JP2014024101A - 回転ツールおよび接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】金属材料同士の接合において、使用する回転ツールの長寿命化を図ることが可能な、回転ツールおよび接合方法を提供する。
【解決手段】回転ツール１は、回転駆動される回転ツール１であって、回転駆動の回転軸と交差する表面に、環状の凸部３が形成されている。このようにすれば、従来の小径突起部が形成された回転ツールにおける被接合材との接触面積と本発明に従った回転ツール１における被接合材との接触面積（凸部３の面積）とが同等であっても、回転ツール１を回転させたときの凸部３の周速は小径突起部の周速より早くなる。この結果、回転ツール１の回転速度が同じであっても被接合材との接触部（凸部３）において発生する摩擦熱の熱量を多くできる。したがって、同じ摩擦熱の熱量を得るために必要な回転速度を、本発明による回転ツール１では従来より低くできるので、結果的に回転ツール１に過剰な負荷がかかることを抑制できる。
【選択図】図１

Description

この発明は、回転ツールおよび接合方法に関し、より特定的には、金属材料同士の接合に用いる回転ツールおよび当該回転ツールを用いた接合方法に関する。

１９９１年の英国において、アルミニウム合金などの金属材料同士を接合する摩擦撹拌接合技術が確立された。本技術は、接合を目的とする金属材料同士の接合面において、先端に小径突起部が形成された円柱状の摩擦撹拌接合用ツールを押圧しながら回転させることにより、摩擦熱を発生させて、当該摩擦熱により接合部分の金属材料を軟化させて塑性流動させることにより、金属材料同士を接合するという技術である。

ここで、「接合部分」とは、金属材料を突き合わせたり、金属材料を重ねて設置させたりすることにより、それらの金属材料の接合が所望される接合界面部分をいう。この接合界面付近において金属材料が軟化されて塑性流動が起こり、その金属材料が攪拌されることでその接合界面が消滅し、接合が行なわれる。さらに、同時にその金属材料に動的再結晶が起こるので、この動的再結晶により接合界面付近の金属材料が微粒化することとなり、金属材料同士を高強度に接合することができる（たとえば、特開２００３−３２６３７２号公報参照）。

また、上述したツールの先端に形成された小径突起部の形状については、円錐形状や先端部が曲面状に加工された円柱形状など、さまざまな形状が提案されている（たとえば、特表平７−５０５０９０号公報参照）。

特開２００３−３２６３７２号公報 特表平７−５０５０９０号公報

ここで、金属材料の接合時には、ツールが当該金属材料に押圧されながら回転することで摩擦熱が発生し、ツールの先端に形成された小径突起部は摩擦熱で軟化した金属材料の内部に没入された状態となる。しかし、このような金属材料が軟化する程度の摩擦熱を発生させるためには、ツールを高速回転させる、あるいは高負荷条件で金属材料へ押圧するといった、ツールにとって厳しい使用条件を採用する必要がある。さらに、ツールの小径突起部は通常ツールの回転軸に重なる位置に配置されるが、この場合ツールの回転時における小径突起部の周速はツールの側面における周速より遅くなる。したがって、充分な摩擦熱を発生させるためには、上述したツールの使用条件としてより厳しい条件（たとえばより速い回転速度や高い負荷）が必要になる。このような厳しい使用条件は、ツールの損傷の原因となり、結果的にツールの寿命が短くなるという問題があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の目的は、金属材料同士の接合において、使用する回転ツールの長寿命化を図ることが可能な、回転ツールおよび接合方法を提供することである。

この発明に従った回転ツールは、回転駆動される回転ツールであって、回転駆動の回転軸と交差する表面に、環状の凸部が形成されている。このようにすれば、従来の小径突起部が形成された回転ツールにおける被接合材との接触面積（たとえば小径突起部の先端部の面積）と本発明に従った回転ツールにおける被接合材との接触面積（凸部の面積）とが同等であっても、回転ツールを回転させたときの凸部の周速は小径突起部の周速より早くなる。この結果、回転ツールの回転速度が同じであっても被接合材との接触部（凸部）において摩擦熱の熱量を多くできる。したがって、同じ摩擦熱の熱量を得るために必要な回転速度を、本発明による回転ツールでは従来より低くできるので、結果的に回転ツールに過剰な負荷がかかることを抑制できる。この結果、回転ツールの寿命を延ばすことができる。

この発明に従った接合方法は、複数の被接合材を準備する工程と、複数の被接合材を接合する工程とを備える。接合する工程では、上記回転ツールを回転駆動させながら、回転ツールの凸部を、複数の被接合材を重ねた部分に押圧することにより複数の被接合材を接合する。このようにすれば、従来の回転ツールを用いる場合より回転ツールの凸部と被接合材との接触部で所定の熱量の摩擦熱を発生させるために必要な回転ツールの回転速度や負荷を低減できるので、結果的に回転ツールの長寿命化を図ることができる。さらに、従来と同様の回転速度や負荷条件とすれば、従来より大きな摩擦熱を発生させることができるので、被接合材の接合強度を高めることも可能である。

この発明によれば、金属材料同士の接合において、使用する回転ツールの長寿命化を図ることができる。

本発明による回転ツールの実施の形態を示す模式図である。 図１の線分ＩＩ−ＩＩにおける断面模式図である。 本発明による回転ツールの実施の形態の変形例を示す模式図である。 本発明による回転ツールの実施の形態の変形例を示す模式図である。 本発明による回転ツールの実施の形態の変形例を示す模式図である。 本発明による回転ツールの実施の形態の変形例を示す模式図である。 図６に示した回転ツールの先端部を示す平面模式図である。 本発明による回転ツールの実施の形態の変形例を示す模式図である。 本発明による接合方法を説明するためのフローチャートである。 図９に示した接合工程を説明するための模式図である。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付しその説明は繰返さない。

図１および図２を参照して、本発明による回転ツールの実施の形態を説明する。図１に示すように、本発明による回転ツール１は、円柱状の外観を有している。当該回転ツール１の先端部の端面には、その中央部に凹部５が形成されている。このように凹部５が形成されることにより、回転ツール１の端面の外周には環状の凸部３が形成された状態となっている。

凹部５の深さを調節することにより、凸部３の高さＨ（凹部５の底壁から凸部３の頂壁までの高さ）を調節することができる。また、回転ツール１の端面（平面形状が円形状の端面）の直径Ｄに対して、当該凹部５の直径を変更することにより、凸部３の幅Ｗを調整することができる。凸部３の幅Ｗを変更することにより、凸部３の頂面の面積を変更できる。凹部５の外周形状は、回転ツール１の端面の外周形状と相似形である。凹部５の外周形状は、回転ツール１の端面の外周形状と同心円状に配置された円形状となっている。

図２に示すように、回転ツール１は、たとえば超硬合金、サーメット、窒化珪素、立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）、耐熱合金、高速度鋼などの硬質の材料からなるベース体１０と、当該ベース体１０の表面を被覆するように形成された被覆層１１とからなる。被覆層１１としては、たとえばアルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、珪素（Ｓｉ）などの材料の炭化物を用いることができる。

図１および図２に示した回転ツール１を用いてアルミニウム合金などの金属材料同士を拡散接合することができる。具体的には、図１の凹部５の中心を通り回転ツール１の延在方向に沿って延びる回転軸を中心として回転ツール１を回転させながら、被接合材である金属材料の接合部に当該回転ツール１の先端部（凸部３が形成された端面）を押圧することで、接合を行なう。

ここで、本発明による回転ツール１においては、被接合材（たとえば積層配置された複数の被接合材）と接触する回転ツール１の端面の外周部に環状の凸部３が形成されており、当該凸部３を被接合材と接触させる。そして、回転ツール１を回転させながら被接合材に押し込むことで、摩擦熱を発生させ、当該摩擦熱によって被接合材を部分的に溶融あるいは拡散させて接合することができる。また、凸部３の高さＨを１つの被接合材の厚みの同等以上１１２％以下もしくは当該被接合材の厚みより小さくすることにより、回転ツール１が直接的に接触した被接合材を摩擦熱により部分的に溶融あるいは撹拌することができる。また、同時に、たとえば積層配置された被接合材同士の接合部において回転ツール１が直接的に接触した被接合材より下側に位置する他の被接合材と、回転ツール１が直接的に接触して直に摩擦熱により加熱、撹拌されている被接合材との間で、被接合材を構成する材料の拡散を発生させることにより、これらの被接合材同士を確実に接合することができる。つまり、回転ツール１が直接的に接触している被接合材においてのみ塑性流動が起こり、回転ツール１が直接的に接触していない被接合材においては塑性流動は直接的には起こらない状態とすることができる。このような接合方法によっても、被接合材を上述した拡散によって確実に接合することができる。

また、本発明による回転ツール１においては、端面の外周部に環状の凸部３が形成されているため、回転ツール１の回転速度がある程度低い条件によっても、凸部３と被接合材との接触による摩擦熱を十分に発生させることができる。このため、回転ツール１に対する負荷を従来よりも低減できるため、回転ツール１の寿命を延長することができる。

次に、図３を参照して、本発明による回転ツール１の変形例を説明する。なお、以下の図面においては回転ツール１の表面に形成された被覆層１１（図２参照）は明示的には図示していないが、いずれの回転ツール１においてもベース体の表面を覆うように被覆層が形成されている。また、回転ツール１の使用される被接合材の材質によっては、回転ツール１を当該被覆層が形成されない構成としてもよい。

図３に示す回転ツール１は、基本的には図１および図２に示した回転ツールと同様の構造を備えるが、凸部３の表面の形状が曲面状になっている点が図１および図２に示した回転ツールとは異なっている。すなわち、図３に示した回転ツール１においては、凸部３の頂部表面が曲面状表面７となっている。また、図３に示した凸部３の曲面状表面７における曲率半径はたとえば０．１以上０．５以下、より好ましくは０．２以上０．４以下、さらに好ましくは０．３とすることができる。

図３に示した回転ツール１によれば、図１および図２に示した回転ツール１と同様の効果を得られるとともに、凸部３の表面形状が曲面状となっていることから、回転ツール１を被接合材と接触させるときの凸部３に対する衝撃を和らげることができる。この結果、回転ツール１の寿命を延長することができる。

図４を参照して、本発明による回転ツールの他の変形例を説明する。図４に示した回転ツール１は、基本的には図３に示した回転ツール１と同様の構造を備えるが、凸部３の内周側側壁９が回転ツール１の側壁８（あるいは回転ツール１の回転軸）に対して傾斜している点が図３に示した回転ツール１とは異なっている。側壁８に対する内周側側壁９の傾斜角度（テーパ角度θ）はたとえば０°超え６０°以下、より好ましくは１０°以上５０°以下とすることができる。

このような構成の回転ツール１によれば、図３に示した回転ツールと同様の効果に加えて、凸部３の幅を先端側（頂面側）から回転ツール１の根元側にむけて徐々に広くできるので、凸部３の強度を高めることができる。

図５を参照して、本発明による回転ツールの他の変形例を説明する。図５に示すように、回転ツール１は基本的には図４に示した回転ツール１と同様の構造を備えるが、環状の凸部３の内周側に位置する凹部の底壁が外側に凸形状となった内周凸部１５となっている。内周凸部１５の表面は図５に示すように曲面状となっている。

このようにすれば、図４に示した回転ツール１と同様の効果が得られるとともに、接合時には被接合材の表面に内周凸部１５の表面も接触するため、回転ツール１が回転するときに当該内周凸部１５と被接合材との接触部においても摩擦熱が発生する。このため、被接合材の接合条件がより改善し、被接合材の接合強度を向上させることができる。

図６および図７を参照して、本発明による回転ツールの他の形状例を説明する。図６および図７に示した回転ツール１は基本的には図３に示した回転ツール１と同様の構造を備えるが、環状の凸部３の内周側に位置する凹部の底面である内周表面１７に複数の溝１８が形成されている点が図３に示した回転ツール１とは異なっている。内周表面１７に形成された複数の溝１８は、図７に示すように内周表面１７の中心部から外周側（凸部３側）に向けて放射状に延びるように形成されている。なお、溝１８は内周表面１７の中心部から外周側に向けて図７に示すように屈曲して伸びるように形成されていてもよいが、直線状に伸びるように形成されていてもよい。もしくは、溝１８の形状は渦巻き形状であってもよい（たとえば溝１８は内周表面１７の中心部から外周側に向けて渦巻き状に伸びるように形成されていてもよい）。また、溝１８の延びる方向は、内周表面１７の中心から凸部３に向かう径方向に対して傾斜していてもよい。このような溝１８が形成されることにより、回転ツール１が回転したときの被接合材と内周表面１７との接触部における被接合材の塑性流動性が向上する。この結果、被接合材の接合強度をより向上させることができる。溝１８の平面形状は、楕円形状、四角形状、あるいは角部が丸くなった四角形状、三角形などの多角形状、あるいはその角部が丸くなった多角形状など、任意の形状とすることができる。

図８を参照して、本発明による回転ツールの他の変形例を説明する。図８に示した回転ツール１は、基本的には図６および図７に示した回転ツール１と同様の構造を備えるが、溝１８が形成された内周表面１７が外側に凸となった曲面状の表面となっている点が図６および図７に示した回転ツールとは異なっている。異なる観点から言えば、図８に示した回転ツール１においては、凸部３の内周側に内周凸部１５が形成されており、当該内周凸部１５の表面である内周表面１７に複数の溝１８が形成されている。このような構造の回転ツールによれば、図６および図７に示した回転ツールによって得られる効果に加えて、図５に示した回転ツール１によって得られる効果も併せて得ることができる。

次に、図９を参照して、本発明による回転ツール１を備える加工装置を用いた被接合材の接合方法を説明する。

図９を参照して、まず準備工程（Ｓ１０）を実施する。この工程（Ｓ１０）においては、被接合材を準備する。被接合材としては、たとえば厚みが相対的に薄い（たとえば厚みが０．８ｍｍ以下の）板状部材（たとえば鋼板）を準備してもよい。被接合材となる板状部材では、表面にめっき層（たとえば亜鉛めっき層）が形成されていてもよい。このような亜鉛めっき層が形成されていることにより、本発明による回転ツールを用いた接合においては、当該めっき層が接着剤としての機能を発揮し、被接合材の接合部の接合強度をより高めることができる。

次に、図９に示すように、接合工程（Ｓ２０）を実施する。具体的には、工程（Ｓ２０）では、本発明による回転ツール１を回転させながら、重ねて配置した被接合材の一方の表面に当該回転ツール１の凸部３を押し付ける。そして、回転ツール１が回転しながら被接合材に押し付けられることによって、回転ツール１と被接合材との接触部に摩擦熱が発生し、被接合材が軟化する。さらに回転ツール１を被接合材に押し付けることで、回転ツール１の凸部３が図１０に示すように被接合材２２の表面層へと挿入された状態となる。回転ツール１と被接合材２２との接触部においては、摩擦熱により被接合材２２が部分的に軟化して塑性流動する。そして、被接合材２２と一方の被接合材２１との接触部（回転ツール１の下、さらに具体的には内周表面１７下に位置する部分）においては、回転ツール１の回転に伴って発生する摩擦熱や被接合材２２の塑性流動に起因して材料の拡散が起き、被接合材２１、２２の間が強固に接合されることになる。

また、本発明による回転ツール１を用いた接合方法では、被接合材の一方（図１０に示した被接合材２２）のみに回転ツール１の凸部３が侵入した状態となっているため、接合後の被接合材２１、２２に大きな歪などが発生することを抑制できる。この結果、本発明による回転ツール１を用いて接合された被接合材２１、２２は、接合後もその形状が安定しており、従来のように被接合材２１、２２を貫通するように回転ツール１が侵入する摩擦撹拌接合のように被接合材の形状が悪化するといった問題の発生を抑制できる。更に、凸形状となっていることにより、凸部３は被接合材に挿入できるが、凹部の底面が被接合材に挿入されない荷重を選択することにより、安定した接合を行うことができ、接合強度の安定化を図ることができる。

なお、図１０に示すように、本発明による回転ツール１の凸部３の高さは、被接合材２２の厚みＴ１と同等以上当該厚みＴ１の１１２％以下、もしくは厚みＴ１よりも小さくすることが好ましい。また、上述のように接合後の被接合材の形状を安定化させることができるため、本発明による回転ツール１を用いた接合においては、被接合材２１、２２の厚みＴ２、Ｔ１はそれぞれたとえば０．８ｍｍ以下とすることができる。ここで、回転ツール１の凸部３の高さは、被接合材２２の厚みＴ１より１２％厚くても回転ツール１が被接合材２２に挿入された体積分だけ、被接合材２２は回転ツール１の凸部３の内周側に押し出されるため、回転ツール１が被接合材２２を突き抜けることはない。逆に、回転ツール１の凸部３の高さが、被接合材２２の厚みＴ１の１１２％より高い場合、接合条件によっては回転ツール１は被接合材２２を突き抜けることがあるため、良好な接合が難しくなる。

上述した実施の形態と一部重複する部分もあるが、本発明の特徴的な構成を列挙する。
この発明に従った回転ツール１は、回転駆動される回転ツール１であって、回転駆動の回転軸と交差する表面に、環状の凸部３が形成されている。このようにすれば、従来の小径突起部が形成された回転ツールにおける被接合材との接触面積（たとえば小径突起部の先端部の面積）と本発明に従った回転ツール１における被接合材２２（図１０参照）との接触面積（凸部３の面積）とが同等であっても、回転ツール１を回転させたときの凸部３の周速は小径突起部の周速より早くなる。この結果、回転ツール１の回転速度が同じであっても被接合材との接触部（凸部３）において発生する摩擦熱の熱量を多くできる。したがって、同じ摩擦熱の熱量を得るために必要な回転速度を、本発明による回転ツール１では従来より低くできるので、結果的に回転ツール１に過剰な負荷がかかることを抑制できる。この結果、回転ツール１の寿命を延ばすことができる。

上記回転ツール１では、図３〜図８に示すように、凸部３において、回転軸に沿った方向に面する表面部分（曲面状表面７）は曲面状の形状を有していてもよい。この場合、回転ツール１の凸部３が被接合材２２と接触するときに、凸部３の表面が曲面状表面７であるため、当該凸部３に角部が存在して、当該角部が被接合材と接触する場合より凸部３が受ける衝撃を小さくすることができる。このため、回転ツール１の耐欠損性を向上させることができる。

上記回転ツール１では、図４に示すように、凸部３における内周側側壁９が、回転軸に対して傾斜していてもよい。異なる観点から言えば、内周側側壁９は回転ツール１の側壁８に対して傾斜していてもよい。この場合、凸部３の先端側から回転ツール１の後端側に向けて凸部３の幅が徐々に広くなるように当該凸部３を構成できるので、凸部３の内周側側壁９が回転軸と平行である場合より凸部３の強度を高めることができる。この結果、回転ツール１の耐欠損性をより高めることができる。

上記回転ツール１において、図５や図８に示すように、凸部３に囲まれた表面の領域は、外側に突出した内周凸部１５を含んでいてもよい。この場合、回転ツール１で被接合材２１、２２を摩擦撹拌接合するときに、凸部３のみではなく内周凸部１５でも被接合材２１、２２との接触により摩擦熱を発生させることができる。このため、被接合材２１、２２に充分な熱を加えることで、被接合材２１、２２に充分な強度の接合部を形成することができる。

上記回転ツール１では、図６〜図８に示すように、表面において、凸部３に囲まれた部分（内周表面１７）に複数の溝１８が形成されていてもよい。この場合、回転ツール１を用いて被接合材を接合するときに、凸部３に加えて凸部に囲まれた部分（内周表面１７）も被接合材と接触させると、加熱された被接合材において、当該内周表面１７の回転によって塑性流動を確実に発生させることができる。この結果、被接合材に十分な強度を接合部を形成することができる。

上記回転ツール１は、被接合材の点接合に用いられてもよい。ここで、点接合は、回転ツール１を保持した工具（ガン）をロボットアームの先端に設置して、被接合材の任意の位置に対して実施される。本発明による回転ツール１では、環状の凸部３が形成されているため従来の回転ツールより摩擦熱の熱量を大きくできるため、被接合材の接合部において塑性流動を発生させ易い。そのため、回転ツール１に対して加える荷重を従来より低くすることができるため、当該回転ツール１を保持する工具を小型化することができる。

この発明に従った接合方法は、図９に示すように、複数の被接合材を準備する工程（準備工程（Ｓ１０））と、複数の被接合材２１、２２を接合する工程（接合工程（Ｓ２０））とを備える。接合工程（Ｓ２０）では、本発明による上記回転ツール１を回転駆動させながら、回転ツール１の凸部３を、複数の被接合材２１、２２を重ねた部分に押圧することにより複数の被接合材２１、２２を接合する。このようにすれば、従来の回転ツールを用いる場合より回転ツール１の凸部３と被接合材２２との接触部で所定の熱量の摩擦熱を発生させるために必要な回転ツール１の回転速度や負荷を低減できるので、結果的に回転ツール１の長寿命化を図ることができる。さらに、従来と同様の回転速度や負荷条件とすれば、従来より大きな摩擦熱を発生させることができるので、被接合材２１、２２の接合強度を高めることも可能である。

上記接合方法において、接合工程（Ｓ２０）では、複数の被接合材２１、２２を重ねた部分において複数の被接合材２１、２２の間での材料撹拌を起こすことなく、複数の被接合材２１、２２間で被接合材を構成する材料を拡散させることにより被接合材２１、２２を接合してもよい。

ここで、従来の摩擦撹拌接合技術では、接合される被接合材間で塑性流動や撹拌が起こるため、接合後の被接合材において歪や変形が生じやすいという問題があった。しかし、上述した本発明による接合方法では、複数の被接合材２１、２２間で材料撹拌を起こさずに拡散によって被接合材を接合するため、接合後に被接合材２１、２２において歪や変形が発生する可能性を低減できる。

上記接合方法では、被接合材を準備する準備工程（Ｓ１０）において準備される複数の被接合材２１、２２のうちの少なくとも１つは、表面に亜鉛メッキ層を有していてもよい。この場合、被接合材２１、２２の接合部において亜鉛メッキ層が接着剤層として作用し、接合部の接合強度をより高めることができる。

上記接合方法では、被接合材を準備する準備工程（Ｓ１０）において準備される複数の被接合材２１の厚みＴ２、被接合材２２の厚みＴ２がそれぞれ０．８ｍｍ以下であってもよい。この場合、本発明による回転ツール１を利用することで被接合材２１、２２同士を拡散により接合することが可能であるため、従来のような被接合材２１、２２間で材料撹拌が起きる場合より接合後の被接合材２１、２２の変形を低減できる。そして、このような材料の変形は特に厚みが０．８ｍｍ以下の薄板形状の被接合材において顕著であるため、本発明が特に有効である。

上記接合方法において、接合工程（Ｓ２０）では、回転ツール１における凸部３に囲まれた表面の領域（内周表面１７）が被接合材２２（図１０参照）に接触してもよい。この場合、凸部３のみではなく凸部３に囲まれた表面の領域である内周表面１７でも被接合材２２との接触により摩擦熱を発生させることができる。このため、被接合材に充分な熱を加えることで、被接合材に充分な強度の接合部を形成することができる。

本発明の効果を確認するため、以下のような実験を行なった。
＜試料の作成＞
超硬合金からなり、サイズが１１ｍｍ×１１ｍｍ×１７ｍｍの基材を準備した。そして、これらの基材を加工することにより、実施例１〜実施例６の回転ツール、および比較例の回転ツールを準備した。なお、実施例１の回転ツールの形状は図１および図２に示した形状（以下、形状Ａとも呼ぶ）であり、実施例２の回転ツールの形状は図３に示した形状（以下、形状Ｂとも呼ぶ）である。また、実施例３の回転ツールの形状は図４に示した形状（以下、形状Ｃとも呼ぶ）であり、実施例４の回転ツールの形状は図５に示した形状（以下、形状Ｄとも呼ぶ）である。また、実施例５の回転ツールの形状は図６および図７に示した形状（以下、形状Ｅとも呼ぶ）であり、実施例６の回転ツールの形状は図８に示した形状（以下、形状Ｆとも呼ぶ）である。また、比較例の回転ツールの形状は、従来の形状（以下、凸型とも呼ぶ）であって、回転ツールの端面の中央部に、円柱状の凸部が形成されたものである。

実施例１〜実施例６および比較例の回転ツールの直径は１０ｍｍである。実施例１〜実施例６の凸部３の高さＨは０．６４ｍｍである。また、凸部３の幅Ｗは０．８ｍｍである。また、実施例２〜実施例６における凸部３の表面の曲率半径Ｒは０．３である。また、実施例３、実施例４および実施例６の凸部３のテーパ角度θは６０°である。また、実施例５、６の溝１８の本数は８本であり、個々の溝の形状は楕円形状であって、そのサイズは縦３ｍｍ×横０．４ｍｍである。また、比較例の回転ツールにおいて端面中央部に形成された柱状の凸部の高さは０．９ｍｍ、凸部の頂面の直径は４ｍｍである。

そして、すべての基材に対し、Ａｌ_0.6Ｔｉ_0.35Ｓｉ_0.05Ｎからなる被覆層を３μｍの厚みで物理蒸着法を用いて被覆した。ここで、Ａｌ_0.6Ｔｉ_0.35Ｓｉ_0.05Ｎからなる被覆層は、酸化開始温度が１１３０℃である。

＜実験方法＞
摩擦攪拌点接合用ロボットを用いて接合条件（回転ツールの回転数、荷重、接合時間）を設定し、実施例１〜６および比較例の回転ツールを用いて接合試験を実施した。被接合材としては２種類の材料（被接合材１：亜鉛メッキ鋼板（縦３０ｍｍ×横１００ｍｍ×厚さ０．６ｍｍの鋼板）を２枚重ねしたもの、および被接合材２：亜鉛メッキ鋼板（縦３０ｍｍ×横５００ｍｍ×厚さ０．６ｍｍの鋼板）を２枚重ねしたもの）を準備した。そして、これらの被接合材を実施例および比較例の回転ツールを用いて接合した。

そして、被接合材１を接合したサンプル（接合材サンプル）について、引張り試験を実施した。また、被接合材２に対する接合プロセスにより、回転ツールの寿命を評価した。

被接合材１を用いた引張試験用の接合は３スポット連続で行なった。そして、３スポット目の接合を行なっている最中の回転ツールの温度を放射温度計により測定した。

寿命評価に関して、被接合材２に対する接合を繰り返し、回転ツールに欠損が生じた時はその時点で寿命と判断し評価を中止した。また、回転ツールに明らかな欠損が発生しない場合には、凸部の高さの減り代が０．３ｍｍ以上となった時点で、寿命と判断して評価を中止した。

＜結果＞
評価結果を表１に示す。

評価結果を表１を参照しながら以下説明する。
比較例について：
表１から回転ツールの回転数を２０００ｒｐｍ、回転ツールに加える荷重を４００ｋｇｆ、接合時間を３ｓとした接合条件で、凸型の従来形状ツールである比較例の回転ツールを用い接合を実施した。その結果、接合後の被接合材（ワーク）の変形がひどく、接合不良となった。よって、引張り試験と寿命評価は未実施である。

実施例１について：
回転数を１５００ｒｐｍ、荷重を４００ｋｇｆ、接合時間を３ｓとした接合条件で、形状Ａである実施例１の回転ツールを用い接合を実施した。比較例よりも低回転数および低荷重だが、接合温度は比較例と同等であった。また、接合後のワークの変形は見られなかった。

当該実施例１の回転ツールを用いて接合した被接合材１について引張り試験を実施した結果、接合部の強度（接合強度）は１．７ｋＮであった。

また、被接合材２に対して20スポットの接合を完了後、回転ツールを確認すると凸部に欠けが見られたので試験を中止した。

実施例２〜６に関しては実施例１と同じ接合条件で接合試験を実施した。
実施例２について：
実施例２および後述する実施例３〜実施例６については、上記実施例１と同様の接合条件を用いて接合試験を実施した。

実施例２の回転ツール（形状Ｂの回転ツール）を用いて接合した被接合材１について引張り試験を実施した結果、接合部の強度（接合強度）は１．６ｋＮであった。また、被接合材２に対して、３００スポットの接合を完了後、凸部に欠けが発生した。ただし、凸部の表面形状を曲面状にしたことにより、実施例１の回転ツールよりも寿命が延びた。

実施例３について：
実施例３の回転ツール（形状Ｃの回転ツール）を用いて接合した被接合材１について引張り試験を実施した結果、接合部の強度（接合強度）は１．８ｋＮであった。また、被接合材２に対して接合を繰り返し寿命を測定したが、実施例３の回転ツールでは凸部にテーパ角度θが６０°であるテーパをつけたことで、凸部での欠損発生が抑制され、回転ツールの寿命が８００スポットに伸びた。８００スポットの接合完了後、凸部の高さが０．３ｍｍ低くなっていたので試験を中止した。

実施例４について：
実施例４の回転ツール（形状Ｄの回転ツール）を用いて接合した被接合材１について引張り試験を実施した結果、接合部の強度（接合強度）は２．２ｋＮであった。これは、回転ツールに図５に示す内周凸部１５が形成されているため、実施例３と同じ接合条件であっても当該内周凸部でも摩擦熱が発生し、結果的に接合温度が高くなったことに起因して接合強度が向上したものと考えられる。また、被接合材２に対して接合を繰り返し寿命を測定したが、回転ツールの寿命が１０００スポットに伸びた。

実施例５について：
実施例５の回転ツール（形状Ｅの回転ツール）を用いて接合した被接合材１について引張り試験を実施した結果、接合部の強度（接合強度）は２．４ｋＮであった。これは、回転ツールに図６および図７に示すような溝１８を形成したことで、回転ツールと直接的に接触する被接合材（上板）内の塑性流動性が向上し接合強度が向上したものと考えられる。また、被接合材２に対して接合を繰り返し寿命を測定したが、回転ツールの寿命は１０００スポットであった。

実施例６について：
実施例６の回転ツール（形状Ｆの回転ツール）を用いて接合した被接合材１について引張り試験を実施した結果、接合部の強度（接合強度）は３．１ｋＮであった。これは、回転ツールに図８に示すような内周凸部１５および溝１８を形成したことで、回転ツールと直接的に接触する被接合材（上板）内の塑性流動性がより向上し接合強度が向上したものと考えられる。また、被接合材２に対して接合を繰り返し寿命を測定したが、回転ツールの寿命は１０００スポットであった。

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

この発明は、摩擦撹拌接合に特に有利に適用される。

１ 回転ツール、３ 凸部、５ 凹部、７ 曲面状表面、８ 側壁、９ 内周側側壁、１０ ベース体、１１ 被覆層、１５ 内周凸部、１７ 内周表面、１８ 溝、２１，２２ 被接合材。

Claims (11)

1. 回転駆動される回転ツールであって、
   回転駆動の回転軸と交差する表面に、環状の凸部が形成されている、回転ツール。
2. 前記凸部において、前記回転軸に沿った方向に面する表面部分は曲面状の形状を有する、請求項１に記載の回転ツール。
3. 前記凸部における内周側側面は、前記回転軸に対して傾斜している、請求項１または２に記載の回転ツール。
4. 前記凸部に囲まれた前記表面の領域は、外側に突出した内周凸部を含む、請求項１〜３のいずれか１項に記載の回転ツール。
5. 前記表面において、前記凸部に囲まれた部分には複数の溝が形成されている、請求項１〜４のいずれか１項に記載の回転ツール。
6. 被接合材の点接合に用いられる、請求項１〜５のいずれか１項に記載の回転ツール。
7. 複数の被接合材を準備する工程と、
   請求項１〜５のいずれか１項に記載の回転ツールを回転駆動させながら、前記回転ツールの前記凸部を、複数の前記被接合材を重ねた部分に押圧することにより複数の前記被接合材を接合する工程とを備える、接合方法。
8. 前記接合する工程では、複数の前記被接合材を重ねた部分において複数の前記被接合材の間での材料撹拌を起こすことなく、複数の前記被接合材間で前記被接合材を構成する材料を拡散させることにより前記被接合材を接合する、請求項７に記載の接合方法。
9. 前記被接合材を準備する工程において準備される複数の前記被接合材のうちの少なくとも１つは、表面に亜鉛メッキ層を有する、請求項７または８に記載の接合方法。
10. 前記被接合材を準備する工程において準備される複数の前記被接合材の厚みは、０．８ｍｍ以下である、請求項７〜９のいずれか１項に記載の接合方法。
11. 前記接合する工程では、前記回転ツールにおける前記凸部に囲まれた前記表面の領域が前記被接合材に接触する、請求項７〜１０のいずれか１項に記載の接合方法。
    
    

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