(57)【要約】【課題】動作不良の発生が抑制され、安定した接合強度及び破断形態を有する接合部を得ることができる摩擦攪拌接合用工具を提供すること。【解決手段】摩擦攪拌接合に用いられる工具１である。クランプ部１１と、クランプ部１１の内側に収容されたショルダー部１２と、ショルダー部１２の内部に収容されたプローブ部１３とを有する。ショルダー部１２及びプローブ部１３が軸線周りに回転可能であり、ショルダー部１２及びプローブ部１３がクランプ部１１に対して相対的に軸線方向に進退可能である。プローブ部１３の外径Ｄｐとショルダー部１３の外径Ｄｓとが、式１：０．５＜（Ｄｐ／Ｄｓ）＜０．９５の関係を有し、かつ、プローブ部１３を軸方向先端側から見たプローブ先端面の面積Ａｐとショルダー部を軸方向先端側から見たショルダー先端面の面積Ａｓとが、式２：０．４５＜（Ａｐ／Ａｓ）＜５．０の関係を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
摩擦攪拌接合に用いられる摩擦攪拌接合用工具であって、
円筒状のクランプ部と、
該クランプ部の内側に収容された円筒状のショルダー部と、
該ショルダー部の内部に収容された円柱状のプローブ部と、を有し、
前記ショルダー部及び前記プローブ部が、それぞれ、軸線周りに回転可能であり、
前記ショルダー部及び前記プローブ部が、それぞれ、前記クランプ部に対して相対的に軸線方向に進退可能であり、
前記プローブ部の外径Ｄｐと、前記ショルダー部の外径Ｄｓとが、
式１：０．５＜（Ｄｐ／Ｄｓ）＜０．９５の関係を有し、かつ、
前記プローブ部を軸方向先端側から見たプローブ先端面の面積Ａｐと、前記ショルダー部を軸方向先端側から見たショルダー先端面の面積Ａｓとが、
式２：０．４５＜（Ａｐ／Ａｓ）＜５．０の関係を有する、摩擦攪拌接合用工具。
【請求項２】
前記プローブ部の外径Ｄｐと前記ショルダー部の内径ｄｓとの差分ｄｓ−Ｄｐについて、室温状態での差分Ｔ＝ｄｓ−Ｄｐと、摩擦攪拌接合時の温度状態での差分Ｔ１＝ｄｓ−Ｄｐが、
式３：０．０１ｍｍ≦Ｔ≦０．２ｍｍの関係を有し、
式４：０．５≦Ｔ１／Ｔ≦５．０の関係を有する、請求項１に記載の摩擦攪拌接合用工具。
【請求項３】
前記プローブの外周面、前記ショルダー部の内周面及び外周面の少なくとも一部には、円相当直径２〜２００μｍ、深さ１〜１００μｍの凹部が、少なくとも１００個／ｃｍ2の配置密度で形成されている、請求項１又は２に記載の摩擦攪拌接合用工具。
【請求項４】
前記プローブの外周面、前記ショルダー部の内周面及び外周面の少なくとも一部には、酸化軟質材がコーティングされている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の摩擦攪拌接合用工具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、摩擦攪拌接合用工具に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、自動車や鉄道車両、船舶、航空機等の輸送機器の製造では、アルミニウム合金から形成された被接合部材同士を接合する工程が行われる。この接合工程では、抵抗スポット溶接法がよく採用されている。近年、この抵抗スポット溶接法におけるコスト、接合品質等の課題を解決するために、特許文献１に示すような摩擦攪拌接合が提案されている。摩擦攪拌接合は、円柱状の本体の先端面であるショルダーと呼ばれる部分の中央からプローブと呼ばれる突出部を突出させた構造を基本構造とする摩擦攪拌接合用工具（以下、適宜、単に工具という。）を用いて行う接合方法であり、抵抗スポット溶接法などの溶融溶接法に比べ、材料への入熱が少なく、接合時の熱歪みも小さくできる接合方法である。
【０００３】
より具体的には、工具を回転させながらプローブを被接合部材に挿入すると共にショルダーを被接合部材に接触させて、摩擦熱を発生させて母材を軟化させるとともに、工具の回転力によって接合部周辺を塑性流動させて練り混ぜることで複数の部材を一体化させる接合方法である。この摩擦攪拌接合には、被接合材に対して工具を相対的に移動させて線状の接合部を形成するいわゆる線接合と、被接合材に対して実質的に工具を相対的に移動させずに点状の接合部を形成するいわゆる点接合とがある。
【０００４】
このような摩擦攪拌接合に用いる工具として、特許文献２〜４に示されているように、クランプ部、ショルダー部及びプローブ部を同軸上に設けて、それぞれが相対的な回転及び軸方向移動が可能な複動式の工具が提案されている。この種の複動式の工具によれば、プローブ部あるいはショルダー部を差し込んだ凹部を残さないようにする等の接合部の形態制御が可能であり、さらなる利用拡大が期待されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００１―３１４９８３号公報
【特許文献２】特開２００６―２９７４３４号公報
【特許文献３】ＷＯ２０１４−０２４４７４号公報
【特許文献４】特開２０１７―２００７０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、これらの複動式の工具を用いた摩擦攪拌接合方法においては、複動式であることによる課題が存在する。主な課題としては、被接合部材の一部が工具の各部の表面あるいは間隙に凝着することに起因する、工具の動作不良、接合時間の長期化等が挙げられる。先に示した特許文献２〜４においては、複動式工具に関して種々の提案がなされているが、上記の課題を十分に解決できるとまではいえない。
【０００７】
本発明は、かかる背景に鑑みてなされたものであり、動作不良の発生が抑制され、安定した接合強度及び破断形態を有する接合部を得ることができる摩擦攪拌接合用工具を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一態様は、摩擦攪拌接合に用いられる摩擦攪拌接合用工具であって、
円筒状のクランプ部と、
該クランプ部の内側に収容された円筒状のショルダー部と、
該ショルダー部の内部に収容された円柱状のプローブ部と、を有し、
前記ショルダー部及び前記プローブ部が、それぞれ、軸線周りに回転可能であり、
前記ショルダー部及び前記プローブ部が、それぞれ、前記クランプ部に対して相対的に軸線方向に進退可能であり、
前記プローブ部の外径Ｄｐと、前記ショルダー部の外径Ｄｓとが、
式１：０．５＜（Ｄｐ／Ｄｓ）＜０．９５の関係を有し、かつ、
前記プローブ部を軸方向先端側から見たプローブ先端面の面積Ａｐと、前記ショルダー部を軸方向先端側から見たショルダー先端面の面積Ａｓとが、
式２：０．４５＜（Ａｐ／Ａｓ）＜５．０の関係を有する、
摩擦攪拌接合用工具にある。
【発明の効果】
【０００９】
前記摩擦攪拌接合用工具（以下、適宜、単に「工具」という。）は、上記のごとく、クランプ部、ショルダー部、及びプローブ部を同軸上に備えた複動式のものであることを前提として、プローブ部の外径Ｄｐとショルダー部の外径Ｄｓとが、前記式１の関係を有すると共に、プローブ先端面の面積Ａｐとショルダー先端面の面積Ａｓとが、前記式２の関係を有することを必須とする。少なくともこの２つの要件を同時に具備する工具を用いることによって、後述する実施例にも示すように、動作不良の発生が抑制され、安定した接合強度及び破断形態を有する接合部を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施形態例１における、摩擦攪拌接合用工具の構成を示す縦断面図。
【図２】実施形態例１における、摩擦攪拌接合用工具の構成を示す平面図。
【図３】実施形態例１における、摩擦攪拌接合用工具を用いて点接合を行う手順を示す説明図。
【図４】実施形態例３における、摩擦攪拌接合用工具の構成を示す縦断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
前記工具は、基本構成として、円筒状のクランプ部と、該クランプ部の内側に収容された円筒状のショルダー部と、該ショルダー部の内部に収容された円柱状のプローブ部と、を有している。以下、これらの構成について補足して説明する。
【００１２】
プローブ部は円柱状の中実部材であり、ショルダー部は中空状の中空部材あり、プローブ部とショルダー部の中心軸は一致している。プローブ部はショルダー部の内側に挿入され中心軸を軸として回転可能である。また、プローブ部とショルダー部は被接合部材に対して前後方向に進退可能である。この前後方向の移動によって被接合部材の構成材料はクランプ内部で対流する為、プローブ部又はショルダー部の差し込みによる接合部分の板厚減少が解消される。
【００１３】
プローブ部とショルダー部の前後方向の移動の際には、プローブ部およびショルダー部のどちらかを被接合部材に対して前進、一方を後退させる必要があり前進させたプローブ部又はショルダー部は被接合部材を攪拌し軟化点まで構成材料を加熱する役割を担っている。
【００１４】
ところで、スポット溶接等においては電極の外径と接合強度が相関関係にあることが知られており、複動式摩擦攪拌点接合においてもその関係は成り立つ。したがって、ショルダー部の外径を大きくすることで、接合強度の向上が見込まれる。
【００１５】
複動式摩擦攪拌接合においてはショルダー部を被接合部材に前進させ攪拌させることで、強固な接合強度を有することができる。さらには、被接合体が、例えば２．０ｍｍを超えるような比較的厚い材料を接合する場合であっても、ショルダー部の外径を大きくすることで好適な接合強度を有することができる。一方で、攪拌初期の段階では材料が十分に軟化していないため、前進させるための十分な荷重が必要となる。また、後退させるプローブ部においては後退量が増加する為ショルダー部との間の側面への被接合部材構成材料の凝着が発生しやすく、凝着によりプローブ部とショルダー部の進退動作に問題が起きる可能性がある。ショルダー部の先端面の面積（底面積）が大きい場合、ショルダー部の前進時における必要荷重の増加、接合時間の長期化が見込まれる。
【００１６】
鋭意検討を行った結果、複動式摩擦撹拌接合において、被接合部材のツールへの凝着を抑制しつつ、高い接合強度を得るには、少なくとも、上記のごとく、プローブ部の外径Ｄｐとショルダー部の外径Ｄｓとが、前記式１の関係を有すると共に、プローブ先端面の面積Ａｐとショルダー先端面の面積Ａｓとが、前記式２の関係を有することを必須とすることが有効であることを見出した。
【００１７】
すなわち、前記工具は、上述したごとく、前記プローブ部の外径Ｄｐと、前記ショルダー部の外径Ｄｓとが、式１：０．５＜（Ｄｐ／Ｄｓ）＜０．９５の関係を有することが必須要件である。さらに、前記工具においては、前記プローブ部を軸方向先端側から見たプローブ先端面の面積Ａｐと、前記ショルダー部を軸方向先端側から見たショルダー先端面の面積Ａｓとが、式２：０．４５＜（Ａｐ／Ａｓ）＜５．０の関係を有することも必須要件である。これらの式１及び式２によって示された要件を具備することによって、被接合部材が工具に凝着することをと抑制しつつ、高い接合強度を有する接合部を形成することが可能となる。
【００１８】
上記式１が満たされない場合、つまり、Ｄｐ／Ｄｓが０．５以下の場合には、プローブ部に対してショルダー部の体積が大きくなりすぎ、ショルダー部又はプローブ部を差し込んだ凹部を埋める際のプローブ部の軸方向移動量が増加し、ショルダー部内周面に被接合材が凝着しやすくなるおそれがある。一方、Ｄｐ／Ｄｓが０．９５以上の場合には、ショルダー部の肉厚が薄くなりすぎ、剛性が低下するおそれがある。好ましくは、０．６＜Ｄｐ／Ｄｓ＜０．８である。
【００１９】
また、上記式２が満たされない場合、つまり、Ａｐ／Ａｓが０．４５以下の場合には、被接合材の攪拌が十分に行われないことにより、接合部の接合強度が十分に得られないおそれがある。一方、Ａｐ／Ａｓが５．０以上の場合には、ショルダー部に付加される荷重が増加し、ショルダー部が破損するおそれがある。好ましくは、０．６≦Ａｐ／Ａｓ≦３．０である。
【００２０】
また、上述したごとく、プローブ部およびショルダー部の進退動作時には、進退動作量によっては被接合部材がツール内外面部に凝着し進退動作の不良が発生する恐れがある。これは、前記したプローブ部およびショルダー部の外径比並びに面積比による進退動作量の低減の他に、プローブおよびショルダー間のクリアランス量の調整によって被接合部材構成材料の凝着を低減できる。クリアランスは、接合時の発熱によるツールの膨張を利用することで、ある程度の範囲で制御することが可能で、この制御によって被接合部材の凝着を低減できる。
【００２１】
すなわち、前記工具は、前記プローブ部の外径Ｄｐと前記ショルダー部の内径ｄｓとの差分ｄｓ−Ｄｐについて、室温状態での差分Ｔ＝ｄｓ−Ｄｐと、摩擦攪拌接合時の温度状態での差分Ｔ１＝ｄｓ−Ｄｐが、式３：０．０１ｍｍ≦Ｔ≦０．２ｍｍの関係を有し、式４：０．５≦Ｔ１／Ｔ≦５．０の関係を有することが好ましい。これらの関係を具備することにより、被接合部材の一部がショルダー部とプローブ部との間に凝着することを抑制することができる。
【００２２】
Ｔ＜０．０１ｍｍであると接合時にクリアランスが不足となり、回転および進退動作がスムーズに行えないという問題が発生するおそれがある。０．２ｍｍ＜Ｔであるとショルダー部及びプローブ部の膨張が開始される前にクリアランス部分に被接合部材が流入、凝着し、進退動作に問題が発生するおそれがある。したがって、より好ましい範囲は、０．０５ｍｍ≦Ｔ≦０．１ｍｍである。
【００２３】
また、摩擦攪拌接合時の温度状態での差分（接合直後の差分）Ｔ１とＴとの関係について、Ｔ１／Ｔ＜０．５であると接合時のショルダー部の膨張によりクランプ部とショルダー部間のクリアランス不足となり、ショルダー部の回転がスムーズに行えないという問題が発生するおそれがある。回転時においては、材料流動が常に発生しているため接合前のクリアランスに比べ、クリアランスが大きい場合においても材料が流入しないことが確認されている。ただし、５．０＜Ｔ１／Ｔであるとクリアランス部分への被接合部材の流入が避けられず、進退動作に問題が発生するおそれがある。より好ましくは、０．７≦Ｔ１／Ｔ≦１．０である。
【００２４】
なお、摩擦攪拌接合時の温度とは、接合作業を完了した直後（接合直後）の温度を意味する。そして、上述したＴ及びＴ１を調整するには、最初のＴの設計と、プローブ部及びショルダー部の材質及び寸法の選定によって行うことができる。材質としては、後述するように、工具鋼及び超硬合金等が挙げられるが、これらの材質による熱膨張特性の差を利用してＴ１を調整することが可能である。
【００２５】
また、プローブ部およびショルダー部の間への被接合部材の凝着を抑制する構成としては、さらに、以下の構成が有効である。すなわち、前記工具においては、前記プローブの外周面、前記ショルダー部の内周面及び外周面の少なくとも一部には、円相当直径２〜２００μｍ、深さ１〜１００μｍの凹部が、少なくとも１００個／ｃｍ2の配置密度で形成されていることが好ましい。これらの要件を具備することにより、前記凹部の存在が、真実接触面の低減の効果を発揮し、摺動性、および被接合体の凝着防止に寄与するという効果が期待できる。
【００２６】
前記凹部としては、円相当直径２〜２００μｍ、深さ１〜１００μｍの形態のものが好ましいが、円相当直径及び深さが下限値を下回った場合には、凹部を設けることによる上記効果が十分に得られず、円相当直径及び深さが上限値を上回った場合には、凹部内に被接合部材の一部入り込みやすくなり、その凝着を誘発するおそれがある。従って、より好ましい凹部の円相当直径は、２〜２００μｍ、さらに好ましくは２０〜６０μｍである。また、より好ましい凹部の深さは、１〜１００μｍ、さらに好ましくは１０〜３０μｍである。
【００２７】
凹部の円相当直径は、市販されているレーザー測定器等で、対象の領域（プローブの外周面、ショルダー部の内周面及び外周面）を観察し、その観察領域内に存在する全ての凹部の直径を算出し、その合計を凹部の数で除したいわゆる平均値で定義する。なお、各凹部の直径は、それぞれの凹部面積を求め、（４×凹部面積／π）の正の平方根として求める。
【００２８】
凹部の深さは、市販されているレーザー測定器等で、対象の領域（プローブの外周面、ショルダー部の内周面及び外周面）を観察し、算術平均粗さを測定し、その値で定義する。
【００２９】
一方、上記形態の凹部が全く存在しない、あるいは、配置密度が１００個／ｃｍ2未満の場合には、これらの効果が期待できない。個数の上限は、凹形状付与手法が制限される観点からみて、好ましくは１０００個／ｃｍ2以下、より好ましくは、２５０個／ｃｍ2である。ここで凹部の形状は、必ずしも円形、あるいは、なだらかな曲線（球状の一部）である必要はない。
【００３０】
前記凹部を設ける手段としては、例えば、微粒粉を用いたショットブラスト等を採用することができる。
【００３１】
前記ショルダー部、プローブ部およびクランプ部は、被接合部材の軟化点よりも高い温度範囲において被接合部材を形成する材料の硬度よりも高い硬度を有する材料（第２材料）から形成されている。例えば被接合部材がアルミニウム合金から形成されている場合、ショルダー部およびプローブ部は、ダイス鋼や超硬合金等から形成されればよい。超硬合金としては、例えば炭化タングステン（ＷＣ）とコバルト（Ｃｏ）等のバインダとを混合して焼結することにより製作されるものを採用することができる。
【００３２】
そして、前記工具においては、前記プローブの外周面、前記ショルダー部の内周面及び外周面の少なくとも一部には、酸化軟質材がコーティングされていることが好ましい。酸化軟質材としては、例えばＳｎＯ、ＺｎＯ等がある。この場合、ショルダー部およびプローブ部の表面に被接合部材を形成する材料の凝着を抑制することができるので、これらの軸方向の移動時の動作不良を抑制できる。
【００３３】
なお、上述した工具は、重ね合わせされた複数の板状の被接合部材における重なり部分において、点接合又は線接合を行って複数の被接合部材を接合することに適する。被接合部材としては、アルミニウム又はアルミニウム合金、銅又は銅合金、チタン又はチタン合金、マグネシウム又はマグネシウム合金、鋼などの金属材料が対象となる。接合される被接合材の組合せとしては、同材質同士であってもよいし、異なる材質同士であってもよい。
【実施例】
【００３４】
〔実施形態１〕
以下、本発明の具体的な試験例を対比しながら説明し、本発明の効果を実証する。なお、これらの例は、本発明の一実施態様を示すものであり、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００３５】
本実施形態において準備した工具１は、図１、図２に示すごとく、円筒状のクランプ部１１と、クランプ部１１の内側に収容された円筒状のショルダー部１２と、ショルダー部１２の内部に収容された円柱状のプローブ部１３とを有し、ショルダー部１２及びプローブ部１３が、それぞれ、軸線周りに回転可能であり、ショルダー部１２及びプローブ部１３が、それぞれ、クランプ部１１に対して相対的に軸線方向に進退可能である。
【００３６】
本例においては、表１に示すごとく、プローブ部１３の外径Ｄｐ及び先端部の面積（底面積）Ａｐと、ショルダー部１２の外径Ｄｓ及び先端部の面積（底面積）Ａｓとを変化させ、接合可否について評価した。本例では、プローブ部１３とショルダー部１２の間のクリアランスＴは、全て０．０５ｍｍに設定した。ここで、クリアランスＴ及び後述するクリアランスＴ１は、ショルダー部１２の内径ｄｓとプローブ部１３の外径Ｄｐとの差分（ｄｓ−Ｄｐ）である。また、クランプ部１１の外径は、全てショルダー部１２の外径Ｄｐ＋４ｍｍに設定し、クランプ部１１とショルダー部１２との間のクリアランスは、全て０．０５ｍｍに設定した。
【００３７】
また、被接合部材としては、表１に示すごとく、試験例１〜５及び試験例Ｃ１〜Ｃ３は、板厚ｔ＝２．５ｍｍの５１８２アルミニウム合金、試験例６〜１０及び試験例Ｃ４、Ｃ５は、板厚ｔ＝２．０ｍｍの６０６３アルミニウム合金、試験例１１〜１５及び試験例Ｃ６、Ｃ７は、板厚ｔ＝２．０ｍｍの７０５０アルミニウム合金を選択した。
【００３８】
そして、次のように摩擦攪拌接合を行い、いわゆる点接合の接合部を一点設けた。図３（ａ）に示すごとく、まず、定盤９上において上板８１と下板８２とからなる被接合部材同士を重ね合わせ、クランプ部１１を上板８１の表面から当接させてクランプするとともに、プローブ部１３とショルダー部１２とを高速回転させながら、それらの先端面が面一な状態で上側の被接合部材の表面に当接させる。
【００３９】
その後、図３（ｂ）に示すごとく、プローブ部１３とショルダー部１２を高速回転させるとともにショルダー部１２を押し込むことにより、接合部（接合予定部）８０は流動状態となって攪拌される。その材料攪拌を続けながら、一定の圧力を付与してショルダー部１２を所定の深さまで押し込むとともに、その押し込み体積分を収容できる空間を形成できるようにプローブ部１３を後退させる。
【００４０】
次に、図３（ｃ）に示すごとく、所定時間経過後、プローブ部１３とショルダー部１２の高速回転による材料攪拌を続けるとともにショルダー部１２を後退させながらプローブ部１３を前進させ、ショルダー部１２よりもプルーブ１３の先端面が若干前進した状態まで戻す。
【００４１】
その後、図３（ｄ）に示すごとく、プローブ部１３とショルダー部１２の高速回転による材料攪拌を続けるとともにショルダー部１２を再度前進させるとともにプローブ部１３を後退させ、両者の先端面を面一な状態に戻す。そして、図３（ｅ）に示すごとく、クランプ部１１、ショルダー部１２及びプローブ部１３を含む工具１全体を被接合部材から離隔することにより、接合を終了させる。
【００４２】
ショルダー部１２の押し込みは、上述したごとく一定の圧力によって行い、押し込みの開始と後退開始のタイミングは、時間によって制御する。そのため、ショルダー部１２の押し込み量は、ショルダー部１２の寸法形状と、ショルダー部１２とプローブ部１３との間の凝着状態等によって変化する。また、ショルダー部１２を押し込んだ後、これを後退させてプローブ部１３を前進させ、その後両者の先端面を面一の位置まで戻す制御も一定の圧力によって行うものの、これらの動きはプローブ部１３とショルダー部１２の先端面が面一となる位置まで行われるため、ショルダー部１２とプローブ部１３との間の凝着状態等によって必要な時間が変化する。そのため、工具１の評価としては、接合時におけるショルダー部１２の押し込み量と、接合開始から完了までの時間によって評価することが可能である。なお、ショルダー部１２の押し込み時に付与する圧力は、凝着等が全くない場合において、ショルダー部１２の押し込み量が、重ね合わせた２枚の被接合部材のうち、上側の被接合部材の板厚の１００％の深さとなることを目標に設定した。
【００４３】
そして、接合可否の評価は、接合後に接合部の断面の観察と、引張試験後の破断面観察から総合的に判断し、両方に合格したものを総合的な合格「○」、一方でも不合格となったものを総合的な不合格「×」と評価し、表１に示した。
【００４４】
接合部の断面観察は、接合部の中心断面を光学顕微鏡にて観察することにより行った。断面観察から、ショルダー部が上側の被接合材に対してその板厚の９０％以上差し込まれているものを合格、そうでないものを不合格とした。
引張試験後の破断面観察は、接合部が中心となるようにせん断引張試験を行い、引張試験後の破断面観察より、接合部の外径が、ショルダー外径に対して９０％以上であるものを合格とし、そうでないものを不合格とした。ここで、せん断引張試験はＪＩＳＺ３１３６に準拠し行った。なお、接合部の破断面が真円でない場合には、長径と短径の平均値を外径として評価した
【００４５】
【表１】
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【００４６】
表１に示されているように、試験例１〜１５においては、外径比（Ｄｐ／Ｄｓ）、面積比（Ａｐ／Ａｓ）ともに所望の範囲にあり、これら全ての例で接合可否判定を満たした接合体を得た。
【００４７】
試験例Ｃ１、Ｃ２は、外径比（Ｄｐ／Ｄｓ）が０．５以下の工具を使用したため、接合時にショルダー部１２を押し込む際の面圧が高くなりすぎ、十分に被接合部材に入り込まない状態となった。
【００４８】
試験例Ｃ３は、外径比（Ｄｐ／Ｄｓ）が０．９５以上の工具を使用したため、外径比が大きすぎることによる攪拌不良が生じ、ショルダー部１２が十分に被接合部材に入り込まない状態となった。
【００４９】
試験例Ｃ４、Ｃ６は、結果として試験例Ｃ１、Ｃ２と同様の現象が観察され、接合可否の判定を満たさなかった。
【００５０】
試験例Ｃ５、Ｃ７は、結果として試験例Ｃ３と同様の現象が観察され、接合可否の判定を満たさなかった。
【００５１】
〔実施形態２〕
本例では、表２に示すごとく、プローブ部１３とショルダー部１２における、外径Ｄｐ、外径Ｄｓ、外径比（Ｄｐ／Ｄｓ）を同一とし、面積比（Ａｐ／Ａｓ）を実質的に同一とし、プローブ部１３とショルダー部１２との間のクリアランスＴを変化させた複数の工具を準備して試験を行った。また、摩擦攪拌接合時の温度状態での差分であるクリアランスＴ１を変化させるべく、プローブ部１３とショルダー部１２を構成する材質の熱膨張係数の組合せを変更して調整した。材質としては、工具鋼及び超硬合金等を選択可能である。
【００５２】
被接合材としては、全ての試験例２１〜２６及び試験例Ｃ２１〜Ｃ２４において、ｔ＝２．３ｍｍの５１８２アルミニウム合金を上板、下板に使用した。
【００５３】
接合条件及び評価方法は、実施形態１と同様とするも、本実施形態においては、クリアランスＴ及びＴ１の効果を明確化するため、接合部の断面の観察と、引張試験後の破断面観察をそれぞれ別個に評価した。すなわち、接合部の断面の観察においては、ショルダー部が上側の被接合材に対してその板厚の９０％以上、９５％未満まで差し込まれているものを「○」、９５％以上差し込まれているものを「◎」として、表２に示した。また、引張試験後の破断面観察においては、ショルダー部外径に対して９５％以上の接合面積を有している場合は「◎」とし、ショルダー外径に対して９０％の接合径を得ているものを「○」として表２に示した。
【００５４】
【表２】
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【００５５】
試験例２１〜２６は、すべて接合可否判定を満たし、被接合部材に対して５０回同条件で接合した場合においても同様の結果を得た。また、プローブ部１３及びショルダー部１２への被接合部材構成材料の顕著な凝着およびプローブ部１３とショルダー部１２の摺動不良は発生しなかった。
【００５６】
試験例Ｃ２１〜Ｃ２４においては、接合可否の総合的な判定では合格ではあるものの、クリアランスＴ、Ｔ１が所望範囲から外れていたため、これら全ての例でショルダー部の外径に対する接合部の外径が９０％以上９５％未満の接合面積となり、試験例２１〜２６に比べ接合面積が小さい結果となった。
【００５７】
〔実施形態３〕
本例では、図４に示すごとく、プローブ部１３とショルダー部１２の内外周面１３５、１２５の表面性状を変化させて、その影響について検討した。具体的には、表３に示すごとく、プローブ部１３とショルダー部１２における、外径Ｄｐ、外径Ｄｓ、外径比（Ｄｐ／Ｄｓ）、面積比（Ａｐ／Ａｓ）、クリアランスＴ及びＴ１を全て同一とし、プローブ部１３とショルダー部１２の内外周面１３５、１２５に好ましい形態の凹部を設けた場合と、それ以外の場合における比較を行った。凹部の形態は、凹部の円相当直径、凹部の深さ、及び単位面積当たりの凹部の個数によって表した。
【００５８】
被接合材としては、全ての試験例３１〜３２及び試験例Ｃ３１〜Ｃ３６において、ｔ＝２．３ｍｍの５１８２アルミニウム合金を上板、下板に使用した。
【００５９】
接合条件は、実施形態１と同様とし、表面性状の効果を明確化する為、クランプが被接合部材接触開始から終了までの接合時間が５秒以下であることを判定基準とした。接合時間は、通常の生産ラインにおいて短時間で確実な接合を可能するために重要である。接合時間が長時間化することと接合工具に被接合材の凝着が認められることにはある程度の相関があり、接合時間が６秒以上の場合には凝着がみられることがある。
【００６０】
【表３】
2019177389.tif 000005
【００６１】
表３からわかるように、試験例３１、３２においては、凹形状の形成数および深さを望ましい範囲に設定した結果、３．０〜４．０ｓで接合を達成した。一方、試験例３１〜３６は、凹部の直径・深さ・個数の少なくとも一つが望ましい範囲から外れていることにより、接合時間が６〜１２秒となり、工具への被接合部材の凝着が少しは生じていることがわかった。
【００６２】
〔実施形態４〕
本例では、プローブ部１３とショルダー部１２の内外周面の表面性状について、さらに、酸化軟質材のコーティングの有無を含めて検討した。具体的には、表４に示すごとく、プローブ部１３とショルダー部１２における、外径Ｄｐ、外径Ｄｓ、外径比（Ｄｐ／Ｄｓ）、面積比（Ａｐ／Ａｓ）、クリアランスＴ及びＴ１を全て同一とし、プローブ部１３とショルダー部１２の内外周面１３５、１２５に好ましい形態の凹部を設けたうえで、ＳｎＯ又はＺｎＯからなる酸化軟質材をコーティングした場合と、コーティングしない場合及び他の硬質材をコーティングした場合とで比較した。
【００６３】
被接合材としては、全ての試験例４１〜４８及び試験例Ｃ４１〜Ｃ４３において、ｔ＝２．３ｍｍの５１８２アルミニウム合金を上板、下板に使用した。
【００６４】
接合条件は、実施形態１と同様とし、実施形態３と同様に、クランプが被接合部材接触開始から終了までの接合時間が５秒以下であることを判定基準とした。
【００６５】
【表４】
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【００６６】
表４からわかるように、試験例４１〜４８においては、プローブ部１３とショルダー部１２の内外周面１３５、１２５に好ましい形態の凹部を設けたうえで、ＳｎＯ又はＺｎＯからなる酸化軟質材をコーティングしていることにより、接合時間が３秒以内となった。一方、試験例Ｃ４１〜Ｃ４３では、コーティング無し、ＤＬＣコーティング、ＴｉＣＮコーティングによっては、接合時間が４．５秒以上であって、凹部を設けること以上のさらなる時間短縮化が難しいことがわかった。
【符号の説明】
【００６７】
１  摩擦攪拌接合用工具
１１  クランプ部
１２  ショルダー部
１３  プローブ部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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