(57)【要約】      （修正有）【課題】表層を形成すべき基材が円筒形状等の特殊な形状を呈するような場合においても、摩擦攪拌を用いて前記基材上に表層を形成する。【解決手段】円筒形状の部材１１の外周面に接触するようにして管状の表層部材１２を設け、前記部材の前記外周面に沿って配置した複数の摩擦攪拌ツール１３１、１３２、１３３を、少なくとも前記表層部材中に没入させ、前記部材の前記外周面に沿って回転させるとともに前記部材の回転中心軸方向に沿って移動させて、前記表層部材の全体を前記部材と固相接合させ、前記部材に対して前記表層部材からなる表層を形成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転中心軸を有し、この回転中心軸に垂直に切った断面が円形を呈する部材の周面を覆うように表層部材を設ける工程と、
前記部材の前記周面に沿って配置した複数の摩擦攪拌ツールを、少なくとも前記表層部材中に回転没入させるとともに、前記部材の前記周面に沿って回転移動させて、前記表層部材の全体を前記部材と固相接合させる工程と、
を具えることを特徴とする、表層形成方法。
【請求項２】
前記複数の摩擦攪拌ツールを、前記部材の前記回転中心軸方向に垂直な面で切った場合において、前記回転中心軸方向において互いに異なる平面レベルで配置することを特徴とする、請求項１に記載の表層形成方法。
【請求項３】
前記複数の摩擦攪拌ツールを、前記部材の前記回転中心軸方向に垂直な面で切った場合において、前記回転中心軸方向において同一の平面レベルで配置することを特徴とする、請求項１に記載の表層形成方法。
【請求項４】
前記複数の摩擦攪拌ツールの少なくとも１つを、前記表層部材を貫通して前記部材に至るようにして没入させることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一に記載の表層形成方法。
【請求項５】
回転中心軸を有し、この回転中心軸に垂直に切った断面が円形を呈する部材の周面に、帯状の表層部材を、その幅方向の端部同士が互いに隣接するようにして巻回する工程と、
前記部材の前記周面に沿って配置した複数の摩擦攪拌ツールを、少なくとも前記表層部材中に回転没入させるとともに、隣接する前記端部の境界部分に沿って回転移動させて、前記表層部材の全体を前記部材と固相接合させる工程と、
を具えることを特徴とする、表層形成方法。
【請求項６】
前記表層部材の巻回と、前記摩擦攪拌ツールの前記境界部分に沿った移動とを同期させることを特徴とする、請求項５に記載の表層形成方法。
【請求項７】
前記表層部材の略中央部に対して追加の摩擦攪拌ツールを回転没入させるとともに前記境界部分に沿って移動させる工程を具えることを特徴とする、請求項５又は６に記載の表層形成方法。
【請求項８】
前記表層部材の巻回と、前記追加の摩擦攪拌ツールの前記境界部分に沿った移動とを同期させることを特徴とする、請求項７に記載の表層形成方法。
【請求項９】
前記摩擦攪拌ツールを、前記表層部材を貫通して前記部材に至るようにして回転没入させることを特徴とする、請求項５〜８のいずれか一に記載の表層形成方法。
【請求項１０】
前記追加の摩擦攪拌ツールを、前記表層部材を貫通して前記部材に至るようにして回転没入させることを特徴とする、請求項７〜９のいずれか一に記載の表層形成方法。
【請求項１１】
回転中心軸を有し、この回転中心軸に垂直に切った断面が円形を呈する部材の周面に沿って配置し、少なくとも前記部材の前記周面を覆うようにして設けられた表層部材中に回転没入させ、前記表層部材の全体を前記部材と固相接合させるための複数の摩擦攪拌ツールと、
前記複数の摩擦攪拌ツールを少なくとも前記表層部材中に回転没入させた状態で、前記複数の摩擦攪拌ツールを、前記部材の前記周面に沿って回転移動させるとともに前記部材の回転中心軸方向に沿って移動させるためのツール回転機構と、
を具えることを特徴とする、表層形成装置。
【請求項１２】
前記複数の摩擦攪拌ツールを、前記部材の前記回転中心軸方向に垂直な面で切った場合において、前記回転中心軸方向において互いに異なる平面レベルで配置したことを特徴とする、請求項１１に記載の表層形成装置。
【請求項１３】
前記複数の摩擦攪拌ツールを、前記部材の前記回転中心軸方向に垂直な面で切った場合において、前記回転中心軸方向において同一の平面レベルで配置したことを特徴とする、請求項１１に記載の表層形成装置。
【請求項１４】
回転中心軸を有し、この回転中心軸に垂直に切った断面が円形を呈する部材の周面に、帯状の表層部材を、その幅方向の端部同士が互いに隣接するようにして巻回するための表層部材巻回機構と、
少なくとも前記表層部材中に回転没入させるとともに、隣接する前記端部の境界部分に沿って回転移動させて、前記表層部材の全体を前記部材と固相接合させるための、前記部材の前記周面に沿って配置した複数の摩擦攪拌ツールと、
を具えることを特徴とする、表層形成装置。
【請求項１５】
前記表層部材巻回機構は、前記表層部材の巻回と、前記摩擦攪拌ツールの前記境界部分に沿った移動とを同期させることを特徴とする、請求項１４に記載の表層形成装置。
【請求項１６】
前記表層部材の略中央部に回転没入させるとともに前記境界部分に沿って移動させる追加の摩擦攪拌ツールを具えることを特徴とする、請求項１４又は１５に記載の表層形成装置。
【請求項１７】
前記表層部材巻回機構は、前記表層部材の巻回と、前記追加の摩擦攪拌ツールの前記境界部分に沿った移動とを同期させることを特徴とする、請求項１６に記載の表層形成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、摩擦攪拌を用いた表層形成方法及び表層形成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
摩擦攪拌を用いた表層形成技術は、基材及び表層部材を溶融させずに固相状態のままで接合して表層を形成する方法であり、アルミニウムなどの基材をほとんど変形させないで表層を形成することができる。この方法は種々の材料に適用されており、軟質のアルミニウム材料や銅材料を初めとして、鉄鋼材料やさらに硬質の材料にも適用することができる。
【０００３】
特許文献１では、第１の金属部材を基材とし、これより溶融温度が高い第２の金属部材を表層部材として重ね合わせ、回転する円板状の接合ツールを第２の金属部材の表面に押し当てつつ移動させて金属部材同士を接合し、基材である第１の金属部材上に第２の金属部材からなる表層を形成する方法が示されている。
【０００４】
上記特許文献１に記載の技術においては、表層部材とする銅板の厚さｔは０．２〜０．８ｍｍ程度、接合幅Ｗは１．２〜２ｍｍの範囲であり、電子機器などの小型薄物の部品を対象としている。しかしながら、エネルギー機器部品のような比較的大型で厚物の部品の場合は摩擦表面から接合界面までの距離が大きくなるため、特許文献１に記載の方法では、摩擦加熱及び加圧のみでは、接合界面の十分な温度上昇が得られず良好な接合状態が得られにくい。
【０００５】
かかる問題に対処すべく、接合ツールの回転速度を増したり、接合ツールの移動速度を遅くしたり、接合ツールの押し付け力を大きくしたりするなど種々の試みがなされているが、この場合においては、上層に位置する第２の金属部材の変形が大きくなり、接合が進行するにつれて、第１の金属部材と第２の金属部材との密着性が悪くなり、すきまが生じやすくなる。また、第２の金属部材にしわがよったりして特にこの変形による密着性の悪化が問題となる。
【０００６】
このような問題に鑑みて、特許文献２では、例えば板状の基材上に表層部材を形成し、接合ツールを前記表層部材中に没入させる、又は前記表層部材を貫通させて前記基材にまで至らしめた状態で、前記接合ツールによって摩擦攪拌を生ぜしめ、前記表層部材及び／又は前記基材に対して、前記摩擦攪拌に起因した摩擦力による温度上昇及び加圧力によって塑性流動を生ぜしめ、前記基材と前記表層部材との固相接合を通じて、前記基材上に前記表層部材からなる表層を形成する技術が開示されている。
【０００７】
しかしながら、特許文献２に記載の方法では、上述のように基材及び表層部材が共に板状であるような単純な形状の場合には適用することができるが、前記基材が特殊な形状、特に円筒形を呈するような場合においては適用することができない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００４−３５８５３６号
【特許文献２】特開２００４−１７４５０８号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、表層を形成すべき基材が円筒形状等の特殊な形状を呈するような場合においても、摩擦攪拌を用いて前記基材上に表層を形成することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決すべく、本発明の一態様は、回転中心軸を有し、この回転中心軸に垂直に切った断面が円形を呈する部材の周面を覆うように表層部材を設ける工程と、前記部材の前記周面に沿って配置した複数の摩擦攪拌ツールを、少なくとも前記表層部材中に回転没入させるとともに、前記部材の前記周面に沿って回転移動させて、前記表層部材の全体を前記部材と固相接合させる工程と、を具えることを特徴とする、表層形成方法（第１の形成方法）に関する。
【００１１】
また、本発明の一態様は、回転中心軸を有し、この回転中心軸に垂直に切った断面が円形を呈する部材の周面に沿って配置し、少なくとも前記部材の前記周面を覆うようにして設けられた表層部材中に回転没入させ、前記表層部材の全体を前記部材と固相接合させるための複数の摩擦攪拌ツールと、前記複数の摩擦攪拌ツールを少なくとも前記表層部材中に回転没入させた状態で、前記複数の摩擦攪拌ツールを、前記部材の前記周面に沿って回転移動させるとともに前記部材の回転中心軸方向に沿って移動させるためのツール回転機構と、を具えることを特徴とする、表層形成装置（第１の形成装置）に関する。
【００１２】
上記第１の形成方法及び第１の形成装置によれば、回転中心軸に垂直に切った断面が円形を呈する部材において、その周面に沿って複数の摩擦攪拌ツールが配置されるとともに、前記複数の摩擦攪拌ツールが少なくとも前記表層部材中に没入された状態で、例えば前記複数の摩擦攪拌ツールと接続されたツール回転機構によって、前記部材の前記周面に沿って回転させるとともに前記部材の回転中心軸方向に沿って移動させるようにしている。
【００１３】
したがって、特に前記表層部材に対して、前記摩擦攪拌に起因した摩擦力による温度上昇及び加圧力に起因した塑性流動を生ぜしめることができ、前記部材と前記表層部材との固相接合を通じて、前記部材上に前記表層部材からなる表層を形成することができるようになる。例えば、円筒状又は円柱状の部材に対しても、摩擦攪拌を利用して表層を形成することができる。
【００１４】
また、本態様では、複数の摩擦攪拌ツールを用いているので、前記表層部材の広い範囲に塑性流動を生ぜしめることができ、上記表層を短時間で形成することができる。特に、前記複数の摩擦攪拌ツールを、前記部材の前記回転中心軸方向に垂直な面で切った場合において、前記複数の摩擦攪拌ツールを、前記回転中心軸方向の互いに異なる平面レベルに配置した場合において、前記複数の摩擦攪拌ツールによって、前記表層部材の広い範囲が同時に摩擦攪拌されるようになるので、上記表層の形成をより短時間で行うことができる。
【００１５】
なお、前記複数の摩擦攪拌ツールを、前記回転中心軸方向において同一平面レベルに配置した場合においては、前記複数の摩擦攪拌ツールが短時間で前記表層部材の同一箇所を摩擦攪拌するようになるので、前記表層部材の当該箇所の摩擦攪拌をより効果的に実行することができ、塑性流動に伴う固相接合をより確実なものとすることができる。したがって、前記部材との結合強度に優れた表層を簡易に形成することができるようになる。
【００１６】
また、本態様では、前記複数の摩擦攪拌ツールの少なくとも１つを、前記表層部材を貫通して前記部材に至るようにして没入させることができる。これによって、前記表層部材のみならず、前記部材に対しても摩擦攪拌による塑性流動を生ぜしめることができ、前記部材と前記表層部材との固相接合をより確実なものとすることができる。したがって、上記同様に、前記部材との結合強度に優れた表層を簡易に形成することができるようになる。
【００１７】
上記課題を解決すべく、本発明の他の態様は、回転中心軸を有し、この回転中心軸に垂直に切った断面が円形を呈する部材の周面に、帯状の表層部材を、その幅方向の端部同士が互いに隣接するようにして巻回する工程と、前記部材の前記周面に沿って配置した複数の摩擦攪拌ツールを、少なくとも前記表層部材中に回転没入させるとともに、隣接する前記端部の境界部分に沿って回転移動させて、前記表層部材の全体を前記部材と固相接合させる工程と、を具えることを特徴とする、表層形成方法（第２の形成方法）に関する。
【００１８】
また、本発明の他の態様は、回転中心軸を有し、この回転中心軸に垂直に切った断面が円形を呈する部材の周面に、帯状の表層部材を、その幅方向の端部同士が互いに隣接するようにして巻回するための表層部材巻回機構と、少なくとも前記表層部材中に回転没入させるとともに、隣接する前記端部の境界部分に沿って回転移動させて、前記表層部材の全体を前記部材と固相接合させるための、前記部材の前記周面に沿って配置した複数の摩擦攪拌ツールと、を具えることを特徴とする、表層形成装置（第２の形成装置）に関する。
【００１９】
本態様によれば、回転中心軸を有し、この回転中心軸に垂直に切った断面が円形を呈する部材に対する表層部材を帯状とし、この帯状の表層部材を、表層部材巻回機構を用い、隣接する部材の端部同士が互いに接触するようにして前記部材上に巻回し、実質的に前記部材の外周面に対して管状の表層部材を形成するようにしている。そして、摩擦攪拌ツールを、隣接する前記端部の境界部分に沿って回転移動させるようにしている。したがって、特に前記表層部材に対して、前記摩擦攪拌に起因した摩擦力による温度上昇及び加圧力に起因した塑性流動を生ぜしめることができ、前記部材と前記表層部材との固相接合を通じて、前記部材上に前記表層部材からなる表層を形成することができるようになる。例えば、円筒状又は円柱状の部材に対しても、摩擦攪拌を利用して表層を形成することができる。    
【００２０】
なお、上記摩擦攪拌ツールに対し、追加の摩擦攪拌ツールを準備し、この追加の摩擦攪拌ツールを前記帯状の表層部材の略中央部に没入させるとともに前記境界部分に沿って移動させるようにすることもできる。上記摩擦攪拌ツールは、主として隣接する前記帯状表層部材の境界部分を中心として摩擦攪拌を行うため、前記帯状表層部材の幅が大きいような場合は、前記摩擦攪拌ツールを用いた場合では、前記帯状表層部材の中央部近傍に対して摩擦攪拌を十分に行うことができない場合がある。
【００２１】
したがって、上記のように追加の摩擦攪拌ツールを用いることによって、上述した不利益を解消することができる。
【００２２】
また、本態様において、上記摩擦攪拌ツール及び／又は上記追加の摩擦攪拌ツールは、上記表層部材巻回機構によって、前記表層部材の巻回と同期させることができる。これによって、前記表層部材の巻回から前記摩擦攪拌ツール等による摩擦攪拌までのタイミングを最適な状態に保持することができ、前記表層部材のたるみ等に起因して摩擦攪拌が行うことができなくなるなどの不利益を防止することができる。
【００２３】
さらに、本態様においても、前記摩擦攪拌ツール及び／又は前記追加の摩擦攪拌ツールを、前記表層部材を貫通して前記部材に至るようにして没入させることができる。これによって、前記表層部材のみならず、前記部材に対しても摩擦攪拌による塑性流動を生ぜしめることができ、前記部材と前記表層部材との固相接合をより確実なものとすることができる。したがって、上記同様に、前記部材との結合強度に優れた表層を簡易に形成することができるようになる。
【発明の効果】
【００２４】
以上説明したように、本発明によれば、表層を形成すべき部材が円筒形状等の特殊な形状を呈するような場合においても、摩擦攪拌を用いて前記部材上に表層を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】第１の実施形態における表層形成装置を示す平面図である。
【図２】図１に示す表層形成装置の側面図である。
【図３】図１に示す表層形成装置の側面図である。
【図４】第１の実施形態における摩擦攪拌の様子を示す図である。
【図５】第１の実施形態における摩擦攪拌の様子を示す図である。
【図６】第１の実施形態における摩擦攪拌の様子を示す図である。
【図７】第２の実施形態における表層形成装置の概略構成を示す側面図である。
【図８】第２の実施形態における表層部材の部材に対する巻回方法を説明するための図である。
【図９】第３の実施形態における表層形成装置の概略構成を示す側面図である。
【図１０】第４の実施形態における表層形成装置の概略構成を示す平面図である。
【図１１】図１０に示す表層形成装置の長さ方向における断面図である。
【図１２】第５の実施形態における表層形成装置の概略構成を示す平面図である。
【図１３】図１２に示す表層形成装置の長さ方向における断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明の詳細並びにその他の特徴及び利点について説明する。
【００２７】
（第１の実施形態）
図１は、本実施形態における表層形成装置を示す平面図であり、図２及び図３は、図１に示す表層形成装置の側面図である。なお、図２及び図３では、前記表層形成装置の特徴を明確にすべく、摩擦攪拌に供すべき部材及び表層部材については記載を省略している。また、図４〜図６は、本実施形態における摩擦攪拌の様子を示す図である。
【００２８】
図１に示すように、表層形成装置１０の中心には、回転中心軸を有し、この回転中心軸に垂直に切った断面が円形を呈する部材、すなわち円筒状の部材１１が配置され、その外周面１１Ａに沿い、さらには接触するようにして管状の表層部材１２が設けられている。また、部材１１の外周面１１Ａに沿って、第１の摩擦攪拌ツール１３１、第２の摩擦攪拌ツール１３２及び第３の摩擦攪拌ツール１３３が配置されている。これら摩擦攪拌ツール１３１，１３２，１３３はツール駆動リング１４に接合され、それらの先端部１３１Ａ，１３２Ａ、１３３Ａは表層部材１２中に没入されている。
【００２９】
ツール駆動リング１４は、図示しないモータに接続され、摩擦攪拌ツール１３１，１３２，１３３を、部材１１の外周面に沿って回転移動させるとともに部材１１の回転中心軸方向に沿って移動させるように構成されている。なお、本実施形態においては、ツール駆動リング１４及び前記モータによってツール回転機構が構成されている。
【００３０】
また、ツール駆動リング１４はその外周に設けられた固定リング１５によって、その駆動が妨害されないように、例えばボールベアリングを介して保持されている。
【００３１】
次に、図１に示す表層形成装置１０を用いた表層形成方法について説明する。図１に示すように、摩擦攪拌ツール１３１，１３２，１３３の先端部１３１Ａ、１３２Ａ、１３３Ａが表層部材１２中に回転没入した状態でツール駆動リング１４を、部材１１の外周面１１Ａに沿って回転させるとともに部材１１の回転中心軸方向に沿って移動させる。すると、表層部材１２に対して、摩擦攪拌に起因した摩擦力による温度上昇及び回転加圧力に起因した塑性流動を生ぜしめることができ、部材１１と表層部材１２との固相接合が生じるようになる。結果として、部材１１に表層部材１２からなる表層を形成することができるようになる。すなわち、円筒形状の部材１１に対し、上記摩擦攪拌を利用して表層を形成することができる。
【００３２】
なお、本実施形態では、３つの摩擦攪拌ツール１３１，１３２，１３３を用いているので、表層部材１２の広い範囲に塑性流動を生ぜしめることができ、上記表層を短時間で形成することができる。この場合、特に図２に示すように、摩擦攪拌ツール１３１，１３２，１３３を、部材１１の回転中心軸方向に垂直な面で切った場合において、互いに異なる平面レベルＳ１，Ｓ２，Ｓ３に配置した場合において、摩擦攪拌ツール１３１，１３２，１３３によって、表層部材１２の広い範囲が同時に摩擦攪拌されるようになるので、上記表層の形成をより短時間で行うことができる。
【００３３】
上記方法は、ツール１３１，１３２，１３３が部材１１を１回転する間、回転中心軸方向に移動させない場合である。１回転するとツール１３１，１３２，１３３による摩擦攪拌部３周分が形成される。したがって、この方法の場合は、１回転した後、ツール１３１がツール１３３の摩擦攪拌部に接するように回転中心軸方向に移動させることになる。また、同時に複数箇所が固定されていくので、部材１１に対する表層部材１２のずれと浮上りを防止できる。
【００３４】
なお、図３に示すように、摩擦攪拌ツール１３１，１３２，１３３を、例えば部材１１の回転中心軸方向において同一の平面レベルＳ１に配置した場合においては、摩擦攪拌ツール１３１，１３２，１３３が短時間で表層部材１２の同一箇所を摩擦攪拌するようになるので、表層部材１２の当該箇所の摩擦攪拌をより効果的に実行することができ、塑性流動に伴う固相接合をより確実なものとすることができる。したがって、部材１１との結合強度に優れた表層を簡易に形成することができるようになる。
【００３５】
この場合、３個のツールが同一箇所を摩擦攪拌するには、ツール１３１が部材１１を１回転する間の回転中心軸方向の移動距離をツール先端部１３１Ａの直径以下とすることになる。１回転する間の回転中心軸方向のツールの移動距離をツール先端部の直径の３倍とすれば、３個のツールの摩擦攪拌部が互いに接しながら、１回転でツール先端部直径の３倍の幅を摩擦攪拌できる。この場合は、ツールを同一の平面レベルＳ１に配置しても、３個のツールは同一箇所を摩擦攪拌しないことになる（この場合は、強度重視でなく、効率重視と表現しても良い）。
【００３６】
また、本実施形態では特に図示していないが、摩擦攪拌ツール１３１，１３２，１３３の少なくとも１つを、表層部材１２を貫通して部材１１に至るようにして没入させることができる。これによって、表層部材１２のみならず、部材１１に対しても摩擦攪拌による塑性流動を生ぜしめることができ、部材１１と表層部材１２との固相接合をより確実なものとすることができる。したがって、上記同様に、部材１１との結合強度に優れた表層を簡易に形成することができるようになる。
【００３７】
なお、図２及び図３のいずれの場合においても、摩擦攪拌ツール１３１，１３２，１３３による表層部材１２の摩擦攪拌は、図４に示すように、摩擦攪拌部分１２１，１２２，１２３，１２４の端部が隣接し、隙間なく実施されることが好ましい。これによって、表層部材１２に対する摩擦攪拌を効率的かつ効果的に行うことができる。また、１２１，１２２，１２３，１２４は隣接でなくオーバラップさせても良い。
【００３８】
摩擦攪拌ツール１３１，１３２，１３３を図２に示すように配置した場合には、例えば摩擦攪拌ツール１３１，１３２，１３３の端部１３１Ａ，１３２Ａ，１３３Ａの側面同士が互いに隣接するようにして、平面レベルＳ１，Ｓ２，Ｓ３を決定すればよい。
【００３９】
摩擦攪拌ツール１３１，１３２，１３３を図３に示すように配置した場合には、摩擦攪拌ツール１３１，１３２，１３３が部材１１の周りに１／３回転する毎に、摩擦攪拌ツール１３１，１３２，１３３それぞれが摩擦攪拌部分１２１等の幅に相当する距離だけ、部材１１の回転中心軸方向に移動するようにすればよい。
【００４０】
一方、摩擦攪拌ツール１３１，１３２，１３３の端部１３１Ａ，１３２Ａ，１３３Ａがテーパ状を成す場合は、図５に示すように、摩擦攪拌部分１２１，１２２，１２３，１２４の端部が隣接するようにして摩擦攪拌を実施しても、表層部材１２の深部においては摩擦攪拌されない領域１２Ａが存在するようになる。したがって、このような場合は、図６に示すように、表層部材１２の深部において摩擦攪拌されない領域１２Ａが形成されないように、摩擦攪拌部分１２１，１２２，１２３，１２４が互いに重なり合うようにして摩擦攪拌を行う。
【００４１】
摩擦攪拌ツール１３１，１３２，１３３を図２に示すように配置した場合には、例えば摩擦攪拌ツール１３１，１３２，１３３の端部１３１Ａ，１３２Ａ，１３３Ａの側面の一部（例えば、端部の直径の１／３）が重なり合うようにして、平面レベルＳ１，Ｓ２，Ｓ３を決定すればよい。
【００４２】
摩擦攪拌ツール１３１，１３２，１３３を図３に示すように配置した場合には、摩擦攪拌ツール１３１，１３２，１３３が部材１１の周りに１／３回転する毎に、摩擦攪拌ツール１３１，１３２，１３３それぞれが摩擦攪拌部分１２１等の一部が互いに重なり合うようにして、部材１１の回転中心軸方向に移動するようにすればよい。
【００４３】
なお、本例においては、摩擦攪拌ツールの数を３としたが、必要に応じて任意の数とすることができる。例えば、摩擦攪拌ツールの数を２とすることもできるし、４以上とすることもできる。また、単一の摩擦攪拌ツールを用いることは必ずしも排除されるものではないが、作業性が著しく損なわれ、摩擦攪拌による表層形成に長時間を要するとともに、表層部材１２のずれと浮上りが発生しやすくなるので好ましくない。
【００４４】
一例として、部材１１を直径１００ｍｍ、長さ１０００ｍｍのアルミニウム棒とし、表層部材１２を肉厚５ｍｍの銅パイプとした場合、摩擦攪拌ツール１３１，１３２，１３３の先端部１３１Ａ，１３２Ａ，１３３Ａの直径を５ｍｍ、長さを４．５ｍｍ、回転速度を５００ｒｐｍとし、ツール駆動リング１４による部材１１の外周面に沿った移動速度を３００ｍｍ／ｍｉｎ、回転中心軸方向に沿った移動速度を１５ｍｍ（ツール先端部直径５ｍｍのツール３個分）／回転とすることによって、アルミニウム棒に対して銅パイプからなる銅表層を形成することができる。
【００４５】
但し、本実施形態は、その他の材料系に対しても用いることができる。
【００４６】
（第２の実施形態）
図７は、本実施形態における表層形成装置の概略構成を示す側面図である。図８は、図７に示す装置における、表層部材の部材に対する巻回方法を説明するための図である。
【００４７】
図７に示すように、本実施形態の表層形成装置２０は、回転中心軸を有し、この回転中心軸に垂直に切った断面が円形を呈する部材、すなわち円筒状又は円柱状の部材２１の外周面２１Ａの下方に配置された摩擦攪拌ツール２３と、円筒形状の部材２１の上方に、帯状の表層部材２２を供給するための帯状表層部材供給装置２４とを具えている。さらに、部材２１の外周面２１Ａの側方には押付ローラ２５が配置されている。
【００４８】
また、部材２１は図示しないモータに接続され、図中矢印で示す方向に回転するように構成されている。本実施形態では、帯状表層部材供給装置２４と前記モータとで表層部材巻回機構を構成している。
【００４９】
次に、図７に示す表層形成装置２０を用いた表層形成方法について説明する。図７に示すように、円筒形状の部材２１の外周面２１Ａには、帯状表層部材供給装置２４から帯状の表層部材２２を供給するとともに部材２１を図示しないモータで矢印の方向に回転させる。すると、帯状の表層部材２２が部材２１の外周面２１Ａ上に巻回されるようになる。この際、帯状表層部材供給装置２４からの帯状の表層部材２２の供給角度を調整して、帯状表層部材２２が部材２１の外周面２１Ａ上に巻回される際に、隣接する帯状表層部材２２の、幅方向における端部が互いに隣接するようにする。したがって、部材２１の外周面２１Ａ上に巻回された帯状表層部材２２は、実質的に管状の表層部材となる。
【００５０】
なお、図８に示すように、帯状表層部材２２の部材２１に対する巻き付け角度θは、部材２１の直径Ｄ及び帯状表層部材２２の幅Ｗと、ｓｉｎθ＝Ｗ／πＤの関係があるので、巻き付け角度θについては適宜前記関係式を考慮して決定する。
【００５１】
帯状表層部材２２が部材２１の外周面２１Ａ上に巻回される際、部材２１の外周面２１Ａの側方に配置された押付ロール２５によって、帯状表層部材供給装置２４から供給された帯状表層部材２２を部材２１の外周面２１Ａに押し付けるようにする。これによって、帯状表層部材２２が撓むことなく、部材２１の外周面２１Ａ上に密着した状態で巻回されるようになる。
【００５２】
そして、押付ロール２５の下方に配置された摩擦攪拌ツール２３の先端部２３Ａを、図中矢印で示す方向に回転させながら、帯状表層部材２２の隣接する境界部分２２Ａを含むようにして表層部材２２中に没入させるとともに境界部分２２Ａに沿って移動させる。この結果、特に帯状表層部材２２に対して、摩擦攪拌に起因した摩擦力による温度上昇及び回転加圧力に起因した塑性流動を生ぜしめることができ、部材２１と帯状表層部材２２との固相接合を通じて、部材２１上に帯状表層部材２２からなる表層を形成することができるようになる。すなわち、上記円筒状又は円柱状の部材に対しても、摩擦攪拌を利用して表層を形成することができる。
【００５３】
また、本実施形態において、摩擦攪拌ツール２３の境界部分２２Ａに沿った移動と、帯状表層部材２２の、部材２１の外周面２１Ａ上への巻回とを同期させることができる。これによって、帯状表層部材２２の巻回から摩擦攪拌ツール２３による摩擦攪拌までのタイミングを最適な状態に保持することができ、帯状表層部材２２のたるみ等に起因して摩擦攪拌が行うことができなくなるなどの不利益を防止することができる。
【００５４】
さらに、本実施形態においても、摩擦攪拌ツール２３の先端部２３Ａを、帯状表層部材２２を貫通して部材２１に至るようにして没入させることができる。これによって、帯状表層部材２２のみならず、部材２１に対しても摩擦攪拌による塑性流動を生ぜしめることができ、部材２１と帯状表層部材２２との固相接合をより確実なものとすることができる。したがって、上記同様に、部材２１との結合強度に優れた表層を簡易に形成することができるようになる。
【００５５】
なお、摩擦攪拌ツールは単独ではなく複数とすることもできる。
【００５６】
一例として、部材２１を直径１５０ｍｍ、長さ５００ｍｍのアルミニウム棒とし、帯状表層部材２２を幅１０ｍｍ、厚さ３ｍｍの銅帯とした場合、前記アルミニウム棒の回転速度（巻回速度）を３００〜１０００ｍｍ／ｍｉｎとし、摩擦攪拌ツール３３の回転速度を５００〜１０００ｒｐｍとすることによって、アルミニウム棒に対して銅帯からなる銅表層を形成することができる。
【００５７】
但し、本実施形態は、その他の材料系に対しても用いることができる。
【００５８】
（第３の実施形態）
図９は、本実施形態における表層形成装置の概略構成を示す側面図である。本実施形態は第２の実施形態の変形例であり、摩擦攪拌ツール２３に対し、追加の摩擦攪拌ツール３３を有している点で、第２の実施形態に係わる図７に示す構成と異なり、その他の構成要素については同様である。
【００５９】
本実施形態では、追加の摩擦攪拌ツール３３を帯状表層部材２２の略中央部に没入させるとともに境界部分２２Ａに沿って移動させる。第２の実施形態では、摩擦攪拌ツール２３を隣接する帯状表層部材２２の境界部分２２Ａを中心として摩擦攪拌を行うため、帯状表層部材２２の幅が大きいような場合は、摩擦攪拌ツール２３を用いた摩擦攪拌のみでは、帯状表層部材２２の中央部近傍に対して摩擦攪拌を十分に行うことができない場合がある。
【００６０】
しかしながら、上記のように追加の摩擦攪拌ツール３３を用いることによって、摩擦攪拌ツール２３で摩擦攪拌が行えないような帯状表層部材２２の略中央部をも十分に摩擦攪拌することができるので、上述した不利益を解消することができる。結果として、部材２１との結合強度に優れた表層を形成することができるようになる。
【００６１】
また、本実施形態でも、追加の摩擦攪拌ツール３３の境界部分２２Ａに沿った移動と、帯状表層部材２２の、部材２１の外周面２１Ａ上への巻回とを同期させることができる。これによって、帯状表層部材２２の巻回から追加の摩擦攪拌ツール３３による摩擦攪拌までのタイミングを最適な状態に保持することができ、帯状表層部材２２のたるみ等に起因して、帯状表層部材２２の中央部の摩擦攪拌が行うことができなくなるなどの不利益を防止することができる。
【００６２】
さらに、本実施形態においても、追加の摩擦攪拌ツール３３の先端部３３Ａを、帯状表層部材２２を貫通して部材２１に至るようにして没入させることができる。これによって、帯状表層部材２２のみならず、部材２１に対しても摩擦攪拌による塑性流動を生ぜしめることができ、部材２１と帯状表層部材２２との固相接合をより確実なものとすることができる。したがって、上記同様に、部材２１との結合強度に優れた表層を簡易に形成することができるようになる。
【００６３】
なお、追加の摩擦攪拌ツール３３は単独ではなく複数とすることができる。
【００６４】
（第４の実施形態）
図１０は、本実施形態における表層形成装置の概略構成を示す平面図であり、図１１は、図１０に示す表層形成装置の長さ方向における断面図である。なお、類似又は同一の構成要素に関しては、同一の参照数字を用いている。
【００６５】
本実施形態は、上記第１の実施形態の変形例に相当する。すなわち、第１の実施形態においては、部材１１が配置され、その外周面１１Ａに沿い、さらには接触するようにして管状の表層部材１２を設け、部材１１の外周面１１Ａに表層を形成するようにしているが、本実施形態では、部材１１の内周面１１Ｂに表層部材１２を設け、部材１１の内周面１１Ｂに表層を形成するようにしている。
【００６６】
図１０及び１１に示すように、表層形成装置３０の中心には、部材１１が配置され、その外周面１１Ｂに沿い、さらには接触するようにして管状の表層部材１２が設けられている。また、部材１１の内周面１１Ｂに沿って、第１の摩擦攪拌ツール１３１、第２の摩擦攪拌ツール１３２及び第３の摩擦攪拌ツール１３３が配置されている。これら摩擦攪拌ツール１３１，１３２，１３３は内部ツール駆動リング１６に接合され、この内部駆動リング１６は、図示しないモータによって、表層形成装置３０の長さ方向に延在した固定回転中心軸１８の周りに回転駆動するとともに、固定回転中心軸１８に沿って上下方向に駆動するように構成されている。また、固定回転中心軸１８は、固定治具１７を介してその外周に設けられた固定リング１５に接続されている。
【００６７】
すなわち、本実施形態では、固定リング１５に固定治具１７を介して固定された固定回転中心軸１８の周囲を、摩擦攪拌ツール１３１，１３２，１３３が取り付けられた内部ツール駆動リング１６が回転するとともに上下方向に移動することによって、表層部材１２を摩擦攪拌し、部材１１の内周面１１Ｂに表層を形成する。
【００６８】
本実施形態では、３つの摩擦攪拌ツール１３１，１３２，１３３を用いているので、表層部材１２の広い範囲に塑性流動を生ぜしめることができ、上記表層を短時間で形成することができる。なお、本実施形態においても、図２に示すように、摩擦攪拌ツール１３１，１３２，１３３を、部材１１の回転中心軸方向に垂直な面で切った場合において、互いに異なる平面レベルＳ１，Ｓ２，Ｓ３に配置するようにして、表層部材１２の広い範囲が同時に摩擦攪拌されるようになるので、上記表層の形成をより短時間で行うことができる。
【００６９】
上記方法は、ツール１３１，１３２，１３３が部材１１を１回転する間、回転中心軸方向に移動させない場合である。１回転するとツール１３１，１３２，１３３による摩擦攪拌部３周分が形成される。したがって、この方法の場合は、１回転した後、ツール１３１がツール１３３の摩擦攪拌部に接するように回転中心軸方向に移動させることになる。また、同時に複数箇所が固定されていくので、部材１１に対する表層部材１２のずれと浮上りを防止できる。
【００７０】
なお、上述したように、本実施形態は、上記第１の実施形態において、部材１１の外周面１１Ａに表層を形成する代わりに、その内周面１１Ｂに表層を形成するように装置構成を変形しているのみであるので、摩擦攪拌ツール１３１，１３２，１３３に要求されるその他の構成上の特性は、上記第１の実施形態と同様である。例えば、摩擦攪拌ツール１３１，１３２，１３３の少なくとも１つを、表層部材１２を貫通して部材１１に至るようにして没入させることができる。これによって、表層部材１２のみならず、部材１１に対しても摩擦攪拌による塑性流動を生ぜしめることができ、部材１１と表層部材１２との固相接合をより確実なものとすることができる。
【００７１】
（第５の実施形態）
図１２は、本実施形態における表層形成装置の概略構成を示す平面図であり、図１３は、図１２に示す表層形成装置の長さ方向における断面図である。なお、類似又は同一の構成要素に関しては、同一の参照数字を用いている。
【００７２】
本実施形態は、上記第２の実施形態の変形例に相当する。すなわち、第２の実施形態においては、部材２１が配置され、その外周面２１Ａ上に帯状表層部材供給装置２４から帯状の表層部材２２を供給していたが、本実施形態では、部材２１の内周面２１Ｂに帯状の表層部材２２を設け、部材２１の内周面２１Ｂに表層を形成するようにしている。
【００７３】
本実施形態では、上述したような表層形成を実現すべく、第２の実施形態に係わる表層形成装置２０と第４の実施形態に係わる表層形成装置３０とが結合したような構成を呈する。
【００７４】
具体的には、図１２及び１３に示すように、表層形成装置４０の中心には、部材２１が配置され、部材１１の内部空洞内には、内部ツール駆動リング１６が配置されている。この内部ツール駆動リング１６は、図示しないモータによって、表層形成装置３０の長さ方向に延在した固定回転中心軸１８の周りに回転駆動するとともに、固定回転中心軸１８に沿って上下方向に駆動するように構成されている。さらに、内部ツール駆動リング１６には、帯状表層部材供給装置２４及び押付ローラ２５が取り付けられてる。固定回転中心軸１８は、固定治具１７を介してその外周に設けられた固定リング１５に接続されている。
【００７５】
本実施形態では、内部ツール駆動リング１６が上方向又は下方向に移動する際（本態様では、下方に移動させている）に、部材２１の内周面２１Ｂに、帯状表層部材供給装置２４から帯状の表層部材２２を供給するとともに、内部ツール駆動リング１６を矢印の方向に回転させる。すると、帯状の表層部材２２が部材２１の内周面２１Ｂ上に巻回されるようになる。この際、第２の実施形態で説明したように、帯状表層部材供給装置２４からの帯状の表層部材２２の供給角度を調整して、帯状表層部材２２が部材２１の内周面２１Ｂ上に巻回される際に、隣接する帯状表層部材２２の端部が互いに隣接するようにする。したがって、部材２１の内周面２１Ｂ上に巻回された帯状表層部材２２は、実質的に管状の表層部材となる。
【００７６】
帯状表層部材２２が部材２１の内周面２１Ｂ上に巻回される際、内部ツール駆動リング１６に取り付けられた押付ロール２５によって、帯状表層部材供給装置２４から供給された帯状表層部材２２を部材２１の内周面２１Ｂに押し付けるようにする。これによって、帯状表層部材２２が撓むことなく、部材２１の内周面２１Ｂ上に密着した状態で巻回されるようになる。
【００７７】
そして、同じく、内部ツール駆動リング１６に取り付けられた摩擦攪拌ツール２３の先端部２３Ａを、内部ツール駆動リング１６の回転に伴って、帯状表層部材２２の隣接する境界部分２２Ａを含むようにして表層部材２２中に没入させるとともに境界部分２２Ａに沿って移動させる。この結果、特に帯状表層部材２２に対して、摩擦攪拌に起因した摩擦力による温度上昇及び回転加圧力に起因した塑性流動を生ぜしめることができ、部材２１と帯状表層部材２２との固相接合を通じて、部材２１の内周面２１Ｂ上に帯状表層部材２２からなる表層を形成することができるようになる。
【００７８】
また、本実施形態においては、摩擦攪拌ツール２３、帯状表層部材供給装置２４及び押付ローラ２５は同一の内部ツール駆動リング１６に取り付けられているため、摩擦攪拌ツール２３の境界部分２２Ａに沿った移動と、帯状表層部材２２の、部材２１の内周面２１Ｂ上への巻回とを常に同期させることができる。これによって、帯状表層部材２２の巻回から摩擦攪拌ツール２３による摩擦攪拌までのタイミングを最適な状態に保持することができ、帯状表層部材２２のたるみ等に起因して摩擦攪拌が行うことができなくなるなどの不利益を防止することができる。
【００７９】
さらに、本実施形態においても、摩擦攪拌ツール２３の先端部２３Ａを、帯状表層部材２２を貫通して部材２１に至るようにして没入させることができる。これによって、帯状表層部材２２のみならず、部材２１に対しても摩擦攪拌による塑性流動を生ぜしめることができ、部材２１と帯状表層部材２２との固相接合をより確実なものとすることができる。したがって、上記同様に、部材２１との結合強度に優れた表層を簡易に形成することができるようになる。
【００８０】
なお、摩擦攪拌ツールは単独ではなく複数とすることもできる。
【００８１】
以上、本発明を上記具体例に基づいて詳細に説明したが、本発明は上記具体例に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない限りにおいて、あらゆる変形や変更が可能である。
【００８２】
例えば、上記実施形態では、部材として円筒形の部材又は円筒形かつ管状の部材の、それぞれ外周面及び内周面に表層を形成する場合について説明したが、前記部材の形態は限定されるものではなく、円錐形や楕円形などの任意の形状とすることができる。
【符号の説明】
【００８３】
１０，２０，３０，４０  表層形成装置
１１，２１  部材
１１Ａ、２１Ａ  部材の外周面
１１Ｂ，２１Ｂ  部材の内周面
１２  表層部材
１３１  第１の摩擦攪拌ツール
１３２  第２の摩擦攪拌ツール
１３３  第３の摩擦攪拌ツール
１４  ツール駆動リング
１５  固定リング
１６  内部ツール駆動リング
１７  固定治具
１８  固定回転中心軸
２２  帯状表層部材
２２Ａ  隣接する帯状表層部材の境界部分
２３  摩擦攪拌ツール
２４  帯状表層部材供給装置
２５  押付ローラ
３３  追加の摩擦攪拌ツール
【図１】
2010172931.tif 000003
【図２】
2010172931.tif 000004
【図３】
2010172931.tif 000005
【図４】
2010172931.tif 000006
【図５】
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【図６】
2010172931.tif 000008
【図７】
2010172931.tif 000009
【図８】
2010172931.tif 000010
【図９】
2010172931.tif 000011
【図１０】
2010172931.tif 000012
【図１１】
2010172931.tif 000013
【図１２】
2010172931.tif 000014
【図１３】
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