JP5633006B2 - 摩擦攪拌加工装置及び摩擦攪拌加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、金属材料の被加工材同士を突き合せた接合線に沿って回転するツールを押し付けて摩擦熱により軟化させて接合する摩擦攪拌加工装置及び摩擦攪拌加工方法に関する。

上記加工法として、摩擦攪拌接合（ＦＳＷ）が知られている。摩擦攪拌接合は、金属材料の被加工材同士を突き合せた接合線に対して円柱状のツールを回転させながら押し付けて接合方向に相対移動させることにより、発生する摩擦熱で被加工材を軟化させて接合する方法である。また、上記ツールを用いて、被加工材表面の強度及び硬さ等を向上させる摩擦攪拌改質（ＦＳＰ）や、被加工材を点接合する摩擦攪拌点接合（ＦＳＪ）も行われ、これらと上記摩擦攪拌接合とを総称して摩擦攪拌加工と称される。

上記ツールは、円柱状のツール本体と、ツール本体における被加工材と接触する円形のショルダ面と、ショルダ面の中央に突設して被加工材中に押し入れるプローブとを備える（図３）。そして、ツールは、被加工材よりも硬さ、融点、耐摩耗性等の物性の高い材料が要求され、アルミニウム材等の被加工材の接合にはＳＫＤ鋼等の工具鋼が主に使用されている。一方、アルミニウム材よりも高融点の材料であるステンレス等の鉄系材料の被加工材を接合する場合は、セラミックス製や超硬合金製等のツールが使用されている。しかし、セラミックス製のツールは破損しやすく、超硬合金製のツールは短時間で摩耗が生じやすい等の問題がある。そこで、ツールの材質として高強度で優れた高温特性を有するＮｉ基２重複相金属間化合物合金からなるものが提案されている（特許文献２）。

また、上記摩擦攪拌加工中におけるツールの被加工材へのツール深さ（被加工材表面からのショルダ面の押込み量）に変動が生じると接合部に欠陥が発生しやすくなる。そこで、このような欠陥防止の対策として、ツールが被加工材から受けるツール荷重と上記ツール深さとの相関に基づいて、加工中に検出するツール荷重が一定になるようにツールの上下位置を常時調節することでツール深さを一定に保持する荷重制御の技術が知られている（特許文献１）。

特開２００１−１９８６８３号公報 特開２００９−２５５１７０号公報

ところで、上記ツールは、例えば鉄系材料を超硬合金製等のツールで接合する場合のように、ツールと被加工材の組み合わせによっては加工操作により摩耗して短くなっていく。そのため、被加工材を順次に複数回加工操作する場合は、ツールと被加工材との間で十分な接触面積が確保できなくなって加工部に欠陥を発生させる。また、ツールの摩耗は、ショルダ面の摩耗が顕著であり、プローブはそれほど摩耗しない。このことは、被加工材との接触速度が、ショルダ面では速く、ショルダ面の中心位置にあるプローブでは遅いため、ショルダ面ほど磨耗速度が大きいからである。そのため、ツールの摩耗が進行するとショルダ面との関係でプローブ長さが見かけ上長くなる傾向となる。この場合、上記荷重制御によると、ショルダ面と被加工材の接触面積を一定に保持しようとするので、見かけ上長くなったプローブの被加工材への挿入深さが深くなる。そして、荷重変動によるツール深さ変動により摩耗の少ないプローブの挿入深さが被加工材の板厚を超えてしまうと、加工部にバリや空洞等の欠陥を発生させる。このような現象は、被加工材が薄板（例えば、板厚１．５ｍｍ以下）の場合に顕著である。薄板の場合には加工装置によるツール押付荷重の変動の影響を受けやすいからであって、薄板は加工中に許容されるツール押付荷重の変動幅が小さいため、上記荷重制御を適切に実行することが困難だからである。

本発明は、上記事情に鑑み、加工操作の繰り返しによるツールの摩耗に対応することができ、欠陥の発生を抑制して良好な加工を可能とする摩擦攪拌加工装置及び摩擦攪拌加工方法を提供する。

本願発明に係る摩擦攪拌加工装置は、
ショルダ面にプローブを突設して金属材料からなる被加工材を摩擦攪拌加工するためのツールと、
ツールを回転させるための回転駆動手段と、
ツールを上下に移動させて被加工材に対して上から押し付けるツール高さを設定するための昇降駆動手段と、
ツールを被加工材の加工方向に相対移動させるための移送駆動手段と、
同じツールにより同じ材質の被加工材を順次に複数回摩擦攪拌加工するときの上記ツール高さは、最初に加工する被加工材に対して設定したツール高さを基準ツール高さとし、２回目以降に加工する被加工材に対しては、加工操作によるツールの摩耗におけるショルダ高さの減少量に対応して、ツールのショルダ面と被加工材との間で必要な接触面積を確保するために予め定められた下げ幅だけ上記基準ツール高さより低く設定されるように上記昇降駆動手段を制御するツール高さ調節手段とを備える。

上記ツール高さ調節手段により、２回目以降に加工する被加工材に対してはツールの摩耗に対応してツール高さが調節されるので、ツールのショルダ面と被加工材との間で十分な接触面積を確保することができる。また、薄板のようにツール荷重の許容変動幅が比較的小さいために従来の荷重制御では高さ調節が困難であった被加工材であっても、上記ツール高さ制御手段によれば、ツールの摩耗に対応してツール高さが調節されるので、ツールのショルダ面と被加工材との間で十分な接触面積を確保することができる。従って、被加工材への加工操作を同じツールを用いて繰り返しても、ツールによる摩擦熱の発熱量を過不足無く適正に制御することができ、加工部での欠陥の発生が抑制される。

上記ツールは、Ｎｉ基２重複相金属間化合物合金からなるのが好ましく、また、上記被加工材は、鉄系材料の板材からなるのが好ましい。

これにより、ツールの耐熱及び耐摩耗性が向上され、加工時の摩擦熱による高温下でもツールは必要な硬さを発揮することができる。従って、加工時の温度が比較的高温となるステンレスなどの鉄系材料からなる被加工材に対して同じツールを用いて加工操作を繰り返しても、良好な加工状態を実現することができる。

また、上記摩擦攪拌加工装置において、
摩擦攪拌加工により摩耗した上記ツールを砥石により研削するツール再生機構を備えるのが好ましい。

ツールが摩耗することにより、ツールと被加工材の接触状態が不安定になり良好な接合状態を得ることができなくなる。これに対して、上記ツール再生機構によれば、ツールが摩耗しても、ツール再生機構によりツールを研削して再生することができる。従って、摩耗したツールを再生により再使用することができるので、ツールの寿命が延び、ツール交換頻度を少なくすることができ、被加工材の加工コストを抑えることもできる。

ところで、加工操作の繰り返しによるツール摩耗は、ショルダ面の摩耗が顕著であり、プローブはそれほど摩耗しない。そのため、従来の荷重制御のように、ショルダ面の摩耗によってツール荷重が減少した分、ツールの押込み量を増加させると、プローブの挿入深さが被加工材の板厚を超えてしまい、加工部にバリや空洞等の欠陥を発生させる。

そこで、上記ツール再生機構は、砥石により上記ツールのプローブだけを研削する構成とすることができる。
これにより、加工操作の繰り返しによりツールのショルダ面が顕著に摩耗したために長くなってしまったプローブを上記ツール再生機構によって研削することで、プローブ長さを被加工材の厚さに対応した適切な長さに再生することができる。従って、ツールを再生することによってもツールの摩耗に対応することができるので、被加工材への加工操作を同じツールを用いて繰り返しても、加工部での欠陥の発生を抑制して良好な加工状態を実現することができる。また、プローブのみの再生であれば、簡易に且つ迅速にツールを再生させることができる。

また、本願発明に係る摩擦攪拌加工装置は、
ショルダ面にプローブを突設して金属材料からなる被加工材を摩擦攪拌加工するためのツールと、
ツールを回転させるための回転駆動手段と、
ツールを上下に移動させて被加工材に対して上から押し付けるツール高さを設定するための昇降駆動手段と、
ツールを被加工材の加工方向に相対移動させるための移送駆動手段と、
同じツールにより同じ材質の被加工材を順次に複数回摩擦攪拌加工するときの上記ツール高さは、最初に加工する被加工材に対して設定したツール高さを基準ツール高さとし、２回目以降に加工する被加工材に対しては、加工操作によるツールの摩耗に対応して、ツールのショルダ面と被加工材との間で必要な接触面積を確保するために予め定められた下げ幅だけ上記基準ツール高さより低く設定されるように上記昇降駆動手段を制御するツール高さ調節手段と、
摩擦攪拌加工により摩耗した上記ツールを砥石により研削するツール再生機構と、
上記ツール再生機構による再生の際、上記ツールを回転させながら砥石を回転させてツールを研削するように制御し、ツールの回転トルク又は砥石の回転トルクを検出するトルク検出手段の出力値が所定の設定値に達すると再生を停止するように制御する再生制御手段とを備える。

これにより、ツール再生時にツール又は砥石の回転トルクをトルク検出手段により検出して、例えば、ツールの表面形状が適切な状態になった時の回転トルクの値を設定値とし、回転トルクがこの設定値になった時に再生を停止することで、時間の無駄がなく、削りすぎることもなく良好なツール再生を行なうことができる。

また、本願発明に係る摩擦攪拌加工方法は、
金属材料の被加工材に対してツールを回転させながら押し付けて発生する摩擦熱により被加工材を軟化させて加工する摩擦攪拌加工方法であって、
同じツールにより同じ材質の被加工材を順次に複数回摩擦攪拌加工するときに被加工材を上から押し付けるツール高さは、最初に加工する被加工材に対して設定したツール高さを基準ツール高さとし、２回目以降に加工する被加工材に対しては、加工操作によるツールの摩耗におけるショルダ高さの減少量に対応して、ツールのショルダ面と被加工材との間で必要な接触面積を確保するために予め定められた下げ幅だけ上記基準ツール高さより低く設定して被加工材の加工を行う。

これにより、被加工材への加工操作によるツールの摩耗に対応してツールのショルダ面と被加工材との間で十分な接触面積を確保することができる。従って、被加工材への加工操作を同じツールを用いて繰り返しても、ツールによる摩擦熱の発熱量を過不足無く適正に制御することができ、加工部での欠陥の発生が抑制される。そして、従来の荷重制御では十分に欠陥防止対応するのが困難である場合として、例えば、薄板のようにツール荷重の許容変動幅が比較的小さい被加工材に対しても、ツールによる摩擦熱の発熱量を過不足無く適正に制御することができ、加工部での欠陥の発生を抑制することができる。

以上のように、本発明に係る摩擦攪拌加工装置及び摩擦攪拌加工方法によれば、被加工材への加工操作を同じツールを用いて繰り返しても、ツールの摩耗に対応することができ、加工部での欠陥の発生を抑制して良好な加工状態を実現することができる。また、被加工材が薄板の場合であっても良好な加工状態を実現することができる。

摩擦攪拌接合装置の全体構成を示す斜視図である。 摩擦攪拌接合装置におけるツール高さを設定する機構を説明するための模式図である。 摩擦攪拌加工用のツールを示す図であり、同図（Ａ）はツールの斜視図であり、同図（Ｂ）はその側面図である。 摩擦攪拌接合装置のツール再生機構としてのツール研削装置の部分を拡大した断面図である。 ワーク加工操作位置とツール再生操作位置との関係を示す模式図である。 実施例１における加工距離とツール摩耗との相関関係を示すグラフである。 実施例１の摩擦攪拌接合の加工操作（１回目）により得られた薄板の接合部を表側から撮影した写真である。 実施例１の摩擦攪拌接合の加工操作（７回目）により得られた薄板の接合部を表側から撮影した写真である。 実施例１の摩擦攪拌接合の加工操作（１３回目）により得られた薄板の接合部を表側から撮影した写真である。 実施例２における加工距離とツール摩耗との相関関係を示すグラフである。 実施例２の摩擦攪拌接合の加工操作（１回目）により得られた薄板の接合部を表側から撮影した写真である。 実施例２の摩擦攪拌接合の加工操作（７回目）により得られた薄板の接合部を表側から撮影した写真である。 実施例２の摩擦攪拌接合の加工操作（１４回目）により得られた薄板の接合部を表側から撮影した写真である。 実施例３の摩擦攪拌接合の加工操作（再生前）により得られた薄板の接合部を表側から撮影した写真である。 実施例３の摩擦攪拌接合の加工操作（再生後）により得られた薄板の接合部を表側から撮影した写真である。

以下に、摩擦攪拌加工装置の一実施形態として、金属材料の被加工材となる板材（以下、適宜「ワーク」）を摩擦攪拌接合するための摩擦攪拌接合装置を例に挙げて説明する。図１に示すように、摩擦攪拌接合装置１は、基台７上のワークＷ１，Ｗ２に対して摩擦攪拌接合を行うための加工機構２を備える。

基台７上には、２枚の平板状のワークＷ１，Ｗ２を配置する冶具４が設けられ、冶具４には、ワークＷ１，Ｗ２の裏面に配置される裏当て材４１が取り付けられている。ワークＷ１，Ｗ２は、冶具４に設けたワーク押さえ６により互いの端面を突き合わせた接合線Ｌが裏当て材４１の中央に位置するように固定される。裏当て材４１の材質は、セラミックス製とすることが好ましいが、これに限定されるものではない。例えば、ワークＷ１，Ｗ２が鉄系合金の板材であれば、良好な接合を行うために板材の裏面側からの放熱を遮断できる熱伝導率の小さい材質（例えば、Ｓｉ_３Ｎ_４）を選択することが可能である。なお、裏当て材４１は、図１に示すような平板部材以外に棒状部材等で構成してもよい。

加工機構２は、摩擦攪拌加工用のツール２０と、ツール２０を保持するツール保持部３０と、ツール２０を回転させるための回転用モータ（回転駆動手段）３２と、ツール保持部３０を昇降させるための昇降用モータ（昇降駆動手段）８５と、ツール保持部３０を横方向に移動させるための移送用モータ（移送駆動手段）８３とを備える。

ツール保持部３０は、下部にツール２０を着脱自在に取り付けるツールホルダー３を備える。ツールホルダー３は、ツール回転用モータ２３と連結されており、このツール回転用モータ２３の駆動によりツールホルダー３とともにツール２０が回転される。ツール保持部３０は、図２に示すように、スライダー８０に対してボールネジ８６により昇降自在に取り付けられており、スライダー８０に設ける昇降用モータ８５により基台７に対して上下に移動自在にされ、これにより、ツール２０をワークＷ１，Ｗ２に接触させるツール高さが設定される。また、ツール保持部３０は、スライダー８０に対して回動自在に取り付けられており、ツール２０を所定の前進角θ（図５参照）に設定できるようになっている。スライダー８０は、一対のガイドレール８１とボールネジ８２とを備える直動機構８４に取り付けられており、送り用モータ８３の駆動により基台７に平行に移動される。これにより、スライダー８０に取り付けたツール保持部３０が移動されるので、ツール保持部３０に保持するツール２０がワークＷ１，Ｗ２の加工方向となる接合線Ｌ方向に沿って移動される。

（摩擦攪拌加工用ツール）
図３に示すように、ツール２０は、円柱状のツール本体２１と、ツール本体２１の基端側にフランジ２５を介して形成する六角柱状の取付部２４とを有する。取付部２４がツールホルダー３に着脱自在に固定されることにより、ツール保持部３０にツール２０が取り付けられる。ツール本体２１の先端面は、平面状のショルダ面２２と、ショルダ面２２の中心部に突設された球面状のプローブ２３とを有する。そして、ツール２０は、ワークＷ１，Ｗ２を摩擦攪拌加工する際、回転しながらツール本体２１のショルダ面２２及びプローブ２３をワークＷ１，Ｗ２に押し付けて摩擦熱を発生させるようにする。

ツール２０は、Ｎｉ基２重複相金属間化合物合金により形成されるのが好ましい。これにより、ツール２０の耐熱及び耐摩耗性が向上され、加工時の摩擦熱による高温下でもツール２０が必要な硬さを発揮することができ、被加工材がアルミニウム合金等に比べて高融点材料である鉄系合金等であっても確実に且つ良好な接合を行うことができる。

Ｎｉ基２重複相金属間化合物合金として、例えば、Ｎｉ_３Ａｌ（Ｌ１_２）−Ｎｉ_３Ｔｉ（Ｄ０_２４）−Ｎｉ_３Ｖ（Ｄ０_２２）系金属間化合物合金（国際公開ＷＯ２００６／１０１１２１２号パンフレットを参照）や、Ｎｉ_３Ａｌ（Ｌ１_２）−Ｎｉ_３Ｎｂ（Ｄ０_ａ）−Ｎｉ_３Ｖ（Ｄ０_２２）系金属間化合物合金（国際公開ＷＯ２００７／０８６１８５号パンフレットを参照）などが知られている。

上記Ｎｉ_３Ａｌ（Ｌ１_２）−Ｎｉ_３Ｔｉ（Ｄ０_２４）−Ｎｉ_３Ｖ（Ｄ０_２２）系相金属間化合物合金として、具体的には、Ａｌ：５原子％より大で１３原子％以下、Ｖ：９．５原子％以上で１７．５原子％より小、Ｔｉ：０原子％以上で３．５原子％以下、Ｂ：０重量ｐｐｍ以上で１０００重量ｐｐｍ以下、残部は不純物を除きＮｉからなり、かつ初析Ｌ１₂相と（Ｌ１₂＋Ｄ０₂₂）共析組織との２重複相組織を有するＮｉ_３Ａｌ基金属間化合物が挙げられる。

この金属間化合物は、Ａｌ：５原子％より大で１３原子％以下、Ｖ：９．５原子％以上で１７．５原子％より小、Ｔｉ：０原子％以上で３．５原子％以下、Ｂ：０重量ｐｐｍ以上で１０００重量ｐｐｍ以下、残部は不純物を除きＮｉからなる合金材に対して、初析Ｌ１₂相とＡｌ相とが共存する温度で第１熱処理を行い、その後Ｌ１₂相とＤ０₂₂相とが共存する温度に冷却するか、当該Ｌ１₂相とＤ０₂₂相とが共存する温度で第２熱処理を行うことによって、Ａｌ相を（Ｌ１₂＋Ｄ０₂₂）共析組織に変化させて２重複相組織を形成する工程を備える方法によって製造することができる。もしくは、上記組成の合金を高温のＡ１単相領域から徐冷することによって２重複相組織を形成する工程を備える方法によっても製造することができる。

また、上記Ｎｉ_３Ａｌ（Ｌ１_２）−Ｎｉ_３Ｎｂ（Ｄ０_ａ）−Ｎｉ_３Ｖ（Ｄ０_２２）系金属間化合物合金として、具体的には、Ａｌ：５原子％より大で１３原子％以下、Ｖ：９．５原子％以上で１７．５原子％より小、Ｎｂ：０原子％以上で５原子％以下、Ｂ：５０重量ｐｐｍ以上１０００重量ｐｐｍ以下、残部は不純物を除きＮｉからなり、初析Ｌ１₂相と（Ｌ１₂＋Ｄ０₂₂）共析組織との２重複相組織を有するＮｉ_３Ａｌ基金属間化合物が挙げられる。

この金属間化合物は、Ａｌ：５原子％より大で１３原子％以下、Ｖ：９．５原子％以上で１７．５原子％より小、Ｎｂ：０原子％以上で５原子％以下、Ｂ：５０重量ｐｐｍ以上で１０００重量ｐｐｍ以下、残部は不純物を除きＮｉからなる合金材に対して、初析Ｌ１₂相とＡｌ相とが共存する温度、又は初析Ｌ１_２相とＡｌ相とＤ０_ａが共存する温度で第１熱処理を行い、その後、Ｌ１_２相とＤ０₂₂相とが共存する温度に冷却するか、その温度で第２熱処理を行うことによって、Ａｌ相を（Ｌ１₂＋Ｄ０₂₂）共析組織に変化させて２重複相組織を形成する工程によって製造することができる。もしくは、上記組成の合金を高温のＡ１単相領域から徐冷することによって２重複相組織を形成する工程を備える方法によっても製造することができる。

そして、ツール２０の材質には、Ｎｉを主成分とし且つＡｌ：２〜９原子％、Ｖ：１０〜１７原子％、Ｔａ及び／又はＷ：０．５〜８原子％、Ｎｂ：０〜６原子％、Ｃｏ：０〜６原子％、Ｃｒ：０〜６原子％を含む合計１００原子％の組成の合計重量に対してＢ：１０〜１０００重量ｐｐｍを含み且つ初析Ｌ１₂相と（Ｌ１₂＋Ｄ０₂₂）共析組織とからなる２重複相組織を有するＮｉ基２重複相金属間化合物合金が、耐熱及び耐摩耗性に優れる点で好ましい。なお、本明細書において、上記「〜」は、上限値、下限値をそれぞれ含む。
Ｔａ及び／又はＷが０．５〜８原子％含むことにより硬さの向上効果が得られる。
Ｎｂ、Ｃｏ、Ｃｒは、任意成分であるが、Ｎｂは、２重複相組織の強度向上のために添加され、また、Ｃｏ、Ｃｒは、耐酸化性向上のために添加される。
Ｂは、得られる合金の延性向上のために添加される。
また、初析Ｌ１₂相と（Ｌ１₂＋Ｄ０₂₂）共析組織とからなる２重複相組織を有することにより、金属間化合物合金は引張強度などの機械的特性や耐クリープ特性に優れるものとなる。

また、ツール２０の材質には、Ｎｉを主成分とし且つＡｌ：５．５〜１３原子％、Ｖ：１０〜１７原子％、Ｎｂ：０〜６原子％、Ｔｉ：０〜６原子％、Ｃｏ：０〜６原子％、Ｃｒ：０〜６原子％を含む合計１００原子％の組成の合計重量に対してＢ：１０〜１０００重量ｐｐｍを含み且つ初析Ｌ１₂相と（Ｌ１₂＋Ｄ０₂₂）共析組織とからなる２重複相組織を有するＮｉ基２重複相金属間化合物合金も、上記のものと同様に、耐熱及び耐摩耗性に優れる点で好ましい。

また、ツール２０の製造は、溶解・鋳造法、鋳造材を熱間鍛造等の塑性加工、粉末冶金法等にて賦形してもよい。例えば、Ｎｉ基２重複相金属間化合物合金のツール２０の製造は、種々の製造方法にて行うことができ、所定の組成になるように所定の元素の地金（それぞれ純度９９．９重量％以上）とＢを秤量したものを真空誘導溶解法やアーク溶解法等によって溶解、鋳造することによって鋳塊を作製する。この鋳塊から放電加工、切削加工、研削加工、研磨加工等を適宜用いて所定の形状に加工することによりツールを製造することができる。

そして、上記摩擦攪拌接合装置１によりワークＷ１，Ｗ２を接合する際、高速回転（例えば、５００ｒｐｍ〜２０００ｒｐｍ程度）させたツール２０を、ワークＷ１，Ｗ２の接合線Ｌの一端に押し付ける。すると、発生する摩擦熱により接合線Ｌ周辺のワークＷ１，Ｗ２が軟化する。次いで、ツール２０を接合線Ｌの他端に向かって移動させることにより、回転による摩擦熱で接合線Ｌ周辺のワークＷ１，Ｗ２が連続的に軟化し、ワークＷ１，Ｗ２の接合線Ｌ付近が摩擦攪拌により接合される。

（ツール高さ調節手段）
また、上記摩擦攪拌接合装置１は、同じツール２０により同じ材質の被加工材（ワークＷ１，Ｗ２）を順次に複数回摩擦攪拌加工するとき、ツール２０の摩耗に対応して、繰り返し行う加工操作毎に、ツール高さを低く設定するように上記昇降用モータ８５を制御するツール高さ調節手段８８を備えている（図１参照）。

すなわち、ツール２０は、被加工材の加工操作を繰り返すことにより摩耗して短くなっていく。このツール摩耗の度合いは、被加工材の材質、ツール２０の材質、ツール回転数、加工速度等により変動するが、これら条件が同じ場合、ツール２０は加工距離にほぼ比例して摩耗する（図６、図１０を参照）。そこで、ツール摩耗度合いについて、ツール回転数を一定にして同じツール２０により同じ材質の被加工材を摩擦攪拌接合したときの実験結果により、同条件下での加工距離に対するツール摩耗の相関データを取得する。

そして、ツール高さ調節手段８８において、このツール摩耗の相関データを基に、同じ条件下で２回目以降に加工する被加工材に対して、ツール２０のショルダ面２２と被加工材との間で必要な接触面積が確保されるツール高さを決定し、最初に加工する被加工材に対して設定したツール高さ（基準ツール高さ）より低くする下げ幅を予め設定しておく。なお、ツール２０のショルダ面と被加工材との間での必要な接触面積としては、例えば、ショルダ面の７０％以上とするのが好ましい。

そして次に、同じツール２０により同じ材質の被加工材を順次に複数回摩擦攪拌接合するときのツール高さは、上記ツール高さ調節手段８８により、２回目以降に加工する被加工材に対しては、加工操作によるツール２０の摩耗に対応して、上記下げ幅だけ上記基準ツール高さより低く設定されるように上記昇降用モータ８５が制御されることとなる。なお、最初に加工する被加工材に対して設定するツール高さ（基準ツール高さ）は、例えば、ショルダ面２２の７０％以上が被加工材に接触されるツール高さに設定されるのが好ましく、この基準ツール高さは、例えば、ツール２０の前進角θを加味して、ショルダ面２２が被加工材の表面に接触する位置から所定深さだけショルダ面２２被加工材へ押込んだときの位置とされる。

上記ツール高さ調節手段８８により、ツール２０の摩耗に対応してツール高さが調節されるので、２回目以降に加工する被加工材に対してもツール２０のショルダ面２２と被加工材との間で十分な接触面積を確保することができる。従って、被加工材への加工操作を同じツール２０を用いて繰り返しても、ツール２０による摩擦熱の発熱量を過不足無く適正に制御することができ、接合部での欠陥の発生が抑制される。

そして、従来の荷重制御では十分に欠陥防止対応するのが困難である場合として、例えば、薄板（例えば、板厚１．５ｍｍ以下）のようにツール荷重の許容変動幅が比較的小さい被加工材に対しても、ツール２０による摩擦熱の発熱量を過不足無く適正に制御することができ、接合部での欠陥の発生を抑制することができる。

従って、被加工材への加工操作を同じツール２０を用いて繰り返しても、ツール２０の摩耗に対応することができ、接合部での欠陥の発生を抑制して良好な接合状態を実現することができる。また、被加工材が薄板の場合であっても良好な接合状態を実現することができる。

なお、上記ツール高さ調節手段８８は、次に述べるツール再生機構によりツール２０が再生された場合は、再生後に最初に加工する被加工材に対して改めて上記基準ツール高さが設定され、再生後の２回目以降に加工する被加工材に対しては、再生後に改めて設定された基準ツール高さより上記下げ幅だけ低く設定されるように上記昇降用モータ８５が制御されるようにする。

（ツール再生機構）
また、摩擦攪拌接合装置１は、冶具４に隣接して基台７上の一方側に、摩擦攪拌加工の操作により摩耗したツール２０を再生させるツール再生機構としてのツール研削装置５を備えている。

ところで、ツール２０は、加工操作を繰り返すと摩耗するが、ツール２０の摩耗は、ショルダ面２２の摩耗が顕著であり、プローブ２３はそれほど摩耗しない。このことは、被加工材との接触速度が、ショルダ面２２では速く、ショルダ面２２の中心位置にあるプローブ２３では遅いためである。そのため、ツール２０の摩耗が進行するとプローブ長さが長くなる傾向となる。この場合、上述した荷重制御による接合では、ショルダ面と被加工材の接触面積を一定に保持しようとするため、荷重が変動すると摩耗の少ないプローブ２３の挿入深さが被加工材の板厚を超えて被加工材の接合部にバリや空洞等の欠陥を発生させ易くなる。

そこで、ツール研削装置５は、ツール２０のショルダ面２２の顕著な摩耗により見かけ上長くなったプローブ２３を研削する。図３に示すように、ツール研削装置５は、円板状の砥石支持板５２の外周に形成した砥石５１と、砥石支持板５２に取り付けられた回転軸５８に接続されて砥石５１を回転させる砥石回転用モータ５３とを備える。砥石５１の外周部は、プローブ２３の断面凸形状に一致する断面凹形状の凹溝５１ａが全周に連続形成されている。砥石５１としては、プローブ２３の研削が円滑に行えるようにダイヤモンド砥石等を使用することが好ましいが、これに限定されるものではなく、例えば、ボラゾンのような立方晶窒化ホウ素（ＣＢＮ）等によるものでも良い。また、砥石５１は、ツール２０及び砥石５１から発生する研削クズ等が外部に飛散されないようにするため、カバー５４により覆われており、このカバー５４には、ツール２０を配置させるツール挿入口５６が上面に設けられるとともに、研削クズ等を排出させる排出口５７が下面に設けられている。

そして、図３を参照して、ツール２０の再生のためプローブ２３を研削する際は、摩耗したツール２０を回転させながらツール研削装置５の上方に移動させて先端のプローブ２３を、回転している砥石５１の凹溝５１ａに接触させて研削する。このとき、図５を参照して、ワークＷ１，Ｗ２の接合線Ｌが伸びる方向と砥石５１の回転方向が一致するようにツール研削装置５を基台７上に配設することにより、ツール２０に前進角θを保持させた状態のままでも砥石５１により研削できるので、ツール２０の再生操作を容易にすることができる。

上記再生操作の際、砥石５１の周速は、ＣＢＮ（立法晶窒化硼素）やダイヤモンド砥石の場合は５〜８０ｍ／ｓｅｃ程度に設定されるが、これらには限られない。これにより、ツール２０を回転させながら砥石５１を回転させて研削するに際して、ツール２０を欠損等させることなく円滑に研削することができる。また、この再生時のツール２０の回転数は、砥石５１の種類や砥石５１の周速等を考慮して研削に最適な回転数が設定される。例えば、ツール２０の回転数は、２０００ｒｐｍ前後程度に設定されるのが好ましいが、これに限定されない。

なお、このツール２０の研削時には、砥石５１周辺に冷風及び／又はミストを供給するようにしてもよい。これにより、ツール研削時に冷風及びミストを供給することで、砥石５１の研削面の粗さを細かくし、滑らかに且つ効率的にツール２０を研削することができる。

以上の再生操作により、摩擦攪拌接合の加工操作の繰り返しによりツール２０のショルダ面２２が顕著に摩耗したために見かけ上長くなってしまったプローブ２３を研削することで、プローブ形状を整え、プローブ長さを被加工材の厚さに対応した適切な長さに再生することができる。従って、被加工材への加工操作を同じツール２０を用いて繰り返しても、被加工材の接合部での欠陥の発生を抑制して良好な接合状態を実現することができる。また、プローブ２３のみを研削するので、簡易に且つ迅速にツール２０を再生させることができる。さらには、摩耗したツール２０を再生により再使用することでツール寿命が延び、ツール交換頻度を少なくすることができ、被加工材の加工コストを抑えることもできる。

さらに、摩擦攪拌接合装置１は、ツール２０を回転させるツール回転用モータ２３の回転トルクを検出するトルク検出部３３（図１参照）が設けられており、このトルク検出部３３は、ツール２０を砥石５１により研削している際中もツール２０の回転トルクを検出するようになっている。また、摩擦攪拌接合装置１は、ツール研削中にトルク検出部３３で検出した回転トルクが所定の設定値に達すると研削加工を停止するように制御する再生制御手段（図示せず）が設けられている。

研削加工を停止する回転トルクとしての設定値は、摩擦攪拌接合の加工操作の繰り返しによりツール２０のプローブ２３が長くなりプローブ表面が凸凹となった状態で研削されている時の回転トルクよりも研削によりプローブ２３が初期の適切な形状・長さになった時の回転トルクが小さくなるので、回転トルクが減少して所定時間一定値を維持すると研削加工を停止する。これにより、時間の無駄がなく、削りすぎることもなく良好なツール再生を行なうことができる。なお、上記トルク検出部３３は、砥石回転用モータ５３の回転トルクを検出するようにし、上記再生制御手段は、この砥石回転用モータ５３の回転トルクが所定の設定値に達すると研削加工を停止するように制御してもよい。

なお、本発明は上記実施形態のみに限定されず、本発明の範囲で種々の変更を施すことが可能である。例えば、ツール研削装置５は、ツール２０のショルダ面２２及びプローブ２３を砥石５１により研削して再生するようにしてもよい。加工操作の繰り返しによりショルダ面２２が摩耗により著しく凹凸となるとショルダ面２２と被加工材の接触状態が不安定になり良好な接合状態を妨げるおそれがあるが、ツール研削装置５により摩耗したショルダ面２２及びプローブ２３を平滑な状態に復元して再生することでショルダ面２２と被加工材との接触状態を良好に保持することができる。

（実施例１）
１．ツール摩耗の相関性
Ｎｉ基２重複相金属間化合物合金製のツールを用いて、図１に示した摩擦攪拌接合装置１により、鉄系材料からなる２枚の被加工材（薄板）を突き合わせて摩擦攪拌接合する加工操作を複数回行い、加工距離に対する同ツールの摩耗の相関性を調べた。
ツールは、図３に示す形状を有し、ショルダ径（ショルダ面の直径）１２ｍｍであり、その中央のプローブ径（プローブの直径）４ｍｍ、プローブ長さ（ショルダ面からのプローブの突出高さ）０．４４ｍｍである。
ツールの材質は、Ｎｉが７５原子％、Ａｌが７原子％、Ｖが１３原子％、Ｔａが５原子％を含む合計１００原子％の組成の合計重量に対して、Ｂが５０重量ｐｐｍを含み且つ初析Ｌ１₂相と（Ｌ１₂＋Ｄ０₂₂）共析組織とからなる２重複相組織を有するＮｉ基２重複相金属間化合物合金である。
被加工材は、ＳＵＳ４３０からなり、板厚１．０ｍｍ、縦横３００ｍｍ×３００ｍｍの平板状の薄板である。
裏当て材は、図１に示す摩擦攪拌接合装置１では、板状のものを使用するが、実施例１では、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）製からなり、３０×３０ｍｍ角、長さ１００ｍｍの角材を接合方向に３本並べて使用した。
摩擦攪拌接合条件は、ツール高さをショルダ面端部が薄板の表面に接触してから０．４ｍｍ下降させた位置に設定し、前進角３度、ツール回転数１５００ｒｐｍでツールを回転させながら２枚の薄板の接合線上に押し付け、摩擦熱によりツールがオレンジ色に発光した後、ツール送り速度９００ｍｍ／ｍｉｎで直線状に２５０ｍｍ移動させて摩擦攪拌接合した。

以上の加工操作を複数回行ったところ、加工距離と上記ツールのショルダ高さ（ツール本体のフランジとの連設位置からショルダ面までの長さ）の減少量との関係は、図６のグラフに示すように、加工距離に比例してツールのショルダ高さが減少した。その結果、上記条件下では、図６のグラフより、加工距離２５０ｍｍ毎に約０．０２ｍｍずつツールが摩耗するというツール摩耗の相関データが得られた。

２．ツール高さ調節による摩擦攪拌接合
次に、上記ツール摩耗の相関データを上記摩擦攪拌接合装置のツール高さ調節手段に設定して、この摩擦攪拌接合装置は、上記と同条件下では、１回の加工距離を２５０ｍｍとする摩擦攪拌接合を複数回繰り返す場合、２回目以降の加工操作毎に、ツール高さを下げ幅０．０２ｍｍずつ低く設定する制御が行われるようにした。そして、上記と同条件下で、１回の加工距離を２５０ｍｍとする摩擦攪拌接合の加工操作を１３回連続して行った。なお、加工操作の初回（１回目）、中間（７回目）、最終回（１３回目）の薄板接合品についてその接合部の写真をそれぞれ図７、図８、図９に示す。

３．引張試験
次に、上記薄板の突き合せ接合した接合部の強度を調べるために、加工操作の初回（１回目）、中間（７回目）、最終回（１３回目）の薄板接合品について、接合部の接合方向に対して直交する向きに切り出して試験片を作製し、ＪＩＳＺ ２２４１「金属材料引張試験方法」に準じて引張試験を行った。試験片は、ＪＩＳＺ ２２０１ ５号試験片の形状に準じ、幅２５ｍｍ、平行部長さ５０ｍｍとした。また、測定時のクロスヘッド速度は２０ｍｍ／ｍｉｎとした。

（実施例２）
１．ツール摩耗の相関性
実施例２では、ツールは、ショルダ径を１０ｍｍ、プローブ長さを０．３３ｍｍとした以外は実施例１と同様のものを用い、被加工材は、実施例１と同様の薄板とし、摩擦攪拌接合条件は、ツール回転数を１８００ｒｐｍとした以外は実施例１と同様にして、加工距離に対する同ツールの摩耗の相関性を調べた。

以上の加工操作を複数回行ったところ、加工距離と上記ツールのショルダ高さの減少量との関係は、図１０のグラフに示すように、加工距離に比例してツールのショルダ高さが減少した。その結果、上記条件下では、図１０のグラフより、加工距離２５０ｍｍ毎に約０．０４ｍｍずつツールが摩耗するというツール摩耗の相関データが得られた。

２．ツール高さ調節による摩擦攪拌接合
実施例２では、摩擦攪拌接合装置は、２回目以降の加工操作毎に、ツール高さを下げ幅０．０４ｍｍずつ低く設定する制御が行われるようにした以外は、実施例１と同様に設定した。そして、上記と同条件下で、１回の加工距離を２５０ｍｍとする摩擦攪拌接合の加工操作を１４回連続して行った。なお、加工操作の初回（１回目）、中間（７回目）、最終回（１４回目）の薄板接合品についてその接合部の写真をそれぞれ図１１、図１２、図１３に示す。

３．引張試験
実施例２でも、実施例１と同様に、加工操作の初回（１回目）、中間（７回目）、最終回（１４回目）の薄板接合品について引張試験を行った。

以上の各実施例の条件を表１に示し、加工操作毎の外観状態及び引張試験の結果を表２に示す。

表２より、実施例１，２は、外観上、全ての加工操作で接合部の施工状態が良好であった。このことから、ＳＵＳ４３０の薄板への摩擦攪拌接合の加工操作を、Ｎｉ基２重複相金属間化合物合金からなるツールを用いて繰り返しても、接合状態は、全ての加工操作にわたって良好な仕上り状態が得られた。

引張強度については、実施例１では５０７〜５１２Ｎ／ｍｍ^２の範囲に有り、その加工操作の１回目のものが接合部で破断しその引張強度が５０８Ｎ／ｍｍ^２であったが、これと変わりない引張強度５０７Ｎ／ｍｍ^２であった加工操作の１３回目のものが母材で破断していた。また、実施例２では４６８〜５０８Ｎ／ｍｍ^２の範囲に有り、その加工操作の１回目のものが接合部で破断しその５０８Ｎ／ｍｍ^２であったが、これより低い引張強度４９８Ｎ／ｍｍ^２であった加工操作の７回目、引張強度４６８Ｎ／ｍｍ^２であった加工操作の１４回目のものがいずれも母材で破断していた。このことから、各実施例は、ＳＵＳ４３０母材と比較しても見劣りしない十分な強度が得られていることが判った。

以上より、被加工材（ＳＵＳ４３０の薄板）への摩擦攪拌接合の加工操作を同じツール（Ｎｉ基２重複相金属間化合物合金製）を用いて繰り返しても、加工操作毎に、加工距離とツール摩耗との相関性に基づいた下げ幅でツール高さを低く設定するように制御することで、ツールの摩耗に対応することができ、接合部での欠陥の発生を抑制して良好な摩擦攪拌接合を行うことができた。

（実施例３）
次に、摩耗したツールのプローブを再生し、再生後のツールでも良好な摩擦攪拌接合が行えることを確かめるため、以下の実施例３を行った。
実施例３では、ツールは、ショルダ径を１２ｍｍ、プローブ長さを０．３５ｍｍとした以外は実施例１と同様のものを用い、被加工材は、実施例１と同サイズのＳＵＳ４３０からなる薄板とし、摩擦攪拌接合条件も実施例１と同様にして、摩擦攪拌接合を行った。

上記摩擦攪拌接合の加工操作回数を２３回行った後、そのツールを、図４に示すツール研削装置より、プローブを研削して再生させた。なお、ツール研削装置の砥石は、ダイヤモンド電着砥石を使用し、再生時の条件は、砥石の周速が８．９ｍ／ｓｅｃとなる回転数に砥石回転用モータを制御すると共に、ツール回転２０００ｒｐｍとなるようにツール回転用モータを制御してツールを研削し、そして、砥石回転用モータの回転トルクが１．２Ｎ・ｍとなった時点で、ツールの研削を停止させ、ツールの再生を終えた。
その後、このツール再生後、再び上記と同条件で摩擦攪拌接合を行った。
ツール再生前の加工操作による接合部の写真を図１４に示し、また、ツール再生後の加工操作による接合部の写真を図１５の写真に示す。

次いで、上記再生前後の薄板接合品について、実施例１と同様に、試験片を作製して引張試験を行った。
以上の実施例３の条件及び結果を表３に示す。

表３より、再生前のツールによる薄板接合品では、外観上施工ムラが見られ（図１４参照）、また、引張強度は、３７０Ｎ／ｍｍ^２と低く、しかも接合部で破断が起こっていたことから、接合状態が良くないことが判った。これに対して、再生後のツールによる薄板接合品では、外観上、施工状態も良好であり（図１５参照）、また、引張強度も５０２Ｎ／ｍｍ^２と高く、しかも母材位置で破断が起こっていたことから、接合状態が良く十分な強度が得られていたことが判った。

以上のことから、ツール摩耗に対して被加工材の接合部の接合品質が悪化しても、ツール再生により、再生後のツールを用いて再び接合品質の良い摩擦攪拌接合を行えることが判った。従って、ツール再生により、ツールの摩耗に対応することができるので、被加工材への加工操作を同じツールを用いて繰り返しても、加工部での欠陥の発生を抑制して良好な加工状態を実現することができる。

１ 摩擦攪拌接合装置（摩擦攪拌加工装置）
２ 加工機構
５ ツール再生機構（ツール研削装置）
２０ ツール
２２ ショルダ面
２３ プローブ
５１ 砥石
８８ ツール高さ調節手段
Ｌ 接合線
Ｗ１，Ｗ２ ワーク（被加工材）
θ 前進角

Claims (7)

1. ショルダ面にプローブを突設して金属材料からなる被加工材を摩擦攪拌加工するためのツールと、
   ツールを回転させるための回転駆動手段と、
   ツールを上下に移動させて被加工材に対して上から押し付けるツール高さを設定するための昇降駆動手段と、
   ツールを被加工材の加工方向に相対移動させるための移送駆動手段と、
   同じツールにより同じ材質の被加工材を順次に複数回摩擦攪拌加工するときの上記ツール高さは、最初に加工する被加工材に対して設定したツール高さを基準ツール高さとし、２回目以降に加工する被加工材に対しては、加工操作によるツールの摩耗におけるショルダ高さの減少量に対応して、ツールのショルダ面と被加工材との間で必要な接触面積を確保するために予め定められた下げ幅だけ上記基準ツール高さより低く設定されるように上記昇降駆動手段を制御するツール高さ調節手段とを備える摩擦攪拌加工装置。
2. 請求項１に記載の摩擦攪拌加工装置において、
   上記ツールは、Ｎｉ基２重複相金属間化合物合金からなる摩擦攪拌加工装置。
3. 請求項１又は２に記載の摩擦攪拌加工装置において、
   上記被加工材は、鉄系材料の板材からなる摩擦攪拌加工装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の摩擦攪拌加工装置において、
   摩擦攪拌加工により摩耗した上記ツールを砥石により研削するツール再生機構を備える摩擦攪拌加工装置。
5. 請求項４に記載の摩擦攪拌加工装置において、
   上記ツール再生機構は、砥石により上記ツールのプローブだけを研削する構成とした摩擦攪拌加工装置。
6. ショルダ面にプローブを突設して金属材料からなる被加工材を摩擦攪拌加工するためのツールと、
   ツールを回転させるための回転駆動手段と、
   ツールを上下に移動させて被加工材に対して上から押し付けるツール高さを設定するための昇降駆動手段と、
   ツールを被加工材の加工方向に相対移動させるための移送駆動手段と、
   同じツールにより同じ材質の被加工材を順次に複数回摩擦攪拌加工するときの上記ツール高さは、最初に加工する被加工材に対して設定したツール高さを基準ツール高さとし、２回目以降に加工する被加工材に対しては、加工操作によるツールの摩耗に対応して、ツールのショルダ面と被加工材との間で必要な接触面積を確保するために予め定められた下げ幅だけ上記基準ツール高さより低く設定されるように上記昇降駆動手段を制御するツール高さ調節手段と、
   摩擦攪拌加工により摩耗した上記ツールを砥石により研削するツール再生機構と、
   上記ツール再生機構による再生の際、上記ツールを回転させながら砥石を回転させてツールを研削するように制御し、ツールの回転トルク又は砥石の回転トルクを検出するトルク検出手段の出力値が所定の設定値に達すると再生を停止するように制御する再生制御手段とを備える摩擦攪拌加工装置。
7. 金属材料の被加工材に対してツールを回転させながら押し付けて発生する摩擦熱により被加工材を軟化させて加工する摩擦攪拌加工方法であって、
   同じツールにより同じ材質の被加工材を順次に複数回摩擦攪拌加工するときに被加工材を上から押し付けるツール高さは、最初に加工する被加工材に対して設定したツール高さを基準ツール高さとし、２回目以降に加工する被加工材に対しては、加工操作によるツールの摩耗におけるショルダ高さの減少量に対応して、ツールのショルダ面と被加工材との間で必要な接触面積を確保するために予め定められた下げ幅だけ上記基準ツール高さより低く設定して被加工材の加工を行う摩擦攪拌加工方法。