特許 7351753 回転ツール

(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】2023-09-19

(45)【発行日】2023-09-27

(54)【発明の名称】回転ツール

(51)【国際特許分類】

   B23K 20/12 20060101AFI20230920BHJP

【ＦＩ】

B23K20/12 344

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2020007245

(22)【出願日】2020-01-21

(65)【公開番号】P2021112767

(43)【公開日】2021-08-05

【審査請求日】2022-08-25

(73)【特許権者】

【識別番号】502444733

【氏名又は名称】日軽金アクト株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001807

【氏名又は名称】弁理士法人磯野国際特許商標事務所

(72)【発明者】

【氏名】馮 科研

【審査官】松田 長親

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１９／１７２３００（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２００１－２０５４５４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００３－３９１８２（ＪＰ，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、前記ショルダ部に設けられた攪拌ピンとを備え、摩擦攪拌に用いられる回転ツールであって、
前記回転ツールは、前記ショルダ部の底面において、前記攪拌ピンの基端部の周囲に設けられたすり鉢状溝部と、
前記すり鉢状溝部の径方向外側において、前記ショルダ部の底面の外周縁の一部を周方向にわたって切り欠いて形成された切欠き部と、
前記切欠き部の一端部から延設されて、前記切欠き部と前記すり鉢状溝部とを連結する溝部と、を備え、
前記溝部は、前記切欠き部の延在方向に対して、前記切欠き部の一端部から前記回転ツールの中心方向に向けて折れ曲がって形成されており、
前記溝部が形成された前記切欠き部の一端部において、前記溝部の壁面からなり、前記すり鉢状溝部の周方向外側の外縁部を頂部として有するエッジ部が形成されている、
ことを特徴とする回転ツール。

【請求項2】

前記ショルダ部の底面の外周縁に、先端側に向けて縮径するテーパー部が設けられており、
前記切欠き部は、前記テーパー部の先端部に設けられている、
請求項１に記載の回転ツール。

【請求項3】

前記溝部は、前記テーパー部の先端部に設けられている、
請求項２に記載の回転ツール。

【請求項4】

前記切欠き部は、周方向に所定の長さで円弧状に形成されており、
前記溝部は、前記切欠き部の端部のうち回転方向に対向する側の端部から前記すり鉢状溝部に延設されており、
前記溝部の延長方向に沿う仮想線と、当該仮想線と前記切欠き部の外周縁との交点における接線とのなす角度が鈍角となっている、
請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の回転ツール。

【請求項5】

前記切欠き部及び前記溝部は、前記攪拌ピンの周囲に複数組形成されている、
請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の回転ツール。

【請求項6】

前記攪拌ピンの外周面には螺旋溝が刻設されており、
前記螺旋溝が前記攪拌ピンの基端から先端に向けて左回りに形成されるとともに、前記回転ツールの先端側から見て、前記切欠き部の時計回り方向における終端部側から前記溝部が延設されるか、または、前記螺旋溝が前記攪拌ピンの基端から先端に向けて右回りに形成されるとともに、前記回転ツールの先端側から見て、前記切欠き部の反時計回り方向における終端部側から前記溝部が延設される、
請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の回転ツール。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、摩擦攪拌で用いられる回転ツールに関する。

【背景技術】

【0002】

例えば、特許文献１には、ショルダ部と、ショルダ部の底面に設けられた攪拌ピンとを備えた回転ツールが開示されている。当該回転ツールのショルダ部の底面には、攪拌ピンの周囲を取り囲むようにして平面視渦巻状に突設された突条部が設けられている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１４－１４８７０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１の回転ツールによれば、突条部を設けることで、塑性流動材を攪拌ピン側に流動させることができるため、摩擦攪拌部が金属不足になるのを防ぐことができる。しかし、回転ツールの押し込みによって、摩擦攪拌部の肉厚が薄くなる減肉が生じることで、被摩擦攪拌部材の強度が低下するおそれがあった。また、減肉量に応じた面削が必要となるため、生産性の低下に繋がっていた。さらに、摩擦攪拌時に移動する回転ツールのショルダ部の外周部と被摩擦攪拌部材との接触により、摩擦攪拌部にバリが発生していた。またさらに、回転ツールの摩耗が激しくなるため、ツールの交換が多くなり製造コストが嵩むという問題があった。また、突条部が破損すると摩擦攪拌部に破損片が残留し、摩擦攪拌不良となるおそれがあった。

【0005】

このような観点から、本発明は、摩擦攪拌部の減肉とバリの発生を抑制して摩擦攪拌を行うことができるとともに、耐摩耗性を高めることができる回転ツールを提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

前記課題を解決するために、本発明は、ショルダ部と、前記ショルダ部に設けられた攪拌ピンとを備え、摩擦攪拌に用いられる回転ツールであって、前記回転ツールは、前記ショルダ部の底面において、前記攪拌ピンの基端部の周囲に設けられたすり鉢状溝部と、前記すり鉢状溝部の径方向外側において、前記ショルダ部の底面の外周縁の一部を周方向にわたって切り欠いて形成された切欠き部と、前記切欠き部の一端部から延設されて、前記切欠き部と前記すり鉢状溝部とを連結する溝部と、を備え、前記溝部は、前記切欠き部の延在方向に対して、前記切欠き部の一端部から前記回転ツールの中心方向に向けて折れ曲がって形成されており、前記溝部が形成された前記切欠き部の一端部において、前記溝部の壁面からなり、前記すり鉢状溝部の周方向外側の外縁部を頂部として有するエッジ部が形成されている、ことを特徴とする。

【0007】

かかる構成によれば、進行方向前側では、切欠き部及び溝部を介して塑性流動材をすり鉢状溝部へ効率良く流入させることができる。また、流入した塑性流動材をすり鉢状溝部で保持することができる。さらに、進行方向後側付近では、塑性流動材を溝部を介してすり鉢状溝部の外部へ排出することができる。このとき、回転ツールの回転によって、排出された塑性流動材を摩擦攪拌部の表面に均一に固着させることができる。これにより、攪拌ピンの周囲の摩擦攪拌効率が高まり摩擦攪拌部の金属不足を防いで摩擦攪拌部の減肉を抑制するとともに、バリの発生を抑制することができる。また、従来技術のようにショルダ部の底面に突出する突条部は設けないため、耐摩耗性を高めることができる。
また、かかる構成によれば、切欠き部に溜まった塑性流動材がエッジ部に突き当たって溝部に流れ込むとともに、進行方向前側でエッジ部によって切り取られた塑性流動材が溝部に取り込まれて、これらの流動部材を溝部を通してすり鉢状溝部へ導くことができる。これにより、切欠き部及び溝部を介して、塑性流動材をすり鉢状溝部へ一層効率よく流入させることができる。

【0008】

また、前記ショルダ部の底面の外周縁に、先端側に向けて縮径するテーパー部が設けられており、前記切欠き部は、前記テーパー部の先端部に設けられていることが好ましい。

【0009】

かかる構成によれば、テーパー部によって進行方向前側に存在する被摩擦攪拌部材を押さえ付けながら塑性流動材を切欠き部へ導くことができるため、摩擦攪拌部の金属不足をより防ぐとともに、バリの発生をより抑制することができる。

【0010】

また、前記溝部は、前記テーパー部の先端部に設けられていることが好ましい。

【0011】

かかる構成によれば、テーパー部から導かれた塑性流動材を切欠き部及び溝部を介してすり鉢状溝部へ効率よく流入させることができる。

【0014】

また、前記切欠き部は、周方向に所定の長さで円弧状に形成されており、前記溝部は、前記切欠き部の端部のうち回転方向に対向する側の端部から前記すり鉢状溝部に延設されており、前記溝部の延長方向に沿う仮想線と、当該仮想線と前記切欠き部の外周縁との交点における接線とのなす角度が鈍角となっていることが好ましい。

【0015】

かかる構成によれば、切欠き部及び溝部によって塑性流動材をすり鉢状溝部へより効率よく導くことができる。また、ショルダ部の底面のすり鉢状溝部に保持された余分な塑性流動材を溝部から排出して、回転ツールの回転によって溝部から排出された塑性流動材を進行方向後側の摩擦攪拌部の表面に均一に固着させることができる。これにより、摩擦攪拌部の金属不足をより防いで摩擦攪拌部の減肉をより抑制するとともに、バリの発生をより抑制することができる。

【0016】

また、前記切欠き部及び前記溝部は、前記攪拌ピンの周囲に複数組形成されていることが好ましい。

【0017】

かかる構成によれば、バランス良く摩擦攪拌を行うことができる。
また、前記攪拌ピンの外周面には螺旋溝が刻設されており、前記螺旋溝が前記攪拌ピンの基端から先端に向けて左回りに形成されるとともに、前記回転ツールの先端側から見て、前記切欠き部の時計回り方向における終端部側から前記溝部が延設されるか、または、前記螺旋溝が前記攪拌ピンの基端から先端に向けて右回りに形成されるとともに、前記回転ツールの先端側から見て、前記切欠き部の反時計回り方向における終端部側から前記溝部が延設されることが好ましい。

【発明の効果】

【0018】

本発明に係る回転ツールによれば、摩擦攪拌部の減肉とバリの発生を抑制して摩擦攪拌を行うことができるとともに、耐摩耗性を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】本発明の実施形態に係る回転ツールの斜視図である。

【図2】本発明の実施形態に係る回転ツールを攪拌ピンの先端側から見た斜視図である。

【図3】本発明の実施形態に係る回転ツールを示す底面図である。

【図4】本発明の実施形態に係る回転ツールを示す側断面図である。

【図5A】本発明の実施形態に係る回転ツールの使用状態を示す側断面図である。

【図5B】本発明の実施形態に係る回転ツールの使用状態を示す模式平面図である。

【図6A】試験１の実施例１の挿入深さ０．４ｍｍに係る摩擦攪拌後の平面図である。

【図6B】試験１の実施例１の挿入深さ０．４ｍｍに係る摩擦攪拌後のマクロ断面図である。

【図7A】試験１の実施例１の挿入深さ０．６ｍｍに係る摩擦攪拌後の平面図である。

【図7B】試験１の実施例１の挿入深さ０．６ｍｍに係る摩擦攪拌後のマクロ断面図である。

【図8】試験２の比較例１に係る回転ツールの斜視図である。

【図9A】試験２の比較例１の挿入深さ０．４ｍｍに係る摩擦攪拌後の平面図である。

【図9B】試験２の比較例１の挿入深さ０．４ｍｍに係る摩擦攪拌後のマクロ側断面図である。

【図10A】試験２の実施例２の挿入深さ０．２ｍｍに係る摩擦攪拌後の平面図である。

【図10B】試験２の実施例２の挿入深さ０．２ｍｍに係る摩擦攪拌後のマクロ断面図である。

【図11A】試験２の実施例２の挿入深さ０．４ｍｍに係る摩擦攪拌後の平面図である。

【図11B】試験２の実施例２の挿入深さ０．４ｍｍに係る摩擦攪拌後のマクロ断面図である。

【図11C】試験２の実施例２の挿入深さ０．４ｍｍに係る摩擦攪拌後の摩擦攪拌終了位置付近の平面図である。

【図11D】試験２の実施例２の挿入深さ０．４ｍｍに係る摩擦攪拌後の摩擦攪拌終了位置付近のマクロ側断面図である。

【図12A】試験３の実施例３の回転ツールを示す斜視図である。

【図12B】試験３の実施例３の回転ツールを示す側面図である。

【図12C】試験３の実施例３の回転ツールを示す底面図である。

【図13A】試験３の比較例２の挿入深さ０．２ｍｍに係る摩擦攪拌後の断面図である。

【図13B】試験３の比較例２の挿入深さ０．４ｍｍに係る摩擦攪拌後の断面図である。

【図14A】試験３の実施例３の挿入深さ０．２ｍｍに係る摩擦攪拌後の断面図である。

【図14B】試験３の実施例３の挿入深さ０．４ｍｍに係る摩擦攪拌後の断面図である。

【図15】試験３の挿入深さと板厚との関係を示すグラフである。

【図16】試験４の摩擦攪拌の条件を示す表である。

【図17A】試験４の比較例３に係る摩擦攪拌後の平面図である。

【図17B】試験４の比較例３に係る摩擦攪拌後のマクロ断面図である。

【図18A】試験４の比較例５に係る摩擦攪拌後の平面図である。

【図18B】試験４の比較例５に係る摩擦攪拌後のマクロ断面図である。

【図19A】試験４の実施例４に係る摩擦攪拌後の平面図である。

【図19B】試験４の実施例４に係る摩擦攪拌後のマクロ断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0020】

本発明の実施形態に係る回転ツールについて図面を用いて詳細に説明する。本発明は以下の実施形態のみに限定されるものではない。また、実施形態における構成要素は、一部又は全部を適宜組み合わせることができる。図１及び図２に示すように、回転ツール１は、摩擦攪拌に用いられるツールであって、ショルダ部２と、攪拌ピン３とを有する。回転ツール１は、例えば、工具鋼で形成されている。

【0021】

ショルダ部２は、円柱状を呈し摩擦攪拌装置の主軸に接続される部位である。攪拌ピン３は、ショルダ部２の底面２ａにおいて、ショルダ部２と同心で設けられている。なお、攪拌ピン３は、例えばショルダ部２と偏心して設けられていても良い。攪拌ピン３は、先端に向けて先細りになっている。攪拌ピン３の先端には、回転中心軸線Ｚに対して垂直な平坦面３ａが形成されている。攪拌ピン３の外周面には螺旋溝が刻設されている。回転ツール１を右回転させる場合は、螺旋溝を攪拌ピン３の基端から先端に向けて左回りに形成することが好ましい。

【0022】

一方、回転ツール１を左回転させる場合は、螺旋溝を基端から先端に向けて右回りに形成することが好ましい。これにより、攪拌ピン３によって塑性流動材が先端側に導かれるため、摩擦攪拌部の金属部材（被摩擦攪拌部材）の塑性流動と攪拌をより促進するとともに、被摩擦攪拌部材の外部に溢れ出る金属を低減することができる。

【0023】

図１に示すように、ショルダ部２の底面２ａには、すり鉢状溝部１１と、切欠き部１２Ａ，１２Ｂと、溝部１３Ａ，１３Ｂと、テーパー部１４とが形成されている。一組の切欠き部１２Ａと溝部１３Ａは、ショルダ部２の底面２ａの一方側において、連続して形成されている。また、他の一組の切欠き部１２Ｂと溝部１３Ｂは、ショルダ部２の底面２ａの他方側において、連続して形成されている。なお、以降、切欠き部１２Ａと切欠き部１２Ｂとを特に区別しない場合は、切欠き部１２と総称して説明する。また、溝部１３Ａと溝部１３Ｂとを特に区別しない場合は、溝部１３と総称して説明する。

【0024】

すり鉢状溝部１１は、攪拌ピン３の基端部の周囲に全周に亘って形成されている。すり鉢状溝部１１は、底部１１ａを最深部とし、攪拌ピン３の基端部側と、すり鉢状溝部１１の周方向外側の外縁部１１ｂとを頂部とする凹状になっている。すり鉢状溝部１１は、摩擦攪拌の際に塑性流動材を保持する部位である。すり鉢状溝部１１は、平面視で攪拌ピン３を中心とするすり鉢状であり、断面視で底部１１ａを最深部とする凹状であることで、底部１１ａに塑性流動材を多く充填して保持できるようになっている。なお、摩擦攪拌の際に、底部１１ａが被摩擦攪拌部材の表面よりもやや高い位置に配置するように回転ツール１の押し込み量を制御することが好ましい。これにより、ツールの回転によって、底部１１ａと連結する溝部１３からあふれ出る塑性流動材を、進行方向後側付近の摩擦攪拌部の表面に滑らかに均して固着させることができる。さらに、摩擦攪拌部表面を、被摩擦攪拌部材の元の表面よりもやや高い位置、または同じ程度の高さ位置となるように塑性流動材を固着させることで、摩擦攪拌部の減肉を抑制することができる。

【0025】

切欠き部１２は、すり鉢状溝部１１の径方向外側において、ショルダ部２の底面２ａの外周縁を周方向にわたって切り欠いて形成されている。切欠き部１２は、ショルダ部２の底面２ａの外周縁の全周に亘って連続して形成されておらず、ショルダ部２の底面２ａの外周縁の一部を切り欠いて形成されている。なお、ショルダ部２の底面２ａにテーパー部１４が設けられていることから、ショルダ部２の底面２ａと、テーパー部１４の回転ツール１の先端側とで形成される角部に切欠き部１２が形成されている。すなわち、切欠き部１２は、テーパー部１４の先端部に設けられている。切欠き部１２は、すり鉢状溝部１１に沿って、所定の長さで円弧状に形成されている。切欠き部１２は、回転中心軸線Ｚに対して垂直な平坦面であり、深さが一定になっている。切欠き部１２の内縁には、切欠き部１２から外縁部１１ｂまで立ち上がる側壁１５が形成されている。すり鉢状溝部１１と切欠き部１２とは、すり鉢状溝部１１の外縁部１１ｂと側壁１５とを挟んで隔てられており、溝部１３によって連結されている。図３に示すように、切欠き部１２は、その一端部１２ａから他端部１２ｂまでの開き角度αが約１３５°となるように延設されている。切欠き部１２Ａ，１２Ｂは、回転中心軸線Ｚを中心に点対称となる位置に一対設けられている。なお、図２及び図３では、切欠き部１２及び溝部１３を目立たせるためにハッチを付している。

【0026】

溝部１３は、切欠き部１２の一端部１２ａからすり鉢状溝部１１に連続して延設された溝である。溝部１３は、摩擦攪拌のときに切欠き部１２からすり鉢状溝部１１に塑性流動材が流動するように形成されている。具体的には、溝部１３は、切欠き部１２のうち回転ツール１の回転方向に対して対向する側（本実施形態では一端部１２ａ）から延設されている。言い換えれば、回転ツール１の先端側から見た場合、回転ツール１が回転する際に回転方向において先行する切欠き部１２の先行端部に対して他端側となる後行端部の側から溝部１３は延設される。より具体的には、回転ツール１を右回転させる場合は、回転ツール１の先端側から見て、切欠き部１２の時計回り方向における終端部側（本実施形態では一端部１２ａ）から溝部１３は延設される。また、回転ツール１を左回転させる場合は、回転ツール１の先端側から見て、切欠き部１２の反時計回り方向における終端部側から溝部１３は延設される。溝部１３は、本実施形態では切欠き部１２の一端部１２ａからすり鉢状溝部１１内まで直線状に延設されている。溝部１３は、断面視矩形状に形成されている。なお、溝部１３の断面形状は特に限定されず、例えば曲線状に形成されていても良い。切欠き部１２の幅Ｌ１は、溝部１３の幅Ｌ２よりも若干小さくなっているが、幅Ｌ１，Ｌ２は適宜設定すればよい。

【0027】

図３に示すように、回転中心軸線Ｚを通るとともに、切欠き部１２の一端部１２ａ側と溝部１３との交点を通る線を基準線Ｘとした場合、溝部１３の延長方向に沿う仮想線Ｌ４と基準線Ｘとのなす角度βが３０°になっている。また、溝部１３の延長方向に沿う仮想線Ｌ４と、切欠き部１２の外周縁とが交差する点を交点Ｐとする。交点Ｐにおける切欠き部１２の外周縁の接線Ｌ３と、溝部１３の延長方向に沿う仮想線Ｌ４とのなす角度δが１２０°となるように溝部１３が配設されている。なお、回転中心軸線Ｚを通り基準線Ｘに直行する線を基準線Ｙとする。角度δは９０°以上となることが好ましく、鈍角となることがより好ましい。

【0028】

溝部１３の延設方向は、摩擦攪拌の際に塑性流動材をすり鉢状溝部１１に導くことができればどのような形状でもよいが、本実施形態によれば溝部１３からすり鉢状溝部１１へ塑性流動材を効率よく導くことができる。図４に示すように、切欠き部１２は、高さ方向において、すり鉢状溝部１１の底部１１ａよりも若干ショルダ部２側に位置するように形成されている。

【0029】

溝部１３は、切欠き部１２の周方向に向けた延在方向に対して、切欠き部１２の一端部１２ａから回転ツール１の中心方向に向けて折れ曲がって形成されている。そして、溝部１３が形成された切欠き部１２の一端部１２ａにおいて、切欠き部１２の他端部１２ｂとは遠位となる側の溝部１３の壁面からなり、すり鉢状溝部１１の外縁部１１ｂを頂部として有するエッジ部１３ａが形成されている。回転ツール１のショルダ部２の底面２ａにおいて、エッジ部１３ａの頂部となる外縁部１１ｂが最も高く突出している。

【0030】

なお、本実施形態では、回転中心軸線Ｚを中心に点対称となるように切欠き部１２及び溝部１３を等間隔で２組設けたが、切欠き部１２及び溝部１３は、１組でもよいし、３組以上設けてもよい。すなわち、切欠き部１２及び溝部１３は、攪拌ピン３の周囲に複数組形成されていてもよい。

【0031】

テーパー部１４は、ショルダ部２の下端から攪拌ピン３側に縮径するように形成されている。テーパー部１４の先端部の外周縁には切欠き部１２が設けられている。テーパー部１４の先端部の外周縁から、すり鉢状溝部１１に向けて溝部１３が設けられている。テーパー部１４の周囲には、螺旋溝が形成されている。回転ツール１を右回転させる場合は、螺旋溝をテーパー部１４の基端から先端に向けて左回りに形成することが好ましい。

【0032】

一方、回転ツール１を左回転させる場合は、螺旋溝を基端から先端に向けて右回りに形成することが好ましい。これにより、テーパー部１４によって塑性流動材が先端側（攪拌ピン３側）に導かれるため、被摩擦攪拌部材の外部に溢れ出る金属を低減することができる。なお、テーパー部１４は省略してもよい。

【0033】

図５Ａ及び図５Ｂに示すように、金属部材Ｍ１に対して摩擦攪拌を行う場合、金属部材Ｍ１の表面Ｍ１ａに右回転させた攪拌ピン３を挿入する。より詳しくは、テーパー部１４の外周面が金属部材Ｍ１の表面Ｍ１ａと接触するように挿入深さを設定する。

【0034】

図５Ｂに示すように、摩擦攪拌を行うと、回転ツール１の進行方向前側付近では、攪拌ピン３及びテーパー部１４で攪拌された塑性流動材は、テーパー部１４によって押さえられるとともに、切欠き部１２Ａと溝部１３Ａとを介してすり鉢状溝部１１側に導かれる。また、被摩擦攪拌部材と接触したエッジ部１３ａが被摩擦攪拌部材の材料を塑性流動させながら切り取り、切り取られた塑性流動材が溝部１３Ａに取り込まれる。また、回転ツール１の移動に伴い切欠き部１２Ａに導かれた溜まった塑性流動材は、切欠き部１２Ａ内に沿って周方向に導かれ、回転ツール１の進行方向前側付近で折れ曲がり箇所に位置するエッジ部１３ａに突き当たって溝部１３Ａに流れ込む。そして、切欠き部１２Ａから溝部１３Ａに流れ込んだ塑性流動材と、エッジ部１３ａによって切り取られた塑性流動材とが、溝部１３Ａを通ってすり鉢状溝部１１へ導かれる（図５Ｂの矢印参照）。

【0035】

すり鉢状溝部１１は、攪拌ピン３の基端部の全周に亘ってすり鉢状になっているため、塑性流動材がすぐに外部に溢れることなく、回転ツール１の高速回転及びすり鉢状溝部１１の傾斜面によって攪拌ピン３の周囲に塑性流動材を保持することができる。

【0036】

回転ツール１の進行方向後側付近では、すり鉢状溝部１１から溝部１３Ｂを介して塑性流動材が排出され、テーパー部１４から回転ツール１の外部へ排出される（図５Ｂの矢印参照）。図５Ａに示すように、進行方向後方側から外部に排出された塑性流動材は、テーパー部１４によって押さえられ、塑性化領域Ｗの上層を構成する肉盛部Ｗａとなる。なお、摩擦攪拌の際に、底部１１ａを金属部材Ｍ１の表面Ｍ１ａよりやや高い位置に配置することで、底部１１ａと連結する溝部１３から溢れ出る塑性流動材を、テーパー部１４によって塑性化領域Ｗの上層に押さえつけることができる。これにより、摩擦攪拌部の表面に形成される肉盛部Ｗａは、少なくとも外縁部１１ｂが押し込まれていた位置よりも高く、好ましくは金属部材Ｍ１の表面Ｍ１ａと比べて若干高いか同じ程度の高さ位置となるようにできる。このようにして、回転ツール１によれば、摩擦攪拌部の減肉を抑制して、肉盛を形成するように摩擦攪拌を行うことができる。つまり、溝部１３は、回転ツール１の進行方向前側では、塑性流動材をすり鉢状溝部１１側へ導く機能を有する、また、溝部１３は、回転ツール１の進行方向後側では、塑性流動材を溝部１３を介してすり鉢状溝部１１の外部へ排出することで、摩擦攪拌部に肉盛部Ｗａを形成する機能を有する。

【0037】

以上説明した本実施形態に係る回転ツール１によれば、進行方向前側では、切欠き部１２及び溝部１３を介して塑性流動材をすり鉢状溝部１１へ効率良く流入させることができる。また、流入した塑性流動材をすり鉢状溝部１１で保持することができる。さらに、進行方向後側付近では、溝部１３を介してすり鉢状溝部１１の外部へ塑性流動材を排出することができる。このとき、回転ツール１の回転によって、排出された塑性流動材を摩擦攪拌部の上部に堆積させて、摩擦攪拌部の表面の表面組織として均一に固着させることができる。このようにして攪拌ピン３の周囲の摩擦攪拌効率が高まることで、摩擦攪拌部の金属不足を防いで減肉を抑制するとともに、バリの発生を抑制することができる。また、塑性化領域Ｗに肉盛部Ｗａを形成することができる。したがって、摩擦攪拌後の摩擦攪拌部が比較的に平坦な状態で形成された被摩擦攪拌部材を得ることができる。また、従来技術のようにショルダ部の底面に突出する突条部は設けないため、耐摩耗性を高めることができる。したがって、回転ツール１の交換頻度を抑えることができ、また、回転ツール１の破損により生じる問題を回避しやすくなる。

【0038】

また、本実施形態のようにテーパー部１４を設けることで、テーパー部１４の傾斜によって、進行方向前側に存在する塑性流動材を押さえ付けながら、切欠き部１２と溝部１３とを介して、より多くの塑性流動材をすり鉢状溝部１１側へ導くことができるため、摩擦攪拌部の金属不足をより防いで減肉を抑制するとともに、バリの発生をより抑制することができる。

【0039】

また、本実施形態のように、溝部１３をテーパー部１４の先端部に設けることが好ましい。かかる構成によれば、テーパー部１４から導かれた塑性流動材を切欠き部１２及び溝部１３を介してすり鉢状溝部１１へ効率よく流入させることができる。

【0040】

また、本実施形態のように、切欠き部１２の延在方向に対して溝部１３が折れ曲がって形成されており、溝部１３が形成された切欠き部１２の一端部１２ａにエッジ部１３ａが形成されていることが好ましい。かかる構成によれば、切欠き部１２Ａに溜まった塑性流動材がエッジ部１３ａに突き当たって溝部１３Ａに流れ込むとともに、進行方向前側でエッジ部１３ａによって切り取られた塑性流動材が溝部１３Ａに取り込まれて、これらの流動部材を溝部１３Ａを通してすり鉢状溝部１１へ導くことができる。これにより、切欠き部１２及び溝部１３を介して、塑性流動材をすり鉢状溝部１１へ一層効率よく流入させることができる。

【0041】

また、本実施形態のように、切欠き部１２は、周方向に所定の長さで円弧状に形成されており、溝部１３は、回転方向に対向する側の切欠き部１２の一端部１２ａからすり鉢状溝部１１に延設されており、接線Ｌ３と、溝部１３の延長方向に沿う仮想線Ｌ４とがなす角度δが鈍角となっていることが好ましい。
かかる構成によれば、切欠き部１２及び溝部１３によって塑性流動材をすり鉢状溝部１１へより効率よく導くことができる。また、ショルダ部２の底面２ａのすり鉢状溝部１１に保持された余分な塑性流動材を溝部１３から排出して、回転ツール１の回転によって溝部１３から排出された塑性流動材を進行方向後側の摩擦攪拌部の表面に均一的に固着させることができる。これにより、摩擦攪拌部の金属不足をより防いで摩擦攪拌部の減肉をより抑制するとともに、バリの発生をより抑制することができる。

【0042】

また、本実施形態のように切欠き部１２及び溝部１３は、攪拌ピン３の周囲に等間隔で複数組形成されていることが好ましい。かかる構成によれば、摩擦攪拌条件に応じてバランス良く摩擦攪拌を行うことができる。

【0043】

なお、回転ツール１は適宜設計変更が可能である。例えば、溝部１３の形状、角度、深さは、摩擦攪拌のときに切欠き部１２から溝部１３を通ってすり鉢状溝部１１に塑性流動材が流動すれば、どのような形態であってもよい。また、切欠き部１２の形状、開き角度α、深さは、摩擦攪拌のときに切欠き部１２から溝部１３を通ってすり鉢状溝部１１に塑性流動材が流動すれば、どのような形態であってもよい。

【0044】

上述した実施形態では、切欠き部１２の深さが一定になって形成されている場合を例示した。切欠き部１２は周方向において深さが変化するように形成してもよい。切欠き部１２は、溝部１３と連続する一端部１２ａから他端部１２ｂに向かうにつれて、他端部１２ｂ側の深さが減少するようにスロープ状に形成することができる。言い換えれば、他端部１２ｂ側では切欠きの深さが浅く、溝部１３に向かうにつれて深さが増すように切欠き部１２を形成することができる。また、切欠き部１２は、溝部１３と連続する一端部１２ａから他端部１２ｂに向かうにつれて、幅が減少するように形成することができる。言い換えれば、他端部１２ｂ側では切欠きの幅が狭く、溝部１３に向かうにつれて幅が増すように切欠き部１２を形成することができる。これらの場合、摩擦攪拌時に被摩擦攪拌部材と先行して接触する他端部１２ｂに加わる負担を減らして、回転ツール１の摩耗や破損を抑えることができる。また、溝部１３に近い一端部１２ａ側の容積が大きくなることで、塑性流動材をすり鉢状溝部１１に効率よく流動させることができる。

【0045】

上述した実施形態では、回転ツール１を用いて金属部材Ｍ１に対して摩擦攪拌を行う場合を例示して説明した。言うまでもなく、本発明の回転ツールの適用対象は金属部材Ｍ１に限定されず、２以上の金属部材の接合に用いることができる。例えば、本発明の回転ツールは、２以上の金属部材を付き合わせた突合せ部の接合に用いることができる。また、本発明の回転ツールは、２以上の金属部材を重ね合わせた重ね合わせ部の接合に用いることができる。そして、本発明の回転ツールによれば、２以上の金属部材の接合に用いる場合にも、上述した実施形態と同様の作用効果を奏し、摩擦攪拌部（接合部）の減肉とバリの発生を抑制して摩擦攪拌を行うことができるとともに、耐摩耗性を高めることができる。

【実施例】

【0046】

次に、本発明の実施例について説明する。実施例では試験１、試験２、試験３及び試験４を行った。
＜試験１＞
試験１は、実施例１の回転ツール１Ａを用いて摩擦攪拌を行い、挿入深さと摩擦攪拌後の塑性化領域Ｗの関係を確認することを目的とした。

【0047】

試験１では、図６Ａ及び図６Ｂに示すように、摩擦攪拌を行う金属部材Ｍ１としてアルミニウム合金Ａ６０６３－Ｔ５を用いた。金属部材Ｍ１の厚さは２９．９ｍｍに設定した。回転ツールの回転数は６５０ｒｐｍとし、移動速度は２００ｍｍ／ｍｉｎに設定した。回転ツールは右回転させるように設定した。回転ツール１Ａの傾斜角度は０°とし、移動距離は１５０ｍｍに設定した。回転ツール１Ａの挿入深さは、０．４ｍｍ又は０．６ｍｍに設定した。なお、挿入深さとは、摩擦攪拌の際に金属部材Ｍ１の表面Ｍ１ａからすり鉢状溝部１１の外縁部１１ｂまでの距離を言う。

【0048】

試験１の実施例１に係る回転ツール１Ａは、ショルダ部２と、攪拌ピン３とを有し、ショルダ部２の底面２ａには、すり鉢状溝部１１と、切欠き部１２Ａ，１２Ｂと、溝部１３Ａ，１３Ｂと、テーパー部１４とが形成されている。ショルダ部２の外径は２５ｍｍとし、攪拌ピン３の長さは２３．８ｍｍとした。テーパー部１４のテーパー角度は９０°に設定した。溝部１３の幅は２．０ｍｍ、深さは１．５ｍｍに設定した。つまり、溝部１３の深さ（１．５ｍｍ）は、挿入深さ（０．４ｍｍ又は０，６ｍｍ）よりも大きく設定している。すり鉢状溝部１１の傾斜角度γ（図４参照）は３０°に設定した。すり鉢状溝部１１の外径は２５ｍｍに設定した。攪拌ピン３の螺旋溝は、基端から先端に向けて左回りになっており、Ｖ溝の角度を６０°、ピッチを１．２５ｍｍに設定した。テーパー部１４の螺旋溝は、基端から先端に向けて左回りになっており、Ｖ溝の角度を６０°、ピッチを０．５ｍｍに設定した。切欠き部１２は攪拌ピン３を中心として円弧状に形成されており、攪拌ピン３の中心から内周側の壁部までの長さが１２．５ｍｍ、攪拌ピン３の中心から外周側の壁部までの長さが１４．０ｍｍであり、切欠き部１２の幅は１．５ｍｍ、深さは１．５ｍｍ、開き角度αは約１３５°に設定した。溝部１３の延長方向に沿う仮想線Ｌ４と基準線Ｘとのなす角度βは３０°に設定した。溝部１３の延長方向に沿う仮想線Ｌ４と、仮想線Ｌ４と切欠き部１２の外周縁との交点Ｐにおける接線Ｌ３とのなす角度δは１２０°に設定した。溝部１３Ａ，１３Ｂは攪拌ピン３に対して点対称となるように配置した。

【0049】

図６Ａは、試験１の実施例１の挿入深さ０．４ｍｍに係る摩擦攪拌後の平面図である。図６Ｂは、試験１の実施例１の挿入深さ０．４ｍｍに係る摩擦攪拌後のマクロ断面図である。従来の回転ツールであると、挿入深さ（被摩擦攪拌部材の表面からショルダ部の底面までの距離）と同じくらい摩擦攪拌部に減肉（金属不足）が発生するが、図６Ａ及び図６Ｂに示すように、実施例１において挿入深さを０．４ｍｍに設定した場合、摩擦攪拌部の減肉はほぼ見られなかった。なお、塑性化領域Ｗの片側にバリＶがわずかに発生した。

【0050】

図７Ａは、試験１の実施例１の挿入深さ０．６ｍｍに係る摩擦攪拌後の平面図である。図７Ｂは、試験１の実施例１の挿入深さ０．６ｍｍに係る摩擦攪拌後のマクロ断面図である。図７Ａ及び図７Ｂに示すように、実施例１において挿入深さを０．６ｍｍに設定した場合でも、摩擦攪拌部の減肉はほぼ見られなかった。なお、塑性化領域Ｗの片側にバリＶがわずかに発生した。

【0051】

＜試験２＞
試験２は、実施例２の回転ツール１Ｂを用いて摩擦攪拌を行い、挿入深さと摩擦攪拌後の塑性化領域Ｗの関係を確認することを目的とした。

【0052】

試験２では、摩擦攪拌を行う金属部材Ｍ１としてアルミニウム合金Ａ６０６３－Ｔ５を用いた。金属部材Ｍ１の厚さは４．９ｍｍに設定した。回転ツールの回転数は４０００ｒｐｍとし、移動速度は５００ｍｍ／ｍｉｎに設定した。回転ツールは右回転させるように設定した。回転ツール１Ａの傾斜角度は０°とし、移動距離は１５０ｍｍに設定した。回転ツール１Ａの挿入深さは、０．２ｍｍ、０．４ｍｍ、または０．６ｍｍに設定した。

【0053】

試験２の実施例２に係る回転ツール１Ｂは、ショルダ部２と、攪拌ピン３とを有し、ショルダ部２の底面２ａには、すり鉢状溝部１１と、切欠き部１２Ａ，１２Ｂと、溝部１３Ａ，１３Ｂと、テーパー部１４とが形成されている。攪拌ピン３の長さは３．２ｍｍとした。テーパー部１４のテーパー角度は９０°に設定した。溝部１３の幅は１．５ｍｍ、深さは１．０ｍｍに設定した。すり鉢状溝部１１の傾斜角度γ（図４参照）は２０°に設定した。すり鉢状溝部１１の外径は７ｍｍに設定した。攪拌ピン３の螺旋溝は、基端から先端に向けて左回りになっており、Ｖ溝の角度を６０°、ピッチを０．５ｍｍに設定した。テーパー部１４の螺旋溝は、基端から先端に向けて左回りになっており、Ｖ溝の角度を６０°、ピッチを０．５ｍｍに設定した。切欠き部１２の幅は１．０ｍｍ、深さは１．０ｍｍ、開き角度αは１２０°に設定した。溝部１３の延長方向に沿う仮想線Ｌ４と基準線Ｘとのなす角度βは３０°に設定した。溝部１３の延長方向に沿う仮想線Ｌ４と、仮想線Ｌ４と切欠き部１２の外周縁との交点Ｐにおける接線Ｌ３とのなす角度δは１２０°に設定した。

【0054】

図８に示すように、試験２の比較例１に係る回転ツール１００は、ショルダ部１０２と、攪拌ピン１０３と、突条部１０５とを有している。攪拌ピン１０３の外周面には基端から先端に向けて左回りの螺旋溝が形成されている。ショルダ部１０２の底面には、当該底面に突出する突条部１０５が渦巻き状に形成されている。突条部１０５は、底面の外周端を始点として、中心方向に向けて、回転ツール１００の先端側から見て時計回りの渦巻状に約１周して、攪拌ピン１０３を除いた底面の径方向中間部付近まで延在するように形成されている。突条部１０５の厚さは０．６ｍｍ、高さは１．０ｍｍとして、断面視矩形状に突出するように形成されている。回転ツール１００を用いて金属部材Ｍ１に対して挿入深さを０．４ｍｍに設定して回転ツール１００を所定の距離で移動させて摩擦攪拌を行った。回転ツールは右回転させるように設定した。なお、ここでの挿入深さとは、摩擦攪拌の際に金属部材Ｍ１の表面Ｍ１ａから突条部１０５の先端までの距離を言う。

【0055】

図９Ａは、試験２の比較例１の挿入深さ０．４ｍｍに係る摩擦攪拌後の摩擦攪拌終了位置付近の平面図である。図９Ｂは、試験２の比較例１の挿入深さ０．４ｍｍに係る摩擦攪拌後の摩擦撹拌終了位置付近のマクロ側断面図である。図９Ａ及び図９Ｂに示すように、試験２の比較例１では、塑性化領域Ｗの両側にバリＶが大量に発生している。また、図９Ｂに示すように、金属部材Ｍ１の表面Ｍ１ａから、塑性化領域Ｗの表面Ｗｙまでの厚み方向の距離が大きくなっている。また、塑性化領域Ｗの表面Ｗｙは、ショルダ部１０２が押し込まれていた位置とほぼ同じ高さとなっている。つまり、試験２の比較例１であると摩擦攪拌部の減肉（金属不足）が大きくなっている。なお、塑性化領域Ｗの表面Ｗｙの減肉は、減肉された体積に相当する塑性流動材が塑性化領域Ｗの両側に排出されて、バリＶが形成されることにより生じたものである。

【0056】

一方、図１０Ａは、試験２の実施例２の挿入深さ０．２ｍｍに係る摩擦攪拌後の平面図である。図１０Ｂは、試験２の実施例２の挿入深さ０．２ｍｍに係る摩擦攪拌後の断面図である。図１０Ａ及び図１０Ｂに示すように、実施例２の挿入深さ０．２ｍｍの場合、比較例１に比べてバリＶの発生を大幅に抑制できた。また、比較例１のような摩擦攪拌部の減肉は観察されなかった。図１０Ｂ及び後述する図１１Ｂは、摩擦攪拌後の断面に対してフッ酸溶液を用いたエッチングを行ったものである。図１０Ｂでは、塑性化領域Ｗが、末広がりの山状の形状を上下逆さに配置した領域として形成されている。この山状の領域の底部にあたる、塑性化領域Ｗの表面部に、厚さ約０．２ｍｍの連続する帯状をした白色の模様を呈する組織が観察された。この組織は、実施形態で例を挙げて説明した通り、回転ツール１Ｂの回転によって、溝部１３から溢れ出た塑性流動材が塑性化領域Ｗの上部に均一に固着されて、肉盛部Ｗａが形成されたことにより生じたものである。この肉盛部Ｗａは、摩擦攪拌前の金属表面に存在する酸化皮膜とは異なり、また、肉盛部Ｗａの下方の塑性流動領域Ｗとは異なる流動の仕組みにより形成された組織である。

【0057】

また、試験２の実施例２では塑性化領域Ｗにトンネル状の欠陥も発生しなかった。

【0058】

図１１Ａは、試験２の実施例２の挿入深さ０．４ｍｍに係る摩擦攪拌後の平面図である。図１１Ｂは、試験２の実施例２の挿入深さ０．４ｍｍに係る摩擦攪拌後の断面図である。

【0059】

図１１Ｃは、試験２の実施例２の挿入深さ０．４ｍｍに係る摩擦攪拌後の摩擦攪拌終了位置付近の平面図である。図１１Ｄは、試験２の実施例２の挿入深さ０．４ｍｍに係る摩擦攪拌後の摩擦攪拌終了位置付近のマクロ側断面図である。図１１Ａ、図１１Ｂ、図１１Ｃ及び図１１Ｄに示すように、実施例２の挿入深さ０．４ｍｍの場合、比較例１に比べてバリＶの発生を抑制できた。また、比較例１に比べて摩擦攪拌部の減肉を小さくすることができた。また、図１１Ｂには、図１０Ｂと同様に、塑性化領域Ｗの表面部に厚さ約０．３ｍｍの連続する帯状をした白色の模様を呈する組織が観察された。これも、挿入深さ０．２ｍｍの場合と同様に、肉盛部Ｗａが形成されたことにより生じたものである。また、試験２の実施例２では塑性化領域Ｗにトンネル状の欠陥も発生しなかった。また、実施例２の挿入深さ０．４ｍｍでは、図１１Ｄに示すように、塑性化領域Ｗの表面の高さが、外縁部１１ｂが押し込まれていた位置よりも高くなり、塑性化領域Ｗに肉盛部Ｗａが形成されていることが確認された。この肉盛部Ｗａは、図１０Ｂ及び図１１Ｂに観察された帯状をした白色の模様を呈する組織により形成されたものである、すなわち、回転ツール１Ｂの回転によって、溝部１３から溢れ出た塑性流動材が塑性化領域Ｗの上部に均一に固着されることで形成される肉盛部Ｗａによって、塑性化領域Ｗが肉盛されている。

【0060】

＜試験３＞
試験３は、実施例３の回転ツール１Ｃを用いて摩擦攪拌を行い、挿入深さと摩擦攪拌後の塑性化領域Ｗとの関係を確認することを目的とした。

【0061】

試験３では、摩擦攪拌を行う金属部材Ｍ１としてアルミニウム合金Ａ６０６３－Ｔ５を用いた。金属部材Ｍ１の厚さは１０ｍｍに設定した。回転ツールの回転数は２４００ｒｐｍとし、移動速度は６００ｍｍ／ｍｉｎに設定した。回転ツールは右回転させるように設定した。回転ツール１Ｃの傾斜角度は０°とし、移動距離は１５０ｍｍに設定した。回転ツール１の挿入深さは、０．２または０．４ｍｍに設定した。

【0062】

図１２Ａに示すように、実施例３における回転ツール１Ｃは、ショルダ部２と、攪拌ピン３とを有する。ショルダ部２の外径は１５ｍｍとし、攪拌ピン３の長さは６ｍｍとした。ショルダ部２の底面２ａにはすり鉢状溝部１１と、切欠き部１２Ａ，１２Ｂと、溝部１３Ａ，１３Ｂとを有する。図１２Ｂに示すように、すり鉢状溝部１１の傾斜角度γは１２°に設定した。すり鉢状溝部１１の外径は１２ｍｍに設定した。図１２Ｃに示すように、ショルダ部２の底面２ａに、攪拌ピン３を中心として点対象に配置される一対の円弧状の切欠き部１２を形成した。切欠き部１２は、溝部１３と連続する一端部１２ａから他端部１２ｂに向けて、他端部１２ｂ側の３分の１ほどの領域においては、幅が減少するととともに、深さが減少するように形成した。切欠き部１２の他端部１２ｂ側では末端に向かうにつれて幅が狭くなり、最終的には他方の切欠き部１２及び溝部１３に連結することなく幅が０となっている。切欠き部１２の一端部１２ａの幅は２．０ｍｍ、一端部１２ａの深さは１．０ｍｍ、開き角度αは１７５°に設定した。このようにして、切欠き部１２は、ショルダ部２の底面２ａの外周縁全体近くに亘って形成した。切欠き部１２の底面からすり鉢状溝部１１の外縁部１１ｂまでの高さ方向の距離は１．０ｍｍに設定した。溝部１３の幅は１．５ｍｍに設定した。溝部１３の延長方向に沿う仮想線Ｌ４と基準線Ｘとのなす角度βは３０°に設定した。溝部１３の延長方向に沿う仮想線Ｌ４と、仮想線Ｌ４と切欠き部１２の外周縁との交点Ｐにおける接線Ｌ３とのなす角度δは１２０°に設定した。溝部１３Ａ，１３Ｂは攪拌ピン３に対して点対称となるように配置した。回転ツール１Ｃには、前記した実施形態のテーパー部１４は設けていない。

【0063】

試験３の比較例２に係る回転ツールは、図８に示すものと同形状のものである。図８を参照すると、比較例２に係る回転ツールの突条部１０５の高さは１．０ｍｍとし、厚さは０．６ｍｍとした。

【0064】

試験３では、比較例２に係る回転ツール及び実施例３に係る回転ツール１Ｃで金属部材Ｍ１に対してそれぞれ摩擦攪拌を行い、マクロ断面を観察した。比較例２及び実施例３ともに挿入深さを０．２ｍｍまたは０．４ｍｍに設定した。

【0065】

図１３Ａは、試験３の比較例２の挿入深さ０．２ｍｍに係る摩擦攪拌後の断面図である。図１３Ｂは、試験３の比較例２の挿入深さ０．４ｍｍに係る摩擦攪拌後の断面図である。図１３Ａ及び図１３Ｂに示すように、比較例２であると、挿入深さ０．２ｍｍ、０．４ｍｍのいずれの場合も塑性化領域Ｗの両側にバリＶが大量に発生した。また、金属部材Ｍ１の表面Ｍ１ａから塑性化領域Ｗの表面Ｗｙまでの距離が大きくなった。つまり、摩擦攪拌部の減肉が大きくなった。

【0066】

一方、図１４Ａは、試験３の実施例３の挿入深さ０．２ｍｍに係る摩擦攪拌後の断面図である。図１４Ｂは、試験３の実施例３の挿入深さ０．４ｍｍに係る摩擦攪拌後の断面図である。図１４Ａ及び図１４Ｂに示すように、回転ツール１Ｃを用いた実施例３であるとバリはほとんど発生していなかった。また、摩擦攪拌部の減肉もほとんど発生していなかった。

【0067】

図１５は、試験３の挿入深さと板厚との関係を示すグラフである。図１５に示すように、比較例２に比べて、実施例３の方が摩擦攪拌後の板厚（塑性化領域Ｗの板厚）を大きくすることができた。つまり、比較例２に比べて、実施例３の方が摩擦攪拌部の減肉を少なくすることができた。また、実施例３において挿入深さを０．２ｍｍに設定すると、元板厚（摩擦攪拌前の厚さ）よりも板厚を大きくすることができた。実施例３において挿入深さを０．３ｍｍに設定すると、摩擦攪拌前とほぼ同じ板厚になった。また、実施例３において挿入深さを０．４ｍｍと大きくしても、摩擦攪拌部の減肉を抑制することができた。また、試験３の回転ツール１Ｃでは、テーパー部１４を設けなくても、バリを抑制することができるとともに、塑性化領域Ｗの減肉を抑制することができた。

【0068】

＜試験４＞
試験４は、実施例４の回転ツール１Ｄを用いて摩擦攪拌を行い、切欠き部１２及び溝部１３の効果を確認することを目的とした。

【0069】

試験４では、摩擦攪拌を行う金属部材Ｍ１としてアルミニウム合金Ａ６０６３－Ｔ５を用いた。金属部材Ｍ１の厚さは１０ｍｍに設定した。回転ツールの回転数は２４００ｒｐｍとし、移動速度は６００ｍｍ／ｍｉｎに設定した。回転ツールは右回転させるように設定した。回転ツール１Ｄの傾斜角度は０°とし、移動距離は１５０ｍｍに設定した。回転ツール１Ａの挿入深さは、０．６ｍｍに設定した。

【0070】

図１６に示すように、比較例３の回転ツール２００は、溝部及び切欠き部をともに備えていない形態である。すり鉢状溝部１１の傾斜角度γは１２°に設定した。ショルダ部２の外径を１５ｍｍとし、攪拌ピン３の基端部の外径を６ｍｍとし、先端部の外径を４ｍｍとした。攪拌ピン３の長さは６ｍｍとした。

【0071】

比較例４の回転ツール３００は、切欠き部を備えるが、溝部を備えていない形態である。すり鉢状溝部１１の傾斜角度γは１２°に設定した。ショルダ部２の外径を１５ｍｍとし、攪拌ピン３の基端部の外径を５ｍｍとした。攪拌ピン３の長さは３ｍｍとした。切欠き部１２’はショルダ部２の底面の外周縁に周方向の全体にわたって形成し、幅は１．２５ｍｍ、深さは１．０ｍｍとした。切欠き部１２の底面からすり鉢状溝部１１の外縁部１１ｂまでの高さ方向の距離は１．５ｍｍとした。

【0072】

比較例５の回転ツール４００は、溝部を備えるが、切欠き部を備えていない形態である。すり鉢状溝部１１の傾斜角度は１２°に設定した。ショルダ部２の外径を１５ｍｍとした。攪拌ピン３の長さは６ｍｍとした。溝部１３は、ショルダ部２の底面の外周縁において、等間隔で三つ設けた。溝部１３の径方向の幅は２．５ｍｍ、周方向の長さは５ｍｍ、深さは０．４ｍｍに設定した。

【0073】

実施例４の回転ツール１Ｃは、図１２Ａ～１２Ｃで示した試験３の回転ツール１Ｃと同じである。比較例３，４，５及び実施例４ともに挿入深さを０．６ｍｍに設定した。

【0074】

図１７Ａは、試験４の比較例３に係る摩擦攪拌後の平面図である。図１７Ｂは、試験４の比較例３に係る摩擦攪拌後のマクロ断面図である。図１７Ａ及び図１７Ｂに示すように、比較例３であると、塑性化領域Ｗの片側に大量のバリＶが発生した。塑性化領域Ｗの表面Ｗｙから金属部材Ｍ１の表面Ｍ１ａまでの距離も大きかった。つまり、摩擦攪拌部の減肉が大きかった。また、図１７Ｂに示すように、塑性化領域Ｗの上部にトンネル状欠陥Ｑが発生した。このトンネル状欠陥Ｑは、摩擦撹拌中に金属が押し出されて、塑性化領域Ｗの金属が不足することで生じると考えられる。

【0075】

比較例４については、概況図はないが、塑性化領域Ｗにバリが多く発生するとともに、摩擦攪拌部の減肉も大きかった。また、塑性化領域Ｗにトンネル状欠陥も発生した。

【0076】

図１８Ａは、試験４の比較例５に係る摩擦攪拌後の平面図である。図１８Ｂは、試験４の比較例５に係る摩擦攪拌後のマクロ断面図である。図１８Ａ及び図１８Ｂに示すように、比較例５であると、塑性化領域Ｗの片側に大量のバリＶが発生した。塑性化領域Ｗの表面Ｗｙから金属部材Ｍ１の表面Ｍ１ａまでの距離は、比較例３に比べて小さくなった。つまり、比較例５は、塑性化領域Ｗでの減肉の発生が見られたものの、比較例３に比べて減肉を小さくすることができた。一方、図１８Ｂに示すように、塑性化領域Ｗにトンネル状欠陥は発生しなかった。他方、塑性化領域Ｗの表面Ｗｙに小さな凹凸（ギザギザ）が発生した。

【0077】

図１９Ａは、試験４の実施例４に係る摩擦攪拌後の平面図である。図１９Ｂは、試験４の実施例４に係る摩擦攪拌後のマクロ断面図である。図１９Ａ及び図１９Ｂに示すように、実施例４であると塑性化領域Ｗの片側にバリＶがわずかに発生したものの、比較例３～５に比べて大幅にバリＶの発生を抑制できた。また、実施例４であると比較例３～５に比べて摩擦攪拌部の減肉も抑制できた。また、実施例４であると塑性化領域Ｗにトンネル状欠陥も発生しなかった。さらに、実施例４では、塑性化領域Ｗの表面の高さが、外縁部１１ｂが押し込まれていた位置よりも高くなり、塑性化領域Ｗに肉盛が形成されていることが確認された。

【0078】

以上のように、比較例４，５のように、切欠き部１２及び溝部１３の片方のみを有する回転ツールに比べて、実施例４の回転ツール１Ｃによれば、ショルダ部２の底面２ａに、すり鉢状溝部１１と、切欠き部１２と、溝部１３とを備えた形態であるため、バリＶの発生を抑制することができるとともに、摩擦攪拌部の減肉を抑制して、塑性化領域Ｗに肉盛を形成することができる。また、回転ツール１Ｃによれば、塑性化領域Ｗのトンネル状欠陥の発生も防ぐことができる。

【符号の説明】

【0079】

１ 回転ツール
２ ショルダ部
３ 攪拌ピン
１１ すり鉢状溝部
１２ 切欠き部
１３ 溝部
Ｖ バリ
Ｗ 塑性化領域

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5A】

【図5B】

【図6A】

【図6B】

【図7A】

【図7B】

【図8】

【図9A】

【図9B】

【図10A】

【図10B】

【図11A】

【図11B】

【図11C】

【図11D】

【図12A】

【図12B】

【図12C】

【図13A】

【図13B】

【図14A】

【図14B】

【図15】

【図16】

【図17A】

【図17B】

【図18A】

【図18B】

【図19A】

【図19B】