JP2023090541A - 摩擦撹拌接合用工具、摩擦撹拌接合方法、及び摩擦撹拌接合継手 - Google Patents

Abstract

【課題】被接合材の突合せ部におけるプローブの撹拌を促進し、ルートフローの発生を抑制す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】円柱形状のプローブ１２を回転させつつ、被接合材にプローブ１２の先端を押し当てることにより摩擦熱を発生させて、被接合材を接合する摩擦撹拌接合用工具１０は、プローブ１２が、その先端における略中心から径方向端部まで延び、被接合材の表面に線状又は面状で当接する少なくとも１つの当接部１３と、当接部１３からプローブ１２の軸に対して略平行に延びる少なくとも１つの壁面１４と、壁面１４に連続して形成され、壁面１４から離隔する方向に延びる連続面１５と、を有し、連続面１５は、プローブ１２の先端から最も離隔した位置に離隔部１５ａを有し、離隔部１５ａからプローブ１２の同軸円周方向及びプローブ１２の径中心方向の少なくとも一方に向かってプローブ１２の先端に近づくように形成される。【選択図】図２

Description

本発明は、プローブの回転による摩擦熱を利用して被接合材を接合するための摩擦撹拌接合用工具、該摩擦撹拌接合用工具を使用した摩擦撹拌接合方法、及び該摩擦撹拌接合方法により得られる摩擦撹拌接合継手に関する。

摩擦撹拌接合（ＦＳＷ：Ｆｒｉｃｔｉｏｎ Ｓｔｉｒ Ｗｅｌｄｉｎｇ）とは、工具の先端に設けられたプローブを回転させつつ、被接合材の突合せ部にプローブの先端面を押し当て、プローブを被接合材に圧入した状態で突合せ部に沿って移動させ、摩擦熱と撹拌により被接合材を接合する方法である。
しかし、回転するプローブの近傍や流動性の高い材料を被接合材とした場合には、良好な接合が得られるが、プローブから離隔した箇所及び塑性流動性の低い材料は、接合が困難である。また、プローブは一般的に円柱形状であるため、プローブの回転中心近傍においても、塑性流動が生じにくく、良好な接合を得ることが困難である

そこで、このような摩擦撹拌接合のために用いる工具において、良好な接合品質を得ることを目的として、種々の形状を有するプローブが設けられた工具が提案されている。

例えば、特許文献１には、プローブの外周面に、先端面まで延在した外周凹部が形成されているとともに、先端面に、外周凹部に連通しないように外周面まで延在した先端凹部が形成された摩擦撹拌接合用工具が開示されている。

また、特許文献２には、プローブの側面に凹凸形状が設けられた摩擦撹拌ツールが開示されている。上記摩擦撹拌ツールにおける凹凸形状は、プローブの半径方向の内側に向かって軸中心からの距離を急変させる複数のエッジ部と、エッジ部の縁部からプローブの外接円の径に向かって軸中心からの距離が除変する渦巻線の形状を有する径除変部と、を備える形状である。

特開２０２０－１６３４４４号公報 特許第６３２９３５１号公報

図１２は、従来の一般的な摩擦撹拌接合方法により一対の板材を接合した場合の継手を示す断面図であり、図１３は、図１２のＡの部分を拡大して示す図である。また、図１４は、ルートフローを有する継手に対して、裏曲げ試験を実施した場合の不良の発生を示す模式図である。

図１２及び図１３に示すように、板材２１と板材２２とを突き合わせて配置し、突合せ部２６の表面２６ａ側から摩擦撹拌接合を実施した場合に、プローブによる撹拌が不十分であると、突合せ部２６の裏面２６ｂ側にルートフロー２７と呼ばれる境界線が残存しやすい。なお、突合せ部２６の表面２６ａ側とは、プローブを押し当てる面を表し、突合せ部の裏面２６ｂ側とは、その反対側の面を表す。

また、図１４に示すように、ルートフロー２７を有する継手２０に対して、裏面２６ｂ側が凸形状となるようにプレス等の曲げ成形を実施すると、ルートフロー２７が亀裂２８となり、この亀裂２８が進行して割れの起点になることがある。このようなルートフロー２７の発生は、上記従来の特許文献１及び２に記載の摩擦撹拌接合用工具又は摩擦撹拌ツールを使用しても、十分に抑制することは困難である。

本発明は、上述した状況に鑑みてなされたものであり、被接合材の突合せ部におけるプローブの撹拌を促進し、ルートフローの発生を抑制することができる摩擦撹拌接合用工具、該摩擦撹拌接合用工具を使用した摩擦撹拌接合方法、及び該摩擦撹拌接合方法により得られる摩擦撹拌接合継手を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意検討した結果、プローブが壁面と連続面とからなる凹部（溝）を有し、離隔部を起点として、連続面が同軸円周方向に沿って、又は径中心方向に向かって先端に近づくように形成されていることより、撹拌効果を著しく向上させることができ、撹拌領域を広げ、ルートフローの発生を抑制することができることを見出した。本発明は、これら知見に基づいてなされたものである。

本発明の上記目的は、摩擦撹拌接合用工具に係る下記［１］の構成により達成される。

［１］ 円柱形状のプローブを回転させつつ、被接合材に前記プローブの先端を押し当てることにより摩擦熱を発生させて、前記被接合材を接合する摩擦撹拌接合用工具であって、
前記プローブは、
前記プローブの先端における略中心から径方向端部まで延び、前記被接合材の表面に線状又は面状で当接する少なくとも１つの当接部と、
前記当接部から前記プローブの軸に対して略平行に延びる少なくとも１つの壁面と、
前記壁面に連続して形成され、前記壁面から離隔する方向に延びる連続面と、を有し、
前記連続面は、前記プローブの先端から最も離隔した位置に離隔部を有し、前記離隔部から前記プローブの同軸円周方向及び前記プローブの径中心方向の少なくとも一方に向かって前記プローブの先端に近づくように形成されている、摩擦撹拌接合用工具。

また、摩擦撹拌接合用工具に係る本発明の好ましい実施形態は、以下の［２］～［７］に関する。

［２］ 前記プローブは、複数の当接部を有し、
前記複数の当接部の間に前記壁面及び前記連続面が形成されている、［１］に記載の摩擦撹拌接合用工具。

［３］ 前記被接合材の表面に当接する前記線状の当接部、又は前記面状の当接部と前記壁面との間の稜線は略直線状であり、前記壁面は略平面状である、［１］又は［２］に記載の摩擦撹拌接合用工具。

［４］ 前記連続面は、前記離隔部から、前記プローブの径中心方向に向かって、前記先端に近づく方向に傾斜している、［１］～［３］のいずれか１つに記載の摩擦撹拌接合用工具。

［５］ 前記連続面は、前記離隔部から、前記プローブの径中心方向に向かって、前記先端に段階的に近づく階段形状を有する、［１］～［３］のいずれか１つに記載の摩擦撹拌接合用工具。

［６］ 前記連続面は、前記離隔部から、前記プローブの同軸円周方向に沿って、前記先端に近づく方向に傾斜している、［１］～［５］のいずれか１つに記載の摩擦撹拌接合用工具。

［７］ 前記連続面は、前記離隔部から、前記プローブの同軸円周方向に沿って、前記先端に段階的に近づく階段形状を有する、［１］～［５］のいずれか１つに記載の摩擦撹拌接合用工具。

また、本発明の上記目的は、摩擦撹拌接合方法に係る下記［８］の構成により達成される。

［８］ ［１］～［７］のいずれか１つに記載の摩擦撹拌接合用工具を用いて一対の板材を接合する摩擦撹拌接合方法であって、
一対の板材を突き合わせて配置し、突合せ部を形成する工程と、
前記板材の板厚から前記プローブの長さを減ずることにより得られる残厚が０（ｍｍ）超となるように前記プローブの長さを設定する工程と、
前記プローブを回転させつつ、前記突合せ部における一方の面から押圧し、前記プローブの回転により撹拌される撹拌領域が、前記突合せ部における他方の面に到達するように、前記突合せ部を摩擦撹拌する工程と、を有する、摩擦撹拌接合方法。

また、摩擦撹拌接合方法に係る本発明の好ましい実施形態は、以下の［９］に関する。

［９］ 前記突合せ部を摩擦撹拌する工程において、前記撹拌領域が前記突合せ部における他方の面に到達するように、前記プローブの長さ及び回転速度を調整する、［８］に記載の摩擦撹拌接合方法。

また、本発明の上記目的は、摩擦撹拌接合継手に係る下記［１０］の構成により達成される。

［１０］ ［８］又は［９］に記載の摩擦撹拌接合方法により得られる摩擦撹拌接合継手であって、
前記突合せ部が延びる方向に直交する断面には、前記一対の板材を構成する粒子の平均粒子径の１／２以下の平均粒子径を有する前記撹拌領域が形成されており、
前記撹拌領域は、前記板材の厚さ方向に直交する方向を長径とし、前記突合せ部の他方の面に向かって突出する円弧を有する半楕円形状部を有し、
前記円弧が前記突合せ部の他方の面に到達している、摩擦撹拌接合継手。

また、摩擦撹拌接合継手に係る本発明の好ましい実施形態は、以下の［１１］に関する。

［１１］ 前記半楕円形状部に基づき楕円を想定した場合に、前記楕円の短径に対する長径の比は、３．０以下である、［１０］に記載の摩擦撹拌接合継手。

本発明によれば、被接合材の突合せ部におけるプローブの撹拌を促進し、ルートフローの発生を抑制することができる摩擦撹拌接合用工具、該摩擦撹拌接合用工具を使用した摩擦撹拌接合方法、及び該摩擦撹拌接合方法により得られる摩擦撹拌接合継手を提供することができる。

図１は、本発明の実施形態に係る摩擦撹拌接合用工具を示す斜視図である。 図２は、図１における摩擦撹拌接合用工具の先端形状を拡大して示す斜視図である。 図３は、本発明の実施形態に係る摩擦撹拌接合用工具を用いて、突合せ部を接合する方法について示す斜視図である。 図４は、プローブの形状例を示す斜視図である。 図５は、プローブの他の形状例を示す斜視図である。 図６は、プローブのさらに他の形状例を示す斜視図である。 図７は、本実施形態に係る摩擦撹拌接合方法を示す模式図である。 図８は、本実施形態に係る摩擦撹拌接合方法により得られる摩擦撹拌接合継手を示す断面図である。 図９は、図８に示す断面図の一部を拡大して示す図面代用写真である。 図１０は、発明例及び比較例の試験片について、裏曲げ試験後の継手の様子を示す図面代用写真である。 図１１は、発明例及び比較例の試験片について、断面における撹拌領域を示す図面代用写真である。 図１２は、従来の一般的な摩擦撹拌接合方法により一対の板材を接合した場合の継手を示す断面図である。 図１３は、図１２のＡの部分を拡大して示す図である。 図１４は、ルートフローを有する継手に対して、裏曲げ試験を実施した場合の不良の発生を示す模式図である。

以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、本発明は、以下に説明する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、任意に変更して実施することができる。

［摩擦撹拌接合用工具］
図１は、本発明の実施形態に係る摩擦撹拌接合用工具を示す斜視図である。また、図２は、図１における摩擦撹拌接合用工具の先端形状を拡大して示す斜視図である。図１に示すように、摩擦撹拌接合用工具１０は、回転駆動用モータ１７により回転可能に支持された回転部１１と、回転部１１の先端に、回転部１１と同軸に固定された円柱形状のプローブ１２と、回転部１１を支持する本体部１８と、を有する。

また、図２に示すように、プローブ１２は、後述する被接合材の上面に線状で当接する４本の当接部１３と、各当接部１３からプローブ１２の軸Ｓに対して略平行に延びる壁面１４と、壁面１４に連続して形成され、壁面１４から離隔する方向に延びる連続面１５と、を有する。

連続面１５は、プローブ１２の先端から最も離隔した位置に離隔部１５ａを有し、離隔部１５ａから隣り合う当接部１３に向かって、先端に近づくように傾斜しているとともに、プローブ１２の径中心方向に向かって、先端に近づくように傾斜している。本実施形態において、離隔部１５ａは、壁面１４と連続面１５との境界線１４ａ上であって、プローブ１２の最も外径側に位置している。

なお、線状の当接部１３は、プローブ１２の先端における略中心から径方向端部に直線状に延びており、当接部１３から延びる連続面１５は、平面状となっている。なお、当接部１３は、プローブ１２の先端における中心を通っていることが好ましいが、厳密に中心である必要はなく、略中心を通っていればよい。また、壁面１４は、プローブ１２の軸Ｓに対して厳密に平行に延びているものである必要はなく、軸Ｓに対して略平行であればよい。

上記のように構成された摩擦撹拌接合用工具１０を用いて、一対のアルミニウム合金板（板材）の突合せ部を接合する方法について、以下に簡単に説明する。なお、図３において、プローブの先端形状は具体的な記載を省略している。
図３に示すように、まず、被接合材である一対のアルミニウム合金板１，２を、その端面同士が対向するように突き合わせて配置し、突合せ部１６を形成する。次に、回転部１１を回転させつつ、プローブ１２を突合せ部１６の上面（一方の面）１６ａに向かって押し当てることにより、プローブ１２を突合せ部に１６に圧入する。
その後、プローブ１２を回転させながら、摩擦撹拌接合用工具１０を突合せ部１６に沿って図３に示す矢印Ｙの方向に移動させる。

このとき、突合せ部１６に圧入されているプローブ１２の周囲は、摩擦熱により加熱されて塑性流動が生じる。そして、プローブ１２を突合せ部１６に沿って移動させることにより、プローブ１２の進行方向に沿ってアルミニウム合金板１，２が塑性流動し、アルミニウム合金板１とアルミニウム合金板２とが、突合せ部１６において接合される。

本実施形態においては、上述のとおり、プローブ１２の先端における４本の当接部１３の間に、壁面１４及び連続面１５からなる溝が形成されている。また、離隔部１５ａから、プローブ１２の円周方向に隣り合う当接部１３に向かって、また、プローブ１２の同軸円周方向に沿って、先端に近づくように傾斜した連続面１５が形成されている。そして、この連続面１５は、プローブ１２の径中心に向かう方向にも、先端に近づくように傾斜している。

このように、連続面１５が傾斜しているとともに、壁面１４がプローブ１２の軸Ｓに対して平行に延びていると、プローブ１２の回転に伴って、塑性流動した物質（材料）が連続面１５に沿って移動した後、壁面１４に衝突し、プローブ１２の先端方向に移動する。これにより、プローブ１２の回転により撹拌される撹拌領域のうち、特に先端側の撹拌領域を広げることができる。その結果、突合せ部１６の裏面側に、未接合のルートフローが発生することを防止することができる。

なお、本実施形態においては、線状の当接部１３は、プローブ１２の先端の中心から径方向端部に直線状に延びているが、当接部１３は、プローブの回転方向に凸状となるように湾曲していても、回転方向とは反対の方向に凸状となるように湾曲していてもよい。なお、当接部は面状であってもよく、面状の当接部と壁面との間の稜線においても、プローブの回転方向に凸状となるように湾曲していても、回転方向とは反対の方向に凸状となるように湾曲していてもよい。線状の当接部１３又は面上の当接部と壁面との間の稜線は、プローブの回転方向に凸状となるように湾曲しているよりも、直線状である方が撹拌効果を高めることができ、さらに、プローブの回転方向とは反対の方向に凸状となるように湾曲していると、より一層撹拌効果を高めることができる。ただし、プローブ１２を加工する際の加工性の観点から、線状の当接部１３又は稜線が略直線状であることが好ましい。

なお、本発明において、連続面１５は、離隔部１５ａからプローブ１２の同軸円周方向に沿って、また、径中心方向の両方に向かって先端面に近づくように形成される必要はない。プローブ１２の他の形状例について、図４～図６を用いて以下に説明する。

図４に示すプローブ３２は、被接合材の上面に面状に当接する４つの当接部３３と、各当接部３３からプローブ３２の軸に対して略平行に延びる壁面３４と、壁面３４に連続して形成され、壁面３４から離隔する方向に延びる連続面３５と、を有する。当接部３３と壁面３４との間の稜線３３ａは直線状であり、壁面３４は平面状に形成されている。また、連続面３５は、プローブ３２の先端から最も離隔した位置に離隔部３５ａを有する。

図４に示す本実施形態において、連続面３５は、壁面３４に連続して形成され、隣り合う当接部３３に到達するまでの全面を示す。また、離隔部３５ａは、壁面３４におけるプローブ３２の最も外周面側から、プローブ３２の外周面に沿って延びる線状の部分を示す。連続面３５は、離隔部３５ａからプローブ３２の径中心方向に向かって、先端に近づくように傾斜している。また、連続面３５は、離隔部３５ａからプローブ３２の同軸円周方向に沿って、先端側に段階的に近づく階段形状を有している。

また、図５に示すプローブ４２においても、前述のプローブ３２と同様に、被接合材の上面に面状に当接する４つの当接部４３と、各当接部４３からプローブ４２の軸に対して略平行に延びる壁面４４と、壁面４４に連続して形成され、壁面４４から離隔する方向に延びる連続面４５と、を有する。当接部４３と壁面４４との間の稜線４３ａは直線状であり、壁面４４は平面状に形成されている。

図５に示す本実施形態において、連続面４５は、壁面４４に連続して形成され、隣り合う当接部４３に到達するまでの全面を示す。また、連続面４５は、プローブ４２の先端から最も離隔した位置に、軸に直交する平面状の離隔部４５ａを有する。本実施形態において、連続面４５は、プローブ４２の径方向端部から径中心方向に向かって傾斜していない。ただし、連続面４５は、離隔部４５ａからプローブ４２の同軸円周方向に沿って、プローブ４２の先端側に段階的に近づく螺旋階段形状を有している。

さらに、図６に示すプローブ５２は、被接合材の上面に面状に当接する４つの当接部５３と、各当接部５３からプローブ５２の軸に対して略平行に延びる壁面５４と、壁面５４に連続して形成され、壁面５４から離隔する方向に延びる連続面５５と、を有する。当接部５３と壁面５４との間の稜線５３ａは直線状であり、壁面５４は平面状に形成されている。また、連続面５５は、プローブ５２の先端から最も離隔した位置に離隔部５５ａを有する。

図６に示す本実施形態において、離隔部５５ａは、壁面５４におけるプローブ５２の最も外周面側から、プローブ５２の外周面に沿って延びる線状の部分を示す。そして、連続面５５は、離隔部５５ａからプローブ５２の径中心方向に向かって、プローブ５２の先端に近づくように傾斜している。なお、連続面５５は、壁面５４と連続面５５との境界線から、プローブ３２の同軸円周方向に沿って、傾斜していない。

このように、プローブが壁面と連続面とからなる凹部（溝）を有し、離隔部を起点として、連続面が同軸円周方向に沿って、又は径中心方向に向かって先端に近づくように形成されていることより、撹拌効果は著しく向上し、撹拌領域を広げることができる。

なお、図２及び図４～図６に示すように、連続面は、プローブの同軸円周方向に沿って、プローブの先端に近づくように形成されていてもよいし、プローブの径中心方向に向かってのみ先端に近づくように形成されていてもよい。また、連続面は、傾斜面ではなく、先端に段階的に近づく階段形状であってもよい。さらに、離隔部は点状、線状及び面状のいずれの形状であってもよい。また、当接部は少なくとも１つ存在すればよいが、複数の当接部を有することが、撹拌効率を向上させることができるため好ましい。

［摩擦撹拌接合方法］
次に、本実施形態に係る摩擦撹拌接合方法について、図面を用いて具体的に説明する。
本実施形態に係る摩擦撹拌接合方法は、上記摩擦撹拌接合用工具を用いて、一対の板材を接合する方法である。具体的には、図３及び図７に示すように、まず、一対のアルミニウム合金板（板材）１，２を、その端面同士が対向するように突き合わせて配置し、突合せ部１６を形成する。次に、アルミニウム合金板１，２の板厚Ｔ１から、プローブ１２の長さＴ２を減じた部分の残厚Ｔ３が０（ｍｍ）超となるように、すなわち、プローブ１２の先端が突合せ部１６における裏面（他方の面）１６ｂ側に到達しないように、プローブ１２の長さＴ２を設定する。

次に、プローブ１２を回転させつつ、突合せ部１６における上面（一方の面）１６ａ側から押圧し、プローブ１２を突合せ部に１６に圧入する。その後、プローブ１２を回転させた状態を保持しながら、摩擦撹拌接合用工具１０を突合せ部１６に沿って移動させる。このとき、プローブ１２の回転により、プローブ１２の下方及び周辺部に、微細な粒子からなる撹拌領域が形成される。本実施形態においては、撹拌領域が、突合せ部１６における裏面（他方の面）１６ｂ側に到達するように、突合せ部１６を摩擦撹拌する。

プローブ１２の先端が、突合せ部１６における裏面１６ｂ側に到達しないようにするとともに、撹拌領域が、裏面１６ｂ側に到達するように、摩擦撹拌する方法としては、プローブ１２の長さＴ２及び回転速度を調整する方法が挙げられる。上記のような方法で摩擦撹拌接合を実施することにより、突合せ部１６の裏面１６ｂ側に、未接合のルートフローが発生することを防止することができる。

なお、本実施形態に係る摩擦撹拌接合方法は、突合せ継手の接合時に未接合のルートフローが発生することを防止することができるが、継手形状は突合せ継手の接合に限定されず、重ね継手の接合等にも適用することができる。重ね継手の接合の場合には、もともとルートフローの接合不良が発生するおそれはないが、本実施形態によると、撹拌領域がプローブの先端方向に広がるため、深い位置まで撹拌領域を形成することができ、より高強度の継手を得ることができる。

［摩擦撹拌接合継手］
次に、本実施形態に係る上記摩擦撹拌接合方法により得られる摩擦撹拌接合継手について、説明する。
図８に示すように、上記摩擦撹拌接合方法により、突合せ部１６が延びる方向に直交する断面には、撹拌領域１９が形成されている。撹拌領域１９は、アルミニウム合金板１，２を構成する粒子よりも微細な粒子により構成された領域を示す。

突合せ部１６が延びる方向に直交する断面において、撹拌領域１９は、アルミニウム合金板１，２の厚さ方向に直交する方向を長径Ｒｗとし、突合せ部１６の裏面１６ｂに向かって突出する円弧６０ａを有する半楕円形状部６０を有し、突合せ部１６の上面１６ａに近づくにしたがって広がった形状となっている。また、図８では、便宜上、円弧６０ａは突合せ部１６の裏面１６ｂ側に到達していないが、上述のとおり、本実施形態に係る摩擦撹拌接合方法によると、撹拌領域１９が裏面１６ｂ側に到達するように、摩擦撹拌するため、円弧６０ａは突合せ部１６の裏面１６ｂ側に到達する。

なお、撹拌領域１９と裏面１６ｂとの距離をＨ（ｍｍ）とするとき、円弧６０ａが突合せ部１６の裏面１６ｂ側に到達していない状態を、Ｈ＞０とする。また、円弧６０ａの最下端が突合せ部１６の裏面１６ｂとちょうど重なった状態、及び円弧６０ａの最下端が突合せ部１６の裏面１６ｂで切れた状態を、Ｈ≦０とする。したがって、円弧６０ａが突合せ部１６の裏面（他方の面）１６ｂ側に到達することは、Ｈ≦０であることを表す。

さらに、本実施形態に係る摩擦撹拌接合用工具１０は、プローブ１２の先端形状に特徴を有しており、従来の摩擦撹拌接合用工具と比較して、プローブ１２の回転により撹拌される撹拌領域１９のうち、特に先端側の撹拌領域を広げることができる。したがって、上記半楕円形状部６０に基づき、楕円６１を想定した場合に、楕円６１の短径Ｒｔに対する長径Ｒｗの比（Ｒｗ／Ｒｔ）は、３．０以下であることが好ましい。

図９は、図８に示す断面図の一部を拡大して示す図面代用写真である。断面における粒子の状態は、上記断面を電界エッチングし、粒界表面の特性を変化させた後、顕微鏡により観察することができる。図９に示すように、撹拌領域１９における領域Ｂに存在する粒子Ｐ_Ｂは、アルミニウム合金板２における領域（撹拌領域１９から離隔した領域）Ａに存在する粒子Ｐ_Ａと比較して、粒子の大きさが極めて小さいため、顕微鏡写真を目視することによっても確認することができる。本願明細書においては、上記断面を観察した場合に、アルミニウム合金板１，２を構成する粒子の平均粒子径の１／２以下の平均粒子径を有する領域を、撹拌領域１９としている。

アルミニウム合金板１，２そのものを構成する領域と、撹拌領域１９との境界線は、例えば、以下のようにして設定することができる。先ず、目視により仮の境界線６２を設定し、仮の境界線６２に直交する方向に延びる補助線６３を作成する。次に、補助線６３内であって、突合せ部１６から十分に離隔した位置において、単位長さ（例えば２００μｍ）あたりに存在する粒子の個数、すなわち、アルミニウム合金板１，２を構成する粒子の個数を計測する。そして、単位長さを個数で除することにより、アルミニウム合金板１，２を構成する粒子Ｐ_Ａの平均粒子径を算出する。

その後、補助線６３内において、測定位置を撹拌領域１９に近づけ、同様に、単位長さあたりに存在する粒子の個数から、その位置における粒子の平均粒子径を算出する。そして、得られた平均粒子径がアルミニウム合金板１，２を構成する粒子Ｐ_Ａの平均粒子径の１／２以下となった時点で、その単位長さの中央を境界点に設定する。
その後、異なる位置で仮の境界線と補助線とを作成し、同様の方法により複数の境界点を設定して、これらを繋ぎ合わせることにより、アルミニウム合金板１，２そのものを構成する領域と、撹拌領域１９との境界線を設定することができ、図８に示す半楕円形状部６０における円弧６０ａを作図することができる。

以下、本実施形態に係る発明例及び比較例を挙げて、本発明の効果を具体的に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。

＜摩擦撹拌接合＞
発明例として、図２に示す形状のプローブ１２を有する摩擦撹拌接合用工具１０を準備するとともに、比較例として、先端が平面であるプローブを有する摩擦撹拌接合用工具を準備し、それぞれの工具を使用して、図３に示す摩擦撹拌接合方法を用いて摩擦撹拌接合を実施した。具体的には、一対のアルミニウム合金板１，２を、その端面同士が対向するように突き合わせて配置し、突合せ部１６を形成した。次に、回転部１１を回転させつつ、プローブ１２を突合せ部１６の上面１６ａに向かって押し当てることにより、プローブ１２を突合せ部に１６に圧入した。なお、プローブ１２の長さを種々に変更して、残厚Ｔ３を変化させた。
その後、プローブ１２を回転させながら、摩擦撹拌接合用工具１０を突合せ部１６に沿って図３に示す矢印Ｙの方向に移動させることにより、継手を得た。

＜接合部の評価＞
（裏曲げ試験）
突合せ部１６における裏面１６ｂ側が凸状となるように、図１４に示すような裏曲げ試験を実施し、ルートフローの有無を観察した。接合時の条件及び評価方法を以下に示す。また、裏曲げ試験後の継手の様子を図１０に示す。

摩擦撹拌接合用工具：発明例（図２に示す形状のプローブ１２）、比較例（先端が平面であるプローブ）
工具の移動速度：１．０ｍ／分
回転部の回転数：２０００ｒｐｍ
被接合材：アルミニウム合金板 ＡＡ５１８２－Ｏ
被接合材の板厚Ｔ１：２．３ｍｍ
残厚Ｔ３：０．３ｍｍ，０．２ｍｍ，０．１ｍｍ
評価方法：裏曲げ試験（角度 ９０°、曲げ半径 ２．５ｍｍ）

（撹拌領域の観察）
また、上記接合方法と同様の条件により、摩擦撹拌接合継手を形成し、突合せ部１６が延びる方向に直交する断面に対して、電解エッチングした後、その断面を顕微鏡により観察した。各摩擦撹拌接合継手の断面における撹拌領域を図１１に示す。なお、図１０及び図１１において、発明例とは、本発明の実施形態に係る摩擦撹拌接合用工具を用いた例を示す。

（撹拌領域の大きさ及び裏面からの距離の測定）
図１１に示す各試験片の断面を観察し、図８に示すように、目視により半楕円形状部６０の円弧６０ａを作図するとともに、半楕円形状部６０に基づいて想定される楕円６１を作図し、得られた楕円６１の短径Ｒｔ及び長径Ｒｗを測定した。また、楕円の短径Ｒｔに対する長径Ｒｗの比（Ｒｗ／Ｒｔ）を算出した。さらに、撹拌領域１９と裏面１６ｂとの距離Ｈを測定した。なお、撹拌領域１９と裏面１６ｂとの距離Ｈとは、突合せ部１６における裏面１６ｂと、撹拌領域１９における最も裏面に近い位置（円弧６０ａの最も突出した位置）との間の距離を示す。測定結果及び算出結果を下記表１に示す。

（粒子径の測定）
発明例Ｎｏ．２について、図１１における発明例Ｎｏ．２及びその拡大図である図９に基づき、撹拌領域内（図９に示す領域Ｂ）における粒子の平均粒子径と、撹拌領域から離隔した領域（図９に示す領域Ａ）における粒子の平均粒子径とを比較した。
なお、平均粒子径は、各領域において任意の３つの粒子を選択し、各粒子の粒子径を計測することにより算出した。発明例の各試験片の粒子径及び平均粒子径を下記表２に示す。

上記表２に示すように、撹拌領域における平均粒子径は、アルミニウム合金板における粒子の平均粒子径の１／２以下となっていた。また、図１０、図１１及び上記表１に示すように、全ての試験片において、アルミニウム合金板における粒子の平均粒子径の１／２以下である平均粒子径を有し、半楕円形状部を有する撹拌領域を観察することができた。特に、発明例Ｎｏ．３の試験片については、ルートフローが形成されず、裏曲げ試験で優れた結果を得ることができた。

なお、比較例Ｎｏ．１～３並びに発明例Ｎｏ．１及び２は、図１０中に矢印で示す箇所にルートフローが形成されたが、ルートフローの元となる撹拌領域と裏面との距離Ｈは、いずれの残厚で比較しても、発明例の方が小さくなった。これは、Ｒｗ／Ｒｔの結果からも示されるように、発明例の方が、Ｒｗ／Ｒｔの値が３．０以下であって、比較例と比較して小さい値となっており、撹拌領域がプローブの先端側に広がっていることを意味している。すなわち、本発明に係る摩擦撹拌接合用工具を使用することにより、残厚が０ｍｍ超であっても、撹拌領域の円弧を裏面側に到達させることができ、ルートフローの発生を抑制しやすくすることができた。

１０ 摩擦撹拌接合用工具
１１ 回転部
１２ プローブ
１３ 当接部
１４ 壁面
１４ａ 境界線
１５ 連続面
１５ａ 離隔部
Ｓ 軸

Claims (11)

1. 円柱形状のプローブを回転させつつ、被接合材に前記プローブの先端を押し当てることにより摩擦熱を発生させて、前記被接合材を接合する摩擦撹拌接合用工具であって、
   前記プローブは、
   前記プローブの先端における略中心から径方向端部まで延び、前記被接合材の表面に線状又は面状で当接する少なくとも１つの当接部と、
   前記当接部から前記プローブの軸に対して略平行に延びる少なくとも１つの壁面と、
   前記壁面に連続して形成され、前記壁面から離隔する方向に延びる連続面と、を有し、
   前記連続面は、前記プローブの先端から最も離隔した位置に離隔部を有し、前記離隔部から前記プローブの同軸円周方向及び前記プローブの径中心方向の少なくとも一方に向かって前記プローブの先端に近づくように形成されている、摩擦撹拌接合用工具。
2. 前記プローブは、複数の当接部を有し、
   前記複数の当接部の間に前記壁面及び前記連続面が形成されている、請求項１に記載の摩擦撹拌接合用工具。
3. 前記被接合材の表面に当接する前記線状の当接部、又は前記面状の当接部と前記壁面との間の稜線は略直線状であり、前記壁面は略平面状である、請求項１又は２に記載の摩擦撹拌接合用工具。
4. 前記連続面は、前記離隔部から、前記プローブの径中心方向に向かって、前記先端に近づく方向に傾斜している、請求項１～３のいずれか１項に記載の摩擦撹拌接合用工具。
5. 前記連続面は、前記離隔部から、前記プローブの径中心方向に向かって、前記先端に段階的に近づく階段形状を有する、請求項１～３のいずれか１項に記載の摩擦撹拌接合用工具。
6. 前記連続面は、前記離隔部から、前記プローブの同軸円周方向に沿って、前記先端に近づく方向に傾斜している、請求項１～５のいずれか１項に記載の摩擦撹拌接合用工具。
7. 前記連続面は、前記離隔部から、前記プローブの同軸円周方向に沿って、前記先端に段階的に近づく階段形状を有する、請求項１～５のいずれか１項に記載の摩擦撹拌接合用工具。
8. 請求項１～７のいずれか１項に記載の摩擦撹拌接合用工具を用いて一対の板材を接合する摩擦撹拌接合方法であって、
   一対の板材を突き合わせて配置し、突合せ部を形成する工程と、
   前記板材の板厚から前記プローブの長さを減ずることにより得られる残厚が０（ｍｍ）超となるように前記プローブの長さを設定する工程と、
   前記プローブを回転させつつ、前記突合せ部における一方の面から押圧し、前記プローブの回転により撹拌される撹拌領域が、前記突合せ部における他方の面に到達するように、前記突合せ部を摩擦撹拌する工程と、を有する、摩擦撹拌接合方法。
9. 前記突合せ部を摩擦撹拌する工程において、前記撹拌領域が前記突合せ部における他方の面に到達するように、前記プローブの長さ及び回転速度を調整する、請求項８に記載の摩擦撹拌接合方法。
10. 請求項８又は９に記載の摩擦撹拌接合方法により得られる摩擦撹拌接合継手であって、
    前記突合せ部が延びる方向に直交する断面には、前記一対の板材を構成する粒子の平均粒子径の１／２以下の平均粒子径を有する前記撹拌領域が形成されており、
    前記撹拌領域は、前記板材の厚さ方向に直交する方向を長径とし、前記突合せ部の他方の面に向かって突出する円弧を有する半楕円形状部を有し、
    前記円弧が前記突合せ部の他方の面に到達している、摩擦撹拌接合継手。
11. 前記半楕円形状部に基づき楕円を想定した場合に、前記楕円の短径に対する長径の比は、３．０以下である、請求項１０に記載の摩擦撹拌接合継手。

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