JP4804011B2

JP4804011B2 - 摩擦攪拌点接合方法

Info

Publication number: JP4804011B2
Application number: JP2005025900A
Authority: JP
Inventors: 正樹熊谷
Original assignee: Sumitomo Light Metal Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Light Metal Industries Ltd
Priority date: 2005-02-02
Filing date: 2005-02-02
Publication date: 2011-10-26
Anticipated expiration: 2025-02-02
Also published as: JP2006212651A

Description

本発明は、改良された摩擦撹拌点接合方法及びそのための摩擦撹拌点接合用回転工具に係り、特に、３つ若しくはそれ以上の被接合金属部材を重ね合わせて、それらを摩擦撹拌接合手法にて点接合せしめるに際して、有効な手法と、それに用いられる回転工具に関するものである。

従来から、自動車の製造において、そのボデー部材や各種部品が、複数の金属板部材を重ね合わせて、それらをリベットや抵抗スポット溶接の如き点接合にて連結して、一体化することにより、製造されてきており、また、そのような点接合による金属板材の連結形式は、鉄道車両を始めとする各種車両や航空機等の輸送機分野において、また家電製品、建材等の構造物等の分野においても、広く採用されてきている。

一方、特許文献１等において、接合時の入熱が少なく、軟化や歪みの程度が少ない接合手法として、摩擦熱を利用して、金属部材を接合せしめる摩擦撹拌接合法が提案されるに至り、そのような摩擦撹拌接合手法を採用して、複数の金属板部材の重合せ部位を点接合せしめる技術が検討され、それによって、従来の抵抗スポット溶接やリベットによる接合よりも、継手品質がよく、良好な接合状態が安定して得られるとして、各種の摩擦撹拌点接合方法が提案されている（特許文献２〜５等参照）。

しかしながら、それら提案された各種の摩擦撹拌点接合方法は、何れも、基本的にはロッド形状の工具本体の先端に、ピン形状の硬質プローブを設けてなる構造のピン型工具（回転工具）を用い、それを高速回転させながら、所定の金属板部材の重合せ部位に差込み、そして、かかるピン型工具の工具本体の先端部にて構成されるショルダ部を、重合せ部位に押圧することにより、それらショルダ部やプローブと重合せ部位との間に摩擦熱を発生させて、材料を塑性流動せしめ、かかるプローブの周りに撹拌領域を形成することにより、そのようなプローブの差込み部位において、金属板部材の重合せ部位の点接合を行なわしめるものであるが、その点接合されるべき金属板部材が、３枚、或いはそれ以上の枚数にて重ね合わされた重合せ部位における点接合においては、それら３枚以上の金属板部材の接合を均一に行なうことが困難となり、そのために、重ね合わされた金属板部材の重ね合わせ位置において、その結合強度（継手強度）が充分に確保され得ないという問題があった。

具体的には、３枚以上の金属板部材を重ね合わせて、その重合せ部を、上述の如きピン型工具を用いて、摩擦撹拌点接合したときに、かかるピン型工具のプローブが差し込まれる最表部（最上段）の板部材と、その直下の板部材との接合界面は、充分に撹拌することが出来、以て、それら板部材間の接合強度は満足できるものであるが、その下の中間板部材同士の接合界面や、中間板部材と最底部（最下段）の板部材との接合界面においては、かかるピン型工具のショルダ部の摩擦発熱や押圧の影響が充分でなく、そのために、撹拌が不充分となり、塑性流動に基づくところの撹拌領域が有効に形成され難いために、それら中間板部材同士や中間板部材と最底部の板部材との間の継手強度が低いという問題が、内在しているのである。

なお、本発明に関連する先行技術文献情報としては、以下のものがある。
特許第２７１２８３８号公報特開２００１−２５９８６３号公報特開２００１−３２１９６７号公報特開２００１−３１４９８３号公報特開２００２−１２００７７号公報

ここにおいて、本発明は、かかる事情を背景にして為されたものであって、その解決課題とするところは、３つ或いはそれ以上の被接合金属部材を重ね合わせ、その重合せ部を摩擦撹拌接合法にて点接合するに際して、それら部材の重合せ部における何れの接合界面においても、充分な継手強度が確保され得るようにした摩擦撹拌点接合方法を提供することにあり、また、そのような摩擦撹拌点接合方法に有利に用いられ得る摩擦撹拌点接合用回転工具を提供することにある。

そして、本発明にあっては、上記した課題の解決のために、所定の被接合金属部材の上に２つ以上の被接合金属部材の各板状部を重ね合わせて、該重合せ部の最表部に位置する板状部の側から、摩擦撹拌点接合用回転工具を、回転させつつ、その先端部に設けたプローブより差し込み、それら被接合金属部材を点接合するようにした摩擦撹拌点接合方法にして、前記重合せ部の最底部に位置する被接合金属部材に達するように前記プローブを差し込む一方、前記重合せ部の最表部に位置する被接合金属部材の板状部の少なくとも表面に、前記摩擦撹拌点接合用回転工具に設けた外表面用ショルダ部を押し当てるようにして、それら被接合金属部材の前記重合せ部における複数の接合界面のうちの少なくとも一つを、該外表面用ショルダ部と前記プローブとの間に設けた、該外表面用ショルダ部よりも外径の小さな中間ショルダ部にて、摩擦撹拌点接合するようにすると共に、該中間ショルダ部の少なくとも一つが、それに対応した前記接合界面を通過して、その直下の前記板状部に差し込まれるよう為し、更に、該中間ショルダ部が、該差し込まれる板状部に対して、次式：
ｈ≦−０．０４６ｔ²＋１．０２ｔ
ｈ≧０．１ｔ
ｔ≧０．５
［但し、ｈは、前記中間ショルダ部が差し込まれた前記板状部の、該中間ショルダ部下方に位置する部分の厚さ（ｍｍ）であり、ｔは、該中間ショルダ部が差し込まれる板状部の厚さ（ｍｍ）である。］
を満足するように差し込まれることを特徴とする摩擦撹拌点接合方法を、その要旨とするものである。

このように、本発明に従う摩擦撹拌点接合方法にあっては、３つ或いはそれ以上の被接合金属部材の重合せ部に差し込まれる摩擦撹拌点接合用回転工具が、かかる重合せ部の表面に押し付けられる外表面用ショルダ部と、かかる重合せ部の最底部（最下段）に位置する被接合金属部材に達するように差し込まれるプローブとの間に、中間ショルダ部を有し、この中間ショルダ部も、かかる重合せ部に差し込まれるようになるところから、外表面用ショルダ部による効果に加えて、中間ショルダ部による効果も、効果的に発揮させることが出来、以て、ショルダ部による効果を、重合せ部の深さ方向に効果的に分散させ得て、各ショルダ部の圧力による摩擦熱が、下方の被接合金属部材の方にも伝達され易くなるのであり、そしてこれによって、メタルの撹拌領域を大ならしめ、以て、３つ以上の被接合金属部材の重合せによって生じた２つ以上の接合界面のそれぞれが、充分に撹拌され得ることとなるのである。

なお、このような本発明に従う摩擦撹拌点接合方法の望ましい態様の一つによれば、前記摩擦撹拌点接合用回転工具が、前記中間ショルダ部の一つ又は複数を備え、且つ該一つ又は複数の中間ショルダ部が、順次、前記外表面用ショルダ部から前記プローブに向かって外径の小さくなる段付き形状において、設けられていると共に、かかる一つ又は複数の中間ショルダ部にて、それぞれの対応する接合界面の摩擦撹拌点接合が行なわれるようにされる。このように、３つ以上の被接合金属部材の重合せ部における接合界面に対応して、中間ショルダ部を設け、それによって、かかる対応する接合界面の摩擦撹拌接合操作を行なうようにすれば、当該接合界面における撹拌領域を、より一層有効に拡大せしめ得るのである。

また、本発明にあっては、前記中間ショルダ部の少なくとも一つが、それに対応した前記接合界面を通過して、その直下の前記板状部に差し込まれるようにされ、これによって、その対応した接合界面におけるメタルの撹拌領域が効果的に大ならしめられ得、以て、かかる接合界面の継手強度の向上が、有利に達成され得ることとなる。

そして、その際、前記中間ショルダ部は、前記差し込まれる板状部に対して、次式：
ｈ≦−０．０４６ｔ²＋１．０２ｔ
ｈ≧０．１ｔ
ｔ≧０．５
［但し、ｈは、前記中間ショルダ部が差し込まれた前記板状部の、該中間ショルダ部下方に位置する部分の厚さ（ｍｍ）であり、ｔは、該中間ショルダ部が差し込まれる板状部の厚さ（ｍｍ）である。］
を満足するように差し込まれることとなるのであり、これによって、より有効な撹拌領域が形成され得るのである。

さらに、本発明に従う摩擦撹拌点接合方法の他の望ましい態様によれば、前記外表面用ショルダ部の外径：Ｄ（ｍｍ）は、前記重合せ部の総厚さ：Ｔ（ｍｍ）との間において、次式：
Ｄ≦１．５Ｔ＋１５
Ｄ≧０．２５Ｔ＋５
Ｔ≧１．５
を満足するように構成されることとなる。これによって、重合せ部の表面におけるバリの発生を少なくすると共に、摩擦撹拌点接合用回転工具の差込み荷重が過大となるのを抑制しつつ、重合せ部における各界面の接合に有効な撹拌領域を形成することに有利に寄与し得ることとなる。

加えて、本発明に従う摩擦撹拌点接合方法の更に他の望ましい方法によれば、前記複数の接合界面が、前記外表面用ショルダ部から前記プローブに向かって順次外径の小さくなる段付き形状を与える、それぞれ別個の複数の中間ショルダ部と該プローブにて、それぞれ摩擦撹拌点接合せしめられることとなる。このような複数の中間ショルダ部を用いて、プローブと共に、重合せ部に差し込むようにすれば、それら複数の中間ショルダ部とプローブの周りに大きな撹拌領域が効果的に形成され得ることとなるところから、かかる重合せ部における複数のより一層有効な接合を実現することが出来る。

また、本発明にあっては、上述の如き摩擦撹拌点接合方法を実施するために、所定の被接合金属部材の上に、２つ以上の被接合金属部材の各板状部を重ね合わせ、該重合せ部において、それら被接合金属部材を点接合するために用いられる摩擦撹拌点接合用回転工具にして、（ａ）前記重合せ部の最底部に位置する被接合金属部材に達するように、回転しつつ、差し込まれるプローブと、（ｂ）前記重合せ部の最表部に位置する被接合金属部材の板状部の少なくとも表面に、回転しつつ、押し当てられる外表面用ショルダ部と、（ｃ）それら被接合金属部材の複数の接合界面のうちの少なくとも一つを摩擦撹拌点接合するために、該外表面用ショルダ部と前記プローブとの間に設けられて、回転せしめられつつ、前記重合せ部に差し込まれ、該外表面用ショルダ部よりも順次外径が小さくなる少なくとも一つの中間ショルダ部とを、含むことを特徴とする摩擦撹拌点接合用回転工具が、有利に用いられることとなるのである。

そして、そのような本発明に従う摩擦撹拌点接合用回転工具の望ましい態様の一つにあっては、前記中間ショルダ部又は前記プローブが、前記差込み方向における先端側よりも基部側において、全体的に外径の小さくなる形状となるように、形成されており、また、他の望ましい態様においては、前記中間ショルダ部又は前記プローブの側面に、周方向に延びる周溝が形成されている。更に、本発明の望ましい態様の他の一つにおいては、前記中間ショルダ部又は前記プローブの側面に、軸方向に平行に延びる、又は軸方向に所定のリード角をもって延びる、溝又は突起が設けられている。更にまた、本発明の望ましい態様の別の一つによれば、前記中間ショルダ部の差込み方向における前記重合せ部対向面に、周溝又は独立した凹所が、周方向に配設されており、また、そこにおいて、有利には、前記凹所が内側よりも外側の円弧状部側において深さが深くされた全体的に三日月乃至は半月形状を呈するものであり、且つ該三日月乃至は半月形状が径方向において傾斜せしめられている構成が、採用されることとなる。そして、これら望ましい態様の何れか一つ或いはそれらを組み合わせてなる構成を採用することによって、メタルの撹拌力が有利に増大せしめられ得て、継手強度の向上が効果的に図られ得ることとなる。

なお、かかる本発明に従う摩擦撹拌接合用回転工具にあっては、また、前記外表面用ショルダ部の前記差込み方向における前記重合せ部対向面の径方向幅に対して、前記中間ショルダ部の前記差込み方向における前記重合せ部対向面の径方向幅が変化せしめられて、前記重合せ部における複数の接合界面の継手強度が調整されるようになっている。

従って、かくの如き本発明に係る摩擦撹拌点接合方法によれば、３つ或いはそれ以上の被接合金属部材の重合せ部に差し込まれる回転工具の周りにおいて、メタルの撹拌流動領域が効果的に大ならしめられ得て、そのような撹拌流動領域にて与えられる撹拌部が、差込み方向前方側となる重合せ部の下方（底部側）において、有利に大きく為し得ることにより、かかる重合せ部の下方に位置する接合界面の継手強度を有利に向上せしめ得て、各接合界面における継手強度の均一化を有利に実現し、また、それらの継手強度の改善を図り得ることとなる。

また、本発明に従う摩擦撹拌点接合用回転工具を用いれば、前記した本発明に従う摩擦撹拌点接合方法が有利に実施され得ることにより、継手強度に優れた、目的とする３つ以上の被接合金属部材の点接合製品を有利に得ることが出来るのである。

以下、本発明を更に具体的に明らかにするために、本発明の実施の形態について、図面を参照しつつ、詳細に説明することとする。

先ず、図１には、本発明に従う摩擦撹拌点接合方法の一実施形態が、概念図において示されている。そこにおいて、１０は、本発明に従って摩擦撹拌点接合せしめられる被接合金属部材の重合せ部であり、この重合せ部１０に対して、本発明に従う回転工具２０を用いて、摩擦撹拌点接合操作が施されるようになっている。

より具体的には、重合せ部１０は、ここでは、被接合金属部材である金属板材１２ａ〜１２ｄの４枚を重ね合わせて、構成されており、そしてそれら４枚の金属板材１２ａ〜１２ｄの重合せ面に、３つの接合界面１４ａ〜１４ｃが形成されているのである。即ち、最表部（最上段）の金属板材１２ａとその下の金属板材１２ｂとの間が、最上位の接合界面１４ａとされ、また、上から２番目の金属板材１２ｂと３番目の金属板材１２ｃと間が、中央の接合界面１４ｂとされ、更に、上から３番目の金属板材１２ｃと最底部（最下段）に位置する金属板材１２ｄとの間に、最下位の接合界面１４ｃが形成されている。

また、回転工具２０は、ロッド形状の工具本体２２を有しており、この工具本体２２の先端部（ここでは下端部）が、外表面用ショルダ部２４とされ、この外表面用ショルダ部２４に対して、同心的に、第一中間ショルダ部２６ａ、第二中間ショルダ部２６ｂ及びプロープ２８が、順次下方に突出するようにして、一体的に設けられている。即ち、２つの第一及び第二中間ショルダ部２６ａ、２６ｂは、外表面用ショルダ部２４とプローブ２８との間において、かかる外表面用ショルダ部２４よりも外径が小さくされており、且つ、順次、外表面用ショルダ部２４からプローブ２８に向かって外径の小さくなる、段付き形状において設けられているのである。なお、かかる回転工具２０は、少なくとも、その先端部に位置する外表面用ショルダ部２４、第一及び第二中間ショルダ部２６ａ、２６ｂ及びプローブ２８の部分において、点接合せしめられる重合せ部１０を構成する金属板材１２ａ〜１２ｄよりも硬質の材料を用いて形成されており、回転工具２０が、その軸周りに高速回転せしめられて、それらプローブ２８やショルダ部２４、２６ａ、２６ｂが重合せ部１０に接触せしめられても、その損耗が阻止され得るようになっている。

そして、本発明に従う摩擦撹拌点接合操作は、前記した金属板材１２ａ〜１２ｄの重合せ部１０を、従来と同様な押え治具や裏当て治具（図示せず）を用いて固定せしめた後、かかる重合せ部１０の最上部に位置する金属板材１２ａの側から、上述の如き回転工具２０を、高速回転させつつ、図１（ａ）の状態から相対的に下方に移動せしめて、その先端部に設けたプローブ２８より差し込み、図１（ｂ）に示される状態に至るようにすることによって、実施されるのである。従って、そこでは、重合せ部１０に差し込まれた回転工具２０の最先端となるプローブ２８は、重合せ部１０において最下位となる接合界面（１４ｃ）を通って、最下部の金属板材１２ｄにまで差し込まれることとなる一方、重合せ部１０の最上部に位置する金属板材１２ａの上面には、外表面用ショルダ部２４が押し当てられ、その押圧力によって、金属板材１２ａ内に、ある程度入り込む状態となるのであり、また、重合せ部１０における最上位の接合界面１４ａと中央の接合界面１４ｂとが、回転工具２０に設けた第一及び第二中間ショルダ部２６ａ、２６ｂの圧力による摩擦熱によって、充分に撹拌乃至は塑性流動せしめられ得るようにして、その撹拌領域を増大せしめることによって、それら接合界面１４ａ〜１４ｃが効果的に摩擦撹拌点接合され得るようになっているのである。

このように、かくの如き回転工具２０を用いた重合せ部１０の摩擦撹拌点接合操作によれば、図１（ｂ）に示されている如く、回転工具２０の差込みのための押圧力が、外表面用ショルダ部（ショルダ面）２４に加えて、第一及び第二中間ショルダ部（ショルダ面）２６ａ、２６ｂに効果的に分散せしめられ得て、それらショルダ部による摩擦発熱を有効に発生せしめることが出来ることにより、それら第一及び第二中間ショルダ部２６ａ、２６ｂ並びにプローブ２８の周りに、大きな撹拌領域３０を形成することが出来ることとなるのである。そして、これによって、重合せ部１０の最上位の接合界面１４ａのみならず、その下方の接合界面１４ｂや１４ｃにおいても、拡大されたメタルの流動域によって、接合強度乃至は継手強度の向上が効果的に実現され得るのであり、また、図１（ｃ）に示される如く、摩擦撹拌点接合操作が終了して、重合せ部１０から回転工具２０が取り去られた後においても、形成された大きな撹拌領域３０の存在によって、重合せ部１０における点接合部位は、優れた接合強度を有しているのである。

ところで、従来からの回転工具を用いて、図１に示される如き４枚の金属板材１２ａ〜１２ｄを重ね合わせてなる重合せ部１０の摩擦撹拌点接合を実施した場合の、図１（ｂ）に対応する状態が、図１１に示されているが、そこにおいて、従来と同様な構造の回転工具Ｒは、単に、ロッド状の工具本体Ｂの先端部に、同心的にロッド状のプローブＰを有しているのみであるために、そのようなプローブＰが重合せ部１０に差し込まれても、工具本体Ｂの下端部（ショルダ部）の当接・押圧による摩擦発熱のみでは、メタルの流動域が狭く、そのために、プローブＰの周りに形成される撹拌領域Ａも、ワインカップ状となって、必然的に狭くなるのであり、それ故に、最上位の接合界面１４ａはまだしも、中央部の接合界面１４ｂや最下位の接合界面１４ｃにおける接合強度乃至は継手強度を、充分に確保することが困難となるのである。なお、重合せ部１０の上面に当接・押圧せしめられる工具本体Ｄのショルダ部の外径を大きくして、摩擦発熱量を増大せしめても、接合界面における熱移動が充分に行われ得ないところから、下方の接合界面１４ｂや１４ｃまで、充分な熱供給が為され得ず、依然として、図示の如き、ワインカップ状の撹拌領域Ａとなり、接合強度（継手強度）の充分な向上を図り得ない他、摩擦撹拌点接合操作の作業性等においても、問題を惹起するようになる。

また、前記した本発明に従う摩擦撹拌点接合操作にあっては、図１にも示されているように、中間ショルダ部２６ａ、２６ｂは、差し込まれた重合せ部１０において、それぞれに対応する接合界面１４ａ、１４ｂを通過して（通り抜けて）、その直下の金属板材１２ｂ、１２ｃに所定深さ差し込まれるようにすることが望ましく、これによって、それぞれの接合界面１４ａ、１４ｂ、更には、最下位の接合界面１４ｃにも及ぶ有効な撹拌領域３０を大きく形成し得ることとなる。そして、そのような接合界面１４ａ、１４ｂ部位における有効な撹拌を行なわしめるべく、第一中間ショルダ部２６ａの外表面用ショルダ部２４からの突出高さや、第二中間ショルダ部２６ｂの第一中間ショルダ部２６ａからの突出高さが、金属板材１２ａ、１２ｂ、更には１２ｃのそれぞれの板厚に応じて、それぞれ適宜に選定されているのである。

このように、重ね合わせ部１０において、最上部の金属板材１２ａの下方に位置する金属板材１２ｂや、その下に位置する金属板材１２ｃに対して、回転工具２０の中間ショルダ部２６ａ、２６ｂを、それぞれ差し込むに際しては、特に、図２に模式的に示されるように、それぞれの中間ショルダ部２６ａ、２６ｂが差し込まれた金属板材１２ｂ、１２ｃの、それら中間ショルダ部下方に位置する部分の厚さを、換言すれば、それぞれの対応する金属板材１２ｂ、１２ｃの厚さ：ｔ（ｍｍ）から、それぞれの中間ショルダ部２６ａ、２６ｂの差込み深さを減算した値を、ｈ（ｍｍ）としたとき、次式：
ｈ≦−０．０４６ｔ² ＋１．０２ｔ
ｈ≧０．１ｔ
ｔ≧０．５
を満足するように、それぞれの中間ショルダ部２６ａ、２６ｂを、その対応する金属板材（１２ｂ、１２ｃ）に差し込むようにすることが望ましく、これによって、メタルの撹拌領域（３０）の拡大を効果的に図り得て、接合界面１４ａ、１４ｂ及び１４ｃのそれぞれの継手強度を、より一層有利に高め得ることとなる。

なお、上式において、中間ショルダ部（２６ａ）の金属板材（１２ｂ）に対する差込み深さが深くなって、ｈの値が小さくなったり、また、その差込み深さが浅く、かかるｈの値が大きいと、そのような中間ショルダ部（２６ａ）による摩擦撹拌の影響を受ける金属板材（１２ｂ）の上下の接合界面（１４ａ、１４ｂ）を含む領域に形成される撹拌領域（３０）を、バランスよく大きく形成することが困難となるからであり、また、金属板材（１２ｂ）の厚さ（ｔｍｍ）にあっても、それがあまりにも薄くなり過ぎると、摩擦撹拌接合に適しなくなるからである。

また、図２に示される如く、回転工具２０の外表面用ショルダ部２４の外径をＤ（ｍｍ）とし、更に、重合せ部１０の総厚さをＴ（ｍｍ）としたときに、それらＤとＴとは、次式：
Ｄ≦１．５Ｔ＋１５
Ｄ≧０．２５Ｔ＋５
Ｔ≧１．５
を満足するように選定されていることが望ましく、これによって、摩擦撹拌点接合操作を有利に進行せしめ得るのである。なお、かかる式において、外表面用ショルダ部２４の外径（Ｄ）が大きくなり過ぎると、回転工具２０の差込み荷重が過大となったり、他部材との干渉の恐れが生じたりする等の問題を惹起する一方、かかる外径（Ｄ）があまりにも小さいと、外表面用ショルダ部２４の周りに、バリが多く生じる等の問題が惹起されるのである。

さらに、本発明にあっては、図３（ａ）に示される如く、接合界面に対応した中間ショルダ部を有する回転工具を用いて、摩擦撹拌点接合を行なう場合の他、図３（ｂ）に示される如く、接合界面に対応しない更にもう一つの中間ショルダ部を備えた回転工具を用い、重合せ部の最上部の金属板材の摩擦撹拌を行なわしめる一方、外表面用ショルダ部は、重合せ部の上面位置に保持するようにして、摩擦撹拌点接合せしめるようにする手法も、有利に採用されることとなる。

すなわち、図３（ａ）においては、重合せ部４０は、３枚の金属板材４２ａ、４２ｂ、４２ｃにて構成されており、それに対して、回転工具４６が、その先端に設けたプローブ４８から差し込まれ、そして、そのような回転工具４６の先端部に形成された外表面用ショルダ部５０とプローブ４８との間に設けられて、段付き形状を与える中間ショルダ部５２によって、接合界面４４ａの撹拌、更には、プローブ４８と共に、下側の接合界面４４ｂの撹拌が行なわれ、以て、有効な撹拌領域５４が形成されるようになっている。なお、５６は、回転工具４６の周りに形成されたバリである。

これに対して、図３（ｂ）にあっては、回転工具５８は、プローブ４８や中間ショルダ部５２に加えて、追加の中間ショルダ部である上部ショルダ部６０が、外表面用ショルダ部６２と中間ショルダ部５２との間において、それらの中間の外径を有することによって、段付き形状を呈するように設けられ、この上部ショルダ部６０によって、重合せ部４０における最上部の金属板材４２ａの摩擦撹拌、ひいては、上側の接合界面４４ａ部位における撹拌領域の拡大に寄与し得るようになっている。また、そこでは、回転工具５８の先端部に設けられる外表面用ショルダ部６２も、重合せ部４０の上面に発生するバリ（５６）を押えるように、その上面位置に保持されるようになっている。

従って、かかる図３（ｂ）の如き回転工具５８を用いた重合せ部４０の摩擦撹拌点接合においては、外表面用ショルダ部６２の下方に位置し、また、上部ショルダ部６０の側方に位置する重合せ部４０における最上部の金属板材４２部分が、効果的に撹拌され得て、最上部の金属板材４２ａの接合強度乃至は継手強度が、効果的に高められ得、また、バリの発生も、有利に抑制され得ることとなるのである。なお、かくの如き上部ショルダ部６０を、中間ショルダ部として追加する構成の採用は、中間ショルダ部５２が、その対応する接合界面４４ａを通って、その直下の金属板材４２ｂに差し込まれる構造において、より一層優れた効果をもたらすものである。

このように、本発明にあっては、３枚或いはそれ以上の枚数において重ね合わされた金属板材１２ａ〜１２ｄ；４２ａ〜４２ｃの重合せ部１０、４０を、それぞれの接合界面の何れにおいても、高い継手強度が確保され得るように、摩擦撹拌点接合せしめるものであるが、そこで用いられる複数の金属板材は、何れも、同材質のものであっても、或いは異なる材質のものであっても、何等差支えなく、また、それら金属板材の材質としても、特に限定されるものではなく、例えば、アルミニウム若しくはその合金からなるアルミニウム部材、銅若しくはその合金からなる銅部材、マグネシウム若しくはその合金からなるマグネシウム部材等の、比較的軟質金属からなる部材の他、鉄やスチール等の、比較的硬質の金属部材等の、摩擦撹拌接合可能な公知の材料が、適宜に選択されて用いられることとなる。

また、それら重ね合わされる被接合金属部材としての金属板材１２ａ〜１２ｄ；４２ａ〜４２ｃは、全体が平坦な板材である必要はなく、少なくとも、その重合せ部位が、摩擦撹拌点接合可能な範囲において、平坦な板状を呈しておれば、充分であり、それ故に、それぞれの金属板材に対してプレス成形等の各種の成形操作が施されて、種々なる形状に成形されてなる成形品を、本発明における被接合金属部材として用いることも可能であり、更に、重合せ部位以外の部分が板状ではなく、ブロック状、柱状、筒状、箱状等の各種の形状を有する部材を、被接合金属部材として用いることも可能である。加えて、重合せ部の最下部に位置する被接合金属部材の形状にあっても、上述せる如き金属板材にて与えられる板状形状に限られるものではなく、その上に重ね合わされる２つ以上の被接合金属部材の各板状部が載置され得るように、平坦面を有する部材であれば、ブロック状や箱体形状等の各種形状の部材を、重合せ部における最下部の被接合金属部材として、用いることが可能である。

さらに、かくの如き本発明に従う摩擦撹拌点接合方法において用いられる回転工具２０、４６、５８にあっては、その中間ショルダ部２６ａ、２６ｂ；５２、６０やプローブ２８、４８が、その差込み方向における先端側よりも基部側において、全体的に外径の小さくなる形状となるように形成されていることが望ましく、具体的には、図１に示される如き構成の回転工具２０において採用した例が、図４に示されている。

すなわち、図４の（ａ）においては、中間ショルダ部２６ａ、２６ｂ及びプローブ２８が、それぞれ先端側が大径となる円錐台形状において、一体的に形成されており、従って、それぞれの側面が、工具本体２２に向かって、先細となるテーパ面を与える傾斜面にて構成されている。また、それら中間ショルダ部２６ａ、２６ｂとプローブ２８の側面となる外周面の形状としては、上述の如き傾斜面のみならず、図４（ｂ）の如く、外方に凸なる湾曲凸面や図４（ｃ）の如き外方に凹なる湾曲凹面、更には、図４（ｄ）の如き湾曲凸面と湾曲凹面との組み合わせからなる複合湾曲面にて、それら中間ショルダ部２６ａ、２６ｂやプローブ２８の側面を構成することも可能である。

そして、このように、中間ショルダ部２６ａ、２６ｂやプローブ２８の側面を、図４に示される如き傾斜面、湾曲凸面、湾曲凹面、複合湾曲面等の形状とすることによって、それぞれの工具本体２２側の部位が小径化されることとなり、以て、それらが一体的に設けられる上側のショルダ部のショルダ面の面積が増大することとなり、また、メタルを抱かえ込むような形状となることとなって、撹拌領域３０の更なる拡大、ひいては重合せ部１０における継手強度の更なる向上が、図られ得るのである。

また、本発明に用いられる回転工具２０や４６、５８にあっては、有利には、その中間ショルダ部２６ａ、２６ｂ；５２、６０やプローブ２８、４８の側面に、周方向に延びる周溝が形成されていることが望ましく、そのような周溝によっても、メタルの撹拌を良好に行なうことが出来るのであり、その一例が、図３（ａ）における回転工具４６を用いた例として、図５に示されている。なお、図５においては、左右において異なる溝断面形状の周溝が、中間ショルダ部５２に設けられてなる形態において示されている。即ち、そこにおいて、左側に示される例においては、矩形断面形状の周溝６４が周方向に設けられてなる構造が示されており、また右側においては、滑らかな湾曲凹面を与える湾曲断面形状の周溝６６が周方向に形成されてなる構造が示されている。なお、それら二つの例において、プローブ４８は、何れも、先端側が大径となるテーパ形状の側面にて形成されている。そして、それら中間ショルダ部５２、プローブ４８の構成によって、有効な撹拌領域が形成されるようになっているのである。

加えて、図６には、図１に示される如き回転工具２０において、その中間ショルダ部２６ａ、２６ｂとプローブ２８のそれぞれの側面に、円弧状の溝断面を有する周溝６８が、それぞれ設けられてなる例が示されており、これによっても、上記と同様な効果が奏され得るのである。

なお、本発明において用いられる回転工具にあっては、その中間ショルダ部やプローブの側面に、軸方向に平行に延びる、又は軸方向に所定のリード角をもって延びる溝又は突起が、設けられていることも望ましく、これによって、それら中間ショルダ部やプローブの周りのメタルの撹拌を、効果的に行い得ることとなる。図７には、その一例が示されており、そこにおいて、（ａ）は、溝又は突起７０が、中間ショルダ部５２の側面及びプローブ４８の側面に、それぞれ、所定のリード角をもって延びるように設けられている例を示しており、また、（ｂ）は、円錐台形状のテーパ側面とされた中間ショルダ部５２の下部側部分に複数の溝７２が、軸方向に所定のリード角をもって、部分的に設けられてなるものを示している。なお、それら溝乃至は突起７０、７２は、何れも、中間ショルダ部５２やプローブ４８の軸方向の全長に亘って設けられている必要はなく、適宜の長さにおいて設けられていても、何等、差支えない。

また、図８に示される如く、回転工具４６等において、そのショルダ部５０や５２の差込み方向における重合せ部対向面、換言すればショルダ面に、周方向に連続して延びる所定深さの周溝７４を設けたり、或いは図９に示される如く、独立した凹所７６を適宜に設けることも有効であり、それら周溝７２や凹所７４の形成によって、優れた撹拌効果を期待することが出来る。

特に、図９に示される回転工具２０の底面図においては、回転工具の全体としての半径方向に、プローブ２８、第二中間ショルダ部２６ｂ、第一中間ショルダ部２６ａ、及び外表面用ショルダ部２４上に、直径方向に一列となるように、内側よりも外側の円弧状部側において、深さが深くされた、全体的に三日月乃至は半月形状を呈する独立した凹所７６が配設され、且つそれらの周方向において、所定間隔を隔てて（ここでは９０°の位相差をもって）、複数個配置されてなる形態とされているのであり、このような凹所７６の配設形態によっても、優れたメタルの撹拌効果が達成され得るのである。しかも、そのような三日月乃至は半月形状の凹所７６は、何れも、径方向において傾斜せしめられ、回転工具２０の回転方向において、径方向外側部分が、径方向内側部分よりも後方となるような配設形態とされていることによって、その優れた効果を更に有利に発揮せしめ得るようになっている。

なお、このように、メタルの撹拌を効果的に行なうための回転工具における中間ショルダ部やプローブの側面や下面（重合せ部対向面）の形状乃至は構造としては、その他公知の各種の形状乃至は構造を適宜に採用することが可能である。

また、その他、本発明に従う摩擦撹拌点接合方法にあっては、図１０（ａ）に示される如く、外表面用ショルダ部２４や第一中間ショルダ部２６ａや第二中間ショルダ部２６ｂのそれぞれの差込み方向における重合せ部対向面（ショルダ面）の径方向幅：ｘ、ｙ、ｚを同一寸法とするのみならず、図１０（ｂ）に示される如く、外表面用ショルダ部２４のショルダ面の径方向幅（ｘ）よりも、第一中間ショルダ部２６ａのショルダ面の径方向幅（ｙ）の寸法を小さくする一方、第二中間ショルダ部２６ｂのショルダ面の径方向幅（ｚ）の寸法を、前記した外表面用ショルダ部２４のショルダ面の径方向幅（ｘ）よりも大なる寸法として、それら径方向幅（ｘ、ｙ、ｚ）の値を変化せしめることにより、重合せ部１０における複数の接合界面（１４ａ〜１４ｃ）の継手強度を調整し、それらが近似した値となるようにすることも、有利に採用されることとなる。

以上、本発明の代表的な実施形態について詳述してきたが、それは、あくまでも、例示に過ぎないものであって、本発明は、そのような実施形態にある具体的な記述によって、何等限定的に解釈されるものではないことが、理解されるべきである。

例えば、上記の実施形態では、被接合金属部材として、同一厚さの金属板材１２ａ〜１２ｄや４２ａ〜４２ｃが用いられているが、最下部の被接合金属部材の上に重ね合わされる２つ以上の被接合金属部材の各板状部は、同じ厚さである必要はなく、適宜の厚さのものが重ね合わされて、本発明に従う摩擦撹拌点接合操作が施されることとなるのであり、最下部の被接合金属部材にあっても、先述せる如く、板材である必要はないところから、任意の厚さの部材が用いられることとなる。そして、それら重ね合わされる被接合金属部材の厚さに応じて用いられる回転工具の中間ショルダ部やプローブの突出長さが、それぞれの接合界面の接合が実現され得るように、適宜に選定されるのである。

また、重ね合わされる被接合金属部材の点数にあっても、例示の如き金属板材の３枚又は４枚の重合せ数に限定されるものでは決してなく、４つを超える個数において重ね合わせて、重合せ部を構成することも可能である。そして、そのような重合せ部における接合界面の全てが、例示の如く、中間ショルダ部にて撹拌されるようになっている他、複数の接合界面の少なくとも一つが中間ショルダ部による撹拌作用を受けるように構成されるのである。

さらに、例示の具体例においては、接合されるべき３つ以上の被接合金属部材（金属板材）が、上下方向に重ね合わされ、その重合せ部の上面に対して、回転工具が相対的に下方に向かって垂直方向に移動せしめられるようになっているが、そのような重合せ部に対して、下方から回転工具を相対的に上方に移動させて、差し込むようにすることも可能であり、更には、接合すべき被接合金属部材を水平方向に重ね合わせて、水平方向に回転工具を移動せしめることも可能である。

加えて、例示の実施形態においては、回転工具として、工具本体と中間ショルダ部とプローブとが一体のロッド形状とされてなる構造のものが採用されているが、それらを別駆動にて回転せしめたり、或いは軸方向に別個に移動せしめたりすることの出来る構造のものも、採用可能である。

その他、一々列挙はしないが、本発明は、当業者の知識に基づいて、種々なる変更、修正、改良等を加えた態様において実施され得るものであり、また、そのような実施の態様が本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて、何れも、本発明の範疇に属するものであることは、言うまでもないところである。

以下に、本発明の代表的な実施例を示し、本発明を更に具体的に明らかにすることとするが、本発明が、そのような実施例の記載によって、何等の制約をも受けるものでないことは、また、言うまでもないところである。

実施例１
先ず、接合されるべき母材として、ＳＧ１１２−Ｔ４なる材質の厚さ：１ｍｍの自動車用アルミニウムボデーシート材を用意し、また、回転工具としては、図１に示される如き構成の、同心円の階段状のショルダ部を有する４段の回転工具を準備した。なお、この回転工具の工具本体（外表面用ショルダ部）の外径は１２ｍｍであり、また、２つの中間ショルダ部を含めて、各ショルダ部のショルダ面の径方向幅は、何れも、同一寸法（１ｍｍ）とした。

次いで、汎用縦フライス盤を使用して、その定盤上に、寸法：３０ｍｍ×１２０ｍｍの４枚の母材を重ねて固定した後、上記回転工具を用いて、回転数：２０００ｒｐｍにて、摩擦撹拌点接合を行なった。なお、回転工具の差込み深さは、外表面用ショルダ部の位置を基準として０．７ｍｍとし、接合時間は５秒とした。

かかる４枚の母材の重合せ部における各界面の剪断引張強度を調べるため、剪断破壊される界面の上下の板を３０ｍｍだけ重ねて、他方にずらす一方、破壊させない界面の上下の板は、全面を重ねて、接合に供することにより、摩擦撹拌点接合操作を繰り返し行なった。

かくして得られた接合板材（継手）は、その上面側となる回転工具が差し込まれる側の面に、回転工具の形状に対応した窪みが形成されているものの、下面側は、平坦なままの表面状態が維持されていた。また、上面側の窪みの周りには、継手の総厚さが５．９３〜５．９５ｍｍとなるような高さのバリが形成されていることを認めた。

そして、この得られた継手の断面組織を調査したところ、その接合界面のそれぞれは、回転工具により撹拌され、もとの界面の酸化物が充分に分断されており、以て、それぞれの板が充分に接合されているものと認められた。

また、かかる得られた継手について、両側に突き出した板部分を把持して、界面に平行に荷重がかかるようにして、引張試験を行ない、それぞれの界面を剪断破壊させたところ、各段において、栓抜け（プラグ）破断が生じ、それぞれの界面（段）の継手の剪断引張強さは、２．５ｋＮ以上の優れた接合強度（継手強度）を有していることが明らかとなった。なお、そのような継手においては、２枚目と３枚目の板の界面の接合強度が最も高いものであったが、他の界面の接合強度も、２枚重ねのものの摩擦撹拌点接合のものと同等の接合強度を示し、更に、２枚重ねのものの抵抗スポット溶接の継手強度よりも高いものであった。

実施例２
厚さ：１ｍｍのアルミニウム板（６０１６−Ｔ４材）の４枚を重ね、その最下部の板側に裏当て治具を当接する一方、最上部の板側から、図１に示される如き一体式の回転工具を高速回転させつつ差し込み、最下部の板の厚さの１／３までプローブが達するようにした後、かかる回転工具を引き抜くことにより、摩擦撹拌点接合を実施した。

その結果、それら４枚の板の何れの界面も、充分に撹拌され、それぞれの界面の剪断引張試験において、２ｋＮの剪断引張強さを示し、それは、１ｍｍの板厚のアルミニウム板の２枚のものの摩擦撹拌点接合製品の引張強さと同等のものであった。

実施例３
板厚が１ｍｍのアルミニウム板（６０１６合金板材）の４枚を重ね合わせ、図１０の（ａ）及び（ｂ）に示される回転工具２０、２０’を用いて、それぞれ、摩擦撹拌点接合を実施した。なお、図１０の（ａ）に示される回転工具２０は、その工具本体２２の直径が１３ｍｍのものであり、また、外表面用ショルダ部２４、第一中間ショルダ部２６ａ及び第二中間ショルダ部２６ｂのそれぞれのショルダ面の径方向幅は、何れも同一幅であって、１３／８ｍｍの寸法とされているものであり、また、図１０（ｂ）に示される回転工具２０’は、第一中間ショルダ部２６ａ’のショルダ面の径方向幅及び第二中間ショルダ部２６ｂ’のショルダ面の径方向幅が、それぞれ、外表面用ショルダ部２４のショルダ面の径方向幅（ｘ）とは異なるように変化せしめられて、０．８３ｘ及び１．２５ｘとされている。

このような二種類の回転工具２０、２０’を用いた摩擦撹拌点接合の結果、回転工具２０を用いて得られた接合板材にあっては、１枚目と２枚目の板間の接合界面１４ａの接合強度は２．５ｋＮ、２枚目と３枚目の板間の接合界面１４ｂの接合強度は３．０ｋＮ、３枚目と４枚目の板間の接合界面１４ｃの接合強度は２．０ｋＮとなった。これに対して、中間ショルダ部２６ａ’、２６ｂ’のショルダ面の径方向幅を変化させてなる回転工具２０’を用いて得られた接合板材にあっては、それぞれの重合せ板間の接合界面１４ａ、１４ｂ及び１４ｃの何れにおいても、接合強度は約２．５ｋＮを示し、各接合界面における接合強度が均一な接合板材を得ることが出来た。

本発明に従う摩擦撹拌点接合方法の一例を工程的に示す概念図であって、（ａ）は摩擦撹拌接合前の状態、（ｂ）は摩擦撹拌接合操作中の状態、（ｃ）は摩擦撹拌接合後に回転工具を引き抜いた状態を、それぞれ示している。本発明において重合せ部の板状部と差し込まれた回転工具のショルダ部との位置関係を概略的に示す断面説明図である。本発明に従う摩擦撹拌点接合方法の他の例を示す断面説明図であって、（ａ）は一つの中間ショルダ部を有する回転工具を差し込んでなる状態を示しており、（ｂ）は追加のショルダ部を備えた回転工具を差し込んでなる状態を示している。本発明において用いられる摩擦撹拌点接合用回転工具の各種の例を示す部分説明図であって、（ａ）、（ｂ）、（ｃ）及び（ｄ）は、何れも、中間ショルダ部やプローブの異なる側面形状乃至は形態を示している。本発明において用いられる摩擦撹拌点接合用回転工具における中間ショルダ部の側面の異なる形状を左右に示す半截断面説明図である。本発明において用いられる摩擦撹拌点接合用回転工具の更に異なる例を示す半断面説明図である。本発明において用いられる摩擦撹拌点接合用回転工具の中間ショルダ部の異なる形態を示す部分正面説明図であって、（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ異なる形態を示している。本発明において用いられる摩擦撹拌点接合用回転治具の異なる例を示す断面説明図である。本発明において用いられる摩擦撹拌点接合用回転工具の異なる例を示す底面説明図である。本発明に従う摩擦撹拌点接合方法の異なる二つの例を示す断面説明図であって、（ａ）及び（ｂ）は、異なる回転工具を用いた場合における例を示している。従来の回転工具を用いて、４枚の板材の重合せ部を摩擦撹拌点接合した場合における摩擦撹拌領域を示す断面説明図である。

符号の説明

１０重合せ部１２ａ〜１２ｄ金属板材
１４ａ〜１４ｃ接合界面２０回転工具
２２工具本体２４外表面用ショルダ部
２６ａ第一中間ショルダ部２６ｂ第二中間ショルダ部
２８プロープ３０撹拌領域
４０重合せ部４２ａ〜４２ｃ金属板材
４４ａ、４４ｂ接合界面４６回転工具
４８プローブ５０外表面用ショルダ部
５２中間ショルダ部５４撹拌領域
５６バリ５８回転工具
６０上部ショルダ部６２外表面用ショルダ部
６４、６６周溝６８周溝
７０溝又は突起７２周溝
７４周溝７６凹所

Claims

所定の被接合金属部材の上に２つ以上の被接合金属部材の各板状部を重ね合わせて、該重合せ部の最表部に位置する板状部の側から、摩擦撹拌点接合用回転工具を、回転させつつ、その先端部に設けたプローブより差し込み、それら被接合金属部材を点接合するようにした摩擦撹拌点接合方法にして、
前記重合せ部の最底部に位置する被接合金属部材に達するように前記プローブを差し込む一方、前記重合せ部の最表部に位置する被接合金属部材の板状部の少なくとも表面に、前記摩擦撹拌点接合用回転工具に設けた外表面用ショルダ部を押し当てるようにして、それら被接合金属部材の前記重合せ部における複数の接合界面のうちの少なくとも一つを、該外表面用ショルダ部と前記プローブとの間に設けた、該外表面用ショルダ部よりも外径の小さな中間ショルダ部にて、摩擦撹拌点接合するようにすると共に、
該中間ショルダ部の少なくとも一つが、それに対応した前記接合界面を通過して、その直下の前記板状部に差し込まれるよう為し、更に、該中間ショルダ部が、該差し込まれる板状部に対して、次式：
ｈ≦−０．０４６ｔ²＋１．０２ｔ
ｈ≧０．１ｔ
ｔ≧０．５
［但し、ｈは、前記中間ショルダ部が差し込まれた前記板状部の、該中間ショルダ部下方に位置する部分の厚さ（ｍｍ）であり、ｔは、該中間ショルダ部が差し込まれる板状部の厚さ（ｍｍ）である。］
を満足するように差し込まれることを特徴とする摩擦撹拌点接合方法。
前記摩擦撹拌点接合用回転工具が、前記中間ショルダ部の一つ又は複数を備え、且つ該一つ又は複数の中間ショルダ部が、順次、前記外表面用ショルダ部から前記プローブに向かって外径の小さくなる段付き形状において、設けられていると共に、かかる一つ又は複数の中間ショルダ部にて、それぞれの対応する接合界面の摩擦撹拌点接合が行なわれるようにした請求項１に記載の摩擦撹拌点接合方法。
前記外表面用ショルダ部の外径：Ｄ（ｍｍ）が、前記重合せ部の総厚さ：Ｔ（ｍｍ）との間において、次式：
Ｄ≦１．５Ｔ＋１５
Ｄ≧０．２５Ｔ＋５
Ｔ≧１．５
を満足するように構成されている請求項１又は請求項２に記載の摩擦撹拌点接合方法。
前記複数の接合界面が、前記外表面用ショルダ部から前記プローブに向かって順次外径の小さくなる段付き形状を与える、それぞれ別個の複数の中間ショルダ部と該プローブにて、それぞれ摩擦撹拌点接合せしめられることからなる請求項１乃至請求項３の何れかに記載の摩擦撹拌点接合方法。
前記摩擦撹拌点接合用回転工具が、
前記重合せ部の最底部に位置する被接合金属部材に達するように、回転しつつ、差し込まれるプローブと、
前記重合せ部の最表部に位置する被接合金属部材の板状部の少なくとも表面に、回転しつつ、押し当てられる外表面用ショルダ部と、
それら被接合金属部材の複数の接合界面のうちの少なくとも一つを摩擦撹拌点接合するために、該外表面用ショルダ部と前記プローブとの間に設けられて、回転せしめられつつ、前記重合せ部に差し込まれ、該外表面用ショルダ部よりも順次外径が小さくなる少なくとも一つの中間ショルダ部とを、
含んでいる請求項１乃至請求項４の何れかに記載の摩擦撹拌点接合方法。
前記中間ショルダ部又は前記プローブが、前記差込み方向における先端側よりも基部側において、全体的に外径の小さくなる形状となるように、形成されている請求項５に記載の摩擦撹拌点接合方法。
前記中間ショルダ部又は前記プローブの側面に、周方向に延びる周溝が形成されている請求項５に記載の摩擦撹拌点接合方法。
前記中間ショルダ部又は前記プローブの側面に、軸方向に平行に延びる、又は軸方向に所定のリード角をもって延びる、溝又は突起が設けられている請求項５又は請求項６に記載の摩擦撹拌点接合方法。
前記中間ショルダ部の差込み方向における前記重合せ部対向面に、周溝又は独立した凹所が、周方向に配設されている請求項５乃至請求項８の何れかに記載の摩擦撹拌点接合方法。
前記凹所が、内側よりも外側の円弧状部側において深さが深くされた、全体的に三日月乃至は半月形状を呈するものであり、且つ該三日月乃至は半月形状が径方向において傾斜せしめられている請求項９に記載の摩擦撹拌点接合方法。
前記外表面用ショルダ部の前記差込み方向における前記重合せ部対向面の径方向幅に対して、前記中間ショルダ部の前記差込み方向における前記重合せ部対向面の径方向幅が変化せしめられて、前記重合せ部における複数の接合界面の継手強度が調整されている請求項５乃至請求項１０の何れかに記載の摩擦撹拌点接合方法。