(57)【要約】【課題】融点が互いに異なる金属部材同士の接合強度を向上させることができる摩擦攪拌接合用の回転ツールを提供する。【解決手段】融点が互いに異なる金属部材Ａ，Ｂ同士を接合すべく、金属部材Ａ，Ｂに摩擦熱を供給する摩擦攪拌接合用の回転ツールＸであって、円柱形のツール本体１０と、ツール本体１０よりも小径かつツール本体１０と同軸芯状にツール本体１０の一端に突出形成され、ツール本体１０と一体回転するプローブ２０とを備え、プローブ２０の周面に複数の切削刃２１を突出形成すると共に、これら複数の切削刃２１を、プローブ２０における高さの異なる位置に、かつ、プローブ２０の周方向に分散配置してある。【選択図】図１
2009214130.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
融点が互いに異なる金属部材同士を接合すべく、当該金属部材に摩擦熱を供給する摩擦攪拌接合用の回転ツールであって、
円柱形のツール本体と、
当該ツール本体よりも小径かつ前記ツール本体と同軸芯状に前記ツール本体の一端に突出形成され、前記ツール本体と一体回転するプローブと、を備え、
前記プローブの周面に複数の切削刃を突出形成すると共に、これら複数の切削刃を、前記プローブにおける高さの異なる位置に、かつ、前記プローブの周方向に分散配置してある摩擦攪拌接合用の回転ツール。
【請求項２】
前記回転ツールを回転させたとき、前記回転ツールの回転軸芯に対する直角な方向視において、前記切削刃により切削されて前記金属部材に形成された切削部が、前記回転軸芯の延出方向に沿って連続するよう前記複数の切削刃を配置してある請求項１に記載の摩擦攪拌接合用の回転ツール。
【請求項３】
前記回転ツールの回転軸芯に沿う方向視において、前記切削刃が回転方向に対するすくい面を備えている請求項１又は２に記載の摩擦攪拌接合用の回転ツール。
【請求項４】
前記プローブの同じ高さ位置に複数の切削刃を備えており、これら複数の切削刃における前記すくい面の全てが、前記周方向の同一方向を向くことがないように構成してある請求項３に記載の摩擦攪拌接合用の回転ツール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、融点が互いに異なる金属部材同士を接合すべく、当該金属部材に摩擦熱を供給する摩擦攪拌接合用の回転ツールに関する。
【背景技術】
【０００２】
異なる金属部材同士を接合する際に摩擦熱を利用する方法として摩擦攪拌接合法がある。この方法では、例えばアルミニウム材と異種金属部材とを突き合わせた部位に回転ツールであるプローブを高速回転させた状態で接触させ、その摩擦熱により金属部材を軟化させる。これにより、両金属部材が混合状態で固化した接合部が形成され、両金属部材は接合される。
当該プローブは円筒状の形状の他、例えば特許文献１〜３に記載の形状が知られている。
【０００３】
特許文献１には、プローブの外周面に少なくとも１つ以上の三角形または四角形の平面部を有し、当該平面部に略直角の角度を成して連続する小面部を有する摩擦撹拌接合具が記載してある。
特許文献２には、先端面寄りの周面に周方向に沿った凹溝を複数形成したプローブを備えた摩擦撹拌接合具が記載してある。
特許文献３には、螺旋状のネジ溝が形成してあるプローブを備えた摩擦撹拌接合具が記載してある。
【０００４】
これら特許文献１〜３に記載の装置では、プローブの周面に当該プローブの周方向に沿って複数の凹凸部が形成してあるため、攪拌性が向上する。
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−１７５７６４号公報
【特許文献２】特開２００２−７９３８３号公報
【特許文献３】特表２００２−５１４５１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
例えば、融点が互いに異なる金属部材同士を摩擦撹拌接合により接合するとき、高速回転するプローブは融点の低い金属部材を軟化させつつ当該金属部材の側に溶入し、融点の高い金属部材の側面を切削する。
【０００７】
特許文献１〜３に記載の摩擦撹拌接合工具では、プローブの一定の高さ位置のみに沿った凹凸部、或いは、周面に連続した凹凸部が形成してある。そのため、前記金属部材においては、その側面の限られた部位しか切削されないか、或いは、単一の切削溝しか形成されない。このように、金属部材が切削される領域の形状は単純な形状となるため、金属部材同士の接合面の形状は単純なものとなる。
【０００８】
また、プローブによって、前記金属部材の側面の限られた部位しか切削されない場合、例えばアルミニウム材等のようにその表面に酸化皮膜を形成する金属部材では、酸化皮膜の下層の金属面を露出させ難い。
【０００９】
よって、特許文献１〜３に記載の摩擦撹拌接合工具では、融点が互いに異なる金属部材同士を接合したとき、これら金属部材の接合面での接合が弱くなり、十分な接合強度は得られにくい。
【００１０】
従って、本発明の目的は、融点が互いに異なる金属部材同士の接合強度を向上させることができる摩擦攪拌接合用の回転ツールを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するための本発明に係る摩擦攪拌接合用の回転ツールは、融点が互いに異なる金属部材同士を接合すべく、当該金属部材に摩擦熱を供給する摩擦攪拌接合用の回転ツールであって、その第一特徴構成は、円柱形のツール本体と、当該ツール本体よりも小径かつ前記ツール本体と同軸芯状に前記ツール本体の一端に突出形成され、前記ツール本体と一体回転するプローブと、を備え、前記プローブの周面に複数の切削刃を突出形成すると共に、これら複数の切削刃を、前記プローブにおける高さの異なる位置に、かつ、前記プローブの周方向に分散配置した点にある。
【００１２】
融点の異なる金属部材同士を接合する場合、この両部材の当接部分にプローブを当接させて高速回転させると、低融点金属部材はプローブとの接触による摩擦熱で軟化し、当該プローブは低融点金属部材に溶入する。このとき、高融点金属部材は、プローブの回転によってその側面が切削刃により切削される。
【００１３】
本構成では、それぞれが連続しない多数の切削刃を、プローブの全面に分散させて備えることができる。このようなプローブを高速回転させて高融点金属部材を切削するとき、低融点金属部材に溶入したプローブは、溶入したプローブの深さに相当する領域に亘って、高融点金属部材の側面に切削領域を形成することができる。切削領域とは、切削刃によって切削される切削部が形成される範囲のことをいう。さらに、高融点金属部材の側面には、プローブの全面に分散し、それぞれが連続しない複数の切削刃によって複数の切削部が形成される。
【００１４】
このように本構成の回転ツールでは、切削領域を広く形成することができ、かつ、当該切削領域に複数の切削部を形成できる。従って、金属部材同士の接合部の形状は複雑になり、それぞれの金属部材の接触面積が増大する。
【００１５】
そして、高融点金属部材の切削領域に軟化した低融点金属部材が流入し硬化することで、高融点金属部材および低融点金属部材が噛み合うこととなる。
【００１６】
このように本構成の回転ツールでは、切削領域を広くかつ複雑に形成することができるので、表面に酸化皮膜を形成する金属部材同士であっても、これら金属部材同士を強固に接合することができる。
【００１７】
本発明に係る摩擦攪拌接合用の回転ツールの第二特徴構成は、前記回転ツールを回転させたとき、前記回転ツールの回転軸芯に対する直角な方向視において、前記切削刃により切削されて前記金属部材に形成された切削部が、前記回転軸芯の延出方向に沿って連続するよう前記複数の切削刃を配置した点にある。
【００１８】
本構成によれば、切削領域の全体に亘って切削部を形成できるため、金属部材同士の接合部の形状はより複雑なものとなり、それぞれの金属部材の接触面積がさらに増大する。従って、金属部材同士の接合の程度はより強固になる。
【００１９】
本発明に係る摩擦攪拌接合用の回転ツールの第三特徴構成は、前記回転ツールの回転軸芯に沿う方向視において、前記切削刃が回転方向に対するすくい面を備えた点にある。
【００２０】
すくい面は、切削刃の先端部分に続く部分であり、本構成のすくい面は、回転方向に面しており、かつ、前記先端部分が鋭角となるように構成できる。
そのため、本構成では、切削刃を鋭利な刃とすることができるため、金属部材を確実に切削することができる。
【００２１】
本発明に係る摩擦攪拌接合用の回転ツールの第四特徴構成は、前記プローブの同じ高さ位置に複数の切削刃を備えており、これら複数の切削刃における前記すくい面の全てが、前記周方向の同一方向を向くことがないように構成した点にある。
【００２２】
本構成のように、当該すくい面の全てが、周方向の同一方向を向くことがないように構成すれば、プローブの回転方向が正逆の何れであったとしても、当該高さ位置における切削部を確実に形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
摩擦攪拌接合方法は、金属部材同士を突き合わせた部位に回転ツールであるプローブを高速回転させた状態で接触させて摩擦熱を供給し、その摩擦熱により金属部材を軟化させて接合する。
当該金属部材は同種の金属材であってもよいが、本明細書における摩擦攪拌接合用の回転ツールは、特に、融点が互いに異なる金属部材同士を接合する場合に使用される。当該金属部材としては、例えばエンジンのピストンに使用される部材が例示されるが、これに限られるものではない。
【００２４】
図１に示したように、本発明の摩擦攪拌接合用の回転ツールＸは、円柱形のツール本体１０と、ツール本体１０よりも小径かつツール本体１０と同軸芯状にツール本体１０の一端に突出形成され、ツール本体１０と一体回転するプローブ２０と、を備え、プローブ２０の周面に複数の切削刃２１を突出形成すると共に、これら複数の切削刃２１を、プローブ２０における高さの異なる位置に、かつ、プローブ２０の周方向に分散配置してある。
当該回転ツールＸは、ツール本体１０およびプローブ２０を回転させるため、ロータリモータ駆動部（図外）と接続してある。当該ロータリモータ駆動部は、ツール本体１０およびプローブ２０の回転方向が、正逆の何れの回転も可能となるように構成する。
【００２５】
ツール本体１０およびプローブ２０は、同じ回転軸心Ｚを有するように構成すれば、別体又は一体の何れであってもよい。
ツール本体１０の一端には、プローブ２０を設けると共に、当該プローブ２０の周囲に肩部１１が形成されるように構成してある。本発明の回転ツールＸでは、融点が互いに異なる金属部材同士を接合するため、融点の低い金属部材（低融点金属部材）が軟化した場合であっても、融点の高い金属部材（高融点金属部材）が軟化しなければ、当該肩部１１が高融点金属部材と当接するため、プローブ２０が低融点金属部材に溶入する深さが規定される。
【００２６】
プローブ２０の周面には、その全面に亘って複数の切削刃２１を突出形成してある。これら複数の切削刃２１は、プローブ２０における高さの異なる位置に、かつ、プローブ２０の周方向に分散配置してある。
本構成では、回転ツールＸを回転させたとき、回転ツールＸの回転軸芯Ｚに対する直角な方向視において、切削刃２１によって形成された切削部３１が、回転軸芯Ｚの延出方向に沿って、間隔を有するように構成してある（図１，２）。
複数の切削刃２１の形状・大きさはそれぞれ同一のものを使用する。
【００２７】
低融点金属部材Ｂはプローブ２０との接触による摩擦熱で軟化し、プローブ２０は低融点金属部材Ｂに溶入する。このとき、高融点金属部材Ａは、プローブ２０の回転によってその側面が切削刃２１により切削される。
本構成では、それぞれが連続しない多数の切削刃２１を、プローブ２０の全面に分散してある。このようなプローブ２０を高速回転させて高融点金属部材Ａを切削するとき、低融点金属部材Ｂに溶入したプローブ２０は、溶入したプローブ２０の深さに相当する領域に亘って、高融点金属部材Ａの側面に切削領域３０を形成することができる。切削領域３０とは、切削部３１が形成される範囲のことをいう。さらに、高融点金属部材Ａの側面には、複数の切削刃２１によって複数の切削部３１が形成される。
【００２８】
このように本発明の回転ツールＸでは、切削領域３０を広く形成することができ、かつ、当該切削領域３０に複数の切削部３１を形成できる。従って、金属部材同士の接合部Ｊの形状は複雑になり、それぞれの金属部材の接触面積が増大する。
【００２９】
そして、高融点金属部材Ａの切削領域３０（切削部３１）に軟化した低融点金属部材Ｂが流入し硬化することで、高融点金属部材Ａおよび低融点金属部材Ｂが噛み合うこととなる。従って、本発明の回転ツールＸでは、切削領域３０を広くかつ複雑に形成することができるので、表面に酸化皮膜を形成する金属部材同士であっても、これら金属部材同士を強固に接合することができる。
【００３０】
接合される対となる金属部材は、高速回転するプローブ２０と接触して摩擦熱が発生することで軟化する金属部材と、切削される金属部材との組み合わせであれば使用できる。
融点が互いに異なる金属部材同士の組み合わせとしては、例えば、アルミニウム（又はアルミニウム合金）および鉄鋼（一般鋼・炭素鋼・特殊鋼・合金鋼）、マグネシウム（又はマグネシウム合金）および当該鉄鋼等が挙げられる。これら組み合わせにおいて、前記鉄鋼はチタン合金とすることも可能である。
【実施例】
【００３１】
異種金属部材の接合処理前においては、両金属部材の相対高さが異なるように、隣接して配置する（図１〜６）。本実施形態では、何れの態様においても、高融点金属部材Ａの高さは低融点金属部材Ｂの高さより低い場合を例示する。当該相対高さの差は例えば２．０ｍｍ程度とする。
例えば図４，５においては、高融点金属部材Ａより低融点金属部材Ｂの方が板厚が厚い場合を例示する。図４は突合せ継ぎ、図５は重ね継ぎの態様を示す（図４の切削領域の形状については後述する）。図６にも重ね継ぎの態様を示すが、この場合、高融点金属部材Ａより低融点金属部材Ｂの方が板厚が薄くなっている。
【００３２】
上述したように金属部材同士の相対高さが異なる場合、低融点金属部材Ｂの上面にプローブ２０の下面を当接させた状態、或いは、低融点金属部材Ｂの側面にプローブ２０の側面を当接させた状態でプローブ２０を回転させる。このとき、プローブ２０と低融点金属部材Ｂとの摩擦熱により、低融点金属部材Ｂが軟化してプローブ２０が低融点金属部材Ｂに溶入する（図２（ａ））。
高融点金属部材Ａの側面は、溶入したプローブ２０の切削刃２１によって切削される（図２（ａ），（ｂ））。そして、低融点金属部材Ｂが硬化し、高融点金属部材Ａおよび低融点金属部材Ｂが接合される。
このように本実施例では、溶入したプローブ２０の深さに相当する領域に亘って、高融点金属部材Ａの側面に、切削領域３０を形成することができる。
【００３３】
〔別実施の形態１〕
上述した実施形態では、回転ツールＸを回転させたとき、回転ツールＸの回転軸芯Ｚに対する直角な方向視において、切削刃２１による切削部３１が、回転軸芯Ｚの延出方向に沿って、間隔を有するように構成した場合について説明した。しかし、このような態様に限られない。
回転ツールＸを回転させたとき、回転ツールＸの回転軸芯Ｚに対する直角な方向視において、切削刃２１により切削されて金属部材に形成された切削部３１が、回転軸芯Ｚの延出方向に沿って連続するよう複数の切削刃２１を配置することが可能である（図３，４）。
【００３４】
本構成では、切削領域３０の全体に亘って切削部３１を形成できるため、金属部材同士の接合部Ｊの形状はより複雑なものとなり、それぞれの金属部材の接触面積がさらに増大する。従って、金属部材同士の接合の程度はより強固になる。
【００３５】
〔別実施の形態２〕
回転ツールＸの回転軸芯Ｚに沿う方向視において、切削刃２１が回転方向に対するすくい面２２を備えている（図７）。
すくい面２２は切削刃２１の先端部分に続く部分であり、本構成のすくい面２１は回転方向に面しており、かつ、前記先端部分が鋭角となるように構成してある。
そのため、本構成では、切削刃２１を鋭利な刃とすることができるため、金属部材を確実に切削することができる。
【００３６】
また、本構成では、プローブ２０の同じ高さ位置に複数の切削刃２１を備えており、これら複数の切削刃２１におけるすくい面２２の全てが、周方向の同一方向を向くことがないように構成することができる。
【００３７】
プローブ２０は、正逆の何れの方向でも回転可能となるように構成してある。
仮にプローブ２０の同じ高さ位置に複数の切削刃２１が備えてある場合に、これら複数の切削刃２１におけるすくい面２２の全てが、周方向の同一方向を向くように構成してあると、プローブ２０が特定の方向に回転した場合にのみ切削部３１が形成されるため、不都合である。
一方、本構成のように、当該すくい面２２の全てが、周方向の同一方向を向くことがないように構成すれば、プローブ２０回転方向が正逆の何れであったとしても、当該高さ位置における切削部３１を確実に形成することができる。
【００３８】
〔別実施の形態３〕
上述した実施形態では、複数の切削刃２１の形状・大きさはそれぞれ同一のものを使用した場合について説明した。しかし、このような態様に限らず、複数の切削刃２１の形状がそれぞれ異なるように構成してもよい。
例えば、複数の切削刃２１の大きさがそれぞれ異なるように構成すれば、形成される切削部３１の深さは異なる。そのため、金属部材同士の接合部Ｊの形状はより複雑になり、それぞれの金属部材の接触面積を制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の摩擦攪拌接合用の回転ツールおよび金属部材を示した概略図
【図２】本発明の摩擦攪拌接合用の回転ツールおよび金属部材を示した概略図
【図３】別実施形態の摩擦攪拌接合用の回転ツールおよび金属部材を示した概略図
【図４】別実施形態の摩擦攪拌接合用の回転ツールにより、突合せ継ぎで接合処理した金属部材の断面図
【図５】重ね継ぎで接合処理した金属部材の断面図
【図６】重ね継ぎで接合処理した金属部材の断面図
【図７】回転方向に対するすくい面を形成した切削刃の断面図
【符号の説明】
【００４０】
Ｘ          回転ツール
Ａ，Ｂ      金属部材
Ｚ          回転軸芯
１０        ツール本体
２０        プローブ
２１        切削刃
２２        すくい面
【図１】
2009214130.tif 000003
【図２】
2009214130.tif 000004
【図３】
2009214130.tif 000005
【図４】
2009214130.tif 000006
【図５】
2009214130.tif 000007
【図６】
2009214130.tif 000008
【図７】
2009214130.tif 000009