(57)【要約】【課題】本発明の目的は、高融点部材を摩擦攪拌接合できる摩擦攪拌接合用工具の製造方法及び摩擦攪拌接合用工具を提供することである。【解決手段】本発明に係る摩擦攪拌接合用工具３の製造方法は、円柱状のシャンク部５と、シャンク部の端部に形成されたショルダ部９と、ショルダ部の端部に形成されたピン部４とを含み、イリジウム基合金からなる摩擦攪拌接合用工具において、イリジウム基合金からなるインゴット１０を形成する工程１と、インゴットから工具用円柱体２０を形成する工程３と、工具用円柱体を加工して、ショルダ部及びピン部を形成する工程４と、を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
円柱状のシャンク部と、該シャンク部の端部に形成されたショルダ部と、該ショルダ部の端部に形成されたピン部とを含み、イリジウム基合金からなる摩擦攪拌接合用工具の製造方法において、
イリジウム基合金からなるインゴットを形成する工程１と、
該インゴットから工具用円柱体を形成する工程３と、
該工具用円柱体を加工して、前記ショルダ部及び前記ピン部を形成する工程４と、を有することを特徴とする摩擦攪拌接合用工具の製造方法。
【請求項２】
前記ピン部を、研削加工、放電加工、切削加工、レーザー加工又はウォータージェット加工の少なくともいずれか一つの加工方法によって形成することを特徴とする請求項１に記載の摩擦攪拌接合用工具の製造方法。
【請求項３】
前記工程１と前記工程３との間に、前記インゴットを塑性加工する工程２を更に有することを特徴とする請求項１又は２に記載の摩擦攪拌接合用工具の製造方法。
【請求項４】
前記工程４が、放電加工、研削加工、切削加工又はレーザー加工の少なくともいずれか一つの加工方法によって、前記工具用円柱体と共通の主軸を有し、かつ、前記工具用円柱体の一方の端面側に該工具用円柱体の直径よりも小さい直径を有する先端部円柱体を形成する工程４Ａを含み、該工程４Ａは、前記ピン部の粗加工工程であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の摩擦攪拌接合用工具の製造方法。
【請求項５】
前記工程４Ａの後に、放電加工、研削加工、切削加工、レーザー加工又はウォータージェット加工の少なくともいずれか一つの加工方法によって、前記ショルダ部及び前記ピン部に深さ０．１ｍｍ以上の溝を設けずに、前記ショルダ部及び前記ピン部の仕上げ加工をするピン仕上げ工程４Ｂを有することを特徴とする請求項４に記載の摩擦攪拌接合用工具の製造方法。
【請求項６】
前記工程４Ａの後に、放電加工、研削加工、切削加工又はレーザー加工の少なくともいずれか一つの加工方法によって、前記ショルダ部及び前記ピン部に深さ０．１ｍｍ以上の溝を設けて、前記ショルダ部及び前記ピン部の仕上げ加工をするピン仕上げ工程４Ｃを有することを特徴とする請求項４に記載の摩擦攪拌接合用工具の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高融点部材を摩擦攪拌接合（Ｆｒｉｃｔｉｏｎ  Ｓｔｉｒ  Ｗｅｌｄｉｎｇ）するための摩擦攪拌接合用工具の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属の接合方法として、摩擦攪拌接合法の技術が開示されている（例えば、特許文献１又は２を参照。）。摩擦攪拌接合法については、融点が比較的低いアルミニウム又はアルミニウム合金を対象とした接合が多く検討されており、１３５０℃以上の高融点を有する金属又は合金を被接合部材として摩擦攪拌接合法を適用した報告例は少ない。しかし、本出願人は、高融点を有する白金又は白金基合金の摩擦攪拌接合法を提案している（例えば、特許文献３を参照。）。また、白金若しくは白金基合金又はステンレス鋼などの高融点部材を摩擦攪拌接合することができる摩擦攪拌接合用工具を提案している（例えば、特許文献４又は５を参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表平７−５０５０９０号公報
【特許文献２】特表平９−５０８０７３号公報
【特許文献３】特開２００４−０９００５０号公報
【特許文献４】特開２００６−３２０９５８号公報
【特許文献５】特許第４０４７３７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
白金若しくは白金基合金又はステンレス鋼などの高融点部材を摩擦攪拌接合するための摩擦攪拌接合用工具は、摩擦によって高温に発熱させてもそれに耐える化学的安定性、耐熱強度、耐摩耗性及び耐熱衝撃性を有する材料で形成することが必要である。反面、これらの材料は、加工が難しく、これまで摩擦攪拌接合に適する工具の具体的な製造方法について開示されていない。
【０００５】
本発明の目的は、高融点部材を摩擦攪拌接合できる摩擦攪拌接合用工具の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る摩擦攪拌接合用工具の製造方法は、円柱状のシャンク部と、該シャンク部の端部に形成されたショルダ部と、該ショルダ部の端部に形成されたピン部とを含み、イリジウム基合金からなる摩擦攪拌接合用工具の製造方法において、イリジウム基合金からなるインゴットを形成する工程１と、該インゴットから工具用円柱体を形成する工程３と、該工具用円柱体を加工して、前記ショルダ部及び前記ピン部を形成する工程４と、を有することを特徴とする。
【０００７】
本発明に係る摩擦攪拌接合用工具の製造方法では、前記ピン部を、研削加工、放電加工、切削加工、レーザー加工又はウォータージェット加工の少なくともいずれか一つの加工方法によって形成することが好ましい。ピン部の表面を、摩擦攪拌接合に適した粗さに加工することができる。
【０００８】
本発明に係る摩擦攪拌接合用工具の製造方法では、前記工程１と前記工程３との間に、前記インゴットを塑性加工する工程２を更に有することが好ましい。さらに高硬度で高温にて高強度な工具を得ることができる。
【０００９】
本発明に係る摩擦攪拌接合用工具の製造方法では、前記工程４が、放電加工、研削加工、切削加工又はレーザー加工の少なくともいずれか一つの加工方法によって、前記工具用円柱体と共通の主軸を有し、かつ、前記工具用円柱体の一方の端面側に該工具用円柱体の直径よりも小さい直径を有する先端部円柱体を形成する工程４Ａを含み、該工程４Ａは、前記ピン部の粗加工工程であることが好ましい。効率よく工具を製造することができる。
【００１０】
本発明に係る摩擦攪拌接合用工具の製造方法では、前記工程４Ａの後に、放電加工、研削加工、切削加工、レーザー加工又はウォータージェット加工の少なくともいずれか一つの加工方法によって、前記ショルダ部及び前記ピン部に深さ０．１ｍｍ以上の溝を設けずに、前記ショルダ部及び前記ピン部の仕上げ加工をするピン仕上げ工程４Ｂを有することが好ましい。溝なしタイプの工具を精度よく製造することができる。
【００１１】
本発明に係る摩擦攪拌接合用工具の製造方法では、前記工程４Ａの後に、放電加工、研削加工、切削加工又はレーザー加工の少なくともいずれか一つの加工方法によって、前記ショルダ部及び前記ピン部に深さ０．１ｍｍ以上の溝を設けて、前記ショルダ部及び前記ピン部の仕上げ加工をするピン仕上げ工程４Ｃを有することが好ましい。溝ありタイプの工具を精度よく製造することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明は、高融点部材を摩擦攪拌接合できる摩擦攪拌接合用工具の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】摩擦攪拌接合法の機構の一形態を示す概略図である。
【図２】工程１を説明するための概略図である。
【図３】工程３を説明するための概略図である。
【図４】工程４Ａを説明するための概略図である。
【図５】ピン部の第一形態例を示す正面図である。
【図６】ピン部の第二形態例を示す正面図である。
【図７】ピン部の第三形態例を示す正面図である。
【図８】固定部の形成工程を説明するための図であり、図５に示すピン部を有する工具用円柱体の外周に固定部を形成した状態を示す正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
次に本発明について実施形態を示して詳細に説明するが本発明はこれらの記載に限定して解釈されない。本発明の効果を奏する限り、実施形態は種々の変形をしてもよい。
【００１５】
図１は、摩擦攪拌接合法の機構の一形態を示す概略図である。図２は、工程１を説明するための概略図である。図３は、工程３を説明するための概略図である。図４は、工程４Ａを説明するための概略図である。図５は、ピン部の第一形態例を示す正面図である。図６は、ピン部の第二形態例を示す正面図である。図７は、ピン部の第三形態例を示す正面図である。本実施形態に係る摩擦攪拌接合用工具３の製造方法は、図１に示すように、円柱状のシャンク部５と、シャンク部５の端部に形成されたショルダ部９と、ショルダ部９の端部に形成されたピン部４とを含み、イリジウム基合金からなる摩擦攪拌接合用工具において、図２に示すようにイリジウム基合金からなるインゴット１０を形成する工程１と、図３に示すようにインゴット１０から工具用円柱体２０を形成する工程３と、図４〜図７に示すように工具用円柱体２０を加工して、ショルダ部９及びピン部４を形成する工程４と、を有する。
【００１６】
次に、各工程について順に説明する。
【００１７】
（工程１）
本実施形態に係る摩擦攪拌接合用工具３の製造方法は、図２に示すように、工程１として、イリジウム基合金からなるインゴット１０を形成する工程を有する。インゴット１０は、例えば、ＩｒとＩｒ以外の金属種とを所定の質量比率で配合し、これを溶解して形成することが好ましい。溶解方法としては、例えば、アーク溶解、高周波溶解、プラズマ溶解、真空溶解である。インゴット１０の形状は、図２に示す円柱状の他、例えば、楕円柱状、角柱状である。
【００１８】
（工程２）
本実施形態に係る摩擦攪拌接合用工具３の製造方法は、前記した工程１と後述する工程３との間に、工程２として、インゴット１０を塑性加工する工程を有することが好ましい。塑性加工の目的は、溶解欠陥の消失、結晶粒の微細化、結晶粒の均一化及び機械的特性の向上である。塑性加工は、例えば、熱間鍛造、熱間圧延である。塑性加工が、熱間圧延である場合には、インゴットを加熱してから圧延を行い、加熱温度は材質によって異なるが、インゴットを形成するイリジウム基合金の再結晶化温度以上で行うことが好ましい。ここで、再結晶化温度とは、金属材料を塑性加工した後、再び加熱すると塑性加工で発生した金属材料の内部歪みが取れて、金属材料が柔らかくなる時の温度をいう。また、熱間圧延において、加熱は、例えば、大気雰囲気中、アルゴン雰囲気中で行うことができるが、アルゴン雰囲気中で行うことがより好ましい。
【００１９】
（工程３）
本実施形態に係る摩擦攪拌接合用工具３の製造方法は、工程３として、インゴット１０から工具用円柱体２０を形成する工程を有する。
【００２０】
工程３は、図３に示すように、インゴット１０から工具用円柱体２０を切り出す。工具用円柱体２０の切り出しは、ワイヤー放電加工などの放電加工、レーザー切断加工又はウォータージェット切断加工のいずれか一つの加工方法で行うことが好ましい。これらの加工方法は、一つだけを適用するか、又は２つ以上を組み合わせて適用してもよい。
【００２１】
（シャンク部の仕上げ工程）
この工程３で切り出した工具用円柱体２０の一部をそのままシャンク部５としてもよいが、本実施形態では、工具用円柱体２０の外周を更に仕上げ加工する工程を経てシャンク部５を形成することがより好ましい。シャンク部５の仕上げ工程を行うことで、シャンク部５の外周の真円精度を高めることができ、芯ぶれのより小さい工具３を得ることができる。シャンク部５の仕上げ加工は、研削加工、放電加工、切削加工、レーザー加工又はウォータージェット加工の少なくともいずれか一つの加工方法によって形成することが好ましい。これらの加工方法は、一つだけを適用するか、又は２つ以上を組み合わせて適用してもよい。この中で、研削加工、切削加工がより好ましい。なお、シャンク部５の仕上げ工程を行う場合は、工具用円柱体２０を冶具に取付けた状態のまま取り外すことなく、次に行う工程４におけるショルダ部９及びピン部４の加工を、一連の工程で行うことが好ましい。シャンク部５、ショルダ部９及びピン部４の主軸を同軸とすることができ、芯ぶれの更に小さい工具３を得ることができる。また、シャンク部５の仕上げ工程を行う場合は、シャンク部５の仕上げ加工と、工程４におけるショルダ部９の加工と、ピン部４の加工とは、作業効率の観点から同じ加工方法を採用することがより好ましい。
【００２２】
（工程４）
本実施形態に係る摩擦攪拌接合用工具３の製造方法は、工程４として、工具用円柱体２０を加工して、ショルダ部９及びピン部４を形成する工程を有する。
【００２３】
ショルダ部９は、研削加工、放電加工、切削加工、レーザー加工又はウォータージェット加工の少なくともいずれか一つの加工方法によって形成することが好ましい。これらの加工方法は、一つだけを適用するか、又は２つ以上を組み合わせて適用してもよい。この中で、研削加工、切削加工がより好ましい。
【００２４】
ピン部４は、研削加工、放電加工、切削加工、レーザー加工又はウォータージェット加工の少なくともいずれか一つの加工方法によって形成することが好ましい。これらの加工方法は、一つだけを適用するか、又は２つ以上を組み合わせて適用してもよい。この中で、研削加工、切削加工がより好ましい。
【００２５】
ショルダ部９の加工及びピン部４の加工は、工具用円柱体２０を冶具に取付けたまま取り外すことなく、一連の工程で行うことが好ましい。冶具から取り外さずに一連の工程で加工することで、作業効率を向上することができる。また、ショルダ部９及びピン部４の主軸Ｏを同軸に形成することができ、芯ぶれのより小さい工具３を得ることができる。また、ショルダ部９の加工とピン部４の加工とは、作業効率の観点から同じ加工方法を採用することがより好ましい。
【００２６】
（工程４Ａ）
本実施形態に係る摩擦攪拌接合用工具３の製造方法では、工程４が、工程４Ａとして、ピン部４の粗加工工程を含むことが好ましい。ピン部４の粗加工工程は、放電加工、研削加工、切削加工又はレーザー加工の少なくともいずれか一つの加工方法によって、図４に示すように、工具用円柱体２０と共通の主軸Ｏを有し、かつ、工具用円柱体２０の一方の端面側に工具用円柱体２０の直径Ｄ１よりも小さい直径Ｄ２を有する先端部円柱体２３を形成する工程である。この工程４Ａを有することで、工具３を効率よく製造することができる。ピン部４の粗加工工程は、放電加工、研削加工、切削加工又はレーザー加工のうち一つだけを適用するか、又は２つ以上を組み合わせて適用してもよい。この中で、研削加工、切削加工がより好ましい。
【００２７】
工程４Ａで形成した先端部円柱体２３をそのままピン部４としてもよいが、本実施形態では、ピン仕上げ加工４Ｂ又はピン仕上げ工程４Ｃを経て形成することがより好ましい。ピン仕上げ工程４Ｂ又はピン仕上げ工程４Ｃは、ピン部４の形状に応じていずれか一方を行う。
【００２８】
（ピン仕上げ工程４Ｂ）
本実施形態に係る摩擦攪拌接合用工具の製造方法では、工程４Ａの後に、放電加工、研削加工、切削加工、レーザー加工又はウォータージェット加工の少なくともいずれか一つの加工方法によって、図５に示すようにショルダ部９及びピン部４に深さ０．１ｍｍ以上の溝を設けずに、ショルダ部９及びピン部４の仕上げ加工をするピン仕上げ工程４Ｂを有することが好ましい。このピン仕上げ工程４Ｂを有することで、工具３を精度よく製造することができる。ピン仕上げ工程４Ｂは、前記した加工方法のうち一つだけを適用するか、又は２つ以上を組み合わせて適用してもよい。この中で、研削加工、切削加工がより好ましい。
【００２９】
（ピン仕上げ工程４Ｃ）
本実施形態に係る摩擦攪拌接合用工具の製造方法では、工程４Ａの後に、放電加工、研削加工、切削加工又はレーザー加工の少なくともいずれか一つの加工方法によって、図６又は図７に示すようにショルダ部９及びピン部４に深さ０．１ｍｍ以上の溝２１（２１ａ，２１ｂ）を設けて、ショルダ部９及びピン部４の仕上げ加工をするピン仕上げ工程４Ｃを有することが好ましい。溝２１は、例えば、図６に示すような環状溝２１ａ又は図７に示すようなねじ２１ｂである。ここでいう、ねじ２１ｂの形状としては、階段状の多段の段差を含む。このピン仕上げ工程４Ｃを有することで、工具３を精度よく製造することができる。ピン仕上げ工程４Ｃは、前記した加工方法のうち一つだけを適用するか、又は２つ以上を組み合わせて適用してもよい。この中で、研削加工、切削加工がより好ましい。
【００３０】
（固定部の形成工程）
図８は、固定部の形成工程を説明するための図であり、図５に示すピン部を有する工具用円柱体の外周に固定部を形成した状態を示す正面図である。本実施形態に係る攪拌接合用工具３の製造方法では、図８に示すように、工具用円柱体２０の外周を加工して、シャンク部５の一部に、工具３を摩擦攪拌接合装置に取付けるための固定部２２を形成する工程を有することが好ましい。固定部２２の形成工程は、工程４の後に行うことがより好ましい。固定部２２の形成工程を工程４の後に行うことで、工具用円柱体２０を冶具から取り外すことなく一連の工程で、シャンク部５、ショルダ部９及びピン部４を加工することができるため、精度のより高い工具３を得ることができる。また、工具３の主軸に対応して固定部２２を形成することができるため、接合時の芯ぶれをより小さくすることができる。固定部２２の形成は、研削加工、切削加工又はワイヤー放電加工などの放電加工のいずれか一つの加工方法で行うことが好ましい。これらの加工方法は、一つだけを適用するか、又は２つ以上を組み合わせて適用してもよい。この中で、放電加工、研削加工がより好ましい。
【００３１】
次に、本実施形態に係る摩擦攪拌接合用工具３について説明する。本実施形態に係る摩擦攪拌接合用工具３は、図５、図６又は図７に示すように、円柱状のシャンク部５と、シャンク部５の端部に形成されたショルダ部９と、ショルダ部９の端部に形成されたピン部４とを含み、イリジウム基合金からなる摩擦攪拌接合用工具である。
【００３２】
本実施形態に係る摩擦攪拌接合用工具３は、少なくとも被接合部材１Ａ，１Ｂと接触する部分のＪＩＳ  Ｚ  ２２４４：２００９「ビッカース硬さ試験−試験方法」に従って測定したビッカース硬度が、２００Ｈｖ以上であることが好ましい。より好ましくは、３００Ｈｖ以上である。なお、ビッカース硬度の上限は、加工性の点で、１２００Ｈｖとすることが好ましい。上限は、より好ましくは１１００Ｈｖである。ビッカース硬度は、例えば、ビッカース硬さ試験機（ＨＶ−１１２  ミツトヨ社製）を用いて測定する。
【００３３】
次に、再び図１を参照して、摩擦攪拌接合法のプロセスについて説明する。
【００３４】
摩擦攪拌接合法は、被接合部材１Ａ，１Ｂを相互に当接又はほぼ当接させて細長の結合領域２を規定する工程と、摩擦攪拌接合用工具３を回転させながら結合領域２に挿入して摩擦攪拌接合用工具３と結合領域２との間で摩擦熱を発生させ、発熱させた結合領域中に可塑性領域を発生させて被接合部材１Ａ，１Ｂ同士を接合する工程とを含む。
【００３５】
まず、被接合部材１Ａ，１Ｂを相互に当接又は摩擦が行われることを条件にほぼ当接する。また、結合領域２は細長として、スポット接合ではなく連続した接合を行う。これによって、高融点部材を摩擦攪拌接合できる。被接合部材１Ａ，１Ｂとして、例えば、１６００℃以上の高融点を有する金属又は合金を包含する。１６００℃以上の高融点を有する金属又は合金としては、例えば、チタン、チタン基合金、白金、白金基合金又は酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム、酸化イットリウム、酸化ハフニウムなどの酸化物微粒子を分散させた酸化物分散強化型の金属若しくはその合金である。本実施形態では、被接合部材１Ａ，１Ｂとして、当然に、１６００℃未満の融点を有する金属又は合金も包含する。１６００℃未満の融点を有する金属又は合金としては、例えば、ステンレス鋼又は炭素含有量が２質量％以下の鋼である。なお、被接合部材１Ａ，１Ｂは、同質の材料とするか、又は異なる材料としてもよい。また、バックプレート６が被接合部材１Ａ，１Ｂの裏面側に配置される。
【００３６】
次に、摩擦攪拌接合用工具３を回転させ、ピン部４をゆっくりと結合領域２に挿入する。このとき、ショルダ部９と被接合部材１Ａ，１Ｂの表面とが当接している。摩擦攪拌接合用工具３は、シャンク部５の一部に形成された固定部（不図示）で装置のモータ７に取付けられて、モータ７によって回転する。ピン部４が結合領域２に挿入した状態で、摩擦攪拌接合用工具３が回転すると、摩擦によって接触点の材料を急速に加熱して、その結果、材料の機械的強度が低下する。摩擦攪拌接合用工具３は、材料をこね、押し出しながら、その進行方向８に沿って移動する。結合領域２では、ピン部４とショルダ部９とが当接しながら回転することで発生した摩擦熱が、ピン部４とショルダ部９との周りの金属に高温の可塑性領域を形成する。被接合部材１Ａ，１Ｂが摩擦攪拌接合用工具３の動きと反対方向に動くかその逆に動くと、塑性化した金属は摩擦攪拌接合用工具３の進行方向８の前端で潰れ、機械的攪拌及び摩擦攪拌接合用工具３の形状と回転方向による鍛造作用によって後端へ移動する。この結果、摩擦攪拌接合用工具３の前面の接合部を加熱し、可塑性領域を作り出す。そして、被接合部材１Ａ，１Ｂに存在する酸化膜を破壊し潰れた金属を攪拌しながら、摩擦攪拌接合用工具３の後端で可塑性領域は冷却されて固体状の溶着を形成するに至る。この現象はすべて被接合部材１Ａ，１Ｂの融点よりも低い温度で生じる。
【００３７】
摩擦攪拌接合法では、亀裂発生がなくなり、溶着金属の蒸発による合金要素のロスが無く、合金成分をそのまま保持でき、さらに溶接器具の圧入、攪拌及び鍛造作用によって微細な粒状組織が溶着金属に形成されるというメリットがある。
【符号の説明】
【００３８】
１Ａ，１Ｂ  被接合部材
２  結合領域
３  摩擦攪拌接合用工具
４  ピン部
５  シャンク部
６  バックプレート
７  モータ
８  摩擦攪拌接合用工具の進行方向
９  ショルダ部
１０  インゴット
２０  工具用円柱体
２１  溝
２１ａ  環状溝
２１ｂ  ねじ
２２  固定部
２３  先端部円柱体
【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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