JP2021062376A - 摩擦攪拌接合ツール及び摩擦攪拌接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】異種の金属部材を良好な品質で接合可能な摩擦攪拌接合ツール及び摩擦攪拌接合方法を提供する。【解決手段】一対の金属部材３Ａ，３Ｂの突合せ部３１に回転させながら接触させて摩擦攪拌接合する摩擦攪拌接合ツール１であって、ツール先端部１０の中央に突設され、金属部材３Ａ，３Ｂ内に挿入させるプローブ１１と、プローブ１１とツール先端部１０の外周縁との間に形成され、部材表面３２を押さえ付けるためのショルダ部１２とを有し、ショルダ部１２は、部材表面３２に接触させる接触面を摩擦攪拌接合時の前進角θ１に相当する角度θ２で半径方向外周側がツール基端部側に向かって傾斜する傾斜部２５により構成する。【選択図】図１

Description

本発明は、異種金属部材の突合せ部を摩擦攪拌接合させる摩擦攪拌接合ツール及び摩擦攪拌接合方法に関する。

例えば、鉄とアルミニウムのような硬質の金属部材と軟質の金属部材の異種金属部材を接合する際、両者の反応により脆弱な金属間化合物が生成し接合品質の著しい劣化をもたらす。そのため、従来、異種金属部材の接合において、溶融溶接では接合部の強度が低下しやすく、接合品質を保証しがたいため、材料の溶融を伴わない摩擦攪拌接合の利用が広まっている（特許文献１から３）。

前記摩擦攪拌接合方法では、先端部に小径凸状のプローブが突出形成された略円柱状の摩擦攪拌接合ツールが用いられ、二つの金属部材の突合せ部に前記ツールの先端部を回転させながら押し当てて、プローブを金属部材内部に挿入させると共に、ショルダ部を金属部材表面に押し当てることによって摩擦熱を生じさせ、突合せ部を軟化、攪拌流動させる。そしてこの状態でツールを突合せ部の境界線に沿って前進移動させることで、突合せ部の端面相互を接合させていく。

特開２００７−２２２８９９号公報 特開２００４−６６３３１号公報 特開２００３−２９０９３７号公報

ところで、鉄とアルミニウムのような異種の金属部材を摩擦攪拌接合させる場合でも、接合界面に金属間化合物が生成されるが、この金属間化合物相の厚みが大きくなり過ぎると、接合部の引張強度や曲げ強度が母材よりも低くなり、十分な接合品質が得られない。特に、前記金属間化合物は、接合時の金属部材への入熱量が大きいほど多く生成されるため相の厚みが大きくなる。

従来では、異種金属部材の摩擦攪拌接合において、接合ツール回転数、移動速度、押し込み量、挿入位置等の接合条件を制御することにより接合時の入熱を下げることで接合時に生成する金属間化合物を抑制していた。その一方で、接合時の入熱を低下させることは、材料の攪拌不足を招くこととなり得るため、接合中の金属部材の攪拌現象を低下させる要因となり、接合欠陥が発生しやすくなる。すなわち、より高品質な異種金属部材の接合を実現するためには、安定して適度な入熱を維持することが重要であるが、接合時の接合条件で調整するのは煩雑かつ困難な面があった。

本発明は、前記事情を鑑みてなされたものであり、接合界面での金属間化合物の生成を抑制して、異種の金属部材を良好な品質で接合可能な摩擦攪拌接合ツール及び摩擦攪拌接合方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、前記課題を解決するため種々の検討を行ったところ、摩擦攪拌接合ツールの形状を最適化することにより接合中に金属間化合物が成長しにくい状態をつくり出し金属間化合物の成長を薄く抑えることができることを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、摩擦攪拌接合においてはプローブ寿命の改善と接合部の攪拌現象を促進する目的で、ツールを接合の進行方向に対して先端側を前方にやや傾ける前進角を持たせて接合を行うことが一般的である。この前進角により、従来のツールでは、進行方向に対して後方のショルダ部が金属部材に強く押し込まれる。このことに注目して、本発明者らは実験を行ったところ、一対の異種金属部材としてアルミニウムと鉄の接合の場合、接合ツールと鉄部材との摩擦および鉄部材の塑性変形に起因した過度の発熱が起こり、接合界面に金属間化合物が多く生成されることを解明した。
そこで、本発明者らは、以下の新しいツール形状を開発した。

すなわち、本発明に係る摩擦攪拌接合ツールは、
少なくとも一対の異種金属部材の突合せ部に回転させながら接触させて摩擦攪拌接合する摩擦攪拌接合ツールであって、
ツール先端部の中央に突設され、前記金属部材内に挿入させるプローブと、
前記プローブと前記ツール先端部の外周縁との間に形成され、前記金属部材表面を押さえ付けるためのショルダ部とを有し、
前記ショルダ部は、前記金属部材表面に接触させる接触面を摩擦攪拌接合時の前進角に相当する角度で半径方向外周側がツール基端部側に向かって傾斜する傾斜部により構成するものである。

前記ツールによれば、ツールの前進角とショルダ部の傾斜角度とが一致しているので、摩擦攪拌接合時にショルダ部と金属部材表面とを略平行状態で当接させることができる。
これにより、進行方向に対してショルダ部の後側による金属部材への押し込みが抑制されるため、突合せ部周辺での摩擦熱や接合界面での塑性変形に起因する過度の発熱を抑制することができる。従って、接合中には突合せ部に対して適度な入熱状態を容易に維持することができ、接合界面の金属間化合物の生成を抑制することができる。また、プローブによる突合せ部での材料の攪拌状態も良好に維持することができるから、攪拌不足による接合欠陥の発生を防ぐことができる。

前記ショルダ部の傾斜部は、前記プローブの付け根から当該ショルダ部の外周縁に至る範囲の部分に形成されたものであっても、突合せ部に対する適度な入熱状態を容易に維持することができるから、接合界面の金属間化合物の生成を抑制することができる。

前記ショルダ部の傾斜部は、ツール回転軸線の直交方向に対して０度より大きく５度以下の範囲内に設定されていることが好ましく、これにより、摩擦攪拌接合時にショルダ部と金属部材表面とを容易に略平行状態で当接させることができ、進行方向に対してショルダ部の後側による金属部材への押し込みを抑制することができる。すなわち、ツールの前進角は、プローブへの負荷の改善、突合せ部の攪拌現象を促進する等のため、一般的に５度以下の範囲内に設定される。従って、ショルダ部の傾斜角度が０度もしくはマイナス角度になると、従来のツールと変わらず、進行方向に対して後方のショルダ部が金属部材に強く押し込まれ、過度の発熱を起こすこととなる。逆に、ショルダ部の傾斜角度が５度よりも大きくなると、ショルダ部が金属部材表面から離れて接触面積が小さくなる。すると、ショルダ部の回転摩擦による発熱が極端に減少し、突合せ部へ適切な入熱を行えなくなり、突合せ部の材料の塑性流動が低下し接合欠陥を生じさせる。また、ショルダ部が金属部材表面から離れると、金属部材表面からの材料の流出を押さえることができず、バリの発生の原因ともなる。

前記一対の異種金属部材として、例えば、一方が硬質の金属部材であり、他方が軟質の金属部材である場合、接合界面の金属間化合物の生成が抑制され、高品質な異種金属接合材を作製することができる。

また、本発明に係る摩擦攪拌接合方法は、
前記摩擦攪拌接合ツールを用いて、硬質の金属部材と軟質の金属部材との一対の異種金属部材の突合せ部に回転させながら接触させて摩擦攪拌接合する摩擦攪拌接合方法であって、
前記摩擦攪拌接合ツールを相対的な進行方向に対して先端側を前方へ傾ける前進角を有して相対移動させるにあたり、進行方向に対して後側に位置する前記ショルダ部の傾斜部を前記異種金属部材表面に略平行状態で当接させるようにして摩擦攪拌接合を行う。

前記方法によれば、ツールの進行方向に対してショルダ部の後側による金属部材への押し込みが抑制されるため、突合せ部周辺での摩擦熱や接合界面での塑性変形に起因する過度の発熱を抑制することができる。従って、接合中には突合せ部に対して適度な入熱状態を容易に維持することができ、接合界面の金属間化合物の生成を抑制することができる。また、プローブによる突合せ部での材料の攪拌状態も良好に維持することができるから、攪拌不足による接合欠陥の発生を防ぐことができる。また、ショルダ部は、金属部材表面に当接されて金属部材表面に流出する材料を押さえ込むことができるから、バリの発生を抑制することができる。

以上より、本発明によれば、前記ツール形状により、一対の異種金属部材の突合せ部の摩擦攪拌接合時には、突合せ部周辺での摩擦熱や接合界面での塑性変形に起因する過度の発熱を抑制することができ、接合中に突合せ部に対して適度な入熱状態を容易に維持することができる。従って、接合界面の金属間化合物の生成を抑制することができ、安定して高品質な異種金属部材の接合材を作製することが可能となる。

実施形態による摩擦攪拌接合ツールの使用状態を示す斜視図である。 実施形態による摩擦攪拌接合ツールの斜視図である。 実施形態による摩擦攪拌接合ツールの先端部周辺の前方視図である。 実施形態による摩擦攪拌接合ツールの先端部周辺の側方視図である。 実施形態による摩擦攪拌接合ツールの使用状態を示す上方視図である。 比較ツールの先端部周辺の側方視図である。 金属部材の接合部周辺を示す斜視図である。 金属部材の接合部の組織状態を示す写真である。 実施形態の摩擦攪拌接合ツールにより接合された金属部材の金属間化合物相厚さとプローブ中心からの距離との関係を示すグラフである。 比較ツールにより接合された金属部材の金属間化合物相厚さとプローブ中心からの距離との関係を示すグラフである。 実施形態の摩擦攪拌接合ツールにより接合された金属部材の表面外観を示す写真である。

以下に、本発明の実施形態について添付図面を参照しながら説明する。
図１および図２に示すように、本実施形態の摩擦攪拌接合ツール（以下、適宜「ツール」という）１は、硬質の金属部材３Ａと軟質の金属部材３Ｂとの端面３０相互を突き合せた突合せ部３１を摩擦攪拌接合させる略円柱状の回転工具であり、摩擦攪拌接合装置の駆動部５に対して、回転軸線ＣＬを中心として周方向に回転可能に装着される。なお、硬質金属部材３Ａとして、例えば、鉄、銅、チタン等の金属又は合金等の板材が例示される。また、軟質金属部材３Ｂとして、例えば、アルミニウム、マグネシウム等の金属又は合金等の板材が例示される。

（摩擦攪拌接合装置）
摩擦攪拌接合装置は、駆動部５をＸ軸方向やＹ軸方向、Ｚ軸方向に移動させたり、Ｘ軸やＹ軸、Ｚ軸を中心として所定方向に回動させたりする駆動機構を有しており、駆動部５を前記のように各方向に移動又は回動させることで、ツール１を被接合部材である二つの金属部材３Ａ，３Ｂの部材表面３２に対して前後左右、或いは上下に移動させたり、所定の角度および方向に傾倒させたりすることができる。

なお、本実施形態では、前記Ｘ軸方向を前後方向、Ｙ軸方向を左右方向、Ｚ軸方向を上下方向とし、ツール１は、先端部１０が下向きになるように駆動部５に装着される。また、金属部材３Ａ，３Ｂは、両者の端面３０相互を左右に突き合わせた状態で摩擦攪拌接合装置の図示しない支持テーブルに固定され、その際、突合せ部３１の境界線ＰＬの延長方向が前後方向、境界線ＰＬと直交し且つ部材表面３２に平行な方向が左右方向、部材表面３２に垂直な方向が上下方向となるように位置調整される。

本実施形態では、駆動部５を移動又は回動させることで部材表面３２に対するツール１の位置や角度が調整されるようにしているが、支持テーブルを各方向に移動又は回動させることによって、金属部材３Ａ，３Ｂの部材表面３２に対するツール１の位置や角度が相対的に調整されるようにしてもよいし、駆動部５および支持テーブルを共動させることによって、金属部材３Ａ，３Ｂの部材表面３２に対するツール１の位置や角度が相対的に調整されるようにしてもよい。

（ツールの全体構造）
図２に示すように、ツール１は、大径の円柱状の取付け部２と、この取付け部２の下端面中央に突設された小径の円柱状のツール本体２０とを有する。図２から図５に示すように、ツール本体２０におけるツール先端部１０の中央には、小径円柱状のプローブ１１が突設され、このプローブ１１とツール先端部１０の外周縁との間には、円形のショルダ部１２が形成されている。このツール１は、金属部材３Ａ，３Ｂの突合せ部３１に回転させながら所定の加圧力で押し当てるようにして使用され（図１参照）、これにより、プローブ１１が金属部材内部に挿入され、ショルダ部１２が金属部材表面３２に押圧状態で摺接される。

ツール１は、工具鋼により形成されるが、金属部材３Ａ，３Ｂを適切に摩擦攪拌接合可能な材質であれば、超硬合金やセラミック等で形成されてもよい。

（プローブ）
プローブ１１は、外周面２２が硬質金属部材３Ａの端面３０に当接するよう、突合せ部３１における境界線ＰＬより軟質金属部材３Ｂ側へオフセットした位置に挿入され、そのプローブ１１の外周面２２によって硬質金属部材３Ａの端面３０が僅かに削られるようにしている（図５参照）。

プローブ１１の外周面２２には、その周面に沿って螺旋状に連続するネジ山１３が形成されており、このネジ山１３によって硬質金属部材３Ａの端面３０が効率的に削られ、また、周辺の部材が効率的に攪拌流動される。

プローブ１１の先端面２３は、緩やかな勾配の球面状に形成されており、軟質金属部材３Ｂの内部にプローブ１１を円滑に挿入させ、また、周辺の部材が効率的に攪拌流動される。

プローブ１１の直径は、ショルダ部１２の直径の略１／３に形成されているが、１／２〜１／５に形成することも可能である。プローブ１１の長さは、金属部材３Ａ，３Ｂに挿入されたときに、その先端が金属部材３Ａ，３Ｂの下面から突き出さないよう、金属部材３Ａ，３Ｂの厚みの７０〜９８％程度の長さに形成されている。

なお、プローブ１１の外周面２２は、ネジ山１３とは異なる形状の凹凸が形成されてもよいし、ネジ山１３のない平滑な面に形成されてもよい。また、プローブ１１の先端面２３は、平面状に形成されてもよいし、凹没状に形成されてもよいし、先端側に向かって縮径する円錐状又は円錐台状に形成されてもよい。また、プローブ１１は、全体が円錐状や円錐台状、半球状等、様々な形状に形成されたものであってもよい。

（ショルダ部）
ショルダ部１２は、プローブ１１の付け根２１からショルダ部１２の外周縁２４に至る範囲の部分、具体的には、プローブ１１の付け根２１のコーナー面（Ｒ面）とショルダ部１２の外周縁２４のコーナー面（Ｒ面）とを除いた中間部分が、ツール基端部側に向かって拡径傾斜する略円錐状の傾斜部２５を形成している。この傾斜部２５の径方向に対する傾斜角θ２は、ツール１の前進角θ１と一致するよう、０度より大きく５度以下の範囲内、好ましくは１度以上３度以下の範囲内に設定され、本実施形態では、３度に設定されている。即ち、ショルダ部１２は、前進角θ１に相当する分だけ傾斜する傾斜部２５を有している（図３、図４参照）。

なお、プローブ１１の付け根２１又はショルダ部１２の外周縁２４の何れか一方のコーナー部がＲ面状やＣ面状でない角型に形成されており、傾斜部２５は、その一方の角部から他方のコーナー面の始端までの範囲に形成されていてもよい。また、プローブ１１の付け根２１及びショルダ部１２の外周縁２４のコーナー部が共にＲ面状やＣ面状でない角型に形成されており、傾斜部２５は、その一方の角部から他方の角部に至る範囲全体、すなわち、ショルダ部１２の略全面に形成されていてもよい。また、ショルダ部１２は、表面に沿って螺旋状や円環状、放射状等、各種形状の突起や溝が形成されたものとしてもよい。

（摩擦攪拌接合方法）
ツール１は、部材表面３２に垂直な法線に対して回転軸線ＣＬを進行方向と反対側（後方）に傾倒させた姿勢（ツール１の進行方向に対してツール先端部１０側を前方へ傾けた姿勢）で、先端部１０が部材表面３２に押し当てられるよう、所定の前進角θ１が設定される（図４参照）。前進角θ１は、部材表面３２におけるバリの形出抑制や部材の攪拌促進、プローブ１１の寿命改善などを考慮して、０度より大きく５度以下の範囲内、好ましくは１度以上３度以下の範囲内に設定される。本実施形態では、前進角θ１は、３度に設定される。従って、ツール１のショルダ部１２における傾斜部２５の傾斜角θ２と同一の角度（ここでは、３度）に設定されるから、ショルダ部１２の傾斜部２５が部材表面３２に対して略平行に当接される。

そして、所定の接合条件の下、ツール１を回転させながら、先端部１０を金属部材３Ａ，３Ｂの突合せ部３１の部材表面３２に所定の加圧力にて押し当てる。これにより、プローブ１１の略全体が軟質金属部材３Ｂの内部に挿入されると共に、その外周面２２が硬質金属部材３Ａの端面３０に摺接され、さらにショルダ部１２が各金属部材３Ａ，３Ｂの部材表面３２に押圧状態で摺接される（図４、図５参照）。その結果、突合せ部３１に適度な摩擦熱を生じさせ、各金属部材３Ａ，３を軟化させると共に、プローブ１１周辺の軟質金属部材３Ｂを攪拌流動させる。また、ツール１は、進行方向に対して左側に硬質金属部材３Ａ、右側に軟質金属部材３Ｂを配置させ、基端側（上方）から見て時計回りに回転させながら前進させることで、プローブ１１の後側の軟質金属部材３Ｂを、硬質金属部材３Ａの端面３０とプローブ１１の外周面２２との隙間に巻き込むようにして流動させる。これにより、硬質金属部材３Ａと軟質金属部材３Ｂとの接合が促される。

また、ツール１の前進角θ１は、ショルダ部１２の傾斜部２５の傾斜角θ２と一致しているため、ショルダ部１２は、傾斜部２５が部材表面３２に対して平行状態で当接して押し付けられる。従って、ショルダ部１２の後側の外周縁２４は、突合せ部３１に深く押し込まれない。

そして前記のようにツール１を回転させながら部材表面３２に押し当てた状態で、境界線ＰＬに沿って前進移動させることで、突合せ部３１の端面３０相互は、境界線ＰＬに沿って適切に摩擦攪拌接合されていく。

（作用効果）
以上のように、本実施形態のツール１を用いた摩擦攪拌接合方法によれば、接合時、ツール１の前進角θ１とショルダ部１２の傾斜部２５の傾斜角θ２とが一致しているので、摩擦攪拌接合時に、ショルダ部１２と部材表面３２とを略平行状態で当接させることができる。これにより、進行方向に対してショルダ部１２の後側による金属部材３Ａ，３Ｂへの押し込みが抑制されるため、突合せ部３１周辺での摩擦熱や接合界面３３での塑性変形に起因する過度の発熱を抑制することができる。従って、接合中には突合せ部３１に対して適度な入熱状態を容易に維持することができ、接合界面３３における金属間化合物の生成を抑制することができる。また、プローブ１１による突合せ部１３での材料の攪拌状態も良好に維持することができるから、攪拌不足による接合欠陥の発生を防ぐことができる。これにより、高い接合強度を有する異種金属接合材が得られる。

また、ショルダ部１２の傾斜部２５が、プローブ１１の付け根２１からショルダ部１２の外周縁２４に至る範囲の部分に形成されており、その傾斜部２５が部材表面３２に当接されることで、部材表面３２に流出する材料をショルダ部１２におけるローブ１１の付け根２１からショルダ部１２の外周縁２４までの範囲で押さえ込むことができるから、バリの発生を抑制することもできる。これにより、高い接合強度を有した高品質な異種金属接合材の提供が可能となる。また、ショルダ部１２の内外周にＲ面やＣ面が形成されておらず、略全面に傾斜部２５が形成されたものにおいても同様に、部材表面３２に流出する材料を押さえ込むことができるから、バリの発生を抑制することができる。これにより、高い接合強度を有した高品質な異種金属接合材の提供が可能となる。

（適用例）
本実施形態のツール１を用いた摩擦攪拌接合方法の用途としては、車両のインナーやアウター等に適用できる。また、アルミニウムや銅を用いたヒートシンク、自動車バッテリ電流検出用シャント抵抗器など異種金属材料の適用可能性を秘めた技術等へも応用展開できる。その他、加工機メーカや素材メーカ等、接合業界の活性化にも寄与できる。

次に、本発明の実施例について説明する。
本発明者らは、図３、図４に示した前記ツール（以下、適宜「新ツール」という）１と、従来の一般的な摩擦攪拌接合ツール（以下、適宜「比較ツール」という）６とを用いて、一対の異種金属部材３Ａ，３Ｂの摩擦攪拌接合を行い、接合品質の評価試験を行った。図６に示すように、比較ツール６には、プローブ６１の付け根７１からショルダ部６２の外周部付近に亘る領域がツール基端部側に向かって縮径傾斜するすり鉢状の傾斜部７５を形成したものが用いられる。

図７に示すように、両ツール１，６は、金属部材３Ａ，３Ｂの部材表面３２における境界線ＰＬより軟質金属部材３Ｂ側へオフセットした位置に回転状態で押し当てられ、境界線ＰＬに沿って直線的に前進移動させることにより、金属部材３Ａ，３Ｂを接合させる。また、両ツール１，６は何れも、前進角θ１を３度、接合速度を１００ｍｍ／分で一定とし、接合回転数を８００ｒｐｍ、１０００ｒｐｍ、１２００ｒｐｍ、１４００ｒｐｍ、ツール押し込み量を０．３ｍｍ、０．６ｍｍとした各条件で前記のように金属部材３Ａ，３Ｂを接合させ、それぞれの接合サンプルを作製した。

本実施例では、硬質金属部材３Ａとして、厚さ（上下間の高さ寸法）が３ｍｍの鉄鋼板（ＳＳ４００鋼材）が用いられ、軟質金属部材３Ｂとして、厚さが３ｍｍのアルミニウム合金板（５０８３−Ｈ材）が用いられる。以下適宜、硬質金属部材３Ａを鉄部材、軟質金属部材３Ｂをアルミ部材という。

図８は、両ツール１，６により接合された金属部材３Ａ，３Ｂの接合部（図７の領域Ｆ）の組織状態を示す写真である。また、図９は、実施例のツール１により接合された金属部材３Ａ，３Ｂの前記領域Ｆにおける金属間化合物相の厚さ（金属間化合物相厚さ）Ｔとプローブ１１中心（回転軸線ＣＬ）からの距離Ｄとの関係を示すグラフであり、図１０は、比較ツール６により接合された金属部材３Ａ，３Ｂの前記領域Ｆにおける金属間化合物相厚さＴとプローブ１１中心からの距離Ｄとの関係を示すグラフである。なお、図９および図１０の各グラフに並べて示された図は、図８に示した写真の模式図であり、各グラフはこの模式図のスケールに対応している。

図１０に示すように、比較ツール６を用いた場合、プローブ６１が接合開始位置から約１．５ｍｍ前進する間に、接合界面３３の金属間化合物相厚さＴは約０．５μｍまで成長する。しかしながら、その後、プローブ６１が接合開始位置から約２．５ｍｍまで前進したあたりから、接合界面３３が元の境界線ＰＬの位置よりアルミ部材３Ｂ側へ大きく移動し始め、その移動領域Ｍにおいて、金属間化合物相厚さＴが約１．０〜１．２μｍまで増加する二次的な成長が見られた。

一方、図９に示すように、実施例のツール１を用いた場合は、プローブ６１が接合開始位置から約３．５ｍｍ前進する間に、金属間化合物相厚さＴは緩やかに約０．５μｍまで成長するものの、さらにその後、プローブ６１が前進しても、金属間化合物相厚さＴは約０．５μｍのままで維持され、二次的な成長は見られなかった。またその間、接合界面３３が元の境界線ＰＬの位置から大きく変化することもなかった。

比較ツール６を用いた場合、ショルダ部６２の傾斜部７５が部材表面３２に対して傾斜した状態のまま当接し、ショルダ部６２の後側の外周縁７４が金属部材３Ａ，３Ｂに深く押し込まれる（図６参照）。その結果、図８および図１０に示すように、比較ツール６が前進する間に、鉄部材３Ａがアルミ部材３Ｂ側へ大きく押し出されるように塑性変形される。そのため、接合界面３３の移動領域Ｍにおいて過度の発熱が生じ、金属間化合物の生成が促進されたものと考えられる。このことは、前記のように塑性変形が観察される領域（接合界面３３の移動領域）Ｍと、金属間化合物相厚さＴの二次的な成長が見られる領域とが略一致していることからも分かる。

これに対し、実施例のツール１を用いた場合は、ショルダ部１２の傾斜部２５が部材表面３２に対して略平行に当接するため、ショルダ部１２の後側の外周縁２４が金属部材３Ａ，３Ｂに深くまで押し込まれない（図４参照）。その結果、図８および図９に示すように、ツール１が前進する間も、鉄部材３Ａはアルミ部材３Ｂ側へ大きく塑性変形されない。そのため、接合界面３３で過度の発熱が生じることもなく、金属間化合物の生成が抑制されたものと考えられる。

本発明者らは、接合品質の評価試験として、実施例のツール１により接合された接合サンプルの試験片（新接合部材）Ｐ１と、比較例の比較ツール６により接合された接合サンプルの試験片（比較接合部材）Ｐ２との引張試験及び曲げ試験を行った。なお、引張試験は、何れも試験片幅を５ｍｍ、引張速度を３ｍｍ／分の設定で行い、曲げ試験は、何れも試験片幅を５ｍｍ、試験速度を１ｍｍ／分の表曲げの設定で行った。また、両試験片Ｐ１，Ｐ２共に、接合により生じる表面ビードの除去は行っていない。

次の表１は、各ツール１，６により接合された接合サンプルのうち、最大荷重を示した接合サンプルの評価試験結果を示したものである。この表１から分かるように、比較ツール６で接合された接合サンプル（比較接合部材）Ｐ２よりも、実施例のツール１で接合された接合サンプル（新接合部材）Ｐ１の方が、引張試験で約１８％、曲げ試験で約４３％高い値を示した。即ち、新接合部材Ｐ１において比較接合部材Ｐ２よりも優れた接合強度が得られた。

このように、新接合部材Ｐ１において比較接合部材Ｐ２よりも優れた接合強度が得られたのは、実施例のツール１のショルダ部１２の傾斜部２５が部材表面３２に対して略平行に、部分的ではなく全体的に当接することにより、金属間化合物相の生成に影響を与える鉄部材３Ａの塑性変形が抑制され、より薄い金属間化合物相を有する接合部材を作製できたためであると考えられる。

また、図１１に実施例のツール１により接合された接合サンプルの表面外観写真を示すが、極度なバリの発生も認められなかった。ショルダ部１２の役割として、部材表面３２を上から押さえ込むことで材料の流出を防ぐ目的もあるが、硬質の鉄部材３Ａと軟質のアルミ部材３Ｂとを接合させる場合は、鉄部材３Ａによって前記のようなショルダ部１２の役割が補助されるため、バリの発生が一層抑制されたものと考えられる。

なお、本発明は、前記実施形態に限定されず、特許請求の範囲内で様々な変更を施すことが可能である。

本実施形態では、ツール１の前進角θ１を、ショルダ部１２の傾斜部２５の傾斜角θ２に合わせて調整するようにしているが、予め設定された前進角θ１に合わせて、前進角θ１と一致する傾斜角θ２の傾斜部２５を有するツール１を複数種類のツール１の中から選択して使用するようにしてもよい。

１ 摩擦攪拌接合ツール
２ 取付け部
３Ａ，３Ｂ 金属部材
５ 駆動部
６ 比較ツール
１０ ツールの先端部
１１ プローブ
１２ ショルダ部
１３ ネジ山
２０ ツール本体
２１ プローブの付け根
２２ プローブの外周面
２３ プローブの先端面
２４ ショルダ部の外周縁
２５ 傾斜部
３０ 端面
３１ 突合せ部
３２ 金属部材の表面（部材表面）
６０ 比較ツールの先端部
６１ 比較ツールのプローブ
６２ 比較ツールのショルダ部
７１ 比較ツールのプローブの付け根
７４ 比較ツールのショルダ部の外周縁
７５ 比較ツールの傾斜部
ＣＬ 回転軸線
ＰＬ 境界線
θ１ 前進角
θ２ 傾斜角

Claims (5)

1. 少なくとも一対の異種金属部材の突合せ部に回転させながら接触させて摩擦攪拌接合する摩擦攪拌接合ツールであって、
   ツール先端部の中央に突設され、前記金属部材内に挿入させるプローブと、
   前記プローブと前記ツール先端部の外周縁との間に形成され、前記金属部材表面を押さえ付けるためのショルダ部とを有し、
   前記ショルダ部は、前記金属部材表面に接触させる接触面を摩擦攪拌接合時の前進角に相当する角度で半径方向外周側がツール基端部側に向かって傾斜する傾斜部により構成する摩擦攪拌接合ツール。
2. 請求項１に記載の摩擦攪拌接合ツールにおいて、
   前記ショルダ部の傾斜部は、前記プローブの付け根から当該ショルダ部の外周縁に至る範囲の部分に形成されている摩擦攪拌接合ツール。
3. 請求項１又は２に記載の摩擦攪拌接合ツールにおいて、
   前記ショルダ部の傾斜部は、ツール回転軸線に直交する方向に対して０度より大きく５度以下の範囲内に設定されている摩擦攪拌接合ツール。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の摩擦攪拌接合ツールにおいて、
   前記一対の異種金属部材は、一方が硬質の金属部材であり、他方が軟質の金属部材である摩擦攪拌接合ツール。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の摩擦攪拌接合ツールを用いて、硬質の金属部材と軟質の金属部材との一対の異種金属部材の突合せ部に回転させながら接触させて摩擦攪拌接合する摩擦攪拌接合方法であって、
   前記摩擦攪拌接合ツールを相対的な進行方向に対して先端側を前方へ傾ける前進角を有して相対移動させるにあたり、進行方向に対して後側に位置する前記ショルダ部の傾斜部を前記異種金属部材表面に略平行状態で当接させるようにして摩擦攪拌接合を行う摩擦攪拌接合方法。

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