JP4375665B2

JP4375665B2 - 摩擦攪拌接合用ツール

Info

Publication number: JP4375665B2
Application number: JP2004005564A
Authority: JP
Inventors: 実阪野; 正和坂本; 英俊藤井
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-01-13
Filing date: 2004-01-13
Publication date: 2009-12-02
Anticipated expiration: 2024-01-13
Also published as: JP2005199281A

Description

この発明は、アルミニウム、アルミニウム合金、マグネシウム合金、銅合金、チタン合金などの金属材料で構成された被接合部材相互を摩擦攪拌接合させるのに使用する摩擦攪拌接合用ツールに係り、特に、長期にわたって被接合部材相互を摩擦攪拌接合させることができるようにすると共に、被接合部材相互を適切に接合できるようにした点に特徴を有するものである。

アルミニウム、アルミニウム合金、マグネシウム合金、銅合金、チタン合金などの金属材料で構成された被接合部材相互を接合させるにあたり、従来においては一般に、電気抵抗溶接、アーク溶接、ガス溶接などの溶接による方法が用いられている。

また、近年においては、このような溶接に代えて、摩擦攪拌接合によって被接合部材相互を接合させることが提案されている。

ここで、摩擦攪拌接合によって被接合部材相互を接合させるにあたっては、一般に、図１に示すように、外周にねじ部（図示せず）が設けられたプローブピン１２が回転子１１の先端面１１ａから延出された摩擦攪拌接合用ツール１０を用い、この摩擦攪拌接合用ツール１０を高速で回転させながら、回転子１１の先端面１１ａから延出された上記のプローブピン１２を被接合部材１相互の接合部１ａに圧入させると共に回転子１１の先端面１１ａを接触させ、この状態で、摩擦攪拌接合用ツール１０を被接合部材１の接合部１ａに沿って移動させながら、被接合部材１相互を接合部１ａに沿って順々に接合させるようになっている。

すなわち、この摩擦攪拌接合用ツール１０においては、上記のように高速で回転する回転子１１やプローブピン１２と被接合部材１との摩擦熱により、被接合部材１を塑性流動化させ、流動化された被接合部材１をその接合部１ａにおいてプローブピン１２の外周に設けられたねじ部により攪拌させるようにし、その後、これを冷却させて被接合部材１相互を接合部１ａにおいて接合させるようになっている。

そして、このように摩擦攪拌接合により被接合部材１相互を接合させる場合、溶接に比べて、低温で被接合部材１相互を接合させることができ、接合時の熱変形や酸化による接合不良が抑制されると共に、接合部１ａ全体が均一に接合されるようなり、さらに異種材料の接合も容易に行えるという利点がある。

ここで、上記の摩擦攪拌接合用ツール１０における回転子１１やプローブピン１２を構成する材料としては、一般に工具鋼やダイス鋼が使用されていた。

しかし、上記のように摩擦攪拌接合用ツール１０を高速で回転させて、プローブピン１２を被接合部材１相互の接合部に圧入させると共に回転子１１の先端面を被接合部材１に接触させ、摩擦熱により被接合部材１を塑性流動化させるようにした場合、流動化された被接合部材１が回転子１１やプローブピン１２に溶着したり、回転子１１やプローブピン１２が高温になって激しく摩耗すると共に、連続して摩擦攪拌接合を行った場合、回転子１１やプローブピン１２が座屈したり、接合された被接合部材１の接合部１ａが熱変形したりするという問題が生じた。

このため、近年においては、被接合部材を強制的に冷却しながら摩擦攪拌接合させるようにしたものや（例えば、特許文献１参照。）、上記のプローブピンをＦｅ−Ｃｒ合金で構成したもの（例えば、特許文献２参照。）が提案されている。

しかし、上記のように被接合部材を強制的に冷却しながら摩擦攪拌接合させるようにした場合、被接合部材の接合部分が熱変形するのが抑制されるが、依然として、流動化された被接合部材が回転子やプローブピンに溶着したり、回転子やプローブピンが激しく摩耗するという問題があった。

また、プローブピンをＦｅ−Ｃｒ合金で構成した場合においても、依然として、流動化された被接合部材が回転子やプローブピンに溶着したり、回転子やプローブピンが摩耗する等の問題があった。
特開平１１−２２６７５７号公報特開２０００−３４３２４３号公報

この発明は、被接合部材相互を摩擦攪拌接合させるのに使用する摩擦攪拌接合用ツールにおける上記のような問題を解決することを課題とするものである。

すなわち、この発明においては、摩擦攪拌接合用ツールを高速で回転させ、プローブピンを被接合部材の接合部に圧入させると共に回転子の先端面を被接合部材に接触させ、摩擦熱により被接合部材を塑性流動化させ、この状態で接合部に沿ってプローブピンを移動させて、被接合部材を接合部において摩擦攪拌接合させる場合に、回転子やプローブピンに流動化された被接合部材が溶着したり、回転子やプローブピンが摩耗するのを十分に抑制すると共に、連続して摩擦攪拌接合を行った場合に、回転子やプローブピンが座屈したり、接合された被接合部材の接合部分が熱変形したりするのを抑制し、長期にわたって被接合部材を摩擦攪拌接合させることができるようにすると共に、被接合部材を接合部において適切に接合できるようにすることを課題とするものである。

この発明においては、上記のような課題を解決するため、回転する回転子１１の先端面１１ａから延出されたプローブピン１２を、被接合部材１の接合部１ａに圧入させ、接合部１ａに沿ってプローブピン１２移動させて、接合部１ａにおいて被接合部材を摩擦攪拌接合させる摩擦攪拌接合用ツールにおいて、少なくとも上記の被接合部材１と接触するプローブピン１２及び回転子１１の部分を、Ｃｏを５〜１８重量％含有し、且つ熱伝導率が６０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であるＷＣ系の超硬合金で構成した。

この発明における摩擦攪拌接合用ツールのように、少なくとも被接合部材と接触するプローブピン及び回転子の部分を、Ｃｏを５〜１８重量％含有するＷＣ系の超硬合金で構成すると、被接合部材とプローブピンや回転子との親和性が低くなり、この摩擦攪拌接合用ツールを高速で回転させ、プローブピンを被接合部材の接合部に圧入させると共に回転子の先端面を接触させて、摩擦熱により被接合部材を塑性流動化させる場合に、流動化された被接合部材がプローブピンや回転子に溶着するのが抑制されると共に、摩擦によるプローブピンや回転子の摩耗も少なくなる。

また、上記のように熱伝導率が６０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の超硬合金を用いると、連続して摩擦攪拌接合を行った場合においても、熱がプローブピンや回転子を通して効率よく外部に拡散・放出されるようになり、回転子やプローブピンが座屈したり、接合された被接合部材の接合部が熱変形したりするのが抑制されるようになる。

この結果、この発明における摩擦攪拌接合用ツールを使用すると、長期にわたって被接合部材を摩擦攪拌接合させることができるようになると共に、被接合部材相互が適切に接合されるようになる。

以下、この発明の実施形態に係る摩擦攪拌接合用ツールを添付図面に基づいて具体的に説明する。

この実施形態に係る摩擦攪拌接合用ツール１０においては、図２に示すように、回転子１１の先端面１１ａからプローブピン１２を延出させる一方、このプローブピン１２と反対側に、回転装置（図示せず）に取り付けられる径大になったシャンク部１３を設け、上記のプローブピン１２の外周に摩擦攪拌接合用ツール１０の回転方向とは逆ねじれになったねじ部１２ａを形成すると共に、上記の回転子１１の先端面１１ａを外周側からプローブピン１２が設けられた中心に向けて凹むように形成している。

ここで、この実施形態における摩擦攪拌接合用ツール１０においては、図３に示すように、上記の回転子１１とプローブピン１２とシャンク部１３全体とを、Ｃｏを５〜１８重量％含有するＷＣ系の超硬合金で一体に形成している。なお、Ｃｏの含有量が５〜１８重量％になったＷＣ系の超硬合金を用いるのは、Ｃｏの含有量が５重量％未満であると、この摩擦攪拌接合用ツール１０が折損しやすくなる一方、Ｃｏの含有量が１８重量％を越えると、摩擦攪拌接合により被接合部材１相互を接合させる場合に、回転子１１やプローブピン１２に被接合部材１が溶着しやすくなるためである。

そして、この実施形態における摩擦攪拌接合用ツール１０を用いて被接合部材１を接合部１ａにおいて摩擦攪拌接合させるにあたっては、従来の摩擦攪拌接合用ツール１０と同様に、図１に示すように、この摩擦攪拌接合用ツール１０を高速で回転させながら、上記のプローブピン１２を被接合部材１相互の接合部１ａに圧入させると共に、回転子１１の先端面１１ａを接触させ、回転する回転子１１やプローブピン１２と被接合部材１との摩擦熱により、接合部１ａにおける被接合部材１を塑性流動化させる。そして、このように流動化された被接合部材１をプローブピン１２の外周に設けられたねじ部１２ａにより攪拌させ、この状態で摩擦攪拌接合用ツール１０を被接合部材１の接合部１ａに沿って移動させて、被接合部材１相互を接合部１ａに沿って順々に接合させるようにする。

ここで、この実施形態における摩擦攪拌接合用ツール１０においては、上記のように回転子１１とプローブピン１２とシャンク部１３全体とを、Ｃｏを５〜１８重量％含有するＷＣ系の超硬合金で一体に形成しているため、被接合部材１とプローブピン１２や回転子１１との親和性が低く、上記のようにして被接合部材１を接合部１ａに沿って摩擦攪拌接合させる場合に、被接合部材１がプローブピン１２や回転子１１に溶着するのが抑制されると共に、摩擦によるプローブピン１２や回転子１１の摩耗も少なくなる。

また、プローブピン１２や回転子１１やシャンク部１３における熱伝導率が大幅に高くなり、連続して摩擦攪拌接合を行った場合においても、熱がプローブピン１２や回転子１１やシャンク部１３を通して効率よく外部に拡散・放出されるようになり、プローブピン１２や回転子１１が座屈したり、接合された被接合部材１の接合部１ａが熱変形するのが抑制される。

また、この実施形態における摩擦攪拌接合用ツール１０において、流動化された被接合部材１をプローブピン１２の外周に設けられたねじ部１２ａにより攪拌させる場合に、このねじ部１２ａが上記のように摩擦攪拌接合用ツール１０の回転方向とは逆ねじれになっているため、流動化された被接合部材１がねじ部１２ａの作用により下方に押し付けられるようになり、また回転子１１の先端面１１ａを上記のように外周側からプローブピン１２が設けられた中心に向けて凹むように形成しているため、流動化された被接合部材１が接合部１ａから外側に流れ出るのが抑制されるようになり、空洞などが形成されることなく、被接合部材１相互が接合部１ａにおいて均一に接合されるようになる。

なお、この実施形態における摩擦攪拌接合用ツール１０においては、回転子１１とプローブピン１２とシャンク部１３全体とを上記のような超硬合金で一体に形成したため、上記のように熱がプローブピン１２や回転子１１やシャンク部１３を通して効率よく外部に拡散・放出されるようになるが、材料コストが高くつくようになる。このため、図４に示すように、回転子１１とプローブピン１２とシャンク部１３の一部１３ａを上記のような超硬合金で一体に形成する一方、シャンク部１３の残りの部分１３ｂを工具鋼やダイス鋼で構成し、これらをろう付け等により接合させ、上記の超硬合金の部分を少なくして、コストを低減させることも可能である。

さらに、図５に示すように、長く伸びた回転子１１とプローブピン１２とを上記のような超硬合金で一体に形成すると共に、長く伸びた回転子１１の後部側に係止部１１ｂを切り欠き形成する一方、工具鋼やダイス鋼で構成されたシャンク部１３に、係止部１１ｂが設けられた上記の回転子１１の後部側を挿入させる収容部１３ｃを設け、この収容部１３ｃ内に回転子１１の後部側を挿入させると共に、収容部１３ｃ内に挿入された回転子１１の係止部１１ｂにねじ１４を押し付けて、回転子１１とプローブピン１２とが一体に形成されたものをシャンク部１３に固定させるようにすることも可能である。このようにすると、超硬合金の部分を少なくしてコストを低減させることができ、また回転子１１やプローブピン１２が摩耗した場合等においても、長く伸びた回転子１１とプローブピン１２とが一体に形成されたものだけを簡単に交換することができ、さらにコストが低減されると共に、プローブピン１２の径や長さ等を変更させたものを複数準備しておき、これを適宜変更させて使用することもできるようになる。

また、この実施形態における摩擦攪拌接合用ツール１０において、被接合部材１と接触するプローブピン１２や回転子１１の部分をＴｉＮ，ＴｉＣＮ，ＴｉＡｌＮ，ＣｒＮ，ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）等で被覆すると、上記のようにして被接合部材１相互を摩擦攪拌接合させる場合に、回転子１１やプローブピン１２に被接合部材１が溶着するのがより一層抑制されるようになる。

次に、この発明の実施例に係る具体的な摩擦攪拌接合用ツールを用いて被接合部材を接合させた場合と比較例の摩擦攪拌接合用ツールを用いて被接合部材を接合させた場合とを比較し、この発明の実施例に係る摩擦攪拌接合用ツールが優れていることを明らかにする。

（実施例１）
実施例１においては、ＷＣの平均粒度が２〜３μｍ、ロックウェル硬度ＡスケールＨＲＡが８８．５、熱伝導率が６７Ｗ／ｍ・ＫになったＣｏが１２重量％含有されたＷＣ系の超硬合金を用い、上記の実施形態に示すように、回転子１１とプローブピン１２とシャンク部１３全体とを上記の超硬合金で一体に形成した摩擦攪拌接合用ツールを作製した。なお、熱伝導率については、レーザーフラッシュにより測定した。

（実施例２）
実施例２においては、ＷＣの平均粒度が２〜３μｍ、ロックウェル硬度ＡスケールＨＲＡが９１．５、熱伝導率が７２Ｗ／ｍ・ＫになったＣｏが７重量％含有されたＷＣ系の超硬合金を用い、それ以外は、上記の実施例１の場合と同様にして摩擦攪拌接合用ツールを作製した。

（参考例１）
参考例１においては、ＷＣの平均粒度が０．８μｍ、ロックウェル硬度ＡスケールＨＲＡが９２．０、熱伝導率が４７Ｗ／ｍ・ＫになったＣｏが１３重量％含有されたＷＣ系の超硬合金を用い、それ以外は、上記の実施例１の場合と同様にして摩擦攪拌接合用ツールを作製した。

（実施例３）
実施例３においては、ＷＣの平均粒度が５μｍ、ロックウェル硬度ＡスケールＨＲＡが８７．０、熱伝導率が７１Ｗ／ｍ・ＫになったＣｏが１０重量％含有されたＷＣ系の超硬合金を用い、それ以外は、上記の実施例１の場合と同様にして摩擦攪拌接合用ツールを作製した。

（実施例４）
実施例４においては、ＷＣの平均粒度が２〜３μｍ、ロックウェル硬度ＡスケールＨＲＡが８７．５、熱伝導率が６３Ｗ／ｍ・ＫになったＣｏが１５重量％含有されたＷＣ系の超硬合金を用い、それ以外は、上記の実施例１の場合と同様にして摩擦攪拌接合用ツールを作製した。

（比較例１）
比較例１においては、ロックウェル硬度ＣスケールＨＲＣが５７、熱伝導率が２４Ｗ／ｍ・Ｋの工具鋼を用い、それ以外は、上記の実施例１の場合と同様にして摩擦攪拌接合用ツールを作製した。

（比較例２）
比較例２においては、ＷＣの平均粒度が２〜３μｍ、ロックウェル硬度ＡスケールＨＲＡが８５．５、熱伝導率が５８Ｗ／ｍ・ＫになったＣｏが２０重量％含有されたＷＣ系の超硬合金を用い、それ以外は、上記の実施例１の場合と同様にして摩擦攪拌接合用ツールを作製した。

（比較例３）
比較例３においては、ＷＣの平均粒度が４〜５μｍ、ロックウェル硬度ＡスケールＨＲＡが８４．０、熱伝導率が６８Ｗ／ｍ・ＫになったＣｏが２２重量％含有されたＷＣ系の超硬合金を用い、それ以外は、上記の実施例１の場合と同様にして摩擦攪拌接合用ツールを作製した。

そして、被接合部材１として、厚みが４ｍｍになったＪＩＳ５０００系のアルミニウムで構成された板材を、図６に示すように四角筒状に折り曲げて両端部を突き合わせ、突き合わせた接合部１ａの長さが３００ｍｍになったものを使用し、上記の実施例１及び比較例１の各摩擦攪拌接合用ツールを用い、回転数１２００ｒｐｍ、送り速度３００ｍｍ／ｍｉｎの条件で、上記の被接合部材１における接合部１ａを摩擦攪拌接合させるようにした。

この結果、比較例１の摩擦攪拌接合用ツールにおいては、プローブピン１２や回転子１１の先端面１１ａに被接合部材１の溶着があり、約１５００個の被接合部材１を摩擦攪拌接合させた時点で、プローブピン１２の先端及びねじ部１２ａの摩耗が大きくなって寿命になった。これに対して、実施例１の摩擦攪拌接合用ツールにおいては、プローブピン１２に被接合部材１が殆ど溶着することなく、約１００００個の被接合部材１を摩擦攪拌接合させることができた。

また、被接合部材１として、厚みが３ｍｍになったＪＩＳ６０００系のアルミニウムで構成された板材を、図７に示すように２枚突き合わせ、突き合わせた接合部１ａの長さが３ｍになったものを使用し、上記の実施例１〜５及び比較例１〜３の各摩擦攪拌接合用ツールを用い、回転数１５００ｒｐｍ、送り速度１０００ｍｍ／ｍｉｎの条件で、上記の被接合部材１における接合部１ａを摩擦攪拌接合させるようにした。

この結果、比較例１の摩擦攪拌接合用ツールにおいては、摩擦攪拌接合させた接合部１ａの合計長さが約３０００ｍ（約１０００個の接合）になった時点で、プローブピン１２の先端及びねじ部１２ａの摩耗が大きくなって寿命になった。これに対して、実施例１の摩擦攪拌接合用ツールにおいては、接合部１ａの合計長さが約１５０００ｍ（約５０００個の接合）になるまで摩擦攪拌接合させることができた。

また、上記のようにして実施例１〜４、参考例１及び比較例１〜３の各摩擦攪拌接合用ツールを用い、被接合部材１における接合部１ａを摩擦攪拌接合させた場合において、各摩擦攪拌接合用ツールにおけるプローブピン１２や回転子１１の先端面１１ａへの被接合部材１の溶着の有無を調べると共に、被接合部材１の接合部１ａにおける変形を調べ、比較例１の摩擦攪拌接合用ツールを用いた場合における変形量を１とした指数で、各摩擦攪拌接合用ツールを用いた場合における変形量を算出し、その結果を下記の表１に示した。

この結果から明らかなように、Ｃｏを含有するＷＣ系の超硬合金を用いた実施例１〜４、参考例１及び比較例２，３の各摩擦攪拌接合用ツールを用いた場合、工具鋼を用いた比較例１の摩擦攪拌接合用ツールに比べて、摩擦攪拌接合させた被接合部材１における接合部１ａの変形量が少なくなっており、特に、熱伝導率が６０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の超硬合金を用いた実施例１〜４及び比較例３の各摩擦攪拌接合用ツールを用いた場合には、その変形量がさらに少なくなっていた。

また、Ｃｏの含有量が１８重量％以下のＷＣ系の超硬合金を用いた実施例１〜４及び参考例１の各摩擦攪拌接合用ツールを用いた場合、工具鋼を用いた比較例１の摩擦攪拌接合用ツールや、Ｃｏの含有量が１８重量％を越えるＷＣ系の超硬合金を用いた比較例２，３の各摩擦攪拌接合用ツールに比べて、プローブピン１２や回転子１１の先端面１１ａへの被接合部材１の溶着が少なくなっていた。

摩擦攪拌接合用ツールを用いて被接合部材相互を接合部において摩擦攪拌接合させる状態を示した概略説明図である。この発明の一実施形態に係る摩擦攪拌接合用ツールの概略正面図である。同実施形態に係る摩擦攪拌接合用ツールの概略断面図である。同実施形態に係る摩擦攪拌接合用ツールの第１の変更例を示した概略断面図である。同実施形態に係る摩擦攪拌接合用ツールの第２の変更例を示した概略断面図である。この発明の実施例及び比較例の摩擦攪拌接合用ツールを用いて摩擦攪拌接合させる第１の被接合部材を示した斜視図である。この発明の実施例及び比較例の摩擦攪拌接合用ツールを用いて摩擦攪拌接合させる第２の被接合部材を示した斜視図である。

符号の説明

１被接合部材
１ａ接合部
１０摩擦攪拌接合用ツール
１１回転子
１１ａ回転子の先端面
１２プローブピン
１３シャンク部

Claims

回転する回転子１１の先端面１１ａから延出されたプローブピン１２を、被接合部材１の接合部１ａに圧入させ、この接合部１ａに沿ってプローブピン１２を移動させて、接合部１ａにおいて被接合部材１を摩擦攪拌接合させる摩擦攪拌接合用ツールにおいて、少なくとも上記の被接合部材１と接触するプローブピン１２及び回転子１１の部分を、Ｃｏを５〜１８重量％含有し、且つ熱伝導率が６０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であるＷＣ系の超硬合金で構成したことを特徴とする摩擦攪拌接合用ツール。