(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
摩擦攪拌スポット溶接工具であって、回転軸を有するシャンクと、前記シャンクの一端に設けられたショルダと、非円形横断面を有するとともに前記ショルダから軸方向に突出したピンを有し、前記ショルダは直径ｄの円形横断面を有し、前記ピンはほぼ三角形横断面をなし、該ピンの各頂点は面取り部を有し該面取り部長さは0.07〜0.10ｄである摩擦攪拌スポット溶接工具。
【請求項２】
請求項１に記載の摩擦攪拌スポット溶接工具において、前記ショルダは軸方向に面した凹面を有する摩擦攪拌スポット溶接工具。
【請求項３】
請求項２に記載の摩擦攪拌スポット溶接工具において、前記凹面は角度が５〜12度の凹面度をもつ摩擦攪拌スポット溶接工具。
【請求項４】
請求項１に記載の摩擦攪拌スポット溶接工具において、前記ピンは自由端に隅肉部を有する摩擦攪拌スポット溶接工具。
【請求項５】
請求項４に記載の摩擦攪拌スポット溶接工具において、前記ショルダは直径ｄの円形横断面を有し、ピン自由端の隅肉部半径は0.01〜0.02ｄである摩擦攪拌スポット溶接工具。
【請求項６】
請求項１または２に記載の摩擦攪拌スポット溶接工具において、前記ショルダの自由端に隅肉部を有する摩擦攪拌スポット溶接工具。
【請求項７】
請求項６に記載の摩擦攪拌スポット溶接工具において、前記ショルダは直径ｄの円形横断面を有し、前記ショルダ自由端の隅肉部半径は0.03〜0.05ｄである摩擦攪拌スポット溶接工具。
【請求項８】
請求項１に記載の摩擦攪拌スポット溶接工具において、前記ピンはショルダとピンの接合部に隅肉部を有する摩擦攪拌スポット溶接工具。
【請求項９】
請求項８に記載の摩擦攪拌スポット溶接工具において、前記ショルダは直径ｄの円形横断面を有し、前記ショルダとピンの接合部の隅肉部半径は0.01〜0.02ｄである摩擦攪拌スポット溶接工具。
【請求項１０】
請求項１に記載の摩擦攪拌スポット溶接工具において、円形ピンが前記三角形ピンに取り付けられ同軸上に突出している摩擦攪拌スポット溶接工具。
【請求項１１】
請求項１０に記載の摩擦攪拌スポット溶接工具において、前記円形ピンは外部がねじ切りされている摩擦攪拌スポット溶接工具。
【請求項１２】
請求項１に記載の摩擦攪拌スポット溶接工具において、前記ショルダは直径ｄの円形横断面を有し、ピン頂点の外接円直径が0.4ｄ〜0.5ｄである摩擦攪拌スポット溶接工具。
【請求項１３】
請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の摩擦攪拌スポット溶接工具を備えた摩擦攪拌スポット溶接装置。
【請求項１４】
摩擦攪拌工具を用いた被加工物のスポット溶接形成方法であって、
前記摩擦攪拌工具は回転軸に沿ってシャンクを備え、前記シャンク端部に円形横断面のショルダを有し、前記ショルダは非円形横断面のピンが軸方向に突出し、前記ショルダは直径ｄの円形横断面をもち、前記ピンはほぼ三角形横断面を有し、前記ピンの各頂点は面取り部を有し該面取り部長さは0.07ｄ〜0.10ｄである摩擦回転工具を回転軸を中心に回転可能に駆動するステップと、
前記工具を被加工物に挿入しピンを被加工物に貫入させるステップ
とからなる摩擦攪拌スポット溶接形成方法。
【請求項１５】
請求項１４に記載の摩擦攪拌スポット溶接形成方法において、前記ショルダは軸方向に面した凹面を有する摩擦攪拌スポット溶接形成方法。
【請求項１６】
請求項１５に記載の摩擦攪拌スポット溶接形成方法において、前記凹面は5〜12度の凹面度をもつ摩擦攪拌スポット溶接形成方法。
【請求項１７】
請求項１４に記載の摩擦攪拌スポット溶接形成方法において、前記ピンは各面の自由端に隅肉部を有する摩擦攪拌スポット溶接形成方法。
【請求項１８】
請求項１７に記載の摩擦攪拌スポット溶接形成方法において、前記ショルダは直径ｄの円形横断面を有し、各隅肉部の半径は0.01〜0.02ｄである摩擦攪拌スポット溶接形成方法。
【請求項１９】
請求項１４に記載の摩擦攪拌スポット溶接形成方法において、前記ショルダの自由端外縁は隅肉部を持つ摩擦攪拌スポット溶接形成方法。
【請求項２０】
請求項１９に記載の摩擦攪拌スポット溶接形成方法において、前記ショルダは直径ｄの円形横断面を有し各隅肉部の半径は0.03〜0.05ｄである摩擦攪拌スポット溶接形成方法。
【請求項２１】
請求項１４に記載の摩擦攪拌スポット溶接形成方法において、前記ピンはショルダとピンの交差部に隅肉部を有する摩擦攪拌スポット溶接形成方法。
【請求項２２】
請求項２１に記載の摩擦攪拌スポット溶接形成方法において、前記ショルダは直径ｄの円形横断面を有し各隅肉部の半径は0.01〜0.02ｄである摩擦攪拌スポット溶接形成方法。
【請求項２３】
請求項１４に記載の摩擦攪拌スポット溶接形成方法において、前記ショルダは円形横断面を有し、ピン頂点の外接円半径が0.4ｄ〜0.5ｄである摩擦攪拌スポット溶接形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、摩擦攪拌溶接工具及びその溶接方法に関し、特に摩擦攪拌スポット溶接工具とこれを用いた摩擦攪拌スポット溶接装置および摩擦攪拌スポット溶接方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
摩擦攪拌溶接（FSW:Friction Stir Welding）は固体状態の溶接プロセスであって、特許文献１に示すように非消耗型の回転式溶接工具を用いる。代表的なFSW溶接工具は円筒形のショルダ先端から工具軸方向に突出した円筒形ピンを有する。その溶接プロセスは溶接工具を回転させながら被加工材に挿入しショルダを完全に被加工材表面に接触させる。溶接工具がこの状態で数秒間保持された結果、溶接工具周辺の材料が摩擦で加熱され可塑変形され被加工材が接合される。
【０００３】
次いで、溶接工具を特定の軌跡に沿って横断させる。ピン周辺の加熱材料を移動させ接合する被加工材同士の境界をなくすることにより溶接が形成される。所望の溶接行程が完了すると、溶接工具の移動は停止し溶接工具が引き上げられる。上記は線状FSWについての説明であり定常プロセスとみなされる。ここで溶接工具は例えば突き当てFSW、ラップFSWと同様に定常温度に達する。
【０００４】
上記FSWと異なり、摩擦攪拌スポット溶接(FSSW:Friction Stir Spot Welding)は過渡的溶接プロセスであり、スポット溶接に必要な時間は短く溶接工具は定常温度まで達しない。FSSWは二つの重ねた金属シートを固着するのに、冶金的結合を上部、下部シート間に形成する。このスポット溶接の強度は結合領域に大きく依存するため、FSSWの重要なポイントは溶接工具形状と溶接係数に依存する。
【０００５】
金属材料において、酸化物の薄層が材料表面に存在することがしばしばある。溶接中に、被加工物シート境界が溶接工具の下部シート貫入に従い上方への撓みを形成し、断面かぎ形のフックライン（破壊された表面酸化物の連なり）が形成される。フックライン終端において酸化物粒子は分散され、重ねられた金属シート同士の部分的な冶金結合が形成される。
【０００６】
フックライン形状は、結合される二つの金属シート境界を貫入する溶接工具の貫入量に関係する。溶接領域の酸化物の存在は、結合領域の均一性を減じ、さらに欠陥（クラック）の伝播がフックラインに沿って生じるため、溶接が外部負荷を受けたときに大幅に溶接強度を低下させる。
【０００７】
図５は、従来の円筒ピンを有する摩擦攪拌溶接工具によるスポット溶接を示す拡大横断面図である。このスポット溶接は上部シート２０を下部シート２２に固着する。上部シート２０は薄い金属酸化物層２６を底面に有し、同様に下部シート２２は薄い金属酸化物層２４を表面に有する。
【０００８】
従来の円筒ピンを有する溶接工具による摩擦攪拌スポット溶接操作において、円筒ピンは二つの金属シートの境界内に挿入され、円筒ピンは上部シート２０、下部シート２２間に延びるキー穴２８を形成する。円筒ピンの被加工物境界への挿入の際、垂直方向に立ち上がるフックライン３２が形成され円筒ピンが所定挿入深さに達するまで増大する。
【０００９】
しかし、円筒ピンは溶接工具をさらに回転させてもほぼ垂直なフックラインが破壊（拡散）されないことが観察された。さらにショルダが上部シート表面に挿入されると、フックラインは単に半径方向の外方へ移動した。このように円筒ピンを用いた場合、フックライン３２は常に攪拌領域に存在し、従来の円形ピン溶接工具を用いた場合は上部シート２０、下部２２の間の溶接の均一性を低下させる。
【００１０】
従来の円筒ピンを用いた摩擦攪拌溶接工具において、フックライン３２高さhＣは比較的に大きく、上部シート２０の有効厚さtＣ、すなわちフックライン３２上部と上部シート２０の表面３４間の厚さは比較的に小さい。
【００１１】
溶接サンプルに外部負荷が掛けられ溶接強度が試験された時、溶接欠陥はフックライン３２から上部シート２０に沿って発生し易い。つまり上部シート２０の外部負荷に対する抵抗は非常に小さいからである。これはすなわち上部シート２０の有効厚さhＣは外部負荷に対する抵抗を表す唯一の形状的特徴であり、tＣは非常に薄いため円筒溶接工具による溶接強度が極めて低いことが想像される。これが、フックライン高さを最小化し上部シートの有効厚さを増し接合強度を改良するよい溶接工具形状の開発が求められる主な理由である。
【特許文献１】ＵＳＰ５４６０３１７
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は摩擦攪拌スポット溶接工具およびこれを用いた摩擦攪拌スポット溶接装置とその溶接方法であって、従来の溶接工具及び方法における上述の問題点（攪拌領域の連続酸化層の存在および大きなフックライン高さ）を解決した新規な摩擦攪拌スポット溶接方式を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、 摩擦攪拌スポット溶接工具であって、回転軸を有するシャンクと、前記シャンクの一端に設けられたショルダと、非円形横断面を有するとともに前記ショルダから軸方向に突出したピンを有する摩擦攪拌スポット溶接工具を特徴とする。
【００１４】
また、前記ピンはほぼ三角形横断面をなす摩擦攪拌スポット溶接工具を特徴とする。
【００１５】
また、これらの摩擦攪拌スポット溶接工具を用いた摩擦攪拌スポット溶接装置を特徴とする。
【００１６】
さらに、摩擦攪拌工具を用いた被加工物のスポット溶接形成方法であって、前記摩擦攪拌工具は回転軸に沿ってシャンクを備え、前記シャンク端部に円形横断面のショルダを有し、前記ショルダは非円形横断面のピンが軸方向に突出している摩擦回転工具を回転軸を中心に回転可能に駆動するステップと、前記工具を被加工物に挿入しピンを被加工物に貫入させるステップとからなる摩擦攪拌スポット溶接形成方法を特徴とする。
【００１７】
さらに、ピンはほぼ三角形横断面を有する摩擦攪拌スポット溶接形成方法を特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明は、摩擦攪拌スポット溶接工具のシャンク端のショルダにほぼ三角形等の非円形横断面を有するピンを設け、摩擦攪拌スポット溶接を行う際ショルダが被加工物に押し込まれピンが被加工材の境界に所定深さまで貫入してスポット溶接を実施する。非円形横断面を有するピン溶接工具は、その高い攪拌効率により攪拌領域での垂直方向のフックライン形成を防止し、ピン周囲の材料攪拌を助長し酸化層が攪拌領域に拡散されるため大幅に溶接強度を増加することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明の摩擦攪拌スポット溶接工具は、従来の摩擦攪拌スポット溶接工具と同様に回転軸を持ち、溶接装置の回転駆動機構で軸中心に回転されるシャンクを有する。シャンク端部近傍のショルダは一般に円形横断面をもち、摩擦攪拌スポット溶接作業時に被加工材内に所定深さまで挿入される。
【００２０】
ショルダから軸方向に延びたピンが設けられ、摩擦攪拌スポット溶接作業の間、ピンが被加工材（上部シートの全部と下部シートの一部）に挿入される。しかしながら従来の溶接工具と異なり、ピンは横断面は非円形であり例えばほぼ三角形をなしている。このため連続的なシャンク挿入時にピンが二つのシートの境界を通る間、三角形のピンは上部及び下部シートの金属攪拌混合溶接を効果的に行う。
【００２１】
加えて、溶接工具挿入時に形成される三角形ピンによるフックラインは、従来の円筒形ピン溶接工具よりもキー穴に近い。これはつまり、同じ回転直径及び挿入深さをもつ三角形ピンの体積が、同じ回転直径及び挿入深さを持つ円筒ピンより小さいことによる。
【００２２】
これら二つの効果的要因により、三角形ピンは従来の円筒形ピンより効果的に攪拌領域のフックラインを拡散させ、結果的に冶金的に完全な溶接と比較的低いフックライン高さを与え、上部シートの効果的厚さを増加させる。これは一方でスポット溶接強度を増加し、スポット溶接の不完全な欠陥である、剥がれやせん断等の破壊を抑制する。以下に本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
【実施例１】
【００２３】
図１において、二枚の金属シートからなる上部シート４０、下部シート４２をスポット溶接する摩擦攪拌スポット溶接作業が模式的に示されている。上部シート４０、下部シート４２は一般にアルミニウム、マグネシウム、鋼、等の金属材料からなり、支持台４４にクランプにより固定されている。
【００２４】
本発明の摩擦攪拌スポット溶接工具５０は、細長い一般に円形断面のシャンク６０を有する。シャンク６０はチャックやツールホルダ５２等の一般的保持手段により溶接装置の回転駆動装置５４に装着されている。回転駆動装置５４の作動により、溶接工具５０は回転駆動装置５４の回転軸５６を中心に回転する。回転軸５６は一般的には上部シート４０の表面５８にほぼ垂直である。
【００２５】
回転駆動装置５４の作動により、溶接工具５０は約２０００ｒｐｍの高速回転をしながら上部シート４０、下部シート４２に挿入される。溶接工具５０の回転は約５秒間継続して上部シート４０、下部シート４２がスポット溶接され、溶接工具５０は被加工物または上部シート４０、下部シート４２から引き上げられる。
【００２６】
図２〜４に良く示されるように、直径ｄの円形ショルダ６４が溶接工具軸５６と同軸に形成され、シャンク６０の他端から突出している。図４に最もよく示されるように、ショルダ６４は半径0.03ｄ〜0.05ｄの外隅肉６６を有する。水平面に対する凹面傾斜角度がほぼ５〜１２度の凹面７０がショルダ６４の軸方向外部表面に形成されている。
【００２７】
ショルダ６４は円形であるが、他の形状も本発明の主旨を逸脱しない範囲で用いられる。例えばショルダ６４は正方形、多角形、楕円形であっても良い。
【００２８】
図２〜４において、ピン７２は溶接工具５０の軸５６方向から見てほぼ三角形を有し、ショルダ６４から外方に軸５６と同心状に突出している。図３においてピン７２は好ましくは３つの面取り部７４を有する頂点を持ち、面取り部７４の長さは0.07ｄ〜0.1ｄである。面取り部７４は多数回の摩擦攪拌スポット溶接作業における溶接工具５０の磨耗を効果的に低減する。
【００２９】
もし面取り部がなければピン頂点の鋭いエッジは連続的な摩擦攪拌スポット溶接作業で容易に磨耗する。また３頂点の磨耗度が均一でない場合は溶接開始と終了の際の溶接工具形状が変わってしまい形状変化は溶接品質に好ましくない結果をもたらす。面取り部７４はこの問題を低減し、溶接工具の磨耗が大幅に低減される。
【００３０】
ピン７２の全高さｈｐすなわち外隅肉６６からピン７２の自由端７６までの高さは、固着される二つの被加工材またはシートの厚さによって変化する。ピン７２の高さは、摩擦攪拌スポット溶接作業時にピン７２の自由端７６が下部シート内まで達する様に選定される。
【００３１】
図３において、ピン頂点の外接円７８がピン７２周囲に描かれている。ピン７２を包含する外接円７８の直径は、摩擦攪拌スポット溶接工具の最適効率のために0.4ｄ〜0.5ｄに設定されている。
【００３２】
図４において、溶接工具の消耗とせん断を最小限にし、工具寿命を延ばすために、隅肉部８０がピン７２の自由端のエッジ部に設けられている。同様に隅肉部８２がショルダ６４と交差するピン７２の全周囲に設けられている。隅肉部８０、８２の直径は0.01〜0.02ｄである。
【００３３】
ピン７２、ショルダ６４、シャンク６０からなる摩擦攪拌スポット溶接工具５０は一体構造からなり、スポット溶接作業で結合される材料よりも硬い材料から構成されている。
【００３４】
図６において、溶接工具５０で形成されたスポット溶接の例示的な断面が示されている。実際にピン７２の三角形状は、摩擦攪拌スポット溶接作業の間上部シート４０、下部シート４２の金属の全体的な攪拌を、従来の円形ピンを使用した溶接工具よりも大幅に向上する。
【００３５】
三角形のピンによる非対称的な回転により、ピンが被加工物に挿入され上方へのフックライン３２の形成運動が始まったとき、フックライン３２（酸化物層）は破壊され攪拌領域内に拡散される。これが生じるのは、三角形ピンが回転したとき、ピン表面に近接して金属材料が三角形ピンの面によるパドル運動により常時前後に押圧されるためである。
【００３６】
さらに、フックライン３２はキー穴に近接しているため、ピン近傍の物質は激しく攪拌され、従って連続的酸化物の線が拡散されるからである。これは溶接工具の挿入により形成されうる鋭いフックライン３２を除去し、次にフックライン３２の全高ｈｔを低減し、スポット溶接に伴う上部シート４０の有効厚さｔｔを増大させる。上部シート４０の有効厚さｔｔが増大するため、上部シート４０、下部シート４２によるアセンブリはスポット溶接作業の後、外部負荷に対し十分な抵抗性を持つ。
【実施例２】
【００３７】
図７において、ハイブリッド摩擦攪拌スポット溶接工具１００が示され、ピン７２の外接円７８より小さい直径を持つ円形ピン１０２がピン７２から外部に延びている。円形ピン１０２はねじが切られても良い。ピンにねじを設ける主なメリットは、特にシート厚さ方向の被加工物間の物質攪拌を向上させることである。
【００３８】
ねじ部を有する円形ピンのメリットは、厚い被加工物（例えば厚さ５ｍｍ以上）を溶接する場合はさらに大きい。三角形ピンの上に直接ねじを加工するのは難しいため、ハイブリッドピンが有効である。特に厚い材料のための摩擦攪拌スポット溶接の形成時に、外部にねじが切られ得る円形ピン１０２と三角形ピン７２からなるハイブリッドピンの長所が得られる。
【実施例３】
【００３９】
ピン７２は好ましくは面取り頂点を有する三角形状であるが、他の非円形ピン形状も代替使用できる。例えば、図８に示す面取り四角形ピン７２a、図９に示すデルタ字形状ピン７２b、図１０に示すラムダ字形ピン７２c、図１１に示す曲面パドル形ピン７２d、または図１２に示す面取り長方形ピン７２eでも良い。
【００４０】
さらに本発明の精神を逸脱しない範囲で変形が可能である。例えば、ねじや溝のような付加的特長がピン側面に加工されても良く、これはスポット溶接時の金属攪拌を向上させる。同様に溶接工具の非対称回転はスポット溶接時の金属攪拌を向上させる。
【００４１】
上述のように、本発明は簡潔で効果的な摩擦攪拌スポット溶接工具及び摩擦攪拌スポット溶接方法を提供することができ、これは従来の溶接工具に対して重要な長所を有する。本発明を説明したが、多くの変形例が当業者に自明であり、それらは紛れもなく本発明のクレーム範囲に含まれるものである。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
本発明のより良好な理解は、以下の詳細な説明と関連する図面とともに得られる。ここで同一の番号はいくつかの図面で同様の部品を示す。
【図１】本発明の模式図である。
【図２】本発明の好適な実施例を示す斜視図である。
【図３】本発明の実施例１の平面図である。
【図４】図２における４―４縦断面図である。
【図５】従来の摩擦攪拌スポット溶接による溶接部を示す部分拡大断面図である。
【図６】図５に対応した本発明の摩擦攪拌溶接工具を用いたスポット溶接部の部分拡大断面図である。
【図７】本発明の実施例２の斜視図である。
【図８】本発明の実施例３の第１のピン形状を示す摸式図である。
【図９】本発明の実施例３の第２のピン形状を示す摸式図である。
【図１０】本発明の実施例３の第３のピン形状を示す摸式図である。
【図１１】本発明の実施例３の第４のピン形状を示す摸式図である。
【図１２】本発明の実施例３の第５のピン形状を示す摸式図である。
【符号の説明】
【００４３】
５０、１００：摩擦攪拌スポット溶接工具
６０：シャンク
６４：ショルダ
７２、７２a〜７２e、１０２：ピン
７４：面取り部
７０：凹面
６６、８０、８２：隅肉部
【図１】
0005025554.tif 000002
【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】
0005025554.tif 000009
【図９】
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【図１０】
0005025554.tif 000011
【図１１】
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【図１２】
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