(57)【要約】【課題】摩擦攪拌接合対象である被接合部材を加工することなく、ツール回転軸方向の攪拌力を増大でき、かつ摩擦攪拌接合コストを低減できる摩擦攪拌接合用ツールを提供する。【解決手段】摩擦攪拌接合用ツールは、大径のショルダ２と、ショルダ２に連結された小径のプローブ３と、ショルダ２の上部に相当する回転装置に把持され回転力が与えられるツール保持部４とで構成され、プローブ３はショルダ２に向けて直径が細くなる逆テーパ形状部を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
大径のショルダと前記ショルダに連結された小径のプローブで構成され、前記プローブは前記ショルダに向けて直径が細くなる逆テーパ形状部を有する摩擦攪拌接合用ツール。
【請求項２】
前記プローブの先端部の直径は、前記ショルダとの連結部における前記プローブの直径より小さい請求項１に記載の摩擦攪拌接合用ツール。
【請求項３】
前記プローブの先端部に面取りを施し、先端部を先細り形状とした請求項１に記載の摩擦攪拌接合用ツール。
【請求項４】
前記プローブの逆テーパ形状部において、前記逆テーパ形状部の最大直径を前記逆テーパ形状部の最小直径の１．１倍から２倍とした請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の摩擦攪拌接合用ツール。
【請求項５】
前記プローブの長さを前記プローブの最小直径以下とした請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の摩擦攪拌接合用ツール。
【請求項６】
ショルダに連結されたプローブは前記ショルダに向けて直径が細くなる逆テーパ形状部を有する摩擦攪拌接合用ツールを用い、
前記摩擦攪拌接合用ツールを回転させて第１被接合部材と第２被接合部材間に挿入する挿入工程と、
前記摩擦攪拌接合用ツールを回転させながら、接合線に沿って移動させて摩擦攪拌接合を行う摩擦攪拌接合工程と、
前記摩擦攪拌接合用ツールを回転させて前記第１被接合部材と前記第２被接合部材から引き抜く引抜工程と、
を備える摩擦攪拌接合方法。
【請求項７】
前記挿入工程において、前記ショルダを前記第１被接合部材に接触させない請求項６に記載の摩擦攪拌接合方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、摩擦攪拌接合用ツールおよび摩擦攪拌接合方法に関し、特に重ね継ぎ手の接合に好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
摩擦攪拌接合は、接合部にツールと呼ばれる回転工具を挿入し、回転させながら接合線に沿って移動させることにより、接合部を攪拌させることで固相接合する方法である。摩擦攪拌接合は、溶融温度以下で接合可能であるため、金属組織の変態による接合部の強度低下や、変形が小さいなど多くの利点がある。しかし、攪拌が不十分な場合、欠陥の発生、接合強度の低下を引き起こす可能性がある。一般的な摩擦攪拌接合用ツールではツールの回転方向に対する攪拌力は大きいが、回転軸方向の攪拌力は小さい。特に重ね継ぎ手の接合の摩擦攪拌接合において、接合面の攪拌不足による強度低下が問題となる。
【０００３】
この問題の対策として、重ね継ぎ手部に傾斜をつけ、重ね面に対して摩擦攪拌接合用ツールを傾斜した状態で挿入し、摩擦攪拌接合する方法が開示されている（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−７９６７２号公報（段落［００１１］〜［００１４］、図１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１の開示発明では、摩擦攪拌接合前に被接合部材への加工が必要となるため、接合時の加工コストが高くなる問題がある。
【０００６】
この発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、被接合部材を加工することなく、ツール回転軸方向の攪拌力を増大できる摩擦攪拌接合用ツールおよび摩擦攪拌接合方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明に係る摩擦攪拌接合用ツールは、大径のショルダとショルダに連結された小径のプローブで構成され、プローブはショルダに向けて直径が細くなる逆テーパ形状部を有するものである。
【０００８】
この発明に係る摩擦攪拌接合方法は、ショルダに連結されたプローブはショルダに向けて直径が細くなる逆テーパ形状部を有する摩擦攪拌接合用ツールを用い、摩擦攪拌接合用ツールを回転させて第１被接合部材と第２被接合部材間に挿入する挿入工程と、摩擦攪拌接合用ツールを回転させながら、接合線に沿って移動させて摩擦攪拌接合を行う摩擦攪拌接合工程と、摩擦攪拌接合用ツールを回転させて第１被接合部材と第２被接合部材から引き抜く引抜工程と、から成るものである。
【発明の効果】
【０００９】
この発明に係る摩擦攪拌接合用ツールは、上記のように構成されているため、回転軸方向の攪拌力が増大し、攪拌不足による内部欠陥を解消することができ、接合強度を増加させることができる。また、被接合部材の接合面に加工する必要がないため、摩擦攪拌接合のコストを低減できる。
【００１０】
この発明に係る摩擦攪拌接合方法は、上記のような工程から成るため、回転軸方向の攪拌力が増大し、攪拌不足による内部欠陥を解消することができ、接合強度を増加させることができる。また、被接合部材の接合面に加工する必要がないため、摩擦攪拌接合のコストを低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】この発明の実施の形態１の摩擦攪拌接合用ツールに係る構成図である。
【図２】この発明の実施の形態１の摩擦攪拌接合用ツールに係る比較用説明図である。
【図３】この発明の実施の形態１の摩擦攪拌接合用ツールに係る比較用説明図である。
【図４】この発明の実施の形態１の摩擦攪拌接合用ツールに係る比較用説明図である。
【図５】この発明の実施の形態１の摩擦攪拌接合用ツールに係る攪拌説明図である。
【図６】この発明の実施の形態１の摩擦攪拌接合用ツールに係る接合形状模式図である。
【図７】この発明の実施の形態１の摩擦攪拌接合用ツールに係る加工例図である。
【図８】この発明の実施の形態１の摩擦攪拌接合用ツールに係る加工例の接合形状模式図である。
【図９】この発明の実施の形態２の摩擦攪拌接合用ツールに係る構成図である。
【図１０】この発明の実施の形態３の摩擦攪拌接合用ツールに係る構成図である。
【図１１】この発明の実施の形態４の摩擦攪拌接合用ツールに係る構成図である。
【図１２】この発明の実施の形態５の摩擦攪拌接合用ツールに係る構成図である。
【図１３】この発明の実施の形態６の摩擦攪拌接合方法に係るフローチャートである。
【図１４】この発明の実施の形態７の摩擦攪拌接合方法に係る説明図である。
【図１５】この発明の実施の形態７の摩擦攪拌接合方法に係る比較用説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
実施の形態１．
実施の形態１は、大径のショルダとショルダに連結された小径のプローブで構成され、プローブはショルダに向けて直径が細くなる逆テーパ形状部を有する摩擦攪拌接合用ツールに関するものである。
【００１３】
以下、本願発明の実施の形態１に係る摩擦攪拌接合用ツール１の構成、機能について、摩擦攪拌接合用ツールの構成図である図１、比較用説明図である図２から図４、攪拌説明図である図５、接合形状模式図である図６、加工例図である図７、および加工例の接合形状模式図である図８に基づいて説明する。
【００１４】
図１は、本発明の実施の形態１の摩擦攪拌接合用ツール１の基本構成を示す。
図１において、摩擦攪拌接合用ツール１は、大径のショルダ２と、ショルダ２に連結された小径のプローブ３と、ショルダ２の上部に相当するツール保持部４とから構成される。プローブ３はショルダ２に向けて直径が細くなる逆テーパ形状部を有する。ツール保持部４は、回転装置（図示なし）に把持され、摩擦攪拌接合用ツール１に回転力が与えられる。
ショルダ２は、一般的にツール保持部４の下部のプローブ３が連結される部分であり、ショルダ面と称される場合がある。
なお、摩擦攪拌接合用ツールは、摩擦攪拌接合用であることが明確な場合は、適宜、接合用ツールあるいはツールと記載する。
【００１５】
まず、摩擦攪拌接合と摩擦攪拌接合用ツールについて概要と特徴を説明する。
摩擦攪拌接合は、摩擦攪拌接合用ツールと呼ばれる棒状の工具を高速で回転させながら被接合部材と接触させて、被接合部材と摩擦攪拌接合用ツールの摩擦熱を利用して接合する接合法である。摩擦攪拌接合は、固相状態で接合する手法であり、接合最高到達温度は融点以下である。このため、融接に比べ、接合部における強度の低下が小さい、接合変形が小さいなどの多くの利点がある。
【００１６】
摩擦攪拌接合に使用される摩擦攪拌接合用ツールは、一般的に円筒形状であり、直径の大きいショルダと、その先端に小径のプローブから構成される。接合中は、プローブを被接合部材内に挿入し、接合線に沿って移動させる。摩擦熱で軟化させた被接合部材を摩擦攪拌接合用ツールで攪拌し、塑性流動を起こして接合する。
【００１７】
摩擦攪拌接合用ツールには、被接合部材より融点が高く、高温強度の高い材料が必要である。アルミニウム合金を接合する場合、ＳＫＤ６１等のＳＫ（炭素工具鋼）あるいはＳＫＤ（合金工具鋼）を使用するのが一般的である。また、近年、軟鋼やステンレス鋼にも摩擦攪拌接合が利用されており、その場合、摩擦攪拌接合用ツールはコバルト合金や超硬合金が使用されている。
【００１８】
摩擦攪拌接合は、被接合部材を摩擦攪拌接合用ツールで攪拌して接合する方法であるため、摩擦攪拌接合用ツールの攪拌力が小さい場合は、トンネル状の内部欠陥や、未接合部分が生じ、接合強度が低下する。攪拌力は、回転速度、接合速度、摩擦攪拌接合用ツールの挿入深さなど、摩擦攪拌接合の条件と、摩擦攪拌接合用ツールの形状によって変化する。
【００１９】
摩擦攪拌接合は摩擦熱を利用するため、摩擦攪拌接合の摩擦熱はプローブの直径に依存し、直径が大きいほど、発熱量が大きくなる。また、流体内に温度勾配が生じた場合、温度差による流れが発生する。そのため、プローブの直径に差を設けることで、ツール回転軸方向の接合領域内に温度差が生じ、回転軸方向に被接合部材を攪拌することができる。つまり、摩擦攪拌接合用ツールのプローブにテーパ形状を設けることで、回転軸方向の攪拌力が増大する。
【００２０】
次に、従来の摩擦攪拌接合用ツールと比較しながら、実施の形態１の摩擦攪拌接合用ツール１の機能を説明する。
まず、従来の摩擦攪拌接合用ツールの構成、および機能を説明する。
図２は、従来の摩擦攪拌接合用ツールの構成図である。図２（ａ）では、摩擦攪拌接合用ツール１０１は大径のショルダ１０２と、ショルダ１０２に連結された小径のプローブ１０３と、ショルダ１０２の上部のツール保持部１０４とから構成される。
図２（ｂ）では、摩擦攪拌接合用ツール１２１は大径のショルダ１２２と、ショルダ１２２に連結された小径のプローブ１２３と、ショルダ１２２の上部のツール保持部１２４とから構成される。
図２（ａ）の摩擦攪拌接合用ツール１０１と図２（ｂ）の摩擦攪拌接合用ツール１２１との相違点はプローブの形状である。摩擦攪拌接合用ツール１０１のプローブ１０３は、先細りのテーパ形状をしているが、摩擦攪拌接合用ツール１２１のプローブ１２３は、ストレート形状である。
【００２１】
図３は、従来の摩擦攪拌接合用ツール１０１を使用して、摩擦攪拌接合を行う場合の攪拌説明図である。第１被接合部材５に対して、摩擦攪拌接合用ツール１０１のプローブ１０３を回転挿入した状態を表している。
プローブ１０３が回転して、摩擦熱が発生し、プローブ１０３の回りの第１被接合部材５を攪拌して、接合領域１０７が形成されている。プローブ１０３の直径が大きい部分（ショルダ１０２の端面部）の温度がプローブ１０３の直径が小さい部分（プローブ１０３の先端部）より高くなる。
【００２２】
図４は、図３の状態から摩擦攪拌接合用ツール１０１を引き抜いた後の接合形状を表している。
【００２３】
次に、従来の摩擦攪拌接合用ツール１０１、１２１を使用した場合の摩擦攪拌部の状態を具体的に説明する。
図２（ａ）に示す先端が先細りになるテーパ形状のプローブ１０３の場合、ショルダ１０２側がプローブ１０３の先端より発熱量が大きくなる。このため、接合領域１０７の上部が高温、下部が低温となるため、図３に示すような攪拌が生じる。つまり、接合領域１０７の上部は高温となり比重が軽くなるため、上向きの攪拌１０８の流れが生じる。接合領域１０７の下部は低温となり比重が重くなるため、下向きの攪拌１０９の流れが生じる。
これは、被接合部材を上下に分離するような攪拌方向であり、図４に示すように接合断面に内部欠陥１１０が発生する。
【００２４】
図２（ｂ）に示すようなストレート形状のプローブの場合、プローブ１２３での発熱量がほぼ一定であり、温度差による回転軸方向の攪拌力は寄与しない。そのため、摩擦攪拌接合用ツールの回転軸方向に対する攪拌が不足し、図４と同様に内部欠陥が存在する接合断面になる可能性が高い。内部欠陥が生じない場合でも、アルミニウム合金や、ステンレス鋼のように強力な酸化皮膜を有する第１被接合部材５の場合、酸化皮膜が接合面に残り、接合強度を低下させる可能性がある。
【００２５】
実際に、Ａ６０６３（アルミ合金材）を図２（ａ）、（ｂ）に示した摩擦攪拌接合用ツール（プローブがストレート形状のもの、プローブが先端に向けて先細りのテーパ形状になっているもの）で摩擦攪拌接合した場合、全ての条件（回転数：５００−２５００ｒｐｍ、接合速度：１００−２０００ｍｍ／ｍｉｎ）で内部欠陥が確認された。
また、内部欠陥がない場合でも、接合が不十分となり、接合強度が低下する可能性が高い。
したがって、図２（ａ）、（ｂ）に示した従来の摩擦攪拌接合用ツール１０１および１２１では、特に重ね合わせ継手の摩擦攪拌接合の強度不足が懸念される。
【００２６】
従来の摩擦攪拌接合用ツールのこの欠点を補うために、摩擦攪拌接合用ツールの回転軸方向の攪拌力を向上させるために、プローブに逆ネジなどの凹凸を設けることがある。しかし、プローブに凹凸を設けることによって攪拌力は向上するが、プローブをネジ形状に加工するのは難しく、摩擦攪拌接合用ツールが高価になる。摩擦攪拌接合において、摩擦攪拌接合用ツールは消耗品であるため、ツールコストの増大は加工コストに大きく影響を与える。
【００２７】
実施の形態１の摩擦攪拌接合用ツール１は、シンプルな形状でツール回転軸方向の攪拌力を増大するために開発したものである。
この摩擦攪拌接合用ツール１の機能と特徴を図５、６に基づいて説明する。
摩擦攪拌接合用ツール１は、図１で説明したようにショルダ２とプローブ３で構成されており、プローブ３はショルダ２に向けて直径が細くなる逆テーパ形状となっている。
【００２８】
図５は、実施の形態１の摩擦攪拌接合用ツール１を使用して、摩擦攪拌接合を行う場合の攪拌説明図である。第１被接合部材５に対して、摩擦攪拌接合用ツール１のプローブ３を回転挿入した状態を表している。
プローブ３が回転して、摩擦熱が発生し、プローブ３の回りの第１被接合部材５を攪拌して、接合領域７が形成されている。プローブ３の直径が大きい部分（プローブ３の先端部）の温度がプローブ３の直径が小さい部分（ショルダ２との連結部）より高くなる。
【００２９】
図６は、図５の状態から摩擦攪拌接合用ツール１０１を引き抜いた後の接合形状を表している。
【００３０】
実施の形態１の摩擦攪拌接合用ツール１のプローブ３は、ショルダ２に向けて直径が細くなる逆テーパ形状であるため、ショルダ２側がプローブ３の先端部より発熱量が小さくなる。このため、接合領域７の上部が低温、下部が高温となり、図５に示すような攪拌が生じる。
つまり、接合領域７の下部は高温となり比重が軽くなるため、上向きの攪拌８の流れが生じる。接合領域７の上部は低温となり比重が重くなるため、下向きの攪拌９の流れが生じる。これは、被接合部材を上下から混ざり合うような攪拌方向である。
【００３１】
このプローブ３を有する摩擦攪拌接合用ツール１は回転軸方向に接合部が混ざり合うように攪拌できるため、内部欠陥の発生が抑制でき、図６に示すような健全な接合部が得られる。さらに、第１被接合部材５の上部が押し下げられるように攪拌されることにより、バリの発生を抑制する効果も得られる。
【００３２】
以上説明したように、プローブ３に逆テーパ形状を設けることにより、回転軸方向の攪拌力が向上し、攪拌不足による内部欠陥、バリの発生を抑制し、接合強度の低下を抑制できる。
実施の形態１の摩擦攪拌接合用ツール１は、特に重ね合わせ継手の摩擦攪拌接合に有効である。
【００３３】
次に、摩擦攪拌接合用ツール１を重ね合わせ継手の接合に適用した具体例を図７、８に基づいて説明する。
図７は、第１被接合部材５と第２被接合部材６からなる重ね合わせ継手に摩擦攪拌接合用ツール１を用いて、摩擦攪拌接合を行う場合の構成を示す。
図８は、摩擦攪拌接合用ツール１のプローブ３を第１被接合部材５と第２被接合部材６からなる重ね合わせ継手に挿入し、摩擦攪拌接合を行い、プローブ３を引き抜いた状態を表す。内部欠陥のない接合領域７が形成されている。
【００３４】
実施の形態１の摩擦攪拌接合用ツール１では、プローブ３はショルダ２に向けて直径が細くなる逆テーパ形状のものを説明したが、この逆テーパ形状はプローブ３の一部分であっても同様の効果を奏する。
また、プローブ３に逆ネジなどの凹凸を設けることによって、さらに攪拌力を増大させることができる。
【００３５】
以上説明したように、実施の形態１の摩擦攪拌接合用ツール１は、大径のショルダとショルダに連結された小径のプローブで構成され、プローブはショルダに向けて直径が細くなる逆テーパ形状部を有するものである。したがって、回転軸方向の攪拌力が増大するため、攪拌不足による内部欠陥を解消することができ、接合強度を増加させることができる。また、被接合部材の接合面に加工する必要がないため、摩擦攪拌接合のコストを低減できる。
【００３６】
さらに、摩擦攪拌接合の作業効率、すなわち生産性が向上し、製品の歩留まりを向上させることができる。
【００３７】
実施の形態２．
実施の形態２の摩擦攪拌接合用ツールは、逆テーパ形状を有するが、プローブ先端部の直径をショルダ連結部の直径より小さくしたプローブを備えるものである。
以下、実施の形態２の摩擦攪拌接合用ツールの構成、機能について、構成図である図９に基づいて、実施の形態１の摩擦攪拌接合用ツールとの差異を中心に説明する。
なお、図９において、図１と同一あるいは相当部分には、同一の符号を付している。
【００３８】
図９は、本発明の実施の形態２の摩擦攪拌接合用ツール２１の構成を示す。
摩擦攪拌接合用ツール２１は、大径のショルダ２と、ショルダ２に連結された小径のプローブ２３と、ショルダ２の上部に相当するツール保持部４とから構成される。
実施の形態１の摩擦攪拌接合用ツール１とは、プローブの形状が異なっている。プローブ２３は、ショルダ２との連結部から先端に向けて先細りのテーパ形状を有し、途中から逆テーパ形状を有する。ショルダ２との連結部の直径をｄ１、プローブ３先端部の直径をｄ２とすると、ｄ１＞ｄ２の関係がある。
【００３９】
摩擦攪拌接合では、回転した摩擦攪拌接合用ツールを第１被接合部材５に挿入する際、第１被接合部材５は摩擦攪拌接合用ツールとの摩擦熱によって、加熱、軟化されるが、ツール挿入時は第１被接合部材５の温度が十分に上昇していないため、高い剛性を持っている。そのため、特にツール挿入時は、大きな加重が加わり、摩擦攪拌接合用ツールが破損する可能性がある。
【００４０】
実施の形態２の摩擦攪拌接合用ツール２１は、挿入時に加わるツール荷重を低減することができ、ツール挿入時における摩擦攪拌接合用ツールの損傷を抑制することが可能である。
図９で説明したように摩擦攪拌接合用ツール２１は、プローブ３の先端の直径が、ショルダ２との連結部の直径より小さいことが特徴である。
【００４１】
ツール挿入時は、ツール挿入方向に大きなツール荷重が加わり、このツール挿入方向の荷重は、第１被接合部材５へプローブを挿入したときに最大となった。また、ツール挿入方向の加重は、プローブ先端の直径に依存しており、プローブの先端部の直径が大きいほど、挿入方向のツール加重も増大した。つまり、ツール挿入方向の加重による摩擦攪拌接合用ツールの損傷を抑制するには、プローブ先端の直径を小さくする必要がある。
【００４２】
実施の形態２の摩擦攪拌接合用ツール２１で、プローブ２３の直径（ショルダとの連結部および先端部）を変更して摩擦攪拌接合を実施した結果を表１に示す。なお、ショルダ２の直径１２ｍｍ、プローブ２３の長さ３ｍｍ、回転速度３０００ｒｐｍ、接合速度５００ｍｍ／ｍｉｎ、挿入速度１０ｍｍ／ｍｉｎの接合条件で、摩擦攪拌接合対象材料にＡ６０６３を用いた結果である。
【００４３】
【表１】
2015174138.tif 000003
【００４４】
表１に示すように、プローブ２３先端の直径ｄ２がショルダ２との連結部の直径ｄ１より大きい場合、および先端部の直径ｄ２とショルダ２との連結部の直径ｄ１が同じの場合は、プローブ２３が損傷する可能性があった。
【００４５】
一方、プローブ２３先端の直径ｄ２がショルダ２との連結部の直径ｄ１より小さい場合、プローブ２３の損傷はなかった。プローブ２３の損傷は、摩擦熱によるプローブ２３の温度上昇と、挿入方向のツール加重が原因である。温度上昇によって、プローブ２３の強度が低下し、その強度以上にツール加重が加わることにより、プローブ２３が損傷する。
【００４６】
実施の形態２の摩擦攪拌接合用ツール２１の場合、プローブ２３先端の直径が小さいため、プローブ２３の温度上昇および挿入方向のツール加重を抑制できる。さらに、プローブ２３先端より、ショルダ２との連結部の直径を大きくすることにより、プローブ２３の熱容量が増大し、プローブ２３の損傷を抑制できる。
したがって、摩擦攪拌接合用ツール２１を用いることで、プローブが損傷することなく、攪拌不足による接合強度の低下がない摩擦攪拌接合が可能である。
【００４７】
以上説明したように、実施の形態２の摩擦攪拌接合用ツールは、逆テーパ形状を有するが、プローブ先端部の直径をショルダ連結部の直径より小さくしたプローブを備えるものである。したがって、実施の形態１の効果に加えて、ツール加重を抑制でき、プローブの損傷を抑制できる。
【００４８】
実施の形態３．
実施の形態３の摩擦攪拌接合用ツールは、逆テーパ形状を有するが、プローブ先端部を面取りしてプローブ先端部の直径を小さくしたプローブを備えるものである。
以下、実施の形態３の摩擦攪拌接合用ツールの構成、機能について、構成図である図１０に基づいて、実施の形態１の摩擦攪拌接合用ツールとの差異を中心に説明する。
なお、図１０において、図１と同一あるいは相当部分には、同一の符号を付している。
【００４９】
図１０は、本発明の実施の形態３の摩擦攪拌接合用ツール３１の構成を示す。
摩擦攪拌接合用ツール３１は、大径のショルダ２と、ショルダ２に連結された小径のプローブ３３と、ショルダ２の上部に相当するツール保持部４とから構成される。
実施の形態１の摩擦攪拌接合用ツール１とは、プローブの形状が異なっている。プローブ３３は、ショルダ２から先端に向けて逆テーパ形状を有するが、先端部を面取りしてプローブ３３の先端部の直径を細くしている。
【００５０】
上述した通り、挿入時に加わる挿入方向へのツール荷重は、プローブの先端の直径に依存し、直径が大きい場合、プローブが損傷する可能性がある。実施の形態１の摩擦攪拌接合用ツール１では、攪拌力不足による接合強度の低下、および内部欠陥の発生を抑制できた。また、テーパの角度を増大することにより、その効果が向上したが、プローブ３の先端部の直径が大きすぎると、プローブが損傷した。
【００５１】
実施の形態３の摩擦攪拌接合用ツール３１は、プローブが損傷することなく、攪拌力不足による接合強度の低下、および内部欠陥の発生の抑制効果を増大することができる。
図１０の摩擦攪拌接合用ツール３１は、プローブ３３がショルダ２との連結部からプローブ３３の先端に向かって拡がる逆テーパ形状で、プローブ３３の先端に面取りを施すことにより、プローブ３３の先端が先細り形状になっている。面取りは、Ｃ面取りあるいはＲ面取りどちらでも良い。
【００５２】
プローブ３３の先端を面取りすることで、プローブ３３先端の直径を細くすることが可能で、挿入方向のツール加重を抑制できる。このとき、プローブ３３先端の直径がショルダ２との連結部の直径より、小さくすることが望ましい。また、プローブ３３を逆テーパ形状にすることにより、第１被接合部材５を押し下げる方向に攪拌するこができるため、内部欠陥の発生を抑制することができる。
【００５３】
以上説明したように、実施の形態３の摩擦攪拌接合用ツールは、逆テーパ形状を有するが、プローブ先端部を面取りしてプローブ先端部の直径を小さくしたプローブを備えるものである。したがって、実施の形態１の効果に加えて、ツール加重を抑制でき、プローブの損傷を抑制できる。
【００５４】
実施の形態４．
実施の形態４の摩擦攪拌接合用ツールは、逆テーパ形状を有し、プローブ先端部の最大直径ｄｍａｘをショルダとの連結部の最小直径ｄｍｉｎに対して１．１から２倍としたプローブを備えるものである。
以下、実施の形態４の摩擦攪拌接合用ツールの構成、機能について、構成図である図１１に基づいて、実施の形態１の摩擦攪拌接合用ツールとの差異を中心に説明する。
なお、図１１において、図１と同一あるいは相当部分には、同一の符号を付している。
【００５５】
図１１は、本発明の実施の形態４の摩擦攪拌接合用ツール４１の構成を示す。
摩擦攪拌接合用ツール４１は、大径のショルダ２と、ショルダ２に連結された小径のプローブ４３と、ショルダ２の上部に相当するツール保持部４とから構成される。
実施の形態１の摩擦攪拌接合用ツール１とは、プローブの形状が異なっている。プローブ４３は、ショルダ２から先端に向けて逆テーパ形状を有するが、ショルダ２との連結部の直径（最小直径）をｄｍｉｎ、プローブ４３先端部の直径（最大直径）をｄｍａｘとすると、１．１ｄｍｉｎ＜ｄｍａｘ＜２ｄｍｉｎの関係がある。
【００５６】
実施の形態１の摩擦攪拌接合用ツール１のプローブ３に、ショルダ２との連結部から先端に向かって直径が拡がるように逆テーパ形状を設けることによって、摩擦攪拌接合用ツール１の回転軸方向の攪拌力が増大する。しかし、過大な逆テーパ形状にすると、ツール加重が増大し、プローブ３が損傷した。
【００５７】
そこで、プローブ３の最大直径と、最小直径を変更した摩擦攪拌接合用ツール１を準備し、良好な接合が可能なプローブ３の逆テーパ形状を調査した。表２に実験結果を示す。  なお、ショルダ２の直径１２ｍｍ、プローブ３の長さ３ｍｍ、回転速度３０００ｒｐｍ、接合速度５００ｍｍ／ｍｉｎ、挿入速度１０ｍｍ／ｍｉｎの接合条件で、摩擦攪拌接合対象材料にＡ６０６３を用いた結果である。
【００５８】
【表２】
2015174138.tif 000004
【００５９】
実験結果より、プローブ３の最大直径ｄｍａｘが最小直径ｄｍｉｎの１．１倍以下の場合、攪拌力がほとんど増大せず、攪拌不足となり、接合内部に欠陥が発生した。また、最大直径ｄｍａｘが最小直径ｄｍｉｎの２倍以上の場合、発熱量が高くなり、プローブ３が損傷した。プローブ３の最大直径ｄｍａｘを最小直径ｄｍｉｎの１．１から２倍とすることによって、良好な接合が可能になる。
【００６０】
実施の形態４の説明では、実施の形態１の摩擦攪拌接合用ツールへの適用を中心に説明したが、実施の形態２および実施の形態３の摩擦攪拌接合用ツールへも同様に適用できる。
【００６１】
以上説明したように、実施の形態４の摩擦攪拌接合用ツールは、逆テーパ形状を有し、プローブ先端部の最大直径ｄｍａｘをショルダとの連結部の最小直径ｄｍｉｎに対して１．１から２倍としたプローブを備えるものである。したがって、実施の形態１の効果に加えて、ツール加重を抑制でき、プローブの損傷を抑制できる。
【００６２】
実施の形態５．
実施の形態５の摩擦攪拌接合用ツールは、逆テーパ形状を有し、プローブの長さＬに対してショルダ連結部の直径ｄ１をｄ１＞Ｌとしたプローブを備えるものである。
以下、実施の形態５の摩擦攪拌接合用ツールの構成、機能について、構成図である図１２に基づいて、実施の形態１の摩擦攪拌接合用ツールとの差異を中心に説明する。
なお、図１２において、図１と同一あるいは相当部分には、同一の符号を付している。
【００６３】
図１２は、本発明の実施の形態５の摩擦攪拌接合用ツール５１の構成を示す。
摩擦攪拌接合用ツール５１は、大径のショルダ２と、ショルダ２に連結された小径のプローブ５３と、ショルダ２の上部に相当するツール保持部４とから構成される。
実施の形態１の摩擦攪拌接合用ツール１とは、プローブの形状が異なっている。プローブ５３は、ショルダ２から先端に向けて逆テーパ形状を有するが、ショルダ２との連結部の直径（最小直径）をｄ１、プローブ４３の長さをＬとすると、ｄ１＞Ｌの関係がある。
【００６４】
実施の形態１の摩擦攪拌接合用ツール１のプローブ３に、ショルダ２との連結部から先端に向かって直径が拡がるように逆テーパ形状を設けることによって、摩擦攪拌接合用ツール１の回転軸方向の攪拌力が増大する。しかし、摩擦攪拌接合は、接合中に接合方向に数ｋＮの加重が加わるため、プローブ３の直径が細すぎる場合、プローブ３の剛性不足によって、接合中に加わるツール荷重に耐え切れず、損傷する可能性がある。
【００６５】
摩擦攪拌接合中のプローブ３は、片持ち梁のように曲げ応力が加わる。この曲げ応力は、プローブ３の断面積と長さに依存し、プローブ３の断面積が大きく、長さが長いほど、接合方向のツール加重が増大する。曲げ応力にプローブ３が耐え切れないときに、プローブ３は損傷する。なお、プローブ３の剛性は、プローブ３の最小直径に依存している。
【００６６】
実施の形態１の摩擦攪拌接合用ツール１は、プローブ３がショルダ２の連結部より、先端部の直径が大きいため、従来の摩擦攪拌接合用ツールよりプローブ３に大きな曲げ応力が加わり、プローブ３の長さが長い場合、プローブ３が損傷することがあった。
【００６７】
そこで、プローブ３の長さと、最小直径を変更した摩擦攪拌接合用ツール１を準備し、実験した結果を表３に示す。なお、ショルダ２の直径１２ｍｍ、回転速度３０００ｒｐｍ、接合速度５００ｍｍ／ｍｉｎ、挿入速度１０ｍｍ／ｍｉｎの接合条件で、摩擦攪拌接合対象材料にＡ６０６３を用いた結果である。
【００６８】
【表３】
2015174138.tif 000005
【００６９】
実験結果より、プローブ３の最小直径よりプローブ３の長さが短い場合、プローブ３の損傷がなく、良好な接合が可能であった。
【００７０】
実施の形態５の説明では、実施の形態１の摩擦攪拌接合用ツールへの適用を中心に説明したが、実施の形態２から実施の形態４の摩擦攪拌接合用ツールへも同様に適用できる。
【００７１】
以上説明したように、実施の形態５の摩擦攪拌接合用ツールは、逆テーパ形状を有し、プローブの長さＬに対してショルダ連結部の直径ｄ１をｄ１＞Ｌとしたプローブを備えるものである。したがって、実施の形態１の効果に加えて、プローブの損傷を抑制することができる。
【００７２】
実施の形態６．
実施の形態６の摩擦攪拌接合方法は、実施の形態１の摩擦攪拌接合用ツール１を用いて、挿入工程と、摩擦攪拌接合工程と、引抜工程とから成るものである。
以下、実施の形態６の摩擦攪拌接合方法について、図１３のフローチャートに基づき、実施の形態１の摩擦攪拌接合用ツール１の構成図である図１、攪拌説明図である図５、および加工例図である図７、８を参照して説明する。
【００７３】
処理が開始されると、まずステップ１（Ｓ０１）において、摩擦攪拌接合用ツール１を所定の回転速度で回転させて第１被接合部材５および第２被接合部材６からなる重ね合わせ継手に所定の挿入速度で挿入する（挿入工程）。
次に、ステップ２（Ｓ０２）において、摩擦攪拌接合用ツール１を回転させながら、接合線に沿って所定の接合速度で移動させて摩擦攪拌接合を行う（摩擦攪拌接合工程）。
次に、ステップ３（Ｓ０３）において、摩擦攪拌接合用ツール１を回転させて第１被接合部材５および第２被接合部材６からなる重ね合わせ継手から引き抜く（引抜工程）。
なお、挿入工程（Ｓ０１）において、摩擦攪拌接合用ツール１のプローブ３を挿入する際、ショルダ２を第１被接合部材５の上面に接触して押し付けることを想定している（図５参照）。
【００７４】
各作業工程により摩擦攪拌接合用ツール１の回転速度を変更する必要はないが、挿入工程で回転速度を速くすることによって、ツール回転軸方向のツール加重を低減できる。このため、摩擦攪拌接合用ツール１の損傷を抑制するために、挿入工程の回転速度を速くすることが望ましい。
【００７５】
実施の形態６の摩擦攪拌接合方法の説明では、実施の形態１の摩擦攪拌接合用ツール１を用いたが、実施の形態２から実施の形態５で説明した摩擦攪拌接合用ツール２１から接合用ツール５１を用いることができる。
【００７６】
以上説明したように、実施の形態６の摩擦攪拌接合方法は、摩擦攪拌接合用ツール１を用いて、挿入工程と摩擦攪拌接合工程と引抜工程とからなるものである。したがって、回転軸方向の攪拌力が増大するため、攪拌不足による内部欠陥を解消することができ、接合強度を増加させることができる。また、被接合部材の接合面に加工する必要がないため、摩擦攪拌接合のコストを低減できる。
【００７７】
実施の形態７．
実施の形態７の摩擦攪拌接合方法は、実施の形態６の摩擦攪拌接合方法において、挿入工程で摩擦攪拌接合用ツールのプローブを挿入する際、ショルダを第１被接合部材の上面に接触させないものである。
以下、実施の形態７の摩擦攪拌接合方法について、説明図である図１４、および比較説明図である図１５に基づき、適宜実施の形態１の図面を参照して説明する。
【００７８】
図１４は、本発明の摩擦攪拌接合用ツールを用いて、実施の形態７の摩擦攪拌接合方法を適用した場合の摩擦攪拌接合の模式図である。図１５は、従来の摩擦攪拌接合用ツールを用いて、実施の形態７の摩擦攪拌接合方法を適用した場合の摩擦攪拌接合の模式図である。
【００７９】
摩擦攪拌接合の第１被接合部材５上面の接合幅は、ショルダの直径とほぼ同等になる（図３、図５参照）。これは、摩擦攪拌接合中に第１被接合部材５の接合部が飛び出さないように、ショルダで押さえ付けているからである。
【００８０】
上述した通り、摩擦攪拌接合中は、摩擦攪拌接合用ツールに数ｋＮの加重が加わる。そのため、過剰にショルダの直径を小さくすると、摩擦攪拌接合用ツールが損傷する。また、外に飛び出そうとする接合部を抑制することができず、バリが多量に発生する。そのため、ショルダの直径を細くするのは困難で、摩擦攪拌接合は接合幅が大きくなる。
【００８１】
実施の形態７の摩擦攪拌接合方法は、ショルダ２を第１被接合部材５に接触させることなく接合する手法であり、接合幅の狭い摩擦攪拌接合が可能である（図１４参照）。なお、ショルダ２と第１被接合部材５の隙間は、０．１〜０．５ｍｍ空けることが望ましい。
【００８２】
従来の摩擦攪拌接合用ツール１０１を用いてショルダ１０２と第１被接合部材５の間に隙間を設けた場合、多量のバリ１１１が発生する（図１５参照）。また、攪拌した第１被接合部材５の接合部を抑えられないため、接合部に内部欠陥が生じる。
【００８３】
本発明の摩擦攪拌接合用ツールを用いた場合、図５に示したように、第１被接合部材５上面の接合部が押し下げられるように攪拌される。そのため、図１４に示すように、ショルダ２と第１被接合部材５の間に隙間を設けても、バリが発生することなく、良好な接合が可能である。
【００８４】
実施の形態７の摩擦攪拌接合方法は、接合幅がショルダ２の直径に依存しないため、接合幅を狭くすることが可能である。これにより、従来適用できなかったような狭隘な接合部にも摩擦攪拌接合を使用できるようになる。
【００８５】
以上説明したように、実施の形態７の摩擦攪拌接合方法では、挿入工程において摩擦攪拌接合用ツールのプローブを挿入する際、ショルダを第１被接合部材の上面に接触させない。したがって、実施の形態６の効果に加えて、接合幅を狭くすることができ、従来適用できなかったような狭隘な接合部にも適用できる。
【００８６】
なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。
【符号の説明】
【００８７】
１，２１，３１，４１，５１，１０１，１２１  摩擦攪拌接合用ツール、
２，１０２，１２２  ショルダ、
３，２３，３３，４３，５３，１０３，１２３  プローブ、
４，１０４，１２４  ツール保持部、５  第１被接合部材、６  第２被接合部材、
７，１０７  接合領域、８，１０８  上向きの攪拌、９，１０９  下向きの攪拌、
１１０  内部欠陥、１１１  バリ。
【図１】
2015174138.tif 000006
【図２】
2015174138.tif 000007
【図３】
2015174138.tif 000008
【図４】
2015174138.tif 000009
【図５】
2015174138.tif 000010
【図６】
2015174138.tif 000011
【図７】
2015174138.tif 000012
【図８】
2015174138.tif 000013
【図９】
2015174138.tif 000014
【図１０】
2015174138.tif 000015
【図１１】
2015174138.tif 000016
【図１２】
2015174138.tif 000017
【図１３】
2015174138.tif 000018
【図１４】
2015174138.tif 000019
【図１５】
2015174138.tif 000020