JP2017200702A - 摩擦撹拌接合用工具および摩擦撹拌接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】動作不良の発生が抑制された摩擦撹拌接合用工具および摩擦攪拌接合方法を提供する。【解決手段】摩擦攪拌接合用工具は、ショルダ１１と、プローブ１２と、筒状であり内径がショルダ１１の外径よりも大きく、内側にショルダ１１が挿入されたクランプ１３と、を備える。クランプ１３は、被接合部材の接合時において、被接合部材側の端面が被接合部材に当接した状態で被接合部材を押圧する。そして、クランプ１３を形成する材料の熱膨張係数は、ショルダ１１を形成する材料の熱膨張係数以下である。【選択図】図１

Description

本発明は、摩擦撹拌接合用工具および摩擦撹拌接合方法に関する。

自動車や鉄道車両、船舶、航空機等の輸送機器の製造では、アルミニウム合金から形成された被接合部材同士を接合する工程が行われる。この被接合部材同士を接合する工程では、抵抗スポット溶接法がよく採用されている。この接合方法では、被接合部材に電極棒で比較的高い圧力を加えつつ電極棒に大電流を流すことにより被接合部材同士の接触部分に抵抗熱を発生させる。そして、この抵抗熱により被接合部材同士の接触部分を溶解凝固させることにより被接合部材同士を接合する。ところが、この抵抗スポット溶接法の場合、電極棒が消耗品であるため、その分製造コストがかかってしまう。また、接合作業中に塵等が発生し易いため作業環境の悪化も懸念される。更に、入熱が比較的大きくなるため、接合時に生じる熱歪みが大きくなり易く、これに起因して製品の品質が低下する虞もある。

これに対して、抵抗スポット溶接法に比べて入熱が少なく、被接合部材に生じる熱歪みも小さくできる接合方法として、摩擦撹拌接合法が提案されている（例えば特許文献１乃至４参照）。ところが、特許文献１乃至４に記載された摩擦攪拌接合法では、被接合部材の接合部分の表面に凹みが形成されてしまい、被接合部材に塗装を施す際に凹みに塗料溜まりが生じたり外観が損なわれたりする虞があった。そこで、ショルダの外側に、プローブの被接合部材への没入により被接合部材の外へ排出される被接合部材の構成材料を保持するクランプを備える工具を用いた摩擦攪拌接合方法が提案されている（例えば特許文献５参照）。この摩擦攪拌接合方法では、接合中においてプローブの被接合部材により排出される材料を、ショルダを材料表面より上に引き上げ、クランプとショルダの空間に、被接合部材の外へ排出される構成材料を保持しておき、プローブを被接合部材から引き抜くときにクランプで保持された構成材料をプローブが引き抜かれた部分に埋め戻すことにより接合部分の表面に凹みが形成されることを抑制している。

ところが、特許文献５に記載の摩擦攪拌接合用工具では、被接合部材の接合中に、被接合部材の構成材料がショルダとクランプとの間に隙間に流入し、ショルダやクランプに凝着して摩擦攪拌接合用工具の損耗や動作不良が生じてしまう虞があった。そこで、ショルダとクランプの間の隙間の距離を、この隙間への材料の流入を効果的に抑制できる所定の範囲に設定した摩擦攪拌接合用工具が提案されている（例えば特許文献６参照）。

特開２００１−３１４９８３号公報 特開２００２−３３６９７７号公報 特開２０１０−０４６６７６号公報 特開２００７−０９０４３６号公報 特開２００１−２５９８６３号公報 特開２００６−２９７４３４号公報

しかしながら、ショルダとクランプとの間の隙間を極端に狭くすると、ショルダを被接合部材に押し付ける際、ショルダがクランプに引っ掛かってショルダの移動が妨げられ、ショルダを被接合部材に適切に押し付けられないといった動作不良が発生する虞がある。

本発明は、上記事由に鑑みてなされたものであり、動作不良の発生が抑制された摩擦撹拌接合用工具および摩擦攪拌接合方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る摩擦撹拌接合用工具は、
略円筒状であり、被接合部材の接合時において、筒軸方向における一端側のショルダ面が前記被接合部材に当接した状態で前記筒軸周りに回転するショルダと、
円柱状であり中心軸が前記ショルダの筒軸に一致するように前記ショルダの内側に挿入され、前記中心軸周りに回転可能であるとともに前記ショルダに対して前記筒軸方向の他端側へ移動可能なプローブと、
筒状であり内径が前記ショルダの外径よりも大きく、内側に前記ショルダが挿入され、前記被接合部材の接合時において、前記被接合部材側の端面が前記被接合部材に当接した状態で前記被接合部材を押圧するクランプと、を備え、
前記クランプを形成する第１材料の熱膨張係数は、前記ショルダを形成する第２材料の熱膨張係数以下である。

また、本発明に係る摩擦撹拌接合用工具は、
前記第１材料の熱膨張係数に対する前記第２材料の熱膨張係数の比率が、０．５以上１．０以下に設定されていてもよい。

また、本発明に係る摩擦撹拌接合用工具は、
前記ショルダが、前記ショルダの側面および前記ショルダ面の少なくとも一方に設けられた、少なくとも１つの第１溝を有する、ものであってもよい。

また、本発明に係る摩擦撹拌接合用工具は、
前記プローブが、前記一端側の端面に設けられた、少なくとも１つの第２溝を有する、ものであってもよい。

また、本発明に係る摩擦撹拌接合用工具は、
前記第１溝が、前記筒軸に直交する断面において、前記第１溝の深さをｄ、前記第１溝の幅をｗ、前記ショルダの包絡面の直径をＤｓ、前記プローブの直径Ｄｐ、前記第１溝の数をＮとすると、
０．１×（Ｄｓ−Ｄｐ）≦Ｎ×ｗ×ｄ≦１．５×（Ｄｓ−Ｄｐ） ・・・式（１）
０．０２×Ｄｓ≦ｄ≦０．２×Ｄｓ ・・・式（２）
０．０２×Ｄｓ≦ｗ≦０．２×Ｄｓ ・・・式（３）
の関係式を満たすように形成されている、ものであってもよい。

他の観点から見た本発明に係る摩擦攪拌接合方法は、
重ね合わされた複数の板状の被接合部材における重なり部の一部において複数の前記被接合部材同士を接合する摩擦撹拌接合方法であって、
前記被接合部材における前記重なり部の一部を囲繞する部位に、筒状のクランプの筒軸方向における一端側の端面を押し付ける工程と、
前記クランプの内側に挿入された略円筒状のショルダおよび前記ショルダの内側に挿入された円柱状のプローブをそれぞれ回転させながら、前記被接合部材に押し付けることにより、前記一部を摩擦熱により加熱して軟化部を形成するとともに前記軟化部を攪拌する工程と、
前記プローブを前記クランプの筒軸方向における他端側へ移動させることにより、前記ショルダが前記軟化部へ没入されることにより前記軟化部から排出される前記被接合部材を形成する構成材料を前記ショルダの内側へ流入させる工程と、
前記ショルダを前記クランプの前記他端側へ移動させるとともに前記プローブを前記クランプの前記一端側へ移動させることにより、前記ショルダの内側に流入した構成材料を前記軟化部へ埋め戻す工程と、を含む。

本発明によれば、クランプを形成する第１材料の熱膨張係数が、ショルダを形成する第２材料の熱膨張係数以下である。これにより、被接合部材の接合時においてショルダのショルダ面の温度が第１温度から第１温度よりも高い第２温度に上昇すると、ショルダがクランプよりも大きく膨張し、ショルダとクランプとの間の隙間が狭くなる。そして、被接合部材の接合時に被接合部材からショルダとクランプとの隙間への流入する構成材料が低減され、ショルダまたはクランプに凝着した構成材料に起因した摩擦攪拌接合用工具の動作不良の発生を抑制できる。一方、クランプの膨張が低減されているので、クランプの端面で囲繞される領域の大きさの変動が少なく、良好な接合部を形成することができる。

本発明の実施の形態１に係る摩擦攪拌点接合用回転工具の断面図である。 実施の形態１に係る摩擦攪拌点接合用回転工具の下面図である。 実施の形態１に係る摩擦攪拌接合方法を示し、（Ａ）はショルダおよびプローブを回転させながら、被接合部材に押し付けることにより、軟化部を形成する工程における断面図であり、（Ｂ）はショルダを軟化部へ没入させる工程における断面図であり、（Ｃ）はショルダを上方へ引き上げる工程における断面図である。 実施の形態１に係る摩擦攪拌接合方法を示し、（Ａ）は軟化部を埋め戻す工程における断面図であり、（Ｂ）はショルダ、プローブおよびクランプを引き上げる工程における断面図である。 本発明の実施の形態２に係る摩擦攪拌点接合用回転工具の一部を示し、（Ａ）は斜視図であり、（Ｂ）は下面図である。 本発明の実施の形態２の変形例に係る摩擦攪拌点接合用回転工具の一部を示し、（Ａ）は斜視図であり、（Ｂ）は下面図である。 本発明の実施の形態３に係る摩擦攪拌点接合用回転工具の一部を示し、（Ａ）は斜視図であり、（Ｂ）は下面図である。 本発明の実施の形態４に係る摩擦攪拌点接合用回転工具の一部を示し、（Ａ）は斜視図であり、（Ｂ）は断面図である。 本発明の実施の形態５に係る摩擦攪拌点接合用回転工具の一部を示し、（Ａ）は斜視図であり、（Ｂ）は下面図である。 本発明の実施の形態６に係る摩擦攪拌点接合用回転工具の一部を示し、（Ａ）は斜視図であり、（Ｂ）は下面図である。

（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態に係る摩擦攪拌接合用工具について添付図面を参照しながら説明する。本実施の形態に係る摩擦撹拌接合用工具は、重ね合わされた複数の板状の被接合部材における重なり部の一部において複数の被接合部材同士を接合する摩擦撹拌接合方法に用いられるものである。この摩擦攪接合用工具は、アルミニウムやアルミニウム合金、銅、銅合金、チタン、チタン合金、マグネシウム、マグネシウム合金、鋼から形成された被接合部材同士の点接合に適用できる。ここにおいて、点接合される２つの被接合部材を形成する材料は、同一の組成の金属であってもよいし、互いに異なる組成の金属であってもよい。

図１および図２に示すように、本実施の形態に係る摩擦攪拌接合用工具は、ショルダ１１と、プローブ１２と、クランプ（押圧部材）１３と、コイルバネ（付勢部材）１４と、保持部材１５と、を備える。ショルダ１１は、円筒状である。ショルダ１１は、被接合部材の接合時において、筒軸Ｊ１方向における一端側（図１の下側）のショルダ面１１ｆが被接合部材に当接した状態で、図１の矢印ＡＲ１に示すように筒軸Ｊ１周りに回転する。ショルダ１１は、クランプ１３に対して筒軸Ｊ１方向に移動可能である。

プローブ１２は、円柱状である。なお、プローブ１２は、その先端部の側面に螺子溝（図示せず）が形成されていてもよい。プローブ１２は、その中心軸Ｊ２がショルダ１１の筒軸Ｊ１に一致するようにショルダ１１の内側１１ａに挿入されている。プローブ１２は、図１の矢印ＡＲ２に示すように、中心軸Ｊ２周りに回転可能である。また、プローブ１２は、ショルダ１１に対して筒軸Ｊ１方向の他端側（図１の上側）へ移動可能である。即ち、ショルダ１１とプローブ１２とは、個別に軸Ｊ１、Ｊ２方向に移動可能である。ショルダ１１の内面とプローブ１２の外面との間の隙間の距離Ｗ１は、例えば０．０５ｍｍ程度に設定される。

ショルダ１１およびプローブ１２は、被接合部材の軟化点よりも高い温度範囲において、被接合部材を形成する材料の硬度よりも高い硬度を有する材料（第２材料）から形成されている。例えば被接合部材がアルミニウム合金から形成されている場合、ショルダ１１およびプローブ１２は、ダイス鋼や超硬合金等から形成されればよい。超硬合金としては、例えば炭化タングステン（ＷＣ）とコバルト（Ｃｏ）等のバインダとを混合して焼結することにより作製されるものを採用することができる。なお、ショルダ１１およびプローブ１２は、それらの表面にＤＬＣ（Diamond Like Carbon）やＴｉＮ２等の窒化物等からなる保護膜が形成されていることが好ましい。この場合、ショルダ１１またはプローブ１２の表面への被接合部材を形成する材料の凝着を抑制することができるので、ショルダ１１またはプローブ１２の摩耗が抑制される。

クランプ１３は、筒状であり、円筒状の第１筒状部１３ａと、第１筒状部１３ａの筒軸方向における一端部に連続する円筒状の第２筒状部１３ｂと、第１筒状部１３ａと第２筒状部１３ｂとの境界部分から径方向の外方へ延出する外鍔部１３ｃと、を有する。また、クランプ１３の内側は、先端部の第１領域１３ｄと、第１領域１３ｄの内径に比べて内径が大きい第２領域１３ｅと、から構成されている。第１領域１３ｄのクランプ１３の筒軸方向の長さＬ１は、例えば１ｍｍ超５ｍｍ未満の任意の長さに設定される。第１筒状部１３ａと第２筒状部１３ｂと外鍔部１３ｃとは一体に形成されている。クランプ１３の第１領域１３ｄの内径は、ショルダ１１の外径よりも大きく、内側にショルダ１１が挿入されている。クランプ１３は、被接合部材の接合時において、被接合部材側の端面１３ｆが被接合部材に当接した状態で被接合部材を押圧する。クランプ１３の筒軸Ｊ３は、ショルダ１１の筒軸Ｊ１およびプローブ１２の中心軸Ｊ２と一致している。被接合部材の接合時において、クランプ１３は筒軸Ｊ３周りに回転しない。ショルダ１１およびプローブ１２は、クランプ１３に対して筒軸Ｊ３方向へ移動可能である。

クランプ１３は、被接合部材の軟化点よりも高い温度範囲において、被接合部材を形成する材料の硬度よりも高い硬度の材料（第１材料）から形成されている。例えば被接合部材がアルミニウム合金から形成されている場合、クランプ１３は、ダイス鋼や超硬合金から形成されればよい。

また、被接合部材の軟化点よりも低い第１温度と被接合部材の軟化点よりも高い第２温度とを含む温度範囲において、クランプ１３を形成する材料の熱膨張係数の大きさは、ショルダ１１を形成する材料の熱膨張係数の大きさ以下である。ここで、第１温度は、例えば室温（２５℃程度）に相当する。また、第２温度は、例えば被接合部材の接合時にショルダ１１およびプローブ１２と被接合部材とが接触する部分の最高到達温度に相当する。これにより、ショルダ１１のショルダ面１１ｆの温度が第１温度の場合、ショルダ１１とクランプ１３の第１領域１３ｄの内面との間の隙間の距離Ｗ２が予め設定された第１距離になる。一方、ショルダ１１のショルダ面１１ｆの温度が第２温度の場合、ショルダ１１とクランプ１３の第１領域１３ｄの内面との間の隙間の距離Ｗ２が第１距離よりも狭い第２距離になる。なお、クランプ１３も、ショルダ１１やプローブ１２と同様に、表面にＤＬＣやＴｉＮ_２等の窒化物等からなる保護膜が形成されていることが好ましい。この場合、クランプ１３の第１領域１３ｄの内面への被接合部材を形成する材料の凝着を抑制することができるので、クランプ１３の摩耗が抑制される。

ショルダ１１とクランプ１３の第１領域１３ｄの内面との間の隙間の距離Ｗ２は、ショルダ１１の温度とクランプ１３との温度とが共に第１温度の場合、０．０１ｍｍ超０．０５ｍｍ以下の範囲内の第１距離となるように設定されている。そして、第１温度と第２温度とを含む温度範囲において、クランプ１３を形成する材料の熱膨張係数αｃのショルダ１１を形成する材料の熱膨張係数αｓに対する比率αｃ／αｓは、０．５以上１．０以下の範囲に設定されている。これにより、被接合部材Ｐ１、Ｐ２の接合時においてショルダ面１１ｆの温度が第２温度になった場合、ショルダ１１とクランプ１３の第１領域１３ｄの内面との間の隙間の距離Ｗ２は、０．０１ｍｍ超０．０３ｍｍ以下の範囲内の第２距離にすることができる。

例えば、ショルダ１１およびプローブ１２を形成する材料として、２０℃から６００℃の範囲における熱膨張係数が１２．５×１０^−６（／Ｋ）のダイス鋼を採用したとする。この場合、クランプ１３を形成する材料として、２０℃から６００℃の範囲における熱膨張係数が４．８×１０^−６（／Ｋ）の超硬合金を採用すればよい。なお、ショルダ１１およびプローブ１２の材料と、クランプ１３の材料とが、いずれも超硬合金であってもよい。この場合、ショルダ１１およびプローブ１２を形成する超硬合金と、クランプ１３を形成する超硬合金と、のそれぞれに含まれるＷＣの粒径およびバインダの成分を適宜調整することにより、上記比率αｃ／αｓを、０．５以上１．０以下の範囲に設定すればよい。

保持部材１５は、円筒状の第３筒状部１５ａと、第３筒状部１５ａの筒軸方向における一端部に連続する円筒状の第４筒状部１５ｂと、第３筒状部１５ａの筒軸方向における他端部から径方向の内方へ延出する内鍔部１５ｃと、を有する。第３筒状部１５ａと第４筒状部１５ｂと内鍔部１５ｃとは一体に形成されている。保持部材１５は、クランプ１３に外嵌されており、第３筒状部１５ａの内面と第２筒状部１３ｂの外面との間には、コイルバネ１４が配置される空隙が形成されている。また、第３筒状部１５ａの内径は第４筒状部１５ｂの内径に比べて大きくなっており、第３筒状部１５ａと第４筒状部１５ｂとの境界部分には段差部１５ｄが形成されている。保持部材１５は、クランプ１３に対してクランプ１３の筒軸Ｊ３方向へ移動可能となっている。

コイルバネ１４は、クランプ１３の第２筒状部１３ｂに外嵌され、一端がクランプ１３の外鍔部１３ｃに当接し、他端が保持部材１５の段差部１５ｄに当接している。クランプ１３の端面１３ｆが被接合部材に接触した状態で、保持部材１５を被接合部材に近づく方向へ移動させると（図１の矢印ＡＲ３参照）、段差部１５ｄが外鍔部１３ｃに近づく方向へ移動し、コイルバネ１４が圧縮される。すると、クランプ１３は、コイルバネ１４の復元力により、軸Ｊ１に沿った方向で被接合部材を押圧する方向へ付勢される（図１の矢印ＡＲ４参照）。これにより、クランプ１３が被接合部材に押し付けられる。

次に、本実施の形態に係る摩擦攪拌接合用工具を用いた摩擦攪拌接合方法について、図３および図４を参照しながら説明する。図３および図４では、２枚の板状の被接合部材Ｐ１、Ｐ２同士を接合する場合を示している。

まず、図３（Ａ）に示すように、２枚の被接合部材Ｐ１、Ｐ２を互いに重ね合わせてから、２枚のうちの一方（被接合部材Ｐ１）における接合予定部位（重なり部の一部）を囲繞する部位にクランプ１３の筒軸Ｊ３方向の一端側の端面１３ｆを押し付ける。この状態で、ショルダ１１およびプローブ１２をそれぞれ回転させながら（矢印ＡＲ１、ＡＲ２参照）、被接合部材Ｐ１に押し付ける（矢印ＡＲ１１、ＡＲ１２参照）。これにより、接合予定部位を、回転するショルダ１１およびプローブ１２と被接合部材Ｐ１との間で生じる摩擦熱により、その軟化点よりも高い温度にまで加熱して軟化部Ａ１を形成する。この軟化部Ａ１の最高到達温度は、被接合部材Ｐ１、Ｐ２を構成する材料（以下、「構成材料」と称する。）の融点よりも低い。このとき、軟化部Ａ１は、軟化した構成材料が固相状態で塑性流動する形でショルダ１１により攪拌される。

次に、図３（Ｂ）に示すように、クランプ１３を被接合部材Ｐ１に押し付けた状態で、ショルダ１１を、回転させながら被接合部材Ｐ２側まで押し込む（矢印ＡＲ２１参照）。同時に、プローブ１２をクランプ１３の筒軸Ｊ３方向の他端側（図３（Ｂ）の上側へ移動させる（矢印ＡＲ２２参照）。このようにして、ショルダ１１を軟化部Ａ１へ没入することにより軟化部Ａ１から排出される構成材料をショルダ１１の内側１１ａへ流入させる。また、軟化部Ａ１に没入されたショルダ１１により、軟化した構成材料が攪拌される。

続いて、図３（Ｃ）に示すように、ショルダ１１をクランプ１３の上記他端側（図３（Ｃ）の上側）へ移動させる（矢印ＡＲ３１参照）。同時に、プローブ１２をクランプ１３の上記一端側（図３（Ｃ）の下側）へ移動させる（矢印ＡＲ３２参照）。このようにして、図４（Ａ）に示すように、ショルダ１１の内側１１ａに流入した構成材料を軟化部Ａ１へ埋め戻す。

その後、図４（Ｂ）に示すように、ショルダ１１、プローブ１２およびクランプ１３を、被接合部材Ｐ１、Ｐ２から遠ざかる方向へ一斉に引き上げると（矢印ＡＲ５１、ＡＲ５２、ＡＲ５３参照）、軟化部Ａ１の軟化した構成材料が硬化して接合部Ａ２が形成される。以上の一連の工程を実施することにより、比較的平坦な表面を有する接合部Ａ２が形成される。

本実施の形態の摩擦攪拌接合方法では、前述のように、被接合部材Ｐ１、Ｐ２の軟化部Ａ１の最高到達温度が、構成材料の融点よりも低い。これにより、例えば抵抗溶接法により被接合部材Ｐ１、Ｐ２を接合する場合に比べて、被接合部材Ｐ１、Ｐ２の接合予定部位への入熱を小さくすることができる。従って、被接合部材Ｐ１、Ｐ２の接合時において、被接合部材Ｐ１、Ｐ２の接合予定部位以外の部位に発生する熱歪みに起因した割れの発生や溶融した構成材料の飛散に伴う塵の発生等を抑制することができる。

以上説明したように、本実施の形態に係る摩擦攪拌接合用工具では、クランプ１３を形成する材料の熱膨張係数が、ショルダ１１を形成する材料の熱膨張係数以下である。これにより、被接合部材Ｐ１、Ｐ２の接合時においてショルダ１１のショルダ面１１ｆの温度が第１温度から第２温度に上昇すると、ショルダ１１がクランプ１３よりも大きく膨張し、ショルダ１１とクランプ１３との間の隙間の大きさが狭くなる。そして、軟化部Ａ１からショルダ１１とクランプ１３との隙間への流入する構成材料が低減され、ショルダ１１またはクランプ１３に凝着した構成材料に起因した摩擦攪拌接合用工具の動作不良の発生を抑制できる。一方、クランプ１３の膨張が低減されているので、クランプ１３の端面１３ｆで囲繞される領域の大きさの変動が少なく、良好な接合部Ａ２を形成することができる。

ところで、ショルダ１１とプローブ１２とは、軸Ｊ１周りに略同じ回転速度で同じ回転方向へ回転している。また、図３（Ｂ）および図３（Ｃ）に示すように、プローブ１２の移動方向とショルダ１１の移動方向とが異なる場合のプローブ１２のショルダ１１に対する移動速度は、ショルダ１１、プローブ１２の回転速度に比べて十分に小さい。また、被接合部材Ｐ１、Ｐ２の接合時にショルダ１１とプローブ１２との間に流入する構成材料は、軟化部Ａ１のうち回転するショルダ１１およびプローブ１２が接触する比較的高温の部分から流入する構成材料であり比較的軟らかい。従って、軟化部Ａ１からショルダ１１とプローブ１２との間に構成材料が流入しても、その流入した構成材料とショルダ１１またはプローブ１２との間で生じる摩擦は小さい。それ故、構成材料とショルダ１１またはプローブ１２との間で生じる摩擦に起因したショルダ１１またはプローブ１２の摩耗も少ない。

これに対して、ショルダ１１は軸Ｊ１周りに回転しているが、クランプ１３は回転していない。また、被接合部材Ｐ１、Ｐ２の接合時にショルダ１１とクランプ１３との間に流入する構成材料は、軟化部Ａ１の周縁部近傍の比較的低温の部分から流入する構成材料であり比較的硬い。従って、軟化部Ａ１の周縁部近傍からショルダ１１とクランプ１３との間にこの構成材料が流入してショルダ１１の外面またはクランプ１３の内面に凝着すると、構成材料とショルダ１１またはクランプ１３との間で生じる摩擦によりショルダ１１、クランプ１３が摩耗してしまう。また、ショルダ１１またはクランプ１３が摩耗してショルダ１１とクランプ１３との間の隙間が大きくなると、この隙間に流入する構成材料が増加する。そうすると、構成材料とショルダ１１またはクランプ１３との間で生じる摩擦がますます大きくなり、ショルダ１１またはクランプ１３の摩耗も大きくなる。この場合、接合の試行回数を重ねるにつれて、ショルダ１１またはクランプ１３の摩耗により、ショルダ１１とクランプ１３との間の隙間が広がっていき、構成材料とショルダ１１またはクランプ１３との間での大きな摩擦抵抗に起因して摩擦攪拌接合用工具が動作不良を起こしてしまう。この動作不良は、被接合部材に接合部が形成されなかったり、形成された接合部の品質が低下したりする原因となる。

特に、近年、自動車の燃費改善の観点から、自動車に比較的軽量なアルミニウム合金が使用される場合が増加してきている。そして、アルミニウム合金の中でも、成形性等に優れた５０００系のアルミニウム合金が使用されつつある。この５０００系のアルミニウム合金は、６０００系のアルミニウム合金に比べて硬度が高く塑性流動性が悪い。そして、この５０００系のアルミニウム合金から形成された被接合部材を接合する際、構成材料は、ショルダ１１とプローブ１２との間の領域へ流入しにくく、その分、ショルダ１１とクランプ１３との間の隙間に流入し易くなる。それ故、被接合部材が５０００系のアルミニウム合金から形成されている場合、接合の試行回数が多くなると、前述のような摩擦攪拌接合用工具の動作不良がますます発生し易い。

一方、ショルダ１１とクランプ１３との間の隙間を極端に狭くすると、ショルダ１１を被接合部材Ｐ１、Ｐ２に押し付ける際、ショルダがクランプに引っ掛かってショルダ１１の移動が妨げられる虞がある。

これに対して、本実施の形態に係る摩擦攪拌接合用工具では、ショルダ１１のショルダ面１１ｆの温度が被接合部材Ｐ１、Ｐ２の軟化点よりも低い第１温度の場合、ショルダ１１とクランプ１３との間の隙間が第１距離に維持される。一方、ショルダ面１１ｆの温度が被接合部材Ｐ１、Ｐ２の軟化点よりも高い第２温度の場合、ショルダ１１とクランプ１３との間の隙間が第２距離に維持される。これにより、ショルダ面１１ｆを第１温度に維持した状態で、ショルダ１１を被接合部材Ｐ１、Ｐ２に近づく方向へ移動させる場合、ショルダ１１とクランプ１３との間の隙間が第１距離に維持されているので、ショルダ１１がクランプ１３に対して比較的滑らかに移動する。従って、ショルダ１１を被接合部材Ｐ１、Ｐ２に押し付ける際、ショルダ１１がクランプ１３に引っ掛かってショルダ１１の移動が妨げられることがないので、ショルダ１１が被接合部材Ｐ１、Ｐ２に押し付けられないといった動作不良の発生が抑制される。

また、回転するショルダ１１のショルダ面１１ｆを被接合部材Ｐ１、Ｐ２に押し付けたときに発生する摩擦熱により、ショルダ面１１ｆの温度が第２温度に上昇すると、ショルダ１１とクランプ１３との間の隙間が第２距離に維持される。これにより、被接合部材Ｐ１、Ｐ２に形成される第２温度以上の軟化部Ａ１にショルダ１１を没入させる際に、軟化部Ａ１からショルダ１１とクランプ１３との間の隙間へ流入する軟化した構成材料が低減される。従って、ショルダ１１とクランプ１３との間の隙間へ流入した構成材料がショルダ１１またはクランプ１３に凝着することに起因した摩擦攪拌接合用工具が動作不良の発生を抑制することができ、ひいては被接合部材Ｐ１、Ｐ２に品質の良好な接合部Ａ２を安定して形成することができる。

また、本実施の形態に係る摩擦攪拌接合用工具では、熱膨張係数の比率αｃ／αｓが０．５超１．０未満の範囲に設定されている。また、ショルダ１１とクランプ１３の第１領域１３ｄの内面との間の隙間の距離Ｗ２は、ショルダ１１の温度とクランプ１３との温度とが共に第１温度（２５℃程度）の場合、０．０１ｍｍ超０．０５ｍｍ以下の範囲となるように設定されている。これにより、被接合部材Ｐ１、Ｐ２の接合時においてショルダ面１１ｆの温度が第２温度になった場合、ショルダ１１とクランプ１３の第１領域１３ｄの内面と間の隙間の距離Ｗ２が０．０１ｍｍ超０．０３ｍｍ以下の範囲にすることができる。従って、被接合部材Ｐ１、Ｐ２の接合時において、構成材料のショルダ１１とクランプ１３との間の隙間への流入が抑制される。

更に、本実施の形態に係る摩擦攪拌接合用工具によれば、ショルダ１１が円筒状であるため、ショルダ１１とクランプ１３との間の隙間の調整が比較的容易であるという利点がある。

（実施の形態２）
本実施の形態に係る摩擦攪拌接合用工具では、図５（Ａ）および（Ｂ）に示すように、ショルダ２１１が、ショルダ２１１の側面に設けられた複数（図５（Ａ）および（Ｂ）では３つ）の溝（第１溝）２１１ｂを有する。なお、図５（Ａ）および（Ｂ）において、実施の形態１と同様の構成については図１および図２と同一の符号を付している。なお、ショルダの側面に設けられた溝の数は、特に限定されるものではなく、例えば図６（Ａ）および（Ｂ）に示す摩擦攪拌接合用工具のように、ショルダ３１１が、１２個の溝３１１ｂを有するものであってもよい。

また、溝２１１ｂは、図５（Ａ）に示すように、被接合部材Ｐ１、Ｐ２の接合時におけるショルダ２１１の回転方向ＡＲ１に対して９０度以下の迎角θ２となるように傾斜している。溝３１１ｂも、図６（Ａ）に示すように、被接合部材Ｐ１、Ｐ２の接合時におけるショルダ３１１の回転方向ＡＲ１に対して９０度以下の迎角θ２となるように傾斜している。更に、被接合部材の軟化点よりも低い第１温度と被接合部材の軟化点よりも高い第２温度とを含む温度範囲において、クランプ１３を形成する材料の熱膨張係数の大きさは、ショルダ２１１、３１１を形成する材料の熱膨張係数の大きさ以下である。更に、本実施の形態に係る摩擦攪拌接合用工具を用いた摩擦攪拌接合方法は、実施の形態１で説明した摩擦攪拌接合方法と同様である。

ここで、本実施の形態に係る摩擦攪拌接合用工具について、ショルダ２１１の溝２１１ｂの数、幅および深さと、軟化部Ａ１の攪拌効率およびショルダ２１１へ凝着する構成材料の量と、の関係について実験した結果について説明する。この実験では、ショルダ２１１の断面において、複数の溝２１１ｂと包絡面Ｓ２１１（図５（Ｂ）の破線参照）とで囲まれる複数（図５（Ｂ）では３つ）の領域Ａ２１１の面積の総和の、ショルダ２１１の断面積に対する断面比率が異なる複数のショルダ２１１を準備した。ここで、「ショルダ２１１の断面」とは、ショルダ２１１の筒軸Ｊ１方向に直交する断面であり、被接合部材Ｐ１、Ｐ２の接合時において被接合部材Ｐ１、Ｐ２の軟化部Ａ１に没入される部分の断面に相当する。また、「包絡面Ｓ２１１」とは、ショルダ２１１の外側面の包絡面に相当する。そして、断面比率が異なる複数のショルダ２１１について、軟化部Ａ１の攪拌効率およびショルダ１１へ凝着する構成材料の量を確認した。

この実験から、上記断面比率が１０分の１以下の場合、軟化部Ａ１の撹拌効率が大きく低下するという知見が得られた。一方、上記断面比率が１．５倍以上の場合、ショルダ１１へ凝着する構成材料が大きく増加するという知見が得られた。また、ショルダ２１１の断面において、溝２１１ｂの深さｄまたは溝２１１ｂの幅ｗがショルダ２１１の包絡面Ｓ２１１の直径の５０分の１未満の場合、軟化部Ａ１の撹拌効率が大きく低下するという知見が得られた。更に、ショルダ２１１の断面において、溝２１１ｂの深さｄまたは溝２１１ｂの幅ｗがショルダ２１１の包絡面Ｓ２１１の直径の５分の１超の場合、ショルダ１１に凝着する構成材料が大きく増加するという知見が得られた。

以上の知見から、溝２１１ｂの深さｄ、溝２１１ｂの幅ｗおよび溝２１１ｂの数Ｎは、ショルダ１１（ショルダ１１の包絡面Ｓ２１１）の直径をＤｓ、プローブ１２の直径をＤｐとすると、下記式（１）〜（３）の関係式を満たすように設定されることが好ましい。
０．１×（Ｄｓ−Ｄｐ）≦Ｎｗｄ≦１．５×（Ｄｓ−Ｄｐ） ・・・式（１）
０．０２×Ｄｓ≦ｄ≦０．２×Ｄｓ ・・・式（２）
０．０２×Ｄｓ≦ｗ≦０．２×Ｄｓ ・・・式（３）

また、図５（Ａ）または図５（Ｂ）に示す溝２１１ｂ、３１１ｂの端部２１１ｃ、３１１ｃとショルダ面２１１ｆ、３１１ｆとの間の距離Ｌ２、Ｌ３が１ｍｍ以下である場合、軟化部Ａ１の撹拌効率が向上しないという知見が得られた。一方、クランプ１３の第１領域１３ｄの長さＬ１（図１参照）が１ｍｍ超５ｍｍ未満に設定されている場合、距離Ｌ２、Ｌ３が２ｍｍ以上の場合、ショルダ１１に凝着する構成材料の量が大きく増加するという知見が得られた。これらの知見から、距離Ｌ２、Ｌ３は、１ｍｍ超２ｍｍ未満の範囲内に設定されることが好ましい。

以上説明したように、本実施の形態に係る摩擦攪拌接合用工具では、ショルダ２１１、３１１の側面に溝２１１ｂ、３１１ｂが設けられている。そして、接合時において、ショルダ２１１、３１１の溝２１１ｂ、３１１ｂが設けられた部位が軟化部Ａ１に没入した状態でショルダ２１１、３１１が回転することにより軟化部Ａ１が攪拌される。これにより、軟化部Ａ１の撹拌効率が向上して軟化部Ａ１が十分に攪拌されるので、接合部Ａ２に含まれる欠陥数が低減し接合部Ａ２の品質が向上する。また、軟化部Ａ１の攪拌効率が向上することにより、比較的短い攪拌時間で軟化部Ａ１を十分に攪拌することができるので、軟化部Ａ１の撹拌時間を短縮でき、ひいては被接合部材Ｐ１、Ｐ２同士の接合に要する時間全体を短縮することができる。

また、本実施の形態に係る摩擦攪拌接合用工具では、溝２１１ｂ、３１１ｂが、ショルダ２１１、３１１の断面において、前述の式（１）乃至（３）の関係を満たすように形成されている。これにより、軟化部Ａ１の撹拌効率を向上させつつ、ショルダ１１に凝着する構成材料を低減させることができる。

更に、本実施の形態に係る摩擦攪拌接合用工具では、図５（Ａ）および図６（Ａ）に示すように、溝２１１ｂ、３１１ｂが被接合部材Ｐ１、Ｐ２の接合時におけるショルダ２１１、３１１の回転方向ＡＲ２に対して迎角θ２となるように傾斜している。これにより、ショルダ２１１、３１１が軟化部Ａ１に没入した状態で回転すると、軟化部Ａ１から溝２１１ｂ、３１１ｂに流入して溝２１１ｂ、３１１ｂに沿って移動してから再び軟化部Ａ１へ流出する構成材料の流れが生じる。従って、軟化部Ａ１の撹拌効率を高めることができる。また、溝２１１ｂ、３１１ｂに流入した構成材料は、溝２１１ｂ、３１１ｂに沿って軟化部Ａ１へ流出し易くなる。従って、ショルダ２１１、３１１における溝２１１ｂ、３１１ｂが形成されていない側面とクランプ１３との間の隙間への構成材料の流入を低減することができる。

ところで、ショルダ２１１、３１１のような側面に溝２１１ｂ、３１１ｂが形成されたショルダを備える摩擦撹拌接合用工具の場合、ショルダとクランプとの間の隙間が構成材料の流入が抑制できる程度に狭くなるようにショルダを加工することが困難であった。これに対して、本実施の形態に係る摩擦攪拌接合用工具では、クランプ１３の材料の熱膨張係数がショルダ２１１、３１１の材料の熱膨張係数以下としている。これにより、ショルダ２１１、３１１の加工等を行う際の温度である第１温度では、ショルダ２１１、３１１とクランプ１３との間の隙間の距離を第１距離まで許容できるようにしている。これにより、ショルダ２１１、３１１の作製が比較的容易であるとともに、被接合部材Ｐ１、Ｐ２の接合時において、ショルダ２１１、３１１とクランプ１３との間の隙間への構成材料の流入を抑制できる摩擦攪拌接合用工具を提供できる。

（実施の形態３）
本実施の形態に係る摩擦攪拌接合用工具では、図７（Ａ）および（Ｂ）に示すように、ショルダ４１１が、そのショルダ面４１１ｆに設けられた複数（図７（Ａ）および（Ｂ）では４つ）の溝（第１溝）４１１ｂを有する。なお、図７（Ａ）および（Ｂ）において、実施の形態１と同様の構成については図１および図２と同一の符号を付している。４つの溝４１１ｂは、ショルダ４１１の筒軸Ｊ１から筒軸Ｊ１に直交する方向において外方に向かうように放射状に延伸している。なお、溝４１１ｂは、ショルダ４１１の径方向に対して傾斜した方向へ延伸していてもよい。被接合部材の軟化点よりも低い第１温度と被接合部材の軟化点よりも高い第２温度とを含む温度範囲において、クランプ１３を形成する材料の熱膨張係数の大きさは、ショルダ４１１を形成する材料の熱膨張係数の大きさ以下である。また、本実施の形態に係る摩擦攪拌接合用工具を用いた摩擦攪拌接合方法は、実施の形態１で説明した摩擦攪拌接合方法と同様である。

ショルダ４１１のショルダ面４１１ｆが軟化部Ａ１に没入した状態でショルダ４１１が回転すると、ショルダ４１１の溝４１１ｂに流入した構成材料は、溝４１１ｂに沿って、ショルダ４１１の筒軸Ｊ１に向かう方向へ流れる。

本実施の形態に係る摩擦攪拌接合用工具によれば、ショルダ４１１のショルダ面４１１ｆに複数の溝４１１ｂが設けられている。そして、被接合部材Ｐ１、Ｐ２の接合時において、ショルダ４１１のショルダ面４１１ｆが軟化部Ａ１に没入した状態でショルダ４１１が回転することにより軟化部Ａ１が攪拌される。これにより、軟化部Ａ１の撹拌効率が向上して軟化部Ａ１が十分に攪拌されるので、接合部Ａ２に含まれる欠陥数が低減し接合部Ａ２の品質が向上する。また、軟化部Ａ１の攪拌効率が向上することにより、比較的短い攪拌時間で軟化部Ａ１を十分に攪拌することができるので、軟化部Ａ１の撹拌時間を短縮でき、ひいては被接合部材Ｐ１、Ｐ２同士の接合に要する時間全体を短縮することができる。

また、本実施の形態に係る摩擦攪拌接合用工具では、前述のように、ショルダ４１１が、そのショルダ面４１１ｆが軟化部Ａ１に没入した状態で回転すると、溝４１１ｂに流入した構成材料が溝４１１ｂに沿ってショルダ４１１の筒軸Ｊ１に向かう方向へ流れる。これにより、軟化部Ａ１の撹拌効率を高めることができるとともにショルダ４１１とクランプ１３との間の隙間への構成材料の流入を低減することができる。

（実施の形態４）
本実施の形態に係る摩擦攪拌接合用工具では、図８（Ａ）および（Ｂ）に示すように、ショルダ５１１が、そのショルダ面５１１ｆの周縁部全体に亘って設けられた切欠溝５１１ｂを有する。なお、図８（Ａ）および（Ｂ）において、実施の形態１と同様の構成については図１および図２と同一の符号を付している。この切欠溝５１１ｂは、ショルダ５１１のショルダ面５１１ｆの周縁部についていわゆる逆Ｒ面取り処理を施すことにより形成される。被接合部材の軟化点よりも低い第１温度と被接合部材の軟化点よりも高い第２温度とを含む温度範囲において、クランプ１３を形成する材料の熱膨張係数の大きさは、ショルダ５１１を形成する材料の熱膨張係数の大きさ以下である。また、本実施の形態に係る摩擦攪拌接合用工具を用いた摩擦攪拌接合方法は、実施の形態１で説明した摩擦攪拌接合方法と同様である。

本実施の形態に係る摩擦攪拌接合用工具によれば、ショルダ５１１の周縁部全体に亘って切欠溝５１１ｂが設けられている。そして、被接合部材Ｐ１、Ｐ２の接合時において、ショルダ５１１のショルダ面５１１ｆの周縁部が軟化部Ａ１に没入した状態でショルダ５１１が回転することにより軟化部Ａ１が攪拌される。これにより、軟化部Ａ１の撹拌効率が向上して軟化部Ａ１が十分に攪拌されるので、接合部Ａ２に含まれる欠陥数が低減し接合部Ａ２の品質が向上する。また、軟化部Ａ１の攪拌効率が向上することにより、比較的短い攪拌時間で軟化部Ａ１を十分に攪拌することができるので、軟化部Ａ１の撹拌時間を短縮でき、ひいては被接合部材Ｐ１、Ｐ２同士の接合に要する時間全体を短縮することができる。

（実施の形態５）
本実施の形態に係る摩擦攪拌接合用工具では、図９（Ａ）および（Ｂ）に示すように、ショルダ６１１が、その側面に設けられた複数（図９（Ａ）および（Ｂ）では２つ）の溝（第１溝）６１１ｂを有する。また、ショルダ６１１は、更に、そのショルダ面６１１ｆに設けられた複数（図９（Ａ）および（Ｂ）では４つ）の溝（第１溝）６１１ｃを有する。なお、図９（Ａ）および（Ｂ）において、実施の形態１と同様の構成については図１および図２と同一の符号を付している。

また、図９（Ａ）に示す溝６１１ｂの端部６１１ｄとショルダ面６１１ｆとの間の距離Ｌ６は、１ｍｍ超２ｍｍ未満の範囲内に設定されている。更に、溝６１１ｂは、図９（Ａ）に示すように、被接合部材Ｐ１、Ｐ２の接合時におけるショルダ２１１の回転方向ＡＲ１に対して９０度以下の迎角θ６となるように傾斜している。被接合部材の軟化点よりも低い第１温度と被接合部材の軟化点よりも高い第２温度とを含む温度範囲において、クランプ１３を形成する材料の熱膨張係数の大きさは、ショルダ６１１を形成する材料の熱膨張係数の大きさ以下である。また、本実施の形態に係る摩擦攪拌接合用工具を用いた摩擦攪拌接合方法は、実施の形態１で説明した摩擦攪拌接合方法と同様である。

本実施の形態に係る摩擦攪拌接合用工具によれば、ショルダ６１１の側面に溝６１１ｂ、３１１ｂが設けられ、ショルダ面６１１ｆに溝６１１ｃが設けられている。そして、被接合部材Ｐ１、Ｐ１の接合時において、ショルダ６１１の溝６１１ｂ、６１１ｃが設けられた部位が軟化部Ａ１に没入した状態でショルダ６１１が回転することにより軟化部Ａ１が攪拌される。これにより、軟化部Ａ１の撹拌効率が向上して軟化部Ａ１が十分に攪拌されるので、接合部Ａ２に含まれる欠陥数が低減し接合部Ａ２の品質が向上する。また、軟化部Ａ１の攪拌効率が向上することにより、比較的短い攪拌時間で軟化部Ａ１を十分に攪拌することができるので、軟化部Ａ１の撹拌時間を短縮でき、ひいては被接合部材Ｐ１、Ｐ２同士の接合に要する時間全体を短縮することができる。

（実施の形態６）
本実施の形態に係る摩擦攪拌接合用工具では、図１０（Ａ）および（Ｂ）に示すように、プローブ７１２が、ショルダ４１１の筒軸Ｊ１方向（中心軸Ｊ２方向）の一端側（図１０（Ａ）の下側）の端面７１２ｆに設けられた複数（図１０（Ａ）および（Ｂ）では２つ）の溝（第２溝）を有する。なお、図１０（Ａ）および（Ｂ）において、実施の形態１および実施形態３と同様の構成については図１および図２並びに図７（Ａ）および（Ｂ）と同一の符号を付している。また、本実施の形態に係る摩擦攪拌接合用工具を用いた摩擦攪拌接合方法は、実施の形態１で説明した摩擦攪拌接合方法と同様である。

本実施の形態に係る摩擦攪拌接合用工具によれば、プローブ７１２の端面７１２ｆに溝７１２ａが設けられている。これにより、実施の形態１で図３（Ｃ）を用いて説明したように、プローブ７１２を被接合部材Ｐ１、Ｐ２に近づく方向に移動させる際に、ショルダ４１１の内側１１ａに流入した構成材料の攪拌効率を高めることができる。従って、軟化部Ａ１が十分に攪拌されるので、接合部Ａ２に含まれる欠陥数が低減し接合部Ａ２の品質が向上する。また、プローブ７１２の端面７１２ｆに溝７１２ａが設けられていることにより、実施の形態３の場合に比べて軟化部Ａ１の攪拌効率を高めることができる。従って、実施の形態３の場合に比べて短い攪拌時間で軟化部Ａ１を十分に攪拌することができるので、軟化部Ａ１の撹拌時間を短縮できる。

本発明に係る摩擦攪拌接合用工具について、実施例および比較例に基づいて説明する。

実施例１および実施例２に係る摩擦攪拌接合用工具は、図１および図２に示すような円筒状のショルダ１１を備える構成である。実施例３および実施例４に係る摩擦攪拌接合用工具は、図５（Ａ）および（Ｂ）に示すように、３つの溝２１１ｂが形成されたショルダ２１１を備える構成である。実施例３および実施例４に係る摩擦攪拌接合用工具では、ショルダ２１１の軸Ｊ１に直交する断面において、３つの溝２１１ｂが周方向に等距離（１２０°毎）に並んでいる。また、溝２１１ｂの延伸方向とショルダ２１１の回転方向とのなす角度θ２は４５°に設定されている。

実施例５に係る摩擦攪拌接合用工具は、図６（Ａ）および（Ｂ）に示すように、１２個の溝３１１ｂが形成されたショルダ３１１を備える構成である。実施例５に係る摩擦攪拌接合用工具では、ショルダ３１１の軸Ｊ１に直交する断面において、１２個の溝３１１ｂが周方向に等距離（３０°毎）に並んでいる。また、溝３１１ｂの延伸方向とショルダ３１１の回転方向とのなす角度θ３は４５°に設定されている。

実施例６に係る摩擦攪拌接合用工具は、図７（Ａ）および（Ｂ）に示すように、ショルダ面４１１ｆに４つの溝４１１ｂが形成されたショルダ４１１を備える構成である。実施例７に係る摩擦攪拌接合用工具は、図８（Ａ）および（Ｂ）に示すように、ショルダ面５１１ｆの周縁部全体に亘って切欠溝５１１ｂが形成されたショルダ５１１を備える構成である。

実施例８に係る摩擦攪拌接合用工具は、図９（Ａ）および（Ｂ）に示すように、側面に設けられた複数の溝６１１ｂとショルダ面６１１ｆに設けられた複数の溝６１１ｃとを有するショルダ６１１を備える構成である。また、溝６１１ｂの延伸方向とショルダ６１１の回転方向とのなす角度θ６は４５°に設定されている。実施例９および実施例１０に係る摩擦攪拌接合用工具は、図１０（Ａ）および（Ｂ）に示すように、ショルダ面４１１ｆに複数の溝４１１ｂが設けられたショルダ４１１と、中心軸に直交する端面７１２ｆに十字状に２つの溝７１２ａが設けられたプローブ７１２と、を備える構成である。

比較例１に係る摩擦攪拌用接合工具は、実施例１に係る摩擦攪拌用接合工具と同様の構成を有する。比較例２に係る摩擦攪拌用接合工具は、実施例２に係る摩擦攪拌用接合工具と同様の構成を有する。比較例３に係る摩擦攪拌用接合工具は、実施例４に係る摩擦攪拌用接合工具と同様の構成を有する。比較例４に係る摩擦攪拌用接合工具は、実施例６に係る摩擦攪拌用接合工具と同様の構成を有する。比較例５に係る摩擦攪拌用接合工具は、実施例７に係る摩擦攪拌用接合工具と同様の構成を有する。

以下、表１に、各実施例に係る摩擦攪拌接合用工具について、ショルダ、クランプを形成する材料と、ショルダとクランプ（実施の形態１で説明したクランプの第１領域１３ｄの内面）との隙間の距離Ｗ２と、ショルダの溝の数および寸法と、プローブの溝の数および寸法と、を示す。また、表２に、各比較例に係る摩擦攪拌接合用工具について、ショルダ、クランプを形成する材料と、ショルダとクランプとの隙間の距離Ｗ２と、ショルダの溝の数および寸法と、プローブの溝の数および寸法と、を示す。なお、全ての実施例および比較例において、プローブの材料は、ショルダの材料と同じである。

表１および表２において、ＳＫＤ６１は、熱間ダイス鋼を示し、超硬１および超硬２は、炭化タングステン（ＷＣ）とコバルト（Ｃｏ）等のバインダとを含む超硬合金を示す。超硬１と超硬２とは互いに熱膨張係数が異なる。また、熱膨張係数は、２０℃から６００℃の範囲における熱膨張係数であり、その単位は、×１０−６（／Ｋ）である。Ｄｓは、ショルダの筒軸に直交する断面におけるショルダ（ショルダの包絡面）の直径であり、Ｄｐは、プローブの中心軸に直交する断面におけるプローブの直径であり、これらの単位はｍｍ（ミリメートル）である。隙間の大きさＷ２は、室温（２５℃程度）におけるショルダ１１とクランプ１３との間の隙間の大きさであり、その単位はｍｍ（ミリメートル）である。幅および深さの単位は、ｍｍ（ミリメートル）である。

次に、実施例に係る摩擦攪拌接合用工具について、比較例に係る摩擦攪拌接合用工具と対比しながら、その特徴について説明する。ここでは、各実施例に係る摩擦攪拌接合用工具と各比較例に係る摩擦攪拌接合用工具とを用いて、実施の形態１で説明した摩擦攪拌接合方法により、被接合部材Ｐ１、Ｐ２の複数箇所（１０箇所）について連続して接合を試行した場合の実験結果について説明する。被接合部材Ｐ１、Ｐ２としては、５０００系のアルミニウム合金（Ａ５１８２−Ｏ）から形成された厚さ１．０ｍｍの板材を採用した。

比較例１乃至５に係る摩擦攪拌接合用工具を用いて被接合部材Ｐ１、Ｐ２の１０箇所について接合を試行した場合、１箇所目から５箇所目の接合部において内部欠陥や未結合部分が確認された。また、６箇所目から１０箇所目においては、接合部が形成されていないことが確認された。

これに対して、実施例１乃至７に係る摩擦攪拌接合用工具を用いて被接合部材Ｐ１、Ｐ２の１０箇所について接合を試行した場合、１０箇所全てで接合部が形成されており、全ての接合部において内部欠陥等が確認されなかった。また、摩擦攪拌接合用工具を用いて引き続き被接合部材Ｐ１、Ｐ２の９０箇所について接合を試行したが、ショルダ１１やクランプ１３への構成材料の凝着は確認されなかった。また、引き続き接合を試行した９０箇所についても内部欠陥等は確認されず正常な接合部が形成されていることが確認された。

これらの結果について以下のように考察できる。各比較例１に係る摩擦攪拌接合用工具では、表２に示すように、クランプを形成する熱間ダイス鋼の熱膨張係数が、ショルダを形成する超硬合金の線膨張係数よりも大きい。このため、接合時にクランプが膨張して内径が広がることにより、ショルダとクランプとの間の隙間の距離Ｗ２が広がり、その分、ショルダとクランプとの間の隙間に構成材料が多く流入する。そして、被接合部材Ｐ１、Ｐ２の接合の試行回数が増加するに伴い、ショルダまたはクランプの摩耗が進行し、ショルダの外面またはクランプの内面に凝着した構成材料により摩擦攪拌接合用工具が動作不良を起こしたものと考えられる。

一方、実施例１乃至５に係る摩擦攪拌接合用工具では、表１に示すように、クランプを形成する超硬合金の熱膨張係数が、ショルダを形成する熱間ダイス鋼または超硬合金の熱膨張係数よりも小さい。このため、接合時にショルダが膨張して外径が広がることにより、ショルダとクランプとの間の隙間の距離Ｗ２が狭くなり、その分、ショルダとクランプとの間の隙間への構成材料の流入が低減される。これにより、被接合部材Ｐ１、Ｐ２の接合の試行回数が増加しても摩擦攪拌接合用工具が正常に動作し続けたと考えられる。なお、実施例６および７に係る摩擦攪拌接合用工具では、表１に示すように、クランプを形成する超硬合金の熱膨張係数とショルダを形成する超硬合金の熱膨張係数とが等しいにも関わらず、前述のように摩擦攪拌接合用工具の動作不良は生じなかった。これは、接合時におけるクランプの温度がショルダの温度に比べて低く、ショルダがクランプに対して大きく膨張したためと考えられる。

また、実施例２乃至７に係る摩擦攪拌接合用工具では、軟化部Ａ１の撹拌効率が向上することにより、比較的短い攪拌時間で軟化部Ａ１を十分に攪拌することができるので、軟化部Ａ１の撹拌時間を短縮できる。また、実施例２乃至７に係る摩擦攪拌接合用工具を用いた場合、被接合部材の引っ張り剪断強度試験においてボタン抜け破断が確認された。

このように、実施例１乃至７に係る摩擦攪拌接合用工具によれば、５０００系のアルミニウム合金（例えばＡ５１８２−Ｏ）から形成された被接合部材同士を連続して接合する場合でも、摩擦攪拌接合用工具の動作不良を抑制できることが判った。

１１：ショルダ、１１ａ,１３ｄ,１５ｄ：内側、１１ｆ,４１１ｆ：ショルダ面、１２：プローブ、１２ｆ,１３ｆ,７１２ｆ：端面、１３：クランプ、１３ａ：第１筒状部、１３ｂ：第２筒状部、１３ｃ：外鍔部、１４：コイルバネ、１５：保持部材、１５ａ：第３筒状部、１５ｂ：第４筒状部、１５ｃ：内鍔部、２１１ｂ,３１１ｂ,４１１ｂ,６１１ｂ,６１１ｃ,７１２ａ：溝、２１１ｃ,３１１ｃ,６１１ｄ：端部、５１１ｂ：切欠溝、Ａ１：軟化部、Ａ２：接合部、Ａ２１１：領域、Ｐ１,Ｐ２：被接合部材、Ｓ２１１：包絡面、Ｊ１,Ｊ３：筒軸、Ｊ２：中心軸

Claims (6)

1. 略円筒状であり、被接合部材の接合時において、筒軸方向における一端側のショルダ面が前記被接合部材に当接した状態で前記筒軸周りに回転するショルダと、
   円柱状であり中心軸が前記ショルダの筒軸に一致するように前記ショルダの内側に挿入され、前記中心軸周りに回転可能であるとともに前記ショルダに対して前記筒軸方向の他端側へ移動可能なプローブと、
   筒状であり内径が前記ショルダの外径よりも大きく、内側に前記ショルダが挿入され、前記被接合部材の接合時において、前記被接合部材側の端面が前記被接合部材に当接した状態で前記被接合部材を押圧するクランプと、を備え、
   前記クランプを形成する第１材料の熱膨張係数は、前記ショルダを形成する第２材料の熱膨張係数以下である、
   摩擦撹拌接合用工具。
2. 前記第１材料の熱膨張係数に対する前記第２材料の熱膨張係数の比率は、０．５以上１．０以下に設定されている、
   請求項１に記載の摩擦撹拌接合用工具。
3. 前記ショルダは、前記ショルダの側面および前記ショルダ面の少なくとも一方に設けられた、少なくとも１つの第１溝を有する、
   請求項１または２に記載の摩擦攪拌接合用工具。
4. 前記プローブは、前記一端側の端面に設けられた、少なくとも１つの第２溝を有する、
   請求項３に記載の摩擦攪拌接合用工具。
5. 前記第１溝は、前記筒軸に直交する断面において、前記第１溝の深さをｄ、前記第１溝の幅をｗ、前記ショルダの包絡面の直径をＤｓ、前記プローブの直径Ｄｐ、前記第１溝の数をＮとすると、
   ０．１×（Ｄｓ−Ｄｐ）≦Ｎ×ｗ×ｄ≦１．５×（Ｄｓ−Ｄｐ） ・・・式（１）
   ０．０２×Ｄｓ≦ｄ≦０．２×Ｄｓ ・・・式（２）
   ０．０２×Ｄｓ≦ｗ≦０．２×Ｄｓ ・・・式（３）
   の関係式を満たすように形成されている、
   請求項３または４に記載の摩擦撹拌接合用工具。
6. 重ね合わされた複数の板状の被接合部材における重なり部の一部において複数の前記被接合部材同士を接合する摩擦撹拌接合方法であって、
   前記被接合部材における前記重なり部の一部を囲繞する部位に、筒状のクランプの筒軸方向における一端側の端面を押し付ける工程と、
   前記クランプの内側に挿入された略円筒状のショルダおよび前記ショルダの内側に挿入された円柱状のプローブをそれぞれ回転させながら、前記被接合部材に押し付けることにより、前記一部を摩擦熱により加熱して軟化部を形成するとともに前記軟化部を攪拌する工程と、
   前記プローブを前記クランプの筒軸方向における他端側へ移動させることにより、前記ショルダが前記軟化部へ没入されることにより前記軟化部から排出される前記被接合部材を形成する構成材料を前記ショルダの内側へ流入させる工程と、
   前記ショルダを前記クランプの前記他端側へ移動させるとともに前記プローブを前記クランプの前記一端側へ移動させることにより、前記ショルダの内側に流入した構成材料を前記軟化部へ埋め戻す工程と、を含む、
   摩擦撹拌接合方法。

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