(57)【要約】  【課題】  接合ツールの摩耗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な摩擦攪拌接合ツール及びそれを用いた摩擦撹拌接合方法を提供する。  【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第１部材と、第１部材と分離可能に連結され、摩擦攪拌接合の際には第１部材と一体に連結されて回転駆動し、摩擦攪拌接合終了後には第１部材と分離される第２部材とから構成する。第１部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、しかも、摩擦攪拌接合終了後、被接合部材と一体化させるようにする。また、摩擦攪拌接合において、第１部材に接合ツール以外の機能を持たせることにより、摩擦攪拌接合の応用範囲を拡大させる。【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第１部材と、回転駆動され、かつ、前記第１部材に対して分離可能に連結し、摩擦攪拌接合の際には前記第１部材と連結して前記第１部材と共に回転する第２部材とを備え、
前記第１部材は摩擦攪拌接合終了後には前記第２部材と分離され、前記被接合部材と一体となるようにしたことを特徴とする摩擦攪拌接合ツール。
【請求項２】
被接合部材を回転させて摩擦攪拌接合ツールと摺動接触させる摩擦攪拌接合に用いられる摩擦攪拌接合ツールであって、前記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第１部材と、前記第１部材に対して分離可能に連結し、摩擦攪拌接合の際には前記第１部材と連結して前記第１部材の回転を阻止する第２部材とを備え、
前記第１部材は摩擦攪拌接合終了後には前記第２部材と分離され、前記被接合部材と一体となるようにしたことを特徴とする摩擦攪拌接合ツール。
【請求項３】
請求項１または２に記載の摩擦攪拌接合ツールにおいて、
前記接合補助材は、接合以外の機能を実現する構成を備えていることを特徴とする摩擦攪拌接合ツール。
【請求項４】
請求項１〜３の何れかに記載の摩擦攪拌接合ツールにおいて、
前記摩擦攪拌ツール本体と前記接合補助材は、熱伝導率の小さな材料を介在させて連結されている、または、それらの接触面が熱伝導を抑える形状に形成されていることを特徴とする摩擦撹拌接合ツール。
【請求項５】
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、前記接合補助材に対して分離可能に連結し、摩擦攪拌接合の際には前記第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攪拌接合ツールを用いて前記被接合部材を摩擦攪拌接合する方法であって、
前記被接合部材の接合部に前記接合補助材を摺動接触させて前記被接合部材同士の摩擦攪拌層を形成すると共に前記接合補助材と前記被接合部材の摩擦攪拌層を形成しながら前記被接合部材の摩擦攪拌接合を行い、
摩擦攪拌接合終了後、前記接合補助材と前記摩擦攪拌接合ツール本体を分離し、前記接合補助材を前記被接合部材に一体化して残すようにしたことを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
【請求項６】
請求項５に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７】
請求項５または６に記載の摩擦攪拌接合方法において、
前記接合補助材には、前記被接合部材と摩擦攪拌層を形成する部分とは別の部分に摩擦攪拌接合以外の機能を実現する形状を予め具備させておくようにしたことを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
【請求項８】
請求項７に記載の摩擦攪拌接合方法において、
前記接合補助材に具備させる前記摩擦攪拌接合以外の機能を実現する形状は、前記接合補助材の内部又は前記接合補助材と前記被接合部材と間に、摩擦攪拌接合工程で発生する余剰の撹拌生成物や切削屑などを収容するスペースを構成するものであることを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
【請求項９】
請求項７に記載の摩擦攪拌接合方法において、
前記接合補助材に具備させる前記摩擦攪拌接合以外の機能を実現する形状は、摩擦攪拌接合行程中に、前記被接合部材に生じる変形に応じて、その変形部を補填あるいは矯正するものであることを特徴とする摩擦撹拌接合方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の摩擦攪拌接合方法において、
前記被接合部材の変形部を補填あるいは矯正する形状を具備する前記接合補助材は、前記被接合部材の接合最上層面から前記被接合部材を摩擦撹拌して前記被接合部材の内部へ下降していく円筒部と、前記円筒部より大径で前記被接合部材の前記接合最上層面と接する顎部と、前記円筒部の外周壁と前記顎部の下面を繋ぐ円弧部あるいはテーパ部とからなること特徴とする摩擦撹拌接合方法。
【請求項１１】
請求項５〜１０の何れかに記載の摩擦攪拌接合方法において、
前記摩擦攪拌接合ツール本体により前記接合補助材に加わる加圧力とは独立して、前記接合補助材と前記被接合部材と間に働く前記摩擦攪拌接合ツール本体の回転軸方向の加圧力を前記被接合部材の外部からその大きさを調整して加えるようにしたこと特徴とする摩擦撹拌接合方法。
【請求項１２】
請求項６に記載の摩擦攪拌接合方法において、
前記接合補助材の上に前記被接合部材を設置し、前記被接合部材の上面方向から前記摩擦攪拌接合ツール本体を導入して前記接合補助材に回転運動を伝達するとともに前記被接合部材に加圧力を伝達することにより、前記被接合部材の下面方向から前記接合補助材により摩擦撹拌して前記被接合部材の摩擦攪拌接合を行うことを特徴とする摩擦撹拌接合方法。
【請求項１３】
請求項５〜１２の何れかに記載の摩擦攪拌接合方法において、
前記摩擦攪拌ツール本体と前記接合補助材とを、熱伝導率の小さな材料を介在させて連結するか、または、熱伝導を抑える接触面形状として、前記被接合部材の摩擦攪拌接合を行うことを特徴とする摩擦撹拌接合方法。
【請求項１４】
請求項５〜１３の何れかに記載の摩擦攪拌接合方法において、
前記接合補助材の最大外周形状を、前記摩擦攪拌接合ツール本体の前記接合補助材との勘合部付近の最大外周形状よりも大きくして前記被接合部材の摩擦攪拌接合を行うことを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
【請求項１５】
請求項５〜１４の何れかに記載の摩擦攪拌接合方法において、
前記被接合部材同士は異種材料で構成されており、前記接合補助材は、線膨張係数が前記異種材料の線膨張係数の中間にある材料で構成されていることを特徴とする摩擦撹拌接合方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、摩擦攪拌接合ツール及びそれを用いた摩擦撹拌接合方法に関する。
【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。
【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なく摩擦攪拌接合を行うことが可能な摩擦攪拌接合ツール及びそれを用いた摩擦撹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】
【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第１部材と、回転駆動され、かつ、第１部材と分離可能に連結され、摩擦攪拌接合の際には第１部材と連結して第１部材と共に回転する第２部材とから構成し、第１部材は摩擦攪拌接合終了後には第２部材から分離され、被接合部材と一体となるようにしたことを特徴とする。被接合部材を回転させて被接合部材と第１部材を摺動接触させる場合には、第２部材は回転しないように保持され、摩擦攪拌接合の際には、第１部材と連結して第１部材の回転を阻止する。
【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、第１部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、しかも、被接合部材と一体化させるように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、摩擦攪拌接合において、本発明の第１部材は接合補助材と捉えることができ、しかも、被接合部材と一体化させるようにしたものであるので、この第１部材（接合補助材）に接合ツール以外の機能を持たせることにより、摩擦攪拌接合の応用範囲を拡大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工程説明図である。
【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１Ｅ】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１Ｆ】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２】本発明の実施例１における接合方法の接合途中(図１Ｄ)の摩擦撹拌状態を示す接合部断面図である。
【図３Ａ】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３Ｂ】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４Ａ】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４Ｂ】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５】接合補助材に接合以外の機能を持たせた接合合法を説明する図である。
【図６】接合補助材に接合以外の機能を持たせた接合合法を説明する図である。
【図７】接合補助材に接合以外の機能を持たせた接合合法を説明する図である。
【図８】接合補助材に接合以外の機能を持たせた接合合法を説明する図である。
【図９】接合補助材に接合以外の機能を持たせた接合合法を説明する図である。
【図１０】接合補助材に接合以外の機能を持たせた接合合法を説明する図である。
【図１１】接合補助材に接合以外の機能を持たせた接合合法を説明する図である。
【図１２Ａ】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１２Ｂ】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１２Ｃ】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１３Ａ】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１３Ｂ】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１４Ａ】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１４Ｂ】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１５Ａ】本発明の実施例８における接合方法が適用されない場合の状態を説明する図である。
【図１５Ｂ】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１５Ｃ】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１６Ａ】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１６Ｂ】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１７Ａ】本発明の実施例１０における接合方法の工程説明図である。
【図１７Ｂ】本発明の実施例１０における接合方法の工程説明図である。
【図１８Ａ】本発明の実施例１１における接合方法の工程説明図である。
【図１８Ｂ】本発明の実施例１１における接合方法の工程説明図である。
【図１９】本発明の実施例１２における接合ツールの断面図である。
【図２０】本発明の実施例１３における接合方法を説明するため接合部断面図である。
【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、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して、被接合部材と一体化させ、被接合部材側に残置させることで、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】
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】
また、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。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の一部が、所謂、使い切りのツールと異なり、摩擦攪拌接合終了後には被接合部材と一体化するものであり、一つの摩擦攪拌接合毎に供給される部品と捉えることができるからである。
【００２４】
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、接合補助材を摩擦攪拌接合終了後は、被接合部材と一体化する部品として用いるものであると言えるので、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場合と比較して、作業が容易である。すなわち、後者の場合、摩擦攪拌接合終了後には、接合工具は工具ホルダに保持されて被接合部材から分離されるものであるので、接合工具を工具ホルダに確実に装着する必要があり、接合工具の交換作業に時間を要する。一方、本発明の場合、摩擦攪拌接合終了後には、接合補助材は、被接合部材と一体化し、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。そして、予め、接合補助材を被接合部材に取り付けて置くようにしておけば、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、摩擦攪拌接合終了後には、接合補助材は、被接合部材と一体化するものであり、また、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。
【００２５】
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、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。
【００２６】
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。
【００２７】
そして、本発明者らは、摩擦攪拌接合ツールの構成部材（接合補助材）が、被接合部材と一体化することに着目し、接合補助材に、接合そのものではない機能を持たせることにより、摩擦攪拌接合の応用範囲を拡大させることができる、または、摩擦攪拌接合における様々な課題に対応できることを見出した。特に、被接合部材の小型化・薄肉化、接合部位の多様化などに伴う様々な課題に対応することができることを見出した。これらの詳細については、後述の各実施例（実施例４〜実施例１８）の説明とともに説明する。
【実施例１】
【００２８】
図１Ａ〜図１Ｆ及び図２に基づき実施例１を説明する。図１Ａ〜図１Ｆは、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２は接合途中(図１Ｄ)の摩擦撹拌状態を示す接合部断面図である。本実施例は、摩擦攪拌接合として最も一般的な板材の突合せ接合に適用したものである。
【００２９】
本実施例では、摩擦攪拌接合ツールを、被接合部材３に対して摺動接触して被接合部材３を摩擦攪拌する接合補助材（第１部材）１と、回転駆動手段（図示省略）によって回転駆動され、かつ、接合補助材１と分離可能に連結され、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と共に回転する摩擦攪拌接合ツール本体（第２部材）２とから構成し、接合補助材１は摩擦攪拌接合終了後には摩擦攪拌接合ツール本体２から分離され、被接合部材３と一体となるようにしている。
【００３０】
摩擦攪拌接合ツール本体２には接合補助材１が装着され、また、二つの被接合部材３は突き合わされる（図１Ａ）。摩擦攪拌接合ツール本体２は回転と上下動するようになっている。摩擦攪拌接合ツール本体２を回転させながら降下して、接合補助材１を被接合部材３の接触面に押し当てる（図１Ｂ）。接合補助材１と被接合部材３との回転摺動による摩擦熱と、摩擦攪拌接合ツール本体２の降下による加圧力で被接合部材３を摩擦撹拌しながら接合補助材１を被接合部材３の接触面に沈み込ませる（図１Ｃ）。接合補助材１を予め設定した深さまで沈めたら、摩擦攪拌接合ツール本体２の移動方向（接合補助材１の被接合部材３への加圧方向）を被接合部材３の接触面に沿った水平移動に移し、接触面を摩擦撹拌接合していく（図１Ｄ）。この接合過程では、図２に示すように、被接合部材３の材料のみでなく、接合補助材１の材料も摩擦撹拌され（接合補助材１が移動に伴い消耗していく）、摩擦攪拌層４には接合補助材１の材料が含まれる。接合終点に達したら、摩擦攪拌接合ツール本体２の回転を止めて、摩擦攪拌接合ツール本体２を引き上げる（図１Ｅ）。摩擦攪拌接合ツール本体２を引き上げることによって、接合補助材１は、摩擦攪拌接合ツール本体２から分離され、また、被接合部材３に接合されたままとなり、被接合部材３側に残置、すなわち、被接合部材３と一体化される（図１Ｆ）。  
本実施例によれば、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。
【実施例２】
【００３１】
実施例２を図３Ａおよび図３Ｂに基づき説明する。図３Ａおよび図３Ｂは実施例２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。
【００３２】
本実施例においても、実施例１と同様に、摩擦攪拌接合ツールを、接合補助材１と、摩擦攪拌接合ツール本体２とから構成し、接合補助材１は摩擦攪拌接合終了後には摩擦攪拌接合ツール本体２から分離され、被接合部材３と一体となるようにしている。
【００３３】
被接合部材３は積層されており、その上に円盤状の接合補助材１が載置されている（図３Ａ）。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。これにより、接合補助材１は回転運動が与えられながら加圧される。そして、接合補助材１と被接合部材３とが回転摺動し、被接合部材が摩擦撹拌され、積層板のスポット接合が可能となる（図３Ｂ）。摩擦攪拌は、接合補助材１と被接合部材３との間でも生じる。したがって、摩擦攪拌層４には接合補助材１の材料が含まれる。摩擦攪拌接合終了後には、摩擦攪拌接合ツール本体２は引き上げられ、接合補助材３から分離される。接合補助材１は被接合部材３に接合されたままとなる。
【００３４】
本実施例においても、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。  
なお、本実施例では、摩擦攪拌接合ツール本体２を回転させながら降下させ接合補助材と接触させているが、接合補助材と接触してから摩擦攪拌接合ツール本体２を回転させるようにしても良い。また、この場合、接合補助材には、摩擦攪拌接合ツール本体２の回転が伝達されやすいような嵌合形状を設けるようにしても良い。
【００３５】
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。
【実施例３】
【００３６】
実施例３を図４Ａおよび図４Ｂに基づき説明する。図４Ａおよび図４Ｂは実施例３における接合方法の工程説明図である。本実施例は、実施例２と同様に、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。本実施例では、実施例２と異なり、被接合部材３に穴が形成されている。
【００３７】
本実施例においても、実施例１や実施例２と同様に、摩擦攪拌接合ツールを、接合補助材１と、摩擦攪拌接合ツール本体２とから構成し、接合補助材１は摩擦攪拌接合終了後には摩擦攪拌接合ツール本体２から分離され、被接合部材３と一体となるようにしている。
【００３８】
被接合部材３は穴が一致するように積層され、その上に円盤状の接合補助材１が載置されている。実施例２と同様に、摩擦攪拌接合ツール本体２により接合補助材１は回転運動が与えられながら加圧される。接合補助材１と被接合部材３の穴の内壁部分とが回転摺動し、摩擦撹拌されて多層積層板のスポット接合が可能となる。
【００３９】
本実施例では、被接合部材の積層板の下にも別の接合補助材１となる円盤状の部材を用いたものを示している（図４Ａ）。積層板の下の別の接合補助材１は裏当て材として用いられており、摩擦攪拌接合ツール本体２によって回転駆動されていない。  
摩擦攪拌接合ツール本体２の下降深さを適宜設定することによって、数枚の被接合部材３と両面（上下面）の接合補助材１の各材料が混合した摩擦撹拌層４が形成される（図４Ｂ）。被接合部材３が異種材料の場合などは、上下の接合補助材１の材料を変え、被接合部材３との接合性の良い組み合わせを選択することも可能である。  
本実施例でも、実施例２と同様に、接合補助材には、摩擦攪拌接合ツール本体２の回転が伝達されやすいような嵌合形状を設けることもできる。
【実施例４】
【００４０】
上述したように、本発明では、接合補助材に接合そのものではない機能を持たせることにより、摩擦攪拌接合の応用範囲を拡大させることができる。  
被接合部材に別部材を接合する場合がある。このとき、通常は摩擦撹拌接合工程とは別にその部品を接合する。本実施例では、摩擦攪拌接合作業終了後、接合補助材１の摩擦攪拌層（拡散層）に変異する材料以外の残部（露出部）を、その別部材の機能（接合以外の機能）を有する形状または形態としておき、摩擦撹拌接合作業終了後、その接合補助材を被接合部材と摩擦撹拌接合された状態で一体化しておくことで、摩擦撹拌接合工程のみで別部材を被接合部材に設けることができるようにしたものである。本実施例は、接合補助材１が被接合部材３と接合されたまま一体化されることに着目したものである。  
図５〜図１１に本実施例を適用した具体例を示す。これらの図では、接合補助材１から摩擦攪拌接合ツール本体２を分離した摩擦攪拌接合作業終了後の状態を示す。
【００４１】
図５に示す具体例は、接合補助材１の残部にスタッドボルト形成を形成したものである。
【００４２】
図６に示す具体例は、接合補助材１の残部に別部材（図示省略）への固定金具形成を形成したものである。図６において図面上の手前側には別の被接合部材３が設けられているが図示を省略している。この別の被接合部材３が設けられない場合には、図６における手前側の接合補助材は移動させることなく、スポット的に被接合部材３に摩擦攪拌接合させるようにする。
【００４３】
図７に示す具体例は、接合補助材１の残部（内側部分）に配管機能を持たせたものである。言い換えれば、配管形状の部品が接合補助材として用いられる。図７（ａ）は斜視図、図７（ｂ）は断面図を示す。この具体例では、被接合部材３の多層積層板に複数の穴（図７では二つ）を形成し、この穴に配管形状の接合補助材１を配置し、摩擦攪拌接合ツール本体２（図示省略）により配管形状の接合補助材を回転させるようにしたものである。摩擦攪拌接合ツール本体２と接合補助材１との嵌合は、例えば、接合補助材１の内側と摩擦攪拌接合ツール本体２の外側に、摩擦攪拌接合ツール本体２の回転が伝達されやすいような嵌合形状を設けることにより行う。摩擦攪拌接合は、接合補助材１を回転させながら降下させるようにして行うようにしても良い。多層板の摩擦攪拌接合と同時に複数の管路が形成される。
【００４４】
図８に示す具体例は、接合補助材１の残部にベンチュリの機能を持たせたものである。この具体例では、本発明を配管の接合に適用したものである。被接合部材３である二つの配管内のそれぞれに接合補助材１を嵌入し、二つの配管を突き合せる。摩擦攪拌接合ツール本体２（図示省略）を図面上の上または下から挿入し、摩擦攪拌接合ツール本体２を接合補助材１に嵌合させ、摩擦攪拌接合ツール本体２を回転駆動することにより配管形状の接合補助材１を回転させ、接合補助材１の外周と配管接合部内壁を摩擦撹拌して接合する。摩擦攪拌接合では、接合補助材１を上または下に若干移動させながら回転させることにより、配管接合部の摩擦攪拌接合が効果的に行われる。なお、接合補助材１を固定し、被接合部材３を回転駆動するようにしても良い。二つの配管の摩擦攪拌接合と同時に配管の接合部の管路にベンチュリを形成することができる。
【００４５】
図９の具体例は、接合補助材１の残部にナット機能を持たせたものである。言い換えれば、外側がナット形状の接合補助材１を用いて、被接合部材３である二つの配管の外壁側から摩擦攪拌接合を行うようにしたものである。配管の外壁にナット形状の接合補助材１を被せるように配置し、摩擦攪拌接合ツール本体２（図示省略）を接合補助材１に嵌合させ、摩擦攪拌接合ツール本体２を回転駆動することによりナット形状の接合補助材１を回転させ、接合補助材１の内壁と配管接合部外壁を摩擦撹拌して接合する。なお、接合補助材１を固定し、被接合部材３を回転駆動するようにしても良い。
【００４６】
図１０の具体例は、接合補助材１の残部（内側部分）に配管機能を持たせたものである。言い換えれば、ヒートシンクの放熱フィンが固定される配管を接合補助材として用いたものである。複数の板状の被接合部材３を多層配置することによりシートシンクの放熱フィンが構成される。被接合部材３は穴付きの板材であり、穴を一致させて積層される。複数の板状の被接合部材３を放熱フィンとするためには、板材同士の間にスペースが必要なので、図１０では板材の配管が通る穴周囲を厚肉にしている。穴付きの板材の間に配管外形よりわずかに大きい穴付き円盤を挟み、穴が一致するように積層することでも板材同士の間にスペースを形成できる。後者の場合、摩擦攪拌する面積が小さいので、配管を回転駆動する力（特に回転駆動初期の力）を小さくすることができる。前者の場合、配管と板材の接触面積が大きいので熱伝達性能を高めることができる。穴を一致させた板材の積層板に、配管を接合補助材１として貫通させて、接合補助材である配管を摩擦攪拌接合ツール本体２（図示省略）により回転駆動することにより、板材同士および板材と配管が摩擦撹拌接合される。
【００４７】
図１１の具体例は、接合補助材１の残部（上面）にシンボルマール（図１１では矢印）を形成したものである。被接合部材３の接合と同時に接合箇所にいろいろな表示をすることが可能となる。このシンボルマークの深堀部を摩擦攪拌接合ツール本体２からの回転伝達の嵌合に利用することもできる。
【００４８】
なお、図示省略するが、実施例１における接合補助材１の上面をできるだけ平坦にしておけば、摩擦攪拌接合作業終了後、接合補助材１の上面が被接合部材３の表面に残るので、被接合部材３の表面外観の改善（例えば摩擦攪拌層（拡散層）や接合補助材の痕跡を覆い隠す）ことにもなる。さらには、切削屑、バリや異形突起を収容して隠す、またはバリや切削粉のはみ出しを制限するためのカバーともなる。次の実施例５〜６は、これを発展させたものである。
【実施例５】
【００４９】
本実施例および後述の実施例６は、接合補助材１に、摩擦撹拌部を覆い隠す、または、バリや切削屑を収容するスペースまたはポケット部を形成し、バリ等の露出を防止する機能を持たせるようにしたものである。  
最も一般的な摩擦撹拌接合の実用例である比較的大きな構造物の板材張り合わせ接合では、外観や強度の面から接合の始点と終点付近は切断除去され、安定な接合部を有する部分を使用したり、接合表面を切削・研磨により平坦化し、外見を整えたりする使用例が多い。このため、比較的大きな構造物の摩擦攪拌接合では、バリやカエリ、突起物の生成が問題となる場合が少ない。しかし、機器・装置の部品の接合、すなわち、小さな部材やスペースが限られる接合では、不要部分を設けて置き、接合後除去することや、接合後の後加工が許されない場合が多い。このため、小さな部材やスペースが限られる摩擦攪拌接合では、バリやカエリ、突起物の生成が問題となる場合がある。また、小型部品や電子・電気部品などでは切削屑、切削粉の管理が重要となる。
【００５０】
本実施例は、接合補助材が被接合部材と接合されたまま一体化されることに着目し、接合補助材に、摩擦攪拌接合後の接合部外観を整えるための機能または切削屑・切削粉あるいはバリなどの排出・露出防止の機能を持たせるようにしたものである。より具体的には、本実施例は、接合補助材の内部あるいは被接合部材と接合補助材の間に、摩擦攪拌接合工程で発生する余剰の撹拌生成物や切削屑などを収容するためのスペースを形成したものである。
【００５１】
摩擦攪拌接合の最終工程にて、被接合部材との回転摺動で摩擦撹拌されずに残った接合補助材を摩擦攪拌接合ツール本体から離脱し、被接合部材と摩擦撹拌接合された状態で一体化しておくことで、摩擦攪拌接合の終点における摩擦撹拌部（線状接合では摩擦攪拌接合の終点付近における摩擦撹拌部）は、残された接合補助材により覆われた状態になる。従来、摩擦攪拌接合後の形状（線状接合では接合終点）は、摩擦攪拌接合ツールの跡が摩擦撹拌層となった状態で窪み状に残されるが、本実施例では、接合補助材の表面（摩擦攪拌接合ツール本体との嵌合形状）となる。従って、摩擦撹拌層（線状接合では摩擦攪拌接合の終点付近における摩擦撹拌層）は外観上露出しない。接合補助材の露出部（表面）を外観上問題とならない形状にしておくことにより、後加工が実質的に不要となる。すなわち、接合部外観を整えるための後加工（始点と終点付近の切断除去や接合表面の切削・研磨などの加工）を廃止あるいは簡素化しても、機器・装置などに許容される外観を提供することも可能となる。さらに、バリ・カエリや突出部、切削屑・切削粉は、それらの発生する位置に接合補助材で形成されたスペースによって収容することができ、そして、外観は接合補助材の形状となり、バリ・カエリや突出部、切削屑・切削粉を外観上、機能上の問題とはならないように制限（管理）できる。
【００５２】
図１２Ａ〜図１２Ｃを用いて、接合補助材１により摩擦撹拌部を覆い隠し、また、バリ等の露出を防止するようにした実施例５を詳細に説明する。図１２Ａ〜図１２Ｃ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、板状の被接合部材３を多数積層しスポット的に摩擦攪拌接合する場合に適用したものである。
【００５３】
本実施例では、接合補助材１は厚肉円盤１Ａの下面中心に円筒形突起１Ｂを有する。また、接合補助材１の上面には摩擦攪拌接合ツール本体２と嵌合して回転運動が伝達される形状、例えば６角レンチ用の６角窪み１Ｃが形成されている。また、厚肉円盤１Ａおよび円筒形突起１Ｂの外側には、環状の溝（スペース）１Ｄが形成されている（図１２Ａ）。  
このように構成された接合補助材１は、摩擦攪拌接合ツール本体２と嵌合して回転運動しながら被接合部材３の上面に向けて下降して、接合補助材１（円筒形突起１Ｂ）が被接合部材と接する（図１２Ｂ）。そして、接合補助材１（円筒形突起１Ｂ）が被接合部材３と回転摺動しながら下降して摩擦撹拌層４を形成し、積層された板材が摩擦攪拌接合される。この摩擦攪拌接合の際に、被接合部材３の表面からの切削屑の排出や、被接合部材３が加圧されることによる歪変形、接合補助材１の潜降による余剰撹拌物の周囲への移動（被接合部材の体積が実質的に変わらないので接合補助材１が潜降した分、被接合部材の攪拌物が周囲に移動）などにより、接合補助材１の潜降部周囲の被接合部材表面が最も顕著な変形を示しやすく、異常突出物生成や表面隆起５として現れる。本実施例では、接合補助材１に形成した溝（スペース）１Ｄにより、被接合部材表面の異常突出物や表面隆起５が覆い隠されるので(図１２Ｃ)、異常な外観を晒すことを防止することができ、意図しない形状生成やその剥離による周囲への影響を抑えられる。
【実施例６】
【００５４】
図１３Ａ〜図１３Ｂを用いて実施例６を説明する。図１３Ａ〜図１３Ｂ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。
【００５５】
図１３Ａに示すように、本実施例では、被接合部材３の管内壁の接合面付近には段差３Ａが形成されており、被接合部材である２つの配管を重ね合わせた時に内径が２段階（３Ａおよび３Ｂ）に縮小する管路となる。  
接合補助材１は中空の円筒形で、その外径は上方が大きく下方が小さく形成された外径部を有する（外径が２段に構成されている）。そして、接合補助材１の内壁及び上面が摩擦攪拌接合ツール本体２と嵌合して、摩擦攪拌接合ツール本体２の回転運動、加圧力が接合補助材１に伝達される。接合補助材１の上方外径は、被接合部材３の段差３Ａにおける上方の内径（第１段の内径）より小さく、段差３Ａにおける下方の内径（第２段の内径）より大きいため、接合補助材１は被接合部材３の内壁と摺動せずに第１段の内径部に挿入される（図１３Ａ）。そして、摩擦攪拌接合ツール本体２により接合補助材１を回転駆動しながら下降させることによって、第２段の内径部では、被接合部材３の内壁と接合補助材１の外周（上方の外周）が摩擦撹拌されて、被接合部材３が接合される（図１３Ｂ）。
【００５６】
接合補助材１の下方の外径は、被接合部材３の第２段の内径より小さく、段差３Ｂにおける下方の内径（第３段の内径）より大きい。そのため、被接合部材３の第２段の内径部では、その内壁と接合補助材１の下方の外壁との間に隙間が形成される。図１３Ｂに示すように、接合補助材１の上方外径部での摩擦撹拌による余剰の撹拌生成物や切削屑５などは、この被接合部材３の内壁と接合補助材１の外壁との隙間、すなわち、接合補助材によって形成されたスペースに収容される。さらに、接合補助材１の下方外径は被接合部材３の第３段の内径よりも大きく、被接合部材３と接合補助材１は段差部３Ｂで突き当たり、その摺動面も摩擦撹拌接合される。これにより、被接合部材３の内壁と接合補助材１の外壁との隙間（余剰撹拌物収納スペース）は管路から遮断されるので、切削屑などが剥離し管路内に流出することを防止できる。
【００５７】
なお、被接合部材３の第３段の内径と接合補助材１の内径をほぼ等しくしておき、接合補助材１の管内面の上面を、Ｒを有するものとすると、摩擦攪拌接合後の管路は、ノズル上の縮流路とすることができる。なお、図示省略するが、接合補助材１に摩擦攪拌接合ツール本体２の回転運動を伝達するために、接合補助材１の内壁を多角形にしたり、縦溝を形成したりしても良い。
【実施例７】
【００５８】
本実施例および後述の実施例８は、接合補助材が被接合部材と接合されたまま一体化されることに着目し、接合補助材に、被接合部材の変形の抑制や、被接合部材の変形部の補填や矯正する機能を持たせるようにしたものである。  
小型化・薄肉化した被接合部材を摩擦撹拌接合する場合、被接合部材のダレ・たわみや塑性流動変形などが課題となり、特に、小型部品や電子・電気部品などでは、より制限（管理）することが重要となる。
【００５９】
図１４Ａ〜図１４Ｂを用いて実施例７を説明する。図１４Ａ〜図１４Ｂ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、板状の被接合部材３を多数積層しスポット的に摩擦攪拌接合する場合に適用したものである。本実施例では、接合補助材１に撹拌生成物や切削屑などの余剰撹拌物を収容するスペースを形成したものである。
【００６０】
図１４Ａに示すように、接合補助材１の上部には摩擦撹拌接合ツール本体２の先端（６角外形を有する先端）と嵌合する６角窪みが形成されている。また、接合補助材１は断面が凹形状を有しており、その凹部の深さは摩擦撹拌接合ツール本体２の先端が入り込む深度より深くなっている。したがって、凹部の底部と摩擦撹拌接合ツール本体２の先端との間にはスペースが形成される。また、凹部の底部の中心には貫通穴１Ｅが形成されている。この６角窪みによるスペースは、接合補助材１が被接合部材３と摩擦撹拌しながら潜降するに従い生成される余剰撹拌物５の収容スペースとして機能する（図１４Ｂ）。通常、余剰撹拌物５は周囲を加圧しながら移動し、周囲の変形をもたらすが、この収容スペースに貫通穴を介して余剰撹拌物を収容することにより、その影響をそこに移動した体積分軽減することが可能となる。
【実施例８】
【００６１】
図１５Ａ〜図１５Ｃを用いて実施例８を説明する。図１５Ａは、実施例８における接合方法が適用されない場合の状態を説明する図である。図１５Ｂ〜図１５Ｃは実施例８における接合方法の工程説明図である。本実施例は、板状の被接合部材３を多数積層しスポット的に摩擦攪拌接合する場合に適用したものである。また、本実施例は、接合補助材に、被接合部材の接合工程中に生じる変形に応じて、その変形部を補填あるいは矯正する機能を持たせたものである。
【００６２】
積層板接合のスポット的な摩擦撹拌接合において、被接合部材の接合工程中に生じる変形には、図１５Ａに示すように、接合補助材が被接合部材に押し込まれるときの最上層表面からのダレや、接合補助材の下降・移動に伴う被接合部材の材料移動や被接合部材のたわみ変形などによる表面隆起５などがある。ダレが発生すると、局所的に素材が摩擦撹拌接合前以上に薄肉化される。特に、最上層は上層からの撹拌物の移動が無くダレが発生することによる薄肉化が生じやすく破断・剥離と成り得る。
【００６３】
そこで、本実施例では、図１５Ｂに示すように、接合補助材１を、被接合部材３の最上層表面から被接合部材３を摩擦撹拌して被接合部材内部へ下降していく円筒部１Ｆと、摩擦撹拌接合工程の終盤に、表面突起５の発生域となる被接合部材３の最上層表面と接する鍔部（庇部）１Ｇとから構成する。鍔部１Ｇは円筒部１Ｆより大径である。そして、円筒部１Ｆの外周壁と鍔部１Ｇは、被接合部材３の上層に生じるダレの形状を見越して形成した円弧（Ｒ形状）１Ｈあるいはテーパ形状によって繋がれている。
【００６４】
図１５Ｃに示すように、摩擦攪拌接合の終盤の工程で接合補助材１の鍔部１Ｆにより被接合部材３の表面が加圧されて表面が摩擦撹拌されるので、摩擦攪拌接合工程中に発生した表層突起などの異常変形は矯正される。また、被接合部材３の表層部に摩擦撹拌層が形成されるが、表層部は鍔部１Ｇにより覆い隠される。
【００６５】
また、摩擦撹拌接合工程で生じたダレは、摩擦攪拌接合の終盤の工程でそのダレの形状に合わせた接合補助材１（円弧１Ｈ）により材料が補填されて再度摩擦撹拌される。これにより摩擦撹拌層の形成を高め、その部分の形状は接合補助材外径として残されるので、強度が改善され、また、外観が標準化される。
【実施例９】
【００６６】
図１６Ａ〜図１６Ｂを用いて実施例９を説明する。図１６Ａ〜図１６Ｂは実施例９における接合方法の工程説明図である。本実施例は、突き合せた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。
【００６７】
本実施例では、接合補助材１は配管内を流れる流体の整流格子としての機能を有する。本実施例の接合補助材１には、整流格子１Ｉが配管内に位置するように形成されており、また、整流格子１Ｉの上方に摩擦撹拌接合ツール本体との勘合部が形成されている。本実施例では、円盤状の接合補助材１を予め二つの配管状の被接合部材３の間に形成した空間（突合せ部に形成した対抗する段差部により形成された空間）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、摩擦撹拌接合するようにしたものである。この場合、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が、摩擦撹拌接合ツール本体（接合補助材）の回転力の確保が重要となる。また、接合補助材１は整流格子として用いられるものであることから、摩擦攪拌接合によって変形しないようにすることが重要となる。しかしながら、摩擦攪拌接合の際に、摩擦攪拌接合ツール本体２により加えられる加圧力によって接合補助材１が変形してしまう可能性がある。一方で、適切な加圧力を与えないと摩擦攪拌層の生成が不十分になってしまう可能性がある。
【００６８】
そこで、本実施例では、摩擦撹拌接合ツール本体２により接合補助材１にかかる加圧力とは独立して被接合部材３の摩擦撹拌部にかかる加圧力（接合補助材１の回転軸と平行方向の力）を制御して、回転力の確保と接合補助材の変形抑制、そして、適切な加圧力を得るようにしている。
【００６９】
本実施例においては、二つの被接合部材３の間に働く加圧力が調整可能なように構成されている。例えば、下方の被接合部材３の高さ方向の位置を固定し、上方の被接合部材３を圧下装置（図示省略）により下方への押圧するようにしている。
【００７０】
摩擦撹拌接合ツール本体２を接合補助材１に嵌合して回転運動を開始する時には、圧下装置による被接合部材３への加圧力は小さくしておく（図１６Ａ）。摩擦撹拌接合ツール本体２による接合補助材１への加圧力は回転運動を十分伝達可能な程度に維持すれば良く、接合補助材１への加圧力は殆どかからない。これにより接合補助材１は上下の被接合部材３にて圧縮固定されずに回転しやすくなる、すなわち、回転初期の回転力の確保が容易となる。その後、圧下装置による被接合部材３への加圧力を徐々に或は段階的に高めていき、接合補助材１の歪変形防止や、被接合部材の撹拌物移動による変形を広範囲で吸収する（局所変形としない）ことが可能となる。次いで、圧下装置により被接合部材３を設定した強度で加圧することにより、被接合部材３の高さ方向の寸法などの接合後形状を制御可能としながら、さらなる組成流動を起こし確実な摩擦撹拌接合を可能とする（図１６Ｂ）。また、接合補助材１には摩擦攪拌接合ツール本体２からの加圧力を殆どかける必要がないので、接合補助材１に整流格子などの微細な構造を形成しても、これらの微細な構造に変形を起こすことなく摩擦攪拌接合を実現できる。
【実施例１０】
【００７１】
図１７Ａ〜図１７Ｂを用いて実施例１０を説明する。図１７Ａ〜図１７Ｂは実施例１０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を摩擦攪拌接合する場合に適用したものである。
【００７２】
本実施例では、接合補助材１は配管内を流れる流体の整流格子としての機能を有する。本実施例の接合補助材１には、実施例９とは異なり、配管内ほぼ全面に整流格子１Ｉが配置されるように形成されており、摩擦撹拌接合ツール本体との勘合部が配管内側に設けられていない。また、接合補助材１として、円環部がＨ型断面を有する円管を用いている。円管部の内側（円管の中央部）には整流格子１Ｉが形成されている。そして、接合補助材１は、そのＨ型断面部が被接合部材３である二つの配管に挟持されている（図１７Ａ）。なお、接合補助材１は、円環部がＨ型断面を有する円管ではなく、中央部に整流格子が形成された円盤でも良い。
【００７３】
本実施例では、摩擦撹拌接合ツール本体２（図示省略）は、接合補助材１の外周に配置され、接合補助材１の外周に連結して、回転運動を接合補助材１へ伝達する。摩擦撹拌接合ツール本体２は、接合補助材１への回転運動伝達の機能があれば良く、下降方向の加圧力は不要である。被接合部材３には、実施例９と同様に、摩擦撹拌接合ツール本体２とは独立した圧下装置により加圧力を発生させる。
【００７４】
摩擦撹拌接合ツール本体２を接合補助材１に嵌合して回転運動を開始する時には、圧下装置による被接合部材３への加圧力は小さくしておき、接合補助材１の回転阻害とならないようにする。接合補助材１の回転により、接合補助材１と被接合部材３との接触部に摩擦熱が発生する。摩擦熱を高めるため及び若干の摩擦撹拌を進めるために、被接合部材３の加圧力はわずかに増加していくことが望ましい（図１７Ａ）。十分な摩擦熱が発生したところで、摩擦撹拌接合ツール本体２の回転運動などの接合補助材１への伝達をフリーにすると同時に、圧下装置による被接合部材３への加圧力を最大にする。接合補助材１の回転が停止しながら被接合部材３と接合補助材１の摩擦撹拌部をさらに組成流動して接合工程を終了する（図１７Ｂ）。圧下装置による最終的な加圧を予め設定した全体の高さとなるよう制御すれば、摩擦攪拌接合後の被接合部材３の高さを管理することもできる。
【実施例１１】
【００７５】
図１８Ａ〜図１８Ｂを用いて実施例１１を説明する。図１８Ａ〜図１８Ｂは実施例１１における接合方法の工程説明図である。本実施例は、厚板と薄板の積層板の被接合部材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。
【００７６】
例えば、厚板が上層（摩擦撹拌接合ツール本体側）で薄板が下層の積層接合の場合、薄板側から、つまり下面から摩擦撹拌接合ツール本体方向に接合補助材を回転・加圧して接合するのが望ましい。本発明は、接合補助材と摩擦攪拌接合ツール本体が分離可能に構成され、接合補助材が被接合材と一体化されるものであることから、様々な接合環境に対応できる。そして、本実施例は、回転可能な台座６を用いることにより、摩擦撹拌接合ツール本体とは反対方向から被接合部材に接合補助材を加圧していく、下面接合を可能とするものである。すなわち、本実施例では、接合補助材の上に被接合部材を設置し、被接合部材の上面方向から、接合補助材に回転運動を伝達し、被接合部材に加圧力を伝達することにより、被接合部材の下面方向から接合補助材を用いて摩擦撹拌接合するものである。
【００７７】
図１８Ａに示すように、接合補助材１を回転可能な台座６に設置する。被接合部材３である下層薄板、上層厚板を積層し、回転可能な台座６にそれら被接合部材３の穴部が位置するようにして、被接合部材３の下面を固定冶具（図示省略）に固定する。被接合部材３の穴は、接合補助材１の外形に対して小径に形成されている。摩擦撹拌接合ツール本体２は上面から下降して穴を通り、接合補助材１と嵌合させ、接合補助材１を回転させる。通常は、接合補助材１を摩擦撹拌接合ツール本体２で加圧するが、本実施例では、被接合部材３（特に穴周辺）を上面方向から加圧する。従って、接合補助材１と被接合部材３には加圧力が生じ、接合補助材１が回転しながら被接合部材３に押し付けられることにより、摩擦撹拌接合が可能となる（図１８Ｂ）。
【００７８】
なお、本実施例によれば、接合補助材１と摩擦撹拌接合ツール本体との回転伝達嵌合は表面なので、接合補助材１の裏面を完全な平坦とできる。従って、被接合部材３裏面の平滑化が可能となる。
【実施例１２】
【００７９】
図１９を用いて実施例１２を説明する。図１９（ａ）（ｂ）は実施例１２における接合ツールの断面図である。
【００８０】
被接合部材の形状・材質などが多様化するほど、摩擦撹拌摺動部からの摩擦熱の熱伝導による熱逃げが課題となり得る。摩擦撹拌接合を効果的に行うためには熱逃げを低減することが重要である。熱逃げの経路のひとつには、摩擦撹拌接合ツールから回転元などへの熱伝導がある。本発明では、摩擦撹拌接合ツール本体と被接合部材の間に接合補助材が介在するので、この熱伝導を制限することが可能となる。摩擦撹拌接合ツール本体と接合補助材の嵌合部の熱伝達を低減した形状も設定可能であるし、摩擦撹拌接合ツール本体への要求が軽減されるので、摩擦撹拌接合ツール本体の材料・形状を、熱伝導を抑えるものとすることもできる。接合補助材の材料・形状も熱伝導を制限する手段とすることも可能である。
【００８１】
例えば、図１９（ａ）に示すように、摩擦撹拌接合ツール本体２と接合補助材１との間に、熱伝導率の小さな材料で構成された断熱材７を介在させるようにしたり、図１９（ｂ）に示すように、摩擦撹拌接合ツール本体２と接合補助材１の接触面を、回転運動は伝わるが接触面積は小さくなる凹凸平面としたりすることにより、摩擦撹拌摺動部から摩擦撹拌接合ツール本体への熱伝導を低減させることができる。
【００８２】
さらに、被接合部材や接合補助材と接触する固定冶具に、熱伝導率の小さな材料を採用したり、熱伝導を抑える接触面形状としたり、あるいは熱伝導率の小さな材料を介在して接触させたりすることにより、熱逃げを低減し、さらに摩擦撹拌接合部の温度上昇を図ることもできる。
【実施例１３】
【００８３】
図２０を用いて実施例１３を説明する。図２０は実施例１３における接合方法の工程説明図である。上述したように、本発明は、接合補助材と摩擦攪拌接合ツール本体が分離可能に構成され、接合補助材が被接合材と一体化されるものであることから、様々な接合環境に対応できるものである。本実施例は、接合補助材の最大外周形状が、摩擦撹拌接合ツール本体の接合補助材との嵌合部付近の最大外周形状よりも広くしたものである。このようにすることにより様々な接合を実現できる。
【００８４】
例えば、被接合部材の摩擦撹拌接合ツール方向に被接合部材とは別の装置・機器の構成部品があり、十分なスペースが取れず、摩擦撹拌接合ツールに必要な接合面積に相当する直径をとれない場合がある（図２０）。このような時には、接合補助材を用いて、接合補助材には必要な接合面積を持たせ、被接合部材に設置し、摩擦撹拌接合ツール本体は別の装置・機器の構成部品（干渉物８）に干渉せずに挿入可能な直径・形状として、接合補助材と嵌合して回転力・加圧力を伝達することにより、必要な接合面積での摩擦撹拌接合が可能となる。
【００８５】
また、電池の電極やバスバーなどの電気導体の接合においては、電気抵抗を小さくすることが望まれる。あるいは、放熱や受熱に関わる温度伝導体の接合においては、熱伝達率を大きくすることが望まれる。電気抵抗の小さな接合、あるいは熱伝達率の大きな接合には、被接合部材の接合面積を拡大するが有効である。そのためには、従来、広範囲の接合が可能な大きな摩擦撹拌接合ツールを用いるか、摩擦撹拌接合ツールを移動させて広範囲を接合するかで、接合面積を拡大する方法があるが、生産性の悪化や被接合部材の大型化、装置の大型化などを伴う。
【００８６】
本実施例は、電池の電極やバスバーなどや放熱・受熱体の接合における、小さな電気抵抗、あるいは大きな熱伝達率を得るため、大きな面積を接合する手段としても有効である。摩擦撹拌接合ツールによる広範囲な接合のためには、従来、摩擦撹拌接合ツールと被接合部材の接触面積を広くとる必要があり、摩擦撹拌接合ツールの大径化が必要となる。摩擦撹拌接合ツール先端部のみを大径化する手段もあるが、摩擦撹拌接合ツールを下降する経路には大径化した先端径の面積スペースが必要となる。これに対し、被接合部材と広く接触可能な接合補助材を被接合部材に設置しておけば、摩擦撹拌接合ツール本体径は接合補助材へ回転運動と加圧力を伝達可能な程度の大きさにできる。
【００８７】
電気抵抗や熱伝導は摩擦撹拌した接合面以外の被接合部材の接触状態も影響する。例えば電極などの板材の積層接合では、摩擦撹拌接合部の周囲も電極同士が密着していると、電気抵抗は著しく小さくなる。摩擦撹拌接合は高温の摩擦熱を発生させる接合法であるため、被接合部材の接合面に被接合部材より融点の低い材料を配し、摩擦撹拌の熱により溶融させることも可能となる。つまり、被接合部材は摩擦撹拌接合させ、その周囲に別部材の溶融・再凝固層を生成し、被接合部材の接触界面を密着させることにより、電気抵抗の改善が図れる。
【実施例１４】
【００８８】
異種材料の被接合部材同士では摩擦撹拌接合に不適な（相性が悪い）場合があり、このような場合には、接合性が悪化する。さらには、使用中の環境などによる劣化、耐久性の悪化も考慮する必要がある。そこで、本実施例では、摩擦撹拌接合の相性の悪い被接合部材の接合には、接合補助材として被接合部材の中間材となるような材料を用いるようにしたものである。
【００８９】
例えば、摩擦撹拌接合は、異種材料の接合も可能であるが、摩擦撹拌接合に限らず異種材料の接合では、その材料の線膨張率の差による温度変化環境での接合信頼性が課題となり得る。これに対しては、被接合部材の異種材料の中間の線膨張率を有する接合補助材を用い、被接合部材の異種材料間に被接合部材と接合補助材の材料が混ざった撹拌層を介在させることにより、線膨張の差を緩衝させて接合信頼性を改善できる。例えば、鉄やステンレス鋼とアルミニウムとの組み合わせであれば、接合補助材として、銀や銅、マンガンなどを用いる。これにより、接合後の残留応力や温度変化時のストレスを緩和できる。
【００９０】
また、摩擦撹拌接合は、熱と塑性変位による接合であるため、被接合部材の材料によっては、残留応力による腐食や脆化に注意を要する。異種材料の接合に中間の線膨張率を有する接合補助材を用いることがひとつの改善手段となるが、接合補助材に弾性率の低い材料を用いることでも改善できる。
【００９１】
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】
【００９２】
１・・・接合補助材（第１部材）、２・・・摩擦撹拌接合ツール本体（第２部材）、３・・・被接合部材、４・・・摩擦攪拌層、５・・・表面隆起、余剰攪拌物、切削屑、６・・・回転台座、７・・・断熱材、８・・・干渉物。
【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１Ｅ】
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【図１Ｆ】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１２Ｃ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１５Ｃ】
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【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【図１７Ａ】
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【図１７Ｂ】
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【図１８Ａ】
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【図１８Ｂ】
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【図１９】
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【図２０】
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