(57)【要約】【課題】プローブの周辺部での偏磨耗を防止することで寿命を延ばすことが可能な摩擦攪拌接合用ツールを提供する。【解決手段】摩擦攪拌接合用ツール１０は、円形のショルダー部２０と、ショルダー部２０よりも小径に形成され、ショルダー部２０の中心軸上に設けられたプローブ１４とを備える。ショルダー部２０は、プローブ１４を囲む平坦部２２と、周方向に間隔を置いて形成され、平坦部２２からショルダー部２０の外周側に向かって弧を描くように延びる複数の凸部２４と、複数の凸部２４間に形成された複数の凹部２６とを有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
摩擦攪拌接合用ツールであって、
円形のショルダー部と、
前記ショルダー部よりも小径に形成され、前記ショルダー部の中心軸上に設けられたプローブとを備え、
前記ショルダー部は、
前記プローブを囲む平坦部と、
周方向に間隔を置いて形成され、前記平坦部から前記ショルダー部の外周側に向かって弧を描くように延びる複数の凸部と、
前記複数の凸部間に形成された複数の凹部とを有する、
ことを特徴とする摩擦攪拌接合用ツール。
【請求項２】
請求項１記載の摩擦攪拌接合用ツールにおいて、
前記凸部は、前記平坦部の周りを一周しない範囲で延在する、
ことを特徴とする摩擦攪拌接合用ツール。
【請求項３】
請求項１または２記載の摩擦攪拌接合用ツールにおいて、
前記凹部は、前記凸部よりも広い、
ことを特徴とする摩擦攪拌接合用ツール。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の摩擦攪拌接合用ツールにおいて、
前記凸部は、前記プローブ側の端部で前記プローブの周囲方向に沿って延在する内端辺部と、当該凸部の湾曲の内周側を構成する内周辺部とを有し、
前記内端辺部と前記内周辺部とが接続する箇所にある隅部が、略円弧形状に形成されている、
ことを特徴とする摩擦攪拌接合用ツール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、円形のショルダー部と、このショルダー部の中心軸上に設けられたプローブとを有する摩擦攪拌接合用ツールに関する。
【背景技術】
【０００２】
摩擦攪拌接合法は、先端にプローブ（突起部）のある円筒状の回転工具（摩擦攪拌接合用ツール）を回転させながら強い力で押し付けることで、接合させる部材（母材）の接合部にプローブを貫入させ、これによって摩擦熱を発生させて母材を軟化させるとともに、工具の回転力によって接合部周辺を塑性流動させて練り混ぜることで複数の部材を一体化させる接合法である（例えば、下記特許文献１参照）。
【０００３】
特許文献１に記載された回転工具は、円形のショルダー部と、当該ショルダー部より小径に形成されたプローブとを有し、ショルダー部には、プローブの外周部からショルダー部の外縁部まで円弧状に延在する溝が設けられている。このような溝が設けられた回転工具を用いて摩擦攪拌接合を行う際、接合部材の一部（材料）は円弧状の溝の作用により回転工具の外周側から中心側に巻き込むように流動する。すなわち、材料は回転工具の中心側に集められる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−３９１８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、例えば鉄鋼系材料のような比較的硬い材料の摩擦攪拌接合を実施するに際して、特許文献１に記載された回転工具を用いた場合、中心のプローブが壁となり、摩擦熱によって高温となった材料が高圧となることで、プローブの周囲部における磨耗量が他の部分よりも多くなり、この結果、プローブの周辺部にドーナツ状の磨耗部が形成される。すなわち、偏磨耗を生じる。このため、ショルダー部における面粗度が不均一となる。この面粗度の不均一は、回転工具の寿命を短くする一因となる。
【０００６】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、プローブの周辺部での偏磨耗を防止することで寿命を延ばすことが可能な摩擦攪拌接合用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】
上記の課題を解決するため、本発明は、摩擦攪拌接合用ツールであって、円形のショルダー部と、前記ショルダー部よりも小径に形成され、前記ショルダー部の中心軸上に設けられたプローブとを備え、前記ショルダー部は、前記プローブを囲む平坦部と、周方向に間隔を置いて形成され、前記平坦部から前記ショルダー部の外周側に向かって弧を描くように延びる複数の凸部と、前記複数の凸部間に形成された複数の凹部とを有する、ことを特徴とする。
【０００８】
上記の構成によれば、ショルダー部に平坦部が設けられているので、プローブの周囲部で圧力が高くなりすぎることによる偏磨耗の発生が効果的に抑止される。そして、偏磨耗の発生が抑止されることで、ショルダー部における平坦部とその他の部位との面粗度が均一となり、磨耗・劣化に関する条件が同じになる。この結果、接合用ツールの寿命を延ばすことが可能となる。
【０００９】
前記凸部は、前記平坦部の周りを一周しない範囲で延在するとよい。
【００１０】
上記の構成によれば、凸部の幅が狭くなりすぎることがなく、凸部の幅が適度に確保されるので、接合用ツールの寿命向上を図ることができる。
【００１１】
前記凹部は、前記凸部よりも広く設定されるとよい。
【００１２】
上記の構成によれば、凹部を広くすることで、材料を平坦部側に効果的に導くことができるとともに、一旦平坦部から流出した材料も戻って来やすいため、ショルダー部の中心側に材料を効果的に集めることができる。これにより、接合ビードが形成された箇所が接合材料に対して凹むことを防止でき、外観品質及び接合品質を向上できる。また、凸部が凹部よりも小さいことにより、接合部材に対する押圧力が大きくなり過ぎなく、このため、接合部材には適度な押圧力が付与され、材料の塑性流動が促進され、良好な接合を実施することができる。
【００１３】
前記凸部は、前記プローブ側の端部で前記プローブの周囲方向に沿って延在する内端辺部と、当該凸部の湾曲の内周側を構成する内周辺部とを有し、前記内端辺部と前記内周辺部とが接続する箇所にある隅部が、略円弧形状に形成されているとよい。
【００１４】
上記の構成によれば、凸部の隅部が、略円弧形状に形成されているので、凹部により寄せ集めた材料を平坦部に滑らかに誘導することができ、これにより材料を一層効果的に寄せ集めることができ、接合ビードの凹み形状の発生を好適に防止でき、外観品質をより向上できる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の摩擦攪拌接合用ツールによれば、プローブの周辺部での偏磨耗を防止し、ツールの寿命を延ばすことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施形態に係る摩擦攪拌接合用ツールの一部省略斜視図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る摩擦攪拌接合用ツールの一部省略側面図である。
【図３】図１におけるＩＩＩ−ＩＩＩ線での断面図である。
【図４】摩擦攪拌接合を実施している状態を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明に係る摩擦攪拌接合用ツールについて好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照しながら説明する。
【００１８】
図１は、本発明の一実施形態に係る摩擦攪拌接合用ツール１０（以下、接合用ツール１０という）の一部省略斜視図である。図２は、接合用ツール１０の一部省略側面図である。なお、添付図面において、接合用ツール１０に関して、その軸線方向を矢印Ａで示し、特に、先端側をＡ１で示し、基端側をＡ２で示す。また、接合用ツール１０を用いて摩擦攪拌接合を実施する際の接合用ツール１０の回転方向を矢印Ｒで示す。
【００１９】
図１及び図２に示すように、接合用ツール１０は、円柱状のツール本体１２と、このツール本体１２よりも小径に形成され、ツール本体１２の軸線（中心線）Ｃ上でツール本体１２の先端面から突出したプローブ１４とを備える。図示例のツール本体１２は、胴部１６と、この胴部１６よりも大径のヘッド部１８とを有する。ヘッド部１８の先端面は、ショルダー部２０として構成されている。
【００２０】
プローブ１４は、接合用ツール１０の中で最も先端側に突出した部分であり、図示例では、高さの低い略円錐台状に形成されている。なお、接合対象となる接合部材の厚さ等の諸条件によっては、プローブ１４は軸線方向に長尺のピン状に形成されてもよい。
【００２１】
ショルダー部２０は、プローブ１４を囲む平坦部２２と、平坦部２２よりも半径方向外側に設けられた複数の凸部２４及び凹部２６とを有する。
【００２２】
平坦部２２の軸線方向の位置（高さ）は、プローブ１４のそれよりも基端側となっている。平坦部２２は、プローブ１４の根元部から半径方向外側に広がり、プローブ１４の周りを完全に一周するように円形のリング状に延在している。図示例において、平坦部２２は、半径方向外側に向かうに従い基端側（Ａ２方向）に寄るように僅かに傾斜しているが、軸線方向に対して略垂直となるように形成されてもよい。平坦部２２は、平坦部２２の位置まで凸部２４がある場合に磨耗が生じる範囲に設けるとよい。なお、平坦部２２を設ける範囲の設定方法の詳細については、後述する。
【００２３】
各凸部２４は、平坦部２２の周りに周方向に間隔を置いて形成され、平坦部２２からショルダー部２０の外周側に向かって弧を描くように延びている。具体的には、凸部２４は、半径方向外側に向かうに従って接合用ツール１０の回転方向Ｒ側に寄るように湾曲している。本実施の形態において、凸部２４は、渦巻状となっておらず、すなわち、平坦部２２の周りを一周しない範囲で延在している。図示例において、凸部２４は、平坦部２２の周りに等間隔に４箇所に配置されているが、凸部２４を設ける箇所は、４箇所に限られず、２、３または５箇所以上であってもよい。
【００２４】
凸部２４は、その半径方向内端で平坦部２２の外周部と接続し、半径方向外側に向かって湾曲して延在し、半径方向外端がショルダー部２０の外周縁部まで達している。凸部２４の半径方向内端は、平坦部２２が存在する分だけ、プローブ１４の外周部から離間している。
【００２５】
図示例において、凸部２４の幅Ｗは、凸部２４の延在方向に亘って略一定であるが、半径方向外方に向かうに従って大きくしてもよく、あるいは、半径方向外方に向かうに従って小さくしてもよい。
【００２６】
凸部２４は、プローブ１４側の端部でプローブ１４の周囲方向に沿って延在する内端辺部２８と、当該凸部２４の湾曲の内周側の辺を構成する内周辺部３０と、当該凸部２４の湾曲の外周側の辺を構成する外周辺部３２とを有する。ショルダー部２０の中心側で外周辺部３２と内端辺部２８とが接続する箇所にある隅部３４は、鋭角状に形成されている。これに対し、ショルダー部２０の中心側で内端辺部２８と内周辺部３０とが接続する箇所にある隅部３６は、略円弧形状に形成されている。すなわち、隅部３６では角が削除されてＲ（丸み）が設けられている。また、各凸部２４における隅部３６以外の稜線部分には面取りによって微小Ｒが設けられている。この微小Ｒは隅部３６のＲよりも小さくてよい。このような微小Ｒを設けることにより、その部分での磨耗量が多くなることを抑制できる。なお、隅部３６だけでなく、隅部３４についても略円弧状に形成してもよい。
【００２７】
図３は、図１におけるＩＩＩ−ＩＩＩ線での断面図である。図３に示すように、凸部２４の表面を、ショルダー部２０の中心側から外周側へ辿ると、平坦部２２の外周部から半径方向外側に向かって、Ａ１方向側に寄って平坦部２２よりも先端側に位置する頂点２４ａに達し、頂点２４ａからＡ２方向側に寄るように傾斜してショルダー部２０の外周縁部に達する。このように、凸部２４は、接合用ツール１０の軸線Ｃ（中心線）に対して垂直な平面内に存在するのではなく、全体として、軸線Ｃ側に近づくに従ってＡ１方向に盛り上がって形成されている。
【００２８】
なお、図示例では、各凸部２４の大きさ及び形状は同一であるが、必要に応じて、一部または全部の大きさまたは形状を異ならせてもよい。
【００２９】
図１及び図２に示すように、各凹部２６は、平坦部２２の周りであって凸部２４間に周方向に間隔を置いて形成され、平坦部２２からショルダー部２０の外周側に向かって弧を描くように延びている。凹部２６は、その半径方向内端で平坦部２２の外周部と接続し、半径方向外側に向かってＲ方向に湾曲して延在し、半径方向外端がショルダー部２０の外周縁部まで達している。
【００３０】
凹部２６は、半径方向外側に向かうに従って周方向の幅が広くなるように形成されている。また、本実施の形態では、図１に示すように、凹部２６は凸部２４よりも広く（大きく）形成されている。勿論、複数の凹部２６の総面積は、複数の凸部２４の総面積よりも大きい。なお、図示例では、各凹部２６の大きさ及び形状は同一であるが、必要に応じて、一部または全部の大きさまたは形状を異ならせてもよい。
【００３１】
図３に示すように、凹部２６の表面を、ショルダー部２０の中心側から外周側へ辿ると、平坦部２２の外周部から半径方向外側に向かうにつれて、基端側（Ａ２方向側）に寄るように傾斜してショルダー部２０の外周縁部に達する。このように、凹部２６は、接合用ツール１０の軸線Ｃ（中心線）に対して垂直な平面内に存在するのではなく、全体として、軸線Ｃ側に近づくに従ってＡ１方向に盛り上がって形成されている。
【００３２】
本発明の一実施形態に係る接合用ツール１０は、基本的には以上のように構成されるものであり、以下、その作用及び効果について説明する。
【００３３】
接合用ツール１０を用いて、接合部材４０、４２を摩擦攪拌接合するには、図４に示すように、接合部材４０、４２を突き合せ部で突き合わせて位置決めし、図示しない回転駆動源の駆動作用下に、接合用ツール１０を軸線Ｃを中心にＲ方向に回転させながら下降させ、プローブ１４を付き合せ部４４上の材料表面に押し付ける。これにより、接合用ツール１０と接合部材との摩擦により摩擦熱が発生し、この熱で材料が軟化する。接合用ツール１０は、所定の加圧力で材料に押し付けられているため、軟化した材料中に挿入されていき、最終的にはプローブ１４が完全に材料中に埋没し、ショルダー部２０が部材表面に接触した状態となる。
【００３４】
接合部材４０、４２の軟化した材料は、円弧状の凸部２４の作用によりショルダー部２０の外周側から中心側に巻き込むように流動する。すなわち、材料は接合用ツール１０の中心側に集められ、プローブ１４の周囲で攪拌される。この場合、凹部２６が凸部２４よりも広いため、材料を寄せ集めやすく、材料を効率的にショルダー部２０の中心側に誘導できる。また、本実施の形態に係る接合用ツール１０の場合、凸部２４の隅部３６（図１参照）は、略円弧形状に形成されているので、凹部２６により寄せ集めた材料は平坦部２２側に滑らかに誘導される。
【００３５】
また、この場合、プローブ１４の周囲に設けた平坦部２２が材料を逃がす部分として機能するため、当該平坦部２２に磨耗が集中することがない。すなわち、従来のツールのように、プローブ１４の外周部に平坦部２２ではなく凸部が存在する場合には、当該凸部の箇所で高温高圧となった材料が集中することで当該凸部が他の部分よりも磨耗し、偏磨耗を生じる。これに対し、本実施の形態に係る接合用ツール１０では、偏磨耗を生じる箇所がそもそも存在せず、また、平坦部２２により材料を適度に逃がすため、平坦部２２の箇所での圧力が大きくなりすぎることがない。これにより、偏磨耗の発生が効果的に抑止される。
【００３６】
プローブ１４周辺の軟化した材料は、接合用ツール１０の回転に引きずられることで塑性流動し、攪拌される。そして、接合用ツール１０の回転と加圧を維持しながら付き合せ部に沿って接合用ツール１０を矢印Ｂ方向に移動させることにより、接合部材４０、４２が摩擦攪拌接合されて一体化される。接合部材４０、４２の摩擦攪拌接合された箇所には、接合ビード４６が形成される。
【００３７】
以上説明したように、接合用ツール１０によれば、ショルダー部２０に平坦部２２が設けられているので、プローブ１４の周囲部で圧力が高くなりすぎることによる偏磨耗の発生が効果的に抑止される。そして、偏磨耗の発生が抑止されることで、ショルダー部２０における平坦部２２とその他の部位との面粗度が均一となり、磨耗・劣化に関する条件が同じになる。この結果、接合用ツール１０の寿命を延ばすことが可能となる。
【００３８】
ここで、平坦部２２を設ける範囲について説明する。本願発明者は、平坦部２２に相当する箇所に凸部が形成された実験用の接合用ツールを対象に、リング状の磨耗が生じる範囲（磨耗範囲）と、接合不良の発生の有無との関係を調べた。この結果、接触総面積（接合用ツールと接合部材とが接触している部分の面積）に対する、接合部材と接触する部分のショルダー部の面積の割合が、４０％を下回るとき、ショルダー部による材料の寄せ集めが不十分となり、接合不良が生じやすくなることが確認された。
【００３９】
そこで、接合用ツール１０において、平坦部２２を設ける範囲は、接触総面積をＡ１、接合部材と接触する部分のショルダー部２０の面積をＡ２とした場合、Ａ１×０．４≦Ａ２の関係を満たすように設定することが好ましい。これにより、ショルダー部２０の面積の不足に起因する接合不良の発生を効果的に防止することができる。
【００４０】
また、本実施の形態に係る接合用ツール１０によれば、凸部２４は、平坦部２２の周りを一周しない範囲で延在している（渦巻状になっていない）ことにより、接合用ツール１０の寿命向上を図ることができる。すなわち、凸部２４が渦巻状に形成された場合、凸部２４の幅が狭くなり、寿命への影響が出る可能性があるが、本実施の形態に係る接合用ツール１０のように、凸部２４を設ける範囲（延在範囲）を平坦部２２の周りを一周しない範囲にすると、凸部２４の幅が狭くなりすぎることがなく、凸部２４の幅が適度に確保されるので、接合用ツール１０の寿命向上を図ることができる。
【００４１】
また、本実施の形態に係る接合用ツール１０によれば、凹部２６が凸部２４よりも広く形成されているため、材料を寄せ集めやすい。すなわち、広く形成した凹部２６により、材料を平坦部２２側に効果的に導くことができるとともに、一旦平坦部２２から流出した材料も戻って来やすいため、ショルダー部２０の中心側に材料を効果的に集めることができる。これにより、接合ビード４６が形成された箇所が接合材料に対して凹んで形成されることを防止できる。すなわち、従来の接合用ツールを用いた場合には、接合ビードが形成された箇所が接合材料に対して凹むことがあるが、本実施の形態に係る接合用ツール１０によれば、材料を効果的に寄せ集めることが可能であるため、接合ビード４６の凹み形状の発生を防止でき、外観品質及び接合品質を向上できる。
【００４２】
さらに、本実施の形態に係る接合用ツール１０によれば、凸部２４の隅部３６（図１参照）が略円弧形状に形成されているので、凹部２６により寄せ集めた材料を平坦部２２に滑らかに誘導することができ、これにより材料を一層効果的に寄せ集めることができ、接合ビード４６の凹み形状の発生を好適に防止でき、外観品質をより向上できる。
【００４３】
さらにまた、本実施の形態に係る接合用ツール１０によれば、凸部２４が凹部２６よりも小さいことにより、接合部材４０、４２に対する押圧力が大きくなり過ぎない。このため、接合部材４０、４２には適度な押圧力が付与され、材料の塑性流動が促進され、良好な接合を実施することができる。
【００４４】
上記において、本発明について好適な実施の形態を挙げて説明したが、本発明は前記実施の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、種々の改変が可能なことは言うまでもない。
【符号の説明】
【００４５】
１０…摩擦攪拌接合用ツール            １４…プローブ
２０…ショルダー部                    ２２…平坦部
２４…凸部                            ２６…凹部
２８…内端辺部                        ３０…内周辺部
３６…隅部
【図１】
2011230160.tif 000003
【図２】
2011230160.tif 000004
【図３】
2011230160.tif 000005
【図４】
2011230160.tif 000006