(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2022171363
(43)【公開日】2022-11-11
(54)【発明の名称】金属部材の接合装置、接合方法および接合体
(51)【国際特許分類】
B23K 20/12 20060101AFI20221104BHJP
【ＦＩ】
B23K20/12 340
B23K20/12 344
【審査請求】未請求
【請求項の数】21
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2021077960
(22)【出願日】2021-04-30
(71)【出願人】
【識別番号】000003137
【氏名又は名称】マツダ株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100101454
【弁理士】
【氏名又は名称】山田 卓二
(74)【代理人】
【識別番号】100132263
【弁理士】
【氏名又は名称】江間 晴彦
(72)【発明者】
【氏名】西口 勝也
(72)【発明者】
【氏名】田中 耕二郎
(72)【発明者】
【氏名】深堀 貢
(72)【発明者】
【氏名】島田 聡子
【テーマコード（参考）】
4E167
【Ｆターム（参考）】
4E167AA02
4E167AA06
4E167AA07
4E167AA13
4E167BG03
4E167BG05
4E167BG06
4E167BG12
4E167BG26
4E167DA10
(57)【要約】
【課題】金属部材の接合を十分な強度で簡便に達成することができる金属部材の接合装置を提供すること。
【解決手段】２つの金属部材１１，１２を接合するための金属部材の接合装置であって、前記２つの金属部材のうち第１金属部材１１に対して押圧力を付与する押圧部材１６；前記２つの金属部材のうち第２金属部材１２を直接的に支持する受け部材１７；および前記押圧部材および前記受け部材を相互に近接させるように駆動させる駆動制御装置を含む、金属部材の接合装置であって、前記受け部材１６は、前記押圧部材との対向面部の外周において、凹部１７２を有している、金属部材の接合装置。
【選択図】図１
【解決手段】２つの金属部材１１，１２を接合するための金属部材の接合装置であって、前記２つの金属部材のうち第１金属部材１１に対して押圧力を付与する押圧部材１６；前記２つの金属部材のうち第２金属部材１２を直接的に支持する受け部材１７；および前記押圧部材および前記受け部材を相互に近接させるように駆動させる駆動制御装置を含む、金属部材の接合装置であって、前記受け部材１６は、前記押圧部材との対向面部の外周において、凹部１７２を有している、金属部材の接合装置。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
２つの金属部材を接合するための金属部材の接合装置であって、
前記２つの金属部材のうち第１金属部材に対して押圧力を付与する押圧部材；
前記２つの金属部材のうち第２金属部材を直接的に支持する受け部材；および
前記押圧部材および前記受け部材を相互に近接させるように駆動させる駆動制御装置
を含む、金属部材の接合装置であって、
前記受け部材は、前記押圧部材との対向面部の外周において、凹部を有している、金属部材の接合装置。
前記２つの金属部材のうち第１金属部材に対して押圧力を付与する押圧部材；
前記２つの金属部材のうち第２金属部材を直接的に支持する受け部材；および
前記押圧部材および前記受け部材を相互に近接させるように駆動させる駆動制御装置
を含む、金属部材の接合装置であって、
前記受け部材は、前記押圧部材との対向面部の外周において、凹部を有している、金属部材の接合装置。
【請求項2】
前記押圧部材は、自身の回転による金属部材との摩擦により熱を発生させる回転ツールであり、
前記回転ツールは、先端側に、該回転ツールの円形の先端面を含むショルダ部、および該回転ツールの円形の先端面から外方に突設された、前記ショルダ部よりも小径の円柱状のピン部を有し、
前記凹部の内周寸法Ｅ１は、前記ショルダ部の直径Ｄ１（ｍｍ）および前記ピン部の直径Ｄ２（ｍｍ）に対して、Ｄ２（ｍｍ）以上Ｄ１（ｍｍ）以下であり、
前記凹部の外周寸法Ｅ２は、前記ショルダ部の直径Ｄ１（ｍｍ）に対して、Ｄ１（ｍｍ）超である、請求項１に記載の金属部材の接合装置。
前記回転ツールは、先端側に、該回転ツールの円形の先端面を含むショルダ部、および該回転ツールの円形の先端面から外方に突設された、前記ショルダ部よりも小径の円柱状のピン部を有し、
前記凹部の内周寸法Ｅ１は、前記ショルダ部の直径Ｄ１（ｍｍ）および前記ピン部の直径Ｄ２（ｍｍ）に対して、Ｄ２（ｍｍ）以上Ｄ１（ｍｍ）以下であり、
前記凹部の外周寸法Ｅ２は、前記ショルダ部の直径Ｄ１（ｍｍ）に対して、Ｄ１（ｍｍ）超である、請求項１に記載の金属部材の接合装置。
【請求項3】
前記凹部の深さ寸法ｋは、前記第２金属部材の厚みＴ２に対して、０．１０×Ｔ２（ｍｍ）以上である、請求項１または２に記載の金属部材の製造装置。
【請求項4】
前記凹部は、断面視において、すり鉢状に傾斜した傾斜面を有する、請求項１～３のいずれかに記載の金属部材の接合装置。
【請求項5】
前記ピン部の突出長さｈは、前記第１金属部材の厚みＴ１に対して、１．００×Ｔ１（ｍｍ）以上０．９５×（Ｔ１＋Ｔ２）（ｍｍ）以下である、請求項１～４のいずれかに記載の金属部材の製造装置。
【請求項6】
前記第１金属部材の厚みＴ１は１．０ｍｍ以上である、請求項１～５のいずれかに記載の金属部材の接合装置。
【請求項7】
前記駆動制御装置は、前記押圧部材の進入量ｄ１が、前記第１金属部材の厚みＴ１に対して、０．８０×Ｔ１（ｍｍ）以上１．９０×Ｔ１（ｍｍ）以下になるように、前記押圧部材および前記受け部材の駆動を制御する、請求項１～６のいずれかに記載の金属部材の接合装置。
【請求項8】
前記受け部材は、平面視において前記凹部の内周側に配置された内周部に凸部を有し、
前記凸部の幅寸法Ｅ４は、前記凹部の内周寸法Ｅ１に対して、０．４０×Ｅ１（ｍｍ）以上１．００×Ｅ１（ｍｍ）以下であり、
前記凸部の高さ寸法ｍは、前記第２金属部材の厚みＴ２に対して、０．１０×Ｔ２（ｍｍ）以上１．００×Ｔ２（ｍｍ）以下である、請求項１～７のいずれかに記載の金属部材の接合装置。
前記凸部の幅寸法Ｅ４は、前記凹部の内周寸法Ｅ１に対して、０．４０×Ｅ１（ｍｍ）以上１．００×Ｅ１（ｍｍ）以下であり、
前記凸部の高さ寸法ｍは、前記第２金属部材の厚みＴ２に対して、０．１０×Ｔ２（ｍｍ）以上１．００×Ｔ２（ｍｍ）以下である、請求項１～７のいずれかに記載の金属部材の接合装置。
【請求項9】
前記駆動制御装置は、前記押圧部材の進入量ｄ１および前記受け部材の進入量ｄ２の合計進入量が、前記第１金属部材の厚みＴ１に対して、０．８０×Ｔ１（ｍｍ）以上１．９０×Ｔ１（ｍｍ）以下になるように、前記押圧部材および前記受け部材の駆動を制御する、請求項８に記載の金属部材の接合装置。
【請求項10】
前記第１金属部材および前記第２金属部材は、それぞれ独立して、アルミニウムまたはアルミニウム合金から構成されている、請求項１～９のいずれかに記載の金属部材の接合装置。
【請求項11】
前記接合装置は摩擦撹拌点接合装置である、請求項１～１０のいずれかに記載の金属部材の接合装置。
【請求項12】
押圧部材と受け部材との間で、第１金属部材および第２金属部材を重ね合わせ、前記押圧部材による第１金属部材側からの押圧により前記第２金属部材に圧力を付与するとともに、熱を付与して前記第１金属部材および前記第２金属部材をそれらの界面で相互に塑性流動させて接合を行う熱圧式接合方法による金属部材の接合方法であって、
前記受け部材は、前記押圧部材との対向面部の外周において、凹部を有し、
前記押圧部材および前記受け部材を相互に近接させ、前記凹部に第２金属部材の一部を塑性流動させる、金属部材の接合方法。
前記受け部材は、前記押圧部材との対向面部の外周において、凹部を有し、
前記押圧部材および前記受け部材を相互に近接させ、前記凹部に第２金属部材の一部を塑性流動させる、金属部材の接合方法。
【請求項13】
請求項１～１１のいずれかに記載の金属部材の接合装置を用いる、請求項１２に記載の金属部材の接合方法。
【請求項14】
前記熱圧式接合方法が、
第１金属部材と第２金属部材とを重ね合わせる第１ステップ；および
押圧部材として回転ツールを回転させつつ、第１金属部材に押圧して摩擦熱を発生させ、該摩擦熱により第１金属部材および第２金属部材をそれらの界面で相互に塑性流動させて第１金属部材と第２金属部材とを接合する第２ステップ
を含む摩擦撹拌点接合方法である、請求項１２または１３に記載の金属部材の接合方法。
第１金属部材と第２金属部材とを重ね合わせる第１ステップ；および
押圧部材として回転ツールを回転させつつ、第１金属部材に押圧して摩擦熱を発生させ、該摩擦熱により第１金属部材および第２金属部材をそれらの界面で相互に塑性流動させて第１金属部材と第２金属部材とを接合する第２ステップ
を含む摩擦撹拌点接合方法である、請求項１２または１３に記載の金属部材の接合方法。
【請求項15】
前記第２ステップにおいて圧力制御方式を採用し、
回転ツールの第１金属部材への加圧力および加圧時間および回転数を制御する、請求項１４に記載の金属部材の接合方法。
回転ツールの第１金属部材への加圧力および加圧時間および回転数を制御する、請求項１４に記載の金属部材の接合方法。
【請求項16】
前記第２ステップにおいて位置制御方式を採用し、
回転ツールの座標位置、特定位置での保持時間および回転数を制御する、請求項１４に記載の金属部材の接合方法。
回転ツールの座標位置、特定位置での保持時間および回転数を制御する、請求項１４に記載の金属部材の接合方法。
【請求項17】
前記第２ステップが、
前記回転ツールを第１金属部材側から押し込んで、第１金属部材と第２金属部材との境界面に達する深さまで進入させる押込み撹拌工程を含み、
前記押込み撹拌工程では前記回転ツールを、前記押圧部材の進入量ｄ１が、前記第１金属部材の厚みをＴ１としたとき、１．１０×Ｔ１（ｍｍ）以上１．９０×Ｔ１（ｍｍ）以下になるまで、第１金属部材および第２金属部材に進入させる、請求項１４～１６のいずれかに記載の金属部材の接合方法。
前記回転ツールを第１金属部材側から押し込んで、第１金属部材と第２金属部材との境界面に達する深さまで進入させる押込み撹拌工程を含み、
前記押込み撹拌工程では前記回転ツールを、前記押圧部材の進入量ｄ１が、前記第１金属部材の厚みをＴ１としたとき、１．１０×Ｔ１（ｍｍ）以上１．９０×Ｔ１（ｍｍ）以下になるまで、第１金属部材および第２金属部材に進入させる、請求項１４～１６のいずれかに記載の金属部材の接合方法。
【請求項18】
前記受け部材は、平面視において前記凹部の内周側に配置された内周部に凸部を有し、
前記第２ステップが、
前記回転ツールを第１金属部材側から押し込んで、第１金属部材と第２金属部材との境界面に達する深さまで進入させる押込み撹拌工程を含み、
前記押込み撹拌工程では前記回転ツールを、前記押圧部材の進入量ｄ１および前記受け部材の進入量ｄ２の合計進入量が、前記第１金属部材の厚みをＴ１としたとき、１．１０×Ｔ１（ｍｍ）以上１．９０×Ｔ１（ｍｍ）以下になるまで、第１金属部材および第２金属部材に進入させる、請求項１４～１６のいずれかに記載の金属部材の接合方法。
前記第２ステップが、
前記回転ツールを第１金属部材側から押し込んで、第１金属部材と第２金属部材との境界面に達する深さまで進入させる押込み撹拌工程を含み、
前記押込み撹拌工程では前記回転ツールを、前記押圧部材の進入量ｄ１および前記受け部材の進入量ｄ２の合計進入量が、前記第１金属部材の厚みをＴ１としたとき、１．１０×Ｔ１（ｍｍ）以上１．９０×Ｔ１（ｍｍ）以下になるまで、第１金属部材および第２金属部材に進入させる、請求項１４～１６のいずれかに記載の金属部材の接合方法。
【請求項19】
第１金属部材と第２金属部材とが、それらの重なり部分において前記第１金属部材側からの押込み痕を有しながら、該押込み痕の周囲におけるそれらの界面で接合された接合体であって、
前記第２金属部材における前記第１金属部材側とは反対側の表面に前記第２金属部材の塑性流動による盛り上がり部を有している、金属部材の接合体。
前記第２金属部材における前記第１金属部材側とは反対側の表面に前記第２金属部材の塑性流動による盛り上がり部を有している、金属部材の接合体。
【請求項20】
断面視において、前記第１金属部材の残厚Ｔｚは、前記第１金属部材の厚みをＴ１（ｍｍ）としたとき、０．５０×Ｔ１（ｍｍ）以上１．２５×Ｔ１（ｍｍ）以下である、請求項１９に記載の金属部材の接合体。
【請求項21】
請求項１２～１８のいずれかに記載の金属部材の接合方法により接合された、請求項１９または２０に記載の金属部材の接合体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、金属部材（特に２つの金属部材）の接合装置、接合方法および接合体に関する。
【背景技術】
【0002】
従来より、自動車、鉄道車両、航空機等の分野では、生産性の向上の観点から、金属部材と金属部材との接合方法として、いわゆる摩擦撹拌点接合（ＦＳＳＷ：ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｓｔｉｒ ｓｐｏｔ ｗｅｌｄｉｎｇ）方法が提案されている。摩擦撹拌点接合方法とは、回転ツールと受け部材との間で、第１金属部材と第２金属部材とを重ね合わせ、回転ツールを回転させつつ、第１金属部材側から押圧して摩擦熱を発生させ、この摩擦熱で第１金属部材および第２金属部材を相互に塑性流動（または溶融および固化）させて第１金属部材と第２金属部材とを接合する方法である。
【0003】
このような摩擦撹拌点接合方法を用いた接合装置においては、回転ツール側の面が平面である受け部材が用いられ、当該平面で第２金属部材を直接的に支持している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開２００７－２８３３１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
本発明の発明者等は、従来の装置により金属部材の接合を行った場合、十分な接合強度が得られないことを見出した。詳しくは、回転ツール側の面（すなわち第２金属部材の支持面）が平面である受け部材を用いると、図６Ａに示すように、押込み痕５２０近傍において、第２金属部材５１２の第１金属部材５１１側への移動（または塑性流動）が起こり、第１金属部材５１１の残厚Ｔｚが減少するため、十分に大きな接合強度が得られなかった。そこで、押圧部材の進入量を低減すると、図６Ｂに示すように、第２金属部材５１２の第１金属部材５１１側への移動（または塑性流動）が抑制され、第１金属部材５１１の残厚Ｔｚの減少を抑制できるものの、略水平方向Ｑにおける第１金属部材と第２金属部材との接合が十分に行われないため、結果として十分に大きな接合強度が得られなかった。他方、押圧部材１６の進入量を増大すると、図６Ｃおよび図６Ｄに示すように、第２金属部材５１２の第１金属部材５１１側への移動（または塑性流動）がより一層起こり、第１金属部材５１１の残厚Ｔｚがより一層減少するため、十分に大きな接合強度が得られなかった。図６Ａ～図６Ｄはそれぞれ、従来技術の接合装置および接合方法（凹部を有さない受け部材を用いた接合装置および接合方法）で得られた接合体の一例の概略断面図であって、押込み痕近傍の拡大図である。特に図６Ｂは、図６Ａの接合時よりも、より小さな回転ツール進入量にて得られた接合体における押込み痕近傍の拡大図である。図６Ｃは、図６Ａの接合時よりも、より大きな回転ツール進入量にて得られた接合体における押込み痕近傍の拡大図である。図６Ｄは、図６Ｃの接合時よりも、より大きな回転ツール進入量にて得られた接合体における押込み痕近傍の拡大図である。
【0006】
一方、図９に示すように、回転ツール５１６の交換をすることなく、様々な厚みの金属部材５１１，５１２を接合することを目的として、受け部材５１７における回転ツール側の面（すなわち第２金属部材の支持面）の中央部に凹部５１８を設ける技術が開示されている（特許文献１）。しかしながら、このような受け部材５１７を用いると、接合時において、凹部５１８の存在により、第１金属部材５１１および第２金属部材５１２における回転ツール５１６の直下部分は下がるので、第１金属部材５１１の残厚Ｔｚがやはり減少し、十分に大きな接合強度が得られなかった。図９は、従来技術における金属部材の接合装置（凹部を中央部に有する受け部材を用いた接合装置）を説明するための概略断面図である。
【0007】
本発明は、金属部材の接合を十分な強度で簡便に達成することができる金属部材の接合装置および接合方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本発明は、
２つの金属部材を接合するための金属部材の接合装置であって、
前記２つの金属部材のうち第１金属部材に対して押圧力を付与する押圧部材；
前記２つの金属部材のうち第２金属部材を直接的に支持する受け部材；および
前記押圧部材および前記受け部材を相互に近接させるように駆動させる駆動制御装置
を含む、金属部材の接合装置であって、
前記受け部材は、前記押圧部材との対向面部の外周において、凹部を有している、金属部材の接合装置に関する。
２つの金属部材を接合するための金属部材の接合装置であって、
前記２つの金属部材のうち第１金属部材に対して押圧力を付与する押圧部材；
前記２つの金属部材のうち第２金属部材を直接的に支持する受け部材；および
前記押圧部材および前記受け部材を相互に近接させるように駆動させる駆動制御装置
を含む、金属部材の接合装置であって、
前記受け部材は、前記押圧部材との対向面部の外周において、凹部を有している、金属部材の接合装置に関する。
【0009】
本発明はまた、
押圧部材と受け部材との間で、第１金属部材および第２金属部材を重ね合わせ、前記押圧部材による第１金属部材側からの押圧により前記第２金属部材に圧力を付与するとともに、熱を付与して前記第１金属部材および前記第２金属部材をそれらの界面で相互に塑性流動させて接合を行う熱圧式接合方法による金属部材の接合方法であって、
前記受け部材は、前記押圧部材との対向面部の外周において、凹部を有し、
前記押圧部材および前記受け部材を相互に近接させ、前記凹部に第２金属部材の一部を塑性流動させる、金属部材の接合方法に関する。
押圧部材と受け部材との間で、第１金属部材および第２金属部材を重ね合わせ、前記押圧部材による第１金属部材側からの押圧により前記第２金属部材に圧力を付与するとともに、熱を付与して前記第１金属部材および前記第２金属部材をそれらの界面で相互に塑性流動させて接合を行う熱圧式接合方法による金属部材の接合方法であって、
前記受け部材は、前記押圧部材との対向面部の外周において、凹部を有し、
前記押圧部材および前記受け部材を相互に近接させ、前記凹部に第２金属部材の一部を塑性流動させる、金属部材の接合方法に関する。
【0010】
本発明はまた、
第１金属部材と第２金属部材とが、それらの重なり部分において前記第１金属部材側からの押込み痕を有しながら、該押込み痕の周囲におけるそれらの界面で接合された接合体であって、
前記第２金属部材における前記第１金属部材側とは反対側の表面に前記第２金属部材の塑性流動による盛り上がり部を有している、金属部材の接合体に関する。
第１金属部材と第２金属部材とが、それらの重なり部分において前記第１金属部材側からの押込み痕を有しながら、該押込み痕の周囲におけるそれらの界面で接合された接合体であって、
前記第２金属部材における前記第１金属部材側とは反対側の表面に前記第２金属部材の塑性流動による盛り上がり部を有している、金属部材の接合体に関する。
【発明の効果】
【0011】
本発明の接合装置および接合方法によれば、金属部材の接合を十分な強度で簡便に達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【0012】
【図1】本発明にかかる金属部材の接合装置の一実施態様としての摩擦撹拌点接合装置の一部の一例を示す模式図である。
【図2A】本発明の接合装置に使用される押圧部材（特に回転ツール）の一例の先端部の拡大図である。
【図2B】本発明の接合装置に使用される押圧部材（特に回転ツール）の別の一例の先端部の拡大図である。
【図3A】本発明の接合装置に使用される第１実施態様に係る押圧部材（特に回転ツール）および受け部材の概略断面図である。
【図3B】本発明の接合装置に使用される第２実施態様に係る受け部材の概略断面図である。
【図3C】本発明の接合装置に使用される第３実施態様に係る受け部材の概略断面図である。
【図3D】本発明の接合装置に使用される第４実施態様に係る受け部材の概略断面図である。
【図3E】本発明の接合装置に使用される第５実施態様に係る受け部材の概略断面図である。
【図4A】本発明の接合装置および接合方法における押込み撹拌工程および撹拌維持工程の一例を説明するための概略断面図である。
【図4B】本発明の接合装置および接合方法における押込み撹拌工程および撹拌維持工程の別の一例を説明するための概略断面図である。
【図5A】本発明の接合装置および接合方法で得られた接合体の一例の概略断面図である。
【図6A】従来技術の接合装置および接合方法（凹部を有さない受け部材を用いた接合装置および接合方法）で得られた接合体の一例の概略断面図であって、押込み痕近傍の拡大図である。
【図6B】従来技術の接合装置および接合方法（凹部を有さない受け部材を用いた接合装置および接合方法）で得られた接合体の別の一例の概略断面図であって、押込み痕近傍の拡大図である。
【図6C】従来技術の接合装置および接合方法（凹部を有さない受け部材を用いた接合装置および接合方法）で得られた接合体の別の一例の概略断面図であって、押込み痕近傍の拡大図である。
【図6D】従来技術の接合装置および接合方法（凹部を有さない受け部材を用いた接合装置および接合方法）で得られた接合体の別の一例の概略断面図であって、押込み痕近傍の拡大図である。
【図7】実施例における接合強度の測定方法を説明するための概略図である。
【図8】実施例および比較例で得られた接合体の接合強度（最大引張せん断荷重）とツール挿入量との関係を示すグラフである。
【図9】従来技術における金属部材の接合装置を説明するための概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0013】
本発明の接合装置および接合方法はそれぞれ、２つの金属部材を接合するための接合装置および接合方法である。詳しくは、本発明の接合装置および接合方法は、第１金属部材と第２金属部材とを重ね合わせ、押圧部材による第１金属部材側からの押圧により第２金属部材に圧力を付与するとともに、熱を付与して第１金属部材および第２金属部材をそれらの界面で相互に塑性流動（または溶融および固化）させて第１金属部材と第２金属部材とを接合する熱圧式接合方法を採用する。熱および圧力は好ましくは局所的に付与される。本発明で採用される熱圧式接合方法は、押圧部材により圧力を付与しつつ、押圧部材または別の手段により熱を付与する方法である。好ましくは押圧部材により熱および圧力を第１金属部材側から局所的に付与する方法であり、より好ましくは摩擦撹拌点接合方法が採用される。
【0014】
摩擦撹拌点接合方法とは、後で詳述するように、第１金属部材と第２金属部材とを重ね合わせ、押圧部材としての回転ツールを回転させつつ、第１金属部材に押圧して摩擦熱を発生させ、この摩擦熱により第１金属部材および第２金属部材をそれらの界面で相互に塑性流動（または溶融および固化）させて第１金属部材と第２金属部材とを接合する方法である。
【0015】
以下、摩擦撹拌点接合方法を採用した本発明の接合装置および接合方法について、図面を用いて詳しく説明する。図面に示す各種の要素は、本発明の理解のために模式的に示したにすぎず、寸法比や外観などは実物と異なり得ることに留意されたい。尚、本明細書で直接的または間接的に用いる「上下方向」は、図中における上下方向に対応した方向に相当する。また特記しない限り、これらの図において、共通する符号は同じ部材、部位、寸法または領域を示すものとする。
【0016】
本明細書でいう「断面視」とは、後述する受け部材１７の軸Ｙ方向に対して略垂直な方向から捉えた場合の形態に基づいており、断面図を包含する。特に「断面視」は、受け部材１７の軸Ｙ方向に平行な面であって、当該軸Ｙを通る面で切り取った場合の形態に基づいていてもよい。「平面視」とは、受け部材１７の軸Ｙ方向に沿って対象物を上側または下側から捉えた場合の形態に基づいており、平面図（上面図および下面図）を包含する。
【0017】
［摩擦撹拌点接合方法による金属部材の接合装置］
本発明の接合装置（摩擦撹拌点接合装置）について図面を用いて具体的に説明する。
図１は、本発明の摩擦撹拌点接合装置の一部の一例を模式的に示す図である。図１に示される摩擦撹拌点接合装置１は、第１金属部材１１と第２金属部材１２とを摩擦撹拌点接合する装置として構成されており、第１金属部材に対して押圧力を付与する押圧部材として、円柱状の回転ツール１６を具備している。
本発明の接合装置（摩擦撹拌点接合装置）について図面を用いて具体的に説明する。
図１は、本発明の摩擦撹拌点接合装置の一部の一例を模式的に示す図である。図１に示される摩擦撹拌点接合装置１は、第１金属部材１１と第２金属部材１２とを摩擦撹拌点接合する装置として構成されており、第１金属部材に対して押圧力を付与する押圧部材として、円柱状の回転ツール１６を具備している。
【0018】
回転ツール１６は、第１金属部材１１に押圧力を付与するとともに、自身の回転による第１金属部材１１との摩擦により熱を発生させる部材である。回転ツール１６は、詳しくは、図示したように、第１金属部材１１が上、第２金属部材１２が下になるように重ね合わされたワーク１０に対し、図外の駆動源により、矢印Ａ１のように該回転ツール１６の中心軸線Ｘ（図２Ａ参照）回りに回転しつつ、矢印Ａ２のように下方に向けて移動する。このとき、回転ツール１６は第１金属部材１１表面における押圧領域Ｐ（押圧予定領域）において圧力を付与する。この回転ツール１６の押圧により摩擦熱が発生し、この摩擦熱が第２金属部材１２に伝導して、第１金属部材１１および第２金属部材１２がそれらの界面で相互に塑性流動（または溶融および固化）する。その結果、第１金属部材と第２金属部材とが接合される。
【0019】
図２Ａは、回転ツール１６の一例の先端部の拡大図である。図２Ａにおいて、右半分は回転ツール１６の外観を示し、左半分は断面を示している。図２Ａに示すように、円柱状の回転ツール１６は、金属部材と接触する先端部（または先端側）（図２Ａでは下端部または下端側）にピン部１６ａ及び該ピン部を支持するショルダ部１６ｂを有している。ショルダ部１６ｂは、回転ツール１６の円形の先端面を含む回転ツール１６の先端の部分である。ピン部１６ａは、回転ツール１６の中心軸線Ｘ上において、回転ツール１６の円形の先端面から外方（図２Ａでは下方）に突設された、ショルダ部１６ｂよりも小径の円柱状の部分である。ピン部１６ａは、回転している回転ツール１６をワーク１０に最初に接触させて押圧するときに回転ツール１６を位置決めすることができる。回転ツール１６は、詳しくは、先端側（特に受け部材１７側の先端側）に、当該回転ツールの円形の先端面を含むショルダ部１６ｂ、および該回転ツールの円形の先端面から外方に突設された、ショルダ部よりも小径の円柱状のピン部１６を有している。
【0020】
回転ツール１６の素材及び各部の寸法は、主として、回転ツール１６が押圧する第１金属部材１１（または第１金属部材１１および第２金属部材１２）の金属の種類に応じて設定される。例えば、第１金属部材１１がアルミニウムまたはアルミニウム合金よりなる場合、回転ツール１６は工具鋼（例えばＳＫＤ６１等）で作製される。また、例えば、第１金属部材１１がスチールよりなる場合、回転ツール１６は窒化珪素やＰＣＢＮ（立方晶窒化ホウ素焼結体）等で作製される。これらの場合、ショルダ部１６ｂの直径Ｄ１は通常、５～２０ｍｍであり、接合強度のさらなる向上の観点から、好ましくは８～１５ｍｍ、より好ましくは８～１２ｍｍ（特に１０ｍｍ）に設定される。ピン部１６ａの直径Ｄ２は通常、ショルダ部１６ｂの直径Ｄ１に対して、０．２×Ｄ１（ｍｍ）以上０．８×Ｄ１（ｍｍ）以下であり、接合強度のさらなる向上の観点から、好ましくは０．４×Ｄ１（ｍｍ）以上０．６×Ｄ１（ｍｍ）以下に設定される。ピン部１６ａの突出長さｈは通常、第１金属部材１１の厚みＴ１および第２金属部材の厚みＴ２に対して、１．００×Ｔ１（ｍｍ）以上０．９５×（Ｔ１＋Ｔ２）（ｍｍ）以下であり、接合強度のさらなる向上の観点から、好ましくは１．１０×Ｔ１（ｍｍ）以上０．９５×（Ｔ１＋Ｔ２）（ｍｍ）以下、より好ましくは１．２０×Ｔ１（ｍｍ）以上０．９５×（Ｔ１＋Ｔ２）（ｍｍ）以下、さらに好ましくは１．３０×Ｔ１（ｍｍ）以上０．９５×（Ｔ１＋Ｔ２）（ｍｍ）以下である。
【0021】
図２Ｂに示す回転ツール１６’を用いてもよい。図２Ｂは、回転ツールの別の一例の先端部の拡大図である。図２Ｂにおいて、回転ツール１６’はショルダ部１６ｂがすり鉢状（円錐状）に窪んだ傾斜面１６ｃを有すること以外、図２Ａの回転ツール１６と同様である。図２Ｂにおいて、ショルダ部１６ｂの外周からピン部１６ａに近づくほど当該窪みの深さは深くなっている。これにより、回転ツール１６’のショルダ部１６ｂは、接合時において、外周部から第１金属部材と接触するようになるので、面方向（例えば水平面方向）での熱伝導が促進され、接合強度のさらなる向上を達成できる。傾斜面１６ｃの傾斜角θは通常、１５°以下であり、好ましくは１～１５°、より好ましくは５～１５°である。
【0022】
回転ツール１６の下方には、図１および図３Ａに示すように、回転ツール１６と同径又は回転ツール１６よりも大径の円柱状の受け部材１７が回転ツール１６と同軸に配置されている。例えば図３Ａに示すように、回転ツール１６の軸Ｘと受け部材１７の軸Ｙとが同一直線（例えば同一鉛直線）上に配置されるように、回転ツール１６および受け部材１７は設置されている。受け部材１７は、第２金属部材１２を直接的に支持する部材であり、上記ワーク１０に対し、図外の駆動源により、矢印Ａ３のように上方に移動される。受け部材１７は、遅くとも回転ツール１６がワーク１０（特に第１金属部材１１）の押圧を開始するまでに、上端面がワーク１０（特に第２金属部材１２）の下面に当接する。そして、受け部材１７は、回転ツール１６との間にワーク１０を挟んで、回転ツール１６による押圧期間中、つまり摩擦撹拌点接合中、上記押圧力に抗してワーク１０を下方から支持する。なお、受け部材１７は必ずしも矢印Ａ３方向へ移動させる必要はなく、受け部材１７にワーク１０を載せた後に回転ツール１６を矢印Ａ２の方向に移動させる方法を採用することもできる。図３Ａは、本発明の接合装置に使用される第１実施態様に係る押圧部材（特に回転ツール）および受け部材の概略断面図である。
【0023】
受け部材１７は、図３Ａに示すように、押圧部材（特に回転ツール）１６との対向面部１７１の外周において、凹部１７２を有している。受け部材１７における押圧部材１６との対向面部とは、受け部材１７における押圧部材１６との対向面１７０（上面）において、押圧部材１６と対向している部分（またはその領域）１７１のことである。詳しくは、当該対向面部１７１は、対向面１７０において、平面視により押圧部材１６と重なる部分（またはその領域）のことである。対向面１７０は、仮に凹部１７２が形成されなかった場合において、ワーク１０を支持する受け部材１７の上面（特に平面）のことである。
【0024】
受け部材１７は、このような対向面部１７１の外周部に、凹部を有している。詳しくは、受け部材１７は、図３Ａに示すように、平面視において、対向面部１７１の外周（特にその輪郭線）１７１１が凹部１７２領域の範囲内に配置されるように、凹部１７２を有している。このような受け部材１７の対向面１７０における凹部１７２の内側（または内周側）を特に内周部１７３と称するものとする。
【0025】
凹部１７２は、受け部材１７の対向面１７０において、平面視で環状（特に円環状）に形成されている（例えば図１参照）。このため、凹部１７２は「ドーナツ状溝」とも称され得る掘り込み溝の形態を有していてもよい。
【0026】
押圧部材１６と受け部材１７との相互の近接による第１金属部材１１と第２金属部材１２との接合時において、第２金属部材１２の一部は、図４Ａに示すように、凹部１７２に移動（または塑性流動）する。このため、接合により得られる接合体においては、図５Ａおよび図５Ｂに示すように、押込み痕２０近傍において、第２金属部材の第１金属部材側への移動（または塑性流動）が抑制される。その結果、第１金属部材の残厚Ｔｚを比較的大きく確保できるため、十分に大きな接合強度が得られるものと考えられる。押込み痕２０近傍における第２金属部材の第１金属部材側への移動（または塑性流動）は「巻き上げ」とも称される。「塑性流動」とは、一定限度をこえる応力（または圧力）を受けた材料（または物質）に生じる不可逆的変形（または不可逆的流動）のことである。図４Ａは、本発明の接合装置および接合方法における押込み撹拌工程および撹拌維持工程の一例を説明するための概略断面図である。図５Ａは本発明の接合装置および接合方法で得られた接合体の一例の概略断面図である。図５Ｂは、本発明の接合装置および接合方法において、図５Ａの接合時よりも、より大きな回転ツール進入量にて得られた接合体の一例の概略断面図である。
【0027】
受け部材１７が対向面部１７１（図３Ａ参照）の外周に凹部１７２を有さない場合、十分に大きな接合強度が得られない。詳しくは、受け部材が対向面部の外周に凹部を有さない場合、図６Ａに示すように、押込み痕５２０近傍において、第２金属部材５１２の第１金属部材５１１側への移動（または塑性流動）が起こり、第１金属部材５１１の残厚Ｔｚが減少するため、十分に大きな接合強度が得られない。そこで、押圧部材１６の進入量を低減すると、図６Ｂに示すように、第２金属部材５１２の第１金属部材５１１側への移動（または塑性流動）が抑制され、第１金属部材５１１の残厚Ｔｚの減少を抑制できるものの、略水平方向Ｑにおける第１金属部材と第２金属部材との接合が十分に行われないため、結果として十分に大きな接合強度が得られない。他方、押圧部材１６の進入量を増大すると、図６Ｃおよび図６Ｄに示すように、第２金属部材５１２の第１金属部材５１１側への移動（または塑性流動）がより一層起こり、第１金属部材５１１の残厚Ｔｚがより一層減少するため、十分に大きな接合強度が得られない。受け部材が対向面部に凹部を有していても、図９に示すように、凹部５１８が対向面部の外周ではなく、その内周側（または内周部もしくは中央部）に形成される場合、凹部５１８の存在により、第１金属部材５１１および第２金属部材５１２における回転ツール５１６の直下部分は全体として下がる。このため、第１金属部材５１１の残厚Ｔｚがやはり減少し、十分に大きな接合強度が得られない。
【0028】
断面視における凹部１７２の内周寸法（または内径寸法）Ｅ１（図３Ａ参照）は、ショルダ部１６ｂの直径Ｄ１（ｍｍ）およびピン部１６ａの直径Ｄ２（ｍｍ）（Ｄ２＜Ｄ１）に対して、Ｄ２（ｍｍ）以上Ｄ１（ｍｍ）以下（特にＤ２超Ｄ１未満）であり、接合強度のさらなる向上の観点から、好ましくは１．００×Ｄ２（ｍｍ）以上１．５０×Ｄ２（ｍｍ）以下、より好ましくは１．１０×Ｄ２（ｍｍ）以上１．４０×Ｄ２（ｍｍ）以下、さらに好ましくは１．１５×Ｄ２（ｍｍ）以上１．３５×Ｄ２（ｍｍ）以下である。
【0029】
断面視における凹部１７２の外周寸法（または外径寸法）Ｅ２は、ショルダ部１６ｂの直径Ｄ１（ｍｍ）に対して、Ｄ１（ｍｍ）超（例えば１．０５×Ｄ１（ｍｍ）以上２．００×Ｄ１（ｍｍ）以下）であり、接合強度のさらなる向上の観点から、好ましくは１．１０×Ｄ１（ｍｍ）以上１．４０×Ｄ１（ｍｍ）以下、より好ましくは１．１０×Ｄ１（ｍｍ）以上１．２０×Ｄ１（ｍｍ）以下、さらに好ましくは１．１０×Ｄ１（ｍｍ）以上１．１５×Ｄ１（ｍｍ）以下である。
【0030】
断面視における凹部１７２の幅寸法ｗは、第２金属部材１２の凹部１７２への移動（または塑性流動）が起こる限り特に限定されず、例えば、ショルダ部１６ｂの直径Ｄ１（ｍｍ）に対して、０．１０×Ｄ１（ｍｍ）以上（特に０．１０×Ｄ１（ｍｍ）以上２．００×Ｄ１（ｍｍ）以下）であってもよく、接合強度のさらなる向上の観点から、好ましくは０．２０×Ｄ１（ｍｍ）以上１．００×Ｄ１（ｍｍ）以下、より好ましくは０．３０×Ｄ１（ｍｍ）以上０．７０×Ｄ１（ｍｍ）以下、さらに好ましくは０．４０×Ｄ１（ｍｍ）以上０．６０×Ｄ１（ｍｍ）以下である。
【0031】
断面視における凹部１７２の深さ寸法ｋは、第２金属部材１２の凹部１７２への移動（または塑性流動）が起こる限り特に限定されず、例えば、第２金属部材の厚みＴ２に対して、０．１０×Ｔ２（ｍｍ）以上（特に０．１０×Ｔ２（ｍｍ）以上２．００×Ｔ２（ｍｍ）以下）であってもよく、接合強度のさらなる向上の観点から、好ましくは０．２０×Ｔ２（ｍｍ）以上１．００×Ｔ２（ｍｍ）以下、より好ましくは０．３０×Ｔ２（ｍｍ）以上０．７０×Ｔ２（ｍｍ）以下、さらに好ましくは０．４０×Ｔ２（ｍｍ）以上０．６０×Ｔ２（ｍｍ）以下である。
【0032】
断面視において、凹部１７２は、図３Ａに示すように略方形状を有しているが、これに限定されず、例えば、図３Ｂに示すように、断面視においてすり鉢状に傾斜した傾斜面１７２０を有していてもよい。凹部１７２は、接合強度のさらなる向上の観点から、断面視において、図３Ｂに示すようにすり鉢状に傾斜した傾斜面１７２０を有していることが好ましい。傾斜面１７２０の傾斜角αは通常、８０°以下であり、好ましくは１～４５°、より好ましくは１０～４５°であり、さらに好ましくは２０～４０°である。図３Ｂは、本発明の接合装置に使用される第２実施態様に係る受け部材の概略断面図である。図３Ｂに示される受け部材１７は、凹部１７２に傾斜面１７２０を有すること以外、図３Ａに示される受け部材と同様である。
【0033】
断面視における受け部材１７の外周寸法（または外径寸法）Ｅ３は、凹部１７２の外周寸法Ｅ２超である限り特に限定されない。断面視における受け部材１７の外周寸法Ｅ３は、具体的には、凹部１７２の外周寸法Ｅ２に対して、Ｅ２（ｍｍ）超（例えば１．０５×Ｅ２（ｍｍ）以上２．００×Ｅ２（ｍｍ）以下）であり、特に１．１０×Ｅ２（ｍｍ）以上１．４０×Ｅ２（ｍｍ）以下であってもよい。
【0034】
受け部材１７は、図３Ｃに示すように、平面視において凹部１７２の内周側に配置された内周部１７３に凸部１７３０を有してもよい。これにより、図４Ｂに示すように、比較的少ない進入量（ｄ１＋ｄ２）であっても、第２金属部材１２の第１金属部材側への移動（または塑性流動）を抑制できる。このため、第１金属部材１１の残厚Ｔｚを比較的大きく確保でき、結果として、良好なエネルギー効率で、十分に大きな接合強度が得られる。図３Ｃは、本発明の接合装置に使用される第３実施態様に係る受け部材の概略断面図である。図３Ｃに示される受け部材１７は、内周部１７３に凸部１７３０を有すること以外、図３Ａに示される受け部材と同様である。
【0035】
凸部１７３０は通常、円柱形状、三角柱形状もしくは四角柱形状等の柱形状、または円錐台形状、三角錐形状もしくは四角錐形状等の錐台形状を有している。凸部１７３０は、エネルギー効率および接合強度のさらなる向上の観点から、好ましくは円柱形状または円錐台形状を有し、より好ましくは円錐台形状を有する。
【0036】
凸部１７３０の幅寸法Ｅ４（断面視）は通常、凹部の内周寸法Ｅ１に対して、０．４０×Ｅ１（ｍｍ）以上１．００×Ｅ１（ｍｍ）以下であり、エネルギー効率および接合強度のさらなる向上の観点から、好ましくは０．６０×Ｅ１（ｍｍ）以上１．００×Ｅ１（ｍｍ）以下、より好ましくは０．７０×Ｅ１（ｍｍ）以上０．９０×Ｅ１（ｍｍ）以下、さらに好ましくは０．７５×Ｅ１（ｍｍ）以上０．９５×Ｅ１（ｍｍ）以下である。
【0037】
凸部１７３０の高さ寸法ｍ（断面視）は、第２金属部材の厚みＴ２に対して、０．１０×Ｔ２（ｍｍ）以上１．００×Ｔ２（ｍｍ）以下であり、エネルギー効率および接合強度のさらなる向上の観点から、好ましくは０．２０×Ｔ２（ｍｍ）以上０．９０×Ｔ２（ｍｍ）以下、より好ましくは０．３０×Ｔ２（ｍｍ）以上０．７０×Ｔ２（ｍｍ）以下、さらに好ましくは０．４０×Ｔ２（ｍｍ）以上０．６０×Ｔ２（ｍｍ）以下である。
【0038】
断面視において凸部１７３０が有する側面の傾斜角β（図３Ｃ参照）は通常、８０°以下（特に０℃以上８０℃以下）であり、エネルギー効率および接合強度のさらなる向上の観点から、好ましくは０～４５°、より好ましくは２０～４０°であり、さらに好ましくは２５～３５°である。
【0039】
受け部材１７は、エネルギー効率および接合強度のさらなる向上の観点から、図３Ｄに示すように、凹部１７２に傾斜面１７２０を有し、かつ内周部１７３に凸部１７３０を有することが好ましい。図３Ｄは、本発明の接合装置に使用される第４実施態様に係る受け部材の概略断面図である。図３Ｄに示される受け部材１７は、凹部１７２に傾斜面１７２０を有し、かつ内周部１７３に凸部１７３０を有すること以外、図３Ａに示される受け部材と同様である。
【0040】
受け部材１７は、凹部１７２の深さを可変設定可能に構成されていることが好ましい。例えば、図３Ａに示す受け部材１７は、図３Ｅに示すように、第１筒状部材１７ａ（特に第１円筒状部材）、当該第１筒状部材１７ａの内径に等しい外径を有する第２筒状部材１７ｂ（特に第２円筒状部材）、および当該第２筒状部材１７ｂの内径に等しい外径を有する第３中実部材（特に第３円柱状部材）から構成されている分割嵌合型受け部材１７’であることが好ましい。第１筒状部材１７ａ（特に第１円筒状部材）はその内周面で第２筒状部材１７ｂ（特に第２円筒状部材）（特にその外周面）と嵌合し、第２筒状部材１７ｂ（特に第２円筒状部材）はその内周面で第３中実部材（特に第３円柱状部材）（特にその外周面）と嵌合している。このような受け部材１７’を用いることにより、凹部１７２の深さ寸法を容易に変更することができるため、受け部材を頻繁に交換しなくても、第１金属部材および第２金属部材の様々な材質および寸法に対応することができる。図３Ｅは、本発明の接合装置に使用される第５実施態様に係る受け部材の概略断面図である。図３Ｅに示される受け部材１７’は、第１筒状部材１７ａ、第２筒状部材１７ｂおよび第３中実部材１７ｃに分割されて構成されていること以外、図３Ａに示される受け部材と同様である。
【0041】
摩擦撹拌点接合装置１は通常、押圧部材（特に回転ツール）１６および受け部材１７を相互に近接させるように駆動させる駆動制御装置（図示せず）を含む。駆動制御装置は、押圧部材（特に回転ツール）の駆動（特に押圧駆動および／または回転駆動、好ましくは押圧駆動および回転駆動）ならびに受け部材１７の駆動（特に上下移動のための上下駆動）を制御する。
【0042】
受け部材１７が内周部１７３に凸部を有さない場合、駆動制御装置は、押圧部材（特に回転ツール）１６の進入量ｄ１を制御することができる。この場合、押圧部材（特に回転ツール）１６の進入量ｄ１（ｍｍ）は、第２金属部材１２の凹部１７２への移動（または塑性流動）が起こる限り特に限定されず、通常は、第１金属部材の厚みＴ１に対して、０．８０×Ｔ１（ｍｍ）以上１．９０×Ｔ１（ｍｍ）以下（特に１．１０×Ｔ１（ｍｍ）以上１．９０×Ｔ１（ｍｍ）以下）であり、接合強度のさらなる向上の観点から、好ましくは１．３０×Ｔ１（ｍｍ）以上１．９０×Ｔ１（ｍｍ）以下、より好ましくは１．４０×Ｔ１（ｍｍ）以上１．８５×Ｔ１（ｍｍ）以下、さらに好ましくは１．５０×Ｔ１（ｍｍ）以上１．８０×Ｔ１（ｍｍ）以下である。なお、この場合、駆動制御装置は、回転ツールが接合体を貫通することがないように、ｄ１＜Ｔ１＋Ｔ２（特にｄ１＜Ｔ１＋Ｔ２－０．５）を満たすように制御する。
【0043】
受け部材１７が内周部１７３に凸部を有する場合、駆動制御装置は、押圧部材（特に回転ツール）１６の進入量ｄ１および受け部材１７（特に凸部１７３０）の進入量ｄ２の合計進入量を制御することができる。この場合、押圧部材（特に回転ツール）１６の進入量ｄ１および受け部材１７（特に凸部１７３０）の進入量ｄ２の合計進入量（ｍｍ）は、第２金属部材１２の凹部１７２への移動（または塑性流動）が起こる限り特に限定されず、通常は、第１金属部材の厚みＴ１に対して、０．８０×Ｔ１（ｍｍ）以上１．９０×Ｔ１（ｍｍ）以下（特に１．１０×Ｔ１（ｍｍ）以上１．９０×Ｔ１（ｍｍ）以下）であり、接合強度のさらなる向上の観点から、好ましくは１．１０×Ｔ１（ｍｍ）以上１．７０×Ｔ１（ｍｍ）以下、より好ましくは１．２０×Ｔ１（ｍｍ）以上１．５０×Ｔ１（ｍｍ）以下であり、さらに好ましくは１．３０×Ｔ１（ｍｍ）以上１．５０×Ｔ１（ｍｍ）以下である。なお、この場合、駆動制御装置は、回転ツールが接合体を貫通することがないように、ｄ１＋ｄ２＜Ｔ１＋Ｔ２（特にｄ１＋ｄ２＜Ｔ１＋Ｔ２－０．５）を満たすように制御する。
【0044】
駆動制御装置は、後で詳述するように、回転ツールの金属部材への加圧力および加圧時間および回転数を制御する圧力制御方式を採用してもよいし、または回転ツールの座標位置、特定位置での保持時間および回転数を制御する位置制御方式を採用してもよい。
【0045】
なお、図１には図示を省略したが、摩擦撹拌点接合装置１は、予めワーク１０を固定し、また回転ツール１６を押圧したときの金属部材１１の浮き上がりを防止するためのスペーサやクランプ等の治具を備えていてもよい。
【0046】
第１金属部材１１および第２金属部材１２の各々は、図１等において、全体形状として略平板形状を有しているが、これに限定されるものではない。第１金属部材１１および第２金属部材１２の各々は少なくとも相互に重ね合わせる部分が略平板形状を有する限り、いかなる形状を有していてもよい。第１金属部材１１および第２金属部材１２の各々において相互に重ね合わせる部分は両面ともに通常、平面から構成されている。
【0047】
第１金属部材１１および第２金属部材１２の各々を構成する金属としては、特に限定されず、あらゆる金属が使用可能である。中でも、自動車の分野で使用されている以下の金属および合金が好ましく使用される：
アルミニウム；
５０００系、６０００系などのアルミニウム合金；
スチール；
マグネシウムおよびその合金；
チタンおよびその合金。
アルミニウム；
５０００系、６０００系などのアルミニウム合金；
スチール；
マグネシウムおよびその合金；
チタンおよびその合金。
【0048】
第１金属部材１１および第２金属部材１２の各々を構成する金属はそれぞれ独立して、接合強度のさらなる向上の観点から、好ましくはアルミニウムまたはアルミニウム合金であり、より好ましくはアルミニウム合金である。
【0049】
第１金属部材１１の厚みＴ１（図４Ａ参照）は通常、１ｍｍ以上であり、接合強度のさらなる向上の観点から、好ましくは１．５ｍｍ以上（特に１．５～１０ｍｍ）であり、より好ましくは１．８～５ｍｍ、さらに好ましくは１．８～３ｍｍ、最も好ましくは１．９～２．５ｍｍである。第１金属部材１１の上記厚みＴ１は、第１金属部材１１において第２金属部材１２と重ね合わせる略平板形状部分の厚み（接合処理前の厚み）であってもよい。
【0050】
第２金属部材１２の厚みＴ２（図４Ａ参照）は通常、第１金属部材の厚みＴ１に対して、０．５０×Ｔ１（ｍｍ）以上（特に０．９０×Ｔ１（ｍｍ）以上５．００×Ｔ１（ｍｍ）以下）であり、１．００×Ｔ１（ｍｍ）以上２．００×Ｔ１（ｍｍ）以下であってもよい。第２金属部材１２の上記厚みＴ２は、第２金属部材１２において第１金属部材１１と重ね合わせる略平板形状部分の厚みＴ２（接合処理前の厚み）であってもよい。
【0051】
［摩擦撹拌点接合方法による金属部材の接合方法および接合体］
本発明の金属部材の接合方法は、上記した本発明の金属部材の接合装置を用いる。詳しくは、熱圧式接合方法において、例えば図４Ａおよび図４Ｂに示すように、押圧部材１６（１６’）と受け部材１７との間で、第１金属部材１１および第２金属部材１２を重ね合わせ、押圧部材１６（１６’）による第１金属部材側からの押圧により第２金属部材１２に圧力を付与するとともに、熱を付与して第１金属部材１１および第２金属部材１２をそれらの界面で相互に塑性流動（または溶融および固化）させて接合を行う。このとき、受け部材１７は、押圧部材１６（１６’）との対向面部の外周において凹部１７２を有するため、押圧部材１６（１６’）および受け部材１７を相互に近接させると、凹部１７２に第２金属部材１２の一部が塑性流動する。
本発明の金属部材の接合方法は、上記した本発明の金属部材の接合装置を用いる。詳しくは、熱圧式接合方法において、例えば図４Ａおよび図４Ｂに示すように、押圧部材１６（１６’）と受け部材１７との間で、第１金属部材１１および第２金属部材１２を重ね合わせ、押圧部材１６（１６’）による第１金属部材側からの押圧により第２金属部材１２に圧力を付与するとともに、熱を付与して第１金属部材１１および第２金属部材１２をそれらの界面で相互に塑性流動（または溶融および固化）させて接合を行う。このとき、受け部材１７は、押圧部材１６（１６’）との対向面部の外周において凹部１７２を有するため、押圧部材１６（１６’）および受け部材１７を相互に近接させると、凹部１７２に第２金属部材１２の一部が塑性流動する。
【0052】
本発明の接合方法により接合された接合体は、図５Ａおよび図５Ｂに示すように、第１金属部材１１と第２金属部材１２とが、それらの重なり部分において第１金属部材側からの押込み痕２０を有しながら、当該押込み痕２０の周囲におけるそれらの界面で接合されている。押込み痕２０とは、押圧部材（特に回転ツール）１６による押込み痕であり、第１金属部材１１表面から第１金属部材を貫通して、第２金属部材１２に達している押込み窪みのことである。接合は、押込み痕２０の周囲における第１金属部材１１と第２金属部材１２との界面で達成されており、詳しくは第１金属部材１１および第２金属部材１２がそれらの界面で相互に塑性流動（または溶融および固化）することにより達成されている。このような接合体は、第２金属部材１２における第１金属部材１１側とは反対側の表面に第２金属部材１２の塑性流動による盛り上がり部１２１を有している。盛り上がり部１２１が形成されることにより、押込み痕２０近傍における第２金属部材の第１金属部材側への移動（または塑性流動）が抑制される。その結果、第１金属部材の残厚Ｔｚを比較的大きく確保できるため、十分に大きな接合強度が得られるものと考えられる。
【0053】
接合体における第１金属部材の残厚Ｔｚ（断面視）は通常、第１金属部材の厚みをＴ１（ｍｍ）としたとき、０．５０×Ｔ１（ｍｍ）以上１．２５×Ｔ１（ｍｍ）以下（特に０．５０×Ｔ１（ｍｍ）以上０．９０×Ｔ１（ｍｍ）以下）であり、接合強度のさらなる向上の観点から、好ましくは０．６０×Ｔ１（ｍｍ）以上０．９０×Ｔ１（ｍｍ）、より好ましくは０．６５×Ｔ１（ｍｍ）以上０．８５×Ｔ１（ｍｍ）である。
【0054】
第１金属部材１１の残厚Ｔｚは、接合体の断面視における押込み痕２０近傍の第１金属部材１１の厚みのことである。本発明における第１金属部材１１の残厚Ｔｚは、断面視において盛り上がり部１２１の最大高さを規定する頂点Ｍ（図５Ａおよび図５Ｂ参照）を通る厚み方向（すなわち押圧部材１６の軸Ｘ方向または受け部材１７の軸方向Ｙ）での第１金属部材１１の厚みを用いている。本発明における第１金属部材１１の残厚Ｔｚは、任意の１０枚の断面視における第１金属部材１１の厚みの平均値を用いている。第１金属部材１１および第２金属部材１２における押込み痕２０近傍では相互の塑性流動（または溶融および固化）が起こっているが、それらの界面（または境界）は観察することができる。
【0055】
盛り上がり部１２１は、後述する接合方法において、押圧部材（特に回転ツール）１６および受け部材１７が相互に近接することで、第２金属部材の一部が受け部材１７の凹部１７２内に塑性流動することにより形成される。よって、盛り上がり部１２１は受け部材１７の凹部１７２に対応する位置に配置されている。接合体における押込み痕２０より押圧部材（特に回転ツール）１６の寸法Ｄ１およびＤ２を特定することができ、また押込み痕２０の間隔および寸法から受け部材１７の寸法Ｅ１、Ｅ２およびｗを特定することができる。このため、盛り上がり部１２１の配置は、受け部材１７の凹部１７２の配置と同様の規定により表すことができる。
【0056】
盛り上がり部１２１の高さｎは通常、第２金属部材１２の厚みをＴ２（ｍｍ）としたとき、０．１０×Ｔ２（ｍｍ）以上０．９０×Ｔ２（ｍｍ）以下であり、接合強度のさらなる向上の観点から、好ましくは０．２０×Ｔ２（ｍｍ）以上０．８０×Ｔ２（ｍｍ）以下であり、より好ましくは０．４０×Ｔ２（ｍｍ）以上０．６０×Ｔ２（ｍｍ）以下である。
【0057】
本発明に係る摩擦撹拌点接合方法による金属部材の接合方法は少なくとも以下のステップ：
第１金属部材１１と第２金属部材１２とを重ね合わせる第１ステップ；および
回転ツール１６を回転させつつ、第１金属部材１１に押圧して摩擦熱を発生させ、この摩擦熱により第１金属部材１１および第２金属部材１２をそれらの界面で相互に塑性流動（または溶融および固化）させて第１金属部材１１と第２金属部材１２とを接合する第２ステップ：
を含むものである。
第１金属部材１１と第２金属部材１２とを重ね合わせる第１ステップ；および
回転ツール１６を回転させつつ、第１金属部材１１に押圧して摩擦熱を発生させ、この摩擦熱により第１金属部材１１および第２金属部材１２をそれらの界面で相互に塑性流動（または溶融および固化）させて第１金属部材１１と第２金属部材１２とを接合する第２ステップ：
を含むものである。
【0058】
第１ステップにおいては、図１に示すように、第１金属部材１１と第２金属部材１２とを所望の接合部位で重ね合わせる。
【0059】
第２ステップにおいては、第１金属部材１１および第２金属部材１２が回転ツール近傍においてそれらの界面で相互に塑性流動（または溶融）するように、回転ツールの駆動を制御する。第２ステップにおいては、上記したように、回転ツールの加圧力、加圧時間および回転数を制御する圧力制御方式、または回転ツールの座標位置、特定位置での保持時間および回転数を制御する位置制御方式を採用する。以下、圧力制御方式を採用する第２ステップを第１実施態様として説明し、位置制御方式を採用する第２ステップを第２実施態様として説明する。
【0060】
＜第１実施態様：圧力制御方式＞
本実施態様の第２ステップにおいては、回転ツール１６を第１金属部材１１側から押し込んで、第１金属部材１１と第２金属部材１２との境界面に達する深さまで進入させる押込み撹拌工程Ｃ２を少なくとも行うことが好ましい。
本実施態様の第２ステップにおいては、回転ツール１６を第１金属部材１１側から押し込んで、第１金属部材１１と第２金属部材１２との境界面に達する深さまで進入させる押込み撹拌工程Ｃ２を少なくとも行うことが好ましい。
【0061】
本実施態様の第２ステップにおいては、前記押込み撹拌工程の前に、回転ツール１６の先端部を第１金属部材１１の表面部に接触させた状態で上記回転ツール１６を回転させる予熱工程Ｃ１を行うことが好ましいが、必ずしも行わなければならないというわけではない。
【0062】
前記押込撹拌工程の後に、回転ツール１６を前記押込み撹拌工程で進入させた位置で、回転ツール１６の回転動作を継続させる撹拌維持工程Ｃ３を行うことが好ましいが、当該工程も必ずしも行わなければならないというわけではない。
【0063】
以下、本実施態様におけるこれらの工程について詳しく説明する。
【0064】
（予熱工程Ｃ１）
予熱工程Ｃ１は、回転ツール１６と受け部材１７とを相互に近接させることにより、回転ツール１６の先端部（または「ピン部１６ａ」もしくは「ピン部１６ａおよびショルダ部１６ｂ」）を第１金属部材１１の表面に接触させた状態で回転ツール１６を回転させる工程である。予熱工程Ｃ１では、回転ツール１６を、第１の加圧力で、第１の加圧時間だけ、所定回転数で回転させる。
予熱工程Ｃ１は、回転ツール１６と受け部材１７とを相互に近接させることにより、回転ツール１６の先端部（または「ピン部１６ａ」もしくは「ピン部１６ａおよびショルダ部１６ｂ」）を第１金属部材１１の表面に接触させた状態で回転ツール１６を回転させる工程である。予熱工程Ｃ１では、回転ツール１６を、第１の加圧力で、第１の加圧時間だけ、所定回転数で回転させる。
【0065】
具体的には、予熱工程Ｃ１では、回転ツール１６の押圧により第１金属部材１１の表面部で摩擦熱が発生する。摩擦熱は第１金属部材１１の内部に伝わり、第１金属部材１１の押圧領域Ｐ（回転ツール１６による押圧領域）の範囲及び押圧領域Ｐの近傍の範囲が予熱される。これにより、次の押込み撹拌工程Ｃ２で、回転ツール１６を金属部材１１に押込み易くなる。
【0066】
予熱工程Ｃ１の第１の加圧力及び第１の加圧時間は、回転ツール１６の押込み易さの観点及び第２金属部材１２の塑性流動のし易さの他、生産性の観点から設定され、その値は、例えば回転ツール１６の回転数、第１金属部材１１および第２金属部材１２の厚みおよび素材の種類等に依存して変化する。例えば、１．５ｍｍ以上３ｍｍ以下の厚みを有し、かつアルミニウム合金から構成される第１金属部材１１および第２金属部材１２を使用する場合、予熱工程Ｃ１における第１の加圧力は、６００Ｎ以上１３００Ｎ未満が好ましい。第１の加圧時間は、０．５秒以上２．０秒以下が好ましい。回転ツールの回転数は２０００ｒｐｍ以上４０００ｒｐｍ以下が好ましい。
【0067】
本工程における入熱量は、第１の加圧力の大きさ、第１の加圧時間の長さ、および回転ツールの回転数の大きさによって決まる。
【0068】
（押込み撹拌工程Ｃ２）
押込み撹拌工程Ｃ２では、回転ツール１６と受け部材１７とを相互に近接させることにより、図４Ａおよび図４Ｂに示すように、回転ツール１６を第１金属部材１１および第２金属部材１２に押し込む。押込み撹拌工程Ｃ２を予熱工程Ｃ１に次いで行う場合には、回転ツール１６と受け部材１７とをさらに相互に近接させることにより、図４Ａおよび図４Ｂに示すように、回転ツール１６を第１金属部材１１および第２金属部材１２に押し込む。これにより、回転ツール１６を第１金属部材１１と第２金属部材１２との境界面に達する深さまで進入させる。このとき、詳しくは、回転ツール１６（特にピン部）を、図４Ａおよび図４Ｂに示すように、第１金属部材１１と第２金属部材１２との境界面に達する深さであって、第２金属部材１２の底面まで達しない深さまで進入させることが好ましい。これにより、受け部材１７の凹部１７２への第２金属部材１２の塑性流動を促進させることができる。
押込み撹拌工程Ｃ２では、回転ツール１６と受け部材１７とを相互に近接させることにより、図４Ａおよび図４Ｂに示すように、回転ツール１６を第１金属部材１１および第２金属部材１２に押し込む。押込み撹拌工程Ｃ２を予熱工程Ｃ１に次いで行う場合には、回転ツール１６と受け部材１７とをさらに相互に近接させることにより、図４Ａおよび図４Ｂに示すように、回転ツール１６を第１金属部材１１および第２金属部材１２に押し込む。これにより、回転ツール１６を第１金属部材１１と第２金属部材１２との境界面に達する深さまで進入させる。このとき、詳しくは、回転ツール１６（特にピン部）を、図４Ａおよび図４Ｂに示すように、第１金属部材１１と第２金属部材１２との境界面に達する深さであって、第２金属部材１２の底面まで達しない深さまで進入させることが好ましい。これにより、受け部材１７の凹部１７２への第２金属部材１２の塑性流動を促進させることができる。
【0069】
回転ツール（特にそのピン部）の押込みは、駆動制御装置により行われる。第２金属部材１２との境界面に達する深さであって、第２金属部材１２の底面まで達しない深さとは、以下の進入量のことである；
・受け部材１７が内周部１７３に凸部を有さない場合における、上記した押圧部材（特に回転ツール）１６の進入量（ｄ１）；および
・受け部材１７が内周部１７３に凸部を有する場合における、上記した押圧部材（特に回転ツール）１６の進入量ｄ１および受け部材１７（特に凸部１７３０）の進入量ｄ２の合計進入量（ｄ１＋ｄ２）。
・受け部材１７が内周部１７３に凸部を有さない場合における、上記した押圧部材（特に回転ツール）１６の進入量（ｄ１）；および
・受け部材１７が内周部１７３に凸部を有する場合における、上記した押圧部材（特に回転ツール）１６の進入量ｄ１および受け部材１７（特に凸部１７３０）の進入量ｄ２の合計進入量（ｄ１＋ｄ２）。
【0070】
押込み撹拌工程Ｃ２では、回転ツール１６を、第１の加圧力より大きい第２の加圧力で、第１の加圧時間より短い第２の加圧時間だけ、所定回転数で回転させる。
【0071】
押込み撹拌工程Ｃ２では、加圧力が予熱工程Ｃ１よりも大きくなることにより、回転ツール１６が第１金属部材１１および第２金属部材１２に押し込まれる。すなわち、回転ツール１６が第１金属部材１１の内部に深く進入し、第２金属部材１２に達する。好ましくは、この回転ツール１６の押込みにより、受け部材１７の凹部１７２への第２金属部材１２の塑性流動を促進させる。回転ツール１６の押込みは、回転ツール１６が第１金属部材１１および第２金属部材１２を貫通することがないように行う。回転ツール１６が第１金属部材１１および第２金属部材１２を貫通すると、接合体は回転ツール１６が通過した孔が開いた孔開き状態となり、接合不良が起きる。
【0072】
押込み撹拌工程Ｃ２の第２の加圧力及び第２の加圧時間は、上記のような接合体の孔開き回避の観点及び回転ツール１６をできるだけ第２金属部材１２の底面に近接させる観点から設定され、その値は、例えば回転ツール１６の回転数、第１金属部材１１および第２金属部材１２の厚みおよび素材の種類等に依存して変化する。例えば、１．５ｍｍ以上３ｍｍ以下の厚みを有し、かつアルミニウム合金から構成される第１金属部材１１および第２金属部材１２を使用する場合、押込み撹拌工程Ｃ２における第２の加圧力は、１３００Ｎ以上２２００Ｎ未満が好ましい。第２の加圧時間は、０．５秒以上１０．０秒以下が好ましい。回転ツールの回転数は２０００ｒｐｍ以上４０００ｒｐｍ以下が好ましい。
【0073】
本工程における入熱量は、第２の加圧力の大きさ、第２の加圧時間の長さ、および回転ツールの回転数の大きさによって決まる。
【0074】
（撹拌維持工程Ｃ３）
撹拌維持工程Ｃ３は、回転ツール１６と受け部材１７との相互近接を停止することにより、同じく図４Ａおよび図４Ｂに示すように、上記した深さまで進入させた位置（これを「基準位置」という）で回転ツール１６の回転動作を継続させる工程である。撹拌維持工程Ｃ３では、回転ツール１６を、第１の加圧力より小さい第３の加圧力で、第１の加圧時間より長い第３の加圧時間だけ、所定回転数で回転させる。
撹拌維持工程Ｃ３は、回転ツール１６と受け部材１７との相互近接を停止することにより、同じく図４Ａおよび図４Ｂに示すように、上記した深さまで進入させた位置（これを「基準位置」という）で回転ツール１６の回転動作を継続させる工程である。撹拌維持工程Ｃ３では、回転ツール１６を、第１の加圧力より小さい第３の加圧力で、第１の加圧時間より長い第３の加圧時間だけ、所定回転数で回転させる。
【0075】
撹拌維持工程Ｃ３では、加圧力が予熱工程Ｃ１よりも小さくなることにより（もちろん押込み撹拌工程Ｃ２よりも小さくなることにより）、回転ツール１６が上記基準位置にほぼ維持される。この基準位置で回転ツール１６の回転動作が継続されるため、多量の摩擦熱が発生し、発生した摩擦熱の大部分が第２金属部材１２に移動する。そのため、第２金属部材１２の凹部１７２への塑性流動がより一層促進される。
【0076】
撹拌維持工程Ｃ３の第３の加圧力及び第３の加圧時間は、より一層促進される第２金属部材１２の凹部１７２への塑性流動および生産性の観点から設定され、その値は、例えば回転ツール１６の回転数、第１金属部材１１および第２金属部材１２の厚みおよび素材の種類等に依存して変化する。例えば、１．５ｍｍ以上３ｍｍ以下の厚みを有し、かつアルミニウム合金から構成される第１金属部材１１および第２金属部材１２を使用する場合、撹拌維持工程Ｃ３における第３の加圧力は、１００Ｎ以上１２００Ｎ未満が好ましい。第３の加圧時間は、１．０秒以上１０．０秒以下が好ましい。回転ツールの回転数は２０００ｒｐｍ以上４０００ｒｐｍ以下が好ましい。
【0077】
本工程における入熱量は、第３の加圧力の大きさ、第３の加圧時間の長さ、および回転ツールの回転数の大きさによって決まる。
【0078】
本実施態様において撹拌維持工程Ｃ３を行った後は、通常、押圧部材１６を接合体から離間させ、放置冷却する。外部から強制的に冷却してもよい。
【0079】
＜第２実施態様：位置制御方式＞
本実施態様の第２ステップにおいても、回転ツール１６を第１金属部材１１および第２金属部材１２に押し込んで、第１金属部材１１と第２金属部材１２との境界面に達する深さまで進入させる押込み撹拌工程Ｃ２を少なくとも行うことが好ましい。
本実施態様の第２ステップにおいても、回転ツール１６を第１金属部材１１および第２金属部材１２に押し込んで、第１金属部材１１と第２金属部材１２との境界面に達する深さまで進入させる押込み撹拌工程Ｃ２を少なくとも行うことが好ましい。
【0080】
本実施態様の第２ステップにおいては、前記押込み撹拌工程の前に、回転ツール１６の先端部のみを金属部材１１の表面部に接触させた状態で上記回転ツール１６を回転させる予熱工程Ｃ１を行ってもよいが、位置制御方式を採用するため、行わなくてもよい。
【0081】
前記押込撹拌工程の後に、回転ツール１６を前記押込み撹拌工程で進入させた位置で、回転ツール１６の回転動作を継続させる撹拌維持工程Ｃ３を行うことが好ましいが、当該工程も必ずしも行わなければならないというわけではない。
【0082】
以下、本実施態様におけるこれらの工程について詳しく説明する。
【0083】
（押込み撹拌工程Ｃ２）
本実施態様の押込み撹拌工程Ｃ２は、位置制御方式を採用すること以外、第１実施態様の押込み撹拌工程Ｃ２と同様である。詳しくは、本実施態様の押込み撹拌工程Ｃ２では、図４Ａおよび図４Ｂに示すように、回転ツール１６を、所定回転数で回転させつつ、所定の深さまで進入させる。押込み撹拌工程Ｃ２では、回転ツール１６を所定の深さまで進入させることにより、第２金属部材１２の一部を受け部材１７の凹部１７２に塑性流動させる。
本実施態様の押込み撹拌工程Ｃ２は、位置制御方式を採用すること以外、第１実施態様の押込み撹拌工程Ｃ２と同様である。詳しくは、本実施態様の押込み撹拌工程Ｃ２では、図４Ａおよび図４Ｂに示すように、回転ツール１６を、所定回転数で回転させつつ、所定の深さまで進入させる。押込み撹拌工程Ｃ２では、回転ツール１６を所定の深さまで進入させることにより、第２金属部材１２の一部を受け部材１７の凹部１７２に塑性流動させる。
【0084】
所定の深さとは、圧力制御方式の押込み撹拌工程Ｃ２における「第１金属部材１１と第２金属部材１２との境界面に達する深さ」と同様の深さであり、好ましくは「第１金属部材１１と第２金属部材１２との境界面に達する深さであって、第２金属部材１２の底面まで達しない深さ」と同様の深さである。
【0085】
本実施態様においても、回転ツール１６の押込みは、回転ツール１６が第１金属部材１１および第２金属部材１２を貫通することがないように行う。回転ツール１６が第１金属部材１１および第２金属部材１２を貫通すると、接合体は回転ツール１６が通過した孔が開いた孔開き状態となり、接合不良が起きる。
【0086】
回転ツール１６が所定の深さまで進入した時点で、回転ツール１６の押込み移動を停止する。
【0087】
回転ツールの回転数は２０００ｒｐｍ以上４０００ｒｐｍ以下が好ましい。
【0088】
本工程における入熱量は、回転ツールの進入時間および回転ツールの回転数によって決まり、当該回転ツールの進入時間は回転ツールの進入量及び進入速度で決まる。
【0089】
本工程において回転ツールの進入速度は特に限定されず、例えば、１０～１００ｍｍ／分、特に２０～５０ｍｍ／分が好ましい。
【0090】
（撹拌維持工程Ｃ３）
本実施態様の撹拌維持工程Ｃ３は、位置制御方式を採用するため第１金属部材１１および第２金属部材１２に対して圧力を付与しないこと以外、第１実施態様の撹拌維持工程Ｃ３と同様である。回転ツール１６により第１金属部材１１および第２金属部材１２に対して圧力を付与することなく、図４Ａおよび図４Ｂに示すように、回転ツール１６を前記押込み撹拌工程Ｃ２で進入させた位置で回転ツール１６の回転動作を継続させる。これにより、多量の摩擦熱が発生し、発生した摩擦熱の大部分が第２金属部材１２に移動する。そのため、第２金属部材１２の凹部１７２への塑性流動がより一層促進される。
本実施態様の撹拌維持工程Ｃ３は、位置制御方式を採用するため第１金属部材１１および第２金属部材１２に対して圧力を付与しないこと以外、第１実施態様の撹拌維持工程Ｃ３と同様である。回転ツール１６により第１金属部材１１および第２金属部材１２に対して圧力を付与することなく、図４Ａおよび図４Ｂに示すように、回転ツール１６を前記押込み撹拌工程Ｃ２で進入させた位置で回転ツール１６の回転動作を継続させる。これにより、多量の摩擦熱が発生し、発生した摩擦熱の大部分が第２金属部材１２に移動する。そのため、第２金属部材１２の凹部１７２への塑性流動がより一層促進される。
【0091】
撹拌維持工程Ｃ３では、回転ツール１６を上記所定の位置で所定の時間だけ保持しつつ、所定回転数で回転させる。
【0092】
撹拌維持工程Ｃ３の保持時間は、より一層促進される第２金属部材１２の凹部１７２への塑性流動および生産性の観点から設定され、その値は、例えば回転ツール１６の回転数、第１金属部材１１および第２金属部材１２の厚みおよび素材の種類等に依存して変化する。例えば、１．５ｍｍ以上３ｍｍ以下の厚みを有し、かつアルミニウム合金から構成される第１金属部材１１および第２金属部材１２を使用する場合、撹拌維持工程Ｃ３における保持時間は、０秒以上１０．０秒未満が好ましい。回転ツールの回転数は２０００ｒｐｍ以上４０００ｒｐｍ以下が好ましい。保持時間が０秒であることは、本実施態様において撹拌維持工程Ｃ３は行わなくてもよいことを意味する。上記押込み撹拌工程Ｃ２における回転ツールの進入時間だけでも、入熱量を調整できるためである。特に、上記押込み撹拌工程Ｃ２において回転ツールの進入量、進入速度および回転数が上記範囲内であるとき、本撹拌維持工程Ｃ３における保持時間は通常、０秒以上５．０秒未満である。
【0093】
本工程における入熱量は、保持時間の長さ、および回転ツールの回転数の大きさによって決まる。
特に、上記保持時間は上記範囲内で長いほど、第２金属部材１２の塑性流動はより一層促進される。
特に、上記保持時間は上記範囲内で長いほど、第２金属部材１２の塑性流動はより一層促進される。
【0094】
本実施態様においても撹拌維持工程Ｃ３を行った後は、通常、押圧部材１６を接合体から離間させ、放置冷却する。外部から強制的に冷却してもよい。
【実施例0095】
［金属部材］
第１金属部材および第２金属部材として、６０００系のアルミニウム合金製の平板状部材（縦１００ｍｍ×横３０ｍｍ×厚さ２．０ｍｍ（＝Ｔ１＝Ｔ２））を用いた。
第１金属部材および第２金属部材として、６０００系のアルミニウム合金製の平板状部材（縦１００ｍｍ×横３０ｍｍ×厚さ２．０ｍｍ（＝Ｔ１＝Ｔ２））を用いた。
【0096】
［回転ツール］
図２Ｂに示す回転ツール１６’（Ｄ１＝１０ｍｍ、Ｄ２＝５ｍｍ（＝０．５×Ｄ１）、ｈ＝２．８ｍｍ（＝１．４０×Ｔ１）、θ＝１４°；工具鋼製）を用いた。
図２Ｂに示す回転ツール１６’（Ｄ１＝１０ｍｍ、Ｄ２＝５ｍｍ（＝０．５×Ｄ１）、ｈ＝２．８ｍｍ（＝１．４０×Ｔ１）、θ＝１４°；工具鋼製）を用いた。
【0097】
［受け部材］
以下の３種類の受け部材を用いた。
（１）図３Ｂに示す受け部材１７（Ｅ１＝６．３ｍｍ、Ｅ２＝１１．３ｍｍ、Ｅ３＝１６．０ｍｍ、ｗ＝２．５ｍｍ、ｋ＝１．０ｍｍ、α＝３０°；工具鋼製）を用いた。
（２）図３Ｄに示す受け部材１７（Ｅ１＝６．３ｍｍ、Ｅ２＝１１．３ｍｍ、Ｅ３＝１６．０ｍｍ、Ｅ４＝５．０ｍｍ（＝０．７９×Ｅ１）、ｗ＝２．５ｍｍ、ｋ＝ｍ＝１．０ｍｍ（＝０．５０×Ｔ２）、α＝β＝３０°；工具鋼製）を用いた。
（３）凹部１７２を有さないこと以外、図３Ａに示す受け部材１７と同様の受け部材を用いた。当該受け部材における回転ツール側の面（上面）は平面であった。以下、このような受け部材を「平面受け部材」という。
以下の３種類の受け部材を用いた。
（１）図３Ｂに示す受け部材１７（Ｅ１＝６．３ｍｍ、Ｅ２＝１１．３ｍｍ、Ｅ３＝１６．０ｍｍ、ｗ＝２．５ｍｍ、ｋ＝１．０ｍｍ、α＝３０°；工具鋼製）を用いた。
（２）図３Ｄに示す受け部材１７（Ｅ１＝６．３ｍｍ、Ｅ２＝１１．３ｍｍ、Ｅ３＝１６．０ｍｍ、Ｅ４＝５．０ｍｍ（＝０．７９×Ｅ１）、ｗ＝２．５ｍｍ、ｋ＝ｍ＝１．０ｍｍ（＝０．５０×Ｔ２）、α＝β＝３０°；工具鋼製）を用いた。
（３）凹部１７２を有さないこと以外、図３Ａに示す受け部材１７と同様の受け部材を用いた。当該受け部材における回転ツール側の面（上面）は平面であった。以下、このような受け部材を「平面受け部材」という。
【0098】
［実施例Ａ１］（位置制御方式）
図２Ｂに示す回転ツール１６’および図３Ｂに示す受け部材１７を用いて、以下の方法により、第１金属部材１１と第２金属部材１２との接合体を製造した。
第１ステップ：
第１金属部材１１の端部と第２金属部材１２の端部とを図１に示すように重ね合わせた。
図２Ｂに示す回転ツール１６’および図３Ｂに示す受け部材１７を用いて、以下の方法により、第１金属部材１１と第２金属部材１２との接合体を製造した。
第１ステップ：
第１金属部材１１の端部と第２金属部材１２の端部とを図１に示すように重ね合わせた。
【0099】
第２ステップ：
まず、図４Ａに示すように、回転ツール１６’の進入量（ｄ１）が３．１５ｍｍ（ｄ１＝１．５８×Ｔ１）となるように、進入速度３０ｍｍ／分にて、回転ツール１６’を第１金属部材１１および第２金属部材１２に押し込んだ（押込み撹拌工程Ｃ２：ツール回転数３０００ｒｐｍ）。ｄ２＝０ｍｍ。
その後、回転ツール１６’を第１金属部材１１および第２金属部材１２から離間させ、放置冷却を行い、接合体を得た。盛り上がり部１２１の高さｎおよび断面視における第１金属部材１１の残厚Ｔｚをそれぞれ任意の１０箇所で測定し、平均値を求めた。
実施例Ａ１；ｎ＝０．９ｍｍ、Ｔｚ＝１．７ｍｍ
まず、図４Ａに示すように、回転ツール１６’の進入量（ｄ１）が３．１５ｍｍ（ｄ１＝１．５８×Ｔ１）となるように、進入速度３０ｍｍ／分にて、回転ツール１６’を第１金属部材１１および第２金属部材１２に押し込んだ（押込み撹拌工程Ｃ２：ツール回転数３０００ｒｐｍ）。ｄ２＝０ｍｍ。
その後、回転ツール１６’を第１金属部材１１および第２金属部材１２から離間させ、放置冷却を行い、接合体を得た。盛り上がり部１２１の高さｎおよび断面視における第１金属部材１１の残厚Ｔｚをそれぞれ任意の１０箇所で測定し、平均値を求めた。
実施例Ａ１；ｎ＝０．９ｍｍ、Ｔｚ＝１．７ｍｍ
【0100】
［実施例Ａ２～Ａ３］
押込み撹拌工程Ｃ２において、回転ツール１６’の進入量（ｄ１）が３．３５ｍｍ（＝１．６８×Ｔ１）または３．５０ｍｍ（＝１．７５×Ｔ１）となるように、回転ツール１６’を押し込んだこと以外、実施例Ａ１と同様の方法により、第１金属部材と第２金属部材との接合体を得た。盛り上がり部１２１の高さｎおよび断面視における第１金属部材１１の残厚Ｔｚをそれぞれ任意の１０箇所で測定し、平均値を求めた。
実施例Ａ２；ｎ＝１．０ｍｍ、Ｔｚ＝１．５ｍｍ
実施例Ａ３；ｎ＝１．０ｍｍ、Ｔｚ＝１．３ｍｍ
押込み撹拌工程Ｃ２において、回転ツール１６’の進入量（ｄ１）が３．３５ｍｍ（＝１．６８×Ｔ１）または３．５０ｍｍ（＝１．７５×Ｔ１）となるように、回転ツール１６’を押し込んだこと以外、実施例Ａ１と同様の方法により、第１金属部材と第２金属部材との接合体を得た。盛り上がり部１２１の高さｎおよび断面視における第１金属部材１１の残厚Ｔｚをそれぞれ任意の１０箇所で測定し、平均値を求めた。
実施例Ａ２；ｎ＝１．０ｍｍ、Ｔｚ＝１．５ｍｍ
実施例Ａ３；ｎ＝１．０ｍｍ、Ｔｚ＝１．３ｍｍ
【0101】
［実施例Ｂ１］（位置制御方式）
図２Ｂに示す回転ツール１６’および図３Ｄに示す受け部材１７を用いたこと、および押込み撹拌工程Ｃ２において、図４Ｂに示すように、回転ツール１６’および受け部材の合計進入量（ｄ１＋ｄ２）が２．７５ｍｍ（＝１．３８×Ｔ１）となるように、回転ツール１６’を押し込んだこと以外、実施例Ａ１と同様の方法により、第１金属部材と第２金属部材との接合体を得た。盛り上がり部１２１の高さｎおよび断面視における第１金属部材１１の残厚Ｔｚをそれぞれ任意の１０箇所で測定し、平均値を求めた。
実施例Ｂ１；ｎ＝０．５ｍｍ、Ｔｚ＝１．５ｍｍ
図２Ｂに示す回転ツール１６’および図３Ｄに示す受け部材１７を用いたこと、および押込み撹拌工程Ｃ２において、図４Ｂに示すように、回転ツール１６’および受け部材の合計進入量（ｄ１＋ｄ２）が２．７５ｍｍ（＝１．３８×Ｔ１）となるように、回転ツール１６’を押し込んだこと以外、実施例Ａ１と同様の方法により、第１金属部材と第２金属部材との接合体を得た。盛り上がり部１２１の高さｎおよび断面視における第１金属部材１１の残厚Ｔｚをそれぞれ任意の１０箇所で測定し、平均値を求めた。
実施例Ｂ１；ｎ＝０．５ｍｍ、Ｔｚ＝１．５ｍｍ
【0102】
［比較例Ｃ１～Ｃ５］（位置制御方式）
図２Ｂに示す回転ツール１６’および平面受け部材を用いたこと、および押込み撹拌工程Ｃ２において、回転ツール１６’の進入量（ｄ１）が２．５０ｍｍ、２．６５ｍｍ、２．８０ｍｍ、３．００ｍｍまたは３．１０ｍｍとなるように、回転ツール１６’を押し込んだこと以外、実施例Ａ１と同様の方法により、第１金属部材と第２金属部材との接合体を得た。盛り上がり部の高さｎおよび断面視における第１金属部材１１の残厚Ｔｚをそれぞれ任意の１０箇所で測定し、平均値を求めた。
比較例Ｃ１；ｎ＝０ｍｍ、Ｔｚ＝１．５ｍｍ
比較例Ｃ２；ｎ＝０ｍｍ、Ｔｚ＝１．３ｍｍ
比較例Ｃ３；ｎ＝０ｍｍ、Ｔｚ＝１．２ｍｍ
比較例Ｃ４；ｎ＝０ｍｍ、Ｔｚ＝１．０ｍｍ
比較例Ｃ５；ｎ＝０ｍｍ、Ｔｚ＝０．９ｍｍ
図２Ｂに示す回転ツール１６’および平面受け部材を用いたこと、および押込み撹拌工程Ｃ２において、回転ツール１６’の進入量（ｄ１）が２．５０ｍｍ、２．６５ｍｍ、２．８０ｍｍ、３．００ｍｍまたは３．１０ｍｍとなるように、回転ツール１６’を押し込んだこと以外、実施例Ａ１と同様の方法により、第１金属部材と第２金属部材との接合体を得た。盛り上がり部の高さｎおよび断面視における第１金属部材１１の残厚Ｔｚをそれぞれ任意の１０箇所で測定し、平均値を求めた。
比較例Ｃ１；ｎ＝０ｍｍ、Ｔｚ＝１．５ｍｍ
比較例Ｃ２；ｎ＝０ｍｍ、Ｔｚ＝１．３ｍｍ
比較例Ｃ３；ｎ＝０ｍｍ、Ｔｚ＝１．２ｍｍ
比較例Ｃ４；ｎ＝０ｍｍ、Ｔｚ＝１．０ｍｍ
比較例Ｃ５；ｎ＝０ｍｍ、Ｔｚ＝０．９ｍｍ
【0103】
［接合強度］
図７に示すように、第１金属部材１１と第２金属部材１２との接合体を治具１００内に配置した。治具１００は、該治具１００を下方へ引っ張ることにより第２金属部材１２の上端部に下方への力が働くように構成されたものである。治具１００を固定し、かつ第１金属部材１１を上方へ引っ張ることにより、第２金属部材１２の上端部に下方への力が働き、第２金属部材１２の母材強度に影響を受けることなく接合部の剪断強度Ｓ（最大引張せん断荷重）を測定した。
測定値とツール進入量との関係を図８のグラフに示した。
図７に示すように、第１金属部材１１と第２金属部材１２との接合体を治具１００内に配置した。治具１００は、該治具１００を下方へ引っ張ることにより第２金属部材１２の上端部に下方への力が働くように構成されたものである。治具１００を固定し、かつ第１金属部材１１を上方へ引っ張ることにより、第２金属部材１２の上端部に下方への力が働き、第２金属部材１２の母材強度に影響を受けることなく接合部の剪断強度Ｓ（最大引張せん断荷重）を測定した。
測定値とツール進入量との関係を図８のグラフに示した。
【0104】
本発明の接合装置および接合方法を用いて得られた実施例Ａ１～Ａ３およびＢ１の接合体は、凹部を有さない平面受け部材を用いて得られた比較例Ｃ１～Ｃ５の接合体よりも、十分に向上した接合強度を示した。
凹部を有し、かつその内側の内周部に凸部を有する実施例Ｂ１の接合体は、凹部を有するが、その内側の内周部に凸部を有さない実施例Ａ１～Ａ３の接合体よりも、少ないツール挿入量で略同等の接合強度を示した。これは以下のメカニズムに基づくものと考えられる。受け部材が内周部に凸部を有することにより、第２金属部材の凹部への塑性流動が促進される。このため、より少ないツール挿入量で略同等の残厚Ｔｚが確保され、結果として略同等の接合強度を示す。
凹部を有し、かつその内側の内周部に凸部を有する実施例Ｂ１の接合体は、凹部を有するが、その内側の内周部に凸部を有さない実施例Ａ１～Ａ３の接合体よりも、少ないツール挿入量で略同等の接合強度を示した。これは以下のメカニズムに基づくものと考えられる。受け部材が内周部に凸部を有することにより、第２金属部材の凹部への塑性流動が促進される。このため、より少ないツール挿入量で略同等の残厚Ｔｚが確保され、結果として略同等の接合強度を示す。
【産業上の利用可能性】
【0105】
本発明に係る接合装置および接合方法は、自動車、鉄道車両、航空機、家電製品等の分野における金属部材同士の接合に有用である。
【符号の説明】
【0106】
１：摩擦撹拌点接合装置
１０：ワーク
１１：第１金属部材
１２：第２金属部材
１２１：盛り上がり部
１６：回転ツール
１７：１７’：受け部材
１７０：受け部材における押圧部材との対向面
１７１：対向面部
１７２：凹部
１７２０：凹部の傾斜面
１７３：内周部
１７３０：凸部
１００：接合強度を測定するための治具
Ｐ：押圧領域（押圧予定領域）
１０：ワーク
１１：第１金属部材
１２：第２金属部材
１２１：盛り上がり部
１６：回転ツール
１７：１７’：受け部材
１７０：受け部材における押圧部材との対向面
１７１：対向面部
１７２：凹部
１７２０：凹部の傾斜面
１７３：内周部
１７３０：凸部
１００：接合強度を測定するための治具
Ｐ：押圧領域（押圧予定領域）
【図1】
【図2A】
【図2B】
【図3A】
【図3B】
【図3C】
【図3D】
【図3E】
【図4A】
【図4B】
【図5A】
【図5B】
【図6A】
【図6B】
【図6C】
【図6D】
【図7】
【図8】
【図9】