(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転子本体の先端軸芯部に、該回転子本体よりも径小な摩擦撹拌用プローブが一体に設けられた摩擦撹拌接合用ツールであって、
前記撹拌用プローブは、その先端から基端がわに向けて径を大きくしていく円錐状部と、該円錐状部の基端側に連設された、円錐状部よりも径大な円柱状部とを備えていることを特徴とする摩擦撹拌接合用の回転ツール。
【請求項２】
前記円錐状部は、錐面の傾斜角度が３０〜４５°の範囲において設定されている請求項１に記載の摩擦撹拌接合用の回転ツール。
【請求項３】
前記円錐状部と前記円柱状部の外周面にはねじが形成されている請求項１または２に記載の摩擦撹拌接合用の回転ツール。
【請求項４】
両腕となる第１ワークの一方の面に脚となる第２ワークを組み合わせ、第１ワークのもう一方の面がわから請求項１〜３のいずれかに記載のツールを第２ワークの肉に及ぶように作用せしめ、第１ワークと第２ワークとを摩擦撹拌接合する摩擦撹拌接合によるＴ継手の形成方法であって、
前記ツールにおけるプローブの円柱状部の直径は、前記第２ワークの板厚の１〜２倍に設定されていることを特徴とする摩擦撹拌接合によるＴ継手の形成方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、摩擦撹拌接合用ツール、及び、同ツールを用いた継手、例えばアルミニウム等の金属製構造材等のワークのＴ継手の形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
アルミニウム等の金属製構造材の接合方法として、摩擦撹拌接合法と称される接合法がある。
【０００３】
この摩擦撹拌接合法は、構造材同士を固相接合させるもので、図４に示されるような回転子（１）をツールとして用いる。この回転子（１）は、円柱状回転子本体（２）の先端軸芯部に、この円柱状回転子本体（２）よりも径小なピン状の摩擦撹拌用プローブ（３）を同軸一体に突設させたもので、硬質で耐熱性に優れた、鋼などの材料にて製作されている。
【０００４】
接合は、図５に示されるように、この回転子（１）を自軸回りで回転させながら、そのプローブ（３）の先端を、ワーク（５１）（５２）の突き合わせ境界部（５３）に押付け状態に当接させ、その摩擦熱で当接部分を軟化可塑化させる。そして、回転子（１）を更にワーク（５１）（５２）に押し付けて、プローブ  （３）をワーク（５１）（５２）の肉厚方向に挿入させていき、円柱状回転子本体（２）の先端のショルダー部（４）をワーク（５１）（５２）に押付け状態に当接させる。しかる後、その状態を維持しながら、回転子（１）をワーク（５１）（５２）の突き合わせ境界部（５３）に沿って移動させていく。回転子（１）の通過する突き合わせ境界部では、周辺の材料が、回転子（１）の回転による摩擦熱で軟化撹拌され、かつ、円柱状回転子本体（２）のショルダー（４）にて飛散を規制されながらプローブ（３）の通過溝を埋めるように塑性流動したのち、熱を急速に失って冷却固化される。こうして、突き合わせ部（５３）における材料の軟化、密着変形、撹拌、冷却固化が回転子（１）の移動に伴って順次繰り返されていき、突き合わせ部（５３）においてワーク（５１）（５２）同士が互いに一体化され、順次接合（５８）されていく。
【０００５】
この摩擦撹拌接合法は、材料を溶融させることなく軟化状態でワーク（５１）（５２）同士を直接接合させるものであり、溶接の場合のような熱影響等による品質面での問題が発生せず、高品質で強固な接合部（５８）を形成できる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記のような摩擦撹拌接合法では、溶接によれば隅肉溶接となるようなＴ継手形式の場合、直角な壁に囲まれたコーナー部に対して斜め方向から回転子を作用させるのは実際上非常に難しく、そのため、摩擦撹拌接合法による隅肉接合は困難とされていた。これまで、摩擦撹拌接合法は、両ワーク（５１）（５２）の側縁部同士をこれらワーク（５１）（５２）にわたって平坦となるように突き合わせて接合する場合にしか用いられないものとされていたのである。
【０００７】
ところで、例えば上記のようなＴ継手の場合、図３（イ）に示されるように、第１ワーク（５５）の一方の面に第２ワーク（５６）をＴ字状に組み合わせ、第１ワーク（５５）の背面側からプローブ（３）を第２ワーク（５６）の肉に及ぶように作用せしめて接合を行うことが考えられる。
【０００８】
しかし、この方法では、プローブ（３）を第１ワーク（５５）の肉厚深さを越えて第２ワーク（５６）の肉に及ぶように深く挿入しなければならず、プローブ（３）の長さをある程度長いものにしなければならず、そうすると、直径も大きくして強度を確保しておく必要がある。
【０００９】
このようにして、図３（ロ）に示すように、プローブ（３）の直径が第２ワーク（５６）の肉厚を越えて大きいものとなったような場合、このプローブ（３）を第２ワーク（５６）の肉内まで挿入すると、図３（ハ）に示されるように、第１ワーク（５５）と第２ワーク（５６）との間の両コーナー部（Ｃ）（Ｃ）において第２ワーク（５６）の塑性流動部が遠心力で側方に飛び出し、接合不良を招いてしまう不都合を生じる。特に、第２ワーク（５６）の肉厚が薄いような場合には、この問題は摩擦撹拌接合によるＴ継手の実現を妨げる大きな要因となる。
【００１０】
本発明は、例えば、第１ワークの一方の面に第２ワークを組み合わせ、第１ワークのもう一方の面がわから摩擦撹拌用のプローブを第１ワークの肉を介して第２ワークの肉に及ぶように作用せしめるという新たな接合方法の採用において、プローブに充分な強度をもたせながら両ワークのコーナー部の接合不良の発生を防止し、品質良好なしっかりとした接合品を製作することができるようにして、摩擦撹拌接合法の適用範囲の拡大を図っていくことを課題の一つとする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題は、回転子本体の先端軸芯部に、該回転子本体よりも径小な摩擦撹拌用プローブが一体に設けられた摩擦撹拌接合用ツールであって、
前記撹拌用プローブが、その先端から基端がわに向けて径を大きくしていく円錐状部を有することを特徴とする摩擦撹拌接合用の回転ツールによって解決される。
【００１２】
即ち、例えば、第１ワークの一方の面に第２ワークを組み合わせ、第１ワークのもう一方の面がわからこのツールを第１ワークの肉を介して第２ワークの肉に挿入して摩擦撹拌接合を実施していく場合、プローブはその先端部に円錐状部を有するから、プローブを、両ワークのコーナー部から外方に突出させることなく、第２ワークの肉内に深く挿入していくことができ、コーナー部に接合不良を生じさせることなく両ワークをしっかりと品質良く接合することができる。
【００１３】
しかも、円錐効果により、プローブの先端部を深く第２ワークの肉内に深く挿入し得ながら、両ワークの当接境界部に面積広くプローブを作用することができて、両ワークを強固に接合することができる。
【００１４】
また、プローブの先端部は円錐状部の先端であり、その先端部をワークに対するセンター出しの目印として用いることによって、センター出しを容易にかつ能率良く行っていくことができる。
【００１５】
上記プローブは、この円錐状部と、円錐状部の基端側に連設された、円錐状部よりも径大な円柱状部とを備えることにより、その強度を増すことができ、接合中のプローブの破壊を有効的に防止することができる。
【００１６】
上記ツールは、上記のように、第１ワークの一方の面に第２ワークを組み合わせ、第１ワークのもう一方の面がわからツールを第２ワークの肉に及ぶように作用せしめ、第１ワークと第２ワークとを摩擦撹拌接合する場合に好適に用いることができ、それによって品質良好な接合品を製作することができる。
【００１７】
特に、両腕となる第１ワークの一方の面に脚となる第２ワークを組み合わせ、第１ワークのもう一方の面がわから上記のツールを第２ワークの肉に及ぶように作用せしめ、第１ワークと第２ワークとを摩擦撹拌接合することにより、これまで困難とされていたＴ継手を品質良好に形成することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１９】
図１に示される実施形態は、摩擦撹拌接合によりＴ継手を形成する場合のものである。即ち、（６）は第１ワーク、（７）は第２ワークであり、両ワーク（６）（７）は、アルミニウム製の平板材からなり、両腕となる第１ワーク（６）の一方の面に脚となる第２ワーク（７）を組み合わせてＴ字状となし、第１ワーク（６）の背面がわからツールのプローブ（３）を第２ワーク（７）の肉に及ぶように作用せしめ、両ワーク（６）（７）を摩擦撹拌接合してＴ継手を形成する。
【００２０】
プローブ（３）は、その先端から基端がわに向けて径を大きくしていく円錐状部（８）を有すると共に、該円錐状部（８）の基端側に径大な円柱状部（９）が一体に連設されて構成されたものである。
【００２１】
円錐状部（８）は、錐面の傾斜角度ａが３０〜４５°の範囲において設定されているのが好ましい。３０°を下回って小さいと、第２ワーク（７）の肉内へのプローブ（３）の挿入深さが不足し、４５°を下回って大きいと両ワーク（６）（７）のコーナー部（Ｃ）（Ｃ）において第２ワーク（７）の塑性流動部が側方に飛び出してしまいやすくなることによる。円錐状部（８）の直径Ｃは、第２ワーク（７）の肉厚ｔ2 よりも幾らか大きいか、若干小さいか、ほぼ同等に設定される。接合中、円錐状部（８）の円錐傾斜面をできるだけ両ワーク（６）（７）のコーナー部（Ｃ）に接近させ、両ワーク（６）（７）の接合面積を大きくするためである。
【００２２】
円柱状部（９）の直径Ａは、プローブ（３）の強度確保等の理由から、円錐状部（８）の直径Ｃよりも大きく設計されるが、その場合、第２ワーク（７）の板厚ｔ2 の１〜２倍程度に設定しておくのが好ましい。第２ワーク（７）の肉厚ｔ2 が小さい場合には板厚ｔ2 の２倍程度、肉厚ｔ2 が大きい場合には板厚ｔ2 の１倍程度に設定する。また、円柱状部（９）の長さＢは、第１ワーク（６）の板厚ｔ１よりも１ｍｍ程度短くしておくのがよい。接合中、円柱状部（９）が第１ワーク（６）の肉内に納まるようにするためであり、また、できる限り円柱状部の長さＢを大きくしてプローブ（３）の強度を高くするためである。
【００２３】
また、このプローブ（３）の外周面には、円錐状部（８）と円柱状部（９）との両方において、ネジ（３ａ）が形成されている。回転子（１）はネジ（３ａ）の螺旋方向とは逆の方向に回転駆動されるものとなされて、ワークの肉へのプローブ（３）の回転挿入中、プローブ（３）をワークへの挿入方向とは逆の方向に付勢し、その付勢力の反力にて肉を特にＴ継手用に効果的に撹拌するものとなされている。なお、プローブ（３）の外周面には、ネジ（３ａ）に替え、各種の溝や凹凸が形成されたものであってもよい。また、ショルダー（４）は、その外周縁からプローブ（３）側に向けてくぼんでいくように傾斜されている。
【００２４】
第１ワーク（６）と第２ワーク（７）との接合は、次のようにして行う。まず、第１ワーク（６）と第２ワーク（７）とを上記のようにＴ字状に組み合わせる。次いで、第１ワーク（６）の背後から、回転子（１）を回転させながら、プローブ（３）を第１ワーク（６）の肉を介して第２ワーク（７）の肉に及ぶように挿入していく。
【００２５】
プローブ（３）は、図１（ロ）に示されるように、その円錐状部（８）の傾斜面と、両ワーク（６）（７）のコーナー部（Ｃ）との間隔距離Ｓが０．１〜０．２ｍｍとなるところまで深く挿入する。間隔距離Ｓが０．１ｍｍを下回ると、コーナー部（Ｃ）から第２ワーク（７）の塑性流動部が飛び出してクラック等の接合不良を生じさせる原因となり、また、０．２ｍｍを上回ると、両ワーク（６）（７）の接合面積が狭くなってしまうことによる。このような挿入により、コーナー部（Ｃ）（Ｃ）に接合不良を生じさせることなく、両ワーク（６）（７）の接合面積を極限まで大きくできる。
【００２６】
プローブ（３）のこの挿入状態を維持しながら、回転子（１）を溝（６ａ）の長手方向に移動させていく。これにより、第１ワーク（６）と第２ワーク（７）との品質良好なＴ継手が形成される。
【００２７】
図２に示される第２実施形態は、両ワーク（６）（７）をＴ字状ではなく、端部同士を重ね合わせて、その重ね合わせ部に摩擦撹拌接合を行っていく場合のものである。コーナー部（Ｃ）に接合不良を生じさせることなく、両ワーク（６）（７）をしっかりと接合し得るなど、上記第１実施形態の場合の同様の効果が奏される。摩擦撹拌接合による重ね継手の形成を実現することができる。
【００２８】
以上に、本発明の実施形態を示したが、本発明は、その技術思想を逸脱しない範囲で各種の変更をなし得る。例えば、上記実施形態では、ワークとしてアルミニウム材を用いたが、その他の金属であってもよい。また、上記実施形態では、平板材同士の接合について説明したが、平板材と骨材とでＴ字状、重ね状に接合する場合など、広く各種の構造を形成する場合に適用されてよい。また、本発明は、Ｔ継手、重ね継手の形成に限られるものではなく、要は、第１ワークの一方の面に第２ワークを組み合わせ、第１ワークのもう一方の面がわから摩擦撹拌用のプローブを第１ワークの肉を介して第２ワークの肉に及ぶように作用せしめる形式の接合に広く適用され得るものである。また、本発明のツールは、センター出しのメリットを有するものであり、従って、各種組み合わせ形式の継手の形成に広く有効的に用いられ得るものであることはいうまでもない。
【００２９】
【発明の効果】
上述の次第で、本発明の摩擦撹拌接合用ツールは、撹拌用プローブが、その先端から基端がわに向けて径を大きくしていく円錐状部を有するものであるから、例えば、第１ワークの一方の面に第２ワークを組み合わせ、第１ワークのもう一方の面がわから摩擦撹拌用のプローブを第１ワークの肉を介して第２ワークの肉に及ぶように作用せしめるという新たな接合方法の採用において、プローブを、両ワークのコーナー部から外方に突出させることなく、第２ワークの肉内に深く挿入していくことができ、プローブに充分な強度をもたせながら両ワークのコーナー部の接合不良の発生を防止して、品質良好なしっかりとした接合品を製作することができ、摩擦撹拌接合法の適用範囲を拡大することができる。
【００３０】
また、プローブは、円錐状部の基端側に径大な円柱状部を連設させた構成とすることにより、その強度を増して、接合中のプローブ破壊を有効的に防止することができる。
【００３１】
また、上記ツールを、上記のように、第１ワークの一方の面に第２ワークを組み合わせ、第１ワークのもう一方の面がわからツールを第２ワークの肉に及ぶように作用せしめて、第１ワークと第２ワークとを摩擦撹拌接合する場合に用いることにより、品質良好な接合品を製作することができる。特に、両腕となる第１ワークの一方の面に脚となる第２ワークを組み合わせ、第１ワークのもう一方の面がわから上記のツールを第２ワークの肉に及ぶように作用せしめ、第１ワークと第２ワークとを摩擦撹拌接合することにより、これまで困難とされていたＴ継手を品質良好に形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態を示すもので、図（イ）は両ワークの組み合わせ状態を示す横断面図、図（ロ）はプローブの挿入状態を示す横断面図である。
【図２】第１実施形態を示すもので、図（イ）は両ワークの組み合わせ状態を示す横断面図、図（ロ）はプローブの挿入状態を示す横断面図である。
【図３】摩擦撹拌接合法によるＴ継手の新しい形成法を示すもので、図（イ）ないし図（ハ）は接合前後のワークの断面図である。
【図４】摩擦撹拌接合に用いる回転子の一例を示すもので、図（イ）は側面図、図（ロ）は先端面図である。
【図５】従来の摩擦撹拌接合法を示すもので、図（イ）は接合中のワークの横断面図、図（ロ）は平面図である。
【符号の説明】
２…回転子本体
３…プローブ
６…第１ワーク
７…第２ワーク
８…円錐状部
９…円柱状部
【図１】
0003990770.tif 000002
【図２】
0003990770.tif 000003
【図３】
0003990770.tif 000004
【図４】
0003990770.tif 000005
【図５】
0003990770.tif 000006