JP7084830B2

JP7084830B2 - 摩擦攪拌接合用ツール及び接合材の製造方法

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Publication number: JP7084830B2
Application number: JP2018167282A
Authority: JP
Inventors: 一成坂井; 和男松原; 宏樹江崎; 敏彦福田
Original assignee: UACJ Corp
Current assignee: UACJ Corp
Priority date: 2018-03-21
Filing date: 2018-09-06
Publication date: 2022-06-15
Anticipated expiration: 2038-09-06
Also published as: JP2019166568A

Description

本発明は、同種あるいは異種材質のアルミニウムあるいはアルミニウム合金材の接合に用いる摩擦攪拌接合用ツール及び接合材の製造方法に関する。

プレス加工等によって製品を製造する場合、製品の特性に合わせるよう各部位に適した板厚や材質の材料を突き合わせて１枚の大型板としたテーラードブランク材を用いることがある。テーラードブランク材は、一度の加工で各部位に必要な特性を持った製品が得られるため、製造コストの低減に効果的である。

このテーラードブランク材を製造する際の突き合わせ部の接合方法としては、従来、ＴＩＧ溶接やＭＩＧ溶接等のアーク溶接が広く行われてきた。このような溶融溶接の場合、溶接部への入熱によって発生する熱ひずみによる変形や熱影響部の強度低下、溶接部の酸化等に対する注意が必要となる。

これに対して、材料を固相温度域にて、回転工具（ツール）によって付与される塑性流動に伴って接合する摩擦攪拌接合の適用が注目されている。この方法は、材料同士を突き合わせた接合線の端に、ツールを回転させたまま、ツール先端のプローブを接触させて、接合線の反対側まで移動させるもので、ツールの回転によって発生する摩擦熱でプローブ周りの材料が塑性流動し接合部が形成される。

例えば、板厚が異なる２枚の板材の突き合わせ部に対して摩擦攪拌接合する場合、接合材表面に対して法線方向に接合工具を押し当てた場合、特に厚板側の加工度が高くなり、ツールの周囲にバリが発生して、接合部の外観が損なわれたり、接合不良が生じる原因となるおそれがある。また、材質が異なる材料の接合においては、硬い材料に対し柔らかい材料にバリが出やすい。

そこで、この対策として、これまでに以下のようないくつかの方法が提案されている。例えば、良好な接合強度を得るためとして、バリ対策としては、特許文献１のように、円錐台形状のショルダー面に、渦巻き状の溝が中心軸に向かう方向になるように渦巻を付与したツールや、特許文献２のように、外周部に三角状の断面からなる溝が付与されたツールを使用することが提案されている。また、特許文献３のように、ショルダーの外周部にブラシをセットし、接合中にバリを排除する機能を有するツールも提案されている。

一方、テーラードブランク材の摩擦攪拌接合に関しては、特許文献４や特許文献５のように、ツールを傾斜させた状態で接合する方法、特許文献６のように、様々な形状の裏当てを使用することによって、薄板と厚板の段差がない面側を摩擦攪拌接合することで、接合部が滑らかな接合材を得る方法が提案されている。

特開２００８－３０７６０６号公報特開２００７－３０１５７９号公報特開２００５－２１９６７号公報特開２００１－２６９７７９号公報特開２０００－１６７６７６号公報特開平１１－１０３６３号公報

しかしながら、前述した従来の技術には、以下のような問題点がある。
すなわち、特許文献１あるいは特許文献２の方法の場合、いずれも摩擦攪拌接合用ツールは、薄板方向に傾斜させて薄板側と厚板側の突き合わせ部に接触させ、回転させながら接合線に沿って移動させる。このような方法では、ツールを板表面に対して斜めから進入させることになるため、特に、薄板と厚板の厚さの差が大きくなるほど傾斜させる角度を大きくする必要がある。そのため、摩擦攪拌接合時には、ツールへの負担が大きくなり、ツールの寿命が短くなる。また、ツールを移動方向に平行あるいは直角方向に傾斜させ、なおかつその状態で大きな加圧力を付与させなければならないため、これを満足する機械攪拌接合装置は、大型で複雑な構造となる。

一方、特許文献６のように、テーラードブランク材の段差側ではなく、同一面側を摩擦攪拌接合する場合は、段差側の突き合わせ部がほとんど攪拌されないため、この同一面側から曲げ加工やプレス加工した場合、段差側が十分に一体化しておらず破断しやすいといった問題点がある。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたものであり、板厚が異なるテーラードブランク材を接合することが容易であり、接合時にバリが生じることも抑制できる摩擦攪拌接合用ツール及び接合材の製造方法を提供しようとするものである。

本発明の一態様は、円柱状の本体部の先端に形成されたショルダーと、該ショルダーの中心部に配設されたプローブとを有する摩擦攪拌接合用ツールであって、
前記ショルダーは、中央部が突出する凸曲面形状を呈すると共に、外周部から中心に向かう渦巻き状の溝を有しており、
該溝は、深さ方向において深くなるほど中心軸から離れる方向に傾斜して設けられており、その傾斜角度は３０°以上４５°以下の範囲にある、摩擦攪拌接合用ツールにある。

本発明の他の態様は、板厚が異なるアルミニウムあるいはアルミニウム合金からなる厚板材と薄板材とを、平面上に並べて突き合わせて段差のある突き合わせ部分を形成し、該突き合わせ部分を接合してなる接合部を有する接合材の製造方法であって、
上述した摩擦攪拌接合用ツールを用い、
前記板材の法線方向に中心軸を向けるように前記ツールを直立配置し、
静止状態での上記溝の渦巻き状の外周部から中心に向かう回転方向を第１回転方向とした場合、前記ツールを中心軸周りにおいて前記第１回転方向と反対の第２回転方向に回転させ、
前記プローブを前記突き合わせ部分に挿入すると共に前記ショルダーを前記板材に接触させ、
前記ツールの直立配置状態を維持したまま、前記ツールを前記突き合わせ部分に沿って相対移動させる、接合材の製造方法にある。

なお、この態様は、板厚が異なるアルミニウムあるいはアルミニウム合金からなる厚板材と薄板材とを、平面上に並べて突き合わせて段差のある突き合わせ部分を形成し、該突き合わせ部分を接合する摩擦攪拌接合方法であって、
上述した摩擦攪拌接合用ツールを用い、
前記板材の法線方向に中心軸を向けるように前記ツールを直立配置し、
静止状態での上記溝の渦巻き状の外周部から中心に向かう回転方向を第１回転方向とした場合、前記ツールを中心軸周りにおいて前記第１回転方向と反対の第２回転方向に回転させ、
前記プローブを前記突き合わせ部分に挿入すると共に前記ショルダーを前記板材に接触させ、
前記ツールの直立配置状態を維持したまま、前記ツールを前記突き合わせ部分に沿って相対移動させる、摩擦攪拌接合方法であると捉えることもできる。

前記摩擦攪拌接合用ツールは、上述したように、前記ショルダーが、中央部が突出する凸曲面形状を呈すると共に、外周部から中心に向かう渦巻き状の溝を有している。そして、この溝が、深さ方向において深くなるほど中心軸から離れる方向に傾斜して設けられており、その傾斜角度は３０°以上４５°以下の範囲にある。これらの要件を具備することによって、テーラードブランク材を摩擦攪拌によって接合することが容易となり、かつ、接合時のバリの発生を抑制することが可能となる。

そして、特に、前記ツールの静止状態での溝の形態を上記のように定義した第１回転方向と前記ツールの回転方向である第２回転方向とを逆方向とすることにより、接合性の向上及びバリ発生抑制により有効である。

実施例１における、摩擦攪拌接合用ツールを正面から見たショルダー面形状を示す平面図。実施例１における、摩擦攪拌接合用ツールの軸方向に沿った断面図（図１のII－II線矢視断面図）。実施例１における、摩擦攪拌接合用ツールの軸方向に沿った断面の一部切り欠き拡大断面図（図２の一部切り欠き拡大断面図）。実施例２における、摩擦攪拌接合用ツールを正面から見たショルダー面形状を示す平面図。実施例２における、摩擦攪拌接合用ツールの軸方向に沿った断面図（図４のＶ－Ｖ線矢視断面図）。比較例１における、摩擦攪拌接合用ツールを正面から見たショルダー面形状を示す平面図。比較例１における、摩擦攪拌接合用ツールの軸方向に沿った断面図（図６のVII－VII線矢視断面図）。実施例１における、摩擦攪拌接合用ツールの斜視図。実験Ａ１～Ａ１５における、摩擦攪拌接合を開始する直前の状態を示す説明図。実験Ａ１～Ａ１５における、摩擦撹拌接合を開始した直後の状態を示す説明図。実験Ａ１～Ａ１５における、摩擦撹拌接合における接合部が形成されていくイメージを示した説明図。実験Ａ１～Ａ１５における、摩擦撹拌接合における接合部と機械試験試料の採取位置との関係を示す説明図。実験Ａ１～Ａ１５における、摩擦撹拌接合における接合部のバリ高さ測定方法を示す説明図。実験Ｂ１～Ｂ２１における、摩擦攪拌接合を開始する直前の状態を示す説明図。実験Ｂ１～Ｂ２１における、摩擦撹拌接合を開始した直後の状態を示す説明図。実験Ｂ１～Ｂ２１における、摩擦撹拌接合における接合部が形成されていくイメージを示した説明図。

本発明の実施に適した形態を説明する。なお、本発明は、以下の実施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において、種々の様態に変更して実施しうることはいうまでもない。

図１～図３に示すように、摩擦攪拌接合用ツール１は、円柱状の本体部１０の先端に形成されたショルダー２と、ショルダー２の中心部に配設されたプローブ３とを有する摩擦攪拌接合用のツールである。そして、ショルダー２は、中央部が突出する凸曲面形状を呈すると共に、外周部から中心に向かう（矢印Ａ１方向の）渦巻き状の溝５を有している。溝５は、深さ方向において深くなるほど中心軸Ｃから離れる方向に傾斜して設けられており、その傾斜角度αは３０°以上４５°以下の範囲にある。
以下、さらに詳説する。

摩擦攪拌接合としては種々の形態があるが、ツール１は、後述する図９～図１０に示すように、板厚が異なる板材８１、８２を、平面上に並べて突き合わせ、段差のある突き合わせ部分８０を接合する場合に、特に適したツールである。

上述したごとく、ツール１の本体部１０の先端のショルダー２は、中央部が突出する凸曲面形状を呈している。すなわち、ショルダー２は、図２、図３に示すごとく、本体部１０の中心軸Ｃに沿う切断面において、ショルダー２の中央に位置するプローブ３に近づくほど先方に突出しており、溝５を除いた輪郭形状が、滑らかな曲線形状となっている。図２、図３には、凸曲面形状として円弧状の形状とした例を示しているが、滑らかな形状であれば、部分的に曲率が異なる部分や傾斜した直線状の部分が含まれてもよい。

ショルダー２の凸曲面形状全体を円弧状とする場合、その曲率半径Ｒが小さすぎると、溝５を適正に設けた場合であってもバリ抑制効果が低減するおそれがある。そのため、曲率半径Ｒは１５ｍｍ以上、より好ましくは２０ｍｍ以上、さらに好ましくは２１ｍｍ以上がよい。一方、曲率半径Ｒが大きすぎる場合には、段差のある突き合わせ部分の接合を良好に行うことが困難となるおそれがある。そのため、曲率半径Ｒは、３０ｍｍ以下、好ましくは２５ｍｍ以下、より好ましくは２３ｍｍ以下がよい。

また、ショルダー２の凸曲面形状全体を円弧状とする場合の曲率半径Ｒは、ショルダー２の外径Ｄｓと、板材の板厚との関係で整理することもできる。すなわち、ショルダー２の外径Ｄｓ、厚板側板材８１の板厚ｔ₁、薄板側板材８２の板厚ｔ₂、板厚差Δｔ＝ｔ₁－ｔ₂の間で、Ｄｓ／２≦Ｒ≦（１／２Δｔ）｛（Ｄｓ／２）²＋Δｔ²｝の関係が成立するような曲率半径Ｒであれば良い。

また、ショルダー２には、上述したように、溝５を設ける。図２、図３に示すごとく、溝５は、深くなるほど中心軸Ｃから離れる方向に傾斜して設けられている。溝５の断面形状は、対向する側壁５１、５２の間隔（溝幅）が一定で底部５０が円弧状となっているいわゆるＵ溝とすることが好ましいが、底部が平面状で、側壁５１、５２との境界部が所定の角度を有する角溝とすることもできる。また、対向する側壁５１、５２は、略平行になっていることが好ましいが、開口部に近づくほど若干広がるように設けてもよい。

溝５の傾斜角度αは、溝５における中心軸Ｃ寄りの側壁５１についての中心軸Ｃからの角度αで評価することができる。そして、その傾斜角度αは３０°以上４５°以下の範囲とする。傾斜角度αが３０°未満の場合には、摩擦攪拌接合時のバリの発生を抑制する効果が低減するおそれがある。一方、溝５は機械加工により形成することが通常であるが、ショルダー２の形状及びプローブ３の存在を考慮すると、傾斜角度αが４５°を超える溝は形成自体が困難である。

溝５の深さＨは、２．０ｍｍ以上３．０ｍｍ未満とすることが好ましい。図３に示すごとく、この深さＨは、本体部１０の中心軸Ｃに平行な方向の深さＨの値で評価する。深さＨが２．０ｍｍ未満では、そのツール１の回転によって発生する金属の塑性流動が十分に得られず、表層付近のみに限られ、良好な接合状態が得られないおそれがある。一方、深さＨが３．０ｍｍ以上になると、接合時に、溝５の深い奥部まで金属が入り込むことにより金属の塑性流動が十分に得られず、強固な接合部が得られないおそれがある。

溝５の幅Ｗは、図３に示すごとく、両側壁５１、５２の間隔で評価する。この幅Ｗは特に限定はされないが、溝形成加工上の問題や接合性の観点から、２．０ｍｍ以上３．０ｍｍ以下とするのが好ましい。なお、溝５の外周端においては、外周側にいくほど幅が狭くなることは許容される。

溝５の形態は、図１に示すごとく、軸方向正面から見た状態で、外周部から中心に向かう（矢印Ａ１方向の）渦巻き状を呈するものとする。溝５の渦巻きの周回数は特に限定されないが、１周以上であることが好ましい。また、渦巻きの数についても特に制限はない。ただし、隣り合う溝の間隔Ｐが狭すぎると、例えば、間隔Ｐが１．０ｍｍ未満の場合には、溝５による効果が十分に得られなくなるおそれがある。そのため、溝５の渦巻きの周回数及び数は、溝の間隔Ｐを１．０ｍｍ以上に保てる範囲で、上述した幅Ｗ等も考慮して決めるのがよい。

また、溝５の渦巻きの巻回方向を示す第１回転方向については、いわゆる時計回りでも反時計回りでもよいが、摩擦攪拌接合を実施する際のツール１自体の回転方向である第２回転方向を逆回転にする必要がある。この回転方向の関係は、ツール１の溝５の中に接合する材料の一部を巻き込む回転方向と表現することもできる。

すなわち、図１に示すごとく、静止状態での溝５の渦巻き状の外周部から中心に向かう回転方向を第１回転方向（矢印Ａ１）とした場合、図８～図１０に示すごとく、ツール１を中心軸Ｃ周りにおいて第１回転方向と反対の第２回転方向（矢印Ａ２）に回転させる。この第１回転方向と第２回転方向の関係を維持することによって、従来よりも良好な接合状態を得ることが可能となる。また、厚板材８１と薄板材８２との突き合わせ部分８０（接合部８５）に沿ってツール１を移動させる際の相対移動方向は、どちらの方向であっても、ツールの回転数や相対移動速度を適切に設定することによって良好な接合状態を得ることができる。

例えば、図１１に示すごとく、ツール１の移動方向（矢印Ｂ）は、突き合わせ部８０に平行な方向で見れば、厚板８１上における第２回転方向（矢印Ａ２）と同じ方向、つまり、厚板８１上における第２回転方向（矢印Ａ２）が相対移動方向後方側から先方側となる方向とすることができる。

また、図１４～図１６に示すごとく、ツール１の移動方向（矢印Ｂ）は、突き合わせ部８０に平行な方向で見れば、厚板８１上における第２回転方向（矢印Ａ２）と逆の方向、つまり、厚板８１上における第２回転方向（矢印Ａ２）が相対移動方向先方側から後方側となる方向とすることができるとすることもできる。

このように、少なくとも、ツール１の溝５の渦巻き回転方向と、ツール１自体の回転方向とを上述した関係となるように組み合わせることによって、段差のある突き合わせ部分８０の接合を正常かつ容易に行うことが可能となる。一方、ツール１の溝５の渦巻き回転方向と、ツール１自体の回転方向を上記と異なる方向とした場合には、正常な接合部８５を得ることが困難となる。

上記構成の摩擦攪拌ツール１を用いれば、段差がある突き合わせ部を接合する場合でも、厚板材８１側で塑性流動化した金属はスムーズに薄板材８２側に移行するため、厚板材８１側は、塑性流動する金属が接合部８５の外側に排出されることが抑制され、バリの発生が抑制できる。

厚板材８１と薄板材８２の組合せとしては、厚板材８１の板厚が薄板材８２の２倍以上であっても可能な場合もある。厚板材８１の板厚ｔ₁と薄板材８２の板厚ｔ₂との組合せとしては、例えば、両者の板厚差である段差寸法（ｔ₁－ｔ₂）が０ｍｍ以上２．５ｍｍ未満とすることができる。また、接合安定性の面から、薄板材８２の板厚ｔ₂は０．８ｍｍ以上、厚板材８１の板厚ｔ₁は３．５ｍｍ以下の範囲とすることが好ましい。

また、ツール１を使用する摩擦攪拌接合装置（図示略）は、ツール１を接合面の上方向から直角に押し当てて相対的に進行させる方式であれば良く、ツール１の進行方向と平行あるいは直角方向に傾斜させる多軸機構は必要ない。そのため、摩擦攪拌接合装置は、比較的単純な構造とすることができる。

また、ツール１の材質は、例えば工具鋼であれば、特に限定されない。通常このようなツールには、例えばＳＫＤ６１のような炭素工具鋼が使用される。

（実施例１）
実施例１のツール１は、炭素工具鋼ＳＫＤ６１製であり、図１～図３に示すように、外径Ｄｓが２０ｍｍのショルダー２を有しており、そのショルダー２の全体形状は、曲率半径Ｒが２１ｍｍの円弧状断面形状を有している。この凸曲面には、渦巻き状の溝５が２個設けられ、それぞれ、１周半ほどの渦巻き形状を有している。溝５は、傾斜角αは４５°、溝深さＨは２．０ｍｍ、溝幅Ｗは３．０ｍｍ、溝間隔Ｐは２．０ｍｍとし、底部が円弧状のＵ溝とした。また、ショルダー２の中央には、外径Ｄｐが３．０ｍｍ、高さＨｐが０．８ｍｍのプローブ３を設けた。

（実施例２）
実施例２のツール１０２は、図４及び図５に示すように、実施例１のツール１を基本として、溝５の仕様を変更した例である。なお、実施例１と同じ機能部位については、寸法等が異なる場合であっても同じ符号を用いた。この点は、後述する比較例においても同様である。実施例２においては、溝５は、傾斜角αは３０°、溝深さＨは２．０ｍｍ、溝幅Ｗは２．５ｍｍ、溝間隔Ｐは１．３ｍｍとし、底部が円弧状のＵ溝とした。その他の寸法は実施例１と同様とした。

（比較例１～３）
比較例１～３のツール９は、図６及び図７に示すように、実施例１のツール１を基本として、溝５の仕様を変更した例である。比較例１～３においては、すべて、溝５の傾斜角αは０°、つまり、傾斜を設けなかった。溝深さＨは、比較例１は２．０ｍｍ、比較例２は３．０ｍｍ、比較例３は０．５ｍｍとした。比較例１～３のいずれも、溝幅Ｗは１．０ｍｍ、溝間隔Ｐは０．８ｍｍとした。

（摩擦攪拌接合の実施）
（試験Ａ１～Ａ１５）

（試験Ａ１）
試験Ａ１では、実施例１のツール１を用い、実際に摩擦攪拌接合を行い、その性能を評価した。図９に示すごとく、摩擦攪拌接合装置の平面である定盤８上に、６０００系アルミニウム合金板からなる厚板材８１と薄板材８２とを突き合わせて固定した。厚板材８１の板厚は３．０ｍｍ、厚板材８１の板厚は１．０ｍｍである。突き合わせ部分８０は、２．０ｍｍの段差を有するものとなる。

図８、図９に示すごとく、ツール１を用い、板材８１、８２の法線方向に中心軸Ｃを向けるようにツール１を直立配置する。そして、ツール１における静止状態での溝５の渦巻き状の外周部から中心に向かう回転方向を第１回転方向（矢印Ａ１方向）とした場合、ツール１を中心軸Ｃ周りにおいて第１回転方向と逆の第２回転方向（矢印Ａ２方向）に回転させる。

次に、図１０に示すごとく、プローブ３を前記突き合わせ部分に挿入すると共にショルダー２を材８１、８２に接触させる。そして、図１１に示すごとく、ツール１の直立配置状態を維持したまま、突き合わせ部分８０に平行な方向で見れば、第２回転方向（矢印Ａ２方向）が厚板８１上において移動方向（矢印Ｂ）と一致する方向に、ツール１を突き合わせ部分８０に沿って移動させる。、つまり、厚板８１上における第２回転方向（矢印Ａ２）が相対移動方向後方側から先方側となる方向とする。ツール１の回転数は２０００ｒｐｍとし、ツール１の板材８１、８２に対する相対的な移動速度（接合速度）は、０．５ｍ／ｍｉｎとした。

（試験Ａ２～Ａ６）
試験Ａ２～Ａ６は、試験Ａ１の場合と同様に実施例１のツール１を用いて実際に摩擦攪拌接合を実施した例である。試験Ａ２及びＡ３は、試験Ａ１に比べてツール１の回転数のみを変更した例である。試験Ａ４～Ａ６は、試験Ａ１～Ａ３における接合速度を遅い条件に変更した例である。

（試験Ａ７～Ａ１２）
試験Ａ７～Ａ１２は、実施例２のツール１０２を用いて実際に摩擦攪拌接合を実施した例である。試験Ａ７～Ａ１２は、試験Ａ１～Ａ６のそれぞれと同じ条件で、使用したツールを実施例２のツール１０２に変更した点のみが異なる例である。

（試験Ａ１３）
試験Ａ１３は、試験Ａ２と同じ条件で、使用したツールを比較例１のツールに変更した点のみが異なる例である。

（試験Ａ１４）
試験Ａ１３は、試験Ａ２と同じ条件で、使用したツールを比較例２のツールに変更した点のみが異なる例である。

（試験Ａ１５）
試験Ａ１５は、試験Ａ２と同じ条件で、使用したツールを比較例３のツールに変更した点のみが異なる例である。

全ての試験Ａ１～Ａ１５において、摩擦攪拌接合を完了して一体化した板材８１、８２の接合部８５について、バリ高さ、内部観察、引張強度の評価を行った。

＜バリ高さ測定＞
図１１に示すごとく、バリ高さは、摩擦撹拌接合の開始点と終了点との中間点において切断して、接合方向に対して直角の断面を形成し、その断面をエッチングなしに５０倍で観察した光学顕微鏡組織写真を使用して評価した。図１３に示すごとく、厚板８１側の接合端部において厚板８１の板表面８１ａから突出した高さＴｂを測定して評価する。

＜接合部の内部観察＞
接合部の健全性については、バリ高さ測定に使用した５０倍の光学顕微鏡組織写真を使用し、内部に空孔が存在するか否かを観察することによって評価する。

＜引張強度＞
図１２に示すごとく、摩擦撹拌接合の開始点と終了点の中間付近において、標点部分の中央が接合線になるように採取したＪＩＳ５号試験片Ｓを使用し、ＪＩＳＺ２２４１に基づき、接合方向に対して直角方向に引張試験を行って評価する。

評価結果を表１に示す。

表１より知られるごとく、ツールの溝を所定範囲で傾斜させた実施例１ならびに実施例２のツール１、２を使った試験Ａ１～Ａ１２では、いずれも、溝を傾斜させていない比較例１～３のツール９を用いた試験Ａ１３～Ａ１５に比べてバリ高さが低減した。特にツールの溝の傾斜角度が４５度である実施例１のツール１を用いた場合には、全てバリ高さが３０μｍ以下であり、非常に良好であった。

一方、比較例１及び比較例２のツール９を用いた試験Ａ１３及びＡ１４では、いずれも接合部内に空隙が発生していた。これにより、これらの例では、引張試験による引張強度及び伸びが、実施例１及び実施例２のツール１及び１０２を用いる場合に比べて低いものとなった。また、溝の傾斜がなく、溝の深さを０．５ｍｍと小さくした比較例３のツール９を用いた試験Ａ１５では、接合部内に空隙は認められなかったが、バリ高さは他の条件に比べて最も高くなった。

（試験Ｂ１～Ｂ２１）
試験Ｂ１～Ｂ２１は、図１４～図１６に示すごとく、試験Ａ１～Ａ１５の場合における厚板８１と薄板８２の位置関係を逆転させた例である。すなわち、試験Ｂ１～Ｂ２１では、図１４に示すごとく、摩擦攪拌接合装置の平面である定盤８上に、試験Ａ１～Ａ１５の場合と左右が逆の関係となるように、６０００系アルミニウム合金板からなる厚板材８１と薄板材８２とを突き合わせて固定した。厚板材８１の板厚は３．０ｍｍ、厚板材８１の板厚は１．０ｍｍである。突き合わせ部分８０は、２．０ｍｍの段差を有するものとなる。

（試験Ｂ１）
試験Ｂ１では、図１４に示すごとく、ツール１を用い、板材８１、８２の法線方向に中心軸Ｃを向けるようにツール１を直立配置する。そして、ツール１における静止状態での溝５の渦巻き状の外周部から中心に向かう回転方向を第１回転方向（矢印Ａ１方向）とした場合、ツール１を中心軸Ｃ周りにおいて第１回転方向と逆の第２回転方向（矢印Ａ２方向）に回転させる。

次に、図１５に示すごとく、プローブ３を前記突き合わせ部分に挿入すると共にショルダー２を材８１、８２に接触させる。そして、図１６に示すごとく、ツール１の直立配置状態を維持したまま、突き合わせ部分８０に平行な方向で見れば、第２回転方向（矢印Ａ２方向）が厚板８１上において移動方向（矢印Ｂ）と逆の方向に、つまり、厚板８１上における第２回転方向（矢印Ａ２）が相対移動方向先方側から後方側となる方向に、ツール１を突き合わせ部分８０に沿って移動させる。ツール１の回転数は２０００ｒｐｍとし、ツール１の板材８１、８２に対する相対的な移動速度（接合速度）は、１．５ｍ／ｍｉｎとした。

（試験Ｂ２～Ｂ９）
試験Ｂ２～Ｂ９は、試験Ｂ１の場合と同様に実施例１のツール１を用いて実際に摩擦攪拌接合を実施した例である。試験Ｂ２及びＢ３は、試験Ｂ１に比べてツール１の回転数のみを変更した例である。試験Ｂ４～Ｂ６は、試験Ｂ１～Ｂ３における接合速度を１．０ｍ／ｍｉｎに遅くした条件に変更した例である。試験Ｂ７～Ｂ９は、試験Ｂ１～Ｂ３における接合速度を０．５０ｍ／ｍｉｎに遅くした条件に変更した例である。

（試験Ｂ１０～Ｂ１８）
試験Ｂ１０～Ｂ１８は、実施例２のツール１０２を用いて実際に摩擦攪拌接合を実施した例である。試験Ｂ１０～Ｂ１８は、試験Ｂ１～Ｂ９のそれぞれと同じ条件で、使用したツールを実施例２のツール１０２に変更した点のみが異なる例である。

（試験Ｂ１９）
試験Ｂ１９は、試験Ｂ２と同じ条件で、使用したツールを比較例１のツールに変更した点のみが異なる例である。

（試験Ｂ２０）
試験Ｂ２０は、試験Ｂ２と同じ条件で、使用したツールを比較例２のツールに変更した点のみが異なる例である。

（試験Ｂ２１）
試験Ｂ２１は、試験Ｂ２と同じ条件で、使用したツールを比較例３のツールに変更した点のみが異なる例である。

全ての試験Ｂ１～Ｂ２１において、摩擦攪拌接合を完了して一体化した板材８１、８２の接合部８５について、試験Ａ１～Ａ１５の場合と同様に、バリ高さ、内部観察、引張強度の評価を行った。

評価結果を表２に示す。

表２より知られるごとく、ツールの溝を所定範囲で傾斜させた実施例１ならびに実施例２のツール１、２を使った試験Ｂ１～Ｂ１８では、いずれも、溝を傾斜させていない比較例１～３のツールを用いた試験Ｂ１９～Ｂ２１に比べてバリ高さが低減した。特にツールの溝の傾斜角度が４５度である実施例１のツール１を用いた場合には、全てバリ高さが３０μｍ以下であり、非常に良好であった。

一方、比較例１及び比較例２のツールを用いた試験Ｂ１９及びＢ２０では、いずれも接合部内に空隙が発生していた。これにより、これらの例では、引張試験による引張強度及び伸びが、実施例１及び実施例２のツール１及び１０２を用いる場合に比べて低いものとなった。また、溝の傾斜がなく、溝の深さを０．５ｍｍと小さくした比較例３のツールを用いた試験Ｂ２１では、接合部内に空隙は認められなかったが、バリ高さは他の条件に比べて最も高くなった。

１ツール
２ショルダー
３プローブ
５溝
８１厚板材
８２薄板材
８０突き合わせ部
８５接合部

Claims

円柱状の本体部の先端に形成されたショルダーと、該ショルダーの中心部に配設されたプローブとを有する摩擦攪拌接合用ツールであって、
前記ショルダーは、中央部が突出する凸曲面形状を呈すると共に、外周部から中心に向かう渦巻き状の溝を有しており、
該溝は、深さ方向において深くなるほど中心軸から離れる方向に傾斜して設けられており、その傾斜角度は３０°以上４５°以下の範囲にある、摩擦攪拌接合用ツール。
前記凸曲面ショルダーにおける前記溝の深さは、２．０ｍｍ以上３．０ｍｍ未満である、請求項１に記載の摩擦攪拌接合用ツール。
板厚が異なるアルミニウムあるいはアルミニウム合金からなる厚板材と薄板材とを、平面上に並べて突き合わせて段差のある突き合わせ部分を形成し、該突き合わせ部分を接合してなる接合部を有する接合材の製造方法であって、
請求項１又は２に記載の摩擦攪拌接合用ツールを用い、
前記板材の法線方向に中心軸を向けるように前記ツールを直立配置し、
静止状態での上記溝の渦巻き状の外周部から中心に向かう回転方向を第１回転方向とした場合、前記ツールを中心軸周りにおいて前記第１回転方向と反対の第２回転方向に回転させ、
前記プローブを前記突き合わせ部分に挿入すると共に前記ショルダーを前記板材に接触させ、
前記ツールの直立配置状態を維持したまま、前記ツールを前記突き合わせ部分に沿って相対移動させる、接合材の製造方法。
前記ツールの相対移動方向は、前記厚板上における前記第２回転方向が相対移動方向先方側から後方側となる方向とする、請求項３に記載の接合材の製造方法。