JP4838385B2 - 両面摩擦攪拌接合方法、接合装置、冷間圧延設備の金属板接合方法及び冷間圧延設備 - Google Patents

Description

本発明は、金属板の接合方法及び接合装置、並びに冷間圧延設備の金属板接合方法及び冷間圧延設備に関する。

回転ツールを回転させながら、回転ツールのツール本体に設けられたショルダ部の表面を接合部材の表面と接触させ、ショルダ部の表面と接合部材の表面との摩擦熱を利用して摩擦攪拌し、接合部材を融点以下の固相状態で、材料を攪拌し接合する摩擦攪拌接合技術が知られている。この接合技術は、アルミ合金の接合部材を主体として、様々な産業分野で実用化されている。この接合技術には種々の手法が提案されている。

摩擦攪拌接合で最も一般的なものは、例えば特許文献１（日本特許第２７１２８３８号公報）の図１２や非特許文献１に記載のような片面摩擦攪拌接合である。これは、ツール本体の先端部にそれより小径のプローブを設け、ツール本体の先端部におけるプローブの取り付け部の周辺をショルダ部として構成した回転ツールを用い、この回転ツールを２枚の金属板の接合部（例えば突き合わせ部）の片面側から挿入し、回転ツールを回転させることによって生じる摩擦熱を利用して摩擦攪拌し、接合するものである。

両面摩擦攪拌接合も提案されている。これは、２枚の金属板の接合部（例えば突き合わせ部）の表面側と裏面側に、それぞれ、回転ツールを１本づつ相対向するように配置し、接合部の両側から摩擦攪拌し接合するものであり、例えば特許文献１（日本特許第２７１２８３８号公報）の図１４ａに示されている。

また、特許文献２（日本特許３２６１４３３号公報）には、そのような両面摩擦攪拌接合において、合部材が中空部材や厚板部材である場合に、回転ツールを一方面側と他方面側に相対向してそれぞれ配置し、該一方面側からの回転ツールによる他方面側への押圧力を支持する支持ローラを設け、該一方面側の押圧力を該他方面側の押圧力より大きくし、接合部材を移動させることで、表裏両面から摩擦攪拌接合を行なう技術が記載されている。

特許２７１２８３８号 特許３２６１４３３号

摩擦攪拌接合−摩擦攪拌接合のすべて− 社団法人 溶接学会編 産報出版、第１２〜１６頁

特許文献１や非特許文献１に記載のような片面摩擦攪拌接合には以下の問題がある。

第１は、熱効率が良くないことと、回転ツール１本当たりの負荷増大による高速化の限界である。

一般に、接合部材の厚みが厚くなるほど、摩擦攪拌接合時の攪拌深さは深くなり、それに応じて、投入する熱量を増やす必要がある。更に、片面摩擦攪拌接合では、材料に投入した熱が、回転ツールの押圧力を保持する裏当て板に熱拡散し、接合部の温度が低下するため、熱拡散相当分の余剰の熱量を投入しなければならず、熱効率に劣る問題がある。

また、所望の摩擦攪拌熱を得るためには、回転ツール１本当たりの押圧力ならびに熱負荷が増大し、回転ツール寿命が短くなる。

更に、１本の回転ツールで、所望の熱量を接合部に投入するためには、接合速度の上限を低位に抑える必要があり、生産効率を高める上で、大きな制約条件となる。

第２に、固着の問題がある。

片面摩擦攪拌接合で、接合部材の厚みが薄い場合には、ショルダ面と裏当て板間の距離が短くなり、接合部が高温状態で、裏当て板に押圧されるため、接合部材と裏当て板との接触面で固着する場合がある。そのため、１ｍｍ前後の板厚の突き合わせ接合は、実用化が困難であった。

第３に、非対称残留応力の問題がある。

片側摩擦攪拌接合の場合は、入熱が摩擦攪拌仕事を行なう片側からのみであるため、表裏面に残留応力差が生じ、接合部材が反る問題がある。

特許文献１や特許文献２に記載の両面摩擦攪拌接合では、上記のような片面摩擦攪拌接合の問題を解消或いは軽減できる。しかし、従来の両面摩擦攪拌接合を実用化するためには幾つかの解決しなければならない課題があることが分かった。

第１は、摩擦力による金属板の破断の問題である。

両面摩擦攪拌接合で、上下の回転ツールを金属板の両側から押圧して回転させるとき、ショルダ部間に挟まれた金属板部分に摩擦力により剪断力が発生し、この剪断力が材料の許容剪断力を超えると、金属板は破断する。

摩擦攪拌接合を行う材料（金属板）の許容せん断力は、板厚に応じて変化し、板厚が薄くなれば、低下する。

本発明者等が行なった実験によると、金属板の板厚が３ｍｍ以下となる場合、特に金属板の破断が発生しやすくなることを確認した。

第２は、接合不良の懸念である。

特許文献２では、金属板が中空部材や厚板部材である場合に、回転ツールを一方面側と他方面側に相対向してそれぞれ配置し、該一方面側からの回転ツールによる他方面側への押圧力を支持する支持ローラを設け、該一方面側の押圧力を該他方面側の押圧力より大きくし、金属板を移動させることで、表裏両面から摩擦攪拌接合を行っている。この場合、金属板の位置保持を一方面からの回転ツールによる押付力と支持ローラの反力で行なうことになり、接合方向の直角方向への拘束力は支持ローラと金属板間の摩擦力のみとなる。

したがって、摩擦攪拌接合時に発生するプローブ通過時の排斥力で、金属板が回転ツールの接合方向の直角方向へ動くことで、突合せ面の隙間精度が得られずに接合不良を起こすことが懸念される。

特に金属板の厚みが回転ツールのショルダ部の直径より小さくなる場合には、金属板の剛性が低いため、この傾向が顕著になる問題があった。

また、特許文献１及び特許文献２に記載の両面摩擦攪拌接合では、２本の回転ツールを金属板の突き合わせ部の表面側と裏面側にプローブ先端間に実質的に隙間を与えない状態で相対向するように配置し、突き合わせ部の両側から摩擦攪拌接合するものである。隙間を与えない状態での両面摩擦撹拌接合では、金属板の厚みの微小変動により、ショルダ部表面と金属板表面との接触面における面圧が変動する。この面圧の変動により、摩擦熱量が変動し、接合部の品質が低下する問題があった。

第３は、ツール寿命と経済性の問題である。

両面摩擦攪拌接合では、回転ツールのプローブ挿入量は、金属板厚みの半分となる。金属板の厚みが厚くなる場合には、プローブ挿入量が深くなるため、挿入したプローブに作用するモーメントによるプローブの折損を防止するため、プローブ径を大きくする必要があった。また、接合不良を起こさない摩擦発熱量を得るために、ショルダ部の径も大きくする必要があった。

プローブ径及びショルダ部径を大きくすると、摩擦撹拌接合中の負荷が増大するため、装置を大型化する必要があり、経済性に劣る問題がある。

また、プローブ挿入量に応じて接合速度が制限され、タクトタイムの短縮にも限界があるとともに、回転ツールの熱負荷低減にも限界があり、ツール寿命の向上に限界があった。

更に、金属板の厚みが異なれば、それに応じてプローブ長さも変えなければならないため、金属板の厚みに合わせて、異なるプローブ長さを有する回転ツールを多数準備する必要があり、経済性に劣る問題がある。

本発明の目的は、回転ツールのショルダ部の直径より小さな厚みの金属板を両面摩擦攪拌接合する場合に、金属板の破断と接合不良を抑制し、接合強度を高め、接合強度の信頼性を向上することができるとともに、ツール寿命を向上しかつ回転ツールの経済性に優れた金属板の接合方法及び接合装置、並びに冷間圧延設備の金属板接合方法及び冷間圧延設備を提供することである。

上述した課題を解決する第１の発明は、ツール本体の先端部にそれより小径のプローブを設け、前記ツール本体の先端部における前記プローブの取り付け部の周辺をショルダ部として構成した上下の回転ツールを２枚の金属板の接合部である突き合わせ部にその表面側及び裏面側から挿入し、前記上下の回転ツールを回転させることによって生じる摩擦熱を利用して摩擦撹拌し、前記２枚の金属板を接合する両面摩擦攪拌接合方法において、前記上下の回転ツールのショルダ部の直径より小さな厚みの２枚の金属板の表裏面をそれぞれ第１及び第２把持装置で把持し、前記２枚の金属板の突き合わせ部の表面側と裏面側に、それぞれ、前記上下の回転ツールを相対向するように配置し、前記上下の回転ツールを互いに近づく方向に移動して、前記上下の回転ツールのプローブ先端間に所定の隙間を与えかつ前記上下の回転ツールのショルダ部を前記突き合わせ部の表面側と裏面側に押圧し、この状態で、前記突き合わせ部に沿って前記上下の回転ツールを回転させながら移動させて摩擦攪拌接合することを特徴とする。

また、上述した課題を解決する第２の発明は、ツール本体の先端部にそれより小径のプローブを設け、前記ツール本体の先端部における前記プローブの取り付け部の周辺をショルダ部として構成した上下の回転ツールを２枚の金属板の接合部である重ね合わせ部にその表面側及び裏面側から挿入し、前記上下の回転ツールを回転させることによって生じる摩擦熱を利用して摩擦撹拌し、前記２枚の金属板を接合する両面摩擦攪拌接合方法において、前記上下の回転ツールのショルダ部の直径より小さな厚みの２枚の金属板の表裏面をそれぞれ第１及び第２把持装置で把持し、前記２枚の金属板の重ね合わせ部の表面側と裏面側に、それぞれ、前記上下の回転ツールを相対向するように配置し、前記上下の回転ツールを互いに近づく方向に移動して、前記上下の回転ツールのプローブ先端間に所定の隙間を与えかつ前記上下の回転ツールのショルダ部を前記重ね合わせ部の表面側と裏面側に押圧し、この状態で、前記重ね合わせ部に沿って前記上下の回転ツールを回転させながら移動させて摩擦攪拌接合することを特徴とする。

第３の発明は、上記第１又は第２の発明の両面摩擦攪拌接合方法において、前記上下の回転ツールの軸芯を、回転ツールの進行方向に対してそれぞれのプローブが先行する方向に傾け、この状態で摩擦攪拌接合することを特徴とする。

第４の発明は、上記第１乃至第３の何れかの発明の両面摩擦攪拌接合方法において、前記上下の回転ツールのプローブ先端間の隙間を、前記２枚の金属板の接合部の厚みに対し１％以上５０％以下の比率にすることを特徴とする。

第５の発明は、上記第１乃至第４の何れかの発明の両面摩擦攪拌接合方法において、前記第１把持装置と前記第２把持装置間の距離を前記ツール本体の直径の１．５倍以上５倍以下とすることを特徴とする。

第６の発明は、上記第１乃至第５の何れかの発明の両面摩擦攪拌接合方法において、前記上下の回転ツールの回転方向を表面側と裏面側で逆方向としたことを特徴とする。

第７の発明は、上記第１乃至第６の何れかの発明の両面摩擦攪拌接合方法において、前記上下の回転ツールのそれぞれのショルダ部の直径を同一にしたことを特徴とする。

第８の発明は、上記第３乃至第７の何れかの発明の両面摩擦攪拌接合方法において、前記金属板の厚みが２ｍｍ以下の場合に、前記上下の回転ツールの軸芯の傾き角度を、０°を超え３°以下にすることを特徴とする。

第９の発明は、上記第３乃至第８の何れかの発明の両面摩擦攪拌接合方法において、前記上下の回転ツールの軸芯の傾き角度を同一にしたことを特徴とする。

第１０の発明は、上記第１乃至第９の何れかの発明の両面摩擦攪拌接合方法において、前記上下の回転ツールが前記２枚の金属板の接合部をその表面側と裏面側から押圧する押圧力を、表面側と裏面側で同一とする。

第１１の発明は、上記第１，第３乃至第１０の何れかの発明の両面摩擦攪拌接合方法において、前記２枚の金属板の厚みが異なる場合に、前記金属板の表面及び裏面のいずれか一方側に段差が生じないように、前記２枚の金属板を前記第１及び第２把持装置で把持し、前記上下の回転ツールのうち段差が生じる側の回転ツールを、金属板の厚みが薄い側がアドバンシングサイドなる方向に回転させ、段差のない側の回転ツールを、段差が生じる側の回転ツールの回転方向と逆方向に回転させることを特徴とする。

第１２の発明は、上記第１，第３乃至第１０の何れかの発明の両面摩擦攪拌接合方法において、前記２枚の金属板の厚みが異なる場合に、前記金属板の表面及び裏面の段差が均等になるように、前記２枚の金属板を前記第１及び第２把持装置で把持し、前記上下の回転ツールを、金属板の厚みが薄い側がアドバンシングサイドとなるように同方向に回転させることを特徴とする。

第１３の発明は、上記第１乃至第１２の何れかの発明の両面摩擦攪拌接合方法において、前記上下の回転ツールのうちの一方の回転ツールは、摩擦攪拌接合開始前に予定挿入深さまで金属板の厚み方向に対し位置制御にて移動し、回転ツールの挿入深さを保持した状態で、接合部端面から回転ツールの進行方向に位置制御にて送って、位置制御のまま接合部端面から回転ツールを金属板に挿入して摩擦攪拌接合を開始し、その後、摩擦攪拌接合終了まで、回転ツールの挿入位置を金属板の厚み方向に対し位置制御にて保持しながら送り、他方の回転ツールは、摩擦攪拌接合開始前までは、前記一方の回転ツールと同様、予定挿入深さまで金属板の厚み方向に対し位置制御にて移動し、回転ツールの挿入深さを保持した状態で、接合部端面から回転ツールの進行方向に位置制御にて送って、金属板の厚み方向に対し位置制御のまま接合部端面から回転ツールを金属板に挿入して摩擦攪拌接合を開始し、摩擦攪拌接合開始後は、前記一方の回転ツールの送り位置と同期して送り、その送りの間、回転ツールの負荷が所定の値となるように、回転ツールの挿入位置を制御する負荷一定制御とし、摩擦攪拌接合が終了する接合終端部到達前に、その時点の回転ツールの挿入位置を保持する位置制御に切り替え、接合部終端部を通過させ、摩擦攪拌接合することを特徴とする。

第１４の発明は、上記第１乃至第１２の何れかの発明の両面摩擦攪拌接合方法において、前記上下の回転ツールを、摩擦攪拌接合開始前に予定挿入深さまで金属板の厚み方向に対し位置制御にて移動し、回転ツールの挿入深さを保持した状態で、接合部端面から回転ツールの進行方向に位置制御にて送って、位置制御のまま接合部端面から回転ツールを金属板に挿入して摩擦攪拌接合を開始し、摩擦攪拌接合開始後は、回転ツールの負荷が所定の値となるように、回転ツールの挿入位置を制御する負荷一定制御とし、摩擦攪拌接合が終了する接合終端部到達前に、その時点の回転ツールの挿入位置を保持する位置制御に切り替え、接合部終端部を通過させ、摩擦攪拌接合することを特徴とする。

第１５の発明は、上記第１乃至第１４の何れかの発明の両面摩擦攪拌接合方法において、前記上下の回転ツールは、焼結炭化タングステンの超硬合金、タングステン合金などからなり、前記２枚の金属板は、融点が１０００℃以上の高融点材料からなることを特徴とする。

第１６の発明は、上記第１乃至第１５の何れかの発明の両面摩擦攪拌接合方法を用いて、冷間圧延に供される金属板を接合することを特徴とする。

上述した課題を解決する第１７の発明は、ツール本体の先端部にそれより小径のプローブを設け、前記ツール本体の先端部における前記プローブの取り付け部の周辺をショルダ部として構成した上下の回転ツールを２枚の金属板の接合部である突き合わせ部にその表面側及び裏面側から挿入し、前記上下の回転ツールを回転させることによって生じる摩擦熱を利用して摩擦撹拌し、前記２枚の金属板を接合する両面摩擦攪拌接合装置において、前記上下の回転ツールのショルダ部の直径より小さな厚みの２枚の金属板の表裏面をそれぞれ把持する第１及び第２把持装置と、前記上下の回転ツールを１本ずつ備え、前記２枚の金属板の突き合わせ部の表面側と裏面側に、それぞれ、前記上下の回転ツールを相対向するように配置した上摩擦攪拌装置及び下摩擦攪拌装置と、前記上摩擦攪拌装置及び下摩擦攪拌装置のそれぞれの回転ツールを互いに近づく方向に移動して、前記上下の回転ツールのプローブ先端間に所定の隙間を与えかつ前記上下の回転ツールのショルダ部を前記突き合わせ部の表面側と裏面側に押圧する押圧及び隙間調整装置と、前記突き合わせ部に沿って前記上摩擦攪拌装置及び下摩擦攪拌装置の前記上下の回転ツールを移動させる移動装置とを有したことを特徴とする。

また、上述した課題を解決する第１８の発明は、ツール本体の先端部にそれより小径のプローブを設け、前記ツール本体の先端部における前記プローブの取り付け部の周辺をショルダ部として構成した上下の回転ツールを２枚の金属板の接合部である重ね合わせ部にその表面側及び裏面側から挿入し、前記上下の回転ツールを回転させることによって生じる摩擦熱を利用して摩擦撹拌し、前記２枚の金属板を接合する両面摩擦攪拌接合装置において、前記上下の回転ツールのショルダ部の直径より小さな厚みの２枚の金属板の表裏面をそれぞれ把持する第１及び第２把持装置と、前記上下の回転ツールを１本ずつ備え、前記２枚の金属板の重ね合わせ部の表面側と裏面側に、それぞれ、前記上下の回転ツールを相対向するように配置した上摩擦攪拌装置及び下摩擦攪拌装置と、前記上摩擦攪拌装置及び下摩擦攪拌装置のそれぞれの回転ツールを互いに近づく方向に移動して、前記上下の回転ツールのプローブ先端間に所定の隙間を与えかつ前記上下の回転ツールのショルダ部を前記重ね合わせ部の表面側と裏面側に押圧する押圧及び隙間調整装置と、前記重ね合わせ部に沿って前記上摩擦攪拌装置及び下摩擦攪拌装置の前記上下の回転ツールを移動させる移動装置とを有したことを特徴とする。

第１９の発明は、上記第１７又は第１８の発明の両面摩擦攪拌接合装置において、前記上下の摩擦攪拌装置の前記上下の回転ツールの軸芯を、回転ツールの進行方向に対してそれぞれのプローブが先行する方向に傾けて支持する傾斜支持装置を更に有することを特徴とする。

第２０の発明は、上記第１７乃至第１９の何れかの発明の両面摩擦攪拌接合装置において、前記押圧及び隙間調整装置は、前記上下の回転ツールのプローブ先端間の隙間を、前記２枚の金属板の接合部の厚みに対し１％以上５０％以下の比率に調整することを特徴とする。

第２１の発明は、上記第１７乃至第２０の何れかの発明の両面摩擦攪拌接合装置において、前記第１及び第２把持装置は、前記第１及び第２把持装置間の距離が前記ツール本体の直径の１．５倍以上５倍以下となるように配置されていることを特徴とする。

第２２の発明は、上記第１７乃至第２１の何れかの発明の両面摩擦攪拌接合装置において、前記上下の摩擦攪拌装置は、それぞれの回転ツールの回転方向を表面側と裏面側で逆方向に回転させることを特徴とする。

第２３の発明は、上記第１９乃至第２２の何れかの発明の両面摩擦攪拌接合装置において、前記傾斜支持装置は、前記金属板の厚みが２ｍｍ以下の場合に、前記上下の摩擦攪拌装置の前記上下の回転ツールの軸芯の傾き角度を０°を超え３°以下に設定することを特徴とする。

第２４の発明は、上記第１７乃至第２３の何れかの発明の両面摩擦攪拌接合装置において、前記上下の摩擦攪拌装置の回転ツールのうちの一方の回転ツールは、摩擦攪拌接合開始前に予定挿入深さまで金属板の厚み方向に対し位置制御にて移動し、回転ツールの挿入深さを保持した状態で、接合部端面から回転ツールの進行方向に位置制御にて送って、位置制御のまま接合部端面から回転ツールを金属板に挿入して摩擦攪拌接合を開始し、その後、摩擦攪拌接合終了まで、回転ツールの挿入位置を金属板の厚み方向に対し位置制御にて保持しながら送り、他方の回転ツールは、摩擦攪拌接合開始前までは、前記一方の回転ツールと同様、予定挿入深さまで金属板の厚み方向に対し位置制御にて移動し、回転ツールの挿入深さを保持した状態で、接合部端面から回転ツールの進行方向に位置制御にて送って、金属板の厚み方向に対し位置制御のまま接合部端面から回転ツールを金属板に挿入して摩擦攪拌接合を開始し、摩擦攪拌接合開始後は、前記一方の回転ツールの送り位置と同期して送り、その送りの間、回転ツールの負荷が所定の値となるように、回転ツールの挿入位置を制御する負荷一定制御とし、摩擦攪拌接合が終了する接合終端部到達前に、その時点の回転ツールの挿入位置を保持する位置制御に切り替え、接合部終端部を通過させ、摩擦攪拌接合するよう前記隙間調整手段及び移動手段を制御する制御装置を更に有することを特徴とする。

第２５の発明は、上記第１７乃至第２３の何れかの発明の両面摩擦攪拌接合装置において、前記上下の摩擦攪拌装置の上下の回転ツールを、摩擦攪拌接合開始前に予定挿入深さまで金属板の厚み方向に対し位置制御にて移動し、回転ツールの挿入深さを保持した状態で、接合部端面から回転ツールの進行方向に位置制御にて送って、金属板の厚み方向に対し位置制御のまま接合部端面から回転ツールを金属板に挿入して摩擦攪拌接合を開始し、摩擦攪拌接合開始後は、回転ツールの負荷が所定の値となるように、回転ツールの挿入位置を制御する負荷一定制御とし、摩擦攪拌接合が終了する接合終端部到達前に、その時点の回転ツールの挿入位置を保持する位置制御に切り替え、接合部終端部を通過させ、摩擦攪拌接合するよう前記隙間調整手段及び移動手段を制御する制御装置を更に有することを特徴とする。

第２６の発明は、上記第１７乃至第２５の何れかの発明の両面摩擦攪拌接合装置を冷間圧延設備に備えたことを特徴とする。

本発明によれば以下の効果が得られる。

第１、第２、第１７及び第１８の発明においては、金属板の表裏面を第１及び第２把持装置で把持することで、回転ツールのショルダ部の直径より小さな厚みの２枚の金属板の接合を両面摩擦攪拌接合で行う場合であっても、接合部近傍の金属板材料の接合方向直角方向の動きが拘束されるため、摩擦攪拌接合時に発生するプローブ通過時の排斥力で、金属板が回転ツールの接合方向の直角方向へ動くことがなくなり、突き合わせ面の隙間精度が確保され、接合不良を防止することができる。

また、相対向するように配置した２本の回転ツールのプローブ先端間に所定の隙間を与えることにより、金属板の厚みの微小変動により、ショルダ部表面と金属板表面との接触面における面圧が変動することを回避し、摩擦熱量の変動を抑え、接合部の品質の低下（接合不良）を防止することができる。

相対向するように配置した２本の回転ツールのプローブ先端間に所定の隙間を与えることにより、金属板へのプローブの挿入量は金属板厚みの半分よりも小さくなるため、それに応じて回転ツールのプローブ長さが短くなり、これによりプローブに作用するモーメントが低減する。その結果、プローブの折損を防止するためにプローブ径を大きくする必要がなくなり、それに伴ってショルダ部の径も大きくする必要がなくなるため、摩擦攪拌接合中の負荷の増大を抑え、装置を小型化し、経済性を向上することができる。また、プローブ挿入量が小さくなるため、接合速度を上げ、タクトタイムを低減するとともに、回転ツールへの入熱量を低減し、回転ツールの寿命を延ばすことができる。

更に、プローブ先端間に所定の隙間を与えたため、異なる厚みの金属板を接合する場合であっても、隙間長さの範囲内で１種類の長さのプローブを有する回転ツールで対応することができ、所望の接合強度に応じたプローブ長さの回転ツールを準備することで、ランニングコストを抑え、経済性を向上することができる。

また、従来は、両面摩擦攪拌接合でプローブ先端間に所定の隙間を与えた場合は、２つの金属板の接合面境界部分に未攪拌面が生じ、接合強度が低下すると考えられており、プローブ先端間に所定の隙間を与えて両面摩擦攪拌接合することは行われていなかった。しかし、本願発明者等は、プローブ先端間に所定の隙間を与えても、２枚の金属板の表裏面を把持装置で把持した場合は、未攪拌面においても強固な接合が得られ、全体としても必要な接合強度を確保することができるという知見を得た。

この点を以下に説明する。

２本の回転ツールのプローブ先端間に所定の隙間を与えた状態で、表裏面の両面から摩擦攪拌接合を行った場合は、接合面の境界部分に未攪拌面が発生する。しかし、この未攪拌面は、回転ツールを回転することで発生する剪断力により延ばされるため、未攪拌面の表面に介在する酸化物が強く引き伸ばされて破壊し、未攪拌面に新生面ができる。

更に、摩擦熱で材料が軟化した状態の傾斜した新生面に、２本の回転ツールからの上下方向の押圧力と、第１及び第２把持装置で２枚の金属板を拘束することで生じる熱膨張による変形力の反力及びプローブ通過時の排斥力による反力（水平方向の力）とが加わり、未攪拌の新生面が固相接合される。その結果、未攪拌面も強固に接合され、高い耐引張・耐曲げ強度を得ることができる。

また、両面摩擦攪拌接合では接合部の両面で摩擦熱を生成させるため、片面摩擦攪拌接合で生じていたような裏当て金への熱拡散が無くなり、温度上昇が短時間で達成されるため、プランジング工程を省略したプランジングレスの摩擦攪拌接合を実現することができ、これにより接合のタクトタイムを短縮し、生産効率を高めることができる。

第３及び第１９の発明においては、上下の回転ツールの軸芯を傾けて摩擦攪拌接合することによって、回転ツールのショルダ部と材料間の面圧を高め、摩擦攪拌接合の際に発生するバリや接合欠陥を抑制することができる。

更に、プランジング工程を省略し、上下回転ツールを接合部端面から挿入する際に、接合部端面と該回転ツールの側面部が衝突することを回避し、接合部端面において、金属板が座屈する等の問題が生じることを防止する。

第４及び第２０の発明においては、プローブ先端間の隙間を接合部の厚みの５０％以下とすることにより、中央部に未攪拌部が残るが、前述の如く未攪拌部が引き伸ばされ、かつ高温で押圧されることで、強固に接合される。また、たとえ未攪拌部が未接合状態であったと仮定しても、接合部の曲げ強度は、従来と比較しても１３％程度以下の低下率に留めることができる。接合の材質毎に、必要とする曲げ強度に応じ、適宜接合率（接合する厚みの割合）を設定することで、接合部全面を攪拌しなくても、所望の曲げ強度を得ることができる。また、プローブ先端間の隙間を接合部の厚みの１％以上とすることにより、上下の回転ツールが微振動を起こしても、上下の回転ツールの先端部の干渉を防止し、回転ツールの寿命を向上することができる。

第５及び第２１の発明においては、入出側把持装置間の距離をツール直径の５倍以下とし、接合部と把持装置間の距離を短くすることにより、金属板の材料剛性が低い場合でも、摩擦攪拌接合時に発生する摩擦熱による熱膨張・熱変形による金属板の座屈を抑制し、安定した接合を行なうことができる。また、入出側把持装置間の距離をツール直径の１．５倍以上とすることにより、回転ツールが微振動を起こしても、回転ツールと入出側把持装置との干渉を防止し、装置寿命を向上することができる。

第６及び第２２の発明においては、上下の回転ツールの回転方向を表面側と裏面側で逆方向とすることにより、表面側からの攪拌によるせん断力と裏面側からの攪拌によるせん断力を接合部の内部で打ち消すことができ、材料の破断を防止することができる。また、把持装置の把持力を低減することができ、把持装置を簡素化できる。

また、上下の回転ツールの回転方向を表面側と裏面側で逆方向とすることにより、上下回転ツール間の未攪拌領域の材料突き合わせ面をせん断力により傾斜させ、或いは重ね合わせ面をS字形に塑性変形させ、未攪拌領域の突き合わせ面或いは重ね合わせ面が塑性変形により延びることで、酸化被膜が破砕される。これにより前述したように未攪拌領域部も固相接合する。

第７の発明においては、上下回転ツールのショルダ径を同一とすることで、表裏面からの入熱量及び入熱範囲が同じになるため、板厚方向の強度のアンバランスを抑制し、表裏面で同一の耐引張・耐曲げ強度を得ることができる。

第８及び第２３の発明においては、金属板の板厚が２ｍｍ以下の場合には、上下の回転ツールの軸芯を傾けて摩擦攪拌接合をする場合に、その傾き角を３°以下とすることにより、接合部厚みの局部的な減少による接合部の断面係数の低下を抑制し、接合部からの板破断を防止することができる。また、傾き角が０°を超えることで、ショルダ部と材料間の面圧を確保し、接合の際に発生するバリや接合欠陥を抑制することができる。

第９の発明においては、上下回転ツールの先端部のプローブが進行方向に対し先行する方向にツール軸芯を傾ける角度を同一とすることで、表裏面の接合状態をほぼ同じにでき、これにより表裏面で同一の耐引張・耐曲げ強度を得ることができる。

第１０の発明においては、上下の回転ツールを上下同じ押圧力で押圧して回転させることにより、金属板の接合部の上側と下側が均等な応力状態となり、金属板の破断を抑制する効果が確実となる。また、第１及び第２把持装置への押圧力のアンバランス成分の伝達が抑制される。

第１１及び第１２の発明においては、表裏面のいずれか一方または表裏面の両面に段差がある状態で接合する場合に、材料厚みが薄い側の回転ツールの回転における外周側の速度ベクトルが回転ツールの送り方向と同じ向き、すなわちアドバンシングサイドに設定することにより、材料が厚い側から薄い側への塑性流動を容易にし、かつ薄い側から厚い側への余剰塑性流動分を厚い側の段差部で、回転ツールの送り方向へ排出させることができる。これにより接合ビード端部へのバリの生成を抑制し、表面品質の優れた接合部とすることで、次工程の塑性加工仕事時の接合部破断等の確率を低減させることができる。

第１３及び第２４の発明においては、摩擦攪拌開始後に、下回転ツールの位置制御を維持し、上回転ツールを負荷一定制御に切り換えることで、接合部の厚みが変動した場合でも安定して摩擦攪拌することができる。また、上下回転ツールへの負荷が一定となるため、回転ツールの損耗や折損を抑制することができ、回転ツールの寿命を延ばすことができる。

第１４及び第２５の発明においては、摩擦攪拌接合開始後に、上下回転ツールとも負荷一定制御とすることにより、金属板が厚い場合或いは金属板の剛性が高い場合であっても、金属板の表面側からの入熱量及び入熱範囲と裏面側からの入熱量及び入熱範囲が同じになり、表裏面の残留応力を均一にすることができ、金属板の反りを防止できる。

第１５の発明においては、両面摩擦攪拌接合により、回転ツール１本当たりの熱負荷を低減させた状態に加え、回転ツールの材質を、焼結炭化タングステンの超硬合金、タングステン合金などとすることで、高価な多結晶ダイヤモンド等の材料を用いる必要がなくなり、その結果、融点が１０００℃以上の金属板の摩擦攪拌において回転ツール寿命が長い、経済的な回転ツールを提供できる。

第１６及び第２６の発明において、本発明の両面摩擦攪拌接合では、１ｍｍを大幅に下回る極薄板から６ｍｍ程度の板厚の金属板までの広範囲の板厚の金属板が接合可能であり、このような本発明の両面摩擦攪拌接合を冷間圧延の金属板の接合に適用することで、コイルを循環させ或いは圧延方向を逆にして、複数回接合と複数回圧延を行ない、所望の板厚を得る圧延設備において、安価に強度信頼性が高い接合と高生産・高歩留りの冷間圧延を行うことができる。

更に、本発明の両面摩擦攪拌接合では、従来適用が困難であった最大２０ｍｍ程度の板厚のアルミ合金や銅合金などの非鉄金属の冷間圧延の金属板の接合に発明の両面摩擦攪拌接合を適用することで、安価に強度信頼性が高い接合と高生産・高歩留りの非鉄金属の冷間圧延設備を提供できる。

以上のように、回転ツールのショルダ部の直径より小さな厚みの金属板を両面摩擦攪拌接合する場合に、金属板の破断と接合不良を抑制し、接合強度を高め、接合強度の信頼性を向上し、更にツール寿命を向上し、かつ回転ツールの経済性を向上することができる。

更に、本発明の両面摩擦攪拌接合を冷間圧延の金属板に適用することで、安価に強度信頼性が高い接合と高生産性・高歩留まりの冷間圧延設備を提供することができる。

本発明の一実施の形態に係わる金属板の両面摩擦攪拌接合装置の概略正面図である。 図１に示した両面摩擦攪拌接合装置の概略斜視図である。 図１に示した両面摩擦攪拌接合装置の上側部分の側面図である。 本発明の他の実施の形態に係わる金属板の両面摩擦攪拌接合装置であって、上下の回転ツールの軸芯の同調を機械的に行う方式を示す図である。 回転ツールの先端部分の拡大図である。 回転ツールの先端部分の他の例の拡大図である。 本発明の接合方法を２枚の金属板の突き合わせ溶接に適用した場合の接合時の状態を示し、合わせて上下の回転ツールと入出側把持装置との位置関係（入出側把持装置間距離）を示す図である。 本発明の接合方法を２枚の金属板の突き合わせ溶接に適用した場合の接合時の状態を示し、合わせて接合時の上下の回転ツールのプローブの位置関係（プローブ間距離）を示す図である。 本発明の実施形態に係る突き合わせた金属板の両面摩擦攪拌接合理論の説明図であって、未攪拌面がある状態を示す図である。 本発明の実施形態に係る突き合わせた金属板の両面摩擦攪拌接合理論の説明図であって、せん断力によって未攪拌面が延ばされて傾斜した状態を示す図である。 本発明の実施形態に係る突き合わせた金属板の両面摩擦攪拌接合理論の説明図であって、未攪拌面が延ばされて傾斜し、新生面ができる状態を示す図である。 本発明の実施形態に係る突き合わせた金属板の両面摩擦攪拌接合理論の説明図であって、上下の回転ツールからの垂直方向の押圧力Ｆ１と、入出側把持装置に対する熱膨張による変形力の水平方向の反力Ｆ２とが未攪拌の新生面に作用する状態を示す図である。 本発明の接合方法を２枚の金属板の重ね合わせ溶接に適用した場合の接合時の状態を示す図である。 本発明の接合方法を２枚の金属板の重ね合わせ溶接に適用した場合の作用原理を示す図である。 本発明の接合方法を２枚の金属板の重ね合わせ溶接に適用する場合の把持方式を示す図である。 本発明の接合方法を２枚の金属板の重ね合わせ溶接に適用する場合の他の把持方式を示す図である。 接合面境界部分に未接合部がない場合の断面を模擬的に示す図である。 接合面境界部分に未接合部（空隙）がある場合の断面を模擬的に示す図である。 接合面境界部分に未接合部がない場合と接合面境界部分に未接合部（空隙）がある場合の断面係数比γを表す式（４）の未接合率αと断面係数比γとの関係を示す図である。 上下回転ツールの回転方向を同方向とし、回転ツールのショルダ径を同一にし、かつ回転ツールの軸芯を回転ツールの進行方向に対して同じ角度で傾けて摩擦攪拌接合している状態を示す斜視図である。 上下回転ツールの回転方向を同方向とし、回転ツールのショルダ径を同一にし、かつ回転ツールの軸芯を回転ツールの進行方向に対して同じ角度で傾けて摩擦攪拌接合している状態を示す断面図である。 上下回転ツールの回転方向を逆方向とし、回転ツールショルダ径を同一にし、かつ回転ツールの軸芯を回転ツールの進行方向に対して同じ角度で傾けて摩擦攪拌接合している状態を示す斜視図である。 上下回転ツールの回転方向を逆方向とし、回転ツールショルダ径を同一にし、かつ回転ツールの軸芯を回転ツールの進行方向に対して同じ角度で傾けて摩擦攪拌接合している状態を示す断面図である。 回転ツールを回転させながら摩擦攪拌接合している場合の接合方向に沿った断面図である。 上下回転ツールの傾き角度を０度に設定して（ツールを傾けずに）上下回転ツールを接合部端面から挿入する際の説明図である。 上下回転ツールを適度に傾けて上下回転ツールを接合部端面から挿入する際の様子を示す図である。 回転ツールの軸心を傾けてプランジングレスで両面摩擦攪拌接合を行う運転方法を示す図である。 制御装置が行う処理手順を示す制御フローである。 制御装置が行う処理手順の他の例を示す制御フローである。 アドバンシングサイド、リトリーティングサイドと摩擦攪拌用ツールの回転方向の関係を示す図である。 板厚の異なる２枚の金属板あるいは段差が生成された接合部を両面から摩擦攪拌する方法を示す図である。 板厚の異なる２枚の金属板あるいは段差が生成された接合部を両面から摩擦攪拌する方法を示す図である。 国際公開ＷＯ２００８／０６２５０６号公報に記載の一方向に連続冷間圧延を行なう冷間圧延設備に本発明の両面摩擦攪拌接合装置を適用した設備全体を示す図である。 図３４は、可逆式冷間圧延設備に本発明の両面摩擦攪拌接合装置を適用した設備全体を示す図である。

次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。本実施の形態における接合部材として、冷間圧延に供する金属板を例に説明する。
＜装置＞
図１は、本発明の一実施の形態に係わる金属板の両面摩擦攪拌接合装置の概略正面図であり、図２は、同両面摩擦攪拌接合装置の概略斜視図であり、図３は同両面摩擦攪拌接合装置の上側部分の側面図である。

図１〜３において、本実施の形態に係わる金属板の両面摩擦攪拌接合装置（以下適宜、単に接合装置という）は、２枚の金属板１，２の表裏面をそれぞれ把持する入側把持装置７（第１把持装置）及び出側把持装置８（第２把持装置）と、金属板１、２の接合部Ｊの表面側に配置され、上回転ツール５を装着した上摩擦攪拌装置３と、この上摩擦攪拌装置３に相対向して金属板１，２の接合部Ｊの裏面側に配置され、下回転ツール６を装着した下摩擦攪拌装置４と、上摩擦攪拌装置３及び下摩擦攪拌装置４のそれぞれの回転ツール５，６を互いに近づく方向に移動して、上下の回転ツール５，６のプローブ１３ａ，１３ｂ先端間に所定の隙間δ（図８参照）を与えかつ上下の回転ツール５，６のショルダ部５ｂ，６ｂ（図５及び図６参照）を２枚の金属板１，２の接合部Ｊの表面側と裏面側に押圧する上下の押圧及び隙間調整装置５５，５６と、接合部Ｊに沿って上摩擦攪拌装置３及び下摩擦攪拌装置４の上下の回転ツール５，６を金属板１，２の進行方向に直交する方向に移動させる上移動装置５７及び下移動装置５８とを有している。

入側把持装置７及び出側把持装置８は、それぞれ、上下の把持板７ａ，７ｂ及び８ａ，８ｂを有し、上下の把持板７ａ，７ｂ及び８ａ，８ｂは上下ハウジング９，１０と一体に設けられ、図示しない駆動装置を備えた開閉機構により開閉可能である。上下の把持板７ａ，７ｂ及び８ａ，８ｂの接合部Ｊ側の端面には斜めの逃げ面が形成されている。

上下摩擦攪拌装置３，４は、それぞれ、回転ツール５，６を保持する上下の筒体５３，５４を有し、筒体５３，５４は少なくとも部分的に上本体ケース５１及び下本体ケース５２内に収納されている。筒体５３，５４内には回転ツール５，６をそれぞれ回転駆動する上回転用モータ２９ａ及び下回転用モータ２９ｂが内蔵されている。

上押圧及び隙間調整装置５５は、図３に示すように、上本体ケース５１内に設けられた押圧用モータ６１ａと、この押圧用モータ６１ａにより回転駆動されるスクリュー６２ａと、このスクリュー６２ａの回転によりスクリュー６２ａの軸方向に直線移動するサポートフレーム６３ａとを有し、上摩擦攪拌装置３の筒体５３はサポートフレーム６３ａと一体にスクリュー６２ａの軸方向に直線移動するようにサポートフレーム６３ａに取り付けられている。

図示しないが、下押圧及び隙間調整装置５６も同様に構成されている。以下の説明では、下押圧及び隙間調整装置５６の上押圧及び隙間調整装置５５と同等の要素を示す参照符号には、添え字ａに代えて添え字ｂを付している。

上移動装置５７は、上ハウジング９に固定された左右の上レール１１，１１と、上本体ケース５１を軸６４ａ，６４ａを介して支持する左右の走行フレーム６５ａ，６５ａと、左右の走行フレーム６５ａ，６５ａに設けられ、上レール１１，１１上を走行する左右、前後の車輪６６ａ，６６ａと、左右の走行フレーム６５ａ，６５ａに取り付けられ、前後の車輪の一方を駆動する走行用モータ６７ａ，６７ａとを有しており、上摩擦攪拌装置３は上レール１１，１１上を、金属板１，２の接合部Ｊに沿って金属板１、２の進行方向に直交する方向に走行する。

下移動装置５８も同様に構成され、下摩擦攪拌装置４は下ハウジング１０に固定された下レール１２，１２上を、金属板１，２の接合部Ｊに沿って金属板１、２の進行方向に直交する方向に走行する。以下の説明では、下移動装置５８の上移動装置５７と同等の要素を示す参照符号には、添え字ａに代えて添え字ｂを付している。

図１〜３に示す構成では、上下摩擦攪拌装置３、４が上下レール１１，１１及び１２，１２上を走行するときの上下の回転ツール５，６の軸芯の同調は、制御装置８３（後述）が上移動装置５７の走行用モータ６７ａ，６７ａと下移動装置５８の走行モータ６７ｂ，６７ｂを同期制御する電気制御方式によって行うものとなる。

図４は、上下の回転ツール５，６の軸芯の同調を機械的に行う方式を示す図である。上下摩擦攪拌装置３，４はＣ型に一体に連結された上下のハウジング９Ａ，１０Ａに固定され、このＣ型の上下ハウジング９Ａ，１０Ａに対して、車輪７１、スクリュー７２、走行用モータ７３からなる走行装置７４が設けられている。車輪７１は下ハウジング１０Ａに設けられ、スクリュー７２は下ハウジング１０Ａに係合し、走行用モータ７３はスクリュー７２を回転駆動する。制御装置７５の指令により走行用モータ７３を駆動すると、スクリュー７２が回転し、上下ハウジング９Ａ，１０Ａは上下回転ツール５，６の軸芯が同調した状態で金属板１，２の進行方向に直交する方向に走行する。

図３に戻り、本実施の形態に係わる接合装置は、上下の摩擦攪拌装置３，４の上下の回転ツール５，６の軸芯１４を、回転ツール５，６の進行方向に対してそれぞれのプローブ１３ａ，１３ｂが先行する方向に傾けて支持する上傾斜支持装置７６ａ及び下傾斜支持装置７６ｂを更に有している。上下の傾斜支持装置７６ａ，７６ｂは角度調整式であり、左右の走行フレーム６５ａ，６５ａ，６５ｂ，６５ｂの一方に設けられ、走行フレーム６５ａ，６５ｂが支持する軸６４ａ，６４ｂを回転駆動する角度調整用モータ７７ａ，７７ｂを有している。傾斜支持装置７６ａ，７６ｂは、上下の回転ツール５，６の軸芯を傾けて固定的に支持する固定方式であってもよい。

本実施の形態に係わる接合装置に備えられる制御系については後述する。
＜回転ツール＞
図５は、回転ツール５，６の先端部分の拡大図である。上下の回転ツール５，６は、それぞれ、円筒形のツール本体５ａ，６ａと、ツール本体５ａ，６ａの先端部にそれぞれ取り付けられたプローブ１３ａ，１３ｂとを有している。プローブ１３ａ，１３ｂはツール本体５ａ，６ａより小径である。ツール本体５ａ，６ａの先端部におけるプローブ１３ａ，１３ｂの取り付け部の周辺にショルダ部５ｂ，６ｂが形成されている。

図５の例では、ショルダ部５ｂ，６ｂはツール本体５ａ，６ａの端面全体に位置し、中央部が僅かに窪んだ円錐面で構成されている。この場合のショルダ部５ｂ，６ｂの直径はツール本体５ａ，６ａの直径と同じである。

図６は、回転ツール５，６の先端部分の他の例を示す拡大図である。この例では、ツール本体５ａ，６ａの先端部に傾斜部７８が形成され、ショルダ部５ｂ，６ｂは傾斜部７８の端面に形成されている。この場合のショルダ部５ｂ，６ｂの直径はツール本体５ａ，６ａの直径より小さい。
＜接合方法＞
次に、上述した接合装置を用いて行う本発明の一実施の形態に係わる金属板の両面摩擦攪拌接合方法（以下適宜、単に接合方法という）を図７〜図３３を用いて説明する。

図７は、本発明の接合方法を２枚の金属板の突き合わせ溶接に適用した場合の接合時の状態を示し、合わせて上下の回転ツールと入出側把持装置との位置関係（入出側把持装置間距離）を示す図であり、図８は、同接合時の上下の回転ツールのプローブの位置関係（プローブ間距離）を示す図である。

図７及び図８に示すように、両面摩擦攪拌接合で金属板１，２の突き合わせ溶接を行う場合は、上下２本の回転ツール５，６を２枚の金属板１，２の接合部Ｊ（突き合わせ部）にその表面側及び裏面側から挿入し、上下の回転ツール５，６を回転させることによって生じる摩擦熱を利用して摩擦撹拌し、２枚の金属板１，２を接合する。
２枚の金属板１，２は回転ツール５，６のショルダ部５ｂ，６の直径より小さな厚み（例えば２０ｍｍ以下）を有しており、本発明の接合方法は、そのような厚みの金属板１，２を接合対象とするものである。

本実施の形態に係わる接合方法では、まず、上下の回転ツール５，６を挟んで、その両側に配置された入側把持装置７（第１把持装置）及び出側把持装置８（第２把持装置）によって２枚の金属板１，２の表裏面をそれぞれ把持する。次いで、押圧及び隙間調整装置５５，５６を駆動して、２枚の金属板１，２の接合部Ｊである突き合わせ部の表面側と裏面側にそれぞれ相対向するように配置した上下の回転ツール５，６を近づくように移動して、上下の回転ツール５，６のプローブ１３ａ，１３ｂ先端間に所定の隙間δを与える。また、摩擦攪拌装置３，４を駆動して、相対向するように配置した上下の回転ツール５，６を逆方向に回転させ、回転ツール５，６のショルダ部５ｂ，６ｂを２枚の金属板１，２の接合部Ｊである突き合わせ部の表面側と裏面側に押圧して摩擦攪拌する。このとき上下の回転ツール５，６が金属板１，２の突き合わせ部Ｊ（接合部）をその表面側と裏面側から押圧する押圧力を、表面側と裏面側で同一とする。そして、この状態（プローブ１３ａ，１３ｂ先端間に所定の隙間を与えかつ上下の回転ツール５，６のショルダ部５ｂ，６ｂを突き合わせ部Ｊの表面側と裏面側に押圧した状態）で、移動装置５７，５８を駆動して、突き合わせ部Ｊに沿って上下の回転ツール５，６を回転させながら、金属板１，２の進行方向に直交する方向に移動させて摩擦攪拌接合する。

また、本実施の形態に係わる接合方法では、傾斜支持装置７６ａ，７６ｂによって上下の回転ツール５，６の軸芯１４を、回転ツール５，６の進行方向に対してそれぞれのプローブ１３ａ，１３ｂが先行する方向に傾け、この状態で、回転ツール５，６を回転させながら、金属板１，２の進行方向に直交する方向に移動させて摩擦攪拌接合する（図２２、図２４、図２５及び図２７参照）。

以下に、本実施の形態に係わる接合方法の作用効果と特徴の詳細を説明する。
＜破断及び接合不良の防止＞
両面摩擦攪拌接合で、上下の回転ツールを金属板の両側から押圧して回転させるとき、ショルダ部間に挟まれた金属板部分に摩擦力により剪断力が発生し、この剪断力が材料の許容剪断力を超えると、金属板は破断する。

摩擦攪拌接合を行う材料（金属板）の許容せん断力は、板厚に応じて変化し、板厚が薄くなれば、低下する。

本実施の形態では、金属板１，２の表裏面を入出側把持装置７，８で把持した状態で上下の回転ツール５，６を金属板１，２の突き合わせ部Ｊの両側から、上下同じ押圧力で押圧して回転させる。

回転ツール５，６のショルダ部５ｂ，６ｂの直径より小さな厚みの２枚の金属板の接合を両面摩擦攪拌接合で行う場合には、入出側把持装置７，８の把持装置間距離は、板厚や材料の高温変形抵抗値により、ツール直径の５倍以下の範囲内で適宜設定する。また、上下の回転ツール５，６の回転方向を表面側と裏面側で逆方向とする。

上下同じ押圧力で押圧して、表裏面で逆方向に回転させることで、表面側からの攪拌によるせん断力と裏面側からの攪拌によるせん断力を接合部の内部で打ち消すことができ、金属板１，２の破断及び座屈を防止することができる。

本実施の形態に係わる入出側把持装置７，８の把持装置間距離と上下の回転ツール５，６の回転方向については後述する。

また、従来の両面摩擦攪拌接合では、金属板が摩擦攪拌接合時に発生するプローブ通過時の排斥力で、金属板が回転ツールの接合方向の直角方向へ動き、突合せ面の隙間精度が得られずに接合不良を起こすことが懸念される。特に金属板の厚みが回転ツールのショルダ部の直径より小さくなる場合には、金属板の剛性が低いため、この傾向が顕著になる問題があった。

本実施の形態では、金属板１，２の表裏面を入出側把持装置７，８で把持することで、摩擦攪拌接合時に発生するプローブ通過時の排斥力で、金属板１，２が回転ツール５，６の接合方向の直角方向へ動くことがなくなり、突合せ面の隙間精度が確保され、接合不良を防止することができる。

更に、従来の両面摩擦攪拌接合では、２本の回転ツールを金属板の突き合わせ部の表面側と裏面側にプローブ先端間に実質的に隙間を与えない状態で相対向するように配置し、突き合わせ部の両側から摩擦攪拌接合するものである。隙間を与えない状態での両面摩擦撹拌接合では、金属板の厚みの微小変動により、ショルダ部表面と金属板表面との接触面における面圧が変動する。この面圧の変動により、摩擦熱量が変動し、接合部の品質が低下する問題があった。

本実施の形態では、相対向するように配置した上下の回転ツール５，６のプローブ１３ａ，１３ｂ先端間に所定の隙間δを与えることにより、金属板１，２の厚みの微小変動により、ショルダ部５ｂ，６ｂ表面と金属板表面との接触面における面圧が変動することを回避し、摩擦熱量の変動を抑え、接合部の品質の低下（接合不良）を防止することができる。

以上のように金属板１，２の破断と接合不良を抑制することにより、接合強度を高め、接合強度の信頼性を向上することができる。
＜ツール寿命と経済性の向上＞
両面摩擦攪拌接合では、回転ツールのプローブ挿入量は、金属板厚みの半分となる。従来の片面摩擦攪拌接合では、金属板の厚みが厚くなる場合には、プローブ挿入量が深くなるため、挿入したプローブに作用するモーメントによるプローブの折損を防止するため、プローブ径を大きくする必要があった。また、接合不良を起こさない摩擦発熱量を得るために、ショルダ部の径も大きくする必要があった。

プローブ径及びショルダ部径を大きくすると、摩擦撹拌接合中の負荷が増大するため、装置を大型化する必要があり、経済性に劣る問題がある。

また、プローブ挿入量に応じて接合速度が制限され、タクトタイムの短縮にも限界があるとともに、回転ツールの熱負荷低減にも限界があり、ツール寿命の向上に限界があった。

更に、金属板の厚みが異なれば、それに応じてプローブ長さも変えなければならないため、金属板の厚みに合わせて、異なるプローブ長さを有する回転ツールを多数準備する必要があり、経済性に劣る問題がある。

本実施の形態では、相対向するように配置した上下の回転ツール５，６のプローブ１３ａ，１３ｂ先端間に所定の隙間δを与えることにより、金属板１，２へのプローブ１３ａ，１３ｂの挿入量は金属板１，２の厚みの半分よりも小さくなるため、それに応じて回転ツール５，６のプローブ１３ａ，１３ｂ長さが短くなり、これによりプローブ１３ａ，１３ｂに作用するモーメントが低減する。その結果、プローブ１３ａ，１３ｂの折損を防止するためにプローブ径を大きくする必要がなくなり、それに伴ってショルダ部５ｂ，６ｂの径も大きくする必要がなくなるため、摩擦攪拌接合中の負荷の増大を抑え、装置を小型化し、経済性を向上することができる。また、プローブ１３ａ，１３ｂの挿入量が小さくなるため、接合速度を上げ、タクトタイムを低減するとともに、回転ツール５，６への入熱量を低減し、回転ツール５，６の寿命を延ばすことができる。

また、プローブ１３ａ，１３ｂ先端間に所定の隙間δを与えたため、異なる厚みの金属板１，２を接合する場合であっても、隙間長さの範囲内で１種類の長さのプローブを有する回転ツールで対応することができ、所望の接合強度に応じたプローブ長さの回転ツールを準備することで、ランニングコストを抑え、経済性を向上することができる。
＜接合原理（摩擦攪拌接合＋未攪拌部の固相接合）＞
上記のように従来は、２本の回転ツールのプローブ先端間に隙間を与えずに摩擦攪拌接合していた。これは、プローブ先端間に所定の隙間を与えた場合は、２つの金属板の接合面境界部分に未攪拌面が生じ、接合強度が低下する考えられていたからである。本発明者等は、このような従来の考え方に対し、プローブ先端間に所定の隙間を与えても、２枚の金属板の表裏面を把持装置で把持した場合は未攪拌面においても強固な接合が得られ、全体としても必要な接合強度を確保することができるという知見を得た。

以下、この点を図９〜図１２を用いて説明する。

本発明者等は、突き合わせた金属板１，２の両面摩擦攪拌接合の接合理論の解明を行なった。

まず、突き合わせた金属板１，２の両面摩擦攪拌接合において、図８に示すように、上下回転ツール５，６のプローブ１３ａ，１３ｂ先端間に所定の隙間δを与えた状態で、表裏面の両面から摩擦攪拌接合を行なった。

図９に示すように、プローブ１３ａ，１３ｂを挿入した突き合わせ面において、プローブ１３ａ，１３ｂの挿入量に相当する部分は上下の摩擦攪拌接合範囲１６，１７となり、プローブ１３ａ，１３ｂ先端間に与えた所定の隙間δの部分は、ほぼ未攪拌面１８ｂとなる。

図１０及び図１１に示すように、表裏面の回転ツール５，６の回転方向を逆回転とした場合は、摩擦攪拌接合することで発生する上下のせん断力２７ａ，２７ｂによって、未攪拌面１８ｂは伸ばされると同時に傾斜する。未攪拌面１８ｂが伸ばされることで、表面に介在する酸化物を強く引き伸ばし、破壊することで、未攪拌面１８ｂに新生面ができる。

更に、摩擦熱で材料が軟化した状態の傾斜した新生面１８に、図１２に示すように、上下の回転ツール５，６からの垂直方向の押圧力Ｆ１と、入出側把持装置７，８で回転ツール５，６のショルダ部５ｂ，６ｂ近傍を強く拘束することで、熱膨張による変形力の反力及びプローブ通過時の排斥力による反力Ｆ２が水平方向に加わり、未攪拌の新生面１８を接合界面としてそれらが固相接合することを確認した。

この結果、突き合わせた金属板１，２の突き合わせ面は、従来の摩擦攪拌接合範囲１６，１７における固相接合と、所定の隙間δの部分における上記垂直方向の押圧力Ｆ１及び水平方向の反力Ｆ２による未攪拌の新生面１８を固相接合とで接合され、攪拌領域の強度に加え、未攪拌部も接合部強度に寄与させることができ、高い耐引張・耐曲げ強度を得ることができる。
＜重ね合わせ接合への適用＞
図１３は、本発明の接合方法を２枚の金属板の重ね合わせ溶接に適用した場合の接合時の状態を示す図であり、図１４はその作用原理を示す図である。

本発明者等は、突き合わせの両面摩擦攪拌接合と同様に重ね合わせた金属板１，２の両面摩擦攪拌接合においても、図１３に示すように、上下回転ツール５、６のプローブ１３ａ，１３ｂ先端間に所定の隙間δを与えた状態で、金属板１，２の表裏面の両面から摩擦攪拌接合を行なった。

摩擦攪拌接合で発生するせん断力２７ａ，２７ｂと接合方向に進行する推進力で、図１４に示すように、金属板１，２の重ね合わせ面は、アドバンシングサイドにおいて、ショルダ面に引き込まれ、Ｓ字曲線状に変形し、表面に介在する酸化物を引き伸ばし、酸化被膜を破壊することで、重ね合わせ面１９に新生面ができる。

更に、上下回転ツール５，６からの垂直方向の押圧力と、入出側把持装置７，８の拘束による熱膨張変形力の水平方向の反力及びプローブ通過時の排斥力による水平方向の反力とで、変形した重ね合わせ面（新生面）を接合境界として、両面から入熱することにより熱損失を最小化した状態でそれらが固相接合することを確認した。

本例は、金属板１，２の厚さが同じで、回転ツール５，６のプローブ１３ａ，１３ｂが重ね合わせ面を貫通していない場合のものであるが、金属板１，２の厚みが異なり、回転ツール５，６のプローブ１３ａ，１３ｂの一方が重ね合わせ面を貫通した場合にも、同様の結果が得られる。

図１５及び図１６は、本発明の接合方法を２枚の金属板の重ね合わせ溶接に適用する場合の把持方式の違いを示す図である。

重ね合わせ溶接に本発明を適用する場合、入出側把持装置７，８による金属板１，２の把持は、重ね合わせた金属板１，２を把持する場合と、金属板１，２をそれぞれ単独で把持する場合とがある。

図１５は前者の例であり、２枚の金属板の重ね合わせ部を長めに取り、入出側把持装置７，８は接合部としての重ね合わせ部の両側の金属板１，２を２枚一緒に把持する。図１６は後者の例であり、入出側把持装置７，８は接合部としての重ね合わせ部の両側の金属板１，２を１枚ずつ把持する。

図１６の例では、接合時に重ね合わせ部の密着度を高めることが難しい。また、入出側把持装置７，８が位置する高さが同じにならないので、高さ調整機構が必要になる。この意味で、図１５の例の方が好ましいと考えられる。
＜把持装置間距離とツール径との関係＞
ここで、入出側把持装置７，８間の距離と回転ツールの直径との関係について言及する。

金属板１，２の材料剛性が低い場合、すなわち金属板の板厚ｔ１，ｔ２が回転ツール５，６のショルダ部５ｂ，６ｂの直径より小さく、薄い場合、又は高温変形抵抗σ１，σ２が低い場合には、入側把持装置７と出側把持装置８間の距離Ｌｃを回転ツール５，６のツール本体直径Ｄ１或いはＤ２の１．５倍以上５倍以下とし、図７、図１５及び図１６に示すように、上下回転ツール５，６の近傍を把持することが好ましい。すなわち、下記の式を満足するように上下の回転ツール５，６に対して入出側把持装置７，８を配置することが好ましい。

Ｌｃ＝Ｄ１（Ｄ２）ｘ（１．５〜５）
Ｌｃ＝Ｌｃ１＋Ｌｃ２
Ｌｃ：入出側把持装置間距離
Ｌｃ１：回転ツール軸芯と入側把持装置間距離
Ｌｃ２：回転ツール軸芯と出側把持装置間距離
Ｄ１：上回転ツールのツール本体直径
Ｄ２：下回転ツールのツール本体直径

本発明において、上記のように把持装置間距離とツール径との関係を定めるのは，次の理由による。

金属板１，２の材料剛性が低い場合、すなわち金属板の板厚ｔ１，ｔ２が薄い場合、又は高温変形抵抗σ１，σ２が低い場合には、金属板１，２を入出側把持装置７，８で把持して摩擦攪拌接合を行うと、摩擦攪拌接合時に発生する摩擦熱による熱膨張・熱変形及びプローブ通過時の排斥力とショルダ部５ｂ，６ｂの回転による材料へのせん断力により金属板１，２が座屈を起こす可能性がある。本発明者等は、その点について検討を重ねた結果、下記の知見を得た。

金属板（鋼板）の板厚３ｍｍ以上の場合では、ツール直径Ｄ（＝Ｄ１＝Ｄ２）＝２５ｍｍに対し、把持装置間距離Ｌｃが１２５ｍｍ以下であれば、座屈を起こさずに接合可能であった。この場合の把持装置間距離Ｌｃはツール直径Ｄの５倍以下である。

また、金属板の板厚が３ｍｍ以下の場合には、ツール直径Ｄ（＝Ｄ１＝Ｄ２）の５倍では、座屈を起こし、接合ができない場合があった。

したがって、金属板の板厚が３ｍｍ以下の場合には、板厚や材料の高温変形抵抗値により、適宜、５倍以下の範囲内で設定すれば、座屈を起こさず接合できることを確認した。

以上より、入出側把持装置７，８間の距離Ｌｃをツール直径Ｄの５倍以下とすることにより、摩擦攪拌接合時に発生する摩擦熱による熱膨張・熱変形及びプローブ通過時の排斥力とショルダ部５ｂ，６ｂの回転による材料へのせん断力による座屈を起こさずに、金属板１，２を接合することができる。

また、板厚が３ｍｍ以下となる場合は、入出側把持装置７，８間の距離Ｌｃをツール本体直径Ｄの１．５倍以上３倍以下とすることがより好ましく、ツール本体直径Ｄの１．５倍以上２倍以下とすることが更に好ましい。

一方、回転ツール５，６による摩擦攪拌時は、接合部の負荷変動や可動部のクリアランス等により回転ツール５，６が微振動を起こすことは不可避であり、入出側把持装置７，８を回転ツール５，６に余り近づけすぎると、両者が干渉する（当たる）おそれがある。入出側把持装置７，８間の距離Ｌｃをツール直径Ｄの１．５倍以上とすることにより、回転ツール５，６が微振動を起こしても、回転ツール５，６と入出側把持装置７，８との干渉を防止し、装置寿命を向上することができる。

以上のように入出側把持装置７，８間の距離Ｌｃを回転ツール直径の１．５倍以上５倍以下とし、金属板１，２の表裏面を把持装置７，８でショルダ近傍を把持することで、金属板１，２が薄く材料剛性が低い場合でも、摩擦攪拌接合時に発生する摩擦熱による熱膨張・熱変形及びプローブ通過時の排斥力とショルダ部の回転による材料へのせん断力による金属板の座屈を抑制し、かつ金属板１，２の突合せ精度を良好に保ち、安定した接合を行なうことができる。
＜ツール先端間の隙間の規定＞
次に、上下の回転ツール５，６のプローブ１３ａ，１３ｂ先端間の隙間δについて言及する。

上下の回転ツール５，６のプローブ１３ａ，１３ｂ先端間に隙間δを与えて摩擦攪拌する接合方法で所望の接合強度を得るためには、上下回転ツール５、６のプローブ１３ａ、１３ｂ先端間に与える隙間δは、金属板１，２の接合部Ｊの厚み、突き合わせ接合の場合は、板厚ｔ（ｔ１＝ｔ２）に対し、１％以上５０％以下の比率に設定することが望ましい。すなわち、

δ＝ｔ１（ｔ２）−Ｌ１−Ｌ２
δ／ｔ１（ｔ２）＝１％〜５０％
δ：上下プローブ先端間隙間
ｔ１：金属板１の厚み
ｔ２：金属板２の厚み
Ｌ１：上回転ツール挿入量
Ｌ２：下回転ツール挿入量

これは次の理由による。

まず、隙間δを板厚ｔに対し５０％以下とする理由は次のようである。

前述したように、未攪拌面の接合原理は、隙間δの部分における回転ツール５，６による垂直方向の押圧力Ｆ１と、入出側把持装置７，８で回転ツール５，６のショルダ部５ｂ，６ｂ近傍を強く拘束することで生じる、熱膨張による変形力の水平方向の反力Ｆ２とによる未攪拌の新生面１８の固相接合である。この場合、隙間δが大きくなり過ぎると新生面１８の面圧が小さくなるため、それに応じて固相接合が不十分となり、所望の接合強度が得られなくなる。

本発明者等は、所望の接合強度を得るための隙間δの上限を、アルミ材の接合部の強度を基準として検討した結果、次の知見を得た。

図１７は、接合面境界部分に未接合部がない場合の断面を模擬的に示す図であり、図１８は、接合面境界部分に未接合部（空隙）がある場合の断面を模擬的に示す図である。図１７の接合面境界部分に未接合部がない場合の断面係数Ｚと、図１８の接合面境界部分に未接合部（空隙）がある場合の断面係数Ｚαは、それぞれ、下記（１）式及び（２）式で表される。

Ｚ＝ｂ× ｈ^２ ／ ６ …（１）
Ｚα＝（１−α^３） × ｂ× ｈ^２ ／ ６ …（２）

上記式（１）及び（２）において、ｂは板幅（断面長さ）ｍ、ｈは板厚（断面高さ）、αは未接合率である。未接合率αは下記式で表される。

未接合率α＝接合面境界部分の未接合部（空隙）面積／接合面境界部分の全体面積 …（３）

図１７の接合面境界部分が全て接合部である（未接合部がない）場合の未接合率αは０、図１８の接合面境界部分が全て未接合部である（接合部がない）場合の未接合率は１である。式（１）は式（２）においてα＝０とした場合のものに相当する。

図１７の接合面境界部分に未接合部がない場合と図１８の接合面境界部分に未接合部（空隙）がある場合の断面係数比γは、上記（１）式と（２）式により下記のように表される。

γ＝Ｚα／Ｚ＝１−α^３ …（４）

この式（４）より、断面係数比γは板幅ｂ、板厚ｈに係わらず、同じ値となる。図１９は、式（４）の未接合率αと断面係数比γとの関係を示す図である。

また、プローブ間に隙間がある場合のＦＳＷ接合部の強度は、断面係数比γを用いて下記式で表される。

接合部強度＝ＦＳＷ強度×断面係数比γ …（５）

未接合率αが０．５、すなわち上下回転ツールのプローブ間の隙間δが５０％の場合、断面係数比γは０．８７５である。したがって、中央部に未攪拌部が残るが、接合部の曲げ強度は、従来と比較しても１３％程度以下の低下率に留めることができる。必要とする曲げ強度に応じ、適宜接合率を設定することで、接合部全面を攪拌しなくても、所望の曲げ強度を得ることができる。

以上の考察は、接合する材料（金属板）がアルミ材の場合のものであるが、材料が銅の場合も同様である。その場合も隙間δを板厚ｔに対し５０％以下とすれば、同様の効果が得られる。接合する材料が鋼の場合は、母材に対する溶接部の継手強度の低下はアルミ材の場合に比べて比較的小さく、この場合も隙間δを板厚ｔに対し５０％以下とすれば、同様の効果が得られる。

一方、前述したように、回転ツール５，６による摩擦攪拌時は、接合部の負荷変動や可動部のクリアランス等により回転ツール５，６が微振動を起こすことは不可避であり、隙間δを金属板１、２の板厚ｔ（ｔ１＝ｔ２）に対し１％より小さくすると、回転ツール５，６の先端部が干渉する（当たる）おそれがある。隙間δを金属板１、２の板厚ｔ（ｔ１＝ｔ２）に対し１％以上とすることにより、回転ツール５，６が微振動を起こしても、回転ツール５，６の先端部が干渉を防止し、回転ツール５，６の寿命を向上することができる。

したがって、本発明においては、所望の接合強度を得るために、上下回転ツール５，６のプローブ１３ａ，１３ｂ先端間に与える隙間δは、金属板１，２の板厚ｔ１、ｔ２に対し、１％以上５０％以下の比率に設定することが望ましい。更に、接合強度を高めるためには、好適には１％以上２５％以下、更に好適には１％以上１０％以下の設定比率することが望ましい。
＜回転ツールの回転方向及びショルダ径＞
回転ツール５，６の回転方向及びショルダ径について言及する。

図２０及び図２１は、上下回転ツール５，６の回転方向を同方向とし、回転ツール５，６のショルダ部５ｂ，６ｂの直径（ショルダ径）を同一にし、かつ回転ツール５，６の軸芯を回転ツール５，６の進行方向に対して同じ角度で傾けて摩擦攪拌接合している状態を示す図であり、図２０は斜視図、図２１は断面図である。

図２０及び図２１に示すように、上下回転ツール５，６の回転方向が同方向である場合は、表裏面のショルダ部５ｂ，６ｂ間に挟まれる金属板の軟化領域部分に、上せん断力２７ａと下せん断力２７ｂのせん断力が同方向に働く。したがって、金属板１，２の厚みが薄い場合には、許容せん断力を超えるせん断力が作用し、材料が破断する場合がある。

図２２及び図２３は、上下回転ツール５，６の回転方向を逆方向とし、回転ツール５，６のショルダ部５ｂ，６ｂの直径（ショルダ径）を同一にし、かつ回転ツール５，６の軸芯を回転ツール５，６の進行方向に対して同じ角度で傾けて摩擦攪拌接合している状態を示す図であり、図２２は斜視図、図２３は断面図である。

本実施の形態では、図２２及び図２３に示すように、上下の回転ツール５，６の回転方向を表面側と裏面側で逆方向とする。これにより表面側からの攪拌によるせん断力２７ａと裏面側からの攪拌によるせん断力２７ｂを接合部の内部で打ち消すことができ、材料の破断を防止することができる。また、把持装置７，８の把持力を低減することができ、把持装置７，８を簡素化できる。

また、図９〜図１２を用いて説明したように、上下回転ツール５，６間の未攪拌領域の材料突き合わせ面がせん断力により傾斜し、塑性変形により延びることで、酸化被膜が破砕され、かつ無酸素状態の高温下で、垂直方向の押圧力Ｆ１及び水平方向の反力Ｆ２によって押圧されることで、未攪拌領域部も固相接合する。重ね合わせ接合においては、図９及び図１０を用いて説明したように、上下回転ツール５，６の回転方向を逆回転することで、重ね合わせ面をS字形に塑性変形させることで、酸化被膜が破砕し、かつ無酸素状態で高温下で押圧されることで、未攪拌領域部も固相接合する。

その結果、攪拌領域の強度に加え、未攪拌部も接合部強度に寄与させることができ、従来の接合方法と比較し、大幅に接合強度を向上させることができる。

一方、回転ツール５，６の回転方向を同方向とした場合は、回転ツール５，６間の未攪拌領域の材料突き合わせ面は同方向のせん断力によりＣ字形となる点で、上下の回転ツール５，６の回転方向を逆方向とした場合と相違する。しかし、その場合でも突き合わせ面は塑性変形により延びることで、酸化被膜が破砕され、かつ垂直方向と水平方向に押圧されることで固相接合する。したがって、回転ツール５，６の回転方向は同方向であっても接合は可能であるが、金属板の破断を防止でき、更には把持装置を簡素化できる逆方向の回転の方が好ましい。

回転ツール５，６のショルダ部５ｂ，６ｂの直径（ショルダ径）は好ましくは同一にする。これにより表面側からの入熱量及び入熱範囲と裏面側からの入熱量及び入熱範囲が同じになるため、板厚方向において残留応力のアンバランスを抑制し、表裏面で同一の耐引張・耐曲げ強度を得ることができる。
＜回転ツールの材質＞
回転ツール５，６の材質について言及する。

片面の摩擦攪拌接合は、比較的融点の低い材料であるアルミニウム等の非鉄合金の分野では、実用化されている。一般に、摩擦攪拌接合では、材料温度を融点の８０％程度まで摩擦攪拌熱で上昇させる必要がある。その結果、１０００℃を超える高融点材料の接合では、単位接合長さ当たりの摩擦攪拌による投入エネルギが高くなり、更には変形抵抗値も高くなることから、回転ツールには高い耐熱強度と破壊靭性が求められ、高価な多結晶ダイヤモンド等の材料を使用せざるを得なかった。

更に、これらツール材料を用いても、熱衝撃、ツールの摩耗及びプローブに作用する曲げ応力等により、ツール寿命が短く、１０００℃を超える高融点材料への摩擦攪拌接合の普及を妨げる要因となっている。

本実施の形態では、上記のように回転ツール５，６のプローブ１３ａ，１３ｂ先端間に所定の隙間δを与えて摩擦攪拌するため、プローブ１３ａ，１３ｂに作用するモーメント及び熱負荷が低減しかつ回転ツール５，６の寿命を延ばすことができる。したがって、回転ツール５，６の材質は、高価な多結晶ダイヤモンド等の材料とする必要がなく、耐熱性の高い焼結炭化タングステンの超硬合金、タングステン合金などとすることができる。これにより融点が１０００℃以上の金属板の摩擦攪拌接合において、寿命が長い経済的な回転ツールを提供することができる。
＜プランジングレス＞
従来の片面摩擦攪拌接合では、摩擦攪拌開始前に、回転ツールのショルダ面が金属板１，２の表面に接触した状態で、回転ツールを回転させることにより、回転ツールのショルダ面と金属板１，２の表面の摩擦発熱で、金属板材料の温度が材料が軟化する融点の約８０％程度の温度に上昇するまで挿入位置を保持するプランジングと呼ばれる作業が必要となる。金属板１、２が軟化した後に、摩擦攪拌深さ位置を固定させた状態あるいは摩擦攪拌装置のツール回転用モータ負荷を一定値に制御しながら回転ツールを接合方向へ移動させ、摩擦攪拌接合を行う。このプランジング作業は時間を要し、その分、接合のタクトタイムが長くなり、生産効率を高める上で制約となっていた。

本発明者等は、両面摩擦攪拌接合を行う場合は、接合部の両面で摩擦熱を生成させるため、片面摩擦攪拌接合で生じていたような裏当て金への熱拡散が無くなり、温度上昇が短時間で達成されることに着目し、摩擦攪拌接合開始前のプランジング工程を省略することが可能ではないかと考え、金属板１，２の端面からプランジングをせずに直ちに摩擦攪拌接合を開始した。その結果、回転ツール５，６により金属板１，２が円滑に塑性流動することを確認した。

したがって、本発明の接合方法によれば、プランジング工程を省略したプランジングレスの摩擦攪拌接合を実現することができ、これにより接合のタクトタイムを短縮し、生産効率を高めることができる。
＜ツールの傾斜１＞
次に、回転ツール５，６の軸芯の傾斜について言及する。

図２４は、回転ツール５，６を回転させながら摩擦攪拌接合している場合の接合方向（図１の断面と直角方向）に沿った断面図である。

本実施の形態では、上下の回転ツール５，６の軸芯を、回転ツール５，６の進行方向に対してそれぞれのプローブ１３ａ，１３ｂが先行する方向に傾けた状態で、回転ツール５，６を回転させながら摩擦攪拌接合する。このようにツール軸芯１４を傾けることによって、回転ツール５，６のショルダ部５ｂ，６ｂと材料間の面圧を高め、摩擦攪拌接合の際に発生するバリや接合欠陥を抑制することができる。

ここで、ツール軸芯を傾ける角度が大きすぎる場合には、進行方向後ろ側のショルダ面の金属板１，２への挿入量が増加する。その結果、金属板１，２へ挿入されたショルダ部５ｂ，６ｂの体積分の接合部の材料がビード外部へ放出され、接合部の厚みの局部的な減少が発生し、接合部の強度が低下する。特に接合する金属板１，２の板厚が２ｍｍ以下と薄い場合には、接合部の厚みの減少する割合が大きく、接合部から板破断する問題がある。

したがって、金属板１，２の板厚が２ｍｍ以下の場合には、傾き角θ１又はθ２を０°を超え３°以下とすることで、接合部厚みの局部的な減少による接合部の強度低下を抑制し、接合部からの板破断を抑制することができる。更に、接合部の厚みの局部的な減少を抑制するためには、好適には傾き角θ１又はθ２を０°を超え２°以下、更に好適には０°を超え１°以下とする。

また、上下回転ツール５，６の傾き角θ１、θ２は、同一にすることで、表裏両面の接合状態をほぼ同じにできるため、表裏面で同様の耐引張・耐曲げ強度を得ることができる。
＜ツールの傾斜２＞
本実施の形態の接合方法では、後述する如く、上下の回転ツール５，６を、摩擦攪拌接合開始前に予定挿入深さまで金属板の厚み方向に対し位置制御にて移動し、回転ツール５，６の挿入深さを保持した状態で、接合部端面から回転ツール５，６の進行方向に位置制御にて送って、位置制御のまま接合部端面から回転ツール５，６のショルダ面を接合部端面に当てながら回転ツール５，６を金属板に挿入することによって、プランジングレスで摩擦攪拌接合を開始する（図２７等参照）。このようにプランジングレスで摩擦攪拌接合を開始する際にも、回転ツール５，６の軸芯を、回転ツール５，６の進行方向に対してそれぞれのプローブ１３ａ，１３ｂが先行する方向に傾けた状態とすることで、接合部端面と回転ツールの側面部が衝突することを回避し、接合部端面において金属板が座屈する等の問題を防止でき、円滑に摩擦攪拌を開始できる。以下にその点を図２５及び図２６を用いて説明する。

図２５は、上下回転ツール５，６の傾き角度を０度に設定して（ツールを傾けずに）上下回転ツール５，６を接合部端面から挿入する際の説明図である。プランジングレスで摩擦攪拌を開始するために、上下回転ツール５，６を接合部端面２４から挿入する際のツール挿入位置は、接合部２３と回転ツール５，６の相対位置で決定される。図２５に示すように回転ツール５，６の挿入位置が微小にずれ、過挿入となった場合には、回転ツール５，６側面で接合部端面２４を押付け、金属板１，２を座屈させる等のトラブルの発生並びに摩擦攪拌不良を起こす可能性がある。

図２６は、上下回転ツール５，６を適度に傾けて上下回転ツール５，６を接合部端面２４から挿入する際の様子を示す図である。接合部端面２４からの円滑なツール挿入を果たすためには、図２６に示す通り、上下回転ツール５，６先端部のプローブ１３ａ，１３ｂが進行方向に対し先行する方向にツール軸心１４を傾けた状態で攪拌する。このときの傾き角θ１及びθ２は、好適には０°を超え１０°以下、更に好適には０°を超え６°以下、更に好適には０°を超え３°以下とする。

これにより回転ツール５，６は、そのショルダ面から接合部端面２４に係合するため、ツール側面で接合部端面２４を押付けることがなくなり、金属板座屈等のトラブルや摩擦攪拌不良を起こすことなく、プランジングレスでスムーズに摩擦攪拌接合を開始することができる。そして、その後の接合過程において、上下回転ツール５，６の軸芯が傾いていることにより、前述したように、回転ツール５、６のショルダと材料間の面圧を高め、摩擦攪拌接合の際に発生するバリや接合欠陥を抑制することができる。
＜運転方法＞
次に、プランジングレスで両面摩擦攪拌接合を行う運転方法について説明する。

まず、その運転方法に係わる制御系について説明する。

図１及び図３に示すように、本実施の形態に係わる接合装置は、上本体ケース５１の下面に取り付けられた上位置計測器８１ａ及び上摩擦攪拌装置３の筒体５３とサポートフレーム６３ａとの間に取り付けられた上荷重計測器８２ａと、下本体ケース５２の上面に取り付けられた下位置計測器（ロードセル）８１ｂ及び下摩擦攪拌装置４の筒体５４と図示しない下摩擦攪拌装置４用のサポートフレーム６３ｂとの間に取り付けられた下荷重計測器（ロードセル）８２ｂと、制御装置８３とを有している。制御装置８３は、上下位置計測器８１ａ，８１ｂ及び上下荷重計測器８２ａ，８２ｂの計測値を入力し、所定の演算処理を行い、上下摩擦攪拌装置３，４の回転用モータ２９ａ，２９ｂ、上下押圧及び隙間調整装置５５，５６の押圧用モータ６１ａ，６１ｂ、上下移動装置５７，５８の走行用モータ６７ａ，６７ｂに指令信号を送り、上下摩擦攪拌装置３，４、上下押圧及び隙間調整装置５５，５６、上下移動装置５７，５８の動作を制御する。図示の例では、上下位置計測器８１ａ，８１ｂは非接触式であるが、接触式であっても構わない。また、傾斜支持装置７６ａ，７６ｂが角度調整式である場合、制御装置８３は事前に設定したデータに基づいて傾斜支持装置７６ａ，７６ｂの角度調整用モータ７７ａ，７７ｂに指令信号を送り、上下の回転ツール５，６の軸芯１４を傾けて所定の角度で支持する。

図２７は、回転ツール５，６の軸心１４を傾けてプランジングレスで両面摩擦攪拌接合を行う運転方法を示す図である。図２８は、図３に示した制御装置８３が行う処理手順を示す制御フローである。

図２７及び図２８に示す通り、摩擦攪拌接合開始前は、上下摩擦攪拌装置３，４は待機位置２０ａ，２０ｂにある。この待機位置２０ａ，２０ｂにおいて、上下回転ツール５，６は軸芯を傾けた状態にある。また、上下本体ケース５１，５２に取り付けられた上下位置計測器３１ａ、３１ｂ（図１及び図３参照）を用いて接合部Ｊと上下摩擦攪拌装置３，４間の距離を測定し、回転ツール５，６の予定挿入深さを演算する（ステップＳ１）。次に、上下押圧用モータ６１ａ，６１ｂを駆動して上下回転ツール５，６を予定挿入深さまで位置制御にて移動させる（ステップＳ２）。このとき、位置計測器３１ａ、３１ｂの計測値に基づいて、上下の回転ツール５，６のプローブ１３ａ，１３ｂ先端間の隙間δを前述した所定範囲（例えば板厚ｔに対し１％以上５０％以下の比率）に設定する。そして、このようにツール挿入位置を位置制御にて保持した状態で、上下走行モータ６７ａ，６７ｂを駆動して上下摩擦攪拌装置３，４を接合方向へ移動させ（ステップＳ２）、接合部端面２４の摩擦攪拌開始位置２０ａ，２０ｂから摩擦攪拌接合を開始する。このとき、前述したように、位置制御のまま接合部端面から回転ツール５，６のショルダ面を接合部端面に当てながら回転ツール５，６を金属板に挿入することによって、プランジングレスで摩擦攪拌接合を開始する（図２７等参照）。

摩擦攪拌接合開始後、上回転ツール５の上回転用モータ２９ａの制御電流に基づいて上回転用モータ２９ａの負荷が所定の値となるようにツール挿入位置を制御する負荷一定制御とし（ステップＳ３）、摩擦攪拌接合が終了する摩擦攪拌終了位置２２ａ，２２ｂ到達前に、その時点のツール挿入位置を保持する位置一定制御に切替え（ステップＳ３→Ｓ４）、摩擦攪拌終了位置２２ａ，２２ｂを通過させるように制御する。下回転ツール６については、摩擦攪拌接合開始後も位置制御が維持され、位置制御のまま摩擦攪拌終了位置２２ａ，２２ｂを通過させる（ステップＳ３→Ｓ４）。

このように摩擦攪拌接合開始後に、下回転ツール６は位置制御を維持し、上回転ツール５を負荷一定制御に切り替えることで、接合部Ｊの厚みが変動した場合でも安定して摩擦攪拌することができる。

また、上下回転ツール５，６への負荷が一定となるため、回転ツール５，６の損耗や折損を抑制することができ、回転ツール５，６の寿命を延ばすことができる。

上記の各ステップの制御は制御装置８３が上下位置計測器３１ａ、３１ｂの計測値を入力し、この計測値と上下回転用モータ２９ａ，２９ｂの制御電流に基づいて上下回転用モータ２９ａ，２９ｂ、上下押圧用モータ６１ａ，６１ｂ、上下走行モータ６７ａ，６７ｂ等の各種アクチュエータに作動指令を与えることにより行う。

なお、上記運転方法では、上回転ツール５の負荷一定制御を回転用モータ２９ａの制御電流を用いて行ったが、その代わりに荷重計測器８２ａ，８２ｂの計測値を用いて行ってもよい。また、上下回転ツール５，６の位置制御を上下位置計測器３１ａ、３１ｂの計測値を用いて行ったが、その代わりに上下押圧用モータ６１ａ，６１ｂの回転量を検出するエンコーダ等の回転センサを用いて行ってもよい。

図２９は、制御装置８３が行う処理手順の他の例を示す制御フローである。この例では、図２７の摩擦攪拌開始位置２１ａ，２１ｂから摩擦攪拌終了位置２２ａ，２２ｂまでの範囲において、上回転ツール５のみを負荷一定制御とするのではなく、上下回転ツール５，６ともに負荷一定制御とするものである（ステップＳ３Ａ）。図２７では、その例が、摩擦攪拌開始位置２１ａ，２１ｂと摩擦攪拌終了位置２２ａ，２２ｂの範囲において、補足的にかっこ書きで記載されている。

上下回転ツール５，６の制御方法において、下回転ツール６を摩擦攪拌接合後も位置一定制御とした場合、金属板の下面が基準面となる。この場合、金属板の変形などにより基準面が一定でない場合、材料が薄く（或いは材料の剛性が低く）、材料の変形抵抗が低い場合には、上回転ツール５のみの負荷一定制御による上回転ツール５からの金属板に対する押圧力で、上下の摩擦攪拌範囲を概ね一致させることが可能である。しかし、材料が厚く（或いは材料の剛性が高く）、材料の変形抵抗が高い場合には、上回転ツール５のみの負荷一定制御による金属板に対する押圧力では、金属板の表裏面の摩擦攪拌接合範囲を一致させることが困難な場合があることが確認された。

金属板の表裏面の摩擦攪拌接合範囲が異なる場合は、板厚方向において残留応力のアンバランスが発生し、表裏面で耐引張・耐曲げ強度差が発生し、強度信頼性を低下させる一因となる可能性がある。

また、回転ツールの一方を位置制御とした場合には、表裏面における押圧力のアンバランスにより、金属板を把持している把持装置７，８に押圧力による力が発生し、金属板の保持力に加えて、この表裏面の押圧力のアンバランスにより発生した把持装置７，８に掛かる力を保持する必要があるため、把持装置７，８が大型化する可能性がある。

そこで、金属板が厚い場合或いは金属板の剛性が高い場合には、図２７のかっこ書き及び図２９の制御フローのステップＳ３Ａに記載するように、摩擦攪拌接合開始後に、下回転ツール６も回転モータ負荷一定制御として、上下回転ツール５，６とも、負荷一定制御とする。これにより金属板の表面側からの入熱量及び入熱範囲と裏面側からの入熱量及び入熱範囲が同じとなり、表裏面の残量応力を均一にすることができ、金属板の反りを防止できる。

なお、逆に、金属板が十分に薄い場合或いは金属板の剛性が十分に低い場合には、摩擦攪拌中も含め、上下回転ツール５，６を常に位置制御としてもよい。
＜段差あり接合部の摩擦攪拌制御＞
次に、板厚の異なる金属板１および金属板２あるいは段差が生成された接合部を両面から摩擦攪拌する場合の２パターンの接合方法につき説明する。

図３０は、アドバンシングサイド、リトリーティングサイドと摩擦攪拌用ツールの回転方向の関係を示す図であり、図３１及び図３２は、板厚の異なる金属板１および金属板２あるいは段差が生成された接合部を両面から摩擦攪拌する方法を示す図である。

図３０に示すように、回転ツール５の回転方向と摩擦攪拌進行方向（接合方向或いはツール送り方向）が一致する側をアドバンシングサイド、ツールの回転方向と摩擦攪拌進行方向が反対を向いている側をリトリーティングサイドという。

片側の摩擦攪拌接合方法において、特許第３９３１１１９号には、突き合わせて配置する高温変形抵抗値及び厚みがそれぞれＹ１及びｔ１である第１接合部材と高温変形抵抗値及び厚みがそれぞれＹ２及びｔ２である第２接合部材において、Ｙ１×ｔ１＜Ｙ２×ｔ２の関係式を満足した場合には、第１部材側をアドバンシングサイドに配置し、Ｙ１×ｔ１＞Ｙ２×ｔ２の関係式を満足した場合には、第２部材側をアドバンシングサイドに配置する方法が開示されている。

例えば第１部材Ｙ１＝２５ＭＰａ、ｔ１＝３ｍｍ、第２部材Ｙ２＝２５ＭＰａ、ｔ２＝２ｍｍのように高温変形抵抗値が同じ値で、接合部材の厚みが異なる場合には、Ｙ１×ｔ１＞Ｙ２×ｔ２となる。

すなわち第２部材側（薄板側）をアドバンシングサイドに配置する方法となる。

しかしながら、例えば第１部材のＹ１＝２５ＭＰａ、ｔ１＝３ｍｍで第２部材のＹ２＝１００ＭＰａ、ｔ２＝２ｍｍの場合、第１部材のＹ１×ｔ１＝７５で、第２部材のＹ２×ｔ２＝２００となり、Ｙ１×ｔ１＜Ｙ２×ｔ２となる。

すなわち第１部材側（厚板側）をアドバンシングサイドに配置することになり、薄板側が必ずしもアドバンシングサイドに配置することにはならない。

したがって、異厚部を良好に平滑化できないため、所望の接合強度を得ることができない問題があった。

本発明によれば、図３１に示すように、突き合わせ接合する２枚の該金属板の板厚が異なる場合には、表裏面のいずれか一方側（本例では下面）に段差が生じないように、該金属板を把持装置で把持し、段差側（本例では上面）の該回転ツールの回転方向は、金属板の板厚が薄い側をアドバンシングサイド３２にし、段差のない側の該回転ツールの回転方向は、段差側のツール回転方向と逆方向に回転に設定する。

これにより段差のない側は通常の摩擦攪拌接合と同等な方法で接合出来、段差側においては、材料が厚い側から薄い方への塑性流動を容易にし、かつ薄い側から厚い側への余剰塑性流動分３４を厚い側の段差部に衝突させ、摩擦攪拌用ツール送り方向へ余剰塑性流動分３４を排出させる。

前記の接合方法は、片側を段差のない平面にする場合の接合方法であるが、両面の段差量を均等にしたい場合には、図３２に示すように上下回転ツール５，６の回転方向を、接合部の材料厚みが厚い側または段差が高い側が該ツールの送り方向に対し、該ツールの周速の向きが逆となる方向に回転させる。この該回転ツールの回転条件と送り条件では、接合部の材料厚みが厚い側または段差が高い側をリトリーティングサイド３３、接合部の材料厚みが薄い側または段差が低い側をアドバンシングサイド３２に設定する。

これにより段差のある表裏面において、材料が厚い側から薄い方への塑性流動を容易にし、且つ、薄い側から厚い側への余剰塑性流動分３４を厚い側の段差部に衝突させ、摩擦攪拌用ツール送り方向へ余剰塑性流動分３４を排出させる。

図３１及び図３２の接合方法によると、段差のある金属板の接合においても摩擦攪拌表面のビード端部へのバリの生成を抑制し、表面品質の優れた接合部とすることで、次工程の塑性加工仕事時の接合部破断等の確率を低減させることができる。
＜両面摩擦攪拌接合の冷間圧延設備への適用＞
次に、本発明の両面摩擦攪拌接合装置の冷間圧延設備への適用について説明する。

国際公開ＷＯ２００８／０６２５０６号公報に記載のような１００万ｔｏｎ以下の圧延設備で、単スタンドでコイルを循環させ、複数回接合ならびに圧延し、所望の板厚を得る方法では、接合するコイル先尾端の板厚範囲が、最大６ｍｍ程度のものから１ｍｍを大幅に下回る極薄板の厚みまで拡大する。

複数スタンドを配置し、コイル循環を必要としない１００万ｔｏｎ以上の生産量を生産する冷間圧延設備の連続化における接合板厚範囲は、最大６ｍｍから最小２ｍｍである。冷間圧延材の接合には、フラッシュバット溶接機やレーザビーム溶接機が適用される。

国際公開ＷＯ２００８／０６２５０６号公報に記載の設備に、フラッシュバット溶接機を適用した場合は、板厚が１．６ｍｍ以下の接合は接合部を押圧した際のバックリング等の問題により困難である。

また、レーザビーム溶接機を適用した場合は、１つの型式のレーザビームの出力では、接合可能な板厚範囲が限定される。したがって、１ｍｍを大幅に下回る極薄板から６ｍｍの板厚の金属板までの広範囲な板厚範囲の突き合わせを１台の溶接機で接合することはできず、高価な溶接機が複数台必要となり、設備導入費用が莫大となり経済性に劣る問題があった。

一方、アルミ合金及び銅合金の接合には、ＴＩＧまたはＭＩＧ等アーク溶接が適用可能である。しかしながら、これら接合方式は接合速度が低速であるため、５００ｍｍ〜２５００ｍｍ程度の板幅を溶接する圧延材の溶接に、数分間の時間が掛かる。

更に、アーク溶接のためビードが段差として残るため、正味の溶接時間に加え、ビード部の除去に更なる時間を費やすことになるため、接合作業のタクトタイムが長くなる。

これらの要因により、最大２０ｍｍ程度の板厚のアルミ合金及び銅合金の圧延設備において、従来の接合方式では、コイルを接合し連続化するプロセスまたはコイルをビルドアップするプロセスの普及が妨げられて来た。

本発明の両面摩擦攪拌接合では、突き合わせた接合と重ね合わせ接合の併用で、１ｍｍを大幅に下回る極薄板までの広範囲な板厚の金属板を接合することができる。したがって、安価に接合強度信頼性の高い接合技術を冷間圧延設備に適用することが可能となる。

また、本発明の両面摩擦攪拌接合では、表裏両面からツールのプローブを挿入させるために、片面のみで摩擦攪拌接合する場合と比較し、ツールのプローブの挿入量も半分で良いため、プローブの折損を抑制できると共に、接合速度を速くすることができ、接合作業のタクトタイムを短縮できる。

更に、表裏面の両面で摩擦熱を発生させるため、材料の軟化を行なうプランジングの工程を省略しても、摩擦攪拌接合の開始に必要な材料の軟化ができ、接合作業のタクトタイムを短縮できる。

更に、コイルの先後端を接合することで、圧延機には連続的に金属板が供給される。

したがって、コイル先端部の通板作業が無くなると共に、通板作業時のトラブルを最小限に出来るため圧延機のダウンタイムを抑制することができる。

これらにより、接合作業のタクトタイム増加による生産性の低下も防止できる。

更に、回転ツール１本当たりの熱負荷を低減させた状態に加え、回転ツールの材質を、耐熱性の高い、焼結炭化タングステンの超硬合金、タングステン合金などとすることで、融点が１０００℃以上の金属板の摩擦攪拌において回転ツール寿命が長く、ランニングコストが高額にならない経済的な回転ツールを提供できる。

したがって、鋼板の冷間圧延にも適用可能な両面摩擦攪拌接合方法及び装置を提供できる。

また、アルミ合金及び銅合金などの非鉄金属の場合、接合部への入熱により、母材に比べて強度の低下が発生する場合がある。融点の約８０％程度の温度域での接合となるため、強度の著しい低下が抑制でき、強度低下による板破断の発生を抑制することができる。特に冷間圧延では、通常５０Ｎ／ｍｍ２〜１００Ｎ／ｍｍ２の高い張力を板厚断面方向に掛けて薄く延ばされるため、強度の低下を抑制することは、重要な意味がある。

また、金属板が同じ厚みの突合せ接合において、先後端を圧延することが可能となるため、生産歩留りを向上させることができる。

したがって、種々の課題を解決出来得る本発明の両面摩擦攪拌接合方法で、冷間圧延に供される鋼板または非鉄金属であるアルミ合金板及び銅合金板を接合することで、安価で強度信頼性の高い接合を提供できる。

図３３及び図３４は、本発明の両面摩擦攪拌接合装置の冷間圧延設備への具体的な適用例を示す図である。

図３３は、国際公開ＷＯ２００８／０６２５０６号公報に記載の一方向に連続冷間圧延を行なう冷間圧延設備に本発明の両面摩擦攪拌接合装置を適用した場合の設備全体を示す図であり、図３４は、可逆式冷間圧延設備に本発明の両面摩擦攪拌接合装置を適用した場合の設備全体を示す図である。

図３３の一方向冷間圧延設備は、巻出装置３５、本発明の両面摩擦攪拌接合装置３６、ルーパー３７、圧延機３８、切断機３９、巻取装置４０を備えている。

巻出装置３５からコイルを巻き出してストリップ（金属板）Ｓを圧延機３８で圧延し、巻取装置４０に巻き取る。このとき、接合装置３６によって数コイルのストリップＳを接合して一方向圧延する。巻取装置４０に巻き取ったコイルは、巻取装置４０から巻出装置３５へ搬送装置で移載し、所望の板厚になるまでコイルを循環し、ストリップＳを繰り返し圧延する。所望の板厚になったらストリップＳを切断機３９で所望のサイズに切断し、製品コイルとして搬出する。接合装置３６での接合の際及び切断機３９でストリップＳを切断する際は、圧延機３８は止めずに、１０ｍｐｍ以下の極低速圧延にて行う。そのとき、接合装置３６でのストリップＳの接合はルーパー３７を利用して行う。

図３４の可逆式冷間圧延設備は、巻出装置３５、本発明の両面摩擦攪拌接合装置３６、第１巻取・巻出装置４１ａ、第２巻取・巻出装置４１ｂ、第１切断機３９ａ、圧延機３８、第２切断機３９ｂ、第３巻取・巻出装置４１ｃを備えた、コイルビルドアップラインと可逆冷間圧延設備を併設した冷間圧延設備である。

圧延開始前に、コイルビルドアップラインの接合装置３６によって、数コイルのストリップＳを接合して巻出装置３５から第１巻取・巻出装置４１ａにビルドアップしたコイルを巻き取る。

ビルドアップしたコイルの圧延の１パス目は、第１巻取・巻出装置４１ａからコイルを巻き出してストリップ（金属板）Ｓを圧延機３８で圧延し、第３巻取・巻出装置４１ｃに巻き取る。２パス目は、第３巻取・巻出装置４１ｃからコイルを巻き出してストリップＳを圧延機３８で圧延し、第２巻取・巻出装置４１ｂに巻き取る。３パス目以降は、所望の板厚になるまで、第２巻取・巻出装置４１ｂと第３巻取・巻出装置４１ｃ間でリバース圧延にてストリップＳを繰り返し圧延する。

また、可逆圧延工程の２パス目以降で、圧延を行うと同時に、次の圧延のためのコイルをコイルビルドアップラインで製造する。

本発明の両面摩擦攪拌接合では、１ｍｍを大幅に下回る極薄板から６ｍｍ程度の板厚の金属板までの広範囲の板厚の金属板が接合可能であり、このような本発明の両面摩擦攪拌接合を上記のように冷間圧延の金属板の接合に適用することで、安価に強度信頼性が高い接合と高生産・高歩留りの冷間圧延設備を提供することができる。

また、図３３及び図３４に示す冷間圧延設備の圧延材料は鋼板でもアルミ合金や銅合金などの非鉄金属であってもよく、従来適用が困難であった最大２０ｍｍ程度の板厚のアルミ合金や銅合金などの非鉄金属の冷間圧延の金属板の接合に本発明の両面摩擦攪拌接合を適用することで、安価に強度信頼性が高い接合と高生産・高歩留りの非鉄金属の冷間圧延設備を提供できる。

１，２ 金属板
３ 上摩擦攪拌装置
４ 下摩擦攪拌装置
５ 上回転ツール
５ａ ツール本体
５ｂ ショルダ部
６ 下回転ツール
６ａ ツール本体
６ｂ ショルダ部
７ 入側上把持装置
７ａ，７ｂ 上下把持板
８ 出側下把持装置
８ａ，８ｂ 上下把持板
９ 上ハウジング
１０ 下ハウジング
１１ 上レール
１２ 下レール
１３ａ 上プローブ
１３ｂ 下プローブ
１４ 回転ツール軸芯
１６ 上摩擦攪拌接合範囲
１７ 下摩擦攪拌接合範囲
１８ 新生面
１８ｂ 未攪拌面
１９ 重ね合わせ面
２０ａ 上回転ツール待機位置
２０ｂ 下回転ツール待機位置
２１ａ 上摩擦攪拌接合開始位置
２１ｂ 下摩擦攪拌接合開始位置
２２ａ 上摩擦攪拌接合終了位置
２２ｂ 下摩擦攪拌接合終了位置
２４ 摩擦攪拌開始金属板端面
２７ａ 上せん断力
２７ｂ 下せん断力、
２９ａ 上回転用モータ
２９ｂ 下回転用モータ
３２ アドバンシングサイド
３３ リトリーティングサイド
３４ 余剰塑性流動分
３５ 巻出装置
３６ 両面摩擦攪拌接合装置
３７ ルーパ−
３８ 圧延機
３９ 切断機
３９ａ 第１切断機
３９ｂ 第２切断機
４０ 巻取装置
４１ 巻取・巻出装置
４１ａ 第１巻取・巻出装置
４１ｂ 第２巻取・巻出装置
４１ｃ 第３巻取・巻出装置
５１ 上本体ケース
５２ 下本体ケース
５３ 上筒対
５４ 下筒対
５５ 上押圧及び隙間調整装置
５６ 下押圧及び隙間調整装置
５７ 上移動装置
５８ 下移動装置
６１ａ，６１ｂ 押圧用モータ
６２ａ，６２ｂ スクリュー
６３ａ，６３ｂ サポートフレーム
６４ａ，６４ｂ 軸
６５ａ，６５ｂ 走行フレーム
６６ａ，６６ｂ 車輪
６７ａ，６７ｂ 走行モータ
７１ 車輪
７２ スクリュー
７３ 走行用モータ
７４ 走行装置
７５ 制御装置
７６ａ 上傾斜支持装置
７６ｂ 下傾斜支持装置
７７ａ，７７ｂ 角度調整用モータ
８１ａ 上位置計測器
８１ｂ 下位置計測器
８２ａ 上荷重計測器
８２ｂ 下荷重計測器
８３ 制御装置
δ 隙間
Ｊ 接合部
θ１，θ２ 傾き角

Claims (26)

1. ツール本体（５ａ，６ａ）の先端部にそれより小径のプローブ（１３ａ，１３ｂ）を設け、前記ツール本体の先端部における前記プローブの取り付け部の周辺をショルダ部（５ｂ，６ｂ）として構成した上下の回転ツール（５，６）を２枚の金属板（１，２）の接合部である突き合わせ部（Ｊ）にその表面側及び裏面側から挿入し、前記上下の回転ツールを回転させることによって生じる摩擦熱を利用して摩擦撹拌し、前記２枚の金属板を接合する両面摩擦攪拌接合方法において、
   前記上下の回転ツール（５，６）のショルダ部（５ｂ，６ｂ）の直径より小さな厚みの２枚の金属板（１，２）の表裏面をそれぞれ第１及び第２把持装置（７，８）で把持し、
   前記２枚の金属板の突き合わせ部（Ｊ）の表面側と裏面側に、それぞれ、前記上下の回転ツールを相対向するように配置し、前記上下の回転ツールを互いに近づく方向に移動して、前記上下の回転ツールのプローブ（１３ａ，１３ｂ）先端間に所定の隙間（δ）を与えかつ前記上下の回転ツールのショルダ部（５ｂ，６ｂ）を前記突き合わせ部の表面側と裏面側に押圧し、
   この状態で、前記突き合わせ部に沿って前記上下の回転ツールを回転させながら移動させて摩擦攪拌接合することを特徴とする両面摩擦攪拌接合方法。
2. ツール本体（５ａ，６ａ）の先端部にそれより小径のプローブ（１３ａ，１３ｂ）を設け、前記ツール本体の先端部における前記プローブの取り付け部の周辺をショルダ部（５ｂ，６ｂ）として構成した上下の回転ツール（５，６）を２枚の金属板（１，２）の接合部である重ね合わせ部（Ｊ）にその表面側及び裏面側から挿入し、前記上下の回転ツールを回転させることによって生じる摩擦熱を利用して摩擦撹拌し、前記２枚の金属板を接合する両面摩擦攪拌接合方法において、
   前記上下の回転ツール（５，６）のショルダ部（５ｂ，６ｂ）の直径より小さな厚みの２枚の金属板（１，２）の表裏面をそれぞれ第１及び第２把持装置（７，８）で把持し、
   前記２枚の金属板の重ね合わせ部（Ｊ）の表面側と裏面側に、それぞれ、前記上下の回転ツールを相対向するように配置し、前記上下の回転ツールを互いに近づく方向に移動して、前記上下の回転ツールのプローブ（１３ａ，１３ｂ）先端間に所定の隙間（δ）を与えかつ前記上下の回転ツールのショルダ部（５ｂ，６ｂ）を前記重ね合わせ部の表面側と裏面側に押圧し、
   この状態で、前記重ね合わせ部に沿って前記上下の回転ツールを回転させながら移動させて摩擦攪拌接合することを特徴とする両面摩擦攪拌接合方法。
3. 請求項１又は２に記載の両面摩擦攪拌接合方法において、
   前記上下の回転ツール（５，６）の軸芯（１４）を、回転ツールの進行方向に対してそれぞれのプローブ（１３ａ，１３ｂ）が先行する方向に傾け、この状態で摩擦攪拌接合することを特徴とする両面摩擦攪拌接合方法。
4. 請求項１乃至３の何れか１項に記載の両面摩擦攪拌接合方法において、
   前記上下の回転ツール（５，６）のプローブ（１３ａ，１３ｂ）先端間の隙間（δ）を、前記２枚の金属板（１，２）の接合部（Ｊ）の厚みに対し１％以上５０％以下の比率にすることを特徴とする両面摩擦攪拌接合方法。
5. 請求項１乃至４の何れか１項に記載の両面摩擦攪拌接合方法において、
   前記第１把持装置（７）と前記第２把持装置（８）間の距離を前記ツール本体（５ａ，５ｂ）の直径の１．５倍以上５倍以下とすることを特徴とする両面摩擦攪拌接合方法。
6. 請求項１乃至５の何れか１項に記載の両面摩擦攪拌接合方法において、
   前記上下の回転ツール（５，６）の回転方向を表面側と裏面側で逆方向としたことを特徴とする両面摩擦攪拌接合方法。
7. 請求項１乃至６の何れか１項に記載の両面摩擦攪拌接合方法において、
   前記上下の回転ツール（５，６）のそれぞれのショルダ部（５ｂ，６ｂ）の直径を同一にしたことを特徴とする両面摩擦攪拌接合方法。
8. 請求項３乃至７の何れか１項に記載の両面摩擦攪拌接合方法において、
   前記金属板（１，２）の厚みが２ｍｍ以下の場合に、前記上下の回転ツール（５，６）の軸芯（１４）の傾き角度を、０°を超え３°以下にすることを特徴とする両面摩擦攪拌接合方法。
9. 請求項３乃至８の何れか１項に記載の両面摩擦攪拌接合方法において、
   前記上下の回転ツール（５，６）の軸芯（１４）の傾き角度を同一にしたことを特徴とする両面摩擦攪拌接合方法。
10. 請求項１乃至９の何れか１項に記載の両面摩擦攪拌接合方法において、
    前記上下の回転ツール（５，６）が前記２枚の金属板（１，２）の接合部（Ｊ）をその表面側と裏面側から押圧する押圧力を、表面側と裏面側で同一とすることを特徴とする両面摩擦攪拌接合方法。
11. 請求項１、３乃至１０の何れか１項に記載の両面摩擦攪拌接合方法において、
    前記２枚の金属板（１，２）の厚みが異なる場合に、前記金属板の表面及び裏面のいずれか一方側に段差が生じないように、前記２枚の金属板を前記第１及び第２把持装置（７，８）で把持し、
    前記上下の回転ツール（５，６）のうち段差が生じる側の回転ツールを、金属板の厚みが薄い側がアドバンシングサイドなる方向に回転させ、段差のない側の回転ツールを、段差が生じる側の回転ツールの回転方向と逆方向に回転させることを特徴とする両面摩擦攪拌接合方法。
12. 請求項１、３乃至１０の何れか１項に記載の両面摩擦攪拌接合方法において、
    前記２枚の金属板（１，２）の厚みが異なる場合に、前記金属板の表面及び裏面の段差が均等になるように、前記２枚の金属板を前記第１及び第２把持装置（７，８）で把持し、
    前記上下の回転ツール（５，６）を、金属板の厚みが薄い側がアドバンシングサイドとなるように同方向に回転させることを特徴とする両面摩擦攪拌接合方法。
13. 請求項１乃至１２の何れか１項に記載の両面摩擦攪拌接合方法において、
    前記上下の回転ツール（５，６）のうちの一方の回転ツール（６）は、摩擦攪拌接合開始前に予定挿入深さまで金属板（１，２）の厚み方向に対し位置制御にて移動し、回転ツール（６）の挿入深さを保持した状態で、接合部端面（２４）から回転ツールの進行方向に位置制御にて送って、位置制御のまま接合部端面（２４）から回転ツール（６）を金属板に挿入して摩擦攪拌接合を開始し、その後、摩擦攪拌接合終了まで、回転ツール（６）の挿入位置を金属板の厚み方向に対し位置制御にて保持しながら送り、
    他方の回転ツール（５）は、摩擦攪拌接合開始前までは、前記一方の回転ツール（６）と同様、予定挿入深さまで金属板（１，２）の厚み方向に対し位置制御にて移動し、回転ツール（５）の挿入深さを保持した状態で、接合部端面（２４）から回転ツールの進行方向に位置制御にて送って、金属板の厚み方向に対し位置制御のまま接合部端面（２４）から回転ツール（５）を金属板に挿入して摩擦攪拌接合を開始し、摩擦攪拌接合開始後は、前記一方の回転ツール（６）の送り位置と同期して送り、その送りの間、回転ツール（５）の負荷が所定の値となるように、回転ツールの挿入位置を制御する負荷一定制御とし、摩擦攪拌接合が終了する接合終端部到達前に、その時点の回転ツール（５）の挿入位置を保持する位置制御に切り替え、接合部終端部を通過させ、摩擦攪拌接合することを特徴とする両面摩擦攪拌接合方法。
14. 請求項１乃至１２の何れか１項に記載の両面摩擦攪拌接合方法において、
    前記上下の回転ツール（５，６）を、摩擦攪拌接合開始前に予定挿入深さまで金属板（１，２）の厚み方向に対し位置制御にて移動し、回転ツール（５．６）の挿入深さを保持した状態で、接合部端面（２４）から回転ツールの進行方向に位置制御にて送って、位置制御のまま接合部端面（２４）から回転ツール（５，６）を金属板に挿入して摩擦攪拌接合を開始し、摩擦攪拌接合開始後は、回転ツール（５，６）の負荷が所定の値となるように、回転ツール（５，６）の挿入位置を制御する負荷一定制御とし、摩擦攪拌接合が終了する接合終端部到達前に、その時点の回転ツール（５，６）の挿入位置を保持する位置制御に切り替え、接合部終端部を通過させ、摩擦攪拌接合することを特徴とする両面摩擦攪拌接合方法。
15. 請求項１乃至１４の何れか１項に記載の両面摩擦攪拌接合方法において、
    前記上下の回転ツール（５，６）は、焼結炭化タングステンの超硬合金、タングステン合金などからなり、
    前記２枚の金属板（１，２）は、融点が１０００℃以上の高融点材料からなることを特徴とする両面摩擦攪拌接合方法。
16. 請求項１乃至１５の何れか１項に記載の両面摩擦攪拌接合方法を用いて、冷間圧延に供される金属板（Ｓ）を接合することを特徴とする冷間圧延設備の金属板接合方法。
17. ツール本体（５ａ，６ａ）の先端部にそれより小径のプローブ（１３ａ，１３ｂ）を設け、前記ツール本体の先端部における前記プローブの取り付け部の周辺をショルダ部（５ｂ，６ｂ）として構成した上下の回転ツール（５，６）を２枚の金属板（１，２）の接合部である突き合わせ部（Ｊ）にその表面側及び裏面側から挿入し、前記上下の回転ツールを回転させることによって生じる摩擦熱を利用して摩擦撹拌し、前記２枚の金属板を接合する両面摩擦攪拌接合装置において、
    前記上下の回転ツール（５，６）のショルダ部（５ｂ，６ｂ）の直径より小さな厚みの２枚の金属板（１，２）の表裏面をそれぞれ把持する第１及び第２把持装置（７，８）と、
    前記上下の回転ツールを１本ずつ備え、前記２枚の金属板の突き合わせ部（Ｊ）の表面側と裏面側に、それぞれ、前記上下の回転ツールを相対向するように配置した上摩擦攪拌装置（３）及び下摩擦攪拌装置（４）と、
    前記上摩擦攪拌装置及び下摩擦攪拌装置のそれぞれの回転ツールを互いに近づく方向に移動して、前記上下の回転ツールのプローブ（１３ａ，１３ｂ）先端間に所定の隙間（δ）を与えかつ前記上下の回転ツールのショルダ部（５ｂ，６ｂ）を前記突き合わせ部（Ｊ）の表面側と裏面側に押圧する押圧及び隙間調整装置（５５，５６）と、
    前記突き合わせ部（Ｊ）に沿って前記上摩擦攪拌装置及び下摩擦攪拌装置の前記上下の回転ツールを移動させる移動装置（５７，５８）とを有したことを特徴とする両面摩擦攪拌接合装置。
18. ツール本体（５ａ，６ａ）の先端部にそれより小径のプローブ（１３ａ，１３ｂ）を設け、前記ツール本体の先端部における前記プローブの取り付け部の周辺をショルダ部（５ｂ，６ｂ）として構成した上下の回転ツール（５，６）を２枚の金属板（１，２）の接合部である重ね合わせ部（Ｊ）にその表面側及び裏面側から挿入し、前記上下の回転ツールを回転させることによって生じる摩擦熱を利用して摩擦撹拌し、前記２枚の金属板を接合する両面摩擦攪拌接合装置において、
    前記上下の回転ツール（５，６）のショルダ部（５ｂ，６ｂ）の直径より小さな厚みの２枚の金属板（１，２）の表裏面をそれぞれ把持する第１及び第２把持装置（７，８）と、
    前記上下の回転ツールを１本ずつ備え、前記２枚の金属板の重ね合わせ部（Ｊ）の表面側と裏面側に、それぞれ、前記上下の回転ツールを相対向するように配置した上摩擦攪拌装置（３）及び下摩擦攪拌装置（４）と、
    前記上摩擦攪拌装置及び下摩擦攪拌装置のそれぞれの回転ツールを互いに近づく方向に移動して、前記上下の回転ツールのプローブ（１３ａ，１３ｂ）先端間に所定の隙間（δ）を与えかつ前記上下の回転ツールのショルダ部（５ｂ，６ｂ）を前記重ね合わせ部（Ｊ）の表面側と裏面側に押圧する押圧及び隙間調整装置（５５，５６）と、
    前記重ね合わせ部（Ｊ）に沿って前記上摩擦攪拌装置及び下摩擦攪拌装置の前記上下の回転ツールを移動させる移動装置（５７，５８）とを有したことを特徴とする両面摩擦攪拌接合装置。
19. 請求項１７又は１８に記載の両面摩擦攪拌接合装置において、
    前記上下の摩擦攪拌装置（３，４）の前記上下の回転ツール（５，６）の軸芯（１４）を、回転ツールの進行方向に対してそれぞれのプローブ（１３ａ，１３ｂ）が先行する方向に傾けて支持する傾斜支持装置（７６ａ，７６ｂ）を更に有することを特徴とする両面摩擦攪拌接合装置。
20. 請求項１７〜１９の何れか１項に記載の両面摩擦攪拌接合装置において、
    前記押圧及び隙間調整装置（５５，５６）は、前記上下の回転ツール（５，６）のプローブ（１３ａ，１３ｂ）先端間の隙間（δ）を、前記２枚の金属板（１，２）の接合部（Ｊ）の厚みに対し１％以上５０％以下の比率に調整することを特徴とする両面摩擦攪拌接合装置。
21. 請求項１７乃至２０の何れか１項に記載の両面摩擦攪拌接合装置において、
    前記第１及び第２把持装置（７，８）は、前記第１及び第２把持装置間の距離が前記ツール本体（５ａ，６ａ）の直径の１．５倍以上５倍以下となるように配置されていることを特徴とする両面摩擦攪拌接合装置。
22. 請求項１７乃至２１の何れか１項に記載の両面摩擦攪拌接合装置において、
    前記上下の摩擦攪拌装置（３，４）は、それぞれの回転ツール（５，６）の回転方向を表面側と裏面側で逆方向に回転させることを特徴とする両面摩擦攪拌接合装置。
23. 請求項１９乃至２２の何れか１項に記載の両面摩擦攪拌接合装置において、
    前記傾斜支持装置（７６ａ，７６ｂ）は、前記金属板（１，２）の厚みが２ｍｍ以下の場合に、前記上下の摩擦攪拌装置（３，４）の前記上下の回転ツール（５，６）の軸芯（１４）の傾き角度を０°を超え３°以下に設定することを特徴とする両面摩擦攪拌接合装置。
24. 請求項１７乃至２３の何れか１項に記載の両面摩擦攪拌接合装置において、
    前記上下の摩擦攪拌装置（３，４）の回転ツール（５，６）のうちの一方の回転ツール（６）は、摩擦攪拌接合開始前に予定挿入深さまで金属板（１，２）の厚み方向に対し位置制御にて移動し、回転ツール（６）の挿入深さを保持した状態で、接合部端面（２４）から回転ツールの進行方向に位置制御にて送って、位置制御のまま接合部端面（２４）から回転ツール（６）を金属板に挿入して摩擦攪拌接合を開始し、その後、摩擦攪拌接合終了まで、回転ツール（６）の挿入位置を金属板の厚み方向に対し位置制御にて保持しながら送り、
    他方の回転ツール（５）は、摩擦攪拌接合開始前までは、前記一方の回転ツール（６）と同様、予定挿入深さまで金属板（１，２）の厚み方向に対し位置制御にて移動し、回転ツール（５）の挿入深さを保持した状態で、接合部端面（２４）から回転ツールの進行方向に位置制御にて送って、金属板の厚み方向に対し位置制御のまま接合部端面（２４）から回転ツール（５）を金属板に挿入して摩擦攪拌接合を開始し、摩擦攪拌接合開始後は、前記一方の回転ツール（６）の送り位置と同期して送り、その送りの間、回転ツール（５）の負荷が所定の値となるように、回転ツール（５）の挿入位置を制御する負荷一定制御とし、摩擦攪拌接合が終了する接合終端部到達前に、その時点の回転ツール（５）の挿入位置を保持する位置制御に切り替え、接合部終端部を通過させ、摩擦攪拌接合するよう前記隙間調整手段（５５，５６）及び移動手段（５７，５８）を制御する制御装置（８３）を更に有することを特徴とする両面摩擦攪拌接合装置。
25. 請求項１７乃至２３の何れか１項に記載の両面摩擦攪拌接合装置において、
    前記上下の摩擦攪拌装置（３，４）の上下の回転ツール（５，６）を、摩擦攪拌接合開始前に予定挿入深さまで金属板（１，２）の厚み方向に対し位置制御にて移動し、回転ツール（５，６）の挿入深さを保持した状態で、接合部端面（２４）から回転ツールの進行方向に位置制御にて送って、金属板の厚み方向に対し位置制御のまま接合部端面（２４）から回転ツール（５，６）を金属板に挿入して摩擦攪拌接合を開始し、摩擦攪拌接合開始後は、回転ツール（５，６）の負荷が所定の値となるように、回転ツール（５，６）の挿入位置を制御する負荷一定制御とし、摩擦攪拌接合が終了する接合終端部到達前に、その時点の回転ツール（５，６）の挿入位置を保持する位置制御に切り替え、接合部終端部を通過させ、摩擦攪拌接合するよう前記隙間調整手段（５５，５６）及び移動手段（５７，５８）を制御する制御装置（８３）を更に有することを特徴とする両面摩擦攪拌接合装置。
26. 請求項１７乃至２５の何れか１項に記載の両面摩擦攪拌接合装置（３６）を備えたことを特徴とする冷間圧延設備。

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