(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転ロッドの先端面に、ねじ溝が形成されたピンを備えた摩擦撹拌接合工具を回転させつつ、前記ピンを被接合物に差し込み、
その後、前記ピンを前記被接合物に差し込んだ状態を維持しつつ、前記摩擦撹拌接合工具を回転させながら前記被接合物の表面に沿い横移動させていく摩擦撹拌接合施工方法において、
前記摩擦撹拌接合工具の回転方向を、ねじ溝が形成されたピンの回転により塑性流動材料を前記ピンの基端側から先端側に向かって軸方向に沿い塑性流動させる回転方向とは逆の回転方向としつつ、前記ピンを前記被接合物に差し込んでいき、
次に、前記摩擦撹拌接合工具の回転方向を、ねじ溝が形成されたピンの回転により塑性流動材料を前記ピンの基端側から先端側に向かって軸方向に沿い塑性流動させる回転方向とは逆の回転方向としたままで、前記ピンを前記被接合物から一旦引き抜き、
次に、前記摩擦撹拌接合工具の回転方向を、ねじ溝が形成されたピンの回転により塑性流動材料を前記ピンの基端側から先端側に向かって軸方向に沿い塑性流動させる回転方向に切り替えて、再度、前記ピンを前記被接合物に差し込んでいき、
次に、前記摩擦撹拌接合工具の回転方向を、ねじ溝が形成されたピンの回転により塑性流動材料を前記ピンの基端側から先端側に向かって軸方向に沿い塑性流動させる回転方向としたままで、前記ピンを前記被接合物に差し込んだ状態を維持しつつ横移動させていく、
ことを特徴とする摩擦撹拌接合施工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、摩擦撹拌接合施工方法に関し、摩擦撹拌接合工具の摩耗を抑制することができるように工夫したものである。
【背景技術】
【０００２】
摩擦撹拌接合（ＦＳＷ：Friction Stir Welding）は、回転ロッドの先端面にピンを備えた摩擦撹拌接合工具を回転させながら、ピンを被接合物に差し込み、ピンを被接合物に差し込んだ状態を維持しつつ、回転している摩擦撹拌接合工具を被接合物の表面に沿い横移動させていくことにより、摩擦熱によって軟化した材料を撹拌（塑性流動化）して接合する接合方法である。
この摩擦撹拌接合は、通常の溶融溶接とは異なり、固相での接合が行われるため、金属組織が微細化し機械的特性に優れているという利点を有している。
【０００３】
かかる摩擦撹拌接合は、アルミニウムなどの軽金属材料（低融点材料）の接合に多く利用されているが、近年では、鋼材やステンレス鋼やニッケル基合金などのような、高強度材（高融点材料）の接合にも適用検討が開始されてきている。
【０００４】
また摩擦撹拌接合は、大気中における接合等に適用できる他、液体（液体ナトリウムや水や油など）中に存在する被接合物の接合や、液体中に存在する被接合物に発生した亀裂などを補修する場合にも適用検討が開始されてきている。
【０００５】
ここで、液体中の母材（被接合物）を摩擦撹拌接合する従来技術を、図４〜図６を参照しつつ説明する。
【０００６】
図４〜図６に示すように、摩擦撹拌接合工具１０は、円柱状の回転ロッド１１の先端面であるショルダ面１４の中心にピン１２を一体的に備えて構成されている。ピン１２は回転ロッド１１と同軸となって、ショルダ面１４の中心から突出している。ピン１２の周面には、右ねじ溝１３が形成されている。
液槽２０内には液体（水や液体ナトリウムなど）２１が貯留されており、被接合物である母材３０は、液体２１中に浸漬されている。
【０００７】
このように液体２１中に浸漬されている母材３０を、摩擦撹拌接合工具１０により摩擦撹拌接合する手順を説明すると次の通りである。
【０００８】
図４に示すように、摩擦撹拌接合工具１０を左回転ＲＬさせつつ、ピン１２の先端（下端）を母材３０の表面（上面）に接触させてから下方に押し込んでいく（下降させる）。そうすると、回転しているピン１２と母材３０との間に摩擦熱が発生し、この摩擦熱により母材３０が軟化して塑性流動材料３１になる。
【０００９】
母材３０のうちピン１２に接している部分やその周囲が軟化して塑性流動材料３１になるため、左回転ＲＬしつつ下方に押し込まれている摩擦撹拌接合工具１０のピン１２は、図５に示すように、更に母材３０に差し込まれていく。
【００１０】
このようにして左回転ＲＬしている摩擦撹拌接合工具１０のピン１２が母材３０に差し込まれていき、ピン１２が母材３０に完全に埋没されてショルダ面１４が母材３０の表面位置に達したら、摩擦撹拌接合工具１０の下降を停止する。これにより、ピン１２の母材３０への差し込み工程が完了する。
【００１１】
ピン１２の母材３０への差し込み工程が完了したら、図６に示すように、ピン１２を母材３０に差し込んだ状態を維持しつつ、左回転ＲＬしている摩擦撹拌接合工具１０を母材３０の表面に沿い横移動させていく。
このとき、ピン１２と母材３０との間に発生する摩擦熱に、ショルダ面１４と母材３０との間に発生する摩擦熱が加わり、発熱量が急増するため、ピン１２の周囲には塑性流動材料３１が多量に発生する。
【００１２】
軟化した塑性流動材料３１は、ショルダ面１４やピン１２の回転によって撹拌された状態で回転方向に塑性流動する。
また、右ねじ溝１３が形成されたピン１２が左回転ＲＬすることにより、スクリューポンプと同様な作用が発生して、軟化した塑性流動材料３１は、ピン１２の基端側（ショルダ面側）からピン１２の先端側（下端側）に向かって軸方向に塑性流動して撹拌される。
このように、摩擦熱により軟化した塑性流動材料３１（軟化した母材３０）が、回転方向のみならず軸方向にも塑性流動することにより、撹拌力が向上し、接合部の特に底部の内部欠陥（空洞など）の発生を抑制している。
【００１３】
なお特許文献１には、液中で摩擦撹拌接合をする場合において、接合部分にアルゴンガスなどの非酸化性ガスを供給することにより、接合部分から液体を排除して、酸化の発生を防止する技術が開示されている。しかし、ピンの差し込み工程における摩耗低減については、言及はされていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開２００２−２４８５８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
ところで母材３０が鉄系材料のような高融点材料であって、しかも、図４〜図６に示す例のように、周囲の液体２１により母材３０の冷却（抜熱）が働く環境において摩擦撹拌接合をする場合には、母材３０が十分に発熱されない状態で、摩擦撹拌接合工具１０のピン１２を母材３０に差し込んでいくため、摩擦撹拌接合工具１０の工具摩耗が大きく、工具寿命が短くなるという問題がある。
しかも、右ねじ溝１３が形成されているピン１２を左回転しつつ差し込んでいるため、差し込み時には、摩擦抵抗が非常に大きくなり、摩擦撹拌接合工具１０の工具摩耗が著しいという問題がある。
【００１６】
なお、図６に示すように、ピン１２を母材３０に差し込んだ状態を維持しつつ、左回転ＲＬしている摩擦撹拌接合工具１０を母材３０の表面に沿い横移動させていくときには、ピン１２と母材３０との間、及び、ショルダ面１４と母材３０との間で大量の摩擦熱が生じて、多量の塑性流動材料３１が発生するため、ピン１２にかかる摩擦抵抗は減少する。この結果、横移動時における工具摩耗は小さく、横移動時の工具摩耗は問題にはならない。
【００１７】
本発明は、上記従来技術に鑑み、ピンにねじ溝が形成されている摩擦撹拌接合工具を用いて摩擦撹拌接合をする場合において、特にピンを被接合物（母材）に差し込んでいく差し込み工程における工具摩耗を低減することができる、摩擦撹拌接合施工方法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】
【００１８】
上記課題を解決する本発明の構成は、
回転ロッドの先端面に、ねじ溝が形成されたピンを備えた摩擦撹拌接合工具を回転させつつ、前記ピンを被接合物に差し込み、
その後、前記ピンを前記被接合物に差し込んだ状態を維持しつつ、前記摩擦撹拌接合工具を回転させながら前記被接合物の表面に沿い横移動させていく摩擦撹拌接合施工方法において、
前記摩擦撹拌接合工具の回転方向を、ねじ溝が形成されたピンの回転により塑性流動材料を前記ピンの基端側から先端側に向かって軸方向に沿い塑性流動させる回転方向とは逆の回転方向としつつ、前記ピンを前記被接合物に差し込んでいき、
次に、前記摩擦撹拌接合工具の回転方向を、ねじ溝が形成されたピンの回転により塑性流動材料を前記ピンの基端側から先端側に向かって軸方向に沿い塑性流動させる回転方向とは逆の回転方向としたままで、前記ピンを前記被接合物から一旦引き抜き、
次に、前記摩擦撹拌接合工具の回転方向を、ねじ溝が形成されたピンの回転により塑性流動材料を前記ピンの基端側から先端側に向かって軸方向に沿い塑性流動させる回転方向に切り替えて、再度、前記ピンを前記被接合物に差し込んでいき、
次に、前記摩擦撹拌接合工具の回転方向を、ねじ溝が形成されたピンの回転により塑性流動材料を前記ピンの基端側から先端側に向かって軸方向に沿い塑性流動させる回転方向としたままで、前記ピンを前記被接合物に差し込んだ状態を維持しつつ横移動させていく、
ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、摩擦撹拌接合施工方法において、ピンを被接合物に差し込んでいく際には、摩擦撹拌接合工具の回転方向を、ねじ溝（例えば右ねじ溝）が形成されたピンの回転により塑性流動材料をピンの基端側から先端側に向かって軸方向に沿い塑性流動させる回転方向とは逆の回転方向（右回転）とするため、差し込み工程における工具摩耗が抑制され、工具の寿命が延びる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の摩擦撹拌接合施工方法を示す構成図。
【図２】本発明の摩擦撹拌接合施工方法を示す構成図。
【図３】本発明の摩擦撹拌接合施工方法を示す構成図。
【図４】従来の摩擦撹拌接合施工方法を示す構成図。
【図５】従来の摩擦撹拌接合施工方法を示す構成図。
【図６】従来の摩擦撹拌接合施工方法を示す構成図。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき詳細に説明する。
【実施例】
【００２２】
液体中の母材（被接合物）を摩擦撹拌接合する本発明の実施例を、図１〜図３を参照しつつ説明する。
【００２３】
図１〜図３に示すように、摩擦撹拌接合工具１０は、円柱状の回転ロッド１１の先端面であるショルダ面１４の中心にピン１２を一体的に備えて構成されている。ピン１２は回転ロッド１１と同軸となって、ショルダ面１４の中心から突出している。ピン１２の周面には、右ねじ溝１３が形成されている。
液槽２０内には液体（水や液体ナトリウムなど）２１が貯留されており、被接合物である母材３０は、液体２１中に浸漬されている。
【００２４】
このように液体２１中に浸漬されている母材３０を、摩擦撹拌接合工具１０により摩擦撹拌接合する、本発明の手順を説明すると次の通りである。
【００２５】
図１に示すように本実施例では、摩擦撹拌接合工具１０を、左回転ＲＬではなく右回転ＲＲさせつつ、ピン１２の先端（下端）を母材３０の表面（上面）に接触させてから下方に押し込んでいく（下降させる）。そうすると、回転しているピン１２と母材３０との間に摩擦熱が発生し、この摩擦熱により母材３０が軟化して塑性流動材料３１になる。
【００２６】
母材３０のうちピン１２に接している部分やその周囲が軟化して塑性流動材料３１になるため、右回転ＲＲしつつ下方に押し込まれている摩擦撹拌接合工具１０のピン１２は、図２に示すように、更に母材３０に差し込まれていく。
【００２７】
本実施例では、図１及び図２に示すように、ピン１２を母材３０に差し込んでいく際には、右ねじ溝１３が形成されているピン１２を右回転ＲＲさせているため、摩擦撹拌接合工具１０のピン１２が母材３０に差し込み（入り）易くなり、摩擦抵抗が減少して、工具摩耗が抑制される。
つまり、ピン１２を母材３０に差し込んでいく際には、摩擦撹拌接合工具１０の回転方向は、塑性流動材料３１をピン１２の基端側から先端側に向かって軸方向に沿い塑性流動させる回転方向（左回転ＲＬ）とは逆の回転方向（右回転ＲＲ）にすることにより、工具摩耗を抑制している。
【００２８】
このようにして右回転ＲＲしている摩擦撹拌接合工具１０のピン１２が母材３０に差し込まれていき、ピン１２が母材３０に完全に埋没されてショルダ面１４が母材３０の表面位置に達したら、摩擦撹拌接合工具１０の下降を停止する。これにより、ピン１２の母材３０への差し込み工程が完了する。
【００２９】
ピン１２の母材３０への差し込み工程が完了したら、摩擦撹拌接合工具１０の回転方向を、右回転ＲＲから左回転ＲＬに切り替える。
つまり、摩擦撹拌接合工具１０の回転方向を、塑性流動材料３１をピン１２の基端側から先端側に向かって軸方向に沿い塑性流動させる回転方向（左回転ＲＬ）に切り替える。
【００３０】
なお、摩擦撹拌接合工具１０の回転方向の切り替えは、摩擦撹拌接合工具１０を回転駆動するモータの回転方向を逆転させたり、摩擦撹拌接合工具１０に回転力を伝達する伝達機構に逆回転用ギアを備えてこの逆回転用ギアを噛みこませたりして、実施する。
【００３１】
摩擦撹拌接合工具１０の回転方向を右回転ＲＲから左回転ＲＬに切り替えたら、図３に示すように、ピン１２を母材３０に差し込んだ状態を維持しつつ、左回転ＲＬしている摩擦撹拌接合工具１０を母材３０の表面に沿い横移動させていく。
このとき、ピン１２と母材３０との間に発生する摩擦熱に、ショルダ面１４と母材３０との間に発生する摩擦熱が加わり、発熱量が急増するため、ピン１２の周囲には塑性流動材料３１が多量に発生する。
【００３２】
軟化した塑性流動材料３１は、ショルダ面１４やピン１２の回転によって撹拌された状態で回転方向に塑性流動する。
また、右ねじ溝１３が形成されたピン１２が左回転ＲＬすることにより、スクリューポンプと同様な作用が発生して、軟化した塑性流動材料３１は、ピン１２の基端側（ショルダ面側）からピン１２の先端側（下端側）に向かって軸方向に塑性流動して撹拌される。
このように、摩擦熱により軟化した塑性流動材料３１（軟化した母材３０）が、回転方向のみならず軸方向にも塑性流動することにより、撹拌力が向上し、接合部の特に底部の内部欠陥（空洞など）の発生を抑制している。
【００３３】
しかも、図３に示すように、ピン１２を母材３０に差し込んだ状態を維持しつつ、左回転ＲＬしている摩擦撹拌接合工具１０を母材３０の表面に沿い横移動させていくときには、ピン１２と母材３０との間、及び、ショルダ面１４と母材３０との間で大量の摩擦熱が生じて、多量の塑性流動材料３１が発生するため、ピン１２にかかる摩擦抵抗は減少する。この結果、横移動時における工具摩耗は小さく、横移動時の工具摩耗は問題にはならない。
【００３４】
このように本実施例では、ピン１２に右ねじ溝１３が形成されている摩擦撹拌接合工具１０を、横移動時には左回転させているが、差し込み時には右回転させているため、差し込み時における工具摩耗を抑制して工具寿命を延ばすことができる。
【００３５】
なお、ピン１２に左ねじ溝を形成している場合には、差し込み時には摩擦撹拌接合工具１０を左回転させ、横移動時には摩擦撹拌接合工具１０を右回転させることにより、差し込み時における工具摩耗を抑制して工具寿命を延ばすことができる。
【００３６】
なお、摩擦撹拌接合工具１０の回転方向の切り替えは、連続的（直ちに）に行うことが望ましい。
しかし、例えばピン１２に右ねじ溝１３が形成されている場合には、右回転しつつ差し込み工程が完了した後、摩擦撹拌接合工具１０を右回転しつつ一旦引き抜き、その後に回転方向を左回転に切り替えた後、再度、差し込み工程を行い、横移動開始までに（待ち時間を設けるなどにより）母材３０を十分に発熱させてから、横移動するようにした場合には、回転方向の切り替えは連続で行う必要はない。
【符号の説明】
【００３７】
１０  摩擦撹拌接合工具
１１  回転ロッド
１２  ピン
１３  右ねじ溝
１４  ショルダ面
２０  液槽
２１  液体
３０  母材（被接合物）
３１  塑性流動材料
【図１】
0005863335.tif 000002
【図２】
0005863335.tif 000003
【図３】
0005863335.tif 000004
【図４】
0005863335.tif 000005
【図５】
0005863335.tif 000006
【図６】
0005863335.tif 000007