JP2016215264A - 摩擦撹拌接合工具、および摩擦撹拌接合装置 - Google Patents

Abstract

【課題】塑性流動させた母材の材料を引き込む能力を維持することができる摩擦撹拌接合工具および摩擦撹拌接合装置を提供することである。【解決手段】実施形態に係る摩擦撹拌接合工具は、基部と、前記基部の一方の端部側に設けられたピンと、前記基部の一方の端部側であって、前記ピンの周りに設けられたショルダ部と、を備えている。前記ショルダ部の表面には、帯状を呈し、摩擦撹拌接合工具の中心軸に直交する方向において前記ピンの周りを渦巻き状に巻き回され、前記ピンの周りを旋回するにつれて前記摩擦撹拌接合工具の中心軸の方向において前記ピンから離れる形状の段差面が設けられている。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、摩擦撹拌接合工具、および摩擦撹拌接合装置に関する。

摩擦攪拌接合（FSW；Friction Stir Welding）においては、回転する工具の押圧力と回転モーメントによって接合する部材（母材）の材料を塑性流動させる。
ここで、塑性流動させた母材の材料が接合部分の周縁からはみ出すと、接合部分における母材の材料の量がその分少なくなる。接合部分における母材の材料の量が少なくなると、欠陥が発生するおそれがある。また、接合部分の周縁からはみ出した母材の材料は、バリとなる。
そのため、工具のショルダ部に、工具の中心軸の方向から見た形状が渦巻き状を呈する溝（凹部）を設けて、塑性流動させた母材の材料を回転する工具の中心軸側に引き込むようにしている。
ところが、溝の内部に入り込んだ材料が溝の内部に付着すると、単なる平坦面を有するショルダ部と変わらなくなる。
また、溝と、溝との間に形成される凸部の幅寸法が短い場合には、凸部が摩耗しやすくなる。そして、凸部が摩耗すると、単なる平坦面を有するショルダ部と変わらなくなる。 溝の内部に付着した材料を除去すれば、材料を引き込む能力を回復させることができる。しかしながら、材料の除去を頻繁に行えば、生産性が低下することになる。
そのため、塑性流動させた母材の材料を引き込む能力を維持することができる摩擦撹拌接合工具および摩擦撹拌接合装置の開発が望まれていた。

米国特許出願公開第２００６／０２８９６０８号明細書 特開２００３−４８０８３号公報 特開２０１２−８６２６７号公報 特開２０１２−２０２８８号公報

本発明が解決しようとする課題は、塑性流動させた母材の材料を引き込む能力を維持することができる摩擦撹拌接合工具および摩擦撹拌接合装置を提供することである。

実施形態に係る摩擦撹拌接合工具は、基部と、前記基部の一方の端部側に設けられたピンと、前記基部の一方の端部側であって、前記ピンの周りに設けられたショルダ部と、を備えている。
前記ショルダ部の表面には、帯状を呈し、摩擦撹拌接合工具の中心軸に直交する方向において前記ピンの周りを渦巻き状に巻き回され、前記ピンの周りを旋回するにつれて前記摩擦撹拌接合工具の中心軸の方向において前記ピンから離れる形状の段差面が設けられている。

本実施の形態に係る摩擦撹拌接合工具１を例示するための模式斜視図である。 摩擦撹拌接合工具１を例示するための模式側面図である。 （ａ）は、比較例に係るショルダ部５４を例示するための模式断面図である。（ｂ）は、比較例に係るショルダ部６４を例示するための模式断面図である。 （ａ）は、比較例に係るショルダ部を備えた工具を用いて接合を行った場合の接合部分を例示するための模式図である。（ｂ）は、本実施の形態に係るショルダ部４を備えた工具を用いて接合を行った場合の接合部分を例示するための模式図である。 本実施の形態に係る摩擦撹拌接合装置１００を例示するための模式図である。

以下、図面を参照しつつ、実施の形態について例示をする。なお、各図面中、同様の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
図１は、本実施の形態に係る摩擦撹拌接合工具１を例示するための模式斜視図である。 図２は、摩擦撹拌接合工具１を例示するための模式側面図である。
図１および図２に示すように、摩擦撹拌接合工具１（以下、単に、工具１と称する）は、基部２、ピン３、およびショルダ部４を備えている。

基部２、ピン３、およびショルダ部４は、一体に形成されている。
基部２、ピン３、およびショルダ部４の材料には特に限定はないが、接合する部材の材料よりも硬い材料を用いることが好ましい。基部２、ピン３、およびショルダ部４の材料は、例えば、工具鋼、タングステン合金、セラミックなどとすることができる。
接合する部材の材料は、例えば、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、およびマグネシウム合金などとすることができる。ただし、これらの材料に限定されるわけではなく、摩擦撹拌接合が可能であれば特に限定はない。また、一方の部材の材料は、他方の部材の材料と同じであってもよいし、異なるものであってもよい。

基部２は、柱状を呈している。
基部２は、基部２の中心軸２ａと、工具１の中心軸１ａとが同一直線上に位置するように設けることができる。
基部２の形態には特に限定はないが、円柱状とすれば工具１の製造が容易となる。また、摩擦撹拌接合装置１００への工具１の取り付けが容易となる。
なお、基部２のピン３が設けられる側（端部２ｂ側）とは反対側（端部２ｃ側）に、ねじなどの図示しない締結部を設けることもできる。この場合、締結部を介して基部２を保持する図示しない保持部をさらに備え、図示しない保持部を摩擦撹拌接合装置１００に取り付けるようにすることができる。この様にすれば、一体に形成された基部２、ピン３、およびショルダ部４を摩擦撹拌接合装置１００から取り外すのが容易となる。そのため、ピン３およびショルダ部４の洗浄などのメンテナンスが容易となる。

ピン３は、基部２の一方の端部２ｂ側に設けられている。
ピン３は、柱状を呈している。
ピン３は、ピン３の中心軸３ａと、工具１の中心軸１ａとが同一直線上に位置するように設けられている。
工具１の中心軸１ａに直交する方向におけるピン３の外形寸法は、基部２の中心軸１ａに直交する方向における外形寸法よりも短くなっている。
ピン３の中心軸１ａに直交する方向における外形寸法には特に限定はないが、ピン３の外形寸法は基部の外形寸法の２倍から３倍とするのが一般的であり、接合する部材の材料や加工条件などに応じて適宜変更することができる。
工具１の中心軸１ａの方向におけるピン３の長さ寸法（高さ寸法）は、接合する部材の厚み寸法と接合形態などにより適宜決定することができる。
例えば、２つの部材を突き合わせ、突き合わせた部分を接合する場合には、ピン３の長さ寸法（高さ寸法）は、部材の厚み寸法よりも短くする。２つの部材を重ね合わせ、重ね合わせた部分を接合する場合には、ピン３の長さ寸法（高さ寸法）は、工具を挿入する側の部材の厚み寸法よりも長くする。
なお、ピン３の長さ寸法（高さ寸法）は、接合する部材の材料や加工条件などに応じて適宜変更することができる。

ピン３の形態には特に限定はないが、接合する部材に工具１を挿入する際の工具および部材の負荷を軽減するため、先端に向かうに従い外形寸法（断面寸法）が漸減する様な形態とすることが好ましい。
例えば、ピン３は、円錐台状を呈するものとすることができる。
ピン３の側面には、らせん状の溝を設けることができる。らせん状の溝をピン３の側面に設ければ、工具１の回転方向に加えて中心軸１ａ方向にも材料を塑性流動させることができる。そのため、突き合せの接合において、接合する部材の厚みよりも工具１のピン３の長さ寸法（高さ寸法）を短くしても突き合せ部の全面を接合できる。
らせん状の溝のピッチ寸法、大きさ、数などには、特に限定はない。
また、らせん状の溝は、必ずしも必要ではない。
らせん状の溝を設けない場合には、ピン３の側面が平滑となるようにすることができる。
この場合、中心軸１ａに直交する方向におけるピン３の断面形状を多角形とすれば、らせん状の溝が無くても塑性流動させた材料を撹拌し易くなる。
らせん状の溝のピッチ寸法、大きさ、数、らせん状の溝の要否は、例えば、接合する部材の材料や厚み寸法、加工条件などに応じて適宜変更することができる。

ショルダ部４は、基部２のピン３が設けられた側の端部２ｂであって、ピン３の周りに設けられている。
ショルダ部４は、ショルダ部４の中心軸４ａと、工具１の中心軸１ａとが同一直線上に位置するように設けられている。
すなわち、ショルダ部４は、ピン３の周りに設けられ、ショルダ部４の中心軸４ａと、ピン３の中心軸３ａとが工具１の中心軸１ａ上に位置している。

ショルダ部４の表面には、帯状の段差面４ｂが設けられている。
段差面４ｂの中心軸４ａ（中心軸１ａ）に直交する方向における位置は、段差面４ｂが中心軸４ａ（中心軸１ａ）の周りを旋回するにつれて中心軸４ａ（中心軸１ａ）から離れる。
すなわち、段差面４ｂは、帯状を呈し、工具１の中心軸１ａに直交する方向においてピン３の周りを渦巻き状に巻き回されている。

この場合、渦巻きの方向は、工具１の回転方向と逆となっている。
また、中心軸４ａ（中心軸１ａ）に直交する方向における段差面４ｂと段差面４ｂの間には溝が設けられていない。すなわち、工具１を中心軸１ａの方向から見た際に、段差面４ｂと、隣接する段差面４ｂとは密着している。

また、段差面４ｂの中心軸４ａ（中心軸１ａ）の方向における位置は、中心軸４ａ（中心軸１ａ）の周りを旋回するにつれて、ピン３の根元から基部２のピン３が設けられた側の端部２ｂ側へ移動する。
すなわち、段差面４ｂは、ピン３の根元から始まり、ピン３の周りを旋回するにつれて、工具１の中心軸１ａの方向においてピン３から離れるように端部２ｂ側へ移動し、端部２ｂ面で終わる。
以上に説明したように、段差面４ｂは、ピン３の周りを渦巻き状に旋回する連続したスロープとなっている。
段差面４ｂは、平坦な面とすることができる。
段差面４ｂを通り、段差面４ｂの周縁から中心軸４ａ（中心軸１ａ）に向かう線は、中心軸４ａ（中心軸１ａ）と直交するようにすることができる。

本発明者の得た知見によれば、以上のような形態を有する段差面４ｂの段差Ｈを０．０５ｍｍ以上、１ｍｍ以下とすれば、塑性流動させた母材の材料を引き込む能力を維持することが容易となる。
また、段差面４ｂの幅寸法を、ピン３の周縁と、基部２の端部２ｂの周縁との間の寸法の１／３以下とすれば、塑性流動させた母材の材料を引き込む能力を維持することが容易となる。
ただし、段差面４ｂがピン３の周りを旋回する回数には特に限定がなく、接合する部材の材料や加工条件などに応じて適宜変更することができる。

次に、ショルダ部４の作用および効果についてさらに説明する。
図３（ａ）は、比較例に係るショルダ部５４を例示するための模式断面図である。
図３（ａ）に示すように、ショルダ部５４の表面には、渦巻き状の溝５４ｃが設けられている。
溝５４ｃと溝５４ｃの間には、凸部５４ｂが形成されている。
凸部５４ｂの頂面５４ｂ１は、曲面となっている。
頂面５４ｂ１を通り、頂面５４ｂ１の周縁から中心軸５４ａに向かう線は、中心軸５４ａと交差している。
すなわち、頂面５４ｂ１は、傾斜面となっている。

図３（ｂ）は、比較例に係るショルダ部６４を例示するための模式断面図である。
図３（ｂ）に示すように、ショルダ部６４の表面には、渦巻き状の溝６４ｃが設けられている。
溝６４ｃと溝６４ｃの間には、凸部６４ｂが形成されている。
凸部６４ｂの頂面６４ｂ１は、平坦な面となっている。
頂面６４ｂ１を通り、頂面６４ｂ１の周縁から中心軸６４ａに向かう線は、中心軸６４ａと交差している。
すなわち、頂面６４ｂ１は、傾斜面となっている。

図３（ａ）、（ｂ）に示すように、渦巻き状の溝５４ｃ、６４ｃを設けるようにすれば、塑性流動させた母材の材料を回転する工具の中心軸側に引き込むことができる。
ところが、溝５４ｃ、６４ｃの内部に入り込んだ材料が溝５４ｃ、６４ｃの内部に付着すると、単なる平坦面を有するショルダ部と変わらなくなる。
また、溝５４ｃ、６４ｃと、溝５４ｃ、６４ｃとの間に形成された凸部５４ｂ、６４ｂの幅寸法が短い場合には、凸部５４ｂ、６４ｂが摩耗しやすくなる。そして、凸部５４ｂ、６４ｂが摩耗すると、単なる平坦面を有するショルダ部と変わらなくなる。

これに対して、本実施の形態に係るショルダ部４においては、中心軸４ａ（中心軸１ａ）に直交する方向における段差面４ｂと段差面４ｂの間に溝が設けられていない。すなわち、工具１を中心軸１ａの方向から見た際に、段差面４ｂと、隣接する段差面４ｂとは密着している。
そのため、塑性流動させた母材の材料がショルダ部４の表面に付着しにくくなる。
また、段差面４ｂの幅寸法を長くすることができるので、摩耗しにくくすることができる。
そのため、塑性流動させた母材の材料を引き込む能力を維持することができる。

ここで、接合する部材に工具１を挿入する際に、挿入方向における接合する部材と工具１の相対的な位置がばらつくことがある。
この場合、段差面４ｂを平坦な面とし、段差面４ｂを通り、段差面４ｂの周縁から中心軸４ａ（中心軸１ａ）に向かう線が、中心軸４ａ（中心軸１ａ）と直交するようにすれば、段差面４ｂと塑性流動させた母材の材料との接触を安定させることができる。
そのため、挿入方向における工具１の位置がばらついたとしても、塑性流動させた母材の材料を引き込む能力を維持させやすくなる。

図４（ａ）は、比較例に係るショルダ部を備えた工具を用いて接合を行った場合の接合部分を例示するための模式図である。
図４（ｂ）は、本実施の形態に係るショルダ部４を備えた工具を用いて接合を行った場合の接合部分を例示するための模式図である。
なお、図４（ａ）、（ｂ）は、２つの部材７１、７２を突き合わせ、突き合わせた部分を接合する場合である。

前述したように、比較例に係るショルダ部においては、塑性流動させた母材の材料が渦巻く状の溝の内部に付着しやすい。
そのため、塑性流動させた母材の材料を引き込む能力が低下しやすくなる。
その結果、図４（ａ）に示すように、塑性流動させた母材の材料が接合部分７０の周縁からはみ出すようになる。塑性流動させた母材の材料が接合部分７０の周縁からはみ出すと、接合部分７０における母材の材料の量がその分少なくなるので、接合部分７０に欠陥が発生するおそれがある。また、接合部分７０の周縁からはみ出した母材の材料は、バリ７０ａとなる。

これに対して、本実施の形態に係るショルダ部４を備えた工具１は、塑性流動させた母材の材料を引き込む能力を維持することができる。
そのため、図４（ｂ）に示すように、塑性流動させた母材の材料が接合部分７０の周縁からはみ出すことを抑制することができる。塑性流動させた母材の材料が接合部分７０の周縁からはみ出さなければ、欠陥およびバリの発生を抑制することができる。

次に、本実施の形態に係る摩擦撹拌接合装置１００について例示をする。
図５は、本実施の形態に係る摩擦撹拌接合装置１００を例示するための模式図である。
なお、図５中の矢印Ｘ、Ｙ、Ｚは、互いに直交する三方向を表している。矢印Ｚは鉛直方向を表し、矢印Ｘと矢印Ｙは水平方向を表している。

図５に示す摩擦撹拌接合装置１００は、２つの部材７１、７２を突き合わせ、突き合わせた部分を接合する。
摩擦撹拌接合装置１００は、床面などに設置することができる。
また、摩擦撹拌接合装置１００は、６軸垂直多関接ロボットなどのハンドに取り付けることもできる。

図５に示すように、摩擦撹拌接合装置１００には、載置部１０１、保持部１０２、および加工部１０３が設けられている。
載置部１０１は、２つの部材７１、７２を突き合わせた状態で載置する。
部材７１、７２は、例えば、アルミニウム合金などからなる板材とすることができる。 保持部１０２は、２つの部材７１、７２を互いに近接する方向（例えば、Ｙ方向）に加圧して保持する。
保持部１０２は、例えば、サーボモータなどの制御モータを備えたものとすることができる。

加工部１０３は、工具１の基部２を保持する。
加工部１０３は、中心軸１０３ａを中心として工具１を回転させる。
この際、加工部１０３は、段差面４ｂの巻き方向と逆の方向に工具１を回転させる。
加工部１０３は、回転させた工具１の位置を変化させる。
例えば、加工部１０３は、回転させた工具１のＺ方向における位置を変化させて、ピン３およびショルダ部４が部材７１、７２の内部に挿入されるようにする。
そして、加工部１０３は、回転させた工具１のＸ方向における位置を変化させて、２つの部材７１、７２の突き合わせた部分を接合する。
加工部１０３は、例えば、サーボモータなどの制御モータを備えたものとすることができる。

以上、本発明のいくつかの実施形態を例示したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更などを行うことができる。これら実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。

１ 摩擦撹拌接合工具、１ａ 中心軸、２ 基部、２ａ 中心軸、２ｂ 端部、２ｃ 端部、３ ピン、３ａ 中心軸、４ ショルダ部、４ａ 中心軸、４ｂ 段差面、７０ 接合部分、７０ａ バリ、７１ 部材、７２ 部材、１００ 摩擦撹拌接合装置、１０１ 載置部、１０２ 保持部、１０３ 加工部、Ｈ 段差

Claims (9)

1. 基部と、
   前記基部の一方の端部側に設けられたピンと、
   前記基部の一方の端部側であって、前記ピンの周りに設けられたショルダ部と、
   を備え、
   前記ショルダ部の表面には、帯状を呈し、摩擦撹拌接合工具の中心軸に直交する方向において前記ピンの周りを渦巻き状に巻き回され、前記ピンの周りを旋回するにつれて前記摩擦撹拌接合工具の中心軸の方向において前記ピンから離れる形状の段差面が設けられている摩擦撹拌接合工具。
2. 前記摩擦撹拌接合工具を中心軸の方向から見た際に、前記段差面と、隣接する前記段差面と、は密着している請求項１記載の摩擦撹拌接合工具。
3. 前記段差面を通り、前記段差面の周縁から前記中心軸に向かう線は、前記中心軸と直交している請求項１または２に記載の摩擦撹拌接合工具。
4. 前記段差面は、平坦な面である請求項１〜３のいずれか１つに記載の摩擦撹拌接合工具。
5. 前記段差面の段差は、０．０５ｍｍ以上、１ｍｍ以下である請求項１〜４のいずれか１つに記載の摩擦撹拌接合工具。
6. 前記段差面の幅寸法は、前記ピンの周縁と、前記第１の端部の周縁と、の間の寸法の１／３以下である請求項１〜５のいずれか１つに記載の摩擦撹拌接合工具。
7. 前記ピンの側面には、らせん状の溝が設けられている請求項１〜６のいずれか１つに記載の摩擦撹拌接合工具。
8. 前記ピンの側面が平滑である請求項１〜７のいずれか1つに記載の摩擦攪拌接合工具。
9. 請求項１〜８のいずれか１つに記載の摩擦撹拌接合工具を保持し、段差面の巻き方向と逆の方向に前記摩擦撹拌接合工具を回転させる加工部を備えた摩擦撹拌接合装置。

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