CN102481659A - 双面摩擦搅拌接合方法、接合装置、冷轧设备的金属板接合方法及冷轧设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种金属板的接合方法及接合装置、以及冷轧设备的金属板接合方法及冷轧设备，在对厚度小于旋转工具的肩台部的直径的厚度的金属板进行双面摩擦搅拌接合的情况下，能够抑制金属板的断裂和接合不良，能够提高接合强度，提高接合强度的可靠性，而且能够延长工具寿命，提高旋转工具的经济性。通过入侧及出侧握持装置(7、8)分别握持金属板(1、2)的表背面，使以相对的方式分别配置在两张金属板(1、2)的接合部(J)的表面侧和背面侧的旋转工具(5、6)以接近的方式移动，对上下的旋转工具(5、6)的探针(13a、13b)前端之间付与规定的间隙(δ)并将旋转工具(5、6)的肩台部(5b、6b)推压在接合部(J)的表背面侧，在该状态下，使上下的旋转工具(5、6)沿接合部(J)旋转并移动从而进行摩擦搅拌接合。此时，使上下的旋转工具(5、6)的轴心(14)向使各自的探针(13a、13b)相对于旋转工具(5、6)的进行方向先行的方向倾斜，并进行摩擦搅拌接合。

Description

双面摩擦搅拌接合方法、接合装置、冷轧设备的金属板接合方法及冷轧设备

技术领域

本发明涉及金属板的接合方法及接合装置、以及冷轧设备的金属板接合方法及冷轧设备。

背景技术

公知有一种这样的摩擦搅拌接合技术：一边使旋转工具旋转，一边使设在旋转工具的工具主体上的肩台部的表面与接合部件的表面相接触，利用肩台部的表面与接合部件的表面的摩擦热进行摩擦搅拌，将接合部件在熔点以下的固相状态对材料进行搅拌并接合。该接合技术以铝合金的接合部件为主体，正在各种工业领域中实际应用。关于这种接合技术提出了各种手法的方案。

摩擦搅拌接合中最常规的是例如专利文献1(日本专利第2712838号公报)的图12及非专利文献1中记载的那样的单面摩擦搅拌接合。该单面摩擦搅拌接合中使用的旋转工具，是在工具主体的前端部设置比其直径小的探针、并将工具主体的前端部上的探针的安装部的周围作为肩台部而构成的，将该旋转工具从两张金属板的接合部(例如对接部)的单面侧插入，利用通过使旋转工具旋转而产生的摩擦热进行摩擦搅拌并进行接合。

还提出有双面摩擦搅拌接合的方案。双面摩擦搅拌接合中，在两张金属板的接合部(例如对接部)的表面侧和背面侧，以相对的方式分别各设置一根旋转工具，从接合部的两侧进行摩擦搅拌并接合，例如专利文献1(日本专利第2712838号公报)的图14a所示。

另外，在专利文献2(日本专利3261433号公报)中，在这样的双面摩擦搅拌接合中记载了下述技术：在合部件为中空部件或厚板部件的情况下，将旋转工具分别在一方面侧和另一方面侧相对地配置，并设置支承辊，该支承辊对该一方面侧的旋转工具向另一方面侧的推压力进行支承，使该一方面侧的推压力比另一方面侧的推压力大，使接合部件移动，由此，从表背双面进行摩擦搅拌接合。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利2712838号

专利文献2：日本专利3261433号

非专利文献

非专利文献1：摩擦搅拌接合-摩擦搅拌接合的所有社团法人焊接学会编产报出版，第12～16页

发明内容

在专利文献1及非专利文献1记载的单面摩擦搅拌接合中，存在以下问题。

第一，热效率不佳，以及因与每一根旋转工具相当的负荷增大所造成的高速化的界限。

一般地，接合部件的厚度越厚，摩擦搅拌接合时的搅拌深度越深，与之相应地，需要增加投入的热量。而且，在单面摩擦搅拌接合中，对材料投入的热会热扩散至保持旋转工具的推压力的背衬板上，接合部的温度会降低，因此，必须投入相当于热扩散的部分的富余热量，存在热效率不佳的问题。

另外，为了获得所希望的摩擦搅拌接合，与每一根旋转工具相当的推压力及热负荷会增大，旋转工具的寿命变短。

而且，为了以一根旋转工具对接合部投入所希望的热量，需要将接合速度的上限抑制在低位，在提高生产效率方面成为较大的制约条件。

第二，是固着的问题。

在单面摩擦搅拌接合中，在接合部件的厚度薄的情况下，肩台面与背衬板间的距离变短，接合部在高温状态下被推压在背衬板上，因此，存在着在接合部件和背衬板的接触面上发生固着的情况。因此，1mm左右的板厚的对接接合其实际应用化较困难。

第三，是非对称残留应力的问题。

在单面摩擦搅拌接合的情况下，由于投入热仅来自进行摩擦搅拌接合的单侧，因此，在表背面上会产生残留应力差，存在接合部件翘曲的问题。

在专利文献1及非专利文献1记载的单面摩擦搅拌接合中，能够解决或减轻上述的单面摩擦搅拌接合的问题。但是，人们意识到，为了将现有的双面摩擦搅拌接合实际应用化，存在几个必须要解决的课题。

第一，是因摩擦力而导致的金属板的断裂的问题。

在双面摩擦搅拌接合中，当将上下的旋转工具从金属板的两侧推压并使其旋转时，在肩台部间所夹的金属板部分上，由于摩擦力会产生剪切力，当该剪切力超过材料的容许剪切力时，金属板就会断裂。

进行摩擦搅拌接合的材料(金属板)的容许剪切力，根据板厚而变化，若板厚变薄则容许剪切力降低。

根据本发明的发明人们所进行的实验，确认了在金属板的板厚为3mm以下的情况下，特别容易发生金属板的断裂。

第二，是接合不良的担心。

在专利文献2中，在金属板为中空部件或厚板部件的情况下，将旋转工具相对地分别配置在一方面侧和另一方面侧，设置支承辊，该支承辊对来自该一方面侧的旋转工具向另一方面侧的推压力进行支承，使该一方面侧的推压力比另一方面侧的推压力大，使金属板移动，由此，从表背双面进行摩擦搅拌接合。该情况下，通过来自一方面的旋转工具的推压力和支承辊的反力来进行金属板的位置保持，向接合方向的直角方向的约束力仅为支承辊与金属板间的摩擦力。

因此，由于摩擦搅拌接合时产生的探针通过时的排斥力，金属板向旋转工具的接合方向的直角方向运动，由此，存在无法获得对接面的间隙精度因而造成接合不良的担心。

尤其是在金属板的厚度比旋转工具的肩台部的直径小的情况下，由于金属板的刚性低，因此存在该倾向显著的问题。

另外，在专利文献1及专利文献2记载的双面摩擦搅拌接合中，将两根旋转工具以探针前端之间实际上不存在间隙的状态相对地配置在金属板的对接部的表面侧和背面侧，并从对接部的两侧进行摩擦搅拌接合。在无间隙的状态下进行的双面摩擦搅拌接合中，由于金属板的厚度的微小变动，肩台部表面与金属板表面的接触面的面压力会发生变动。由于该面压力的变动，摩擦热量会变动，存在接合部的品质下降的问题。

第三，是工具寿命和经济性的问题。

在双面摩擦搅拌接合中，旋转工具的探针插入量是金属板厚度的一半。因此，在金属板的厚度变厚的情况下，探针插入量变深，因此，为了防止作用于插入的探针上的力矩导致的探针的折损，需要增大探针直径。另外，为了获得不致引起接合不良的摩擦发热量，肩台部的直径也需要增大。

若增大探针直径和肩台部直径，则摩擦搅拌接合中的负荷增大，因此，需要将装置大型化，存在经济性差的问题。

另外，根据探针插入量接合速度受到限制，在节拍时间(tacttime)的缩短方面也存在界限，并且，在旋转工具的热负荷降低方面也存在界限，在工具寿命的改善方面存在界限。

而且，若金属板的厚度不同，则必须与之相应地改变探针长度，因此，需要与金属板的厚度相符地、准备多个具有不同探针长度的旋转工具，因而存在经济性差的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种金属板的接合方法及接合装置、以及冷轧设备的金属板接合方法及冷轧设备，在对厚度比旋转工具的肩台部的直径小的金属板进行双面摩擦搅拌接合的情况下，能够抑制金属板的断裂和接合不良，提高接合强度，并使接合强度的可靠性提高，并且，能够提高工具寿命且在旋转工具的经济性方面优异。

解决上述技术问题的第1发明，是一种双面摩擦搅拌接合方法，在工具主体的前端部设置与其相比直径小的探针，将所述工具主体的前端部的所述探针的安装部的周围作为肩台部，将由此构成的上下的旋转工具对两张金属板的接合部即对接部从其表面侧和背面侧插入，利用通过使所述上下的旋转工具旋转而产生的摩擦热进行摩擦搅拌，将所述两张金属板接合，其特征在于，分别通过第一及第二握持装置对厚度小于所述上下的旋转工具的肩台部的直径的两张金属板的表背面进行握持，在所述两张金属板的对接部的表面侧和背面侧，以相对的方式分别配置所述上下的旋转工具，使所述上下的旋转工具向相互接近的方向移动，对所述上下的旋转工具的探针前端之间付与规定的间隙并将所述上下的旋转工具的肩台部推压在所述对接部的表面侧和背面侧，在该状态下，使所述上下的旋转工具沿所述对接部旋转并移动从而进行摩擦搅拌接合。

另外，解决上述技术问题的第2发明，是一种双面摩擦搅拌接合方法，在工具主体的前端部设置与其相比直径小的探针，将所述工具主体的前端部的所述探针的安装部的周围作为肩台部，将由此构成的上下的旋转工具对两张金属板的接合部即重叠部从其表面侧和背面侧插入，利用通过使所述上下的旋转工具旋转而产生的摩擦热进行摩擦搅拌，将所述两张金属板接合，其特征在于，分别通过第一及第二握持装置对厚度小于所述上下的旋转工具的肩台部的直径的两张金属板的表背面进行握持，在所述两张金属板的重叠部的表面侧和背面侧，以相对的方式分别配置所述上下的旋转工具，使所述上下的旋转工具向相互接近的方向移动，对所述上下的旋转工具的探针前端之间付与规定的间隙并将所述上下的旋转工具的肩台部推压在所述对接部的表面侧和背面侧，在该状态下，使所述上下的旋转工具沿所述重叠部旋转并移动从而进行摩擦搅拌接合。

第3发明，在所述第1或第2发明的双面摩擦搅拌接合方法中，其特征在于，使所述上下的旋转工具的轴心，向使各自的探针相对于旋转工具的进行方向先行的方向倾斜，并在该状态下进行摩擦搅拌接合。

第4发明，在所述第1至第3发明的双面摩擦搅拌接合方法中，其特征在于，将所述上下的旋转工具的探针前端之间的间隙相对于所述两张金属板的接合部的厚度设定为1％以上且50％以下的比率。

第5发明，在所述第1至第4发明的双面摩擦搅拌接合方法中，其特征在于，将所述第一握持装置与所述第二握持装置之间的距离设定为所述工具主体的直径的1.5倍以上且5倍以下。

第6发明，在所述第1至第5发明的双面摩擦搅拌接合方法中，其特征在于，使所述上下的旋转工具的旋转方向在表面侧和背面侧为相反方向。

第7发明，在所述第1至第6发明的双面摩擦搅拌接合方法中，其特征在于，使所述上下的旋转工具的各自的肩台部的直径相同。

第8发明，在所述第1至第7发明的双面摩擦搅拌接合方法中，其特征在于，在所述金属板的厚度为2mm以下的情况下，使所述上下的旋转工具的轴心的倾斜角度超过0°但在3°以下。

第9发明，在所述第1至第8发明的双面摩擦搅拌接合方法中，其特征在于，使所述上下的旋转工具的轴心的倾斜角度相同。

第10发明，在所述第1至第9发明的双面摩擦搅拌接合方法中，其特征在于，使所述上下的旋转工具对所述两张金属板的接合部从其表面侧和背面侧进行推压的推压力在表面侧和背面侧相同。

第11发明，在所述第1、第3至第9发明的双面摩擦搅拌接合方法中，其特征在于，在所述两张金属板的厚度不同的情况下，以在所述金属板的表面及背面的任意一方侧上不产生层差的方式、通过所述第一及第二握持装置握持所述两张金属板，对于所述两张金属板中产生有层差的一侧的旋转工具，使其向金属板的厚度薄的一侧成为前进侧的方向旋转，而使无层差的一侧的旋转工具向与产生有层差的一侧的旋转工具的旋转方向相反的方向旋转。

第12发明，在所述第1、第3至第10发明的双面摩擦搅拌接合方法中，其特征在于，在所述两张金属板的厚度不同的情况下，以所述金属板的表面及背面的层差均等的方式、通过所述第一及第二握持装置握持所述两张金属板，使所述上下的旋转工具以金属板的厚度薄的一侧成为前进侧的方式、向相同方向旋转。

第13发明，在所述第1至第12发明的双面摩擦搅拌接合方法中，其特征在于，所述上下的旋转工具中的一方的旋转工具在摩擦搅拌接合开始前通过位置控制相对于金属板的厚度方向移动至预定插入深度，在保持旋转工具的插入深度的状态下，通过位置控制从接合部端面在旋转工具的进行方向上进给，在保持位置控制的状态下从接合部端面开始，将旋转工具插入金属板并开始摩擦搅拌接合，之后，直到摩擦搅拌接合结束，一边通过位置控制对旋转工具的插入位置相对于金属板的厚度方向进行保持一边进给，另一方的旋转工具，直到摩擦搅拌接合开始前，与所述一方的旋转工具同样地，通过位置控制相对于金属板的厚度方向移动至预定插入深度，在保持旋转工具的插入深度的状态下，通过位置控制从接合部端面在旋转工具的进行方向上进给，在保持位置控制的状态下相对于金属板的厚度方向从接合部端面将旋转工具插入金属板并开始摩擦搅拌接合，摩擦搅拌接合开始后，与所述一方的旋转工具的进给位置同步地进给，在该进给期间，以旋转工具的负荷成为规定值的方式、进行对旋转工具的插入位置进行控制的负荷恒定控制，在到达摩擦搅拌接合结束的接合终端部之前，切换成保持该时刻的旋转工具的插入位置的位置控制，使其通过接合部终端部，进行摩擦搅拌接合。

第14发明，在所述第1至第12发明的双面摩擦搅拌接合方法中，其特征在于，将所述上下的旋转工具，在摩擦搅拌接合开始前通过位置控制相对于金属板的厚度方向移动至预定插入深度，在保持旋转工具的插入深度的状态下，通过位置控制从接合部端面在旋转工具的进行方向上进给，在保持位置控制的状态下从接合部端面将旋转工具插入金属板并开始摩擦搅拌接合，摩擦搅拌接合开始后，以旋转工具的负荷成为规定值的方式、进行对旋转工具的插入位置进行控制的负荷恒定控制，在到达摩擦搅拌接合结束的接合终端部之前，切换成保持该时刻的旋转工具的插入位置的位置控制，使其通过接合部终端部，进行摩擦搅拌接合。

第15发明，在所述第1至第14发明的双面摩擦搅拌接合方法中，其特征在于，所述上下的旋转工具由烧结碳化钨的超硬合金、钨合金等构成，所述两张金属板由熔点1000℃以上的高熔点材料构成。

第16发明，是一种冷轧设备的金属板接合方法，其特征在于，采用所述第1至第15发明的双面摩擦搅拌接合方法中，对供冷轧的金属板进行接合。

解决上述技术问题的第17发明，是一种双面摩擦搅拌接合装置，在工具主体的前端部设置与其相比直径小的探针，将所述工具主体的前端部的所述探针的安装部的周围作为肩台部，将由此构成的上下的旋转工具对两张金属板的接合部即对接部从其表面侧和背面侧插入，利用通过使所述上下的旋转工具旋转而产生的摩擦热进行摩擦搅拌，将所述两张金属板接合，其特征在于，具有：第一及第二握持装置，分别通过该第一及第二握持装置对厚度小于所述上下的旋转工具的肩台部的直径的两张金属板的表背面进行握持；上摩擦搅拌装置及下摩擦搅拌装置，其各具有一根所述上下的旋转工具，在所述两张金属板的对接部的表面侧和背面侧，以相对的方式分别配置所述上下的旋转工具；推压及间隙调整装置，其使所述上摩擦搅拌装置及下摩擦搅拌装置的各自的旋转工具向彼此接近的方向移动，对所述上下的旋转工具的探针前端之间付与规定的间隙并将所述上下的旋转工具的肩台部推压在所述对接部的表面侧和背面侧上；移动装置，其使所述上摩擦搅拌装置及下摩擦搅拌装置的所述上下的旋转工具沿着所述对接部移动。

另外，解决上述技术问题的第18发明，是一种双面摩擦搅拌接合装置，在工具主体的前端部设置与其相比直径小的探针，将所述工具主体的前端部的所述探针的安装部的周围作为肩台部，将由此构成的上下的旋转工具对两张金属板的接合部即重叠部从其表面侧和背面侧插入，利用通过使所述上下的旋转工具旋转而产生的摩擦热进行摩擦搅拌，将所述两张金属板接合，其特征在于，具有：第一及第二握持装置，其分别通过该第一及第二握持装置对厚度小于所述上下的旋转工具的肩台部的直径的两张金属板的表背面进行握持；上摩擦搅拌装置及下摩擦搅拌装置，其各具有一根所述上下的旋转工具，在所述两张金属板的重叠部的表面侧和背面侧，以相对的方式分别配置所述上下的旋转工具；推压及间隙调整装置，其使所述上摩擦搅拌装置及下摩擦搅拌装置的各自的旋转工具向彼此接近的方向移动，对所述上下的旋转工具的探针前端之间付与规定的间隙并将所述上下的旋转工具的肩台部推压在所述重叠部的表面侧和背面侧上；移动装置，其使所述上摩擦搅拌装置及下摩擦搅拌装置的所述上下的旋转工具沿着所述重叠部移动。

第19发明，在所述第17或第18发明的双面摩擦搅拌接合装置中，其特征在于，还具有倾斜支承装置，其使所述上下的摩擦搅拌装置的所述上下的旋转工具的轴心，向使各自的探针相对于旋转工具的进行方向先行的方向倾斜并对其进行支承。

第20发明，在所述第17至第19发明的双面摩擦搅拌接合装置中，其特征在于，所述推压及间隙调整装置将所述上下的旋转工具的探针前端之间的间隙相对于所述两张金属板的接合部的厚度设定为1％以上且50％以下的比率。

第21发明，在所述第17至第20发明的双面摩擦搅拌接合装置中，其特征在于，所述第一及第二握持装置将所述第一及第二握持装置之间的距离设定为所述工具主体的直径的1.5倍以上且5倍以下。

第22发明，在所述第17至第21发明的双面摩擦搅拌接合装置中，其特征在于，所述上下的摩擦搅拌装置使使各自的旋转工具的旋转方向在表面侧和背面侧向相反方向旋转。

第23发明，在所述第19至第22发明的双面摩擦搅拌接合装置中，其特征在于，在所述金属板的厚度为2mm以下的情况下，所述倾斜支承装置将所述上下的摩擦搅拌装置的所述上下的旋转工具的轴心的倾斜角度设定为超过0°但在3°以下。

第24发明，在所述第17至第23发明的双面摩擦搅拌接合装置中，其特征在于，还具有对所述间隙调整机构及移动机构进行控制的控制装置，该控制装置以如下方式进行控制：所述上下的旋转工具中的一方的旋转工具在摩擦搅拌接合开始前通过位置控制相对于金属板的厚度方向移动至预定插入深度，在保持旋转工具的插入深度的状态下，通过位置控制从接合部端面在旋转工具的进行方向上进给，在保持位置控制的状态下从接合部端面开始，将旋转工具插入金属板并开始摩擦搅拌接合，之后，直到摩擦搅拌接合结束，一边通过位置控制对旋转工具的插入位置相对于金属板的厚度方向进行保持一边进给，另一方的旋转工具，直到摩擦搅拌接合开始前，与所述一方的旋转工具同样地，通过位置控制相对于金属板的厚度方向移动至预定插入深度，在保持旋转工具的插入深度的状态下，通过位置控制从接合部端面在旋转工具的进行方向上进给，在保持位置控制的状态下相对于金属板的厚度方向从接合部端面将旋转工具插入金属板并开始摩擦搅拌接合，摩擦搅拌接合开始后，与所述一方的旋转工具的进给位置同步地进给，在该进给期间，以旋转工具的负荷成为规定值的方式、进行对旋转工具的插入位置进行控制的负荷恒定控制，在到达摩擦搅拌接合结束的接合终端部之前，切换成保持该时刻的旋转工具的插入位置的位置控制，使其通过接合部终端部，进行摩擦搅拌接合。

第25发明，在所述第17至第23发明的双面摩擦搅拌接合装置中，其特征在于，还具有对所述间隙调整机构及移动机构进行控制的控制装置，该控制装置以如下方式进行控制：将所述上下的摩擦搅拌装置的上下的旋转工具，在摩擦搅拌接合开始前通过位置控制相对于金属板的厚度方向移动至预定插入深度，在保持旋转工具的插入深度的状态下，通过位置控制从接合部端面在旋转工具的进行方向上进给，在保持位置控制的状态下从接合部端面将旋转工具插入金属板并开始摩擦搅拌接合，摩擦搅拌接合开始后，以旋转工具的负荷成为规定值的方式、进行对旋转工具的插入位置进行控制的负荷恒定控制，在到达摩擦搅拌接合结束的接合终端部之前，切换成保持该时刻的旋转工具的插入位置的位置控制，使其通过接合部终端部，进行摩擦搅拌接合。

第26发明是一种冷轧设备，其特征在于，具有所述第17至第25发明的双面摩擦搅拌接合装置。

发明的效果

根据本发明，能够得到以下效果。

在第1、第2、第17和第18发明中，通过以第一及第二握持装置握持金属板的表背面，即使是在通过双面摩擦搅拌接合进行对厚度小于旋转工具的肩台部的直径的两张金属板的接合的情况下，由于接合部附近的金属板材料的接合方向直角方向的动作受到约束，因此，不会因摩擦搅拌接合时产生的探针通过时的排斥力而使金属板向旋转工具的接合方向的直角方向运动，能够确保对接面的间隙精度，能够防止接合不良。

另外，通过对以相对的方式配置的两根旋转工具的探针前端之间付与规定的间隙，能够避免因金属板的厚度的微小变动而使肩台部表面与金属板表面的接触面的面压力发生变动，能够抑制摩擦热量的变动，能够防止接合部的品质下降(接合不良)。

通过对以相对的方式配置的两根旋转工具的探针前端之间付与规定的间隙，探针向金属板的插入量变得比金属板厚度的一半小，因此，与之相应地，旋转工具的探针长度变短，由此能够降低作用于探针的力矩。其结果是，无须为了防止探针的折损而增大探针直径，与之相伴地，肩台部的直径也无须增大，因此，能够抑制摩擦搅拌接合中的负荷的增大，能够使装置小型化，并提高经济性。另外，由于探针插入量变小，因此，接合速度提高，能够降低节拍时间，并且，能够降低向旋转工具的投入热量，能够延长旋转工具的寿命。

另外，由于对探针前端之间付与规定的间隙，因此，即使是在对厚度不同的金属板进行接合的情况下，能够以在间隙长度的范围内具有一个种类的长度的探针的旋转工具来应对，通过准备与所希望的接合强度相符的探针长度的旋转工具，能够抑制运转成本，能够提高经济性。

另外，以往，没有对两根旋转工具的探针前端之间付与间隙的方式进行摩擦搅拌接合，这是由于考虑到当在双面摩擦搅拌接合中对探针前端之间付与间隙的情况下，会在两金属板的接合面边界部分产生未搅拌面，接合强度会下降。但是，本发明的发明人们得到了以下发现：即使对探针前端之间付与间隙，在通过握持装置握持两张金属板的表背面的情况下，即使在未搅拌面上也能够获得牢固的接合，作为整体也能够确保所需的接合强度。

以下说明这一点。

在以对两根旋转工具的探针前端之间付与规定的间隙的状态、从表背面的双面进行摩擦搅拌接合的情况下，会在接合面的边界部分产生未搅拌面，但是，该未搅拌面被因使旋转工具旋转而产生的剪切力拉伸，因此，将夹设于表面的氧化物强力拉伸并破坏，在未搅拌面上产生新生面。

而且，在因摩擦热导致材料发生了软化的状态的倾斜的新生面上，施加有来自两根旋转工具的上下方向的推压力、和由于第一及第二握持装置对两张金属板进行约束而产生的热膨胀而产生的变形力的反力及因探针通过时的排斥力而产生的反力(水平方向的力)，未搅拌的新生面被固相接合。其结果是，未搅拌面也被牢固地接合，能够获得较高的抗拉伸、抗弯曲强度。

另外，在双面摩擦搅拌接合中在接合部的双面上产生摩擦热，所以不存在单面摩擦搅拌接合中发生的那样的向背衬板的热扩散，能够在短时间内实现温度上升，因此能够实现将摩擦搅拌接合开始前的压入工序省略的无压入的摩擦搅拌接合，由此能够缩短接合的节拍时间，提高生产效率。

在第3及第19发明中，通过使上下的旋转工具的轴心倾斜地进行摩擦搅拌接合，能够提高旋转工具的肩台部与材料间的面压力，能够抑制在摩擦搅拌接合时产生的毛刺或接合缺陷。

而且，将压入工序省略，从接合部端面将上下旋转工具插入时，能够避免接合部端面和该旋转工具的侧面部发生碰撞，在接合部端面上，能够防止发生金属板压曲等的问题。

在第4及第20发明中，通过使探针前端之间的间隙为接合部的厚度的50％一下，虽然在中央部残留有未搅拌部，但如前述那样、未搅拌部被拉伸，而且是在高温下受到推压，由此，能够牢固地结合。另外，即使假设未搅拌部处于未接合状态，接合部的弯曲强度与以往相比能够止于13％左右以下的降低率。针对每种接合的材质，根据所需的弯曲强度来设定适宜的接合率(相对于接合的厚度的百分比)，由此，即使不对接合部整个面进行搅拌，也能够获得所希望的弯曲强度。另外，通过使探针前端之间的间隙为接合部的厚度的1％以上，即使上下的旋转工具产生微振动，也能够防止上下的旋转工具的前端部发生干涉，能够提高旋转工具的寿命。

在第5及第21发明中，通过使入侧及出侧握持装置间的距离为工具直径5倍以下、缩短接合部与握持装置间的距离，由此，即使在金属板的材料刚性低的情况下，也能够抑制由于摩擦搅拌接合时产生的摩擦热所引起的热膨胀、热变形导致的金属板的压曲，能够进行稳定的接合。另外，通过使入侧及出侧握持装置间的距离为工具直径的1.5倍以上，即使旋转工具产生微振动，也能够防止旋转工具与入侧及出侧握持装置的干涉，能够提高旋转工具的寿命。

在第6及第22发明中，通过使上下的旋转工具的旋转方向在表面侧和背面侧为相反方向，由此，能够使来自表面侧的搅拌引起的剪切力与来自背面侧的搅拌引起的剪切力在接合部的内部抵消，能够防止材料的断裂。另外，能够降低握持装置的握持力，能够使握持装置简单化。

另外，通过使上下的旋转工具的旋转方向在表面侧和背面侧为相反方向，使上下旋转工具间的未搅拌区域的材料对接面因剪切力而倾斜，或者使重叠面塑性变形成S字形，未搅拌区域的对接面或重叠面印塑性变形而延伸，由此，氧化覆膜破碎。由此，如前述那样，未搅拌区域也固相接合。

在第7发明中，通过使上下旋转工具的肩台直径相同，来自表面侧的投入热量及投入热范围和来自背面侧的投入热量及投入热范围相同，因此，能够抑制板厚方向上的残留应力的失衡，能够在表背面获得相同的抗拉伸、抗弯曲强度。

在第8和第23发明中，在金属板的厚度为2mm以下的情况下，通过将上下的旋转工具的轴心的倾斜角度设定为超过0°但在3°以下，能够抑制因接合部厚度的局部减少而导致的接合部的截面系数的降低，能够防止从接合部发生的板断裂。另外，通过使倾斜角度超过0°，能够确保肩台部与材料间的面压，能够抑制接合时产生的毛刺或接合缺陷。

在第9发明中，通过使得在上下旋转工具的前端部的探针相对于进行方向先行的方向上使工具轴心的倾斜的角度相同，由此，能够使表背面的接合状态大致相同，由此能够在表背面获得相同的抗拉伸、抗弯曲强度。

在第10发明中，通过使上下的旋转工具以上下相同的推压力进行推压并旋转，由此，金属板的接合部的上侧和下侧成为均等的应力状态，对金属板的断裂的抑制效果可靠。另外，能够抑制推压力的失衡成分向第一及第二握持装置传递。

在第11和第12发明中，当在表背面的任一方或表背面的两面上存在层差的状态进行接合的情况下，通过将材料厚度薄的一侧的旋转工具的旋转中的外周侧的速度向量与旋转工具的进给方向为相同朝向，即将该侧设定为前进侧，能够使从材料厚的一侧向薄的一侧的塑性流动容易，而且使从薄的一侧向厚的一侧的剩余塑性流动量通过厚的一侧的层差部而向旋转工具的进给方向排出。由此，能够抑制向接合焊道端部的毛刺的产生，能够形成表面品质优良的结合部，能够使下一工序的塑性加工工作时的接合部断裂等的概率降低。

在第13和第24发明中，摩擦搅拌开始后，维持下旋转工具的位置控制，而将上旋转工具切换为负荷恒定控制，由此，即使在接合部的厚度发生变动的情况下也能够稳定地进行摩擦搅拌。另外，由于向上下旋转工具的负荷恒定，因此，能够抑制旋转工具的损耗和折损，能够延长旋转工具的寿命。

在第14和第25发明中，摩擦搅拌开始后，对上下旋转工具都采取负荷恒定控制，由此，即使在金属板厚的情况下或金属板的刚性高的情况下，来自金属板的表面侧的投入热量以及投入热范围与来自背面侧的投入热量以及投入热范围相同，能够使表背面的残留应力均匀，能够防止金属板的翘曲。

在第15发明中，通过双面摩擦搅拌接合，不仅实现使与一根旋转工具相当的热负荷降低，而且在该状态下将旋转工具的材质选择为烧结碳化钨的超硬合金、钨合金等，由此，不必使用昂贵的多晶金刚石等材料，其结果是，能够对熔点为1000℃以上的金属板的摩擦搅拌提供寿命长且经济的旋转工具。

在第16和第26发明中，通过本发明的双面摩擦搅拌接合，能够对从厚度大幅低于1mm的极薄板到6mm左右的板厚的金属板的宽范围的板厚的金属板进行接合，通过将这样的本发明的双面摩擦搅拌结合适用于冷轧的金属板的结合，使卷料循环或将轧制方向变为逆向，不必进行多次接合和多次轧制，能够得到所希望的板厚，在该轧制设备中，能够进行廉价且强度可靠性高的接合和高生产、高产量。

而且，在本发明的双面摩擦搅拌接合中，通过对以往难以适用的板厚最大20mm左右的铝合金或铜合金等非铁金属的冷轧的金属板的接合适用本发明的双面摩擦搅拌接合，能够提供廉价且强度可靠性高的接合和高生产、高产量的冷轧设备。

以上，在对厚度小于旋转工具的肩台部的直径的厚度的金属板进行双面摩擦搅拌接合的情况下，能够抑制金属板的断裂和接合不良，能够提高接合强度，提高接合强度的可靠性，而且能够延长工具寿命，而且能够提高旋转工具的经济性。

而且，通过将本发明的双面摩擦搅拌接合适用于冷轧的金属板，能够提供廉价且强度可靠性高的接合和高生产、高产量的冷轧设备。

附图说明

图1是本发明的一个实施方式的金属板的双面摩擦搅拌接合装置的概略主视图。

图2是图1所示双面摩擦搅拌接合装置的概略立体图。

图3是图1所示双面摩擦搅拌接合装置的上侧部分的侧视图。

图4表示本发明的其他实施方式的金属板的双面摩擦搅拌接合装置，并表示以机械方式进行上下的旋转工具的轴心的同步的方式的图。

图5是旋转工具的前端部分的放大图。

图6是旋转工具的前端部分的其他的例子的放大图。

图7是表示将本发明的接合方法适用于两张金属板的对接焊接的情况下的接合时的状态，并表示上下的旋转工具与入侧及出侧握持装置的位置关系(入侧及出侧握持装置间距离)的图。

图8是表示将本发明的接合方法适用于两张金属板的对接焊接的情况下的接合时的状态，并表示接合时的上下的旋转工具的探针的位置关系(探针间距离)的图。

图9是本发明的实施方式的对接后的金属板的双面摩擦搅拌接合理论的说明图，是表示存在未搅拌面的状态的图。

图10是本发明的实施方式的对接后的金属板的双面摩擦搅拌接合理论的说明图，是表示未搅拌面因剪切力而延伸并倾斜的状态的图。

图11是本发明的实施方式的对接后的金属板的双面摩擦搅拌接合理论的说明图，是表示未搅拌面延伸并倾斜、并得到新生面的状态的图。

图12是本发明的实施方式的对接后的金属板的双面摩擦搅拌接合理论的说明图，是表示来自上下的旋转工具的垂直方向的推压力F 1和相对于入侧及出侧握持装置的热膨胀所产生的变形力的水平方向的反力F2作用于未搅拌的新生面的状态的图。

图13是表示将本发明的接合方法适用于两张金属板的重叠焊接的情况下的接合时的状态的图。

图14是表示将本发明的接合方法适用于两张金属板的重叠焊接的情况下的作用原理的图。

图15是表示将本发明的接合方法适用于两张金属板的重叠焊接的情况下的握持方式的图。

图16是表示将本发明的接合方法适用于两张金属板的重叠焊接的情况下的其他的握持方式的图。

图17是模拟地表示在接合面边界部分上不存在未接合部的情况的截面的图。

图18是模拟地表示在接合面边界部分上存在未接合部(空隙)的情况的截面的图。

图19是表示式(4)的未接合率α和截面系数比γ的关系的图，该式(4)表示接合面边界部分上不存在未接合部的情况和接合面边界部分上存在未接合部(空隙)的情况的截面系数比γ。

图20是表示使上下旋转工具的旋转方向为相同方向、使旋转工具的肩台直径相同、并且使旋转工具的轴心相对于旋转工具的进行方向以相同角度倾斜地进行摩擦搅拌接合的状态的立体图。

图21是表示使上下旋转工具的旋转方向为相同方向、使旋转工具的肩台直径相同、并且使旋转工具的轴心相对于旋转工具的进行方向以相同角度倾斜地进行摩擦搅拌接合的状态的剖视图。

图22是表示使上下旋转工具的旋转方向为相反方向、使旋转工具的肩台直径相同、并且使旋转工具的轴心相对于旋转工具的进行方向以相同角度倾斜地进行摩擦搅拌接合的状态的立体图。

图23是表示使上下旋转工具的旋转方向为相反方向、使旋转工具的肩台直径相同、并且使旋转工具的轴心相对于旋转工具的进行方向以相同角度倾斜地进行摩擦搅拌接合的状态的剖视图。

图24是使旋转工具旋转并进行摩擦搅拌接合的情况下的沿着接合方向的剖视图。

图25是将上下旋转工具的倾斜角度设定为0度(不使工具倾斜)并将上下旋转工具从接合部端面插入时的说明图。

图26是表示使上下旋转工具适度倾斜并将上下旋转工具从接合部端面插入时的状态的图。

图27是表示使旋转工具的轴心倾斜地以无压入(plunging less)的方式进行双面摩擦搅拌接合的运转方法的图。

图28是表示控制装置所进行的处理步骤的控制流程图。

图29是表示控制装置所进行的处理步骤的其他例子的控制流程图。

图30是表示前进侧(advanced side)、回撤侧(retreating side)和摩擦搅拌用工具的旋转方向的关系的图。

图31是表示从双面对板厚不同的两张金属板或生成有层差的接合部进行摩擦搅拌的方法的图。

图32是表示从双面对板厚不同的两张金属板或生成有层差的接合部进行摩擦搅拌的方法的图。

图33是表示将本发明的双面摩擦搅拌接合装置适用于国际公开WO2008/062506号公报中记载的单方向地进行连续冷轧的冷轧设备而得到的设备整体的图。

图34是表示将本发明的双面摩擦搅拌接合装置适用于可逆式冷轧设备而得到的设备整体的图。

具体实施方式

下面参照附图说明本发明的实施方式。作为本实施方式的接合部件，以供冷轧的金属板为例进行说明。

<装置>

图1是本发明的一个实施方式的金属板的双面摩擦搅拌接合装置的概略主视图，图2是该双面摩擦搅拌接合装置的概略立体图，图3是该双面摩擦搅拌接合装置的上侧部分的侧视图。

图1～图3中，本发明的双面摩擦搅拌接合装置(以下适当地简称为接合装置)具有：分别对两张金属板1、2的表背面进行握持的入侧握持装置7(第一握持装置)及出侧握持装置8(第二握持装置)；配置在金属板1、2的接合部J的表面侧，安装有上旋转工具5的上摩擦搅拌装置3；与该上摩擦搅拌装置3相对地配置在金属板1、2的接合部J的背面侧，安装有下旋转工具6的下摩擦搅拌装置4；上下的推压及间隙调整装置55、56，使上摩擦搅拌装置3及下摩擦搅拌装置4的各自的旋转工具5、6向彼此接近的方向移动，对上下的旋转工具5、6的探针13a、13b前端之间付与规定的间隙δ(参照图8)并将上下的旋转工具5、6的肩台部5b、6b(参照图5及图6)推压在两张金属板1、2的接合部J的表面侧和背面侧上；使上摩擦搅拌装置3及下摩擦搅拌装置4的上下的旋转工具5、6沿着接合部J在与金属板1、2的进行方向正交的方向上移动的上移动装置57及下移动装置58。

入侧握持装置7及出侧握持装置8，分别具有上下的握持板7a、7b及8a、8b，上下的握持板7a、7b及8a、8b与上下壳体9、10一体设置，并能够通过具有未图示的驱动装置的开闭机构而开闭。在上下的握持板7a、7b及8a、8b的接合部J侧的端面上，形成有倾斜的后隙面。

上下摩擦搅拌装置3、4分别具有保持旋转工具5、6的上下的筒体53、54，筒体53、54至少部分地被收纳在上主体箱51和下主体箱52内。在筒体53、54内内置有分别旋转驱动旋转工具5、6的上旋转用电动机29a和下旋转用电动机29b。

如图3所示，上推压及间隙调整装置55具有：设置在上主体箱51内的推压用电动机61a；由该推压用电动机61a旋转驱动的丝杠62a；通过该丝杠62a的旋转而在丝杠62a的轴向上直线移动的支承框架63a，上摩擦搅拌装置3的筒体53以与支承框架63a一体地在丝杠62a的轴向上直线移动的方式安装在支承框架63a上。

虽未图示，下推压及间隙调整装置56也同样地构成。在以下的说明中，对于表示下推压及间隙调整装置56的与上推压及间隙调整装置55相同的要素的参照标记，取代后缀a而标注后缀b。

上移动装置57具有：固定在上壳体9上的左右的上导轨11、11；经由轴64a、64a而支承上主体箱51的左右的行走框架65a、65a；设置在左右的行走框架65a、65a上，并在上导轨11、11上行走的左右、前后的车轮66a、66a；安装在左右的行走框架65a、65a上，驱动前后车轮中的一方的行走用电动机67a、67a，上摩擦搅拌装置3在上导轨11、11上沿着金属板1、2的接合部J在与金属板1、2的进行方向正交的方向上行走。

下移动装置58也同样地构成，下摩擦搅拌装置4在固定在下壳体10上的下导轨12、12上，沿着金属板1、2的接合部J在与金属板1、2的进行方向正交的方向上行走。在以下的说明中，对于表示下移动装置58的与上移动装置57相同的要素的参照标记，取代后缀a而标注后缀b。

在图1～图3所示的结构中，上下摩擦搅拌装置3、4在上下导轨11、11及12、12上行走时的上下的旋转工具5、6的轴心的同步，是通过电子控制方式来进行的，由控制装置83(后述)对上移动装置57的行走用电动机67a、67a和下移动装置58的行走电动机67b、67b进行同步控制。

图4是表示以机械方式进行上下的旋转工具5、6的轴心的同步的方式的图。上下摩擦搅拌装置3、4固定在以C型一体连结的上下的壳体9A、10A上，相对于该C型的上下壳体9A、10A，设有由车轮71、丝杠72和行走用电动机73构成的行走装置74。车轮71设在下壳体10A上，丝杠72与下壳体10A卡合，行走用电动机73旋转驱动丝杠72。当通过控制装置75的指令驱动行走用电动机73时，丝杠72旋转，上下壳体9A、10A在上下的旋转工具5、6的轴心同步的状态下、在与金属板1、2的进行方向正交的方向上行走。

返回图3，本实施方式的接合装置还具有上倾斜支承装置76a和下倾斜支承装置76b，该上倾斜支承装置76a和下倾斜支承装置76b以使上下的摩擦搅拌装置3、4的上下的旋转工具5、6的轴心14，向使各自的探针13a、13b相对于旋转工具5、6的进行方向先行的方向倾斜的方式进行支承。上下的倾斜支承装置76a、76b是角度调整式的，设置在左右的行走框架65a、65a、65b、65b中的一方上，并具有对行走框架65a、65b所支承的轴64a、64b进行旋转驱动的角度调整用电动机77a、77b。倾斜支承装置76a、76b也可以是固定方式，即对上下的旋转工具5、6的轴心14的倾斜地固定地进行支承。

本实施方式的接合装置所具有的控制系统将在后面说明。

<旋转工具>

图5是旋转工具5、6的前端部分的放大图。上下的旋转工具5、6分别具有圆筒形的工具主体5a、6a和分别安装在工具主体5a、6a的前端部上的探针13a、13b。探针13a、13b与工具主体5a、6a相比直径小。在工具主体5a、6a的前端部的探针13a、13b的安装部的周边形成有肩台部5b、6b。

在图5的例子中，肩台部5b、6b位于工具主体5a、6a的端面全体上，由中央部稍微凹陷的圆锥面构成。该情况下的肩台部5b、6b的直径与工具主体5a、6a的直径相同。

图6是表示旋转工具5、6的前端部分的其他例子的放大图。本例中，在工具主体5a、6a的前端部形成有倾斜部78，肩台部5b、6b形成在倾斜部78的端面上。该情况下的肩台部5b、6b的直径比工具主体5a、6a的直径小。

<接合方法>

接下来，利用图7～图3对使用上述的接合装置实施的本发明的一个实施方式的金属板的双面摩擦搅拌接合方法(以下适当地简称为接合方法)进行说明。

图7是表示将本发明的接合方法适用于两张金属板的对接焊接的情况下的接合时的状态，并表示上下的旋转工具与入侧及出侧握持装置的位置关系(入侧及出侧握持装置间距离)的图，图8是表示该接合时的上下的旋转工具的探针的位置关系(探针间距离)的图。

如图7及图8所示，在通过双面摩擦搅拌接合进行金属板1、2的对接焊接的情况下，将上下2根旋转工具5、6从表面侧及背面侧插入到两张金属板1、2的接合部J(对接部)处，利用通过使上下的旋转工具5、6旋转而产生的摩擦热进行摩擦搅拌，将两张金属板1、2接合。

两张金属板1、2具有比旋转工具5、6的肩台部5b、6b的直径小的厚度(例如20mm以下)，本发明的接合方法是将此种厚度的金属板1、2作为接合对象的。

在本实施方式的接合方法中，首先，隔着上下的旋转工具5、6，通过配置在其两侧的入侧握持装置7(第一握持装置)和出侧握持装置8(第二握持装置)分别握持两张金属板1、2的表背面。接着，驱动推压及间隙调整装置55、56，使分别在两张金属板1、2的接合部J即对接部的表面侧和背面侧相对地配置的上下的旋转工具5、6以彼此接近的方式移动，对上下的旋转工具5、6的探针13a、13b前端之间付与规定的间隙δ。另外，驱动摩擦搅拌装置3、4，使以相对的方式配置的上下的旋转工具5、6向反方向旋转，将旋转工具5、6的肩台部5b、6b推压在两张金属板1、2的接合部J即对接部的表面侧和背面侧上进行摩擦搅拌。此时上下的旋转工具5、6对金属板1、2的对接部J(接合部)从其表面侧和背面侧进行推压的推压力在表面侧和背面侧相同。而且，在该状态(对探针13a、13b前端之间付与规定的间隙且将上下的旋转工具5、6的肩台部5b、6b推压在对接部J的表面侧和背面侧上的状态)下，驱动移动装置57、58，并沿着对接部J使上下的旋转工具5、6一边旋转一边在与金属板1、2的进行方向正交的方向上移动，进行摩擦搅拌接合。

此外，在本实施方式的接合方法中，通过倾斜支承装置76a、76b使上下的旋转工具5、6的轴心14向使各自的探针13a、13b相对于旋转工具5、6的进行方向先行的方向倾斜，在该状态下，使旋转工具5、6一边旋转一边在与金属板1、2的进行方向正交的方向上移动，进行摩擦搅拌接合(参照图22、图24、图25及图27)。

以下，说明本实施方式的接合方法的更详细的作用效果和特征。

<断裂及接合不良的防止>

在双面摩擦搅拌接合中，当将上下的旋转工具从金属板的两侧推压并使其旋转时，在肩台部间所夹的金属板部分上，由于摩擦力会产生剪切力，当该剪切力超过材料的容许剪切力时，金属板就会断裂。

进行摩擦搅拌接合的材料(金属板)的容许剪切力，根据板厚而变化，若板厚变薄则容许剪切力降低。

本实施方式中，在通过入侧及出侧握持装置7、8握持金属板1、2的表背面的状态下、从金属板1、2的对接部J的两侧以上下相同的推压力推压上下的旋转工具5、6并使之旋转。

在通过双面摩擦搅拌接合进行厚度比旋转工具5、6的肩台部5b、6b的直径小的两张金属板的接合的情况下，入侧及出侧握持装置7、8的握持装置间距离，根据板厚及材料的高温变形阻力值，在工具直径的5倍以下的范围内适宜地设定。另外，使上下的旋转工具5、6的旋转方向在表面侧和背面侧为反方向。

以上下相同的推压力进行推压并在表背面使之向反方向旋转，由此，能够使来自表面侧的搅拌引起的剪切力与来自背面侧的搅拌引起的剪切力在接合部的内部抵消，能够防止金属板1、2的断裂及压曲。

对于本实施方式的入侧及出侧握持装置7、8的握持装置间距离和上下的旋转工具5、6的旋转方向，在下文中说明。

另外，在现有的双面摩擦搅拌接合中，存在以下担心：由于金属板摩擦搅拌接合时产生的探针通过时的排斥力，金属板向旋转工具的接合方向的直角方向运动，无法保证对接面的间隙精度而引起接合不良。尤其是在金属板的厚度比旋转工具的肩台部的直径小的情况下，由于金属板的刚性低，因此存在上述倾向显著的问题。

本实施方式中，通过以入侧及出侧握持装置7、8握持金属板1、2的表背面，不会因摩擦搅拌接合时产生的探针通过时的排斥力而使金属板1、2向旋转工具5、6的接合方向的直角方向运动，能够确保对接面的间隙精度，能够防止接合不良。

而且，在以往的双面摩擦搅拌接合中，将两根旋转工具以探针前端之间实际上不存在间隙的状态相对地配置在金属板的对接部的表面侧和背面侧，并从对接部的两侧进行摩擦搅拌接合。在无间隙的状态下进行的双面摩擦搅拌接合中，由于金属板的厚度的微小变动，肩台部表面与金属板表面的接触面的面压力会发生变动。由于该面压力的变动，摩擦热量变动，存在接合部的品质下降的问题。

本实施方式中，通过对以相对的方式配置的上下的旋转工具5、6的探针13a、13b前端之间付与规定的间隙δ，能够避免因金属板1、2的厚度的微小变动而使肩台部5b、6b表面与金属板表面的接触面的面压力发生变动，能够抑制摩擦热量的变动，能够防止接合部的品质下降(接合不良)。

通过如上所述地抑制金属板1、2的断裂和接合不良，能够提高接合强度，并提高接合强度的可靠性。

<工具寿命和经济性的改善>

在双面摩擦搅拌接合中，旋转工具的探针插入量是金属板厚度的一半。在现有的双面摩擦搅拌接合中，在金属板的厚度变厚的情况下，探针插入量变深，因此，为了防止作用于插入的探针上的力矩导致的探针的折损，需要增大探针直径。另外，为了获得不致引起接合不良的摩擦发热量，肩台部的直径也需要增大。

若增大探针直径和肩台部直径，则摩擦搅拌接合中的负荷增大，因此，需要将装置大型化，存在经济性差的问题。

另外，接合速度与探针插入量相应地受到限制，在节拍时间(tact time)的缩短方面也存在界限，并且，在旋转工具的热负荷降低方面也存在界限，在工具寿命的改善方面存在界限。

而且，若金属板的厚度不同，则必须与之相应地改变探针长度，因此，需要与金属板的厚度相符地、准备多个具有不同探针长度的旋转工具，因而存在经济性差的问题。

本实施方式中，通过对上下的旋转工具5、6的探针13a、13b前端之间付与规定的间隙δ，由此，作用于探针13a、13b的力矩降低。其结果是，无须为了防止探针13a、13b的折损而增大探针直径，与之相伴地，肩台部5b、6b的直径也无须增大，因此，能够抑制摩擦搅拌接合中的负荷的增大，能够使装置小型化，并提高经济性。另外，由于探针13a、13b的插入量变小，因此，接合速度提高，能够降低节拍时间，并且，能够降低向旋转工具5、6的投入热量，能够延长旋转工具5、6的寿命。

另外，由于对探针13a、13b前端之间付与规定的间隙δ，因此，即使是在对厚度不同的金属板1、2进行接合的情况下，能够以在间隙长度的范围内具有一个种类的长度的探针的旋转工具来应对，通过准备与所希望的接合强度相符的探针长度的旋转工具，能够抑制运转成本(running cost)，能够提高经济性。

<接合原理(摩擦搅拌接合+未搅拌部的固相接合)>

如上所述，以往，以不对两根旋转工具的探针前端之间付与间隙的方式进行摩擦搅拌接合。这是由于考虑到在对探针前端之间付与间隙的情况下，会在两金属板的接合面边界部分产生未搅拌面，接合强度会下降。本发明的发明人们针对这一以往的思考方式，得到了以下发现：即使对探针前端之间付与间隙，在通过握持装置握持两张金属板的表背面的情况下，即使在未搅拌面上也能够获得牢固的接合，作为整体也能够确保所需的接合强度。

以下，利用图9～图12说明这一点。

本发明的发明人们，进行了对接后的金属板1、2的双面摩擦搅拌接合的接合理论的阐明。

首先，在对接后的金属板1、2的双面摩擦搅拌接合中，如图8所示，在对上下旋转工具5、6的探针13a、13b前端之间付与规定的间隙δ的状态下，从表背面的双面进行摩擦搅拌接合。

如图9所示，在插入了探针13a、13b的对接面上，与探针13a、13b的插入量相当的部分是上下的摩擦搅拌接合范围16、17，对探针13a、13b前端之间付与了规定的间隙δ的部分基本上是未搅拌面18b。

如图10及图11所示，在使表背面的旋转工具5、6的旋转方向逆向旋转的情况下，由于因摩擦搅拌接合而产生的上下的剪切力27a、27b，未搅拌面18b被拉伸并同时倾斜。由于未搅拌面18b被拉伸，因而将夹设于表面的氧化物强力拉伸并破坏，由此，在未搅拌面18b上产生新生面。

而且，确认了如下情况：在因摩擦热导致材料发生了软化的状态的倾斜的新生面18上，如图12所示，来自上下的旋转工具5、6的垂直方向的推压力F1、由于入侧及出侧握持装置7、8对旋转工具5、6的肩台部5b、6b附近强力地约束由此因热膨胀而产生的变形力的反力及因探针通过时的排斥力而产生的反力F2在水平方向上施加，将未搅拌的新生面18作为接合界面而将金属板1、2固相接合。

其结果是，对接的金属板1、2的对接面，通过以往的摩擦搅拌接合范围16、17处的固相接合和规定的间隙δ的部分处的上述垂直方向的推压力F1及水平方向的反力F2而产生的未搅拌的新生面18的固相接合而接合，不仅能够获得搅拌区域的强度，未搅拌部还对接合部强度有贡献，能够获得较高的抗拉伸、抗弯曲强度。

<对重叠接合的适用>

图13是表示将本发明的接合方法适用于两张金属板的重叠焊接的情况下的接合时的状态的图，图14是表示其作用原理的图。

本发明的发明人们，与对接的双面摩擦搅拌接合同样地，对于重叠的金属板1、2的双面摩擦搅拌接合，如图13所示，也在对上下旋转工具5、6的探针13a、13b前端之间付与规定的间隙δ的状态下，从金属板1、2的表背面的双面进行摩擦搅拌接合。

由于因摩擦搅拌接合而产生的剪切力27a、27b和在接合方向上行进的推进力，如图14所示，金属板1、2的重叠面在前进侧，向肩台面被拉入，变形成S字曲线状，对夹设于表面的氧化物进行拉伸，将氧化覆膜破坏，由此，在重叠面19上产生新生面。

而且，确认了如下情况：来自上下的旋转工具5、6的垂直方向的推压力、由于入侧及出侧握持装置7、8的约束而产生的热膨胀变形力的反力及因探针通过时的排斥力而产生的反力，将变形后的重叠面(新生面)作为接合边界，由于从双面投入热因而在使热损失最小化的状态下将金属板1、2固相接合。

本例中，是金属板1、2的厚度相同、旋转工具5、6的探针13a、13b没有贯通重叠面的情况，但在金属板1、2的厚度不同、旋转工具5、6的探针13a、13b的一方贯通重叠面的情况下，也能够得到同样的结果。

图15及图16是表示将本发明的接合方法适用于两张金属板的重叠焊接的情况下的握持方式的区别的图。

将本发明适用于重叠焊接的情况下，入侧及出侧握持装置7、8所进行的金属板1、2的握持，包括握持重叠的金属板1、2的情况和分别单独地握持金属板1、2的情况。

图15是前者的例子，较长地布置两张金属板的重叠部分，入侧及出侧握持装置7、8将作为接合部的重叠部的两侧的金属板1、2两张一起握持。图16是后者的例子，入侧及出侧握持装置7、8对作为接合部的重叠部的两侧的金属板1、2的每一张分别握持。

在图16的例子中，接合时难以提高重叠部的紧贴度。此外，由于入侧及出侧握持装置7、8所位于的高度不同，所以需要高度调整机构。在该意义上，认为图15的例子是优选的。

<握持装置间距离与工具直径的关系>

在此，说明入侧及出侧握持装置7、8间的距离与旋转工具的直径的关系。

在金属板1、2的材料刚性低的情况下，即在金属板的板厚t1、t2比旋转工具5、6的肩台部5b、6b的直径小、即薄的情况下，或在高温变形阻力σ1、σ2低的情况下，优选入侧握持装置7与出侧握持装置8之间的距离Lc为旋转工具5、6的工具主体直径D 1或D2的1.5倍以上且5倍以下，并如图7、图15及图16所示，在上下旋转工具5、6的附近进行握持。即，优选以满足下式的方式相对于上下的旋转工具5、6配置入侧及出侧握持装置7、8。

Lc＝D1(D2)×(1.5～5)

Lc＝Lc1+Lc2

Lc：入侧及出侧握持装置间距离

Lc1：旋转工具轴心与入侧握持装置间距离

Lc2：旋转工具轴心与出侧握持装置间距离

D1：上旋转工具的工具主体直径

D2：下旋转工具的工具主体直径

在本发明中，如上述那样设定握持装置间距离与工具直径的关系的理由如下。

在金属板1、2的材料刚性低的情况下，即在金属板的板厚t1、t2薄的情况下，或在高温变形阻力σ1、σ2低的情况下，若通过入侧及出侧握持装置7、8握持金属板1、2进行摩擦搅拌接合，则由于摩擦搅拌接合时产生的摩擦热所引起的热膨胀、热变形以及探针通过时的排斥力和肩台部5b、6b的旋转所引起的对材料的剪切力，金属板1、2可能会发生压曲。本发明的发明人们对于这一点进行了反复研究，结果得出以下认识。

在金属板(钢板)的板厚为3mm以上的情况下，相对于工具直径D(＝D1＝D2)＝25mm，若握持装置间距离Lc为125mm以下，则能够不发生压曲地进行接合。此时的握持装置间距离Lc为工具直径D的5倍以下。

此外，在金属板的板厚为3mm以下的情况下，当握持装置间距离Lc为工具直径D的5倍时，存在发生压曲、无法进行接合的情况。

因此，确认了在金属板的板厚为3mm以下的情况下，如果根据板厚、材料的高温变形阻力值而在5倍以下的范围内适当地进行设定，则能够不发生压曲地接合。

综上所述，使入侧及出侧握持装置7、8间的距离Lc为工具直径D的5倍以下，由此，能够在不会由于摩擦搅拌接合时产生的摩擦热所引起的热膨胀、热变形以及探针通过时的排斥力和肩台部5b、6b的旋转所引起的对材料的剪切力而发生压曲的情况下，将金属板1、2接合。

此外，在板厚为3mm以下的情况下，更优选入侧及出侧握持装置7、8间的距离Lc为工具主体直径D的1.5倍以上3倍以下，进一步优选为工具主体直径D的1.5倍以上2倍以下。

另一方面，在旋转工具5、6进行摩擦搅拌时，由于接合部的负荷变动及可动部的间隙等，旋转工具5、6产生微振动的现象是不可避免的，若使入侧及出侧握持装置7、8过于接近旋转工具5、6，则两者有可能发生干涉(接触)。通过使入侧及出侧握持装置7、8间的距离Lc为工具直径D的1.5倍以上，即使旋转工具5、6产生微振动，也能够防止旋转工具5、6与入侧及出侧握持装置7、8之间的干涉，从而能够提高装置寿命。

如上述那样，使入侧及出侧握持装置7、8间的距离Lc为旋转工具直径的1.5倍以上5倍以下，并通过握持装置7、8在肩台附近握持金属板1、2的表背面，由此，即使在金属板1、2薄、材料刚性低的情况下，也能够抑制由于摩擦搅拌接合时产生的摩擦热所引起的热膨胀、热变形以及探针通过时的排斥力和肩台部的旋转所引起的对材料的剪切力而导致的金属板的压曲，并且能够良好地保持金属板1、2的对接精度，进行稳定的接合。

<工具前端之间的间隙的规定>

下面，对上下的旋转工具5、6的探针13a、13b前端之间的间隙δ进行说明。

为了在对上下的旋转工具5、6的探针13a、13b前端之间付与间隙δ并进行摩擦搅拌的接合方法中得到所希望的接合强度，作为对上下的旋转工具5、6的探针13a、13b前端之间所付与的间隙δ，在金属板1、2的接合部J的厚度、对接接合的情况下，相对于板厚t(t1＝t2)，希望设定为1％以上50％以下的比率。即，

δ＝t1(t2)-L1-L2

δ/t1(t2)＝1％～50％

δ：上下探针前端之间间隙

t1：金属板1的厚度

t2：金属板2的厚度

L1：上旋转工具插入量

L2：下旋转工具插入量

这是基于以下理由。

首先，将间隙δ相对于板厚t设定为50％以下的理由如下。

如前所述，未搅拌面的接合原理是，推压力F1和反力F2所产生的未搅拌的新生面18的固相接合，其中，推压力F1是间隙δ的部分处的旋转工具5、6所产生的垂直方向的推压力，反力F2是由于入侧及出侧握持装置7、8对旋转工具5、6的肩台部5b、6b附近强力地约束由此因热膨胀而产生的变形力的反力及因探针通过时的排斥力而产生的反力。该情况下，若间隙δ过大则新生面18的面压力变小，因此与之相应地固相接合不充分，无法得到所希望的接合强度。

本发明的发明人们对用于得到所希望的接合强度的间隙δ的上限以铝材的接合部的强度为基准进行了研究，其结果是得到下述发现。

图17是模拟地表示在接合面边界部分上不存在未接合部的情况的截面的图，图18是模拟地表示在接合面边界部分上存在未接合部(空隙)的情况的截面的图。图17的接合面边界部分上不存在未接合部的情况的截面系数Z和图18的在接合面边界部分上存在未接合部(空隙)的情况的截面系数Zα，分别由下述(1)式及(2)式表示。

Z＝b×h²/6…(1)

Zα＝(1-α³)×b×h²/6…(2)

在上述式(1)及式(2)中，b为板宽(截面长度)m，h为板厚(截面高度)，α为未接合率。未接合率α由下述式表示。

未接合率α＝接合面边界部分的未接合部(空隙)面积/接合面边界部分的整体面积…(3)

图17的接合面边界部分全部为接合部(不存在未接合部)的情况的未接合率α为0，图18的接合面边界部分全部为未接合部(不存在接合部)的情况的未接合率α为1。式(1)相当于在式(2)中使α＝0的情况。

图17的接合面边界部分上不存在未接合部的情况和图18的接合面边界部分上存在未接合部(空隙)的情况的截面系数比γ，通过下述(1)式及(2)式如下述那样表示

γ＝Zα/Z＝1-α³…(4)

根据该式(4)，截面系数比γ与板宽b、板厚h无关，是同一值。图19是表示式(4)的未接合率α和截面系数比γ的关系的图。

另外，探针间存在间隙的情况下的FSW接合部的强度，利用截面系数比γ以下述式表示。

接合部强度＝FSW强度×截面系数比γ…(5)

在未接合率α为0.5，即上下旋转工具的探针间的间隙δ为50％的情况下，截面系数比γ为0.875。因此，虽然在中央部残留有未搅拌部，但接合部的弯曲强度与以往相比能够保留为13％左右以下的降低率。通过根据必要的弯曲强度来设定适宜的接合率，即使不对接合部整个面进行搅拌，也能够获得所希望的弯曲强度。

以上的考察是在进行接合的材料(金属板)为铝材的情况下的接过，在材料为铜的情况下也同样。同样在该情况下，若使间隙δ相对于板厚t为50％以下，能够获得同样的效果。在进行接合的材料为钢的情况下，焊接部相对于母材的联结强度的降低与铝材的情况下相比比较小，同样在该情况下，若使间隙δ相对于板厚t为50％以下，能够获得同样的效果。

另一方面，如前述那样，在旋转工具5、6进行摩擦搅拌时，由于接合部的负荷变动及可动部的间隙等，旋转工具5、6产生微振动的现象是不可避免的，若使间隙δ相对于金属板1、2的板厚t(t1＝t2)小于1％，则存在旋转工具5、6的前端部发生干涉(接触)的担心。通过使间隙δ相对于金属板1、2的板厚t(t1＝t2)为1％以上，即使旋转工具5、6产生微振动，也能够防止旋转工具5、6的前端部发生干涉，能够提高旋转工具5、6的寿命。

因此，本发明中，为了得到所希望的接合强度，相对于金属板1、2的板厚t1、t2，希望将对上下旋转工具5、6的探针13a、13b前端之间付与的间隙δ设定为1％以上50％以下的比率。而且，为了提高接合强度，优选采用1％以下25％以下，更优选采用1％以上10％以下的设定比率。

<旋转工具的旋转方向及肩台直径>

图20及图21是表示使上下旋转工具5、6的旋转方向为相同方向、使旋转工具5、6的肩台部5b、6b的直径(肩台直径)相同、并且使旋转工具5、6的轴心相对于旋转工具5、6的进行方向以相同角度倾斜地进行摩擦搅拌接合的状态的图，图20为立体图，图21为剖视图。

如图20及图21所示，在上下旋转工具5、6的旋转方向为相同方向的情况下，在夹在表背面的肩台部5b、6b间的金属板的软化区域部分上，上剪切力27a和下剪切力27b这两个剪切力在同方向上作用。因此，在金属板1、2的厚度薄的情况下，存在作用超过容许剪切力的剪切力，因而材料断裂的情况。

图22及图23是表示使上下旋转工具5、6的旋转方向为相反方向、使旋转工具5、6的肩台部5b、6b的直径(肩台直径)相同、并且使旋转工具5、6的轴心相对于旋转工具5、6的进行方向以相同角度倾斜地进行摩擦搅拌接合的状态的图，图22为立体图，图23为剖视图。

在本实施方式中，如图22及图23所示，使上下旋转工具5、6的旋转方向在表面侧和背面侧为相反方向。由此，在接合部的内部能够将因来自表面侧的搅拌而产生的剪切力27a和因来自背面侧的搅拌而产生的剪切力27b抵消，能够防止材料的断裂。另外，能够降低握持装置7、8的握持力，能够使握持装置7、8简单化。

另外，如利用图9～图12进行了说明的那样，上下旋转工具5、6间的未搅拌区域的材料对接面因剪切力而倾斜，因塑性变形而延伸，由此，氧化覆膜破碎，而且在无氧状态的高温下，由于被垂直方向的推压力F1及水平方向的反力F2推压，因此未搅拌区域也固相接合。在重叠接合中，如利用图9及图10说明过的那样，使上下旋转工具5、6的旋转方向逆向旋转，由此，使重叠面塑性变形成S字形，由此，氧化覆膜破碎，而且在无氧状态下且在高温下推压，由此，未搅拌区域也固相接合。

其结果是，不仅对搅拌区域的强度有贡献，未搅拌部还对接合部强度有贡献，与以往的接合方法相比，能够使接合强度大幅提高。

另一方面，在使旋转工具5、6的旋转方向为同方向的情况下，旋转工具5、6间的未搅拌区域的材料对接面因同方向的剪切力而变成C字形，在这一点上与使上下的旋转工具5、6的旋转方向为相反方向的情况不同。但是，同样在该情况下，对接面因塑性变形而延伸，氧化覆膜破碎，而且由于在垂直方向和水平方向上被推压而固相接合。因此，虽然即使旋转工具5、6的旋转方向为同方向也能够接合，但优选能够防止金属板的断裂、而且能够使握持装置简单化的相反方向的旋转。

旋转工具5、6的肩台部5b、6b的直径(肩台直径)优选相同。由此，来自表面侧的投入热量及投入热范围和来自背面侧的投入热量及投入热范围相同，因此，在板厚方向上能够抑制残留应力的失衡，能够在表背面获得相同的抗拉伸、抗弯曲强度。

<旋转工具的材质>

对旋转工具5、6的材质进行说明。

单面的摩擦搅拌接合，在熔点较低的材料即铝等非铁合金领域中已被实际应用。通常，在摩擦搅拌接合中，需要通过摩擦搅拌热使材料温度上升到熔点的80％左右。其结果是，在超过1000℃的高熔点材料的接合中，基于与单位接合长度相当的摩擦搅拌的投入能量变高，而且变形阻力值也变高，因此，对旋转工具要求高的耐热强度和破坏韧性，因而不得不使用昂贵的多晶金刚石等材料。

而且，即使使用这些工具材料，也会由于热冲击、工具的磨损以及作用在探针上的弯曲力矩等而使工具寿命变短，成为妨碍摩擦搅拌接合对超过1000℃的高熔点材料的普及的主要原因。

本实施方式中，由于如上所述、对旋转工具5、6的探针13a、13b前端之间付与规定的间隙δ而进行摩擦搅拌，因此，作用于探针13a、13b的力矩及热负荷降低且能够延长旋转工具5、6的寿命。因此，作为旋转工具5、6的材质，不必使用昂贵的多晶金刚石等材料，可以采用耐热性高的烧结碳化钨的超硬合金、钨合金等。由此，能够对熔点为1000℃以上的金属板的摩擦搅拌提供寿命长且经济的旋转工具。

<无压入(plunging-less)>

在以往的单面摩擦搅拌接合中，在摩擦搅拌开始前需要进行被称为压入(plunging)的操作，该被称为压入的操作是，在旋转工具的肩台面与金属板1、2的表面接触的状态下，使旋转工具旋转，由此，保持插入位置直到通过旋转工具的肩台面与金属板1、2的表面的摩擦发热使金属板材料的温度上升到材料软化的熔点的大约80％左右的温度。在金属板1、2软化之后，在使摩擦搅拌深度位置固定的状态下，或是在将摩擦搅拌装置的工具旋转用电动机负荷控制在一定值的同时，使旋转工具向接合方向移动，进行摩擦搅拌接合。该压入操作需要时间，与之相应地，接合所需的时间变长，在提高生产效率方面成为制约。

本发明的发明人们注意到，在进行双面摩擦搅拌接合时，由于在接合部的双面上产生摩擦热，所以不存在单面摩擦搅拌接合中发生的那样的向背衬金属的热扩散，能够在短时间内实现温度上升，因此考虑可以省略摩擦搅拌接合开始前的压入工序，不从金属板1、2的端面进行压入而直接开始摩擦搅拌接合。其结果是，确认了能够通过旋转工具5、6使金属板1、2顺畅地塑性流动。

因此，根据本发明的接合方法，能够实现省略了压入工序的无压入的摩擦搅拌接合，由此，能够缩短接合的节拍时间，提高生产效率。

<工具的倾斜1>

下面，对旋转工具5、6的轴心的倾斜进行说明。

图24是使旋转工具5、6旋转并进行摩擦搅拌接合的情况下的沿着接合方向(与图1的截面成直角的方向)的剖视图。

本实施方式中，在使上下的旋转工具5、6的轴心相对于旋转工具5、6的进行方向向使各自的探针13a、13b先行的方向倾斜的状态下，使旋转工具5、6旋转并进行摩擦搅拌接合。这样使工具轴心14倾斜，由此，能够提高旋转工具5、6的肩台部5b、6b与材料间的面压力，能够抑制在摩擦搅拌接合时产生的毛刺或接合缺陷。

在此，在使工具轴心倾斜的角度过大的情况下，进行方向后侧的肩台面的向金属板1、2的插入量增加。其结果是，与插入金属板1、2的肩台部5b、6b的体积相对应的接合部的材料向焊道外部被放出，发生接合部的厚度的局部的减少，接合部的强度降低。尤其是在接合的金属板1、2的板厚薄至2mm以下的情况下，接合部的厚度的减少比例增大，存在从接合部发生板断裂的问题。

因此，在金属板1、2的板厚为2mm以下的情况下，通过使倾斜角θ1或θ2超过0°但在3°以下，能抑制接合部的厚度的局部的减少导致的接合部的强度降低，能够抑制发生于接合部的板断裂。另外，为了抑制接合部的厚度的局部的减少，优选倾斜角θ1或θ2优选超过0°但在2°以下，更优选超过0°但在1°以下。

另外，由于通过使上下旋转工具5、6的倾斜角θ1、θ2相同，能够使表背双面的接合状态大致相同，因此，能够在表背面得到同样的抗拉伸、抗弯曲强度。

<工具的倾斜2>

本实施方式的接合方法中，如后述那样，对于上下的旋转工具5、6，在摩擦搅拌接合开始之前通过位置控制使其相对于金属板的厚度方向移动至预定插入深度，在保持上旋转工具5、6的插入深度的状态下，从接合部端面在旋转工具5、6的进行方向上通过位置控制进行进给，一边保持位置控制不变地从接合部端面将旋转工具5、6的肩台部5b、6b抵在接合部端面24上，一边将旋转工具5、6插入金属板1、2，由此，以无压入的方式开始摩擦搅拌接合(参照图27等)。同样在这样以无压入的方式开始摩擦搅拌接合时，通过使旋转工具5、6的轴心相对于旋转工具5、6的进行方向向使各自的探针13a、13b先行的方向倾斜，由此，能够避免接合部端面和旋转工具的侧面部发生冲突，能够防止在接合部端面上金属板发生压曲等的问题，能够顺畅地开始摩擦搅拌。以下，利用图25及图26说明这一点。

图25是将上下旋转工具5、6的倾斜角度设定为0度(不使工具倾斜)并将上下旋转工具5、6从接合部端面插入时的说明图。为了以无压入的方式开始摩擦搅拌接合，将上下旋转工具5、6从接合部端面24插入时的工具插入位置由接合部23和旋转工具5、6的相对位置决定。如图25所示，在旋转工具5、6的插入位置微小地错位、形成过插入的情况下，通过旋转工具5、6侧面推靠接合部端面24，存在发生使金属板1、2压曲等的故障以及引起摩擦搅拌不良的可能性。

图26是表示使上下旋转工具5、6适度倾斜并将上下旋转工具5、6从接合部端面24插入时的状态的图。为了从接合部端面24实现顺畅的工具插入，如图26所示，在使工具轴心14向上下旋转工具5、6前端部的探针13a、13b相对于进行方向先行的方向倾斜的状态下进行搅拌。此时的倾斜角θ1及θ2优选超过0°但在10°以下，更优选超过0°但在6°以下，更优选超过0°但在3°以下。

由此，旋转工具5、6从其肩台面卡合在接合部端面24上，因此，不会通过工具侧面推靠接合部端面24，不会引起金属板压曲等的故障及摩擦搅拌不良，能够以无压入方式顺畅地开始摩擦搅拌接合。而且，此后的接合过程中，由于上下的旋转工具5、6的轴心14倾斜，由此，如前述那样，能够提高旋转工具5、6的肩台部与材料间的面压力，能够抑制在摩擦搅拌接合时产生的毛刺或接合缺陷。

<运转方法>

下面，对以无压入的方式进行双面摩擦搅拌接合的运转方法进行说明。

首先，说明该运转方法的控制系统。

如图1和图3所示，本实施方式的接合装置具有：安装在上主体箱51的下表面上的上位置计测器81a及安装在上摩擦搅拌装置3的筒体53与支承框架63a之间的上载荷计测器82a；安装在下主体箱52的上表面上的下位置计测器(测力传感器)81b及安装在下摩擦搅拌装置4的筒体54与未图示的下摩擦搅拌装置4用的支承框架63b之间的下载荷计测器(测力传感器)82b；以及控制装置83。控制装置83输入上下位置计测器81a、81b及上下载荷计测器82a、82b的计测值，进行规定的运算处理，并向上下摩擦搅拌装置3、4的旋转用电动机29a、29b、上下推压及间隙调整装置55、56的推压用电动机61a、61b、上下移动装置57、58的行走用电动机67a、67b发送指令信号，控制上下摩擦搅拌装置3、4、上下推压及间隙调整装置55、56、上下移动装置57、58的动作。在图示的例子中，上下位置计测器81a、81b是非接触式的，但也可以是接触式的。此外，在倾斜支承装置76a、76b是角度调整式的情况下，控制装置83根据事先设定的数据向倾斜支承装置76a、76b的角度调整用电动机77a、77b发送指令信号，使上下的旋转工具5、6的轴心14倾斜并将其以规定的角度支承。

图27是表示使旋转工具5、6的轴心14倾斜地以无压入的方式进行双面摩擦搅拌接合的运转方法的图。图28是表示图3所示的控制装置83所进行的处理步骤的控制流程图。

如图27和图28所示，在摩擦搅拌接合开始前，上下摩擦搅拌装置3、4处于待机位置20a、20b。在该待机位置20a、20b，上下旋转工具5、6处于轴心14倾斜的状态。此外，利用安装在上下主体箱51、52上的上下位置计测器81a、81b(参照图1和图3)测定接合部J与上下摩擦搅拌装置3、4之间的距离，并运算旋转工具5、6的预定插入深度(步骤S1)。接着，驱动上下推压用电动机61a、61b，通过位置控制使上下旋转工具5、6移动至预定插入深度(步骤S2)。此时，根据位置计测器31a、31b的计测值，将上下的旋转工具5、6的探针13a、13b前端之间的间隙δ设定在前述的规定范围(例如相对于板厚t为1％以上50％以下的比率)。然后，在像这样通过位置控制保持着工具插入位置的状态下，驱动上下行走电动机67a、67b，使上下摩擦搅拌装置3、4向接合方向移动(步骤S2)，从接合部端面24的摩擦搅拌开始位置20a、20b开始摩擦搅拌接合。此时，如前所述，在保持位置控制的状态下从接合部端面24开始，一边使旋转工具5、6的肩台面抵在接合部端面上一边将旋转工具5、6插入金属板1、2，由此，以无压入的方式开始摩擦搅拌接合(参照图27等)。

在摩擦搅拌接合开始后，进行负荷恒定控制，即，根据上旋转工具5的上旋转用电动机29a的控制电流，以使上旋转用电动机29a的负荷成为规定值的方式控制工具插入位置(步骤S3)，在到达摩擦搅拌接合结束的摩擦搅拌结束位置22a、22b之前，切换成保持该时刻的工具插入位置的位置恒定控制(步骤S3→S4)，进行控制使其通过摩擦搅拌结束位置22a、22b。对于下旋转工具6，同样在摩擦搅拌接合开始后维持位置控制，在保持位置控制的状态下使其通过摩擦搅拌结束位置22a、22b(步骤S3→S4)。

这样，在摩擦搅拌接合开始后，对下旋转工具6维持位置控制，将上旋转工具5切换成负荷恒定控制，由此，即使在接合部J的厚度变动的情况下也能够稳定地进行摩擦搅拌。

此外，由于对上下旋转工具5、6的负荷是恒定的，所以能够抑制旋转工具5、6的损耗和折损，从而能够延长旋转工具5、6的寿命。

上述各步骤的控制是通过控制装置83输入上下位置计测器31a、31b的计测值，并根据该计测值和上下旋转用电动机29a、29b的控制电流向上下旋转用电动机29a、29b、上下推压用的电动机61a、61b、上下行走电动机67a、67b等各种执行机构发送动作指令而进行的。

另外，在上述运转方法中，上旋转工具5的负荷恒定控制是使用旋转用电动机29a的控制电流来进行的，但也可以取而代之，使用载荷计测器82a、82b的计测值来进行。此外，上下旋转工具5、6的位置控制是使用上下位置计测器31a、31b的计测值来进行的，但也可以取而代之，使用检测上下推压用电动机61a、61b的旋转量的编码器等旋转传感器来进行。

图29是表示控制装置83所进行的处理步骤的其他例子的控制流程图。在该例子中，在从图27的摩擦搅拌开始位置21a、21b到摩擦搅拌结束位置22a、22b的范围内，不只对上旋转工具5进行负荷恒定控制，而是对上下旋转工具5、6都进行负荷恒定控制(步骤S3A)。图27中，该例子在摩擦搅拌开始位置21a、21b和摩擦搅拌结束位置22a、22b的范围内被补充记载在括号中。

在上下旋转工具5、6的控制方法中，在对下旋转工具6在摩擦搅拌接合后也进行位置恒定控制的情况下，金属板的下表面成为基准面。此时，在由于金属板的变形等而导致基准面不恒定的情况下，当材料薄(或材料的刚性低)、材料的变形阻力低时，通过基于只对上旋转工具5进行负荷恒定控制的从上旋转工具5对金属板的推压力，就能够使上下的摩擦搅拌范围基本一致。但是，当材料厚(或材料的刚性高)、材料的变形阻力高时，通过基于只对上旋转工具5进行负荷恒定控制的对金属板的推压力，有时难以使金属板的表背面的摩擦搅拌接合范围一致，这一点已经被确认。

在金属板的表背面的摩擦搅拌接合范围不同的情况下，有可能在板厚方向上发生残留应力的失衡，在表背面产生抗拉伸、抗弯强度差，从而成为使强度可靠性降低的一个原因。

此外，在对旋转工具中的一个进行位置控制的情况下，由于表背面上的推压力的失衡，会在握持金属板的握持装置7、8上产生基于推压力的力，因此，除了金属板的保持力，还需要对因该表背面的推压力的失衡而产生的作用在握持装置7、8上的力进行保持，所以可能导致握持装置7、8大型化。

因此，在金属板厚的情况下或金属板的刚性高的情况下，如图27的括号中文字以及图29的控制流程的步骤S3A中所记载的那样，在摩擦搅拌接合开始后，对下旋转工具6也进行旋转电动机负荷恒定控制，对上下旋转工具5、6都进行负荷恒定控制。由此，来自金属板的表面侧的投入热量以及投入热范围与来自背面侧的投入热量以及投入热范围相同，能够使表背面的残留应力均匀，防止金属板的翘曲。

另外，相反地，在金属板十分薄的情况下或金属板的刚性十分低的情况下，包括在摩擦搅拌过程中，可以始终对上下旋转工具5、6进行位置控制。

<含层差接合部的摩擦搅拌控制>

下面，对从双面对厚度不同的金属板1及金属板2或生成有层差的接合部进行摩擦搅拌的情况的两个图案的接合方法进行说明。

图30是表示前进侧(advanced side)、回撤侧(retreating side)和摩擦搅拌用工具的旋转方向的关系的图，图31及图32是表示从双面对板厚不同的两张金属板或生成有层差的接合部进行摩擦搅拌的方法的图。

如图30所示，将旋转工具5的旋转方向和摩擦搅拌进行方向(接合方向或工具进给方向)一致的那一侧称为前进侧，而将工具的旋转方向和摩擦搅拌进行方向相反的那一侧称为回撤侧。

在单侧的摩擦搅拌接合方法中，在日本专利第3931119号中公开了下述方法：对于对接配置的高温变形阻力值及厚度分别为Y1及t1的第一接合部件和高温变形阻力值及厚度分别为Y2及t2的第二接合部件，在满足Y1×t1＜Y2×t2的关系式的情况下，将第一部件侧配置为前进侧；在满足Y1×t1＞Y2×t2的关系式的情况下，将第二部件侧配置为前进侧。

例如，像第一部件Y1＝25MPa，t1＝3mm、第二部件Y2＝25MPa，t2＝2mm这样高温变形阻力值为同一值而接合部件的厚度不同的情况下，Y1×t1＞Y2×t2。

即采用将第二部件侧(薄板侧)配置为前进侧的方法。

但是，例如，在第一部件Y1＝25MPa，t1＝3mm、第二部件Y2＝100MPa，t2＝2mm的情况下，第一部件的Y1×t1＝75，第二部件的Y2×t2＝200，Y1×t1＜Y2×t2。

即将第一部件侧(厚板侧)配置为前进侧，而不是必须将薄板侧配置为前进侧。

因此，存在为了能够将异厚部良好地平滑化，无法得到所希望的接合强度的问题。

根据本发明，如图31所示，在对接接合的两张该金属板的板厚不同的情况下，以在表背面的任意一方侧(本例中为下表面)上不产生层差的方式、通过握持装置握持该金属板，对于层差侧(本例中为上表面)的该旋转工具的旋转方向，将金属板的板厚薄的一侧设为前进侧32，无层差的一侧的该旋转工具的旋转方向设定为与层差侧的工具旋转方向向相反方向旋转。

由此，无层差的一侧能够以与通常的摩擦搅拌接合方法相同的方法进行接合，而在层差侧，使从材料厚的一侧向薄的一侧的塑性流动容易，而且使从薄的一侧向厚的一侧的剩余塑性流动量34碰撞到厚的一侧的层差部上，从而使剩余塑性流动量34向摩擦搅拌用工具进给方向排出。

上述接合方法，虽然是在将单侧设置成无层差的平面的情况下的接合方法，但在希望使双面的层差量均等的情况下，如图32所示，对于上下旋转工具5、6的旋转方向，接合部的材料厚度厚的一侧或层差高的一侧相对于该工具的进给方向，使其向该工具的周速的方向相反的方向旋转。在这样的旋转工具的旋转条件和进给条件下，将接合部的材料厚度厚的一侧或层差高的一侧设定为回撤侧33，将接合部的材料厚度薄的一侧或层差低的一侧设定为前进侧32。

由此，在存在层差的表背面上，使从材料厚的一侧向薄的一侧的塑性流动容易，而且使从薄的一侧向厚的一侧的剩余塑性流动量34碰撞到厚的一侧的层差部上，从而使剩余塑性流动量34向摩擦搅拌用工具进给方向排出。

根据图31及图32的接合方法，即使对于存在层差的金属板的接合，也能够抑制向摩擦搅拌表面的焊道端部的毛刺的生成，能够形成表面品质优良的接合部，由此，能够使下一工序的塑性加工工作时的接合部断裂等的概率降低。

<双面摩擦搅拌接合向冷轧设备的适用>

下面，说明本发明的双面摩擦搅拌接合装置向冷轧设备的适用。

在利用国际公开WO2008/062506号公报中记载的那样的100万吨以下的轧制设备、以单机座使卷料循环、进行多次接合及轧制从而得到所希望的板厚的方法中，接合的卷料首尾端的板厚范围从最大6mm左右扩大到大幅低于1mm的极薄板的厚度。

配置多个机座、且生产不将卷料循环作为必要的100万吨以上的生产量的冷轧设备的连续化的接合板厚范围从最大6mm到最小2mm。对于冷轧材料的接合，适用闪光对接焊接机或激光焊接机。

在国际公开WO2008/062506号公报中记载的设备中，在适用闪光对接焊接机的情况下，由于推压接合部时的翘曲(buckling)等的问题，板厚1.6mm以下的接合比较困难。

另外，在适用激光焊接机的情况下，通过一个形式的激光束的输出限定了能够接合的板厚范围。因此，无法以一台焊接机对从大幅低于1mm的极薄板到6mm的板厚的金属板这一宽范围的板厚范围的对接进行接合，需要多台昂贵的焊接机，存在设备导入费用极大、经济性差的问题。

另一方面，在铝合金及铜合金的接合中，能够适用TIG或MIG等电弧焊接。但是，这些接合方式的接合速度是低速的，对于将板宽500mm～2500mm左右的板厚焊接的轧制材料的焊接，要花费几分钟的时间。

而且，由于是电弧焊接因而焊道作为层差残留下来，因此，除了净焊接时间外，还要为除去焊道部而耗费更多的时间，因此，接合作业的节拍时间变长。

由于这些原因，在最大20mm左右的板厚的铝合金及铜合金的轧制设备中，根据现有的接合方式会对将卷料接合并进行连续化的过程或积聚(build-up)卷料的过程的普及造成妨碍。

在本发明的双面摩擦搅拌接合中，通过将对接接合和重叠接合并用，能够对直至大幅低于1mm的极薄板的宽范围的板厚的金属板进行接合。因此，能够将廉价且接合强度可靠性高的接合技术适用于冷轧设备。

另外，在本发明的双面摩擦搅拌接合中，由于使工具的探针从表背双面插入，因此，与仅以单面进行摩擦搅拌接合的情况相比，工具的探针的插入量为一半即可，因此，能够抑制探针的折损，并能够加速接合速度，能够缩短接合作业的节拍时间。

而且，由于使摩擦热产生在表背面的双面上，因此，即使将进行材料的软化的压入的工序省略，也能够实现摩擦搅拌接合的开始所需的材料的软化，能够缩短接合作业的节拍时间。

另外，通过将卷料的前后端接合，能够对轧制机连续地供给金属板。

因此，取消了卷料前端部的通板作业，并且，由于能够将通板作业时的故障限定为最小限度因而能够抑制轧制机的停机时间。

由此，还能够防止因接合作业的节拍时间增加而造成的生产性的下降。

而且，在使旋转工具的每一根的热负荷降低的状态下，通过使旋转工具的材质为耐热性高、烧结碳化钨的超硬合金、钨合金等，由此，能够提供在熔点1000℃以上的金属板的摩擦搅拌中旋转工具的寿命变长、运转成本不会高昂的经济的旋转工具。

因此，能够提供对钢板的冷轧也能够适用的双面摩擦搅拌接合方法及装置。

另外，在铝合金及铜合金等非铁金属的情况下，由于向接合部的投入热量，因而存在与母材相比发生强度降低的情况。会成为熔点的大约80％左右的温度区域中的接合，因此，能够抑制强度的显著降低，能够抑制强度降低导致的板断裂等的发生。尤其是在冷轧中，通常对板厚截面方向施加50N/mm²～100N/mm²的高张力并较薄地轧制，因此，对强度降低的抑制具有重要意义。

另外，在金属板厚度相同的对接中，由于能够将前后端轧制，因此能够使生产效率提高。

因此，通过利用能够解决各种技术问题的本发明的双面摩擦搅拌接合方法、将供冷轧的钢板或非铁金属即铝合金及铜合金板接合，能够提供廉价且强度可靠性高的接合。

图33及图34是表示将本发明的双面摩擦搅拌接合装置适用于冷轧设备的具体例子的图。

图33是表示将本发明的双面摩擦搅拌接合装置适用于国际公开WO2008/062506号公报中记载的单方向地进行连续冷轧的冷轧设备而得到的设备整体的图，图34是表示将本发明的双面摩擦搅拌接合装置适用于可逆式冷轧设备而得到的设备整体的图。

图33的单方向冷轧设备具有卷出装置35、本发明的双面摩擦搅拌接合装置36、活套辊(looper)37、轧制机38、切割机39、卷绕装置40。

从卷出装置35将卷料卷出并通过轧制机38对带料(金属板)S进行轧制，并卷绕到卷绕装置40上。此时，通过接合装置36将几卷带料S接合并向一方向轧制。卷绕在卷绕装置40上的卷料通过搬运装置从卷绕装置40向卷出装置35移载，使卷料循环直到成为所希望的板厚，对带料S反复轧制。成为所希望的板厚后通过切割机39将带料S切割成所希望的尺寸，作为成品卷料搬出。接合装置36进行接合时以及通过切割机39将带料S切断时，轧制机38不停止，以10mpm以下的极低速轧制进行。此时，接合装置36所进行的带料S的接合利用活套辊37进行。

图34的可逆式冷轧设备是并设有卷料积聚生产线和可逆冷轧设备的冷轧设备，其具有：卷出装置35、本发明的双面摩擦搅拌接合装置36、第一卷绕卷出装置41a、第二卷绕卷出装置41b、第一切割机39a、轧制机38、第二切割机39b、第三卷绕卷出装置41c。

轧制开始前，通过卷料积聚生产线的接合装置36，将几卷带料S接合并从卷出装置35将积聚得到的卷料卷绕到第一卷绕卷出装置41a上。

积聚而成的卷料的轧制的第一道次(pass)，从第一卷绕卷出装置41a将卷料卷出并通过轧制机38轧制带料(金属板)S，并卷绕到第三卷绕卷出装置41c上。第二道次，从第三卷绕卷出装置41c将卷料卷出并通过轧制机38轧制带料S，并卷绕到第二卷绕卷出装置41b上。第三道次以后，在第二卷绕卷出装置41b与第三卷绕卷出装置41c之间通过道次轧制反复轧制带料S，直至其成为所希望的板厚。

另外，在可逆轧制工序的第二道次以后，与进行轧制同时地，通过卷料积聚生产线制造用于接下来的轧制的卷料。

在本发明的双面摩擦搅拌接合中，能够对从大幅低于1mm的极薄板到板厚6mm左右的金属板的较宽范围的板厚的金属板进行接合，通过将这样的本发明的双面摩擦搅拌接合如上述那样适用于冷轧的金属板的接合，能够提供廉价且强度可靠性高的接合和高生产、高产量的冷轧设备。

另外，图33及图34所示的冷轧设备的轧制材料既可以是钢板也可以是铝合金或铜合金等非铁金属，通过对以往难以适用的板厚最大20mm左右的铝合金或铜合金等非铁金属的冷轧的金属板的接合适用本发明的双面摩擦搅拌接合，能够提供廉价且强度可靠性高的接合和高生产、高产量的冷轧设备。

附图标记的说明

1、2金属板

3上摩擦搅拌装置

4下摩擦搅拌装置

5上旋转工具

5a工具主体

5b肩台部

6下旋转工具

6a工具主体

6b肩台部

7入侧上握持装置

7a、7b上下握持板

8出侧下握持装置

8a、8b上下握持板

9上壳体

10下壳体

11上导轨

12下导轨

13a上探针

13b下探针

14旋转工具轴心

16上摩擦搅拌接合范围

17下摩擦搅拌接合范围

18新生面

18b未搅拌面

19重叠面

20a上旋转工具待机位置

20b下旋转工具待机位置

21a上摩擦搅拌接合开始位置

21b下摩擦搅拌接合开始位置

22a上摩擦搅拌接合结束位置

22b下摩擦搅拌接合结束位置

24摩擦搅拌开始金属板端面

27a上剪切力

27b下剪切力

29a上旋转用电动机

29b下旋转用电动机

32前进侧

33回撤侧

34剩余塑性流动量

35卷出装置

36双面摩擦搅拌接合装置

37活套辊

38轧制机

39切割机

39a第一切割机

39b第二切割机

40卷绕装置

41卷绕卷出装置

41a第一卷绕卷出装置

41b第二卷绕卷出装置

41c第三卷绕卷出装置

51上主体箱

52下主体箱

53上筒对

54下筒对

55上推压及间隙调整装置

56下推压及间隙调整装置

57上移动装置

58下移动装置

61a、61b推压用电动机

62a、62b丝杠

63a、63b支承框架

64a、64b轴

65a、65b行走框架

66a、66b车轮

67a、67b行走电动机

71车轮

72丝杠

73行走用电动机

74行走装置

75控制装置

76a上倾斜支承装置

76b下倾斜支承装置

77a、77b角度调整用电动机

81a上位置计测器

81b下位置计测器

82a上载荷计测器

82b下载荷计测器

83控制装置

δ间隙

J接合部

θ1、θ2倾斜角

Claims (26)

1.一种双面摩擦搅拌接合方法，在工具主体(5a、6a)的前端部设置与其相比直径小的探针(13a、13b)，将所述工具主体的前端部的所述探针的安装部的周围作为肩台部(5b、6b)，将由此构成的上下的旋转工具(5、6)对两张金属板(1、2)的接合部即对接部(J)从其表面侧和背面侧插入，利用通过使所述上下的旋转工具旋转而产生的摩擦热进行摩擦搅拌，将所述两张金属板接合，其特征在于，

分别通过第一及第二握持装置(7、8)对厚度小于所述上下的旋转工具(5、6)的肩台部(5b、6b)的直径的两张金属板(1、2)的表背面进行握持，

在所述两张金属板的对接部(J)的表面侧和背面侧，以相对的方式分别配置所述上下的旋转工具，使所述上下的旋转工具向相互接近的方向移动，对所述上下的旋转工具的探针(13a、13b)前端之间付与规定的间隙(δ)并将所述上下的旋转工具的肩台部(5b、6b)推压在所述对接部的表面侧和背面侧，

在该状态下，使所述上下的旋转工具沿所述对接部旋转并移动从而进行摩擦搅拌接合。

2.一种双面摩擦搅拌接合方法，在工具主体(5a、6a)的前端部设置与其相比直径小的探针(13a、13b)，将所述工具主体的前端部的所述探针的安装部的周围作为肩台部(5b、6b)，将由此构成的上下的旋转工具(5、6)对两张金属板(1、2)的接合部即重叠部(J)从其表面侧和背面侧插入，利用通过使所述上下的旋转工具旋转而产生的摩擦热进行摩擦搅拌，将所述两张金属板接合，其特征在于，

分别通过第一及第二握持装置(7、8)对厚度小于所述上下的旋转工具(5、6)的肩台部(5b、6b)的直径的两张金属板(1、2)的表背面进行握持，

在所述两张金属板的重叠部(J)的表面侧和背面侧，以相对的方式分别配置所述上下的旋转工具，使所述上下的旋转工具向相互接近的方向移动，对所述上下的旋转工具的探针(13a、13b)前端之间付与规定的间隙(δ)并将所述上下的旋转工具的肩台部(5b、6b)推压在所述对接部的表面侧和背面侧，

在该状态下，使所述上下的旋转工具沿所述重叠部旋转并移动从而进行摩擦搅拌接合。

3.如权利要求1或2所述的双面摩擦搅拌接合方法，其特征在于，

使所述上下的旋转工具(5、6)的轴心(14)，向使各自的探针(13a、13b)相对于旋转工具的进行方向先行的方向倾斜，并在该状态下进行摩擦搅拌接合。

4.如权利要求1至3的任一项所述的双面摩擦搅拌接合方法，其特征在于，

将所述上下的旋转工具(5、6)的探针(13a、13b)前端之间的间隙(δ)相对于所述两张金属板(1、2)的接合部(J)的厚度设定为1％以上且50％以下的比率。

5.如权利要求1至4的任一项所述的双面摩擦搅拌接合方法，其特征在于，

将所述第一握持装置(7)与所述第二握持装置(8)之间的距离设定为所述工具主体(5a、5b)的直径的1.5倍以上且5倍以下。

6.如权利要求1至5的任一项所述的双面摩擦搅拌接合方法，其特征在于，

使所述上下的旋转工具(5、6)的旋转方向在表面侧和背面侧为相反方向。

7.如权利要求1至6的任一项所述的双面摩擦搅拌接合方法，其特征在于，

使所述上下的旋转工具(5、6)的各自的肩台部(5b、6b)的直径相同。

8.如权利要求3至7的任一项所述的双面摩擦搅拌接合方法，其特征在于，

在所述金属板(1、2)的厚度为2mm以下的情况下，使所述上下的旋转工具(5、6)的轴心(14)的倾斜角度超过0°但在3°以下。

9.如权利要求3至8的任一项所述的双面摩擦搅拌接合方法，其特征在于，

使所述上下的旋转工具(5、6)的轴心(14)的倾斜角度相同。

10.如权利要求1至9的任一项所述的双面摩擦搅拌接合方法，其特征在于，

使所述上下的旋转工具(5、6)对所述两张金属板(1、2)的接合部(J)从其表面侧和背面侧进行推压的推压力在表面侧和背面侧相同。

11.如权利要求1、3～10的任一项所述的双面摩擦搅拌接合方法，其特征在于，

在所述两张金属板(1、2)的厚度不同的情况下，以在所述金属板的表面及背面的任意一方侧上不产生层差的方式、通过所述第一及第二握持装置(7、8)握持所述两张金属板，

对于所述两张金属板(1、2)中产生有层差的一侧的旋转工具，使其向金属板的厚度薄的一侧成为前进侧的方向旋转，而使无层差的一侧的旋转工具向与产生有层差的一侧的旋转工具的旋转方向相反的方向旋转。

12.如权利要求1、3～10的任一项所述的双面摩擦搅拌接合方法，其特征在于，

在所述两张金属板(1、2)的厚度不同的情况下，以所述金属板的表面及背面的层差均等的方式、通过所述第一及第二握持装置(7、8)握持所述两张金属板，

使所述上下的旋转工具(5、6)以金属板的厚度薄的一侧成为前进侧的方式、向相同方向旋转。

13.如权利要求1至12的任一项所述的双面摩擦搅拌接合方法，其特征在于，

所述上下的旋转工具(5、6)中的一方的旋转工具(6)在摩擦搅拌接合开始前通过位置控制相对于金属板(1、2)的厚度方向移动至预定插入深度，在保持旋转工具(6)的插入深度的状态下，通过位置控制从接合部端面(24)在旋转工具的进行方向上进给，在保持位置控制的状态下从接合部端面(24)开始，将旋转工具(6)插入金属板并开始摩擦搅拌接合，之后，直到摩擦搅拌接合结束，一边通过位置控制对旋转工具(6)的插入位置相对于金属板的厚度方向进行保持一边进给，

另一方的旋转工具(5)，直到摩擦搅拌接合开始前，与所述一方的旋转工具(6)同样地，通过位置控制相对于金属板(1、2)的厚度方向移动至预定插入深度，在保持旋转工具(5)的插入深度的状态下，通过位置控制从接合部端面(24)在旋转工具的进行方向上进给，在保持位置控制的状态下相对于金属板的厚度方向从接合部端面(24)将旋转工具(5)插入金属板并开始摩擦搅拌接合，摩擦搅拌接合开始后，与所述一方的旋转工具(6)的进给位置同步地进给，在该进给期间，以旋转工具(5)的负荷成为规定值的方式、进行对旋转工具的插入位置进行控制的负荷恒定控制，在到达摩擦搅拌接合结束的接合终端部之前，切换成保持该时刻的旋转工具(5)的插入位置的位置控制，使其通过接合部终端部，进行摩擦搅拌接合。

14.如权利要求1至12的任一项所述的双面摩擦搅拌接合方法，其特征在于，

将所述上下的旋转工具(5、6)，在摩擦搅拌接合开始前通过位置控制相对于金属板(1、2)的厚度方向移动至预定插入深度，在保持旋转工具(5、6)的插入深度的状态下，通过位置控制从接合部端面(24)在旋转工具的进行方向上进给，在保持位置控制的状态下从接合部端面(24)将旋转工具(5、6)插入金属板并开始摩擦搅拌接合，摩擦搅拌接合开始后，以旋转工具(5、6)的负荷成为规定值的方式、进行对旋转工具(5、6)的插入位置进行控制的负荷恒定控制，在到达摩擦搅拌接合结束的接合终端部之前，切换成保持该时刻的旋转工具(5、6)的插入位置的位置控制，使其通过接合部终端部，进行摩擦搅拌接合。

15.如权利要求1至14的任一项所述的双面摩擦搅拌接合方法，其特征在于，

所述上下的旋转工具(5、6)由烧结碳化钨的超硬合金、钨合金等构成，

所述两张金属板(1、2)由熔点为1000℃以上的高熔点材料构成。

16.一种冷轧设备的金属板接合方法，其特征在于，采用权利要求1至15的任一项所述的双面摩擦搅拌接合方法，对供冷轧的金属板(S)进行接合。

17.一种双面摩擦搅拌接合装置，在工具主体(5a、6a)的前端部设置与其相比直径小的探针(13a、13b)，将所述工具主体的前端部的所述探针的安装部的周围作为肩台部(5b、6b)，将由此构成的上下的旋转工具(5、6)对两张金属板(1、2)的接合部即对接部(J)从其表面侧和背面侧插入，利用通过使所述上下的旋转工具旋转而产生的摩擦热进行摩擦搅拌，将所述两张金属板接合，其特征在于，具有：

第一及第二握持装置(7、8)，分别通过该第一及第二握持装置对厚度小于所述上下的旋转工具(5、6)的肩台部(5b、6b)的直径的两张金属板(1、2)的表背面进行握持；

上摩擦搅拌装置(3)及下摩擦搅拌装置(4)，其各具有一根所述上下的旋转工具，在所述两张金属板的对接部(J)的表面侧和背面侧，以相对的方式分别配置所述上下的旋转工具；

推压及间隙调整装置(55、56)，其使所述上摩擦搅拌装置及下摩擦搅拌装置的各自的旋转工具向彼此接近的方向移动，对所述上下的旋转工具的探针(13a、13b)前端之间付与规定的间隙(δ)并将所述上下的旋转工具的肩台部(5b、6b)推压在所述对接部(J)的表面侧和背面侧上；

移动装置(57、58)，其使所述上摩擦搅拌装置及下摩擦搅拌装置的所述上下的旋转工具沿着所述对接部(J)移动。

18.一种双面摩擦搅拌接合装置，在工具主体(5a、6a)的前端部设置与其相比直径小的探针(13a、13b)，将所述工具主体的前端部的所述探针的安装部的周围作为肩台部(5b、6b)，将由此构成的上下的旋转工具(5、6)对两张金属板(1、2)的接合部即重叠部(J)从其表面侧和背面侧插入，利用通过使所述上下的旋转工具旋转而产生的摩擦热进行摩擦搅拌，将所述两张金属板接合，其特征在于，具有：

第一及第二握持装置(7、8)，其分别通过该第一及第二握持装置对厚度小于所述上下的旋转工具(5、6)的肩台部(5b、6b)的直径的两张金属板(1、2)的表背面进行握持；

上摩擦搅拌装置(3)及下摩擦搅拌装置(4)，其各具有一根所述上下的旋转工具，在所述两张金属板的重叠部(J)的表面侧和背面侧，以相对的方式分别配置所述上下的旋转工具；

推压及间隙调整装置(55、56)，其使所述上摩擦搅拌装置及下摩擦搅拌装置的各自的旋转工具向彼此接近的方向移动，对所述上下的旋转工具的探针(13a、13b)前端之间付与规定的间隙(δ)并将所述上下的旋转工具的肩台部(5b、6b)推压在所述重叠部(J)的表面侧和背面侧上；

移动装置(57、58)，其使所述上摩擦搅拌装置及下摩擦搅拌装置的所述上下的旋转工具沿着所述重叠部(J)移动。

19.如权利要求17或18所述的双面摩擦搅拌接合装置，其特征在于，

还具有倾斜支承装置(76a、76b)，其使所述上下的摩擦搅拌装置(3、4)的所述上下的旋转工具(5、6)的轴心(14)，向使各自的探针(13a、13b)相对于旋转工具的进行方向先行的方向倾斜并对其进行支承。

20.如权利要求17～19的任一项所述的双面摩擦搅拌接合装置，其特征在于，

所述推压及间隙调整装置(55、56)将所述上下的旋转工具(5、6)的探针(13a、13b)前端之间的间隙(δ)相对于所述两张金属板(1、2)的接合部(J)的厚度调整为1％以上且50％以下的比率。

21.如权利要求17～20的任一项所述的双面摩擦搅拌接合装置，其特征在于，

所述第一及第二握持装置(7、8)将所述第一及第二握持装置之间的距离设定为所述工具主体(5a、6a)的直径的1.5倍以上且5倍以下。

22.如权利要求17～21的任一项所述的双面摩擦搅拌接合装置，其特征在于，

所述上下的摩擦搅拌装置(3、4)使使各自的旋转工具(5、6)的旋转方向在表面侧和背面侧向相反方向旋转。

23.如权利要求19～22的任一项所述的双面摩擦搅拌接合装置，其特征在于，

在所述金属板(1、2)的厚度为2mm以下的情况下，所述倾斜支承装置(76a、76b)将所述上下的摩擦搅拌装置(3、4)的所述上下的旋转工具(5、6)的轴心(14)的倾斜角度设定为超过0°但在3°以下。

24.如权利要求17～23的任一项所述的双面摩擦搅拌接合装置，其特征在于，还具有对所述间隙调整机构(55、56)及移动机构(57、58)进行控制的控制装置(83)，该控制装置(83)以如下方式进行控制：

所述上下的旋转工具(5、6)中的一方的旋转工具(6)在摩擦搅拌接合开始前通过位置控制相对于金属板(1、2)的厚度方向移动至预定插入深度，在保持旋转工具(6)的插入深度的状态下，通过位置控制从接合部端面(24)在旋转工具的进行方向上进给，在保持位置控制的状态下从接合部端面(24)开始，将旋转工具(6)插入金属板并开始摩擦搅拌接合，之后，直到摩擦搅拌接合结束，一边通过位置控制对旋转工具(6)的插入位置相对于金属板的厚度方向进行保持一边进给，

另一方的旋转工具(5)，直到摩擦搅拌接合开始前，与所述一方的旋转工具(6)同样地，通过位置控制相对于金属板(1、2)的厚度方向移动至预定插入深度，在保持旋转工具(5)的插入深度的状态下，通过位置控制从接合部端面(24)在旋转工具的进行方向上进给，在保持位置控制的状态下相对于金属板的厚度方向从接合部端面(24)将旋转工具(5)插入金属板并开始摩擦搅拌接合，摩擦搅拌接合开始后，与所述一方的旋转工具(6)的进给位置同步地进给，在该进给期间，以旋转工具(5)的负荷成为规定值的方式、进行对旋转工具(5)的插入位置进行控制的负荷恒定控制，在到达摩擦搅拌接合结束的接合终端部之前，切换成保持该时刻的旋转工具(5)的插入位置的位置控制，使其通过接合部终端部，进行摩擦搅拌接合。

25.如权利要求17～23的任一项所述的双面摩擦搅拌接合装置，其特征在于，还具有对所述间隙调整机构(55、56)及移动机构(57、58)进行控制的控制装置(83)，该控制装置(83)以如下方式进行控制：

将所述上下的摩擦搅拌装置(3、4)的上下的旋转工具(5、6)，在摩擦搅拌接合开始前通过位置控制相对于金属板(1、2)的厚度方向移动至预定插入深度，在保持旋转工具(5、6)的插入深度的状态下，通过位置控制从接合部端面(24)在旋转工具的进行方向上进给，在保持位置控制的状态下从接合部端面(24)将旋转工具(5、6)插入金属板并开始摩擦搅拌接合，摩擦搅拌接合开始后，以旋转工具(5、6)的负荷成为规定值的方式、进行对旋转工具(5、6)的插入位置进行控制的负荷恒定控制，在到达摩擦搅拌接合结束的接合终端部之前，切换成保持该时刻的旋转工具(5、6)的插入位置的位置控制，使其通过接合部终端部，进行摩擦搅拌接合。

26.一种冷轧设备，其特征在于，具有权利要求17～25的任一项所述的双面摩擦搅拌接合装置(36)。

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