(57)【要約】【課題】摩擦攪拌加工による攪拌力を向上させ、かつ、摩擦攪拌加工構造を有する装置にかかる負荷を低減した摩擦攪拌加工構造及び摩擦攪拌加工方法を提供することを目的とする。【解決手段】摩擦攪拌加工構造４０において、ピン１０は、略円柱形状であり、その周側面に、ねじ部１０ａが形成され、治具１１は、ピン１０の後周面の周方向形状と同様の形状、すなわち、装置側から見て半円形状の内周面を有し、その内周面がピン１０の後周面に沿って近接し、ピン１０の回転動作によって被加工物である接合材５０において、接合材５０の金属組織が攪拌される領域である塑性流動域５１を形成する際、接合材５０の加工側の面に沿って近接する押え面１３が形成されている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
略円柱形状であり、周側面にねじ部が形成され、かつ前記略円柱形状の軸方向を中心に回転可能なピンと、
前記ピンが被加工物に対して、前記軸方向が前記被加工物の加工面と交差した状態で相対的に移動する方向である進行方向とは逆側の前記周側面である後周面に近接して配置され、前記ピンが前記被加工物に対して摩擦攪拌加工する際、前記被加工物の前記加工面に沿って近接する押え面を有した治具と、
を備え、
該治具は、前記押え面が前記ピンの前記周側面において前記ねじ部が形成されている部分の加工側とは反対側の端部の位置、又は、該端部よりも前記加工側に位置するように配置されたことを特徴とする摩擦攪拌加工構造。
【請求項２】
前記ピンは、
前記ねじ部が逆ねじに形成され、
前記加工側の面であるピン底面部から前記加工側の反対側に向かって略円柱形状に中空部が形成され、
該中空部の内側面に順ねじ部が形成され、
前記被加工物に対して前記摩擦攪拌加工する際、前記ピンの前記軸方向を中心に右回転することを特徴とする請求項１に記載の摩擦攪拌加工構造。
【請求項３】
前記ピンは、
前記ねじ部が順ねじに形成され、
前記加工側の面であるピン底面部から前記加工側の反対側に向かって略円柱形状に中空部が形成され、
該中空部の内側面に逆ねじ部が形成され、
前記被加工物に対して前記摩擦攪拌加工する際、前記ピンの前記軸方向を中心に左回転することを特徴とする請求項１に記載の摩擦攪拌加工構造。
【請求項４】
前記ピンは、前記ねじ部が形成された前記周側面の部分の径が前記加工側に向かって徐々に縮径したことを特徴とする請求項２又は３に記載の摩擦攪拌加工構造。
【請求項５】
前記治具は、前記ピンの前記後周面側の周方向の形状と同一の形状の内周面を有し、該内周面が前記ピンの前記後周面における周方向の少なくとも一部に沿って近接したことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の摩擦攪拌加工構造。
【請求項６】
前記治具は、前記内周面が前記ピンの前記後周面における周方向全体に沿って近接したことを特徴とする請求項５に記載の摩擦攪拌加工構造。
【請求項７】
前記治具は、前記ピンの前記被加工物に対する前記摩擦攪拌加工によって、前記被加工物の組織が盛り上がる部分に対応する前記ピンの前記後周面における周方向の部分に沿って近接したことを特徴とする請求項５に記載の摩擦攪拌加工構造。
【請求項８】
略円柱形状であり、周側面にねじ部が形成され、かつ前記略円柱形状の軸方向を中心に回転可能なピンと、
該ピンの径よりも拡径した略円柱形状であり、該ピンと同軸となるように該ピンが加工側の底面に結合されたショルダと、
を備え、
該ショルダは、前記ピンが被加工物に対して、前記軸方向が前記被加工物の加工面と交差した状態で相対的に移動する方向である進行方向に沿って、前記ピンが前記被加工物に対して摩擦攪拌加工する際、前記底面の少なくとも一部が前記被加工物の加工面に接触し、
前記ピンは、
前記ねじ部が逆ねじに形成され、
前記加工側の面であるピン底面部から前記加工側の反対側に向かって略円柱形状に中空部が形成され、
該中空部の内側面に順ねじ部が形成され、
前記被加工物に対して前記摩擦攪拌加工する際、前記ピンの前記軸方向を中心に右回転することを特徴とする摩擦攪拌加工構造。
【請求項９】
略円柱形状であり、周側面にねじ部が形成され、前記略円柱形状の軸方向を中心に回転可能なピンと、
該ピンの径よりも拡径した略円柱形状であり、該ピンと同軸となるように該ピンが加工側の底面に結合されたショルダと、
を備え、
該ショルダは、前記ピンが被加工物に対して、前記軸方向が前記被加工物の加工面と交差した状態で相対的に移動する方向である進行方向に沿って、前記ピンが前記被加工物に対して摩擦攪拌加工する際、前記底面の少なくとも一部が前記被加工物の加工面に接触し、
前記ピンは、
前記ねじ部が順ねじに形成され、
前記加工側の面であるピン底面部から前記加工側の反対側に向かって略円柱形状に中空部が形成され、
該中空部の内側面に逆ねじ部が形成され、
前記被加工物に対して前記摩擦攪拌加工する際、前記ピンの前記軸方向を中心に左回転することを特徴とする摩擦攪拌加工構造。
【請求項１０】
略円柱形状であり、周側面にねじ部が形成され、前記略円柱形状の軸方向を中心に回転可能なピンと、該ピンが被加工物に対して、前記軸方向が前記被加工物の加工面と交差した状態で相対的に移動する方向である進行方向とは逆側の前記周側面である後周面に近接して配置され、前記ピンが前記被加工物に対して摩擦攪拌加工する際、前記被加工物の加工面に沿って近接する押え面を有した治具と、を備えた摩擦攪拌加工構造を用いた摩擦攪拌加工方法であって、
前記ピンを前記軸方向を中心に回転させた状態で所定距離だけ前記進行方向に移動させるステップと、
前記ピンを前記軸方向を中心に回転させた状態で前記所定距離よりも短い距離だけ前記進行方向とは反対方向に移動させるステップと、
を有し、
前記進行方向に移動させるステップと、前記進行方向とは反対方向に移動させるステップとを交互に繰り返すことを特徴とする摩擦攪拌加工方法。
【請求項１１】
略円柱形状であり、周側面にねじ部が形成され、前記略円柱形状の軸方向を中心に回転可能なピンと、該ピンの径よりも拡径した略円柱形状であり、該ピンと同軸となるように該ピンが加工側の底面に結合されたショルダと、を備えた摩擦攪拌加工構造を用いた摩擦攪拌加工方法であって、
前記ピンを前記軸方向を中心に回転させた状態、かつ、前記軸方向が被加工物の加工面と交差した状態で相対的に移動する方向である進行方向に所定距離だけ移動させるステップと、
前記ピンを前記軸方向を中心に回転させた状態で前記所定距離よりも短い距離だけ前記進行方向とは反対方向に移動させるステップと、
を有し、
前記進行方向に移動させるステップと、前記進行方向とは反対方向に移動させるステップとを交互に繰り返すことを特徴とする摩擦攪拌加工方法。
【請求項１２】
前記進行方向とは反対方向に移動させるステップの移動距離は、前記所定距離の１／２以上であることを特徴とする請求項１０又は１１に記載の摩擦攪拌加工方法。
【請求項１３】
略円柱形状であり、周側面にねじ部が形成され、前記略円柱形状の軸方向を中心に回転可能なピンと、該ピンが被加工物に対して、前記軸方向が前記被加工物の加工面と交差した状態で相対的に移動する方向である進行方向とは逆側の前記周側面である後周面側に近接して配置され、前記ピンが前記被加工物に対して摩擦攪拌加工する際、前記被加工物の加工面に沿って近接する押え面を有した治具と、を備えた摩擦攪拌加工構造を用いた摩擦攪拌加工方法であって、
前記ピンに前記軸方向を中心に回転する動作である自転動作をさせながら、前記ピンを前記軸方向が前記自転動作の回転方向とは逆方向に回転するように移動させ、前記進行方向に沿って前記被加工物に加工部を形成するステップを有したことを特徴とする摩擦攪拌加工方法。
【請求項１４】
略円柱形状であり、周側面にねじ部が形成され、前記略円柱形状の軸方向を中心に回転可能なピンと、該ピンの径よりも拡径した略円柱形状であり、該ピンと同軸となるように該ピンが加工側の底面に結合されたショルダと、を備えた摩擦攪拌加工構造を用いた摩擦攪拌加工方法であって、
前記ピンに前記軸方向を中心に回転する動作である自転動作をさせながら、前記ピンを前記軸方向が前記自転動作の回転方向とは逆方向に回転するように移動させ、前記軸方向が被加工物の加工面と交差した状態で相対的に移動する方向である進行方向に沿って前記被加工物に加工部を形成するステップを有したことを特徴とする摩擦攪拌加工方法。
【請求項１５】
前記ピンにおいて周方向の特定の部分が該ピンの移動方向の反対側から該移動方向へ向かう部分により形成される加工部である前進側領域のみによって前記加工部が形成される部分がないように、前記ピンを移動させることを特徴とする請求項１３又は１４に記載の摩擦攪拌加工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、摩擦攪拌加工構造及び摩擦攪拌加工方法に関し、特に、摩擦攪拌加工による攪拌力を向上させ、かつ、摩擦攪拌加工構造を有する装置にかかる負荷を低減した摩擦攪拌加工構造及び摩擦攪拌加工方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
摩擦攪拌加工方法は、金属である被加工物の材質よりも硬い材質の金属棒を被加工物に接触させ、この金属棒を回転させながら、金属棒を移動させるか、あるいは、被加工物を移動させて被加工物を加工する方法である。具体的には、摩擦攪拌加工方法は、金属棒の回転に伴う摩擦熱によって被加工物を軟化させ、金属棒の回転による塑性流動によって攪拌させて加工する方法である。この摩擦攪拌加工方法は、アーク溶接のような溶融溶接とは異なり、被加工物を固相状態のまま、すなわち、融点以下において金属組織を攪拌効果により微細化するので、機械的性質の優れた加工が実現される。この摩擦攪拌加工方法によって、例えば、２枚の金属板を突き合わせ、その突き合わせた面に沿って、回転する金属棒が移動することにより、機械的性質にすぐれた状態で、２枚の金属板を接合することが可能となる。また、この摩擦攪拌加工方法によって、例えば、金属面の亀裂欠陥部分を攪拌することにより補修加工することができる。
【０００３】
このような、摩擦攪拌加工方法を使用した装置として、例えば、特許文献１に、円柱状のショルダと、ショルダの加工側の面に突出した円柱状のピンとを有するツールを回転させることによって、ショルダ及びピンと被加工物との摩擦熱による塑性流動を起こす装置が記載されている。このような、ショルダに一体に形成されたピンの周側面には、攪拌力を向上させるためにネジが形成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−６６２８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載された装置は、ショルダが被加工物に接触している分、被加工物における塑性流動域が広いが、ショルダには被加工物からの反力が働く。このショルダの反力は、ショルダの被加工物への接触面積が広い分だけ大きくなり、装置全体へかかる負荷が高くなる可能性がある。
【０００６】
また、上述のように、ショルダとピンとが一体に形成されている場合、ピンの根元（ショルダ側の部分）には、構造的にネジ部を形成することが困難である。この場合、ピンの周側面の内、ねじ部の形成が不十分な、あるいは、ねじ部が形成できない不完全ねじ部が存在する。このような不完全ねじ部を有するピン及びショルダによって、被加工物を攪拌する場合、不完全ねじ部の周辺では攪拌力が低下する。これによって、十分に攪拌されず、欠陥が生じやすくなる可能性もある。
【０００７】
また、ピンの進行方向に対してピンの後方側の被加工物において、仮にピンが回転していない場合、空洞が生じるが、ピンの回転によって被加工物が塑性流動を起こして、被加工物の組織が空洞に流れ込んで空洞が埋められていく。このとき、ピンの回転による塑性流動の速度とピンの進行方向への移動速度との合成速度がピンの周方向の部分によって異なる。両者の向きが反対となるピンの近傍の後退側領域では、塑性流動の速度が大きく、両者の向きが一致するピンの近傍の前進側領域では、後退側領域に比べて塑性流動の速度が小さい。そして、ピンの後方側に形成される空洞は、後退側領域での被加工物の組織が埋められていくため、前進側領域には被加工物の組織が回りにくく、撹拌力が不十分であるため、欠陥は前進側領域で生じやすい。
【０００８】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、摩擦攪拌加工による攪拌力を向上させ、かつ、摩擦攪拌加工構造を有する装置にかかる負荷を低減した摩擦攪拌加工構造及び摩擦攪拌加工方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の課題を解決するための本発明に係る摩擦攪拌加工構造は、略円柱形状であり、周側面にねじ部が形成され、かつ前記略円柱形状の軸方向を中心に回転可能なピンと、前記ピンが被加工物に対して、前記軸方向が前記被加工物の加工面と交差した状態で相対的に移動する方向である進行方向とは逆側の前記周側面である後周面に近接して配置され、前記ピンが前記被加工物に対して摩擦攪拌加工する際、前記被加工物の前記加工面に沿って近接する押え面を有した治具と、を備え、該治具は、前記押え面が前記ピンの前記周側面において前記ねじ部が形成されている部分の加工側とは反対側の端部の位置、又は、該端部よりも前記加工側に位置するように配置されたことを特徴とする。
【００１０】
この構成によって、摩擦熱及び被加工物の攪拌はピンのみによって生じるが、ピンにはねじ部が形成されており、ピンのみでも被加工物の組織を摩擦熱によって十分に軟化させることができるので、十分に攪拌することができる。また、被加工物に接触し、被加工物の組織の攪拌に寄与するピンの周側面のすべてにおいてねじが形成されているので、被加工物の組織の攪拌を十分に行うことができる。したがって、摩擦攪拌加工構造は、被加工物において、摩擦熱過小による攪拌不良による欠陥を抑制することができる。その結果、ピンが進行した後の被加工物の部分は、ピンによる十分な攪拌の結果、組織が微細化した機械的性質の優れた加工部が形成されることになる。そして、ショルダが発熱及び被加工物の攪拌に寄与しないため、摩擦攪拌加工構造が被加工物から受ける反力を低減することができ、さらには、摩擦攪拌加工構造を有する加工装置全体へかかる負荷を低減することができる。
【００１１】
また、前記ピンは、前記ねじ部が逆ねじに形成され、前記加工側の面であるピン底面部から前記加工側の反対側に向かって略円柱形状に中空部が形成され、該中空部の内側面に順ねじ部が形成され、前記被加工物に対して前記摩擦攪拌加工する際、前記ピンの前記軸方向を中心に右回転することが好ましい。あるいは、前記ピンは、前記ねじ部が順ねじに形成され、前記加工側の面であるピン底面部から前記加工側の反対側に向かって略円柱形状に中空部が形成され、該中空部の内側面に逆ねじ部が形成され、前記被加工物に対して前記摩擦攪拌加工する際、前記ピンの前記軸方向を中心に左回転することが好ましい。
【００１２】
この構成によって、被加工物の組織は、逆ねじ部及び順ねじ部の作用によって、逆ねじ部に沿って被加工物表面側から被加工物裏面側へ向かって塑性流動が生じ、中空部において内側面に沿って被加工物裏面側から被加工物表面側に向かって塑性流動が生じる。また、被加工物に接触し、被加工物の組織の攪拌に寄与するピンの外側面及び中空部の内側面のすべてにおいてねじ（逆ねじ部及び順ねじ部）が形成されているので、被加工物の組織の攪拌を十分に行うことができる。したがって、不完全ねじ部の攪拌不足による欠陥を抑制することができる。その結果、ピンが進行した後の被加工物の部分は、ピンによる十分な攪拌の結果、組織が微細化した機械的性質の優れた加工部が形成されることになる。そして、ピンに、逆ねじ部、及び中空部の順ねじ部が形成されていることによって、回転するピンは、周側面において加工側から装置側へ向かう反力を被加工物から受け、中空部において装置側から加工側へ向かう反力を被加工物から受けることになる。その結果、ピンが受ける逆向きの反力が互いに打ち消しあって、結果的に、ピンが被加工物から受ける反力が低減するので、摩擦攪拌加工構造を有する加工装置全体へかかる負荷を低減することができる。
【００１３】
また、前記ピンは、前記ねじ部が形成された前記周側面の部分の径が前記加工側に向かって徐々に縮径していることが好ましい。
【００１４】
この構成によって、ピンの加工側部分がねじ部が形成されたテーパ形状となるので、ピンを被加工物に容易に潜り込ませることができる。
【００１５】
また、前記治具は、前記ピンの前記後周面側の周方向の形状と同一の形状の内周面を有し、該内周面が前記ピンの前記後周面における周方向の少なくとも一部に沿って近接していることが好ましい。
【００１６】
この構成によって、ピンの後周面側に、内周面がピンの後周面に沿って近接し、押え面が被加工物の加工面に沿って近接した治具が配置されているので、塑性流動により盛り上がろうとする組織を押さえ込むことができる。
【００１７】
また、前記治具は、前記内周面が前記ピンの前記後周面における周方向全体に沿って近接していることが好ましい。
【００１８】
この構成によって、治具は、ピンの回転動作によって、ピンの後周面側において盛り上がろうとする被加工物の組織を広範囲に亘って押さえ込むことができるので、より確実に組織を押さえ込むことができる。
【００１９】
また、前記治具は、前記ピンの前記被加工物に対する前記摩擦攪拌加工によって、前記被加工物の組織が盛り上がる部分に対応する前記ピンの前記後周面における周方向の部分に沿って近接していることが好ましい。
【００２０】
この構成によって、治具が、ピンの後周面側において、塑性流動により組織の盛り上がりが集中的に発生する部分に配置されることによって、効率的に組織を押さえ込むことができ、被加工物との接触面積を小さくすることができるので反力を低減できる。
【００２１】
上記の課題を解決するための本発明に係る摩擦攪拌加工構造は、略円柱形状であり、周側面にねじ部が形成され、かつ前記略円柱形状の軸方向を中心に回転可能なピンと、該ピンの径よりも拡径した略円柱形状であり、該ピンと同軸となるように該ピンが加工側の底面に結合されたショルダと、を備え、該ショルダは、前記ピンが被加工物に対して、前記軸方向が前記被加工物の加工面と交差した状態で相対的に移動する方向である進行方向に沿って、前記ピンが前記被加工物に対して摩擦攪拌加工する際、前記底面の少なくとも一部が前記被加工物の加工面に接触し、前記ピンは、前記ねじ部が逆ねじに形成され、前記加工側の面であるピン底面部から前記加工側の反対側に向かって略円柱形状に中空部が形成され、該中空部の内側面に順ねじ部が形成され、前記被加工物に対して前記摩擦攪拌加工する際、前記ピンの前記軸方向を中心に右回転することを特徴とする。また、上記の課題を解決するための本発明に係る摩擦攪拌加工構造は、略円柱形状であり、周側面にねじ部が形成され、前記略円柱形状の軸方向を中心に回転可能なピンと、該ピンの径よりも拡径した略円柱形状であり、該ピンと同軸となるように該ピンが加工側の底面に結合されたショルダと、を備え、該ショルダは、前記ピンが被加工物に対して、前記軸方向が前記被加工物の加工面と交差した状態で相対的に移動する方向である進行方向に沿って、前記ピンが前記被加工物に対して摩擦攪拌加工する際、前記底面の少なくとも一部が前記被加工物の加工面に接触し、前記ピンは、前記ねじ部が順ねじに形成され、前記加工側の面であるピン底面部から前記加工側の反対側に向かって略円柱形状に中空部が形成され、該中空部の内側面に逆ねじ部が形成され、前記被加工物に対して前記摩擦攪拌加工する際、前記ピンの前記軸方向を中心に左回転することを特徴とする。
【００２２】
この構成によって、ショルダが被加工物に接触するので、ショルダが被加工物から反力を受けることになるが、上記の構成のピンを備えることによって、被加工物からピンが受ける反力は軽減される。したがって、摩擦攪拌加工構造全体としては、被加工物から受ける反力は低減されるので、摩擦攪拌加工構造を備える加工装置全体へかかる負荷を低減することができる。
【００２３】
上記の課題を解決するための本発明に係る摩擦攪拌加工方法は、略円柱形状であり、周側面にねじ部が形成され、前記略円柱形状の軸方向を中心に回転可能なピンと、該ピンが被加工物に対して、前記軸方向が前記被加工物の加工面と交差した状態で相対的に移動する方向である進行方向とは逆側の前記周側面である後周面に近接して配置され、前記ピンが前記被加工物に対して摩擦攪拌加工する際、前記被加工物の加工面に沿って近接する押え面を有した治具と、を備えた摩擦攪拌加工構造を用いた摩擦攪拌加工方法であって、前記ピンを前記軸方向を中心に回転させた状態で所定距離だけ前記進行方向に移動させるステップと、前記ピンを前記軸方向を中心に回転させた状態で前記所定距離よりも短い距離だけ前記進行方向とは反対方向に移動させるステップと、を有し、前記進行方向に移動させるステップと、前記進行方向とは反対方向に移動させるステップとを交互に繰り返すことを特徴とする。
【００２４】
この構成によって、ピンの加工動作が、少なくとも進行方向とは逆方向に移動する距離が、進行方向に移動する距離よりも小さければ、一方向（進行方向）に直進する場合と比較して、攪拌不良による欠陥を抑制することができる。
【００２５】
上記の課題を解決するための本発明に係る摩擦攪拌加工方法は、略円柱形状であり、周側面にねじ部が形成され、前記略円柱形状の軸方向を中心に回転可能なピンと、該ピンの径よりも拡径した略円柱形状であり、該ピンと同軸となるように該ピンが加工側の底面に結合されたショルダと、を備えた摩擦攪拌加工構造を用いた摩擦攪拌加工方法であって、前記ピンを前記軸方向を中心に回転させた状態、かつ、前記軸方向が被加工物の加工面と交差した状態で相対的に移動する方向である進行方向に所定距離だけ移動させるステップと、前記ピンを前記軸方向を中心に回転させた状態で前記所定距離よりも短い距離だけ前記進行方向とは反対方向に移動させるステップと、を有し、前記進行方向に移動させるステップと、前記進行方向とは反対方向に移動させるステップとを交互に繰り返すことを特徴とする。
【００２６】
この構成によって、ピンの加工動作が、少なくとも進行方向とは逆方向に移動する距離が、進行方向に移動する距離よりも小さければ、一方向（進行方向）に直進する場合と比較して、攪拌不良による欠陥を抑制することができる。
【００２７】
また、前記進行方向とは反対方向に移動させるステップの移動距離は、前記所定距離の１／２以上であることが好ましい。
【００２８】
この構成によって、一方向に直進する場合において組織が流れにくい前進側領域を、後退時に十分攪拌することができるので攪拌不良による欠陥の発生を抑制できる。
【００２９】
上記の課題を解決するための本発明に係る摩擦攪拌加工方法は、略円柱形状であり、周側面にねじ部が形成され、前記略円柱形状の軸方向を中心に回転可能なピンと、該ピンが被加工物に対して、前記軸方向が前記被加工物の加工面と交差した状態で相対的に移動する方向である進行方向とは逆側の前記周側面である後周面側に近接して配置され、前記ピンが前記被加工物に対して摩擦攪拌加工する際、前記被加工物の加工面に沿って近接する押え面を有した治具と、を備えた摩擦攪拌加工構造を用いた摩擦攪拌加工方法であって、前記ピンに前記軸方向を中心に回転する動作である自転動作をさせながら、前記ピンを前記軸方向が前記自転動作の回転方向とは逆方向に回転するように移動させ、前記進行方向に沿って前記被加工物に加工部を形成するステップを有したことを特徴とする。
【００３０】
この構成によって、ピンは、前進側加工領域を低減し、十分に組織を攪拌して加工部を形成することができるので、攪拌不良による欠陥を抑制することができる。
【００３１】
上記の課題を解決するための本発明に係る摩擦攪拌加工方法は、略円柱形状であり、周側面にねじ部が形成され、前記略円柱形状の軸方向を中心に回転可能なピンと、該ピンの径よりも拡径した略円柱形状であり、該ピンと同軸となるように該ピンが加工側の底面に結合されたショルダと、を備えた摩擦攪拌加工構造を用いた摩擦攪拌加工方法であって、前記ピンに前記軸方向を中心に回転する動作である自転動作をさせながら、前記ピンを前記軸方向が前記自転動作の回転方向とは逆方向に回転するように移動させ、前記軸方向が被加工物の加工面と交差した状態で相対的に移動する方向である進行方向に沿って前記被加工物に加工部を形成するステップを有したことを特徴とする。
【００３２】
この構成によって、ピンは、前進側加工領域を低減し、十分に組織を攪拌して加工部を形成することができるので、攪拌不良による欠陥を抑制することができる。
【００３３】
また、前記ピンにおいて周方向の特定の部分が該ピンの移動方向の反対側から該移動方向へ向かう部分により形成される加工部である前進側領域のみによって前記加工部が形成される部分がないように、前記ピンを移動させることが好ましい。
【００３４】
この構成によって、ピンは、前進側加工領域をなくし、十分に組織を攪拌して加工部を形成することができるので、攪拌不良による欠陥を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】図１は、本発明の実施例１に係る摩擦攪拌加工構造を有する加工装置の概略構造の例を示す図である。
【図２】図２は、実施例１に係る摩擦攪拌加工構造の概略図である。
【図３】図３は、実施例１に係る摩擦攪拌加工構造をピンの軸方向において装置側から見た図である。
【図４】図４は、実施例１の応用例１に係る摩擦攪拌加工構造をピンの軸方向において装置側から見た図である。
【図５】図５は、実施例１の応用例２に係る摩擦攪拌加工構造をピンの軸方向において装置側から見た図である。
【図６】図６は、本発明の実施例２に係る摩擦攪拌加工構造の概略図である。
【図７】図７は、実施例２に係る摩擦攪拌加工構造におけるピンを加工側から見た図である。
【図８】図８は、図７のＡ−Ａ断面を示すと共に、塑性流動域の金属組織の流れを説明する図である。
【図９】図９は、実施例２の応用例に係る摩擦攪拌加工構造の概略図である。
【図１０】図１０は、本発明の実施例３に係る摩擦攪拌加工動作を説明する図である。
【図１１】図１１は、実施例３に係る摩擦攪拌加工動作を適用する一般的な摩擦攪拌加工構造の概略構造の例を示す図である。
【図１２】図１２は、本発明の実施例４に係る摩擦攪拌加工動作を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
以下に、本発明に係る実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によって本発明が限定されるものではなく、下記の実施例における構成要素には、当業者が容易に想到できるもの、実質的に同一のもの、及びいわゆる均等の範囲のものが含まれる。さらに、下記の実施例の要旨を逸脱しない範囲で構成要素の種々の省略、置換及び変更を行うことができる。
【実施例１】
【００３７】
（加工装置１の構造）
図１は、本発明の実施例１に係る摩擦攪拌加工構造を有する加工装置の概略構造図である。図１を参照しながら、本実施例に係る加工装置１の構造を説明する。
【００３８】
図１に示すように、加工装置１は、装置フレーム２と、主軸３と、ベアリング４と、ツール５と、治具形成部材６とを備えている。
【００３９】
装置フレーム２は、内部に加工装置１の筐体の一部を構成する略円筒形状物であり、後述するピン１０を回転させるための主軸３を格納する空間である主軸格納部２ａが形成されている。また、装置フレーム２は、ピン１０が配置され加工を実行する側（以下、単に「加工側」という）の面には、治具形成部材６を固定する治具固定凹部２ｂが形成されている。そして、装置フレーム２は、治具固定凹部２ｂが形成された面の略中央部に、挿通孔２ｃが穿設されており、挿通孔２ｃは、主軸格納部２ａと治具固定凹部２ｂとを連通する。
【００４０】
主軸３は、装置フレーム２の主軸格納部２ａにベアリング４を介して軸方向を中心に回転自在に支持されている。主軸３は、加工側の面にツール５を支持する孔であるツール支持部３ａが形成されている。また、主軸３は、軸方向において加工側とは反対側（以下、単に「装置側」という）が図示しないモータに連結されており、モータの回転駆動によって、回転する。
【００４１】
ベアリング４は、外周が装置フレーム２の主軸格納部２ａの内壁面に固定され、内周によって主軸３を回転自在に支持する。
【００４２】
ツール５は、主軸３の加工側の面に形成された孔であるツール支持部３ａに挿入して支持され、主軸３の回転動作と共に回転する略円筒形状の部材である。また、ツール５は、加工側が縮径し、縮径した部分が装置フレーム２に形成された挿通孔２ｃを挿通し、その縮径した部分の加工側には、さらに縮径し、かつ、ツール５と同軸である略円柱形状のピン１０が形成されている。ピン１０は、少なくとも一部が装置フレーム２の加工側の外部に延設されている。
【００４３】
治具形成部材６は、装置フレーム２の加工側の面に形成された治具固定凹部２ｂ内に収納され、複数の固定用ねじ７によって装置フレーム２に固定された平板である。また、治具形成部材６は、略中央部に、挿通孔６ａが穿設されており、この挿通孔６ａが挿通孔２ｃと同軸となるように治具固定凹部２ｂ内に固定されている。ツール５の加工側の縮径した部分は、上述のように、挿通孔２ｃを挿通すると共に、挿通孔６ａを挿通している。そして、治具形成部材６は、挿通孔６ａの周縁部において加工側に突設し、ピン１０の周方向に沿う形状を有し、かつ、ピン１０に近接した治具１１が形成されている。加工装置１の摩擦攪拌加工構造４０であるピン１０及び治具１１の構成については、図２及び図３において後述する。
【００４４】
（摩擦攪拌加工構造４０及び摩擦攪拌加工動作）
図２は、実施例１に係る摩擦攪拌加工構造の概略図である。図３は、実施例１に係る摩擦攪拌加工構造をピンの軸方向において装置側から見た図である。図２及び図３を参照しながら、本実施例に係る加工装置１における摩擦攪拌加工構造４０について説明する。また、本実施例においては、摩擦攪拌加工によって金属である接合材５０ａ、５０ｂ（被加工物）を接合する動作について説明する。
【００４５】
図２及び図３に示すように、加工装置１における摩擦攪拌加工構造４０は、ピン１０と、治具１１とを備えている。
【００４６】
ピン１０は、上述のように、略円柱形状であり、その周側面には、ねじ部１０ａが形成されている。ピン１０は、被加工物である接合材５０よりも硬い材質の金属によって形成されている。ピン１０は、摩擦攪拌加工の際、図２に示すように、軸方向が接合材５０の加工面に対して略垂直の状態で、かつ、図３に示すように、接合材５０ａと接合材５０ｂとを突き合わせた部分である突合せ部５３に沿って進行する。ここで、ピン１０が突合せ部５３に沿って進行するとは、静止した接合材５０ａ、５０ｂ（以下、接合材５０ａ、５０ｂを総称する場合、及び、接合材５０ａ、５０ｂを区別なく呼称する場合、単に「接合材５０」という）に対して、ピン１０が突合せ部５３に沿って実際に移動する場合でもよい。あるいは、ピン１０が静止し、接合材５０ａ、５０ｂが移動することによって、ピン１０が接合材５０ａ、５０ｂに対して図３の矢印で示す方向に相対的に移動する場合でもよい。また、ピン１０のねじ部１０ａが形成された周側面のうち、進行方向側に位置する面（図３において回転軸を境にして左側の周側面）を前周面、そして、進行方向と逆側に位置する面（図３において回転軸を境にして右側の周側面）を後周面というものとする。
【００４７】
治具１１は、ピン１０の後周面の周方向形状と同様の形状、すなわち、装置側から見て半円形状の内周面を有し、その内周面がピン１０の後周面に沿って近接している。すなわち、ピン１０の径と、治具１１の内周面の半円形状の径とは略一致している。また、治具１１は、ピン１０の回転動作によって被加工物である接合材５０において、接合材５０の金属組織が攪拌される領域である塑性流動域５１を形成する際、接合材５０の加工側の面に沿って近接する押え面１３が形成されている。さらに、治具１１は、押え面１３が、ねじ部１０ａが形成されている部分の装置側の端部の位置、又は、該端部よりも加工側に位置するように配置されている。
【００４８】
次に、ピン１０及び治具１１を備えた摩擦攪拌加工構造４０による摩擦攪拌加工動作について説明する。まず、ピン１０は、主軸３及びツール５の回転動作に伴って、軸方向を中心に回転動作を開始する。ピン１０は、回転した状態で接合材５０ａ、５０ｂの突合せ部５３に押し付けられる。これによって、ピン１０と接合材５０との間に摩擦熱が生じ、この摩擦熱によって接合材５０が軟化し、ピン１０の回転によって軟化した突合せ部５３近傍の金属組織が塑性流動して攪拌され、塑性流動域５１が形成される。
【００４９】
このように、ピン１０が接合材５０の塑性流動域５１に潜り込んだとき、治具１１の押え面１３は、接合材５０の加工面に沿って近接する。そして、ピン１０は、突合せ部５３の方向に沿って治具１１が配置された側とは反対側の向き（進行方向）に進行する。回転するピン１０の進行に伴い、ピン１０の周囲の金属組織は塑性流動して攪拌され、突合せ部５３に沿って、継続的に塑性流動域５１が生成される。また、ピン１０にはねじ部１０ａが形成されているので、ピン１０の後周面側において、突合せ部５３近傍の金属組織が塑性流動により盛り上がる。しかし、ピン１０の後周面側には、治具１１が配置されているので、ピン１０の回転によって軟化して盛り上がろうとする金属組織は、治具１１の押え面１３によって接合材５０の加工面に押さえ込まれる。そして、ピン１０が進行した後の接合材５０の部分は、ピン１０によって固相状態のまま攪拌された結果、金属組織が微細化し、機械的性質の優れた接合部５２（加工部）が形成され、接合部５２によって接合材５０ａと接合材５０ｂとが強固に接合される。
【００５０】
以上のように、本実施例に係る摩擦攪拌加工構造４０は、接合材５０に接触するのはピン１０のみであるが、ピン１０にはねじ部１０ａが形成されている。したがって、摩擦攪拌加工構造４０は、ピン１０のみでも、接合材５０との接触面積を十分に確保することができるので、接合材５０の金属組織を摩擦熱によって十分に軟化させることができるので、十分に攪拌することができる。
【００５１】
また、本実施例に係る摩擦攪拌加工構造４０は、接合材５０に接触し、接合材５０の金属組織の攪拌に寄与するピン１０の周側面のすべてにおいてねじが形成されているので、接合材５０の金属組織の攪拌を十分に行うことができる。したがって、摩擦攪拌加工構造４０は、接合材５０において、摩擦熱過小による攪拌不良による欠陥を抑制することができる。その結果、ピン１０が進行した後の接合材５０の部分は、ピン１０による十分な攪拌の結果、金属組織が微細化した機械的性質の優れた接合部５２が形成され、接合部５２によって接合材５０ａと接合材５０ｂとが強固に接合されることになる。
【００５２】
また、被加工物である接合材５０へ接触して発生する摩擦熱を利用して攪拌するのがピン１０のみであるので、ショルダが摩擦による発熱及び攪拌に寄与しない分、摩擦攪拌加工構造４０が接合材５０から受ける反力を低減することができ、さらには、加工装置１全体へかかる負荷を低減することができる。
【００５３】
また、上述のように、ねじ部１０ａが形成されたピン１０の回転動作によって、ピン１０の後周面側において、突合せ部５３近傍の金属組織が盛り上げられることになる。しかし、本実施例に係る摩擦攪拌加工構造４０は、ピン１０の後周面側に、半円形状の内周面がピン１０の後周面に沿って近接し、押え面１３が接合材５０の加工面に沿って近接した治具１１が配置されているので、盛り上がろうとする金属組織を押さえ込むことができる。
【００５４】
なお、本実施例に係る摩擦攪拌加工構造４０が、摩擦攪拌加工動作によって、接合材５０ａと接合材５０ｂとを接合させる例を示したが、これに限定されるものではない。例えば、金属面に生じたクラック等の亀裂欠陥部分に対して、上述の摩擦攪拌加工構造４０による摩擦攪拌加工動作を施すことによって、強加工され微細化し、機械的性質の優れた状態で補修加工することが可能になる。
【００５５】
また、ピン１０は、摩擦攪拌加工の際、軸方向が接合材５０の加工面に対して略垂直の状態で進行方向に進行するものとしたが、これに限定されるものではない。例えば、ピン１０は、軸方向が進行方向側に所定角度傾斜した状態で、進行方向に進行するものとしてもよい。
【００５６】
（応用例１）
図４は、実施例１の応用例１に係る摩擦攪拌加工構造をピンの軸方向において装置側から見た図である。図４を参照しながら、ピン１０及び治具１１ａを備えた摩擦攪拌加工構造４０ａについて説明する。
【００５７】
図４に示すように、本応用例に係る摩擦攪拌加工構造４０ａは、図３に示す摩擦攪拌加工構造４０の治具１１の変わりに治具１１ａを備えている。治具１１ａは、半円リング形状を有しており、半円リング形状の内周面は、ピン１０の後周面の周方向形状と同様の形状、すなわち、半円形状の面を有し、その半円形状の面がピン１０の後周面に沿って近接している。すなわち、ピン１０の径と、治具１１ａの内周面の半円形状の径とは略一致している。また、治具１１ａは、内周面の径よりも大きい半円形状の外周面を有している。
【００５８】
これによって、治具１１ａは、ピン１０の回転動作によって、ピン１０の後周面側において盛り上がろうとする突合せ部５３近傍の金属組織を治具１１よりも広範囲に亘って押さえ込むことができるので、治具１１と比較してより確実に金属組織を押さえ込むことができる。
【００５９】
（応用例２）
図５は、実施例１の応用例２に係る摩擦攪拌加工構造をピンの軸方向において装置側から見た図である。図５を参照しながら、ピン１０及び治具１１ｂを備えた摩擦攪拌加工構造４０ｂについて説明する。
【００６０】
図５に示すように、本応用例に係る摩擦攪拌加工構造４０ｂのピン１０は、軸方向において装置側から見て右回りに回転し、図５の紙面視左向きが進行方向であるものとする。この場合、ピン１０の回転動作によって、盛り上がろうとする接合材５０ａ、５０ｂの突合せ部５３近傍の金属組織は、図５の紙面視において、ピン１０の中心軸を通り、かつ進行方向と平行な平面（以下、「進行方向面」という）より上側のピン１０の部分に対応する後周面側において多く発生する。これは、進行方向面より上側のピン１０の部分は、進行方向側から後周面側に向かって回転する部分であるためである。つまり、図５の紙面視において、ピン１０の中心軸を通り、かつ進行方向と垂直な平面より左側（進行方向側）のピン１０の部分によって軟化及び攪拌される金属組織は、下側から上側に向かって移動し、さらに、左側（進行方向側）から右側（後周面側）に移動するためである。
【００６１】
そこで、本応用例の治具１１ｂは、図５の紙面視において、進行方向面より上側のピン１０の部分に対応する後周面側に配置されている。具体的には、治具１１ｂは、図５の紙面視において、進行方向面より上側のピン１０の部分に対応する後周面の周方向形状と同様の形状、すなわち、装置側から見て円弧形状の面を有している。そして、治具１１ｂは、円弧形状の面がピン１０の進行方向面より上側のピン１０の部分に対応する後周面に沿って近接している。さらに、治具１１ｂは、内周面である円弧形状の面の径よりも大きく、かつ、内周面と同一の円弧角を有する円弧形状の外周面を有している。
【００６２】
以上のような治具１１ｂのように、ピン１０の後周面側において、塑性流動により金属組織の盛り上がりが集中的に発生する部分に配置されることによって、効率的に金属組織を押さえ込むことができ、接合材５０との接触面積を小さくすることができるので反力を低減できる。
【００６３】
なお、図５に示す治具１１ｂは、図５の紙面視において、進行方向面より上側のピン１０の部分に対応する後周面側に配置するものとしてが、この位置に配置されることに限定する趣旨ではない。すなわち、ピン１０の回転動作に伴って、金属組織の盛り上がりが集中的に発生する箇所が既知である場合、その盛り上がり箇所に合わせて治具を配置するものとすればよい。
【実施例２】
【００６４】
本発明の実施例２に係る摩擦攪拌加工構造４０ｃについて、実施例１に係る摩擦攪拌加工構造４０と相違する点を中心に説明する。
【００６５】
（摩擦攪拌加工構造４０ｃ及び摩擦攪拌加工動作）
図６は、本発明の実施例２に係る摩擦攪拌加工構造の概略図である。図７は、実施例２に係る摩擦攪拌加工構造におけるピンを加工側から見た図である。図６及び図７を参照しながら、本実施例に係る摩擦攪拌加工構造４０ｃについて説明する。なお、本実施例に係る摩擦攪拌加工構造４０ｃを備える加工装置の構成は、図１に示す実施例１に係る加工装置１の構成と同様であるものとする。
【００６６】
図６に示すように、本実施例に係る摩擦攪拌加工構造４０ｃは、ピン２０と、治具１１とを備えている。
【００６７】
ピン２０は、略円柱形状物であり、加工側の部分が装置側から加工側に向かって径が徐々に縮径したテーパ形状となっている。ピン２０は、このテーパ形状に対応する周側面に逆ねじ部２０ａが形成されている。また、ピン２０は、図６及び図７に示すように、ピン２０の加工側の面であるピン底面部２０ｃから装置側に向かって略円柱形状に中空部２０ｂが形成されている。この中空部２０ｂは、軸方向がピン２０の軸方向と略一致するように形成される。また、中空部２０ｂの内側面には、順ねじ部２０ｄが形成されている。
【００６８】
治具１１は、ピン２０の逆ねじ部２０ａが形成されていない部分の後周面の周方向形状と同様の形状、すなわち、装置側から見て半円形状の内周面を有し、その内周面が該後周面に沿って近接している。すなわち、ピン２０の逆ねじ部２０ａが形成されていない部分の径と、治具１１の内周面の半円形状の径とは略一致している。また、治具１１は、ピン２０の回転動作によって被加工物である接合材において、接合材の金属組織が攪拌される領域である塑性流動域を形成する際、接合材の加工面に沿って近接する押え面１３が形成されている。さらに、治具１１は、押え面１３が、逆ねじ部２０ａが形成されたテーパ形状の部分の装置側の端部の位置、又は、該端部よりも加工側に位置するように配置されている。
【００６９】
図８は、図７のＡ−Ａ断面を示すと共に、塑性流動域の金属組織の流れを説明する図である。図８を参照しながら、ピン２０及び治具１１を備えた摩擦攪拌加工構造４０ｃによる摩擦攪拌加工動作について説明する。まず、ピン２０は、軸方向を中心に回転動作を開始する。ピン２０は、回転した状態で、ピン底面部２０ｃが接合材５０の突合せ部５３（図３参照）に押し付けられる。これによって、ピン２０と接合材５０との間に摩擦熱が生じ、この摩擦熱によって接合材５０が軟化し、ピン２０の回転によって軟化した突合せ部５３近傍の金属組織が塑性流動して攪拌され、塑性流動域５１ａが形成される。
【００７０】
塑性流動域５１ａが形成される場合の接合材５０の金属組織の塑性流動について、さらに詳しく説明する。上述のように、ピン２０は、加工側部分に逆ねじ部２０ａが形成され、中空部２０ｂの内側面には順ねじ部２０ｄが形成されている。ピン２０が装置側から見て軸方向を中心に右回転すると、逆ねじ部２０ａの近傍の金属組織は、図８の矢印が示すように、逆ねじ部２０ａのテーパ形状に沿って装置側から加工側（ピン底面部２０ｃ側）へ向かって流動する。ピン底面部２０ｃ側へ流動した金属組織は、逆ねじ部２０ａ側から中空部２０ｂ側に向かって流動する。中空部２０ｂ側に向かって流動した金属組織は、中空部２０ｂに形成された順ねじ部２０ｄの作用によって、中空部２０ｂの内側面に沿って加工側（ピン底面部２０ｃ側）から装置側に向かって流動する。以上のような塑性流動域５１ａにおける金属組織の塑性流動によって、ピン２０は、逆ねじ部２０ａにおいて加工側から装置側へ向かう反力を接合材５０から受け、順ねじ部２０ｄにおいて装置側から加工側へ向かう反力を接合材５０から受けることになる。
【００７１】
このように、ピン２０が接合材５０の塑性流動域５１ａに潜り込んだとき、治具１１の押え面１３は、接合材５０の加工面に沿って近接する。そして、ピン２０は、突合せ部５３（図３参照）の方向に沿って治具１１が配置された側とは反対側の向きである進行方向に進行する。回転するピン２０の進行に伴い、ピン２０の周囲の金属組織は塑性流動して攪拌され、突合せ部５３に沿って、継続的に塑性流動域５１ａが生成される。また、ピン２０には逆ねじ部２０ａが形成されているので、ピン２０の後周面側において、突合せ部５３近傍の金属組織が盛り上がる。しかし、ピン２０の後周面側には、治具１１が配置されているので、ピン２０の回転によって軟化して盛り上がろうとする金属組織は、治具１１の押え面１３によって接合材５０の加工面に押さえ込まれる。そして、ピン２０が進行した後の接合材５０の部分は、ピン２０によって固相状態のまま攪拌された結果、金属組織が微細化し、機械的性質の優れた接合部が形成され、接合部によって接合材５０ａと接合材５０ｂとが強固に接合される。
【００７２】
以上のように、本実施例に係る摩擦攪拌加工構造４０ｃは、接合材５０に接触するのはピン２０のみであるが、ピン２０には、逆ねじ部２０ａ、及び中空部２０ｂの順ねじ部２０ｄが形成されている。したがって、摩擦攪拌加工構造４０ｃは、ピン２０のみでも、接合材５０との接触面積を十分に確保することができるので、接合材５０の金属組織を摩擦熱によって十分に軟化させることができるので、十分に攪拌することができる。さらに、接合材５０の金属組織は、逆ねじ部２０ａ及び順ねじ部２０ｄの作用によって、逆ねじ部２０ａのテーパ形状に沿って装置側から加工側へ向かって塑性流動が生じ、中空部２０ｂにおいて内側面に沿って加工側から装置側に向かって塑性流動が生じる。このように、摩擦攪拌加工構造４０ｃは、金属組織の塑性流動による流れができるので、金属組織の攪拌力を向上することができる。
【００７３】
また、本実施例に係る摩擦攪拌加工構造４０ｃは、接合材５０に接触し、接合材５０の金属組織の攪拌に寄与するピン２０の外側面及び中空部２０ｂの内側面のすべてにおいてねじ（逆ねじ部２０ａ及び順ねじ部２０ｄ）が形成されているので、接合材５０の金属組織の攪拌を十分に行うことができる。したがって、摩擦攪拌加工構造４０ｃは、接合材５０において、金属組織の微細化が不十分な欠陥領域の発生を抑制することができる。その結果、ピン２０が進行した後の接合材５０の部分は、ピン２０によって十分に攪拌され微細化した機械的性質の優れた接合部が形成され、接合部によって接合材５０ａと接合材５０ｂとが強固に接合されることになる。
【００７４】
また、本実施例に係る摩擦攪拌加工構造４０ｃは、ピン２０の加工側部分が逆ねじ部２０ａが形成されたテーパ形状となっているので、板厚が厚い接合材５０に対しても、ピン２０を接合材５０に容易に潜り込ませることができる。
【００７５】
また、摩擦攪拌加工構造４０ｃは、板厚が厚い接合材５０を接合又は加工する場合、接合材５０受ける反力に対する耐久性を確保する剛性を得るために、ピンの径を大きくする必要がある。このようにピンの径が大きくなると、接合材５０から受ける反力も大きくなり、摩擦攪拌加工構造４０ｃを備えた加工装置全体へかかる負荷も増大する。しかし、本実施例に係る摩擦攪拌加工構造４０ｃは、ピン２０に、逆ねじ部２０ａ、及び中空部２０ｂの順ねじ部２０ｄが形成されている。この構造によって、回転するピン２０は、逆ねじ部２０ａにおいて加工側から装置側へ向かう反力を接合材５０から受け、順ねじ部２０ｄにおいて装置側から加工側へ向かう反力を接合材５０から受けることになる。その結果、ピン２０が受ける逆向きの反力が互いに打ち消しあって、結果的に、ピン２０が接合材５０から受ける反力が低減するので、加工装置１全体へかかる負荷を低減することができる。なお、この効果を得る目的においては、ピン２０において逆ねじ部２０ａが形成される部分がテーパ形状である必要はない。
【００７６】
また、ピン２０は、周側面に逆ねじ部２０ａが形成され、中空部２０ｂの内側面に順ねじ部２０ｄが形成され、装置側から見て軸方向を中心に右回転するものとしているが、これに限定されるものではない。すなわち、周側面に順ねじが形成され、中空部２０ｂの内側面に逆ねじが形成され、装置側から見て軸方向を中心に左回転するものとしてもよい。
【００７７】
また、本実施例に係る摩擦攪拌加工構造４０ｃは、治具１１を備えるものとしているが、治具１１の代わりに、実施例１の応用例１の治具１１ａ、又は、実施例１の応用例２の治具１１ｂを備えるものとしてもよい。
【００７８】
（応用例）
図９は、実施例２の応用例に係る摩擦攪拌加工構造の概略図である。図９を参照しながら、ショルダ１２を備えた摩擦攪拌加工構造４０ｄについて説明する。
【００７９】
図９に示すように、本応用例に係る摩擦攪拌加工構造４０ｄは、図６に示す摩擦攪拌加工構造４０ｃの治具１１の代わりに、ピン２０と一体成型され、ピン２０の径よりも拡径した円柱形状物であり、ピン２０と同軸のショルダ１２を備えている。ピン２０とショルダ１２とは一体成型されているため、構造上、ピン２０の外側面のうち加工側部分には、逆ねじ部２０ａを形成することができない不完全ねじ部２０ｅが生じる。
【００８０】
次に、本応用例に係る摩擦攪拌加工構造４０ｄによる摩擦攪拌加工動作について説明する。まず、ピン２０及びショルダ１２は、軸方向を中心に回転動作を開始する。ピン２０は、回転した状態で、ピン底面部２０ｃが図示しない被加工物に押し付けられる。これによって、ピン２０と被加工物との間に摩擦熱が生じ、この摩擦熱によって被加工物が軟化し、ピン２０の回転によって軟化した被加工物の金属組織が塑性流動して攪拌され、塑性流動域が形成される。この塑性流動域が形成される場合の被加工物の金属組織の塑性流動については、上述の通りである。
【００８１】
ピン２０が被加工物の塑性流動域に潜り込んだとき、ショルダ１２の加工側の底面１２ａの少なくとも一部も被加工物に接触する。ショルダ１２もピン２０と共に回転動作をしているため、ショルダ１２の加工側の面と被加工物との間に摩擦熱が生じ、この摩擦熱によって被加工物が軟化し、ショルダ１２の回転によって軟化した被加工物の金属組織が塑性流動して攪拌される。このように、ショルダ１２の回転動作も、上述の塑性流動域の形成に寄与する。
【００８２】
以上のように、本応用例に係る摩擦攪拌加工構造４０ｄは、図６に示す摩擦攪拌加工構造４０ｃと異なり、ショルダ１２が被加工物に接触するので、ショルダ１２が被加工物から反力を受けることになる。しかし、従来のように単にショルダに円柱形状のピンが一体成型された摩擦攪拌加工構造と、本応用例に係る摩擦攪拌加工構造４０ｄとを比較した場合、上述のように、被加工物からピン２０が受ける反力は軽減される。したがって、本応用例に係る摩擦攪拌加工構造４０ｄ全体としては、被加工物から受ける反力は低減されるので、摩擦攪拌加工構造４０ｄを備える加工装置全体へかかる負荷を低減することができる。
【００８３】
さらに、本応用例に係る摩擦攪拌加工構造４０ｄは、ピン２０においてねじ部が形成されてない不完全ねじ部２０ｅを有する。この不完全ねじ部２０ｅは、被加工物に接して摩擦熱を生じさせるものの、攪拌力についてはねじ部による攪拌力と比較して劣る。しかし、本応用例に係る摩擦攪拌加工構造４０ｄは、逆ねじ部２０ａ及び順ねじ部２０ｄの作用によって、逆ねじ部２０ａのテーパ形状に沿って装置側から加工側へ向かって流動し、中空部２０ｂにおいて内側面に沿って加工側から装置側に向かって流動する。したがって、従来のように単にショルダに円柱形状のピンが一体成型された摩擦攪拌加工構造と比較して、本応用例に係る摩擦攪拌加工構造４０ｄは、金属組織の塑性流動による流れができるので、金属組織の攪拌力を向上することができる。
【実施例３】
【００８４】
本発明の実施例３においては、実施例１又は実施例２に係る摩擦攪拌加工構造による摩擦攪拌加工動作と相違する点を中心に説明する。なお、実施例３に係る摩擦攪拌加工構造は、実施例１又は実施例２に係る摩擦攪拌加工構造のいずれであってもよいが、実施例１に係る摩擦攪拌加工構造４０を例に説明する。
【００８５】
（摩擦攪拌加工動作）
図１０は、本発明の実施例３に係る摩擦攪拌加工動作を説明する図である。図１０を参照しながら、本実施例に係る摩擦攪拌加工動作について説明する。なお、図１０においては、摩擦攪拌加工動作について説明するために、便宜上、治具１１の図示を省略している。また、図１０の紙面視において左側をピン１０の進行方向とし、ピン１０は装置側から見て軸方向を中心に右回転しているものとする。
【００８６】
従来の摩擦攪拌加工構造による摩擦攪拌加工動作は、接合材５０ａ、接合材５０ｂの突合せ部５３に沿って一方向（進行方向）に直進するのみであった。例えば、図１０における最上図は、従来のようにピン１０が突合せ部５３に沿って進行方向にのみ直進している状態を示すものとする。そして、ピン１０が進行した後に形成される接合材５０ａと接合材５０ｂとが接合された部分を接合部５２ａ（加工部）とする。このとき、接合部５２ａのうち、図１０の紙面視において、ピン１０の中心軸を通り、かつ進行方向と平行な平面（以下、「進行方向面」という）の上側部分（後退側領域ＲＳ）と下側部分（前進側領域ＡＳ）とでは、異なる。ピン１０の回転により進行方向に対してピンの後方へ金属組織が後退側領域ＲＳから流れ込み、前進側領域ＡＳでは攪拌力が不十分であると金属組織が流れ込まず欠陥が生じる。
【００８７】
そこで、本実施例に係る摩擦攪拌加工動作において、摩擦攪拌加工構造４０は下記のように動作する。まず、ステップＳ１において、ピン１０は、進行方向に自身の直径分の距離だけ移動する。このとき、ピン１０の進行方向への移動によって形成された接合部５２ａのうち、進行方向面の上側部分が後退側領域ＲＳとなり、進行方向面の下側部分が前進側領域ＡＳとなる。
【００８８】
次に、ステップＳ２において、ピン１０は、進行方向とは逆方向に自身の半径分の距離だけ移動する。ピン１０の回転方向は、ピン１０が進行方向に移動する場合と同様に一定方向に回転（右回転）しているものとし、ピン１０が進行方向とは逆方向に移動する速度は、ピン１０が進行方向に移動する速度よりも大きいものとする。このとき、ピン１０の進行方向とは逆方向の移動によって形成された接合部５２ａのうち、進行方向面の下側部分が後退側領域ＲＳとなり、進行方向面の上側部分が前進側領域ＡＳとなる。すなわち、ピン１０が進行方向に移動する場合と、ピン１０が進行方向とは逆方向に移動する場合とでは、進行方向面に対して後退側領域ＲＳ及び前進側領域ＡＳの位置が逆となる。これによって、ピン１０が進行方向に移動することによって生じた接合部５２ａの前進側領域ＡＳの一部が、ピン１０が進行方向とは逆方向に移動することによって後退側領域ＲＳとなる。
【００８９】
次に、ステップＳ３において、ピン１０は、再び進行方向に自身の直径分の距離だけ移動する。このとき、再びピン１０の進行方向への移動によって形成された接合部５２ａのうち、進行方向面の上側部分が後退側領域ＲＳとなり、進行方向面の下側部分が前進側領域ＡＳとなる。これによって、ピン１０が進行方向とは逆方向に移動することによって生じた接合部５２ａの前進側領域ＡＳが、ピン１０が進行方向に移動することによって後退側領域ＲＳとなる。以上のように、ピン１０は、進行方向の移動と進行方向とは逆方向の移動との繰り返しによって、突合せ部５３に沿って進行方向に進行しつつ、接合部５２ａを形成して接合材５０ａと接合材５０ｂとを接合する。
【００９０】
以上のように、ピン１０の移動によって生じる前進側領域ＡＳは、その次の逆方向の移動によって後退側領域ＲＳとなる。また、逆に、ピン１０の移動によって生じる後退側領域ＲＳは、その次の逆方向の移動によって前進側領域ＡＳとなるが、ピン１０の移動によって形成される接合部５２ａのいずれの部分も、一度は後退側領域ＲＳとなることになる。したがって、ピン１０は、突合せ部５３において、十分に金属組織を攪拌して形成される後退側領域ＲＳによって接合部５２ａ全体を形成することができるので、接合が不十分な欠陥領域が生じるのを抑制することができる。
【００９１】
また、ピン１０が進行方向とは逆方向に移動する速度は、ピン１０が進行方向に移動する速度よりも大きいものとしているが、これは、ピン１０が進行方向に移動することによって、突合せ部５３近傍の金属組織をある程度攪拌しているためである。これによって、ピン１０による加工時間を短縮することができる。
【００９２】
なお、ピン１０は、進行方向に自身の直径分の距離だけ移動し、進行方向とは逆方向に自身の半径分の距離だけ移動するものとしているが、この動作に限定されるものではない。すなわち、ピン１０は、進行方向に移動する距離と、進行方向とは逆方向に移動する距離との関係が、下記の式（１）の関係になっていればよい。
【００９３】
（進行方向とは逆方向に移動する距離）≧（進行方向に移動する距離）／２    （１）
【００９４】
ピン１０は、式（１）の関係を満たしながら、突合せ部５３に沿って進行方向に進行することによって、ピン１０の移動によって形成される接合部５２ａのいずれの部分も、一度は後退側領域ＲＳとなることになる。したがって、ピン１０は、式（１）の関係を満たすことにより、上述の効果を得ることができる。ただし、ピン１０の加工動作が、式（１）を満たさなくても、少なくとも、進行方向とは逆方向に移動する距離が、進行方向に移動する距離よりも小さければ、一方向（進行方向）に直進する場合と比較して、接合部５２ａにおいて接合が不十分な欠陥領域が生じる可能性がある領域を低減することができる。
【００９５】
また、図１１は、実施例３に係る摩擦攪拌加工動作を適用する一般的な摩擦攪拌加工構造４０ｅの概略構造の例を示す図である。図１１に示す摩擦攪拌加工構造４０ｅは、略円柱形状のピン３０と一体成型され、ピン３０の径よりも拡径した円柱形状物であるショルダ１２を備えている。ピン３０は、周側面にねじ部３０ａが形成されている。図１１は、このような摩擦攪拌加工構造４０ｅが、ピン３０及びショルダ１２の回転動作に伴うピン３０及びショルダ１２の底面１２ａによる攪拌によって、接合材５０に塑性流動域５１ｂを形成した状態を示している。このような図１１に示す一般的な摩擦攪拌加工構造４０ｅに、図１０に示す本実施例に係る摩擦攪拌加工動作を適用することができ、接合材５０において、接合が不十分な欠陥領域が生じるのを抑制することができる。
【実施例４】
【００９６】
本発明の実施例４においては、実施例１又は実施例２に係る摩擦攪拌加工構造による摩擦攪拌加工動作と相違する点を中心に説明する。なお、実施例４に係る摩擦攪拌加工構造は、実施例１又は実施例２に係る摩擦攪拌加工構造のいずれであってもよいが、実施例１に係る摩擦攪拌加工構造４０を例に説明する。
【００９７】
（摩擦攪拌加工動作）
図１２は、本発明の実施例４に係る摩擦攪拌加工動作を説明する図である。図１２を参照しながら、本実施例に係る摩擦攪拌加工動作について説明する。なお、図１２においては、摩擦攪拌加工動作について説明するために、便宜上、治具１１の図示を省略している。また、図１２の紙面視において左側をピン１０の進行方向とし、ピン１０は装置側から見て軸方向を中心に右回転動作（自転動作）しているものとする。
【００９８】
本実施例に係る摩擦攪拌加工動作において、摩擦攪拌加工構造４０は下記のように動作する。まず、ステップＳ１１において、ピン１０は、図１２の紙面視上方向（進行方向と直交する方向）（以下、単に「上方向」という）に自身の半径分の距離だけ移動する。このとき、ピン１０の移動によって形成された接合部５２ｂ（加工部）のうち、移動方向に対して右側部分が後退側領域ＲＳとなり、移動方向に対して左側部分が前進側領域ＡＳとなる。以後のステップにおいても同様である。また、一度も後退側領域ＲＳとなっていない前進側領域ＡＳの領域を前進側加工領域５５と称するものとする。
【００９９】
次に、ステップＳ１２において、ピン１０は、進行方向に自身の直径分の距離だけ移動する。この結果、ステップＳ１１におけるピン１０の最終位置において、ピン１０の中心軸より上方向側に存在していた前進側加工領域５５の部分は、ステップＳ１２におけるピン１０の動作によって後退側領域ＲＳとなるため消えることになる。また、ステップＳ１２におけるピン１０の動作によって、前進側加工領域５５は、進行方向に拡大する。
【０１００】
次に、ステップＳ１３において、ピン１０は、図１２の紙面視下方向（進行方向と直交する方向）（以下、単に「下方向」という）に自身の半径分の距離だけ移動する。この結果、ステップＳ１２におけるピン１０の最終位置において、ピン１０の中心軸より進行方向側に存在していた前進側加工領域５５の部分は、ステップＳ１３におけるピン１０の動作によって後退側領域ＲＳとなるため消えることになる。また、ステップＳ１３におけるピン１０の動作によって、前進側加工領域５５は、下方向に拡大する。
【０１０１】
次に、ステップＳ１４において、ピン１０は、進行方向とは逆方向に自身の半径分の距離だけ移動する。この結果、ステップＳ１３における最終位置に存在するピン１０の中心軸より下方向側に存在していた前進側加工領域５５の部分は、ステップＳ１４におけるピン１０の動作によって後退側領域ＲＳとなるため消えることになる。この時点で、前進側加工領域５５は、進行方向にピン１０の直径の大きさ、進行方向と直交する方向にピン１０の半径の大きさの矩形状の領域となる。
【０１０２】
次に、ステップＳ１５において、ピン１０は、上方向に自身の半径分の距離だけ移動する。この結果、ステップＳ１４における最終位置に存在するピン１０の中心軸より進行方向と逆方向側に存在していた前進側加工領域５５の部分は、ステップＳ１５におけるピン１０の動作によって後退側領域ＲＳとなるため消えることになる。この時点で、前進側加工領域５５は、進行方向にピン１０の半径の大きさ、進行方向と直交する方向にピン１０の半径の大きさの矩形状の領域となる。
【０１０３】
次に、ステップＳ１６において、ピン１０は、進行方向に自身の直径分の距離だけ移動する。このとき、前進側加工領域５５は、ステップＳ１６におけるピン１０の動作による前進側領域ＡＳに含まれるので消えることはない。
【０１０４】
次に、ステップＳ１７において、ピン１０は、下方向に自身の半径分の距離だけ移動する。このとき、前進側加工領域５５は、ステップＳ１７におけるピン１０の動作において、ピン１０が通過することがないので消えることはない。
【０１０５】
次に、ステップＳ１８において、ピン１０は、進行方向とは逆方向に自身の半径分の距離だけ移動する。このとき、前進側加工領域５５は、ステップＳ１８におけるピン１０の動作による前進側領域ＡＳに含まれるので消えることはない。
【０１０６】
次に、ステップＳ１９において、ピン１０は、上方向に自身の半径分の距離だけ移動する。この結果、前進側加工領域５５は、ステップＳ１９におけるピン１０の動作による後退側領域ＲＳに含まれるので消えることになる。
【０１０７】
以上のように、ピン１０は、ステップＳ１１〜ステップＳ１８（ステップＳ１９の動作はステップＳ１１の動作に相当）の動作を繰り返すことによって、軸方向が矩形状に左回転動作しながら進行方向に進行しつつ、接合部５２ｂを形成して接合材５０ａと接合材５０ｂとを接合する。また、ピン１０は、前進側加工領域５５を残さずに、十分に金属組織を攪拌して接合部５２ｂを形成することができるので、攪拌不良による欠陥を抑制することができる。
【０１０８】
なお、ピン１０は、進行方向に自身の直径分の距離だけ移動し、下方向、進行方向とは逆方向及び上方向に自身の半径分の距離だけ移動させながら、矩形状に左回転動作するものとしているが、この動作に限定されるものではない。すなわち、ピン１０は、軸方向を中心に回転動作（自転動作）する方向とは逆方向に回転動作しながら進行方向に進行しつつ、形成する接合部５２ｂの全体が少なくとも一度は後退側領域ＲＳとなるような動作とすればよい。
【０１０９】
また、実施例３と同様に、図１１に示す一般的な摩擦攪拌加工構造４０ｅに、図１２に示す本実施例に係る摩擦攪拌加工動作を適用することができ、接合材５０において、攪拌不良による欠陥を抑制することができる。
【符号の説明】
【０１１０】
１  加工装置
２  装置フレーム
２ａ  主軸格納部
２ｂ  治具固定凹部
２ｃ  挿通孔
３  主軸
３ａ  ツール支持部
４  ベアリング
５  ツール
６  治具形成部材
６ａ  挿通孔
７  固定用ねじ
１０  ピン
１０ａ  ねじ部
１１、１１ａ、１１ｂ  治具
１２  ショルダ
１２ａ  底面
１３  押え面
２０  ピン
２０ａ  逆ねじ部
２０ｂ  中空部
２０ｃ  ピン底面部
２０ｄ  順ねじ部
２０ｅ  不完全ねじ部
３０  ピン
３０ａ  ねじ部
４０、４０ａ〜４０ｅ  摩擦攪拌加工構造
５０、５０ａ、５０ｂ  接合材
５１、５１ａ、５１ｂ  塑性流動域
５２、５２ａ、５２ｂ  接合部
５３  突合せ部
５５  前進側加工領域
ＡＳ  前進側領域
ＲＳ  後退側領域
【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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【図１１】
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【図１２】
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