(57)【要約】 【課題】塑性流動接合の原理を利用して、円筒材の内面や、被加工材に形成された円形孔の内面など、軸線方向に断面円形の被加工孔の内面に肉盛り加工を施す。【解決手段】先端にスターロッド１１を設けた回転ツール１を被加工孔の一側から挿入する。先端に肉盛り材３を他側から挿入して対向配置して、両先端を突き合わせ、スターロッド１１と肉盛り材３との間に相対的な回転運動を加えながら回転ツール１を前進させる。これにより肉盛り材３の先端面は摩擦熱によって昇温し、いわゆる、塑性流動現象を生じる。塑性流動した肉盛り材３ｂは、被加工材Ｗの内面とスターロッド１１の外周面とによって形成される空間内に侵入して充填する。回転ツール１が前進するに伴って押圧ツール２は後退し、被加工孔の内面に肉盛り層３ｃを順次形成する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加工材の、両端を開口するとともに軸線方向に断面円形をなす被加工孔の内面に肉盛り加工を施す肉盛り装置において、
先端にスターロッドを設けている回転ツールを前記被加工孔の一側から挿入し、他方先端に肉盛り材を備える押圧ツールを他側から挿入して対向配置して、該両先端を突き合わせて該スターロッドと該肉盛り材との間に相対的な回転運動を加えながら該回転ツールを前進させて該肉盛り材の先端面を塑性流動して被加工孔の内面へ肉盛り加工を施す肉盛り装置。
【請求項２】
他側から挿入された肉盛り材はスターロッドと逆方向に回転することを特徴とする請求項１記載の肉盛り装置。
【請求項３】
被加工材よりも融点の高い金属を肉盛り材としていることを特徴とする請求項１、２記載の肉盛り装置。
【請求項４】
スターロッドの外周には、被加工材の内周表面を削る削り突部が設けられていることを特徴とする請求項１〜３記載の肉盛り装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、被加工材に形成された軸線方向に断面円形の被加工孔の内面に、肉盛り加工を施す肉盛り装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から被加工材の表面上に異種又は同種金属を肉盛りする方法として、アーク溶接法（肉盛法）による肉盛りが行われている。しかしながら、アーク溶接法ではパイプ内に肉盛り加工を施すことが困難であった。
最近、塑性流動接合（Friction Stir Welding）と称せられる新たな溶接法が開発されている。
【０００３】
この塑性流動接合は、被加工材より硬い材質のスターロッドを被加工材の接合領域に挿入し、スターロッドと被加工材との間に相対的な摩擦循環運動をさせて、発生する摩擦熱によって高温に加熱し、接合領域を塑性流動状態にして、被加工材同士を接合するものである。
【０００４】
【特許文献１】特表平７−５０５０９０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
この塑性流動接合の特徴は、接合が固相接合であり、塑性流動による結晶の微細化を生じるなどが挙げられるが、適用できる被加工材が平面的なものに限られており、三次元曲面の被加工材への適用が困難であった。
この発明では、塑性流動接合の原理を利用して、円筒材の内面や、被加工材に形成された円形孔の内面など、軸線方向に断面円形の被加工孔の内面に肉盛りを施すのに適した肉盛り装置の提供を目的としている。
【０００６】
そこで、請求項１の発明では、被加工材の、両端を開口するとともに軸線方向に断面円形をなす被加工孔の内面に肉盛り加工を施す肉盛り装置において、先端にスターロッドを設けている回転ツールを被加工孔の一側から挿入し、他方先端に肉盛り材を備える押圧ツールを他側から挿入して対向配置して、両先端を突き合わせてスターロッドと肉盛り材との間に相対的な回転運動を加えながら回転ツールを前進させて肉盛り材の先端面を塑性流動して被加工孔の内面へ肉盛り加工を施す肉盛り装置としている。
【０００７】
この構成により、肉盛り加工を施すに際して、先端にスターロッドを設けている回転ツールを被加工孔の一側から挿入し、他方先端に肉盛り材を備える押圧ツールを他側から挿入して対向配置して、両先端を突き合わせてスターロッドと肉盛り材との間に相対的な回転運動を加えながら回転ツールを前進させる。スターロッドの先端面が肉盛り材の前面に当接接触して摩擦を生じ、肉盛り材の先端面は摩擦熱によって昇温し、いわゆる、塑性流動現象を生じる。塑性流動した肉盛り材は、被加工材の内面とスターロッドの外周面とによって形成される空間内に侵入充填される。回転ツールが前進し、これに伴って押圧ツールは後退し、被加工孔の内面に肉盛り層が順次形成されていく。
【０００８】
この際、肉盛り材をスターロッドの回転方向と逆向きに回転することによって、スターロッドが肉盛り材に与える相対的な回転数を高められる（請求項２）。
【０００９】
また、スターロッドにより摩擦撹拌されるのは主として肉盛り材であり、被加工材には摩擦撹拌による昇温がない。このため、同種金属の他、例えば、被加工材がアルミニウム材の場合に、純アルミニウムよりも耐摩耗性や耐食性に優れたアルミニウム合金や銅、銅合金を肉盛りするなど、融点の低い金属からなる被加工材の内面に融点の高い異種金属を肉盛りすることも可能になる（請求項３）。
さらに、請求項４の発明では、スターロッドの外周に、被加工材の内周表面を削る削り突部を設けている。削り突部が被加工材の内周面を薄く切削して活性な新しい面を露出し、塑性流動した肉盛り材との接合強度を高める。
【発明の効果】
【００１０】
以上説明したように、請求項１の発明では、被加工材の、両端を開口するとともに軸線方向に断面円形をなす被加工孔の内面に肉盛り加工を施す肉盛り装置において、先端にスターロッドを設けている回転ツールを被加工孔の一側から挿入し、他方先端に肉盛り材を備える押圧ツールを他側から挿入して対向配置して、両先端を突き合わせてスターロッドと肉盛り材との間に相対的な回転運動を加えながら回転ツールを前進させて肉盛り材の先端面を塑性流動することにより、断面円形の被加工孔の内面に肉盛りを施すことができる。
【００１１】
請求項２の発明では、他側から挿入された肉盛り材をスターロッドと逆方向に回転をすることにより、スターロッドと肉盛り材との間の相対的な回転運動を高めることができる。
【００１２】
請求項３の発明では、被加工材よりも耐摩耗性や耐食性などに優れた異種金属により肉盛りすることにより、材質の改質の向上を図ることができる。
【００１３】
請求項４の発明では、スターロッドの外周には、被加工材の内周表面を削る削り突部が設けていることにより、被加工材の内周表面を新しい表面を露出して肉盛り加工を施すことができて、肉盛り材の接合力を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
円筒材の内面や被加工材に形成された円形孔の内面など、軸線方向に断面円形の被加工孔の内面に塑性流動を利用して肉盛り加工を施すことを、肉盛り材と押圧ツールを対向配置し、両先端を突き合わせて相対的な回転運動を加えることによって実現した。
【実施例１】
【００１５】
以下、この発明の実施例１を、両端が開放された内径Ｄのアルミニウム合金（ＡＣ４Ｄ：ＪＩＳ  Ｈ  ５２０１−１９７７）の円筒管Ｗを被加工材とし、この円筒管Ｗよりも融点の高くかつ耐摩耗性に優れたアルミニウム合金（ＡＣ８Ａ：ＪＩＳ  Ｈ  ５２０２−１９７７）からなる円筒形の肉盛り材３により内径ｄに肉盛りして、円筒管Ｗの内面を改質する例を図１〜図３を参照しながら詳細に説明する。
【００１６】
図１に示すように、図示しないベース上に進退可能に取付けられている回転ツール１には、その先端面に円筒管Ｗの内径Ｄよりわずかに小さく、肉盛り後の内径ｄとなるように、直径ｄのスターロッド１１が設けられている。このスターロッド１１の先端中央に、円柱状の中央突起１２が突出形成されている。そして、回転ツール１は、円筒管Ｗの一側（図１において右側）から、図示しない駆動モータにより回転するとともに進出可能とされている。
【００１７】
他方、円筒管Ｗの他側（図１において左側）から、図示しない駆動モータにより回転するとともに進退可能とされた押圧ツール２が回転ツール１と同軸線上に対向して配置されている。この押圧ツール２の先端には、雌ねじ２１を形成した取付凹部２２が設けられ、この取付凹部に肉盛り材３が取付けられている。
【００１８】
肉盛り材３は、その外径を円筒管Ｗに挿入可能に内径Ｄよりもわずかに細い円柱状とされている。一方、その後端に雄ねじ部３１が設けられていて、取付凹部２２の雌ねじ２１に螺合して、押圧ツール２の先端に取付け固定可能とされている。そして、取付けられた肉盛り材３は押圧ツール２の軸線を共通軸線で固定される。なお、この実施例における円柱状の肉盛り材３には、その中心軸線方向に中心孔３２が形成され、スターロッド１１の先端中央に突出形成された中央突起１２を挿入可能とされている。
【００１９】
係る構成からなる本実施例の作用について説明する。
図２は、肉盛り加工前のセットされた状態を示し、円筒管Ｗが図示しない固定チャックなどの固定手段により軸線を中心にして固定されている。押圧ツール２の先端に形成されている雌ねじ２１に肉盛り材の雄ねじ部３１が螺合して固定されている。そして図２において円筒管Ｗの左側（他側）から挿通されて一側側の開始位置に配置される。一方、回転ツール１は円筒管Ｗの右側（一側）で軸線に一致させて後退位置に配置される。これにより、回転ツール１と、肉盛り材３が突き合わせた状態に対向して配置される。
【００２０】
次に、図示しない駆動モータを駆動して回転ツール１が回転を始めるとともに前進を開始する。同時に押圧ツール２もその駆動モータが回転ツール１の回転方向と逆方向に回転を始める。この実施例では、押圧ツール２は回転ツール１と逆方向に回転する構成としているために、肉盛り材３に対するスターロッド１１の相対的な回転数は、この両者の和となり、それぞれの回転数が一万回転と仮定すればスターロッド１１と肉盛り材３との間での相対的な回転数が二万回転で回転していることになる。
【００２１】
そして、回転ツール１は回転しながら前進して、スターロッド１１の先端面が肉盛り材３の前面に当接接触して、スターロッド１１の先端と肉盛り材３との間で摩擦を生じ、さらに、回転ツール１は回転しながら前進する。一方、押圧ツール２は、回転ツール１が前進するに伴い肉盛り材３を介して受ける押圧力に応じて後退して、肉盛り材３に所定の押圧力を付加し続ける。
【００２２】
これにより肉盛り材３の先端面は摩擦熱によって昇温し、融点以下であるが、軟化した状態、いわゆる、塑性流動状態になり、図３に示すように、肉盛り材の先端面は、スターロッド１１の外周側に押出されて、スターロッド１１の先端面と肉盛り材３の前面の間から外周側に押し出されて移動し、スターロッド１１の外周面に至ると急速に冷却されて、バリ状に付着したバリ状部３ａを形成する。
【００２３】
回転ツール１がさらに前進して、円筒管Ｗの内部に至ると、バリ状部３ａが円筒管Ｗの端面に当接して、封止するとともに、スターロッド１１の先端面による摩擦によって肉盛り材３の先端面は、順次塑性流動現象を生じて、円筒管Ｗの内面とスターロッド１１の外周面とによって形成される空間内に塑性流動層３ｂになって侵入する（図１参照）。
【００２４】
図１は、スターロッド１１が円筒管Ｗの中間位置まで進んだ状態を示し、回転ツール１の回転及び前進に伴って、前進する回転ツール１と後退する押圧ツール２との間に挟まれた肉盛り材３の先端面が塑性流動しながら塑性流動層３ｂの位置が前進するとともに、後方には円筒管Ｗの内面に充填して接合する肉盛り層３ｃが形成されていく。このようにして回転ツール１の前進とともに、円筒管Ｗの内面に肉盛層３ｃが順次形成され、円筒管Ｗの最前端まで回転ツール１が移動して肉盛り作業を終了する。
【００２５】
ここで、円筒管Ｗの内面と肉盛り材３の外周面とによって形成される空間内にも塑性流動層３ｂが移動するが、この空間内では、摩擦による摩擦熱を発生しないために急速に冷却されるとともに、押圧ツール２が後退するために、わずかな塑性流動層３ｂが浸入してもそれ以上の浸入が防止される。
【００２６】
このように、肉盛りは、圧縮状態で行われるとともに、スターロッド１１の外面によってその肉盛り後の内径が規定されるために、寸法精度がよく、平滑な表面の肉盛り層３ｃを得ることができる。
【００２７】
実施例１においては、肉盛り材３のみがスターロッド１１による摩擦撹拌を受けて、円筒管Ｗの内面とスターロッド１１の外周面とによって形成される空間内が塑性流動層３ｂにより充填されて肉盛り加工がなされるために、円筒管Ｗの内面はスターロッドによる摩擦撹拌を受けていない。従って、円筒管Ｗよりも耐摩耗性、耐食性などに優れた融点の高い金属をも肉盛り材として利用することができる。
【００２８】
また、円筒管Ｗへの肉盛り層３ｃの接合強度を特に必要とする場合や、接合力の低い金属種間で肉盛り加工を施す場合には、予め円筒管Ｗの内面を粗面とすることにより、粗面とされた内面の凹部にも、塑性流動層３ｂが充填されて、強固に接合させることができる。
【００２９】
なお、塑性流動した肉盛り材３の一部は円筒管Ｗの右端にも押し出されるが、急速に冷却して流動性を失い、円筒管Ｗの右端の解放端面を閉止する。さらに回転ツール１が肉盛り材３を所定の圧力で押圧しながら、前進を続けてし、円筒管Ｗの内面とスターロッドの外周面とによって形成される空間内に塑性流動層３ｂが押し込まれ、スターロッド１１による激しい摩擦から解放されると冷却して、円筒管Ｗの内面に肉盛り層３ｃが形成される。
【００３０】
また、実施例１では、肉盛り材３の軸心に中心孔３２を形成し、この中心孔３２に中央突起１２を挿入する構成としているために、肉盛り材３はぶれを生じにくくなり、安定に保持される例を示した。しかしながら、必ずしも中央突起１２の先端を中心孔３２内に挿入することは必要なく、中心孔３２を設けていない肉盛り材としてもよい。
【００３１】
上述した実施例１では、アルミニウム合金（ＡＣ４Ｄ）の被加工材を円筒管Ｗとし、この円筒管Ｗの内面に、アルミニウム合金（ＡＣ８Ａ）の肉盛層３ｃを形成する例を説明したが、肉盛り材は、スターロッド１１の材質より軟らかい材料であれば原理的には適用することができる。
【００３２】
また、被加工材を円筒管Ｗとした例を示したが、被加工材は円筒管に限られることなく、被加工材に穿設された円孔にも肉盛りを施すことができる。
【００３３】
また、円筒管Ｗを固定し、回転ツール１と押圧ツール２をそれぞれ逆方向に回転する実施例１を示したが、回転ツール１と押圧ツール２との間で相対的に回転させて、肉盛り材３の前面を摩擦すればよく、円筒管Ｗを回転する一方、回転ツール１を固定して実施することもできる。
【００３４】
さらに、この実施例では、肉盛り加工初期に形成されるバリ状部３ａにより、円筒管Ｗの端面を封止する例を示したが、必要に応じて円筒管Ｗの端面にばり押さえを取付けるなど、円筒管Ｗの端面を封止する構成とすることもできる。
【実施例２】
【００３５】
次に、この発明の実施例２を説明する。実施例１との大きな相違は、スターロッドの外周に円筒管Ｗの内周表面をわずかに削る削り突部を設けて、新しい表面を露出するところである。したがって、実施例１と同じ構成については、説明を簡略に止め、同じ符号により図４、図５を参照しながら説明する。
【００３６】
実施例２では、実施例１と同様に、回転ツール１は、その先端面に円筒管Ｗの内径Ｄよりわずかに小さく、肉盛り後の内径ｄとなるように、直径ｄのスターロッド１１が設けられている。スターロッド１１の先端側は先細りになる傾斜面１１ａとされ、先端中央に、円柱状の中央突起１２が突出形成されている。また、傾斜面１１ａからスターロッド１１の外周面の前部にかけて軸線方向から傾斜した突条１１ｂが形成されている。この突条１１ｂの内、スターロッド１１の外周面に設けられた部分は、円筒管Ｗの内径Ｄよりも０．２５〜１ｍｍ程度大きくなるように突出した削り突部となっている。
【００３７】
回転ツール１は、実施例１と同様に、円筒管Ｗの一側（図４において右側）から、図示しない駆動モータにより回転するとともに進出可能とされ、他方、円筒管Ｗの他側（図４において左側）から、図示しない押圧ツールに取付けられた肉盛り材３が回転ツール１と同軸線上に対向して配置されている。
【００３８】
肉盛り材３は、その外径を円筒管Ｗに挿入可能に内径Ｄよりもわずかに細い円筒状とされていて、スターロッド１１の先端中央に突出形成された中央突起１２が挿入可能とされている。
【００３９】
係る構成からなる実施例２の作用について説明する。
実施例１を示す図２と同様に、肉盛り加工する際には、円筒管Ｗの左側（他側）から肉盛り材３を円筒管Ｗの右側（一側側）まで挿入し、スターロッド１１と軸線を一致させて配置される。
【００４０】
次に、図示しない駆動モータの駆動により回転ツール１が回転を始めて、前進する。同時に肉盛り材３を回転させる駆動モータが回転ツール１と逆方向に回転駆動する。
【００４１】
スターロッド１１の先端面が肉盛り材３の前面と突き合わせ状に当接接触して肉盛り材３の先端面を激しく摩擦し、さらに、回転ツール１が回転しながら前進する。一方、押圧ツール２は、回転ツール１が前進するに伴い肉盛り材３を介して受ける押圧力に応じて後退して、肉盛り材３に所定の押圧力を付加し続ける。
【００４２】
また、実施例２では、スターロッド１１の外周面に設けた突条１１ｂの削り突部により、円筒管Ｗの内周面は０．２５〜０．５ｍｍ程度薄く切削されて活性な新しい面を露出していく。これにより肉盛り材３の先端面は摩擦熱によって昇温し、融点以下であるが、軟化した状態、いわゆる、塑性流動現象を生じて、実施例１と同様に外周側に押出されて、円筒管Ｗの内面とスターロッド１１の外周面とによって形成される空間内に塑性流動層３ｂになって侵入する（図４、図５参照）。
【００４３】
回転ツール１の前進に伴って、回転ツール１と後退する押圧ツール２との間に挟まれた肉盛り材３の先端面が塑性流動して、これに伴って、塑性流動層３ｂの位置が前進するとともに、後方には円筒管Ｗの内面に充填して接合する肉盛り層３ｃが形成されていく。なお、突条１１ｂにより、円筒管Ｗの内周面が薄く切削されて活性な新しい面を露出しているために、肉盛り層３ｃは、円筒管Ｗと接合して、接合強度が高くなる。
【００４４】
このようにして回転ツール１の前進とともに、円筒管Ｗの内面に肉盛層３ｃが順次形成され、円筒管Ｗの最前端まで回転ツール１が移動して肉盛り作業を終了する。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】肉盛り加工中の状態を示す断面図
【図２】肉盛り加工のセット状態
【図３】肉盛り加工の初期状態を示す一部の断面図
【図４】実施例２の肉盛り加工中の状態を示す断面図
【図５】実施例２の肉盛り加工中の状態を示す拡大断面図
【符号の説明】
【００４６】
１…回転ツール
２…押圧ツール  
３…肉盛り材
１１…スターロッド  
１２…中央突起
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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