JP2015066574A - 摩擦撹拌工具、摩擦撹拌接合装置、摩擦撹拌接合方法及び接合材 - Google Patents

Abstract

【課題】積層した一対の金属材の界面における接合を強固なものとすることができる摩擦撹拌工具等を提供する。
【解決手段】界面６が形成される一対の金属板５の一方側に配置される第１回転ツール２１と、他方側に配置される第２回転ツール２２とを備え、第１回転ツール２１は、一対の金属板５の表面と接する第１ショルダ部３５を有する第１ツール本体３１を有し、第２回転ツール２２は、一対の金属板５の裏面と接する第２ショルダ部４５を有する第２ツール本体４１と、第２ツール本体４１から第１回転ツール２１に向かって突出し、第１ショルダ部３５と第２ショルダ部４５との間に挟まれた一対の金属板５を撹拌するプローブ４２とを有し、プローブ４２は、外周面の一方側に形成される第１ねじ溝５１と、外周面の他方側に形成される第２ねじ溝５２と、を含み、プローブ４２は、第１ねじ溝５１と第２ねじ溝５２との境界５３が、界面６に位置するように形成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、摩擦撹拌接合に用いられる摩擦撹拌工具、摩擦撹拌接合装置、摩擦撹拌接合方法及び接合材に関するものである。

従来、ボビンツール式の摩擦撹拌接合用工具が知られている（例えば、特許文献１参照）。この摩擦撹拌接合用工具は、上部回転体と、下部回転体と、上部回転体と下部回転体との間で回転する撹拌軸とを有しており、撹拌軸の外周面には、撹拌溝が形成されている。摩擦撹拌接合用工具は、重ね合わせた一対のプレートを上部回転体と下部回転体とで挟み込み、上部回転体、下部回転体及び撹拌軸を回転させることで、撹拌溝により軸方向にプレートの材料を流動させ、一対のプレートを接合する。

また、ボビンツール式の摩擦撹拌接合用工具ではないが、表側のワークに接する円筒体と、表側のワーク及び裏側のワークに挿入されるプローブとを有する摩擦撹拌接合用工具が知られている（例えば、特許文献２参照）。この摩擦撹拌接合用工具において、プローブには、先端部の右ねじである第１ねじ部と、後端部の左ねじである第２ねじ部とが設けられている。第１ねじ部は、裏側のワークに配置され、第２ねじ部は、表側のワークに配置される。摩擦撹拌接合用工具は、プローブを回転させることで、第１ねじ部により裏側のワークを表側に巻き上げ、第２ねじ部により表側のワークを裏側へ押し下げる。

特開２００７−３０７５７９号公報 特開２００５−２０５４２３号公報

特許文献１に記載の摩擦撹拌接合用工具では、摩擦撹拌時において、撹拌溝により軸方向にプレートの材料を流動させることができる。しかしながら、重ね合わせた一対のプレートの界面における撹拌が考慮されていないことから、界面における撹拌を好適に行うことができず、界面における接合の強度が低下する可能性がある。

また、特許文献２に記載の摩擦撹拌接合用工具では、円筒体が回転することにより表側のワークに入熱が行われるが、裏側のワークに入熱が行われず、入熱が不均一となる。その結果として、表側の温度が高く、裏側の温度が低くなる。このため、第１ねじ部により裏側のワークを表側に巻き上げ、第２ねじ部により表側のワークを裏側へ押し下げるものの、温度分布が不均一であることから、ワークの流動が均一とならず、つまり、温度の低い先端側（裏側）のワークよりも、温度の高い後端側（表側）のワークが流動し易いため、界面における撹拌を好適に行うことができず、界面の巻き上がり等が発生することもあり、界面における接合の強度が低下する可能性がある。

そこで、本発明は、積層した一対の金属材の界面における接合を強固なものとすることができる摩擦撹拌工具、摩擦撹拌接合装置、摩擦撹拌接合方法及び接合材を提供することを課題とする。

本発明の摩擦撹拌工具は、一方の金属材と他方の金属材とを積層することで界面が形成される一対の金属材に対し、積層方向の一方側に配置される第１回転ツールと、一対の前記金属材を挟んで前記第１回転ツールの反対側となる他方側に配置され、前記第１回転ツールに対向して設けられる第２回転ツールと、を備え、前記第１回転ツールは、一対の前記金属材の一方側の面と接する第１ショルダ部を有する第１ツール本体を、有し、前記第２回転ツールは、一対の前記金属材の他方側の面と接する第２ショルダ部を有する第２ツール本体と、前記第２ツール本体から前記第１回転ツールに向かって突出し、前記第２ツール本体と前記第１ツール本体との間に設けられ、前記第１ショルダ部と前記第２ショルダ部との間に挟まれた一対の前記金属材を撹拌するプローブとを有し、前記プローブは、前記積層方向の一方側の前記金属材と接する接触面に形成され、撹拌した前記金属材を前記界面に向かって流動させる第１撹拌溝と、前記積層方向の他方側の前記接触面に形成され、撹拌した前記金属材を前記界面に向かって流動させる第２撹拌溝と、を含み、前記プローブは、前記第１撹拌溝と前記第２撹拌溝との境界が、前記界面に位置するように形成されることを特徴とする。

この構成によれば、第１回転ツール及び第２回転ツールを回転させることで、第１ショルダ部及び第２ショルダ部によって一対の金属材の両側に入熱を行いながら、入熱（摩擦熱）により軟化した金属材をプローブにより撹拌することができる。このため、一対の金属材の両側から入熱を加えることで、第１回転ツール側の金属材と第２回転ツール側の金属材との温度をほぼ同じにすることができる。このとき、回転するプローブの第１撹拌溝により撹拌した金属材を、第１ショルダ部側から界面に向かって流動させることができ、また、回転するプローブの第２撹拌溝により撹拌した金属材を、第２ショルダ部側から界面に向かって流動させることができる。これにより、第１撹拌溝及び第２撹拌溝によって流動する金属材は、ほぼ同じような流動性を有し、界面を跨いでバランスよく流動するため、界面における巻き上げを防止しつつ、接合強度を強固にすることができ、界面破断等の接合不良を抑制することができる。

また、前記第１撹拌溝は、１本以上の第１ねじ溝で構成され、前記第２撹拌溝は、前記第１ねじ溝の回転方向と逆方向となる１本以上の第２ねじ溝で構成されていることが好ましい。

この構成によれば、プローブに第１ねじ溝を形成することで、簡易に第１撹拌溝を構成することができ、また、プローブに第２ねじ溝を形成することで、簡易に第２撹拌溝を構成することができる。このとき、第１ねじ溝及び第２ねじ溝を、複数本とすることで、撹拌による金属材の流動を促進することができる。

また、前記第１ねじ溝によって形成される第１ねじ山の高さは、前記第１ショルダ部から前記境界に向かうにつれて高くなり、前記第２ねじ溝によって形成される第２ねじ山の高さは、前記第２ショルダ部から前記境界に向かうにつれて高くなることが好ましい。

この構成によれば、第１ショルダ部側から界面へ向かう金属材の流動量を減少させることができ、また、第２ショルダ部側から界面へ向かう金属材の流動量を減少させることができる。ここで、撹拌域中央部（界面付近）での金属材の流動量が多すぎると、撹拌域がその部分で幅方向に過度に広がってしまう。この場合、撹拌域が広がった部分には、第１及び第２ショルダ部からの圧力が充分に付与されず、接合不良部が形成されることがある。このため、金属材の流動量を減少させることにより、界面への金属材の過剰な流動によって発生する撹拌域の幅方向の過度な広がりを抑制することができることから、撹拌域の中央部に接合不良部を形成することなく、界面において金属材を好適に撹拌することができる。

また、前記第１ねじ溝は、前記第１ショルダ部と前記境界との間の所定の部位から、前記境界まで設けられ、前記第２ねじ溝は、前記第２ショルダ部と前記境界との間の所定の部位から、前記境界まで設けられていることが好ましい。

この構成によれば、第１ショルダ部から第１ショルダ部と境界との間の所定の部位までの間に、第１ねじ溝が形成されないため、第１ショルダ部側から界面へ向かう金属材の流動量を減少させることができる。また、第２ショルダ部から第２ショルダ部と境界との間の所定の部位までの間に、第２ねじ溝が形成されないため、第２ショルダ部側から界面へ向かう金属材の流動量を減少させることができる。このため、界面への金属材の過剰な流動によって発生する撹拌域の幅方向の過度な広がりを抑制することができることから、撹拌域の中央部に接合不良部を形成することなく、界面において金属材を好適に撹拌することができる。

また、前記第１ねじ溝及び前記第２ねじ溝には、平坦面が形成されていることが好ましい。より好ましくは、複数の平坦面が形成されていることが好ましい。複数の平坦面はプローブの回転軸に対し対称性を有するように配置されていることが好ましい。

この構成によれば、第１ねじ溝及び第２ねじ溝に平坦面を形成することで、第１及び第２ショルダ部側から界面へ向かう金属材の流動量を減少させることができる。このため、界面への金属材の過剰な流動によって発生する撹拌域の幅方向の過度な広がりを抑制することができることから、撹拌域の中央部に接合不良部を形成することなく、界面において金属材を好適に撹拌することができる。

また、前記第１ねじ溝と前記第２ねじ溝とは、前記第２回転ツールの回転軸の周方向において、異なる位相となるように形成されることが好ましい。より好ましくは、前記第１ねじ溝と前記第２ねじ溝とは、二つのねじ溝の対称性を維持した状態で異なる位相となるように形成されることが好ましい。

この構成によれば、例えば、第１ねじ溝と第２ねじ溝とが１本のねじ溝で構成される場合、１８０°位相を異ならせることで、１８０°位相が異なる位置において、金属材の流動を発生させることができ、界面における金属材の撹拌性を向上させることができる。なお、第１ねじ溝と第２ねじ溝とが２本のねじ溝で構成される場合、９０°位相を異ならせればよい。なお、第１ねじ溝と第２ねじ溝とを、プローブの回転軸に対し対称性を維持した状態で異なる位相となるように形成することで、プローブの回転バランスをとることができる。

また、前記第１ねじ溝の一部は、前記境界を超えて前記第２ねじ溝側に形成され、前記第２ねじ溝の一部は、前記境界を超えて前記第１ねじ溝側に形成されていることが好ましい。

この構成によれば、界面を跨いで金属材を流動させやすくすることができるため、界面における金属材の撹拌性を向上させることができる。

また、前記第１回転ツールの回転方向は、前記第２回転ツールの回転方向と逆方向となっていることが好ましい。

この構成によれば、第１ショルダ部の回転によって形成される金属材の流動と、第２ショルダ部の回転によって形成される金属材の流動とによって、界面において流動する金属材に対しせん断力を発生させることができる。このため、界面における金属材の撹拌性を向上させることができる。さらには、接合を阻害する酸化被膜等の界面の被膜を破壊することができる。

また、一対の前記金属材のうち、他方の前記金属材の前記積層方向における厚さが、一方の前記金属材の前記積層方向における厚さに比して厚くなる場合、前記第２回転ツールの回転軸に直交する前記第２ショルダ部の直径は、前記第１回転ツールの回転軸に直交する前記第１ショルダ部の直径に比して大径となり、一対の前記金属材のうち、一方の前記金属材の前記積層方向における厚さが、他方の前記金属材の前記積層方向における厚さに比して厚くなる場合、前記第１回転ツールの回転軸に直交する前記第１ショルダ部の直径は、前記第２回転ツールの回転軸に直交する前記第２ショルダ部の直径に比して大径となることが好ましい。

この構成によれば、厚さが厚い金属材に接するショルダ部の直径を大きくすることができるため、厚さが厚い金属材に対する入熱量を多くすることができ、二つの金属材の界面付近の温度分布をそろえることができる。このため、界面近傍における二つのショルダ部から中央に集まる金属材の流動性を同じ状態にすることが可能であり、界面を跨いで金属材を、バランスを取りながら流動させることができる。

本発明の摩擦撹拌接合装置は、上記の摩擦撹拌工具と、前記摩擦撹拌工具の前記第１回転ツールの前記第１ショルダ部を一方の前記金属材の一方側の面に押し当てた状態で、前記第１回転ツールを回転させる第１押圧回転機構と、前記摩擦撹拌工具の前記第２回転ツールの前記第２ショルダ部を他方の前記金属材の他方側の面に押し当てた状態で、前記第２回転ツールを回転させる第２押圧回転機構と、前記第１押圧回転機構及び前記第２押圧回転機構を制御する制御部と、を備えることを特徴とする。

この構成によれば、上記の摩擦撹拌工具を用いることで、積層した一対の金属材の界面における接合を強固なものとすることができる。

また、前記制御部は、一対の前記金属材のうち、他方の前記金属材の前記積層方向における厚さが、一方の前記金属材の前記積層方向における厚さに比して厚くなる場合、前記第２回転ツールの回転速度が、前記第１回転ツールの回転速度に比して速くなるように制御し、一対の前記金属材のうち、一方の前記金属材の前記積層方向における厚さが、他方の前記金属材の前記積層方向における厚さに比して厚くなる場合、前記第１回転ツールの回転速度が、前記第２回転ツールの回転速度に比して速くなるように制御することが好ましい。

この構成によれば、制御部は、厚さが厚い金属材に接するショルダ部の回転速度を速くすることができるため、厚さが厚い金属材に対する入熱量を多くすることができ、二つの金属材の界面付近の温度分布をそろえることができる。このため、界面近傍における二つのショルダ部から中央に集まる金属材の流動性を同じ状態にすることが可能であり、界面を跨いで金属材を、バランスを取りながら流動させることができる。

本発明の他の摩擦撹拌接合装置は、一方の金属材と他方の金属材とを積層することで界面が形成される一対の金属材に対し、積層方向の一方側に配置される第１回転ツールと、一対の前記金属材を挟んで前記第１回転ツールの反対側となる他方側に配置され、前記第１回転ツールに対向して設けられる第２回転ツールと、を有する摩擦撹拌工具と、前記第１回転ツールを一方の前記金属材の一方側の面に押し当てた状態で、前記第１回転ツールを回転させる第１押圧回転機構と、前記第２回転ツールを他方の前記金属材の他方側の面に押し当てた状態で、前記第２回転ツールを回転させる第２押圧回転機構と、前記第１押圧回転機構及び前記第２押圧回転機構を制御する制御部と、を備え、前記第１回転ツールは、一方の前記金属材の一方側の面と接する第１ショルダ部を有する第１ツール本体を、有し、前記第２回転ツールは、他方の前記金属材の他方側の面と接する第２ショルダ部を有する第２ツール本体と、前記第２ツール本体から前記第１回転ツールに向かって突出し、前記第２ツール本体と前記第１ツール本体との間に設けられ、前記第１ショルダ部と前記第２ショルダ部との間に挟まれた一対の前記金属材を撹拌するプローブとを有し、前記プローブは、前記金属材と接する接触面に形成され、撹拌した前記金属材を前記界面を跨いで流動させる撹拌溝を含み、前記制御部は、一対の前記金属材のうち、他方の前記金属材の前記積層方向における厚さが、一方の前記金属材の前記積層方向における厚さに比して厚くなる場合、前記第２回転ツールの回転速度が、前記第１回転ツールの回転速度に比して速くなるように制御し、一対の前記金属材のうち、一方の前記金属材の前記積層方向における厚さが、他方の前記金属材の前記積層方向における厚さに比して厚くなる場合、前記第１回転ツールの回転速度が、前記第２回転ツールの回転速度に比して速くなるように制御することを特徴とする。

この構成によれば、制御部は、厚さが厚い金属材に接するショルダ部の回転速度を速くすることができるため、厚さが厚い金属材に対する入熱量を多くすることができ、二つの金属材の界面付近の温度分布をそろえることができる。このため、界面近傍における二つのショルダ部から中央に集まる金属材の流動性を同じ状態にすることが可能であり、界面を跨いで金属材を、バランスを取りながら流動させることができる。

本発明の摩擦撹拌接合方法は、上記の摩擦撹拌工具を用いて、一対の前記金属材を摩擦撹拌接合する摩擦撹拌接合方法であって、積層された一対の前記金属材に対し、前記第１回転ツール及び前記第２回転ツールを回転させることで、回転する前記第１ショルダ部により一方の前記金属材の一方側の面から摩擦による入熱を行うと共に、回転する前記第２ショルダ部により他方の前記金属材の他方側の面から摩擦による入熱を行い、回転する前記プローブの前記第１撹拌溝により撹拌した前記金属材を、前記第１ショルダ部側から前記界面に向かって流動させ、回転する前記プローブの前記第２撹拌溝により撹拌した前記金属材を、前記第２ショルダ部側から前記界面に向かって流動させることを特徴とする。

この構成によれば、第１回転ツール及び第２回転ツールを回転させることで、第１ショルダ部及び第２ショルダ部によって一対の金属材の両側に入熱を行いながら、入熱により軟化した金属材をプローブにより撹拌することができる。このとき、回転するプローブの第１撹拌溝により撹拌した金属材を、第１ショルダ部側から界面に向かって流動させることができ、また、回転するプローブの第２撹拌溝により撹拌した金属材を、第２ショルダ部側から界面に向かって流動させることができる。これにより、第１撹拌溝及び第２撹拌溝によって流動する金属材は、界面を跨いで流動するため、界面における接合強度を強固にすることができ、界面破断等の接合不良を抑制することができる。

本発明の接合材は、上記の摩擦撹拌接合方法によって、一対の前記金属材が摩擦撹拌接合されることで形成されることを特徴とする。

この構成によれば、一対の金属材の界面において強固に接合された接合材を提供することができる。

図１は、実施例１に係る摩擦撹拌接合装置を模式的に表した概略構成図である。 図２は、第１ショルダ部の形状の一例を示す平面図である。 図３は、第１ショルダ部の形状の一例を示す平面図である。 図４は、第１ショルダ部の形状の一例を示す平面図である。 図５Ａは、実施例２に係る摩擦撹拌接合装置の摩擦撹拌工具を模式的に表した概略構成図である。 図５Ｂは、実施例２の変形例１に係る摩擦撹拌接合装置の摩擦撹拌工具を模式的に表した概略構成図である。 図５Ｃは、実施例２の変形例２に係る摩擦撹拌接合装置の摩擦撹拌工具を模式的に表した概略構成図である。 図６Ａは、実施例３に係る摩擦撹拌接合装置の摩擦撹拌工具を模式的に表した概略構成図である。 図６Ｂは、摩擦撹拌工具のプローブを軸方向に直交する面で切った一例の断面図である。 図６Ｃは、摩擦撹拌工具のプローブを軸方向に直交する面で切った一例の断面図である。 図７は、実施例４に係る摩擦撹拌接合装置の摩擦撹拌工具を模式的に表した概略構成図である。 図８は、実施例５に係る摩擦撹拌接合装置の摩擦撹拌工具を模式的に表した概略構成図である。 図９は、比較例１に係る摩擦撹拌接合装置の摩擦撹拌工具を模式的に表した概略構成図である。 図１０は、比較例２に係る摩擦撹拌接合装置の摩擦撹拌工具を模式的に表した概略構成図である。 図１１は、接合材の界面における強度を比較した表である。 図１２は、実施例６に係る摩擦撹拌接合装置の摩擦撹拌工具を模式的に表した概略構成図である。 図１３は、実施例７に係る摩擦撹拌接合装置の摩擦撹拌工具を模式的に表した概略構成図である。 図１４は、実施例８に係る摩擦撹拌接合装置の摩擦撹拌工具を模式的に表した概略構成図である。 図１５は、実施例９に係る摩擦撹拌接合装置の摩擦撹拌工具を模式的に表した概略構成図である。

以下に、本発明に係る実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施例における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。

図１は、実施例１に係る摩擦撹拌接合装置を模式的に表した概略構成図である。図２から図４は、第１ショルダ部の形状の一例を示す平面図である。

実施例１の摩擦撹拌接合装置１は、重ね合わせた一対の金属板５の表裏に配置される一対の回転ツール２１，２２を用いて摩擦撹拌することにより、重ね合わせた一対の金属板５を接合する、いわゆる摩擦撹拌接合（ＦＳＷ：Friction Stir Welding）を行う装置である。先ず、図１及び図４を参照し、接合対象となる一対の金属板５について説明する。

金属板５は、例えば、アルミニウム合金を用いて構成されている。図１に示すように、一対の金属板５は、積層方向に重ね合わせられることで、一対の金属板５の重ね合わせ面となる界面６が形成される。また、一対の金属板５は、一方の金属板５の厚さと、他方の金属板５の厚さとが略同じ厚さとなっている。なお、摩擦撹拌接合により接合された一対の金属板５は、接合材として取り扱われる。

次に、図１を参照して、摩擦撹拌接合装置１について説明する。図１に示す摩擦撹拌接合装置１は、一対の金属板５の積層方向の両側から摩擦撹拌接合を行っている。摩擦撹拌接合装置１は、摩擦撹拌工具１０と、第１押圧回転機構１１と、第２押圧回転機構１２と、制御部２０とを備えている。なお、摩擦撹拌接合装置１は、一対の金属板５の位置を固定した状態で、摩擦撹拌工具１０を移動させながら、摩擦撹拌接合を行ってもよいし、摩擦撹拌工具１０の位置を固定した状態で、一対の金属板５を移動させながら、摩擦撹拌接合を行ってもよい。

摩擦撹拌工具１０は、いわゆるボビンツールと呼ばれる工具であり、第１回転ツール２１と第２回転ツール２２とを有している。第１回転ツール２１は、一対の金属板５を挟んで、積層方向の一方側（表面側：図１の上側）に配置されている。第１回転ツール２１は、第１回転軸Ｉ１を中心に回転すると共に、一方側の金属板５の表面に押圧される。第２回転ツール２２は、一対の金属板５を挟んで、積層方向の他方側（裏面側：図１の下側）に配置されている。第２回転ツール２２は、第２回転軸Ｉ２を中心に回転すると共に、他方側の金属板５の裏面に押圧される。そして、第１回転ツール２１と第２回転ツール２２とは、積層方向において対向するように配置され、第１回転ツール２１及び第２回転ツール２２の回転方向は、相互に逆方向となっている。また、第１回転ツール２１の第１回転軸Ｉ１と第２回転ツール２２の第２回転軸Ｉ２とは、同軸となっている。このため、第１回転軸Ｉ１及び第２回転軸Ｉ２は、一方の金属板５の表面及び他方の金属板５の裏面に対して、それぞれ直交している。

なお、実施例１では、第１回転ツール２１及び第２回転ツール２２の回転方向が、相互に逆方向となるようにしたが、この構成に限定されない。第１回転ツール２１及び第２回転ツール２２は、摩擦撹拌接合に適していれば、相互に同じ回転方向であってもよく、また、いずれの回転速度であってもよい。

第１回転ツール２１は、第１ツール本体３１を有している。第１ツール本体３１は、一方の金属板５の表面に接触可能に設けられている。この第１ツール本体３１は、第２回転ツール２２の後述するシャフト４３が挿通されるシャフト挿通穴３３が形成されている。シャフト挿通穴３３は、第１回転軸Ｉ１と同軸上に形成され、中空円柱状に形成されている。また、第１ツール本体３１は、第２回転ツール２２側となる先端側に、第１ショルダ部３５が形成されている。第１ショルダ部３５は、その先端側の面が、一方側の金属板５の表面と接する円環状の第１ショルダ面３５ａとなっている。第１回転ツール２１は、第１ショルダ部３５の第１ショルダ面３５ａを一方の金属板５の表面に接触させた状態で回転することで、一方の金属板５に対して摩擦による熱を与える。

ここで、第１ショルダ部３５は、図２から図４に示す形状となっており、実施例１では、いずれの形状であってもよい。第１ショルダ部３５は、第１ショルダ面３５ａから第１ツール本体３１側に溝形状の凹部３６が形成されている。この凹部３６は、第１ショルダ部３５と一方の金属板５とを擦ることで軟化した金属材が、第１ショルダ部３５の中心側へ向かうような形状となっている。

具体的に、図２に示す凹部３６は、１本で構成されており、１本の凹部３６は、第１ショルダ面３５ａにおいて、外側から内側に向かう渦巻状（スクロール形状）に配置されている。図３に示す凹部３６は、２本で構成されており、２本の凹部３６は、第１ショルダ面３５ａにおいて、１８０°位相が異なる位置に設けられ、外側から内側に向かう渦巻状に配置されている。図４に示す凹部３６は、複数本で構成されており、複数本の凹部３６は、第１ショルダ面３５ａの周方向に所定の間隔を空けて設けられると共に、外側から内側に向かって直線状に配置されている。

再び、図１を参照し、第２回転ツール２２は、第２ツール本体４１と、プローブ４２と、シャフト４３と、を有している。第２ツール本体４１は、他方の金属板５の裏面に接触可能に設けられている。第２ツール本体４１は、第１回転ツール２１側となる先端側に、第２ショルダ部４５が形成されている。第２ショルダ部４５は、第１ショルダ部３５と同様に構成されており、その先端側の面が、他方側の金属板５の裏面と接する円環状の第２ショルダ面４５ａとなっている。第２回転ツール２２は、第２ショルダ部４５の第２ショルダ面４５ａを他方の金属板５の裏面に接触させた状態で回転することで、他方の金属板５に対して摩擦による熱を与える。

なお、第２ショルダ部４５は、第１ショルダ部３５と同様の凹部３６が設けられており、凹部３６については、第１ショルダ部３５と同様であるため、説明を省略する。

このため、一対の金属板５は、第１ショルダ部３５と第２ショルダ部４５との間に挟み込まれ、この状態で、第１回転ツール２１及び第２回転ツール２２が回転することで、一対の金属板５の表裏両側から入熱が与えられる。

プローブ４２は、第２ツール本体４１の第２ショルダ面４５ａの中心から第１回転ツール２１側に突出して設けられている。プローブ４２は、第２回転軸Ｉ２と同軸上に設けられ、円柱状に形成されている。このプローブ４２は、第１ツール本体３１の第１ショルダ部３５と第２ツール本体４１の第２ショルダ部４５との間に設けられることから、第１ショルダ部３５と第２ショルダ部４５との間に挟み込まれた一対の金属板５の内部に位置することとなる。このプローブ４２は、第２ツール本体４１と一体となって回転するように、第２ツール本体４１に固定されている。また、プローブ４２の外周面には、軟化した金属材を撹拌するための撹拌溝４４が形成されている。

シャフト４３は、プローブ４２の第１ショルダ部３５側から第１回転ツール２１側に延びて設けられている。シャフト４３は、第１回転ツール２１のシャフト挿通穴３３に挿通される。このシャフト４３は、第２回転軸Ｉ２と同軸上に設けられ、円柱状に形成されている。

ここで、図１を参照して、プローブ４２の外周面に形成される撹拌溝４４について説明する。撹拌溝４４は、積層方向の一方側（表側）に形成される第１ねじ溝５１と、積層方向の他方側（裏側）に形成される第２ねじ溝５２とを有している。

第１ねじ溝５１は、撹拌した金属材を第１ショルダ部３５側から界面６に向かって流動させる溝となっている。第１ねじ溝５１は、一本のねじ溝で構成されていてもよいし、複数本のねじ溝で構成されていてもよい。第１ねじ溝５１によって形成される第１ねじ山５４は、その突出方向（径方向外側）の高さが、第２回転軸Ｉ２に沿って同じ高さとなっている。

第２ねじ溝５２は、撹拌した金属材を第２ショルダ部４５側から界面６に向かって流動させる溝となっており、第１ねじ溝５１の回転方向と逆方向となっている。第２ねじ溝５２は、第１ねじ溝５１と同様に、一本のねじ溝で構成されていてもよいし、複数本のねじ溝で構成されていてもよい。第２ねじ溝５２によって形成される第２ねじ山５５は、その突出方向（径方向外側）の高さが、第２回転軸Ｉ２に沿って同じ高さとなっている。

ここで、第２回転軸Ｉ２の軸方向において、第１ねじ溝５１と第２ねじ溝５２との境界５３は、一対の金属板５の界面６とほぼ同じ位置となるように、プローブ４２が形成されている。このため、回転するプローブ４２は、第１ねじ溝５１により撹拌された金属材を、一方の金属板５側から界面６を跨いで他方の金属板５側に流動させる。また、回転するプローブ４２は、第２ねじ溝５２により撹拌された金属材を、他方の金属板５側から界面６を跨いで一方の金属板５側に流動させる。

また、第１ねじ溝５１と第２ねじ溝５２とは、第２回転ツール２２の第２回転軸Ｉ２の周方向おいて、同じ位相となるように形成されている。なお、実施例１では、第１ねじ溝５１と第２ねじ溝５２とを、第２回転軸Ｉ２の周方向おいて同じ位相としたが、この構成に限定されない。例えば、第１ねじ溝５１及び第２ねじ溝５２が１本のねじ溝で構成される場合には、１８０°位相が異なる位置に形成してもよい。また、例えば、第１ねじ溝５１及び第２ねじ溝５２が２本のねじ溝で構成される場合には、９０°位相が異なる位置に形成してもよい。このとき、第１ねじ溝５１と第２ねじ溝５２とは、二つのねじ溝の対称性を維持した状態で異なる位相となるように形成されることが好ましい。

次に、図１を参照して、第１押圧回転機構１１及び第２押圧回転機構１２について説明する。第１押圧回転機構１１は、第１回転ツール２１の第１ツール本体３１に連結されており、制御部２０によって制御されている。第１押圧回転機構１１は、第１回転ツール２１の第１ツール本体３１を一方の金属板５へ向けて移動させると共に、第１回転ツール２１を回転させる。このため、第１押圧回転機構１１は、第１回転ツール２１の第１ショルダ部３５の第１ショルダ面３５ａを、一方の金属板５の表面に押し当てた状態で、第１回転ツール２１を回転させる。

第２押圧回転機構１２は、第２回転ツール２２のシャフト４３に連結されており、制御部２０によって制御されている。第２押圧回転機構１２は、第２回転ツール２２の第２ツール本体４１を他方の金属板５へ向けて移動させると共に、第２回転ツール２２を回転させる。このため、第２押圧回転機構１２は、第２回転ツール２２の第２ショルダ部４５の第２ショルダ面４５ａを、他方の金属板５の裏面に押し当てた状態で、第２回転ツール２２を回転させる。

制御部２０は、第１押圧回転機構１１及び第２押圧回転機構１２が接続され、これらをそれぞれ制御する。具体的に、制御部２０は、第１押圧回転機構１１及び第２押圧回転機構１２を制御して、第１回転ツール２１と第２回転ツール２２との間に挟まれる一対の金属板５に対する荷重が所定の荷重となるように、第１回転ツール２１及び第２回転ツール２２を一対の金属板５へ向けて移動させる。また、制御部２０は、第１押圧回転機構１１及び第２押圧回転機構１２を制御して、第１回転ツール２１及び第２回転ツール２２の回転方向が相互に逆方向となるように、また、所定の回転速度となるように、第１回転ツール２１及び第２回転ツール２２を回転制御する。

次に、図１を参照して、上記の摩擦撹拌接合装置１を用いた摩擦撹拌接合方法について説明する。摩擦撹拌接合を行う場合、制御部２０は、第１押圧回転機構１１及び第２押圧回転機構１２を制御して、一対の金属板５を、第１回転ツール２１及び第２回転ツール２２により挟み込み、第１回転ツール２１及び第２回転ツール２２を回転させる。この後、制御部２０は、第１回転ツール２１及び第２回転ツール２２から一対の金属板５に対して与えられる荷重が所定の荷重となるように、第１押圧回転機構１１及び第２押圧回転機構１２を制御する。そして、制御部２０は、接合開始点から接合終了点まで、一対の金属材５または第１回転ツール２１及び第２回転ツール２２を移動させて、摩擦撹拌接合を行う。これにより、上記の摩擦撹拌接合装置１を用いて摩擦撹拌接合が行われた一対の金属材５は、界面６において接合された接合材とすることができる。

以上のように、実施例１の構成によれば、第１回転ツール２１及び第２回転ツール２２を回転させることで、第１ショルダ部３５及び第２ショルダ部４５によって一対の金属板５の表裏両側に入熱を行いながら、入熱（摩擦熱）により軟化した金属材をプローブ４２により撹拌することができる。このとき、回転するプローブ４２の第１ねじ溝５１により撹拌した金属材を、第１ショルダ部３５側から界面６に向かって流動させることができ、また、回転するプローブ４２の第２ねじ溝５２により撹拌した金属材を、第２ショルダ部４５側から界面６に向かって流動させることができる。これにより、第１ねじ溝５１及び第２ねじ溝５２によって流動する金属材は、界面６を跨いで流動するため、界面６における接合強度を強固にすることができ、界面破断等の接合不良を抑制することができる。

また、実施例１の構成によれば、プローブ４２の一方側に第１ねじ溝５１を形成し、プローブ４２の他方側に第２ねじ溝５２を形成することで、簡易に撹拌溝４４を構成することができる。なお、第１ねじ溝５１及び第２ねじ溝５２を、複数本とすることで、撹拌による金属材の流動を促進することができる。

なお、上記したように、第１ねじ溝５１と第２ねじ溝５２とが１本のねじ溝で構成される場合、１８０°位相を異ならせることで、１８０°位相が異なる位置において、金属材の流動を発生させることができるため、界面６における金属材の撹拌性を向上させることができる。なお、第１ねじ溝５１と第２ねじ溝５２とが２本のねじ溝で構成される場合、９０°位相を異ならせれば、上記と同様に、界面６における金属材の撹拌性を向上させることができる。このとき、第１ねじ溝５１と第２ねじ溝５２とを、プローブ４２の第２回転軸Ｉ２に対し対称性を維持した状態で異なる位相となるように形成することで、プローブ４２の回転バランスをとることができる。

また、実施例１の構成によれば、第１回転ツール２１の回転方向を、第２回転ツール２２の回転方向と逆方向にすることができる。このため、第１ショルダ部３５の回転によって形成される金属材の流動と、第２ショルダ部４５の回転によって形成される金属材の流動とによって、界面６において流動する金属材に対しせん断力を発生させることができる。このため、界面６における金属材の撹拌性を向上させることができる。さらには、接合を阻害する酸化被膜等の界面６の被膜を破壊することができる。

次に、図５Ａを参照して、実施例２に係る摩擦撹拌接合装置１００について説明する。図５Ａは、実施例２に係る摩擦撹拌接合装置の摩擦撹拌工具を模式的に表した概略構成図である。なお、実施例２では、重複した記載を避けるべく、実施例１と異なる部分について説明すると共に、実施例１と同様の構成である部分については、同じ符号を付す。実施例２に係る摩擦撹拌接合装置１００は、摩擦撹拌工具１０のプローブ４２に形成される第１ねじ溝５１及び第２ねじ溝５２の形状が、実施例１の形状と異なっている。以下、実施例２に係る摩擦撹拌接合装置１００について説明する。

図５Ａに示すように、実施例２に係る摩擦撹拌接合装置１００において、摩擦撹拌工具１０の第２回転ツール２２のプローブ４２は、第１ねじ溝５１の第１ねじ山５４及び第２ねじ溝５２の第２ねじ山５５が、境界５３に向かって高くなっている。つまり、第１ねじ山５４の突出方向（径方向の外側に突出する方向）における高さは、第２回転軸Ｉ２の軸方向に沿って、第１ショルダ部３５から境界５３に向かうにつれて高くなるテーパ形状となっている。また、第２ねじ山５５の突出方向における高さは、第２ショルダ部４５から境界５３に向かうにつれて高くなるテーパ形状となっている。

具体的に、テーパ形状となる第１ねじ山５４は、実施例１に示す形状、すなわち、第２回転軸Ｉ２の軸方向に沿って同じ高さとなる第１ねじ山５４に対し、テーパ加工を行って第１ねじ山５４の頂部を切り欠くことで、実施例２に示す形状とする。第２ねじ山５５も、第１ねじ山５４と同様に加工する。

以上のように、実施例２の構成によれば、第１ショルダ部３５側の第１ねじ山５４を低くし、境界５３側の第１ねじ山５４を高くすることができる。このため、回転するプローブ４２に形成される第１ねじ溝５１は、第１ショルダ部３５側から界面６へ向かう金属材の流動量を減少させることができる。また、第２ショルダ部４５側の第２ねじ山５５を低くし、境界５３側の第２ねじ山５５を高くすることができる。このため、回転するプローブ４２に形成される第２ねじ溝５２は、第２ショルダ部４５側から界面６へ向かう金属材の流動量を減少させることができる。このため、界面６への金属材の過剰な流動によって発生する撹拌域の幅方向の過度な広がりを抑制することができることから、金属材が接合不良部を形成することなく、界面６において金属材を好適に撹拌することができる。

なお、実施例２では、第２回転軸Ｉ２の軸方向に沿って同じ高さとなる第１ねじ山５４に対し、第１ねじ山５４の頂部を切り欠くテーパ加工を行うことで、テーパ形状となる第１ねじ山５４を形成した。しかしながら、このテーパ加工に限定されず、第１ねじ山５４及び第２ねじ山５５は、第１ねじ溝５１及び第２ねじ溝５２の加工時において、境界５３に向かって第１ねじ山５４及び第２ねじ山５５が高くなるように形成してもよく、例えば、図５Ｂに示す変形例１、または図５Ｃに示す変形例２の構成としてもよい。変形例１では、第２回転ツール２２の加工前のプローブ４２の直径が、境界５３に向かって大きくなるテーパ形状となっており、この加工前のテーパ形状のプローブ４２に対し、同じ高さのねじ山５３，５４となるように第１ねじ溝５１及び第２ねじ溝５２を形成することで、第１ねじ山５４及び第２ねじ山５５が境界５３に向かって高くなるように形成している。また、変形例２では、第２回転ツール２２の加工前のプローブ４２の直径が、軸方向において同じ径となる円柱形状っており、この加工前の円柱形状のプローブ４２に対し、境界５３に向かって溝が深くなるように第１ねじ溝５１及び第２ねじ溝５２を形成することで、第１ねじ山５４及び第２ねじ山５５が境界５３に向かって高くなるように形成している。

次に、図６Ａから図６Ｃを参照して、実施例３に係る摩擦撹拌接合装置１１０について説明する。図６Ａは、実施例３に係る摩擦撹拌接合装置の摩擦撹拌工具を模式的に表した概略構成図である。図６Ｂは、摩擦撹拌工具のプローブを軸方向に直交する面で切った一例の断面図である。図６Ｃは、摩擦撹拌工具のプローブを軸方向に直交する面で切った一例の断面図である。なお、実施例３でも、重複した記載を避けるべく、実施例１及び２と異なる部分について説明すると共に、実施例１及び２と同様の構成である部分については、同じ符号を付す。実施例３に係る摩擦撹拌接合装置１１０は、実施例１の第１ねじ溝５１及び第２ねじ溝５２に対し、平坦面が形成される構成となっている。以下、実施例３に係る摩擦撹拌接合装置１１０について説明する。

図６Ａに示すように、実施例３に係る摩擦撹拌接合装置１１０において、摩擦撹拌工具１０の第２回転ツール２２のプローブ４２に形成される第１ねじ溝５１及び第２ねじ溝５２には、平坦面１１１が形成されている。この平坦面１１１は、第２回転軸Ｉ２の軸方向に沿って接線方向に切った面となっている。平坦面１１１は、プローブ４２の周方向に１つ形成してもよいし、所定の間隔を空けて複数形成してもよい。

なお、平坦面１１１は、実施例１に示す形状、すなわち、第２回転軸Ｉ２の軸方向に沿って同じ高さとなる第１ねじ山５４及び第２ねじ山５５に対し、フラット加工を行って第１ねじ山５４及び第２ねじ山５５の頂部を切り欠くことで、実施例３に示す形状とする。

ここで、平坦面１１１は、図６Ｂに示すように、周方向に２つ形成してもよい。２つの平坦面１１１は、プローブ４２の第２回転軸Ｉ２に対して対称性を有するように配置されている。つまり、２つの平坦面１１１は、プローブ４２の第２回転軸Ｉ２を中心にして、１８０°位相を異ならせた位置となっている。また、平坦面１１１は、図６Ｃに示すように、周方向に４つ形成してもよい。４つの平坦面１１１は、プローブ４２の第２回転軸Ｉ２に対して対称性を有するように配置されている。つまり、４つの平坦面１１１は、プローブ４２の第２回転軸Ｉ２を中心にして、９０°位相を異ならせた位置となっている。

以上のように、実施例３の構成によれば、第１ねじ溝５１及び第２ねじ溝５２に平坦面１１１を形成することで、界面６において金属材の過剰な流動によって発生する撹拌域の幅方向の過度な広がりを抑制することができることから、金属材が接合不良部を形成することなく、界面６において金属材を好適に撹拌することができる。

また、実施例３では、複数の平坦面１１１を、プローブ４２の第２回転軸Ｉ２に対して対称性を有するように配置することができるため、プローブ４２の回転バランスをとることができる。

次に、図７を参照して、実施例４に係る摩擦撹拌接合装置１２０について説明する。図７は、実施例４に係る摩擦撹拌接合装置の摩擦撹拌工具を模式的に表した概略構成図である。なお、実施例４でも、重複した記載を避けるべく、実施例１から３と異なる部分について説明すると共に、実施例１から３と同様の構成である部分については、同じ符号を付す。実施例４に係る摩擦撹拌接合装置１２０は、実施例１の第１ねじ溝５１及び第２ねじ溝５２を境界５３周りにのみ設けた構成となっている。以下、実施例４に係る摩擦撹拌接合装置１２０について説明する。

図７に示すように、実施例４に係る摩擦撹拌接合装置１２０において、摩擦撹拌工具１０の第２回転ツール２２のプローブ４２に形成される第１ねじ溝５１は、第２回転軸Ｉ２の軸方向において、第１ショルダ部３５と境界５３との間の所定の部位から、境界５３まで設けられている。このため、プローブ４２は、第１ショルダ部３５から第１ショルダ部３５と境界５３との間の所定の部位までの間が、第１ねじ溝５１が形成されない滑らかな外周面１２１となる。また、第２ねじ溝５２は、第２回転軸Ｉ２の軸方向において、第２ショルダ部４５と境界５３との間の所定の部位から、境界５３まで設けられている。このため、プローブ４２は、第２ショルダ部４５から第２ショルダ部４５と境界５３との間の所定の部位までの間が、第２ねじ溝５２が形成されない滑らかな外周面１２２となる。

以上から、プローブ４２には、第１ショルダ部３５から所定の部位までの間の外周面１２１と、所定の部位から境界５３までの間の第１ねじ溝５１と、第２ショルダ部４５から所定の部位までの間の外周面１２２と、所定の部位から境界５３までの間の第２ねじ溝５２と、が形成される。

以上のように、実施例４の構成によれば、第１ショルダ部３５から所定の部位までの間に、第１ねじ溝５１が形成されないため、第１ショルダ部３５側から界面６へ向かう金属材の流動量を減少させることができる。また、第２ショルダ部４５から所定の部位までの間に、第２ねじ溝５２が形成されないため、第２ショルダ部４５側から界面６へ向かう金属材の流動量を減少させることができる。このため、界面６への金属材の過剰な流動によって発生する撹拌域の幅方向の過度な広がりを抑制することができることから、金属材が接合不良部を形成することなく、界面６において金属材を好適に撹拌することができる。

次に、図８を参照して、実施例５に係る摩擦撹拌接合装置１３０について説明する。図８は、実施例５に係る摩擦撹拌接合装置の摩擦撹拌工具を模式的に表した概略構成図である。なお、実施例５でも、重複した記載を避けるべく、実施例１から４と異なる部分について説明すると共に、実施例１から４と同様の構成である部分については、同じ符号を付す。実施例５に係る摩擦撹拌接合装置１３０は、実施例１の第１ねじ溝５１の一部及び第２ねじ溝５２の一部が境界５３を超えて形成される構成となっている。以下、実施例５に係る摩擦撹拌接合装置１３０について説明する。

図８に示すように、実施例５に係る摩擦撹拌接合装置１３０において、摩擦撹拌工具１０の第２回転ツール２２のプローブ４２に形成される第１ねじ溝５１及び第２ねじ溝５２は、境界５３におけるプローブ４２の周方向において、重複（オーバーラップ）した状態となっている。具体的に、第２回転軸Ｉ２の軸方向において、第１ねじ溝５１の一部は、境界５３を超えて第２ねじ溝５２側に形成される一方で、第１ねじ溝５１の他の一部は、境界５３を超えて形成される第２ねじ溝５２を許容すべく、境界５３よりも第１ショルダ部３５側に形成されている。また、第２回転軸Ｉ２の軸方向において、第２ねじ溝５２の一部は、境界５３を超えて第１ねじ溝５１側に形成される一方で、第２ねじ溝５２の他の一部は、境界５３を超えて形成される第１ねじ溝５１を許容すべく、境界５３よりも第２ショルダ部４５側に形成されている。

実施例５の構成によれば、第１ねじ溝５１及び第２ねじ溝５２を、境界５３におけるプローブ４２の周方向において、重複（オーバーラップ）させることができるため、第１ねじ溝５１及び第２ねじ溝５２によって、界面６を跨いで金属材を流動させ易くでき、界面６における金属材の撹拌性を向上させることができる。

比較例

ここで、図９から図１１を参照して、上記した実施例１から３における界面６の強度と、下記する比較例１及び比較例２における界面の強度との比較について説明する。図９は、比較例１に係る摩擦撹拌接合装置の摩擦撹拌工具を模式的に表した概略構成図である。図１０は、比較例２に係る摩擦撹拌接合装置の摩擦撹拌工具を模式的に表した概略構成図である。図１１は、接合材の界面における強度を比較した表である。なお、比較例１及び比較例２でも、重複した記載を避けるべく、実施例１から５と異なる部分について説明すると共に、実施例１から５と同様の構成である部分については、同じ符号を付す。

図９に示すように、比較例１の摩擦撹拌接合装置１４０の摩擦撹拌工具１０において、第２回転ツール２２のプローブ４２の外周面には、周方向に沿って形成される円環状のリング溝が、第２回転軸Ｉ２の軸方向に所定ピッチで複数形成されている。

また、図１０に示すように、比較例２の摩擦撹拌接合装置１５０の摩擦撹拌工具１０において、第２回転ツール２２のプローブ４２の外周面には、実施例１の第１ねじ溝５１及び第２ねじ溝５２を、境界５３周り以外に設けた構成となっている。つまり、比較例２は、実施例４と逆の構成となっており、プローブ４２には、第１ショルダ部３５から所定の部位までの間の第１ねじ溝５１と、第２ショルダ部４５から所定の部位までの間の第２ねじ溝５２と、第１ショルダ部３５側の所定の部位から境界５３を挟んで第２ショルダ部４５側の所定の部位までの滑らかな外周面１５１と、が形成される。

ここで、図１１の表に示すように、摩擦撹拌接合された接合材である一対の金属板５の界面６の強度は、一方の金属板５と他方の金属板５とを引っ張ったときの引張強度で評価されている。実施例１の引張強度を、Ｎｓ１とし、実施例２の引張強度を、Ｎｓ２とし、実施例３の引張強度を、Ｎｓ３とする。また、比較例１の引張強度を、Ｎｗ１とし、比較例２の引張強度を、Ｎｗ２とする。

このとき、比較例１の引張強度Ｎｗ１が最も弱く、比較例２の引張強度Ｎｗ２が比較例１の引張強度Ｎｗ１よりも大きくなることが確認された。しかしながら、比較例１及び比較例２において、一方の金属板５と他方の金属板５とを引っ張ったときの破断は、界面６で発生することが確認された。

一方で、実施例１の引張強度Ｎｓ１は、比較例２の引張強度Ｎｗ２よりも大きくなることが確認された。また、実施例２の引張強度Ｎｓ２は最も強く、実施例３の引張強度Ｎｓ３よりも大きくなることが確認された。実施例３の引張強度Ｎｓ３は、実施例１の引張強度Ｎｓ１よりも大きくなることが確認された。そして、実施例１から実施例３において、一方の金属板５と他方の金属板５とを引っ張ったときの破断は、界面６以外で発生することが確認された。

以上から、引張強度は、強いほうから順に、引張強度Ｎｓ２、引張強度Ｎｓ３、引張強度Ｎｓ１、引張強度Ｎｗ２、引張強度Ｎｗ１となっている。

次に、図１２を参照して、実施例６に係る摩擦撹拌接合装置２００について説明する。図１２は、実施例６に係る摩擦撹拌接合装置の摩擦撹拌工具を模式的に表した概略構成図である。なお、実施例６でも、重複した記載を避けるべく、実施例１から５と異なる部分について説明すると共に、実施例１から５と同様の構成である部分については、同じ符号を付す。実施例６に係る摩擦撹拌接合装置２００は、一対の金属板５の厚さが異なる厚さとなっている。以下、実施例６に係る摩擦撹拌接合装置２００について説明する。

図１２に示すように、一対の金属板５は、一方（図１２の上方）の金属板５が積層方向において薄く、他方（図１２の下方）の金属板５が積層方向において厚くなっている。このとき、実施例６に係る摩擦撹拌接合装置２００において、摩擦撹拌工具１０の第２回転ツール２２のプローブ４２に形成される第１ねじ溝５１及び第２ねじ溝５２は、その境界５３が、一対の金属板５の界面６とほぼ同じ位置となるように、プローブ４２が形成されている。このため、第２回転軸Ｉ２の軸方向において、第１ねじ溝５１の長さは短く、第２ねじ溝５２の長さは長くなっている。

実施例６の構成によれば、回転するプローブ４２の第１ねじ溝５１により撹拌した金属材を、第１ショルダ部３５側から界面６に向かって流動させることができ、また、回転するプローブ４２の第２ねじ溝５２により撹拌した金属材を、第２ショルダ部４５側から界面６に向かって流動させることができる。これにより、一対の金属板５の厚さが異なる場合であっても、第１ねじ溝５１及び第２ねじ溝５２によって流動する金属材は、界面６を跨いで流動するため、界面６における接合強度を強固にすることができ、界面破断等の接合不良を抑制することができる。

次に、図１３を参照して、実施例７に係る摩擦撹拌接合装置２１０について説明する。図１３は、実施例７に係る摩擦撹拌接合装置の摩擦撹拌工具を模式的に表した概略構成図である。なお、実施例７でも、重複した記載を避けるべく、実施例１から６と異なる部分について説明すると共に、実施例１から６と同様の構成である部分については、同じ符号を付す。実施例７に係る摩擦撹拌接合装置２１０は、一対の金属板５の厚さが異なる厚さとなっており、摩擦撹拌工具１０のプローブ４２に形成される第１ねじ溝５１及び第２ねじ溝５２の形状が、実施例６の形状と異なっている。以下、実施例７に係る摩擦撹拌接合装置２１０について説明する。なお、実施例６と同様に、一対の金属板５は、一方（図１３の上方）の金属板５が積層方向において薄く、他方（図１３の下方）の金属板５が積層方向において厚くなっている。

図１３に示すように、実施例７に係る摩擦撹拌接合装置２１０において、摩擦撹拌工具１０の第２回転ツール２２のプローブ４２に形成される第１ねじ溝５１は、第２回転軸Ｉ２の軸方向において、第１ショルダ部３５から境界５３まで設けられている。また、第２ねじ溝５２は、第２回転軸Ｉ２の軸方向において、第２ショルダ部４５と境界５３との間の所定の部位から、境界５３まで設けられている。このとき、第１ねじ溝５１と第２ねじ溝５２との第２回転軸Ｉ２の軸方向における長さは同じ長さとなっている。このため、プローブ４２は、第２ショルダ部４５から第２ショルダ部４５と境界５３との間の所定の部位までの間が、第２ねじ溝５２が形成されない滑らかな外周面２１１となる。

以上から、プローブ４２には、第１ショルダ部３５から境界５３までの間の第１ねじ溝５１と、第２ショルダ部４５から所定の部位までの間の外周面２１１と、所定の部位から境界５３までの間の第２ねじ溝５２と、が形成される。

以上のように、実施例７の構成によれば、第２ショルダ部４５から所定の部位までの間に、第２ねじ溝５２が形成されないため、第２ショルダ部４５側から界面５３へ向かう金属材の流動量を減少させることができる。このため、界面６への金属材の過剰な流動によって発生する撹拌域の幅方向の過度な広がりを抑制することができることから、金属材が接合不良部を形成することなく、界面６において金属材を好適に撹拌することができる。

次に、図１４を参照して、実施例８に係る摩擦撹拌接合装置２２０について説明する。図１４は、実施例８に係る摩擦撹拌接合装置の摩擦撹拌工具を模式的に表した概略構成図である。なお、実施例８でも、重複した記載を避けるべく、実施例１から７と異なる部分について説明すると共に、実施例１から７と同様の構成である部分については、同じ符号を付す。実施例８に係る摩擦撹拌接合装置２２０は、一対の金属板５の厚さが異なる厚さとなっており、第１回転ツール２１の回転速度と第２回転ツール２２の回転速度とが異なっている。以下、実施例８に係る摩擦撹拌接合装置２２０について説明する。なお、実施例６及び７と同様に、一対の金属板５は、一方（図１４の上方）の金属板５が積層方向において薄く、他方（図１４の下方）の金属板５が積層方向において厚くなっている。

図１４に示すように、実施例８に係る摩擦撹拌接合装置２２０において、摩擦撹拌工具１０の第２回転ツール２２のプローブ４２に形成される第１ねじ溝５１及び第２ねじ溝５２は、実施例６と同様の構成となっている。このため、摩擦撹拌工具１０の説明については省略する。

制御部２０は、厚さが厚い金属板５に接する回転ツールの回転速度を速くし、厚さが薄い金属板５に接する回転ツールの回転速度を遅くする。つまり、図１４では、制御部２０は、第１回転ツール２１の回転速度を遅くし、第２回転ツール２２の回転速度を速くする。

以上のように、実施例８の構成によれば、制御部２０は、厚さが厚い金属板５に接するショルダ部３５，４５の回転速度を速くすることができるため、厚さが厚い金属板５に対する入熱量を多くすることができる一方で、厚さが薄い金属板５に対する入熱量を少なくすることができる。このため、二つの金属板５の界面６付近の温度分布をそろえることができるため、界面６近傍における二つのショルダ部３５，４５から中央に集まる金属材の流動性を同じ状態にすることが可能であり、一対の金属板５の厚さが異なる場合であっても、界面６を跨いで金属材を、バランスを取りながら流動させることができる。なお、実施例８の構成は、実施例７の摩擦撹拌工具１０に適用してもよい。

なお、実施例８のプローブ４２の撹拌溝４４は、実施例６及び実施例７に限定されず、界面６を跨いで金属材を流動させる撹拌溝４４であれば、いずれであってもよい。

次に、図１５を参照して、実施例９に係る摩擦撹拌接合装置２３０について説明する。図１５は、実施例９に係る摩擦撹拌接合装置の摩擦撹拌工具を模式的に表した概略構成図である。なお、実施例９でも、重複した記載を避けるべく、実施例１から８と異なる部分について説明すると共に、実施例１から８と同様の構成である部分については、同じ符号を付す。実施例９に係る摩擦撹拌接合装置２３０は、一対の金属板５の厚さが異なる厚さとなっており、第１ショルダ部３５の直径と第２ショルダ部４５の直径とが異なっている。以下、実施例９に係る摩擦撹拌接合装置２３０について説明する。なお、実施例６から８と同様に、一対の金属板５は、一方（図１５の上方）の金属板５が積層方向において薄く、他方（図１５の下方）の金属板５が積層方向において厚くなっている。

図１５に示すように、実施例９に係る摩擦撹拌接合装置２３０において、摩擦撹拌工具１０の第２回転ツール２２の第２ショルダ部４５の直径Ｒ２は、第１回転ツール２１の第１ショルダ部３５の直径Ｒ１に比べて大径となっている。つまり、厚さが厚い金属板５に接する回転ツール２１，２２のショルダ部３５，４５の直径を大きくし、厚さが薄い金属板５に接する回転ツール２１，２２のショルダ部３５，４５の直径を小さくする。

以上のように、実施例９の構成によれば、厚さが厚い金属板５に接するショルダ部３５，４５の直径を大きくすることができるため、厚さが厚い金属板５に対する入熱量を多くすることができる一方で、厚さが薄い金属板５に対する入熱量を少なくすることができる。このため、二つの金属板５の界面６付近の温度分布をそろえることができるため、界面６近傍における二つのショルダ部３５，４５から中央に集まる金属材の流動性を同じ状態にすることが可能であり、一対の金属板５の厚さが異なる場合であっても、界面６を跨いで金属材を、バランスを取りながら流動させることができる。なお、実施例９のプローブ４２の撹拌溝４４は、実施例６及び実施例７のいずれの形状であってもよい。また、実施例９のプローブ４２の撹拌溝４４は、実施例６及び実施例７に限定されず、界面６を跨いで金属材を流動させる撹拌溝４４であれば、いずれであってもよい。

なお、実施例９の構成に、実施例８の構成を組み合わせてもよい。すなわち、厚さが厚い金属板５に接する回転ツール２１，２２のショルダ部３５，４５の直径を大きくし、厚さが薄い金属板５に接する回転ツール２１，２２のショルダ部３５，４５の直径を小さくすると共に、厚さが厚い金属板５に接する回転ツール２１，２２の回転速度を速くし、厚さが薄い金属板５に接する回転ツール２１，２２の回転速度を遅くする構成であってもよい。

また、実施例１から９の摩擦撹拌接合装置１，１００，１１０，１２０，１３０，２００，２１０，２２０，２３０は、適宜組み合わせた構成としてもよい。

１ 摩擦撹拌接合装置
５ 金属板
６ 界面
１０ 摩擦撹拌工具
１１ 第１押圧回転機構
１２ 第２押圧回転機構
２０ 制御部
２１ 第１回転ツール
２２ 第２回転ツール
３１ 第１ツール本体
３３ シャフト挿通穴
３５ 第１ショルダ部
４１ 第２ツール本体
４２ プローブ
４３ シャフト
４４ 撹拌溝
４５ 第２ショルダ部
５１ 第１ねじ溝
５２ 第２ねじ溝
５３ 境界
５４ 第１ねじ山
５５ 第２ねじ山
１００ 摩擦撹拌接合装置（実施例２）
１１０ 摩擦撹拌接合装置（実施例３）
１２０ 摩擦撹拌接合装置（実施例４）
１３０ 摩擦撹拌接合装置（実施例５）
１４０ 摩擦撹拌接合装置（比較例１）
１５０ 摩擦撹拌接合装置（比較例２）
２００ 摩擦撹拌接合装置（実施例６）
２１０ 摩擦撹拌接合装置（実施例７）
２２０ 摩擦撹拌接合装置（実施例８）
２３０ 摩擦撹拌接合装置（実施例９）

Claims (14)

1. 一方の金属材と他方の金属材とを積層することで界面が形成される一対の金属材に対し、積層方向の一方側に配置される第１回転ツールと、
   一対の前記金属材を挟んで前記第１回転ツールの反対側となる他方側に配置され、前記第１回転ツールに対向して設けられる第２回転ツールと、を備え、
   前記第１回転ツールは、
   一対の前記金属材の一方側の面と接する第１ショルダ部を有する第１ツール本体を、有し、
   前記第２回転ツールは、
   一対の前記金属材の他方側の面と接する第２ショルダ部を有する第２ツール本体と、
   前記第２ツール本体から前記第１回転ツールに向かって突出し、前記第２ツール本体と前記第１ツール本体との間に設けられ、前記第１ショルダ部と前記第２ショルダ部との間に挟まれた一対の前記金属材を撹拌するプローブとを有し、
   前記プローブは、
   前記積層方向の一方側の前記金属材と接する接触面に形成され、撹拌した前記金属材を前記界面に向かって流動させる第１撹拌溝と、
   前記積層方向の他方側の前記接触面に形成され、撹拌した前記金属材を前記界面に向かって流動させる第２撹拌溝と、を含み、
   前記プローブは、前記第１撹拌溝と前記第２撹拌溝との境界が、前記界面に位置するように形成されることを特徴とする摩擦撹拌工具。
2. 前記第１撹拌溝は、１本以上の第１ねじ溝で構成され、
   前記第２撹拌溝は、前記第１ねじ溝の回転方向と逆方向となる１本以上の第２ねじ溝で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の摩擦撹拌工具。
3. 前記第１ねじ溝によって形成される第１ねじ山の高さは、前記第１ショルダ部から前記境界に向かうにつれて高くなり、
   前記第２ねじ溝によって形成される第２ねじ山の高さは、前記第２ショルダ部から前記境界に向かうにつれて高くなることを特徴とする請求項２に記載の摩擦撹拌工具。
4. 前記第１ねじ溝は、前記第１ショルダ部と前記境界との間の所定の部位から、前記境界まで設けられ、
   前記第２ねじ溝は、前記第２ショルダ部と前記境界との間の所定の部位から、前記境界まで設けられていることを特徴とする請求項２または３に記載の摩擦撹拌工具。
5. 前記第１ねじ溝及び前記第２ねじ溝には、平坦面が形成されていることを特徴とする請求項２から４のいずれか１項に記載の摩擦撹拌工具。
6. 前記第１ねじ溝と前記第２ねじ溝とは、前記第２回転ツールの回転軸の周方向おいて、異なる位相となるように形成されていることを特徴とする請求項２から５のいずれか１項に記載の摩擦撹拌工具。
7. 前記第１ねじ溝の一部は、前記境界を超えて前記第２ねじ溝側に形成され、
   前記第２ねじ溝の一部は、前記境界を超えて前記第１ねじ溝側に形成されていることを特徴とする請求項２または６のいずれか１項に記載の摩擦撹拌工具。
8. 前記第１回転ツールの回転方向は、前記第２回転ツールの回転方向と逆方向となっていることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の摩擦撹拌工具。
9. 一対の前記金属材のうち、他方の前記金属材の前記積層方向における厚さが、一方の前記金属材の前記積層方向における厚さに比して厚くなる場合、
   前記第２回転ツールの回転軸に直交する前記第２ショルダ部の直径は、前記第１回転ツールの回転軸に直交する前記第１ショルダ部の直径に比して大径となり、
   一対の前記金属材のうち、一方の前記金属材の前記積層方向における厚さが、他方の前記金属材の前記積層方向における厚さに比して厚くなる場合、
   前記第１回転ツールの回転軸に直交する前記第１ショルダ部の直径は、前記第２回転ツールの回転軸に直交する前記第２ショルダ部の直径に比して大径となることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の摩擦撹拌工具。
10. 請求項１から９のいずれか１項に記載の摩擦撹拌工具と、
    前記摩擦撹拌工具の前記第１回転ツールの前記第１ショルダ部を一方の前記金属材の一方側の面に押し当てた状態で、前記第１回転ツールを回転させる第１押圧回転機構と、
    前記摩擦撹拌工具の前記第２回転ツールの前記第２ショルダ部を他方の前記金属材の他方側の面に押し当てた状態で、前記第２回転ツールを回転させる第２押圧回転機構と、
    前記第１押圧回転機構及び前記第２押圧回転機構を制御する制御部と、を備えることを特徴とする摩擦撹拌接合装置。
11. 前記制御部は、
    一対の前記金属材のうち、他方の前記金属材の前記積層方向における厚さが、一方の前記金属材の前記積層方向における厚さに比して厚くなる場合、前記第２回転ツールの回転速度が、前記第１回転ツールの回転速度に比して速くなるように制御し、
    一対の前記金属材のうち、一方の前記金属材の前記積層方向における厚さが、他方の前記金属材の前記積層方向における厚さに比して厚くなる場合、前記第１回転ツールの回転速度が、前記第２回転ツールの回転速度に比して速くなるように制御することを特徴とする請求項１０に記載の摩擦撹拌接合装置。
12. 一方の金属材と他方の金属材とを積層することで界面が形成される一対の金属材に対し、積層方向の一方側に配置される第１回転ツールと、一対の前記金属材を挟んで前記第１回転ツールの反対側となる他方側に配置され、前記第１回転ツールに対向して設けられる第２回転ツールと、を有する摩擦撹拌工具と、
    前記第１回転ツールを一方の前記金属材の一方側の面に押し当てた状態で、前記第１回転ツールを回転させる第１押圧回転機構と、
    前記第２回転ツールを他方の前記金属材の他方側の面に押し当てた状態で、前記第２回転ツールを回転させる第２押圧回転機構と、
    前記第１押圧回転機構及び前記第２押圧回転機構を制御する制御部と、を備え、
    前記第１回転ツールは、
    一方の前記金属材の一方側の面と接する第１ショルダ部を有する第１ツール本体を、有し、
    前記第２回転ツールは、
    他方の前記金属材の他方側の面と接する第２ショルダ部を有する第２ツール本体と、
    前記第２ツール本体から前記第１回転ツールに向かって突出し、前記第２ツール本体と前記第１ツール本体との間に設けられ、前記第１ショルダ部と前記第２ショルダ部との間に挟まれた一対の前記金属材を撹拌するプローブとを有し、
    前記プローブは、
    前記金属材と接する接触面に形成され、撹拌した前記金属材を前記界面を跨いで流動させる撹拌溝を含み、
    前記制御部は、
    一対の前記金属材のうち、他方の前記金属材の前記積層方向における厚さが、一方の前記金属材の前記積層方向における厚さに比して厚くなる場合、前記第２回転ツールの回転速度が、前記第１回転ツールの回転速度に比して速くなるように制御し、
    一対の前記金属材のうち、一方の前記金属材の前記積層方向における厚さが、他方の前記金属材の前記積層方向における厚さに比して厚くなる場合、前記第１回転ツールの回転速度が、前記第２回転ツールの回転速度に比して速くなるように制御することを特徴とする摩擦撹拌接合装置。
13. 請求項１から９のいずれか１項に記載の摩擦撹拌工具を用いて、一対の前記金属材を摩擦撹拌接合する摩擦撹拌接合方法であって、
    積層された一対の前記金属材に対し、前記第１回転ツール及び前記第２回転ツールを回転させることで、回転する前記第１ショルダ部により一方の前記金属材の一方側の面から摩擦による入熱を行うと共に、回転する前記第２ショルダ部により他方の前記金属材の他方側の面から摩擦による入熱を行い、回転する前記プローブの前記第１撹拌溝により撹拌した前記金属材を、前記第１ショルダ部側から前記界面に向かって流動させ、回転する前記プローブの前記第２撹拌溝により撹拌した前記金属材を、前記第２ショルダ部側から前記界面に向かって流動させることを特徴とする摩擦撹拌接合方法。
14. 請求項１３に記載の摩擦撹拌接合方法によって、一対の前記金属材が摩擦撹拌接合されることで形成されることを特徴とする接合材。

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