(57)【要約】【課題】ワークに対して挿入しやすく、且つ大きい接合強度でワークを接合させることのできる摩擦撹拌接合方法を提供する。【解決手段】摩擦撹拌接合用工具１０は、円筒体１６と、該円筒体１６の先端部に同軸状に形成されてワーク１２及びワーク１４に挿入されるプローブ１８とを有する。プローブ１８は、先端部の右ねじである第１ねじ部２０と、該第１ねじ部２０よりも後側に設けられ、左ねじである第２ねじ部２２とを有する。第１ねじ部２０と第２ねじ部２２との境界線２４から円筒体１６の端面１６ａまでの距離Ｈは表側のワーク１２の厚みと略等しく設定されている。裏側のワーク１４は上方へ巻き上げられ、表側のワーク１２は下方へ押し下げられるように塑性流動する。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
プローブを有する摩擦撹拌接合用工具を回転させることで第１と第２の金属製のワークを摩擦撹拌接合により接合する摩擦撹拌接合方法において、
前記プローブは、軸方向に沿って互いに逆方向に螺回する第１と第２ねじ部を有し、
前記第１と第２のワークの接合時に前記プローブを回転させて塑性流動を発生させながら所定位置まで挿入する第１の工程と、
前記所定位置において前記プローブの回転を維持して前記第１ねじ部の回転による塑性流動と前記第２ねじ部の回転による塑性流動のバランスをとりながら前記第１と第２のワークを接合する第２の工程と、を有することを特徴とする摩擦撹拌接合方法。
【請求項２】
請求項１記載の摩擦撹拌接合方法において、
前記第１と第２のワークは互いに積層されて接合されるものであって、
前記第１ねじ部と前記第２ねじ部との境界部が前記第１と第２のワークの重ね合わせ面に一致する所定位置で前記プローブの回転が維持されることを特徴とする摩擦撹拌接合方法。
【請求項３】
請求項２記載の摩擦撹拌接合方法において、
前記第１ねじ部によって第１の方向に塑性流動する第１の流動体と前記第２ねじ部によって第１の方向とは逆の方向に塑性流動する第２の流動体とは前記第１ねじ部と第２ねじ部の境界部で合流し、前記重ね合わせ面に沿うように前記プローブの外径方向に押し出されることを特徴とする摩擦撹拌接合方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
２つの金属製のワークの当接部を摩擦撹拌接合によって接合する摩擦撹拌接合方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
摩擦撹拌接合は、当接したワーク同士を固相接合する接合方法の一種であり、広汎に採用されるに至っている。摩擦撹拌接合では、摩擦撹拌接合用工具が回転動作され、該摩擦撹拌接合用工具の先端部に設けられたプローブがワーク同士の当接箇所に埋没される。これに伴って当接箇所の周辺に摩擦熱が発生し、この摩擦熱によって端面を含む端部同士の肉が塑性流動を起こすことにより、ワーク同士が接合一体化される。
【０００３】
図１０に示すように、従来の摩擦撹拌接合用工具５００のプローブ５０２には、ワーク５０４、５０６に対して塑性流動を促進させるためにねじ部５０８が設けられることがある。このねじ部５０８の作用によって、ワーク５０４、５０６の塑性流動が促進され、しかもワーク５０４、５０６に対してプローブ５０２を容易に挿入することができる。
【０００４】
ところで、プローブ５０２にねじ部５０８が設けられている場合、ワーク５０４、５０６は上方に向かい、クロスハッチングで模式的に示すように塑性流動を起こす。これにより、表側のワーク５０４が薄肉化されて強度上重要な接続高さＣが小さくなり、引張試験、剪断試験結果によれば、この部分に応力集中が発生しやすく、接合強度が低下することがある。また、表側のワーク５０４の塑性流動を起こした組織の一部がバリ５１０となって表面に表れることがある。
【０００５】
このような観点から、プローブに多数の扁平な菱形のボスを設け、均一な塑性流動を発生させる工具が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−５１４５１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
前記の特許文献１で開示されている工具を用いて摩擦撹拌接合を行う場合、表側のワークが薄肉化されることが防止されて接合強度が螺旋ねじ形状をもつものに比べて大きくなるとともに、バリの発生を抑えることができる。
【０００８】
しかしながら、この工具には摩擦撹拌接合用工具５００（図１０参照）のようなねじ部５０８がないことからワークに対して挿入しにくい。
【０００９】
また、菱形のボスが多数存在することから、正ねじ部と逆ねじ部とが混在していることとなる。従って、ワークの塑性流動の方向が不規則、不均一となり、接合強度が不十分であり、接合の品質向上の観点からより一層大きい接合強度でワークを接合させることのできる摩擦撹拌接合用工具の開発が望まれている。
【００１０】
本発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、ワークにおける塑性流動の方向を均一化し、しかもより大きい接合強度でワークを接合させることのできる摩擦撹拌接合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】
【００１１】
本発明は、プローブを有する摩擦撹拌接合用工具を回転させることで第１と第２の金属製のワークを摩擦撹拌接合により接合する摩擦撹拌接合方法において、前記プローブは、軸方向に沿って互いに逆方向に螺回する第１と第２ねじ部を有し、前記第１と第２のワークの接合時に前記プローブを回転させて塑性流動を発生させながら所定位置まで挿入する第１の工程と、前記所定位置において前記プローブの回転を維持して前記第１ねじ部の回転による塑性流動と前記第２ねじ部の回転による塑性流動のバランスをとりながら前記第１と第２のワークを接合する第２の工程と、を有することを特徴とする。
【００１２】
このように、軸方向に沿って互いに逆方向に螺回する第１と第２ねじ部を有するプローブを回転させることにより、より大きい接合強度でワークを接合させることができる。
【００１３】
この場合、前記第１と第２のワークは互いに積層されて接合されるものであって、前記第１ねじ部と前記第２ねじ部との境界部が前記第１と第２のワークの重ね合わせ面に一致する所定位置で前記プローブの回転を維持すると好適である。
【００１４】
このように、第１ねじ部と第２ねじ部との境界部が第１と第２のワークの重ね合わせ面に一致する所定位置でプローブの回転が維持されることで、第１ねじ部が下方に向けて移動する力と第２ねじ部が発生する抗力がバランスする。これにより、プローブが不必要に下降することが防止されるからである。
【００１５】
また、前記第１ねじ部によって第１の方向に塑性流動する第１の流動体と前記第２ねじ部によって第１の方向とは逆の方向に塑性流動する第２の流動体とは前記第１ねじ部と第２ねじ部の境界部で合流し、前記重ね合わせ面に沿うように前記プローブの外径方向に押し出される。
【００１６】
これによって、第１の流動体と第２の流動体が第１ねじ部と第２ねじ部の境界部で合流し、重ね合わせ面に沿うように外径方向に押し出されて、重ね合わせ面の部分が重点的に撹拌されることとなり、第１と第２のワークとも薄板化されることがなく、広い面積が確実に接合される。
【発明の効果】
【００１７】
本発明に係る摩擦撹拌接合方法によれば、軸方向に沿って互いに逆方向に螺回する第１と第２ねじ部を有するプローブを回転させることにより、ワークにおける塑性流動の方向を均一化することができ、しかもより大きい接合強度でワークを接合させることができる。また、接合するワークからのバリの発生を抑制できる効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本実施の形態に係る摩擦撹拌接合方法を実施するための工具及びワークを示す側面図である。
【図２】図１の摩擦撹拌接合用工具のプローブの側面を展開した模式図である。
【図３】図１の摩擦撹拌接合用工具のプローブの先端部がワークに挿入された状態を示す一部断面側面図である。
【図４】図１の摩擦撹拌接合用工具の円筒部の端面がワークに当接するまでプローブがワークに挿入された当初の状態を示す一部断面側面図である。
【図５】図１の摩擦撹拌接合用工具の円筒部の端面がワークに当接するまでプローブがワークに挿入され、塑性流動が発生した状態を示す一部断面側面図である。
【図６】端部が突き合わされたワークに摩擦撹拌接合用工具を適用して摩擦撹拌接合を行う様子を示す模式斜視図である。
【図７】本実施の形態の摩擦撹拌接合方法を実施する工具の第１の変形例及びワークの一部断面側面図である。
【図８】図７の摩擦撹拌接合用工具のプローブの側面を展開した模式図である。
【図９】本実施の形態の摩擦撹拌接合方法を実施する工具の第２の変形例に係るプローブの側面を展開した模式図である。
【図１０】従来技術に係る摩擦撹拌接合用工具及びワークの一部断面側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明に係る摩擦撹拌接合方法についてそれを実施する工具との関係で好適な実施の形態を挙げ、添付の図１〜図９を参照しながら説明する。
【００２０】
図１に示すように、本実施の形態に係る摩擦撹拌接合用工具１０は、重ね合わされた２枚の金属製（例えば、アルミニウム）のワーク１２及び１４の当接部を摩擦撹拌接合によって接合するためのものであり、表側のワーク１２を押さえる円筒体１６と、該円筒体１６の先端部に同軸状に形成されてワーク１２及び１４に挿入されるプローブ１８とを有する。ワーク１２及び１４は板形状であって、円筒凹部１５ａを有する支持台１５上に固定されている。円筒凹部１５ａの内径はプローブ１８の外径よりも大きく、円筒凹部１５ａとプローブ１８は同軸状に設定されている。
【００２１】
プローブ１８の先端部には、右ねじの螺旋形状である第１ねじ部２０と、該第１ねじ部２０よりも後側に設けられ、左ねじの螺旋形状である第２ねじ部２２とを有する。摩擦撹拌接合用工具１０の材質としては、例えば、高速度工具鋼を挙げることができる。
【００２２】
摩擦撹拌接合用工具１０は、摩擦撹拌接合を行う際には上から見て時計方向に回転するように駆動される。
【００２３】
第１ねじ部２０と第２ねじ部２２との境界線２４から円筒体１６の端面１６ａまでの距離Ｈは、表側のワーク１２の厚みから後述する幅Ｈ１を差し引いた値と等しく設定されている。幅Ｈ１は僅かな値であることから、実際上、距離Ｈをワーク１２の厚みと等しく設定してもよい。
【００２４】
また、第１ねじ部２０のねじ山２０ａと第２ねじ部２２のねじ山２２ａは連続している。すなわち、プローブ１８の側面を展開して模式的に示すと、図２に示すように、ねじ山２０ａとねじ山２２ａは、境界線２４の点Ｐで接続されている。ねじ山２０ａとねじ山２２ｂとの間には、細い溝等が設けられていてもよく、ねじ山２０ａとねじ山２２ｂが実質的に点Ｐで接続されていればよい。
【００２５】
第１ねじ部２０及び第２ねじ部２２には、ねじ山２０ａ及びねじ山２２ａ以外の他のねじ山２０ｂ及び２２ｂを設け、２条のねじとしてもよい。
【００２６】
図１及び図２から明らかなように、第１ねじ部２０と第２ねじ部２２のねじピッチは等しく設定されるとともに、第１ねじ部２０と第２ねじ部２２の軸方向長さＨは等しく設定されている。つまり、図２において、ねじ山２０ａとねじ山２２ａは境界線２４を中心とした対称形となっている。
【００２７】
なお、図１及び図２においては、理解を容易にするために境界線２４を一点鎖線で示しているが、該境界線２４は実際には存在しない仮想の線である。
【００２８】
次に、このように構成される摩擦撹拌接合用工具１０を用いて、重ね合わされたワーク１２とワーク１４とを摩擦撹拌接合する工程について説明する。
【００２９】
先ず、摩擦撹拌接合用工具１０を図示しない駆動装置に取り付ける。該駆動装置は、摩擦撹拌接合用工具１０を回転させる機能と、昇降させる機能とを有し、摩擦撹拌接合用工具１０を下降させる際には、時計方向に回転させることができる。
【００３０】
次に、ワーク１２とワーク１４とを重ね合わせた状態で、摩擦撹拌接合用工具１０の下方の位置に固定した後、前記の駆動装置によって摩擦撹拌接合用工具１０を回転させる。
【００３１】
次いで、図３に示すように、回転を維持したまま摩擦撹拌接合用工具１０を下降させ、表側のワーク１２に対してプローブ１８を加圧して挿入させる。このとき該プローブ１８の先端に設けられた第１ねじ部２０は右ねじであることから、ワーク１２に対してボルトを挿入する（又は、タップを切る）如くスムーズに挿入される。
【００３２】
摩擦撹拌接合においては、最初に摩擦撹拌接合用工具１０をワーク１２の表面に当接させて挿入を開始するときに所定の加圧力が必要となるが、このときに第１ねじ部２０の作用によってプローブ１８がスムーズに挿入されることから、摩擦撹拌接合用工具１０に必要とされる押圧力が小さく、該摩擦撹拌接合用工具１０の高寿命化を図ることができる。
【００３３】
図４に示すように、円筒体１６の端面１６ａがワーク１２の表面に対して、僅かな幅Ｈ１だけ食い込むまで摩擦撹拌接合用工具１０をさらに下降させる。この際、摩擦撹拌接合用工具１０は時計方向に回転しているが、第２ねじ部２２は左ねじであることから、該第２ねじ部２２はワーク１２に対して挿入を阻止する抗力を発生する。この抗力は、第２ねじ部２２がワーク１２に挿入されるに従って大きくなる。
【００３４】
一方、前記のとおり第１ねじ部２０は右ねじであることから、摩擦撹拌接合用工具１０を時計方向に回転させることによって、第１ねじ部２０は下方に向けて移動する力を発生する。第１ねじ部２０と第２ねじ部２２のねじピッチは等しく設定されるとともに、第１ねじ部２０と第２ねじ部２２の軸方向長さＨは等しく設定されていることから、第１ねじ部２０が下方に向けて移動する力と第２ねじ部２２が発生する抗力とがやがてバランスする。
【００３５】
少なくとも、境界線２４がワーク１２の表面に達するまでは、ワーク１２及びワーク１４に対して、第１ねじ部２０の作用によってプローブ１８がスムーズに挿入され、駆動装置による加圧力は小さくてすむ。
【００３６】
また、プローブ１８を回転及び下降させる際に、ワーク１２及びワーク１４は第１ねじ部２０によって上方へ浮き上がる力を受ける一方、第２ねじ部２２によって下へ向かって押し付けられる。これにより、ワーク１２及びワーク１４の浮き上がりを防止できる。
【００３７】
次に、端面１６ａがワーク１２よりも幅Ｈ１だけ食い込むまで下降した後、摩擦撹拌接合用工具１０の回転を維持したまま、下降動作のみを停止させる。この際、第１ねじ部２０が下方に向けて移動する力と第２ねじ部２２が発生する抗力がバランスすることから、プローブ１８が不必要に下降することが防止される。また、このときプローブ１８における第１ねじ部２０と第２ねじ部２２との境界線２４は、ワーク１２とワーク１４との重ね合わせ面２６に一致する。境界線２４と重ね合わせ面２６は、略一致していればよい。
【００３８】
この際、ワーク１４の塑性流動した肉を支持台１５の円筒凹部１５ａに流入させるようにしているので、積層部における撹拌領域が大きくなる。このため、各ワーク１２、１４の当接部位が大きく撹拌されて冷却固化するので、接合強度が良好な有摩擦撹拌接合部部材を得ることができる。
【００３９】
さらに、図４の矢印Ａ１及びＡ２で模式的に示すように、裏面側のワーク１４におけるプローブ１８の近傍部は、第１ねじ部２０によって上方へ巻き上げられる。一方、矢印Ｂ１及びＢ２で模式的に示すように、表側のワーク１２におけるプローブ１８の近傍部は、第２ねじ部２２によって下方へ押し下げられる。
【００４０】
次に、図５に示すように、ワーク１２においては矢印Ｂ１、Ｂ２の方向に，ワーク１４においては矢印Ａ１及びＡ２の方向に、それぞれ塑性流動が発生する。これらの塑性流動は、矢印Ａ１、Ａ２、Ｂ１及びＢ２の方向に沿った均一な塑性流動となる。なお、図５（及び後述する図７）におけるクロスハッチング部は、塑性流動が発生する箇所を模式的に示すものである。
【００４１】
第１ねじ部２０によって上方へ巻き上げられる流動体と第２ねじ部２２によって押し下げられる流動体は、境界線２４の付近で合流し、重ね合わせ面２６に沿うように外径方向に押し出される。
【００４２】
また、上記のとおり、第１ねじ部２０と第２ねじ部２２のねじピッチは等しく設定されるとともに、第１ねじ部２０と第２ねじ部２２の軸方向長さＨは等しく設定されていることから、第１ねじ部２０による塑性流動と第２ねじ部２２による塑性流動がバランスよく発生し、境界線２４付近における塑性流動が促進される。
【００４３】
このように、ワーク１２とワーク１４は、重ね合わせ面２６の部分が重点的に撹拌されることとなり、しかも、ワーク１２及びワーク１４とも薄板化されることがなく、広い面積が確実に接合される。特に、プローブ１８における第１ねじ部２０と第２ねじ部２２の各ねじ山２０ａ及び２２ａは点Ｐで接続されている（図２参照）ことから、重ね合わせ面２６の付近における塑性流動が促進され、流動体がより一層外方へ向かって押し出される。
【００４４】
ワーク１２の薄肉化が防止されることから、接合部の高さＨ２はワーク１２の板厚と略等しくなる。従って、荷重は広い面積に分散することとなり、接合強度が向上する。また、重ね合わせ面２６の部分が広い面積に渡って撹拌接合されることから、剪断力以外に引張強度も大きくなる。
【００４５】
さらに、表側のワーク１２におけるプローブ１８の近傍部は、第２ねじ部２２によって下方へ押し下げられるように塑性流動することから、流動体がワーク１２の表面へ膨出することがなく、バリの発生を抑制することができる。
【００４６】
このようにして、ワーク１２とワーク１４とを接合した後、駆動装置によって摩擦撹拌接合用工具１０を上方に引き上げて摩擦撹拌接合を終了する。この場合、ワーク１２とワーク１４とは摩擦撹拌接合用工具１０が挿入された点が接合され、いわゆるスポット接合として接合される。
【００４７】
なお、仮に、摩擦撹拌接合用工具１０を反時計方向に回転させる場合には重ね合わせ面２６の部分で発生する撹拌接合が狭い面積となり、しかも、ワーク１２の表面にバリが発生するおそれがある。つまり、摩擦撹拌接合用工具１０を時計方向に回転させることによって上記の効果が得られるのである。回転方向を反時計回りとする場合には、ねじの向きが逆の摩擦撹拌接合用工具１０ａ（図７参照）を用いるとよい。
【００４８】
摩擦撹拌接合用工具１０によって接合する対象物は、上述の説明のように重ね合わせたワーク１２及びワーク１４に限らず、例えば、図６に示すように、端部同士を突き合わせた２枚のワーク１２ａ及びワーク１４ａに対し、その突き合わせ面に対して摩擦撹拌接合用工具１０による摩擦撹拌接合を行ってもよい。この場合、突き合わせ面に沿って摩擦撹拌接合用工具１０を移動させながら連続的に摩擦撹拌接合を行うとよい。
【００４９】
また、上述の説明では、摩擦撹拌接合用工具１０は駆動装置によって時計方向に回転駆動されるものとして説明したが、駆動装置が反時計方向に回転させるものである場合には、図７に示す摩擦撹拌接合用工具１０ａのように、前記第１ねじ部２０に相当する第１ねじ部３０を左ねじとし、前記第２ねじ部２２に相当する第２ねじ部３２を右ねじにするとよい。このように、前記摩擦撹拌接合用工具１０に対してねじの向きを逆にするとともに、反時計方向に回転させることにより、摩擦撹拌接合用工具１０ａは摩擦撹拌接合用工具１０と同様の効果を奏する。
【００５０】
さらに、上述の説明では、第１ねじ部２０のねじ山２０ａと第２ねじ部２２のねじ山２２ａは、点Ｐ（図２参照）で接続されているものとして説明したが、必要に応じて、図８に示すようにねじ山２０ａの先端部とねじ山２２ａの先端部を周方向に離間させてもよい。さらにまた、図９に示すようにねじ山２０ａの先端部とねじ山２２ａの先端部、及びねじ山２０ｂの先端部とねじ山２２ｂの先端部を軸方向に多少離間させてもよい。
【００５１】
なお、以上の説明では、便宜上、上下方向の表記を図面に従って記したが、ワークの向きは任意方向に設定可能であって、摩擦撹拌接合用工具１０、１０ａはワークに対して略直角となるように押圧、挿入させればよい。
【００５２】
本発明に係る摩擦撹拌接合方法は、上述の実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。
【符号の説明】
【００５３】
１０、１０ａ…摩擦撹拌接合用工具    １２、１２ａ、１４、１４ａ…ワーク
１６…円筒体                        １６ａ…端面
１８…プローブ                      ２０、３０…第１ねじ部
２０ａ、２０ｂ、２２ａ、２２ｂ…ねじ山
２２、３２…第２ねじ部              ２４…境界線
２６…重ね合わせ面
【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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