JP5559214B2 - 回転ツールユニット、摩擦攪拌接合方法及びダブルスキンパネルの摩擦攪拌接合方法 - Google Patents

Description

本発明は、ボビンツールを備えた回転ツールユニット、前記回転ツールユニットを用いる摩擦攪拌接合方法、前記回転ツールユニットを用いて接合されるダブルスキンパネルの組立体及び前記回転ツールユニットを用いるダブルスキンパネルの摩擦攪拌接合方法に関する。

従来、金属板の端面同士を摩擦攪拌接合するツールとしてボビンツールが知られている（特許文献１参照）。ボビンツールは、一対のショルダとこのショルダの間に形成されたピンとを備えている。一対の金属板を接合する際には、金属板を移動不能に拘束した上で、金属板の一端側から高速回転させたボビンツールを挿入し、突き合せ部に沿ってピンを移動させる。これにより、端面同士の周囲の金属が摩擦攪拌されて金属板同士が接合される。ボビンツールによれば、金属板の裏側にもショルダを備えているため、通常、金属板の裏側に配置する裏当部材を省略することができる。特に、中空形材の端部同士を接合する際には、裏当部材を設置する作業が煩雑になるため、作業手間を大幅に省略することができる。

一方、従来、二枚の金属板を重ねて構成されたダブルスキンパネルが知られている。ダブルスキンパネルは、鉄道車両、航空機、船舶、土木建築構造物等の構造体として用いられている。ダブルスキンパネルは、例えば、特許文献２に記載されているように、外板と、内板と、外板と内板との間に介設される支持板と、を備えている。また、ダブルスキンパネル同士を接合する際には、隣り合うダブルスキンパネルの外板同士の端部及び内板同士の端部を突き合わせてダブルスキンパネルの組立体を形成した後、回転ツールを用いて突き合わせた部分を摩擦攪拌接合することが知られている。

特許第２７１２８３８号公報 特開２００８−２７２７６８号公報

しかし、ボビンツールを用いた摩擦攪拌接合においては、ピンの軸方向の中心と、金属板の高さ方向の中心とを合わせつつ接合することが好ましいが、金属板が摩擦熱によって変形する場合がある。摩擦熱によって金属板が変形すると、ピンの中心と金属板の中心とが合わなくなり、接合不良になる場合がある。

また、ショルダ間の距離が、金属板の厚さよりも大きいと、摩擦攪拌によって塑性流動化された金属がショルダの外部に溢れやすくなるため接合欠陥が発生しやすいという問題がある。

また、ボビンツールのピンの外周面に螺旋溝を刻設する場合があるが、螺旋溝の方向や刻設する範囲によって接合後の金属板の化粧面に形成される凹溝が大きくなったり、化粧面にバリが多く発生したりするという問題がある。

また、ダブルスキンパネルは薄くかつ長尺な金属部材であるため、一対のダブルスキンパネルの外板同士及び内板同士を精度よく突き合わせる作業が困難となる。また、ダブルスキンパネルの組立体を治具で移動不能に固定しても、回転ツールを移動させて接合する際にダブルスキンパネル同士が離間してしまうという問題がある。

このような観点から、本発明は、ボビンツールを用いて一対の金属板を接合する際に、接合欠陥の発生を抑制し好適に接合することができる回転ツールユニット及び摩擦攪拌接合方法を提供することを課題とする。また、ボビンツールのピンの外周面に螺旋溝を刻設した際に、金属板の化粧面に発生するバリを少なくすること又は化粧面に形成される凹溝を小さくすることを課題とする。さらに、ダブルスキンパネルを好適に接合することができるダブルスキンパネルの摩擦攪拌接合方法を提供することを課題とする。

このような課題を解決するために本発明は、摩擦攪拌接合に用いられる回転ツールユニットであって、摩擦攪拌装置のチャック部に脱着可能に固定される円筒状のホルダーと、前記ホルダーの内部に挿通され前記ホルダーと一体的に回転するスライド軸と、第一ショルダと第二ショルダと前記第一ショルダと前記第二ショルダの間に形成されたピンとで構成されたボビンツールと、を有し、前記スライド軸の先端に別体の前記第一ショルダが連結されており、前記第二ショルダの大径部の外径は、前記第一ショルダの大径部の外径よりも小さくなっているとともに、前記ホルダーに対して前記スライド軸が軸方向に摺動するように、前記ホルダーと前記スライド軸の間にスライド手段を備えており、前記スライド手段は、前記スライド軸の外面又は前記ホルダーの内面に形成されたベアリング溝とベアリング溝内を摺動するボールベアリングとで構成されていることを特徴とする。

かかる構成によれば、仮に、摩擦攪拌によって面外方向に金属板が反ったとしても、ボビンツールが金属板の変形に追従して軸方向に移動する。これにより、接合箇所の位置の変位（ずれ）を防ぐことができるため、接合不良の発生を抑制することができる。

また、かかる構成によれば、スライド手段を容易に構成することができる。
また、前記第二ショルダの外面に、周方向に沿う溝が複数形成されていることが好ましい。

また、前記ホルダー及び前記スライド軸のいずれか一方に形成されたキー溝と、他方に形成されたキーとを有し、前記スライド軸の移動に伴って、前記キーが前記キー溝の内部を移動することが好ましい。

かかる構成によれば、容易な構成でホルダーとスライド軸とを一体的に回転させることができるとともに、キー溝の範囲でスライド軸を移動させることができる。

また、前記ホルダーの内面及び前記スライド軸の外面のいずれか一方の軸方向に沿って延設された突条と、他方の軸方向に沿って延設された凹条とを有し、前記スライド軸の移動に伴って、前記突条が前記凹条の内部を移動することが好ましい。

かかる構成によれば、容易な構成でホルダーとスライド軸とを一体的に回転させることができるとともに、広い範囲でスライド軸を軸方向に移動させることができる。
また、前記ホルダーには、径方向に貫通する長孔状のキー溝が形成され、前記スライド軸の外面には、外側に向けて突出するキーが形成され、前記キーが、前記キー溝に係合することにより、前記ホルダーと前記スライド軸とが一体的に回転することが好ましい。
また、前記ホルダーの外面には、上下方向に平坦に延設された平坦面が形成されており、前記ホルダーは、前記チャック部にボルトを介して締結されており、前記ボルトの先端は、前記平坦面に当接していることが好ましい。
また、前記ピンは、前記第二ショルダを貫通しており、前記第二ショルダの下端においてナットで締結されていることが好ましい。
また、前記第一ショルダは、大径部と、テーパー部と、下端面とを備え、前記テーパー部は、下方に向けて徐々に縮径しており、前記第二ショルダは、大径部と、テーパー部と、上端面とを備え、前記テーパー部は、上方に向けて徐々に縮径していることが好ましい。

また、本発明は、請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の回転ツールユニットを用いて、一対の金属板を接合する摩擦攪拌接合方法であって、前記金属板の端面同士を突き合わせる突き合せ工程と、前記端面同士を突き合せて形成された突き合せ部に回転させた前記ボビンツールのピンを移動させて前記端面同士を摩擦攪拌接合する接合工程と、を含み、前記接合工程では、第一ショルダ及び第二ショルダ間の距離を前記金属板の厚さ以下に設定しておき、摩擦攪拌によって前記金属板が変形して前記金属板の位置が前記ボビンツールの軸方向に変位した際に、その変位に追従して前記ボビンツールが軸方向に移動することを特徴とする。

また、前記接合工程では、前記第一ショルダと前記金属板の化粧面とを対向させ、かつ、前記ピンの軸方向の中心と前記金属板の板厚方向の中心とを合わせた後、前記端面同士を突き合せて形成された突き合せ部に前記スライド軸側から見て右回転させた前記ボビンツールのピンを移動させ、前記ピンの外周面の前記第一ショルダ側に右ネジの螺旋溝が形成されており、この右ネジの螺旋溝が前記第一ショルダ及び前記第二ショルダ間の距離に対して２５％以上の割合で形成されていることが好ましい。

かかる接合方法によれば、第一ショルダ側の右ネジは２５％以上の割合で形成されているため、右ネジの螺旋溝による金属の移動によってボビンツールがスライド軸側に押され、金属板の化粧面にボビンツールが深く入り込むのを防ぐことができる。これにより、化粧面に凹溝が発生するのを防ぐか、又は、凹溝が形成されたとしてもその凹溝の深さを小さくすることができる。

また、前記外周面のうち前記右ネジの螺旋溝の端部から前記第二ショルダまでの間に、左ネジの螺旋溝が形成されていることが好ましい。

かかる接合方法によれば、摩擦攪拌の攪拌効率を高めることができる。

また、前記接合工程では、前記第一ショルダと前記金属板の化粧面とを対向させ、かつ、前記ピンの軸方向の中心と前記金属板の板厚方向の中心とを合わせた後、前記端面同士を突き合せて形成された突き合せ部に前記スライド軸側から見て左回転させた前記ボビンツールのピンを移動させ、前記ピンの外周面の前記第一ショルダ側に左ネジの螺旋溝が形成されており、この左ネジの螺旋溝が前記ショルダ間の距離に対して２５％以上の割合で形成されていることを特徴とする。

かかる接合方法によれば、第一ショルダ側の左ネジは２５％以上の割合で形成されているため、左ネジの螺旋溝による金属の移動によってボビンツールがスライド軸側に押され、金属板の化粧面にボビンツールが深く入り込むのを防ぐことができる。これにより、化粧面に凹溝が発生するのを防ぐか、又は、凹溝が形成されたとしてもその凹溝の深さを小さくすることができる。

また、前記外周面のうち前記左ネジの螺旋溝の端部から前記第二ショルダまでの間に、右ネジの螺旋溝が形成されていることが好ましい。

かかる接合方法によれば、摩擦攪拌の攪拌効率を高めることができる。

また、前記接合工程では、前記第二ショルダと前記金属板の化粧面とを対向させ、かつ、前記ピンの軸方向の中心と前記金属板の板厚方向の中心とを合わせた後、前記端面同士を突き合せて形成された突き合せ部に前記スライド軸側から見て右回転させた前記ボビンツールのピンを移動させ、前記ピンの外周面の前記第二ショルダ側に左ネジの螺旋溝が形成されており、この左ネジの螺旋溝が前記ショルダ間の距離に対して２５％以上の割合で形成されていることが好ましい。

かかる接合方法によれば、第二ショルダ側の左ネジは２５％以上の割合で形成されているため、左ネジの螺旋溝による金属の移動によってボビンツールがスライド軸とは反対側に押され、金属板の化粧面にボビンツールが深く入り込むのを防ぐことができる。これにより、化粧面に凹溝が発生するのを防ぐか、又は、凹溝が形成されたとしてもその凹溝の深さを小さくすることができる。

また、前記外周面のうち前記左ネジの螺旋溝の端部から前記第一ショルダまでの間に、右ネジの螺旋溝が形成されていることが好ましい。

かかる接合方法によれば、摩擦攪拌の攪拌効率を高めることができる。

また、前記接合工程では、前記第二ショルダと前記金属板の化粧面とを対向させ、かつ、前記ピンの軸方向の中心と前記金属板の板厚方向の中心とを合わせた後、前記端面同士を突き合せて形成された突き合せ部に前記スライド軸側から見て左回転させた前記ボビンツールのピンを移動させ、前記ピンの外周面の前記第二ショルダ側に右ネジの螺旋溝が形成されており、この右ネジの螺旋溝が前記ショルダ間の距離に対して２５％以上の割合で形成されていることを特徴とする。

かかる接合方法によれば、第二ショルダ側の右ネジは２５％以上の割合で形成されているため、右ネジの螺旋溝による金属の移動によってボビンツールがスライド軸とは反対側に押され、金属板の化粧面にボビンツールが深く入り込むのを防ぐことができる。これにより、化粧面に凹溝が発生するのを防ぐか、又は、凹溝が形成されたとしてもその凹溝の深さを小さくすることができる。

また、前記外周面のうち前記右ネジの螺旋溝の端部から前記第一ショルダまでの間に、左ネジの螺旋溝が形成されていることが好ましい。

かかる接合方法によれば、摩擦攪拌の攪拌効率を高めることができる。

また、前記接合工程では、前記金属板の化粧面側を冷却しながら接合することが好ましい。

かかる接合方法によれば、流動化された金属の温度の上昇を抑えることにより、凹溝の発生をより抑えることができる。

また、請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の回転ツールユニットを用いて、一対のダブルスキンパネルの端部同士を摩擦攪拌接合するダブルスキンパネルの摩擦攪拌接合方法であって、一方の前記ダブルスキンパネルの外板の端部に形成された鉤部と他方の前記ダブルスキンパネルの外板の端部に形成された鉤部とを係合させつつ、一方の前記ダブルスキンパネルの内板の端部に形成された端面と他方の前記ダブルスキンパネルの内板の端面とを係合させずに突き合わせる準備工程と、前記準備工程で係合させた係合部及び突き合わせた突き合せ部に対して摩擦攪拌接合を行う接合工程と、を含み、前記接合工程では、第一ショルダ及び第二ショルダ間の距離を前記端部の厚さ以下に設定しておき、摩擦攪拌によって前記端部が変形して前記端部の位置が前記ボビンツールの軸方向に変位した際に、その変位に追従して前記ボビンツールが軸方向に移動することを特徴とする。

かかる接合方法によれば、外板の鉤部同士を係合させることにより、接合する際にダブルスキンパネル同士が離間するのを防ぐことができる。内板にも鉤部を設けると、ダブルスキンパネル同士を突き合わせる作業が困難になるが、本発明では内板には鉤部を設けず端面同士を突き合わせるだけでよい。これにより、ダブルスキンパネルを突き合わせる準備工程の作業を省力化することができる。

各前記鉤部は、前記外板の厚肉部から延設された薄肉部と、前記薄肉部に連続し板厚方向に張り出した張出部と、を有し、前記準備工程において、一対の前記張出部同士を係合させることが好ましい。

かかる構成によれば、簡易な構成で鉤部を設けることができる。

また、一方の前記ダブルスキンパネルの前記張出部の側部には張出傾斜面が形成されており、他方の前記ダブルスキンパネルの前記厚肉部には前記張出傾斜面に面接触する厚肉傾斜面が形成されていることが好ましい。

かかる構成によれば、傾斜面同士を斜めに摺動させることができるので、ダブルスキンパネル同士を係合させやすい。

また、前記外板と前記内板の間に支持板が介設されており、前記支持板から前記端面までの長さをｃ（ｍｍ）及び前記厚肉部の板厚をｔ（ｍｍ）としたとき、ｃ≦７．０×ｔ＋１８．５ｍｍを満たすように設定されていることが好ましい。

支持板から端面までの距離が大きいと、部材の端部側の変形が大きくなるおそれがあるが、かかる構成によれば、部材の端部側の変形が小さくなる。

また、前記接合工程では、前記係合部を接合した後に、前記突き合せ部を接合することが好ましい。

係合部及び突き合せ部のどちらを先に接合しても接合強度の観点からは問題が無いが、かかる方法によれば、接合後の金属板同士の角変形を小さくすることができる。

本発明に係る回転ツールユニット及び摩擦攪拌接合方法によれば、接合欠陥の発生を抑制し、好適に接合することができる。また、本発明に係るダブルスキンパネルの摩擦攪拌接合方法によれば、ダブルスキンパネルを好適に接合することができる。

第一実施形態に係る摩擦攪拌装置と中空形材を示す斜視図である。 中空形材の突き合せ状態を示す図であって（ａ）は突き合せ前、（ｂ）は突き合せ後を示す。 第一実施形態に係る摩擦攪拌装置を示す斜視図であって、（ａ）は全体図、（ｂ）はホルダー、スライド軸及びスライド手段を示す。 図３のＩ−Ｉ断面図である。 図３のII−II断面図である。 第一実施形態に係るボビンツールを示す側面図である。 第一実施形態に係る摩擦攪拌接合方法を示す図であって、（ａ）は側断面図、（ｂ）は（ａ）のIII−III端面図である。 第二実施形態に係るボビンツールを示す側面図である。 第二実施形態に係る摩擦攪拌接合方法を示す側断面図である。 （ａ）は摩擦攪拌接合方法の第一変形例を示し、（ｂ）は摩擦攪拌接合方法の第二変形例を示す。 変形例に係る回転ツールユニットを示す図であって（ａ）は側断面図、（ｂ）は（ａ）のIV−IV断面図である。 第三実施形態に係るダブルスキンパネルを示した斜視図である。 第三実施形態に係る摩擦攪拌装置を示した斜視図である。 第三実施形態に係る回転ツールユニットを示した斜視図である。 第三実施形態に係るボビンツールを示した側面図である。 第三実施形態に係る摩擦攪拌接合方法の準備工程を示した正面図である。 第三実施形態に係る摩擦攪拌接合方法の第一接合工程を示した斜視図である。 第三実施形態に係る摩擦攪拌接合方法の第二接合工程を示した斜視図である。 第三実施形態に係る係合形態の変形例を示した正面図である。 実施例１における試験体の組み合わせを示した表である。 実施例１において、試験体Ｈ１の隙間と接合部の厚さとの関係を示すグラフである。 実施例１において、試験体Ｈ３の隙間と接合部の厚さとの関係を示すグラフである。 実施例１において、接合品質に及ぼす金属板の厚さと隙間の関係を示す表であって、Ａｄ側の厚さ＝Ｒｅ側の厚さの場合を示す。 接合品質に及ぼす金属板の厚さと隙間の関係を示す表であって、Ａｄ側の厚さを変化させ、Ｒｅ側の厚さを固定した場合を示す。 接合品質に及ぼす金属板の厚さと隙間の関係を示す表であって、Ａｄ側の厚さを固定し、Ｒｅ側の厚さを変化させた場合を示す。 実施例１において、（ａ）は隙間と中央部の厚さとの関係を示したグラフであり、（ｂ）は隙間とＡｄ部の厚さとの関係を示したグラフである。 実施例１において、（ａ）は隙間とＲｅ部の厚さとの関係を示したグラフであり、（ｂ）は隙間と平均厚さとの関係を示したグラフである。 実施例２において、接合品質に及ぼす金属板の厚さと隙間の関係を示す表であって、Ａｄ側の厚さ＝Ｒｅ側の厚さの場合を示す。 実施例１において、ショルダ間距離を５．８ｍｍに固定した場合の各ボビンツールの寸法と接合状況を示した表である。 実施例２において、ショルダ間距離を２．８ｍｍに固定した場合の各ボビンツールの寸法と接合状況を示した表である。 参考例において、ショルダ間距離を１１．５ｍｍに固定した場合の各ボビンツールの寸法と接合状況を示した表である。 実施例３において、金属板の段差に及ぼすネジ比率の影響（突き合せ部の隙間０ｍｍ）を示したグラフである。 実施例３において、金属板の段差に及ぼすネジ比率の影響（突き合せ部の隙間１．５ｍｍ）を示したグラフである。 実施例３に係る条件Ａの金属板の塑性化領域を突き合せ部の隙間別に示す図である。 実施例３に係る条件Ｂの金属板の塑性化領域を突き合せ部の隙間別に示す図である。 実施例３に係る条件Ｃの金属板の塑性化領域を突き合せ部の隙間別に示す図である。 実施例３に係る条件Ｄの金属板の塑性化領域を突き合せ部の隙間別に示す図である。 実施例３に係る条件Ｅの金属板の塑性化領域を突き合せ部の隙間別に示す図である。 実施例３の結果をまとめた表である。 ボビンツールを左回転させた場合の概念をまとめた表である。 実施例４の係合形態又は突き合わせ形態を示した正面図であって、（ａ）はタイプＩ、（ｂ）はタイプII、（ｃ）はタイプIIIを示す。 実施例４のタイプＩの角変形の結果を示したグラフである。 実施例４のタイプIIの角変形の結果を示したグラフである。 実施例４のタイプIIIの角変形の結果を示したグラフである。 実施例４のボビンツールの回転方向、螺旋溝の巻回方向、係合形態をまとめた表である。 実施例６を示すための図であって（ａ）は供試体を示し、（ｂ）は各条件をまとめた表である。 実施例６の板厚ａと長さｃの相関関係を示したグラフである。

［第一実施形態］
本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。図１に示すように、本実施形態に係る摩擦攪拌装置１は、突き合わされた一対の金属板の突き合せ部Ｎを摩擦攪拌接合する装置である。摩擦攪拌装置１の先端にはボビンツール５が装着されている。まずは、接合する一対の金属板の説明をする。説明における上下前後左右は図１の矢印に従う。

＜中空形材＞
図２の（ａ）に示すように、本実施形態では中空形材１００Ａと中空形材１００Ｂとを接合する場合を例示する。中空形材１００Ａは、アルミニウム合金製の押出形材であって、断面視矩形の中空部１００ａを有する長尺部材である。中空形材１００Ａは、中空部１００ａを備えた本体部１０１と、本体部１０１の左側面の上下端からそれぞれ左側（中空形材１００Ｂ側）に張り出した板状端部１０２，１０３とを有する。

本体部１０１は、４つの面材１０４，１０５，１０６，１０７で構成され、断面視矩形に形成されている。板状端部１０２，１０３は、板状を呈し面材１０５に対して垂直になっている。板状端部１０２，１０３の左右方向の長さは、面材１０４の半分程度になっている。また、板状端部１０２，１０３は、面材１０４，１０５，１０６，１０７と同等の厚さになっている。板状端部１０２，１０３は、請求の範囲の「金属板」に相当する部位である。

中空形材１００Ｂは、中空形材１００Ａと同等の形状を呈する金属部材である。中空形材１００Ｂは、中空形材１００Ａと同等の符号を付して詳細な説明は省略する。

中空形材１００Ａと中空形材１００Ｂとを突き合わせる際には、中空形材１００Ａの板状端部１０２，１０３と中空形材１００Ｂの１０２，１０３とをそれぞれ突き合わせる。より詳しくは、中空形材１００Ａの板状端部１０２の端面１０２ａと中空形材１００Ｂの板状端部１０２の端面１０２ａとを突き合わせるとともに、中空形材１００Ａの板状端部１０３の端面１０３ａと中空形材１００Ｂの板状端部１０３の端面１０３ａとをそれぞれ突き合わせる。図２の（ｂ）に示すように、中空形材１００Ａと中空形材１００Ｂとを突き合わせると、端面１０２ａ，１０２ａの高さ方向の中心同士が重なるとともに、板状端部１０２，１０２の上面と下面とがそれぞれ面一になる。

図２の（ｂ）に示すように、端面１０２ａ，１０２ａ、端面１０３ａ，１０３ａがそれぞれ突き合わされた部分を「突き合せ部Ｎ」とする。突き合せ部Ｎを接合する際には、端面１０２ａ，１０２ａが密接していることが好ましいが、中空形材１００Ａ，１００Ｂの公差や、接合時における摩擦熱によって板状端部１０２，１０２が変形し、端面１０２ａ，１０２ａとの間に微細な隙間が生じる場合がある。突き合せ部Ｎとは、端面１０２ａ，１０２ａに微細な隙間が生じている場合も含む概念である。

なお、本実施形態では接合する対象として中空形材の板状端部を例示しているが、接合する対象は、摩擦攪拌可能な金属で形成されており、板状を呈する部材であれば特に制限されるものではない。

＜摩擦攪拌装置＞
図３の（ａ）に示すように、摩擦攪拌装置１は、チャック部１ａと、チャック部１ａの内部に固定される回転ツールユニット２とで主に構成されている。図４に示すように、チャック部１ａは、フランジを備えた円筒状の部材であって、摩擦攪拌装置１の本体ＤにボルトＢ１で接続されている。チャック部１ａは、摩擦攪拌装置１の回転駆動によって軸周りに回転する部位である。チャック部１ａの内周には円筒面１ｂが形成されている。

回転ツールユニット２は、図４に示すように、ホルダー３と、スライド軸４と、ボビンツール５と、スライド手段６とで構成されている。回転ツールユニット２は、チャック部１ａに対して着脱可能になっている。

ホルダー３は、スライド軸４を内包するとともに、チャック部１ａの内部に固定される部材である。ホルダー３は、円筒状を呈する。ホルダー３の外面には、上下方向に平坦に延設された平坦面３ａが形成されているため、円筒面１ｂと平坦面３ａとの間には微細な隙間が形成されている。ボルト２Ｂ，２Ｂは、チャック部１ａの外面から径方向に向けて締結されており、その先端が平坦面３ａに当接している。これにより、チャック部１ａとホルダー３とが一体的に回転する。また、図５に示すように、ホルダー３には、径方向に貫通する長孔状のキー溝３ｂが形成されている。

スライド軸４は、図４に示すように、円柱状を呈し、ホルダー３の中空部に配置される部材である。スライド軸４は、ホルダー３に対して上下方向に移動可能になっている。図５に示すように、スライド軸４の外面には、外側に向けて突出するキー４ａが形成されている。キー４ａが、キー溝３ｂに係合することにより、ホルダー３とスライド軸４とが一体的に回転する。

ボビンツール５は、図６に示すように、例えば工具鋼で形成されておりスライド軸４に連結されている。ボビンツール５は、チャック部１ａ、ホルダー３及びスライド軸４と一体的に正逆回転する。ボビンツール５は、第一ショルダ１１と、第一ショルダ１１の下方に間をあけて配設された第二ショルダ１２と、第一ショルダ１１と第二ショルダ１２とを連結するピン１３とを有する。

第一ショルダ１１及び第二ショルダ１２は、円柱状を呈し、同等の外径を備えている。ピン１３は、円柱状を呈し、第一ショルダ１１と第二ショルダ１２とを連結する。ピン１３は、第二ショルダ１２を貫通している。第二ショルダ１２を貫通したピン１３は、第二ショルダ１２の下端においてナットで締結されている。ピン１３の外周面には、上部螺旋溝１３ａと下部螺旋溝１３ｂとが刻設されている。上部螺旋溝１３ａ及び下部螺旋溝１３ｂの溝の向きはそれぞれ反対方向に巻回されるように刻設されている。

上部螺旋溝１３ａは、第一ショルダ１１の下端からピン１３の高さ方向の中間位置まで刻設されている。本実施形態ではボビンツール５を右回転させるため、上部螺旋溝１３ａは右ネジで形成されている。つまり、上部螺旋溝１３ａは、上から下に向けて右回りに巻回されるように刻設されている。

一方、下部螺旋溝１３ｂは、第二ショルダ１２の上端からピン１３の高さ方向の中間位置まで刻設されている。本実施形態ではボビンツール５を右回転させるため、下部螺旋溝１３ｂは左ネジで形成されている。つまり、下部螺旋溝１３ｂは、上から下に向けて左回りに巻回されるように刻設されている。

上部螺旋溝１３ａ及び下部螺旋溝１３ｂをこのように形成することで、摩擦攪拌されて塑性流動化した金属が、板状端部１０２の高さの中央部分から上端方向又は下端方向に向って若干移動するようになっている。なお、これら上下方向への金属の移動は、ボビンツール５のピン１３の回転による周方向での金属の移動に比べて微量に止まるものである。

螺旋溝の巻回方向や刻設する割合については、接合する金属板の化粧面とボビンツール５との位置関係や、ボビンツールの回転方向等に応じて適宜設定すればよい。本実施形態では、ピン１３に対して右ネジと左ネジの両方の螺旋溝を刻設しているが、例えば、ピン１３に対して全て右ネジの螺旋溝を刻設してもよいし、全て左ネジの螺旋溝を刻設してもよい。また、本実施形態では、第一ショルダ１１側を右ネジ、第二ショルダ１２側を左ネジにしているが、第一ショルダ１１側を左ネジ、第二ショルダ１２側を右ネジにしてもよい。

図６に示すように、ボビンツール５のショルダ間距離Ｚ（ピン１３の長さ）は、中空形材１００Ａの板状端部１０２の厚さＴと同等か、それよりも小さくなっていることが好ましい。例えば、本実施形態では、ショルダ間距離Ｚは、中空形材１００Ａの板状端部１０２の厚さＴよりも０．２ｍｍ小さくなっている。

なお、突き合せ部Ｎ（図２の（ｂ）参照）の端面１０２ａ，１０２ａの隙間を０．７５ｍｍ以下に設定できる場合、板状端部１０２の厚さＴとショルダ間距離Ｚとを同等、つまり、Ｔ−Ｚ＝０と設定しても接合状態を良好にすることができる。

また、突き合せ部Ｎの端面１０２ａ，１０２ａの隙間を１．００ｍｍ以下に設定できる場合、板状端部１０２の厚さＴとショルダ間距離Ｚとを、０．２ｍｍ≦Ｔ−Ｚ≦０．８ｍｍとなるように設定することが好ましい。

また、突き合せ部Ｎの端面１０２ａ，１０２ａの隙間を１．００より大きく、１．７５ｍｍ以下に設定できる場合、板状端部１０２の厚さＴとショルダ間距離Ｚとを、０．４ｍｍ≦Ｔ−Ｚ≦０．８ｍｍとなるように設定することが好ましい。

また、ボビンツール５は、第一ショルダ１１及び第二ショルダ１２の外径Ｘを二乗した値をピン１３の外径Ｙを二乗した値で除した値が２．０より大きくなるように設定することが好ましい。かかるボビンツール５によれば、バリとして排出される材料の量を第一ショルダ１１及び第二ショルダ１２によって抑制できるため、接合欠陥の発生を低減することができる。

また、ボビンツール５は、ピン１３の外径Ｙを二乗した値を、第一ショルダ１１及び第二ショルダ１２の外径Ｘを二乗した値からピン１３の外径Ｙを二乗した値を引いた値で除した値が０．２よりも大きくなるように設定されていることが好ましい。かかるボビンツール５によれば、接合時にツール軸方向に発生する材料抵抗に対するピンの抗張力を十分に確保できるため、ピン１３の破損を防ぐことができる。

また、ボビンツール５は、ピン１３の外径Ｙを二乗した値をピン１３の外径Ｙとショルダ間距離Ｚとの積で除した値が１．２よりも大きくなるように設定することが好ましい。かかるボビンツール５によれば、接合時にツール進行方向とは逆向きに流れる材料抵抗に対するピンの抗折力を十分に確保できるため、ピン１３の破損を防ぐことができる。これらの根拠については実施例で記載する。

スライド手段６は、図３の（ｂ）及び図４に示すように、ホルダー３に対してスライド軸４を上下方向にスムーズに移動させる機構である。スライド手段６は、ホルダー３の内面に形成されたベアリング溝８と、ベアリング溝８内を摺動するボールベアリング９とで構成されている。ベアリング溝８は、図３の（ｂ）に示すように、ホルダー３の内面に側面視して長円状に形成されている。ベアリング溝８の深さは、ボールベアリング９の直径よりも小さくなっている。ボールベアリング９は、ベアリング溝８の内部に複数個配設される。ボールベアリング９の一端がスライド軸４の外面に摺接するとともに他端がベアリング溝８の内面に摺接する。

なお、スライド手段６の構成は、本実施形態の構成に限定されるものではない。スライド手段６は、ホルダー３とスライド軸４とが一体的に回転するとともに、ホルダー３に対してスライド軸４が上下方向にスムーズに移動するように構成されていればよい。例えば、スライド軸４側に、ベアリング溝８とボールベアリング９を設けてもよい。

ここで、摩擦攪拌接合を行うと、摩擦熱によって板状端部１０２，１０２の温度が上昇し、板状端部１０２，１０２が上方又は下方に反ってしまう場合がある。本実施形態に係る摩擦攪拌装置１は、スライド軸４がホルダー３に対して移動可能に形成されているため、板状端部１０２が例えば上方に反った際に、その反りに追従してボビンツール５が所定の距離だけ上方に移動するように構成されている。一方、板状端部１０２が下方に反った際には、その反りに追従してボビンツール５が所定の距離だけ下方に移動するように構成されている。これにより、摩擦攪拌接合中における金属板に対するボビンツール５の位置ズレを抑制できるようになっている。

次に、第一実施形態のボビンツール５を用いた接合方法について説明する。
第一実施形態の接合方法では、ボビンツール５を右回転させて接合を行う。具体的には、この接合方法では、中空形材同士を突き合わせる突き合せ工程と、突き合せ部Ｎにボビンツール５を挿入する接合工程と、を行う。ここでは、表面Ｓａを化粧面として設定する。

突き合せ工程では、図２に示すように、中空形材１００Ａと中空形材１００Ｂとを板状端部１０２同士で対向させ、端面１０２ａ，１０２ａ同士及び端面１０３ａ，１０３ａ同士を面接触させる。より詳しくは、一方の端面１０２ａの中点と、他方の端面１０２ａの中点とが重なるように面接触させる。なお、突き合わせた後は、中空形材１００Ａ，１００Ｂが離間しないように、突き合せ部Ｎに沿って溶接などで仮付けを行ってもよい。中空形材１００Ａと中空形材１００Ｂとを突き合わせたら、両者を移動不能に拘束する。

接合工程では、まず、突き合せ部Ｎの外部において、ピン１３の中心１３ｃが、突き合せ部Ｎの中心Ｎｃと重なるように位置させる。そして、図７に示すように、右回転させたボビンツール５を突き合せ部Ｎに沿って移動させる。ボビンツール５が突き合せ部Ｎに挿入されると、高速回転するピン１３によってピン１３の周囲の金属が摩擦攪拌され板状端部１０２同士が一体化される。ピン１３の軌跡には塑性化領域Ｗが形成される。

以上説明した本実施形態に係る接合方法によれば、摩擦攪拌接合の摩擦熱によって板状端部（金属板）１０２，１０２が反ったとしても、その反りに追従してボビンツール５が上下方向にスムーズに移動可能になっている。これにより、ピン１３の中心１３ｃと突き合せ部Ｎの中心Ｎｃとの高さ位置がずれるのを抑制できる。これにより、接合位置がずれるのを防ぐことができる。

また、本実施形態のように、ボビンツール５のショルダ間距離Ｚを板状端部１０２の厚さＴ以下に設定することで、塑性流動化した金属を押えることができ、摩擦攪拌によって塑性流動化した金属が第一ショルダ１１及び第二ショルダ１２の外部に溢れるのを防ぐことができる。これにより、接合欠陥の発生を抑制することができる。なお、Ｔ−Ｚの値が０．８を超えると摩擦攪拌装置１への負荷が大きくなるため不適切である。

また、接合方法によれば、摩擦攪拌されて流動化された金属は、ピン１３の右ネジの上部螺旋溝１３ａと、左ネジの下部螺旋溝１３ｂに導かれて板状端部１０２の中心Ｎｃから表面Ｓａ側及び裏面Ｓｂ側にそれぞれ移動する。右ネジの上部螺旋溝１３ａは２５％以上の割合で形成されているため、この螺旋溝による金属の移動によってボビンツール５が板状端部１０２に対してスライド軸４側（上方）に押され、表面（化粧面）Ｓａに深く入り込むのを防ぐことができる。これにより、化粧面に凹溝Ｖが発生するのを防ぐか、又は、凹溝Ｖが形成されたとしてもその凹溝Ｖの深さを小さくすることができる。凹溝Ｖの発生を防ぐか又は凹溝Ｖを小さくすることで、表面（化粧面）Ｓａを平滑にする仕上げ処理が容易になる。

また、第一実施形態では、上部螺旋溝１３ａと下部螺旋溝１３ｂの割合が５０：５０であるため、図７の（ａ）に示すように、上側と下側で移動する金属量を均等にすることができる。これにより、ピン１３の中心１３ｃと突き合せ部Ｎの中心Ｎｃとの位置ずれをより防ぐことができる。また、上部螺旋溝１３ａ及び下部螺旋溝１３ｂが刻設されているため、摩擦攪拌の攪拌効率を高めることができる。

接合工程を行う際には、板状端部１０２の表面（化粧面）Ｓａに対して、例えば冷却された気体や液体等を供給可能な冷却装置によって、冷却しながら行うことが好ましい。これにより、板状端部１０２の変形を抑制して接合精度を向上させることができる。なお、板状端部１０２の裏面Ｓｂ側を冷却しながら接合を行ってもよい。

［第二実施形態］
第二実施形態に係る接合方法では、ボビンツールの螺旋溝の構成及び回転方向が第一実施形態と相違する。第二実施形態の説明においては、第一実施形態と共通する点については、詳細な説明を省略する。

図８は、第二実施形態に係るボビンツールを示す側面図である。図８に示すように、第二実施形態に係るボビンツール５Ａのピン１３の外周面には、上半分に形成された左ネジの上部螺旋溝１３ａと、下半分に形成された右ネジの下部螺旋溝１３ｂとが刻設されている。つまり、上部螺旋溝１３ａは上から下に向けて左回りに巻回されるように刻設されており、下部螺旋溝１３ｂは上から下に向けて右回りに巻回されるように刻設されている。

ボビンツール５Ａのショルダ間距離（ピン１３の長さ）Ｚは、中空形材１００Ａの板状端部１０２の板厚Ｔ以下になっていることが好ましい。例えば、本実施形態では、ショルダ間距離Ｚは、中空形材１００Ａの板状端部１０２の板厚Ｔよりも０．４ｍｍ小さくなっている。

次に、第二実施形態のボビンツール５Ａを用いた接合方法ついて説明する。
第二実施形態の接合方法では、図９に示すように、ボビンツール５Ａを左回転させて接合を行う。具体的には、この接合方法では、中空形材同士を突き合わせる突き合せ工程と、突き合せ部Ｎにボビンツール５Ａを挿入する接合工程と、を行う。ここでは、表面Ｓａを化粧面として設定する。突合工程は、第一実施形態と同等であるため、説明を省略する。

接合工程では、突き合せ部Ｎの外部において、ピン１３の中心１３ｃが、突き合せ部Ｎの中心Ｎｃと重なるように位置させる。そして、図９に示すように、左回転させたボビンツール５Ａを突き合せ部Ｎに沿って移動させる。ボビンツール５Ａが突き合せ部Ｎに挿入されると、高速回転するピン１３によってピン１３の周囲の金属が摩擦攪拌され板状端部１０２同士が一体化される。ピン１３の軌跡には塑性化領域Ｗが形成される。

この接合方法によれば、摩擦攪拌されて流動化された金属は、ピン１３の左ネジの上部螺旋溝１３ａと、右ネジの下部螺旋溝１３ｂに導かれて板状端部１０２の中心Ｎｃから表面Ｓａ側及び裏面Ｓｂ側にそれぞれ移動する。左ネジの上部螺旋溝１３ａは２５％以上の割合で形成されているため、この螺旋溝による金属の移動によってボビンツール５Ａが板状端部１０２に対してスライド軸４側（上方）に押され、表面（化粧面）Ｓａに深く入り込むのを防ぐことができる。これにより、表面（化粧面）Ｓａに凹溝Ｖが発生するのを防ぐか、又は、凹溝Ｖが形成されたとしてもその凹溝Ｖの深さを小さくすることができる。

また、第二実施形態では、上部螺旋溝１３ａと下部螺旋溝１３ｂの割合が５０：５０であるため、移動する金属量を均等にすることができる。これにより、ピン１３の中心１３ｃと突き合せ部Ｎの中心Ｎｃとの位置ずれをより防ぐことができる。また、上部螺旋溝１３ａ及び下部螺旋溝１３ｂが刻設されているため、摩擦攪拌の攪拌効率を高めることができる。

＜第一変形例＞
第一変形例では、図１０の（ａ）に示すように、板状端部１０２Ａと板状端部１０２Ｂとの厚さが異なる点で前記した実施形態と相違する。板状端部１０２Ｂの厚さＴ１は、板状端部１０２Ａの厚さＴ２よりも大きくなっている。第一変形例では、板状端部１０２Ａの高さ方向の中点と、板状端部１０２Ｂの高さ方向の中点とが重なるように突き合わされている。

第一変形例に係る接合工程では、ボビンツール５を右回転させて、板状端部１０２Ｂの突き合せ部Ｎの厚さが大きい方の板状端部１０２Ｂ（金属板）を進行方向に対して左側に配置する。

摩擦攪拌においては、回転ツールを右回転させた場合、ツールの進行方向左側（シアー側：回転ツールの回転速度に回転ツールの移動速度が加算される側）からツールの進行方向右側（フロー側：回転ツールの回転速度に回転ツールの移動速度が減算される側）に塑性流動化された金属が流れる傾向があるため、仮に、金属板同士の間に隙間がある場合には、シアー側の金属でその隙間が埋められると考えられる。したがって、シアー側の金属板の厚さが小さいと、金属が不足して接合後の塑性化領域の中央部の厚さが小さくなる傾向がある。ちなみに、回転ツールを左回転させた場合、ツールの進行方向右側がシアー側、左側がフロー側となる。

第一変形例では、シアー側にあたる板状端部１０２Ｂの厚さＴ１を板状端部１０２Ａの厚さＴ２よりも大きくすることで、塑性化領域Ｗの中央部の金属の不足を解消してより好適に接合することができる。

＜第二変形例＞
第二変形例では、図１０の（ｂ）に示すように、板状端部１０２Ｃと板状端部１０２Ｄとの厚さが異なる点で前記した実施形態と相違する。板状端部１０２Ｃの厚さＴ１は、板状端部１０２Ｄの厚さＴ２よりも大きくなっている。第二変形例では、板状端部１０２Ｃの高さ方向の中点と、板状端部１０２Ｄの高さ方向の中点とが重なるように突き合わされている。

第二変形例に係る接合工程では、ボビンツール５を左回転させて、板状端部１０２Ｃの突き合せ部Ｎの厚さが大きい方の板状端部１０２Ｃ（金属板）を進行方向に対して右側に配置する。

第二変形例では、第一変形例と同様の原理により、シアー側にあたる板状端部１０２Ｃの厚さＴ１を板状端部１０２Ｄの厚さＴ２よりも大きくすることで、塑性化領域Ｗの中央部の金属の不足を解消してより好適に接合することができる。

＜第三変形例＞
第三変形例の回転ツールユニットは、図１１の（ａ）及び（ｂ）に示すように、ホルダー５０と、スライド軸５１と、スライド手段５２と、ボビンツール５とを備えている。主に、ホルダー５０とスライド軸５１の構造が第一実施形態と相違する。

ホルダー５０は、本体筒部５３と、本体筒部５３の下端に形成されたカラー部５４とで構成されている。本体筒部５３は、円筒状を呈する。図１１の（ｂ)に示すように、本体筒部５３の内面には、内側に向けて突出する突条５３ａ，５３ａが形成されている。突条５３ａ，５３ａは対向する位置に形成されている。突条５３ａは、断面視略半円形状を呈し、本体筒部５３の高さ方向の全長に亘って形成されている。

カラー部５４は、断面視Ｌ字状、平面視リング状を呈し本体筒部５３の下端に接合されている。カラー部５４は、本体筒部５３の内面よりも内側に張り出すストッパー部５４ａを備えている。

スライド軸５２は、大径部５５と、大径部５５の下部に設けられた小径部５６と、大径部５５と小径部５６によって形成された段差部５７とを備えている。図１１の（ｂ）に示すように、大径部５５の外面には、突条５３ａに対応する凹条５５ａ，５５ａが形成されている。凹条５５ａは、突条５３ａと略同等の形状を呈し、大径部５５の高さ方向の全長に亘って形成されている。

スライド手段５２は、第一実施形態と略同等の構成であって、図１１の（ｂ）に示すように、ベアリング溝５２ａとボールベアリング５２ｂとを有する。スライド手段５２は、ホルダー５０に対してスライド軸５１の軸方向の移動をスムーズにさせる。

ホルダー５１の突条５３ａとスライド軸５２の凹条５５ａとが係合することにより、軸方向の移動を許容しつつ、ホルダー５１とスライド軸５２とが一体的に回転する。突条５３ａはホルダー５１の高さ方向の全長に形成されているため、スライド軸５１の移動距離を長くすることができる。また、突条５３ａの全長が凹条５５ａと係合するため、スライド軸５２を安定して移動させることができる。また、突条５３ａと凹条５５ａは回転軸を挟んで両側に設けられているため、より安定して移動させることができる。また、ストッパー部５４ａとスライド軸５１の段差部５７とが当接することにより、スライド軸５１の下方への移動を規制することができる。

なお、第一実施形態、第二実施形態、第一変形例〜第三変形例では前記したように回転ツールユニットを構成したが、これに限定されるものではない。例えば、ホルダー及びスライド軸の水平断面形状が多角形となるようにしてもよい。

［第三実施形態］
本発明の第三実施形態について説明する。第三実施形態ではダブルスキンパネルを接合する場合を例示する。本実施形態の説明における上下左右前後は、図１２の矢印にしたがう。

ダブルスキンパネル２０１は、図１２に示すように、金属製の薄い長尺部材であって、外板２０２と、内板２０３と、支持板２０４，２０４とで主に構成されている。各支持板２０４は、外板２０２及び内板２０３に対して垂直になっている。ダブルスキンパネル２０１は、左右方向に複数枚接合されることにより、例えば鉄道車両、航空機、船舶及び土木建築構造物等の構造体として用いられる。ダブルスキンパネル２０１の製造方法は特に制限されないが、本実施形態では押出成形で成形されている。ダブルスキンパネル２０１の材料は、摩擦攪拌可能な金属であれば特に制限されないが、本実施形態ではアルミニウム合金を用いている。

外板２０２は、中央部２０５と、中央部２０５から右側に延設された右側板状端部２１０と、中央部２０５から左側に延設された左側板状端部２２０とで構成されている。

右側板状端部２１０は、第一外板厚肉部２１１と、第一鉤部２１２と、第一肉盛部２１３とで構成されている。第一外板厚肉部２１１は、支持板２０４に対して垂直になっており、右側に延設されている。第一鉤部２１２は、鉤状になっており、右側に延設された第一薄肉部２１４と、第一薄肉部２１４から垂直に張り出した第一張出部２１５とで構成されている。第一薄肉部２１４は、第一外板厚肉部２１１の３分の一程度の厚さになっている。

第一張出部２１５は、第一薄肉部２１４の先端から内板２０３側に向けて張り出している。第一張出部２１５の側部には、内板２０３側に向かうにつれて支持板２０４に近づくように傾斜する第一張出傾斜面２１６が形成されている。第一肉盛部２１３は、第一外板厚肉部２１１、第一薄肉部２１４及び第一張出部２１５の上面から一定の厚みで上方に突出し、厚肉に形成された部位である。

左側板状端部２２０は、第二外板厚肉部２２１と、第二鉤部２２２と、第二肉盛部２２３とで主に構成されている。第二外板厚肉部２２１は、支持板２０４に対して垂直になっており、左側に延設されている。第二鉤部２２２は、鉤状になっており、左側に延設された第二薄肉部２２４と、第二薄肉部２２４に対して垂直に張り出した第二張出部２２５とで構成されている。第二薄肉部２２４は、第二外板厚肉部２２１の３分の一程度の厚さになっている。

第二張出部２２５は、第二薄肉部２２４の先端から内板２０３とは反対側に向けて張り出している。第二外板厚肉部２２１の左端には、内板２０３側に向かうにつれて支持板２０４から離間するように傾斜する第二厚肉部傾斜面２２６が形成されている。第二厚肉部傾斜面２２６は、第一張出傾斜面２１６と同じ傾斜角度になっている。第二肉盛部２２３は、第二外板厚肉部２２１の上面から一定の厚みで上方に突出し、厚肉に形成された部位である。

内板２０３は、中央部２０６と、中央部２０６から右側に延設された右側板状端部２３０と、中央部２０６から左側に延設された左側板状端部２４０とで構成されている。

右側板状端部２３０は、第一内板厚肉部２３１と、第一肉盛部２３２と、第一端面２３３とで構成されている。第一内板厚肉部２３１は、支持板２０４に対して垂直になっており、右側に延設されている。第一肉盛部２３２は、第一内板厚肉部２３１の先端側の下面から下方に突出し、厚肉になっている部位である。

左側板状端部２４０は、第二内板厚肉部２４１と、第二肉盛部２４２と、第二端面２４３とで構成されている。第二内板厚肉部２４１は、支持板２０４に対して垂直になっており、左側に延設されている。第二肉盛部２４２は、第二内板厚肉部２４１の先端側の下面から下方に突出し、厚肉になっている部位である。

次に、本実施形態で用いる摩擦攪拌装置について説明する。図１３，１４に示すように、摩擦攪拌装置２６１は、チャック部２６１ａと、チャック部２６１ａに固定された回転ツールユニット２６２とで構成されている。チャック部２６１ａは、第一実施形態と同じように摩擦攪拌装置２６１の本体（図示省略）にボルトで接合されている。

回転ツールユニット２６２は、ホルダー２６３と、スライド軸２６４と、ボビンツール２６５と、図示しないスライド手段とで構成されている。

ホルダー２６３は、図１４に示すように、スライド軸２６４を内包するとともに、チャック部２６１ａの内部に取り付けられる部材である。ホルダー２６３は、円筒状を呈する。ホルダー２６３には、半径方向に貫通する長孔状のキー溝２６３ｂが形成されている。

スライド軸２６４は、図１４に示すように、円柱状を呈し、ホルダー２６３の中空部に挿入される部材である。スライド軸２６４は、ホルダー２６３に対して上下方向に移動可能になっている。スライド軸２６４の外面には、外側に向けて突出するキー２６４ａが形成されている。キー２６４ａが、キー溝２６３ｂに係合することにより、ホルダー２６３とスライド軸２６４とが一体的に回転する。

ボビンツール２６５は、図１５に示すように、第一ショルダ２５２と、第二ショルダ２５３と、第一ショルダ２５２と第二ショルダ２５３との間に介設されたピン２５４とで構成されている。第一ショルダ２５２、第二ショルダ２５３、ピン２５４はいずれも略円柱状を呈し同軸になっている。ボビンツール２６５は、ピン２５４が接合部分を高速回転しながら移動することにより摩擦攪拌接合するツールである。

第一ショルダ２５２は、大径部２５２ａと、テーパー部２５２ｂと、下端面２５２ｃとを備えている。テーパー部２５２ｂは、下方に向けて徐々に縮径している。第一ショルダ２５２の下端面２５２ｃには、図示は省略するが、ピン２５４周りに沿って平面視渦巻き形状の窪みが形成されている。

第二ショルダ２５３は、外面に溝を備えた構成になっている。第二ショルダ２５３は、大径部２５３ａと、テーパー部２５３ｂと、上端面２５３ｃとを備えている。テーパー部２５３ｂは、上方に向けて徐々に縮径している。大径部２５３ａの外径Ｙ１は、大径部２５２ａの外径Ｘ１よりも小さくなっている。また、上端面２５３ｃの直径Ｙ２は、下端面２５２ｃの直径Ｘ２と同等になっている。

ピン２５４の外面には、左ネジで形成された螺旋溝２５５が刻設されている。つまり、螺旋溝２５５は、上から下に向け左回りとなるように巻回されている。ピン２５４の外径Ｕは、直径Ｘ２及び直径Ｙ２よりも小さくなっている。第一ショルダ２５２は、ナットを介してスライド軸２６４に接続されている。

ボビンツール２６５のショルダ間距離（ピン２５４の長さ）は、接合する部分の板厚（本実施形態では、第一外板厚肉部２１１と第一肉盛部２１３との厚さの合計）以下になっていることが好ましい。螺旋溝２５５の溝の深さや、ピッチ等は摩擦攪拌する金属板の材料や接合する部分の板厚、ショルダ間距離等に応じて適宜設定すればよい。

スライド手段（図示省略）は、ホルダー２６３とスライド軸２６４との間に形成され、ホルダー２６３に対してスライド軸２６４をスムーズに上下動させるものである。スライド手段は、第一実施形態と同等であるため、詳細な説明を省略する。

摩擦攪拌装置２６１は、スライド軸２６４がホルダー２６３に対して移動可能に形成されているため、接合する金属板が例えば上方に反った際に、その反りに追従してボビンツール２６５が所定の距離だけ上方に移動するように構成されている。一方、接合する金属板が下方に反った際には、その反りに追従してボビンツール２６５が所定の距離だけ下方に移動するように構成されている。これにより、摩擦攪拌接合中における金属板に対するボビンツール２６５の位置ズレを抑制できるようになっている。

次に、本実施形態に係るダブルスキンパネルの接合方法について説明する。ここでは同形状のダブルスキンパネル２０１を二本併設して接合する場合を例示する。この接合方法では、準備工程と、接合工程とを行う。

準備工程では、図１６に示すように、ダブルスキンパネル２０１，２０１を突き合わせてダブルスキンパネルの組立体を形成し、その組立体を移動不能に拘束する。なお、説明においては、一方のダブルスキンパネルを「２０１Ａ」と付し、他方のダブルスキンパネルを「２０１Ｂ」と付し、それぞれに対応する要素に「Ａ」、「Ｂ」と符号を加えて区別する。

準備工程では、具体的には、ダブルスキンパネル２０１Ａの第一鉤部２１２Ａとダブルスキンパネル２０１Ｂの第二鉤部２２２Ｂとを係合させるとともに、第一端面２３３Ａと第二端面２４３Ｂとを突き合わせる。これにより、第一鉤部２１２Ａと第二鉤部２２２Ｂとが隙間なく係合し、係合部Ｍが形成される。一方、第一端面２３３Ａと第二端面２４３Ｂとが突き合わされて突き合せ部Ｎが形成される。張出部２１５Ａと張出部２２５Ｂとが係合する箇所及び第一端面２３３Ａと第二端面２４３Ｂとが突き合わされる箇所の延長線を「センター線Ｃ」とする。

準備工程を行うと、第一肉盛部２１３Ａの上面と第二肉盛部２２３Ｂの上面とは面一になるとともに、第一外板厚肉部２１１Ａの下面と第二外板厚肉部２２１Ｂの下面は面一になる。また、第一内板厚肉部２３１Ａの上面と第二内板厚肉部２４１Ｂの上面は面一になるとともに、第一肉盛部２３２Ａの下面と第二肉盛部２４２Ｂの下面とは面一になっている。ダブルスキンパネルの組立体を形成したら、この組立体を治具で移動不能に拘束する。

接合工程では、図１７に示すように、ボビンツール２６５を用いて係合部Ｍを接合する第一接合工程と、突き合せ部Ｎを接合する第二接合工程を行う。

第一接合工程では、進行方向の左側にダブルスキンパネル２０１Ａが配置されるようにする。そして、右回転させたボビンツール２６５のピン２５４の中心を、センター線Ｃ上における係合部Ｍの高さ方向の中心に合わせ、係合部Ｍに突入させる。そして、前側から後側に向けて係合部Ｍに沿って摩擦攪拌接合を行う。なお、係合部Ｍにはボビンツール２６５が移動した軌跡に沿って塑性化領域Ｗ１が形成される（図１８参照）。

第二接合工程では、図１８に示すように、第一接合工程が終えたら、ダブルスキンパネルの組立体を裏返しにして、再度ダブルスキンパネルの組立体を移動不能に拘束する。そして、右回転させたボビンツール２６５のピン２５４の中心を、センター線Ｃ上における突き合せ部Ｎの高さ方向の中心に合わせ、突き合せ部Ｎに突入させる。そして、前側から後側に向けて突き合せ部Ｎに沿って摩擦攪拌接合を行う。突き合せ部Ｎにはボビンツール２６５が移動した軌跡に沿って塑性化領域（図示省略）が形成される。以上の工程により、外板２０２Ａと外板２０２Ｂとが接合されるとともに、内板２０３Ａと内板２０３Ｂとが接合される。

以上説明した本実施形態にかかる摩擦攪拌接合方法によれば、外板２０２Ａの第一鉤部２１２Ａと外板２０２Ｂの第二鉤部２２２Ｂを係合させることにより、摩擦攪拌接合する際にダブルスキンパネル２０１Ａ，２０１Ｂが離間するのを簡易に防ぐことができる。一方、内板２０３Ａ及び内板２０３Ｂには鉤部を設けず第一端面２３３Ａ及び第二端面２４３Ｂを突き合わせることにより、準備工程の作業やダブルスキンパネルの製造を省力化することができる。ダブルスキンパネル２０１Ａ，２０１Ｂが長尺である場合、内板２０３Ａ及び内板２０３Ｂにも鉤部を設けると係合する作業が困難になるが、本実施形態によれば係合作業が容易となる。

また、準備工程では、第一鉤部２１２Ａと第二鉤部２２２Ｂとを係合させる際に、第一張出傾斜面２１６Ａと第二本体傾斜面２２６Ｂとを摺動させながら係合させることができるため、係合作業が容易になる。具体的には、載置されたダブルスキンパネル２０１Ｂの上方から、ダブルスキンパネル２０１Ａを降ろす際に、第一張出傾斜面２１６Ａと第二本体傾斜面２２６Ｂとを摺動させるだけで、係合させることができる。

また、第一張出部２１５Ａと第二張出部２２５Ｂとを設けることで簡易な構成で係合させることができる。また、肉盛部（２１３Ａ，２２３Ｂ，２３２Ａ，２４２Ｂ）を設けることで、摩擦攪拌接合の際に、金属が不足するのを防ぐことができる。本実施形態では、ピン２５４に左ネジの螺旋溝２５５が刻設されており、ボビンツール２６５を右回転させつつ前側から後側に移動させるため、塑性流動化された金属が螺旋溝２５５に導かれて第二ショルダ２５３側に移動する傾向がある。したがって、肉盛部（２１３Ａ，２２３Ｂ，２３２Ａ，２４２Ｂ）を、外板２０２Ａ，２０２Ｂ及び内板２０３Ａ，２０３Ｂのうち、第一ショルダ２５２と対向する側に設けることにより、第一ショルダ２５２側における金属不足を回避できる。

また、突き合せ部Ｎを先に接合すると、ダブルスキンパネル２０１Ａ，２０１Ｂが離間してしまうおそれがあるが、本実施形態に係る接合工程では、係合部Ｍを先に接合することで、突き合せ部Ｎを接合する際に、ダブルスキンパネル２０１Ａ，２０１Ｂが離間するのを防ぐことができる。

なお、ダブルスキンパネル２０１Ａ，２０１Ｂの形状や係合形態は両者が離間しない形態であれた特に制限されるものではない。本実施形態のように、ダブルスキンパネル２０１Ａ，２０１Ｂの端部が面一になり、かつ、隙間がなくなるように係合することが好ましい。また、一のダブルスキンパネルの外板２０２の両端に、第一鉤部２１２，２１２を設けたものを形成し、他のダブルスキンパネルの外板２０２の両端に、第二鉤部２２２，２２２を設けたものを形成し、これらのダブルスキンパネルを交互に併設して係合及び接合してもよい。また、例えば、図１９に示すように、第一張出部２１５Ａ及び第二張出部２２５Ｂの側部に傾斜を設けない形状としてもよい。また、本実施形態では、支持板２０４は外板２０２及び内板２０３に対して垂直に形成したが、斜めであってもよい。

＜実施例１＞
第一実施形態に係る摩擦攪拌装置１（ボビンツール５）を用いて、摩擦攪拌接合される金属板（板状端部）の厚さ及び金属板同士の隙間が接合状態にどのような影響を与えるかを調査するための試験を行った。図２０に示すように、摩擦攪拌接合される一対の金属板の試験体（Ａ６０６３−Ｔ５材）については、それぞれ厚さを変化させて試験体Ｈ１〜Ｈ１９まで用意した。「Ａｄ側」とは、ボビンツールの回転方向と進行方向が一致する側を意味する。つまり、ボビンツールが右回転の場合は進行方向左側を意味する。「Ｒｅ側」とは、ボビンツールの回転方向と進行方向が相違する側を意味する。つまり、ボビンツールが右回転の場は進行方向右側を意味する。

試験体Ｈ１〜Ｈ７は、金属板の厚さをＡｄ側とＲｅ側とで同一にしている。試験体Ｈ８〜Ｈ１３は、Ａｄ側の金属板を６．０ｍｍに固定し、Ｒｅ側の金属板の厚さを変化させている。一方、試験体Ｈ１４〜Ｈ１９は、Ｒｅ側の金属板を６．０ｍｍに固定し、Ｒｅ側の金属板の厚さを変化させている。

金属板同士の隙間は０〜２．０ｍｍまで０．２５ｍｍずつ変化させた。試験に使用したボビンツールは、ショルダ外径２０ｍｍ、ピン外径１２ｍｍ、ショルダ間距離５．８ｍｍに設定した。ボビンツールの回転数は８００ｒｐｍ、移動速度は６００／ｍｉｎ、回転方向は右回転に設定した。また、このボビンツールは、第一実施形態で記載したように、金属板の反りに追従してボビンツールの高さ位置が変化する形態である。摩擦攪拌接合後、Ｘ線透過試験と断面ミクロ組織から品質を判定した。

図２１は、実施例１において、試験体Ｈ１の隙間と接合部の厚さとの関係を示したグラフである。図２２は、実施例１において、試験体Ｈ３の隙間と接合部の厚さとの関係を示したグラフである。実施例１の接合部とは、実施形態における塑性化領域Ｗと同義である。また、実施例１の接合部の「Ａｄ部」、「中央部」、「Ｒｅ部」とは、図７の（ｂ）に示すように、接合部（塑性化領域Ｗ）のＡｄ、中央、Ｒｅの各位置を示している。

図２１に示すように、金属板の厚さを６．０ｍｍ同士に設定して接合した場合、隙間０．７５ｍｍ未満ではＡｄ部、中央部、Ｒｅ部ともに厚さの減少は小さいが、隙間０．７５以上では隙間が増加するに従いＡｄ部、中央部、Ｒｅ部ともに厚さが減少した。隙間が１．２ｍｍを超えると接合部の厚さは５．８ｍｍ未満になり接合欠陥が発生した。

図２２に示すように、金属板の厚さが６．４ｍｍ同士に設定して接合した場合、隙間０．７５ｍｍ未満ではＡｄ部、中央部、Ｒｅ部ともに厚さの減少は小さかった。隙間０．７５〜１．７５までは、Ａｄ部、中央部、Ｒｅ部ともに厚さの減少はするが、接合欠陥は発生しなかった。隙間２．０となると著しく接合部の厚さが減少し接合欠陥が発生した。

図２１及び図２２からは、接合部の中央部の厚さが５．８ｍｍ以下になると接合欠陥が発生することがわかった。つまり、金属板同士の間に隙間があっても、塑性流動によって金属が供給されて、接合部の中央部の厚さが、ショルダ間距離と同等の５．８ｍｍ未満にならなければ健全に接合されることがわかった。以上のことから、接合部（塑性化領域）の厚さがショルダ間距離以上となるように接合条件を設定する必要がある。

図２３は、実施例１において、接合品質に及ぼす金属板の厚さと隙間の関係を示す表であって、Ａｄ側の厚さ＝Ｒｅ側の厚さの場合を示す。図中、「○」は接合状況が良好、「×」は接合状況が不良である場合を示す。

図２３によれば、隙間が大きくなったとしても、金属板の厚さが大きくなれば、接合状況が良好になる場合があることがわかった。ただし、金属板の厚さとショルダ間距離との差が０．８ｍｍを越える（本実施例では金属板の厚さを６．６ｍｍより大きくする）と、ショルダ間に発生する内圧が大きくなり、ツール寿命が著しく低下することがわかった。

また、図２３によれば、ショルダ間距離５．８ｍｍであり、金属板同士の隙間が０〜０．７５ｍｍ以下である場合、金属板の厚さが５．８〜６．６ｍｍであれば接合状況は良好であることがわかった。つまり、金属板の厚さＴとショルダ間距離Ｚとを０≦Ｔ−Ｚ≦０．８ｍｍとなるように設定すれば接合状況は良好であることがわかった。

Ｔ−Ｚの値が０よりも小さくなる場合、つまり、板状端部１０２の厚さＴよりもショルダ間距離Ｚが大きくなると、塑性流動化された金属が第一ショルダ１１及び第二ショルダ１２（図７の（ａ）参照）から溢れやすくなるため、接合部（塑性化領域Ｗ）の密度が低下する。これにより接合欠陥が生じる可能性が高くなる。０≦Ｔ−Ｚ≦０．８ｍｍとなる場合には、金属板同士の隙間が０〜０．７５ｍｍであっても、摩擦攪拌接合の摩擦熱によって金属板の温度が上昇し、金属板が膨張することによって隙間が無くなるため、接合状況が概ね良好であると考えられる。

また、図２３によれば、ショルダ間距離５．８ｍｍであり、金属板同士の隙間が０〜１．０ｍｍ以下である場合、金属板の厚さが６．０〜６．６ｍｍであれば接合状況は良好であることがわかった。つまり、金属板の厚さＴとショルダ間距離Ｚとを０．２≦Ｔ−Ｚ≦０．８ｍｍとなるように設定すれば接合状況は良好であることがわかった。Ｔ−Ｚの値が０．２ｍｍよりも小さくなると、塑性流動化された金属が第一ショルダ１１及び第二ショルダ１２から溢れやすくなるため、接合部の密度が低下する。これにより接合欠陥が生じる可能性が高くなる。

また、図２３によれば、ショルダ間距離５．８ｍｍであり、金属板同士の隙間が１．０ｍｍより大きく１．７５ｍｍ以下である場合、金属板の厚さが６．２ｍｍ〜６．６ｍｍであれば接合状況は良好であることがわかった。つまり、金属板の厚さＴとショルダ間距離Ｚとを０．４≦Ｔ−Ｚ≦０．８ｍｍとなるように設定すれば接合状況は良好であることがわかった。Ｔ−Ｚの値が０．４ｍｍよりも小さくなると、塑性流動化された金属が第一ショルダ１１及び第二ショルダ１２から溢れやすくなるため、接合部の密度が低下する。これにより接合欠陥が生じる可能性が高くなる。

また、図２３によれば、ショルダ間距離５．８ｍｍであり、金属板同士の隙間が１．７５ｍｍより大きく２．００ｍｍ以下である場合、金属板の厚さが６．６ｍｍであれば接合状況は良好であることがわかった。つまり、金属板の厚さＴとショルダ間距離ＺとをＴ−Ｚ＝０．８ｍｍとなるように設定すれば接合状況は良好であることがわかった。Ｔ−Ｚの値が０．８ｍｍよりも小さくなると、塑性流動化された金属が第一ショルダ１１及び第二ショルダ１２から溢れやすくなるため、接合部の密度が低下する。これにより接合欠陥が生じる可能性が高くなる。

図２４は、接合品質に及ぼす金属板の厚さと隙間の関係を示す表であって、Ａｄ側の厚さを変化させ、Ｒｅ側の厚さを固定した場合を示す。図２５は、接合品質に及ぼす金属板の厚さと隙間の関係を示す表であって、Ａｄ側の厚さを固定し、Ｒｅ側の厚さを変化させた場合を示す。

図２４に係る試験ではＲｅ側の厚さを６．０ｍｍに固定し、Ａｄ側の厚さを適宜変化させて摩擦攪拌接合を行った。図２５に係る試験ではＡｄ側の厚さを６．０ｍｍに固定し、Ｒｅ側の厚さを適宜変化させて摩擦攪拌接合を行った。つまり、図２４及び図２５に係る試験では、突き合わせる金属板の左右の厚さを変化させつつ、隙間ごとの接合品質について観察した。

図２４及び図２５を対比すると、図２４の方が良好である条件が多い。言い換えると、図２４に示すように、Ｒｅ側の金属板を６．０ｍｍに固定し、Ａｄ側の金属板を６．２ｍｍ以上に変化させた場合に接合状況が良好になる場合が多い。これは、実施例１ではボビンツールを右回転させているため、塑性流動化した金属は、進行方向左側（Ａｄ側）から右側（Ｒｅ側）に移動しやすくなり、金属板同士の間に隙間がある場合には、Ａｄ側の金属でその隙間が埋められると考えられる。したがって、図２５の条件のように、進行方向左側の金属板の厚さが進行方向右側の金属板の厚さよりも小さいと、接合部の中央の金属が不足して接合不良となる可能性が高い。しかし、図２４の条件のように、進行方向左側の金属板の厚さが進行方向右側の金属板の厚さよりも大きいと、接合部の中央の金属不足を補うことができるため、接合状態を良好にすることができる。

このことは、図２６，２７のグラフからも確認できる。プロット点「◆」は、試験体Ｈ４（Ａｄ側の厚さ＝６．６ｍｍ、Ｒｅ側の厚さ＝６．６ｍｍ）を示している。プロット点「■」は試験体Ｈ１０（Ａｄ側の厚さ＝６．０ｍｍ、Ｒｅ側の厚さ＝６．６ｍｍ）を示し、プロット点「●」は試験体Ｈ１６（Ａｄ側の厚さ＝６．６ｍｍ、Ｒｅ側の厚さ＝６．０ｍｍ）を示している。

図２６の（ａ）に示すように、接合部の中央部の厚さにおいては、試験体Ｈ４，Ｈ１６，Ｈ１０の順に小さくなるころがわかる。つまり、Ａｄ側の金属板がＲｅ側よりも薄いと、接合部の中央部の厚さが小さくなることがわかった。

図２６の（ｂ）に示すように、接合部のＡｄ部の厚さにおいては、試験体Ｈ４，Ｈ１０，Ｈ１６とも５．８ｍｍ前後になっており、接合前の厚さよりも減少していることがわかった。特に、試験体Ｈ４，Ｈ１６を見ると厚さがかなり減少していることがわかった。

図２７の（ａ）に示すように、接合部のＲｅ部の厚さにおいては、試験体Ｈ１０，Ｈ１６の厚さはさほど相違ないが、Ｈ４の厚さは総じて大きいことがわかった。また、図２６の（ｂ）と図２７の（ａ）を全体的に対比すると、Ａｄ部よりもＲｅ部の厚さの方が総じて大きいことがわかった。

図２７の（ｂ）に示すように、接合部の平均厚さは、試験体Ｈ１０，Ｈ１６，Ｈ４の順に大きくなることがわかった。

図２６，２７に示すように、試験体Ｈ４，Ｈ１６によれば、試験体Ｈ１０よりも中央部の厚さを大きくすることができる。ただし、試験体Ｈ４によると、接合部の厚さを大きくすることができるが、その分ショルダ間の内圧が大きくなってツールの寿命が低下する可能性が高い。したがって、試験体Ｈ１６のように、Ｒｅ側よりもＡｄ側の金属板の厚さを大きくなるように設定することにより、ショルダ間の内圧を低下させつつ、接合部の中央部の厚さを大きくすることができる。

＜実施例２＞
第一実施形態に係る摩擦攪拌装置１（ボビンツール５）を用いて、摩擦攪拌接合される金属板（板状端部）の厚さ及び金属板同士の隙間が接合状態にどのような影響を与えるかを調査するための試験を行った。金属板同士の隙間は０〜２．０ｍｍまで０．２５ｍｍずつ変化させた。試験に使用したボビンツールは、ショルダ外径１０ｍｍ、ピン外径６ｍｍ、ショルダ間距離２．８ｍｍに設定した。ボビンツールの回転数は２０００ｒｐｍ、移動速度は１０００ｍｍ／ｍｉｎ、回転方向は右回転に設定した。また、このボビンツールは、第一実施形態で記載したように、金属板の反りに追従してボビンツールの高さ位置が変化する形態である。摩擦攪拌接合後、Ｘ線透過試験と断面ミクロ組織から品質を判定した。

摩擦攪拌接合される金属板の試験体（Ａ６０６３−Ｔ５材）については、Ａｄ側とＲｅ側の金属板の厚さを同等としつつ、３．０ｍｍ、３．２ｍｍ、３．４ｍｍと厚さを変えて試験体を作成した。

図２８は、実施例２において、接合品質に及ぼす金属板の厚さと隙間の関係を示す表であって、Ａｄ側＝Ｒｅ側の場合を示す。図中、「○」は接合状況が良好、「×」は接合状況が不良である場合を示す。

図２８によれば、隙間が大きくなったとしても、ショルダ間距離Ｚに対する金属板の厚さが大きくなれば、接合状況が良好になる場合があることがわかった。ただし、金属板の厚さとショルダ間距離Ｚとの差が０．６ｍｍを越える（本実施例では金属板の厚さを３．４ｍｍより大きくする）と、ショルダ間に発生する内圧が大きくなり、ツール寿命が著しく低下することがわかった。

また、図２８によれば、ショルダ間距離Ｚが２．８ｍｍであり、金属板同士の隙間が０．７５ｍｍ以下である場合、金属板の厚さが３．０ｍｍ〜３．４ｍｍであれば接合状況は良好であることがわかった。つまり、金属板の厚さＴとショルダ間距離Ｚとを０．２≦Ｔ−Ｚ≦０．６ｍｍとなるように設定すれば接合状況は良好であることがわかった。Ｔ−Ｚの値が０．２ｍｍよりも小さくなると、塑性流動化された金属が第一ショルダ１１及び第二ショルダ１２から溢れやすくなるため、接合部の密度が低下する。これにより接合欠陥が生じる可能性が高くなる。金属板同士の隙間が０．７５ｍｍ以下であると、摩擦攪拌接合の摩擦熱によって金属板の温度が上昇し、金属板が膨張することによって隙間が無くなるため、接合状況が概ね良好であると考えられる。

また、図２８によれば、ショルダ間距離２．８ｍｍであり、金属板同士の隙間が０．７５ｍｍより大きく１．５０ｍｍ以下である場合、金属板の厚さが３．２〜３．４ｍｍであれば接合状況は良好であることがわかった。つまり、金属板の厚さＴとショルダ間距離Ｚとを０．４≦Ｔ−Ｚ≦０．６ｍｍとなるように設定すれば接合状況は良好であることがわかった。Ｔ−Ｚの値が０．４ｍｍよりも小さくなると、塑性流動化された金属が第一ショルダ１１及び第二ショルダ１２から溢れやすくなるため、接合部の密度が低下する。これにより接合欠陥が生じる可能性が高くなる。

また、図２８によれば、ショルダ間距離２．８ｍｍであり、金属板同士の隙間が１．５０ｍｍより大きく１．７５ｍｍ以下である場合、金属板の厚さが３．４ｍｍであれば接合状況は良好であることがわかった。つまり、金属板の厚さＴとショルダ間距離ＺとをＴ−Ｚ＝０．６ｍｍとなるように設定すれば接合状況は良好であることがわかった。

また、図２８によれば、隙間が２．０ｍｍであると、金属板の厚さを３．４ｍｍとしても接合不良になることがわかった。

＜ツール形状＞
図２９は、実施例１において、ショルダ間距離を５．８ｍｍに固定した場合の各ボビンツールの寸法と接合状況を示した表である。図３０は、実施例２において、ショルダ間距離を２．８ｍｍに固定した場合の各ボビンツールの寸法と接合状況を示した表である。図３１は、参考例において、ショルダ間距離を１１．５ｍｍに固定した場合の各ボビンツールの寸法と接合状況を示した表である。図２９，３０，３１には、抗張力／材料抵抗、抗折力／材料抵抗、材料保持傾向を示した。

抗張力／材料抵抗は、Ｙ^２／（Ｘ^２−Ｙ^２）で表される。つまり、第一ショルダ１１の下面及び第二ショルダ１２の上面は、摩擦攪拌の際に塑性流動化された金属によって押圧さるため、ピン１３には引張応力が作用する。そこで、抗張力／材料抵抗は、ピン１３の外径Ｙを二乗した値を、第一ショルダ１１の下面（第二ショルダ１２の上面）の外径Ｘを二乗した値からピン１３の外径Ｙを二乗した値を引いた値（Ｘ^２−Ｙ^２）で除した値で表される。

抗折力／材料抵抗は、Ｙ^２／ＹＺで表される。つまり、ボビンツール５が突き合せ部Ｎを移動する際には、ピン１３の軸方向に対して垂直方向の力が作用する。そこで、抗折力／材料抵抗は、ピン１３の外径Ｙを二乗した値を、ピン１３の軸を含む断面の断面積ＹＺで除した値で表される。

材料保持傾向は、Ｘ^２／Ｙ^２で表される。つまり、摩擦攪拌の際に塑性流動化された金属は第一ショルダ１１の下面及び第二ショルダ１２の上面によって保持される。そこで、材料保持傾向は、第一ショルダ１１（第二ショルダ１２）の外径Ｘを二乗した値を、ピン１３の外径Ｙを二乗した値で除して表される。

図２９，３０，３１を勘案すると、材料保持傾向（Ｘ^２／Ｙ^２）が２．０以下であると接合欠陥が発生し易く、２．０よりも大きくなると接合欠陥が発生しないことがわかった。材料保持傾向（Ｘ^２／Ｙ^２）が２．０以下であると、第一ショルダ１１（第二ショルダ１２）の外径Ｘに対するピン１３の外径Ｙが太いため、金属を押えるショルダの面積が小さくなり、摩擦攪拌された金属を十分に押えることができず、金属がバリとなってショルダの外部から溢れ出てしまうためであると考えられる。一方、材料保持傾向（Ｘ^２／Ｙ^２）が２．０より大きいと、ピン１３の外径Ｙに対して、第一ショルダ１１（第二ショルダ１２）の外径Ｘが大きいため、塑性流動化した金属を両ショルダで十分に押えることができる。これにより、接合欠陥が発生しにくいと考えられる。

また、図２９，３０，３１を勘案すると、抗張力／材料抵抗（Ｙ^２／（Ｘ^２−Ｙ^２））が０．２以下であるとピンが破損し易いことがわかった。これは、抗張力／材料抵抗（Ｙ^２／（Ｘ^２−Ｙ^２））が０．２以下であると、ショルダ外径Ｘに対するピン外径Ｙが小さくなるため、接合時にツール軸方向に発生する材料抵抗に対するピンの抗張力が不十分となり、ピン１３が折れ易くなると考えられる。抗張力／材料抵抗（Ｙ^２／（Ｘ^２−Ｙ^２））が０．２より大きいと、ショルダ外径Ｘに対するピン外径Ｙが大きくなるため、ピン１３が折れにくくなると考えられる。

また、図２９，３０，３１を勘案すると、抗折力／材料抵抗（Ｙ^２／ＹＺ）が１．２以下であるとピン１３が破損し易いことがわかった。これは、抗折力／材料抵抗（Ｙ^２／ＹＺ）が１．２以下であると、ショルダ間距離（ピンの長さ）Ｚに対するピン外径Ｙが小さくなるため、接合時にツール進行方向とは逆向きに流れる材料の抵抗に対するピンの抗折力が不十分となり、ピン１３が折れ易くなると考えられる。抗折力／材料抵抗（Ｙ^２／ＹＺ）が１．２より大きいと、ショルダ間距離（ピンの長さ）Ｚに対するピン外径Ｙが大きくなるため、ピン１３が折れにくくなると考えられる。

また、図２９，３０，３１を勘案すると、抗張力／材料抵抗（Ｙ^２／（Ｘ^２−Ｙ^２））が０．２以下であるか、又は抗折力／材料抵抗（Ｙ^２／ＹＺ）が１．２以下である場合、ピンの破損が起こった。しかしながら、抗張力／材料抵抗（Ｙ^２／（Ｘ^２−Ｙ^２））が０．２より大きく、かつ、抗折力／材料抵抗（Ｙ^２／ＹＺ）が１．２より大きい場合、ピンの破損は起こらなかった。よって、接合時のボビンツールのピンの破損を防止するためには、ショルダ外径Ｘ、ピン外径Ｙ及びショルダ間距離（ピンの長さ）Ｚについて、以下の式（１）、（２）の両方を満たすようにボビンルーツの形状を設計することが好ましいと結論づけられる。
Ｙ^２／（Ｘ^２−Ｙ^２）＞０．２・・・・（１）
Ｙ^２／ＹＺ＞１．２・・・・・・・・（２）

＜実施例３＞
実施例３では、ボビンツールのピンの刻設された螺旋溝の割合及び螺旋溝の巻回方向が接合後の金属板にどのような影響を及ぼすか調査した。図７の（ａ）を参照するように、ボビンツールの回転方向をスライド軸側から見て右回転に設定した。また、右ネジの上部螺旋溝１３ａと左ネジの下部螺旋溝１３ｂとの割合を変化させて５種類の条件Ａ〜Ｅを設定し摩擦攪拌接合を行った。

条件Ａでは、右ネジの上部螺旋溝１３ａと左ネジの下部螺旋溝１３ｂとの割合を０：１００に設定した（右ネジ無し）。
条件Ｂでは、右ネジの上部螺旋溝１３ａと左ネジの下部螺旋溝１３ｂとの割合を２５：７５に設定した。
条件Ｃでは、右ネジの上部螺旋溝１３ａと左ネジの下部螺旋溝１３ｂとの割合を５０：５０に設定した。
条件Ｄでは、右ネジの上部螺旋溝１３ａと左ネジの下部螺旋溝１３ｂとの割合を７５：２５に設定した。
条件Ｅでは、右ネジの上部螺旋溝１３ａと左ネジの下部螺旋溝１３ｂとの割合を１００：０に設定した（左ネジ無し）。

実施例３では、板厚Ｔが６．２ｍｍのアルミニウム合金の金属板（Ａ６０６３−Ｔ５）を二枚用意してこれらを接合した。ボビンツール５の第一ショルダ１１及び第二ショルダ１２の外径Ｘは２０ｍｍ、ピン１３の外径Ｙは１２ｍｍ、ショルダ間距離Ｚは５．８ｍｍに設定した。螺旋溝の深さは０．８１ｍｍに設定した。ボビンツール５の回転数は８００ｒｐｍ、接合速度は６００ｍｍ／ｍｉｎに設定した。また、各条件において、突き合せ部Ｎの隙間との関係を調査するために、隙間を０ｍｍ、１．２５ｍｍ、１．５０ｍｍ、１．７５ｍｍ、２．００ｍｍと変えて試験を行った。

図３２は、実施例３において、金属板の段差に及ぼすネジ比率の影響（突き合せ部の隙間０ｍｍ）を示したグラフである。図３３は、実施例３において、金属板の段差に及ぼすネジ比率の影響（突き合せ部の隙間１．５ｍｍ）を示したグラフである。段差は、接合前の金属板の表面を基準（基準＝０）として、接合後の各所の高さ位置を示している。段差がプラス値である場合は凸状になっており、マイナス値である場合は凹状（凹溝）になっていることを示している。

図３２に示すように、「▲」で示す表面ＳａのＲｅ側は、条件Ａ〜Ｅにおいて、プラスの値を示している。つまり、表面ＳａのＲｅ側は、常に凸状になっている。

一方、「◆」で示す表面ＳａのＡｄ側は、条件Ａにおいて、大きなマイナス値を示している。つまり、条件Ａにおいて、表面ＳａのＡｄ側は、大きく凹状になっている。そして、「◆」で示す表面ＳａのＡｄ側は、右ネジの割合が大きくなるにつれて、表面ＳａのＡｄ側の凹みが徐々に小さくなり、条件Ｅでは凸状になっている。

他方、「■」で示す裏面ＳｂのＡｄ側は、条件Ａにおいて、大きなプラス値を示している。つまり、条件Ａにおいて、裏面ＳｂのＡｄ側は、大きく凸状になっている。そして、「■」で示す裏面ＳｂのＡｄ側は、右ネジの割合が大きくなるにつれて、裏面ＳｂのＡｄ側の凹みが徐々に大きくなり、条件Ｄ、条件Ｅでは凹状になっている。つまり、「◆」で示す表面ＳａのＡｄ側と、「■」で示す裏面ＳｂのＡｄ側は、右ネジの割合に応じて相反する関係にある。また、「◆」で示す表面ＳａのＡｄ側と、「■」で示す裏面ＳｂのＡｄ側は、条件Ｃ（５０：５０）でもわずかに凹状になっている。

図３２と図３３とを対比すると、突き合せ部の隙間を１．５ｍｍにしても、突き合せ部の隙間が０ｍｍである場合とさほど段差の傾向は変わらないことがわかる。図３３の「▲」で示す表面ＳａのＲｅ側の値及び「●」で示す裏面ＳｂのＲｅ側の値は、図３２と比べると全体的に小さくなっていることがわかる。

図３４は、実施例３に係る条件Ａの塑性化領域を突き合せ部の隙間別に示す図である。図３５は、実施例３に係る条件Ｂの塑性化領域を突き合せ部の隙間別に示す図である。図３６は、実施例３に係る条件Ｃの塑性化領域を突き合せ部の隙間別に示す図である。図３７は、実施例３に係る条件Ｄの塑性化領域を突き合せ部の隙間別に示す図である。図３８は、実施例３に係る条件Ｅの塑性化領域を突き合せ部の隙間別に示す図である。図３４〜３８における各図の左欄は塑性化領域Ｗのマクロ組織観察を行った断面図を示し、中欄は塑性化領域Ｗの表面（化粧面）Ｓａ側の平面図を示し、右欄は塑性化領域Ｗの裏面Ｓｂ側の平面図を示す。

図３４の左欄に示すように、条件Ａの場合、表面（化粧面）Ｓａ側には大きな凹溝Ｖが形成されているが、裏面Ｓｂ側には凹溝Ｖが無い。突き合せ部の隙間が１．７５ｍｍ、２．００ｍｍでは表面Ｓａ側に接合欠陥Ｑが形成されている。塑性化領域Ｗは、裏面Ｓｂに向けて徐々に幅広になるようになっている。塑性化領域Ｗの縞模様は、左右非対称になっている。塑性化領域ＷのＲｅ側よりもＡｄ側の方が縞模様が濃くなっている。また、図３４では、金属板の表面Ｓａ側に比べて裏面Ｓｂ側の方がバリＰが少ない。

図３５の左欄に示すように、条件Ｂの場合、表面（化粧面）Ｓａ側には条件Ａに比べて小さな凹溝Ｖが形成されているが、裏面Ｓｂ側には凹溝Ｖが無い。突き合せ部の隙間が２．００ｍｍでは金属板の内部に接合欠陥Ｑが形成されている。塑性化領域Ｗの縞模様は、左右非対称になっている。塑性化領域ＷのＲｅ側よりもＡｄ側の方が縞模様が濃くなっている。図３５の条件Ｂの裏面Ｓｂと図３４の条件Ａの裏面Ｓｂとを対比すると、条件Ｂの方がバリＰが多く発生し面が荒くなっている。

図３６の左欄に示すように、条件Ｃの場合、表面（化粧面）Ｓａ側には小さな凹溝Ｖが形成されており、裏面Ｓｂ側にも小さな凹溝Ｖが形成されている。突き合せ部の隙間が２．０ｍｍでは金属板の内部に接合欠陥Ｑが形成されている。塑性化領域Ｗの上下の縞模様及び左右の縞模様はそれぞれ略対称になっている。図３６の条件Ｃの表面Ｓａと図３５の条件Ｂの表面Ｓａとを対比すると、条件Ｃの表面Ｓａの方が凹溝Ｖの深さが若干小さい。また、条件Ｃの表面Ｓａには、バリＰがほぼ無い。また、条件Ｃの裏面Ｓｂには、Ａｄ側よりもＲｅ側の方がバリＰが多く発生している。

図３７の左欄に示すように、条件Ｄの場合、表面（化粧面）Ｓａ側には凹溝Ｖが形成されておらず、裏面Ｓｂ側には小さな凹溝Ｖが形成されている。突き合せ部の隙間２．００ｍｍでは、金属板の内部に接合欠陥Ｑが形成されている。また、表面Ｓａよりも裏面Ｓｂの方がバリＰが多く発生している。

図３８の左欄に示すように、条件Ｅの場合、表面（化粧面）Ｓａ側には凹溝Ｖが形成されておらず、Ｓｂ側には大きな凹溝Ｖが形成されている。突き合せ部の隙間１．７５ｍｍ、隙間２．００ｍｍでは、金属板の内部に接合欠陥Ｑが形成されている。塑性化領域Ｗは裏面Ｓｂに向けて徐々に幅狭になるようになっている。裏面ＳｂにはバリＰが多く発生しているのに対し、表面ＳａにはバリＰが発生していない。

図３９は、実施例３の結果をまとめた表である。各要素の符号は、第一実施形態の符号をそのまま参照するものとする。図３９の条件Ａの概念図に示すように、右回転で左ネジを１００％の範囲で設けると、流動化した金属は螺旋溝に導かれて裏面Ｓｂ側に移動する。この金属の移動によって、ボビンツール５の第二ショルダ１２が押され、金属板に対してボビンツール５がスライド軸４とは反対側（裏面Ｓｂ側）に移動する。これにより、ボビンツール５が表面（化粧面）Ｓａ側に深く入り込むため表面Ｓａ側には大きな凹溝Ｖが形成される。

一方、図３９の条件Ｂ〜Ｅに示すように、上部螺旋溝１３ａとして右ネジ部分を２５％以上設ける場合には、右ネジの螺旋溝による金属の移動によってボビンツール５がスライド軸４側（上方）に押され、金属板の表面Ｓａ（化粧面）にボビンツール５が深く入り込むのを防ぐことができる。これにより、表面Ｓａ（化粧面）に凹溝Ｖが発生するのを防ぐか、又は、凹溝Ｖが形成されたとしてもその凹溝Ｖの深さを小さくすることができる。これにより、接合後の金属板の表面Ｓａを平滑にするための仕上げ処理の手間を少なくすることができる。ただし、条件Ｂ、条件Ｃにおいては突き合せ部の隙間２．００ｍｍの場合、条件Ｄ、条件Ｅにおいては突き合せ部の隙間１．７５ｍｍ、隙間２．００ｍｍの場合は接合欠陥Ｑが発生するため不適切である。これは、突き合せ部の隙間が大きいと接合部分の金属材料が減少するためと考えられる。

なお、例えば条件Ｅのように、右回転で右ネジが１００％刻設されている場合において、ボビンツール５が板状端部１０２に対して上方に移動して第一ショルダ１１の下面の高さ位置が板状端部１０２の摩擦攪拌前の表面（化粧面）Ｓａよりも上方に位置し、第一ショルダ１１の下面の高さ位置と板状端部１０２の摩擦攪拌前の表面Ｓａとの隙間が大きい場合は金属の押さえが不十分になるが、第一ショルダ１１の下面の高さ位置と板状端部１０２の摩擦攪拌前の表面Ｓａとの隙間が微小である場合は、金属を十分に押えることができる。

また、第一ショルダ１１の下面の高さ位置と板状端部１０２の摩擦攪拌前の表面Ｓａとの隙間が微小である場合は、塑性化領域Ｗが摩擦攪拌前の表面Ｓａよりもわずかに突出することになる。しかし、板状端部１０２の表面Ｓａを平滑にする処理は摩擦攪拌前の表面Ｓａの高さに合わせてその突出した部分を切削すればよいため仕上げ処理が容易になる。

前記した第一実施形態では、上部螺旋溝１３ａと下部螺旋溝１３ｂとはショルダ間距離Ｚに対して５０：５０の割合で形成されているが、化粧面を表面Ｓａに設定し、ボビンツール５を右回転する場合、第一ショルダ１１側の右ネジの上部螺旋溝１３ａと第二ショルダ１２側の左ネジの下部螺旋溝１３ｂとがショルダ間距離Ｚに対して２５:７５〜１００:０の割合で形成されていることが好ましい。つまり、右ネジの上部螺旋溝１３ａは、第一ショルダ１１側において、ショルダ間距離Ｚに対して２５％以上の部分に形成され、上部螺旋溝１３ａ以外の部分の全てが左ネジの下部螺旋溝１３ｂとなるように形成されていてもよい。ボビンツール５を右回転させる場合は、左ネジを設けずに、ピン１３の軸方向の全長にわたって右ネジを設けてもよい。

また、実施例３では、表面Ｓａ側を化粧面として設定したが、裏面Ｓｂ側を化粧面として設定してもよい。この場合は、図３９を参照するように、ボビンツール５の回転方向、螺旋溝の巻回方向を条件Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄのように設定することで、裏面Ｓｂ（化粧面）側の凹溝Ｖが発生するのを防ぐか、又は、凹溝Ｖが形成されたとしてもその凹溝Ｖの深さを小さくすることができる。

つまり、ボビンツール５を右回転させつつ裏面Ｓｂ側を化粧面として設定する場合は、金属板の端面同士を突き合わせる突き合わせ工程と、第二ショルダ１２と金属板の化粧面とを対向させ、かつ、ピン１３の軸方向の中心と金属板の板厚方向の中心とを合わせた後、突き合せ部Ｎに右回転させたボビンツール５のピン１３を移動させて摩擦攪拌接合する接合工程と、を含み、ショルダ間の距離Ｚを金属板の板厚以下に設定するとともに、ピン１３の外周面の第二ショルダ１２側に左ネジの螺旋溝が形成されており、この左ネジの螺旋溝がショルダ間距離Ｚに対して２５％以上の割合で形成されていることが好ましい。

かかる接合方法によれば、第二ショルダ１２側の左ネジは２５％以上の割合で形成されているため、左ネジの螺旋溝による金属の移動によってボビンツール５がスライド軸４とは反対側（下方）に押され、金属板の裏面（化粧面）Ｓｂにボビンツールが深く入り込むのを防ぐことができる。これにより、化粧面に凹溝が発生するのを防ぐか、又は、凹溝が形成されたとしてもその凹溝の深さを小さくすることができる。

図４０は、ボビンツールを左回転させる場合の概念をまとめた表である。
条件Ｆでは、左ネジの上部螺旋溝１３ａと右ネジの下部螺旋溝１３ｂとの割合を０：１００に設定した（左ネジ無し）。
条件Ｇでは、左ネジの上部螺旋溝１３ａと右ネジの下部螺旋溝１３ｂとの割合を２５：７５に設定した。
条件Ｈでは、左ネジの上部螺旋溝１３ａと右ネジの下部螺旋溝１３ｂとの割合を５０：５０に設定した。
条件Ｉでは、左ネジの上部螺旋溝１３ａと右ネジの下部螺旋溝１３ｂとの割合を７５：２５に設定した。
条件Ｊでは、左ネジの上部螺旋溝１３ａと右ネジの下部螺旋溝１３ｂとの割合を１００：０に設定した（右ネジ無し）。

第二実施形態で示したように、左回転させる場合は、上部螺旋溝１３ａに左ネジを設け、下部螺旋溝１３ｂに右ネジを設けたボビンツール５Ａを用いる。ボビンツール５Ａを左回転させる場合は、第一実施形態のボビンツール５とはネジの巻回方向が異なるため、結果的に実施例３と同等の作用効果を示す。つまり、条件Ｇ〜条件Ｊに示すように、摩擦攪拌されて流動化された金属は、ピン１３の左ネジの上部螺旋溝１３ａに導かれて第一ショルダ１１側に移動し、右ネジの下部螺旋溝１３ｂに導かれて第二ショルダ１２側に移動する。左ネジは２５％以上の割合で形成されているため、左ネジの螺旋溝による金属の移動によってボビンツール５Ａがスライド軸４側（上方）に押され、金属板の表面（化粧面）Ｓａにボビンツール５Ａが深く入り込むのを防ぐことができる。これにより、表面（化粧面）Ｓａに凹溝Ｖが発生するのを防ぐか、又は、凹溝Ｖが形成されたとしてもその凹溝Ｖの深さを小さくすることができる。これにより、接合後の金属板の表面Ｓａを平滑にするための仕上げ処理の手間を少なくすることができる。

なお、例えば条件Ｊのように、左回転で左ネジが１００％刻設されている場合において、ボビンツール５が板状端部１０２に対して上方に移動して第一ショルダ１１の下面の高さ位置が板状端部１０２の摩擦攪拌前の表面Ｓａよりも上方に位置し、第一ショルダ１１の下面の高さ位置と板状端部１０２の摩擦攪拌前の表面Ｓａとの隙間が大きい場合は金属の押さえが不十分になるが、第一ショルダ１１の下面の高さ位置と板状端部１０２の摩擦攪拌前の表面Ｓａとの隙間が微小である場合は、金属を十分に押えることができる。

また、第一ショルダ１１の下面の高さ位置と板状端部１０２の摩擦攪拌前の表面Ｓａとの隙間が微小である場合は、塑性化領域Ｗが摩擦攪拌前の表面Ｓａよりもわずかに突出することになる。しかし、板状端部１０２の表面Ｓａを平滑にする処理は摩擦攪拌前の表面Ｓａの高さに合わせてその突出した部分を切削すればよいため仕上げ処理が容易になる。

前記した第二実施形態では、上部螺旋溝１３ａと下部螺旋溝１３ｂとはショルダ間距離Ｚに対して５０：５０の割合で形成されているが、化粧面を表面Ｓａに設定し、ボビンツール５Ａを左回転する場合、第一ショルダ１１側の左ネジの上部螺旋溝１３ａと第二ショルダ１２側の右ネジの下部螺旋溝１３ｂとがショルダ間距離Ｚに対して２５:７５〜１００:０の割合で形成されていることが好ましい。つまり、左ネジの上部螺旋溝１３ａは、第一ショルダ１１側において、ショルダ間距離Ｚに対して２５％以上の部分に形成され、上部螺旋溝１３ａ以外の部分の全てが右ネジの下部螺旋溝１３ｂとなるように形成されていてもよい。ボビンツール５Ａを左回転させる場合は、右ネジを設けずに、ピン１３の軸方向の全長にわたって左ネジを設けてもよい。

なお、表面Ｓａ側を化粧面として設定したが、裏面Ｓｂ側を化粧面として設定してもよい。この場合は、図４０を参照するように、ボビンツール５の回転方向、螺旋溝の巻回方向を条件Ｆ，Ｇ，Ｈ，Ｉのように設定することで、裏面Ｓｂ（化粧面）側の凹溝Ｖが発生するのを防ぐか、又は、凹溝Ｖが形成されたとしてもその凹溝Ｖの深さを小さくすることができる。

つまり、ボビンツール５Ａを左回転させつつ裏面Ｓｂ側を化粧面として設定する場合は、金属板の端面同士を突き合わせる突き合わせ工程と、第二ショルダ１２と金属板の化粧面とを対向させ、かつ、ピン１３の軸方向の中心と金属板の板厚方向の中心とを合わせた後、突き合せ部Ｎに左回転させたボビンツール５Ａのピン１３を移動させて摩擦攪拌接合する接合工程と、を含み、ショルダ間の距離Ｚを金属板の板厚以下に設定するとともに、ピン１３の外周面の第二ショルダ１２側に右ネジの螺旋溝が形成されており、この右ネジの螺旋溝がショルダ間距離Ｚに対して２５％以上の割合で形成されていることが好ましい。

かかる接合方法によれば、第二ショルダ１２側の右ネジは２５％以上の割合で形成されているため、右ネジの螺旋溝による金属の移動によってボビンツール５Ａがスライド軸４とは反対側（下方）に押され、金属板の裏面（化粧面）Ｓｂにボビンツールが深く入り込むのを防ぐことができる。これにより、裏面（化粧面）に凹溝が発生するのを防ぐか、又は、凹溝が形成されたとしてもその凹溝の深さを小さくすることができる。

＜実施例４＞
次に、本発明の実施例４について説明する。図４１は、実施例４の係合形態又は突き合わせ形態を示した正面図であって、（ａ）はタイプＩ、（ｂ）はタイプII、（ｃ）はタイプIIIを示す。実施例４では、３種類の供試体を用意して、タイプＩ、タイプII及びタイプIIIの部分のみにそれぞれ摩擦攪拌接合を行い、接合後のそれぞれの角変形を調査した。

タイプＩ〜IIIは、アルミニウム合金６Ｎ０１−Ｔ５材からなるダブルスキンパネル２０１Ａ，２０１Ｂであって、図１２及び図４１を参照するように、外板厚肉部（第一外板厚肉部２１１、第二外板厚肉部２２１）の板厚ａ＝３ｍｍ、肉盛部（肉盛部２１３，２２３，２３２，２４２）の厚さ寸法ｂ＝０．５ｍｍ、支持板２０４から第一端面３３までの長さｃ及び支持板２０４から第二端面４３までの長さｃ＝１５ｍｍ、外板２０２の上面から内板２０３の下面までの長さｄ＝３０ｍｍ、左右幅寸法ｅ＝２００ｍｍ、延長寸法５０００ｍｍに設定されている。

ボビンツール２６５は、図１５を参照するように、第一ショルダ２５２の下端面２５２ｃの直径Ｘ２＝１０ｍｍ、及び第二ショルダ２５３の上端面２５３ｃの直径Ｙ２＝１０ｍｍ、第二ショルダ２５３の外径Ｙ１＝１５ｍｍ、ピン２５４の外径Ｕ＝６ｍｍに設定されている。第一ショルダ２５２から第二ショルダ２５３までの長さ（ピン２５４の長さ）は２．９ｍｍに設定されている。第一ショルダ２５２の下端面２５２ｃに形成された窪み（図示省略）の形状は平面視渦巻き状であって、窪みの深さは０．３ｍｍ、窪みのピッチは１．２ｍｍに設定されている。ボビンツール２６５は、右回転に設定し、タイプＩ〜IIIとも図４１の（ａ）〜（ｃ）の紙面表側から裏側に向けて移動させる。ボビンツール２６５の回転速度は２０００ｒｐｍ、移動速度は１０００ｍｍ／ｍｉｎに設定した。

タイプＩは、図４１の（ａ）に示すように、ボビンツール２６５の進行方向の左側にダブルスキンパネル２０１Ａを、右側にダブルスキンパネル２０１Ｂを配置し、第一鉤部２１２Ａと第二鉤部２２２Ｂとを係合させている。
タイプIIは、図４１の（ｂ）に示すように、ボビンツール２６５の進行方向の右側にダブルスキンパネル２０１Ａを、左側にダブルスキンパネル２０１Ｂを配置し、第一鉤部２１２Ａと第二鉤部２２２Ｂとを係合させている。
タイプIIIは、図４１の（ｃ）に示すように、ボビンツール２６５の進行方向の左側にダブルスキンパネル２０１Ａを配置し、右側にダブルスキンパネル２０１Ｂを配置し、第一端面２３３Ａと第二端面２４３Ｂとを突き合わせている。

図４２は、タイプＩの角変形結果を示したグラフである。図４３は、タイプIIの角変形結果を示したグラフである。図４４は、タイプIIIの角変形結果を示したグラフである。横軸は、接合された各供試体の左側端からの幅方向の長さを示している。幅方向＝２００ｍｍとは、センター線Ｃの位置を示している。縦軸は、各供試体における任意の基準点からの接合後の高さを示している。各供試体の前端から延長方向の距離５０ｍｍ、２００ｍｍ、４００ｍｍ、６００ｍｍ、８００ｍｍ、９５０ｍｍにおける各地点の高さを計測した。

図４２，４３に示すように、タイプＩ及びタイプIIでは、幅方向＝１８０ｍｍの位置での高さが最も高く、幅方向＝２１０ｍｍの位置での高さが最も低くなっている。つまり、接合部分に小さく目違いが発生した形状となっている。また、幅方向＝１８０ｍｍ〜２１０ｍｍの位置での高低差は、タイプＩに比べてタイプIIの方が大きかった。また、幅方向＝２１０ｍｍの位置から供試体の右端までの高低差も、タイプＩに比べてタイプIIの方が大きかった。つまり、タイプＩに比べてタイプIIの方が、角変形が全体的に大きいことが分かった。

これは、図４１の（ａ）及び（ｂ）に示すように、ダブルスキンパネル２０１Ａ，２０１Ｂがボビンツール２６５から受ける力の方向と、ダブルスキンパネル２０１Ａ，２０１Ｂの係合形態の違いに起因するものであると考えられる。本実施形態にかかるボビンツール２６５（ピン２５４の螺旋溝２５５が左ネジ）を右回転させて、図４１の紙面の表側から裏側に向けて移動させると、応力Ｆ１が作用すると考えられる。

したがって、図４１の（ｂ）に示すタイプIIであると、係合部Ｍの傾斜面Ｍａの傾斜方向が応力Ｆ１の作用方向と略平行であるとともに、センター線Ｃに対して応力Ｆ１の入力位置と傾斜面Ｍａとが同じ側にあるため、ダブルスキンパネル２０１Ｂが右斜め下側に移動しやすくなり、接合中にダブルスキンパネル２０１Ａ，２０１Ｂが離間する可能性が高くなる。

一方、図４１の（ａ）に示すタイプＩであると、係合部Ｍの傾斜面Ｍａの傾斜方向が応力Ｆ１の作用方向と交わるとともに、センター線Ｃに対して応力Ｆ１の入力位置と傾斜面Ｍａとが反対側にあるため、接合中にダブルスキンパネル２０１Ａ，２０１Ｂが離間するのを効果的に防ぐことができる。

他方、図４４に示すように、タイプIIIでは、幅方向が１８０ｍｍの位置及び幅方向が２１０ｍｍの位置における高さが同じくらいであった。つまり、左右端に比べて接合部分の高さが最も高く、正面視して山型になっている。また、タイプIIIの高低差は、タイプＩ，IIの高低差よりも大きくなっている。仮に、ダブルスキンパネルを複数枚（例えば５枚）配設し、タイプIIIのように突き合せ部Ｎ側から摩擦攪拌接合すると、接合されたダブルスキンパネルの全体の角変形量が増大すると考えられる。したがって、係合部Ｍ及び突き合せ部Ｎのどちらを先に接合しても接合強度の観点からは問題が無いが、角変形量を考慮すると、先に係合部Ｍ側から摩擦攪拌接合することが好ましい。

図４５は、ボビンツールの回転方向、螺旋溝の巻回方向、係合形態をまとめた表である。図４５では、４パターンの好ましい条件１〜４を示している。条件１（本実施形態と同様）に示すように、螺旋溝が左ネジのボビンツール２６５を右回転させて、図４５の紙面表側から裏側方向に移動させる場合、係合形態をタイプＩとすることが好ましい。

つまり、条件１ではボビンツール２６５を右回転させるため、センター線Ｃに対して左側から右側方向成分の力が作用するとともに、塑性流動化した金属が螺旋溝に導かれて上から下に移動する。したがって、条件１では、係合形態に示すように応力Ｆ１が作用する。そこで、タイプＩでは応力Ｆ１に対向するように、第二鉤部２１２Ｂ及び係合部Ｍの傾斜面Ｍａを設定することで、接合中にダブルスキンパネル２０１Ａ，２０１Ｂが離間するのを防ぐことができる。

また、条件２に示すように、螺旋溝が右ネジのボビンツール２６５を左回転させて、図４５の紙面表側から裏側方向に移動させる場合、係合形態をタイプIIとすることが好ましい。

つまり、条件２ではボビンツール２６５を左回転させるため、センター線Ｃに対して右側から左側方向成分の力が作用するとともに、塑性流動化した金属が螺旋溝に導かれて上から下に移動する。したがって、条件２では、係合形態に示すように応力Ｆ２が作用する。そこで、タイプIIでは応力Ｆ２に対向するように、第二鉤部２１２Ｂ及び係合部Ｍの傾斜面Ｍａを設定することで、ダブルスキンパネル２０１Ａ，２０１Ｂが離間するのを防ぐことができる。

同様に、条件３に示すように、螺旋溝が右ネジのボビンツール２６５を右回転させて、図４５の紙面表側から裏側方向に移動させる場合、係合形態をタイプIVとすることが好ましい。
また、同様に、条件４に示すように、螺旋溝が左ネジのボビンツール２６５を左回転させて、図４５の紙面表側から裏側方向に移動させる場合、係合形態をタイプＶとすることが好ましい。

条件３，４の場合であっても、係合部Ｍの傾斜面Ｍａ’及び第二鉤部２１２Ｂ’を応力Ｆ３，Ｆ４に対向するように設定することで、接合中にダブルスキンパネル２０１Ａ’，２０１Ｂ’が離間するのを防ぐことができる。

また、条件１，２では第一ショルダ２５２側、条件３，４では第二ショルダ２５３側に肉盛部を設けることが好ましい。これにより、摩擦攪拌によって金属が不足する側に金属を補充できるため、金属不足になるのを補うことができる。

＜実施例５＞
実施例５では、実施例４とは異なるサイズのダブルスキンパネルを５枚用いて摩擦攪拌接合を行った。図１２を参照すると、実施例５のダブルスキンパネルは、外板厚肉部の板厚ａ＝４．０ｍｍｍ、肉盛部の厚さ寸法ｂ＝０．５ｍｍ、左右幅寸法ｅ＝４００ｍｍ、延長寸法１２５００ｍｍに設定されている。

ボビンツールは、図１５を参照すると、第一ショルダ２５２の下端面２５２ｃの直径Ｘ２＝１５ｍｍ、第二ショルダ２５３の外径Ｙ１＝１８ｍｍ、第二ショルダ２５３の上端面２５３ｃの直径Ｙ２＝１５ｍｍ、ピン５４の外径Ｕ＝９ｍｍに設定した。第一ショルダ２５２から第二ショルダ２５３までの長さ（ピン５４の長さ）は３．７ｍｍに設定されている。また、ボビンツールの回転速度を１０００ｒｐｍに設定した。また、ボビンツール移動速度は、係合部Ｍ側が１０００ｍｍ／ｍｉｎ、突き合せ部Ｎ側が１５００ｍｍ／ｍｉｎに設定した。

実施例５では、一方のダブルスキンパネルをテーブルの上にセットし、他方のダブルスキンパネルを上方から降ろして係合及び突き合わせた。同様の作業で５枚のダブルスキンパネルを隙間無く係合した後、組立体を移動不能に拘束した。組立体が浮かないように、延長方向に１．５ｍピッチで配置された横押しクランプで押し付けた。また、組立体の四隅を簡単にクランプした。そして、端から順番に摩擦攪拌接合を行った。

実施例５の条件であっても、接合不良の無い面材を製造することができた。ここで、一般的に、金属部材に対して摩擦攪拌接合を行うと、熱収縮が発生するため接合後の金属部材が反ってしまうことがある。仮に、金属部材の表裏において摩擦攪拌接合をする場合、回転ツールの回転速度、移動速度及び移動長さを同じ条件にして、金属部材の表面側に摩擦攪拌接合を行った後、裏面側に摩擦攪拌接合を行うと裏面側が凹状となるように反ってしまうおそれがある。

これは、表面側を摩擦攪拌接合した後は、熱収縮によって金属部材が表面側に凹状となるように沿ってしまうため、沿った金属部材を引っくり返し平坦なテーブルの上に置くとテーブルと金属部材との間の隙間が大きくなる。この状態で、裏面側を摩擦攪拌接合すると、摩擦攪拌による熱がテーブルに抜けていきにくいため、金属部材に残る熱量が大きくなる。その結果、金属部材に残った熱とも相まって裏面側が凹状となるように大きく反ってしまう。

そこで、実施例５のように、係合部Ｍ側よりも突き合せ部Ｎ側におけるボビンツールの移動速度を早く設定すれば、突き合せ部Ｎへの接合時の入熱を小さくすることができる。これにより、接合後のダブルスキンパネルが反るのを防ぐことができる。

＜実施例６＞
実施例６では、板状端部の板厚と長さの関係を調査するために試験を行った。図４６の（ａ）に示すように、断面視コの字状を呈し、同形状からなる供試体３０１，３０１の端部同士を突き合わせ、突き合せ部Ｎに対して摩擦攪拌接合を行った。各供試体３０１は、支持部材３０２と、支持部材３０２から垂直に延設された板状端部３０３と、を備えている。

供試体３０１の高さは３０ｍｍ、延長寸法は５００ｍｍに設定した。図４６の（ａ）及び（ｂ)に示すように、板状端部３０３の板厚ａ及び支持部材３０２から板状端部３０３の先端までの長さｃをパラメータとして各条件において摩擦攪拌接合を行った。図４６の（ｂ）に実施例６の各条件と接合の品質について表にまとめた。ボビンツールの寸法については、図４６の（ｂ）の表に示すとおりである。

図４６の（ｂ）に示すように、板厚ａ＝３ｍｍ、支持部材３０２から板状端部３０３の先端までの長さｃ＝５０ｍｍの場合、接合不良となった。また、板厚ａ＝６ｍｍの場合は、長さｃ＝７０ｍｍ、８０ｍｍのときに接合不良となった。また、板厚ａ＝１２ｍｍの場合は、長さｃ＝１２０ｍｍのときに接合不良となった。つまり、支持部材３０２に対して板状端部３０３の長さが長すぎると、板状端部３０３の先端側が変形しやすくなるため接合不良になりやすい。

図４７は、実施例６の相関関係を示したグラフである。図４７の横軸は板厚ａを示し、縦軸は支持部材３０２から板状端部３０３の先端までの長さｃを示している。このグラフから、支持部材から先端までの長さｃは、長さｃ≦７．０×板厚ａ＋１８．５ｍｍを満たすように設定することが好ましい。この条件であれば、板状端部３０３の変形を抑制できるため、接合不良になりにくい。

１ 摩擦攪拌装置
１ａ チャック部
２ 回転ツールユニット
３ ホルダー
４ スライド軸
５ ボビンツール
６ スライド手段
１１ 第一ショルダ
１２ 第二ショルダ
１３ ピン
１３ａ 上部螺旋溝
１３ｂ 下部螺旋溝
１００Ａ中空形材
１００Ｂ中空形材
Ｎ 突き合せ部
Ｔ 金属板の厚さ
Ｗ 塑性化領域（接合部）
Ｘ ショルダの外径
Ｙ ピンの外径
Ｚ ショルダ間距離（ピンの長さ）

Claims (23)

1. 摩擦攪拌接合に用いられる回転ツールユニットであって、
   摩擦攪拌装置のチャック部に脱着可能に固定される円筒状のホルダーと、
   前記ホルダーの内部に挿通され前記ホルダーと一体的に回転するスライド軸と、
   第一ショルダと第二ショルダと前記第一ショルダと前記第二ショルダの間に形成されたピンとで構成されたボビンツールと、を有し、
   前記スライド軸の先端に別体の前記第一ショルダが連結されており、
   前記第二ショルダの大径部の外径は、前記第一ショルダの大径部の外径よりも小さくなっているとともに、
   前記ホルダーに対して前記スライド軸が軸方向に摺動するように、前記ホルダーと前記スライド軸の間にスライド手段を備えており、
   前記スライド手段は、前記スライド軸の外面又は前記ホルダーの内面に形成されたベアリング溝とベアリング溝内を摺動するボールベアリングとで構成されていることを特徴とする回転ツールユニット。
2. 前記第二ショルダの外面に、周方向に沿う溝が複数形成されていることを特徴とする請求項１に記載の回転ツールユニット。
3. 前記ホルダー及び前記スライド軸のいずれか一方に形成されたキー溝と、他方に形成されたキーとを有し、
   前記スライド軸の移動に伴って、前記キーが前記キー溝の内部を移動することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の回転ツールユニット。
4. 前記ホルダーの内面及び前記スライド軸の外面のいずれか一方の軸方向に沿って延設された突条と、他方の軸方向に沿って延設された凹条とを有し、
   前記スライド軸の移動に伴って、前記突条が前記凹条の内部を移動することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の回転ツールユニット。
5. 前記ホルダーには、径方向に貫通する長孔状のキー溝が形成され、
   前記スライド軸の外面には、外側に向けて突出するキーが形成され、
   前記キーが、前記キー溝に係合することにより、前記ホルダーと前記スライド軸とが一体的に回転することを特徴とする請求項３に記載の回転ツールユニット。
6. 前記ホルダーの外面には、上下方向に平坦に延設された平坦面が形成されており、
   前記ホルダーは、前記チャック部にボルトを介して締結されており、
   前記ボルトの先端は、前記平坦面に当接していることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の回転ツールユニット。
7. 前記ピンは、前記第二ショルダを貫通しており、前記第二ショルダの下端においてナットで締結されていることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の回転ツールユニット。
8. 前記第一ショルダは、大径部と、テーパー部と、下端面とを備え、前記テーパー部は、下方に向けて徐々に縮径しており、
   前記第二ショルダは、大径部と、テーパー部と、上端面とを備え、前記テーパー部は、上方に向けて徐々に縮径していることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の回転ツールユニット。
9. 請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の回転ツールユニットを用いて、一対の金属板を接合する摩擦攪拌接合方法であって、
   前記金属板の端面同士を突き合わせる突き合せ工程と、
   前記端面同士を突き合せて形成された突き合せ部に回転させた前記ボビンツールのピンを移動させて前記端面同士を摩擦攪拌接合する接合工程と、を含み、
   前記接合工程では、第一ショルダ及び第二ショルダ間の距離を前記金属板の厚さ以下に設定しておき、摩擦攪拌によって前記金属板が変形して前記金属板の位置が前記ボビンツールの軸方向に変位した際に、その変位に追従して前記ボビンツールが軸方向に移動することを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
10. 前記接合工程では、
    前記第一ショルダと前記金属板の化粧面とを対向させ、かつ、前記ピンの軸方向の中心と前記金属板の板厚方向の中心とを合わせた後、前記端面同士を突き合せて形成された突き合せ部に前記スライド軸側から見て右回転させた前記ボビンツールのピンを移動させ、
    前記ピンの外周面の前記第一ショルダ側に右ネジの螺旋溝が形成されており、この右ネジの螺旋溝が前記第一ショルダ及び前記第二ショルダ間の距離に対して２５％以上の割合で形成されていることを特徴とする請求項９に記載の摩擦攪拌接合方法。
11. 前記外周面のうち前記右ネジの螺旋溝の端部から前記第二ショルダまでの間に、左ネジの螺旋溝が形成されていることを特徴とする請求項１０に記載の摩擦攪拌接合方法。
12. 前記接合工程では、
    前記第一ショルダと前記金属板の化粧面とを対向させ、かつ、前記ピンの軸方向の中心と前記金属板の板厚方向の中心とを合わせた後、前記端面同士を突き合せて形成された突き合せ部に前記スライド軸側から見て左回転させた前記ボビンツールのピンを移動させ、
    前記ピンの外周面の前記第一ショルダ側に左ネジの螺旋溝が形成されており、この左ネジの螺旋溝が前記ショルダ間の距離に対して２５％以上の割合で形成されていることを特徴とする請求項９に記載の摩擦攪拌接合方法。
13. 前記外周面のうち前記左ネジの螺旋溝の端部から前記第二ショルダまでの間に、右ネジの螺旋溝が形成されていることを特徴とする請求項１２に記載の摩擦攪拌接合方法。
14. 前記接合工程では、
    前記第二ショルダと前記金属板の化粧面とを対向させ、かつ、前記ピンの軸方向の中心と前記金属板の板厚方向の中心とを合わせた後、前記端面同士を突き合せて形成された突き合せ部に前記スライド軸側から見て右回転させた前記ボビンツールのピンを移動させ、
    前記ピンの外周面の前記第二ショルダ側に左ネジの螺旋溝が形成されており、この左ネジの螺旋溝が前記ショルダ間の距離に対して２５％以上の割合で形成されていることを特徴とする請求項９に記載の摩擦攪拌接合方法。
15. 前記外周面のうち前記左ネジの螺旋溝の端部から前記第一ショルダまでの間に、右ネジの螺旋溝が形成されていることを特徴とする請求項１４に記載の摩擦攪拌接合方法。
16. 前記接合工程では、
    前記第二ショルダと前記金属板の化粧面とを対向させ、かつ、前記ピンの軸方向の中心と前記金属板の板厚方向の中心とを合わせた後、前記端面同士を突き合せて形成された突き合せ部に前記スライド軸側から見て左回転させた前記ボビンツールのピンを移動させ、
    前記ピンの外周面の前記第二ショルダ側に右ネジの螺旋溝が形成されており、この右ネジの螺旋溝が前記ショルダ間の距離に対して２５％以上の割合で形成されていることを特徴とする請求項９に記載の摩擦攪拌接合方法。
17. 前記外周面のうち前記右ネジの螺旋溝の端部から前記第一ショルダまでの間に、左ネジの螺旋溝が形成されていることを特徴とする請求項１６に記載の摩擦攪拌接合方法。
18. 前記接合工程では、前記金属板の化粧面側を冷却しながら接合することを特徴とする請求項１０、請求項１２、請求項１４又は請求項１６に記載の摩擦攪拌接合方法。
19. 請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の回転ツールユニットを用いて、一対のダブルスキンパネルの端部同士を摩擦攪拌接合するダブルスキンパネルの摩擦攪拌接合方法であって、
    一方の前記ダブルスキンパネルの外板の端部に形成された鉤部と他方の前記ダブルスキンパネルの外板の端部に形成された鉤部とを係合させつつ、一方の前記ダブルスキンパネルの内板の端部に形成された端面と他方の前記ダブルスキンパネルの内板の端面とを係合させずに突き合わせる準備工程と、
    前記準備工程で係合させた係合部及び突き合わせた突き合せ部に対して摩擦攪拌接合を行う接合工程と、を含み、
    前記接合工程では、第一ショルダ及び第二ショルダ間の距離を前記端部の厚さ以下に設定しておき、摩擦攪拌によって前記端部が変形して前記端部の位置が前記ボビンツールの軸方向に変位した際に、その変位に追従して前記ボビンツールが軸方向に移動することを特徴とするダブルスキンパネルの摩擦攪拌接合方法。
20. 各前記鉤部は、前記外板の厚肉部から延設された薄肉部と、前記薄肉部に連続し板厚方向に張り出した張出部と、を有し、
    前記準備工程において、一対の前記張出部同士を係合させることを特徴とする請求項１９に記載のダブルスキンパネルの摩擦攪拌接合方法。
21. 一方の前記ダブルスキンパネルの前記張出部の側部には張出傾斜面が形成されており、
    他方の前記ダブルスキンパネルの前記厚肉部には前記張出傾斜面に面接触する厚肉傾斜面が形成されていることを特徴とする請求項２０に記載のダブルスキンパネルの摩擦攪拌接合方法。
22. 前記外板と前記内板の間に支持板が介設されており、
    前記支持板から前記端面までの長さをｃ（ｍｍ）及び前記厚肉部の板厚をｔ（ｍｍ）としたとき、
    ｃ≦７．０×ｔ＋１８．５ｍｍを満たすように設定されていることを特徴とする請求項２０又は請求項２１に記載のダブルスキンパネルの摩擦攪拌接合方法。
23. 前記接合工程では、前記係合部を接合した後に、前記突き合せ部を接合することを特徴とする請求項１９乃至請求項２２のいずれか一項に記載のダブルスキンパネルの摩擦攪拌接合方法。