(57)【要約】【課題】摩擦攪拌接合開始時にプローブピンの基端部に負荷される加工反力を低減し、プローブピンの折れを抑制することにより、長寿命で、安定的な接合を可能にする摩擦撹拌接合用工具を提供する。【解決手段】摩擦攪拌接合用工具１は、柱状の工具本体１０と、この工具本体１０と同軸的になるように設けられたプローブピン１１とを有する。工具本体１０におけるプローブピン１１が設けられた面には、被接合部材２の表面に接触するショルダ面１０ａが形成されている。摩擦攪拌接合時には、１対の被接合部材２を突き合わせて又は重ね合わせて配置し、プローブピン１１による摩擦力により被接合部材２同士を軟化させて接合する。工具本体１０のショルダ面１０ａには、例えばＭｎＯ２又はＭｏＳ２等を含有する固体潤滑剤からなる被覆層が形成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
柱状の工具本体と、この工具本体の先端に前記工具本体と同軸的になるように設けられたプローブピンとを有し、前記工具本体における前記プローブピンが設けられた面に、被接合部材の表面に接触するショルダ面が形成され、１対の前記被接合部材を突き合わせて又は重ね合わせて配置し、前記プローブピンの回転による摩擦力により前記１対の被接合部材同士を軟化させて接合する摩擦攪拌接合用工具において、
前記工具本体の前記ショルダ面上には、固体潤滑剤からなる被覆層が形成されていることを特徴とする摩擦攪拌接合用工具。
【請求項２】
前記固体潤滑剤は、Ｍｏ、Ｍｎ及びＷの硫化物、Ｍｏ、Ｍｎ及びＷの酸化物、グラファイト並びに窒化ホウ素からなる群から選択された１又は複数の成分を含有することを特徴とする請求項１に記載の摩擦攪拌接合方法。
【請求項３】
前記被覆層は、前記ショルダ面の１５％以上の面積に形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の摩擦攪拌接合用工具。
【請求項４】
前記工具本体は外径が１０乃至３０ｍｍの円柱状であり、前記被覆層の厚さは０．５乃至５０μｍであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の摩擦攪拌接合用工具。
【請求項５】
前記プローブピンは、基端部の外径が２乃至１０ｍｍの柱状であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の摩擦攪拌接合用工具。
【請求項６】
前記被覆層は、算術平均表面粗さが２．０μｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の摩擦攪拌接合用工具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、摩擦撹拌接合用工具に関し、特に、摩擦撹拌接合時に、プローブピンの基端部に負荷される被接合部材からの加工反力を低減し、工具寿命を向上させた摩擦撹拌接合用工具に関する。
【背景技術】
【０００２】
摩擦撹拌接合（ＦＳＷ、Ｆｒｉｃｔｉｏｎ  Ｓｔｉｒ  Ｗｅｌｄｉｎｇ）は、１対の金属部材同士を突き合わせて又は重ね合わせて配置し、この部材同士の突き合わせ部又は重ね合わせ部に、先端にプローブピンと呼ばれる突起を備えた柱状の工具を回転させながら押しつけ、工具と部材との間に摩擦熱を発生させて部材を軟化させると共に、部材内に挿入したプローブピンの周辺において部材に塑性流動を発生させて撹拌し、部材同士を接合する技術である。
【０００３】
図１２は、従来の摩擦撹拌接合時の工具及び被接合部材を示す模式図である。図１２に示すように、摩擦撹拌接合用工具１は、柱状の工具本体１０と、工具本体１０の先端に工具本体１０に対して同軸的に設けられたプローブピン１１とを有している。プローブピン１１は、工具本体１０と一体的に成形されている。この工具本体１０及びプローブピン１１を回転させながら、１対の被接合部材２の突き合わせ部又は重ね合わせ部に近接させ、被接合部材２の境界付近にプローブピン１１を挿入していく（図１２は、被接合部材２同士を突き合わせた場合）。そして、被接合部材２の表面に工具本体１０のプローブピン１１が設けられた面を接触させることにより、両者間に摩擦熱を発生させて被接合部材２を軟化させ、被接合部材２同士を接合する。被接合部材２に接触する工具本体１０の接触面は、ショルダ面とよばれている。
【０００４】
このとき、被接合部材は融点まで加熱されることはなく、固体の状態で塑性流動を発生して一体化される。従って、摩擦撹拌接合を実施するためには、部材が工具との間に摩擦熱を生じて軟化し、塑性流動することが条件であるため、ＦＳＷは、特にアルミニウム、銅、マグネシウムといった軽金属の分野において、広く使用が進められている。
【０００５】
この摩擦撹拌接合は、工具先端のプローブピン１１を被接合部材内に圧入した状態で工具本体１０を被接合部材２の上面に面接触させ、プローブピン１１及び工具本体１０を回転させながら工具全体を被接合部材２に対して相対的に溶接線に沿って移動させていく接合方法である。従って、工具と被接合部材との間には、溶接等による金属の接合方法に比して、剪断力、摩擦力等の大きな加工反力が作用する。この加工反力は、特にプローブピンの基端部（根元）に大きく負荷される。即ち、工具本体のショルダ面には、摩擦力による被接合部材２からの反力が印加され、この反力により、回転軸まわりのモーメントが発生するが、工具本体よりも外径が小さいプローブピン１１の基端部には、加工反力によるモーメントにより、大きな剪断力が作用する。従って、摩擦撹拌接合時に、プローブピン１１が根元から折れたり、プローブピン１１の座屈が発生したりすることがある。
【０００６】
この問題点を解決するために、例えば、摩擦撹拌接合用工具の材質を工夫した技術が開示されている。特許文献１には、工具本体１０及びプローブピン１１を、Ｃｏを５乃至１２質量％含有するＷＣ系の超硬合金で構成することにより、被接合部材と工具との親和性を低くし、塑性流動している被接合部材が工具に溶着することを抑制し、摩擦による工具摩耗も抑制できることが開示されている。また、特許文献１には、工具本体１０及びプローブピン１１を超硬合金により構成することにより、工具鋼又はダイス鋼により構成した場合に比して工具の熱伝導率が高くなり、特に熱伝導率が６０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の超硬合金を使用することにより、摩擦により発生した熱を効率よく外部に放出することができ、これによりプローブピンの座屈及び接合部の熱変形を防止できることが開示されている。
【０００７】
一方、融点が大きいＦｅ及びＴｉ等の被接合部材の場合には、塑性流動発生時の温度は９００乃至１５００℃と高温であり、工具が著しく損耗するという問題点がある。この問題点を解決するために、例えば特許文献２には、図１３に示すように、工具本体１０及びプローブピン１１の表面をセラミック１ａにより覆うことにより、被接合部材が高温となるまで加熱された場合における工具の硬度低下を抑制し、被接合部材と工具との間の摩擦力を低減する技術が開示されている。この特許文献２に開示されたセラミック１ａは、Ｓｉの窒化物により構成されており、工具本体１０及びプローブピン１１は、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ及びＷの少なくとも１種を含有する耐熱性合金を主成分とすることが特許文献２に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００５−１９９２８１号公報
【特許文献２】特開２００４−８２１４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上述の従来技術には以下のような問題点がある。摩擦撹拌接合においては、被接合部材と工具との間の摩擦力により被接合部材を塑性流動開始温度まで温度を上昇させる。しかしながら、接合開始時、即ち、被接合部材の温度が塑性流動を開始する温度まで上昇していない段階においては、被接合部材は軟化しておらず、特に、ショルダ面が被接合部材に接触を開始してから被接合部材が軟化を開始するまでの間においては、工具本体のショルダ面には、摩擦力による被接合部材からの加工反力が大きく作用する。従って、プローブピンの基端部に作用する加工反力は、接合開始時において特に大きく、繰り返しの使用により、プローブピンが折れやすくなり、工具寿命が低下するという問題点がある。
【００１０】
特許文献１の技術は、被接合部材が加熱されて既に軟化している段階における技術であり、被接合部材と工具との親和性を低くすることにより、被接合部材の工具への溶着を抑制し、摩擦力による工具摩耗を抑制するものである。よって、特許文献１の摩擦撹拌接合用工具は、既に軟化した被接合部材を接合する場合には好適であるが、被接合部材が未だ軟化していない段階、特に接合開始時においては、プローブピンの基端部には過大な加工反力が負荷され、繰り返しの使用により、プローブピンが折れやすくなり、工具寿命が低下する。
【００１１】
特許文献２の技術は、被接合部材が軟化して高温である場合において、上述の効果を奏するものであり、特許文献１と同様に、被接合部材が未だ軟化していない段階においては、プローブピンの基端部に負荷される加工反力は大きく、一時的に大きく作用する力による工具寿命の低下を防止することはできない。また、特許文献２の工具表面に被覆されたセラミック１ａは、厚さが２ｍｍであり、工具直径の１５ｍｍに対してその比率が大きく、工具の成形が困難であるという問題点もある。
【００１２】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、摩擦撹拌接合開始時にプローブピンの基端部に負荷される加工反力を低減し、プローブピンの折れを抑制することにより、長寿命で、安定的な接合を可能にす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】
【００１３】
本発明に係る摩擦撹拌接合用工具は、柱状の工具本体と、この工具本体の先端に前記工具本体と同軸的になるように設けられたプローブピンとを有し、前記工具本体における前記プローブピンが設けられた面に、被接合部材の表面に接触するショルダ面が形成され、１対の前記被接合部材を突き合わせて又は重ね合わせて配置し、前記プローブピンの回転による摩擦力により前記１対の被接合部材同士を軟化させて接合する摩擦撹拌接合用工具において、前記工具本体の前記ショルダ面上には、固体潤滑剤からなる被覆層が形成されていることを特徴とする。
【００１４】
前記固体潤滑剤は、Ｍｏ、Ｍｎ及びＷの硫化物、Ｍｏ、Ｍｎ及びＷの酸化物、グラファイト並びに窒化ホウ素からなる群から選択された１又は複数の成分を含有することが好ましい。
【００１５】
上述の摩擦撹拌接合用工具において、前記被覆層は、前記ショルダ面の１５％以上の面積に形成されていることが好ましい。
【００１６】
例えば前記工具本体は外径が１０乃至３０ｍｍの円柱状であり、前記被覆の厚さは０．５乃至５０μｍである。また、例えば前記プローブピンは、基端部の外径が２乃至１０ｍｍの柱状である。
【００１７】
前記被覆層は、算術平均表面粗さが２．０μｍ以下であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明に係る摩擦撹拌接合用工具は、被接合部材の表面に接触する工具本体のショルダ面上に、固体潤滑剤からなる被覆層が形成されている。これにより、摩擦撹拌接合の開始時に、工具本体が被接合部材から受ける加工反力を低減することができ、プローブピンの基端部に負荷される加工反力を低減し、プローブピンの折れの発生を抑制することができる。従って、本発明の摩擦撹拌接合用工具は長寿命であり、この摩擦撹拌接合用工具の使用により、安定的な接合が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】（ａ）、（ｂ）は、本発明の摩擦撹拌接合用工具を使用した接合を示す正面図である。
【図２】（ａ）、（ｂ）は、摩擦撹拌接合用工具の変形例を示す正面図である。
【図３】ショルダ面にＭｎＯ２の被覆層を形成した場合において、摩擦撹拌接合時のトルク変化を示す図である。
【図４】ショルダ面にＭｏＳ２の被覆層を形成した場合において、摩擦撹拌接合時のトルク変化を示す図である。
【図５】従来の摩擦撹拌接合用工具において、摩擦撹拌接合時のトルク変化を示す図である。
【図６】ショルダ面にＭｎＯ２の被覆層を形成した場合において、摩擦撹拌接合後のショルダの表面を示すＳＥＭ写真である。
【図７】同じく、図６のＳＥＭ写真と同一視野で灰色の点の明るさがＭｎの濃度を表す。
【図８】ショルダ面の表面に面積率１５％でＭｎＯ２の被覆層を形成した場合において、摩擦撹拌接合時のトルク変化を示す図である。
【図９】ショルダ面にＭｎＯ２の被覆層を形成した摩擦撹拌接合用工具による接合部を示す図である。
【図１０】ショルダ面にＭｏＳ２の被覆層を形成した摩擦撹拌接合用工具による接合部を示す図である。
【図１１】従来の摩擦撹拌接合用工具による接合部を示す図である。
【図１２】従来の摩擦撹拌接合時の工具及び被接合部材を示す模式図である。
【図１３】従来の摩擦撹拌接合時の工具及び被接合部材を示す模式図である。
【図１４】（ａ）、（ｂ）は摩擦撹拌接合用工具のプローブピンを示す図であり、図１４（ａ）は正面図、図１４（ｂ）は底面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施形態に係る摩擦撹拌接合用工具について、詳細に説明する。先ず、本実施形態に係る摩擦撹拌接合用工具の構成について説明する。図１（ａ）及び図１（ｂ）は、本発明の摩擦撹拌接合用工具を使用した摩擦撹拌接合を示す正面図である。図１に示すように、摩擦撹拌接合用工具１は、柱状の工具本体１０と、この工具本体１０の先端に工具本体１０と同軸的に設けられたプローブピン１１とにより構成されている。工具本体１０におけるプローブピン１１が設けられた面は、そのプローブピン１１以外の部分がショルダ面１０ａとなっている。本発明においては、ショルダ面１０ａ上には、例えばＭｎＯ２又はＭｏＳ２等を含有する固体潤滑剤が被覆され、被覆層１２が形成されている。
【００２１】
工具本体１０は、プローブピン１１と一体的に、例えば、工具鋼、ダイス鋼、超硬合金、立方晶窒化ホウ素、Ｗ合金、又はＭｏ合金等により成形されている。この工具本体１０及びプローブピン１１は、硬度が例えば４００乃至１５００Ｈｖ、融点が例えば１５００乃至３４００℃である材料から成形されていることが好ましい。工具本体１０は、例えば円柱状又は円錐台状に形成されている。本実施形態においては、工具本体１０は円柱状であり、外径は例えば１０乃至３０ｍｍである。工具本体が円錐台状である場合においては、工具本体１０は、プローブピン１１が設けられた先端部の外径が例えば１０乃至３０ｍｍである。
【００２２】
プローブピン１１は、例えばショルダ面１０から延出するような柱状であり、工具本体１０と同軸的になるように形成されている。プローブピン１１は、その基端部における外径が例えば２乃至１５ｍｍであり、長さが例えば１乃至１５ｍｍである。図１４に示すように、プローブピン１１の外面には、例えば被接合部材の撹拌を容易にするために、複数本の突起が、プローブピン１１の長手方向に対して傾斜して設けられ、更に、例えば撹拌する母材の体積を大きくするために、プローブピン１１の長手方向に延びるような溝が形成されている。プローブピン１１は、例えば基端部から先端部へと外径が小さくなるように、又は基端部から先端部へと外径が大きくなるように、又は長手方向に外径が一定となるように形成されており、必要に応じて、上記突起及び溝がその外面に形成されている。
【００２３】
本実施形態における被覆層１２は、例えばＭｎＯ２及び／又はＭｏＳ２等の成分を含有する固体潤滑剤からなる。例えば、ＭｏＳ２は、ＭｏとＳとが強固に結合し、ＳとＳとの間の結合が非常に弱い結晶構造を有する。このため、ＭｏＳ２の鉱物は、層状の格子構造を有し、結晶界面の潤滑性が極めて高い。また、層状の結晶構造により、ＭｏＳ２は、耐荷重性が高い。本発明においては、例えばこのＭｏＳ２のような成分を含有する固体潤滑剤を工具本体１０のショルダ面１０ａに被覆することにより、ショルダ面１０ａの摩擦係数を小さくし、撹拌接合開始時に、被接合部材からショルダ面１０ａに負荷される加工反力が急激に大きくなることを防止する。これにより、プローブピン１１の基端部に一時的に大きな加工反力、例えば摩擦力及び剪断力等が負荷されることを防止し、プローブピン１１の折れの発生を抑制する。また、耐荷重性が高いＭｏＳ２等の成分を含有する固体潤滑剤をショルダ面１０ａに被覆することにより、工具の回転軸方向の押圧力が大きい場合においても、被覆層１２がショルダ面１０ａから剥離することを防止することができる。
【００２４】
本発明においては、被覆層１２を構成する固体潤滑剤は、例えば、上記ＭｎＯ２及びＭｏＳ２のような、Ｍｏ、Ｍｎ及びＷの硫化物、Ｍｏ、Ｍｎ及びＷの酸化物、グラファイト並びに窒化ホウ素からなる群から選択された１又は複数の成分を含有していることが好ましく、これらの物質の被覆層１２を形成することにより、ショルダ面１０ａに作用する加工反力を効果的に低減することができる。
【００２５】
被覆層１２は、ショルダ面１０ａの１５％以上の面積に形成されていることが好ましい。これにより、摩擦撹拌接合開始時のプローブピン基端部への加工反力の低減効果を十分に得ることができる。また、被覆層１２は、算術平均表面粗さが２．０μｍ以下であることが好ましい。これにより、摩擦撹拌接合開始時のプローブピン基端部への加工反力の低減効果を更に向上させることができる。
【００２６】
これらのＭｎＯ２及びＭｏＳ２等の成分を含有する固体潤滑剤成分は、ショットブラスト又はスプレー等によるコーティングによりショルダ面１０ａにコーティングされ、これにより、ショルダ面１０ａ上に被覆層１２が形成される。スプレー等によるコーティングにより被覆層１２を形成する場合においては、ＭｎＯ２等の成分は、粉末状のものを例えばエポキシ系樹脂及びポリアミドイミド系樹脂からなるバインダー粉末中に分散し、例えばトルエン及び酢酸ブチル等からなる溶媒に溶解した状態で、ショルダ面１０ａに塗布した後、乾燥固化することにより、被覆層１２が形成される。
【００２７】
本発明においては、上記外径を有する円柱状の工具本体１０に対して、被覆層１２は、厚さが０．５乃至５０μｍであることが好ましい。この被覆層１２の厚さは、工具本体１０の外径、摩擦撹拌接合用工具の材質、及び摩擦撹拌接合時に工具に印加する押圧力等により定められる。
【００２８】
次に、本実施形態の摩擦撹拌接合用工具の製造方法について説明する。本発明においては、上述の如く、工具本体１０のショルダ面１０ａに例えばＭｎＯ２又はＭｏＳ２等の成分を含有する固体潤滑剤を被覆して、被覆層１２を形成する。
【００２９】
被覆層１２を形成する際には、例えば摩擦撹拌接合用工具１には下地処理を施しておく。この摩擦撹拌接合用工具の下地処理においては、例えば、先ず、ショルダ面１０ａの端面を脱脂する。そして、脱脂後のショルダ面１０ａに化成処理又はサンドブラスト処理を施す。これにより、ショルダ面１０ａへの固体潤滑剤の密着性が向上する。そして、摩擦撹拌接合用工具１を乾燥させる。
【００３０】
ショットブラストにより被覆層１２を形成する場合には、粒子状のＭｎＯ２又はＭｏＳ２等の成分をショットブラスト装置により、ショルダ面１０ａに投射する。これにより、粒子状の固体潤滑剤成分をショルダ面１０ａに付着させる。このとき、ショルダ面１０ａの１５％以上の面積に固体潤滑剤成分を付着させる。
【００３１】
スプレー等によるコーティングにより被覆層１２を形成する場合には、固体潤滑剤は、液体の状態でショルダ面１０ａに塗布される。固体潤滑剤となる液体の潤滑剤を製造するにあたっては、先ず、粉末状のエポキシ系樹脂及びポリアミドイミド系樹脂からなるバインダー中に、ＭｎＯ２等の固体潤滑剤成分を含有する粉末を投入し、バインダー中に分散させる。この際、バインダー粉末とＭｎＯ２等の粉末とは、所定の混合比で混合することが好ましい。この混合比は、工具本体１０及びプローブピン１１の材質、被接合部材の材質、又は摩擦撹拌接合時に工具に印加する押圧力等により定められる。
【００３２】
次に、バインダー粉末とＭｎＯ２等の粉末との混合物を、例えばトルエン及び酢酸ブチル等からなる溶媒中に投入し、粉末状の混合物を溶媒中に分散させる。これにより、ショルダ面１０ａに塗布される液体の潤滑剤が製造される。
【００３３】
この液体の潤滑剤を、上記下地処理が完了した摩擦撹拌接合用工具１のショルダ面１０ａに塗布する。この塗布の方法としては、潤滑剤をショルダ面１０ａにスプレーで噴射する方法、及び液体の潤滑剤中に摩擦撹拌接合用工具１を浸す方法があるが、被覆層１２の膜厚を精度よく管理する場合には、スプレーによる塗布を行う。この際、プローブピン１１に潤滑剤が塗布されないように、プローブピン１１の外面を例えばマスキングしておく。これにより、ショルダ面１０ａには、乾燥固化することにより固体潤滑剤となる液体の潤滑剤が塗布される。この塗布工程において、乾燥固化後の被覆層の面積がショルダ面１０ａの面積に対して１５％以上となるように調整する。
【００３４】
次に、潤滑剤が塗布された工具を加熱炉に入れて焼き付け処理を行うか、又は自然乾燥させる。これにより、溶媒中に分散させていたバインダー及びＭｎＯ２等の成分が固化される。以上により、ショルダ面１０ａ上に被覆層１２が形成された摩擦撹拌接合用工具１が製造される。
【００３５】
次に、本実施形態の摩擦撹拌接合用工具の動作について説明する。本発明の摩擦撹拌接合方法においては、上記被覆層１２が形成された摩擦撹拌接合用工具１を使用して被接合部材同士を接合する。本発明においては、被接合部材２同士は、重ね合わせて配置された状態又は突き合わせて配置された状態で、重ね合わせ部又は突き合わせ部を摩擦撹拌接合により接合するが、本実施形態においては、被接合部材２同士を突き合わせ接合する場合について説明する。
【００３６】
本実施形態の摩擦撹拌接合においては、先ず、１対の被接合部材２を例えば裏当て材上に載置し、図１（ａ）に示すように、被接合部材２同士を突き合わせて配置する。次に、摩擦撹拌接合用工具１を例えば工作機械のヘッド（回転駆動部）に取り付ける。
【００３７】
次に、例えば工作機械のヘッドを回転させることにより、摩擦撹拌接合用工具１を回転させる。そして、例えば工作機械のヘッドを下降させることにより、被接合部材２同士の突き合わせ部に摩擦撹拌接合用工具１を近接させていく。
【００３８】
そうすると、図１（ａ）に示すように、工具１は、プローブピン１１の先端部が被接合部材２同士の突き合わせ部に近接し、工具１の下降により、やがてプローブピン１１の先端が被接合部材２の突き合わせ部周辺に接触し、プローブピン１１が被接合部材２の突き合わせ部周辺に挿入されていく。これにより、プローブピン１１による被接合部材２の撹拌が開始される。このとき、図１４に示すように、プローブピン１１の外周面に複数本の突起が設けられている場合においては、突起及びこの突起間の溝により、被接合部材（母材）の撹拌を効率よく行うことができる。また、プローブピン１１の長手方向に延びるように溝が形成されている場合においても、撹拌する母材の体積を増やすことができる。
【００３９】
工具１を更に下降させると、工具本体１０は、被覆層１２により被覆されたショルダ面１０ａが被接合部材に近接していき、やがて被覆層１２が被接合部材２の表面に接触する。このとき、被接合部材２の温度は軟化温度にまで達しておらず、被接合部材２は軟化していない。被覆層１２が形成されていない従来の工具の場合には、ショルダ面１０ａが被接合部材２に接触した瞬間に大きな摩擦力が作用し、この摩擦力による加工反力により、プローブピン１１の基端部には更に大きな加工反力が作用する。しかしながら、本発明においては、ショルダ面１０ａには、固体潤滑剤からなる被覆層１２が形成されている。よって、ショルダ面１０ａが被接合部材２に接触した瞬間において、両者間に発生する摩擦力は小さくなる。よって、プローブピン１１の基端部に作用する加工反力を低減することができ、プローブピンの折れの発生を抑制することができる。
【００４０】
以上のように、本発明の摩擦撹拌接合用工具は、ショルダ面１０ａに固体潤滑剤からなる被覆層１２が形成されている。よって、ショルダ面１０ａが被接合部材２に接触した瞬間において、両者間に発生する摩擦力は小さくなり、これにより、プローブピン１１の基端部に作用する加工反力を低減することができ、プローブピンの折れの発生を抑制することができる。従って、本発明の摩擦撹拌接合用工具は長寿命であり、この摩擦撹拌接合用工具の使用により、安定的な接合が可能である。
【００４１】
なお、摩擦撹拌接合用工具の形状については、上記実施形態に限定されないことは勿論である。例えば，図２（ａ）に示すように、工具本体１０のショルダ面１５に湾曲した凹面を形成してもよい。また、図２（ｂ）に示すように、工具本体１０のショルダ面１６が円錐台状に工具本体１０から突出し、この突出したショルダ面１６の先端にプローブピン１１を設けてもよい。
【実施例】
【００４２】
以下、本発明の摩擦撹拌接合用工具の実施例による効果を、その比較例と比較して説明する。
【００４３】
実施例１
実施例１は、ショルダ面に被覆層を形成していない従来構造の摩擦撹拌接合用工具を比較例とし、本発明の摩擦撹拌接合用工具と比較した場合の実施例である。先ず、ショルダ及びプローブピンが一体的に形成された摩擦撹拌接合用工具を３個用意した。この摩擦撹拌接合用工具は、Ｃｏを約５０質量％含有するＷＣ系の超硬合金からなり、形状は図１に示すものであり、円柱状の工具本体（直径：１５ｍｍ）及びプローブピン（直径：５ｍｍ、長さ２．２ｍｍ）を有するものを使用した。摩擦撹拌接合用工具の１つには、ショルダ面に粒子状のＭｎＯ２をショットブラストにより投射して付着させ、面積率１００％、コーティング膜厚５０μｍの被覆層を形成した。摩擦撹拌接合用工具の他の１つには、ショルダ面にＭｏＳ２粒子を投射して付着させ、同じく面積率１００％、コーティング膜厚５０μｍの被覆層を形成した。更に残りの１つの摩擦撹拌接合用工具には、コーティングを施さなかった。
【００４４】
これらの摩擦撹拌接合用工具を使用して、突き合わせて配置した被接合部材の突き合わせ部に対し、摩擦撹拌接合を行った。被接合部材としては、板厚２．３ｍｍのＨＴ５９０級鋼を使用した。接合条件は、工具押付荷重：４０００ｋｇｆ、工具回転速度：３００ｒｐｍ、接合速度５００ｍｍ／分とした。そして、プローブピンが根元から破断するまでの工具寿命を測定した。なお、工具寿命の測定は、各工具を使用して摩擦撹拌接合を行った場合に、プローブピンが破断するまでの接合長を測定することにより行った。各実施例及び比較例の摩擦撹拌接合用工具における工具寿命の測定結果を下記表１に示す。
【００４５】
【表１】
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【００４６】
表１に示すように、ショルダ面にコーティングを施さなかった比較例は、０．３ｍを接合した後、プローブピンが根元から破断した。これに対して、ショルダ面にＭｎＯ２による被覆層を形成した実施例１は、プローブピンの破断までに２．８ｍを接合することができ、ＭｏＳ２による被覆層を形成した実施例２は、プローブピンの破断までに２．６ｍを接合することができた。よって、ショルダ面に固体潤滑剤からなる被覆層を形成することにより、工具寿命を飛躍的に長くすることができる。
【００４７】
これらの実施例及び比較例を使用した摩擦撹拌接合において、摩擦力により工具に印加される加工反力を測定した。即ち、加工反力は、例えば工具を回転させるモータのトルク変化により測定することができる。本実施例においては、このモータのトルクを、モータに接続されたインバータの出力端子電圧により算出した。図３乃至図５に各実施例及び比較例の工具を使用した場合のトルクの時間的変化を示す。図３はショルダ面にＭｎＯ２による被覆層を形成した実施例１、図４はショルダ面にＭｏＳ２による被覆層を形成した実施例２、図５はショルダ面にコーティングを施さなかった比較例である。
【００４８】
図５に示すように、ショルダ面にコーティングを施さなかった比較例は、ショルダ面が被接合部材に接触してから被接合部材が軟化を開始するまでに、急激にトルクが上昇している。これに対して、図３に示すように、ショルダ面にＭｎＯ２による被覆層を形成した実施例１は、ショルダ面が被接合部材に接触してから被接合部材が軟化を開始するまでのトルク上昇は緩やかであり、被覆層を形成することにより、摩擦力による加工反力を低減する効果を得ることができた。また、図４に示すように、ショルダ面にＭｏＳ２による被覆層を形成した実施例２においても、ＭｎＯ２によるコーティングの場合と比べるとその加工反力の低減効果は小さいが、図５に示す比較例に比して、摩擦力による加工反力を低減する効果が得られた。
【００４９】
図６は、ＭｎＯ２による被覆層を形成した実施例１の工具において、被接合部材を１ｍ程度接合した後に、ショルダの表面を電子顕微鏡により観察したＳＥＭ写真である。また、図７は、図６のＳＥＭ写真と同一視野で、灰色の点の明るさがＭｎの濃度分布を示すものである。図６に示すように、ショルダの表面にはＭｎＯ２の被膜が付着しており、図７に示すように、ショルダ面に対する被膜の面積率は１５％であった。この工具を使用して、再度上記被接合部材に対して摩擦撹拌接合を行ったところ、図８に示すように、図３と同様の摩擦力の低減効果を得ることができた。これにより、被覆層は、ショルダ面の１５％以上の面積に形成すれば、十分な摩擦力低減効果を得ることができる。
【００５０】
図９乃至図１１は、各実施例及び比較例の摩擦撹拌接合用工具を使用して接合した接合部を示す写真である。図９はショルダ面にＭｎＯ２による被覆層を形成した実施例１、図１０はショルダ面にＭｏＳ２による被覆層を形成した実施例２、図１１はショルダ面にコーティングを施さなかった比較例である。
【００５１】
図９及び図１０に示すように、ショルダ面に被覆層を形成した実施例１及び２は、図１１の従来の工具を使用した比較例に比して、ビード表面の酸化を抑えることができ、変色の少ない良好なビード形状が得られている。これにより、ショルダ面に被覆層を形成することにより、被接合部材とショルダ面との間の摩擦力を低減することができ、被接合部材の過剰な温度上昇を抑え、良好なビード形状を得ることができる。
【符号の説明】
【００５２】
１：摩擦撹拌接合用工具、１ａ：セラミック層、１０：工具本体、１０ａ：ショルダ、１１：プローブピン、１２：被覆層、２：被接合部材
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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