(57)【要約】【課題】厚さが異なる複数種類の被接合物に対応可能な摩擦撹拌接合ツールを提供する。【解決手段】円柱状のショルダ部１と、このショルダ部１に同軸に連なり且つツール先端へ向けて段階的に外径を小さくした短円柱状のピン部２，３とを備え、ツール最先端寄りのピン部３の軸線方向長さＬ２を、薄手の被接合部材を重ねた被接合物の厚さよりもやや短く設定し、ピン部２の軸線方向長さＬ１とピン部３の軸線方向長さＬ２の合計を、厚手の被接合部材７，７を重ねた被接合物８の厚さｔ１よりもやや短く設定した構成を採る。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
接合すべき部材を重ねた被接合物に回転しながら押し付けられる摩擦撹拌接合ツールであって、円柱状のショルダ部と、当該ショルダ部に同軸に連なり且つツール先端へ向けて段階的に外径を小さくした複数の短円柱状のピン部とを備えてなることを特徴とする摩擦撹拌接合ツール。
【請求項２】
複数のピン部のうちの少なくとも一つを、ツール先端へ向けて外径が漸減するテーパ状に形成した請求項１に記載の摩擦撹拌接合ツール。
【請求項３】
ピン部にその外周面に沿ってツール軸線を中心として螺旋状に延びるねじ溝を形成した請求項１または請求項２のいずれかに記載の摩擦撹拌接合ツール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は重ね合わせ接合に適した摩擦撹拌接合ツールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
接合すべき部材を溶融させずに相互に接合する技法として摩擦撹拌接合がある（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
この技法では、被接合部材を重ねた被接合物に接合ツールを回転させながら押し付け、摩擦熱と塑性流動により軟化した材料を撹拌して同化させる。
【０００４】
次いで、接合ツールを被接合物から離して材料が同化した部位を硬化させ、被接合部材を相互に接合する。
【０００５】
接合ツールは、円柱状のショルダ部と、当該ショルダ部に同軸に連なり且つツール先端へ向けて突出する短円柱状でショルダ部よりも外径が小さいピン部とを備えている。
【特許文献１】特開２００４−１３６３６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところが特許文献１を参照すると、接合ツールのピン部だけではなく、ショルダ部をも被接合物にめり込ませるため、部材接合に際して接合ツールが押し付けられた被接合部材の表層部位に窪みが形作られる。
【０００７】
そこで、ピン部だけを被接合物にめり込ませるようにすれば、被接合部材に形成される窪みが小さくなるが、ピン部の軸線方向長さに対して被接合部材の重なり合う部位が厚い場合、被接合部材の間で材料が同化する範囲が相対的に少なくなり、接合強度が不足してしまう。
【０００８】
よって、被接合部材に形成される窪みを小さくし、厚さが異なる複数種類の被接合物に対応できるようにするためには、ピン部の軸線方向長さが被接合物に見合った接合ツールを個別に用意しなければならないし、また、組付工程によって接合ツールの交換が必要になる。
【０００９】
本発明は上述した実情に鑑みてなしたもので、厚さが異なる複数種類の被接合物に対応可能な摩擦撹拌接合ツールを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するため本発明は、接合すべき部材を重ねた被接合物に回転しながら押し付けられる摩擦撹拌接合ツールであって、円柱状のショルダ部と、当該ショルダ部に同軸に連なり且つツール先端へ向けて段階的に外径を小さくした複数の短円柱状のピン部とを備える。
【００１１】
つまり、部材相互を接合する際に、最先端のピン部の次位以降のピン部の端面、またはショルダ部の端面が、接合ツールを押し付けるべき被接合部材の表面に当接するように、被接合部材の厚さに応じてピン部をめり込ませる。
【００１２】
また、複数のピン部のうちの少なくとも一つを、ツール先端へ向けて外径が漸減するテーパ状に形成した構成を採り、当該ピン部の周速分布を相違させる。
【００１３】
あるいは、ピン部にその外周面に沿ってツール軸線を中心として螺旋状に延びるねじ溝を形成した構成を採り、当該ピン部による撹拌性を向上させる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の摩擦撹拌接合ツールによれば、下記のような優れた効果を奏し得る。
【００１５】
（１）最先端のピン部以外のピン部の端面、あるいはショルダ部の端面が、接合ツールを押し付けるべき被接合部材の表面に当接するように、被接合部材へとめり込ませることによって、厚さが異なる複数種類の被接合物の接合に際し、それぞれの被接合部材の間で材料が同化する範囲を確保することができる。
【００１６】
（２）ピン部をテーパ状に形成した場合、あるいはピン部の外周面にねじ溝を形成した場合には、それぞれの被接合部材に由来する材料が効果的に混ざり合って同化し、被接合部材をより強固に接合できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
【００１８】
図１乃至図３は本発明の摩擦撹拌接合ツールの第１の例であり、円柱状のショルダ部１と、当該ショルダ部１に同軸に連なり且つツール先端へ向けて段階的に外径を小さくした複数の短円柱状のピン部２，３とによってツール本体４を構成している。
【００１９】
ピン部２，３の外周面には、ツール本体４の回転方向に対して逆向きのねじ溝（ツール本体４の回転方向がその基端側から先端側に見て右回りであれば、左回り前進の螺旋）が形成されている。
【００２０】
ツール最先端寄りのピン部３の軸線方向長さＬ２は、図２に示す薄手の被接合部材５，５を重ねた被接合物６の厚さｔ２よりもやや短く設定してある。
【００２１】
また、ピン部２の軸線方向長さＬ１とピン部３の軸線方向長さＬ２との合計は、図１に示す厚手の被接合部材７，７を重ねた被接合物８の厚さｔ１よりもやや短く設定してある。
【００２２】
ツール本体４には、耐摩耗性を有し且つ被接合部材５や被接合部材７に比べてより硬度が高い超硬合金を用いている。
【００２３】
被接合物８の被接合部材７，７を相互に接合するときには、図１（ａ）に示すように、被接合物８を裏当て部材９に載せ、上方からツール本体４を回転させながら被接合物８に押し付け、ショルダ部１の端面１ａが上側の被接合部材７の表面に当接するまでピン部３とピン部２を被接合物８にめり込ませて、図１（ｂ）に示すように、各ピン部２，３の周囲の被接合部材７，７を摩擦熱と塑性流動により撹拌し、上下の被接合部材７，７の材料からなる同化層１０を軟化した状態で生じさせる。
【００２４】
大外径のピン部２と小外径のピン部３ではねじ溝の周速が相違し、当該ねじ溝はツール本体４の回転方向に対して逆向きであるので、上側の被接合部材７に由来する材料と下側の被接合部材７に由来する材料とが効果的に混ざり合う。
【００２５】
更に、図１（ｃ）に示すように、ツール本体４を被接合物８から引き離し、同化層１０を硬化させて被接合部材７，７を相互に接合する。
【００２６】
このように、被接合物８の厚さｔ１に比べて軸線方向長さＬ１，Ｌ２の合計がやや短いピン部２及びピン部３が、重なり合った厚手の被接合部材７，７の双方にめり込むので、同化層１０が生じる範囲を確保して被接合部材７，７を強固に接合できる。
【００２７】
被接合部材７が厚さ６ｍｍのアルミニウム、ショルダ部１の外径が３０ｍｍ、ピン部２の外径が１１ｍｍで軸線方向長さＬ１が９ｍｍ、ピン部３の外径が４ｍｍで軸線方向長さＬ２が１．５ｍｍという条件で接合を行なったところ、被接合部材７，７の引張剪断強度は、１９．９２ＫＮであった。
【００２８】
被接合物６の被接合部材５，５を相互に接合するときには、図２（ａ）に示すように、被接合物６を裏当て部材９に載せ、上方からツール本体４を回転させながら被接合物６に押し付け、ショルダ部１に隣接している大外径のピン部２の端面２ａが上側の被接合部材５の表面に当接するまで、ピン部３を被接合物６にめり込ませて、図２（ｂ）に示すように、ピン部３の周囲の被接合部材５，５を摩擦熱と塑性流動により撹拌し、上下の被接合部材５，５の材料からなる同化層１１を軟化した状態で生じさせる。
【００２９】
更に、図２（ｃ）に示すように、ツール本体４を被接合物６から引き離して同化層１１を硬化させ、被接合部材５，５を相互に接合する。
【００３０】
このように、被接合物６の厚さｔ２に比べて軸線方向長さＬ２がやや短いピン部３が、重なり合った薄手の被接合部材５，５の双方にめり込むので、同化層１１が生じる範囲を確保して被接合部材５，５を強固に接合できる。
【００３１】
被接合部材５が厚さ１ｍｍのアルミニウム、ショルダ部１の外径が３０ｍｍ、ピン部２の外径が１１ｍｍで軸線方向長さＬ１が９ｍｍ、ピン部３の外径が４ｍｍで軸線方向長さＬ２が１．５ｍｍという条件で接合を行なったところ、被接合部材５，５の引張剪断強度は、３．２ＫＮであった。
【００３２】
すなわち、ツール本体４は、厚手の被接合部材７，７の接合と薄手の被接合部材５，５の接合のどちらにも対応可能なので、これらが混在した組付工程にあってはツール本体４の交換が不要になり、時間短縮による作業効率の向上を期待できる。
【００３３】
また、薄手の被接合部材５，５の接合では、図２（ｂ）に示すように、ショルダ部１の端面１ａが被接合部材５にめり込まないため、同化層１１の内方に形成される窪みが図１（ｃ）の同化層１０の内方に形成される窪みのように過大にならない。
【００３４】
また、図３に示すように、ツール本体４のピン部２及びピン部３の軸線方向長さＬ１，Ｌ２の合計が、被接合部材１８，１８を重ねた被接合物１９の厚さｔ３よりもやや長く、しかも、ピン部３の軸線方向長さＬ２が、被接合部材１８単体の厚さよりも短い場合は、図１及び図２における裏当て部材９に代えて、ピン部３が下向きに進入可能な逃げ穴２０を有する裏当て部材２１を用意し、この裏当て部材２１に被接合物１９を載せる。
【００３５】
被接合部材１８，１８を相互に接合するのに際して、上方からツール本体４を回転させながら被接合物１９に押し付け、ショルダ部１の端面１ａが上側の被接合部材１８の表面に当接するまでピン部３とピン部２を被接合物１９にめり込ませると、上下の被接合部材１８，１８を突き抜けたピン部３の先端部が逃げ穴２０に入り込むため、裏当て部材２１にツール本体４が干渉しない。
【００３６】
図４は厚手の被接合部材７，７の接合のみを目的とした摩擦撹拌接合ツールの対比例であり、図中、図１乃至図３と同一の符号を付した部分は同一物を表わしている。
【００３７】
この摩擦撹拌接合ツールは、ショルダ部１と、当該ショルダ部１に同軸に連なるピン部２とによってツール本体１２を構成している。
【００３８】
すなわち、ツール本体１２は、前述したツール本体４からピン部３を取り除いた形状を呈している。
【００３９】
被接合物８の被接合部材７，７を相互に接合するときには、図４（ａ）に示すように、被接合物８を裏当て部材９に載せ、上方からツール本体１２を回転させながら被接合物８に押し付け、ショルダ部１の端面１ａが上側の被接合部材７の表面に当接するまで、ピン部２を被接合物８にめり込ませて、図４（ｂ）に示すように、ピン部２の周囲の被接合部材７，７を摩擦熱と塑性流動により撹拌し、同化層１３を軟化した状態で生じさせ、図４（ｃ）に示すように、ツール本体４を被接合物８から引き離し、同化層１３を硬化させて被接合部材７，７を相互に接合する。
【００４０】
被接合部材７の厚さなどの諸条件を、図１の例と同一にして被接合部材７，７の接合を行なったところ、その引張剪断強度は、１１．３８ＫＮであった。
【００４１】
つまり、ツール本体１２よりも前述したツール本体４のほうが高い引張剪断強度を得ることができる。
【００４２】
その理由は、ツール本体４の大外径のピン部２と小外径のピン部３ではねじ溝の周速が相違し、同化層１０において上側の被接合部材７に由来する材料と下側の被接合部材７に由来する材料とが効果的に混ざり合うことと、ツール本体１２で生じる同化層１３より、ピン部３がある分だけツール本体４で生じる同化層１０が広範囲になることの相乗効果に起因するものと考えられる。
【００４３】
図５は本発明の摩擦撹拌接合ツールの第２の例であり、円柱状のショルダ部１と、当該ショルダ部１に同軸に連なり且つツール先端へ向けて三段階に外径を小さくした短円柱状のピン部１４，１５，１６とによってツール本体１７を構成している。
【００４４】
各ピン部１４，１５，１６の外周面には、ツール本体１７の回転方向に対して逆向きのねじ溝（ツール本体１７の回転方向がその基端側から先端側に見て右回りであれば、左回り前進の螺旋）が形成されている。
【００４５】
このツール本体１７は、ツール最先端寄りのピン部１６の軸線方向長さに対し、被接合部材を重ねた寸法がやや厚い被接合物の接合、ピン部１６と次位のピン部１５の軸線方向長さの合計に対し、被接合部材を重ねた寸法がやや厚い被接合物の接合、ショルダ部１の端面１ａからツール先端までのピン部１４，１５，１６の軸線方向長さの合計に対し、被接合部材を重ねた寸法がやや厚い被接合物の接合の三種類に対応できる。
【００４６】
図６は本発明の摩擦撹拌接合ツールの第３の例であって、図中、図１乃至図５と同一の符号を付した部分は同一物を表わし、円柱状のショルダ部１と、当該ショルダ部１に同軸に連なり且つツール先端へ向けて段階的に外径を小さくした短円柱状のピン部２２，３とによってツール本体２３を構成している。
【００４７】
ピン部２２はツール先端へ向けて外径が漸減するテーパ状で、その外周面には、ツール本体２３の回転方向に対して逆向きのねじ溝（ツール本体２３の回転方向がその基端側から先端側に見て右回りであれば、左回り前進の螺旋）が形成されている。
【００４８】
このツール本体２３では、ピン部２２の周速分布が相違する（ショルダ部１の端面１ａに近付く寄りが速くなる）ことになるので、被接合部材に由来する材料が効果的に混ざり合って同化し、被接合部材をより強固に接合できる。
【００４９】
図７は本発明の摩擦撹拌接合ツールの第４の例であって、図中、図１乃至図６と同一の符号を付した部分は同一物を表わし、円柱状のショルダ部１と、当該ショルダ部１に同軸に連なり且つツール先端へ向けて段階的に外径を小さくした短円柱状のピン部２２，２４とによってツール本体２５を構成している。
【００５０】
ピン部２４はツール先端へ向けて外径が漸減するテーパ状で、その外周面には、ツール本体２５の回転方向に対して逆向きのねじ溝（ツール本体２５の回転方向がその基端側から先端側に見て右回りであれば、左回り前進の螺旋）が形成されている。
【００５１】
このツール本体２５では、各ピン部２２，２４の周速分布が相違する（ショルダ部１の端面１ａに近付く寄りが速くなる）ことになるので、被接合部材に由来する材料が効果的に混ざり合って同化し、被接合部材をより強固に接合できる。
【００５２】
図８は本発明の摩擦撹拌接合ツールの第５の例であって、図中、図１乃至図７と同一の符号を付した部分は同一物を表わし、円柱状のショルダ部１と、当該ショルダ部１に同軸に連なり且つツール先端へ向けて段階的に外径を小さくした短円柱状のピン部２，２４とによってツール本体２６を構成している。
【００５３】
このツール本体２６では、ピン部２４の周速分布が相違する（ショルダ部１の端面１ａに近付く寄りが速くなる）ことになるので、被接合部材に由来する材料が効果的に混ざり合って同化し、被接合部材をより強固に接合できる。
【００５４】
なお、本発明の摩擦撹拌接合ツールは、上述した実施の形態のみに限定されるものではなく、ピン部の段数を増やすこと、その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲において変更を加え得ることは勿論である。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
本発明の摩擦撹拌接合ツールは、様々な構造物の組付工程に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の摩擦撹拌接合ツールの第１の例を厚手の被接合部材に適用した場合を示す概念図である。
【図２】本発明の摩擦撹拌接合ツールの第１の例を薄手の被接合部材に適用した場合を示す概念図である。
【図３】本発明の摩擦撹拌接合ツールの第１の例を中間厚さの被接合部材に適用した場合を示す概念図である。
【図４】厚手の被接合部材の接合のみを目的とした摩擦撹拌接合ツール対比例を示す概念図である。
【図５】本発明の摩擦撹拌接合ツールの第２の例を示す概念図である。
【図６】本発明の摩擦撹拌接合ツールの第３の例を示す概念図である。
【図７】本発明の摩擦撹拌接合ツールの第４の例を示す概念図である。
【図８】本発明の摩擦撹拌接合ツールの第５の例を示す概念図である。
【符号の説明】
【００５７】
１  ショルダ部
２  ピン部
３  ピン部
５  被接合部材
６  被接合物
７  被接合部材
８  被接合物
１４  ピン部
１５  ピン部
１６  ピン部
１８  被接合部材
１９  被接合物
２２  ピン部
２４  ピン部
【図１】
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【図２】
2007160370.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2007160370.tif 000008
【図７】
2007160370.tif 000009
【図８】
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