(57)【要約】【課題】摩擦攪拌接合において、ボビン型ツールの冷却効果を向上させ、接合部の品質に優れた接合構造物を作製可能とする。【解決手段】ツール２０は、一対の被接合材の接合部に挿入され得るプローブ２１と、プローブ２１の両端にそれぞれ設けられプローブ２１よりも大きい外径を有するショルダ部２２及びショルダ部２３とを有するボビン型ツールを形成しており、ショルダ部２２は、攪拌軸１０の先端部１１の外側に配置される筒状部２６を有している。また、攪拌軸１０の回転をツール２０に伝達し得ると共にツール２０が攪拌軸１０の軸方向に移動し得るようにツール２０の筒状部２６を攪拌軸１０に対して係合する係合部５０が設けられている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転しながら移動するツールと一対の被接合材との間で発生する摩擦熱により前記一対の被接合材を互いに接合する摩擦攪拌接合装置用の前記ツールの取付構造であって、
回転可能な攪拌軸と、
前記攪拌軸に取り付けられる前記ツールとを備え、
前記ツールは、前記一対の被接合材の接合部に挿入され得る第１の回転体と、当該第１の回転体の両端にそれぞれ設けられ当該第１の回転体よりも大きい外径を有する第２の回転体及び第３の回転体とを有し、
前記第２の回転体は、前記攪拌軸の先端部の外側に配置される筒状部を有し、
前記攪拌軸の回転を前記ツールに伝達し得ると共に前記ツールが前記攪拌軸の軸方向に移動し得るように前記ツールの筒状部を前記攪拌軸に対して係合する係合部が設けられていることを特徴とする摩擦攪拌接合装置用のツールの取付構造。
【請求項２】
前記係合部は、前記攪拌軸に固定される突片と、前記ツールの前記筒状部に形成され前記突片を前記軸方向に移動可能に収納する穴部とを有することを特徴とする請求項１に記載の摩擦攪拌接合装置用のツールの取付構造。
【請求項３】
前記係合部は、前記攪拌軸の外周面側に前記軸方向に沿って形成された攪拌軸側溝部と、前記ツールの前記筒状部の内周面側に前記軸方向に沿って形成されたツール側溝部と、前記攪拌軸側溝部及び前記ツール側溝部の対向する内面に接触可能に配置される複数のボールとを有することを特徴とする請求項１に記載の摩擦攪拌接合装置用のツールの取付構造。
【請求項４】
前記第２の回転体及び前記第３の回転体の少なくとも一方の表面に、放熱部材が外方に突出して形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の摩擦攪拌接合装置用のツールの取付構造。
【請求項５】
前記第２の回転体及び前記第３の回転体の少なくとも一部が、前記ツールの他の部分よりも熱伝導率の高い材料から構成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の摩擦攪拌接合装置用のツールの取付構造。
【請求項６】
前記第２の回転体及び前記第３の回転体の少なくとも一部が、多孔質材料から構成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の摩擦攪拌接合装置用のツールの取付構造。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の摩擦攪拌接合装置用のツールの取付構造を有することを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
【請求項８】
回転しながら移動するツールと一対の被接合材との間で発生する摩擦熱により前記一対の被接合材を互いに接合する摩擦攪拌接合装置用の前記ツールであって、
前記ツールは、前記一対の被接合材の接合部に挿入され得る第１の回転体と、当該第１の回転体の両端にそれぞれ設けられ当該第１の回転体よりも大きい外径を有する第２の回転体及び第３の回転体とを有し、
前記第２の回転体は、回転可能な攪拌軸の先端部の外側に配置され得る筒状部を有し、
前記攪拌軸の回転を前記ツールに伝達し得ると共に前記ツールが前記攪拌軸の軸方向に移動し得るように前記ツールの筒状部を前記攪拌軸に対して係合するためのツール側係合部が設けられていることを特徴とする摩擦攪拌接合装置用のツール。
【請求項９】
回転しながら移動するツールと一対の被接合材との間で発生する摩擦熱により前記一対の被接合材を互いに接合する摩擦攪拌接合方法であって、
前記ツールは、第１の回転体と、当該第１の回転体の両端にそれぞれ設けられ当該第１の回転体よりも大きい外径を有する第２の回転体及び第３の回転体とを有し、前記第２の回転体は、回転可能な攪拌軸の先端部の外側に配置される筒状部を有しており、
前記攪拌軸の回転を、前記ツールの筒状部を前記攪拌軸に対して軸方向に移動可能に係合する係合部を介して、前記攪拌軸から前記筒状部に伝達して前記ツールを回転させ、当該ツールを回転させながら移動させて前記第１の回転体を前記一対の被接合材の接合部に挿入することを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の摩擦攪拌接合方法により作製されることを特徴とする接合構造物。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、摩擦攪拌接合装置用のツールの取付構造、摩擦攪拌接合装置、ツール、摩擦攪拌接合方法、及び接合構造物に関する。
【背景技術】
【０００２】
被接合材よりも実質的に硬い材質のツールを回転させながら一対の被接合材の接合部に挿入して移動させることによって、ツールと被接合材との間で発生する摩擦熱により接合する摩擦攪拌接合方法が知られている。この接合方法は、ツールと被接合材との摩擦熱により被接合材を軟化させ、ツールの回転に伴う塑性流動現象を利用したものであり、被接合材を溶かして溶接する方法、例えばアーク溶接等とは異なる接合原理に基づいている。
【０００３】
摩擦攪拌接合方法では、一般に、治具の上に一対の被接合材が突き合わされて配置され、この突合わせ面に沿って、先端側のピン形状のプローブと当該プローブに連設された大径のショルダ部とを備えたツールが回転しながら移動する。この場合、プローブを一対の被接合材の接合部に挿入すると共にショルダ部を接合部の表面に押圧して、接合部を塑性流動させることにより接合が行われる。しかし、この方法では、プローブの先端と治具との間の部材が十分に塑性流動されず、その結果、ビード裏面近傍に未接合部（Kissing bondと呼ばれる）が形成され易いことが非特許文献１に示されている。この種の未接合部は応力負荷時に接合部破断の起点となる虞がある。
【０００４】
このような未接合部の発生を防止する方法として、ボビン型ツールによる摩擦攪拌接合方法が提案されている（特許文献１参照）。この方法は、プローブとこれよりも大径の二つのショルダ部が前記プローブの両端にそれぞれ設けられて一体化されたボビン型ツールを用いて、接合部の表面及び裏面を同時に攪拌する接合方法である。この方法によれば、表裏両面を同時に攪拌することから、裏面に形成され易い未接合部の発生を防止することが可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第２７１２８３８号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Y.S.Sato et al.: Materials Science and Engineering A, 405(1-2) (2005), 333.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１に記載の技術においては、接合部の表面及び裏面を同時に攪拌するため、摩擦熱の発生量が多く、接合作業中にツールの温度が高くなる。また、ツールにおける外部に露呈した冷却可能な表面積が小さいため、空冷等による冷却効果が小さい。このため、上昇したツールの温度が低下しにくくなって高い水準で維持されることになる。
【０００８】
ツールの温度が高くなると、ツールの強度が低下して接合作業中にツールが折損する虞が生じる。一方、被接合材の表面の高さがうねりやたわみ等により変化した場合にツールに軸方向の偏った負荷がかかることを抑制するために、攪拌軸にツールを取り付ける構造として、攪拌軸の先端に軸方向に沿う穴を形成して当該穴にツールの先端側を嵌挿し、攪拌軸の回転をツールに伝達し得ると共にツールが攪拌軸の軸方向に移動し得るようにツールを攪拌軸に対して係合する係合部を設けることが考えられる。しかし、このようなツールの取付構造ではツールは外気との接触面積が小さいために冷却されにくく、ツールの温度が高くなると、ツールが膨張する結果、ツールの軸方向の移動に負荷が加わったりツールと攪拌軸との摺動部分が焼き付いたりする虞が高くなる。
【０００９】
さらに、高温となったツールを使用して作製された接合構造物の接合部は、熱影響を大きく受ける結果、熱により硬度が低下する熱影響部の範囲が広くなって、接合構造物の強度が低下する虞がある。
【００１０】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、摩擦攪拌接合において、ボビン型ツールの冷却効果を向上させ、接合部の品質に優れた接合構造物を作製可能とすることである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記目的を達成すべく、本発明に係る摩擦攪拌接合装置用のツールの取付構造は、回転しながら移動するツールと一対の被接合材との間で発生する摩擦熱により前記一対の被接合材を互いに接合する摩擦攪拌接合装置用の前記ツールの取付構造であって、回転可能な攪拌軸と、前記攪拌軸に取り付けられる前記ツールとを備え、前記ツールは、前記一対の被接合材の接合部に挿入され得る第１の回転体と、当該第１の回転体の両端にそれぞれ設けられ当該第１の回転体よりも大きい外径を有する第２の回転体及び第３の回転体とを有し、前記第２の回転体は、前記攪拌軸の先端部の外側に配置される筒状部を有し、前記攪拌軸の回転を前記ツールに伝達し得ると共に前記ツールが前記攪拌軸の軸方向に移動し得るように前記ツールの筒状部を前記攪拌軸に対して係合する係合部が設けられていることを特徴とする。
【００１２】
また、前記目的を達成すべく、本発明に係る摩擦攪拌接合装置は、前記摩擦攪拌接合装置用のツールの取付構造を有することを特徴とする。
【００１３】
また、前記目的を達成すべく、本発明に係る摩擦攪拌接合装置用のツールは、回転しながら移動するツールと一対の被接合材との間で発生する摩擦熱により前記一対の被接合材を互いに接合する摩擦攪拌接合装置用の前記ツールであって、前記ツールは、前記一対の被接合材の接合部に挿入され得る第１の回転体と、当該第１の回転体の両端にそれぞれ設けられ当該第１の回転体よりも大きい外径を有する第２の回転体及び第３の回転体とを有し、前記第２の回転体は、回転可能な攪拌軸の先端部の外側に配置され得る筒状部を有し、前記攪拌軸の回転を前記ツールに伝達し得ると共に前記ツールが前記攪拌軸の軸方向に移動し得るように前記ツールの筒状部を前記攪拌軸に対して係合するためのツール側係合部が設けられていることを特徴とする。
【００１４】
また、前記目的を達成すべく、本発明に係る摩擦攪拌接合方法は、回転しながら移動するツールと一対の被接合材との間で発生する摩擦熱により前記一対の被接合材を互いに接合する摩擦攪拌接合方法であって、前記ツールは、第１の回転体と、当該第１の回転体の両端にそれぞれ設けられ当該第１の回転体よりも大きい外径を有する第２の回転体及び第３の回転体とを有し、前記第２の回転体は、回転可能な攪拌軸の先端部の外側に配置される筒状部を有しており、前記攪拌軸の回転を、前記ツールの筒状部を前記攪拌軸に対して軸方向に移動可能に係合する係合部を介して、前記攪拌軸から前記筒状部に伝達して前記ツールを回転させ、当該ツールを回転させながら移動させて前記第１の回転体を前記一対の被接合材の接合部に挿入することを特徴とする。
【００１５】
また、前記目的を達成すべく、本発明に係る接合構造物は、前記摩擦攪拌接合方法により作製されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、摩擦攪拌接合において、ボビン型ツールの冷却効果を向上させ、接合部の品質に優れた接合構造物を作製することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の第１実施形態に係る摩擦攪拌接合装置の概略正面図である。
【図２】摩擦攪拌接合装置用のツールの取付構造を示す図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線に沿う断面図である。
【図３】摩擦攪拌接合装置用のツールの取付構造を示す分解斜視図である。
【図４】接合作業中にツールが接合方向に移動する間、攪拌軸の軸方向に上下移動調整できるか否かの評価実験を説明するための模式図である。
【図５】比較例に係る摩擦攪拌接合装置用のツールの取付構造を示す縦断面図である。
【図６】第２実施形態に係る摩擦攪拌接合装置用のツールの取付構造を示す図であり、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。
【図７】図６に示される攪拌軸を示す図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は正面図である。
【図８】変形例に係るツールの取付構造を示す縦断面図であり、（ａ）は第１実施形態の変形例を示し、（ｂ）は第２実施形態の変形例を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施形態について適宜図面を参照しながら詳細に説明する。
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る摩擦攪拌接合装置の概略正面図である。なお、説明を明確にするため、図１に示すように左右上下の方向を設定し、図１の紙面に垂直な方向における手前側を前、奥側を後と設定する。
【００１９】
図１に示すように、摩擦攪拌接合装置１は、回転可能な略円柱形状を呈する攪拌軸１０と、攪拌軸１０に取り付けられるツール２０と、攪拌軸１０を把持するクランプ機構３と、クランプ機構３を介して攪拌軸１０を回転駆動するモータ４とを備えた摩擦攪拌接合具９を有している。摩擦攪拌接合装置１は、回転しながら移動するツール２０と一対の被接合材２，２との間で発生する摩擦熱により一対の被接合材２，２を互いに接合するものである。
【００２０】
摩擦攪拌接合具９は、取付部材５に取り付けられており、取付部材５は、支持部材６に上下方向に移動可能に支持されている。支持部材６は、門型の走行体７の上部に位置する水平フレーム７ａに沿って水平方向（左右方向）に移動可能となっている。また、走行体７は、一対の被接合材２，２の左右両側において前後方向に沿って延在する一対のレール７ｂ，７ｂ上を走行可能である。
【００２１】
一対の被接合材２，２は、その長手方向を前後方向に沿わせてベース８上に載置され、複数のクランプ部材８ａにより固定される。一対の被接合材２，２の互いの突合せ面は所定の隙間に設定される。被接合材２は、例えばアルミニウム合金の押出し型材である。なお、図１では、被接合材２は、平板形状の型材であるが、これに限定されるものではなく、例えば中空の型材であってもよい。
【００２２】
図２は、摩擦攪拌接合装置用のツールの取付構造を示す図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線に沿う断面図である。図３は、摩擦攪拌接合装置用のツールの取付構造を示す分解斜視図である。
【００２３】
図２及び図３に示すように、ツール２０は、一対の被接合材２，２の接合部２ａ（図１参照）に挿入され得るプローブ（第１の回転体）２１と、プローブ２１の両端にそれぞれ設けられプローブ２１よりも大きい外径を有するショルダ部（第２の回転体）２２及びショルダ部（第３の回転体）２３とを有しており、ボビン型ツールを形成している。
【００２４】
ショルダ部２２及びショルダ部２３間の間隔は、被接合材２の板厚よりも若干小さく設定されており、接合作業中に一対の被接合材２，２の接合部２ａを表面側及び裏面側から同時に押圧できるようになっている。ショルダ部２２，２３の対向する端面２４，２５は、攪拌軸１０及びツール２０の共通の中心軸ＣＬに対して垂直に形成されている。但し、端面２４，２５は、中心軸ＣＬに垂直な面に対して僅かに傾斜した凸又は凹形状のテーパ面であってもよい。
【００２５】
ショルダ部２２の攪拌軸１０側には、攪拌軸１０の先端部１１の外側に配置される筒状部２６が形成されている。筒状部２６は有底円筒形状を呈しており、筒状部２６の内周面２７の直径（内径）は、攪拌軸１０の先端部１１の外周面１３の直径（外径）よりも僅かに大きく設定される。筒状部２６の内側に攪拌軸１０の先端部１１が嵌挿されて、両者が相対的に摺動可能となっている。
【００２６】
また、摩擦攪拌接合具９には、攪拌軸１０の回転をツール２０に伝達し得ると共にツール２０が中心軸ＣＬ方向（軸方向）に移動し得るようにツール２０の筒状部２６を攪拌軸１０に対して係合する係合部５０が設けられている。
【００２７】
第１実施形態では、係合部５０は、攪拌軸１０に固定される直方体形状を呈する一対の突片５１，５１と、ツール２０の筒状部２６に形成され突片５１，５１をそれぞれ軸方向に移動可能に収納する一対の穴部（ツール側係合部）５２，５２とを有する。穴部５２は、正面視して矩形形状を呈しており、筒状部２６の外周面２９から内周面２７まで貫くように形成された貫通孔である。攪拌軸１０の先端部１１の側面には、一対の穴部５２，５２と正面視して概ね同じ外形の一対の凹溝１２，１２が形成されている。
【００２８】
なお、凹溝１２は、その全周において先端部１１の外周面１３よりも凹んでいる必要は必ずしも無く、突片５１を固定するための平坦面が形成されていればよい。また、突片５１、穴部５２、及び凹溝１２は、必ずしも一対でなくてもよく、１個又は３個以上形成されていてもよい。
【００２９】
突片５１を穴部５２に挿通させ、凹溝１２の底面にねじ部材５３により固定することにより、ツール２０が攪拌軸１０に取り付けられる。ここで、軸方向に直交する方向（図２の左右方向）において、穴部５２の幅は、突片５１の幅よりも僅かに大きく形成されており、一方、軸方向（図２の上下方向）において、穴部５２の長さは、突片５１の長さよりも所定の差分を持つように大きく形成されている。これにより、ツール２０は、攪拌軸１０に対して、軸方向の所定距離の移動が許容されると共に回転が規制されることになる。
【００３０】
ショルダ部２２の筒状部２６の外周面２９には、放熱部材としてのフィン３０が外方に突出して複数形成されている。また、ショルダ部２３の外周面３１にも、フィン３２が外方に突出して複数形成されている。このように構成すれば、ツール２０の空冷による冷却効果を増大できる。なお、フィン３０，３２は、ここでは環状板となっているが、軸方向に沿った帯状板が外周面２９，３１に放射状に設けられたものであってもよい。また、フィンは、ショルダ部２２及びショルダ部２３の少なくとも一方の表面に形成されていればよく、あるいは省略されることも可能である。
【００３１】
攪拌軸１０及びツール２０は、被接合材２よりも実質的に硬い材質である例えば熱処理された工具鋼から形成されている。なお、高耐熱性、高強度のコバルト基合金が使用されてもよい。
【００３２】
次に、このように構成された第１実施形態の作用について説明する。
まず、門型の走行体７、支持部材６、及び取付部材５を移動調整して、ツール２０のプローブ２１を、ベース８上に側端面が突き合わされて載置された一対の被接合材２，２の突合わせ部分に相当する接合部２ａの前方端側に位置させる。
【００３３】
モータ４が回転駆動されて攪拌軸１０が回転すると、攪拌軸１０の回転が係合部５０を介してツール２０に伝達されて、ツール２０が中心軸ＣＬのまわりで回転する。続いて、門型の走行体７がレール７ｂ，７ｂ上を走行することにより、ツール２０が回転しながら後方に移動し、ツール２０のプローブ２１が一対の被接合材２，２の接合部２ａに挿入されると共に、ショルダ部２２，２３の端面２４，２５が接合部２ａの表面及び裏面にそれぞれ押圧される。
【００３４】
回転するツール２０は、プローブ２１のまわりに高い塑性流動領域を形成すると共に、ショルダ部２２，２３により接合部２ａの表面及び裏面を同時に攪拌する。これにより、一対の被接合材２，２は、回転しながら移動するツール２０と一対の被接合材２，２との間で発生する摩擦熱により接合される。
【００３５】
ここで、ツール２０は、攪拌軸１０の軸方向に移動し得るように係合部５０によって、攪拌軸１０に対して係合されている。したがって、ツール２０が接合方向に沿って後方に移動する間、被接合材２の表面の高さがうねりやたわみ等により変化した場合でも、ツール２０は被接合材２の表面に沿って上下に移動して自己調整するため、ツール２０に軸方向の偏った負荷がかかることが抑制される。
【００３６】
前記したように第１実施形態では、ツール２０は、一対の被接合材２，２の接合部２ａに挿入され得るプローブ２１と、プローブ２１の両端にそれぞれ設けられプローブ２１よりも大きい外径を有するショルダ部２２及びショルダ部２３とを有するボビン型ツールを形成しており、ショルダ部２２は、攪拌軸１０の先端部１１の外側に配置される筒状部２６を有している。また、攪拌軸１０の回転をツール２０に伝達し得ると共にツール２０が攪拌軸１０の軸方向に移動し得るようにツール２０の筒状部２６を攪拌軸１０に対して係合する係合部５０が設けられている。
【００３７】
したがって第１実施形態によれば、ツール２０の筒状部２６を攪拌軸１０の外側に配置することにより、ツール２０の冷却に効果のある表面積を広く確保することが可能となる。すなわち、攪拌軸１０の外周面１３とツール２０の内周面２７とが摺動するように構成されているため、ツール２０の外周側の全ての領域が外気と接するようになり、空冷による冷却効果が増加する。
【００３８】
これにより、ツール２０の温度が上昇することを抑制でき、ツール２０の強度が低下することが防止できる。そのため、接合作業中にツール２０が折損する虞も回避できる。
また、ツール２０が膨張してツール２０の軸方向の移動に余計な負荷が加わったりツール２０と攪拌軸１０との摺動部分が焼き付いたりすることを防止できる。これにより、信頼性の高い安定した接合部を得ることができる。
さらに、ツール２０から接合部２ａへの入熱を低減することができる。これにより、接合部２ａにおいて熱により硬度が低下する熱影響部の範囲を減少させることが可能となり、接合部２ａの強度、ひいては第１実施形態に係るツールを使用して作製された接合構造物の強度を向上させることができる。
このように、摩擦攪拌接合において、ボビン型ツールの冷却効果を向上させ、接合部の品質に優れた接合構造物を作製することが可能となる。
【００３９】
（ツールの軸方向移動調整の評価実験）
図４は、接合作業中にツールが接合方向に移動する間、攪拌軸の軸方向に上下移動調整できるか否かの評価実験を説明するための模式図である。
【００４０】
図４に示すように、評価実験においては、ツール２０をＲ方向に回転させ、接合方向Ｑに移動させて一対の被接合材２，２を接合する。その際に、位置Ｐ０から位置Ｐ１までの距離Ｌ１（例えば２００ｍｍ）の区間では、ツール２０が取り付けられる攪拌軸１０（図２等参照）をＬ方向（下方）に（例えば２ｍｍ）移動させ、その後、位置Ｐ１から位置Ｐ２までの距離Ｌ２（例えば２００ｍｍ）の区間では、Ｕ方向（上方）に（例えば２ｍｍ）移動させることにより、接合位置における下向き荷重を測定した。なお、下向き荷重は、ベース８（図１参照）に設けたロードセル（図示せず）により計測した。ツール２０の上下方向位置が自動的に調整されて、良好な接合部を得ることができる場合には、下向き荷重がほぼゼロになる。一方、下向き荷重がゼロにならず、大きく変動する場合には、ツール２０の上下方向位置が自動的に調整できていないことを意味する。
【００４１】
図４に示す評価実験において、下向き荷重は、距離Ｌ１の区間及び距離Ｌ２の区間において殆ど変化せず、ゼロに近い値を示した。この結果により、ツール２０は、接合作業中に被接合材２のうねりやたわみに追従でき、信頼性の高い安定した接合部を得ることができることが判った。
【００４２】
一方、図５に示すような比較例に係る摩擦攪拌接合装置用のツールの取付構造を用いて、図４に示すものと同様の評価実験を行った。図５に示す比較例では、攪拌軸１１０の先端に軸方向に沿う穴１１１が形成されて当該穴１１１にツール１２０の先端側が嵌挿されており、攪拌軸１１０の回転をツール１２０に伝達し得ると共にツール１２０が攪拌軸１１０の軸方向に移動し得るようにツール１２０を攪拌軸１１０に対して係合する係合部１５０が設けられている。この場合、下向き荷重は、距離Ｌ１の区間及び距離Ｌ２の区間において、大きく変動し、初期値を基準にして約±１００ｋｇｆの荷重が発生した。この結果より、比較例のツール１２０は、接合作業中に上下方向に移動しにくいことが判った。
【００４３】
攪拌軸１１０の穴１１１の内側にツール１２０を配置する前記比較例の場合は、外気と接触するツール１２０の表面関が小さくなるため、冷却効果に劣る。このため、ツール１２０の温度が上昇して、ツール２０が膨張する結果、ツール２０の軸方向の移動に余計な負荷が加わってしまうことが考えられる。また、長時間接合作業を続けると、ツール２０と攪拌軸１０との摺動部分が焼き付く虞も生じる。さらに、前記比較例の場合、放熱部材としてのフィンを設けようとしても、ショルダ部におけるフィンを配置可能な領域が小さいため、フィンによる空冷効果が小さいという難点もある。
【００４４】
（第２実施形態）
図６は、第２実施形態に係る摩擦攪拌接合装置用のツールの取付構造を示す図であり、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。図７は、図６に示される攪拌軸を示す図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は正面図である。
図１〜図５に示した第１実施形態と同様の構成及び作用は、第２実施形態に取り込まれるものとして詳細な説明を適宜省略し、相違する点について主に説明する。
【００４５】
第２実施形態では、攪拌軸１０ａの回転をツール２０ａに伝達し得ると共にツール２０ａが中心軸ＣＬ方向（軸方向）に移動し得るようにツール２０ａの筒状部２６ａを攪拌軸１０ａに対して係合する係合部５０ａの構成が、前記した第１実施形態と相違しており、他の構成は第１実施形態と同様である。
【００４６】
第２実施形態では、係合部５０ａは、攪拌軸１０ａの外周面１３ａに軸方向に沿って形成された攪拌軸側溝部１４と、ツール２０ａの筒状部２６ａの内周面２７ａに軸方向に沿って形成されたツール側溝部３３（ツール側係合部）と、攪拌軸側溝部１４及びツール側溝部３３の対向する内面に接触可能に配置される複数のボール３４とを有している。すなわち、係合部５０ａとして、ボールスプライン構造が採用されている。なお、図６では、攪拌軸１０ａ及びツール２０ａの円周方向に等角度間隔に４つの溝が形成されているが、本発明はこれに限定されるものではなく、円周方向に等角度間隔に形成される溝の数は３つ以上で成立する。
【００４７】
このように構成することで、攪拌軸１０ａからの回転駆動力をツール２０ａに伝達すると同時に、ツール２０ａが軸方向に移動することが可能である。ここで、ツール２０ａと攪拌軸１０ａとは、ボール３４による点接触によって相対的に摺動するため、ツール２０ａの軸方向への動きがよりスムーズとなる。
【００４８】
したがって、第２実施形態によっても、前記した第１実施形態と同様の作用効果を奏することに加えて、ツール２０ａは被接合材２の表面の高さに追従して、よりスムーズに上下移動して自己調整するため、より信頼性の高い安定した接合部を得ることができる。
【００４９】
なお、攪拌軸の回転駆動力をツールに伝達する媒介手段であるスリーブが、ツールと攪拌軸との間に介装される構成が採用されてもよい。前記スリーブの一種として、市販のボールスプラインを用いることが可能である。ボールスプラインは、外周面に軸方向に沿って複数の溝が形成されたスプライン軸上をボールを介して外筒（スリーブ）が直線運動する直動案内機器である。この場合、例えば、ボールスプラインの外筒であるスリーブにツールが固定される。スプライン軸である攪拌軸の回転駆動力は、ボール及びスリーブを介してツールに伝達されると共に、ツールは軸方向にスムーズに移動可能となる。
【００５０】
（接合構造物）
第１実施形態及び第２実施形態に係るツール２０，２０ａの取付構造を用いた摩擦攪拌接合方法により、一対の被接合材２，２を互いに接合して、接合構造物を作製した。
【００５１】
ツール２０，２０ａの冷却効果が増加しているため、接合部２ａへの熱影響が少なくなり、接合部２ａの強度低下が抑えられた接合構造物を得ることができた。例えば、６０００系アルミニウム合金の場合、硬さが低下する熱影響部の幅は、図５に示した比較例に係るツールの取付構造を用いて作製されたものよりも、約２０％低減できることが判った。また、加工硬化した５０００系アルミニウム合金の場合においても、熱影響部の幅は、前記比較例のものよりも約１５％低減でき、空冷による冷却効果が有効に働いたものと考えられる。ここで、熱影響部の幅は、硬度の低下方向変化が見られる領域についての接合方向に直交する方向の距離である。
（変形例）
【００５２】
図８は、変形例に係るツールの取付構造を示す縦断面図であり、（ａ）は第１実施形態の変形例を示し、（ｂ）は第２実施形態の変形例を示す。前記実施形態と同様の構成及び作用は、その説明を省略し、変更点について説明する。
【００５３】
図８（ａ）（ｂ）に示すように、ショルダ部２２ｂ，２２ｃの筒状部２６ｂ，２６ｃは、内側の内筒部３５，３７と外筒部３６，３８とからそれぞれ構成されている。外筒部３６，３８の内周面に内筒部３５，３７の外周面がそれぞれ嵌合されており、内筒部３５，３７と外筒部３６，３８とは、伝熱性を良好に確保する観点から、例えばロー付けにより接合されることが好ましい。但し、内筒部３５，３７の外側に外筒部３６，３８を焼きばめしてねじ部材により締結してもよい。
【００５４】
そして、外筒部３６，３８は、内筒部３５，３７よりも熱伝導率の高い材料からそれぞれ構成されることが好ましい。フィン３０がそれぞれ設けられる外筒部３６，３８は、摩擦攪拌接合作業による応力の影響を殆ど受けないため、銅又はアルミニウム（合金を含む）のような伝熱性の良い材料に置き換えることが可能である。また、外筒部３６，３８は、内筒部３５，３７よりも熱伝導率の高い材料であるか否かに関わらず、多孔質材料から構成されてもよい。
【００５５】
このように構成すれば、ツール２０ｂ，２０ｃの空冷による冷却効果をより増大でき、ツール２０ｂ，２０ｃの温度が上昇することをより抑制することができる。なお、伝熱性の良い材料や多孔質材料に置き換える部分は任意であり、ショルダ部２２及びショルダ部２３（図２参照）の少なくとも一部が、ツールの他の部分よりも熱伝導率の高い材料や多孔質材料から構成されていれば、冷却効果の増大が期待できる。
【００５６】
以上、本発明について、実施形態に基づいて説明したが、本発明は、前記実施形態に記載した構成に限定されるものではなく、前記実施形態に記載した構成を適宜組み合わせ乃至選択することを含め、その趣旨を逸脱しない範囲において適宜その構成を変更することができるものである。
【００５７】
例えば、攪拌軸の回転をツールに伝達し得ると共にツールが軸方向に移動し得るようにツールの筒状部を攪拌軸に対して係合する係合部は、前記した係合部５０，５０ａの構造に限定されるものではない。前記係合部は、例えば、攪拌軸の先端中央に立設された正多角柱（例えば正四角柱）と、筒状部のプローブ側の底面に形成された断面正多角形の正多角形穴部（正四角形穴）とを有し、筒状部の底面の正多角穴部に攪拌軸の先端の正多角柱を嵌挿させることにより、ツールの筒状部を攪拌軸に対して係合するようにしてもよい。
【００５８】
また、一対の被接合材２，２の突合わせ面は、必ずしも平坦な面同士でなくてもよく、例えば凹部及び凸部の一方がそれぞれ設けられた嵌合面同士であってもよい。
また、一対の被接合材２，２の接合部２ａは、接合作業前の厚さが接合部２ａ以外の他の部分よりも厚く設定されていてもよい。
【符号の説明】
【００５９】
１    摩擦攪拌接合装置
２ａ    接合部
２，２    被接合材
１０，１０ａ    攪拌軸
１１    先端部
１３，１３ａ    外周面
１４    攪拌軸側溝部
２０，２０ａ，２０ｂ，２０ｃ    ツール
２１    プローブ（第１の回転体）
２２，２２ｂ，２２ｃ    ショルダ部（第２の回転体）
２３    ショルダ部（第３の回転体）
２６，２６ａ，２６ｂ，２６ｃ    筒状部
２７，２７ａ    内周面
２９，３１    外周面
３０，３２    フィン（放熱部材）
３３    ツール側溝部（ツール側係合部）
３４    ボール
５０，５０ａ    係合部
５１    突片
５２    穴部（ツール側係合部）
ＣＬ    中心軸
【図１】
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【図２】
2013103251.tif 000004
【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】
2013103251.tif 000009
【図８】
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