(57)【要約】【課題】  回転工具以外の入熱手段による加熱効率を向上するとともに、接合部材の内部まで加熱することにより板厚方向の温度差を低減する。【解決手段】  金属からなる処理対象物に挿入した状態で回転することにより処理対象物を処理する小径部３と、小径部３と一体化され、小径部３が処理している間に処理対象物を押圧する大径部２とを備えた回転工具１により処理対象物を処理する方法であって、回転工具１を処理対象物に対向させ、かつ小径部３を処理対象物に挿入する前に、回転工具１の投影面内において処理対象物に加熱処理を施す工程と、回転工具１を回転駆動しつつ小径部３を処理対象物に挿入する工程と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属からなる処理対象物に挿入した状態で回転することにより前記処理対象物を処理する小径部と、前記小径部と一体化され、前記小径部が処理している間に前記処理対象物を押圧する大径部とを備えた回転工具により前記処理対象物を処理する方法であって、
前記回転工具を前記処理対象物に対向させ、かつ前記小径部を前記処理対象物に挿入する前に、前記回転工具の投影面内において前記処理対象物に加熱処理を施す工程と、
前記回転工具を回転駆動しつつ前記小径部を前記処理対象物に挿入する工程と、
を備えることを特徴とする金属の処理方法。
【請求項２】
加熱ビームが前記回転工具を通過して前記加熱処理が施されることを特徴とする請求項１に記載の金属の処理方法。
【請求項３】
前記加熱処理は、前記回転工具の回転軸に対応する箇所及び／又は前記回転工具の回転軸から所定距離だけ偏心した位置に対応する箇所に対して施されることを特徴とする請求項１又は２に記載の金属の処理方法。
【請求項４】
前記小径部を前記処理対象物に挿入した後も、前記加熱処理を施すことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の金属の処理方法。
【請求項５】
前記加熱処理は断続的に施されることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の金属の処理方法。
【請求項６】
前記金属の処理が２つの前記処理対象物を突合せた状態で接合する処理であって、
２つの前記処理対象物の突合せ部を含む位置に前記小径部を挿入することにより２つの前記処理対象物を撹拌接合することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の金属の処理方法。
【請求項７】
前記加熱処理は、前記突合せ部及び／又は前記突合せ部から所定距離だけ離れた位置に対して施されることを特徴とする請求項６に記載の金属の処理方法。
【請求項８】
２つの前記処理対象物は、融点が相違することを特徴とする請求項６又は７に記載の金属の処理方法。
【請求項９】
前記加熱処理を、前記融点の高い前記処理対象物に対して施すことを特徴とする請求項８に記載の金属の処理方法。
【請求項１０】
前記金属の処理が、前記処理対象物の表面を改質する処理であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の金属の処理方法。
【請求項１１】
前記大径部を構成する材料が、前記処理対象物の表面に肉盛りされることを特徴とする請求項１０に記載の金属の処理方法。
【請求項１２】
前記処理対象物の表面に肉盛り材を載せ、前記肉盛り材を貫通して前記小径部を前記処理対象物に挿入することを特徴とする請求項１０に記載の金属の処理方法。
【請求項１３】
金属からなる処理対象物に挿入した状態で回転することにより前記処理対象物を処理する小径部と、
前記小径部と一体化され、前記小径部が処理している間に前記処理対象物を押圧する大径部と、を備え、
前記小径部及び／又は前記大径部に、前記回転の軸方向に貫通する通路が形成されていることを特徴とする回転工具。
【請求項１４】
前記通路は、回転軸と同軸上及び／又は前記回転軸から所定距離離間した位置に形成されていることを特徴とする請求項１３に記載の回転工具。
【請求項１５】
前記大径部は、前記処理対象物に押圧されることにより、押圧された部分が前記処理対象物に肉盛りされる材料から構成されることを特徴とする請求項１３又は１４に記載の回転工具。
【請求項１６】
金属からなる処理対象物に挿入した状態で回転することにより前記処理対象物を処理する小径部と、前記小径部と一体化され、前記小径部が処理している間に前記処理対象物を押圧する大径部と、を備える回転工具と、
前記回転工具を介して加熱ビームを前記処理対象物に照射するビーム照射部と、
を備えることを特徴とする金属処理装置。
【請求項１７】
前記ビーム照射部は、前記加熱ビームを連続的に又は断続的に前記処理対象物に照射することを特徴とする請求項１６に記載の金属処理装置。
【請求項１８】
前記ビーム照射部は、前記回転工具の軸方向に貫通する通路を介して、前記加熱ビームを前記処理対象物に照射することを特徴とする請求項１６又は１７に記載の金属処理装置。
【請求項１９】
金属からなる処理対象物に挿入した状態で回転することにより前記処理対象物を処理する小径部と、前記小径部と一体化され、前記小径部が処理している間に前記処理対象物を押圧する大径部とを備えた回転工具により前記処理対象物の表面を改質する方法であって、
前記大径部を前記処理対象物に押圧することにより、押圧された前記大径部の一部を前記処理対象物に肉盛りさせることを特徴とする金属の表面改質方法。
【請求項２０】
金属からなる処理対象物に挿入した状態で回転することにより前記処理対象物を処理する小径部と、前記小径部と一体化され、前記小径部が処理している間に前記処理対象物を押圧する大径部とを備えた回転工具により前記処理対象物の表面を改質する方法であって、
前記処理対象物の表面に肉盛り材を載せ、前記肉盛り材を貫通して前記小径部を前記処理対象物に挿入することを特徴とする金属の表面改質方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転工具を用いて金属同士を接合し、又は金属の表面改質を行う金属の処理方法、金属の処理方法に用いる回転工具、処理装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば特表平７−５０５０９０号公報（特許文献１）には、摩擦撹拌による固相接合方法として長尺材同士の新規な接合方法が開示されている。この接合方法は、加工物より実質的に硬い材質からなる回転工具を加工物の突合せ部に挿入し、回転工具を回転させながら移動することにより、回転工具と加工物との間に生じる摩擦熱による塑性流動によって加工物を接合する方法が開示されている。この撹拌接合方法は、接合部材を固相状態で、回転工具を回転させながら移動させつつ軟化させた固相部分を一体化しながら接合できるために、熱歪みがなく接合方向に対して実質的に無限に長い長尺材でもその長手方向に連続的に固相接合できる利点がある。さらに、回転工具と接合部材との摩擦熱による金属の塑性流動を利用した固相接合のため、突合せ部を溶融させることなく接合できる。また、加熱温度が低いため、接合後の変形が少ない。突合せ部は溶融されないため、欠陥が少ないなどの多くの利点がある。
【０００３】
また、特開平１０−２２５７８１号公報（特許文献２）は、以上の撹拌接合方法において、突合せ部の回転工具の移動方向前方部分を外部熱源、例えばレーザビームにより加熱しながら、回転工具を移動させる方法が開示されている。特許文献２によれば、摩擦熱が分散しやすい状況下でも、接合不良を生じることなく良好に接合することができ、しかも接合速度を向上させることができる。
【０００４】
特開２００４−１５４７９０号公報（特許文献３）も、特許文献２と同様に、回転工具による接合部材の撹拌性を向上させるために、回転工具で接合する前に高周波加熱を用いて接合部材を加熱している。
【０００５】
【特許文献１】特表平７−５０５０９０号公報
【特許文献２】特開平１０−２２５７８１号公報
【特許文献３】特開２００４−１５４７９０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献２及び特許文献３に開示された発明では、回転工具とレーザ加熱位置又は高周波加熱位置に距離があるため、せっかく加熱した部分が接合する際には冷却されてしまい、加熱効果が薄い。さらに、この方法は接合部材表面しか加熱されず、接合部材の内部まで加熱することが難しい。そのためにかえって、板厚方向に温度差が生じてしまい、均一な接合が難しくなるおそれもある。
本発明は、このような技術的課題に基づいてなされたもので、回転工具以外の入熱手段による加熱効率を向上することを目的とする。
また、本発明は、接合部材の内部まで加熱することにより板厚方向の温度差を低減することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
特許文献１及び特許文献２は、回転工具の移動方向前方にレーザビームあるいは高周波加熱といった入熱手段を設けているために、加熱効果が薄いといった問題があった。しかるに本発明者等は、より加熱効果を高くするために、接合部材の回転工具の投影面内に回転工具以外の入熱手段による加熱を施すことが有効であることを確認した。
すなわち本発明は、金属からなる処理対象物に挿入した状態で回転することにより処理対象物を処理する小径部と、小径部と一体化され、小径部が処理している間に処理対象物を押圧する大径部とを備えた回転工具により処理対象物を処理する方法に関する。そして、この処理方法は、回転工具を処理対象物に対向させ、かつ小径部を処理対象物に挿入する前に、回転工具の投影面内において処理対象物に加熱処理を施す工程と、回転工具を回転駆動しつつ小径部を処理対象物に挿入する工程と、を備えることを特徴とする。
以上の本発明によれば、回転工具の投影面内において処理対象物に加熱処理を施すため、加熱処理による効果を最大限に利用することができる。したがって、小径部を処理対象物に挿入する際の負荷を軽減することができる。
本発明のように、回転工具の投影面内において処理対象物に加熱処理を施すという手法は、後述するように、２つの処理対象物を接合する処理、処理対象物の表面を改質する処理等、いくつかの金属の処理方法に適用することができる。
【０００８】
回転工具の投影面内において処理対象物に加熱処理を施す具体的な方法としては、加熱ビームが回転工具を通過して加熱処理を施す形態とすることが望ましい。
この形態は、より具体的には、回転工具に貫通孔を設け、加熱ビームをこの貫通孔を通過させて処理対象物に到達させればよい。ここで、加熱ビームとは、レーザビーム、電子ビーム、プラズマビーム等の高エネルギ密度を有し、処理対象物を照射することにより、加熱させることのできるビームを広く包含している。
【０００９】
本発明において、回転工具の回転軸に対応する箇所に加熱処理を施すことができる。小径部の処理対象物への挿入時の負荷軽減にとって最も有効である。本発明において、加熱処理を施す位置はこの形態に限定されず、回転工具の回転軸から所定距離だけ偏心した位置に対応する箇所に対して加熱処理を施すことができる。広範囲に加熱処理の影響を及ぼす際に、又は後述する融点の相違する２つの処理対象物を接合する際に有効である。
【００１０】
本発明において、小径部を処理対象物に挿入した後も、加熱処理を施すことが望ましい。例えば、２つの処理対象物を接合する場合、小径部を処理対象物の突合せ部に挿入した後に回転工具を突合せ部に沿って移動させる。したがって、小径部を処理対象物に挿入した後も、加熱処理を施すことにより、回転工具の移動時の負荷を軽減することができる。また、小径部を処理対象物に挿入した後も、加熱処理を施すことにより、処理対象物の厚さ方向のより深い位置まで加熱処理による熱影響を及ぼすことが可能となるため、処理対象物の厚さ方向の接合品質を均一にすることができる。
【００１１】
本発明において、加熱処理は連続的に施すこともできるが、断続的に施すこともできる。この断続的とは、加熱処理を中断する形態に限らず、加熱処理により処理対象物に投入する熱エネルギを高・低・高・低…と変動させる形態をも包含する。例えば、加熱処理への投入エネルギを軽減しつつ、本発明の効果を得たい場合には、加熱処理を断続的に施すことが有効である。また、断続的な加熱処理により、処理対象物の特定の位置に対して加熱処理を行うことが可能となる。
【００１２】
前述したように、本発明は２つの処理対象物を接合する処理に適用することができる。つまり本発明は、２つの処理対象物を突合せた状態で接合する処理であって、２つの処理対象物の突合せ部を含む位置に小径部を挿入することにより２つの処理対象物を撹拌接合する処理を包含している。この撹拌接合において、加熱処理は、突合せ部に対して行うことが効果的である。しかし本発明は、突合せ部から所定距離だけ離れた位置に対して加熱処理を施すこともできる。もちろん、加熱処理は、突合せ部及び突合せ部から所定距離だけ離れた位置の両者に対して施すこともできる。
【００１３】
本発明は、融点が相違する２種類の処理対象物の接合に有効である。融点の相違する２種類の処理対象物を撹拌接合により接合する際の課題は、回転工具の撹拌作用のみでは各々の処理対象物の接合に適する温度を作り出すことが困難なことである。ところが、本発明では、融点の高い処理対象物に対して加熱処理を施すことができる。したがって、回転工具による撹拌条件及び加熱処理条件を制御することにより、各々の処理対象物を、撹拌接合に必要な温度に加熱することが可能となる。
【００１４】
また本発明は、２つの処理対象物を接合する処理以外に、処理対象物の表面を改質する処理に適用することができる。この処理は、回転工具の小径部を回転させつつ処理対象物に挿入し、かつ所定方向に移動させる。このようにすることにより、処理対象物の表面を撹拌してその組織を改質することができる。この際、処理対象物を回転工具の投影面内において加熱処理するので、小径部の処理対象物への挿入及び回転工具の移動の負荷を軽減することができるとともに、表面改質効果を向上する効果も期待できる。
【００１５】
表面改質処理は、回転工具の小径部による撹拌作用によってなされるが、これに加えて大径部を構成する材料を処理中に消耗させて、処理対象物の表面に肉盛りする機能を加えてもよい。この場合、大径部の材質を選択することにより、処理対象物に種々の特性を付与することができる。また、処理対象物の表面に肉盛りされた材料は、処理対象物を構成する材料と混合物又は合金を構成することも可能である。
【００１６】
処理対象物に肉盛りをする方法としては、上記のほかに、処理対象物の表面に肉盛り材を載せ、肉盛り材を貫通して小径部を処理対象物に挿入することもできる。小径部によって肉盛り材と処理対象物をともに撹拌することにより、肉盛り材を処理対象物の表面に被覆して改質することができる。また、肉盛り材と処理対象物との混合物又は合金を構成し、処理対象物の表面を改質することができる。
【００１７】
本発明は、以上の金属の処理方法に用いる新規な回転工具を提供する。この回転工具は、金属からなる処理対象物に挿入した状態で回転することにより処理対象物を処理する小径部と、小径部と一体化され、小径部が処理している間に処理対象物を押圧する大径部と、を備え、小径部及び／又は大径部に、回転の軸方向に貫通する通路が形成されていることを特徴とする。
この回転工具を用いれば、貫通する通路を加熱ビームが通過して処理対象物に照射される。したがって、回転工具の投影面内において、処理対象物を加熱することができる。
【００１８】
本発明の回転工具において、回転の軸方向に貫通する通路は、回転軸と同軸上及び／又は回転軸から所定距離離間した位置に形成することができる。通路を回転軸と同軸上に形成すると、小径部の処理対象物への挿入時の負荷軽減にとって最も有効である。また、通路を回転軸から所定距離離間した位置に形成すれば、広範囲に加熱処理の影響を及ぼすことができるとともに、異なる融点の処理対象物を接合する際に有効となる。回転軸と同軸上及び回転軸から所定距離離間した位置の両者に通路を形成することができることはいうまでもない。
【００１９】
本発明の回転工具は、処理対象物に押圧されることにより、押圧された部分が処理対象物に肉盛りされる材料から大径部を構成することができる。この大径部は消耗式の大径部となり、上述した表面改質処理の場合に用いることができる。
【００２０】
本発明は、以上の金属の処理方法を実現する新規な金属処理装置を提供する。この金属処理装置は、金属からなる処理対象物に挿入した状態で回転することにより処理対象物を処理する小径部と、小径部と一体化され、小径部が処理している間に処理対象物を押圧する大径部と、を備える回転工具と、回転工具を介して加熱ビームを処理対象物に照射するビーム照射部と、を備えることを特徴としている。
この金属処理装置によれば、回転工具を介して加熱ビームを処理対象物に照射することができるため、回転工具の処理対象物得の挿入時、挿入後の移動時の負荷を軽減することができる。
【００２１】
この金属処理装置において、ビーム照射部は、加熱ビームを連続的に又は断続的に処理対象物に照射することができる。また、ビーム照射部は、回転工具の軸方向に貫通する通路を介して、加熱ビームを処理対象物に照射することができる。
【００２２】
以上で説明した表面改質処理は、加熱を必須とするものではない。したがって、本発明は、金属からなる処理対象物に挿入した状態で回転することにより処理対象物を処理する小径部と、小径部と一体化され、小径部が処理している間に処理対象物を押圧する大径部とを備えた回転工具により処理対象物の表面を改質する方法であって、大径部を処理対象物に押圧することにより、押圧された大径部の一部を処理対象物に肉盛りさせる金属の表面改質方法を提供する。
本発明さらに、金属からなる処理対象物に挿入した状態で回転することにより処理対象物を処理する小径部と、小径部と一体化され、小径部が処理している間に処理対象物を押圧する大径部とを備えた回転工具により処理対象物の表面を改質する方法であって、処理対象物の表面に肉盛り材を載せ、肉盛り材を貫通して小径部を処理対象物に挿入する金属の表面改質方法をも提供する。
【発明の効果】
【００２３】
以上説明したように、本発明によれば、回転工具以外の入熱手段による加熱効率を向上することができる。また、本発明によれば、接合部材の内部まで加熱することにより板厚方向の温度差を低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、添付図面に示す実施の形態に基づいてこの発明を詳細に説明する。
＜第１形態＞
図１及び図２は、本発明による第１形態を説明するための図であり、図１は回転工具１を接合部材５に挿入する前の状態を示す図、図２は回転工具１を接合部材５に挿入した後の状態を示す図である。なお、図１は回転工具１の移動方向正面から見た図、図２は回転工具１の移動方向（矢印で示す）側面から見た図である。
図１及び図２において、回転工具１は、いずれも円柱状の大径部２及び小径部３とから構成されている。大径部２及び小径部３は、ダイス鋼等の工具材料から一体的に構成され、その回転軸に貫通孔Ｈ１が形成されている。回転工具１は、図示しない回転駆動手段により回転軸を中心に回転する。また、回転工具１は、図示しない移動手段により、図中、平面方向、鉛直方向に移動可能となっている。
図示しないレーザ発振器から発振されたレーザビームＬは、回転工具１の回転軸を含んで形成されている貫通孔Ｈ１を通過して、接合部材５に照射される。したがって、レーザビームＬは、回転工具１の投影面内において接合部材５に照射されることになる。
【００２５】
図１に示すように、回転工具１を接合部材５に挿入する前であって、回転工具１が接合部材５に対向しかつ離間している段階で、レーザビームＬを接合部材５に照射する。レーザビームＬは接合部材５同士の突合せ部６に対して照射される。したがって、接合部材５のレーザビームＬが照射された部分及びその近傍Ａ１は加熱昇温により軟化するため、回転工具１を接合部材５に挿入する際の負荷を低減することができる。
【００２６】
回転工具１を接合部材５に挿入する前に所定時間だけレーザビームＬを照射した後に、図２に示すように、回転工具１を挿入する。第１形態では、回転工具１を接合部材５中に挿入した後も、レーザビームＬを照射し続ける。その結果、接合部材５の厚さ方向中心部よりも低い部分（図中、Ａ３で示す）も加熱昇温することができる。この部分は回転工具１の小径部３による熱影響が及ばないか又は及びにくい部分である。したがって、第１形態によれば、図２中、Ａ２で示すように接合部材５の厚さ方向全域にわたって良好な接合状態を得ることができ、従来の回転工具のみによる撹拌接合法に比べて接合欠陥を低減することができる。また、レーザビームＬを照射しながら回転工具１を移動するため、回転工具１のみによる撹拌接合法に比べて移動速度を速くすることができる。
【００２７】
図３は、以上の第１形態による撹拌接合方法を実施するための撹拌接合装置１０の構成概要を示している。
第１形態による撹拌接合装置１０は、接合部材５を載せる基台１１を備えている。基台１１の左右両側には、レール１２が配設されている。レール１２上をＺ方向に往復移動可能なガントリ１３が備えられており、ガントリ１３には、モータ１４を介して回転工具１が取り付けられている。モータ１４は、回転工具１を回転駆動する。モータ１４は、ガントリ１３に対してＸ方向、Ｙ方向に移動可能に取り付けられている。
撹拌接合装置１０は、レーザ発振器１５を備えている。レーザ発振器１５から出射されたレーザビームＬは、光ファイバ１６及び回転工具１を介して接合部材５に照射される。
【００２８】
撹拌接合装置１０により接合部材５を接合する場合、まず、２つの接合部材５をその突合せ部６を突合せて配置する。その後、ガントリ１３の位置、ガントリ１３に対するモータ１４の位置を調整することにより、回転工具１を接合部材５の突合せ部６に対して位置合わせする。
回転工具１の突合せ部６に対する位置合わせが完了したならば、モータ１４を駆動することにより回転工具１を回転するとともに、図１に示すように、レーザ発振器１５を駆動して接合部材５に対してレーザビームＬを照射する。以後は、前述したように、所定時間レーザビームＬを照射した後に回転工具１を接合部材５の突合せ部６に挿入する。回転工具１の挿入後においても、図２に示すように、レーザビームＬの照射を継続すると、従来の回転工具１のみによる撹拌接合法に比べて接合欠陥を低減することができるとともに、回転工具１のみによる撹拌接合法に比べて移動速度を速くすることができる。
【００２９】
以上では、回転工具１の接合部材５への挿入前及び挿入後におけるレーザビームＬの照射は連続的なものとして説明した。しかし本発明はこの形態に限定されず、レーザビームＬの照射による所期の目的を達成できるのであれば、レーザビームＬの照射を断続的なものとすることができる。また、回転工具１の接合部材５への挿入前及び挿入後に照射されるレーザビームＬの強度は、一定であってもよいし、変動させてもよい。接合部材５への挿入前及び挿入後によってレーザビームＬの強度を変えることもできる。
【００３０】
本発明において、接合部材５に照射されるレーザビームＬは、図４に示すように、焦点を接合部材５の表面に焦点が一致するようにレンズ１７によって集光する形態とすることができる。また、接合部材５に照射されるレーザビームＬは、図５に示すように、接合部材５の表面に平行ビームを照射できるようにレンズ１８及びレンズ１９を用いる形態とすることもできる。
【００３１】
＜第２形態＞
次に本発明による第２形態について説明する。
上述した第１形態は、回転工具１の中心軸をレーザビームＬが通過することにより、回転工具１の投影面内において接合部材５上にレーザビームＬを照射したが、第２形態は、回転工具１の中心軸から偏心した位置をレーザビームＬが通過する形態を開示するものである。
【００３２】
図６及び図７は、本発明による第２形態を説明するための図であり、図６は回転工具２１を接合部材２５に挿入する前の状態を示す図、図７は回転工具２１を接合部材２５に挿入した後の状態を示す図である。なお、図６は回転工具２１の移動方向正面から見た図、図７は回転工具２１の移動方向（矢印で示す）側面から見た図である。また、図８は回転工具２１を接合部材２５に挿入した後の状態を示す斜視図である。
図６及び図７において、回転工具２１は、いずれも円柱状の大径部２２及び小径部２３とから構成されている。大径部２２及び小径部２３は、ダイス鋼等の工具材料から一体的に構成され、その回転軸から偏心した位置に円弧状の貫通孔Ｈ２が形成されている。
図示しないレーザ発振器から出射されたレーザビームＬは、回転工具２１に形成されている貫通孔Ｈ２を通過して、接合部材２５に照射される。したがって、レーザビームＬは、回転工具２１の投影面内において接合部材２５に照射される。
【００３３】
第２形態も第１形態と同様に、図６に示すように、回転工具２１を接合部材２５に挿入する前であって、回転工具２１が接合部材２５から離間している段階で、レーザビームＬを接合部材２５に照射する。レーザビームＬは接合部材２５同士の突合せ部２６に対して照射される。レーザビームＬの照射は、小径部２３より回転工具２１の移動方向前方に対して行われる。したがって、接合部材２５のレーザビームＬが照射された部分及びその近傍Ａ４は加熱昇温するため、回転工具２１を接合部材２５に挿入し、又は回転工具２１を移動する際の負荷を低減することができる。
【００３４】
ここで、第２形態は、貫通孔Ｈ２が回転工具２１の回転軸から偏心した位置に形成されているため、第１形態のように、レーザビームＬを連続的に照射していない。つまり、図８に示すように、光ファイバＦを突合せ部２６上に固定し、貫通孔Ｈ２がこの固定位置を通過しているときにのみレーザビームＬを照射する。一方、図９に示すように、貫通孔Ｈ２がこの固定位置とは異なる位置に存在している場合には、レーザビームＬの照射を停止する。つまり、第２形態では、小径部２３より回転工具２１の移動方向前方に対して、貫通孔Ｈ２の位置に応じてレーザビームＬを断続的に照射する。
【００３５】
回転工具２１を接合部材２５に挿入する前に所定時間だけレーザビームＬを照射した後に、図７に示すように、回転工具２１を挿入する。第２形態では、回転工具２１を接合部材２５中に挿入した後も、レーザビームＬを断続的に照射する。したがって、回転工具２１の移動方向であって、かつ小径部２３の前方が軟化されるため、移動負荷を軽減することができる。結果として、回転工具２１のみによる撹拌接合法に比べて移動速度を速くすることができる。
【００３６】
以上ではレーザビームＬの照射位置を固定した例について説明したが、図１０に示す構成を採用することにより、レーザビームＬの照射位置を固定することなく、回転工具２１の回転軸からの偏心量を半径とする円上にレーザビームＬを照射することができる。すなわち、図１０において、ミラーＭ１及びミラーＭ２を組み合わせることにより、レーザビームＬを回転工具２１の貫通孔Ｈ２に誘導する。ミラーＭ１及びミラーＭ２は、ミラーＭ１を中心として回転可能に構成されている。この回転の中心は、回転工具２１の回転軸と一致している。回転工具２１の回転速度とミラーＭ１及びミラーＭ２の回転速度とを一致させ、かつミラーＭ１及びミラーＭ２を介してレーザビームＬを照射すると、接合部材２５上には、レーザビームＬを円周状に照射することができる。
【００３７】
＜第３形態＞
次に本発明による第３形態を説明する。
第３形態は、回転工具の中心軸及び中心軸から偏心した位置をレーザビームＬが通過する形態を開示するものである。また、第１形態及び第２形態はレーザビームＬを接合部材５（２５）の突合せ部６（２６）に照射していたが、第３形態はレーザビームＬを接合部材５（２５）の突合せ部６（２６）以外の箇所にも照射する。そうすることにより、融点の異なる異種材料の撹拌接合を可能にする。
【００３８】
図１１及び図１２は、本発明による第３形態を説明するための図であり、図１１は回転工具３１を接合部材３５に挿入する前の状態を示す図、図１２は回転工具３１を接合部材３５に挿入した後の状態を示す図である。なお、図１１は回転工具３１の移動方向正面から見た図、図１２は回転工具３１の移動方向（矢印で示す）側面から見た図である。
図１１及び図１２において、回転工具３１は、大径部３２及び小径部３３とから構成されている。大径部３２及び小径部３３は、ダイス鋼等の工具材料から一体的に構成されている。回転工具３１は、その回転軸に貫通孔Ｈ３が形成されている。また、回転工具３１は、その中心軸から偏心した位置に円弧状の貫通孔Ｈ４が形成されている。
【００３９】
図示しないレーザ発振器から出射されたレーザビームＬは、回転工具３１に形成されている貫通孔Ｈ３及びＨ４を通過して、接合部材３５に照射される。したがって、レーザビームＬは、回転工具３１の投影面内において接合部材３５に照射される。
【００４０】
第３形態も第１、２形態と同様に、図１１に示すように、回転工具３１を接合部材３５に挿入する前であって、回転工具３１が接合部材３５から離間している段階で、貫通孔Ｈ３を介してレーザビームＬを接合部材３５に照射する。ここで、第３形態は、例えば一方の接合部材３５を鋼（以下、接合部材３５−１）、他方の接合部材３５をアルミニウム合金（以下、接合部材３５−２）というように、融点の異なる異種材料を接合対象とする。
【００４１】
回転工具３１を接合部材３５−１と接合部材３５−２との突合せ部３６に挿入する前に所定時間だけレーザビームＬを照射した後に、図１２に示すように、回転工具３１を挿入する。第３形態では、回転工具３１を接合部材３５−１と接合部材３５−２との突合せ部３６に挿入した後も、貫通孔Ｈ３を介するレーザビームＬの照射を継続する。その結果、接合部材３５−１及び接合部材３５−２の厚さ方向中心部よりも低い部分（図中、Ａ８で示す）をも加熱昇温することができる。この部分は回転工具３１の小径部３３による熱影響が及ばないか又は及びにくい部分である。
したがって、第３形態によれば、図１２に示すように接合部材３５の厚さ方向全域にわたって良好な接合状態を得ることができ、従来の回転工具のみによる撹拌接合法に比べて接合欠陥を低減することができる。また、レーザビームＬを照射しながら回転工具３１を移動するため、回転工具３１のみによる撹拌接合法に比べて移動速度を速くすることができる。
【００４２】
第３形態は、回転工具３１を接合部材３５−１と接合部材３５−２との突合せ部３６に挿入した後に、貫通孔Ｈ４を介してレーザビームＬを接合部材３５−１に対して照射する。したがって、レーザビームＬによって接合部材３５−１のＡ９で示す領域は軟化する。ここで、図１３に示すように、貫通孔Ｈ４が接合部材３５−２の領域に位置する場合がある。このときは、貫通孔Ｈ４を通過するレーザビームＬの照射を停止する。つまり、貫通孔Ｈ４を通過するレーザビームＬの照射を制御することにより、鋼からなる接合部材３５−１を加熱昇温するが、アルミニウム合金からなる接合部材３５−２は貫通孔Ｈ４を通過するレーザビームＬでは加熱しない。このとき、アルミニウム合金からなる接合部材３５−２は直接的な加熱昇温がなされていない。ここで、鋼の軟化温度は８００℃程度、アルミニウム合金の軟化温度は４００℃程度であり、この軟化温度の差が両者の撹拌接合を困難にしていた。ところが、第３形態では、軟化温度の高い鋼製の接合部材３５−１にレーザビームＬを照射することにより、アルミニウム合金製の接合部材３５−２よりも接合部材３５−１高い温度にすることができる。したがって、接合対象物の軟化温度が相違していても、貫通孔Ｈ４を通過するレーザビームＬの照射を制御することにより、接合部材３５−１及び接合部材３５−２の両者を同時に軟化させることが可能となる。
【００４３】
以上の例では、図１３の状態では貫通孔Ｈ４からのレーザビームＬの照射を停止したが、停止する形態に限定されない。例えば、図１３の状態では貫通孔Ｈ４からのレーザビームＬの出力エネルギを弱くすることも可能である。その場合、レーザビームＬの照射パターンは、図１４に示すように、パルス状とすることになる。
また、第３形態では、貫通孔Ｈ３、つまり回転工具３１の回転軸からのレーザビームＬの照射を行っているが、異種材料の撹拌接合のみを考慮した場合には、回転工具３１の回転軸からのレーザビームＬの照射を省略するとこができる。本発明は、この態様をも包含している。
【００４４】
＜第４形態＞
第１〜第３形態は２つの接合部材５、２５、３５を突合せた状態で撹拌接合する例を開示するものであるが、本発明は、金属材料の表面改質に対して適用することもできる。そこで第４形態では、金属材料の表面改質に対して本発明を適用した形態について説明する。
【００４５】
図１５及び図１６は、本発明による第４形態を説明するための図であり、図１５は回転工具４１を改質部材４５に挿入する前の状態を示す図、図１６は回転工具４１を改質部材４５に挿入した後の状態を示す図である。なお、図１５は回転工具４１の移動方向正面から見た図、図１６は回転工具４１の移動方向（矢印で示す）側面から見た図である。
【００４６】
図１５及び図１６において、回転工具４１は、ともに円筒状の大径部４２及び小径部４３とから構成されている。大径部４２は改質部材４５の表面に対する肉盛り材から構成されている。肉盛り材としては、例えば高Ｃｒ基合金、Ｎｉ基合金、Ｃｏ基合金等を用いることができる。小径部４３はダイス鋼等の工具材料から構成されている。大径部４２は小径部４３の周囲に焼きばめ、その他の手段によって接合されている。小径部４３の中心軸（回転工具４１の回転中心）には、レーザビームＬが通過する貫通孔Ｈ５が形成されている。
【００４７】
第４形態も第１形態と同様に、図１５に示すように、回転工具４１を改質部材４５に挿入する前であって、回転工具４１が改質部材４５から離間している段階で、レーザビームＬを改質部材４５の表面に照射する。したがって、改質部材４５のレーザビームＬが照射された部分及びその近傍Ａ１０は加熱昇温して軟化するため、回転工具４１を改質部材４５に挿入する際の負荷を低減することができる。
【００４８】
回転工具４１を改質部材４５に挿入する前に所定時間だけレーザビームＬを照射した後に、図１６に示すように、回転工具４１を挿入する。第４形態では、回転工具４１を改質部材４５中に挿入した後も、レーザビームＬを連続的又は断続的に照射することができるし、レーザビームＬの照射を停止することもできる。回転工具４１を改質部材４５に挿入した後、回転工具４１を改質部材４５に所定の圧力で押し付けつつ回転工具４１を回転させる。この過程で、改質部材４５に接触している大径部４２は肉盛り材として改質部材４５の表面に供給させる。すなわち、大径部４２は、回転工具４１の回転に伴って消耗する。一方で小径部４３による改質部材４５表面の撹拌により、大径部４２から肉盛り材として供給された材料と改質部材４５とが混合又は合金化することにより、改質部材４５の表面を改質部Ｋとすることができる。
【００４９】
回転工具４１を改質部材４５中に挿入した後も、レーザビームＬを照射すれば、回転工具４１を改質部材４５に対してより深く挿入することができる。そのため、改質部材４５における改質層の深さを深くすることができる。
以上の第４形態では、回転工具４１の回転軸からレーザビームＬを改質部材４５に対して照射する形態を開示したが、レーザビームＬの照射を伴わなくても表面改質を実施することができる。本発明は、この形態を包含している。もちろん、レーザビームＬの照射を伴う表面改質が望ましい形態であることはいうまでもない。
また、以上の第４形態では、回転工具４１の大径部４２が回転工具４１の回転に伴って消耗する形態としているが、非消耗タイプの大径部４２とすることを本発明は許容する。
【００５０】
さらに、以上の第４形態では、回転工具４１の大径部４２が回転工具４１の回転に伴って消耗する形態とし、大径部４２から肉盛り材を供給する形態としているが、大径部５２を小径部５３と同様の素材から構成して非消耗タイプのものとし、さらに図１７に示すように肉盛り材を板材５６から供給することもできる。つまり、改質部材５５の表面に肉盛り材となる板材５６を載せた状態で、回転工具５１を板材５６及び改質部材５５に挿入し、かつ回転させる。そうすることにより、板材５６及び改質部材５５表面の撹拌により、板材５６と改質部材５５とが混合又は合金化することにより、改質部材５５の表面を改質部Ｋとすることができる。
【実施例】
【００５１】
以下本発明の具体的な実施例を説明する。
＜実施例１＞
第１形態に従った実験を行った。実験の条件は以下の通りとし、回転工具を接合部材に挿入する際の負荷（挿入時負荷）を測定した。また、及び回転工具を接合部材に挿入した後に移動する際の負荷（移動時負荷）を測定した。その結果を下記するが、レーザビームを照射することにより、挿入時負荷及び移動時負荷が軽減されることがわかる。このように挿入時負荷及び移動時負荷が軽減されることにより、撹拌接合の工数を軽減することができるとともに、設備剛性を軽減することができる。工数低減については、移動時の速度を、レーザビーム照射なしの場合が５０〜１００ｍｍ/ｍｉｎであるのを、１００〜１５０ｍｍ/ｍｉｎまで向上することができる。
【００５２】
撹拌接合条件
接合部材材質：軟鋼
接合部材板厚：５〜１０ｍｍ
回転工具回転数：４００ｒｐｍ
回転工具移動速度：５０〜１００ｍｍ／ｍｉｎ
レーザビーム出力：１〜２ｋＷ
レーザビーム照射径：１ｍｍ
【００５３】
測定結果
挿入時負荷：レーザビーム照射あり…５〜８ｔｏｎ
レーザビーム照射なし…９〜１２ｔｏｎ
移動時負荷：レーザビーム照射あり…５〜８ｔｏｎ
レーザビーム照射なし…６〜９ｔｏｎ
【００５４】
＜実施例２＞
第４形態に従った実験を行った。ただし、大径部を非消耗タイプの大径部とし、レーザビームの照射を行う形態とした。実験の条件は以下の通りとし、回転工具を改質部材に挿入した後の移動速度（移動時負荷）を測定した。また、改質部の平均結晶粒径を測定した。その結果を下記するが、レーザビームを照射することにより、回転工具の移動速度を向上することができる。また、レーザビームの照射により、改質部の結晶粒径を微細化することができる。
【００５５】
撹拌接合条件
接合部材材質：軟鋼
接合部材板厚：５〜１０ｍｍ
回転工具回転数：４００ｒｐｍ
レーザビーム出力：１〜２ｋＷ
レーザビーム照射径：１ｍｍ
【００５６】
測定結果
移動速度：レーザビーム照射あり…１００〜１５０ｍｍ／ｍｉｎ
レーザビーム照射なし…５０〜１００ｍｍ／ｍｉｎ
改質部平均結晶粒径：レーザビーム照射あり…５〜１０μｍ
レーザビーム照射なし…１０〜１５μｍ
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】第１形態を説明するための図であって、回転工具を接合部材に挿入する前の状態を示す図である。
【図２】第１形態を説明するための図であって、回転工具を接合部材に挿入した後の状態を示す図である。
【図３】第１形態による撹拌接合装置の構成概要を示す図である。
【図４】第１形態に適用するレーザビームの形態を示す図である。
【図５】第１形態に適用するレーザビームの他の形態を示す図である。
【図６】第２形態を説明するための図であって、回転工具を接合部材に挿入する前の状態を示す図である。
【図７】第２形態を説明するための図であって、回転工具を接合部材に挿入した後の状態を示す図である。
【図８】第２形態において、レーザビームを照射している状態を示す図である。
【図９】第２形態において、レーザビームの照射を停止している状態を示す図である。
【図１０】第２形態によるレーザビームの照射方法を説明する図である。
【図１１】第３形態を説明するための図であって、回転工具を接合部材に挿入する前の状態を示す図である。
【図１２】第３形態を説明するための図であって、回転工具を接合部材に挿入した後の状態を示す図である。
【図１３】第３形態を説明するための図であって、回転工具を接合部材に挿入した後の他の状態を示す図である。
【図１４】第３形態におけるレーザビームの照射パターンを示す図である。
【図１５】第４形態を説明するための図であって、回転工具を改質部材に挿入する前の状態を示す図である。
【図１６】第４形態を説明するための図であって、回転工具を改質部材に挿入した後の状態を示す図である。
【図１７】第４形態の変形例を説明するための図であって、回転工具を改質部材に挿入した後の状態を示す図である。
【符号の説明】
【００５８】
１，２１，３１，４１，５１…回転工具、２，２２，３２，４２，５２…大径部、３，２３，３３，４３，５３…小径部、５，２５，３５…接合部材、４５，５５…改質部材、
６，２６，３６…突合せ部、５６…板材、Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３，Ｈ４，Ｈ５…貫通孔、Ｋ…改質部、Ｌ…レーザビーム
【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
2006192452.tif 000017
【図１６】
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【図１７】
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