(57)【要約】【目的】摩擦撹拌ツールは、比較的大きな本体部の先にショルダ部と撹拌ピンを設けてあるが、ショルダ部と撹拌ピンは摩耗を生じやすく、これらが摩耗すると、全体を廃棄することになり、不経済であったため、これを解消する。【構成】摩擦撹拌ツール１を本体部２とその先端へ着脱自在に設けられた撹拌ヘッド３とする。撹拌ヘッド３には撹拌ピン７と複数のチップ１３を設け、その内側へ流動化材料を集めるようにする。このようにすると、機械加工部等を要する複雑形状部は比較的小さな撹拌ヘッド３のみで足りるから製造が容易であり、かつ摩耗したときは撹拌ヘッド３のみを交換すればよいので経済的になる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
接合材料の表面へ当接するショルダ部と、接合材料中へ差し込まれる撹拌ピンとを、棒状の本体部先端側に設けた摩擦撹拌ツールにおいて、
前記接合材料中へ入り込むように突出するチップを、前記撹拌ピンを囲んで前記ショルダ部に複数設けるとともに、
少なくとも前記各チップを交換可能になるよう、前記本体部と別体に設けたことを特徴とする摩擦撹拌ツール。
【請求項２】
前記各チップは前記ショルダ部を回転軸方向から見たとき回転方向へ長い凸条をなし、このチップの回転方向前端部側が低く、回転方向後端部側が高くなるように周方向の高さが変化することを特徴とする請求項１に記載した摩擦撹拌ツール。
【請求項３】
前記各チップの回転方向前端部と前記撹拌ピンとの間隙を、回転方向後端部側と前記撹拌ピンとの間隙よりも大きくしたことを特徴とする請求項２に記載した摩擦撹拌ツール。
【請求項４】
前記本体部と別体の撹拌ヘッドを本体部と着脱自在に設けるとともに、この撹拌ヘッドに前記ショルダ部と前記撹拌ピン及び前記各チップを一体に設けたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載した摩擦撹拌ツール。
【請求項５】
前記各チップが前記ショルダ部に設けられた取付穴へ嵌合して一体化されることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載した摩擦撹拌ツール。
【請求項６】
前記撹拌ピンを前記撹拌ヘッドと別体に設けたことを特徴とする請求項１〜３または請求項５のいずれかに記載した摩擦撹拌ツール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、摩擦撹拌接合に用いる摩擦撹拌ツールに関する。
【背景技術】
【０００２】
図１４は従来の摩擦撹拌ツールの一例であり、摩擦撹拌ツール１００は、本体部１０１の先端をショルダ部１０２とし、その中央に撹拌ピン１０３を突出させるとともに、本体部１０１の軸線Ｃを進行方向Ａに対して後傾させ、接合材料１０４の表面１０５へショルダ部１０２を接触させて向かい角θを形成するように保持して回転させ、撹拌ピン１０３を接合材料１０４中へ差し込み進行方向Ａへ移動させるようになっている。向かい角は流動化材料をショルダ部１０２の下方へ巻き込むことにより接合部における撹拌層の肉厚を一定にするので、接合強度を安定化させる上で重要である。
【０００３】
ところが、摩擦撹拌ツール１００を折り返したり、自由曲線状をなす経路で移動させると、本体部１０１における軸線Ｃの傾きを反転等して向かい角を折り返し方向に形成しなければならず、このためには本体部１０１の支持装置における本体部支持角度を変更しなければならないが、本体部１０１の支持角度を進行方向に応じて自在に変更できる支持装置は極めて高価なものとなる。
【０００４】
そこで、撹拌ピンの周囲へ螺旋状等をなす凸条部を設け、本体部１０１を傾けなくても流動化材料を中心部へ送り込むようにしたものがある（特許文献１参照）。
なお、本願においてショルダ部の面や後述する凸条部（チップ）の高さとは接合材料表面へ向かって突出する高さを意味するものとする。
【特許文献１】特許第３４０９７９１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、ショルダ部１０２及び撹拌ピン１０３は摩耗を受けやすいので、短期間で撹拌ツール全体の交換が必要になる。しかし撹拌ツールは比較的高価な材料を用いているので、交換が多くなればそれだけランニングコストを上昇させることになるから、交換を考慮したランニングコストの低下が望まれる。そのうえショルダ部１０２や撹拌ピン１０３を複雑な形状にすれば、それだけ加工工数が多くなって高価になるとともに、摩耗や破損を生じやすくなり、耐久性が低下するので、なおさら上記要請が強くなる。
そこで本願は、このような諸要請の実現を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するため摩擦撹拌ツールに係る請求項１の発明は、  接合材料の表面へ当接するショルダ部と、接合材料中へ差し込まれる撹拌ピンとを、棒状の本体部先端側に設けた摩擦撹拌ツールにおいて、
前記接合材料中へ入り込むように突出するチップを、前記撹拌ピンを囲んで前記ショルダ部に複数設けるとともに、
少なくとも前記各チップを交換可能になるよう、前記本体部と別体に設けたことを特徴とする。
【０００７】
請求項２の発明は、上記請求項１において、前記各チップが、前記ショルダ部を回転軸方向から見たとき回転方向へ長い凸条をなし、このチップの回転方向前端部側が低く、回転方向後端部側が高くなるように周方向の高さが変化することを特徴とする。
【０００８】
請求項３の発明は、上記請求項２において、前記各チップの回転方向前端部と前記撹拌ピンとの間隙を、回転方向後端部側と前記撹拌ピンとの間隙よりも大きくしたことを特徴とする。
【０００９】
請求項４の発明は、上記請求項１〜３のいずれかにおいて、前記本体部と別体の撹拌ヘッドを本体部と着脱自在に設けるとともに、この撹拌ヘッドに前記ショルダ部と前記撹拌ピン及び前記各チップを一体に設けたことを特徴とする。
【００１０】
請求項５の発明は、上記請求項１〜３のいずれかにおいて、前記各チップが前記ショルダ部に設けられた取付穴へ嵌合して一体化されることを特徴とする。
【００１１】
請求項６の発明は上記請求項１〜３または請求項５のいずれかにおいて、前記撹拌ピンを前記撹拌ヘッドと別体に設けたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
請求項１によれば、接合材料中へ入り込むように突出するチップを、撹拌ピンを囲んでショルダ部に複数設けるとともに、少なくともチップを交換可能になるよう、本体部と別体に設けたので、接合材料を撹拌することによりチップが摩耗や破損したとき、比較的小さなチップ又はこれを含む一部分だけを交換することができ、チップの破損等により本体部全体を交換する場合と比べて遙かに経済的であるとともに、ランニングコストを抑制できる。しかも機械加工の必要なチップを本体部側と別体にすることにより加工も容易になる。
【００１３】
請求項２によれば、各チップは前記ショルダ部を回転軸方向から見たとき回転方向へ長い凸条をなし、このチップの回転方向前端部側が低く、回転方向後端部側が高くなるように周方向の高さを変化させたので、本体部を直立させても実質的に常時向かい角を形成したと同様の状態にすることができ、回転するにしたがって回転方向後端部側へ流動化材料を大量に送り込むことができ、かつスムーズに回転できる。
【００１４】
請求項３によれば、各チップの回転方向前端部と撹拌ピンとの間隙を、回転方向後端部側と撹拌ピンとの間隙よりも大きくしたので、回転方向へ流動化材料をチップの内側へ集めて溜めやすくなり、実質的に常時向かい角を形成したと同様の状態にすることができる。
【００１５】
請求項４によれば、本体部と別体の撹拌ヘッドを本体部と着脱自在に設けるとともに、この撹拌ヘッドにショルダ部と撹拌ピン及び各チップを一体に設けたので、摩耗したときは撹拌ヘッドだけを交換でき、撹拌ヘッドに比べて遙かに大きな本体部を共通使用できるので、交換を小部品に止めることができて経済的であるとともに、ランニングコストを抑制できる。
【００１６】
請求項５によれば、各チップがショルダ部に設けられた取付穴へ嵌合して一体化されるので、各チップ毎に交換が可能になり、交換部分を最小化できるから、さらにコストパフォーマンスがよくなる。
【００１７】
請求項６によれば、加工に手間がかかりしかも破損しやすい撹拌ピンを別体で作成し、ショルダ部に対して着脱自在に取付けて交換可能にしたので、撹拌ピン単独の交換が可能になり、交換部分を最小化してコストパフォーマンスを高くすることができる。そのうえ摩擦撹拌対象の材料に応じて、撹拌ピンの材料を他の部分よりも超硬等に変更する等、材料を変更することが容易になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図１〜６は第１実施例に係り、図１は摩擦撹拌ツール１の撹拌ヘッド側外観を示す図、図２はその軸方向断面図、図３は分解断面図である。これらの図において、この摩擦撹拌ツール１は丸棒状をなす本体部２と、その先端へ着脱自在に設けられた別体の撹拌ヘッド３を有する。本体部２は一般的な鋼材等の剛性部材からなり、中心部に図の下方へ開放された取付穴４が設けられている。取付穴４は撹拌ヘッド３を取付ける本体部２の端面から軸方向へ彫り込まれて形成されている。
【００１９】
撹拌ヘッド３は超硬度材料を用いて焼結や放電加工により形成され、一面をショルダ部５、他面を取付面６とし、ショルダ部５の中心部には軸方向へ突出する撹拌ピン７が一体に設けられ、取付面６の中心部には撹拌ピン７と軸方向反対側へ突出する取付軸８を一体に有する。取付面６には回り止め凸部１０が一体に形成されている。取付軸８は本体部２の取付穴４へ圧入等で嵌合一体化し、回り止め凸部１０は取付面６と接触する本体部２の端面を軸方向へ彫り込んで形成された位置決め凹部１１へ嵌合して撹拌ヘッド３と本体部２との位置決め及び回転時の回り止めを行なっている。なお取付軸８を角形状とし、取付穴４をこれに対応する角穴とすれば、回り止め凸部１０及び位置決め凹部１１を省略することもできる。
【００２０】
撹拌ピン７にはネジ１２が形成されている。このネジ１２は撹拌時に流動化材料を接合材料側へ送り込むようになっている。ショルダ部５の表面は径方向断面にて、中心部が低く外周部が高くなるように略山形の傾斜面になっており、摩擦撹拌接合時に流動化材料を中心部へ溜めてバリを阻止するようになっている。ショルダ部５の表面からは凸条をなすチップ１３が突出形成されている。
【００２１】
図４はショルダ部５の軸方向下方から示す図（図１のＤ矢示方向図）であり、図５はチップ１３の側方視図であり、上下反転して示す図である。これらの図において、チップ１３は撹拌ピン７を挟んで対称に配置される一対の円弧状部であり、それぞれは径方向外方へ凸に湾曲する円弧状をなすとともに、中心Ｏに対する同心円Ｅ上に配置され、かつそれぞれが同心円Ｅに対して傾いて配置され、撹拌ヘッド３の回転方向をＢとしたとき、回転方向前端部１４が回転方向後端部１５よりも外周側に位置するよう開き、回転方向前端部１４側ほど撹拌ピン７から離れ、回転方向後端部１５側ほど撹拌ピン７へ接近している。
【００２２】
その結果、回転方向前端部１４と撹拌ピン７との間隙１６は、回転方向後端部１５と撹拌ピン７との間隙１７より広く、間隙１６及び１７の各寸法をａ、ｂとすれば、ａ＞ｂの関係があり、回転方向Ｂにおいて、広い間隙１６と狭い間隙１７が交互に配置されている。なお同心円Ｅは回転方向後端部１５の内周部を通るものを例示してある。
【００２３】
各チップ１３は互いに連続せず独立し、隣り合うチップ１３の回転方向前端部１４と回転方向後端部１５との間には分離部が形成されている。
さらに、回転方向前端部１４と撹拌ヘッド３（ショルダ部５）の外周との間隔をｃとし、回転方向後端部１５における間隔をｄとすれば、これらの間隔の間に、ｃ＜ｄの関係があり、回転方向前端部１４と回転方向後端部１５との間に径方向差（ｄ−ｃ）が形成される。
【００２４】
広い間隙１６は流動化材料をチップ１３の内側へ大量に巻き込むことを可能にする。円弧状のチップ１３は巻き込んだ流動化材料が狭い間隙１７側へ移動することをスムーズにする。狭い間隙１７はチップ１３の内側へ巻き込まれた流動化材料の流出を絞って一定量の溜まりを維持するとともに、あふれる程の過剰分は狭い間隙１７から流出させ、直後に位置する別のチップ１３における広い間隙１６で再び別のチップ１３の内側へ巻き込むようになっている。
【００２５】
図５に示すように、チップ１３は、回転方向前端部１４が最も低く、回転方向後端部１５が最も高くなるよう、チップ１３の高さは回転方向に向かって次第に高くなるように傾斜する斜面をなし、この傾斜角度が向かい角θを形成している。このように回転方向に向かって傾斜面をなすことにより、進行方向に対して常時向かい角θを維持することができる。したがって、本体部２を直立させて保持角一定に保持しても、接合材料の表面上を自由な方向へ移動させることができる。
【００２６】
図６はこの摩擦撹拌ツール１を用いた接合作業状態を示す図である。接合材料２０及び２１を突き合わせ、この突き合わせ部２２に沿って回転した撹拌ピン７を差し込み、かつショルダ部５を接合材料２０及び２１の表面２０ａ及び２１ａへ摺接させながら、摩擦撹拌すると、突き合わせ部２２を挟んで両側の接合材料２０及び２１が溶融撹拌されて撹拌混合層２３が形成され、この撹拌混合層２３により、接合材料２０及び２１が結合一体化される。
【００２７】
なお、チップ１３の数や形状は自由であり、例えば、図７の第２実施例に示すように、平板状をなし図示状態では直線状のチップ１３を３本設けてもよい。また、図８の第３実施例に示すように、４本のチップ１３を撹拌ピン７の周囲へ略四辺形状に設けてもよい。また、このような直線状のチップ１３は形状がシンプルなだけ製造容易になる。これらのチップ１３の数は既に示した２〜４本の他、より多数を設けることができる。また、図４に示した円弧状のチップ１３も、３本以上の数にすることもできる。
【００２８】
このように、本体部２と摩耗を受けやすいショルダ部５、撹拌ピン７及びチップ１３が形成された撹拌ヘッド３を別体にするので、摩耗したとき、撹拌ヘッド３のみを本体部２から外して交換できる。このため大型の本体部２を共通使用できるから経済的である。また、機械加工等が必要な撹拌ピン７やチップ１３を、撹拌ヘッド３に設けることにより、小部品の撹拌ヘッド３を加工するだけでよいので、撹拌ヘッド３の形成が容易になる。しかも撹拌ヘッド３のみ希望するレベルの高硬度にすることが自由にできる。
【００２９】
そのうえ、複数のチップ１３を設け、かつ各チップ１３を回転方向前端部１４と撹拌ピン７との広い間隙１６が回転方向後端部１５と撹拌ピン７との狭い間隙１７より広がるように設けたので、流動化材料をチップ１３の内側へ確実に集めることができ、バリの発生を阻止して摩擦撹拌を効率化できる。しかも実質的に向かい角を形成できる。さらにチップ１３の高さを回転方向前端部１４が低くなるように回転方向で変化させたので、これによっても実質的に向かい角を形成でき、摩擦撹拌ツール１の進行経路が折り返されたり自由曲線を描くものであっても、常時向かい角θを維持して摩擦撹拌接合することを可能にする。
【００３０】
また、チップ１３を円弧状とすれば、巻き込んだ流動化材料の流れを中心側の撹拌ピン７へ向かってスムーズにすることができ、平板状にすればチップ１３の加工が容易になる。さらに、一方のチップ１３の回転方向後端部１５近傍に他方のチップ１３の回転方向前端部１４を配置することにより、一方の回転方向後端部１５から流動化材料があふれても、後続の回転方向前端部１４の内側へ収容されるので、バリの発生を阻止できる。
【００３１】
図９〜１１は、回転方向前端部１４が撹拌ヘッド３の外周部まで達するように設けた例である。図９は第４実施例であり、Ａは撹拌ヘッド３の斜視図、ＢはＡの状態にて軸方向上方から示す図である（以下の図１０及び１１も同様）。この例ではショルダ部５の表面に中心を挟んで向かい合い、かつ互いに径方向逆側へ若干ずれて配置された一対の円弧状をなすチップ１３、１３が一体に突出形成されている。チップ１３が２つの円弧状をなす点で第１実施例に近似する。各チップ１３は回転方向前端部１４と回転方向後端部１５を備え、回転方向前端部１４は撹拌ヘッド３の外周部近傍に達しており、回転方向後端部１５は中心側の撹拌ヘッド７近傍に位置する。
【００３２】
したがって、回転方向前端部１４は回転方向Ｂに向かって、撹拌ピン７との間隙を大きく開き、回転方向後端部１５は撹拌ピン７と中心部との間隙を小さくして絞っている。このため、ショルダ部５がＢ矢示方向へ回転すると、回転方向前端部１４側の広い間隙から流動化材料をチップ１３の内側へ取り込んで溜めることができる。しかも回転方向後端部１５側の間隙は絞られているため、流動化材料の流出を絞るように調節できるから、中心部へ多くの流動化材料を送り込んで接合品質を高めることができる。
【００３３】
図１０は第５実施例である。この例は、図９においてチップ１３を一対で設けていたところを、さらに１本のチップ１３を追加して、１２０°間隔で、計３本のチップ１３を配置したものに相当する。このようにすると、各チップ１３・１３・１３を短くして小型化できるので、破損しにくくすることができる。なお、チップ１３の本数は２本以上の複数であれば本数は問わない。
【００３４】
図１１は第６実施例であり、この例では、第２実施例に近似する平板状をなす３個のチップ１３・１３・１３が突出形成されるが、それぞれはショルダ部５を回転軸方向から見たとき直線状をなす（Ｂ）。各チップ１３の回転方向前端部１４を撹拌ヘッド３の外周部に臨ませ、回転方向後端部１５を中心側の撹拌ピン７近傍に臨ませれば、図７の第２実施例と近似したものになる。
【００３５】
図１２は、チップ１３のみを別体にした第７実施例であり、Ａは図１に相当し、Ｂは図２に相当し、Ｃは図３に相当する。これらの図において、本体部２とショルダ部５は一体であり、ショルダ部５の表面には軸方向へ彫り込まれた取付穴３０が形成され、ここに予め別体に形成されたチップ１３が圧入されて嵌合一体化されている。このチップ１３は第１〜６の各実施例に示した形状のもの等を適宜利用できる。
【００３６】
このようにすると、チップ１３が破損したとき、そのチップ１３のみを交換すれば足りるため、各チップ１３毎に交換が可能になり、交換部分を最小化できるから、さらにコストパフォーマンスがよくなり、ランニングコストが最も低くなるから経済的になる。また、チップ１３を本体部２と別に加工できるので加工が容易となり、かつ本体部２におけるチップ１３の取付構造は取付穴３０を形成するだけであるから機械加工も最小になり、かつ加工形状も単純になる。
【００３７】
なお、撹拌ピン７を撹拌ヘッド３と別体に設け着脱自在にすることもできる。図１３はこれを第８実施例として示す図であり、図中のＡは図２の第１実施例に対して撹拌ピン７を別体にした例であり、Ｂは図１２の第７実施例に対して適用した例である。まずＡにおいて、本体部２及び撹拌ヘッド３の各中心に回転軸線に沿って取付穴４０及び４１を設け、これに別体に形成した撹拌ピン７を嵌合して着脱自在に取付ける。このとき例えば撹拌ピン７の嵌合部４２を角軸状に形成し、取付穴４０及び４１側をこれに対応する角穴状とし、圧入等で一体化する。なお、撹拌ヘッド３は撹拌ピン７により本体部２へ固定することができる。また撹拌ピン７とは別に本体部２に予め嵌合等で着脱自在に取付ける。この場合は回り止め凸部１０及び位置決め凹部１１の数を図示のようにそれぞれ複数にしてもよい。
【００３８】
Ｂでは、撹拌ヘッド３が本体部２と一体であるから、撹拌ヘッド３から本体部２へ取付穴４０を形成し、Ａと同様の撹拌ピン７を取付ける。なお、撹拌ピン７の本体部２側に対する取付けはＡ及びＢに示すものばかりでなく種々可能であり、例えば回転により締まる方向に形成されたネジにより取付けることもできる。
【００３９】
このように、加工に手間がかかり、しかも破損しやすい撹拌ピン７をショルダ部５と別体にして交換可能にしたことにより、交換部分を最小化してコストパフォーマンスを高くすることができる。そのうえ摩擦撹拌対象の材料に応じて、撹拌ピン７の材料を他の部分よりも超硬等に変更する等、材料を変更することが容易になる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】第１実施例に係る摩擦撹拌ツールの撹拌ヘッド側外観を示す図
【図２】上記摩擦撹拌ツールの軸方向断面図
【図３】上記摩擦撹拌ツールの分解断面図
【図４】上記摩擦撹拌ツールの撹拌ヘッドを軸方向下方から示す図
【図５】上記撹拌ヘッドの側方視図
【図６】摩擦撹拌ツールを用いた接合作業状態を示す図
【図７】第２実施例に係る図４と同様図
【図８】第３実施例に係る同上図
【図９】第４実施例に係る撹拌ヘッド部分を示す図
【図１０】第５実施例に係る同上図
【図１１】第６実施例に係る同上図
【図１２】第７実施例に係る図１〜３と同様部位の断面図
【図１３】第８実施例に係る分解断面図
【図１４】従来例の摩擦撹拌ツールを示す図
【符号の説明】
【００４１】
１：摩擦撹拌ツール、２：本体部、３：撹拌ヘッド、４：取付穴、５：ショルダ部、７：撹拌ピン、１３：チップ、１４：回転方向前端部、１５：回転方向後端部、１６：広い間隙、１７：狭い間隙、２０：接合材料、２１：接合材料、３０：取付穴、４０：取付穴、４１：取付穴、４２：嵌合部
【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】
2008290133.tif 000013
【図１２】
2008290133.tif 000014
【図１３】
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【図１４】
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