JP6192040B2 - 継手の製造方法及び複合材料の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、継手の製造方法及び複合材料の製造方法に関し、特に摩擦攪拌処理を利用した継手の製造方法及び複合材料の製造方法に関する。

近年の鉄道車両構体は、ステンレス鋼またはアルミニウム合金を用いたセミモノコック構造が主流となっている。特に、アルミニウム合金製構体では、Ａ６Ｎ０１合金とＡ７Ｎ０１合金とが主構造部材として用いられ、各合金の特徴を活かした適材適所の設計がなされている。

アルミニウム合金等の金属材の接合方法の一つとして摩擦攪拌接合（ＦＳＷ：Friction Stir Welding）が知られている。摩擦攪拌接合では、金属材同士の当接部分に回転ツールの先端の中央部から突出したプローブを押し込んで回転させ、摩擦熱による金属部分の塑性流動によって金属材同士を接合させる。摩擦攪拌接合を互いに特性の異なる異種材料の接合に適用する技術も提案されている。例えば、特許文献１には、アルミニウムの板材と鉄の板材とを端部にて当接させ、当接部分付近において、鉄よりも柔らかいアルミニウムの側にのみ回転ツールのプローブを挿入して回転させることにより、アルミニウムの板材と鉄の板材とを接合する技術が開示されている。

特開２００３−３９１８３号公報

ところで、上記特許文献１の技術によれば、異種材料の接合は可能であるが、異種材料の接合により得られた継手について所望の特性を得ることについては改善の余地がある。例えば、上記のＡ６Ｎ０１合金とＡ７Ｎ０１合金とは、熱処理によって高い強度が得られる析出強化型合金であり、摩擦攪拌接合の入熱により微細析出物が再固溶し、接合部が軟化するのが問題である。しかしながら、上記特許文献１の技術では、Ａ６Ｎ０１合金とＡ７Ｎ０１合金とを摩擦攪拌接合により接合することは可能であるが、得られた継手にはＡ７Ｎ０１合金よりも硬さの低いＡ６Ｎ０１合金の軟化領域が多く含まれることになり、所望の特性を有する継手を得ることが困難である。

本発明は上記課題を考慮してなされたものであり、所望の特性を有する継手や複合材料をより確実に製造することができる継手の製造方法及び複合材料の製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、組成、伸び、強度、硬さ及び耐食性のいずれかが互いに異なる第１の被接合材と第２の被接合材との当接部分に、円柱状の本体部と本体部の先端の中央部に突出したプローブ部と備えた回転ツールのプローブ部を挿入し、回転ツールを回転させつつ当接部分の長手方向に平行な方向に沿って回転ツールと第１の被接合材及び第２の被接合材とを相対的に移動させることによって当接部分を接合する継手の製造方法であって、プローブ部を、当接部分の中心から、当接部分の長手方向の側方であって、回転による回転ツールの本体部の外周の移動の方向と回転ツールの当接部分の長手方向に沿った移動の方向とが一致する側に、プローブ部の半径未満の距離だけ変位させつつ当接部分に挿入し、回転ツールを回転させつつ当接部分の長手方向に平行な方向に沿って回転ツールと第１の被接合材及び第２の被接合材とを相対的に移動させる継手の製造方法である。

この構成によれば、組成、伸び、強度、硬さ及び耐食性のいずれかが互いに異なる異種材料である第１の被接合材と第２の被接合材との当接部分に、円柱状の本体部と本体部の先端の中央部に突出したプローブ部と備えた回転ツールのプローブ部を挿入し、回転ツールを回転させつつ当接部分の長手方向に平行な方向に沿って回転ツールと第１の被接合材及び第２の被接合材とを相対的に移動させることによって当接部分を接合する継手の製造方法が提供される。

また、上記構成によれば、プローブ部を、当接部分の中心から、当接部分の長手方向の側方であって、回転による回転ツールの本体部の外周の移動の方向と回転ツールの当接部分の長手方向に沿った移動の方向とが一致する側（以下、前進側と言う。）に、プローブ部の半径未満の距離だけ変位させつつ当接部分に挿入し、回転ツールを回転させつつ当接部分の長手方向に平行な方向に沿って回転ツールと第１の被接合材及び第２の被接合材とを相対的に移動させる。プローブ部を前進側に変位させつつ当接部分に挿入するため、第１の被接合材及び第２の被接合材のいずれかの内で当該前進側の被接合材がより多く当接部分に流動する。

また、上記構成によれば、プローブ部を前進側にプローブ部の半径未満の距離だけ変位させつつ当接部分に挿入するため、第１の被接合材及び第２の被接合材のいずれにもプローブ部が接触し、第１の被接合材及び第２の被接合材のいずれかのみにプローブ部が接触する場合に比べて、当接部分において第１の被接合材及び第２の被接合材の物理的な再配置がさらに促進される。

したがって、上記構成によれば、当接部分の近傍において、プローブ部を当接部分の中心から当接部分の前進側に変位させる距離を制御することにより、当接部分における第１の被接合材及び第２の被接合材の配置の割合を変更して、所望の特性を有する継手をより確実に製造することができる。

この場合、回転させられるプローブ部の側面の全体が第１の被接合材及び第２の被接合材のいずれにも接触するようにプローブ部を当接部分に挿入することが好適である。

この構成によれば、回転させられるプローブ部の側面の全体が第１の被接合材及び第２の被接合材のいずれにも接触するようにプローブ部を当接部分に挿入する。このため、回転させられるプローブ部により、当接部分において第１の被接合材及び第２の被接合材の物理的な再配置がさらに促進される。

また、プローブ部を当接部分の中心から当接部分の長手方向の側方に変位させる距離を回転ツールの当接部分の長手方向に平行な方向における位置に応じて変更することが好適である。

この構成によれば、プローブ部を当接部分の中心から前進側に変位させる距離を回転ツールの当接部分の長手方向に平行な方向における位置に応じて変更する。このため、当接部分の長手方向に平行な方向における所望の位置に所望の特性を有する継手を自在に製造することができる。

また、プローブ部を第１の被接合材及び第２の被接合材の内で硬さが高い側に変位させることが好適である。

この構成によれば、プローブ部を第１の被接合材及び第２の被接合材の内で硬さが高い側に変位させるため、継手には第１の被接合材及び第２の被接合材の内で硬さが高いものが多く含まれる領域を増大させることができる。

また、プローブ部を第１の被接合材及び第２の被接合材の内で接合により機械的特性が変化する部位の硬さが高い側に変位させることが好適である。

この構成によれば、プローブ部を第１の被接合材及び第２の被接合材の内で接合により機械的特性が変化する部位の硬さが高い側に変位させるため、継手には第１の被接合材及び第２の被接合材の内で硬さが高いものが多く含まれる領域を増大させることができる。

また、第１の被接合材及び第２の被接合材は軽合金とできる。この構成によれば、組成、伸び、強度、硬さ及び耐食性のいずれかが互いに異なる軽合金から所望の特性を有する継手を製造することができる。

あるいは、第１の被接合材は軽合金であり、第２の被接合材は樹脂とできる。この構成によれば、軽合金と樹脂とから所望の特性を有する継手を製造することができる。

また、本発明は、組成、伸び、強度、硬さ及び耐食性のいずれかが互いに異なる第１の材料と第２の材料との境界部分に、円柱状の本体部と本体部の先端の中央部に突出したプローブ部と備えた回転ツールのプローブ部を挿入し、回転ツールを回転させつつ境界部分の長手方向に平行な方向に沿って回転ツールと第１の被接合材及び第２の被接合材とを相対的に移動させることによって境界部分に複合材料を製造する複合材料の製造方法であって、プローブ部を、境界部分の中心から、境界部分の長手方向の側方であって、回転による回転ツールの本体部の外周の移動の方向と回転ツールの境界部分の長手方向に沿った移動の方向とが一致する側に、プローブ部の半径未満の距離だけ変位させつつ境界部分に挿入し、回転ツールを回転させつつ境界部分の長手方向に平行な方向に沿って回転ツールと第１の被接合材及び第２の被接合材とを相対的に移動させる複合材料の製造方法である。

この構成によれば、組成、伸び、強度、硬さ及び耐食性のいずれかが互いに異なる異種材料である第１の材料と第２の材料との境界部分に、円柱状の本体部と本体部の先端の中央部に突出したプローブ部と備えた回転ツールのプローブ部を挿入し、回転ツールを回転させつつ境界部分の長手方向に平行な方向に沿って回転ツールと第１の被接合材及び第２の被接合材とを相対的に移動させることによって境界部分に複合材料を製造する複合材料の製造方法が提供される。

上記構成によれば、プローブ部を、境界部分の中心から、境界部分の長手方向の側方であって、回転による回転ツールの本体部の外周の移動の方向と回転ツールの境界部分の長手方向に沿った移動の方向とが一致する前進側に、プローブ部の半径未満の距離だけ変位させつつ境界部分に挿入し、回転ツールを回転させつつ境界部分の長手方向に平行な方向に沿って回転ツールと第１の被接合材及び第２の被接合材とを相対的に移動させる。プローブ部を前進側に変位させつつ境界部分に挿入するため、第１の材料及び第２の材料のいずれかの内で当該前進側の材料がより多く境界部分に流動する。

また、上記構成によれば、プローブ部を前進側にプローブ部の半径未満の距離だけ変位させつつ境界部分に挿入するため、第１の材料及び第２の材料のいずれにもプローブ部が接触し、第１の材料及び第２の材料のいずれかのみにプローブ部が接触する場合に比べて、境界部分において第１の材料及び第２の材料の物理的な再配置がさらに促進される。

したがって、上記構成によれば、境界部分の近傍において、プローブ部を境界部分の中心から境界部分の長手方向の側方に変位させる距離を制御することにより、境界部分における第１の材料及び第２の材料の配置の割合を変更して、所望の特性を有する複合材料をより確実に製造することができる。

この場合、回転させられるプローブ部の側面の全体が第１の材料及び第２の材料のいずれにも接触するようにプローブ部を境界部分に挿入することが好適である。

この構成によれば、回転させられるプローブ部の側面の全体が第１の材料及び第２の材料のいずれにも接触するようにプローブ部を境界部分に挿入する。このため、回転させられるプローブ部により、境界部分において第１の材料及び第２の材料の物理的な再配置がさらに促進される。

また、プローブ部を境界部分の中心から境界部分の長手方向の側方に変位させる距離を回転ツールの境界部分の長手方向に平行な方向における位置に応じて変更することが好適である。

この構成によれば、プローブ部を境界部分の中心から前進側に変位させる距離を回転ツールの境界部分の長手方向に平行な方向における位置に応じて変更する。このため、境界部分の長手方向に平行な方向における所望の位置に所望の特性を有する複合材料を自在に製造することができる。

また、プローブ部を第１の材料及び第２の材料の内で硬さが高い側に変位させることが好適である。

この構成によれば、プローブ部を第１の材料及び第２の材料の内で硬さが高い側に変位させるため、境界部分には第１の材料及び第２の材料の内で硬さが高いものが多く含まれる領域を増大させることができる。

また、プローブ部を第１の被接合材及び第２の被接合材の内で製造により機械的特性が変化する部位の硬さが高い側に変位させることが好適である。

この構成によれば、プローブ部を第１の材料及び第２の材料の内で製造により機械的特性が変化する部位の硬さが高い側に変位させるため、境界部分には第１の材料及び第２の材料の内で硬さが高いものが多く含まれる領域を増大させることができる。

また、第１の材料及び第２の材料は軽合金とできる。この構成によれば、組成、伸び、強度、硬さ及び耐食性のいずれかが互いに異なる軽合金から所望の特性を有する複合材料を製造することができる。

また、第１の材料は軽合金であり、第２の材料は樹脂とできる。この構成によれば、軽合金と樹脂とから所望の特性を有する複合材料を製造することができる。

本発明の継手の製造方法及び複合材料の製造方法によれば、所望の特性を有する継手や複合材料をより確実に製造することができる。

第１実施形態に係る摩擦攪拌接合を示す斜視図である。 図１の摩擦攪拌接合を回転ツールの移動方向の反対方向から視た断面図である。 タイプＩの回転ツールのプローブ周辺の側面図である。 タイプIIの回転ツールのプローブ周辺の側面図である。 タイプIIIの回転ツールのプローブ周辺の側面図である。 第２実施形態に係る摩擦攪拌処理を示す斜視図である。 図６の摩擦攪拌接合処理を回転ツールの移動方向の反対方向から視た断面図である。 第３実施形態に係る摩擦攪拌接合を示す平面図である。 実験例の回転ツールのタイプ及び前進側へのシフト量それぞれにおける接合部を示す図である。 タイプＩの回転ツールによる接合部において、前進側へのシフト量それぞれにおける当接部分からの距離に対するビッカース硬さを示すグラフである。 タイプIIの回転ツールによる接合部において、前進側へのシフト量それぞれにおける当接部分からの距離に対するビッカース硬さを示すグラフである。 タイプIIIの回転ツールによる接合部において、前進側へのシフト量それぞれにおける当接部分からの距離に対するビッカース硬さを示すグラフである。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る継手の製造方法及び複合材料の製造方法の好適な実施形態について詳細に説明する。

図１に示すように、本発明の第１実施形態の摩擦攪拌接合装置１は、タイプＩの回転ツール１１ａの先端部を板状の前進側被接合材２ＡＳ及び後退側被接合材２ＲＳの当接部分Ｐに挿入し、回転ツール１１ａを回転させつつ当接部分Ｐの長手方向に平行な方向に沿って移動させることにより、当接部分Ｐに沿って接合部３を形成する荷重制御方式の装置である。

本実施形態では、当接部分Ｐの長手方向の側方であって、回転による回転ツール１１ａの外周の移動の方向と回転ツール１１ａの当接部分Ｐの長手方向に沿った移動の方向とが一致する側である前進側に、前進側被接合材２ＡＳが配置され、回転による回転ツール１１ａの外周の移動の方向と回転ツール１１ａの当接部分Ｐの長手方向に沿った移動の方向とが反対である側（以下、後退側と言う。）に後退側被接合材２ＲＳが配置される。

前進側被接合材２ＡＳ及び後退側被接合材２ＲＳは、組成、伸び、強度、硬さ及び耐食性のいずれかが互いに異なる異種材料である。前進側被接合材２ＡＳ及び後退側被接合材２ＲＳとしては、いずれもアルミニウム等の軽合金とできる。また、前進側被接合材２ＡＳ及び後退側被接合材２ＲＳとしては、一方をアルミニウム等の軽合金とでき、他方を樹脂とできる。本実施形態では、前進側被接合材２ＡＳを後退側被接合材２ＲＳよりも硬さが高い材料又は接合により機械的特性が変化する部位の硬さが高い材料とできる。例えば、前進側被接合材２ＡＳをＡ７Ｎ０１合金とでき、後退側被接合材２ＲＳをＡ６Ｎ０１合金とできる。なお、製造された継手が使用される状況に応じて、前進側被接合材２ＡＳを後退側被接合材２ＲＳよりも硬さが低い材料とすることができる。あるいは、本実施形態では、２つの異種材料の内で、前進側被接合材２ＡＳを耐食性の高い材料又は接合により耐食性が変化する部位の耐食性が高い材料とし、後退側被接合材２ＲＳを耐食性の低い材料又は接合により耐食性が変化する部位の耐食性が低い材料とできる。また、本実施形態では、２つの異種材料の内で、前進側被接合材２ＡＳを伸びの大きい材料又は接合により伸びが変化する部位の伸びが大きい材料とし、後退側被接合材２ＲＳを伸びの小さい材料又は接合により伸びが変化する部位の伸びが小さい材料とできる。本実施形態では、いずれの特性においても、より求められる特性を有する材料を前進側被接合材２ＡＳとして配置し、もう一方の材料を後退側被接合材２ＲＳとして配置することにより、所望の特性を有する接合部３を形成することができる。

この摩擦攪拌接合装置１は、例えば回転ツール１１ａを保持するツールホルダ（不図示）と、回転ツール１１ａを回転軸Ａ周りに回転させる回転モータ４と、回転ツール１１ａを前進側被接合材２ＡＳ及び後退側被接合材２ＲＳの表面上で自在に移動させる移動モータ５と、回転ツール１１ａを当接部分Ｐに対して押圧する押圧機構６と、各モータを制御するコントローラ７とを含んで構成されている。

回転ツール１１ａの回転軸Ａは、前進側被接合材２ＡＳ及び後退側被接合材２ＲＳの法線方向に対し、回転ツール１１ａの移動方向と反対側に約３°傾けられている。しかしながら、本実施形態では、継手の特性は回転ツール１１ａの傾斜角に依存するため、例えば、回転ツール１１ａの回転軸Ａを前進側被接合材２ＡＳ及び後退側被接合材２ＲＳの法線方向に対して例えば０．５°〜７°の範囲で他の角度にすることができる。あるいは、回転ツール１１ａの回転軸Ａを前進側被接合材２ＡＳ及び後退側被接合材２ＲＳの法線方向に対して平行をなすようにしても良い。

なお、図示しないが、ツールホルダの近傍には、回転ツール１１ａに向けてシールドガスを供給するガス供給ノズルが配置されている。シールドガスとしては、例えばアルゴンなどの不活性ガスが用いられる。シールドガスの供給により、空気中の酸素及び窒素と接触することによる接合部３の粒界脆化を防止でき、より良好な接合が得られる。また、ツールホルダには、接合中に回転ツール１１ａから伝わる熱を逃がすための冷却ホルダが取り付けられていることが好ましい。

図１に示すように、前進側被接合材２ＡＳ及び後退側被接合材２ＲＳの下には、裏当材８が配置されていても良い。裏当材８は、例えば窒化珪素によって前進側被接合材２ＡＳ及び後退側被接合材２ＲＳよりも厚い板状に形成されている。

図２及び図３に示すように、本実施形態のタイプＩの回転ツール１１ａは、円柱状の本体部であるショルダ部１２と、ショルダ部１２の先端の中央部に突出した円柱状のプローブ部１３と備える。プローブ部１３の側面には、不図示のネジ溝を有する。ネジ溝は回転ツール１１ａの回転に伴い当接部分Ｐの前進側被接合材２ＡＳ及び後退側被接合材２ＲＳを回転軸Ａに平行な方向に塑性流動させる。回転ツール１１ａは、工具鋼や、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｓｉ_３Ｎ_４等のセラミックスから構成することができる。

図３に示す本実施形態のタイプＩの回転ツール１１ａは、ショルダ部１２の直径が１０ｍｍであり、プローブ部１３の直径が５ｍｍである。また、図４に示す本実施形態のタイプIIの回転ツール１１ｂは、ショルダ部１２の直径が８ｍｍであり、プローブ部１３の直径が５ｍｍである。また、図５に示す本実施形態のタイプIIIの回転ツール１１ｃは、ショルダ部１２の直径が８ｍｍであり、プローブ部１３の直径が３ｍｍである。回転ツール１１ａ〜１１ｃのいずれもプローブ部１３の長さは２．９ｍｍである。

後述するように、本実施形態では、当接部分Ｐの長手方向の側方であって前進側に回転ツール１１ａ〜１１ｃのプローブ部１３をプローブ部１３の半径未満の距離だけ変位させる。従って、当接部分Ｐに与える入熱量が摩擦攪拌接合を可能とする範囲において、上記のタイプIIの回転ルール１１ｂのように、ショルダ部１２の直径に対してプローブ部１３の直径を大きくすることにより、プローブ１３を前進側に変位させることが可能な距離を長くすることができる。特に、当接部分Ｐに与える入熱量が摩擦攪拌接合を可能とする範囲において、ショルダ部１２の直径に対するプローブ部１３の直径の比率を最大にすることにより、プローブ１３を前進側に変位させることが可能な距離を最大にすることができる。

本実施形態において、上記の摩擦攪拌接合装置１を用いて摩擦攪拌接合を行う場合は、まず、前進側被接合材２ＡＳ及び後退側被接合材２ＲＳが裏当材８上で突き合わされる。コントローラ７は回転モータ４及び移動モータ５を制御して、回転ツール１１ａを回転させつつ当接部分Ｐの上方に配置する。

図１の摩擦攪拌接合を回転ツールの移動方向の反対方向から視た断面図である図２に示すように、コントローラ７は移動モータ５を制御して、プローブ部１３を当接部分Ｐの中心から当接部分Ｐの長手方向の側方であって前進側の前進側被接合材２ＡＳの方にプローブ部１３の半径未満の距離となるシフト量Ｓだけ変位させる。押圧機構６により、プローブ部１３は当接部分Ｐの中心からシフト量Ｓだけ変位した位置に回転させられつつ所定の荷重で挿入される。このとき、回転させられたプローブ部１３の側面の全体が前進側被接合材２ＡＳ及び後退側被接合材２ＲＳのいずれにも接触する。コントローラ７は回転モータ４及び移動モータ５を制御して、回転ツール１１ａを回転させながら当接部分Ｐの中心からシフト量Ｓだけ前進側に変位させつつ当接部分Ｐの長手方向に平行な方向に沿って移動させる。これにより、当接部分Ｐに接合部３が形成され、前進側被接合材２ＡＳと後退側被接合材２ＲＳとの継手を製造することができる。なお、本実施形態においては、回転ツール１１ａを固定し、前進側被接合材２ＡＳ及び後退側被接合材２ＲＳを上記と同様の相対的な位置関係となるように移動させることによっても同様の作用効果が得られる。また、本実施形態では、回転ツール１１ａと、前進側被接合材２ＡＳ及び後退側被接合材２ＲＳとの両方を上記と同様の相対的な位置関係となるように移動させることによっても同様の作用効果が得られる。

本実施形態によれば、組成、伸び、強度、硬さ及び耐食性のいずれかが互いに異なる異種材料である前進側被接合材２ＡＳと後退側被接合材２ＲＳとの当接部分Ｐに、円柱状のショルダ部１２とショルダ部１２の先端の中央部に突出したプローブ部１３と備えた回転ツール１１ａのプローブ部１３を挿入し、回転ツール１１ａを回転させつつ当接部分Ｐの長手方向に平行な方向に沿って移動させることによって当接部分Ｐを接合する継手の製造方法が提供される。

また、本実施形態によれば、プローブ部１３を当接部分Ｐの中心から当接部分Ｐの長手方向の側方であって前進側にプローブ部１３の半径未満の距離だけ変位させつつ当接部分Ｐに挿入し、回転ツール１１ａを回転させつつ当接部分Ｐの長手方向に平行な方向に沿って移動させる。プローブ部１３を前進側に変位させつつ当接部分Ｐに挿入するため、前進側の前進側被接合材２ＡＳがより多く当接部分Ｐに流動する。

また、本実施形態によれば、プローブ部１３を前進側にプローブ部１３の半径未満の距離だけ変位させつつ当接部分Ｐに挿入するため、前進側被接合材２ＡＳ及び後退側被接合材２ＲＳのいずれにもプローブ部１３が接触し、前進側被接合材２ＡＳと後退側被接合材２ＲＳのいずれかのみにプローブ部１３が接触する場合に比べて、当接部分Ｐにおいて前進側被接合材２ＡＳと後退側被接合材２ＲＳの物理的な再配置がさらに促進される。

したがって、本実施形態によれば、当接部分Ｐの近傍において、プローブ部１３を当接部分Ｐの中心から前進側に変位させるシフト量Ｓを制御することにより、当接部分Ｐにおける前進側被接合材２ＡＳと後退側被接合材２ＲＳの配置の割合を変更して、所望の特性を有する継手をより確実に製造することができる。

また、本実施形態によれば、回転させられるプローブ部１３の側面の全体が前進側被接合材２ＡＳ及び後退側被接合材２ＲＳのいずれにも接触するようにプローブ部１３を当接部分Ｐに挿入する。このため、回転させられるプローブ部１３により、当接部分Ｐにおいて前進側被接合材２ＡＳ及び後退側被接合材２ＲＳの物理的な再配置がさらに促進される。

また、本実施形態によれば、例えば、前進側被接合材２ＡＳとしてＡ７Ｎ０１合金を配置し、後退側被接合材２ＲＳとしてＡ６Ｎ０１合金を配置した場合に、プローブ部１３を前進側被接合材２ＡＳ及び後退側被接合材２ＲＳの内で硬さが高く且つ接合により機械的特性が変化する部位の硬さが高いＡ７Ｎ０１合金の側に変位させるため、継手にはＡ７Ｎ０１合金及びＡ６Ｎ０１合金との内で硬さが高いＡ７Ｎ０１合金が多く含まれる領域を増大させることができる。上述したように、Ａ６Ｎ０１合金とＡ７Ｎ０１合金とは、熱処理によって高い強度が得られる析出強化型合金であり、摩擦攪拌接合の入熱により微細析出物が再固溶し、接合部が軟化するのが問題である。しかし、本実施形態によれば、条件を最適化することにより、当接部分Ｐの回転軸Ａに平行な方向の一部で、軟化域を形成させないことが可能となる。

このように本実施形態によれば、組成、伸び、強度、硬さ及び耐食性のいずれかが互いに異なる軽合金から所望の特性を有する継手を製造することができる。あるいは、本実施形態によれば、前進側被接合材２ＡＳ及び後退側被接合材２ＲＳとして一方を軽合金とし、他方を樹脂とすることにより、軽合金と樹脂とから所望の特性を有する継手を製造することもできる。

以下、本発明の第２実施形態について説明する。本発明は必ずしも異種材料を接合するのみならず、異種材料から複合材料を製造することができる。図６に示すように、本実施形態では、上記第１実施形態の前進側被接合材２ＡＳ及び後退側被接合材２ＲＳとそれぞれ同様の組成を有する前進側材料２ａｓ及び後退側材料２ｒｓの境界部分Ｂに回転ツール１１ａを上記第１実施形態と同様に挿入することにより、攪拌部３０に前進側材料２ａｓと後退側材料２ｒｓとの複合材料が製造される。

本実施形態では、前進側材料２ａｓと後退側材料２ｒｓとは境界部分Ｂで隣接していれば良く、複合材料の製造時に互いに機械的接合、冶金的接合及び接着等の手法により接合されていても良く、単に隣接しているだけで接合されていなくとも良い。また、本実施形態では、製造された攪拌部３０の複合材料が使用される状況に応じて、回転ツール１１ａの境界部分Ｂの通過後に、前進側材料２ａｓと後退側材料２ｒｓとが全体として互いに接合されていても良く、単に隣接しているだけで接合されていなくとも良い。

図６の摩擦攪拌接合処理を回転ツールの移動方向の反対方向から視た断面図である図７に示すように、本実施形態においても、コントローラ７は移動モータ５を制御して、プローブ部１３を境界部分Ｂの中心から前進側の前進側材料２ａｓの方にプローブ部１３の半径未満の距離となるシフト量Ｓだけ変位させる。押圧機構６により、プローブ部１３は境界部分Ｂの中心からシフト量Ｓだけ変位した位置に回転させられつつ所定の荷重で挿入される。このとき、回転させられたプローブ部１３の側面の全体が前進側材料ａｓ及び後退側材料２ｒｓのいずれにも接触する。コントローラ７は回転モータ４及び移動モータ５を制御して、回転ツール１１ａを回転させながら当接部分Ｐの中心からシフト量Ｓだけ前進側に変位させつつ境界部分Ｂの長手方向に平行な方向に沿って移動させる。これにより、境界部分Ｂに攪拌部３０が形成され、前進側材料２ａｓと後退側材料２ｒｓとの複合材料を製造することができる。

本実施形態では、上記第１実施形態と同様の作用により、境界部分Ｂの近傍において、プローブ部１３を境界部分Ｂの中心から前進側に変位させるシフト量Ｓを制御することにより、境界部分Ｂにおける前進側材料２ａｓ及び後退側材料２ｒｓの配置の割合を変更して、所望の特性を有する複合材料をより確実に製造することができる。本実施形態でも、前進側材料２ａｓとしてＡ７Ｎ０１合金を配置し、後退側材料２ｒｓとしてＡ６Ｎ０１合金を配置した場合に、プローブ部１３を前進側材料２ａｓ及び後退側材料２ｒｓの内で硬さが高い側に変位させるため、境界部分Ｂには前進側材料２ａｓ及び後退側材料２ｒｓの内で硬さが高いＡ７Ｎ０１合金が多く含まれる領域を増大させることができる。

以下、本発明の第３実施形態について説明する。本発明は必ずしも異種材料の当接部分Ｐ又は境界部分Ｂの長手方向の全域に亘って同じシフト量Ｓでプローブ部１３を変位させる必要はなく、当接部分Ｐ又は境界部分Ｂの長手方向の所望の位置においてシフト量Ｓを適宜変更することが可能である。例えば、図８に示すように、上記第１実施形態及び上記第２実施形態と同様の配置において、コントローラ７は移動モータ５を制御することにより、当接部分Ｐ（境界部分Ｂ）の長手方向に平行な方向における範囲Ｘのみ上記第１実施形態及び上記第２実施形態と同様にプローブ部１３を前進側にプローブ１３の半径未満の距離だけ変位させる。図８は一例であり、当接部分Ｐ（境界部分Ｂ）の長手方向に平行な方向において、シフト量Ｓを０と任意の値との二つの値以外の値に断続的又は連続的に変更することができる。

本実施形態においては、プローブ部１３を当接部分Ｐ（境界部分Ｂ）の中心から前進側に変位させる距離を回転ツール１１ａの当接部分Ｐ（境界部分Ｂ）の長手方向に平行な方向における位置に応じて変更する。このため、当接部分Ｐ（境界部分Ｂ）の長手方向に平行な方向における所望の位置に所望の特性を有する継手あるいは複合材料を自在に製造することができる。

本発明は上記実施形態に限定されず、様々な変形態様が可能である。

（実験例）
以下、図１に示すような摩擦攪拌接合装置１において、前進側被接合材２ＡＳとしてＡ７Ｎ０１合金を配置し、後退側被接合材２ＲＳとしてＡ６Ｎ０１合金を配置し、異種材料の摩擦攪拌接合を行った。前進側被接合材２ＡＳ及び後退側被接合材２ＲＳのいずれも、厚さ３ｍｍ×幅１００ｍｍ×長さ５００ｍｍのものを用いた。図３〜５に示したタイプＩ〜IIIの回転ツール１１ａ〜１１ｃをそれぞれ用いて摩擦攪拌接合を行った。回転ツール１１ａ〜１１ｃの回転軸Ａは、前進側被接合材２ＡＳ及び後退側被接合材２ＲＳの法線方向に対し、回転ツール１１ａ〜１１ｃの移動方向と反対側に３°傾斜させた。回転ツール１１ａ〜１１ｃの回転速度は１５００ｒｐｍである。回転ツール１１ａ〜１１ｃの当接部分Ｐの長手方向に平行な方向に沿った移動速度は６００ｍｍ／ｍｉｎである。前進側へのシフト量は、０ｍｍ、１ｍｍ及び２ｍｍとした。接合部３の組織を光学顕微鏡で観察した。接合部３のビッカース硬さをマイクロビッカース硬さ試験で評価した。なお、以下に示す接合部３の硬さ試験の結果は、接合部の板厚方向の中心の硬さを示している。

図９に示すように、タイプＩの回転ツール１１ａの場合、前進側被接合材２ＡＳであるＡ７Ｎ０１合金へのシフト量Ｓの増加に伴い、当接部分ＰにおいてＡ７Ｎ０１合金が占める割合が増大した。タイプIIの回転ツール１１ｂ及びタイプIIIの回転ツール１１ｃについても同様の現象が起きており、回転ツール１１ａ〜１１ｃの形状に依存せず、前進側へのシフト量Ｓの増加により、当接部分ＰにＡ７Ｎ０１合金の割合を増大させることが可能であることが判った。

図１０に示すように、タイプＩの回転ツール１１ａで作製した継手の硬さ分布を示す。Ａ６Ｎ０１合金及びＡ７Ｎ０１合金の母材の硬さはそれぞれ１０３Ｈｖ及び１２６Ｈｖである。回転ツール１１ａにより攪拌された箇所のＡ６Ｎ０１合金及びＡ７Ｎ０１合金の硬さはそれぞれ６４Ｈｖ及び９７Ｈｖであった。シフト量Ｓが０ｍｍのものと１ｍｍのものと２ｍｍのものとの結果を比較すると、シフト量Ｓが０ｍｍから２ｍｍと増大するにつれてＡ７Ｎ０１合金の軟化領域が増大し、反対にＡ６Ｎ０１合金の軟化領域が減少していることが判る。また、図１１及び図１２に示すように、タイプIIの回転ツール１１ｂ及び大部IIIの回転ツール１１ｃについても同様の傾向が見られた。この結果は、回転ツール１１ａ〜１１ｃの形状に依存せず、母材の硬さが高い前進側へのシフト量Ｓを増加させることが、接合部３の硬さ向上に有効であることを示唆している。さらに、条件を最適化することにより、当接部分Ｐの板厚方向の一部で、最軟化域、すなわち最も硬さが低い材料であるＡ６Ｎ０１合金の軟化領域を形成させないことが可能となることが判る。

１…摩擦攪拌接合装置、２ＡＳ…前進側被接合材、２ＲＳ…後退側被接合材、２ａｓ…前進側材料、２ｒｓ…後退側材料、３…接合部、４…回転モータ、５…移動モータ、６…押圧機構、７…コントローラ、８…裏当材、１１ａ〜１１ｃ…回転ツール、１２…ショルダ部、１３…プローブ部、１４…ネジ溝、３０…攪拌部、Ａ…回転軸、Ｐ…当接部分、Ｂ…境界部分、Ｓ…シフト量。

Claims (12)

1. 組成、伸び、強度、硬さ及び耐食性のいずれかが互いに異なる第１の被接合材と第２の被接合材との当接部分に、円柱状の本体部と前記本体部の先端の中央部に突出したプローブ部と備えた回転ツールの前記プローブ部を挿入し、前記回転ツールを回転させつつ前記当接部分の長手方向に平行な方向に沿って前記回転ツールと前記第１の被接合材及び前記第２の被接合材とを相対的に移動させることによって前記当接部分を接合する継手の製造方法であって、
   前記プローブ部を、前記当接部分の中心から、前記当接部分の長手方向の側方であって、回転による前記回転ツールの前記本体部の外周の移動の方向と前記回転ツールの前記当接部分の長手方向に沿った移動の方向とが一致する側に、前記プローブ部の半径未満の距離だけ変位させつつ前記当接部分に挿入し、前記回転ツールを回転させつつ前記当接部分の長手方向に平行な方向に沿って前記回転ツールと前記第１の被接合材及び前記第２の被接合材とを相対的に移動させ、
   前記プローブ部を前記当接部分の中心から前記当接部分の長手方向の側方に変位させる距離を前記回転ツールの前記当接部分の長手方向に平行な方向における位置に応じて変更する、継手の製造方法。
2. 回転させられる前記プローブ部の側面の全体が前記第１の被接合材及び前記第２の被接合材のいずれにも接触するように前記プローブ部を前記当接部分に挿入する、請求項１に記載の継手の製造方法。
3. 前記プローブ部を前記第１の被接合材及び前記第２の被接合材の内で硬さが高い側に変位させる、請求項１又は２に記載の継手の製造方法。
4. 前記プローブ部を前記第１の被接合材及び前記第２の被接合材の内で接合により機械的特性が変化する部位の硬さが高い側に変位させる、請求項１又は２に記載の継手の製造方法。
5. 前記第１の被接合材及び前記第２の被接合材は軽合金である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の継手の製造方法。
6. 前記第１の被接合材は軽合金であり、前記第２の被接合材は樹脂である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の継手の製造方法。
7. 組成、伸び、強度、硬さ及び耐食性のいずれかが互いに異なる第１の材料と第２の材料との境界部分に、円柱状の本体部と前記本体部の先端の中央部に突出したプローブ部と備えた回転ツールの前記プローブ部を挿入し、前記回転ツールを回転させつつ前記境界部分の長手方向に平行な方向に沿って前記回転ツールと前記第１の材料及び前記第２の材料とを相対的に移動させることによって前記境界部分に複合材料を製造する複合材料の製造方法であって、
   前記プローブ部を、前記境界部分の中心から、前記境界部分の長手方向の側方であって、回転による前記回転ツールの前記本体部の外周の移動の方向と前記回転ツールの前記境界部分の長手方向に沿った移動の方向とが一致する側に、前記プローブ部の半径未満の距離だけ変位させつつ前記境界部分に挿入し、前記回転ツールを回転させつつ前記境界部分の長手方向に平行な方向に沿って前記回転ツールと前記第１の材料及び前記第２の材料とを相対的に移動させ、
   前記プローブ部を前記境界部分の中心から前記境界部分の長手方向の側方に変位させる距離を前記回転ツールの前記境界部分の長手方向に平行な方向における位置に応じて変更する、複合材料の製造方法。
8. 回転させられる前記プローブ部の側面の全体が前記第１の材料及び前記第２の材料のいずれにも接触するように前記プローブ部を前記境界部分に挿入する、請求項７に記載の複合材料の製造方法。
9. 前記プローブ部を前記第１の材料及び前記第２の材料の内で硬さが高い側に変位させる、請求項７又は８に記載の複合材料の製造方法。
10. 前記プローブ部を前記第１の材料及び前記第２の材料の内で製造により機械的特性が変化する部位の硬さが高い側に変位させる、請求項７又は８に記載の複合材料の製造方法。
11. 前記第１の材料及び前記第２の材料は軽合金である、請求項７〜１０のいずれか１項に記載の複合材料の製造方法。
12. 前記第１の材料は軽合金であり、前記第２の材料は樹脂である、請求項７〜１０のいずれか１項に記載の複合材料の製造方法。