(57)【要約】【課題】接合部材間の隙間が大きい場合にも、接合部の攪拌不良を確実に防止できるようにする。【解決手段】先端部に突起（１５）とショルダ部（１４）とを有する回転ツール（１３）を接合部材の接合部内へ回転しながら挿入し、接合部材との摩擦熱により接合部材を接合する摩擦攪拌接合方法において、溶加材（２１）を突起の側部（１８）かつ又はショルダ部から供給しながら接合する。溶加材の供給を開口部に向けて漸次絞りながら接合する。溶加材の供給量を接合部材間の隙間量の変化に基づいて自動調整しながら接合部材を接合する。また、摩擦攪拌接合装置において、回転ツールの内部かつ又は回転軸（１１）の内部に溶加材の回転を防止するための回転防止機構（２６，２６ａ）を備える。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
先端部に突起（１５）とショルダ部（１４）とを有する回転ツール（１３）を接合部材（３１，３２）の接合部（３３）内へ回転しながら挿入し、前記接合部材との摩擦熱により前記接合部材を接合する摩擦攪拌接合方法において、溶加材（２１）を前記突起の側部（１８）かつ又は前記ショルダ部から供給しながら接合することを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
【請求項２】
前記溶加材（２１）を前記突起の側部（１８）かつ又は前記ショルダ部（１４）の周方向に散在する複数個の開口部（１７）から供給しながら接合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】
先端部に突起（１５）とショルダ部（１４）とを有する回転ツール（１３）を接合部材（３１，３２）の接合部（３３）内へ回転しながら挿入し、前記回転ツールの前記先端部に設けた開口部から溶加材（２１）を供給しながら前記回転ツールと前記接合部材との摩擦熱により前記接合部材を接合する摩擦攪拌接合方法において、前記溶加材（２１）の供給を前記開口部に向けて漸次絞りながら接合することを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
【請求項４】
先端部に突起（１５）とショルダ部（１４）とを有する回転ツール（１３）を接合部材（３１，３２）の接合部（３３）内へ回転しながら挿入し、前記回転ツールの前記先端部に設けた開口部から溶加材（２１）を供給しながら前記回転ツールと前記接合部材との摩擦熱により前記接合部材を接合する摩擦攪拌接合方法において、前記溶加材の供給量を前記接合部材間の隙間量の変化に基づいて自動調整しながら前記接合部材を接合することを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかに記載の方法により接合されたことを特徴とする摩擦攪拌接合物。
【請求項６】
内部に貫通孔（１９）が穿設され先端部に突起（１５）とショルダ部（１４）と前記貫通孔の開口部（１７）とを有すると共に前記先端部が接合部材（３１，３２）の接合部（３３）内へ回転しながら挿入されて前記接合部材との摩擦熱により前記接合部材を接合する回転ツール（１３）と、前記貫通孔内へ溶加材（２１）を供給する溶加材供給機構（２３）とを備え、前記回転ツールが前記溶加材を前記開口部から前記接合部内へ供給しながら前記接合部材を接合する摩擦攪拌接合装置において、前記開口部は、前記突起の側部（１８）かつ又は前記ショルダ部に配設されたことを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
【請求項７】
前記開口部（１７）は、複数個が前記突起（１５）の側部（１８）かつ又は前記ショルダ部（１４）の周方向に散在していることを特徴とする請求項６に記載の摩擦攪拌接合装置。
【請求項８】
前記側部（１８）の前記開口部（１７）と前記ショルダ部（１４）の前記開口部（１７）とが周方向に交互に略等間隔に散在していることを特徴とする請求項７に記載の摩擦攪拌接合装置。
【請求項９】
内部に貫通孔（１９）が穿設され先端部に突起（１５）とショルダ部（１４）と前記貫通孔の開口部（１７）とを有すると共に前記先端部が接合部材（３１，３２）の接合部（３３）内へ回転しながら挿入されて前記接合部材との摩擦熱により前記接合部材を接合する回転ツール（１３）と、前記貫通孔内へ溶加材（２１）を供給する溶加材供給機構（２３）とを備え、前記回転ツールが前記溶加材を前記開口部から前記接合部内へ供給しながら前記接合部材を接合する摩擦攪拌接合装置において、前記貫通孔は、前記開口部近傍に最小内径部（１７）を有することを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
【請求項１０】
前記貫通孔（１９）は、前記開口部（１７）近傍が先細テーパ状に形成されたことを特徴とする請求項９に記載の摩擦攪拌接合装置。
【請求項１１】
内部に貫通孔（１９）が穿設され先端部に突起（１５）とショルダ部（１４）と前記貫通孔の開口部（１７）とを有すると共に前記先端部が接合部材（３１，３２）の接合部（３３）内へ回転しながら挿入されて前記接合部材との摩擦熱により前記接合部材を接合する回転ツール（１３）と、前記回転ツールを回転させると共に内部に前記貫通孔に通ずる軸孔（１１ａ）を有する回転軸（１１）と、前記軸孔を通して前記貫通孔内へ溶加材（２１）を供給する溶加材供給機構（２３）とを備え、前記回転ツールが前記溶加材を前記開口部から前記接合部内へ供給しながら前記接合部材を接合する摩擦攪拌接合装置において、前記回転ツールの内部かつ又は前記回転軸の内部に前記溶加材の回転を防止するための回転防止機構を備えたことを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
【請求項１２】
前記回転防止機構は、アウターレース（２７）が前記回転ツール（１３）の前記貫通孔（１９）内又は前記回転軸（１１）の前記軸孔（１１ａ）内に同軸に固定されると共に前記溶加材（２１）がインナーレース（２８）内に挿通されたベアリング（２６，２６ａ）からなることを特徴とする請求項１１に記載の摩擦攪拌接合装置。
【請求項１３】
前記インナーレース（２８）の最小内径部（２８ａ）にアール加工を施したことをことを特徴とする請求項１２に記載の摩擦攪拌接合装置。
【請求項１４】
内部に貫通孔（１９）が穿設され先端部に突起（１５）とショルダ部（１４）と前記貫通孔の開口部（１７）とを有すると共に前記先端部が接合部材（３１，３２）の接合部（３３）内へ回転しながら挿入されて前記接合部材との摩擦熱により前記接合部材を接合する回転ツール（１３）と、前記貫通孔内へ溶加材を供給する溶加材供給機構（２３）と、前記溶加材供給機構の前記溶加材の供給量を制御するコントローラ（２４）とを備え、前記コントローラの制御により前記回転ツールが前記溶加材を前記開口部から前記接合部内へ供給しながら前記接合部材を接合する摩擦攪拌接合装置において、前記接合部材の隙間量を検出する隙間センサ（２５）をさらに備え、前記コントローラ（２４）は、前記隙間センサが検出した前記隙間量に基づいて前記溶加材（２１）を自動供給することを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属材料の固相接合法の一つである摩擦攪拌接合方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
金属材料の接合方法の一つに、加工部材や溶加材の溶融が存在しない固相接合法がある。この固相接合法としては、これまで拡散接合法、常温接合法、摩擦圧接法、超音波圧接法、爆発圧接法、ガス圧接法、熱間圧接法等が知られている。しかし、近年に至り、特にアルミニウム合金の適用が種々の分野において積極的に進められる中、非溶融プロセスを用いる摩擦攪拌接合方法が注目されている（例えば、特許文献１）。
【０００３】
摩擦攪拌接合方法の主な特長は、次のとおりである。接合にともなう変形が極めて小さい。鋳造材あるいはコンポジットなど、従来の溶融溶接では困難であった材料の接合が可能である。シールドガスが不要である。機械的性質が優れている。接合中にヒュームの発生もなく、赤外線、紫外線などの有害光線も発生しない。高速接合が可能である。気孔、割れなどの欠陥が発生しにくい。接合部の前処理が原則不要である。
【０００４】
具体的には、図６（ａ）及び（ｂ）に示すように、先端に突起１０２を有する硬質丸棒からなる回転ツール１０１を回転させながら、これを接合部材１１１，１１２の接合部内へ挿入すると共に、接合線に沿って移動させる。突起１０２の長さは、一般には接合部材１１１，１１２の板厚よりもわずかに短いものが使用される。このとき、接合部材１１１，１１２は回転ツール１０１との摩擦熱によりあめ状に軟化し、回転ツール１０１の回転に引きずられて塑性流動が生じる。回転ツール１０１の移動により、組織は冷却されて一体化し、接合される。接合部の温度は、例えばアルミニウム合金の場合は５００°Ｃ程度であり、融点（６００〜６６０°Ｃ）以下で接合できる固相接合である。接合断面は、概ね逆三角形を呈す。
【０００５】
この摩擦攪拌接合方法において、突起１０２は接合部材１１１，１１２の中に完全に挿入されるが、ショルダ部１０３もわずかに挿入される。このため、通常は余盛が形成されず、接合部材１１１，１１２の表面がショルダ部１０３で切削されて凹み１１４が生じる。接合材料や接合条件にも大きく左右されるが、接合部材１１１，１１２間の隙間が大きくなると攪拌不良１１５が発生しやすく、接合部の凹み１１４も深くなる。この場合、摩擦攪拌接合方法の最大の特長の一つである機械的性質の優秀性が損なわれ、機械的強度が低下する恐れがある。一般には、この接合部材１１１，１１２間の隙間が０．５ｍｍ以上になると、攪拌不良等が発生しやすくなるとされている。
【０００６】
また、接合部材１１１，１１２は、接合部に極力隙間が発生しないように、両側からも挟持される。しかし、図６（ａ）に示すように、当初は隙間が無くても接合が進行するにつれて、特に終端部において、接合部材１１１，１１２間に大きな隙間１１３が発生する傾向がある。
【０００７】
このような問題を解決するものとして、接合部材の接合部に予め凸部を形成し、接合中にこの凸部をショルダ部で切削するようにして、接合部を母材表面と同じ高さの平滑面にする方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。また、接合部材の隙間に予め接合部材と同じ材質の粉粒体を充填した後に摩擦攪拌接合を行なうことにより、接合部の凹みを減少させる方法が提案されている（例えば、特許文献３参照）。さらに、摩擦攪拌接合方法を用いたスポット接合において、板状の溶加材を接合部材上に載せて、回転ツールのショルダ部で一体化させて接合する方法が提案されている（例えば、特許文献４参照）。
【０００８】
しかしながら、上述の接合部材の接合部に予め凸部を形成し、この凸部をショルダ部で切削して母材表面と同じ高さの平滑面にする方法は、接合前に接合部材に対して凸部を設ける加工を施しておかねばならず、コスト高を招くという問題がある。また、接合部材の隙間に、接合部材と同じ素材の粉粒体を充填してから摩擦攪拌接合を行なう方法は、接合部材を摩擦攪拌接合装置に設置した後、接合前に接合部材の隙間に粉粒体を充填する作業が必要になり、極めて作業性が悪いという問題がある。
【０００９】
さらに、摩擦攪拌接合方法を用いたスポット接合における、板状の溶加材を接合部材上に載せて、回転ツールのショルダ部で一体化させて接合する方法は、あくまでもスポット接合のみを対象としており、これにより長尺部材等に対する連続接合を行うことはできないという問題がある。
【００１０】
これらの問題を解決するためのものとして、回転ツールの突起の先端から、ワイヤ状の溶加材を接合部内へ供給しながら接合を行なう摩擦攪拌接合装置がある（例えば、特許文献５参照）。この装置においては、回転軸とこの回転軸に支持固定される回転ツールとに、ワイヤ状の溶加材を送り出すための貫通孔が穿設され、送り出し用のワイヤローラが、この貫通孔を通して、溶加材を回転ツールの突起の先端から接合部内へ連続的に供給するものである。溶加材は回転ツールの摩擦熱により軟化し、接合部内で攪拌されて母材と一体化する。
【００１１】
【特許文献１】
特表平７−５０５０９０号公報（第２−７頁、第１図）
【特許文献２】
特開平１０−５２７７１号公報（第３−４頁、第６図）
【特許文献３】
特開２００１−２０５４５７号公報（第３頁、第３図）
【特許文献４】
特開２００２−１２６８８４号公報（第３−５頁、第１−３図）
【特許文献５】
特開２００２−１２６８８２号公報（第４−７頁、第１−３図）
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の特許文献５に記載された従来の摩擦攪拌接合装置においては、ワイヤ状の溶加材が回転ツールの突起の先端のみから接合部内へ供給される。この一方、突起の先端は、攪拌不良による機械的強度の低下を防止するため、通常は接合部材の裏当て材との隙間が０．５ｍｍを超えないように調整される。このため、溶加材を突起の先端だけから、しかもこの狭い隙間の中だけに流出させても、充分な量の溶加材が接合部内へ、かつ接合部の各部に均一に供給することができず、接合部材間に大きな隙間が発生した場合に、攪拌不良の発生を確実に防止することはできないという問題がある。
【００１３】
また、この従来の摩擦攪拌接合装置においては、上述のようにワイヤ状の溶加材が回転ツールの突起の先端から接合部内へ供給される。しかしながら、この回転ツール内に穿設された貫通孔は、突起先端の開口部近傍においてもその内径が同一であり、送られてきた溶加材が、摩擦熱により充分に軟化しない間に接合部内へそのまま供給される可能性もある。この場合には、母材と溶加材との攪拌が充分になされずに、接合部内で攪拌不良が発生するという問題が生じる。
【００１４】
さらに、この従来の摩擦攪拌接合装置においては、送り出し用のワイヤローラが、ワイヤ状の溶加材を、回転軸の軸孔と回転ツールの貫通孔とを通して、回転ツールの突起の先端から接合部内へ連続的に供給する。しかしながら、このワイヤ状の溶加材を、単にワイヤローラにより送り出しているだけでは、溶加材が高速回転する狭い軸孔の内壁や貫通孔の内壁と接触し、その回転に引きずられて切断される恐れがある。この場合には、回転ツールから接合部内への溶加材の供給が途切れ、攪拌不良が発生するという問題が生じる。
【００１５】
また、この従来の摩擦攪拌接合装置においては、接合部材間に大きな隙間が発生した場合に、その隙間量に応じて溶加材の供給量を変化させるための機構を備えていない。このため、接合部材の加工不良や固定不良等により接合部材間の隙間量が変化した場合に、その隙間量に応じた適切な量の溶加材が供給されず、接合部内で攪拌不良が発生するという問題がある。
【００１６】
本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、回転ツールの内部から溶加材を接合部内へ供給しながら接合する摩擦攪拌接合において、充分な量の溶加材を接合部内へ、しかも接合部の各部に均一に供給することができ、又は、溶加材を摩擦熱により充分に軟化させることができ、又は、ワイヤ状の溶加材が高速回転する回転ツール等の回転に引きずられて切断されるのを防止することができ、又は、接合部材間の隙間量に応じた最適な量の溶加材を供給することができ、これにより接合部の攪拌不良を確実に防止することができる摩擦攪拌接合装置を提供することを課題とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上述の課題を解決するために、本発明が採用する手段は、先端部に突起とショルダ部とを有する回転ツールを接合部材の接合部内へ回転しながら挿入し、接合部材との摩擦熱により接合部材を接合する摩擦攪拌接合方法において、溶加材を突起の側部かつ又はショルダ部から供給しながら接合することにある。
【００１８】
又は、内部に貫通孔が穿設され先端部に突起とショルダ部と貫通孔の開口部とを有すると共に先端部が接合部材の接合部内へ回転しながら挿入されて接合部材との摩擦熱により接合部材を接合する回転ツールと、貫通孔内へ溶加材を供給する溶加材供給機構とを備え、回転ツールが溶加材を開口部から接合部内へ供給しながら接合部材を接合する摩擦攪拌接合装置において、開口部は、突起の側部かつ又はショルダ部に配設されたことにある。
【００１９】
このように、溶加材を裏当て材の影響が少ない突起の側部、かつ又はショルダ部から接合部内へ供給するから、充分な量の溶加材が接合部内へ、かつ接合部の各部に均一に供給される。なお、突起は強度的に弱い部分であり、開口部を設けることによる強度低下の懸念もある。しかしながら、開口部の全部又は一部をショルダ部に設ければ、突起から開口部を排除し、あるいはその開口面積を相対的に減らすことができるから、突起の強度低下を防止することもできる。また、ショルダ部は摩擦熱も高いから、溶加材と母材との攪拌も良好に行われる。
【００２０】
上記方法において、溶加材を突起の側部かつ又はショルダ部の周方向に散在する複数個の開口部から供給しながら接合することもできる。又は、上記装置において、開口部は、複数個が突起の側部かつ又はショルダ部の周方向に散在することもできる。開口部を複数個、しかもそれらを周方向に散在させることにより、さらに充分な量の溶加材が接合部内へ供給され、かつ接合部の各部へより均一に供給される。加えて、側部の開口部とショルダ部の開口部とが周方向に交互に略等間隔に散在することもできる。これにより、接合部の各部への溶加材の供給が、より一層均一化される。
【００２１】
次に、本発明が採用する手段は、先端部に突起とショルダ部とを有する回転ツールを接合部材の接合部内へ回転しながら挿入し、回転ツールの先端部に設けた開口部から溶加材を供給しながら回転ツールと接合部材との摩擦熱により接合部材を接合する摩擦攪拌接合方法において、溶加材の供給を開口部に向けて漸次絞りながら接合することにある。
【００２２】
又は、内部に貫通孔が穿設され先端部に突起とショルダ部と貫通孔の開口部とを有すると共に先端部が接合部材の接合部内へ回転しながら挿入されて接合部材との摩擦熱により接合部材を接合する回転ツールと、貫通孔内へ溶加材を供給する溶加材供給機構とを備え、回転ツールが溶加材を開口部から接合部内へ供給しながら接合部材を接合する摩擦攪拌接合装置において、貫通孔は、開口部近傍に最小内径部を有することにある。
【００２３】
このように、溶加材の供給が開口部に向けて漸次絞られるから、溶加材が開口部近傍で滞留し、回転ツールからの熱を受けて充分に軟化した後に、接合部内へ供給される。上記装置において、貫通孔は、開口部近傍が先細テーパ状に形成されるとよい。溶加材の回転ツールからの授熱が、よりスムーズに行われる。
【００２４】
次に、本発明が採用する手段は、内部に貫通孔が穿設され先端部に突起とショルダ部と貫通孔の開口部とを有すると共に先端部が接合部材の接合部内へ回転しながら挿入されて接合部材との摩擦熱により接合部材を接合する回転ツールと、回転ツールを回転させると共に内部に貫通孔に通ずる軸孔を有する回転軸と、軸孔を通して貫通孔内へ溶加材を供給する溶加材供給機構とを備え、回転ツールが溶加材を開口部から接合部内へ供給しながら接合部材を接合する摩擦攪拌接合装置において、回転ツールの内部かつ又は回転軸の内部に溶加材の回転を防止するための回転防止機構を備えたことにある。
【００２５】
このように、回転ツールかつ又は回転軸内での溶加材の回転を防止することにより、未だ軟化していないワイヤ状の溶加材が、高速回転する回転ツール等の回転に引きずられて切断されることがない。
【００２６】
上記装置において、例えば、回転防止機構は、アウターレースが回転ツールの貫通孔内又は回転軸の軸孔内に同軸に固定されると共に溶加材がインナーレース内に挿通されたベアリングからなる。このようにすれば、溶加材はベアリングにより支持され、軸孔の内壁や貫通孔の内壁と直接接触することがほとんどなくなり、ワイヤ状の溶加材の切断が確実に防止される。
【００２７】
また、上記装置において、インナーレースの最小内径部にアール加工を施すこともできる。このようにすれば、ワイヤ状の溶加材とインナーレースとの接触は点ないし線接触となり、ワイヤ状の溶加材の切断がより確実に防止される。
【００２８】
次に、本発明が採用する手段は、先端部に突起とショルダ部とを有する回転ツールを接合部材の接合部内へ回転しながら挿入し、回転ツールの先端部に設けた開口部から溶加材を供給しながら回転ツールと接合部材との摩擦熱により接合部材を接合する摩擦攪拌接合方法において、溶加材の供給量を接合部材間の隙間量の変化に基づいて自動調整しながら接合部材を接合することにある。
【００２９】
又は、内部に貫通孔が穿設され先端部に突起とショルダ部と貫通孔の開口部とを有すると共に先端部が接合部材の接合部内へ回転しながら挿入されて接合部材との摩擦熱により接合部材を接合する回転ツールと、貫通孔内へ溶加材を供給する溶加材供給機構と、溶加材供給機構の溶加材の供給量を制御するコントローラとを備え、コントローラの制御により回転ツールが溶加材を開口部から接合部内へ供給しながら接合部材を接合する摩擦攪拌接合装置において、接合部材の隙間量を検出する隙間センサをさらに備え、コントローラは、隙間センサが検出した隙間量に基づいて溶加材を自動供給することにある。
【００３０】
このように、接合部材間の隙間量に基づいて溶加材の供給量を自動調節するから、隙間量に応じた最適な量の溶加材が供給される。
【００３１】
上記のいずれかの方法により接合された摩擦攪拌接合物とする。
【００３２】
【発明の実施の形態】
本発明に係る摩擦攪拌接合方法及び装置の発明の実施の形態を、図１及び図５を参照して詳細に説明する。図１に示すように、本摩擦攪拌接合方法に使用する摩擦攪拌接合装置は、基台１と、基台１上に固定された定盤２と、基台１上を接合線に沿って移動する移動台３と、移動台３上に配設されて昇降機構４により昇降する駆動部５とから構成される。
【００３３】
駆動部５には、電動モータ６と、この電動モータ６の軸心と平行に偏心して軸支されて、ベルト７を介して電動モータ６により回転駆動される偏心軸８とが配設される。また、この駆動部５にはツール軸受け１０が取り付けられ、その内部に軸支される回転軸１１がベルト９を介して偏心軸８により回転駆動される。ツール軸受け１０の上部には、送り部１２が取り付けられる。このように、偏心軸８はツール軸受け１０の回転軸１１に対し平行に偏心して配設されて、電動モータ６の回転をツール軸受け１０の回転軸１１へ伝達し、これを回転駆動する。
【００３４】
回転ツール１３が、ツール軸受け１０の回転軸１１に取り付けられる。回転ツール１３は、その先端部にショルダ部１４と突起１５とを有する。回転ツール１３内に貫通孔１９が穿設される。回転軸１１内に、送り部１２の上端部からこの回転ツール１３の貫通孔１９に通ずる軸孔１１ａが穿設される。ワイヤ状の溶加材２１が巻かれたワイヤリール２２を、駆動部５に回動可能に取り付ける。３対ないし５対からなるワイヤローラ（溶加材供給機構）２３を送り部１２に配設する。ワイヤローラ２３は、図示しないモータにより駆動されて回転し、ワイヤリール２２に巻かれた溶加材２１を、回転軸１１の軸孔１１ａ内へ送り込む。
【００３５】
本摩擦攪拌接合方法及び装置は種々の金属部材の接合に使用できるが、例えば、船舶等に使用されるＡ５０８３アルミニウム合金材に対しては、溶加材２１として例えばＡ５１８３材を用いる。また、押出形材として建築等に使用されるＡ６０６１、Ａ６Ｎ０１アルミニウム合金材に対しては、溶加材２１として例えばＡ４０４３材を用いる。溶加材２１のワイヤ径は、例えば２．０〜５．０ｍｍ程度であることが望ましい。
【００３６】
ワイヤローラ２３の送り速度を制御するためのコントローラ２４を配設する。接合部材３１，３２の隙間量を検出するための隙間センサ２５を駆動部５に取り付ける。コントローラ２４は、電動モータ６、ワイヤローラ２３の図示しないモータ、隙間センサ２５等に電気的に接続される。
【００３７】
ツール軸受け１０の回転軸１１の軸孔１１ａ内、及び回転ツール１３の貫通孔１９内に、溶加材２１の回転を防止するための回転防止機構を配設する。図２及び図３に示すように、ツール軸受け１０の回転軸１１の軸孔１１ａ内に配設された回転防止機構は、アウターレース２７が回転軸１１内に同軸に固定され、溶加材２１がインナーレース２８内に挿通されたベアリング２６により構成される。ベアリング２６は例えば４連とし、インナーレース２８の最小内径部２８ａには、アール加工が施されている。溶加材２１とインナーレース２８の最小内径部２８ａとの隙間は、例えば０．５ｍｍ程度であることが望ましい。
【００３８】
図１に示すように、回転ツール１３の貫通孔１９内にも、上述のベアリング２６と同様のベアリング２６ａが配設され、溶加材２１の回転を防止するための回転防止機構が形成される。なお、この回転防止機構は、ツール軸受け１０の回転軸１１の軸孔１１ａ内、又は回転ツール１３の貫通孔１９内のいずれか一方にのみ配設することもできる。また、ベアリング２６，２６ａは、図３のボールベアリングに限定されるものではなく、ローラ等の他のベアリングでもよい。
【００３９】
図４（ａ）及び（ｂ）に示すように、回転ツール１３内の貫通孔１９は、突起１５の先端部１６に１個の開口部１７を有し、また、突起１５の側部１８とショルダ部１４とに３個ずつ、周方向に交互に略等間隔に散在する開口部１７をそれぞれ有する。この開口部１７の内径は、薄板用では例えば０．５〜２．０ｍｍφ程度、厚板用では例えば１．０〜３．０ｍｍφ程度とすることが望ましい。また、貫通孔１９は、その開口部１７の近傍が先細テーパ状に形成される。なお、開口部１７は、突起１５の側部１８又はショルダ部１４のいずれか一方についてだけ設けることもでき、また、その数も複数個に限定されるものではない。さらに、突起１５の側部１８とショルダ部１４とに、必ずしも周方向に交互に略等間隔に散在するものでなくてもよい。
【００４０】
次に、上述の摩擦攪拌接合装置を用いた摩擦攪拌接合方法について説明する。図１に示すように、接合部材３１，３２を定盤２上に固定する。ワイヤリール２２から溶加材２１を引き出し、この溶加材２１を、送り部１２内に配設されたワイヤローラ２３の間と、ツール軸受け１０の回転軸１１内に配設されたベアリング２６のインナーレース２８内と、回転ツール１３内に配設されたベアリング２６ａの図示しないインナーレース内とを通して、貫通孔１９の開口部１７の近傍まで挿入する。
【００４１】
コントローラ２４を作動させて接合を開始する。コントローラ２４からの信号により、電動モータ６が、ベルト７、偏心軸８、ベルト９、ツール軸受け１０の回転軸１１を介して回転ツール１３を回転させる。昇降機構４が駆動部５を押し下げ、所定の加重で回転ツール１３の突起１５を接合部材３１，３２の接合部３３内へ挿入する。
【００４２】
図５に示すように、接合部材３１，３２は回転ツール１３の加工部との摩擦熱によりあめ状に軟化し、さらに回転ツール１３の回転に引きずられて塑性流動が生じる。と同時に、開口部１７近傍の回転ツール１３内においても、溶加材２１が回転ツール１３からの熱により軟化し、突起１５の先端部１６の開口部１７と、突起１５の側部１８の開口部１７と、ショルダ部１４の開口部１７とから接合部３３の塑性流動域内へ流出する。このとき、溶加材２１が、突起１５の先端部１６と裏当て材Ｍとの狭い隙間からだけではなく、この裏当て材Ｍの影響が少ない突起１５の側部１８の開口部１７とショルダ部１４の開口部１７からも接合部３３内へ供給されるから、充分な量の溶加材が接合部内へ、かつ接合部の各部に均一に供給される。
【００４３】
また、貫通孔１９はその開口部１７が先細テーパ状に形成され、溶加材２１の供給が突起１５の開口部１７に向けて漸次絞られる。つまり、開口部１７において貫通孔１９の最小内径部が形成される。したがって、溶加材２１は開口部１７近傍で滞留し、回転ツール１３からの熱を受けて充分に軟化する。これにより、溶加材２１の接合部３３内への流出がスムーズになされ、母材との攪拌も良好に行われる。
【００４４】
回転軸１１の軸孔１１ａと回転ツール１３の貫通孔１９は、溶加材２１の直径に比べて充分に大径に形成される。また、溶加材２１は、回転軸１１の軸孔１１ａ内のベアリング２６と、回転ツール１３の貫通孔１９内のベアリング２６ａとにより軸心位置に支持されるから、溶加材２１がすでに軟化し、あるいは軟化しつつある回転ツール１３の先端部を除いて、ワイヤ状の溶加材２１が軸孔１１ａの内壁や貫通孔１９の内壁と直接接触することはほとんどない。
【００４５】
また、このベアリング２６，２６ａのインナーレース２８の最小内径部２８ａにはアール加工が施されているから、ワイヤ状の溶加材２１とインナーレース２８との接触は点ないし線接触となる。したがって、まだ軟化していないワイヤ状の溶加材が、高速回転する回転軸１１や回転ツール１３の回転に引きずられて切断されることはない。
【００４６】
一方、コントローラ２４は、隙間センサ２５が検出した接合部材３１，３２の隙間量、接合部材３１，３２の材質、厚さ等により決定される接合速度、回転ツール１３の回転数、荷重等に基づいてワイヤローラ２３を作動させ、最適な量の溶加材２１を貫通孔１９内へ供給する。特に、溶加材２１の供給量を接合部材３１，３２の隙間量に対応して自動調節するから、この隙間量が大きく変化しても、常に最適な量の溶加材２１が接合部３３内へ自動供給される。
【００４７】
コントローラ２４は、移動台３を接合部材３１，３２の接合線に沿って移動させる。回転ツール１３は、移動方向に対して上部がやや後傾する所謂前進角を有しており、突起１５の長さは接合部材３１，３２の板厚よりもわずかに短い。回転ツール１３が接合線に沿って移動しても、溶加材２１は回転ツール１３の各開口部１７から供給され続け、接合部材３１，３２の組織との間で塑性流動する。回転ツール１３が移動した後、接合部３３は冷却されて、組織は一体化する。接合断面は概ね逆三角形を呈す。
【００４８】
上述の摩擦攪拌接合装置において、突起１５は接合部材３１，３２の中に完全に挿入されるが、ショルダ部１４もわずかに挿入される。このため、通常は余盛が形成されず、接合部材３１，３２の表面がショルダ部１４により切削されて凹み３４が生じる。しかしながら、溶加材２１は回転ツール１３の各開口部１７から溶加材２１が連続供給されることにより、接合部材３１，３２間の隙間量が大きい場合、例えば０．５ｍｍ以上の場合にも攪拌不良は発生せず、また接合後に残る凹み３４の深さも所定範囲内に止まり、接合部３３の機械的強度の低下が防止できる。
【００４９】
この一方、回転ツール１３の突起１５は強度的に弱い部分であり、開口部１７を設けることによる強度低下の懸念もある。しかしながら、この開口部１７をショルダ部１４に設けることにより、突起１５の開口面積が相対的に減少するから、突起１５の強度低下も防止される。また、ショルダ部１４は摩擦熱も高いから、溶加材と母材との攪拌も良好に行われる。
【００５０】
なお、上述の摩擦攪拌接合装置においては、回転ツール１３の開口部１７を突起１５の先端部１６にも配設したが、この突起の先端部の開口部は必ずしも配設しなくてもよい。また、回転ツールの開口部は、突起の側部又はショルダ部のいずれか一方についてのみ設けることもできる。溶加材の回転を防止するための回転防止機構は、必ずしも上述のベアリングに限定されるものではない。また、ベアリングのインナーレースの内径部のアール加工は、必ずしも施さなくてもよい。
【００５１】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明は、先端部に突起とショルダ部とを有する回転ツールを接合部材の接合部内へ回転しながら挿入し、接合部材との摩擦熱により接合部材を接合する摩擦攪拌接合方法において、溶加材を突起の側部かつ又はショルダ部から供給しながら接合する。
【００５２】
又は、内部に貫通孔が穿設され先端部に突起とショルダ部と貫通孔の開口部とを有すると共に先端部が接合部材の接合部内へ回転しながら挿入されて接合部材との摩擦熱により接合部材を接合する回転ツールと、貫通孔内へ溶加材を供給する溶加材供給機構とを備え、回転ツールが溶加材を開口部から接合部内へ供給しながら接合部材を接合する摩擦攪拌接合装置において、開口部は、突起の側部かつ又はショルダ部に配設される。
【００５３】
したがって、本発明の摩擦攪拌接合方法及び装置は、充分な量の溶加材を接合部内へ、しかも接合部の各部に均一に供給することができるから、接合部の攪拌不良を確実に防止することができるという優れた効果を奏する。
【００５４】
次に、本発明は、先端部に突起とショルダ部とを有する回転ツールを接合部材の接合部内へ回転しながら挿入し、回転ツールの先端部に設けた開口部から溶加材を供給しながら回転ツールと接合部材との摩擦熱により接合部材を接合する摩擦攪拌接合方法において、溶加材の供給を開口部に向けて漸次絞りながら接合することにある。
【００５５】
又は、内部に貫通孔が穿設され先端部に突起とショルダ部と貫通孔の開口部とを有すると共に先端部が接合部材の接合部内へ回転しながら挿入されて接合部材との摩擦熱により接合部材を接合する回転ツールと、貫通孔内へ溶加材を供給する溶加材供給機構とを備え、回転ツールが溶加材を開口部から接合部内へ供給しながら接合部材を接合する摩擦攪拌接合装置において、貫通孔は、開口部近傍に最小内径部を有する。
【００５６】
したがって、本発明の摩擦攪拌接合方法及び装置は、溶加材を摩擦熱により充分に軟化させることができるから、接合部の攪拌不良を確実に防止することができるという優れた効果を奏する。
【００５７】
次に、本発明は、内部に貫通孔が穿設され先端部に突起とショルダ部と貫通孔の開口部とを有すると共に先端部が接合部材の接合部内へ回転しながら挿入されて接合部材との摩擦熱により接合部材を接合する回転ツールと、回転ツールを回転させると共に内部に貫通孔に通ずる軸孔を有する回転軸と、軸孔を通して貫通孔内へ溶加材を供給する溶加材供給機構とを備え、回転ツールが溶加材を開口部から接合部内へ供給しながら接合部材を接合する摩擦攪拌接合装置において、回転ツールの内部かつ又は回転軸の内部に溶加材の回転を防止するための回転防止機構を備える。
【００５８】
したがって、本発明の摩擦攪拌接合方法及び装置は、ワイヤ状の溶加材が高速回転する回転ツール等の回転に引きずられて切断されるのを防止できるから、接合部の攪拌不良を確実に防止することができるという優れた効果を奏する。
【００５９】
次に、本発明は、先端部に突起とショルダ部とを有する回転ツールを接合部材の接合部内へ回転しながら挿入し、回転ツールの先端部に設けた開口部から溶加材を供給しながら回転ツールと接合部材との摩擦熱により接合部材を接合する摩擦攪拌接合方法において、溶加材の供給量を接合部材間の隙間量の変化に基づいて自動調整しながら接合部材を接合する。
【００６０】
又は、内部に貫通孔が穿設され先端部に突起とショルダ部と貫通孔の開口部とを有すると共に先端部が接合部材の接合部内へ回転しながら挿入されて接合部材との摩擦熱により接合部材を接合する回転ツールと、貫通孔内へ溶加材を供給する溶加材供給機構と、溶加材供給機構の溶加材の供給量を制御するコントローラとを備え、コントローラの制御により回転ツールが溶加材を開口部から接合部内へ供給しながら接合部材を接合する摩擦攪拌接合装置において、接合部材の隙間量を検出する隙間センサをさらに備え、コントローラは、隙間センサが検出した隙間量に基づいて溶加材を自動供給する。
【００６１】
したがって、本発明の摩擦攪拌接合方法及び装置は、接合部材間の隙間量に応じた最適な量の溶加材を供給できるから、接合部の攪拌不良を確実に防止することができるという優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る摩擦攪拌接合方法及び装置を示す正面図である。
【図２】図１のベアリング２６を示す斜視図である。
【図３】図１のベアリング２６を示す断面正面図である。
【図４】（ａ）は図１の回転ツール１３を示す底面図であり、（ｂ）は（ａ）の矢線Ｂ−Ｂにおける断面図である。
【図５】図１の回転ツール１３による接合状態を示す断面正面図である。
【図６】（ａ）は従来の摩擦攪拌接合方法及び装置による接合状態を示す斜視図であり、（ｂ）はその接合部を示す断面正面図である。
【符号の説明】
１  基台
２  定盤
３  移動台
４  昇降機構
５  駆動部
６  電動モータ
７  ベルト
８  偏心軸
９  ベルト
１０  ツール軸受け
１１  回転軸
１１ａ  軸孔
１２  送り部
１３  回転ツール
１４    ショルダ部
１５  突起
１６    先端部
１７    開口部
１８    側部
１９  貫通孔
２１  溶加材
２２  ワイヤリール
２３  ワイヤローラ
２４  コントローラ
２５  隙間センサ
２６，２６ａ  ベアリング
２７    アウターレース
２８    インナーレース
２８ａ  最小内径部
３１，３２  接合部材
３３  接合部
３４  凹み
１０１  回転ツール
１０２  突起
１０３  ショルダ部
１１１，１１２  接合部材
１１３  隙間
１１４  凹み
１１５  攪拌不良
Ｍ  裏当て材
【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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