(57)【要約】【課題】継手の疲労強度を向上させることができるとともに、継手におけるバリの発生を抑制することが可能な摩擦攪拌接合用工具、及び、該摩擦攪拌接合用工具を用いた摩擦攪拌接合方法を提供する。【解決手段】工具１は、略円柱状を呈する基部２と、基部２の端面からなるショルダー面３と、ショルダー面３に立設されたプローブ４とを有している。ショルダー面３は、プローブ４側の端縁が頂部３１となる凸曲面状を呈している。ショルダー面３には、工具１の回転軸２１へ近づくほど断面積が大きくなる溝部３２が形成されている。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
略円柱状を呈する基部と、該基部の端面からなるショルダー面と、該ショルダー面の中央に立設されたプローブとを有する摩擦攪拌接合用工具であって、
上記ショルダー面は、上記中央側の端縁が頂部となる凸曲面状を呈しており、
上記ショルダー面には、上記摩擦攪拌接合用工具の回転軸へ近づくほど断面積が大きくなる溝部が形成されている、摩擦攪拌接合用工具。
【請求項２】
上記溝部の底から上記プローブの先端までの上記回転軸方向における距離が一定である、請求項１に記載の摩擦攪拌接合用工具。
【請求項３】
２枚の板材から構成された段差部を接合するための摩擦攪拌接合用工具であって、上記溝部の底から上記プローブの先端までの上記回転軸方向における距離が上記段差部の最大厚さよりも大きく、かつ、上記ショルダー面の外周端縁から上記頂部までの高さが上記段差部の高さよりも高い、請求項１または２に記載の摩擦攪拌接合用工具。
【請求項４】
請求項３に記載の摩擦攪拌接合用工具を用いて２枚の板材から構成された段差部を接合する摩擦攪拌接合方法であって、
上記摩擦攪拌接合用工具の進行方向から見たときに上記回転軸が上記板材の表面に対して直角になるようにして上記プローブを上記段差部に挿入し、
引き続き上記摩擦攪拌接合用工具を押し込んで上記ショルダー面を上記２枚の板材の両方に接触または没入させ、
その後、上記摩擦攪拌接合用工具を上記段差部に沿って移動させることにより上記２枚の板材を接合する、摩擦攪拌接合方法。
【請求項５】
上記回転軸が上記板材の表面に対して垂直になるようにして上記プローブを上記段差部に挿入する、請求項４に記載の摩擦攪拌接合方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、摩擦攪拌接合用工具及びこれを用いた摩擦攪拌接合方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
摩擦攪拌接合は、２つの金属部材を接合するための技術であり、自動車などの輸送機、産業機器、建材などの種々の分野において用いられている。摩擦攪拌接合による継手の形成は、高速で回転する略円柱形状の工具を被接合部に挿入または接触させることにより行われる。被接合部及びその近傍に存在する材料は、工具との摩擦熱により加熱され、軟化する。これにより、当該部分の材料が固相状態を保ったまま攪拌されるため、金属部材を溶融させることなく接合することができる。
【０００３】
摩擦攪拌接合に用いられる工具は、略円柱状の基部と、基部の先端に立設されたプローブとを有している。基部の先端面はショルダー面と呼ばれており、通常、略平面状を呈している。ショルダー面は、接合時に被接合部内に没入もしくは接触し、被接合部を摩擦熱によって加熱しつつ攪拌する機能を有している。また、ショルダー面は、プローブによって攪拌された材料が継手の外部へ流出することを抑制する機能も有している。プローブは、基部と同軸になるように配置された略円柱状を呈している。プローブは、接合時に被接合部内に没入し、摩擦熱によって被接合部を加熱しつつ攪拌する機能を有している。
【０００４】
プローブの形状は攪拌作用を大きく左右するため、接合の可否を決定づける支配的な因子である。これに対し、ショルダー面の形状は、被接合部への入熱量を支配する因子である。また、ショルダー面がプローブによって攪拌された材料の流出を抑制する機能を有していることから、ショルダー面の形状は、バリの発生頻度を決定する因子でもある。そのため、ショルダー形状は接合部の外観を決定する支配的な因子である。
【０００５】
以上のように、摩擦攪拌接合に用いる工具の形状は、バリ、塑性流動域、熱影響域等の大きさ、プロセスウィンドウの広さ、接合時の装置への負荷等に大きく影響する、非常に重要な因子である。そのため、これまでに種々の形状を有する工具が提案されている。
【０００６】
例えば、特許文献１及び２には、回転軸側（プローブ側）に向って窪んだ凹面状のショルダー面を有する工具が提案されている。また、これらの工具のショルダー面には渦巻状の溝が設けられている。さらに、特許文献２の工具は、プローブ軸線方向に延びた縦溝がプローブの外周面に設けられている。特許文献１及び２の工具は、ショルダー面を凹状にすることにより、前進角（工具の進行方向後方に回転接合工具を傾斜させる角度）を設けずに接合を行うことを目的としている。
【０００７】
特許文献３及び４には、平面状のショルダー面を有し、その表面に渦状の凸条または溝を設けた工具が提案されている。さらに、特許文献４の工具におけるらせん状溝は、プローブに向うほど浅くなるように形成されている。特許文献３及び４の工具は鋳物の表面改質に用いられる工具である。これらの工具は、鋳物の表面に摩擦攪拌加工を行うことにより、加工部の減肉を抑えつつ鋳物内部の空孔等の不健全部を除去すると共に、加工部を緻密な組織に改質することを目的としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００２−９６１８３号公報
【特許文献２】特開２００４−１４１８９７号公報
【特許文献３】特許第３３４６３８０号
【特許文献４】特許第４６７２２０２号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、被接合部への工具の押込み量は、ショルダー面の形状と同様に、バリの発生頻度に影響を及ぼす非常に重要な因子である。金属部材の板厚変動や反り、曲がり、あるいは治具の拘束力不足による金属部材の浮上りなどの種々の原因により、被接合部の表面に対するショルダー面の相対的な位置が接合中に変化した場合、工具の押込み量が変化する。そして、工具の押込み量の変化が許容範囲を超えた場合、継手の表面にバリが発生することが知られている。そのため、押込み量が変化した際にバリを発生させにくい工具が望まれている。
【００１０】
また、摩擦攪拌接合は、被接合部に比較的高い段差が存在する金属部材の接合を行うことも可能である。例えば自動車のボディーシート等の分野においては、薄板と厚板との突合せ接合や、２枚の板材の重ね隅肉接合等を摩擦攪拌接合により行う場合がある。この場合、例えば、板厚１ｍｍの板材と板厚２ｍｍの板材との突合せ部を接合する等、一方の板材の板厚に近い高さの段差が被接合部に形成されることも想定される。
【００１１】
ところが、被接合部に段差が形成されている場合、特許文献１〜４の工具は、被接合部の段差面に対して斜め方向から工具を挿入しなくては、溝状の欠陥や、多量のバリが継手に発生するという問題がある。接合装置に工具を傾斜させるための軸を設ける場合、装置の価格が高価になる上、通常の摩擦攪拌接合のパラメーターに加えて、これら傾斜角のパラメーターが加わるため、管理が煩雑になってしまう。
【００１２】
また、従来の工具は、接合条件によっては摩擦攪拌接合により形成された継手に材料の偏りが生じ、接合強度が低下するという問題がある。例えば、工具を被接合部に沿って移動させて線状の継手を形成しようとする場合、工具の回転速度に対する接合速度の比が適正な範囲内にあれば、厚板側から薄板側へ向けて滑らかに傾斜した継手を得ることができる。しかし、回転速度に対する接合速度の比が適正な範囲よりも大きい場合は、継手における幅方向の両端部に材料が偏り、継手の中央部が両端部よりも窪んだ形状となる。一方、回転速度に対する接合速度の比が適正な範囲よりも小さい場合には、継手における幅方向の薄板側に材料が偏る。
【００１３】
このように、回転速度に対する接合速度の比が適正な範囲から外れる場合には、材料の偏りが生じるため、継手の端部が厚板や薄板の表面から過度に突出するおそれがある。その結果、継手の疲労強度が低下するおそれがある。
【００１４】
本発明は、かかる背景に鑑みてなされたものであり、継手の疲労強度を向上させることができるとともに、継手におけるバリの発生を抑制することが可能な摩擦攪拌接合用工具、及び、該摩擦攪拌接合用工具を用いた摩擦攪拌接合方法を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の一態様は、略円柱状を呈する基部と、該基部の端面からなるショルダー面と、該ショルダー面の中央に立設されたプローブとを有する摩擦攪拌接合用工具であって、
上記ショルダー面は、上記中央側の端縁が頂部となる凸曲面状を呈しており、
上記ショルダー面には、上記摩擦攪拌接合用工具の回転軸へ近づくほど断面積が大きくなる溝部が形成されている、摩擦攪拌接合用工具にある。
【００１６】
本発明の他の態様は、上記の態様の摩擦攪拌接合用工具を用いて２枚の板材から構成された段差部を接合する摩擦攪拌接合方法であって、
上記摩擦攪拌接合用工具の進行方向から見たときに上記回転軸が上記板材の表面に対して直角になるようにして上記プローブを上記段差部に挿入し、
引き続き上記摩擦攪拌接合用工具を押し込んで上記ショルダー面を上記２枚の板材の両方に接触または没入させ、
その後、上記摩擦攪拌接合用工具を上記段差部に沿って移動させることにより上記２枚の板材を接合する、摩擦攪拌接合方法にある。
【発明の効果】
【００１７】
上記摩擦攪拌接合用工具（以下、「工具」という。）は、上記プローブ側の端縁が頂部となる凸曲面状を呈する上記ショルダー面を有している。また、該ショルダー面には、摩擦攪拌接合用工具の回転軸へ近づくほど断面積が大きくなる上記溝部が形成されている。そのため、上記工具は、金属部材の被接合部に対し適切な熱量を与え、被接合部及びその近傍の材料を容易に攪拌することができる。また、上記工具は、上記特定の形状を有しているため、例えば金属部材の板厚変動等により接合中に上記工具の押込み量が変化した場合に、バリの発生を抑制することができる。
【００１８】
また、上記工具は、例えば、金属部材の反り等が過度に大きい場合や、差厚接合、即ち互いに厚さが異なる金属部材を接合する場合等の、被接合部に比較的高い段差部が形成されている場合においても、双方の金属部材に上記ショルダー面を容易に接触させることができる。また、上記工具は、攪拌された材料を上記溝部の内部に保持することができるため、当該材料が継手の外部へ排出されることを抑制できる。その結果、上記工具は、被接合部に上記段差部が形成されている場合においても、バリの発生を抑制することができる。
【００１９】
また、本発明者らは、鋭意検討を進めた結果、単に上記溝部の体積を大きくするだけでなく、上記工具の回転軸側へ向かうにつれて上記溝部の断面積を大きくすることによって、被接合部に比較的高い段差部が形成されている場合にも、疲労強度を容易に向上させることができることを見出した。即ち、上記工具は、上記回転軸側へ向かうにつれて上記溝部の断面積を大きくすることにより、継手における材料の偏りを効果的に抑制し、継手の疲労強度を容易に向上させることができる。
【００２０】
また、上記工具は、上記特定の形状を有していることにより、２枚の板材から構成された段差部を接合する場合に、上記工具の進行方向から見て上記回転軸を左右に傾斜させることなく摩擦攪拌接合を行うことができる。それ故、上記工具を用いることにより、比較的安価な接合装置を用いることができるとともに、接合条件の複雑化を回避することができる。
【００２１】
以上のように、上記工具は、様々な板厚、材質を有する金属部材の摩擦攪拌接合において、空孔などの欠陥やバリが継手に発生することを容易に抑制することができる。また、上記工具は、被接合部に上記段差部が形成されている場合にも、継手における材料の偏りを容易に抑制することができる。それ故、上記工具は、薄板と厚板とを接合する、いわゆる差厚接合にも好適に用いることができる。
【００２２】
上記工具は、例えば、自動車用テーラードブランク板材の作製に用いることができる。上記工具により作製されたテーラードブランク板材は、十分な剛性を確保しつつ自動車の軽量化を容易に行うことができる。更に、上記工具を用いて自動車用テーラードブランク板材を作製することにより、ブランク形状の自由度が高くなり、くずが発生しにくくなる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】実施例における、工具の側面図である。
【図２】実施例における、工具のショルダ面の平面図である。
【図３】図２のIII−III線矢視断面図である。
【図４】実施例における、（ａ）工具を段差部の上方に配置した状態、（ｂ）工具を段差部に挿入した状態、（ｃ）工具が段差部に沿って移動している状態を示す斜視図である。
【図５】図４（ｃ）のV−V線矢視断面図である。
【図６】前進角を付与した工具が段差部に挿入された状態を示す側面図である。
【図７】実施例の工具を用いて重ね隅肉接合を行う場合の、図５に相当する断面図である。
【図８】実施例の工具を用いて板厚が同じ板材同士を接合する場合の、図５に相当する断面図である。
【図９】実験例１における、（ａ）材料の偏りがない継手、（ｂ）両端に材料が偏った継手、（ｃ）後退側に材料が偏った継手を示す断面図である。
【図１０】実験例２における、（ａ）材料の偏りがない継手、（ｂ）両端に材料が偏った継手、（ｃ）薄板側に材料が偏った継手を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
Ａ．金属部材
上記工具は、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金、チタン、チタン合金、マグネシウム、マグネシウム合金等の金属部材の接合に用いることができる。一方の部材を構成する金属と他方の部材を構成する金属とは、同一の組成を有していてもよく、互いに異なる組成を有していてもよい。なお、アルミニウム合金としては、１０００、２０００、３０００、５０００、６０００、７０００系合金等が好適に用いられる。
【００２５】
金属部材の形状や寸法、及び、接合の態様は特に制限されるものではない。例えば、上記工具は、同じ板厚を有する板材同士の接合、互いに異なる板厚を有する板材同士の接合、及び押出材の接合に用いることができる。また、上記工具は、突合せ接合、重ね隅肉接合等の種々の態様の接合に用いることができる。更に、上記工具は、金属部材に接触あるいは没入させた工具を移動させることにより線状の継手を形成することもでき、スポット接合により被接合部に点状の継手を形成することもできる。
【００２６】
板材同士の接合を行う場合、各板材の板厚は０．１ｍｍ以上であることが望ましい。板材の板厚を０．１ｍｍ以上とすることにより、被接合部及びその近傍における板材の材料強度を十分に高くすることができ、接合中や接合後に継手周辺が変形する、あるいは破断する等のトラブルを容易に回避することができる。
【００２７】
Ｂ．摩擦攪拌接合用工具
上記工具は、凸曲面状を呈するショルダー面を有している。そのため、例えば、上述した金属部材の板厚変動や反り等により被接合部に段差部が形成されている場合に、一方の金属部材と他方の金属部材との両方にショルダー面を容易に接触させ、あるいは没入させることができる。
【００２８】
また、上記工具は、攪拌された材料をショルダー面に形成された溝部内に容易に収容することができる。溝部は、通常、渦状を呈しているため、溝部内に収容された材料は、溝部に沿って流動し、プローブ側、即ち継手における幅方向の中央へ導かれる。これらの結果、攪拌された材料が継手の外部へ排出され、ひいてはバリとなることを効果的に抑制することができる。
【００２９】
溝部は、工具の回転軸に近づくほど断面積が大きくなるように形成されている。具体的には、回転軸に近づくにつれて溝部の深さを深くする、あるいは回転軸に近づくにつれて溝部の幅を広くする等の構成をとることにより、溝部の断面積を工具の回転軸に近づくほど大きくすることができる。また、回転軸に近づくにつれて溝部の深さを深くするとともに溝部の幅を深くする構成としても、上述のように断面積を大きくすることができる。
【００３０】
上記溝部の底は、プローブの先端から一定の深さに配置されていることが好ましい。即ち、溝部の底からプローブの先端までの回転軸方向における距離が一定であることが好ましい。この場合には、ショルダー面と被接合部との接触面積を減少させることなく、溝部の断面積を大きくすることができる。その結果、材料の継手外部への排出をより効果的に抑制し、ひいてはバリの発生をより効果的に抑制することができる。同様の観点からは、溝部の底からプローブの先端までの回転軸方向における距離が一定であり、かつ、溝部の幅が一定であることがより好ましい。
【００３１】
上記工具は、例えば、薄板と厚板との差厚接合や、２枚の板材の重ね隅肉接合などの、２枚の板材から構成された段差部の接合に好適に用いることができる。この場合、上記工具は、溝部の底から上記プローブの先端までの距離が段差部の最大厚さよりも大きく、かつ、上記ショルダー面の外周端縁から上記頂部までの高さが段差部の高さよりも高いことが好ましい。
【００３２】
上述した差厚接合や重ね隅肉接合を行う場合、工具が板材に挿入された際に、段差部における高い側を構成する板材の材料が、低い側の板材に比べて段差部からより多く押し出される。即ち、例えば差厚接合の場合には、厚板の材料が薄板よりも多く押し出される。これにより、被接合部に段差がないか、あるいは段差部の高さが比較的低い場合に比べて、段差部から押し出される材料の体積が大きくなり易い。従来の工具は、溝部の深さが押し出される材料の体積に比べて浅いため、溝部内の材料を継手の中央へ流動させようとする力の大きさ、溝部内の材料の体積あるいは当該材料が受ける圧力等が接合条件の変更に伴って変化しやすい。その結果、従来の工具は、継手の材料の偏りが大きくなり、疲労強度の低下を招いていた。
【００３３】
これに対し、上記工具は、溝部の底から上記プローブの先端までの回転軸方向における距離を段差部の最大厚さよりも大きくすることにより、上述した諸条件が適正となる接合条件の範囲を、従来の工具に比べて広くすることができる。また、上記工具は、上記ショルダー面の外周端縁から上記頂部までの高さを上記段差部の高さよりも高くすることにより、接合中に、上記ショルダー面を２枚の板材の両方に容易に接触させ、または没入させることができる。それ故、上記工具は、段差部の高さが比較的高い場合にも、攪拌された材料が継手の外部へ排出されることを効果的に抑制することができる。
【００３４】
これらの結果、上記工具は、２枚の板材から構成された段差部の接合を行う場合に、従来の工具に比べて容易に継手の疲労強度を向上させることができる。
【００３５】
上記工具を用いて２枚の板材から構成された段差部を接合する場合、工具の進行方向から見たときに回転軸が板材の表面に対して直角になるようにしてプローブを段差部に挿入し、摩擦攪拌接合を行うことができる。このとき、回転軸が板材の表面に対して厳密に直角である必要はなく、若干の傾きは許容される。具体的には、板材の表面に直角な方向を０°としたときに、工具の進行方向から見て回転軸が＋５〜−５°程度傾いていてもよい。
【００３６】
また、上記工具を用いて段差部を接合する場合、工具にいわゆる前進角や後進角を付与してもよいし、前進角や後進角を付与しなくてもよい。即ち、回転軸を工具の進行方向における前後方向に傾けた状態でプローブを段差部に挿入し、摩擦攪拌接合を行ってもよく、回転軸が板材の表面に対して垂直になるようにしてプローブを段差部に挿入し、摩擦攪拌接合を行ってもよい。いずれの場合であっても、上記特定の形状を有する工具を用いることにより、被接合部におけるバリの発生を抑制するとともに、継手の疲労強度を向上させることができる。
【実施例】
【００３７】
（実施例）
上記摩擦攪拌接合用工具の実施例について、図を用いて説明する。図１〜図３に示すように、工具１は、略円柱状を呈する基部２と、基部２の端面からなるショルダー面３と、ショルダー面３の中央に立設されたプローブ４とを有している。図３に示すように、ショルダー面３は、中央側（プローブ４側）の端縁が頂部３１となる凸曲面状を呈している。図２に示すように、ショルダー面３には、工具１の回転軸２１へ近づくほど断面積が大きくなる溝部３２が形成されている。なお、便宜上、図１への溝部３２の記載は省略した。
【００３８】
本例の工具１における溝部３２は、周方向に１回以上回転した渦状を呈している。また、溝部３２は一定の幅を有している。図３に示すように、溝部３２の底３２１からプローブ４の先端４１までの回転軸２１方向における距離ｄ0は一定である。
【００３９】
本例の工具１は、被接合部に段差部が形成されていない場合、及び、被接合部に段差部が形成されている場合のいずれの場合にも摩擦攪拌接合を行うことができる。以下に、薄板５１と、薄板５１よりも厚い厚板５２とを突合せて差厚接合を行う場合の工具１の構成の例と、工具１を用いた摩擦攪拌接合方法の例を説明する。
【００４０】
＜工具１＞
工具１のショルダー面３は、基部２の回転軸２１（図３参照）を中心とする回転対称な凸曲面状を呈している。また、溝部３２は一定の幅を有しており、渦の中心が工具１の回転軸２１と一致するように形成されている。図３に示すように、溝部３２の底３２１からプローブ４の先端４１までの距離をｄ0と表し、ショルダー面３の外周端縁３３から頂部３１（プローブ４側の端縁）までの高さをｈと表した場合、工具１は、下記式（１）及び（２）の関係を満足する板材５１、５２の差厚接合に好適である。
【００４１】
ｄ0  ＞  ｔ1  ＋  ｇ        ・・・（１）
ｈ  ＞  ｇ                ・・・（２）
ここで、上記式（１）におけるｔ1は薄板５１の板厚である。また、上記式（１）及び（２）におけるｇは段差部５３の高さである。
【００４２】
また、図５に示すように、溝部３２の底３２１からプローブ４の先端４１までの距離ｄ0はプローブ４の長さｌと段差部５３の高さｇとの和より大きくなっている。なお、プローブ４の長さｌは薄板５１の板厚ｔ1よりも０．１５〜０．２ｍｍ程度短い。
【００４３】
＜摩擦攪拌接合方法＞
薄板５１及び厚板５２を裏当て板６の上に載置し、両板材５１、５２の裏面を裏当て板６に当接させる。この状態において、薄板５１の端面と厚板５２の端面とが密着するように突き合せて段差部５３を形成する。次いで、不図示のクランプなどを用いて板材５１、５２を裏当て板６に固定する。
【００４４】
次に、板材５１、５２を裏当て板６ごと接合装置（不図示）に取り付け、図４（ａ）に示すように工具１を段差部５３の上方に配置する。このとき、薄板５１が工具１の回転方向（矢印１００）と進行方向とが一致する側（前進側）を向き、厚板５２がその反対側（後退側）を向くように板材５１、５２を取り付ける。その後、工具１を矢印１００の方向に回転させながら下降させ、段差部５３にプローブ４を挿入する。本例においては、工具１の進行方向から見たときに回転軸２１が厚板５２の表面に対して直角になるようにしてプローブ４を段差部５３に挿入する。引き続き工具１を押し込んで、図４（ｂ）に示すようにショルダー面３を厚板５２及び薄板５１の両方に接触させる。
【００４５】
工具１の回転速度は、工具１の寸法や形状及び金属部材の材質や板厚に応じて適宜設定することができる。多くの場合、工具１の回転速度を１０００〜３０００ｒｐｍの範囲で設定することにより、バリや欠陥の発生を抑制し、接合強度を向上させることができる。
【００４６】
図４（ｂ）に示すように工具１のショルダー面３を厚板５２と薄板５１との両方に押し付けた後、僅かな時間（例えば、１〜５秒程度）工具１をその場で保持する。このとき、プローブ４及びショルダー面３が板材５１、５２と摺動するため、摩擦熱により板材５１、５２と工具１とが加熱される。その後、図４（ｃ）に示すように、工具１を段差部５３に沿って移動させる。工具１の移動に伴ってプローブ４及びショルダー面３に接触した板材５１、５２が順次加熱され、塑性流動する。これにより、薄板５１を構成する材料と厚板５２を構成する材料とが攪拌され、継手５４が形成される。また、塑性流動した材料は、ショルダー面３及び溝部３２によって保持され、継手５４の外部への排出が抑制される。
【００４７】
段差部５３の全長に亘って継手５４が形成された後、工具１を回転させながら段差部５３から引き抜く。以上により摩擦攪拌接合が完了し、薄板５１と厚板５２とが接合される。
【００４８】
本例の工具１は、図５に示すように、溝部３２の底３２１からプローブ４の先端４１までの回転軸２１方向の距離ｄ0が、段差部５３の最大厚さ、即ち、薄板５１の板厚ｔ1と段差部５３の高さｇとの和よりも大きい。そのため、接合中に溝部３２内に収容された材料が溝部３２の底３２１まで充填されることを容易に回避し、更には継手５４の外部への材料の排出を抑制することができる。その結果、バリや欠陥の発生を抑制でき、接合強度や疲労強度の高い差厚接合部材を簡便な方法で得ることができる。
【００４９】
また、工具１は、上述したように、回転軸２１を工具の進行方向から見て薄板５１側に大きく傾斜させる必要がない。そのため、被接合部に段差部５３が形成されている場合にも、通常の摩擦攪拌接合と同じ個数のパラメーターを用いて接合条件を制御することができる。これにより、被接合部が直線状である場合には、従来の差厚接合に用いる接合装置のように、５軸の制御を行う必要がない。また、本例の工具１は、従来の工具のように薄板５１側への傾斜角に合わせてプローブ４の長さｌを調整する必要がない。これらの結果、工具１は、被接合部に段差部５３が形成されている場合の接合条件の設定を従来よりも容易に行うことができる。
【００５０】
本実施例においては、工具１を両板材５１、５２に対して垂直に挿入する例を示したが、工具１に前進角を付与して摩擦攪拌接合を行ってもよい。前進角を付与する場合には、例えば図６に示すように、両板材５１、５２の法線方向５００から進行方向の後方側へ回転軸２１を０．５〜３°程度傾斜させることができる。また、本例においては薄板５１を前進側に向け、厚板５２を後退側に配置した例を示したが、厚板５２を前進側に、薄板５１を後退側に配置してもよい。ただし、この場合は、本例に比べてバリが発生しやすくなることがある。
【００５１】
また、本例では薄板５１と厚板５２とを接合する例を説明したが、本例の工具１は、押出材等の、より複雑な形状を有する金属部材の摩擦攪拌接合に用いることも可能である。
【００５２】
また、本例の工具１は、図７に示すような、互いに重ね合わせた板材５５の段差部５５１を接合する、いわゆる重ね隅肉接合に用いることも可能である。この場合には、下側の板材５５の厚みｔ2と段差部５５１の高さｇとの和が段差部５５１の最大厚さとなる他は、上述した差厚接合と同様の方法により継手５４を形成することができる。
【００５３】
また、本例の工具１は、板厚が同じ板材５５同士の突合せ部５５２の接合に用いることも可能である。即ち、板厚が同じ板材５５同士であっても、板材５５の反りや曲り等により、図８に示すように、一方の板材５５が裏当て板６から浮き上がり、被接合部に段差部５５３が形成されていることがある。この段差部５５３の高さは、通常、差厚接合における段差部５３よりも低い。しかしながら、従来の工具１を用いて摩擦攪拌接合を行う場合、段差部５５３の高さが接合位置によって変化すると工具１の押込み量の変動を招き、ひいてはバリの発生を招く。本例の工具１は、かかる場合においても、ショルダー面３を両板材５５に容易に接触または没入させることができると共に、溝部３２の存在により、攪拌された材料が外部へと排出されることを抑制できる。そのため、本例の工具１は、板厚が同じ板材５５同士の接合においても容易にバリの発生を抑制することができる。
【００５４】
なお、本例の工具１を板厚が同じ板材５５同士の突合せ部５５２の接合に用いる場合には、ショルダー面３の高さｈを、突合せ部５５２に想定される段差部５５３の高さｇ、即ち板材５５の浮上り量よりも高くすればよい。また、溝部３２の底３２１からプローブ４の先端４１までの距離ｄ0及びプローブ４の長さｌは、上記実施例と同様に設定することができる。
【００５５】
（実験例１）
本例は、工具１の形状等を種々変更して板厚が同じ板材５５同士の突合せ接合を行った例である。
【００５６】
・実験例１−１
本例の工具１は、外径９ｍｍ、曲率半径３０ｍｍの凸状曲面を呈するショルダー面３を有している。ショルダー面３上には２本の溝部３２が形成されている。各溝部３２は、０．５ｍｍの幅を有するとともに、プローブ４側から外周端縁３３に到達するまでに周方向に１．７５回転している。また、溝部３２の底３２１からプローブ４の先端４１までの距離ｄ0は１．３５ｍｍである。プローブ４は、先端４１に向かうにつれて外径が細くなるテーパー形状を呈している。プローブ４の根元の直径は３ｍｍ、先端４１の直径は２ｍｍであり、プローブ４の長さｌは１．０ｍｍである。また、プローブ４の側周面にはネジ溝が設けられている。
【００５７】
板材５５としては、ＪＩＳ  Ａ５１８２−Ｏ材よりなる幅１１０ｍｍ、長さ３５０ｍｍ、板厚１．２ｍｍの板材を用いた。なお、ＪＩＳ  Ｚ２２４１に従って測定した板材５５の引張強さは２８５ＭＰａであった。
【００５８】
２枚の板材５５の長辺同士を突合せて突合せ部５５２を構成し、突合せ部５５２の摩擦攪拌接合を行った。摩擦攪拌接合における工具１の回転速度は、１５００ｒｐｍ、２０００ｒｐｍ、２５００ｒｐｍの３水準とした。また、接合速度は３．０ｍ／ｍｉｎとし、工具１に０．５°の前進角を付与した。
【００５９】
以上により得られた接合材の継手強度と破断位置、継手形状の評価を、以下の方法により行った。
【００６０】
＜継手強度＞
継手５４が長手方向の略中央に位置するようにして、接合材からＪＩＳ５号試験片を切り出した。ＪＩＳ  Ｚ２２４１に従い、室温下で引張試験を行って試験片の引張強さを測定し、得られた値を継手強度とした。また、予め測定した板材５５の引張強さに対する継手強度の比を算出し、この値を継手効率とした。得られた継手強度及び継手効率の値は表１に示した通りであった。
【００６１】
＜破断位置＞
上記の引張試験が完了した後に、試験片が破断した位置を目視により確認した。その結果、試験片が継手５４で破断した場合には、表１の「破断位置」欄に「継手部」と記載し、継手５４以外の部分で破断した場合には、同欄に「母材部」と記載した。
【００６２】
＜継手形状＞
接合材から、継手５４の接合長の中央（本例においては接合材の端面から１７５ｍｍの位置）の断面が露出するように試験片を切り出した。この断面を観察し、幅方向の中央部５４１に窪みがない、あるいは十分に小さい場合（図９（ａ）参照）には、表１の「材料の偏り」欄にａと記載した。一方、継手５４の幅方向における両端部５４２、５４３に材料が偏った場合（図９（ｂ）参照）には同欄にｂと記載した。また、継手５４の後退側の端部５４２に材料が偏った場合（図９（ｃ）参照）には同欄にｃと記載した。
また、継手５４の幅方向の両端部５４２、５４３を目視観察し、バリが発生しているか否かを確認した。バリが発生していない場合には、表１の「バリ」の欄に「無し」と記載し、バリが発生している場合には、バリの発生頻度を同欄に記載した。
【００６３】
【表１】
2017070994.tif 000003
【００６４】
・実験例１−２
本例の工具１は、外径１２ｍｍ、曲率半径８０ｍｍの凸状曲面を呈するショルダー面３を有している。ショルダー面３上には、２本の溝部３２が形成されている。各溝部３２は、０．５ｍｍの幅を有するとともに、プローブ４側から外周端縁３３に到達するまでに周方向に２回転している。また、溝部３２の底３２１からプローブ４の先端４１までの距離ｄ0は２．１５ｍｍである。プローブ４は、直径は４ｍｍ、長さ１．８５ｍｍの略円柱状を呈している。また、プローブ４の側周面にはネジ溝が設けられている。
【００６５】
板材５５としては、ＪＩＳ  Ａ６０２２−Ｔ４材よりなる幅１００ｍｍ、長さ４００ｍｍ、板厚２．０ｍｍの板材を用いた。なお、ＪＩＳ  Ｚ２２４１に従って測定した板材５５の引張強さは２３４ＭＰａであった。
【００６６】
摩擦攪拌接合における接合速度は１．５ｍ／ｍｉｎとし、工具１に前進角を付与しなかった。その他は実験例１−１と同様である。得られた接合材の評価結果を表２に示した。
【００６７】
【表２】
2017070994.tif 000004
【００６８】
・実験例１−３
本例の工具は、外径９ｍｍのショルダー面を有している。ショルダー面は、外周端縁からプローブ側に向かって角度１０度で傾斜した凹状面を呈している。ショルダー面上には溝部３２が形成されていない。プローブは、直径３ｍｍ、長さ１．０５ｍｍの略円柱状を呈している。また、プローブの側周面にはネジ溝が設けられている。
【００６９】
板材５５としては、ＪＩＳ  Ａ５１８２−Ｏ材よりなる幅１１０ｍｍ、長さ３５０ｍｍ、板厚１．２ｍｍの板材を用いた。なお、ＪＩＳ  Ｚ２２４１に従って測定した板材５５の引張強さは２８５ＭＰａであった。
【００７０】
摩擦攪拌接合における接合速度は１．０ｍ／ｍｉｎとし、工具に１．５°の前進角を付与した。その他は実験例１−１と同様である。得られた接合材の評価結果を表３に示した。
【００７１】
【表３】
2017070994.tif 000005
【００７２】
・実験例１−４
本例の工具は、外径１２ｍｍ、曲率半径８０ｍｍの凸状曲面を呈するショルダー面を有している。ショルダー面上には、２本の溝部が形成されている。各溝部は、０．５ｍｍの幅を有するとともに、プローブ側から外周端縁に到達するまでに周方向に２回転している。また、溝部は、ショルダー面から０．５ｍｍの深さを有している。プローブは、直径１ｍｍ、長さ１．８ｍｍの略円柱状を呈している。また、プローブの側周面にはネジ溝が設けられている。
【００７３】
板材５５としては、ＪＩＳ  Ａ６０２２−Ｔ４材よりなる幅１００ｍｍ、長さ４００ｍｍ、板厚２．０ｍｍの板材を用いた。なお、ＪＩＳ  Ｚ２２４１に従って測定した板材５５の引張強さは２３４ＭＰａであった。
【００７４】
摩擦攪拌接合における接合速度は１．５ｍ／ｍｉｎとし、工具に前進角を付与しなかった。その他は実験例１−１と同様である。得られた接合材の評価結果を表４に示した。
【００７５】
【表４】
2017070994.tif 000006
【００７６】
実験例１−１及び１−２の工具１は、上述したように、溝部３２が、その底３２１からプローブ４の先端４１までの距離ｄ0が一定となるように形成されている。これにより、表１及び表２より知られるように、いずれの回転速度においても、継手強度を９５％以上にすることができた。また、これらの工具１は、継手５４における材料の偏りやバリの発生を抑制することができた。
【００７７】
一方、表３及び表４より知られるように、凹状のショルダー面を有する工具（実験例１−３）や、ショルダー面から一定の深さを有する溝部が形成された工具（実験例１−４）は、いずれの回転速度においても、継手５４における材料の偏りが発生した。
【００７８】
（実験例２）
本例は、工具１の形状等を種々変更して、薄板５１と厚板５２との差厚接合を行った例である。
【００７９】
・実験例２−１
本例の工具１は、外径１５ｍｍ、曲率半径１５ｍｍの凸状曲面を呈するショルダー面３を有している。ショルダー面３上には、２本の溝部３２が形成されている。各溝部３２は、０．５ｍｍの幅を有するとともに、プローブ４側から外周端縁３３に到達するまでに周方向に２．５回転している。また、溝部３２の底３２１からプローブ４の先端４１までの距離ｄ0は１．７ｍｍである。プローブ４は、直径２ｍｍ、長さ１．１ｍｍの略円柱状を呈している。プローブ４の側周面にネジ溝は設けられていない。
【００８０】
薄板５１としては、ＪＩＳ  Ａ５１８２−Ｏ材よりなる幅１００ｍｍ、長さ４００ｍｍ、板厚１．２ｍｍの板材を用いた。また、厚板５２としては、ＪＩＳ  Ａ５１８２−Ｏ材よりなる幅１００ｍｍ、長さ４００ｍｍ、板厚１．６ｍｍの板材を用いた。なお、ＪＩＳ  Ｚ２２４１に従って測定した薄板５１の引張強さは２８５ＭＰａであり、厚板５２の引張強さは２７８ＭＰａであった。
【００８１】
薄板５１の長辺と厚板５２の長辺とを突合せて段差部５３を構成し、段差部５３の摩擦攪拌接合を行った。このとき、工具１の回転方向と進行方向とが一致する前進側に薄板５１が配置され、後退側に厚板５２が配置されるようにして摩擦攪拌接合を行った（図４参照）。摩擦攪拌接合における工具１の回転速度は、２０００ｒｐｍ、２５００ｒｐｍ、３０００ｒｐｍの３水準とした。また、接合速度は２．５ｍ／ｍｉｎとし、工具１に０．５°の前進角を付与した。
【００８２】
以上により得られた接合材について、継手強度、破断位置及びバリの発生頻度の評価を実験例１−１と同様の方法により行った。なお、本例においては、薄板５１及び厚板５２のうち、低強度の板材の引張強さに対する継手強度の比を継手効率とした。これらの結果を表５に示した。
【００８３】
また、本例の継手形状の評価は、以下のようにして行った。接合材から、継手５４の接合長の中央（即ち、接合材の端面から２００ｍｍの位置）の断面が露出するように試験片を切り出した。この断面を観察し、幅方向の中央部５４１に窪みがないか、十分に小さい場合（図１０（ａ）参照）には、表５の「材料の偏り」欄にａと記載した。一方、継手５４の幅方向における両端部５４２、５４３に材料が偏った場合（図１０（ｂ）参照）には同欄にｂと記載した。また、継手５４の幅方向における薄板５１側（前進側の端部５４３）に材料が偏った場合（図１０（ｃ）参照）には同欄にｃと記載した。
【００８４】
【表５】
2017070994.tif 000007
【００８５】
・実験例２−２
本例の工具１は、外径１４ｍｍ、曲率半径１５ｍｍの凸状曲面を呈するショルダー面３を有している。ショルダー面３上には、２本の溝部３２が形成されている。各溝部３２は、０．５ｍｍの幅を有するとともに、プローブ４側から外周端縁３３に到達するまでに周方向に２．５回転している。また、溝部３２の底３２１からプローブ４の先端４１までの距離ｄ0は２．１５ｍｍである。プローブ４は、直径２ｍｍ、長さ０．７５ｍｍの略円柱状を呈している。プローブ４の側周面にネジ溝は設けられていない。
【００８６】
薄板５１としては、ＪＩＳ  Ａ６０２２−Ｔ４材よりなる幅１００ｍｍ、長さ４００ｍｍ、板厚０．９ｍｍの板材を用いた。また、厚板５２としては、ＪＩＳ  Ａ６０２２−Ｔ４材よりなる幅１００ｍｍ、長さ４００ｍｍ、板厚２．０ｍｍの板材を用いた。なお、ＪＩＳ  Ｚ２２４１に従って測定した薄板５１の引張強さは２３５ＭＰａであり、厚板５２の引張強さは２３４ＭＰａであった。
【００８７】
摩擦攪拌接合は、工具１に前進角を付与せずに行った。その他は実験例２−１と同様である。得られた接合材の評価結果を表６に示した。
【００８８】
【表６】
2017070994.tif 000008
【００８９】
・実験例２−３
本例の工具１は、外径２０ｍｍ、曲率半径２３ｍｍの凸状曲面を呈するショルダー面３を有している。ショルダー面３上には、２本の溝部３２が形成されている。各溝部３２は、１．０ｍｍの幅を有するとともに、プローブ４側から外周端縁３３に到達するまでに周方向に２回転している。また、溝部３２の底３２１からプローブ４の先端４１までの距離ｄ0は２．６ｍｍである。プローブ４は、直径３ｍｍ、長さ０．８５ｍｍの略円柱状を呈している。プローブ４の側周面にネジ溝は設けられていない。
【００９０】
薄板５１としては、ＪＩＳ  Ａ６０２２−Ｔ４材よりなる幅１００ｍｍ、長さ４００ｍｍ、板厚１．０ｍｍの板材を用いた。また、厚板５２としては、ＪＩＳ  Ａ６０２２−Ｔ４材よりなる幅１００ｍｍ、長さ４００ｍｍ、板厚２．５ｍｍの板材を用いた。なお、ＪＩＳ  Ｚ２２４１に従って測定した薄板５１の引張強さは２３６ＭＰａであり、厚板５２の引張強さは２４０ＭＰａであった。
【００９１】
摩擦攪拌接合は、工具１に前進角を付与せずに行った。その他は実験例２−１と同様である。得られた接合材の評価結果を表７に示した。
【００９２】
【表７】
2017070994.tif 000009
【００９３】
・実験例２−４
本例の工具１は、外径２０ｍｍ、曲率半径２１ｍｍの凸状曲面を呈するショルダー面３を有している。ショルダー面３上には、２本の溝部３２が形成されている。各溝部３２は、１．０ｍｍの幅を有するとともに、プローブ４側から外周端縁３３に到達するまでに周方向に２回転している。また、溝部３２の底３２１からプローブ４の先端４１までの距離ｄ0は２．０ｍｍである。プローブ４は、直径３ｍｍ、長さ０．８５ｍｍの略円柱状を呈している。プローブ４の側周面にネジ溝は設けられていない。
【００９４】
薄板５１としては、ＪＩＳ  Ａ６０２２−Ｔ４材よりなる幅１００ｍｍ、長さ４００ｍｍ、板厚１．０ｍｍの板材を用いた。また、厚板５２としては、ＪＩＳ  Ａ５１８２−Ｏ材よりなる幅１００ｍｍ、長さ４００ｍｍ、板厚１．６ｍｍの板材を用いた。なお、ＪＩＳ  Ｚ２２４１に従って測定した薄板５１の引張強さは２３６ＭＰａであり、厚板５２の引張強さは２７８ＭＰａであった。
【００９５】
摩擦攪拌接合における工具１の回転速度は、１５００ｒｐｍ、２０００ｒｐｍ、２５００ｒｐｍの３水準とした。また、接合速度は１．５ｍ／ｍｉｎとし、工具１に前進角を付与しなかった。その他は実験例２−１と同様である。得られた接合材の評価結果を表８に示した。
【００９６】
【表８】
2017070994.tif 000010
【００９７】
・実験例２−５
本例の工具１は、外径２０ｍｍ、曲率半径２１ｍｍの凸状曲面を呈するショルダー面３を有している。ショルダー面３上には、２本の溝部３２が形成されている。各溝部３２は、１．０ｍｍの幅を有するとともに、プローブ４側から外周端縁３３に到達するまでに周方向に２回転している。また、溝部３２の底３２１からプローブ４の先端４１までの距離ｄ0は２．１ｍｍである。プローブ４は、直径２ｍｍ、長さ１．０ｍｍの略円柱状を呈している。プローブ４の側周面にネジ溝は設けられていない。
【００９８】
薄板５１としては、ＪＩＳ  Ａ５１８２−Ｏ材よりなる幅１００ｍｍ、長さ４００ｍｍ、板厚１．２ｍｍの板材を用いた。また、厚板５２としては、ＪＩＳ  Ａ６０２２−Ｔ４材よりなる幅１００ｍｍ、長さ４００ｍｍ、板厚２．０ｍｍの板材を用いた。なお、ＪＩＳ  Ｚ２２４１に従って測定した薄板５１の引張強さは２８５ＭＰａであり、厚板５２の引張強さは２３４ＭＰａであった。
【００９９】
摩擦攪拌接合における工具１の回転速度は、１５００ｒｐｍ、２０００ｒｐｍ、２５００ｒｐｍの３水準とした。また、接合速度は２．０ｍ／ｍｉｎとし、工具１に前進角を付与しなかった。その他は実験例２−１と同様である。得られた接合材の評価結果を表９に示した。
【０１００】
【表９】
2017070994.tif 000011
【０１０１】
・実験例２−６
本例の工具は、外径１４ｍｍ、曲率半径１５ｍｍの凸状曲面を呈するショルダー面を有している。ショルダー面上には、２本の溝部が形成されている。各溝部は、０．５ｍｍの幅を有するとともに、プローブ側から外周端縁に到達するまでに周方向に２．５回転している。各溝部は、ショルダー面から１．０ｍｍの深さを有している。プローブは、直径２ｍｍ、長さ１．１ｍｍの略円柱状を呈している。また、プローブの側周面にはネジ溝が設けられていない。
【０１０２】
薄板５１としては、ＪＩＳ  Ａ５１８２−Ｏ材よりなる幅１００ｍｍ、長さ４００ｍｍ、板厚１．２ｍｍの板材を用いた。また、厚板５２としては、ＪＩＳ  Ａ５１８２−Ｏ材よりなる幅１００ｍｍ、長さ４００ｍｍ、板厚１．６ｍｍの板材を用いた。なお、ＪＩＳ  Ｚ２２４１に従って測定した薄板５１の引張強さは２８５ＭＰａであり、厚板５２の引張強さは２７８ＭＰａであった。
【０１０３】
摩擦攪拌接合における接合速度は２．５ｍ／ｍｉｎとし、工具に０．５°の前進角を付与した。その他は実験例２−１と同様である。得られた接合材の評価結果を表１０に示した。
【０１０４】
【表１０】
2017070994.tif 000012
【０１０５】
・実験例２−７
本例の工具は、外径１４ｍｍ、曲率半径１５ｍｍの凸状曲面を呈するショルダー面を有している。ショルダー面上には、２本の溝部が形成されている。各溝部は、０．５ｍｍの幅を有するとともに、プローブ側から外周端縁に到達するまでに周方向に２．５回転している。各溝部は、ショルダー面から１．０ｍｍの深さを有している。プローブは、直径２ｍｍ、長さ０．７５ｍｍの略円柱状を呈している。また、プローブの側周面にはネジ溝が設けられていない。
【０１０６】
薄板５１としては、ＪＩＳ  Ａ６０２２−Ｔ４材よりなる幅１００ｍｍ、長さ４００ｍｍ、板厚０．９ｍｍの板材を用いた。また、厚板５２としては、ＪＩＳ  Ａ６０２２−Ｔ４材よりなる幅１００ｍｍ、長さ４００ｍｍ、板厚２．０ｍｍの板材を用いた。なお、ＪＩＳ  Ｚ２２４１に従って測定した薄板５１の引張強さは２３５ＭＰａであり、厚板５２の引張強さは２３４ＭＰａであった。
【０１０７】
摩擦攪拌接合における接合速度は２．５ｍ／ｍｉｎとし、工具に前進角を付与しなかった。その他は実験例２−１と同様である。得られた接合材の評価結果を表１１に示した。
【０１０８】
【表１１】
2017070994.tif 000013
【０１０９】
実験例２−１〜２−５の工具１は、溝部３２の底３２１からプローブ４の先端４１までの距離ｄ0が薄板５１の板厚ｔ1と段差部５３の高さｇとの和よりも大きい。そして、工具１は、ショルダー面３の外周端縁３３から頂部３１までの高さｈが段差部５３の高さｇよりも高い。上記特定の形状を有する工具１は、表５〜表９から知られるように、差厚接合においても継手効率を９５％以上にすることができた。また、これらの工具１は、継手５４における材料の偏りやバリの発生を抑制し、厚板５２側から薄板５１側へ向けて滑らかに傾斜した継手５４を形成することができた。
【０１１０】
一方、実験例２−６及び２−７の工具における溝部は、ショルダー面から一定の深さを有している。そのため、表１０及び表１１から知られるように、工具の回転速度が速い場合には継手５４の両端部５４２、５４３に材料が偏り、工具の回転速度が遅い場合には薄板５１側に材料が偏った。これらの結果から、回転軸２１に近づくにつれて溝部３２を深くした工具１（実験例２−１〜２−５）は、広い範囲の接合条件において、良好な形状の継手５４を形成できることが理解できる。
【０１１１】
なお、本発明に係る工具１及び摩擦攪拌接合方法の具体的な態様は、上述した実施例及び実験例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を損なわない範囲で適宜変更することができる。
【符号の説明】
【０１１２】
１  摩擦攪拌接合用工具
２  基部
３  ショルダー面
３１  頂部
３２  溝部
３２１  溝部の底
４  プローブ
４１  プローブの先端
【図１】
2017070994.tif 000014
【図２】
2017070994.tif 000015
【図３】
2017070994.tif 000016
【図４】
2017070994.tif 000017
【図５】
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【図６】
2017070994.tif 000019
【図７】
2017070994.tif 000020
【図８】
2017070994.tif 000021
【図９】
2017070994.tif 000022
【図１０】
2017070994.tif 000023