(57)【要約】      （修正有）【課題】接合ツールの耐久性を向上し、接合ツールの高速回転による被接合物の接合時間の短縮を図り、被接合部の接合強度を向上することができる摩擦撹拌接合装置を提供する。【解決手段】鉄鋼材料からなる被接合物２の被接合部３に、接合ツール４を回転させながら押し付けて、摩擦熱によって軟化した部分へ没入させ、この軟化した部分を撹拌しながら被接合物の被接合部を固相接合する摩擦撹拌接合装置１であって、前記接合ツールの少なくとも被接合物に接触する領域には、被接合物に対して化学的反応性の低い材料からなる皮膜が形成され、前記接合ツールが没入する被接合部に不活性ガスを供給する不活性ガス供給手段６を含むことを特徴とする。【選択図】図１
2007268605.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄鋼材料からなる被接合物の被接合部に、接合ツールを回転させながら押し付けて、摩擦熱によって軟化した部分へ没入させ、この軟化した部分を撹拌しながら被接合物の被接合部を固相接合する摩擦撹拌接合装置であって、
前記接合ツールの少なくとも被接合物に接触する領域には、被接合物に対して化学的反応性の低い材料からなる皮膜が形成され、
前記接合ツールが没入する被接合部に不活性ガスを供給する不活性ガス供給手段を含むことを特徴とする摩擦撹拌接合装置。
【請求項２】
前記皮膜は、酸化アルミニウムからなることを特徴とする請求項１記載の摩擦撹拌接合装置。
【請求項３】
前記皮膜は、炭化チタンからなる基層と、基層の表面を覆う窒化チタンからなる表層とを有することを特徴とする請求項１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、一般構造用鋼材、建築用構造用鋼材および自動車用鋼板などの鉄鋼材料からなる被接合物を接合するために好適に実施することができる摩擦撹拌接合装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
典型的な従来技術は、特許文献１に記載されている。この従来技術では、耐熱性合金からなる基材の中心軸線上に、被接合物と接触するピン部が一体的に形成される接合ツールにおいて、前記ピン部を含む外周部分を、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）系のセラミックからなる皮膜によって覆うことによって、高温域における硬度の低下を抑制し、鉄鋼材料である被接合物との摩擦に対する強度の低下を抑制している。
【０００３】
このような従来技術では、被接合物として、ＪＩＳ規格でＳＳ４００として規定される鉄鋼材料を対象とし、また接合ツールの基材は、Ｆｅ、Ｎｉ、ＣｏおよびＷの少なくとも１種を主成分とする耐熱性合金からなる。
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−８２１４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前記特許文献１に記載される従来技術では、アルミニウム合金などに比べて融点の高い鉄鋼材料を対象として摩擦撹拌によって接合するため、窒化珪素などによって皮膜が形成された接合ツールが用いられる。このような接合ツールは、被接合物との摩擦による発熱によって、接合ツールを構成する材料の化学的な分解および構成元素の被接合物への拡散が生じ、接合ツールのショルダ部およびピン部などの被接合物に接触して撹拌駆動力を発生させる部位が著しく摩耗する。
【０００６】
前記接合ツールの基材として、超硬合金であるたとえばタングステンカーバイトの１０００℃における標準生成エネルギは−１０ｋｃａｌ／ｇ・原子と比較的大きいため、高温環境下では分解が生じ易く、熱的に不安定である。
【０００７】
また、鋼中へのタングステンの固溶を生じ易い。これらの現象によって生じる接合ツールの摩耗が摩擦撹拌領域の形成を損なうため、接合強度の低下を招き、僅かな使用で高価な接合ツールの寿命が尽きるため、経済性が悪いという問題がある。
【０００８】
さらに、鉄鋼材料の摩擦撹拌接合では、接合ツールの回転速度は２５０〜１５００ｒｐｍとすることが多く、１５００ｒｐｍ以上に高い回転速度にすると摩擦発熱量が増加するため、被接合物が早期に加熱され、接合時間の短縮および接合強度の向上が図れるが、接合ツールの摩耗が加速され、高価な接合ツールの寿命を考慮すると、回転速度を高くするには限界があり、接合時間の短縮および接合強度の向上が制限されるという問題がある。
【０００９】
本発明の目的は、接合ツールの耐久性を向上し、接合ツールの高速回転による被接合物の接合時間の短縮を図り、被接合部の接合強度を向上することができる摩擦撹拌接合装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、鉄鋼材料からなる被接合物の被接合部に、接合ツールを回転させながら押し付けて、摩擦熱によって軟化した部分へ没入させ、この軟化した部分を撹拌しながら被接合物の被接合部を固相接合する摩擦撹拌接合装置であって、
前記接合ツールの少なくとも被接合物に接触する領域には、被接合物に対して化学的反応性の低い材料からなる皮膜が形成され、
前記接合ツールが没入する被接合部に不活性ガスを供給する不活性ガス供給手段を含むことを特徴とする摩擦撹拌接合装置である。
【００１１】
また本発明は、前記皮膜は、酸化アルミニウムからなることを特徴とする。
さらに本発明は前記皮膜は、炭化チタンからなる基層と、基層の表面を覆う窒化チタンからなる表層とを有することを特徴とする。
【００１２】
本発明に従えば、被接合物は鉄鋼材料を対象とする。この被接合物の被接合部には、皮膜の酸化による劣化を防止するため、不活性ガス供給手段によって不活性ガスが供給され、皮膜が形成された接合ツールを回転させながら被接合物の被接合部に押し付けて、摩擦熱によって軟化した部分へ没入させ、この軟化した部分を撹拌して、被接合物の被接合部が固相接合される。
【００１３】
前記接合ツールの皮膜は、少なくとも被接合物に接触する領域に形成され、被接合物に対して化学的反応性の低い材料からなるので、被接合物との親和力が弱く、熱的に安定であり、被接合物と接合ツールとの間の化学反応による摩耗を防止し、接合ツールの長寿命化を図ることができる。また、前記被接合部は、不活性ガス供給手段から供給される不活性ガスによって大気と遮断され、皮膜の酸化および窒化などの化学反応による接合ツールの劣化、損傷および剥離などが防がれる。
【００１４】
また、前記接合ツールの表面は皮膜に覆われて被接合物に対する化学的反応が防止されているので、接合ツールの回転速度を大きくすることが可能となり、被接合物の接合時間を短縮して、接合作業の効率を向上することができる。さらに、接合ツールの高速回転が可能となることによって、被接合物との接触による摩擦熱発生量が増加し、被接合物の撹拌領域が拡大されるので、被接合物間の接合強度が向上される。
【００１５】
前記皮膜は、酸化アルミニウムによって形成されてもよく、あるいは炭化チタンからなる基層と、基層の表面を覆う窒化チタンからなる表層との２層構造とし、基層によって表層の密着強度を向上するように構成されてもよい。このような酸化アルミニウムからなる１層の皮膜または基層および表層が形成された２層の皮膜が接合ツールの基材に形成されることによって、より高硬度の接合ツールを実現することができ、接合ツールの皮膜の摩耗の進展を抑制するとともに、皮膜の被接合物中への拡散による固溶を防止し、被接合物の被接合部の接合強度を向上することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、被接合部を皮膜が形成された接合ツールを用いて不活性ガス雰囲気中で摩擦撹拌するので、接合ツールの摩耗を少なくして耐久性を向上することができるとともに、被接合部の接合強度を向上することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
図１は本発明の実施の一形態の摩擦撹拌接合装置１を示す正面図であり、図２は接合ツール４が被接合物２に没入した状態を示す一部の拡大断面図である。摩擦撹拌接合装置１は、鉄鋼材料からなる被接合物２の被接合部３に、接合ツール４を回転させながら押し付けて、摩擦熱によって軟化した部分へ没入させ、この軟化した部分を撹拌して、被接合物２の被接合部３を固相接合する装置本体５と、前記接合ツール４に向けて不活性ガスを供給する不活性ガス供給手段６とを含む。
【００１８】
前記装置本体５は、たとえば多関節ロボット７のロボットアーム８の手首９に設けられ、軸線Ｌ１を略鉛直にして被接合物２の被接合部３をスポット接合するために用いられる。前記被接合物２は、自動車の車体および鉄道車両の構体などであって、相互に接合されるべき２枚の鋼板２ａ，２ｂからなる。このような被接合物２を本実施の形態の摩擦撹拌接合装置１によって摩擦撹拌接合（Friction Stir Welding ：略称ＦＳＷ）して、スポット接合する場合について説明する。
【００１９】
なお、本実施の形態において鉄鋼材料とは、鋼材とも呼ばれ、組成からは、鋳鉄、炭素鋼および合金鋼などに分類され、用途からは、鋳物用銑鉄、圧延鋼材、鋳鋼、鍛鋼などに分類される鉄鋼製品をいうが、このような鉄鋼材料に比べて融点の低いアルミニウム合金を被接合物２として排除するものではなく、本実施の形態の摩擦撹拌接合装置１によって摩擦撹拌接合が可能である。
【００２０】
前記装置本体５は、前記多関節ロボット７の手首９が複数のボルトなどによって着脱可能に取り付けられる取付体１１と、一側部に前記取付体１１が固定される基体１２と、基体１２に収容される昇降駆動源１３と、基体１２に収容される回転駆動源１４と、基体１２に前記軸線Ｌ１に沿って昇降可能に装着される昇降体１５と、昇降体１５の下端部に突出して設けられるツール保持体１６と、ツール保持体１６の下端部から突出する撹拌ロッド１７と、撹拌ロッド１７に着脱可能に装着される前記接合ツール４と、基体１２の前記一側部に固定される上端部から基体１２の下方に配置される下端部にわたって略Ｌ字状に屈曲した屈曲アーム１９と、屈曲アーム１９の下端部に装着される受け台２０と、受け台２０に装着され、接合ツール４の下方で被接合物２を支持する棒状の支持具２１と、多関節ロボット７、昇降駆動源１３、回転駆動源１４および不活性ガス供給手段６の動作を制御するロボットコントローラ２２とを含む。
【００２１】
前記昇降駆動源１３は、サーボモータと、このサーボモータの回転力を昇降体１５に前記軸線Ｌ１の沿う上方および下方への直線移動力として伝達する昇降用動力伝達手段とによって構成される。前記昇降用動力伝達手段は、ボールねじ機構などによって実現される。また、前記回転駆動源１４は、サーボモータと、このサーボモータの回転力を撹拌ロッド１７の前記軸線Ｌ１まわりの回転として伝達する回転用動力伝達手段とによって構成される。前記回転用動力伝達手段は、タイミングベルトおよびこのタイミングベルトが巻き掛けられる複数のプーリなどによって実現される。
【００２２】
前記ロボットコントローラ２２は、パーソナルコンピュータおよびティーチングペンダントなどの入力装置から入力された指令に応答して、予め設定された動作プログラムを実行し、前記多関節ロボット７、昇降駆動源１３、回転駆動源１４および不活性ガス供給手段６を所定の動作条件に従って制御し、支持具２１上に供給された被接合物２をスポット接合するように構成される。前記所定の動作条件は、たとえば接合ツール４の回転速度、被接合部３への没入量、没入時間、押し付け力、ならびに不活性ガス供給手段６による不活性ガスの供給開始および供給停止などである。このようなロボットコントローラ２２もまた、コンピュータによって実現され、前記動作プログラムが記憶された記憶装置、主制御装置および出力装置などを含む。
【００２３】
前記不活性ガス供給手段６は、不活性ガスであるたとえばＡｒガスが充填された圧力容器および圧力・流量調整ユニットなどによって実現され、圧力容器の容器弁から吐出される前記不活性ガスを、前記ロボットコントローラ２２からの制御信号によって所定の流量および二次圧力で流出することができる不活性ガス供給源２７と、ツール保持体１６の下端部に気密に装着され、撹拌ロッド１７の前記ツール保持体１６から下方へ突出する部分および接合ツール４を外囲する略円筒状のカバー体２８と、このカバー体２８に接続されるニップル２９と、ニップル２９に不活性ガス供給源２７から吐出される不活性ガスを導くガス誘導管３０と、ツール保持体１６およびカバー体２８間に介在される円筒状のシール部材３１とを有する。
【００２４】
前記カバー体２８は、直円筒状の胴部３２と、胴部３２の軸線方向一端部に連なり、胴部３２から離反するにつれて直径が減少する円錐台状の案内部３３とを有する。胴部３２の軸線方向他端部は、ツール保持体１６の下端部を外囲するように装着され、複数のボルトなどによって前記シール部材３１とともに前記ツール保持体１６の下端部に着脱可能に取り付けられる。
【００２５】
このようなカバー体２８は、たとえば高温の溶融金属の飛沫の付着などによる損傷を防止するため、アルミニウム合金からなってもよく、また交換が容易で軽量なエンジニアリングプラスチックなどの汎用合成樹脂からなってもよく、さらに接合ツール４などの高速回転に伴なう振動に対する疲労に破損を防止するため、繊維強化プラスチック（略称ＦＲＰ）からなってもよい。
【００２６】
前記案内部３３の被接合物２に対向する端面３４は、前記胴部３２の軸線に垂直である。また被接合物２は、支持具２１に支持された状態で、支持具２１の軸線に垂直である。この支持具２１の軸線は前記接合ツール４の軸線Ｌ２に垂直である。このような状態で、前記案内部３３の端面３４は、被接合物２の上面に対して僅かな間隔ΔＬをあけて離間している。この間隔ΔＬは、１〜３ｍｍに選ばれる。前記胴部３２の軸線は、前記接合ツール４の軸線Ｌ２と共通な一直線上に存在する。
【００２７】
前記ツール保持体１６の下端面１６ａと被接合物２の上面２ｃ（すなわち上方の鋼板２ａの上面）との間には、前記カバー体２８によって環状の空間３０が形成され、この空間３０には前記ニップル２９から不活性ガスを供給して、大気圧よりも僅かに高い圧力に保ち、大気の浸入が阻止された不活性ガス雰囲気とし、接合ツール４によって被接合物２の被接合部３を摩擦撹拌接合が行なわれる。
【００２８】
このとき、空間３０内にニップル２９から供給された不活性ガスは、胴部３２よりも流路断面積が減少する案内部３３に導かれて、カバー体２８と被接合物２と間の前記間隔ΔＬの隙間から微小な流量で漏洩し、これによってカバー体２８内の空間３０、特に接合ツール４の周囲は不活性ガスによって常に充たされた状態に保たれるので、後述するように基材の表面が皮膜によって覆われた接合ツール４を回転させながら被接合物２に押し付け、接合ツール４と被接合物２との間で発生した摩擦熱によって被接合部３が軟化し、この軟化した部分を撹拌して被接合部３が固相接合されるが、被接合部３は不活性ガスによって大気と遮断されているので、前記皮膜の酸化および窒化などの化学的反応による接合ツール４の劣化、損傷および剥離などを防ぐことができる。
【００２９】
このような不活性ガス供給手段６からの接合ツール４、したがって被接合部３への不活性ガスの供給は、皮膜５０が被接合物２と高温下で接触することによる化学的反応および電気親和力による分解を防ぐために、被接合物２との化学的反応性および親和性の物質を成膜することによって対処しようとするものであるが、皮膜５０の種類によっては耐酸化温度が低い場合があるため、接合ツール４の皮膜５０の高温下における被接合物２中への拡散による接合強度の低下を防止することを意図して実施されてもよい。
【００３０】
本実施の形態では、前記ニップル２９をカバー体２８の胴部３２の軸線方向のほぼ中央部の１個所に軸線Ｌ１に向けて設ける構成を例示したが、本発明の実施の他の形態では、前記ニップル２９を胴部３２に軸線Ｌ２に向けて周方向に等間隔をあけて複数箇所、たとえば２〜３箇所に設けるようにしてもよく、１〜３箇所に撹拌ロッド１７と胴部３２との間に向けて傾斜して設けるようにしてもよく、さらに１〜３箇所に被接合部３に向けて不活性ガスが噴射されるように設けるようにしてもよい。また、本発明の実施のさらに他の形態では、前記ニップル２９に代えてノズルを用いるようにしてもよい、ノズルを用いることによって、不活性ガスの供給方向に指向性を持たせ、摩擦撹拌が開始される直前にノズルから被接合部３に向けて噴射し、短時間で接合ツール４の周囲の空間を不活性ガス雰囲気とし、高温部と大気との接触を阻止するようにしてもよい。
【００３１】
図３は接合ツール４の撹拌ロッド１７への取り付け構造を示す斜視図であり、図３（１）は接合ツール４を撹拌ロッド１７から分離した状態を示し、図３（２）は接合ツール４が撹拌ロッド１７に取り付けられた状態を示す。撹拌ロッド１７は、円柱状に形成され、その下端部４０には外ねじ４１が刻設された嵌合部４２が形成される。嵌合部４２には、接合ツール４が部分的に嵌合する嵌合凹所４３が形成される。また嵌合部４２には、前記外ねじ４１に螺合する内ねじ４４が刻設された固定具４５が螺着される。
【００３２】
前記外ねじ４１および内ねじ４４は、撹拌ロッド１７の回転方向とは逆方向に固定具４５が回転することによって締め付けられるように形成され、接合ツール４が被接合物２から回転方向とは逆方向の反力を受けて、この反力によって固定具４５が接合中に緩むことがないように構成されている。また、嵌合凹所４３は、撹拌ロッド１７の軸線Ｌ１に同軸に形成され、この軸線Ｌ１に垂直な断面形状が正方形とされ、嵌合凹所４３に嵌合した接合ツール４のとも回りを防止している。
【００３３】
接合ツール４は、装着部４６と、ショルダ部４７と、ピン部４８とを有する。ショルダ部４７は、装着部４６に連なり、ピン部４８はショルダ部４７に連なる。ショルダ部４７とピン部４８とは、同軸の円柱状または円錐状に形成され、ショルダ部４７よりもピン部４８の直径が小さく形成される。
【００３４】
装着部４６は、撹拌ロッド１７の嵌合凹所４３に緩やかに嵌合可能に形成される。装着部４６の形状は、嵌合凹所４３が略直方体状の空間に対応させて略直方体形状に形成され、断面形状が正方形とされる。前記ピン部４８は、ショルダ部４７と同軸にかつ直円柱状に形成される。これらのショルダ部４７およびピン部４８の直径および軸線方向の寸法は、被接合材の材質、接合条件、接合強度および接合跡の形状などによって、予め決定される。たとえばショルダ部４７の直径は１０ｍｍに設定され、ピン部４８の直径は４ｍｍに設定される。
【００３５】
装着部４６が嵌合凹所４３に緩やかに嵌合した状態では、図３（２）に示されるように、ショルダ部４７およびピン部４８は、撹拌ロッド１７の軸線Ｌ１と同軸に配置される。またショルダ部４７は、部分的に撹拌ロッド１７から突出する。またピン部４８は、ショルダ部４７から突出する。
【００３６】
固定具４５は、撹拌ロッド１７の先端部４０に着脱可能に形成される。固定具２３には、貫通孔４９が形成され、この貫通孔３６から接合ツール４のショルダ部４７の一部とピン部４８とが突出し、装着部４６の前記ショルダ部４７の周囲の四隅が固定具２３によって押えられ、接合ツール４が撹拌ロッド１７の下端部３０に装着される。接合ツール４を撹拌ロッド１７に装着した状態では、装着部４６および嵌合凹所４３が直方体形状に形成されるので、接合ツール４が接合時に被接合物２から回転方向とは逆方向に大きな反力を受けても、接合ツール４が撹拌ロッド１７の軸線Ｌ１まわりに角変位することが阻止される。また、接合ツール４は固定具４５によって撹拌ロッド１７の下端部３０に保持されるので、撹拌ロッド１７から固定具４５を螺退させて分離することによって、接合ツール４が損耗した場合に、新しい接合ツール４に交換することができる。
【００３７】
このような接合ツール４は、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）を主成分とする材料からなり、焼結することによって装着部４６、ショルダ部４７およびピン部４８が一体に形成され、これらの表面には後述するように皮膜５０が形成される。前記撹拌ロッド１７および固定具２３は、たとえばＳＫＤ−６１などの工具鋼によって形成される。
【００３８】
図４は接合ツール４の一部の拡大断面図である。前記接合ツール４の少なくとも被接合物２に接触する領域であるショルダ部４７およびピン部４８を含む全表面には、被接合物２に対して耐摩耗性の高い材料である酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）からなる皮膜５０が形成される。このような皮膜５０が形成される基材５１は、窒化珪素を主成分とする超硬合金からなり、その表面に前記皮膜５０が化学的蒸着法（Chemical Vapor
Deposition、略称CVD）、物理的蒸着法（Physical Vapor Deposition、略称PVD）または溶射法によって形成される。前記皮膜５１の厚さΔＴは、たとえば１μｍ〜２０μｍに選ばれる。
【００３９】
前記酸化アルミニウムは、チタン系（たとえば窒化チタンＴｉＮｘ（ｘ＝０．４〜１．２）、炭化チタンＴｉＣｘ（ｘ＝０．６〜２．３）、炭窒化チタンＴｉ（ＣＮ）など）の皮膜に比べて熱的安定性に優れ、かつ２０００〜２４００Ｈｖ（kg/mm2）の高硬度を有する。
【００４０】
図５は皮膜５０が形成された接合ツール４によって２枚の鋼板２ａ，２ｂを摩擦撹拌によってスポット接合したときの被接合部３の接合状態を示す光学顕微鏡写真であり、図６（１）は皮膜５０が形成されていない接合ツール４によって摩擦撹拌したときの基材と摩擦撹拌領域の断面像を示す図であり、図６（２）は窒化珪素が摩擦撹拌領域に拡散している状態を示す元素分析画像を示す図である。なお、図６（１）および図６（２）は図５のセクションＶＩの断面組織を示す。
【００４１】
前記皮膜５０が形成されていない接合ツール４によって２枚の鋼板２ａ，２ｂを摩擦撹拌接合したとき、再結晶領域に接合ツール４の元素を電子線マイクロアナライザ
（Electron Probe Micro Analyzer、略称EPMA）によってマッピングした分析結果は、図６（１）に白点として示されるように、皮膜５０を形成しない接合ツール４を用いると、摩擦熱によって接合ツール４の元素が分散していることが判る。
【００４２】
図７は被接合物２に皮膜５０を形成した接合ツール４を用いて摩擦撹拌接合したときの接合時間と引張せん断強度との関係を示すグラフである。同図から明らかなように、被接合物２に対して、接合ツール４の回転速度を２５００ｒｐｍおよび３５００ｒｐｍのいずれで摩擦撹拌接合を行なった場合であっても、接合時間を１．０秒から２．０秒に変化させると、接合された被接合物２の引張せん断荷重を高くすることができ、したがって引張せん断強度が大きくなることが確認された。また、接合ツール４の回転速度を２５００ｒｐｍから３５００ｒｐｍに変化させると、被接合物２の引張せん断荷重を高くすることができ、したがって接合ツール４の回転速度を高速にすることによって、被接合物２の引張せん断強度も向上されることが確認された。
【００４３】
図８は皮膜５０の有無と不活性ガスの有無による接合ツール４の摩耗量の相違を示す図である。同図の上段は皮膜５０が形成されていない接合ツール４の摩耗状態を示し、下段は皮膜５０を形成した接合ツール４の摩耗状態を示す。前記接合ツール４の皮膜５０を形成することによる摩耗の抑制効果を確認するため、打点数を０回、４０回、１００回と増加させ、大気中で接合ツール４の回転速度を３０００ｒｐｍ、押付け力を５３９０Ｎとし、１．０秒間摩擦撹拌したときのピン部４８の各外観を上段に示す。また、打点数を０回、４０回、１００回、２００回と増加させ、不活性ガスであるＡｒガス中で接合ツール４の回転速度を３０００ｒｐｍ、押付け力を５３９０Ｎとし、１．２秒間摩擦撹拌したときのピン部４８の各外観を下段に示す。この測定実験では、接合ツール４として、皮膜５０が形成されない窒化珪素製基材からなるものと、窒化珪素製基材の表面に硬度３０００Ｈｖを有する厚さ１０μｍの炭窒化チタン（TiCN）との皮膜５０が形成されたものとを用いた。
【００４４】
これらの上段に示されるピン部４８の各外観と下段に示されるピン部４８の各外観との対比から明らかなように、不活性ガス中で皮膜５０が形成された接合ツール４の耐摩耗性が優れていることが確認された。
【００４５】
図９は摩擦撹拌接合の打点数とピン部４８の直径と関係を示すグラフである。同図において、皮膜５０を形成した接合ツール４を用いた摩擦撹拌接合による打点数とピン部４８の直径との関係は、符合◆で示され、皮膜５０が形成されない接合ツール４を用いた摩擦撹拌接合による打点数とピン部４８の直径との関係は、符合△で示され、皮膜５０を形成することによってピン部４８の摩耗は打点数０〜２００まではほとんど生じないことが確認された。
【００４６】
このように皮膜５０を形成した接合ツール４を用いることによって、接合ツール４は、高強度および耐磨耗性を得るとともに耐熱衝撃性を得ることができる。スポット接合を繰返す場合には、接合ツール４は、接合時に高温となり、次の被接合部３へ移動する時に低温となる状態を繰り返し、接合ツール４の温度変化が大きい。上述したように本実施の形態の接合ツール４は、耐熱衝撃性を有するので、急激な温度変化に耐えることができ、複数の被接合部３へのスポット接合を繰返しても、接合ツール４として必要な強度を維持することができる。
【００４７】
また摩擦撹拌接合にあたって、ピン部４８が被接合部３に充分に没入させて高速で回転させることが可能であるので、被接合部３の流動領域を大きくし、さらにショルダ部２７が被接合部３の表面部を摺動することによって、被接合部３のうちで流動化した流動体を軸線Ｌ１まわりに大きく回転させ、接合強度を向上し、接合ツールの摩耗量を格段に少なくして、撹拌効率を向上することができる。
【００４８】
図１０は本発明の実施の他の形態の接合ツール４ａを示す拡大断面図である。なお、前述の実施の形態と対応する部分には、同一の参照符を付す。本実施の形態の接合ツール４ａには、炭化チタン（TiC）からなる基層５３と、基層５３の表面を覆う窒化チタン（TiN）からなる表層５４とを有する皮膜５０ａがたとえばＣＶＤ法によって形成される。前記炭化チタンは、硬さがモース硬度で９以上、融点が３４００〜３５００℃、酸素に対して４００℃まで安定である。
【００４９】
このような皮膜５０ａを形成することによって、より高硬度の接合ツール４ａを実現することができ、接合ツール４ａの皮膜５０ａの摩耗の進展を抑制するとともに、皮膜５０ａの被接合物２中への拡散による固溶を防止し、被接合物２の被接合部３の接合強度を向上することができるとともに、表層５４の基材に対する密着性を向上することができ、たとえば３０００ｒｐｍ〜３５００ｒｐｍの高速回転による皮膜５０ａの損傷および剥離を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の実施の一形態の摩擦撹拌接合装置１を示す正面図である。
【図２】接合ツール４が被接合物２に没入した状態を示す一部の拡大断面図である。
【図３】接合ツール４の撹拌ロッド１７への取り付け構造を示す斜視図であり、図３（１）は接合ツール４を撹拌ロッド１７から分離した状態を示し、図３（２）は接合ツール４が撹拌ロッド１７に取り付けられた状態を示す。
【図４】接合ツール４の一部の拡大断面図である。
【図５】皮膜５０が形成された接合ツール４によって２枚の鋼板２ａ，２ｂを摩擦撹拌によってスポット接合したときの被接合部３の接合状態を示す光学顕微鏡写真である。
【図６】図６（１）は皮膜５０が形成されていない接合ツール４によって摩擦撹拌したときの基材と摩擦撹拌領域の断面像を示す図であり、図６（２）は窒化珪素が摩擦撹拌領域に拡散している状態を示す元素分析画像を示す図である。
【図７】被接合物２に皮膜５０を形成した接合ツール４を用いて摩擦撹拌接合したときの接合時間と引張せん断強度との関係を示すグラフである。
【図８】皮膜５０の有無と不活性ガスの有無による接合ツール４の摩耗量の相違を示す図である。
【図９】摩擦撹拌接合の打点数とピン部４８の直径と関係を示すグラフである。
【図１０】本発明の実施の他の形態の接合ツール４ａを示す拡大断面図である。
【符号の説明】
【００５１】
１  摩擦撹拌接合装置
２  被接合物
２ａ，２ｂ  鋼板
３  被接合部
４  接合ツール
５  装置本体
６  不活性ガス供給手段
７  多関節ロボット
８  ロボットアーム
Ｌ１  軸線
１１  取付体
１２  基体
１３  昇降駆動源
１４  回転駆動源
１５  昇降体
１６  ツール保持体
１７  撹拌ロッド
１９  屈曲アーム
２０  受け台
２１  支持具
２２  ロボットコントローラ
２７  不活性ガス供給源
２８  カバー体
２９  ニップル
３０  ガス誘導管
【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７】
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【図９】
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【図１０】
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【図５】
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【図６】
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【図８】
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