(57)【要約】  両面摩擦攪拌接合において、２枚の金属板の突合せ部にある隙間が０．５ｍｍを超える場合でも、接合欠陥を抑制して接合強度を高め、設備コストの増加を抑えて経済性を高め、かつ生産効率を高くする。  第１及び第２の回転ツール３，４はそれぞれショルダ部３ｃ，４ｃを先端部分に形成したツール本体３ａ，４ａを有し、第１の回転ツール３は更にツール本体の先端部分から突出するよう形成された突起部３ｄを有し、第２の回転ツール４は更にツール本体の先端部分に形成され、２枚の金属板１，２の接合時に突起部３ｄの先端部を収納する凹み部４ｄを有し、金属板１，２の端面を突合せた突合せ部Ｂに突起部の直径未満の隙間が生じた状態で、金属板１，２を把持装置５，６で把持し、回転ツールの突起部３ｄの先端部を回転ツールの凹み部４ｄ内に挿入し、突合せ部の板厚方向全域を摩擦攪拌して接合する。
2012029175.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２枚の金属板（１，２）の端面（１ａ，２ａ）を突合せた突合せ部（Ｂ）の表面側と裏面側に、第１および第２の回転ツール（３，４）を相対向するように配置し、この第１および第２の回転ツールにより前記突合せ部を摩擦攪拌し、前記２枚の金属板を摩擦攪拌接合する両面摩擦攪拌接合方法において、
前記第１および第２の回転ツール（３，４）の一方は、ショルダ部（３ｃ）を先端部分に形成したツール本体（３ａ）と、このツール本体の先端部分から突出するよう形成された少なくとも１つの突起部（３ｄ）とを有する回転ツール（３）であり、
前記第１および第２の回転ツールの他方は、ショルダ部（４ｃ）を先端部分に形成したツール本体（４ａ）と、このツール本体の先端部分に形成され、前記２枚の金属板（１，２）の接合時に前記突起部（３ｄ）の先端部を収納する少なくとも１つの凹み部（４ｄ）とを有する回転ツール（４）であり、
前記２枚の金属板（１，２）の端面（１ａ，２ａ）を突合せた突合せ部に前記突起部（３ｄ）の直径（ｄ１）未満の隙間（Ｇ）が生じた状態で、前記２枚の金属板（１，２）を第１および第２把持装置でそれぞれ把持し、
前記第１および第２の回転ツールを回転させ、前記第１および第２の回転ツールを互いに近づく方向に移動して、前記一方の回転ツールの突起部（３ｄ）の先端部を前記他方の回転ツールの凹み部（４ｄ）内に挿入するとともに、前記第１および第２の回転ツールの前記ショルダ部のショルダ面（３ｂ，４ｂ）を前記突合せ部の表面側と裏面側に押圧し、
この状態で、前記第１および第２の回転ツールを前記突合せ部に沿って移動させ、前記突合せ部の板厚方向全域を摩擦攪拌することを特徴とする両面摩擦攪拌接合方法。
【請求項２】
請求項１に記載の両面摩擦攪拌接合方法において、
前記端面を突合せた２枚の金属板（１，２）は板厚が異なり、前記突合せ部（Ｂ）に段差のある金属板であり、前記第１および第２の回転ツール（３，４）により前記段差のある突合せ部を摩擦攪拌し、前記２枚の金属板を摩擦攪拌接合することを特徴とする両面摩擦攪拌接合方法。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の両面摩擦攪拌接合方法において、
前記第１および第２の回転ツール（３，４）の移動中に、前記相対向するように配置した前記第１および第２の回転ツール（３，４）の先端部分が後端部分に対し前記第１および第２の回転ツールの移動方向に向かって先行するように、前記第１および第２の回転ツールのそれぞれの軸心（１５）を傾けることを特徴とする両面摩擦攪拌接合方法。
【請求項４】
請求項２に記載の両面摩擦攪拌接合方法において、
前記第１および第２の回転ツール（３，４）の移動中に、前記相対向するように配置した前記第１および第２の回転ツール（３，４）の先端部分が後端部分に対し前記第１および第２の回転ツールの移動方向に向かって先行するように、前記第１および第２の回転ツールのそれぞれの軸心（１５）を傾け、かつ前記板厚の異なる２枚の金属板（１，２）のうちの薄板側に傾斜した姿勢となりかつ前記第１および第２の回転ツールの前記ショルダ部（３ｃ，４ｃ）のショルダ面（３ｂ，４ｂ）が前記板厚の異なる２枚の金属板の両方の表面に接触するように、第１および第２の回転ツールのうち少なくとも段差がある側に位置する回転ツールの軸心（１５）を傾けることを特徴とする両面摩擦攪拌接合方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、突合せ部に隙間のある金属板の接合部を両面から摩擦攪拌し接合する両面摩擦攪拌接合方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
回転ツールを回転させながら、回転ツールのツール本体に設けられたショルダ部の表面を接合部材の表面と接触させ、ショルダ部の表面と接合部材の表面との摩擦熱を利用して摩擦攪拌し、接合部材を融点以下の固相状態で、材料を攪拌し接合する摩擦攪拌接合技術が知られている。この接合技術は、アルミ合金を主体として、様々な産業分野で実用化されている。【０００３】
摩擦攪拌接合する２枚の金属板の突合せ端面が機械加工面ではなく、例えば剪断装置による剪断面、あるいは、押し出し成形された材料の端面である場合には、突合せ端面の平面度が低いため、２枚の金属板の突合せ部に隙間が生じる。突合せ部に隙間がある場合の１本の回転ツールを使用した片側から摩擦攪拌接合方法として、特許文献１には、回転ツール先端部のプローブが接合線を繰り返し横断するようにプローブまたは突合せた金属板を揺動させながら摩擦攪拌接合する方法が記載されている。また、特許文献２には、突合せ部に生じる隙間に粉末状接合材料を充填し、空隙を作らないことにより、接合欠陥の発生を防止する方法が記載されている。【０００４】
一方、板厚の異なる２枚の金属板を接合しなければならない場合があり、その場合は、２枚の金属板の突合せ部に段差が生じる。突合せ部に段差がある場合の１本の回転ツールを使用した片側から摩擦攪拌接合方法として、特許文献３の図４に、回転ツールを厚さの薄い板のほうに傾斜させ、接合線に沿って接合ツールを移動し、摩擦攪拌接合する方法が記載されている。【０００５】
また、特許文献４の図５および図６には、接合ツールを挿入する側に板厚差が生じないように固定し、摩擦攪拌接合することで攪拌部を作製した後、図８〜図１０に示されているように、裏返して段差のある部分を摩擦攪拌接合する際に、攪拌部の一部をもう一度攪拌するようにし、未接合部をなくす方法が記載されている。【０００６】
更に、特許文献４の図１２、図１３には、段差の無い接合面（裏面）側には、接合進行方向の先行部にツールを配置し、一方、段差のある接合面（表面）側には、接合進行方向の後行部にツールを配置し、表裏面から摩擦攪拌接合する方法および装置が記載されている。【０００７】
一方、１本の回転ツールを使用した片側から摩擦攪拌接合において、特許文献５の図３には、摩擦攪拌接合時に、回転ツールの先端部分が突合せ部に対する回転ツールの移動方向に向かって先行するように、回転ツールの軸心を傾けることが記載されている。【０００８】
２本の回転ツールを用いた両面摩擦攪拌技術として、特許文献６（日本特許第２７１２８３８号公報）の図１４ａには、２本の回転ツールを金属板の突合せ部の表面側と裏面側にプローブ先端間に実質的に隙間を与えない状態で相対向するように配置し、突合せ部の両側から摩擦攪拌し、接合することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００１−３４０９７５号公報
【特許文献２】特開２００３−１２６９７０号公報
【特許文献３】特許３４５２０１８号公報
【特許文献４】特許３９３１１１８号公報
【特許文献５】特許２７９２２３３号公報
【特許文献６】日本特許第２７１２８３８号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】「摩擦攪拌接合−ＦＷＳのすべて」、社団法人  溶接学会編、産報出版、ｐ２８３、２００６年１月２０日発行
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
＜第１の課題＞  接合強度の低下【００１２】
２枚の金属板の突合せ部に隙間がある場合の１本の回転ツールを使用した片側から摩擦攪拌接合の課題として、接合欠陥の発生による接合強度の低下がある。この点に関し、非特許文献１のｐ２８３には、突合せ部の隙間が０．５ｍｍを超えると接合部の引張強度が急激に低下するため、突合せ部の隙間を０．５ｍｍ以下に保つ必要があると記載されている。これは、突合せ部の隙間が０．５ｍｍ以上となると、接合部にトンネル状の内部欠陥や溝状の表面欠陥等の接合欠陥が発生し易くなることによるものである。このような接合欠陥が発生し易くなる理由として、以下が考えられる。【００１３】
（１）突合せ部裏面での温度低下による塑性流動性低下；
（２）酸化皮膜付き未攪拌部と摩擦攪拌部の圧接による接合強度の低下；
（３）突合せ部裏面での圧力低下による空隙等の欠陥の発生。【００１４】
上記（１）〜（３）について説明する。【００１５】
片側からの摩擦攪拌接合では、回転ツールのプローブの先端部が突合せ部の裏面に届かない場合が多く、裏面における塑性流動が不足する。また、突合せ部の裏面は接合部を支える裏当て板と接触しているため、回転ツールのショルダ部で生成した摩擦攪拌熱が裏当て板へと伝達する結果、突合せ部の裏面の温度は接合部領域では最も低くなる。そして、プローブの先端が届かないことと相まって、裏面の温度が低いことから裏面における摩擦攪拌材料の流動性は表面と比較し著しく低下する。【００１６】
また、プローブ先端が裏当て板に到達すると接合部と裏当て板が接合されるため、裏当て板とプローブ先端との間に隙間を設ける必要があるが、この隙間を設定することで、裏当て板近傍の突合せ端面を攪拌出来ない場合が多い。攪拌されない突合せ端面の領域に、摩擦攪拌された材料が塑性流動により流れ込み、酸化皮膜を有する攪拌されない突合せ端面と摩擦攪拌材料とが圧接される。前述の通り、突合せ部の裏面は接合部で最も温度が低く、かつ酸化皮膜を有する突合せ端面と摩擦攪拌材料が圧接された状態であるため、突合せ部の裏面近傍の接合部は信頼性が低い接合条件となる。【００１７】
更に、回転ツールのショルダ部で加えた押圧力は、ツールの辺縁部から幾何学的には４５度方向に延長した裏側領域で保持される。例えば、ショルダ面の直径が１２ｍｍ、材料厚み３ｍｍの場合、裏面の平均面圧はショルダ部で加えた平均面圧の２．２５分の１となり、半分以下の面圧となる。摩擦攪拌部が液相であれば回転ツールで加えた面圧は裏当て板部分で同じ圧力が維持されるが、摩擦攪拌接合は固相接合であり、摩擦攪拌される材料は大きな粘性抵抗を有し、ショルダ部で加えた面圧の多くは、摩擦攪拌部の粘性抵抗により保持される。これにより、ショルダ部で加えた押圧力は突合せ部裏面では大きく減衰してほぼ前述の面圧程度まで低下しているものと推察される。この面圧の低下により、突き合わせ部に０．５ｍｍ以上の隙間が生じた場合には空隙等の欠陥が発生すると考えられる。【００１８】
これらにより突合せ部に０．５ｍｍ以上の隙間が生じた場合には、接合部にトンネル状の内部欠陥や溝状の表面欠陥等の接合欠陥が発生し易くなると考えられる。【００１９】
そのような課題に対し、特許文献１では、プローブまたは突合せた金属板の揺動により、特許文献２では、突合せ部に生じる隙間への粉末状接合材料の充填により、接合欠陥の発生を抑制しようとしている。しかし、特許文献１及び２の技術は、片側からの摩擦攪拌接合であることには変わりはない。そのため上述した（１）〜（３）の問題は解消されず、接合部の裏面には未接合部が残ることがしばしば見られる。このような未接合部の存在は接合部の強度を低下させる原因となる。【００２０】
また、２枚の金属板の厚みが異なり、突合せ部に段差がある場合は、その段差に起因して接合欠陥が発生し、接合強度が低下するという課題がある。特許文献３の図４では、回転ツールを厚さの薄い板のほうに傾斜させ、接合線に沿って接合ツールを移動し、摩擦攪拌接合することで、そのような課題を解決しようとしている。しかし、この技術も、片側からの摩擦攪拌接合であるため、上述した（１）〜（３）の問題は解消されない。そのため接合部の裏面には未接合部が残ることがあり、接合部の強度を低下させる原因となる。【００２１】
また、特許文献４の図１２および図１３の方法では、段差のない側のツールにより発生する上向き荷重に対して、背面側でその荷重を支持するものがないため、接合部に曲げ変形が生じる。接合部が曲げられることで、ツールのショルダエッジ部における接合部との偏荷重が大きくなり、円滑な摩擦攪拌が阻害されるという問題がある。【００２２】
特許文献６では、２本の回転ツールを金属板の突合せ部の表面側と裏面側に配置し、突合せ部の両側から摩擦攪拌し、接合している。２枚の金属板の突合せ部に隙間がある場合或いは２枚の金属板の突合せ部に段差がある場合に特許文献６の両面摩擦攪拌接合の技術を適用することが考えられる。しかし、特許文献６の両面摩擦攪拌接合では、表裏面に相対向するように配置した２本の回転ツールのプローブ先端間に実質的に隙間を与えない状態で摩擦攪拌接合しているため、表裏面のショルダ面間の距離は、金属板の厚みに応じた接合設定位置で固定される。このようなショルダ面間の距離を固定した状態での両面摩擦攪拌接合では、金属板の厚みの微小変動が発生した場合、ショルダ面と金属板表面との接触面における面圧が変動する。この面圧の変動により、摩擦熱量が変動し、接合部の品質が低下し、接合強度を低下させる問題があった。【００２３】
＜第２の課題＞  経済性の低下【００２４】
２枚の金属板の把持は、それぞれの把持装置において、金属板の表裏面と把持装置の金属板との接触面に把持力を付与し、そこでの摩擦力で金属板を動かないように保持することで行う。【００２５】
接合時、把持装置には、プローブが２枚の金属板の突合せ部を通過する際に、突合せ部を接合方向に直角な方向に広げようとする排斥力が加わる。この排斥力は、厚板や高変形抵抗の金属板のように、材料の剛性が高くなると増加する。【００２６】
非特許文献１に記載のように、接合部の引張強度の低下を防止するためには、突合せ部の隙間を０．５ｍｍ以下に保つ必要がある。しかし、突合せ部の隙間を、０．５ｍｍ以下に保つ場合、突合せ部が接合方向に直角な方向に動かないように、増加した排斥力を把持装置の把持力で受け持つことになるため、把持装置は剛性を高めなければならず、その結果、把持装置は大型化し、経済性に劣る問題があった。【００２７】
更に、金属板の切断面の直線性を上げることによっても突合せ部の隙間は小さくなるが、そのためには、切断時の切断装置の変形を少なくしなければならない。切断装置の変形を少なくするためには、切断装置の剛性を高めなければならず、その結果、切断装置は大型化し、経済性に劣る問題があった。【００２８】
特許文献１では、プローブが接合線を繰り返し横断するようにプローブまたは突合せた金属板を揺動させることで、接合欠陥の発生を抑制しようとしている。しかし、その場合には、摩擦攪拌接合装置本体または金属板を揺動させるための新たな機構が必要になる。その結果、やはり、設備の大型化や経済性に劣るなどの問題があった。【００２９】
また、厚みの異なる２枚の金属板の突合せ部に段差がある場合は、特許文献４の図１２および図１３では、金属板の突合せ部の表裏面側でツールをずらして配置して段差のある側のツールによる下向き荷重をローラにより支持しているが、ツールのショルダの面圧を均一化するためには、ローラを大径化して接合部を平坦化する必要があり、設備が大型化する課題もある。【００３０】
また、上述したように、２枚の金属板の突合せ部に隙間或いは段差がある場合に特許文献６の両面摩擦攪拌接合の技術を適用することが考えられる。しかし、特許文献６の両面摩擦攪拌接合では、表裏面に相対向するように配置した２本の回転ツールのプローブ先端間に実質的に隙間を与えない状態で摩擦攪拌接合しており，この場合は、表裏面に相対向して配置した２本の回転ツールのプローブ挿入量は、金属板厚みの半分となる。したがって、金属板の厚みが異なれば、それに応じてプローブ長さも変えなければならないため、金属板の厚みに合わせて、異なるプローブ長さを有する回転ツールを多数準備する必要があり、経済性に劣る問題がある。【００３１】
＜第３の課題＞  生産効率の低下【００３２】
また、突合せ部の隙間を０．５ｍｍ以下に保つことができない場合、特許文献２では、突合せ部に生じる隙間に粉末状接合材料を充填して摩擦攪拌接合している。しかし、この方法では、突合せ部に粉末状接合材を充填するための新たな工程が発生するため、接合作業時間の増加により、接合作業効率が低く、生産効率が低下する問題があった。【００３３】
また、厚みの異なる２枚の金属板の突合せ部に段差がある場合は、特許文献４の図５および図６では、金属板の突合せ部を、片面ずつ別工程で摩擦攪拌を行って未接合部をなくすことで、接合欠陥の発生を抑制している。しかし、この方法では２回の接合工程が必要となり、生産効率が劣る問題があった。【００３４】
＜第４の課題＞  バリの発生【００３５】
特許文献５（特許２７９２２３３）の図３では、摩擦攪拌接合時は、回転ツールの先端部分が接合部に対する回転ツールの移動方向に向かって先行するように、回転ツールの軸心を傾けることで、接合欠陥を抑制しかつ溶接速度を上げている。【００３６】
２枚の金属板の突合せ部に隙間がある場合にも特許文献５の技術を適用して回転ツールの軸心を傾け、接合欠陥を抑制することが考えられる。しかし、その場合は、回転ツールの軸心を移動方向に傾けたことでショルダ面の一部（ショルダ面のツール移動方向の後方部分）が突合せ部に埋没し、その埋没量に相当する分が、バリとして発生する。【００３７】
更に、厚みの異なる２枚の金属板の突合せ部に段差がある場合に特許文献５の技術を適用した場合は、同じ厚みの２枚の金属板の接合に比べて、よりバリが多く発生する。【００３８】
これらのバリは、接合ビード表面の端面部に残存し、製品の外観を損ねるとともに、製品歩留りを下げることになる。【００３９】
本発明の目的は、２枚の金属板の突合せ部にある隙間が０．５ｍｍを超える場合でも、接合欠陥を抑制して接合強度を高め、設備コストの増加を抑えて経済性を高め、かつ生産効率が高い両面摩擦攪拌接合方法を提供することである。【００４０】
本発明の他の目的は、２枚の金属板の突合せ部にある隙間が０．５ｍｍを超える場合でも、接合欠陥を抑制して接合強度を高め、設備コストの増加を抑えて経済性を高め、かつ生産効率が高いとともに、厚みの異なる２枚の金属板の接合をする場合であってもバリの発生が少なく、製品歩留りが高い両面摩擦攪拌接合方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００４１】
上述した課題を解決する第１の発明は、２枚の金属板の端面を突合せた突合せ部の表面側と裏面側に、第１および第２の回転ツールを相対向するように配置し、この第１および第２の回転ツールにより前記突合せ部を摩擦攪拌し、前記２枚の金属板を摩擦攪拌接合する両面摩擦攪拌接合方法において、前記第１および第２の回転ツールの一方は、ショルダ部を先端部分に形成したツール本体と、このツール本体の先端部分から突出するよう形成された少なくとも１つの突起部とを有する回転ツールであり、前記第１および第２の回転ツールの他方は、ショルダ部を先端部分に形成したツール本体と、このツール本体の先端部分に形成され、前記２枚の金属板の接合時に前記突起部の先端部を収納する少なくとも１つの凹み部とを有する回転ツールであり、前記２枚の金属板の端面を突合せた突合せ部に前記突起部の直径未満の隙間が生じた状態で、前記２枚の金属板を第１および第２把持装置でそれぞれ把持し、前記第１および第２の回転ツールを回転させ、前記第１および第２の回転ツールを互いに近づく方向に移動して、前記一方の回転ツールの突起部の先端部を前記他方の回転ツールの凹み部内に挿入するとともに、前記第１および第２の回転ツールの前記ショルダ部のショルダ面を前記突合せ部の表面側と裏面側に押圧し、この状態で、前記第１および第２の回転ツールを前記突合せ部に沿って移動させ、前記突合せ部の板厚方向全域を摩擦攪拌することを特徴とするものである。【００４２】
また、上述した課題を解決する第２の発明は、上記第１の発明の両面摩擦攪拌接合方法において、前記端面を突合せた２枚の金属板は板厚が異なり、前記突合せ部に段差のある金属板であり、前記第１および第２の回転ツールにより前記段差のある突合せ部を摩擦攪拌し、前記２枚の金属板を摩擦攪拌接合することを特徴とするものである。【００４３】
更に、上述した課題を解決する第３の発明は、上記第１又は第２の発明の両面摩擦攪拌接合方法において、前記第１および第２の回転ツールの移動中に、前記相対向するように配置した前記第１および第２の回転ツールの先端部分が後端部分に対し前記第１および第２の回転ツールの移動方向に向かって先行するように、前記第１および第２の回転ツールのそれぞれの軸心を傾けることを特徴とするものである。【００４４】
また、上述した課題を解決する第３の発明は、上記第２の発明の両面摩擦攪拌接合方法において、前記第１および第２の回転ツールの移動中に、前記相対向するように配置した前記第１および第２の回転ツールの先端部分が後端部分に対し前記第１および第２の回転ツールの移動方向に向かって先行するように、前記第１および第２の回転ツールのそれぞれの軸心を傾け、かつ前記板厚の異なる２枚の金属板のうちの薄板側に傾斜した姿勢となりかつ前記第１および第２の回転ツールの前記ショルダ部のショルダ面が前記板厚の異なる２枚の金属板の両方の表面に接触するように、第１および第２の回転ツールのうち少なくとも段差がある側に位置する回転ツールの軸心を傾けることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００４５】
本発明によれば、以下の効果が得られる。【００４６】
＜効果１：接合強度の向上＞
＜第１の発明＞【００４７】
第１の発明においては、第１および第２の回転ツールを互いに近づく方向に移動して、一方の回転ツールの突起部の先端部を他方の回転ツールの凹み部内に挿入するとともに、第１および第２の回転ツールのショルダ部のショルダ面を突合せ部の表面側と裏面側に押圧し、この状態で第１および第２の回転ツールを突合せ部に沿って移動させ摩擦攪拌する。これにより突合せ部の隙間が０．５ｍｍを超える場合であっても、その隙間が突起部の直径未満であれば、突合せ部の板厚方向全域が摩擦攪拌され、２枚の金属板は突合せ部の板厚方向全域で接合される。【００４８】
すなわち、前述したように、片側からの摩擦攪拌接合では、（１）突合せ部裏面での温度低下により塑性流動性が低下すること、（２）酸化皮膜付き未攪拌部と摩擦攪拌部の圧接により接合強度が低下すること、（３）突合せ部裏面での圧力低下により空隙等の欠陥が発生することにより、突合せ部に０．５ｍｍ以上の隙間が生じた場合には、接合部にトンネル状の内部欠陥や溝状の表面欠陥等の接合欠陥が発生し易くなる。【００４９】
これに対し、第１の発明では、第１および第２の回転ツールのショルダ面は突合せ部の表面側と裏面側を押圧して突合せ部の両面から同時に摩擦攪拌する。これにより片面摩擦攪拌接合で生じていた裏当て板への熱損失が防止され、突合せ部裏面における温度低下を防止できるだけでなく、突合せ部裏面側でも摩擦攪拌熱が発生し金属材料が高温化される。しかも、突合せ部裏面の面圧の低下も防止できる。また、突起部は、突合せ部の板厚方向全域を摩擦攪拌する。このとき、突合せ部の隙間が０．５ｍｍを超える場合であっても、突合せ部の隙間が突起部の直径未満であれば、突起部は突合せ部の板厚中央部付近も含めて板厚方向全域にわたって金属板材料と確実に接触する。この突起部の突合せ部端面への接触と突合せ部両面からのショルダ面の押圧により、突合せ部端面の酸化皮膜は板厚方向全域で破砕できる。【００５０】
このように突き合わせ部両面から同時に摩擦攪拌しかつ突合せ部の板厚方向全域を摩擦攪拌することにより、（１）突合せ部裏面での温度低下が防止され、（２）突合せ部端面の板厚方向全域にわたって酸化皮膜が破砕され、（３）突合せ部裏面部での圧力低下が防止される。その結果、接合部にトンネル状の内部欠陥や溝状の表面欠陥等の欠陥が発生することが抑制され、接合強度が高く、信頼性の高い摩擦攪拌接合を行うことができる。【００５１】
また、特許文献１や特許文献２のように、１本の回転ツールを使用して片側からの摩擦攪拌接合する場合は接合部の裏面に未接合部が残るが、本発明では、両面から同時に摩擦攪拌するため、接合部の裏面に未接合部が残ることも抑制することができる。【００５２】
更に、特許文献６に記載の両面摩擦攪拌接合では、２本の回転ツールのプローブ先端間に実質的に隙間を与えない状態で摩擦攪拌接合しているため、接合中に、金属板の厚みの微小変動が発生した場合、ショルダ面と金属板表面との接触面における面圧が変動し、摩擦熱量の変動により接合強度を低下させる問題があった。本発明では、第１および第２の回転ツールは別体であって、両者間の距離を調整可能であるため、少なくとも一方の回転ツールの接合部への押し付けに負荷制御を採用することができる。このように負荷制御が採用できるため、金属板の厚み（接合部の厚み）の微小変動に応じ、突起部の凹み部への挿入量を調整することで、第１および第２の回転ツールのショルダ面間の距離を固定せずに、両面から摩擦攪拌接合することができる。これにより金属板の厚みの微小変動によるショルダ面と金属板接合部表面との接触面における面圧が変動することを回避し、摩擦熱量の変動を抑え、接合欠陥を抑制し、高い信頼性を有する接合ができる。【００５３】
したがって、第１の発明によれば、２枚の金属板の突合せ部にある隙間が０．５ｍｍを超える場合でも、接合欠陥が抑制され、接合強度が高く、信頼性の高い摩擦攪拌接合を行うことができる。また、金属板の両面から同時に突合せ部の板厚方向全域を摩擦攪拌接合することで、突合せ部の隙間に対する接合部強度のロバスト性が向上し、接合品質の高い、摩擦攪拌接合を行うことができる。
＜第２の発明＞
第２の発明においては、前記端面を突合せた２枚の金属板の板厚が異なる場合に、第１の発明の両面摩擦攪拌接合を行う。【００５４】
２枚の金属板の厚みが異なり、突合せ部に段差がある場合は、特許文献３の図４のように回転ツールを厚さの薄い板のほうに傾斜させたとしても、片側からの摩擦攪拌接合であるため、前述した理由により接合部の裏面には未接合部が残ることがある。しかし、本発明では、回転ツールの突起部を突合せ部の板厚方向全域に突入させて、突き合わせ部両面から同時にかつ突合せ部の板厚方向全域を摩擦攪拌するため、突合せ部に段差がある場合でも、接合部の裏面に未接合部が残ることを抑制することができる。これにより接合欠陥が抑制され、接合強度が高く、信頼性の高い摩擦攪拌接合方法を提供することができる。【００５５】
また、本発明では、第１および第２の回転ツールが厚みの異なる２枚の金属板をその表裏面で同時に挟み込んで突き合わせ部両面から同時に摩擦攪拌することになる。これにより特許文献４の図１２および図１３のように、金属板の突合せ部の表裏面側でツールをずらして配置して摩擦攪拌接合を行った場合のように接合時の押圧力により接合部に曲げ変形が発生する事態を回避し、接合欠陥が抑制され、接合強度が高い、信頼性の高い接合を行うことができる。【００５６】
＜効果２：経済性の向上＞
＜第１の発明＞【００５７】
第１の発明においては、２枚の金属板を第１および第２把持装置でそれぞれ把持したとき、突合せ部の隙間が０．５ｍｍを超える場合であっても、その隙間が突起部の直径未満であれば良好な接合を行えるため、突合せ部の隙間を０．５ｍｍ以下に保つ必要がなくなり、把持装置および切断装置の大型化を抑制でき、経済性を高めることができる。【００５８】
また、特許文献１に記載の摩擦攪拌接合装置本体または金属板を揺動させるための新たな機構が必要にならないため、設備の大型化を抑制でき、経済性を高めることができる。【００５９】
更に、特許文献６に記載の両面摩擦攪拌接合では、２本の回転ツールのプローブ先端間に実質的に隙間を与えない状態で摩擦攪拌接合しているため、金属板の厚みが異なれば、それに応じてプローブ長さも変えなければならず、金属板の厚みに合わせて、異なるプローブ長さを有する回転ツールを多数準備する必要があった。本発明では、凹み部内の突起部の挿入量が０とならない範囲でその挿入量を調整することで、第１および第２の回転ツール間の距離を自由に調整することができるため、金属板の厚みが異なっても、金属板の厚みに合わせて、金属板の厚みに合わせて異なるプローブ長さを有する多数の回転ツール準備する必要がなくなり、ランニングコストを抑え、経済性を向上することができる。
＜第２の発明＞
第２の発明においては、２枚の金属板の厚みが異なり、突合せ部に段差がある場合でも、突合せ部の表裏面を同時に摩擦攪拌接合できるため、特許文献４の図１２および図１３のように、金属板の突合せ部の表裏面側でツールをずらして配置して摩擦攪拌接合を行った場合のように、支持ローラを大径化しなければならないというような問題もなく、設備を小型化でき、経済性を向上することができる。【００６０】
＜効果３：生産効率の向上＞
＜第１の発明＞【００６１】
第１の発明においては、特許文献２に記載の粉末状接合材の充填が必要でないため、接合作業効率の低下を抑制し、生産効率を向上できる。【００６２】
また、第１および第２の回転ツールは接合部の表裏面の両側から摩擦攪拌接合するため、片面摩擦攪拌接合で生じていた裏当て板への熱損失が防止できる。そのため、接合部の軟化領域が増加し、回転ツール１本にかかる熱負荷を１／２以下にすることができ、生産効率を向上させることができる。また、接合品質の高い摩擦攪拌接合を行うことができる。
＜第２の発明＞【００６３】
第２の発明においては、２枚の金属板の厚みが異なり、突合せ部に段差がある場合でも、突合せ部の表裏面を同時に摩擦攪拌接合できるため、特許文献４の図５および図６のように金属板の突合せ部を片面ずつ別工程で摩擦攪拌を行う必要がなく、生産効率の低下を抑制することができる。【００６４】
＜効果４：バリの抑制および接合強度の向上＞
＜第２の発明＞
第２の発明においては、金属板の厚みの異なる２枚の金属板を第１および第２の回転ツールにより摩擦攪拌し、両面から同時に摩擦攪拌接合する。金属板の厚みが異なる場合の両面摩擦攪拌接合では、第３の発明のように第１および第２の回転ツールの軸心を傾けなくても、板厚の厚い側の攪拌余剰分がバリとして発生し易い。本発明では、突合せ部に隙間を与えて第１および第２の回転ツールで両面から同時に摩擦攪拌接合するため、攪拌余剰分の大部分は直ちに突合せ部Ｊの隙間Ｇに埋め戻される。このためバリの発生が抑制され、製品の外観が維持され、製品歩留りが高くなる。また、突合せ部の隙間に一旦発生したバリが埋め戻されるため、接合部厚みの低減を抑制することができる。
＜第３の発明＞【００６５】
第３の発明においては、  ２枚の金属板の突合せ部に突起部の直径未満の隙間が生じた状態で２枚の金属板を第１および第２把持装置でそれぞれ把持し、両面摩擦攪拌接合を行う第１の発明において、第１および第２の回転ツールの先端部分が後端部分に対し第１および第２の回転ツールの移動方向に向かって先行するように、第１および第２の回転ツールのそれぞれの軸心を傾ける。このように回転ツールの軸心を傾けることにより、第１および第２の回転ツールのショルダ面の一部が突合せ部に埋没し、その埋没量に相当する分が攪拌余剰分となり、バリとして発生する。しかし、本発明では、突合せ部に隙間を与えて第１および第２の回転ツールで両面から同時に摩擦攪拌接合するため、攪拌余剰分の大部分は直ちに突合せ部の隙間に埋め戻される。このためバリの発生が抑制され、製品の外観が維持され、製品歩留りが高くなる。また、突合せ部の隙間に一旦発生したバリが埋め戻されるため、接合部厚みの低減を抑制することができる。【００６６】
また、２枚の金属板の厚みが異なり、突合せ部に段差がある場合に、第１および第２の回転ツールの先端部分が後端部分に対し第１および第２の回転ツールの移動方向に向かって先行するように、第１および第２の回転ツールのそれぞれの軸心を傾けた場合は、回転ツールの軸心を傾けることによるショルダ面の一部の埋没分と、厚みの異なる２枚の金属板の板厚差分の両方が攪拌余剰分となり、多くのバリが発生する。しかし、この場合も、攪拌余剰分の大部分は直ちに突合せ部の隙間に埋め戻される。このためバリの発生が抑制され、製品の外観が維持され、製品歩留りが高くなる。また、突合せ部の隙間に一旦発生したより多くのバリが埋め戻されるため、接合部厚みの低減を抑制することができる。
＜第４の発明＞
第４の発明においては、２枚の金属板の厚みが異なり、突合せ部に段差がある場合に、第１および第２の回転ツールの先端部分が後端部分に対し第１および第２の回転ツールの移動方向に向かって先行するように、第１および第２の回転ツールのそれぞれの軸心を傾けるだけでなく、更に、板厚の異なる２枚の金属板のうちの薄板側に傾斜した姿勢となりかつ第１および第２の回転ツールのショルダ部のショルダ面が板厚の異なる２枚の金属板の両方の表面に接触するように、第１および第２の回転ツールのうち少なくとも段差がある側に位置する回転ツールの軸心を傾ける。これにより２枚の金属板の厚みが異なり、突合せ部に段差がある場合の接合強度を更に高めることができる。また、第３の発明と同様、バリの発生が抑制され、製品歩留りが高くなり、かつ突合せ部の隙間に一旦発生しバリが埋め戻されるため、接合部厚みの低減を更に抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係わる両面摩擦攪拌接合方法を示す図であって、接合開始直後の状態を示す斜視図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係わる両面摩擦攪拌接合方法を示す図であって、接合中の状態を示す斜視図である。
【図３】接合中の状態のツール移動方向直角方向の断面図である。
【図４】金属板と回転ツールの断面位置をずらした接合中の状態のツール移動方向直角方向の断面図である。
【図５】第１及び第２の回転ツールの寸法関係を示す断面図である。
【図６】第１および第２の回転ツールによる接合距離（接合開始後の時間)と回転ツールの主軸回転モータ負荷の変化を示すタイムチャートである。
【図７】突合せ部の表裏面に対し、第１および第２の回転ツールの配置位置を逆にした場合の接合時におけるツール移動方向直角方向の断面図である。
【図８】突合せ部の隙間と引張強度の相関を示す図である。
【図９】実際の操業における突合せ部の隙間を示す図であって、接合中の状態を金属板上方から見た図である。
【図１０】本発明を板厚の異なる２枚の金属板の接合に適用した第２の実施の形態に係わる両面摩擦攪拌接合方法を示す図であって、接合中の状態のツール移動方向直角方向の断面図である。
【図１１】本発明の第２の実施の形態の実施例１，２および４における第１および第２の回転ツールと金属板の位置関係を示す図であって、接合中の状態のツール移動方向の断面図である。
【図１２】実施例１の接合部断面の形状を示す概念図である。
【図１３】本発明の第２の実施の形態の実施例３における第１および第２の回転ツールと金属板の位置関係を示す図であって、接合中の状態のツール移動方向直角方向の断面図である。
【図１４】実施例３における第１および第２の回転ツールと金属板の位置関係を示す図であって、接合中の状態のツール移動方向の断面図である。
【図１５】本発明の第２の実施の形態の実施例５における第１および第２の回転ツールと金属板の位置関係を示す図であって、接合中の状態のツール移動方向直角方向の断面図である。
【図１６】実施例５の接合部断面の形状を示す概念図である。
【図１７】実施例５で、突合せ部の表裏面に対し、第１および第２の回転ツールの配置位置を逆にした場合のツール移動方向直角方向の断面図である。
【図１８】本発明の第２の実施の形態の実施例６における第１および第２の回転ツールと金属板の位置関係を示す図であって、接合中の状態のツール移動方向直角方向の断面図である。
【図１９】本発明の第２の実施の形態の実施例７における第１および第２の回転ツールと金属板の位置関係を示す図であって、実施例５で、２つの金属板の突合せ部の上部に段差が生じないようにセットしかつ突合せ部の表裏面に対し、第１および第２の回転ツールの配置位置を逆にした場合のツール移動方向直角方向の断面図である。
【図２０】実施例７の接合部断面の形状を示す概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００６８】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００６９】
＜第1の実施の形態＞
まず、本発明の第１の実施の形態を図１〜図９を用いて説明する。本実施の形態は、同じ板厚の２枚の金属板の接合に本発明を適用したものである。
【００７０】
図１〜図５は、本発明の第１の実施の形態に係わる両面摩擦攪拌接合方法を示す図であり、図１は接合開始直後の状態の斜視図、図２は接合中の状態の斜視図、図３は、接合中の状態のツール移動方向直角方向の断面図、図４は、金属板と回転ツールの断面位置をずらした接合中の状態のツール移動方向直角方向の断面図、図５は、第１及び第２の回転ツールの寸法関係を示す断面図である。
【００７１】
図１及び図２に示すように、本実施の形態の両面摩擦攪拌接合方法では、２枚の金属板１，２の端面を突合せた突合せ部Ｂの表面側と裏面側に、第１および第２の回転ツール３，４を相対向するように配置し、この第１および第２の回転ツール３，４により突合せ部Ｂを摩擦攪拌し、２枚の金属板１，２を摩擦攪拌接合する。
【００７２】
まず、第１及び第２の回転ツール３，４について説明する。本実施の形態は、図３〜図５に示すような第１及び第２の回転ツール３，４を用いて金属板１，２を接合する。第１の回転ツール３は、突合せ部Ｂを押圧するショルダ面３ｂを有するショルダ部３ｃを先端部分に形成したツール本体３ａと、このツール本体３ａの先端部分にショルダ面３ｂから突出するよう形成されたピン状の突起部（プローブ）３ｄとを有している。第２の回転ツール４は、突合せ部Ｂを押圧するショルダ面４ｂを有するショルダ部４ｃを先端部分に形成したツール本体４ａと、このツール本体４ａのショルダ面４ｂに形成され、２枚の金属板１，２の接合時に突起部３ｄの先端部を収納する凹み部４ｄとを有している。
【００７３】
第１の回転ツール３の突起部（プローブ）３ｄは円筒形の外周形状を有し、第２の回転ツール４の凹み部４ｄも円筒形の内周形状を有している。突起部（プローブ）３ｄの先端が凹み部４ｄ内に挿入された状態では、両者の間に円筒形状をしたリング状の隙間が形成される。
【００７４】
次に、第１および第２の回転ツールを用いた接合方法について説明する。
【００７５】
まず、２枚の金属板１，２の端面１ａ，２ａを突合せた状態で、２枚の金属板を第１および第２の把持装置５，６でそれぞれ把持する。把持装置５，６はそれぞれ金属板１，２を挟み込んで固定する上下の把持板５ａ，５ｂ，６ａ，６ｂを有している。把持装置５，６で把持した状態で、２枚の金属板１，２の突合せ部Ｂには隙間Ｇが形成されている。隙間Ｇの幅は第１の回転ツール３の突起部３ｄの直径ｄ１未満である。
【００７６】
ここで、本実施の形態では、接合可能可否や突合せ部の機械的性質などの関係を明確にするため（後述）、２枚の金属板１，２の接合長さの全長にわたり、突合せ部Ｂの隙間Ｇを一定とした。この場合、２枚の金属板１，２の端面１ａ，２ａは接触しておらず、厳密には、突き合わせた状態になっていない。しかし、実際の操業では、２枚の金属板の端面１ａ，２ａは、接合長さ方向のいずれかの箇所で接触して突き合わせ状態となっており、このことを考慮して、本明細書では、接合長さの全長にわたり突合せ部Ｂに隙間Ｇがある場合も含めて、２枚の金属板１，２の接合すべき端面部分を突合せ部Ｂという。
【００７７】
次いで、第１および第２の回転ツール３，４を２枚の金属板１，２の突合せ部Ｂの接合開始側側端面１ｂ，２ｂに隣接した位置で、突合せ部Ｂの表面側と裏面側に相対向するように配置する。そして、第１および第２の回転ツール３，４を回転させながら互いに近づく方向に移動して、第１の回転ツール３の突起部３ｄの先端部を第２の回転ツール４の凹み部４ｄ内に挿入するとともに、第１および第２の回転ツール３，４のショルダ面３ｂ，４ｂを突合せ部Ｂの表面側と裏面側に押圧する。次いで、その状態で、第１および第２の回転ツール３，４を回転させながら突合せ部Ｂに沿って接合進行方向に移動させ、突合せ部Ｂの板厚方向全域を突合せ部Ｂの両面から第１および第２の回転ツール３，４で摩擦攪拌する。これにより金属板１，２は接合される。
【００７８】
また、相対向するように配置した第１および第２の回転ツール３，４を突合せ部Ｂに沿って移動させる間、好ましくは、第１および第２の回転ツール３，４の先端部分が後端部分（ツール先端部分の反対側端部）に対し第１および第２の回転ツール３，４の移動方向に向かって先行するように、第１および第２の回転ツール３，４のそれぞれの軸心１５を傾ける。なお、第１および第２の回転ツール３，４を傾斜させることは必須ではなく、第１および第２の回転ツール３，４のそれぞれの軸心１５は金属板１，２の表面に対してほぼ直角であってもよい。
【００７９】
金属板１，２が接合された後、突合せ部Ｂは接合部となる。接合部には適宜符号Ｊを付して示している（例えば図２、図９等）。
【００８０】
本実施の形態の接合方法によれば、突き合わせ部Ｂの両面から同時に摩擦攪拌しかつ突合せ部Ｂの板厚方向全域を摩擦攪拌するため、突合せ部Ｂの隙間Ｇが０．５ｍｍを超える場合であっても、その隙間Ｇが突起部３ｄの直径未満であれば、突合せ部Ｂの板厚方向全域が摩擦攪拌され、２枚の金属板１，２は突合せ部Ｂの板厚方向全域で接合される。
【００８１】
すなわち、第１および第２の回転ツール３，４のショルダ面３ｂ，４ｂは突合せ部Ｂの表面側と裏面側を押圧して突合せ部Ｂの両面から同時に摩擦攪拌する。これにより片面摩擦攪拌接合で生じていた裏当て板への熱損失が防止され、突合せ部裏面における温度低下を防止できるとともに、突合せ部裏面の面圧の低下も防止できるだけでなく、突合せ部裏面側でも摩擦攪拌熱が発生し金属材料が高温化される。しかも、突合せ部裏面の面圧の低下も防止できる。また、第１および第２の回転ツール３，４を突合せ部Ｂに沿って移動させて摩擦攪拌する間、第１の回転ツール３の突起部３ｄは突合せ部Ｂの板厚方向全域に突入し、突合せ部Ｂの板厚方向全域を摩擦攪拌する。このとき、突合せ部Ｂの隙間Ｇが０．５ｍｍを超える場合であっても、突合せ部Ｂの隙間Ｇが突起部３ｄの直径未満であれば、第１の回転ツール３の突起部３ｄは突合せ部Ｂの板厚中央部付近も含めて板厚方向全域にわたって金属板材料と確実に接触する。この突起部の突合せ部端面１ａ，２ａへの接触と突合せ部両面からのショルダ面３ｂ，４ｂの押圧により、突合せ部端面１ａ，２ａの酸化皮膜は板厚方向全域で破砕できる。
【００８２】
このように突き合わせ部両面から同時に摩擦攪拌しかつ突合せ部Ｂの板厚方向全域を摩擦攪拌することにより、（１）突合せ部Ｂの裏面での温度低下が防止され、（２）突合せ部端面１ａ，２ａの板厚方向全域にわたって酸化皮膜が破砕され、（３）突合せ部裏面部での圧力低下が防止される。その結果、接合部にトンネル状の内部欠陥や溝状の表面欠陥等の欠陥が発生することが抑制され、接合強度が高く、信頼性の高い摩擦攪拌接合を行うことができる。また、片面摩擦攪拌接合に比べ、回転ツール１本にかかる熱負荷を１／２以下にすることができるため、生産効率を向上することができる。
【００８３】
また、第１および第２の回転ツール３，４の先端部分が後端部分に対し第１および第２の回転ツール３，４の移動方向に向かって先行するように、第１および第２の回転ツール３，４のそれぞれの軸心１５を傾けた場合は、第１および第２の回転ツール３，４のショルダ面３ｂ，４ｂの一部（接合進行方向のショルダ後部側）が突合せ部Ｂに埋没し、その埋没量に相当する分が攪拌余剰分となり、この攪拌余剰分がバリとして発生する。しかし、突合せ部Ｂに隙間Ｇが形成されているため、攪拌余剰分の大部分は直ちに突合せ部Ｂの隙間Ｇに埋め戻される。このためバリの発生が抑制され、製品の外観が維持され、製品歩留りが高くなる。また、突合せ部の隙間に一旦発生したバリが埋め戻されるため、接合強度も高くなり、接合品質が向上する。
【００８４】
また、２枚の金属板の突合せ部Ｂの隙間（隙間の最大幅）が０．５ｍｍを超える場合であっても接合可能であるため、突合せ部Ｂの隙間を０．５ｍｍ以下に保つ必要がなくなり、把持装置５，６および金属板１，２を切断する図示しない切断装置の大型化を抑制できる。また、摩擦攪拌接合装置本体または金属板を揺動させるための新たな機構も必要ない。したがって、設備の大型化を抑制でき、経済性を高めることができる。
【００８５】
更に、突合せ部の隙間を０．５ｍｍ以下に保つことができない場合でも、突合せ部に生じる隙間に粉末状接合材料を充填するなどの特別の工程を必要としないため、接合作業効率の低下を抑制し、生産効率を向上することができる。
【００８６】
また、第１および第２の回転ツール３，４は別体であるため、第２の回転ツール４の凹み部４ｄ内の第１の回転ツール３の突起部３ｄの挿入量（第１および第２の回転ツール間の距離）が０とならない範囲で、その挿入量は自由に調整することができ、第１および第２の回転ツール３，４間の距離は調整可能である。したがって、少なくとも一方の回転ツールの接合部への押し付けに負荷制御を採用することができる。そして負荷制御を採用することにより、上下のショルダ面３ｂ，４ｂ間の距離を固定せずに、両面から摩擦攪拌接合することができる。これにより金属板の厚みの微小変動によるショルダ面３ｂ，４ｂと金属板接合部表面との接触面における面圧が変動することを回避し、摩擦熱量の変動を抑え、接合欠陥を抑制し、高い信頼性を有する接合ができる。
【００８７】
また、第１および第２の回転ツール３，４は別体であって、第１および第２の回転ツール３，４間の距離を調整可能であるため、金属板１，２の厚みに合わせて、第２の回転ツール４の凹み部４ｄ内に第１の回転ツール３の突起部３ｄを挿入して、突起部３ｄの長さの範囲内の厚みの金属板を両面から突合せ部Ｂの板厚方向全域を摩擦攪拌接合することができる。これにより金属板の厚みに合わせて異なるプローブ長さを有する回転ツールに交換する必要がないため、異なるプローブ長さを有する回転ツールを多数準備する必要がなくなり、ランニングコストを抑え、経済性を向上することができる。
【００８８】
更に、第１および第２の回転ツール３，４は別体であるため、第１および第２の回転ツール３，４の回転方向を突合せ部Ｂの表面側と裏面側で逆方向とすること出来る。これにより突合せ部Ｂの表面側からの攪拌によるせん断力と裏面側からの攪拌によるせん断力を突合せ部Ｂの内部で打ち消すことが出来、材料の破断を防止し、高い信頼性を有する接合が出来る。この効果は、第１及び第２の回転ツール３，４のショルダ面３ｂ，４ｂの直径を同じにした場合に、特に高くなる。
【００８９】
図６は、第１および第２の回転ツール３，４による接合距離（接合開始後の時間)と回転ツールの主軸の回転モータ負荷の変化を示すタイムチャートである。
【００９０】
プローブまたは突起部を有していない回転ツールを、接合方向に進行させるときに、回転ツールのショルダ面と金属板の接触面に偏芯荷重が作用すると、びびり振動が発生し、摩擦攪拌が不均一になり、接合不良を起こす問題がある。
【００９１】
本発明者等が行なった試験によれば、第１の回転ツール３の突起部（プローブ）３ｄの第２の回転ツール４の凹み部４ｄへの挿入量が０ｍｍを超えることで、図３のタイムチャートに示すように、接合開始直後の数秒においては、びびり振動したが、その後、びびり振動は抑制出来ることを確認した。これは、材料が軟化し、凹み部４ｄに材料が充填されることで、挿入された第１の回転ツール３の突起部３ｄが、軟化充填された材料を介し、第２の回転ツール４の凹み部４ｄ内で内圧を受けた結果、制振力を作用することによるものである。その結果、びびり振動が抑制され、均一な摩擦攪拌が可能となり、この点でも接合不良を抑制し、高い信頼性を有する接合が出来る。
【００９２】
また、接合開始前に、凹み部４ｄに隙間に相当する量の材料を充填しておけば、本振動は回避することが可能である。
【００９３】
図７は、突合せ部Ｂの表裏面に対し、第１および第２の回転ツールの配置位置を逆にした場合の接合方法を示す図である。図１では、突合せ部Ｂの表面側に、ツール本体３ａの先端部分に突起部（プローブ）３ｄを有する第１の回転ツール３を配置し、突合せ部Ｂの裏面側に、ツール本体４ａの先端部分に凹み部４ｄを有する第２の回転ツール４を配置したが、図７に示すように、突合せ部Ｂの表裏面に対して、第１の回転ツール３と第２の回転ツール４の配置位置を逆にしても摩擦攪拌接合の効果は変わらない。
【００９４】
第１および第２の回転ツール３，４の材質について言及する。
片面の摩擦攪拌接合は、比較的融点の低い材料であるアルミニウムなどの非鉄合金の分野では、実用化されている。一般に、摩擦攪拌接合では、材料温度を融点の８０％程度まで摩擦攪拌熱で上昇させる必要がある。その結果、１０００℃を超える高融点材料の接合では、単位長さ当たりの摩擦攪拌による投入エネルギーが高くなり、更には変形抵抗値も高くなることから、回転ツールには高い耐熱強度と破壊靭性が求められ、高価な多結晶ダイヤモンド等の材料を使用せざるを得なかった。
【００９５】
更に、これらツール材料を用いても、熱衝撃、ツールの摩耗およびプローブまたは突起に作用する曲げモーメント等により、ツール寿命が短く、１０００℃を超える高融点材料への摩擦攪拌接合の普及を妨げる要因となっている。
【００９６】
本実施の形態では、突合せ部Ｂの表裏面の両側から摩擦攪拌接合することにより、片面摩擦攪拌接合で生じていた裏当て板への熱損失が防止できる。そのため接合部の軟化領域が増加し、回転ツール１本にかかる熱負荷を１／２以下にすることが出来る。加えて、上記のように少なくとも一方の回転ツールの突合せ部Ｂへの押し付けに負荷制御を採用することで、金属板の厚みの微小変動によるショルダ面３ｂ，４ｂと金属板接合部表面との接触面における面圧が変動することを回避し、熱負荷の変動を低減することが出来る。これにより回転ツールの材質に高価な多結晶ダイヤモンド等の材料を用いる必要がなくなり、回転ツールの材質を焼結炭化タングステンの超硬合金、タングステン合金などとすることが出来る。その結果、融点が１０００℃以上の金属板の摩擦攪拌において、ツール寿命の長い、経済的な回転ツールを提供出来る。
【００９７】
＜板厚とツール寸法と隙間の関係＞
第１の回転ツール３の各部の寸法関係および第１の回転ツール３と第２の回転ツール４の寸法関係、並びに第１の回転ツール３の突起部３ｄの直径と突合せ部Ｂの隙間Ｇの関係について図４および図５と表１を用いて説明する。
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【００９８】
表１  金属板の板厚、ショルダ径、突起部直径および突合せ部隙間の関係
【００９９】
ツール本体３ａの先端部分に突起部３ｄ（プローブ）を有する第１の回転ツール３のショルダ部３ｃ（ショルダ面３ｂ）の直径Ｄ１および突起部３ｄの直径ｄ１、突起部３ｄの長さＬ１は、摩擦攪拌接合する金属板１，２の厚み、変形抵抗および接合条件により変わる。
【０１００】
＜第１の回転ツール３の寸法関係＞
（ショルダ径Ｄ１）
まず、第１の回転ツール３のショルダ部３ｃ（ショルダ面３ｂ）の直径Ｄ１について言及する。ショルダ直径Ｄ１の主たる決定要因は、単位時間当たりに接合部に投入する熱量である。摩擦攪拌接合では、摩擦発熱量不足または摩擦発熱量過多で接合不良を起こす。したがって、所望の摩擦発熱量を生成するショルダ直径Ｄ１を選定する必要がある。
【０１０１】
本発明者等が行なった最大板厚１０ｍｍまでの試験によれば、表１に示すような設定条件とすることで、良好な接合部が得られた。すなわち、金属板の板厚が０ｍｍを超え１ｍｍ以下ではショルダ直径Ｄ１は、３ｍｍを超え８ｍｍ以下、板厚が１ｍｍを超え３ｍｍ以下ではショルダ直径Ｄ１は、５ｍｍを超え１２ｍｍ以下、板厚が３ｍｍを超え６ｍｍ以下ではショルダ直径Ｄ１は、８ｍｍを超え１５ｍｍ以下、板厚６ｍｍを超え１０ｍｍ以下ではショルダ直径Ｄ１は１２ｍｍを超え２０ｍｍ以下であれば、摩擦発熱量不足または摩擦発熱量過多が無い状態で摩擦攪拌接合ができる。これにより、接合不良を起こさない良好な接合部が得られる。
【０１０２】
（突起部直径ｄ１）
次に、ツール本体３ａの先端部分に突起部３ｄ（プローブ）を有する第１の回転ツール３のショルダ部３ｃ（ショルダ面３ｂ）の突起部３ｄの直径ｄ１について言及する。
【０１０３】
突起部直径ｄ１の下限値の主たる決定要因は、摩擦攪拌接合時に突起部３ｄに作用するモーメントである。突起部３ｄの直径ｄ１が小さいと断面係数が確保できず、突起部３ｄの折損が生じることがある。したがって、突起部３ｄの折損を生じることがない断面係数とする必要がある。
【０１０４】
また、突起部直径ｄ１の上限値の主たる決定要因は、摩擦攪拌接合時の摩擦発熱量である。摩擦発熱量は、ショルダ面３ｂと金属板表面の接触面積で決まる。ショルダ直径Ｄ１と突起部直径ｄ１の設定条件によって、金属板表面に接触する第１の回転ツール３のショルダ面３ｂの面積が変わる。まず、ショルダ直径Ｄ１に対し突起部直径ｄ１は小さいことが前提である。更に、ショルダ直径Ｄ１に対する突起部直径ｄ１の比率が大きい場合には、金属板表面の接触面積が少なくなり、摩擦発熱量が不足する場合がある。したがって、摩擦発熱量不足による接合不良を起こさない突起部直径ｄ１とする必要がある。
【０１０５】
本発明者等が行なった最大板厚１０ｍｍまでの試験によれば、表１に示すような設定条件が得られた。すなわち、金属板の板厚が０ｍｍを超え１ｍｍ以下では突起部３ｄの直径ｄ１は、１ｍｍを超え４ｍｍ以下で、板厚が１ｍｍを超え３ｍｍ以下では突起部３ｄの直径ｄ１は、１ｍｍを超え６ｍｍ以下で、板厚が３ｍｍを超え６ｍｍ以下では突起部３ｄの直径ｄ１は、２ｍｍを超え８ｍｍ以下で、板厚６ｍｍを超え１０ｍｍ以下では突起部３ｄの直径ｄ１は、４ｍｍを超え１０ｍｍ以下であれば、摩擦攪拌接合時に突起部３ｄに作用するモーメントにより、突起部３ｄの折損を生じることがないことを確認した。
【０１０６】
更に、突起部直径ｄ１の上限値は、金属板の板厚、変形抵抗などの条件で設定したショルダ径Ｄ１において、上記範囲内で適宜選定することで、摩擦発熱量の不足が無い状態で摩擦攪拌接合ができることを確認した。これにより、接合不良を起こさない良好な接合部を得られる。
【０１０７】
＜第２の回転ツール４の寸法関係の説明＞
また、ツール本体４ａの先端部分に凹み部４ｄを有する第２の回転ツール４のショルダ部４ｃ（ショルダ面４ｂ）の直径Ｄ２および凹み部４ｄの直径ｄ２、凹み部４ｄの深さＬ２は、第１の回転ツール３のショルダ直径Ｄ１、突起部直径ｄ１、突起部長さＬ１に応じて決定される。本発明者等が行なった試験によれば、第２の回転ツール４のショルダ直径Ｄ２は、第１の回転ツール３のショルダ直径Ｄ１と同じ値にすることが好ましい。また、凹み部直径ｄ２は、突起部直径ｄ１より大径となり、ｄ１＋２ｍｍ以下が好ましい。また、凹み部深さＬ２は、突起部長さＬ１より長くなり、Ｌ１＋１ｍｍ以下で良好な接合部が得られた。
【０１０８】
（凹み部の直径ｄ２＝ｄ１＋２ｍｍの説明）
また、本実施の形態では前述したように、好ましくは、第１および第２の回転ツール３，４の先端部分が後端部分に対し接合進行方向（図１の紙面直角方向）に向かって先行するように、第１および第２の回転ツール３，４の軸心を傾けた状態で摩擦攪拌接合する。
【０１０９】
その場合、凹み部直径ｄ２は、摩擦攪拌接合する金属板の板厚、第１の回転ツール３の突起部３ｄの直径ｄ１、突起部３ｄの凹み部４ｄへの挿入量、第１および第２の回転ツール３，４の軸心の傾き角度による幾何学的関係で決まる。
【０１１０】
凹み部直径ｄ２は、突起部３ｄが凹み部４ｄ内で干渉せずに挿入し、傾けることが出来る凹み部直径ｄ２および凹み部長さの最小値で決定される。
【０１１１】
凹み部直径ｄ２を大きくすれば、突起部３ｄが凹み部４ｄ内で干渉せず挿入し、傾けることが可能であるが、大きくしすぎることで凹み部４ｄへ流動する材料が多くなり、接合不良を発生させる要因となる。
【０１１２】
本発明者等が行なった最大板厚１０ｍｍまでの試験によれば、凹み部４ｄの直径ｄ２は、ｄ１＋２ｍｍ以下であれば、突起部３ｄが凹み部４ｄ内で干渉することがなく、接合不良を起こさない良好な接合部が得られることを確認した。
【０１１３】
図示はしないが、摩擦攪拌接合する金属板の材質などにより、第１および第２の回転ツール３，４のショルダ面３ｂ，４ｂに螺旋溝の加工を施し、突起部３ｂにネジ加工、凹み部４ｄにメネジ加工などを施してもよく、これにより摩擦攪拌接合における攪拌効率を向上させることが出来る。
【０１１４】
また、図１、図２において、プローブまたは突起直径ｄ１および凹み部直径ｄ２は、各長さＬ１、Ｌ２内で同径とし図示したが、テーパ状に加工しても、摩擦攪拌接合の効果は変わらない。
【０１１５】
＜突起部と突合せ部の隙間の関係＞
ツールの突起部３ｂと突合せ部Ｂの隙間Ｇの関係を、発明者等は試験により確認した。図８は、突合せ部隙間と引張強度の相関を示す。
【０１１６】
一般に、アルミ合金の接合後の引張強度は、母材と比べ低くなり、母材の引張強度を１００％と仮定すると、摩擦攪拌接合では、７０％〜９０％になることが知られている。摩擦攪拌接合時の強度低下率は、アルミ合金へ金属板表面とショルダ面で発生した熱を付与することで金属組織が粗大化し、強度を低下させる現象と、突合せ部を攪拌することで金属組織が微細化し、強度を向上させる現象の２現象が組み合わされ、それぞれが寄与する大きさにより決まる。
【０１１７】
発明者等が突合せ部隙間と引張強度の相関を確認するために行った接合試験のうち、アルミ合金の板厚１ｍｍの場合について説明する。アルミ合金の板厚１ｍｍを突起部直径２ｍｍの回転ツールを用い、両面から同時に摩擦攪拌接合した。突合せ部の隙間を０ｍｍ、０．５ｍｍ、１．０ｍｍ、１．５ｍｍ、２．０ｍｍの５水準とした。突合せ部の隙間が１．５ｍｍまでは、接合可能であることを確認した。突合せ部の隙間が２．０ｍｍとなると、材料の攪拌不足が発生し、良好な接合部を得ることができなかった。
【０１１８】
また、接合後の引張強さは、図６に示すように、母材と比較し、隙間０ｍｍの場合には８０〜９０％程度に低下した。これは、一般的な摩擦攪拌接合後の接合部の強度低下と同等であることを示した結果である。さらに、突合せ部に隙間を空けた状態で摩擦攪拌接合し、良好な接合部を得ることができた０．５ｍｍ、１．０ｍｍ、１．５ｍｍにおいても、隙間０ｍｍと同等の引張強さを得ることができた。
【０１１９】
また、良好な接合部を得ることができた全てのケースにおいて、接合部の曲げ特性を確認するために、１８０度曲げ試験を行なった。接合部の破断やビード表面への亀裂などの欠陥は確認できず、良好な曲げ試験結果を得ることができた。
【０１２０】
上記の試験結果より、突起部直径２ｍｍの回転ツールを用いた場合は、突合せ部の隙間は、突起部３ｄの直径より小さい１．５ｍｍ以下であれば、接合後の強度は、隙間が０ｍｍで接合した場合と比較しても大差がないことが確認できた。
【０１２１】
また、前述したように、突合せ部の隙間が１．５ｍｍを超えていても突起部直径の２ｍｍ未満であれば、第１及び第２の回転ツール３，４は突き合わせ部Ｂの両面から同時に摩擦攪拌しかつ突起部は突合せ部の板厚方向全域にわたって金属板材料と接触し摩擦攪拌するため、２枚の金属板が突合せ部の板厚方向全域で接合可能である。
【０１２２】
＜実操業時の突合せ部について＞
以上説明した実施の形態および本発明者等が行なった試験では、接合長さの全長にわたり、突合せ部の隙間を一定とした。これは、突合せ部の隙間に対し、接合可能可否や接合部の機械的性質などの関係を明確にするためである。また、接合長さの全長にわたり、突合せ部の隙間が存在するため、厳しい接合条件で接合したことになる。
【０１２３】
実際の操業では、突合せ部の隙間は、図９のように、金属板の切断精度により、接合長さ全長で一定ではなく、ばらつきを有し、２枚の金属板の切断面（端面）は、接合長さ方向のいずれかの箇所で必ず接触して突き合わせ状態となり、最大幅となる隙間部分は接合長さの全長の一部である。この場合、最大幅となる隙間部分においては、前述したように、その隙間が０．５ｍｍを超える場合であっても突起部３ｄの直径未満であれば、突合せ部の板厚方向全域が摩擦攪拌され、２枚の金属板１，２は突合せ部Ｂの板厚方向全域で接合される。最大幅となる隙間以外の隙間部分においては、突合せ部の板厚方向全域の摩擦攪拌による接合の効果はより顕著となる。よって、接合長さの全長にわたって接合強度を評価した場合は、接合長さの全長にわたり突合せ部の隙間を一定とした試験例に比べて、より強度が高く信頼性の高い接合を行うことができる。
【０１２４】
また、突合せ部隙間にばらつきがある場合は、金属板１，２の突合せ部隙間の微小変動によるショルダ面と金属板接合部表面との接触面における面圧が変動することで、摩擦熱量が変動し、接合部の品質が低下する可能性がある。このような問題に対し、本実施の形態では、回転ツールの挿入量の調整を位置制御と負荷制御（力制御）を組み合わせて行うことで対処する。接合開始から終了時までの制御方法の一例を説明する。
【０１２５】
第１および第２の回転ツール３，４のうちの少なくとも一方の回転ツール、例えば第１回転ツール３は、摩擦攪拌接合開始前に予定挿入深さまで金属板の厚み方向に対し位置制御にて移動し、回転ツール３の挿入深さを保持した状態で、２枚の金属板１，２の接合開始の側端面１ｂ，２ｂに向けて回転ツール３，４を接合進行方向に位置制御にて送って摩擦攪拌接合を開始し、摩擦攪拌接合開始後は、回転ツール３の負荷が所定の値となるように、回転ツール３の挿入位置を制御する負荷一定制御に切り替え、摩擦攪拌接合が終了する側端面１ｃ，２ｃに到達前に、その時点の該回転ツール３の挿入位置を保持する位置制御に切り替え、接合部終端部を通過させる。その間、反対側の回転ツール、例えば第２回転ツール４は、好ましくは、位置制御にて移動する。
【０１２６】
上記負荷一定制御を採用することで、金属板１，２の突合せ部隙間の微小変動に応じ、第１の回転ツール３の突起部３ｄの第２の回転ツール４の凹み部４ｄへの挿入量を調整することで、上下のショルダ面３ｂ，４ｂ間の距離を固定せずに、両面から摩擦攪拌接合することが出来る。これにより金属板１，２の突合せ部隙間の微小変動によるショルダ面と金属板接合部表面との接触面における面圧が変動することを回避し、摩擦熱量の変動を抑え、接合部の品質低下（接合不良）を防止し、高い信頼性を有する接合が出来る。
【０１２７】
以上のように本実施の形態によれば、金属板１，２の厚みに合わせて、第２の回転ツール４の凹み部４ｄ内に第１の回転ツール３の突起部３ｄを挿入して、突起部３ｄの長さの範囲内の厚みの金属板を両面から突合せ部Ｂの全範囲を両面から同時に摩擦攪拌接合することで、接合欠陥が抑制され、接合強度が高く、信頼性の高い摩擦攪拌接合を行うことができる。また、金属板１，２の両面から同時に突合せ部Ｂの板厚方向全域を摩擦攪拌接合することで、突合せ部の隙間に対する接合部強度のロバスト性が向上する。
【０１２８】
また、第１および第２の回転ツール３，４の先端部分が後端部分に対し第１および第２の回転ツール３，４の移動方向に向かって先行するように、第１および第２の回転ツール３，４のそれぞれの軸心１５を傾けた場合は、バリ（攪拌余剰分）の大部分は直ちに突合せ部Ｂの隙間Ｇに埋め戻され、バリの発生が抑制され、製品の外観が維持され、製品歩留りが高くなる。また、突合せ部の隙間に一旦発生したバリが埋め戻されるため、接合強度も高くなり、接合品質が向上する。
【０１２９】
更に、突合せ部の隙間を０．５ｍｍ以下に保つ必要がなくなり、把持装置および切断装置の大型化を抑制でき、経済性を高めることができるとともに、接合作業効率の低下を抑制し、生産効率を向上できる。
【０１３０】
＜第２の実施の形態＞
次に、本発明の第２の実施の形態を説明する。本実施の形態は、板厚の異なる２枚の金属板の接合に本発明を適用したものである。
【０１３１】
図１０は、本発明の第２の実施の形態に係わる両面摩擦攪拌接合方法を示す図であり、接合中の状態の図３と同様なツール移動方向直角方向の断面図である。図中、図３と同等の部材には同じ符号を付している。
【０１３２】
図１０において、２枚の金属板１，２は厚みが異なり、突合せ部Ｂに段差が形成されている。まず、第１および第２の回転ツール３，４の軸心１５を傾けない場合について説明する。
【０１３３】
金属板の厚みの異なる２枚の金属板を本発明にしたがって両面から同時に摩擦攪拌接合する場合は、第１および第２の回転ツール３，４の軸心１５を傾けなくても、板厚の厚い側の攪拌余剰分がバリとして発生し易い。本実施の形態では、第１の実施の形態と同様、突合せ部Ｂに隙間Ｇが形成して第１および第２の回転ツール３，４で両面から同時に摩擦攪拌接合するため、攪拌余剰分の大部分は直ちに突合せ部Ｂの隙間Ｇに埋め戻される。このためバリの発生が抑制され、製品の外観が維持され、製品歩留りが高くなる。また、突合せ部Ｂの隙間Ｇに一旦発生したバリが埋め戻されるため、接合部厚みの低減を抑制するとができる。
【０１３４】
本発明者等は、２枚の金属板の板厚が異なる場合について、本発明により両面から同時に摩擦攪拌接合する試験を行なった。突合せ部の隙間が０ｍｍの場合には、板厚の厚い側の攪拌余剰分がほとんどバリとして排出された。しかしながら、突合せ部に隙間を与えることで、板厚の厚い側の攪拌余剰分を設けた隙間に流動させ埋め戻すことを確認した。これにより、製品歩留りが高く、かつ接合品質の高い、摩擦攪拌接合方法を提供することができる。
【０１３５】
また、例えば図１１（後述）に示すように、２枚の金属板１，２の厚みが異なり、突合せ部に段差がある場合でも、第１および第２の回転ツール３，４を突合せ部Ｂに沿って移動させる間、第１および第２の回転ツール３，４の先端部分が後端部分に対し第１および第２の回転ツール３，４の移動方向に向かって先行するように、第１および第２の回転ツール３，４のそれぞれの軸心１５を傾けることが好ましい。このように回転ツールの軸心を傾けた場合、回転ツールのショルダ面の一部（接合進行方向のショルダ後方部分）が突合せ部に埋没し、その埋没量に相当する分が攪拌余剰分となり、この攪拌余剰分がバリとして発生するため、多くのバリが発生しやすい。しかし、この場合も、攪拌余剰分の大部分は直ちに突合せ部の隙間に埋め戻される。このためバリの発生が抑制され、製品の外観が維持され、製品歩留りが高くなる。また、突合せ部の隙間に一旦発生したより多くのバリが埋め戻されるため、接合部厚みの低減を抑制することができる。
【０１３６】
更に、例えば図１５（後述）に示すように、２枚の金属板の厚みが異なり、突合せ部に段差がある場合は、第１および第２の回転ツールの先端部分が後端部分に対し第１および第２の回転ツールの移動方向に向かって先行するように、第１および第２の回転ツールのそれぞれの軸心を傾けるだけでなく、更に、板厚の異なる２枚の金属板のうちの薄板側に傾斜した姿勢となりかつ第１および第２の回転ツールのショルダ部のショルダ面が板厚の異なる２枚の金属板の両方の表面に接触するように、第１および第２の回転ツールのうち少なくとも段差がある側に位置する回転ツールの軸心を傾けることが好ましい。これにより２枚の金属板の厚みが異なり、突合せ部に段差がある場合の接合強度を更に高めることができる。また、第３の発明と同様、バリの発生が抑制され、製品歩留りが高くなり、かつ突合せ部の隙間に一旦発生しバリが埋め戻されるため、接合部厚みの低減を抑制することができる。
【０１３７】
＜第２の実施の形態の実施例＞
次に、本発明の第２の実施の形態において、相対向するように配置した第１および第２の回転ツール３，４の先端部分が後端部分に対し第１および第２の回転ツールの移動方向に向かって先行するように、第１および第２の回転ツールのそれぞれの軸心を傾け、両面から同時に摩擦攪拌接合する場合の実施例を説明する。
【実施例１】
【０１３８】
（上下でツール移動方向の傾き角が同一）
金属板１（板厚１ｍｍの５０５２アルミ合金）と金属板２（板厚２ｍｍの５０５２アルミ合金）を突合せ接合した。実施例１における第１および第２の回転ツール３，４と金属板１，２の位置関係を図１１に示す。図１１は、接合中の状態のツール移動方向の断面図である。接合中の状態のツール移動方向直角方向の断面図は、回転ツールを傾けない場合の上述した図１０と同じである。金属板１，２は突合せ部Ｂの下面に段差が生じないようにセットした。【０１３９】
確認試験に使用した第１および第２の回転ツールのそれぞれの寸法を以下に示す。第１の回転ツール３のショルダ面３ｂの直径を８ｍｍ、突起部３ｄの直径を２．６ｍｍ、突起部３ｄの長さを２．５ｍｍとした。また、第２の回転ツール４のショルダ面４ｂの直径は、第１の回転ツール３と同じである８ｍｍ、凹み部４ｄの内径を４ｍｍとした。また、第１および第２の回転ツール３，４の先端部分が後端部分に対して接合進行方向に向かって先行するように軸心１５を傾け、その傾斜角度θ１およびθ２は同じ２度とした。【０１４０】
第１の回転ツール３と第２の回転ツール４の回転方向は互いに逆方向とした。突合せ部の段差のある側に位置する第１の回転ツール３を、板厚が薄い金属板１がアドバンシングサイドとなるように回転させた。【０１４１】
第１および第２の回転ツール３，４の回転速度は共に１０００ｒｐｍとし、移動速度（接合速度）は毎分４ｍとして両面摩擦攪拌接合を行った。作製した接合部に対して、断面観察および１８０度曲げ試験を行い、接合部の健全性を評価した。断面観察の結果、欠陥のない接合部が得られていることが判った。曲げ試験では割れが発生せず、健全な接合部が作製できることを確認した。【０１４２】
接合部断面の形状を図１２に概念図として示す。接合部Ｊおよび接合部Ｊに隣接した金属板１の位置は、金属板２の厚さ方向の中心近傍になっていた。これは、上下回転ツール３，４の押し付け加圧力が釣り合うことにより接合部の位置が板厚方向の中心付近に移動したものと考えられる。【０１４３】
一方、突合せ部の段差のある側に位置する第１の回転ツール３を、板厚が厚い金属板２がアドバンシングサイドとなるように回転させて、接合を行った。第１および第２の回転ツール３，４の回転方向は互いに逆方向とした。第１および第２の回転ツール３，４の回転速度は共に１０００ｒｐｍとし、移動速度（接合速度）は毎分４ｍとして接合を行った。作製した接合部に対して、断面観察および１８０度曲げ試験を行い、接合部の健全性を評価した。断面観察の結果、欠陥のない接合部が得られていることが判った。曲げ試験では割れが発生せず、健全な接合部が作製できることを確認した。
【実施例２】
【０１４４】
（上下のツール移動方向の傾き角を異ならせた場合）
実施例１に記載の金属板１，２および回転ツール３，４を用いて、上側の第１の回転ツール３の傾斜角度θ１を９度に変更し、両面同時摩擦攪拌接合を行った。接合部の品質は傾斜角度θを２度にした場合に比べて劣るものの、健全な接合部が作製可能であることを確認した。【０１４５】
回転ツールの傾斜角度が大きすぎる場合は、ショルダの攪拌によりバリとして排出される領域が増加するため、接合後の接合部の厚さが減少し、接合部の強度が減少することがある。一方、傾斜角度が０の場合は、上下回転ツールの間に接合部が流動しにくくなり、欠陥が発生することが見られた。また、傾斜角度が０では、接合速度を上げることが困難である。そのため、回転ツールの傾斜角度には適正範囲が存在すると考えられる。
【実施例３】
【０１４６】
（金属板の板厚中心を合わせ、上下両側に段差）
実施例３における第１および第２の回転ツール３，４と金属板１，２の位置関係を図１３および図１４に示す。図１３は、接合中の状態のツール移動方向直角方向の断面図であり、図１４は、接合中の状態のツール移動方向の断面図である。金属板１，２は突合せ部Ｂの上側と下側に共に段差が生じるように、板厚中心を揃えてセットした。【０１４７】
実施例１に記載の金属板１，２および回転ツール３，４を用いて、上下回転ツール３，４の回転方向は実施例１と同様にお互いに逆になるように設定した。作製した接合部に対して、断面観察および１８０度曲げ試験を行い、健全な接合部が作製できることを確認した。接合部は図１２のように、金属板２の厚さ方向の中心近傍になっていた。
【実施例４】
【０１４８】
（上下回転ツールを同回転）
実施例１に記載の金属板１，２および回転ツール３，４を用いて、金属板１，２の回転方向を同じ方向に変更し、両面同時摩擦攪拌接合を行った。この場合、回転ツール３，４によるせん断力の向きが同方向となるため、回転ツール３，４の間に流動した材料と母材部の境界部で破断した。これは、金属板１，２の板厚が薄く、上下の回転ツール３，４により発生するせん断力より金属板１，２の耐力が低いためである。したがって、金属板１，２の板厚が薄い場合は、上下回転ツール３，４の回転方向は逆になるように設定するのが望ましい。【０１４９】
一方、金属板１，２の薄い板厚を２ｍｍ以上にすると、上下回転ツール３，４を同回転にしても、健全な接合部が作製できる。
【実施例５】
【０１５０】
実施例５における第１および第２の回転ツール３，４と金属板１，２の位置関係を図１５に示す。図１５は、接合中の状態のツール移動方向直角方向の断面図である。金属板１と金属板２の位置関係は図１０の実施例１と同様である。実施例１に記載の金属板１，２および回転ツール３，４を用いて、上下ツールの回転方向を逆方向に設定し、突合せ部の段差のある側に位置する第１の回転ツール３を、板厚が薄い金属板１がアドバンシングサイドとなるように回転させて、両面同時に摩擦攪拌接合を行った。【０１５１】
上下回転ツール３，４を移動方向（接合進行方向）に傾けるとともに、突合せ部の段差のある側に位置する第１の回転ツール３を薄い金属板１側に傾斜し、回転ツール１，２の移動方向における側面視において、回転ツール３，４のショルダ面３ｂ，４ｂが厚い金属板２と薄い金属板１の表面にそれぞれ略接触するようにした。【０１５２】
上下回転ツール３，４の回転速度は共に１０００ｒｐｍとし、移動速度（接合速度）は毎分２ｍ、４ｍおよび６ｍとして接合を行った。作製した接合部に対して、断面観察および１８０度曲げ試験を行い、接合部の健全性を評価した。断面観察の結果、いずれの接合部に対しても、欠陥のない接合部が得られていることが判った。曲げ試験では割れが発生せず、健全な接合部が作製できることを確認した。【０１５３】
接合部断面の形状を図１６に概念図として示す。接合部Ｊおよび接合部Ｊに隣接した金属板１の位置は、金属板２の厚さ方向の底面の位置と概略一致しており、図１２に示す接合部断面の形状と異なる。これは、段差のある側の回転ツール３を薄板側に傾斜させ、薄い金属板１を下方向に押し付けることにより、接合部の位置が底面付近に位置したものと考えられる。また、図１７に示すように、凹み部４ｄのある回転ツール４を段差のある側に位置させて接合を行うことも可能である。
【実施例６】
【０１５４】
実施例６における第１および第２の回転ツール３，４と金属板１，２の位置関係を図１８に示す。図１８は、接合中の状態のツール移動方向直角方向の断面図である。金属板１，２は突合せ部Ｂの上側とした側に共に段差が生じるように、板厚中心を揃えてセットした。また、上下回転ツール３，４を移動方向（接合進行方向）に傾けるとともに突合せ部の段差のある側に位置する回転ツール３を薄い金属板１側に傾斜し、回転ツール１，２の移動方向における側面視において、回転ツール３，４のショルダ面３ｂ，４ｂが厚い金属板２と薄い金属板１の表面にそれぞれ略接触するように、突起部３ｄを両金属板１，２の突き合わせ端面付近に押し込むようにした。【０１５５】
作製した接合部に対して、断面観察および１８０度曲げ試験を行い、接合部の健全性を評価した。断面観察の結果、いずれの接合部に対しても、欠陥のない接合部が得られていることが判った。曲げ試験では割れが発生せず、健全な接合部が作製できることを確認した。【０１５６】
接合部Ｊおよび接合部Ｊに隣接して金属板１の位置は、金属板２の厚さ方向の中心近傍になっており、図１２に示す接合部断面の形状と類似していた。実施例１および実施例３と同様に、上下回転ツールの押し付け加圧力が釣り合うことにより接合部の位置が板厚方向の中心付近になったと考えられる。
【実施例７】
【０１５７】
実施例７における第１および第２の回転ツール３，４と金属板１，２の位置関係を図１９に示す。図１９は、接合中の状態のツール移動方向直角方向の断面図である。金属板１と金属板２の突合せ部の上部に段差が生じないようにセットした。【０１５８】
実施例７において突合せ部の表裏面に対し、第１および第２の回転ツールの配置位置を逆にし、上下回転ツール３，４を移動方向（接合進行方向）に傾けるとともに、突合せ部の段差のある側（下側）に位置する第１の回転ツール３を薄い金属板１側に傾斜し、回転ツール１，２の移動方向における側面視において、回転ツール３，４のショルダ面３ｂ，４ｂが厚い金属板２と薄い金属板１の表面にそれぞれ略接触するようにした。【０１５９】
作製した接合部に対して、断面観察および１８０度曲げ試験を行い、接合部の健全性を評価した。断面観察の結果、いずれの接合部に対しても、欠陥のない接合部が得られていることが判った。曲げ試験では割れが発生せず、健全な接合部が作製できることを確認した。【０１６０】
接合部断面の形状を図２０に概念図として示す。接合部Ｊおよび接合部Ｊに隣接して金属板１の位置は、金属板２の厚さ方向の底面の位置と概略一致しており、図１２に示す接合部断面の形状と異なる。これは、段差のある側の回転ツールを薄板側に傾斜させ、薄板を上方向に押し付けることにより、接合部の位置が上面付近に位置したものと考えられる。【０１６１】
このように、金属板１，２の配置、上下回転ツールの配置・傾斜を変更することで、段差部の接合後の形状を、図１２、図１６、図２０のような形状に変更することが可能である。
【符号の説明】
【０１６２】
１，２  金属板
１ａ，２ａ  突合せ端面
１ｂ，２ｂ  側端面
１ｃ，２ｃ  側端面
３  第１の回転ツール(上回転ツール)
３ａ  ツール本体
３ｂ  ショルダ部
３ｃ  ショルダ面
３ｄ  突起部(プローブ)
４  第２の回転ツール(下回転ツール)
４ａ  ツール本体
４ｂ  ショルダ部
４ｃ  ショルダ面
４ｄ  凹み部
５  第１の把持装置
５ａ，５ｂ  上下把持板
６  第２の把持装置
６ａ，６ｂ  上下把持板
Ｂ  突合せ部
Ｇ  隙間
Ｊ  接合部
θ１，θ２  傾き角
【図１】
2012029175.tif 000004
【図２】
2012029175.tif 000005
【図３】
2012029175.tif 000006
【図４】
2012029175.tif 000007
【図５】
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【図６】
2012029175.tif 000009
【図７】
2012029175.tif 000010
【図８】
2012029175.tif 000011
【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】
2012029175.tif 000018
【図１６】
2012029175.tif 000019
【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【国際調査報告】
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