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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-09-06
(45)【発行日】2023-09-14
(54)【発明の名称】摩擦攪拌接合用ツール及び摩擦攪拌接合方法
(51)【国際特許分類】
B23K 20/12 20060101AFI20230907BHJP
【ＦＩ】
B23K20/12 344
B23K20/12 360
【請求項の数】
9
(21)【出願番号】P 2022565674
(86)(22)【出願日】2022-04-07
(86)【国際出願番号】 JP2022017227
(87)【国際公開番号】W WO2022215720
(87)【国際公開日】2022-10-13
【審査請求日】2022-10-26
(31)【優先権主張番号】P 2021065978
(32)【優先日】2021-04-08
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(73)【特許権者】
【識別番号】523194617
【氏名又は名称】ＮＴＫカッティングツールズ株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100079108
【弁理士】
【氏名又は名称】稲葉 良幸
(74)【代理人】
【識別番号】100109346
【弁理士】
【氏名又は名称】大貫 敏史
(74)【代理人】
【識別番号】100117189
【弁理士】
【氏名又は名称】江口 昭彦
(74)【代理人】
【識別番号】100134120
【弁理士】
【氏名又は名称】内藤 和彦
(73)【特許権者】
【識別番号】504176911
【氏名又は名称】国立大学法人大阪大学
(74)【代理人】
【識別番号】100079108
【弁理士】
【氏名又は名称】稲葉 良幸
(74)【代理人】
【識別番号】100109346
【弁理士】
【氏名又は名称】大貫 敏史
(74)【代理人】
【識別番号】100117189
【弁理士】
【氏名又は名称】江口 昭彦
(74)【代理人】
【識別番号】100134120
【弁理士】
【氏名又は名称】内藤 和彦
(74)【代理人】
【識別番号】110000497
【氏名又は名称】弁理士法人グランダム特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】竹内 雄基
(72)【発明者】
【氏名】茂木 淳
(72)【発明者】
【氏名】竹内 裕貴
(72)【発明者】
【氏名】勝 祐介
(72)【発明者】
【氏名】原 康
(72)【発明者】
【氏名】藤井 英俊
(72)【発明者】
【氏名】森貞 好昭
【審査官】山内 隆平
(56)【参考文献】
【文献】国際公開第２０１６／０４７３７６（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２０１６－１３２００４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１１－０１１２３５（ＪＰ，Ａ）
【文献】中国特許出願公開第１０４６４６８２０（ＣＮ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｂ２３Ｋ ２０／１２
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
ショルダ部と、前記ショルダ部の底面に設けられたプローブ部とを有する摩擦攪拌接合用ツールであって、窒化珪素又はサイアロンを主相とするセラミックスを基材としており、
前記ショルダ部の直径は３５ｍｍ以上５０ｍｍ以下であり、
前記ショルダ部の直径に対する前記プローブ部の根元の直径の比率は０．３０以上０．６７以下である摩擦攪拌接合用ツール。
【請求項2】
前記ショルダ部の直径に対する前記プローブ部の高さの比率は０．５以下である請求項１に記載の摩擦攪拌接合用ツール。
【請求項3】
ＴｉＮからなる被覆層を有する請求項１または２に記載の摩擦攪拌接合用ツール。
【請求項4】
前記プローブ部には、前記ショルダ部の底面に向かって拡がる裾領域が設けられ、前記裾領域は、前記プローブ部における前記裾領域以外の領域と比較して外径の高さに対する拡大割合が大きくなる領域を有し、
前記プローブ部の中心軸を含む断面において、前記裾領域の外形線には、前記中心軸を対称軸とし、かつ下記条件（１）及び（２）を満たす直線部が少なくとも一対現れるように、前記裾領域が構成されている請求項１または２に記載の摩擦攪拌接合用ツール。
条件（１）：前記断面において、前記直線部を含む直線と前記プローブ部における前記裾領域以外の領域の外形線を含む直線との交点と、前記プローブ部における前記裾領域以外の領域の外形線を含む一対の直線と前記ショルダ部の底面を含む直線とが交わる２点を通る直線との距離は、前記プローブ部の高さの１２％以上５５％以下である。
条件（２）：一対の前記直線部間のテーパ角度が６０°以上１６０°以下である。
【請求項5】
請求項１または２に記載の摩擦攪拌接合用ツールによって、厚さが１５ｍｍ以上の板材を接合する摩擦攪拌接合方法。
【請求項6】
前記プローブ部には、前記ショルダ部の底面に向かって拡がる裾領域が設けられ、前記裾領域は、前記プローブ部における前記裾領域以外の領域と比較して外径の高さに対する拡大割合が大きくなる領域を有し、
前記プローブ部の中心軸を含む断面において、前記裾領域の外形線には、前記中心軸を対称軸とし、かつ下記条件（１）及び（２）を満たす直線部が少なくとも一対現れるように、前記裾領域が構成されている請求項３に記載の摩擦攪拌接合用ツール。
条件（１）：前記断面において、前記直線部を含む直線と前記プローブ部における前記裾 領域以外の領域の外形線を含む直線との交点と、前記プローブ部における前記裾領域以外 の領域の外形線を含む一対の直線と前記ショルダ部の底面を含む直線とが交わる２点を通る直線との距離は、前記プローブ部の高さの１２％以上５５％以下である。
条件（２）：一対の前記直線部間のテーパ角度が６０°以上１６０°以下である。
【請求項7】
請求項３に記載の摩擦攪拌接合用ツールによって、厚さが１５ｍｍ以上の板材を接合する摩擦攪拌接合方法。
【請求項8】
請求項４に記載の摩擦攪拌接合用ツールによって、厚さが１５ｍｍ以上の板材を接合する摩擦攪拌接合方法。
【請求項9】
請求項６に記載の摩擦攪拌接合用ツールによって、厚さが１５ｍｍ以上の板材を接合する摩擦攪拌接合方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、摩擦攪拌接合用ツール及び摩擦攪拌接合方法に関する。
【背景技術】
【0002】
従来より、金属材料の接合方法として、摩擦攪拌接合（ＦＳＷ:Ｆｒｉｃｔｉｏｎ Ｓｔｉｒ Ｗｅｌｄｉｎｇ）が知られている。摩擦攪拌接合は、回転ツールと被接合材の間で生じる摩擦熱及び加工発熱を用いて材料を軟化させ、回転ツールの回転力により生じる塑性流動を利用して接合を行う固相接合法である。
【0003】
特許文献１に開示される摩擦攪拌接合ツールは、ショルダ部を有する本体部と、本体部の底面に設けられたプローブ部と、を備えている。裏板と裏板の上に配置された被接合材とを接合する際に、回転させた摩擦攪拌接合ツールを被接合材の表面側から圧入して、ショルダ部を被接合材に接触させる。被接合材に塑性流動が生じ、裏板と被接合材とが接合される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【文献】特開２０２０－１４２２９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
摩擦攪拌接合は、Ａｌ（アルミニウム）やＭｇ（マグネシウム）等の比較的融点が低く塑性変形抵抗の小さい金属薄板の接合に対して実用段階にある。摩擦攪拌接合は、さらに鋼板などの比較的融点が高い金属材料で形成され、厚みのある板材の接合等への適用が求められている。したがって、摩擦攪拌接合用ツールは、十分な発熱量（入熱量）を生じさせる構成が求められている。
本開示は、上記実情に鑑みてなされたものであり、逃げる熱を小さくしつつ発熱量を大きくし得る摩擦攪拌接合用ツール及び摩擦攪拌接合方法を提供することを目的とする。本開示は、以下の形態として実現することが可能である。
本開示は、上記実情に鑑みてなされたものであり、逃げる熱を小さくしつつ発熱量を大きくし得る摩擦攪拌接合用ツール及び摩擦攪拌接合方法を提供することを目的とする。本開示は、以下の形態として実現することが可能である。
【課題を解決するための手段】
【0006】
〔１〕ショルダ部と、前記ショルダ部の底面に設けられたプローブ部とを有する摩擦攪拌接合用ツールであって、
窒化珪素又はサイアロンを主相とするセラミックスを基材としており、
前記ショルダ部の直径は３５ｍｍ以上である摩擦攪拌接合用ツール。
窒化珪素又はサイアロンを主相とするセラミックスを基材としており、
前記ショルダ部の直径は３５ｍｍ以上である摩擦攪拌接合用ツール。
【0007】
〔２〕前記ショルダ部の直径に対する前記プローブ部の高さの比率は０．５以下である〔１〕に記載の摩擦攪拌接合用ツール。
【0008】
〔３〕前記ショルダ部の直径に対する前記プローブ部の根元の直径の比率は０．６７以下である〔１〕または〔２〕に記載の摩擦攪拌接合用ツール。
【0009】
〔４〕ＴｉＮからなる被覆層を有する〔１〕から〔３〕のいずれか一つに記載の摩擦攪拌接合用ツール。
【0010】
〔５〕前記プローブ部には、前記ショルダ部の底面に向かって拡がる裾領域が設けられ、
前記裾領域は、前記プローブ部における前記裾領域以外の領域と比較して外径の高さに対する拡大割合が大きくなる領域を有し、
前記プローブ部の中心軸を含む断面において、前記裾領域の外形線には、前記中心軸を対称軸とし、かつ下記条件（１）及び（２）を満たす直線部が少なくとも一対現れるように、前記裾領域が構成されている〔１〕から〔４〕のいずれか一つに記載の摩擦攪拌接合用ツール。
条件（１）：前記断面において、前記直線部を含む直線と前記プローブ部における前記裾領域以外の領域の外形線を含む直線との交点と、前記プローブ部における前記裾領域以外の領域の外形線を含む一対の直線と前記ショルダ部の底面を含む直線とが交わる２点を通る直線との距離は、前記プローブ部の高さの１２％以上５５％以下である。
条件（２）：一対の前記直線部間のテーパ角度が６０°以上１６０°以下である。
前記裾領域は、前記プローブ部における前記裾領域以外の領域と比較して外径の高さに対する拡大割合が大きくなる領域を有し、
前記プローブ部の中心軸を含む断面において、前記裾領域の外形線には、前記中心軸を対称軸とし、かつ下記条件（１）及び（２）を満たす直線部が少なくとも一対現れるように、前記裾領域が構成されている〔１〕から〔４〕のいずれか一つに記載の摩擦攪拌接合用ツール。
条件（１）：前記断面において、前記直線部を含む直線と前記プローブ部における前記裾領域以外の領域の外形線を含む直線との交点と、前記プローブ部における前記裾領域以外の領域の外形線を含む一対の直線と前記ショルダ部の底面を含む直線とが交わる２点を通る直線との距離は、前記プローブ部の高さの１２％以上５５％以下である。
条件（２）：一対の前記直線部間のテーパ角度が６０°以上１６０°以下である。
【0011】
〔６〕〔１〕から〔５〕のいずれか一つに記載の摩擦攪拌接合用ツールによって、厚さが１５ｍｍ以上の板材を接合する摩擦攪拌接合方法。
【発明の効果】
【0012】
本開示の摩擦攪拌接合用ツールは、ショルダ部の直径を３５ｍｍ以上とすることで、発熱量（入熱量）を大きくできる。ショルダ部の直径を３５ｍｍ以上とすることで、摩擦攪拌接合用ツールから逃げる熱の増大が懸念される。そこで、摩擦攪拌接合用ツールの基材が熱伝導率の比較的小さい窒化珪素又はサイアロンを主相とするセラミックスとしているため、摩擦攪拌接合用ツールから逃げる熱を小さくできる。
ショルダ部の直径に対するプローブ部の高さの比率が０．５以下である場合には、プローブ部のサイズが比較的小さくなり、摩擦攪拌接合用ツールが折損し難くなる。
ショルダ部の直径に対するプローブ部の根元の直径の比率が０．６７以下である場合には、プローブ部の根元の直径を比較的に小さくでき、接合時のバリの発生を抑制することができる。ひいては、摩擦攪拌接合用ツールを用いた接合時の接合強度を高められる。
ＴｉＮからなる被覆層を有する場合には、摩擦攪拌接合用ツールの耐摩耗性を向上できる。
プローブ部にショルダ部の底面に向かって拡がる裾領域が設けられ、裾領域以外の領域と比較して裾領域の外径の高さに対する拡大割合が大きくなる場合には、プローブ部とショルダ部のつなぎ目部分に肉盛りすることができ、耐摩耗性を向上できる。また、プローブ部の中心軸を含む断面において、裾領域の外形線に中心軸を対称軸とした直線部が少なくとも一対現れるように裾領域が構成され、上記断面において、直線部を含む直線とプローブ部における裾領域以外の領域の外形線を含む直線との交点と、プローブ部における裾領域以外の領域の外形線を含む一対の直線とショルダ部の底面を含む直線とが交わる２点を通る直線との距離が、プローブ部の高さの１２％以上５５％以下であり（条件（１））、一対の直線部間のテーパ角度が６０°以上１６０°以下である場合（条件（２））には、次の効果が生じる。裾領域によってプローブ部の径が大きくなる部分が増えすぎることなく、ツールを動かす接合装置への負荷を抑制できるとともに、ショルダ部の底面が小さくなりすぎず、流動素材を抑え込みやすくなる。
摩擦攪拌接合用ツールを用いて、厚さが１５ｍｍ以上の板材を接合する本開示の摩擦攪拌接合方法である場合、接合が難しい厚さが１５ｍｍ以上の板材の接合を実現できる。
ショルダ部の直径に対するプローブ部の高さの比率が０．５以下である場合には、プローブ部のサイズが比較的小さくなり、摩擦攪拌接合用ツールが折損し難くなる。
ショルダ部の直径に対するプローブ部の根元の直径の比率が０．６７以下である場合には、プローブ部の根元の直径を比較的に小さくでき、接合時のバリの発生を抑制することができる。ひいては、摩擦攪拌接合用ツールを用いた接合時の接合強度を高められる。
ＴｉＮからなる被覆層を有する場合には、摩擦攪拌接合用ツールの耐摩耗性を向上できる。
プローブ部にショルダ部の底面に向かって拡がる裾領域が設けられ、裾領域以外の領域と比較して裾領域の外径の高さに対する拡大割合が大きくなる場合には、プローブ部とショルダ部のつなぎ目部分に肉盛りすることができ、耐摩耗性を向上できる。また、プローブ部の中心軸を含む断面において、裾領域の外形線に中心軸を対称軸とした直線部が少なくとも一対現れるように裾領域が構成され、上記断面において、直線部を含む直線とプローブ部における裾領域以外の領域の外形線を含む直線との交点と、プローブ部における裾領域以外の領域の外形線を含む一対の直線とショルダ部の底面を含む直線とが交わる２点を通る直線との距離が、プローブ部の高さの１２％以上５５％以下であり（条件（１））、一対の直線部間のテーパ角度が６０°以上１６０°以下である場合（条件（２））には、次の効果が生じる。裾領域によってプローブ部の径が大きくなる部分が増えすぎることなく、ツールを動かす接合装置への負荷を抑制できるとともに、ショルダ部の底面が小さくなりすぎず、流動素材を抑え込みやすくなる。
摩擦攪拌接合用ツールを用いて、厚さが１５ｍｍ以上の板材を接合する本開示の摩擦攪拌接合方法である場合、接合が難しい厚さが１５ｍｍ以上の板材の接合を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【0013】
【図1】第１実施形態の摩擦攪拌接合用ツールの一例を示す斜視図である。
【図7】第２実施形態の摩擦攪拌接合用ツールの一例を示す斜視図である。
【図9】他の実施形態の摩擦攪拌接合用ツールの一例を示す斜視図である。
【図10】他の実施形態の摩擦攪拌接合用ツールの一例を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【0014】
以下、更に詳しく説明する。なお、本明細書において、数値範囲について「～」を用いた記載では、特に断りがない限り、下限値及び上限値を含むものとする。例えば、「１０～２０」という記載では、下限値である「１０」、上限値である「２０」のいずれも含むものとする。すなわち、「１０～２０」は、「１０以上２０以下」と同じ意味である。
【0015】
１．第１実施形態
（１）摩擦攪拌接合用ツール
図１は、第１実施形態の摩擦攪拌接合用ツール１の一例を示している。摩擦攪拌接合用ツール１は、図１に示すように、本体部３と、プローブ部５と、を備えている。本体部３は、ショルダ部７を有している。プローブ部５は、ショルダ部７の底面（上底面）に設けられている。
（１）摩擦攪拌接合用ツール
図１は、第１実施形態の摩擦攪拌接合用ツール１の一例を示している。摩擦攪拌接合用ツール１は、図１に示すように、本体部３と、プローブ部５と、を備えている。本体部３は、ショルダ部７を有している。プローブ部５は、ショルダ部７の底面（上底面）に設けられている。
【0016】
プローブ部５の直径は、ショルダ部７の底面（上底面）からプローブ部５の先端に向かって連続的に減少している。プローブ部５のテーパ角度は例えば１０°とすることができるが、本発明の効果を損なわない限りにおいて特に限定されない。プローブ部５は、溝加工や面取り加工等が施されていないことが好ましい。もちろん、プローブ部５の直径は、ショルダ部７の底面（上底面）からプローブ部５のおよそ先端まで均一であってもよい。
【0017】
摩擦攪拌接合用ツール１は、窒化珪素又はサイアロンを主相とするセラミックスを基材としている。摩擦攪拌接合用ツール１の基材である窒化珪素又はサイアロンを主相とするセラミックスは、本発明の効果を損なわない限りにおいて特に限定されず、従来公知の種々の窒化珪素系セラミックス又はサイアロン系セラミックスとすることができる。なお、摩擦攪拌接合用ツール１は、焼結助剤を含んでも構わない。
【0018】
摩擦攪拌接合用ツール１は、被覆層（図示略）を備えることが好ましい。具体的には、プローブ部５及び／又はショルダ部７の表面が被覆層で被覆されることが好ましい。被覆層は、例えばＰＶＤやＣＶＤ等によって形成された硬質膜である。被覆層は、ＴｉＮからなることが好ましい。
【0019】
図３は、図１、図２に示す摩擦攪拌接合用ツール１において、中心軸を含む平面で切断した断面を示している。図３に示す摩擦攪拌接合用ツール１では、ショルダ部７の直径は、図３に示す断面において、ショルダ部７の底面（上底面）の延長線と本体部３の側面（母線）の延長線とが交わる点Ｐ１１，Ｐ１２間の距離Ｌ１１である。図４、図５は、図３とは異なる形状の摩擦攪拌接合用ツール１における、図３と同様の断面図である。図４に示す摩擦攪拌接合用ツール１では、ショルダ部７Ａは、外周から内周に向かうにつれて、プローブ部５の先端側に隆起している。ショルダ部７Ａの直径は、図４に示す断面において、ショルダ部７Ａの底面（上底面）と、本体部３の側面（母線）とが交わる点Ｐ２１，Ｐ２２間の距離Ｌ２１である。図５に示す摩擦攪拌接合用ツール１では、ショルダ部７Ｂは、外周から内周に向かうにつれて、プローブ部５の先端と反対側に窪んでいる。ショルダ部７Ｂの直径は、図５に示す断面において、ショルダ部７Ｂの底面（上底面）と、本体部３の側面（母線）とが交わる点Ｐ３１，Ｐ３２間の距離Ｌ３１である。
【0020】
ショルダ部７の直径は、発熱量を大きくする観点から、３５ｍｍ以上であり、３７ｍｍ以上が好ましく、４２ｍｍ以上がより好ましい。ショルダ部７の直径は、熱が逃げることを抑制する観点から、５０ｍｍ以下であり、４５ｍｍ以下が好ましい。これらの観点から、ショルダ部７の直径は、３５ｍｍ以上５０ｍｍ以下であり、３７ｍｍ以上４５ｍｍ以下が好ましく、４２ｍｍ以上４５ｍｍ以下がより好ましい。
【0021】
図３に示す摩擦攪拌接合用ツール１において、プローブ部５の高さは、図３に示す断面において、プローブ部５の直線部分の母線の延長線と、ショルダ部７の底面（上底面）の延長線とが交わる点をＰ１３，Ｐ１４としたとき、点Ｐ１３，Ｐ１４を通る直線とプローブ部５の先端（頂点）との距離（最短距離）Ｌ１２である。図４に示す摩擦攪拌接合用ツール１では、プローブ部５の高さは、図４に示す断面において、プローブ部５の直線部分の母線の延長線と、ショルダ部７Ａの底面（上底面）の延長線とが交わる点をＰ２３，Ｐ２４としたとき、点Ｐ２３，Ｐ２４を通る直線とプローブ部５の先端（頂点）との距離（最短距離）Ｌ２２である。図５に示す摩擦攪拌接合用ツール１では、プローブ部５の高さは、図５に示す断面において、プローブ部５の直線部分の母線の延長線と、ショルダ部７Ｂの底面（上底面）の延長線とが交わる点をＰ３３，Ｐ３４としたとき、点Ｐ３３，Ｐ３４を通る直線とプローブ部５の先端（頂点）との距離（最短距離）Ｌ３２である。
【0022】
ショルダ部７の直径に対するプローブ部５の高さの比率は、ツールの折損を抑制する観点から、０．５以下が好ましく、０．４５以下がより好ましく、０．４０以下が更に好ましい。ショルダ部７の直径に対するプローブ部５の高さの比率は、欠陥の発生を抑制する観点から、０．２０以上が好ましく、０．３０以上がより好ましく、０．３５以上が更に好ましい。これらの観点から、ショルダ部７の直径に対するプローブ部５の高さの比率は、０．２０以上０．５以下が好ましく、０．３０以上０．４５以下がより好ましく、０．３５以上０．４０以下が更に好ましい。
【0023】
図３に示す摩擦攪拌接合用ツール１において、プローブ部５の根元の直径は、図３に示す断面において、プローブ部５の直線部分の母線の延長線と、ショルダ部７の底面（上底面）の延長線とが交わる点Ｐ１３，Ｐ１４間の距離Ｌ１３である。図４に示す摩擦攪拌接合用ツール１では、プローブ部５の根元の直径は、図４に示す断面において、プローブ部５の直線部分の母線の延長線と、ショルダ部７Ａの底面（上底面）の延長線とが交わる点Ｐ２３，Ｐ２４間の距離Ｌ２３である。図５に示す摩擦攪拌接合用ツール１では、プローブ部５の根元の直径は、図５に示す断面において、プローブ部５の直線部分の母線の延長線と、ショルダ部７Ｂの底面（上底面）の延長線とが交わる点Ｐ３３，Ｐ３４間の距離Ｌ３３である。
【0024】
ショルダ部７の直径に対するプローブ部５の根元の直径の比率は、バリの発生を抑制する観点から、０．６７以下が好ましく、０．６０以下がより好ましく、０．５０以下が更に好ましい。ショルダ部７の直径に対するプローブ部５の根元の直径の比率は、プローブ部５の強度を確保する観点から、０．３０以上が好ましく、０．４０以上がより好ましい。これらの観点から、ショルダ部７の直径に対するプローブ部５の根元の直径の比率は、０．３０以上０．６７以下が好ましく、０．４０以上０．６０以下がより好ましく、０．４０以上０．５０以下が更に好ましい。
【0025】
（２）摩擦攪拌接合方法
図６は、第１実施形態の摩擦攪拌接合用ツール１を用いた摩擦攪拌接合方法の一例を示す説明図である。摩擦攪拌接合用ツール１は、図示しない接合装置に取り付けられて使用される。摩擦攪拌接合用ツール１のプローブ部５は、接合装置からの加圧を受けて、被接合部材１１、１２の境界である接合線ＷＬへ回転しながら押し込まれる。その後、プローブ部５が被接合部材１１、１２に押し込まれた状態のまま、被接合部材１１、１２は、図６において白抜きの矢印で示す方向に摩擦攪拌接合用ツール１に対して相対的に移動する。これにより、摩擦攪拌接合用ツール１は、接合線ＷＬに沿って相対的に移動する。被接合部材１１、１２は、鋼の板材を用いることができるが、鋼に代えて他の任意の金属を用いてもよい。被接合部材１１、１２の接合線ＷＬ付近は、プローブ部５との間の摩擦熱によって塑性流動する。被接合部材１１、１２の塑性流動した部分をプローブ部５が攪拌することにより、接合領域ＷＡが形成される。この接合領域ＷＡによって、被接合部材１１、１２が互いに結合される。
図６は、第１実施形態の摩擦攪拌接合用ツール１を用いた摩擦攪拌接合方法の一例を示す説明図である。摩擦攪拌接合用ツール１は、図示しない接合装置に取り付けられて使用される。摩擦攪拌接合用ツール１のプローブ部５は、接合装置からの加圧を受けて、被接合部材１１、１２の境界である接合線ＷＬへ回転しながら押し込まれる。その後、プローブ部５が被接合部材１１、１２に押し込まれた状態のまま、被接合部材１１、１２は、図６において白抜きの矢印で示す方向に摩擦攪拌接合用ツール１に対して相対的に移動する。これにより、摩擦攪拌接合用ツール１は、接合線ＷＬに沿って相対的に移動する。被接合部材１１、１２は、鋼の板材を用いることができるが、鋼に代えて他の任意の金属を用いてもよい。被接合部材１１、１２の接合線ＷＬ付近は、プローブ部５との間の摩擦熱によって塑性流動する。被接合部材１１、１２の塑性流動した部分をプローブ部５が攪拌することにより、接合領域ＷＡが形成される。この接合領域ＷＡによって、被接合部材１１、１２が互いに結合される。
【0026】
（３）効果
摩擦攪拌接合は、融点が比較的低く塑性変形抵抗が小さいＡｌ（アルミニウム）やＭｇ（マグネシウム）では実用段階にある。しかしながら、融点が比較的高く、厚みの大きい鋼板への適用には課題が残っている。例えば、特開２０２０－１４２２９３号公報には、鋼板の接合に関する摩擦攪拌接合方法が開示されている。この摩擦攪拌接合方法では、鋼板の厚みが１０ｍｍ以下に限られており、用途は限定的である。実際に、特開２０２０－１４２２９３号公報に開示された摩擦攪拌接合用ツールを用いて、厚みが１５ｍｍの鋼板を実用的な接合速度（５０ｍｍ／ｍｉｎ）で接合したところ、接合状態は不十分であった。厚鋼板を欠陥なく接合するためには、プローブを長くすることが考えられるが、折損するリスクが高まる。そのため、摩擦攪拌接合用ツールの強度を高めることが求められている。
摩擦攪拌接合は、融点が比較的低く塑性変形抵抗が小さいＡｌ（アルミニウム）やＭｇ（マグネシウム）では実用段階にある。しかしながら、融点が比較的高く、厚みの大きい鋼板への適用には課題が残っている。例えば、特開２０２０－１４２２９３号公報には、鋼板の接合に関する摩擦攪拌接合方法が開示されている。この摩擦攪拌接合方法では、鋼板の厚みが１０ｍｍ以下に限られており、用途は限定的である。実際に、特開２０２０－１４２２９３号公報に開示された摩擦攪拌接合用ツールを用いて、厚みが１５ｍｍの鋼板を実用的な接合速度（５０ｍｍ／ｍｉｎ）で接合したところ、接合状態は不十分であった。厚鋼板を欠陥なく接合するためには、プローブを長くすることが考えられるが、折損するリスクが高まる。そのため、摩擦攪拌接合用ツールの強度を高めることが求められている。
【0027】
摩擦攪拌接合用ツールの折損の理由の１つは、摩擦熱が不十分であり、鋼板が十分に軟化しない状態で摩擦攪拌接合用ツールが移動するためと考えられる。これにより、摩擦攪拌接合用ツール(特にプローブ部)に応力が掛かるため、鋼板への入熱量が重要となる。入熱量は、下記（１）式に示すように、撹拌部の圧力Ｐ（Ｎ／ｍ３）、ツール回転数Ｎ（ｓ－１）、ショルダ部の直径Ｒ（ｍ）の３乗に比例する。（２）式は、（１）式を変換したものである。μは摩擦係数であり、Ｌは荷重（Ｎ）である。
【0028】
【数1】
【0029】
【数2】
【0030】
撹拌部の圧力Ｐやツール回転数Ｎは、接合状態、ツールの摩耗、接合装置への負荷に大きな影響を与えるため、代わりに、ショルダ部の直径を大きくすることが有効である。そこで、第１実施形態の摩擦攪拌接合用ツール１は、ショルダ部７の直径を３５ｍｍ以上とし、発熱量（入熱量）を大きくする。ショルダ部７の直径を大きくすることで、入熱量が大きくなり、実用的な接合速度であっても鋼板が十分に軟化する。そのため、摩擦攪拌接合用ツール１に生じる応力が小さくなり、摩擦攪拌接合用ツール１の折損を抑制した上で接合が可能となる。
【0031】
ショルダ部７の直径を比較的大きい値（３５ｍｍ以上）とすることで、摩擦攪拌接合用ツール１から逃げる熱の増大が懸念される。しかし、摩擦攪拌接合用ツール１の基材が熱伝導率の比較的小さい窒化珪素又はサイアロンを主相とするセラミックスとしているため、摩擦攪拌接合用ツール１から逃げる熱を小さくできる。
【0032】
なお、摩擦攪拌接合用ツール１から逃げる熱を小さくために、摩擦攪拌接合用ツール１を構成する基材は、熱伝導率が３３Ｗ／ｍ・Ｋ以下であることが好ましく、２３Ｗ／ｍ・Ｋ以下であることがより好ましく、１８Ｗ／ｍ・Ｋ以下であることが更に好ましい。
【0033】
第１実施形態の摩擦攪拌接合用ツール１において、ショルダ部７の直径に対するプローブ部５の高さの比率が０．５以下である。このような構成によって、プローブ部５のサイズが比較的小さくなり、摩擦攪拌接合用ツール１が折損し難くなる。
【0034】
第１実施形態の摩擦攪拌接合用ツール１において、ショルダ部７の直径に対するプローブ部５の根元の直径の比率が０．６７以下である。このような構成によって、プローブ部５の根元の直径を比較的に小さくでき、接合時のバリの発生を抑制することができる。ひいては、摩擦攪拌接合用ツール１を用いた接合時の接合強度を高められる。
【0035】
第１実施形態の摩擦攪拌接合用ツール１は、ＴｉＮからなる被覆層を有する。このような構成によって、摩擦攪拌接合用ツール１の耐摩耗性を向上できる。
【0036】
第１実施形態の摩擦攪拌接合方法は、摩擦攪拌接合用ツール１を用いて、厚さが１５ｍｍ以上の板材を接合する。このような構成によって、接合が難しい厚さが１５ｍｍ以上の板材の接合を実現できる。
【0037】
＜実施例＞
実施例により、第１実施形態を更に具体的に説明する。
実施例により、第１実施形態を更に具体的に説明する。
【0038】
（１）摩擦攪拌接合用ツール
実施例１～２及び比較例１の摩擦攪拌接合用ツールの基材には、「サイアロン相」と「粒界相」とを含む材料を用いた。「サイアロン相」は、αサイアロン、及びＳｉ６－ＺＡｌＺＯＺＮ８－Ｚで表されるβサイアロンを含む。Ｚの値は、０．２以上０．７以下である。「粒界相」は、結晶粒と結晶粒の境界が現れている部分である。
実施例１～２及び比較例１の摩擦攪拌接合用ツールの基材には、「サイアロン相」と「粒界相」とを含む材料を用いた。「サイアロン相」は、αサイアロン、及びＳｉ６－ＺＡｌＺＯＺＮ８－Ｚで表されるβサイアロンを含む。Ｚの値は、０．２以上０．７以下である。「粒界相」は、結晶粒と結晶粒の境界が現れている部分である。
【0039】
実施例１～２及び比較例１の摩擦攪拌接合用ツールの形状に関するパラメータは、以下の表１に示す。実施例１の摩擦攪拌接合用ツールのショルダ部の直径は３７．５ｍｍであった。実施例２の摩擦攪拌接合用ツールのショルダ部の直径は４２．５ｍｍであった。比較例１の摩擦攪拌接合用ツールのショルダ部の直径は３０．０ｍｍであった。
【0040】
【表1】
【0041】
（２）接合条件
実施例１～２及び比較例１の摩擦攪拌接合用ツールを用いて、１５ｍｍ厚の鋼板（低炭素鋼）に対して摩擦攪拌接合を行った。２枚の鋼板の境界（突合せ面）に対する接合を行った。摩擦攪拌接合用ツールの回転数は２００ｒｐｍであり、接合速度は５０ｍｍ／ｍｉｎであり、前進角は１°であった。
実施例１～２及び比較例１の摩擦攪拌接合用ツールを用いて、１５ｍｍ厚の鋼板（低炭素鋼）に対して摩擦攪拌接合を行った。２枚の鋼板の境界（突合せ面）に対する接合を行った。摩擦攪拌接合用ツールの回転数は２００ｒｐｍであり、接合速度は５０ｍｍ／ｍｉｎであり、前進角は１°であった。
【0042】
（３）結果
表１に結果を併記し、これについて検討する。
実施例１～２は、下記要件（ａ）を満たしている。比較例１は、下記要件（ａ）を満たしていない。
・要件（ａ）：ショルダ部の直径が３５ｍｍ以上である。
表１に結果を併記し、これについて検討する。
実施例１～２は、下記要件（ａ）を満たしている。比較例１は、下記要件（ａ）を満たしていない。
・要件（ａ）：ショルダ部の直径が３５ｍｍ以上である。
【0043】
実施例１は、要件（ａ）を満たすことで、ツール折損が生じることなく、表面欠陥なしに５００ｍｍの接合を行えた。実施例２は、要件（ａ）を満たすことで、ツール折損が生じることなく、表面欠陥なしに９００ｍｍの接合を行えた。一方で、比較例１は、要件（ａ）を満たさず、５００ｍｍまでの接合後、ツールの一部が破損した。以上の結果は、実施例１～２の方が、特に実施例２の方が、比較例１よりも鋼板に対する入熱量が大きかったためと考えられる。
【0044】
（４）実施例の効果
実施例１～２により、１５ｍｍ厚の鋼板の接合が可能となり、産業用途が拡大した。
実施例１～２により、１５ｍｍ厚の鋼板の接合が可能となり、産業用途が拡大した。
【0045】
２．第２実施形態
（１）摩擦攪拌接合用ツール
図７は、第２実施形態の摩擦攪拌接合用ツール２０１の一例を示している。図７は、摩擦攪拌接合用ツール２０１において、中心軸Ｃを含む平面で切断した断面を示している。摩擦攪拌接合用ツール２０１は、図７に示すように、本体部２０３と、プローブ部２０５と、を備えている。本体部２０３は、ショルダ部２０７を有している。プローブ部２０５は、ショルダ部２０７の底面（上底面）に設けられている。
（１）摩擦攪拌接合用ツール
図７は、第２実施形態の摩擦攪拌接合用ツール２０１の一例を示している。図７は、摩擦攪拌接合用ツール２０１において、中心軸Ｃを含む平面で切断した断面を示している。摩擦攪拌接合用ツール２０１は、図７に示すように、本体部２０３と、プローブ部２０５と、を備えている。本体部２０３は、ショルダ部２０７を有している。プローブ部２０５は、ショルダ部２０７の底面（上底面）に設けられている。
【0046】
プローブ部２０５の直径は、ショルダ部２０７の底面（上底面）からプローブ部２０５の先端に向かって連続的に減少している。プローブ部２０５は、溝加工や面取り加工等が施されていないことが好ましい。
【0047】
プローブ部２０５は、裾領域２０５Ａと、先端側領域２０５Ｂと、を含んでいる。裾領域２０５Ａは、プローブ部２０５における基端側（本体部２０３側）に設けられている。裾領域２０５Ａは、ショルダ部２０７の底面（上底面）に向かって拡がっている。裾領域２０５Ａは、先端側からショルダ部２０７の底面に向かうにつれて外径が次第に大きくなる略円錐台形状をなしている。
【0048】
先端側領域２０５Ｂは、裾領域２０５Ａ以外の領域である。先端側領域２０５Ｂは、プローブ部２０５における裾領域２０５Ａよりも上端側に設けられている。先端側領域２０５Ｂは、先端側からショルダ部２０７の底面に向かうにつれて外径が次第に大きくなり、先端が丸みを帯びた略円錐台形状をなしている。
【0049】
裾領域２０５Ａは、プローブ部２０５における先端側領域２０５Ｂと比較して外径の高さに対する拡大割合が大きくなっている。
【0050】
図７に示す断面において、裾領域２０５Ａの外形線には、中心軸Ｃを対称軸とした直線部２０５Ｌが一対現れている。直線部２０５Ｌは、下記条件（１）及び（２）を満たしている。
条件（１）：中心軸Ｃを含む平面で切断した断面（図７に示す断面）において、直線部２０５Ｌを含む直線Ｌ１とプローブ部２０５における裾領域２０５Ａ以外の領域（先端側領域２０５Ｂ）の外形線を含む直線Ｌ２との交点Ｐ１と、プローブ部２０５における裾領域以外の領域（先端側領域２０５Ｂ）の外形線を含む一対の直線Ｌ２とショルダ部２０７の底面（上底面）を含む直線Ｌ３とが交わる２点（点Ｐ２１３，Ｐ２１４）を通る直線Ｌ４との間の距離は、プローブ部２０５の高さの１２％以上５５％以下である。
条件（２）：一対の直線部２０５Ｌ間のテーパ角度が６０°以上１６０°以下である。
条件（１）：中心軸Ｃを含む平面で切断した断面（図７に示す断面）において、直線部２０５Ｌを含む直線Ｌ１とプローブ部２０５における裾領域２０５Ａ以外の領域（先端側領域２０５Ｂ）の外形線を含む直線Ｌ２との交点Ｐ１と、プローブ部２０５における裾領域以外の領域（先端側領域２０５Ｂ）の外形線を含む一対の直線Ｌ２とショルダ部２０７の底面（上底面）を含む直線Ｌ３とが交わる２点（点Ｐ２１３，Ｐ２１４）を通る直線Ｌ４との間の距離は、プローブ部２０５の高さの１２％以上５５％以下である。
条件（２）：一対の直線部２０５Ｌ間のテーパ角度が６０°以上１６０°以下である。
【0051】
条件（１）において、プローブ部２０５の高さは、図７に示す断面において、プローブ部２０５の先端側領域２０５Ｂの母線の延長線（外形線を含む直線）Ｌ２と、ショルダ部２０７の底面（上底面）の延長線Ｌ３とが交わる点をＰ２１３，Ｐ２１４としたとき、点Ｐ２１３，Ｐ２１４を通る直線Ｌ４とプローブ部２０５の先端（頂点）との距離（最短距離）Ｌ２１２である。直線部２０５Ｌを含む直線Ｌ１と先端側領域２０５Ｂの外形線を含む直線Ｌ２との交点Ｐ１と、点Ｐ２１３，Ｐ２１４を通る直線Ｌ４との間の距離（最短距離）を、距離Ｌ２１２Ａとする。距離Ｌ２１２に対する距離Ｌ２１２Ａの割合は、１２％以上５５％以下であり、１５％以上４５％以下が好ましく、１７％以上４１％以下が更に好ましい。
【0052】
条件（２）において、一対の直線部２０５Ｌ間のテーパ角度θは、相交わる２つの直線部２０５Ｌの延長線の広がり角度である。直線部２０５Ｌ間のテーパ角度は、プローブ部２０５における先端側領域２０５Ｂの割合が小さくなり過ぎないようにする観点から、６０°以上であり、７０°以上が好ましく、８０°以上がより好ましい。直線部２０５Ｌ間のテーパ角度は、ショルダ部２０７の底面（上底面）が小さくなり過ぎないようにする観点から、１６０°以下であり、１５５°以下が好ましく、１５０°以下がより好ましい。これらの観点から、直線部２０５Ｌ間のテーパ角度は、６０°以上１６０°以下であり、７０°以上１５５°以下が好ましく、８０°以上１５０°以下がより好ましい。
【0053】
摩擦攪拌接合用ツール２０１では、ショルダ部２０７の直径は、図７に示す断面において、ショルダ部２０７の底面（上底面）の延長線Ｌ３と本体部２０３の側面（母線）の延長線とが交わる点Ｐ２１１，Ｐ２１２間の距離Ｌ２１１である。図７に示す断面において、直線部２０５Ｌを含む直線Ｌ１と、ショルダ部２０７の底面（上底面）の延長線Ｌ３とが交わる点をＰ２とする。点Ｐ２と中心軸Ｃとの距離は、Ｌ２１１Ａである。ショルダ部２０７の半径（距離Ｌ２１１×１／２）に対する距離Ｌ２１１Ａの割合は、５０％以上９０％以下であり、５３％以上８８％以下が好ましく、５３％以上８６％以下が更に好ましい。
【0054】
図８は、図７における右側の裾領域２０５Ａの直線部２０５Ｌ及びその周辺を拡大して示す拡大図である。図８に示す断面において、裾領域２０５Ａの外形線には、直線部２０５Ｌの両側につなぎ部２０５Ｃ，２０５Ｄが設けられている。つなぎ部２０５Ｃは、直線部２０５Ｌの上端と先端側領域２０５Ｂの下端との間に設けられている。つなぎ部２０５Ｃは、直線部２０５Ｌと先端側領域２０５Ｂとを滑らかにつなぐように円弧状になっている。つなぎ部２０５Ｄは、直線部２０５Ｌの下端とショルダ部２０７の底面（上底面）との間に設けられている。つなぎ部２０５Ｄは、直線部２０５Ｌとショルダ部２０７の底面（上底面）とを滑らかにつなぐように円弧状になっている。なお、２０５Ｃ，２０５Ｄは、曲率が一定の円弧状でなくてもよい。図７における左側の裾領域２０５Ａも、同様につなぎ部２０５Ｃ，２０５Ｄが設けられている。
【0055】
図８を用いて裾領域２０５Ａにおいて直線部２０５Ｌが設けられる範囲について説明する。図８に示す断面において、点Ｐ１（直線部２０５Ｌを含む直線Ｌ１と先端側領域２０５Ｂの外形線を含む直線Ｌ２との交点）の位置を原点Ａとし、水平方向（中心軸Ｃに直交する方向）で外側（中心軸Ｃとは反対側）に向かう座標を設定する。この座標における、点Ｐ２（直線部２０５Ｌを含む直線Ｌ１と、ショルダ部２０７の底面（上底面）の延長線Ｌ３とが交わる点）の位置をＢとする。ＡからＢまでの距離を１００％としたとき、座標における直線部２０５Ｌが設けられる範囲Ｒａは、摩擦攪拌接合用ツール２０１の耐摩耗性を向上させるとともに折損を抑制する観点から、２０％以上９０％以下が好ましく、２５％以上８０％以下がより好ましく、３０％以上８０％以下が更に好ましい。
【0056】
摩擦攪拌接合用ツール２０１は、第１実施形態の摩擦攪拌接合用ツール１と同様の材料によって構成されている。摩擦攪拌接合用ツール２０１は、第１実施形態と同様の構成の被覆層（図示略）を備えることが好ましい。
【0057】
ショルダ部２０７の直径は、発熱量を大きくする観点から、３５ｍｍ以上であり、３７ｍｍ以上が好ましく、４２ｍｍ以上がより好ましい。ショルダ部２０７の直径は、熱が逃げることを抑制する観点から、５０ｍｍ以下であり、４９ｍｍ以下が好ましく、４８ｍｍ以下がより好ましい。これらの観点から、ショルダ部２０７の直径は、３５ｍｍ以上５０ｍｍ以下であり、３７ｍｍ以上４９ｍｍ以下が好ましく、４２ｍｍ以上４８ｍｍ以下がより好ましい。
【0058】
ショルダ部２０７の直径に対するプローブ部２０５の高さの比率は、ツールの折損を抑制する観点から、０．５０以下が好ましく、０．４０以下がより好ましく、０．３５以下が更に好ましい。ショルダ部２０７の直径に対するプローブ部２０５の高さの比率は、欠陥の発生を抑制する観点から、０．１５以上が好ましく、０．１８以上がより好ましく、０．２０以上が更に好ましい。これらの観点から、ショルダ部２０７の直径に対するプローブ部２０５の高さの比率は、０．１５以上０．５０以下が好ましく、０．１８以上０．４０以下がより好ましく、０．２０以上０．３５以下が更に好ましい。
【0059】
摩擦攪拌接合用ツール２０１において、プローブ部２０５の根元の直径は、図７に示す断面において、プローブ部２０５の直線部分の母線の延長線と、ショルダ部２０７の底面（上底面）の延長線Ｌ３とが交わる点Ｐ２１３，Ｐ２１４間の距離Ｌ２１３である。
【0060】
ショルダ部２０７の直径に対するプローブ部２０５の根元の直径の比率は、バリの発生を抑制する観点から、０．６７以下が好ましく、０．６０以下がより好ましく、０．５０以下が更に好ましい。ショルダ部２０７の直径に対するプローブ部２０５の根元の直径の比率は、プローブ部２０５の強度を確保する観点から、０．３０以上が好ましく、０．３２以上がより好ましく、０．３５以上が更に好ましい。これらの観点から、ショルダ部２０７の直径に対するプローブ部２０５の根元の直径の比率は、０．３０以上０．６７以下が好ましく、０．３２以上０．６０以下がより好ましく、０．３５以上０．５０以下が更に好ましい。
【0061】
ショルダ部２０７の直径が３５ｍｍ以上５０ｍｍ以下であり、ショルダ部２０７の直径に対するプローブ部２０５の高さの比率が０．２０以上０．３５以下であり、ショルダ部２０７の直径に対するプローブ部２０５の根元の直径の比率が０．３５以上０．５０以下であることが好ましい。
【0062】
（２）摩擦攪拌接合方法
第２実施形態の摩擦攪拌接合用ツール２０１を用いた摩擦攪拌接合方法は、第１実施形態の摩擦攪拌接合用ツール１を用いた摩擦攪拌接合方法と同様である。
第２実施形態の摩擦攪拌接合用ツール２０１を用いた摩擦攪拌接合方法は、第１実施形態の摩擦攪拌接合用ツール１を用いた摩擦攪拌接合方法と同様である。
【0063】
（３）効果
第２実施形態の摩擦攪拌接合用ツール２０１は、第１実施形態の摩擦攪拌接合用ツール１と同様の効果を奏し、さらに以下の効果を奏する。
プローブ部２０５にショルダ部２０７の底面（上底面）に向かって拡がる裾領域２０５Ａが設けられ、先端側領域２０５Ｂと比較して裾領域２０５Ａの外径の高さに対する拡大割合が大きくなる構成であるため、プローブ部２０５とショルダ部２０７のつなぎ目部分に肉盛りでき、耐摩耗性を向上できる。また、プローブ部２０５の中心軸Ｃを含む断面において、裾領域２０５Ａの外形線に中心軸Ｃを対称軸とした直線部２０５Ｌが少なくとも一対現れるように裾領域２０５Ａが構成され、上記断面において、直線部２０５Ｌを含む直線Ｌ１と先端側領域２０５Ｂの外形線を含む直線Ｌ２との交点Ｐ１と、プローブ部２０５の裾領域以外の領域（先端側領域２０５Ｂ）の外形線を含む一対の直線Ｌ２とショルダ部２０７の底面（上底面）を含む直線Ｌ３とが交わる２点（点Ｐ２１３，Ｐ２１４）を通る直線Ｌ４との距離が、プローブ部２０５の高さの１２％以上５５％以下であり（条件（１））、一対の直線部２０５Ｌ間のテーパ角度が６０°以上１６０°以下である場合（条件（２））には、次の効果が生じる。裾領域２０５Ａによってプローブ部２０５の径が大きくなる部分が増えすぎることなく、ツールを動かす接合装置への負荷を抑制できるとともに、ショルダ部２０７の底面が小さくなりすぎず、流動素材を抑え込みやすくなる。
第２実施形態の摩擦攪拌接合用ツール２０１は、第１実施形態の摩擦攪拌接合用ツール１と同様の効果を奏し、さらに以下の効果を奏する。
プローブ部２０５にショルダ部２０７の底面（上底面）に向かって拡がる裾領域２０５Ａが設けられ、先端側領域２０５Ｂと比較して裾領域２０５Ａの外径の高さに対する拡大割合が大きくなる構成であるため、プローブ部２０５とショルダ部２０７のつなぎ目部分に肉盛りでき、耐摩耗性を向上できる。また、プローブ部２０５の中心軸Ｃを含む断面において、裾領域２０５Ａの外形線に中心軸Ｃを対称軸とした直線部２０５Ｌが少なくとも一対現れるように裾領域２０５Ａが構成され、上記断面において、直線部２０５Ｌを含む直線Ｌ１と先端側領域２０５Ｂの外形線を含む直線Ｌ２との交点Ｐ１と、プローブ部２０５の裾領域以外の領域（先端側領域２０５Ｂ）の外形線を含む一対の直線Ｌ２とショルダ部２０７の底面（上底面）を含む直線Ｌ３とが交わる２点（点Ｐ２１３，Ｐ２１４）を通る直線Ｌ４との距離が、プローブ部２０５の高さの１２％以上５５％以下であり（条件（１））、一対の直線部２０５Ｌ間のテーパ角度が６０°以上１６０°以下である場合（条件（２））には、次の効果が生じる。裾領域２０５Ａによってプローブ部２０５の径が大きくなる部分が増えすぎることなく、ツールを動かす接合装置への負荷を抑制できるとともに、ショルダ部２０７の底面が小さくなりすぎず、流動素材を抑え込みやすくなる。
【0064】
＜実施例＞
実施例により、第２実施形態を更に具体的に説明する。
実施例により、第２実施形態を更に具体的に説明する。
【0065】
（１）摩擦攪拌接合用ツール
実施例１～１０及び比較例１の摩擦攪拌接合用ツールの基材には、「サイアロン相」と「粒界相」とを含む材料を用いた。「サイアロン相」は、αサイアロン、及びＳｉ６－ＺＡｌＺＯＺＮ８－Ｚで表されるβサイアロンを含む。Ｚの値は、０．２以上０．７以下である。「粒界相」は、結晶粒と結晶粒の境界が現れている部分である。
実施例１～１０及び比較例１の摩擦攪拌接合用ツールの基材には、「サイアロン相」と「粒界相」とを含む材料を用いた。「サイアロン相」は、αサイアロン、及びＳｉ６－ＺＡｌＺＯＺＮ８－Ｚで表されるβサイアロンを含む。Ｚの値は、０．２以上０．７以下である。「粒界相」は、結晶粒と結晶粒の境界が現れている部分である。
【0066】
実施例１～１０及び比較例１の摩擦攪拌接合用ツールの形状に関するパラメータは、以下の表２に示す。実施例６～１０の摩擦攪拌接合用ツールのプローブ部の裾領域には、一対の直線部が設けられていた。
【0067】
実施例６～１０において、プローブ部の高さに対する、直線部を含む直線とプローブ部における裾領域以外の領域（先端側領域）の外形線を含む直線との交点と、プローブ部における裾領域以外の領域（先端側領域）の外形線を含む一対の直線とショルダ部の底面（上底面）を含む直線とが交わる２点を通る直線との間の距離の割合（プローブ部における裾領域の高さ割合）は、それぞれ５０％、３２％、２３％、２３％、１７％であった。
実施例６～１０において、ショルダ部の半径に対する、直線部を含む直線とショルダ部の底面（上底面）の延長線とが交わる点と中心軸との距離の割合は、それぞれ５５％、５５％、６２％、８２％、８６％であった。
実施例６～１０において、ショルダ部の半径に対する、直線部を含む直線とショルダ部の底面（上底面）の延長線とが交わる点と中心軸との距離の割合は、それぞれ５５％、５５％、６２％、８２％、８６％であった。
【0068】
【表2】
【0069】
（２）接合条件
実施例１～１０及び比較例１の摩擦攪拌接合用ツールを用いて、１５ｍｍ厚の鋼板（低炭素鋼）に対して摩擦攪拌接合を行った。２枚の鋼板の境界（突合せ面）に対する接合を行った。摩擦攪拌接合用ツールの回転数は２００ｒｐｍであり、接合速度は５０ｍｍ／ｍｉｎであり、前進角は１°であった。
実施例１～１０及び比較例１の摩擦攪拌接合用ツールを用いて、１５ｍｍ厚の鋼板（低炭素鋼）に対して摩擦攪拌接合を行った。２枚の鋼板の境界（突合せ面）に対する接合を行った。摩擦攪拌接合用ツールの回転数は２００ｒｐｍであり、接合速度は５０ｍｍ／ｍｉｎであり、前進角は１°であった。
【0070】
（３）結果
表２に結果を併記し、これについて検討する。
実施例１～１０は、下記要件（ａ）を満たしている。比較例１は、下記要件（ａ）を満たしていない。
・要件（ａ）：ショルダ部の直径が３５ｍｍ以上である。
表２に結果を併記し、これについて検討する。
実施例１～１０は、下記要件（ａ）を満たしている。比較例１は、下記要件（ａ）を満たしていない。
・要件（ａ）：ショルダ部の直径が３５ｍｍ以上である。
【0071】
実施例１～１０は、要件（ａ）を満たすことで、ツール折損が生じることなく、表面欠陥なしに５００ｍｍ～２０００ｍｍの接合を行えた。一方で、比較例１は、要件（ａ）を満たさず、５００ｍｍまでの接合後、ツールの一部が破損した。以上の結果は、実施例１～１０の方が、比較例１よりも鋼板に対する入熱量が大きかったためと考えられる。
【0072】
実施例６～１０は、下記要件（ｂ）（ｃ）を満たしている。実施例１～５、比較例１は、下記要件（ｂ）（ｃ）を満たしていない。
・要件（ｂ）：プローブ部の中心軸を含む断面において、直線部を含む直線とプローブ部における裾領域以外の領域の外形線を含む直線との交点と、プローブ部における裾領域以外の領域の外形線を含む一対の直線とショルダ部の底面（上底面）を含む直線とが交わる２点を通る直線との間の距離が、プローブ部の高さの１２％以上５５％以下である。
・要件（ｃ）：一対の直線部間のテーパ角度が６０°以上１６０°以下である。
・要件（ｂ）：プローブ部の中心軸を含む断面において、直線部を含む直線とプローブ部における裾領域以外の領域の外形線を含む直線との交点と、プローブ部における裾領域以外の領域の外形線を含む一対の直線とショルダ部の底面（上底面）を含む直線とが交わる２点を通る直線との間の距離が、プローブ部の高さの１２％以上５５％以下である。
・要件（ｃ）：一対の直線部間のテーパ角度が６０°以上１６０°以下である。
【0073】
実施例６～１０は、要件（ｂ）（ｃ）を満たすことで、９００ｍｍ以上の接合を行えた。一方で、実施例１～５、比較例１は、要件（ｂ）（ｃ）を満たさず、９００ｍｍ以下の接合を行えた。以上の結果は、実施例６～１０の方が、特に実施例７，８の方が、プローブ部に要件（ｂ）（ｃ）を満たす裾領域を設けたことで、実施例１～５、比較例１よりも摩擦攪拌接合用ツールの摩耗耐性が効率良く向上したためと考えられる。
【0074】
（４）実施例の効果
実施例１～１０により、１５ｍｍ厚の鋼板の接合が可能となり、産業用途が拡大した。実施例１～１０により、ＰＣＢＮを用いたツールに比べて安価に摩擦攪拌接合用ツールを提供できるようになった。
実施例１～１０により、１５ｍｍ厚の鋼板の接合が可能となり、産業用途が拡大した。実施例１～１０により、ＰＣＢＮを用いたツールに比べて安価に摩擦攪拌接合用ツールを提供できるようになった。
【0075】
３．他の実施形態
本開示は上記で詳述した実施形態に限定されず、様々な変形又は変更が可能である。
上記第２実施形態の摩擦攪拌接合用ツールとは異なり、裾領域に複数対の直線部が設けられていてもよい。例えば、図９に示す摩擦攪拌接合用ツール３０１の断面（プローブ部２０５の中心軸Ｃを含む断面）のように、裾領域２０５Ａに、二対の直線部（直線部３０５Ｌ１，３０５Ｌ２）が設けられていてもよい。摩擦攪拌接合用ツールは、複数対の直線部のうち少なくとも一対の直線部（図９では例えば直線部３０５Ｌ２）が、上記条件（１）（２）を満たせばよい。
本開示は上記で詳述した実施形態に限定されず、様々な変形又は変更が可能である。
上記第２実施形態の摩擦攪拌接合用ツールとは異なり、裾領域に複数対の直線部が設けられていてもよい。例えば、図９に示す摩擦攪拌接合用ツール３０１の断面（プローブ部２０５の中心軸Ｃを含む断面）のように、裾領域２０５Ａに、二対の直線部（直線部３０５Ｌ１，３０５Ｌ２）が設けられていてもよい。摩擦攪拌接合用ツールは、複数対の直線部のうち少なくとも一対の直線部（図９では例えば直線部３０５Ｌ２）が、上記条件（１）（２）を満たせばよい。
【0076】
上記第２実施形態の摩擦攪拌接合用ツールでは、プローブ部の裾領域に直線部が設けられていたが、裾領域の形状はこれに限定されない。例えば、プローブ部の裾領域は、プローブ部の中心軸を含む断面において、裾領域の外形線には、中心軸を対称軸とした円弧部が少なくとも一対現れるように、裾領域が構成されていてもよい。この円弧部は、プローブ部とショルダ部の底面とに接する円の一部である。例えば、図１０に示す摩擦攪拌接合用ツール４０１の断面（プローブ部４０５の中心軸Ｃを含む断面）のように、裾領域４０５Ａの外形線には、中心軸Ｃを対称軸とした円弧部４０５Ｒが一対現れるように、裾領域４０５Ａが構成されていてもよい。円弧部４０５Ｒは、プローブ部４０５とショルダ部２０７の底面（上底面）とに接する円（図１０の一点鎖線で示す円）の一部である。
【0077】
図１０に示す摩擦攪拌接合用ツール４０１において、円弧部４０５Ｒの曲率半径は、耐摩耗性の向上、及びツール折損の抑制の観点から、２ｍｍ以上１２ｍｍ以下が好ましく、３ｍｍ以上１１ｍｍ以下がより好ましく、４ｍｍ以上１０ｍｍ以下が更に好ましい。
【0078】
【符号の説明】
【0079】
１…摩擦攪拌接合用ツール
３…本体部
５…プローブ部
７…ショルダ部
２０１…摩擦攪拌接合用ツール
２０３…本体部
２０５…プローブ部
２０５Ａ…裾領域
２０５Ｂ…先端側領域（裾領域以外の領域）
２０５Ｌ…直線部
２０７…ショルダ部
３０１…摩擦攪拌接合用ツール
３０５Ｌ１，３０５Ｌ２…直線部
４０１…摩擦攪拌接合用ツール
４０５…プローブ部
４０５Ａ…裾領域
４０５Ｒ…円弧部
３…本体部
５…プローブ部
７…ショルダ部
２０１…摩擦攪拌接合用ツール
２０３…本体部
２０５…プローブ部
２０５Ａ…裾領域
２０５Ｂ…先端側領域（裾領域以外の領域）
２０５Ｌ…直線部
２０７…ショルダ部
３０１…摩擦攪拌接合用ツール
３０５Ｌ１，３０５Ｌ２…直線部
４０１…摩擦攪拌接合用ツール
４０５…プローブ部
４０５Ａ…裾領域
４０５Ｒ…円弧部
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】