(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
棒状の回転ツールの先端を金属材の加工部に接触させつつ回転させることにより、前記金属材を加工する金属材の加工方法であって、
前記回転ツールは、前記回転ツールの先端の中央部から突出したプローブを備え、
前記回転ツールの前記加工部に対する荷重及び前記回転ツールの回転速度の少なくともいずれかを変更することにより、前記プローブの前記回転ツールの先端から突出した長さを制御しつつ前記金属材を加工する金属材の加工方法。
【請求項２】
前記回転ツールの前記加工部に対する荷重を増大させること及び前記回転ツールの回転速度を減少させることの少なくともいずれかにより、前記プローブの前記回転ツールの先端から突出した長さを短くする、請求項１に記載の金属材の加工方法。
【請求項３】
前記回転ツールの回転速度を増大させること及び前記回転ツールの前記加工部に対する荷重を減少させることの少なくともいずれかにより、前記プローブの前記回転ツールの先端から突出した長さを長くする、請求項１に記載の金属材の加工方法。
【請求項４】
前記回転ツールの前記加工部に対する荷重及び前記回転ツールの回転速度の少なくともいずれかの変更を断続的に行うことにより、前記プローブの前記回転ツールの先端から突出した長さを制御しつつ前記金属材を加工する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の金属材の加工方法。
【請求項５】
前記回転ツールの前記加工部に対する荷重及び前記回転ツールの回転速度の少なくともいずれかの変更を連続的に行うことにより、前記プローブの前記回転ツールの先端から突出した長さを制御しつつ前記金属材を加工する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の金属材の加工方法。
【請求項６】
前記回転ツールの前記加工部に対する荷重及び前記回転ツールの回転速度の少なくともいずれかを変更することにより、前記プローブの前記回転ツールの先端から突出した長さを一定範囲内に制御しつつ前記金属材を加工する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の金属材の加工方法。
【請求項７】
前記加工部における前記金属材の厚さよりも前記プローブの前記回転ツールの先端から突出した長さが短くなるように制御しつつ前記金属材を加工する、請求項６に記載の金属材の加工方法。
【請求項８】
前記プローブの前記回転ツールの先端から突出した長さを検出しつつ前記金属材の加工を行い、検出された前記プローブの前記回転ツールの先端から突出した長さに基づいて、前記回転ツールの前記加工部に対する荷重及び前記回転ツールの回転速度の少なくともいずれかを変更することにより、前記プローブの前記回転ツールの先端から突出した長さを制御しつつ前記金属材を加工する、請求項１〜７のいずれか１項に記載の金属材の加工方法。
【請求項９】
前記プローブの前記回転ツールの先端から突出した長さを予測しつつ前記金属材の加工を行い、予測された前記プローブの前記回転ツールの先端から突出した長さに基づいて、前記回転ツールの前記加工部に対する荷重及び前記回転ツールの回転速度の少なくともいずれかを変更することにより、前記プローブの前記回転ツールの先端から突出した長さを制御しつつ前記金属材を加工する、請求項１〜７のいずれか１項に記載の金属材の加工方法。
【請求項１０】
前記回転ツールの前記加工部に対する荷重及び前記回転ツールの回転速度の少なくともいずれかを変更するときは、前記回転ツールが前記加工部に対して移動する速度を変更することにより、前記加工部に対する入熱量の変化を一定範囲内に保つ、請求項１〜９のいずれか１項に記載の金属材の加工方法。
【請求項１１】
前記プローブの材質は、前記回転ツールの先端の前記プローブ以外の部位の材質よりも硬さが低いものとする、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の金属材の加工方法。
【請求項１２】
棒状の回転ツールの先端を金属材の加工部に接触させつつ回転させることにより、前記金属材を加工する金属材の加工装置であって、
前記回転ツールは、前記回転ツールの先端の中央部から突出したプローブを備え、
前記プローブの前記回転ツールの先端から突出した長さを検出するプローブ突出長検出手段と、
前記プローブ突出長検出手段により検出された前記プローブの前記回転ツールの先端から突出した長さに基づいて、前記回転ツールの前記加工部に対する荷重及び前記回転ツールの回転速度の少なくともいずれかを変更することにより、前記プローブの前記回転ツールの先端から突出した長さを制御するプローブ突出長制御手段と、をさらに備えた金属材の加工装置。
【請求項１３】
前記プローブの材質は、前記回転ツールの先端の前記プローブ以外の部位の材質よりも硬さが低い、請求項１２に記載の金属材の加工装置。
【請求項１４】
前記回転ツールの材質は、ＷＣ−Ｃｏ系合金からなり、ＷＣ粒子径が２μｍ以上１２μｍ以下であり、Ｃｏ量が５ｗｔ％以上１５ｗｔ％以下である、請求項１２又は１３に記載の金属材の加工装置。
【請求項１５】
前記回転ツールの材質は、Ｃｒ３Ｃ２を０．０１ｗｔ％以上２ｗｔ％以下含むＷＣ−Ｃｏ系合金からなる、請求項１４に記載の金属材の加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属材の加工方法及び金属材の加工装置に関し、特に棒状の回転ツールの先端を金属材の加工部に接触させつつ回転させることにより、金属材を加工する金属材の加工方法及び金属材の加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の金属材の接合方法においては、摩擦攪拌接合（ＦＳＷ＝Friction  Stir  Welding）により金属材を接合する技術が知られている。この摩擦攪拌接合では、円柱状の回転ツールの先端を金属材の加工部に接触させつつ回転させることにより、金属材を加工する。回転ツールは、回転ツールの先端の中央部から突出したプローブを備える。回転ツールの先端のプローブ以外の部位はショルダと呼ばれる。この摩擦攪拌接合においては、特にステンレス材等のプロセス温度における硬さが高い金属材を加工する際には、回転ツールの摩耗による変形が大きく、回転ツールの寿命が短いという欠点がある。特に、ショルダの摩耗が進行した場合、プローブの回転ツールの先端から突出した長さ（以下、プローブ突出長と呼ぶことがある）が相対的に大きくなり、最終的にはショルダが金属材の加工部と接触しない長さまでプローブが伸び、摩擦が発生しなくなる。すなわち接合が不可能となる。
【０００３】
そのため、下記の特許文献１では、回転ツールの先端を砥石により研磨することにより、摩耗した回転ツールの形状を摩耗前の形状に復元し再生することで回転ツールの交換頻度を少なくする技術が開示されている。また、特許文献２では、プローブの直径が、その根元から先端に向かうほど縮径し、その先端は、そのプローブの先端における径以上の曲率の丸め加工を施すことにより、回転ツールの摩耗や折損を抑制する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−５２０３９号公報
【特許文献２】特開２００８−１３２５２４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の技術では、回転ツールの形状を整えるために回転ツールの先端を砥石で研磨する必要があり、大きな労力を要し、加工効率が低下する欠点がある。また、特許文献２の技術では、回転ツールの形状を特殊な形状とする必要があり、労力を要し、コスト高となる欠点があり、また実施例で粒子径は１μｍ程度としているが、具体的なＣｏや添加元素の配合量に関してはなんら言及されていない。またツールの耐久性としては３ｍ程度とされており、耐久性としても満足な性能が得られていない。
【０００６】
本発明は、上記課題を考慮してなされたものであり、従来より簡単な方法でプローブの突出長を制御しつつ金属材を加工することができ、また接合品質を維持し、低コストで回転ツールの寿命を向上させることができる金属材の加工方法及び金属材の加工装置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】
【０００７】
本発明は、棒状の回転ツールの先端を金属材の加工部に接触させつつ回転させることにより、金属材を加工する金属材の加工方法であって、回転ツールは、回転ツールの先端の中央部から突出したプローブを備え、回転ツールの加工部に対する荷重及び回転ツールの回転速度の少なくともいずれかを変更することにより、プローブの回転ツールの先端から突出した長さを制御しつつ金属材を加工する金属材の加工方法である。
【０００８】
この構成によれば、棒状の回転ツールの先端を金属材の加工部に接触させつつ回転させることにより、金属材を加工する金属材の加工方法において、回転ツールは、回転ツールの先端の中央部から突出したプローブを備え、回転ツールの加工部に対する荷重及び回転ツールの回転速度の少なくともいずれかを変更することにより、プローブの回転ツールの先端から突出した長さを制御しつつ金属材を加工する。これにより、従来より簡単な方法でプローブの突出長を制御しつつ金属材を加工することができる。
【０００９】
なお、本発明の金属材の加工方法においては、（１）板状の金属材の端部同士を突き合わせて加工部とし、回転ツールをその加工部の長手方向に沿って回転させつつ移動させて金属材同士を接合する摩擦攪拌接合、（２）板状の金属材の端部同士を突き合わせて加工部とし、回転ツールをその加工部で移動させずに回転させて接合するスポット摩擦攪拌接合（スポットＦＳＷ）、（３）金属材同士を加工部において重ね合わせ、加工部に回転ツールを挿入し、回転ツールをその箇所で移動させずに回転させて金属材同士を接合するスポット摩擦攪拌接合、（４）金属材同士を加工部において重ね合わせ、加工部に回転ツールを挿入し、回転ツールをその加工部の長手方向に沿って回転させつつ移動させて金属材同士を接合する摩擦攪拌接合、（５）金属材の表面の加工部に回転ツールを接触させつつ回転させることにより、加工部の金属組織を改質する表面改質の（１）〜（５）の５つの態様およびこれらの組み合わせを含む。
【００１０】
この場合、回転ツールの加工部に対する荷重を増大させること及び前記回転ツールの回転速度を減少させることの少なくともいずれかにより、プローブの回転ツールの先端から突出した長さを短くすることが好適である。
【００１１】
この構成によれば、回転ツールの加工部に対する荷重を増大させること及び前記回転ツールの回転速度を減少させることの少なくともいずれかにより、プローブの回転ツールの先端から突出した長さを短くする。これにより、極めて簡単な方法でプローブの突出長を制御しつつ金属材を加工することができる。
【００１２】
また、回転ツールの回転速度を増大させること及び前記回転ツールの前記加工部に対する荷重を減少させることの少なくともいずれかにより、プローブの回転ツールの先端から突出した長さを長くすることが好適である。
【００１３】
この構成によれば、回転ツールの回転速度を増大させること及び前記回転ツールの前記加工部に対する荷重を減少させることの少なくともいずれかにより、プローブの回転ツールの先端から突出した長さを長くする。これにより、極めて簡単な方法でプローブの突出長を制御しつつ金属材を加工することができる。
【００１４】
また、回転ツールの加工部に対する荷重及び回転ツールの回転速度の少なくともいずれかの変更を断続的に行うことにより、プローブの回転ツールの先端から突出した長さを制御しつつ金属材を加工することが好適である。
【００１５】
この構成によれば、回転ツールの加工部に対する荷重及び回転ツールの回転速度の少なくともいずれかの変更を断続的に行うことにより、プローブの回転ツールの先端から突出した長さを制御しつつ金属材を加工する。このため、荷重又は回転速度の変更を少なくした簡単な方法でプローブの突出長を制御しつつ金属材を加工することができる。
【００１６】
あるいは、回転ツールの加工部に対する荷重及び回転ツールの回転速度の少なくともいずれかの変更を連続的に行うことにより、プローブの回転ツールの先端から突出した長さを制御しつつ金属材を加工することが好適である。
【００１７】
この構成によれば、回転ツールの加工部に対する荷重及び回転ツールの回転速度の少なくともいずれかの変更を連続的に行うことにより、プローブの回転ツールの先端から突出した長さを制御しつつ金属材を加工する。これにより、プローブの突出長をより高精度に制御しつつ金属材を加工することができる。
【００１８】
また、回転ツールの加工部に対する荷重及び回転ツールの回転速度の少なくともいずれかを変更することにより、プローブの回転ツールの先端から突出した長さを一定範囲内に制御しつつ金属材を加工することが好適である。
【００１９】
この構成によれば、回転ツールの加工部に対する荷重及び回転ツールの回転速度の少なくともいずれかを変更することにより、プローブの回転ツールの先端から突出した長さを一定範囲内に制御しつつ金属材を加工する。これにより、プローブの突出長を一定範囲内に保ち、回転ツールの寿命を簡単な方法で向上させることができる。
【００２０】
この場合、加工部における金属材の厚さよりもプローブの回転ツールの先端から突出した長さが短くなるように制御しつつ金属材を加工することが好適である。
【００２１】
この構成によれば、加工部における金属材の厚さよりもプローブの回転ツールの先端から突出した長さが短くなるように制御しつつ金属材を加工する。これにより、プローブの突出長が長くなり過ぎて回転ツールのプローブ以外に部位（ショルダ）が加工部に接触しなくなる等して、加工に不具合が生じることを防ぐことができる。
【００２２】
また、プローブの回転ツールの先端から突出した長さを検出しつつ金属材の加工を行い、検出されたプローブの回転ツールの先端から突出した長さに基づいて、回転ツールの加工部に対する荷重及び回転ツールの回転速度の少なくともいずれかを変更することにより、プローブの回転ツールの先端から突出した長さを制御しつつ金属材を加工することが好適である。
【００２３】
この構成によれば、プローブの回転ツールの先端から突出した長さを検出しつつ金属材の加工を行い、検出されたプローブの回転ツールの先端から突出した長さに基づいて、回転ツールの加工部に対する荷重及び回転ツールの回転速度の少なくともいずれかを変更することにより、プローブの回転ツールの先端から突出した長さを制御しつつ金属材を加工する。これにより、プローブの突出長をより高精度に制御しつつ金属材を加工することができる。
【００２４】
あるいは、プローブの回転ツールの先端から突出した長さを予測しつつ金属材の加工を行い、予測されたプローブの回転ツールの先端から突出した長さに基づいて、回転ツールの加工部に対する荷重及び回転ツールの回転速度の少なくともいずれかを変更することにより、プローブの回転ツールの先端から突出した長さを制御しつつ金属材を加工することが好適である。
【００２５】
この構成によれば、プローブの回転ツールの先端から突出した長さを予測しつつ金属材の加工を行い、予測されたプローブの回転ツールの先端から突出した長さに基づいて、回転ツールの加工部に対する荷重及び回転ツールの回転速度の少なくともいずれかを変更することにより、プローブの回転ツールの先端から突出した長さを制御しつつ金属材を加工する。これにより、簡単な方法でプローブの突出長を制御しつつ金属材を加工することができる。
【００２６】
また、回転ツールの加工部に対する荷重及び回転ツールの回転速度の少なくともいずれかを変更するときは、回転ツールが加工部に対して移動する速度を変更することにより、加工部に対する入熱量の変化を一定範囲内に保つことが好適である。
【００２７】
この構成によれば、回転ツールの加工部に対する荷重及び回転ツールの回転速度の少なくともいずれかを変更するときは、回転ツールが加工部に対して移動する速度を変更することにより、加工部に対する入熱量の変化を一定範囲内に保つ。これにより、荷重や回転速度の変更に伴う加工部への入熱の変化が抑制されるため、荷重や回転速度の変更に伴う加工部の加工痕の変動を抑制することができる。
【００２８】
また、プローブの材質は、回転ツールの先端のプローブ以外の部位の材質よりも硬さが低いものとすることが好適である。
【００２９】
この構成によれば、プローブの材質は、回転ツールの先端のプローブ以外の部位の材質よりも硬さが低いものとする。これにより、回転ツールの一回転毎の加工部の金属材に対する摺動距離がプローブよりも長く、より摩耗しやすい傾向がある回転ツールの先端のプローブ以外の部位の摩耗を抑え、プローブとプローブ以外の部位とを同様に摩耗させることにより、プローブの突出長を一定範囲内に制御し易くなる。
【００３０】
また、本発明は、棒状の回転ツールの先端を金属材の加工部に接触させつつ回転させることにより、金属材を加工する金属材の加工装置であって、回転ツールは、回転ツールの先端の中央部から突出したプローブを備え、プローブの回転ツールの先端から突出した長さを検出するプローブ突出長検出手段と、プローブ突出長検出手段により検出されたプローブの回転ツールの先端から突出した長さに基づいて、回転ツールの加工部に対する荷重及び回転ツールの回転速度の少なくともいずれかを変更することにより、プローブの回転ツールの先端から突出した長さを制御するプローブ突出長制御手段とをさらに備えた金属材の加工装置である。
【００３１】
この場合、プローブの材質は、回転ツールの先端のプローブ以外の部位の材質よりも硬さが低いことが好適である。
【００３２】
また、回転ツールの材質は、ＷＣ−Ｃｏ系合金からなり、ＷＣ粒子径が２μｍ以上１２μｍ以下であり、Ｃｏ量が５ｗｔ％以上１５ｗｔ％以下であることが好適である。
【００３３】
この構成によれば、回転ツールの材質は、ＷＣ−Ｃｏ系合金からなり、ＷＣ粒子径が２μｍ以上であるため、ＷＣ粒子径が小さ過ぎる微粒子系となりプローブが変形し過ぎることがなく、ＷＣ粒子径が１２μｍ以下であるため、ＷＣ粒子径が大き過ぎて回転ツールの製作が困難となることがない。また、Ｃｏ量が５ｗｔ％以上であるため、強度が弱く割れやすくなることがなく、Ｃｏ量が１５ｗｔ％以下であるため、変形し過ぎることがない。
【００３４】
この場合、回転ツールの材質は、Ｃｒ３Ｃ２を０．０１ｗｔ％以上２ｗｔ％以下含むＷＣ−Ｃｏ系合金からなることが好適である。
【００３５】
この構成によれば、回転ツールの材質は、Ｃｒ３Ｃ２を０．０１ｗｔ％以上２ｗｔ％以下含むＷＣ−Ｃｏ系合金からなるため、ショルダの対酸化性を向上させることができる。
【発明の効果】
【００３６】
本発明の金属材の加工方法及び金属材の加工装置によれば、従来より簡単な方法でプローブの突出長を制御しつつ金属材を加工することができる。また、接合品質を維持し、低コストで回転ツールの寿命を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の第１実施形態に係るステンレス鋼材の加工装置及び加工方法を示す斜視図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係るステンレス鋼材の加工装置の動作を示すフローチャートである。
【図３】（ａ）〜（ｃ）は、回転ツールのプローブ突出長が長くなった場合のプローブ突出長の制御を示す図である。
【図４】（ａ）〜（ｃ）は、回転ツールのプローブ突出長が短くなった場合のプローブ突出長の制御を示す図である。
【図５】回転速度及び荷重を断続的に変化させることによるプローブ突出長の制御を示すグラフである。
【図６】回転速度及び荷重を連続的に変化させることによるプローブ突出長の制御を示すグラフである。
【図７】本発明の第２実施形態に係るステンレス鋼材の加工装置の動作を示すフローチャートである。
【図８】本発明の第３実施形態に係るステンレス鋼材の加工方法を示す斜視図である。
【図９】本発明の第４実施形態に係るステンレス鋼材の加工方法を示す斜視図である。
【図１０】本発明の第５実施形態に係るステンレス鋼材の加工装置及び加工方法を示す斜視図である。
【図１１】本発明の第６実施形態に係る回転ツールを示す斜視図である。
【図１２】回転ツールの材料の例を示す表である。
【図１３】図１２の材料の特性を示す表である。
【図１４】図１２の材料による接合距離と回転ツールの全長との関係を示すグラフである。
【図１５】図１２の材料による接合距離と回転ツールのショルダ長との関係を示すグラフである。
【図１６】本発明の実験例における総接合長とショルダ長、プローブ長及びプローブ突出長との関係を示すグラフである。
【図１７】本発明の比較例における総接合長とショルダ長、プローブ長及びプローブ突出長との関係を示すグラフである。
【図１８】本発明の実験例における試験片の引張試験結果を示す表である。
【図１９】本発明の実験例における母材と継手との最大引張応力を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して説明する。
【００３９】
図１に示すように、本発明の第１実施形態では、加工装置１は、板状の例えばステンレス鋼材１０１，１０２の端部同士を加工部１０３において突き合わせ、加工部１０３の表面側から回転ツール１０ａのプローブ１１を挿入し、ショルダ１２をステンレス鋼材１０１，１０２の表面に当接させて回転させつつステンレス鋼材１０１，１０２同士を摩擦攪拌接合により接合する。なお、加工部１０３の表面側では、回転ツール１０ａを囲繞するようにシールドカバーを配置し、シールドカバー内に不活性ガスを導入し、不活性雰囲気下でステンレス鋼材１０１，１０２同士を接合するようにしても良い。
【００４０】
回転ツール１０ａは、図１に示すように略円筒状をなし、先端にショルダ１２とショルダ１２より小径であってショルダ１２の中央部より突出した略円柱状のプローブ１１を備えている。回転ツール１０ａの材質は、本実施形態のようにプローブ１１及びショルダ１２を単一の材料で製造する場合は、例えば、ＪＩＳに規格されているＳＫＤ６１鋼等の工具鋼や、タングステンカーバイト（ＷＣ）−コバルト（Ｃｏ）系を代表とする超硬合金や、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｏ、Ｉｒ等の高融点金属からなるものとすることができる。
【００４１】
加工装置１は回転ツール１０ａを把持するチャック２０を備える。回転ツール１０ａを把持したチャック２０は回転ツール駆動部３０により回転速度Ｒにより回転させられ、加工部１０３に対して荷重Ｆを加える。また、回転ツール駆動部３０は、回転ツール１０ａを加工部１０３に対して移動速度（接合速度）Ｓにより移動させる。
【００４２】
加工装置１は、加工部１０３及び加工痕１０４を監視するモニタカメラ４０を備える。モニタカメラ４０は加工部１０３の回転ツール１０ａとの接触部において、例えば、回転ツール１０ａのショルダ１２がステンレス鋼材１０１，１０２の表面に接触せずに浮き上がっているか否かを検出する。プローブ１１の突出長がステンレス鋼材１０１，１０２以上に長くなると、ショルダ１２がステンレス鋼材１０１，１０２の表面に接触せずに浮き上がるため、モニタカメラ４０は加工部１０３の回転ツール１０ａとの接触部を監視することにより、プローブ１１の突出長を検出することができる。加工部１０３の回転ツール１０ａを挿入する側とは反対側に裏板を接触させ、裏板にＳｉ３Ｎ４等の変形し難い回転ツール１０ａより硬質の材質の物を使用することで、ショルダ１２がステンレス鋼材１０１，１０２の表面に接触せずに浮き上がる現象を顕著に観察することができる。あるいは、モニタカメラ４０は、加工痕１０４の幅を検出することにより、プローブ１１の突出長を検出することができる。加工痕１０４の幅は、プローブ１１の突出長がステンレス鋼材１０１，１０２以上に長くなり、ショルダ１２がステンレス鋼材１０１，１０２の表面に接触せずに浮き上がると狭くなり、プローブ１１の突出長が短くなると広くなる傾向があるため、モニタカメラ４０は、加工痕１０４の幅を検出することにより、プローブ１１の突出長を検出することができる。
【００４３】
加工装置１は、温度センサ５０を備える。温度センサ５０は加工部１０３の回転ツール１０ａとの接触部の温度を検出する。加工部１０３の温度は、プローブ１１の突出長がステンレス鋼材１０１，１０２以上に長くなり、ショルダ１２がステンレス鋼材１０１，１０２の表面に接触せずに浮き上がったり、逆にプローブ１１の突出長が短くなると加工部１０３への入熱が減少して温度が低下するため、温度センサ５０は、加工部１０３の回転ツール１０ａとの接触部の温度を検出することにより、プローブ１１の突出長を検出することができる。
【００４４】
制御部６０は、モニタカメラ４０や温度センサ５０による検出結果に基づいて、プローブ１１の突出長を検出し、後述するように、荷重Ｆ、回転速度Ｒ及び移動速度Ｓを変更することにより、プローブ１１の突出長を制御する。また、制御部６０は、蓄積されたデータに基づいて、モニタカメラ４０や温度センサ５０による検出結果や、総接合距離からプローブ１１の突出長を予測して、荷重Ｆ及び回転速度Ｒを変更することにより、プローブ１１の突出長を制御する。例えば、これ以外にも、超音波探傷や透過Ｘ線等の非破壊検査技術を用いて、キッシングボンドの有無を調査したり、裏板中央部（加工部１０３直下）の負荷の変動や回転ツール１０ａを回転させるモータに加わる負荷を測定する等の手法も考えられる。
【００４５】
なお、加工装置１の被加工物としては、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３０１Ｌ、ＳＵＳ３１６Ｌ等のオーステナイト系ステンレス鋼、ＳＵＳ４３０等のフェライト系ステンレス鋼あるいは２相ステンレス鋼を適用することができる。あるいは、ステンレス鋼材１０１，１０２として、同種の材料ではなく、異種材料を適用することもできる。あるいは、加工装置１の被加工物としては、ステンレス鋼に限定されず、アルミニウム合金、マグネシウム合金、チタン合金、ニッケル合金、銅合金、炭素鋼、超硬合金等を加工することができる。
【００４６】
以下、本実施形態の加工装置１の動作について説明する。図２に示すように、加工時には、加工装置１の制御部６０は、プローブ１１の突出長の増大を検出した場合は（Ｓ１１）、回転ツール１０ａの母材であるステンレス鋼材１０１，１０２の加工部１０３への荷重Ｆを増大させ、回転速度Ｒを減少させる（Ｓ１２）。図３（ａ）（ｂ）に示すように、加工開始時のプローブ突出長１３は、一般に、回転ツール１０ａの一回転毎の加工部１０３に対する摺動距離はプローブ１１よりもショルダ１２の方が長く、ショルダ１２の方がより摩耗しやすい傾向がある。そのため、図３（ｂ）に示すように、総接合距離の増大に伴い、プローブ突出長１３’は加工開始時のプローブ突出長１３よりも長くなる傾向がある。そこで、本実施形態では、加工装置１の制御部６０は、回転ツール駆動部３０に荷重Ｆを増大させて、図３（ｃ）に示すようにプローブ１１を荷重Ｆにより圧縮変形させるとともに、回転速度Ｒを減少させてショルダ１２の磨耗を抑えて、プローブ突出長１３を加工開始時の長さに戻す。
【００４７】
図２に戻り、加工装置１の制御部６０は、プローブ１１の突出長の減少を検出した場合は（Ｓ１３）、回転ツール１０ａの回転速度Ｒを増大させ、荷重Ｆを減少させる（Ｓ１４）。図４（ａ）（ｂ）に示すように、加工開始時のプローブ突出長１３がプローブ突出長１３’’に減少した場合は、図４（ｃ）に示すように回転速度Ｒを増大させることにより、回転ツール１０ａの一回転毎の加工部１０３に対する摺動距離がプローブ１１よりも長く、より磨耗し易いショルダ１２の摩耗を促すとともに、荷重Ｆを減少させてプローブ１１の圧縮変形を抑えて、プローブ１１のショルダ１２に対する相対的な突出長を長くすることにより、プローブ突出長１３を加工開始時の長さに戻す。
【００４８】
なお、上記のＳ１１〜Ｓ１４の動作において、制御部６０は、モニタカメラ４０や温度センサ５０による検出結果に基づいて、逐次、荷重Ｆ及び回転速度Ｒを変更するようにしても良い。あるいは、総接合距離とプローブ突出長との関係を予めデータとして蓄積しておき、上記のＳ１１〜Ｓ１４の動作において、制御部６０は、蓄積されたデータに基づいて、モニタカメラ４０や温度センサ５０による検出結果や、総接合距離からプローブ１１の突出長を予測して、予め荷重Ｆ、回転速度Ｒ及び移動速度Ｓを変更することにより、プローブ１１の突出長を制御するようにしても良い。
【００４９】
例えば、図５に示すように、制御部６０はプローブ突出長１３について所定の許容最小値や許容最大値を設定し、モニタカメラ４０や温度センサ５０による検出結果に基づいてプローブ突出長１３が許容最小値や許容最大値付近となったときは、逐次、断続的に荷重Ｆや回転速度Ｒを変更することにより、プローブ突出長１３を許容最小値より大きく、許容最大値未満とすることができる。
【００５０】
図５に示すように、一般に、回転ツール１０ａによる総接合長がまだ短いときは、プローブ突出長１３が減少する傾向にある。プローブ突出長１３が許容最小値付近となったときは、制御部６０は回転ツール駆動部３０に回転速度Ｒを増大させるとともに、荷重Ｆを減少させてプローブ突出長１３を接合初期の長さに戻す。
【００５１】
一方、上述したように、一般に総接合長が長くなると、回転ツール１０ａの一回転毎の加工部１０３に対する摺動距離はプローブ１１よりもショルダ１２の方が長く、ショルダ１２の方がより摩耗しやすいため、プローブ突出長１３が長くなる傾向がある。上述したように、プローブ突出長１３がステンレス鋼材１０１，１０２の板厚よりも厚くなると、ショルダ１２がステンレス鋼材１０１，１０２の表面に接触せずに浮き上がり、接合に不具合が生じる。このため、例えば、プローブ突出長１３の許容最大値をステンレス鋼材１０１，１０２の板厚に設定し、プローブ突出長１３が許容最大値付近となったときは、制御部６０は回転ツール駆動部３０に荷重Ｆを増大させるとともに、回転速度Ｒを減少させてプローブ突出長１３を接合初期の長さに戻す。
【００５２】
あるいは、図６に示すように、制御部６０は、蓄積されたデータに基づいて、モニタカメラ４０や温度センサ５０による検出結果や、総接合距離からプローブ１１の突出長を予測し、回転ツール駆動部３０に連続的に回転速度Ｒや荷重Ｆを変更させることにより、プローブ突出長１３を一定に保つこともできる。
【００５３】
本実施形態では、棒状の回転ツール１０ａの先端をステンレス鋼材１０１，１０２の加工部１０３に接触させつつ回転させることにより、ステンレス鋼材１０１，１０２を加工する加工方法において、回転ツール１０ａは、回転ツール１０ａの先端の中央部から突出したプローブ１１を備え、回転ツール１０ａの加工部１０３に対する荷重Ｆ及び回転速度Ｒを変更することにより、プローブ１１の回転ツールの先端から突出したプローブ突出長１３を制御しつつステンレス鋼材１０１，１０２を加工する。これにより、従来より簡単な方法でプローブ突出長１３を制御しつつ金属材を加工することができる。
【００５４】
また、本実施形態では、回転ツール１０ａの加工部１０３に対する荷重Ｆを増大させること及び回転ツール１０ａの回転速度Ｒを減少させることの少なくともいずれかにより、プローブ突出長１３を短くする。あるいは、本実施形態では、回転ツール１０ａの回転速度Ｒを増大させること及び前記回転ツールの前記加工部に対する荷重を減少させることの少なくともいずれかにより、プローブ突出長１３を長くする。これにより、極めて簡単な方法でプローブ突出長１３を制御しつつステンレス鋼材１０１，１０２を加工することができる。
【００５５】
また、本実施形態では、回転ツール１０ａの加工部１０３に対する荷重Ｆ及び回転速度Ｒの変更を断続的に行うことにより、プローブ突出長１３を制御しつつステンレス鋼材１０１，１０２を加工する。このため、荷重Ｆ又は回転速度Ｒの変更を少なくした簡単な方法でプローブ突出長１３を制御しつつステンレス鋼材１０１，１０２を加工することができる。
【００５６】
あるいは、本実施形態によれば、回転ツール１０ａの加工部１０３に対する荷重Ｆ及び回転速度Ｒの変更を連続的に行うことにより、プローブ突出長１３を制御しつつステンレス鋼材１０１，１０２を加工する。これにより、プローブ突出長１３をより高精度に制御しつつステンレス鋼材１０１，１０２を加工することができる。
【００５７】
また、本実施形態によれば、回転ツール１０ａの加工部１０３に対する荷重Ｆ及び回転速度Ｒを変更することにより、プローブ突出長１３を一定範囲内に制御しつつステンレス鋼材１０１，１０２を加工する。これにより、プローブ突出長１３を一定範囲内に保ち、回転ツール１０ａの寿命を簡単な方法で向上させることができる。
【００５８】
特に本実施形態によれば、加工部１０３におけるステンレス鋼材１０１，１０２の厚さよりもプローブ突出長１３が短くなるように制御しつつステンレス鋼材１０１，１０２を加工する。これにより、プローブ突出長１３が長くなり過ぎてショルダ１２が加工部１０３に接触しなくなる等して、加工に不具合が生じることを防ぐことができる。
【００５９】
また、本実施形態によれば、プローブ突出長１３を検出しつつステンレス鋼材１０１，１０２の加工を行い、検出されたプローブ突出長１３に基づいて、回転ツール１０ａの加工部１０３に対する荷重Ｆ及び回転速度Ｒを変更することにより、プローブ突出長１３を制御しつつステンレス鋼材１０１，１０２を加工する。これにより、プローブ突出長１３をより高精度に制御しつつ金属材を加工することができる。
【００６０】
あるいは、本実施形態によれば、プローブ突出長１３を予測しつつステンレス鋼材１０１，１０２の加工を行い、予測されたプローブ突出長１３に基づいて、回転ツール１０ａの加工部１０３に対する荷重Ｆ及び回転速度Ｒを変更することにより、プローブ突出長１３を制御しつつステンレス鋼材１０１，１０２を加工する。これにより、簡単な方法でプローブ突出長１３を制御しつつステンレス鋼材１０１，１０２を加工することができる。
【００６１】
以下、本発明の第２実施形態について説明する。図７に示すように、本実施形態では、加工時には、加工装置１の制御部６０は、プローブ１１の突出長の増大を検出した場合は（Ｓ２１）、回転ツール１０ａのステンレス鋼材１０１，１０２の加工部１０３への荷重Ｆを増大させ、回転速度Ｒを減少させるとともに、移動速度Ｓを変化させて、加工部１０３への入熱量を一定に保つ（Ｓ２２）。入熱量を一定に保つことにより、荷重Ｆを増大させた場合でも、加工痕１０４の変化を抑制することができる。一方、加工装置１の制御部６０は、プローブ１１の突出長の減少を検出した場合は（Ｓ２３）、回転ツール１０ａの回転速度Ｒを増大させ、荷重Ｆを減少させるとともに、移動速度Ｓを増大させて、加工部１０３への入熱量を一定に保つ（Ｓ２４）。入熱量を一定に保つことにより、回転速度Ｒ及び荷重Ｆを変更した場合でも、加工痕１０４の変化を抑制することができる。なお、加工部１０３への入熱量Ｑ（Ｊ／ｍｍ）については、荷重Ｆ（Ｎ／ｍ２）、回転速度Ｒ（ｒａｄ／ｓｅｃ）、移動速度Ｓ（ｍｍ／ｓｅｃ）、ショルダ１２の直径（ｍ）、摩擦係数μ及び所定の定数αに対して下式（１）が成り立つため、入熱量Ｑが一定となるように荷重Ｆ、回転速度Ｒの変更に応じて移動速度Ｓを変更することにより、加工痕１０４の変化を抑制することができる。
Ｑ＝（４／３）αμπ2ＦＲｒ３／Ｓ      （１）
【００６２】
本実施形態では、回転ツール１０ａの加工部１０３に対する荷重Ｆ及び回転速度Ｒを変更するときは、移動速度Ｓを変更することにより、加工部１０３に対する入熱量の変化を一定に保つ。これにより、荷重Ｆや回転速度Ｒの変更に伴う加工部１０３への入熱の変化が抑制されるため、荷重Ｆや回転速度Ｒの変更に伴う加工部１０３の加工痕１０４の変動を抑制することができ、良好な接合等が得られる。
【００６３】
本発明においては、上記第１及び第２実施形態のように回転ツール１０ａを加工部１０３で移動させる摩擦攪拌接合により２枚の板材を接合する態様に限定されず、回転ツール１０ａを加工部１０３で移動させずに接合を行なっても良い。
【００６４】
あるいは図８に示す本発明の第３実施形態のように、ステンレス鋼材１０１，１０２を加工部１０３にて重ね合わせ、ステンレス鋼材１０１の表面から加工部１０３に回転ツール１０ａを挿入し、回転ツール１０ａを加工部１０３で移動させずに回転させることによりステンレス鋼材１０１，１０２を接合するスポット摩擦攪拌接合を行うことも可能である。この場合、プロセス時間の変更で加工部１０３の入熱量及び温度を制御する。あるいは、図９に示す本発明の第４実施形態のように、ステンレス鋼材１０１の表面から加工部１０３に回転ツール１０ａを挿入し、回転ツール１０ａを加工部１０３で移動させつつ回転させることによりステンレス鋼材１０１，１０２を接合する摩擦攪拌接合も可能である。
【００６５】
さらに、図１０に示す本発明の第５実施形態のように、ステンレス鋼材１０１の表面の加工部１０３に回転ツール１０ａの先端を当接させつつ回転させることにより、ステンレス鋼材１０１の加工部１０３の金属組織を改質することも可能である。以上のいずれの態様においても、上記第１及び第２実施形態と同様に制御部６０は回転ツール１０ａの荷重Ｆ、回転速度Ｒ及び移動速度Ｓを変更することにより、プローブ突出長１３を制御することができる。
【００６６】
以下、本発明の第６実施形態について説明する。本実施形態においては、図１１に示すように、回転ツール１０ｂは、別材質のプローブ１１とショルダ１２を有する。プローブ１１はＷＣ−Ｃｏ合金からなり、ショルダ１２はＳｉ３Ｎ４といったプローブ１１よりも高い硬さのセラミックス等からなる。このように、プローブ１１の硬さをショルダ１２よりも低くすることにより、上述したようにプローブ１１よりも磨耗し易いショルダ１２の磨耗を抑えるとともに、プローブ１１を荷重Ｆにより圧縮変形させ易くすることができる。
【００６７】
本実施形態では、プローブ１１の硬さをショルダ１２よりも低くすれば、ショルダ１２はＳｉ３Ｎ４等のセラミックスとすることができる。あるいは、プローブ１１とショルダ１２とを同じＷＣ−Ｃｏ合金等で形成し、それぞれの組成を異なるものとすることにより、プローブ１１とショルダ１２との硬さを異なるものとすることもできる。例えば、図１２に示すように、材料Ｎｏ．１〜Ｎｏ．４においては、ＷＣ−Ｃｏ合金におけるＷＣ粒子径やＣｏ量がそれぞれ異なっている。そのため、これらの材料の特性は図１３に示すように異なるものとなる。なお、材料Ｎｏ．３の硬さは、８８．５ＨｒＡである。材料Ｎｏ．１〜Ｎｏ．３は、ＷＣ−Ｃｏ系の材料でＣｏの残部はＷＣである。また、材料Ｎｏ．４は、ＷＣ−Ｃｏ系の材料にＶＣ（０．４ｗｔ％）とＣｒ３Ｃ２（０．２ｗｔ％）が添加された物である。
【００６８】
ここで、材料Ｎｏ．１〜Ｎｏ．３で作られた回転ツール１０ａにより同じ移動速度Ｓ＝６００ｍｍ／ｍｉｎ、回転速度Ｒ＝９００ｒｐｍ及び荷重Ｆ＝２０００ｋｇとして摩擦攪拌接合をそれぞれ行うと、図１４に示すように、接合距離に対する回転ツール１０ａの全長すなわちプローブ突出長１３は、ＷＣ粒子径が小さい材料Ｎｏ．１が最も変化が大きいことが判る。すなわち、材料Ｎｏ．１の回転ツール１０ａではプローブ１１の短縮が大きい。これはＷＣ粒子径が小さい材料ほど、プローブ１１の磨耗が大きいか、あるいは組織のすべりが発生し易く高温での塑性変形が生じやすいと考えられる。一方、図１５に示すように、接合距離に対するショルダ１２の長さは各材料Ｎｏ．１〜Ｎｏ．３においてほとんど相違がないことが判る。これより、例えば、材料Ｎｏ．１のように、ＷＣ粒子径がショルダ１２よりも小さいＷＣ−Ｃｏ合金によりプローブ１１を形成することにより、プローブ１１よりも磨耗し易いショルダ１２の磨耗を抑えるとともに、プローブ１１の磨耗を促し、さらにプローブ１１を荷重Ｆにより圧縮変形させ易くすることができる。
【００６９】
本実施形態によれば、プローブ１１の材質は、回転ツール１０ｂのショルダ１２の材質よりもプロセス温度での硬さが低いものとする。これにより、回転ツール１０ｂの一回転毎の加工部１０３に対する摺動距離がプローブ１１よりも長く、より摩耗しやすい傾向があるショルダ１２の摩耗を抑え、プローブ１１とショルダ１２とを同様に摩耗させることにより、プローブ突出長１３を一定範囲内に制御し易くなる。
【００７０】
また、本実施形態では、回転ツール１０ｂの材質は、ＷＣ−Ｃｏ系合金からなり、ＷＣ粒子径が２μｍ以上であるため、ＷＣ粒子径が小さ過ぎる微粒子系となりプローブ１２が変形し過ぎることがなく、ＷＣ粒子径が１２μｍ以下であるため、ＷＣ粒子径が大き過ぎて回転ツール１０ｂの製作が困難となることがない。また、Ｃｏ量が５ｗｔ％以上であるため、強度が弱く割れやすくなることがなく、Ｃｏ量が１５ｗｔ％以下であるため、変形し過ぎることがない。
【００７１】
また、本実施形態によれば、回転ツール１０ｂの材質は、Ｃｒ３Ｃ２を０．０１ｗｔ％以上２ｗｔ％以下含むＷＣ−Ｃｏ系合金からなるため、ショルダの対酸化性を向上させることができる。なお、これらの回転ツール１０ｂの材質は、上記第１〜５実施形態のように、回転ツール１０ａを単一の材料で製造する場合にも適用することができる。
【００７２】
以上、本発明の好適な一実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。
【００７３】
（実験例）
以下、本発明の実験例について説明する。図１に示す加工装置１によってステンレス鋼材１０１，１０２の摩擦攪拌接合を行った。回転ツール１０ａの材質はＷＣ−Ｃｏ系の超硬合金製で、ショルダ１２の径は１２．０ｍｍとし、プローブ１１の径は６．０ｍｍとし、プローブ突出長１３は１．５ｍｍとした。接合条件は、移動速度Ｓ＝６００ｍｍ、回転速度Ｒ＝９００ｒｐｍ及び荷重Ｆ＝２０００ｋｇとした。ステンレス鋼材１０１，１０２としては厚さ２．０ｍｍのＳＵＳ３０４鋼を用い、接合長４００ｍｍの摩擦攪拌接合後にショルダ１２の長さ、プローブ長（回転ツール１０ａの全長）及びプローブ突出長１３の測定を行った。
【００７４】
実験例においては、総接合長が４０００ｍｍとなった時点で荷重Ｆを２０００ｋｇから３０００ｋｇに瞬時的に増加させた。一方、比較例として、実験例と同じ条件で摩擦攪拌接合を行ない、接合条件を変化させずに接合を行なった。
【００７５】
図１６に示すように、実験例の回転ツール１０ａでは、総接合長４０００ｍｍの時点で荷重Ｆを増加させたため、１．５５ｍｍ以上に増大していたプローブ突出長１３は１．４５ｍｍ以下に減少し、その後の接合により増加したものの、１．５ｍｍ以下に留まっている。一方、図１７に示すように、同じ条件により接合を継続した比較例の回転ツール１０ａは、総接合長が７０００ｍｍ近くになった時点で、プローブ突出長１３が１．６ｍｍ近くまで増大していた。また、総接合長４０００ｍｍの時点で形状を制御した回転ツール１０ａは、磨耗により回転ツール１０ａの成分が加工部１０３に混入したことが予想されたが、接合後の加工部１０３には外観に欠陥は無かった。さらに、実験例における試験片に対して引張試験を行ったところ、加工部１０３以外の母材が破断し、図１８及び図１９に示すように高い引張強度の良好な継手が得られた。
【符号の説明】
【００７６】
１…加工装置、１０ａ，１０ｂ…回転ツール、１１…プローブ、１２…ショルダ、２０…チャック、３０…回転ツール駆動部、４０…モニタカメラ、５０…温度センサ、６０…制御部、１０１，１０２…ステンレス材、１０３…加工部、１０４…加工痕、Ｒ…回転速度、Ｆ…荷重、Ｓ…移動速度（接合速度）。
【図１】
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【図２】
0005966118.tif 000003
【図３】
0005966118.tif 000004
【図４】
0005966118.tif 000005
【図５】
0005966118.tif 000006
【図６】
0005966118.tif 000007
【図７】
0005966118.tif 000008
【図８】
0005966118.tif 000009
【図９】
0005966118.tif 000010
【図１０】
0005966118.tif 000011
【図１１】
0005966118.tif 000012
【図１２】
0005966118.tif 000013
【図１４】
0005966118.tif 000014
【図１５】
0005966118.tif 000015
【図１６】
0005966118.tif 000016
【図１７】
0005966118.tif 000017
【図１８】
0005966118.tif 000018
【図１３】
0005966118.tif 000019
【図１９】
0005966118.tif 000020