(57)【要約】【課題】軟化材料をプローブに効率的に導くことができるとともに凸部の折損を抑制することができる摩擦撹拌接合用工具を提供する。【解決手段】摩擦撹拌接合用工具１０は、回転軸Ａｘに直交する平坦な先端面３６ａを有するショルダ３６と、先端面３６ａから突出したプローブ３８とを備え、回転軸Ａｘを中心にプローブ３８を回転させた状態でワークＷ内に埋設させることによりワークＷを接合する。ショルダ３６の先端面３６ａには、プローブ３８に対して離間して位置し、且つワークＷのうち摩擦撹拌接合時に軟化した第１軟化材料１０４をプローブ３８に導くための凸部４４と、凸部４４とプローブ３８との間に位置する凹部４６と、が形成されている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸に対して直交する平坦な先端面を有するショルダと、前記ショルダの前記先端面から突出したプローブとを備え、前記回転軸を中心に前記プローブを回転させた状態でワーク内に埋設させることにより前記ワークを接合する摩擦撹拌接合用工具であって、
前記ショルダの前記先端面には、
前記プローブに対して離間して位置し、且つ前記ワークのうち摩擦撹拌接合時に軟化した軟化材料を前記プローブに導くための凸部と、
前記凸部と前記プローブとの間に位置する凹部と、が形成されている、摩擦撹拌接合用工具。
【請求項２】
請求項１記載の摩擦撹拌接合用工具であって、
前記プローブの外周面には、前記外周面の基端部から前記プローブの先端面まで延在した外周凹部が形成され、
前記凹部は、前記外周凹部に連通するように設けられている、摩擦撹拌接合用工具。
【請求項３】
請求項２記載の摩擦撹拌接合用工具であって、
前記凹部は、前記プローブを周回するように延在している、摩擦撹拌接合用工具。
【請求項４】
請求項３記載の摩擦撹拌接合用工具であって、
前記外周凹部は、前記プローブの周方向に複数設けられている、摩擦撹拌接合用工具。
【請求項５】
請求項２〜４のいずれか１項に記載の摩擦撹拌接合用工具であって、
前記凹部は、前記プローブと前記ショルダとの境界部に設けられている、摩擦撹拌接合用工具。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の摩擦撹拌接合用工具であって、
前記凸部は、前記プローブの少なくとも一部を外側から覆うように線状に延在している、摩擦撹拌接合用工具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転軸を中心にプローブを回転させた状態でワーク内に埋設させることにより前記ワークを接合する摩擦撹拌接合用工具に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、回転軸に対して直交する平坦な先端面を有するショルダと、ショルダの先端面から突出したプローブとを備えた摩擦撹拌接合用工具が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−３０７６０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、ワークのうち摩擦撹拌接合時に軟化した軟化材料をプローブに導くための凸部をショルダの先端面に設ける場合、ショルダの先端面からの凸部の突出長を長くするほど、軟化材料をプローブに効率的に導くことができる。しかしながら、凸部の突出長を長くするほど、凸部が折損し易くなる。
【０００５】
本発明は、このような課題を考慮してなされたものであり、軟化材料をプローブに効率的に導くことができるとともに凸部の折損を抑制することができる摩擦撹拌接合用工具を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様は、回転軸に対して直交する平坦な先端面を有するショルダと、前記ショルダの前記先端面から突出したプローブとを備え、前記回転軸を中心に前記プローブを回転させた状態でワーク内に埋設させることにより前記ワークを接合する摩擦撹拌接合用工具であって、前記ショルダの前記先端面には、前記プローブに対して離間して位置し、且つ前記ワークのうち摩擦撹拌接合時に軟化した軟化材料を前記プローブに導くための凸部と、前記凸部と前記プローブとの間に位置する凹部と、が形成されている、摩擦撹拌接合用工具である。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、ショルダの先端面における凸部とプローブとの間に凹部を形成しているため、凸部の突出長を抑えつつ凸部と凹部との間に貯めることのできる軟化材料の量（体積）を増加させることができる。これにより、軟化材料をプローブに効率的に導くことができるとともに凸部の折損を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の一実施形態に係る摩擦撹拌接合用工具を備えた摩擦撹拌接合システムの概略全体構成図である。
【図２】摩擦撹拌接合用工具の部分斜視図である。
【図３】図３Ａは、図２の摩擦撹拌接合用工具の側面図であり、図３Ｂは、図２の摩擦撹拌接合用工具を先端方向から見た図である。
【図４】図２に示す摩擦撹拌接合用工具を用いた重ね接合の斜視説明図である。
【図５】図４の重ね接合の断面説明図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明に係る摩擦撹拌接合用工具について、摩擦撹拌接合システムとの関係において好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照しながら説明する。
【００１０】
図１に示すように、摩擦撹拌接合システム１２は、摩擦撹拌接合用工具１０（以下、「接合用工具１０」ということがある。）を回転させながらワークＷに押し付けることにより、ワークＷに対して摩擦撹拌接合（ＦＳＷ：Friction Stir Welding）を行うものである。
【００１１】
ワークＷは、例えば、板状の第１部材１００と板状の第２部材１０２とを有する。ワークＷは、第１部材１００と第２部材１０２とが互いに重ねられた状態で固定台１３に固定される。
【００１２】
第１部材１００及び第２部材１０２のそれぞれは、例えば、アルミニウム、マグネシウム、銅、鉄、チタン、又はこれらの合金等の金属材料により構成される。第１部材１００及び第２部材１０２は、互いに同一の材料で構成されてもよいし、互いに異なる材料で構成されてもよい。なお、第１部材１００及び第２部材１０２の少なくともいずれかは、樹脂材料により構成されてもよい。第１部材１００及び第２部材１０２の大きさ及び形状は適宜設定される。
【００１３】
摩擦撹拌接合システム１２は、産業用の多関節型のロボット１４と、ロボット１４のロボットアーム１４ａの先端に接続部１６を介して設けられた接合装置本体１８と、接合装置本体１８に着脱可能な接合用工具１０と、システム全体を統括的に制御する制御部２０とを備える。
【００１４】
ロボット１４は、ワークＷに対する接合装置本体１８の位置及び姿勢を調整することにより、接合用工具１０をワークＷに対して相対的に移動させる。具体的に、ワークＷに対して線接合を行う場合、ロボット１４は、接合用工具１０がワークＷに対して接合方向（図４の矢印Ｆ方向）に移動するように接合装置本体１８の位置及び姿勢を調整する。つまり、ロボット１４は、接合用工具１０の移動手段及び傾動手段として機能する。
【００１５】
接合装置本体１８は、Ｃ字状の支持アーム２２と、支持アーム２２の一端部に設けられた駆動ユニット２４と、駆動ユニット２４に設けられて接合用工具１０をクランプするチャック部２６と、支持アーム２２の他端部に設けられた受け部材２７とを含む。
【００１６】
駆動ユニット２４は、チャック部２６に装着された接合用工具１０を所定の回転方向（図２の矢印Ｒ方向）に回転させるための回転用モータ２８と、接合用工具１０を回転軸Ａｘ方向（図２の矢印Ｂ方向）に進退させるためのアクチュエータ３０とを有する。受け部材２７は、ワークＷに対して摩擦撹拌接合を行う際に、チャック部２６（接合用工具１０）のワークＷを挟んだ反対側に位置する。受け部材２７は、接合用工具１０からワークＷに作用する押圧力（加圧力）を受ける。
【００１７】
接合用工具１０は、概略円筒状のホルダ３２と、ホルダ３２に着脱可能なツール３４とを備える。ホルダ３２の基端部は、チャック部２６にクランプされる。ホルダ３２の先端部には、ツール３４がホルダ３２と同軸に取り付け可能である。ツール３４は、消耗品であって、摩擦撹拌接合を行うことによって摩耗した際に新品に交換される。
【００１８】
図２〜図３Ｂに示すように、ツール３４は、概略円柱状のショルダ３６と、ショルダ３６の先端面３６ａに設けられた小径のプローブ３８とを有する。接合用工具１０は、回転軸Ａｘを中心に矢印Ｒ方向に回転させた状態でプローブ３８をワークＷ内に埋設させることによりワークＷを接合する。
【００１９】
ツール３４は、円柱状の金属材料に対して切削加工を施すことにより製造される。ただし、ツール３４は、切削加工以外の方法（例えば、鋳造法、積層法等）により製造されてもよい。ツール３４の構成材料としては、ワークＷよりも硬度が高く、且つ、耐熱性及び耐摩耗性に優れた工具鋼が好適に用いられる。ただし、ツール３４の構成材料は、工具鋼に限定されず、適宜設定可能である。
【００２０】
ショルダ３６の基端部（矢印Ｂ２方向の端部）は、ホルダ３２（図１参照）に対して着脱可能に形成されている。ショルダ３６の先端面３６ａ（矢印Ｂ１方向の端面）は、回転軸Ａｘに直交する方向に延在した平坦面である（図２及び図３Ａ参照）。
【００２１】
プローブ３８は、ショルダ３６の先端面３６ａから先端方向（矢印Ｂ１方向）に突出している（図２及び図３Ａ参照）。プローブ３８は、ショルダ３６に対して同軸に設けられている。プローブ３８の外径及び突出長は、接合対象であるワークＷの形状、大きさ、材質等に応じて適宜設定される。
【００２２】
プローブ３８は、円柱状に形成され、先端面３８ａ及び外周面３８ｂを有する。プローブ３８の先端面３８ａは、平坦に形成されている。ただし、プローブ３８の先端面３８ａには、基端方向（矢印Ｂ２方向）に窪んだ凹部が形成されてもよい。
【００２３】
プローブ３８の外周面３８ｂには、プローブ３８の回転軸Ａｘに沿って先端面３８ａまで延在した複数（図示例では３つ）の外周凹部４０（側面溝）が形成されている。複数の外周凹部４０は、プローブ３８の周方向に等角度間隔（図示例では、１２０°間隔）に配置されている（図２及び図３Ｂ参照）。各外周凹部４０の基端は、プローブ３８の基端に位置している。
【００２４】
プローブ３８は、プローブ３８の周方向に隣り合う外周凹部４０の間に爪部４２を有する。換言すれば、プローブ３８は、外周凹部４０の数に対応した数の爪部４２を有する。
【００２５】
ショルダ３６の先端面には、プローブ３８に対して離間して位置する凸部４４と、凸部４４とプローブ３８との間に位置する凹部４６とが形成されている。凸部４４は、ワークＷのうち摩擦撹拌接合時に軟化した軟化材料（後述する第１軟化材料１０４）をプローブ３８に導くための案内壁部である。
【００２６】
凸部４４は、第１線状凸部４８と第２線状凸部５０とを含む。図３Ｂに示すように、第１線状凸部４８は、プローブ３８の少なくとも一部を外側から覆うように線状に延在している。具体的には、第１線状凸部４８は、円弧状（例えば、半円状）に延在している。第１線状凸部４８は、プローブ３８の基端部を周方向に１８０°以上覆うように延在している。
【００２７】
第１線状凸部４８は、第１線状凸部４８の一端部４８ａ（ショルダ３６の回転方向前方に位置する端部）とプローブ３８との間隔が第１線状凸部４８の他端部４８ｂ（ショルダ３６の回転方向後方に位置する端部）とプローブ３８との間隔よりも長くなるようにプローブ３８に対して片方にずれて設けられている。第１線状凸部４８の突出端は、プローブ３８の先端面３８ａよりも基端方向（矢印Ｂ２方向）に位置する（図２及び図３Ａ参照）。
【００２８】
第２線状凸部５０は、第１線状凸部４８と同様に構成されている。すなわち、第２線状凸部５０は、プローブ３８の少なくとも一部を外側から覆うように線状に延在している。具体的には、第２線状凸部５０は、円弧状（例えば、半円状）に延在している。第２線状凸部５０は、プローブ３８の基端部を周方向に１８０°以上覆うように延在している。
【００２９】
第２線状凸部５０は、第２線状凸部５０の一端部５０ａ（ショルダ３６の回転方向前方に位置する端部）とプローブ３８との間隔が第２線状凸部５０の他端部５０ｂ（ショルダ３６の回転方向後方に位置する端部）とプローブ３８との間隔よりも長くなるようにプローブ３８に対して第１線状凸部４８とは反対方向にずれて設けられている。第１線状凸部４８の突出端は、プローブ３８の先端面３８ａよりも基端方向（矢印Ｂ２方向）に位置する（図２及び図３Ａ参照）。
【００３０】
第１線状凸部４８の一端部４８ａとプローブ３８との間には、第２線状凸部５０の他端部５０ｂが位置している。第２線状凸部５０の一端部５０ａとプローブ３８との間には、第１線状凸部４８の他端部４８ｂが位置している。すなわち、第１線状凸部４８の一端部４８ａと第２線状凸部５０の他端部５０ｂとは、ショルダ３６の径方向に互いに重なるように位置している。第２線状凸部５０の一端部５０ａと第１線状凸部４８の他端部４８ｂとは、ショルダ３６の径方向に互いに重なるように位置している。第１線状凸部４８と第２線状凸部５０との重なり長さは、適宜設定可能である。
【００３１】
図３Ａに示すように、第１線状凸部４８の突出長Ｌ１は、第２線状凸部５０の突出長Ｌ２と同一である。第１線状凸部４８の線幅Ｗ１は、第２線状凸部５０の線幅Ｗ２と同一である。
【００３２】
図２〜図３Ｂにおいて、凹部４６は、各外周凹部４０に連通するように設けられている。凹部４６は、プローブ３８を周回するように延在した環状溝である。凹部４６は、プローブ３８とショルダ３６との境界部に設けられている。
【００３３】
図３Ａに示すように、凹部４６の溝幅Ｗ３は、第１線状凸部４８の線幅Ｗ１及び第２線状凸部５０の線幅Ｗ２と略同一である。ただし、溝幅Ｗ３は、線幅Ｗ１及び線幅Ｗ２よりも広くても狭くてもよい。凹部４６の深さＤは、第１線状凸部４８の突出長Ｌ１及び第２線状凸部５０の突出長Ｌ２と略同一である。ただし、深さＤの寸法は、突出長Ｌ１、Ｌ２の寸法よりも大きくても小さくてもよい。凹部４６は、第１線状凸部４８及び第２線状凸部５０に対して離間している。
【００３４】
次に、上述した接合用工具１０を用いてワークＷの第１部材１００（例えば、鉄板）と第２部材１０２（アルミニウム合金板）とを重ね接合する例について説明する。
【００３５】
この場合、図１において、ワークＷは、第１部材１００と第２部材１０２とが互いに重ねられた状態で固定台１３に固定される。具体的に、図４及び図５に示すように、第１部材１００の一方の面（第１外面１００ａ）は、ショルダ３６側に位置する。第１部材１００の他方の面（第１内面１００ｂ）は、第２部材１０２の一方の面（第２内面１０２ｂ）に接触している。第２部材１０２の他方の面（第２外面１０２ａ）は、受け部材２７に接触する。
【００３６】
そして、制御部２０は、駆動ユニット２４の駆動を制御することにより、接合用工具１０を回転させながらワークＷに向かって（矢印Ｂ１方向）に移動させ、プローブ３８の先端面３８ａを第１部材１００の第１外面１００ａに押し付ける。
【００３７】
そうすると、図５に示すように、プローブ３８は、第１部材１００を切削しながら第１部材１００内に挿入される。この際、プローブ３８と第１部材１００との間に摩擦熱が発生するため、第１部材１００のうちプローブ３８の周囲が軟化する。
【００３８】
続いて、プローブ３８の先端面３８ａが第２部材１０２の第２内面１０２ｂに到達すると、プローブ３８は、第２部材１０２を切削しながら第２部材１０２内に挿入される。この際、プローブ３８と第２部材１０２との間に摩擦熱が発生するとともに第１部材１００で発生した摩擦熱が第２部材１０２に伝達するため、第２部材１０２のうちプローブ３８の周囲が軟化する。そして、プローブ３８が完全にワークＷ内に埋設し、ショルダ３６の先端面３６ａが第１部材１００の第１外面１００ａに接触した状態となる。
【００３９】
第１部材１００の軟化した部分（第１軟化材料１０４）と第２部材１０２の軟化した部分（第２軟化材料１０６）とは、プローブ３８の回転に引きずられて塑性流動して互いに撹拌される（混ざり合う）。
【００４０】
具体的に、プローブ３８が回転すると、プローブ３８の側方に存在する第１軟化材料１０４が第１線状凸部４８の一端部４８ａと第２線状凸部５０の他端部５０ｂとの間の隙間から凸部４４の内側（凸部４４とプローブ３８との間）に流入する。また、プローブ３８の側方に存在する第１軟化材料１０４が第２線状凸部５０の一端部５０ａと第１線状凸部４８の他端部４８ｂとの間の隙間から凸部４４の内側に流入する。そして、第１軟化材料１０４は、第１線状凸部４８の内周面と第２線状凸部５０の内周面に沿ってプローブ３８に向かって渦状に塑性流動する。凸部４４の内側の第１軟化材料１０４は、凹部４６を介して各外周凹部４０に取り込まれる。各外周凹部４０に取り込まれた第１軟化材料１０４は、プローブ３８の先端方向（矢印Ｂ１方向）に塑性流動する。これにより、プローブ３８の先端方向で第１軟化材料１０４と第２軟化材料１０６とが互いに撹拌される。
【００４１】
そして、図４に示すように、接合用工具１０の回転と加圧を維持しながら、接合用工具１０を接合方向（矢印Ｆ方向）に移動させることで、第１部材１００と第２部材１０２とが互いに摩擦撹拌接合されて一体化される。これにより、ワークＷに接合部１０８（接合ビード）が形成される。
【００４２】
この場合、本実施形態に係る接合用工具１０は、以下の効果を奏する。
【００４３】
ショルダ３６の先端面３６ａには、プローブ３８に対して離間して位置し、且つワークＷのうち摩擦撹拌接合時に軟化した第１軟化材料１０４をプローブ３８に導くための凸部４４と、凸部４４とプローブ３８との間に位置する凹部４６とが形成されている。
【００４４】
このような構成によれば、凸部４４の突出長を抑えつつ凸部４４と凹部４６との間に貯めることのできる第１軟化材料１０４の量（体積）を増加させることができる。これにより、第１軟化材料１０４をプローブ３８に効率的に導くことができるとともに凸部４４の折損を抑制することができる。
【００４５】
プローブ３８の外周面３８ｂには、外周面３８ｂの基端部からプローブ３８の先端面３８ａまで延在した外周凹部４０が形成され、凹部４６は、外周凹部４０に連通するように設けられている。
【００４６】
このような構成によれば、凹部４６内の第１軟化材料１０４を外周凹部４０に効率的に導くことができる。これにより、第１軟化材料１０４と第２軟化材料１０６との撹拌効率を向上させることができるため、良好な接合品質を得ることができる。
【００４７】
凹部４６は、プローブ３８を周回するように延在している。
【００４８】
このような構成によれば、凹部４６内に貯めることのできる第１軟化材料１０４の量（体積）を効率的に増加させることができる。
【００４９】
外周凹部４０は、プローブ３８の周方向に複数設けられている。
【００５０】
このような構成によれば、凹部４６内の第１軟化材料１０４を各外周凹部４０に円滑に導くことができる。
【００５１】
凹部４６は、プローブ３８とショルダ３６との境界部に設けられている。
【００５２】
このような構成によれば、簡易な構成により外周凹部４０と凹部４６とを互いに連通させることができる。
【００５３】
凸部４４は、プローブ３８の少なくとも一部を外側から覆うように線状に延在している。
【００５４】
このような構成によれば、凸部４４によって第１軟化材料１０４をプローブ３８に円滑に導くことができる。
【００５５】
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の改変が可能である。
【００５６】
接合用工具１０は、３枚以上の板材が重ねられたワークＷを重ね接合するものであってもよい。接合用工具１０は、２枚の板材の端面が互いに突き合せされた状態でその突合せ部分を摩擦撹拌接合する突合せ接合に用いることもできる。外周凹部４０は、プローブ３８に１つ、２つ、又は４つ以上設けられてもよい。外周凹部４０は、プローブ３８に形成されていなくてもよい。
【００５７】
凸部４４の形状、数、大きさ、位置は、適宜設定可能である。第１線状凸部４８の他端部４８ｂと第２線状凸部５０の一端部５０ａとは互いに連結していてもよい。凸部４４は、３つ以上の線状凸部により形成されてもよいし、１つの線状凸部により形成されてもよい。
【００５８】
凹部４６の形状、数、大きさ、位置は、適宜設定可能である。すなわち、凹部４６は、直径の異なる複数の円環状の溝を、回転軸Ａｘを中心として同軸に配置することによって形成してもよい。凹部４６は、ショルダ３６の先端面３６ａのうちプローブ３８と凸部４４との間の部位の全面を基端側に窪ませることによって形成してもよい。凹部４６は、円形状（真円形状及び楕円形状）又は多角形状（三角及び四角形状等）の窪み部をプローブ３８の周方向に複数設けることによって形成してもよい。凹部４６は、ショルダ３６の先端面３６ａとプローブ３８との境界部から離間して設けられてもよい。
【００５９】
以上の実施形態をまとめると、以下のようになる。
【００６０】
上記実施形態は、回転軸（Ａｘ）に対して直交する平坦な先端面（３６ａ）を有するショルダ（３６）と、前記ショルダ（３６）の前記先端面（３６ａ）から突出したプローブ（３８）とを備え、前記回転軸（Ａｘ）を中心に前記プローブ（３８）を回転させた状態でワーク（Ｗ）内に埋設させることにより前記ワーク（Ｗ）を接合する摩擦撹拌接合用工具（１０）であって、前記ショルダ（３６）の前記先端面（３６ａ）には、前記プローブ（３８）に対して離間して位置し、且つ前記ワーク（Ｗ）のうち摩擦撹拌接合時に軟化した軟化材料（１０４）を前記プローブ（３８）に導くための凸部（４４）と、前記凸部（４４）と前記プローブ（３８）との間に位置する凹部（４６）と、が形成されている、摩擦撹拌接合用工具（１０）を開示している。
【００６１】
上記の摩擦撹拌接合用工具（１０）において、前記プローブ（３８）の外周面（３８ｂ）には、前記外周面（３８ｂ）の基端部から前記プローブ（３８）の先端面（３８ａ）まで延在した外周凹部（４０）が形成され、前記凹部（４６）は、前記外周凹部（４０）に連通するように設けられてもよい。
【００６２】
上記の摩擦撹拌接合用工具（１０）において、前記凹部（４６）は、前記プローブ（３８）を周回するように延在してもよい。
【００６３】
上記の摩擦撹拌接合用工具（１０）において、前記外周凹部（４０）は、前記プローブ（３８）の周方向に複数設けられてもよい。
【００６４】
上記の摩擦撹拌接合用工具（１０）において、前記凹部（４６）は、前記プローブ（３８）と前記ショルダ（３６）との境界部に設けられてもよい。
【００６５】
上記の摩擦撹拌接合用工具（１０）において、前記凸部（４４）は、前記プローブ（３８）の少なくとも一部を外側から覆うように線状に延在してもよい。
【符号の説明】
【００６６】
１０…摩擦撹拌接合用工具                ３６…ショルダ
３６ａ、３８ａ…先端面                  ３８…プローブ
３８ｂ…外周面                          ４０…外周凹部
４４…凸部                              ４６…凹部
Ａｘ…回転軸                            Ｗ…ワーク
【図１】
2020163459.tif 000003
【図２】
2020163459.tif 000004
【図３】
2020163459.tif 000005
【図４】
2020163459.tif 000006
【図５】
2020163459.tif 000007