(57)【要約】【課題】最小限の投入エネルギーによる予熱で摩擦攪拌接合中の塑性流動を円滑化することができ、攪拌部中に欠陥が形成されない適切接合条件を拡大することができる摩擦攪拌接合方法を提供する。【解決手段】加熱手段を用いて回転ツールの進行方向前方を予熱する摩擦攪拌接合方法であって、回転ツールは被接合材の表面に当接させるショルダ部を有する本体部と、本体部の底面に設けられ、被接合材に圧入するプローブ部と、を有し、加熱手段によって、プローブ部の極近傍を含む領域１及びプローブ部の後退側である領域２のうちの少なくとも一つの領域を加熱すること、を特徴とする摩擦攪拌接合方法。【選択図】図１
2019155394.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
加熱手段を用いて回転ツールの進行方向前方を予熱する摩擦攪拌接合方法であって、
前記回転ツールは被接合材の表面に当接させるショルダ部を有する本体部と、前記本体部の底面に設けられ、前記被接合材に圧入するプローブ部と、を有し、
前記加熱手段によって、下記の領域１及び領域２のうちの少なくとも一つの領域を加熱すること、
を特徴とする摩擦攪拌接合方法。
記
（１）領域１：前記回転ツールの回転軸を通り接合方向に平行な直線である接合中央線に平行で、かつ、前進側へ前記プローブ部の最大径に０．６ｍｍを加えた距離だけ隔てた直線１と、前記接合中央線に平行で、かつ、後退側へ前記プローブ部の最大径に０．６ｍｍを加えた距離だけ隔てた直線２と、で挟まれる領域
（２）領域２：前記接合中央線と、前記接合中央線に平行で、かつ、後退側へ前記ショルダ部の最大半径と同じ距離だけ隔てた直線３と、の間に含まれる領域
【請求項２】
前記領域１又は前記領域２のいずれか一つの領域のみを加熱すること、
を特徴とする請求項１に記載の摩擦攪拌接合方法。
【請求項３】
前記被接合材が鉄系金属であること、
を特徴とする請求項１又は２に記載の摩擦攪拌接合方法。
【請求項４】
前記加熱を伴う摩擦攪拌接合の温度をＴ１（℃）、前記加熱を施すことなく摩擦攪拌接合のみを施した場合の接合温度をＴ２（℃）、とした場合、
２００≧Ｔ１−Ｔ２≧１００となるように、加熱条件及び摩擦攪拌接合条件を設定すること、
を特徴とする請求項１〜３のうちのいずれかに記載の摩擦攪拌接合方法。
【請求項５】
前記ショルダ部及び前記プローブ部の少なくとも表面がセラミックスであること、
を特徴とする請求項１〜４のうちのいずれかに記載の摩擦攪拌接合方法。
【請求項６】
前記加熱手段として、レーザ照射、マイクロアーク、高周波加熱及び抵抗加熱のうちの少なくとも一つを用いること、
を特徴とする請求項１〜５のうちのいずれかに記載の摩擦攪拌接合方法。
【請求項７】
加熱手段を用いて回転ツールの進行方向前方を予熱する摩擦攪拌接合装置であって、
前記加熱手段として、レーザ照射機構、マイクロアーク加熱機構、高周波加熱機構及び抵抗加熱機構のうちの少なくとも一つを備え、
前記回転ツールは、被接合材の表面に当接させるショルダ部を有する本体部と、前記本体部の底面に設けられ、前記被接合材に圧入するプローブ部と、を有し、
前記加熱手段によって、下記の領域１及び領域２のうちの少なくとも一つの領域を加熱すること、
を特徴とする摩擦攪拌接合装置。
記
（１）領域１：前記回転ツールの回転軸を通り接合方向に平行な直線である接合中央線に平行で、かつ、前進側へ前記プローブ部の最大径に０．６ｍｍを加えた距離だけ隔てた直線１と、前記接合中央線に平行で、かつ、後退側へ前記プローブ部の最大径に０．６ｍｍを加えた距離だけ隔てた直線２と、で挟まれる領域
（２）領域２：前記接合中央線と、前記接合中央線に平行で、かつ、後退側へ前記ショルダ部の最大半径と同じ距離だけ隔てた直線３と、の間に含まれる領域
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は摩擦攪拌接合方法及び摩擦攪拌接合装置に関し、より具体的には、適切接合条件の拡大を可能とする摩擦攪拌接合方法及び摩擦攪拌接合装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
摩擦攪拌接合は回転するツールを被接合領域に圧入し、摩擦熱によって軟化した被接合材を攪拌することで接合を達成する技術である。ここで、摩擦攪拌接合用のツールは一般にショルダ部とプローブ部を有し、これらと被接合材との相互作用によって攪拌部が形成される。摩擦攪拌接合は接合中の最高到達温度が被接合材の融点に達せず、接合部における強度低下が従来の溶融溶接と比較して小さいのが特徴で、近年急速に実用化が進んでいる。
【０００３】
しかしながら、摩擦攪拌接合は種々の優れた特性を有する一方で、被接合材よりも高強度なツールを圧入する必要があることに加えて、ツールに大きな応力が印加するため、被接合材によってはツールのコスト及び寿命が大きな問題となる。具体的には、アルミニウムやマグネシウム等の比較的柔らかい金属の薄板を接合する場合は、ツールへの負荷も小さく、ツール寿命や接合条件に関して特に問題にならないが、鋼やチタン等の高融点金属や厚板を接合する場合はツール寿命が短くなることに加えて、適切接合条件が低速側に限定されてしまう。更に、被接合材及び装置に対しても大きな応力が働くため、装置が大型化するという問題がある。
【０００４】
これに対し、特許文献１（特開２００５−２８８４９９号公報）では、加工物より実質的に硬い材質からなる回転ツールを加工物の接合部に挿入し、回転ツールを回転させながら移動することにより、回転ツール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摩擦攪拌による接合方法において、摩擦攪拌による接合施工時又はその前段階での予熱工程時に前記接合部に対しレーザ照射を行って加熱することを特徴とする摩擦攪拌による接合方法、が提案されている。
【０００５】
上記特許文献１に記載の接合方法においては、回転ツールが加工物表面に接して回転するに際して発生する摩擦熱が加工物を塑性流動させて攪拌を可能とするところ、接合部にレーザ照射を行って熱量の不足を補うことにより、高融点材料であっても容易に塑性流動を生じさせることができる、としている。
【０００６】
また、特許文献２（国際公開第２０１５／０４５２９９号）では、構造用鋼の摩擦攪拌接合に際し、接合方向へ移動する回転ツールの前方に設けた加熱手段により、被加工材となる鋼板を加熱する予熱処理プロセスを行い、当該予熱処理プロセスにおける加熱領域の表面温度や面積、位置などを厳密に制御する構成とした摩擦攪拌接合方法、が提案されている。
【０００７】
上記特許文献２に記載の摩擦攪拌接合方法では、構造用鋼の摩擦攪拌接合に際し、従来懸念された被加工材の加熱不足による塑性流動不良を有利に解消して、接合施工性の向上を図ることができ、更にはミクロ組織の変化も制御して、接合部において高い継手強度を得ることができる、としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００５−２８８４９９号公報
【特許文献２】国際公開第２０１５／０４５２９９号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記特許文献１に開示されている接合方法では、ツールにレーザ照射用の空隙部を設ける必要があり、ツールの強度が著しく低下してしまう。加えて、鉄系材料等の高融点金属にはセラミックス製のツールが用いられることが多く、当該ツールを貫通する空隙を設けることは技術的及びコスト的に極めて困難である。
【００１０】
また、上記特許文献２に開示されている摩擦攪拌接合方法では、加熱領域の面積の５０％以上をツールの中心よりもアドバンシングサイド側（前進側）とすることを特徴としている。ここで、鋼材の摩擦攪拌接合においては、塑性流動の始点が前進側であることを理由に加熱領域を前進側としているが、本発明者らが鋭意検討した結果、前進側を加熱しても鋼材等の高融点金属の塑性流動が効率的に円滑化されないことが明らかとなった。
【００１１】
以上のような従来技術における問題点に鑑み、本発明の目的は、最小限の投入エネルギーによる予熱で摩擦攪拌接合中の塑性流動を円滑化することができ、攪拌部中に欠陥が形成されない適切接合条件を拡大することができる摩擦攪拌接合方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明者は上記目的を達成すべく、摩擦攪拌接合による攪拌部の形成メカニズムを明らかにし、当該形成メカニズムに基づいて予熱位置及び予熱方法について鋭意研究を重ねた結果、プローブ部近傍領域及び／又は後退側を局所的に予熱すること等が極めて有効であることを見出し、本発明に到達した。
【００１３】
即ち、本発明は、
加熱手段を用いて回転ツールの進行方向前方を予熱する摩擦攪拌接合方法であって、
前記回転ツールは被接合材の表面に当接させるショルダ部を有する本体部と、前記本体部の底面に設けられ、前記被接合材に圧入するプローブ部と、を有し、
前記加熱手段によって、下記の領域１及び領域２のうちの少なくとも一つの領域を加熱すること、
を特徴とする摩擦攪拌接合方法、を提供する。
記
（１）領域１：前記回転ツールの回転軸を通り接合方向に平行な直線である接合中央線に平行で、かつ、前進側へ前記プローブ部の最大径に０．６ｍｍを加えた距離だけ隔てた直線１と、前記接合中央線に平行で、かつ、後退側へ前記プローブ部の最大径に０．６ｍｍを加えた距離だけ隔てた直線２と、で挟まれる領域
（２）領域２：前記接合中央線と、前記接合中央線に平行で、かつ、後退側へ前記ショルダ部の最大半径と同じ距離だけ隔てた直線３と、の間に含まれる領域
【００１４】
領域１を加熱する場合、直線１と直線２とで挟まれる領域の全域を正確に加熱することが好ましいが、加熱位置の僅かなずれや熱伝導等により、当該領域の外側が昇温されることは許容される。また、領域２を加熱する場合、接合中央線と直線３との間に含まれる領域を加熱すればよく、当該領域の全域を加熱する必要はない。
【００１５】
摩擦攪拌接合に用いられる回転ツールは、一般的に、ショルダ部を有する本体部と当該本体部の底面に設けられたプローブ部を有し、当該ショルダ部とプローブ部は一体に構成される。ここで、摩擦攪拌接合によって攪拌部が形成されるが、ショルダ部とプローブ部が一体に構成された回転ツールを用いた場合、当該回転ツールのどの領域が作用して攪拌部が形成されるのかがブラックボックスとなっていた。
【００１６】
これに対し、本発明者はショルダ部とプローブ部の独立駆動が可能な回転ツール及び摩擦攪拌接合装置を設計し、これらを用いて攪拌部の形成メカニズムを詳細に調査したところ、被接合材の表面近傍ではショルダ部とプローブ部が共に作用して攪拌部が形成されるが、裏面に近づくに従ってショルダ部の影響は殆ど消失し、プローブ側面の作用のみによって攪拌部が形成されることが確認された。また、プローブ側面の作用のみによって形成される攪拌部の最大領域は接合条件やツール形状に依らず、プローブ側面から０．６ｍｍまでの領域となることが明らかとなった。
【００１７】
即ち、プローブの側面から０．６ｍｍまでの領域（領域１）を予熱によって軟化させることで、適切接合条件を効果的に拡大することができる。特に、ショルダ部の面積が小さな回転ツール（ショルダ部を有さないプローブ部のみの回転ツールも含む）を使用する場合や、攪拌部の形成に及ぼすショルダ部の影響が相対的に小さくなる板厚が６ｍｍ以上の厚板を接合する場合等において、適切接合条件の拡大が顕著になる。
【００１８】
ここで、厚板の接合を行う場合、裏面側（回転ツールを挿入する面と逆側）から領域１を予熱することで、攪拌部下部に形成される欠陥を極めて効果的に抑制することができる。また、ショルダ部を被接合材の裏面に当接させつつ、プローブ部を引き上げながら摩擦攪拌接合を行う「反転摩擦攪拌接合」を用いることで、被接合材の表面に十分な空間を設けることができ、回転ツール挿入の逆側からの領域１の加熱を容易に行うことができる。
【００１９】
また、本発明者は回転ツールの前方における種々の領域を局所加熱し、回転ツールに対する負荷や適切接合条件に及ぼす当該局所加熱の影響を調査したところ、回転ツール前方の前進側を加熱した場合、回転ツールに対する負荷（例えば、ツールトルク）は低減されるが、当該負荷の低減によって回転ツールの表面と被接合材の相互作用が小さくなるため、塑性流動が円滑化されず、適切接合条件の拡大が認められなかった。
【００２０】
一方で、回転ツール前方の後退側（領域２）を加熱した場合、回転ツールの表面と被接合材の相互作用を維持しつつ、予熱によって塑性流動が円滑化されるため、適切接合条件が拡大された。なお、摩擦攪拌接合において、「前進側」は回転ツールの回転方向と移動方向が一致する側を意味し、「後退側」は回転ツールの回転方向と移動方向が逆になる側を意味する。
【００２１】
また、本発明の摩擦攪拌接合方法においては、前記領域１又は前記領域２のいずれか一つの領域のみを加熱すること、が好ましい。領域１と領域２を共に加熱することにより、上述の予熱効果を共に発現させることができるが、外部加熱によって投入されるエネルギーが大きくなってしまう。これに対し、領域１又は領域２のいずれか一つの領域のみを加熱することで、最小限の投入エネルギーで適切接合条件を拡大することができる。
【００２２】
また、本発明の摩擦攪拌接合方法においては、前記被接合材が鉄系金属であること、が好ましい。融点及び塑性変形抵抗が比較的高い鉄系金属では、回転ツールの周囲に安定した塑性流動領域を形成させることが困難である。加えて、回転ツールの機械的性質が鉄系金属の摩擦攪拌接合に対して十分でない場合が多く、ツール回転速度、ツール移動速度及びツール荷重等の接合条件のみによる塑性流動の制御には限界がある。これに対し、領域１及び領域２のうちの少なくとも一つの領域を加熱することで、適切接合条件を拡大させることができる。
【００２３】
ここで、被接合材を鉄系金属とし、被接合材の板厚が６ｍｍ未満の場合、領域２のみを加熱することがより好ましい。鉄系金属に摩擦攪拌接合を施す場合、回転ツールの周囲に形成される塑性流動領域は、後退側で狭くなる傾向にある。即ち、当該領域に相当する領域２を加熱して軟化させることで回転ツールの周囲に形成される塑性流動領域の幅が均一となり、良好な攪拌部を形成することができる。
【００２４】
また、本発明の摩擦攪拌接合方法においては、前記加熱を伴う摩擦攪拌接合の温度をＴ１（℃）、前記加熱を施すことなく摩擦攪拌接合のみを施した場合の接合温度をＴ２（℃）、とした場合、２００≧Ｔ１−Ｔ２≧１００となるように、加熱条件及び摩擦攪拌接合条件を設定すること、が好ましい。
【００２５】
予熱を伴う摩擦攪拌接合においては、予熱によって被接合材が昇温されることによる接合温度上昇効果と、被接合材の塑性変形抵抗の低下により摩擦発熱や加工発熱が減少することに起因する接合温度低下効果が存在する。また、摩擦発熱や加工発熱の減少は、予熱位置に大きく影響される。即ち、摩擦攪拌接合温度に及ぼす予熱の影響は単純ではないが、２００≧Ｔ１−Ｔ２となるように加熱条件及び摩擦攪拌接合条件を設定することで、予熱に過剰なエネルギーを投入することがなく適切接合条件を拡大することができ、Ｔ１−Ｔ２≧１００となるように加熱条件及び摩擦攪拌接合条件を設定することで、予熱による適切接合条件の拡大効果を確実に得ることができる。
【００２６】
また、本発明の摩擦攪拌接合方法においては、前記ショルダ部及び前記プローブ部の少なくとも表面がセラミックスであること、が好ましい。ショルダ部及びプローブ部の表面がセラミックスである場合、被接合材と回転ツール表面の親和性は元来小さく、当該親和性に及ぼす被接合材軟化の影響は比較的小さい。よって、予熱に伴う摩擦発熱及び加工発熱の減少を抑制することができ、予熱を伴わない摩擦攪拌接合の状況を維持しつつ、予熱の効果を重畳させることができる。
【００２７】
更に、本発明の摩擦攪拌接合方法においては、前記加熱手段として、レーザ照射、マイクロアーク、高周波加熱及び抵抗加熱のうちの少なくとも一つを用いること、が好ましい。レーザ照射、マイクロアーク、高周波加熱及び抵抗加熱のうちのいずれか又はこれらを組み合わせて使用することで、効率的に予熱を施すことができる。なお、接合態様は本発明の効果を損なわない限りにおいて特に限定されず、突合せ接合でも重ね合せ接合でもよい。
【００２８】
また、本発明は、
加熱手段を用いて回転ツールの進行方向前方を予熱する摩擦攪拌接合装置であって、
前記加熱手段として、レーザ照射機構、マイクロアーク加熱機構、高周波加熱機構及び抵抗加熱機構のうちの少なくとも一つを備え、
前記回転ツールは、被接合材の表面に当接させるショルダ部を有する本体部と、前記本体部の底面に設けられ、前記被接合材に圧入するプローブ部と、を有し、
前記加熱手段によって、下記の領域１及び領域２のうちの少なくとも一つの領域を加熱すること、
を特徴とする摩擦攪拌接合装置、も提供する。
記
（１）領域１：前記回転ツールの回転軸を通り接合方向に平行な直線である接合中央線に平行で、かつ、前進側へ前記プローブ部の最大径に０．６ｍｍを加えた距離だけ隔てた直線１と、前記接合中央線に平行で、かつ、後退側へ前記プローブ部の最大径に０．６ｍｍを加えた距離だけ隔てた直線２と、で挟まれる領域
（２）領域２：前記接合中央線と、前記接合中央線に平行で、かつ、後退側へ前記ショルダ部の最大半径と同じ距離だけ隔てた直線３と、の間に含まれる領域
【００２９】
本発明の摩擦攪拌接合装置は、本発明の摩擦攪拌接合を行うことができる構成を有しており、レーザ照射機構、マイクロアーク加熱機構、高周波加熱機構及び抵抗加熱機構のうちの少なくとも一つの加熱機構によって、領域１と領域２のうちの少なくとも一つの領域を加熱することができる。一つの加熱機構で領域１及び／又は領域２を加熱してもよく、複数の加熱機構で加熱してもよい。また、領域１及び領域２を、それぞれ別の加熱機構で加熱してもよい。
【００３０】
また、領域１を加熱する場合は、加熱幅を広く設定することができる高周波加熱機構や抵抗加熱機構を用いることが好ましく、領域２を加熱する場合は、局所的に加熱することができるレーザ照射機構やマイクロアーク加熱機構を用いることが好ましい。加えて、厚板の接合を目的とする場合は、被接合材の裏面（回転ツールの挿入と逆側）から領域１を加熱する機構を有していることが好ましい。ここで、被接合材の裏面から領域１を加熱する機構を配置する場合、回転ツールを引き上げながら摩擦攪拌接合を行う「反転摩擦攪拌接合」を用いることで、容易に加熱を達成することができる。
【００３１】
なお、回転ツール前方の加熱位置を接合中央線から意図的にずらすことで、回転ツールの進行方向を加熱位置側に誘導することもできる。
【発明の効果】
【００３２】
本発明によれば、最小限の投入エネルギーによる予熱で摩擦攪拌接合中の塑性流動を円滑化することができ、攪拌部中に欠陥が形成されない適切接合条件を拡大することができる摩擦攪拌接合方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明における領域１及び領域２を示す模式図である。
【図２】本発明の摩擦攪拌接合装置の第一の実施形態を示す模式図である。
【図３】本発明の摩擦攪拌接合装置の第二の実施形態を示す模式図である。
【図４】本発明の摩擦攪拌接合装置の第三の実施形態を示す模式図である。
【図５】複動式ツールの模式図である。
【図６】各摩擦攪拌接合条件で得られた攪拌部の断面観察結果である。
【図７】各摩擦攪拌接合条件で得られた攪拌部の幅を示すグラフである。
【図８】レーザ照射位置を示す模式図である。
【図９】超硬合金製回転ツールを用いて得られた攪拌部の断面観察結果である。
【図１０】超硬合金製回転ツールを用い、前進側を予熱した場合のツールトルク変化である。
【図１１】超硬合金製回転ツールを用い、後退側を予熱した場合のツールトルク変化である。
【図１２】窒化ケイ素製回転ツールを用いて得られた攪拌部の断面観察結果である。
【図１３】窒化ケイ素製回転ツールを用いた各摩擦攪拌接合条件におけるツールトルク変化である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
以下、図面を参照しながら本発明の摩擦攪拌接合方法及び摩擦攪拌接合装置の代表的な実施形態について詳細に説明するが、本発明はこれらのみに限定されるものではない。なお、以下の説明では、同一または相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する場合がある。また、図面は、本発明を概念的に説明するためのものであるから、表された各構成要素の寸法やそれらの比は実際のものとは異なる場合もある。
【００３５】
（１）摩擦攪拌接合方法
本発明の摩擦攪拌接合方法は、加熱手段を用いて回転ツールの進行方向前方を予熱する摩擦攪拌接合方法であって、最小限の予熱で適切接合条件を拡大できるように、加熱領域（領域１及び領域２）が厳密に限定されていることを最大の特徴としている。
【００３６】
図１は領域１及び領域２を示す模式図であり、摩擦攪拌接合中の様子を回転ツール２の上方から示したものである。領域１は、回転ツール２の回転軸を通り接合方向に平行な直線である接合中央線Ａに平行で、かつ、前進側へプローブ部４の最大径に０．６ｍｍを加えた距離だけ隔てた直線１と、接合中央線Ａに平行で、かつ、後退側へプローブ部４の最大径に０．６ｍｍを加えた距離だけ隔てた直線２と、で挟まれる領域である。
【００３７】
また、領域２は、接合中央線Ａと、接合中央線Ａに平行で、かつ、後退側へショルダ部６の最大半径と同じ距離だけ隔てた直線３と、の間に含まれる領域である。領域１は直線１から直線２までの幅を有する領域であるが、領域２は接合中央線Ａから直線３までの任意の領域である。ここで、領域２の最大幅は接合中央線Ａから直線３までの幅であり、最小幅は本発明の効果を損なわない限りにおいて特に限定されない。
【００３８】
回転ツール２と加熱位置の距離は、加熱位置が回転ツール２に到達した際に十分な温度を維持するように設定すればよいが、可能な限り短く設定することが好ましい。距離を短く設定することで、予熱のために投入するエネルギーを小さくすることができる。
【００３９】
被接合材８は鉄系金属であることが好ましい。融点及び塑性変形抵抗が比較的高い鉄系金属では、回転ツール２の周囲に安定した塑性流動領域を形成させることが困難である。加えて、回転ツール２の機械的性質が鉄系金属の摩擦攪拌接合に対して十分でない場合が多く、ツール回転速度、ツール移動速度及びツール荷重等の接合条件のみによる塑性流動の制御には限界がある。これに対し、領域１及び領域２のうちの少なくとも一つの領域を加熱することで、被接合材８が鉄系金属の場合であっても適切接合条件を拡大させることができる。
【００４０】
被接合材８の予熱温度は、本発明の効果を損なわない限りにおいて特に限定されず、加熱によって領域１及び／又は領域２の温度を上昇させることができれば、適切接合範囲を拡大することができるが、加熱を伴う摩擦攪拌接合の温度をＴ１（℃）、加熱を施すことなく摩擦攪拌接合のみを施した場合の接合温度をＴ２（℃）、とした場合、２００≧Ｔ１−Ｔ２≧１００となるように、加熱条件及び摩擦攪拌接合条件を設定すること、が好ましい。
【００４１】
２００≧Ｔ１−Ｔ２となるように加熱条件及び摩擦攪拌接合条件を設定することで、予熱に過剰なエネルギーを投入することがなく適切接合条件を拡大することができ、Ｔ１−Ｔ２≧１００となるように加熱条件及び摩擦攪拌接合条件を設定することで、予熱による適切接合条件の拡大効果を確実に得ることができる。
【００４２】
また、回転ツール２の材質及び形状は、本発明の効果を損なわない限りにおいて特に限定されず、従来公知の種々の材質及び形状を有する回転ツールを用いることができるが、ショルダ部６及びプローブ部４の表面はセラミックスであることが好ましい。ショルダ部６及びプローブ部４の表面がセラミックスである場合、被接合材８と回転ツール２表面の親和性は元来小さく、当該親和性に及ぼす被接合材８の軟化の影響は比較的小さい。よって、予熱に伴う摩擦発熱及び加工発熱の減少を抑制することができ、予熱を伴わない摩擦攪拌接合の状況を維持しつつ、予熱の効果を重畳させることができる。
【００４３】
ここで、溶融した被接合材８と回転ツール２表面の濡れ性を測定することで、被接合材８と回転ツール２表面の親和性を簡易に評価することができる。溶融した被接合材８と回転ツール２表面の濡れ性は、金属、超硬合金、セラミックスの順番で低下することから、本発明の摩擦攪拌接合方法においては、金属製ツールよりは超硬合金製ツールを用いることが好ましく、セラミックス製ツールを用いることが最も好ましい。
【００４４】
また、加熱手段としては、レーザ照射、マイクロアーク、高周波加熱及び抵抗加熱のうちの少なくとも一つを用いることが好ましい。レーザ照射、マイクロアーク、高周波加熱及び抵抗加熱のうちのいずれか又はこれらを組み合わせて使用することで、効率的に予熱を施すことができる。
【００４５】
加熱手段として高周波加熱及び抵抗加熱を用いる場合、被接合材８の融点以下に加熱することが好ましいが、加熱手段としてレーザ照射やマイクロアークを用いる場合、被接合材８を局所的に溶融させ、回転ツール２が到達するまでに凝固する条件に設定することが好ましい。溶融及び凝固のプロセスを経ることで、被接合材８を効率的に予熱することができ、表面から裏面までを比較的均一に予熱することができる。
【００４６】
（２）摩擦攪拌接合装置
本発明の摩擦攪拌接合装置は、本発明の摩擦攪拌接合に好適に用いることができる摩擦攪拌接合装置であって、レーザ照射機構、マイクロアーク加熱機構、高周波加熱機構及び抵抗加熱機構のうちの少なくとも一つの加熱機構によって、領域１と領域２のうちの少なくとも一つの領域を加熱することができる構成となっている。一つの加熱機構で領域１及び／又は領域２を加熱してもよく、複数の加熱機構で加熱してもよい。また、領域１及び領域２を、それぞれ別の加熱機構で加熱してもよい。以下、代表的な３つの実施形態について説明する。
【００４７】
図２に、本発明の摩擦攪拌接合装置の第一の実施形態を示す模式図を示す。なお、当該模式図では摩擦攪拌接合装置の全体は省略し、回転ツール２の上方から見た場合の回転ツール２及び加熱機構の位置関係を示している。摩擦攪拌接合装置１０では、領域１を高周波加熱機構１２で、領域２をレーザ照射機構１４で加熱している（高周波加熱機構１２及びレーザ照射機構１４は図示せず）。具体的には、高周波加熱機構１２の高周波コイル１６の幅及び位置を領域１と略同一とし、回転ツール２の前方に配置している。
【００４８】
ここで、高周波加熱機構１２による加熱領域は高周波コイル１６とは必ずしも同一にはならず、電流値が小さな場合は高周波コイル１６よりも狭く、電流値が大きな場合は高周波コイル１６よりも広くなる場合がある。よって、高周波加熱機構１２による加熱領域を放射式温度計等で測定し、加熱幅が領域１と同程度になる条件に調節することが好ましい。
【００４９】
また、加熱領域の判定は温度の閾値によって変化するが、加熱を伴う摩擦攪拌接合の温度をＴ１（℃）、加熱を施すことなく摩擦攪拌接合のみを施した場合の接合温度をＴ２（℃）、とした場合、２００≧Ｔ１−Ｔ２≧１００となるような予熱温度を設定し、加熱領域を判定することが好ましい。
【００５０】
レーザ照射機構１４から発振されたレーザによるレーザ照射領域２４は領域２の範囲内に存在し、被接合材８を予熱できる配置となっている。レーザ出力やフォーカス径等のプロセス条件は、本発明の効果を損なわない限りにおいて特に限定されず、十分な予熱温度が得られるように設定すればよいが、被接合材８を溶融後、回転ツール２が到達するまでに凝固するような条件とすることが好ましい。なお、高周波加熱機構１２及びレーザ照射機構１４は、それぞれ走査機構を有していてもよいが、回転ツール２の駆動機構に固定され、回転ツール２と一定の間隔を維持しつつ移動させてもよい。
【００５１】
適当な加熱機構を有していること以外は、摩擦攪拌接合装置１０には従来公知の種々の摩擦攪拌接合装置を用いることができる。なお、接合態様は本発明の効果を損なわない限りにおいて特に限定されず、突合せ接合でも重ね合せ接合でもよい。
【００５２】
図３に、本発明の摩擦攪拌接合装置の第二の実施形態を示す模式図を示す。なお、当該模式図では摩擦攪拌接合装置の全体は省略し、回転ツール２の上方から見た場合の回転ツール２及び加熱機構の位置関係を示している。当該摩擦攪拌接合装置１０では、領域１を抵抗加熱機構１８で、領域２をレーザ照射機構１４で加熱している（抵抗加熱機構１８及びレーザ照射機構１４は図示せず）。レーザ照射機構１４の構成は図２の場合と同様であるが、領域１の加熱に抵抗加熱機構１８を用いている。
【００５３】
領域１はその範囲が比較的厳密であるところ、抵抗加熱機構１８においては電極２０の配置で正確に加熱範囲を制御することができる。例えば、円盤状の電極２０を被接合材８の表面側及び裏面側に当接させて通電する場合、加熱領域は電極２０の幅と略同一となる。また、被接合材８の表面側又は裏面側に２つの電極２０を配置する場合、電極２０間が加熱される。
【００５４】
図４に、本発明の摩擦攪拌接合装置の第三の実施形態を示す模式図を示す。なお、当該模式図では摩擦攪拌接合装置の全体は省略し、回転ツール２の上方から見た場合の回転ツール２及び加熱機構の位置関係を示している。当該摩擦攪拌接合装置１０では、領域１及び領域２を共にレーザ照射機構１４で加熱している（レーザ照射機構１４は図示せず）。一種類の加熱機構を用いているため、摩擦攪拌接合装置１０の構成を簡略化することができる。
【００５５】
ここで、領域１の加熱領域は領域２と比較して広いため、よりレーザ出力が大きなレーザ照射機構１４を用い、ビーム径（レーザ照射領域２４）を広くしても加熱に必要なエネルギー密度が維持できるようにすることが好ましい。また、領域１内でビームを高速で走査させて加熱してもよい。
【００５６】
以上、本発明の摩擦攪拌接合方法及び摩擦攪拌接合装置の代表的な実施形態について説明したが、本発明はこれらのみに限定されるものではなく、種々の設計変更が可能であり、それら設計変更は全て本発明の技術的範囲に含まれる。
【実施例】
【００５７】
［攪拌部形成メカニズムについて（領域１への予熱効果）］
図５に示すプローブ部とショルダ部とを別駆動できる複動式ツールを用い、ショルダ部を固定した状態でプローブ部のみを回転させ、プローブ部によって形成される攪拌部のサイズ及び形状を詳細に検討した。
【００５８】
被接合材には板厚５ｍｍのＡ１０５０純アルミニウム板を用い、突合せ摩擦攪拌接合を施した。プローブ部及びショルダ部はＳＫＤ６１熱間工具鋼製とし、ショルダ径を１５ｍｍ、プローブ径を６ｍｍ又は８ｍｍ、プローブ長を４．９ｍｍとした。また、プローブ部にはネジ加工有り及びネジ加工無しの２種類を用いた。
【００５９】
摩擦攪拌接合条件は、ツールの移動速度及び前進角を４００ｍｍ／ｍｉｎ及び３°で一定とし、ショルダ部は回転させずプローブ部の回転速度を５００〜１５００ｒｐｍの範囲で変化させた。
【００６０】
プローブ部にネジ加工を施したツールを用いて各摩擦攪拌接合条件で得られた攪拌部の断面を研磨し、陽極酸化膜法により表面処理を施した後に光学顕微鏡で観察した結果を図６に示す。なお、攪拌部の境界は実線で示している。ショルダ部は無回転であるため、ショルダ部表面での摩擦熱やショルダ部による攪拌領域が存在せず、プローブ部による攪拌領域との重畳がないことから板厚方向に均一性の高い攪拌部が得られている。また、プローブ部の回転速度の変化に伴う攪拌部形状の変化は極めて小さく、領域の大きさも変化が見られない。
【００６１】
ネジ加工有無それぞれのプローブ部について回転速度を変化させた際の攪拌部幅（測定位置：板厚中心）を図７に示す。いずれのプローブ部でも攪拌部幅はプローブ部の回転速度に依存せず、またネジ加工の有無による攪拌部幅の変化は認められない。具体的には、プローブ部の直径６ｍｍのツールを用いた場合の攪拌部の幅は略７．２ｍｍとなっており、プローブ部の側面に０．６ｍｍ幅を加えた攪拌部（本発明の摩擦攪拌接合方法における領域１）が形成されている。加えて、プローブ部の直径８ｍｍのツールを用いた場合の攪拌部の幅は略９．２ｍｍとなっており、プローブ部の側面に０．６ｍｍ幅を加えた攪拌部（本発明の摩擦攪拌接合方法における領域１）が形成されている。当該結果より、プローブ部によって形成される攪拌部の大きさ・形状に及ぼすプローブ回転速度やプローブのネジ加工の有無による影響は非常に小さく、プローブ部によって形成される攪拌部の幅は、プローブ直径に１．２ｍｍを加えた幅（領域１）よりも増加しないことが分かる。
【００６２】
次に、継手に生じた欠陥に焦点を当てると、ネジ加工の有無を問わずプローブ回転速度１０００ｒｐｍ以上では健全な継手が得られたのに対し、５００及び７５０ｒｐｍでは熱量不足に起因すると思われるトンネル状欠陥が生じており、特にプローブ回転速度５００ｒｐｍでは攪拌部の中央部を越えて非常に大きな欠陥が形成されている。
【００６３】
また、欠陥形状の変化に着目すると、欠陥はプローブ回転速度の減少に伴い後退側方向に拡大する傾向が確認される。ネジ加工の有無で比較した場合も同様の傾向が認められ、いずれのプローブ部回転速度でもネジ加工の無いプローブ部を用いた場合の方が大きな欠陥が形成した。これはプローブ部回転速度の減少、またはネジ加工の無いプローブを用いた際の後退側から前進側への塑性流動量の減少を示唆している。即ち、攪拌部における欠陥の形成を抑制するためには、領域１における塑性流動性の促進が必要であることが分かる。
【００６４】
以上の結果より、プローブ部によって形成される攪拌部の幅は「プローブ直径＋１．２ｍｍ」であり、当該領域の被接合材を加熱することで塑性流動性を促進すれば、適切接合範囲を拡大できることが分かる。また、それ以外の領域は攪拌部の形成に影響を及ぼさないことから、当該領域への加熱は良好な攪拌部の形成に寄与しない。
【００６５】
［予熱の位置依存性について（領域２への予熱効果）］
薄板に対する摩擦攪拌接合や、鉄系材料等の塑性流動性が乏しい被接合材に対する摩擦攪拌接合では、プローブ部によって形成される攪拌部に加えて、ショルダ部の影響を受ける攪拌部への欠陥の形成も問題となる。そこで、被接合材の任意の領域を局所的に加熱できるレーザ照射機構を用いた予熱効果を検討した。
【００６６】
被接合材には板厚２ｍｍの中炭素鋼（Ｓ５５Ｃ）板を用い、接合速度を３００ｍｍ／ｍｉｎ、回転速度を１５０ｒｐｍ、ツール荷重を３０００ｋｇｆとして摩擦攪拌接合を施した。摩擦攪拌接合には超硬合金製及び窒化ケイ素製の回転ツールを用い、ショルダ径を１５ｍｍ、プローブ径を６ｍｍ（ネジ加工無）、プローブ長を１．９ｍｍとした。なお、当該摩擦攪拌接合条件は、予熱を伴わない場合は攪拌部の前進側に粗大な欠陥が形成される条件である。
【００６７】
また、摩擦攪拌接合の予熱として、ファイバーレーザを用いてツールの前方を局所的に加熱した。図８にレーザ照射位置を示す（レーザ照射位置は図中に〇印を付している）。レーザ照射位置はショルダ部の端から１０ｍｍとし、プローブ部の中心、前進側（１．５ｍｍ，３．０ｍｍ）及び後退側（１．５ｍｍ，３．０ｍｍ：領域２）の５ヵ所とした。なお、レーザ出力は１０００〜２０００Ｗ、レーザ照射角度は４５°とした。これらの条件は、被接合材は一旦溶融した後、回転ツールが侵入するまでには凝固が完了するレーザ照射条件である。
【００６８】
超硬合金製の回転ツールを用い、各レーザ照射位置で得られた攪拌部の断面写真を図９に示す。図９において、欠陥の形成位置には矢印を付している。欠陥の抑制効果には明確な予熱の位置依存性があり、プローブ部の中心を予熱した場合はレーザ出力を増加させても欠陥が完全には抑制されていない。一方で、前進側を予熱した場合は２０００Ｗのレーザ照射で、後退側を予熱した場合は１５００Ｗ以上のレーザ照射で無欠陥継手が得られており、欠陥の抑制には後退側を加熱することが最も効果的であることが分かる。
【００６９】
超硬合金製の回転ツールを用いた摩擦攪拌接合中のツールトルクに関し、前進側１．５ｍｍにレーザ照射した場合及び後退側１．５ｍｍにレーザ照射した場合の変化を図１０及び図１１にそれぞれ示す。前進側にレーザ照射した場合は後退側にレーザ照射した場合よりもツールトルクの低下が顕著であり、ツール表面と被接合材との相互作用によって発生する摩擦熱及び加工発熱は低減すると考えられる。
【００７０】
熱電対を用いて各接合条件における攪拌部の最高到達温度（接合温度）を計測したところ、レーザ照射を伴わない場合は５２０℃であった。一方で、レーザ出力を１５００Ｗとした場合、接合中心照射時に６４６℃、前進側１．５ｍｍ照射時に６０２ ℃、後退側１．５ｍｍ照射時に６８８℃であり、欠陥の形成が抑制された後退側照射においては、レーザ照射によって接合温度が１６８℃上昇している。また、中心照射位においても１２６℃の温度上昇が認められる。これに対し、前進側照射では８２℃の温度上昇しか認められなかった。
【００７１】
窒化ケイ素製の回転ツールを用い、各レーザ照射位置で得られた攪拌部の断面写真を図１２に示す。図１２において、欠陥の形成位置には矢印を付している。欠陥の抑制効果には明確な予熱の位置依存性があり、後退側１．５ｍｍ照射では１５００Ｗ以上のレーザ照射で欠陥が完全に抑制されているが、それ以外（中心照射及び前進側照射）の場合は１５００Ｗのレーザ照射では欠陥を抑制することができない。
【００７２】
窒化ケイ素製ツールを用いて予熱なしの摩擦攪拌接合およびレーザ予熱（レーザ出力１５００Ｗ）を伴う摩擦攪拌接合を行った場合のツール回転トルクの時間変化を図１３に示す。超硬合金製ツールの場合とは異なり、窒化ケイ素製ツールの場合はレーザ非照射時の摩擦攪拌接合中のツール回転トルクが低くなっており、レーザ予熱によって摩擦攪拌接合中のツール回転トルクが殆ど低減していない。当該結果より、窒化ケイ素製ツールを用いた摩擦攪拌接合においては、予熱による摩擦発熱及び加工発熱の低減を抑制できることが分かる。
【符号の説明】
【００７３】
２・・・回転ツール、
４・・・プローブ部、
６・・・ショルダ部、
８・・・被接合材、
１０・・・摩擦攪拌接合装置、
１２・・・高周波加熱機構、
１４・・・レーザ照射機構、
１６・・・高周波コイル、
１８・・・抵抗加熱機構、
２０・・・電極、
２４・・・レーザ照射領域。
【図１】
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【図２】
2019155394.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2019155394.tif 000008
【図７】
2019155394.tif 000009
【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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