内隅接合用回転ツール及びこれを用いた内隅接合方法
【課題】経済性に優れた内隅接合用回転ツールを提供するとともに、当該内隅接合用回転ツールを用いた内隅接合方法を提供する。
【解決手段】一対の金属部材を突き合わせて形成された内隅部に対して摩擦攪拌接合を行う内隅接合用ツール１であって、内隅部に挿入される攪拌ピン３と、攪拌ピン３を支持するとともに一対の金属部材にそれぞれ当接するベースブロック２と、を有し、ベースブロック２は、先端に向けて幅狭となる本体部４と、この本体部４の先端に着脱可能に形成されたショルダ部５と、を有し、攪拌ピン３は、本体部４及びショルダ部５を貫通することを特徴とする。
【解決手段】一対の金属部材を突き合わせて形成された内隅部に対して摩擦攪拌接合を行う内隅接合用ツール１であって、内隅部に挿入される攪拌ピン３と、攪拌ピン３を支持するとともに一対の金属部材にそれぞれ当接するベースブロック２と、を有し、ベースブロック２は、先端に向けて幅狭となる本体部４と、この本体部４の先端に着脱可能に形成されたショルダ部５と、を有し、攪拌ピン３は、本体部４及びショルダ部５を貫通することを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一対の金属部材を突き合わせて形成された内隅部に対して摩擦攪拌接合を行うための内隅接合用回転ツール及びこれを用いた内隅接合方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、特許文献１には、垂直に突き合わされた一対の金属部材の内隅部に対して摩擦攪拌接合を行う技術が開示されている。この技術における内隅接合用回転ツールは、三角柱を呈するベースブロックと、このベースブロックを貫通する攪拌ピンとを有している。この技術では、ベースブロックの傾斜面を一対の金属部材にそれぞれ当接させ、攪拌ピンを内隅部に押し込みつつ高速回転させることにより摩擦攪拌接合を行う。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第４２４０５７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の技術では、攪拌ピンを高速回転させながら金属部材に挿入するため、ベースブロックの先端のうち、攪拌ピンの周囲に係る部位が磨耗しやすいという問題があった。かかる部位のみが磨耗した場合であっても、ベースブロック全体を交換しなければならない場合があるため、設備コストが嵩むという問題があった。
【０００５】
このような観点から、本発明は、経済性に優れた内隅接合用回転ツールを提供するとともに、当該内隅接合用回転ツールを用いた内隅接合方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
このような課題を解決するために本発明は、一対の金属部材を突き合わせて形成された内隅部に対して摩擦攪拌接合を行う内隅接合用ツールであって、前記内隅部に挿入される攪拌ピンと、前記攪拌ピンを支持するとともに一対の前記金属部材にそれぞれ当接するベースブロックと、を有し、前記ベースブロックは、先端に向けて幅狭となる本体部と、この本体部の先端に着脱可能に形成されたショルダ部と、を有し、前記攪拌ピンは、前記本体部及び前記ショルダ部を貫通することを特徴とする。
【０００７】
かかる構成によれば、ベースブロックの先端に取り付けられるショルダ部を着脱可能に形成したため、当該ショルダ部のみを交換することができる。これにより、ベースブロック全体を交換する必要がないため、設備コストを低減することができる。
【０００８】
また、前記本体部の先端に、前記内隅部に対向する対向面が形成されており、前記ショルダ部の先端は、前記対向面よりも前記攪拌ピンの先端側に突出していることが好ましい。
【０００９】
かかる構成によれば、前記本体部の対向面がショルダ部の先端よりもセットバックしているため、摩擦攪拌接合の際にベースブロックが内隅部にひっかかることがない。これにより、摩擦攪拌接合をスムーズに行うことができる。
【００１０】
また、前記本体部の先端において、一方の端部に、前記攪拌ピンの先端側から離間するように傾斜する切欠き部が形成されていることが好ましい。また、前記ショルダ部の先端において、一方の端部に、前記攪拌ピンの先端側から離間するように傾斜する切欠き部が形成されていることが好ましい。
【００１１】
摩擦攪拌接合を行う際に、ベースブロック及びショルダ部の進行方向前側の部位は、内隅部にひっかかりやすいが、ベースブロック及びショルダ部に形成された各切欠き部を進行方向側に配置して摩擦攪拌接合を行うことにより、ベースブロックの移動をスムーズに行うことができる。
【００１２】
また、前記本体部の内部には、先端に向けて先細りとなる本体テーパー孔が形成されており、前記攪拌ピンには、先端に向けて先細りとなる攪拌ピンテーパー部が形成されており、前記攪拌ピンテーパー部は、前記本体テーパー孔の内周面に当接支持されていること
が好ましい。
【００１３】
かかる構成によれば、ベースブロックに対する攪拌ピンの深さ方向の位置決めが容易となるとともに、ベースブロックと攪拌ピンとを容易に着脱することができる。
【００１４】
また、前記本体部には、冷却媒体を流通させる冷却孔が形成されていることが好ましい。かかる構成によれば、ベースブロックの内部の温度を低減することができる。
【００１５】
また、前記本体部と前記攪拌ピンとの間に軸受部が介設されていることが好ましい。かかる構成によれば、攪拌ピンの回転を円滑にすることができる。
【００１６】
請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の内隅接合用回転ツールを用いて、摩擦攪拌接合を行う内隅接合方法では、第一金属部材と第二金属部材とを突き合わせてなる隅肉継手の内隅部に対して行ってもよい。また、第一金属部材の側面と第二金属部材の端面とを突き合わせてなる内隅部に対して行ってもよい。また、第一金属部材の側面に段部を設け、前記段部の底面に第二金属部材の端面を突き合わせてなる内隅部に対して行ってもよい。また、第一金属部材の側面に凹溝を設け、前記凹溝の底面に前記第二金属部材の端面を突き合わせてなるＴ字継手の内隅部に対して行ってもよい。
【００１７】
また、前記内隅部に対して摩擦攪拌接合を行う前に、前記内隅部を予め溶接で仮付け固定することが好ましい。かかる内隅接合方法によれば、摩擦攪拌接合の際に、一対の金属部材が離間するのを防ぐことができるため、作業性を高めることができる。
【００１８】
また、前記ベースブロックを前記第一金属部材及び前記第二金属部材に当接させた後に、前記ベースブロックに前記攪拌ピンを挿入しつつ、摩擦攪拌接合を行うことが好ましい。かかる内隅接合方法によれば、挿入抵抗の大きい摩擦攪拌の開始位置において、内隅接合用回転ツールの位置決めを高い精度で行うことができる。
【００１９】
また、前記摩擦攪拌接合を行った後に、さらに前記内隅部に対して溶接を行って、溶接金属で肉盛りしてフィレットによる脚長を付与することが好ましい。かかる内隅接合方法によれば、摩擦攪拌接合によって形成された塑性化領域を補修することができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明に係る内隅接合用回転ツール及びこれを用いた内隅接合方法によれば、設備コストを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】第一実施形態に係る内隅接合用回転ツールを示した斜視図である。
【図２】第一実施形態に係るベースブロックを示した図であって、（ａ）は、分解斜視図、（ｂ）は、側断面図、（ｃ）は、正面断面図である。
【図３】第一実施形態に係る攪拌ピンを示した側面図である。
【図４】第一実施形態に係る内隅接合用回転ツールを示した正面断面図である。
【図５】第一実施形態に係る内隅接合方法を示した図であって、（ａ）は、準備工程、（ｂ）は、ベースブロック配置工程、（ｃ）は、摩擦攪拌接合工程を示す。
【図６】第一実施形態に係る内隅接合方法を示した図であって、（ａ）は、斜視図、（ｂ）は、図５の（ｃ）の矢印Ａ方向から見た模式断面図である。
【図７】第二実施形態に係るベースブロックを示した側断面図である。
【図８】内隅接合方法の変形例を示した側面図であって、（ａ）は、第一変形例、（ｂ）は、第二変形例、（ｃ），（ｄ）は、第三変形例、（ｅ），（ｆ）は、第四変形例を示す。
【図９】内隅接合方法の他の実施形態を示した側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
［第一実施形態］
本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。説明における上下左右前後は図１の矢印にしたがう。本実施形態に係る内隅接合用回転ツール１は、図１に示すように、ベースブロック２と、ベースブロック２を貫通する攪拌ピン３とを有する。
【００２３】
ベースブロック２は、攪拌ピン３を支持するとともに、接合すべき一対の金属部材にそれぞれ当接する部材である。ベースブロック２は、本体部４と、本体部４の先端（下側）に着脱可能に形成されたショルダ部５とを備えている。
【００２４】
本体部４は、図１及び図２に示すように、外観視略台形柱状を呈し、下方に向けて幅狭となるように形成されている。本体部４は、後記する接合すべき一対の金属部材に当接するとともに、攪拌ピン３を回転可能に保持する部材である。本体部４は、本実施形態では、硬質の金属部材からなる。本体部４は、天面１１と、本体部傾斜面１２，１３と、天面１１に平行な対向面１４と、前方側面１５及び後方側面１６とを備えている。
【００２５】
本体部傾斜面１２，１３は、一対の金属部材にそれぞれ当接する部位である。本実施形態では、後記する一対の金属部材の開き角度（内隅部の角度）を９０°に設定しているため、本体部傾斜面１２，１３の開き角度は９０°に形成している。本体部傾斜面１２，１３の開き角度は、一対の金属部材の内隅部の開き角度に応じて適宜設定すればよい。本体部傾斜面１２，１３には、それぞれ連通孔１２ａ，１３ａが形成されている。連通孔１２ａ，１３ａは、本体部４の内部に形成される本体中空部２１に連通している。連通孔１２ａ，１３ａは、摩擦攪拌接合を行う際に、本体部４内の熱を外部に放出するための孔である。
【００２６】
対向面１４は、本体部４の下端において天面１１と平行に形成されている。対向面１４の中央には、対向面１４よりも上方にセットバックした設置面１４ａが形成されている。設置面１４ａの中央には、本体部４の内部に形成された本体中空部２１に連通する開口が形成されている。また、設置面１４ａにおいて、本体中空部２１の開口の両側には、溝孔１４ｃ，１４ｃが形成されている。なお、対向面１４は、平坦に形成されているが、他の形状であってもよい。対向面１４は、例えば、凸状の曲面としてもよい。
【００２７】
本体部４には、前方側面１５から後方側面１６に貫通する冷却孔１７，１７が形成されている。冷却孔１７は、本実施形態では、本体中空部２１を挟むように左右方向に離間して二箇所に設けられている。具体的な図示は省略するが、冷却孔１７に、例えば連結ブラケットを介してパイプ等を連結することにより、冷却孔１７に冷却媒体を流通させることができる。冷却媒体は、特に制限されないが、本実施形態では冷水を用いる。冷却孔１７に冷水を通すことで本体部４内の温度上昇を抑制することができる。
【００２８】
本体部４の前方側面１５及び後方側面１６の上側中央には、図示しない摩擦攪拌装置の固定治具に本体部４を固定するための取付孔１８，１８が形成されている。
【００２９】
図２の（ｂ）に示すように、本体部４には、攪拌ピン３を貫通させるための本体中空部２１が形成されている。本体中空部２１は、本体部４の内部において、上側に形成された本体円筒状孔２２と、下側にテーパー状に形成された本体テーパー孔２３とで構成されている。
【００３０】
本体円筒状孔２２は、後記する攪拌ピン３の基軸部５１が配設される部位であって、略円筒状に形成されている。本体テーパー孔２３は、下側に向けて幅狭となるテーパー状に形成されている。即ち、本体テーパー孔２３は、逆円錐台形状を呈する。本体テーパー孔２３は、後記する攪拌ピン３の攪拌ピンテーパー部５２が配設される部位である。本体テーパー孔２３の鉛直線からの傾斜角度は、後記する攪拌ピンテーパー部５２の傾斜角度と同等に形成すればよいが、本実施形態では３５°に形成されている。
【００３１】
本体テーパー孔２３の内周面には、図２の（ｂ）、（ｃ）に示すように、軸受部２４が配置されている。軸受部２４は、本体部４と攪拌ピン３との間に介設され、本体部４に対して攪拌ピン３を円滑に回転させる。軸受部２４の種類は特に制限されないが、本実施形態ではテーパーローラーベアリングを用いる。
【００３２】
なお、本実施形態では、本体テーパー孔２３の内周面に軸受部２４を設けているが、本体円筒状孔２２の内周面に設けてもよい。本体中空部２１は、本実施形態では、前記したように形成したが、これに限定されるものではない。本体中空部２１は、攪拌ピン３を支持するとともに、攪拌ピン３を軸回りに回転可能に形成すればよい。また、軸受部２４は、必要に応じて適宜設ければよい。
【００３３】
ショルダ部５は、図２の（ａ）乃至（ｃ）に示すように、基板部３１と、基板部３１の下面に設けられた突出部３２とを有する。ショルダ部５は、本体部４の設置面１４ａに着脱可能に取り付けられる部材である。ショルダ部５の内部の中央には、攪拌ピン３が挿通されるショルダ中空部４１が形成されている。ショルダ部５の組成は特に制限されないが、本実施形態では、本体部４と同一の組成の金属からなる。
【００３４】
基板部３１は、板状の部位であって、突出部３２の両脇に取付孔３１ａ，３１ａが形成されている。基板部３１を設置面１４ａに設置すると、取付孔３１ａ，３１ａは、本体部４の溝孔１４ｃ，１４ｃと連通する。
【００３５】
突出部３２は、円筒面を備えた胴体部３３を有し、この胴体部３３には先端に向けて幅狭となるようにショルダ部傾斜面３４，３５が形成されている。ショルダ部傾斜面３４，３５の開き角度は９０°に形成されている。ショルダ部傾斜面３４，３５が交わる部分には、稜線部３６が形成されている。稜線部３６は、摩擦攪拌接合の際に、内隅部に当接するか又は内隅部と微細な隙間をあけて対向する。稜線部３６には、図２の（ｂ）に示すように、稜線部３６から離間する方向に傾斜する切欠き部３７，３７が形成されている。切欠き部３７は、本実施形態では、稜線部３６の両端側に設けているが、少なくとも、いずれか一端側に設けられていればよい。
【００３６】
突出部３２の内部には、図２の（ｂ）に示すように、ショルダ中空部４１が形成されている。ショルダ中空部４１は、攪拌ピン３が挿通される部位である。ショルダ中空部４１は、上側に形成されるショルダテーパー孔４２と、ショルダテーパー孔４２の下側に形成される先端円筒孔４３とで構成されている。ショルダテーパー孔４２は、下側に向けて幅狭となるテーパー状に形成されている。即ち、ショルダテーパー孔４２は、逆円錐台形状を呈する。ショルダテーパー孔４２の鉛直線からの傾斜角度は、前記した本体部４の本体テーパー孔２３の傾斜角度と同等に形成されている。ショルダテーパー孔４２は、後記する攪拌ピン３の攪拌ピンテーパー部５２に当接するか又は攪拌ピンテーパー部５２から微細な隙間をあけて対向する部位である。
【００３７】
先端円筒孔４３は、ショルダテーパー孔４２の下側に連続して形成されており、円筒状を呈する。先端円筒孔４３の外径は、後記する攪拌ピン３の先端部５３の外径よりもやや大きく形成されている。
【００３８】
次に、本体部４にショルダ部５を取り付けた状態について説明する。図２の（ｂ）に示すように、ショルダ部５は、締結具３１ｂ，３１ｂを介して本体部４に着脱可能に形成されている。ショルダ部５の稜線部３６は、本体部４の対向面１４よりも下方に突出している。
【００３９】
図２の（ｃ）に示すように、本体部４の本体部傾斜面１３は、ショルダ部５のショルダ部傾斜面３４と同一平面上に形成されている。また、本体部４の本体部傾斜面１２は、ショルダ部５のショルダ部傾斜面３５と同一平面上に形成されている。
【００４０】
なお、前記したように、ベースブロック２の傾斜面は、それぞれ面一となるように形成したが、これに限定されるものではない。例えば、本体部４の本体部傾斜面１２，１３よりも、ショルダ部５のショルダ部傾斜面３４，３５が下方（内隅部）側に突出するように形成してもよい。
【００４１】
攪拌ピン３は、図３に示すように、基軸部５１と、攪拌ピンテーパー部５２と、先端部５３とを有する。基軸部５１、攪拌ピンテーパー部５２及び先端部５３は、それぞれ同軸に形成されている。攪拌ピン３は、ベースブロック２に当接支持されるとともに、一対の金属部材の内隅部内で回転する部材である。
【００４２】
基軸部５１は、円柱状を呈する部材であって、図示しない摩擦攪拌装置の駆動手段に連結される。基軸部５１は、本体部４の本体円筒状孔２２内に配設される。攪拌ピンテーパー部５２は、先端に向けて幅狭に形成されている。即ち、攪拌ピンテーパー部５２の鉛直断面は、逆円錐台形状を呈する。攪拌ピンテーパー部５２は、本体部４の本体テーパー孔２３内及びショルダ部５のショルダテーパー孔４２内に配設される。
【００４３】
先端部５３は、攪拌ピンテーパー部５２の下部から垂下しており、略円柱状を呈する。先端部５３の外周面には螺旋状の溝が刻設されている。先端部５３の長さは、攪拌ピン３をベースブロック２に当接支持させた場合に、その先端がベースブロック２の先端よりも下方に突出するように設定することが好ましい。
【００４４】
図４に示すように、ベースブロック２と攪拌ピン３とを一体化させる場合は、ベースブロック２の中空部に攪拌ピン３を挿入し、攪拌ピン３の攪拌ピンテーパー部５２を本体テーパー孔２３の内周面に当接支持させる。本実施形態では、本体テーパー孔２３の内周面に軸受部２４を配置しているため、攪拌ピンテーパー部５２は、軸受部２４と当接する。攪拌ピン３の先端部５３は、ショルダ部５の先端円筒孔４３内を挿通してショルダ部５の稜線部３６（図２の（ｂ）参照）よりも下方に突出するように配置される。
【００４５】
なお、図４に示すように、本実施形態では、本体部４の内部に略円筒状の介設部材５５が固設されている。介設部材５５は、本体部４に対して攪拌ピン３を安定して回転させるために設けられる部材である。介設部材５５は、必要に応じて適宜設ければよい。
【００４６】
また、軸受部２４を設けずに、本体テーパー孔２３とショルダテーパー孔４２とを面一に形成している場合は、攪拌ピン３の攪拌ピンテーパー部５２を本体テーパー孔２３の内周面及びショルダテーパー孔４２の内周面に当接させてもよい。
また、本実施形態では、本体部４及び攪拌ピン３にテーパー部分を形成して、これらのテーパー部分同士が軸受具２４を介して対向するようにしたが、これに限定されるものではない。例えば、本体部４の内部及び攪拌ピン３の外周に、対向する水平面を設け、この対向する水平面の間にスラストベアリングを介設してもよい。本体部４及び攪拌ピン３をこのように構成しても、本体部４に対して攪拌ピン３を円滑に回転させることができる。
【００４７】
次に、内隅接合用回転ツール１を用いた内隅接合方法について説明する。内隅接合方法は、（１）準備工程と、（２）ベースブロック配置工程と、（３）摩擦攪拌接合工程と、を含む。
【００４８】
（１）準備工程
準備工程では、図５の（ａ）に示すように、第一金属部材１０１と第二金属部材１０２を突き合わせるとともに、裏当部材Ｔを配置する。第一金属部材１０１及び第二金属部材１０２は、板状の部材であって、第一金属部材１０１の内側面１０１ｂに、第二金属部材１０２の端面１０２ｃを突き合わせる。第一金属部材１０１の端面１０１ｃと第二金属部材１０２の外側面１０２ａとは面一になっている。第一金属部材１０１と第二金属部材１０２の開き角度は９０°になっている。第一金属部材１０１及び第二金属部材１０２は摩擦攪拌可能な金属からなる。
【００４９】
第一金属部材１０１の内側面１０１ｂと第二金属部材１０２の内側面１０２ｂとで構成される角部を内隅部Ｚとする。また、第一金属部材１０１の内側面１０１ｂと第二金属部材１０２の端面１０２ｃが突き合わされた部分を突合部Ｊとする。
【００５０】
裏当部材Ｔは、第一金属部材１０１の外側面１０１ａ及び第二金属部材１０２の外側面１０２ａに当接するように配置される。
【００５１】
なお、準備工程では、具体的な図示はしないが、内隅部Ｚに予め下穴を設けてもよい。下穴は、攪拌ピン３を内隅部Ｚに挿入する際の圧入抵抗を低減させるために設ける。下穴の形状は特に制限されないが、例えば円柱状に形成し、攪拌ピン３の先端部５３の外径よりも若干小さい直径に設定する。
【００５２】
また、準備工程では、内隅部Ｚに沿って、溶接を行って第一金属部材１０１と第二金属部材１０２を予め仮付け固定してもよい。仮付け固定することによって、内隅部Ｚに攪拌ピン３を挿入したときに第一金属部材１０１と第二金属部材１０２とが離間するのを防ぐことができる。
【００５３】
（２）ベースブロック配置工程
ベースブロック配置工程では、図５の（ｂ）に示すように、内隅部Ｚにベースブロック２のみを配置する。ベースブロック２のショルダ部５の稜線部３６を、内隅部Ｚに当接させるか、又は、微細な隙間をあけて配置する。そして、本体部４の本体部傾斜面１２及びショルダ部５のショルダ部傾斜面３５を第二金属部材１０２の内側面１０２ｂに当接させる。また、本体部４の本体部傾斜面１３及びショルダ部５のショルダ部傾斜面３４を第一金属部材１０１の内側面１０１ｂに当接させる。このように、ベースブロック２は、内隅部Ｚの長手方向には移動可能になるが、ベースブロック２を構成する一対の傾斜面が、第一金属部材１０１及び第二金属部材１０２にそれぞれ当接するため、摩擦攪拌接合を行う際にベースブロック２が鉛直軸周りに回転するのを阻止することができる。
【００５４】
（３）摩擦攪拌接合工程
摩擦攪拌接合工程では、図５の（ｃ）に示すように、攪拌ピン３をベースブロック２に挿入しつつ、摩擦攪拌接合を行う。摩擦攪拌接合工程では、攪拌ピン３が内隅部Ｚ（又は下穴）に当接するまで、ベースブロック２の中空部に攪拌ピン３を挿入する。そして、攪拌ピン３を回転させつつ、攪拌ピン３の攪拌ピンテーパー部５２（図４参照）が、軸受部２４に当接するまで押し込む。
【００５５】
次に、図６の（ａ）に示すように、攪拌ピン３を回転させつつ、ベースブロック２及び攪拌ピン３を内隅部Ｚに沿って移動させる。摩擦攪拌接合によって、突合部Ｊの周囲の金属が塑性流動化されて一体化するため、第一金属部材１０１と第二金属部材１０２とが接合される。内隅接合用回転ツール１の移動軌跡には、塑性化領域Ｗが形成される。
【００５６】
以上説明した本実施形態に係る内隅接合用回転ツール１によれば、ベースブロック２のうち、内隅部Ｚに臨むショルダ部５を着脱可能に形成したため、ショルダ部５が磨耗したらショルダ部５のみを新しいものに付け替えればよい。したがって、ベースブロック２全体を交換する必要がなくなるため、設備コストを低減することができる。
【００５７】
図６の（ｂ）は、第一実施形態に係る摩擦攪拌接合工程において、図５の（ｃ）の矢印Ａ方向から見た模式図である。図６の（ｂ）に示すように、本体部４の対向面１４は、ショルダ部５の先端（稜線部３６）よりも内隅部Ｚから離間する方向にセットバックしているため、摩擦攪拌接合の際に、ベースブロック２が内隅部Ｚにひっかかるのを防ぐことができる。
【００５８】
また、図６の（ｂ）に示すように、ショルダ部５の稜線部３６のうち、進行方向前側に、切欠き部３７を設けているため、摩擦攪拌接合の際に、ショルダ部５をスムーズに移動させることができる。また、本実施形態では、切欠き部３７を進行方向後側にも設けているため、内隅接合用回転ツール１を往復移動する際にもショルダ部５をスムーズに移動させることができる。
【００５９】
また、本体部４には、攪拌ピン３の攪拌ピンテーパー部５２と本体テーパー孔２３（軸受部２４）が形成されているため、当該テーパー部同士を当接又は離脱させるだけで、ベースブロック２と攪拌ピン３とを容易に着脱することができる。また、当該テーパー同士を当接させるだけで、ベースブロック２に対する攪拌ピン３の深さ方向の位置決めを容易に行うことができる。
【００６０】
また、本実施形態にかかる内隅接合方法によれば、摩擦攪拌接合に先だって、ベースブロック２のみを内隅部Ｚに配置した後に、攪拌ピン３をベースブロック２に挿入させるようにしたため、挿入抵抗の大きい摩擦攪拌の開始位置において、内隅接合用回転ツール１の位置決めを高い精度で行うことができる。
【００６１】
［第二実施形態］
次に、本発明の第二実施形態について説明する。第二実施形態に係る内隅接合用回転ツールは、図７に示すように、本体部４の対向面１４に切欠き部６１が形成されている点で第一実施形態と相違する。本体部４（ベースブロック２）以外の構成は、第一実施形態と略同等であるため、重複する説明は省略する。
【００６２】
本体部４の下端には、対向面１４から前方側面１５，後方側面１６にわたってそれぞれ傾斜する切欠き部６１，６１が形成されている。切欠き部６１は、対向面１４を基端として所定の角度で内隅部から離間するように傾斜している。本体部４に切欠き部６１を設けることにより、摩擦攪拌接合の際に、内隅部Ｚにベースブロック２がひっかかるのを防いでスムーズに移動させることができる。図７に示すように、ショルダ部５の稜線部３６と本体部４の対向面１４までの距離Ｈが短い場合には、第二実施形態のように本体部４にも切欠き部６１を設けることが好ましい。
【００６３】
なお、内隅接合用回転ツールは、第一実施形態及び第二実施形態の構成に限定されず、適宜設計変更が可能である。例えば、具体的な図示はしないが、図７を参照するように、第一実施形態では、ショルダ部５の稜線部３６を本体部４の対向面１４よりも突出させているが、本体部４の対向面１４とショルダ部５の稜線部３６とが同一平面上になるように形成してもよい。また、第一実施形態では、締結具３１ｂ，３１ｂを介して、本体部４とショルダ部５とを着脱したが、本体部４とショルダ部５とが着脱可能に形成されれば他の形態であってもよい。
【００６４】
［変形例］
次に、内隅接合方法の変形例について説明する。第一実施形態では、第一金属部材の内側面と、第二金属部材の端面とを当接させたが、金属部材の継手方法は制限されるものではない。例えば、図８に示す第一変形例乃至第四変形例のように突き合わせてもよい。
【００６５】
（第一変形例）
図８の（ａ）に示すように、第一変形例では、第一金属部材２０１及び第二金属部材２０２の端部をそれぞれ４５°に切削して、両端面２０１ｃ，２０２ｃ同士を突き合わせる（隅肉継手）。第一金属部材２０１の内側面２０１ｂと第二金属部材２０２の内側面２０２ｂとで内隅部Ｚ１が形成される。内隅接合方法では、当該内隅部Ｚ１に内隅接合用回転ツール１を用いて摩擦攪拌接合を行ってもよい。
【００６６】
（第二変形例）
図８の（ｂ）に示すように、第二変形例では、第一金属部材２１１の内側面２１１ｂと、第二金属部材２１２の端面２１２ｃとを突き合わせて一対の金属部材をＴ字状に形成する。第一金属部材２１１の内側面２１１ｂと第二金属部材２１２の内側面２１２ｂとで内隅部Ｚ２が形成される。また、第一金属部材２１１の内側面２１１ｂと第二金属部材２１２の外側面２１２ａとで内隅部Ｚ２’が形成される。内隅接合方法では、当該内隅部Ｚ２，Ｚ２’に内隅接合用回転ツール１を用いて摩擦攪拌接合を行ってもよい。
【００６７】
（第三変形例）
図８の（ｃ）に示すように、第三変形例では、第一金属部材２２１の端部に形成された段部２２３と、第二金属部材２２２の端面２２２ｃとを突き合わせる。段部２２３は、底面２２３ａと、底面２２３ａから立ち上がる壁部２２３ｂとを有する。底面２２３ａは、第二金属部材２２２の端面２２２ｃと当接し、壁部２２３ｂは、第二金属部材２２２の内側面２２２ｂと当接する。図８の（ｄ）に示すように、第一金属部材２２１の内側面２２１ｂと第二金属部材２２２の内側面２２２ｂとで内隅部Ｚ３が形成される。段部２２３を形成することで、第一金属部材２２１と第二金属部材２２２とを安定して突き合わせることができる。内隅接合方法では、当該内隅部Ｚ３に内隅接合用回転ツール１を用いて摩擦攪拌接合を行ってもよい。
【００６８】
（第四変形例）
図８の（ｅ）に示すように、第四変形例では、第一金属部材２３１に形成された凹溝２３３と、第二金属部材２３２の端面２３２ｃとを突き合わせて一対の金属部材をＴ字状に形成する。凹溝２３３は、底面２３３ａと、底面２３３ａから立ち上がる壁部２３３ｂ，２３３ｃとを有する。底面２３３ａは、第二金属部材２３２の端面２３２ｃと当接し、壁部２３３ｂは、第二金属部材２３２の外側面２３２ａに当接し、壁部２３３ｃは、第二金属部材２３２の内側面２３２ｂに当接する。図８の（ｆ）に示すように、第一金属部材２３１の内側面２３１ｂと第二金属部材２３２の内側面２３２ｂとで内隅部Ｚ４が形成される。また、第一金属部材２３１の内側面２３１ｂと第二金属部材２３２の外側面２３２ａとで内隅部Ｚ４’が形成される。凹溝２３３を形成することで、第一金属部材２３１と第二金属部材２３２とを安定して突き合わせることができる。内隅接合方法では、当該内隅部Ｚ４，Ｚ４’に内隅接合用回転ツール１を用いて摩擦攪拌接合を行ってもよい。
【００６９】
（他の実施形態）
図９に示すように、内隅接合方法の他の実施形態では、前記した内隅接合方法の摩擦攪拌接合工程が終了したら、塑性化領域Ｗに対して溶接を行って補修工程を行う。補修工程では、肉盛溶接を行って塑性化領域Ｗの表面を溶接金属Ｆで覆う。つまり、内隅部Ｚに対してフィレットによる脚長を付与する。これにより、摩擦攪拌接合によって、塑性化領域Ｗの表面が凸凹になっていたとしても平坦にすることができる。
【符号の説明】
【００７０】
１ 内隅接合用回転ツール
２ ベースブロック
３ 攪拌ピン
４ 本体部
５ ショルダ部
１２ 本体部傾斜面
１３ 本体部傾斜面
１４ 対向面
２１ 本体中空部
２２ 本体円筒状孔
２３ 本体テーパー孔
２４ 軸受部
３４ ショルダ部傾斜面
３５ ショルダ部傾斜面
３６ 稜線部
３７ 切欠き部
４１ ショルダ中空部
４２ ショルダテーパー孔
４３ 先端円筒孔
５１ 基軸部
５２ 攪拌ピンテーパー部
５３ 先端部
６１ 切欠き部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一対の金属部材を突き合わせて形成された内隅部に対して摩擦攪拌接合を行うための内隅接合用回転ツール及びこれを用いた内隅接合方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、特許文献１には、垂直に突き合わされた一対の金属部材の内隅部に対して摩擦攪拌接合を行う技術が開示されている。この技術における内隅接合用回転ツールは、三角柱を呈するベースブロックと、このベースブロックを貫通する攪拌ピンとを有している。この技術では、ベースブロックの傾斜面を一対の金属部材にそれぞれ当接させ、攪拌ピンを内隅部に押し込みつつ高速回転させることにより摩擦攪拌接合を行う。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第４２４０５７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の技術では、攪拌ピンを高速回転させながら金属部材に挿入するため、ベースブロックの先端のうち、攪拌ピンの周囲に係る部位が磨耗しやすいという問題があった。かかる部位のみが磨耗した場合であっても、ベースブロック全体を交換しなければならない場合があるため、設備コストが嵩むという問題があった。
【０００５】
このような観点から、本発明は、経済性に優れた内隅接合用回転ツールを提供するとともに、当該内隅接合用回転ツールを用いた内隅接合方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
このような課題を解決するために本発明は、一対の金属部材を突き合わせて形成された内隅部に対して摩擦攪拌接合を行う内隅接合用ツールであって、前記内隅部に挿入される攪拌ピンと、前記攪拌ピンを支持するとともに一対の前記金属部材にそれぞれ当接するベースブロックと、を有し、前記ベースブロックは、先端に向けて幅狭となる本体部と、この本体部の先端に着脱可能に形成されたショルダ部と、を有し、前記攪拌ピンは、前記本体部及び前記ショルダ部を貫通することを特徴とする。
【０００７】
かかる構成によれば、ベースブロックの先端に取り付けられるショルダ部を着脱可能に形成したため、当該ショルダ部のみを交換することができる。これにより、ベースブロック全体を交換する必要がないため、設備コストを低減することができる。
【０００８】
また、前記本体部の先端に、前記内隅部に対向する対向面が形成されており、前記ショルダ部の先端は、前記対向面よりも前記攪拌ピンの先端側に突出していることが好ましい。
【０００９】
かかる構成によれば、前記本体部の対向面がショルダ部の先端よりもセットバックしているため、摩擦攪拌接合の際にベースブロックが内隅部にひっかかることがない。これにより、摩擦攪拌接合をスムーズに行うことができる。
【００１０】
また、前記本体部の先端において、一方の端部に、前記攪拌ピンの先端側から離間するように傾斜する切欠き部が形成されていることが好ましい。また、前記ショルダ部の先端において、一方の端部に、前記攪拌ピンの先端側から離間するように傾斜する切欠き部が形成されていることが好ましい。
【００１１】
摩擦攪拌接合を行う際に、ベースブロック及びショルダ部の進行方向前側の部位は、内隅部にひっかかりやすいが、ベースブロック及びショルダ部に形成された各切欠き部を進行方向側に配置して摩擦攪拌接合を行うことにより、ベースブロックの移動をスムーズに行うことができる。
【００１２】
また、前記本体部の内部には、先端に向けて先細りとなる本体テーパー孔が形成されており、前記攪拌ピンには、先端に向けて先細りとなる攪拌ピンテーパー部が形成されており、前記攪拌ピンテーパー部は、前記本体テーパー孔の内周面に当接支持されていること
が好ましい。
【００１３】
かかる構成によれば、ベースブロックに対する攪拌ピンの深さ方向の位置決めが容易となるとともに、ベースブロックと攪拌ピンとを容易に着脱することができる。
【００１４】
また、前記本体部には、冷却媒体を流通させる冷却孔が形成されていることが好ましい。かかる構成によれば、ベースブロックの内部の温度を低減することができる。
【００１５】
また、前記本体部と前記攪拌ピンとの間に軸受部が介設されていることが好ましい。かかる構成によれば、攪拌ピンの回転を円滑にすることができる。
【００１６】
請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の内隅接合用回転ツールを用いて、摩擦攪拌接合を行う内隅接合方法では、第一金属部材と第二金属部材とを突き合わせてなる隅肉継手の内隅部に対して行ってもよい。また、第一金属部材の側面と第二金属部材の端面とを突き合わせてなる内隅部に対して行ってもよい。また、第一金属部材の側面に段部を設け、前記段部の底面に第二金属部材の端面を突き合わせてなる内隅部に対して行ってもよい。また、第一金属部材の側面に凹溝を設け、前記凹溝の底面に前記第二金属部材の端面を突き合わせてなるＴ字継手の内隅部に対して行ってもよい。
【００１７】
また、前記内隅部に対して摩擦攪拌接合を行う前に、前記内隅部を予め溶接で仮付け固定することが好ましい。かかる内隅接合方法によれば、摩擦攪拌接合の際に、一対の金属部材が離間するのを防ぐことができるため、作業性を高めることができる。
【００１８】
また、前記ベースブロックを前記第一金属部材及び前記第二金属部材に当接させた後に、前記ベースブロックに前記攪拌ピンを挿入しつつ、摩擦攪拌接合を行うことが好ましい。かかる内隅接合方法によれば、挿入抵抗の大きい摩擦攪拌の開始位置において、内隅接合用回転ツールの位置決めを高い精度で行うことができる。
【００１９】
また、前記摩擦攪拌接合を行った後に、さらに前記内隅部に対して溶接を行って、溶接金属で肉盛りしてフィレットによる脚長を付与することが好ましい。かかる内隅接合方法によれば、摩擦攪拌接合によって形成された塑性化領域を補修することができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明に係る内隅接合用回転ツール及びこれを用いた内隅接合方法によれば、設備コストを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】第一実施形態に係る内隅接合用回転ツールを示した斜視図である。
【図２】第一実施形態に係るベースブロックを示した図であって、（ａ）は、分解斜視図、（ｂ）は、側断面図、（ｃ）は、正面断面図である。
【図３】第一実施形態に係る攪拌ピンを示した側面図である。
【図４】第一実施形態に係る内隅接合用回転ツールを示した正面断面図である。
【図５】第一実施形態に係る内隅接合方法を示した図であって、（ａ）は、準備工程、（ｂ）は、ベースブロック配置工程、（ｃ）は、摩擦攪拌接合工程を示す。
【図６】第一実施形態に係る内隅接合方法を示した図であって、（ａ）は、斜視図、（ｂ）は、図５の（ｃ）の矢印Ａ方向から見た模式断面図である。
【図７】第二実施形態に係るベースブロックを示した側断面図である。
【図８】内隅接合方法の変形例を示した側面図であって、（ａ）は、第一変形例、（ｂ）は、第二変形例、（ｃ），（ｄ）は、第三変形例、（ｅ），（ｆ）は、第四変形例を示す。
【図９】内隅接合方法の他の実施形態を示した側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
［第一実施形態］
本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。説明における上下左右前後は図１の矢印にしたがう。本実施形態に係る内隅接合用回転ツール１は、図１に示すように、ベースブロック２と、ベースブロック２を貫通する攪拌ピン３とを有する。
【００２３】
ベースブロック２は、攪拌ピン３を支持するとともに、接合すべき一対の金属部材にそれぞれ当接する部材である。ベースブロック２は、本体部４と、本体部４の先端（下側）に着脱可能に形成されたショルダ部５とを備えている。
【００２４】
本体部４は、図１及び図２に示すように、外観視略台形柱状を呈し、下方に向けて幅狭となるように形成されている。本体部４は、後記する接合すべき一対の金属部材に当接するとともに、攪拌ピン３を回転可能に保持する部材である。本体部４は、本実施形態では、硬質の金属部材からなる。本体部４は、天面１１と、本体部傾斜面１２，１３と、天面１１に平行な対向面１４と、前方側面１５及び後方側面１６とを備えている。
【００２５】
本体部傾斜面１２，１３は、一対の金属部材にそれぞれ当接する部位である。本実施形態では、後記する一対の金属部材の開き角度（内隅部の角度）を９０°に設定しているため、本体部傾斜面１２，１３の開き角度は９０°に形成している。本体部傾斜面１２，１３の開き角度は、一対の金属部材の内隅部の開き角度に応じて適宜設定すればよい。本体部傾斜面１２，１３には、それぞれ連通孔１２ａ，１３ａが形成されている。連通孔１２ａ，１３ａは、本体部４の内部に形成される本体中空部２１に連通している。連通孔１２ａ，１３ａは、摩擦攪拌接合を行う際に、本体部４内の熱を外部に放出するための孔である。
【００２６】
対向面１４は、本体部４の下端において天面１１と平行に形成されている。対向面１４の中央には、対向面１４よりも上方にセットバックした設置面１４ａが形成されている。設置面１４ａの中央には、本体部４の内部に形成された本体中空部２１に連通する開口が形成されている。また、設置面１４ａにおいて、本体中空部２１の開口の両側には、溝孔１４ｃ，１４ｃが形成されている。なお、対向面１４は、平坦に形成されているが、他の形状であってもよい。対向面１４は、例えば、凸状の曲面としてもよい。
【００２７】
本体部４には、前方側面１５から後方側面１６に貫通する冷却孔１７，１７が形成されている。冷却孔１７は、本実施形態では、本体中空部２１を挟むように左右方向に離間して二箇所に設けられている。具体的な図示は省略するが、冷却孔１７に、例えば連結ブラケットを介してパイプ等を連結することにより、冷却孔１７に冷却媒体を流通させることができる。冷却媒体は、特に制限されないが、本実施形態では冷水を用いる。冷却孔１７に冷水を通すことで本体部４内の温度上昇を抑制することができる。
【００２８】
本体部４の前方側面１５及び後方側面１６の上側中央には、図示しない摩擦攪拌装置の固定治具に本体部４を固定するための取付孔１８，１８が形成されている。
【００２９】
図２の（ｂ）に示すように、本体部４には、攪拌ピン３を貫通させるための本体中空部２１が形成されている。本体中空部２１は、本体部４の内部において、上側に形成された本体円筒状孔２２と、下側にテーパー状に形成された本体テーパー孔２３とで構成されている。
【００３０】
本体円筒状孔２２は、後記する攪拌ピン３の基軸部５１が配設される部位であって、略円筒状に形成されている。本体テーパー孔２３は、下側に向けて幅狭となるテーパー状に形成されている。即ち、本体テーパー孔２３は、逆円錐台形状を呈する。本体テーパー孔２３は、後記する攪拌ピン３の攪拌ピンテーパー部５２が配設される部位である。本体テーパー孔２３の鉛直線からの傾斜角度は、後記する攪拌ピンテーパー部５２の傾斜角度と同等に形成すればよいが、本実施形態では３５°に形成されている。
【００３１】
本体テーパー孔２３の内周面には、図２の（ｂ）、（ｃ）に示すように、軸受部２４が配置されている。軸受部２４は、本体部４と攪拌ピン３との間に介設され、本体部４に対して攪拌ピン３を円滑に回転させる。軸受部２４の種類は特に制限されないが、本実施形態ではテーパーローラーベアリングを用いる。
【００３２】
なお、本実施形態では、本体テーパー孔２３の内周面に軸受部２４を設けているが、本体円筒状孔２２の内周面に設けてもよい。本体中空部２１は、本実施形態では、前記したように形成したが、これに限定されるものではない。本体中空部２１は、攪拌ピン３を支持するとともに、攪拌ピン３を軸回りに回転可能に形成すればよい。また、軸受部２４は、必要に応じて適宜設ければよい。
【００３３】
ショルダ部５は、図２の（ａ）乃至（ｃ）に示すように、基板部３１と、基板部３１の下面に設けられた突出部３２とを有する。ショルダ部５は、本体部４の設置面１４ａに着脱可能に取り付けられる部材である。ショルダ部５の内部の中央には、攪拌ピン３が挿通されるショルダ中空部４１が形成されている。ショルダ部５の組成は特に制限されないが、本実施形態では、本体部４と同一の組成の金属からなる。
【００３４】
基板部３１は、板状の部位であって、突出部３２の両脇に取付孔３１ａ，３１ａが形成されている。基板部３１を設置面１４ａに設置すると、取付孔３１ａ，３１ａは、本体部４の溝孔１４ｃ，１４ｃと連通する。
【００３５】
突出部３２は、円筒面を備えた胴体部３３を有し、この胴体部３３には先端に向けて幅狭となるようにショルダ部傾斜面３４，３５が形成されている。ショルダ部傾斜面３４，３５の開き角度は９０°に形成されている。ショルダ部傾斜面３４，３５が交わる部分には、稜線部３６が形成されている。稜線部３６は、摩擦攪拌接合の際に、内隅部に当接するか又は内隅部と微細な隙間をあけて対向する。稜線部３６には、図２の（ｂ）に示すように、稜線部３６から離間する方向に傾斜する切欠き部３７，３７が形成されている。切欠き部３７は、本実施形態では、稜線部３６の両端側に設けているが、少なくとも、いずれか一端側に設けられていればよい。
【００３６】
突出部３２の内部には、図２の（ｂ）に示すように、ショルダ中空部４１が形成されている。ショルダ中空部４１は、攪拌ピン３が挿通される部位である。ショルダ中空部４１は、上側に形成されるショルダテーパー孔４２と、ショルダテーパー孔４２の下側に形成される先端円筒孔４３とで構成されている。ショルダテーパー孔４２は、下側に向けて幅狭となるテーパー状に形成されている。即ち、ショルダテーパー孔４２は、逆円錐台形状を呈する。ショルダテーパー孔４２の鉛直線からの傾斜角度は、前記した本体部４の本体テーパー孔２３の傾斜角度と同等に形成されている。ショルダテーパー孔４２は、後記する攪拌ピン３の攪拌ピンテーパー部５２に当接するか又は攪拌ピンテーパー部５２から微細な隙間をあけて対向する部位である。
【００３７】
先端円筒孔４３は、ショルダテーパー孔４２の下側に連続して形成されており、円筒状を呈する。先端円筒孔４３の外径は、後記する攪拌ピン３の先端部５３の外径よりもやや大きく形成されている。
【００３８】
次に、本体部４にショルダ部５を取り付けた状態について説明する。図２の（ｂ）に示すように、ショルダ部５は、締結具３１ｂ，３１ｂを介して本体部４に着脱可能に形成されている。ショルダ部５の稜線部３６は、本体部４の対向面１４よりも下方に突出している。
【００３９】
図２の（ｃ）に示すように、本体部４の本体部傾斜面１３は、ショルダ部５のショルダ部傾斜面３４と同一平面上に形成されている。また、本体部４の本体部傾斜面１２は、ショルダ部５のショルダ部傾斜面３５と同一平面上に形成されている。
【００４０】
なお、前記したように、ベースブロック２の傾斜面は、それぞれ面一となるように形成したが、これに限定されるものではない。例えば、本体部４の本体部傾斜面１２，１３よりも、ショルダ部５のショルダ部傾斜面３４，３５が下方（内隅部）側に突出するように形成してもよい。
【００４１】
攪拌ピン３は、図３に示すように、基軸部５１と、攪拌ピンテーパー部５２と、先端部５３とを有する。基軸部５１、攪拌ピンテーパー部５２及び先端部５３は、それぞれ同軸に形成されている。攪拌ピン３は、ベースブロック２に当接支持されるとともに、一対の金属部材の内隅部内で回転する部材である。
【００４２】
基軸部５１は、円柱状を呈する部材であって、図示しない摩擦攪拌装置の駆動手段に連結される。基軸部５１は、本体部４の本体円筒状孔２２内に配設される。攪拌ピンテーパー部５２は、先端に向けて幅狭に形成されている。即ち、攪拌ピンテーパー部５２の鉛直断面は、逆円錐台形状を呈する。攪拌ピンテーパー部５２は、本体部４の本体テーパー孔２３内及びショルダ部５のショルダテーパー孔４２内に配設される。
【００４３】
先端部５３は、攪拌ピンテーパー部５２の下部から垂下しており、略円柱状を呈する。先端部５３の外周面には螺旋状の溝が刻設されている。先端部５３の長さは、攪拌ピン３をベースブロック２に当接支持させた場合に、その先端がベースブロック２の先端よりも下方に突出するように設定することが好ましい。
【００４４】
図４に示すように、ベースブロック２と攪拌ピン３とを一体化させる場合は、ベースブロック２の中空部に攪拌ピン３を挿入し、攪拌ピン３の攪拌ピンテーパー部５２を本体テーパー孔２３の内周面に当接支持させる。本実施形態では、本体テーパー孔２３の内周面に軸受部２４を配置しているため、攪拌ピンテーパー部５２は、軸受部２４と当接する。攪拌ピン３の先端部５３は、ショルダ部５の先端円筒孔４３内を挿通してショルダ部５の稜線部３６（図２の（ｂ）参照）よりも下方に突出するように配置される。
【００４５】
なお、図４に示すように、本実施形態では、本体部４の内部に略円筒状の介設部材５５が固設されている。介設部材５５は、本体部４に対して攪拌ピン３を安定して回転させるために設けられる部材である。介設部材５５は、必要に応じて適宜設ければよい。
【００４６】
また、軸受部２４を設けずに、本体テーパー孔２３とショルダテーパー孔４２とを面一に形成している場合は、攪拌ピン３の攪拌ピンテーパー部５２を本体テーパー孔２３の内周面及びショルダテーパー孔４２の内周面に当接させてもよい。
また、本実施形態では、本体部４及び攪拌ピン３にテーパー部分を形成して、これらのテーパー部分同士が軸受具２４を介して対向するようにしたが、これに限定されるものではない。例えば、本体部４の内部及び攪拌ピン３の外周に、対向する水平面を設け、この対向する水平面の間にスラストベアリングを介設してもよい。本体部４及び攪拌ピン３をこのように構成しても、本体部４に対して攪拌ピン３を円滑に回転させることができる。
【００４７】
次に、内隅接合用回転ツール１を用いた内隅接合方法について説明する。内隅接合方法は、（１）準備工程と、（２）ベースブロック配置工程と、（３）摩擦攪拌接合工程と、を含む。
【００４８】
（１）準備工程
準備工程では、図５の（ａ）に示すように、第一金属部材１０１と第二金属部材１０２を突き合わせるとともに、裏当部材Ｔを配置する。第一金属部材１０１及び第二金属部材１０２は、板状の部材であって、第一金属部材１０１の内側面１０１ｂに、第二金属部材１０２の端面１０２ｃを突き合わせる。第一金属部材１０１の端面１０１ｃと第二金属部材１０２の外側面１０２ａとは面一になっている。第一金属部材１０１と第二金属部材１０２の開き角度は９０°になっている。第一金属部材１０１及び第二金属部材１０２は摩擦攪拌可能な金属からなる。
【００４９】
第一金属部材１０１の内側面１０１ｂと第二金属部材１０２の内側面１０２ｂとで構成される角部を内隅部Ｚとする。また、第一金属部材１０１の内側面１０１ｂと第二金属部材１０２の端面１０２ｃが突き合わされた部分を突合部Ｊとする。
【００５０】
裏当部材Ｔは、第一金属部材１０１の外側面１０１ａ及び第二金属部材１０２の外側面１０２ａに当接するように配置される。
【００５１】
なお、準備工程では、具体的な図示はしないが、内隅部Ｚに予め下穴を設けてもよい。下穴は、攪拌ピン３を内隅部Ｚに挿入する際の圧入抵抗を低減させるために設ける。下穴の形状は特に制限されないが、例えば円柱状に形成し、攪拌ピン３の先端部５３の外径よりも若干小さい直径に設定する。
【００５２】
また、準備工程では、内隅部Ｚに沿って、溶接を行って第一金属部材１０１と第二金属部材１０２を予め仮付け固定してもよい。仮付け固定することによって、内隅部Ｚに攪拌ピン３を挿入したときに第一金属部材１０１と第二金属部材１０２とが離間するのを防ぐことができる。
【００５３】
（２）ベースブロック配置工程
ベースブロック配置工程では、図５の（ｂ）に示すように、内隅部Ｚにベースブロック２のみを配置する。ベースブロック２のショルダ部５の稜線部３６を、内隅部Ｚに当接させるか、又は、微細な隙間をあけて配置する。そして、本体部４の本体部傾斜面１２及びショルダ部５のショルダ部傾斜面３５を第二金属部材１０２の内側面１０２ｂに当接させる。また、本体部４の本体部傾斜面１３及びショルダ部５のショルダ部傾斜面３４を第一金属部材１０１の内側面１０１ｂに当接させる。このように、ベースブロック２は、内隅部Ｚの長手方向には移動可能になるが、ベースブロック２を構成する一対の傾斜面が、第一金属部材１０１及び第二金属部材１０２にそれぞれ当接するため、摩擦攪拌接合を行う際にベースブロック２が鉛直軸周りに回転するのを阻止することができる。
【００５４】
（３）摩擦攪拌接合工程
摩擦攪拌接合工程では、図５の（ｃ）に示すように、攪拌ピン３をベースブロック２に挿入しつつ、摩擦攪拌接合を行う。摩擦攪拌接合工程では、攪拌ピン３が内隅部Ｚ（又は下穴）に当接するまで、ベースブロック２の中空部に攪拌ピン３を挿入する。そして、攪拌ピン３を回転させつつ、攪拌ピン３の攪拌ピンテーパー部５２（図４参照）が、軸受部２４に当接するまで押し込む。
【００５５】
次に、図６の（ａ）に示すように、攪拌ピン３を回転させつつ、ベースブロック２及び攪拌ピン３を内隅部Ｚに沿って移動させる。摩擦攪拌接合によって、突合部Ｊの周囲の金属が塑性流動化されて一体化するため、第一金属部材１０１と第二金属部材１０２とが接合される。内隅接合用回転ツール１の移動軌跡には、塑性化領域Ｗが形成される。
【００５６】
以上説明した本実施形態に係る内隅接合用回転ツール１によれば、ベースブロック２のうち、内隅部Ｚに臨むショルダ部５を着脱可能に形成したため、ショルダ部５が磨耗したらショルダ部５のみを新しいものに付け替えればよい。したがって、ベースブロック２全体を交換する必要がなくなるため、設備コストを低減することができる。
【００５７】
図６の（ｂ）は、第一実施形態に係る摩擦攪拌接合工程において、図５の（ｃ）の矢印Ａ方向から見た模式図である。図６の（ｂ）に示すように、本体部４の対向面１４は、ショルダ部５の先端（稜線部３６）よりも内隅部Ｚから離間する方向にセットバックしているため、摩擦攪拌接合の際に、ベースブロック２が内隅部Ｚにひっかかるのを防ぐことができる。
【００５８】
また、図６の（ｂ）に示すように、ショルダ部５の稜線部３６のうち、進行方向前側に、切欠き部３７を設けているため、摩擦攪拌接合の際に、ショルダ部５をスムーズに移動させることができる。また、本実施形態では、切欠き部３７を進行方向後側にも設けているため、内隅接合用回転ツール１を往復移動する際にもショルダ部５をスムーズに移動させることができる。
【００５９】
また、本体部４には、攪拌ピン３の攪拌ピンテーパー部５２と本体テーパー孔２３（軸受部２４）が形成されているため、当該テーパー部同士を当接又は離脱させるだけで、ベースブロック２と攪拌ピン３とを容易に着脱することができる。また、当該テーパー同士を当接させるだけで、ベースブロック２に対する攪拌ピン３の深さ方向の位置決めを容易に行うことができる。
【００６０】
また、本実施形態にかかる内隅接合方法によれば、摩擦攪拌接合に先だって、ベースブロック２のみを内隅部Ｚに配置した後に、攪拌ピン３をベースブロック２に挿入させるようにしたため、挿入抵抗の大きい摩擦攪拌の開始位置において、内隅接合用回転ツール１の位置決めを高い精度で行うことができる。
【００６１】
［第二実施形態］
次に、本発明の第二実施形態について説明する。第二実施形態に係る内隅接合用回転ツールは、図７に示すように、本体部４の対向面１４に切欠き部６１が形成されている点で第一実施形態と相違する。本体部４（ベースブロック２）以外の構成は、第一実施形態と略同等であるため、重複する説明は省略する。
【００６２】
本体部４の下端には、対向面１４から前方側面１５，後方側面１６にわたってそれぞれ傾斜する切欠き部６１，６１が形成されている。切欠き部６１は、対向面１４を基端として所定の角度で内隅部から離間するように傾斜している。本体部４に切欠き部６１を設けることにより、摩擦攪拌接合の際に、内隅部Ｚにベースブロック２がひっかかるのを防いでスムーズに移動させることができる。図７に示すように、ショルダ部５の稜線部３６と本体部４の対向面１４までの距離Ｈが短い場合には、第二実施形態のように本体部４にも切欠き部６１を設けることが好ましい。
【００６３】
なお、内隅接合用回転ツールは、第一実施形態及び第二実施形態の構成に限定されず、適宜設計変更が可能である。例えば、具体的な図示はしないが、図７を参照するように、第一実施形態では、ショルダ部５の稜線部３６を本体部４の対向面１４よりも突出させているが、本体部４の対向面１４とショルダ部５の稜線部３６とが同一平面上になるように形成してもよい。また、第一実施形態では、締結具３１ｂ，３１ｂを介して、本体部４とショルダ部５とを着脱したが、本体部４とショルダ部５とが着脱可能に形成されれば他の形態であってもよい。
【００６４】
［変形例］
次に、内隅接合方法の変形例について説明する。第一実施形態では、第一金属部材の内側面と、第二金属部材の端面とを当接させたが、金属部材の継手方法は制限されるものではない。例えば、図８に示す第一変形例乃至第四変形例のように突き合わせてもよい。
【００６５】
（第一変形例）
図８の（ａ）に示すように、第一変形例では、第一金属部材２０１及び第二金属部材２０２の端部をそれぞれ４５°に切削して、両端面２０１ｃ，２０２ｃ同士を突き合わせる（隅肉継手）。第一金属部材２０１の内側面２０１ｂと第二金属部材２０２の内側面２０２ｂとで内隅部Ｚ１が形成される。内隅接合方法では、当該内隅部Ｚ１に内隅接合用回転ツール１を用いて摩擦攪拌接合を行ってもよい。
【００６６】
（第二変形例）
図８の（ｂ）に示すように、第二変形例では、第一金属部材２１１の内側面２１１ｂと、第二金属部材２１２の端面２１２ｃとを突き合わせて一対の金属部材をＴ字状に形成する。第一金属部材２１１の内側面２１１ｂと第二金属部材２１２の内側面２１２ｂとで内隅部Ｚ２が形成される。また、第一金属部材２１１の内側面２１１ｂと第二金属部材２１２の外側面２１２ａとで内隅部Ｚ２’が形成される。内隅接合方法では、当該内隅部Ｚ２，Ｚ２’に内隅接合用回転ツール１を用いて摩擦攪拌接合を行ってもよい。
【００６７】
（第三変形例）
図８の（ｃ）に示すように、第三変形例では、第一金属部材２２１の端部に形成された段部２２３と、第二金属部材２２２の端面２２２ｃとを突き合わせる。段部２２３は、底面２２３ａと、底面２２３ａから立ち上がる壁部２２３ｂとを有する。底面２２３ａは、第二金属部材２２２の端面２２２ｃと当接し、壁部２２３ｂは、第二金属部材２２２の内側面２２２ｂと当接する。図８の（ｄ）に示すように、第一金属部材２２１の内側面２２１ｂと第二金属部材２２２の内側面２２２ｂとで内隅部Ｚ３が形成される。段部２２３を形成することで、第一金属部材２２１と第二金属部材２２２とを安定して突き合わせることができる。内隅接合方法では、当該内隅部Ｚ３に内隅接合用回転ツール１を用いて摩擦攪拌接合を行ってもよい。
【００６８】
（第四変形例）
図８の（ｅ）に示すように、第四変形例では、第一金属部材２３１に形成された凹溝２３３と、第二金属部材２３２の端面２３２ｃとを突き合わせて一対の金属部材をＴ字状に形成する。凹溝２３３は、底面２３３ａと、底面２３３ａから立ち上がる壁部２３３ｂ，２３３ｃとを有する。底面２３３ａは、第二金属部材２３２の端面２３２ｃと当接し、壁部２３３ｂは、第二金属部材２３２の外側面２３２ａに当接し、壁部２３３ｃは、第二金属部材２３２の内側面２３２ｂに当接する。図８の（ｆ）に示すように、第一金属部材２３１の内側面２３１ｂと第二金属部材２３２の内側面２３２ｂとで内隅部Ｚ４が形成される。また、第一金属部材２３１の内側面２３１ｂと第二金属部材２３２の外側面２３２ａとで内隅部Ｚ４’が形成される。凹溝２３３を形成することで、第一金属部材２３１と第二金属部材２３２とを安定して突き合わせることができる。内隅接合方法では、当該内隅部Ｚ４，Ｚ４’に内隅接合用回転ツール１を用いて摩擦攪拌接合を行ってもよい。
【００６９】
（他の実施形態）
図９に示すように、内隅接合方法の他の実施形態では、前記した内隅接合方法の摩擦攪拌接合工程が終了したら、塑性化領域Ｗに対して溶接を行って補修工程を行う。補修工程では、肉盛溶接を行って塑性化領域Ｗの表面を溶接金属Ｆで覆う。つまり、内隅部Ｚに対してフィレットによる脚長を付与する。これにより、摩擦攪拌接合によって、塑性化領域Ｗの表面が凸凹になっていたとしても平坦にすることができる。
【符号の説明】
【００７０】
１ 内隅接合用回転ツール
２ ベースブロック
３ 攪拌ピン
４ 本体部
５ ショルダ部
１２ 本体部傾斜面
１３ 本体部傾斜面
１４ 対向面
２１ 本体中空部
２２ 本体円筒状孔
２３ 本体テーパー孔
２４ 軸受部
３４ ショルダ部傾斜面
３５ ショルダ部傾斜面
３６ 稜線部
３７ 切欠き部
４１ ショルダ中空部
４２ ショルダテーパー孔
４３ 先端円筒孔
５１ 基軸部
５２ 攪拌ピンテーパー部
５３ 先端部
６１ 切欠き部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の金属部材を突き合わせて形成された内隅部に対して摩擦攪拌接合を行う内隅接合用ツールであって、
前記内隅部に挿入される攪拌ピンと、
前記攪拌ピンを支持するとともに一対の前記金属部材にそれぞれ当接するベースブロックと、を有し、
前記ベースブロックは、
先端に向けて幅狭となる本体部と、この本体部の先端に着脱可能に形成されたショルダ部と、を有し、
前記攪拌ピンは、前記本体部及び前記ショルダ部を貫通することを特徴とする内隅接合用回転ツール。
【請求項２】
前記本体部の先端に、前記内隅部に対向する対向面が形成されており、
前記ショルダ部の先端は、前記対向面よりも前記攪拌ピンの先端側に突出していることを特徴とする請求項１に記載の内隅接合用回転ツール。
【請求項３】
前記本体部の先端において、一方の端部に、前記攪拌ピンの先端側から離間するように傾斜する切欠き部が形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の内隅接合用回転ツール。
【請求項４】
前記ショルダ部の先端において、一方の端部に、前記攪拌ピンの先端側から離間するように傾斜する切欠き部が形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の内隅接合用回転ツール。
【請求項５】
前記本体部の内部には、先端に向けて先細りとなる本体テーパー孔が形成されており、
前記攪拌ピンには、先端に向けて先細りとなる攪拌ピンテーパー部が形成されており、
前記攪拌ピンテーパー部は、前記本体テーパー孔の内周面に当接支持されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の内隅接合用回転ツール。
【請求項６】
前記本体部には、冷却媒体を流通させる冷却孔が形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の内隅接合用回転ツール。
【請求項７】
前記本体部と前記攪拌ピンとの間に軸受部が介設されていることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の内隅接合用回転ツール。
【請求項８】
請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の内隅接合用回転ツールを用いて、
第一金属部材と第二金属部材とを突き合わせてなる隅肉継手の内隅部に対して摩擦攪拌接合を行うことを特徴とする内隅接合方法。
【請求項９】
請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の内隅接合用回転ツールを用いて、
第一金属部材の側面と第二金属部材の端面とを突き合わせてなる内隅部に対して摩擦攪拌接合を行うことを特徴とする内隅接合方法。
【請求項１０】
請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の内隅接合用回転ツールを用いて、
第一金属部材の側面に段部を設け、前記段部の底面に第二金属部材の端面を突き合わせてなる内隅部に対して摩擦攪拌接合を行うことを特徴とする内隅接合方法。
【請求項１１】
請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の内隅接合用回転ツールを用いて、
第一金属部材の側面に凹溝を設け、前記凹溝の底面に前記第二金属部材の端面を突き合わせてなるＴ字継手の内隅部に対して摩擦攪拌接合を行うことを特徴とする内隅接合方法。
【請求項１２】
前記内隅部に対して摩擦攪拌接合を行う前に、前記内隅部を予め溶接で仮付け固定することを特徴とする請求項８乃至請求項１１のいずれか一項に記載の内隅接合方法。
【請求項１３】
前記ベースブロックを前記第一金属部材及び前記第二金属部材に当接させた後に、
前記ベースブロックに前記攪拌ピンを挿入しつつ、摩擦攪拌接合を行うことを特徴とする請求項８乃至請求項１２のいずれか一項に記載の内隅接合方法。
【請求項１４】
前記摩擦攪拌接合を行った後に、さらに前記内隅部に対して溶接を行って、溶接金属で肉盛りしてフィレットによる脚長を付与することを特徴とする請求項８乃至請求項１３のいずれか一項に記載の内隅接合方法。
【請求項１】
一対の金属部材を突き合わせて形成された内隅部に対して摩擦攪拌接合を行う内隅接合用ツールであって、
前記内隅部に挿入される攪拌ピンと、
前記攪拌ピンを支持するとともに一対の前記金属部材にそれぞれ当接するベースブロックと、を有し、
前記ベースブロックは、
先端に向けて幅狭となる本体部と、この本体部の先端に着脱可能に形成されたショルダ部と、を有し、
前記攪拌ピンは、前記本体部及び前記ショルダ部を貫通することを特徴とする内隅接合用回転ツール。
【請求項２】
前記本体部の先端に、前記内隅部に対向する対向面が形成されており、
前記ショルダ部の先端は、前記対向面よりも前記攪拌ピンの先端側に突出していることを特徴とする請求項１に記載の内隅接合用回転ツール。
【請求項３】
前記本体部の先端において、一方の端部に、前記攪拌ピンの先端側から離間するように傾斜する切欠き部が形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の内隅接合用回転ツール。
【請求項４】
前記ショルダ部の先端において、一方の端部に、前記攪拌ピンの先端側から離間するように傾斜する切欠き部が形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の内隅接合用回転ツール。
【請求項５】
前記本体部の内部には、先端に向けて先細りとなる本体テーパー孔が形成されており、
前記攪拌ピンには、先端に向けて先細りとなる攪拌ピンテーパー部が形成されており、
前記攪拌ピンテーパー部は、前記本体テーパー孔の内周面に当接支持されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の内隅接合用回転ツール。
【請求項６】
前記本体部には、冷却媒体を流通させる冷却孔が形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の内隅接合用回転ツール。
【請求項７】
前記本体部と前記攪拌ピンとの間に軸受部が介設されていることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の内隅接合用回転ツール。
【請求項８】
請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の内隅接合用回転ツールを用いて、
第一金属部材と第二金属部材とを突き合わせてなる隅肉継手の内隅部に対して摩擦攪拌接合を行うことを特徴とする内隅接合方法。
【請求項９】
請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の内隅接合用回転ツールを用いて、
第一金属部材の側面と第二金属部材の端面とを突き合わせてなる内隅部に対して摩擦攪拌接合を行うことを特徴とする内隅接合方法。
【請求項１０】
請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の内隅接合用回転ツールを用いて、
第一金属部材の側面に段部を設け、前記段部の底面に第二金属部材の端面を突き合わせてなる内隅部に対して摩擦攪拌接合を行うことを特徴とする内隅接合方法。
【請求項１１】
請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の内隅接合用回転ツールを用いて、
第一金属部材の側面に凹溝を設け、前記凹溝の底面に前記第二金属部材の端面を突き合わせてなるＴ字継手の内隅部に対して摩擦攪拌接合を行うことを特徴とする内隅接合方法。
【請求項１２】
前記内隅部に対して摩擦攪拌接合を行う前に、前記内隅部を予め溶接で仮付け固定することを特徴とする請求項８乃至請求項１１のいずれか一項に記載の内隅接合方法。
【請求項１３】
前記ベースブロックを前記第一金属部材及び前記第二金属部材に当接させた後に、
前記ベースブロックに前記攪拌ピンを挿入しつつ、摩擦攪拌接合を行うことを特徴とする請求項８乃至請求項１２のいずれか一項に記載の内隅接合方法。
【請求項１４】
前記摩擦攪拌接合を行った後に、さらに前記内隅部に対して溶接を行って、溶接金属で肉盛りしてフィレットによる脚長を付与することを特徴とする請求項８乃至請求項１３のいずれか一項に記載の内隅接合方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１１−７９０３１（Ｐ２０１１−７９０３１Ａ）
【公開日】平成２３年４月２１日（２０１１．４．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２３４７０１（Ｐ２００９−２３４７０１）
【出願日】平成２１年１０月９日（２００９．１０．９）
【出願人】（０００００４７４３）日本軽金属株式会社 (627)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年４月２１日（２０１１．４．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１０月９日（２００９．１０．９）
【出願人】（０００００４７４３）日本軽金属株式会社 (627)
【Ｆターム（参考）】
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