JP7114863B2 - 回転ツール及び接合方法 - Google Patents

Description

本発明は、摩擦攪拌用の回転ツール及び接合方法に関する。

摩擦攪拌接合に用いられる回転ツールとして、ショルダ部と、ショルダ部から垂下する攪拌ピンとを備えたものが知られている。当該回転ツールは、ショルダ部の下端面を金属部材に押し込んだ状態で摩擦攪拌接合を行うというものである。ショルダ部を金属部材に押し込むことにより塑性流動材を押えてバリの発生を抑制することができる。しかし、接合の高さ位置が変化すると欠陥が発生しやすく、凹溝が大きくなるとともにバリが多く発生するという問題がある。

一方、攪拌ピンを備えた回転ツールを用いて二つの金属部材を接合する摩擦攪拌接合方法であって、金属部材同士の突合部に回転した攪拌ピンを挿入し、攪拌ピンのみを金属部材に接触させた状態で摩擦攪拌接合を行う本接合工程を含むことを特徴とする摩擦攪拌接合方法が知られている（特許文献１）。当該従来技術によれば、攪拌ピンの外周面には螺旋溝が刻設されており、攪拌ピンのみを被接合部材に接触させつつ基端部を露出させた状態で摩擦攪拌接合を行うため、接合の高さ位置が変化しても欠陥の発生を抑制することができるとともに、摩擦攪拌装置への負荷も軽減することができる。しかし、ショルダ部で塑性流動材を押えないため、金属部材の表面の凹溝が大きくなるとともに、接合表面粗さが大きくなるという問題がある。また、凹溝の脇に膨出部（接合前に比べて金属部材の表面が膨らむ部位）が形成されるという問題がある。

他方、特許文献２には、ショルダ部と、ショルダ部から垂下する攪拌ピンとを備えた回転ツールが記載されている。ショルダ部及び攪拌ピンの外周面にはそれぞれテーパー面が形成されている。ショルダ部のテーパー面には、平面視渦巻き状の溝が形成されている。当該溝の断面形状は半円状になっている。テーパー面を設けることにより、金属部材の厚さや接合の高さ位置が変化しても安定して接合することができる。また、当該溝に塑性流動材が入り込むことにより、塑性流動材の流れを制御して好適な塑性化領域を形成できるというものである。

特開２０１３－３９６１３号公報 特許第４２１０１４８号公報

しかし、特許文献２の従来技術であると、塑性流動材がテーパー面の溝の内部に入り込んでしまうため、溝が機能しなくなるという問題がある。また、当該溝に塑性流動材が入り込むと、塑性流動材が溝に付着した状態で摩擦攪拌されるため、被接合金属部材と付着物とが擦れ合って接合品質が低下するという問題がある。さらに、被接合金属部材の表面が粗くなり、バリが多くなるとともに、金属部材の表面の凹溝も大きくなるという問題がある。

このような観点から、本発明は、金属部材の表面の凹溝を小さくすることができるとともに、接合表面粗さを小さくすることができる回転ツール及び接合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、基端側ピンと、先端側ピンとを備える摩擦攪拌用の回転ツールであって、前記基端側ピンのテーパー角度は、前記先端側ピンのテーパー角度よりも大きく、前記基端側ピンのテーパー角度は、１３５～１６０°になっており、前記基端側ピンの外周面には、螺旋状であり、側面視すると階段状の段差部が形成され、前記段差部の段差底面と段差側面とでなす角度は８５～１２０°になっていることを特徴とする。

また、本発明は一対の金属部材の端面同士を突き合わせて形成された突合せ部を回転ツールを用いて擦攪拌接合する接合方法であって、前記回転ツールは、基端側ピンと、先端側ピンとを備え、前記基端側ピンのテーパー角度は、前記先端側ピンのテーパー角度よりも大きく、前記基端側ピンのテーパー角度は、１３５～１６０°になっており、前記基端側ピンの外周面には、螺旋状であり、側面視すると階段状の段差部が形成され、前記段差部の段差底面と段差側面とでなす角度は８５～１２０°になっており、前記基端側ピンの外周面を前記金属部材の表面に接触させつつ、前記段差部の前記段差底面で塑性流動材を押えながら摩擦攪拌を行うことを特徴とする。

かかる接合方法によれば、テーパー角度の大きい基端側ピンの外周面で金属部材を押えることができるため、接合表面の凹溝を小さくすることができるとともに、凹溝の脇に形成される膨出部を無くすか若しくは小さくすることができる。階段状の段差部は浅く、かつ、出口が広いため、基端側ピンで金属部材を押えても基端側ピンの外周面に塑性流動材が付着し難い。このため、接合表面粗さを小さくすることができるとともに、接合品質を好適に安定させることができる。また、先端側ピンを備えることにより深い位置まで容易に挿入することができる。

また、前記段差底面と前記段差側面とでなす角度は、鋭角で８５°以上であるか、又は鈍角で１２０°以下となっていることが好ましい。また、前記段差部の段差側面の高さは０．１～０．４ｍｍになっていることが好ましい。また、前記段差部の前記段差側面の高さは０．１～０．２５ｍｍになっていることが好ましい。また、前記段差底面は水平面と平行であることが好ましい。また、前記段差底面は、ツールの回転軸から外周方向に向かって水平面に対して、上方に１５°以下に傾斜しているか、又は下方に－５°以上に傾斜していることが好ましい。かかる接合方法によれば、金属部材の表面の凹溝をより小さくすることができるとともに、接合表面粗さをより小さくすることができる。

本発明に係る接合方法によれば、金属部材の表面の凹溝を小さくすることができるとともに、接合表面粗さを小さくすることができる。

本発明の実施形態に係る回転ツールを示す側面図である。 回転ツールの拡大断面図である。 本発明の実施形態に係る接合方法を示す斜視図である。 本発明の実施形態に係る接合方法を示す断面図である。 従来のショルダレス回転ツールを示す概念図である。 従来の回転ツールを示す概念図である。 回転ツールの第一変形例を示す断面図である。 回転ツールの第二変形例を示す断面図である。 回転ツールの第三変形例を示す断面図である。 実施例１の条件を示す表である。 実施例１の結果を示すグラフである。 実施例２の条件を示す表である。 実施例２の比較例の回転ツールを示す側面図である。 実施例２の結果を示すグラフである。 実施例３の条件を示す表である。 実施例３－１の結果を示すグラフである。 実施例３－２の結果を示すグラフである。 実施例３－３の結果を示すグラフである。

本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら説明する。図１に示すように、回転ツール１は、摩擦攪拌接合に用いられるツールである。回転ツール１は、例えば工具鋼で形成されている。回転ツール１は、基軸部２と、基端側ピン３と、先端側ピン４とで主に構成されている。基軸部２は、円柱状を呈し、摩擦攪拌装置の主軸に接続される部位である。

基端側ピン３は、基軸部２に連続し、先端に向けて先細りになっている。基端側ピン３は、円錐台形状を呈する。基端側ピン３のテーパー角度Ａは適宜設定すればよいが、例えば、１３５～１６０°になっている。テーパー角度Ａが１３５°未満であるか、又は、１６０°を超えると摩擦攪拌後の接合表面粗さが大きくなる。テーパー角度Ａは、後記する先端側ピン４のテーパー角度Ｂよりも大きくなっている。図２に示すように、基端側ピン３の外周面には、階段状の段差部１０が高さ方向の全体に亘って形成されている。段差部１０は、右回り又は左回りで螺旋状に形成されている。つまり、段差部１０は、平面視して螺旋状であり、側面視すると階段状になっている。本実施形態では、回転ツールを右回転させるため、段差部１０は基端側から先端側に向けて左回りに設定している。

なお、回転ツールを左回転させる場合は、段差部１０を基端側から先端側に向けて右回りに設定することが好ましい。これにより、段差部１０によって塑性流動材が先端側に導かれるため、被接合金属部材の外部に溢れ出る金属を低減することができる。段差部１０は、段差底面１０ａと、段差側面１０ｂとで構成されている。隣り合う段差部１０の各頂点１０ｃ，１０ｃの距離Ｘ１（水平方向距離）は、後記する段差角度Ｃ及び段差側面１０ｂの高さＹ１に応じて適宜設定される。

段差側面１０ｂの高さＹ１は適宜設定すればよいが、例えば、０．１～０．４ｍｍで設定されている。高さＹ１が０．１ｍｍ未満であると接合表面粗さが大きくなる。一方、高さＹ１が０．４ｍｍを超えると接合表面粗さが大きくなる傾向があるとともに、有効段差部数（被接合金属部材と接触している段差部１０の数）も減少する。

段差底面１０ａと段差側面１０ｂとでなす段差角度Ｃは適宜設定すればよいが、例えば、８５～１２０°で設定されている。段差底面１０ａは、本実施形態では水平面と平行になっている。段差底面１０ａは、ツールの回転軸から外周方向に向かって水平面に対して－５°～１５°内の範囲で傾斜していてもよい（マイナスは水平面に対して下方、プラスは水平面に対して上方）。距離Ｘ１、段差側面１０ｂの高さＹ１、段差角度Ｃ及び水平面に対する段差底面１０ａの角度は、摩擦攪拌を行う際に、塑性流動材が段差部１０の内部に滞留して付着することなく外部に抜けるとともに、段差底面１０ａで塑性流動材を押えて接合表面粗さを小さくすることができるように適宜設定する。

先端側ピン４は、基端側ピン３に連続して形成されている。先端側ピン４は円錐台形状を呈する。先端側ピン４の先端は平坦面になっている。先端側ピン４のテーパー角度Ｂは、基端側ピン３のテーパー角度よりも小さくなっている。先端側ピン４の外周面には、螺旋溝１１が刻設されている。螺旋溝１１は、右回り、左回りのどちらでもよいが、本実施形態では回転ツール１を右回転させるため、基端側から先端側に向けて左回りに刻設されている。

なお、回転ツールを左回転させる場合は、螺旋溝１１を基端側から先端側に向けて右回りに設定することが好ましい。これにより、螺旋溝１１によって塑性流動材が先端側に導かれるため、被接合金属部材の外部に溢れ出る金属を低減することができる。螺旋溝１１は、螺旋底面１１ａと、螺旋側面１１ｂとで構成されている。隣り合う螺旋溝１１の頂点１１ｃ，１１ｃの距離（水平方向距離）を長さＸ２とする。螺旋側面１１ｂの高さを高さＹ２とする。螺旋底面１１ａと、螺旋側面１１ｂとで構成される螺旋角度Ｄは例えば、４５～９０°で形成されている。螺旋溝１１は、被接合金属部材と接触することにより摩擦熱を上昇させるとともに、塑性流動材を先端側に導く役割を備えている。

次に、本発明に係る接合方法について説明する。本実施形態に係る接合方法では、突合せ工程と、摩擦攪拌工程とを行う。突合せ工程は、図３に示すように、金属部材２０，２０の各端面２０ａ，２０ａ同士を突き合わせる工程である。金属部材２０，２０の各表面及び各裏面は面一になる。

摩擦攪拌工程では、回転ツール１を用いて突合せ部Ｊ１を摩擦攪拌接合する工程である。摩擦攪拌工程では、右回転させた回転ツール１を突合せ部Ｊ１に挿入し、突合せ部Ｊ１をなぞるようにして相対移動させる。回転ツール１の移動軌跡には塑性化領域Ｗが形成される。図４に示すように、摩擦攪拌工程では、回転ツール１の基端側ピン３の外周面で金属部材２０，２０の表面２０ｂ，２０ｂを押えながら摩擦攪拌接合を行う。回転ツール１の挿入深さは、少なくとも基端側ピン３の一部が金属部材２０の表面２０ｂと接触するように設定する。本実施形態では、基端側ピン３の外周面の高さ方向の中央部あたりが金属部材２０の表面２０ｂと接触するように挿入深さを設定している。

ここで、図５に示すように、従来のショルダレス回転ツール１００であると、ショルダ部で被接合金属部材１１０の表面を押えないため凹溝（被接合金属部材の表面と塑性化領域の表面とで構成される凹溝）が大きくなるとともに、接合表面粗さが大きくなるという問題がある。また、凹溝の脇に膨出部（接合前に比べて被接合金属部材の表面が膨らむ部位）が形成されるという問題がある。一方、図６の回転ツール１０１のように、回転ツール１０１のテーパー角度βをショルダレス回転ツール１００のテーパー角度αよりも大きくすると、ショルダレス回転ツール１００に比べて被接合金属部材１１０の表面を押えることはできるため、凹溝は小さくなり、膨出部も小さくなる。しかし、下向きの塑性流動が強くなるため、塑性化領域の下部にキッシングボンドが形成されやすくなる。

これに対し、本実施形態の回転ツール１は、基端側ピン３と、基端側ピン３のテーパー角度Ａよりもテーパー角度が小さい先端側ピン４を備えた構成になっている。これにより、金属部材２０，２０に回転ツール１を挿入しやすくなる。また、先端側ピン４のテーパー角度Ｂが小さいため、金属部材２０，２０の深い位置まで回転ツール１を容易に挿入することができる。また、先端側ピン４のテーパー角度Ｂが小さいため、回転ツール１０１に比べて下向きの塑性流動を抑えることができる。このため、塑性化領域Ｗの下部にキッシングボンドが形成されるのを防ぐことができる。一方、基端側ピン３のテーパー角度Ａは大きいため、従来の回転ツールに比べ、被接合金属部材の厚さや接合の高さ位置が変化しても安定して接合することができる。

また、基端側ピン３の外周面で塑性流動材を押えることができるため、接合表面に形成される凹溝を小さくすることができるとともに、凹溝の脇に形成される膨出部を無くすか若しくは小さくすることができる。また、階段状の段差部１０は浅く、かつ、出口が広いため、塑性流動材を段差底面１０ａで押さえつつ塑性流動材が段差部１０の外部に抜けやすくなっている。そのため、基端側ピン３で塑性流動材を押えても基端側ピン３の外周面に塑性流動材が付着し難い。よって、接合表面粗さを小さくすることができるとともに、接合品質を好適に安定させることができる。

本発明の回転ツール１は、適宜設計変更が可能である。図７は、本発明の回転ツールの第一変形例を示す側面図である。図７に示すように、第一変形例に係る回転ツール１Ａでは、段差部１０の段差底面１０ａと段差側面１０ｂとのなす段差角度Ｃが８５°になっている。段差底面１０ａは、水平面と平行である。このように、段差底面１０ａは水平面と平行であるとともに、段差角度Ｃは、摩擦攪拌中に段差部１０内に塑性流動材が滞留して付着することなく外部に抜ける範囲で鋭角としてもよい。

図８は、本発明の回転ツールの第二変形例を示す側面図である。図８に示すように、第二変形例に係る回転ツール１Ｂでは、段差部１０の段差角度Ｃが１１５°になっている。段差底面１０ａは水平面と平行になっている。このように、段差底面１０ａは水平面と平行であるとともに、段差部１０として機能する範囲で段差角度Ｃが鈍角となってもよい。

図９は、本発明の回転ツールの第三変形例を示す側面図である。図９に示すように、段差底面１０ａがツールの回転軸から外周方向に向かって水平面に対して１０°上方に傾斜している。段差側面１０ｂは、鉛直面と平行になっている。このように、摩擦攪拌中に塑性流動材を押さえることができる範囲で、段差底面１０ａがツールの回転軸から外周方向に向かって水平面よりも上方に傾斜するように形成されていてもよい。上記の回転ツールの第一～第三変形例によっても、本実施形態と同等の効果を奏することができる。

次に、本発明の実施例について説明する。実施例では、実施例１，２，３と３種類の試験を行って、摩擦攪拌工程後の接合表面粗さを計測した。

［実施例１］
実施例１では、単一の金属部材（アルミニウム合金：Ａ５０５２－Ｈ３４）の表面から回転ツール１を挿入し、所定距離相対移動させて摩擦攪拌後に発生した塑性化領域に沿って、表面の粗さＲｚ（μｍ）を表面粗さ計（本体：サーフコム１４００Ｄ，制御器：ＫＡ９８０１ＣＦ）で計測した。計測条件は、ＪＩＳ０１に準じて測定長さ：５ｍｍ、測定速度：０．６ｍｍ／ｓとし、カットオフ種別：ガウシアン、カットオフ波長：λｓ＝０．８ｍｍとした。金属部材の幅は１００ｍｍとし、長さは３００ｍｍとし、板厚は２ｍｍとした。回転ツール１の回転数は５０００ｒｐｍとし、接合速度は５００ｍｍ／ｍｉｎとした。回転ツール１の挿入深さ（回転ツール１の先端から金属部材の表面までの距離）は１．８ｍｍとした。段差部１０の段差角度Ｃは９０°とした。先端側ピン４のテーパー角度Ｂは７５°とした。先端側ピン４の螺旋溝１１（図２参照）の距離Ｘ２は０．１８ｍｍとし、高さＹ２は０．２２ｍｍとした。先端側ピン４の長さは１ｍｍとし、先端の直径は２ｍｍとした（以上が基本条件）。

図１０に示すように、実施例１では、回転ツール１の基端側ピン３のテーパー角度Ａを１０５°、１２０°、１３５°、１４２．５°、１５０°、１５７．５°、１６５°と変化させて、テーパー角度と接合表面粗さとの相関関係を調べた。距離Ｘ１が概ね一定となるように設定し、このときの段差部１０の段差側面１０ｂの高さＹ１は図１０に示すとおりである。つまり、テーパー角度Ａが大きくなるにつれて段差側面１０ｂの高さＹ１は小さくなる。

図１１に示すように、基端側ピン３のテーパー角度Ａが１３５°～１６０°であると、表面接合粗さが小さくなることがわかった。テーパー角度Ａが１３５°未満であると、接合表面粗さが大きくなる傾向になることがわかった。テーパー角度Ａが１３５°未満であると、ショルダレスツールに近い形態となるため、塑性流動材を押さえる作用がなくなり、接合表面粗さが大きくなると考えられる。一方、テーパー角度Ａが１６０°を超えると、高さＹ１が小さくなり、段差部１０の段差が小さくなる。つまり、段差部１０の機能が低下して、接合表面粗さが大きくなると考えられる。

［実施例２］
実施例２では、図１２に示すように、テーパー角度Ａを１５０°で固定し、段差側面１０ｂの高さＹ１を０．０５ｍｍ、０．１０ｍｍ、０．１８ｍｍ、０．２５ｍｍ、０．３３ｍｍ、０．４０ｍｍと変化させて、段差側面１０ｂの高さＹ１と接合表面粗さとの相関関係を調べた。テーパー角度Ａと高さＹ１を除く他の条件は、実施例１の基本条件と同じである。

また、実施例２では、図１３に示すように、特許文献２に示す比較例の回転ツール２００を用いて摩擦攪拌を行った。比較例の回転ツール２００は、基端側ピン２０３と、先端側ピン２０４とを備えている。基端側ピン２０３のテーパー角度は、先端側ピン２０４のテーパー角度よりも大きくなっている。基端側ピン２０３の外周面には、螺旋状の溝１３が形成されている。溝１３の断面形状は略半円状になっている。溝１３の曲率半径は０．５ｍｍとした。溝１３の深さは０．３ｍｍとし、隣り合う溝１３，１３の距離は１．２ｍｍとした。先端側ピン２０４の外周面には螺旋溝１１が形成されている。

図１４に示すように、段差側面１０ｂの高さＹ１が０．１０～０．４０ｍｍであると、接合表面粗さが小さくなることがわかった。比較例の回転ツール２００では、接合表面粗さが５５μｍであった。高さＹ１が０．０５ｍｍであると接合表面粗さが著しく大きくなることがわかった。高さＹ１が０．１０ｍｍ未満であると、段差がない状態に近づくため、段差部１０に基づく塑性流動量が減少し接合表面粗さが大きくなると考えられる。

一方、高さＹ１が０．４０ｍｍを超えると接合表面粗さが大きくなる傾向になる。これは、高さＹ１が大きくなると、必然的に段差底面１０ａの距離Ｘ１も大きくなる。例えば、テーパー角度Ａが１５０°を超えると距離Ｘ１の増加は顕著になる。段差底面１０ａ
の距離Ｘ１が大きくなると、同じ挿入深さにおける有効段差部数（被接合金属部材と接触している段差部の数）が減少するため、段差部１０に基づく塑性流動量が減少し接合表面粗さが大きくなると考えられる。なお、被接合金属部材に対する回転ツール１の押圧力を２６００Ｎ，２８００Ｎ，３０００Ｎと変化させて施行したが、押圧力での差はほとんど見られなかった。

［実施例３］
実施例３では、図１５に示すように、段差角度Ｃを変化させて、段差角度Ｃと接合表面粗さとの相関関係を調べた。実施例３では、テーパー角度Ａを１５０°とした。段差角度Ｃは、６０°、７５°、８５°、９０°、１０５°、１２０°、１３５°と変化させた。また、段差側面１０ｂの高さＹ１を０．１ｍｍとした場合を実施例３－１とし、高さＹ１を０．１８ｍｍとした場合を実施例３－２とし、高さＹ１を０．２５ｍｍとした場合を実施例３－３とした。その他の条件は、実施例１の基本条件と同じである。

図１６～１８に示すように、段差角度Ｃを８５°～１２０°に設定すると接合表面粗さが小さくなることがわかった。段差角度Ｃが８５°未満になると、段差部１０の内部に塑性流動材が溜まりやすくなり、段差部１０の内部に塑性流動材が付着し段差部１０として機能しなくなる。また、段差部１０に塑性流動材が付着すると、当該塑性流動材と被接合金属部材が損傷するおそれがある。一方、段差角度Ｃが１２０°を超えると塑性流動材を押さえることができなくなるため、接合表面粗さが大きくなると考えられる。また、実施例３－１，３－２，３－３では、実施例３－３の接合表面粗さが最も小さかった。つまり、段差側面１０ｂの高さＹ１が少なくとも０．１～０．２５ｍｍの範囲で、高さＹ１が大きくなるにつれて、接合表面粗さが小さくなる傾向があることがわかった。

１ 回転ツール
２ 基軸部
３ 基端側ピン
４ 先端側ピン
１０ 段差部
１０ａ 段差底面
１０ｂ 段差側面
１１ 螺旋溝
Ａ テーパー角度（基端側ピンの）
Ｂ テーパー角度
Ｃ 段差角度
Ｄ 螺旋溝角度
Ｊ１ 突合せ部
Ｘ１ 距離（基端側ピンの）
Ｘ２ 距離
Ｙ１ 高さ（段差側面の）
Ｙ２ 高さ

Claims (7)

1. 基端側ピンと、先端側ピンとを備える摩擦攪拌用の回転ツールであって、
   前記基端側ピンのテーパー角度は、前記先端側ピンのテーパー角度よりも大きく、
   前記基端側ピンのテーパー角度は、１３５～１６０°になっており、
   前記基端側ピンの外周面には、螺旋状であり、側面視すると階段状の段差部が形成され、
   前記段差部の段差底面と段差側面とでなす角度は８５～１２０°になっていることを特徴とする回転ツール。
2. 前記段差底面と前記段差側面とでなす角度は、鋭角で８５°以上であるか、又は鈍角で１２０°以下となっていることを特徴とする請求項１に記載の回転ツール。
3. 前記段差部の前記段差側面の高さは０．１～０．４ｍｍになっていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の回転ツール。
4. 前記段差部の前記段差側面の高さは０．１～０．２５ｍｍになっていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の回転ツール。
5. 前記段差底面は水平面と平行であ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回転ツール。
6. 前記段差底面は、ツールの回転軸から外周方向に向かって水平面に対して、上方に１５°以下に傾斜しているか、又は下方に－５°以上に傾斜してい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回転ツール。
7. 一対の金属部材の端面同士を突き合わせて形成された突合せ部を回転ツールを用いて擦攪拌接合する接合方法であって、
   前記回転ツールは、
   基端側ピンと、先端側ピンとを備え、
   前記基端側ピンのテーパー角度は、前記先端側ピンのテーパー角度よりも大きく、
   前記基端側ピンのテーパー角度は、１３５～１６０°になっており、
   前記基端側ピンの外周面には、螺旋状であり、側面視すると階段状の段差部が形成され、
   前記段差部の段差底面と段差側面とでなす角度は８５～１２０°になっており、
   前記基端側ピンの外周面を前記金属部材の表面に接触させつつ、前記段差部の前記段差底面で塑性流動材を押えながら摩擦攪拌を行うことを特徴とする接合方法。

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