摩擦攪拌点接合方法及び摩擦攪拌点接合用ツール
【課題】鉄やチタンなどの高融点の金属同士の点範囲を摩擦し攪拌し接合させる場合であっても、摩擦攪拌点接合用ツール１のプローブ部３ａや環状先端面ｂ１（ショルダー部ｂ０）などに異常摩耗、欠損又は折損が発生するのを抑制する。
【解決手段】 摩擦攪拌点接合用ツール１は、先端面ｂ１の回転中心位置に穴２ａを形成され、先端面は穴２ａの外周縁ｃ１から本体軸部の外周壁へ向かうに伴って後方へ後退する形状の本体軸部２と、穴２ａを介する嵌め合いにより本体軸部２に固定され、前記本体軸部よりも小径で先端面ｂ１よりもさらに先方へ突出されたプローブ部３ａを具備した被保持部材３を有している。この摩擦攪拌点接合用ツール１をスポット接合装置に取り付け、プローブ部３ａを被接合材に進入する。この際、穴２ａの外周縁ｃ１が前記被接合材の上面に達したときに進入を停止させる。
【解決手段】 摩擦攪拌点接合用ツール１は、先端面ｂ１の回転中心位置に穴２ａを形成され、先端面は穴２ａの外周縁ｃ１から本体軸部の外周壁へ向かうに伴って後方へ後退する形状の本体軸部２と、穴２ａを介する嵌め合いにより本体軸部２に固定され、前記本体軸部よりも小径で先端面ｂ１よりもさらに先方へ突出されたプローブ部３ａを具備した被保持部材３を有している。この摩擦攪拌点接合用ツール１をスポット接合装置に取り付け、プローブ部３ａを被接合材に進入する。この際、穴２ａの外周縁ｃ１が前記被接合材の上面に達したときに進入を停止させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の被接合材を摩擦熱の利用により点範囲で接合させることのできる摩擦攪拌点接合方法、及び、これに使用される摩擦攪拌点接合用ツールに関する。
【背景技術】
【０００２】
厚さ方向に重ねられた複数の被接合材を点範囲で接合させる方法として、摩擦攪拌点接合法が知られている。そして、この方法で使用される摩擦攪拌点接合用ツールとして、例えば特許文献１に開示されているようなものがある。この摩擦攪拌点接合用ツ−ルは、円柱状の本体軸部と、本体軸部の先端に同軸に突設された比較的小径の攪拌軸（以下「プローブ部」と称す。）と、プローブ部と本体軸部の下部外周面との間に形成されるショルダー部とから構成される。
【０００３】
このような摩擦攪拌点接合用ツールを用いて２枚の被接合材を摩擦攪拌点接合する場合、摩擦攪拌点接合用ツールを高速で回転させ、厚さ方向に重ねられた２枚の被接合材にプローブ部を押し当てて、被接合材中に進入させていく。このプローブ部の進入過程で、ショルダー部が被接合材の上面に回転しながら押し当てられ被接合材中へ進入圧力が加えられる。これにより、ショルダー部と被接合材との間で摩擦熱が発生し、被接合材が軟化する。プローブ部が軟化した被接合材の塑性流動を発生させて攪拌する。攪拌を十分に行わせた後に、摩擦攪拌点接合用ツールを被接合材から引き抜いて、被接合材を接合する。
【０００４】
このような摩擦攪拌点接合において、接合温度は、被接合材が流動を始める温度以上である必要があり、概ねその温度は被接合材の融点の０．６〜０．７倍の温度である。そのため、アルミニウムやマグネシウムなど比較的低融点の金属では、接合温度は４００℃程度であり、摩擦攪拌点接合用ツールには、従来から例えばＳＫＤ材等の工具鋼が使用されている。
【０００５】
摩擦攪拌点接合用ツールの素材料に硬質材料（セラミックス又はタングステンカーバイドなど）を使用したり或いはプローブ部を先細り形状にするなどして、プローブ部やショルダー部の摩耗や損傷を抑制するようにした技術は、例えば特許文献２又は３などに開示されている。
また、非特許文献１には、プローブのないショルダーのみで構成されるツールを用いた例が実験的に示されているが、ツール直径が３．６ｍｍであり、また、進入深さが０．１８ｍｍと浅いものとなっている。
【特許文献１】特開２００１−３１４９８２号公報
【特許文献２】特開２００８−１３２５２４号公報
【特許文献３】特開２００７−２６８６０５号公報
【非特許文献１】溶接学会論文集 第２６巻 第１号 ｐ.５４-６０（２００８） 「プローブ無しツールを用いる摩擦攪拌スポット接合の開発とその低炭素鋼板への応用」
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
既述の摩擦攪拌点接合法により、融点が１５００℃を超える鉄やチタンなどの金属を点接合する場合には、摩擦攪拌点接合用ツールのプローブ部やショルダー部が約１０００℃という高温に曝されること、及び、プローブ部やショルダー部の形状急変箇所（特にプローブ部の根元やショルダー部の外周縁）に応力が集中することなどに起因して、プローブ部やショルダー部の異常摩耗、折損又は欠損が発生し易い。
また、プローブのないショルダーのみの構造としてしまうと、ツールを被接合材料に進入すればするほど、残厚が失われ破断強度が増加しない。
【０００７】
本発明は、上記実情に鑑みて創案されたものであり、融点が１５００℃を超える鉄やチタンなどの高融点の金属同士の点範囲を摩擦し攪拌し接合させる場合であっても、摩擦攪拌点接合用ツールのプローブ部やショルダー部などに異常摩耗、欠損又は折損が発生しないようにすることを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明に係る摩擦攪拌点接合方法は、先端に穿孔された穴の周縁から本体軸部の外周壁へ向かうに伴って後方へ後退する形状の本体軸部と、前記穴を介する嵌め合いにより前記本体軸部に固定された被保持部材であって、前記本体軸部よりも小径で前記本体軸部の先端面よりもさらに先方へ突出されたプローブ部を具備した被保持部材とを有する摩擦攪拌点接合用ツールをスポット接合装置の回転軸に取り付け、前記摩擦攪拌点接合用ツールを回転させながら下降して、該プローブ部を前記被接合材に進入させ、前記穴の周縁が前記被接合材の上面に達したときに前記進入を停止させ、該停止状態の下で、前記摩擦攪拌点接合用ツールの回転を継続した後、摩擦攪拌点接合用ツールを前記被接合材から上方へ離反させることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明に係る摩擦攪拌点接合用ツールは、上下に重ね合わされた複数の被接合材を接合させる摩擦攪拌点接合用ツールにおいて、先端面の回転中心位置に穴が穿孔された本体軸部と、前記穴を介する嵌め合いにより前記本体軸部に固定された被保持部材であって、前記本体軸部よりも小径で硬度が高く前記本体軸部の先端面よりもさらに先方へ突出されたプローブ部の外表面全体の形状が部分球面又は部分楕円回転面とされた被保持部材とプローブ部とを備え、前記本体軸部の先端面のうち前記穴の存在範囲を除いた環状先端面は、前記穴の周縁から本体軸部の外周壁へ向かうに伴って後方へ後退する形状である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、本体軸部の環状の先端面（ショルダー部に相当する部位）は接合処理中において被接合材に従来のような大きな圧力で当接された状態とならず、異常摩耗、欠損又は折損などが抑制される。また、本体軸部とプローブ部とが別の部材であり、本体軸部の材料はプローブ部のそれよりも軟質な素材を利用したので、欠損や折損を抑制されるようになる。さらには被接合材の摩擦攪拌中において環状先端面が、プローブ部により攪拌された軟質の被接合材を戻すように作用するため、接合強度を低下させることが無い。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態について説明する。
【００１２】
〈第１実施例〉
図１は、本発明の第１の実施例に係る摩擦攪拌点接合用ツールの断面図である。この実施形態の摩擦攪拌点接合用ツール１は、軸線ａ１回りへ回転され先端面の回転中心位置に直径１０ｍｍの穴２ａを穿孔された本体軸部２と、穴２ａを介して本体軸部２に固定された被保持部材３とを備えている。
本体軸部２は単一部材であって、被保持部材３の材料よりも硬度の低い金属で円柱状に形成されており、先端面近傍がショルダー部ｂ０となっている。この際、硬度の低い金属として、機械構造用鋼の一種であるＳ４５Ｃの調質材が用いられている。本体軸部２は、後述するが摩擦による加熱を行う箇所でなく、摩擦により軟化した被接合材が触れるだけであるので、硬度において被接合材より若干高い程度の同等物で良い。
【００１３】
本体軸部２の先端のうち穴２ａを除いた環状の先端面ｂ１（以下、環状先端面ｂ１）は、穴２ａの外周縁ｃ１から本体軸部２の外周壁へ向かうに伴って後方へ後退する形状となっており、軸線ａ１を中心に同軸に穴２ａの外周縁ｃ１から外周縁ｃ２へ向かう凸曲面となっている。穴２ａの外周縁ｃ１は、本体軸部２の環状先端面ｂ１の最先端点である。さらに詳細には、前記凸曲面を側面から見たとき任意点ｂ２の接線ｂ３と、軸線ａ１に直交した平面との交叉角θ１が、穴２ａの外周縁ｃ１で０度であり且つ穴２ａの外周縁ｃ１から環状先端面ｂ１の外周縁上の点（後端点）ｃ２に向けて連続的に増大されており且つ環状先端面ｂ１の後端点ｃ２で９０度以下である。
【００１４】
被保持部材３も単一部材であって、本体軸部２の先端面よりもさらに先方へ突出されたプローブ部３ａと、穴２ａ内に挿入した根部３ｂとからなっており、全体を本体軸部２の金属よりも硬質の材料の１つである珪素Ｓｉの窒化物で円柱状に形成されている。珪素Ｓｉの窒化物としては、Ｓｉ３Ｎ４系のものが使用されている。プローブ部３ａの突出高さｄ４は、被接合材の厚さ合計が２ｍｍの場合には１．１ｍｍ〜１．７ｍｍであり、１．５ｍｍとするのが良い。
【００１５】
プローブ部３ａは、本体軸部２の環状先端面ｂ１からさらに先方へ先細り状に且つ形状中心線が軸線ａ１に合致されるように突出しており、外表面ｄ１全体の形状が半径Ｒ（Ｒ＝５ｍｍ）の部分球面である。外周縁ｃ１の高さ位置に対応する被保持部材３の位置をプローブ部３ａの後端点ｄ２と定義すると、この位置における直径ｄ３は、外周縁ｃ１と後端点ｄ２との隙間ｓの分、１０ｍｍよりやや小さい。プローブ部３ａの外表面ｄ１を側面から見たとき、任意点ｄ６の接線ｄ７と、軸線ａ１に直交した平面との交叉角θ２が、先端点（回転中心位置）ｄ５で０度であり且つ先端点ｄ５から外表面ｄ１の後端点ｄ２に向けて連続的に増大されており且つ後端点ｄ２で９０度以下となっている。
【００１６】
プローブ部３ａが環状先端面ｂ１から突出した量（プローブ部３ａの高さｄ４）は、後述するように摩擦攪拌点接合の対象となる被接合材の厚さに関連して決定される。根部３ｂは、穴２ａ内に密状に埋め込まれている。穴２ａの内周面は、軸線ａ１に平行である。さらに、プローブ部３ａの外表面ｄ１から根部３ｂの外周面へと至る面は、凸曲面或いは鈍角状（９０度以上１８０度以下）となる連続的な面形状であり、プローブ部３ａの構造として後端点ｄ２に応力が集中しにくくなっている。プローブ部３ａは、本体軸部２を加熱して穴２ａの内周面を拡大させて嵌め込む、焼き嵌めによる嵌め合いにより結合している。スポット接合を行う際には、プローブ部３ａが摩擦により加熱し、一方本体軸部２は、摩擦により軟化した被接合材が触れるだけであるので、プローブ部３ａよりは加熱されない。素材における膨張係数の相違はあるが、この嵌め合いは強固に維持される。
【００１７】
図２は、スポット接合装置１０を示す図である。スポット接合装置１０は、摩擦攪拌点接合用ツール１と、ホルダー１７と、インダクションモータ１３と、サーボモータ１４と、リニアガイド１１と、受台４と、フレーム２２とを含んでいる。
リニアガイド１１は、フレーム２２に取付けられ、軸線ａ１に平行に延びるガイドレール１５と、ガイドレール１５に案内され移動台１２を上下変位自在に装着されるスライダ１６とを有している。一方、移動台１２にはインダクションモータ１３およびその回転軸１９を受ける軸受け２１が取付けられており、回転軸１９は軸線ａ１まわりに軸受け２１により回転自在に軸支されている。回転軸１９の先端にはホルダー１７が設けられており、摩擦攪拌点接合用ツール１を把持する。回転軸１９の回転数は７６０ｒｐｍである。
【００１８】
フレーム２２にはサーボモータ１４およびねじ軸２３が取付けられ、サーボモータ１４はねじ軸２３を回転駆動する。ねじ軸２３は、摩擦攪拌点接合用ツール１の軸線ａ１に平行に配置され、ねじ軸２３に螺合するナット２４は、ねじ軸２３の回転に従って上下に移動する。このナット２４が移動台１２に取付けられている。この構成により、サーボモータ１４でねじ軸２３を回転駆動することによって、スポット接合装置１０は、摩擦攪拌点接合用ツール１を軸線ａ１に沿って荷重を加えながら送り駆動する。
【００１９】
フレーム２２の下部は、Ｌ字状に屈曲し、先端部に受台４が取付けられる。受台４は、摩擦攪拌点接合用ツール１に対向して配置され、軸線ａ１と同軸に配置される。フレーム２２には、サーボモータ１４を制御する操作部１８が設けられており、操作者が操作部１８にデータを入力できる入力盤２０が設けられている。操作部１８は、操作部１８から入力されたデータを基に、リニアガイド１１の上下動を制御する。
【００２０】
次に上記した摩擦攪拌点接合用ツール１を使用した摩擦攪拌点接合方法について、説明する。まず、摩擦攪拌点接合用ツール１をホルダー１７に設置して、インダクションモータ１３の回転軸１９に取付ける。スポット接合装置１０の操作部１８に対する設定を行う。板状の２枚の被接合材の厚さが設定され、摩擦攪拌点接合用ツール１の降下量が設定される。この設定においては、さらにプローブ部３ａの高さｄ４（図１）も設定される。受台４の作業面の高さ位置は、予め分かっているので、これらの数値から、摩擦攪拌点接合用ツール１の降下量として、本体軸部２の環状先端面ｂ１の最先端点（プローブ部の後端点ｄ２）が上側の被接合材ｗ１の上面高さになる降下量を求める。操作部１８は、この求めた降下量まで、降下した段階で、摩擦攪拌点接合用ツール１の降下を停止するようにプログラムされる。
【００２１】
被接合材ｗ１の上面ｅ１からプローブ部３ａを進入させる深さは、プローブ部３ａの高さｄ４に０ｍｍ〜０．１ｍｍを加えた値である。これにより、本体軸部２の最先端点（プローブ部の後端点ｄ２）は、被接合材ｗ１の上面ｅ１への進入が０ｍｍ〜０．１ｍｍの範囲内で停止される。進入の範囲は、被接合材ｗ１の上面ｅ１下に対し大きくても０．１ｍｍまでである。この計算は、操作者より入力盤２０を介して入力されたプローブ部３ａの高さｄ４及び被接合材ｗ１ｗ２の厚さに基づき、予め設定されている受台４の高さ、ホルダー１７の高さ、摩擦攪拌点接合用ツール１の取付高さ、摩擦攪拌点接合用ツール１の長さを用いて操作部１８が制御プログラムにより計算をする。
【００２２】
図３は摩擦攪拌点接合時の状態を示す断面視説明図である。板状の２枚の被接合材ｗ１、ｗ２を水平にして上下に重ね合せると共に、上面が単一平面とされた受台４に載置した状態とする。一方では、動力で回転駆動され且つ上下作動される図示しないホルダー１７（図２）に、摩擦攪拌点接合用ツール１の本体軸部２上部を把持させる。
【００２３】
この後、操作部１８は、摩擦攪拌点接合用ツール１を軸線ａ１回りへ回転させなから荷重を加えながら降下させていく。この降下過程で、プローブ部３ａが被接合材ｗ１、ｗ２にこれらの上面側から押圧されて進入し、この進入過程で、被接合材ｗ１との間に摩擦熱が発生する。この摩擦熱は被接合材ｗ１、ｗ２を加熱し、プローブ部３ａと被接合材ｗ１との当接箇所近傍を軟化させる。これによりプローブ部３ａは被接合材ｗ１、ｗ２の軟化領域内の軟化材料ｗ３を攪拌しつつ降下していく。
【００２４】
この降下中には、軟化材料ｗ３が、プローブ部３ａでこれの外表面ｄ１に沿って矢印ｆ１で示すように押しのけられて上昇し、一部は被接合材ｗ１の上面上に矢印ｆ２で示すように流れ出て押出材ｗ４となるが、他の一部は本体軸部２の環状先端面ｂ１の回転中心寄り部分が材料押え部ｇ１として作用することにより一定の押付力を受け、軟化材料ｗ３が例えば矢印ｆ３で示すような方向へ流れる塑性流動が生成される。
【００２５】
そして、本体軸部２の環状先端面ｂ１の最先端点（プローブ部の後端点ｄ２）が上側の被接合材ｗ１の上面高さに到達したときに、操作部１８は摩擦攪拌点接合用ツール１の降下作動を停止させる。
【００２６】
この停止状態では、プローブ部３ａは後端点ｄ２の高さがほぼ上側の被接合材ｗ１の上面ｅ１に合致した状態となって回転されるのであり、これにより上側の被接合材ｗ１の一部と下側の被接合材ｗ２の一部とを含む点範囲内の材料が軟化され攪拌される。この攪拌中には環状先端面ｂ１の回転中心寄り部分が上側の被接合材ｗ１の上面ｅ１に接近して材料押え部ｇ１として作用するため、点範囲内の軟化材料ｗ３は外方へ流れ出るのを制限されつつ攪拌される。尚、隙間ｓにも、軟化材料ｗ３が入り込み穴の外周縁ｃ１を越えることを抑止する。
【００２７】
この後、操作部１８は摩擦攪拌点接合用ツール１を上昇作動させて、摩擦攪拌点接合用ツール１を被接合材ｗ１、ｗ２から上方へ離反させる。これにより、プローブ部３ａは被接合材ｗ１、ｗ２から抜き出され、点範囲（軟化領域）内の軟化材料ｗ３は熱の散逸により温度降下して固化し、上下２枚の被接合材ｗ１、ｗ２は点状に接合される。
【００２８】
上記のように、プローブ部３ａによる被接合材ｗ１の上面ｅ１への進入が０ｍｍ〜０．１ｍｍの範囲内で停止される。進入の範囲は、被接合材ｗ１の上面ｅ１下に対し大きくても０．１ｍｍまでである。これにより、本体軸部２は後退凸曲面となっているため、被接合材ｗ１に触れたとしても、既にプローブ部３ａの摩擦により軟化した被接合材ｗ４が触れるだけであって、本体軸部２自体が摩擦による加熱を行うことを避けることができる。
【００２９】
被接合材ｗ１の上面ｅ１下に対し０．１ｍｍを越える進入がされると、本体軸部２の環状先端面ｂ１がプローブ部３ａの摩擦により軟化した被接合材ｗ４を突き抜けて被接合材ｗ１に押し付けられ、スポット接合装置１０による荷重で磨耗することとなってしまう。
【００３０】
上記した第１の実施例の摩擦攪拌点接合における、その他の作用などについて説明する。
ａ：本体軸部２の環状先端面ｂ１（ショルダー部ｂ０）は従来のショルダー部のように被接合材ｗ１、ｗ２に押圧されて積極的に摩擦熱を発生させるものではなく、点範囲内の軟化材料ｗ３に接することにより該軟化材料ｗ３が点範囲から外方へ流出するのを押え込むように作用するのであり、したがって本体軸部２の材質としては従来のショルダー部のような高温強度、硬度は必要とされない。
ｂ：プローブ部３ａの外表面ｄ１全体の形状が部分球面又は部分楕円回転面であり形状急変箇所がないため、被接合材ｗ１、ｗ２の接合中にプローブ部３ａの外表面ｄ１に応力が集中するのを回避することができ、プローブ部３ａの欠損や折損が防止される。
ｃ：プローブ部３ａと根部３ｂとは連続的又は９０度以上１８０度以下で接続する形状であって、被保持部材３より柔らかい別体の本体軸部２に固定されているため、被保持部材３への応力の集中を避けることができる。
【００３１】
〈第２実施例〉
図４は第２の実施例に係る摩擦攪拌点接合用ツールを示す断面図である。
この摩擦攪拌点接合用ツール１においては、本体軸部２の環状先端面ｂ１の最先端位置（穴の外周縁ｃ１）からのプローブ部３ａの先方への突出量ｄ４がこの摩擦攪拌点接合用ツール１で接合される２枚の被接合材の厚さの和よりも大きく、被接合材の厚さ合計が２ｍｍの場合には２．４ｍｍ〜２．９ｍｍであり、２．４ｍｍとするのが良い。その他の点は第１の実施形態に係る摩擦攪拌点接合用ツール１と同様である。なお、仮想線ｊ１は第１の実施形態のプローブ部３ａの外表面を示している。
【００３２】
次に、上記した摩擦攪拌点接合用ツール１を使用した摩擦攪拌点接合方法について、図５を参照して説明する。ここに、図５は摩擦攪拌点接合時の状態を示す断面視説明図である。
【００３３】
ホルダー１７（図２）で把持された摩擦攪拌点接合用ツール１のプローブ部３ａが被接合材ｗ１、ｗ２との間に摩擦熱を発生させ、この摩擦熱が被接合材ｗ１、ｗ２をプローブ部３ａ近傍の点範囲内において軟化させる。この点範囲（軟化領域）内の軟化材料ｗ３をプローブ部３ａが攪拌し、その後、ホルダー１７を上昇させて摩擦攪拌点接合用ツール１を被接合材ｗ１、ｗ２内から引き抜くことにより、軟化材料ｗ３が温度降下されて硬化し、被接合材ｗ１、ｗ２が点状に接合される。これらの処理及び作用は先の第１の実施形態の場合と実質的に変わったところはなく、対応する箇所や矢印には同一符号を付して説明を省略した。
【００３４】
この第２の実施例では、被接合材ｗ１、ｗ２を支持した受台４（裏当金）の上面に摩擦攪拌点接合用ツール１の本体軸部２やプローブ部３ａと同心配置された上方視円形の凹部４ａが形成されている。窪みの深さは、被接合材の厚さ合計が２ｍｍの場合には１〜２ｍｍ、半径８ｍｍ〜１３ｍｍであり、深さ１ｍｍ、半径８ｍｍとするのが良い。そして、スポット接合装置１０の操作部１８は、本体軸部２の環状先端面ｂ１の最先端点（プローブ部の後端点ｄ２）が上側の被接合材ｗ１の上面ｅ１高さに到達したときにホルダー１７の降下作動を停止させる。この際、プローブ部３ａの先端点ｄ５は受台４の上面４ｂ高さの下方に到達している。
【００３５】
この停止状態では、プローブ部３ａは先端点ｄ５を第１の実施形態の場合よりも被接合材ｗ１、ｗ２中へ深く進入されて、上側の被接合材ｗ１の上面ｅ１と下側の被接合材ｗ２の下面ｅ２との間の略全範囲に及ぶように位置される。これにより、プローブ部３ａと被接合材ｗ１、ｗ２との接触面積が大きくなり、プローブ部３ａと被接合材ｗ１、ｗ２の間に発生する摩擦熱が大きくなり、軟化領域が先の実施形態の場合よりも大きくなる。この結果、２枚の被結合材ｗ１、ｗ２の接合される点範囲が大きくなり、接合強度が増大される。
【００３６】
第２の実施例においても、本体軸部２の環状先端面ｂ１の最先端位置（穴２ａの外周縁ｃ１）は、被接合材ｗ１の上面ｅ１に対して０．１ｍｍよりも大きく進入しないように、操作部１８により制御される。操作部１８が進入深さを計算するのに必要なデータとしては、第１の実施例に比べて、受台4の位置として凹部４ａの窪み深さｈ１が追加されているだけである。
【００３７】
上記各実施例では、プローブ部３ａの外表面ｄ１を球体の一部としたものを示したが、プローブ部３ａの外表面ｄ１が、軸線ａ１の回りに楕円を回転させた回転楕円面の一部の形状を利用した部分楕円体としたものでも良い。
【００３８】
上記各実施例では、本体軸部２の先端面の穴２ａ内に、フローブ部３ａの外表面ｄ１が部分球面の円柱状セラミックスからなる被保持部材３を埋め込んだ構造としたが、本体軸部２の先端面に根部が半球体或いは半楕円体からなる被保持部材３を埋め込んだ構造としてもよい。
【００３９】
（実験例）
図１に示す摩擦攪拌点接合用ツール１を使用した。本体軸部２はＳ４５Ｃの調質材を用い、先端面よりも後側の直径を２０ｍｍφとし、環状先端面ｂ１に半径７ｍｍのＲ加工を施したものとした。プローブ部３ａとしてはＳｉ３Ｎ４を用い、外表面ｄ１全体を半径５ｍｍの部分球面とし、本体軸部材２の環状先端面ｂ１の最先端点（穴２ａの外周縁ｃ１）からの先方への突出量ｄ４は１．５ｍｍとした。この摩擦攪拌点接合用ツール１を用いて、ＪＩＳ規格の鋼板ＳＰＣＣの１ｍｍ厚材の重ね点接合を図３に示すと同様に実施した。接合時の回転数は７６０ｒｐｍである。
【００４０】
この重ね点接合においては、摩擦攪拌点接合用ツール１を、板厚方向に重ねられた被接合材ｗ１、ｗ２に押し付け、被接合材ｗ１の上面ｅ１から板厚方向に１．６ｍｍ進入し、その後、摩擦攪拌点接合用ツール１を引き抜いた。図６に実験の結果を示す。図６Ａは、摩擦攪拌点接合用ツール１の被接合材の断面形状測定結果であり、６打点〜２５０５打点における状態を示している。２５０５打点目においてもプローブ部の球面が被接合材に転写されていることから、２５０５打点後の摩擦攪拌点接合用ツール１のプローブ部３ａの形状は接合開始前と全く変化しておらず、摩耗が起こっていないことが判った。また、図６Ｂは打点開始前、２５０５点打点後の摩擦攪拌点接合用ツール１の外観を示している。プローブ部３ａの球面形状が殆ど磨耗していない。図６Ｃは打点数とせん断引張強度（単位：ｋＮ）の相関を示す。この方法で接合された被接合材w1、w2の、１０００打点目以降のせん断引張強度は平均値４．７ｋＮ、最小値４．０ｋＮ、最大値５．６ｋＮとなった。尚、接合時の回転数を１５００ｒｐｍとしたところ、２００打点目からプローブ部の球面の磨耗が確認された。被接合材に転写された窪みの大きさが低下することで、接合材ｗ１、ｗ２の接合強度も低下する傾向にあった。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】第１の実施例に係る摩擦攪拌点接合用ツールの断面図である。
【図２】スポット接合装置を示す図である。
【図３】第１の実施例に係る摩擦攪拌点接合用ツールを使用した摩擦攪拌点接合時の状態を示す断面視説明図である。
【図４】第２の実施例に係る摩擦攪拌点接合用ツールの断面図である。
【図５】第２の実施例に係る摩擦攪拌点接合用ツールを使用した摩擦攪拌点接合時の状態を示す断面視説明図である。
【図６】実験例の結果を示す図である。
【符号の説明】
【００４２】
１ 摩擦攪拌点接合用ツール
２ 本体軸部
２ａ 穴
３ 被保持部材
３ａ プローブ部
３ｂ 根部
４ 受台
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の被接合材を摩擦熱の利用により点範囲で接合させることのできる摩擦攪拌点接合方法、及び、これに使用される摩擦攪拌点接合用ツールに関する。
【背景技術】
【０００２】
厚さ方向に重ねられた複数の被接合材を点範囲で接合させる方法として、摩擦攪拌点接合法が知られている。そして、この方法で使用される摩擦攪拌点接合用ツールとして、例えば特許文献１に開示されているようなものがある。この摩擦攪拌点接合用ツ−ルは、円柱状の本体軸部と、本体軸部の先端に同軸に突設された比較的小径の攪拌軸（以下「プローブ部」と称す。）と、プローブ部と本体軸部の下部外周面との間に形成されるショルダー部とから構成される。
【０００３】
このような摩擦攪拌点接合用ツールを用いて２枚の被接合材を摩擦攪拌点接合する場合、摩擦攪拌点接合用ツールを高速で回転させ、厚さ方向に重ねられた２枚の被接合材にプローブ部を押し当てて、被接合材中に進入させていく。このプローブ部の進入過程で、ショルダー部が被接合材の上面に回転しながら押し当てられ被接合材中へ進入圧力が加えられる。これにより、ショルダー部と被接合材との間で摩擦熱が発生し、被接合材が軟化する。プローブ部が軟化した被接合材の塑性流動を発生させて攪拌する。攪拌を十分に行わせた後に、摩擦攪拌点接合用ツールを被接合材から引き抜いて、被接合材を接合する。
【０００４】
このような摩擦攪拌点接合において、接合温度は、被接合材が流動を始める温度以上である必要があり、概ねその温度は被接合材の融点の０．６〜０．７倍の温度である。そのため、アルミニウムやマグネシウムなど比較的低融点の金属では、接合温度は４００℃程度であり、摩擦攪拌点接合用ツールには、従来から例えばＳＫＤ材等の工具鋼が使用されている。
【０００５】
摩擦攪拌点接合用ツールの素材料に硬質材料（セラミックス又はタングステンカーバイドなど）を使用したり或いはプローブ部を先細り形状にするなどして、プローブ部やショルダー部の摩耗や損傷を抑制するようにした技術は、例えば特許文献２又は３などに開示されている。
また、非特許文献１には、プローブのないショルダーのみで構成されるツールを用いた例が実験的に示されているが、ツール直径が３．６ｍｍであり、また、進入深さが０．１８ｍｍと浅いものとなっている。
【特許文献１】特開２００１−３１４９８２号公報
【特許文献２】特開２００８−１３２５２４号公報
【特許文献３】特開２００７−２６８６０５号公報
【非特許文献１】溶接学会論文集 第２６巻 第１号 ｐ.５４-６０（２００８） 「プローブ無しツールを用いる摩擦攪拌スポット接合の開発とその低炭素鋼板への応用」
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
既述の摩擦攪拌点接合法により、融点が１５００℃を超える鉄やチタンなどの金属を点接合する場合には、摩擦攪拌点接合用ツールのプローブ部やショルダー部が約１０００℃という高温に曝されること、及び、プローブ部やショルダー部の形状急変箇所（特にプローブ部の根元やショルダー部の外周縁）に応力が集中することなどに起因して、プローブ部やショルダー部の異常摩耗、折損又は欠損が発生し易い。
また、プローブのないショルダーのみの構造としてしまうと、ツールを被接合材料に進入すればするほど、残厚が失われ破断強度が増加しない。
【０００７】
本発明は、上記実情に鑑みて創案されたものであり、融点が１５００℃を超える鉄やチタンなどの高融点の金属同士の点範囲を摩擦し攪拌し接合させる場合であっても、摩擦攪拌点接合用ツールのプローブ部やショルダー部などに異常摩耗、欠損又は折損が発生しないようにすることを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明に係る摩擦攪拌点接合方法は、先端に穿孔された穴の周縁から本体軸部の外周壁へ向かうに伴って後方へ後退する形状の本体軸部と、前記穴を介する嵌め合いにより前記本体軸部に固定された被保持部材であって、前記本体軸部よりも小径で前記本体軸部の先端面よりもさらに先方へ突出されたプローブ部を具備した被保持部材とを有する摩擦攪拌点接合用ツールをスポット接合装置の回転軸に取り付け、前記摩擦攪拌点接合用ツールを回転させながら下降して、該プローブ部を前記被接合材に進入させ、前記穴の周縁が前記被接合材の上面に達したときに前記進入を停止させ、該停止状態の下で、前記摩擦攪拌点接合用ツールの回転を継続した後、摩擦攪拌点接合用ツールを前記被接合材から上方へ離反させることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明に係る摩擦攪拌点接合用ツールは、上下に重ね合わされた複数の被接合材を接合させる摩擦攪拌点接合用ツールにおいて、先端面の回転中心位置に穴が穿孔された本体軸部と、前記穴を介する嵌め合いにより前記本体軸部に固定された被保持部材であって、前記本体軸部よりも小径で硬度が高く前記本体軸部の先端面よりもさらに先方へ突出されたプローブ部の外表面全体の形状が部分球面又は部分楕円回転面とされた被保持部材とプローブ部とを備え、前記本体軸部の先端面のうち前記穴の存在範囲を除いた環状先端面は、前記穴の周縁から本体軸部の外周壁へ向かうに伴って後方へ後退する形状である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、本体軸部の環状の先端面（ショルダー部に相当する部位）は接合処理中において被接合材に従来のような大きな圧力で当接された状態とならず、異常摩耗、欠損又は折損などが抑制される。また、本体軸部とプローブ部とが別の部材であり、本体軸部の材料はプローブ部のそれよりも軟質な素材を利用したので、欠損や折損を抑制されるようになる。さらには被接合材の摩擦攪拌中において環状先端面が、プローブ部により攪拌された軟質の被接合材を戻すように作用するため、接合強度を低下させることが無い。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態について説明する。
【００１２】
〈第１実施例〉
図１は、本発明の第１の実施例に係る摩擦攪拌点接合用ツールの断面図である。この実施形態の摩擦攪拌点接合用ツール１は、軸線ａ１回りへ回転され先端面の回転中心位置に直径１０ｍｍの穴２ａを穿孔された本体軸部２と、穴２ａを介して本体軸部２に固定された被保持部材３とを備えている。
本体軸部２は単一部材であって、被保持部材３の材料よりも硬度の低い金属で円柱状に形成されており、先端面近傍がショルダー部ｂ０となっている。この際、硬度の低い金属として、機械構造用鋼の一種であるＳ４５Ｃの調質材が用いられている。本体軸部２は、後述するが摩擦による加熱を行う箇所でなく、摩擦により軟化した被接合材が触れるだけであるので、硬度において被接合材より若干高い程度の同等物で良い。
【００１３】
本体軸部２の先端のうち穴２ａを除いた環状の先端面ｂ１（以下、環状先端面ｂ１）は、穴２ａの外周縁ｃ１から本体軸部２の外周壁へ向かうに伴って後方へ後退する形状となっており、軸線ａ１を中心に同軸に穴２ａの外周縁ｃ１から外周縁ｃ２へ向かう凸曲面となっている。穴２ａの外周縁ｃ１は、本体軸部２の環状先端面ｂ１の最先端点である。さらに詳細には、前記凸曲面を側面から見たとき任意点ｂ２の接線ｂ３と、軸線ａ１に直交した平面との交叉角θ１が、穴２ａの外周縁ｃ１で０度であり且つ穴２ａの外周縁ｃ１から環状先端面ｂ１の外周縁上の点（後端点）ｃ２に向けて連続的に増大されており且つ環状先端面ｂ１の後端点ｃ２で９０度以下である。
【００１４】
被保持部材３も単一部材であって、本体軸部２の先端面よりもさらに先方へ突出されたプローブ部３ａと、穴２ａ内に挿入した根部３ｂとからなっており、全体を本体軸部２の金属よりも硬質の材料の１つである珪素Ｓｉの窒化物で円柱状に形成されている。珪素Ｓｉの窒化物としては、Ｓｉ３Ｎ４系のものが使用されている。プローブ部３ａの突出高さｄ４は、被接合材の厚さ合計が２ｍｍの場合には１．１ｍｍ〜１．７ｍｍであり、１．５ｍｍとするのが良い。
【００１５】
プローブ部３ａは、本体軸部２の環状先端面ｂ１からさらに先方へ先細り状に且つ形状中心線が軸線ａ１に合致されるように突出しており、外表面ｄ１全体の形状が半径Ｒ（Ｒ＝５ｍｍ）の部分球面である。外周縁ｃ１の高さ位置に対応する被保持部材３の位置をプローブ部３ａの後端点ｄ２と定義すると、この位置における直径ｄ３は、外周縁ｃ１と後端点ｄ２との隙間ｓの分、１０ｍｍよりやや小さい。プローブ部３ａの外表面ｄ１を側面から見たとき、任意点ｄ６の接線ｄ７と、軸線ａ１に直交した平面との交叉角θ２が、先端点（回転中心位置）ｄ５で０度であり且つ先端点ｄ５から外表面ｄ１の後端点ｄ２に向けて連続的に増大されており且つ後端点ｄ２で９０度以下となっている。
【００１６】
プローブ部３ａが環状先端面ｂ１から突出した量（プローブ部３ａの高さｄ４）は、後述するように摩擦攪拌点接合の対象となる被接合材の厚さに関連して決定される。根部３ｂは、穴２ａ内に密状に埋め込まれている。穴２ａの内周面は、軸線ａ１に平行である。さらに、プローブ部３ａの外表面ｄ１から根部３ｂの外周面へと至る面は、凸曲面或いは鈍角状（９０度以上１８０度以下）となる連続的な面形状であり、プローブ部３ａの構造として後端点ｄ２に応力が集中しにくくなっている。プローブ部３ａは、本体軸部２を加熱して穴２ａの内周面を拡大させて嵌め込む、焼き嵌めによる嵌め合いにより結合している。スポット接合を行う際には、プローブ部３ａが摩擦により加熱し、一方本体軸部２は、摩擦により軟化した被接合材が触れるだけであるので、プローブ部３ａよりは加熱されない。素材における膨張係数の相違はあるが、この嵌め合いは強固に維持される。
【００１７】
図２は、スポット接合装置１０を示す図である。スポット接合装置１０は、摩擦攪拌点接合用ツール１と、ホルダー１７と、インダクションモータ１３と、サーボモータ１４と、リニアガイド１１と、受台４と、フレーム２２とを含んでいる。
リニアガイド１１は、フレーム２２に取付けられ、軸線ａ１に平行に延びるガイドレール１５と、ガイドレール１５に案内され移動台１２を上下変位自在に装着されるスライダ１６とを有している。一方、移動台１２にはインダクションモータ１３およびその回転軸１９を受ける軸受け２１が取付けられており、回転軸１９は軸線ａ１まわりに軸受け２１により回転自在に軸支されている。回転軸１９の先端にはホルダー１７が設けられており、摩擦攪拌点接合用ツール１を把持する。回転軸１９の回転数は７６０ｒｐｍである。
【００１８】
フレーム２２にはサーボモータ１４およびねじ軸２３が取付けられ、サーボモータ１４はねじ軸２３を回転駆動する。ねじ軸２３は、摩擦攪拌点接合用ツール１の軸線ａ１に平行に配置され、ねじ軸２３に螺合するナット２４は、ねじ軸２３の回転に従って上下に移動する。このナット２４が移動台１２に取付けられている。この構成により、サーボモータ１４でねじ軸２３を回転駆動することによって、スポット接合装置１０は、摩擦攪拌点接合用ツール１を軸線ａ１に沿って荷重を加えながら送り駆動する。
【００１９】
フレーム２２の下部は、Ｌ字状に屈曲し、先端部に受台４が取付けられる。受台４は、摩擦攪拌点接合用ツール１に対向して配置され、軸線ａ１と同軸に配置される。フレーム２２には、サーボモータ１４を制御する操作部１８が設けられており、操作者が操作部１８にデータを入力できる入力盤２０が設けられている。操作部１８は、操作部１８から入力されたデータを基に、リニアガイド１１の上下動を制御する。
【００２０】
次に上記した摩擦攪拌点接合用ツール１を使用した摩擦攪拌点接合方法について、説明する。まず、摩擦攪拌点接合用ツール１をホルダー１７に設置して、インダクションモータ１３の回転軸１９に取付ける。スポット接合装置１０の操作部１８に対する設定を行う。板状の２枚の被接合材の厚さが設定され、摩擦攪拌点接合用ツール１の降下量が設定される。この設定においては、さらにプローブ部３ａの高さｄ４（図１）も設定される。受台４の作業面の高さ位置は、予め分かっているので、これらの数値から、摩擦攪拌点接合用ツール１の降下量として、本体軸部２の環状先端面ｂ１の最先端点（プローブ部の後端点ｄ２）が上側の被接合材ｗ１の上面高さになる降下量を求める。操作部１８は、この求めた降下量まで、降下した段階で、摩擦攪拌点接合用ツール１の降下を停止するようにプログラムされる。
【００２１】
被接合材ｗ１の上面ｅ１からプローブ部３ａを進入させる深さは、プローブ部３ａの高さｄ４に０ｍｍ〜０．１ｍｍを加えた値である。これにより、本体軸部２の最先端点（プローブ部の後端点ｄ２）は、被接合材ｗ１の上面ｅ１への進入が０ｍｍ〜０．１ｍｍの範囲内で停止される。進入の範囲は、被接合材ｗ１の上面ｅ１下に対し大きくても０．１ｍｍまでである。この計算は、操作者より入力盤２０を介して入力されたプローブ部３ａの高さｄ４及び被接合材ｗ１ｗ２の厚さに基づき、予め設定されている受台４の高さ、ホルダー１７の高さ、摩擦攪拌点接合用ツール１の取付高さ、摩擦攪拌点接合用ツール１の長さを用いて操作部１８が制御プログラムにより計算をする。
【００２２】
図３は摩擦攪拌点接合時の状態を示す断面視説明図である。板状の２枚の被接合材ｗ１、ｗ２を水平にして上下に重ね合せると共に、上面が単一平面とされた受台４に載置した状態とする。一方では、動力で回転駆動され且つ上下作動される図示しないホルダー１７（図２）に、摩擦攪拌点接合用ツール１の本体軸部２上部を把持させる。
【００２３】
この後、操作部１８は、摩擦攪拌点接合用ツール１を軸線ａ１回りへ回転させなから荷重を加えながら降下させていく。この降下過程で、プローブ部３ａが被接合材ｗ１、ｗ２にこれらの上面側から押圧されて進入し、この進入過程で、被接合材ｗ１との間に摩擦熱が発生する。この摩擦熱は被接合材ｗ１、ｗ２を加熱し、プローブ部３ａと被接合材ｗ１との当接箇所近傍を軟化させる。これによりプローブ部３ａは被接合材ｗ１、ｗ２の軟化領域内の軟化材料ｗ３を攪拌しつつ降下していく。
【００２４】
この降下中には、軟化材料ｗ３が、プローブ部３ａでこれの外表面ｄ１に沿って矢印ｆ１で示すように押しのけられて上昇し、一部は被接合材ｗ１の上面上に矢印ｆ２で示すように流れ出て押出材ｗ４となるが、他の一部は本体軸部２の環状先端面ｂ１の回転中心寄り部分が材料押え部ｇ１として作用することにより一定の押付力を受け、軟化材料ｗ３が例えば矢印ｆ３で示すような方向へ流れる塑性流動が生成される。
【００２５】
そして、本体軸部２の環状先端面ｂ１の最先端点（プローブ部の後端点ｄ２）が上側の被接合材ｗ１の上面高さに到達したときに、操作部１８は摩擦攪拌点接合用ツール１の降下作動を停止させる。
【００２６】
この停止状態では、プローブ部３ａは後端点ｄ２の高さがほぼ上側の被接合材ｗ１の上面ｅ１に合致した状態となって回転されるのであり、これにより上側の被接合材ｗ１の一部と下側の被接合材ｗ２の一部とを含む点範囲内の材料が軟化され攪拌される。この攪拌中には環状先端面ｂ１の回転中心寄り部分が上側の被接合材ｗ１の上面ｅ１に接近して材料押え部ｇ１として作用するため、点範囲内の軟化材料ｗ３は外方へ流れ出るのを制限されつつ攪拌される。尚、隙間ｓにも、軟化材料ｗ３が入り込み穴の外周縁ｃ１を越えることを抑止する。
【００２７】
この後、操作部１８は摩擦攪拌点接合用ツール１を上昇作動させて、摩擦攪拌点接合用ツール１を被接合材ｗ１、ｗ２から上方へ離反させる。これにより、プローブ部３ａは被接合材ｗ１、ｗ２から抜き出され、点範囲（軟化領域）内の軟化材料ｗ３は熱の散逸により温度降下して固化し、上下２枚の被接合材ｗ１、ｗ２は点状に接合される。
【００２８】
上記のように、プローブ部３ａによる被接合材ｗ１の上面ｅ１への進入が０ｍｍ〜０．１ｍｍの範囲内で停止される。進入の範囲は、被接合材ｗ１の上面ｅ１下に対し大きくても０．１ｍｍまでである。これにより、本体軸部２は後退凸曲面となっているため、被接合材ｗ１に触れたとしても、既にプローブ部３ａの摩擦により軟化した被接合材ｗ４が触れるだけであって、本体軸部２自体が摩擦による加熱を行うことを避けることができる。
【００２９】
被接合材ｗ１の上面ｅ１下に対し０．１ｍｍを越える進入がされると、本体軸部２の環状先端面ｂ１がプローブ部３ａの摩擦により軟化した被接合材ｗ４を突き抜けて被接合材ｗ１に押し付けられ、スポット接合装置１０による荷重で磨耗することとなってしまう。
【００３０】
上記した第１の実施例の摩擦攪拌点接合における、その他の作用などについて説明する。
ａ：本体軸部２の環状先端面ｂ１（ショルダー部ｂ０）は従来のショルダー部のように被接合材ｗ１、ｗ２に押圧されて積極的に摩擦熱を発生させるものではなく、点範囲内の軟化材料ｗ３に接することにより該軟化材料ｗ３が点範囲から外方へ流出するのを押え込むように作用するのであり、したがって本体軸部２の材質としては従来のショルダー部のような高温強度、硬度は必要とされない。
ｂ：プローブ部３ａの外表面ｄ１全体の形状が部分球面又は部分楕円回転面であり形状急変箇所がないため、被接合材ｗ１、ｗ２の接合中にプローブ部３ａの外表面ｄ１に応力が集中するのを回避することができ、プローブ部３ａの欠損や折損が防止される。
ｃ：プローブ部３ａと根部３ｂとは連続的又は９０度以上１８０度以下で接続する形状であって、被保持部材３より柔らかい別体の本体軸部２に固定されているため、被保持部材３への応力の集中を避けることができる。
【００３１】
〈第２実施例〉
図４は第２の実施例に係る摩擦攪拌点接合用ツールを示す断面図である。
この摩擦攪拌点接合用ツール１においては、本体軸部２の環状先端面ｂ１の最先端位置（穴の外周縁ｃ１）からのプローブ部３ａの先方への突出量ｄ４がこの摩擦攪拌点接合用ツール１で接合される２枚の被接合材の厚さの和よりも大きく、被接合材の厚さ合計が２ｍｍの場合には２．４ｍｍ〜２．９ｍｍであり、２．４ｍｍとするのが良い。その他の点は第１の実施形態に係る摩擦攪拌点接合用ツール１と同様である。なお、仮想線ｊ１は第１の実施形態のプローブ部３ａの外表面を示している。
【００３２】
次に、上記した摩擦攪拌点接合用ツール１を使用した摩擦攪拌点接合方法について、図５を参照して説明する。ここに、図５は摩擦攪拌点接合時の状態を示す断面視説明図である。
【００３３】
ホルダー１７（図２）で把持された摩擦攪拌点接合用ツール１のプローブ部３ａが被接合材ｗ１、ｗ２との間に摩擦熱を発生させ、この摩擦熱が被接合材ｗ１、ｗ２をプローブ部３ａ近傍の点範囲内において軟化させる。この点範囲（軟化領域）内の軟化材料ｗ３をプローブ部３ａが攪拌し、その後、ホルダー１７を上昇させて摩擦攪拌点接合用ツール１を被接合材ｗ１、ｗ２内から引き抜くことにより、軟化材料ｗ３が温度降下されて硬化し、被接合材ｗ１、ｗ２が点状に接合される。これらの処理及び作用は先の第１の実施形態の場合と実質的に変わったところはなく、対応する箇所や矢印には同一符号を付して説明を省略した。
【００３４】
この第２の実施例では、被接合材ｗ１、ｗ２を支持した受台４（裏当金）の上面に摩擦攪拌点接合用ツール１の本体軸部２やプローブ部３ａと同心配置された上方視円形の凹部４ａが形成されている。窪みの深さは、被接合材の厚さ合計が２ｍｍの場合には１〜２ｍｍ、半径８ｍｍ〜１３ｍｍであり、深さ１ｍｍ、半径８ｍｍとするのが良い。そして、スポット接合装置１０の操作部１８は、本体軸部２の環状先端面ｂ１の最先端点（プローブ部の後端点ｄ２）が上側の被接合材ｗ１の上面ｅ１高さに到達したときにホルダー１７の降下作動を停止させる。この際、プローブ部３ａの先端点ｄ５は受台４の上面４ｂ高さの下方に到達している。
【００３５】
この停止状態では、プローブ部３ａは先端点ｄ５を第１の実施形態の場合よりも被接合材ｗ１、ｗ２中へ深く進入されて、上側の被接合材ｗ１の上面ｅ１と下側の被接合材ｗ２の下面ｅ２との間の略全範囲に及ぶように位置される。これにより、プローブ部３ａと被接合材ｗ１、ｗ２との接触面積が大きくなり、プローブ部３ａと被接合材ｗ１、ｗ２の間に発生する摩擦熱が大きくなり、軟化領域が先の実施形態の場合よりも大きくなる。この結果、２枚の被結合材ｗ１、ｗ２の接合される点範囲が大きくなり、接合強度が増大される。
【００３６】
第２の実施例においても、本体軸部２の環状先端面ｂ１の最先端位置（穴２ａの外周縁ｃ１）は、被接合材ｗ１の上面ｅ１に対して０．１ｍｍよりも大きく進入しないように、操作部１８により制御される。操作部１８が進入深さを計算するのに必要なデータとしては、第１の実施例に比べて、受台4の位置として凹部４ａの窪み深さｈ１が追加されているだけである。
【００３７】
上記各実施例では、プローブ部３ａの外表面ｄ１を球体の一部としたものを示したが、プローブ部３ａの外表面ｄ１が、軸線ａ１の回りに楕円を回転させた回転楕円面の一部の形状を利用した部分楕円体としたものでも良い。
【００３８】
上記各実施例では、本体軸部２の先端面の穴２ａ内に、フローブ部３ａの外表面ｄ１が部分球面の円柱状セラミックスからなる被保持部材３を埋め込んだ構造としたが、本体軸部２の先端面に根部が半球体或いは半楕円体からなる被保持部材３を埋め込んだ構造としてもよい。
【００３９】
（実験例）
図１に示す摩擦攪拌点接合用ツール１を使用した。本体軸部２はＳ４５Ｃの調質材を用い、先端面よりも後側の直径を２０ｍｍφとし、環状先端面ｂ１に半径７ｍｍのＲ加工を施したものとした。プローブ部３ａとしてはＳｉ３Ｎ４を用い、外表面ｄ１全体を半径５ｍｍの部分球面とし、本体軸部材２の環状先端面ｂ１の最先端点（穴２ａの外周縁ｃ１）からの先方への突出量ｄ４は１．５ｍｍとした。この摩擦攪拌点接合用ツール１を用いて、ＪＩＳ規格の鋼板ＳＰＣＣの１ｍｍ厚材の重ね点接合を図３に示すと同様に実施した。接合時の回転数は７６０ｒｐｍである。
【００４０】
この重ね点接合においては、摩擦攪拌点接合用ツール１を、板厚方向に重ねられた被接合材ｗ１、ｗ２に押し付け、被接合材ｗ１の上面ｅ１から板厚方向に１．６ｍｍ進入し、その後、摩擦攪拌点接合用ツール１を引き抜いた。図６に実験の結果を示す。図６Ａは、摩擦攪拌点接合用ツール１の被接合材の断面形状測定結果であり、６打点〜２５０５打点における状態を示している。２５０５打点目においてもプローブ部の球面が被接合材に転写されていることから、２５０５打点後の摩擦攪拌点接合用ツール１のプローブ部３ａの形状は接合開始前と全く変化しておらず、摩耗が起こっていないことが判った。また、図６Ｂは打点開始前、２５０５点打点後の摩擦攪拌点接合用ツール１の外観を示している。プローブ部３ａの球面形状が殆ど磨耗していない。図６Ｃは打点数とせん断引張強度（単位：ｋＮ）の相関を示す。この方法で接合された被接合材w1、w2の、１０００打点目以降のせん断引張強度は平均値４．７ｋＮ、最小値４．０ｋＮ、最大値５．６ｋＮとなった。尚、接合時の回転数を１５００ｒｐｍとしたところ、２００打点目からプローブ部の球面の磨耗が確認された。被接合材に転写された窪みの大きさが低下することで、接合材ｗ１、ｗ２の接合強度も低下する傾向にあった。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】第１の実施例に係る摩擦攪拌点接合用ツールの断面図である。
【図２】スポット接合装置を示す図である。
【図３】第１の実施例に係る摩擦攪拌点接合用ツールを使用した摩擦攪拌点接合時の状態を示す断面視説明図である。
【図４】第２の実施例に係る摩擦攪拌点接合用ツールの断面図である。
【図５】第２の実施例に係る摩擦攪拌点接合用ツールを使用した摩擦攪拌点接合時の状態を示す断面視説明図である。
【図６】実験例の結果を示す図である。
【符号の説明】
【００４２】
１ 摩擦攪拌点接合用ツール
２ 本体軸部
２ａ 穴
３ 被保持部材
３ａ プローブ部
３ｂ 根部
４ 受台
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸を有するスポット接合装置によって、上下に重ね合わされた複数の被接合材を接合させる摩擦攪拌点接合方法において、
先端面の回転中心位置に穴を形成された本体軸部であって、先端面はさらに前記穴の周縁から本体軸部の外周壁へ向かうに伴って後方へ後退する形状である本体軸部と、前記穴を介する嵌め合いにより前記本体軸部に固定された被保持部材であって、前記本体軸部よりも小径で前記本体軸部の先端面よりもさらに先方へ突出されたプローブ部を具備した被保持部材とを有する摩擦攪拌点接合用ツールを前記回転軸に取り付け、
前記摩擦攪拌点接合用ツールを回転させながら下降して、該プローブ部を前記被接合材に進入させ、
前記穴の周縁が前記被接合材の上面に達したときに前記進入を停止させ、
該停止状態の下で、前記摩擦攪拌点接合用ツールの回転を継続した後、摩擦攪拌点接合用ツールを前記被接合材から上方へ離反させることを特徴とする摩擦攪拌点接合方法。
【請求項２】
前記プローブ部が前記穴の周縁から突出した高さを求め、複数の被接合材の厚さ合計を求め、これら求めた値から前記摩擦攪拌点接合用ツールの前記穴の周縁が前記被接合材に進入する高さを求め、前記プローブ部が前記被接合材に進入した後、前記求めた高さに達したら前記プローブ部の進入を止めることを特徴とする摩擦攪拌点接合方法。
【請求項３】
上面に凹部の形成されている受台で前記複数の被接合材の下面を支持し、前記凹部を前記点範囲の直下に位置させることを特徴とする請求項１記載の摩擦攪拌点接合方法。
【請求項４】
前記先端面の前記被接合材への進入を停止させる位置は、前記被接合材の表面下に対し大きくても０．１ｍｍまでの位置であることを特徴とする請求項１記載の摩擦攪拌点接合方法。
【請求項５】
上下に重ね合わされた複数の被接合材を接合させる摩擦攪拌点接合用ツールにおいて、先端面の回転中心位置に穴を形成された本体軸部と、前記穴を介する嵌め合いにより前記本体軸部に固定された被保持部材であって、前記本体軸部よりも小径で硬度が高く前記本体軸部の先端面よりもさらに先方へ突出されたプローブ部の外表面全体の形状が部分球面又は部分楕円回転面とされた被保持部材とプローブ部とを備え、前記本体軸部の先端面のうち前記穴の存在範囲を除いた環状先端面は、前記穴の周縁から本体軸部の外周壁へ向かうに伴って後方へ後退する形状であることを特徴とする摩擦攪拌点接合用ツール。
【請求項６】
前記被保持部材が、前記穴内に嵌合された根部を備え、該根部はプローブ部の外表面から側周面へ連続的或いは鈍角を持って接続しており、前記穴の内周面で締結されることにより前記本体軸部に固定されていることを特徴とする請求項５記載の摩捺攪拌点接合用ツール。
【請求項１】
回転軸を有するスポット接合装置によって、上下に重ね合わされた複数の被接合材を接合させる摩擦攪拌点接合方法において、
先端面の回転中心位置に穴を形成された本体軸部であって、先端面はさらに前記穴の周縁から本体軸部の外周壁へ向かうに伴って後方へ後退する形状である本体軸部と、前記穴を介する嵌め合いにより前記本体軸部に固定された被保持部材であって、前記本体軸部よりも小径で前記本体軸部の先端面よりもさらに先方へ突出されたプローブ部を具備した被保持部材とを有する摩擦攪拌点接合用ツールを前記回転軸に取り付け、
前記摩擦攪拌点接合用ツールを回転させながら下降して、該プローブ部を前記被接合材に進入させ、
前記穴の周縁が前記被接合材の上面に達したときに前記進入を停止させ、
該停止状態の下で、前記摩擦攪拌点接合用ツールの回転を継続した後、摩擦攪拌点接合用ツールを前記被接合材から上方へ離反させることを特徴とする摩擦攪拌点接合方法。
【請求項２】
前記プローブ部が前記穴の周縁から突出した高さを求め、複数の被接合材の厚さ合計を求め、これら求めた値から前記摩擦攪拌点接合用ツールの前記穴の周縁が前記被接合材に進入する高さを求め、前記プローブ部が前記被接合材に進入した後、前記求めた高さに達したら前記プローブ部の進入を止めることを特徴とする摩擦攪拌点接合方法。
【請求項３】
上面に凹部の形成されている受台で前記複数の被接合材の下面を支持し、前記凹部を前記点範囲の直下に位置させることを特徴とする請求項１記載の摩擦攪拌点接合方法。
【請求項４】
前記先端面の前記被接合材への進入を停止させる位置は、前記被接合材の表面下に対し大きくても０．１ｍｍまでの位置であることを特徴とする請求項１記載の摩擦攪拌点接合方法。
【請求項５】
上下に重ね合わされた複数の被接合材を接合させる摩擦攪拌点接合用ツールにおいて、先端面の回転中心位置に穴を形成された本体軸部と、前記穴を介する嵌め合いにより前記本体軸部に固定された被保持部材であって、前記本体軸部よりも小径で硬度が高く前記本体軸部の先端面よりもさらに先方へ突出されたプローブ部の外表面全体の形状が部分球面又は部分楕円回転面とされた被保持部材とプローブ部とを備え、前記本体軸部の先端面のうち前記穴の存在範囲を除いた環状先端面は、前記穴の周縁から本体軸部の外周壁へ向かうに伴って後方へ後退する形状であることを特徴とする摩擦攪拌点接合用ツール。
【請求項６】
前記被保持部材が、前記穴内に嵌合された根部を備え、該根部はプローブ部の外表面から側周面へ連続的或いは鈍角を持って接続しており、前記穴の内周面で締結されることにより前記本体軸部に固定されていることを特徴とする請求項５記載の摩捺攪拌点接合用ツール。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１０−４６６７６（Ｐ２０１０−４６６７６Ａ）
【公開日】平成２２年３月４日（２０１０．３．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２１１１８５（Ｐ２００８−２１１１８５）
【出願日】平成２０年８月１９日（２００８．８．１９）
【出願人】（５９１０７９４８７）広島県 (101)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年３月４日（２０１０．３．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年８月１９日（２００８．８．１９）
【出願人】（５９１０７９４８７）広島県 (101)
【Ｆターム（参考）】
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