(57)【要約】【課題】攪拌領域が深くなっても接合幅が拡大せず、且つ、バリの発生を抑制することが可能な摩擦攪拌接合用回転工具及び摩擦攪拌接合方法を提供する。【解決手段】回転工具１００の攪拌プローブ１の側面には、回転軸Ｃに対して傾斜した受圧面２が設けられている。受圧面２は、回転軸Ｃに垂直な断面において回転接線方向Ｔに対して常に垂直となる受圧領域２ａを含む。摩擦攪拌処理において、攪拌プローブ１は、受圧面２の法線方向が正となる回転方向Ｂに回転される。このような回転工具１００によれば、ショルダを有していないため攪拌領域が深くなっても接合幅が拡大せず、また、受圧面３によって回転方向への塑性流動が生じるため、回転軸方向の塑性流動の割合を低下させることができ、バリの発生を抑制することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
攪拌プローブを備えた摩擦攪拌接合用回転工具であって、
前記攪拌プローブの回転軸に対して傾斜した受圧面が前記攪拌プローブの側面に設けられ、前記受圧面は、前記回転軸に垂直な断面において回転接線方向に対して垂直な受圧領域を含むことを特徴とする摩擦攪拌接合用回転工具。
【請求項２】
前記攪拌プローブは、前記受圧面による段差を前記側面に有することにより、先端部に向かって外径が小さくなっていることを特徴とする請求項１記載の摩擦攪拌接合用回転工具。
【請求項３】
前記攪拌プローブは、前記回転軸と平行な非受圧面を有することを特徴とする請求項２記載の摩擦攪拌接合用回転工具。
【請求項４】
前記攪拌プローブは、先端部に向かって外径が小さくなるテーパ形状であることを特徴とする請求項１記載の摩擦攪拌接合用回転工具。
【請求項５】
前記攪拌プローブは、前記回転軸と非平行な非受圧面を有することを特徴とする請求項４記載の摩擦攪拌接合用回転工具。
【請求項６】
前記非受圧面は、前記受圧面に対し、４５°≦θ＜９０°の角度をなすことを特徴とする請求項５記載の摩擦攪拌接合用回転工具。
【請求項７】
前記非受圧面の面積は、前記受圧面の面積よりも大きいことを特徴とする請求項５または請求項６に記載の摩擦攪拌接合用回転工具。
【請求項８】
前記受圧面は、前記攪拌プローブの前記側面に沿って螺旋状に設けられていることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の摩擦攪拌接合用回転工具。
【請求項９】
前記受圧面は、前記回転軸に対し、０°＜θ＜９０°の角度をなすことを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の摩擦攪拌接合用回転工具。
【請求項１０】
攪拌プローブを備えた回転工具を用いて二つ以上の金属部材を接合する摩擦攪拌接合方法であって、
前記攪拌プローブは、回転軸に垂直な断面において回転接線方向に対して常に垂直となる受圧領域を有し、前記受圧領域を前記攪拌プローブの側面に沿って連続的に形成することにより前記回転軸に対して傾斜した受圧面が形成されたものであり、
前記回転工具を前記受圧面の法線方向が正となる方向に回転させて、前記金属部材の接合部を摩擦攪拌処理することを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、摩擦攪拌接合用回転工具及び摩擦攪拌接合方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
金属部材同士の接合方法として、回転軸に連結された回転工具を用いる摩擦攪拌接合が知られている。摩擦攪拌接合では、高速で回転する回転工具を被接合部材の表面に当接させ押圧することにより、摩擦熱と攪拌作用により接合部付近の金属が軟化して塑性流動が生じる。この塑性流動によって被接合部材の金属材料が攪拌され、二つ以上の被接合部材が接合される。
【０００３】
摩擦攪拌接合に用いられる一般的な回転工具は、被接合部材の表面に押し当てるショルダと、ショルダの先端に設けられた攪拌プローブを備えている。被接合部材の板厚が大きい場合、または重ね継手接合を行う場合等は、攪拌領域が深くなり回転工具に加わるトルク及び抵抗力が大きくなるため、ショルダ及び攪拌プローブの外径を拡大する必要がある。一方、攪拌プローブの外径を大きくすると接合幅が広くなり、摩擦攪拌接合装置にかかる負荷が増大する。
【０００４】
接合幅を縮小し接合時の負荷を低減するためには、ショルダの外径を小さくするか、ショルダを無くすことが有効である。しかしながら、ショルダが無い場合、塑性流動層がバリとして金属表面に流出するのを抑制することができず、接合部の肉厚減少による接合強度の低下が問題となる。また、ショルダによる摩擦熱が供給されないため、攪拌領域が深くなると攪拌プローブに加わる荷重が大きくなり、攪拌プローブの折損が起こりやすい。
【０００５】
このような課題に対し、例えば特許文献１には、工具先端部に螺旋状の略Ｖ字状溝が設けられた回転工具が開示され、この溝は、反挿入側傾斜面の面積が挿入側傾斜面の面積以上となるように設定されている。この先行例には、上記のネジ構造を採用し、先端部をテーパ形状とすることにより、摩擦攪拌時の処理幅をより狭く、且つ、処理深さをより深くすることができ、塑性流動層の表面側への盛り上がりを有効に抑制することができる、と記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−１３６２５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述のように、摩擦攪拌接合の回転工具においては、攪拌領域が深くなっても接合幅が拡大せず、摩擦攪拌接合装置にかかる負荷が増大しないことに加え、バリの発生を抑制することが求められている。そのような回転工具が実現すれば、高速回転及び高速移動を組み合わせた高速接合を行うことが可能となり、生産性の向上が図られる。
【０００８】
しかしながら、特許文献１に開示された回転工具では、攪拌プローブの外径を小さくしようとすると、必然的に反挿入側傾斜面の面積と挿入側傾斜面の面積の差は減少する。このため、ショルダを無くすことができても、一般的な回転工具の攪拌プローブよりも外径を小さくすることは困難である。また、特許文献１に開示された回転工具において実際にバリを抑制できるか否かは、接合時の回転速度に大きく依存する。このため、バリの発生を抑制することが可能な回転速度に限界があると考えられる。
【０００９】
本願は、上記のような課題を解決するための技術を開示するものであり、攪拌領域が深くなっても接合幅が拡大せず、且つ、バリの発生を抑制することが可能な摩擦攪拌接合用回転工具及び摩擦攪拌接合方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本願に開示される摩擦攪拌接合用回転工具は、攪拌プローブを備えた摩擦攪拌接合用回転工具であって、攪拌プローブの回転軸に対して傾斜した受圧面が攪拌プローブの側面に設けられ、受圧面は、回転軸に垂直な断面において回転接線方向に対して垂直な受圧領域を含むものである。
【００１１】
また、本願に開示される摩擦攪拌接合方法は、攪拌プローブを備えた回転工具を用いて二つ以上の金属部材を接合する摩擦攪拌接合方法であって、攪拌プローブは、回転軸に垂直な断面において回転接線方向に対して常に垂直となる受圧領域を有し、受圧領域を攪拌プローブの側面に沿って連続的に形成することにより回転軸に対して傾斜した受圧面が形成されたものであり、回転工具を受圧面の法線方向が正となる方向に回転させて、金属部材の接合部を摩擦攪拌処理するものである。
【発明の効果】
【００１２】
本願に開示される摩擦攪拌接合用回転工具によれば、受圧面によって回転方向への塑性流動を生じさせるため、回転軸方向の塑性流動の割合を低下させることができ、バリの発生を抑制することができる。また、ショルダを有していないため、攪拌領域が深くなっても接合幅が拡大しない。
【００１３】
本願に開示される摩擦攪拌接合方法によれば、回転工具を受圧面の法線方向が正となる方向に回転させることにより、回転方向への塑性流動を生じさせるため、回転軸方向の塑性流動の割合を低下させることができ、バリの発生を抑制することできる。また、回転工具がショルダを有していないため、攪拌領域が深くなっても接合幅が拡大しない。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施の形態１における回転工具を示す側面図である。
【図２】実施の形態１における回転工具の攪拌プローブを示す断面図である。
【図３】実施の形態１における回転工具を用いた重ね接合を説明する模式図である。
【図４】比較例であるショルダ有りの回転工具を示す側面図である。
【図５】比較例であるショルダ有りの回転工具を用いた重ね接合を説明する模式図である。
【図６】バリ観察用のショルダ無しの回転工具を示す側面図である。
【図７】バリ観察用のショルダ無しの回転工具を用いた重ね接合を説明する模式図である。
【図８】バリ観察用のショルダ無しの回転工具を用いて接合の動作を説明する上面図である。
【図９】バリ観察用のショルダ無しの回転工具を用いて接合後のバリ発生状態を説明する上面図である。
【図１０】実施の形態２における回転工具を示す側面図である。
【図１１】実施の形態２における回転工具を示す断面図である。
【図１２】実施の形態２における回転工具の攪拌プローブを示す断面図である。
【図１３】比較例１における回転工具を示す側面図である。
【図１４】比較例１における回転工具の攪拌プローブを示す断面図である。
【図１５】実施例１、実施例２、及び比較例１による回転工具を用いた摩擦攪拌接合の結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
実施の形態１．
以下に、実施の形態１による摩擦攪拌接合用回転工具及び摩擦攪拌接合方法について、図面に基づいて説明する。図１は、実施の形態１における摩擦攪拌接合用回転工具を示す側面図、図２は、実施の形態１による攪拌プローブの回転軸に垂直な断面を、図１中Ａで示す方向から見た断面図である。なお、各図において、同一または相当部分には同一符号を付している。
【００１６】
実施の形態１における摩擦攪拌接合用回転工具１００（以下、回転工具１００と記す）は、先端に攪拌プローブ１を備えている。回転工具１００は、摩擦攪拌接合装置（図示省略。以下、接合装置と記す）に回転自在に支持されている。図中、Ｃで示す点線は、回転工具１００及び攪拌プローブ１の回転軸（軸線）を示している。
【００１７】
回転工具１００は、接合装置に備えられた駆動手段によって回転駆動され、これにより攪拌プローブ１が回転される。図中、Ｂは回転方向を示す矢印である。駆動手段は、攪拌プローブ１を高速で回転させるための駆動モータと、攪拌プローブ１を被接合部材の表面と略垂直方向に移動させ、また、被接合部材の表面に沿って移動させる駆動機構を備えている。
【００１８】
攪拌プローブ１の側面には、回転軸Ｃに対して傾斜した受圧面２が設けられている。受圧面２は、図２に示すように、回転軸Ｃに垂直な断面において回転接線方向（図２中、Ｔで示す）に対して垂直な受圧領域２ａを含む。すなわち、回転軸Ｃに垂直な断面において回転接線方向Ｔに対して常に垂直となる受圧領域２ａを攪拌プローブ１の側面に沿って連続的に形成することにより、回転軸Ｃに対して傾斜した受圧面２が形成されている。受圧面２は、攪拌プローブ１の回転により生じた塑性流動層を、回転方向に流動させる機能を有する。
【００１９】
攪拌プローブ１は、受圧面２による段差を側面に有することにより、先端部４に向かって外径が小さくなっている。受圧面２による段差は、回転軸方向にわたって螺旋状に形成されている。図１に示すように、実施の形態１による攪拌プローブ１において、受圧面２と回転軸Ｃのなす角度をθ１とするとき、θ１＝４５°である。ただし、受圧面２と回転軸Ｃのなす角度θ１は４５°に限定されるものではなく、０°＜θ１＜９０°の傾斜角度であればよい。
【００２０】
また、攪拌プローブ１は、回転軸方向に延びる非受圧面３を有する。実施の形態１では、非受圧面３は回転軸Ｃと平行である。なお、受圧幅Ｗ１は一定である必要はなく、特に限定されるものではない。また、実施の形態１では、非受圧面３と受圧領域２ａとは互いに垂直である。
【００２１】
実施の形態１による回転工具１００を用い、二つ以上の金属部材、ここでは被接合部材１４ａ、１４ｂを重ね接合する摩擦攪拌接合方法について、図３を用いて説明する。駆動手段により回転工具１００を高速で回転させ、攪拌プローブ１を被接合部材１４ａの表面１４１に当接させ押圧すると、攪拌プローブ１近傍の金属が軟化し塑性流動が生じる。攪拌プローブ１の先端部４を、被接合部材１４ａ、１４ｂの接合部１６まで挿入し、接合部１６周辺を塑性流動させて練り混ぜることで、被接合部材１４ａ、１４ｂを一体化させる。これにより、二つの被接合部材１４ａ、１４ｂが接合される。
【００２２】
図３において、被接合部材１４ａ、１４ｂの接合部１６を含む攪拌領域１５には、塑性流動層が生じている。この時の接合幅Ｗ５は、攪拌プローブ１の外径よりやや大きい程度であり、被接合部材１４ａの表面１４１付近の見掛けの接合幅と、接合部１６における実際の接合幅は同程度である。
【００２３】
この摩擦攪拌処理において、攪拌プローブ１は、受圧面２の法線方向が正となる方向に回転される。すなわち、図２において、受圧領域２ａの法線方向が正となる回転方向Ｂに回転される。これにより、攪拌プローブ１が回転すると、受圧面２によって回転方向への塑性流動が生じ、その結果、回転軸方向（攪拌プローブ１の反挿入方向）への塑性流動が抑制される。
【００２４】
次に、実施の形態１の比較例であるショルダ有りの回転工具について、図４及び図５を用いて説明する。図４及び図５において、Ｗ２は攪拌プローブ外径、Ｗ３はショルダ外径、Ｗ４は接合幅、Ｗ５は見掛けの接合幅である。攪拌プローブ１２の長さ寸法Ｌは、被接合部材１４ａの肉厚とほぼ同じか、若干長く設定される。
【００２５】
図４に示すように、比較例による回転工具１０は、ショルダ１１と攪拌プローブ１２を備えており、攪拌プローブ１２の側面には一般的なネジ溝１３が施されている。回転工具１０を用いた摩擦攪拌処理では、被接合部材１４ａ、１４ｂの接合部１６は攪拌プローブ１２によって摩擦攪拌されると共に、被接合部材１４ａの表面１４１をショルダ１１で押さえ付けているため、ショルダ１１による摩擦熱が補完される。図５に示すように、接合部１６における接合幅Ｗ４は、攪拌プローブ外径Ｗ２よりやや大きい程度であるが、被接合部材１４ａの表面１４１近傍では、ショルダ１１による摩擦攪拌により、見掛けの接合幅Ｗ５はショルダ外径Ｗ３と同程度になる。
【００２６】
一般に、ネジ溝１３を備えた攪拌プローブ１２を用いた場合、攪拌プローブ１２の回転動作により攪拌プローブ１２近傍の金属が軟化し、攪拌プローブ１２に追随した回転方向への塑性流動と、これに垂直な回転軸方向（攪拌プローブ１２の反挿入方向）への塑性流動が生じる。回転軸方向の塑性流動の割合が高いほど、塑性流動層すなわちバリが被接合部材１４ａの表面１４１から流出する量が多くなる。
【００２７】
この比較例のように、従来の回転工具では、ショルダまたは特殊なネジ構造等により、回転軸方向の塑性流動を押さえ込み、バリの発生を抑制していた。しかし、回転速度を上げると回転軸方向の塑性流動も増加するため、実際にバリを抑制できるか否かは、接合時の回転速度との組み合わせに依存していた。このため、従来の回転工具では、バリを抑制可能な回転数と移動速度（接合速度）の組み合わせで接合する必要があった
【００２８】
攪拌プローブ単独の摩擦攪拌の挙動とバリの発生状況を確認するために、図６に示すようなショルダ無しの回転工具２０を用意し、重ね接合を行った。回転工具２０の攪拌プローブ２２の側面には一般的なネジ溝２３が施されている。図７に示すように、ショルダ無しの回転工具２０を用いた場合、ショルダによる摩擦攪拌がないため、接合幅Ｗ５は攪拌プローブ２２の外径のみに依存し、被接合部材１４ａの表面１４１近傍と接合部１６付近とでほぼ同じである。
【００２９】
図６に示すショルダ無しの回転工具２０を用いて摩擦攪拌処理を行い、バリの発生状況を確認した結果について、図８及び図９を用いて説明する。図８において、Ｄは攪拌プローブ移動線、Ｅは攪拌プローブの移動方向を示している。ショルダ無しの回転工具２０では、ショルダによる塑性流動層の抑制効果がないため、バリの発生状況が確認しやすい。
【００３０】
回転工具２０の回転方向と移動方向の関係について、図８を用いて説明する。回転しながら移動する攪拌プローブ２２には、回転軸Ｃが通過する攪拌プローブ移動線Ｄを基準として、攪拌プローブ２２の回転方向Ｂと移動方向Ｅが一致する攪拌プローブ前進側２２ａ（図８中、攪拌プローブ２２の右側）と、攪拌プローブの回転方向Ｂと移動方向Ｅが逆方向となる攪拌プローブ後退側２２ｂ（図８中、攪拌プローブ２２の左側）の非対称性が存在する。
【００３１】
バリ１７の発生挙動を観察した結果、図９に示すように、攪拌プローブ前進側２２ａを起点に発生した塑性流動層は、被接合部材１４ａの表面１４１から流出し始め、攪拌プローブ前方から攪拌プローブ後退側２２ｂに向けて流出量が増加していくことを確認した。攪拌プローブ前方で流出した塑性流動層は、攪拌プローブ２２の後方側の攪拌プローブ後方接合部１６Ａには回らず、攪拌プローブ後退側２２ｂでバリ１７として残留する。
【００３２】
摩擦攪拌接合は、攪拌プローブの回転により被接合部材を摩擦攪拌すると同時に、回転しながら移動する攪拌プローブ前方の金属材料（塑性流動層）を、攪拌プローブ後方の空間に連続的に供給及び充填することで接合が成立する。塑性流動層は、攪拌プローブに追随した回転方向と、これと略垂直な回転軸方向（攪拌プローブの反挿入方向）とに流動する。回転軸方向への塑性流動の割合が高く、回転方向の塑性流動の割合が低い場合、バリの量が多くなり、攪拌プローブ後方の空間に金属材料が効率的に充填されず、接合部の肉厚が減少する。
【００３３】
このような知見に基づき、実施の形態１による回転工具１００では、回転軸方向の塑性流動を押さえ込むのではなく、回転方向の塑性流動の割合を高くし回転軸方向の塑性流動の割合を低下させることで、バリの発生を抑制している。これにより、攪拌プローブ前方の塑性流動層を攪拌プローブ後方の空間に効率よく供給及び充填することができるため、接合部の肉厚が減少せず高い接合強度が得られると共に、回転軸方向の塑性流動の割合が低下するためバリの発生が抑制される。
【００３４】
また、実施の形態１では、攪拌プローブ１の非受圧面３が回転軸Ｃと平行であるため、受圧面２に向かう塑性流動を阻害することなく回転方向への塑性流動を効率的に生じさせることができると共に、応力集中による折損が起こりにくく攪拌プローブの耐久性が向上する。加えて、ショルダを備えた従来の回転工具に比べて接合幅を縮小することができ、攪拌領域が深くなっても接合装置にかかる負荷が増大しない。
【００３５】
なお、実施の形態１による攪拌プローブ１の場合、受圧幅Ｗ１を大きくすると段差ピッチが大きくなり、螺旋の数が少なくなるため、受圧面２の総面積を大きくしにくい。ただし、螺旋の数と受圧面２の総面積との関係は、回転数に依存する。すなわち、重要なのは螺旋の数よりも受圧幅Ｗ１であり、受圧面２の総面積は回転数を上げることで補うことができる。従って、攪拌プローブ１を設計する際には、外径、長さ、及び接合幅等が優先されるべき要件であり、螺旋の数は多い方が望ましいが必須要件ではない。
【００３６】
以上のことから、実施の形態１における回転工具１００によれば、回転接線方向Ｔに垂直な受圧領域２ａを含む受圧面２によって回転方向への塑性流動を生じさせるため、バリの発生を抑制することが可能である。また、ショルダを有していないため、攪拌領域１５が深くなっても接合幅Ｗ５が拡大せず、接合装置にかかる負荷が増大しない。さらに、回転速度が上がるほど、受圧面２により回転方向への塑性流動を増大させる効果が向上するため、高速回転及び高速移動を組合せた高速接合に適用することが可能であり、生産性の向上が図られる。
【００３７】
実施の形態２．
図１０は、実施の形態２における回転工具を示す側面図、図１１は、実施の形態２における回転工具の回転軸に平行な断面を示す断面図である。また、図１２は、実施の形態２における攪拌プローブの回転軸に垂直な断面を、図１０中Ｆで示す方向から見た断面図である。実施の形態２における回転工具１００Ａは、先端に攪拌プローブ１Ａを備えている。攪拌プローブ１Ａは、先端部４に向かって外径が小さくなるテーパ形状であり、側面の一部に受圧面２が形成されている。
【００３８】
攪拌プローブ１Ａの側面に設けられた受圧面２は、上記実施の形態１と同様に、回転軸Ｃに対して傾斜している。攪拌プローブ１Ａの受圧面２と回転軸Ｃのなす角度θ１（図１参照）は、０°＜θ１＜９０°である。受圧面２は、図１２に示すように、回転軸Ｃに垂直な断面において回転接線方向Ｔに対して垂直な受圧領域２ａを有している。また、受圧面２は、攪拌プローブ１Ａの側面に沿って螺旋状に設けられている。受圧面２による作用及び効果については、上記実施の形態１と同様であるため、説明を省略する。
【００３９】
実施の形態２における攪拌プローブ１Ａは、回転軸Ｃと非平行な非受圧面３を有する。図１１に示すように、受圧面２と非受圧面３のなす角度をθ２とするとき、θ２＝６０°である。ただし、受圧面２と非受圧面３のなす角度θ２は、これに限定されるものではなく、４５°≦θ２＜９０°の範囲であればよい。また、非受圧面３の面積は、受圧面２の面積よりも大きい。
【００４０】
攪拌プローブ１Ａは、回転軸Ｃに対して非受圧面３を傾斜させることで、受圧面２と非受圧面３が鋭角をなし、先端部４に向けてネジ状の溝が形成されている。これにより、上記実施の形態１と同じ外径の攪拌プローブの側面に同じ受圧幅の受圧面２を設けた場合、溝のピッチ（上記実施の形態１では段差のピッチ）を狭くすることができ、その結果、受圧面２の総面積を大きくすることができる。
【００４１】
一方、非受圧面３が回転軸Ｃに対して傾斜しているため、非受圧面３が受圧面２に向かう塑性流動を阻害するように働くと共に、回転軸方向の塑性流動を生じさせる。このため、回転速度が上がるとバリが発生しやすくなると共に、溝の底部に応力集中が発生し折損が起こりやすくなる。ただし、これらの欠点は、回転数及び接合速度等で負荷を調整することにより補うことができる。以上のような特性を考慮し、被接合部材の材質及び板厚、要求される接合幅及び接合速度等に応じて、攪拌プローブ１、１Ａいずれかの形状を選択すればよい。
【００４２】
なお、上記実施の形態１及び２では、摩擦攪拌処理により重ね接合を行う場合について説明したが、本願に係る回転工具１００、１００Ａは、突合せ接合、または摩擦攪拌による材料改質にも適用可能である。さらに、回転工具を移動させる線接合だけでなく、回転工具を被接合部材に押し付け、移動させずに処理する点接合にも適用可能である。
【実施例】
【００４３】
実施例１．
実施例１では、上記実施の形態１による回転工具１００（図１参照）を用いた摩擦攪拌接合により、アルミ合金Ａ６０６３材とＡＤＣ１２材を重ね接合した。実施例１では、接合深さを１とするとき、各々の被接合部材の板厚は０．８であり、接合幅は１．２である。実施例１における接合条件（回転数、接合速度）、バリ発生状況、及び折損発生接合距離を、図１５に示す。
【００４４】
なお、図１５において、バリ発生状況は、バリ発生せず（丸）、バリ少量発生（三角）、及びバリ発生（バツ）の三段階で示している。また、折損発生接合距離とは、攪拌プローブの折損が発生するまでの接合距離であり、回転工具の耐久性の指標となる。さらに、図１５には示していないが、接合部の肉厚の減少による空洞欠陥の有無も確認した。
【００４５】
実施例１では、回転数１５，０００ｒｐｍ、接合速度３，０００ｍｍ／ｍｉｎの高速回転と高速移動を組み合せた高速接合においてもバリの発生は無く、空洞欠陥の発生もない良好な接合が行われた。さらに、この接合条件における折損発生接合距離は１５０ｍであり、一般的な摩擦攪拌接合の回転工具に比べ耐久性に優れ寿命が長いことが確認された。なお、実施例１では、受圧面２と回転軸Ｃのなす角度θ１を４５°としたが、０°＜θ１＜９０°の範囲において、回転速度との組み合わせによって同様の効果が得られた。
【００４６】
実施例２．
実施例２では、上記実施の形態２による回転工具１００Ａ（図１０参照）を用いた摩擦攪拌接合により、それぞれ上記実施例１と同じ板厚のアルミ合金Ａ６０６３材とＡＤＣ１２材とを重ね接合した。実施例２では、接合深さを１とするとき、各々の被接合部材の板厚は０．８であり、接合幅は１．２である。実施例２における接合条件（回転数、接合速度）、バリ発生状況、及び折損発生接合距離を、図１５に示す。
【００４７】
実施例２では、回転数１０，０００ｒｐｍ、接合速度１，０００ｍｍ／ｍｉｎの高速回転と高速移動を組み合せた高速接合においてもバリの発生は無く、空洞欠陥の発生もない良好な接合が行われた。回転数１５，０００ｒｐｍ、接合速度３，０００ｍｍ／ｍｉｎの高速回転と高速移動を組み合せた高速接合では、少量のバリが観察されたが、空洞欠陥の発生は観察されなかった。
【００４８】
また、いずれの条件においても折損発生接合距離は１００ｍを超え、実施例１よりは劣るものの、一般的な摩擦攪拌接合の回転工具に比べ耐久性に優れ寿命が長いことが確認された。なお、実施例２では、受圧面２と非受圧面３のなす角度θ２を６０°としたが、４５°≦θ２＜９０°の範囲において、回転速度との組み合わせによって同様の効果が得られた。
【００４９】
比較例１．
図１３は、比較例１における回転工具を示す側面図、図１４は、比較例１における攪拌プローブの回転軸に垂直な断面を、図１３中Ｇで示す方向から見た断面図である。比較例１における回転工具３０は、従来の一般的な回転工具と同様に、攪拌プローブの側面にネジ溝を設けたものである。ネジ溝は、反挿入側傾斜面３１と挿入側傾斜面３２とを有する。
【００５０】
比較例１における攪拌プローブは、先細りのテーパ形状であり、ネジ溝の角度θ３が６０°、ネジ溝の中心線Ｈと回転軸Ｃのなす角度θ４が９０°である。このような構成とすることにより、反挿入側傾斜面３１の面積を挿入側傾斜面３２の面積より大きくすることができ、回転軸方向の塑性流動の抑制効果がある。ただし、図１４に示すように、比較例１による攪拌プローブの断面形状は滑らかな楕円状となり、回転接線方向に対して垂直な受圧領域を有していない。
【００５１】
比較例１による回転工具３０を用いた摩擦攪拌接合により、それぞれ上記実施例１と同じ板厚のアルミ合金Ａ６０６３材とＡＤＣ１２材とを重ね接合した。比較例１では、接合深さを１とするとき、各々の被接合部材の板厚は０．８、接合幅は２．６、プローブ径は０．８、プローブ長さは１．０、ショルダ径は２．５である。比較例１による接合条件（回転数、接合速度）、バリ発生状況、及び折損発生接合距離を、図１５に示す。
【００５２】
比較例１では、回転数７，０００ｒｐｍ、接合速度６００ｍｍ／ｍｉｎの組み合わせでバリが発生した。また、回転数１０，０００ｒｐｍ、接合速度１，０００ｍｍ／ｍｉｎの高速回転と高速移動を組み合せた高速接合では、比較的大きいバリが発生し、空洞欠陥の発生が観察された。また、比較例１による回転工具３０では、ネジ溝の底部に応力集中が発生するため、折損が起こりやすくなる。このため、折損発生接合距離はいずれも５０ｍ以下であり、実施例１及び２に比べて耐久性に劣ることが確認された。
【００５３】
本開示は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
本願は、摩擦攪拌接合用回転工具及び摩擦攪拌接合方法として利用することができる。
【符号の説明】
【００５５】
１、１Ａ、１２、２２  攪拌プローブ、２  受圧面、２ａ  受圧領域、３  非受圧面、４  先端部、１０、２０、３０、１００、１００Ａ  回転工具、１１  ショルダ、２２ａ  攪拌プローブ前進側、２２ｂ  攪拌プローブ後退側、１３、２３  ネジ溝、１４ａ、１４ｂ  被接合部材、１５  攪拌領域、１６  接合部、１６Ａ  攪拌プローブ後方接合部、１７  バリ、３１  反挿入側傾斜面、３２  挿入側傾斜面、１４１  表面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【手続補正書】
【提出日】令和2年8月6日(2020.8.6)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
攪拌プローブを備えた摩擦攪拌接合用回転工具であって、
前記攪拌プローブの回転軸に対して鋭角をなして傾斜した受圧面と前記回転軸に対して平行な非受圧面が前記攪拌プローブの側面に設けられ、
前記受圧面は、前記回転軸に垂直な断面において回転接線方向に対して垂直な受圧領域を有し、
前記非受圧面の回転軸方向の幅は、前記受圧領域の幅よりも大きいことを特徴とする摩擦攪拌接合用回転工具。
【請求項２】
前記攪拌プローブは、前記受圧面による段差を前記側面に有することにより、先端部に向かって外径が小さくなっていることを特徴とする請求項１記載の摩擦攪拌接合用回転工具。
【請求項３】
攪拌プローブを備えた摩擦攪拌接合用回転工具であって、
前記攪拌プローブの回転軸に対して鋭角をなして傾斜した受圧面と前記回転軸に対して非平行な非受圧面が前記攪拌プローブの側面に設けられ、
前記受圧面は、前記回転軸に垂直な断面において回転接線方向に対して垂直な受圧領域を有することを特徴とする摩擦攪拌接合用回転工具。
【請求項４】
前記攪拌プローブは、先端部に向かって外径が小さくなるテーパ形状であることを特徴とする請求項３記載の摩擦攪拌接合用回転工具。
【請求項５】
前記非受圧面は、前記受圧面に対し、４５°≦θ＜９０°の角度をなすことを特徴とする請求項３または請求項４に記載の摩擦攪拌接合用回転工具。
【請求項６】
前記非受圧面の面積は、前記受圧面の面積よりも大きいことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の摩擦攪拌接合用回転工具。
【請求項７】
前記受圧面は、前記攪拌プローブの前記側面に沿って螺旋状に設けられていることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の摩擦攪拌接合用回転工具。
【請求項８】
攪拌プローブを備えた回転工具を用いて二つ以上の金属部材を接合する摩擦攪拌接合方法であって、
前記攪拌プローブの回転軸に対して鋭角をなして傾斜した受圧面と前記回転軸に対して平行な非受圧面が前記攪拌プローブの側面に設けられた前記回転工具を準備するステップと、
前記回転工具を前記受圧面の法線方向が正となる方向に回転させて前記金属部材の接合部を摩擦攪拌処理するステップとを含み、
前記攪拌プローブは、前記回転軸に垂直な断面において回転接線方向に対して常に垂直となる受圧領域を有し、前記受圧領域を前記攪拌プローブの側面に沿って連続的に形成することにより前記受圧面が形成されたものであり、前記非受圧面の回転軸方向の幅は前記受圧領域の幅よりも大きく形成されていることを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
【請求項９】
攪拌プローブを備えた回転工具を用いて二つ以上の金属部材を接合する摩擦攪拌接合方法であって、
前記攪拌プローブの回転軸に対して鋭角をなして傾斜した受圧面と前記回転軸に対して非平行な非受圧面が前記攪拌プローブの側面に設けられた前記回転工具を準備するステップと、
前記回転工具を前記受圧面の法線方向が正となる方向に回転させて前記金属部材の接合部を摩擦攪拌処理するステップとを含み、
前記攪拌プローブは、前記回転軸に垂直な断面において回転接線方向に対して常に垂直となる受圧領域を有し、前記受圧領域を前記攪拌プローブの側面に沿って連続的に形成することにより前記受圧面が形成されたことを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
本願に開示される摩擦攪拌接合用回転工具は、攪拌プローブを備えた摩擦攪拌接合用回転工具であって、攪拌プローブの回転軸に対して鋭角をなして傾斜した受圧面と回転軸に対して平行な非受圧面が攪拌プローブの側面に設けられ、受圧面は、回転軸に垂直な断面において回転接線方向に対して垂直な受圧領域を有し、非受圧面の回転軸方向の幅は受圧領域の幅よりも大きいものである。
また、本願に開示される摩擦攪拌接合用回転工具は、攪拌プローブを備えた摩擦攪拌接合用回転工具であって、攪拌プローブの回転軸に対して鋭角をなして傾斜した受圧面と回転軸に対して非平行な非受圧面が攪拌プローブの側面に設けられ、受圧面は、回転軸に垂直な断面において回転接線方向に対して垂直な受圧領域を有するものである。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
また、本願に開示される摩擦攪拌接合方法は、攪拌プローブを備えた回転工具を用いて二つ以上の金属部材を接合する摩擦攪拌接合方法であって、攪拌プローブの回転軸に対して鋭角をなして傾斜した受圧面と回転軸に対して平行な非受圧面が攪拌プローブの側面に設けられた回転工具を準備するステップと、回転工具を受圧面の法線方向が正となる方向に回転させて金属部材の接合部を摩擦攪拌処理するステップとを含み、攪拌プローブは、回転軸に垂直な断面において回転接線方向に対して常に垂直となる受圧領域を有し、受圧領域を攪拌プローブの側面に沿って連続的に形成することにより受圧面が形成されたものであり、非受圧面の回転軸方向の幅は受圧領域の幅よりも大きく形成されている。
また、本願に開示される摩擦攪拌接合方法は、攪拌プローブを備えた回転工具を用いて二つ以上の金属部材を接合する摩擦攪拌接合方法であって、攪拌プローブの回転軸に対して鋭角をなして傾斜した受圧面と回転軸に対して非平行な非受圧面が攪拌プローブの側面に設けられた回転工具を準備するステップと、回転工具を受圧面の法線方向が正となる方向に回転させて金属部材の接合部を摩擦攪拌処理するステップとを含み、攪拌プローブは、回転軸に垂直な断面において回転接線方向に対して常に垂直となる受圧領域を有し、受圧領域を攪拌プローブの側面に沿って連続的に形成することにより受圧面が形成されたものである。