(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属材の被接合部を挟んで、前記被接合部の厚さ方向の一方側に配置される第１回転ツールを回転させながら第１進行方向に移動させることで、前記被接合部に第１撹拌領域を形成する第１摩擦撹拌接合工程と、
前記第１摩擦撹拌接合工程と同時、または前記第１摩擦撹拌接合工程の実行後、前記被接合部を挟んで、前記厚さ方向の他方側に配置される第２回転ツールを回転させながら第２進行方向に移動させることで、前記被接合部に第２撹拌領域を形成する第２摩擦撹拌接合工程と、を備え、
前記第１撹拌領域は、前記厚さ方向において、前記被接合部の一方側から前記被接合部の内部に達する領域となっており、
前記第２撹拌領域は、前記厚さ方向において、前記被接合部の他方側から前記被接合部の内部に達する領域となっており、
前記第１撹拌領域と前記第２撹拌領域とは、前記厚さ方向において、前記被接合部の内部で相互に重複しており、
前記第１摩擦撹拌接合工程と同時に、前記第２摩擦撹拌接合工程を行う場合、
前記第１回転ツールの第１回転軸と、前記第２回転ツールの第２回転軸とは、平行に設けられ、
前記第１回転ツールと前記第２回転ツールとは、前記厚さ方向に直交する直交面内において、前記第１進行方向及び前記第２進行方向に直交する幅方向の左右に位置ずれして配置されることを特徴とする摩擦撹拌接合方法。
【請求項２】
前記被接合部は、一対の金属材を突き合せることで形成される開先部であり、
前記開先部は、接合開始点から接合終了点に向かって延在する溶接線を形成し、
前記第１回転ツール及び前記第２回転ツールは、前記溶接線上を移動することを特徴とする請求項１に記載の摩擦撹拌接合方法。
【請求項３】
前記第１進行方向と前記第２進行方向とは、同じ進行方向となっており、
前記第１回転ツールは、前記厚さ方向における長さが、前記被接合部の一方側から前記被接合部の内部に達する長さに形成され、
前記第２回転ツールは、前記厚さ方向における長さが、前記被接合部の他方側から前記被接合部の内部に達する長さに形成され、
前記第１回転ツールと前記第２回転ツールとは、前記厚さ方向において、前記被接合部の内部で相互に重複すると共に、少なくとも前記進行方向の前後に位置ずれして配置されることを特徴とする請求項１または２に記載の摩擦撹拌接合方法。
【請求項４】
前記第１回転ツールは、
前記被接合部の一方側の面と接する第１ショルダ部を有する第１ツール本体と、
前記第１ツール本体から前記第２回転ツール側に向かって突出する第１プローブと、を有し、
前記第２回転ツールは、
前記被接合部の他方側の面と接する第２ショルダ部を有する第２ツール本体と、
前記第２ツール本体から前記第１回転ツール側に向かって突出する第２プローブと、を有し、
前記第１回転ツール及び前記第２回転ツールは、前記第１ショルダ部と前記第２ショルダ部との少なくとも一部が前記厚さ方向において重複する範囲で、位置ずれして配置されることを特徴とする請求項３に記載の摩擦撹拌接合方法。
【請求項５】
前記第１回転ツールは、第１回転軸を中心に回転し、
前記第１ショルダ部は、外周面が円周面となっており、
前記第１プローブは、前記第２回転ツール側となる先端側の第１先端面が円形となっており、
前記第２回転ツールは、第２回転軸を中心に回転し、
前記第２ショルダ部は、外周面が円周面となっており、
前記第２プローブは、前記第１回転ツール側となる先端側の第２先端面が円形となっており、
前記第１回転軸と前記第２回転軸との間の距離をＬとし、前記第１ショルダ部の直径をＤ１とし、前記第１先端面の直径をｄ１とし、前記第２ショルダ部の直径をＤ２とし、前記第２先端面の直径をｄ２とすると、
前記第１回転ツール及び前記第２回転ツールは、
（Ｄ１／２＋ｄ２／２）≦（Ｄ２／２＋ｄ１／２）である場合、前記距離Ｌが（ｄ１／２＋ｄ２／２）＜Ｌ＜（Ｄ１／２＋ｄ２／２）の範囲となるように、位置ずれして配置され、
（Ｄ１／２＋ｄ２／２）≧（Ｄ２／２＋ｄ１／２）である場合、前記距離Ｌが（ｄ１／２＋ｄ２／２）＜Ｌ＜（Ｄ２／２＋ｄ１／２）の範囲となるように、位置ずれして配置されることを特徴とする請求項４に記載の摩擦撹拌接合方法。
【請求項６】
前記厚さ方向の一方側から前記第１回転ツール及び前記第２回転ツールを見たとき、前記第１回転ツールの回転方向と前記第２回転ツールの回転方向とは、相互に逆回転となっていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の摩擦撹拌接合方法。
【請求項７】
前記第１回転ツールと前記第２回転ツールとは、同じ形状であることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の摩擦撹拌接合方法。
【請求項８】
金属材の被接合部を挟んで、前記被接合部の厚さ方向の一方側に配置される第１回転ツールを回転させながら第１進行方向に移動させることで、前記被接合部に第１撹拌領域を形成する第１摩擦撹拌接合工程と、
前記第１摩擦撹拌接合工程と同時、または前記第１摩擦撹拌接合工程の実行後、前記被接合部を挟んで、前記厚さ方向の他方側に配置される第２回転ツールを回転させながら第２進行方向に移動させることで、前記被接合部に第２撹拌領域を形成する第２摩擦撹拌接合工程と、を備え、
前記第１撹拌領域は、前記厚さ方向において、前記被接合部の一方側から前記被接合部の内部に達する領域となっており、
前記第２撹拌領域は、前記厚さ方向において、前記被接合部の他方側から前記被接合部の内部に達する領域となっており、
前記第１撹拌領域と前記第２撹拌領域とは、前記厚さ方向において、前記被接合部の内部で相互に重複しており、
前記第１摩擦撹拌接合工程の実行後、前記第２摩擦撹拌接合工程を行う場合、
前記第１摩擦撹拌接合工程では、前記被接合部を挟んで、前記第１回転ツールの反対側に設けられ、前記被接合部の前記厚さ方向の他方側に当接する第１当接面を有する、前記第１回転ツールに反力を与える第１反力回転ツールが配置され、
前記第２摩擦撹拌接合工程では、前記被接合部を挟んで、前記第２回転ツールの反対側に設けられ、前記被接合部の前記厚さ方向の一方側に当接する第２当接面を有する、前記第２回転ツールに反力を与える第２反力回転ツールが配置され、
前記第１回転ツールは、
前記被接合部の一方側の面と接する第１ショルダ部を有する第１ツール本体と、
前記第１回転ツールの第１回転軸に沿って、前記第１ツール本体に貫通形成される第１挿通穴と、
前記第１挿通穴に挿通され、前記第１回転軸の軸方向に移動可能に構成されると共に、前記第１ツール本体から前記第１反力回転ツールに向かって突出する第１プローブピンと、を有し、
前記第１反力回転ツールは、
前記被接合部の他方側の面と接する第２ショルダ部を有する第２ツール本体と、
前記第１反力回転ツールの第２回転軸に沿って、前記第２ツール本体に貫通形成される第２挿通穴と、
前記第２挿通穴に挿通され、前記第２回転軸の軸方向に移動可能に構成されると共に、前記第２ツール本体から前記第１回転ツールに向かって突出する第２プローブピンと、を有し、
前記第１摩擦撹拌接合工程では、前記第１回転ツール及び前記第１反力回転ツールを、前記第１回転軸と前記第２回転軸とが同軸上となるように配置し、前記第１プローブピンと前記第２プローブピンとを所定の隙間を空けて対向させ、前記第１プローブピンの突出長さを、前記第２プローブピンよりも長くしており、
前記第１摩擦撹拌接合工程の実行後、前記第１回転ツールの前記第１プローブピンの突出長さと、前記第１反力回転ツールの前記第２プローブピンの突出長さとを変位させ、前記第２プローブピンの突出長さを、前記第１プローブピンよりも長くすることで、前記第１回転ツールを前記第２反力回転ツールとし、前記第１反力回転ツールを前記第２回転ツールとする入替工程を、さらに備えることを特徴とする摩擦撹拌接合方法。
【請求項９】
前記第１摩擦撹拌接合工程の実行後、前記金属材の位置を維持した状態で、前記第２摩擦撹拌接合工程を実行することを特徴とする請求項８に記載の摩擦撹拌接合方法。
【請求項１０】
前記被接合部の前記厚さ方向が鉛直方向である場合、
前記第１摩擦撹拌接合工程では、前記第１回転ツールが前記被接合部の上方側となるように配置されることを特徴とする請求項８または９に記載の摩擦撹拌接合方法。
【請求項１１】
前記第１進行方向と前記第２進行方向とは、逆方向となっていることを特徴とする請求項８から１０のいずれか１項に記載の摩擦撹拌接合方法。
【請求項１２】
前記被接合部が摩擦撹拌接合されることで形成された前記金属材の接合部に発生する接合欠陥部を補修する場合、
前記接合部を挟んで、前記接合部の厚さ方向の一方側に配置される補修用回転ツールと、前記接合部を挟んで、前記厚さ方向の他方側に配置され、前記補修用回転ツールに反力を与える反力回転ツールとを回転させながら、所定の進行方向に移動させることで、前記接合部の補修を行っており、
前記補修用回転ツールは、前記厚さ方向における長さが、前記接合部の一方側から前記接合部の内部に達すると共に、前記接合欠陥部を覆う長さとなっていることを特徴とする請求項１から１１のいずれか１項に記載の摩擦撹拌接合方法。
【請求項１３】
金属材の被接合部を挟んで、前記被接合部の厚さ方向の一方側に配置され、前記被接合部の一方側から前記被接合部の内部に達する長さとなる第１回転ツールと、
前記被接合部を挟んで、前記厚さ方向の他方側に配置され、前記被接合部の他方側から前記被接合部の内部に達する長さとなる第２回転ツールと、を備え、
前記第１回転ツールは、回転しながら第１進行方向に移動することで、前記被接合部に第１撹拌領域を形成し、
前記第２回転ツールは、回転しながら第２進行方向に移動することで、前記被接合部に第２撹拌領域を形成し、
前記第１撹拌領域と前記第２撹拌領域とは、前記厚さ方向において、前記被接合部の内部で相互に重複しており、
前記第１回転ツールの第１回転軸と、前記第２回転ツールの第２回転軸とは、平行に設けられ、
前記第１回転ツールと前記第２回転ツールとは、前記厚さ方向に直交する直交面内において、前記第１進行方向及び前記第２進行方向に直交する幅方向の左右に位置ずれして配置されることを特徴とする摩擦撹拌接合装置。
【請求項１４】
前記第１進行方向と前記第２進行方向とは、同じ進行方向となっており、
前記第１回転ツール及び前記第２回転ツールは、前記被接合部の前記厚さ方向における両側を挟んで回転しながら、前記進行方向に移動して摩擦撹拌接合を行っており、
前記第１回転ツールと前記第２回転ツールとは、前記厚さ方向において、前記被接合部の内部で相互に重複すると共に、少なくとも前記進行方向の前後に位置ずれして配置されることを特徴とする請求項１３に記載の摩擦撹拌接合装置。
【請求項１５】
金属材の被接合部を挟んで、前記被接合部の厚さ方向の一方側に配置され、前記被接合部の一方側から前記被接合部の内部に達する長さとなる第１回転ツールと、
前記被接合部を挟んで、前記厚さ方向の他方側に配置され、前記被接合部の他方側から前記被接合部の内部に達する長さとなる第２回転ツールと、を備え、
前記第１回転ツールは、回転しながら第１進行方向に移動することで、前記被接合部に第１撹拌領域を形成し、
前記第２回転ツールは、回転しながら第２進行方向に移動することで、前記被接合部に第２撹拌領域を形成し、
前記第１撹拌領域と前記第２撹拌領域とは、前記厚さ方向において、前記被接合部の内部で相互に重複しており、
前記被接合部を挟んで、前記第１回転ツールの反対側に設けられ、前記第１回転ツールに反力を与える第１反力回転ツールと、
前記被接合部を挟んで、前記第２回転ツールの反対側に設けられ、前記第２回転ツールに反力を与える第２反力回転ツールと、をさらに備え、
前記第１回転ツール及び前記第１反力回転ツールは、前記被接合部の前記厚さ方向における両側を挟んで回転しながら、所定の進行方向に移動して第１摩擦撹拌接合を実行し、
前記第１摩擦撹拌接合の実行後、前記第２回転ツール及び前記第２反力回転ツールは、前記被接合部の前記厚さ方向における両側を挟んで回転しながら、所定の進行方向に移動して第２摩擦撹拌接合を実行しており、
前記第１回転ツールは、
前記被接合部の一方側の面と接する第１ショルダ部を有する第１ツール本体と、
前記第１回転ツールの第１回転軸に沿って、前記第１ツール本体に貫通形成される第１挿通穴と、
前記第１挿通穴に挿通され、前記第１回転軸の軸方向に移動可能に構成されると共に、前記第１ツール本体から前記第１反力回転ツールに向かって突出する第１プローブピンと、を有し、
前記第１反力回転ツールは、
前記被接合部の他方側の面と接する第２ショルダ部を有する第２ツール本体と、
前記第１反力回転ツールの第２回転軸に沿って、前記第２ツール本体に貫通形成される第２挿通穴と、
前記第２挿通穴に挿通され、前記第２回転軸の軸方向に移動可能に構成されると共に、前記第２ツール本体から前記第１回転ツールに向かって突出する第２プローブピンと、を有し、
前記第１摩擦撹拌接合では、前記第１回転ツール及び前記第１反力回転ツールを、前記第１回転軸と前記第２回転軸とが同軸上となるように配置し、前記第１プローブピンと前記第２プローブピンとを所定の隙間を空けて対向させ、前記第１プローブピンの突出長さを、前記第２プローブピンよりも長くしており、
前記第１摩擦撹拌接合の実行後、前記第１回転ツールの前記第１プローブピンの突出長さと、前記第１反力回転ツールの前記第２プローブピンの突出長さとを変位させ、前記第２プローブピンの突出長さを、前記第１プローブピンよりも長くすることで、前記第１回転ツールを前記第２反力回転ツールとし、前記第１反力回転ツールを前記第２回転ツールとすることを特徴とする摩擦撹拌接合装置。
【請求項１６】
前記被接合部が摩擦撹拌接合されることで形成された前記金属材の接合部に発生する接合欠陥部を補修する場合、
前記接合部を挟んで、前記接合部の厚さ方向の一方側に配置され、前記接合部の一方側から前記接合部の内部に達すると共に、前記接合欠陥部を覆う長さとなる補修用回転ツールと、
前記接合部を挟んで、前記厚さ方向の他方側に配置され、前記補修用回転ツールに反力を与える反力回転ツールと、を備え、
前記補修用回転ツール及び前記反力回転ツールは、前記接合部の前記厚さ方向における両側を挟んで回転しながら、所定の進行方向に移動することで、前記接合部の補修を実行することを特徴とする請求項１３から１５のいずれか１項に記載の摩擦撹拌接合装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被接合部を摩擦撹拌接合により接合する摩擦撹拌接合方法及び摩擦撹拌接合装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、金属板の接合部にその表面側及び裏面側から挿入される上下の回転ツールを用い、上下の回転ツールにより摩擦撹拌して金属板を接合する摩擦撹拌接合装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。この摩擦撹拌接合装置において、上下の回転ツールは、円筒形のツール本体と、ツール本体の先端部に取り付けられたプローブとを有している。そして、ツール本体の先端部におけるプローブの取り付け部の周辺にショルダ部が形成されている。摩擦撹拌接合装置は、上下の回転ツールのプローブの先端間に所定の隙間を与えた状態で摩擦撹拌接合を行っている。
【０００３】
また、金属板の接合部の表面側及び裏面側に相対向するように配置される第１及び第２の回転ツールを用い、第１及び第２の回転ツールにより摩擦撹拌して金属板を接合する摩擦撹拌接合装置が知られている（例えば、特許文献２参照）。この摩擦撹拌接合装置において、第１及び第２の回転ツールの一方は、ショルダ部を先端部分に形成したツール本体と、ツール本体から突出して形成されたプローブ（突起部）とを有し、他方は、ショルダ部を先端部分に形成したツール本体と、プローブの先端部を収納する凹み部とを有している。摩擦撹拌接合装置は、一方の回転ツールの突起部を、他方の回転ツールの凹み部に挿入した状態で摩擦撹拌接合を行っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４８３８３８５号公報
【特許文献２】特許第４８３８３８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載の摩擦撹拌接合装置は、上下の回転ツールのプローブの先端間に所定の隙間が与えられる。このため、金属板の板厚が厚くなると、材料規格で許容される公差の絶対値が大きくなるため、隙間が大きくなってしまい、キッシングボンドと呼ばれる接合欠陥部（未接合部）が発生する可能性がある。特に、２０００系や７０００系のアルミ二ウム合金のような接合温度での流動特性が悪い材料では、許容できる隙間の量が小さく、このような欠陥が発生しやすい。さらに、接合後の金属板を塑性加工する場合には、接合欠陥部を起因とする亀裂等の破損が発生する可能性がある。
【０００６】
また、特許文献２に記載の摩擦撹拌接合装置は、プローブが金属板の厚さ方向に亘って設けられている。このため、金属板の板厚が厚くなると、プローブの長さを長くする必要がある。プローブの長さを長くすると、プローブに加わる曲げモーメントが大きくなるため、工具への負荷が大きくなってしまい、工具の破損につながる可能性も高い。また、工具に加わる負荷に耐え得る構成とすると、プローブの径を大きくする必要があるため、回転ツールを大きなものとしなければならず、これに伴って、工具を駆動する軸やモータ等の装置構成を大きくすることになってしまう。
【０００７】
そこで、本発明は、金属材の被接合部における厚さが変化しても、回転ツールに加わる負荷を抑制しつつ、接合欠陥部の発生を抑制して、被接合部の摩擦撹拌接合を好適に行うことができる摩擦撹拌接合方法及び摩擦撹拌接合装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の摩擦撹拌接合方法は、金属材の被接合部を挟んで、前記被接合部の厚さ方向の一方側に配置される第１回転ツールを回転させながら第１進行方向に移動させることで、前記被接合部に第１撹拌領域を形成する第１摩擦撹拌接合工程と、前記第１摩擦撹拌接合工程と同時、または前記第１摩擦撹拌接合工程の実行後、前記被接合部を挟んで、前記厚さ方向の他方側に配置される第２回転ツールを回転させながら第２進行方向に移動させることで、前記被接合部に第２撹拌領域を形成する第２摩擦撹拌接合工程と、を備え、前記第１撹拌領域は、前記厚さ方向において、前記被接合部の一方側から前記被接合部の内部に達する領域となっており、前記第２撹拌領域は、前記厚さ方向において、前記被接合部の他方側から前記被接合部の内部に達する領域となっており、前記第１撹拌領域と前記第２撹拌領域とは、前記厚さ方向において、前記被接合部の内部で相互に重複することを特徴とする。
【０００９】
この構成によれば、第１摩擦撹拌接合工程により被接合部に第１撹拌領域を形成し、第２摩擦撹拌接合工程により被接合部に第２撹拌領域を形成することができる。そして、形成された第１撹拌領域と第２撹拌領域とは、被接合部の厚さ方向に重複することから、厚さ方向の全域に亘って摩擦撹拌を行うことができる。このため、第１回転ツールと第２回転ツールとの間に所定の隙間が形成されることがないため、接合欠陥部の発生を抑制することができる。また、金属材の被接合部の厚みが変化しても、第１撹拌領域と第２撹拌領域とが重複する重複領域を厚さ方向に変化させればよいため、第１回転ツール及び第２回転ツールの長さを変える必要がないことから、回転ツールへの負荷の増大を抑制することができる。以上から、金属材の被接合部における厚さが変化しても回転ツールに加わる負荷を抑制しつつ、接合欠陥部の発生を抑制して、被接合部の摩擦撹拌接合を好適に行うことができる。
【００１０】
また、前記被接合部は、一対の金属材を突き合せることで形成される開先部であり、前記開先部は、接合開始点から接合終了点に向かって延在する溶接線を形成し、前記第１回転ツール及び前記第２回転ツールは、前記溶接線上を移動することが好ましい。
【００１１】
この構成によれば、第１回転ツール及び第２回転ツールが溶接線上を移動して、第１撹拌領域及び第２撹拌領域を形成することができる。このため、一対の金属材を突き合せた突合せ面において、第１撹拌領域及び第２撹拌領域を厚さ方向の全域に亘って形成できることから、接合欠陥部の発生を抑制することができる。
【００１２】
また、前記第１摩擦撹拌接合工程と同時に、前記第２摩擦撹拌接合工程を行う場合、前記第１進行方向と前記第２進行方向とは、同じ進行方向となっており、前記第１回転ツールは、前記厚さ方向における長さが、前記被接合部の一方側から前記被接合部の内部に達する長さに形成され、前記第２回転ツールは、前記厚さ方向における長さが、前記被接合部の他方側から前記被接合部の内部に達する長さに形成され、前記第１回転ツールと前記第２回転ツールとは、前記厚さ方向において、前記被接合部の内部で相互に重複すると共に、少なくとも前記進行方向の前後に位置ずれして配置されることが好ましい。
【００１３】
この構成によれば、第１摩擦撹拌接合工程と第２摩擦撹拌接合工程とを同時に行う場合、第１回転ツールと第２回転ツールとを進行方向の前後に位置ずれして配置することにより、第１回転ツールと第２回転ツールとの物理的な干渉を抑制することができる。また、第１回転ツールと第２回転ツールとを厚さ方向において重複する配置にすることで、第１回転ツール及び第２回転ツールにより形成される第１撹拌領域及び第２撹拌領域を、厚さ方向に重複させることができる。ここで、例えば、第１回転ツールと第２回転ツールとが同じ長さである場合、第１回転ツール及び第２回転ツールの長さは、被接合部の厚みの半分よりも長くなっている。
【００１４】
また、前記第１回転ツールと前記第２回転ツールとは、前記厚さ方向に直交する直交面内において、前記進行方向に直交する幅方向の左右に位置ずれして配置されることが好ましい。
【００１５】
この構成によれば、第１回転ツールと第２回転ツールとを幅方向の左右に位置ずれさせた分、第１回転ツールと第２回転ツールとの間の距離が広がることから、第１回転ツールと第２回転ツールとを進行方向に近づけることが可能となる。このため、第１回転ツールと第２回転ツールとを幅方向の左右に位置ずれして配置することにより、第１回転ツールと第２回転ツールとの物理的な干渉をより好適に抑制することができる。
【００１６】
また、前記第１回転ツールは、前記被接合部の一方側の面と接する第１ショルダ部を有する第１ツール本体と、前記第１ツール本体から前記第２回転ツール側に向かって突出する第１プローブと、を有し、前記第２回転ツールは、前記被接合部の他方側の面と接する第２ショルダ部を有する第２ツール本体と、前記第２ツール本体から前記第１回転ツール側に向かって突出する第２プローブと、を有し、前記第１回転ツール及び前記第２回転ツールは、前記第１ショルダ部と前記第２ショルダ部との少なくとも一部が前記厚さ方向において重複する範囲で、位置ずれして配置されることが好ましい。
【００１７】
この構成によれば、第１回転ツール及び第２回転ツールは、相互に反力を与えることができるため、被接合部の厚さ方向における位置を所定の位置に維持しつつ、被接合部を好適に摩擦撹拌することができる。
【００１８】
また、前記第１回転ツールは、第１回転軸を中心に回転し、前記第１ショルダ部は、外周面が円周面となっており、前記第１プローブは、前記第２回転ツール側となる先端側の第１先端面が円形となっており、前記第２回転ツールは、第２回転軸を中心に回転し、前記第２ショルダ部は、外周面が円周面となっており、前記第２プローブは、前記第１回転ツール側となる先端側の第２先端面が円形となっており、前記第１回転軸と前記第２回転軸との間の距離をＬとし、前記第１ショルダ部の直径をＤ１とし、前記第１先端面の直径をｄ１とし、前記第２ショルダ部の直径をＤ２とし、前記第２先端面の直径をｄ２とすると、前記第１回転ツール及び前記第２回転ツールは、（Ｄ１／２＋ｄ２／２）≦（Ｄ２／２＋ｄ１／２）である場合、前記距離Ｌが（ｄ１／２＋ｄ２／２）＜Ｌ＜（Ｄ１／２＋ｄ２／２）の範囲となるように、位置ずれして配置され、（Ｄ１／２＋ｄ２／２）≧（Ｄ２／２＋ｄ１／２）である場合、前記距離Ｌが（ｄ１／２＋ｄ２／２）＜Ｌ＜（Ｄ２／２＋ｄ１／２）の範囲となるように、位置ずれして配置されることが好ましい。
【００１９】
この構成によれば、第１回転ツールと第２回転ツールとの間の距離Ｌを上記の範囲とすることで、相互に反力をより確実に与えることができる。
【００２０】
また、前記厚さ方向の一方側から前記第１回転ツール及び前記第２回転ツールを見たとき、前記第１回転ツールの回転方向と前記第２回転ツールの回転方向とは、相互に逆回転となっていることが好ましい。
【００２１】
この構成によれば、第１回転ツールの進行方向の前方側において被接合部に与えられる荷重方向と、第２回転ツールの進行方向の前方側において被接合部に与えられる荷重方向とが逆方向となる。このため、第１回転ツールによる被接合部への荷重と、第２回転ツールによる被接合部への荷重とを打ち消し合うことができるため、被接合部に対して荷重が偏ることを抑制することができる。また、第１回転ツールと第２回転ツールとの間において、摩擦撹拌される金属材の流れ方向を一方向とすることができる。このため、摩擦撹拌される金属材をスムーズに流動させることができる。
【００２２】
また、前記第１回転ツールと前記第２回転ツールとは、同じ形状であることが好ましい。
【００２３】
この構成によれば、第１回転ツール及び第２回転ツールによる摩擦撹拌の条件を、被接合部の厚さ方向の両側において、ほぼ同じ条件とすることができることから、被接合部の摩擦撹拌接合を好適に行うことができる。
【００２４】
また、前記第１摩擦撹拌接合工程の実行後、前記第２摩擦撹拌接合工程を行う場合、前記第１摩擦撹拌接合工程では、前記被接合部を挟んで、前記第１回転ツールの反対側に設けられ、前記被接合部の前記厚さ方向の他方側に当接する第１当接面を有する、前記第１回転ツールに反力を与える第１反力回転ツールが配置され、前記第２摩擦撹拌接合工程では、前記被接合部を挟んで、前記第２回転ツールの反対側に設けられ、前記被接合部の前記厚さ方向の一方側に当接する第２当接面を有する、前記第２回転ツールに反力を与える第２反力回転ツールが配置されることが好ましい。
【００２５】
この構成によれば、第１摩擦撹拌接合工程において、第１回転ツールと第１反力回転ツールとを用いて、第１撹拌領域を形成することができる。このとき、第１反力回転ツールは、第１回転ツールに反力を与えることで、被接合部の厚さ方向における位置の変動を抑制することができ、また、被接合部に対し、回転による入熱を与えることができる。また、第２摩擦撹拌接合工程において、第２回転ツールと第２反力回転ツールとを用いて、第２撹拌領域を形成することができる。このとき、第１摩擦撹拌接合工程と同様に、第２反力回転ツールは、第２回転ツールに反力を与えることで、被接合部の厚さ方向における位置の変動を抑制することができ、また、被接合部に対し、回転による入熱を与えることができる。そして、形成された第１撹拌領域と第２撹拌領域とは、被接合部の厚さ方向に重複することから、厚さ方向の全域に亘って摩擦撹拌を行うことができる。このため、第１回転ツールと第２回転ツールとの間に所定の隙間が形成されることがないため、接合欠陥部の発生を抑制することができる。また、金属材の被接合部の厚みが変化しても、第１撹拌領域と第２撹拌領域とが重複する重複領域を厚さ方向に変化させればよいため、第１回転ツール及び第２回転ツールの長さを変える必要がないことから、回転ツールへの負荷の増大を抑制することができる。以上から、金属材の被接合部における厚さが変化しても回転ツールに加わる負荷を抑制しつつ、接合欠陥部の発生を抑制して、被接合部の摩擦撹拌接合を好適に行うことができる。
【００２６】
また、前記第１反力回転ツールの前記第１当接面及び前記第２反力回転ツールの前記第２当接面の少なくとも一方は、平坦面であることが好ましい。
【００２７】
この構成によれば、摩擦撹拌時において、第１当接面及び第２当接面が平坦面となることから、平坦面となる第１反力回転ツール及び第２反力回転ツールの回転に必要な力を減らすことができる。また、摩擦撹拌接合の初期において、平坦面となる第１反力回転ツール及び第２反力回転ツールについては、回転ツールに形成される突起部を被接合部に差し込む工程及び引抜く工程が不要となり、接合作業工程を単純化できる。また、一般的に、摩擦撹拌接合では、被接合部を挟んで回転ツールの反対側に裏当て金を当てるが、裏当て金を使用した場合とは異なり、被溶接部の凹凸に応じて各回転ツール及び各反力回転ツールの位置を制御することで、各反力回転ツールの平坦面を被溶接部に確実に接触させることができ、また、これにより、反対側の各回転ツールの反力を受けることができるため、被溶接部を好適に摩擦撹拌接合することができる。さらに、裏当て金を使用する場合とは異なり、各反力回転ツールの被溶接部への接触面積が限られ、また、各反力回転ツールの回転による入熱もあることから、被接合部の反力回転ツール側への熱損失を減らすことができる。
【００２８】
また、前記第１反力回転ツールの前記第１当接面及び前記第２反力回転ツールの前記第２当接面の少なくとも一方には、突起部が形成されることが好ましい。
【００２９】
この構成によれば、摩擦撹拌時において、第１当接面及び第２当接面が当接する側の被接合部の面を、突起部により摩擦撹拌接合することができる。このため、例えば、第１摩擦撹拌接合後に第２摩擦撹拌接合を行う場合、第２回転ツールによる摩擦撹拌に先立って、第１反力回転ツールによって被接合部の他方側の面を仮接合することができる。このため、被接合部が開先部である場合には、開先部が開いてしまうことを仮接合により抑制できるため、第２回転ツールにより被接合部を好適に摩擦撹拌することができる。
【００３０】
また、前記第１摩擦撹拌接合工程の実行後、前記金属材の位置を維持した状態で、前記第２摩擦撹拌接合工程を実行することが好ましい。
【００３１】
この構成によれば、金属材の位置を反転させることなく、金属材の位置を維持することができる。このため、金属材の反転作業を行うことなく、第１摩擦撹拌接合工程及び第２摩擦撹拌接合工程を実行することができる。
【００３２】
また、前記第１摩擦撹拌接合工程の実行後で、前記第２摩擦撹拌接合工程の実行前に、前記第１回転ツールと前記第１反力回転ツールとの位置を相互に入れ替えて、前記第１回転ツールを前記第２回転ツールとし、前記第１反力回転ツールを前記第２反力回転ツールとするツール反転工程を、さらに備えることが好ましい。
【００３３】
この構成によれば、ツール反転工程を行うことで、第１回転ツールを第２回転ツールとして用いることができ、また、第１反力回転ツールを第２反力回転ツールとして用いることができる。このため、金属材の位置を反転させることなく、第１回転ツール及び第１反力回転ツールの位置を反転させることで、第１摩擦撹拌接合工程及び第２摩擦撹拌接合工程を実行することができる。
【００３４】
また、前記第１摩擦撹拌接合工程の実行後で、前記第２摩擦撹拌接合工程の実行前に、前記金属材の位置を前記厚み方向において反転させることで、前記第１回転ツールを前記第２回転ツールとし、前記第１反力回転ツールを前記第２反力回転ツールとする材料反転工程を、さらに備えることが好ましい。
【００３５】
この構成によれば、材料反転工程を行うことで、第１回転ツールを第２回転ツールとして用いることができ、また、第１反力回転ツールを第２反力回転ツールとして用いることができる。このため、第１回転ツール及び第１反力回転ツールの位置を反転させることなく、金属材の位置を反転させることで、第１摩擦撹拌接合工程及び第２摩擦撹拌接合工程を実行することができる。
【００３６】
また、前記被接合部の前記厚さ方向が鉛直方向である場合、前記第１摩擦撹拌接合工程では、前記第１回転ツールが前記被接合部の上方側となるように配置されることが好ましい。
【００３７】
この構成によれば、被接合部の上方側に第１撹拌領域を形成した後、被接合部の下方側に第２撹拌領域を形成することができる。このため、第１摩擦撹拌接合工程において、被接合部の上方側の領域は、第１撹拌領域となり、被接合部の下方側の領域は、摩擦撹拌接合されない未接合の領域となることから、上方側から下方側に向かって、未接合領域に進入する異物を、第１撹拌領域によって抑制することができる。
【００３８】
また、前記第１進行方向と前記第２進行方向とは、逆方向となっていることが好ましい。
【００３９】
この構成によれば、第１回転ツール及び第１反力回転ツールの接合終了点を、第２回転ツール及び第２反力回転ツールの接合開始点とすることができる。このため、各種回転ツールの移動を少ないものとすることができる。
【００４０】
また、前記第１進行方向と前記第２進行方向とは、同じ方向となっていることが好ましい。
【００４１】
この構成によれば、第１摩擦撹拌接合工程における被接合部への入熱と、第２摩擦撹拌接合工程における被接合部への入熱とを同じ進行方向とすることができる。このため、第１摩擦撹拌接合工程と第２摩擦撹拌接合工程との被接合部における入熱の条件を、同じ条件にできることから、第１摩擦撹拌接合工程の実行後、第２摩擦撹拌接合工程を速やかに実行することが可能となる。
【００４２】
また、前記第１回転ツールは、前記被接合部の一方側の面と接する第１ショルダ部を有する第１ツール本体と、前記第１回転ツールの第１回転軸に沿って、前記第１ツール本体に貫通形成される第１挿通穴と、前記第１挿通穴に挿通され、前記第１回転軸の軸方向に移動可能に構成されると共に、前記第１ツール本体から前記第１反力回転ツールに向かって突出する第１プローブピンと、を有し、前記第１反力回転ツールは、前記被接合部の他方側の面と接する第２ショルダ部を有する第２ツール本体と、前記第１反力回転ツールの第２回転軸に沿って、前記第２ツール本体に貫通形成される第２挿通穴と、前記第２挿通穴に挿通され、前記第２回転軸の軸方向に移動可能に構成されると共に、前記第２ツール本体から前記第１回転ツールに向かって突出する第２プローブピンと、を有し、前記第１摩擦撹拌接合工程では、前記第１回転ツール及び前記第１反力回転ツールを、前記第１回転軸と前記第２回転軸とが同軸上となるように配置し、前記第１プローブピンと前記第２プローブピンとを所定の隙間を空けて対向させ、前記第１プローブピンの突出長さを、前記第２プローブピンよりも長くしており、前記第１摩擦撹拌接合工程の実行後、前記第１回転ツールの前記第１プローブピンの突出長さと、前記第１反力回転ツールの前記第２プローブピンの突出長さとを変位させ、前記第２プローブピンの突出長さを、前記第１プローブピンよりも長くすることで、前記第１回転ツールを前記第２反力回転ツールとし、前記第１反力回転ツールを前記第２回転ツールとする入替工程を、さらに備えることが好ましい。
【００４３】
この構成によれば、入替工程において、第１プローブピンの突出長さと、第２プローブピンの突出長さとをそれぞれ変位させることで、第１回転ツールを第２反力回転ツールとすることができ、第１反力回転ツールを第２回転ツールとすることができる。
【００４４】
また、前記被接合部が摩擦撹拌接合されることで形成された前記金属材の接合部に発生する接合欠陥部を補修する場合、前記接合部を挟んで、前記接合部の厚さ方向の一方側に配置される補修用回転ツールと、前記接合部を挟んで、前記厚さ方向の他方側に配置され、前記補修用回転ツールに反力を与える反力回転ツールとを回転させながら、所定の進行方向に移動させることで、前記接合部の補修を行っており、前記補修用回転ツールは、前記厚さ方向における長さが、前記接合部の一方側から前記接合部の内部に達すると共に、前記接合欠陥部を覆う長さとなっていることが好ましい。
【００４５】
この構成によれば、接合部に発生する接合欠陥部を、補修用回転ツールと、反力回転ツールとを用いることで、補修することができる。このとき、反力回転ツールは、補修用回転ツールに反力を与えることで、接合部の厚さ方向における位置の変動を抑制することができ、また、接合部に対し、回転による入熱を与えることができる。
【００４６】
本発明の摩擦撹拌接合装置は、金属材の被接合部を挟んで、前記被接合部の厚さ方向の一方側に配置され、前記被接合部の一方側から前記被接合部の内部に達する長さとなる第１回転ツールと、前記被接合部を挟んで、前記厚さ方向の他方側に配置され、前記被接合部の他方側から前記被接合部の内部に達する長さとなる第２回転ツールと、を備え、前記第１回転ツールは、回転しながら第１進行方向に移動することで、前記被接合部に第１撹拌領域を形成し、前記第２回転ツールは、回転しながら第２進行方向に移動することで、前記被接合部に第２撹拌領域を形成し、前記第１撹拌領域と前記第２撹拌領域とは、前記厚さ方向において、前記被接合部の内部で相互に重複することを特徴とする。
【００４７】
この構成によれば、第１回転ツールにより被接合部に第１撹拌領域を形成し、第２回転ツールにより被接合部に第２撹拌領域を形成することができる。そして、形成された第１撹拌領域と第２撹拌領域とは、被接合部の厚さ方向に重複することから、厚さ方向の全域に亘って摩擦撹拌を行うことができる。このため、第１回転ツールと第２回転ツールとの間に所定の隙間が形成されることがないため、接合欠陥部の発生を抑制することができる。また、金属材の被接合部の厚みが変化しても、第１撹拌領域と第２撹拌領域とが重複する重複領域を厚さ方向に変化させればよいため、第１回転ツール及び第２回転ツールの長さを変える必要がないことから、回転ツールへの負荷の増大を抑制することができる。以上から、金属材の被接合部における厚さが変化しても回転ツールに加わる負荷を抑制しつつ、接合欠陥部の発生を抑制して、被接合部の摩擦撹拌接合を好適に行うことができる。
【００４８】
また、前記第１進行方向と前記第２進行方向とは、同じ進行方向となっており、前記第１回転ツール及び前記第２回転ツールは、前記被接合部の前記厚さ方向における両側を挟んで回転しながら、前記進行方向に移動して摩擦撹拌接合を行っており、前記第１回転ツールと前記第２回転ツールとは、前記厚さ方向において、前記被接合部の内部で相互に重複すると共に、少なくとも前記進行方向の前後に位置ずれして配置されることが好ましい。
【００４９】
この構成によれば、第１回転ツール及び第２回転ツールを、被接合部の両側から挟んで回転させることで、第１撹拌領域及び第２撹拌領域を厚さ方向に重複させて、ほぼ同時に形成することができる。このとき、第１回転ツールと第２回転ツールとを進行方向の前後に位置ずれして配置することにより、第１回転ツールと第２回転ツールとの物理的な干渉を抑制することができる。
【００５０】
また、前記被接合部を挟んで、前記第１回転ツールの反対側に設けられ、前記第１回転ツールに反力を与える第１反力回転ツールと、前記被接合部を挟んで、前記第２回転ツールの反対側に設けられ、前記第２回転ツールに反力を与える第２反力回転ツールと、をさらに備え、前記第１回転ツール及び前記第１反力回転ツールは、前記被接合部の前記厚さ方向における両側を挟んで回転しながら、所定の進行方向に移動して第１摩擦撹拌接合を実行し、前記第１摩擦撹拌接合の実行後、前記第２回転ツール及び前記第２反力回転ツールは、前記被接合部の前記厚さ方向における両側を挟んで回転しながら、所定の進行方向に移動して第２摩擦撹拌接合を実行することが好ましい。
【００５１】
この構成によれば、第１摩擦撹拌接合において、第１回転ツール及び第１反力回転ツールを、被接合部の両側から挟んで回転させることで、第１撹拌領域を形成することができる。このとき、第１反力回転ツールは、第１回転ツールに反力を与えることで、被接合部の厚さ方向における位置の変動を抑制することができ、また、被接合部に対し、回転による入熱を与えることができる。また、第２摩擦撹拌接合において、第２回転ツール及び第２反力回転ツールを、被接合部の両側から挟んで回転させることで、第２撹拌領域を形成することができる。このとき、第１摩擦撹拌接合と同様に、第２反力回転ツールは、第２回転ツールに反力を与えることで、被接合部の厚さ方向における位置の変動を抑制することができ、また、被接合部に対し、回転による入熱を与えることができる。
【００５２】
また、前記被接合部を挟んで、前記第１回転ツールの反対側に設けられ、前記第１回転ツールに反力を与える第１反力回転ツールと、前記被接合部を挟んで、前記第２回転ツールの反対側に設けられ、前記第２回転ツールに反力を与える第２反力回転ツールと、前記第１回転ツールと前記第１反力回転ツールとの位置を反転させて、前記第１回転ツールを前記第２回転ツールとし、前記第１反力回転ツールを前記第２反力回転ツールとして機能させる反転機構と、を備え、反転前の前記第１回転ツールと、反転後の前記第２回転ツールとは、前記厚さ方向において、前記被接合部の内部で相互に重複する配置となっており、反転前の前記第１回転ツール及び前記第１反力回転ツールは、前記被接合部の前記厚さ方向における両側を挟んで回転しながら、所定の進行方向に移動して第１摩擦撹拌接合を実行し、前記第１摩擦撹拌接合の実行後、前記反転機構は、前記第１回転ツールと前記第１反力回転ツールとの位置を反転させ、反転後の前記第２回転ツール及び前記第２反力回転ツールは、前記被接合部の前記厚さ方向における両側を挟んで回転しながら、所定の進行方向に移動して第２摩擦撹拌接合を実行することが好ましい。
【００５３】
この構成によれば、反転機構により、第１回転ツール及び第１反力回転ツールの位置を反転させることで、第１回転ツールを第２回転ツールとして用いることができ、また、第１反力回転ツールを第２反力回転ツールとして用いることができる。このため、金属材の位置を反転させることなく、第１回転ツール及び第１反力回転ツールの位置を反転させることで、第１摩擦撹拌接合及び第２摩擦撹拌接合を実行することができる。
【００５４】
また、前記被接合部が摩擦撹拌接合されることで形成された前記金属材の接合部に発生する接合欠陥部を補修する場合、前記接合部を挟んで、前記接合部の厚さ方向の一方側に配置され、前記接合部の一方側から前記接合部の内部に達すると共に、前記接合欠陥部を覆う長さとなる補修用回転ツールと、前記接合部を挟んで、前記厚さ方向の他方側に配置され、前記補修用回転ツールに反力を与える反力回転ツールと、を備え、前記補修用回転ツール及び前記反力回転ツールは、前記接合部の前記厚さ方向における両側を挟んで回転しながら、所定の進行方向に移動することで、前記接合部の補修を実行することが好ましい。
【００５５】
この構成によれば、接合部に発生する接合欠陥部を、補修用回転ツールと反力回転ツールとを用いて補修することができる。このとき、反力回転ツールは、補修用回転ツールに反力を与えることで、接合部の厚さ方向における位置の変動を抑制することができ、また、接合部に対し、回転による入熱を与えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】図１は、実施例１に係る摩擦撹拌接合装置を模式的に表した概略構成図である。
【図２】図２は、第１撹拌領域及び第２撹拌領域に関する説明図である。
【図３】図３は、第１ショルダ面及び第２ショルダ面を示す平面図である。
【図４】図４は、第１ショルダ部及び第２ショルダ部の形状を示す側面図である。
【図５】図５は、第１ショルダ部の形状の一例を示す平面図である。
【図６】図６は、第１ショルダ部の形状の一例を示す平面図である。
【図７】図７は、第１ショルダ部の形状の一例を示す平面図である。
【図８】図８は、摩擦撹拌接合前の金属板の一例を示す説明図である。
【図９】図９は、実施例１に係る摩擦撹拌接合方法のフローチャートである。
【図１０】図１０は、実施例１の変形例１に係る摩擦撹拌接合装置の一部を模式的に表した概略構成図である。
【図１１】図１１は、実施例２に係る摩擦撹拌接合装置を模式的に表した概略構成図である。
【図１２】図１２は、摩擦撹拌接合時における進行方向を示す平面図である。
【図１３】図１３は、実施例２に係る摩擦撹拌接合装置による摩擦撹拌接合動作を示す説明図である。
【図１４】図１４は、実施例２に係る摩擦撹拌接合方法のフローチャートである。
【図１５】図１５は、実施例２の変形例２に係る摩擦撹拌接合時の進行方向を示す平面図である。
【図１６】図１６は、実施例２の変形例３に係る摩擦撹拌接合装置の一部を模式的に表した概略構成図である。
【図１７】図１７は、実施例２の変形例４に係る摩擦撹拌接合装置による摩擦撹拌接合動作を示す説明図である。
【図１８】図１８は、実施例３に係る摩擦撹拌接合装置により補修される接合部の説明図である。
【図１９】図１９は、実施例３に係る摩擦撹拌接合装置による補修動作を示す説明図である。
【図２０】図２０は、実施例４に係る摩擦撹拌接合装置の一部を模式的に表した概略構成図である。
【図２１】図２１は、実施例４に係る摩擦撹拌接合装置による摩擦撹拌接合動作を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００５７】
以下に、本発明に係る実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施例における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。さらに、以下に記載した構成要素は適宜組み合わせることが可能であり、また、実施例が複数ある場合には、各実施例を組み合わせることも可能である。
【実施例１】
【００５８】
図１は、実施例１に係る摩擦撹拌接合装置を模式的に表した概略構成図である。図２は、第１撹拌領域及び第２撹拌領域に関する説明図である。図３は、第１ショルダ面及び第２ショルダ面を示す平面図である。図４は、第１ショルダ部及び第２ショルダ部の形状を示す側面図である。図５から図７は、第１ショルダ部の形状の一例を示す平面図である。図８は、摩擦撹拌接合前の金属板の一例を示す説明図である。図９は、実施例１に係る摩擦撹拌接合方法のフローチャートである。
【００５９】
実施例１の摩擦撹拌接合装置１は、一対の金属板５を突き合わせることで形成される開先部（被接合部）６を、開先部６の表裏に配置される第１回転ツール２１及び第２回転ツール２２を用いて摩擦撹拌することにより、一対の金属板５を接合する、いわゆる摩擦撹拌接合（ＦＳＷ：Friction Stir Welding）を行う装置である。先ず、図８を参照し、接合対象となる一対の金属板５について説明する。
【００６０】
金属板５は、例えば、アルミニウム合金を用いて構成されており、一辺が２ｍ以上となる大型の長方形状の板材となっている。また、金属板５は、その厚みが１５ｍｍ以上となっている。図８に示すように、一対の金属板５は、端面を突き合わせることで、Ｉ形の開先部６が形成される。この開先部６は、所定の方向に直線状に延びる溶接線９として形成される。また、この一対の金属板５には、溶接線９が延びる方向の両側に、タブ板７がそれぞれ取り付けられている。溶接線９の両側の一対のタブ板７は、一対の金属板５に仮溶接等により取り付けられることで、一対の金属板５の相互の位置を固定する。このとき、摩擦撹拌接合における接合開始点は、一方のタブ板７上となっており、接合終了点は、他方のタブ板７上となっている。このため、摩擦撹拌接合は、一方のタブ板７から溶接線９（開先部６）上を通って他方のタブ板７へ向かって行われる。なお、詳細は後述するが、一方のタブ板７上の接合開始点には、予め第１回転ツール２１及び第２回転ツール２２がそれぞれ挿入される２つの有底穴８ａ，８ｂが形成されている。
【００６１】
なお、実施例１の摩擦撹拌接合装置１は、一対の金属板５を突き合わせた開先部６を摩擦撹拌接合の対象となる被接合部としたが、被接合部は、開先部６に特に限定されず、例えば、重ね合わせた複数の金属板５に対して、摩擦撹拌接合を行ってもよい。
【００６２】
ここで、摩擦撹拌接合により接合された一対の金属板５は、大型の金属板として取り扱われ、後工程において、塑性加工が行われる。このとき、摩擦撹拌接合により開先部６が接合されることで形成される溶接部に、接合されていない開先残り又は撹拌が不十分で生じる撹拌不良領域（キッシングボンド）といった接合欠陥部が形成されると、接合欠陥部を起因とする亀裂、割れ等の破損が生じる可能性がある。このため、実施例１の摩擦撹拌接合装置１では、特に、溶接部の表面及び中央内部での接合欠陥部の形成を抑制すべく、下記する構成となっている。
【００６３】
図１を参照して、摩擦撹拌接合装置１について説明する。図１に示す摩擦撹拌接合装置１は、開先部６の厚み方向の両側から摩擦撹拌接合を行っている。このとき、開先部６の厚み方向は、鉛直方向となっている。摩擦撹拌接合装置１は、摩擦撹拌工具１０と、第１押圧回転機構１１と、第２押圧回転機構１２と、第１移動機構１３と、第２移動機構１４と、工具負荷検出器１６と、制御部２０とを備えている。この摩擦撹拌接合装置１は、一対の金属板５の位置を固定した状態で、摩擦撹拌工具１０を溶接線９上に沿って、所定の進行方向に移動させながら、開先部６に対して摩擦撹拌接合を行っている。
【００６４】
摩擦撹拌工具１０は、第１回転ツール２１と第２回転ツール２２とを有している。第１回転ツール２１は、開先部６を挟んで、開先部６の厚さ方向の上方側（一方側）に配置されている。第１回転ツール２１は、第１回転軸Ｉ１を中心に回転すると共に、開先部６の上面に押圧される。第２回転ツール２２は、開先部６を挟んで、開先部６の厚さ方向の下方側（他方側）に配置されている。第２回転ツール２２は、第２回転軸Ｉ２を中心に回転すると共に、開先部６の下面に押圧される。このとき、第１回転ツール２１と第２回転ツール２２とは、同じ形状に形成され、第１回転軸Ｉ１と第２回転軸Ｉ２とは、鉛直方向に沿って平行に設けられている。このため、第１回転軸Ｉ１は、開先部６の上面に直交しており、第２回転軸Ｉ２も、開先部６の下面に直交している。以下、第１回転ツール２１及び第２回転ツール２２について説明する。
【００６５】
第１回転ツール２１は、第１ツール本体３１と、第１プローブ３２と、を有している。第１ツール本体３１は、円柱形状に形成され、第２回転ツール２２側となる先端側に、第１ショルダ部３５が形成されている。第１ショルダ部３５は、その外周面が、所定の直径となる円周面となっている。また、第１ショルダ部３５は、その先端側の面が、開先部６の上面と接する円形の第１ショルダ面３５ａとなっている。第１回転ツール２１は、第１ショルダ部３５の第１ショルダ面３５ａを開先部６の上面に接触させた状態で回転することで、開先部６に対して摩擦による熱を与え、熱を与えることで軟化した開先部６の金属を撹拌する。
【００６６】
ここで、第１ショルダ部３５は、図５から図７に示す形状となっており、実施例１では、いずれの形状であってもよい。第１ショルダ面３５ａには、溝形状の凹部３６が形成されることで、第１ショルダ面３５ａは凹凸面となる。この凹部３６は、第１ショルダ部３５と金属板５とを擦ることで軟化した金属が、第１ショルダ部３５の中心側へ向かうような形状となっている。
【００６７】
具体的に、図５に示す凹部３６は、１本で構成されており、１本の凹部３６は、第１ショルダ面３５ａにおいて、外側から内側に向かう渦巻状（スクロール形状）に配置されている。図６に示す凹部３６は、２本で構成されており、２本の凹部３６は、第１ショルダ面３５ａにおいて、１８０°位相が異なる位置に設けられ、外側から内側に向かう渦巻状に配置されている。図７に示す凹部３６は、複数本で構成されており、複数本の凹部３６は、第１ショルダ面３５ａの周方向に所定の間隔を空けて設けられると共に、外側から内側に向かって直線状に配置されている。
【００６８】
再び、図１を参照して、第１プローブ３２について説明する。第１プローブ３２は、第１ツール本体３１の第１ショルダ面３５ａから先端側に突出して設けられている。この第１プローブ３２は、開先部６の上面から、軟化した開先部６の内部に没する配置となる。ここで、開先部６の厚さ方向の中央を通るラインをラインＣとする。第１プローブ３２は、開先部６の厚さ方向における長さが、開先部６の厚さの半分よりも長くなるように形成されている。つまり、第１プローブ３２は、開先部６の上面側からラインＣを超える長さとなっている。第１プローブ３２は、第１ツール本体３１と一体となって回転するように、第１ツール本体３１に固定されている。
【００６９】
この第１プローブ３２は、後端側の直径が太く、また、先端側に向かうにつれて直径が細くなるテーパ形状に形成されている。第１プローブ３２は、その先端側の面が、円形の第１先端面３２ａとなっている。また、第１プローブ３２の外周面には、軟化した開先部６の金属を撹拌するための溝が形成されている。
【００７０】
第２回転ツール２２は、第２ツール本体４１と、第２プローブ４２と、を有している。第２ツール本体４１は、第１ツール本体３１と同様に、円柱形状に形成され、第１回転ツール２１側となる先端側に、第２ショルダ部４５が形成されている。第２ショルダ部４５は、その外周面が、所定の直径となる円周面となっている。また、第２ショルダ部４５は、その先端側の面が、開先部６の下面と接する円形の第２ショルダ面４５ａとなっている。第２回転ツール２２は、第２ショルダ部４５の第２ショルダ面４５ａを開先部６の下面に接触させた状態で回転することで、開先部６に対して摩擦による熱を与え、熱を与えることで軟化した開先部６の金属を撹拌する。
【００７１】
ここで、第２ショルダ部４５は、第１ショルダ部３５と同様の凹部３６が設けられている。なお、凹部３６については、第１ショルダ部３５と同様であるため、説明を省略する。
【００７２】
第２プローブ４２は、第２ツール本体４１の第２ショルダ面４５ａから先端側に突出して設けられている。この第２プローブ４２は、第１プローブ３２と同様に、開先部６の下面から、軟化した開先部６の内部に没する配置となる。第２プローブ４２は、開先部６の厚さ方向における長さが、開先部６の厚さの半分よりも長くなるように形成されている。つまり、第２プローブ４２は、開先部６の下面側からラインＣを超える長さとなっている。第２プローブ４２は、第２ツール本体４１と一体となって回転するように、第２ツール本体４１に固定されている。
【００７３】
この第２プローブ４２は、後端側の直径が太く、また、先端側に向かうにつれて直径が細くなるテーパ形状に形成されている。第２プローブ４２は、その先端側の面が、円形の第２先端面４２ａとなっている。また、第２プローブ４２の外周面には、軟化した開先部６の金属を撹拌するための溝が形成されている。
【００７４】
ここで、第１プローブ３２の長さは、開先部６の厚さの半分よりも長く、また、第２プローブ４２の長さは、開先部６の厚さの半分よりも長い。このため、第１プローブ３２と第２プローブ４２とを開先部６を挟んで対向するように配置すると、換言すれば、第１回転ツール２１と第２回転ツール２２とを、第１回転軸Ｉ１と第２回転軸Ｉ２とが同軸上となるように配置すると、第１プローブ３２と第２プローブ４２とが物理的に干渉してしまう。このため、第１回転ツール２１と第２回転ツール２２とは、溶接線９上において、物理的に干渉しないように位置ずれして配置される。
【００７５】
具体的に、第１回転ツール２１と第２回転ツール２２とは、図１に示すように、開先部６の厚さ方向において、開先部６の内部において相互に重複すると共に、図３に示すように、溶接線９上の進行方向の前後に位置ずれして配置される。このとき、第１回転ツール２１は、進行方向の前方側に配置され、第２回転ツール２２は、進行方向の後方側に配置される。このため、第１回転ツール２１（の第１プローブ３２）と第２回転ツール２２（の第２プローブ４２）とは、開先部６の厚さ方向において、開先部６の内部で相互に重複して配置される。また、図３に示すように、位置ずれして配置される第１回転ツール２１と第２回転ツール２２とは、第１プローブ３２の第１先端面３２ａが溶接線９と交わり、また、第２プローブ４２の第２先端面４２ａが溶接線９と交わる配置となっている。なお、第１回転ツール２１と第２回転ツール２２とのより詳細な配置については後述する。
【００７６】
第１回転ツール２１と第２回転ツール２２とは、その回転方向が、相互に逆方向となっている。ここで、第１回転ツール２１及び第２回転ツール２２が開先部６に与える荷重方向は、進行方向の前方側が、進行方向の後方側に比して大きくなっている。このため、第１回転ツール２１の進行方向の前方側における回転方向が開先部６に与える荷重方向となり、同様に、第２回転ツール２２の進行方向の前方側における回転方向が開先部６に与える荷重方向となる。具体的に、第１回転ツール２１の荷重方向は、一方（図３の上側）の金属板５から他方（図３の下側）の金属板５へ向かう方向となっており、第２回転ツール２２の荷重方向は、他方（図３の下側）の金属板５から他方（図３の上側）の金属板５へ向かう方向となっている。よって、第１回転ツール２１の荷重方向と、第２回転ツール２２の荷重方向とは、逆方向となっている。
【００７７】
また、第１回転ツール２１と第２回転ツール２２との回転方向が相互に逆方向となる場合、第１回転ツール２１と第２回転ツール２２との間における回転による金属材の流れ方向（回転の接線方向）は、同じ方向となる。このため、第１回転ツール２１の周囲を流動する摩擦撹拌された開先部６の金属と、第２回転ツール２２の周囲を流動する摩擦撹拌された開先部６の金属とは、第１回転ツール２１と第２回転ツール２２との間において同じ方向に流れる。
【００７８】
なお、実施例１では、第１回転ツール２１及び第２回転ツール２２の回転方向が、相互に逆方向となるようにしたが、この構成に限定されない。第１回転ツール２１及び第２回転ツール２２は、摩擦撹拌接合に適していれば、同じ回転方向であってもよい。
【００７９】
次に、図２を参照して、第１回転ツール２１によって開先部６に形成される第１撹拌領域Ｅ１と、第２回転ツール２２によって開先部６に形成される第２撹拌領域Ｅ２とについて説明する。第１撹拌領域Ｅ１は、開先部６の上方側に形成される領域であり、第１回転ツール２１の第１プローブ３２によって形成される領域となっている。このため、第１撹拌領域Ｅ１は、厚さ方向において、開先部６の上面から開先部６の内部に達する領域となっており、開先部６の上面からラインＣを超えて形成される領域となる。第２撹拌領域Ｅ２は、開先部６の下方側に形成される領域であり、第２回転ツール２２の第２プローブ４２によって形成される領域となっている。このため、第２撹拌領域Ｅ２は、厚さ方向において、開先部６の下面から開先部６の内部に達する領域となっており、開先部６の下面からラインＣを超えて形成される領域となる。そして、第１撹拌領域Ｅ１と第２撹拌領域Ｅ２とは、厚さ方向において、相互に重複する領域となっている。具体的に、第１撹拌領域Ｅ１の下方側の領域と、第２撹拌領域Ｅ２の上方側の領域とが、相互に重複する重複領域Ｅ３となっている。このため、第１撹拌領域Ｅ１及び第２撹拌領域Ｅ２は、開先部６の厚さ方向の全域に亘って形成される。
【００８０】
次に、図４を参照して、第１回転ツール２１と第２回転ツール２２との詳細な配置について説明する。上記したように、第１回転ツール２１と第２回転ツール２２とは、進行方向の前後に位置ずれして配置されている。このとき、第１回転ツール２１は、開先部６の上面に押し当てられ、また、第２回転ツール２２は、開先部６の下面に押し当てられる。このため、開先部６は、第１回転ツール２１及び第２回転ツール２２により、厚み方向の両側から押圧されることから、厚さ方向の位置の変動を抑制すべく、第１回転ツール２１と第２回転ツール２２とは、相互に反力を与えることが可能な配置とする必要がある。
【００８１】
このため、第１回転ツール２１及び第２回転ツール２２は、相互に反力を与えるべく、第１ショルダ部３５と第２ショルダ部４５との少なくとも一部が、厚さ方向において重複する範囲で、位置ずれして配置されている。より具体的には、図４に示すように、第１回転軸Ｉ１と第２回転軸Ｉ２との間の距離をＬとし、第１ショルダ部３５の直径をＤ１とし、第１先端面３２ａの直径をｄ１とし、第２ショルダ部４５の直径をＤ２とし、第２先端面４２ａの直径をｄ２とすると、第１回転ツール２１及び第２回転ツール２２は、所定の範囲となるように、位置ずれして配置されている。
【００８２】
ここで、第１回転軸Ｉ１と第２回転軸Ｉ２とは平行となっており、距離Ｌは、第１回転軸Ｉ１及び第２回転軸Ｉ２に直交する方向において、第１回転軸Ｉ１及び第２回転軸Ｉ２を結んだ長さとなっている。また、直径Ｄ１及び直径ｄ１は、第１回転軸Ｉ１を中心とする直径となっており、同様に、直径Ｄ２及び直径ｄ２は、第２回転軸Ｉ２を中心とする直径となっている。
【００８３】
距離Ｌは、（Ｄ１／２＋ｄ２／２）≦（Ｄ２／２＋ｄ１／２）である場合、所定の範囲として、（ｄ１／２＋ｄ２／２）＜Ｌ＜（Ｄ１／２＋ｄ２／２）の範囲となっている。つまり、第１ショルダ部３５の半径と第２プローブ４２の第２先端面４２ａの半径とを足し合わせた長さが、第２ショルダ部４５の半径と第１プローブ３２の第１先端面３２ａの半径とを足し合わせた長さ以下の長さとなる場合、距離Ｌは、第１先端面３２ａの半径と第２先端面４２ａの半径とを足し合わせた長さよりも長く、第１ショルダ部３５の半径と第２先端面４２ａの半径とを足し合わせた長さよりも短くなっている。
【００８４】
また、距離Ｌは、（Ｄ１／２＋ｄ２／２）≧（Ｄ２／２＋ｄ１／２）である場合、所定の範囲として、（ｄ１／２＋ｄ２／２）＜Ｌ＜（Ｄ２／２＋ｄ１／２）の範囲となっている。つまり、第１ショルダ部３５の半径と第２プローブ４２の第２先端面４２ａの半径とを足し合わせた長さが、第２ショルダ部４５の半径と第１プローブ３２の第１先端面３２ａの半径とを足し合わせた長さ以上の長さとなる場合、距離Ｌは、第１先端面３２ａの半径と第２先端面４２ａの半径とを足し合わせた長さよりも長く、第２ショルダ部４５の半径と第１プローブ３２の第１先端面３２ａの半径とを足し合わせた長さよりも短くなっている。
【００８５】
このため、距離Ｌは、第１回転ツール２１と第２回転ツール２２との物理的な干渉を抑制しつつ、第１ショルダ部３５と第２ショルダ部４５とが厚さ方向において重複するような距離となる。
【００８６】
再び、図１を参照して、第１押圧回転機構１１及び第２押圧回転機構１２について説明する。第１押圧回転機構１１は、第１回転ツール２１に連結されており、制御部２０によって制御されている。第１押圧回転機構１１は、第１回転ツール２１を開先部６の上面へ向けて移動させると共に、第１回転ツール２１を回転させる。このため、第１押圧回転機構１１は、第１回転ツール２１の第１ショルダ部３５の第１ショルダ面３５ａを、開先部６の上面に押し当てた状態で、第１回転ツール２１を回転させる。
【００８７】
第２押圧回転機構１２は、第１押圧回転機構１１と同様に構成され、第２回転ツール２２に連結されており、制御部２０によって制御されている。第２押圧回転機構１２は、第２回転ツール２２を開先部６の下面へ向けて移動させると共に、第２回転ツール２２を回転させる。このため、第２押圧回転機構１２は、第２回転ツール２２の第２ショルダ部４５の第２ショルダ面４５ａを、開先部６の下面に押し当てた状態で、第２回転ツール２２を回転させる。
【００８８】
第１移動機構１３は、第１回転ツール２１に連結されており、制御部２０によって制御されている。第１移動機構１３は、図示しない第１モータを動力源として、第１回転ツール２１を、溶接線９上に沿って移動させている。なお、この第１モータは、後述する工具負荷検出器１６に接続されている。
【００８９】
第２移動機構１４は、第１移動機構１３と同様に構成され、第２回転ツール２２に連結されており、制御部２０によって制御されている。第２移動機構１４は、図示しない第２モータを動力源として、第２回転ツール２２を、溶接線９上に沿って移動させている。なお、この第２モータも、後述する工具負荷検出器１６に接続されている。
【００９０】
この第１移動機構１３及び第２移動機構１４は、第１回転ツール２１及び第２回転ツール２２を同期させながら移動させており、また、第１回転ツール２１が進行方向の前方側となり、第２回転ツール２２が進行方向の後方側となるように移動させている。
【００９１】
工具負荷検出器１６は、第１移動機構１３の第１モータに加わる負荷を検出する第１モータ負荷検出器５１と、第２移動機構１４の第２モータに加わる負荷を検出する第２モータ負荷検出器５２と、を有している。第１モータ負荷検出器５１は、制御部２０に接続され、制御部２０へ向けて、第１モータに加わる負荷を出力する。第２モータ負荷検出器５２は、制御部２０に接続され、制御部２０へ向けて、第２モータに加わる負荷を出力する。
【００９２】
制御部２０は、第１押圧回転機構１１、第２押圧回転機構１２、第１移動機構１３及び第２移動機構１４が接続され、各機構１１，１２，１３，１４をそれぞれ制御する。また、制御部２０は、第１モータ負荷検出器５１及び第２モータ負荷検出器５２が接続され、各検出器５１，５２の検出結果に基づいて、各機構１１，１２，１３，１４をそれぞれ制御する。
【００９３】
具体的に、制御部２０は、第１押圧回転機構１１及び第２押圧回転機構１２を制御して、第１回転ツール２１と第２回転ツール２２との間に挟まれる開先部６への荷重が所定の荷重となるように、第１回転ツール２１及び第２回転ツール２２を開先部６へ向けて移動させる。このとき、制御部２０は、開先部６の厚さ方向の位置が維持されるように、第１回転ツール２１及び第２回転ツール２２の押圧力をバランスさせる。また、制御部２０は、第１押圧回転機構１１及び第２押圧回転機構１２を制御して、第１回転ツール２１及び第２回転ツール２２の回転方向が相互に逆方向となるように、また、第１回転ツール２１及び第２回転ツール２２が所定の回転速度となるように、回転制御する。
【００９４】
また、制御部２０は、第１移動機構１３及び第２移動機構１４を制御して、第１回転ツール２１及び第２回転ツール２２を溶接線９上に沿って所定の進行方向に移動させる。このとき、制御部２０は、第１回転ツール２１が進行方向の前方側となり、第２回転ツール２２が進行方向の後方側となるように移動させる。
【００９５】
ここで、第１回転ツール２１及び第２回転ツール２２を移動させる場合、溶接線９上の進行方向において、第１回転ツール２１と第２回転ツール２２とが接触する等して、第１回転ツール２１及び第２回転ツール２２に大きな負荷が加わる可能性がある。このとき、制御部２０は、第１モータ負荷検出器５１及び第２モータ負荷検出器５２の検出結果に基づいて、第１移動機構１３及び第２移動機構１４を制御することで、第１回転ツール２１及び第２回転ツール２２が非接触状態となるように、第１回転ツール２１及び第２回転ツール２２の進行方向における位置を調整する。具体的に、第１回転ツール２１は、第２回転ツール２２に比して進行方向の前方側に位置することから、制御部２０は、第２モータ負荷検出器５２により検出された第２モータの負荷が大きくなり、第１モータ負荷検出器５１により検出された第１モータの負荷が小さくなる場合、第２回転ツール２２が第１回転ツール２１を進行方向に押していると判断する。この場合、制御部２０は、第１移動機構１３及び第２移動機構１４の少なくとも一方を制御して、第１回転ツール２１の移動速度を、第２回転ツール２２の移動速度よりも所定時間だけ相対的に速くして、第１回転ツール２１と第２回転ツール２２とを離す。
【００９６】
次に、図９を参照して、実施例１の摩擦撹拌接合装置１を用いた摩擦撹拌接合方法について説明する。なお、摩擦撹拌接合される一対の金属板５は、予め図８に示す状態となっている。つまり、一対の金属板５は、端面を突き合わせて開先部６を形成した状態で、一対のタブ板７により仮接合（仮付け）された状態となっている。このとき、一方のタブ板７には、２つの有底孔８ａ，８ｂが形成されている。２つの有底孔８ａ，８ｂは、摩擦撹拌接合装置１の接合開始点となっており、一方の有底孔８ａは、タブ板７の上面に形成され、他方の有底孔８ｂは、タブ板７の下面に形成されている。上方側の有底孔８ａには、第１回転ツール２１の第１プローブ３２が挿入される。このとき、第１回転ツール２１により摩擦撹拌された金属材が不足しないように、上方側の有底孔８ａの容積は、第１プローブ３２の体積よりも小さい容積となっている。また、下方側の有底孔８ｂには、第２回転ツール２２の第２プローブ４２が挿入される。このとき、第２回転ツール２２により摩擦撹拌された金属材が不足しないように、上方側の有底孔８ａと同様に、下方側の有底孔８ｂの容積は、第２プローブ４２の体積よりも小さい容積となっている。
【００９７】
摩擦撹拌接合装置１を用いて摩擦撹拌接合を行う場合、先ず、制御部２０は、第１押圧回転機構１１及び第２押圧回転機構１２を制御して、タブ板７の接合開始点に予め形成された２つの有底孔８ａ，８ｂに、第１回転ツール２１及び第２回転ツール２２を挿入する。このとき、第１回転ツール２１及び第２回転ツール２２は、２つの有底孔８ａ，８ｂに対し、同時に挿入してもよいし、一つずつ挿入してもよい。そして、制御部２０は、第１押圧回転機構１１及び第２押圧回転機構１２を制御して、第１回転ツール２１と第２回転ツール２２とを回転させる（ステップＳ１：回転工程）。
【００９８】
続いて、制御部２０は、第１押圧回転機構１１、第２押圧回転機構１２、第１移動機構１３及び第２移動機構１４を制御して、第１回転ツール２１と第２回転ツール２２との厚さ方向における差し込み位置と、進行方向における前後位置とを相対的に調整する（ステップＳ２：位置調整工程）。具体的に、制御部２０は、第１回転ツール２１及び第２回転ツール２２の厚さ方向における差し込み位置を制御しながら、開先部６に対して与えられる荷重が所定の荷重となるように、第１押圧回転機構１１及び第２押圧回転機構１２を制御する。また、制御部２０は、第１回転ツール２１及び第２回転ツール２２の進行方向における前後位置を制御しながら、工具負荷検出器１６の検出結果に基づいて、第１回転ツール２１と第２回転ツール２２との間の距離Ｌが所定の距離となるように、第１移動機構１３及び第２移動機構１４を制御する。
【００９９】
この後、制御部２０は、第１移動機構１３及び第２移動機構１４を制御して、第１回転ツール２１及び第２回転ツール２２を、一方のタブ板７の接合開始点から、溶接線９上を通って、他方のタブ板７上の接合終了点まで移動させる（ステップＳ３：摩擦撹拌接合工程）。このとき、第１回転ツール２１が進行方向の前方側に配置され、第２回転ツール２２が進行方向の後方側に配置されることから、この摩擦撹拌接合工程Ｓ３では、第１撹拌領域Ｅ１を先行して形成してから、第２撹拌領域Ｅ２を形成する。よって、この摩擦撹拌接合工程では、第１回転ツール２１による摩擦撹拌接合（第１摩擦撹拌接合工程）と、第２回転ツール２２による摩擦撹拌接合（第２摩擦撹拌接合工程）と、が同時に実行される。なお、この摩擦撹拌接合工程Ｓ３では、上記したように、制御部２０が、第１移動機構１３及び第２移動機構１４を制御して、第１回転ツール２１及び第２回転ツール２２の移動速度を調整することにより、第１回転ツール２１と第２回転ツール２２とが非接触状態となるように相対位置を調整している。
【０１００】
そして、制御部２０は、第１回転ツール２１及び第２回転ツール２２が接合終了点に達すると、第１押圧回転機構１１及び第２押圧回転機構１２を制御して、第１回転ツール２１及び第２回転ツール２２を回転させながら、第１回転ツール２１及び第２回転ツール２２を、他方のタブ板７から引き抜く（ステップＳ４：引抜工程）。
【０１０１】
以上のように、実施例１によれば、摩擦撹拌接合工程Ｓ３において、開先部６に第１撹拌領域Ｅ１及び第２撹拌領域Ｅ２を形成することができる。そして、形成した第１撹拌領域Ｅ１と第２撹拌領域Ｅ２とを、開先部６の厚さ方向に重複させることができる。このため、第１回転ツール２１と第２回転ツール２２とにより、開先部６の厚さ方向の全域に亘って、摩擦撹拌接合を行うことができる。よって、実施例１では、第１回転ツール２１と第２回転ツール２２との間に所定の隙間が形成されることがないため、接合欠陥部の発生を抑制することができる。また、開先部６の厚みが変化しても、第１撹拌領域Ｅ１と第２撹拌領域Ｅ２とが重複する重複領域Ｅ３を厚さ方向に変化させればよいため、第１回転ツール２１及び第２回転ツール２２の長さを変える必要がないことから、各回転ツール２１，２２への負荷の増大を抑制することができる。以上から、実施例１では、一対の金属板５の開先部６における厚さが変化しても各回転ツール２１，２２に加わる負荷を抑制しつつ、接合欠陥部の発生を抑制して、開先部６の摩擦撹拌接合を好適に行うことができる。
【０１０２】
また、実施例１によれば、第１回転ツール２１の第１先端面３２ａ及び第２回転ツール２２の第２先端面４２ａが溶接線９に交わった状態で、第１回転ツール２１及び第２回転ツール２２が溶接線９上を移動することで、第１撹拌領域Ｅ１及び第２撹拌領域Ｅ２を形成することができる。このため、一対の金属板５を突き合せた突合せ面において、第１撹拌領域Ｅ１及び第２撹拌領域Ｅ２を厚さ方向の全域に亘って形成できることから、接合欠陥部の発生を抑制することができる。
【０１０３】
また、実施例１によれば、第１回転ツール２１による摩擦撹拌接合と、第２回転ツール２２による摩擦撹拌接合とを同時に行うことができる。このとき、第１回転ツール２１と第２回転ツール２２とを進行方向の前後に位置ずれして配置することにより、第１回転ツール２１と第２回転ツール２２との物理的な干渉を抑制することができる。
【０１０４】
また、実施例１によれば、第１回転ツール２１及び第２回転ツール２２は、開先部６を挟んで相互に反力を与えることができるため、開先部６の厚さ方向における位置を所定の位置に維持しつつ、開先部６を好適に摩擦撹拌することができる。
【０１０５】
また、実施例１によれば、第１回転ツール２１と第２回転ツール２２との間の距離Ｌを、上記した所定の範囲とすることができるため、相互に反力をより確実に与えることができる。
【０１０６】
また、実施例１によれば、第１回転ツール２１の回転方向と第２回転ツール２２の回転方向とを逆方向にすることができる。このため、第１回転ツール２１の進行方向の前方側において開先部６に与えられる荷重方向と、第２回転ツール２２の進行方向の前方側において開先部６に与えられる荷重方向とが逆方向となる。このため、第１回転ツール２１による開先部６への荷重と、第２回転ツール２２による開先部６への荷重とを打ち消し合うことができるため、開先部６に対して荷重が偏ることを抑制することができる。また、第１回転ツール２１と第２回転ツール２２との間において、摩擦撹拌される金属材の流れ方向を一方向とすることができる。このため、摩擦撹拌される金属材をスムーズに流動させることができる。
【０１０７】
また、実施例１によれば、第１回転ツール２１と第２回転ツール２２とを同じ形状にできることから、第１回転ツール２１及び第２回転ツール２２による摩擦撹拌の条件を、開先部６の厚さ方向の両側において、ほぼ同じ条件とすることができ、開先部６の摩擦撹拌接合を好適に行うことができる。
【０１０８】
なお、実施例１では、第１回転ツール２１と第２回転ツール２２とを同じ形状としたが、第１プローブ３２と第２プローブ４２とが、開先部６の厚さ方向において相互に重複して配置されるのであれば、異なる形状としてもよい。例えば、第１回転ツール２１の第１プローブ３２の長さを、第２回転ツール２２の第２プローブ４２の長さに比して長くしてもよいし、第２回転ツール２２の第２プローブ４２の長さを、第１回転ツール２１の第１プローブ３２の長さに比して長くしてもよい。
【０１０９】
また、実施例１では、第１回転軸Ｉ１と第２回転軸Ｉ２とを開先部６の上下両面に直交するように配置したが、第１回転ツール２１の第１回転軸Ｉ１を、開先部６の上面に対して所定の角度分だけ傾けて配置し、同様に、第２回転ツール２２の第２回転軸Ｉ２を、開先部６の下面に対して所定の角度分だけ傾けて配置してもよい。所定の角度は、例えば、０°より大きく３°以下となる範囲の角度である。この構成によれば、開先部６の上下両面に対して、第１回転ツール２１の第１回転軸Ｉ１及び第２回転ツール２２の第２回転軸Ｉ２を傾けることができるため、各ショルダ部３５，４５の各ショルダ面３５ａ，４５ａが開先部６の上下両面に対して、傾斜を持った形で当たることから、開先部６を積極的に撹拌することができる。
【０１１０】
また、実施例１では、第１回転ツール２１と第２回転ツール２２とを、進行方向の前後に位置ずれして配置したが、図１０に示す変形例１としてもよい。図１０は、実施例１の変形例１に係る摩擦撹拌接合装置の一部を模式的に表した概略構成図である。図１０に示すように、変形例１に係る摩擦撹拌接合装置１は、第１回転ツール２１と第２回転ツール２２とが、開先部６の厚さ方向に直交する直交面内において、進行方向の前後に位置ずれして配置され、また、進行方向に直交する幅方向の左右に位置ずれして配置されている。なお、変形例においても、第１回転ツール２１及び第２回転ツール２２は、第１先端面３２ａ及び第２先端面４２ａが溶接線９と交わるように配置される。
【０１１１】
この変形例１によれば、第１回転ツール２１と第２回転ツール２２とを幅方向の左右に位置ずれさせた分、第１回転ツール２１と第２回転ツール２２との間の距離Ｌが広がることから、第１回転ツール２１と第２回転ツール２２とを進行方向に近づけることが可能となる。このため、第１回転ツール２１と第２回転ツール２２とを幅方向の左右に位置ずれして配置することにより、第１回転ツール２１と第２回転ツール２２との物理的な干渉をより好適に抑制することが可能となる。
【実施例２】
【０１１２】
次に、図１１から図１４を参照して、実施例２に係る摩擦撹拌接合装置１００について説明する。図１１は、実施例２に係る摩擦撹拌接合装置を模式的に表した概略構成図である。図１２は、摩擦撹拌接合時における進行方向を示す平面図である。図１３は、実施例２に係る摩擦撹拌接合装置による摩擦撹拌接合動作を示す説明図である。図１４は、実施例２に係る摩擦撹拌接合方法のフローチャートである。なお、実施例２では、重複した記載を避けるべく、実施例１と異なる部分について説明すると共に、実施例１と同様の構成である部分については、同じ符号を付す。実施例１の摩擦撹拌接合装置１では、第１撹拌領域Ｅ１と、第２撹拌領域Ｅ２とを同時に形成したが、実施例２に係る摩擦撹拌接合装置１００では、第１撹拌領域Ｅ１を形成した後、第２撹拌領域Ｅ２を形成している。以下、実施例２に係る摩擦撹拌接合装置１００について説明する。
【０１１３】
図１１に示すように、実施例２に係る摩擦撹拌接合装置１００において、摩擦撹拌工具１０は、回転ツール１０１と反力回転ツール１０２とを有し、また、摩擦撹拌接合装置１００は、回転ツール１０１と反力回転ツール１０２との位置を反転する反転機構１０３をさらに備えている。
【０１１４】
回転ツール１０１は、反転機構１０３によって、開先部６の上方側と下方側との間で位置が反転させられる。このため、回転ツール１０１は、開先部６を挟んで、厚さ方向の上方側に配置される場合、実施例１の第１回転ツール２１として機能し、開先部６を挟んで、厚さ方向の下方側に配置される場合、実施例１の第２回転ツール２２として機能する。回転ツール１０１は、第１回転軸Ｉ１を中心に回転すると共に、開先部６の上下片面に押圧される。
【０１１５】
反力回転ツール１０２は、開先部６を挟んで、回転ツール１０１の反対側に配置されている。反力回転ツール１０２は、反転機構１０３によって、開先部６の上方側と下方側との間で位置が反転させられる。このため、反力回転ツール１０２は、回転ツール１０１が第１回転ツール２１として機能する場合、回転ツール１０１に反力を与える第１反力回転ツールとして機能する。また、反力回転ツール１０２は、回転ツール１０１が第２回転ツール２２として機能する場合、回転ツール１０１に反力を与える第２反力回転ツールとして機能する。反力回転ツール１０２は、第２回転軸Ｉ２を中心に回転すると共に、回転ツール１０１とは反対側の開先部６の上下片面に押圧される。
【０１１６】
このとき、回転ツール１０１の第１回転軸Ｉ１と、反力回転ツール１０２の第２回転軸Ｉ２とは、鉛直方向に沿って同軸上に設けられている。このため、第１回転軸Ｉ１及び第２回転軸Ｉ２は、開先部６の上下面に直交する。以下、回転ツール１０１及び反力回転ツール１０２について説明する。なお、回転ツール１０１は、実施例１の第１回転ツール２１及び第２回転ツール２２とほぼ同様の構成であることから、一部説明を省略する。
【０１１７】
回転ツール１０１は、ツール本体１１１と、プローブ１１２と、を有している。ツール本体１１１は、実施例１と同様に、円柱形状に形成され、反力回転ツール１０２側となる先端側に、ショルダ部１１５が形成されている。プローブ１１２は、ツール本体１１１のショルダ部１１５から先端側に突出して設けられている。プローブ１１２は、開先部６の厚さ方向における長さが、開先部６の厚さの半分よりも長くなるように形成されている。
【０１１８】
反力回転ツール１０２は、円柱形状に形成されており、開先部６側となる先端側の面が、開先部６に当接する円形の当接面１０２ａとなっている。この当接面１０２ａは、平坦面となっている。反力回転ツール１０２は、当接面１０２ａを開先部６に接触させた状態で回転することで、回転ツール１０１に反力を与えつつ、開先部６に対して摩擦による熱を与える。なお、実施例２では、当接面１０２ａを平坦面としたが、この形状に特に限定されず、実施例１の溝形状の凹部３６を当接面１０２ａの全面に形成することで、凹凸面としてもよい。
【０１１９】
回転ツール１０１と反力回転ツール１０２とは、開先部６を挟んで対向するように配置され、第１回転軸Ｉ１と第２回転軸Ｉ２とが同軸上となっている。このとき、回転ツール１０１と反力回転ツール１０２とは、開先部６の厚さ方向において、所定の隙間を空けて対向している。回転ツール１０１と反力回転ツール１０２とは、その回転方向が、相互に逆方向となっていてもよいし、同じ方向であってもよい。
【０１２０】
ここで、反転機構１０３による反転前の回転ツール１０１によって開先部６に形成される第１撹拌領域Ｅ１と、反転後の回転ツール１０１によって開先部６に形成される第２撹拌領域Ｅ２とは、実施例１の図２に示す領域と同様である。
【０１２１】
なお、回転ツール１０１と反力回転ツール１０２とは、厚さ方向において、所定の隙間が設けられていることから、溶接線９上に沿って進行方向に移動する場合、接触の可能性が低い。このため、制御部２０の工具負荷検出器１６による移動制御を省いてもよい。
【０１２２】
反転機構１０３は、開先部６を挟んで、回転ツール１０１及び反力回転ツール１０２を、厚さ方向における上下両側の位置を反転させている。そして、反転前の回転ツール１０１は、第１押圧回転機構１１に連結され、第１移動機構１３によって移動する。また、反転前の反力回転ツール１０２は、第２押圧回転機構１２に連結され、第２移動機構１４によって移動する。一方で、反転後の回転ツール１０１は、第２押圧回転機構１２に連結され、第２移動機構１４によって移動する。また、反転後の反力回転ツール１０２は、第１押圧回転機構１１に連結され、第１移動機構１３によって移動する。なお、この反転機構１０３は、回転ツール１０１及び反力回転ツール１０２を反転させたが、この構成に特に限定されず、第１押圧回転機構１１及び第２押圧回転機構１２を含んで反転させてもよいし、第１移動機構１３及び第２移動機構１４を含んで反転させてもよい。
【０１２３】
次に、図１２から図１４を参照して、実施例２の摩擦撹拌接合装置１００を用いた摩擦撹拌接合方法について説明する。図１２に示すように、実施例２では、第１撹拌領域Ｅ１を形成する反転前の回転ツール１０１の進行方向（後述するステップＳ１３での進行方向）は、第２撹拌領域Ｅ２を形成する反転後の回転ツール１０１の進行方向（後述するステップＳ１８での進行方向）と逆方向となっている。ここで、摩擦撹拌接合される一対の金属板５は、実施例１と同様であるが、反転前後において進行方向が逆方向となる場合、タブ板７に形成される２つの有底孔８ａ，８ｂは、一方の有底孔８ａが一方のタブ板７に形成され、他方の有底孔８ｂが他方のタブ板７に形成される。つまり、実施例２において、一方の有底孔８ａは、一方のタブ板７の上面に形成され、他方の有底孔８ｂは、他方のタブ板７の下面に形成される。
【０１２４】
摩擦撹拌接合装置１００を用いて摩擦撹拌接合を行う場合、先ず、制御部２０は、第１押圧回転機構１１を制御して、一方のタブ板７の接合開始点に予め形成された上方側の有底孔８ａに、反転前の回転ツール１０１を挿入する。また、制御部２０は、第２押圧回転機構１２を制御して、回転ツール１０１とは反対側（下方側）の開先部６に、反転前の反力回転ツール１０２を当接させる。そして、制御部２０は、第１押圧回転機構１１及び第２押圧回転機構１２を制御して、回転ツール１０１と反力回転ツール１０２とを回転させる（ステップＳ１１：回転工程）。
【０１２５】
続いて、制御部２０は、第１押圧回転機構１１、第２押圧回転機構１２、第１移動機構１３及び第２移動機構１４を制御して、回転ツール１０１と反力回転ツール１０２との厚さ方向における位置と、進行方向における前後位置を相対的に調整する（ステップＳ１２：位置調整工程）。具体的に、制御部２０は、回転ツール１０１及び反力回転ツール１０２の厚さ方向における位置を制御しながら、開先部６に対して与えられる荷重が所定の荷重となるように、第１押圧回転機構１１及び第２押圧回転機構１２を制御する。また、制御部２０は、回転ツール１０１及び反力回転ツール１０２の進行方向における前後位置を制御して、第１回転軸Ｉ１と第２回転軸Ｉ２とが同軸上となるように、第１移動機構１３及び第２移動機構１４を制御する。
【０１２６】
この後、制御部２０は、図１３に示すように、第１移動機構１３及び第２移動機構１４を制御して、回転ツール１０１及び反力回転ツール１０２を、一方のタブ板７の接合開始点から、溶接線９上を通って、他方のタブ板７上の接合終了点まで移動させる（ステップＳ１３：第１摩擦撹拌接合工程）。このとき、回転ツール１０１は、開先部６の厚さ方向の上方側に配置されることから、第１摩擦撹拌接合工程では、第１撹拌領域Ｅ１が形成される。また、開先部６の厚さ方向の下方側においても、反力回転ツール１０２と開先部６との間の発熱により、開先部６の下面が平坦化されると共に、開先部６の下面に１ｍｍ以下の仮接合撹拌領域Ｅ４が形成され、開先部６の下方側において仮付け接合された状態となる。
【０１２７】
そして、制御部２０は、回転ツール１０１及び反力回転ツール１０２が接合終了点に達すると、第１押圧回転機構１１及び第２押圧回転機構１２を制御して、回転ツール１０１及び反力回転ツール１０２を回転させながら、回転ツール１０１及び反力回転ツール１０２を、他方のタブ板７から引き抜く（ステップＳ１４：引抜工程）。
【０１２８】
続いて、制御部２０は、図１３に示すように、反転機構１０３を制御して、回転ツール１０１及び反力回転ツール１０２の厚さ方向における位置を、開先部６を挟んで反転させる反転工程（ツール反転工程）を行う（ステップＳ１５）。つまり、反転機構１０３は、開先部６を挟んで、上方側に位置する回転ツール１０１を下方側に位置させ、下方側に位置する反力回転ツール１０２を上方側に位置させる。このため、一対の金属板５の位置は維持される。
【０１２９】
続いて、制御部２０は、第２押圧回転機構１２を制御して、他方のタブ板７の接合開始点に予め形成された下方側の有底孔８ｂに、反転後の回転ツール１０１を挿入する。また、制御部２０は、第２押圧回転機構１２を制御して、回転ツール１０１とは反対側（上方側）の開先部６に、反転後の反力回転ツール１０２を当接させる。そして、制御部２０は、第１押圧回転機構１１及び第２押圧回転機構１２を制御して、回転ツール１０１と反力回転ツール１０２とを回転させる（ステップＳ１６：回転工程）。
【０１３０】
続いて、制御部２０は、ステップＳ１２と同様に、第１押圧回転機構１１、第２押圧回転機構１２、第１移動機構１３及び第２移動機構１４を制御して、回転ツール１０１と反力回転ツール１０２との厚さ方向における位置と、進行方向における前後位置を相対的に調整する（ステップＳ１７：位置調整工程）。
【０１３１】
この後、制御部２０は、図１３に示すように、第１移動機構１３及び第２移動機構１４を制御して、回転ツール１０１及び反力回転ツール１０２を、他方のタブ板７の接合開始点から、溶接線９上を通って、一方のタブ板７上の接合終了点まで移動させる（ステップＳ１８：第２摩擦撹拌接合工程）。このとき、回転ツール１０１は、開先部６の厚さ方向の下方側に配置されることから、第２摩擦撹拌接合工程では、回転ツール１０１の長さに対応した第２撹拌領域Ｅ２が、仮接合撹拌領域Ｅ４と重なり合って形成される。
【０１３２】
そして、制御部２０は、回転ツール１０１及び反力回転ツール１０２が接合終了点に達すると、第１押圧回転機構１１及び第２押圧回転機構１２を制御して、回転ツール１０１及び反力回転ツール１０２を回転させながら、回転ツール１０１及び反力回転ツール１０２を、一方のタブ板７から引き抜く（ステップＳ１９：引抜工程）。
【０１３３】
このように、摩擦撹拌接合方法では、第１摩擦撹拌接合工程Ｓ１３の実行後、第２摩擦撹拌接合工程Ｓ１８が実行されることから、開先部６の上方側に第１撹拌領域Ｅ１を形成した後、開先部６の下方側に第２撹拌領域Ｅ２を形成する。なお、第１摩擦撹拌接合工程Ｓ１３及び第２摩擦撹拌接合工程Ｓ１８では、制御部２０が、第１移動機構１３及び第２移動機構１４を制御して、回転ツール１０１及び反力回転ツール１０２の移動速度を調整することにより、第１回転軸Ｉ１と第２回転軸Ｉ２とが同軸上となるように相対位置を調整している。
【０１３４】
以上のように、実施例２によれば、第１摩擦撹拌接合工程Ｓ１３において、回転ツール１０１と反力回転ツール１０２とを用いて、第１撹拌領域Ｅ１を形成することができる。また、第２摩擦撹拌接合工程Ｓ１８において、回転ツール１０１と反力回転ツール１０２とを用いて、第２撹拌領域Ｅ２を形成することができる。このとき、反力回転ツール１０２は、回転ツール１０１に反力を与えることで、開先部６の厚さ方向における位置の変動を抑制することができ、また、開先部６に対し、回転による入熱を与えることができる。そして、形成された第１撹拌領域Ｅ１と第２撹拌領域Ｅ２とは、開先部６の厚さ方向に重複することから、厚さ方向の全域に亘って摩擦撹拌を行うことができ、接合欠陥部の発生を抑制することができる。また、開先部６の厚みが変化しても、第１撹拌領域Ｅ１と第２撹拌領域Ｅ２とが重複する重複領域Ｅ３を厚さ方向に変化させればよいため、回転ツール１０１の長さを変える必要がないことから、回転ツール１０１への負荷の増大を抑制することができる。以上から、実施例２でも、一対の金属板５の開先部６における厚さが変化しても回転ツール１０１に加わる負荷を抑制しつつ、接合欠陥部の発生を抑制して、開先部６の摩擦撹拌接合を好適に行うことができる。
【０１３５】
また、実施例２によれば、摩擦撹拌時において、当接面１０２ａが当接する側の開先部６の面を、平坦面となるように均すことができる。このため、金属材５の開先部６に凹凸があった場合でも、反力回転ツール１０２を開先部６に密着させることができ、安定して回転ツール１０１の反力を支えることができるため、好適に摩擦撹拌接合を行うことができる。また、反力回転ツール１０２が接触する開先部６への接触面積が、開先部６に対して平面状の裏当て金を当てる場合と比較して狭いことから、反力回転ツール１０２側（裏当て金側）に逃げる熱を減少させることができ、少ないエネルギーで開先部６を接合することが可能となる。
【０１３６】
また、実施例２によれば、一対の金属板５の位置を反転させることなく、一対の金属板５の位置を維持することができる。このため、一対の金属板５の反転作業を行うことなく、第１摩擦撹拌接合工程Ｓ１３及び第２摩擦撹拌接合工程Ｓ１８を実行することができる。
【０１３７】
また、実施例２によれば、ツール反転工程Ｓ１５を行うことで、回転ツール１０１により第１撹拌領域Ｅ１及び第２撹拌領域Ｅ２を形成することができる。
【０１３８】
また、実施例２によれば、開先部６の上方側に第１撹拌領域Ｅ１を形成した際に、開先部６の下方側に仮付け接合となる仮接合撹拌領域Ｅ４が形成されるため、未接合領域に進入する異物を、第１撹拌領域Ｅ１及び仮接合撹拌領域Ｅ４によって抑制することができる。
【０１３９】
また、実施例２によれば、第１摩擦撹拌接合工程Ｓ１３における進行方向と、第２摩擦撹拌接合工程Ｓ１８における進行方向とを逆方向にすることができる。このため、反転前の回転ツール１０１及び反力回転ツール１０２の接合終了点を、反転後の回転ツール１０１及び反力回転ツール１０２の接合開始点とすることができる。このため、回転ツール１０１及び反力回転ツール１０２の移動を少ないものとすることができる。なお、第１摩擦撹拌接合工程Ｓ１３における進行方向と、第２摩擦撹拌接合工程Ｓ１８における進行方向とが逆方向である場合、第１摩擦撹拌工程Ｓ１３の入熱による影響を、第２摩擦撹拌工程Ｓ１８の接合開始点において受け、金属材が加熱され軟化した状態で開先部６を接合することになるため、第１摩擦撹拌接合工程Ｓ１３と第２摩擦撹拌工程Ｓ１８において条件を変える必要があることから、同じ接合条件で摩擦撹拌接合できるように、入熱による影響を抑制すべく、開先部６を冷却する冷却機構を、摩擦撹拌接合装置１００に設けてもよい。この冷却機構は、回転ツール１０１及び反力回転ツール１０２の内部に組み込んでもよいし、回転ツール１０１及び反力回転ツール１０２とは別体の機構としてもよく、特に限定されない。
【０１４０】
なお、実施例２では、回転ツール１０１及び反力回転ツール１０２を反転させて、第１撹拌領域Ｅ１及び第２撹拌領域Ｅ２を形成したが、この構成に特に限定されない。摩擦撹拌工具１０は、第１撹拌領域Ｅ１を形成する第１回転ツール及び第１反力回転ツールと、第２撹拌領域Ｅ２を形成する第２回転ツール及び第２反力回転ツールと、をそれぞれ有する構成であってもよい。
【０１４１】
また、実施例２では、第１摩擦撹拌接合工程Ｓ１３における回転ツール１０１の進行方向と、第２摩擦撹拌接合工程Ｓ１８における回転ツール１０１の進行方向とを逆方向としたが、図１５に示す変形例２としてもよい。図１５は、実施例２の変形例２に係る摩擦撹拌接合時の進行方向を示す平面図である。図１５に示すように、変形例２では、第１摩擦撹拌接合工程Ｓ１３における回転ツール１０１の進行方向と、第２摩擦撹拌接合工程Ｓ１８における回転ツール１０１の進行方向とが同じ方向となっている。
【０１４２】
また、実施例２では、反力回転ツール１０２の当接面１０２ａが平坦面となっていたが、図１６に示す変形例３としてもよい。図１６は、実施例２の変形例３に係る摩擦撹拌接合装置の一部を模式的に表した概略構成図である。図１６に示すように、変形例３に係る反力回転ツール１０２には、その当接面１０２ａから突出する突起部１０２ｂが形成されている。この突起部１０２ｂは、厚さ方向において、回転ツール１０１のプローブ１１２の長さよりも短く形成されており、開先部６の厚さの半分よりも短くなるように形成されている。このため、回転ツール１０１のプローブ１１２と、反力回転ツール１０２の突起部１０２ｂとの間には、所定の隙間が形成される。
【０１４３】
このように、変形例３によれば、当接面１０２ａが当接する側の開先部６の面を、突起部１０２ｂにより摩擦撹拌接合することができる。このため、例えば、第１摩擦撹拌接合工程Ｓ１３後に第２摩擦撹拌接合工程Ｓ１８を行う場合、反転後の回転ツール１０１による摩擦撹拌に先立って、反転前の反力回転ツール１０２によって開先部６の下方側の面を突起がない場合よりもより強固に仮接合（仮付け接合）することができる。このため、開先部６の下方側が開いてしまうことを仮接合により抑制することができるため、反転後の回転ツール１０１によって開先部６の下方側を好適に摩擦撹拌することができる。
【０１４４】
また、実施例２では、反転機構１０３により、回転ツール１０１及び反力回転ツール１０２を、開先部６を挟んで厚さ方向の上下両側における位置を反転させたが、図１７に示す変形例４としてもよい。図１７は、実施例２の変形例４に係る摩擦撹拌接合装置による摩擦撹拌接合動作を示す説明図である。図１７に示すように、変形例４では、一対の金属板５を、厚さ方向において反転させている。このため、変形例４では、第１摩擦撹拌接合工程Ｓ１３において、開先部６の上方側に第１撹拌領域Ｅ１を形成し、一対の金属板５の反転後、第２摩擦撹拌接合工程Ｓ１８において、開先部６の上方側に第２撹拌領域Ｅ２を形成する。
【０１４５】
ここで、図１７を参照して、変形例４に係る摩擦撹拌接合方法について説明する。なお、変形例４では、変形例２及び変形例３を組み合わせた摩擦撹拌接合方法となっている。変形例４の摩擦撹拌接合方法は、第１摩擦撹拌接合工程Ｓ１３、反転工程Ｓ１５及び第２摩擦撹拌接合工程Ｓ１８が、実施例２と異なることから、これらの工程について説明する。
【０１４６】
第１摩擦撹拌接合工程Ｓ１３では、制御部２０が、第１移動機構１３及び第２移動機構１４を制御して、回転ツール１０１及び反力回転ツール１０２を、一方のタブ板７の接合開始点から、溶接線９上を通って、他方のタブ板７上の接合終了点まで移動させる（ステップＳ１３：第１摩擦撹拌接合工程）。このとき、回転ツール１０１は、開先部６の厚さ方向の上方側に配置されることから、第１摩擦撹拌接合工程Ｓ１３では、開先部６の上方側に第１撹拌領域Ｅ１が形成される。また、反力回転ツール１０２は、開先部６の厚さ方向の下方側に配置されることから、第１摩擦撹拌接合工程Ｓ１３では、突起部１０２ｂにより開先部６の下方側が摩擦撹拌接合されることで、仮接合撹拌領域Ｅ４が形成され、仮接合される。
【０１４７】
反転工程（材料反転工程）Ｓ１５では、一対の金属板５が、その厚さ方向において反転させられる。一対の金属板５を反転させることで、開先部６の下方側が第１撹拌領域Ｅ１となる一方で、開先部６の上方側が仮接合撹拌領域Ｅ４となる。
【０１４８】
第２摩擦撹拌接合工程Ｓ１８では、制御部２０が、第１移動機構１３及び第２移動機構１４を制御して、回転ツール１０１及び反力回転ツール１０２を、一方のタブ板７の接合開始点から、溶接線９上を通って、他方のタブ板７上の接合終了点まで移動させる（ステップＳ１８：第２摩擦撹拌接合工程）。このため、第２摩擦撹拌接合工程Ｓ１８における回転ツール１０１の進行方向は、第１摩擦撹拌接合工程Ｓ１３と同じ進行方向となる。このとき、回転ツール１０１は、開先部６の厚さ方向の上方側に位置することから、第２摩擦撹拌接合工程Ｓ１８では、開先部６の上方側に第２撹拌領域Ｅ２が、仮接合撹拌領域Ｅ４と重なり合って形成される。なお、反力回転ツール１０２は、開先部６の厚さ方向の下方側に位置することから、第２摩擦撹拌接合工程Ｓ１８では、突起部１０２ｂにより開先部６の下方側が摩擦撹拌接合される。
【０１４９】
このように、変形例４によれば、一対の金属板５を反転させることで、回転ツール１０１と反力回転ツール１０２とを用いて、第１撹拌領域Ｅ１及び第２撹拌領域Ｅ２を形成することができる。このため、回転ツール１０１及び反力回転ツール１０２の位置を反転させることなく、一対の金属板５の位置を反転させることで、第１摩擦撹拌接合工程Ｓ１３及び第２摩擦撹拌接合工程Ｓ１８を実行することができる。また、反力回転ツール１０２は、回転ツール１０１に比べて回転に必要な力が低いため、回転駆動するモータの出力を減らすことも可能である。
【実施例３】
【０１５０】
次に、図１８及び図１９を参照して、実施例３に係る摩擦撹拌接合装置１２０について説明する。図１８は、実施例３に係る摩擦撹拌接合装置により補修される接合部の説明図である。図１９は、実施例３に係る摩擦撹拌接合装置による補修動作を示す説明図である。なお、実施例３でも、重複した記載を避けるべく、実施例１及び２と異なる部分について説明すると共に、実施例１及び２と同様の構成である部分については、同じ符号を付す。実施例３に係る摩擦撹拌接合装置１２０は、実施例１及び実施例２において摩擦撹拌接合された開先部６である接合部１２１に発生する接合欠陥部１２２を補修可能な構成となっている。以下、実施例３に係る摩擦撹拌接合装置１２０の説明に先立ち、接合欠陥部１２２について説明する。
【０１５１】
図１８に示すように、摩擦撹拌接合された接合部１２１には、厚さ方向における所定の範囲に一対の金属板５の未接合部分となる接合欠陥部１２２が形成されており、この接合欠陥部１２２は、進行方向に亘って形成されている。つまり、接合欠陥部１２２は、接合部１２１の内部に形成され、厚さ方向における高さが変化せず、進行方向に延びて形成されている。
【０１５２】
図１８に示す接合欠陥部１２２を補修する摩擦撹拌接合装置１２０は、図１９に示すように、摩擦撹拌工具１０が、補修用回転ツール１３１と反力回転ツール１３２とを有している。
【０１５３】
補修用回転ツール１３１は、接合部１２１を挟んで、接合欠陥部１２２が形成される側に配置される。補修用回転ツール１３１は、第１回転軸Ｉ１を中心に回転すると共に、接合部１２１の一方側の面（図１９の上面）に押圧される。
【０１５４】
反力回転ツール１３２は、実施例２の反力回転ツール１０２と同様であり、接合部１２１を挟んで、補修用回転ツール１３１の反対側に配置されている。反力回転ツール１３２は、第２回転軸Ｉ２を中心に回転すると共に、補修用回転ツール１３１とは反対側の接合部１２１の他方側の面（図１９の下面）に押圧される。
【０１５５】
また、補修用回転ツール１３１の第１回転軸Ｉ１と、反力回転ツール１３２の第２回転軸Ｉ２とは、鉛直方向に沿って同軸上に設けられている。以下、補修用回転ツール１３１及び反力回転ツール１３２について説明する。なお、反力回転ツール１３２は、実施例２の反力回転ツール１０２と同様の構成であることから説明を省略する。
【０１５６】
補修用回転ツール１３１は、ツール本体１４１と、プローブ１４２と、を有している。ツール本体１４１は、円柱形状に形成され、反力回転ツール１３２側となる先端側に、ショルダ部１４５が形成されている。プローブ１４２は、ツール本体１４１のショルダ部１４５から先端側に突出して設けられている。プローブ１４２は、接合部１２１の厚さ方向における長さが、接合部１２１の一方側の面から接合部１２１の内部に達すると共に、接合欠陥部１２２を覆う長さとなっている。具体的に、プローブ１４２は、接合部１２１の厚さ方向における長さが、接合部１２１の厚さの半分よりも短くなるように形成されている。
【０１５７】
なお、補修用回転ツール１３１は、第１押圧回転機構１１に連結され、第１移動機構１３によって移動する。また、反力回転ツール１３２は、第２押圧回転機構１２に連結され、第２移動機構１４によって移動する。
【０１５８】
上記の摩擦撹拌接合装置１２０を用いて接合部１２１の補修を行う場合、制御部２０は、第１押圧回転機構１１を制御して、接合欠陥部１２２が形成される側となる接合部１２１の一方側の面に、補修用回転ツール１３１を押圧する。また、制御部２０は、第２押圧回転機構１２を制御して、補修用回転ツール１３１の反対側となる接合部１２１の他方側の面に、反力回転ツール１３２を押圧する。なお、補修を行う場合にも、実施例１及び２と同様に有底孔を形成したタブ板を用いてもよい。このとき、制御部２０は、補修用回転ツール１３１と反力回転ツール１３２との厚さ方向における位置を制御しながら、接合部１２１に対して与えられる荷重が所定の荷重となるように、第１押圧回転機構１１及び第２押圧回転機構１２を制御する。そして、制御部２０は、第１移動機構１３及び第２移動機構１４を制御して、補修用回転ツール１３１及び反力回転ツール１３２を、接合部１２１が形成される方向を進行方向として移動させる。このとき、補修用回転ツール１３１は、プローブ１４２が、厚さ方向において接合欠陥部１２２を覆う長さとなっていることから、厚さ方向において接合欠陥部１２２を摩擦撹拌接合することができ、また、進行方向に亘って接合欠陥部１２２を摩擦撹拌接合することができる。
【０１５９】
以上のように、実施例３によれば、補修用回転ツール１３１と反力回転ツール１３２とを用いて、接合部１２１に発生する接合欠陥部１２２を補修することができる。このとき、反力回転ツール１３２は、補修用回転ツール１３１に反力を与えることで、接合部１２１の厚さ方向における位置の変動を抑制することができ、また、接合部１２１に対し、回転による入熱を与えることができる。
【実施例４】
【０１６０】
次に、図２０及び図２１を参照して、実施例４に係る摩擦撹拌接合装置１５０について説明する。図２０は、実施例４に係る摩擦撹拌接合装置の一部を模式的に表した概略構成図である。図２１は、実施例４に係る摩擦撹拌接合装置による摩擦撹拌接合動作を示す説明図である。なお、実施例４でも、重複した記載を避けるべく、実施例１から３と異なる部分について説明すると共に、実施例１から３と同様の構成である部分については、同じ符号を付す。実施例２に係る摩擦撹拌接合装置１００では、回転ツール１０１と反力回転ツール１０２とを、反転機構１０３により反転させることで、第１撹拌領域Ｅ１及び第２撹拌領域Ｅ２を形成した。実施例４に係る摩擦撹拌接合装置１５０では、回転ツール１５１及び反力回転ツール１５２にそれぞれ設けられる第１プローブピン１６２及び第２プローブピン１７２を適宜出没させることで、第１撹拌領域Ｅ１及び第２撹拌領域Ｅ２を形成している。以下、実施例４に係る摩擦撹拌接合装置１５０について説明する。
【０１６１】
図２０に示すように、実施例４に係る摩擦撹拌接合装置１５０において、摩擦撹拌工具１０は、回転ツール１５１と反力回転ツール１５２とを有している。回転ツール１５１と反力回転ツール１５２とは、開先部６を挟んで厚さ方向の両側に配置されている。回転ツール１５１は、第１回転軸Ｉ１を中心に回転し、反力回転ツール１５２は、第２回転軸Ｉ２を中心に回転し、第１回転軸Ｉ１と第２回転軸Ｉ２とは同軸上となっている。
【０１６２】
回転ツール１５１は、第１ツール本体１６１と、第１プローブピン１６２とを有している。第１ツール本体１６１は、円柱形状に形成され、反力回転ツール１５２側となる先端側に、第１ショルダ部１６５が形成されている。第１ツール本体１６１には、第１回転軸Ｉ１に沿って貫通形成される第１挿通穴１６６が設けられている。
【０１６３】
第１挿通穴１６６は、第１プローブピン１６２を挿通するための穴となっている。第１挿通穴１６６は、第１ツール本体１６１の全長に亘って貫通形成されている。第１挿通穴１６６は、第１回転軸Ｉ１に直交する面で切った断面が円形となっており、第１回転軸Ｉ１を中心軸とする中空円柱形状に形成されている。
【０１６４】
第１プローブピン１６２は、回転ツール１５１の第１挿通穴１６６に回転自在に挿通され、第１回転軸Ｉ１の軸方向に移動自在となっている。第１プローブピン１６２は、断面が円形となる円柱形状に形成されている。第１プローブピン１６２は、先端側の部位が第１挿通穴１６６から突出する。なお、第１プローブピン１６２は、第１ツール本体１６１と同期して回転してもよいし、第１ツール本体１６１とは独立して回転してもよく、特に限定されない。
【０１６５】
第１プローブピン１６２には、第１挿通穴１６６内を軸方向に移動させると共に、第１プローブピン１６２を回転させる第１軸移動回転機構１６７が接続されている。第１軸移動回転機構１６７は、制御部２０に接続され、制御部２０によって第１軸移動回転機構１６７が制御されることで、第１プローブピン１６２の軸方向への移動と回転とが制御される。
【０１６６】
反力回転ツール１５２は、回転ツール１５１と同じ構成となっており、第２ツール本体１７１と、第２プローブピン１７２とを有している。なお、第２ツール本体１７１は、第１ツール本体１６１と同様であり、第１ショルダ部１６５と同様の第２ショルダ部１７５が形成されると共に、第１挿通穴１６６と同様の第２挿通穴１７６が形成されている。また、第２プローブピン１７２は、第１プローブピン１６２と同様であり、第２軸移動回転機構１７７により軸方向への移動と回転とが行われる。
【０１６７】
ここで、回転ツール１５１は、第１プローブピン１６２の突出長さに応じて、第１撹拌領域Ｅ１を形成する回転ツール（第１回転ツール）として機能したり、第２撹拌領域Ｅ２を形成する回転ツールに反力を与える反力回転ツール（第２反力回転ツール）として機能したりする。また、反力回転ツール１５２は、第２プローブピン１７２の突出長さに応じて、第１撹拌領域Ｅ１を形成する回転ツールに反力を与える反力回転ツール（第１反力回転ツール）として機能したり、第２撹拌領域Ｅ２を形成する回転ツール（第２回転ツール）として機能したりする。つまり、回転ツール１５１は、反力回転ツールとして動作可能であり、また、反力回転ツール１５２は、回転ツールとして動作可能である。
【０１６８】
第１撹拌領域Ｅ１を形成する場合、回転ツール１５１は、第１プローブピン１６２の突出長さを、反力回転ツール１５２の第２プローブピン１７２の突出長さよりも長くしている。具体的に、第１プローブピン１６２は、開先部６の厚さ方向における長さが、開先部６の厚さの半分よりも長くなるように、第１ショルダ部１６５から突出する。このとき、回転ツール１５１の第１回転軸Ｉ１と反力回転ツール１５２の第２回転軸Ｉ２とは同軸上にあるため、第１プローブピン１６２と第２プローブピン１７２との間には、所定の隙間が形成される。このため、第２プローブピン１７２は、開先部６の厚さ方向における長さが、開先部６の厚さの半分よりも短くなるように、第２ショルダ部１７５から突出する。
【０１６９】
一方で、第２撹拌領域Ｅ２を形成する場合、回転ツール１５１は、第１プローブピン１６２の突出長さを、反力回転ツール１５２の第２プローブピン１７２の突出長さよりも短くしている。具体的に、第１プローブピン１６２は、開先部６の厚さ方向における長さが、開先部６の厚さの半分よりも短くなるように、第１ショルダ部１６５から突出させることで、回転ツール１５１を反力回転ツールとして機能させる。第２プローブピン１７２は、開先部６の厚さ方向における長さが、開先部６の厚さの半分よりも長くなるように、第２ショルダ部１７５から突出させることで、反力回転ツール１５２を回転ツールとして機能させる。
【０１７０】
このため、第１撹拌領域Ｅ１の形成時における回転ツール１５１と、第２撹拌領域Ｅ２の形成時における反力回転ツール１５２とは、開先部６の厚さ方向において、開先部６の内部において相互に重複する。
【０１７１】
ここで、図２１を参照して、実施例４に係る摩擦撹拌接合方法について説明する。なお、実施例４の摩擦撹拌接合方法は、実施例２の第１摩擦撹拌接合工程Ｓ１３及び第２摩擦撹拌接合工程Ｓ１８と異なり、また、実施例２の反転工程Ｓ１５に代えて入替工程Ｓ２５を行っていることから、これらの工程について説明する。
【０１７２】
第１摩擦撹拌接合工程Ｓ１３では、制御部２０が、第１移動機構１３及び第２移動機構１４を制御して、回転ツール１５１及び反力回転ツール１５２を、一方のタブ板７の接合開始点から、溶接線９上を通って、他方のタブ板７上の接合終了点まで移動させる（ステップＳ１３：第１摩擦撹拌接合工程）。このとき、回転ツール１５１は、開先部６の厚さ方向の上方側に配置され、第１プローブピン１６２が第２プローブピン１７２よりも長いことから、第１摩擦撹拌接合工程Ｓ１３では、開先部６の上方側に第１撹拌領域Ｅ１が形成される。また、反力回転ツール１５２は、開先部６の厚さ方向の下方側に配置され、第２プローブピン１７２が第１プローブピン１６２よりも短いことから、第１摩擦撹拌接合工程Ｓ１３では、開先部６の下方側が摩擦撹拌接合されることで、仮接合撹拌領域Ｅ４が形成され、仮接合される。
【０１７３】
入替工程Ｓ２５では、制御部２０が、第１軸移動回転機構１６７及び第２軸移動回転機構１７７を制御して、第１プローブピン１６２の突出長さと、第２プローブピン１７２の突出長さとをそれぞれ変位させ、第２プローブピン１７２の突出長さを、第１プローブピン１６２よりも長くする。このため、入替工程Ｓ２５では、回転ツール１５１を反力回転ツールとし、反力回転ツール１５２を回転ツールとする。また、入替工程Ｓ２５では、回転ツール１５１及び反力回転ツール１５２を開先部６から引き抜くことなく、第１プローブピン１６２及び第２プローブピン１７２の突出長さを変位させることができるため、実施例２の引抜工程Ｓ１４を省くことが可能となる。
【０１７４】
第２摩擦撹拌接合工程Ｓ１８では、制御部２０が、第１移動機構１３及び第２移動機構１４を制御して、回転ツール１５１及び反力回転ツール１５２を、他方のタブ板７の接合開始点から、溶接線９上を通って、一方のタブ板７上の接合終了点まで移動させる（ステップＳ１８：第２摩擦撹拌接合工程）。このため、第１摩擦撹拌接合工程Ｓ１３における回転ツール１５１及び反力回転ツール１５２の進行方向と、第２摩擦撹拌接合工程Ｓ１８における回転ツール１５１及び反力回転ツール１５２の進行方向とは、逆方向となる。このとき、反力回転ツール１５２は、開先部６の厚さ方向の下方側に配置され、第２プローブピン１７２が第１プローブピン１６２よりも長いことから、第２摩擦撹拌接合工程Ｓ１８では、開先部６の下方側に第２撹拌領域Ｅ２が、仮接合撹拌領域Ｅ４と重なり合って形成される。また、回転ツール１５１は、開先部６の厚さ方向の上方側に配置され、第１プローブピン１６２が第２プローブピン１７２よりも短いことから、第２摩擦撹拌接合工程Ｓ１８では、開先部６の上方側が摩擦撹拌接合される。
【０１７５】
以上のように、実施例４によれば、入替工程Ｓ２５において、第１プローブピン１６２の突出長さと、第２プローブピン１７２の突出長さとをそれぞれ変位させることで、回転ツール１５１を反力回転ツールとすることができ、反力回転ツール１５２を回転ツールとすることができる。このとき、回転ツール１５１及び反力回転ツール１５２は、引き抜く必要がないことから、作業工程を短縮することができる。
【０１７６】
なお、第１撹拌領域Ｅ１の形成時において、第２プローブピン１７２は、第２ショルダ部１７５から突出させなくてもよく、同様に、第２撹拌領域Ｅ２の形成時において、第１プローブピン１６２は、第１ショルダ部１６５から突出させなくてもよい。
【０１７７】
また、第１プローブピン１６２が第１ショルダ部１６５から露出する先端部を、先細りとなるテーパ形状としてもよく、第２プローブピン１７２も、第１プローブピン１６２と同様にテーパ形状としてもよい。
【符号の説明】
【０１７８】
１  摩擦撹拌接合装置
５  金属板
６  開先部
７  タブ板
８ａ，８ｂ  有底孔
９  溶接線
１０  摩擦撹拌工具
１１  第１押圧回転機構
１２  第２押圧回転機構
１３  第１移動機構
１４  第２移動機構
１６  工具負荷検出器
２０  制御部
２１  第１回転ツール
２２  第２回転ツール
３１  第１ツール本体
３２  第１プローブ
３２ａ  第１先端面
３５  第１ショルダ部
３５ａ  第１ショルダ面
３６  凹部
４１  第２ツール本体
４２  第２プローブ
４２ａ  第２先端面
４５  第２ショルダ部
４５ａ  第２ショルダ面
５１  第１モータ負荷検出器
５２  第２モータ負荷検出器
１００  摩擦撹拌接合装置
１０１  回転ツール
１０２  反力回転ツール
１０２ａ  当接面
１０２ｂ  突起部
１０３  反転機構
１１１  ツール本体
１１２  プローブ
１１５  ショルダ部
１２０  摩擦撹拌接合装置
１２１  接合部
１２２  接合欠陥部
１３１  補修用回転ツール
１３２  反力回転ツール
１４１  ツール本体
１４２  プローブ
１４５  ショルダ部
１５０  摩擦撹拌接合装置
１５１  回転ツール
１５２  反力回転ツール
１６１  第１ツール本体
１６２  第１プローブピン
１６５  第１ショルダ部
１６６  第１挿通穴
１６７  第１軸移動回転機構
１７１  第２ツール本体
１７２  第２プローブピン
１７５  第２ショルダ部
１７６  第２挿通穴
１７７  第２軸移動回転機構
Ｃ  ライン
Ｉ１  第１回転軸
Ｉ２  第２回転軸
【図１】
0006284444.tif 000002
【図２】
0006284444.tif 000003
【図３】
0006284444.tif 000004
【図４】
0006284444.tif 000005
【図５】
0006284444.tif 000006
【図６】
0006284444.tif 000007
【図７】
0006284444.tif 000008
【図８】
0006284444.tif 000009
【図９】
0006284444.tif 000010
【図１０】
0006284444.tif 000011
【図１１】
0006284444.tif 000012
【図１２】
0006284444.tif 000013
【図１３】
0006284444.tif 000014
【図１４】
0006284444.tif 000015
【図１５】
0006284444.tif 000016
【図１６】
0006284444.tif 000017
【図１７】
0006284444.tif 000018
【図１８】
0006284444.tif 000019
【図１９】
0006284444.tif 000020
【図２０】
0006284444.tif 000021
【図２１】
0006284444.tif 000022