JP6384408B2 - 摩擦撹拌接合方法およびその接合装置 - Google Patents

Description

本発明は、第１部材と第２部材との摩擦撹拌接合方法、特に点状に摩擦撹拌接合を行う摩擦撹拌点接合方法、およびこの方法を用いた接合装置に関する。

従来、自動車、鉄道車両、航空機等の分野では軽量化が求められている。例えば、自動車の分野では、ハイテン材の利用により薄鋼板化が進められ、またスチール材の代替材としてアルミ合金材が用いられ、さらには樹脂材の利用も進んでいる。このような分野において金属部材と樹脂部材との接合技術の開発は、単に車体の軽量化に留まらず、接合部材の高強度化や高剛性化、生産性の向上を実現させる観点からも重要である。これまで、金属部材と樹脂部材との接合方法として、いわゆる摩擦撹拌接合（ＦＳＷ：ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｓｔｉｒ ｗｅｌｄｉｎｇ）方法が提案されている。摩擦撹拌接合方法とは、図１８に示すように、金属部材５１１と樹脂部材５１２とを重ね合わせ、回転ツール５１６を回転させつつ、金属部材５１１に押圧して摩擦熱を発生させ、この摩擦熱で樹脂部材５１２を溶融させた後、固化させて金属部材５１１と樹脂部材５１２とを点状に接合する方法である（特許文献１）。

特許第３４０１４９９号

このような摩擦撹拌接合方法においては、接合装置は回転ツールを１個しか有さないため、部材がモーメントを受けて、変形したまま接合される。このため、接合精度が低下するという問題があった。また、２箇所以上で接合を行う場合、上記の接合方法を繰り返す必要があるため、全体のサイクルタイムが長期化し、作業効率にも問題があった。

本発明は、２点以上で接合を行う場合に、作業効率および接合精度が良好な摩擦撹拌接合方法および接合装置を提供することを目的とする。

本明細書中、接合精度とは、接合前に予定していた接合状態と、接合後の接合状態との差に関するものであり、詳しくは第１部材と第２部材とのズレに関する精度を意味するものである。

本発明は、回転ツールを回転させつつ、第１部材および第２部材からなるワークに押圧して摩擦熱を発生させ、該摩擦熱により、第１部材と第２部材との接合を行う摩擦撹拌接合方法であって、
前記回転ツールとして２個以上の回転ツールを用い、
該２個以上の回転ツールによる接合を同時に行う、摩擦撹拌接合方法に関する。

本発明はまた、金属からなる第１部材と金属または樹脂からなる第２部材とを、第１部材の下面と第２部材の上面とで重ね合わせてワークを形成し、回転ツールを回転させつつ、第１部材に押圧して摩擦熱を発生させ、該摩擦熱により少なくとも第２部材を溶融させた後、固化させて接合を行う主面接触方式を採用する摩擦撹拌接合方法であって、
前記回転ツールとして２個以上の回転ツールを用い、
該２個以上の回転ツールによる接合を同時に行う、摩擦撹拌接合方法に関する。

本発明はまた、金属からなる第１部材と金属からなる第２部材とをそれぞれの端面で突き合わせてワークを形成し、回転ツールを回転させつつ、第１部材と第２部材の境界に押圧して摩擦熱を発生させ、該摩擦熱により第１部材および第２部材を溶融させた後、固化させて接合を行う端面接触方式を採用する摩擦撹拌接合方法であって、
前記回転ツールとして２個以上の回転ツールを用い、
該２個以上の回転ツールによる接合を同時に行う、摩擦撹拌接合方法に関する。

本発明はまた、
回転しつつ、第１部材および第２部材からなるワークを押圧する２個以上の回転ツール；および
該２個以上の回転ツールを回転駆動および押圧駆動させるための駆動制御装置
を含み、
前記駆動制御装置が前記２個以上の回転ツールによる押圧を同時に開始させる、かつ／または同時に終了させる、摩擦撹拌接合装置に関する。

本発明の摩擦撹拌接合方法およびその接合装置によれば、良好な作業効率および接合精度で摩擦撹拌接合を行うことができる。

本発明の摩擦撹拌接合方法（主面接触方式）に好適な接合装置の一例の一部を示す模式図である。 本発明の摩擦撹拌接合方法に使用される押圧部材としての回転ツールの一例の先端部の拡大図である。 本発明の摩擦撹拌接合装置を備えた接合ガンの概略図である。 本発明の摩擦撹拌接合方法（主面接触方式）における回転ツールの配置と回転方向の一例を示す上面見取り図である。 （Ａ）および（Ｂ）はともに、本発明の摩擦撹拌接合方法（主面接触方式）における回転ツールの配置と回転方向の一例を示す上面見取り図である。 本発明の摩擦撹拌接合方法（主面接触方式）における回転ツールの配置と回転方向の一例を示す上面見取り図である。 本発明の摩擦撹拌接合方法（主面接触方式）における回転ツールの配置と回転方向の一例を示す上面見取り図である。 本発明の摩擦撹拌接合方法（主面接触方式）における回転ツールの配置と回転方向の一例を示す上面見取り図である。 本発明の摩擦撹拌接合方法（主面接触方式）における予熱工程の一例を説明するための概略断面図である。 本発明の摩擦撹拌接合方法（主面接触方式）における押込み撹拌工程、撹拌維持工程及び保持工程の一例を説明するための概略断面図である。 本発明の摩擦撹拌接合方法（端面接触方式）に好適な接合装置の一例の一部を示す模式図である。 本発明の摩擦撹拌接合方法（端面接触方式）における回転ツールの配置と回転方向の一例を示す上面見取り図である。 本発明の摩擦撹拌接合方法（端面接触方式）における回転ツールの配置と回転方向の一例を示す上面見取り図である。 本発明の摩擦撹拌接合方法（端面接触方式）における回転ツールの配置と回転方向の一例を示す上面見取り図である。 本発明の摩擦撹拌接合方法（端面接触方式）における予熱工程の一例を説明するための概略断面図である。 本発明の摩擦撹拌接合方法（端面接触方式）における押込み撹拌工程および撹拌維持工程の一例を説明するための概略断面図である。 本発明の摩擦撹拌接合方法（端面接触方式）により接合された接合体の一例の概略断面図である。 従来の摩擦撹拌接合方法を説明するための概略断面図である。

［摩擦撹拌接合方法］
本発明の摩擦撹拌接合方法は、回転ツールを回転させつつ、第１部材および第２部材からなるワークに押圧して摩擦熱を発生させ、この摩擦熱により、第１部材と第２部材との接合を行う方法である。

以下、本発明の摩擦撹拌接合方法について、図面を用いて詳しく説明するが、図面に示す各種の要素は、本発明の理解のために模式的に示したにすぎず、寸法比や外観などは実物と異なり得ることに留意されたい。尚、本明細書で直接的または間接的に用いる「上下方向」は、図中における上下方向に対応した方向に相当する。また特記しない限り、これらの図において、共通する符号は同じ部材、部位、寸法または領域を示すものとする。

（１）接合装置
まず図１は、本発明の接合方法を実施するのに適した摩擦撹拌接合装置の一部の一例を模式的に示す図である。図１に示される摩擦撹拌接合装置１は、第１部材１１と第２部材１２とを摩擦撹拌接合する装置として構成されており、押圧部材としての円柱状の回転ツール１６を具備している。

接合装置１は、
回転しつつ、第１部材および第２部材からなるワークを押圧する２個以上の回転ツール１６Ａ、１６Ｂ；および
該２個以上の回転ツールを回転駆動および押圧駆動させるための駆動制御装置（図示せず）
を含み、
前記駆動制御装置が前記２個以上の回転ツールによる押圧を同時に開始させる、かつ／または同時に終了させるようになっている。

図１において、２個の回転ツール１６Ａ、１６Ｂが示されているが、これに限定されるものではなく、３個以上であってもよい。

図１において、第１部材１１の下面（一方の主面）の全面と第２部材１２の上面（他方の主面）の全面とを重ね合わせてワーク１０を形成しているが、第１部材１１の下面の一部の面と第２部材１２の上面の一部の面とを重ね合わせてワーク１０を形成してもよい。

回転ツール１６Ａ、１６Ｂ（以下、これらを包含して「１６」と示すことがある）は、図示したように、第１部材１１が上、第２部材１２が下になるように重ね合わされたワーク１０に対し、図外の駆動源により、矢印Ａ１、Ｂ１のように該回転ツール１６の中心軸線Ｘ（図２参照）回りに回転しつつ、矢印Ａ２、Ｂ２のように下方に向けて移動する。このとき、回転ツール１６は第１部材１１表面における押圧領域ＰＡ、ＰＢ（押圧予定領域）において圧力を付与する。この回転ツール１６の押圧により摩擦熱が発生し、この摩擦熱が第２部材１２に伝導して第２部材１２が軟化および溶融し、その後、固化させる。その結果、第１部材１１と第２部材１２とが接合される。

図２は、回転ツール１６の先端部の拡大図である。図２において、右半分は回転ツール１６の外観を示し、左半分は断面を示している。図２に示すように、円柱状の回転ツール１６は、先端部（図２では下端部）にピン部１６１及びショルダ部１６２を有している。ショルダ部１６２は、回転ツール１６の円形の先端面を含む回転ツール１６の先端の部分である。ピン部１６１は、回転ツール１６の中心軸線Ｘ上において、回転ツール１６の円形の先端面から外方（図２では下方）に突設された、ショルダ部１６２よりも小径の円柱状の部分である。ピン部１６１は、回転している回転ツール１６をワーク１０に最初に接触させて押圧するときに回転ツール１６を位置決めするためのものである。

回転ツール１６の素材及び各部の寸法は、主として、回転ツール１６が押圧する第１部材１１の金属の種類に応じて設定される。例えば、第１部材１１が例えば後述するようにアルミニウム合金よりなる金属部材の場合、回転ツール１６は工具鋼（例えばＳＫＤ６１等）で作製され、ショルダ部１６２の直径Ｄ１は１０ｍｍ、ピン部１６１の直径Ｄ２は２ｍｍ、ピン部１６１の突出長さｈは０．５ｍｍに設定される。また、例えば、第１部材１１が例えば後述するようにスチールよりなる金属部材の場合、回転ツール１６は窒化珪素やＰＣＢＮ（立方晶窒化ホウ素焼結体）等で作製され、ショルダ部１６２の直径Ｄ１は１０ｍｍ、ピン部１６１の直径Ｄ２は３ｍｍ、ピン部１６１の突出長さｈは０．５ｍｍに設定される。もっとも、これらは例示に過ぎず、これらに限定されないことはいうまでもない。例えば、ショルダ部１６２の直径Ｄ１は通常、５〜３０ｍｍ、好ましくは５〜１５ｍｍであるがこれに限定されるものではない。本発明において使用される２個以上の回転ツールの素材及び各部の寸法はそれぞれ独立して選択されてよい。使用される２個以上の回転ツールのうち全ての回転ツールは通常、同じ素材および同じ寸法の回転ツールである。

回転ツール１６の下方には、回転ツール１６と同径又は回転ツール１６よりも大径の円柱状の受け具１７Ａ、１７Ｂ（以下、これらを包含して「１７」と示すことがある）がそれぞれ回転ツール１６Ａ、１６Ｂと同軸に配置されている。受け具１７は、固定ツールとも呼ばれ、上記ワーク１０に対し、図外の駆動源により、矢印Ａ３、Ｂ３のように上方に移動される。受け具１７は、遅くとも回転ツール１６がワーク１０の押圧を開始するまでに、上端面がワーク１０の下面（より詳しくは第２部材１２の下面）に当接する。そして、受け具１７は、回転ツール１６との間にワーク１０を挟んで、回転ツール１６による押圧期間中、つまり摩擦撹拌接合中、上記押圧力に抗してワーク１０を下方から支持する。なお、受け具１７は必ずしも矢印Ａ３、Ｂ３方向へ移動させる必要はなく、受け具１７にワーク１０を載せた後に回転ツール１６を矢印Ａ２、Ｂ２の方向に移動させる方法を採用することもできる。

駆動制御装置（図１中、図示せず）は、少なくとも回転ツール１６の回転駆動および押圧駆動を制御するための装置である。本発明においては、当該駆動制御装置が２個以上の回転ツールの上記駆動を制御する。具体的には、当該駆動制御装置は２個以上の回転ツールによるワークに対する押圧を同時に開始させる、かつ／または同時に終了させる。

駆動制御装置は、回転ツール１６及び受け具１７の座標位置、回転ツール１６の回転数（ｒｐｍ）、加圧力（Ｎ）、加圧時間（秒）等を適宜制御することができる。

本発明の摩擦撹拌接合装置１は、図３に示すような接合ガン５０として使用することができる。図３は、図１の接合装置を接合ガン５０に搭載して用いたときの概略見取り図である。図３において、回転ツールおよび受け台はそれぞれ１個づつしか示されていないが、実際には、図示されている回転ツールおよび受け台に隠れて、さらに回転ツールおよび受け台がそれぞれ１個づつ存在する。受け台は、回転ツール１個につき、１個で取り付けられていればよい。

接合ガン５０は、ガンアーム５５の下端部から横方向に延びる下端アーム５６に取り付けたブラケット５７を介して受け具１７が取り付けられている。

ガンアーム５５の上端部には、回転ツール１６を回転及び上下方向に駆動する駆動制御装置５８が取り付けられている。駆動制御装置５８は、上下駆動モータ５２を駆動源とするボールネジ機構５４により上下方向にガイドされるガイドテーブル５３を備え、ガイドテーブル５３には回転駆動モータ５１が固定されている。回転ツール１６は、この回転駆動モータ５１の回転軸５１ａにホルダなどを介して取り付けられ、受け具１７と対向するように配置される。図３において、回転駆動モータ５１および回転軸５１ａはそれぞれ１個づつしか示されていないが、実際には、図示されている回転駆動モータ５１および回転軸５１ａに隠れて、さらに回転駆動モータおよび回転軸がそれぞれ１個づつ存在する。回転ツール１個につき、回転駆動モータおよび回転軸が１個づつ取り付けられていればよい。

２個の回転ツール１６Ａ、１６Ｂは、駆動制御装置５８により、ワークに対する押圧を同時に行い、当該押圧の終了も同時に行うようになっている。詳しくは、２個の回転ツール１６Ａ、１６Ｂは、上下駆動モータ５２及びボールネジ機構５４によるガイドテーブル５３の移動により同時に上下方向に可動し、また回転駆動モータ５１により同時に回転駆動される。

図３においては、図４に示すように、１個の接合ガン５０において２個の回転ツール１６Ａ、１６Ｂが搭載されているが、２個以上の回転ツールによる同時接合を制御できる限り、これに限定されるものではない。例えば、１個の接合ガンにつき１個の回転ツールを搭載し、２個以上の接合ガンにより、２個以上の回転ツールによる押圧制御を行ってもよい。図４は、図３の接合ガンを用いて図１のように接合を行うときの概略見取り図であって、図３の上方から接合ガンを透視して見たときの図である。

接合ガン５０は、いわゆる多関節ロボット（図示せず）等の移動手段に連結され、所望の接合部への移動を制御されてもよい。なお、図１および図３には図示を省略したが、摩擦撹拌接合装置１は、予めワーク１０を固定し、また回転ツール１６を押圧したときの第１部材１１の浮き上がりを防止するためのスペーサやクランプ等の治具を備えている。

（２）接合方法
本発明は、回転ツール１６を回転させつつ、第１部材１１および第２部材１２からなるワーク１０に押圧して摩擦熱を発生させ、この摩擦熱により、第１部材１１と第２部材１２との接合を行う摩擦撹拌接合方法も提供する。

本発明の摩擦撹拌接合方法においては、回転ツールとして２個以上の回転ツールを用い、かつ当該２個以上の回転ツールによる接合を同時に行う。これにより、同時接合を行う２個以上の回転ツールのうち、隣接する回転ツール間において、一方の回転ツールの回転に起因してワークが受けるモーメントと、他方の回転ツールの回転に起因してワークが受けるモーメントとが互いに打ち消し合うようになる。この結果、接合時のモーメントに起因した残留応力（ワークに残留する内部応力）を減じることができるため、接合精度を向上させることができる。

２個以上の回転ツールによる接合を同時に行うとは、２個以上の回転ツールによる押圧を同時に開始および／または同時に終了するという意味であり、好ましくは同時に開始し、かつ同時に終了する。

本発明において同時接合を行う回転ツールの数は２個以上であり、自動車分野での需要の観点から通常は２〜８個であり、好ましくは２〜４個である。同時接合を行う回転ツールの数は、別の観点、例えば接合精度のさらなる向上の観点から偶数個であることが好ましい。

同時接合を行う２個以上の回転ツールは１列で配置されてもよいし、または２列以上で配置されてもよい。ただし、モーメントを打ち消し合うように配置するのが好ましい。当該２個以上の回転ツールは１〜４列、特に１〜２列で配置されることが好ましい。ここでいう配置は、回転ツールの回転軸の上方から見たときの配置のことである。例えば、２個の回転ツールを用いて同時接合を行う場合、当該回転ツールは、図４に示すように１列に配置される。また例えば、３個以上の回転ツールを用いて同時接合を行う場合、図５（Ａ）および（Ｂ）および図６に示すように、１列で配置されてもよいし、または図７〜図８に示すように、２列以上の複数列で配置されてもよい。図５（Ａ）および（Ｂ）および図６〜図８はともに、本発明の摩擦撹拌接合方法における回転ツールの配置と回転方向の一例を示す第１部材１１の上面見取り図である。

回転ツールを２列以上の複数列で配置する場合、接合精度のさらなる向上と接合強度の向上の観点から、図８に示すような格子点形態に配置されることが好ましい。格子点形態とは、全ての回転ツールが２列以上で等間隔に配置された形態のことであり、例えば碁盤の交点の形態（碁盤の目状）が挙げられる。

同時接合を行う２個以上の回転ツールの回転方向は、隣接する回転ツールとの間で、互いに逆方向に回転する関係（逆回転の関係）を有していることが好ましい（以下、「回転方向の好ましい実施態様Ｉ」という）。これにより、隣接する回転ツール間において、一方の回転ツールの回転に起因してワークが受けるモーメントと、他方の回転ツールの回転に起因してワークが受けるモーメントとが互いに打ち消し合う。この結果、接合時のモーメントに起因した残留応力（ワークに残留する内部応力）をより減じることができるため、接合精度がより向上する。モーメントの打ち消し合いは、同時接合を行う２個以上の回転ツールのうち、一部の隣接する回転ツール間で達成されればよいが、接合精度のより一層の向上の観点から、より多くの隣接する回転ツール間で達成されることが好ましい。回転方向の好ましい実施態様Ｉには、例えば、図５（Ａ）および（Ｂ）および図６〜図８の例が含まれる。

隣接する回転ツールとは、所定の回転ツールと最短距離にある回転ツールのことである。所定の回転ツールに隣接する回転ツールが２個以上存在する場合、当該所定の回転ツールは少なくとも１個の隣接する回転ツールとの間で、逆回転の関係を有していれば、当該所定の回転ツールは隣接する回転ツールとの間で、当該逆回転の関係を有するものとする。

所定の回転ツールと隣接する回転ツールの回転方向の関係は、一方の回転ツールを他方の回転ツールの上に、回転軸が重なるように、平行移動させたときの関係のことであり、それらの回転方向が互いに逆のとき、当該所定の回転ツールは隣接する回転ツールとの間で、当該逆回転の関係を有する。

同時接合を行う２個以上の回転ツールのうち、全ての回転ツールが、隣接する回転ツールとの間で、互いに逆回転の関係を有することがより好ましい（以下、「回転方向の好ましい実施態様ＩＩ」という）。その結果、より多くの隣接する回転ツール間でモーメントをより一層有意に打ち消し合うことができる。すなわち、より多くの隣接する回転ツール間において、一方の回転ツールの回転に起因してワークが受けるモーメントと、他方の回転ツールの回転に起因してワークが受けるモーメントとが互いに打ち消し合う。この結果、接合時のモーメントに起因した残留応力（ワークに残留する内部応力）をより一層有意に減じることができるため、接合精度がより一層向上する。回転方向の好ましい実施態様ＩＩには、例えば、図５（Ａ）および図６〜図８の例が含まれる。

本発明においては、接合精度のさらなる向上の観点から、同時接合を行う２個以上の回転ツールのうち、全ての回転ツールが、全ての隣接する回転ツールとの間で、逆回転の関係を有することが最も好ましい（以下、「回転方向の好ましい実施態様ＩＩＩ」という）。全ての隣接する回転ツール間でモーメントを打ち消し合い、接合時のモーメントに起因した残留応力（ワークに残留する内部応力）を最も有意に減じることができるためである。回転方向の好ましい実施態様ＩＩＩには、例えば、図５（Ａ）、図６および図８の例が含まれる。

同時接合を行う２個以上の回転ツールのうち各回転ツールは、隣接する回転ツールとの距離（例えば、図４〜図８のｘ）が、回転ツールの直径をＤ１（ｍｍ）としたとき、通常は０．５×Ｄ１〜４×Ｄ１であり、好ましくは１×Ｄ１〜３×Ｄ１である。このような隣接距離を有する回転ツールはモーメントの干渉を起こしやすいために、接合精度の向上に効率的に寄与する。

同時接合を行う２個以上の回転ツールのうち、全ての回転ツールの直径は通常、同じであるが、それぞれ独立して異なっていてもよい。隣接する回転ツールとの距離の算出に際し、当該互いに隣接する２個の回転ツールの直径が異なっているときは、それらの回転ツールの直径の平均値を回転ツールの直径Ｄ１として使用するものとする。隣接する回転ツールとの距離ｘは、例えば図４〜図８に示すように、一方の回転ツールの外周と他方の回転ツールの外周との距離のことである。

本発明に係る摩擦撹拌接合方法のうち、まず好ましい実施態様について説明する。

本実施態様に係る摩擦撹拌接合方法による第１部材１１と第２部材１２との接合方法は少なくとも以下のステップ：
第１部材１１と第２部材１２とを重ね合わせてワーク１０を形成する第１ステップ；および
回転ツール１６を回転させつつ、ワーク１０に押圧して摩擦熱を発生させ、この摩擦熱により第１部材１１と第２部材１２との接合を行う第２ステップ：
を含むものであり、
この第２ステップにおいて、上記したように、回転ツールとして２個以上の回転ツールを用い、かつ当該２個以上の回転ツールによる接合を同時に行う。

本実施態様における各ステップについて詳しく説明する。

第１ステップ：
第１ステップにおいては、図１に示すように、第１部材１１と第２部材１２とを、第１部材１１の下面と第２部材１２の上面とで重ね合わせてワーク１０を構成する（主面接触方式）。第１部材１１と第２部材１２とは所望の接合部位で重ね合わせればよい。

第２ステップ：
第２ステップにおいては、前記２個以上の回転ツールの各回転ツールごとに、後述する工程を連続的に行うに際し、前記２個以上の回転ツール間で、最初の工程での押圧を同時に開始する。接合精度の観点から好ましくは最後の工程での押圧を同時に終了する。接合精度の観点からより好ましくは、同時接合を行う２個以上の回転ツールの全ての回転ツールについて、各工程での加圧力、加圧時間および回転数を同じにする。

例えば、後述の予熱工程Ｃ１を行う場合、２個以上の回転ツールにより、予熱工程Ｃ１での押圧を同時に開始し、連続して後述の押込み撹拌工程Ｃ２を行い、好ましくはさらに連続して後述の撹拌維持工程Ｃ３を行う。その後、さらに連続して後述の保持工程Ｃ４を行ってもよい。この場合、２個以上の回転ツール間で、予熱工程Ｃ１での押圧を同時に開始する限り、以降の工程の開始（および終了）は必ずしも同時に行う必要はないが、同時に行うことが好ましい。

また例えば、予熱工程Ｃ１を行わない場合、２個以上の回転ツールにより、押込み撹拌工程Ｃ２での押圧を同時に開始し、好ましくは連続して撹拌維持工程Ｃ３を行う。その後、さらに連続して保持工程Ｃ４を行ってもよい。この場合、２個以上の回転ツール間で、押込み撹拌工程Ｃ２での押圧を同時に開始する限り、他の工程の開始（および終了）は必ずしも同時に行う必要はないが、同時に行うことが好ましい。

以下、各工程について図９および図１０を用いて詳しく説明するが、第２ステップは少なくとも押込み撹拌工程Ｃ２を行う。図９は本実施態様の主面接触方式の摩擦撹拌接合方法における予熱工程の一例を説明するための概略断面図である。図１０は本実施態様の主面接触方式の摩擦撹拌接合方法における押込み撹拌工程、撹拌維持工程及び保持工程の一例を説明するための概略断面図である。図９および図１０は、第１部材として金属部材、第２部材として樹脂部材を用いたときの各工程の概略断面図であり、図１におけるＹ−Ｙ断面を矢印方向で見たときの概略断面図である。

なお、第２ステップにおいては、押込み撹拌工程Ｃ２の前に、予熱工程Ｃ１を行うことが好ましいが、必ずしも行わなければならないというわけではない。
また押込み撹拌工程Ｃ２の後には、撹拌維持工程Ｃ３を行うことが好ましいが、当該工程も必ずしも行わなければならないというわけではない。
本実施態様における各工程は回転ツールの押圧力（加圧力）及び押圧時間の制御によって成されていても良いし、また、回転ツールの押圧方向の移動量（接合部材に接触してからの接合部材への挿入量）及びその移動時間の制御によって成されていても良い。

（予熱工程Ｃ１）
予熱工程Ｃ１は、回転ツール１６と受け具１７とを相互に近接させることにより、図９に示すように、回転ツール１６を第１部材１１に押圧し、回転ツール１６の先端部のみを第１部材１１の表面部（図例では上面部）に接触させた状態で回転ツール１６を回転させる工程である。予熱工程Ｃ１では、回転ツール１６を、第１の加圧力（例えば、９００Ｎ）で、第１の加圧時間（例えば、１．００秒）だけ、所定回転数（例えば、３０００ｒｐｍ）で回転させる。

具体的には、予熱工程Ｃ１では、回転ツール１６の押圧により第１部材１１の表面部（図例では上面部）で摩擦熱が発生する。摩擦熱は第１部材１１の内部に伝わり、第１部材１１の押圧領域１１１（回転ツール１６による押圧領域）の範囲及び押圧領域１１１の近傍の範囲が予熱される。これにより、次の押込み撹拌工程Ｃ２で、回転ツール１６を第１部材１１に押込み易くなる。

予熱工程Ｃ１の第１の加圧力及び第１の加圧時間は、上記のような回転ツール１６の押込み易さの観点及び第２部材１２の軟化・溶融し易さの他、生産性の観点から設定され、その値は、例えば回転ツール１６の回転数や第１部材１１の厚みおよび素材の種類等に依存して変化する。例えば、１ｍｍ以上２ｍｍ以下の厚みのアルミニウム合金製第１部材１１を使用する場合、予熱工程Ｃ１における第１の加圧力は、７００Ｎ以上１２００Ｎ未満の値が好ましい。第１の加圧時間は、０．５秒以上２．０秒未満の値が好ましい。回転ツールの回転数は２０００ｒｐｍ以上４０００ｒｐｍ以下の値が好ましい。

（押込み撹拌工程Ｃ２）
押込み撹拌工程Ｃ２では、回転ツール１６と受け具１７とを相互に近接させることにより、図１０に示すように、回転ツール１６を第１部材１１に押し込む。押込み撹拌工程Ｃ２を予熱工程Ｃ１に次いで行う場合には、回転ツール１６と受け具１７とをさらに相互に近接させることにより、図１０に示すように、回転ツール１６を第１部材１１に押し込む。これにより、回転ツール１６を第１部材１１と第２部材１２との接合境界面１３に達しない深さまで進入させる。このとき、第１部材１１の回転ツール直下部１１０を、図１０に示すように、第２部材１２側に突出変形させることが好ましい。これにより、回転ツールの直下領域で溶融している第２部材表面の溶融樹脂１２１について、その溶融と該直下領域から外周領域への流動（図１０の矢印方向）を促進させることができる。

詳しくは、押込み撹拌工程Ｃ２では、回転ツール１６を、第１の加圧力より大きい第２の加圧力（例えば、１５００Ｎ）で、第１の加圧時間より短い第２の加圧時間（例えば、０．２５秒）だけ、所定回転数（例えば、３０００ｒｐｍ）で回転させる。

押込み撹拌工程Ｃ２では、加圧力が予熱工程Ｃ１よりも大きくなることにより、回転ツール１６が第１部材１１に押し込まれる。すなわち、回転ツール１６が第１部材１１の内部に深く進入する。好ましくは、この回転ツール１６の押込みにより、第１部材１１の回転ツール直下部１１０において、第１部材１１と第２部材１２との接合境界面１３が受け具１７側（図例では下側）に移動し、当該直下部１１０が第２部材１２側に突出変形する。これにより、接合境界面１３において回転ツールの直下領域で溶融している第２部材表面の溶融樹脂１２１の溶融が促進されると共に、該直下領域を超えて、その外周領域まで流動する（図１０の矢印方向）。溶融樹脂は回転ツール直下領域を中心とする略円形状で広がる。その結果、溶融樹脂と第１部材１１との接触面積が拡大され、得られる接合体において冷却により溶融樹脂が固化してなる溶融固化域（接合領域）もまた拡大されるため、第１部材と第２部材との接合が十分に良好な作業効率かつ十分な強度で達成することができる。

仮に、回転ツール１６がさらに押し込まれると（つまり加圧力が高過ぎ及び／又は加圧時間が長過ぎると）、回転ツール１６のショルダ部１６２が上記接合境界面を超える。すなわち、回転ツール１６が第１部材１１を貫通し、回転ツール１６の外周部が第２部材１２に接触する。すると、第１部材１１に回転ツール１６が通過した孔が開いた孔開き状態となり、接合不良が起きる。

そこで、この押込み撹拌工程Ｃ２において、回転ツール１６のショルダ部１６２が上記接合境界面に達しない深さまで進入した時点で、回転ツール１６の押込みを停止する。換言すれば、回転ツール１６を上記接合境界面に達しない深さまで進入させる。これにより、次の撹拌維持工程Ｃ３で、第２部材１２に近い基準位置で摩擦熱が発生し、多量の摩擦熱が第２部材１２に伝わり、第２部材１２の軟化および溶融が促進される。

押込み撹拌工程Ｃ２の第２の加圧力及び第２の加圧時間は、上記のような第１部材１１の孔開き回避の観点及び回転ツール１６をできるだけ第２部材１２に近接させる観点から設定され、その値は、例えば回転ツール１６の回転数や第１部材１１の厚みおよび素材の種類等に依存して変化する。例えば、１ｍｍ以上２ｍｍ以下の厚みのアルミニウム合金製第１部材１１を使用する場合、押込み撹拌工程Ｃ２における第２の加圧力は、１２００Ｎ以上１８００Ｎ未満の値が好ましい。第２の加圧時間は、０．１秒以上０．５秒未満の値が好ましい。回転ツールの回転数は２０００ｒｐｍ以上４０００ｒｐｍ以下の値が好ましい。

（撹拌維持工程Ｃ３）
撹拌維持工程Ｃ３は、回転ツール１６と受け具１７との相互近接を停止することにより、同じく図１０に示すように、回転ツール１６を押込み撹拌工程Ｃ２で進入させた位置（これを「基準位置」という）で回転ツール１６の回転動作を継続させる工程である。撹拌維持工程Ｃ３では、回転ツール１６を、第１の加圧力より小さい第３の加圧力（例えば、５００Ｎ）で、第１の加圧時間より長い第３の加圧時間（例えば、６．７５秒）だけ、所定回転数（例えば、３０００ｒｐｍ）で回転させる。

撹拌維持工程Ｃ３では、加圧力が予熱工程Ｃ１よりも小さくなることにより（もちろん押込み撹拌工程Ｃ２よりも小さくなることにより）、回転ツール１６が上記基準位置にほぼ維持される。この第２部材１２に近い基準位置で回転ツール１６の回転動作が継続されるため、多量の摩擦熱が発生し、発生した摩擦熱の大部分が第２部材１２に移動する。そのため、第２部材１２は、押圧領域１１１直下の領域の範囲を超えて、広い範囲で十分に軟化および溶融する。

撹拌維持工程Ｃ３の第３の加圧力及び第３の加圧時間は、上記のような第２部材１２の広い範囲での十分な軟化・溶融および生産性の観点から設定され、その値は、例えば回転ツール１６の回転数や第１部材１１の厚みおよび素材の種類等に依存して変化する。例えば、１ｍｍ以上２ｍｍ以下の厚みのアルミニウム合金製第１部材１１を使用する場合、撹拌維持工程Ｃ３における第３の加圧力は、１００Ｎ以上７００Ｎ未満の値が好ましい。第３の加圧時間は、１．０秒以上２０秒未満の値、特に３．０秒以上１０秒以下の値が好ましい。回転ツールの回転数は２０００ｒｐｍ以上４０００ｒｐｍ以下の値が好ましい。

（保持工程Ｃ４）
撹拌維持工程Ｃ３の後には、上記回転ツール１６の回転を停止し、その状態で上記回転ツール１６を所定の加圧力で所定の加圧時間だけ保持する保持工程Ｃ４を行ってもよいし、行わなくても良い。
保持工程Ｃ４は、同じく図１０に示すように、回転ツール１６の回転を停止し、その状態で回転ツール１６を所定の加圧力で所定の時間だけ保持する工程である。保持工程Ｃ４では、回転ツール１６を、第３の加圧力より大きいが第２の加圧力より小さい第４の加圧力（例えば、１０００Ｎ）で、第３の加圧時間より短いが第２の加圧時間より長い第４の加圧時間（例えば、５．００秒）だけ保持する。

保持工程Ｃ４では、回転ツール１６の回転が停止されることにより、摩擦熱の発生が終了する。すなわち、摩擦撹拌接合としての実質的な動作が終了し、ワーク１０の冷却が開始する。ワーク１０の冷却期間中、加圧力が押込み撹拌工程Ｃ２よりも小さいが撹拌維持工程Ｃ３よりも大きくなることにより、回転が停止された回転ツール１６が第１部材１１と第２部材１２とを受け具１７との間に挟んでクランプする。これにより、第１部材１１と第２部材１２との間の冷却中の密着力が高められ、冷却・固化完了後の接合強度が高められる。

保持工程Ｃ４の第４の加圧力及び第４の加圧時間は、上記のような冷却期間中の押圧領域１１１直下の領域の密着力向上の観点から設定され、その値は、例えば第１部材１１の素材の種類等に依存して変化する。例えば、アルミニウム合金製第１部材１１を使用する場合、保持工程Ｃ４における第４の加圧力は、例えば７００Ｎ以上１２００Ｎ未満の値が好ましい。第４の加圧時間は、例えば１秒以上の値が好ましい。

（３）第１部材
第１部材１１は通常、金属からなる金属部材である。第１部材１１は、図１等において、全体形状として略平板形状を有しているが、これに限定されるものではなく、接合のために第２部材１２と重ね合わせる部分のみが少なくとも略平板形状を有する限り、いかなる形状を有していてもよい。

第１部材１１において第２部材１２と重ね合わせる略平板形状部分の厚みＴ（接合処理前の厚み；図９参照）は通常、０．５〜４ｍｍであるがこれに限定されるものではない。

第１部材１１を構成し得る金属としては、融点が、第２部材１２を構成する材料よりも高いあらゆる金属が使用可能である。中でも、自動車の分野で使用されている以下の金属および合金が好ましく使用される：
アルミニウム；
５０００系、６０００系などのアルミニウム合金；
スチール；
マグネシウムおよびその合金；
チタンおよびその合金。

（４）第２部材
第２部材１２は、金属からなる金属部材であってもよいし、または樹脂からなる樹脂部材であってもよい。第２部材１２が金属部材である場合、第２部材１２を構成し得る金属としては、第１部材１１を構成し得る金属として例示した同様の金属が挙げられる。

第２部材１２は好ましくは樹脂部材である。樹脂部材は熱可塑性ポリマーを含むものである。

樹脂部材を構成する熱可塑性ポリマーとしては、熱可塑性を有するあらゆるポリマーが使用可能である。中でも、自動車の分野で使用されている熱可塑性ポリマーが好ましく使用される。そのような熱可塑性ポリマーの具体例として、例えば、以下のポリマーおよびそれらの混合物が挙げられる：
ポリエチレン、ポリプロピレンなどのポリオレフィン系樹脂およびその酸変性物；
ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリトリメチレンテレフタレート（ＰＴＴ）、ポリ乳酸（ＰＬＡ）などのポリエステル系樹脂；
ポリメタクリル酸メチル樹脂（ＰＭＭＡ）などのポリアクリレート系樹脂；
ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリフェニレンエーテル（ＰＰＥ）などのポリエーテル系樹脂；
ポリアセタール（ＰＯＭ）；
アクリロニトリル−ブタジエン−スチレンコポリマー系樹脂（ＡＢＳ）；
ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）；
ＰＡ６、ＰＡ６６、ＰＡ１１、ＰＡ１２、ＰＡ６Ｔ、ＰＡ９Ｔ、ＭＸＤ６などのポリアミド系樹脂（ＰＡ）；
ポリカーボネート系樹脂（ＰＣ）；
ポリウレタン系樹脂；
フッ素系ポリマー樹脂；および
液晶ポリマー（ＬＣＰ）。

樹脂部材を構成する熱可塑性ポリマーとしては、安価で機械特性に優れるポリオレフィン系樹脂、特にポリプロピレンが好ましく使用される。

熱可塑性ポリマーの分子量は特に限定されるものではなく、例えば２３０℃でのＭＦＲ（メルトフローレート値）が２〜２００ｇ／１０分間、特に２〜５５ｇ／１０分間となるような分子量であればよい。

本明細書中、ポリマーのＭＦＲはＪＩＳ Ｋ ７２１０により測定された値を用いている。

樹脂部材には、炭素繊維、ガラス繊維などの強化繊維、安定剤、難燃剤、着色材、発泡剤などの添加剤が含有されてもよい。

樹脂部材は、熱可塑性ポリマーおよび所望の添加剤を含む混合物を、射出成形法、プレス成形法などの成形法に供することにより、製造することができる。

樹脂部材の融点Ｔｍは、通常、１３０〜３５０℃である。
第２部材１２の融点Ｔｍは、ＪＩＳ７１２１により測定された値を用いている。

第２部材１２は、図１等において、全体形状として略平板形状を有しているが、これに限定されるものではなく、接合のために第１部材１１と重ね合わせたときに、第１部材１１直下の部分が略平板形状を有する限り、いかなる形状を有していてもよい。

第２部材１２における第１部材１１直下の部分の厚みｔ（接合処理前の厚み；図９参照）は通常、２〜１０ｍｍ、特に２〜５ｍｍであるがこれに限定されるものではない。

（５）第１部材と第２部材との組み合わせ
第１部材１１は第２部材１２よりも剛性が大きいことが好ましい。回転ツールのモーメントによる第１部材の変形をより一層十分に防止し、接合精度をさらに向上させることができるためである。

このような剛性の関係を有する第１部材と第２部材との好ましい組み合わせとして、例えば、以下の組み合わせが挙げられる。
・第１部材がスチールからなる金属部材であり、第２部材がアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属部材である；および
・第１部材が金属（好ましくはアルミニウム）からなる金属部材であり、第２部材が樹脂からなる樹脂部材である。

［別の実施態様に係る摩擦撹拌接合方法］
次に、別の実施態様として、端面接触方式を採用する本発明の摩擦撹拌接合方法および接合装置について説明する。上記した好ましい実施態様に係る摩擦撹拌接合方法および接合装置は主面接触方式を採用するものであるが、本発明の摩擦撹拌接合方法および接合装置は端面接触方式を採用してもよい。

端面接触方式は、図１１に示すように、第１部材３１１と第２部材３１２とをそれぞれの端面で突き合わせてワーク３１０を形成する。

本実施態様における摩擦撹拌接合装置３０１は、ワーク３１０を上記のように形成すること、第１部材３１１および第２部材３１２として以下に記載のものを使用すること以外、前記摩擦撹拌接合装置１と同様であるため、詳しい説明を省略する。

第１部材３１１は前記第１部材１１と同様の金属部材が使用される。
第２部材３１２は前記第１部材１１と同様の金属部材が使用される。
第１部材３１１を構成する金属および第２部材３１２を構成する金属は、それぞれ独立して選択されてよいが、接合精度および接合強度の観点からは、第２部材３１２は、第１部材３１１を構成する金属と同様の金属からなる金属部材であることが好ましい。

本実施態様における摩擦撹拌接合方法は、ステップ１においてワーク３１０を上記のように形成すること、上記した第１部材３１１および第２部材３１２を使用すること、および以下に特記すること以外、前記実施態様の接合方法と同様であるため、詳しい説明を省略する。

本実施態様における摩擦撹拌接合方法においては、図１１に示すように、第１部材３１１と第２部材３１２とをそれぞれの端面で突き合わせてワークを形成し、回転ツールを回転させつつ、第１部材３１１と第２部材３１２の境界３１３に押圧して摩擦熱を発生させ、この摩擦熱により第１部材および第２部材を溶融させた後、固化させて接合を行う。

本実施態様において、２個以上の回転ツールによる同時接合、同時接合に使用される回転ツールの個数および回転方向、ならびに同時接合を行う各回転ツールと隣接する回転ツールとの距離のついての説明は、前記実施態様においてと同様であるため、省略する。

本実施態様において、同時接合に使用される２個以上の回転ツールは、図１２〜図１４に示すように、当該回転ツールによる押圧が第１部材３１１と第２部材３１２の境界３１３に対してなされるため、１列で配置されること以外、前記実施態様においてと同様である。図１２〜図１４はともに、本実施態様の摩擦撹拌接合方法における回転ツールの配置と回転方向の一例を示す第１部材３１１の上面見取り図である。なお、前記した「回転方向の好ましい実施態様Ｉ」にも、「回転方向の好ましい実施態様ＩＩ」にも、「回転方向の好ましい実施態様ＩＩＩ」にも、図１２〜図１４の例が含まれる。

本実施態様に係る摩擦撹拌接合方法について説明する。

本実施態様に係る摩擦撹拌接合方法による第１部材３１１と第２部材３１２との接合方法は少なくとも以下のステップ：
第１部材３１１と第２部材３１２とを重ね合わせてワーク３１０を形成する第１ステップ；および
回転ツール３１６を回転させつつ、ワーク３１０に押圧して摩擦熱を発生させ、この摩擦熱により第１部材３１１と第２部材３１２との接合を行う第２ステップ；
を含むものであり、
この第２ステップにおいて、上記したように、回転ツールとして２個以上の回転ツールを用い、かつ当該２個以上の回転ツールによる接合を同時に行う。

本実施態様における各ステップについて詳しく説明する。

第１ステップ：
第１ステップにおいては、図１１に示すように、第１部材３１１と第２部材３１２とをそれぞれの端面で突き合わせてワーク３１０を形成する（端面接触方式）。第１部材３１１と第２部材３１２とは所望の接合部位で重ね合わせればよい。

第２ステップ：
第２ステップにおいては、前記２個以上の回転ツールの各回転ツールごとに、後述する工程を連続的に行うに際し、前記２個以上の回転ツール間で、最初の工程での押圧を同時に開始する。接合精度の観点から好ましくは最後の工程での押圧を同時に終了する。接合精度の観点からより好ましくは、同時接合を行う２個以上の回転ツールの全ての回転ツールについて、全ての工程で加圧力、加圧時間および回転数を同じにする。

例えば、後述する予熱工程Ｄ１を行う場合、２個以上の回転ツールにより、予熱工程Ｄ１での押圧を同時に開始し、連続して後述の押込み撹拌工程Ｄ２を行い、好ましくはさらに連続して後述の撹拌維持工程Ｄ３を行う。この場合、２個以上の回転ツール間で、予熱工程Ｄ１での押圧を同時に開始する限り、以降の工程の開始（および終了）は必ずしも同時に行う必要はないが、同時に行うことが好ましい。

また例えば、予熱工程Ｄ１を行わない場合、２個以上の回転ツールにより、押込み撹拌工程Ｄ２での押圧を同時に開始し、好ましくは連続して撹拌維持工程Ｄ３を行う。この場合、２個以上の回転ツール間で、押込み撹拌工程Ｄ２での押圧を同時に開始する限り、他の工程の開始（および終了）は必ずしも同時に行う必要はないが、同時に行うことが好ましい。

以下、各工程について図１５〜図１７を用いて詳しく説明するが、第２ステップは少なくとも押込み撹拌工程Ｄ２を行う。図１５は本実施態様の端面接触方式の摩擦撹拌接合方法における予熱工程Ｄ１の一例を説明するための概略断面図である。図１６は本実施態様の端面接触方式の摩擦撹拌接合方法における押込み撹拌工程Ｄ２および撹拌維持工程Ｄ３の一例を説明するための概略断面図である。図１７は本実施態様の端面接触方式の摩擦撹拌接合方法により得られた接合体の一例の概略断面図である。図１５〜図１７は、図１１におけるＺ−Ｚ断面を矢印方向で見たときの概略断面図である。

なお、第２ステップにおいては、押込み撹拌工程Ｄ２の前に、予熱工程Ｄ１を行うことが好ましいが、必ずしも行わなければならないというわけではない。
また押込み撹拌工程Ｄ２の後には、撹拌維持工程Ｄ３を行うことが好ましいが、当該工程も必ずしも行わなければならないというわけではない。
本実施態様における各工程は回転ツールの押圧力（加圧力）及び押圧時間の制御によって成されていても良いし、また、回転ツールの押圧方向の移動量（接合部材に接触してからの接合部材への挿入量）及びその移動時間の制御によって成されていても良い。

（予熱工程Ｄ１）
予熱工程Ｄ１は、図１５に示すように、回転ツール１６を第１部材３１１と第２部材３１２の境界３１３に押圧し、回転ツール１６の先端部のみを前記境界の表面部に接触させた状態で回転ツールを回転させる工程である。予熱工程Ｄ１は、回転ツール１６を第１部材３１１と第２部材３１２の境界３１３に押圧すること以外、前記予熱工程Ｃ１と同様である。

（押込み撹拌工程Ｄ２）
押込み撹拌工程Ｄ２は、図１６に示すように、回転ツール１６を第１部材３１１と第２部材３１２の境界３１３に押し込んで、第１部材３１１および第２部材３１２の下面に達しない深さまで進入させる工程である。本工程により、回転ツール直下における第１部材３１１と第２部材３１２の境界３１３近傍が溶融する。押込み撹拌工程Ｄ２は、回転ツール１６を、第１部材３１１および第２部材３１２の下面に達しない深さまで進入させること以外、前記押込み撹拌工程Ｃ２と同様である。

（撹拌維持工程Ｄ３）
撹拌維持工程Ｄ３は、図１６に示すように、回転ツールを押込み撹拌工程Ｄ２で進入させた位置で、回転ツールの回転動作を継続させる工程である。本工程において、多量の摩擦熱が発生し、発生した摩擦熱により、回転ツール直下における第１部材３１１と第２部材３１２の境界３１３近傍の溶融が促進される。撹拌維持工程Ｄ３は、回転ツールの回転動作を継続させる位置が、押込み撹拌工程Ｄ２で回転ツールを進入させた位置であること以外、前記撹拌維持工程Ｃ３と同様である。

本実施態様において得られた接合体においては、第１部材３１１と第２部材３１２との境界３１３が、回転ツールの直下部において、図１７に示すように、消失しており、これにより接合が達成される。

［実施例１］
（樹脂部材）
炭素繊維を４０重量％含むポリプロピレンペレット（ＰＰ−ＣＦ４０−１１；ダイセルポリマー社製）を用いて射出成形法により、縦１００ｍｍ×横３０ｍｍ×厚み３ｍｍ寸法の樹脂部材を製造した。樹脂部材において炭素繊維の平均繊維長は３ｍｍ、平均繊維径は７μｍであった。樹脂部材の融点Ｔｍは１７０℃であった。

（金属部材）
金属部材としては、６０００系のアルミニウム合金製の平板状部材を用いた。金属部材の寸法は縦１００ｍｍ×横３０ｍｍ×厚み１．２ｍｍであった。

（回転ツール）
回転ツールとしては、図２の各部の寸法がＤ１＝１０ｍｍ、Ｄ２＝２ｍｍ、ｈ＝０．５ｍｍの工具鋼製の２個の回転ツール１６Ａ、１６Ｂを用いた。回転ツール１６Ａ、１６Ｂは、図４に示すように、互いに逆方向に回転するように用いた。回転ツール１６Ａ、１６Ｂはそれらの距離２０ｍｍで用いた。

（接合方法）
以下の方法により、回転ツール１６Ａ、１６Ｂを用いて、２箇所で同時に接合を行い、第１部材としての上記金属部材１１と第２部材としての上記樹脂部材１２との接合体を製造した。
第１ステップ：
金属部材１１の下面と樹脂部材１２の上面とを図１に示すように重ね合わせた。金属部材１１と樹脂部材１２とは同寸法であるため、完全に重ねることができた。

第２ステップ：
まず、図９に示すように、回転ツール１６Ａ、１６Ｂの先端部のみを金属部材１１の表面部に接触させた状態で回転ツール１６を回転させた（予熱工程Ｃ１）。回転ツール１６Ａ、１６Ｂによる工程条件は同様であり、加圧力９００Ｎ、加圧時間１．００秒、ツール回転数３０００ｒｐｍであった。

その後、図１０に示すように、回転ツール１６Ａ、１６Ｂを金属部材１１に押し込んで金属部材１１と樹脂部材１２との接合境界面１３に達しない深さまで進入させた（押込み撹拌工程Ｃ２）。回転ツール１６Ａ、１６Ｂによる工程条件は同様であり、加圧力１５００Ｎ、加圧時間０．２５秒、ツール回転数３０００ｒｐｍであった。

次いで、図１０に示すように、回転ツール１６Ａ、１６Ｂを接合境界面１３に達しない深さまで進入させた位置で、回転ツール１６Ａ、１６Ｂの回転動作を継続させた（撹拌維持工程Ｃ３）。回転ツール１６Ａ、１６Ｂによる工程条件は同様であり、加圧力５００Ｎ、加圧時間６．７５秒、ツール回転数３０００ｒｐｍであった。

次いで、回転ツール１６Ａ、１６Ｂを金属部材１１から離間させ、放置冷却した。

［実施例２］
回転ツール１６Ａ、１６Ｂを同方向に回転するように用いたこと以外、実施例１と同様の方法により、金属部材１１と樹脂部材１２との接合体を製造した。

［比較例１］
回転ツール１６Ａのみを用いて上記予熱工程Ｃ１、押込撹拌工程Ｃ２および撹拌維持工程３を行った後、回転ツール１６Ｂのみを用いて上記予熱工程Ｃ１、押込撹拌工程Ｃ２および撹拌維持工程３を行ったこと以外、実施例１と同様の方法により、金属部材１１と樹脂部材１２との接合体を製造した。

［評価］
（作業効率）
実施例１および２で要した作業時間は、比較例１で要した作業時間の約半分であり、実施例１での作業効率は比較例１よりも明らかに向上した。

（接合精度）
実施例１で得られた接合体においては、第１ステップで金属部材１１と樹脂部材１２とを重ね合わせた状態が完全に維持されており、金属部材１１と樹脂部材１２とは完全に重なっていた。
実施例２で得られた接合体においては、第１ステップで金属部材１１と樹脂部材１２とを重ね合わせた状態がほとんど完全に維持されており、金属部材１１と樹脂部材１２との間には最大で０．２ｍｍのズレが生じているだけであった。
比較例１で得られた接合体においては、第１ステップで金属部材１１と樹脂部材１２とを重ね合わせた状態が十分に維持されておらず、金属部材１１と樹脂部材１２との間に最大で１ｍｍのズレが生じていた。
以上より、実施例１および２で得られた接合体は、比較例１で得られた接合体よりも、接合精度が明らかに向上した。特に実施例１で得られた接合体は、実施例２で得られた接合体よりも、接合精度が明らかに向上した。

本発明に係る接合方法は、自動車、鉄道車両、航空機、家電製品等の分野における接合に有用である。
本発明に係る接合方法は、特に上記分野における第１部材と第２部材との接合に有用である。

１：３０１：摩擦撹拌接合装置
１０：３１０：ワーク
１１：３１１：第１部材
１２：３１２：第２部材
１３：３１３：第１部材と第２部材との接合境界面
１６：１６Ａ：１６Ｂ：１６Ｃ：１６Ｄ：回転ツール
１７：１７Ａ：１７Ｂ：：受け具
１１０：金属部材の回転ツール直下部
Ｐ：押圧領域（押圧予定領域）
１１１：押圧領域（押圧後）
１２１：回転ツールの直下領域で溶融している溶融樹脂

Claims (21)

1. 回転ツールを回転させつつ、第１部材および第２部材からなるワークに押圧して摩擦熱を発生させ、該摩擦熱により、第１部材と第２部材との接合を行う摩擦撹拌接合方法であって、
   前記回転ツールとして２列以上で格子点形態に配置される３個以上の回転ツールを用い、
   該３個以上の回転ツールのうち少なくとも１個の回転ツールが、隣接する回転ツールとの間で、互いに逆方向に回転する関係を有し、前記隣接する回転ツール間において、一方の回転ツールの回転に起因してワークが受けるモーメントと、他方の回転ツールの回転に起因してワークが受けるモーメントとが互いに打ち消し合うように、前記３個以上の回転ツールによる接合を同時に行う、摩擦撹拌接合方法。
2. 前記３個以上の回転ツールによる押圧を同時に開始および／または同時に終了する、請求項１に記載の摩擦撹拌接合方法。
3. 前記３個以上の回転ツールのうち各回転ツールは、隣接する回転ツールとの距離が、回転ツールの直径をＤ１としたとき、０．５×Ｄ１〜４×Ｄ１である、請求項１または２に記載の摩擦撹拌接合方法。
4. 前記３個以上の回転ツールが、碁盤の交点の形態に配置されて用いられる、請求項１〜３のいずれかに記載の摩擦撹拌接合方法。
5. 前記３個以上の回転ツールが偶数個の回転ツールである、請求項１〜４のいずれかに記載の摩擦撹拌接合方法。
6. 前記３個以上の回転ツールが４個または８個の回転ツールである、請求項１〜４のいずれかに記載の摩擦撹拌接合方法。
7. 前記３個以上の回転ツールのうち全ての回転ツールが、全ての隣接する回転ツールとの間で、前記逆回転の関係を有する、請求項１〜６のいずれかに記載の摩擦撹拌接合方法。
8. 前記接合が点接合である、請求項１〜７のいずれかに記載の摩擦撹拌接合方法。
9. 金属からなる第１部材と金属または樹脂からなる第２部材とを、第１部材の下面と第２部材の上面とで重ね合わせてワークを形成し、回転ツールを回転させつつ、第１部材に押圧して摩擦熱を発生させ、この摩擦熱により少なくとも第２部材を溶融させた後、固化させて接合を行う主面接触方式を採用する、請求項１〜８のいずれかに記載の摩擦撹拌接合方法。
10. 前記３個以上の回転ツールの各回転ツールごとに、以下の工程：
    回転ツールを第１部材に押圧し、回転ツールの先端部のみを第１部材の表面部に接触させた状態で回転ツールを回転させる予熱工程；
    前記回転ツールを第１部材に押し込んで、第１部材と第２部材との界面に達しない深さまで進入させる押込み撹拌工程；および
    前記回転ツールを前記押込み撹拌工程で進入させた位置で、回転ツールの回転動作を継続させる撹拌維持工程；
    を連続的に行う前記主面接触方式を採用し、
    前記３個以上の回転ツール間で、予熱工程での押圧を同時に開始する、請求項９に記載の摩擦撹拌接合方法。
11. 前記３個以上の回転ツール間で、押込み撹拌工程および撹拌維持工程の開始および終了も同時に行う、請求項１０に記載の摩擦撹拌接合方法。
12. 前記第１部材が前記第２部材よりも剛性が大きい、請求項１０または１１に記載の摩擦撹拌接合方法。
13. 前記第１部材がスチールからなる金属部材であり、前記第２部材がアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属部材である、請求項１２に記載の摩擦撹拌接合方法。
14. 前記第１部材が金属からなる金属部材であり、前記第２部材が樹脂からなる樹脂部材である、請求項１２に記載の摩擦撹拌接合方法。
15. 金属からなる第１部材と金属からなる第２部材とをそれぞれの端面で突き合わせてワークを形成し、回転ツールを回転させつつ、第１部材と第２部材の境界に押圧して摩擦熱を発生させ、この摩擦熱により第１部材および第２部材を溶融させた後、固化させて接合を行う端面接触方式を採用する、請求項１〜８のいずれかに記載の摩擦撹拌接合方法。
16. 前記３個以上の回転ツールの各回転ツールごとに、以下の工程：
    回転ツールを第１部材と第２部材の境界に押圧し、回転ツールの先端部のみを前記境界の表面部に接触させた状態で回転ツールを回転させる予熱工程；
    前記回転ツールを第１部材と第２部材の境界に押し込んで、第１部材および第２部材の下面に達しない深さまで進入させる押込み撹拌工程；および
    前記回転ツールを前記押込み撹拌工程で進入させた位置で、回転ツールの回転動作を継続させる撹拌維持工程；
    を連続的に行う前記端面接触方式を採用し、
    前記３個以上の回転ツール間で、予熱工程での押圧を同時に開始する、請求項１５に記載の摩擦撹拌接合方法。
17. 前記３個以上の回転ツール間で、押込み撹拌工程および撹拌維持工程の開始および終了も同時に行う、請求項１６に記載の摩擦撹拌接合方法。
18. 前記第１部材が金属からなる金属部材であり、前記第２部材が金属からなる金属部材である、請求項１５〜１７のいずれかに記載の摩擦撹拌接合方法。
19. 前記第２部材が第１部材を構成する金属と同様の金属からなる金属部材である、請求項１８に記載の摩擦撹拌接合方法。
20. 回転しつつ、第１部材および第２部材からなるワークを押圧し、かつ２列以上で格子点形態に配置される３個以上の回転ツール；および
    該３個以上の回転ツールを回転駆動および押圧駆動させるための駆動制御装置
    を含み、
    前記駆動制御装置は、前記３個以上の回転ツールのうち少なくとも１個の回転ツールが、隣接する回転ツールとの間で、互いに逆方向に回転する関係を有し、前記隣接する回転ツール間において、一方の回転ツールの回転に起因してワークが受けるモーメントと、他方の回転ツールの回転に起因してワークが受けるモーメントとが互いに打ち消し合うように、前記３個以上の回転ツールによる接合を同時に行わせる、摩擦撹拌接合装置。
21. 請求項１〜１９のいずれかに記載の摩擦撹拌接合方法を実施するための、請求項２０に記載の摩擦撹拌接合装置。

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