(57)【要約】【課題】溶融したワークの飛び散りやワークの接合表面に突出するバリの発生を確実に防止することができる回転子を含む摩擦攪拌接合冶具を提供する。【解決手段】先端に接合ピン４を有する円柱形状の回転子２を備えた摩擦攪拌接合冶具１であって、回転子２の外周面を環状に覆う流動抑制部材７を備え、かつ、流動抑制部材７は、被接合部材Ｗ１、Ｗ２に対して回転しない状態で支持されている。【選択図】図１
2005305486.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
先端に接合ピンを有する円柱形状の回転子を備えた摩擦攪拌接合冶具であって、
前記回転子の外周面を環状に覆う流動抑制部材を備え、かつ、前記流動抑制部材は、被接合部材に対して回転しない状態で支持されていることを特徴とする摩擦攪拌接合冶具。
【請求項２】
前記流動抑制部材の後端側に、環状に弾性体が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の摩擦攪拌接合冶具。
【請求項３】
前記弾性体の後端側は、前記回転子を取り巻く環状の取付部材に固定されていることを特徴とする請求項２に記載の摩擦攪拌接合冶具。
【請求項４】
前記流動抑制部材と前記回転子との間隙に、潤滑剤が充填されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の摩擦攪拌接合冶具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、摩擦攪拌接合冶具に係り、特に、溶融したワークの飛び散りやワークのバリの発生を防止可能な摩擦攪拌接合冶具に関する。
【背景技術】
【０００２】
アルミニウムやマグネシウム、鉄等の金属材料や樹脂材料等よりなる被接合部材（以下、ワークという。）を接合する方法として、近年、摩擦攪拌接合法が注目され、種々の摩擦攪拌接合冶具が開発されている。この摩擦攪拌接合法は、従来のアーク溶接等の接合法に比べ、接合後のワークのひずみが小さく、アーク溶接における接合強度以上の接合強度が得られるという特徴を有する。
【０００３】
この摩擦攪拌接合冶具は、図５に示すように、通常、先端に接合ピン１０１と呼ばれる突起部を有する円柱形状の回転子１００を備えている。そして、回転子１００を高速で回転させながら、裏側から裏当て材Ｍがあてがわれた重ね合わせ状態或いは端部を突き合わせた状態の一対のワークＷ１、Ｗ２の接合点Ｐに接合ピン１０１を押し付け［図５（Ａ）参照］、接合点近傍が摩擦熱で軟化したら、さらに接合ピン１０１を圧入し［図５（Ｂ）参照］、接合ピン１０１や接合ピンを支える回転子１００のショルダ部１０２で軟化したワークW１、W２の接合点近傍を攪拌し、塑性流動を生じさせて、ワーク同士を冶金的に一体化させる［図５（Ｃ）参照］。
【０００４】
しかし、回転子１００のショルダ部１０２が高速回転によりワークと擦れ合うため、溶融したワークの一部が飛び散ったり、ワーク表面のショルダ部縁端に相当する部分に円弧状に突出したバリＢが発生したりすることがある（図６参照）。このようなバリは、製品の外観や品質等の観点から好ましいものとは言えず、除去が必要となる。しかし、作業工程に除去作業が加わるために工程数が増加する上、手間がかかり、製品のコストアップにつながるという問題があった。
【０００５】
また、バリを生じたり飛び散った分、接合部分のワークの量が減り、接合部分のワーク中に空隙を生じる等して、接合強度が低下してしまう場合もあった。
【０００６】
そのため、このようなバリの発生や飛び散りを防止するための冶具として、回転子のショルダ部の縁端部にリング状の凸部を形成し、このリング状凸部と接合ピンの間のショルダ部に溶融したワークを溜める溜まり部を設けた回転子が提案されている（特許文献１参照）。また、回転子のショルダ部の縁端部に外向きにバリの切削用の突起を設け、発生したバリを回転子の回転に伴って回転する前記突起により除去する回転子が提案されている（特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２００２−２２４８５９号公報
【特許文献２】特開２００２−６６７６０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１に記載の回転子を用いて実際に摩擦攪拌接合を行うと、溶融したワークが前記溜まり部に溜まらずに、或いは溜まり部から溢れて、飛び散ったり、バリが発生してしまうことがあり、バリの発生や飛び散りを必ずしも確実に防止できるとは言えない。
【０００８】
また、特許文献２に記載の回転子では、回転子とともに回転する切削用の突起の回転子に対する取り付け位置や取り付け角度、或いは回転子のワークに対する押し付けを適切に調整しないと、切削用の突起によりバリが的確に除去できなかったり、切削用の突起がワークに当たり、新たにバリが発生したりワークが飛び散ったりするという問題がある。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、溶融したワークの飛び散りやワークの接合表面に突出するバリの発生を確実に防止することができる回転子を含む摩擦攪拌接合冶具を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記の問題を解決するために、請求項１の摩擦攪拌接合冶具は、先端に接合ピンを有する円柱形状の回転子を備えた摩擦攪拌接合冶具であって、前記回転子の外周面を環状に覆う流動抑制部材を備え、かつ、前記流動抑制部材は、被接合部材に対して回転しない状態で支持されていることを特徴とする。
【００１１】
請求項１に記載の発明によれば、接合ピンが摩擦熱により軟化した被接合部材（すなわちワーク）に圧入され、回転子の先端部分のショルダ部がワークに接触して摩擦熱によりワークを加熱する状態で、回転子の外周面を環状に覆う流動抑制部材がワークに対して回転しない状態でワークに当接する。
【００１２】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の摩擦攪拌接合冶具において、前記流動抑制部材の後端側に、環状に弾性体が設けられていることを特徴とする。
【００１３】
請求項２に記載の発明によれば、前記流動抑制部材がワークに対して回転しない状態でワークに当接する際に、流動抑制部材の後端側に設けられた弾性体の弾発力により、流動抑制部材がワークに押圧される。
【００１４】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の摩擦攪拌接合冶具において、前記弾性体の後端側は、前記回転子を取り巻く環状の取付部材に固定されていることを特徴とする。
【００１５】
請求項３に記載の発明によれば、取付部材を摩擦攪拌接合装置本体に固定することにより、弾性体を介して流動抑制部材を取付部材に固定でき、流動抑制部材が回転子の回転に引きずられて回転することが阻止される。
【００１６】
請求項４に記載の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の摩擦攪拌接合冶具において、前記流動抑制部材と前記回転子との間隙に、潤滑剤が充填されていることを特徴とする。
【００１７】
請求項４に記載の発明によれば、流動抑制部材と回転子との間に潤滑剤が充填されていることにより、回転子の高速回転がスムーズになり、回転子の回転により流動抑制部材に加わる回転モーメントがより低減される。
【発明の効果】
【００１８】
請求項１に記載の発明によれば、摩擦攪拌接合冶具の回転子先端の接合ピンが摩擦熱により軟化した被接合部材（すなわちワーク）に圧入され、回転子の先端部分のショルダ部がワークに接触して摩擦熱によりワークを加熱する状態で、回転子の外周面を環状に覆う流動抑制部材がワークに対して回転しない状態でワークに当接するため、回転子の高速回転により軟化・溶融したワークの回転子外側への流出が、ワークに当接した流動抑制部材により効果的に阻止される。また、流動抑制部材自体はワークに対して回転しないため、流動抑制部材の回転による溶融したワークの飛び散りやバリの発生を回避できる。
【００１９】
このように、摩擦攪拌接合時のワークの飛び散りやバリの発生を確実に防止することが可能となると同時に、接合作業においてバリの除去作業が不要となり、手間が省ける上、ワークの接合部分に溶融したワークが留まるため、接合部分に空隙が生じたり、接合強度が低下する事態を有効に回避することができる。
【００２０】
請求項２に記載の発明によれば、前記流動抑制部材がワークに対して回転しない状態でワークに当接する際に、流動抑制部材の後端側に設けられた弾性体の弾発力により、流動抑制部材がワークに押圧されるため、前記請求項１に記載の発明の効果に加え、流動抑制部材が軟化・溶融したワークの回転子外側への流出を阻止する効果を、より有効に発揮させることが可能となる。
【００２１】
請求項３に記載の発明によれば、取付部材を摩擦攪拌接合装置本体に固定することにより、弾性体を介して流動抑制部材を取付部材に固定できるため、流動抑制部材が回転子の回転に引きずられて回転することが有効に阻止され、前記請求項に記載の発明の効果をより確実に発揮することが可能となる。
【００２２】
請求項４に記載の発明によれば、流動抑制部材と回転子との間に潤滑剤が充填されていることにより、回転子の高速回転がスムーズになり、回転子の回転により流動抑制部材に加わる回転のモーメントがより低減される。そのため、前記請求項に記載の発明の効果がより効果的に発揮されるとともに、回転子や流動抑制部材、さらには弾性体や取付部材に加わる余分な回転モーメントが低減され、各部材の消耗が緩和される。また、無駄な電力消費が回避できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明に係る摩擦攪拌接合冶具の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００２４】
図１（Ａ）は、本実施形態の摩擦攪拌接合冶具の斜視図であり、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）の摩擦攪拌接合冶具のＸ−Ｘ線断面図である。摩擦攪拌接合冶具１は、円柱形状の回転子２を備えている。回転子２は、後端側の図示しない摩擦攪拌接合装置本体により軸心Ｌを中心に高速回転されるように構成されている。本実施形態では、回転子２の外周面３には、摩擦係数が小さくなるように表面処理が施されている。
【００２５】
回転子２の先端面中央部には、先端角部が面取りされた円柱形状の接合ピン４が回転子２と同軸になるように回転子２と一体的に突設されている。接合ピン４の長さ等は、接合する図示しないワークの厚さ等により適宜選択される。
【００２６】
回転子２の先端面であって接合ピン４の外周部分には、外周縁部から中心の接合ピン４に向かうに従って回転子内部に入り込むように、すなわち、対向するワークから遠ざかるように傾斜するショルダ部５が設けられており、このショルダ部５は、摩擦熱により溶融したワークを収容するようになっている。従って、ショルダ部５の傾斜の度合、すなわち、接合ピン４の外周とショルダ部５により形成される溶融したワークの溜まり部６の容積は、接合ピン４により押し出される溶融したワークをすべて収容できるように適宜決定される。
【００２７】
回転子２の外周側には、円筒形状の流動抑制部材７が外周面３を環状に覆うように設けられている。本実施形態では、流動抑制部材７の内面８には、回転子２の外周面３と同様に、摩擦係数が小さくなるように表面処理が施されている。また、回転子２と流動抑制部材７との間隙には、潤滑剤９が充填されており、潤滑剤９としては、油類や固体潤滑剤等が用いられる。回転子２と流動抑制部材７との間隙は、０．５ｍｍ以下程度の範囲内で適宜設定される。
【００２８】
流動抑制部材７の後端側には、バネやゴム材料等よりなる円筒形状の弾性体１０が流動抑制部材７と同様に潤滑剤９を介して回転子２の外周面３を環状に覆うように設けられており、流動抑制部材７と弾性体１０とは固定されている。弾性体１０は、流動抑制部材７を図示しないワークに対して押し付けるためのものであり、その弾性率は、接合ピン４の長さやワークの板厚、材質、強度、接合圧力、接合している時間、回転子２の回転数等の要素を勘案して適宜決定される。
【００２９】
また、弾性体１０の後端側は、回転子２を取り巻くように環状の取付部材１１に固定されており、取付部材１１は図示しない摩擦攪拌接合装置本体に固定されている。つまり、本実施形態では、流動抑制部材７および弾性体１０は、取付部材１１を介して摩擦攪拌接合装置本体に固定されることにより、図示しないワークに対して回転しないように支持されている。
【００３０】
このように、流動抑制部材７や弾性体１０、取付部材１１は、高速回転する回転子２に対して摺動する状態となるため、回転子２との摩擦により熱が発生する。そのため、潤滑剤９を含めて、耐熱処理が施されていることが望ましい。
【００３１】
次に、本実施形態の摩擦攪拌接合冶具１の作用について説明する。
【００３２】
図２は、本実施形態の摩擦攪拌接合冶具を用いて重ね合わせたワークをスポット溶接する状態を示す断面図であり、接合ピン４を重ね合わせたワークＷ１、Ｗ２に圧入した状態を示す。なお、摩擦攪拌接合冶具１を用いたワークＷ１、Ｗ２の接合の手順は、前述した図５（Ａ）〜図５（Ｃ）に示した手順と同様であり、図２は図５（Ｂ）に対応する。
【００３３】
図２の状態では、回転子２は軸心Ｌ［図１（Ｂ）参照］を中心に高速回転しており、接合ピン４およびショルダ部５の近傍のワークＷ１およびワークＷ２は、接合ピン４やショルダ部５との摩擦により熱を帯び、軟化・溶融し、さらに接合ピン４およびショルダ部５によって攪拌されて塑性流動を生じ、一体化する。
【００３４】
一方、流動抑制部材７は、弾性体１０を介して摩擦攪拌接合装置本体に取り付けられた取付部材１１に固定されており、ワークに対しては回転せず、静止している。また、回転子２は、摩擦熱を発生させるために、ワークＷ１の表面よりやや押し込まれた状態となるが、流動抑制部材７は、弾性体１０の弾発力により、ワークＷ１の表面に押し付けられた状態となる。
【００３５】
摩擦熱により軟化・溶融したワークは、接合ピン４やショルダ部５から押圧されるが、裏側からあてがわれた裏当て材Ｍにより図中下方には流動できずに、ショルダ部５に形成された溜まり部６に入り込む。また、溶融したワークの一部はショルダ部５の縁端から回転子２の外側に流れ出ようとする。しかし、前述したように、回転子２の外側では、流動抑制部材７が弾性体１０によりワークに押圧されているために、それを超えて摩擦攪拌接合冶具１の外側に流れ出すことができず、ワークの接合部に留まる。
【００３６】
以上のように、本実施形態の摩擦攪拌接合冶具１によれば、回転子２の高速回転により軟化・溶融したワークの回転子外側への流出が、弾性体１０の弾発力によりワークに押圧された流動抑制部材７により効果的に阻止される。そのため、摩擦攪拌接合時のワークの飛び散りやバリの発生を確実に防止することが可能となる。
【００３７】
また、その際、流動抑制部材自体がワークに対して回転しないため、流動抑制部材７の回転により溶融したワークが飛び散ったりワークに新たにバリが発生したりする事態を回避できる。
【００３８】
さらに、流動抑制部材７により、バリの発生が確実に防止されるため、接合作業においてバリの除去作業が不要となり、手間が省ける上、ワークの接合部分に溶融したワークが留まるため、接合部分に空隙が生じたり、接合強度が低下する事態を有効に回避することができる。
【００３９】
なお、本実施形態では、摩擦攪拌接合冶具１により、重ね合わせたワークをスポット溶接する場合について述べたが、図３に示すように、端部を突き合わせた状態のワークをスポット溶接する場合もまったく同様に説明できる。
【００４０】
また、例えば、図４に示すように、回転子２を高速回転させ、端部を突き合わせた状態のワークＷ１、Ｗ２の突き合わせ面Ｆに接合ピン４を圧入させた状態で、摩擦攪拌接合冶具１を突き合わせ面Ｆに沿って移動させて、一対のワークＷ１、Ｗ２を連続的に接合することも可能である。この場合、接合ピン４およびショルダ部５は、移動方向前方のワークを摩擦熱で溶融し、攪拌しながら後方へ送る。その際、前記と同様に、弾性体１０の弾発力によりワークＷ１、Ｗ２に押圧された流動抑制部材７が、溶融したワークの流出を効果的に阻止するので、溶融したワークの飛び散りやワークのバリの発生を確実に防止することができる。重ね合わせた一対のワークを連続接合する場合も同様である。
【００４１】
さらに、本実施形態では、流動抑制部材７の後端側に弾性体１０が設け、さらにその後端を取付部材１１に取り付けて、流動抑制部材７を弾性体１０の弾発力によりワークに押圧すると同時に、回転子２の回転に引きずられることなくワークに対して回転しない状態とした。しかし、これを他の方法や手段により実現することも可能である。例えば、流動抑制部材７の後端側に環状の弾性体１０を設ける代わりに、流動抑制部材７の外周面と取付部材１１や摩擦攪拌接合装置本体とを流動抑制部材７の回転を阻止する状態でバネ等の弾性体で連結することによっても前記状態を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】（Ａ）は本実施形態の摩擦攪拌接合冶具の斜視図であり、（Ｂ）は（Ａ）の摩擦攪拌接合冶具のＸ−Ｘ線断面図である。
【図２】本実施形態の摩擦攪拌接合冶具を用いて重ね合わせたワークをスポット溶接する状態を示す断面図である。
【図３】本実施形態の摩擦攪拌接合冶具を用いて端部を突き合わせたワークをスポット溶接する状態を示す断面図である。
【図４】本実施形態の摩擦攪拌接合冶具を用いて端部を突き合わせたワークを連続接合する状態を示す斜視図である。
【図５】従来の摩擦攪拌接合冶具を用いて重ね合わせたワークを接合する状態を示す図である。
【図６】ワーク表面に突出したバリを説明する図である。
【符号の説明】
【００４３】
１    摩擦攪拌接合冶具
２    回転子
４    接合ピン
７    流動抑制部材
９    潤滑剤
１０  弾性体
１１  取付部材
Ｗ１、Ｗ２  被接合部材（ワーク）
【図１】
2005305486.tif 000003
【図２】
2005305486.tif 000004
【図３】
2005305486.tif 000005
【図４】
2005305486.tif 000006
【図５】
2005305486.tif 000007
【図６】
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