摩擦搅拌接合用工具、摩擦搅拌接合装置及摩擦搅拌接合方法与流程

本发明涉及通过摩擦搅拌接合对工件进行接合时使用的摩擦搅拌接合用工具及具备摩擦搅拌接合用工具的摩擦搅拌接合装置。

本申请基于2014年8月28日申请的特愿2014－173990号主张优先权，并在此引用其内容。

背景技术：

作为将由两个部件构成的工件接合的方法之一，已知有摩擦搅拌接合。

摩擦搅拌接合是在利用工具的台肩面对工件的接合部进行加压的状态下使工具旋转，利用由此在工件的表面上产生的摩擦热将工件接合的接合方法。

在此，在摩擦搅拌接合中，在接合时，工件被工具搅拌而产生塑性流动。而且，为了在抑制接合缺陷等产生的同时进行接合，需要使塑性流动的工件的材料积极地流入接合部的内部。

专利文献1中公开有一种为了提高接合的稳定性及工件对工具的耐粘着性而在探针上设置有被覆层的工具。而且，专利文献1中记载有，为了提高工具上的耐粘着性，被覆层的表面粗糙度Ra优选为不超过0.6μm的数值。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：国际公开第2013/129320号

技术实现要素：

发明所要解决的课题

如上述，专利文献1所公开的被覆层的表面粗糙度Ra的数值优选为不超过0.6μm。即，表面粗糙度Ra的数值优选为较小。因此，在专利文献1所记载的工具中，因为被覆层的表面粗糙度Ra的值小，所以通过工具的旋转不能充分地产生摩擦热，不能期待足够的塑性流动。

特别是，在探针的前端位置，工具相对于工件的周速为0，工件不易被搅拌。因此，需要使塑性流动的工件积极地流入探针的前端。

本发明提供一种能够使工件产生充分的塑性流动，能够良好地进行工件的接合的摩擦搅拌接合用工具、使用摩擦搅拌接合用工具的摩擦搅拌接合装置及摩擦搅拌接合方法。

用于解决课题的技术方案

本发明第一方面提供一种摩擦搅拌接合用工具，其具备：第一面，其在与工件的接合部接触的状态下相对于该接合部以轴线为中心相对旋转，并且，算术平均粗糙度Ra的值为0.8μm以上、25μm以下；第二面，其与所述第一面连续地形成，与所述接合部接触并相对于该接合部以轴线为中心相对旋转，并且，算术平均粗糙度Ra的值比所述第一面小。

根据这种摩擦搅拌接合用工具，当工具以轴线为中心进行旋转时，通过算术平均粗糙度Ra为0.8μm以上、25μm以下的较粗糙的第一面使摩擦热增大。其结果，增大工件的搅拌量，促进塑性流动。进而，可以在通过比第一面平滑的第二面抑制塑性流动的工件的粘着的同时，使由第一面搅拌的工件的材料流入接合部。

另外，本发明第二方面的摩擦搅拌接合用工具中在上述第一方面的基础上，也可以是，在所述第一面上，算术平均粗糙度Ra的值为1.6μm以上、25μm以下。

通过将第一面的算术平均粗糙度Ra设为这样的数值，可以进一步增大摩擦热，使工件的搅拌量增大。其结果，可以进一步促进工件在第一面的塑性流动。

另外，本发明第三方面的摩擦搅拌接合用工具在上述第一方面的基础上，也可以是，在所述第一面上，算术平均粗糙度Ra的值为3.2μm以上、25μm以下。

通过将第一面的算术平均粗糙度Ra设为这样的数值，可进一步增大摩擦热，使工件的搅拌量增大。其结果，可以进一步促进工件在第一面的塑性流动。

另外，本发明第四方面的摩擦搅拌接合用工具在上述第一～第三方面中任一方面的基础上，也可以是，还具备：探针，其在接合时插入于工件的接合部，成为以轴线为中心形成的柱状，且绕该轴线进行旋转；台肩，其成为以所述轴线为中心形成的柱状，与所述探针一同旋转，且具有在接合时被加压于所述工件的表面的台肩面，所述第一面及所述第二面在周向上相互相邻地形成于所述探针的外周面。

通过探针的旋转，由第一面搅拌的工件在探针的外周面上以向周向扩展的方式移动，促进塑性流动。因此，可以向接合部流入更多的经搅拌的工件。因此，可以进行良好的接合。

另外，本发明第五方面的摩擦搅拌接合用工具在上述第四方面的基础上，也可以是，在所述第二面上形成有螺旋槽部，所述螺旋槽部形成随着朝向所述探针上的所述周向的一方而朝向所述轴线的一方的螺旋状。

工件自第一面的塑性流动由第二面的螺旋槽部引导。而且，通过适宜选择工具的旋转方向，可以将塑性流动的工件向探针的前端侧引导。因此，可以使更多的经搅拌的工件向接合部流入。因此，能够进行更良好的接合。

另外，本发明第六方面的摩擦搅拌接合用工具在上述第一～第三方面中任一方面的基础上，也可以是，具备：探针，其在接合时插入于工件的接合部，成为以轴线为中心形成的柱状，且绕该轴线进行旋转；台肩，其成为以所述轴线为中心形成的柱状，与所述探针一同旋转，且具有在接合时被加压于所述工件的表面的台肩面，所述第一面及所述第二面在周向上相互相邻地形成于所述台肩面。

通过台肩的旋转，由第一面搅拌的工件在台肩面上以向周向扩展的方式移动，促进塑性流动。因此，能够使更多的经搅拌的工件向接合部流入。因此，能够进行良好的接合。

另外，本发明第七方面的摩擦搅拌接合用工具在上述第六方面的基础上，也可以是，在所述台肩面上形成有螺旋槽部，所述螺旋槽部形成在周向上随着朝向所述台肩的旋转方向的前方而朝向所述轴线的径向外侧的螺旋状，所述第一面是所述台肩面中的除形成有所述螺旋槽部的位置之外的面，所述第二面是所述螺旋槽部的内表面。

这样，自第一面的工件的塑性流动通过更平滑的第二面的螺旋槽部引导。而且，随着台肩面的旋转向探针侧被引导。因此，能够使更多的经搅拌的工件的材料向接合部流入。因此，能够进行更良好的接合。

另外，本发明第八方面提供一种摩擦搅拌接合装置，其具备：上述第一～第七方面中任一方面的摩擦搅拌接合用工具；装置主体部，其保持所述摩擦搅拌接合用工具，使该摩擦搅拌接合用工具相对于所述工件相对旋转。

根据这种摩擦搅拌接合装置，当摩擦搅拌接合用工具以轴线为中心进行旋转时，通过较粗糙的第一面使摩擦热增大。而且，增大工件的搅拌量，促进工件的塑性流动。进而，可以在通过比第一面平滑的第二面抑制塑性流动的工件的粘着的同时，使由第一面搅拌的工件流入接合部。

另外，本发明第九方面提供一种摩擦搅拌接合方法，其包含：工具接触工序，使算术平均粗糙度Ra的值为0.8μm以上、25μm以下的摩擦搅拌接合用工具的第一面与工件的接合部接触，并且，使与所述第一面连续地设置且算术平均粗糙度Ra的值比所述第一面小的摩擦搅拌接合用工具的第二面与所述接合部接触；旋转工序，使所述第一面及所述第二面相对于所述接合部相对旋转。

根据这种摩擦搅拌接合方法，通过较粗糙的第一面使摩擦热增大。由此，增大工件的搅拌量，促进工件的塑性流动。进而，可以在通过比第一面平滑的第二面抑制塑性流动的工件对摩擦搅拌接合用工具的粘着的同时，使由第一面搅拌的工件流入接合部。

发明效果

根据上述的摩擦搅拌接合用工具及摩擦搅拌接合装置，可以使工件产生充分的塑性流动，能够良好地进行工件的接合。

附图说明

图1是表示工件上设置有本发明第一实施方式的摩擦搅拌接合装置的状态的主视图。

图2是将本发明第一实施方式的摩擦搅拌接合装置的工具的探针放大表示的图，是从斜下方观察的立体图。

图3是表示本发明第一实施方式的摩擦搅拌接合装置的工具的探针上形成的第一面的算术平均粗糙度Ra和工件的搅拌性之间的关系的图表。

图4是表示使用了本发明第一实施方式的摩擦搅拌接合装置的工具的摩擦搅拌接合方法的工序的流程图。

图5是表示工件上设置有本发明第二实施方式的摩擦搅拌接合装置的状态的主视图。

图6是表示本发明第二实施方式的摩擦搅拌接合装置的工具的上台肩面的图，是图5的A－A剖视图。

图7是表示本发明第二实施方式的摩擦搅拌接合装置的工具的下台肩面的图，是图5的B－B剖视图。

具体实施方式

〔第一实施方式〕

以下，对本发明第一实施方式的摩擦搅拌接合装置1进行说明。

如图1所示，摩擦搅拌接合装置1例如被设置在使两张板材(或空心材料等)W1对接而成的工件W上的成为对接部的接合部Wa，通过摩擦搅拌接合进行工件W的接合。

该摩擦搅拌接合装置1具备：摩擦搅拌接合用工具12(以下，简称为工具12)，其被加压于接合部Wa；装置主体部13，其保持工具12，在将工具12加压于工件W的状态下使工具12相对于工件W相对旋转。

本实施方式中，装置主体部13及工具12在进行接合时，从工件W的上方设置于工件W上。

工具12具备在接合时插入于工件W的接合部Wa的探针14和支承探针14的台肩18。

探针14成为以轴线O为中心形成的圆柱状，通过设置于装置主体部13的未图示的动力源绕轴线O进行旋转。

另外，在探针14的外周面，遍及轴线O的方向的整个区域形成有成为螺旋状的螺旋槽部14a。该螺旋槽部14a以随着朝向周向的一方(工具12的旋转方向R的前方)而朝向轴线O的一方(上方)的方式形成。即，螺旋槽部14a形成为右螺纹状，工具12的旋转方向R在从探针14的下方观察工具12时成为顺时针方向。

进而，在探针14上，在相互沿周向分开的多处(本实施方式中为三处)的位置，将形成螺旋槽部14a的外周面在轴线O方向上的整个区域沿着轴线O切去，形成第一面15。第一面15形成沿着轴线O的平面状。在本实施方式中，这些第一面15在周向上等间隔地形成。

而且，在第一面15上，算术平均粗糙度Ra的值为0.8μm以上、25μm以下。

该算术平均粗糙度Ra的上限为25μm是因为，如图3的A部所示，如果算术平均粗糙度Ra大于25μm，则塑性流动变得不均匀。换言之，本实施方式下Ra上限值的确定，要使塑性流动的方向不发生不均均的状况下使经搅拌的工件W流入接合部Wa。另外，Ra的下限为0.8μm是因为，如图3的B部所示，如果Ra小于0.8μm，则从工具12向工件W的热量输入量不足，难以充分地产生塑性流动。

在此，算术平均粗糙度Ra的值更优选为1.6μm以上、25μm以下，算术平均粗糙度Ra的值进一步优选为3.2μm以上、25μm以下。

这样，探针14在外周面具备第一面15和多处(本实施方式中为三处)第二面16，所述第二面16在周向上与第一面15相邻，并且在周向上相互以等间隔分开，且形成有螺旋槽部14a。而且，第二面16的算术平均粗糙度Ra的值比第一面15小。因此，第二面16比第一面15更平滑。

第一面15及第二面16也可以分别在周向上不等间隔地形成。另外，第一面15及第二面16的数量虽然可以是若干个，但更优选为各形成奇数个。

台肩18以与探针14同轴的方式成为以轴线O为中心形成的圆柱状。另外，台肩18与工件W的一侧表面(上表面)对置配置，支承探针14。台肩18与探针14一同绕轴线O旋转。另外，台肩18具有在进行接合时对工件W的表面加压的台肩面18a。

在这种摩擦搅拌接合用工具12中，在接合时，首先，使工具12以轴线O为中心进行旋转(旋转工序S1：参照图4)，之后，通过台肩面18a对工件W加压，同时使第一面15及第二面16与工件W的接合部Wa接触(工具接触工序S2：参照图4)，可通过算术平均粗糙度Ra为0.8μm以上25μm以下的较粗糙的第一面15使摩擦热增大。其结果，由第一面15搅拌的工件W以在探针14的外周面向周向扩展的方式移动，促进工件W的塑性流动。因此，可以使更多的经搅拌的工件W向接合部Wa流入，能够进行良好的接合。

进而，可以通过比第一面15平滑的第二面16抑制塑性流动的工件W的粘着，并且能够使由第一面15搅拌的工件W的材料流入接合部Wa。

进而，在第二面16上形成有螺旋槽部14a。因此，随着工具12的旋转，来自第一面15的工件W的塑性流动由第二面16的螺旋槽部14a进行引导，向探针14的前端侧被引导。因此，可以使更多的经搅拌的工件W向接合部Wa流入，能够良好地接合工件W。

另外，如果将第一面15的算术平均粗糙度Ra的值设为1.6μm以上、25μm以下，进而优选设为3.2μm以上、25μm以下，则可通过第一面15进一步增大摩擦热，能够进一步增大工件W的搅拌量。因此，能够进一步促进工件W在第一面15上的塑性流动，工件W向接合部Wa的塑性流动量增大，可良好地接合工件W。

进而，因为第一面15的算术平均粗糙度Ra的值为0.8μm以上、25μm以下，所以探针14的表面较粗糙。因此，不需要进行使第一面15平滑的精密加工。其结果可以降低成本。

在此，在本实施方式中，也可以不必在第二面16形成螺旋槽部14a。

〔第二实施方式〕

以下，参照图5说明本发明第二实施方式的摩擦搅拌接合装置21。

对于与第一实施方式相同的构成要素标注同一附图标记，并省略详细说明。

本实施方式中，工具22与第一实施方式不同。

即，本实施方式中，工具22具备在接合时插入于工件W的接合部Wa的探针24、从上方支承探针24的上台肩25、及从下方支承探针24的下台肩27。

探针24成为以轴线O为中心形成的圆柱状。探针24通过设置于装置主体部13的未图示的动力源绕轴线O进行旋转。

另外，在探针24的外周面，遍及轴线O方向的整个区域形成有成为螺旋状的探针槽部24a。作为该探针槽部24a，以探针24的轴线O方向的中央位置为界，形成有在探针24上的上台肩25侧形成的第一槽部24a1和在探针24上的下台肩27侧形成的第二槽部24a2。

第一槽部24a1以随着朝向周向的一方(工具22的旋转方向R的前方)而朝向轴线O的一方(上方)的方式形成。即，第一槽部24a1以左螺纹状形成。而且，工具22的旋转方向R在从探针24的下方观察工具22时，成为逆时针旋转方向。

第二槽部24a2以随着朝向周向的一方(工具22的旋转方向R的前方)而朝向轴线O的另一方(下方)的方式形成。即，第二槽部24a2以右螺纹状形成。

这样，在探针24的外周面，以探针24的轴线O方向的中央位置为界，形成有左螺纹状的槽部和右螺纹状的槽部。

上台肩25与探针24同轴，成为以轴线O为中心形成的圆柱状。上台肩25与成为工件W的一侧表面的上表面对置配置。另外，上台肩25支承探针24并与探针24一同旋转。另外，上台肩25具有在接合时被工件W的上表面加压的上台肩面26。

如图6所示，在上台肩面26形成有在周向上随着朝向工具22的旋转方向R的前方而朝向轴线O的径向外方的呈螺旋状的第一螺旋状槽部26a。即，从下方观察时，第一螺旋状槽部26a以涡旋状形成。

在上台肩面26的径向外侧的位置，第一螺旋状槽部26a向上台肩25的外周面即外周侧端缘开口，在径向内侧的位置与探针24的外周面连续。

下台肩27与探针24同轴，成为以轴线O为中心形成的圆柱状。下台肩27与成为工件W的另一侧表面的下表面对置配置。另外，下台肩27支承探针24并与探针24一同旋转。另外，下台肩27具有在接合时被工件W的下表面加压的下台肩面28。

如图7所示，在下台肩面28上形成有在周向上随着朝向工具22的旋转方向R的前方而朝向轴线O的径向外方的呈螺旋状的第二螺旋状槽部28a。即，从上方观察时，第二螺旋状槽部28a以涡旋状形成。

在下台肩面28的径向外侧的位置，第二螺旋状槽部28a向下台肩27的外周面即外周侧端缘开口，在径向内侧的位置与探针24的外周面连续。

另外，上台肩面26及下台肩面28中，上台肩面26及下台肩面28上的形成有第一螺旋状槽部26a及第二螺旋状槽部28a的部分以外的部分(以下，称为山部)的表面成为与第一实施方式的第一面15相同的第一面35。即，上述山部的表面的算术平均粗糙度Ra的值为0.8μm以上、25μm以下，优选为1.6μm以上、25μm以下，进一步优选为3.2μm以上、25μm以下。

而且，第一螺旋状槽部26a及第二螺旋状槽部28a的内表面成为与第一实施方式的第二面16相同的第二面36。

根据本实施方式的摩擦搅拌接合装置21，如果摩擦搅拌接合用工具22以轴线O为中心进行旋转，则可以通过上台肩面26及下台肩面28上的较粗糙的第一面35使摩擦热增大。因此，增大工件W的搅拌量，促进工件W的塑性流动。

而且，内表面由比第一面35平滑的第二面36即第一螺旋状槽部26a及第二螺旋状槽部28a进行引导。因此，随着上台肩面26及下台肩面28的旋转而塑性流动的工件W的材料朝向成为探针24侧的径向内侧被引导。因此，可以使更多的经搅拌的工件W向接合部Wa流入，能够进行良好的接合。

进而，在探针24上，作为探针槽部24a，形成有成为相互不同的方向的螺纹状的第一槽部24a1及第二槽部24a2。因此，伴随工具22的旋转，被第一螺旋状槽部26a及第二螺旋状槽部28a引导的塑性流动的工件W被送往接合部Wa的内部(参照图5的箭头)。因此，能够进一步抑制接合部Wa的内部的接合缺陷的产生，同时能够进行良好的接合。

在此，在本实施方式中，作为工具22，使用了具备探针24、上台肩25及下台肩27的旋转工具，但例如也可以适用于使用具有上台肩25(或下台肩27)及探针14的第一实施方式的工具12的情况。

以上，对本发明的实施方式进行了详细说明，但在不脱离本发明的技术思想的范围内也可以进行一定程度的设计变更。

例如，也可以在第一实施方式的工具12上形成与第二实施方式的工具22的第一螺旋状槽部26a相同的槽部。

例如，在上述的实施方式中，作为工件W，对将使两张板材W1对接而成的工件进行接合的情况进行了说明，但对于作为工件W，使两张板材W1重合而成的工件，也可以使用上述各实施方式的工具12、22进行接合。

产业上的可利用性

根据上述的摩擦搅拌接合用工具、使用摩擦搅拌接合用工具的摩擦搅拌接合装置及摩擦搅拌接合方法，可以使工件产生充分的塑性流动，能够良好地进行工件的接合。

附图标记说明

1 摩擦搅拌接合装置

12 (摩擦搅拌接合用)工具

13 装置主体部

14 探针

14a 螺旋槽部

15 第一面

16 第二面

18 台肩

18a 台肩面

21 摩擦搅拌接合装置

22 (摩擦接合用)工具

24 探针

24a 探针槽部

24a1 第一槽部

24a2 第二槽部

25 上台肩

26 上台肩面

26a 第一螺旋状槽部

27 下台肩

28 下台肩面

28a 第二螺旋状槽部

35 第一面

36 第二面

W 工件

Wa 接合部

W1 板材

O 轴线

R 旋转方向

S1 旋转工序

S2 工具接触工序