JP7445355B1 - 摩擦撹拌用回転部材、接合装置、及び接合方法 - Google Patents

Abstract

本発明の課題は、摩擦撹拌接合に関して、接合欠陥の発生を抑えつつ高強度な接合を可能とする摩擦撹拌用回転部材を提供すること。被接合部材の摩擦撹拌接合を行う接合装置に設けられる摩擦撹拌用回転部材であって、摩擦撹拌用回転部材は、接合装置が備える駆動機構から出力される回転により回転するように駆動機構の出力軸に設けられた状態において、出力軸と、摩擦撹拌時に被接合部材に挿入されるピン部との間に、出力軸に対するピン部の振動を可能とする遊びを生じさせ、遊びにより、摩擦撹拌時にピン部の振動が、出力軸の振動よりも大きい振幅及び／又は周波数を有するように構成された、摩擦撹拌用回転部材。

Description

本発明は、摩擦撹拌接合（ＦＳＷ，Friction Stir Welding）に係る摩擦撹拌用回転部材、接合装置、及び接合方法に関する。

特許文献１では、撹拌ピンは、本体部からの回転力を受けて回転可能に且つ回転軸の軸線方向に対して移動可能に本体部に配設される。さらに、回転軸の軸線方向に対して撹拌ピンを先端側へ向けて付勢する第一弾性部材（例えばコイルバネ）が設けられる。また、ショルダは、本体部からの回転力を受けず回転軸の軸線方向に撹拌ピンとは個別に移動可能に本体部に配設される。さらに、回転軸の軸線方向に対してショルダを先端側へ向けて付勢する第二弾性部材が設けられる。被接合部材に対して一定の高さで撹拌ピンを押し込んでいる状況下で被接合部材の高さが変化しても、被接合部材の変化に合わせて第一弾性部材が変形するので、撹拌ピンの挿入量が一定に保たれる（［００４１］）。第一弾性部材の作用によって、撹拌ピンが被接合部材に対して一定の深さで挿入されるので、塑性化領域が一定の深さで形成される（［００７１］）。このように、特許文献１の技術では、第一弾性部材が、撹拌ピンを被接合部材へ向けて付勢し、撹拌ピンを被接合部材に対して一定の深さで挿入する。

特許文献２では、撹拌ピンとショルダとがアセンブリを構成する。アセンブリは、相対回転可能であるとともに一体的に回転軸の軸線方向に対して移動可能である。さらに、回転軸の軸線方向に対して、アセンブリを撹拌ピンの先端側に向けて付勢する第一弾性部材（例えばコイルばね）が設けられる。特許文献２の技術においても、第一弾性部材によって、撹拌ピンの挿入量が一定に保たれ、塑性化領域が一定の深さで形成される（［００３３］、［００５２］）。

特許文献３では、回転ツールは、本体部と、撹拌部材とを有している。本体部は、接合装置に取り付けられて固定される固定部と、接合装置からの回転力を伝達する回転軸とを有する。撹拌部材は、撹拌ピンを有し、回転軸からの回転力を受けて回転可能に設けられるとともに、回転軸の軸線方向に対して移動可能に本体部に設けられる。さらに、回転軸の軸線方向に撹拌部材を先端側へ向けて付勢する弾性部材（コイルばね）が設けられる。特許文献３の技術においても、弾性部材によって、撹拌ピンの挿入量が一定に保たれ、塑性化領域が一定の深さで形成される（［００３５］、［００５１］）。

特許文献１～３のいずれにおいても、撹拌ピンは、弾性部材（コイルばね）によって、被接合部材に向けて付勢され、被接合部材に対して押圧され、撹拌ピンの挿入量が一定に保たれ、塑性化領域が一定の深さで形成される。

特開２０２３－０６９３７０号公報 特開２０２３－０６９３７１号公報 特開２０２３－０６９３７２号公報

摩擦撹拌接合に関して、接合欠陥の発生を抑えつつ高強度な接合を可能とする摩擦撹拌用回転部材、接合装置、及び接合方法が提供されることが望まれている。

本発明は、摩擦撹拌接合に関して、接合欠陥の発生を抑えつつ高強度な接合を可能とする摩擦撹拌用回転部材、接合装置、及び接合方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、上述の課題に鑑みて鋭意検討を行い、以下の知見を得た。

従来、摩擦撹拌接合においては、撹拌ピンを如何に安定した状態で摩擦撹拌を行うか、という設計思想で撹拌ピンの支持構造が設計されていた。そのために、撹拌ピンを如何に被接合部材に向けて付勢して安定的に被接合部材を押し当てて挿入するか、というように、強制的に外的な力を加えることも行われてきた。特許文献１～３においても、弾性部材は、撹拌ピンの挿入量を一定に保ち、塑性化領域を一定の深さで形成するために設けられている。特許文献１～３は、従来の設計思想の範囲に属するものである。

これに対して、本発明者らは、従来の設計思想から発想を転換し、被接合部材に挿入されるピン部を、敢えて、塑性流動する被接合部材との接触によって受動的に、ベース振動よりも大きな振幅及び／又は周波数で振動させることにより、接合欠陥の発生を抑えつつ高強度な接合を行うことができることを見出し、本発明を完成させた。この知見は、上述した従来の摩擦撹拌接合と全く異なる。よって、たとえ当業者であっても、従来の摩擦撹拌接合技術から、この知見に容易に想到するはずがない。本発明においては、以下の構成が採用され得る。

（１） 被接合部材の摩擦撹拌接合を行う接合装置に設けられる摩擦撹拌用回転部材であって、
前記摩擦撹拌用回転部材は、
前記接合装置が備える駆動機構から出力される回転により回転するように前記駆動機構の出力軸に設けられた状態において、前記出力軸と、摩擦撹拌時に前記被接合部材に挿入されるピン部との間に、前記出力軸に対する前記ピン部の振動を可能とする遊びを生じさせ、前記遊びにより、摩擦撹拌時に前記ピン部の振動が、前記出力軸の振動よりも大きい振幅及び／又は周波数を有するように構成されている。

（１）の摩擦撹拌用回転部材は、出力軸とピン部との間に、出力軸に対する前記ピン部の振動を可能とする遊びを有する。摩擦撹拌用回転部材は、遊びにより、摩擦撹拌時にピン部の振動が、出力軸の振動よりも大きい振幅及び／又は周波数を有するように構成されている。駆動機構の出力軸は、摩擦撹拌時に駆動機構からの回転の伝達に伴って振動する。この振動を、ベース振動とも称する。ベース振動は、摩擦撹拌時に不可避的に生じる振動である。摩擦撹拌時において、ピン部の振動は、ベース振動よりも大きい振幅及び／又は周波数を有する。摩擦撹拌時に、ピン部は、遊びの範囲内において、塑性流動する被接合部材に抗うよりも、塑性流動する被接合部材を受け流すように動きながら、回転する。その動きによって、ピン部の振動が生じる。即ち、ピン部の振動は、遊びによって生じる。ピン部の振動は、駆動機構以外の駆動源からの出力によって生じる振動ではない。ピン部の振動は、被接合部材の塑性流動を妨げ難い。さらに、ピン部の振動は、被接合部材の塑性流動と同期することが可能である。これにより、ピン部の振動は、被接合部材の塑性流動を増幅できる。このピン部の振動は、よって、接合欠陥の発生を抑えつつ高強度な接合を行うことができる。加えて、摩擦撹拌用回転部材及び出力軸のチルト角（先進角）は、０度であってもよい。チルト角が０度であっても、良好な摩擦撹拌接合を実現可能である。上述のピン部の振動は、遊びによって実現可能であるため、複雑な主軸機構は不要である。過度な摩擦熱の発生が抑制され得る。ピン部に加わる過度な摩擦の発生が抑制され得る。ピン部が振動することにより、駆動機構からピン部への動力伝達経路における遊びの下流側から上流側への振動の伝達が抑制され得る。出力軸へ加わる負荷が低減され得る。

遊びは、摩擦撹拌用回転部材自体が、摩擦撹拌用回転部材内に有していてもよい。摩擦撹拌用回転部材は、摩擦撹拌用回転部材が出力軸に取り付けられることにより、摩擦撹拌用回転部材と出力軸との間に遊びが生じるように構成されていてもよい。摩擦撹拌用回転部材は、ピン部を有しておらず、摩擦撹拌用回転部材にピン部が取り付けられることにより、摩擦撹拌用回転部材とピン部との間に遊びが生じるように構成されていてもよい。接合装置は、摩擦撹拌接合の専用装置に限らず、例えば、マシニングセンタ、ロボット、フライス機、複合加工機、汎用機、ユーザが手に持って摩擦撹拌接合を行うことが可能なサイズを有する可搬型装置などであってもよく、特に限定されない。接合装置又はその付属機構などの制御条件（位置、荷重、主軸負荷、熱、押圧など）も、特に限定されない。接合条件（送り速度、回転速度、接合温度、前進角度）も、特に限定されない。被接合部材の材質は特に限定されない。被接合部材は同種材料であっても異種材料であってもよい。遊びは、後述の実施形態では、キー（嵌合キー又は固定キー）により設けられているが、この例に限定されない。遊びを設けるための構造は、特に限定されず、従来公知の構造を採用可能である。遊びを設けるための部材としては、キー以外に、ボルト、ピン、球状体などの部材を採用可能である。また、摩擦撹拌用回転部材自体の形状により、遊び自体が設けられてもよい。摩擦撹拌用回転部材が複数（例えば２つ）の部材に分割され、隣り合う部材間の嵌め合いにより、遊びが形成されてもよい。振動の振幅及び周波数は、特に限定されず、遊びの量や、駆動機構からピン部への動力伝達経路における遊びの下流側の部材の重さを変更することにより、調整可能である。例えば、ウェイトの設置などにより、重さの変更は可能である。接合装置において、駆動機構は、回転機を備える。回転機は、例えば、回転電機であってもよく、内燃機関であってもよい。駆動機構は、回転機から出力される回転の速度を変更して出力する変速機を備えてもよい。変速機は、減速機であってもよく、増速機であってもよい。駆動機構が変速機を備える場合、変速機の出力軸が、駆動機構の出力軸に相当する。駆動機構が変速機を備えない場合、回転機の出力軸が、駆動機構の出力軸に相当する。一実施形態において、駆動機構内のバックラッシュもマージンも、遊びに該当しない。一実施形態において、遊びは、駆動機構からピン部への動力伝達経路における駆動機構の出力軸の上流側縁よりも下流に設けられる。

（２） （１）の摩擦撹拌用回転部材であって、
前記摩擦撹拌用回転部材は、
前記出力軸に設けられる回転軸部と、
前記回転軸部から伝達される回転により回転するように構成され、前記回転軸部よりも先端側に位置する先端部とを備え、
前記先端部は、
前記ピン部と、前記ピン部の基端側に設けられた基端側部を有するか、又は
前記ピン部を有さないが、前記ピン部が着脱可能に取り付けられるように構成された基端側部を有し、
前記遊びは、前記回転軸部と前記先端部との間に、前記回転軸部に対する前記ピン部の振動を可能とするように設けられ、
前記摩擦撹拌用回転部材は、
前記遊びにより、摩擦撹拌時に前記ピン部の振動が、前記回転軸部の振動よりも大きい振幅及び／又は周波数を有するように構成されている。

（２）の摩擦撹拌用回転部材は、回転軸部と先端部との間に遊びを有する。この遊びにより、摩擦撹拌時にピン部の振動は、出力軸の振動よりも大きい振幅及び／又は周波数を有する。この振動は、駆動機構以外の駆動源からの出力によって生じる振動ではない。この振動は、被接合部材の塑性流動を妨げ難い。さらに、この振動は、被接合部材の塑性流動を増幅できる。よって、接合欠陥の発生を抑えつつ高強度な接合を行うことができる。

ピン部と基端側部とが一体的に構成されている場合、ピン部は、被接合部材内に入る部分であり、基端側部は、ピン部の基端側に設けられる部分であるとして、ピン部と、基端側部とは区別され得る。一方、例えば、ピン部が基端側部に対して着脱可能であるというように、ピン部と基端側部とが分離可能である場合、ピン部と基端側部とは物理的に区別され得る。例えば、ピン部が、ツールに相当し、基端側部が、コレットに相当する。先端部が、ピン部を有さない場合、先端部は、ピン部が着脱可能に取り付けられるように構成された基端側部自体であってもよい。

（３） （２）の摩擦撹拌用回転部材であって、
前記先端部は、前記ピン部の基端側において、前記被接合部材の表面と接する高さに表面接触部を有し、
前記表面接触部よりも先端寄りで前記表面接触部と隣接する前記ピン部の直径に対する前記表面接触部の直径の比率は、１．８以下であり、これにより、前記先端部は、前記比率を満たす程度に幅の小さいショルダを有するか、又はショルダを有さないように構成される。

遊びによってピン部に生じる振動は、上述の通り、被接合部材の塑性流動を妨げ難く、被接合部材の塑性流動を増幅できる。（３）の摩擦撹拌用回転部材は、幅の小さいショルダを有するか又はショルダを有さないので、塑性流動する被接合部材を覆うように被接合部材の表面と接触するショルダの面積が減少する。ショルダによって塑性流動が妨げられる事態が生じ難くなる。その結果、塑性流動を妨げ難く且つ増幅できるというピン部の振動による効果を、より効果的に得ることが可能となる。さらに、回転するショルダの幅が小さいか、又は回転するショルダを有さない場合、回転するショルダによる被接合部材への加熱量が低下するが、ピン部の振動の効果によって、効果的な塑性流動が実現可能となる。結果的に、より低い温度で摩擦撹拌接合を行うことが可能となる。低温での摩擦撹拌接合は、被接合部材への温度の影響を抑えることができる。そのため、熱による変形や応力の発生を抑制でき、従来の摩擦撹拌接合後の被接合部材と比べて、被接合部材の機械的性質などが向上する可能性がある。さらに、摩擦撹拌接合の低温化によって、エネルギ消費を抑制できる。高温での接合が困難な材料を被接合部材として適用可能となる可能性もある。

上記比率は、特に限定されないが、上記（３）において、１．８以下である。さらに、上記比率は、１．５以下であることがより好ましく、１．３以下であることがさらに好ましく、１．１以下であることが特に好ましい。ショルダによって塑性流動が妨げられる事態の発生を抑制できるからである。上記比率が１．０である場合、摩擦撹拌用回転部材は、ショルダを有さない。ショルダを有さない態様も、摩擦撹拌用回転部材の好ましい実施態様の一つである。上記比率は、例えば、２、０未満であってもよい。従来の摩擦撹拌接合における上記比率は、例えば、２以上である。なお、上記比率は、２以上であってもよい。ピン部とともにショルダも振動することにより、塑性流動を妨げ難く且つ増幅できるという効果を得ることができる。なお、ショルダは、ピン部とともに回転しないように構成されてもよい。ショルダがピン部とともに回転しない態様で実施される摩擦撹拌接合は、Stationary Shoulder Friction Stir Welding（ＳＳＦＳＷ）と称される。ＳＳＦＳＷは、塑性流動部（ジョイント）への低い熱入力を可能とし、これにより、塑性流動部の機械的特性、微細構造および表面仕上げを向上させることが可能である。上述のように、ショルダの幅が小さいか、又はショルダを有さない態様は、より低い温度での摩擦撹拌接合を行うことを可能とするので、ＳＳＦＳＷに好適に適用され得る。即ち、摩擦撹拌用回転部材がショルダを有する場合、ショルダは、ピン部とともに回転するように構成されてもよく、ピン部とともに回転しないように構成されてもよい。摩擦撹拌用回転部材とは別体として、ピン部とともに回転しないショルダが、摩擦撹拌用回転部材又は接合装置に設置されてもよい。ピン部とともに回転しないショルダは、全く回転しない態様で摩擦撹拌用回転部材又は接合装置に固定されていてもよく、ピン部とは別体で回転可能に構成されていてもよい。

（４） （１）～（３）のいずれか１の摩擦撹拌用回転部材であって、
前記摩擦撹拌用回転部材は、
前記ピン部の振動が、前記遊びの範囲内において、塑性流動する前記被接合部材との接触によって受動的に生じるように構成されている。

（４）の摩擦撹拌用回転部材において、ピン部は、遊びの範囲内において、塑性流動する被接合部材との接触によって受動的に振動する。摩擦撹拌時に、ピン部は、遊びの範囲内において、塑性流動する被接合部材に抗うよりも受け流すように動きながら回転する。この動きによって、ピン部に、受動的に振動が生じる。そのため、ピン部の振動は、被接合部材の塑性流動を妨げ難い。さらに、この振動は、被接合部材の塑性流動を増幅できる。よって、接合欠陥の発生を抑えつつ高強度な接合を行うことができる。

（５） （１）～（４）のいずれか１の摩擦撹拌用回転部材であって、
前記摩擦撹拌用回転部材は、
前記ピン部の振動が、前記遊びにより、前記ピン部の軸線方向、周方向及び径方向の少なくとも一方に生じるように構成されている。

（５）の摩擦撹拌用回転部材は、少なくともいずれか一方へのピン部の振動により、接合欠陥の発生を抑えつつ高強度な接合を行うことができる。

出力軸とピン部との間において、軸線方向に遊びが設けられている場合、ピン部は、軸線方向に振動可能である。周方向に遊びが設けられている場合、ピン部は、周方向に振動可能である。径方向に遊びが設けられている場合、ピン部は、径方向に振動可能である。遊びは、ピン部の軸線方向、周方向及び径方向の少なくとも一方向に設けられる。出力軸とピン部との間には、例えば、以下の遊びが設けられることができる。
（Ａ） 軸線方向のみの遊び、
（Ｂ） 周方向のみの遊び、
（Ｃ） 径方向のみの遊び、
（Ｄ） 軸線方向の遊びと、周方向の遊びとの組合せ、
（Ｅ） 軸線方向の遊びと、径方向の遊びとの組合せ、
（Ｆ） 周方向の遊びと、径方向の遊びとの組合せ、又は、
（Ｇ） 周方向の遊びと、周方向の遊びと、径方向の遊びとの組合せ。
上記（Ａ）の場合、ピン部は、少なくとも軸線方向に振動可能である。
上記（Ｂ）の場合、ピン部は、少なくとも周方向に振動可能である。
上記（Ｃ）の場合、ピン部は、少なくとも径方向に振動可能である。
上記（Ｄ）の場合、ピン部は、少なくとも軸線方向及び周方向に振動可能である。
上記（Ｅ）の場合、ピン部は、少なくとも軸線方向及び径方向に振動可能である。
上記（Ｆ）の場合、ピン部は、少なくとも周方向及び径方向に振動可能である。
上記（Ｇ）の場合、ピン部は、軸線方向、周方向及び径方向に振動可能である。
なお、本段落は、出力軸とピン部との間に設けられる遊びについての説明であるが、遊びが、回転軸部と先端部との間に設けられる場合、本段落における「出力軸」を「回転軸部」に置き換えて読むことが可能である。いずれか一方向における遊びの量は、特に限定されず、接合装置の大きさなどによって異なるが、例えば、０．０００１ｍｍ～１ｍｍであることが好ましく、０．００１ｍｍ～０．８ｍｍであることがより好ましく、０．０１ｍｍ～０．５ｍｍであることがさらに好ましい。なお、軸線方向は、必ずしも、上下方向に限定されず、被接合部材とピン部との配置によって定められることが可能である。

（６） （１）～（５）のいずれか１の摩擦撹拌用回転部材であって、
前記摩擦撹拌用回転部材は、
前記ピン部が、前記遊びの範囲内において、前記出力軸に対して、フリー又は実質的にフリーになるように構成されている。

（６）の摩擦撹拌用回転部材において、ピン部は、遊びの範囲内において、フリー又は実質的にフリーであるため、ピン部の振動は、塑性流動する被接合部材との接触によって受動的に生じ、且つベース振動よりも大きい振幅及び／又は周波数を有する。この振動は、被接合部材の塑性流動を妨げ難い。さらに、この振動は、被接合部材の塑性流動を増幅できる。この振動によって、接合欠陥の発生を抑えつつ高強度な接合を行うことができる。

フリーとは、物理的乃至機械的な拘束を受けていない状態をいう。また、実質的にフリーとは、摩擦撹拌時における前記ピン部の振動の振幅及び／又は周波数が前記出力軸の振動よりも大きくなる程度にフリーであり、その範囲であれば、出力軸に対する先端部の拘束が許容されるこという。当該拘束とは、例えば、出力軸とピン部との間において隣り合う部材間の摩擦や、後述する弾性体や液体などに起因する外的応力である。

（７） （１）～（６）のいずれか１の摩擦撹拌用回転部材であって、
前記遊びは、
空隙又は実質的に空隙である。

（７）の摩擦撹拌用回転部材において、遊びは、空隙又は実質的に空隙であるため、ピン部の振動は、塑性流動する被接合部材との接触によって受動的に生じ、且つベース振動よりも大きい振幅及び／又は周波数を有する。この振動は、被接合部材の塑性流動を妨げ難い。さらに、この振動は、被接合部材の塑性流動を増幅できる。この振動によって、接合欠陥の発生を抑えつつ高強度な接合を行うことができる。

空隙は、出力軸とピン部との間の空間である。実質的に空隙にある、とは、摩擦撹拌時における前記ピン部の振動の振幅及び／又は周波数を、前記出力軸の振動よりも大きくすることができる程度において、内部に液体又は弾性体を有していてもよいことを意味する。

（８） 被接合部材の摩擦撹拌接合を行う接合装置であって、
前記接合装置は、
出力軸を備え、前記出力軸を回転させるように構成された駆動機構と、
前記駆動機構から伝達される回転により回転するように構成され、摩擦撹拌時の前記被接合部材に挿入されるピン部と
を備え、
前記ピン部は、
前記出力軸と前記ピン部との間に、前記出力軸に対する前記ピン部の振動を可能とするよに設けられた遊びを有し、前記遊びにより、摩擦撹拌時に前記ピン部の振動が、前記出力軸の振動よりも大きい振幅及び／又は周波数を有するように構成されている。

（８）の接合装置は、出力軸とピン部との間に、出力軸に対するピン部の振動を可能とする遊びを有する。接合装置は、遊びにより、摩擦撹拌時にピン部の振動が、出力軸の振動よりも大きい振幅及び／又は周波数を有するように構成されている。出力軸は、摩擦撹拌時に駆動機構からの回転の伝達に伴って振動する。この振動も、上述のベース振動と同様である。摩擦撹拌時において、ピン部の振動は、ベース振動よりも大きい振幅及び／又は周波数を有する。この振動は、遊びによって生じる。この振動は、駆動機構以外の駆動源からの出力によって生じる振動ではない。この振動は、被接合部材の塑性流動を妨げ難い。さらに、この振動は、被接合部材の塑性流動を増幅できる。よって、接合欠陥の発生を抑えつつ高強度な接合を行うことができる。

（９） 駆動機構から出力される回転によりピン部を回転させ、前記ピン部が被接合部材に挿入されることにより、前記被接合部材の摩擦撹拌接合を行う接合方法であって、
摩擦撹拌時に、前記駆動機構の回転により前記駆動機構から前記ピン部に伝達されるベース振動よりも振幅及び／又は周波数が大きい振動を、塑性流動する前記被接合部材との接触によって受動的に前記ピン部に生じさせた状態で、前記被接合部材に対する摩擦撹拌を行う。

（９）の接合方法によれば、ピン部の振動は、塑性流動する被接合部材との接触によって受動的に生じ、且つベース振動よりも大きい振動及び／又は周波数を有する。この振動は、被接合部材の塑性流動を妨げ難い。さらに、この振動は、被接合部材の塑性流動を増幅できる。この振動によって、接合欠陥の発生を抑えつつ高強度な接合を行うことができる。

（１０） 駆動機構から出力される回転によりピン部を回転させつつ、前記ピン部が被接合部材に挿入されることにより、前記被接合部材の摩擦撹拌接合を行う接合方法であって、
塑性流動する前記被接合部材との接触によって受動的に生じる前記ピン部の回転変動に同期又は追従して前記駆動機構の出力が変化するように、前記駆動機構のフィードバック制御を行いながら、前記被接合部材に対する摩擦撹拌を行う。

（１０）の接合方法によれば、ピン部の振動によって被接合部材の塑性流動が妨げられることを抑制乃至防止するようにピン部の振動が駆動機構によって制御される。これにより、よりフリーな塑性流動が実現可能である。よって、接合欠陥の発生を抑えつつ高強度な接合を行うことができる。

本発明によれば、接合欠陥の発生を抑えつつ高強度な接合を可能とする摩擦撹拌用回転部材、接合装置、及び接合方法を提供できる。

図１（ａ）は、一実施形態に係る摩擦撹拌用回転部材を概略的に示す断面図であり、図１（ｂ）は、そのＡ－Ａ線断面図である。 図２（ａ）は、図１（ａ）に示す摩擦撹拌用回転部材のピン部及びその近傍を概略的に示す断面図であり、図２（ｂ）は、比較例に係る回転ツールのピン部及びその近傍を概略的に示す断面図である。 図３（ａ）～（ｔ）は、それぞれ、変形例に係る摩擦撹拌用回転部材を概略的に断面図である。

図１（ａ）は、一実施形態に係る摩擦撹拌用回転部材１を概略的に示す断面図である。図１（ｂ）は、そのＡ－Ａ線断面図である。図中、Ｈ、Ｃ、Ｔは、それぞれ、ホルダ、コレット、ツールを示す。ＡＤ、ＣＤ、ＲＤは、それぞれ、軸線方向、周方向、径方向を示す。他の図面では、これらの符号が省略される場合があるが、本図と同様に解釈される。また、各図では、摩擦撹拌用回転部材１において、互いに隣り合う部材同士に同じハッチングが施されている場合、それは、当該部材同士が互いに固定されている関係を有することを示す。一方、互いに異なる部材同士に異なるハッチングが施されている場合、それは、当該部材同士が互いに固定されていない関係を有することを示す。また、各図では、同じ構成には、同じ符号が付されている。

摩擦撹拌用回転部材１は、接合装置３に設けられる。接合装置３は、被接合部材２の摩擦撹拌接合を行う装置である。接合装置３は、駆動機構４を有する。摩擦撹拌用回転部材１は、駆動機構４の出力軸５に着脱可能に取り付けられる。摩擦撹拌用回転部材１は、出力軸５と相対変位しないように出力軸５と共に回転する。

摩擦撹拌用回転部材１は、金属製の回転軸部１０と、金属製の先端部２０とを備える。回転軸部１０は、ホルダＨに相当する。回転軸部１０は、軸線方向ＡＤに延びる略円柱形状を有する。回転軸部１０は、回転軸部１０の上面側において、出力軸５に固定される。回転軸部１０は、回転軸部１０の下面に、先端部２０を受け入れるための有底孔を有する。有底孔は、下に向かって開口している。有底孔内には、先端部２０が設けられている。

先端部２０は、ピン部２１と、ピン部２１の基端側に設けられた基端側部２２とを有する。ピン部２１は、ツールＴに相当する。基端側部２２は、コレットＣに相当する。基端側部２２は、軸線方向ＡＤに延びる略円柱形状を有する。基端側部２２は、基端側部２２の下面に、ピン部２１を受け入れるための有底孔を有する。有底孔は、下に向かって開口している。有底孔内には、ピン部２１が設けられている。ピン部２１は、基端側部２２と相対変位しないように、基端側部２２に固定されている。ピン部２１の先端は、摩擦撹拌時に、図１（ａ）に示すように、被接合部材２に挿入される。図中、ＰＦは、摩擦撹拌時における被接合部材２の塑性流動部を概略的に示している。

先端部２０の外周面には、図１（ｂ）に示すように、周方向ＣＤに間隔を空けて、複数の溝２５が形成されている。溝２５は、図１（ａ）に示すように、軸線方向ＡＤに延在するように形成されている。各溝２５には、棒状の金属製の嵌合キー３０が設けられている。嵌合キー３０の径方向ＲＤの内側部分は、溝２５に入り込んでいる。嵌合キー３０の径方向ＲＤの外側部分は、溝２５の径方向ＲＤの外側に露出している。回転軸部１０の内周面には、各嵌合キー３０の露出した部分と対応する位置に、溝１５が形成されている。溝１５の周方向ＣＤの長さは、嵌合キー３０の周方向ＣＤの長さよりも大きい。そのため、溝１５内には、周方向ＣＤの遊びＣＰが生じている。遊びＣＰは、回転軸部１０と先端部２０との間に設けられている。回転軸部１０は、出力軸５に固定されており、先端部２０は、ピン部２１を含む。よって、遊びＣＰは、出力軸５とピン部２１との間に設けられている。遊びＣＰは、空隙又は実質的に空隙である。ピン部２１は、遊びＣＰの範囲内において、出力軸５に対して、フリー又は実質的にフリーである。先端部２０は、図１（ｂ）に示すように、遊びＣＰによって、摩擦撹拌時、回転軸部１０に対して周方向ＣＤに振動ＣＶが生じるように構成されている。

さらに、摩擦撹拌用回転部材１は、回転軸部１０と先端部２０との間に、軸線方向ＡＤの遊びＡＰを有する。言い換えれば、遊びＡＰは、出力軸５とピン部２１との間に設けられている。遊びＡＰは、空隙又は実質的に空隙である。ピン部２１は、遊びＡＰの範囲内において、出力軸５に対して、フリー又は実質的にフリーである。ピン部２１は、図１（ａ）に示すように、遊びＡＰによって、摩擦撹拌時、出力軸５に対して軸線方向ＡＤに振動ＡＶが生じるように構成されている。

図２（ａ）は、図１（ａ）に示す摩擦撹拌用回転部材１のピン部２１及びその近傍を概略的に示す断面図である。

ピン部２１の振動ＡＶ、ＣＶは、出力軸５（図１（ａ）参照）よりも大きい振幅及び／又は周波数を有する。図２（ａ）の二点鎖線は、塑性流動部ＰＦ内において振動ＡＶ、ＣＶが生じている時のピン部２１を示している。

領域Ｑは、被接合部材２内においてピン部２１の振動ＡＶ、ＣＶが及ぶ領域である。即ち、領域Ｑでは、ピン部２１の回転によって、被接合部材２の塑性流動が生じている。そして、ピン部２１は、遊びＡＰ、ＣＰの範囲内において、塑性流動する被接合部材２との接触する。ピン部２１は、遊びＡＰ、ＣＰの範囲内においてフリー又は実質的にフリーである。そのため、ピン部２１には、受動的な振動ＡＶ、ＣＶが生じる。ピン部２１の振動ＡＶ、ＣＶは、受動的であるため、被接合部材２の塑性流動を妨げ難いだけではなく、塑性流動と同期し、増幅させることが可能である。

ピン部２１は、被接合部材２の表面と接する高さに、表面接触部２４を有する。表面接触部２４の直下に位置するピン部２１（表面接触部２４よりも先端寄りで表面接触部２４と隣接するピン部２１）の直径ＰＤに対する表面接触部２４の直径ＳＤの比率（直径ＳＤ／直径ＰＤ）は、１．８以下である。これにより、ピン部２１は、比率（直径ＳＤ／直径ＰＤ）≦１．８を満たす程度に幅の小さいショルダ２３を有する。

領域Ｐは、被接合部材２の表面近傍の領域である。ピン部２１は、幅の小さいショルダ２３を有するので、ショルダ２３によって塑性流動が妨げられる事態が生じ難くなる。ピン部２１の振動ＡＶ，ＣＶによる効果（塑性流動を妨げ難く且つ増幅できる効果）を、より効果的に得ることができる。ショルダ２３の幅が小さいので、摩擦撹拌時に生じさせる発熱量が低下するが、ピン部２１の振動ＡＶ、ＣＶの効果によって、効果的な塑性流動が実現可能である。結果的に、より低い温度での摩擦撹拌接合を行うことが可能となる。即ち、ショルダ２３の幅が小さいので、ショルダ２３によって塑性流動がより妨げられ難く、領域Ｐでは、より増幅された塑性流動が実現可能である。

図２（ｂ）は、比較例（従来技術）に係る回転ツール１´のピン部及びその近傍を概略的に示す断面図である。特許文献１～３に開示された技術は、この比較例（従来技術）に該当する。

回転ツール１´は、摩擦撹拌時に、弾性部材（図示せず）によって、下方に付勢されている。図中、Ｆは、付勢力を示している。付勢力Ｆによって回転ツール１´が被接合部材２´に押し当てられることにより、塑性流動部ＰＦ´内において、被接合部材２´への回転ツール１´の挿入量は一定に保たれる。ピン部２１´には、図２（ａ）に示すような振動ＡＶ、ＣＶは生じない。領域Ｑ´は、図２（ａ）の領域Ｑに相当する。領域Ｑ´では、ピン部２１´の周囲で被接合部材２´が塑性流動するにも関わらず、付勢力Ｆによって下方に付勢され、ピン部２１´は、その位置にとどまる。結果的に、静止するピン部２１´によって、被接合部材２の塑性流動が妨げられることがある。また、静止するピン部２１´によっては、被接合部材２の塑性流動の増幅効果は得られない。

回転ツール１´では、比率（直径ＳＤ´／ＰＤ´）は、２以上である。ピン部２１´は、幅の大きいショルダ２３´を有する。加えて、ショルダ２３´は、付勢力Ｆによって下方に付勢され、被接合部材２´に押し当てられている。そのため、領域Ｐ´では、ショルダ２３´によって塑性流動が妨げられてしまう。さらに、ショルダ２３´の幅が大きいので、摩擦撹拌時に得られる発熱量が大きく、低温での摩擦撹拌接合を行うことは困難である。

図３（ａ）～（ｔ）は、それぞれ、変形例に係る摩擦撹拌用回転部材１を概略的に断面図である。図３（ａ）、（ｓ）、（ｔ）に付したＨ、Ｃ、Ｔは、それぞれ、ホルダ、コレット、ツールを示す。便宜上、図３（ｂ）～（ｒ）では、Ｈ、Ｃ、Ｔの表記が省略されているが、図３（ａ）、（ｓ）、（ｔ）と同様である。

［図３（ａ）］
図３（ａ）に示す摩擦撹拌用回転部材１は、全体として、ツールＴに相当し、回転軸部１０が、ツールＴの一部に相当し、先端部２０が、ツールＴの一部に相当する。
先端部２０は、一体的に構成された基端側部２２とピン部２１とを有する。先端部２０は、回転軸部１０の下面に設けられた有底孔に挿入されることにより、回転軸部１０に取り付けられる。回転軸部１０の下面は、ショルダ２３を構成している。回転軸部１０と先端部２０との間には、図１（ａ）及び図１（ｂ）に示すように、嵌合キー３０が設けられている。これにより、摩擦撹拌用回転部材１は、回転軸部１０と先端部２０との間には、遊びＡＰ、ＣＰを有する。摩擦撹拌用回転部材１は、コレットＣに取り付けられる。出力軸５には、ホルダＨ及びコレットＣが固定的に設けられているので、摩擦撹拌用回転部材１は、ホルダＨ及びコレットＣを介して、出力軸５に設けられている。

［図３（ｂ）］
図３（ｂ）に示す摩擦撹拌用回転部材１は、コレットＣ及びツールＴに相当し、回転軸部１０は、コレットＣとツールＴの一部とに相当し、先端部２０は、ツールＴの一部に相当する。摩擦撹拌用回転部材１は、ホルダＨを介して、出力軸５に設けられている。この点を除いて、図３（ｂ）の態様は、図３（ａ）と同じである。

［図３（ｃ）］
図３（ｃ）に示す摩擦撹拌用回転部材１は、ホルダＨ、コレットＣ及びツールＴに相当し、回転軸部１０は、ホルダＨとコレットＣとツールＴの一部とに相当し、先端部２０は、ツールＴの一部に相当する。摩擦撹拌用回転部材１は、出力軸５に設けられている。この点を除いて、図３（ｃ）の態様は、図３（ａ）及び図３（ｂ）と同じである。

［図３（ｄ）］
図３（ｄ）に示す摩擦撹拌用回転部材１は、回転軸部１０と、中間体４０と、先端部２０とを有する。摩擦撹拌用回転部材１は、コレットＣ及びツールＴに相当する。回転軸部１０は、コレットＣに相当する。中間体４０は、ツールＴの一部に相当する。先端部２０は、ツールＴの一部に相当する。先端部２０は、略円柱形状の中間体４０の下面に設けられた有底孔に挿入されることにより、中間体４０に取り付けられる。中間体４０の下面は、ショルダ２３を構成している。中間体４０と先端部２０との間には、嵌合キー３０が設けられている。但し、図３（ｄ）に示す例では、嵌合キー３０により、遊びＣＰが設けられているが、遊びＡＰは設けられていない。先端部２０は、中間体４０に対して周方向ＣＤ（図１参照）に振動可能である。中間体４０は、回転軸部１０の下面に設けられた有底孔に挿入されることにより、回転軸部１０に取り付けられる。これにより、回転軸部１０と中間体４０との間には、遊びＡＰが設けられている。中間体４０は、回転軸部１０に対して軸線方向ＡＤ（図１参照）に振動可能である。このように、回転軸部１０と先端部２０との間に設けられる遊びＡＰ、ＣＰは、必ずしも、回転軸部１０と先端部２０とによって構成される必要はない。回転軸部１０と先端部２０との間に、回転軸部１０及び先端部２０の各々と個別に相対変位可能な中間体４０が介在していてもよい。このように、摩擦撹拌用回転部材１は、全体として、回転軸部１０と先端部２０との間に、遊びＡＰ、ＣＰを有している。

［図３（ｅ）］
図３（ｅ）に示す摩擦撹拌用回転部材１は、図３（ｄ）と同様に、回転軸部１０と、中間体４０と、先端部２０とを有する。摩擦撹拌用回転部材１は、ホルダＨ、コレットＣ及びツールＴに相当する。回転軸部１０は、ホルダＨに相当する。中間体４０は、コレットＣ及びツールＴの一部に相当する。先端部２０は、ツールＴの一部に相当する。図３（ｅ）の態様では、遊びＡＰの位置が、図３（ｄ）と異なっている。

［図３（ｆ）］
図３（ｆ）の態様では、摩擦撹拌用回転部材１は、ホルダＨ、コレットＣ及びツールＴに相当する。回転軸部１０は、ホルダＨに相当する。中間体４０は、コレットＣに相当する。先端部２０は、ツールＴに相当する。中間体４０と先端部２０との間に、嵌合キー３０が設けられ、これにより、遊びＣＰは、中間体４０と先端部２０との間に設けられている。遊びＡＰは、回転軸部１０と中間体４０との間に設けられている。

［図３（ｇ）］
図３（ｇ）の態様では、図３（ｆ）と異なり、回転軸部１０と中間体４０との間に、嵌合キー３０が設けられ、これにより、遊びＣＰは、回転軸部１０と中間体４０との間に設けられている。遊びＡＰは、中間体４０と先端部２０との間に設けられている。

［図３（ｈ）］
図３（ｈ）の態様では、図１と比べて、ショルダ２３の幅が広い。上記比率は、２以上である。ショルダ２３は、ピン部２１と一体的であるため、ショルダ２３にも、ピン部２１と同様の振動が生じる。従って、ショルダ２３の幅が広くても、被接合部材２の塑性流動を妨げ難く、塑性流動を増幅可能である。この点において、図３（ｈ）の態様は、図２（ｂ）に示す比較例と異なる。なお、上述のように、ショルダ２３は、ピン部２１と別体で、ピン部２１とともに回転しないように構成されていてもよい。

［図３（ｉ）、図３（ｊ）］
図３（ｉ）及び図３（ｊ）の態様では、図１と比べて、ピン部２１の先端の形状が異なる。図１のピン部２１の先端は、先細りの円錐台形状（先端側が基端側より細い円錐台形状）を有するが、図３（ｉ）のピン部２１の先端は、先太りの逆円錐台形状（先端側が基端側より太い円錐台形状）を有する。図３（ｊ）のピン部２１の先端は、円柱形状を有する。このように、ピン部２１の先端形状は、特に限定されない。ピン部２１の形状として、種々の形状が採用可能である。

［図３（ｋ）］
図３（ｋ）の態様では、上記比率は、１．０であり、摩擦撹拌用回転部材１は、ショルダを有さない。この摩擦撹拌用回転部材１は、回転するショルダを有さないので、より低温での摩擦撹拌接合を実現可能である。

［図３（ｌ）、図３（ｍ）］
図３（ｌ）の態様では、図１と異なり、摩擦撹拌用回転部材１は、軸線方向ＡＤ（図１参照）における遊びＡＰのみを有している。また、図３（ｍ）の態様では、摩擦撹拌用回転部材１は、周方向ＣＤ（図１参照）における遊びＣＰのみを有している。このように、摩擦撹拌用回転部材１は、軸線方向ＡＤ、周方向ＣＤ及び径方向ＲＤのうち、いずれか一方向のみの遊びのみを有していてもよい。

［図３（ｎ）］
図３（ｎ）の態様では、摩擦撹拌用回転部材１は、コレットＣ及びツールＴに相当する。回転軸部１０は、コレットＣに相当する。先端部２０は、ツールＴに相当する。先端部２０は、互いに一体的に構成されたピン部２１と基端側部２２とを有する。先端部２０は、回転軸部１０の下面に設けられた大径有底孔１７に遊嵌されることにより、回転軸部１０に取り付けられる。大径有底孔１７の直径は、基端側部２２の直径よりも大きいので、基端側部２２の周囲には、径方向ＲＤ（図１参照）への遊びＲＰが設けられる。基端側部２２の外側面には、固定キー３１が固定されている。回転軸部１０における固定キー３１に対応する位置には、側方貫通孔１６が設けられている。側方貫通孔１６によって、遊びＲＰと共に、遊びＣＰが設けられる。即ち、先端部２０は、回転軸部１０との間に、遊びＣＰ及び遊びＲＰを有する。先端部２０は、回転軸部１０に対して、周方向ＣＤ及び径方向ＲＤに振動可能である。

［図３（ｏ）］
図３（ｏ）の態様では、摩擦撹拌用回転部材１は、回転軸部１０と、中間体４０と、先端部２０とを有する。摩擦撹拌用回転部材１は、ホルダＨ、コレットＣ及びツールＴに相当する。回転軸部１０は、ホルダＨに相当する。中間体４０は、コレットＣに相当する。先端部２０は、ツールＴに相当する。先端部２０は、互いに一体的に構成されたピン部２１と基端側部２２とを有する。先端部２０は、中間体４０の下面に設けられた大径有底孔１７に遊嵌されることにより、中間体４０に取り付けられる。大径有底孔１７の直径は、基端側部２２の直径よりも大きいので、基端側部２２の周囲には、径方向ＲＤ（図１参照）への遊びＲＰが設けられる。基端側部２２の外側面には、固定キー３１が固定されている。中間体４０における固定キー３１に対応する位置には、側方貫通孔１６が設けられている。側方貫通孔１６によって、遊びＲＰと共に、遊びＣＰが設けられる。即ち、先端部２０は、中間体４０との間に、遊びＣＰ及び遊びＲＰを有する。先端部２０は、中間体４０に対して、周方向ＣＤ及び径方向ＲＤに振動可能である。中間体４０は、回転軸部１０の下面に設けられた有底孔に挿入されることにより、回転軸部１０に取り付けられる。これにより、回転軸部１０と中間体４０との間には、遊びＡＰが設けられている。中間体４０は、回転軸部１０に対して軸線方向ＡＤ（図１参照）に振動可能である。以上のように、摩擦撹拌用回転部材１は、回転軸部１０と先端部２０との間には、遊びＡＰ、ＣＰ、ＲＰを有する。よって、先端部２０は、回転軸部１０に対して、軸線方向ＡＤ、周方向ＣＤ及び径方向ＲＤの全方向に振動可能である。

［図３（ｐ）］
図３（ｐ）の態様では、図１の態様と比べて、遊びＡＰ、ＣＰが、空隙ではなく、遊びＡＰ、ＣＰには、液体４１（例えば潤滑油）が充填されている。このような摩擦撹拌用回転部材１も、図２（ａ）を用いて説明したようなピン部２１の振動を実現でき、図２（ｂ）の態様とは明らかに異なる。即ち、遊びＡＰ、ＣＰは、実質的に空隙である。先端部２０は、遊びＡＰ、ＣＰの範囲において、実質的にフリーである。

［図３（ｑ）］
図３（ｑ）の態様では、図１の態様と比べて、回転軸部１０と先端部２０との間の遊びＡＰ内に、弾性体４２（例えばＯリング）が設けられている。このような摩擦撹拌用回転部材１も、図２（ａ）を用いて説明したようなピン部２１の振動を実現でき、図２（ｂ）の態様とは明らかに異なる。即ち、遊びＡＰ、ＣＰは、実質的に空隙である。先端部２０は、遊びＡＰ、ＣＰの範囲において、実質的にフリーである。

以上の例では、摩擦撹拌用回転部材１が、回転軸部１０と先端部２０とを有し、回転軸部１０と先端部２０との間に遊びが設けられ、先端部２０が、ピン部２１を含んでいる場合について説明した。しかし、摩擦撹拌用回転部材１は、以上の例に限定されず、例えば、以下の態様を採用可能である。

［図３（ｒ）］
図３（ｒ）の態様では、摩擦撹拌用回転部材１は、コレットＣ及びツールＴに相当する。摩擦撹拌用回転部材１は、全体として、一体的に構成されており、ピン部２１と、ショルダ２３とを有する。摩擦撹拌用回転部材１は、ホルダＨに取り付けられることにより、摩擦撹拌用回転部材１とホルダＨとの間に、遊びＡＰを生じさせるように構成されている。遊びＡＰにより、摩擦撹拌時に、ピン部２１を含む摩擦撹拌用回転部材１は、出力軸５に対して、軸線方向ＡＤに振動する。

［図３（ｓ）］
図３（ｓ）の態様では、摩擦撹拌用回転部材１は、ホルダＨに相当する。摩擦撹拌用回転部材１は、下面に、コレットＣ及びツールＴが挿入される有底孔を有している。コレットＣ及びツールＴが有底孔に挿入されることにより、コレットＣ及びツールＴが、摩擦撹拌用回転部材１に、着脱可能に設けられる。摩擦撹拌用回転部材１は、ピン部を有していない。ピン部は、ツールＴに含まれている。摩擦撹拌用回転部材１は、上面に、出力軸５を受け入れるための有底孔を有しており、出力軸５が有底孔に挿入されることにより、摩擦撹拌用回転部材１は、出力軸５に取り付けられる。摩擦撹拌用回転部材１は、出力軸５に取り付けられた時に、出力軸５と摩擦撹拌用回転部材１との間に、遊びＡＰを生じさせるように構成されている。結果的に、摩擦撹拌時には、遊びＡＰは、出力軸５と、ツールＴのピン部との間に生じる。遊びＡＰは、出力軸５に対するピン部の振動を可能とする。

［図３（ｔ）］
図３（ｔ）の態様では、摩擦撹拌用回転部材１は、回転軸部１０と、先端部２０とを有する。摩擦撹拌用回転部材１は、ホルダＨに相当する。回転軸部１０は、ホルダＨの上側部分であり、出力軸５に取り付けられる。先端部２０は、ホルダＨの下側部分であり、回転軸部１０から伝達される回転により回転するように構成され、回転軸部１０よりも先端側に位置する。先端部２０には、コレットＣ及びツールＴが着脱可能に取り付けられるように構成されている。即ち、先端部２０は、ピン部を有さないが、ピン部が着脱可能に取り付けられるように構成された基端側部２２を有する。遊びＡＰ、ＣＰは、回転軸部１０と先端部２０との間に、回転軸部１０に対するピン部の振動を可能とするように設けられる。
なお、摩擦撹拌用回転部材１は、上述の例に限定されない。摩擦撹拌用回転部材１は、出力軸５に取り付けられた時に出力軸５とピン部２１との間に遊びを生じさせるように構成されていればよく、必ずしも、ホルダＨ、コレットＣ及びツールＴという部品の区別に基づいている必要はない。

＜接合装置＞
一実施形態に係る接合装置は、図１（ａ）及び（ｂ）に示す、摩擦撹拌用回転部材１を備える接合装置３である。接合装置３は、出力軸５を備える駆動機構４と、ピン部２１とを備える。ピン部２１は、出力軸５とピン部２１との間に、出力軸５に対するピン部２１の振動ＡＶ、ＣＶを可能とする遊びＡＰ、ＣＰを有する。接合装置３は、遊びＡＰ、ＣＰにより、摩擦撹拌時にピン部２１の振動ＡＶ、ＣＶが、出力軸５の振動（ベース振動）よりも大きい振幅及び／又は周波数を有する。本実施形態の接合装置３は、遊びＡＰ、ＣＰを有する摩擦撹拌用回転部材１を備えているが、接合装置３は、出力軸５とピン部２１との間に遊びを有していればよく、必ずしも、摩擦撹拌用回転部材１を備える必要は無い。

＜接合方法＞
一実施形態に係る接合方法は、図１（ａ）及び（ｂ）に示す、上述の接合装置３によって実行され得る。当該接合方法では、駆動機構４から出力される回転によりピン部２１を回転させ、ピン部２１が被接合部材２に挿入されることにより、被接合部材２の摩擦撹拌接合を行う。当該接合方法では、摩擦撹拌時に、駆動機構４の回転により駆動機構４からピン部２１に伝達されるベース振動よりも振幅及び／又は周波数が大きい振動を、塑性流動する被接合部材２との接触によって受動的にピン部２１に生じさせた状態で、被接合部材２に対する摩擦撹拌を行う。

別実施形態に係る接合方法では、駆動機構４から出力される回転によりピン部２１を回転させつつ、ピン部２１が被接合部材２に挿入されることにより、被接合部材２の摩擦撹拌接合を行う。当該接合方法では、塑性流動する被接合部材２との接触によって受動的に生じるピン部２１の回転変動に同期又は追従して駆動機構４の出力が変化するように、駆動機構４のフィードバック制御を行いながら、被接合部材２に対する摩擦撹拌を行う。回転変動は、レゾルバやエンコーダなど、従来公知の回転速度センサにより検出可能である。

また、上述の実施形態において挙げた数値、材料、構造、形状などはあくまでも例に過ぎず、必要に応じて、これらと異なる数値、材料、構造、形状などを用いてもよい。また、以上の実施形態では、摩擦撹拌用回転部材１が上に位置し、被接合部材２が下に位置し、摩擦撹拌用回転部材１と被接合部材２とが上下方向に向かい合っている。即ち、軸線方向は、上下方向と同じである。しかし、軸線方向は、必ずしも、上下方向と同じである必要はない。軸線方向は、特に限定されず、例えば、水平方向であってもよい。また、軸線方向が上下方向である場合において、摩擦撹拌用回転部材が下に位置し、被接合部材が上に位置してもよい。さらに、軸線方向は、必ずしも固定される必要はない。上述の可搬型装置に摩擦撹拌用回転部材が設置されることにより、接合装置が構成される場合、作業時に軸線方向が変化してもよい。

摩擦撹拌用回転部材 ：１
被接合部材 ：２
接合装置 ：３
駆動機構 ：４
（駆動機構の）出力軸 ：５
回転軸部 ：１０
溝 ：１５
側方貫通孔 ：１６
大径有底孔 ：１７
先端部 ：２０
ピン部 ：２１
基端側部 ：２２
ショルダ ：２３
表面接触部 ：２４
溝 ：２５
嵌合キー ：３０
固定キー ：３１
中間体 ：４０
液体 ：４１
弾性体 ：４２

Claims (9)

1. 被接合部材の摩擦撹拌接合を行う接合装置に設けられる摩擦撹拌用回転部材であって、
   前記摩擦撹拌用回転部材は、
   前記接合装置が備える駆動機構から出力される回転により回転するように前記駆動機構の出力軸に設けられた状態において、前記出力軸と、摩擦撹拌時に前記被接合部材に挿入されるピン部との間に、前記出力軸に対する前記ピン部の振動を可能とする遊びを生じさせ、前記遊びにより、摩擦撹拌時に前記ピン部の振動が、前記出力軸の振動よりも大きい振幅及び／又は周波数を有するように構成された、
   摩擦撹拌用回転部材。
2. 前記摩擦撹拌用回転部材は、
   前記出力軸に設けられる回転軸部と、
   前記回転軸部から伝達される回転により回転するように構成され、前記回転軸部よりも先端側に位置する先端部とを備え、
   前記先端部は、
   前記ピン部と、前記ピン部の基端側に設けられた基端側部を有するか、又は
   前記ピン部を有さないが、前記ピン部が着脱可能に取り付けられるように構成された基端側部を有し、
   前記遊びは、前記回転軸部と前記先端部との間に、前記回転軸部に対する前記ピン部の振動を可能とするように設けられ、
   前記摩擦撹拌用回転部材は、
   前記遊びにより、摩擦撹拌時に前記ピン部の振動が、前記回転軸部の振動よりも大きい振幅及び／又は周波数を有するように構成された、
   請求項１に記載の摩擦撹拌用回転部材。
3. 前記ピン部は、前記被接合部材の表面と接する高さに表面接触部を有し、
   前記表面接触部よりも先端寄りで前記表面接触部と隣接する前記ピン部の直径に対する前記表面接触部の直径の比率は、１．８以下であり、これにより、前記ピン部は、前記比率を満たす程度に幅の小さいショルダを有するか、又はショルダを有さないように構成される、
   請求項２に記載の摩擦撹拌用回転部材。
4. 前記摩擦撹拌用回転部材は、
   前記ピン部の振動が、前記遊びの範囲内において、塑性流動する前記被接合部材との接触によって受動的に生じるように構成されている、
   請求項１～３のいずれか１に記載の摩擦撹拌用回転部材。
5. 前記摩擦撹拌用回転部材は、
   前記ピン部の振動が、前記遊びにより、前記ピン部の軸線方向、周方向及び径方向の少なくとも一方に生じるように構成されている、
   請求項１～３のいずれか１に記載の摩擦撹拌用回転部材。
6. 前記摩擦撹拌用回転部材は、
   前記ピン部が、前記遊びの範囲内において、前記出力軸に対して、フリー又は実質的にフリーになるように構成されている、
   請求項１～３のいずれか１に記載の摩擦撹拌用回転部材。
7. 前記遊びは、
   空隙又は実質的に空隙である、
   請求項１～３のいずれか１に記載の摩擦撹拌用回転部材。
8. 被接合部材の摩擦撹拌接合を行う接合装置であって、
   前記接合装置は、
   出力軸を備え、前記出力軸を回転させるように構成された駆動機構と、
   前記駆動機構から伝達される回転により回転するように構成され、摩擦撹拌時の前記被接合部材に挿入されるピン部とを備え、
   前記ピン部は、
   前記出力軸と前記ピン部との間に、前記出力軸に対する前記ピン部の振動を可能とするように設けられた遊びを有し、前記遊びにより、摩擦撹拌時に前記ピン部の振動が、前記出力軸の振動よりも大きい振幅及び／又は周波数を有するように構成された、
   接合装置。
9. 駆動機構から出力される回転によりピン部を回転させ、前記ピン部が被接合部材に挿入されることにより、前記被接合部材の摩擦撹拌接合を行う接合方法であって、
   摩擦撹拌時に、前記駆動機構の回転により前記駆動機構から前記ピン部に伝達されるベース振動よりも振幅及び／又は周波数が大きい振動を、塑性流動する前記被接合部材との接触によって受動的に前記ピン部に生じさせた状態で、前記被接合部材に対する摩擦撹拌を行う、
   接合方法。

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