(57)【要約】  【課題】  接合ツールの摩耗を特に考慮する必要がなく、また、摩擦攪拌接合を行う際に接合性の向上又は接合後の外観を向上させることが可能な摩擦撹拌接合方法及び摩擦攪拌接合装置を提供する。  【解決手段】  接合ツールを、被接合部材に対して摺動接触して被接合部材を摩擦攪拌する接合補助材と、回転駆動され、かつ、接合補助材と分離可能に連結され、摩擦攪拌接合工程中には接合補助材と連結して接合補助材と共に回転する摩擦攪拌接合ツール本体とから構成し、摩擦攪拌接合工程中に接合補助材と被接合部材の摺動面における接合補助材の加圧力を、接合補助材の変形を利用して発生または調整するようにし、摩擦攪拌接合工程終了後には、接合補助材を摩擦攪拌接合ツール本体から分離する。【選択図】  図１Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被接合部材に対して摺動接触して前記被接合部材を摩擦攪拌する接合補助材と、回転駆動され、かつ、前記接合補助材と分離可能に連結され、摩擦攪拌接合工程中には前記接合補助材と連結して前記接合補助材と共に回転する摩擦攪拌接合ツール本体とを備えた摩擦撹拌接合ツールを用いて前記被接合部材を摩擦撹拌接合する方法であって、
前記摩擦攪拌接合工程中に前記接合補助材と前記被接合部材の摺動面における前記接合補助材の加圧力を、前記接合補助材の変形を利用して発生または調整するようにし、
摩擦攪拌接合工程終了後には、前記接合補助材を摩擦攪拌接合ツール本体から分離することを特徴とする摩擦撹拌接合方法。
【請求項２】
請求項１に記載の摩擦撹拌接合方法において、
前記摩擦撹拌接合ツール本体を回転駆動するのに代えて、前記被接合部材を回転駆動し、
前記被接合部材を回転させて前記被接合部材と前記接合補助材を摺動接触させる場合には、前記摩擦攪拌接合ツール本体を回転しないように保持し、前記摩擦攪拌接合行程中は、前記接合補助材と連結して前記接合補助材の回転を阻止することを特徴とする摩擦撹拌接合方法。
【請求項３】
請求項１または２に記載の摩擦撹拌接合方法において、
前記接合補助材の変形は、前記摩擦攪拌接合ツールを下降させることにより前記摩擦攪拌接合ツールと前記被接合部材との間に相対的変位を生じさせて発生させることを特徴とする摩擦撹拌接合方法。
【請求項４】
請求項１〜３の何れか記載の摩擦攪拌接合方法において、
前記接合補助材を予め前記被接合部材に取り付けてから前記摩擦攪拌接合ツール本体を前記接合補助材と連結して回転させるようにしたことを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
【請求項５】
請求項４の何れかに記載の摩擦攪拌接合方法において、
前記被接合部材は穴が形成され、該穴の内側に前記接合補助材を前記被接合部材により挟み込むように取り付け、
前記接合補助材は、円盤状あるいは穴付き円盤状であり、その中央付近が前記摩擦撹拌接合ツール本体により加圧され、該中央付近が窪む方向に全体がたわみ変形を生じながら前記被接合部材と摺動接触することを特徴とする摩擦撹拌接合方法。
【請求項６】
請求項１〜４の何れかに記載の摩擦攪拌接合方法において、
前記被接合部材は穴が形成され、該穴の内側と前記接合補助材とが摺動接触するようにし、
前記接合補助材は、前記摩擦撹拌接合工程中に前記接合補助材の外周方向への変形が生じる構造的手段を有していることを特徴とする摩擦撹拌接合方法。
【請求項７】
請求項６に記載の摩擦攪拌接合方法において、
前記接合補助材は、すり割りを持つ環状部を有し、前記すり割りが形成された前記環状部の内壁をテーパ面とし、前記摩擦撹拌接合ツール本体を前記環状部に挿入することにより前記接合補助材が外周方向へ変形するように構成されていることを特徴とする摩擦撹拌接合方法。
【請求項８】
請求項６に記載の摩擦攪拌接合方法において、
前記接合補助部材は、前記摩擦撹拌接合ツール本体に加圧され上下につぶれた時に前記接合補助材の略中央部が外周方向に膨らむ形状を有することを特徴とする摩擦撹拌接合方法。
【請求項９】
請求項１〜８の何れかに記載の摩擦攪拌接合方法において、
前記接合補助材の下端が、前記摩擦撹拌接合工程中に回転可能な受圧面に接していることを特徴とする摩擦撹拌接合方法。
【請求項１０】
請求項１〜４の何れかに記載の摩擦攪拌接合方法において、
前記接合補助材は円盤状の接合補助材であり、前記摩擦撹拌接合ツール本体の前記接合補助材に対する加圧部の外径より大きい外径を有することを特徴とする摩擦撹拌接合方法。
【請求項１１】
請求項１〜４の何れかに記載の摩擦攪拌接合方法において、
前記接合補助材は皿型であり、前記摩擦撹拌接合ツール本体による受圧で平坦円盤形に近づく変形を生じながら、前記被接合部材を摩擦撹拌することを特徴とする摩擦撹拌接合方法。
【請求項１２】
請求項１１記載の摩擦攪拌接合方法において、
前記皿形の接合補助材の凸面側が前記摩擦撹拌接合ツール本体側に、かつ、凹面側が前記被接合部材に対向するように配置したことを特徴とする摩擦撹拌接合方法。
【請求項１３】
請求項１１記載の摩擦攪拌接合方法において、
前記皿形の接合補助材の凹面側が前記摩擦撹拌接合ツール本体側に、かつ、凸面側が前記被接合部材に対向するように配置したことを特徴とする摩擦撹拌接合方法。
【請求項１４】
請求項１〜４、６〜１３の何れかに記載の摩擦攪拌接合方法において、
前記接合補助材は、前記摩擦撹拌接合工程終了後に前記被接合部材から脱離させることを特徴とする摩擦撹拌接合方法。
【請求項１５】
請求項１〜１３の何れかに記載の摩擦攪拌接合方法において、
前記接合補助材は、前記摩擦撹拌接合工程終了後は、前記被接合部材と一体化される、あるいは部分的に除去され残部が前記被接合部材と一体化されて残されることを特徴とする摩擦撹拌接合方法。
【請求項１６】
請求項１、４〜１５の何れかに記載の摩擦撹拌接合方法を実施する摩擦撹拌接合装置であって、
前記接合補助材と前記摩擦攪拌接合ツール本体とを備えた摩擦撹拌接合ツールと、前記摩擦撹拌接合ツール本体を回転駆動する手段と、前記摩擦撹拌接合ツール本体の押圧力を調整し前記接合補助材を変形させる押圧手段とを有することを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、摩擦撹拌接合方法及び摩擦攪拌接合装置にかかり、特に、被接合部材に形成された穴の内側から摩擦攪拌接合する場合や、積層した板材をスポット的に摩擦攪拌接合する場合に好適な摩擦撹拌接合方法及び摩擦攪拌接合装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
摩擦攪拌プロセス（FSP：Friction Stir Processing）を利用した接合技術、または、摩擦攪拌接合技術（FSW：Friction Stir Welding）は、先端に突起（ピンまたはプローブ）を有する円筒状の接合ツールを所定の回転数で回転させながら二つの材料間の接合部に押付け、接合ツールの突起と材料との間に発生する摩擦熱により材料を軟化させて、接合ツールの突起を材料中に圧入させ、接合ツールの回転力によって接合ツールの突起周辺の材料を塑性流動させて練り混ぜることで二つの材料間の接合部を一体化させる接合技術である。
【０００３】
FSP接合技術では、接合部は金属の融点に達することなく、金属の軟化温度付近での金属原子の攪拌によって金属接合できる。接合する金属は同種でも異種金属でも接合できる。さらに、FSP接合技術は、金属の軟化温度付近における攪拌接合であるために、接合歪が小さく、凝固冷却の過程が不要である。すなわち、FSP接合技術においては、接合界面は摩擦熱による金属の軟化現象と、接合ツールの回転の動的エネルギーによって接合されることから、金属の融点までの温度上昇〜凝固、冷却の過程（溶融凝固過程）を経ない。このために、接合界面は結晶の粗大化がなく、金属間化合物を生ずることなく、接合界面に微細な金属組織が得られる。そして、FSP接合技術は、接合ツールのみで接合でき、また接合部が溶接等に比べ高温とならないために、熱歪応力が生じないことから、最近では、自動車部品の接合を含めて金属継ぎ手の接合に多く用いられている。
【０００４】
FSP接合技術には、二つの金属板の突合せ面（接合線）に沿って突起を有する接合ツールを回転させながら移動させて接合を行う接合方法や、突起を有する接合ツールを重ね合せた金属板の一方から押し付けてスポット的に接合する方法などがある。
【０００５】
FSP接合技術では、接合ツールと被接合部材との摩擦を前提とするものであるため、接合ツールの先端部（被接合部材と摩擦接触部分）の摩耗は避けられず、摩耗が進行した場合、接合ツールを交換する必要がある。接合ツールは耐摩耗性の材料で製作されているため比較的に高価であり、また、接合ツールの交換は作業性低下の原因となる。
【０００６】
従来、接合ツールの摩耗への対策として、例えば、特許文献１や特許文献２に記載の技術がある。  
特許文献１には、接合ツールを、被接合部材に没入する接合工具と、この接合工具を先端部に着脱自在に装着する工具ホルダとに分けて構成し、接合工具のみを耐摩耗性材料で製作して交換するようにすることで、摩擦攪拌接合に費やすコストを低減することが開示されている。  
特許文献２には、摩擦攪拌加工装置に、摩擦攪拌加工により摩耗等したツールの先端部を砥石により研削するツール再生機構を具備させることにより、摩擦攪拌加工に際して、ツールが摩耗等しても、その摩耗等の前の形状に復元し再生することで、ツール交換頻度を少なくできるようにすることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−２１２６５７号公報
【特許文献２】特開２０１３−２１２５４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１や特許文献２も含め、従来、接合ツール（または加工ツール）が摩耗した場合、接合ツールを交換（一部交換）、または、再生するようにしている。  
本発明者らは、これまでの摩擦攪拌接合技術における接合ツールを見直し、これまでの接合ツールとは異なる新たな概念に基づく接合ツールを想到するに至った。そして、本発明者らは、新たな概念に基づく接合ツールを用いることにより、これまでの接合ツールでは適用が困難な多様な接合部品や多様な接合部位に摩擦攪拌接合を適用できることを見出した。
【０００９】
本発明の目的は、接合ツールの摩耗などを特に考慮することがない新たな概念に基づく接合ツールを用いて多様な接合部品や多様な接合部位の摩擦攪拌接合を行う際に接合性の向上又は接合後の外観を向上させることが可能な摩擦撹拌接合方法及び摩擦攪拌接合装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、接合ツールを、被接合部材に対して摺動接触して被接合部材を摩擦攪拌する接合補助材と、回転駆動され、かつ、接合補助材と分離可能に連結され、摩擦攪拌接合工程中には接合補助材と連結して接合補助材と共に回転する摩擦攪拌接合ツール本体とから構成し、摩擦攪拌接合工程中に接合補助材と被接合部材の摺動面における接合補助材の加圧力を、接合補助材の変形を利用して発生または調整するようにし、摩擦攪拌接合工程終了後には、接合補助材を摩擦攪拌接合ツール本体から分離することを特徴とする。被接合部材を回転させて被接合部材と接合補助材を摺動接触させる場合には、摩擦攪拌接合ツール本体は回転しないように保持され、摩擦攪拌接合の際には、接合補助材と連結して接合補助材の回転を阻止する。接合補助材の変形は、例えば、摩擦攪拌接合ツール本体（接合補助材）を下降させることにより摩擦攪拌接合ツール本体（接合補助材）と被接合部材との間に相対的変位を生じさせて発生させる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、接合ツールの摩耗などを特に考慮することなく摩擦攪拌接合を行うことが可能となる。すなわち、本発明は、言い換えれば、接合補助材を一つの摩擦攪拌接合で使い切りの接合ツール構成部材としたものであるので、接合ツールの摩耗などを特に考慮する必要がない。  
また、接合部品や接合部位に応じて接合補助材を適宜の形態とすることにより多様な接合部品や多様な接合部位に摩擦攪拌接合を適用できる。そして、例えば、被接合部材を穴の内部から摩擦攪拌接合する場合に、接合補助材と被接合部材との摺動面における接合補助材の加圧力を接合補助材の変形を利用して発生または調整するようにしているので、適切な加圧力の下に摩擦攪拌接合を行うことができ、接合性を向上させることができる。また、例えば、積層した板材をスポット的に摩擦攪拌接合する場合に、接合補助材を摩擦撹拌接合ツール本体に比して大きな円盤状とし、この円盤状の接合補助材の変形を利用して、被接合部材と接合補助材との摺動面における加圧力を発生または調整することにより、被接合部材に局所的に加圧力が作用しないので、被接合部材の局所的な変形を抑えて摩擦攪拌接合を行うことができ、接合後の外観を向上させることができる。  
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１Ａ】本発明の実施例１における接合方法の摩擦攪拌完了時点での断面図である。
【図１Ｂ】本発明の実施例１における接合方法の工程説明図である。
【図１Ｃ】本発明の実施例１における接合方法の工程説明図である。
【図１Ｄ】本発明の実施例１における接合方法の工程説明図である。
【図２Ａ】本発明の実施例２における接合方法の工程説明図である。
【図２Ｂ】本発明の実施例２における接合方法の工程説明図である。
【図３Ａ】本発明の実施例３に用いられる接合補助材の一例を示す図である。
【図３Ｂ】本発明の実施例３における接合方法の工程説明図である。
【図３Ｃ】本発明の実施例３における接合方法の工程説明図である。
【図４Ａ】本発明の実施例４における接合方法の工程説明図である。
【図４Ｂ】本発明の実施例４における接合方法の工程説明図である。
【図５Ａ】本発明の実施例５における接合方法の工程説明図である。
【図５Ｂ】本発明の実施例５における接合方法の工程説明図である。
【図６Ａ】本発明の実施例６における接合方法の工程説明図である。
【図６Ｂ】本発明の実施例６における接合方法の工程説明図である。
【図７Ａ】本発明の実施例７における接合方法の工程説明図である。
【図７Ｂ】本発明の実施例７における接合方法の工程説明図である。
【図７Ｃ】本発明の実施例７における接合方法の工程説明図である。
【図７Ｄ】本発明の実施例７における接合方法の工程説明図である。
【図８】本発明の実施例７に用いられる摩擦攪拌接合ツール本体の一例を示す図である。
【図９Ａ】本発明の実施例８における接合方法の工程説明図である。
【図９Ｂ】本発明の実施例８における接合方法の工程説明図である。
【図９Ｃ】本発明の実施例８における接合方法の工程説明図である。
【図９Ｄ】本発明の実施例８における接合方法の工程説明図である。
【図１０Ａ】本発明の実施例９における接合方法の工程説明図である。
【図１０Ｂ】本発明の実施例９における接合方法の工程説明図である。
【図１０Ｃ】本発明の実施例９における接合方法の工程説明図である。
【図１０Ｄ】本発明の実施例９における接合方法の工程説明図である。
【図１１】本発明の各実施例の接合方法に用いられる接合装置の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照しながら本発明の実施例を説明する。
【００１４】
先ず、本発明を想到するに至った経緯について説明する。  
摩擦撹拌接合は、車輌や橋梁などの比較的大きな構造物の接合手段として実用化が進んでいるが、今後は、機器・装置（特に電子部品搭載装置など）の部品など、小型・薄肉の被接合部材の接合や多様な形状の接合にも採用が進むと見られる。  
摩擦攪拌接合ツールは被接合部材に対して直接回転摺動するため摩耗を伴う。さらには、摩擦撹拌接合ツールと被接合部材を直接回転摺動させると、摩擦撹拌接合ツール表面への被接合部材の材料の付着堆積(固着または凝着)が生じる。これらによって、連続して摩擦攪拌接合する時には接合性（接合力など）や接合精度が低下する。このため、連続して接合する場合には、摩擦攪拌接合ツールの交換やメンテナンス作業（接合ツール表面の堆積物除去作業など）を行う必要がある。摩擦攪拌接合ツールの交換やメンテナンス作業は生産性（作業効率）の大幅悪化をもたらす。また、摩擦攪拌接合ツールは比較的に高額なツールであり、また、摩擦攪拌接合ツールは特殊化・高額化する傾向にあり、摩擦攪拌接合ツールの消費は接合作業の高コスト化につながる。
【００１５】
これらの課題は、比較的大きな被接合部材の接合や、被接合部材に対して高強度なツール材質を選択可能な場合には、摩擦攪拌接合ツールの摩耗やツール表面への異物付着の影響は小さく、大きな問題とはならない。
【００１６】
しかし、小型化した被接合部材や多様化した接合部位を摩擦攪拌接合する場合には、重要な課題となる。たとえば、機器・装置の部品などの小型化した被接合部材を多数接合する場合には、多数の部品（被接合部材）に対して均一な摩擦攪拌接合を行う必要があるが、摩擦攪拌接合ツールが摩耗した場合や摩擦攪拌接合ツールへ被接合部材の材料が凝着した場合にはそれが難しくなる。接合毎に摩擦攪拌接合ツールを交換すれば多数の部品に対して均一な摩擦攪拌接合を行えるが、機器・装置の部品などの小型化した被接合材を対象とする場合には、接合作業の高コスト化につながる。また、たとえば、高強度な被接合部材のためツール材質に相対的に十分な強度を持たせることが困難な場合には、摩擦攪拌接合ツールの摩耗などについて接合毎の対応（交換やメンテナンス）を考慮する必要がある。
【００１７】
そこで、本発明者らは、種々検討し、これまでの摩擦攪拌接合ツールとは異なる新たな概念に基づく摩擦攪拌接合ツールを想到するに至った。
【００１８】
摩擦撹拌接合のメリットとして、基本的に摩擦攪拌接合ツール（先端に突起を有する円筒状の接合ツール）とそれを駆動する手段があれば、追加部品、補助材を用いずに、異種金属接合を含む各種金属の接合が可能であることが挙げられる。接合ツールを、被接合部材に没入する接合工具と、この接合工具を先端部に着脱自在に装着する工具ホルダとに分けて構成し、接合工具のみを耐摩耗性材料で製作して交換するようにしたものも提案されているが、基本的には、接合ツールとその駆動手段の他には、追加部品、補助材は不要である。
【００１９】
本発明者らは、追加部品や補助材が不要という摩擦攪拌接合のメリットに反するが、接合補助材を用いて摩擦撹拌接合を行うことを検討した。そして、本発明者らは、接合補助材を、被接合部材に対して回転摺動接触して被接合部材を摩擦攪拌する摩擦攪拌接合ツールの構成部材として、摩擦攪拌接合ツール本体により回転駆動されるようにし、しかも、摩擦攪拌接合後には摩擦攪拌接合ツール本体から分離、即ち、一つの摩擦攪拌接合で使い切りの部材とすることにより、接合ツールの摩耗などを特に考慮することなく摩擦攪拌接合を行うことが可能となることを見出した。
【００２０】
この摩擦攪拌接合においては、接合補助材が被接合部材と回転摺動接触して摩擦熱を発生し、被接合部材同士および被接合部材と接合補助材の両者の材料による摩擦撹拌層を形成して、被接合部材同士が接合される。摩擦攪拌接合ツール本体は被接合部材とは摺動接触しない。言い換えれば、摩擦攪拌接合ツール本体と被接合部材との間に接合補助材を介在させている。摩擦攪拌接合ツール本体は、接合補助材へ回転運動と加圧力を伝達するレンチやドライバーと同じ役割が主体となり、基本的に摩耗を考慮する必要がなく、劣化による交換を考慮する必要がない。この摩擦攪拌接合ツール本体は、回転・圧力伝達工具として、可能な限り標準化・汎用化して構成される。
【００２１】
接合補助材は、被接合部材を摩擦攪拌させることができれば良いので、被接合部材と同じ材質や同程度の硬度を有するものでも良く、高い耐摩耗性を有する必要がない。また、摩擦攪拌接合ツール本体も高い耐摩耗性を有する必要がなく、高価な材質を用いたり加工を施したりする必要がない。したがって、摩擦攪拌接合ツールを低コストで構成できる。
【００２２】
また、接合補助材としては、摩擦攪拌接合ツール本体と接合補助材の嵌合状態を確保することができ、そして、摩擦攪拌接合ツール本体へ固着し難い、あるいは、摩擦攪拌接合ツール本体から容易に脱離させやすいものとすることが望ましい。
【００２３】
多数の部品に対して連続して摩擦攪拌接合を行うとき、接合ツールを、被接合部材に没入する接合工具と、この接合工具を先端部に着脱自在に装着する工具ホルダとに分けて構成し、接合工具のみを耐摩耗性材料で製作して交換することが考えられるが、この場合は、摩擦撹拌接合開始前に接合工具を工具ホルダに確実に装着する必要があり、また、摩擦攪拌接合終了の際に接合工具を工具ホルダにしっかりと装着しながら被接合部材から分離されるものである。すなわち、接合工具を工具ホルダに対して確実に装着及び脱離する必要があり、接合工具の交換作業に時間を要する。一方、本発明の場合、予め、接合補助材を被接合部材に取り付けて置くことや、摩擦攪拌接合終了後には、接合補助材は摩擦攪拌接合ツール本体と分離されるものであるので、摩擦撹拌工程中に摩擦攪拌接合ツール本体と接合補助材の嵌合状態が確保されればよく、接合工具の交換作業と比して、接合補助材の供給作業は容易である。すなわち、多数の部品に対して連続して摩擦攪拌接合を行う場合、単に、摩擦攪拌接合ツール本体を接合補助材に嵌合させるだけで良いので、接合ツールの交換作業に対応する作業を省略することができる。また、本発明では、摩擦攪拌接合ツール本体は、被接合部材と直接摺動接触しないので、従来のような、接合ツールの表面から堆積物の除去を行うメンテナンス作業が不要である。したがって、本発明では、多数の部品に対して連続して摩擦攪拌接合を行う場合の生産性を大幅に改善することが可能となる。
【００２４】
また、本発明において、接合補助材と被接合部材との間でも摩擦攪拌が生じるが、接合補助材を摩擦撹拌接合後も被接合部材に残す場合でも、被接合部材同士間の主たる接合は、被接合部材同士が接合補助材により摩擦攪拌されることにより行われる。接合補助材と被接合部材とが摩擦攪拌することによって被接合部材同士の主たる連結・固定が行われているものではなく、接合補助材と被接合部材との摩擦攪拌は被接合部材同士の摩擦攪拌接合をサポートするものである。
【００２５】
また、多数の部品に対して連続して摩擦攪拌接合を行う場合、本発明では、接合補助材は被接合部材と摩擦攪拌されるものであり、接合補助材は一つの摩擦攪拌接合に使い切りの部材であるので、従来の接合ツールのように、表面への被接合部材の固着を配慮する必要がなく、そして、多数の部品における摩擦攪拌接合の接合性を均一なものとすることができる。
【００２６】
上述のように、本発明の接合ツールは接合補助材を接合ツールの構成部材とした新たな概念のものである。そして、本発明者らは、接合補助材が摩擦撹拌接合ツール本体と分離されるものであること、そして、使い切りの部材であることに着目し、接合補助材を接合部品や接合部位に応じて適宜の形態とすることにより多様な接合部品や多様な接合部位に摩擦攪拌接合を適用できることを見出した。
【００２７】
すなわち、本発明では、摩擦攪拌接合ツール本体が接合補助材に分離可能に連結され、接合補助材に対して回転力と加圧力を与えられるようになっていれば良く、また、接合補助材は被接合部材に予め取り付けて置くこともでき、そして、摩擦攪拌接合後は、摩擦攪拌接合ツール本体から分離され、被接合部材と接合したまま一体化しておくこともできるものであることから、従来対応できなった様々な形態の摩擦攪拌接合を実現することができる。例えば、従来の接合ツールでは接合ツールを配置することが困難な管状部品の穴の内側の摩擦撹拌接合も容易に実現できる。すなわち、接合補助材を管状部品の穴の形状に対応したものとして穴の内側に配置して、摩擦撹拌接合ツール本体を接合補助材に嵌合させて接合補助材を回転駆動することにより、接合補助材と管状部品の内側が摺動接触し管状部品の内側を摩擦撹拌することができる。このように、本発明では、接合補助材の形態、配置、材料などは、被接合部材の小型化・薄肉化、接合部位の多様化などへ対応して適宜決定または選択が可能であり、これにより様々な形態の摩擦攪拌接合を実現できる。特に、小型、小スペースや、薄板、微細構造になるほど、摩擦攪拌接合ツールの大きさや形状、接合時の荷重などの影響が問題となることから、接合補助材の形態などを適宜決定、選択できることは大きな利点である。
【００２８】
しかしながら、本発明者らは、これらの摩擦攪拌接合においては、従来の摩擦攪拌接合では余り問題とならない課題が生じることを見出した。すなわち、被接合部材の小型化、薄肉化、さらには、形状・接合部位の多様化、接合後の形状の制限、スペース・環境の制限などにより、摩擦撹拌層の生成が不十分となり、そして、接合力が不足する、あるいは被接合部材が破断するなどの課題が生じ得ることを見出した。また、本発明者らは、摩擦撹拌接合を行う際に生じ小型化、薄肉化した被接合部材などでは外観の悪化の原因となる摩擦撹拌接合工程時の被接合部材の変形を、接合補助材を有効に活用することにより抑制し接合後の外観を向上させることができることを見出した。
【００２９】
そして、本発明者らは、摩擦撹拌接合工程中の接合補助材の変形あるいは消耗を利用して、被接合部材の受圧方向、受圧分布(局所加圧)などを変化させることにより、接合性や接合後外観を向上することができること見出した。
【００３０】
例えば、被接合部材を穴の内部から摩擦攪拌接合する場合に、被接合部材と接合補助材との摺動面に働く加圧力を確保するために、接合補助材の外径を被接合部材の穴の内径よりも大きくすると、摩擦撹拌接合ツール本体による回転駆動開始時に必要なトルクが大きくなりすぎるために、接合補助材の外径を大きくすることが難しくなり、その結果、十分な加圧力を得ることが難しくなる可能性がある。
【００３１】
そこで、本発明では、接合ツールの加圧力（例えば接合ツールの下降方向の力）を、接合ツールの構成部材である接合補助材を介して、即ち、接合補助材の変形を利用して、異なる力ベクトルに変換して、接合ツールによる被接合部材の受圧方向を変化させて、被接合部材と接合補助材との摺動面に働く加圧力を確保し、接合補助材により被接合部材を摩擦撹拌接合する。このように、接合補助材と被接合部材との摺動面における接合補助材の加圧力を接合補助材の変形を利用して発生または調整するようにしているので、適切な加圧力の下に摩擦攪拌接合を行うことができ、接合性を向上させることができる（さらに詳細は、実施例１〜実施例６参照）。
【００３２】
また、例えば、積層した板材をスポット的に摩擦攪拌接合する場合に、従来の接合ツールでは、被接合部材に局所的に加圧力が作用し、被接合部材の局所的な変形が発生し、摩擦撹拌接合後の外観が悪化する場合がある。
【００３３】
そこで、本発明では、例えば、接合補助材を摩擦撹拌接合ツール本体に比して大きな円盤状とし、接合ツールの加圧力（接合ツールの下降方向の力）を、接合ツールの構成部材である円盤状の接合補助材を介して、即ち、円盤状の接合補助材の変形を利用して、異なる力ベクトルに変換して、接合ツールによる被接合部材の受圧方向、受圧分布を変化させる。このように、円盤状の接合補助材の変形を利用して、被接合部材と接合補助材との摺動面における加圧力を発生または調整することにより、被接合部材に局所的に加圧力が作用しないので、被接合部材の局所的な変形を抑えて摩擦攪拌接合を行うことができ、接合後の外観を向上させることができる（さらに詳細は、実施例７〜実施例９参照）。
【００３４】
なお、上述したように、本発明では、接合補助材を一つの摩擦攪拌接合で使い切りの接合ツール構成部材としたものである。ここで、接合補助材と表現したのは、この摩擦攪拌接合ツールの構成部材が、所謂、使い切りのツールと異なり、上述したように摩擦撹拌工程中に変形することにより、被接合部材の接合性を高める効果を有し、また接合後の外観を整えることにもなり得るものであり、一つの摩擦攪拌接合毎に供給される接合改善部品と捉えることができるからである。
【実施例１】
【００３５】
図１Ａ〜図１Ｄを用いて本実施例（実施例1）を説明する。図１Ａは本実施例の摩擦撹拌完了時点での断面図であり、図１Ｂ〜図１Ｄは本実施例における接合工程における接合部の挙動を説明するための拡大断面図である。なお、図面では分かりやすいように変形を大きく記載しているが、実際には、接合補助材の変形は僅かである。
【００３６】
本実施例は、厚板の積層板（２枚）の被接合部材３を穴の内部から摩擦攪拌接合する場合に適用したものである。なお、本実施例は二つの配管状の被接合部材３を内壁面側から摩擦攪拌接合する場合にも適用できる。
【００３７】
本実施例では、円盤状の接合補助材１を予め二つの被接合部材３の間に形成した空間に嵌合挟持させておき、摩擦撹拌接合ツール本体２により接合補助材を回転させ、接合補助材１と被接合部材３とを回転摺動させるようにしたものである。本実施例では被接合部材３の接合面を接合補助材で摩擦撹拌接合するとともに、接合補助材自体が被接合部材と外周側面、上面、下面の三つの面で摩擦撹拌接合することから、強固な接合を実現できる。このように、接合補助材を用いることにより、従来技術からは想起できない形態の摩擦撹拌接合が可能となるが、このような形態の摩擦撹拌接合の場合、摺動面での加圧力は、二つの被接合部材３の間に形成した空間に接合補助材を嵌合挟持させる際の嵌合度合による。しかし、単に嵌合させるだけでは摺動面で十分な加圧力が得られない可能性がある。また、過度な力で嵌合させた場合には、加圧力が大きくなりすぎて加圧力に抗うための大きな回転力が必要となり、そのような回転力を与えることが実質的に難しくなる可能性がある。特に、接合補助材の三つの面で被接合部材と接することから回転力の課題は重要である。
【００３８】
そこで、本実施例では、摺動面での加圧力不足による接合力不足、あるいは逆に加圧力に抗った回転力を伝達することの困難性に対応するために、接合補助材１を、接合工程中、摩擦撹拌接合ツール本体２の加圧力などにより歪ませながら摩擦撹拌接合するようにしたものである（図１Ａ）。このようにすることで、被接合部材との嵌合部において接合補助材が傾斜するようになることから、それぞれの接触面（側面、上面、下面）において部分的に加圧力が発生する。すなわち、接合ツールの加圧力（接合ツールの下降方向の力）を、接合ツールの構成部材である接合補助材１を介して、即ち、接合補助材１の変形を利用して、異なる力ベクトルに変換して、被接合部材３と接合補助材１との摺動面に働く加圧力を確保している。したがって、接合補助材は被接合部材に対して加圧力を発生させながら回転摺動することになるので、効果的に摩擦撹拌接合を行うことができ、強固な接合を実現できる。
【００３９】
本実施例において、接合補助材１は穴付き円盤状であり、図１Ｂに示すように、円盤状の接合補助材１を予め二つの被接合部材３の間に形成した空間に嵌合挟持させておき、その後、摩擦撹拌接合ツール本体２を降下させて接合補助材の穴と嵌合させる。回転力を確実に伝達させるために接合補助材１内面と摩擦撹拌接合ツール本体２の外面との接触面に凹凸を形成するようにしても良い。なお、接合補助材１は必ずしも穴付きである必要はない。単なる円盤状の部材とし、その中央部に摩擦撹拌接合ツール本体との嵌合部（凹部または凸部）を形成したものでも良い。摩擦撹拌接合ツール本体２を接合補助材１との連結を完了した後に、摩擦撹拌接合ツール本体２を回転させる。これにより、接合補助材１と被接合部材３とは回転摺動する。また、回転初期に大きな力を必要とするので、変形による加圧力は回転させてから発生させた方が良い。摩擦撹拌接合ツール本体２が所定の回転数になってから、図１Ｃに示すように、摩擦撹拌接合ツール本体２をさらに下降させる。これにより、図１Ｃに示すように、接合補助材１は外周よりも内側において下方向の力を受け、中央が窪む方向のたわみが発生する。また、回転摺動により摩擦熱が発生しているので、接合補助材１は変形しやすくなっている。これらにより、接合補助材が変形して、側面について注目すれば、水平方向への加圧力が発生する。これにより、接合補助材１の側面と被接合部材３の内周壁とが部分的に高い加圧力を発生しながら回転摺動する。また、接合補助材１の上下面にも局所的加圧部を発生する。これにより、接合補助材の上下面と被接合部材とが部分的に高い加圧力を発生しながら回転摺動する。これらにより、図１Ｄに示すように、接合補助材１で部分的に高い加圧力を発生させながら被接合部材３の接合面に摩擦撹拌層４が形成され、また、接合補助材自体が外周側面、上面、下面の三つの面で被接合部材との間で部分的に高い加圧力を発生させながら摩擦撹拌層４が形成される。すなわち、加圧力不足を生じることなく摩擦撹拌層４が形成され、強固な接合を実現できる。このようにして形成された接合面は、円盤状の接合補助材の上面、下面、外周面となり、わずかな隙間に局所応力が発生しても破断し難く、また、他の面の接合にも影響しないので接合信頼性が非常に高い。また、本実施例では、接合補助材を変形させて加圧力を調整できるようになっているので、加圧力を得るために過度な力で接合補助材を被接合部材に嵌合させておく必要がなく、実質的に準備することが困難な大きな回転力も必要がない。
【００４０】
なお、本実施例および後述の実施例の摩擦撹拌接合方法を実施する際に用いる摩擦撹拌接合装置の一例を図１１に示す。図１１は摩擦撹拌接合装置の概略構成を説明する図である。  
摩擦撹拌接合装置は、接合ツール（摩擦撹拌接合ツール本体）回転用モータ１０、接合ツール（摩擦撹拌接合ツール本体）押圧用モータ（またはエアシリンダ）２０、接合ツール（摩擦撹拌接合ツール本体）支持用アーム３０、被接合部材を固定する固定治具４０、固定治具をｘ−ｙ方向に移動させるワークテーブル５０、接合ツール（摩擦撹拌接合ツール本体）保持部６０とから概略構成される。なお、これらの装置を駆動制御する制御装置（図示省略）が設けられる。また、図１１においては、接合補助材の図示を省略している。接合補助材は、予め被接合部材３に取り付けたり、摩擦撹拌接合ツール本体２の先端に嵌合させたりしておく。
【００４１】
なお、上述の実施例では、接合補助材を変形させるために、摩擦撹拌接合ツール本体を下降させているが、接合補助材の変形を得るには、被接合部材と接合補助材との回転軸方向の相対的変位があれば良いので、被接合部材３を上昇させるようにしても良い。
【００４２】
また、本実施例では、摩擦攪拌接合ツール本体２および接合補助材１を回転させているが、摩擦攪拌接合ツール本体２および接合補助材１を固定し、被接合部材３を回転させるようにしても良い。被接合部材３と接合補助材１を摺動接触させる場合には、摩擦攪拌接合ツール本体２は回転しないように保持され、摩擦攪拌接合の際には、接合補助材１と連結して接合補助材１の回転を阻止する。
【００４３】
また、本実施例では、被接合部材に形成された穴の内側から摩擦撹拌接合する場合について説明したが、たとえば、被接合部材が管状部材の場合、外側から摩擦撹拌接合する場合にも適用できる。この場合、接合補助材の内径が管状部材の外径以上であり、接合補助材の外周部に摩擦撹拌接合ツール本体の加圧力を加えれば、接合補助材の変形により、接合補助材と被接合部材の摺動面に加圧力を確保することができる。
【実施例２】
【００４４】
図２Ａ〜図２Ｂを用いて実施例２を説明する。本実施例は、実施例１の構成に加えて、図２Ａに示すように、摩擦撹拌接合ツール本体２の被接合部材３挿入部外周に被接合部材の穴の内径よりの若干外径が小さい環状のカッター２Ａを設けたものである。カッター２Ａは、摩擦撹拌接合ツール本体２の下降動作とは独立に下降動作するように構成されている。被接合部材３の摩擦撹拌接合終了後に図２Ｂに示すように、カッター２Ａを加圧降下して、被接合部材３の穴内部に残る接合補助材１の円盤部１Ｇを切断除去する。被接合部材３には接合補助材１の外径部１Ｆが一体化して残る。このように接合補助材１の円盤部１Ｇを切断除去することで、摩擦撹拌接合と同じ工程内において被接合部材３の穴を比較的スムースな円管路に成形することも可能である。
【実施例３】
【００４５】
図３Ａ〜図３Ｃを用いて実施例３を説明する。図３Ａは本実施例で用いられる接合補助材の一例を示す図であり、図３Ｂ〜図３Ｃは実施例３における接合方法の工程説明図である。本実施例も、厚板の積層板（２枚）の被接合部材３を穴の内部から摩擦攪拌接合する場合に適用したものである。なお、本実施例も二つの配管状の被接合部材３を内壁面側から摩擦攪拌接合する場合にも適用できる。
【００４６】
厚板の積層板や配管の接合などで穴の内部から内壁面を摩擦撹拌接合する時には、摩擦撹拌接合ツール本体の回転運動、下降運動では得難い内壁面方向（摩擦撹拌接合ツール本体（接合補助材）の下降と垂直方向）への加圧力印加が望ましい。
【００４７】
本実施例は、接合補助材に摩擦撹拌接合ツール本体の下降圧力に応じて外周方向に変形しようとする形状的手段（構造的手段）を設けることにより、摩擦撹拌接合時に、接合補助材は外周（回転軸に対し垂直）方向への変形が生じ、被接合部材の内壁と接合補助材の外周面に十分な加圧力を発生させることが可能となるようにしたものである。すなわち、本実施例においても、接合ツールの下降方向の力を、接合ツールの構成部材である接合補助材１を介して、異なる力ベクトルに変換して、被接合部材３と接合補助材１との摺動面に働く加圧力を確保している。
【００４８】
図３Ａに示すように、接合補助材１は、長い（高い）すり割り（片側が開放している複数のスリット）１Ｂを設けたすり割り付き円筒形部分１Ａを有し、すり割り付き円筒形部分１Ａの内壁は先端が小径になるテーパ面となっている。すり割り付き円筒形部分１Ａの外壁も内壁と同様に先端が小径になるテーパ面となっており、すり割り付き円筒形部分１Ａはテーパ管（すり割り部肉厚一定、外壁も内壁と同じ角度のテーパ付き）として形成されている。なお、図３Ａ（ａ）は接合補助材の概略断面図であり、図３Ａ（ｂ）は接合補助材を下方から見た図である。また、接合補助材１は、図３Ｂに示すように、すり割り付き円筒形部分１Ａの内壁がテーパ面となっている点は図３Ａと同じであるが、すり割り付き円筒形部分１Ａの外壁が直管（すり割り部肉厚変化）として形成することもできる。
【００４９】
図３Ｂ及び図３Ｃに基づいて本実施例における接合方法を後者の接合補助材（すり割り部肉厚変化）を用いた場合を例として説明する。  
接合補助材１は、図３Ｂに示すように、外形直管・内形テーパ管のすり割り付き円筒形部分１Ａと、その上部に形成された穴あき円盤部１Ｃから構成されている。被接合部材３に予め形成された穴は、穴径が接合補助材１（すり割り付き円筒形部分１Ａ）外径と同じか若干大きい。また、接合補助材１のすり割り付き円筒形部分１Ａは、被接合部材３の穴の中に予め設置され、穴あき円盤部１Ｃの庇（鍔）１Ｈで被接合部材３の上面に支持される。接合補助材１のすり割り付き円筒形部分１Ａの先端が被接合部材３の接合面を若干越える程度の付近となるのが好ましい。
【００５０】
図３Ｂに示すように、摩擦撹拌接合ツール本体２が下降して摩擦撹拌接合ツール本体２の突起２Ｂが接合補助材１の穴あき円盤部１Ｃに形成された溝１Ｋと嵌合する。これにより、摩擦撹拌接合ツール本体２の回転運動が接合補助材１に伝達され、接合補助材１が回転し、接合補助材１（すり割り付き円筒形部分１Ａ）の外周と被接合部材３の内壁とが摺動し摩擦撹拌を始める。接合補助材１の温度上昇も伴い摩擦撹拌接合ツール本体２の加圧力で摩擦撹拌接合ツール本体２は接合補助材１のすり割り付き円筒形部分１Ａのテーパ管内に進行しながら摩擦撹拌が進められる。接合補助材のすり割り付き円筒形部分１Ａは摩擦撹拌接合ツール本体２に押されて外周方向に開く力が加わりながら、被接合部材３の内壁と摩擦撹拌していく（図３Ｃ）。すなわち、接合補助材１の外周方向へ働く加圧力を被接合部材３の内壁が受けながら被接合部材３は摩擦撹拌接合される。
【００５１】
本実施例では、摩擦撹拌接合ツール本体２は下降するが、接合補助材１は穴あき円盤部１Ｈの庇（鍔）で被接合部材３の上面に支持されるため下降しない。これを考慮した摩擦撹拌接合ツール本体２と接合補助材１（穴あき円盤部１Ｃ）の嵌合形状が望まれ、ここでは回転運動を伝達するために、摩擦撹拌接合ツール本体２の外壁に突起２Ｂを、接合補助材の穴あき円盤部１Ｃの内壁に溝１Ｋを設け、さらに、溝１Ｋの深さ（回転軸方向の深さ）を摩擦撹拌接合ツール本体２の突起２Ｂが下降できる深さとしている。
【００５２】
なお、図３Ａに示すような、内外形ともテーパ管のすり割り付き円筒形部分１Ａを有する接合補助材１を用いる場合、被接合部材３の穴の接合部内壁は、接合補助材１のすり割り部付き円筒形部分１Ａの外壁と同様のテーパのある内壁（縮小管）とする。また、摩擦撹拌接合ツール本体２の外形は、接合補助材１のすり割り部付き円筒形部分１Ａの内壁と合わせたテーパ付き外形とする。接合工程では、接合補助材１を被接合部材３の穴のテーパ部に設置し、その後、摩擦撹拌接合ツール本体２を挿入する。接合補助材１には摩擦攪拌接合ツール本体２の回転力、加圧力が伝達可能な嵌合形状（レンチやドライバー形状など）が適宜形成されている。但し、加圧力は接合補助材１の頭部ではなく、すり割り付き円筒形部分１Ａの内壁テーパ部にかかるようにする。摩擦撹拌接合ツール本体２を回転・加圧することで、接合補助材１が回転し被接合部材３と摺動する。摩擦撹拌接合ツール本体２の加圧力は、接合補助材１のすり割り付き円筒形部分１Ａの内壁テーパ面にかかるので、そのテーパ面に沿って摩擦撹拌接合ツール本体２の外周テーパ面が下降する。接合補助材１は被接合部材３の内壁テーパ面により下降できないように固定されているので、摩擦撹拌接合ツール本体２が下降する力は接合補助材１のすり割り付き円筒形部分１Ａを押し広げる力となる。すなわち、接合補助材１の外周方向へ働く加圧力となり、この加圧力は、被接合部材３の内壁と接合補助材１の外周での回転摺動と共に、摩擦撹拌接合のエネルギーとなり、摩擦撹拌接合の接合性を改善させることができる。
【００５３】
なお、実施例１と同様に本実施例においても、接合補助材１を変形させるために、被接合部材３を上昇させるようにしても良いし、接合補助材と被接合部材とを回転摺動接触させるために、摩擦攪拌接合ツール本体２および接合補助材１を固定し、被接合部材３を回転させるようにしても良い。
【実施例４】
【００５４】
図４Ａ〜図４Ｂを用いて実施例４を説明する。図４Ａ〜図４Ｂは実施例４における接合方法の工程説明図である。本実施例も、厚板の積層板（２枚）の被接合部材３を穴の内部から摩擦攪拌接合する場合に適用したものである。なお、本実施例も二つの配管状の被接合部材３を内壁面側から摩擦攪拌接合する場合にも適用できる。
【００５５】
本実施例は、実施例３と同様に、接合補助材に摩擦撹拌接合ツール本体の下降圧力に応じて外周方向に変形しようとする形状的手段（構造的手段）を設けることにより、摩擦撹拌接合時に、接合補助材は外周（回転軸に対し垂直）方向への変形が生じ、被接合部材の内壁と接合補助材の外周面に十分な加圧力を発生させることが可能となるようにしたものである。
【００５６】
本実施例の接合補助部材１は、図４Ａに示すように、基本的に円管形状で構成されており、上端と下端に比べ中間部が外周方向に円弧状に膨らんだ樽型形状となっている。被接合部材３の穴には段差部３Ａが形成されている。段差部３Ａは接合部よりも下方の内壁に形成されている。接合補助材１の下端（下面）は、被接合部材３の段差部３Ａに支持されている。そして、接合補助部材１の中間部が被接合部材の接合部付近に位置するようになっている。摩擦撹拌接合ツール本体２は、接合補助材１に回転運動と接合補助材１の上面への加圧力を伝達可能な形状となっている。摩擦撹拌接合ツール本体２が下降して接合補助材１と嵌合し、摩擦撹拌接合ツール本体２の回転運動が接合補助材１に伝達され、接合補助材１が回転して被接合部材３の内壁と摺動し、被接合部材３の摩擦撹拌が開始される（図４Ａ）。摩擦撹拌接合ツール本体２には下降方向への加圧力が加えられているが、接合補助材１は下面が被接合部材の段差部３Ａに抑えられているので下降できない。接合補助材１の温度上昇も伴い摩擦撹拌接合ツール本体２の加圧力で接合補助材１は圧縮変形する。この変形は、接合補助材１の中間部が外周方向に開く力となり、そして、被接合部材の内壁への加圧力となる。この加圧力と回転摺動により効果的に被接合部材を摩擦撹拌していく（図４Ｂ)。すなわち、接合補助材１の外周方向への加圧力を被接合部材の内壁が受けながら摩擦撹拌接合される。
【００５７】
なお、接合補助材１を図４Ａのように樽型形状としなくても本実施例と同様な作用で内壁面方向への加圧力印加を得ることができる。例えば、接合補助材１を内外形とも基本的に円管（直管）形状とし、高さ方向の中間部が上端と下端に比べ薄肉となるように形成する。例えば、接合補助材の内壁の中間部に段差やテーパを部分的に形成し、薄肉部を形成する。なお、さらに接合補助材の外壁の中間部が若干外周方向に膨らむ形状とすることが好ましい。接合工程では、接合補助材１に摩擦撹拌接合ツール本体２が嵌合し、接合補助材１が回転・加圧される。この時、加圧力は接合補助材１が被接合部材３の穴の段差で押さえられているので、接合補助材１を圧縮する力となる。接合補助材１は、上述のように中間部が薄肉となっており、また、外側に変形しやすい形状となっているので、圧縮されると中間部が外周方向にさらに膨らむ形状となろうとする。すなわち、接合補助材１の外周方向への加圧力となり、この加圧力は、被接合部材３の内壁と接合補助材１の外周での回転摺動と共に、摩擦撹拌接合のエネルギーとなり、摩擦撹拌接合の接合性を改善させることができる。
【００５８】
なお、実施例１と同様に本実施例においても、接合補助材１を変形させるために、被接合部材３を上昇させるようにしても良いし、接合補助材と被接合部材とを回転摺動接触させるために、摩擦攪拌接合ツール本体２および接合補助材１を固定し、被接合部材３を回転させるようにしても良い。
【実施例５】
【００５９】
図５Ａ〜図５Ｂを用いて実施例５を説明する。図５Ａ〜図５Ｂは実施例５における接合方法の工程説明図である。本実施例は、二つの配管状の被接合部材３を内壁面側から摩擦攪拌接合する場合に適用したものである。なお、本実施例も厚板の積層板（２枚）の被接合部材３を穴の内部から摩擦攪拌接合する場合にも適用できる。
【００６０】
実施例４において被接合部材３の穴に形成される段差部３Ａは、その段差部と接合補助材１の下面との接触面積により、接合補助材１の回転阻害と成り得る。すなわち、摩擦撹拌接合ツール本体２の下降方向の加圧力を十分に受けるには面積が大きいほど良いが、その加圧力が働く面（段差）と摺動しながら接合補助材を高速回転させる必要があり、面積拡大は回転力不足を生じる要因になる。
【００６１】
この対策手段として、本実施例では、被接合部材１の穴には段差を形成せず、接合補助材１を、摩擦撹拌接合ツール本体２とは反対側から被接合部材１の穴に挿入された台座６に設置されるようにする。この台座６は、回転可能になっており、また、下降しないように別途支持されている。すなわち、本実施例では、接合補助材１の下端（摩擦撹拌接合ツール本体２による加圧面とは反対側の面）は、接合工程中に回転可能な受圧面に接している。これにより、接合補助材１の回転に合わせて台座６も回転し、回転阻害となることなく、下降方向への加圧力は受け止めて、接合補助材１の変形エネルギー（被接合部材の内壁に働く加圧力）の発生が可能となる。
【００６２】
図５Ａに示すように、本実施例では、接合補助材１はすり割り付きテーパ管で構成されており、被接合部材３の接合面付近もテーパ管となっている。そして、接合補助材１は回転可能で高さ方向の位置が固定された治具である台座６に乗せられている。そして、図５Ｂに示すように、摩擦攪拌接合ツール本体２を下降させることにより、すり割り部付き円筒形部分１Ａにおいて外周方向の加圧力が発生する。この接合補助材に発生する加圧力と接合補助材の回転により摩擦撹拌接合が効果的に行われる。また、本実施例では、接合補助材１の下降抑制を庇部（鍔部）ではなく回転可能な台座で抑制しているので、庇部と被接合部材３の上面との間で摺動がなく、回転阻害とならない。
【００６３】
なお、実施例１と同様に本実施例においても、接合補助材１を変形させるために、被接合部材３を上昇させるようにしても良いし、接合補助材と被接合部材とを回転摺動接触させるために、摩擦攪拌接合ツール本体２および接合補助材１を固定し、被接合部材３を回転させるようにしても良い。この場合、台座６も固定となる。
【実施例６】
【００６４】
図６Ａ〜図６Ｂを用いて実施例６を説明する。図６Ａ〜図６Ｂは実施例６における接合方法の工程説明図である。本実施例も、厚板の積層板（２枚）の被接合部材３を穴の内部から摩擦攪拌接合する場合に適用したものである。なお、本実施例も二つの配管状の被接合部材３を内壁面側から摩擦攪拌接合する場合にも適用できる。
【００６５】
本実施例は、図６Ａに示すように、実施例５と同様に、接合補助材１の下端は、接合工程中に回転可能な台座６（回転可能な受圧面）に接するようにしている。台座６は下降しないように（高さが維持できるように）別途支持されている。本実施例における接合補助材１は、実施例４と同じ樽型形状のものが用いられている。被接合部材３に形成された穴の内壁は、実施例４と異なり、段差が形成されておらず、円管状に形成されている。従って、接合補助材１は、被接合部材１の上面から穴に挿入され、その下端は、高さが固定された回転可能な台座６に載せられる。
【００６６】
図６Ｂに示すように、摩擦撹拌接合ツール本体２を回転させながら下降させると、接合補助材１は下降しないように台座６で支持されているので、実施例４と同様に、接合補助材１の中間部が外周方向に膨らみ、被接合部材３の穴の内壁に対して外周方向加圧力を働かせながら被接合部材３の摩擦撹拌接合を行う。本実施例では、接合補助材１の下降抑制を被接合部材に形成した段差部ではなく回転可能な台座で行うようにしている。従って、接合補助材１に変形を生じさせるために摩擦撹拌接合ツール本体２により接合補助材１に大きな加圧力を加えても、接合補助材１の下端は被接合部材と摺動接触していないので、回転阻害とならない。
【００６７】
なお、実施例１と同様に本実施例においても、接合補助材１を変形させるために、被接合部材３を上昇させるようにしても良いし、接合補助材と被接合部材とを回転摺動接触させるために、摩擦攪拌接合ツール本体２および接合補助材１を固定し、被接合部材３を回転させるようにしても良い。この場合、台座６も固定となる。
【実施例７】
【００６８】
図７Ａ〜図７Ｂに基づき実施例７を説明する。図７Ａおよび図７Ｂは実施例７における接合方法の工程説明図である。本実施例は、積層した板材をスポット的に摩擦攪拌接合する方法に適用したものである。
【００６９】
被接合部材３は積層された板材であり、その上に円盤状の接合補助材１が載置されている（図７Ａ）。円盤状の接合補助材１の外径は、摩擦撹拌接合ツール本体２の外径(接合補助材１に対する加圧部の外径)より大きい。摩擦攪拌接合ツール本体２は回転しながら下降し、接合補助材３と接する。
【００７０】
ここで、摩擦撹拌接合ツール本体２から接合補助材１には、回転・加圧が伝達される嵌合が必要となる。接合補助材１にその嵌合形状を形成することも可能であるが、摩擦撹拌接合ツール本体２の接合補助材１との接触面に、図８（ｂ）に示すような爪２Ｃを設けて回転伝達されるようにすると、接合補助材１は単純な円盤形状とすることができる。なお、図８（ａ）は摩擦撹拌接合ツール本体２の先端部の側面図であり、図８（ｂ）は摩擦撹拌接合ツール本体２の先端部を下方から見た図である。摩擦撹拌接合ツール本体２の先端部にこのような回転伝達手段を形成すれば、摩擦撹拌接合ツール本体２と接合補助材１の接触面積が小さくなるので、摩擦熱の接合補助材１から摩擦撹拌接合ツール本体２、さらには摩擦撹拌接合ツール本体２を介して回転・加圧源となる装置への熱伝導が低減され、摩擦撹拌部の温度上昇が図れ、接合性が改善される。
【００７１】
図７Ａに示すように、接合補助材１は回転運動が与えられながら加圧され、摩擦撹拌が開始される。摩擦撹拌開始当初は接合補助材１が平板形状を維持して被接合部材３とその底面が全面接触して摺動する。このとき、摩擦撹拌接合ツール本体２が円盤状の接合補助材１に与える力ベクトルは、被接合部材３との接触面全体に略均一・同方向である。すなわち、円盤状の接合補助材１の硬度などによるが、円盤状の接合補助材１が被接合部材３に与える力ベクトルは、摩擦撹拌接合ツール本体の接合補助材への接触面の下面のみでなく、その周囲にも及ぶ。しかし、摩擦撹拌接合ツール本体２は接合補助材１の中心部を加圧するため、次第に接合補助材１はたわみ変形を起こし、中心部がくぼみながら被接合部材３に沈み込んでいく(図７Ｂ)。すなわち、摩擦撹拌接合ツール本体２の下面(中心部)から周囲に向けて、徐々に小さくなる力ベクトルに変換し、さらに、時間経過と共に円盤状の接合補助材は変形するので、周辺部の力ベクトルはさらに小さくなる。また、摩擦撹拌接合ツール本体外周の近辺では、力ベクトルの方向も斜めに変わっている。つまり、接合補助材１のたわみ変形に伴い、接合補助材１と被接合部材３の摺動面積、摩擦熱発生状態、加圧力が変化しながら、被接合部材３は軟化、塑性流動を起こして接合される(図７Ｃ）。その後、摩擦撹拌接合ツール本体２を回転したまま引き上げれば、接合補助材１は被接合部材３から離脱して、図７Ｄのように被接合部材３のみの積層板が得られる。また、摩擦撹拌接合ツール本体２の回転を停止した後に引き上げることで、接合補助材１を被接合部材３と一体化したまま残すことも可能である。接合補助材１と被接合部材３の一体化は、接合補助材と被接合部材の材質によっても設定可能であり、接合補助材１の材質、特に剛性（弾性）や厚さなどにより、被接合部材の接合状態を制御することも可能である。
【００７２】
本実施例では、まず広範囲に摩擦熱が発生し、接合補助材１のたわみに応じて次第に中央部が高い分散荷重となる。また、接合補助材１のたわみ変形は、摩擦撹拌接合ツール本体２の形状よりも緩やかな曲面となる被接合部材３との接触面をもたらす。従って、摩擦撹拌部は常にその周囲に摩擦熱による軟化部を伴い、急激な荷重(力のベクトル)変化点も無いので、被接合部材３の局所的な薄肉化や表面浮上り変形を低減した積層スポット摩擦撹拌接合が可能となる。
【００７３】
なお、実施例１と同様に本実施例においても、接合補助材１を変形させるために、被接合部材３を上昇させるようにしても良いし、接合補助材と被接合部材とを回転摺動接触させるために、摩擦攪拌接合ツール本体２および接合補助材１を固定し、被接合部材３を回転させるようにしても良い。
【実施例８】
【００７４】
実施例７のバリエーションのひとつとなる実施例８を図９Ａ〜図９Ｄに基づき説明する。本実施例と実施例７との構成上の差異は、接合補助材１の形状が単純円盤形ではなく皿形（略円錐台形あるいは半球形）としたことである。図９Ａに示すように、この皿形の接合補助材１を伏せる方向で（中央部１Ｄに被接合部材平面との隙間を持つように）載置する。摩擦攪拌接合ツール本体２は回転しながら下降し接合補助材３と接することで、接合補助材１に回転運動が与えられながら被接合部材３を加圧する。摩擦撹拌開始当初は接合補助材１が皿形形状を維持して被接合部材３と接合補助材１の外周部１Ｅの底面が接触して摺動する。しかし、摩擦撹拌接合ツール本体２は接合補助材１の中央部１Ｄを加圧するため、次第に接合補助材１の中心部１Ｄがくぼみ、被接合部材３に接触・摺動する(図９Ｃ)。接合補助材１の全体のたわみ変形も伴い、図９Ｃのように中央部１Ｄに大きな荷重を受けて被接合部材３は軟化・塑性流動して接合する。つまり、まず外周部１Ｅから摩擦撹拌を開始し、最終的には中央部１Ｄが摩擦撹拌されて、被接合部材３は軟化、塑性流動を起こして接合される。
【００７５】
本実施例では、実施例７よりさらに被接合部材３の局所的な薄肉化や表面浮上り変形を低減した積層スポット摩擦撹拌接合が可能となる。
【００７６】
なお、実施例１と同様に本実施例においても、接合補助材１を変形させるために、被接合部材３を上昇させるようにしても良いし、接合補助材と被接合部材とを回転摺動接触させるために、摩擦攪拌接合ツール本体２および接合補助材１を固定し、被接合部材３を回転させるようにしても良い。また、実施例７と同様に本実施例においても、接合補助材１を被接合部材３から脱離させるか、一体化させるかの選択が可能である。
【実施例９】
【００７７】
実施例７のもうひとつのバリエーションとなる実施例９を図１０Ａ〜図１０Ｄに基づき説明する。本実施例と実施例７および８との構成上の差異は、図１０Ａに示すように、接合補助材１を開いた方向で（中央部１Ｄが被接合部材３の平面と接触し、外周部１Ｅは隙間を持つように）載置することと、接合補助材１の外径が摩擦撹拌接合ツール本体２の外径と略同じであること、そして、摩擦撹拌接合ツール本体２とは接合補助材１の外周部１Ｅが接触・受圧することである。
【００７８】
摩擦攪拌接合ツール本体２は回転しながら下降し接合補助材３と接することで、接合補助材１に回転運動が与えられながら被接合部材３を加圧する。図１０Ｂに示すように、摩擦撹拌開始当初は接合補助材１が皿形形状を維持して被接合部材３とその中央部１Ｄの底面が接触して摺動し、その中央部１Ｄが被接合部材３に食い込みながら摩擦撹拌していく。しかし、摩擦撹拌接合ツール本体２は接合補助材１の外周部１Ｅを加圧するため、図１０Ｃに示すように、次第に接合補助材１の外周部１Ｅがつぶれ、被接合部材３に接触・摺動する。そして、図１０Ｄのように接合補助材１の外周部１Ｅに大きな荷重を受けて被接合部材は軟化・塑性流動して接合する。摩擦撹拌接合ツール本体２は、接合補助材１の外周部１Ｅと接し中央部１Ｄは逃げているので、外周部１Ｅに高い荷重がかかり、被接合部材３の摩擦撹拌部は中央部１Ｄに対応する箇所にも塑性流動する。つまり、まず中央部１Ｄに接する箇所から摩擦撹拌を開始し、最終的には外周部１Ｅに接する箇所が摩擦撹拌されて、被接合部材３は軟化、塑性流動を起こして接合される。従って、比較的平坦な接合面を得ることが可能となる。
【００７９】
なお、実施例１と同様に本実施例においても、接合補助材１を変形させるために、被接合部材３を上昇させるようにしても良いし、接合補助材と被接合部材とを回転摺動接触させるために、摩擦攪拌接合ツール本体２および接合補助材１を固定し、被接合部材３を回転させるようにしても良い。また、実施例７と同様に本実施例においても、接合補助材１を被接合部材３から脱離させるか、一体化させるかの選択が可能である。
【００８０】
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加，削除，置換をすることが可能である。
【符号の説明】
【００８１】
１・・・接合補助材、１Ａ・・・すり割り部付き円筒形部分、１Ｂ・・・すり割り、１Ｃ・・・穴あき円盤部、１Ｄ・・・中央部、１Ｅ・・・外周部、１Ｆ・・・被接合部材に残る接合補助材の外径部、１Ｇ・・・切断される接合補助材の円盤部、１Ｈ・・・庇（鍔）、１Ｋ・・・溝、２・・・摩擦撹拌接合ツール本体、２Ａ・・・カッター、２Ｂ・・・突起、２Ｃ・・・爪、３・・・被接合部材、３Ａ・・・段差部、４・・・摩擦攪拌層、６・・・回転台座、１０・・・接合ツール回転用モータ、２０・・・接合ツール押圧用モータ（またはエアシリンダ）、３０・・・接合ツール支持用アーム、４０・・・固定治具、５０・・・ワークテーブル、６０・・・接合ツール保持部。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図１Ｄ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図９Ｄ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１０Ｄ】
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【図１１】
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