JP2020163460A - 摩擦撹拌接合用工具 - Google Patents

Abstract

【課題】良好な接合品質を得ることができる摩擦撹拌接合用工具を提供する。【解決手段】摩擦撹拌接合用工具１０は、先端面３８ａ及び外周面３８ｂを有するプローブ３８を備え、プローブ３８には、その回転軸Ａｘに沿って先端面３８ａまで延在した外周凹部４０が形成されている。摩擦撹拌接合用工具１０は、回転軸Ａｘを中心にプローブ３８を回転させた状態でワークＷ内に埋設させることによりワークＷを接合する。先端面３８ａには、先端面３８ａの中央部に位置して外周凹部４０に連通する先端凹部４８が形成されている。【選択図】図２

Description

本発明は、先端面及び外周面を有するプローブを備え、回転軸を中心に前記プローブを回転させた状態でワーク内に埋設させることにより前記ワークを接合する摩擦撹拌接合用工具に関する。

特許文献１の図９には、プローブの外周面に外周凹部を形成した摩擦撹拌接合用工具が開示されている。この外周凹部は、プローブの先端面までプローブの回転軸に沿って延在している。

特開２００８−３０７６０６号公報（図９、［０００７］）

上述した摩擦撹拌接合用工具では、ワークのうちプローブの摩擦熱によって軟化した軟化材料をプローブの側方から外周凹部内に取り込みプローブの先端側に塑性流動させることができる。しかしながら、プローブの先端面に外周凹部から導かれた材料を貯める部分がないため、外周凹部内に取り込まれた材料をプローブの先端側に円滑に塑性流動させることができないことがある。そのため、良好な接合品質を得ることができないおそれがある。

本発明は、このような課題を考慮してなされたものであり、良好な接合品質を得ることができる摩擦撹拌接合用工具を提供することを目的とする。

本発明の一態様は、先端面及び外周面を有するプローブを備え、前記外周面には、前記先端面まで延在した外周凹部が形成され、回転軸を中心に前記プローブを回転させた状態でワーク内に埋設させることにより前記ワークを接合する摩擦撹拌接合用工具であって、前記先端面には、前記先端面の中央部に位置して前記外周凹部に連通する先端凹部が形成されている、摩擦撹拌接合用工具である。

本発明によれば、プローブの先端面に外周凹部に連通する先端凹部を形成している。これにより、外周凹部に取り込まれた軟化材料を先端凹部内に貯めることができる。すなわち、外周凹部に取り込まれた軟化材料をプローブの先端側に円滑に塑性流動させることができる。よって、良好な接合品質を得ることができる。

本発明の一実施形態に係る摩擦撹拌接合用工具を備えた摩擦撹拌接合システムの概略全体構成図である。 摩擦撹拌接合用工具の部分斜視図である。 図３Ａは、図２の摩擦撹拌接合用工具の側面図であり、図３Ｂは、図２の摩擦撹拌接合用工具を先端方向から見た図である。 図２に示す摩擦撹拌接合用工具を用いた重ね接合の斜視説明図である。 図４の重ね接合の断面説明図である。 図６Ａは、第１変形例に係るプローブを備えた摩擦撹拌接合用工具を先端方向から見た図であり、図６Ｂは、第２変形例に係るプローブを備えた摩擦撹拌接合用工具を先端方向から見た図である。 図７Ａは、第３変形例に係るプローブを備えた摩擦撹拌接合用工具を先端方向から見た図であり、図７Ｂは、第４変形例に係るプローブを備えた摩擦撹拌接合用工具を先端方向から見た図である。 第５変形例に係るプローブを備えた摩擦撹拌接合用工具を先端方向から見た図である。

以下、本発明に係る摩擦撹拌接合用工具について、摩擦撹拌接合システムとの関係において好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照しながら説明する。

図１に示すように、摩擦撹拌接合システム１２は、摩擦撹拌接合用工具１０（以下、「接合用工具１０」ということがある。）を回転させながらワークＷに押し付けることにより、ワークＷに対して摩擦撹拌接合（ＦＳＷ：Friction Stir Welding）を行うものである。

ワークＷは、例えば、板状の第１部材１００と板状の第２部材１０２とを有する。ワークＷは、第１部材１００と第２部材１０２とが互いに重ねられた状態で固定台１３に固定される。

第１部材１００及び第２部材１０２のそれぞれは、例えば、アルミニウム、マグネシウム、銅、鉄、チタン、又はこれらの合金等の金属材料により構成される。第１部材１００及び第２部材１０２は、互いに同一の材料で構成されてもよいし、互いに異なる材料で構成されてもよい。なお、第１部材１００及び第２部材１０２の少なくともいずれかは、樹脂材料により構成されてもよい。第１部材１００及び第２部材１０２の大きさ及び形状は適宜設定される。

摩擦撹拌接合システム１２は、産業用の多関節型のロボット１４と、ロボット１４のロボットアーム１４ａの先端に接続部１６を介して設けられた接合装置本体１８と、接合装置本体１８に着脱可能な接合用工具１０と、システム全体を統括的に制御する制御部２０とを備える。

ロボット１４は、ワークＷに対する接合装置本体１８の位置及び姿勢を調整することにより、接合用工具１０をワークＷに対して相対的に移動させる。具体的に、ワークＷに対して線接合を行う場合、ロボット１４は、接合用工具１０がワークＷに対して接合方向（図４の矢印Ｆ方向）に移動するように接合装置本体１８の位置及び姿勢を調整する。つまり、ロボット１４は、接合用工具１０の移動手段及び傾動手段として機能する。

接合装置本体１８は、Ｃ字状の支持アーム２２と、支持アーム２２の一端部に設けられた駆動ユニット２４と、駆動ユニット２４に設けられて接合用工具１０をクランプするチャック部２６と、支持アーム２２の他端部に設けられた受け部材２７とを含む。

駆動ユニット２４は、チャック部２６に装着された接合用工具１０を所定の回転方向（図２の矢印Ｒ方向）に回転させるための回転用モータ２８と、接合用工具１０を回転軸Ａｘ方向（図２の矢印Ｂ方向）に進退させるためのアクチュエータ３０とを有する。受け部材２７は、ワークＷに対して摩擦撹拌接合を行う際に、チャック部２６（接合用工具１０）のワークＷを挟んだ反対側に位置する。受け部材２７は、接合用工具１０からワークＷに作用する押圧力（加圧力）を受ける。

接合用工具１０は、概略円筒状のホルダ３２と、ホルダ３２に着脱可能なツール３４とを備える。ホルダ３２の基端部は、チャック部２６にクランプされる。ホルダ３２の先端部には、ツール３４がホルダ３２と同軸に取り付け可能である。ツール３４は、消耗品であって、摩擦撹拌接合を行うことによって摩耗した際に新品に交換される。

図２〜図３Ｂに示すように、ツール３４は、概略円柱状のショルダ３６と、ショルダ３６の先端面３６ａに設けられた小径のプローブ３８とを有する。接合用工具１０は、回転軸Ａｘを中心に矢印Ｒ方向に回転させた状態でプローブ３８をワークＷ内に埋設させることによりワークＷを接合する。

ツール３４は、円柱状の金属材料に対して切削加工を施すことにより製造される。ただし、ツール３４は、切削加工以外の方法（例えば、鋳造法、積層法等）により製造されてもよい。ツール３４の構成材料としては、ワークＷよりも硬度が高く、且つ、耐熱性及び耐摩耗性に優れた工具鋼が好適に用いられる。ただし、ツール３４の構成材料は、工具鋼に限定されず、適宜設定可能である。

ショルダ３６の基端部（矢印Ｂ２方向の端部）は、ホルダ３２（図１参照）に対して着脱可能に形成されている。ショルダ３６の先端面３６ａ（矢印Ｂ１方向の端面）は、平坦に形成されている（図２及び図３Ａ参照）。

プローブ３８は、ショルダ３６の先端面３６ａから先端方向（矢印Ｂ１方向）に突出している（図２及び図３Ａ参照）。プローブ３８は、ショルダ３６に対して同軸に設けられている。プローブ３８の外径及び突出長は、接合対象であるワークＷの形状、大きさ、材質等に応じて適宜設定される。

プローブ３８は、円柱状に形成され、先端面３８ａ及び外周面３８ｂを有する。プローブ３８の外周面３８ｂには、プローブ３８の回転軸Ａｘに沿って先端面３８ａまで延在した複数（図示例では３つ）の外周凹部４０（側面溝）が形成されている。各外周凹部４０は、溝状に形成されている。

複数の外周凹部４０は、プローブ３８の周方向に等角度間隔（図示例では、１２０°間隔）に配置されている（図２及び図３Ｂ参照）。各外周凹部４０は、プローブ３８の外周面３８ｂから先端面３８ａに向かって略一定幅に形成されている。各外周凹部４０の基端は、プローブ３８の基端に位置している。

プローブ３８は、プローブ３８の周方向に隣り合う外周凹部４０の間に爪部４２を有する。換言すれば、プローブ３８は、外周凹部４０の数に対応した数の爪部４２を有する。

図２及び図３Ａにおいて、プローブ３８の外周面３８ｂには、第１外周エッジ４４及び第２外周エッジ４６が形成されている。第１外周エッジ４４は、各外周凹部４０におけるプローブ３８の回転方向前方（矢印Ｒ方向）の縁部を形成する。第１外周エッジ４４は、プローブ３８の回転軸Ａｘに対して平行に延在している。第１外周エッジ４４の基端（矢印Ｂ２方向の端）は、プローブ３８の基端に位置する。第１外周エッジ４４の先端（矢印Ｂ１方向の端）は、プローブ３８の先端面３８ａに位置する。

第２外周エッジ４６は、各外周凹部４０におけるプローブ３８の回転方向後方（矢印Ｒ方向とは反対方向）の縁部を形成する。第２外周エッジ４６は、プローブ３８の回転軸Ａｘに対して平行に延在している。第２外周エッジ４６の基端（矢印Ｂ２方向の端）は、プローブ３８の基端に位置する。第２外周エッジ４６の先端（矢印Ｂ１方向の端）は、プローブ３８の先端面３８ａに位置する。

図２及び図３Ｂに示すように、プローブ３８の先端面３８ａの中央には、回転軸Ａｘが位置する。プローブ３８の先端面３８ａには、先端面３８ａの中央部に位置して外周凹部４０に連通する先端凹部４８が形成されている。先端凹部４８は、先端面３８ａの中央に位置する中央凹部５０を含む。先端凹部４８（中央凹部５０）は、回転軸Ａｘを中心として回転対称に形成されている。

中央凹部５０は、プローブ３８の先端方向から見て、回転軸Ａｘを中心とする円（プローブ３８の先端面３８ａの外周よりも一回り小さい円）の外縁部の一部を３つの外周凹部４０によって切り欠いた形状に形成されている。そのため、中央凹部５０は、各外周凹部４０に連通している。中央凹部５０は、プローブ３８の先端方向から見て、多角形（三角形又は四角形等）の外縁部の一部を外周凹部４０によって切り欠いた形状に形成されてもよい。

中央凹部５０を構成する壁面は、回転軸Ａｘに沿った断面が円弧状に形成されている。ただし、中央凹部５０を構成する壁面の回転軸Ａｘに沿った断面形状は、適宜設定可能であり、例えば、Ｕ字状又はＶ字状に形成されてもよい。プローブ３８の先端面３８ａのうち中央凹部５０の外周側の部分は、回転軸Ａｘと直交する方向に延在した平坦面である。

プローブ３８の先端面３８ａには、外側先端エッジ５４及び内側先端エッジ５６が形成されている。外側先端エッジ５４は、各外周凹部４０の先端縁部を形成する。すなわち、外側先端エッジ５４は、第１外周エッジ４４の先端と第２外周エッジ４６の先端とを互いに連結する。

具体的に、外側先端エッジ５４は、第１エッジ５８、第２エッジ６０及び中間エッジ６２を含む。第１エッジ５８は、爪部４２の先端面におけるプローブ３８の回転方向後方（矢印Ｒ方向とは反対方向）の縁部を形成する。第１エッジ５８は、第１外周エッジ４４の先端に連結する。第１エッジ５８は、第１外周エッジ４４の先端から回転軸Ａｘが位置する内方に向かってプローブ３８の回転方向後方に傾斜するように延びている。つまり、プローブ３８の外周面３８ｂと第１エッジ５８とのなす角度θ１は、鈍角に設定されている。

第２エッジ６０は、爪部４２の先端面におけるプローブ３８の回転方向前方（矢印Ｒ方向）の縁部を形成する。第２エッジ６０は、第２外周エッジ４６の先端に連結する。第２エッジ６０は、第２外周エッジ４６の先端から回転軸Ａｘが位置する内方に向かってプローブ３８の回転方向前方に傾斜するように延びている。つまり、プローブ３８の外周面３８ｂと第２エッジ６０とのなす角度θ２は、鈍角に設定されている。

中間エッジ６２は、第１エッジ５８と第２エッジ６０とを互いに連結する。中間エッジ６２は、中央凹部５０を構成する壁面と外周凹部４０を構成する壁面との境界部を形成する。中間エッジ６２は、円弧状に延在している。

内側先端エッジ５６は、中央凹部５０の外縁部を形成する。換言すれば、中央凹部５０を構成する壁面と爪部４２の先端面との境界部を形成する。内側先端エッジ５６は、外側先端エッジ５４に連結する。

次に、上述した接合用工具１０を用いてワークＷの第１部材１００（例えば、鉄板）と第２部材１０２（アルミニウム合金板）とを重ね接合する例について説明する。

この場合、図１において、ワークＷは、第１部材１００と第２部材１０２とが互いに重ねられた状態で固定台１３に固定される。具体的に、図４及び図５に示すように、第１部材１００の一方の面（第１外面１００ａ）は、ショルダ３６側に位置する。第１部材１００の他方の面（第１内面１００ｂ）は、第２部材１０２の一方の面（第２内面１０２ｂ）に接触している。第２部材１０２の他方の面（第２外面１０２ａ）は、受け部材２７に接触する。

そして、制御部２０は、駆動ユニット２４の駆動を制御することにより、接合用工具１０を回転させながらワークＷに向かって（矢印Ｂ１方向）に移動させ、プローブ３８の先端面３８ａを第１部材１００の第１外面１００ａに押し付ける。

そうすると、図５に示すように、プローブ３８は、第１部材１００を切削しながら第１部材１００内に挿入される。この際、プローブ３８と第１部材１００との間に摩擦熱が発生するため、第１部材１００のうちプローブ３８の周囲が軟化する。

続いて、プローブ３８の先端面３８ａが第２部材１０２の第２内面１０２ｂに到達すると、プローブ３８は、第２部材１０２を切削しながら第２部材１０２内に挿入される。この際、プローブ３８と第２部材１０２との間に摩擦熱が発生するとともに第１部材１００で発生した摩擦熱が第２部材１０２に伝達するため、第２部材１０２のうちプローブ３８の周囲が軟化する。そして、プローブ３８が完全にワークＷ内に埋設し、ショルダ３６の先端面３６ａが第１部材１００の第１外面１００ａに接触した状態となる。

第１部材１００の軟化した部分（第１軟化材料１０４）と第２部材１０２の軟化した部分（第２軟化材料１０６）とは、プローブ３８の回転に引きずられて塑性流動して互いに撹拌される。

具体的に、プローブ３８の側方に存在する第１軟化材料１０４は、複数の外周凹部４０のそれぞれに取り込まれる。各外周凹部４０内に取り込まれた第１軟化材料１０４は、中央凹部５０内に導かれ、プローブ３８の先端側で第２軟化材料１０６と混ざり合う（撹拌される）。

そして、図４に示すように、接合用工具１０の回転と加圧を維持しながら、接合用工具１０を接合方向（矢印Ｆ方向）に移動させることで、第１部材１００と第２部材１０２とが互いに摩擦撹拌接合されて一体化される。これにより、ワークＷに接合部１０８（接合ビード）が形成される。

この場合、本実施形態に係る接合用工具１０は、以下の効果を奏する。

プローブ３８の先端面３８ａには、先端面３８ａの中央部に位置して外周凹部４０に連通する先端凹部４８が形成されている。

このような構成によれば、外周凹部４０に取り込まれた第１軟化材料１０４を先端凹部４８内に貯めることができる。すなわち、外周凹部４０に取り込まれた第１軟化材料１０４をプローブ３８の先端側に円滑に塑性流動させることができる。よって、第１軟化材料１０４と第２軟化材料１０６とを効果的に撹拌させることができるため、良好な接合品質を得ることができる。

先端凹部４８は、先端面３８ａの中央に位置する中央凹部５０を含み、外周凹部４０は、中央凹部５０の外縁部の一部を切り欠くように形成されている。

このような構成によれば、簡易な構成により、中央凹部５０と外周凹部４０とを互いに連通させることができる。

プローブ３８の先端面３８ａには、外周凹部４０におけるプローブ３８の先端方向の縁部を形成する外側先端エッジ５４が形成されている。外側先端エッジ５４は、外側先端エッジ５４と外周面３８ｂとのなす角度θ１、θ２が鈍角になるように延在している。

このような構成によれば、プローブ３８の外周面３８ｂと外側先端エッジ５４とで形成される角部の剛性（強度）を高めることができる。

（第１変形例）
次に、第１変形例に係るプローブ３８Ａについて説明する。なお、プローブ３８Ａの説明において、上述したプローブ３８と同一の構成については、同一の参照符号を付し、その説明を省略する。また、プローブ３８Ａにおいて、プローブ３８と同様の構成については、同様の作用効果を奏する。

図６Ａに示すように、プローブ３８Ａの先端面３８ａに形成された先端凹部４８ａは、先端面３８ａの中央からプローブ３８Ａの径方向外方に向かって延在して外周凹部４０に連通する複数（図示例では３つ）の先端溝７０を含む。先端凹部４８ａは、回転軸Ａｘを中心として回転対称に形成されている。

複数の先端溝７０は、互いに同一に形成されている。各先端溝７０の溝幅は、外周凹部４０の溝幅（第１外周エッジ４４と第２外周エッジ４６との間隔）と同一である。先端溝７０を構成する壁面は、横断面が円弧状に形成されている。ただし、先端溝７０を構成する壁面の横断面形状は、適宜設定可能であり、Ｕ字状又はＶ字状等であってもよい。プローブ３８Ａの先端面３８ａのうち先端溝７０及び外周凹部４０以外の部分は、回転軸Ａｘと直交する方向に延在した平坦面である。

プローブ３８Ａの先端面３８ａには、外側先端エッジ５４ａ、第１溝エッジ７４、第２溝エッジ７６及び第３溝エッジ７８が形成されている。外側先端エッジ５４ａは、外周凹部４０の先端縁部を形成する。換言すれば、外側先端エッジ５４ａは、先端溝７０を構成する壁面と外周凹部４０を構成する壁面との境界部を形成する。外側先端エッジ５４ａは、第１外周エッジ４４の先端と第２外周エッジ４６の先端とを互いに連結する。

第１溝エッジ７４は、先端溝７０におけるプローブ３８Ａの回転方向前方（矢印Ｒ方向）の側縁部を形成する。第１溝エッジ７４のうちプローブ３８Ａの外周側に位置する外端は、第１外周エッジ４４の先端に連結する。

第２溝エッジ７６は、先端溝７０におけるプローブ３８Ａの回転方向後向（矢印Ｒ方向とは反対方向）の側縁部を形成する。第２溝エッジ７６は、先端溝７０を挟んで互いに平行に延在している。第２溝エッジ７６のうちプローブ３８Ａの外周側に位置する外端は、第２外周エッジ４６の先端に連結する。互いに隣接する先端溝７０において、一方の先端溝７０の第１溝エッジ７４におけるプローブ３８Ａの中央側に位置する内端は、他方の先端溝７０の第２溝エッジ７６におけるプローブ３８Ａの中央側に位置する内端に連結する。

第３溝エッジ７８は、先端面３８ａの中央から第１溝エッジ７４と第２溝エッジ７６との連結部に向かって直線状に延出した稜線である。互いに隣接する第３溝エッジ７８のなす角度θ３は、１２０°に設定されている。

本変形例において、先端凹部４８ａは、先端面３８ａの中央からプローブ３８Ａの径方向外方に向かって延在して外周凹部４０に連通する先端溝７０を含んでいる。

このような構成によれば、外周凹部４０から先端溝７０に流入した第１軟化材料１０４をプローブ３８Ａの先端面３８ａの中央部に効率的に導くことができる。

外周凹部４０及び先端溝７０のそれぞれは、３つずつ設けられ、先端面３８ａには、先端面３８ａの中央から互いに隣接する先端溝７０を仕切るように延出した第３溝エッジ７８が形成されている。

このような構成によれば、先端溝７０を塑性流動する第１軟化材料１０４を第３溝エッジ７８に当ててプローブ３８Ａの先端方向に導くことができる。これにより、プローブ３８Ａの先端方向で第１軟化材料１０４と第２軟化材料１０６とを一層効果的に撹拌することができる。

（第２変形例）
次に、第２変形例に係るプローブ３８Ｂについて説明する。なお、プローブ３８Ｂの説明において、上述したプローブ３８Ａと同一の構成については、同一の参照符号を付し、その説明を省略する。また、プローブ３８Ｂにおいて、プローブ３８Ａと同様の構成については、同様の作用効果を奏する。

図６Ｂに示すように、プローブ３８Ｂの先端面３８ａに形成された先端凹部４８ｂは、先端溝７０に代えて幅狭の先端溝７０ａを含む。先端溝７０ａの溝幅は、外周凹部４０の溝幅よりも狭い。プローブ３８Ｂの先端面３８ａには、外側先端エッジ５４ｂ、第１溝エッジ７４、第２溝エッジ７６及び第３溝エッジ７８が形成されている。

外側先端エッジ５４ｂは、各外周凹部４０の先端縁部を形成する。外側先端エッジ５４ｂは、第１エッジ８０、第２エッジ８２及び中間エッジ８４を含む。第１エッジ８０は、爪部４２の先端面におけるプローブ３８Ｂの回転方向後方（矢印Ｒ方向とは反対方向）の縁部を形成する。第１エッジ８０は、第１外周エッジ４４の先端に連結する。第１エッジ８０は、第１外周エッジ４４の先端から回転軸Ａｘが位置する内方に向かってプローブ３８Ｂの回転方向後方に傾斜するように延びている。つまり、プローブ３８Ｂの外周面３８ｂと第１エッジ８０とのなす角度θ４は、鈍角に設定されている。

第２エッジ８２は、爪部４２の先端面におけるプローブ３８Ｂの回転方向前方（矢印Ｒ方向）の縁部を形成する。第２エッジ８２は、第２外周エッジ４６の先端に連結する。第２エッジ８２は、第２外周エッジ４６の先端から回転軸Ａｘが位置する内方に向かってプローブ３８Ｂの回転方向前方に傾斜するように延びている。つまり、プローブ３８Ｂの外周面３８ｂと第２エッジ８２とのなす角度θ５は、鈍角に設定されている。

中間エッジ８４は、第１エッジ８０と第２エッジ８２とを互いに連結する。中間エッジ８４は、先端溝７０ａを構成する壁面と外周凹部４０を構成する壁面との境界部を形成する。

本変形例において、外周凹部４０は、溝状に形成され、先端溝７０ａの溝幅は、外周凹部４０の溝幅よりも狭い。

このような構成によれば、上述したプローブ３８Ａに比べて、爪部４２を肉厚に形成することができるため、爪部４２の剛性（強度）を向上させることができる。また、先端溝７０ａを流通する第１軟化材料１０４の流速を高めることができる。これにより、第１軟化材料１０４をプローブ３８Ｂの先端方向に効率的に導くことができる。よって、接合速度を高めることができる。

（第３変形例）
次に、第３変形例に係るプローブ３８Ｃについて説明する。なお、プローブ３８Ｃの説明において、上述したプローブ３８Ａと同一の構成については、同一の参照符号を付し、その説明を省略する。また、プローブ３８Ｃにおいて、プローブ３８Ａと同様の構成については、同様の作用効果を奏する。

図７Ａに示すように、プローブ３８Ｃの先端面３８ａに形成された先端凹部４８ｃは、先端面３８ａの中央に位置する中央凹部８６と、中央凹部８６と外周凹部４０とを互いに連結する複数（図示例では３つ）の先端溝７０とを含む。先端凹部４８ｃは、回転軸Ａｘを中心として回転対称に形成されている。

中央凹部８６は、プローブ３８Ｃの先端方向から見て円形状に形成されている。中央凹部８６を構成する壁面は、回転軸Ａｘに沿った断面が円弧状に形成されている。ただし、中央凹部８６を構成する壁面の断面形状は、適宜設定可能であり、Ｕ字状又はＶ字状等であってもよい。先端溝７０の溝幅は、中央凹部８６の直径と同一の長さに設定されている。先端溝７０の溝幅は、外周凹部４０の溝幅と同一の長さに設定されている。

プローブ３８Ｃの先端面３８ａには、外側先端エッジ５４ａ、第１溝エッジ７４、第２溝エッジ７６、第３溝エッジ８８が形成されている。第３溝エッジ８８は、中央凹部８６を構成する壁面と先端溝７０を構成する壁面との境界部を形成する。第３溝エッジ８８は、第１溝エッジ７４の内端と第２溝エッジ７６の内端とに連結している。

本変形例において、先端凹部４８ｃは、先端面３８ａの中央に位置する中央凹部８６と、中央凹部８６と外周凹部４０とを互いに連結する先端溝７０と、を含む。

このような構成によれば、外周凹部４０に取り込まれた第１軟化材料１０４を、先端溝７０を介して中央凹部８６に導くことができる。

中央凹部８６は、プローブ３８Ｃの先端方向から見て円形状に形成され、先端溝７０の溝幅は、中央凹部８６の直径と同一の長さに設定されている。

このような構成によれば、先端溝７０の溝幅が中央凹部８６の直径よりも狭い場合と比較して先端溝７０を流れる第１軟化材料１０４の流量を多くすることができる。

（第４変形例）
次に、第４変形例に係るプローブ３８Ｄについて説明する。なお、プローブ３８Ｄの説明において、上述したプローブ３８Ｃと同一の構成については、同一の参照符号を付し、その説明を省略する。また、プローブ３８Ｄにおいて、プローブ３８Ｃと同様の構成については、同様の作用効果を奏する。

図７Ｂに示すように、プローブ３８Ｄの先端面３８ａに形成された先端凹部４８ｄは、先端溝７０に代えて幅狭の先端溝７０ａを含む。先端溝７０ａの溝幅は、外周凹部４０の溝幅よりも狭い。また、先端溝７０ａの溝幅は、中央凹部８６の直径よりも狭い。

プローブ３８Ｄの先端面３８ａには、外側先端エッジ５４ｂ、第１溝エッジ７４、第２溝エッジ７６、第３溝エッジ８８、及び内側先端エッジ９０が形成されている。内側先端エッジ９０は、中央凹部８６を構成する壁面と爪部４２の先端面との境界部を形成する。

本変形例において、中央凹部８６は、プローブ３８Ｄの先端方向から見て円形状に形成され、先端溝７０ａの溝幅は、中央凹部８６の直径よりも狭い。

このような構成によれば、各爪部４２の剛性（強度）を向上させることができる。また、先端溝７０ａを流れる第１軟化材料１０４の流速を高めることができる。これにより、第１軟化材料１０４をプローブ３８Ｄの先端方向に効率的に塑性流動させることができるため、接合速度を高めることができる。

（第５変形例）
次に、第５変形例に係るプローブ３８Ｅについて説明する。なお、プローブ３８Ｅの説明において、上述したプローブ３８Ａと同一の構成については、同一の参照符号を付し、その説明を省略する。また、プローブ３８Ｅにおいて、プローブ３８Ａと同様の構成については、同様の作用効果を奏する。

図８に示すように、プローブ３８Ｅの先端面３８ａに形成された先端凹部４８ｅは、互いに交差するように外周凹部４０からプローブ３８Ｅの先端面３８ａの中央（回転軸Ａｘ）からずれた位置に向かって直線状に延在した複数（図示例では３つ）の先端溝７０ｂを含む。先端凹部４８ｅは、回転軸Ａｘを中心として回転対称に形成されている。

先端溝７０ｂは、プローブ３８Ｅの先端方向から見て、先端溝７０ｂの中心線Ｌ１が、プローブ３８Ｅの先端面３８ａの中央（回転軸Ａｘ）からずれた位置を通るように直線状に延在している。外周凹部４０の幅方向中央と回転軸Ａｘとを結ぶ線分Ｌ２と中心線Ｌ１とのなす角度（先端溝７０ｂのずれ角度θ６）は、適宜設定可能である。

複数の先端溝７０ｂは、互いに同一に形成されている。各先端溝７０ｂの溝幅は、外周凹部４０の溝幅と同一に設定されている。先端溝７０ｂを構成する壁面は、横断面が円弧状に形成されている。ただし、先端溝７０ｂを構成する壁面の横断面形状は、適宜設定可能であり、Ｕ字状又はＶ字状等であってもよい。

プローブ３８Ｅの先端面３８ａには、外側先端エッジ５４ａ、第１溝エッジ９２、第２溝エッジ９４及び第３溝エッジ９６を含む。第１溝エッジ９２は、先端溝７０ｂにおけるプローブ３８Ｅの回転方向前方（矢印Ｒ方向）の側縁部を形成する。第１溝エッジ９２のうちプローブ３８Ｅの外周側に位置する外端は、第１外周エッジ４４の先端に連結する。

第２溝エッジ９４は、先端溝７０ｂにおけるプローブ３８Ｅの回転方向後向（矢印Ｒ方向とは反対方向）の側縁部を形成する。第２溝エッジ９４は、先端溝７０ｂを挟んで互いに平行に延在している。第２溝エッジ９４のうちプローブ３８Ｅの外周側に位置する外端は、第２外周エッジ４６の先端に連結する。

互いに隣接する先端溝７０ｂにおいて、一方の先端溝７０ｂの第１溝エッジ９２におけるプローブ３８Ｅの中央側に位置する内端は、他方の先端溝７０ｂの第２溝エッジ９４におけるプローブ３８Ｅの中央側に位置する内端に連結する。第２溝エッジ９４の全長は、第１溝エッジ９２の全長よりも短い。プローブ３８Ｅの先端方向から見て、先端溝７０ｂの中心線Ｌ１は、先端面３８ａの中央（回転軸Ａｘ）よりも当該先端溝７０ｂの第１溝エッジ９２側に位置している。

第３溝エッジ９６は、先端面３８ａの中央から互いに隣接する先端溝７０ｂを仕切るように延出した稜線である。第３溝エッジ９６は、先端溝７０ｂの延出方向の縁部を形成するとともに隣接する先端溝７０ｂの側方縁部の一部を形成する。第３溝エッジ９６は、先端面３８ａの中央から延出した第１直線部９８ａと、第１溝エッジ９２及び第２溝エッジ９４の連結部から第１直線部９８ａまで延びた第２直線部９８ｂとを有する。第１直線部９８ａと第２直線部９８ｂとは、互いに同じ長さである。換言すれば、第１直線部９８ａと第２直線部９８ｂの交点は、先端溝７０ｂの延出端に位置する。

本変形例において、先端凹部４８ｅは、外周凹部４０に連通する先端溝７０ｂを含み、外周凹部４０は、プローブ３８Ｅの周方向に複数設けられ、先端溝７０ｂは、互いに交差するように複数設けられ、先端溝７０ｂは、プローブ３８Ｅの先端方向から見て、先端溝７０ｂの中心線Ｌ１がプローブ３８Ｅの先端面３８ａの中央からずれた位置を通るように直線状に延在し、プローブ３８Ｅには、互いに隣接する先端溝７０ｂの間に爪部４２が形成される。

このような構成によれば、プローブ３８Ｅの先端面３８ａの中央と先端溝７０ｂの中心線Ｌ１とのずれ量（ずれ角度θ６）を調整することにより、爪部４２の形状を変更することができる（爪部４２の形状の自由度を高めることができる）。具体的には、ずれ角度θ６を小さくするほど、爪部４２におけるプローブ３８Ｅの回転方向前方（矢印Ｒ方向）の角部（プローブ３８Ｅの外周面３８ｂと第２溝エッジ９４とのなす角度θ７）が小さくなる。この場合、爪部４２によるワークＷの切削性能が向上する。一方、ずれ角度θ６を大きくするほど、なす角度θ７が大きくなる。この場合、爪部４２の剛性（強度）を高めることができるため、プローブ３８Ｅの耐久性が向上する。

先端面３８ａには、先端面３８ａの中央から互いに隣接する先端溝７０ｂを仕切るように延出した第３溝エッジ９６が形成されている。

このような構成によれば、先端溝７０ｂを塑性流動する第１軟化材料１０４を第３溝エッジ９６に当ててプローブ３８Ｅの先端方向に導くことができる。これにより、第１軟化材料１０４と第２軟化材料１０６とを一層効果的に撹拌することができる。

本変形例に係るプローブ３８Ｅにおいて、先端溝７０ｂは、プローブ３８Ｅの先端方向から見て、先端溝７０ｂの中心線Ｌ１が、先端面３８ａの中央（回転軸Ａｘ）よりも当該先端溝７０ｂの第２溝エッジ９４側に位置するように形成されてもよい。この場合、ずれ角度θ６を小さくするほど、なす角度θ７が大きくなり、ずれ角度θ６を大きくするほど、なす角度θ７が小さくなる。

プローブ３８Ｅにおいて、先端溝７０ｂの溝幅は、外周凹部４０の溝幅よりも小さくてもよい。

本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の改変が可能である。

接合用工具１０は、３枚以上の板材が重ねられたワークＷを重ね接合するものであってもよい。接合用工具１０は、２枚の板材の端面が互いに突き合せされた状態でその突合せ部分を摩擦撹拌接合する突合せ接合に用いることもできる。外周凹部４０、先端溝７０、７０ａ、７０ｂのそれぞれの大きさ、形状、位置及び数は、適宜変更可能である。

以上の実施形態をまとめると、以下のようになる。

上記実施形態は、先端面（３８ａ）及び外周面（３８ｂ）を有するプローブ（３８Ａ〜３８Ｅ）を備え、前記外周面（３８ｂ）には、前記先端面（３８ａ）まで延在した外周凹部（４０）が形成され、回転軸（Ａｘ）を中心に前記プローブ（３８Ａ〜３８Ｅ）を回転させた状態でワーク（Ｗ）内に埋設させることにより前記ワーク（Ｗ）を接合する摩擦撹拌接合用工具（１０）であって、前記先端面（３８ａ）には、前記先端面（３８ａ）の中央部に位置して前記外周凹部（４０）に連通する先端凹部（４８、４８ａ〜４８ｅ）が形成されている、摩擦撹拌接合用工具（１０）を開示している。

上記の摩擦撹拌接合用工具（１０）において、前記先端凹部（４８ａ）は、前記先端面（３８ａ）の中央に位置する中央凹部（５０）を含み、前記外周凹部（４０）は、前記中央凹部（５０）の外縁部の一部を切り欠くように形成されてもよい。

上記の摩擦撹拌接合用工具（１０）において、前記先端凹部（４８ｂ）は、前記先端面（３８ａ）の中央から前記プローブ（３８Ａ〜３８Ｄ）の径方向外方に向かって延在して前記外周凹部（４０）に連通する先端溝（７０、７０ａ）を含んでもよい。

上記の摩擦撹拌接合用工具（１０）において、前記外周凹部（４０）及び前記先端溝（７０、７０ａ）のそれぞれは、複数設けられ、前記先端面（３８ａ）には、前記先端面（３８ａ）の中央から互いに隣接する前記先端溝（７０、７０ａ）を仕切るように延出した稜線（７８）が形成されてもよい。

上記の摩擦撹拌接合用工具（１０）において、前記外周凹部（４０）は、溝状に形成され、前記先端溝（７０ａ）の溝幅は、前記外周凹部（４０）の溝幅よりも狭くてもよい。

上記の摩擦撹拌接合用工具（１０）において、前記先端凹部（４８ｃ、４８ｄ）は、前記先端面（３８ａ）の中央に位置する中央凹部（８６）と、前記中央凹部（８６）と前記外周凹部（４０）とを互いに連結する先端溝（７０、７０ａ）と、を含んでもよい。

上記の摩擦撹拌接合用工具（１０）において、前記中央凹部（８６）は、前記プローブ（３８Ｃ）の先端方向から見て円形状に形成され、前記先端溝（７０）の溝幅は、前記中央凹部（８６）の直径と同一の長さに設定されてもよい。

上記の摩擦撹拌接合用工具（１０）において、前記中央凹部（８６）は、前記プローブ（３８Ｄ）の先端方向から見て円形状に形成され、前記先端溝（７０ａ）の溝幅は、前記中央凹部（８６）の直径よりも狭くてもよい。

上記の摩擦撹拌接合用工具（１０）において、前記先端凹部（４８ｅ）は、前記外周凹部（４０）に連通する先端溝（７０ｂ）を含み、前記外周凹部（４０）は、前記プローブ（３８Ｅ）の周方向に複数設けられ、前記先端溝（７０ｂ）は、互いに交差するように複数設けられ、前記先端溝（７０ｂ）は、前記プローブ（３８Ｅ）の先端方向から見て、前記先端溝（７０ｂ）の中心線（Ｌ１）が前記プローブ（３８Ｅ）の先端面（３８ａ）の中央からずれた位置を通るように直線状に延在し、前記プローブ（３８Ｅ）には、互いに隣接する前記先端溝（７０ｂ）の間に爪部（４２）が形成されてもよい。

上記の摩擦撹拌接合用工具（１０）において、前記先端面（３８ａ）には、前記先端面（３８ａ）の中央から互いに隣接する前記先端溝（７０ｂ）を仕切るように延出した稜線（９６）が形成されてもよい。

上記の摩擦撹拌接合用工具（１０）において、前記先端面（３８ａ）には、前記外周凹部（４０）における前記プローブ（３８、３８Ｂ、３８Ｄ）の先端方向の縁部を形成する外側先端エッジ（５４、５４ｂ）が形成され、前記外側先端エッジ（５４、５４ｂ）は、当該外側先端エッジ（５４、５４ｂ）と前記外周面（３８ｂ）とのなす角度（θ１、θ２、θ４、θ５）が鈍角になるように延在してもよい。

１０…摩擦撹拌接合用工具 ３８、３８Ａ〜３８Ｅ…プローブ
３８ａ…先端面 ３８ｂ…外周面
４０…外周凹部 ４２…爪部
４８、４８ａ〜４８ｅ…先端凹部 ５０、８６…中央凹部
５４、５４ａ、５４ｂ…外側先端エッジ ７０、７０ａ、７０ｂ…先端溝
Ａｘ…回転軸 Ｗ…ワーク

Claims (11)

1. 先端面及び外周面を有するプローブを備え、前記外周面には、前記先端面まで延在した外周凹部が形成され、回転軸を中心に前記プローブを回転させた状態でワーク内に埋設させることにより前記ワークを接合する摩擦撹拌接合用工具であって、
   前記先端面には、前記先端面の中央部に位置して前記外周凹部に連通する先端凹部が形成されている、摩擦撹拌接合用工具。
2. 請求項１記載の摩擦撹拌接合用工具であって、
   前記先端凹部は、前記先端面の中央に位置する中央凹部を含み、
   前記外周凹部は、前記中央凹部の外縁部の一部を切り欠くように形成されている、摩擦撹拌接合用工具。
3. 請求項１記載の摩擦撹拌接合用工具であって、
   前記先端凹部は、前記先端面の中央から前記プローブの径方向外方に向かって延在して前記外周凹部に連通する先端溝を含む、摩擦撹拌接合用工具。
4. 請求項３記載の摩擦撹拌接合用工具であって、
   前記外周凹部及び前記先端溝のそれぞれは、複数設けられ、
   前記先端面には、前記先端面の中央から互いに隣接する前記先端溝を仕切るように延出した稜線が形成されている、摩擦撹拌接合用工具。
5. 請求項３又は４に記載の摩擦撹拌接合用工具であって、
   前記外周凹部は、溝状に形成され、
   前記先端溝の溝幅は、前記外周凹部の溝幅よりも狭い、摩擦撹拌接合用工具。
6. 請求項１記載の摩擦撹拌接合用工具であって、
   前記先端凹部は、
   前記先端面の中央に位置する中央凹部と、
   前記中央凹部と前記外周凹部とを互いに連結する先端溝と、を含む、摩擦撹拌接合用工具。
7. 請求項６記載の摩擦撹拌接合用工具であって、
   前記中央凹部は、前記プローブの先端方向から見て円形状に形成され、
   前記先端溝の溝幅は、前記中央凹部の直径と同一の長さに設定されている、摩擦撹拌接合用工具。
8. 請求項６記載の摩擦撹拌接合用工具であって、
   前記中央凹部は、前記プローブの先端方向から見て円形状に形成され、
   前記先端溝の溝幅は、前記中央凹部の直径よりも狭い、摩擦撹拌接合用工具。
9. 請求項１記載の摩擦撹拌接合用工具であって、
   前記先端凹部は、前記外周凹部に連通する先端溝を含み、
   前記外周凹部は、前記プローブの周方向に複数設けられ、
   前記先端溝は、互いに交差するように複数設けられ、
   前記先端溝は、前記プローブの先端方向から見て、前記先端溝の中心線が前記プローブの先端面の中央からずれた位置を通るように直線状に延在し、
   前記プローブには、互いに隣接する前記先端溝の間に爪部が形成される、摩擦撹拌接合用工具。
10. 請求項９記載の摩擦撹拌接合用工具であって、
    前記先端面には、前記先端面の中央から互いに隣接する前記先端溝を仕切るように延出した稜線が形成されている、摩擦撹拌接合用工具。
11. 請求項１〜１０のいずれか１項に記載の摩擦撹拌接合用工具であって、
    前記先端面には、前記外周凹部における前記プローブの先端方向の縁部を形成する外側先端エッジが形成され、
    前記外側先端エッジは、当該外側先端エッジと前記外周面とのなす角度が鈍角になるように延在している、摩擦撹拌接合用工具。

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