JP2021045793A - 金属板の両面摩擦撹拌接合方法および両面摩擦撹拌接合装置 - Google Patents

Abstract

【課題】両面摩擦撹拌接合を行なうに際し、金属板の厚さ方向に対して均質的に接合状態を達成するに十分な塑性流動を得ることが可能となり、接合時における欠陥発生を抑制しつつ接合速度の高速度化を達成し、十分な強度と共に、接合施工性を向上することが可能な摩擦撹拌接合方法、及びその摩擦撹拌接合を行なうための好適な摩擦撹拌接合装置を提供する。【解決手段】本発明は、互いに対向する一対の回転ツール１，８を２枚の金属板３の接合部である突合せ部もしくは重ね部の表面側と裏面側にそれぞれ配置し、突合せ部もしくは重ね部において一対の回転ツールを回転させながら接合方向Ｐに移動させ、回転ツールと金属板との摩擦熱により金属板を軟化させつつ、その軟化した部位を回転ツールで撹拌することにより塑性流動を生じさせて金属板同士を接合する。【選択図】図１

Description

本発明は、金属板同士を接合する両面摩擦撹拌接合方法、およびその両面摩擦撹拌接合を行なうための両面摩擦撹拌接合装置に関する。摩擦撹拌接合方法では、互いに対向する一対の回転ツールを金属板の接合部となる突合せ部もしくは重ね部の表面側と裏面側に対向してそれぞれ配置し、突合せ部もしくは重ね部において一対の回転ツールを回転させながら接合方向に移動し、回転ツールと金属板との摩擦熱により金属板を軟化させつつ、その軟化した部位を回転ツールで撹拌する。これにより、接合部で塑性流動を生じさせて金属板同士を接合する。

また、本発明は、この摩擦撹拌接合方法を金属板の接合に適用した場合、あるいは摩擦撹拌接合装置を金属板の接合に使用した場合に懸念される問題点、すなわち接合部における金属板の厚さ方向に生じる温度および塑性流動の差異に起因する接合部内の局所的な塑性流動不良を解消するものである。これにより、接合欠陥を有利に解消し、十分な強度（継手強度）を得ると共に、接合施工性の向上、特に接合速度の向上を図ろうとするものである。

なお以下では、金属板（たとえば鋼板等）を突合せた（もしくは重ねた）だけで未だ接合されていない状態にある突合せ部分（もしくは重ね部分）を「未接合部」、一方、塑性流動により接合されて一体化された部分を「接合部」と呼ぶものとする。

摩擦溶接法として、特許文献１には、一対の金属材料の両方または片方を回転することにより、金属材料に摩擦熱を生じさせて軟化させながら、その軟化した部位を撹拌して塑性流動を起こすことによって、金属材料を接合する技術が開示されている。しかしながら、この技術は、接合される金属材料を回転させるものであるから、その金属材料の形状や寸法に限界がある。

一方、特許文献２には、金属板よりも実質的に硬い材質からなる回転ツールを金属板の未接合部に挿入し、この回転ツールを回転させながら移動させることにより、回転ツールと金属板との間に生じる熱と塑性流動によって、金属板を長手方向に連続的に接合する方法が開示されている。この技術は、金属板を固定した状態で、回転ツールを回転させながら移動させることによって金属板を接合する。このため、接合方向に沿って実質的に無限に長い部材にも、その長手方向に連続的に固相接合できるという利点がある。また、回転ツールと金属板との摩擦熱による金属の塑性流動を利用した固相接合であるため、接合部を溶融することなく接合することができる。さらに、加熱温度が低いため接合後の変形が少なく、また接合部は溶融されないため欠陥が少なく、加えて溶加材を必要としないなど多くの利点がある。

摩擦撹拌接合法は、アルミニウム合金やマグネシウム合金に代表される低融点金属板の接合法として、航空機、船舶、鉄道車輌および自動車等の分野で利用が広がってきている。その理由としては、これらの低融点金属板は、従来のアーク溶接法では接合部の満足な特性を得ることが難しいが、摩擦撹拌接合法を適用することにより生産性を向上すると共に、品質の高い接合部を得ることができるためである。

一方、建築物、船舶、重機、パイプラインおよび自動車といった構造物の素材として主に適用されている構造用鋼板に対する摩擦撹拌接合法の適用は、従来の溶融溶接で課題となる凝固割れや水素割れを回避できるとともに、鋼板の組織変化も抑制されるので、継手性能の向上が期待できる。また、回転ツールにより接合界面を撹拌することで清浄面を創出して清浄面同士を接触できるので、拡散接合のような事前の準備工程は不要であるというメリットも期待できる。このように、構造用鋼板に対する摩擦撹拌接合法の適用は、多くの利点が期待される。しかし、接合時における欠陥発生の抑制、および接合速度（すなわち回転ツールの移動速度）の高速度化といった接合施工性に問題を残していたため、低融点金属板に対する摩擦撹拌接合法の適用と比較して摩擦撹拌接合法の普及が進んでいない。

特許文献２に記載された摩擦撹拌接合法における欠陥発生の主な要因として、金属板の厚さ方向に生じる温度および塑性流動の差異が挙げられる。金属板の接合部の一方の面側に対して回転ツールを押圧させ、回転させながら接合方向に移動することで接合する場合、回転ツールの肩部が押圧される面側では、肩部の回転により十分な温度上昇とせん断応力の負荷により高温で大きな変形とが加わることで、接合界面に清浄面を創出する。そして清浄面同士を接触させることで冶金的な接合状態を達成するに十分な塑性流動が得られる。一方、その反対の面側では、比較的低温で、負荷されるせん断応力が小さくなるために、冶金的な接合状態を達成するに十分な塑性流動が得られない状態に陥りやすい。

特許文献２に記載された摩擦撹拌接合法の技術を構造用鋼板に適用する場合においては、構造用鋼板の高温での強度が高いため、低入熱でかつ接合速度が高い場合に上記のような十分な塑性流動が得られない状態となる傾向が強い。そのため、接合時における欠陥発生を抑制しつつ接合速度の高速度化が困難である。

特許文献３、特許文献４および特許文献５には両面摩擦撹拌接合方法が開示されている。両面摩擦撹拌接合方法においては、互いに対向する一対の回転ツールの肩部が金属板の接合部の表面側と裏面側に押圧され、肩部の回転により十分な温度上昇とせん断応力により高温で大きな変形とを金属板の接合部の両面に加える。これにより、金属板の厚さ方向に対して均質的な接合状態を達成するに十分な塑性流動を得ることができ、接合時における欠陥発生を抑制しつつ接合速度の高速度化を達成することができると考えられる。しかし特許文献３、特許文献４および特許文献５に記載された技術に関しては、互いに対向する一対の回転ツールの肩部を金属板の接合部の表面側と裏面側に押圧するに際して、接合状態を達成するに十分な温度上昇とせん断応力を得る上で重要な意味を持つ一対の回転ツールの肩部間の隙間に関しては何ら考慮されていない。

特開昭６２−１８３９７９号公報 特表平７−５０５０９０号公報 特許第３２６１４３３号 特許第４８３８３８５号 特許第４８３８３８８号

本発明は、従来の技術の問題点を解消する摩擦撹拌接合方法、及びその摩擦撹拌接合を行なうための好適な摩擦撹拌接合装置を提供することを目的とする。すなわち本発明では、両面摩擦撹拌接合を行なうに際し、互いに対向する一対の回転ツールの肩部が金属板の接合部の表面側と裏面側に押圧され、肩部の回転により十分な温度上昇とせん断応力により高温で大きな変形とを金属板の接合部の両面に加えることによって、金属板の厚さ方向に対して均質的に接合状態を達成するに十分な塑性流動を得ることが可能となる。その結果、接合時における欠陥発生を抑制しつつ接合速度の高速度化を達成し、十分な強度（継手強度）と共に、接合施工性を向上することが可能となる技術の提供である。とりわけ、接合状態を達成するに十分な温度上昇とせん断応力を得る上で重要となる、互いに対向する一対の回転ツールの肩部間の隙間を精査した摩擦撹拌接合方法、およびそれを実現する摩擦撹拌接合装置を提供することを目的とする。

なお、本発明において「接合状態」とは、金属板の接合部界面を跨いで結晶粒が連続的に形成され、微視的に金属板の界面が消失した状態を指す。「接合状態を達成する」あるいは「接合状態を得る」とは、上記の状態を達成すること、あるいは上記の状態を得ることを意味する。

さて、本発明者らは、上記の課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、以下に述べる知見(a)〜(d)を得た。

(a)両面摩擦撹拌接合においては、接合時における欠陥発生を抑制しつつ接合速度の高速度化を達成する上で、接合状態を得るに十分な温度上昇とせん断応力を、金属板の厚さ方向に対して均質的に分布させるために、互いに対向する一対の回転ツールの肩部同士の隙間を管理する必要がある。特に、一対の回転ツールに傾斜角度が付与される場合は、金属板の厚さに加えて、回転ツールの肩部の直径および傾斜角度を調整することが有効である。

(b)互いに対向する一対の回転ツールは、回転方向を表面側と裏面側で同方向とすると、一方の回転ツールに対する他方の回転ツールの相対速度はゼロである。そのため、回転ツールの肩部同士の隙間において金属板の塑性流動が均質状態に近づくほど塑性変形が小さくなり、金属板の塑性変形による発熱も得られないので、良好な接合状態は達成不可能となる。よって、良好な接合状態を達成するに十分な温度上昇とせん断応力を金属板の厚さ方向に対して均質的に得るためには、一対の回転ツールの回転方向を表面側と裏面側で逆方向とする必要がある。

(c)互いに対向する一対の回転ツールは、ピン部の先端間の隙間を管理することによって、金属板の厚さ方向に対して均質的に温度上昇とせん断応力を得ることが可能となり、接合時における欠陥発生を抑制しつつ接合速度の高速度化を達成することができる。さらに、金属板の厚さ、および回転ツールの肩部の直径を調整することによって、効果が顕著に発揮される。

(d)互いに対向する一対の回転ツールは、肩部の直径を管理することによって、金属板の厚さ方向に対して均質的に温度上昇とせん断応力を得ることが可能となり、接合時における欠陥発生を抑制しつつ接合速度の高速度化を達成することができる。特に、金属板厚さに関連して肩部の直径を限定することで顕著な効果を得ることができる。

本発明は、このような知見に立脚するものである。

すなわち本発明は、互いに対向する一対の回転ツールを２枚の金属板の接合部である突合せ部もしくは重ね部の表面側と裏面側にそれぞれ配置し、突合せ部もしくは重ね部において一対の回転ツールを回転させながら接合方向に移動させ、回転ツールと金属板との摩擦熱により金属板を軟化させつつ、その軟化した部位を回転ツールで撹拌することにより塑性流動を生じさせて金属板同士を接合する両面摩擦撹拌接合方法において、
一対の回転ツールとして、肩部およびその肩部に配され肩部と回転軸を共有するピン部を備え、かつ少なくとも肩部とピン部とが金属板よりも硬い材質により形成されてなるものを使用し、
金属板を把持装置により固定しつつ、一対の回転ツールを金属板の表面と裏面とにそれぞれ押圧させ、回転ツールを回転させながら接合方向に移動させるとともに、
一対の回転ツールのピン部の先端間に隙間ｇ（mm）を与えることによって生じる肩部の隙間Ｇ（mm）が、突合せの場合は金属板の厚さｔ（mm）、もしくは重ねの場合は重ね合せた金属板の総厚さｔ（mm）に対して
0.5×t≦Ｇ≦ｔ
を満たし、
さらに一対の回転ツールを互いに逆方向に回転させて、
摩擦撹拌接合を行なう両面摩擦撹拌接合方法である。

また本発明は、互いに対向する一対の回転ツールを２枚の金属板の接合部である突合せ部もしくは重ね部の表面側と裏面側にそれぞれ配置し、突合せ部もしくは重ね部において一対の回転ツールを回転させながら接合方向に移動させ、回転ツールと金属板との摩擦熱により金属板を軟化させつつ、その軟化した部位を回転ツールで撹拌することにより塑性流動を生じさせて金属板同士を接合する両面摩擦撹拌接合方法において、
一対の回転ツールとして、肩部およびその肩部に配され肩部と回転軸を共有するピン部を備え、かつ少なくとも肩部とピン部とが金属板よりも硬い材質により形成されてなるものを使用し、
金属板を把持装置により固定しつつ、一対の回転ツールを金属板の表面と裏面とに押圧させ、回転ツールを回転させながら接合方向に移動させるとともに、
一対の回転ツールの回転軸を金属板に対して鉛直方向から接合方向に対して先行する側に傾斜角度α（°）で傾斜させ、傾斜角度αが
０＜α≦３
を満たし、かつ一対の回転ツールのピン部の先端間に隙間ｇ（mm）を与えることによって生じる肩部の隙間Ｇ（mm）が、金属板の厚さｔ（mm）ならびに回転ツールの肩部の直径Ｄ（mm）に対して
（0.5×t）−（0.2×Ｄ×sinα）≦Ｇ≦ｔ−（0.2×Ｄ×sinα）
を満たし、
さらに一対の回転ツールを互いに逆方向に回転させて、
摩擦撹拌接合を行なう両面摩擦撹拌接合方法である。

本発明の両面摩擦撹拌接合方法においては、肩部の直径Ｄ（mm）が、金属板の厚さｔ（mm）に対して
４×ｔ≦Ｄ≦20×ｔ
を満たすことが好ましく、隙間ｇ（mm）が、突合せの場合は金属板の厚さｔ（mm）、もしくは重ねの場合は重ね合せた金属板の総厚さｔ（mm）ならびに回転ツールの前記肩部の直径Ｄ（mm）に対して
［0.1−0.09×exp{-0.011×（Ｄ／ｔ）²}］×ｔ≦ｇ
≦［1−0.9×exp{-0.011×（Ｄ／ｔ）²}］×ｔ
を満たすことが好ましい。

さらに本発明は、互いに対向する一対の回転ツールを２枚の金属板の接合部である突合せ部もしくは重ね部の表面側と裏面側にそれぞれ配置し、突合せ部もしくは重ね部において一対の回転ツールを回転させながら接合方向に移動させ、回転ツールと金属板との摩擦熱により金属板を軟化させつつ、その軟化した部位を回転ツールで撹拌することにより塑性流動を生じさせて金属板同士を接合する両面摩擦撹拌接合装置において、
回転ツールが、肩部およびその肩部に配され肩部と回転軸を共有するピン部を備え、かつ少なくとも肩部とピン部とが金属板よりも硬い材質により形成され、
一対の回転ツールを回転させながら接合方向に移動させる間、金属板を固定する把持装置を備え、
一対の回転ツールのピン部の先端間に隙間ｇ（mm）を与えることによって生じる肩部の隙間Ｇ（mm）が、突合せの場合は金属板の厚さｔ（mm）、もしくは重ねの場合は重ね合せた金属板の総厚さｔ（mm）に対して
0.5×t≦Ｇ≦ｔ
を満たし、
さらに一対の回転ツールを互いに逆方向に回転させる回転駆動装置を備える両面摩擦撹拌接合装置である。

また本発明は、互いに対向する一対の回転ツールを２枚の金属板の接合部である突合せ部もしくは重ね部の表面側と裏面側にそれぞれ配置し、突合せ部もしくは重ね部において一対の回転ツールを回転させながら接合方向に移動させ、回転ツールと金属板との摩擦熱により金属板を軟化させつつ、その軟化した部位を回転ツールで撹拌することにより塑性流動を生じさせて金属板同士を接合する両面摩擦撹拌接合装置において、
回転ツールが、肩部およびその肩部に配され肩部と回転軸を共有するピン部を備え、かつ少なくとも肩部とピン部とが金属板よりも硬い材質により形成され、
一対の回転ツールを回転させながら接合方向に移動させる間、金属板を固定する把持装置を備え、
一対の回転ツールの回転軸を金属板に対して鉛直方向から接合方向に対して先行する側に傾斜角度α（°）で傾斜させ、傾斜角度αが
０＜α≦３
を満たし、かつ一対の回転ツールのピン部の先端間に隙間ｇ（mm）を与えることによって生じる肩部の隙間Ｇ（mm）が、突合せの場合は金属板の厚さｔ（mm）、もしくは重ねの場合は重ね合せた金属板の総厚さｔ（mm）ならびに回転ツールの肩部の直径Ｄ（mm）に対して
（0.5×t）−（0.2×Ｄ×sinα）≦Ｇ≦ｔ−（0.2×Ｄ×sinα）
を満たし、
さらに一対の回転ツールを互いに逆方向に回転させる回転駆動装置を備える両面摩擦撹拌接合装置である。

本発明の両面摩擦撹拌接合装置においては、肩部の直径Ｄ（mm）が、突合せの場合は金属板の厚さｔ（mm）、もしくは重ねの場合は重ね合せた金属板の総厚さｔ（mm）に対して４×ｔ≦Ｄ≦20×ｔ
を満たすことが好ましく、隙間ｇ（mm）が、突合せの場合は金属板の厚さｔ（mm）、もしくは重ねの場合は重ね合せた金属板の総厚さｔ（mm）ならびに回転ツールの前記肩部の直径Ｄ（mm）に対して
［0.1−0.09×exp{-0.011×（Ｄ／ｔ）²}］×ｔ≦ｇ
≦［1−0.9×exp{-0.011×（Ｄ／ｔ）²}］×ｔ
を満たすことが好ましい。

本発明によれば、両面摩擦撹拌接合を行なうに際し、互いに対向する一対の回転ツールの肩部が金属板の接合部の表面と裏面に押圧され、肩部の回転により十分な温度上昇とせん断応力により高温で大きな変形とが金属板の接合部の両面に加わることで、金属板の厚さ方向に対して均質的に塑性流動が促進され、良好な接合状態を達成することができる。その結果、接合時における欠陥発生を抑制しつつ接合速度の高速度化を達成し、十分な強度と共に、接合施工性を向上することができるので、産業上格段の効果を奏する。

図１は、本発明における回転ツールと金属板の配置の例を模式的に示す斜視図である。 図２（１）は図１中の回転ツールと金属板の一部分を示す平面図であり、図２（２）は図２（１）に示すＡ−Ａ矢視の断面図である。 図３（１）および図３（２）は、実施例で使用した回転ツールの断面寸法を示す断面図である。

本発明では、２枚の金属板を突き合わせて、もしくは２枚の金属板を重ね合わせて、その突合せ部もしくは重ね部の表面側と裏面側に一対の回転ツールを配置して両面摩擦撹拌接合を行なう。

以下、図１および図２を参照して、突合せ部の両面摩擦撹拌接合を行なう場合について具体的に説明する。

図１に示すように、突き合わされた２枚の金属板３の表面側と裏面側に一対の回転ツール１、８を互いに対向して配置し、金属板３の表面側と裏面側の両方から未接合部１２に回転ツール１、８を挿入して、さらに回転させながら接合方向に移動させる。図１中の矢印Ｐは回転ツール１、８の進行方向（すなわち接合方向）、矢印Ｑは表面側に配置される回転ツール１の回転方向、矢印Ｒは裏面側に配置される回転ツール８の回転方向を示す。

そして、互いに対抗する一対の回転ツール１、８を回転させて摩擦熱を発生させ、金属板３を軟化させつつ、その軟化した部位を一対の回転ツール１、８で撹拌することにより塑性流動を生じさせて、金属板３を接合する。こうして得られる接合部４は、回転ツール１、８の進行方向に沿って線状に形成される。図１中の未接合部１２から接合部４の幅中央に延伸する直線７（以下、接合中央線という）は、矢印Ｐの方向へ進行する回転ツール１、８の軌跡に一致する（図２（１）参照）。

２枚の金属板３は、回転ツール１、８が接合中央線７に沿って進行する際に、いずれも把持装置（図示せず）で把持されて、所定の位置に固定される。なお把持装置は、回転ツール１、８の進行に伴う金属板３の位置の変動を防止できるものを使用すれば良いので、その構成は特に限定しない。

表面側の回転ツール１のピン部６先端と、裏面側の回転ツール８のピン部１０先端は当接させず、図２（２）に示すように隙間ｇ（mm）を与える。また、回転ツール１、８の直径Ｄ（mm）とピン部６、１０の直径ａ（mm）の差によって生じる段差５、９（以下、肩部という）の間には隙間Ｇ（mm）が生じる。

さらに、表面側の回転ツール１の回転方向（すなわち矢印Ｑ）に対して裏面側の回転ツール８を逆方向（すなわち矢印Ｒ）に回転させる。たとえば図２（１）に示すように、金属板３の表面側から見た平面図において、回転ツール１を時計方向に回転させる場合は、回転ツール８を反時計方向に回転させる。図示を省略するが、回転ツール１を反時計方向に回転させる場合は、回転ツール８を時計方向に回転させる。

このようにして、回転ツール１のピン部６先端と回転ツール８のピン部１０先端に隙間ｇを設け、回転ツール１の肩部５と回転ツール８の肩部９に隙間Ｇを設け、かつ回転ツール１と回転ツール８を逆方向に回転させる。これにより、十分な温度上昇とせん断応力が金属板３の両面から加えられ、接合部４における金属板３の厚さ方向に生じる温度および塑性流動の差異を低減し均質的な接合状態を達成することができる。また、接合部４内に局所的に発生する塑性流動不良を解消することで接合欠陥を有利に解消し、十分な強度と共に、接合施工性の向上、特に接合速度の向上を図ることが可能となる。

表面側の回転ツール１は、肩部５、および、この肩部５に配置され、かつ肩部５と回転軸２を共有するピン部６を備える。裏面側の回転ツール８は、肩部９、および、この肩部９に配置され、かつ肩部９と回転軸１１を共有するピン部１０を備える。そして、少なくとも肩部５、９とピン部６、１０は金属板３よりも硬い材質により形成される。

また、互いに対向する回転ツール１、８の回転方向Ｑ、Ｒを、表面側と裏面側で逆方向とすることで、回転ツール１、８の回転によって金属板３に加わる回転トルクを打ち消し合うことができる。従来の一方面側から回転ツールを押圧して接合する摩擦撹拌接合法と比較すると、金属板３を拘束する治具の構造を簡略化することが可能である。

一方、互いに対向する回転ツール１、８の回転方向を表面側と裏面側で同方向とすると、表面側の回転ツール１に対する裏面側の回転ツール８の相対速度はゼロである。このため、回転ツール１、８の肩部５、９間では金属板３の塑性流動が均質状態に近づくほど塑性変形は小さくなり金属板３の塑性変形による発熱も得られなくなるため、良好な接合状態は達成不可能となる。

よって、良好な接合状態を達成するに十分な温度上昇とせん断応力を被加工材の厚さ方向に対して均質的に得るためには、互いに対向する回転ツール１、８の回転方向Ｑ、Ｒを表面側と裏面側で逆方向とする。

さらに、本発明では、回転ツールの配置を以下のように調整することによって、回転ツール寿命の向上、接合欠陥発生の抑制、および接合速度の高速度化を図る上で有効である。

まず、表面側および裏面側の回転ツールの傾斜角度α（°）について説明する。

回転ツール１、８の回転軸２、１１を、金属板３に対する鉛直方向から角度α（°）をもって傾斜させて、ピン部６、１０先端を接合方向Ｐに対して先行させることで、回転ツール１、８に対する負荷を回転軸２、１１方向に圧縮される分力として回転ツール１、８で受けることができる。一対の回転ツール１、８は、金属板３よりも硬い材質により形成される必要があり、セラミックなどの靭性に乏しい材料を使用する場合には、ピン部６、１０に対して曲げ方向の力が負荷されると、局部に応力が集中し破壊に至る。よって、一対の回転ツール１、８の回転軸２、１１を角度α（以下、傾斜角度という）で傾けることで回転ツール１、８に加わる負荷を回転軸２、１１方向に圧縮される分力として受け、曲げ方向の力を低減することができ、回転ツール１、８の破損を回避することができる。

傾斜角度αは０°を超えると上述の効果が得られるが、３°を超えると接合部の表裏面が凹形となり接合継手強度に悪影響を及ぼすため、３°を上限とする。すなわち、傾斜角度は０°＜α≦３°であることが好ましい。より好ましくは０．５°≦α≦２．０°である。

なお、傾斜角度αは０°であっても、接合状態を達成することは可能である。

次に、表面側および裏面側の回転ツールの肩部間の隙間Ｇ（mm）について説明する。

両面摩擦撹拌接合においては、接合時における欠陥発生を抑制しつつ接合速度の高速度化を達成する上で、接合状態を達成するに十分な温度上昇とせん断応力を金属板３の厚さ方向に対して均質的に得るために重要となる一対の回転ツール１、８の肩部５、９間の隙間Ｇを厳密に管理する必要がある。

表面側および裏面側の回転ツール１、８の傾斜角度αが０°の場合は、突合せ接合においては金属板３の厚さｔ（mm）、重ね接合においては重ね合せた金属板３の総厚さｔ（mm）に対して、0.5×ｔ以上かつｔ以下の範囲に限定する。その結果、互いに対向する回転ツール１、８の肩部５、９が金属板３の表面側および裏面側に十分な荷重で押圧され、回転ツール１、８の肩部５、９による摩擦とせん断方向への塑性変形により発熱と塑性流動が促進される。これより、金属板３の厚さ方向に対して均質的に塑性流動が促進され、良好な接合状態を達成することができる。一対の回転ツール１、８の肩部５、９間の隙間Ｇは、tを超えると回転ツール１、８の肩部５、９が金属板３の表面側および裏面側に十分な荷重で押圧することができず、上記の効果が得られない。一方、肩部５、９間の隙間Ｇは、0.5×ｔ未満となると、接合部の表面と裏面が凹形となり接合継手強度に悪影響を及ぼす。よって、傾斜角度がα＝０°の場合は、隙間Ｇを0.5×t以上かつt以下とする必要がある。

さらに、互いに対向する回転ツール１、８の傾斜角度αが、０°＜α≦３°である場合は、一対の回転ツール１、８の肩部５、９を金属板３の表面と裏面に広い範囲で接触させるために、表面側および裏面側の回転ツール１、８の肩部５、９間の隙間Ｇを小さく設定する必要がある。よって、傾斜角度αを付与する場合は、金属板３の厚さｔ（突合せ接合のとき）もしくは重ね合せた金属板の総厚さｔ（重ね接合のとき）に加え、回転ツール１、８の肩部５、９の直径Ｄ（mm）、傾斜角度α（°）に対して、隙間Ｇを（0.5×ｔ）−（0.2×Ｄ×sinα）以上かつｔ−（0.2×Ｄ×sinα）以下とする必要がある。

隙間Ｇが（0.5×ｔ）−（0.2×Ｄ×sinα）未満では、接合部の表面と裏面が凹形となり接合継手強度に悪影響を及ぼす。隙間Ｇがｔ−（0.2×Ｄ×sinα）超えでは、回転ツール１、８の肩部５、９が金属板３の表面側および裏面側に十分な荷重で押圧することができず、上記の効果が得られない。なお好ましくは、隙間Ｇは、（0.6×ｔ）−（0.2×Ｄ×sinα）≦Ｇ≦（0.9×ｔ）−（0.2×Ｄ×sinα）である。

つまり隙間Ｇは、
α＝０°の場合：0.5×t≦Ｇ≦t
０°＜α≦３°の場合：（0.5×t）−（0.2×Ｄ×sinα）≦Ｇ≦ｔ−（0.2×Ｄ×sinα）
とする。

次に、表面側および裏面側の回転ツールのピン部先端の隙間ｇ（mm）について説明する。

金属板３の厚さ方向に対して均質的に温度上昇とせん断応力を得て、接合時における欠陥発生を抑制しつつ接合速度の高速度化を達成するためには、互いに対向する回転ツール１、８のピン部６、１０先端の隙間ｇを管理することが有効である。特に、回転ツール１、８の肩部５、９の直径Ｄと金属板３の厚さｔ（突合せ接合の場合）もしくは重ね合せた金属板の総厚さｔ（重ね接合の場合）の比（Ｄ／ｔ）が小さい場合は、厚さ方向に対して均質的に塑性流動が起こり難くなる。このため、ピン部６、１０先端の隙間ｇを、［0.1−0.09×exp{-0.011×（Ｄ／ｔ）²}］×ｔ以上かつ［1−0.9×exp{-0.011×（Ｄ／ｔ）²}］×ｔ以下に限定することが有効である。

ピン部６、１０先端の隙間ｇが［0.1−0.09×exp{-0.011×（Ｄ／ｔ）²}］×ｔ未満では、互いに対向する回転ツール１、８のピン部６、１０先端が接触し損傷する恐れがあるので望ましくない。また、ピン部６、１０先端の隙間ｇが［1−0.9×exp{-0.011×（Ｄ／ｔ）²}］×ｔを超えると、厚さ方向に対して均質的な塑性流動が有効に得られない。つまり隙間ｇは、［0.1−0.09×exp{-0.011×（Ｄ／ｔ）²}］×ｔ≦ｇ≦［1−0.9×exp{-0.011×（Ｄ／ｔ）²}］×ｔとすることが好ましい。なお、より好ましくは、隙間ｇは、［0.12−0.09×exp{-0.011×（Ｄ／ｔ）²}］×ｔ≦ｇ≦［0.9−0.9×exp{-0.011×（Ｄ／ｔ）²}］×ｔとする。

次に、表面側および裏面側の回転ツールの肩部の直径Ｄ（mm）について説明する。

既に説明した隙間Ｇ、ｇに加えて、互いに対向する回転ツール１、８の肩部５、９の直径Ｄを厳密に管理することが、金属板３の厚さ方向に対して均質的に温度上昇とせん断応力を得て、接合時における欠陥発生を抑制しつつ接合速度の高速度化を達成する上では有効である。特に、直径Ｄ（mm）は、金属板３の厚さｔ（mm）に対して、４×ｔ以上かつ20×ｔ以下に限定することで効果を得ることができる。

直径Ｄ（mm）が４×ｔ未満では、金属板３の厚さ方向に対して均質的な塑性流動が有効に得られない。一方、直径Ｄ（mm）が20×ｔを超えると、不要に塑性流動を生じる領域を広げるのみで、装置に対して過大な負荷がかかるため好ましくない。つまり直径Ｄは、４×ｔ≦Ｄ≦20×ｔとする。なお厚さｔは、突合せ接合においては金属板３の厚さｔ（mm）、重ね接合においては重ね合せた金属板３の総厚さｔ（mm）を指す。なお、より好ましくは、直径Ｄは、5×ｔ≦Ｄ≦18×ｔとする。

また、表面側および裏面側の回転ツール１、８のピン部６、１０の長さｂは、傾斜角度α、肩部間の隙間Ｇ、ピン部先端の隙間ｇ、肩部の直径Ｄ、厚さｔに応じて適宜決定すればよい。

上記以外の接合条件については、常法に従えばよい。こうすることによって、互いに対向する回転ツール１、８の回転数を100〜5000回／分の範囲とし、接合速度を1000mm／分以上に高速化することができる。

また、本発明が対象とする金属板３は、一般的な構造用鋼や炭素鋼板、例えばJIS G 3106やJIS G 4051に相当する鋼板等に好適に適用することができる。また、引張強さが800MPa以上の高強度構造用鋼板にも有利に適用でき、この場合であっても、接合部において、鋼板の引張強さの85％以上の強度、さらには90％以上の強度が得られる。

表１に示す厚さ、化学組成、および引張強さの鋼板を用いて、摩擦撹拌接合を行なった。突合せ接合の場合は、継手突合せ面は、角度をつけないいわゆるI型開先でフライス加工程度の表面状態により、鋼板突合せ部の表面側および裏面側の両方から回転ツールを押圧して接合を行なった。重ね接合の場合は、同種の鋼板を２枚重ねて、鋼板重ね部の表面側および裏面側の両方から回転ツールを押圧して接合を行った。摩擦撹拌接合の接合条件を表２に示す。回転ツールの回転方向は、相対向する表面側、裏面側の回転ツールを、表面側から見て、表面側の回転ツールは時計回り、裏面側の回転ツールは反時計回りとする場合、さらに表面側、裏面側の回転ツールともに時計回りとする場合において接合を行った。また、ここでは、図３（１）および図３（２）に断面形状を有する２種類の炭化タングステン（ＷＣ）を素材とした回転ツールを用いた。

表３に、接合した際の継手外観観察での表面欠陥の有無、継手断面観察での内部欠陥の有無、および得られた接合継手よりJIS Z 3121で規定する１号試験片の寸法の引張試験片を採取し、引張試験を行った際の引張強さをそれぞれ示す。

なお、表面欠陥および内部欠陥の評価は次のように行った。

＜表面欠陥の評価＞
観察は、得られた接合継手の接合速度が表２に記載の値となった部位を用いた。表面欠陥の有無は、塑性流動不足により溝状に未接合状態が見られるか、あるいは接合ツールの肩部間の隙間Ｇが狭すぎるため接合部が凹形状となる状態が見られるか否かを目視で判定する。表面欠陥として、溝状の未接合状態あるいは接合部の凹形状の状態が見られる場合は、その深さＤ_ｄ（ｍｍ）をレーザ変位計を用いて測定し、評価した。
・無し：上記に記載の表面欠陥がいずれも見られない。
・良好：上記に記載の表面欠陥のいずれかが見られるが、上記深さＤ_ｄ（ｍｍ）と鋼板の厚さｔ（ｍｍ）との比率(Ｄ_ｄ／ｔ)が０．１以下であった。
・有り：上記に記載の表面欠陥のいずれかが見られ、かつ上記深さＤ_ｄ（ｍｍ）と鋼板の厚さｔ（ｍｍ）との比率(Ｄ_ｄ／ｔ)が０．１を超えた。もしくは、溝状の未接合状態が表面から裏面に貫通した。なお、貫通した場合は、接合不成立とみなし、内部欠陥および継手強度の評価は行わない。

＜内部欠陥の評価＞
観察は、得られた接合継手の接合速度が表２に記載の値となった部位において、接合開始側の端部から２０ｍｍの位置、接合終了側の端部から２０ｍｍの位置、および両端部の中間となる位置の断面をそれぞれ切断し、試験片とした。内部欠陥の有無は、塑性流動不足により接合部内部に形成した未接合状態が見られるか否かを光学顕微鏡（倍率：１０倍）を用いて評価した。
・無し：上記に記載の３箇所のいずれの位置においても、トンネル状に形成した未接合状態が見られない。
・良好：上記に記載の３箇所の位置において、接合部内部に形成した未接合状態が１箇所見られた。
・有り：上記に記載の３箇所の位置において、接合部内部に形成した未接合状態が２箇所以上見られた。

表３に示す通り、突合せ継手の発明例１〜１０、および重ね継手の発明例１１〜１３では、接合速度を１ｍ／分以上と高速化した場合であっても、継手外観観察で表面欠陥は認められず、継手断面観察でも内部欠陥は認められず、健全な接合状態が得られたことが確認された。さらに、継手強度に関しては、母材となる鋼板の引張強さの95％以上が得られた。なお、「健全な接合状態」とは、表面欠陥、内部欠陥の評価においていずれも「良好」もしくは「無し」の評価となったことを意味する。

一方、突合せ継手の比較例１〜７、および重ね継手の比較例８、９では、継手外観観察で表面欠陥、継手断面観察で内部欠陥のいずれか片方もしくは両方が認められ、健全な接合状態が得られなかった。比較例１０、１１では、表面欠陥の評価において、「貫通」であったため接合不成立とみなし、内部欠陥および継手強度の評価は行わなかった。
さらに、継手強度に関しては、母材となる鋼板の引張強さの70％以下となった。

１ 表面側の回転ツール
２ 表面側の回転ツールの回転軸
３ 金属板
４ 接合部
５ 表面側の回転ツールの肩部
６ 表面側の回転ツールのピン部
７ 接合中央線
８ 裏面側の回転ツール
９ 裏面側の回転ツールの肩部
10 裏面側の回転ツールのピン部
11 裏面側の回転ツールの回転軸
12 未接合部

Claims (12)

1. 互いに対向する一対の回転ツールを２枚の金属板の接合部である突合せ部の表面側と裏面側にそれぞれ配置し、前記突合せ部において前記一対の回転ツールを回転させながら接合方向に移動させ、前記回転ツールと前記金属板との摩擦熱により前記金属板を軟化させつつ、その軟化した部位を前記回転ツールで撹拌することにより塑性流動を生じさせて前記金属板同士を接合する両面摩擦撹拌接合方法において、
   前記一対の回転ツールとして、肩部および該肩部に配され前記肩部と回転軸を共有するピン部を備え、かつ少なくとも前記肩部と前記ピン部とが前記金属板よりも硬い材質により形成されてなるものを使用し、
   前記金属板を把持装置により固定しつつ、前記一対の回転ツールを前記金属板の表面と裏面とに押圧させ、前記回転ツールを回転させながら接合方向に移動させるとともに、
   前記一対の回転ツールの前記回転軸を前記金属板に対して鉛直方向から接合方向に対して先行する側に傾斜角度α（°）で傾斜させ、該傾斜角度αが
   ０＜α≦３
   を満たし、かつ前記一対の回転ツールの前記ピン部の先端間に隙間ｇ（ｍｍ）を与えることによって生じる前記肩部の隙間Ｇ（ｍｍ）が、前記金属板の厚さｔ（ｍｍ）ならびに前記回転ツールの前記肩部の直径Ｄ（ｍｍ）に対して
   (((0.90+(0.2×12×sin1.5°))/1.6)×t)−(0.2×Ｄ×sinα)≦Ｇ≦(((1.30+(0.2×12×sin3.0°))/1.6)×t)−(0.2×Ｄ×sinα)
   を満たし、
   さらに前記一対の回転ツールを互いに逆方向に回転させて、
   前記摩擦撹拌接合を行なう両面摩擦撹拌接合方法。
2. 請求項１に記載の両面摩擦撹拌接合方法において、前記肩部の直径Ｄ（ｍｍ）が、前記金属板の厚さｔ（ｍｍ）に対して
   ４×ｔ≦Ｄ≦２０×ｔ
   を満たす両面摩擦撹拌接合方法。
3. 請求項１または２に記載の両面摩擦撹拌接合方法において、前記隙間ｇ（ｍｍ）が、前記金属板の厚さｔ（ｍｍ）ならびに前記回転ツールの前記肩部の直径Ｄ（ｍｍ）に対して
   ［0.1−0.09×exp{-0.011×（Ｄ／ｔ）^２}］×ｔ≦ｇ
   ≦［1−0.9×exp{-0.011×（Ｄ／ｔ）^２}］×ｔ
   を満たす両面摩擦撹拌接合方法。
4. 互いに対向する一対の回転ツールを２枚の金属板の接合部である重ね部の表面側と裏面側にそれぞれ配置し、前記重ね部において前記一対の回転ツールを回転させながら接合方向に移動させ、前記回転ツールと前記金属板との摩擦熱により前記金属板を軟化させつつ、その軟化した部位を前記回転ツールで撹拌することにより塑性流動を生じさせて前記金属板同士を接合する両面摩擦撹拌接合方法において、
   前記一対の回転ツールとして、肩部および該肩部に配され前記肩部と回転軸を共有するピン部を備え、かつ少なくとも前記肩部と前記ピン部とが前記金属板よりも硬い材質により形成されてなるものを使用し、
   前記金属板を把持装置により固定しつつ、前記一対の回転ツールを前記金属板の表面と裏面とに押圧させ、前記回転ツールを回転させながら接合方向に移動させるとともに、
   前記一対の回転ツールの前記回転軸を前記金属板に対して鉛直方向から接合方向に対して先行する側に傾斜角度α（°）で傾斜させ、該傾斜角度αが
   ０＜α≦３
   を満たし、かつ前記一対の回転ツールの前記ピン部の先端間に隙間ｇ（ｍｍ）を与えることによって生じる前記肩部の隙間Ｇ（ｍｍ）が、前記重ね合せた金属板の総厚さｔ（ｍｍ）ならびに前記回転ツールの前記肩部の直径Ｄ（ｍｍ）に対して
   (((0.90+(0.2×12×sin1.5°))/1.6)×t)−(0.2×Ｄ×sinα)≦Ｇ≦(((1.30+(0.2×12×sin3.0°))/1.6)×t)−(0.2×Ｄ×sinα)
   を満たし、
   さらに前記一対の回転ツールを互いに逆方向に回転させて、
   前記摩擦撹拌接合を行なう両面摩擦撹拌接合方法。
5. 請求項４に記載の両面摩擦撹拌接合方法において、前記肩部の直径Ｄ（ｍｍ）が、前記重ね合せた金属板の総厚さｔ（ｍｍ）に対して
   ４×ｔ≦Ｄ≦２０×ｔ
   を満たす両面摩擦撹拌接合方法。
6. 請求項４または５に記載の両面摩擦撹拌接合方法において、前記隙間ｇ（ｍｍ）が、前記重ね合せた金属板の総厚さｔ（ｍｍ）ならびに前記回転ツールの前記肩部の直径Ｄ（ｍｍ）に対して
   ［0.1−0.09×exp{-0.011×（Ｄ／ｔ）^２}］×ｔ≦ｇ
   ≦［1−0.9×exp{-0.011×（Ｄ／ｔ）^２}］×ｔ
   を満たす両面摩擦撹拌接合方法。
7. 互いに対向する一対の回転ツールを２枚の金属板の接合部である突合せ部の表面側と裏面側にそれぞれ配置し、前記突合せ部において前記一対の回転ツールを回転させながら接合方向に移動させ、前記回転ツールと前記金属板との摩擦熱により前記金属板を軟化させつつ、その軟化した部位を前記回転ツールで撹拌することにより塑性流動を生じさせて前記金属板同士を接合する両面摩擦撹拌接合装置において、
   前記回転ツールが、肩部および該肩部に配され前記肩部と回転軸を共有するピン部を備え、かつ少なくとも前記肩部と前記ピン部とが前記金属板よりも硬い材質により形成され、前記一対の回転ツールを回転させながら接合方向に移動させる間、前記金属板を固定する把持装置を備え、
   前記一対の回転ツールの前記回転軸を前記金属板に対して鉛直方向から接合方向に対して先行する側に傾斜角度α（°）で傾斜させ、該傾斜角度αが
   ０＜α≦３
   を満たし、かつ前記一対の回転ツールの前記ピン部の先端間に隙間ｇ（ｍｍ）を与えることによって生じる前記肩部の隙間Ｇ（ｍｍ）が、前記金属板の厚さｔ（ｍｍ）ならびに前記回転ツールの前記肩部の直径Ｄ（ｍｍ）に対して
   (((0.90+(0.2×12×sin1.5°))/1.6)×t)−(0.2×Ｄ×sinα)≦Ｇ≦(((1.30+(0.2×12×sin3.0°))/1.6)×t)−(0.2×Ｄ×sinα)
   を満たし、
   さらに前記一対の回転ツールを互いに逆方向に回転させる回転駆動装置を備える両面摩擦撹拌接合装置。
8. 請求項７に記載の両面摩擦撹拌接合装置において、前記肩部の直径Ｄ（ｍｍ）が、前記金属板の厚さｔ（ｍｍ）に対して
   ４×ｔ≦Ｄ≦２０×ｔ
   を満たす両面摩擦撹拌接合装置。
9. 請求項７または８に記載の両面摩擦撹拌接合装置において、前記隙間ｇ（ｍｍ）が、前記金属板の厚さｔ（ｍｍ）ならびに前記回転ツールの前記肩部の直径Ｄ（ｍｍ）に対して
   ［0.1−0.09×exp{-0.011×（Ｄ／ｔ）^２}］×ｔ≦ｇ
   ≦［1−0.9×exp{-0.011×（Ｄ／ｔ）^２}］×ｔ
   を満たす両面摩擦撹拌接合装置。
10. 互いに対向する一対の回転ツールを２枚の金属板の接合部である重ね部の表面側と裏面側にそれぞれ配置し、前記重ね部において前記一対の回転ツールを回転させながら接合方向に移動させ、前記回転ツールと前記金属板との摩擦熱により前記金属板を軟化させつつ、その軟化した部位を前記回転ツールで撹拌することにより塑性流動を生じさせて前記金属板同士を接合する両面摩擦撹拌接合装置において、
    前記回転ツールが、肩部および該肩部に配され前記肩部と回転軸を共有するピン部を備え、かつ少なくとも前記肩部と前記ピン部とが前記金属板よりも硬い材質により形成され、前記一対の回転ツールを回転させながら接合方向に移動させる間、前記金属板を固定する把持装置を備え、
    前記一対の回転ツールの前記回転軸を前記金属板に対して鉛直方向から接合方向に対して先行する側に傾斜角度α（°）で傾斜させ、該傾斜角度αが
    ０＜α≦３
    を満たし、かつ前記一対の回転ツールの前記ピン部の先端間に隙間ｇ（ｍｍ）を与えることによって生じる前記肩部の隙間Ｇ（ｍｍ）が、前記重ね合せた金属板の総厚さｔ（ｍｍ）ならびに前記回転ツールの前記肩部の直径Ｄ（ｍｍ）に対して
    (((0.90+(0.2×12×sin1.5°))/1.6)×t)−(0.2×Ｄ×sinα)≦Ｇ≦(((1.30+(0.2×12×sin3.0°))/1.6)×t)−(0.2×Ｄ×sinα)
    を満たし、
    さらに前記一対の回転ツールを互いに逆方向に回転させる回転駆動装置を備える両面摩擦撹拌接合装置。
11. 請求項１０に記載の両面摩擦撹拌接合装置において、前記肩部の直径Ｄ（ｍｍ）が、前記重ね合せた金属板の総厚さｔ（ｍｍ）に対して
    ４×ｔ≦Ｄ≦２０×ｔ
    を満たす両面摩擦撹拌接合装置。
12. 請求項１０または１１に記載の両面摩擦撹拌接合装置において、前記隙間ｇ（ｍｍ）が、前記重ね合せた金属板の総厚さｔ（ｍｍ）ならびに前記回転ツールの前記肩部の直径Ｄ（ｍｍ）に対して
    ［0.1−0.09×exp{-0.011×（Ｄ／ｔ）^２}］×ｔ≦ｇ
    ≦［1−0.9×exp{-0.011×（Ｄ／ｔ）^２}］×ｔ
    を満たす両面摩擦撹拌接合装置。

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