JP2012091231A - 重ね接合用摩擦攪拌接合装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の目的は、酸化膜の巻き上げを抑えることにより接合部材における接合部の強度の低下を防止することが可能な重ね接合用摩擦攪拌接合装置を提供することである。
【解決手段】本発明では、軸心Ｃとショルダ部６とを有する回転子４と、回転子４のショルダ部６から突出するように設けられ且つ回転子４の軸心Ｃと同心状に配置されたプローブ部５とを備えている重ね接合用摩擦攪拌接合装置１において、プローブ部５の周面には、プローブ部５の先端部５ａからショルダ部６に向けて螺旋状の溝部７が形成されており、溝部７の山部分の外径が、プローブ部５の先端部５ａからショルダ部６に向けて徐々に小さくなるように形成されているとともに、螺旋状の溝部７の溝の深さが、プローブ部５の先端部５ａからショルダ部６に向けて徐々に小さくなるように形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、摩擦攪拌接合装置に関し、詳しくは、金属材からなる２つの接合部材を重ね合わせ接合する際に用いられる重ね接合用摩擦攪拌接合装置に関する。

従来より、２つの接合部材を重ね合わせて接合する装置として、様々な重ね接合用摩擦攪拌接合装置が提案されている（例えば、特許文献１及び特許文献２）。

図８は、従来の重ね接合用摩擦攪拌接合装置の一例を示している。図８に示すように、重ね接合用摩擦攪拌接合装置２１は、一対の接合部材２２，２３を重ね合わせて接合するものであり、ショルダ部２５を有する回転子２４と、ショルダ部２５から突出するように設けられた円筒状のプローブ部２６とを備えている。プローブ部２６は、回転子２４よりも径が小さく形成されおり、回転子２４の軸心Ｃと同心状に配置されている。

一対の接合部材２２，２３を重ね接合する際には、回転子２４を軸心Ｃを中心に矢印方向Ｒに回転させた状態で、重ね接合用摩擦攪拌接合装置２１を重ね合わせた接合部材２２，２３の上側の接合部材２２の表面から押し当てて所定の接合線（図示せず）に沿って移動させる。この際、プローブ部２６の周囲の接合部材２２，２３が軟化して、軟化した接合部材２２，２３が攪拌及び塑性流動する。これにより、所定の接合線に沿って接合部２７が形成されることになる。

図９は、従来の重ね接合用摩擦攪拌接合装置を使用して形成された接合部の顕微鏡写真を示している。図９（ｂ）〜（ｄ）に示すように、図８の従来の重ね接合用摩擦攪拌接合装置２１においては、プローブ部２６の周囲の軟化した接合部材２２，２３が上下方向に流動しにくく、プローブ部２６の先端部２６ａの周囲において空洞欠陥が生じ易いという問題があった。

一方、従来技術においては、このような空洞欠陥の問題を解決するための重ね接合用摩擦攪拌接合装置も提案されている。
図１０は、従来の重ね接合用摩擦攪拌接合装置の別の例を示している。重ね接合用摩擦攪拌接合装置３１においては、図１０に示すように、円筒状のプローブ部３６の周面には、螺旋状の溝部３７がプローブ部３６の先端部３６ａから回転子３４のショルダ部３５まで形成されている。

このような重ね接合用摩擦攪拌接合装置３１においては、図１０に示すように、螺旋状の溝部３７によってプローブ部３６の周囲の軟化した接合部材３２，３３が上下方向に流動するようになり、プローブ部３６の先端部３６ａの周囲において空洞欠陥が生じるのを防ぐことができる。

特開２００２−３５９６２号公報 特開２００２−３５９６４号公報

しかしながら、上述の構成においては、接合部材３２，３３間の界面３８付近における接合部材３２，３３の上下方向の流動が大きくなり、図１０に示すように、軟化した接合部材３２，３３が下方に流れた後に上方へ巻き上がるように流れる。その結果、図１１に示すように、接合部材３２，３３間の界面３８にある酸化膜が上方に巻き上げられた状態で残存することになる。

このように、接合力が弱い箇所となる酸化膜が上方に巻き上げられた状態で残存すると、図１２に示すように、上側の接合部材３２は、実質的な板厚ｔ_１がもとの板厚ｔ_０よりも薄くなり、接合部材３２，３３における接合部の強度が低下してしまう。例えば、図１２に示すように、接合部材３２，３３間の界面３８に平行で且つ互いに反対方向（引張せん断方向）の力が作用した場合、残存した酸化膜３９に沿って亀裂が入り易くなるという問題があった。

本発明はこのような実情に鑑みてなされたものであって、その目的は、酸化膜の巻き上げを抑えることにより一対の接合部材における接合部の強度の低下を防止することが可能な重ね接合用摩擦攪拌接合装置を提供することである。

上記従来技術の有する課題を解決するために、本発明は、ショルダ部を有する回転子と、該回転子のショルダ部から突出するように設けられ且つ前記回転子の軸心と同心状に配置されたプローブ部とを備えている重ね接合用摩擦攪拌接合装置において、前記プローブ部の周面には、前記プローブ部の先端部から前記ショルダ部に向けて螺旋状の溝部が形成されており、前記溝部の山部分の外径が、前記プローブ部の先端部から前記ショルダ部に向けて徐々に小さくなるように形成されているとともに、前記螺旋状の溝部の溝の深さが、前記プローブ部の先端部から前記ショルダ部に向けて徐々に小さくなるように形成されている。

また、本発明によれば、前記螺旋状の溝部は、前記プローブ部を重ね合わせた一対の接合部材に挿入した状態で、前記プローブ部の先端部から前記一対の接合部材の重ね合わせ面を越える位置まで延在している。

また、本発明によれば、前記プローブ部の周面には、前記プローブ部の軸心方向に沿って前記プローブ部の先端部から延在する凹溝が設けられている。

また、本発明によれば、前記凹溝は、前記プローブ部を重ね合わせた一対の接合部材に挿入した状態で、前記プローブ部の先端部から前記一対の接合部材の重ね合わせ面を越える位置まで延在している。

本発明に係る重ね接合用摩擦攪拌接合装置によれば、ショルダ部を有する回転子と、該回転子のショルダ部から突出するように設けられ且つ前記回転子の軸心と同心状に配置されたプローブ部とを備えている重ね接合用摩擦攪拌接合装置において、前記プローブ部の周面には、前記プローブ部の先端部から前記ショルダ部に向けて螺旋状の溝部が形成されており、前記溝部の山部分の外径が、前記プローブ部の先端部から前記ショルダ部に向けて徐々に小さくなるように形成されているとともに、前記螺旋状の溝部の溝の深さが、前記プローブ部の先端部から前記ショルダ部に向けて徐々に小さくなるように形成されているので、螺旋状の溝部によって生じる接合部材の上下方向の流動がショルダ部に向かうほど小さくなる。これにより、接合部材間の界面付近における接合部材の上下方向の流動が、螺旋状の溝部を設けた図１０の従来例に比べて小さくなるので、接合部材間の界面にある酸化膜が上方に巻き上げられた状態で残存するのを防ぐことができる。したがって、一対の接合部材における接合部の強度が低下することがない。

また、本発明に係る重ね接合用摩擦攪拌接合装置によれば、前記螺旋状の溝部は、前記プローブ部を重ね合わせた一対の接合部材に挿入した状態で、前記プローブ部の先端部から前記一対の接合部材の重ね合わせ面を越える位置まで延在しているので、接合部材間の界面付近において接合部材が上下方向に流動するが、その流動の程度が接合部材間の界面にある酸化膜を上方に巻き上げない程度に抑えられるようになっている。したがって、接合部材の上下方向の流動によりプローブ部の先端部付近に空洞欠陥が生じるのを防止することができ、更に、接合部材間の界面にある酸化膜が上方に巻き上げられるのを防ぐことができる。

また、本発明に係る重ね接合用摩擦攪拌接合装置によれば、前記プローブ部の周面には、前記プローブ部の軸心方向に沿って前記プローブ部の先端部から延在する凹溝が設けられているので、回転子を回転させると、プローブ部の周面の凹凸形状によってプローブ部の周囲の接合部材に対して水平方向（プローブ部の軸心に対して直交する方向）の流動を生じさせることができる。この際、この接合部材の水平方向の流動によって、螺旋状の溝部によって生じる接合部材の上下方向の流動が抑えられるので、接合部材間の界面にある酸化膜が上方に巻き上げられるのを効果的に防ぐことができる。

また、本発明に係る重ね接合用摩擦攪拌接合装置によれば、前記凹溝は、前記プローブ部を重ね合わせた一対の接合部材に挿入した状態で、前記プローブ部の先端部から前記一対の接合部材の重ね合わせ面を越える位置まで延在しているので、接合部材間の界面付近における水平方向の流動がより大きくなり、接合部材間の界面付近における上下方向の流動をより効果的に抑えることができる。これにより、接合部材間の界面にある酸化膜が上方に巻き上げられるのを効果的に防ぐことができる。

本発明の第１実施形態に係る重ね接合用摩擦攪拌接合装置の側面図である。 本発明の第１実施形態に係る重ね接合用摩擦攪拌接合装置のプローブ部を拡大した側面図である。 図１の重ね接合用摩擦攪拌接合装置を下方から見た図である。 本発明の第２実施形態に係る重ね接合用摩擦攪拌接合装置の側面図である。 本発明の第２実施形態に係る重ね接合用摩擦攪拌接合装置のプローブ部を拡大した側面図である。 図４の重ね接合用摩擦攪拌接合装置を下方から見た図である。 本発明の第２実施形態に係る重ね接合用摩擦攪拌接合装置を使用して形成された接合部の顕微鏡写真である（倍率５倍）。 従来の重ね接合用摩擦攪拌接合装置の側面図である。 図８の重ね接合用摩擦攪拌接合装置を使用して形成された接合部の顕微鏡写真を示しており、（ａ）は接合部の全体を示した顕微鏡写真（倍率６倍）であり、（ｂ）〜（ｄ）はプローブ部の先端部付近に生じた空洞欠陥を拡大した顕微鏡写真（倍率４００倍）である。 従来の別の重ね接合用摩擦攪拌接合装置の側面図である。 図１０の重ね接合用摩擦攪拌接合装置を使用して形成された接合部の顕微鏡写真を示しており、（ａ）は接合部の全体を示した顕微鏡写真（倍率６倍）であり、（ｂ）はアドバンシングサイド側の酸化膜の巻き上がりを示した顕微鏡写真（倍率２５倍）であり、（ｃ）はリトリーティングサイド側の酸化膜の巻き上がりを示した顕微鏡写真（倍率２５倍）である。 図１０の重ね接合用摩擦攪拌接合装置を使用して形成された接合部の断面図である。

［第１実施形態］
以下、本発明の第１実施形態に係る重ね接合用摩擦攪拌接合装置を、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係る重ね接合用摩擦攪拌接合装置の側面図であり、図２は、本発明の第１実施形態に係る重ね接合用摩擦攪拌接合装置のプローブ部を拡大した側面図である。また、図３は、図１の重ね接合用摩擦攪拌接合装置を下方から見た図である。

図１に示すように、第１実施形態に係る重ね接合用摩擦攪拌接合装置１は、一対の接合部材２，３を重ね合わせて接合するものであり、円筒状の回転子４と、回転子４から突出するように設けられた円筒状のプローブ部５とを備えている。

図１に示すように、回転子４は、一対の接合部材２，３の上側の接合部材２の表面に接触するショルダ部６を備えており、軸心Ｃを中心に矢印Ｒ方向に回転するように構成されている。一方、プローブ部５は、回転子４よりも径が小さく形成されおり、回転子４の軸心Ｃと同心状に配置されている。

図２及び図３に示すように、円筒状のプローブ部５の周面には、螺旋状の溝部７がプローブ部５の先端部５ａからショルダ部６に向かって形成されている。図２に示すように、螺旋状の溝部７は、断面がＶ字状の左ネジとして構成されている。また、螺旋状の溝部７は、プローブ部５を重ね合わせた一対の接合部材２，３に挿入した状態で、プローブ部５の先端部５ａから接合部材２，３間の界面（重ね合わせ面）８を越えてショルダ部６まで延在している。

この第１実施形態においては、図２に示すように、螺旋状の溝部７の溝の深さが、プローブ部５の先端部５ａからショルダ部６に向けて徐々に小さくなるように形成されている。これにより、第１実施形態においては、螺旋状の溝部７によって生じる接合部材２，３の上下方向の流動がショルダ部６に向かって徐々に小さくなるようになっている。

次に、第１実施形態に係る重ね接合用摩擦攪拌接合装置１を用いて一対の接合部材２，３を接合する手順について説明する。
図１に示すように、まず、一対の接合部材２，３を重ね合わせ、上側の接合部材２の表面から回転子４を回転させつつ重ね接合用摩擦攪拌接合装置１を押し当てる。この際、本実施形態では、回転子４は、矢印Ｒ方向に回転させる。
そして、回転子４のショルダ部６が上側の接合部材２の表面に接する位置まで回転子４を押し込み、この状態で回転子４を所定の接合線（図示せず）に沿って移動させる。これにより、プローブ部５の周囲の軟化した接合部材２，３が攪拌及び塑性流動され、その結果、接合部９が形成される。

第１実施形態に係る重ね接合用摩擦攪拌接合装置１によれば、ショルダ部６を有する回転子４と、回転子４のショルダ部６から突出するように設けられ且つ回転子４の軸心Ｃと同心状に配置されたプローブ部５とを備えている重ね接合用摩擦攪拌接合装置１において、プローブ部５の周面には、プローブ部５の先端部５ａからショルダ部６まで螺旋状の溝部７が形成されており、螺旋状の溝部７の溝の深さが、プローブ部５の先端部５ａからショルダ部６に向けて徐々に小さくなるように形成されているので、螺旋状の溝部７によって生じる接合部材２，３の上下方向の流動がショルダ部６に向かうほど小さくなる。つまり、接合部材２，３の上下方向の流動によりプローブ部５の先端部５ａ付近に空洞欠陥が生じるのを防止しつつ、更に、接合部材２，３間の界面８にある酸化膜が上方に巻き上げられるのを防止することができる。したがって、接合部材２，３における接合部９の強度が低下することがない。

［第２実施形態］
以下、本発明の第２実施形態に係る重ね接合用摩擦攪拌接合装置を、図面を参照しながら説明する。図４は、本発明の第２実施形態に係る重ね接合用摩擦攪拌接合装置の側面図であり、図５は、本発明の第２実施形態に係る重ね接合用摩擦攪拌接合装置のプローブ部を拡大した側面図である。また、図６は、図４の重ね接合用摩擦攪拌接合装置を下方から見た図である。なお、前述した実施形態で説明したものと同様の部分については、同一の符号を付して重複する説明は省略する。

この第２実施形態においては、図４及び５に示すように、プローブ部５の周面には、プローブ部５の軸心Ｃの方向に沿ってプローブ部５の先端部５ａからショルダ部６に向かって延在する３つの凹溝１０が設けられている。

図５に示すように、これら３つの凹溝１０は、側面視でショルダ部６側の端部が円弧状に形成されている。また、図６に示すように、３つの凹溝１０は、断面が円弧状になるように形成されるとともに、プローブ部５の周方向に一定の間隔をおいてそれぞれ配置されている。

また、図４に示すように、凹溝１０は、プローブ部５を重ね合わせた一対の接合部材２，３に挿入した状態で、プローブ部５の先端部５ａから一対の接合部材２，３の界面８を越える位置まで延在している。そして、図５に示すように、凹溝１０は、ショルダ部側端部１０ａがショルダ部６から所定の距離ｈ（例えば、０．２ｍｍ）だけ間隔をあけるように形成されている。

以上の構成から、第２実施形態においては、図４に示すように、回転子４を回転させると、プローブ部５の周面の凹凸形状によってプローブ部５の周囲の接合部材２，３に対して水平方向（プローブ部５の軸心Ｃに対して直交する方向）の流動を生じさせることができる。この際、この接合部材２，３の水平方向の流動によって、螺旋状の溝部７によって生じる上下方向の流動が抑えられるようになっている。

図７は、第２実施形態に係る重ね接合用摩擦攪拌接合装置１を使用して形成された接合部９の顕微鏡写真を示している。
図７に示すように、第２実施形態おいては、螺旋状の溝部７によって生じる上下方向の流動が水平方向の流動によって抑えられるため、接合部材間の界面にある酸化膜が上方に巻き上げられることなく、接合部が形成されている。

第２実施形態に係る重ね接合用摩擦攪拌接合装置１によれば、プローブ部５の周面には、プローブ部５の軸心方向に沿ってプローブ部５の先端部５ａから延在する凹溝１０が設けられているので、回転子４を回転させると、プローブ部５の周面の凹凸形状によってプローブ部５の周囲の接合部材２，３に対して水平方向の流動を生じさせることができる。この際、この接合部材２，３の水平方向の流動によって、螺旋状の溝部７によって生じる接合部材２，３の上下方向の流動が抑えられるので、接合部材２，３間の界面８にある酸化膜が上方に巻き上げられるのを効果的に防ぐことができる。

また、第２実施形態に係る重ね接合用摩擦攪拌接合装置１によれば、凹溝１０は、プローブ部５を重ね合わせた一対の接合部材２，３に挿入した状態で、プローブ部５の先端部５ａから接合部材２，３間の界面８を越える位置まで延在しているので、接合部材２，３間の界面８付近における水平方向の流動がより大きくなり、接合部材２，３間の界面８付近における上下方向の流動をより効果的に抑えることができる。これにより、酸化膜が上方に巻き上げられるのをより効果的に防ぐことができる。

以上、本発明の実施の形態につき述べたが、本発明は既述の実施形態に限定されるものでなく、本発明の技術的思想に基づいて各種の変形及び変更が可能である。

上述の第１及び第２実施形態では、螺旋状の溝部７は、断面Ｖ字状に形成されているが、断面が円弧状あるは矩形状などの他の形状としてもよい。

上述の第２実施形態では、凹溝１０は、プローブ部５の周面に３つ形成されているが、凹溝１０の数は３つに限定されず、プローブ部５の周面に少なくとも１つ設けられていればよい。

上述の第２実施形態では、凹溝１０は、断面が円弧状に形成されているが、断面がＶ字状あるは矩形状などの他の形状としてもよい。

１ 重ね接合用摩擦攪拌接合装置
２，３ 接合部材
４ 回転子
５ プローブ部
５ａ プローブ部の先端部
６ ショルダ部
７ 溝部
８ 接合部材間の界面
９ 接合部
１０ 凹溝
２１，３１ （従来）重ね接合用摩擦攪拌接合装置
２２，２３，３２，３３ （従来）接合部材
２４，３４ （従来）回転子
２５，３５ （従来）ショルダ部
２６，３６ （従来）プローブ部
２７ （従来）接合部
３７ （従来）溝部
３８ （従来）界面
３９ （従来）酸化膜
Ｃ 回転子の軸心
Ｒ 回転子の回転方向
ＡＳ アドバンシングサイド
ＲＳ リトリーティングサイド

Claims (4)

1. 軸心とショルダ部とを有する回転子と、該回転子のショルダ部から突出するように設けられ且つ前記回転子の前記軸心と同心状に配置されたプローブ部とを備えている重ね接合用摩擦攪拌接合装置において、
   前記プローブ部の周面には、前記プローブ部の先端部から前記ショルダ部に向けて螺旋状の溝部が形成されており、前記溝部の山部分の外径が、前記プローブ部の先端部から前記ショルダ部に向けて徐々に小さくなるように形成されているとともに、前記螺旋状の溝部の溝の深さが、前記プローブ部の先端部から前記ショルダ部に向けて徐々に小さくなるように形成されていることを特徴とする重ね接合用摩擦攪拌接合装置。
2. 前記螺旋状の溝部は、前記プローブ部を重ね合わせた一対の接合部材に挿入した状態で、前記プローブ部の先端部から前記一対の接合部材の重ね合わせ面を越える位置まで延在していることを特徴とする請求項１に記載の重ね接合用摩擦攪拌接合装置。
3. 前記プローブ部の周面には、前記プローブ部の軸心方向に沿って前記プローブ部の先端部から延在する凹溝が設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の摩擦攪拌接合装置。
4. 前記凹溝は、前記プローブ部を重ね合わせた一対の接合部材に挿入した状態で、前記プローブ部の先端部から前記一対の接合部材の重ね合わせ面を越える位置まで延在していることを特徴とする請求項２または３に記載の重ね接合用摩擦攪拌接合装置。