(57)【要約】  相対向する一対の回転ツールを互いに逆方向に回転させながら２枚の金属板を接合する両面摩擦撹拌接合に供する両面摩擦撹拌接合用回転ツール、並びに当該両面摩擦撹拌接合用回転ツールを用いた両面摩擦撹拌接合装置、及び両面摩擦撹拌接合方法を提供することを課題とする。  金属板の未接合部の一方面側と他方面側とに配置した一対の回転ツールを互いに逆方向に回転させて金属板同士を接合する両面摩擦撹拌接合に用いる両面摩擦撹拌接合用回転ツールであって、一対の両面摩擦撹拌接合用回転ツールは、円形かつ平面状に形成した先端部を有し、前記先端部は、金属板よりも硬い材質である両面摩擦撹拌接合用回転ツール。
2019182020.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属板の未接合部の一方面側と他方面側に配置した一対の回転ツールを互いに逆方向に回転させて金属板同士を接合する両面摩擦撹拌接合に用いる両面摩擦撹拌接合用回転ツールであって、
一対の両面摩擦撹拌接合用回転ツールは、円形かつ平面状に形成した先端部を有し、
前記先端部は、金属板よりも硬い材質である両面摩擦撹拌接合用回転ツール。
【請求項２】
金属板の未接合部の一方面側と他方面側に配置した一対の回転ツールを互いに逆方向に回転させて金属板同士を接合する両面摩擦撹拌接合に用いる両面摩擦撹拌接合用回転ツールであって、
一対の両面摩擦撹拌接合用回転ツールは、円形かつ凸型の曲面状に形成した先端部を有し、
前記先端部は、金属板よりも硬い材質である両面摩擦撹拌接合用回転ツール。
【請求項３】
金属板の未接合部の一方面側と他方面側に配置した一対の回転ツールを互いに逆方向に回転させて金属板同士を接合する両面摩擦撹拌接合に用いる両面摩擦撹拌接合用回転ツールであって、
一対の両面摩擦撹拌接合用回転ツールは、円形かつ凹型の曲面状に形成した先端部を有し、
前記先端部は、金属板よりも硬い材質である両面摩擦撹拌接合用回転ツール。
【請求項４】
前記先端部は、回転方向とは反対方向に形成された渦状の段差部を有する請求項１〜３のいずれか１項に記載の両面摩擦撹拌接合用回転ツール。
【請求項５】
前記先端部は、前記先端部の直径Ｄ（ｍｍ）が式（３）を満足する請求項１〜４のいずれか１項に記載の両面摩擦撹拌接合用回転ツール。
４×ｔ ≦ Ｄ ≦ ２０×ｔ  ・・・式（３）
ここで、ｔは金属板の厚さ（ｍｍ）とする。
【請求項６】
金属板の未接合部の一方面側と他方面側とに配置した一対の回転ツールと、該回転ツールの動作を制御する制御装置とを有し、一対の回転ツールが互いに逆方向に回転して金属板同士を接合する両面摩擦撹拌接合装置であって、
前記回転ツールは、請求項１から４までのいずれか１項に記載の両面摩擦撹拌接合用回転ツールである、両面摩擦撹拌接合装置。
【請求項７】
金属板の未接合部の一方面側と他方面側とに配置した一対の回転ツールと、該回転ツールの動作を制御する制御装置とを有し、一対の回転ツールが互いに逆方向に回転して金属板同士を接合する両面摩擦撹拌接合装置であって、
前記回転ツールは、請求項５に記載の両面摩擦撹拌接合用回転ツールであり、
前記制御装置は、以下の式（１）及び（２）を満たすように、回転ツールを制御する両面摩擦撹拌接合装置。
０≦α≦３・・・（１）
０．２５×ｔ−０．２×Ｄ×ｓｉｎα≦Ｇ≦０．８×ｔ−０．２×Ｄ×ｓｉｎα・・・（２）
α（°）：回転ツールの傾斜角度、G（ｍｍ）：一対の回転ツールの先端部の距離
【請求項８】
金属板の未接合部の一方面側と他方面側に配置した一対の回転ツールを互いに逆方向に回転させて金属板同士を接合する両面摩擦撹拌接合方法であって、
前記回転ツールとして、請求項１から４までのいずれか１項に記載の両面摩擦撹拌接合用回転ツールを用いる両面摩擦撹拌接合方法。
【請求項９】
金属板の未接合部の一方面側と他方面側に配置した一対の回転ツールを互いに逆方向に回転させて金属板同士を接合する両面摩擦撹拌接合方法であって、
前記回転ツールとして、請求項５に記載の両面摩擦撹拌接合用回転ツールを用い、
回転ツールの傾斜角度α（°）、及び一対の回転ツールの先端部の距離G（ｍｍ）を以下の式（１）及び（２）を満たすようにする両面摩擦撹拌接合方法。
０≦α≦３・・・（１）
０．２５×ｔ−０．２×Ｄ×ｓｉｎα≦Ｇ≦０．８×ｔ−０．２×Ｄ×ｓｉｎα・・・（２）
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、相対向する一対の回転ツールを互いに逆方向に回転させながら２枚の金属板を接合する両面摩擦撹拌接合に供する両面摩擦撹拌接合用回転ツール、並びに当該両面摩擦撹拌接合用回転ツールを用いた両面摩擦撹拌接合装置、及び両面摩擦撹拌接合方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、一対の金属板等の部材の両方または片方を回転することにより、金属板に摩擦熱を生じさせて軟化させながら、その軟化した部位を撹拌して塑性流動を起こすことによって、金属板を接合する技術が開示されている。【０００３】
しかしながら、この特許文献1に記載の技術は、接合対象とする金属板等の部材を回転させる必要があるので、接合する金属板等の部材の形状や寸法に限界がある。【０００４】
一方、特許文献１とは異なる摩擦溶接法として、例えば特許文献２には、金属板等の加工物よりも実質的に硬い材質からなるプローブ（ピンともいう。）を有する回転ツール（単に「ツール」と称することもある。）を金属板の未接合部に挿入し、このツールを回転させながら移動させることにより、回転ツールと金属板との間に生じる熱と塑性流動とによって、金属板を長手方向に連続的に接合する方法が開示されている。尚、本明細書では、金属板を突合わせた又は重ね合わせた部分で未だ接合されていない状態にある部分を「未接合部」と称し、接合されて一体化された部分を「接合部」と称する。【０００５】
上記のように、特許文献１に記載された摩擦溶接法は、金属板同士を回転させ、金属板同士の摩擦熱によって溶接する方法である。一方、特許文献２に記載された摩擦撹拌接合法は、金属板を固定した状態で、回転ツールを回転させながら移動することにより接合を行う方法である。このため、摩擦撹拌接合法は、溶接方向に対して実質的に無限に長い部材であってもその長手方向に連続的に固相接合できるという利点がある。また、摩擦撹拌接合方法は、回転ツールと金属板との摩擦熱による金属の塑性流動を利用した固相接合であるので、未接合部を溶融することなく接合することができる。さらに、加熱温度が低いので接合後の変形が少なく、また金属板が溶融されないので接合部の欠陥が少なく、加えて溶加材を必要としない等の多くの利点がある。【０００６】
摩擦撹拌接合法は、アルミニウム合金やマグネシウム合金に代表される低融点金属材料の接合法として、航空機、船舶、鉄道車輌および自動車等の分野で利用が広がってきている。この理由としては、これらの低融点金属材料は、従来のアーク溶接法では接合部において満足な特性を得ることが難しく、摩擦撹拌接合法を適用することにより生産性が向上すると共に、品質の高い接合部（継手）を得ることができるためである。【０００７】
建築物、船舶、重機、パイプラインおよび自動車といった構造物の素材として主に適用されている構造用鋼に摩擦撹拌接合法を適用することは、従来の溶融溶接では課題となっていた凝固割れや水素割れを回避できるとともに、鋼材の組織変化も抑制されるので、継手性能の向上に繋がることが期待できる。また、回転ツールにより接合界面を撹拌することで清浄面を創出して清浄面同士を接触できるので、拡散接合のような前準備工程が不要であるというメリットも期待できる。このように、構造用鋼に対する摩擦撹拌接合法の適用は、多くの利点が期待される。しかし、構造用鋼に対する摩擦撹拌接合法の適用は、接合時における継手での欠陥発生の抑制や接合速度の高速度化といった接合施工性に問題を残しているので、低融点金属材料に対する摩擦撹拌接合法の適用と比較して普及が進んでいない。上記した継手の欠陥としては、特に接合直後における継手表面又は継手内部における形状不良および接合不良等が挙げられる。【０００８】
上記した特許文献２に記載の摩擦撹拌接合法における欠陥発生の主な要因としては、金属板の厚さ方向に生じる温度、塑性流動のばらつきが挙げられる。具体的には、金属板の一方面側のみに回転ツールを配置する場合、当該一方面側では冶金的に好ましい接合状態を達成するのに十分な塑性流動が得られるものの、他方面側では、接合時における未接合部の温度上昇およびせん断応力の負荷が十分でなく、不十分な塑性流動しか得られないことが多い。【０００９】
特許文献２に記載の摩擦撹拌接合法を構造用鋼に適用する場合においては、被加工材である構造用鋼の高温での強度が高いことから、低入熱でかつ接合速度が高い場合に、未接合部において十分な塑性流動が得られないことが多い。よって、接合時における欠陥発生を抑制しつつ接合速度を高速度化することが困難である。【００１０】
このような問題を解決する手段として、例えば特許文献３、４および５には両面摩擦撹拌接合方法が開示されている。両面摩擦撹拌接合方法では、相対向する一対の回転ツールが金属板（被加工材）の接合部の一方面側と他方面側とを押圧することで、被加工材の厚さ方向に対して均質に十分な塑性流動を得ることができる。これにより、接合時における継手の欠陥発生を抑制しつつ、接合速度の高速度化を達成することができる。【００１１】
さらには、摩擦撹拌接合法の構造用鋼への適用を一層普及するためには、ツールの耐久性、寿命の向上が必要である。その理由は、ツールの破損および摩耗を原因として補修が必要となり、これに起因して接合不良が高い確率で発生することが予見されている場合には、上記したような有利な特長（効果）があったとしても、摩擦撹拌接合法の構造用鋼への実適用は難しいと判断されるからである。【００１２】
一般的な摩擦撹拌接合法では、先端かつ回転軸の中心に突起状のプローブを有し、その周囲により平坦な形状となる肩部を有する回転ツールを用い、プローブを未接合部に挿入して回転させながら平行移動させることで被加工材の接合を行う。したがって、接合中にはプローブに多大な負荷が掛かるので、プローブは回転ツールを構成する部位の中で特に破損および摩耗を引き起こしやすい。【００１３】
プローブの破損等を回避することを目的とした技術として、例えば特許文献６〜１１に開示される、先端部が平面形状であってプローブを有さない回転ツールを用いた摩擦撹拌接合がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開昭６２−１８３９７９号公報
【特許文献２】特表平０７−５０５０９０号公報
【特許文献３】特許第３２６１４３３号公報
【特許文献４】特許第４８３８３８５号公報
【特許文献５】特許第４８３８３８８号公報
【特許文献６】特許第５１８５１０３号公報
【特許文献７】特開２０１５−１２７０６３号公報
【特許文献８】特開２００３−１８１６５５号公報
【特許文献９】特開２００３−２９０９３６号公報
【特許文献１０】特開２００４−１９５４８０号公報
【特許文献１１】特開２０１１−１１５８４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
しかしながら、特許文献６および７に開示の技術は、溶接部の補強、或いは金属の表面硬化を目的としたものであり、金属板の接合に適用されることについては、何ら考慮されていない。これらの技術に開示された回転ツールの先端部は平坦もしくは平面と記載されているが、塑性流動を向上することを目的として凹型もしくは凸型の曲面状とすることについての記載は無い。さらに、上記した特許文献６および７に記載の従来の回転ツールは、回転方向とは反対方向に形成された渦状の段差部を有するということについての記載も無い。そのため、金属板の接合に上記従来の回転ツールを使用する場合には板厚方向に十分な塑性流動が得られず、接合不良を生じる恐れがある。【００１６】
また、特許文献８〜１１に開示の技術は、摩擦撹拌方法による金属板の接合を目的としたものであるが、両面摩擦撹拌接合方法に適用されることについては、何ら考慮されていない。すなわち特許文献８〜１１には、両面摩擦撹拌接合方法においてツール先端部の直径と接合する金属板の厚さとの適正な関係について開示がないので、健全な継手が得られない恐れがある。【００１７】
本発明は、上記の問題に鑑みて完成されたものであり、相対向する一対の回転ツールを互いに逆方向に回転させながら２枚の金属板を接合する両面摩擦撹拌接合に供する両面摩擦撹拌接合用回転ツール、並びに当該両面摩擦撹拌接合用回転ツールを用いた両面摩擦撹拌接合装置、及び両面摩擦撹拌接合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】
【００１８】
本発明は、以下を要旨とするものである。
［１］金属板の未接合部の一方面側と他方面側に配置した一対の回転ツールを互いに逆方向に回転させて金属板同士を接合する両面摩擦撹拌接合に用いる両面摩擦撹拌接合用回転ツールであって、一対の両面摩擦撹拌接合用回転ツールは、円形かつ平面状に形成した先端部を有し、前記先端部は、金属板よりも硬い材質である両面摩擦撹拌接合用回転ツール。
［２］金属板の未接合部の一方面側と他方面側に配置した一対の回転ツールを互いに逆方向に回転させて金属板同士を接合する両面摩擦撹拌接合に用いる両面摩擦撹拌接合用回転ツールであって、一対の両面摩擦撹拌接合用回転ツールは、円形かつ凸型の曲面状に形成した先端部を有し、前記先端部は、金属板よりも硬い材質である両面摩擦撹拌接合用回転ツール。
［３］金属板の未接合部の一方面側と他方面側に配置した一対の回転ツールを互いに逆方向に回転させて金属板同士を接合する両面摩擦撹拌接合に用いる両面摩擦撹拌接合用回転ツールであって、一対の両面摩擦撹拌接合用回転ツールは、円形かつ凹型の曲面状に形成した先端部を有し、前記先端部は、金属板よりも硬い材質である両面摩擦撹拌接合用回転ツール。
［４］前記先端部は、回転方向とは反対方向に形成された渦状の段差部を有する［１］〜［３］のいずれか１つに記載の両面摩擦撹拌接合用回転ツール
［５］前記先端部は、前記先端部の直径Ｄ（ｍｍ）が式（３）を満足する［１］〜［４］のいずれか１つに記載の両面摩擦撹拌接合用回転ツール。
４×ｔ ≦ Ｄ ≦ ２０×ｔ  ・・・式（３）
ここで、ｔは金属板の厚さ（ｍｍ）とする。
［６］金属板の未接合部の一方面側と他方面側とに配置した一対の回転ツールと、該回転ツールの動作を制御する制御装置とを有し、一対の回転ツールが互いに逆方向に回転して金属板同士を接合する両面摩擦撹拌接合装置であって、前記回転ツールは、［１］から［４］までのいずれか１つに記載の両面摩擦撹拌接合用回転ツールである、両面摩擦撹拌接合装置。
［７］金属板の未接合部の一方面側と他方面側とに配置した一対の回転ツールと、該回転ツールの動作を制御する制御装置とを有し、一対の回転ツールが互いに逆方向に回転して金属板同士を接合する両面摩擦撹拌接合装置であって、前記回転ツールは、［５］に記載の両面摩擦撹拌接合用回転ツールであり、前記制御装置は、以下の式（１）及び（２）を満たすように、回転ツールを制御する両面摩擦撹拌接合装置。
０≦α≦３・・・（１）
０．２５×ｔ−０．２×Ｄ×ｓｉｎα≦Ｇ≦０．８×ｔ−０．２×Ｄ×ｓｉｎα・・・（２）
α（°）：回転ツールの傾斜角度、Ｇ（ｍｍ）：一対の回転ツールの先端部の距離
［８］金属板の未接合部の一方面側と他方面側に配置した一対の回転ツールを互いに逆方向に回転させて金属板同士を接合する両面摩擦撹拌接合方法であって、前記回転ツールとして、［１］から［４］までのいずれか１つに記載の両面摩擦撹拌接合用回転ツールを用いる両面摩擦撹拌接合方法。
［９］金属板の未接合部の一方面側と他方面側に配置した一対の回転ツールを互いに逆方向に回転させて金属板同士を接合する両面摩擦撹拌接合方法であって、前記回転ツールとして、［５］に記載の両面摩擦撹拌接合用回転ツールを用い、回転ツールの傾斜角度α（°）、及び一対の回転ツールの先端部の距離Ｇ（ｍｍ）を以下の式（１）及び（２）を満たすようにする両面摩擦撹拌接合方法。
０≦α≦３・・・（１）    
０．２５×ｔ−０．２×Ｄ×ｓｉｎα≦Ｇ≦０．８×ｔ−０．２×Ｄ×ｓｉｎα・・・（２）
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、相対向する一対の回転ツールを互いに逆方向に回転させながら２枚の金属板を接合する両面摩擦撹拌接合装置及び両面摩擦撹拌接合方法に好適に用いられる、先端にプローブを有しない両面摩擦撹拌接合用回転ツールを提供することができる。本発明の両面摩擦撹拌接合用回転ツールにより、金属板の厚さ方向に対して均質に塑性流動が促進されるので、欠陥の発生を抑制した十分な強度の継手を高い接合速度で得ることができる。さらに、従来の回転ツールでは肩部よりも大きな応力がかかり破損および摩耗が優先的に発生するプローブを廃することができるので、両面摩擦撹拌接合用回転ツールの耐久性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１は、本発明の両面摩擦撹拌接合用回転ツールを適用した両面摩擦撹拌接合方法を説明する概略図であり、突合せ接合の一例を示したものである。である。
【図２】図２は、本発明の両面摩擦撹拌接合用回転ツールを適用した両面摩擦撹拌接合方法を説明する概略図であり、重ね接合の一例を示したものであるである。
【図３】図３は、回転ツールにより摩擦撹拌する領域を示す説明図であり、図３（ａ）は平面図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）に示すＡ−Ａ´線断面図である。
【図４】図４（ａ）および図４（ｂ）は、従来の回転ツールの形状を示したものであり、それぞれ上部が側面図、下部が平面図である。
【図５】図５（ａ）および図５（ｂ）は、本発明の両面摩擦撹拌接合用回転ツールにおける第１実施形態の形状を示したものであり、それぞれ上部が側面図、下部が平面図である。
【図６】図６（ａ）および図６（ｂ）は、本発明の両面摩擦撹拌接合用回転ツールにおける第２実施形態の形状を示したものであり、それぞれ上部が側面図、下部が平面図である。
【図７】図７（ａ）および図７（ｂ）は、本発明の両面摩擦撹拌接合用回転ツールにおける第３実施形態の形状を示したものであり、それぞれ上部が側面図、下部が平面図である。
【図８】図８は、本発明の両面摩擦撹拌接合用回転ツールに設けた段差部の形状を示したものであり、図８（ａ）は平面図、図８（ｂ）および図８（ｃ）はそれぞれ図８（ａ）に示すＢ−Ｂ´線断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、各図を参照して、本発明の両面摩擦撹拌接合用回転ツールについて説明する。なお、本発明はこの実施形態に限定されない。
【００２２】
まず、本発明の両面摩擦撹拌接合用回転ツール（以下、回転ツールと称する。）を適用可能な両面摩擦撹拌接合方法について説明する。図１は、両面摩擦撹拌接合方法として、突合せ接合の一例を示したものであり、図２は、両面摩擦撹拌接合方法として、重ね接合の一例を示したものである。
【００２３】
図１および図２に示すように、両面摩擦撹拌接合方法では、１対の回転ツール１、８、把持装置（図示せず）および回転ツール１、８の動作を制御する制御装置（図示せず）を備える両面摩擦撹拌接合装置を用いる。制御装置では、例えば回転ツール１、８の傾斜角度α、回転ツール１、８の先端部同士の距離、接合速度および回転ツール１、８の回転数等を制御する。
【００２４】
両面摩擦撹拌接合装置の回転ツール１、８（以下、金属板の表面側に配置される回転ツールを、表面側回転ツール１と称し、金属板の裏面側に配置される回転ツールを、裏面側回転ツール８と称する場合もある。）は、金属板（被加工材、被接合材）４の一方面側（表面側）と他方面側（裏面側）にそれぞれ配置する。２枚の金属板４は、図１および図２中に示した接合中央線７に平行となるように配置され、それぞれ把持装置（図示せず）で把持される。接合中央線７上に位置する２枚の金属板４の未接合部において、回転ツール１、８が金属板４を押圧しつつ、回転しながら接合方向（各図中に示した矢印の方向）に移動する。これにより、回転ツール１、８と金属板４との摩擦熱により該金属板４を軟化させつつ、その軟化した部位を回転ツール１、８で撹拌することにより塑性流動を生じさせて、金属板４を接合する。なお、以降の説明において、接合が完了した部分は接合部５と称する。
【００２５】
図１および図２に示すように、相対向する回転ツール１、８の回転方向を、金属板４の表面側（又は裏面側）から見て、表面側と裏面側で逆方向とすることが好ましい。これにより、回転ツール１、８から金属板４に加わる回転トルクを打ち消し合うことができる。その結果、従来技術である一方面側からの回転ツールのみによって未接合部を押圧して接合する摩擦撹拌接合法と比較すると、被接合材を拘束する治具の構造を簡略化することが可能となる。図１および図２に示す例では、表面側回転ツール１の回転方向は矢印ＴＳで示し、裏面側回転ツール８の回転方向は矢印Ｔｂで示している。
【００２６】
なお、相対向する回転ツール１、８の回転方向を表面側と裏面側で同方向とすると、一方の回転ツールに対する他方の回転ツールの相対速度はゼロに近づく。その結果、金属板４の塑性流動が均質状態に近づくほど塑性変形が小さくなり、材料の塑性変形による発熱も得られなくなるので、良好な接合状態を達成することが難しい。よって、良好な接合状態を達成するのに十分な温度上昇とせん断応力を金属板の厚さ方向に対して均質的に得るためには、相対向する回転ツール１、８の回転方向を表面側と裏面側（一方面側と他方面側）で逆方向とすることが有効である。
【００２７】
ここで、金属板の接合態様について説明する。
【００２８】
金属板の接合態様の好適な例として、突合せ接合および重ね接合が挙げられる。突合せ接合とは、図１に示すように、２枚の金属板４の一部を重ね合わせずに、金属板４の端面同士を対向させた状態で、対向した金属板の端面（突合せ面）を含む突合せ部を回転ツール１、８により押圧しつつ、回転ツール１、８を回転させながら接合方向に移動することで金属板の接合を行うものを指す。重ね接合とは、図２に示すように、２枚の金属板４の端部の少なくとも一部を重ね合わせて、金属板４同士が重なり合った重ね部を回転ツール１、８により押圧しつつ、回転ツール１、８を回転させながら接合方向に移動することで金属板の接合を行うものを指す。なお、図１と図２は接合態様が異なるだけで、その他の装置の構成等は同じなので、以下では図１の突合せ接合の例を中心に説明を行う。
【００２９】
次に、本発明の両面摩擦撹拌接合用回転ツールについて説明する。
【００３０】
図４は、従来のプローブを有する回転ツール２０を説明する図である。図５〜図８は、本発明の回転ツール１、８を説明する図である。図５には本発明の回転ツールの第１実施形態を示し、図６には本発明の回転ツールの第２実施形態を示し、図７には本発明の回転ツールの第３実施形態を示す。なお、図４〜図７において、それぞれ上部が側面図であり、下部が平面図である。表面側回転ツール１および裏面側回転ツール８は同じ形状となるので、図４〜図８には表面側回転ツール１のみを示す。
【００３１】
図４を用いて、従来例であるプローブ（ピン）２１を有する回転ツール２０について説明する。図４（ａ）および図４（ｂ）には、肩部２２にプローブ２１を有する回転ツール２０の例をそれぞれ示す。例えば、図４（ａ）に示す回転ツール２０の例では、回転ツール２０の形状は、肩部２２の直径（肩径）：１２ｍｍ、プローブ２１の直径（ピン径）：４ｍｍ、プローブ２１の長さ（ピン長さ）：０．５ｍｍ、凹面深さ：０．３ｍｍである。図４（ｂ）に示す回転ツール２０の例では、回転ツール２０の形状は、肩径：２０ｍｍ、ピン径：６．７ｍｍ、ピン長さ：０．７ｍｍ、凹面深さ：０．３ｍｍである。
【００３２】
図４（ａ）および図４（ｂ）に示すように、従来の回転ツール２０の先端部、すなわち接合時に金属板の軟化部と接触する部位は、肩部２２（図４（ａ）、図４（ｂ）中の肩径で示される範囲）とプローブ２１（図４（ａ）、図４（ｂ）中のピン径で示される範囲）とからなる。肩部２２は、略平面あるいは緩やかな曲面により形成された平坦な形状を呈する。プローブ２１は、肩部２２とは不連続な形状となり、金属板（図示せず）へ向けて略垂直に突出した形状を呈する。
【００３３】
プローブ２１は、接合時に、金属板の軟化部において、より板厚中心方向まで侵入することにより、板厚中心部近傍の撹拌能を向上させる機能を有する。一方で、板厚方向のより先端側（板厚中心部側）に位置するプローブ２１には、肩部２２よりも大きい応力がかかるという問題がある。その結果、上記した回転ツールの破損および摩耗に起因した補修が必要になるという問題もある。
【００３４】
本発明者らは鋭意検討し、より大きな応力がかかることに起因して、破損や摩耗を特に引き起こしやすい部位であるプローブを設けなくても、接合部の欠陥発生を抑制できるとともに接合速度の高速化が可能な両面摩擦撹拌接合用回転ツールを見出した。
【００３５】
本発明の両面摩擦撹拌接合用回転ツール（相対向する回転ツール１、８）は、図５〜図７に示すように、回転ツール１、８の先端は先端部１１のみからなる。図４に示した従来の回転ツールの構成と比べると、本発明の回転ツールの先端部１１はプローブ２１を有さない。回転ツール１、８の先端部１１は、平面状１１ａ（図５を参照）、凸型の曲面状１１ｂ（図６を参照）および凹型の曲面状１１ｃ（図７を参照）のいずれか１種の形状に形成される。また、先端部１１は断面形状で円形に形成される。
【００３６】
ここで、回転ツール１、８の先端部１１（図１等に示した、表面側回転ツールの先端部２、裏面側回転ツールの先端部９）とは、接合時に金属板４およびその流動部（軟化部）と接触する部分をいう。そのため、回転ツール１、８の先端部１１は、接合時に晒される高温状態において、金属板４よりも硬い材質で形成される。これにより、接合時に回転ツール１、８は先端部１１の形状を保持したまま金属板４に変形を加えることができる。その結果、高い撹拌能を持続的に実現することができ、適正な接合が可能となる。
【００３７】
なお、硬さを比較する際には、高温ビッカース硬さ試験方法を用いればよい。回転ツール１、８は、その先端部のみを上述した硬さとしてもよく、あるいは回転ツール１、８全体を上述した硬さとしてもよい。
【００３８】
また、本発明では、上記した構成に加えて、さらに、回転ツール１、８の先端部１１に、渦状（螺旋状）の段差部１２を設けることが好ましい。段差部１２を構成する渦（螺旋）は、各回転ツール１、８の回転方向に対して反対方向に設けることが好ましい。段差部１２を構成する渦は、１つ以上設けることが好ましい。なお、段差部１２を構成する渦の数は、６つを超えると材料流動を向上する効果が乏しくなるだけでなく、形状の複雑化により回転ツール１、８の先端部１１が破損しやすくなる恐れがあるので、６つ以下とすることが好ましい。尚、図５〜図７の（ｂ）の例、及び図８の（ａ）の例では、いずれも渦の数は４である。
【００３９】
材料流動を向上させつつ回転ツール１、８の先端部１１の破損を防ぐという観点から、段差部１２を構成する渦の数は、先端部１１の直径に応じて調節することができる。具体的には、先端部１１の直径が大きいほど渦の数を多くし、先端部１１の直径が小さいほど渦の数を少なくすることが好ましい。
【００４０】
段差部１２は、先端部のその他の面（平面又は曲面）よりも窪んだ形状を有する。このような窪んだ段差部１２を設けることによって、回転ツール１、８による金属板４の押圧および撹拌時に生じる、回転ツール１、８の外側から内側へ向かって摩擦熱により軟化した金属材料を流動させて、回転ツール１、８による押圧部の外側へ金属材料が流出することを抑制できる。これにより、押圧部の塑性流動を促進することができるとともに、接合部の厚さが母材に対して減少することを抑止し、かつバリの無い美麗な接合部表面を形成することができる。尚、段差部を設けることによる当該効果は、渦状の段差部１２を回転ツール１、８の回転方向とは反対方向に設けることによって得られる。言い換えると、本発明に係る回転ツールの先端部は、渦状の段差部を有しないこと、又は回転方向とは反対方向に形成された渦状の段差部を有することが好ましい。
【００４１】
なお、この回転ツールの回転方向に対して反対方向に形成された渦状の段差部１２は、１段以上設けることによって、上記と同様の効果を得ることができる。
【００４２】
ここで、図８を用いて、段差部１２についてより具体的に説明する。図８（ａ）は凸型の曲面状１１ｂの先端部１１を有する回転ツール１（表面側回転ツール）の平面図であり、図８（ｂ）および図８（ｃ）は、図８（ａ）に示したＢ−Ｂ´線断面図である。
【００４３】
図８（ａ）に示すように、平面視において、各段差部１２は回転方向とは反対方向に形成される。言い換えると、それぞれの段差部１２の円周側から円中心側へ向かう曲線の方向と、回転ツールの回転方向とが反対方向となるようにする。
【００４４】
図８（ａ）に示すように、渦状の段差部１２は、それぞれ平面視において、円中心部近傍を起点として円周部に向かう曲線を形成する。渦の長さは、先端部１１の外周の長さを１周とした際に、０．５周以上２周以下とすることが好ましい。渦の長さについても、先端部１１の直径に応じて調節することができ、先端部１１の直径が大きいほど渦の長さを長くし、先端部１１の直径が小さいほど渦の長さを短くすることが好ましい。
【００４５】
段差部１２の具体例としては、図８（ｂ）に示す階段部１２ｂと、図８（ｃ）に示す溝部１２ｃとを挙げることができる。図８（ｂ）に示す例では、階段部１２ｂは、回転ツール１の先端部１１における凸型の曲面と同様に、円周側から円中心側へ向かって、徐々に高くなるように略水平の段を形成する。上記した効果を得る観点からは、本発明では当該渦状の段差が一段以上設けられていればよい。図８（ｂ）の例では、形成された各段差部１２は、図８（ａ）に示すように平面視において渦状の形状を呈している。
【００４６】
なお、図示はしていないが、凹型の曲面状の先端部を有する回転ツールにおいて、凹型の曲面に階段部１２ｂを設ける場合には、凹型の曲面に合わせて、円周側から円中心側へ向かって、徐々に低くなるように段を形成すればよい。
【００４７】
図８（ｃ）に示す例では、溝部１２ｃは、回転ツール１の先端部１１における曲面（凸型の曲面）において、他の面よりも窪んだ断面略Ｕ字形状の溝を呈する。上記した効果を得る観点からは、本発明では当該溝部１２ｃが１本以上設けられていればよい。図８（ｃ）の例では、形成された各溝部１２ｃは、図８（ａ）に示すように平面図において渦状となるように狭長の形状を有する。
【００４８】
なお、図示はしていないが、凹型の曲面状１１ｃ又は平面状１１ａの先端部１１を有する回転ツール１において、凹型の曲面又は平面に溝部１２ｃを設ける場合も同様に、断面略Ｕ字形状の溝を形成すればよい。
【００４９】
また本発明では、上記した構成に加えて、さらに、回転ツール１、８の先端部１１の直径Ｄ（ｍｍ）が次の関係式の式（３）を満たすことが好ましい。
４×ｔ≦Ｄ≦２０×ｔ  ・・・式（３）
ここで、ｔは金属板の厚さ（ｍｍ）とする。
【００５０】
回転ツール１、８は、先端部１１の直径を管理することにより、金属板４の板厚方向に対して均質的に温度上昇とせん断応力を有効に付与することができる。回転ツール１の先端部１１の直径Ｄは、金属板４の厚さ（重ね接合の場合には、金属板４の総厚さ）により管理することが好ましい。すなわち、回転ツール１、８の先端部１１の直径Ｄ（ｍｍ）は、上記式（３）：４×ｔ≦Ｄ≦２０×ｔとすることが有効である。
【００５１】
直径Ｄ（ｍｍ）が４×ｔ（ｍｍ）未満になると、板厚方向に対して均質的な塑性流動が有効に得られないことがある。一方、直径Ｄ（ｍｍ）が２０×ｔ（ｍｍ）を超えると、塑性流動が生じる領域を不必要に広げてしまい、装置に対して過大な負荷がかかるので好ましくない。
【００５２】
次に、本発明の回転ツールの第１〜第３実施形態について、詳細に説明する。なお、図５〜図７には表面側回転ツール１のみを示す。
【００５３】
（第１実施形態）
第１実施形態における本発明の回転ツール１、８は、図５（ａ）および図５（ｂ）に示すように、円形に設けた先端が平面状１１ａに形成された先端部１１のみから成る。平面状に形成された先端部１１では、金属板と接する先端面が、回転ツール１、８の回転軸と垂直な一つの平面からなる。当該先端面は、従来の回転ツールと異なり、金属板に向かって突出するプローブを有さない。また、回転ツール１、８は、図５（ｂ）に示すように、先端部１１に、上述した回転方向とは反対方向の渦状（螺旋状）の段差部１２を１段以上設けることができる。なお、段差部１２には、上述した階段部１２ｂあるいは溝部１２ｃを設ける。
【００５４】
（第２実施形態）
第２実施形態の回転ツール１、８は、図６（ａ）および図６（ｂ）に示すように、円形に設けた先端が凸型の曲面状１１ｂに形成された先端部１１のみから成り、回転ツールの先端は突出する。従来の回転ツールが、金属板に向かって突出するプローブを有し、肩部とプローブとで非連続的な形状を呈するのに対し、凸型の曲面状の先端部１１は、プローブを有さない連続的な形状を呈し、略一様となる傾斜面を形成する。言い換えると、凸型の曲面状の先端部１では、金属板と接する先端面が、中心方向に向かって突出する一つの曲面（放物面、長球面又は球面）からなり、金属板に対して鉛直方向で回転軸を含む断面形状において、略一様な曲率半径の曲線を呈する。また、回転ツール１、８は、図６（ｂ）に示すように、先端部１１に、上述した回転方向とは反対方向の渦状（螺旋状）の段差部１２を１段以上設けることができる。なお、段差部１２には、上述した階段部１２ｂあるいは溝部１２ｃを設ける。
【００５５】
さらに回転ツール１、８の先端が凸型の曲面状１１ｂの先端部１１から成る場合、凸型の曲面（凸面）高さをｄｖ（ｍｍ）、回転ツールの先端部の直径をＤ（ｍｍ）とするとき、回転ツールは次の関係式の式（４）を満たすことが好ましい。
ｄｖ／Ｄ ≦ ０．０６  ・・・式（４）
【００５６】
上記の式（４）を満たす範囲内（すなわちｄｖ／Ｄの値が０．０６以下）において先端部が金属板に接触する際には、流動部に有効に圧力を加えることができる。その結果、回転ツールの回転により接合に十分な塑性流動を生じさせることができる。一方、上記の式（４）の範囲を超える（すなわちｄｖ／Ｄの値が０．０６を超える）と、接合部の表面および裏面が顕著に凹状となり、接合部の厚さが金属板の厚さに対して顕著に小さくなるので、継手強度の確保が困難となる場合があり、好ましくない。なお、流動部に有効に圧力を加えるためには、ｄｖ／Ｄの値の下限は、０．０１以上とすることが好ましい。
【００５７】
（第３実施形態）
第３実施形態の回転ツール１、８は、図７（ａ）および図７（ｂ）に示すように、円形に設けた先端が凹型の曲面状１１ｃに形成された先端部１１のみから成り、回転ツールの先端は凹む。従来の回転ツールが、金属板に向かって突出するプローブを有し、肩部とプローブとで非連続的な形状を呈するのに対し、凹型の曲面状の先端部１１は、プローブを有さない連続的な形状を呈し、略一様となる傾斜面を形成する。言い換えると、凹型の曲面状の先端部１では、金属板と接する先端面が、中心方向に向かって窪む一つの曲面（放物面、長球面又は球面）からなり、金属板に対して鉛直方向で回転軸を含む断面形状において、略一様な曲率半径の曲線を呈する。また、回転ツール１、８は、図７（ｂ）に示すように、先端部１１に、上述した回転方向とは反対方向の渦状（螺旋状）の段差部１２を１段以上設けることができる。なお、段差部１２には、上述した階段部１２ｂあるいは溝部１２ｃを設ける。
【００５８】
さらに、回転ツールの先端部が凹型の曲面状の先端部１１から成る場合、凹型の曲面（凹面）深さをｄｃ（ｍｍ）、回転ツールの先端部の直径をＤ（ｍｍ）とするとき、回転ツールは次の関係式の式（５）を満たすことが好ましい。
ｄｃ／Ｄ  ≦  ０．０３  ・・・式（５）
【００５９】
上記の式（５）を満たす範囲内（すなわちｄｃ／Ｄの値が０．０３以下）において先端部が金属板に接触する際には、軟化した金属が先端部の凹型の曲面に満たされることで流動部に一様な圧力を加えることができる。その結果、回転ツールの回転により接合に十分な塑性流動を生じさせることができる。一方、上記の式（５）の範囲を超える（すなわちｄｃ／Ｄの値が０．０３を超える）と、上記した流動部に一様な圧力を加えることが難しくなり、接合に十分な塑性流動の確保が困難となる場合があり、好ましくない。なお、流動部に一様な圧力を加えるためには、ｄｃ／Ｄの値の下限は、０．０１以上とすることが好ましい。
【００６０】
尚、回転ツール１、８の先端部とは反対側の根元部分は、従来公知の両面摩擦撹拌接合装置に取り付けられることができればよく、当該根元部分の形状は特に制限されない。
【００６１】
次に、本発明の両面摩擦撹拌接合用回転ツール１、８を用いた両面摩擦撹拌接合方法の好ましい一例について説明する。
【００６２】
この両面摩擦撹拌接合方法では、以下に示す各種パラメータの条件を最適化することで、回転ツールの耐久性の向上、継手欠陥発生の抑制、および接合速度の高速度化について、さらに優れた効果を奏することができる。
【００６３】
（１）回転ツールの傾斜角度α（°）：０≦α≦３  ・・・式（１）
【００６４】
図３は、本発明の回転ツールにより摩擦撹拌する領域を示す説明図である。図３（ａ）は、図１に示すような金属板４の表裏面に配置した回転ツール１、８を接合方向に移動させた状態を、金属板４の表面側から平面視した図である。図３（ｂ）は、図３（ａ）に示したＡ−Ａ´線断面図である。
【００６５】
図３（ｂ）に示すように、回転ツール１、８の回転軸（表面側回転ツールの回転軸３、裏面側回転ツールの回転軸１０）は、金属板４に対して鉛直方向の垂直線６から、接合方向に対して後方側へ角度α°だけ傾斜させて接合を行うことが好ましい。言い換えると、回転ツール１、８の先端側が、後端側よりも接合方向の前方側に位置するように、回転ツール１、８を傾斜させることが好ましい。これにより、接合時に回転ツール１、８の水平方向（曲げ方向）へかかる負荷を、軸方向に圧縮させる分力として分散させることができる。
【００６６】
回転ツール１、８は、金属板４よりも硬い材質により形成される必要があり、例えばセラミックなどの靭性に乏しい材料を使用する場合もある。この場合、回転ツール１、８に対して曲げ方向の力が負荷されると、局部に応力が集中して破壊に至ることがある。これを回避するため、上述のように回転ツール１、８の回転軸３、１０を所定の角度（α°）だけ傾けることで、回転ツール１、８にかかる負荷を軸方向に圧縮される分力として受け、曲げ方向の力を低減することができる。これにより、回転ツール１、８の耐久性をさらに向上させることができる。
【００６７】
上述の効果は、傾斜角度αが０°以上であると得られるが、傾斜角度αが３°を超えると接合部の表裏面が凹形となり継手強度に悪影響を及ぼす場合がある。よって、回転ツール１、８の回転軸の傾斜角度は、０≦α≦３とすることが好ましい。
【００６８】
（２）一対の回転ツール１、８の先端部の距離Ｇ（ｍｍ）：
０．２５×ｔ−０．２×Ｄ×ｓｉｎα≦Ｇ≦０．８×ｔ−０．２×Ｄ×ｓｉｎα  ・・・式（２）
ただし、ｔ：金属板４の未接合部の厚さ（ｍｍ）、Ｄ：回転ツール１、８の先端部の直径（ｍｍ）、α：回転ツール１、８の傾斜角度（°）とする。
【００６９】
両面摩擦撹拌接合では、接合時における十分な温度上昇とせん断応力の付与を板厚方向に対して均質的に実現する際に、相対向する回転ツール１、８の先端部間の距離Ｇを管理することが重要である。具体的には、金属板４の未接合部の厚さｔ、回転ツール１、８の先端部の直径Ｄ、および回転ツール１、８の傾斜角度αを用いて、上記した回転ツール１、８の先端部の距離Ｇを、上記式（２）の範囲内となるように管理（調整）することが好ましい。
【００７０】
なお、金属板４の未接合部の厚さｔは、図１に示す突合せ接合を行う場合には、金属板４の１枚分の厚さをｔとして採用し、図２に示す重ね接合を行う場合には、重ね合せた金属板４の総厚さをｔとして採用すればよい。一対の回転ツール１、８の傾斜角度αは、それぞれ同じ角度を採用すればよい。また、回転ツール１、８の先端部の直径Ｄは、図５〜図７に示す平面状又は曲面状（凹型、凸型の曲面形状）を呈する先端部１１における、金属板に対して鉛直方向で回転軸を含む断面の先端径（ピン径）をいう。
【００７１】
回転ツール１、８を傾斜させない場合（すなわち、回転ツール１、８の傾斜角度α＝０°の場合）には、回転ツール１、８の先端部２、９間の距離Ｇの下限を０．２５×ｔとし、Ｇの上限を０．８×ｔとすればよい。
【００７２】
一方、回転ツール１、８を傾斜させる場合（すなわち、回転ツール１、８の傾斜角度が０≦α≦３の場合）、あるいは回転ツール１、８の先端部の直径Ｄを大きくする場合であって、回転ツール１、８の先端部を金属板４の表面および裏面においてより広い範囲で接触させるためには、回転ツール１、８同士の距離Ｇをより小さく設定する必要がある。この場合には、上述の式（２）の通り、Ｇの下限値は上記０．２５×ｔから０．２×Ｄ×ｓｉｎαを差し引けばよく、Ｇの上限値は上記０．８×ｔから０．２×Ｄ×ｓｉｎαを差し引けばよい。
【００７３】
上述のように、回転ツール１、８の先端部の距離Ｇは、上述の式（２）の範囲内に制御されることにより、相対向する回転ツール１、８の先端部が金属板４の表面および裏面側に十分な荷重で押圧され、接合部における発熱と塑性流動が十分に促進される。これにより、板厚方向に対して均質的に塑性流動が促進され、良好な状態の継手を得ることができる。なお、上記した距離Ｇの値が式（２）の上限値を超えると、回転ツール１、８の先端部が金属板４（被加工材）の表面および裏面側に十分な荷重で押圧することができず、上記の効果が得られない場合がある。一方、上記した距離Ｇの値が式（２）の下限値未満となると、接合部の表面および裏面が凹形となり、継手強度に悪影響を及ぼす場合がある。
【００７４】
上記した距離Ｇとは、図３（ｂ）で示すように、対向する回転ツール（表面側回転ツール）１の先端面と回転ツール（裏面側回転ツール）８の先端面との間における、鉛直方向の最短長さに相当する。
【００７５】
なお、上記以外の接合条件については、常法に従えばよい。例えば、本発明に係る両面摩擦撹拌接合装置及び両面摩擦撹拌接合方法では、回転ツール１、８の回転数は１００〜５０００ｒ／ｍｉｎが好ましく、さらに好ましくは５００〜３０００ｒ／ｍｉｎとする。回転数を当該範囲内とすることで、表面形状を良好に保ちつつ過度な熱量の投入による機械特性の低下を抑制できる。接合速度は、１０００ｍｍ／ｍｉｎ以上が好ましく、さらに好ましくは２０００ｍｍ／ｍｉｎ以上に高速化する。
【００７６】
被接合材は、接合対象として鋼板などの高融点合金を対象とすることが好ましいが、被接合材はこの例に限られるものではない。また、被接合材としては、金属板の一種である鋼板を好適な一例として挙げることができる。
【００７７】
鋼板を被接合材とする場合、対象鋼種としては、一般的な構造用鋼や炭素鋼、例えばJIS（日本工業規格）G 3106の溶接構造用圧延鋼材、JIS G 4051の機械構造用炭素鋼などを好適に用いることができる。また、引張強度が８００ＭＰａ以上の高強度構造用鋼にも有利に適用できる。この場合であっても、接合部において、鋼板（母材）の引張強度の８５％以上の強度、さらには９０％以上の強度、さらに好ましくは９５％以上の強度を得ることができる。
【００７８】
両面摩擦撹拌接合を行う場合、図１等に示すような、一対の本発明の回転ツール１、８と、把持装置（図示せず）と、回転ツールを制御する制御装置（図示せず）とを有する両面摩擦撹拌接合装置を用いて行う。この制御装置は、上記（１）、（２）の接合条件を満たすように、例えば回転ツール１、８の傾斜角度、回転ツールの先端部同士の距離、接合速度、および回転ツールの回転数等を制御する。
【００７９】
以上説明したように、本発明の回転ツール１、８によれば、回転ツール１、８の耐久性を向上させることができる。さらに、回転ツールの先端部に上記した形状を採用し、かつ相対向する回転ツール１、８の回転を逆方向とすることで、接合時の金属板に十分な温度上昇とせん断応力を付与することができる。その結果、接合部の欠陥発生を抑制できるとともに接合速度の高速化を可能とする効果が得られる、よって、本発明の回転ツールを適用した両面摩擦撹拌接合装置を用いて両面摩擦撹拌接合方法を行うことにより、構造用鋼の接合にも両面摩擦撹拌接合を実適用することが可能となる。
【実施例】
【００８０】
以下、本発明の作用および効果について、実施例を用いて説明する。なお、本発明は以下の実施例に限定されない。【００８１】
表１に示す板厚、化学組成、引張強さ、及びビッカース硬さの鋼板を用いて、摩擦撹拌接合を実施した。本実施例では、一部の鋼板に対しては重ね接合を行い、残りの鋼板に対しては突合せ接合を行った。【００８２】
突合せ接合の場合には、同種の鋼板を２枚並べて、開先角度をつけないいわゆるI型開先で、フライス加工程度の表面状態により継手突合せ面を形成した後、突合せ部の一方面側（表面側）および他方面側（裏面側）の両方から回転ツールを押圧し、接合方向に移動させて接合を行った。【００８３】
重ね接合の場合には、同種の鋼板を２枚重ねて、鋼板重ね部の一方面側（表面側）および他方面側（裏面側）の両方から回転ツールを押圧して１回の接合長を０．５ｍとして接合を行った。【００８４】
なお、突合せ接合および重ね接合のいずれの場合においても、接合の際には、１対の回転ツールを互いに逆方向に回転させた。すなわち、それぞれのツール先端部を正面視した状態では、同一方向へ回転する。摩擦撹拌接合の接合条件を表２−１および表２−２に示す。また、ここでは、図４〜図７に示した８種類の断面寸法および形状の回転ツールを用いた。これらの回転ツールは、ビッカース硬さが１０９０の炭化タングステン（ＷＣ）を素材としたものを用いた。図５〜図７の各（ａ）に示すプローブを有さず、かつ渦状の段差部を有さない各回転ツールを用いたものを発明例とした。さらに、図５〜図７の各（ｂ）に示すプローブを有さない回転ツールにおいて渦状の段差部を有する回転ツールを用いる場合は、その渦の方向が時計回りであるため、回転ツールの回転方向を反時計回りとするものを発明例とし、回転ツールの回転方向を時計回りとするものは比較例とした。図４（ａ）および（ｂ）に示すプローブを有する回転ツールを用いたものを比較例とした。【００８５】
【表１】
2019182020.tif 000003
【００８６】
【表２−１】
2019182020.tif 000004
【００８７】
【表２−２】
2019182020.tif 000005
【００８８】
得られた接合継手を用いて、以下に示す通りに評価を行った。【００８９】
（Ｉ）継手外観観察での表面欠陥の有無
観察は、得られた接合継手の接合速度が表２−１および表２−２に記載の値となった部位を用いた。表面欠陥の有無は、塑性流動不足により溝状に未接合状態が見られるか、あるいは接合ツールの肩部間の隙間Ｇが狭すぎることにより接合部が凹形状となる状態が見られるか否かを目視で判定する。表面欠陥として、溝状の未接合状態あるいは接合部の凹形状の状態が見られる場合は、その深さＤｄ（ｍｍ）をレーザ変位計を用いて測定し、以下の基準により評価した。
＜基準＞
・無し：上記に記載の表面欠陥がいずれも見られない。
・良好：上記に記載の表面欠陥のいずれかが見られるが、上記深さＤｄ（ｍｍ）と鋼板の厚さｔ（ｍｍ）との比率(Ｄｄ／ｔ)が０．１以下であった。
・有り：上記に記載の表面欠陥のいずれかが見られ、かつ上記深さＤｄ（ｍｍ）と鋼板の厚さｔ（ｍｍ）との比率(Ｄｄ／ｔ)が０．１を超えた。もしくは、溝状の未接合状態が表面から裏面に貫通した。なお、貫通した場合は、接合不成立とみなし、内部欠陥および継手強度の評価は行わない。【００９０】
（ＩＩ）継手断面観察での内部欠陥の有無
観察は、得られた接合継手の接合速度が表２−１および表２−２に記載の値となった部位において、接合開始側の端部から２０ｍｍの位置、接合終了側の端部から２０ｍｍの位置、および両端部の中間となる位置の断面をそれぞれ切断し、試験片とした。内部欠陥の有無は、塑性流動不足により接合部内部に形成した未接合状態が見られるか否かを光学顕微鏡（倍率：１０倍）を用い、以下の基準により評価した。
＜基準＞
・無し：上記に記載の３箇所のいずれの位置においても、トンネル状に形成した未接合状態が見られない。
・良好：上記に記載の３箇所の位置において、接合部内部に形成した未接合状態が１箇所見られた。
・有り：上記に記載の３箇所の位置において、接合部内部に形成した未接合状態が２箇所以上見られた。【００９１】
表３に、（Ｉ）接合長０．５ｍの接合を１回実施した際の継手外観観察による表面欠陥の有無、および（ＩＩ）継手断面観察による内部欠陥の有無の判定結果をそれぞれ示す。また、表３には、得られた接合継手よりJIS Z 3121で規定する１号試験片の寸法の引張試験片を採取し、該試験片による引張試験（JIS Z 3121）を行った際の引張強さを示す。【００９２】
表３より、突合せ継手の発明例１〜２４、重ね継手の発明例２５〜２７では、接合速度を１．０ｍ以上と高速化した場合であっても、継手外観観察で表面欠陥は認められず、また継手断面観察でも内部欠陥は認められず、健全な接合状態が得られたことが確認された。さらに、継手強度に関しては、母材となる鋼板の引張強さの９５％以上が得られた。【００９３】
これに対して、突合せ継手の比較例１〜３では、プローブを有さず、時計回り方向の渦状の段差部を有する各回転ツールを用いて、回転ツールの回転方向を時計回りとして接合を行った。得られた継手は表面欠陥及び内部欠陥が認められ、健全な接合状態が得られなかった。さらに、継手強度に関しては、母材となる鋼板の引張強さの７０％以下となった。【００９４】
重ね継手の比較例４では、プローブを有さず、時計回り方向の渦状の段差部を有する回転ツールを用いて、回転ツールの回転方向を時計回りとして接合を行った。得られた継手は表面欠陥及び内部欠陥が認められ、健全な接合状態が得られなかった。さらに、継手強度に関しては、母材となる鋼板の引張強さの７０％以下となった。【００９５】
突合せ継手の比較例５〜９では、ピンありの回転ツールを用い、Ｄ（回転ツールの先端部の直径（ｍｍ））、α（回転ツールの傾斜角度（°））、及びＧ（一対の回転ツールの先端部の距離（ｍｍ））は全て上記した式（１）、（２）、（３）を満たす条件とした。【００９６】
突合せ継手の比較例５〜９では、接合速度を１．０ｍ以上と高速化した場合であっても、継手外観観察で表面欠陥は認められず、継手断面観察でも内部欠陥は認められず、健全な接合状態が得られたことが確認されたものの、回転ツールの耐久性に劣ることが確認された。【００９７】
重ね継手の比較例１０では、接合速度を１．０ｍ以上と高速化した場合であっても、継手外観観察で表面欠陥は認められず、継手断面観察でも内部欠陥は認められず、健全な接合状態が得られたことが確認されたものの、回転ツールの耐久性に劣ることが確認された。【００９８】
【表３】
2019182020.tif 000006
【００９９】
表４に、接合長０．５ｍの接合を繰り返し、累積の接合回数に対し継手断面観察で内部欠陥が発生せず健全な継手が得られる確率が９０％以上となった接合回数を示す。表４に示すように、突合せ継手の発明例１〜２４、重ね継手の発明例２５〜２７では、健全な継手を得られる確率が９０％以上となる接合回数が１３回以上であった。【０１００】
これに対して、突合せ継手の比較例１〜３では、プローブを有さず、時計回り方向の渦状の段差部を有する各回転ツールを用いて、回転ツールの回転方向を時計回りとして接合を行った。比較例１〜３では、健全な継手を得られる確率が９０％以上となる接合回数は０回であった。【０１０１】
重ね継手の比較例４では、プローブを有さず、時計回り方向の渦状の段差部を有する回転ツールを用いて、回転ツールの回転方向を時計回りとして接合を行った。比較例４では、健全な継手を得られる確率が９０％以上となる接合回数は０回であった。【０１０２】
突合せ継手の比較例５〜９では、ピンありの回転ツールを用いて接合を行い、健全な継手を得られる確率が９０％以上となる接合回数は１０回以下であった。【０１０３】
重ね継手の比較例１０では、ピンありの回転ツールを用いて接合を行い、健全な継手を得られる確率が９０％以上となる接合回数は１０回以下であった。【０１０４】
以上のように、プローブを有さず渦状の段差部を有する回転ツールを、段差部の渦の方向と回転ツールの回転方向とを同じにして接合を行うと、継手における欠陥の発生や継手強度に問題を生じ、ピンありの回転ツールでは回転ツールの耐久性に劣ることが示された。【０１０５】
表３において、渦状の段差部の有無以外は同条件で実験を行った、発明例１および４と、発明例２および５と、発明例３および６と、発明例１９および２２と、発明例２０および２３と、発明例２１および２４との結果から、渦状の段差部を備えた回転ツールを用いることで継手の接合強度を高められることが示された。【０１０６】
また、以下に示す式（５）を満たさない条件で実験を行った発明例１９および２２の結果から、式（５）の範囲を超えると、表面欠陥なしとの評価となるが、接合に十分な塑性流動の確保に影響を及ぼし、内部欠陥の発生に繋がる場合があることが示された。すなわち、凹部を備えた回転ツールが、さらに式（５）の条件を満たすことにより、より効果的に表面欠陥および内部欠陥の発生を抑制できるので、十分な強度の継手を得られることが分かる。
ｄｃ／Ｄ  ≦  ０．０３  ・・・式（５）【０１０７】
また、以下に示す式（３）の範囲の下限を下回る条件で実験を行った発明例２０および２３の結果から、式（３）の範囲の下限を下回ると、表面欠陥および内部欠陥の評価としては良好ではあるが、板厚方向に対して均質的な塑性流動の確保に影響を及ぼし、表面欠陥、内部欠陥の発生に繋がる場合があることが示された。すなわち、平面を備えた回転ツールが、さらに式（３）の条件を満たすことにより、より効果的に表面欠陥および内部欠陥の発生を抑制できるので、十分な強度の継手を得られることが分かる。
４×ｔ≦Ｄ≦２０×ｔ  ・・・式（３）【０１０８】
式（１）を満たさない条件で実験を行った発明例２１および２４の結果から、式（４）の範囲を超えると、表面欠陥および内部欠陥の評価としては良好ではあるが、接合部の表面の形状に影響を及ぼし、表面欠陥の発生に繋がる場合があることが示された。すなわち、凸部を備えた回転ツールが、さらに式（４）の条件を満たすことにより、より効果的に表面欠陥および内部欠陥の発生を抑制できるので、十分な強度の継手を得られることが分かる。
ｄｖ／Ｄ ≦ ０．０６  ・・・式（４）【０１０９】
【表４】
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【符号の説明】
【０１１０】
１    表面側回転ツール
２    表面側回転ツールの先端部
３    表面側回転ツールの回転軸
４    金属板
５    接合部
６    金属板に対して鉛直方向の垂直線
７    接合中央線
８    裏面側回転ツール
９    裏面側回転ツールの先端部
１０  裏面側回転ツールの回転軸
１１  先端部
１２  段差部
１２ｂ  階段部
１２ｃ  溝部
Ｇ    回転ツールの先端部同士の距離
α    回転ツールの傾斜角度
Ｄ    回転ツールの先端部の直径
ｔ    金属板の厚さ
【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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【国際調査報告】
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