(57)【要約】【課題】ボビン型摩擦攪拌接合を適用する際に、接合材のうねりやたわみに対して特別な制御設備を必要としない、接合品質に優れた接合部が作製可能なボビン型摩擦攪拌工具と、それを用いた装置を提供する。【解決手段】互いに固定間隔で配置された一対の回転体と、前記一対の回転体に設けられた攪拌軸と、を有するボビン型摩擦攪拌工具を装置の回転軸に固定する際に、装置の回転動力を前記工具に伝達すると同時に、前記工具が攪拌軸方向に可動できる機構であって、前記工具と装置の回転軸との間に配置し、装置の回転動力を前記工具に伝達する際に、複数の点接触を介することを特徴とする機構を用いる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに固定間隔で配置された一対の回転体と、前記一対の回転体に設けられた攪拌軸と、を有するボビン型摩擦攪拌工具において、
前記工具が、被接合材との接合中に、攪拌軸方向に可動する機構を備えることを特徴とするボビン型摩擦攪拌工具。
【請求項２】
請求項１において、回転軸方向に溝を有することを特徴とするボビン型摩擦攪拌工具。
【請求項３】
請求項１または２において、シャンク部に放熱機構（フィン）を有することを特徴とするボビン型摩擦攪拌工具。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかにおいて、シャンクの一部が工具材料より伝熱性の良い材料で構成されることを特徴とするボビン型摩擦攪拌工具。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに記載のボビン型摩擦攪拌工具と、
複数のボールを有するベアリングと、を備えた摩擦攪拌装置において、
前記装置の回転動力を前記工具に伝達する際に、複数の点接触を介することを特徴とする摩擦攪拌装置。
【請求項６】
請求項５において、前記工具が、装置の回転軸の外側に配置されることを特徴とする摩擦攪拌装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ボビン型摩擦攪拌接合をする際に、接合品質に優れた接合部が作製可能なボビン型摩擦攪拌工具と、それを用いた装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
被接合材よりも実質的に硬い材質の円柱状部材（以下、工具）を回転させながら被接合材の接合部に挿入し、この工具を回転させながら移動することによって、上記工具と上記被接合材との間で発生する摩擦熱により接合する摩擦攪拌接合方法が、例えば、特許文献１に記載されている。この接合方法は、工具と被接合材との摩擦熱により被接合材を軟化させ、工具の回転に伴う塑性流動現象を利用したものであり、被接合材を溶かして溶接する方法、例えば、アーク溶接などとは異なる原理に基づいている。
【０００３】
摩擦攪拌接合では、接合方法に基づく理由により，ビード裏面近傍に摩擦熱と攪拌力の不足に起因したＫissing bondと呼ばれる未接合部が形成しやすいことが非特許文献１に示されている。この種の未接合部は応力負荷時に接合部破断の起点となる可能性が高い。
【０００４】
裏面に発生し易いkissing bondの発生を防止する方法としてボビン型摩擦攪拌接合法が知られている。プローブと２つのショルダ部が一体化されたボビン型摩擦攪拌工具を用いて、表及び裏面を同時に攪拌する接合方法である。両面を同時に攪拌することで、裏面に発生しやすいkissing bondを除去することが可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】ＷＯ９３／１０９３５
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Y.S.Sato et al.: Materials Science and Engineering A, 405(1-2) (2005), 333.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、接合材にうねりやたわみが発生するなど、接合材の精度にばらつきがある場合には、ボビン型摩擦攪拌接合を適用することでロバスト性に優れた接合部を得ることは困難である。
【０００８】
接合材のうねりに対して接合品質を確保する方法としては、接合材のうねりに合せてボビン型摩擦攪拌工具の位置を制御する方法がある。回転工具の前方に非接触式変位計を使い接合材の形状を測定し、そのデータを工具の位置制御にフィードバックすることが可能である。しかし、この方法は複雑な製品形状には適用不向きであり、変位計及び制御装置などの付加設備が必要であるため、生産コストの増加の原因となる。
【０００９】
本発明の目的は、ボビン型摩擦攪拌接合を適用する際に、接合材のうねりやたわみに対して特別な制御設備を必要としない、接合品質に優れた接合部が作製可能なボビン型摩擦攪拌工具と、それを用いた装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明のボビン型摩擦攪拌工具は、互いに固定間隔で配置された一対の回転体と、前記一対の回転体に設けられた攪拌軸と、を有するボビン型摩擦攪拌工具において、前記工具が、被接合材との接合中に、攪拌軸方向に可動する機構を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、接合中のボビン型摩擦攪拌工具の位置は、下向き荷重がほぼゼロになるように回転軸方向に自動的に調整され、接合材にうねりやたわみが発生している場合にもそれに追従でき、接合品質に優れた接合部が作製可能である。なお、複数の点接触を介しているため工具の習動部が焼きつくことを防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明に属する機構の一例を示す概念図。
【図２】自動追従を評価する際に用いた試験方法の概念図。
【図３】本発明に属する機構を用いた場合の下向き荷重。
【図４】従来発明に属する機構の一例を示す概念図。
【図５】従来発明に属する機構を用いた場合の下向き荷重。
【図６】工具を回転軸の外側に配置した場合の本発明に属する機構の一例を示す概念図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明は、互いに固定間隔で配置された一対の回転体と、前記一対の回転体に設けられた攪拌軸と、を有するボビン型摩擦攪拌工具を装置の回転軸に固定する際に、装置の回転動力を前記工具に伝達すると同時に、前記工具が攪拌軸方向に可動できる機構であって、前記工具と装置の回転軸との間に配置し、装置の回転動力を前記工具に伝達する際に、複数の点接触を介することを特徴とする機構を用いることにある。
【００１４】
複数の点で接触することで、回転軸方向への動きが容易になる。これにより、接合中の前記工具の位置は、下向き荷重がほぼゼロになるように回転軸方向に自動的に調整される。接合材にうねりやたわみが発生している場合にも接合中に前記工具が接合材のうねりに対して追従できるようになり、工具の適正位置を自動的に調整可能となる。これにより、接合品質に優れた接合部が作製可能である。この際、特別な測定機器や制御設備は不要である。このような習動機構は、工具の焼きつきを防止できる面で、面接触習動より優位である。
【００１５】
複数の点接触が可能な機構としては、ボールスプラインなどがあり、前記工具を回転させながら回転軸方向にスライディングできる。その際、前記工具の回転軸方向に溝を設けることで、点接触素子により回転動力が前記工具に伝達できる。
【００１６】
このような機構において、前記工具は装置の回転軸の外側に配置することも考えられる。前記回転工具を回転軸の外側に配置することで、工具の冷却をより効果的に行うことが可能になる。前記工具のシャンク部に放熱機構（フィン）を設けることで、冷却効果を向上できる。回転軸の中心側に前記工具を配置する場合は、放熱機構（フィン）を設けられるシャンク部が小さい。そのため、前記回転工具を回転軸の外側に配置することが望ましい。また、シャンクの一部をより伝熱性の良い材料にすることで冷却効果を増加することが可能である。
【００１７】
上記機構及び工具を使用し、摩擦攪拌することで、より健全な接合を作製することが可能である。接合部の形状に自動的に追従可能であるためである。
【００１８】
以下、図面を用いて、実施例を説明する。
【００１９】
〔実施例１〕
図１は本発明に用いた機構の一例を示す。ボビン型摩擦攪拌工具１０３は２つのショルダ１０８、１０９と、プローブ１１０から構成される。ショルダ１０８、１０９の間隔は接合材１０５の板厚より若干小さく、接合中に接合材１０５を表及び裏側から押圧できる。工具１０３の軸表面には回転軸方向１０２に沿って溝１１２を加工している。ツール１０３はスリーブ１０７、ボール１１１を介して接続されている。スリーブ１０７は回転軸１１３に固定されており、回転方向１０１と同じ方向に回転する。回転軸１１３からの回転動力はスリーブ１０７、ボール１１１を通して工具１０３に伝達できる。なお、工具１０３は回転しながらボール１１１と滑るため、回転軸方向１０２に動く。工具１０３を回転させ、接合方向１０６に移動することにより、工具１０３の後方には攪拌部１０４が形成する。
【００２０】
前記工具１０３が接合中に軸方向１０２に可動できるかを評価した。図２に評価方法を示す。前記工具１０３を回転方向１０１に回転させ、接合方向１０６に移動させ接合する。その際に、距離ａでは、前記工具１０３の回転軸の下方向２０１に移動させ、その後、距離ｂでは、上方向２０２に移動させることにより、接合位置における下向き荷重を測定した。前記工具１０３の位置が自動的に調整され、良好な接合部が作製できる場合は、下向き荷重がほぼゼロになる。一方、下向き荷重がゼロにならず、大きく変動する場合は、前記工具１０３の位置が自動的に調整できていないことを意味する。
【００２１】
図３に評価結果を示す。下向き荷重は距離ａ及び距離ｂにおいてほとんど変化せず、ゼロに近い値を示した。この結果により、前記工具１０３は接合中に接合材のうねりやたわみに追従でき、信頼性の高い接合部が作製できることが判った。
【００２２】
〔実施例２〕
図４は本発明の比較として用いた機構の一例を示す。ボビン型摩擦攪拌接合工具４０３は２つのショルダ４０８、４０９と、プローブ４１０から構成される。これは前記工具１０３と同じ構成である。しかし、前記工具４０３の軸表面には前記工具１０３の表面に加工した溝１１２がない。前記ツール４０３はスリーブ４０７とキー４１１を介して接続されている。そのほかの構成は実施例１と同様である。図４に示す構成を用いると前記工具４０３とスリーブ４０７が面で習動する。そのため、ボールによる点接触に比べて軸方向への動きがスムーズでないことが予測される。
【００２３】
図４に示した機構を用いて図２に示すような評価を行った結果を図５に示す。下向き荷重は距離ａ及び距離ｂにおいて、大きく変動し、初期値を基準に約±１００ｋｇｆの荷重が発生した。この結果より、前記工具４０３は接合中に接合材のうねりやたわみに上手く追従できないことが判った。
【００２４】
〔実施例３〕
実施例１では、回転工具が回転軸の内側に有る例を示した。実施例３では、回転工具を回転軸の外側に配置した場合の例を示し説明する。
【００２５】
接合中は回転工具の温度が上昇するため、フィンのような放熱機構を設けることが望ましい。図１に示すように回転工具が回転軸の内側に有る機構では、工具１０３にフィンを設ける場所が限定的である。一方、図６に示すように、回転工具６０４を回転軸６０１の外側に配置することで、前記工具６０４のシャンク部に多くのフィンを設けることが可能である。従って、接合中の工具の温度上昇を低減できる。また、ショルダの下部にもフィン６０５を設けることで、より効果的に放熱することが可能である。これは、前記工具１０３にも適用可能である。
【００２６】
この場合、フィンを設ける部分は接合による応力の影響をほとんど受けないため、銅又はアルミニウムのような伝熱性の良い材料に置き換えることができる。このようにすることで、冷却効果はより増加する。
【符号の説明】
【００２７】
１０１、４０１  工具の回転方向
１０２、４０２  回転軸方向
１０３、４０３、６０４  工具
１０４、４０４  攪拌部
１０５、４０５  接合材料
１０６、４０６  接合方向
１０７、４０７  スリーブ
１０８、１０９、４０８、４０９  ショルダ
１１０、４１０  プローブ
１１１、６０２  ボール
１１２  溝
１１３、４１３、６０１  装置の回転軸
２０１、２０２  方向
４１１  キー
６０３、６０５  フィン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2013121606.tif 000006
【図５】
2013121606.tif 000007
【図６】
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