JP7177717B2 - 摩擦撹拌接合用工具を用いた摩擦撹拌接合装置、及び摩擦撹拌接合方法 - Google Patents

Description

本発明は、摩擦撹拌接合用工具を用いた摩擦撹拌接合装置、及び摩擦撹拌接合方法に関する。

金属製の被接合部材同士を接合させる手法として、摩擦撹拌接合（ＦＳＷ）が知られている。摩擦撹拌接合では、接合用工具のプローブを高速で回転させながら接合予定部分の起点に挿入し、その後、高速回転を維持しつつショルダ部で接合表面を押さえつけながら移動させる。プローブの高速回転によって発生する摩擦熱により被接合部材が軟化するとともに、被接合部材同士が塑性流動によって撹拌され、被接合部材同士が接合される。

接合用工具の回転中に、塑性流動する被接合部材がショルダ部の外へはみ出した場合、そのはみ出した部分は、撹拌接合された部分（撹拌接合部）におけるバリとなる。そこで、従前の摩擦撹拌接合用工具では、渦巻き形状をなす溝をショルダ部に形成し、塑性流動する被接合部材を回転中心へ引き込むようにしている。これにより、ショルダ部の外へ塑性流動する被接合部材がはみ出すことが抑制され、ひいてはバリの発生が抑制される（例えば特許文献１参照）。

特開２０１６－２１５２６４号公報

ところで、摩擦撹拌接合によって接合される被接合部材として、導電性を付与するためのめっき層等、部材本体（母材）を形成する金属材料よりも融点の高い表面処理層が設けられたものが用いられることがある。このように相対的に融点の高い表面処理層を有する被接合部材を摩擦撹拌接合によって接合しようとすると、プローブの回転により生じる摩擦熱によって母材が軟化して塑性流動する一方、融点の高い表面処理層は軟化しない状態で維持される。

それにもかかわらず、従前の接合用工具を用いて摩擦撹拌接合を行うと、ショルダ部に形成された渦巻状の溝によって回転中心へ引き込まれるように塑性流動する母材とともに、非軟化状態にある表面処理層も回転中心へ引き込まれるように撹拌される。この場合、確かに、母材がショルダ部の外へはみ出すことが抑制され、それによるバリの発生は抑制される。その一方で、非軟化状態にある表面処理層の破片が撹拌接合部に残存するため、残った表面処理層の破片が母材の塑性流動を阻害したり、当該破片が母材によるバリに代わるバリとなり、撹拌接合部の表面が粗くなったりするという不都合もある。

そこで、本発明は、母材よりも融点の高い表面処理層を有する被接合部材が用いられた場合でも、撹拌接合部に表面処理層の破片が残存することによるバリの発生を抑制して表面粗さを低くすることができる摩擦撹拌接合装置及び摩擦撹拌接合方法を得ることを目的とする。

上記課題を解決すべく、第１の発明の摩擦撹拌接合用工具は、
柱状をなす基部と、
前記基部の一端部に設けられたプローブと、
前記基部の一端部において、前記プローブの周囲に設けられたショルダ部と、
を備え、
前記ショルダ部に、被接合部材の母材の表面に設けられた表面処理層を削り取って前記ショルダ部と前記被接合部材との間から排出する切削部が設けられていることを特徴とする。

第２発明の摩擦撹拌接合用工具は、
前記ショルダ部は平面であって、当該平面には前記プローブから外方へ直線状に延びる溝部が設けられており、
前記切削部は、前記溝部の開口縁部に形成された角部の外周側端部であることを特徴とする。

第３の発明の摩擦撹拌接合装置は、
上記摩擦撹拌接合用工具と、
前記ショルダ部を、被接合部材の表面に対して傾斜した状態で保持しつつ回転させる工具回転保持機構と、
を備えたことを特徴とする。

第４の発明の摩擦撹拌接合方法では、
接合対象となる被接合部材のうち少なくとも一方が母材の表面に表面処理層が設けられ、当該被接合部材同士を接合する摩擦撹拌接合方法であって、
上記摩擦撹拌接合用工具を用い、
前記ショルダ部を前記被接合部材の表面に対して傾斜させた状態で、前記摩擦撹拌接合用工具を保持し、前記溝部の開口縁部に形成された角部の外周側端部によって前記被接合部材の表面処理層を削り取って前記ショルダ部と前記被接合部材との間から排出しながら摩擦撹拌接合することを特徴とする。

第１の発明によれば、摩擦撹拌接合を行う際に、被接合部材の表面処理層が切削部によって削り取られてショルダ部と被接合部材との間から排出され、その状態で、被接合部材の母材同士が塑性流動によって撹拌される。これにより、母材同士の塑性流動に非軟化状態にある表面処理層が巻き込まれ、それがバリとして残ってしまうことが抑制され、撹拌接合部における表面粗さを低くすることができる。

第２の発明によれば、摩擦撹拌接合用工具を被接合部材の表面に対して傾斜させることにより、当該表面には、溝部によって形成される角部の外周側端部が当たり、外周側端部によって表面処理層が削り取られ、ショルダ部の外方へ排出される。摩擦撹拌接合用工具は、工具鋼等の強度、耐衝撃性、耐摩耗性等に優れた材料によって形成されるため、複雑な加工がしにくく、また複雑な加工を施すとなれば高コストとなる。その点、平面であるショルダ部に溝部を形成するだけの簡易な構成で切削部が設けられているため、切削部が設けられた場合でも、摩擦撹拌接合用工具のコストが増加することを抑制できる。

第３の発明によれば、摩擦撹拌接合用工具がそのショルダ部を傾斜させた状態で保持されるため、切削部により、被接合部材の表面処理層を削り取ってショルダ部と被接合部材との間から排出することを好適に行える。

第４の発明によれば、被接合部材の表面に設けられた表面処理層が角部の外周側端部によって削り取られ、ショルダ部と被接合部材との間から排出される。これにより、プローブの回転によって被接合部材の母材が塑性流動する際に、当該塑性流動に、非軟化状態にある表面処理層が巻き込まれ、それがバリとして残ってしまうことが抑制され、撹拌接合部における表面粗さ低くすることができる。

摩擦撹拌接合用工具を示す側面図。 摩擦撹拌接合用工具のショルダ部を示す平面図。 図２におけるＡ－Ａ断面図。 摩擦撹拌接合装置を示す概略図。 摩擦撹拌接合工具が移動している状態を示す断面図。

以下、本発明を具体化した実施形態について、図面を参照しながら説明する。

はじめに、図１乃至図３に示す摩擦撹拌接合用工具１０について説明する。摩擦撹拌接合用工具１０は、基部１１と、プローブ１２と、ショルダ部１３とを備えている。

基部１１は、円柱状をなし、工具鋼、タングステン合金、セラミックス等の工具鋼、タングステン合金、セラミックス等の強度、耐衝撃性、耐摩耗性等に優れた材料を用いて形成されている。基部１１の一端部は、基部１１の中心軸線方向に対して直交する平坦面とされ、当該平坦面がショルダ部１３となる。

プローブ１２は、円形平坦面よりなるショルダ部１３の中心部に設けられ、基部１１の中心軸線方向に向けて突出している。プローブ１２は、円柱状をなし、基部１１と同様、工具鋼、タングステン合金、セラミックス等の工具鋼、タングステン合金、セラミックス等の強度、耐衝撃性、耐摩耗性等に優れた材料を用いて形成されている。プローブ１２の外周部には、その軸方向全域にわたってねじ溝が形成されている。

ショルダ部１３には、プローブ１２の外周部から基部１１の外周部に向かって直線状に延びるスリット１４が、径方向の全域にわたって設けられている。スリット１４は、ショルダ部１３を平面視した場合に、図２に示すように、十字をなすように４本設けられている。スリット１４は溝部に相当し、図３に示すように、その断面形状は四角形状をなしている。スリット１４の開口縁部には、略直角をなすとともに径方向に直線状に延びる角部１５が形成されている。

次に、上記摩擦撹拌接合用工具１０が設けられた摩擦撹拌接合装置２０について説明する。摩擦撹拌接合装置２０は、図４に示すように、装置ベース部２３に設けられた載置部２１と、位置決め部２２と、加工装置部３０とを有している。

載置部２１は、装置ベース部２３に設けられ、摩擦撹拌接合の接合対象となる被接合部材Ｗ１，Ｗ２が複数枚載置される。載置部２１において、被接合部材Ｗ１，Ｗ２は、側面同士を突き合わせた状態で載置されることも、平面同士を重ね合わさせた状態で載置されることも可能となっている。図４には、一例として、板状をなす被接合部材Ｗ１，Ｗ２が重ね合わされて載置部２１に載置された状態を示している。載置部２１は、装置ベース部２３に設けられたレール等の移動装置２４によって移動可能に支持されている。図４に示した状態では、紙面に対して垂直方向に移動することが可能となっている。

位置決め部２２は、載置部２１に載置された被接合部材Ｗ１，Ｗ２が摩擦撹拌接合時に位置ずれしないように位置決めする。位置決め部２２の構成は任意であるが、図４では、一例として、一対の挟持用部材２２ａ，２２ｂを有する構成を示している。この構成では、各挟持用部材２２ａ，２２ｂが被接合部材Ｗ１，Ｗ２の側に移動してこれを挟み込むことにより、載置部２１に載置された被接合部材Ｗ１，Ｗ２が位置決めされる。

加工装置部３０は、工具回転保持機構３１と、支持機構３２とを有している。なお、以下の説明では、図４に示された状態を上下方向とする。

工具回転保持機構３１は、載置部２１の上方に設けられ、上下方向に延びる回転軸線Ｃ１を中心に高速回転する回転軸３３を有している。回転軸３３には、上記摩擦撹拌接合用工具１０が取り付けられている。回転軸３３に取り付けられた摩擦撹拌接合用工具１０は、プローブ１２が下方に向けられ、回転軸３３の回転軸線Ｃ１が摩擦撹拌接合用工具１０の中心軸線と一致している。回転軸３３が回転することにより、摩擦撹拌接合用工具１０もその中心軸線を中心として回転する。工具回転保持機構３１は、摩擦撹拌接合を行う際に、摩擦撹拌接合用工具１０を被接合部材Ｗ１，Ｗ２に対して押圧する工具加圧部（図示略）を有している。

支持機構３２は、装置ベース部２３から上方に延びるように設けられたコラム２５に沿って工具回転保持機構３１が移動可能となるように、当該工具回転保持機構３１を支持している。支持機構３２は、工具回転保持機構３１を上下方向に移動させ、摩擦撹拌接合を行う位置に配置したり、そこから退避位置に退避させたりする。

また、支持機構３２は、水平方向に延びる回動軸線Ｃ２を中心に工具回転保持機構３１が回動可能となるように支持している。上下方向に延びる回転軸線Ｃ１に対して、載置部２１の進行方向に向けて所定角度だけ、工具回転保持機構３１を傾斜させることが可能となっている。この傾斜機能を用いることにより、被接合部材Ｗ１，Ｗ２同士を接合させる部分の表面が水平である場合に、回転軸線Ｃ１を当該表面に対して直交した状態とすることも、当該表面に対して載置部２１の進行方向又はその逆方向に向けて傾斜した状態にすることも可能となっている。

次に、上記摩擦撹拌接合用工具１０が取り付けられた摩擦撹拌接合装置２０を用いて行う摩擦撹拌接合方法について説明する。ここでは、被接合部材Ｗ１，Ｗ２を接合する接合部分において、被接合部材Ｗ１，Ｗ２はそれぞれ板状をなしており、上下に重ね合わされている場合を例とする。本実施の形態では、上側に配置された被接合部材Ｗ１はアルミニウムにより形成され、導電性を付与するめっき処理が施されている。そのため、上側の被接合部材Ｗ１の表面及び下側の被接合部材Ｗ２との接合面には、アルミニウムよりも融点の高いめっき層４１が設けられている。めっき層４１は、表面処理層に相当する。一方、下側に配置された被接合部材Ｗ２はチタンにより形成されたものが用いられている。

図５に示すように、摩擦撹拌接合装置２０において、工具回転保持機構３１と支持機構３２とによって、摩擦撹拌接合用工具１０を、載置部２１の進行方向に向けて角度θだけ傾斜した状態で保持する。摩擦撹拌接合用工具１０のプローブ１２を高速で回転させながら接合予定部分の起点に挿入する。その後、摩擦撹拌接合用工具１０の高速回転を維持しつつ、ショルダ部１３で上側の被接合部材Ｗ１の表面を押さえつけながら、載置部２１を摩擦撹拌接合用工具１０の移動方向とは反対方向へ移動させる。これにより、摩擦撹拌接合用工具１０は接合予定部分に沿って移動する。

摩擦撹拌接合用工具１０の移動中、プローブ１２の高速回転によって発生する摩擦熱により、上側の被接合部材Ｗ１と、下側の被接合部材Ｗ２の界面側（上側の被接合部材Ｗ１との接合面側）の領域とが軟化し、被接合部材Ｗ１，Ｗ２同士が塑性流動によって撹拌される。これにより、摩擦撹拌接合用工具１０の軌跡には撹拌接合部４２が形成され、被接合部材Ｗ１，Ｗ２同士が摩擦撹拌接合される。

この場合において、ショルダ部１３には、４本のスリット１４の開口縁部に直線状をなす角部１５が形成されている。そして、摩擦撹拌接合用工具１０はショルダ部１３が上側の被接合部材Ｗ１の表面に対して傾斜している。そのため、各角部１５の外周側端部１６は、ショルダ部１３の回転によって被接合部材Ｗ１の表面に当たるたび、当該表面に対し、図５に示すように移動方向に対する直交方向からみて鋭角をなすように当たる。そのため、摩擦撹拌接合用工具１０の高速回転により、角部１５の外周側端部１６は、上側の被接合部材Ｗ１の表面に当たるたび、当該表面に設けられためっき層４１を削り取り、ショルダ部１３と被接合部材Ｗ１との間から外方へ排出する。なお、角部１５のうち、上側の被接合部材Ｗ１の表面に当たる外周側端部１６が切削部に相当する。

これにより、被接合部材Ｗ１，Ｗ２の母材同士が塑性流動によって撹拌される際に、表面のめっき層４１は削り取られ、かつショルダ部１３の外方へ排出されているため、撹拌によって表面のめっき層４１が巻き込まれることが抑制される。その結果、摩擦撹拌接合による撹拌接合部４２の表面に、めっき層４１の破片がバリとして残ることが抑制され、表面粗さを低くすることができる。

なお、上側の被接合部材Ｗ１に設けられためっき層４１のうち、下側の被接合部材Ｗ２に接する部分のめっき層４１は、角部１５の外周側端部１６によって削り取られ、排出されることはない。それでも、当該めっき層４１の破片は、被接合部材Ｗ１，Ｗ２同士が塑性流動によって撹拌される際に、上側の被接合部材Ｗ１の表面に現れることがないため、撹拌接合部４２の表面粗さには影響しない。

以上詳述したように、本発明の摩擦撹拌接合用工具１０及びそれを用いた摩擦撹拌接合方法によれば、以下の作用効果を奏することができる。

（１）摩擦撹拌接合用工具１０のショルダ部１３にはスリット１４が設けられ、径方向に延びる角部１５が形成されている。摩擦撹拌接合を行う際には、摩擦撹拌接合用工具１０を、そのショルダ部１３が上側の被接合部材Ｗ１の表面に対して傾斜した状態で保持され、その状態で回転する。そのため、角部１５の外周側端部１６によりめっき層４１が削り取られ、かつショルダ部１３との間から排出されながら、摩擦撹拌接合用工具１０はその移動方向へ移動する。プローブ１２の回転によって被接合部材Ｗ１，Ｗ２の母材が塑性流動する際には、非軟化状態にあるめっき層４１の破片が排出された状態で塑性流動するため、当該塑性流動にめっき層４１の破片が巻き込まれ、それが撹拌接合部４２にバリとして残ってしまうことが抑制される。これにより、撹拌接合部４２における表面粗さを低くすることができる。

（２）ショルダ部１３には、スリット１４が十字状をなすように形成されているため、上側の被接合部材Ｗ１のめっき層４１を削り取ってショルダ部１３と被接合部材Ｗ１との間から排出する角部１５の外周側端部１６は、４箇所設けられている。そのため、角部１５の外周側端部１６の数が少ない場合に比べ、めっき層４１の削り取りと排出をより確実に行うことができる。

（３）摩擦撹拌接合用工具１０は、工具鋼等の強度、耐衝撃性、耐摩耗性等に優れた材料によって形成されるため、複雑な加工がしにくく、また複雑な加工を施すとなれば高コストとなる。その点、平面であるショルダ部１３にスリット１４を形成するだけの簡易な構成でめっき層４１の切削部分を設けることができるため、切削部分を設けるために摩擦撹拌接合用工具１０のコストが増加することを抑制できる。

なお、本発明は、上記実施の形態に限定されず、例えば次のような構成や摩擦撹拌接合方法を採用してもよい。

（ａ）上記実施の形態では、ショルダ部１３に４本のスリット１４が十字状をなすように設けられているが、スリット１４の本数は任意であり、少なくとも１本のスリット１４が形成されていればよい。また、同一方向に延びる複数のスリット１４が設けられていてもよい。その他、上記実施の形態では、スリット１４が径方向の全域にわたって設けられているが、これに代えて、径方向の中央部よりも外周寄りの部分に設けられていれば足りる。

（ｂ）上記実施の形態では、ショルダ部１３に設けられ、断面形状が略四角形状をなすスリット１４が溝部に相当する。これに代えて、スリット１４よりも幅広に形成された溝部としたり、径方向に直線状をなすのではなく、削り取られて排出されためっき層４１がショルダ部１３の外方へはみ出すような渦巻き形状をなすように形成された溝部としたりしてもよい。また、溝部の断面形状も任意であり、半円形状、Ｖ字状など、少なくとも、溝部の開口縁部に角部（エッジ）が形成される形状であれば、いかなる形状であってもよい。

（ｃ）上記実施の形態では、プローブ１２が円柱状をなすように形成されているが、これに代えて、先端に平坦面を有する略円錐形状に形成するなど、プローブ１２の形状も任意である。また、プローブ１２は、基部１１と一体形成されたものであっても、基部１１に対して着脱式のものであってもよい。

（ｄ）上記実施の形態では、ショルダ部１３に設けられたスリット１４の径方向に延びる角部１５のうち、摩擦撹拌接合用工具１０を傾斜させた場合に、上側の被接合部材Ｗ１の表面にあたる外周側端部１６を切削部とした。切削部としては、例えば、正面フライス加工を行う工具のように、めっき層４１等の表面処理層を切削することが可能な構成を備えていればよい。例えば、ショルダ部１３に段差部分を設け、当該段差によって形成される角部を切削部としてもよい。切削部を形成する上では、ショルダ部１３は平面でなくてもよい。この例のような切削部が設けられた構成であれば、摩擦撹拌接合用工具１０を傾斜させることなく、上側の被接合部材Ｗ１の表面と水平な状態で保持し、高速回転させることによって、上側の被接合部材Ｗ１のめっき層４１を削り取ってショルダ部１３の外方へ排出することが可能となる。

（ｅ）上記実施の形態では、被接合部材Ｗ１，Ｗ２を接合する接合部分において、被接合部材Ｗ１，Ｗ２はそれぞれ板状をなし、それが上下に重ね合わされている場合の摩擦撹拌接合について説明した。これに代えて、被接合部材Ｗ１，Ｗ２同士の側面部分が突き合わされ、その突き合わされた部分が接合部分となる場合に適用してもよい。

（ｆ）上記実施の形態では、被接合部材Ｗ１，Ｗ２として、一方がめっき層４１を有するアルミニウム、他方がチタンを材料とした場合について説明した。被接合部材Ｗ１，Ｗ２となる金属材料は、両者の接合部分の表面を形成するもの（重なり接合であれば上側の部材、突き合わせ接合であれば両者）が、めっき層４１等の母材よりも融点の高い表面処理層を有する材料であればよい。マグネシウム、銅、ステンレス等の材料が一例として挙げられる。また、接合対象となる被接合部材Ｗ１，Ｗ２同士は異種材料であっても、同種材料であってもよい。

１０…摩擦撹拌接合用工具、１１…基部、１２…プローブ、１３…ショルダ部、１４…スリット（溝部）、１５…角部、１６…角部の外周側端部（切削部）、２０…摩擦撹拌接合装置、３１…工具回転保持機構、４１…めっき層（表面処理層）、Ｗ１，Ｗ２…被接合部材。

Claims (2)

1. 柱状をなす基部と、
   前記基部の一端部に設けられたプローブと、
   前記基部の一端部において、前記プローブの周囲に設けられたショルダ部と、
   を有する摩擦撹拌接合用工具と、
   工具回転保持機構と、
   を備え、
   前記ショルダ部に、被接合部材の母材の表面に設けられた表面処理層を削り取って前記ショルダ部と前記被接合部材との間から排出する切削部が設けられており、
   前記ショルダ部は平面であって、当該平面には前記プローブから外方へ直線状に延びる溝部が設けられており、
   前記切削部は、前記溝部の開口縁部に形成された角部の外周側端部であり、
   前記工具回転保持機構は、前記接合部材の表面に対して前記ショルダ部を傾斜した状態で保持しつつ、前記ショルダ部で前記被接合部材の表面を押さえ付けながら前記ショルダ部及び前記プローブを回転させることを特徴とする摩擦撹拌接合装置。
2. 接合対象となる被接合部材のうち少なくとも一方が母材の表面に表面処理層が設けられ、当該被接合部材同士を接合する摩擦撹拌接合方法であって、
   請求項１に記載の摩擦撹拌接合装置を用い、
   前記ショルダ部を前記被接合部材の表面に対して傾斜させた状態で、前記工具回転保持機構により前記摩擦撹拌接合用工具を保持し、前記角部の外周側端部によって前記被接合部材の表面処理層を削り取って前記ショルダ部と前記被接合部材との間から排出しながら摩擦撹拌接合することを特徴とする摩擦撹拌接合方法。

Images