JP2022157051A - 接合構造及び摩擦撹拌点接合装置 - Google Patents

Abstract

【課題】剥離強度の高い接合構造を提供すること、及び剥離強度の高い接合構造を形成する摩擦撹拌点接合装置を提供する。【解決手段】摩擦撹拌点接合装置１３は、プローブ１８を含む回転ツールと、ショルダ１５とを備え、板状の第１材料１１と第１材料１１よりも高い硬度を有する第２材料１２とを接合する。ショルダ１５は、第１材料１１に当接する外筒部２１と、プローブ１８に密接する内筒部２２とを含み、外筒部２１の内周面と内筒部２２の外周面とによって凹部２７が画定される。プローブ１８を第１及び第２材料１１，１２に押し付けると、第２材料１２にフック部２９が形成される。内筒部２２によって、フック部２９が径方向の外方に誘導されて形成される。このため、フック部２９がアンカー効果を発現し剥離強度が高くなる。【選択図】図１

Description

本開示は、摩擦撹拌点接合によって複数の材料が互いに接合された接合構造と、摩擦撹拌点接合装置に関する。

摩擦撹拌接合とは、工具を回転させながら接合すべき複数の板状の材料に押し付け、複数の材料に於ける押し付けた部分の周辺を摩擦熱によって塑性流動させて撹拌することによって複数の材料を互いに接合する方法である。摩擦撹拌線接合は、工具を材料に押し付けた後、工具を材料の表面に沿って移動させる方法であり、摩擦撹拌点接合は、工具を材料に押し付けた後、工具を材料の表面に沿って移動させない方法である。

摩擦撹拌点接合では、各々の材料の一部が互いにあるいは各々撹拌された領域、または、各々の材料が流動した領域によって複数の材料が互いに接合される。

特許文献１には、フッキングと呼ばれる現象が記載されている。図１２は、従来技術に係る摩擦撹拌点接合のフッキングが生じた接合構造を示す。板状の第１材料１及び板状の第２材料２は、第１及び第２材料１，２を構成する材料が互いに混合された撹拌領域３によって互いに接合されている。撹拌領域３では、第１及び第２材料１，２の界面４がなくなっている。工具（図示せず）を第１及び第２材料１，２に押し付けると、工具の近傍では、第２材料２が上方に押し上げられるが、撹拌は工具の極近傍でしか起こらないため、第１及び第２材料１，２の界面４は、撹拌領域３の外側を取り囲むように上方に伸び、フック部５が形成される。

特開２０１３－８６１７５号公報

第２材料２によって形成されたフック部５の外側は第１及び第２材料１，２の界面４であって、未接合の領域又は接合力の弱い領域となるため、フック部５は第１及び第２材料１，２間の剥離強度を弱めていた。特に、フック周囲の第１材料の肉厚が薄くなり、特に剥離強度の低下につながっていた。このような問題に鑑み、本発明は、剥離強度の高い接合構造を提供すること、及び剥離強度の高い接合構造を形成する摩擦撹拌点接合装置を提供することを目的とする。

本発明のある実施形態は、板状の第１材料（１１）と、前記第１材料（１１）の対向面に当接するように配置された、前記第１材料（１１）の硬度よりも高い硬度を有する第２材料（１２）とが、前記第１材料（１１）及び前記第２材料（１２）が互いに接合された接合構造（１０）であって、前記第１材料（１１）は、径方向を有する流動領域（２８）を含み、前記第２材料（１２）は、前記流動領域（２８）の外縁から前記第１材料（１１）内に突入するフック部を（２９）含み、前記フック（２９）部が、基部と、前記基部よりも前記流動領域（２９）の前記径方向の外方に向けて延出する頂部とを有することを特徴とする。

この構成によれば、頂部が基部よりも径方向の外方に位置するフック部によってアンカー効果が強く発現するため、第１及び第２材料間の剥離強度が向上する。

本発明のある実施形態は、上記構成に於いて、前記フック部（２９）は、前記径方向の外方に向けて反り返っていることを特徴する。

この構成によれば、反り返ったフック部によって、単にフック部が径方向の外方に向けて傾斜して延出したものに比べて剥離強度が更に向上する。

本発明のある実施形態は、上記構成の何れかに於いて、前記第１材料（１１）は、前記流動領域（２８）の外縁において前記第２材料（１２）から離反する向きに膨出した凸部（２７，２７ｋ、２７ｍ）を含み、前記フック部（２９）は、前記頂部が前記凸部（２７，２７ｋ、２７ｍ）に達することなく前記第１材料（１１）内にて終息することを特徴とする。

この構成によれば、フック部の頂部が凸部に達していないため、フック部によって有効板厚が小さくなることを抑制できる。

本発明のある実施形態は、直上の構成に於いて、前記凸部（２７，２７ｋ、２７ｍ）の外縁は、前記フック部（２９）の前記頂部よりも前記径方向の外方に位置することを特徴とする。

この構成によれば、フック部の頂部よりも凸部の外縁が径方向の外方に位置するため、フック部によって有効板厚が小さくなることを抑制できる。

本発明のある実施形態は、板状の第１材料（１１）と、前記第１材料（１１）の対向面に当接するように配置された前記第１材料（１１）の硬度よりも高い硬度を有する第２材料（１２）とを含む複数の材料を互いに接合するための摩擦撹拌点接合装置（１３）であって、前記第１材料の表面に交差する中心軸線に沿って延在し、前記中心軸線回りに回転可能なプローブ（１８）と、前記プローブ（１８）を少なくとも部分的に外囲するショルダ（１５，１５ａ～１５ｅ，１５ｊ～１５ｍ）とを備え、前記ショルダ（１５，１５ａ～１５ｅ，１５ｊ～１５ｍ）は、前記プローブ（１８）を間隔をおいて外囲し、かつ前記複数の材料（１１）に選択的に当接可能な当接面（２４）を備えた外筒部（２１，２１ｍ）と、前記プローブ（１８）を密接して外囲し、先端（２６，２６ａ，２６ｃ，２６ｅ）を有する内筒部（２２，２２ａ，２２ｃ～２２ｉ）とを含み、前記内筒部（２２，２２ａ，２２ｃ～２２ｉ）と前記外筒部（１５，１５ａ～１５ｅ，１５ｊ～１５ｍ）との間に、前記複数の材料（１１）に対向する底面を有する凹部（２５，２５ｊ～２５ｌ）が画定されることを特徴とする。

この構成によれば、内筒部によってフック部が径方向の外側に誘導されるため、剥離強度の向上した接合構造を形成できる。

本発明のある実施形態は、上記の摩擦撹拌点接合装置（１３）に関する構成に於いて、前記先端（２６）は、前記当接面（２４）よりも前進していることを特徴とする。

この構成によれば、第１材料の板厚が厚くとも、フック部の径方向外方への誘導をプローブの第１及び第２材料への突入直後から行える。

本発明のある実施形態は、直上の構成に代えて、前記先端（２６ｃ）は、前記当接面（２４）に対して後退していることを特徴とする。

この構成によれば、プローブの第１及び第２材料への突入開始時点で、内筒部の先端が第１材料から離間しているため、プローブへの負荷を抑制することができる。

本発明のある実施形態は、上記の摩擦撹拌点接合装置（１３）に関する構成の何れかに於いて、前記内筒部（２２，２２ａ，２２ｃ～ｅ）は、前記中心軸線の周りに環状に連続して配置され、前記内筒部（２２，２２ａ，２２ｃ～ｅ）の前記先端は、一定の径方向幅を有することを特徴とする。

この構成によれば、周方向全体に渡ってフック部が径方向の外方に誘導されやすくなる。

本発明のある実施形態は、直上の構成に代えて、前記内筒部（２２ｆ～２２ｈ）は、前記中心軸線の周りに環状に連続して配置され、前記内筒部（２２ｆ～２２ｈ）の前記先端は、周方向に沿って変化する径方向幅を有することを特徴とする。

この構成によれば、内筒部の先端の径方向幅に応じてフック部の誘導のされ方が異なり、フック部の形状を周方向に沿って異ならせることができる。加えて、フック部を誘導する方向を制御して、隣り合うフック部が分割される場所、個数などを制御できる。

本発明のある実施形態は、直上の構成に代えて、前記内筒部（２２ｉ）は、周方向に分割されて配置されたことを特徴とする。

この構成によれば、内筒部の存在する部分に径方向の外方を向いたフック部を形成することができる。加えて、フック部を誘導する方向を制御して、隣り合うフック部が分割される場所、個数などを制御できる。

本発明のある実施形態は、上記の摩擦撹拌点接合装置（１３）に関する構成の何れかに於いて、前記凹部（２５ｋ）の前記底面が前記中心軸線に向けて前記複数の材料から離反するように傾斜していることを特徴とする。

この構成によれば、凹部の形状を補完する凸部が形成されるため、凸部を第１及び第２材料に於けるプローブの抜き後に埋め戻しやすく、その時の接合強度を向上させることができる。

本発明のある実施形態は、直上の構成に代えて、前記凹部（２５ｌ）の前記底面が前記中心軸線に向けて前記複数の材料に近接するように傾斜していることを特徴とする。

この構成によれば、凹部の底面の傾斜によって、フック部２９が径方向の外方に誘導されやすい。

本発明のある実施形態は、上記の摩擦撹拌点接合装置（１３）に関する構成の何れかに於いて、前記外筒部（２１ｍ）の内周面が、前記当接面（２４ｍ）に向かうにつれて前記中心軸から離反することを特徴とする。

この構成によれば、傾斜面によって第１材料の表面に連結する凸部が形成されるため、板状の第１材料の肉厚の急激な変化が抑制されて、疲労強度が高くなる。

本発明によれば、剥離強度の高い接合構造を提供すること、及び接合力の高い接合構造を形成する摩擦撹拌点接合装置を提供することができる。

実施形態に係る摩擦撹拌点接合装置及び接合構造の説明図（上図：流動前、下図：流動後） 実施形態に係る摩擦撹拌点接合装置及び接合構造を示す一部断面斜視図 実施形態に係る摩擦撹拌点接合構造の縦断面図 実施形態に係る摩擦撹拌点接合装置のショルダの内筒部の変形例（数）を示す縦断面図 実施形態に係る摩擦撹拌点接合装置のショルダの内筒部の変形例（突出長）を示す縦断面図 実施形態に係る摩擦撹拌点接合装置のショルダの内筒部の変形例（先端形状）を示す縦断面図 実施形態に係る摩擦撹拌点接合装置のショルダの内筒部の変形例（外周形状）を示す横断面図 実施形態に係る摩擦撹拌点接合装置のショルダの凹部の底面の形状の変形例を示す縦断面図 実施形態に係る摩擦撹拌点接合装置のショルダの凹部の外周面の形状の変形例を示す縦断面図 実施形態に係る摩擦撹拌点接合装置のショルダの内筒部及び外筒部の形状の変形例を示す横断面図 実施形態に係る摩擦撹拌点接合装置のショルダの内筒部の形状の変形例を示す横断面図 従来技術に係る摩擦撹拌点接合構造を示す縦断面図

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。

図１～図３に示すように、接合構造１０は、板状の第１材料１１と、第１材料１１の対向面に当接するように配置された板状の第２材料１２とが互いに接合された構造である。図示する接合構造１０は、第１及び第２材料１１，１２の２枚の層からなるが、３層以上の材料を互いに接合する構造であってもよく、最下層の材料は板状でなくともよい。

第２材料１２の素材の硬度は、第１材料１１の素材の硬度よりも高い。例えば、第１材料１１の素材と第２材料１２の素材との組み合わせは、アルミニウム合金と鉄合金（鋼材）との組み合わせ、低強度のアルミニウム合金と高強度のアルミニウム合金との組み合わせ、軟鋼とハイテン鋼との組み合わせ、アルミニウム合金と銅合金との組み合わせ、アルミニウム合金と炭素繊維強化プラスチックとの組み合わせ、アルミニウム合金とガラス繊維強化との組み合わせ、マグネシウム合金と鉄合金との組み合わせ、マグネシウム合金と銅合金との組み合わせ、マグネシウム合金と炭素繊維強化プラスチックとの組み合わせ、又は、マグネシウム合金とガラス繊維強化プラスチックとの組み合わせでもよい。

摩擦撹拌点接合装置１３は、中心軸線回りに回転する回転ツール１４と、ショルダ１５とを備える。以下、中心軸線が上下方向に延在し、第１材料１１に対して摩擦撹拌点接合装置１３が載置される側を上、第２材料１２が配置される側を下として説明するが、実際の接合構造１０及び摩擦撹拌点接合装置１３では、上下が逆でもよく、中心軸線が横方向に延在してもよく、傾いていてもよい。また、中心軸線は、第１材料１１の表面に直交しているが、９０°以外の角度で交差してもよい。

回転ツール１４は、中心軸線回りに回転対称形をなしている。回転ツール１４は、中心軸線を中心とする概ね円柱形状をなす本体部１６と、本体部１６の下端から先細になるように下方に延出するテーパー部１７と、テーパー部１７の下端から中心軸線を中心に下方に延出する概ね円柱形状のプローブ１８とを含む。プローブ１８は、本体部１６よりも小径である。図示するプローブ１８の下面は、平坦であるが、下方に膨出するように湾曲していてもよい。

ショルダ１５は、中心軸線回りに回転対称形をなしている。ショルダ１５は、中心軸線に沿って延在する貫通孔１９を有する本体部２０と、本体部２０の下面から下方に延出する外筒部２１と、外筒部２１よりも径方向（中心軸線に直交する面内で中心軸線上に中心を有する円の半径方向）の内側に於いて本体部２０の下面から下方に延出する内筒部２２とを含む。貫通孔１９にプローブ１８が挿通されることにより、ショルダ１５はプローブ１８を外囲する。

本体部２０は、概ね円柱形状をなすが、上端部から径方向の外側に延出するフランジ２３を含む。貫通孔１９の上部は回転ツール１４のテーパー部１７と同じ傾斜角度を有するように、上方に向かうに従って拡径している。

外筒部２１の外周面は、本体部２０の外周面に滑らかに連結している。外筒部２１の内周面は、中心軸線に平行に延在する。外筒部２１の下面は、円環形状をなし、第１及び第２材料１１，１２を接合させるときに第１材料１１の上面に当接する当接面２４となる。

内筒部２２の内周面は、貫通孔１９の内周面に滑らかに連結し、中心軸線と略平行に延在し、又は、下方に向かうに従ってわずかに径方向の内方に向かうように傾斜している。内筒部２２の内周面及び貫通孔１９の下部の内周面は、プローブ１８がショルダ１５に対して回転可能な程度にプローブ１８の側周面に密接しており、プローブ１８とショルダ１５との最小クリアランスは０．５ｍｍ以下であることが好ましい。外筒部２１の内周面、内筒部２２の外周面及び本体部２０の下面によって凹部２５が画定される。本体部２０の下面は、凹部２５の底面となる。内筒部２２の下面、すなわち先端２６は、円環形状をなし、外筒部２１の当接面２４を超えて下方に延出している。内筒部２２の先端２６と外筒部２１の当接面２４との上下方向の距離の差は、第１材料１１の厚さ未満である。

摩擦撹拌点接合装置１３によって、第１及び第２材料１１，１２を互いに接合する方法及び接合構造１０について説明する。

まず、図１（Ａ）に示すように、第１材料１１よりも高い硬度を有する第２材料１２の上に第１材料１１を重ねる。第２材料１２は、図示しない作業台に載置されている。次に、外筒部２１の当接面２４と、ショルダ１５の貫通孔１９に挿通されたプローブ１８の下面とが第１材料１１の上面に当接するように、ショルダ１５及びプローブ１８を配置する。この時、外筒部２１の当接面２４よりも下方に延出する先端２６を有する内筒部２２の先端部は、第１材料１１内に突入している。内筒部２２の先端部は、第１材料１１内に突入させるために、中心軸線回りにショルダ１５を回転させてもよい。

次に、図１（Ｂ）及び図２に示すように、ショルダ１５を回転させずに第１材料１１に押し付け、プローブ１８を中心軸線回りに回転させながら、プローブ１８の下面が第２材料１２の上面と下面との間に位置するまで、プローブ１８を第１及び第２材料１１，１２に突入させる。この時、プローブ１８によって押し出された第１材料１１の一部がショルダ１５の凹部２５に受容されることにより、第１材料１１に上方に膨出した凸部２７が形成される。また、プローブ１８の近傍では、プローブ１８の回転による摩擦熱によって第１材料１１が塑性流動して、上方から見て円環形状又は円形状の流動領域２８が形成される。さらに、摩擦熱によって第２材料１２が塑性流動して、流動領域２８に外縁する前記第１材料１１内に突入するフック部２９が形成され、フック部２９によるアンカー効果により接合される。

最後に、プローブ１８を回転させながら第１及び第２材料１１，１２から引き抜く。

なお、プローブ１８を回転させながら第１及び第２材料１１，１２に突入させることにより、第２材料１２に流動領域２８の外縁から第１材料１１内に突入するフック部２９が形成される。フック部２９は下端側に位置する基部と上端側に位置する頂部とを有し、頂部は、基部よりも径方向の外方に位置し、凸部２７の外縁よりも径方向の内方に位置する。フック部２９は、頂部が凸部２７内に突入することなく第１材料１１内で終息する。

フック部２９の生成メカニズムについて説明する。プローブ１８を第１及び第２材料１１，１２に突入させると、第１材料１１の一部が凹部２５に向かって押し出されるとともに、第２材料１２に於けるプローブ１８の近傍部分が第１材料１１に向かって押し出される。ショルダ１５の内筒部２２が存在するため、プローブ１８の近傍では第２材料１２の上方への押し出しへの抵抗が大きく、第２材料１２に於ける押し出された部分は径方向の外方に向かう。このため、フック部２９は、頂点が基部よりも径方向の外側に位置するように傾斜した形状又は反り返った形状となる。

本実施形態によれば、フック部２９が第１材料１１に突入することにより、第１及び第２材料１１，１２の間の界面が長くなり、かつフック部２９の頂部が基部よりも径方向の外側に位置するため、アンカー効果が強く発現する。このため、第１及び第２材料１１，１２間の剥離強度が向上する。また、フック部２９が反り返っている場合、第１及び第２材料１１，１２の互いの界面が、フック部２９が傾斜している場合に比べて長くなるため、剥離強度が更に向上する。

フック部２９の頂部から第１材料１１の上面までの距離（有効板厚）が小さいと、第１材料１１の引張強度及び剛性が低下し、第１及び第２材料１１，１２間の剥離強度が低下するため、所定値以上、例えば第１材料１１の厚さ以上であることが好ましい。フック部２９の頂部が凸部２７に達していないため、有効板厚を確保することができる。なお、ｔ：凸部２７の高さ、ｄ：プローブ１８の直径、ｐ：プローブ１８の第１及び第２材料１１，１２への突入長、ｄ'：外筒部２１の内周面の直径、とすると、凸部２７の高さは、以下の式で求めることができる。
ｔ＝ｄ^２ｐ／（ｄ'^２－ｄ^２）
例えば、ｄ＝１０ｍｍ、ｐ＝１０ｍｍ、ｄ'＝１２ｍｍの場合、ｔ＝約２２．７ｍｍとなる。第１及び第２材料１１，１２の合計板厚が１０ｍｍ程度の場合、凸部２７の高さは、この値以下であることが好ましい。

凸部２７の外縁がフック部２９の頂部よりも径方向の外方に位置することにより、フック部２９の頂部が凸部２７の外縁よりも径方向の外方に位置する場合よりも、第１材料１１の有効板厚を確保するできるため、第１材料１１の引張強度及び剛性が向上し、第１及び第２材料１１，１２間の剥離強度が向上する。

ショルダ１５の内筒部２２の先端部が、プローブ１８によって上方に押し込まれる第２材料１２の構成材料を径方向の外方に向かわせるため、頂部が基部よりも径方向の外方に位置するフック部２９を形成して、第１及び第２材料１１，１２間の剥離強度を向上させることができる。

図４～図１１を参照して、上記実施形態のショルダ１５の変形例について説明する。上記実施形態と共通する構成は、説明を省略するが、相違点を説明する上で言及する場合には同じ符号を付して記載する。上記実施形態に類似する構成は、同一の名称で記載し、符号に添え字（ａ，ｂ，ｃ・・・）を付し、相違点のみ説明する。

図４（Ａ）に示すショルダ１５ａの内筒部２２ａは、本体部２０からの突出長に於いて外筒部２１に等しく、内筒部２２ａの先端２６ａが外筒部２１の当接面２４と同一平面上に位置する。第１材料１１が比較的薄い場合に適した構造であり、プローブ１８の第１及び第２材料１１，１２への突入開始直後から、フック部２９（図３参照）の径方向外側への誘導効果を得ることができる。なお、図１に示すように、内筒部２２の先端２６が当接面２４よりも下方に位置する構造は、第１材料１１が比較的厚い場合に適した構造であり、プローブ１８の第１及び第２材料１１，１２への突入開始直後から、フック部２９の径方向外側への誘導効果を得ることができる。

図４（Ｂ）に示すショルダ１５ｂは、外筒部２１と内筒部２２ａとの間に本体部２０の下面から下方に突出する中間筒部３０ｂを有する。中間筒部３０ｂの本体部２０からの突出長は外筒部２１及び内筒部２２ａの突出長に等しい。中間筒部３０ｂが存在することによって、ショルダ１５ｂへの抜熱を最小化し、第１及び第２材料１１，１２に於ける塑性流動する部分の流動減衰を抑制し、フック部２９（図３参照）を径方向の外方に誘導しやすくなる。

図５に示すショルダ１５ｃの内筒部２２ｃは、外筒部２１の突出長よりも短い突出長を有し、内筒部２２ｃの先端２６ｃが外筒部２１の当接面２４よりも上方に位置する。プローブ１８の第１及び第２材料１１，１２への突入開始時点で、内筒部２２ｃの先端２６ｃが第１材料１１から離間しているため、プローブ１８への負荷を抑制することができる。

図６（Ａ）に示すショルダ１５ｄの内筒部２２ｄは、図５に示す内筒部２２ｃと比べて、外周面が下方に向かうにつれて径方向の内方に向かうように傾斜している点で相違する。図６（Ｂ）に示すショルダ１５ｅの内筒部２２ｅは、図５に示す内筒部２２ｃと比べて、先端２６ｅが径方向の内方に向かうにつれて下方に向かうように傾斜又は湾曲している点で相違する。図５に示す内筒部２２ｃは、概ね上下方向及び水平方向に延在する面によって画成されるため、形成が容易である。図６（Ａ）に示す内筒部２２ｄは、外周面が傾斜しているためフック部２９（図３参照）を径方向の外方に誘導しやすい。図６（Ｂ）に示す内筒部２２ｅは、先端２６ｅが傾斜しているためフック部２９（図３参照）を径方向の外方に誘導しやすい。

図７（Ａ）は、上記実施形態の内筒部２２の横断面（先端２６も横断面と同じ形状をなす）を示し、図７（Ｂ）～（Ｅ）はその変形例の横断面を示す。図７（Ｂ）～（Ｄ）に示す内筒部２２ｆ，２２ｇ，２２ｈの内周面は、何れも横断面視で円形をなす。図７（Ｂ）に示す内筒部２２ｆの外周面は、横断面視で楕円形をなす。図７（Ｃ）に示す内筒部２２ｇの外周面は、横断面視で矩形をなす。図７（Ｄ）に示す内筒部２２ｈの外周面は、横断面視で星形をなす。図７（Ｅ）に示す内筒部２２ｉは、周方向に分割された円環形状をなす。このように、内筒部２２ｆ，２２ｇ，２２ｈの径方向幅が周方向で変化するため、また、内筒部２２ｉが周方向に分割された形状をなすため、フック部２９（図３参照）が内筒部２２ｉの形状に応じた位置に誘導され、フック部２９の形状が周方向に沿って異なり、フック部２９を誘導する方向が制御されて、互いに隣り合うフック部２９が分割される場所、フック部２９の個数等が制御できる。

図８（Ａ）～（Ｃ）に示すショルダ１５ｊ，１５ｋ，１５ｌは、凹部２５ｊ，２５ｋ，２５ｌの底面の形状に於いて、図５に示すショルダ１５ｃと相違する。図５に示すショルダ１５ｃの凹部２５ｃの底面が中心軸線に直交する平面であるのに対し、図８（Ａ）に示すショルダ１５ｊの凹部２５ｊの底面は下方に向かって凹状をなし、図８（Ｂ）に示すショルダ１５ｋの凹部２５ｋの底面は中心軸線に向けて第１材料１１から離反するように傾斜し、図８（Ｃ）に示すショルダ１５ｌの凹部２５ｌの底面は中心軸線に向けて第１材料１１に近接するように傾斜している。図５及び図８（Ａ）に示す凹部２５ｃ，２５ｊの底面が中心軸線に直交する平面や凹状をなすショルダ１５ｃ，１５ｊは加工が容易である。図８（Ｂ）に示すように傾斜した凹部２５ｋの底面を有するショルダ１５ｋは、凹部２５ｋの形状を補完する凸部２７ｋが形成されるため、凸部２７ｋを第１及び第２材料１１，１２におけるプローブ１８の抜き後に埋め戻しやすく、その時の接合強度を向上させることができる。図８（Ｃ）に示すように傾斜した凹部２５ｌの底面を有するショルダ１５ｌは、フック部２９（図３参照）を径方向の外方に誘導しやすい。

図９に示すショルダ１５ｍの外筒部２１ｍは、図５に示すショルダ１５ｃの外筒部２１に対して、内周面が下方に向かうにつれて径方向の外方に向かうように傾斜している点で相違する。凹部２５ｍの形状を補完する凸部２７ｍが、傾斜面によって第１材料１１の表面に連結するため、第１材料１１の肉厚の急激な変化が抑制されるため、第１材料１１の疲労強度が高くなる。

図１０（Ａ）は、上記実施形態の外筒部２１及び内筒部２２の横断面を示し、この形状はショルダ１５の加工が容易である。図１０（Ｂ）～（Ｄ）は、図７（Ｂ）～（Ｄ）に示す内筒部２２ｆ，２２ｇ，２２ｈと、これらに応じて変形させた外筒部２１ｆ，２１ｇ，２１ｈとを示す。図１０（Ｂ）～（Ｄ）に示す外筒部２１ｆ，２１ｇ，２１ｈの外周面は、何れも横断面視で円形をなす。図１０（Ｂ）に示す外筒部２１ｆの内周面は、横断面視で楕円形をなす。図１０（Ｃ）に示す外筒部２１ｇの内周面は、横断面視で矩形をなし、内筒部２２ｇの矩形の角部に当接している。図１０（Ｄ）に示す外筒部２１ｈの内周面は、横断面視で五角形の隅部を内筒部２２ｈの外周面の延長線に沿って膨出させた形状をなし、その膨出部分が内筒部２２ｈの星形の頂部に当接している。フック部２９（図３参照）は、外筒部２１の内周面と内筒部２２の外周面との間に空間がある方向に誘導され易い。図１０（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、外筒部２１の内周面と内筒部２２の外周面との間の幅が周方向全体に渡って略等しい場合は、周方向全体にフック部２９が生じやすい。図１０（Ｃ）及び（Ｄ）に示すように、外筒部２１の内周面と内筒部２２の外周面との間の幅が周方向に沿って変動する場合、この幅を広くした部分にてフック部２９の成長を促進できる。

図１１（Ａ）は、上記実施形態の外筒部２１の横断面を示し、この形状はショルダ１５の加工が容易である。図１１（Ｂ）は、変形例に係る外筒部２１ｎの横断面を示す。外筒部２１ｎは、周方向に分割されている。周方向に分割された外筒部２１ｎは、周方向全体に渡って延在する外筒部２１に比べて、第１材料１１への加圧力を上げられ、外筒部２１ｎを介したショルダ１５（図３参照）への抜熱を抑制でき、第１及び第２材料１１，１２に於ける塑性流動する部分の流動性を阻害しないため第１及び第２材料１１，１２の互いの接合の品質が向上する。

以上で具体的実施形態の説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されることなく幅広く変形実施することができる。内筒部の突出長に関する変形例、内筒部の先端部の形状に関する変形例、凹部の形状に関する変形例、外筒部の内周面の傾斜に関する変形例、並びに、内筒部及び外筒部の先端部の形状に関する変形例の２以上の変形例を組み合わせてもよい。

１０：接合構造
１１：第１材料
１２：第２材料
１３：摩擦撹拌点接合装置
１４：回転ツール
１５：ショルダ
１８：プローブ
１９：貫通孔
２１：外筒部
２２：内筒部
２４：当接面
２５：凹部
２６：先端
２７：凸部
２８：流動領域
２９：フック部

Claims (13)

1. 板状の第１材料と、前記第１材料の対向面に当接するように配置された、前記第１材料の硬度よりも高い硬度を有する第２材料とが、互いに接合された接合構造であって、
   前記第１材料は、径方向を有する流動領域を含み、
   前記第２材料は、前記流動領域の外縁から前記第１材料内に突入するフック部を含み、
   前記フック部が、基部と、前記基部よりも前記流動領域の前記径方向の外方に向けて延出する頂部とを有することを特徴とする接合構造。
2. 前記フック部は、前記径方向の外方に向けて反り返っていることを特徴する請求項１に記載の接合構造。
3. 前記第１材料は、前記流動領域の外縁において前記第２材料から離反する向きに膨出した凸部を含み、
   前記フック部は、前記頂部が前記凸部に達することなく前記第１材料内にて終息することを特徴とする請求項１又は２に記載の接合構造。
4. 前記凸部の外縁は、前記フック部の前記頂部よりも前記径方向の外方に位置することを特徴とする請求項３に記載の接合構造。
5. 板状の第１材料と、前記第１材料の対向面に当接するように配置された前記第１材料の硬度よりも高い硬度を有する第２材料とを含む複数の材料を互いに接合するための摩擦撹拌点接合装置であって、
   前記第１材料の表面に交差する中心軸線に沿って延在し、前記中心軸線回りに回転可能なプローブと、
   前記プローブを少なくとも部分的に外囲するショルダとを備え、
   前記ショルダは、前記プローブを間隔をおいて外囲し、かつ前記複数の材料に選択的に当接可能な当接面を備えた外筒部と、前記プローブを密接して外囲し、先端を有する内筒部とを含み、前記内筒部と前記外筒部との間に、前記複数の材料に対向する底面を有する凹部が画定されることを特徴とする摩擦撹拌点接合装置。
6. 前記先端は、前記当接面よりも前進していることを特徴とする請求項５に記載の摩擦撹拌点接合装置。
7. 前記先端は、前記当接面に対して後退していることを特徴とする請求項５に記載の摩擦撹拌点接合装置。
8. 前記内筒部は、前記中心軸線の周りに環状に連続して配置され、前記内筒部の前記先端は、一定の径方向幅を有することを特徴とする請求項５～７の何れか一項に記載の摩擦撹拌点接合装置。
9. 前記内筒部は、前記中心軸線の周りに環状に連続して配置され、前記内筒部の前記先端は、周方向に沿って変化する径方向幅を有することを特徴とする請求項５～７の何れか一項に記載の摩擦撹拌点接合装置。
10. 前記内筒部は、周方向に分割されて配置されたことを特徴とする請求項５～７の何れか一項に記載の摩擦撹拌点接合装置。
11. 前記凹部の前記底面が前記中心軸線に向けて前記複数の材料から離反するように傾斜していることを特徴とする請求項５～１０の何れか一項に記載の摩擦撹拌点接合装置。
12. 前記凹部の前記底面が前記中心軸線に向けて前記複数の材料に近接するように傾斜していることを特徴とする請求項５～１０の何れか一項に記載の摩擦撹拌点接合装置。
13. 前記外筒部の内周面が、前記当接面に向かうにつれて前記中心軸線から離反することを特徴とする請求項５～１２の何れか一項に記載の摩擦撹拌点接合装置。

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