(57)【要約】【課題】塑性流動を効率良く生じさせて健全な接合部を得ることができる回転ツールを提供する。【解決手段】回転ツール１０は、第１の分割部材２０と、第１の分割部材２０の中空部２２に嵌合する第２の分割部材３０と、を備える。第１の分割部材２０は、第１の中空部２３と、第２の中空部２４と、を有する。第２の分割部材３０は、胴部３２と、台座部３３と、を有する。第２の分割部材３０は、胴部３２の雄ネジ部３２ａを第２の中空部２４の雌ネジ部２４ｂに螺合することにより、第１の中空部２３からショルダ部２１側にプローブ部３１が突出するように第１の分割部材２０に結合されている。台座部３３が第１の分割部材２０の基端面２０ａに当接して第１の中空部２３からのプローブ部３１の突出量が規定されている。少なくともプローブ部３１の突出部分の周面の全体にわたって溝１５が設けられている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
円柱状をなす本体部の先端面に、前記本体部よりも小径で周面に溝が形成されたプローブ部と、前記プローブ部を囲むように環状に設けられたショルダ部と、を備えた摩擦撹拌接合用の回転ツールであって、
前記ショルダ部が先端面側に設けられた円筒状の第１の分割部材と、
前記プローブ部が先端面側に設けられ、前記第１の分割部材の中空部に嵌合する第２の分割部材と、を備え、
前記第１の分割部材は、
前記プローブ部が挿通する内径をもって前記ショルダ部側に設けられた第１の中空部と、前記第１の中空部よりも大径で前記第１の中空部の基端側と連通すると共に、内周面に雌ネジ部が設けられた第２の中空部と、を有し、
前記第２の分割部材は、
前記第２の中空部の内径に対応する外径をもって前記プローブ部の基端側に設けられると共に、外周面に雄ネジ部が設けられた胴部と、前記第１の分割部材の外径に対応する外径をもって前記胴部の基端側に設けられた台座部と、を有し、
前記第２の分割部材は、前記胴部の前記雄ネジ部を前記第２の中空部の前記雌ネジ部に螺合することにより、前記第１の中空部から前記ショルダ部側に前記プローブ部が突出するように前記第１の分割部材に結合され、
前記台座部が前記第１の分割部材の基端面に当接して前記第１の中空部からの前記プローブ部の突出量が規定されており、
少なくとも前記プローブ部の突出部分の周面の全体にわたって前記溝が設けられている、回転ツール。
【請求項２】
前記台座部は、前記胴部周りに設けられたスペーサを介して前記第１の分割部材の基端面に当接する、請求項１に記載の回転ツール。
【請求項３】
前記第１の分割部材と前記第２の分割部材とは、同系の金属材料によって形成されている、請求項１又は２に記載の回転ツール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転ツールに関する。
【背景技術】
【０００２】
金属材の接合方法の一つとして摩擦撹拌接合（ＦＳＷ：Friction Stir Welding）が知られている。摩擦撹拌接合では、金属材同士の当接部分に回転ツールを押し込んで回転させ、摩擦熱で軟化させた金属材同士を塑性流動により一体化させる。
【０００３】
摩擦撹拌接合に用いられる回転ツールとしては、例えば特許文献１に記載の回転ツールがある。この従来の回転ツールは、接合時に金属材同士の当接部分に押し込まれるプローブ部と、プローブ部を囲むように環状に設けられたショルダ部と、を備えている。プローブ部の外面には、流動した金属材の撹拌を促進させるための溝が形成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第５１４８１６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述のような回転ツールでは、一般に、プローブ部とショルダ部とが一体に形成されている。この場合、溝加工用の工具がショルダ部に干渉するため、プローブ部の基端部分に溝を形成することが困難となる。しかし、金属材の撹拌性を向上させて塑性流動を効率良く生じさせるためには、プローブ部のショルダ部からの突出部分の全体にわたって溝が形成されていることが好ましい。また、上述のような回転ツールでは、加工精度を確保して健全な接合部を得るために、プローブ部の突出量が狙いの大きさであることが極めて重要となる。
【０００６】
そこで、本発明は、塑性流動を効率良く生じさせて健全な接合部を得ることができる回転ツール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】
【０００７】
本発明の一側面に係る回転ツールは、円柱状をなす本体部の先端面に、本体部よりも小径で周面に溝が形成されたプローブ部と、プローブ部を囲むように環状に設けられたショルダ部と、を備えた摩擦撹拌接合用の回転ツールであって、ショルダ部が先端面側に設けられた円筒状の第１の分割部材と、プローブ部が先端面側に設けられ、第１の分割部材の中空部に嵌合する第２の分割部材と、を備え、第１の分割部材は、プローブ部が挿通する内径をもってショルダ部側に設けられた第１の中空部と、第１の中空部よりも大径で第１の中空部の基端側と連通すると共に、内周面に雌ネジ部が設けられた第２の中空部と、を有し、第２の分割部材は、第２の中空部の内径に対応する外径をもってプローブ部の基端側に設けられると共に、外周面に雄ネジ部が設けられた胴部と、第１の分割部材の外径に対応する外径をもって胴部の基端側に設けられた台座部と、を有し、第２の分割部材は、胴部の雄ネジ部を第２の中空部の雌ネジ部に螺合することにより、第１の中空部からショルダ部側にプローブ部が突出するように第１の分割部材に結合され、台座部が第１の分割部材の基端面に当接して第１の中空部からのプローブ部の突出量が規定されており、少なくともプローブ部の突出部分の周面の全体にわたって溝が設けられている。
【０００８】
この回転ツールでは、第１の中空部からショルダ部側にプローブ部が突出するように、第２の分割部材が第１の分割部材に結合される。このため、必ずしもプローブ部の基端部分にまで溝を形成しなくても、プローブ部のうち周面に溝が形成された部分をショルダ部から突出させることができる。その結果、プローブ部の突出部分の全体にわたって溝が配置されるため、金属材の撹拌性を向上でき、塑性流動を効率良く生じさせることができる。また、この回転ツールでは、台座部を第１の分割部材の基端面に当接させることによってプローブ部の突出量を規定できる。そのため、プローブ部の突出量を確実に狙いの大きさとすることができ、加工精度を向上できる。以上により、この回転ツールによれば、塑性流動を効率良く生じさせて健全な接合部を得ることができる。
【０００９】
また、台座部は、胴部周りに設けられたスペーサを介して第１の分割部材の基端面に当接してもよい。この場合、スペーサの厚さによってプローブ部の突出量を容易に調整できる。
【００１０】
また、第１の分割部材と第２の分割部材とは、同系の金属材料によって形成されていてもよい。この場合、接合時の温度上昇により第１の分割部材と第２の分割部材との間に熱応力が生じてしまうことを抑制できる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、塑性流動を効率良く生じさせて健全な接合部を得ることができる回転ツールを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態に係る回転ツールを適用した摩擦撹拌接合装置の構成図である。
【図２】図１の回転ツールの断面図である。
【図３】図２の第１の分割部材の断面図である。
【図４】図２の第２の分割部材の断面図である。
【図５】従来の回転ツールにおける溝加工時の様子を示す側面図である。
【図６】図２の回転ツールにおいて、第１の分割部材と第２の分割部材との間にスペーサが配置された場合を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明に係る実施形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、以下の説明において同一又は相当要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１４】
図１に示される摩擦撹拌接合装置１は、回転ツール１０を用いて金属材２，２同士の突き合わせ部分Ｐに沿って連続接合部３を形成する装置である。接合の対象である金属材２は、例えば鉄道車両構体に用いられる外板である。金属材２を構成する材料の例としては、ステンレス鋼及び冷間圧延鋼等の鉄鋼系材料や、アルミ合金等の軽合金材料等が挙げられる。
【００１５】
摩擦撹拌接合装置１は、回転ツール１０を保持するツールホルダ（不図示）と、回転ツール１０を中心軸周りに回転させる回転モータ４と、回転ツール１０を突き合わせ部分Ｐに沿って移動させる移動モータ５と、回転ツール１０を突き合わせ部分Ｐに対して押圧する押圧機構６と、回転モータ４、移動モータ５及び押圧機構６を制御するコントローラ７と、金属材２，２の下に配置される板状の裏当材８と、を含んで構成されている。
【００１６】
ツールホルダは、金属等の延性材料によって略円柱状に形成されている。ツールホルダは、金属材２の法線方向に対し、回転ツール１０の進行方向と反対側に傾けられている。ツールホルダの下端部には、回転ツール１０の差込口が形成されており、この差込口に回転ツール１０を差し込むことによって回転ツール１０がツールホルダに保持されている。
【００１７】
このような摩擦撹拌接合装置１を用いて接合を行う場合、まず、金属材２，２同士を裏当材８上で突き合わせた後、回転ツール１０を突き合わせ部分Ｐの上方に配置し、回転ツール１０のプローブ部３１（後述する）を突き合わせ部分Ｐの一端に押し込む。そして、回転ツール１０を回転させながら突き合わせ部分Ｐの他端まで移動させる。これにより、プローブ部３１と金属材２との間で発生する摩擦熱が突き合わせ部分Ｐに入熱し、摩擦熱による塑性流動によって突き合わせ部分Ｐに連続接合部３が形成される。
【００１８】
次に、摩擦撹拌接合装置１に適用される回転ツール１０について詳細に説明する。図２に示されるように、回転ツール１０は、略円柱状をなす本体部１１を備えている。本体部１１の先端面には、本体部１１よりも小径で周面に溝１５が形成されたプローブ部３１と、プローブ部３１を囲むように環状に設けられたショルダ部２１とが設けられている。
【００１９】
回転ツール１０は、ショルダ部２１が先端面側に設けられた円筒状の第１の分割部材２０と、プローブ部３１が先端面側に設けられた第２の分割部材３０との結合体により構成されている。より詳細には、回転ツール１０は、第２の分割部材３０が第１の分割部材２０の中空部２２に嵌合することによって構成されている。以下、図３及び図４を参照しつつ、第１の分割部材２０及び第２の分割部材３０について更に説明する。
【００２０】
第１の分割部材２０は、例えば工具鋼やクロムモリブデン鋼等の金属材料によって一体に形成されている。第１の分割部材２０の内部には、中空部２２として、円柱状の第１の中空部２３と、円柱状の第２の中空部２４とが設けられている。第１の中空部２３は、プローブ部３１が挿通する内径をもってショルダ部２１側に設けられている。第１の中空部２３の内径は、プローブ部３１の外径と略同一、又はプローブ部３１の外形よりも僅かに大きくなっている。
【００２１】
第２の中空部２４は、第１の中空部２３よりも大径に形成され、第１の中空部２３の基端側と連通している。これにより、第２の中空部２４における第１の中空部２３との境界には、段差面２４ａが形成されている。第２の中空部２４の内周面には、雌ネジ部２４ｂが設けられている。雌ネジ部２４ｂは、例えば、第２の中空部２４の内周面のうち段差面２４ａの近傍を除いた部分の全体にわたって形成されている。
【００２２】
第１の分割部材２０（ショルダ部２１）の先端面には、環状の凹部２１ａが設けられている。凹部２１ａは、例えば第１の分割部材２０の先端面の全体にわたって形成されている。凹部２１ａの底面は、例えばプローブ部３１に近づくほど凹部２１ａが深くなるようにテーパ状をなしている。
【００２３】
第２の分割部材３０は、例えば第１の分割部材２０を構成する金属材料と同一の金属材料によって一体に形成されている。第２の分割部材３０は、上述したプローブ部３１に加えて、円柱状の胴部３２と、円板状の台座部３３と、を有している。プローブ部３１の軸方向の長さは、第１の中空部２３の軸方向の長さよりも長くなっている。
【００２４】
胴部３２は、第２の中空部２４の内径に対応する外径をもってプローブ部３１の基端側に設けられている。胴部３２の外径は、例えば第２の中空部２４の内径と略同一となっている。胴部３２の軸方向の長さは、第２の中空部２４の軸方向の長さよりも短くなっており、例えば第２の中空部２４の内周面のうち雌ネジ部２４ｂが形成された部分の軸方向の長さと等しくなっている。
【００２５】
胴部３２の外周面には、全体にわたって雄ネジ部３２ａが設けられている。雄ネジ部３２ａは、胴部３２が第２の中空部２４に嵌合されたときに、雌ネジ部２４ｂに螺合する。雄ネジ部３２ａと雌ネジ部２４ｂとが螺合する方向は、螺合の緩みを抑制するために、接合時の回転ツール１０の回転方向と反対になっている。
【００２６】
台座部３３は、第１の分割部材２０の外径に対応する外径をもって胴部３２の基端側に設けられている。台座部３３の外径は、例えば第１の分割部材２０の外径と略同一となっている。台座部３３の胴部３２側の面のうち胴部３２よりも径方向外側に位置する部分は、第１の分割部材２０の基端面２０ａに対する当接面３３ａを構成している。なお、プローブ部３１、胴部３２及び台座部３３は、互いに同軸に設けられている。
【００２７】
上述したように、プローブ部３１の周面には溝１５が形成されている。溝１５は、流動した金属材２の撹拌を促進させるために設けられている。溝１５は、プローブ部３１の周面のうち基端部分を除いた部分の全体にわたって形成されている。溝１５は、例えばプローブ部３１の軸方向に沿って螺旋状に設けられている。なお、溝１５は、流動した金属材２の撹拌を促進できればよく、任意の形状又は配置で設けられてよい。例えば、溝１５は、プローブ部３１の軸方向に沿って延在すると共に、プローブ部３１の周方向に沿って並設された複数の溝であってもよいし、プローブ部３１の周方向に沿って延在すると共に、プローブ部３１の軸方向に沿って並設された複数の溝であってもよい。
【００２８】
図２に示されるように、第２の分割部材３０は、胴部３２の雄ネジ部３２ａを第２の中空部２４の雌ネジ部２４ｂに螺合することにより、第１の中空部２３からショルダ部２１側にプローブ部３１が突出するように第１の分割部材２０に結合されている。この結合状態においては、台座部３３の当接面３３ａが第１の分割部材２０の基端面２０ａに当接することにより、第１の中空部２３からのプローブ部３１の突出量が規定されている。また、胴部３２の先端面と第２の中空部２４の段差面２４ａとが離間することにより、胴部３２の公差が吸収されている。また、プローブ部３１のうち周面に溝１５が形成された部分の先端側の一部がショルダ部２１から突出している。すなわち、回転ツール１０では、ショルダ部２１からのプローブ部３１の突出部分の周面の全体にわたって溝１５が設けられている。
【００２９】
以上説明したように、回転ツール１０では、第１の中空部２３からショルダ部２１側にプローブ部３１が突出するように第２の分割部材３０が第１の分割部材２０に結合される。このため、必ずしもプローブ部３１の基端部分にまで溝１５を形成しなくても、プローブ部３１のうち周面に溝１５が形成された部分をショルダ部２１から突出させることができる。その結果、プローブ部３１の突出部分の周面の全体にわたって溝１５が配置されるため、金属材２の撹拌性を向上でき、塑性流動を効率良く生じさせることができる。
【００３０】
すなわち、図５に示されるように、ショルダ部２１Ａとプローブ部３１Ａとが一体に形成された従来の回転ツール１０Ａの場合、プローブ部３１Ａの突出部分の周面の全体にわたって溝１５Ａを形成することは困難である。これは、溝加工用の工具４０の頭部４１がショルダ部２１Ａに干渉するために、工具４０の刃部４２をプローブ部３１Ａの基端部分に接触させることができないためである。これに対して、本実施形態の回転ツール１０では、上述のとおり、プローブ部３１の基端部分に溝１５が形成されていない場合でも、プローブ部３１の突出部分の周面の全体にわたって溝１５を配置できる。また、必ずしもプローブ部３１の基端部分にまで溝１５を形成する必要がないため、プローブ部３１の溝加工用に専用の特殊な工具が必要となることを回避できる。また、工具の干渉を避けつつプローブ部３１の基端部分に溝１５を形成するような熟練の技能が必要となることを回避できる。
【００３１】
また、回転ツール１０では、台座部３３を第１の分割部材２０の基端面２０ａに当接させることによってプローブ部３１の突出量を規定できる。そのため、プローブ部３１の突出量を確実に狙いの大きさとすることができ、加工精度を向上できる。以上により、回転ツール１０によれば、塑性流動を効率良く生じさせて健全な接合部を得ることができる。
【００３２】
また、回転ツール１０では、第１の分割部材２０と第２の分割部材３０とが同一の金属材料によって形成されている。これにより、第１の分割部材２０と第２の分割部材３０との間の熱膨張係数の差が無いため、接合時の温度上昇により第１の分割部材２０と第２の分割部材３０との間に熱応力が生じてしまうことを抑制でき、熱応力に起因する歪みを抑制できる。
【００３３】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限られない。例えば、図６に示されるように、台座部３３の当接面３３ａは、胴部３２周りに設けられた円環状のスペーサ５０を介して第１の分割部材２０の基端面２０ａに当接していてもよい。スペーサ５０の外径は、例えば第１の分割部材２０の外径と同一となっている。スペーサ５０の内径は、例えば雄ネジ部３２ａと接触しないように胴部３２の外径よりも僅かに小さくなっている。なお、図６では、雌ネジ部２４ｂの一部を省略して示している。
【００３４】
スペーサ５０が配置されている場合、スペーサ５０の厚さの分だけ当接面３３ａと基端面２０ａとが離間し、プローブ部３１の突出量が小さくなる。したがって、この変形例によれば、スペーサ５０の厚さによってプローブ部３１の突出量を容易に調整できる。その結果、スペーサ５０の厚さを変更することにより、１つの回転ツール１０で様々な板厚の金属材２の加工が可能となる。
【００３５】
また、上記実施形態では、プローブ部３１の周面のうち基端部分を除いた部分の全体にわたって溝１５が設けられていたが、少なくとも第１の中空部２３からのプローブ部３１の突出部分の周面の全体にわたって溝１５が設けられていればよく、プローブ部３１の周面の全体にわたって溝１５が設けられてもよい。また、第２の分割部材３０を構成するプローブ部３１、胴部３２及び台座部３３は、互いに別体に形成されて結合されてもよい。
【００３６】
また、第１の分割部材２０と第２の分割部材３０とは、必ずしも同一の金属材料によって形成されていなくてもよく、同系の金属材料によって形成されていてもよい。この場合でも、上記実施形態と同様に、接合時の温度上昇により第１の分割部材２０と第２の分割部材３０との間に熱応力が生じてしまうことを抑制でき、熱応力に起因する歪みを抑制できる。ここで、同系の金属材料とは、同種の金属を主な構成として含む金属材料を意味する。同系の金属材料の例として、鉄を主な構成として含む合金、炭素鋼（Ｓ２０Ｃ、Ｓ４５Ｃを含む）、クロムモリブデン鋼、工具鋼、ステンレス鋼等や、鉄を主な構成として含む合金に添加元素が付加されたクロムバナジウム鋼等が挙げられる。また、他の例として、アルミニウムを主な構成として含む合金（１０００系、７０００系を含む）が挙げられる。
【符号の説明】
【００３７】
１０…回転ツール、１１…本体部、１５…溝、２０…第１の分割部材、２０ａ…基端面、２１…ショルダ部、２２…中空部、２３…第１の中空部、２４…第２の中空部、２４ｂ…雌ネジ部、３０…第２の分割部材、３１…プローブ部、３２…胴部、３２ａ…雄ネジ部、３３…台座部、５０…スペーサ。
【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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【図６】
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