(57)【要約】【課題】鉄鋼等の高融点金属材料を摩擦攪拌接合にて接合する場合において、ツ−ルの消耗を低減し長寿命化を図るとともに、複雑形状部材でも低コストで接合できるようにする。【解決手段】少なくとも２つの被接合物を突き合せ状態で設置するとともに、それらの間の突き合わせ部において凹部を形成し、前記凹部内に肉盛層を形成して充填する。次いで、前記被接合物の少なくとも前記凹部に近接した領域と前記肉盛層とを同時に摩擦攪拌し、記少なくとも２つの被接合物を接合する。【選択図】図１
2010149134.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも２つの被接合物を突き合せ状態で設置するとともに、それらの間の突き合わせ部において凹部を形成する工程と、
前記凹部内に肉盛層を形成して充填する工程と、
前記被接合物の少なくとも前記凹部に近接した領域と前記肉盛層とを同時に摩擦攪拌し、前記少なくとも２つの被接合物を接合する工程と、
を具えることを特徴とする、摩擦攪拌接合方法。
【請求項２】
それぞれの端部において肩部が形成された少なくとも２つの被接合物を突き合せ状態で設置し、それらの間の突き合わせ部において前記肩部が結合してなる凹部を形成する工程と、
前記凹部内に肉盛層を形成して充填する工程と、
前記被接合物の少なくとも前記凹部に近接した領域と前記肉盛層とを同時に摩擦攪拌し、前記少なくとも２つの被接合物を接合する工程と、
を具えることを特徴とする、摩擦攪拌接合方法。
【請求項３】
前記凹部の底部に平坦部を設けることを特徴とする、請求項１又は２に記載の摩擦攪拌接合方法。
【請求項４】
前記平坦部の幅が１ｍｍ以上５ｍｍ以下であることを特徴とする、請求項３に記載の摩擦攪拌接合方法。
【請求項５】
前記凹部の開先角度が２０〜４０°であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一に記載の摩擦攪拌接合方法。
【請求項６】
前記肉盛層は、金属溶融プロセスまたは粉体溶融プロセスを用いて形成することを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一に記載の摩擦攪拌接合方法。
【請求項７】
前記肉盛層は、前記被接合物と同じ成分系の材料からなることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一に記載の摩擦攪拌接合方法。
【請求項８】
前記肉盛層は、前記被接合物よりも硬さが低い材料からなることを特徴とする、請求項７に記載の摩擦攪拌接合方法。
【請求項９】
前記凹部の前記接合方向に垂直な面で切った場合の断面の大きさを、前記摩擦攪拌に使用するプローブの前記接合方向に垂直な面で切った場合の断面の大きさよりも小さくすることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一に記載の摩擦攪拌接合方法。
【請求項１０】
前記凹部内に肉盛層を形成して充填した後、前記被接合物の少なくとも前記凹部に近接した領域と前記肉盛層とを同時に摩擦攪拌するまでの時間を、前記摩擦攪拌の全体に亘って一定とすることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一に記載の摩擦攪拌接合方法。
【請求項１１】
前記凹部内の全体に亘る前記肉盛層の厚さを一定とすることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか一に記載の摩擦攪拌接合方法。
【請求項１２】
肉盛層形成装置と、接合方向の後方に設けられた摩擦攪拌プローブとを具え、
前記肉盛形成装置と前記摩擦攪拌プローブとの距離は一定に保持され、
前記肉盛形成装置は、摩擦攪拌の全体に亘って前記被接合物と一定の距離に保持されていることを特徴とする、摩擦攪拌接合装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、摩擦攪拌接合を用いた新規な接合方法及び接合装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
少なくとも２つの被接合物の突き合せ部、又は前記少なくとも２つの被接合物を重ね合せることによって形成した重ね合わせ部に対して、プロ−ブと呼ばれる螺旋状の突起を形成させたツ−ルを回転させながら埋設し、そのツ−ルを前記突き合せ部又は前記重ね合せ部に沿って移動させ、前記ツ−ルにより前記被接合物の前記突き合わせ部又は前記重ね合わせ部、すなわち接合部近傍を加熱し塑性流動を起こすことにより接合する摩擦攪拌接合法は、通常の被接合物を溶融させて接合する溶接法に比べて、接合時の温度を低くすることができるので、被接合物の軟化や変形および残留応力等の低減も可能である。
【０００３】
さらに、上記摩擦攪拌接合法においては、前記被接合物を溶融させないので、溶接法では有害な脆化相を形成するため接合が不可能な材料の組合せでも接合することができ、また、アルミニウムや銅のように熱膨張率、熱伝導率が大きく溶接が難しい材料でも容易に接合することができる。
【０００４】
しかしながら、現状では工業的に利用されているのはアルミニウム、マグネシウム系の低融点の金属材料のみであり、鉄鋼材料を始めとした高融点金属材料については、まだ広範囲な分野での実用化には至っていない。その主原因はツ−ルの寿命と価格であり、アルミニウムのような低融点金属の接合では安価な工具鋼製のツ−ルが適用できるが、鉄鋼材料のような高融点金属ではさらに硬さや耐熱性の高い窒化ホウ素系のツ−ルが一般的に使用されている。しかし、この窒化ホウ素系のツ−ルは工具鋼製のツ−ルに比べて著しく高価であり、かつ、寿命についても工業的に十分と言えるレベルには達していない。
【０００５】
上記摩擦攪拌接合法は、ツ−ルと被接合物との摩擦熱で被接合物を軟化させ、塑性流動を起こさせることにより接合するプロセスなので、外部の熱源から被接合材の加熱をアシストし、接合部近傍の軟化を促進させることによりツ−ルの負荷を低減し、ツ−ルの長寿命化と接合速度の高速化、低コスト化を図る方法が数多く提案されている。
【０００６】
例えば、特許文献１では、被接合物の接合部に対してレ−ザビ−ムを照射して加熱し、前記被接合物の加熱をアシストし、塑性流動を容易に発現させる方法が提案されている。また、特許文献２では、被接合物をヒ−タ−の上に設置して加熱し、前記接合部の加熱をアシストし、塑性流動を容易に発現させる方法が提案されている。さらに、特許文献３では、被接合物とツ−ルとの間に電流を流すことによって、前記被接合物の加熱をアシストし、塑性流動を容易に発現させる方法が提案されている。
【０００７】
しかしながら、特許文献２及び３に記載の方法では、接合部のみならず被接合物全体が加熱されてしまうため接合部以外も軟化する可能性が高く、前記被接合物の形態を変形させてしまう場合がある。特に、特許文献３に記載の方法では、平板の接合には適していても複雑形状物への適用は困難である。一方、特許文献１に提案されている方法は接合部近傍のみを加熱することが可能であるが、レ−ザ装置は非常に高価であるという問題点がある。
【０００８】
また、上述したいずれの方法においても、ツ−ルに対して熱的な負荷等がかかるようになってしまうため、前記ツ−ルの寿命を短縮化してしまう傾向がある。
【０００９】
このような問題に鑑みて、特許文献４では、被接合物の突き合せ部に生じるギャップに粉末接合材料を充填し、その部位を摩擦攪拌接合する方法を提案している。この方法は、前述のような外部加熱を利用する方法と異なり、攪拌時の抵抗が小さい粉末充填部を主に摩擦攪拌するため、ツ−ルの負荷を著しく低減でき長寿命化を図ることが可能である。
【００１０】
しかしながら特許文献４に記載の方法においても、大掛かりな粉末充填装置が必要であり、かつ、粉末の充填密度は幾何学的に６０％程度が限界なため、充填層中には４０％以上の空孔を内在することになり、この空孔が接合層中に欠陥として残留する可能性が高い。さらに、このような粉末充填は被接合物が平板の突き合せ形状の場合は適用できるが、複雑な形状の被接合物には適用が難しい。
【特許文献１】特開２００５−２８８４９９号
【特許文献２】特開２００７−１９０６０６号
【特許文献３】特開２００７−２６８５４３号
【特許文献４】特開２００７−２９９５５号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は上記課題を鑑みてなされたもので、鉄鋼等の高融点金属材料を摩擦攪拌接合にて接合する場合において、ツ−ルの消耗を低減し長寿命化を図るとともに、複雑形状部材でも低コストで接合できるようにすることである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成すべく、本発明の一態様は、少なくとも２つの被接合物を突き合せ状態で設置するとともに、それらの間の突き合わせ部において凹部を形成する工程と、前記凹部内に肉盛層を形成して充填する工程と、前記被接合物の少なくとも前記凹部に近接した領域と前記肉盛層とを同時に摩擦攪拌し、前記少なくとも２つの被接合物を接合する工程と、を具えることを特徴とする、摩擦攪拌接合方法に関する。
【００１３】
また、本発明の一態様は、
それぞれの端部において肩部が形成された少なくとも２つの被接合物を突き合せ状態で設置し、それらの間の突き合わせ部において前記肩部が結合してなる凹部を形成する工程と、前記凹部内に肉盛層を形成して充填する工程と、前記被接合物の少なくとも前記凹部に近接した領域と前記肉盛層とを同時に摩擦攪拌し、前記少なくとも２つの被接合物を接合する工程と、を具えることを特徴とする、摩擦攪拌接合方法に関する。
【００１４】
上記態様によれば、少なくとも２つの被接合物の突き合わせ部に凹部を形成し、この凹部内に、例えば肉盛装置ノズルを用いて肉盛層を形成するようにしている。前記肉盛層は、例えば溶融した金属が除冷されて焼き鈍しに近い状態のため十分に柔らかい。したがって、前記被接合物と前記肉盛層とを同時に摩擦攪拌することでプロ−ブの受ける摩擦攪拌抵抗を著しく低減することができる。したがって、前記プローブの消耗を低減して長寿命化を図った状態において、前記少なくとも２つの被接合物を簡易に接合することができる。
【００１５】
また、被接合物の突き合わせ部において凹部を形成し、この凹部内に肉盛層を形成すれば、摩擦攪拌による接合を良好に行うことができるので、前記被接合物が平板状である場合のみならず、複雑な形状の場合にも本態様の摩擦攪拌接合を適用することができる。
【００１６】
また、前記肉盛層を形成することによって、前記被接合物の前記肉盛層近傍の領域も加熱され軟化するようになるので、上記摩擦攪拌接合をより良好な状態で簡易に行うことができる。
【００１７】
本発明の一例においては、前記凹部の底部に平坦部を設けることが好ましい。この場合、前記凹部の接合方向に垂直な断面が逆台形状となるので、前記凹部の前記底部にまで前記肉盛層を充填するように形成することができ、前記肉盛層全体における気孔率を５％以下に抑えることができる。したがって、摩擦攪拌接合を実施した後に、得られた部材中における欠陥の量を十分に低減することができ、前記部材の機械的強度などの諸特性を劣化させることがない。
【００１８】
なお、上記の例においては、前記平坦部の幅が１ｍｍ以上５ｍｍ以下、好ましくは３ｍｍ以下である。これによって、上記凹部内への前記肉盛層の充填を良好な状態で行うことができる。但し、前記平坦部の幅が５ｍｍを超えると、前記肉盛層の充填に長時間を要し、摩擦攪拌接合に要する時間が全体として長時間化してしまう場合がある。また、１ｍｍ未満では前記肉盛層は前記凹部の底部にまで充填されず、前記肉盛層の充填が不十分となる場合がある。
【００１９】
また、本発明の一例では、前記凹部の開先角度が２０〜４０°とすることが好ましく、さらには２５〜３５°とすることが好ましい。これによって、上記凹部内への前記肉盛層の充填を良好な状態で行うことができる。前記開先角度が２０°より小さいと、前記肉盛層の特に前記底部への充填が不十分となり、前記肉盛層中での気孔率が増大してしまう場合がある。したがって、摩擦攪拌接合を実施した後に、得られた部材中における欠陥の量を十分に低減することができず、前記部材の機械的強度などの諸特性を劣化させてしまう場合がある。
【００２０】
一方、上記開先角度が４０°を超えると、前記肉盛層の充填に長時間を要し、摩擦攪拌接合に要する時間が全体として長時間化してしまう場合がある。また、前記凹部の開口表面の面積が増大し、径の大きなプローブを使用しなければならなくなるので、摩擦攪拌抵抗が大きくなり、作業性が低下することになる。
【００２１】
さらに、本発明の一例では、前記肉盛層は、金属溶融プロセスまたは粉体溶融プロセスを用いて形成する。この場合、摩擦攪拌中に肉盛層が飛散することを防止することが可能となる。さらに、前記プロセスは溶融状態の高温の金属を前記凹部内に肉盛することになるので、前記肉盛層の温度が高く非常に軟質であり、被接合物の前記肉盛層近傍の領域も加熱され軟化するようになるので、上記摩擦攪拌接合をより良好な状態で簡易に行うことができる。
【００２２】
また、本発明の一例では、前記肉盛層は、前記被接合物と同じ成分系の材料から構成する。この場合、前記肉盛層を含む摩擦攪拌接合部の機械的特性はもとより熱的、電気的特性等も被接合物と同等な値を有することが可能となる。さらに摩擦攪拌後の熱処理においても前記被接合物の成分と前記肉盛層の成分とが反応し、脆化相等の有害相の形成を抑制することができる。
【００２３】
さらに、本発明の一例では、前記肉盛層は、前記被接合物よりも硬さが低い材料から構成する。この場合、摩擦攪拌時にプロ−ブが受ける摩擦攪拌抵抗を低減でき、プロ−ブの長寿命化を測ることが可能となる。例えば被接合物が炭素鋼の場合には前記被接合物よりも若干炭素含有量の低い肉盛層が好ましく、被接合物が合金鋼の場合には合金成分中の高高度の元素を若干低めに設定して前記肉盛層を形成する。
【００２４】
この場合、前記肉盛層を含む摩擦攪拌接合部の強度低下が危惧されるが、摩擦攪拌接合法により得られる接合部は著しい加工硬化を受けており、得られた接合部材の引張試験を行っても前記接合部での破断は生じない。
【００２５】
また、本発明の一例では、前記凹部の前記接合方向に垂直な面で切った場合の断面の大きさを、前記摩擦攪拌に使用するプローブの前記接合方向に垂直な面で切った場合の断面の大きさよりも小さくする。この場合、前記肉盛層と前記被接合物との摩擦攪拌を十分に行うことができるようになり、接合強度を向上させることができるようになる。
【００２６】
また、本発明の一例では、前記凹部内に肉盛層を形成して充填した後、前記被接合物の少なくとも前記凹部に近接した領域と前記肉盛層とを同時に摩擦攪拌するまでの時間を、前記摩擦攪拌の全体に亘って一定とする。この場合、前記摩擦攪拌に供する際の前記肉盛層の温度が常に一定となり、最終的に得た接合部材の接合部における組織及び強度を安定化させることができ、前記接合部材の全体に亘って特性上の変動がなく、所望の特性の前記接合部材を安定して製造することができる。
【００２７】
さらに、本発明の一例では、前記凹部内の全体に亘る前記肉盛層の厚さを一定とする。これによって、摩擦攪拌による接合の過程において、前記肉盛層の凝固が不均一となって、前記凹部の全体に亘って前記肉盛層の密着性や緻密性が変動することなく、最終的に得た接合部材の接合部における組織及び強度を安定化させることができ、前記接合部材の全体に亘って特性上の変動がなく、所望の特性の前記接合部材を安定して製造することができる。
【００２８】
また、本発明の一態様は、肉盛層形成装置と、接合方向の後方に設けられた摩擦攪拌プローブとを具え、前記肉盛形成装置と前記摩擦攪拌プローブとの距離は一定に保持され、前記肉盛形成装置は、摩擦攪拌の全体に亘って前記被接合物と一定の距離に保持されていることを特徴とする、摩擦攪拌混合装置に関する。
【００２９】
本態様によれば、前記肉盛層形成装置と前記摩擦攪拌プローブとの距離を一定に保持しているので、上述したように、前記凹部内に肉盛層を形成して充填した後、前記被接合物の少なくとも前記凹部に近接した領域と前記肉盛層とを同時に摩擦攪拌するまでの時間を、前記摩擦攪拌の全体に亘って一定とすることができる。したがって、前記摩擦攪拌に供する際の前記肉盛層の温度が常に一定となり、最終的に得た接合部材の接合部における組織及び強度を安定化させることができるので、前記接合部材の全体に亘って特性上の変動がなく、所望の特性の前記接合部材を安定して製造することができる。
【００３０】
また、上記態様によれば、前記肉盛層形成装置を、摩擦攪拌の全体に亘って前記被接合物と一定の距離に保持しているので、上述したように、前記凹部内の全体に亘る前記肉盛層の厚さを一定とすることができる。したがって、摩擦攪拌による接合の過程において、前記肉盛層の凝固が不均一となって、前記凹部の全体に亘って前記肉盛層の密着性や緻密性が変動することなく、最終的に得た接合部材の接合部における組織及び強度を安定化させることができ、前記接合部材の全体に亘って特性上の変動がなく、所望の特性の前記接合部材を安定して製造することができる。
【発明の効果】
【００３１】
以上説明したように、本発明によれば、鉄鋼等の高融点金属材料を摩擦攪拌接合にて接合する場合において、ツ−ルの消耗を低減し長寿命化を図るとともに、複雑形状部材でも低コストで接合できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
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。
【００３３】
図１は、実施形態における摩擦攪拌混合方法を説明するための図であり、図２は、被接合物に形成した凹部の形態を示す図であり、図３は、図１に示す摩擦攪拌混合方法を用いた摩擦攪拌の状態を経時的に示す図である。また、図４及び５は、前記摩擦攪拌の際の、摩擦攪拌プローブと前記凹部との接触状態を示す図である。
【００３４】
図１に示すように、本態様における摩擦攪拌接合においては、最初に、第１の被接合物１１及び第２の被接合物１２を準備し、これら被接合物を突き合わせ状態で配置するとともに、それらの突き合わせ部において凹部１３を形成する。凹部１３は、例えば第１の被接合物１１及び第２の被接合物１２の互いに近接した部分を研削加工することによって形成することができる。但し、凹部１３の形成方法は特に限定されるものではなく、研削加工等の機械加工の他、エッチングあるいはフォトリソグラフィの技術等で形成することもできる。
【００３５】
また、凹部１３の接合方向に垂直な断面は単にＶ字型とすることもできるが、図２に示すように、凹部１３の底部に平坦部１３Ａを設け、前述のような垂直断面が逆台形状となるようにすることが好ましい。以下に説明するように、本態様の摩擦攪拌接合方法においては、凹部１３内に肉盛層を形成した後、この肉盛層及び両側に位置する被接合物１１，１２（の凹部１３内に露出した面）に対して摩擦攪拌を施して行うが、上述のように、凹部１３の底部に平坦部１３Ａを設けることによって、前記肉盛層を凹部１３の前記底部にまで十分に充填することができるようになる。
【００３６】
具体的には、凹部１３内に形成した前記肉盛層全体における気孔率を５％以下に抑えることができる。したがって、摩擦攪拌接合を実施した後に、得られた部材中における欠陥の量を十分に低減することができ、前記部材の機械的強度などの諸特性を劣化させることがない。
【００３７】
なお、図２に示すように、凹部１３の平坦部１３Ａの幅ｄが１ｍｍ以上５ｍｍ以下、好ましくは３ｍｍ以下である。これによって、凹部１３内への前記肉盛層の充填を良好な状態で行うことができる。但し、平坦部１３Ａの幅が５ｍｍを超えると、前記肉盛層の充填に長時間を要し、摩擦攪拌接合に要する時間が全体として長時間化してしまう場合がある。また、１ｍｍ未満では前記肉盛層は凹部１３の底部にまで充填されず、前記肉盛層の充填が不十分となる場合がある。
【００３８】
また、図２に示すように、凹部１３の開先角度は２０〜４０°とすることが好ましく、さらには２５〜３５°とすることが好ましい。これによって、凹部１３内への前記肉盛層の充填を良好な状態で行うことができる。前記開先角度が２０°より小さいと、前記肉盛層の特に前記底部への充填が不十分となり、前記肉盛層中での気孔率が増大してしまう場合がある。したがって、摩擦攪拌接合を実施した後に、得られた部材中における欠陥の量を十分に低減することができず、前記部材の機械的強度などの諸特性を劣化させてしまう場合がある。
【００３９】
一方、上記開先角度が４０°を超えると、前記肉盛層の充填に長時間を要し、摩擦攪拌接合に要する時間が全体として長時間化してしまう場合がある。また、凹部１３の開口表面の面積が増大し、径の大きな摩擦攪拌プローブを使用しなければならなくなるので、摩擦攪拌抵抗が大きくなり、作業性が低下することになる。
【００４０】
次に、図１及び図３〜５に関連させて、本態様における摩擦攪拌接合方法について具体的に説明する。
【００４１】
上述のようにして、第１の被接合物１１及び第２の被接合物１２を突き合わせ状態で配置するとともに、それらの突き合わせ部において凹部１３を形成した後、凹部１３内に肉盛層形成装置１５を用いて肉盛層１７を形成する。本態様では、肉盛層１７の形成、すなわち肉盛層形成装置１５は、金属溶融プロセスまたは粉体溶融プロセスを用いることが好ましい。この場合、摩擦攪拌中に肉盛層１７が飛散することを防止することが可能となる。さらに、前記プロセスは溶融状態の高温の金属を凹部１３内に肉盛することになるので、肉盛層１７の温度が高く非常に軟質であり、被接合物１１及び１２の肉盛層１７近傍の領域も加熱され軟化するようになるので、上記摩擦攪拌接合をより良好な状態で簡易に行うことができる。
【００４２】
上述した金属溶融プロセスまたは粉体溶融プロセスを用いる場合、具体的には、ア−クを用いて線状金属素材またはボタン状金属素材を溶融させるア−クメルト法、または、粉体状の金属素材を用いるプラズマ粉体肉盛法、プラズマ溶射法、高速フレ−ム溶射法、マイクロプラズマ溶接法、パルスプラズマ溶射法、デトネ−ションパルスプラズマ溶射法、コ−ルドスプレ−法等を用いることができる。
【００４３】
図１に示すように、肉盛層形成装置１５は、原料供給のためのノズル１５Ａと本体１５Ｂとを有しているので、原料となる金属又は金属粉末をノズル１５Ａから本体１５Ｂに導入した後、本体１５Ｂ内で前記原料をアークメルトしたりプラズマ加熱により溶融したりする。そして、本体１５Ｂの先端から溶融した原料を凹部１３に向けて噴射し、凹部１３内に肉盛層１７を形成する。
【００４４】
その後、後方に配置した摩擦攪拌プローブ１６を矢印Ａで示す方向に回転させると同時に矢印Ｂで示す接合方向に移動させ、凹部１３内に形成された肉盛層１７と被接合物１１及び１２（の凹部１３内に露出した面）とを摩擦攪拌して接合する。具体的には、摩擦攪拌プローブ１６の先端を凹部１３内に挿入して行う。
【００４５】
この場合、凹部１３の接合方向に垂直な面で切った場合の断面の大きさを、摩擦攪拌プローブ１６の前記接合方向に垂直な面で切った場合の断面の大きさよりも小さくすることが好ましい。これによって、肉盛層１７と被接合物１１，１２との摩擦攪拌を十分に行うことができるようになり、接合強度を向上させることができるようになる。
【００４６】
具体的には、図４に示すように、摩擦攪拌プローブ１６の先端部１６Ａの大きさを凹部１３の垂直断面の全体よりも大きくし、摩擦攪拌プローブ１６によって、肉盛層１７と被接合物１１，１２の、凹部１３に露出した側面及び底面とが摩擦攪拌を生じるようにすることもできるし、図５に示すように、摩擦攪拌プローブ１６によって、肉盛層１７と被接合物１１，１２の、凹部１３に露出した側面のみとが摩擦攪拌を生じるようにすることもできる。
【００４７】
図４に示す場合は、図５に示す場合に比較して、肉盛層１７と被接合物１１，１２との摩擦攪拌面積が増大するので、接合物の強度は増大するが、プローブ自体の摩耗が顕著になるので、プローブの寿命は減少する。
【００４８】
以上のようにして摩擦攪拌を実施した後は、被接合物１１及び１２間に接合部１９が形成される。したがって、上述した肉盛層１７の形成及び摩擦攪拌プローブ１６による摩擦攪拌を連続して行うことによって、被接合物１１及び１２間には接合部１９が順次に形成されるようになり、最終的には第１の被接合物１１及び第２の被接合物１２が接合されてなる接合部材を得ることができる。
【００４９】
また、上述した摩擦攪拌接合方法を、図３を参照して経時的に見ていくと、肉盛層形成装置１５の前方に位置する、被接合物１１及び１２のＩ−Ｉ線に沿った断面では、凹部１３内には内も形成されておらず、肉盛層形成装置１５及び摩擦攪拌プローブ１６間の、被接合物１１及び１２のII−II線に沿った断面では、凹部１３内に肉盛層１７が形成されている。また、摩擦攪拌プローブ１６の、接合方向における後方に位置する、被接合物１１及び１２のIII−III線に沿った断面では、凹部１３の該当箇所には接合部１９が形成されている。
【００５０】
なお、本態様では、肉盛層形成装置１５と摩擦攪拌プローブ１６との距離を一定に保持することが好ましい。この場合、凹部１３内に肉盛層１７を形成して充填した後、肉盛層１７と被接合物１１，１２とを同時に摩擦攪拌するまでの時間を、摩擦攪拌の全体に亘って一定とすることができる。したがって、前記摩擦攪拌に供する際の肉盛層１７と被接合物１１及び１２の温度が常に一定となり、最終的に得た接合部材の接合部１９における組織及び強度を安定化させることができるので、前記接合部材の全体に亘って特性上の変動がなく、所望の特性の前記接合部材を安定して製造することができる。
【００５１】
また、上記態様では、肉盛層形成装置１５と被接合物１１，１２との距離を一定に保持することが好ましい。これによって、摩擦攪拌による接合の全体に亘って、凹部１３内の全体に亘る肉盛層１７の厚さを一定とすることができ、密着性や緻密性を一定とすることができる。したがって、最終的に得た接合部材の接合部１９における組織及び強度を安定化させることができ、前記接合部材の全体に亘って特性上の変動がなく、所望の特性の前記接合部材を安定して製造することができる。
【００５２】
本態様では、肉盛層１７は、被接合物１１，１２と同じ成分系の材料から構成することができる。この場合、接合部１９の機械的特性はもとより熱的、電気的特性等も被接合物１１，１２と同等な値を有することが可能となる。さらに摩擦攪拌後の熱処理においても被接合物１１，１２の成分と肉盛層１７の成分とが反応し、脆化相等の有害相の形成を抑制することができる。
【００５３】
また、本態様では、肉盛層１７は、被接合物１１，１２よりも硬さが低い材料から構成することができる。この場合、摩擦攪拌時に摩擦攪拌プロ−ブ１６が受ける摩擦攪拌抵抗を低減でき、プロ−ブの長寿命化を測ることが可能となる。例えば、被接合物１１，１２が炭素鋼の場合には被接合物１１，１２よりも若干炭素含有量の低い肉盛層１７が好ましく、被接合物１１，１２が合金鋼の場合には合金成分中の高硬度の元素を若干低めに設定して肉盛層１７を形成する。
【００５４】
この場合、接合部１９の強度低下が危惧されるが、摩擦攪拌接合法により得られる接合部１９は著しい加工硬化を受けており、得られた接合部材の引張試験を行っても接合部１９での破断は生じない。
【００５５】
図６は、上記実施形態の変形例を示す図である。上記実施形態では、第１の被接合物１１及び第２の被接合物１２を突き合わせ状態で配置した後、それらの突き合わせ部において凹部１３を形成したが、本態様においては、第１の被接合物１１及び第２の被接合物１２それぞれに対して予め肩部１１Ａ及び１２Ａを形成した後、これら肩部１１Ａ及び１２Ａ同士が結合するようにして第１の被接合物１１及び第２の被接合物１２を突き合わせ、これによって、凹部１３を形成するようにしている。
【００５６】
すなわち、本態様においては、凹部１３の形成方法のみを上記実施形態と異なるようにしている。この場合においても、後の工程と上記実施形態と同様にして実施することにより、同様の作用効果を得ることができる。
【実施例】
【００５７】
（実施例１〜４及び比較例）
被接合物１１，１２としては厚さ５ｍｍの溶接構造用圧延鋼材(JIS:SM400)を用い、被接合物１１，１２の突き合せ部には底部幅２ｍｍ、深さ４.５ｍｍ、開先角度３０°の凹部１３を形成した。なお、被接合物１１，１２は、摩擦攪拌装置の、図示しないベッドにボルト等を用いて固定した。
【００５８】
次いで、図１及び５に示すようにして、被接合物１１，１２の摩擦攪拌接合を実施した。なお、肉盛層形成装置１５として高速フレ−ム溶射法(実施例１)とパルスプラズマ溶射法(実施例２)を用いて行った。溶射粉末は被接合材１１，１２と同じ組成で平均粒子径が約２２〜４４μｍのものを用いた。なお、炭素量は０．２２質量％とした。
【００５９】
摩擦攪拌プローブ１６は汎用の工具鋼製のものを用い、その先端にはネジ状加工を施した長さ４.５ｍｍの先端部１６Ａが一体化されている。摩擦攪拌接合は摩擦攪拌プロ−ブ１６を矢印Ａで示す方向に６００〜１２００ｒｐｍで回転させ、凹部１３内に形成された肉盛層１７内に挿入し、図５に示すような状態で矢印Ｂに示す方向に移動させることにより接合した。
【００６０】
摩擦攪拌プロ−ブ１６の移動速度は肉盛層１７の形成プロセスによって変える必要があり、高速フレ−ム溶射法の場合は５０ｍｍ/ｍｉｎ、パルスプラズマ法の場合は２０ｍｍ/ｍｉｎで行った。
【００６１】
次いで、炭素量が０.１９質量％(実施例３)、０.１６質量％(実施例４)の溶射粉末を作製し、高速フレ−ム溶射法で肉盛層１７を形成させながら、上記同様の条件で摩擦攪拌接合を実施した。
【００６２】
以上のようにして摩擦攪拌接合を実施して得た接合部材の、摩擦攪拌プロ−ブ１６の寿命を図７に示し、前記接合部材の引張強さを図８に示した。
【００６３】
なお、従来の摩擦攪拌接合（凹部及び肉盛層を形成しない）を用いて、上記厚さ５ｍｍの溶接構造用圧延鋼材(JIS:SM400)の被接合物１１，１２を摩擦攪拌接合した場合のデータを比較例として図７及び図８に掲載した。
【００６４】
また、図７及び８においては、前記比較例の値を基準として各実施例の値を評価した。
【００６５】
図７及び８から明らかなように、従来の摩擦攪拌接合によって得た接合部材に比較して、実施例における摩擦攪拌接合によって得た接合部材は、その引張強度がほとんど変化しないにも拘わらず、摩擦攪拌プローブの寿命を約１０倍程度まで向上していることが分かる。
【００６６】
また、実施例１と実施例２との比較では、入熱の大きい実施例１の方がプロ−ブの寿命が長くなる傾向を示し、これは摩擦攪拌時の加熱による軟化効果が大きいためと推定される。但し、図８に示す接合部材の引張試験結果において、実施例１と実施例２との比較では、入熱の大きい実施例１の方が引張強さは低下する傾向を示しており、これは引張試験片の破断位置が接合部ではなく接合部近傍の被接合材であったことから、肉盛充填層の形成時および摩擦攪拌時の加熱により被接合材の軟化が進みすぎたためと推定される。
【００６７】
さらに、図７の結果から、炭素量が０.１９％の溶射粉末を用いた実施例３、０.１６％の溶射粉末を用いた実施例４のプロ−ブ寿命は、炭素量が０.２２％の溶射粉末を用いた実施例２のプロ−ブ寿命に比べて長く、その傾向は本実施例の範囲内では最も炭素含有量が少ない実施例４の場合に顕著であった。すなわち、プロ−ブの長寿命化には肉盛層１７の硬さの低減が有効であることが判明した。一方、図４に示した接合体の引張強さには有意な差が認められず、これは本実施例の炭素量の範囲では摩擦攪拌部（肉盛層）の強度が炭素量よりも摩擦攪拌による加工硬化の影響が大きいためと考えられる。
【００６８】
（実施例５）
次に、図４及び図５に関連させて、摩擦攪拌プローブ１６によって、肉盛層１７と被接合物１１，１２の、凹部１３に露出した側面及び底面とが摩擦攪拌を生じる場合（実施例５）と、摩擦攪拌プローブ１６によって、肉盛層１７と被接合物１１，１２の、凹部１３に露出した側面のみとが摩擦攪拌を生じる場合（実施例２）との、摩擦攪拌プローブ１６の寿命及び得られた接合部材の引張強度を、それぞれ図９及び図１０に示す。
【００６９】
なお、摩擦攪拌の基本的な条件は、上記実施例２に従って実施し、上述したように、摩擦攪拌プローブ１６と肉盛層１７及び被接合物１１，１２との摩擦攪拌面積の増大によるプローブの寿命と得られた接合部材の引張強度とを比較した。また、上記実施例同様に、前記比較例の値を基準として各実施例の値を評価した。
【００７０】
図９及び１０から明らかなように、従来の摩擦攪拌接合によって得た接合部材に比較して、実施例における摩擦攪拌接合によって得た接合部材は、その引張強度はほとんど変化しないにも拘わらず、摩擦攪拌プローブの寿命は約１０〜１５倍程度まで向上していることが分かる。
【００７１】
また、実施例２及び５を比較した場合においては、摩擦攪拌プローブ１６によって、肉盛層１７と被接合物１１，１２の、凹部１３に露出した側面及び底面とが摩擦攪拌を生じる場合（実施例５）は、摩擦攪拌プローブ１６によって、肉盛層１７と被接合物１１，１２の、凹部１３に露出した側面のみとが摩擦攪拌を生じる場合（実施例２）に比較して、得られた接合部材の引張強度は増大するものの、摩擦攪拌プローブ１６の寿命は減少することが判明した。
【００７２】
したがって、摩擦攪拌接合を行う場合には、摩擦攪拌プローブの寿命を優先するか、得られた接合部材の強度を優先するかで、図４あるいは図５の態様を適宜選択することになる。
【００７３】
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。
【００７４】
例えば、上記態様では２つの被接合物を摩擦攪拌接合する場合について説明しているが、３つ以上の被接合物を摩擦攪拌接合する場合にも当然に適用することができる。この場合は、互いに隣接する２つの被接合物間で上述のような摩擦攪拌接合を実施する。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】実施形態における摩擦攪拌混合方法を説明するための図である。
【図２】被接合物に形成した凹部の形態を示す図である。
【図３】図１に示す摩擦攪拌混合方法を用いた摩擦攪拌の状態を経時的に示す図である。
【図４】摩擦攪拌の際の、摩擦攪拌プローブと前記凹部との接触状態を示す図である。
【図５】摩擦攪拌の際の、摩擦攪拌プローブと前記凹部との接触状態を示す図である。
【図６】上記実施形態の変形例における摩擦攪拌混合方法を説明するための図である。
【図７】実施例における摩擦攪拌プローブの寿命を示すグラフである。
【図８】実施例における接合部材の引張強度を示すグラフである。
【図９】実施例における摩擦攪拌プローブの寿命を示すグラフである。
【図１０】実施例における接合部材の引張強度を示すグラフである。
【符号の説明】
【００７６】
１１  第１の被接合物
１２  第２の被接合物
１３  凹部
１５  肉盛層形成装置
１６  摩擦攪拌プローブ
１７  肉盛層
１９  接合部
【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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