(57)【要約】【課題】接合ツールを用いる摩擦攪拌接合において、摩擦力を低減できる方法を提供する。【解決手段】被加工物６より硬い材質にて形成された接合ツール１を、被加工物６の接合部に回転させながら押圧挿入して、接合方向に相対的に移動させることにより、被加工物６を摩擦攪拌接合する接合方法において、電源装置１０により、接合ツール１と被加工物６とのあいだに電流を流し、接合ツール１を抵抗発熱させる。抵抗発熱を併用することにより、摩擦力を低減することができる。接合ツール１の表面には、導電性セラミック７をコーティングして、この導電性セラミック７を抵抗発熱させるのがよい。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加工物より硬い材質にて形成された接合ツールを、前記被加工物の接合部に回転させながら挿入し、接合方向に相対的に移動させて前記被加工物を摩擦攪拌接合する接合方法において、前記接合ツールと前記被加工物との間に電流を流して前記接合ツールを抵抗発熱させることを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
【請求項２】
被加工物より硬い材質にて形成された接合ツールを回転させながら、前記被加工物の接合部に押し込んで接合方向に相対移動させることにより、前記被加工物を摩擦攪拌接合する接合方法において、前記接合ツールのうち少なくとも前記被加工物中に挿入される部分に発熱体の被覆層を形成しておき、前記接合ツールと前記被加工物との間に電流を流して前記発熱体を抵抗発熱させることを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
【請求項３】
請求項２において、前記発熱体は導電性セラミックであることを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
【請求項４】
請求項３において、前記導電性セラミックは炭化珪素であることを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
【請求項５】
請求項２において、前記接合ツールは大径のショルダの先端に小径のピンを有するものであり、前記ピンの表面を前記発熱体で覆い、前記ショルダの表面を絶縁性セラミックで覆うことを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
【請求項６】
請求項２おいて、前記接合ツールは大径のショルダの先端に小径のピンを有しており、前記ピンの先端部分を前記発熱体で覆い、前記ピンの残りの部分及び前記ショルダの表面を絶縁性セラミックで覆うことを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
【請求項７】
請求項２において、前記接合ツールを絶縁性セラミックで形成し、該ツールの表面を前記発熱体で覆ったことを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
【請求項８】
請求項２において、前記接合ツールは大径のショルダの先端に小径のピンを有するものであり、前記ピンの表面全体及び前記ショルダの表面を前記発熱体で覆い、更に該発熱体の外側に前記ピンの先端部分を除いて絶縁性セラミックの被覆層を形成したことを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
【請求項９】
請求項３において、前記導電性セラミックよりなる被覆層の外側を更に導電性の高いセラミックで覆ったことを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
【請求項１０】
請求項９において、前記接合ツールの最外面に形成される前記セラミックは、その下層に形成される前記導電性セラミックよりも耐摩耗性が優れた材料よりなることを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
【請求項１１】
請求項３において、前記接合ツールは大径のショルダの先端に小径のピンを有するものとし、前記ピンの先端部分を覆うセラミックと前記ピンの側面部分及び前記ショルダの表面を覆うセラミックの材質を変え、前記ピン先端部分を覆うセラミックの導電性を高くしたことを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
【請求項１２】
請求項１において、前記接合ツールと前記被加工物との間に流す電流の電圧が一定になるように制御することを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
【請求項１３】
請求項２において、前記接合ツールと前記被加工物との間に流す電流の電圧が一定になるように制御することを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
【請求項１４】
請求項２において、前記発熱体の発熱量が一定になるように、電圧もしくは電流を制御することを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
【請求項１５】
被加工物よりも硬い材質で形成された接合ツールを、被加工物の接合部に回転させながら押し込み、接合方向に相対移動させることで摩擦攪拌接合を行うようにした摩擦攪拌接合装置において、前記接合ツールと前記被加工物との間に電流を流して前記接合ツールを抵抗発熱させる電源装置を備えたことを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
【請求項１６】
請求項１５において、前記接合ツールのうち少なくとも前記被加工物中に挿入される部分に発熱体の被覆層を形成しておき、前記接合ツールと前記被加工物との間に電流が流れたときに前記発熱体が抵抗発熱するようにしたことを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
【請求項１７】
請求項１６において、前記発熱体が導電性セラミックであることを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
【請求項１８】
請求項１５において、前記接合ツールがスピンドルにて保持されるようにし、前記スピンドルと前記被加工物との間に前記電源装置によって電流が流れるようにした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、回転する接合ツールを被加工物の接合部に挿入して摩擦攪拌接合を行う方法と摩擦攪拌接合装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
被加工物を溶融せずに固相で接合する方法の一つに、被加工物より硬い材質で作られた接合ツールを、二つの被加工物の接合部に回転させながら圧入し、接合方向に沿って移動させて、接合ツールの回転によって生ずる摩擦攪拌現象を利用して接合する方法があり、摩擦攪拌接合と称されている。
【０００３】
摩擦攪拌接合のなかには、接合部近傍をレーザ等の外部熱源により予熱するようにしたものもある（例えば特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１０−２２５７８１号公報（要約，請求項１，図１）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
摩擦攪拌接合において、接合ツールと被加工物との間に発生する摩擦熱のみにより接合部の温度を上昇させた場合には、厚板の摩擦攪拌接合などでは摩擦力の発生が非常に大きくなる。摩擦力が大きいと、被加工物が変形しやすくなり、また接合ツールの寿命も短くなる。レーザ等で外部から予熱しても、接合部の温度を上昇させるのはほとんどが摩擦力によるものである。そのため、接合ツールもしくはその反作用として被加工物には大きな摩擦力が作用する。
【０００６】
本発明は、摩擦攪拌接合において、摩擦力の発生を低減できる方法及び装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明では、接合ツールを用いる摩擦攪拌接合において、被加工物と接合ツールの間に電流を流して、接合ツールを抵抗発熱させるようにしたものである。抵抗発熱を併用することで、摩擦力の発生を抑制することができる。
【０００８】
摩擦攪拌接合では、通常、接合ツールに金属材料が用いられるので、被加工物と接合ツールの間に電流を流すようにすれば、接合ツールを抵抗発熱させることができる。しかし、より好ましくは、接合ツールが抵抗発熱しやすいようにツール表面に発熱体の被覆層を設けておくべきである。発熱体には、導電性セラミックを用いることができる。本発明に適用可能な導電性セラミックには、炭化珪素（ＳｉＣ），窒化チタン（ＴｉＮ），窒化クロム（ＣｒＮ），窒化アルミニウム（ＡｌＮ），炭化チタン（ＴｉＣ）などがあるが、耐磨耗性，機械的強度及び靭性等を勘案すると炭化珪素が最も望ましい。
【０００９】
導電性セラミックのコーティング方法としては、ＣＶＤ，ＰＶＤ，プラズマ
ＰＶＤ，溶射などを適用できる。セラミックの材質によりコーティング方法を選ぶのがよい。炭化珪素のコーティングではＣＶＤが望ましい。
【００１０】
導電性セラミックの被覆厚さは、厚いと電気抵抗が高くなり発熱量が多くなるので好ましいが、厚すぎるとコーティングに時間がかかり、薄すぎるとコーティングされない部が残るので、一般的には０.５ 〜１０μｍの範囲が望ましい。
【００１１】
摩擦攪拌接合では、通常、大径のショルダの先端に小径のピンを設けた接合ツールが用いられ、ショルダが被加工物の表面に接するまでピンが被加工物の中に押圧挿入される。摩擦攪拌現象は、ショルダの部分とピン側面の部分で特に活発に生ずる。したがって、ショルダ及びピン側面での発熱量を高めることは望ましく、その一つの方法としては、ピン先端部分を、ショルダ及びピン側面に形成されるセラミックよりも導電性が高いセラミックで被覆することが有効である。また、摩擦攪拌接合では、接合ツールのピン先端部分が特に磨耗しやすいので、このピン先端部分に形成される導電性セラミックには、特に耐磨耗性のすぐれたものを使用するようにするとよい。
【００１２】
接合ツールの表面の一部を絶縁性セラミックでコーティングし、残りを導電性セラミックでコーティングするのが有効な方法であり、この場合の具体的な構造及び作用効果については、後述の実施例で述べる。
【００１３】
本発明を実施するに当たっては、接合ツールと被加工物とのあいだに一定の電圧をかけることが望ましい。また、抵抗発熱の発熱量が一定になるように、接合ツールと被加工物とに流す電圧と電流を制御することが望ましい。
【００１４】
本発明の摩擦攪拌接合装置は、接合ツールと被加工物との間に電流を流すための電源装置を備える。接合ツールをスピンドルで保持し、スピンドルと被加工物との間に電流を流すようにするのがよい。
【００１５】
本発明は、アルミニウム又はアルミニウム合金，銅又は銅合金の接合だけではなく、融点の高い炭素鋼，ステンレス鋼，チタン等の金属材料などを接合する場合にも適用できる。本発明は、この種の高融点材料を接合するのに特に有効な方法といえる。本発明は、厚板の摩擦攪拌接合に適する。
【００１６】
【発明の実施の形態】
実施例１
図１は、接合ツールが被加工物の接合部に挿入された状態の断面図を示す。図２は斜視図である。ただし、電源装置は図示するのを省略した。接合ツール１は大径のショルダ２および小径のピン３を有する。この接合ツール１は回転した状態で被加工物６に圧入される。この状態で接合ツール１を図２に示すように接合方向に移動させることにより接合が行われる。接合ツール１はベアリング４とスピンドル壁５により保持されている。また、電源装置１０により、スピンドル壁５と被加工物６とのあいだに電流が流れるようになっている。
【００１７】
接合ツール１の回転により、被加工物６が塑性流動して塑性流動部８が形成される。この塑性流動部８は、図２の攪拌部１１と考えてよい。
【００１８】
接合ツール１には、被加工物６と接触する表面部分に導電性セラミック７がコーティングされている。電源装置１０によりスピンドル壁５と被加工物との間に電流を流すと、導電性セラミック７が抵抗発熱して、摩擦熱とともに接合部の温度を上昇させる。接合ツールと被加工物との間に流す電流は、定電圧とすることが望ましい。それは、接合温度が上がると導電性セラミック７の抵抗値も大きくなるが、発熱量は電流と電圧の積であり、定電圧とすることで抵抗値が大きくなると電流値が下がり発熱量そのものが低くなり、一方、接合温度が下がると逆に発熱量が大きくなるといった制御機構が働くためである。
【００１９】
発熱量をより精度よく制御する必要がある場合には、電流と電圧を測定して、所定の発熱量になるように電圧を制御しながら接合することが望ましい。なお、電源装置１０からの電流は直流と交流のどちらでも良い。また、直流の場合でも被加工物６側を正極にしても負極にしてもどちらでも同様の効果が得られる。
【００２０】
本実施例により、ＪＩＳ規格５０５２のアルミニウム合金よりなる板厚５mmの板を突合せ接合した。接合ツール１の回転数は４００rpm にし、接合ツール１の移動速度すなわち接合速度は６００mm／min にした。接合ツール１の材質には工具鋼を用い、その表面に導電性セラミック７である炭化珪素をＣＶＤによりコーティングした。導電性セラミック７の膜厚は１μｍとした。この膜厚は一定にせずに、摩擦熱の発生が大きいショルダ２の表面部を厚くし、ピン３の表面部を薄くするなどして、ピン３の表面部の抵抗発熱量を多くして、塑性流動部８の温度を制御することも可能である。
【００２１】
接合ツール１と被加工物６とのあいだに電圧をかけて、導電性セラミック７を抵抗発熱させる場合の導電性セラミック７の抵抗値であるが、ベアリング４と接合ツール１とのあいだの接触抵抗値より大きいことが望ましい。これは、ベアリング４で抵抗発熱させるとベアリング４の寿命が短くなるためである。ベアリングの寿命低下が懸念される場合には、ベアリング４を水冷などにより冷却しながら接合することも有効である。
【００２２】
本発明によれば、抵抗発熱と摩擦熱の両者により接合部を加熱することができるため、接合ツール１を回転させるトルクを小さくでき、接合ツール１を回転させるモータも容量の小さいものにすることができる。
【００２３】
図３は、本実施例とツールを抵抗発熱させない従来方法について、接合ツールの回転トルクを比較したグラフである。本発明では、抵抗発熱を併用しているため、従来法では５０Ｎｍと大きなトルクであるが、本発明によれば１５Ｎｍと約１／３の値になった。このため、従来法では主軸のモータ容量は定格１１ｋＷが必要であるが、本発明では定格３.７ｋＷ のモータ容量で対応できモータを小型化することが可能になった。
【００２４】
図４は、本発明法と従来法との下向き荷重の比較を示す。ここで、下向き荷重とは被加工物６の板厚方向に作用する荷重である。従来法では２０ｋＮであるが、本発明では５ｋＮと小さくなった。そのため、接合ツール１の回転モータを小型化でき、装置剛性も高くする必要がなく、接合装置の小型化もしくは省スペース化が可能である。
【００２５】
実施例２
図５は、接合ツール１のピン３表面のみを導電性セラミック７によりコーティングし、ショルダ２の表面には絶縁性セラミック２１をコーティングしたものである。絶縁性セラミック２１には、サイアロン，窒化珪素（Ｓｉ3Ｎ4）等を用いることが望ましい。また、絶縁性セラミックの厚さ及びコーティング方法は、導電性セラミックの場合と同じでよい。本実施例では、絶縁性セラミック２１は発熱しないため、ピン３の表面のみを選択的に発熱させることができる。一般には、摩擦熱は、周速度が大きいことからピン３よりショルダ２の表面で発生する割合が高く、ショルダ２近傍の温度の上がりすぎを防ぐという観点から、抵抗発熱はピン３部で発生させることが望ましい。
【００２６】
実施例３
図６は、ピン３先端部のみが抵抗発熱するように、絶縁性セラミック２１をショルダ２の表面とピン３の根元の表面にコーティングし、ピン先端部には導電性セラミック７をコーティングした実施例を示す。本実施例により、塑性流動部８の温度分布を制御することができる。従来法では周速度の最も大きいショルダ２表面での発熱量が多すぎるため温度が高くなりすぎる場合があったが、本実施例では抵抗発熱はピン３の先端でのみ発生するために塑性流動部８の温度がより均一になり、接合速度を速くしても欠陥のない接合が可能になる。
【００２７】
実施例４
図７は、接合ツール１の本体を絶縁性セラミックで形成し、導電性セラミック７をベアリング４との接触部分までコーティングして電流を流れるようにしたものである。絶縁性セラミックには、例えばサイアロンが用いられる。炭素鋼やステンレス鋼を摩擦攪拌接合する場合には、接合ツール１の材質を工具鋼としたのでは高温強度が低く使用できない。サイアロンなどのセラミックを用いることで接合が可能になる。しかし、この場合、サイアロンは絶縁性セラミックであるため電流を流すことができない。そこで、本実施例では、導電性セラミック７のコーティング面積をベアリング４の部分まで拡大して電流が流れるようにしたものである。本実施例により、融点の高い炭素鋼を接合することができる。なお、この場合には、被加工物６と接触した部位の導電性セラミックでの発熱を促進させるため、ショルダ２の表面にコーティングした導電性セラミック７の膜厚を厚くし、例えば５〜１０μｍにすることが望ましい。
【００２８】
実施例５
図８は、実施例４において、ショルダ２の表面とピン３の側面に更に絶縁性セラミック２１をコーティングしたものである。炭素鋼などを接合する場合には、ショルダ３の周速度が高くなり摩擦熱が高くなりやすいが、本実施例によればショルダ２表面の接合温度の上がりすぎを防止することができる。すなわち、ピン３の先端近傍のみを抵抗発熱させることにより、従来の接合方法に比べて接合ツール１の回転数を低くすることが可能になり、ショルダ２の表面近傍での過度の発熱を防止することができる。これにより、炭素鋼などを接合する場合でも塑性流動部８の温度分布を均一にし、変形等の欠陥の発生を抑制できる。
【００２９】
実施例６
図９は、接合ツール１の表面に導電性セラミック７と耐磨耗性セラミック２２をコーティングしたものである。耐磨耗性セラミック２２としては窒化ボロンなどを使用することが望ましい。本実施例により、接合ツール１の耐久性をより向上させることができる。
【００３０】
【発明の効果】
本発明により、摩擦攪拌接合において摩擦力の発生を低減することが可能になった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示す接合状態の断面図である。
【図２】本発明の接合方法を示す斜視図である。
【図３】本発明と従来法について、接合ツールの回転トルクを比較したグラフである。
【図４】本発明と従来法について、下向き荷重を比較したグラフである。
【図５】本発明の他の実施例を示す接合状態の断面図である。
【図６】本発明の更に他の実施例を示す接合状態の断面図である。
【図７】本発明の更に他の実施例を示す接合状態の断面図である。
【図８】本発明の更に他の実施例を示す接合状態の断面図である。
【図９】本発明の更に他の実施例を示す接合状態の断面図である。
【符号の説明】
１…接合ツール、２…ショルダ、３…ピン、４…ベアリング、５…スピンドル壁、６…被加工物、７…導電性セラミック、８…塑性流動部、１０…電源装置、１１…攪拌部、２１…絶縁性セラミック、２２…耐磨耗性セラミック。
【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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