(57)【要約】  摩擦攪拌接合用工具１は、回転駆動部に取り付けられる回転子２と、回転子２の先端面に同心状に設けられたプローブ３とを備えている。プローブ３の先端面に、仮付け接合用突起４を同心状に設ける。プローブ３の先端面の直径をＤｍｍ、仮付け接合用突起４の横断面における外形の直径をｄｍｍとした場合、０．３Ｄ≦ｄ≦０．８Ｄという関係を満たす。仮付け接合用突起４の長さを０．３〜２ｍｍとする。この摩擦攪拌接合用工具によれば、摩擦攪拌接合の作業効率を向上しうるとともに、本付け摩擦攪拌接合後の接合品質に優れた摩擦攪拌接合を行うことができる。
2007119343.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転駆動部に取り付けられる回転子と、回転子の先端面に同心状に設けられたプローブとを備えており、２つの被接合材の継手部分にプローブを回転させつつ埋入するとともに、両被接合材とプローブとを相対的に移動することにより両被接合材を上記継手部分において摩擦攪拌接合する摩擦攪拌接合用工具であって、
プローブの先端面に、仮付け接合用突起が同心状に設けられており、プローブの先端面の直径をＤｍｍ、仮付け接合用突起の横断面における外形の直径をｄｍｍとした場合、０．３Ｄ≦ｄ≦０．８Ｄという関係を満たす摩擦攪拌接合用工具。
【請求項２】
仮付け接合用突起の長さが０．３〜２ｍｍである請求項１記載の摩擦攪拌接合用工具。
【請求項３】
プローブの先端面が平坦面または部分凹球面となっている請求項１または２記載の摩擦攪拌接合用工具。
【請求項４】
プローブが円柱状である請求項１〜３のうちのいずれかに記載の摩擦攪拌接合用工具。
【請求項５】
プローブが、先端側に向かって小径となった円錐状である請求項１〜３のうちのいずれかに記載の摩擦攪拌接合用工具。
【請求項６】
プローブの外周面にねじ山が形成され、仮付け接合用突起の外周面にねじ山が形成されていない請求項１〜５のうちのいずれかに記載の摩擦攪拌接合用工具。
【請求項７】
仮付け接合用突起の先端面が部分凸球面となっている請求項１〜６のうちのいずれかに記載の摩擦攪拌接合用工具。
【請求項８】
仮付け接合用突起の横断面形状が異形であり、その外周面に、同一円筒面内に位置する複数の部分円筒面が周方向に間隔をおいて形成されている請求項１〜７のうちのいずれかに記載の摩擦攪拌接合用工具。
【請求項９】
請求項１〜８のうちのいずれかに記載の摩擦攪拌接合用工具の回転子を回転させながら、２つの被接合材の継手部分において仮付け接合用突起を両被接合材に跨るように埋入するとともに、両被接合材と摩擦攪拌接合用工具とを相対的に移動することによって、仮付け接合用突起により両被接合材を上記継手部分において断続的に仮付け摩擦攪拌接合し、その後摩擦攪拌接合用工具の回転子を回転させながら、上記継手部分においてプローブを両被接合材に跨るように埋入するとともに、両被接合材と摩擦攪拌接合用工具とを相対的に移動することによって、プローブにより両被接合材を上記継手部分の全長にわたって連続的に本付け摩擦攪拌接合することを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
【請求項１０】
仮付け接合用突起の長さをL1ｍｍ、プローブと仮付け接合用突起の合計長さをL2ｍｍ、両被接合材の表面から仮付け接合用突起の先端までの埋入深さをＺｍｍとした場合、仮付け摩擦攪拌接合の際に、（L1−０．０５）≦Ｚ≦（L1＋０．１５）という関係を満足し、本付け摩擦攪拌接合の際に、（L2−０．０５）≦Ｚ≦（L2＋０．３）という関係を満足する請求項９記載の摩擦攪拌接合方法。
【請求項１１】
仮付け摩擦攪拌接合部の長さを、摩擦攪拌接合用工具のプローブの先端面の外径以上とする請求項９または１０記載の摩擦攪拌接合方法。
【請求項１２】
両被接合材の継手部分が直線状であり、仮付け摩擦攪拌接合の際に、未接合部の長さを３００ｍｍ以下にする請求項９〜１１のうちのいずれかに記載の摩擦攪拌接合方法。
【請求項１３】
両被接合材の継手部分が円弧状部分を含んでおり、仮付け摩擦攪拌接合の際に、未接合部の長さを上記円弧状部分の半径の３倍以下にする請求項９〜１１のうちのいずれかに記載の摩擦攪拌接合方法。
【請求項１４】
両被接合材の継手部分が無端状である請求項１３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、摩擦攪拌接合用工具および摩擦攪拌接合方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
たとえば自動車産業、船舶産業、航空宇宙産業などの各種産業において、固相接合法である摩擦攪拌接合方法が、ＴＩＧやＭＩＧなどの溶融溶接法に比べて熱歪みによる変形や割れが生じにくく、しかも接合強度が増大するという利点があるため、広く適用されるようになってきている。【０００３】
ところで、摩擦攪拌接合方法は、回転駆動部に取り付けられる円柱状回転子と、回転子の先端面に同心状に設けられたプローブとを備えた摩擦攪拌接合用工具を使用し、２つの被接合材の継手部分にプローブを回転させつつ埋入するとともに、両被接合材とプローブとを相対的に移動することにより行うものであるから、被接合材には摩擦熱や比較的大きな圧力が加えられる。したがって、接合時において被接合材が移動したり、変形したりすることが原因となって、接合部の内部欠陥や、目違いのような形状欠陥などの接合欠陥が発生することがある。そこで、このような接合欠陥の発生を防止するために、接合時に被接合材を強固に固定しておく必要がある。【０００４】
しかしながら、たとえば円形の凹所を有するベースと、凹所内に嵌め入れられかつ凹所の開口を塞ぐ円形の蓋とを用意し、凹所の内周面における高さの中間部に、蓋の周縁部を受ける段部を形成しておき、蓋を凹所内に嵌め入れてその周縁部を段部上に乗せた後、ベースにおける凹所の開口周縁部と蓋の周縁部とからなる継手部分を摩擦攪拌接合する場合、ベースおよび蓋を強固に固定した状態で、上記継手部分を全周にわたって摩擦攪拌接合することは極めて困難である。【０００５】
そこで、上述したようなベースと蓋との摩擦攪拌接合の際に、一般的な溶融溶接法や摩擦攪拌接合法により、予め蓋をベースに部分的に仮付けする方法が考えられている（たとえば、特許文献１参照）。【０００６】
しかしながら、特許文献１記載の方法において、溶融溶接法により仮付けする場合、全く別個の装置を用いて行わなければならず、工程が増えるので、ベースへの蓋の接合作業が面倒であるという問題がある。しかも、溶融溶接法により何カ所かで仮付けを行う場合、ブローホール、割れ、融合不良などの欠陥が生じやすいので、プリフローおよびクレータ処理などを本接合前に十分施す必要があり、その結果工程が増えて量産性が劣る。【０００７】
一方、摩擦攪拌接合方法により仮付けする場合、仮付けは本付け摩擦攪拌接合の際に用いるプローブよりも小径のプローブを用いて行う必要があるが、そのためには摩擦攪拌接合装置の回転駆動部にプローブを付け替えて行う必要があり、その作業が面倒である。【０００８】
なお、本出願人は、先に、プローブが先端側を小径として段階的に径の異なる複数の軸部より構成されている摩擦攪拌接合用工具を提案した（特許文献２参照）。しかしながら、特許文献２記載の摩擦攪拌接合用工具は、被接合部の肉厚が異なる複数の被接合材を接合することを可能とし、しかも厚肉材を接合対象としても安定した良好な接合品位を確保するためのものであり、プローブの小径部と大径部の直径の比率が、仮付け摩擦攪拌接合と本付け摩擦攪拌接合とを行う上での最適なものになっていない。
【特許文献１】特開２００２−２４８５８４号公報
【特許文献２】特開２０００−２４６４６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
この発明の目的は、上記問題を解決し、摩擦攪拌接合の作業効率を向上しうるとともに、本付け摩擦攪拌接合後の接合品質に優れた摩擦攪拌接合を行いうる摩擦攪拌接合用工具および摩擦攪拌接合方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、上記目的を達成するために以下の態様からなる。【００１１】
1)回転駆動部に取り付けられる回転子と、回転子の先端面に同心状に設けられたプローブとを備えており、２つの被接合材の継手部分にプローブを回転させつつ埋入するとともに、両被接合材とプローブとを相対的に移動することにより両被接合材を上記継手部分において摩擦攪拌接合する摩擦攪拌接合用工具であって、
プローブの先端面に、仮付け接合用突起が同心状に設けられており、プローブの先端面の直径をＤｍｍ、仮付け接合用突起の横断面における外形の直径をｄｍｍとした場合、０．３Ｄ≦ｄ≦０．８Ｄという関係を満たす摩擦攪拌接合用工具。【００１２】
2)仮付け接合用突起の長さが０．３〜２ｍｍである上記1)記載の摩擦攪拌接合用工具。【００１３】
3)プローブの先端面が平坦面または部分凹球面となっている上記1)または2)記載の摩擦攪拌接合用工具。【００１４】
4)プローブが円柱状である上記1)〜3)のうちのいずれかに記載の摩擦攪拌接合用工具。【００１５】
5)プローブが、先端側に向かって小径となった円錐状である上記1)〜3)のうちのいずれかに記載の摩擦攪拌接合用工具。【００１６】
6)プローブの外周面にねじ山が形成され、仮付け接合用突起の外周面にねじ山が形成されていない上記1)〜5)のうちのいずれかに記載の摩擦攪拌接合用工具。【００１７】
7)仮付け接合用突起の先端面が部分凸球面となっている上記1)〜6)のうちのいずれかに記載の摩擦攪拌接合用工具。【００１８】
8)仮付け接合用突起の横断面形状が異形であり、その外周面に、同一円筒面内に位置する複数の部分円筒面が周方向に間隔をおいて形成されている上記1)〜7)のうちのいずれかに記載の摩擦攪拌接合用工具。【００１９】
9)上記1)〜8)のうちのいずれかに記載の摩擦攪拌接合用工具の回転子を回転させながら、２つの被接合材の継手部分において仮付け接合用突起を両被接合材に跨るように埋入するとともに、両被接合材と摩擦攪拌接合用工具とを相対的に移動することによって、仮付け接合用突起により両被接合材を上記継手部分において断続的に仮付け摩擦攪拌接合し、その後摩擦攪拌接合用工具の回転子を回転させながら、上記継手部分においてプローブを両被接合材に跨るように埋入するとともに、両被接合材と摩擦攪拌接合用工具とを相対的に移動することによって、プローブにより両被接合材を上記継手部分の全長にわたって連続的に本付け摩擦攪拌接合することを特徴とする摩擦攪拌接合方法。【００２０】
10)仮付け接合用突起の長さをL1ｍｍ、プローブと仮付け接合用突起の合計長さをL2ｍｍ、両被接合材の表面から仮付け接合用突起の先端までの埋入深さをＺｍｍとした場合、仮付け摩擦攪拌接合の際に、（L1−０．０５）≦Ｚ≦（L1＋０．１５）という関係を満足し、本付け摩擦攪拌接合の際に、（L2−０．０５）≦Ｚ≦（L2＋０．３）という関係を満足する上記9)記載の摩擦攪拌接合方法。【００２１】
11)仮付け摩擦攪拌接合部の長さを、摩擦攪拌接合用工具のプローブの先端面の外径以上とする上記9)または10)記載の摩擦攪拌接合方法。【００２２】
12)両被接合材の継手部分が直線状であり、仮付け摩擦攪拌接合の際に、未接合部の長さを３００ｍｍ以下にする上記9)〜11)のうちのいずれかに記載の摩擦攪拌接合方法。【００２３】
13)両被接合材の継手部分が円弧状部分を含んでおり、仮付け摩擦攪拌接合の際に、未接合部の長さを上記円弧状部分の半径の３倍以下にする上記9)〜11)のうちのいずれかに記載の摩擦攪拌接合方法。【００２４】
14)両被接合材の継手部分が無端状である上記13)記載の摩擦攪拌接合方法。
【発明の効果】
【００２５】
上記1)の摩擦攪拌接合用工具を用いて摩擦攪拌接合を行う場合、上記1)〜8)のうちのいずれかに記載の摩擦攪拌接合用工具の回転子を回転させながら、２つの被接合材の継手部分において仮付け接合用突起を両被接合材に跨るように埋入するとともに、両被接合材と摩擦攪拌接合用工具とを相対的に移動することによって、仮付け接合用突起により両被接合材を上記継手部分において断続的に仮付け摩擦攪拌接合し、その後摩擦攪拌接合用工具の回転子を回転させながら、上記継手部分においてプローブを両被接合材に跨るように埋入するとともに、両被接合材と摩擦攪拌接合用工具とを相対的に移動することによって、プローブにより両被接合材を上記継手部分の全長にわたって連続的に本付け摩擦攪拌接合することになる。そして、摩擦攪拌接合用工具のプローブの先端面に、仮付け接合用突起が同心状に設けられており、プローブの先端面の直径をＤｍｍ、仮付け接合用突起における先端面の外形の直径をｄｍｍとした場合、０．３Ｄ≦ｄ≦０．８Ｄという関係を満たしているので、仮付け摩擦攪拌接合部の接合強度が大きくなり、その後の本付け摩擦攪拌接合の際に、仮付け摩擦攪拌接合部の破断が防止される。したがって、接合部の内部欠陥や、目違いのような形状欠陥などの接合欠陥の発生が防止される。また、仮付け摩擦攪拌接合を行う場合と本付け摩擦攪拌接合を行う場合とで、摩擦攪拌接合用工具をプローブ径の異なるものに交換する必要がなく、作業効率が向上する。しかも、複数の摩擦攪拌接合用工具を用意する必要がないので、設備コストを低減することができる。【００２６】
上記3)の摩擦攪拌接合用工具によれば、仮付け摩擦攪拌接合の際に良好な接合部が得られる。【００２７】
上記5)の摩擦攪拌接合用工具によれば、本付け摩擦攪拌接合中にプローブが材料から受ける負荷が低減されるので、プローブの寿命が向上する。【００２８】
上記7)の摩擦攪拌接合用工具によれば、被接合材に仮付け接合用突起を埋入する際の負荷が低減されるので、仮付け接合用突起およびプローブの寿命が向上する。【００２９】
上記8)の摩擦攪拌接合用工具によれば、仮付け摩擦攪拌接合時の材料の攪拌力が増大するので、仮付け摩擦攪拌接合の速度を高速にすることができる。【００３０】
上記9)の摩擦攪拌接合方法によれば、仮付け摩擦攪拌接合部の接合強度が大きくなり、その後の本付け摩擦攪拌接合の際に、仮付け摩擦攪拌接合部の破断が防止される。したがって、接合部の内部欠陥や、目違いのような形状欠陥などの接合欠陥の発生が防止される。【００３１】
上記10)の摩擦攪拌接合方法によれば、接合部の内部欠陥や、目違いのような形状欠陥などの接合欠陥が存在しない良好な接合部が得られる。【００３２】
上記14)の摩擦攪拌接合方法のように、両被接合材の継手部分が無端状である場合、両被接合材を強固に固定した状態で、上記継手部分を全周にわたって摩擦攪拌接合することは極めて困難であるが、この場合であっても、上記9)のように構成されていると、両被接合材を比較的簡単に接合することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
以下、この発明の実施形態を、図面を参照して説明する。【００３４】
図１はこの発明による摩擦攪拌接合用工具の第１の実施形態を示す。【００３５】
図１において、摩擦攪拌接合用工具(1)は、摩擦攪拌接合装置の回転駆動部（図示略）に取り付けられ、かつ先端部が円柱状となされた回転子(2)と、回転子(2)の先端面に同心状に一体に形成された円柱状のプローブ(3)と、プローブ(3)の先端面に同心状に一体に形成された円柱状の仮付け接合用突起(4)とよりなる。【００３６】
回転子(2)およびプローブ(3)の先端面は、それぞれ部分凹球面状となっている。また、プローブ(3)の外周面にはねじ山(3a)が形成されている。仮付け接合用突起(4)の外周面にはねじ山は形成されていない。なお、仮付け接合用突起(4)の外周面にねじ山が形成されていてもよい。仮付け接合用突起(4)の先端面は部分凸球面状となっている。回転子(2)、プローブ(3)および仮付け接合用突起(4)は、この工具(1)を用いて接合される被接合材よりも硬質でかつ接合時に発生する摩擦熱に耐えうる耐熱性を有する材料で形成されている。【００３７】
ここで、プローブ(3)の先端面の直径をＤｍｍ、仮付け接合用突起(4)の横断面における外形の直径をｄｍｍとした場合、０．３Ｄ≦ｄ≦０．８Ｄという関係を満たしているべきである。ｄ＜３Ｄの場合、仮付け接合用突起(4)の先端面の直径が小さくなりすぎ、後述する仮付け摩擦攪拌接合の際の接合強度が小さくなる。また、ｄ＞８Ｄの場合、プローブ(3)の先端面における仮付け接合用突起(4)の周囲の部分の面積が不足して、プローブ(3)先端面の被接合部材への押し付け力が不足し、後述する仮付け摩擦攪拌接合の際の接合強度が小さくなる。そして、いずれの場合にも、後述する本付け摩擦攪拌接合の際に仮付け摩擦攪拌接合部が破断し、接合部の内部欠陥や、目違いのような形状欠陥などの接合欠陥が発生する。なお、この実施形態においては、プローブ(3)の外周面にはねじ山(3a)が形成されているので、先端面の直径Ｄはおねじの外径となる。【００３８】
また、仮付け接合用突起(4)の長さ(L1)は０．３〜２ｍｍであることが好ましい。仮付け接合用突起(4)の長さ(L1)が０．３ｍｍ未満であると、摩擦攪拌力が弱く、仮付け摩擦攪拌接合の強度が不足するおそれがあり、２ｍｍを超えると仮付け摩擦攪拌接合の強度が過剰となり、不経済である。なお、この実施形態の場合、プローブ(3)の先端面は部分凹球面状であるが、この場合、仮付け接合用突起(4)の長さ(L1)はプローブ(3)先端面の外周縁から仮付け接合用突起(4)の先端までの距離をいうものとする（図１(a)参照）。なお、プローブ(3)の先端面が平坦面の場合、仮付け接合用突起(4)の長さ(L1)は、当然のことながら上記平坦面から仮付け接合用突起(4)の先端までの距離である。【００３９】
次に、上述した摩擦攪拌接合用工具(1)を用いて、凹所を有するベースと、凹所内に嵌め入れられかつ凹所の開口を塞ぐ蓋とを摩擦攪拌接合する方法について、図２〜図９を参照して説明する。【００４０】
まず、図２に示すように、平面から見て円形の凹所(11)を有するベース(10)と、凹所(11)内に嵌め入れられかつ凹所(11)の開口を塞ぐ円形の蓋(12)とを用意する。ベース(10)の凹所(11)内周面における底側の部分に、径方向内方に突出した段部(13)が形成されている。蓋(12)の肉厚は凹所(11)全体の深さよりも小さくかつ凹所(11)における段部(13)よりも上方の部分の深さと等しくなっている。蓋(12)の直径は、凹所の開口の内径、すなわち凹所(11)における段部(13)よりも上方の部分の内径よりも若干小さくなっている。【００４１】
ベース(10)および蓋(12)は、それぞれ、たとえばJIS Ａ２０００系合金、JIS Ａ５０００系合金、JIS Ａ６０００系合金およびJIS Ａ７０００系合金のうちのいずれかにより形成されている。ベース(10)および蓋(12)は同じ材料で形成されていてもよいし、あるいは異なる材料で形成されていてもよい。【００４２】
ベース(10)と蓋(12)を摩擦攪拌接合するにあたり、まずベース(10)を図示しない工作台上に載置し、蓋(12)をベース(10)の凹所(11)内に嵌め入れてその周縁部を段部(13)に支持させることにより、ベース(10)における凹所(11)の周囲の部分の上面と蓋(12)の上面とを同一面内に位置させる。ベース(10)における凹所(11)の開口周縁部と蓋(12)の外周縁部とにより、円環状継手部分(14)が形成される。【００４３】
ついで、複数のクランプ治具(15)により、ベース(10)および蓋(12)を同時に押さえつけて両者を工作台にクランプする（図５参照）。【００４４】
ついで、摩擦攪拌接合用工具(1)の回転子(2)を回転させながら、継手部分(14)におけるクランプ治具(15)と干渉しない部分の周方向の１箇所に、ベース(10)における凹所(11)の開口周縁部と蓋(12)の周縁部とに跨るように摩擦攪拌接合用工具(1)の仮付け接合用突起(4)を埋入するとともに、プローブ(3)の先端面における仮付け接合用突起(4)の周囲の肩部(3b)を、ベース(10)および蓋(12)の上面に押し付ける（図３および図４参照）。ここで、図３に示すように、仮付け接合用突起(4)の長さをL1ｍｍ、ベース(10)および蓋(12)の上面から仮付け接合用突起(4)の先端までの埋入深さをＺｍｍとした場合、（L1−０．０５）≦Ｚ≦（L1＋０．１５）という関係を満足していることが好ましい。Ｚ＜（L1−０．０５）であると、肩部(3b)の押し付け力が不足し、良好な接合部が得られなくなるおそれがあり、Ｚ＞（L1＋０．１５）であると肩部(3b)の押し付け量が過剰となり、良好な接合部が得られなくなるおそれがある。【００４５】
ついで、回転子(2)を回転させながら、ベース(10)および蓋(12)と摩擦攪拌接合用工具(1)とを相対的に移動させることによって、プローブ(3)および仮付け接合用突起(4)を円環状継手部分(14)の周方向に所定距離移動させてベース(10)と蓋(12)とを所定距離にわたって摩擦攪拌接合した後、仮付け接合用突起(4)をベース(10)および蓋(12)から引き抜くという操作を、継手部分(14)に沿って所定ピッチで複数回繰り返し、ベース(10)と蓋(12)とを、上記継手部分(14)において断続的に仮付け摩擦攪拌接合する。プローブ(3)および仮付け接合用突起(4)を継手部分(14)の周方向に移動させる際には、摩擦攪拌接合用工具(1)の回転子(2)の軸線(X)を、上方に向かって進行方向後方に若干傾斜させる。回転子(2)の軸線(X)の垂直線(O)に対する傾斜角度を前進角(α)という（図３参照）。【００４６】
ここで、仮付け摩擦攪拌接合部(16)の長さを、摩擦攪拌接合用工具(1)のプローブ(3)の先端面の外径(D)以上とすることが好ましい。仮付け摩擦攪拌接合部(16)の長さがプローブ(3)の先端面の外径(D)未満であると、仮付け摩擦攪拌接合時の摩擦攪拌力が不足していたことになり、仮付け摩擦攪拌接合部の強度が不足するおそれがある。また、図６に示すように、ベース(10)と蓋(12)との継手部分(14)が円環状であるから、仮付け摩擦攪拌接合の際の未接合部(17)の長さ(S1)ｍｍを、継手部分(14)の半径(R)ｍｍの３倍以下にすることが好ましい。未接合部(S1)の長さ(S1)ｍｍが、継手部分(14)の半径(R)ｍｍの３倍を超えると、仮付けが不十分となり、本付け摩擦攪拌接合後に、接合部の内部欠陥や、目違いのような形状欠陥などの接合欠陥が発生するおそれがある。なお、仮付け摩擦攪拌接合部(16)の長さ(S2)は、仮付け接合用突起(4)を埋入した点と引き抜いた点との距離、すなわち仮付け接合用突起(4)の移動距離であり、未接合部(17)の長さ(S1)は、前操作の終了時に仮付け接合用突起(4)を引き抜いた点と、後操作の開始時に仮付け接合用突起(4)を埋入した点との距離である。【００４７】
ついで、クランプ治具(15)によるベース(10)および蓋(12)の工作台へのクランプを一端解除し、クランプ治具(15)によりベース(10)のみを押さえつけてベース(10)および蓋(12)を工作台へクランプする。【００４８】
その後、摩擦攪拌接合用工具(1)の回転子(2)を回転させながら、継手部分(14)におけるクランプ治具(15)と干渉しない部分の周方向の１箇所に、ベース(10)における凹所(11)の開口周縁部と蓋(12)の周縁部とに跨るように摩擦攪拌接合用工具(1)のプローブ(3)を埋入するとともに、回転子(2)の先端面におけるプローブ(3)の周囲の肩部(2a)を、ベース(10)および蓋(12)の上面に押し付ける（図７および図８参照）。ここで、図７に示すように、プローブ(3)と仮付け接合用突起(4)の合計長さをL2ｍｍ、ベース(10)および蓋(12)の上面から仮付け接合用突起(4)の先端までの埋入深さをＺｍｍとした場合、本付け摩擦接合の際に、（L2−０．０５）≦Ｚ≦（L2＋０．３）という関係を満足していることが好ましい。Ｚ＜（L2−０．０５）であると肩部(2a)の押し付け力が不足し、良好な接合部が得られなくなるおそれがあり、Ｚ＞（L2＋０．３）であると肩部(2a)の押し付け量が過剰となり、良好な接合部が得られなくなるおそれがある。なお、この実施形態においては、回転子(2)の先端面は部分凹球面状であるが、この場合、プローブ(3)と仮付け接合用突起(4)の合計長さ：L2は、回転子(2)先端面の外周縁から仮付け接合用突起(4)の先端までの距離をいうものとする。なお、回転子(2)の先端面が平坦面の場合、プローブ(3)と仮付け接合用突起(4)の合計長さ：L2は、当然のことながら上記平坦面から仮付け接合用突起(4)の先端までの距離である。【００４９】
ついで、回転子(2)を回転させながら、ベース(10)および蓋(12)と摩擦攪拌接合用工具(1)とを相対的に移動させることによって、プローブ(3)を継手部分(14)の全周にわたって移動させてベース(10)と蓋(12)とを全周にわたって連続的に本付け摩擦攪拌接合する（図９参照）。なお、本付け摩擦攪拌接合の際にも、上述した仮付け摩擦攪拌接合の場合と同様に、プローブ(3)を継手部分(14)の周方向に移動させる際には、摩擦攪拌接合用工具(1)の回転子(2)の軸線(X)を、上方に向かって進行方向後方に若干傾斜させて、垂直線(O)に対する前進角(α)をとるようにする（図７参照）。【００５０】
こうして、ベース(10)と蓋(12)とが摩擦攪拌接合される。【００５１】
次に、第１の実施形態の摩擦攪拌接合用工具(1)を使用し、図２〜図９に示す方法でベース(10)と蓋(12)とを摩擦攪拌接合した実施例について、比較例とともに説明する。【００５２】
実施例１〜３
３種類の摩擦攪拌接合用工具(1)を用意した。これらの摩擦攪拌接合用工具(1)の回転子(2)の先端面における肩部(2a)の直径：１８ｍｍ、プローブ(3)の先端面の直径(D)：６ｍｍ、プローブ(3)の長さ(L2−L1)：１０ｍｍ、仮付け接合用突起(4)の長さ（L1)：１ｍｍ、プローブ(3)と仮付け接合用突起(4)の合計長さ(L2)：４．８ｍｍであり、仮付け接合用突起(4)の横断面における外形の直径(d)を１．８ｍｍ、３ｍｍ、４．８ｍｍとした。【００５３】
また、JIS Ａ６０６１−Ｔ６からなるベース(10)および蓋(12)を用意した。図２に示すように、ベース(10)の外径(D1)：１６０ｍｍ、肉厚(T1)：１５ｍｍ、凹所(11)の全深さ(T2)：１０ｍｍ、凹所(2)における段部(4)よりも上方の部分の深さ(T3)：５ｍｍ、凹所(2)における段部(4)よりも上方の部分の内径(D2)（凹所の開口の内径）：１００．１ｍｍ、凹所(2)における段部(4)よりも下方の部分の内径(D3)：８０ｍｍ、蓋(12)の肉厚（＝凹所(2)における段部(4)よりも上方の部分の深さ）：５ｍｍ、蓋(12)の外径９９．９ｍｍである。【００５４】
そして、ベース(10)および蓋(12)の１つの直径上の２箇所において、クランプ治具(15)によりベース(10)と蓋(12)とを同時に押さえつけて両者を工作台にクランプし、両クランプ治具(15)間の２箇所において、それぞれ仮付け摩擦攪拌接合部(16)の長さ(S2)が６０ｍｍとなるように、上記３種類の摩擦攪拌接合用工具(1)を用いて、それぞれ上述した第１の実施形態の場合と同様に、ベース(10)および蓋(12)を仮付け摩擦攪拌接合を行った。その後、クランプ治具(15)によるベース(10)および蓋(12)の工作台へのクランプを一端解除し、クランプ治具(15)によりベース(10)のみを押さえつけて両者を工作台にクランプし、上記３種類の摩擦攪拌接合用工具(1)を用いて、それぞれ上述したようにベース(10)と蓋(12)とを継手部分(14)の全周にわたって本付け摩擦攪拌接合した。【００５５】
仮付け摩擦攪拌接合の条件は、前進角(α)：３度、回転子(2)の回転数：２０００rpm、ベース(10)および蓋(12)の上面から仮付け接合用突起(4)の先端までの埋入深さ(Z)：１ｍｍ、接合速度：３００mm/minである。また、本付け摩擦攪拌接合の条件は、前進角(α)：３度、回転子(2)の回転数：１５００rpm、ベース(10)および蓋(12)の上面から仮付け接合用突起(4)の先端までの埋入深さ(Z)：４．９ｍｍ、接合速度：３００mm/minである。【００５６】
比較例１〜２
摩擦攪拌接合用工具として、仮付け接合用突起の外径が１．２ｍｍ、５．４ｍｍである以外は実施例１〜３で用いた摩擦攪拌接合用工具と同じものを使用した他は、実施例１〜３と同じ条件でベース(10)と蓋(12)とを摩擦攪拌接合した。【００５７】
評価試験
実施例１〜３および比較例１〜２により摩擦攪拌接合されたベース(10)と蓋(12)との目違い量(A)（図１０参照）を測定した。その結果を表１に示す。
【表１】
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【００５８】
表１から明らかなように、プローブ(3)の先端面の直径(D)ｍｍと、仮付け接合用突起(4)の横断面における外形の直径(d)ｍｍとが０．３Ｄ≦ｄ≦０．８Ｄという関係を満たす実施例１〜３の場合、目違いがほとんど発生していないのに対し、ｄ＜０．３Ｄである比較例１およびｄ＞０．８Ｄである比較例２の場合、大きな目違いが発生した。すなわち、ｄ＜０．３Ｄの場合、仮付け接合用突起(4)の先端面の直径が小さくなりすぎ、仮付け摩擦攪拌接合の際の攪拌力が不足して接合強度が小さくなる。また、ｄ＞８Ｄの場合、プローブ(3)の先端面の面積が不足して、プローブ(3)先端面の被接合部材への押し付け力が不足し、仮付け摩擦攪拌接合の際の接合強度が小さくなる。そして、いずれの場合にも、仮付け摩擦攪拌接合の際の接合強度が不足するために、本付け摩擦攪拌接合中において仮付け摩擦攪拌接合部が破断し、蓋(12)が浮き上がって大きな目違いが発生したと考えられる。【００５９】
図１１および図１２は摩擦攪拌接合用工具(1)を用いた摩擦攪拌接合方法の他の例を示す。【００６０】
図１１に示す方法は、継手部分(20)が直線状となるように組み合わされた２つの被接合材(21)(22)を摩擦攪拌接合する方法である。この方法の場合、仮付け摩擦攪拌接合の際に、未接合部(23)の長さ(S3)を、３００ｍｍ以下にすることが好ましい。その理由は、未接合部(23)の長さ(S3)が３００ｍｍを超えると仮付けが不十分となり、本付け摩擦攪拌接合後に、接合部の内部欠陥や、目違いのような形状欠陥などの接合欠陥が発生するおそれがある。また、仮付け摩擦攪拌接合部(24)の長さ(S4)は、上述したのと同様な理由により、摩擦攪拌接合用工具(1)のプローブ(3)の先端面の外径(D)以上にすることが好ましい。その他の条件は、上述した図２〜図９に示す方法と同じである。【００６１】
図１２に示す方法は、継手部分(25)が半円状部分(25a)および半円状部分(25a)の両端に連なった２つの直線状部分(25b)からなるように組み合わされた２つの被接合材(26)(27)を摩擦攪拌接合する方法である。この方法の場合、仮付け摩擦攪拌接合の際に、未接合部(28)の長さ(S5)を、上述したのと同様な理由により、半円状部分(25a)の半径(R1)の３倍以下にすることが好ましい。また、仮付け摩擦攪拌接合部(29)の長さ(S6)は、摩擦攪拌接合用工具(1)のプローブ(3)の先端面の外径(D)以上にすることが好ましい。その他の条件は、上述した図２〜図９に示す方法と同じである。【００６２】
図１３〜図１５は摩擦攪拌接合用工具の第２〜第４の実施形態を示す。【００６３】
図１３に示す第２の実施形態の摩擦攪拌用工具(30)の場合、プローブ(31)が、先端に向かって小径となった円錐状である。【００６４】
図１４に示す第３の実施形態の摩擦攪拌接合用工具(35)の場合、仮付け接合用突起(36)の横断面形状が異形であり、その外周面に、同一円筒面内に位置する複数、ここでは２つの部分円筒面(37)が周方向に等間隔をおいて形成されている。【００６５】
図１５に示す第４の実施形態の摩擦攪拌接合用工具(40)の場合、仮付け接合用突起(41)の横断面形状が異形であり、その外周面に、同一円筒面内に位置する複数、ここでは３つの部分円筒面(42)が周方向に等間隔をおいて形成されている。【００６６】
第３および第４の実施形態の摩擦攪拌接合用工具(35)(40)においては、仮付け接合用突起(36)(41)の横断面における外形の直径ｄは、部分円筒面(37)(42)が位置する円筒面の直径を意味するものとする。【００６７】
図１３〜図１５に示す摩擦攪拌接合用工具(30)(35)(40)のその他の構成は、第１の実施形態の摩擦攪拌接合用工具(1)と同一である。
【産業上の利用可能性】
【００６８】
この発明による摩擦攪拌接合用工具は、各種産業において、２つの被接合材を、仮付け摩擦攪拌接合した後に本付け摩擦攪拌接合するのに好適に使用される。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】この発明による摩擦攪拌接合用工具の第１の実施形態を示し、(a)は部分拡大正面図、(b)は底面図である。
【図２】図１の摩擦攪拌接合用工具により接合すべきベースと蓋とを示す垂直断面図である。
【図３】図１の摩擦攪拌接合用工具によりベースと蓋との継手部分を仮付け摩擦攪拌接合する状態を示す部分拡大垂直断面図である。
【図４】図３と同じ状態を示し、図３とは異なる方向から見た部分拡大垂直断面図である。
【図５】図１の摩擦攪拌接合用工具によりベースと蓋との継手部分を仮付け摩擦攪拌接合する状態を示す斜視図である。
【図６】図１の摩擦攪拌接合用工具によりベースと蓋との継手部分を仮付け摩擦攪拌接合した状態を示す概略平面図である。
【図７】図１の摩擦攪拌接合用工具によりベースと蓋との継手部分を本付け摩擦攪拌接合する状態を示す部分拡大垂直断面図である。
【図８】図７と同じ状態を示し、図７とは異なる方向から見た部分拡大垂直断面図である。
【図９】図１の摩擦攪拌接合用工具によりベースと蓋との継手部分を本付け摩擦攪拌接合する状態を示す斜視図である。
【図１０】実施例および比較例で接合されたベースと蓋における評価試験で測定した目違い量を示す垂直断面図である。
【図１１】摩擦攪拌接合用工具を用いた摩擦攪拌接合方法の他の例を示し、２つの被接合材を仮付け摩擦攪拌接合した状態を示す概略平面図である。
【図１２】摩擦攪拌接合用工具を用いた摩擦攪拌接合方法のさらに他の例を示し、２つの被接合材を仮付け摩擦攪拌接合した状態を示す概略平面図である。
【図１３】この発明による摩擦攪拌接合用工具の第２の実施形態を示し、(a)は部分拡大正面図、(b)は底面図である。
【図１４】この発明による摩擦攪拌接合用工具の第３の実施形態を示し、(a)は部分拡大正面図、(b)は底面図である。
【図１５】この発明による摩擦攪拌接合用工具の第４の実施形態を示し、(a)は部分拡大正面図、(b)は底面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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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１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【国際調査報告】
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