(57)【要約】【課題】所望なエネルギ効率を得ることが可能な摩擦撹拌接合装置及び摩擦撹拌接合方法を提供する。【解決手段】摩擦撹拌接合装置１では、回転ツール２による発熱量が接合可能な所定発熱量になるよう当該回転ツール２を回転モータで回転させながら、この回転ツール２の先端側を外板同士の当接部分に押し込む。そして、押し込まれた回転ツール２の面圧が接合可能な所定面圧となるよう当該回転ツール２を押圧する。これと共に、回転ツール２を当接部分に沿って移動モータで移動させる。ここで、回転ツール２は、円柱形状を呈するショルダ部８を含んで構成され、ショルダ径Ｄは、回転モータ及び移動モータの消費電力量に基づいて設定されている。従って、ショルダ径Ｄが小さくなるに伴い消費電力量が低減する関係を利用して、所望なエネルギ効率を得ることが可能となる。【選択図】図３
2010036247.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転ツールを回転させながら当該回転ツールの先端側を金属材同士の当接部分に押し込むと共に、前記回転ツールを前記当接部分に沿って移動させることで、前記金属材同士を接合する摩擦撹拌接合装置であって、
前記回転ツールの面圧が接合可能な所定面圧となるよう前記回転ツールを押圧する押圧手段と、
前記回転ツールによる発熱量が接合可能な所定発熱量となるよう前記回転ツールを回転させる回転手段と、
前記回転ツールを前記当接部分に沿って移動させる移動手段と、を備え、
前記回転ツールは、円柱形状を呈するショルダ部を含んで構成されており、
前記ショルダ部の先端面の外径は、前記回転手段及び前記移動手段の消費電力量に基づいて設定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】
前記回転ツールは、前記ショルダ部の先端面の中心部に設けられ円柱形状を呈するプローブ部をさらに含んで構成され、
前記ショルダ部の先端面の外径は、前記プローブ部の先端面の外径に対する二乗比が下記式（１）を満たすことを特徴とする請求項１記載の摩擦撹拌接合装置。
Ｄ２／ｄ２＜６  …（１）
但し、Ｄ：ショルダ部の先端面の外径
ｄ：プローブ部の先端面の外径
【請求項３】
前記ショルダ部の先端面の外径は、前記プローブ部の先端面の外径に対する二乗比が下記式（２）を満たすことを特徴とする請求項２記載の摩擦撹拌接合装置。
Ｄ２：ｄ２＝４：１  …（２）
但し、Ｄ：ショルダ部の先端面の外径
ｄ：プローブ部の先端面の外径
【請求項４】
前記ショルダ部の先端面の外径は、１０ｍｍよりも大きく且つ１５ｍｍよりも小さいことを特徴とする請求項１〜３の何れか一項記載の摩擦撹拌接合装置。
【請求項５】
前記ショルダ部は、その先端側周縁部を面取りしてなる面取部を有し、
前記面取部は、前記ショルダ部の先端面の外径を画定することを特徴とする請求項１〜４の何れか一項記載の摩擦撹拌接合装置。
【請求項６】
請求項１〜５の何れか一項記載の摩擦撹拌接合装置を用いて金属材同士を接合することを特徴とする摩擦撹拌接合方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属材同士を接合する摩擦撹拌接合装置及び摩擦撹拌接合方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、金属材の接合方法として、摩擦撹拌接合（ＦＳＷ：Friction Stir Welding）が知られている。この摩擦撹拌接合を行う摩擦撹拌接合装置では、その回転ツールが、円柱形状を呈するショルダ部を有している（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開表平９−５０８０７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ここで、上述したような摩擦撹拌接合装置を用いて金属材同士を接合する場合、まず、回転ツールを回転手段で回転させながら、この回転ツールの先端側を金属材同士の当接部分に押し込む。このとき、回転ツールを、その発熱量が接合可能な所定発熱量となるように回転させる。そして、回転ツールの面圧が接合可能な所定面圧となるよう当該回転ツールを押圧すると共に、この回転ツールを移動手段で当接部分に沿って移動させる。これにより、回転ツールの回転で生じる摩擦熱が利用されて当接部分が塑性流動され、金属材同士が接合されることになる。
【０００４】
しかしながら、上述したような摩擦撹拌接合装置では、例えば接合する金属材の融点が高いと、場合によっては、回転手段や移動手段への負荷が大きくなり、これら回転手段及び移動手段の電力消費量が増加してしまうことがある。そのため、所望なエネルギ効率を得ることができないおそれがある。
【０００５】
そこで、本発明は、所望なエネルギ効率を得ることが可能な摩擦撹拌接合装置及び摩擦撹拌接合方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するため、本発明者らは鋭意検討を重ねた結果、ショルダ部の先端面の外径（以下、「ショルダ径」という）に関して以下の知見を得た。
【０００７】
すなわち、ショルダ径を小さくすると、ショルダ部の先端面の面積が小さくなるため、回転ツールの面圧を所定面圧に保つべく押圧される接合荷重が低下する。よって、この接合荷重の低下に応じて、移動手段及び回転手段に対する負荷が低下する。一方、ショルダ部の先端面の面積が小さくなると、摩擦による発熱量が低減するため、発熱量を所定発熱量に保つべく回転ツールの回転数が増加する。よって、この回転数の増加に応じて、回転手段に対する負荷が大きくなる。この点、本発明者らは鋭意検討を重ね、回転手段においては、回転数増加よりも接合荷重低下の寄与が大きく、そのため、ショルダ部の先端面の面積が小さくすると、結果としては負荷が低下することを見出した。つまり、ショルダ径を小さくすると、移動手段及び回転手段に対する負荷が低下し、これらの消費電力量が低減するという知見を得た。
【０００８】
そこで、本発明者らは、ショルダ径に着目すれば、所望なエネルギ効率を得ることが可能になることに想到し、本発明を完成するに至った。すなわち、本発明に係る摩擦撹拌接合装置は、回転ツールを回転させながら当該回転ツールの先端側を金属材同士の当接部分に押し込むと共に、回転ツールを当接部分に沿って移動させることで、金属材同士を接合する摩擦撹拌接合装置であって、回転ツールの面圧が接合可能な所定面圧となるよう回転ツールを押圧する押圧手段と、回転ツールによる発熱量が接合可能な所定発熱量となるよう回転ツールを回転させる回転手段と、回転ツールを当接部分に沿って移動させる移動手段と、を備え、回転ツールは、円柱形状を呈するショルダ部を含んで構成されており、ショルダ部の先端面の外径は、回転手段及び移動手段の消費電力量に基づいて設定されていることを特徴とする。
【０００９】
この摩擦撹拌接合装置によれば、ショルダ径が、回転手段及び移動手段の消費電力量（以下、単に「電力消費量」という）に基づいて設定されている。よって、ショルダ径を小さくするに伴い消費電力量が低減するという上記関係を利用して、所望なエネルギ効率を得ることが可能になる。
【００１０】
また、回転ツールは、ショルダ部の先端面の中心部に設けられ円柱形状を呈するプローブ部をさらに含んで構成され、ショルダ部の先端面の外径は、プローブ部の先端面の外径に対する二乗比が下記式（１）を満たすことが好ましい。
Ｄ２／ｄ２＜６  …（１）
但し、Ｄ：ショルダ部の先端面の外径
ｄ：プローブ部の先端面の外径
【００１１】
この場合、消費電力量を低減し、高いエネルギ効率を得ることが可能となる。これは、ショルダ径の二乗がプローブ径の二乗の６倍よりも小さいと、消費電力量が顕著に低減することが見出されるためである。
【００１２】
ここで、ショルダ部の先端面の外径は、プローブ部の先端面の外径に対する二乗比が下記式（２）を満たすことが好ましい。
Ｄ２：ｄ２＝４：１  …（２）
但し、Ｄ：ショルダ部の先端面の外径
ｄ：プローブ部の先端面の外径
【００１３】
この場合、接合不良を抑制しつつショルダ径を最小化することができる。これは、ショルダ径の二乗がプローブ径の二乗の３倍よりも小さいと、場合によっては、ショルダ部の先端面が有する機能、つまり、プローブ部によって撹拌し塑性流動させた金属材を留めるという機能を、充分に発揮し難いことから、接合不良が生じてしまうおそれがあるためである。よって、上記式（２）を満たす場合、ショルダ径を小さくするに伴い消費電力量が低減するという上記関係から、消費電力量が一層低減されることとなる。
【００１４】
また、ショルダ部の先端面の外径は、具体的には、１０ｍｍよりも大きく且つ１５ｍｍよりも小さい場合がある。
【００１５】
また、ショルダ部は、その先端側周縁部を面取りしてなる面取部を有し、面取部は、ショルダ部の先端面の外径を画定することが好ましい。この場合、ショルダ部における面取部以外の部分でもって、ショルダ部の強度低下を抑制し、回転ツールの折損を防止することができる。
【００１６】
また、本発明に係る摩擦撹拌接合方法は、上記摩擦撹拌接合装置を用いて金属材同士を接合することを特徴とする。
【００１７】
この摩擦撹拌接合方法においても、ショルダ径を小さくするに伴い消費電力量が低減するという上記関係を利用して、所望なエネルギ効率を得ることが可能になる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、所望なエネルギ効率を得ることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明において、同一又は相当要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
【００２０】
図１は、本発明の一実施形態に係る摩擦撹拌接合装置を示す概略斜視図である。図１に示すように、本実施形態の摩擦撹拌接合装置１は、互いに突き合せられた外板１０ａ，１０ｂ（金属材）同士を、その突合わせ部分（当接部分）Ｌに沿って接合するものである。なお、ここでの摩擦撹拌接合装置１は、荷重制御方式とされている。
【００２１】
外板１０ａ，１０ｂは、高融点材料である鉄鋼材料で形成された板材であり、鉄道車両等に採用されるものである。ここでは、外板１０ａ，１０ｂをオーステナイト系ステンレス鋼で形成し、その厚さを数ｍｍ程度としている。
【００２２】
この摩擦撹拌接合装置１は、回転ツール２及びツールホルダ３を備えている。回転ツール２は、突合わせ部分Ｌに押し込まれ回転されるものである。この回転ツール２は、円柱形状を呈するショルダ部８と、ショルダ部８の先端面８ａの中心部に設けられ円柱形状を呈するプローブ部９と、を含んで構成されている（詳しくは、後述）。
【００２３】
ツールホルダ３は、金属等の延性材料で形成された略円柱形状を呈している。このツールホルダ３は、その下端部に回転ツール２の上端部が差し込まれている。これにより、回転ツール２は、ツールホルダ３に把持されることとなる。
【００２４】
また、摩擦撹拌接合装置１は、回転モータ（回転手段）４、移動モータ（移動手段）５及び押圧装置（押圧手段）６を備えている。回転モータ４は、回転ツール２の軸線（いわゆる、スピンドル軸）Ｇ回りに当該回転ツール２を回転させるモータである。移動モータ５は、回転ツール２を突合わせ部分Ｌに沿って移動させるモータである。押圧装置６は、回転ツール２に対し押付力としての接合荷重を加えるものであり、例えばＺ軸シリンダが用いられている。これら回転モータ４、移動モータ５及び押圧装置６には、その動作を制御するコントローラ７が接続されている。
【００２５】
コントローラ７は、押圧装置６を制御し、押し込まれた回転ツール２の面圧が接合可能な所定面圧となるように接合荷重を制御する。また、コントローラ７は、回転モータ４を制御し、回転ツール２による発熱量が接合可能な所定発熱量となるように、回転ツール２の回転数を制御する。さらにまた、コントローラ７は、移動モータ５を制御し、回転ツール２を突合わせ部分Ｌに沿って移動させる速度（以下、「接合速度」という）を制御する。
【００２６】
以上に説明した摩擦撹拌接合装置１によって外板１０ａ，１０ｂ同士を接合する場合、まず、外板１０ａ，１０ｂを載置部１１に載置し、外板１０ａ，１０ｂの端面同士を互いに突き合わせる（図２のＳ１）。
【００２７】
続いて、回転ツール２を回転させながら、回転ツール２の先端側を外板１０ａ，１０ｂの突合わせ部分Ｌの一端に押し込む（Ｓ２）。このとき、回転ツール２の回転数は、回転ツール２による発熱量が所定発熱量（外板１０ａ，１０ｂを接合可能な発熱量）となるような回転数とされている。そして、回転ツール２を、その面圧が所定面圧（外板１０ａ，１０ｂを接合可能な面圧）となるような接合荷重でもって押圧する（Ｓ３）。
【００２８】
これにより、回転する回転ツール２と外板１０ａ，１０ｂとの間で発生する摩擦熱が利用され、塑性流動が生じる。具体的には、外板１０ａ，１０ｂが、プローブ部９によって撹拌されて回転ツール２側に溢れ出るよう流動する。これと共に、この流動した外板１０ａ，１０ｂが、ショルダ部８の先端面８ａによって留められつつさらに撹拌される。その結果、外板１０ａ，１０ｂを互いに接合する接合部Ｗが形成される。
【００２９】
そして、回転ツール２を移動方向に対し手前側に傾斜角度θ（例えば、３°）で傾斜させた状態で、突合わせ部分Ｌの他端まで当該突合わせ部分Ｌに沿って移動させる（Ｓ４）。これにより、突合わせ部分Ｌの一端から他端に至るまで、接合部Ｗが形成されることとなる。その後、回転ツール２を外板１０ａ，１０ｂから引き上げ、処理を終了する。
【００３０】
次に、上述した回転ツール２について、詳細に説明する。
【００３１】
図３は、図１の摩擦撹拌接合装置における回転ツールの先端側を示す拡大断面図である。図３に示すように、回転ツール２は、外板１０ａ，１０ｂを摩擦撹拌させるためのものとして、その先端側（図示下側）が突合せ部分Ｌに押し込まれるツールである。この回転ツール２は、上述したように、ショルダ部８とプローブ部９とを含んで構成されている。
【００３２】
ショルダ部８の先端面８ａは、流動した外板１０ａ，１０ｂを留めるために好ましいとして、中心に向かって窪むような傾斜面とされている。ショルダ部８は、その先端側周縁部の角部を面取りしてなる面取部Ｋを有している。面取部Ｋは、ショルダ部８の先端面８ａの外径（以下、「ショルダ径」という）Ｄを画定する。
【００３３】
プローブ部９は、ショルダ径Ｄより小径の円柱形状を呈し、ショルダ部８の先端面８ａに同軸に設けられている。プローブ部９の先端面９ａの外径（以下、「プローブ径」という）ｄは、プローブ部９の強度と外板１０ａ，１０ｂの板厚とに基づいて、一義的に設定されている。ここでのプローブ径ｄは、強度を重視して６ｍｍとされている。また、プローブ部９の高さは、ショルダ径Ｄに基づいて設定され、ここでは、１．３ｍｍとされている。これにより、回転ツール２を傾斜角度θで傾斜させたとき（上記Ｓ４のとき）、ショルダ部８が外板１０ａ，１０ｂに強く干渉してしまうのを防止でき、例えば回転ツール２の面圧が不均一となるのを抑制できる。
【００３４】
ところで、摩擦撹拌接合装置１においては、ショルダ径Ｄが小さくなるに伴って、ショルダ部８の先端面８ａの面積が小さくなることから、回転ツール２の面圧（先端面８ａ，９ａの面圧）を所定面圧に保つべく押圧される接合荷重が低下し、かかる接合荷重低下に応じて各モータ４，５に対する負荷が低下する。一方、ショルダ部８の先端面８ａの面積が小さくなると、摩擦による発熱量が低減するため、所定発熱量を保つべく回転ツール２の回転数が増加し、かかる回転数増加に応じて回転モータ４に対する負荷が大きくなる。
【００３５】
この点、本発明者らは鋭意検討を重ね、回転モータ２においては、回転数増加よりも接合荷重低下の寄与が大きく、そのため、先端面８ａの面積が小さくなると、結果としては負荷が低下することを見出した。すなわち、ショルダ径Ｄを小さくするに伴って、各モータ４，５に対する負荷が低下し、モータ４，５の双方の消費電力量が低減するのである。
【００３６】
図４（ａ）は回転モータの電流値と接合速度との関係の一例を示すグラフであり、図４（ｂ）は移動モータの電流値と接合速度との関係の一例を示すグラフである。各図において、Ｄ１２，Ｄ１５は、用いる回転ツール２がそれぞれ異なるデータであって、符号Ｄの後の数字がショルダ径Ｄの大きさ（ｍｍ）を意味している。Ｄ１２，Ｄ１５での各回転ツール２のプローブ径ｄは、一定（ここでは、６ｍｍ）としている。なお、Ｄ１２，Ｄ１５では、接合条件は、互いに同様なビート外観が得られる条件としている。ここでは、Ｄ１２では回転数を９００ｒｐｍとし、Ｄ１５では回転数を６００ｒｐｍとしている。
【００３７】
図４に示すように、ショルダ径Ｄを小さくすると、電流値ひいては消費電力量が低減するという関係が確認できる。具体的には、図４（ａ）に示すように、接合速度３００ｍｍ／ｍｉｎ〜６００ｍｍ／ｍｉｎの範囲において、Ｄ１５では、接合速度が大きくなるに連れて回転モータ４の電流値が急増し大きな値を示している。Ｄ１２では、接合速度によらずに小さい値を維持している。また、図４（ｂ）に示すように、移動モータ５の電流値についても、回転モータ４と同様な傾向となっている。
【００３８】
また、例えば、接合速度６００ｍｍ／ｍｉｎの場合、「Ｄ１５では、回転モータ４の電流値が５１Ａ、移動モータ５の電流値が３．８Ａ」であるのに対し、「Ｄ１２では、回転モータ４の電流値が２１Ａ、移動モータ５の電流値が２．１Ａ」となっている。つまり、ショルダ径Ｄを４／５とすると、回転モータ４の電流値が約６０％、移動モータ５の電流値が約４５％だけ低減した。これにより、ショルダ径Ｄが小さい場合、各モータ４，５の電流値が低いものとなることがわかる。
【００３９】
従って、本実施形態の回転ツール２にあっては、ショルダ径Ｄと消費電力量との上記関係に基づき高いエネルギ効率得るべく、ショルダ径Ｄを消費電力量に基づいて設定しており、ここでは、１２ｍｍに設定している。よって、本実施形態では、ショルダ径Ｄと消費電力量との上記関係を好適に利用して、所望なエネルギ効率を得ることができる。
【００４０】
なお、図４（ａ）に示すように、Ｄ１５では、接合速度が６００ｍｍ／ｍｉｎのとき、電流値が上限を超えるために限界であるのに対し、本実施形態のＤ１２では、接合速度を１５００ｍｍ／ｍｉｎとしても、電流値が所定値（ここでは、４０ｍＡ）以下とすることが可能となる。これにより、本実施形態では、接合速度を速めても各モータ４，５の消費電力量を低く維持できる。換言すると、本実施形態では、接合速度に関する消費電力量の最大値が所定値以下となるようショルダ径Ｄを設定している。その結果、最大接合速度を向上することができる。
【００４１】
また、本実施形態では、上述したように、ショルダ径Ｄが、１２ｍｍとされており、プローブ径ｄに対する二乗比が下式（１）を満たしている。これにより、消費電力量を低減し、高いエネルギ効率を得ることが可能となる。これは、図４に示すように、ショルダ径Ｄの二乗がプローブ径ｄの二乗の６倍よりも小さいＤ１２では、ショルダ径Ｄの二乗がプローブ径ｄの二乗の６倍以上のＤ１５に対し、消費電力量が顕著に低減されるためである。なお、本実施形態では、下式（１）を満たすショルダ径Ｄは、１４．７ｍｍ以下となる。
Ｄ２／ｄ２＜６  …（１）
但し、Ｄ：ショルダ径、ｄ：プローブ径
【００４２】
ここで、ショルダ径Ｄの二乗がプローブ径ｄの二乗の３倍よりも小さいと、接合不良が生じ易くなるおそれがある。これは、次の理由による。すなわち、ショルダ部８の先端面８ａは、プローブ部９により塑性流動する外板１０ａ，１０ｂを拡散しないよう留めるという機能を有する。そして、ショルダ径Ｄの二乗がプローブ径ｄの二乗の３倍よりも小さいと、かかる機能を充分に発揮され難くなると考えられるためである。
【００４３】
この点、本実施形態では、上述したように、ショルダ径Ｄが、１２ｍｍとされており、プローブ径ｄに対する二乗比が下式（２）を満たしている。つまり、本実施形態のショルダ径Ｄにあっては、接合不良を抑制しつつ最小化されている。その結果、良好な摩擦撹拌接合を実現しつつ、ショルダ径Ｄと消費電力量との上記関係（図４参照）から消費電力量を一層低減することができ、ショルダ径Ｄをエネルギ効率に関して最適化することが可能となる。よって、ランニングコストを低減できると共に、接続する一次側電源（ブレーカ等）の電気容量を抑制でき、設置コストを低減することが可能となる。
Ｄ２：ｄ２＝４：１  …（２）
但し、Ｄ：ショルダ径、ｄ：プローブ径
【００４４】
図５は、接合状態の判定結果の一例を示す表である。図５に示すように、プローブ径ｄを６ｍｍで一定とした場合において、ショルダ径Ｄが１２ｍｍのとき（Ｄ２：ｄ２＝４：１のとき）、接合状態が良好（図中の○）となった。また、ショルダ径Ｄが１２ｍｍよりも小さい１０ｍｍのとき、接合状態が斑になり不良（図中の×）となった。これにより、ショルダ径Ｄの二乗がプローブ径ｄの二乗の４倍のとき（３倍よりも大きいとき）、ショルダ径Ｄは、接合不良を抑制しつつ最小化されるのを確認することができる。なお、上式（１），（２）にてショルダ径Ｄ及びプローブ径ｄが二乗関係にあるのは、先端面８ａの上記機能がその面積に関わるためと考えられる。
【００４５】
ちなみに、本実施形態では、ショルダ径Ｄは、上式（１）及び上述したプローブ部９の機能を考慮すると、下式（３）を満たすことが好ましいといえる。つまり、ショルダ径Ｄは、１０ｍｍよりも大きく且つ１５ｍｍよりも小さいことが好ましい。より具体的には、ショルダ径Ｄは、１０．４ｍｍよりも大きく且つ１４．７ｍｍ以下となることが好ましい。
３＜Ｄ２／ｄ２＜６  …（３）
【００４６】
図６（ａ）は、回転モータにおける電流値の時間変化の一例を示すグラフであり、図６（ｂ）は、移動モータにおける電流値の時間変化の一例を示すグラフである。各図中では、接合速度をともに６００ｍｍ／ｍｉｎとしている。図６（ａ）に示すように、回転ツールを挿入後に移動開始する際、回転モータ４の電流値は、Ｄ１５では大きく増加する一方、本実施形態のＤ１２では大きな増加が見られない。これにより、本実施形態では、回転ツール２に対する負荷を低減でき、回転ツール２の折損を防止することも可能となる。
【００４７】
図７は、摩擦撹拌接合後の外板における図１のVII−VII線に沿う断面図である。図７（ａ）は、本実施形態の回転ツール２（ショルダ径１２ｍｍ）によって摩擦撹拌接合を行った外板１０ａ，１０ｂを示し、図７（ｂ）は、従来の回転ツール（ショルダ径１５ｍｍ）によって摩擦撹拌接合を行った外板１０ａ，１０ｂを示している。図７（ａ），（ｂ）に示すように、従来の回転ツールによる摩擦撹拌接合では、接合部Ｗの上面への入熱範囲が過剰であるため、角変形や接合線の歪みが大きくなる。これに対し、本実施形態の回転ツール２による摩擦撹拌接合においては、接合部Ｗの上面への入熱範囲が適正となり、良好な接合部Ｗが形成されているのがわかる。
【００４８】
また、本実施形態では、上述したように、ショルダ部８は、その先端側周縁部を面取りしてなる面取部Ｋを有し、面取部Ｋは、ショルダ径Ｄを画定している。これにより、例えばショルダ径Ｄを小径化したとしても、ショルダ部８における面取部Ｋ以外の部分の軸径を比較的大きいものに維持できる。そのため、かかる面取部Ｋ以外の部分でもって、ショルダ部８の強度低下を抑制し、回転ツール２の折損を防止することができる。さらにこの場合、面取部Ｋを設けるだけで上記効果を得られるため、汎用性が高いものといえる。
【００４９】
また、本実施形態では、上述したように、高融点材料の鉄鋼材料である外板１０ａ，１０ｂを、所望なエネルギ効率ひいては高いエネルギ効率で摩擦撹拌接合している。よって、本実施形態は、特に有効なものである。
【００５０】
図８は、押圧装置により回転ツールを押圧する圧力と接合速度との関係の一例を示すグラフである。図８に示すように、ショルダ径Ｄを小さくすると、必要な接合荷重（圧力）が小さくなることがわかる。よって、回転ツール２の剛性を下げることが可能となり、摩擦撹拌接合装置１の質量を低減することができる。
【００５１】
なお、本実施形態では、上述したように、回転ツール２のショルダ径Ｄは、上記式（２）を満たしており、接合不良の生じない範囲内での最小値となっている。よって、所定発熱量を確保するために回転ツール２の回転数が大きくなるため、プローブ部９による撹拌性を高めることができ、接合状態を一層良好とすることが可能となる。
【００５２】
ちなみに、本実施形態の回転ツール２のプローブ部９高さは、１．３ｍｍであるのに対し、従来の回転ツール（ショルダ径１５ｍｍ）のプローブ部９高さは、１．５ｍｍとなっている。つまり、本実施形態では、プローブ部９の高さを低く設定することができる。これは、ショルダ径Ｄが小さくなるのに伴って、回転ツール２の移動の際に（上記Ｓ４の際に）ショルダ部８が外板１０ａ，１０ｂに干渉し難くなるためである。その結果、プローブ部９の曲げ強度を高めることができ、長寿命化が可能となる。
【００５３】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、鉄鋼材料である外板１０ａ，１０ｂを摩擦撹拌接合したが、例えばアルミニウム合金等の非鉄金属材料を摩擦撹拌接合してもよい。
【００５４】
また、上記実施形態では、外板１０ａ，１０ｂを互いに突合せて接合（いわゆる、突合せ接合）したが、接合形態は限定されるものではなく、外板１０ａ，１０ｂを重ね合わせて接合（いわゆる、重ね合わせ接合）してもよい。
【００５５】
図９は、重ね合わせた外板を摩擦撹拌接合した結果を示す図７に対応する断面図である。図９（ａ）は、回転ツール２（ショルダ径１２ｍｍ）によって摩擦撹拌接合を行った外板１０ｃ，１０ｄを示し、図９（ｂ）は、従来の回転ツール（ショルダ径１５ｍｍ）によって摩擦撹拌接合を行った外板１０ｃ，１０ｄを示している。図９（ａ），（ｂ）に示すように、本発明は、重ね合わせ接合にも好適に適用可能であることがわかる。また、回転ツール２を重ね合わせ接合に適用した溶接部Ｗ（図９（ａ）参照）にあっては、図７に示す結果と同様に、従来の回転ツールにより形成された接合部Ｗ（図９（ｂ）参照）に比べ、その上面への入熱範囲が適正となり、接合状態が良好であるのがわかる。
【００５６】
また、上記の「４：１」、「円柱形状」、「中央部」は、略４：１、略円柱形状、略中央部をそれぞれ含んでおり、例えば寸法公差や製造上の誤差等によるばらつきを含むものである。
【００５７】
なお、本発明の接合は、当接部分に沿って連続的に接合部を形成する連続接合（通常のＦＳＷ）と、断続的に接合部を形成する断続接合（スポットＦＳＷ）と、を含むものである。よって、本発明の接合には、例えば上記の突合せ接合及び重ね合わせ接合との関係を考慮すると、突合せ連続接合、突合せ断続接合、重ね合わせ連続接合、及び重ね合わせ断続接合等を含んでいる。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明の一実施形態に係る摩擦撹拌接合装置を示す概略斜視図である。
【図２】図１の摩擦撹拌接合装置によって外板同士を接合する方法の手順を示すフローチャートである。
【図３】図１の摩擦撹拌接合装置における回転ツールの先端側を示す拡大断面図である。
【図４】（ａ）は回転モータの電流値と接合速度との関係の一例を示すグラフであり、（ｂ）は移動モータの電流値と接合速度との関係の一例を示すグラフである。
【図５】接合状態の判定結果の一例を示す表である。
【図６】（ａ）は回転モータにおける電流値の時間変化の一例を示すグラフであり、（ｂ）は移動モータにおける電流値の時間変化の一例を示すグラフである。
【図７】外板における図１のVII−VII線に沿う断面図である。
【図８】押圧装置により回転ツールに負荷する圧力と接合速度との関係の一例を示すグラフである。
【図９】重ね合わせた外板を摩擦撹拌接合した結果を示す図７に対応する断面図である。
【符号の説明】
【００５９】
１…摩擦撹拌接合装置、２…回転ツール、４…回転モータ（回転手段）、５…移動モータ（移動手段）、６…押圧装置（押圧手段）、８…ショルダ部、８ａ…先端面、９…プローブ部、９ａ…先端面、１０ａ，１０ｂ…外板（金属材）、Ｋ…面取部、Ｌ…突合せ部分（当接部分）、Ｄ…ショルダ径、ｄ…プローブ径。
【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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