特開 2025-8489 摩擦撹拌接合ツール及び摩擦撹拌接合方法

(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】P2025008489

(43)【公開日】2025-01-20

(54)【発明の名称】摩擦撹拌接合ツール及び摩擦撹拌接合方法

(51)【国際特許分類】

   B23K 20/12 20060101AFI20250109BHJP

【ＦＩ】

B23K20/12 344

B23K20/12 360

【審査請求】未請求

【請求項の数】14

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023110705

(22)【出願日】2023-07-05

(71)【出願人】

【識別番号】000001199

【氏名又は名称】株式会社神戸製鋼所

(74)【代理人】

【識別番号】110002000

【氏名又は名称】弁理士法人栄光事務所

(72)【発明者】

【氏名】今村 美速

(72)【発明者】

【氏名】宮田 幸昌

(72)【発明者】

【氏名】今井 智恵子

【テーマコード（参考）】

4E167

【Ｆターム（参考）】

4E167AA06

4E167BG06

4E167BG12

4E167BG13

4E167BG15

4E167BG22

4E167DA10

4E167DC01

(57)【要約】

【課題】欠陥の発生を抑制しつつ接合速度を速めることができ、しかも汎用の工作機械を用いた接合が可能となる摩擦撹拌接合ツール及び摩擦撹拌方法を提供する。
【解決手段】円柱状の本体部１１の先端に形成されたショルダー１３と、ショルダー１３の中心に配置されて本体部１１の軸方向に突出するプローブ１５とを有する摩擦撹拌接合ツール１００であって、ショルダー１３は、中央部が軸方向に突出する凸面形状のショルダー面１７と、軸方向に凹む溝１９とを有する。溝１９は、ツール回転による摩擦熱で生成される被接合材の固相流動層の一部を貯留し、貯留された固相流動層をツール回転に伴い回転方向後方のショルダー面１７の対向領域に戻し、対向領域における固相流動層の厚みを周期的に変化させる溝内空間を有する。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

円柱状の本体部の先端に形成されたショルダーと、該ショルダーの中心に配置されて前記本体部の軸方向に突出するプローブとを有する摩擦撹拌接合用ツールであって、
前記ショルダーは、中央部が前記軸方向に突出する凸面形状のショルダー面と、前記軸方向に凹む溝とを有し、
前記溝は、ツール回転による摩擦熱で生成される被接合材の固相流動層の一部を貯留し、貯留された前記固相流動層を前記ツール回転に伴い回転方向後方の前記ショルダー面の対向領域に戻し、前記対向領域における前記固相流動層の厚みを周期的に変化させる溝内空間を有する、
摩擦撹拌接合ツール。

【請求項2】

前記溝は、前記ショルダーの径方向内側から径方向外側に向かって直線状に形成されている、
請求項１に記載の摩擦撹拌接合ツール。

【請求項3】

前記溝は、前記ショルダーの内周縁から前記ショルダーの半径方向に形成されている、
請求項２に記載の摩擦撹拌接合ツール。

【請求項4】

前記溝は、前記プローブの外周円の接線方向に形成されている、
請求項２に記載の摩擦撹拌接合ツール。

【請求項5】

前記溝は、前記ショルダーの径方向内側から径方向外側に向かって曲線状に形成されている、
請求項１に記載の摩擦撹拌接合ツール。

【請求項6】

前記ショルダーに複数の前記溝が形成されている、
請求項１に記載の摩擦撹拌接合ツール。

【請求項7】

前記溝は、４本以上形成されている、
請求項６に記載の摩擦撹拌接合ツール。

【請求項8】

前記溝の周方向に沿った断面形状は、Ｖ字形である、
請求項１に記載の摩擦撹拌接合ツール。

【請求項9】

前記ショルダーの前記凸面形状は、前記軸方向に膨出する曲面形状である、
請求項１に記載の摩擦撹拌接合ツール。

【請求項10】

請求項１から９のいずれか１項に記載の摩擦撹拌接合ツールの前記先端を、被接合材の接合部に押し当てて回転駆動させ、前記被接合材と前記摩擦撹拌接合ツールとの間に生じる摩擦によって前記被接合材に前記固相流動層を生成させながら、前記摩擦撹拌接合ツールと前記被接合材とを相対移動させて前記被接合材を接合する、
摩擦撹拌接合方法。

【請求項11】

前記摩擦撹拌接合ツールを、前記被接合材の表面の法線方向から前記接合部に押し当てて回転駆動させる、
請求項１０に記載の摩擦撹拌接合方法。

【請求項12】

前記摩擦撹拌接合ツールをマシニングセンタの主軸に装着して、前記被接合材を接合する、
請求項１０に記載の摩擦撹拌接合方法。

【請求項13】

前記摩擦撹拌接合ツールと前記被接合材とを、前記被接合材の表面上で曲線状に相対移動させる、
請求項１２に記載の摩擦撹拌接合方法。

【請求項14】

前記被接合材は、アルミニウム又はアルミニウム合金である、
請求項１０に記載の摩擦撹拌接合方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、摩擦撹拌接合ツール及び摩擦撹拌接合方法する。

【背景技術】

【0002】

従来より、車両における乗員の安全性向上が求められており、係る目的のために車体の強度を向上させてきた。他方、地球温暖化問題等の深刻化を背景に、自動車の燃費改善の動きが加速している。燃費改善には車体の軽量化が有効であることが知られている。そこで、車体に用いられる鋼材に代えてアルミニウム材等の軽金属の使用が促進されるようになった。ところで、金属材料同士を接合する技術として、摩擦撹拌接合（ＦＳＷ：Friction Stir Welding）がある。摩擦撹拌接合は、プローブと呼ばれるピンとショルダーとからなる摩擦撹拌接合ツールを回転させながら、ツール先端を被接合材に差し込み、発生する摩擦熱により接合部を固相撹拌して接合する接合方法である。

【0003】

通常の摩擦撹拌接合ツールは、ショルダーが軸方向に凹んだ形状を備えるが、被接合材の形状や接合形態等に応じて、ショルダーが軸方向に突出した凸面からなる摩擦撹拌接合ツール、更にはツール先端面に同心円状又は渦巻状の溝を設けた摩擦撹拌接合ツールが提案されている（先行文献１～６）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特許第４４５０７２８号公報

【特許文献2】特開２００３－２４５７８３号公報

【特許文献3】特開２０１９－１６６５６８号公報

【特許文献4】特開２０００－１５３３７４号公報

【特許文献5】特開２０２２－７９５６８号公報

【特許文献6】特開２０２１－１１２７６７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

一般に、摩擦撹拌接合においては、被接合材を溶融させない温度で接合を行うため、歪が少ない接合ができるものの、接合速度が遅いという欠点がある。また、摩擦撹拌接合ツールにかかる負荷（荷重）が大きく、一定の撹拌力を得るには摩擦撹拌接合ツールを接合線に対して一定角度傾けながら回転させる必要がある。そのため、摩擦撹拌接合を行うには負荷に耐える専用の設備が必要となり、設備の導入等のコストが増加する問題があった。

【0006】

また、特許文献１のようなショルダー部を凸面にした摩擦撹拌接合ツールは、被溶接材が曲面を有し、この曲面で相互に摩擦撹拌接合する用途には適している。しかし、平板同士を接合する用途では、ショルダー部を凸面にしたり、ショルダー部に同心円状、渦巻状の溝を設けたりすると、ショルダー部と被接合材との摩擦が低下する。その結果、被接合材の撹拌に伴う温度上昇が少なくなり、被接合材の接合速度を増加させることが難しくなる。また、十分な摩擦熱が得られにくいため、接合部が不安定となって空洞欠陥が発生しやすくなる。

【0007】

そこで本発明は、欠陥の発生を抑制しつつ接合速度を速めることができ、しかも汎用の工作機械を用いた接合が可能となる摩擦撹拌接合ツール及び摩擦撹拌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】

本発明は下記の構成からなる。
（１） 円柱状の本体部の先端に形成されたショルダーと、該ショルダーの中心に配置されて前記本体部の軸方向に突出するプローブとを有する摩擦撹拌接合用ツールであって、
前記ショルダーは、中央部が前記軸方向に突出する凸面形状のショルダー面と、前記軸方向に凹む溝とを有し、
前記溝は、ツール回転による摩擦熱で生成される被接合材の固相流動層の一部を貯留し、貯留された前記固相流動層を前記ツール回転に伴い回転方向後方の前記ショルダー面の対向領域に戻し、前記対向領域における前記固相流動層の厚みを周期的に変化させる溝内空間を有する、
摩擦撹拌接合ツール。
（２） （１）に記載の摩擦撹拌接合ツールの前記先端を、被接合材の接合部に押し当てて回転駆動させ、前記被接合材と前記摩擦撹拌接合ツールとの間に生じる摩擦によって前記被接合材に前記固相流動層を生成させながら、前記摩擦撹拌接合ツールと前記被接合材とを相対移動させて前記被接合材を接合する、
摩擦撹拌接合方法。

【発明の効果】

【0009】

本発明によれば、欠陥の発生を抑制しつつ接合速度を速めることができ、しかも汎用の工作機械を用いた接合が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】図１は、摩擦撹拌接合ツールの外観を示す斜視図である。

【図2】図２は、摩擦撹拌接合ツールを先端から見た平面図である。

【図3】図３は、摩擦撹拌接合ツールの先端におけるショルダーとプローブの拡大斜視図である。

【図4】図４は、２枚の被接合材の端部同士を突合せた位置で被接合材同士を摩擦撹拌接合ツールにより摩擦撹拌接合する様子を示す説明図である。

【図5】図５は、摩擦撹拌接合ツールを一部断面で示す断面斜視図である。

【図6】図６は、摩擦撹拌接合ツールの回転により生成される固相流動層を模式的に示す説明図である。

【図7】図７は、摩擦撹拌接合ツールにより撹拌される固相流動層の流れを、摩擦撹拌接合ツールの先端の平面図で模式的に示す説明図である。

【図8】図８は、図７に示すVIII－VIII線に沿った断面図である。

【図9】図９は、摩擦撹拌接合ツールの先端の側面図である。

【図10】図１０は、摩擦撹拌接合ツールの第1変形例を示す斜視図である。

【図11】図１１は、摩擦撹拌接合ツールの第２変形例を示す斜視図である。

【図12】図１２は、摩擦撹拌接合ツールの第３変形例を示す斜視図である。

【図13】図１３は、摩擦撹拌接合ツールの第４変形例を示す斜視図である。

【図14】図１４は、摩擦撹拌接合ツールの第５変形例を示す斜視図である。

【図15】図１５は、摩擦撹拌接合ツールの第６変形例を示す斜視図である。

【図16】図１６は、摩擦撹拌接合ツールの第７変形例を示す斜視図である。

【図17】図１７は、摩擦撹拌接合ツールをマシニングセンタの主軸に装着して摩擦撹拌接合を行う様子を模式的に示す説明図である。

【図18】図１８は、制御部による摩擦撹拌接合ツールの移動パスを模式的に示す説明図である。

【図19】図１９は、一対の押出パネルの押出方向に沿った側面同士を互いに接合した構造体４７の斜視図である。

【図20】図２０は、図１９に示す押出パネルの断面図である。

【図21】図２１は、一対の押出パネルの端部同士を突き合わせた接合位置での接合前の拡大断面図である。

【図22】図２２は、接合に使用した摩擦撹拌接合ツールの斜視図である。

【図23】図２３は、接合に使用した摩擦撹拌接合ツールの斜視図である。

【図24】図２４は、接合に使用した摩擦撹拌接合ツールの斜視図である。

【図25】図２５は、接合に使用した摩擦撹拌接合ツールの斜視図である。

【図26】図２６は、試験例８の接合部の断面写真である。

【図27】図２７は、試験例１２の接合部の断面写真である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図１は、摩擦撹拌接合ツールの外観を示す斜視図である。摩擦撹拌接合ツール１００は、円柱状の本体部１１の先端に形成されたショルダー１３と、ショルダー１３の中心に配置されて本体部１１の軸方向（回転軸Ａｘ）に突出するプローブ１５とを有する。ショルダー１３は、中央部が軸方向に突出する凸面形状のショルダー面１７と、軸方向に凹む溝１９とを有する。

【0012】

図２は、摩擦撹拌接合ツール１００を先端から見た平面図である。本構成の摩擦撹拌接合ツール１００のショルダー１３には、ショルダー１３の径方向内側から径方向外側に向かって直線状に形成された４本の溝１９が設けられている。４本の溝１９は、それぞれショルダー１３の半径方向に形成され、互いに等しい中心角（９０°）で放射状に配置されている。ここでは、各溝１９の延びる方向を、回転軸Ａｘに直交する直交２軸（Ｘ軸，Ｙ軸）に設定しているが、溝１９の数は適宜に増減できる。溝１９の数は１つでもよいが、３つ以上が好ましく、４つ以上がより好ましい。溝数は、多すぎると撹拌効果が低下するため、８つ以下が好ましく、６つ以下がより好ましい。また、溝１９の配置は、回転軸Ａｘを中心とした点対称の配置とするのが好ましく、回転軸Ａｘを通る直径方向の線を中心とした線対称の配置とするのがより好ましい。溝１９を２つ以上設ける場合には、中心角を等しくなるよう周方向に等間隔で配置するのが好ましい。

【0013】

図３は、摩擦撹拌接合ツール１００の先端におけるショルダー１３とプローブ１５の拡大斜視図である。ショルダー１３に設けた溝１９は、軸方向に突出したショルダー面１７を周方向に等間隔で４分割している。各溝１９の溝底１９ａは、軸方向に関して同じ深さに形成され、各溝１９のプローブ１５に最も近い内周縁の内周側溝端部１９ｂが最も深く、ショルダー面１７の外周縁に位置する外周側溝端部１９ｃが最も浅くなっているが、溝深さはこれに限らない。溝１９の周方向に沿った断面形状はＶ字形であり、溝１９内には溝内空間Ｓが形成される。溝１９の断面形状はこれに限らず、矩形、半円形、楕円形等の他の形状であってもよい。また、プローブ１５の外周面には不図示のねじ溝が形成される。

【0014】

図４は、２枚の被接合材２１Ａ，２１Ｂの端部同士を突合せた位置で被接合材２１Ａ，２１Ｂ同士を摩擦撹拌接合ツール１００により摩擦撹拌接合する様子を示す説明図である。摩擦撹拌接合ツール１００は、不図示の工作機械の主軸に取り付けられる。工作機械は、摩擦撹拌接合ツール１００の先端を被接合材２１Ａ，２１Ｂ同士を接合する位置に移動させる。そして、その接合位置で、摩擦撹拌接合ツール１００を被接合材２１Ａ，２１Ｂの表面の法線方向から押し当てながら回転駆動し、接合予定線Ｌに沿って送り動作させる。このように接合予定線Ｌに沿って被接合材２１Ａ，２１Ｂ同士を摩擦撹拌接合させて接合部２３を形成する。このとき、摩擦撹拌接合ツール１００は、回転軸Ａｘを被接合材２１Ａ，２１Ｂの表面の法線方向から傾斜させずに回転及び送り駆動される。

【0015】

次に、摩擦撹拌接合ツール１００のショルダー１３及びプローブ１５によって、被接合材２１Ａ，２１Ｂが塑性流動して接合部２３を形成する作用を詳細に説明する。
図５は、摩擦撹拌接合ツール１００を一部断面で示す断面斜視図である。溝１９は、溝底１９ａから軸方向先端に向けて立ち上がる堰面１９ｄを有する。図５では摩擦撹拌接合ツール１００の回転方向Ｒの後方側となる片側の堰面１９ｄのみを示しているが、堰面１９ｄは溝１９の回転方向Ｒの前方側と後方側との両方に形成される。

【0016】

堰面１９ｄは、本体部１１の径方向に沿って連続して形成され、回転軸Ａｘを中心とした回転方向Ｒに直交又は略直交する面である。堰面１９ｄは、溝１９の回転方向Ｒの前方及び後方に一対が形成され、溝断面をＶ字形にする。一対の堰面１９ｄのうち、特に回転方向後方側の堰面１９ｄは、被接合材２１Ａ，２１Ｂの後述する固相流動層を撹拌する掻き上げ動作に寄与する。

【0017】

図６は、摩擦撹拌接合ツール１００の回転により生成される固相流動層Ｗａを模式的に示す説明図である。摩擦撹拌接合ツール１００は、その先端を被接合材２１Ａ，２１Ｂに押し当てながら回転駆動される。すると、プローブ１５の周囲では、プローブ１５と被接合材２１Ａ，２１Ｂとの接触による摩擦熱によって被接合材２１Ａ，２１Ｂが塑性流動し始める。そして、塑性流動した固相流動層Ｗａの中にプローブ１５が押し込まれる。また、ショルダー面１７も被接合材２１Ａ，２１Ｂと接触して摩擦熱を生じ、ショルダー面１７に対向する領域においても被接合材２１Ａ，２１Ｂが塑性流動する。こうして生成された被接合材２１Ａ，２１Ｂの固相流動層Ｗａは、溝１９によって撹拌される。

【0018】

図７は、摩擦撹拌接合ツール１００により撹拌される固相流動層Ｗａの流れＱを、摩擦撹拌接合ツール１００の先端の平面図で模式的に示す説明図である。図８は、図７に示すVIII－VIII線に沿った断面図である。図７に示すように、摩擦撹拌接合時において、４本の溝１９によって区切られる４つのショルダー面１７に対向する領域には、それぞれ塑性流動する固相流動層Ｗａが存在する。固相流動層Ｗａは、摩擦撹拌接合ツール１００の回転に伴い、溝１９内の堰面１９ｄによって掻き上げられ、溝１９の溝内空間Ｓに一旦貯留される。溝内空間Ｓでは、掻き上げられた固相流動層Ｗａが回転方向Ｒの前方へ押し戻されながら撹拌される。この撹拌作用は、被接合材側から見ると、ツール回転により移動し続ける各溝１９の通過位置で繰り返し発生することになる。

【0019】

このときの堰面１９ｄ付近では、図８に示すように、固相流動層Ｗａは、回転方向Ｒの前方に押し戻され、溝内空間Ｓに貯留されることで、溝１９以外の位置での厚みｈａが、厚みｈｂに増加する。そして、溝１９を通過した後は、再び厚みｈａとなる。つまり、ショルダー面１７に対向する環状領域における固相流動層Ｗａの厚みは、厚みｈａから厚みｈｂまでの間で周期的に変化する。ここでいう周期的とは、摩擦撹拌接合ツール１００の所定の回転角（本構成では９０°）ごとに固相流動層Ｗａの厚みが増減する意味である。したがって、被接合材２１Ａ，２１Ｂの接合部２３（図４）となる特定位置が、所定の時間ごとに固相流動層Ｗａの厚みを繰り返し増減しながら撹拌される。

【0020】

この撹拌は、固相流動層Ｗａが一定の力を連続して受け続けてなされるのではなく、ある期間ごとに繰り返し作用する力を受けて、断続的に行われる。これにより、固相流動層Ｗａの流れに脈動が生じ、高い撹拌効果を得られる。このような撹拌動作によれば、接合部における空洞、クラック等の欠陥の発生を確実に抑制できる。

【0021】

上記した本構成の摩擦撹拌接合ツール１００によれば、回転による摩擦熱で発生する固相流動層Ｗａが、ショルダー１３に設けられた溝１９の堰面１９ｄによって、回転方向Ｒの前方に押し戻すように流動し、固相流動層Ｗａの撹拌効果が向上する。これに加え、溝１９がショルダー１３の中央部からショルダー１３の径方向外側に向かって直線状に形成されているため、ショルダー１３全体に対する溝１９の占有面積は小さく、ショルダー面１７の面積を広く確保できる。これにより、ショルダー面１７と被接合材２１Ａ，２１Ｂとの接触面積を大きく確保でき、摩擦熱の発生を促進できる。その結果、摩擦撹拌接合ツール１００の先端では、短時間で摩擦熱による温度上昇が生じ、大きな入熱量が容易に得られ、接合に必要な量の固相流動層Ｗａを高効率で生成できる。生成された固相流動層Ｗａは、ショルダー面１７と対向する領域において、前述した溝１９の通過により十分に撹拌され、欠陥のない均質な接合部２３を安定して形成する。

【0022】

例えば、プローブと、プローブの周囲に設けられた凹部を有するショルダーとを先端に有する摩擦撹拌接合ツールでは、回転軸を傾斜させながら送り方向に進める。この場合、摩擦撹拌接合ツールには大きな抵抗が負荷されるため、送り速度を速めにくい。また、専用の工作機械を用いて摩擦撹拌接合ツールを回転駆動する必要があるため、設備コストが嵩むことになる。

【0023】

プローブの周囲のショルダーが軸方向に突出する凸面である場合には、回転軸を傾斜させずに回転させることで、上記のようなツール抵抗を低減できる。しかし、被接合材とショルダーとの接触面積が少なく、必要な摩擦熱が得られにくい。その結果、接合部の表層に空隙、クラック等が発生しやすくなり、不安定な接合状態となる。

【0024】

また、一般には、摩擦撹拌接合においてはドリル、エンドミル等のツールと比較してツール負荷が大きいため、更なる回転抵抗を生じさせないようにショルダーの形状が設計されている。そのため、ショルダーに溝を設ける場合には円周方向に沿った溝としている。

【0025】

このような従来の摩擦撹拌接合ツールに対して、本構成の摩擦撹拌接合ツール１００では、中央部が軸方向に突出するショルダー１３に、前述したように、中央部から放射状に延びる溝１９を形成して、ショルダー面１７の面積を大きく確保しつつ、固相流動層の確実な撹拌を可能にしている。

【0026】

本構成の摩擦撹拌接合ツール１００のショルダー面１７は、その全てが径方向の内周縁から外周縁にかけて連続して形成され、周方向にも中心角で６０°以上の連続した曲面となっている。つまり、各ショルダー面１７は、それぞれが周方向及び径方向に連続した部分円環形状（sector subring）である。そのため、摩擦撹拌接合時には、ショルダー面１７が周方向に連続して被接合材に接触し、発生する摩擦熱を累積させやすくする効果と、ショルダー面１７が径方向に連続するために被接合材の広い範囲を均一な温度分布にする効果とを同時に得られる。

【0027】

また、溝１９は、凸面形状のショルダー面１７に挟まれ、ショルダー面１７から突出することなく、ショルダー面１７から凹んで形成されている。これにより、溝１９は、被接合材との間で過剰に大きな回転抵抗を発生させず、固相流動層Ｗａの撹拌に適したバランスのよい形状にされている。

【0028】

以上のように、本構成の摩擦撹拌接合ツール１００によれば、その先端で、大きな入熱量の発生と固相流動層Ｗａの確実な撹拌とを両立でき、しかも高速な送り動作にも対応できる凸面形状のショルダー面１７を有するため、均質で高品位な摩擦撹拌接合を、例えば、１０００ｍｍ／ｍｉｎ以上、好ましくは１５００ｍｍ／ｍｉｎ以上、より好ましくは２０００ｍｍ／ｍｉｎ以上の速い送り速度で安定して行える。
実現できる。

【0029】

さらに、溝１９の周方向断面形状はＶ字形の対称形状であるため、摩擦撹拌接合ツール１００の回転方向Ｒが正転、逆転のいずれでも同じ回転抵抗となり、固相流動層Ｗａの挙動も等しくなる。

【0030】

上記した摩擦撹拌接合ツール１００の作用効果をより確実に享受するには、各部の形状を以下に示す寸法関係に設定するのが好ましい。
図９は、摩擦撹拌接合ツール１００の先端の側面図である。摩擦撹拌接合ツール１００は、本体部１１の直径Ｄとプローブ１５の直径ｄとの比ｄ／Ｄは、０．２以上、０．５以下が好ましく、０．３以上、０．４以下がより好ましい。比ｄ／Ｄが小さいほどショルダー面１７の面積が大きくなり、発生する摩擦熱量を増大できる。

【0031】

また、直径Ｄとプローブ１５の溝１９の溝底からの突出高さＨとの比Ｈ／Ｄは、０．１以上、０．４以下が好ましく、０．２以上、０．３以下がより好ましい。比Ｈ／Ｄが小さいほど接合時における送り抵抗が小さくなり、接合速度を高速化しやすくなる。

【0032】

さらに、直径Ｄと溝１９の最大深さｈとの比ｈ／Ｄは、０．０３以上、１．２以下が好ましく、０．０５以上、０．１以下がより好ましい。Ｖ字形の溝１９の開き角θは、３０°以上、９０°以下が好ましく、４５°以上、７５°以下がより好ましい。比ｈ／Ｄ、開き角θを上記の範囲にすることで、溝１９の周方向幅が回転抵抗を過剰に増加しない程度に抑えられ、溝１９内で固相流動層Ｗａを良好に撹拌できる。

【0033】

次に、摩擦撹拌接合ツールの変形例を説明する。
図１０は、摩擦撹拌接合ツールの第1変形例を示す斜視図である。この摩擦撹拌接合ツール１００Ａは、ショルダー１３のプローブ１５に接する内周縁からショルダー１３の径方向外側に向かって直線状に形成された１本の溝１９を有する。半径方向に延びる溝１９を１本だけ設けることで、ショルダー面１７の面積が大きくなり、摩擦熱の発生を促進できる。

【0034】

図１１は、摩擦撹拌接合ツールの第２変形例を示す斜視図である。この摩擦撹拌接合ツール１００Ｂは、前述した溝１９を、プローブ１５を中心として１８０°ごとに合計２本設けている。この場合、２分割されたショルダー面１７によって摩擦熱を発生させ、前述した固相流動層の撹拌を半回転毎に実施できる。

【0035】

図１２は、摩擦撹拌接合ツールの第３変形例を示す斜視図である。この摩擦撹拌接合ツール１００Ｃは、前述した溝１９を、プローブ１５を中心として１２０°ごとに合計３本設けている。この場合、３分割されたショルダー面１７によって摩擦熱を発生させ、前述した固相流動層の撹拌を１／３回転毎に実施できる。

【0036】

図１３は、摩擦撹拌接合ツールの第４変形例を示す斜視図である。この摩擦撹拌接合ツール１００Ｄは、前述した溝１９を、プローブ１５を中心として６０°ごとに合計６本設けている。この場合、６分割されたショルダー面１７によって摩擦熱を発生させ、前述した固相流動層の撹拌を１／６回転毎に実施できる。

【0037】

図１４は、摩擦撹拌接合ツールの第５変形例を示す斜視図である。この摩擦撹拌接合ツール１００Ｅの溝１９は、ショルダー１３の内周側からショルダー１３の径方向外側に向かって直線状に形成され、かつ、プローブ１５の外周円の接線方向に形成されている。溝１９は、プローブ１５を中心として９０°ごとに合計４本設けてある。溝１９の内周側の縁部は、周方向に隣り合う他の溝１９によって切断され、外周側の縁部は、ショルダー１３の外周縁まで延びている。

【0038】

この摩擦撹拌接合ツール１００Ｅによれば、回転方向Ｒ１で回転した場合には、溝１９に入り込む固相流動層が径方向外側に送られ、回転方向Ｒ２で回転した場合には、径方向内側に送られる。また、回転方向Ｒ２での回転抵抗は、回転方向Ｒ１より大きくなり、発生する摩擦熱量が回転方向によって変化する。そのため、例えば被接合材の材質、厚さ等に応じて適切な入熱量が得られるように、回転方向を選定することもできる。

【0039】

図１５は、摩擦撹拌接合ツールの第６変形例を示す斜視図である。この摩擦撹拌接合ツール１００Ｆの溝１９は、ショルダー１３の内周側からショルダー１３の径方向外側に向かう途中で周方向の一方の側に湾曲する曲線状に形成されている。この場合、回転方向Ｒ１で回転した場合には、溝１９に入り込む固相流動層が径方向外側に送られ、回転方向Ｒ２で回転した場合には、径方向内側に送られる。また、回転方向Ｒ２での回転抵抗は、回転方向Ｒ１より大きくなり、発生する摩擦熱量が回転方向によって変化する。そのため、図１４に示す場合と同様に、適切な入熱量が得られるように回転方向を選定することもできる。

【0040】

図１６は、摩擦撹拌接合ツールの第７変形例を示す斜視図である。この摩擦撹拌接合ツール１００Ｇの溝１９Ａは、ショルダー１３の内周側からショルダー１３の径方向外側に向かって直線状に複数個が並んで配置されることで、大局的には半径方向に凹溝が形成された状態と略等しくなる。このように、溝１９Ａは連続溝に限らず、複数個が離散的に配置された構成であってもよい。溝１０Ａの大きさ、配置個数、配列方向等の条件は、摩擦撹拌接合の条件に応じて適宜設定できる。

【0041】

上記した摩擦撹拌接合ツール１００，１００Ａ～１００Ｇは、摩擦撹拌接合専用の工作機械の主軸に装着して使用できるが、回転軸を傾斜させる必要がないため、汎用の工作機械、例えばマシニングセンタにも適用が可能である。

【0042】

図１７は、摩擦撹拌接合ツールをマシニングセンタ３１の主軸３３に装着して摩擦撹拌接合を行う様子を模式的に示す説明図である。ここで例示するマシニングセンタ３１は、主軸３３をＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向に移動でき、ツール交換ユニット３５によってドリル、エンドミル等の各種のツール３７を主軸３３に付け替え自在となっている。マシニングセンタ３１により摩擦撹拌接合を行う場合、被接合材２１をテーブル３９に固定して、例えば、エンドミル等のツールにより接合表面を切削した後、ツール交換ユニット３５に予め用意された摩擦撹拌接合ツール１００を主軸に付け替える。これにより、切削加工後の被接合材２１を、摩擦撹拌接合ツール１００を用いて摩擦撹拌接合できる。そして、摩擦撹拌接合後の被接合材２１に更なる機械加工をそのまま続けて施すことができる。このように、被接合材２１をテーブル３９から取り外すことなく、連続した加工が可能となり、高い加工精度で高速な加工が行え、タスクタイムを短縮できる。

【0043】

上記したマシニングセンタ３１では、摩擦撹拌接合時の主軸３３と被接合材２１とを相対移動させる接合パスの制御は、制御部４１からの指令に基づき行われる。この場合の制御部４１は、摩擦撹拌接合ツール１００を他のツールと同様に、移動方向を自在に設定できる。

【0044】

図１８は、制御部４１による摩擦撹拌接合ツール１００の移動パスＰＳを模式的に示す説明図である。通常の摩擦撹拌接合専用の工作機械では、摩擦撹拌接合ツールの回転軸を傾斜させるため、直線状の接合パスに制限されることが多い。しかし、回転軸を傾斜させずに加工する摩擦撹拌接合ツール１００の場合、マシニングセンタ３１を用いることで、直線状のパスＰＳ１に限らず、任意に湾曲させた接合パスＰＳ２，ＰＳ３に沿った移動が可能となる。そのため、摩擦撹拌接合の適用幅が広がり、複雑な形状の被接合材同士の接合にも容易に対応できる。

【実施例0045】

次に、互いに異なる形状を有する各種の摩擦撹拌接合ツールを用いて被接合材を摩擦撹拌接合した結果を説明する。ここで用いた被接合材は、板状に形成された構造体であり、２つの押出パネルから構成される。
（被接合材）
図１９は、一対の押出パネル４５の押出方向に沿った側面同士を互いに接合した構造体４７の斜視図である。図２０は、図１９に示す押出パネル４５の断面図である。押出パネル４５は、いずれも人工時効硬化処理した６０００系アルミニウム合金を素材とした板状の押出材である。図２０に示す押出パネル４５の板厚ｔは１０ｍｍ、幅Ｗは２３０ｍｍ、長手方向１０００ｍｍ～１６００ｍｍである。幅方向端部の厚肉部４９を含む板厚ｔａは１１．４ｍｍである。押出パネル４５の幅方向両端部には、一方の板面４５ａに沿って突出する薄肉の突出部５１が設けられ、他方の板面には、突出部５１の先端が係合可能な凹部５３が設けられている。

【0046】

図２１は、一対の押出パネル４５の端部同士を突き合わせた接合位置での接合前の拡大断面図である。一対の押出パネル４５を幅方向に表裏を反転させて配置し、それぞれの突出部５１と凹部５３とを互いに係合させ、突出部５１の先端面５１ａが突き当たるＰ１，Ｐ２の位置を摩擦撹拌接合の実施位置とした。また、摩擦撹拌接合する前に、厚肉部４９の突出した板厚ｔｂを切削加工により除去しておき、その加工面を基準として、摩擦撹拌接合の押し込み量Δｔを設定した。

【0047】

（摩擦撹拌接合ツール）
図２２～図２４は、接合に使用した摩擦撹拌接合ツールの斜視図である。図２２に示す摩擦撹拌接合ツール５５Ａ（ツールＡ）は、本体部１１の先端に形成されたショルダー１３と、ショルダー１３の中心に配置されて本体部１１の軸方向に突出するプローブ１５とを有する。ショルダー１３には、軸方向に突出する凸面形状のショルダー面１７が形成され、溝は形成されていない。

【0048】

図２３に示す摩擦撹拌接合ツール５５Ｂ（ツールＢ）は、上記したツールＡのショルダー面１７に同心円の１条の環状溝５７を設けた以外は、ツールＡと同様である。図２４に示す摩擦撹拌接合ツール５５Ｃ（ツールＣ）は、ツールＢの環状溝５７を同心円の２条溝に変更した以外はツールＢと同様である。

【0049】

そして、前述した図１～図３に示す４本の放射状の溝１９を有する摩擦撹拌接合ツール１００（ツールＤ）と、ツールＡ～Ｃとを用いた結果を比較した。なお、ツールＡ～Ｄのショルダー直径φＤは１５ｍｍ、プローブ１５の先端面の曲率半径は５０ｍｍ、プローブ１５の突出高さＨは２ｍｍである（図９参照）。

【0050】

（試験結果）
上記各種の摩擦撹拌接合ツールにより、それぞれ異なる条件で被接合材を摩擦撹拌接合した試験例１～１２の結果を表１に纏めて示す。接合部の外観評価は、表面の目視による観察、及び接合部の断面の観察を行い、外観良好であるものを「○」、空洞、クラック等の欠陥が生じたものを「×」、その中間を「△」として評価した。

【0051】

【表1】

【0052】

試験例１は、ショルダーに溝を有しないツールＡ（図２２）を用い、ツール回転数を２００ｒｐｍ、接合速度を１０００ｍｍ／ｍｉｎとした。また、摩擦撹拌接合ツールの先端が被接合材の表面に接した位置を基準高さとし、この基準高さからのツールの押し込み量Δｔ（図２１参照）を２．６ｍｍとした。接合後の接合部には、空洞欠陥が生じており、押し込み量の不足も原因したと考えられる。

【0053】

試験例２は、試験例１の押し込み量を２．８ｍｍに増加させた以外は、試験例１と同じ条件とした。接合速度１０００ｍｍ／ｍｉｎでは、接合部の外観は良好であった。

【0054】

試験例３は、１条の環状溝を有するツールＢ（図２３）を用い、押し込み量を３．０ｍｍとした以外は、試験例２と同じ条件とした。図２５は、試験例３の接合部の断面写真である。試験例３では、被接合材の板面間にすき間を生じた箇所があり、接合部の外観は空洞欠陥を生じた部分が多く、その一部に欠陥が生じない部分が混在していた。

【0055】

試験例４～８は、試験例３の押し込み量を３．１ｍｍとし、接合速度を１２００ｍｍ／ｍｉｎから２０００ｍｍ／ｍｉｎまで増加させた。その結果、接合部には、いずれの条件でも接合初期のスタート部に凹みを生じた。図２６は、試験例８の接合部の断面写真である。接合速度を２０００ｍｍ／ｍｉｎに増加させると、空洞欠陥が拡大して不安定な接合状態となった。

【0056】

試験例９は、２条の環状溝を有するツールＣ（図２４）を用い、押し込み量を２．７ｍｍにした以外は、試験例３と同じ条件とした。この場合の接合部の外観は、空洞欠陥を生じない部分が試験例３よりも多くなったが、１条の環状溝の場合と同様に欠陥の発生については未改善の状態であった。

【0057】

試験例１０は、試験例９の押し込み量を２．６ｍｍに減少させた以外は試験例９と同じ条件とした。その結果、接合部の外観は良好となった。

【0058】

試験例１１は、４本の放射状の溝を有するツールＤ（図１～図３）を用い、接合速度を１６００ｍｍ／ｍｉｎにした以外は試験例１，１０と同じ条件とした。また、試験例１２は、試験例１１の接合速度をさらに増加させ、２０００ｍｍ／ｍｉｎとした以外は試験例１１と同じ条件とした。図２７は、試験例１２の接合部の断面写真である。試験例１１、１２によれば、接合速度を２０００ｍｍ／ｍｉｎまで増加させても接合部に欠陥が発生することがなく、良好な外観を保っていた。このように、ツールＤは、ツールＡ，Ｂ，Ｃよりも欠陥改善の効果があることが確認できた。

【0059】

本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、実施形態の各構成を相互に組み合わせること、及び明細書の記載、並びに周知の技術に基づいて、当業者が変更、応用することも本発明の予定するところであり、保護を求める範囲に含まれる。

【0060】

以上の通り、本明細書には次の事項が開示されている。
（１） 円柱状の本体部の先端に形成されたショルダーと、該ショルダーの中心に配置されて前記本体部の軸方向に突出するプローブとを有する摩擦撹拌接合用ツールであって、
前記ショルダーは、中央部が前記軸方向に突出する凸面形状のショルダー面と、前記軸方向に凹む溝とを有し、
前記溝は、ツール回転による摩擦熱で生成される被接合材の固相流動層の一部を貯留し、貯留された前記固相流動層を前記ツール回転に伴い回転方向後方の前記ショルダー面の対向領域に戻し、前記対向領域における前記固相流動層の厚みを周期的に変化させる溝内空間を有する、
摩擦撹拌接合ツール。
この摩擦撹拌接合ツールによれば、凸面形状のショルダー面によって被接合材に対する送り抵抗の増加を抑え、ショルダー面と被接合材との回転による摩擦熱によって生じる固相流動層の一部を溝空間内に貯留し、貯留した固相流動層を回転方向後方のショルダー面の対向領域に戻すことで、固相流動層の厚みが周期的に変化する。この固相流動層の撹拌によって、接合部における空洞等の欠陥の発生が抑えられ、接合速度を速めても被接合材の良好な接合状態が維持される。

【0061】

（２） 前記溝は、前記ショルダーの径方向内側から径方向外側に向かって直線状に形成されている、（１）に記載の摩擦撹拌接合ツール。
この摩擦撹拌接合ツールによれば、溝が直線状に形成されることで、溝の長手方向に沿って均一に固相流動層を撹拌できる。

【0062】

（３） 前記溝は、前記ショルダーの前記プローブに近い内周縁から前記ショルダーの半径方向に形成されている、（２）に記載の摩擦撹拌接合ツール。
この摩擦撹拌接合ツールによれば、半径方向に形成された溝により、回転方向に直交する方向から固相流動層を撹拌するため、固相流動層の撹拌効率を向上できる。

【0063】

（４） 前記溝は、前記プローブの外周円の接線方向に形成されている、（２）に記載の摩擦撹拌接合ツール。
この摩擦撹拌接合ツールによれば、固相流動層を周方向と径方向とに同時に撹拌でき、撹拌効率を向上できる。また、回転方向によって固相流動層を径方向外側に排出する作用と、径方向内側に移動させる作用とが選択的に得られる。さらに、回転方向によって発生する摩擦熱量が異なる場合には、被接合材の接合条件等に応じて回転方向を選定することで、入熱量を調整できる。

【0064】

（５） 前記溝は、前記ショルダーの径方向内側から径方向外側に向かって曲線状に形成されている、（１）に記載の摩擦撹拌接合ツール。
この摩擦撹拌接合ツールによれば、曲線状の溝によって固相流動層を径方向に移動させつつ撹拌できる。また、回転方向によって固相流動層を径方向外側に排出する作用と、径方向内側に移動させる作用とが選択的に得られる。さらに、回転方向によって発生する摩擦熱量が異なる場合には、被接合材の接合条件等に応じて回転方向を選定することで、入熱量を調整できる。

【0065】

（６） 前記ショルダー面に複数の前記溝が形成されている、（１）から（５）のいずれか１つに記載の摩擦撹拌接合ツール。
この摩擦撹拌接合ツールによれば、複数の溝が形成されることで、１回転中の固相流動層の撹拌頻度を増加でき、撹拌効率を向上できる。

【0066】

（７） 前記溝は、４本以上形成されている、（６）に記載の摩擦撹拌接合ツール。
この摩擦撹拌接合ツールによれば、固相流動層の撹拌を１回転で４回以上実施できる。

【0067】

（８） 前記溝の周方向に沿った断面形状は、Ｖ字形である、（１）から（７）のいずれか１つに記載の摩擦撹拌接合ツール。
この摩擦撹拌接合ツールによれば、Ｖ字形の内側空間に固相流動層が入り込み、撹拌が促進される。

【0068】

（９） 前記ショルダーの前記凸面形状は、前記軸方向に膨出する曲面形状である、（１）から（８）のいずれか１つに記載の摩擦撹拌接合ツール。
この摩擦撹拌接合ツールによれば、ショルダー面が軸方向に膨出した凸状の曲面形状であることで、被接合材とショルダー面との回転抵抗が抑えられ、送り速度を速めることができる。これにより、接合速度の更なる向上が図りやすくなる。

【0069】

（１０） （１）から（９）のいずれか１つに記載の摩擦撹拌接合ツールの前記先端を、被接合材の接合部に押し当てて回転駆動させ、前記被接合材と前記摩擦撹拌接合ツールとの間に生じる摩擦によって前記被接合材に前記固相流動層を生成させながら、前記摩擦撹拌接合ツールと前記被接合材とを相対移動させて前記被接合材を接合する、
摩擦撹拌接合方法。
この摩擦撹拌接合方法によれば、欠陥の発生を抑えて被接合材を速い接合速度で接合できる。

【0070】

（１１） 前記摩擦撹拌接合ツールを、前記被接合材の表面の法線方向から前記接合部に押し当てて回転駆動させる、（１０）に記載の摩擦撹拌接合方法。
この摩擦撹拌接合方法によれば、被接合材との回転抵抗が抑えられ、送り速度を速めることができる。これにより、接合速度の更なる向上が図りやすくなる。

【0071】

（１２） 前記摩擦撹拌接合ツールをマシニングセンタの主軸に装着して、前記被接合材を接合する、（１０）又は（１１）に記載の摩擦撹拌接合方法。
この摩擦撹拌接合方法によれば、汎用性の高いマシニングセンタを用いて摩擦攪拌接合を行えるため、摩擦攪拌接合を、切削加工、研磨加工等の他のツールを用いた加工と合せて実施できる。このように、被接合材をテーブルに位置決めしたまま連続して加工できるため、加工精度、加工効率を向上でき、タクトタイムを短縮できる。

【0072】

（１３） 前記摩擦撹拌接合ツールと前記被接合材とを、前記被接合材の表面上で曲線状に相対移動させる、（１２）に記載の摩擦撹拌接合方法。
この摩擦撹拌接合方法によれば、被接合材同士の接合予定線が直線に限らず、曲線状であっても接合可能となるため、例えば、複雑な形状を有する被接合材同士の接合にも対応でき、設計自由度を向上できる。

【0073】

（１４） 前記被接合材は、アルミニウム又はアルミニウム合金である、（１０）から（１３）のいずれか１つに記載の摩擦撹拌接合方法。
この摩擦撹拌接合方法によれば、鋼材と比較して軽量なアルミニウム材を高速に摩擦拡散接合でき、例えば、アルミニウム材を車両に適用する利用範囲を拡大できる。

【符号の説明】

【0074】

１１ 本体部
１３ ショルダー
１５ プローブ
１５ａ 基端部
１７ ショルダー面
１９，１９Ａ 溝
１９ａ 溝底
１９ｂ 内周側溝端部
１９ｃ 外周側溝端部
２１Ａ，２１Ｂ 被接合材
２３ 接合部
３１ マシニングセンタ
３３ 主軸
３５ ツール交換ユニット
３７ ツール
３９ テーブル
４１ 制御部
４５ 押出パネル
４７ 構造体
４９ 厚肉部
５１ 突出部
５１ａ 先端面
５３ 凹部
５５Ａ，５５Ｂ，５５Ｃ 摩擦撹拌接合ツール
５７ 環状溝
１００ 摩擦撹拌接合ツール

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】

【図23】

【図24】

【図25】

【図26】

【図27】