JP7203373B2 - 摩擦攪拌接合方法 - Google Patents

Description

特許法第３０条第２項適用 （１） ▲１▼ウェブサイトの掲載日 平成３０年３月２２日 ▲２▼ウェブサイトのアドレス ｈｔｔｐｓ：／／ｍｅｍｂｅｒ．ｊｗｅｌｄ．ｊｐ／ｍｙｐａｇｅ ▲３▼公開者 生田明彦 （２） ▲１▼開催日 平成３０年４月２４日 ▲２▼集会名、開催場所 平成３０年度 溶接学会 春季全国大会 東京国際展示場 会場棟６階（東京都江東区有明３－１１－１） ▲３▼公開者 生田明彦

本発明は、摩擦攪拌接合方法に関する。

金属板の接合方法としては、例えば、回動部を備えたツールによる金属材料の塑性流動を利用した摩擦攪拌接合方法が知られている。

特許文献１には、先端から先端ピン（以下、「プローブ」）が突出したツールを用いた摩擦攪拌接合方法が開示されている。具体的には、回動するプローブを２枚のアルミニウム板の接触部分に押圧した状態で、接触部分に沿ってツールを移動させることにより、複数のアルミニウム板を接合する方法が開示されている。なお、「プローブ」とは、摩擦攪拌接合に用いられる工具（上記の「ツール」に相当）の先端に設けられた突起部位を指す。

特開２００４－５８０８４号公報

しかしながら、特許文献１に開示された摩擦攪拌接合方法では、接合の際に、ツールの先端部分の一部に加えてプローブがアルミニウム板に圧入されることから、プローブの厚さ分だけアルミニウム板の接合部分の板厚が余計に減少する。また、接合中にツールを移動させる際、プローブが受ける抵抗力によってプローブに振動が発生し、結果、２枚のアルミニウム板の接合部分にシワおよびヨレが発生する等の不具合がある。なお、本明細書において「接合部分」とは、摩擦攪拌接合処理後の、２枚のアルミニウム板（金属板）の接触部分を指す。

本発明の一態様は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、２枚のアルミニウム板の接合部分における板厚減少、並びにシワおよびヨレの発生を抑制できる摩擦攪拌接合方法を実現することにある。

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る摩擦攪拌接合方法は、工具の中心軸を回転軸として回動可能な回動部を備える前記工具を用いて、板厚が１ｍｍ以下である複数の金属板を接合する摩擦攪拌接合方法であって、前記回動部における先端の端面の全域が、平面形状、または外部に向けて凸となる球面形状であり、互いに端部が接触した２枚の前記金属板の接触部分を、回動している前記回動部の前記先端で押圧しつつ、前記回動部を、前記接触部分に沿って移動させることを特徴とする。

一般に、摩擦攪拌接合に用いられる工具には、その先端にプローブが設けられている。金属板の接合の際には、工具の先端およびプローブが２枚の金属板の接触部分（突き合わせ部分、または重ね合わせ部分）に圧入される。ここで、接合が進行すると、プローブの厚さ分だけ余計に接合部分の残存板厚が薄くなってしまい、特に薄板の金属板を接合する場合には残存板厚がほとんどなくなってしまう。

この点、上記構成によれば、工具の回動部における先端の端面の全域が、平面形状または外部に向けて凸となる球面形状となっている。換言すれば、本発明の一態様に係る工具は、プローブが設けられていない構成となっている。したがって、接合の際に上記接触部分に圧入される、すなわち上記接触部分を押圧するのが回動部の先端のみとなり、プローブが設けられている工具と比べて上記残存板厚が厚くなる。そのため、接合による接合部分の残存板厚の減少を抑制することができ、薄板の金属板の接合に適合した接合方法を実現することができる。

また、上記構成によれば、プローブが設けられている工具に比べて、接合時に回動部の先端付近が受ける抵抗力が少なくなる。したがって、上記の抵抗力に起因する、回動部の振動および移動中の進路のブレを低減することができる。そのため、接合部分におけるシワおよびヨレの発生を効果的に抑制することができる。

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る摩擦攪拌接合方法は、前記接触部分は、互いに突き合わさった２枚の前記金属板の第１境界であり、前記回動軸を鉛直方向に対して所定の角度で傾斜させた状態で、前記第１境界を、回動している前記回動部の前記先端で押圧しつつ、前記先端を、前記第１境界に沿って前記回転軸の傾斜方向と反対方向に移動させることが好ましい。

上記構成によれば、工具に前進角をつけた状態（回動軸を鉛直方向に対して所定の角度で傾斜させた状態）で接合を行うことから、接合部分の領域が前進角をつけない状態に比べて拡大する。これにより、金属板の接触部分を強固に接合することができる。

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る摩擦攪拌接合方法は、前記接触部分における、前記先端によって押圧される押圧面と反対側の面に、窒化ケイ素により形成された裏当て材を当接させることが好ましい。

上記構成によれば、熱伝導効率に優れた窒化ケイ素で形成された裏当て材を、２枚の金属板の接触部分に当接した状態で接合を行う。これにより、接合に起因して発生する熱が裏当て材によって効果的に吸熱および放熱される。そのため、接合部分における過度の温度上昇を抑制することができ、接合部分の溶融、および金属板と裏当て材との凝着を防止することができる。

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る摩擦攪拌接合方法は、前記回動部における側面と前記端面との第２境界は、曲面状に形成されていることが好ましい。

上記構成によれば、特に工具の端面が平面形状である場合に、接合時に回動部の先端付近が受ける抵抗力が少ない。したがって、上記の抵抗力に起因する、回動部の振動および移動中の進路のブレを低減することができる。そのため、接合部分におけるシワおよびヨレの発生を効果的に抑制することができる。

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る摩擦攪拌接合方法は、１枚の金属板で前記接触部分を覆うように、前記１枚の金属板を前記接触部分に重ね合わせ、前記接触部分と前記１枚の金属板とが重ね合わさった２段重ね部分を、回動している前記回動部の前記先端で押圧しつつ、前記回動部を、前記２段重ね部分に沿って移動させることが好ましい。

上記構成によれば、接合部分の板厚を、１枚の金属板を前記接触部分に重ね合わせない場合に比べて厚くすることができる。そのため、接合部分におけるシワおよびヨレの発生を効果的に抑制しつつ、接合部分の強度を向上させることができる。

本発明の一態様によれば、２枚のアルミニウム板の接合部分における板厚減少、並びにシワおよびヨレの発生を抑制できる摩擦攪拌接合方法を実現することができる。

本発明の一実施形態に係る摩擦攪拌接合装置の全体構成を示す斜視図である。 本発明の一実施形態に係る摩擦攪拌接合装置において、（ａ）は摩擦攪拌接合装置の側面図、および制御装置のブロック図である。（ｂ）は（ａ）の一部を示す拡大図である。 本発明の一実施形態に係るツールにおいて、（ａ）はツール先端の端面が球面状であるツール（球面状ツール）を示す側面図である。（ｂ）は、（ａ）に示すツールの正面図である。（ｃ）は、ツール先端の端面が平面状であるツール（平面状ツール）を示す側面図である。（ｄ）は、（ｃ）に示すツールの正面図である。 本発明の一実施形態に係るツールと金属板との位置関係を示す模式図である。 本発明の一実施形態の変形例に係る摩擦攪拌接合方法を示す概略図である。 本発明の一実施形態に係る摩擦攪拌接合方法により形成される接合部分について、（ａ）は、球面状ツールを用いた場合の外観の一例を示す写真を表す図である。（ｂ）は、平面状ツールを用いた場合の外観の一例を示す写真を表す図である。 本発明の一実施形態に係る摩擦攪拌接合方法により形成される接合部分について、（ａ）は、球面状ツールを用いた場合における外観の他の例を示す写真を表す図である。（ｂ）は、（ａ）の外観を有する接合部分の断面組織を示す写真を表す図である。 本発明の一実施形態に係る摩擦攪拌接合方法により形成される接合部分の板厚を示すグラフである。 本発明の一実施形態に係る摩擦攪拌接合方法により形成される接合部分に関し、（ａ）は、上記接合部分と略同じ状態の接合部分が形成された引張試験片を示す平面図である。（ｂ）は、上記引張試験片の接合部分における引張強さおよび伸びを示すグラフである。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の記載は発明の趣旨をより良く理解させるためのものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。また、本明細書において特記しない限り、数値範囲を表す「Ａ～Ｂ」は、「Ａ以上Ｂ以下」を意味する。本出願における各図面に記載した構成の形状および寸法（長さ、奥行き、幅等）は、実際の形状および寸法を必ずしも反映させたものではなく、図面の明瞭化および簡略化のために適宜変更している。

〔摩擦攪拌接合装置〕
（概要）
本発明の一実施形態に係る摩擦攪拌接合装置１について、図１～図３を参照して以下に説明する。

摩擦攪拌接合装置１は、複数のアルミニウム板を摩擦攪拌接合によって接合するための装置である。ここで、本明細書における「摩擦攪拌接合」は、次に説明する接合方法を指す。すなわち、後述するツール２０の先端を、回転させながら、接合対象となる２枚のアルミニウム板Ｗ１・Ｗ２（図１等参照）の接触部分に押し付けて圧入させ、これによって摩擦熱を発生させて上記接触部分を軟化させる。同時に、ツール２０の先端に生じた回転力によって上記接触部分およびその周辺を塑性流動させることで、２数のアルミニウム板Ｗ１・Ｗ２を一体化させる。

本明細書において、２枚のアルミニウム板Ｗ１・Ｗ２の「接触部分」とは、当該２枚のアルミニウム板Ｗ１・Ｗ２における、互いの端部が突き合わさった境界（第１境界）Ｃ（図１等参照）を指す。なお、図示しないものの、摩擦攪拌接合装置１は、２枚のアルミニウム板Ｗ１・Ｗ２を重ね合せて摩擦攪拌接合を行うこともできる。この場合、２枚のアルミニウム板Ｗ１・Ｗ２における、互いの端部が重ね合わさった部分が上記「接触部分」となる。

アルミニウム板は、軟化温度が比較的低い軽金属であるという性質から、摩擦攪拌接合に好適な金属板である。なお、以下の説明においては、説明の便宜上、２枚のアルミニウム板Ｗ１・Ｗ２のみを摩擦攪拌接合する場合を例に挙げて説明する。

摩擦攪拌接合装置１による摩擦攪拌接合の接合対象は、アルミニウム板に限られず、例えばステンレスで形成されたステンレス板、チタンで形成されたチタン板など、アルミニウム以外の材料で形成された金属板であってもよい。また、アルミニウム板以外の金属板を摩擦攪拌接合する場合、接合対象となる２枚の金属板は、それぞれ異なる材質からなる金属板であってもよい。

図１並びに図２の（ａ）および（ｂ）に示すように、摩擦攪拌接合装置１は、基台２、スライダ３、保持部４、支持台５、ツール（工具）２０、および制御装置５０を備える。基台２上にはスライダ３および支持台５が備えられている。

支持台５上には裏当て材３０が載置され、当該裏当て材３０上に２枚のアルミニウム板（金属板）Ｗ１・Ｗ２が載置され、支持台５に対して固定される。具体的には、２枚のアルミニウム板Ｗ１・Ｗ２における、互いの端部が突き合わさった境界Ｃを含む当接面Ｆ１が裏当て材３０に当接するように、２枚のアルミニウム板Ｗ１・Ｗ２が裏当て材３０に載置される。そして、支持台５に設けられた押さえ６によって、２枚のアルミニウム板Ｗ１・Ｗ２が支持台５に対して固定される。このとき、２枚のアルミニウム板Ｗ１・Ｗ２における、当接面Ｆ１に対して反対側の面は、ツール２０によって押圧される押圧面Ｆ２となる。

スライダ３は、保持部４および昇降用モータ４２を備える。保持部４は、ボールネジ７によりスライダ３に、昇降用モータ４２によって昇降可能に取り付けられている。これにより、ツール２０をアルミニウム板Ｗ１・Ｗ２に接触させるツール高さが設定される。また、保持部４は、スライダ３に対して回転可能に取り付けられている。そのため、ツール２０に所定の前進角θ（鉛直方向に対するツール２０の回転軸の傾き、図４参照）を設定することができる。

また、スライダ３は、一対のガイドレール１１ａおよびボールネジ１１ｂに取り付けられており、移送用モータ４３によって境界Ｃに対して平行に移動可能である。これにより、スライダ３に取り付けられた保持部４が移動することで、保持部４に保持されるツール２０が、境界Ｃに沿って接合方向に移動できる。

保持部４は、回転用モータ４１と、下部にツール２０を着脱自在に取り付けるツールホルダ８とを備える。ツールホルダ８は回転用モータ４１と連結されており、回転用モータ４１の駆動によって、ツールホルダ８および当該ツールホルダ８に取付けられたツール２０が回転する。

回動部２１は、ツール２０の中心軸を回転軸として回動可能な部材として形成される。回動部２１は、回転用モータ４１によって、所望のツール回転数により回動することができる。所望のツール回転数は、金属板の種類および板厚により適宜調整される。

制御装置５０は、摩擦攪拌接合装置１を構成する各部・各機器の動作等を統括的に制御する。制御装置５０は、入力部５１、記憶部５２、演算部５３、および制御部５４を備える。

入力部５１は、作業者により入力される接合条件（ツール高さ、ツール回転数、ツール移送量等）を含む各種の入力情報を、記憶部５２に与える。記憶部５２は、摩擦攪拌接合の動作手順を実行するためのコンピュータプログラム、入力部５１からの入力情報および演算部５３の演算結果を記憶する。演算部５３は、記憶部５２に記憶されるプログラムを実行して、記憶部５２に記憶された接合条件に基づいて、摩擦攪拌接合の動作手順を実行し、回転用モータ４１、昇降用モータ４２、および移送用モータ４３のそれぞれの制御指令を生成する。そして、演算部５３は、生成した各制御指令を制御部５４に与える。

制御部５４は、例えばＣＰＵであり、制御装置５０を構成する各部の動作等を統括的に制御する。また、制御部５４は、ツール回転数司令部５５と、ツール高さ司令部５６と、ツール移送司令部５７とを備え、回転用モータ４１、昇降用モータ４２および移送用モータ４３の各駆動を制御する。

ツール回転数司令部５５は、演算部５３からの制御指令に基づいて、ツール回転数の指令信号を回転用モータ４１に出力する。これにより、回転用モータ４１は、司令されたツール回転数によりツール２０が回動されるように駆動する。

ツール高さ司令部５６は、演算部５３からの制御指令に基づいてツール高さの指令信号を、昇降用モータ４２に出力する。これにより、昇降用モータ４２は、ツール２０が指令されたツール高さに設定されるように駆動する。

ツール移送司令部５７は、演算部５３からの制御指令に基づいてツール移送速度の指令信号を移送用モータ４３に出力する。これにより、移送用モータ４３は、ツール２０が指令された移送速度により加工方向へ移動するように駆動する。

（ツール）
ツール２０は、互いに突き合わさった２枚のアルミニウム板Ｗ１・Ｗ２の境界Ｃを摩擦攪拌接合するための工具である。

図３の（ａ）および（ｃ）に示すように、ツール２０は、回動部２１と、当該回動部２１におけるツールホルダ８側に形成される取付部２２とを備える。ツール２０は、取付部２２がツールホルダ８に着脱自在に固定されることにより、保持部４に取り付けられる。取付部２２は、少なくとも一部に平面２２ａを備えている。ツールホルダ８は、このような取付部２２の形状に適合して、取付部２２と嵌合可能な形状として形成される。したがって、ツール２０はツールホルダ８に良好に固定される。

図３の（ａ）～（ｄ）に示すように、境界Ｃに押圧される回動部２１における先端の端面の全域が、外部に向けて凸となる球面形状の端面２３ａ、または平面形状の端面２３ｂとして形成される。換言すれば、端面２３ａ・２３ｂはプローブが設けられていない形状として形成される。なお、説明の便宜上、端面２３ａを備えるツール２０を球面状ツール２０ａ、端面２３ｂを備えるツール２０を平面状ツール２０ｂと称することがある。

ツール２０の材質は、工具鋼、超硬合金またはセラミックス等の種々の材質から形成できる。特に、Ｎｉ基２重複層金属間化合物合金であることが好ましい。このような構成によれば、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化でもツール２０が必要な硬さを発揮することができる。

〔摩擦攪拌接合装置を用いた摩擦攪拌接合の方法〕
本発明の一実施形態に係る摩擦攪拌接合方法について、図３および図４を参照して以下に説明する。

（概要）
摩擦攪拌接合装置１を用いた摩擦攪拌接合は、例えば以下の各工程を踏むことにより行われる。
（１） まず、接合するアルミニウム板Ｗ１・Ｗ２の板厚およびサイズ等に従って、接合条件（ツール高さ、ツール回転数、ツール移送量、および後述する前進角θ等）を制御装置５０に入力する。なお、以降の各工程におけるツール２０の動作は全て、制御装置５０により制御される。
（２） 次に、アルミニウム板Ｗ１・Ｗ２を突き合わせた状態によって、押さえ６を用いて支持台５上に固定する。このとき、アルミニウム板Ｗ１・Ｗ２の境界Ｃが、裏当て材３０に当接する位置にアルミニウム板Ｗ１・Ｗ２が固定される。
（３） 次に、ツール２０における回動部２１が回動を開始すると共に、回動している回動部２１の先端が境界Ｃの一端を押圧する。
（４） 次に、回動している回動部２１の先端が境界Ｃを押圧しながら、境界Ｃに沿って移動する。これにより、境界Ｃがその一端から連続的に接合されていく。
（５） 次に、ツール２０が境界Ｃに沿って移動した距離が予め設定されたツール移送量に到達したら、ツール２０の移動および回動部２１の回動が停止する。
（６） 最後に、ツール２０がアルミニウム板Ｗ１・Ｗ２から遠ざけられる。これにより、接合されたアルミニウム板Ｗ１・Ｗ２を支持台５から取り外すことができる。

なお、上記の各工程はあくまで例示であり、他の工程を踏むことによって上記の摩擦攪拌接合が行われてもよい。換言すれば、本発明の一態様に係る摩擦攪拌接合方法は、板厚が１ｍｍ以下である複数のアルミニウム板を接合する摩擦攪拌接合方法であって、回動部２１における先端の端面の全域が、平面形状、または外部に向けて凸となる球面形状であり、互いに端部が接触した２枚のアルミニウム板Ｗ１・Ｗ２の境界Ｃを、回動している回動部２１の先端で押圧しつつ、回動部２１を、境界Ｃに沿って移動させるような方法であれば、どのような方法であってもよい。

また、本実施形態に係る摩擦攪拌接合方法は、摩擦攪拌接合装置１に限られず、一般的な摩擦攪拌接合装置を用いて実施することができる。

（回動部の先端の圧入）
摩擦攪拌接合装置１により摩擦攪拌接合を行う際、ツール２０の中心軸を回転軸として回動している回動部２１の先端が、２枚のアルミニウム板Ｗ１・Ｗ２の境界Ｃに押圧される。このとき、回動部２１の先端は境界Ｃに圧入される。圧入された回動部２１の先端は、境界Ｃに沿って移動する。これにより、回動している回動部２１の先端と境界Ｃとの接触により摩擦熱および攪拌力が発生し、境界Ｃにおいて塑性流動が起きる。ツール２０が移動した後、溶解および攪拌された境界Ｃが速やかに冷却され凝固することで、境界Ｃが接合される。

ここで、従来の摩擦攪拌接合用ツールの先端（端面２３ａ・２３ｂに相当）には、プローブと呼ばれる突起が設けられている。ツールの先端およびプローブが回動しながら、２枚の金属板における端部同士の接触部分に押圧され、金属板に圧入されることで、摩擦攪拌接合が行われる。このとき、ツールの先端およびプローブが金属板に圧入されることで、プローブと金属板との摩擦により攪拌力および摩擦熱が発生する。これにより、ツールの先端およびプローブが上記接触部分に圧入される深さ（圧入量）に応じて、上記接触部分において金属板の厚さ方向に深い範囲で塑性流動が起こる。このため、上記接触部分が強固に接合される。

しかしながら、従来の摩擦攪拌接合用ツールでは、ツールの先端に加えてプローブが上記接触部分に深く圧入される。そのため、金属板の接合部分において板厚が減少してしまい、残存板厚（接合後における接合部分の板厚）が小さくなる不具合がある。

特に、薄い金属板を接合する場合には、残存板厚がほとんどなくなってしまう。例えば、板厚１ｍｍ以下の金属板を、プローブを備えるツールによって摩擦攪拌接合を行うことは、上述した理由から困難である。このため、板厚１ｍｍ以下の金属板を摩擦攪拌接合する場合、２枚の金属板の端部同士を重ね合わせて接触させることで、上記接触部分の板厚を確保する等の工夫が必要となっていた。

一方、本発明の一実施形態に係る摩擦攪拌接合方法は、上記のようなプローブを備えないツール２０が用いられる。このような構成によれば、接合の際に境界Ｃに圧入されるのは回動部２１の先端のみとなる。そのため、回動部２１の先端の圧入量は、プローブの大きさに相当する深さ分だけ減少する。これにより、プローブが設けられているツールと比べて接合部分における板厚の減少が抑制できる。すなわち、本発明の一実施形態に係るツール２０を用いることで、板厚１ｍｍ以下の薄いアルミニウム板に対しても問題なく摩擦攪拌接合を行うことができる。なお、アルミニウム板Ｗ１・Ｗ２の板厚は、０．５ｍｍ以下であってもよい。

また、本発明の一実施形態に係るツール２０を用いた摩擦攪拌接合方法によれば、従来の摩擦攪拌接合用ツール（プローブを備えたもの）を用いた場合に比べて、接合時に回動部２１の先端付近が受ける抵抗力が少ない。したがって、上記の抵抗力に起因する、回動部２１の振動および回動部２１の移動中における進路のブレを低減することができる。そのため、アルミニウム板Ｗ１・Ｗ２の接合部分におけるシワおよびヨレの発生を効果的に抑制することができる。

ここで、ツール２０は、球面状ツール２０ａであることが好ましい。このような構成によれば、回動部２１の先端が球面状の端面２３ａとして形成されるため、上記の抵抗力がより少なくなる。よって、アルミニウム板Ｗ１・Ｗ２の接合部分におけるシワおよびヨレの発生をより効果的に抑制して、アルミニウム板Ｗ１・Ｗ２を接合することができる。

また、ツール２０は、回動部２１における端面２３ａまたは端面２３ｂと、側面２４とは形状として非連続であり、その境界部（第２境界）２５は境界線となる角形状として形成される。しかし、境界部２５は曲面状に連続的に形成されてもよい。このような構成によれば、角形状である境界部２５が境界Ｃに押圧されることがなくなる。そのため、回動部２１の先端が境界Ｃを押圧して移動される際に、回動部２１の先端付近が受ける抵抗力が少なくなる。したがって、接合部分におけるシワおよびヨレの発生をより効果的に抑制して、アルミニウム板Ｗ１・Ｗ２を接合することができる。

（前進角の付与）
図４に示すように、回動部２１の先端は、回転軸が鉛直方向に対して傾斜した状態（ツール２０に前進角θを付与した状態）により、アルミニウム板Ｗを押圧することが好ましい。また、回転軸の傾斜方向と反対方向（図４における、加工方向）にツール２０を移動させることが好ましい。このような構成によれば、圧入量を深くしても残存板厚が大きくなる傾向がある。

このような現象について説明を試みると、アルミニウム板Ｗ１・Ｗ２の境界Ｃにおいて、回動する回動部２１の圧入により軟化したアルミニウムは、当該回動する回動部２１の先端により、ＲＳ（Retreating side：接合部分を挟んでツール回転方向と接合方向が逆となる側）からＡＳ（Advancing side：接合部分を挟んでＲＳの反対側）へ流動する。このとき、ツール２０に前進角θを付与することで、軟化したアルミニウムがＲＳからＡＳへ流動する量（接合部分の範囲内に残存する軟化したアルミニウムの量）が多くなる。そのため、接合部分における軟化したアルミニウムの減少量が少なくなる。これにより、発明者は、ツール２０に前進角θを付与することで、圧入量に比べて残存板厚が大きくなると考える。

なお、前進角θを付与することによる残存板厚の改善効果は、球面形状である端面２３ａを備えるツール２０によって接合を行った場合、より大きくなる。ＲＳからＡＳへ金属板材料が流動する量が、より多くなるためであると考えられる。

前進角θは、３度であることが好ましい。このような角度であれば、残存板厚の減少が抑えられる。前進角θはこれに限られず、例えば、１～１０度であってもよく、１～７度であってもよく、２～５度であってもよい。

（裏当て材）
本実施形態に係る摩擦攪拌接合方法において使用される裏当て材３０は、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）により形成される。窒化ケイ素は、熱伝導率が比較的高く（略９０Ｗ／ｍ・Ｋ）、低反応性の材料である。したがって、摩擦攪拌接合の際に接合部分に発生する熱を吸熱および放熱することができるため、接合部分に発生する熱が過度に高くならない。また、接合部分と裏当て材３０との凝着を防止することができる。

なお、裏当て材３０の形成材料は、窒化ケイ素に限られず、例えば炭素鋼などでもよい。具体的には、接合部分と裏当て材３０との凝着を防止する観点から、熱膨張係数が３～３．５×１０^－６／Ｋ、熱伝導率が２０～２８Ｗ／（ｍ・Ｋ）、比熱が０．６８ｋＪ／（ｋｇ・Ｋ）、および耐熱衝撃性が６００～６５０（ΔＴ）℃の熱的特性を有する形成材料で裏当て材３０が形成されていることが好ましい。上記の熱的特性を有する形成材料としては、例えば酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、サイアロン（Ｓｉ_３Ｎ_４－Ａｌ_２Ｏ_３）等が挙げられる。

また、裏当て材３０が必ずしも使用される必要はない。すなわち、摩擦攪拌接合装置１における支持台５に、アルミニウム板Ｗ１・Ｗ２が直接載置されてもよい。

裏当て材３０は、図１および図２の（ａ）に示すように、板状に形成される。なお、裏当て材３０の形状はこれに限られず、いかなる形状であってもよい。たとえば、ブロック形状等であってもよい。

（変形例）
本発明の一態様に係る摩擦攪拌接合方法では、２枚の金属板の突き合わせ部分（あるいは、重ね合わせ部分）と、１枚の金属板とを重ね合わせてもよい。例えば、図５に示すように、１枚のアルミニウム板Ｗ３（１枚の金属板）でアルミニウム板Ｗ１・Ｗ２の突き合わせ部分（接触部分）の全体を覆うように、当該１枚のアルミニウム板Ｗ３を突き合わせ部分に重ね合せる。そして、１枚のアルミニウム板Ｗ３と突き合わせ部分とが重ね合わさった２段重ね部分Ｐを、摩擦攪拌接合装置１のツール２０によって摩擦攪拌接合してもよい。

このように、突き合わせ部分と１枚の金属板とを重ね合わせて摩擦攪拌接合することにより、接合部分の厚さを１枚の金属板を重ね合せない場合に比べて厚くすることができる。そのため、そのため、接合部分におけるシワおよびヨレの発生を効果的に抑制しつつ、接合部分の強度が向上した金属板接合体を製造することができる。

なお、上述の重ね合せは２段に限定されない。すなわち、２枚の金属板の突き合わせ部分に２枚以上の金属板を複数段重ね合せてもよい。ただし、重ね合せた部分を十分に接合させるためには、突き合わせ部分に重ね合せる金属板の枚数を３枚以下にすることが好ましい。

〔摩擦攪拌接合されたアルミニウム板接合体〕
本実施形態に係る摩擦攪拌接合方法によれば、板厚１ｍｍ以下のアルミニウム板を突き合わせ接合したアルミニウム板接合体を得ることができる。このようなアルミニウム板接合体は、接合部分における板厚減少並びにシワおよびヨレが少ない。従来技術に係るツール（プローブを備えるツール）によれば、このようなアルミニウム板接合体を得ることは困難である。

上記アルミニウム板接合体の一例として、アルミニウム製のフィンチューブにおけるフィン（不図示）が挙げられる。このようなフィンは、板厚が０．５ｍｍ以下であると共に、フィンチューブにおけるチューブに連続的にフィンが巻かれる必要がある。そのため、チューブの長さに応じて、長辺の長さが非常に長いフィンを形成することを要する。

このような場合、多数の細長いアルミニウム板における短辺の端部同士を、により接合して、長辺の長さが非常に長い一枚のフィンを形成しなければならない。従来、板厚０．５ｍｍのアルミニウム板の接合に課題があり、このような長いフィンを得ることは困難だった。本発明の一実施形態に係る摩擦攪拌接合方法によれば、フィンチューブのフィンとして好適なアルミニウム板接合体を得ることができる。

〔付記事項：本発明の別の表現〕
本発明は、以下のようにも表現することができる。本発明の一態様に係る工具（ツール２０）は、板厚が１ｍｍ以下である複数の金属板（アルミニウム板Ｗ１・Ｗ２）を接合するための工具であって、前記工具の中心軸を回転軸として回動可能な回動部（２１）を備えており、前記回動部における先端の端面の全域が、平面形状、または外部に向けて凸となる球面形状であり、前記複数の金属板を接合する際、回動している前記回動部の前記先端が、互いに端部が接触した２枚の前記金属板の接触部分（境界Ｃ）を押圧しつつ、前記接触部分に沿って移動することを特徴とする。

本発明の一態様に係る金属接合体は、板厚が１ｍｍ以下である複数の金属板（アルミニウム板Ｗ１・Ｗ２）を接合するための工具（ツール２０）によって接合された金属接合体であって、前記工具は、前記工具の中心軸を回転軸として回動可能な回動部（２１）を備えており、前記回動部における先端の端面の全域が、平面形状、または外部に向けて凸となる球面形状であり、互いに端部が接触した２枚の前記金属板の接触部分（境界Ｃ）が、回動している前記回動部の前記先端で押圧されつつ、前記回動部が前記接触部分に沿って移動することによって接合されることを特徴とする。上記構成によれば、接合部分における、板厚減少およびシワ・ヨレが少ない金属接合体を実現することができる。

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

〔実施例１：球面状ツールおよび平面状ツールの比較〕
本発明の一実施例について以下に説明する。球面状ツール２０ａおよび平面状ツール２０ｂを用いて摩擦攪拌接合操作を行い、形成された接合部分の外観を観察した。ここでは、２枚の金属板の接触部分ではなく、１枚の金属板の表面における任意の部分に対する摩擦攪拌接合操作（このような操作を、「スターインプレート」と称する）を行った。

（方法）
スターインプレートに用いた金属板は、板厚１ｍｍのアルミニウム板である。接合条件は、前進角θは３度、接合速度は１００ｍｍ／ｍｉｎ、接合距離は１００ｍｍとした。圧入量（図６～図８の“Penetration depth”）は、球面状ツール２０ａを用いる場合は０．１５ｍｍまたは０．２ｍｍとし、平面状ツール２０ｂを用いる場合は０．０５ｍｍ、０．１ｍｍ、または０．１５ｍｍとした。また、それぞれのツールの回転数は、１５００ｒｐｍ、２２５０ｒｐｍ、または３０００ｒｐｍとした。

（結果）
図６の（ａ）は球面状ツール２０ａによる結果を、図６の（ｂ）は平面状ツール２０ｂによる結果をそれぞれ示す。“Welding direction”は接合方向を示す。すなわち、図６中のそれぞれの写真において、反時計回りに回動するツールを、左から右に移動させることにより接合を行った。

球面状ツール２０ａによる接合部分は、平面状ツール２０ｂによる接合部分と比べて、接合部分の幅（以下、「ビード幅」）が狭かった。また、球面状ツール２０ａによる接合部分には、バリの発生がほとんど見られなかった。これらの結果から、球面状ツール２０ａによれば、平面状ツール２０ｂと比較して、外観が良好な接合部分が得られることが示された。

〔実施例２：接合部分の外観および断面組織〕
本発明の一実施例について以下に説明する。球面状ツール２０ａを用いて、板厚０．５ｍｍのアルミニウム板に対してスターインプレートを行った。これにより形成された接合部分の外観および断面組織を観察した。

（方法）
スターインプレートに用いた金属板は、板厚０．５ｍｍのアルミニウム板である。接合条件は、前進角θは３度、接合速度は１００ｍｍ／ｍｉｎ、接合距離は１００ｍｍ、圧入量は０．０５ｍｍまたは０．１ｍｍとした。ツールの回転数は、１５００ｒｐｍ、２２５０ｒｐｍ、または３０００ｒｐｍとした。接合部分における断面組織を観察するため、接合操作後に、接合方向に対して垂直に、接合部分を含むようにアルミニウム板を切断した。

（結果）
結果を図７および図８に示す。図７の（ａ）は接合部分の外観を、図７の（ｂ）は接合部分の断面組織をそれぞれ示す。図７の（ａ）は、図６の（ａ）および（ｂ）と同様の構成により示しているため、説明を省略する。図７の（ｂ）において、“Stir zone”は攪拌領域を示す。

図８は、圧入量とアルミニウム板の残存板厚との関係を示すグラフである。グラフの縦軸は攪拌領域における残存板厚（単位：ｍｍ）を、横軸はツールの圧入量（単位：ｍｍ）を示す。グラフ中の点線は、接合操作前のアルミニウム板の板厚である０．５ｍｍを示す。

攪拌領域の広さについて、図７の（ａ）に示すように、球面状ツール２０ａによる接合部分は、圧入量とビード幅とが略比例した。また、実施例１と同様にバリの発生がほとんど見られなかった。

攪拌領域の深さについて、図７の（ｂ）に示すように、圧入量０．０５ｍｍの場合は攪拌領域が裏面まで到達しなかった。一方、圧入量０．１ｍｍの場合は攪拌領域が裏面まで到達していた。また、図８に示すように、圧入量０．１ｍｍであっても、残存板厚は０．４ｍｍ以上を保っていた。このように、板厚０．５ｍｍのアルミニウム板を接合する場合において、攪拌領域が裏面に到達するような圧入量であっても、板厚は十分に残存していた。したがって、球面状ツール２０ａによれば、板厚を十分に残し、かつ、シワおよびヨレの発生を抑えて、板厚０．５ｍｍの薄いアルミニウム板を接合できることが示された。

〔実施例３：引張試験〕
本発明の一実施例について以下に説明する。板厚０．５ｍｍのアルミニウム板を、球面状ツール２０ａを用いて突き合わせ接合し、接合部分の強度（引張強さおよび伸び）を測定した。

（方法）
板厚０．５ｍｍの２枚のアルミニウム板について、球面状ツール２０ａを用いて突き合わせ接合を行った。接合条件は、前進角θは３度、接合速度は１００ｍｍ／ｍｉｎ、接合距離は１００ｍｍ、圧入量は０．１ｍｍとした。ツールの回転数は３０００ｒｐｍとした。

接合後のアルミニウム板接合体から、図９の（ａ）に示すように、引張試験片を採取した。引張試験片は、ＪＩＳＺ ２２０１ １３号試験片の形状に準じ、幅１０ｍｍ、平行部長さ２４ｍｍとした。また、参照用として、接合を行っていないアルミニウム板から、引張試験片と同じ形状の参照用試験片を採取した。なお、図９の（ａ）に示す引張試験片の寸法の単位は、すべてミリメートル（ｍｍ）である。

引張試験片および参照用試験片は、横方向の両端部が引張速度０．５ｍｍ／ｍｉｎにて引張され、引張強さ（単位：Ｎ）および伸び（単位：ｍｍ）を測定した。引張強さは、引張試験中における引張力が最大となった時の引張力を示す。伸びは、上記引張力が最大となった時における引張試験片の横方向の長さから、引張前における引張試験片の横方向の長さを差し引いた長さを示す。結果の値は、５回の試行を行った結果の平均値を示し、エラーバーは標準偏差を示す。

（結果）
図９の（ｂ）は、引張試験片（ＦＳＷ）および参照用試験片（Base metal）の引張強さおよび伸びを示すグラフである。グラフの左縦軸は引張強さ（単位：Ｎ）を示し、右縦軸は伸び（単位：ｍｍ）を示す。“Failure load”は引張強さの結果を示し、“Elongation”は伸びの結果を示す。

引張強さは、引張試験片と参照用試験片とで差はほぼ見られなかった。伸びは、引張試験片において、参照用試験片と比べて若干低下していた。したがって、本発明の一実施形態に係る摩擦攪拌接合方法によって接合された接合部分は、接合に用いたアルミニウム板とほぼ同等の、優れた機械的性質を有することが示された。

１ 摩擦攪拌接合装置
２０ ツール（工具）
２０ａ 球面状ツール（工具）
２０ｂ 平面状ツール（工具）
２１ 回動部
２３ａ、２３ｂ 端面
２４ 側面
２５ 境界部（第２境界）
３０ 裏当て材
５０ 制御装置
Ｃ 境界（第１境界）
Ｆ２ 押圧面
Ｐ ２段重ね部分
Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３ アルミニウム板（金属板）
θ 前進角

Claims (3)

1. 工具の中心軸を回転軸として回動可能な回動部を備える前記工具を用いて、板厚が１ｍｍ以下である複数の金属板を接合する摩擦攪拌接合方法であって、
   前記回動部における先端の端面の全域が、外部に向けて凸となる球面形状であり、
   前記回転軸を鉛直方向に対して所定の角度で傾斜させた状態で、互いに突き合わさった２枚の前記金属板の第１境界を、回動している前記回動部の前記先端で押圧しつつ、前記先端を、前記第１境界に沿って前記回転軸の傾斜方向と反対方向に移動させ、
   接合後の２枚の前記金属板において、接合部分の残存板厚が、前記接合部分以外の部分の板厚と略同一であることを特徴とする、摩擦攪拌接合方法。
2. 前記第１境界における、前記先端によって押圧される押圧面と反対側の面に、窒化ケイ素により形成された裏当て材を当接させることを特徴とする、請求項１に記載の摩擦攪拌接合方法。
3. 前記回動部における側面と前記端面との第２境界は、曲面状に形成されていることを特徴とする、請求項１または２に記載の摩擦攪拌接合方法。

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