(57)【要約】【課題】  摩擦撹拌接合装置において、バリの発生を抑制する。【解決手段】  互いに重ね合わされた少なくとも２枚以上の金属板２を摩擦撹拌接合するための摩擦撹拌接合装置１であって、円柱状をなし、基端側において軸線Ｘを中心として回転可能に支持され、先端に軸線に直交する軸部端面２０が形成された軸部１５、及び軸部端面の中央から軸部の外径よりも小さい幅を有して軸線に沿って突出するプローブ１６を備えたツール７と、軸部の先端を外囲するショルダ８とを有し、ショルダは金属板に対向するショルダ面２５を備え、ショルダ面は軸部端面と同一の面上、且つ金属板とは離間して配置されている。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに重ね合わされた少なくとも２枚以上の金属板を摩擦撹拌接合するための摩擦撹拌接合装置であって、
円柱状をなし、基端側において軸線を中心として回転可能に支持され、先端に前記軸線に直交する軸部端面が形成された軸部、及び前記軸部端面の中央から前記軸部の外径よりも小さい幅を有して前記軸線に沿って突出するプローブを備えたツールと、
前記軸部の先端を外囲するショルダとを有し、
前記ショルダは前記金属板に対向するショルダ面を備え、
前記ショルダ面は前記軸部端面と同一の面上、且つ前記金属板とは離間して配置されていることを特徴とする摩擦撹拌接合装置。
【請求項２】
前記ショルダは前記軸部の先端を通過させる貫通孔を備え、
前記ショルダ面の外周側には、前記貫通孔に同軸な円環状の突起が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の摩擦撹拌接合装置。
【請求項３】
前記突起の内周面は前記軸線を中心とした円筒面をなしていることを特徴とする請求項２に記載の摩擦撹拌接合装置。
【請求項４】
前記突起の突端面は前記軸線に垂直をなし、前記金属板に当接することを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の摩擦撹拌接合装置。
【請求項５】
前記ショルダ面は前記軸線に沿う方向視で、前記金属板の前記プローブの回転による熱によって軟化して塑性変形する塑性変形部に少なくとも一部において重なっていることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１つの項に記載の摩擦撹拌接合装置。
【請求項６】
前記プローブは円柱状をなし、
前記プローブの外径は前記軸部の先端の外径の１／２倍以上、且つ４／５倍以下であることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１つの項に記載の摩擦撹拌接合装置。
【請求項７】
前記プローブの外径は前記軸部の先端の外径の２／３倍以上、且つ４／５倍以下であることを特徴とする請求項６に記載の摩擦撹拌接合装置。
【請求項８】
前記軸部が前記軸線に沿って延び先端に前記軸部端面を形成する円柱状の小径部と、前記小径部の基端から前記小径部の外径よりも大きな外径を有して前記軸線に沿って延びる大径部とを有し、
前記ショルダは、前記大径部の先端側の端面に対向する対向面を有することを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか１つの項に記載の摩擦撹拌接合装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の部材を摩擦撹拌接合するための摩擦撹拌接合装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
２枚の金属板の端面を接合させる摩擦撹拌装置が公知である（例えば、特許文献１）。特許文献１の摩擦撹拌接合装置では、２枚の金属板を左右に並べて配置し、端面を互いに突き合せて固定した後、回転工具（ツール）の突起（プローブ）を上方から突き合せ面に押し込みながら突き合わせ面に沿って移動させる。これにより、両金属板の端部がそれぞれ摩擦熱により可塑化されて互いに接合する。
【０００３】
このような摩擦撹拌接合では、プローブを金属板に押し込んだ際に、金属板を構成する母材が塑性変形して金属板の外面に流出する。流出した母材は金属板の外面から突出した状態で固化することによりバリとなる。このバリを切削するため、切刃部材を備えた摩擦撹拌接合装置が公知である（例えば、特許文献２）。特許文献２の摩擦撹拌接合装置は、回転ツールと同軸な回転軸を有し、回転ツールとは独立して回転可能な切刃部材を備えている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−６６７６２号公報
【特許文献２】特開２００３−１２６９７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献２に記載された摩擦撹拌接合装置では、プローブを金属板に押し込む工程とは別に、切刃部材を回転させてバリを切削するバリ処理工程が行われる。より迅速に摩擦撹拌接合を行うためにはバリの発生を抑制することにより、このようなバリ処理工程を省略、又は低減できることが望ましい。
【０００６】
本発明は、以上の背景を鑑み、摩擦撹拌接合装置において、バリの発生を抑制することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために本発明のある態様は、互いに重ね合わされた少なくとも２枚以上の金属板（２）を摩擦撹拌接合するための摩擦撹拌接合装置（１、５１）であって、円柱状をなし、基端側において軸線（Ｘ）を中心として回転可能に支持され、先端に前記軸線に直交する軸部端面（２０）が形成された軸部（１５）、及び前記軸部端面の中央から前記軸部の外径よりも小さい幅を有して前記軸線に沿って突出するプローブ（１６）を備えたツール（７）と、前記軸部の先端を外囲するショルダ（８）とを有し、前記ショルダは前記金属板に対向するショルダ面（２５）を備え、前記ショルダ面は前記軸部端面と同一の面上、且つ前記金属板とは離間して配置されていることを特徴とする。
【０００８】
この構成によれば、プローブを接合対象である金属板に押付けて挿入したときに、プローブの挿入によって押し出された母材が軸部端面に遮られて径方向外方に流出するように誘導される。これにより、母材は軸部端面に沿って流出し、金属板の主面から突出した状態で固化することが防止される。ショルダ面は軸部端面と同一の面上に配置され、且つ金属板とは離間しているため、軸部端面の外周側に達した母材はショルダ面に沿って流出し、金属板の主面から突出した状態で固化することが防止される。これにより、摩擦撹拌接合後に母材が金属板から突出したまま固化することが防止されるため、バリの発生を抑制することができる。
【０００９】
上記の態様において、前記ショルダは前記軸部の先端を通過させる貫通孔（２２）を備え、前記ショルダ面の外周側には、前記貫通孔に同軸な円環状の突起（２６）が設けられているとよい。
【００１０】
この構成によれば、ショルダ面の外周側に突起が設けられているため、母材が突起に遮られてショルダ面の外周縁よりも径方向外方に流出することが防止できる。これにより、接合痕を小さくすることができる。
【００１１】
上記の態様において、前記突起の内周面（２６Ｂ）は前記軸線を中心とした円筒面をなしているとよい。
【００１２】
この構成によれば、内周面が軸線に平行となり、軸線に対して垂直なショルダ面に沿って流出する母材の流れを遮ることができる。これにより、母材がショルダの外側に達することをより確実に防止できる。
【００１３】
上記の態様において、前記突起の突端面（２６Ａ）は前記軸線に垂直をなし、前記金属板に当接するとよい。
【００１４】
この構成によれば、突端面を金属板に当接させることで、プローブの挿入によって押し出された母材が軸部端面及びショルダ面と金属板との間に閉じ込められるため、母材がショルダの外側に達することをより確実に防止できる。
【００１５】
上記の態様において、前記ショルダ面は前記軸線に沿う方向視で、前記金属板の前記プローブの回転による熱によって軟化して塑性変形する塑性変形部（ＴＭＡＺ）に少なくとも一部において重なっているとよい。
【００１６】
この構成によれば、ショルダ面によって塑性変形部が冷却されて、撹拌部の拡大を防止することができる。これにより、金属板の外面にメッキ処理が施されて金属薄膜が設けられた場合であっても、金属薄膜が失われる領域を低減することができる。
【００１７】
上記の態様において、前記プローブは円柱状をなし、前記プローブの外径は前記軸部の先端の外径の１／２倍以上、且つ４／５倍以下であるとよい。
【００１８】
この構成によれば、プローブの外径を軸部の先端の外径の１／２倍以上とすることによって、ショルダ面をプローブにより近づけることができる。これにより、軸線に沿う方向視でショルダ面及び塑性変形部の重なりが大きくなる。また、プローブの外径を軸部の先端の外径の４／５倍以下とすることによって、軸部端面の面積が大きくなり、プローブの挿入によって押し出された母材をより確実に軸部端面によって遮ることができる。
【００１９】
上記の態様において、前記プローブの外径は前記軸部の先端の外径の２／３倍以上、且つ４／５倍以下であるとよい。
【００２０】
この構成によれば、ショルダ面をプローブにより近づけることができるため、ショルダ面に対向する方向視でショルダ面と塑性変形部との重なりが大きくなる。
【００２１】
上記の態様において、前記軸部が前記軸線に沿って延び先端に前記軸部端面を形成する円柱状の小径部（１９）と、前記小径部の基端から前記小径部の外径よりも大きな外径を有して前記軸線に沿って延びる大径部（１８）とを有し、前記ショルダは、前記大径部の先端側の端面（１７）に対向する対向面（２７）を有するとよい。
【００２２】
この構成によれば、大径部の先端側の端面に対向する対向面が設けられることで、ショルダとツールとの間の隙間に母材が流入しにくくなる。これにより、ショルダとツールとの間で母材が固化し、バリとなることを防止することができる。
【発明の効果】
【００２３】
以上の構成によれば、摩擦撹拌接合装置において、バリの発生を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】第１実施形態に係る摩擦撹拌接合装置の斜視図
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ断面図
【図３】（Ａ）プローブが第１金属板にのみ挿入されたときの金属板の状態に対応する説明図、（Ｂ）ツール及びショルダが接合位置まで下降したときの金属板の状態に対応する説明図、及び（Ｃ）摩擦撹拌接合後の第１金属板及び第２金属板の状態を説明する説明図
【図４】（Ａ）図３（Ｂ）のＩＶＡ部分の拡大図、及び（Ａ）図３（Ｃ）のＩＶＢ部分の拡大図
【図５】（Ａ）第２実施形態に係る摩擦撹拌接合装置の断面図、（Ｂ）第２実施形態に係る摩擦撹拌装置において、ツール及びショルダが接合位置まで下降したときの金属板の状態に対応する説明図
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明に係る摩擦撹拌接合装置１の実施形態について説明する。本発明に係る摩擦撹拌接合装置１は、互いに重ね合わされた少なくとも２枚以上の金属板２を摩擦撹拌現象により点接合するための、いわゆる摩擦撹拌点接合装置である。
【００２６】
＜＜第１実施形態＞＞
図１に示すように、摩擦撹拌接合装置１は、架台（図示せず）と、架台に支持され、上部に金属板２を支持する略水平な受け面５を備えた受け部材６と、受け面５の上方において架台に回転可能且つ上下動可能に支持されたツール７と、ツール７を外囲し、架台に上下動可能に支持されたショルダ８と、ツール７の上端に接続されてツール７を回転させる回転駆動装置９と、ツール７及びショルダ８を同時に上下動させる上下駆動装置１０と、回転駆動装置９及び上下駆動装置１０を制御する制御装置１１とを有している。本実施形態では上下駆動装置１０はツール７及びショルダ８を上下方向の相対位置を変化させることなく同時に上下動させる。
【００２７】
ツール７は上下に延びる軸部１５と、軸部１５の下端に接続するプローブ１６とを備えている。軸部１５は軸線Ｘに沿って上下に延びる略円柱状をなし、上端（基端）において架台に回転可能且つ上下動可能に結合されている。より詳細には、図２に示すように、軸部１５は上下に延び、下端（先端）に水平な大径部端面１７を備えた大径部１８と、上端（基端）において大径部端面１７に結合して大径部端面１７の中央から下方に突出する小径部１９とを有している。大径部１８及び小径部１９はともに軸線Ｘを中心とする円柱状をなし、小径部１９の外径は大径部１８の外径よりも小さい。小径部１９の下端、すなわち軸部１５の下端（先端）には軸線Ｘに直交し、水平な軸部端面２０が形成されている。
【００２８】
プローブ１６は軸部端面２０の中央から軸線Ｘに沿って下方に突出している。プローブ１６は軸部１５の下端部分の外径、より詳細には小径部１９の外径よりも小さい幅を有する突起であり、円柱、円錐、角柱、又は角錐等のいかなる形状であってもよい。本実施形態ではプローブ１６は円柱状をなしている。プローブ１６が円柱状をなすときには、プローブの外径は小径部１９の外径の１／２以上且つ小径部１９の外径の４／５倍以下であることが望ましく、より好ましくはプローブ１６の外径は小径部１９の外径の２／３倍以上且つ小径部１９の外径の４／５倍以下であるとよい。
【００２９】
図１に示すように、ショルダ８は上下に延び、下端に底壁８Ａ（図２参照）を備えた略円筒状をなしている。ショルダ８は上端において架台に対して上下動可能に支持されている。図２に示すように、ショルダ８の底壁８Ａの中央には上下に貫通する貫通孔２２が形成されている。貫通孔２２は軸線Ｘを中心とした円孔であり、ツール７と同軸をなしている。貫通孔２２にはツール７が上方から挿入されて、軸部１５の下部、すなわち小径部１９は貫通孔２２を通過し、ショルダ面２５及び軸部端面２０が同一の仮想面Ｐ上に配置されている。貫通孔２２の内周面（より詳細には、貫通孔２２を画定する内周面）と小径部１９の外周面との間の隙間は接合時に軟化した金属板２の母材が侵入しない程度に十分小さい。例えば、貫通孔２２の内径は小径部１９が貫通孔２２に挿入可能、且つツール７が軸線Ｘを中心として所定の回転速度で回転可能となる最小の径として定めてもよい。
【００３０】
ショルダ８の底壁８Ａの下面は貫通孔２２が形成されることによって円環状をなしている。底壁８Ａの下面の内周側には軸線Ｘを中心とし、軸線Ｘに垂直な円環状のショルダ面２５が形成されている。ショルダ８の底壁８Ａの下面には更に、ショルダ面２５の外周縁に沿って下方に突出する突起２６が設けられている。突起２６は軸線Ｘを中心として円環状をなし、貫通孔２２と同軸をなしている。突起２６の突端面２６Ａ（下端面）は軸線Ｘに垂直をなし、金属板２の上面に概ね平行をなしている。突起２６の内周側の面（内周面２６Ｂ）は貫通孔２２の軸線、すなわち軸線Ｘを中心として上下に延び、内周側に向く円筒面をなしている。
【００３１】
ショルダ８の底壁８Ａの上面内周側には、大径部端面１７に対向し、且つ大径部端面１７に平行な底壁上面２７（対向面）が円環状をなすように形成されている。大径部端面１７と底壁上面２７とは上下に離間している。大径部端面１７及び底壁上面２７の距離は接合時に軟化した金属板２の母材が侵入しない程度に十分小さい。
【００３２】
次に、このように構成された摩擦撹拌接合装置１の動作について説明する。以下では、例として、第１金属板２Ａ及び上面にメッキ処理によって形成された金属薄膜２Ｃを含む第２金属板２Ｂの２枚の金属板２を接合する場合の動作について記載する。
【００３３】
第１金属板２Ａの上に第２金属板２Ｂが重ね合わされ、第１金属板２Ａ及び第２金属板２Ｂが受け面５上に固定された後、制御装置１１は回転駆動装置９によってツール７を回転させながら、ショルダ８の底壁８Ａの下面に設けられた突起２６の突端面２６Ａが第２金属板２Ｂの上面、より詳細には金属薄膜２Ｃの上面に当接するまで、上下駆動装置１０によってツール７及びショルダ８を下降させる。このとき、プローブ１６の下端は第１金属板２Ａ及び第２金属板２Ｂの境界面２Ｄの下方に位置している。図３（Ａ）にはプローブ１６が第１金属板２Ａにのみ挿入されたときの金属板２の状態に対応する説明図が、図３（Ｂ）にはツール７及びショルダ８が突起２６の突端面２６Ａが第２金属板２Ｂの上面に当接する位置（以下、接合位置）まで下降したときの金属板２の状態に対応する説明図が、図３（Ｃ）には摩擦撹拌接合後の第１金属板２Ａ及び第２金属板２Ｂの状態を説明する説明図がそれぞれ示されている。
【００３４】
プローブ１６が金属板２に挿入されると、金属板２の母材がプローブ１６によって撹拌されるとともに、金属板２とプローブ１６との間に摩擦熱が発生する。これにより、金属板２には母材が動的に撹拌された撹拌部ＳＺ（Ｓｔｉｒ  Ｚｏｎｅ）と、母材が流動性を有する塑性変形部ＴＭＡＺ（Ｔｈｅｍｏ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｌｙ  Ａｆｆｅｃｔｅｄ  Ｚｏｎｅ）とがプローブ１６に近い側から順に、それぞれプローブ１６を外囲するように形成される。図３（Ａ）及び（Ｂ）には、撹拌部ＳＺがクロスのハッチング処理が施された部分として、塑性変形部ＴＭＡＺがドットのハッチング処理が施された部分として示されている。ツール７及びショルダ８が接合位置にあるとき、撹拌部ＳＺにある第１金属板２Ａの母材、及び金属薄膜２Ｃを含む第２金属板２Ｂの母材はプローブ１６によって撹拌されて一体となる。制御装置１１は接合位置においてツール７を所定時間回転させた後、ツール７及びショルダ８を上昇させる。これにより、ツール７は第１金属板２Ａ及び第２金属板２Ｂから引き抜かれる。これにより、第１金属板２Ａの母材及び第２金属板２Ｂの母材がそれぞれ冷却されて硬化し、第１金属板２Ａ及び第２金属板２Ｂが接合される。図３（Ｃ）に示すように、摩擦撹拌接合後の金属板２にはプローブ１６の先端の形状に対応する円形の凹部３０が形成され、凹部３０の外周には他の部分よりも上方に隆起した接合痕３２が形成される。
【００３５】
次に、このように構成された摩擦撹拌接合装置１の効果について説明する。図４（Ａ）に示すように、プローブ１６が金属板２に挿入されると、撹拌部ＳＺにある金属板２の母材の一部が押し出されて、プローブ１６の外周面に沿って上方に流出する（図４（Ａ）の紙面上向きの矢印参照）。また、撹拌部ＳＺにある金属板２の母材の一部はプローブ１６の径方向外方に押し出される。これにより、塑性変形部ＴＭＡＺは上方に押し上げられる。
【００３６】
プローブ１６の上端は下方に向く軸部端面２０に接続し、母材のプローブ１６の外周面に沿う上方への流れは軸部端面２０によって遮られる。よって、母材が軸部端面２０の上方に流出しない。また、軸部端面２０は第２金属板２Ｂ、より詳細には金属薄膜２Ｃの上方に離間して配置されているため、プローブ１６の上端に達した母材は、軸部端面２０に沿って軸線Ｘに対して径方向外方に向かって流出する（図４（Ａ）の紙面左向きの矢印参照）。
【００３７】
軸部端面２０は母材の上方への流出を防止し、母材を径外方向に流出するように誘導できる十分な面積を有する必要がある。本実施形態では特に、プローブ１６の外径が小径部１９の外径の４／５倍以下に設定されることにより、母材の上方への流出がより確実に防止されている。
【００３８】
軸部端面２０の外周縁の径方向外方には軸部端面２０と同一の仮想面Ｐ上に配置されたショルダ面２５が設けられ、ショルダ８の貫通孔２２の内周面と小径部１９の外周面との間の距離が軟化した金属板２の母材が侵入しない程度に十分小さいため、軸部端面２０の外周縁に達した母材は径外方向に流出してショルダ面２５の下側に達する。ショルダ面２５もまた金属薄膜２Ｃの上方に離間して配置されているため、ショルダ面２５の下側に達した母材はショルダ面２５に沿って軸線Ｘの径方向外方、すなわち水平方向に流出する。これにより母材はショルダ面２５の外周縁に達するまでショルダ面２５よりも上方に流出しない。
【００３９】
このように、母材は軸部端面２０及びショルダ面２５に沿って水平方向、すなわち第２金属板２Ｂの上面に平行に流出し、母材の上方への流出が防止される。これにより、金属板２の上面おいて上方に突出するように母材が固化することが防止され、バリの発生が抑制される。
【００４０】
突起２６がショルダ面２５の外周縁に沿って設けられているため、突起２６によって遮られて、母材がショルダ面２５の径方向外方に流出することが防止できる。これにより、プローブ１６の挿入によって押し出された母材がショルダ面２５及び軸部端面２０と第２金属板２Ｂの上面とによって上下に挟まれた空間Ｒ（図４（Ａ）参照）の内部に留まり、母材の上方への流出を防止することができる。よって、バリの発生を抑制できる。また、母材が空間Ｒに留められることで、プローブ１６の挿入によって押し出された母材が金属板２の上面に広がることが防止されて、接合痕３２を小さくすることができる。また、プローブ１６の挿入によって押し出された母材が金属薄膜２Ｃの上面を覆うことにより、メッキによる効果が失われることが防止できる。また、突起２６の内周面２６Ｂは軸線Ｘに対して径方向外方に流出する母材の流れの向きに直交した面を形成しているため、母材がショルダ面２５の径方向外方に達することをより確実に防止できる。
【００４１】
プローブ１６は軸線Ｘを中心とする円柱状をなし、軸線Ｘを中心として回転している。よってプローブ１６の挿入によって流出した母材はプローブ１６の外周面から周方向外方に概ね均等に流出する。突起２６は軸線Ｘを中心とする円環状をなしているため、突起２６が他の形状（例えば、四角環状）をなす場合に比べて、母材が周方向に偏り難く、ショルダ面２５及び軸部端面２０と第２金属板２Ｂの上面とによって上下に挟まれた空間Ｒの外部への母材の流出を防止できる。
【００４２】
ツール７が回転可能となるように、ショルダ８の貫通孔２２の内周面と小径部１９の外周面との間には小さな隙間が設けられる。大径部端面１７に対向する底壁上面２７が設けられることで、大径部端面１７と底壁上面２７との間が狭くなる。これにより、貫通孔２２の内周面及び小径部１９の外周面の間と、大径部端面１７及び底壁上面２７の間に形成された流路が狭められるため、母材がショルダ８とツール７との間に流入しにくくなる。これにより、母材がショルダ８とツール７との間で固化し、バリとなることが防止できる。
【００４３】
ツール７及びショルダ８が接合位置にあるとき、軸部端面２０にショルダ８の突起２６の突端面２６Ａと金属板２の上面とが当接している。これにより、ショルダ面２５及び軸部端面２０と第２金属板２Ｂの上面とによって挟まれた空間Ｒが突起２６によって密閉される。よって、ショルダ面２５に沿って径外方向に流出した母材をショルダ面２５及び軸部端面２０と第２金属板２Ｂの上面とによって挟まれた空間Ｒの内部に留めることができ、且つ、接合痕３２を一定形状に保つことができる。
【００４４】
ツール７及びショルダ８が接合位置にあるとき、塑性変形部ＴＭＡＺに位置する第１金属板２Ａ及び第２金属板２Ｂが上方に押し上げられる。本実施形態では、図４（Ｂ）に示すように、ツール７及びショルダ８が接合位置にあるときのショルダ面２５及び軸部端面２０と、プローブ１６の挿入前の第２金属板２Ｂの上面とで囲まれる部分の空間の体積は、プローブ１６が挿入されることにより押し出された母材の体積よりも大きく、ショルダ８の径方向外方に母材が流出することが防止できる。プローブ１６の挿入前の第２金属板２Ｂの上面とで囲まれる部分の空間の体積は、プローブ１６が挿入されることにより押し出された母材の体積の１．２倍以上１．５倍以下に設定されることが好ましい。
【００４５】
軸部端面２０及びショルダ面２５に沿って径外方向に流出した母材は、プローブ１６の下降によって第２金属板２Ｂの上面に結合し、撹拌部ＳＺを形成する。また、塑性変形部ＴＭＡＺに位置する第１金属板２Ａ及び第２金属板２Ｂが上方に押し上げられて、第２金属板２Ｂの上面が軸部端面２０に接触する。これにより、第２金属板２Ｂの上面と軸部端面２０との間に摩擦熱が発生し、この熱によって形成された撹拌部ＳＺが第２金属板２Ｂの上面において径外方向に広がる。これにより、撹拌部ＳＺが第１金属板２Ａの内部から第２金属板２Ｂの上面から延び、プローブ１６を外囲する円筒状の円筒部ＳＺ１と、円筒部ＳＺ１の上縁（すなわち、第２金属板の上面）において径外方向に延びた円環状の鍔部ＳＺ２とを有する形状となる。
【００４６】
ツール７及びショルダ８が接合位置にあるとき、第２金属板２Ｂの上面にショルダ８が当接しているため、第２金属板２Ｂの上面がショルダ８によって冷却されて、円筒部ＳＺ１は上部において上方に向かって径内方向に窄んだ形状をなす。これにより、撹拌部ＳＺが上部において径内方に凹み、撹拌部ＳＺ及び塑性変形部ＴＭＡＺが断面視で金属板２の上面近傍において互いに噛み合う形状、いわゆりアンカー状となる。撹拌部ＳＺ及び塑性変形部ＴＭＡＺの境界は上部において、円筒部ＳＺ１の外面に沿って上方且つ径内方向に延び、円筒部ＳＺ１と鍔部ＳＺ２との間において屈曲して径外方向に延びた入り組んだ形状となる。
【００４７】
摩擦撹拌接合された複数の金属板２に剥離荷重を加えると、撹拌部ＳＺと塑性変形部ＴＭＡＺとの境界に沿って破断する。本発明においては、撹拌部ＳＺと塑性変形部ＴＭＡＺとの境界は円筒部ＳＺ１と鍔部ＳＺ２との間において屈曲しているため、撹拌部ＳＺが円筒部ＳＺ１のみを有し、撹拌部ＳＺ及び塑性変形部ＴＭＡＺの境界が断面視で屈曲することなく上下方向に延びる場合に比べて、接合後の金属板２の剥離強度が向上する。
【００４８】
また、ツール７及びショルダ８が接合位置にあるときに、第２金属板２Ｂの上面が軸部端面２０に接触することで、第２金属板２Ｂの上面が平坦となる。また、第２金属板２Ｂの上面と軸部端面２０との間に摩擦熱によって、第２金属板２Ｂの上面が丸みを帯びるため、バリの発生が防止される。
【００４９】
第２金属板２Ｂの上面に形成された撹拌部ＳＺにおいては、第２金属板２Ｂの上面の金属薄膜２Ｃもまた、第１金属板２Ａ及び第２金属板２Ｂと共に撹拌されて、金属板２の内部に移動する。図４（Ｂ）に示すように、ツール７及びショルダ８が接合位置にあるとき、ショルダ面２５は少なくとも一部において上面視（すなわち、ショルダ面２５に対向する方向視）で、塑性変形部ＴＭＡＺに重なっている。これにより、塑性変形部ＴＭＡＺがショルダ８によって冷却され、撹拌部ＳＺが第２金属板２Ｂの上面において径外方向に広がることが抑制される。これにより、金属薄膜２Ｃが第２金属板２Ｂの上面から移動する領域を低減することができるため、メッキ処理による効果が失われ難い。
【００５０】
プローブ１６の外径が小径部１９の外径の１／２倍以上であるため、小径部１９の外径の１／２倍よりも小さい場合に比べてショルダ面２５をプローブ１６に近づけることができる。これにより、上面視でショルダ面２５と塑性変形部ＴＭＡＺとが重なる領域を広げることができる、プローブ１６の外径を小径部１９の外径の２／３倍以上とすることによって、上面視でショルダ面２５と塑性変形部ＴＭＡＺとが重なる領域をより広げることができる。
【００５１】
＜＜第２実施形態＞＞
第２実施形態に掛る摩擦撹拌接合装置５１は、図５（Ａ）に示すように、ショルダ８の底壁８Ａの下面に突起２６が設けられておらず、底壁８Ａの下面全面に略水平なショルダ面２５が形成されている点を除いて、他の構成については第１実施形態と同じである。よって、以下では他の部分については説明を省略する。
【００５２】
第１実施形態と同様に第１金属板２Ａと第２金属板２Ｂとを接合するときには、図５（Ｂ）に示すように、プローブ１６の下端が第１金属板２Ａ及び第２金属板２Ｂの境界面２Ｄの下方に位置するまでツール７及びショルダ８を下降させる。このとき、ショルダ８はプローブ１６を挿入する前の第２金属板２Ｂの上面（図５（Ｂ）の二点鎖線参照）、より詳細には金属薄膜２Ｃの上面の上方に位置し、ショルダ面２５はプローブ１６を挿入する前の金属薄膜２Ｃの上面から離間している。
【００５３】
プローブ１６を挿入することによって押し出された母材がショルダ８と第２金属板２Ｂの間に流出する。ショルダ８と第２金属板２Ｂの間に流出した母材はショルダ面２５によって遮られて、第２金属板２Ｂの上面に沿って水平に流出する。これにより、ショルダ８と第２金属板２Ｂの上面の間に母材が第２金属板２Ｂから上方に流出することが防止できる。これにより、第２金属板２Ｂの上面おいて上方に突出するように母材が固化することが防止されて、バリの発生が抑制される。
【００５４】
以上で具体的実施形態の説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されることなく幅広く変形実施することができる。上記実施形態では、摩擦撹拌接合装置１は２枚の金属板２を接合していたが、この態様には限定されない。摩擦撹拌接合装置１は２枚以上の金属板２を接合するものであってもよい。
【００５５】
摩擦撹拌接合装置１は上下に重ね合わされた２枚の金属板２を接合していたが、重ね合わされる方向や金属板２の配置等には限定されない。例えば、上記実施形態の摩擦撹拌接合装置１をツール７の延在方向が左右方向となるように配置し、左右に重ね合わされた２枚の金属板２を接合するように構成してもよい。また、突起２６の突端面２６Ａは接合対象となる金属板２の外面に略平行をなし、接合位置において突端面２６Ａが金属板２の外面に概ね当接するように構成するとよい。
【００５６】
上記第１実施形態では、接合位置において突起２６の突端面２６Ａが第２金属板２Ｂに当接するように構成されていたがこの態様には限定されない。接合位置において突起２６の突端面２６Ａが第２金属板２Ｂの上面から若干離間するように配置されていてもよい。
【符号の説明】
【００５７】
１        ：第１実施形態に係る摩擦撹拌接合装置
２        ：金属板
７        ：ツール
８        ：ショルダ
１５      ：軸部
１６      ：プローブ
１７      ：大径部端面
１８      ：大径部
１９      ：小径部
２０      ：軸部端面
２２      ：貫通孔
２５      ：ショルダ面
２６      ：突起
２６Ａ    ：突端面
２６Ｂ    ：内周面
２７      ：対向面
５１      ：第２実施形態に係る摩擦撹拌接合装置
ＴＭＡＺ  ：塑性変形部
Ｘ        ：軸線
【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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