[发明专利]旋转工具

说明书

技术领域

本发明涉及一种摩擦搅拌焊接工具。

背景技术

1991年，在英国建立了接合诸如铝合金等金属材料的摩擦搅拌焊接技术。该项技术用于接合金属材料，并且通过以下方式进行：使在顶端具有小直径突起的圆柱状摩擦搅拌焊接工具压紧被接合的金属材料的接合面，并且使该摩擦搅拌焊接工具旋转，产生摩擦热，并且利用该摩擦热使金属材料的接合部分软化并且发生塑性流动。

在本文中，“接合部分”是指，需要通过将金属材料对接或将一块金属材料置于另一块金属材料之上来接合金属材料的接合界面部分。在该接合界面附近，金属材料被软化并发生塑性流动，并且该金属材料得到搅拌。结果，接合界面消失并且进行接合。此外，金属材料同时发生动态再结晶。由于此动态再结晶，接合界面附近的金属材料变为细颗粒，由此该金属材料能够以高强度进行接合。

当使用铝合金作为上述金属材料时，塑性流动在大约500℃的较低温度下发生。因此，即使在使用由廉价工具钢制成的摩擦搅拌焊接工具时，也很少发生磨损，并且不需要频繁更换工具。因此，在摩擦搅拌焊接技术中，接合铝合金所需的成本低。因此，代替熔融并接合铝合金的电阻焊接法，摩擦搅拌焊接技术已经在多种应用中作为接合铁路车辆、汽车或飞机部件的技术得到实际使用。

目前，摩擦搅拌焊接技术主要应用于在较低的温度下发生塑性流动的非铁金属，例如铝合金或镁合金。在接合所需的成本和时间、接合部分的强度等方面，这种摩擦搅拌焊接技术优于电阻焊接法。因此，不仅需要将摩擦搅拌焊接技术应用于在低温下发生塑性流动的材料的接合中，还需要将其应用于在1000℃或更高的高温下发生塑性流动的铜合金或钢材的接合中。

然而，当将摩擦搅拌焊接技术应用于钢材时，在接合期间，摩擦搅拌焊接工具本身暴露在高温下。结果，摩擦搅拌焊接工具发生塑性变形，并且该摩擦搅拌焊接工具与被接合材料接触的部分容易氧化并且磨损，这导致工具寿命明显缩短。

作为解决上述问题的尝试，（例如）日本专利特开No.2003-326372（PTL1）公开了一种使摩擦搅拌焊接工具实现长寿命的技术，该技术通过在该摩擦搅拌焊接工具的表面与被接合材料发生接触的部分覆盖金刚石膜，由此提高了表面硬度，并抑制了被接合材料的低熔点轻质合金成分（例如Al合金或Mg合金）熔融附着到摩擦搅拌焊接工具。在PTL1中所披露的摩擦搅拌焊接工具中，在接合低熔点轻质合金（例如Al合金或Mg合金）时，该摩擦搅拌焊接工具表面的耐磨性确实得到了提高，由此使摩擦搅拌焊接工具实现了长寿命。

尽管这种金刚石膜在低温接合中表现出优异的耐磨性，然而在摩擦搅拌焊接钢材等熔点超过1000℃的材料的过程中，金刚石膜容易被氧化。因此，不利的是，不能表现出足够的耐磨性。

为了解决这个问题，作为能够在高温下进行接合的摩擦搅拌焊接工具，日本国家专利公开No.2003-532542（PTL2）提出将诸如立方氮化硼（下面也称为“cBN”）烧结体之类的超高压烧结体应用至摩擦搅拌焊接工具，以取代工具用钢。然而首先，cBN烧结体是昂贵的材料。因此，从成本的角度考虑，据认为采用了这种cBN烧结体的摩擦搅拌焊接工具难以实现实用化。

作为另一个抑制摩擦搅拌焊接工具表面劣化的尝试，日本专利特开No.2005-152909（PTL3）公开了一种摩擦搅拌焊接工具，其包括设置在基材上的底层，以及设置在该底层上的由TiN、TiAlN等制成的抗粘着覆膜。根据此摩擦搅拌焊接工具，即便长期使用，也可以防止被接合材料中的金属成分（铝）的粘着，因此可以持续进行稳定的加工。

引用列表

专利文献

PTL1：日本专利特开No.2003-326372

PTL2：日本国家专利公开No.2003-532542

PTL3：日本专利特开No.2005-152909

发明内容

技术问题

然而，当使用PTL3中所公开的摩擦搅拌焊接工具对诸如钢等熔点为1000℃以上的难接合材料进行接合时，摩擦搅拌焊接工具的表面暴露在1000℃以上的高温下，结果导致其磨损速度明显快于将Al合金或Mg合金等被接合材料彼此摩擦搅拌焊接的情况。这导致工具寿命变短。

鉴于上述情况完成了本发明，本发明的目的是提供一种摩擦搅拌焊接工具，该工具即使在将难接合材料彼此接合加工时，也具有优异的耐磨性和高接合强度。

解决问题的手段