより効果的に堰き止めることが可能となる。また、図６（ｅ）に示すような形状であってもよく、エッジ部３中の回転軸１から離れた側の端部Ａを基準としてエッジ部３の位置を規定し、径徐変部４の存在する角度範囲φを規定し、φが２π／９以上π以下であることがより好ましい。

また、本発明の実施形態においては、プローブ１０３の形状が軸方向に向かって略一定の大きさである形態（すなわち、プローブ１０３を横からみた時の形状が矩形状である形態）について説明したが、先細り形状や先太り形状など軸方向に向かってプローブの径を変化させてもよく、とりわけ、工具の強度と接合抵抗の大きさの兼ね合いを考慮して、プローブ先端に向かってプローブの径が小さくなる先細りの形状とすることがより好ましい。

また、本発明の実施形態においては、プローブ１０３の形状が軸方向に向かって略一定の大きさである形態について説明したが、プローブ１０３の側面にネジ山やネジ溝のような形状を付与してもよい。ネジ山やネジ溝のような形状を付与することによって、プローブ１０３の軸方向の流動を一層促進することが可能となり、被接合部材に存在する表面酸化物などの攪拌を効率的に行うことが可能となる。また、プローブ１０３の円周方向に溝が引かれることによって、該溝内を被接合部材が流動することが可能となり、エッジ部３付近の被接合部材が接合方向後方において排出されやすくなる。

また、被接合部材を堰き止める面の位置をプローブ１０３の軸方向において変化させてもよく、特に、エッジ部３を十分にプローブ１０３の回転軸１に関する円周方向に向けることがより一層好ましい。

また、プローブ１０３の断面形状は、本発明の効果を奏する範囲で適宜選択され、凹凸形状が付与されてもよい。

以下、実施例に基づき本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。

実施例１〜１２および比較例１〜６は、図１に示す摩擦攪拌ツールを用いて、図２に示す摩擦攪拌方法によって実施された。実施例１〜１２および比較例１〜６においては、摩擦攪拌工具本体の直径は１５ｍｍ、プローブの直径は外接円の径で５ｍｍであった。

実施例１〜１２、比較例３〜６において、プローブの形状を変化させた。実施例１〜１２、比較例３〜６のプローブの断面形状は図３に示す形状であり、ｘ、Ｎ、φをパラメータとして変化させた。また、径徐変部の断面形状は、プローブ回転軸を原点とした極座標系において、距離をｒ、角度をθ、定数をａ、ｂとおいてｒ＝ａθ＋ｂとなる曲線となるようにした。すなわち、実施例１〜１２、比較例３〜６におけるプローブの形状は、
（ｉ）θ＝０のときは円周方向に垂直なエッジ部であり、Ｒ×（１−ｘ）≦ｒ≦Ｒ
（ｉｉ）０＜θ＜φのときはｒ＝（Ｒ×ｘ／φ）×θ＋Ｒ×（１−ｘ）
（ｉｉｉ）φ≦θ＜（２π／Ｎ）のときはｒ＝Ｒ
で表される。
なお、（２π／Ｎ）≦θ以降のｒとＲとの関係式は、上記（ｉ）〜（ｉｉｉ）を繰り返すことによって表される。たとえば、
θ＝２π／ＮのときはＲ×（１−ｘ）≦ｒ≦Ｒ、
２π／Ｎ＜θ＜φ＋（２π／Ｎ）のときはｒ＝（Ｒ×ｘ／φ）×（θ−（２π／Ｎ））＋Ｒ×（１−ｘ）、
φ＋（２π／Ｎ）≦θ＜２×（２π／Ｎ）のときはｒ＝Ｒ、
と表される。
実施例１〜１２、比較例３〜６においてはＲ＝２．５であった。

比較例１のプローブの断面形状は、図７（ａ）に示すような単純な円形状であり、半径Ｒは２．５ｍｍであった。
比較例２のプローブの断面形状は、図７（ｂ）に示すような、円筒から三面を切り取った形状であった。Ｒは２．５ｍｍであり、ｒは１．７５ｍｍであった。

実施例１〜１２、比較例１〜６のそれぞれにおいて、摩擦攪拌ツールを用いて、厚さ５．０ｍｍのアルミニウム合金板材（Ａ５０８３−Ｏ）を接合した。摩擦攪拌ツールの回転数を１０００ｒｐｍとし、接合速度を５００ｍｍとする条件においてアルミニウム合金板材を接合した。摩擦攪拌接合中、摩擦攪拌ツールを接合方向に対して後方に１．５°傾けた。

摩擦攪拌ツールの回転手段および移動手段としては、当業者に広く知られ、用いられている摩擦攪拌接合装置（製造社名：ＭＴＳ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ、型式：Ｉ−ＳＴＩＲ ＰＤＳ 摩擦攪拌接合装置）を用いた。摩擦攪拌接合装置は負荷トルクおよび接合抵抗を各所のセンサによって測定し、記録する機能を有していた。

摩擦攪拌接合装置における負荷トルクの測定値は、摩擦攪拌接合装置の摩擦攪拌接合工具の回転手段に関わるモータの油圧の大きさをセンサにて測定し、モータのトルク特性を参照して算出した。

摩擦攪拌接合装置における接合抵抗は、図８に示すように、摩擦攪拌ツール１００の保持部材１０１にかかる接合方向後方向きの力（矢印Ｙ８の方向）から矢印Ｙ９の方向に発生するトルクを、センサを用いて測定し、トルクの大きさと、トルクの測定場所１０７から摩擦攪拌ツールの先端までの距離Ｌとを用いて算出した。

実施例１〜１２および比較例１〜６における負荷トルクおよび接合抵抗の測定結果を表１に示す。表１において負荷トルクおよび接合抵抗の大きさは、断面に凹凸形状を有さない円筒形状のプローブを用いた比較例１と同等であるものを「中」、比較例１と比較して大きいものを「高」、比較例１と比較して小さいものを「低」と記した。また、総合評価として、負荷トルクおよび接合抵抗の両方が従来の工具である比較例１と比べて小さいものを「Ａ」、負荷トルクまたは接合抵抗のどちらか一方が従来の工具である比較例１と比べて小さいものを「Ｂ」、負荷トルクおよび接合抵抗の両方が従来の工具である比較例１と同等だったものを「Ｃ」とした。

表１に示すように、実施例１〜１１においては、負荷トルクおよび接合抵抗ともに、比較例１と比較して低い数値であった。
実施例１２においては、負荷トルクが比較例１と比較して低い数値であった。
一方、比較例１においては、プローブの側面が凹凸形状を有さなかったため、負荷トルクおよび接合抵抗ともに低減されなかった。
比較例２においては、プローブの側面が凹凸形状を有するものの、回転に関して方向性を持たないため、プローブが回転しながら加工方向に移動する際に前進側に配置される凹凸形状と後退側に配置される凹凸形状とで大きさ、個数、形状が同じで差が無いため、プローブの加工方向の後退側の凹凸形状が被加工材を押し留める一方でプローブの加工方向の前進側の凹凸形状も同じだけ被加工材料を押し留め、かつ、プローブの後退側において接合方向前方の材料をプローブの回転によって接合方向後方に移動させると同時に、プローブの前進側において接合方向後方の材料をプローブの回転によって接合方向前方に同じだけ移動させたために、実質的には、プローブの回転によって被接合部材を接合方向前方から接合方向後方に移動させなかったため、負荷トルクおよび接合抵抗ともに低減されなかった。
比較例３〜６においては、負荷トルクおよび接合抵抗ともに低減されなかった。

１ 回転軸
３ エッジ部
４ 径徐変部
５ 外周部
６ 矢印
７ 矢印
８ 外接円
９ 凹凸形状
１３ 矢印
１５ 矢印
１００ 摩擦攪拌接合用工具
１０１ 保持部材
１０２ 本体
１０３ プローブ
１０５ａ 被接合部材
１０５ｂ 被接合部材
１０６ 裏当て板
１０７ 測定場所

Claims (2)

1. 本体と、前記本体と略同軸に設けられたプローブと、を備える摩擦攪拌ツールであって、
   前記プローブの側面に凹凸形状が設けられ、
   前記プローブの少なくとも一部が被加工材の内部に埋没され、
   前記プローブが回転しつつ加工方向に移動する際に、前記プローブの前記加工方向の後退側の前記凹凸形状によって、前記被加工材が押し留められ、
   前記凹凸形状は、前記プローブの半径方向の内側に向かって軸中心からの距離を急変させる複数のエッジ部と、前記エッジ部の縁部から前記プローブの外接円の径に向かって前記軸中心からの距離が除変する渦巻線の形状を有する径除変部と、を備える形状であり、
   前記エッジ部の個数をＮとし、前記径除変部の角度範囲をφとしたとき、２≦Ｎ≦９、且つ、２π／９≦φ≦π、を満たし、
   前記エッジ部の高さをｈとし、前記外接円の半径をＲとし、ｘ＝ｈ／Ｒとしたとき、０．０５≦ｘ≦０．４を満たし、
   前記エッジ部は、円周方向に垂直となる形状を有し、
   前記渦巻線は、前記軸中心を原点とした極座標系において、距離をｒとし、角度をθとし、定数をａ、ｂとしたとき、ｒ＝ａθ＋ｂで表される形状を有する、
   ことを特徴とする摩擦攪拌ツール。
2. 本体と、前記本体と略同軸に設けられたプローブと、を備える摩擦攪拌ツールであって、
   前記プローブの側面に凹凸形状が設けられ、
   前記プローブの少なくとも一部が被加工材の内部に埋没され、
   前記プローブが回転しつつ加工方向に移動する際に、
   前記プローブの後退側においては、前記凹凸形状の凹部に位置する前記被加工材が前記加工方向の後方に流動し、
   前記プローブの前進側においては、前記凹凸形状の凹部によって、前記被加工材の前記加工方向の前方への流動が妨げられ、
   前記凹凸形状は、前記プローブの半径方向の内側に向かって軸中心からの距離を急変させる複数のエッジ部と、前記エッジ部の縁部から前記プローブの外接円の径に向かって前記軸中心からの距離が除変する渦巻線の形状を有する径除変部と、を備える形状であり、
   前記エッジ部の個数をＮとし、前記径除変部の角度範囲をφとしたとき、２≦Ｎ≦９、且つ、２π／９≦φ≦π、を満たし、
   前記エッジ部の高さをｈとし、前記外接円の半径をＲとし、ｘ＝ｈ／Ｒとしたとき、０．０５≦ｘ≦０．４を満たし、
   前記エッジ部は、円周方向に垂直となる形状を有し、
   前記渦巻線は、前記軸中心を原点とした極座標系において、距離をｒとし、角度をθとし、定数をａ、ｂとしたとき、ｒ＝ａθ＋ｂで表される形状を有する、
   ことを特徴とする摩擦攪拌ツール。

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