JP5016142B1 - 摩擦攪拌接合用回転ツールおよび摩擦攪拌接合方法 - Google Patents

Abstract

鋼等の高融点材料の摩擦攪拌接合において、ツール本体の過剰な温度上昇を抑制することで、ツール本体の長寿命化を図るため、銅リングである抜熱体４が、ツール本体３の外周面３ｅに着脱可能に、また、金属板１，２と接触して無用の摩擦抵抗が発生しないように、金属板１，２との間に空間部５を形成するように固定される。抜熱体４は充分な温度上昇抑制効果を発揮するように、材質・取付位置Ｌ・体積Ｖ・抜熱体端面傾斜角が設定されている。摩擦攪拌接合時、ツール本体３先端に生じた摩擦熱は、ツール本体３，１３へ伝達され、さらに抜熱体４に伝達・蓄熱され、ツール本体３，１３の温度上昇を抑制する。
【選択図】図１

Description

本発明は、摩擦攪拌接合に使用する回転ツールおよび回転ツールを用いた摩擦攪拌接合方法に関する。

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。この摩擦攪拌接合技術は、アルミ合金の接合を主として、様々な産業分野で実用化されている。

この摩擦攪拌接合技術では、回転ツールを高速で回転させながら、該回転ツールのショルダ部の表面と接合部材の表面との摩擦熱を利用するため、ショルダ面及びショルダ面から突出するよう形成されたピン状の突起部（プローブ）は、材料との摩擦熱により高温環境下にさらされ、接合回数を重ねていくうちに摩耗し、その形状が変化する。特に、ショルダ部の外周では、高温状態で且つ、回転周速が高速になることから、形状変化は著しい。このショルダ及びプローブの形状の変化は、接合不良や接合部品質をばらつかせる要因となり、接合部の品質が安定せず、接合強度不足などの問題が生じる。

この摩耗の大小は、ショルダ面及び回転ツール先端近傍の温度上昇に起因することが知られている（特許文献２）。

また、接合部で過剰な熱が生じると、軟化した材料が回転ツールのプローブとショルダ部に付着し、凹凸の接合表面ができることが知られている（特許文献１）。

このような回転ツールの過剰な温度上昇に係る問題に対し、融点が６００〜７００℃程度のアルミニウム合金の摩擦攪拌接合において、回転ツール本体または接合部近傍に冷却媒体を噴きかける冷却方式にかかる従来技術が、特許文献１および特許文献２に開示されている。

一方、鋼を摩擦攪拌する場合には、アルミニウム合金で実用化の場合と比べて極めてツールの寿命が短く、実用化に向けては耐久性に優れたツール材料の開発が必要であると、非特許文献１に記載されている。

特許３５３０３４２ 特許３８９１６４２

FSW（摩擦攪拌接合）の基礎と応用 Ｐ．１７８〜１８２ 日刊工業新聞社

発明者らは鋼（低炭素鋼）の摩擦攪拌接合を行い、以下のように、ツール本体の課題を抽出した。

鋼に摩擦攪拌接合法を適用した場合、摩擦攪拌接合中、回転ツールのショルダ面は常に高温に晒されると同時に、ショルダ面から回転ツール本体へ熱が伝達される。これにより、回転ツール本体のショルダ部近傍は熱容量が小さいこともあり、接合の進行に伴い接合温度（接合材料の融点の７０〜８０％程度の温度、例えば、融点１４００℃に対し９８０〜１１２０℃程度）に近づくことを確認した。

この状態で摩擦攪拌接合を行うと、回転ツールのショルダ面近傍は高温で且つ摩擦攪拌のための押圧力により高圧力条件となり、回転ツールのクリープ変形、ショルダ面の異常摩耗の進行、回転ツールショルダ面外周部近傍の昇温に伴う酸化及び脆化の進行（後述）の課題が生じることを確認した。

この結果、回転ツールの寿命が著しく短くなり、非特許文献１に開示されている通り、数メートルほど接合すると寿命が尽きる課題を抽出した。

アルミニウム合金の摩擦攪拌接合に対し、鋼の摩擦攪拌接合において著しく回転ツールの寿命が低下する要因は、アルミニウム合金の接合部の温度は４００℃程度であるのに対し、鋼系材料の接合部の温度は１０００℃以上に到達する場合もあるという、接合温度の差異にある。このため、熱処理で強度を付与する鋼系耐熱鋼のツール材質では必要な強度を得ることは困難であることを確認した。

これに対し、後述するように、耐熱性及び耐摩耗性に優れた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をツール材質に適用した。例えば、ＷＣ−Ｃｏ（タングステンカーバイトコバルト）の超硬合金をツール材質に適用した場合、高温状態となる回転ツールのショルダ部外周部が空気中の酸素とＷＣ（タングステンカーバイト）を結合する役割を担うＣｏ（コバルト）が反応し、酸化することで脆化する。この状態で摩擦攪拌接合を継続すると脆化したツール外周部から折損することを確認した。

すなわち、上記は回転ツールの過剰な温度上昇に起因する課題である。過剰な温度上昇を抑えるように、特許文献１および特許文献２記載の冷却媒体を回転ツールに吹きかける冷却方式にかかる従来技術を、鋼の摩擦攪拌接合に適用することも考えられる。

しかし、特許文献１および特許文献２記載の従来技術は、アルミニウム合金の摩擦攪拌接合に係るものであり、以下のような課題がある。

アルミニウム合金のような低融点材料の摩擦攪拌接合に対し、鋼のような高融点材料の摩擦攪拌接合では、接合温度が高くなるため、冷却能力を向上させる必要がある。冷却能力を上昇させるには、冷却媒体の温度を下げることや熱伝達率（流量、流速など）を上げるなどが考えられる。

気体の冷却媒体を介した冷却では、単位時間当たりの入熱量に対し、抜熱量を充分確保できず、必要な冷却能力を付与することが困難である。

液体の冷却媒体を介した冷却では、一般に液体は気体より温度が低いことにより、冷却媒体の温度を下げることができる。しかし、液体表層の温度が液体の沸点を超え、ツール表層部に膜沸騰による蒸気膜が形成され、回転ツール表面と液体との接触が出来難くなり、形成した蒸気膜による断熱効果で、冷却能力が著しく低下する。

これにより、回転ツールの温度上昇を抑制できず、ツールのクリープ変形、摩耗の進行ならびに回転ツールのショルダ面近傍の外表面の酸化を抑えることが困難となり、ツール寿命を延ばすことが出来ない課題があった。

ところで、特許文献１の図５では、ツール末端部の回転ツール径を拡大し、円周方向に冷却フィンを設けている。これにより冷却効果の向上が期待できる。しかし、ツール径拡大に伴い、ショルダ面の面積が増大し、ショルダ面と接合部材との摩擦抵抗が増大し、回転ツールを駆動する動力も増大し、その結果、摩擦攪拌接合装置が大型化してしまい設備コストが高くなり、経済性に劣る課題が発生する。

本発明の目的は、鋼等の高融点材料の摩擦攪拌接合において、ツール本体の温度上昇を抑制することで、ツール本体の長寿命化を図ることのできる摩擦攪拌接合用回転ツールおよび摩擦攪拌接合方法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、２枚の金属板の接合部を摩擦攪拌して、前記２枚の金属板を摩擦攪拌接合する摩擦攪拌接合用回転ツールにおいて、ショルダ部を先端部分に形成したツール本体と、このツール本体の外周面に着脱可能に、前記金属板との間に空間部を形成するように、固定される抜熱体とを備え、
前記空間部の一部を形成する抜熱体端面は、前記ツール本体の外周面から外側へ向かって前記ツール本体の軸心に直交する面から離れるように傾斜していることを特徴とする。

上述した課題を解決する第２の発明は、２枚の金属板の接合部をその表裏面の両側から摩擦攪拌して、前記２枚の金属板を摩擦攪拌接合する摩擦攪拌接合用ツールにおいて、前記２枚の金属板の接合部の表面側と裏面側に相対向するように配置され、前記接合部を摩擦攪拌する第１および第２の回転ツール本体と、このツール本体の外周面に着脱可能に、前記金属板との間に空間部を形成するように、固定される第１および第２の抜熱体とを備え、前記第１の回転ツール本体は、ショルダ部を先端部分に形成した回転軸部と、この回転軸部の先端部分から突出するよう形成された少なくとも１つの突起部とを有し、前記第２の回転ツール本体は、ショルダ部を先端部分に形成した回転軸部と、この回転軸部の先端部分に形成され、前記２枚の金属板の接合時に前記突起部の先端部を収納する少なくとも１つの凹み部とを有し、前記第１の回転ツールの突起部の先端部を前記第２の回転ツールの凹み部内に挿入し、前記第１および第２の回転ツールの前記ショルダ部のショルダ面を前記接合部の表面側と裏面側に押圧した状態で、前記第１および第２の回転ツール本体を前記接合部に沿って移動させ、前記接合部の板厚方向全域を摩擦攪拌し、前記空間部の一部を形成する抜熱体端面は、前記ツール本体の外周面から外側へ向かって前記ツール本体の軸心に直交する面から離れるように傾斜していることを特徴とする。

上述した課題を解決する第３の発明は、上記摩擦攪拌接合用回転ツールにおいて、前記抜熱体端面の傾斜角は、０°を超え１５°以下であることを特徴とする。

上述した課題を解決する第４の発明は、上記摩擦攪拌接合用回転ツールにおいて、前記抜熱体は、前記ツール本体より熱伝導率の高い材料からなることを特徴とする。

上述した課題を解決する第５の発明は、上記摩擦攪拌接合用回転ツールにおいて、前記抜熱体の体積は、５０×１０３ｍｍ３以上、９００×１０３ｍｍ３以下であることを特徴とする。

上述した課題を解決する第６の発明は、上記摩擦攪拌接合用回転ツールにおいて、前記ツール本体の外周面の金属板側端部と、前記抜熱体接触面の金属板側端部との距離が０ｍｍを超え５０ｍｍ以下であることを特徴とする。

上述した課題を解決する第７の発明は、上記摩擦攪拌接合用回転ツールにおいて、更に、冷却媒体を噴射して前記抜熱体を冷却する冷却媒体噴射装置を備えること特徴とする。

上述した課題を解決する第８の発明は、上記摩擦攪拌接合用回転ツールにおいて、上記摩擦攪拌接合用回転ツールにおいて、前記２枚の金属板は、融点が１０００℃以上の高融点材料からなり、前記ツール本体は、焼結炭化タングステンの超硬合金またはタングステン合金からなることを特徴とする。

上述した課題を解決する第９の発明は、上記摩擦攪拌接合用回転ツールを用いて摩擦攪拌接合することを特徴とする。

本発明によれば、以下の効果が得られる。

第１の発明において、抜熱体による抜熱により、ツール本体の温度上昇を抑制し、ツール本体の長寿命化を図ることができる。

その結果、接合不良のない安定的な接合品質を得ることができる。

また温度上昇抑制効果により、ツール本体の材質に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しても、ツール本体の酸化を抑制でき、ツール本体の材質に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、経済性を高めることができる。

抜熱体は、例えば銅リングのような簡素な構成からなり、冷却媒体噴射装置等の構成を必要とせず、設備コストの増加を抑えて経済性を高めることができる。

また、抜熱体は金属板との間に空間部を形成するように固定される。これにより、抜熱体が金属板と接触して無用の摩擦抵抗が発生することを防止する。したがって、ツール本体を回転駆動する動力が増大することはなく、設備コストを維持して経済性を高めることができる。

更に、着脱可能とすることにより、ツール本体を寿命により交換する場合でも、抜熱体を再利用でき、ランニングコストを抑制し、また、抜熱体を外すことにより低融点材料の摩擦攪拌接合にも適用でき、経済性を高めることができる。
また、抜熱体端面の傾斜により、取付位置を０に近づけたり、ツール本体の軸芯を傾けた場合でも、空間部を確保することができる。

第２の発明において、両面摩擦攪拌接合は、片面摩擦攪拌接合で生じていた裏当て板への熱損失が防止できため、回転ツール本体１本にかかる熱負荷を１／２以下にすることができる結果、片面摩擦攪拌接合と比較し、ツール本体の長寿命化を図ることができる。

また、抜熱体による温度上昇抑制効果により、更なるツール本体の長寿命化を図ることができる。

第４の発明において、抜熱体の材料を特定することにより、温度上昇抑制効果を向上させることができる。

第５の発明において、抜熱体の体積を特定することにより、充分な温度上昇抑制効果を得ることができる。

第６の発明において、抜熱体の取付位置を特定することにより、充分な温度上昇抑制効果を得ることができる。

第７の発明において、更に冷却媒体噴射装置を備えることにより、抜熱体は冷却され、温度上昇抑制効果を向上させることができる。

第８の発明のように、焼結炭化タングステンの超硬合金またはタングステン合金からなるツール本体を用いて、高融点材料を摩擦攪拌接合する際に、温度上昇抑制効果は特に有用になる。

第９の発明のように、摩擦攪拌接合することで、経済性を高めつつ、接合不良のない安定的な接合品質を得ることができる。

本発明の一実施形態に係わる摩擦攪拌接合用回転ツールの先端部分の拡大断面図である。 抜熱体の固定方式の一例について説明する図である。 抜熱体の固定方式の別例について説明する図である。 両面摩擦攪拌接合に対応した摩擦攪拌接合用回転ツールの拡大断面図である。 両面摩擦攪拌接合に対応した摩擦攪拌接合用回転ツールのツール先端部分の拡大断面図であって、接合時におけるツールの使用状態を示す図である。 両面摩擦攪拌接合装置の全体斜視図である。 数値解析等に用いる諸元を説明する図である。 抜熱体の有無、材質を比較するための数値解析結果である。 抜熱体の取付位置に係る数値解析結果である。 抜熱体の体積に係る数値解析結果である。 傾斜角θ１と傾斜角θ２の関係の一例を示す図である。 本実施形態の効果に係る検証実験結果を示す図である。 冷却媒体噴射装置を備えた摩擦攪拌接合用回転ツールを示す図である。

次に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

〜回転ツール構成〜
図１は、本実施形態の片面摩擦攪拌接合に対応した摩擦攪拌接合用回転ツールの先端部分の拡大断面図である。摩擦攪拌接合用回転ツールは、ツール本体３とこのツール本体の外周面に着脱可能に、前記金属板との間に空間部を形成するように、固定される抜熱体４とを備える。

摩擦攪拌接合用回転ツールは、ツール本体３を回転させながら、回転ツールのツール本体３に設けられたショルダ面３ｂを裏当て板６に載置された2枚の金属板１，２の表面と接触させ、ショルダ面３ｂと前記金属板１，２の表面との摩擦熱を利用して摩擦攪拌し、接合部Ｊを融点以下の固相状態で、攪拌し接合するものである。

ツール本体３は、接合部Ｊを押圧するショルダ面３ｂを有するショルダ部３ｃを先端部分に形成した回転軸部３ａと、この回転軸部３ａの先端部分にショルダ面３ｂから突出するよう形成されたピン状の突起部（プローブ）３ｄとを有している。

鋼など材料の融点が１０００℃を超える高融点材料の摩擦攪拌接合では、一般に、接合温度を融点の７０％〜８０％程度（接合温度は７００℃を超える）まで摩擦攪拌熱で上昇させる必要があるため、単位接合長さ当たりの摩擦攪拌による投入エネルギーが高くなり、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る。高価な多結晶ダイヤモンド等の材料を使用してもよいが、より安価な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を使用することが好ましい。

抜熱体４は、リング形状をしており、ツール本体の外周面３ｅに着脱可能に固定される。また、金属板１，２と接触して無用の摩擦抵抗が発生しないように、金属板１，２との間に空間部５を形成するように固定される。抜熱体４の他の特徴として、数値解析等により、材質・取付位置・体積・抜熱体端面４ａの傾斜角が設定されている（後述）。

なお、本明細書において、接合部Ｊとは２枚の金属板の接合されるべき部分を意味し、突き合わせ溶接では突き合わせ部に該当し、重ね合わせ溶接では重ね合わせ部に該当する。

〜固定方式〜
抜熱体４は、着脱可能であることを特徴のひとつとする。抜熱体４の固定方式について説明する。

図２は、抜熱体４の固定方式の一例について説明する図である。ツール本体３は、金属板側端部から離れるにしたがってツール本体３の軸心に近づくように、外周面３ｅにテーパ３ｆを設けている。一方、抜熱体４は、テーパ３ｆの形状と対応するように、金属板側端部から離れるにしたがってツール本体３の軸心に近づくように、抜熱体接触面４ｂにテーパ４ｆを設けている。

抜熱体４にツール本体３を挿通し、テーパ３ｆとテーパ４ｆを係合することにより、抜熱体４はツール本体３に固定される。

抜熱体４の線膨張係数がツール本体３の線膨張係数より大きい場合には、抜熱体４が熱膨張することで、抜熱体４はより確実にツール本体３に固定される。

図３は、抜熱体４の固定方式の別例について説明する図である。抜熱体４は、リング状半径に沿ってリングを分断するスリット４ｇと、スリット４ｇに直交する貫通孔４ｈを設けている。抜熱体４にツール本体３を挿通し、さらに、貫通孔４ｈに着脱ボルト４ｉを挿通し、貫通孔４ｈ反対側端部において、着脱ナット４ｊを着脱ボルト４ｉに螺合する。抜熱体４の熱膨張を予想し、熱膨張量分相当を着脱用ボルト４ｉ・ナット４ｊにより予め締め込んでおく。これにより、抜熱体４が熱膨張しても、抜熱体４は確実にツール本体３に固定される。

前記２例を挙げたが、抜熱体４がツール本体３に着脱可能に固定できる方式であれば、その方式を限定することはない。

〜摩擦攪拌接合装置および動作〜
本実施形態の摩擦攪拌接合用回転ツールは、片面摩擦攪拌接合に対応できるのはもちろん、両面摩擦攪拌接合にも対応できる。図４は、両面摩擦攪拌接合に対応した摩擦攪拌接合用回転ツールであり、図５は、両面摩擦攪拌接合に対応した摩擦攪拌接合用回転ツールのツール先端部分の拡大断面図であって、接合時におけるツールの使用状態を示す図である。更に、図６は、両面摩擦攪拌接合装置の全体斜視図である。

両面摩擦攪拌接合装置は、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１５および出側把持装置１６と、上下のツール本体３，１３を２枚の金属板１，２の接合部Ｊの表面側と裏面側に相対向するように装着し、上下のツール本体３，１３を回転駆動する上下のツール回転駆動装置１７，１８と、上下のツール回転駆動装置１７，１８に装着した上下のツール本体３，１３を互いに近づく方向に移動して、上下のツール本体３，１３を金属板１，２の接合部Ｊの表面側と裏面側に押圧する上下のツール押圧装置４５，４６と、上下のツール回転駆動装置１７，１８に装着した上下のツール本体３，１３を接合部Ｊに沿って移動させる上下の移動装置４７，４８とを有している。

上述の通り、上側のツール本体３は、回転軸部３ａの先端部分にショルダ面３ｂから突出するように突起部（プローブ）３ｄが形成されている。一方、下側のツール本体１３は、回転軸部１３ａのショルダ面１３ｂに突起部３ｄの先端部を収納する凹み部１３ｄが形成されている。

上下のツール本体３，１３には、抜熱体４，１４が固定されている。

両面摩擦攪拌接合装置の動作（両面摩擦攪拌接合方法）について説明する。

両面摩擦攪拌接合で金属板１，２の突き合わせ接合を行う場合は、上下２本のツール本体３，１３を２枚の金属板１，２の接合部Ｊにその表面側および裏面側から挿入し、上下のツール本体３，１３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。

まず、上下のツール本体３，１３の両側に配置された入側把持装置１５および出側把持装置１６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、ツール押圧装置４５，４６を駆動して、２枚の金属板１，２の接合部Ｊ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ツール本体３，１３を互いに近づくように移動して、上側ツール本体３の突起部（プローブ）３ｄを下側ツール本体１３の凹み部１３ｄに挿入させて、接合部Ｊの板厚方向の全面を未接合部の無い状態で摩擦攪拌接合する。

また、ツール回転駆動装置１７，１８を駆動して、相対向するように配置した上下のツール本体３，１３を逆方向に回転させ、ショルダ面３ｂ，１３ｂ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。

そして、この状態（上側ツール本体３の突起部３ｄを下側ツール本体１３の凹み部１３ｄに挿入させかつ上下のツール本体３，１３のショルダ面３ｂ，１３ｂを接合部Ｊの表面側と裏面側に押圧した状態）で、移動装置４７，４８を駆動して、接合部Ｊに沿って上下のツール本体３，１３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。

摩擦攪拌接合において、ツール本体３，１３先端には摩擦熱が生じる。ショルダ面３ｂ，１３ｂからツール本体３，１３へ熱が伝達され、さらに抜熱体４，１４に伝達・蓄熱され、ツール本体３，１３の温度上昇を抑制する。

接合部の表裏面の両側から摩擦攪拌接合することにより、片面摩擦攪拌接合で生じていた裏当て板６（図1参照）への熱損失が防止できる。そのため、接合部の軟化領域が増加し、回転ツール１本にかかる熱負荷を１／２以下にすることができる。その結果、片面摩擦攪拌接合と比較し、ツール寿命の長い、経済的な回転ツールを提供出来る。

前記の両面摩擦攪拌接合の効果に加え、本実施形態に係る抜熱体４，１４をツール本体３，１３に固定することにより、ツール本体３，１３の温度上昇を抑制し、ツール本体３，１３の更なる長寿命化を図ることができる。その結果、接合不良のない安定的な接合品質を得ることができる。

〜数値解析等〜
発明者らは、ＦＥＭによる温度解析等をおこない、抜熱体４の特徴を以下のように特定した。なお、ツール本体３において、温度上昇のピーク箇所は、ショルダ面の回転速度が速くなる外周端部近傍となり、外周端部近傍におけるクリープ変形および異常摩耗による形状の変化が著しい。したがって、外周端部近傍のポイントＸ（図７参照）の温度に着目した。図７は、数値解析等に用いる諸元を説明する図である。

板幅１６５０ｍｍの金属板を４ｍｐｍ（≒６７ｍｍ／ｓ）の速度で接合すると想定する。このとき４．５Ｋｗの熱エネルギ（熱負荷）が２５秒（≒１６５０／６７）間、ツール本体３に作用するものとする。ツール本体は直径２５ｍｍとする。

（抜熱体の有無・材質）
図８は、ポイントＸでの温度径時変化を、ケース１（抜熱体なし）、ケース２（ツール本体と同材質）、ケース３（材質銅）において比較したものである。横軸に経過時間（ｓ）、縦軸にポイントＸでの温度（℃）を示す。ケース２、ケース３において、抜熱体４は、直径Ｄ１００ｍｍ、高さｈ３０ｍｍ、取付位置Ｌ（後述）１０ｍｍとする。

２５秒経過時点において、それぞれ８４０℃（ケース１）、２５０℃（ケース２）、１６０℃（ケース３）となっている。ケース１とケース２を比較すると、抜熱体４に同材質を用いた場合でも、充分な温度上昇抑制効果が得られる。ケース２とケース３を比較すると、抜熱体４にツール本体３より熱伝導率の高い材質である銅を用いた場合、更なる温度上昇抑制効果が得られる。

このことより、抜熱体４の材質は、ツール本体３より熱伝導率の高いもの（例えば銅）であることが好適である。

（取付位置）
抜熱体４は、摩擦攪拌接合においてツール本体３先端に生じる熱を吸収（抜熱）することにより、ツール本体３の温度上昇を抑制するものである。

したがって、取付位置Ｌが熱源に近いほど、温度上昇抑制効果が得られ、熱源から離れるにしたがって温度上昇抑制効果が減少する。

図９は、２５秒経過時点におけるポイントＸでの温度を、取付位置Ｌ１０ｍｍ，１００ｍｍ，２００ｍｍについて比較したものである。ツール本体の外周面３ｅの金属板側端部と、抜熱体接触面４ｂの金属板側端部との距離を取付位置Ｌ（図７参照）とする。抜熱体（銅リング）４は、直径Ｄ１００ｍｍ、高さｈ３０ｍｍとする。

ところで、ツール本体３の材料に好適な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は、３００℃を超えると結合剤であるコバルトが酸化反応をすることが知られている。ツール本体３の長寿命化の観点からポイントＸでの温度を３００℃以下にすることが好ましい。

数値解析の結果、取付位置Ｌ５０ｍｍ以下であれば、ポイントＸでの温度は３００℃以下となり、充分な温度上昇抑制効果が得られる。

このことより、取付位置Ｌは、好適には、０ｍｍを超え５０ｍｍ以下、さらに好適には、０ｍｍを超え２０ｍｍ以下、さらに好適には、０ｍｍを超え１０ｍｍ以下、さらに好適には、０ｍｍを超え５ｍｍ以下、さらに好適には、０ｍｍを超え３ｍｍ以下とする。なお、取付位置Ｌを０ｍｍとすると、回転の際、抜熱体端面４ａが金属板１，２と干渉するおそれが有り、好ましくない。

更に、取付位置Ｌが０に近づくと、ツール本体３先端の高温領域が空気中に暴露される部分が減り、結果として、ツール本体３の酸化を抑えることができる。

（体積）
抜熱体４は、摩擦攪拌接合においてツール本体３先端に生じる熱を吸収することにより、ツール本体３の温度上昇を抑制するものである。したがって、体積が大きいほど、温度上昇抑制効果が得られ、体積が小さくなるにしたがって温度上昇抑制効果が減少する。

図１０は、２５秒経過時点におけるポイントＸでの温度を、体積Ｖに基づいてグループ分けされたグループＡ，グループＢ，グループＣについて比較したものである。グループＡにおいて、直径Ｄ５０ｍｍ・高さｈ３０ｍｍと直径Ｄ７５ｍｍ・高さｈ１２．５ｍｍと直径Ｄ１００ｍｍ・高さｈ７．５ｍｍの３ケースの数値解析をおこなった。３ケースともほぼ同体積となるように、直径Ｄ・高さｈ（図７参照）を設定している。グループＢにおいて、直径Ｄ５０ｍｍ・高さｈ７５ｍｍと直径Ｄ７５ｍｍ・高さｈ３０ｍｍと直径Ｄ１００ｍｍ・高さｈ１７．５ｍｍの３ケースの数値解析をおこない、グループＣにおいて、直径Ｄ７５ｍｍ・高さｈ５０ｍｍと直径Ｄ１００ｍｍ・高さｈ３０ｍｍの２ケースの数値解析をおこなった。

数値解析の結果、温度上昇抑制効果は体積と相関が有り、体積Ｖが５０×１０^３ｍｍ^３以上であれば、ポイントＸでの温度は３００℃以下となり、充分な温度上昇抑制効果が得られる。

一方、抜熱体４の体積を更に大きくすると、ポイントＸでの温度は１５０℃付近に漸近する。すなわち、体積の増加に伴う温度上昇抑制効果の向上は徐々に緩やかとなる。また、抜熱体４の体積が大きすぎると、回転の際、周辺装置（たとえば把持装置１５，１６）との干渉も発生しやすい。したがって、抜熱体４は、直径Ｄ２００ｍｍ以下であることが好ましい。高さｈを３０ｍｍとすると、体積Ｖ９００×１０^３ｍｍ^３以下であることが好ましい。

このことより、体積Ｖは、好適には、５０×１０^３ｍｍ^３以上、９００×１０^３ｍｍ^３以下とする。

（抜熱体端面の傾斜角）
摩擦攪拌接合において、ツール本体３の軸芯２０を、進行方向に対してプローブ３ａが先行する方向に傾けた状態で、ツール本体３を回転させながら摩擦攪拌接合することによって、ショルダ面３ｂ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できることが知られている。このとき軸心２０の傾斜角θ１は、一般に０°を超え３°以下とすることが好ましいが、場合によっては最大１０°となることもある。

ところで、上述の通り、取付位置Ｌが０に近いほど温度上昇抑制効果が得られる。しかし、取付位置Ｌが０に近いと、ツール本体３の軸芯を傾けた状態での回転の際、抜熱体４端部が金属板１，２と干渉するおそれが有り、好ましくない。

本実施形態の抜熱体の一端面４ａは空間部５の一部を形成しており、ツール本体３の外周面（３ｅ）から外側へ向かって金属板１，２から（すなわち、ツール本体３の軸心２０のに直交する面から）離れるように傾斜している。このとき、金属板１，２平面と抜熱体端面４ａのなす角を傾斜角θ２（図７参照）とする。

図１１は、傾斜角θ１と傾斜角θ２の関係の一例を示す図である。直径Ｄ１００ｍｍ・高さｈ３０ｍｍの抜熱体４をツール本体３に取付位置Ｌ０ｍｍに近い位置で固定し、ツール本体３の軸芯を１０°（θ１）傾けている。

例えば、傾斜角θ２を１５°とすると、金属板１，２平面と抜熱体端面４aと間に、充分な空間部５が形成され、干渉を回避できる。

このことより、傾斜角θ２は好適には０°を超え１５°以下とする。

〜効果〜
１．抜熱体４の温度上昇抑制効果について説明する。上記のように抜熱体４は、材質、取付位置、体積に特徴を有することにより、２５秒経過時の外周端部近傍のポイントＸでの温度を３００℃以下とし、充分な温度上昇抑制効果を得ることができる。これにより、ツール本体３の過剰な温度上昇を抑制し、ツール本体のクリープ変形、摩耗の進行ならびにショルダ面近傍の外表面の酸化を抑えることで、ツール本体３の長寿命化を図ることができる。

温度上昇抑制効果によりツール本体の酸化を抑えることで、ツール本体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ができ、ツール本体の材質に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、経済性を高めることができる。

更に、ツール本体の長寿命化の結果、接合中のツール折損等の不具合リスクを低減できる。

なお、本実施形態は、銅リングのような簡素な構成からなる抜熱体４をツール本体３に付加するものであり、冷却媒体噴射装置等の構成を必要とせず、設備コストの増加を抑えて経済性を高めることができる。

発明者らは、本実施形態の効果（ツール本体の長寿命化）を検証するための実験をおこなった。図１２は、検証実験結果を示す図である。抜熱体なしのケースと抜熱体あり（本実施形態）のケースを比較した。同条件において軟鋼板の摩擦攪拌接合を行い、摩耗が顕著となる回転ツール先端のショルダ面の摩耗量を測定し、累積接合距離とショルダ面の摩耗量の相関を確認した。横軸は累積接合距離、縦軸はショルダ面の摩耗量を示す。

なお、ショルダ面摩耗量が０．０８ｍｍを超えると接合不良が発生するケースが見られたため、ショルダ面摩耗量の上限値（寿命）を０．０８ｍｍとした。

抜熱体なしのケースでは、累積接合距離約１５ｍにおいてショルダ面摩耗量は０．０８ｍｍを超えたが、抜熱体ありのケースでは、累積接合距離６５ｍにおいてショルダ面摩耗量は約０．０１ｍｍ未満であった。これにより、本実施形態におけるツール本体３の長寿命化について確認した。

２．また、本実施形態の摩擦攪拌接合用回転ツールを両面摩擦攪拌接合に適用することにより、ツール本体３，１３の更なる長寿命化を図ることができる。

３．次に、空間部５による効果について説明する。抜熱体４は金属板１，２との間に空間部５を形成するように固定される。これにより、抜熱体４が金属板１，２と接触して無用の摩擦抵抗が発生することはない。したがって、ツール本体３を回転駆動する動力が増大することはなく、設備コストを維持して経済性を高めることができる。

さらに、抜熱体端面４ａは、ツール本体３の外周面（３ｅ）から外側へ向かって金属板１，２から（すなわち、ツール本体３の軸心２０のに直交する面から）離れるように傾斜している。これにより、取付位置Ｌを０に近づけたり、ツール本体３の軸芯を傾けた場合でも、空間部５を確保することができる。

４．次に、着脱可能による効果を説明する。

上述のとおり、抜熱体４が金属板１，２と接触することはなく、損傷することはない。ツール本体３を寿命により交換する場合でも、抜熱体４を再利用でき、ランニングコストを抑制し、経済性を高めることができる。

また、本実施形態では、鋼等の高融点材料の摩擦攪拌接合を対象としているが、低融点材料の摩擦攪拌接合により接合温度が低く、回転ツールの過剰な温度上昇に起因する課題が生じない場合は、抜熱体４をツール本体から外してもよい。このように、本実施形態は低融点材料の摩擦攪拌接合にも適用できる。

〜変形例〜
本実施形態の抜熱体４は、材質・取付位置・体積・抜熱体端面傾斜角に係る特徴を有するが、これらは必須の構成ではなく、これらの特徴を任意に組み合わせてもよい。

〜冷却媒体噴射装置〜
本実施形態において、冷却媒体噴射装置等の構成がなくても、充分な温度上昇抑制効果が得られるため、冷却媒体噴射装置５０を備えていないが、冷却媒体噴射装置５０を備えることにより、抜熱体４による温度上昇抑制効果は更に向上する。

図１４は、冷却媒体噴射装置５０を備えた摩擦攪拌接合用回転ツールを示す図である。冷却媒体噴射装置５０はノズルを有し、冷却媒体供給源から供給される冷却媒体を抜熱体４に向けて噴射し、抜熱体４を冷却する。抜熱体４の温度が低下することで、ツール本体３に生じた熱が更に抜熱体４に伝達され、抜熱体４の温度上昇抑制効果が向上する。

冷却媒体は、気体でもよいが、一般に液体は気体より温度が低いことより、液体であることが好ましい。ところで、摩擦攪拌接合時、抜熱体４の温度はツール本体３程には高温にならない。液体の冷却媒体を直接ツール本体３に噴射するのでなく、比較的温度上昇が抑制される抜熱体４に向けて噴射することにより、液体温度が沸点を超えることはなく、抜熱体４表面に蒸気膜が形成されて断熱されることはない。また、抜熱体４は、ツール本体と比較し、表面積が大きく、効率良く冷却することができる。これにより、冷却媒体は、より確実に抜熱体４を冷却することができる。

１，２ 金属板
３ ツール本体(上側回転ツール)
３ａ 回転軸部
３ｂ ショルダ面
３ｃ ショルダ部
３ｄ 突起部(プローブ)
３ｅ 外周面
３ｆ テーパ
４ 抜熱体
４ａ 抜熱体端面
４ｂ 抜熱体接触面
４ｆ テーパ
４ｇ スリット
４ｈ 貫通孔
４ｉ 着脱ボルト
４ｊ 着脱ナット
５ 空間部
６ 裏当て板
１３ ツール本体(下側回転ツール)
１３ａ 回転軸部
１３ｂ ショルダ面
１３ｃ ショルダ部
１３ｄ 凹み部
１３ｅ 外周面
１４ 抜熱体(下側)
１５ 入側上把持装置
１６ 出側下把持装置
１７ ツール回転駆動装置（上側）
１８ ツール回転駆動装置（下側）
２０ 軸心
４５ 上ツール押圧装置
４６ 下ツール押圧装置
４７ 上移動装置
４８ 下移動装置
５０ 冷却媒体噴射装置
Ｊ 接合部
Ｄ 直径
ｈ 高さ
Ｖ 体積
Ｌ 取付位置
θ１ 軸芯傾斜角
θ２ 抜熱体端面傾斜角

Claims (9)

1. ２枚の金属板（１，２）の接合部（Ｊ）を摩擦攪拌して、前記２枚の金属板を摩擦攪拌接合する摩擦攪拌接合用回転ツールにおいて、
   ショルダ部（３ｃ）を先端部分に形成したツール本体（３）と、
   このツール本体の外周面（３ｅ）に着脱可能に、前記金属板との間に空間部（５）を形成するように、固定される抜熱体（４）と
   を備え、
   前記空間部（５）の一部を形成する抜熱体端面（４ａ）は、前記ツール本体の外周面（３ｅ）から外側へ向かって前記ツール本体の軸心（２０）に直交する面から離れるように傾斜している
   ことを特徴とする摩擦攪拌接合用回転ツール。
2. ２枚の金属板（１，２）の接合部（Ｊ）をその表裏面の両側から摩擦攪拌して、前記２枚の金属板を摩擦攪拌接合する摩擦攪拌接合用ツールにおいて、
   前記２枚の金属板（１，２）の接合部（Ｊ）の表面側と裏面側に相対向するように配置され、前記接合部を摩擦攪拌する第１および第２の回転ツール本体（３，１３）と、
   このツール本体の外周面（３ｅ，１３ｅ）に着脱可能に、前記金属板との間に空間部（５）を形成するように、固定される第１および第２の抜熱体（４，１４）とを備え、
   前記第１の回転ツール本体（３）は、ショルダ部（３ｃ）を先端部分に形成した回転軸部（３ａ）と、この回転軸部の先端部分から突出するよう形成された少なくとも１つの突起部（３ｄ）とを有し、
   前記第２の回転ツール本体（１３）は、ショルダ部（１３ｃ）を先端部分に形成した回転軸部（１３ａ）と、この回転軸部の先端部分に形成され、前記２枚の金属板の接合時に前記突起部（３ｄ）の先端部を収納する少なくとも１つの凹み部（１３ｄ）とを有し、
   前記第１の回転ツールの突起部（３ｄ）の先端部を前記第２の回転ツールの凹み部（４ｄ）内に挿入し、前記第１および第２の回転ツールの前記ショルダ部のショルダ面（３ｂ，１３ｂ）を前記接合部（Ｊ）の表面側と裏面側に押圧した状態で、前記第１および第２の回転ツール本体（３，１３）を前記接合部（Ｊ）に沿って移動させ、前記接合部の板厚方向全域を摩擦攪拌し、
   前記空間部（５）の一部を形成する抜熱体端面（４ａ，１４ａ）は、前記ツール本体の外周面（３ｅ）から外側へ向かって前記ツール本体の軸心（２０）に直交する面から離れるように傾斜している
   ことを特徴とする摩擦攪拌接合用ツール。
3. 請求項１または２に記載の摩擦攪拌接合用回転ツールにおいて、
   前記抜熱体端面（４ａ）の傾斜角θ２は、０°を超え１５°以下である
   ことを特徴とする摩擦攪拌接合用回転ツール。
4. 請求項１乃至３の何れか１項に記載の摩擦攪拌接合用回転ツールにおいて、
   前記抜熱体（４）は、前記ツール本体より熱伝導率の高い材料からなる
   ことを特徴とする摩擦攪拌接合用回転ツール。
5. 請求項１乃至４の何れか１項に記載の摩擦攪拌接合用回転ツールにおいて、
   前記抜熱体（４）の体積Ｖは、５０×１０ ^３ ｍｍ^３以上、９００×１０ ^３ ｍｍ^３以下である
   ことを特徴とする摩擦攪拌接合用回転ツール。
6. 請求項１乃至５の何れか１項に記載の摩擦攪拌接合用回転ツールにおいて、
   前記ツール本体の外周面（３ｅ）の金属板側端部と、前記抜熱体接触面（４ｂ）の金属板側端部との距離Ｌが０ｍｍを超え５０ｍｍ以下である
   ことを特徴とする摩擦攪拌接合用回転ツール。
7. 請求項１乃至６の何れか１項に記載の摩擦攪拌接合用回転ツールにおいて、
   更に、冷却媒体を噴射して前記抜熱体（４）を冷却する冷却媒体噴射装置（５０）
   を備えること特徴とする摩擦攪拌接合用回転ツール。
8. 請求項１乃至７の何れか１項に記載の摩擦攪拌接合用回転ツールにおいて、
   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り、
   前記ツール本体（３）は、焼結炭化タングステンの超硬合金またはタングステン合金からなる
   ことを特徴とする摩擦攪拌接合用回転ツール。
9. 請求項１乃至８の何れか１項に記載の摩擦攪拌接合用回転ツールを用いることを特徴とする摩擦攪拌接合方法。

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