(57)【要約】【課題】隅肉摩擦攪拌接合において、ショルダのプローブ支持孔と攪拌プローブとの間の隙間が広がるのを抑えることができ、ショルダの長寿命化及び１パスでの接合可能区間の長距離化を実現し得る摩擦攪拌用工具を提供する。【解決手段】金属部材Ｗを摩擦攪拌する摩擦攪拌用工具であって、金属部材Ｗに押し当てられた状態で回転して摩擦熱を付与しつつ軟化した流動金属を攪拌する攪拌プローブ２と、プローブ支持孔３３を有し、プローブ支持孔３３で回転する攪拌プローブ２を支持しつつ金属部材Ｗ上を摺動するショルダ３を備え、ショルダ３のプローブ支持孔３３の攪拌プローブ２との支持摺動面３６には耐摩耗被膜Ｃが形成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属部材を摩擦攪拌する摩擦攪拌用工具であって、
前記金属部材に押し当てられた状態で回転して摩擦熱を付与しつつ軟化した流動金属を攪拌する攪拌プローブと、
前記攪拌プローブが貫通するプローブ支持孔を有し、該プローブ支持孔で回転する前記攪拌プローブを支持しつつ前記金属部材上を摺動するショルダを備え、
前記攪拌プローブ及び前記ショルダのうちの少なくとも前記ショルダは、前記プローブ支持孔の前記攪拌プローブとの摺動面及び前記金属部材との摺動面のうちの少なくとも前記攪拌プローブとの摺動面に形成された耐摩耗部を有している摩擦攪拌用工具。
【請求項２】
前記耐摩耗部は、前記プローブ支持孔の前記攪拌プローブとの摺動面及び前記金属部材との摺動面のうちの少なくとも前記攪拌プローブとの摺動面にコーティングされた耐摩耗被膜である請求項１に記載の摩擦攪拌用工具。
【請求項３】
前記耐摩耗部は、前記プローブ支持孔の前記攪拌プローブとの摺動面及び前記金属部材との摺動面のうちの少なくとも前記攪拌プローブとの摺動面に表面処理を施されて成る表面処理層である請求項１に記載の摩擦攪拌用工具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、摩擦攪拌接合（FSW; Friction Stir Welding）や摩擦攪拌処理(FSP; Friction Stir Processing)に用いられる摩擦攪拌用工具に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、上記した摩擦攪拌接合に用いられる摩擦攪拌用工具としては、例えば、特許文献１に記載されたものがある。この摩擦攪拌用工具は、一対の金属部材を突き合せて形成された内隅部に対して摩擦攪拌接合を行う隅肉摩擦攪拌接合用工具であって、一対の金属部材に跨って押し当てられた状態で回転する攪拌プローブと、この攪拌プローブを支持するショルダを備えている。
【０００３】
一対の金属部材に跨って押し当てられた状態で回転する攪拌プローブは、一対の金属部材間の内隅部に摩擦熱を付与しつつ軟化した内隅部及びその周辺の流動金属を練り混ぜることで、一対の金属部材同士を一体化させる。
【０００４】
一方、ショルダは、攪拌プローブが貫通するプローブ支持孔を有し、このプローブ支持孔で回転する攪拌プローブを支持しつつ一対の金属部材間の内隅部上を摺動して、内隅部及びその周辺の練り混ざった流動金属を均して接合ビードを形成する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開2011-079031号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところが、上記した従来の摩擦攪拌接合用工具では、攪拌プローブの回転で生じる摩擦熱で軟化して練り混ざった流動金属が、摩擦攪拌接合を続けるうちにショルダのプローブ支持孔と攪拌プローブとの間のクリアランスに流入する。
【０００７】
ここで、金属部材がアルミニウム合金であり、摩擦攪拌接合用工具のショルダが工具鋼、例えば、ＳＫＤ６１である場合には、ショルダのプローブ支持孔と攪拌プローブとの間のクリアランスに流入した流動金属であるアルミニウム合金とショルダのＳＫＤ６１が反応して、ショルダのプローブ支持孔に脆い層が形成される。
【０００８】
その結果、摩擦攪拌接合を継続して行うと、上記脆い層が剥がれ落ちることでショルダのプローブ支持孔と攪拌プローブとの間のクリアランスが徐々に広がってしまい、最終的に破損に至る虞があるという問題を有しており、この問題を解決することが従来の課題となっていた。
【０００９】
本発明は、上記した従来の課題に着目してなされたもので、例えば、隅肉摩擦攪拌接合に用いた場合において、ショルダのプローブ支持孔と攪拌プローブとの間のクリアランスが広がるのを抑えることができ、その結果、ショルダの長寿命化及び１パスでの接合可能区間の長距離化を実現することが可能である摩擦攪拌用工具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】
本発明の第１の態様は、金属部材を摩擦攪拌する摩擦攪拌用工具であって、前記金属部材に押し当てられた状態で回転して摩擦熱を付与しつつ軟化した流動金属を攪拌する攪拌プローブと、前記攪拌プローブが貫通するプローブ支持孔を有し、該プローブ支持孔で回転する前記攪拌プローブを支持しつつ前記金属部材上を摺動するショルダを備え、前記攪拌プローブ及び前記ショルダのうちの少なくとも前記ショルダは、前記プローブ支持孔の前記攪拌プローブとの摺動面及び前記金属部材との摺動面のうちの少なくとも前記攪拌プローブとの摺動面に形成された耐摩耗部を有している構成としている。
【００１１】
本発明の第２の態様において、前記耐摩耗部は、前記プローブ支持孔の前記攪拌プローブとの摺動面及び前記金属部材との摺動面のうちの少なくとも前記攪拌プローブとの摺動面にコーティングされた耐摩耗被膜である構成としている。
【００１２】
本発明の第３の態様において、前記耐摩耗部は、前記プローブ支持孔の前記攪拌プローブとの摺動面及び前記金属部材との摺動面のうちの少なくとも前記攪拌プローブとの摺動面に表面処理を施されて成る表面処理層である構成としている。
【００１３】
耐摩耗部が耐摩耗被膜である場合は、摩擦攪拌で発生する温度以上の約1000℃の高温に耐えること、及び、金属部材と反応しないことが要求される。例えば、ＤＬＣ(Diamond Like Carbon)やダイアモンドの各膜を挙げることができるほか、Ti，Cr，Al，Si，B，W,Mo,Nbのうちの一種類以上のものと、C，O，Nのうちの一種類以上のものとを組み合わせた化合物（例えば、TiN，CrN，CrWN，TiWN，AlCrN，TiSiN，TiBN，TiAlN，AlCrSiN，SiC，WC）の各膜を挙げることができ、これらの膜を適宜積層して多層の膜としてもよい。
【００１４】
また、耐摩耗部が表面処理層である場合は、窒化処理層や浸炭焼き入れ層を挙げることができるほか、アルミナイズ処理層やクロマイズ処理層を挙げることができ、これらを組み合わせた処理層としてもよい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係る摩擦攪拌用工具によれば、例えば、隅肉摩擦攪拌接合に用いた場合において、ショルダのプローブ支持孔と攪拌プローブとの間の隙間が広がるのを抑えることができ、その結果、ショルダの長寿命化及び１パスでの接合可能区間の長距離化を実現することが可能であるという非常に優れた効果がもたらされる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施例に係る摩擦攪拌用工具としての摩擦攪拌接合用工具を示す隅肉摩擦攪拌接合を行っている状況の正面説明図である。
【図２】図１の隅肉摩擦攪拌接合を行っている状況の摩擦攪拌接合用工具を示す図１Ａ−Ａ線位置に基づく断面説明図である。
【図３】図１における摩擦攪拌接合用工具を工具ホルダに装着した状況の斜視説明図である。
【図４】図１に示した摩擦攪拌接合用工具におけるショルダの下方からの全体斜視説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明を図面に基づいて説明する。
図１〜図４は、本発明の一実施例に係る摩擦攪拌用工具を示しており、この実施例では、本発明に係る摩擦攪拌用工具が摩擦攪拌接合用工具である場合を例に挙げて説明する。
【００１８】
図１及び図２に示すように、この摩擦攪拌接合用工具１は、一対の平板状を成す金属部材Ｗ，Ｗ（この実施例では、アルミニウム合金の平板）を突き合せて形成された内隅部Ｗｂに対して摩擦攪拌接合を行う隅肉摩擦攪拌接合用のものであって、一対の金属部材Ｗ，Ｗ間に跨って押し当てられた状態で回転する攪拌プローブ２と、この回転する攪拌プローブ２を支持するショルダ（この実施例では、工具鋼ＳＫＤ６１のショルダ）３を備えている。
【００１９】
この摩擦攪拌接合用工具１は、図３にも示すように、工具ホルダ１０を介して図示しない駆動系側に接続されている。工具ホルダ１０は、一対の金属部材Ｗ，Ｗの内隅部Ｗｂを形成する部材表面Ｗａ，Ｗａと対向する一対の斜面１１，１１及びこれらの斜面１１，１１間に位置する平面部１２を有しており、摩擦攪拌接合用工具１は、工具ホルダ１０の平面部１２の中央に着脱可能に装着されるようになっている。
【００２０】
摩擦攪拌接合用工具１の攪拌プローブ２は、大径円柱部２１と、先細り部２２と、小径円柱部２３と、プローブ本体２４を有しており、駆動系から与えられる回転力で回転して、一対の金属部材Ｗ，Ｗ間の内隅部Ｗｂに摩擦熱を付与しつつ軟化した内隅部Ｗｂ及びその周辺の流動金属を練り混ぜることで、一対の金属部材Ｗ，Ｗ同士を一体化させる。なお、攪拌プローブ２の回転数は、500〜1500(rpm)であり、金属部材Ｗの材質や肉厚により変化する。
【００２１】
一方、摩擦攪拌接合用工具１のショルダ３は、回転する攪拌プローブ２の先細り部２２及び小径円柱部２３を支持しつつ駆動系から与えられる駆動力により一対の金属部材Ｗ，Ｗ間の内隅部Ｗｂ上を図２矢印方向に摺動して、内隅部Ｗｂの図１及び図２に仮想線で示す練り混ざった流動金属を均して接合部分を成形する。このショルダ３の摺動速度は、金属部材Ｗの材質や肉厚に加えて金属部材Ｗ，Ｗ間のギャップの量により変化する。
【００２２】
このショルダ３は、図４にも示すように、工具ホルダ１０の平面部１２の中央に図示しないボルトにより装着される平板部３１と、この平板部３１の工具ホルダ１０とは反対側に突出する円筒部３２を具備しており、この円筒部３２の中心孔はプローブ支持孔３３として形成されている。また、このショルダ３の円筒部３２には、先端に向けて互いに接近して互いに交わる一対の成形面３４，３４が形成されている。
【００２３】
この一対の成形面３４，３４同士が成す角度は、摩擦攪拌接合を行う際に、一対の金属部材Ｗ，Ｗの内隅部Ｗｂを形成する部材表面Ｗａ，Ｗａと当接するように設定されており、この一対の成形面３４，３４のうちのプローブ支持孔３３よりも後端側（ショルダ３の進行方向とは反対側、図４右側）の部分及びこれらの成形面３４，３４が交わる成形稜線３５により、流動金属を均すようになっている。
【００２４】
また、ショルダ３のプローブ支持孔３３よりも前端側（ショルダ３の進行方向側、図４左側）には、攪拌プローブ２で攪拌された流動金属を成形面３４，３４と金属部材Ｗ，Ｗとの間に導く一対の誘導斜面３７，３７が配置されている。
【００２５】
この一対の誘導斜面３７，３７は、一対の成形面３４，３４のプローブ支持孔３３よりも前端側に各々の一辺をそれぞれ接続させ、各々の他辺同士を互いに接続させている。これらの誘導斜面３７，３７の互いに接続する他辺同士は、一対の金属部材Ｗ，Ｗの内隅部Ｗｂに対して傾斜しており、一対の誘導斜面３７，３７は、摩擦攪拌接合を行う際に、一対の金属部材Ｗ，Ｗの部材表面Ｗａ，Ｗａに対してそれぞれ隙間Ｓをおいて向き合うようになっている。
【００２６】
この場合、攪拌プローブ２の小径円柱部２３と摺動するショルダ３のプローブ支持孔３３における支持摺動面３６には、耐摩耗部としての耐摩耗被膜Ｃ（この実施例ではＤＬＣ(Diamond Like Carbon)）がコーティングされている。また、ショルダ３における一対の金属部材Ｗ，Ｗとの摺動面である一対の成形面３４，３４や、攪拌プローブ２で攪拌された流動金属を成形面３４，３４と金属部材Ｗ，Ｗとの間に導く一対の誘導斜面３７，３７にも、耐摩耗部としての耐摩耗被膜Ｃがコーティングされている。
【００２７】
この摩擦攪拌接合用工具１を用いて、一対の金属部材Ｗ，Ｗを突き合せて形成された内隅部Ｗｂに対して隅肉摩擦攪拌接合を行う場合において、回転する攪拌プローブ２を支持するショルダ３を駆動系から与えられる駆動力により内隅部Ｗｂ上を摺動させる。
【００２８】
このショルダ３の摺動の間、攪拌プローブ２の回転で生じる摩擦熱で軟化して練り混ざった流動金属が、摩擦攪拌接合を続けるうちにショルダ３のプローブ支持孔３３と、攪拌プローブ２との間のクリアランスに流入する。すなわち、プローブ支持孔３３の支持摺動面３６と攪拌プローブ２の小径円柱部２３との間のクリアランスに流動金属が流入する。
【００２９】
このとき、攪拌プローブ２の小径円柱部２３と摺動するショルダ３におけるプローブ支持孔３３の支持摺動面３６には、耐摩耗部としての耐摩耗被膜Ｃがコーティングされているので、プローブ支持孔３３の支持摺動面３６と攪拌プローブ２の小径円柱部２３との間のクリアランスに流入した流動金属であるアルミニウム合金がショルダ３のＳＫＤ６１と反応することはない。
【００３０】
つまり、ショルダ３のプローブ支持孔３３の支持摺動面３６に脆い層が形成されることが阻止されるので、摩擦攪拌接合を継続して行ったとしても、プローブ支持孔３３の支持摺動面３６と攪拌プローブ２の小径円柱部２３との間のクリアランスが広がるようなことがなく、その結果、ショルダ３の長寿命化が図られることとなり、加えて、１パスで接合し得る区間が伸びることとなる。
【００３１】
また、ショルダ３の摺動の間に、ショルダ３の前端側に止まろうとする流動金属は、ショルダ３における一対の誘導斜面３７，３７と一対の金属部材Ｗ，Ｗの部材表面Ｗａ，Ｗａとの間の隙間Ｓを通して、成形面３４，３４と金属部材Ｗ，Ｗとの間に導かれるので、摩擦攪拌接合を続けても流動金属がショルダ３に付着することがなくなる。
【００３２】
したがって、摩擦攪拌接合の終盤において、流動金属が接合ビードの終端部のみならずその周囲の一対の金属部材Ｗ，Ｗを傷つけてしまうという事態が回避されることとなり、一対の金属部材Ｗ，Ｗ間に表面が滑らかな接合ビードが形成されることとなる。
【００３３】
また、この摩擦攪拌接合用工具１において、一対の誘導斜面３７，３７の互いに接続する他辺同士が、一対の金属部材Ｗ，Ｗの内隅部Ｗｂに対して傾斜しているので、ショルダ３の摺動が円滑に成されることとなる。
【００３４】
この際、一対の誘導斜面３７，３７の互いに接続する他辺同士を傾斜させることで、一対の金属部材Ｗ，Ｗの内隅部Ｗｂとの間には空間が形成されるが、この空間をフィラーワイヤ（図示せず）のワイヤ導入部４１として利用してもよい。このフィラーワイヤには、通常、一対の金属部材Ｗ，Ｗと同じ材質のものが使用されるが、敢えて一対の金属部材Ｗ，Ｗとは異なる種類の金属のフィラーワイヤを用いてもよい。
【００３５】
上記した実施例では、攪拌プローブ２の小径円柱部２３と摺動するショルダ３におけるプローブ支持孔３３の支持摺動面３６、及び、ショルダ３における一対の金属部材Ｗ，Ｗとの摺動面である一対の成形面３４，３４に、耐摩耗部としての耐摩耗被膜Ｃをコーティングするようにしているが、これに限定されるものではなく、耐摩耗被膜Ｃに替えて表面処理を施して成る表面処理層を形成するようにしてもよい。
【００３６】
また、上記した実施例では、ショルダ３におけるプローブ支持孔３３の支持摺動面３６に、耐摩耗部としての耐摩耗被膜Ｃをコーティングするようにしているが、これに限定されるものではなく、ショルダ３側に耐摩耗部としての耐摩耗被膜Ｃをコーティングしたうえで、耐摩耗部としての耐摩耗被膜Ｃや、耐摩耗部としての表面処理層を攪拌プローブ２側に形成するようにしてもよい。
【００３７】
さらに、上記した実施例では、本発明に係る摩擦攪拌用工具が隅肉摩擦攪拌接合用の工具である場合を例に挙げて説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、突き合わせ部に対して摩擦攪拌接合を行う突き合わせ摩擦攪拌接合用の工具であってもよい。
【００３８】
さらにまた、上記した実施例では、本発明に係る摩擦攪拌用工具が摩擦攪拌接合用工具である場合を例に挙げて説明したが、これに限定されるものではなく、本発明に係る摩擦攪拌用工具を材料の熱加工処理用工具として、摩擦攪拌プロセスに用いてもよい。
【００３９】
本発明に係る摩擦攪拌用工具の構成は、上記した実施例の構成に限定されるものではない。
【符号の説明】
【００４０】
１    摩擦攪拌接合用工具（摩擦攪拌用工具）
２    攪拌プローブ
３    ショルダ
３３  プローブ支持孔
３４  成形面（金属部材との摺動面）
３６  支持摺動面（攪拌プローブとの摺動面）
Ｃ    耐摩耗被膜（耐摩耗部）
Ｗ    金属部材
Ｗａ  部材表面
【図１】
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【図２】
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【図３】
2016150356.tif 000005
【図４】
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