JP5732776B2 - 金属材の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、金属材の製造方法に関し、特に、金属母材に回転ツールを回転させつつ当接させることによって金属母材同士を接合する金属材の製造方法に関する。

近年、金属材料からなる被接合材同士を接合する摩擦攪拌接合（以下、ＦＳＷ（Friction Stir Welding）と呼ぶことがある）が注目されている。この摩擦攪拌接合は、板状の金属母材の端部同士を突き合わせて接合部とし、当該接合部に棒状の回転ツールの先端を挿入して、回転ツールを回転させつつ接合部に沿って移動させることにより金属母材の接合を行う。あるいは、スポットＦＳＷと呼ばれる手法では、板状の金属母材同士を重ね合わせ、表側の金属母材の表面から裏側の金属母材に達するまで棒状の回転ツールを回転させつつ押し込んで、重ね合わせた金属母材同士を接合する。

例えば、特許文献１では、ワーク位置の位置ずれにかかわらず、接合品質を一定に保つことができるスポット接合装置が開示されている。このスポット接合装置は、接合ヘッドと裏当押圧機構とを有し、接合ヘッド１１は、接合ツールと回転用モータとを有し、裏当押圧機構は、裏当と、裏当押圧シリンダとを有する。ワークの接合点が接合ツールのピン２６の下に配置されるように、スポット接合装置が位置決めされる。スポット接合装置は、接合ツールを高速で回転させた状態で、裏当を裏当押圧シリンダで押し上げ、ワークを弾性変形させて湾曲させて接合ツールに押圧して接合する。接合完了後、押圧力が解除されると、ワークが接合ツールから離脱する。

特開２００２−１５３９７８号公報

ところが、上記のような技術でスポットＦＳＷを行なった場合は、図５０（Ａ）に示すように、アンビル（裏板）２０上に重ね合わせた金属母材１００，１０１の上からプローブ１１及びショルダー部１２を有する回転ツール１０を押し込み回転させる。そのため、図５０（Ｂ）に示すように、接合面１０２に対して平行なメタルフローが発生する。そのため、接合に有効である接合面１０２に垂直な板厚方向のメタルフローが発生し難い。この場合、プローブ１１にねじ山を切る等の対策も考えられるが、特に、鉄鋼材料等の高融点の材料を被接合材とする際には、回転ツール１０の寿命を短くしてしまう可能性がある。そのため、従来のスポットＦＳＷでは、接合強度の向上が望まれている。

本発明は、このような実情に考慮してなされたものであり、その目的は、接合強度を増大させることが可能な金属材の製造方法を提供することにある。

本発明は、アンビルの表面に２枚以上の板状の金属母材同士を互いに接触させて配置する第１工程と、第１工程で前記アンビルの表面に配置した金属母材を摩擦熱によって加熱しながら塑性加工を加えることによって、金属母材をアンビルの形状に沿って変形させつつ金属母材同士を接合する第２工程とを含む金属材の製造方法である。

この構成によれば、第１工程でアンビルの表面に２枚以上の板状の金属母材同士を互いに接触させて配置する。次に、第１工程でアンビルの表面に配置した金属母材を摩擦熱によって加熱しながら塑性加工を加えることによって、金属母材をアンビルの形状に沿って変形させつつ金属母材同士を接合する。アンビルの形状に沿って変形させられた金属母材は、摩擦熱によって加熱されながら塑性加工を加えられる。このため金属母材同士の接合面を横切る方向に摩擦熱による加熱によるメタルフローが生じる可能性が生じるとともに、変形にともなう塑性加工を導入することになり、接合強度を増大させることができる。

なお、本願における「摩擦熱によって加熱しながら塑性加工を加えることによって、金属母材をアンビルの形状に沿って変形させつつ金属母材同士を接合する」とは、回転ツール等の摩擦熱を金属母材に与える媒体を金属母材同士の接触面方向等に向けて移動させる態様、回転ツール等の摩擦熱を金属母材に与える媒体を移動させない態様、金属母材同士を接合部位で突き合わせて接合する態様、及び金属母材同士を重ね合わせて接合する態様の４つの態様並びにこれらを組み合わせた態様が含まれる。

また、本発明は、表面に凹部を有するアンビルの表面に２枚以上の板状の金属母材を重ね合わせて配置する第１工程と、第１工程でアンビルの表面に配置した金属母材に回転ツールを回転させつつ当接させることによって、金属母材をアンビルの凹部に沿って変形させつつ金属母材同士を接合する第２工程とを含む金属材の製造方法である。

この構成によれば、第１工程で表面に凹部を有するアンビルの表面に２枚以上の板状の金属母材を重ね合わせて配置する。次に、第１工程でアンビルの表面に配置した金属母材に回転ツールを回転させつつ当接させることによって、金属母材をアンビルの凹部に沿って変形させつつ金属母材同士を接合する。アンビルの凹部に沿って変形させられた金属母材は、凹部内で回転ツールによって摩擦攪拌接合をなされる。このため金属母材同士の接合面を横切る方向に攪拌によるメタルフローが生じるとともに、変形にともなう塑性加工を導入することになり、摩擦攪拌接合における接合強度を増大させることができる。

この場合、第２工程で変形させつつ接合された金属母材の変形部位に圧力を加えることによって変形部位を平坦にする第３工程をさらに含むことが好適である。

この構成によれば、第３工程で第２工程により変形させつつ接合された金属母材の変形部位に圧力を加えることによって変形部位を平坦にする。このため、凹凸となった変形部位を平坦にされた板状の金属材を製造することができる。また、変形部位を平坦とすることで、金属材の強度をさらに増大させることができる。

また、第２工程では、金属母材に回転軸が実質的に垂直となるようにして金属母材に回転ツールを回転させつつ当接させることによって、金属母材をアンビルの凹部に沿って変形させつつ金属母材同士を接合することが好適である。

この構成によれば、第２工程では、金属母材に回転軸が実質的に垂直となるようにして金属母材に回転ツールを回転させつつ当接させることによって、金属母材をアンビルの凹部に沿って変形させつつ金属母材同士を接合する。このため、第１工程で表面に凹部を有するアンビルを用意する以外は従来の摩擦攪拌接合とほぼ同様の装置により、接合強度を増大させた摩擦攪拌接合を行なうことができる。なお、本願で「回転軸が実質的に垂直」とは、厳密に板状の金属母材の法線と回転軸とが平行である場合だけに限定されず、０°〜１０°の傾斜角が金属母材の法線と回転軸との間にある場合も含む。

この場合、第１工程では、表面に溝状の凹部を有するアンビルの表面に２枚以上の板状の金属母材を重ね合わせて配置し、第２工程では、アンビルの溝状の凹部に沿って回転ツールを移動させながら、金属母材をアンビルの溝状の凹部に沿って変形させつつ金属母材同士を接合するものとできる。

この構成によれば、第１工程では、表面に溝状の凹部を有するアンビルの表面に２枚以上の板状の金属母材を重ね合わせて配置し、第２工程では、アンビルの溝状の凹部に沿って回転ツールを移動させながら、金属母材をアンビルの溝状の凹部に沿って変形させつつ金属母材同士を接合する。このため、長い接合範囲にわたって接合強度を増大させた摩擦攪拌接合を行なうことができる。

また、第１工程では、表面の一部を進退動させることにより凹部を有する表面と平坦な表面とを形成可能であって凹部を形成したアンビルの表面に２枚以上の板状の金属母材を重ね合わせて配置し、第２工程では、金属母材との接触面の一部及び全部のいずれかを進退動させることにより平坦な接触面を形成可能であって平坦な接触面及び平坦でない接触面のいずれかを形成した回転ツールを金属母材に回転させつつ当接させることによって、金属母材をアンビルの凹部に沿って変形させつつ金属母材同士を接合し、第３工程では、平坦な表面を形成したアンビルと、平坦な接触面を形成した回転ツールとによって金属母材の変形部位に圧力を加えることによって変形部位を平坦にすることが好適である。

この構成によれば、第１工程では、表面の一部を進退動させることにより凹部を有する表面と平坦な表面とを形成可能であって凹部を形成したアンビルの表面に２枚以上の板状の金属母材を重ね合わせて配置する。つまり、アンビルの表面は平坦にしたり凹部を形成したりすることが自在とされている。

また、第２工程では、金属母材との接触面の一部及び全部のいずれかを進退動させることにより平坦な接触面を形成可能であって平坦な接触面及び平坦でない接触面のいずれかを形成した回転ツールを金属母材に回転させつつ当接させることによって、金属母材をアンビルの凹部に沿って変形させつつ金属母材同士を接合する。つまり、回転ツールは、例えばプローブ部が進退動することにより、プローブ部がショルダー部から突出していたり、プローブ部がショルダー部に引っ込んでプローブ部の無い平坦な接触面とすることが自在とされている。なお、第２工程では、回転ツールの接触面の形状はいずれでも良い。

さらに、第３工程では、平坦な表面を形成したアンビルと、平坦な接触面を形成した回転ツールとによって金属母材の変形部位に圧力を加えることによって平坦にする。これにより、アンビル及び回転ツールを変更することなく、第１〜第３工程までを行なうことができるため、作業の効率を向上させることができる。

この場合、第２工程では、金属母材に回転軸が実質的に垂直となるようにしてアンビルを回転させながら、金属母材に回転ツールを回転させつつ当接させることによって、金属母材をアンビルの凹部に沿って変形させつつ金属母材同士を接合し、第３工程では、金属母材に回転軸が実質的に垂直となるようにしてアンビル及び回転ツールの少なくともいずれかを回転させつつ金属母材の変形部位に圧力を加えることによって変形部位を平坦にすることが好適である。

この構成によれば、第２工程では、金属母材に回転軸が実質的に垂直となるようにしてアンビルを回転させながら、金属母材に回転ツールを回転させつつ当接させることによって、金属母材をアンビルの凹部に沿って変形させつつ金属母材同士を接合し、第３工程では、金属母材に回転軸が実質的に垂直となるようにしてアンビル及び回転ツールの少なくともいずれかを回転させつつ金属母材の変形部位に圧力を加えることによって変形部位を平坦にする。このため、アンビルや回転ツールの回転により、第２工程及び第３工程をさらに効率良く行なうことができる。

また、第２工程では、アンビルと回転ツールとを金属母材に平行に移動させながら、金属母材に回転ツールを回転させつつ当接させることによって、金属母材をアンビルの凹部に沿って変形させつつ金属母材同士を接合することが好適である。

この構成によれば、第２工程では、アンビルと回転ツールとを金属母材に平行に移動させながら、金属母材に回転ツールを回転させつつ当接させることによって、金属母材をアンビルの凹部に沿って変形させつつ金属母材同士を接合する。これにより、長い接合範囲にわたって接合強度を増大させた摩擦攪拌接合をさらに効率良く行なうことができる。

また、第２工程では、金属母材に回転軸が平行となるようにして金属母材に回転ツールを回転させつつ当接させることによって、金属母材をアンビルの凹部に沿って変形させつつ金属母材同士を接合するものとできる。

この構成によれば、第２工程では、金属母材に回転軸が平行となるようにして金属母材に回転ツールを回転させつつ当接させることによって、金属母材をアンビルの凹部に沿って変形させつつ金属母材同士を接合する。このため、回転軸に沿った回転ツールの長さを変更することにより、所望の長さの接合範囲にわたって接合強度を増大させた摩擦攪拌接合を行なうことができる。

また、第３工程では、表面が平坦なアンビルの表面に第２工程で変形させつつ接合された金属母材を設置し、金属母材との接触面が平坦な回転ツールを変形部位に回転させつつ当接させることによって変形部位を平坦にするものとできる。

この構成によれば、第３工程では、表面が平坦なアンビルの表面に第２工程で変形させつつ接合された金属母材を設置し、金属母材との接触面が平坦な回転ツールを変形部位に回転させつつ当接させることによって変形部位を平坦にする。これにより、簡単な手法で効率良く変形部位を平坦にすることができる。

この場合、第３工程では、表面が平坦なアンビルの表面に第２工程で変形させつつ接合された金属母材をその表裏面を反対にして設置し、金属母材との接触面が平坦な回転ツールを変形部位に回転させつつ当接させることによって変形部位を平坦にするものとできる。

この構成によれば、表面が平坦なアンビルの表面に第２工程で変形させつつ接合された金属母材をその表裏面を反対にして設置し、金属母材との接触面が平坦な回転ツールを変形部位に回転させつつ当接させることによって変形部位を平坦にする。金属母材をその表裏面を反対にして設置することにより、変形部位をさらに効率良く平坦にできる場合がある。

本発明の金属材の製造方法によれば、接合強度を増大させることができる。

（Ａ）〜（Ｄ）は第１実施形態に係る摩擦攪拌接合を示す図である。 第２実施形態に係るアンビルを示す斜視図である。 第２実施形態に係る摩擦攪拌接合を示す斜視図である。 （Ａ）〜（Ｃ）は第３実施形態に係る摩擦攪拌接合を示す図である。 第４実施形態に係る摩擦攪拌接合の第１ステップを示す斜視図である。 第４実施形態に係る摩擦攪拌接合の第２ステップを示す斜視図である。 （Ａ）〜（Ｄ）は第５実施形態に係る摩擦攪拌接合を示す図である。 第６実施形態に係る摩擦攪拌接合を示す斜視図である。 （Ａ）〜（Ｃ）は第７実施形態及び第８実施形態に係る摩擦攪拌接合を示す図である。 実験例１における６０６１−Ｔ６Ａｌ材の金属組織を示す図である。 （Ａ）は実験例１の第１ステップ後における試料表面を示す図であり、（Ｂ）は実験例１の第１ステップ後における試料裏面を示す図である。 （Ａ）は実験例１の第２ステップ後における試料表面を示す図であり、（Ｂ）は実験例１の第１ステップ後における試料裏面を示す図である。 実験例１の第１ステップ後における試料断面を示す図である。 実験例１の第２ステップ後における試料断面を示す図である。 （Ａ）〜（Ｄ）は実験例１の第２ステップ後における各部の金属組織を示す図である。 実験例１の第２ステップ後における試料断面の各部を示す図である。 図１６の各部におけるビッカース硬度を示すグラフである。 実験例１の第１ステップ後及び第２ステップ後のせん断試験の結果を示すグラフである。 回転ツールの回転速度を変えた場合の実験例１の第２ステップ後のせん断試験の結果を示すグラフである。 実験例１における十字引張強度試験の結果を示す表である。 実験例２における５０５２Ａｌ−Ｏ材の金属組織を示す図である。 実験例２の第１ステップ後における試料断面を示す図である。 実験例２の第２ステップ後における試料断面を示す図である。 実験例２の第２ステップ後における試料断面の各部を示す図である。 図２４のＡｒｅａＡの金属組織を示す図である。 図２４のＡｒｅａＢの金属組織を示す図である。 図２４のＡｒｅａＣの金属組織を示す図である。 実験例２の第２ステップ後における試料断面の各部を示す図である。 図２８の各部におけるビッカース硬度を示すグラフである。 実験例２の第１ステップ後及び第２ステップ後のせん断試験の結果を示すグラフである。 実験例２の第１ステップ後及び第２ステップ後のせん断試験の結果と従来のスポットＦＳＷによるせん断試験の結果とを比較したグラフである。 実験例２における十字引張強度試験の結果を示す表である。 実験例３におけるＳＰＣＣの金属組織を示す図である。 実験例３の第１ステップ後における試料表面を示す図である。 実験例３の第２ステップ後における試料表面を示す図である。 実験例３の第１ステップ後における試料断面を示す図である。 実験例３の第２ステップ後における試料断面を示す図である。 実験例３の第２ステップ後における試料表層部の金属組織を示す図である。 実験例３の第２ステップ後における試料底層部の金属組織を示す図である。 各部におけるビッカース硬度を示すグラフである。 実験例３の第１ステップ後及び第２ステップ後のせん断試験の結果を示すグラフである。 回転ツールの回転速度を変えた場合の実験例３の第２ステップ後のせん断試験の結果を示すグラフである。 実験例４の第１ステップ後における試料表面を示す図である。 実験例４の第２ステップ後における試料表面を示す図である。 実験例４の接合部界面のＢＳＥ像を示す図である。 実験例４のＡｌ材中に混入した粒子のＥＤＳ分析の結果を示すグラフである。 実験例４の接合部界面の金属組織を示す図である。 （Ａ）は実験例４の第２ステップ後における試料を示す図であり、（Ｂ）は引張せん断試験後に破断した試料を示す図である。 実験例４の第１ステップ後及び第２ステップ後のせん断試験の結果を示すグラフである。 （Ａ）〜（Ｂ）は従来のスポット摩擦攪拌接合を示す図である。

以下、本発明の第１実施形態について添付図面を参照して説明する。図１（Ａ）に示すように、本実施形態では、凹部２１ａが表面に設けられたアンビル（裏板）２０ａが用意される。アンビル２０ａの表面には、板状の金属母材１００，１０１が互いに接合面１０２で接しつつ重ね合わされて設置される。以下、本発明の金属材の製造方法では、重ね合わせられる金属母材の枚数は、図１（Ａ）のような２枚に限定されず、３枚以上とすることができる。

金属母材１００，１０１の凹部２１ａに対応する位置の上方には、回転ツール１０ａが用意される。回転ツール１０ａは略円筒状をなし、先端のショルダー部１２ａより小径の略円柱状のプローブ部１１ａを備えている。プローブ部１１ａの形状は、アンビル２０ａの凹部２１ａに対応した形状となっている。後述するように、本実施形態では、金属母材１００，１０１同士の接合面１０２を横切る方向に攪拌によるメタルフローが生じるため、プローブ部１１ａの側面にねじ山を切る必要は無い。しかし、必要に応じてプローブ部１１ａの側面にねじ山を切っても良い。回転ツール１０ａの材質は、例えば、ＪＩＳに規格されているＳＫＤ６１鋼等の工具鋼や、タングステンカーバイト（ＷＣ）を主成分とする超硬合金、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＰＣＢＮ等のセラミックス、またはＷ合金、Ｉｒ合金等の高融点金属からなるものとすることができる。なお、本実施形態ではプローブ部１１ａが設けられておらず平坦な接触面を有する回転ツールと、プローブ部１１ａが設けられていない平坦な接触面を有する回転ツールの形状に対応した凹部２１ａを有するアンビル２０ａとを組み合わせても良い。

図１（Ｂ）に示すように、アンビル２０ａの表面に配置した金属母材１００，１０１に回転ツール１０ａを回転させつつ当接させることによって、金属母材１００，１０１をアンビル２０ａの凹部２１ａに沿って変形させつつ金属母材同士１００，１０１が接合される。図１（Ｂ）に示すように、本実施形態では、金属母材１００，１０１同士の接合面１０２を横切る方向に攪拌によるメタルフローが生じる。なお、本発明の金属材の製造方法では、回転ツール１０ａの回転軸の角度は、図１（Ｂ）のように金属母材１００，１０１の表面の法線に平行であるものに限定されず、０°〜１０°の傾斜角が金属母材１００，１０１の法線と回転ツール１０ａ回転軸との間に設けられていても良い。

図１（Ｃ）に示すように、接合後の凹部１０３が形成されつつ接合された金属母材１００，１０１の表面及び裏面の両側から表面が平坦なアンビル３０，４０が当接させられる。図１（Ｄ）に示すように、金属母材１００，１０１の表面及び裏面の両側からアンビル３０，４０により圧力が加えられ、凹部１０３が平坦にされる。この場合において、アンビル３０,４０のいずれか一方あるいは両方が、凹部１０３を中心として回転しつつ金属母材１００,１０１に圧力を加えても良く、アンビル３０,４０のいずれも回転せずに金属母材１００,１０１に圧力を加えても良い。

本実施形態では、表面に凹部２１ａを有するアンビル２０ａの表面に板状の金属母材１００，１０１を重ね合わせて配置する。次に、アンビル２０ａの表面に配置した金属母材１００，１０１に回転ツール１０ａを回転させつつ当接させることによって、金属母材１００，１０１をアンビル２０ａの凹部２１ａに沿って変形させつつ金属母材１００，１０１同士を接合する。アンビル２０ａの凹部２１ａに沿って変形させられた金属母材１００，１０１は、凹部２１ａ内で回転ツール１０ａによって摩擦攪拌接合をなされる。このため金属母材１００，１０１同士の接合面１０２を横切る方向に攪拌によるメタルフローが生じる。このため、摩擦攪拌接合における接合強度を増大させることができる。

また、本実施形態では、変形させつつ接合された金属母材１００，１０１の凹部１０３に圧力を加えることによって凹部１０３を平坦にする。このため、凹凸となった凹部１０３を平坦にされた板状の金属材を製造することができる。また、凹部１０３を平坦とすることで、金属材の強度を増大させることができる。

また、本実施形態では、金属母材１００，１０１に回転軸が実質的に垂直となるようにして金属母材１００，１０１に回転ツール１０ａを回転させつつ当接させることによって、金属母材１００，１０１をアンビル２０ａの凹部２１ａに沿って変形させつつ金属母材１００，１０１同士を接合する。このため、表面に凹部２１ａを有するアンビル２０ａを用意する以外は従来の摩擦攪拌接合とほぼ同様の装置により、接合強度を増大させた摩擦攪拌接合を行なうことができる。

以下、本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態では、図２に示すように、表面に溝状の凹部２１ｂを有するアンビル２０ｂが用意される。図３に示すように、表面に溝状の凹部２１ｂを有するアンビル２０ｂの表面に板状の金属母材１００，１０１が重ね合わされて配置される。アンビル２０ｂの溝状の凹部２１ｂに沿って回転ツール１０ａが回転させられつつ移動させられることにより、金属母材１００，１０１がアンビル２０ｂの溝状の凹部２１ｂに沿って変形させられつつ金属母材１００，１０１同士が接合される。本実施形態においても、溝状の凹部２１ｂと回転ツール１０ａのプローブ部１１ａの形状は対応したものとされている。また、接合後の金属母材１００，１０１に形成された凹部１０３は、上記第１実施形態と同様に、金属母材１００，１０１の表面及び裏面の両側から表面が平坦なアンビル３０，４０により圧力が加えられることにより、凹部１０３が平坦にされる。

本実施形態では、表面に溝状の凹部２１ｂを有するアンビル２０ｂの表面に板状の金属母材１００，１０１を重ね合わせて配置し、アンビル２０ｂの溝状の凹部２１ｂに沿って回転ツール１０ａを移動させながら、金属母材１００，１０１をアンビル２０ｂの溝状の凹部２１ｂに沿って変形させつつ金属母材１００，１０１同士を接合する。このため、長い接合範囲にわたって接合強度を増大させた摩擦攪拌接合を行なうことができる。

以下、本発明の第３実施形態について説明する。本実施形態では、図４（Ａ）に示すように、アンビル２０ｃは、ショルダー部２２から表面の一部を進退動させることにより凹部２１ｃを有する表面と平坦な表面との両方を形成可能とされている。まず、アンビル２０ｃには、ショルダー部２２から表面の一部が引き込まれ、凹部２１ｃが形成される。凹部２１ｃが形成されたアンビル２０ｃの表面に板状の金属母材１００，１０１を重ね合わせて配置される。

また、図４（Ａ）に示すように、回転ツール１０ｂは、プローブ部１１ｂをショルダー部１２ｂとは独立して進退動させることにより、金属母材１００，１０１との接触面をプローブ部１１ｂがショルダー部１２ｂから突出した接触面とプローブ部１１ｂがショルダー部１２ｂから引き込まれて平坦となった接触面との両方を形成することが可能とされている。まず、プローブ部１１ｂがショルダー部１２ｂから突出させられた状態の回転ツール１０ｂが用意される。なお、本実施形態では、プローブ部１１ｂがショルダー部１２ｂから引き込まれて平坦となった接触面を有する回転ツール１０ｂや、はじめからプローブ部１１ｂが設けられておらず平坦な接触面を有する回転ツールと、平坦な接触面を持つ回転ツール１０ｃ等の形状に合わせた凹部２１ｃを有するアンビル２０ｃとを組み合わせても良い。

図４（Ｂ）に示すように、アンビル２０ｃの表面に配置した金属母材１００，１０１に回転ツール１０ｂを回転させつつ当接させることによって、金属母材１００，１０１をアンビル２０ｃの凹部２１ｃに沿って変形させて凹部１０３を形成させつつ金属母材同士１００，１０１が接合される。本実施形態では、アンビル２０ｃも同様に回転させられる。なお、回転ツール１０ｂとアンビル２０ｃとの回転方向は同じ方向でも反対方向でも良い。また、アンビル２０ｃを回転させず、回転ツール１０ｂのみを回転させても良い。また、回転ツール１０ｂとアンビル２０ｃとの回転速度も同じでも異なっていても良い。

図４（Ｃ）に示すように、アンビル２０ｃは回転させられつつ、アンビル２０ｃの凹部２１ｃはショルダー部２２と平坦になるように押し出され、金属母材１００，１０１の凹部１０３に対して圧力をかける。また、回転ツール１０ｂは回転させられつつ、プローブ部１１ｂはショルダー部１２ｂから引き込まれ金属母材１００，１０１と平坦な接触面を形成する。この場合、回転ツール１０ｂ及びアンビル２０ｃのいずれかのみを回転させるようにしても良い。また、はじめからプローブ部１１ｂが設けられておらず平坦な接触面を有する回転ツールが使用されている場合は、回転ツールを金属母材１００の表面に合わせて後退させるようにする。このようにして、金属母材１００，１０１の凹部１０３に圧力が加えられることによって凹部１０３は平坦にされる。

本実施形態では、表面の一部を進退動させることにより凹部２１ｃを有する表面と平坦な表面とを形成可能であって凹部２１ｃを形成したアンビル２０ｃの表面に板状の金属母材１００，１０１を重ね合わせて配置する。つまり、アンビル２０ｃの表面は平坦にしたり凹部２１ｃを形成したりすることが自在とされている。

また、プローブ部１１ｂを進退動させることにより平坦な接触面を形成可能であって平坦な接触面及び平坦でない接触面のいずれかを形成した回転ツール１０ｂを金属母材１００，１０１に回転させつつ当接させることによって、金属母材１００，１０１をアンビル２０ｃの凹部２１ｃに沿って変形させつつ金属母材１００，１０１同士を接合する。つまり、回転ツール１０ｂは、例えばプローブ部１１ｂが進退動することにより、プローブ部１１ｂがショルダー部１２ｂから突出していたり、プローブ部１１１ｂがショルダー部１２ｂに引っ込んでプローブ部１１ｂの無い平坦な接触面とすることが自在とされている。

さらに、平坦な表面を形成したアンビル２０ｃと、平坦な接触面を形成した回転ツール１０ｂとによって金属母材１００，１０１の凹部１０３に圧力を加えることによって平坦にする。これにより、アンビル２０ｃ及び回転ツール１０ｂを変更することなく、全ての工程を行なうことができるため、作業の効率を向上させることができる。

また、本実施形態では、金属母材１００，１０１に回転軸が実質的に垂直となるようにしてアンビル２０ｃを回転させながら、金属母材１００，１０１に回転ツール１０ｂを回転させつつ当接させることによって、金属母材１００，１０１をアンビル２０ｃの凹部２１ｃに沿って変形させつつ金属母材１００，１０１同士を接合し、金属母材１００，１０１に回転軸が実質的に垂直となるようにしてアンビル２０ｃ及び回転ツール１０ｂの少なくともいずれかを回転させつつ金属母材１００，１０１の凹部１０３に圧力を加えることによって凹部１０３を平坦にする。このため、アンビル２０ｃや回転ツール１０ｂの回転により、各工程をさらに効率良く行なうことができる。

以下、本発明の第４実施形態について説明する。図５に示すように、本実施形態では、上記第３実施形態のようなアンビル２０ｃと回転ツール１０ｂとを金属母材１００，１０１に平行に移動させながら、金属母材１００，１０１に回転ツールを回転させつつ当接させることによって、金属母材１００，１０１をアンビル２０ｃの凹部２１ｃに沿って変形させつつ金属母材１００，１０１同士が接合される。この場合、通常のＦＳＷと同様に、アンビル２０ｃと回転ツール１０ｂとが移動した後には、金属母材１００，１０１には溝状の凹部１０３は形成されない。次に、図６及び上記第３実施形態の図４（Ｃ）に示すように、アンビル２０ｃと回転ツール１０ｂとの移動の終端部において、アンビル２０ｃと回転ツール１０ｂとによって金属母材１００，１０１の溝状の凹部１０３に圧力を加えることによって、アンビル２０ｃと回転ツール１０ｂとの移動の終端部における凹部１０３が平坦にされる。

本実施形態では、長い接合範囲にわたって接合強度を増大させた摩擦攪拌接合をさらに効率良く行なうことができる。

以下、本発明の第５実施形態について説明する。図７（Ａ）に示すように、本実施形態では、金属母材１００，１０１の表面に回転軸が平行となる略円筒形状の回転ツール１０ｃが用意される。アンビル２０ｄの凹部２１ｄの形状は、円筒形状の回転ツール１０ｃに対応した形状とされる。図７（Ｂ）に示すように、金属母材１００，１０１に回転軸が平行となるようにして金属母材１００，１０１に回転ツール１０ｃが回転させられつつ当接させられることによって、金属母材１００，１０１をアンビル２０ｄの凹部２１ｄに沿って変形させられつつ金属母材１００，１０１同士が接合される。図７（Ｃ）〜（Ｄ）の金属母材１００，１０１の凹部１０３を平坦にする工程は、上記第１実施形態の図１（Ｃ）〜（Ｄ）と同様に行なわれる。この場合、図８に示す本発明の第６実施形態のように、長い円筒形状の回転ツール１０ｃを用い、長い接合範囲を一度に接合するようにしても良い。

本実施形態では、金属母材１００，１０１に回転軸が平行となるようにして金属母材金属母材１００，１０１に回転ツール１０ｃを回転させつつ当接させることによって、金属母材１００，１０１をアンビル２０ｄの凹部２１ｄに沿って変形させつつ金属母材１００，１０１同士を接合する。このため、回転軸に沿った回転ツール１０ｃの長さを変更することにより、所望の長さの接合範囲にわたって接合強度を増大させた摩擦攪拌接合を行なうことができる。

以下、本発明の第７実施形態について説明する。本実施形態では、図９（Ａ）に示すように、上記第１実施形態の図１（Ａ）〜（Ｂ）と同様に金属母材１００，１０１の接合が行なわれた後、図９（Ｂ）に示すように、表面が平坦なアンビル４０の表面に変形させられつつ接合された金属母材１００，１０１を設置し、金属母材１００，１０１との接触面が平坦なプローブ部が設けられていない回転ツール１０ｄを凹部１０３に回転させつつ当接させることによって凹部１０３を平坦にする。本実施形態によれば、簡単な手法で効率良く変形部位を平坦にすることができる。

あるいは、図９（Ａ）に示すように金属母材１００，１０１の接合が行なわれた後、図９（Ｃ）に示す本発明の第８実施形態のように、表面が平坦なアンビル４０の表面に変形させられつつ接合された金属母材１００，１０１をその表裏面を反対にして設置し、金属母材１００，１０１との接触面が平坦なプローブ部が設けられていない回転ツール１０ｄを凹部１０３に回転させつつ当接させることによって凹部１０３を平坦にしても良い。本実施形態によれば、金属母材１００，１０１をその表裏面を反対にして設置することにより、凹部１０３をさらに効率良く平坦にできる場合がある。

（実験例１：６０６１−Ｔ６Ａｌ材の摩擦攪拌接合）
以下、本発明の実験例について説明する。図９（Ａ）〜（Ｂ）に示す方法で６０６１−Ｔ６Ａｌ材の摩擦攪拌接合を行なった。図９（Ａ）に示す回転ツール１０ａには、ＳＫＤ６１鋼からなるショルダー部１２ａの直径が１２ｍｍ、プローブ部１１ａの直径が４ｍｍで長さが１ｍｍのものを用いた。図９（Ｂ）に示す回転ツール１０ｄには、ＷＣからなるショルダー部１２ａの直径が１５ｍｍでプローブ部が設けられていないものを用いた。荷重はアンビル４０からの荷重を含めて４００〜６００ｋｇとし、回転ツール１０ａ，１０ｄの回転速度は３００〜６００ｒｐｍとし、保持時間は５秒とした。

６０６１−Ｔ６Ａｌ材の組成は、Ｓｉ：０．５９質量％，Ｆｅ：０．３８質量％，Ｃｕ：０．２６質量％，Ｍｎ：０．０３質量％，Ｍｇ：０．９６質量％，Ｃｒ：０．２５質量％，Ｚｎ：０．０２質量％，Ｔｉ：０．０４質量％で残余がＡｌである。試料として用いた金属母材１００，１０１のサイズは１５０×５０ｍｍ、厚さ１．０ｍｍのものを用いた。引張試験は、ＪＩＳ Ｚ３１３７規格の十字引張試験を行なった。

本実験例の６０６１−Ｔ６Ａｌ材は図１０に示す金属組織を有する。平均粒径は約１７．６μｍである。図９（Ａ）の工程（以下、実験例１〜４に限定して第１ステップと呼ぶことがある）を行なった後の金属母材１００，１０１の表面は図１１（Ａ）に示すように凹部が形成され、裏面は図１１（Ｂ）に示すように隆起が形成された。隆起の側は、接合条件と入熱とに依存する。回転速度を大きくするほど、隆起は大きくなる。アンビル４０から接合した金属母材１００，１０１を取り除くことは容易に行なえた。図９（Ｂ）の工程（以下、実験例１〜４に限定して第２ステップと呼ぶことがある）を行なった後の金属母材１００，１０１の表面は図１２（Ａ）に示すように凹部が回転ツール１０ｄによる押圧により除去された。第２ステップ後の金属母材１００，１０１の裏面は図１２（Ｂ）に示すように表面と同様に隆起が除去された。

図１３に第１ステップ後の接合部の断面図を示し、図１４に第２ステップ後の接合部の断面図を示す。いずれも、回転ツール１０ａ，１０ｄの荷重５００ｋｇ、回転数５００ｒｐｍ及び保持時間５秒の結果である。図１４のＳＺは攪拌部ＳＺを示し、Ｆは破断が生じる破断箇所Ｆを示す。第２ステップ後には、表面の凹部と裏面の隆起とは除去された。攪拌部ＳＺには、いかなる欠陥も観測されなかった。図１５（Ａ）〜（Ｄ）に示すように、図１５（Ｂ）の表層部、図１５（Ｃ）の中層部及び図１５（Ｄ）の底層部のいずれにおいても、第２ステップ後の粒径は非常に小さくなっていた。接合部の表層部では最も粒径が小さく、２．０μｍであり、接合部の底層部では最も粒径が大きく、６．５μｍであった。これは、接合時の異なる塑性変形のためである。

第２ステップ後の攪拌部ＳＺの硬度は、図１６及び図１７に示すようになる。図１８及び図１９にせん断試験の結果を示す。図１８及び図１９に示すように、第２ステップ後のせん断強度は第１ステップのみの場合よりも非常に増大している。破断強度は、条件の最適化により、回転ツール１０ｄの荷重５００ｋｇ、回転数４００ｒｐｍ及び保持時間５秒のときに最大の４２２２Ｎに達する。また、十字引張試験の結果を図２０に示す。

（実験例２：５０５２Ａｌ−Ｏ材の摩擦攪拌接合）
以下、本発明の実験例２について説明する。本実験例では、上記実験例１と同様の実験を５０５２Ａｌ−Ｏ材について行なった。５０５２Ａｌ−Ｏ材の組成は、Ｓｉ：０．１質量％，Ｆｅ：０．２２質量％，Ｃｕ：０．０１質量％，Ｍｎ：０．０１質量％，Ｍｇ：２．２４質量％，Ｃｒ：０．２２質量％，Ｚｎ：０．０１質量％，Ｔｉ：０．０１質量％で残余がＡｌである。本実験例の５０５２Ａｌ−Ｏ材は図２１に示す金属組織を有する。平均粒径は約１９．４μｍである。

図２２に第１ステップ後の接合部の断面図を示し、図２３に第２ステップ後の接合部の断面図を示す。いずれも、回転ツール１０ａ，１０ｄの荷重５００ｋｇ、回転数４００ｒｐｍ及び保持時間５秒の結果である。本実験例２の接合部の形状は、実験例１の６０６１−Ｔ６Ａｌ材と類似している。

図２４〜図２７に示すように、図２５の表層部、図２６の中層部及び図２７の底層部のいずれにおいても、第２ステップ後の粒径は非常に小さくなっていた。接合部の表層部では最も粒径が小さく、接合部の底層部では最も粒径が大きかった。これは、接合時の異なる塑性変形のためである。

第２ステップ後の攪拌部ＳＺの硬度は、図２８及び図２９に示すようになる。図２８及び図２９に示すように、接合前の金属母材１００，１０１に比べて攪拌部ＳＺの硬度は増大する。金属母材１００，１０１がアニールされた状態であったため、硬度の増加は、攪拌部の粒径の減少、固溶硬化及び転位密度が増大することによって生じる。第２ステップ後では、攪拌部ＳＺの中央部の極めて高い硬度が分布している幅は約１４ｍｍであり、回転ツール１０ａのプローブ部１１ａの直径及び第１ステップ後の金属母材１００，１０１の凹部１０３の径よりも広い。

図３０及び図３１にせん断試験の結果を示す。接合条件に依存するせん断負荷１８００〜２８５０Ｎの通常のスポットＦＳＷと比較すると、本実験例のせん断負荷は、第１ステップ後で２５００Ｎに達し、第２ステップ後で３３１０Ｎに達している。これにより、本実験例による接合部の機械的特性は非常に向上していることが判る。また、十字引張試験の結果を図３２に示す。

（実験例３：ＳＰＣＣ鋼材の摩擦攪拌接合）
以下、本発明の実験例３について説明する。本実験例では、上記実験例１と同様の実験をＳＰＣＣ鋼材について行なった。本実験例のＳＰＣＣ鋼材は図３３に示す金属組織を有する。平均粒径は約１９．４μｍである。図３４に示すように、第１ステップ後に金属母材１００，１０１の表面に形成された凹部は、図３５に示すように、回転ツール１０ｄによる押圧により除去された。

図３６に第１ステップ後の接合部の断面図を示し、図３７に第２ステップ後の接合部の断面図を示す。図３８に示すように、第２ステップ後の攪拌部ＳＺの表層部の平均粒径は３．７２μｍと極めて微細化されており、図３９に示すように、底層部でも平均粒径１８．８９μｍと微細化されていた。

図４０に示すように、第２ステップ後では、攪拌部ＳＺの中央部の極めて高い硬度が分布している幅は約４ｍｍであり、回転ツール１０ａのプローブ部１１ａの直径及び第１ステップ後の金属母材１００，１０１の凹部１０３の径と同じである。第２ステップ後では、極めて複雑な塑性流動が生じたため、粒径は極めて小さくなる。図４１及び図４２に引張せん断試験の結果を示す。

図４１中の「第１ステップ後」においては第１ステップのみを回転ツール１０ａの荷重５００ｋｇ、回転速度５００ｒｐｍ及び保持時間２秒で行なった結果を示す。図４１中の「第２ステップ後−０１」においては第１ステップを回転ツール１０ａの荷重５００ｋｇ、回転速度４００ｒｐｍ及び保持時間２秒で行なった後に第２ステップを回転ツール１０ｄの荷重９００ｋｇ、回転速度５００ｒｐｍ及び保持時間５秒で行なった結果を示す。図４１中の「第２ステップ後−０２」においては第１ステップを回転ツール１０ａの荷重５００ｋｇ、回転速度３００ｒｐｍ及び保持時間４秒で行なった後に第２ステップを回転ツール１０ｄの荷重７００ｋｇ、回転速度５００ｒｐｍ及び保持時間５秒で行なった結果を示す。図４１中の「第２ステップ後−０３」においては第１ステップを回転ツール１０ａの荷重５００ｋｇ、回転速度４００ｒｐｍ及び保持時間２秒で行なった後に第２ステップを回転ツール１０ｄの荷重１０００ｋｇ、回転速度５００ｒｐｍ及び保持時間５秒で行なった結果を示す。図４１中の「第２ステップ後−０４」においては第１ステップを回転ツール１０ａの荷重５００ｋｇ、回転速度３００ｒｐｍ及び保持時間４秒で行なった後に第２ステップを回転ツール１０ｄの荷重５００ｋｇ、回転速度４００ｒｐｍ及び保持時間５秒で行なった結果を示す。

図４１に示すように、第２ステップ後における引張せん断特性は、第１ステップ後の物と変化が見られなかった。また、図４２に示すように、第２ステップにおける回転ツール１０ｄの荷重の増加に伴い、引張せん断負荷は増加した。第２ステップにおける回転ツール１０ｄの回転速度と引張せん断負荷との関係は、摩擦圧（荷重）が１００ＭＰａの場合は、回転ツール１０ｄの回転速度が２５００ｒｐｍの場合の引張せん断負荷が、回転速度が３０００ｒｐｍ及び３５００ｒｐｍの場合よりも低くなったが、摩擦圧が１２０〜１４０ＭＰａの場合においては、回転ツール１０ｄの回転速度による引張せん断負荷の相違は微差であった。

（実験例４：Ａｌ材とＦｅ材との摩擦攪拌接合）
以下、本発明の実験例４について説明する。本実験例では、上記実験例１と同様の実験をＡｌ材とＦｅ材との摩擦攪拌接合について行なった。図４３に第１ステップ後の接合部の断面図を示し、図４４に第２ステップ後の接合部の断面図を示す。第１ステップ及び第２ステップ後に強固な接合が形成された。欠陥は観察されなかった。図４５に接合面１０２のＢＳＥ像を示し、図４６に接合面１０２のＥＤＳ分析を示す。図４５より、Ａｌ材にパーティクルが混入していることが判る。図４６のＥＤＳ分析により、パーティクルはＡｌ_３Ｆｅであると同定された。図４７に接合部界面の金属組織を示す。

図４８（Ａ）に接合した金属母材１００，１０１を示し、図４８（Ｂ）に引張せん断試験により破断した金属母材１００，１０１を示す。また、図４９に引張せん断試験の結果を示す。第１ステップ及び第２ステップとも、回転ツール１０ａ，１０ｄの回転速度５００ｒｐｍ、負荷５００ｋｇで行なった。第１ステップでは回転ツール１０ａの保持時間を２秒とし、第２ステップでは回転ツール１０ｄの保持時間を２秒又は５秒とした。図４９より、保持時間の相違は第２ステップ後の引張特性に何ら影響を及ぼさないことが判る。第１ステップ後に比べると、４００Ｎのせん断負荷が第２ステップ後に増大している。なお、同一のＡｌ材及びＦｅ材を図９（Ａ）及び（Ｃ）に示す方法で接合したところ、引張特性がわずかに向上した。

尚、本発明は、上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。例えば、本発明は、２枚の板材を接合する場合だけではなく、素材を塑性加工によって高強度化する摩擦攪拌プロセスとしても使用することができる。この場合には、必ずしも２枚以上の板ではなく、１枚の板に対して本発明を利用した摩擦攪拌プロセスを行なうことができる。また、本発明は、特に、３枚以上の板材の接合の際に、その有効性が顕著である。加えて、本発明において、摩擦熱によって加熱しながら塑性加工を加えることによって、金属母材をアンビルの形状に沿って変形させつつ金属母材同士を接合する態様には、回転ツール等の摩擦熱を金属母材に与える媒体を金属母材同士の接触面方向等に向けて移動させる態様、回転ツール等の摩擦熱を金属母材に与える媒体を移動させない態様、金属母材同士を接合部位で突き合わせて接合する態様、及び金属母材同士を重ね合わせて接合する態様の４つの態様並びにこれらを組み合わせた態様が含まれる。

１０，１０ａ〜１０ｄ…回転ツール、１１ａ，１１ｂ…プローブ部、１２ａ，１２ｂ…ショルダー部、２０，２０ａ〜２０ｄ…アンビル、２１ａ〜２１ｄ…凹部、２２…ショルダー部、３０，４０…アンビル、１００，１０１…金属母材、１０２…接合面、１０３…凹部。

Claims (3)

1. 表面に凹部を有するアンビルの前記表面に２枚以上の板状の金属母材を重ね合わせて配置する第１工程と、
   前記第１工程で前記アンビルの前記表面に配置した前記金属母材に回転ツールを回転させつつ当接させることによって、前記金属母材を前記アンビルの前記凹部に沿って変形させつつ前記金属母材同士を接合する第２工程と、
   前記第２工程で変形させつつ接合された前記金属母材の変形部位に圧力を加えることによって前記変形部位を平坦にする第３工程とを含み、
   前記第２工程では、前記金属母材に回転軸が平行となるようにして前記金属母材に前記回転ツールを回転させつつ当接させることによって、前記金属母材を前記アンビルの前記凹部に沿って変形させつつ前記金属母材同士を接合する、金属材の製造方法。
2. 表面に凹部を有するアンビルの前記表面に２枚以上の板状の金属母材を重ね合わせて配置する第１工程と、
   前記第１工程で前記アンビルの前記表面に配置した前記金属母材に回転ツールを回転させつつ当接させることによって、前記金属母材を前記アンビルの前記凹部に沿って変形させつつ前記金属母材同士を接合する第２工程と、
   前記第２工程で変形させつつ接合された前記金属母材の変形部位に圧力を加えることによって前記変形部位を平坦にする第３工程とを含み、
   前記第３工程では、表面が平坦なアンビルの前記表面に前記第２工程で変形させつつ接合された前記金属母材を設置し、前記金属母材との接触面が平坦な前記回転ツールを前記変形部位に回転させつつ当接させることによって前記変形部位を平坦にする、金属材の製造方法。
3. 前記第３工程では、表面が平坦なアンビルの前記表面に前記第２工程で変形させつつ接合された前記金属母材をその表裏面を反対にして設置し、前記金属母材との接触面が平坦な前記回転ツールを前記変形部位に回転させつつ当接させることによって前記変形部位を平坦にする、請求項２に記載の金属材の製造方法。