内角接合用旋转工具及使用其的内角接合方法

摘要

本发明提供一种具有优异经济性的内角接合用旋转工具，并且提供一种使用该内角接合用旋转工具的内角接合方法。本发明是对将一对金属构件对接所形成的内角部进行摩擦搅拌接合的内角接合用旋转工具(1)，其特征是具有：搅拌销(3)，其插入内角部；以及基块(2)，其支撑搅拌销(3)且与一对金属构件分别抵接，基块(2)具有：形成为朝向前端宽度变窄的主体部(4)；以及可装拆地形成于该主体部(4)前端的肩部(5)，搅拌销(3)贯穿主体部(4)及肩部(5)。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用以对将一对金属构件对接所形成的内角部进行摩擦搅 拌接合的内角接合用旋转工具及使用其的内角接合方法。

背景技术

例如，在专利文献1中公开有一种对垂直对接的一对金属构件的内角部进 行摩擦搅拌接合的技术。此技术中的内角接合用旋转工具具有呈三角柱的基块 (base block)及贯穿此基块的搅拌销(pin)。在此技术中，使基块的倾斜面分 别抵接于一对金属构件，一边将搅拌销推入内角部，一边使其高速旋转，藉此 来进行摩擦搅拌接合。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利第4240579号公报

发明内容

发明所要解决的技术问题

在现有技术中，由于一边使搅拌销高速旋转，一边将其插入金属构件，因 此会有基块前端中与搅拌销周围相关的部位易于磨损的问题。由于存在即使仅 有上述部位磨损亦需更换基块整体的情形，因此会有设备成本增高的问题。

从此种观点出发，本发明的目的在于提供一种具有优异经济性的内角接合 用旋转工具，并且提供一种使用该内角接合用旋转工具的内角接合方法。

解决技术问题所采用的技术方案

为了解决此种问题，本发明是对将一对金属构件对接所形成的内角部进行 摩擦搅拌接合的内角接合用旋转工具，其特征是具有：搅拌销(pin)，其插入 前述内角部；以及基块(base block)，其支撑前述搅拌销，且与一对前述金属 构件分别抵接，前述基块具有：形成为愈朝向前端宽度愈窄的主体部；以及可 装拆地形成于该主体部的前端的肩部，前述搅拌销贯穿前述主体部及前述肩 部。

依据此种构成，由于将安装于基块前端的肩部形成为可装拆，因此可仅更 换该肩部。藉此，无需更换基块整体，因此可降低设备成本。

此外，较为理想的是，在前述主体部的前端形成有与前述内角部相对向的 对向面，前述肩部的前端较前述对向面更朝前述搅拌销的前端侧突出。

依据此种构成，由于前述主体部的对向面较肩部的前端缩进(setback)， 因此在摩擦搅拌接合时，基块不会卡住内角部。藉此，能顺畅地进行摩擦搅拌 接合。

此外，较为理想的是，在前述主体部的前端，在一方端部形成有以离开前 述搅拌销的前端侧的方式倾斜的缺口部。此外，在前述肩部的前端，在一方端 部形成有以离开前述搅拌销的前端侧的方式倾斜的缺口部。

在进行摩擦搅拌接合时，虽然基块及肩部的行进方向前侧的部位容易卡住 内角部，但通过将形成于基块及肩部的各缺口部配置在行进方向侧来进行摩擦 搅拌接合，能顺畅地进行基块的移动。

此外，较为理想的是，在前述主体部的内部形成有朝向前端变得尖细的主 体斜锥孔，在前述搅拌销上形成有朝向前端变得尖细的搅拌销斜锥部，前述搅 拌销斜锥部抵接且支撑于前述主体斜锥孔的内周面。

依据此种构成，不仅易于进行搅拌销相对于基块的深度方向上的定位，且 易于装拆基块与搅拌销。

此外，较为理想的是，在前述主体部中形成有供冷却介质流通的冷却孔。 依据此种构成，可降低基块内部的温度。

此外，较为理想的是，在前述主体部与前述搅拌销之间夹设有轴承部。依 据此种构成，可使搅拌销的旋转顺畅。

此外，本发明涉及一种内角接合方法，其特征是，使用如权利要求1至7 中任一项所述的内角接合用旋转工具，对将第一金属构件与第二金属构件对接 所形成的内角部进行摩擦搅拌接合。依据此种内角接合方法，能容易地接合内 角部，并且可降低制造成本。

此外，较为理想的是，在对前述内角部进行摩擦搅拌接合之前，预先以焊 接方式暂时装接固定前述内角部。依据此种内角接合方法，在进行摩擦搅拌接 合时，可防止一对金属构件离开，因此可提高作业性。

此外，较为理想的是，在使前述基块抵接于前述第一金属构件及前述第二 金属构件之后，一边将前述搅拌销插入前述基块，一边进行摩擦搅拌接合。依 据此种内角接合方法，在插入阻力较大的摩擦搅拌的开始位置，能以高精度进 行内角接合用旋转工具的定位。

此外，较为理想的是，在进行前述摩擦搅拌接合之后，进一步对前述内角 部进行焊接，以焊接金属堆焊并通过填角(fillet)来形成焊缝腰高。依据此种 内角接合方法，能修补因摩擦搅拌接合所形成的塑性化区域。

发明效果

依据本发明的内角接合用旋转工具及使用其的内角接合方法，能降低设备 成本。

附图说明

图1是表示第一实施方式的内角接合用旋转工具的立体图。

图2是表示第一实施方式的基块的图，图2(a)是立体分解图，图2(b)是 侧剖图，图2(c)是正面剖视图。

图3是表示第一实施方式的搅拌销的侧视图。

图4是表示第一实施方式的内角接合用旋转工具的正面剖视图。

图5是表示第一实施方式的内角接合方法的图，图5(a)表示准备工序， 图5(b)表示基块配置工序，图5(c)表示摩擦搅拌接合工序。

图6是表示第一实施方式的内角接合方法的图，图6(a)是立体图，图6(b) 是从图5(c)的箭头A方向观察到的示意剖视图。

图7是表示第二实施方式的基块的侧剖图。

图8是表示内角接合方法的变形例的侧视图，图8(a)表示第一变形例， 图8(b)表示第二变形例，图8(c)、图8(d)表示第三变形例，图8(e)、图8(f) 表示第四变形例。

图9是表示内角接合方法的另一实施方式的侧视图。

具体实施方式

[第一实施方式]

参照附图来详细说明本发明的实施方式。说明中的上下左右前后遵循图1 的箭头。如图1所示，本实施方式的内角接合用旋转工具1具有：基块2；以 及贯穿基块2的搅拌销3。

基块2是支撑搅拌销3且分别抵接于欲接合的一对金属构件的构件。基块 2包括：主体部4；以及可装拆地形成于主体部4前端(下侧)的肩部5。

如图1及图2所示，主体部4外观大致呈梯形柱状，且以愈朝向下方宽度 愈窄的方式形成。主体部4是抵接于后述欲接合的一对金属构件且将搅拌销3 保持成能旋转的构件。在本实施方式中，主体部4由硬质的金属构件所构成。 主体部4包括：上表面11；主体部倾斜面12、13；与上表面11平行的对向面 14；以及前方侧面15和后方侧面16。

主体部倾斜面12、13是分别抵接于一对金属构件的部位。在本实施方式 中，由于将后述一对金属构件的张开角度(内角部角度)设定为90度，因此主 体部倾斜面12、13的张开角度形成为90度。主体部倾斜面12、13的张开角 度可依据一对金属构件的内角部的张开角度而适当设定。在主体部倾斜面12、 13中分别形成有连通孔12a、13a(参照图2(c))。连通孔12a、13a与形成于主 体部4内部的主体中空部21连通。连通孔12a、13a是在进行摩擦搅拌接合时 用以将主体部4内的热释放至外部的孔。

对向面14在主体部4的下端与上表面11平行形成。在对向面14的中央， 形成有退缩至较对向面14更上方位置的设置面14a。在设置面14a的中央，形 成有与形成于主体部4内部的主体中空部21连通的开口。此外，在设置面14a 中，在主体中空部21的开口两侧，形成有槽孔14c、14c。另外，对向面14 虽形成为平坦，但亦可是其它形状。例如对向面14可形成凸状曲面。

在主体部4中形成有从前方侧面15贯穿至后方侧面16的冷却孔17、17。 在本实施方式中，冷却孔17以隔着主体中空部21的方式在左右方向上分离地 设于二处。虽未具体图示，但经由例如连结托架(bracket)将管路(pipe)等连 结于冷却孔17，藉此可使冷却介质在冷却孔17中流通。虽未特别限定，但在 本实施方式中使用冷水作为冷却介质。通过使冷水在冷却孔17中流通，能抑 制主体部4内的温度上升。

在主体部4的前方侧面15及后方侧面16的上侧中央，形成有用以将主体 部4固定于未图示的摩擦搅拌装置的固定夹具的安装孔18、18。

如图2(b)所示，在主体部4中形成有用以供搅拌销3贯穿的主体中空部 21。主体中空部21在主体部4的内部由形成于上侧的主体圆筒状孔22、斜锥 状形成于下侧的主体斜锥孔23所构成。

主体圆筒状孔22是配设有后述搅拌销3的基轴部51(参照图3)的部位， 且形成为大致圆筒状。主体斜锥孔23形成为朝向下侧宽度变窄的斜锥状。主 体斜锥孔23呈倒圆锥台形。主体斜锥孔23是配设有后述搅拌销3的搅拌销斜 锥部52(参照图3)的部位。虽然主体斜锥孔23与垂直线所成的倾斜角度可形 成与后述搅拌销斜锥部52的倾斜角度相等的角度，但在本实施方式中形成为 大致35度。

如图2(b)、图2(c)所示，在主体斜锥孔23的内周面配置有轴承部24。 轴承部24设于主体部4与搅拌销3之间，使搅拌销3相对于主体部4顺畅地 旋转。轴承部24的种类虽无特别限定，但在本实施方式中使用圆锥滚子轴承 (taper roller bearing)。

另外，虽然在本实施方式中，将轴承部24设置于主体斜锥孔23的内周面， 但亦可将其设于主体圆筒状孔22的内周面。虽然在本实施方式中主体中空部 21以前述方式形成，但不限定于此。只要能支撑搅拌销3，使搅拌销3能绕轴 旋转即可。此外，轴承部24可视需要适当设置。

如图2(a)至图2(c)所示，肩部5具有：基板部31；以及设于基板部31 下表面的突出部32。肩部5是可装拆地安装于主体部4的设置面14a的构件。 在肩部5的内部中央，形成有供搅拌销3插通的肩中空部41。肩部5的组成虽 未特别限定，但在本实施方式中，其由与主体部4相同组成的金属所构成。

基板部31是板状的部位，且在突出部32的两侧边形成有安装孔31a、31a。 若将基板部31设置于设置面14a，则安装孔31a、31a与主体部4的槽孔14c、 14c连通。

突出部32具有包括圆筒面的本体部33，在该本体部33上形成有朝向前 端宽度变窄的肩部倾斜面34、35。肩部倾斜面34、35的张开角度形成为90 度。在肩部倾斜面34、35相交的部分形成有棱线部36。棱线部36在摩擦搅拌 接合时抵接于内角部或与内角部隔开微小的间隙而相对向。如图2(b)所示，在 棱线部36上形成有朝离开棱线部36的方向倾斜的缺口部37、37。虽然在本实 施方式中，缺口部37设于棱线部36的两端侧，但只要设于至少任一端侧即可。

如图2(b)所示，在突出部32的内部形成有肩中空部41。肩中空部41是 供搅拌销3插通的部位。肩中空部41由形成于上侧的肩斜锥孔42及形成于肩 斜锥孔42下侧的前端圆筒孔43所构成。肩斜锥孔42形成为朝向下侧宽度变 窄的斜锥状。肩斜锥孔42呈倒圆锥台形。肩斜锥孔42与垂直线所成的倾斜角 度形成为与前述主体部4的主体斜锥孔23的倾斜角度相等的角度。肩斜锥孔 42是抵接于后述搅拌销3的搅拌销斜锥部52(参照图3)或与搅拌销斜锥部52 隔开微小的间隙而相对向的部位。

前端圆筒孔43与肩斜锥孔42的下侧连续形成，呈圆筒状。前端圆筒孔 43的外径形成为较后述搅拌销3的前端部53(参照图3)的外径稍大。

接着说明将肩部5安装于主体部4的状态。如图2(b)所示，肩部5通过 紧固件31b、31b可装拆地形成于主体部4。肩部5的棱线部36突出到较主体 部4的对向面14更下方。

如图2(c)所示，主体部4的主体部倾斜面13形成于与肩部5的肩部倾斜 面34相同的平面上。此外，主体部4的主体部倾斜面12形成于与肩部5的肩 部倾斜面35相同的平面上。

另外，虽然如前所述，基块2的倾斜面分别形成为齐平，但不限定于此。 例如，亦可形成为肩部5的肩部倾斜面34、35较主体部4的主体部倾斜面12、 13朝更下方(内角部)侧突出。

如图3所示，搅拌销3具有基轴部51、搅拌销斜锥部52及前端部53。基 轴部51、搅拌销斜锥部52及前端部53分别形成为同轴。搅拌销3是抵接支撑 于基块2且在一对金属构件的内角部内旋转的构件。

基轴部51是呈圆柱状的构件，连结于未图示的摩擦搅拌装置的驱动机构。 基轴部51配设于主体部4的主体圆筒状孔22(参照图4)内。搅拌销斜锥部52 形成为朝向前端宽度变窄。搅拌销斜锥部52的垂直剖面呈倒圆锥台形。搅拌 销斜锥部52配设于主体部4的主体斜锥孔23内及肩部5的肩斜锥孔42内。

前端部53从搅拌销斜锥部52的下部垂下，呈大致圆柱状。在前端部53 的外周面刻设有螺旋状槽。较为理想的是，将前端部53的长度设定成在使搅 拌销3抵接支撑于基块2时，其前端较基块2的前端朝更下方突出。

如图4所示，使基块2与搅拌销3一体化的情形下，将搅拌销3插入基块 2的中空部，且使搅拌销3的搅拌销斜锥部52抵接支撑于主体斜锥孔23的内 周面。在本实施方式中，由于将轴承部24配置于主体斜锥孔23的内周面，因 此搅拌销斜锥部52与轴承部24抵接。搅拌销3的前端部53配置成插通肩部5 的前端圆筒孔43内且较肩部5的棱线部36(参照图2(b))朝更下方突出。

另外，如图4所示，在本实施方式中，在主体部4的内部固设有大致圆筒 状的夹设构件55。夹设构件55是用以使搅拌销3相对于主体部4稳定旋转所 设的构件。夹设构件55可视需要适当设置。

此外，在不设置轴承部24而将主体斜锥孔23与肩斜锥孔42形成为齐平 的情形下，亦可使搅拌销3的搅拌销斜锥部52抵接于主体斜锥孔23的内周面 及肩斜锥孔42的内周面。

此外，虽然在本实施方式中，在主体部4及搅拌销3上形成斜锥部分，且 使这些斜锥部分彼此隔着轴承部24而相对向，但不限定于此。例如，亦可在 主体部4的内部及搅拌销3的外周设置相对向的水平面，且在该相对向的水平 面之间夹设推力轴承(thrust bearing)。以此方式构成主体部4及搅拌销3， 亦可使搅拌销3相对于主体部4顺畅地旋转。

接着说明使用内角接合用旋转工具1的内角接合方法。内角接合方法包括 (1)准备工序、(2)基块配置工序及(3)摩擦搅拌接合工序。

(1)准备工序

在准备工序中，如图5(a)所示，使第一金属构件101与第二金属构件102 对接，并配置衬垫构件T。第一金属构件101及第二金属构件102是板状构件， 使第二金属构件102的端面102c对接于第一金属构件101的内侧面101b。第 一金属构件101的端面101c与第二金属构件102的外侧面102a形成为齐平。 第一金属构件101与第二金属构件102的张开角度为90度。第一金属构件101 及第二金属构件102由可摩擦搅拌的金属所构成。

将由第一金属构件101的内侧面101b与第二金属构件102的内侧面102b 所构成的角部设为内角部Z。此外，将第一金属构件101的内侧面101b与第二 金属构件102的端面102c对接的部分设为对接部J。

衬垫构件T配置成抵接于第一金属构件101的外侧面101a及第二金属构 件102的外侧面102a。

另外，在准备工序中，虽未具体图示，但可在内角部Z预先设置底孔。底 孔是为减低将搅拌销3插入内角部Z时的压入阻力所设的。底孔的形状并无特 别限定，但例如形成为圆柱状，且设定为较搅拌销3的前端部53的外径稍小 的直径。

此外，在准备工序中，亦可沿着内角部Z进行焊接而预先将第一金属构件 101与第二金属构件102暂时装接固定。通过暂时装接固定，能防止将搅拌销 3插入内角部Z时，第一金属构件101与第二金属构件102分离。

(2)基块配置工序

在基块配置工序中，如图5(b)所示，在内角部Z仅配置基块2。使基块2 的肩部5的棱线部36抵接于内角部Z，或隔开微小的间隙予以配置。接着，使 主体部4的主体部倾斜面12及肩部5的肩部倾斜面35抵接于第二金属构件102 的内侧面102b。此外，使主体部4的主体部倾斜面13及肩部5的肩部倾斜面 34抵接于第一金属构件101的内侧面101b。如此，基块2虽可朝内角部Z的 长度方向移动，但由于构成基块2的一对倾斜面分别抵接于第一金属构件101 及第二金属构件102，因此可阻止进行摩擦搅拌接合时基块2绕着垂直轴旋转。

(3)摩擦搅拌接合工序

在摩擦搅拌接合工序中，如图5(c)所示，一边将搅拌销3插入基块2，一 边进行摩擦搅拌接合。在摩擦搅拌接合工序中，将搅拌销3插入基块2的中空 部，直到搅拌销3抵接于内角部Z(或底孔)。然后，一边使搅拌销3旋转，一 边进行推入，直到搅拌销3的搅拌销斜锥部52(参照第四图)抵接于轴承部24。

接着，如图6(a)所示，一边使搅拌销3旋转，一边使基块2及搅拌销3 沿着内角部Z移动。由于通过摩擦搅拌接合使对接部J周围的金属塑性化流动 而一体化，因此能使第一金属构件101与第二金属构件102接合。在内角接合 用旋转工具1的移动轨迹中，形成有塑性化区域W。

依据以上所说明的本实施方式的内角接合用旋转工具1，由于可装拆地形 成基块2中靠近内角部Z的肩部5，因此一旦肩部5磨损，只要仅将肩部5更 换为新品即可。因此，不再需要更换基块2整体，可降低设备成本。

图6(b)是从图5(c)的箭头A方向观察到的第一实施方式的摩擦搅拌接合 工序的示意图。如图6(b)所示，由于主体部4的对向面14较肩部5的前端(棱 线部36)朝离开内角部Z的方向缩入，因此可防止进行摩擦搅拌接合时基块2 卡住内角部Z。

此外，如图6(b)所示，由于在肩部5的棱线部36中行进方向前侧设有缺 口部37，因此进行摩擦搅拌接合时，可使肩部5顺畅地移动。此外，在本实施 方式中，由于还在行进方向后侧设有缺口部37，因此在使内角接合用旋转工具 1往返移动时，亦可使肩部5顺畅地移动。

此外，由于在主体部4上形成有搅拌销3的搅拌销斜锥部52与主体斜锥 孔23(轴承部24)，因此只要使这些斜锥部彼此抵接或脱离，就能易于装拆基 块2与搅拌销3。此外，只要使这些斜锥彼此抵接，能易于进行搅拌销3相对 于基块2的深度方向的定位。

此外，依据本实施方式的内角接合方法，由于在摩擦搅拌接合之前，在仅 将基块2配置于内角部Z之后再将搅拌销3插入基块2，因此在插入阻力较大 的摩擦搅拌的开始位置，可以高精度地进行内角接合用旋转工具1的定位。

[第二实施方式]

接着说明本发明的第二实施方式。如图7所示，第二实施方式的内角接合 用旋转工具就在主体部4的对向面14上形成有缺口部61这点，与第一实施方 式不同。由于主体部4(基块2)以外的结构与第一实施方式大致相等，因此省 略重复的说明。

在主体部4的下端，从对向面14至前方侧面15、后方侧面16分别形成 有倾斜的缺口部61、61。缺口部61以对向面14为基端，依规定角度以从内角 部离开的方式倾斜。通过在主体部4上设置缺口部61，在摩擦搅拌接合时，可 防止基块2卡住内角部Z，从而能顺畅地移动。如图7所示，在肩部5的棱线 部36与主体部4的对向面14之间的距离H较短的情形下，如第二实施方式所 示在主体部4上也设置缺口部61是较为理想的。

另外，内角接合用旋转工具并不限定于第一实施方式及第二实施方式的构 成，亦可进行适当设计变更。例如，虽未具体图示，参照图7可知，在第一实 施方式中，使肩部5的棱线部36较主体部4的对向面14突出，但亦可使主体 部4的对向面14与肩部5的棱线部36形成在同一平面上。此外，在第一实施 方式中，通过紧固件31b、31b使主体部4与肩部5装拆，但只要将主体部4 与肩部5形成为可装拆，亦可是其它方式。

[变形例]

接着说明内角接合方法的变形例。在第一实施方式中，使第一金属构件的 内侧面与第二金属构件的端面抵接，但金属构件的接缝方法不予限定。例如， 图8所示的第一变形例至第四变形例的方式对接亦可。

(第一变形例)

如图8(a)所示，在第一变形例中，将第一金属构件201及第二金属构件 202的端部分别切削为45度，再将两端面201c、202c彼此对接(填角接缝)。 以第一金属构件201的内侧面201b与第二金属构件202的内侧面202b形成内 角部Z1。在内角接合方法中，亦可使用内角接合用旋转工具1对该内角部Z1 进行摩擦搅拌接合。

(第二变形例)

如图8(b)所示，在第二变形例中，将第一金属构件211的内侧面211b与 第二金属构件212的端面212c对接而使一对金属构件形成为T字状。以第一 金属构件211的内侧面211b与第二金属构件212的内侧面212b形成内角部Z2。 此外，以第一金属构件211的内侧面211b与第二金属构件212的外侧面212a 形成内角部Z2’。在内角接合方法中，亦可使用内角接合用旋转工具1对该内 角部Z2、Z2’进行摩擦搅拌接合。

(第三变形例)

如图8(c)所示，在第三变形例中，将形成于第一金属构件221端部的台 阶部223与第二金属构件222的端面222c对接。台阶部223具有底面223a及 从底面223a立起的壁部223b。底面223a与第二金属构件222的端面222c抵 接，而壁部223b与第二金属构件222的内侧面222b抵接。如图8(d)所示，以 第一金属构件221的内侧面221b与第二金属构件222的内侧面222b形成内角 部Z3。通过形成台阶部223，能使第一金属构件221与第二金属构件222稳定 地对接。在内角接合方法中，亦可使用内角接合用旋转工具1对该内角部Z3 进行摩擦搅拌接合。

(第四变形例)

如图8(e)所示，在第四变形例中，将形成于第一金属构件231的凹槽233 与第二金属构件232的端面232c对接而使一对金属构件形成为T字状。凹槽 233具有底面233a及从底面233a立起的壁部233b、233c。底面233a与第二 金属构件232的端面232c抵接，而壁部233b抵接于第二金属构件232的外侧 面232a，壁部233c抵接于第二金属构件232的内侧面232b。如图8(f)所示， 以第一金属构件231的内侧面231b与第二金属构件232的内侧面232b形成内 角部Z4。此外，以第一金属构件231的内侧面231b与第二金属构件232的外 侧面232a形成内角部Z4’。通过形成凹槽233，能使第一金属构件231与第 二金属构件232稳定地对接。在内角接合方法中，亦可使用内角接合用旋转工 具1对该内角部Z4、Z4’进行摩擦搅拌接合。

(其它实施方式)

如图9所示，在内角接合方法的其它实施方式中，在前述内角接合方法的 摩擦搅拌接合工序结束后，对塑性化区域W进行焊接而进行修补工序。在修补 工序中，进行堆焊焊接再以焊接金属F覆盖塑性化区域W的表面。换言之，对 内角部Z通过填角形成焊缝腰高。藉此，通过摩擦搅拌接合，即使塑性化区域 W的表面形成凹凸，亦可使其平坦。

(符号说明)

1内角接合用旋转工具

2基块

3搅拌销

4主体部

5肩部

12主体部倾斜面

13主体部倾斜面

14对向面

17冷却孔

21主体中空部

22主体圆筒状孔

23主体斜锥孔

24轴承部

34肩部倾斜面

35肩部倾斜面

36棱线部

37缺口部

41肩中空部

42肩斜锥孔

43前端圆筒孔

51基轴部

52搅拌销斜锥部

53前端部

61缺口部