JP4599608B2 - 摩擦攪拌加工方法および摩擦攪拌加工用裏当て治具 - Google Patents

Description

本発明は、摩擦攪拌加工方法および摩擦攪拌加工用裏当て治具に関する。ここで、摩擦攪拌加工とは、摩擦攪拌接合、摩擦攪拌改質、摩擦点接合等の、回転するツールを強い力で被加工材に押し当て、発生する摩擦熱により被加工材を可塑化させ固相状態で加工することをいう。

アルミニウム合金板等の被接合材同士を接合するに際し、この被接合材の接合面を互いに突き合わせて形成される接合線の一端に、高速回転する棒状の攪拌工具（径の大きいショルダ部とその先端にプローブを有する硬い工具鋼からなるツール）のプローブを強い力で挿入し、このツールを高速回転させながら接合線に沿って他端に移動させ、その時に発生する摩擦熱により接合面を可塑化して、ツールのショルダ部によって圧力を付加しながら被接合材の接合面同士を接合する接合方法は、摩擦攪拌接合（ＦＳＷ： Ｆｒｉｃｔｉｏｎ Ｓｔｉｒ Ｗｅｌｄｉｎｇ）と呼ばれ、広く知られている（例えば特許文献１）。

上記摩擦攪拌接合によれば、ツールと被接合材との摩擦熱を利用して接合するので、最高到達温度が融点に達せず固相状態で接合するため、アーク溶接などの溶融溶接に比べて、接合部における強度低下が小さく、気孔や割れなどの接合欠陥がなく、接合面も平坦である等の利点があり、すでに鉄道車両、船舶、土木構造物、自動車などの分野で実用化されている。

また、アルミニウム合金板等の被加工材の表面に、上記のような高速回転するツールのプローブを強い力で挿入し、このツールを高速回転させながら一端から他端に移動させ、その時に発生する摩擦熱によりツールのショルダ部およびプローブの近傍の被加工材を可塑化することにより、被加工材の一定の深さまでの結晶粒径を小さくして強度および硬度等を向上させる改質方法は、摩擦攪拌改質（ＦＳＰ：Ｆｒｉｃｔｉｏｎ Ｓｔｉｒ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）と呼ばれ、広く知られている（例えば特許文献２）。

さらに、ツールを被加工材に押し付けるが横移動させることなく一定時間後にそのまま引き抜くという点接合プロセスが開発されており、摩擦点接合（Ｓｐｏｔ Ｆｒｉｃｔｉｏｎ Ｗｅｌｄｉｎｇ）あるいはフリクションスポット接合（ Ｆｒｉｃｔｉｏｎ Ｓｐｏｔ Ｊｏｉｎｉｎｇ）と呼ばれている。

上述のような摩擦攪拌加工にあっては、ツールを被加工材に沿って強い力で挿入するため、このツールの押圧力により被加工材に大きな負荷がかかり、この大きな負荷により被加工材が変形したり、歪んだり、ずれなどが生じたり、加工部分の強度が低下したり、外観不良などの問題が発生し、良好な接合あるいは改質が行ない難くなる。この被加工材への負荷は、摩擦攪拌加工種類、同装置、被加工材の材質や厚さなどにより異なるが、アルミニウム合金で厚さ３〜６ｍｍ程度の被加工材を加工する場合、通常２，５００〜５，０００Ｎ程度である。

そのため、通常は、被加工材の加工部の裏側面に沿って、この被加工材の加工部を拘束するための裏当て治具を配置し固定する方法が採用される。この種の裏当て治具は、ツールのショルダ部から受けるほぼ法線方向からの強い荷重に耐え座屈しないような高い剛性が必要で、一般に、鋼製の裏当て治具が使用されている（例えば特許文献３および４）。

本出願人は、上記従来の鋼製の裏当て治具に比べて、その製作が極めて容易で簡単に短期間で低コストで製作することができ、特に３次元的な曲面を有する被加工材の接合あるいは改質に好適に用いられる、セメント成形体のような無機硬化成形体からなる摩擦攪拌加工用の裏当て治具を提案した（特願２００６−９２０４６号）。

ところが、上記従来の鋼製の裏当て治具やセメント成形体のような無機硬化成形体からなる裏当て治具にあっては、その表面は比較的粗く、また度重なる使用により表面に小さな傷などが生じるため、摩擦攪拌加工の終了後にアルミニウム合金板等の被加工材を裏当て治具の表面から除去すると、被加工材の裏面に裏当て治具の表面模様が転写されて、得られる加工体の裏面の平滑性が劣るという欠点がある。

特に、セメント成形体からなる裏当て治具を使用した場合、アルミニウム合金板等の被加工材の材質や加工条件によっては、被加工材がセメント成形体に強固に密着することがあり、この場合、被加工材を裏当て治具から除去する際に、セメント成形体の表面が僅かに剥ぎ取られて被加工材の裏面に付着し、得られる加工体の裏面が汚くなることがある。

一方、鋼材の治具上で摩擦攪拌接合等する場合においても、鋼材治具表面の傷付等により被接合材の裏面が荒れることがある。

上記のような摩擦攪拌加工において、得られる加工体の加工部の表面には、ツールによって生じる加工痕が存在するため、通常は、裏当て治具の表面に接する加工体の裏面を製品の外表面とすることが多く、そのため得られる加工体の外表面となる裏面を研磨したりして平滑に仕上げねばならず、後仕上げ作業に手間がかかり煩瑣であるという問題がある。

特許第２７１２８３８号公報 特開２００３−６４４５８号公報 特開平１１−２６７８５８号公報 特開２００５−２０５４９６号公報

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、摩擦攪拌加工において、裏当て治具の表面に接する被加工材の面が平滑美麗で、後仕上げ加工の必要がない加工体を得るための摩擦攪拌加工方法および摩擦攪拌加工用裏当て治具を提供することにある。

上記の目的は、次のような特徴を有する摩擦攪拌加工方法および摩擦攪拌加工用裏当て治具を用いることにより達成することができる。

本発明の請求項１に記載の摩擦攪拌加工方法は、摩擦攪拌加工において、被加工材の加工部の裏面と、該加工部の裏面にあてがわれる裏当て治具との間に、表面平滑な薄層体を介在させる摩擦攪拌加工方法であって、前記裏当て治具が、セメント成形体からなることを特徴とする。

本発明の請求項２に記載の摩擦攪拌加工方法は、請求項１において、表面平滑な薄層体が、金属箔、金属溶射膜若しくはセラミック溶射膜、のいずれかからなることを特徴とする。

本発明の請求項３に記載の摩擦攪拌加工方法は、請求項２において、金属箔が、ステンレス箔、スチール箔、アルミニウム箔、チタン箔または銅箔のいずれかからなることを特徴とする。

本発明の請求項４に記載の摩擦攪拌加工方法は、請求項１〜３のいずれか１項において、裏当て治具の表面が、３次元曲面状に形成されていることを特徴とする。

本発明の請求項５に記載の摩擦攪拌加工用裏当て治具は、摩擦攪拌加工において、被加工材の加工部の裏面にあてがわれる摩擦攪拌加工用裏当て治具であって、セメント成形体からなる裏当て治具の表面に、表面平滑な薄層体が貼着されているかあるいは表面平滑な薄層体層が形成されていることを特徴とする。

以下、本発明について図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は本発明の摩擦攪拌加工方法として摩擦攪拌接合方法の一例を説明するための斜視図である。図１において、１０は裏当て治具であって、この裏当て治具１０としては、セメント成形体が用いられる。

上記のセメント成形体からなる裏当て治具１０は、ポルトランドセメント、高炉セメント、シリカセメント、フライアッシュセメント等のセメントと細粒砂等の骨材と水とセメント混和剤（ＡＥ剤、減水剤、商品名「デンカΣ２０００」などの強度改良剤）とを適量混練りして得られる硬化性の無機水練り物を、所望の形状、例えば、平板形状や３次元曲面形状に成形し硬化させることにより容易に得ることができる。なお、摩擦攪拌加工時に高温にさらされる場合には耐熱セメントを用いるのが好ましい。

このようなセメント成形体からなる裏当て治具１０は、圧縮強度が高いものを使用するのが好ましい。圧縮強度が不足すると、被加工材の材質や厚さなどによっては、ツールから受けるほぼ法線方向からの強い接合荷重に耐えられず、割れたり座屈することがあり、そのため被加工材が変形したりして良好な接合が行ない難くなる。

なお、上記セメント成形体は、アラミド繊維、カーボン繊維、ガラス繊維、ポリプロピレン繊維などの短繊維あるいは長繊維を分散含有させることにより補強されていてもよい。また、上記セメント成形体は、アラミド繊維、カーボン繊維、ガラス繊維、ポリプロピレン繊維などの繊維からなる織布または繊維強化プラスチックにより補強されていてもよい。

織布または繊維強化プラスチックにより補強する場合は、セメント成形体の内部に層状に埋設されていてもよく、セメント成形体の表面あるいは裏面に貼り付けられていてもよい。特に、織布または繊維強化プラスチックをセメント成形体の裏面、すなわち被加工材の裏面と接する裏当て治具の表面とは反対側に層状に形成するのが好ましい。

上述の裏当て治具１０を用いて、本発明の摩擦攪拌加工方法として、摩擦攪拌接合（ＦＳＷ）を行う方法を説明する。
図１において、先ず、裏当て治具１０の上の所望の位置に、表面平滑な薄層体２０を配置する。表面平滑な薄層体２０としては、スチール箔、アルミニウム箔、チタン箔、銅箔などの金属箔、金属や金属酸化物などのセラミック溶射膜が好適に使用されるが、これ等に限定されない。これ等の表面平滑な薄層体２０の厚みは、裏当て治具１０の表面に沿いやすくするために０．０５〜１ｍｍ程度が好ましい。なお、上記金属箔は、金属リボンあるいは金属シートと呼ばれることもある。

次に、上記表面平滑な薄層体２０の上の中央に、板状の被接合材３１および３２の接合線３３が位置するように、板状の被接合材３１および３２を配置し固定する。被接合材３１および３２としては、主として、アルミニウム合金をはじめ、マグネシウム合金、銅合金、チタン合金、鉄鋼からなる板状の被接合材が使用される。これ等の被接合材３１および３２は、裏当て治具１０の形状に対応して、平たい単純な板状のものあるいは単純な２次元的な曲面を有する板状のものであってもよく、また３次元的な曲面を有する板状のものであってもよい。

上記表面平滑な薄層体２０を、被接合材３１および３２と裏当て治具１０との間に介在させるには、表面平滑な薄層体２０を単に被接合材３１および３２の接合線３３に沿って裏当て治具１０上に載置するだけでもよいが、挟着作業を容易にするために、予め裏当て治具１０の上に表面平滑な薄層体２０を粘着剤や接着剤により貼り付けたものあるいは溶射により予め裏当て治具１０の上に表面平滑な薄層体２０の層を形成したものを使用してもよい。

その後、板状の被接合材３１と３２の接合線３３の一端に、高速回転する接合用回転工具４０（径の大きいショルダ部４２とその先端にプローブ４１を有する硬い工具鋼からなるツール４０）のプローブ４１を高速回転させながら強い力で押し当て挿入し、ショルダ部４２による圧力を付加し摩擦熱を発生させながらツール４０を接合線３３に沿って他端に移動させ、摩擦熱によりツール近傍を可塑化して固相状態で接合する。尚ツールは被接合材の接合部の近傍の表面の略法線方向から挿入されかつ略法線方向を保った状態で移動される。

上記接合用回転工具（ツール）４０は、径の大きいショルダ部４２とその先端にプローブ４１を有し、接合する被接合材(３１と３２)の材質よりも硬いＳＫＤ６１等のＳＫあるいはＳＫＤ工具鋼やＰＣＢＮ(ｐｏｌｙｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｃｕｂｉｃ ｂｏｒｏｎ ｎｉｔｒｉｄｅ)などからなる。そして、通常、プローブ４１にはねじが切ってあるが、ねじが切ってないものも使用できる。また、厚みが３〜６ｍｍ程度の被接合材(３１と３２)を使用する場合は、上記ツール４０のショルダ部４２の直径は１２〜１５ｍｍ程度で、プローブ４１の直径は５〜６ｍｍ程度のものが好適に使用される。

また、ショルダ部４２の面は、接合線３３に沿った被接合材３１および３２を押圧する必要があり、通常は被接合材３１および３２と当接する面が平面であるものあるいはピン４１を中心としてやや円弧状または円錐状に凹んだものが使用されるが、場合によっては、プローブ４１を中心としてやや円弧状または円錐状に突起したものも使用できる。上記プローブ４１の長さは、裏当て治具１０と接触しないように、接合する被接合材３１と３２の厚みよりも０．２ｍｍ程度短いのが普通である。ツール４０の回転速度は一般に数百〜数千回転／分、接合速度は一般に数十〜数百ｍｍ／分であるが、条件によっては１〜２ｍ／分も可能である。

上記ツール４０は、定盤軸（Ｘ）と横行軸（Ｙ）と昇降軸（Ｚ）の機械３軸からなる公知の摩擦攪拌接合装置に取り付けられて使用される。また、定盤軸（Ｘ）と横行軸（Ｙ）と昇降軸（Ｚ）の機械３軸および揺動軸（Ａ）と旋回軸（Ｃ）のツール２軸とからなる公知の５軸枠型の摩擦攪拌接合装置に取り付けられても使用される。また、三つの関節軸と二つの回転軸を具備した公知のロボットアームの先端に搭載されたマシンヘッドに取り付けて使用されることもあるが、これ等に限定されない。

こうして、被接合材３１と３２との接合体が得られる。
なお、上例においては、被接合材３１と３２とを接合する摩擦攪拌接合（ＦＳＷ）について説明したが、本発明は、２枚の被接合材３１と３２に替えて、これと同様な１枚の被加工材を用い、その表面に高速回転するツール４０のプローブ４１を強い力で挿入することにより、その時に発生する摩擦熱により被加工材を改質する摩擦攪拌改質（ＦＳＰ）にも適用できる。

また、被加工材の表面にプローブを挿入するが横移動させることなく、一定時間後にプローブを引き抜くことにより点加工を行う接合技術および改質技術にも適用できる。

本発明の摩擦攪拌加工方法によれば、被加工材の加工部の裏面と、該加工部の裏面にあてがわれる裏当て治具との間に、表面平滑な金属箔、金属溶射膜、セラミック溶射膜のような薄層体が介在するので、裏当て治具の表面が多少凹凸の粗面であっても、薄層体の表面平滑性が転写されることになり、ツールの大きな押圧力により被加工材の裏面が裏当て治具の表面に強く押し付けられた際に、裏当て治具の表面凹凸が被加工材の裏面に転写されることが防止され、裏当て治具の表面に接する被加工材の裏面(通常、製品の外表面となる)が平滑美麗で、後仕上げ加工の必要がない加工体を得ることができる。

特に、裏当て治具として、セメント成形体からなる裏当て治具を使用するので、鋼製の裏当て治具に比べて、その製作が極めて容易であり、特に３次元的な曲面を有する被加工材の接合あるいは改質に好適に用いることができる。

しかし、セメント成形体からなる裏当て治具を使用する場合は、アルミニウム合金板等の被加工材の材質や加工条件によっては、被加工材がセメント成形体に強固に密着することがあり、この場合、被加工材を裏当て治具から除去する際に、セメント成形体の表面が僅かに剥ぎ取られて被加工材の裏面に付着し、得られる被加工材の裏面が汚くなることがあるが、本発明の摩擦攪拌加工方法によれば、セメント成形体の表面が損傷、汚染されることなく、繰り返し裏当て治具として使用することができ、得られる被加工材の裏面が汚染、傷つき、付着がなく、裏面の後仕上げ加工を要しない。

以下、本発明の具体的な実施例を挙げる。なお、本発明はこれ等の実施例に限定されるものではない。

（比較例１）
（摩擦攪拌接合：ＦＳＷ）
図１に示すように、平板状の鋼製（Ｓ５０Ｃ）の裏当て治具１０（幅９ｃｍ、長さ５０ｃｍ、厚さ３ｃｍ）の表面の中央部の長さ方向に沿って、表面平滑なスチールリボン２０(株式会社久宝金属製作所製の商品名「ＭＩＮＩ ＭＥＴＡＬ」。スチール箔厚さ０．１ｍｍで裏面に粘着剤の付いたシートを幅２．５ｃｍ、長さ２０ｃｍに裁断したもの)を貼り付けた。

次いで、上記スチールリボン２０が貼着された裏当て治具１０の上に、アルミニウム合金（５０８３−Ｈ）からなる２枚の平板状の被接合材３１、３２（幅１４ｃｍ、長さ１８ｃｍ、厚さ３ｍｍ）の接合面を互いに突き合わせて載置した。この際、被接合材３１、３２の接合線３３がスチールリボン２０の中央に位置するように配置し固定した。

その後、定盤軸（Ｘ）と横行軸（Ｙ）と昇降軸（Ｚ）の機械３軸からなる摩擦攪拌接合装置に取り付けられている工具鋼からなるツール４０のプローブ４１を、１０００ｒｐｍで回転させながら上記接合線３３の一端に挿入し、２００ｍｍ／分の送り速度で被接合材３１、３２の接合線３３に沿って他端に移動させて摩擦攪拌接合を行い、被接合材３１と３２との接合体を作製した。

なお、上記ツール４０は、プローブ４１の直径が４．０ｍｍ、長さが２．８ｍｍであり、ねじが切ってあり、ショルダ部４２の直径は１２ｍｍで、接合線３３に沿った被接合材３１、３２を押圧するためのショルダ面は平面であった。また、ツール４０への負荷は約４，７００Ｎであった。

上記の摩擦攪拌接合により得られた被接合材３１と３２との接合体は、接合部の表面にツール４０による加工痕（３４）が存在するがバリ等の欠陥はなく、その裏面は、再結晶組織の細長い痕跡が現れているが平滑美麗であった。上記接合部の近辺に相当する裏面の表面粗さを、表面粗さ測定器（ＫＥＹＥＮＣＥ社製、商品名「超深度カラー３Ｄ形状測定顕微鏡ＶＫ−９５００」）を用い、ＪＩＳ Ｂ０６０１に基づいて測定した。その結果、算術平均粗さＲaは０．１０μｍ、最大高さＲyは２．４７μｍ、十点平均粗さＲzは２．２２μｍであった。

（比較例２）
なお、比較のために、上記スチールリボン２０を使用しなかったこと以外は、上記比較例１と同様にして摩擦攪拌接合を行ったところ、接合部の表面にはツール４０による加工痕（３４）が存在するがバリ等の欠陥はなく、その裏面には再結晶組織の細長い痕跡が現れており、比較例１に比べて裏面の平滑性が劣っていた。上記接合部の近辺に相当する裏面の算術平均粗さＲaは３．５１μｍ、最大高さＲyは４０５．６９μｍ、十点平均粗さＲzは３３６．３５μｍであった。

さらに、上記比較例１と比較例２により得られた被接合材３１と３２との接合体の接合部の攪拌中心から幅方向の左右９．５ｍｍ(±９．５ｍｍ)までの距離について、Ｘ線回折法による残留応力測定器（理学電機株式会社製、「微小部Ｘ線応力測定装置 ＰＳＰＣ／ＲＳＦシステム」）を用い、表１の条件に基づいて、クラック発生の原因となる残留応力を測定した。その結果、図２に示すように、スチールリボン２０を使用すると、スチールリボン２０を使用しないものに比べて、接合体の接合部の残留応力が小さくなるという利点があることが判明した。

（比較例３）
（摩擦攪拌接合）
ツール４０の送り速度を５００ｍｍ／分に変更したこと以外は、比較例１と同様にして摩擦攪拌接合を行った。得られた被接合材３１と３２との接合体は、接合部の表面にはツール４０による加工痕（３４）が存在するがバリ等の欠陥はなく、その裏面には再結晶組織の細長い痕跡が現れているが平滑美麗であった。上記接合部の近辺に相当する裏面の算術平均粗さＲaは０．３５μｍ、最大高さＲyは８．６１μｍ、十点平均粗さＲzは８．１２μｍであった。

（比較例４）
なお、比較のために、上記スチールリボン２０を使用しなかったこと以外は、上記比較例３と同様にして摩擦攪拌接合を行ったところ、接合部の表面にはツール４０による細長い加工痕（３４）が存在するがバリ等の欠陥はなく、その裏面には再結晶組織の細長い痕跡が現れていた。上記接合部の近辺に相当する裏面の算術平均粗さＲaは１．７６μｍ、最大高さＲyは１３８．８６μｍ、十点平均粗さＲzは９８．７４μｍであり、比較例３に比べて裏面の平滑性が劣っていた。

（裏当て治具の作製）
ポルトランドセメントに骨材（細粒砂）とセメント混和剤が予め配合されてなる「超強度コンクリート補修材」（家庭化学社製）１．８ｋｇに対して水２４０ｃｃの割合で混合したセメント水練り組成物を調製した。

上記セメント水練り組成物用いて、平板状のセメント成形体（幅１７ｃｍ、長さ２１ｃｍ、厚さ２ｃｍ）を成形し、その片面にアラミド長繊維からなる織物にエポキシ樹脂（コニシ社製の「Ｅ−８１０ＬＳ」）を含浸させたプリプレグを載置し常温で硬化させて、繊維強化プラスチックで補強されたセメント成形体からなる裏当て治具１０を作製した。

（摩擦攪拌加工）
上記繊維補強セメント成形体からなる裏当て治具１０を使用し、２枚の平板状の被接合材３１、３２に替えてアルミニウム合金（６０６１）からなる１枚の平板状の被加工材（幅３４ｃｍ、長さ１８ｃｍ、厚さ３ｍｍ）を使用し、ツール４０の回転速度を１８００ｒｐｍ、送り速度を５００ｍｍ／分に変更したこと以外は、比較例１と同様にして摩擦攪拌加工を行った。

上記の摩擦攪拌加工により得られた被加工材の加工体は、加工部の表面にはツール４０による細長い加工痕（３４）が存在するがバリ等の欠陥はなく、その裏面は、図３の右端（記号丸中４）に示すように、平滑美麗であった。

（比較例５）
比較のために、上記スチールリボン２０を使用しなかったこと以外は、上記実施例１と同様にして摩擦攪拌加工を行ったところ、加工部の表面にはツール４０による加工痕（３４）が存在するがバリ等の欠陥はなく、その裏面は、図３の右から２番目（記号丸中２）に示すように、再結晶組織の細長い痕跡が現れており、平滑性が実施例１に比べて劣っていた。

ツール４０の回転速度を１４００ｒｐｍ、送り速度を８００ｍｍ／分に変更したこと以外は、実施例１と同様にして摩擦攪拌加工を行った。得られた被加工材の加工体は、加工部の表面には細長い加工痕は存在するがバリ等の欠陥はなく、その裏面は、図３の左端（記号丸中５）に示すように、再結晶組織の痕跡は存在するが平滑であった。

（比較例６）
なお、比較のために、上記スチールリボン２０を使用しなかったこと以外は、上記実施例２と同様にして摩擦攪拌加工を行ったところ、上記加工部に相当する裏面は、図３の左から２番目（記号丸中３）に示すように、再結晶組織の痕跡が存在し、裏面の平滑性が実施例２に比べて劣っていた。

なお、上記実施例１、２および比較例５、６の摩擦攪拌加工の際に、被加工材の加工線（３３）に沿ってその一端から長さ方向８．５ｃｍのところで、加工線（３３）の中央から幅方向へ１０ｍｍ離れ且つ深さ１．５ｍｍの位置に測温端子を設置し、摩擦攪拌加工の開始から経過時間毎に発熱温度を測定した。その結果を図４に示す。

図４から明らかなように、スチールリボン２０を使用すると、スチールリボン２０を使用しないものに比べて、同じ摩擦攪拌加工の加工条件（ツール４０の回転速度および送り速度）で被加工材の加工部近辺の温度が上昇することが判った。このことから、スチールリボン２０を使用すると、スチールリボン２０を使用しないものに比べて、ツール４０の低速回転および高速移動が可能となり、それにより摩擦攪拌加工の加工コストを低減させることができるという利点を有することが判明した。

また、スチールリボン２０の使用により裏当て治具１０の表面が保護され、摩擦攪拌加工の際に、アルミニウム合金板からなる被加工材がセメント成形体からなる裏当て治具１０の表面に強固に密着した場合でも、セメント成形体の表面が剥がれることがないという利点を有していた。

（裏当て治具の作製）

（ワークの作製）
長辺２８５ｍｍ、短辺１５０ｍｍ、板厚３ｍｍのアルミニウム（６０６１Ａｌ）板を、短辺に平行に曲率半径（内径）１５０ｍｍの円弧を形成するように曲げ、円筒の側面様形状のワークを得た。
（硬化型の作製）
上記ワークの両面に養生用にリムーバブルフィルムを貼り付けた状態で、上記ワークの凸面を下にして上記ワークがぴったり納まる寸法の直方体状の上面が空いた硬化型を、透明プラスチック板を組み合わせて作製した。
（裏当て治具の作製）

図５に示す様にワークを硬化型中に設置した状態で、アルミナセメント（ＤＲＹＳＩＣ−８５ キャスタブル）を水で溶いたものを約１００ｍｍの深さになるよう流し込み硬化させた。この際、ワークを裏当て治具にボルトで取り付けるためのナット及び裏当て治具を定盤にボルトで取り付けるためのナットを予め埋め込んだ状態で硬化させた。硬化後、硬化型、リムーバブルフィルム及びワークを除去し、固定用ナット付裏当て治具を得た。得られた裏当て治具の写真を図６に示す。図６においては、２個の裏当て治具が写っており、それぞれボルト用ナットが埋め込まれていることを示すために、一部のナット穴にボルトが挿入されている。

（裏当て治具の定盤への取り付け）
裏当て治具の平面状底部に埋め込まれたナット穴の位置に対応したネジ貫通孔を設けた固定板に、ボルトにて裏当て治具を固定した。次いで裏当て治具を固定した固定板を、三次元摩擦攪拌接合装置（定盤軸（Ｘ）と横行軸（Ｙ）と昇降軸（Ｚ）の機械３軸および揺動軸（Ａ）と旋回軸（Ｃ）のツール２軸とからなる公知の５軸枠型の摩擦攪拌接合装置）の定盤に治具にて固定した。

（裏当て治具へのワークの取り付け）
上記ワークと同材質で長辺２８５ｍｍ、短辺２００ｍｍ、板厚３ｍｍのアルミニウム（６０６１Ａｌ）板を、短辺に平行に曲率半径（内径）１５０ｍｍの円弧を形成するように曲げて得られた円筒の側面様形状をしたワークに、裏当て治具のかまぼこ型曲面に埋め込まれたナット穴の位置に対応する位置にボルト孔を穿った。
上記定盤に固定した裏当て治具上の摩擦攪拌加工予定部分に幅５０ｍｍ、厚さ０．１ｍｍのステンレスシートを挟み、ボルト孔を穿ったワークを載せボルトにて固定した。この取り付けの状態を図７に示す。ステンレスシートはワークで覆われており外からは見えない。

（摩擦攪拌加工）
ショルダー径１２ｍｍ、プローブ径４ｍｍ、プローブ長２．９ｍｍでプローブにネジをきった工具鋼製ツールを三次元摩擦攪拌装置に取り付け、加圧力３９００Ｎにて、ツールを１，５００ｒｐｍで回転させながら、６００ｍｍ／分の送り速度でワークの長辺方向に平行に曲面に添って弧状に移動させて摩擦攪拌加工を行った。

（摩擦攪拌加工の結果）
ワークを裏当て治具よりはずして目視観察した。図８に写真を示す。写真左半分にはワークの裏側とステンレスシートが写っており、右半分には裏当て治具が写っている。ワークの摩擦攪拌加工された裏面は比較的平滑であった。セメント表面の剥離が抑制されていた。
（比較例７）
ステンレスシートを裏当て治具とワークの間に挟まなかった以外は実施例３と同様にして摩擦攪拌加工した。

（摩擦攪拌加工の結果）
ワークを裏当て治具よりはずして目視観察した。図９に写真を示す。写真左半分にはワークの裏側が写っており、右半分には裏当て治具が写っている。ワークの摩擦攪拌加工された裏面は粗面化していた。更に裏当て治具の表面にはセメント表面層の一部が剥離した剥離痕が認められ、ワークにはセメントの粒子が付着していた。

本発明の摩擦攪拌加工方法の一例を説明するための斜視図である。 本発明の比較例１および比較例２により得られた接合体の接合部における残留応力を示すグラフである。横軸の目盛りのプラス値はリトリーティング（後退）サイド、マイナス値はアドバンシング（前進）サイドを示す。 本発明の実施例１、２および比較例５、６により得られた加工体の加工部の裏面の状態を示す写真である。 本発明の実施例１、２および比較例５、６において加工中の加工部近辺の発熱温度を示すグラフである。 実施例３におけるワークが設置された硬化型の写真である。ワークの凸面を下にして上記ワークがぴったり納まる寸法の直方体状の硬化型（硬化型は、透明プラスチック板を組み合わせて作製されている）の内部にワークが設置されていることが分る。 本発明の実施例３にて得られた摩擦攪拌加工用裏当て治具の写真である。 本発明の実施例３の定盤への裏当て治具の取り付けおよび裏当て治具へのワークの取り付けの状態を示す写真である。ステンレスシートはワークと裏当て治具の間に挟まれているため写真では見えない。 実施例３における摩擦攪拌加工後のワークと裏当て治具の写真である。左半分にはワークの裏側とステンレスシートが写っており、右半分には裏当て治具が写っている。 比較例７における摩擦攪拌加工後のワークと裏当て治具の写真である。左半分にはワークの裏側が写っており、右半分には裏当て治具が写っている。

１０ 裏当て治具
２０ 表面平滑な薄層体
３１ 被接合材
３２ 被接合材
３３ 被接合材の接合線
３４ 加工痕
４０ ツール
４１ ツールのプローブ
４２ ツールのショルダ部

Claims (5)

1. 摩擦撹拌加工において、被加工材の加工部の裏面と、該加工部の裏面にあてがわれる裏当て治具との間に、表面平滑な薄層体を介在させる摩擦攪拌加工方法であって、前記裏当て治具が、セメント成形体からなることを特徴とする摩擦攪拌加工方法。
2. 表面平滑な薄層体が、金属箔、金属溶射膜若しくはセラミック溶射膜、のいずれかからなることを特徴とする請求項１に記載の摩擦攪拌加工方法。
3. 金属箔が、ステンレス箔、スチール箔、アルミニウム箔または銅箔のいずれかからなることを特徴とする請求項２に記載の摩擦攪拌加工方法。
4. 裏当て治具の表面が、３次元曲面状に形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の摩擦攪拌加工方法。
5. 摩擦撹拌加工において、被加工材の加工部の裏面にあてがわれる摩擦攪拌加工用裏当て治具であって、セメント成形体からなる裏当て治具の表面に、表面平滑な薄層体が貼着されているかあるいは表面平滑な薄層体層が形成されていることを特徴とする摩擦攪拌加工用裏当て治具。