(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属材料の被加工材に対して摩擦加工用ツールを回転させながら押し当て、加工方向に相対移動させる加工機構を備える摩擦加工装置であって、
摩擦加工用ツールは、円柱状のツール本体を備え、被加工材に接触させるツール本体の先端面が平坦なショルダ面のみで形成され、被加工材となる薄板の板厚に対するショルダ径の比率が６．５〜１５であり、
加工機構は、ツール送り速度が５００〜９００ｍｍ／ｍｉｎに設定され、
さらに、摩擦加工により摩耗した摩擦加工用ツールにおけるショルダ面のみで形成する先端面を砥石により研削するツール再生機構を備え、
ツール再生機構は、上記摩擦加工用ツールを回転させながら砥石を回転させてツール本体の先端面を研削するように制御し、上記摩擦加工用ツールの回転トルク又は砥石の回転トルクを検出するトルク検出手段の出力値が所定の設定値に達すると再生が停止するように制御する制御手段を備える摩擦加工装置。
【請求項２】
請求項１に記載の摩擦加工装置において、
上記摩擦加工用ツールは、材質がＮｉ基２重複相金属間化合物合金からなる摩擦加工装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の摩擦加工装置において、
上記被加工材となる薄板は、板厚が１．５ｍｍ以下の鉄系材料からなる摩擦加工装置。
【請求項４】
金属材料の被加工材に対して摩擦加工用ツールを回転させながら押し当てて加工方向に相対移動させることにより、摩擦熱により被加工材を軟化させて加工する摩擦加工方法であって、
摩擦加工用ツールは、円柱状のツール本体を備え、被加工材に接触させるツール本体の先端面が平坦なショルダ面のみで形成されているものを用い、
上記摩擦加工用ツールが摩擦加工により摩耗すると該摩擦加工用ツールにおけるショルダ面のみで形成する先端面を砥石により研削して再生して用いるようにし、
上記ツール再生は、上記摩擦加工用ツールを回転させながら砥石を回転させてツール本体の先端面を研削し、該摩擦加工用ツールの回転トルク値又は砥石の回転トルク値が所定の設定値に達すると再生を停止することで行う摩擦加工方法。
【請求項５】
請求項４に記載の摩擦加工方法において、
上記摩擦加工用ツールは、さらに、被加工材となる薄板の板厚に対するショルダ径の比率が６．５〜１５のものを用い、
上記被加工材を加工するときのツール送り速度を５００〜９００ｍｍ／ｍｉｎに設定して行う摩擦加工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、金属材料の被加工材同士を突き合せて摩擦熱により軟化させて接合するために用いられる摩擦加工装置及び摩擦加工方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
上記加工法として、摩擦攪拌接合（ＦＳＷ）が知られている。摩擦攪拌接合は、金属材料の被加工材同士を突き合せて形成される接合線に沿って円柱状のツールを回転させながら押し当て、接合方向に相対移動させることにより、発生する摩擦熱により被加工材を軟化させて接合する方法である。また、上記ツールを用いて、被加工材表面の強度及び硬さ等を向上させる摩擦攪拌改質（ＦＳＰ）や、被加工材を点接合する摩擦点接合（ＦＳＪ）も行われ、これらと上記摩擦攪拌接合とを総称して摩擦攪拌加工と称される。
【０００３】
上記摩擦攪拌加工用ツールは、円柱状のツール本体と、ツール本体の先端面に形成されるショルダ面と、ショルダ面の中央に突設するプローブとを備える。そして、摩擦攪拌加工用ツールは、被加工材よりも硬さ、融点、耐摩耗性等の物性の高い材料が要求され、アルミニウム材等の低融点材料の被加工材の接合にはＳＫＤ鋼等の工具鋼が主に使用されている。一方、ステンレス等の鉄系材料の被加工材を接合する場合には、セラミックス製や超硬合金製の摩擦攪拌加工用ツールが使用されている。しかし、セラミックス製の摩擦攪拌加工用ツールは破損しやすく、超硬合金製の摩擦攪拌加工用ツールは短時間で摩耗が生じやすい等の問題がある。そこで、摩擦攪拌加工用ツールの材質として高強度で優れた高温特性を有するＮｉ基２重複相金属間化合物合金からなるものが提案されている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−２５５１７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上記摩擦攪拌加工用ツールのプローブは、被加工材同士を接合する場合に軟化した金属材料をプローブの長さ方向に流動させ、接合強度を向上させることを意図して設けられているが、プローブの加工を必要とするためツールの形状が複雑になり、製作コストが高く、また、プローブが破損すると、その摩擦攪拌加工用ツールはそれ以上使用できなくなる。また、上記プローブ深さによっては、薄板同士を接合させるＦＳＷを行う場合に接合部に開口等の欠陥を起こし易くなる等のおそれがある。
【０００６】
本発明は、上記事情に鑑み、ツール寿命が向上され、製造の手間や製造コストを抑えることができる摩擦加工装置及び摩擦加工方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る摩擦加工装置は、
金属材料の被加工材に対して摩擦加工用ツールを回転させながら押し当て、加工方向に相対移動させる加工機構を備える摩擦加工装置であって、
摩擦加工用ツールは、円柱状のツール本体を備え、被加工材に接触させるツール本体の先端面が平坦なショルダ面のみで形成され、被加工材となる薄板の板厚に対するショルダ径の比率が６．５〜１５であり、
加工機構は、ツール送り速度が５００〜９００ｍｍ／ｍｉｎに設定され、
さらに、摩擦加工により摩耗した摩擦加工用ツールにおけるショルダ面のみで形成する先端面を砥石により研削するツール再生機構を備え、
ツール再生機構は、上記摩擦加工用ツールを回転させながら砥石を回転させてツール本体の先端面を研削するように制御し、上記摩擦加工用ツールの回転トルク又は砥石の回転トルクを検出するトルク検出手段の出力値が所定の設定値に達すると再生が停止するように制御する制御手段を備える。
なお、上記被加工材となる薄板は、板厚が１．５ｍｍ以下の鉄系材料からなるのが望ましい。
【００１１】
上記摩擦加工用ツールは、円柱状のツール本体を備え、被加工材に接触させるツール本体の先端面が平坦なショルダ面のみで形成されている。これにより、ショルダ面には摩耗等し易いプローブが設けられていないので、摩擦加工用ツールの寿命が向上される。また、ショルダ面にプローブを形成する必要がないので、摩擦加工用ツールを製造する手間や製造コストを抑えることができる。また、被加工材に接触させるツール本体の先端面が平坦なショルダ面のみで形成されていることにより、被加工材を摩擦熱により軟化させて主にショルダ面の径方向に塑性変形ないし流動させて加工することができる。なお、このような加工原理によるツールを摩擦加工用ツールと呼ぶ。
これにより、プローブが無い摩擦加工用ツールによりステンレスなどの鉄系材料からなる被加工材の薄板に対しても良好な接合等を行うことができる。
【００１２】
上記摩擦加工装置において、
さらに、摩擦加工により摩耗等した摩擦加工用ツールにおけるショルダ面のみで形成する先端面を砥石により研削するツール再生機構を備え、
ツール再生機構は、上記摩擦加工用ツールを回転させながら砥石を回転させてツール本体のショルダ面を研削するように制御し、上記摩擦加工用ツールの回転トルクを検出するトルク検出手段の出力値が所定の設定値に達すると再生停止するように制御する制御手段を備える。
【００１３】
ショルダ面が摩耗することにより、ショルダ面と被加工材の接触状態が不安定になり良好な接合状態を得ることができなくなる。これに対して、上記ツール再生機構によれば、摩擦加工用ツールのショルダ面が摩耗等しても、ツール再生機構によりショルダ面を平面状態に復元して再生することができる。従って、摩耗等した摩擦加工用ツールを再生により再使用することができるので、摩擦加工用ツールの寿命が更に向上され、ツール交換頻度を少なくすることができる。特に、本摩擦加工用ツールにはプローブが無いので、上記ツール再生機構における砥石の構造も簡素に形成でき、再生が容易となる。
【００１４】
また、ツール再生時に摩擦加工用ツールの回転トルクをトルク検出部により検出して、例えばショルダ面が滑らかな平面になった時の回転トルクの値を設定値とし、回転トルクがこの設定値になった時に再生停止することで、時間の無駄がなく、削りすぎることもなく良好なツール再生を行なうことができる。
上記摩擦加工用ツールは、材質がＮｉ基２重複相金属間化合物合金であるのが好ましい。
この場合、摩擦加工用ツールは、耐熱及び耐摩耗性に優れるものとなる。従って、本摩擦加工用ツールは、被加工材の加工時に摩擦熱による高温下でも必要な硬さを発揮し、プローブが無くてもステンレスなどの鉄系材料からなる被加工材に対しても良好な接合等を行うことができる。
【００１５】
一方、本発明に係る摩擦加工方法は、
金属材料の被加工材に対して摩擦加工用ツールを回転させながら押し当てて加工方向に相対移動させることにより、摩擦熱により被加工材を軟化させて加工する摩擦加工方法であって、
摩擦加工用ツールは、円柱状のツール本体を備え、被加工材に接触させるツール本体の先端面が平坦なショルダ面のみで形成されているものを用い、
上記摩擦加工用ツールが摩擦加工により摩耗すると該摩擦加工用ツールにおけるショルダ面のみで形成する先端面を砥石により研削して再生して用いるようにし、
上記ツール再生は、上記摩擦加工用ツールを回転させながら砥石を回転させてツール本体の先端面を研削し、該摩擦加工用ツールの回転トルク値又は砥石の回転トルク値が所定の設定値に達すると再生を停止することで行う。
上記摩擦加工用ツールは、さらに、被加工材となる薄板の板厚に対するショルダ径の比率が６．５〜１５のものを用い、
上記被加工材を加工するときのツール送り速度を５００〜９００ｍｍ／ｍｉｎに設定して行うのが望ましい。
これにより、上述した摩擦加工装置と同様の作用効果が発揮される。
【発明の効果】
【００１６】
以上のように、本発明によれば、摩擦加工用ツールのツール寿命が向上され、製造の手間や製造コストを抑えることができる。しかも、プローブが無くてもステンレスなどの鉄系材料等からなる被加工材の薄板等に対しても良好な接合等を可能とする。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】実施形態による摩擦加工用ツールを示す図であり、同図（Ａ）はツールの斜視図であり、同図（Ｂ）はその側面図である。
【図２】摩擦攪拌接合装置の全体構成を示す斜視図である。
【図３】摩擦攪拌接合装置のツール再生機構としてのツール研削装置の部分を拡大した断面図である。
【図４】ワーク加工操作位置とツール再生操作位置との関係を示す模式図である。
【図５】実施例１の摩擦接合により得られた薄板の接合部を表側から撮影した写真である。
【図６】実施例２の摩擦接合により得られた薄板の接合部を表側から撮影した写真である。
【図７】実施例３の摩擦接合により得られた薄板の接合部を表側から撮影した写真である。
【図８】実施例４の摩擦接合により得られた薄板の接合部を表側から撮影した写真である。
【図９】実施例５の摩擦接合により得られた薄板の接合部を表側から撮影した写真である。
【図１０】実施例６の摩擦接合により得られた薄板の接合部を表側から撮影した写真である。
【図１１】実施例７の摩擦接合により得られた薄板の接合部を表側から撮影した写真である。
【図１２】実施例８の摩擦接合により得られた薄板の接合部を表側から撮影した写真である。
【図１３】実施例９の摩擦接合により得られた薄板の接合部を表側から撮影した写真である。
【図１４】実施例１０の摩擦接合により得られた薄板の接合部を表側から撮影した写真である。
【図１５】実施例１１の摩擦接合により得られた薄板の接合部を表側から撮影した写真である。
【図１６】実施例１２の摩擦接合により得られた薄板の接合部を表側から撮影した写真である。
【図１７】実施例１３の摩擦接合により得られた薄板の接合部を表側から撮影した写真である。
【図１８】参考例の摩擦攪拌接合により得られた薄板の接合部を表側から撮影した写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
（摩擦加工用ツール）
摩擦加工用ツールは、金属材料の被加工材に対して回転させながら押し当てて発生する摩擦熱により被加工材を軟化させて、主にショルダ面の径方向に塑性変形ないし流動させて加工するためのツールである。摩擦加工用ツール（以下、適宜「ツール」と呼ぶ。）は、Ｎｉ基２重複相金属間化合物合金からなり、円柱状のツール本体を備え、被加工材に当接させるツール本体の先端面が平坦なショルダ面のみで形成されている。なお、ツールは、背景技術で述べた摩擦攪拌接合（ＦＳＷ）、摩擦攪拌改質（ＦＳＰ）、摩擦点接合（ＦＳＪ）等に用いる場合を摩擦攪拌加工用ツールと呼ぶことができる。
【００１９】
すなわち、図１に示すように、ツール２０は、円柱状のツール本体２１と、ツール本体２１の基端側にフランジ２３を介して形成する六角柱状の取付部２４とを有する。この取付部２４を摩擦加工装置のツールホルダー３に着脱自在に固定して、ツール本体２１を被加工材に押し当てる。このツール２０は、被加工材に押し当てるツール本体２１の先端面が平坦なショルダ面２２のみで形成されており、ショルダ面２２には従来のような突起状のプローブが無い。従って、平坦なショルダ面２２は、被加工材として例えば板材同士の端部を突き合せた接合線上に対して回転させながら圧接させて摩擦接合を行なう。なお、ショルダ面２２は、その母線がツール本体２１の軸線に垂直な平面のみならず、母線がやや凸又はやや凹の曲面となっていてもよい。そして、ツール２０のショルダ径（ショルダ面２２の直径）は、被加工材となる薄板の板厚に対するショルダ径の比率が６．５〜１５となるように設定される。例えば、薄板の板厚が１．５ｍｍ以下である場合、ツールのショルダ径は、８〜１４ｍｍに設定される。
【００２０】
ツール２０は、被加工材がアルミニウム合金等に比べて高融点材料の鉄系合金等であっても確実に接合を行なえるようにするために、Ｎｉ基２重複相金属間化合物合金により形成される。このＮｉ基２重複相金属間化合物合金として、Ｎｉ基２重複相金属間化合物を有する合金であれば、限定されない。
【００２１】
Ｎｉ基２重複相金属間化合物合金として、例えば、Ｎｉ３Ａｌ（Ｌ１２）−Ｎｉ３Ｔｉ（Ｄ０２４）−Ｎｉ３Ｖ（Ｄ０２２）系金属間化合物合金（国際公開ＷＯ２００６／１０１１２１２号パンフレットを参照）や、Ｎｉ３Ａｌ（Ｌ１２）−Ｎｉ３Ｎｂ（Ｄ０ａ）−Ｎｉ３Ｖ（Ｄ０２２）系金属間化合物合金（国際公開ＷＯ２００７／０８６１８５号パンフレットを参照）などが知られている。
【００２２】
上記Ｎｉ３Ａｌ（Ｌ１２）−Ｎｉ３Ｔｉ（Ｄ０２４）−Ｎｉ３Ｖ（Ｄ０２２）系相金属間化合物合金として、具体的には、Ａｌ：５原子％より大で１３原子％以下、Ｖ：９．５原子％以上で１７．５原子％より小、Ｔｉ：０原子％以上で３．５原子％以下、Ｂ：０重量ｐｐｍ以上で１０００重量ｐｐｍ以下、残部は不純物を除きＮｉからなり、かつ初析Ｌ１2相と（Ｌ１2＋Ｄ０22）共析組織との２重複相組織を有するＮｉ３Ａｌ基金属間化合物が挙げられる。
【００２３】
この金属間化合物は、Ａｌ：５原子％より大で１３原子％以下、Ｖ：９．５原子％以上で１７．５原子％より小、Ｔｉ：０原子％以上で３．５原子％以下、Ｂ：０重量ｐｐｍ以上で１０００重量ｐｐｍ以下、残部は不純物を除きＮｉからなる合金材に対して、初析Ｌ１2相とＡｌ相とが共存する温度で第１熱処理を行い、その後Ｌ１2相とＤ０22相とが共存する温度に冷却するか、当該Ｌ１2相とＤ０22相とが共存する温度で第２熱処理を行うことによって、Ａｌ相を（Ｌ１2＋Ｄ０22）共析組織に変化させて２重複相組織を形成する工程を備える方法によって製造することができる。もしくは、上記組成の合金を高温のＡ１単相領域から徐冷することによって２重複相組織を形成する工程を備える方法によっても製造することができる。
【００２４】
また、上記Ｎｉ３Ａｌ（Ｌ１２）−Ｎｉ３Ｎｂ（Ｄ０ａ）−Ｎｉ３Ｖ（Ｄ０２２）系金属間化合物合金として、具体的には、Ａｌ：５原子％より大で１３原子％以下、Ｖ：９．５原子％以上で１７．５原子％より小、Ｎｂ：０原子％以上で５原子％以下、Ｂ：５０重量ｐｐｍ以上１０００重量ｐｐｍ以下、残部は不純物を除きＮｉからなり、初析Ｌ１2相と（Ｌ１2＋Ｄ０22）共析組織との２重複相組織を有するＮｉ３Ａｌ基金属間化合物が挙げられる。
【００２５】
この金属間化合物は、Ａｌ：５原子％より大で１３原子％以下、Ｖ：９．５原子％以上で１７．５原子％より小、Ｎｂ：０原子％以上で５原子％以下、Ｂ：５０重量ｐｐｍ以上で１０００重量ｐｐｍ以下、残部は不純物を除きＮｉからなる合金材に対して、初析Ｌ１2相とＡｌ相とが共存する温度、又は初析Ｌ１２相とＡｌ相とＤ０ａが共存する温度で第１熱処理を行い、その後、Ｌ１２相とＤ０22相とが共存する温度に冷却するか、その温度で第２熱処理を行うことによって、Ａｌ相を（Ｌ１2＋Ｄ０22）共析組織に変化させて２重複相組織を形成する工程によって製造することができる。もしくは、上記組成の合金を高温のＡ１単相領域から徐冷することによって２重複相組織を形成する工程を備える方法によっても製造することができる。
【００２６】
そして、ツール２０の材質には、Ｎｉを主成分とし且つＡｌ：２〜９原子％、Ｖ：１０〜１７原子％、Ｔａ及び／又はＷ：０．５〜８原子％、Ｎｂ：０〜６原子％、Ｃｏ：０〜６原子％、Ｃｒ：０〜６原子％を含む合計１００原子％の組成の合計重量に対してＢ：１０〜１０００重量ｐｐｍを含み且つ初析Ｌ１2相と（Ｌ１2＋Ｄ０22）共析組織とからなる２重複相組織を有するＮｉ基２重複相金属間化合物合金が、耐熱及び耐摩耗性に優れる点で好ましい。なお、本明細書において、上記「〜」は、上限値、下限値をそれぞれ含む。
Ｔａ及び／又はＷが０．５〜８原子％含むことにより硬さの向上効果が得られる。
Ｎｂ、Ｃｏ、Ｃｒは、任意成分であるが、Ｎｂは、２重複相組織の強度向上のために添加され、また、Ｃｏ、Ｃｒは、耐酸化性向上のために添加される。
Ｂは、得られる合金の延性向上のために添加される。
また、初析Ｌ１2相と（Ｌ１2＋Ｄ０22）共析組織とからなる２重複相組織を有することにより、金属間化合物合金は引張強度などの機械的特性や耐クリープ特性に優れるものとなる。
【００２７】
また、ツール２０の材質には、Ｎｉを主成分とし且つＡｌ：５．５〜１３原子％、Ｖ：１０〜１７原子％、Ｎｂ：０〜６原子％、Ｔｉ：０〜６原子％、Ｃｏ：０〜６原子％、Ｃｒ：０〜６原子％を含む合計１００原子％の組成の合計重量に対してＢ：１０〜１０００重量ｐｐｍを含み且つ初析Ｌ１2相と（Ｌ１2＋Ｄ０22）共析組織とからなる２重複相組織を有するＮｉ基２重複相金属間化合物合金も、上記のものと同様に、耐熱及び耐摩耗性に優れる点で好ましい。
【００２８】
ツール２０の製造は、溶解・鋳造法、鋳造材を熱間鍛造等の塑性加工、粉末冶金法等にて賦形してもよい。例えば、Ｎｉ基２重複相金属間化合物合金のツールの製造は、種々の製造方法にて行うことができ、所定の組成になるように所定の元素の地金（それぞれ純度９９．９重量％以上）とＢを秤量したものを真空誘導溶解法やアーク溶解法等によって溶解、鋳造することによって鋳塊を作製する。この鋳塊から放電加工、切削加工、研削加工、研磨加工等を適宜用いて所定の形状に加工することによりツールを製造する。
【００２９】
以上のツール２０によれば、被加工材に接触させるツール本体２１の先端面が平坦なショルダ面２２のみで形成されていることにより、被加工材を摩擦熱により軟化させて主にショルダ面２２の径方向に塑性変形ないし流動させて加工することができる。ツール２０のショルダ面２２が平坦に形成されており、ショルダ面２２には摩耗、破損等し易いプローブが設けられていないので、ツール２０の寿命が向上される。また、ショルダ面２２にプローブを形成する必要がないので、ツール２０を製造する手間や製造コストを抑えることができる。さらに、ツール２０がＮｉ基２重複相金属間化合物合金からなるので、耐熱及び耐摩耗性に優れる。従って、本摩擦加工用ツール２０は、被加工材の加工時に摩擦熱による高温下でも必要な硬さ（例えば、８００℃ではビッカース硬さが４００以上）を発揮し、プローブが無くてもステンレスなどの鉄系材料からなる被加工材に対しても良好な接合等を行うことができる。特に、被加工材として板厚が１．５ｍｍ以下の薄板の突き合わせを接合するのに好適である。また、ツール２０のショルダ面２２はプローブが無く平坦に形成されるので、後述するツール再生機構５においても、摩耗等したツール２０のショルダ面２２を研削する砥石５１の外周面形状も平坦面とすることができ、製造容易な簡単な形状にすることができる。
【００３０】
（摩擦加工装置）
次に、摩擦加工装置の一実施形態として、被加工材となる板材（ワーク）の端面を突き合わせて摩擦接合するための摩擦攪拌接合装置を説明する。図２に示すように、摩擦攪拌接合装置１は、ワークＷ１，Ｗ２を配置するための基台７上に、ワークＷ１，Ｗ２に対して摩擦接合を行う加工機構２を備える。
【００３１】
基台７上には、２枚の平板状のワークＷ１及びワークＷ２が配される裏当て冶具４が設けられ、裏当て冶具４の上に配置されたワークＷ１及びワークＷ２は、裏当て冶具４に設けたワーク押さえ６によりワークＷ１及びワークＷ２を突き合せた接合線Ｌが裏当て冶具４の中央に位置するように固定される。裏当て冶具４は、ワークＷ１，Ｗ２が鉄系合金等の高融点材料の場合には窒化珪素などのセラミックス等が使用されることが好ましいが、これらに限定されるものではない。また、裏当て冶具４は、熱伝導率の小さい材料で形成される平板部材や棒状部材等で構成してもよい。
【００３２】
加工機構２は、ツール２０を保持するツール保持部３０と、ツール２０を回転させる回転用モータ２３と、ツール保持部３０を昇降させる昇降用モータ８５と、ツール保持部３０を横方向に移動させる直動機構８４とを備える。ツール保持部３０は、下部にツール２０を着脱自在に取り付けるツールホルダー３を備える。ツールホルダー３は、ツール回転用モータ３２と連結されており、このツール回転用モータ３２の駆動によりツールホルダー３とともにツール２０が回転される。ツール保持部３０は、スライダー８０に対して昇降自在に取り付けられており、スライダー８０に設ける昇降用モータ８５によって基台７に対して上下に移動自在にされ、これにより、ワークＷ１，Ｗ２に対するツール高さが調節される。また、ツール保持部３０は、スライダー８０に対して回動自在に取り付けられ、ツール２０を所定の前進角θ（図４参照）に設定できるようになっている。スライダー８０は、一対のガイドレール８１、ボールネジ８２及び送り用モータ８３を備える直動機構８４における一対のガイドレール８１、ボールネジ８２に取り付けられており、送り用モータ８３の駆動により基台７に平行に移動自在となっている。
【００３３】
そして、ワークＷ１，Ｗ２を接合する際、高速回転（例えば、５００ｒｐｍ〜２０００ｒｐｍ程度）させたツール２０を、ワークＷ１及びワークＷ２の接合線Ｌの一端に押し付ける。すると、発生する摩擦熱により接合線Ｌ周辺のワークＷ１，Ｗ２が軟化する。そして、ツール２０を接合線Ｌの他端に向かって移動させると、回転による摩擦熱で接合線Ｌ周辺のワークＷ１，Ｗ２が連続的に軟化して主にショルダ面２２の径方向に塑性変形ないし流動して、ワークＷ１，Ｗ２の接合線Ｌ付近が摩擦接合される。
【００３４】
本実施形態では、プローブを有しないツール２０の平坦なショルダ面２２を板材の突き合せ部である接合線Ｌ上の表面に圧接させるだけで摩擦接合を行なうため、接合する板材の裏面まで摩擦熱を十分到達させる必要があり、被加工材となる板材が薄板であるこことが好ましい。従って、被加工材としての板材（ワークＷ１，Ｗ２）が鉄系材料からなる薄板であって、板厚が１．５ｍｍ以下のものを接合するのに好適に使用される。なお、薄板の板厚が１．５ｍｍを超えても、薄板の裏面に配置する裏当て冶具４として、薄板の裏面側からの放熱を遮断できる熱伝導率の小さい材質（例えば、Ｓｉ３Ｎ４）とすることにより良好な接合を行うことが可能である。この裏当て冶具４は、熱伝導率が小さいほど、薄板に当接されているツール２０のショルダ面２２からの薄板の軟化する深さが増加し、その結果、良好な接合が得られる。
【００３５】
そして、この摩擦攪拌接合装置１に用いられるツール２０は、被加工材としての薄板の板厚に対するショルダ径の比率が６．５以上１５以下の範囲となる大きさに設定されるのが好ましい。さらに、摩擦攪拌接合装置での摩擦接合条件は、ツール２０の送り速度が５００ｍｍ／ｍｉｎ以上９００ｍｍ／ｍｉｎ以下で加工を行なうように設定されるのが好ましい。また、ツール２０の回転数は、ツールが被加工材に圧接されたとき、摩擦熱により約８００〜約１０００℃程度に発熱する回転数とすることができる。例えば、ツール２０の回転数は、７００ｒｐｍ以上１８００ｒｐｍ以下の範囲に設定されるのが好ましい。さらに、ツール２０の前進角θ（図４参照）は、例えば、２度以上５度以下の範囲で設定されるのが好ましい。
【００３６】
以上の条件設定により、プローブが無い摩擦加工用ツール２０により、被加工材としてステンレスなどの鉄系材料からなる薄板（Ｗ１，Ｗ２）の突き合わせ部に対しても良好な接合を行うことができる。また、ツール２０は、従来のように被加工材の突合せ部の端面間にプローブを挿入する必要がないので、ツール２０の深さ方向の位置を高い精度で制御する必要がなくなる。
【００３７】
（ツール再生機構）
また、摩擦攪拌接合装置１は、ツール２０を再生させるツール再生機構としてのツール研削装置５を備えている。ツール研削装置５は、被加工材の加工により摩耗等したツール２０のショルダ面２２を研削して元の平面形状に復元し再生するためのものであり、裏当て冶具４に隣接して基台７上の一方側に配置されている（図２参照）。そして、図３に示すように、ツール研削装置５は、円板状の砥石支持板５２の外周に形成した砥石５１と、砥石支持板５２に取り付けられた回転軸５８に接続されて砥石５１を回転させる砥石回転用モータ５３とを備える。砥石５１としては、ツール２０の研削が円滑に行えるようにダイヤモンド砥石等を使用することが好ましいが、これに限定されるものではなく、例えば、ボラゾンのような立方晶窒化ホウ素（ＣＢＮ）等によるものでも良い。また、砥石５１は、ツール２０及び砥石５１から発生する研削クズ等が外部に飛散されないようにするため、カバー５４により覆われており、このカバー５４には、ツール２０を配置させるツール挿入口５６が上面に設けられるとともに、研削クズ等を排出させる排出口５７が下面に設けられている。
【００３８】
そして、図３を参照して、ツール２０の再生の際は、摩耗等したツール２０を回転させながらツール研削装置５の上方に移動させて先端のショルダ面２２を、回転している砥石５１に当接させて研削する。これにより、ツール２０のショルダ面２２が元の平坦な状態に再生される。
【００３９】
また、図４を参照して、ワークＷ１，Ｗ２の接合線Ｌが伸びる方向と砥石５１の回転方向が一致するようにツール研削装置５を基台７上に配設することにより、ツール２０に前進角θを保持させた状態のままでも砥石５１により研削できるので、ツール２０の再生操作を容易にすることができる。
【００４０】
上記再生操作の際、砥石５１の周速は、ＣＢＮ（立法晶窒化硼素）やダイヤモンド砥石の場合は５〜８０ｍ／ｓｅｃ程度に設定されるが、これらには限られない。これにより、ツール２０を回転させながら砥石５１を回転させて研削するに際して、ツール２０を欠損等させることなく円滑に研削することができる。また、この再生時のツール２０の回転数は、砥石５１の種類や砥石５１の周速等を考慮して研削に最適な回転数が設定される。通常は、比較的遅い回転数とされ、例えば、ツール２０の回転数は、１００ｒｐｍ前後程度に設定されるのが好ましいが、これに限定されない。
【００４１】
なお、このツール２０の研削時には、砥石５１周辺に冷風及び／又はミストを供給するようにしてもよい。これにより、ツール研削時に冷風及び／又はミストを供給することで、砥石５１の研削面の粗さを細かくし、滑らかに且つ効率的にツール２０を研削することができる。
【００４２】
以上の再生操作により、ツール２０のショルダ面２２が摩耗等しても、ツール研削装置５によりショルダ面２２を平面状態に復元して再生することができる。従って、摩耗等したツール２０を再生により再使用することができるので、ツール２０の寿命が更に向上され、ツール交換頻度を少なくすることができる。特に、本摩擦加工用ツール２０にはプローブが無いので、砥石５１の構造も簡素に形成でき、再生が容易となる。
【００４３】
さらに、ツール２０を回転させるツール回転用モータ３２には、図示していないが、ツール２０の回転トルクを検出するトルク検出部（図示せず）が接続されており、このトルク検出部は、ツール２０を砥石５１により研削している最中もツール２０の回転トルクを検出するようになっている。そして、ツール研削中にトルク検出部で検出した回転トルクが所定の設定値に達すると研削加工を停止するように制御する制御手段（図示せず）が摩擦攪拌接合装置１に設けられている。研削加工を停止する回転トルクとしての設定値は、ツール２０のショルダ面２２が摩擦接合により摩耗等して平面平滑性が無くなった状態で研削されている時の回転トルクよりも研削により平滑になった時の回転トルクが小さくなるので、回転トルクが減少して所定時間一定値を維持すると研削加工を停止するようになっている。
【００４４】
これにより、ツール再生時にツール２０の回転トルクをトルク検出部により検出して、例えばショルダ面２２が滑らかな平面になった時の回転トルクの値を設定値とし、回転トルクがこの設定値になった時に再生停止することで、時間の無駄がなく、削りすぎることもなく良好なツール再生を行なうことができる。
【００４５】
なお、本発明は上記実施形態のみに限定されず、本発明の範囲で種々の変更を施すことが可能である。例えば、上記トルク検出部は、ツール回転用モータ３２の回転トルクを検出するが、砥石回転用モータ５３の回転トルクを検出するようにしてもよい。
【実施例】
【００４６】
摩擦加工用ツールとして、プローブの無いものでも良好な摩擦接合が行えることを確かめるため、以下の実施例を行った。
【００４７】
（実施例１）
摩擦加工用ツールは、ショルダ径が１０ｍｍで、図１に示すようにショルダ面が平坦な平面に形成されてプローブを有しないものを用い、図２に示した摩擦攪拌接合装置により、板厚が１．０ｍｍのＳＵＳ４３０からなる２枚の薄板（被加工材）を突き合わせて摩擦接合を行った。
摩擦加工用ツールの材質は、Ｎｉが７５原子％、Ａｌが７原子％、Ｖが１３原子％、Ｔａが５原子％を含む合計１００原子％の組成の合計重量に対してＢが５０重量ｐｐｍを含み且つ初析Ｌ１2相と（Ｌ１2＋Ｄ０22）共析組織とからなる２重複相組織を有するＮｉ基２重複相金属間化合物合金である。
薄板の裏当て冶具は、図２に示す摩擦攪拌接合装置では、板状のものを使用するが、実施例１では、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）製からなり、３０×３０ｍｍ角、長さ１００ｍｍの角材を接合方向に３本並べて使用した。
摩擦接合条件は、ツールを、前進角３度、ツール回転数１５００ｒｐｍで回転させながら上記被加工材としての２枚の薄板の接合線上に押し付け、摩擦熱によりツールがオレンジ色に発光した後、ツール送り速度９００ｍｍ／ｍｉｎで直線状に２５０ｍｍ移動させるように設定し、２枚の薄板を突き合わせた接合線を摩擦接合した。なお、加工時のツールへの負荷は約０．７ｔｏｎに設定した。
そして、接合後、薄板の接合部における施工状態は図５の写真に示す。
【００４８】
（引張試験）
次いで、上記薄板の突き合せ接合した接合部の強度を調べるために、接合部の接合方向に対して直交する向きに切り出して試験片を作製し、ＪＩＳＺ ２２４１「金属材料引張試験方法」に準じて引張試験を行った。試験片は、ＪＩＳＺ ２２０１  ５号試験片の形状に準じ、幅２５ｍｍ、平行部長さ５０ｍｍとした。また、測定時のクロスヘッド速度は２０ｍｍ／ｍｉｎとした。
【００４９】
（実施例２）
実施例２では、摩擦加工用ツールはショルダ径が１２ｍｍとしたものを用いた以外は、実施例１と同様にして摩擦接合を行い、試験片を作製して引張試験を行った。
そして、実施例２について、接合後、薄板の接合部における施工状態は図６の写真に示す。
【００５０】
（実施例３）
実施例３では、摩擦加工用ツールはショルダ径が１４ｍｍとしたものを用い、また、摩擦接合条件はツール送り速度７００ｍｍ／ｍｉｎとしたこと以外は、実施例１と同様にして摩擦接合を行い、試験片を作製して引張試験を行った。
そして、実施例３について、接合後、薄板の接合部における施工状態は図７の写真に示す。
【００５１】
（実施例４）
実施例４では、摩擦加工用ツールはショルダ径が１２ｍｍとしたものを用い、また、被加工材としての薄板は板厚が０．８ｍｍのものとし、さらに、摩擦接合条件はツール送り速度５５０ｍｍ／ｍｉｎとしたこと以外は、実施例１と同様にして摩擦接合を行い、試験片を作製して引張試験を行った。
そして、実施例４について、接合後、薄板の接合部における施工状態は図８の写真に示す。
【００５２】
（実施例５）
実施例５では、摩擦接合条件はツール送り速度６５０ｍｍ／ｍｉｎとしたこと以外は、実施例４と同様にして摩擦接合を行い、試験片を作製して引張試験を行った。
そして、実施例５について、接合後、薄板の接合部における施工状態は図９の写真に示す。
【００５３】
（実施例６）
実施例６では、摩擦加工用ツールはショルダ径が８ｍｍとしたものを用いたこと以外は、実施例１と同様にして摩擦接合を行い、試験片を作製して引張試験を行った。
そして、実施例６について、接合後、薄板の接合部における施工状態は図１０の写真に示す。
【００５４】
（実施例７）
実施例７では、摩擦接合条件はツール送り速度７００ｍｍ／ｍｉｎとしたこと以外は、実施例６と同様にして摩擦接合を行い、試験片を作製して引張試験を行った。
そして、実施例７について、接合後、薄板の接合部における施工状態は図１１の写真に示す。
【００５５】
（実施例８）
実施例８では、摩擦接合条件はツール送り速度５００ｍｍ／ｍｉｎとしたこと以外は、実施例６と同様にして摩擦接合を行い、試験片を作製して引張試験を行った。
そして、実施例８について、接合後、薄板の接合部における施工状態は図１２の写真に示す。
【００５６】
（実施例９）
実施例９では、被加工材としての薄板は板厚が１．５ｍｍのものとし、また、摩擦接合条件はツール送り速度７００ｍｍ／ｍｉｎとしたこと以外は、実施例１と同様にして摩擦接合を行い、試験片を作製して引張試験を行った。
そして、実施例９について、接合後、薄板の接合部における施工状態は図１３の写真に示す。
【００５７】
（実施例１０）
実施例１０では、摩擦接合条件はツール送り速度５００ｍｍ／ｍｉｎとしたこと以外は、実施例９と同様にして摩擦接合を行い、試験片を作製して引張試験を行った。
そして、実施例１０について、接合後、薄板の接合部における施工状態は図１４の写真に示す。
【００５８】
（実施例１１）
実施例１１では、被加工材としての薄板は板厚が０．８ｍｍのものとし、また、摩擦接合条件はツール回転数が１０００ｒｐｍ、ツール送り速度５００ｍｍ／ｍｉｎとしたこと以外は、実施例１と同様にして摩擦接合を行い、試験片を作製して引張試験を行った。
そして、実施例１１について、接合後、薄板の接合部における施工状態は図１５の写真に示す。
【００５９】
（実施例１２）
実施例１２では、摩擦加工用ツールはショルダ径が１４ｍｍとしたものを用い、また、被加工材としての薄板は板厚が１．５ｍｍのものとし、さらに、摩擦接合条件はツール回転数が９００ｒｐｍ、ツール送り速度５００ｍｍ／ｍｉｎとしたこと以外は、実施例１と同様にして摩擦接合を行い、試験片を作製して引張試験を行った。
そして、実施例１２について、接合後、薄板の接合部における施工状態は図１６の写真に示す。
【００６０】
（実施例１３）
実施例１３では、摩擦加工用ツールはショルダ径が１２ｍｍとしたものを用い、摩擦接合条件はツール回転数が８００ｒｐｍ、ツール送り速度５００ｍｍ／ｍｉｎとしたこと以外は、実施例１と同様にして摩擦接合を行い、試験片を作製して引張試験を行った。
そして、実施例１３について、接合後、薄板の接合部における施工状態は図１７の写真に示す。
【００６１】
（参考例）
参考例では、摩擦加工用ツールは、ショルダ径を１２ｍｍとし、ショルダ面の中央に半径２ｍｍ、高さ０．７３ｍｍの球面状に突出したプローブを設けたものを用い、また、摩擦攪拌接合条件はツール回転数を１４００ｒｐｍとしたこと以外は、実施例１と同様にして摩擦攪拌接合を行い、試験片を作製して引張試験を行った。
そして、参考例について、接合後、薄板の接合部における施工状態は図１８の写真に示す。
【００６２】
以上の各実施例、参考例の条件及び結果を表１に示す。
【表１】
0005613898.tif 000002
【００６３】
表１より、各実施例において、ＳＵＳ４３０の薄板（板厚０．８〜１．５ｍｍ）の摩擦接合した接合部の施工状態は、外観上、いずれも良好であった。このことから、Ｎｉ基２重複相金属間化合物合金からなり、プローブを有しないツールを用いた各実施例であっても、同材質のプローブを有するツールを用いた参考例と同様に、薄板の接合部は良好な仕上り状態が得られた。
【００６４】
また、引張強度についても、各実施例は、４９２〜５６６Ｎ／ｍｍ２の範囲に有り、参考例の５３５Ｎ／ｍｍ２と比較しても、見劣りしない程度の良好な接合力が得られた。なお、実施例で示した上記引張試験と同条件で測定したＳＵＳ４３０母材の引張強度は、ｎ＝３の平均が５１９Ｎ／ｍｍ２であったことから、上記各実施例の引張強度は、ＳＵＳ４３０母材と比較しても見劣りしない十分な強度が得られていることが判った。
【００６５】
以上より、Ｎｉ基２重複相金属間化合物合金からなり、プローブを有しないツールを用いても、従来のようなプローブを有するツールを用いた場合とほとんど変わりない品質で、ＳＵＳ４３０の薄板の摩擦接合を行うことができた。
【符号の説明】
【００６６】
１  摩擦攪拌接合装置（摩擦加工装置）
２  加工機構
５  ツール再生機構（ツール研削装置）
２０  摩擦加工用ツール
２１  ツール本体
２２  ショルダ面
５１  砥石
Ｌ  接合線
Ｗ１，Ｗ２  ワーク（被加工材）
θ  前進角
【図１】
0005613898.tif 000003
【図２】
0005613898.tif 000004
【図３】
0005613898.tif 000005
【図４】
0005613898.tif 000006
【図５】
0005613898.tif 000007
【図６】
0005613898.tif 000008
【図７】
0005613898.tif 000009
【図８】
0005613898.tif 000010
【図９】
0005613898.tif 000011
【図１０】
0005613898.tif 000012
【図１１】
0005613898.tif 000013
【図１２】
0005613898.tif 000014
【図１３】
0005613898.tif 000015
【図１４】
0005613898.tif 000016
【図１５】
0005613898.tif 000017
【図１６】
0005613898.tif 000018
【図１７】
0005613898.tif 000019
【図１８】
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