JPWO2011061826A1 - 両面摩擦攪拌接合方法および装置並びに両面摩擦攪拌接合用ツールセット - Google Patents

Abstract

経済性に優れ、接合強度の高い両面摩擦攪拌接合を行うため、第１及び第２の回転ツール３，４はそれぞれショルダ部３ｃ，４ｃを先端部分に形成したツール本体３ａ，４ａを有し、第１の回転ツール３は更にツール本体の先端部分から突出するよう形成された突起部３ｄを有し、第２の回転ツール４は更にツール本体の先端部分に形成され、２枚の金属板１，２の接合時に突起部３ｄの先端部を収納する凹み部４ｄを有し、第１および第２の回転ツールを金属板の接合部Ｊの表面側と裏面側に相対向するように配置し、互いに近づく方向に移動させ、第１の回転ツールの突起部の先端部を第２の回転ツールの凹み部内に挿入し、第１および第２の回転ツールのショルダ部のショルダ面３ｂ，４ｂを接合部の表面側と裏面側に押圧し、その状態で、第１および第２の回転ツールを接合部に沿って移動させ、接合部の板厚方向全域を第１および第２の回転ツールで摩擦攪拌する。

Description

本発明は、金属材料の接合部を両面から摩擦攪拌し接合するための両面摩擦攪拌接合方法および装置並びに両面摩擦攪拌接合用ツールセットに関する。

回転ツールを回転させながら、回転ツールのツール本体に設けられたショルダ部の表面を接合部材の表面と接触させ、ショルダ部の表面と接合部材の表面との摩擦熱を利用して摩擦攪拌し、接合部材を融点以下の固相状態で、材料を攪拌し接合する摩擦攪拌接合技術が知られている。この接合技術は、アルミ合金を主体として、様々な産業分野で実用化されている。

従来の摩擦攪拌接合技術は、大きく、片面摩擦攪拌接合と両面摩擦攪拌接合に分けられる。

片面摩擦攪拌接合は最も一般的な手法であり、例えば特許文献１（日本特許第２７１２８３８号公報）の図１２に示されている。これは、ツール本体の先端部にそれより小径のプローブを設け、ツール本体の先端部におけるプローブの取り付け部の周辺をショルダ部として構成した回転ツールを用い、この回転ツールを２枚の金属板の接合部（例えば突き合わせ部）の片面側から挿入し、回転ツールを回転させることによって生じる摩擦熱を利用して摩擦攪拌し、接合するものである。

両面摩擦攪拌接合の手法には、２通りが存在する。

両面摩擦攪拌接合の第１の手法は、２枚の金属板の接合部（例えば突き合わせ部）の表面側と裏面側を、一般的にボビンツールと呼ばれている１本の回転ツールで、接合部を摩擦攪拌し、接合するものであり、例えば特許文献１（日本特許第２７１２８３８号公報）の図２ａに示されている。

両面摩擦攪拌接合の第２の手法は、２本の回転ツールを金属板の接合部（例えば突き合わせ部）の表面側と裏面側にプローブ先端間に実質的に隙間を与えない状態で相対向するように配置し、接合部の両側から摩擦攪拌し、接合するものであり、例えば特許文献１（日本特許第２７１２８３８号公報）の図１４ａに示されている。

特許２７１２８３８号

特許文献１に記載の片面摩擦攪拌接合および両面摩擦攪拌接合には、以下の問題がある。

第１は、経済性とツール寿命の問題である。

特許文献１に記載の片面摩擦攪拌接合に供される回転ツールのプローブ長さは、金属板の厚みと同じ長さとなる。

また、両面摩擦攪拌接合に供されるボビンツールにおけるプローブ長さも、片面摩擦攪拌接合と同様に、金属板の厚みと同じ長さとなる。また、表裏面に相対向して配置した２本の回転ツールのプローブ挿入量は、金属板厚みの半分となる。

したがって、金属板の厚みが異なれば、それに応じてプローブ長さも変えなければならないため、金属板の厚みに合わせて、異なるプローブ長さを有する回転ツールを多数準備する必要があり、経済性に劣る問題がある。

また、ボビンツールでは反駆動側のショルダの摩擦攪拌仕事はプローブを介して動力を伝達する。したがって、プローブより大きい直径のショルダを駆動するためには、プローブの断面係数を片面摩擦攪拌接合装置のツールのそれと比較し、少なくとも２倍以上とせざるを得ない。これにより、プローブの直径が大きくなることで、ショルダ径も大きくする必要があり、摩擦攪拌範囲も拡大し、消費エネルギが増加し、且つ装置が大型化するため、経済性に劣る問題がある。

また、摩擦攪拌接合は、比較的融点の低い材料であるアルミニウム等の非鉄合金の分野では、実用化されている。一般に、摩擦攪拌接合では、材料温度を融点の８０％程度まで摩擦攪拌熱で上昇させる必要がある。１０００℃を超える高融点材料の接合では、単位接合長さ当たりの摩擦攪拌による投入エネルギが高くなり、更には変形抵抗値も高くなることから、回転ツールには高い耐熱強度と破壊靭性が求められ、高価な多結晶ダイヤモンド等の材料を使用せざるを得なかった。

更に、これらツール材料を用いても、熱衝撃、ツールの摩耗およびプローブに作用する曲げ応力等により、ツール寿命が短く、１０００℃を超える高融点材料への摩擦攪拌接合の普及を妨げる要因となっている。

第２は、接合不良の問題である。

特許文献１の図２ａに記載のボビンツールでは、表裏面のショルダとプローブを一体としているため、表裏面のショルダ面間の距離はツールの構造上、固定される。

また、特許文献１の図１４ａに記載の両面摩擦攪拌接合では、表裏面に相対向するように配置した２本の回転ツールのプローブ先端間に実質的に隙間を与えない状態で摩擦攪拌接合しているため、表裏面のショルダ面間の距離は、金属板の厚みに応じた接合設定位置で固定される。

このようなショルダ面間の距離を固定した状態での両面摩擦攪拌接合では、金属板の厚みの微小変動が発生した場合、ショルダ面と金属板表面との接触面における面圧が変動する。この面圧の変動により、摩擦熱量が変動し、接合部の品質が低下する問題があった。

更に、特許文献１の図２ａに記載のボビンツールでは、表裏面に相対向して配置した回転ツールのショルダの垂直軸芯が同一となるため、回転ツールの軸芯を傾斜させることが出来ず、攪拌に必要な所望の面圧を与えることが難しかった。攪拌に必要な所望の面圧を与えられない場合には、接合部の流動性が低下し、接合欠陥が起こる問題があった。

第３は、摩擦力による金属板の破断の問題である。

両面摩擦攪拌接合では、表裏面のショルダ面に挟まれた金属板部分に摩擦力によりせん断力が発生し、このせん断力が材料の許容せん断力を超えると金属板は破断する。

摩擦攪拌接合を行なう材料（金属板）の許容せん断力は、板厚に応じて変化し、板厚が薄くなれば、低下する。

本発明者らが行なった実験によると、金属板の板厚が３ｍｍ以下となる場合、特に金属板の破断が発生しやすくなることを確認した。

本発明の第１の目的は、両面摩擦攪拌接合において、経済性に優れ、かつ接合部の強度を向上させることが出来る両面摩擦攪拌接合方法および装置並びに両面摩擦攪拌接合用ツールセットを提供することである。

本発明の第２の目的は、両面摩擦攪拌接合において、更に、回転ツールの寿命を向上することが出来る両面摩擦攪拌接合方法および装置並びに両面摩擦攪拌接合用ツールセットを提供することである。

本発明の第３の目的は、両面摩擦攪拌接合において、更に、接合不良と金属板の破断が少なく、高い信頼性を有する接合が出来る両面摩擦攪拌接合方法および装置並びに両面摩擦攪拌接合用ツールセットを提供することである。

上述した課題を解決する第１の発明は、２枚の金属板の接合部の表面側と裏面側に、第１および第２の回転ツールを相対向するように配置し、この第１および第２の回転ツールにより前記接合部を摩擦攪拌し、前記２枚の金属板を摩擦攪拌接合する両面摩擦攪拌接合方法において、前記第１および第２の回転ツールの一方の回転ツールを、ショルダ部を先端部分に形成したツール本体と、このツール本体の先端部分から突出するよう形成された少なくとも１つの突起部とを有する構成とし、前記第１および第２の回転ツールの他方の回転ツールを、ショルダ部を先端部分に形成したツール本体と、このツール本体の先端部分に形成され、前記２枚の金属板の接合時に前記突起部の先端部を収納する少なくとも１つの凹み部とを有する構成とし、前記第１および第２の回転ツールを前記２枚の金属板の接合部の表面側と裏面側に相対向するように配置し、前記第１および第２の回転ツールを回転させ、前記第１および第２の回転ツールを互いに近づく方向に移動して、前記第１の回転ツールの突起部の先端部を前記第２の回転ツールの凹み部内に挿入するとともに、前記第１および第２の回転ツールの前記ショルダ部のショルダ面を前記接合部の表面側と裏面側に押圧し、前記第１の回転ツールの突起部の先端部を前記第２の回転ツールの凹み部内に挿入し、前記第１および第２の回転ツールの前記ショルダ部のショルダ面を前記接合部の表面側と裏面側に押圧した状態で、前記第１および第２の回転ツールを前記接合部に沿って移動させ、前記接合部の板厚方向全域を前記第１および第２の回転ツールで摩擦攪拌することを特徴とするものである。

また、上述した課題を解決する第２の発明は、上記接合方法において、前記第１および第２の回転ツールの材質を焼結炭化タングステンの超硬合金またはタングステン合金とし、前記第１および第２の回転ツールによって接合される２枚の金属板は、融点が１０００℃以上の材料からなることを特徴とするものである。

また、上述した課題を解決する第３の発明は、上記接合方法において、前記相対向するように配置した前記第１および第２の回転ツールの先端部分が前記接合部に対する前記第１および第２の回転ツールの移動方向に向かって先行するように、前記第１および第２の回転ツールのそれぞれの軸芯を傾けることを特徴とするものである。

また、上述した課題を解決する第４の発明は、上記接合方法において、前記相対向するように配置した前記第１および第２の回転ツールの回転方向を前記２枚の金属板の接合部の表面側と裏面側で逆方向としたことを特徴とするものである。

また、上述した課題を解決する第５の発明は、上記接合方法において、前記第１および第２の回転ツールのうちの少なくとも一方の回転ツールは、摩擦攪拌接合開始前に予定挿入深さまで金属板の厚み方向に対し位置制御にて移動し、該回転ツールの挿入深さを保持した状態で、前記２枚の金属板の接合部端面から該回転ツールを接合進行方向に位置制御にて送って摩擦攪拌接合を開始し、摩擦攪拌接合開始後は、該回転ツールの負荷が所定の値となるように、該回転ツールの挿入位置を制御する負荷一定制御に切り替え、摩擦攪拌接合が終了する接合終端部到達前に、その時点の該回転ツールの挿入位置を保持する位置制御に切り替え、接合部終端部を通過させることを特徴とするものである。

また、上述した課題を解決する第６の発明は、２枚の金属板の接合部の表面側と裏面側に、第１および第２の回転ツールを相対向するように配置し、この第１および第２の回転ツールにより前記接合部を摩擦攪拌し、前記２枚の金属板を摩擦攪拌接合する両面摩擦攪拌接合装置において、前記第１および第２の回転ツールを前記２枚の金属板の接合部の表面側と裏面側に相対向するように装着し、前記第１および第２の回転ツールを回転駆動するツール回転駆動装置と、前記ツール回転駆動装置に装着した前記第１および第２の回転ツールを互いに近づく方向に移動して、前記第１および第２の回転ツールを前記金属板の接合部の表面側と裏面側に押圧するツール押圧装置と、前記ツール回転駆動装置に装着した前記第１および第２の回転ツールを前記接合部に沿って移動させる移動装置とを有し、前記第１の回転ツールは、ショルダ部を先端部分に形成したツール本体と、このツール本体の先端部分から突出するよう形成された少なくとも１つの突起部とを有し、前記第２の回転ツールは、ショルダ部を先端部分に形成したツール本体と、このツール本体の先端部分に形成され、前記２枚の金属板の接合時に前記突起部の先端部を収納する少なくとも１つの凹み部とを有し、前記ツール押圧装置は、前記ツール回転駆動装置に装着した前記第１および第２の回転ツールを互いに近づく方向に移動するとき、前記第１の回転ツールの突起部の先端部を前記第２の回転ツールの凹み部内に挿入するとともに、前記第１および第２の回転ツールの前記ショルダ部のショルダ面を前記接合部の表面側と裏面側に押圧し、前記移動装置は、前記第１の回転ツールの突起部の先端部を前記第２の回転ツールの凹み部内に挿入し、前記第１および第２の回転ツールの前記ショルダ部のショルダ面を前記接合部の表面側と裏面側に押圧した状態で、前記第１および第２の回転ツールを前記接合部に沿って移動させ、前記接合部の板厚方向全域を前記第１および第２の回転ツールで摩擦攪拌することを特徴とするものである。

また、上述した課題を解決する第７の発明は、上記接合装置において、前記ツール回転駆動装置に装着した前記第１および第２の回転ツールの先端部分が前記接合部に対する前記第１および第２の回転ツールの移動方向に向かって先行するように、前記第１および第２の回転ツールのそれぞれの軸芯を傾けて支持する傾斜支持装置を更に有することを特徴とするものである。

また、上述した課題を解決する第８の発明は、上記接合装置において、前記ツール回転駆動装置は、前記第１および第２の回転ツールを前記接合部の表面側と裏面側で逆方向に回転させることを特徴とするものである。

また、上述した課題を解決する第９の発明は、上記接合装置において、前記ツール回転駆動装置に装着した前記第１および第２の回転ツールのうちの少なくとも一方の回転ツールは、摩擦攪拌接合開始前に予定挿入深さまで金属板の厚み方向に対し位置制御にて移動し、該回転ツールの挿入深さを保持した状態で、前記２枚の金属板の接合部端面から該回転ツールを接合進行方向に位置制御にて送って摩擦攪拌接合を開始し、摩擦攪拌接合開始後は、該回転ツールの負荷が所定の値となるように、該回転ツールの挿入位置を制御する負荷一定制御に切り替え、摩擦攪拌接合が終了する接合終端部到達前に、その時点の該回転ツールの挿入位置を保持する位置制御に切り替え、接合部終端部を通過させるよう前記ツール押圧装置および移動装置を制御する制御装置を更に有することを特徴とするものである。

また、上述した課題を解決する第１０の発明は、２枚の金属板の接合部をその表裏面の両側から摩擦攪拌して、前記２枚の金属板を摩擦攪拌接合する両面摩擦攪拌接合用ツールセットにおいて、前記２枚の金属板の接合部の表面側と裏面側に相対向するように配置され、前記接合部を摩擦攪拌する第１および第２の回転ツールを有し、前記第１の回転ツールは、ショルダ部を先端部分に形成したツール本体と、このツール本体の先端部分から突出するよう形成された少なくとも１つの突起部とを有し、前記第２の回転ツールは、ショルダ部を先端部分に形成したツール本体と、このツール本体の先端部分に形成され、前記２枚の金属板の接合時に前記突起部の先端部を収納する少なくとも１つの凹み部とを有し、前記第１の回転ツールの突起部の先端部を前記第２の回転ツールの凹み部内に挿入し、前記第１および第２の回転ツールの前記ショルダ部のショルダ面を前記接合部の表面側と裏面側に押圧した状態で、前記第１および第２の回転ツールを前記接合部に沿って移動させ、前記接合部の板厚方向全域を摩擦攪拌することを特徴とするものである。

また、上述した課題を解決する第１１の発明は、上記ツールセットにおいて、前記第２の回転ツールのショルダ面の直径は前記第１の回転ツールのショルダ面の直径と同じであることを特徴とするものである。

さらに、上記課題を解決する第１２の発明は、上記ツールセットにおいて、前記第２の回転ツールは、前記ツール本体の先端部分から突出するよう形成された少なくとも１つの少なくとも１つのリング状の突起部を有し、前記凹み部は前記リング状の突起部の内側に形成されていることを特徴とするものである。

本発明によれば、以下のような効果を得ることが出来る。

第１、第６および第１０の発明において、接合部の表裏面に対して相対向するように配置した第１および第２の回転ツールは別体であるため、第２の回転ツールの凹み部内の第１の回転ツールの突起部の挿入量（第１および第２の回転ツール間の距離）が０とならない範囲で、その挿入量を自由に調整することが出来る。これにより金属板の厚みが異なっても、金属板の厚みに合わせて、第２の回転ツールの凹み部内に第１の回転ツールの突起部を挿入して、突起部の長さの範囲内の厚みの金属板を両面から接合部の全範囲を摩擦攪拌接合することが出来る。これにより金属板の厚みに合わせて異なるプローブ長さを有する回転ツールに交換する必要がないため、異なるプローブ長さを有する回転ツールを多数準備する必要がなくなり、ランニングコストを抑え、経済性を向上することが出来る。

また、第１および第２の回転ツールは別体でそれぞれ独立して駆動している。したがって、ボビンツールの場合とは異なり、裏面側回転ツールのショルダ部の摩擦攪拌仕事はプローブを介して動力を伝達する必要がないため、ボビンツールの場合のように片面摩擦攪拌接合装置のツールと比較し、プローブ（突起部）の直径を片面摩擦攪拌接合装置のツールの少なくとも２倍以上としなくてよい。これによりプローブの直径が大きくなることによるショルダ径の大径化が防止出来るため、装置が大型化することなく、この点でも経済性を向上することが出来る。

また、第１および第２の回転ツールは、金属板の接合部の板厚方向全域を摩擦攪拌するため、接合部の強度を向上させることが出来る。

更に、第１および第２の回転ツールは接合部の表裏面の両側から摩擦攪拌接合するため、片面摩擦攪拌接合で生じていた裏当て板への熱損失が防止できる。そのため、接合部の軟化領域が増加し、回転ツール１本にかかる熱負荷を１／２以下にすることが出来る。加えて、第１および第２の回転ツールは別体であって、両者間の距離（金属板厚み方向へのツール先端間の距離）を調整可能であるため、第５および第９の発明のように、少なくとも一方の回転ツールの接合部への押し付けに負荷制御を採用することが出来る。このように負荷制御を採用することで、金属板の厚みの微小変動によるショルダ面３ｂ，４ｂと金属板接合部表面との接触面における面圧が変動することを回避し、熱負荷の変動を低減することが出来る。これにより回転ツールの材質に高価な多結晶ダイヤモンド等の材料を用いる必要がなくなり、第２の発明のように、回転ツールの材質を焼結炭化タングステンの超硬合金、タングステン合金などとすることが出来る。その結果、融点が１０００℃以上の金属板の摩擦攪拌において、ツール寿命が長い、経済的な回転ツールを提供出来る。

更に、負荷制御を作用することが出来るため、金属板の厚み（接合部の厚み）の微小変動に応じ、第１の回転ツールの突起部の第２の回転ツールの凹み部への挿入量を調整することで、上下のショルダ面間の距離を固定せずに、両面から摩擦攪拌接合することが出来る。これにより金属板の厚みの微小変動によるショルダ面と金属板接合部表面との接触面における面圧が変動することを回避し、摩擦熱量の変動を抑え、接合部Ｊの品質低下（接合不良）を防止し、高い信頼性を有する接合が出来る。

また、第１および第２の回転ツールは別体であるため、第３および第７の発明のように、第１および第２の回転ツールの先端部分が接合進行方向に向かって先行するように、それぞれの回転ツール軸芯を傾けることが出来る。これにより金属板１，２への押圧力を高めることが出来るため、摩擦攪拌接合による接合部の流動性を向上させ、接合不良を抑制し、高い信頼性を有する接合が出来る。

更に、第１および第２の回転ツールは別体であるため、第４および第８の発明のように、第１および第２の回転ツールの回転方向を接合部の表面側と裏面側で逆方向とすることが出来る。これにより接合部の表面側からの攪拌によるせん断力と裏面側からの攪拌によるせん断力を接合部の内部で打ち消すことが出来、材料の破断を防止し、高い信頼性を有する接合が出来る。この効果は、第１１の発明のように、第１及び第２の回転ツールのショルダ面の直径を同じにした場合に、特に高くなる。

更に、第２の回転ツールの凹み部には、摩擦攪拌により材料が軟化流動し、隙間が埋まる。これにより、第２の回転ツールの凹み部に挿入された第１の回転ツールの突起部が、隙間に軟化充填された材料を介し、凹み部内で内圧を受ける結果、制振力を作用することで、第１および第２の回転ツールの半径方向の制振性能が向上する。その結果、びびり振動が抑制され、均一な摩擦攪拌が可能となり、この点でも接合不良を抑制し、高い信頼性を有する接合が出来る。

また、第１２の発明のように第２の回転ツールにも、ツール本体の先端部分から突出するよう少なくとも１つのリング状の突起部を形成し、その内側に第１の回転ツールの突起部を挿入する凹み部を形成することにより、摩擦攪拌時、接合部には第１の回転ツールの突起部だけでなく第２の回転ツールのリング状の突起部も接合部の板厚方向に突入し、２つの突起部で摩擦攪拌が行われる。これにより第１の回転ツールの突起部の長さを短縮することができるため、摩擦攪拌接合時に当該突起部に作用する回転曲げモーメントが少なくなり、金属板の板厚が厚くなった場合においても、突起部を折損することなく、摩擦攪拌接合することができ、回転ツールの寿命を向上することが出来る。

本発明の一実施の形態に係わる両面摩擦攪拌接合用ツールセットのツール先端部分の拡大断面図であって、接合時におけるツールセットの使用状態を示す図である。 本発明の一実施の形態に係わる両面摩擦攪拌接合用ツールセットのツール先端部分の拡大断面図であって、各部の寸法関係を示す図である。 第１および第２の回転ツールによる接合距離（接合開始後の時間)と回転ツールの主軸回転モータ負荷の変化を示すタイムチャートである。 接合部の表裏面に対し、第１および第２の回転ツールの配置位置を逆にした場合の接合時におけるツールセットの使用状態を示す図である。 本発明の他の実施の形態に係わる両面摩擦攪拌接合用ツールセットのツール先端部分の拡大断面図であって、接合時におけるツールセットの使用状態を示す図である。 本発明の更に他の実施の形態に係わる両面摩擦攪拌接合用ツールセットのツール先端部分の拡大断面図であって、接合時におけるツールセットの使用状態を示す図である。 本発明の更に他の実施の形態に係わる両面摩擦攪拌接合用ツールセットのツール先端部分の拡大断面図であって、接合時におけるツールセットの使用状態を示す図である。 本発明の更に他の実施の形態に係わる両面摩擦攪拌接合用ツールセットのツール先端部分の拡大断面図であって、接合時におけるツールセットの使用状態を示す図である。 本発明の一実施の形態に係わる両面摩擦攪拌接合装置の一部を欠損して示す全体斜視図である。 図９に示した両面摩擦攪拌接合装置の要部の概略正面図である。 図９に示した両面摩擦攪拌接合装置の上側半分を制御系とともに示す図である。 本発明の他の実施の形態に係わる金属板の両面摩擦攪拌接合装置であって、上下の回転ツールの軸芯の同調を機械的に行う方式を示す図である。 本発明の接合方法を２枚の金属板の突き合わせ溶接に適用した場合の接合時の状態を示し、合わせて上下の回転ツールと入出側把持装置との位置関係（入出側把持装置間距離）を示す図である。 本発明の接合方法を２枚の金属板の重ね合わせ溶接に適用した場合の接合時の状態を示し、合わせて把持方式を示す図である。 本発明の接合方法を２枚の金属板の重ね合わせ溶接に適用した場合の他の接合時の状態と把持方式を示す図である。 上下の回転ツールを回転させながら摩擦攪拌接合する場合の接合方向（図１の断面と直角方向）に沿った断面図である。 上下回転ツールの回転方向を同方向とし、回転ツールのショルダ径を同一にし、かつ回転ツールの軸芯を回転ツールの進行方向に対して同じ角度で傾けて摩擦攪拌接合している状態を示す斜視図である。 上下回転ツールの回転方向を同方向とし、回転ツールのショルダ径を同一にし、かつ回転ツールの軸芯を回転ツールの進行方向に対して同じ角度で傾けて摩擦攪拌接合している状態を示す断面図である。 上下回転ツールの回転方向を逆方向とし、回転ツールショルダ径を同一にし、かつ回転ツールの軸芯を回転ツールの進行方向に対して同じ角度で傾けて摩擦攪拌接合している状態を示す斜視図である。 上下回転ツールの回転方向を逆方向とし、回転ツールショルダ径を同一にし、かつ回転ツールの軸芯を回転ツールの進行方向に対して同じ角度で傾けて摩擦攪拌接合している状態を示す断面図である。 上下回転ツールの傾き角度を０度に設定して（ツールを傾けずに）上下回転ツールを接合部端面から挿入する際の説明図である。 上下回転ツールを適度に傾けて上下回転ツールを接合部端面から挿入する際の様子を示す図である。 回転ツールの軸心を傾けてプランジングレスで両面摩擦攪拌接合を行う運転方法を示す図である。 制御装置が行う処理手順を示す制御フローである。 制御装置が行う処理手順の他の例を示す制御フローである。

次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

図１および図２は本発明の一実施の形態に係わる両面摩擦攪拌接合用ツールセットのツール先端部分の拡大断面図であり、図１は接合時におけるツールセットの使用状態を示し，図２は各部の寸法関係を示している。接合の形態は、一例として、突き合わせ溶接である。なお、本明細書において、接合部とは２枚の金属板の接合されるべき部分を意味し、突き合わせ溶接では突き合わせ部に該当し、重ね合わせ溶接では重ね合わせ部に該当する。

図１および図２において、本実施の形態に係わる両面摩擦攪拌接合用ツールセットは、２枚の金属板１，２の接合部（突き合わせ部）Ｊの表面側と裏面側に相対向するように配置され、接合部Ｊを摩擦攪拌する第１および第２の回転ツール３，４を有している。第１の回転ツール３は、接合部Ｊを押圧するショルダ面３ｂを有するショルダ部３ｃを先端部分に形成したツール本体３ａと、このツール本体３ａの先端部分にショルダ面３ｂから突出するよう形成されたピン状の突起部（プローブ）３ｄとを有している。第２の回転ツール４は、接合部Ｊを押圧するショルダ面４ｂを有するショルダ部４ｃを先端部分に形成したツール本体４ａと、このツール本体４ａのショルダ面４ｂに形成され、２枚の金属板１，２の接合時に突起部３ｄの先端部を収納する凹み部４ｄとを有している。

第１の回転ツール３の突起部（プローブ）３ｄは円筒形の外周形状を有し、第２の回転ツール４の凹み部４ｄも円筒形の内周形状を有している。突起部（プローブ）３ｄの先端が凹み部４ｄ内に挿入された状態では、両者の間に円筒形状をしたリング状の隙間が形成される。

本明細書において、「ツールセット」とは上記のような２つの回転ツール３，４の総称である。本実施の形態の接合方法はそのようなツールセットを用いて行うものであり、その概要は次のようである。

まず、第１および第２の回転ツール３，４を２枚の金属板１，２の接合部Ｊの表面側と裏面側に相対向するように配置する。次いで、第１および第２の回転ツール３，４を回転させながら互いに近づく方向に移動して、第１の回転ツール３の突起部３ｄの先端部を第２の回転ツール４の凹み部４ｄ内に挿入するとともに、第１および第２の回転ツール３，４のショルダ面３ｂ，４ｂを接合部Ｊの表面側と裏面側に押圧する。次いで、その状態（第１の回転ツール３の突起部３ｄの先端部を第２の回転ツール４の凹み部４ｄ内に挿入し、第１および第２の回転ツール３，４のショルダ面３ｂ，４ｂを前記接合部の表面側と裏面側に押圧した状態）で、第１および第２の回転ツール３，４を回転させながら接合部Ｊに沿って移動させる。この移動の間の摩擦攪拌時、突起部３ｄは接合部Ｊの板厚方向全域に突入した状態にある。これにより接合部Ｊの板厚方向全域が摩擦攪拌され、２枚の金属板１，２は接合部Ｊの板厚方向全域で接合される。

本実施の形態の接合方法において、接合部Ｊの表裏面に対して相対向するように配置した第１および第２の回転ツール３，４は別体であるため、第２の回転ツール４の凹み部４ｄ内の第１の回転ツール３の突起部３ｄの挿入量（第１および第２の回転ツール間の距離）が０とならない範囲で、その挿入量を自由に調整することが出来る。これにより金属板１，２の厚みが異なっても、金属板１，２の厚みに合わせて、第２の回転ツール４の凹み部４ｄ内に第１の回転ツール３の突起部３ｄを挿入して、突起部３ｄの長さの範囲内の厚みの金属板を両面から接合部Ｊの全範囲を摩擦攪拌接合することが出来る。これにより金属板の厚みに合わせて異なるプローブ長さを有する回転ツールに交換する必要がないため、異なるプローブ長さを有する回転ツールを多数準備する必要がなくなり、ランニングコストを抑え、経済性を向上することが出来る。

また、第１および第２の回転ツール３，４は別体でそれぞれ独立して駆動している。したがって、ボビンツールの場合とは異なり、裏面側回転ツールのショルダ部４ｃの摩擦攪拌仕事はプローブを介して動力を伝達する必要がないため、ボビンツールの場合のように片面摩擦攪拌接合装置のツールと比較し、プローブ（突起部）３ｄの直径を片面摩擦攪拌接合装置のツールの少なくとも２倍以上としなくてよい。これによりプローブの直径が大きくなることによるショルダ径の大径化が防止出来るため、装置が大型化することなく、この点でも経済性を向上することが出来る。

また、本実施の形態の接合方法によれば、第１および第２の回転ツール３，４は突き合わせた金属板１，２の接合部Ｊの板厚方向全域を摩擦攪拌するため、接合部Ｊの強度を向上させることが出来る。

更に、第１および第２の回転ツール３，４は別体であって、両者間の距離を調整可能であるため、少なくとも一方の回転ツールの接合部への押し付けに負荷制御を採用することが出来る（後述）。このように負荷制御を採用することが出来るため、金属板の厚み（接合部の厚み）の微小変動に応じ、第１の回転ツール３の突起部３ｄの第２の回転ツール４の凹み部４ｄへの挿入量を調整することで、上下のショルダ面３ｂ，４ｂ間の距離を固定せずに、両面から摩擦攪拌接合することが出来る。これにより金属板の厚みの微小変動によるショルダ面３ｂ，４ｂと金属板接合部表面との接触面における面圧が変動することを回避し、摩擦熱量の変動を抑え、接合部Ｊの品質低下（接合不良）を防止し、高い信頼性を有する接合が出来る。

第１および第２の回転ツール３，４の材質について言及する。
片面の摩擦攪拌接合は、比較的融点の低い材料であるアルミニウムなどの非鉄合金の分野では、実用化されている。一般に、摩擦攪拌接合では、材料温度を融点の８０％程度まで摩擦攪拌熱で上昇させる必要がある。その結果、１０００℃を超える高融点材料の接合では、単位長さ当たりの摩擦攪拌による投入エネルギーが高くなり、更には変形抵抗値も高くなることから、回転ツールには高い耐熱強度と破壊靭性が求められ、高価な多結晶ダイヤモンド等の材料を使用せざるを得なかった。

更に、これらツール材料を用いても、熱衝撃、ツールの摩耗およびプローブまたは突起に作用する曲げモーメント等により、ツール寿命が短く、１０００℃を超える高融点材料への摩擦攪拌接合の普及を妨げる要因となっている。

本実施の形態では、接合部の表裏面の両側から摩擦攪拌接合することにより、片面摩擦攪拌接合で生じていた裏当て板への熱損失が防止できる。そのため、接合部の軟化領域が増加し、回転ツール１本にかかる熱負荷を１／２以下にすることが出来る。加えて、上記のように少なくとも一方の回転ツールの接合部への押し付けに負荷制御を採用することで（後述）、金属板の厚みの微小変動によるショルダ面３ｂ，４ｂと金属板接合部表面との接触面における面圧が変動することを回避し、熱負荷の変動を低減することが出来る。これにより回転ツールの材質に高価な多結晶ダイヤモンド等の材料を用いる必要がなくなり、回転ツールの材質を焼結炭化タングステンの超硬合金、タングステン合金などとすることが出来る。その結果、融点が１０００℃以上の金属板の摩擦攪拌において、ツール寿命の長い、経済的な回転ツールを提供出来る。

また、本実施の形態の接合方法によれば、第１および第２の回転ツール３，４は別体であるため、第１および第２の回転ツール３，４の先端部分が接合進行方向に向かって先行するように、それぞれの回転ツール軸芯を傾けることが出来る（後述）。これにより金属板１，２への押圧力を高めることが出来るため、摩擦攪拌接合による接合部の流動性を向上させ、接合不良を抑制し、高い信頼性を有する接合が出来る。

更に、第１および第２の回転ツール３，４は別体であるため、第１および第２の回転ツール３，４の回転方向を接合部Ｊの表面側と裏面側で逆方向とすること出来る（後述）。これにより接合部Ｊの表面側からの攪拌によるせん断力と裏面側からの攪拌によるせん断力を接合部Ｊの内部で打ち消すことが出来、材料の破断を防止し、高い信頼性を有する接合が出来る。この効果は、第１及び第２の回転ツール３，４のショルダ面３ｂ，４ｂの直径を同じにした場合に、特に高くなる。

図３は、第１および第２の回転ツール３，４による接合距離（接合開始後の時間)と回転ツールの主軸の回転モータ負荷の変化を示すタイムチャートである。

プローブまたは突起部を有していない回転ツールを、接合方向に進行させるときに、回転ツールのショルダ面と金属板の接触面に偏芯荷重が作用すると、びびり振動が発生し、摩擦攪拌が不均一になり、接合不良を起こす問題がある。

本発明者等が行なった実験によれば、第１の回転ツール３の突起部（プローブ）３ｄの第２の回転ツール４の凹み部４ｄへの挿入量が０ｍｍを超えることで、図３のタイムチャートに示すように、接合開始直後の数秒においては、びびり振動したが、その後、びびり振動は抑制出来ることを確認した。これは、材料が軟化し、凹み部４ｄに材料が充填されることで、挿入された第１の回転ツール３の突起部３ｄが、軟化充填された材料を介し、第２の回転ツール４の凹み部４ｄ内で内圧を受けた結果、制振力を作用することによるものである。その結果、びびり振動が抑制され、均一な摩擦攪拌が可能となり、この点でも接合不良を抑制し、高い信頼性を有する接合が出来る。

また、接合開始前に、凹み部４ｄに隙間に相当する量の材料を充填しておけば、本振動は回避することが可能である。

図４は、接合部Ｊの表裏面に対し、第１および第２の回転ツールの配置位置を逆にした場合の接合時におけるツールセットの使用状態を示す図である。図１では、接合部Ｊの表面側に、ツール本体３ａの先端部分に突起部（プローブ）３ｄを有する第１の回転ツール３を配置し、接合部Ｊの裏面側に、ツール本体４ａの先端部分に凹み部４ｄを有する第２の回転ツール４を配置したが、図４に示すように、接合部Ｊの表裏面に対して、第１の回転ツール３と第２の回転ツール４の配置位置を逆にしても摩擦攪拌接合の効果は変わらない。

第１の回転ツール３の各部の寸法関係および第１の回転ツール３と第２の回転ツール４の寸法関係について図２と表１を用いて説明する。

表１ 金属板の板厚とショルダ径及び突起部形状（直径及び長さ）

ツール本体３ａの先端部分に突起部３ｄ（プローブ）を有する第１の回転ツール３のショルダ部３ｃ（ショルダ面３ｂ）の直径Ｄ１および突起部３ｄの直径ｄ１、突起部３ｄの長さＬ１は、摩擦攪拌接合する金属板１，２の厚み、変形抵抗および接合条件により変わる。

＜第１の回転ツール３の寸法関係（ショルダ径Ｄ１）＞
まず、第１の回転ツール３のショルダ部３ｃ（ショルダ面３ｂ）の直径Ｄ１について言及する。ショルダ直径Ｄ１の主たる決定要因は、単位時間当たりに接合部に投入する熱量である。摩擦攪拌接合では、摩擦発熱量不足または摩擦発熱量過多で接合不良を起こす。したがって、所望の摩擦発熱量を生成するショルダ直径Ｄ１を選定する必要がある。

本発明者等が行なった最大板厚１０ｍｍまでの実験によれば、表１に示すような設定条件とすることで、良好な接合部が得られた。すなわち、金属板の板厚が０ｍｍを超え１ｍｍ以下ではショルダ直径Ｄ１は、３ｍｍを超え８ｍｍ以下、板厚が１ｍｍを超え３ｍｍ以下ではショルダ直径Ｄ１は、５ｍｍを超え１２ｍｍ以下、板厚が３ｍｍを超え６ｍｍ以下ではショルダ直径Ｄ１は、８ｍｍを超え１５ｍｍ以下、板厚６ｍｍを超え１０ｍｍ以下ではショルダ直径Ｄ１は１２ｍｍを超え２０ｍｍ以下であれば、摩擦発熱量不足または摩擦発熱量過多が無い状態で摩擦攪拌接合ができる。これにより、接合不良を起こさない良好な接合部が得られる。

（突起部直径ｄ１）
次に、ツール本体３ａの先端部分に突起部３ｄ（プローブ）を有する第１の回転ツール３のショルダ部３ｃ（ショルダ面３ｂ）の突起部３ｄの直径ｄ１について言及する。

突起部直径ｄ１の下限値の主たる決定要因は、摩擦攪拌接合時に突起部３ｄに作用するモーメントである。突起部３ｄの直径ｄ１が小さいと断面係数が確保できず、突起部３ｄの折損が生じることがある。したがって、突起部３ｄの折損を生じることがない断面係数とする必要がある。

また、突起部直径ｄ１の上限値の主たる決定要因は、摩擦攪拌接合時の摩擦発熱量である。摩擦発熱量は、ショルダ面３ｂと金属板表面の接触面積で決まる。ショルダ直径Ｄ１と突起部直径ｄ１の設定条件によって、金属板表面に接触する第１の回転ツール３のショルダ面３ｂの面積が変わる。まず、ショルダ直径Ｄ１に対し突起部直径ｄ１は小さいことが前提である。更に、ショルダ直径Ｄ１に対する突起部直径ｄ１の比率が大きい場合には、金属板表面の接触面積が少なくなり、摩擦発熱量が不足する場合がある。したがって、摩擦発熱量不足による接合不良を起こさない突起部直径ｄ１とする必要がある。

本発明者等が行なった最大板厚１０ｍｍまでの実験によれば、表１に示すような設定条件が得られた。すなわち、金属板の板厚が０ｍｍを超え１ｍｍ以下では突起部３ｄの直径ｄ１は、１ｍｍを超え４ｍｍ以下で、板厚が１ｍｍを超え３ｍｍ以下では突起部３ｄの直径ｄ１は、１ｍｍを超え６ｍｍ以下で、板厚が３ｍｍを超え６ｍｍ以下では突起部３ｄの直径ｄ１は、２ｍｍを超え８ｍｍ以下で、板厚６ｍｍを超え１０ｍｍ以下では突起部３ｄの直径ｄ１は、４ｍｍを超え１０ｍｍ以下であれば、摩擦攪拌接合時に突起部３ｄに作用するモーメントにより、突起部３ｄの折損を生じることがないことを確認した。

更に、突起部直径ｄ１の上限値は、金属板の板厚、変形抵抗などの条件で設定したショルダ径Ｄ１において、上記範囲内で適宜選定することで、摩擦発熱量の不足が無い状態で摩擦攪拌接合ができることを確認した。これにより、接合不良を起こさない良好な接合部を得られる。

（突起部長さＬ１）
次にツール本体３ａの先端部分に突起部３ｄ（プローブ）を有する第１の回転ツール３のショルダ部３ｃ（ショルダ面３ｂ）の突起部３ｄの長さＬ１について言及する。

突起部長さＬ１の決定要因は、金属板の板厚である。突起部３ｄの長さＬ１が金属板の板厚よりも短い場合には、一般的にキッシングボンドと呼ばれている未接合部が発生する。したがって、突起部３ｄの長さＬ１は、未接合部が無く、全開先状態で接合できる長さとする必要がある。

本発明者等が行なった最大板厚１０ｍｍまでの実験によれば、表１に示すような設定条件が得られた。すなわち、金属板の板厚が０ｍｍを超え１ｍｍ以下では突起部３ｄの長さＬ１は、板厚を超え２ｍｍ以下で、板厚が１ｍｍを超え３ｍｍ以下では突起部３ｄの長さＬ１は、板厚を超え４ｍｍ以下で、板厚が３ｍｍを超え６ｍｍ以下では突起部３ｄの長さＬ１は、板厚を超え７ｍｍ以下で、板厚が６ｍｍを超え１０ｍｍ以下では突起部３ｄの長さＬ１は、板厚を超え１１ｍｍ以下であれば、一般的にキッシングボンドと呼ばれている未接合部が無く、全開先状態で接合できることを確認した。

＜第２の回転ツール４の寸法関係の説明＞
また、ツール本体４ａの先端部分に凹み部４ｄを有する第２の回転ツール４のショルダ部４ｃ（ショルダ面４ｂ）の直径Ｄ２および凹み部４ｄの直径ｄ２、凹み部４ｄの深さＬ２は、第１の回転ツール３のショルダ直径Ｄ１、突起部直径ｄ１、突起部長さＬ１に応じて決定される。本発明者等が行なった実験によれば、第２の回転ツール４のショルダ直径Ｄ２は、第１の回転ツール３のショルダ直径Ｄ１と同じ値にすることが好ましい。また、凹み部直径ｄ２は、突起部直径ｄ１より大径となり、ｄ１＋２ｍｍ以下が好ましい。また、凹み部深さＬ２は、突起部長さＬ１より長くなり、Ｌ１＋１ｍｍ以下で良好な接合部が得られた。

（凹み部の直径ｄ２＝ｄ１＋２ｍｍ、長さＬ２＝Ｌ１＋１ｍｍの説明）
また、本発明の接合方法では、後述するように、第１および第２の回転ツール３，４の先端部分が接合進行方法（図１の紙面直角方向）に向かって先行するように、第１および第２の回転ツール３，４の軸芯を傾けた状態で摩擦攪拌接合することが好ましい。

その場合、凹み部直径ｄ２および凹み部長さＬ２は、摩擦攪拌接合する金属板の板厚、第１の回転ツール３の突起部３ｄの直径ｄ１および長さＬ１、突起部３ｄの凹み部４ｄへの挿入量、第１および第２の回転ツール３，４の軸芯の傾き角度による幾何学的関係で決まる。

凹み部直径ｄ２および凹み部長さＬ２は、突起部３ｄが凹み部４ｄ内で干渉せずに挿入し、傾けることが出来る凹み部直径ｄ２および凹み部長さの最小値で決定される。

凹み部直径ｄ２および長さＬ２を大きくすれば、突起部３ｄが凹み部４ｄ内で干渉せず挿入し、傾けることが可能であるが、大きくしすぎることで凹み部４ｄへ流動する材料が多くなり、接合不良を発生させる要因となる。

本発明者等が行なった最大１０ｍｍまでの実験によれば、凹み部４ｄの直径ｄ２は、ｄ１＋２ｍｍ以下、凹み部４ｄの長さＬ２は、Ｌ１＋１ｍｍ以下であれば、突起部３ｄが凹み部４ｄ内で干渉することがなく、接合不良を起こさない良好な接合部が得られることを確認した。

図示はしないが、摩擦攪拌接合する金属板の材質などにより、第１および第２の回転ツール３，４のショルダ面３ｂ，４ｂに螺旋溝の加工を施し、突起部３ｂにネジ加工、凹み部４ｄにメネジ加工などを施してもよく、これにより摩擦攪拌接合における攪拌効率を向上させることが出来る。

また、図１、図２において、プローブまたは突起直径ｄ１および凹み部直径ｄ２は、各長さＬ１、Ｌ２内で同径とし図示したが、テーパ状に加工しても、摩擦攪拌接合の効果は変わらない。

図５〜図８は、本発明の実施の形態に係わる両面摩擦攪拌接合用ツールセットの別形状の概略の断面図を示す。

図５は第１の変形例を示す。この変形例では、第１の回転ツール３Ａは、図１に示した第１の回転ツール３とほぼ同様の構成を有し、ツール本体３ａの先端部分にショルダ面３ｂから突出するようピン状の突起部（プローブ）３ｄが形成されている。ただし、突起部３ｄの長さＬ１は図１に示した第１の回転ツール３よりも短い。第２の回転ツール４Ａは、ツール本体４ａのショルダ面４ｂから突出するよう形成され、外周面が円錐形状をし内周面が円筒形状をしたリング状の突起部４ｅを有し、凹み部４ｄはそのリング状の突起部４ｅの内側に形成されている。

摩擦攪拌時、接合部Ｊには突起部３ｄだけでなく突起部４ｅも接合部Ｊの板厚方向に突入し、突起部３ｄと突起部４ｅの両方で接合部Ｊの板厚方向全域を摩擦攪拌する。

図５のような変形を施すことで、第１の回転ツール３Ａのツール本体３ａの先端部分にショルダ面３ｂから突出するように形成したピン状の突起部（プローブ）３ｄの長さＬ１を短縮することができ、摩擦攪拌接合時に突起部３ｄに作用する回転曲げモーメントを少なくなることで、金属板１、２の板厚が厚くなった場合においても、突起部３ｄを折損することなく、摩擦攪拌接合することができる。

図６は第２の変形例を示す。この変形例では、第２の回転ツール４Ｂは、図５に示した第２の回転ツール４Ａとほぼ同様の構成を有している。第１の回転ツール３Ｂは、上述した第１の回転ツール３，３Ａの構成に加え、ツール本体３ａの先端部分にショルダ面３ｂから突出するよう形成されたリング状の第２の突起部３ｅを有している。この第２の突起部３ｅは突起部３ｄとほぼ同じ長さを有し、かつ外周面が円筒形状をし、内周面が円錐形状をしている。また、突起部３ｅは突起部３ｄを取り囲んでおり、両者の間に、第２の回転ツール３Ｂの突起部４ｅの先端部を収納する環状の凹み部３ｆを形成している。

摩擦攪拌時、接合部Ｊには突起部３ｄだけでなく突起部４ｅと突起部３ｅも接合部Ｊの板厚方向に突入し、突起部３ｄ，３ｅの２つの突起部と突起部４ｅとで接合部Ｊの板厚方向全域を摩擦攪拌する。

図７は第３の変形例を示す。この変形例では、第１の回転ツール３Ｃは、図６に示した第２の突起部３ｅに代え、突起部３ｄより短くかつ内外周面とも円筒形状をしたリング状の第２の突起部３ｇを有している。第２の回転ツール４Ｃは、図５および図６に示した突起部４ｅに代え、内外周面とも円筒形状をしたリング状の突起部４ｆを有し、突起部４ｆのリング状の先端面に、凹み部４ｄの深さより浅く、第２の突起部３ｇの先端部を収納する環状の第２の凹み部４ｇが形成されている。

摩擦攪拌時、接合部Ｊには突起部３ｄが板厚方向全域に突入するとともに、第２の突起部３ｇおよび突起部４ｆ接合部Ｊの板厚方向に突入し、これらの突起部３ｄ，３ｇ，４ｆで接合部Ｊの板厚方向全域を二重に摩擦攪拌する。

図８は第４の変形例を示す。この変形例では、第１の回転ツール３Ｄは、図７に示した第１の回転ツール３Ｃとほぼ同様の構成を有している。ただし、リング状の第２の突起部３ｇは突起部３ｄとほぼ同じ長さを有している。
第２の回転ツール４Ｄは、図５に示した第２の回転ツール４Ａと同様、ツール本体４ａのショルダ面４ｂから突出するよう形成されたリング状の突起部４ｈを有し、凹み部４ｄはその突起部４ｈのリング形状の内側に形成されている。また、凹み部４ｄは、第１の回転ツール４Ｄの突起部３ｄだけでなく第２の突起部３ｇの先端部も収納するよう、図５の凹み部４ｄより大きな直径を有している。

摩擦攪拌時、接合部Ｊには突起部３ｄだけでなく第２の突起部３ｇおよび突起部４ｈも接合部Ｊの板厚方向に突入し、これら突起部３ｄ，３ｇ，４ｈで接合部Ｊの板厚方向全域を摩擦攪拌する。

上記図６〜図８の変形例においても、図５の変形例と同様に突起部（プローブ）３ｄの長さＬ１を短縮することができ、金属板１、２の板厚が厚くなった場合においても、突起部３ｄを折損することなく、摩擦攪拌接合することができる。

次に、本発明の接合方法を実施する両面摩擦攪拌接合装置の実施の形態を説明する。

図９は、本発明の一実施の形態に係わる両面摩擦攪拌接合装置の一部を欠損して示す全体斜視図であり、図１０は、その両面摩擦攪拌接合装置の要部の概略正面図であり、図１１はその摩擦攪拌装置部分の上側半分を制御系とともに示す図である。

図９〜１１において、本実施の形態に係わる金属板の両面摩擦攪拌接合装置は、２枚の金属板１，２の表裏面をそれぞれ把持する入側把持装置５および出側把持装置６と、第１および第２の回転ツール３，４を２枚の金属板１，２の接合部Ｊの表面側と裏面側に相対向するように装着し、第１および第２の回転ツール３，４を回転駆動する上下のツール回転駆動装置７，８と、上下のツール回転駆動装置７，８に装着した第１および第２の回転ツール３，４を互いに近づく方向に移動して、第１および第２の回転ツール３，４を金属板１，２の接合部Ｊの表面側と裏面側に押圧する上下のツール押圧装置４５，４６と、上下のツール回転駆動装置７，８に装着した第１および第２の回転ツール３，４を接合部Ｊに沿って移動させる上下の移動装置４７，４８とを有している。

前述したように、第１の回転ツール３は、ツール本体３ａの先端部分にショルダ面３ｂから突出するようにの突起部（プローブ）３ｄが形成され、第２の回転ツール４は、ツール本体４ａのショルダ面４ｂに突起部３ｄの先端部を収納する凹み部４ｄが形成されている。本実施の形態では、第１の回転ツール３は上ツール回転駆動装置７に装着され、第２の回転ツール４は下ツール回転駆動装置８に装着されているため、以下の説明では、第１の回転ツール３を上回転ツールと呼び、第２の回転ツール４をした回転ツールという。

上下のツール押圧装置４５，４６は、上下のツール回転駆動装置７，８に装着した上下の回転ツール３，４を互いに近づく方向に移動するとき、上回転ツール３の突起部３ｄの先端部を下回転ツール４の凹み部４ｄ内に挿入するとともに、上下の回転ツール３，４のショルダ部３ｃ，４ｃのショルダ面３ｂ，４ｂを接合部Ｊの表面側と裏面側に押圧するよう制御される。

上下の移動装置４７，４８は、上下のツール回転駆動装置７，８によって上下の回転ツール３，４を回転駆動し、上下のツール押圧装置４５，４６によって上回転ツール３の突起部３ｄの先端部を下回転ツール４の凹み部４ｄ内に挿入し、上下の回転ツール３，４のショルダ部３ｃ，４ｃのショルダ面３ｂ，４ｂを接合部Ｊの表面側と裏面側に押圧した状態で、上下の回転ツール３，４を接合部Ｊに沿って移動させ、接合部Ｊの板厚方向全域を回転ツール３，４で摩擦攪拌接合するよう制御される。

入側把持装置５および出側把持装置６は、それぞれ、上下の把持板５ａ，５ｂおよび６ａ，６ｂを有し、上下把持板５ａ，５ｂおよび６ａ，６ｂは、図示しない駆動装置を備えた開閉機構により開閉可能である。

上下のツール回転駆動装置７，８は、それぞれ、上下の回転ツール３，４を保持する上下の筒体４９，５０を有し、筒体４９，５０は少なくとも部分的に上本体ケース５１および下本体ケース５２内に収納されている。筒体４９，５０内には回転ツール３，４をそれぞれ回転駆動する上回転用モータ５３ａおよび下回転用モータ５３ｂが内蔵されている。

上ツール押圧装置４５は、図１１に示すように、上本体ケース５１内に設けられた押圧用モータ６１ａと、この押圧用モータ６１ａにより回転駆動されるスクリュー６２ａと、このスクリュー６２ａの回転によりスクリュー６２ａの軸方向に直線移動するサポートフレーム６３ａとを有し、上ツール回転駆動装置７の筒体４９はサポートフレーム６３ａと一体にスクリュー６２ａの軸方向に直線移動するようにサポートフレーム６３ａに取り付けられている。

図示しないが、下ツール押圧装置４６も同様に構成されている。以下の説明では、下ツール押圧装置４６の上ツール押圧装置４５と同等の要素を示す参照符号には、添え字ａに代えて添え字ｂを付している。

上移動装置４７は、上ハウジング９に固定された左右の上レール１１，１１と、上本体ケース５１を軸６４ａ，６４ａを介して支持する左右の走行フレーム６５ａ，６５ａと、左右の走行フレーム６５ａ，６５ａに設けられ、上レール１１，１１上を走行する左右、前後の車輪６６ａ，６６ａと、左右の走行フレーム６５ａ，６５ａに取り付けられ、前後の車輪の少なくとも一方を駆動する走行用モータ６７ａ，６７ａとを有しており、上ツール回転駆動装置７および上ツール押圧装置４５は上レール１１，１１上を、金属板１，２の接合部Ｊに沿って金属板１、２の進行方向に直交する方向に走行する。

下移動装置４８も同様に構成され、下ツール回転駆動装置８および下ツール押圧装置４６は下ハウジング１０に固定された下レール１２，１２上を、金属板１，２の接合部Ｊに沿って金属板１，２の進行方向に直交する方向に走行する。以下の説明では、下移動装置４８の上移動装置４７と同等の要素を示す参照符号には、添え字ａに代えて添え字ｂを付している。

図９〜１１に示す構成では、上下のツール回転駆動装置７，８が上下レール１１，１１および１２，１２上を走行するときの上下の回転ツール３，４の軸芯の同調は、制御装置８３（後述）が上移動装置４７の走行用モータ６７ａ，６７ａと下移動装置４８の走行モータ６７ｂ，６７ｂを同期制御する電気制御方式によって行うものとなる。

図１２は、上下の回転ツール３，４の軸芯の同調を機械的に行う方式を示す図である。上下のツール回転駆動装置７，８はＣ型に一体に連結された上下のハウジング９Ａ，１０Ａに固定され、このＣ型の上下ハウジング９Ａ，１０Ａに対して、車輪７１、スクリュー７２、走行用モータ７３からなる走行装置７４が設けられている。車輪７１は下ハウジング１０Ａに設けられ、スクリュー７２は下ハウジング１０Ａに係合し、走行用モータ７３はスクリュー７２を回転駆動する。制御装置７５の指令により走行用モータ７３を駆動すると、スクリュー７２が回転し、上下ハウジング９Ａ，１０Ａは上下の回転ツール３，４の軸芯が同調した状態で金属板１，２の進行方向に直交する方向に走行する。

図１１に戻り、本実施の形態に係わる接合装置は、上下のツール回転駆動装置７，８に装着した上下の回転ツール３，４の先端部分が、回転ツール３，４の進行方向に向かって先行するように、ツール軸芯１５を傾けて支持する上傾斜支持装置７６ａおよび下傾斜支持装置７６ｂを更に有している。上下の傾斜支持装置７６ａ，７６ｂは角度調整式であり、左右の走行フレーム６５ａ，６５ａ，６５ｂ，６５ｂの一方に設けられ、走行フレーム６５ａ，６５ｂが支持する軸６４ａ，６４ｂを回転駆動する角度調整用モータ７７ａ，７７ｂを有している。傾斜支持装置７６ａ，７６ｂは、上下の回転ツール３，４の軸芯１５を傾けて固定的に支持する固定方式であってもよい。

本実施の形態に係わる接合装置に備えられる制御系については後述する。

＜接合方法＞
次に、上述した接合装置を用いて行う本発明の一実施の形態に係わる金属板の両面摩擦攪拌接合方法（以下適宜、単に接合方法という）を図１３〜図２５を用いて説明する。

図１３は、本発明の接合方法を２枚の金属板の突き合わせ溶接に適用した場合の接合時の状態を示し、合わせて上下の回転ツール３，４と入出側把持装置５，６との位置関係（入出側把持装置間距離）を示す図である。

図１３に示すように、両面摩擦攪拌接合で金属板１，２の突き合わせ接合を行う場合は、上下２本の回転ツール３，４を２枚の金属板１，２の接合部Ｊ（突き合わせ部）にその表面側および裏面側から挿入し、上下の回転ツール３，４を回転させることによって生じる摩擦熱を利用して摩擦撹拌し、２枚の金属板１，２を接合する。

本実施の形態に係わる接合方法では、まず、上下の回転ツール３，４を挟んで、その両側に配置された入側把持装置５および出側把持装置６によって２枚の金属板１，２の表裏面をそれぞれ把持する。次いで、ツール押圧装置４５，４６を駆動して、２枚の金属板１，２の接合部Ｊである突き合わせ部の表面側と裏面側にそれぞれ相対向するように配置した上下の回転ツール３，４を互いに近づくように移動して、上回転ツール３の突起部（プローブ）３ｄを下回転ツール４の凹み部４ｄに挿入させて、接合部Ｊの板厚方向の全面を未接合部の無い状態で摩擦攪拌接合する。

また、ツール回転駆動装置７，８を駆動して、相対向するように配置した上下の回転ツール３，４を逆方向に回転させ、回転ツール３，４のショルダ面３ｂ，４ｂを２枚の金属板１，２の接合部Ｊである突き合わせ部の表面側と裏面側に押圧して摩擦攪拌する。このとき上下の回転ツール３，４が金属板１，２の突き合わせ部Ｊ（接合部）をその表面側と裏面側から押圧する押圧力を、表面側と裏面側で同一とする。

そして、この状態（上回転ツール３の突起部３ｄを下回転ツール４の凹み部４ｄに挿入させかつ上下の回転ツール３，４のショルダ面３ｂ，４ｂを突き合わせ部Ｊの表面側と裏面側に押圧した状態）で、移動装置４７，４８を駆動して、突き合わせ部Ｊに沿って上下の回転ツール３，４を回転させながら、金属板１，２の進行方向に直交する方向に移動させて摩擦攪拌接合する。

また、本実施の形態に係わる接合方法では、傾斜支持装置７６ａ，７６ｂによって上下の回転ツール３，４の先端部分を、回転ツール３，４の進行方向に向かって先行する方向に傾け、この状態で、回転ツール３，４を回転させながら、金属板１，２の進行方向に直交する方向に移動させて摩擦攪拌接合する（図１６、図１７、図１９、図２２、図２３参照）。

図１４および図１５は、本発明の接合方法を２枚の金属板の重ね合わせ接合に適用した場合の接合時の状態を示す図であり、図１４と図１５とでは、本発明の接合方法を重ね合わせ接合に適用する場合の把持方式の違いを示している。

本発明者等は、突き合わせの両面摩擦攪拌接合と同様に重ね合わせた金属板１，２の両面摩擦攪拌接合においても、図１４および図１５に示すように、上下の回転ツール３，４の少なくとも一方の回転ツールの先端部分は、ショルダ面３ｂから突出する突起部３ｄを形成し、相対向する他方の回転ツールの先端部分のショルダ面４ｂには、突起部３ｄの先端部を収納する凹み部４ｄを形成し、一方の回転ツールの突起部３ｄの少なくとも先端部を他方の回転ツールの凹み部４ｄ内に挿入した状態で、回転ツール３，４を接合部Ｊに沿って移動させ、金属板１，２の摩擦攪拌接合を行なった。

重ね合わせ溶接に本発明を適用する場合、入出側把持装置５，６による金属板１，２の把持は、重ね合わせた金属板１，２を把持する場合と、金属板１，２をそれぞれ単独で把持する場合とがある。

図１４は前者の例であり、２枚の金属板の重ね合わせ部を長めに取り、入出側把持装置５，６は接合部としての重ね合わせ部の両側の金属板１，２を２枚一緒に把持する。図１５は後者の例であり、入出側把持装置５，６は接合部としての重ね合わせ部の両側の金属板１，２を１枚ずつ把持する。

図１４の例では、接合時に重ね合わせ部の密着度を高めることが難しい。また、入出側把持装置５，６が位置する高さが同じにならないので、高さ調整機構が必要になる。この意味で、図１４の例の方が好ましいと考えられる。

以上のように図９〜図１２に示した接合装置を用いて本発明の接合方法を実施することにより、ツールセットの実施の形態で説明したように、回転ツール寿命を向上し、経済性に優れ、かつ接合不良と金属板の破断を抑制し、高い信頼性を有する接合を行うことが出来る。

以下に、本実施の形態に係わる接合方法および装置の更なる特徴の詳細を説明する。

まず、上下の回転ツール３，４の軸芯の傾斜について言及する。

図１６は、回転ツール３，４を回転させながら摩擦攪拌接合している場合の接合方向（図１の断面と直角方向）に沿った断面図である。

本実施の形態では、上下の回転ツール３，４の先端部分を、回転ツール３，４の進行方向に対してそれぞれの先行する方向にツール軸芯１５を傾けた状態で、回転ツール３，４を回転させながら摩擦攪拌接合する。

下回転ツール４の凹み部４ｄの直径ｄ２は、上回転ツール３の突起部４の直径ｄ１、長さＬ１および傾斜角θ１から、上下回転ツール３，４が干渉しない大きさに設定する。

このように回転ツール３，４の軸芯１５を傾けることによって、回転ツール３，４のショルダ面３ｂ，４ｂと材料間の面圧を高め、摩擦攪拌接合による接合部の流動性を向上させ接合欠陥を抑制することが出来る。

更に、下回転ツール４の凹み部４ｄには、摩擦攪拌により材料が軟化流動し、隙間が埋まる。これにより、下回転ツール４の凹み部４ｄに挿入された上回転ツール３のプローブまたは突起部４が、隙間に軟化充填された材料を介し、他方のツールの凹み部４ｄ内で内圧を受けた結果、制振力を作用することで、上下回転ツール３，４の半径方向の制振性能が向上する。その結果、びびり振動が抑制され、均一な摩擦攪拌が可能となり、この点でも接合不良を抑制し、接合部の強度を向上させることが出来る。

ここで、ツール軸芯１５を傾ける角度が大きすぎる場合には、進行方向後ろ側のショルダ面の金属板１，２への挿入量が増加する。その結果、金属板１，２へ挿入されたショルダ部３ｃ，４ｃの体積分の接合部の材料がビード外部へ放出され、接合部の厚みの局部的な減少が発生し、接合部の強度が低下する。特に接合する金属板１，２の板厚が２ｍｍ以下と薄い場合には、接合部の厚みの減少する割合が大きく、接合部から板破断する問題がある。

したがって、金属板１，２の板厚が２ｍｍ以下の場合には、傾き角θ１またはθ２を０°を超え３°以下とすることで、接合部厚みの局部的な減少による接合部の強度低下を抑制し、接合部からの板破断を抑制することが出来る。更に、接合部の厚みの局部的な減少を抑制するためには、好適には傾き角θ１またはθ２を０°を超え２°以下、更に好適には０°を超え１°以下とする。

次に、上下の回転ツール３，４の回転方向について言及する。

図１７および図１８は、上下回転ツール３，４の回転方向を同方向とし、回転ツール３，４のショルダ部３ｄ，４ｄ(ショルダ面３ｂ，４ｂ）の直径（ショルダ径）を同一にし、かつ回転ツール３，４の軸芯１５を回転ツール３，４の進行方向に対して同じ角度で傾けて摩擦攪拌接合している状態を示す図であり、図１７は斜視図、図１８は断面図である。

図１７および図１８に示すように、上下回転ツール３，４の回転方向が同方向である場合は、表裏面のショルダ部３ｃ，４ｃ間に挟まれる金属板の軟化領域部分に、上せん断力２７ａと下せん断力２７ｂのせん断力が同方向に働く。したがって、金属板１，２の厚みが薄い場合には、許容せん断力を超えるせん断力が作用し、材料が破断する場合がある。

図１９および図２０は、上下回転ツール３，４の回転方向を逆方向とし、回転ツール３，４のショルダ部３ｃ，４ｃ(ショルダ面３ｂ，４ｂ）の直径（ショルダ径）を同一にし、かつ回転ツール３，４の軸芯１５を回転ツール３，４の進行方向に対して同じ角度で傾けて摩擦攪拌接合している状態を示す図であり、図１９は斜視図、図２０は断面図である。

本実施の形態では、図１９および図２０に示すように、上下の回転ツール３，４の回転方向を表面側と裏面側で逆方向とする。これにより表面側からの攪拌によるせん断力２７ａと裏面側からの攪拌によるせん断力２７ｂを接合部の内部で打ち消すことが出来、材料の破断を防止することが出来る。また、把持装置５，６の把持力を低減することが出来、把持装置５，６を簡素化出来る。

また、上下回転ツール３，４の回転速度を同じ速度にするように、回転駆動する上回転用モータ５３ａおよび下回転用モータ５３ｂに制御装置８３から指令を与え、制御することで、表裏面からの接合部への入熱量、摩擦力によるせん断力を同一に出来る。

これにより、板厚方向において残留応力が均一となり、表裏面で耐引張・耐曲げ強度差が発生せず、強度信頼性が低下することを防止することが出来る。

次に、入出側把持装置５，６間の距離と回転ツールの直径との関係について、図１３〜図１５を用いて説明する。

金属板１，２の材料剛性が低い場合、すなわち金属板の板厚ｔ１，ｔ２が上下回転ツール３，４のショルダ部３ｃ，４ｃの直径より小さく、薄い場合、または高温変形抵抗σ１，σ２が低い場合には、入側把持装置５と出側把持装置６間の距離Ｌｃを回転ツール３，４のツール本体直径Ｄ１或いはＤ２の１．５倍以上５倍以下とし、図１３に示すように、上下回転ツール３，４の近傍を把持することが好ましい。すなわち、下記の式を満足するように上下の回転ツール３，４に対して入出側把持装置５，６を配置することが好ましい。

Ｌｃ＝Ｄ３（Ｄ４）ｘ（１．５〜５）
Ｌｃ＝Ｌｃ１＋Ｌｃ２
Ｌｃ：入出側把持装置間距離
Ｌｃ１：回転ツール軸芯と入側把持装置間距離
Ｌｃ２：回転ツール軸芯と出側把持装置間距離
Ｄ３：上回転ツールのツール本体直径
Ｄ４：下回転ツールのツール本体直径
本発明において、上記のように把持装置間距離とツール径との関係を定めるのは，次の理由による。

金属板１，２の材料剛性が低い場合、すなわち金属板の板厚ｔ１，ｔ２が薄い場合、または高温変形抵抗σ１，σ２が低い場合には、金属板１，２を入出側把持装置５，６で把持して摩擦攪拌接合を行うと、摩擦攪拌接合時に発生する摩擦熱による熱膨張・熱変形およびプローブまたは突起通過時の排斥力とショルダ部３ｃ，４ｃの回転による材料へのせん断力により金属板１，２が座屈を起こす可能性がある。本発明者等は、その点について検討を重ねた結果、下記の知見を得た。

金属板（鋼板）の板厚３ｍｍ以上の場合では、ツール直径Ｄ（＝Ｄ３＝Ｄ４）＝２５ｍｍに対し、把持装置間距離Ｌｃが１２５ｍｍ以下であれば、座屈を起こさずに接合可能であった。この場合の把持装置間距離Ｌｃはツール直径Ｄの５倍以下である。

また、金属板の板厚が３ｍｍ以下の場合には、ツール直径Ｄ（＝Ｄ３＝Ｄ４）の５倍では、座屈を起こし、接合が出来ない場合があった。

したがって、金属板の板厚が３ｍｍ以下の場合には、板厚や材料の高温変形抵抗値により、適宜、５倍以下の範囲内で設定すれば、座屈を起こさず接合出来ることを確認した。

以上より、入出側把持装置５，６間の距離Ｌｃをツール直径Ｄの５倍以下とすることにより、摩擦攪拌接合時に発生する摩擦熱による熱膨張・熱変形およびプローブまたは突起通過時の排斥力とショルダ部３ｃ，４ｃの回転による材料へのせん断力による座屈を起こさずに、金属板１，２を接合することが出来る。

また、板厚が３ｍｍ以下となる場合は、入出側把持装置５，６間の距離Ｌｃをツール本体直径Ｄの１．５倍以上３倍以下とすることがより好ましく、ツール本体直径Ｄの１．５倍以上２倍以下とすることが更に好ましい。

一方、回転ツール３，４による摩擦攪拌時は、接合部の負荷変動や可動部のクリアランス等により回転ツール３，４が微振動を起こすことは不可避であり、入出側把持装置５，６を回転ツール３，４に余り近づけすぎると、両者が干渉する（当たる）おそれがある。入出側把持装置５，６間の距離Ｌｃをツール直径Ｄの１．５倍以上とすることにより、回転ツール３，４が微振動を起こしても、回転ツール３，４と入出側把持装置５，６との干渉を防止し、装置寿命を向上することが出来る。

以上のように入出側把持装置５，６間の距離Ｌｃを回転ツール直径の１．５倍以上５倍以下とし、金属板１，２の表裏面を把持装置５，６でショルダ近傍を把持することで、金属板１，２が薄く材料剛性が低い場合でも、摩擦攪拌接合時に発生する摩擦熱による熱膨張・熱変形およびプローブまたは突起通過時の排斥力とショルダ部の回転による材料へのせん断力による金属板の座屈を抑制し、かつ金属板１，２の突合せ精度を良好に保ち、安定した接合を行なうことが出来る。

次に、プランジングレスについて言及する。

従来の片面摩擦攪拌接合では、摩擦攪拌開始前に、回転ツールのショルダ面が金属板１，２の表面に接触した状態で、回転ツールを回転させることにより、回転ツールのショルダ面と金属板１，２の表面の摩擦発熱で、金属板材料の温度が材料が軟化する融点の約８０％程度の温度に上昇するまで挿入位置を保持するプランジングと呼ばれる作業が必要となる。金属板１，２が軟化した後に、摩擦攪拌深さ位置を固定させた状態あるいは摩擦攪拌装置のツール回転用モータ負荷を一定値に制御しながら回転ツールを接合方向へ移動させ、摩擦攪拌接合を行う。このプランジング作業は時間を要し、その分、接合のタクトタイムが長くなり、生産効率を高める上で制約となっていた。

本発明者等は、両面摩擦攪拌接合を行う場合は、接合部の両面で摩擦熱を生成させるため、片面摩擦攪拌接合で生じていたような裏当て金への熱拡散が無くなり、温度上昇が短時間で達成されることに着目し、摩擦攪拌接合開始前のプランジング工程を省略することが可能ではないかと考え、金属板１，２の端面からプランジングをせずに直ちに摩擦攪拌接合を開始した。その結果、上下回転ツール３，４により金属板１，２が円滑に塑性流動することを確認した。

更に好適には、上下回転ツール３，４のプローブまたは突起部４と凹み部４ｄ間の隙間を事前に摩擦攪拌するなどし、接合する金属と同じ材質の材料で埋めておけば、前述の通り、初期の偏芯荷重による振動は抑制することが出来る。

したがって、本発明の接合方法によれば、プランジング工程を省略したプランジングレスの摩擦攪拌接合を実現することが出来、これにより接合のタクトタイムを短縮し、生産効率を高めることが出来る。

次に、プランジングレスと上下の回転ツール３，４の軸芯の傾斜について言及する。

図２１は、上下回転ツール３，４の傾き角度を０度に設定して（ツールを傾けずに）上下回転ツール３，４を接合部端面から挿入する際の説明図である。プランジングレスで摩擦攪拌を開始するために、上下回転ツール３，４を接合部端面２４から挿入する際のツール挿入位置は、接合部Ｊと回転ツール３，４の相対位置で決定される。図２１に示すように回転ツール３，４の挿入位置が微小にずれ、過挿入となった場合には、回転ツール３，４側面で接合部端面２４を押付け、金属板１，２を座屈させる等のトラブルの発生並びに摩擦攪拌不良を起こす可能性がある。

図２２は、上下回転ツール３，４を適度に傾けて上下回転ツール３，４を接合部端面２４から挿入する際の様子を示す図である。接合部端面２４からの円滑なツール挿入を果たすためには、図２２に示す通り、上下回転ツール３，４先端部のプローブ１３ａ，１３ｂが進行方向に対し先行する方向にツール軸心１４を傾けた状態で攪拌する。このときの傾き角θ１およびθ２は、好適には０°を超え１０°以下、更に好適には０°を超え６°以下、更に好適には０°を超え３°以下とする。

これにより回転ツール３，４は、そのショルダ面から接合部端面２４に係合するため、ツール側面で接合部端面２４を押付けることがなくなり、金属板座屈等のトラブルや摩擦攪拌不良を起こすことなく、プランジングレスでスムーズに摩擦攪拌接合を開始することが出来る。そして、その後の接合過程において、上下回転ツール３，４の軸芯が傾いていることにより、前述したように、回転ツール３，４のショルダと材料間の面圧を高め、摩擦攪拌接合の際に発生するバリや接合欠陥を抑制することが出来る。

次に、プランジングレスで両面摩擦攪拌接合を行う運転方法について説明する。

まず、その運転方法に係わる制御系について説明する。

図１０および図１１に示すように、本実施の形態に係わる接合装置は、上本体ケース５１の下面に取り付けられた上位置計測器８１ａおよび上ツール回転駆動装置７の筒体４９とサポートフレーム６３ａとの間に取り付けられた上荷重計測器８２ａと、下本体ケース５２の上面に取り付けられた下位置計測器（ロードセル）８１ｂおよび下ツール回転駆動装置８の筒体５４と図示しない下ツール回転駆動装置８用のサポートフレーム６３ｂとの間に取り付けられた下荷重計測器（ロードセル）８２ｂと、制御装置８３とを有している。制御装置８３は、上下位置計測器８１ａ，８１ｂおよび上下荷重計測器８２ａ，８２ｂの計測値を入力し、所定の演算処理を行い、上下ツール回転駆動装置７，８の回転用モータ５３ａ，５３ｂ、上下ツール押圧装置４５，４６の押圧用モータ６１ａ，６１ｂ、上下移動装置４７，４８の走行用モータ６７ａ，６７ｂに指令信号を送り、上下ツール回転駆動装置７，８、上下ツール押圧装置４５，４６、上下移動装置４７，４８の動作を制御する。図示の例では、上下位置計測器８１ａ，８１ｂは非接触式であるが、接触式であっても構わない。また、傾斜支持装置７６ａ，７６ｂが角度調整式である場合、制御装置８３は事前に設定したデータに基づいて傾斜支持装置７６ａ，７６ｂの角度調整用モータ７７ａ，７７ｂに指令信号を送り、上下の回転ツール３，４の軸芯１５を傾けて所定の角度で支持する。

図２３は、回転ツール３，４の軸心１５を傾けてプランジングレスで両面摩擦攪拌接合を行う運転方法を示す図である。図２４は、図１１に示した制御装置８３が行う処理手順を示す制御フローである。

図２３および図２４に示す通り、摩擦攪拌接合開始前は、上下ツール回転駆動装置７，８は待機位置２０ａ，２０ｂにある。この待機位置２０ａ，２０ｂにおいて、上下回転ツール３，４は軸芯１５を傾けた状態にある。また、上下本体ケース５１，５２に取り付けられた上下位置計測器８１ａ，８１ｂ（図１０および図１１参照）を用いて接合部Ｊと上下ツール回転駆動装置７，８間の距離を測定し、回転ツール３，４の予定挿入深さを演算する（ステップＳ１）。次に、上下押圧用モータ６１ａ，６１ｂを駆動して上下回転ツール３，４を予定挿入深さまで位置制御にて移動させる（ステップＳ２）。このとき、位置計測器８１ａ，８１ｂの計測値に基づいて、上下の回転ツール３，４のショルダ面３ｂ，４ｂを所定範囲（例えば板厚ｔ）に設定する。そして、このようにツール挿入位置を位置制御にて保持した状態で、上下走行モータ６７ａ，６７ｂを駆動して上下ツール回転駆動装置７，８を接合方向へ移動させ（ステップＳ２）、接合部端面２４の摩擦攪拌開始位置２１ａ，２１ｂから摩擦攪拌接合を開始する。このとき、前述したように、位置制御のまま接合部端面２４から回転ツール３，４のショルダ面３ｂ，４ｂを接合部端面２４に当てながら回転ツール３，４を金属板１，２に挿入することによって、プランジングレスで摩擦攪拌接合を開始する（図２３等参照）。

摩擦攪拌接合開始後、上回転ツール３の上回転用モータ５３ａの制御電流に基づいて上回転用モータ５３ａの負荷が所定の値となるようにツール挿入位置を制御する負荷一定制御とし（ステップＳ３）、摩擦攪拌接合が終了する摩擦攪拌終了位置２２ａ，２２ｂ到達前に、その時点のツール挿入位置を保持する位置一定制御に切替え（ステップＳ３→Ｓ４）、摩擦攪拌終了位置２２ａ，２２ｂを通過させるように制御する。下回転ツール４については、摩擦攪拌接合開始後も位置制御が維持され、位置制御のまま摩擦攪拌終了位置２２ａ，２２ｂを通過させる（ステップＳ３→Ｓ４）。

このように摩擦攪拌接合開始後に、下回転ツール４は位置制御を維持し、上回転ツール３を負荷一定制御に切り替えることで、接合部Ｊの厚みが変動した場合でも安定して摩擦攪拌することが出来る。

また、上下回転ツール３，４への負荷が一定となるため、回転ツール３，４の損耗や折損を抑制することが出来、回転ツール３，４の寿命を延ばすことが出来る。

上記の各ステップの制御は制御装置８３が上下位置計測器８１ａ，８１ｂの計測値を入力し、この計測値と上下回転用モータ５３ａ，５３ｂの制御電流に基づいて上下回転用モータ５３ａ，５３ｂ、上下押圧用モータ６１ａ，６１ｂ、上下走行モータ６７ａ，６７ｂ等の各種アクチュエータに作動指令を与えることにより行う。

なお、上記運転方法では、上回転ツール３の負荷一定制御を回転用モータ５３ａの制御電流を用いて行ったが、その代わりに荷重計測器８２ａ，８２ｂの計測値を用いて行ってもよい。また、上下回転ツール３，４の位置制御を上下位置計測器８１ａ，８１ｂの計測値を用いて行ったが、その代わりに上下押圧用モータ６１ａ，６１ｂの回転量を検出するエンコーダ等の回転センサを用いて行ってもよい。

図２５は、制御装置８３が行う処理手順の他の例を示す制御フローである。この例では、図２３の摩擦攪拌開始位置２１ａ，２１ｂから摩擦攪拌終了位置２２ａ，２２ｂまでの範囲において、上回転ツール４のみを負荷一定制御とするのではなく、上下回転ツール３，４ともに負荷一定制御とするものである（ステップＳ３Ａ）。図２３では、その例が、摩擦攪拌開始位置２１ａ，２１ｂと摩擦攪拌終了位置２２ａ，２２ｂの範囲において、補足的にかっこ書きで記載されている。

上下回転ツール３，４の制御方法において、下回転ツール４を摩擦攪拌接合後も位置一定制御とした場合、金属板の下面が基準面となる。この場合、金属板の変形などにより基準面が一定でない場合、材料が薄く（或いは材料の剛性が低く）、材料の変形抵抗が低い場合には、上回転ツール３のみの負荷一定制御による上回転ツール３からの金属板に対する押圧力で、上下の摩擦攪拌範囲を概ね一致させることが可能である。しかし、材料が厚く（或いは材料の剛性が高く）、材料の変形抵抗が高い場合には、上回転ツール３のみの負荷一定制御による金属板に対する押圧力では、金属板の表裏面の摩擦攪拌接合範囲を一致させることが困難な場合があることが確認された。

金属板の表裏面の摩擦攪拌接合範囲が異なる場合は、板厚方向において残留応力のアンバランスが発生し、表裏面で耐引張・耐曲げ強度差が発生し、強度信頼性を低下させる一因となる可能性がある。

また、回転ツールの一方を位置制御とした場合には、表裏面における押圧力のアンバランスにより、金属板を把持している把持装置５，６に押圧力による力が発生し、金属板の保持力に加えて、この表裏面の押圧力のアンバランスにより発生した把持装置５，６に掛かる力を保持する必要があるため、把持装置５，６が大型化する可能性がある。

そこで、金属板が厚い場合或いは金属板の剛性が高い場合には、図２３のかっこ書きおよび図２５の制御フローのステップＳ３Ａに記載するように、摩擦攪拌接合開始後に、下回転ツール４も回転モータ負荷一定制御として、上下回転ツール３，４とも、負荷一定制御とする。これにより金属板の表面側からの入熱量および入熱範囲と裏面側からの入熱量および入熱範囲が同じとなり、表裏面の残量応力を均一にすることが出来、金属板の反りを防止出来る。

なお、逆に、金属板が十分に薄い場合或いは金属板の剛性が十分に低い場合には、摩擦攪拌中も含め、上下回転ツール３，４を常に位置制御としてもよい。

１，２ 金属板
３ 第１の回転ツール(上回転ツール)
３ａ ツール本体
３ｂ ショルダ部
３ｃ ショルダ面
３ｄ 突起部(プローブ)
４ 第２の回転ツール(下回転ツール)
４ａ ツール本体
４ｂ ショルダ部
４ｃ ショルダ面
４ｄ 凹み部
５ 入側上把持装置
５ａ，５ｂ 上下把持板
６ 出側下把持装置
６ａ，６ｂ 上下把持板
７ 上ツール回転駆動装置
８ 下ツール回転駆動装置
９ 上ハウジング
１０ 下ハウジング
１１ 上レール
１２ 下レール
１５ ツール軸芯
２０ａ 上回転ツール待機位置
２０ｂ 下回転ツール待機位置
２１ａ 上摩擦攪拌接合開始位置
２１ｂ 下摩擦攪拌接合開始位置
２２ａ 上摩擦攪拌接合終了位置
２２ｂ 下摩擦攪拌接合終了位置
２４ 摩擦攪拌開始金属板端面
２７ａ 上せん断力
２７ｂ 下せん断力、
４５ 上ツール押圧装置
４６ 下ツール押圧装置
４７ 上移動装置
４８ 下移動装置
４９ 上筒体
５０ 下筒体
５１ 上本体ケース
５２ 下本体ケース
５３ａ 上回転用モータ
５３ｂ 下回転用モータ
６１ａ，６１ｂ 押圧用モータ
６２ａ，６２ｂ スクリュー
６３ａ，６３ｂ サポートフレーム
６４ａ，６４ｂ 軸
６５ａ，６５ｂ 走行フレーム
６６ａ，６６ｂ 車輪
６７ａ，６７ｂ 走行モータ
７１ 車輪
７２ スクリュー
７３ 走行用モータ
７４ 走行装置
７５ 制御装置
７６ａ 上傾斜支持装置
７６ｂ 下傾斜支持装置
７７ａ，７７ｂ 角度調整用モータ
８１ａ 上位置計測器
８１ｂ 下位置計測器
８２ａ 上荷重計測器
８２ｂ 下荷重計測器
８３ 制御装置
Ｊ 接合部
θ１，θ２ 傾き角

Claims (12)

1. ２枚の金属板（１，２）の接合部（Ｊ）の表面側と裏面側に、第１および第２の回転ツール（３，４）を相対向するように配置し、この第１および第２の回転ツールにより前記接合部を摩擦攪拌し、前記２枚の金属板を摩擦攪拌接合する両面摩擦攪拌接合方法において、
   前記第１および第２の回転ツール（３，４）の一方の回転ツール（３）を、ショルダ部（３ｃ）を先端部分に形成したツール本体（３ａ）と、このツール本体の先端部分から突出するよう形成された少なくとも１つの突起部（３ｄ）とを有する構成とし、
   前記第１および第２の回転ツールの他方の回転ツール（４）を、ショルダ部（４ｃ）を先端部分に形成したツール本体（４ａ）と、このツール本体の先端部分に形成され、前記２枚の金属板（１，２）の接合時に前記突起部（３ｄ）の先端部を収納する少なくとも１つの凹み部（４ｄ）とを有する構成とし、
   前記第１および第２の回転ツールを前記２枚の金属板の接合部（Ｊ）の表面側と裏面側に相対向するように配置し、前記第１および第２の回転ツールを回転させ、前記第１および第２の回転ツールを互いに近づく方向に移動して、前記第１の回転ツールの突起部（３ｄ）の先端部を前記第２の回転ツールの凹み部（４ｄ）内に挿入するとともに、前記第１および第２の回転ツールの前記ショルダ部のショルダ面（３ｂ，４ｂ）を前記接合部の表面側と裏面側に押圧し、
   前記第１の回転ツールの突起部の先端部（３ｄ）を前記第２の回転ツールの凹み部（４ｄ）内に挿入し、前記第１および第２の回転ツールの前記ショルダ部のショルダ面（３ｂ，４ｂ）を前記接合部の表面側と裏面側に押圧した状態で、前記第１および第２の回転ツールを前記接合部に沿って移動させ、前記接合部の板厚方向全域を前記第１および第２の回転ツールで摩擦攪拌することを特徴とする両面摩擦攪拌接合方法。
   
2. 請求項１に記載の両面摩擦攪拌接合方法において、前記第１および第２の回転ツール（３，４）の材質を焼結炭化タングステンの超硬合金またはタングステン合金とし、前記第１および第２の回転ツールによって接合される２枚の金属板（１，２）は、融点が１０００℃以上の材料からなることを特徴とする両面摩擦攪拌接合方法。
   
3. 請求項１または２に記載の両面摩擦攪拌接合方法において、前記相対向するように配置した前記第１および第２の回転ツール（３，４）の先端部分が前記接合部（Ｊ）に対する前記第１および第２の回転ツールの移動方向に向かって先行するように、前記第１および第２の回転ツールのそれぞれの軸芯（１５）を傾けることを特徴とする両面摩擦攪拌接合方法。
   
4. 請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の両面摩擦攪拌接合方法において、前記相対向するように配置した前記第１および第２の回転ツール（３，４）の回転方向を前記２枚の金属板（１，２）の接合部（Ｊ）の表面側と裏面側で逆方向としたことを特徴とする両面摩擦攪拌接合方法。
   
5. 請求項１乃至４の何れか１項に記載の両面摩擦攪拌接合方法において、
   前記第１および第２の回転ツール（３，４）のうちの少なくとも一方の回転ツール（３）は、摩擦攪拌接合開始前に予定挿入深さまで金属板（１，２）の厚み方向に対し位置制御にて移動し、該回転ツール（３）の挿入深さを保持した状態で、前記２枚の金属板の接合部端面（２４）から該回転ツールを接合進行方向に位置制御にて送って摩擦攪拌接合を開始し、摩擦攪拌接合開始後は、該回転ツール（３）の負荷が所定の値となるように、該回転ツールの挿入位置を制御する負荷一定制御に切り替え、摩擦攪拌接合が終了する接合終端部到達前に、その時点の該回転ツール（３）の挿入位置を保持する位置制御に切り替え、接合部終端部を通過させることを特徴とする両面摩擦攪拌接合方法。
   
6. ２枚の金属板（１，２）の接合部（Ｊ）の表面側と裏面側に、第１および第２の回転ツール（３，４）を相対向するように配置し、この第１および第２の回転ツールにより前記接合部を摩擦攪拌し、前記２枚の金属板を摩擦攪拌接合する両面摩擦攪拌接合装置において、
   前記第１および第２の回転ツール（３，４）を前記２枚の金属板（１，２）の接合部（Ｊ）の表面側と裏面側に相対向するように装着し、前記第１および第２の回転ツールを回転駆動するツール回転駆動装置（７，８）と、
   前記ツール回転駆動装置に装着した前記第１および第２の回転ツールを互いに近づく方向に移動して、前記第１および第２の回転ツールを前記金属板の接合部の表面側と裏面側に押圧するツール押圧装置（４５，４６）と、
   前記ツール回転駆動装置に装着した前記第１および第２の回転ツールを前記接合部に沿って移動させる移動装置（４７，４８）とを有し、
   前記第１の回転ツール（３）は、ショルダ部（３ｃ）を先端部分に形成したツール本体（３ａ）と、このツール本体の先端部分から突出するよう形成された少なくとも１つの突起部（３ｄ）とを有し、
   前記第２の回転ツール（４）は、ショルダ部（４ｃ）を先端部分に形成したツール本体（４ａ）と、このツール本体の先端部分に形成され、前記２枚の金属板の接合時に前記突起部（３ｄ）の先端部を収納する少なくとも１つの凹み部（４ｄ）とを有し、
   前記ツール押圧装置（４５．４６）は、前記ツール回転駆動装置（７，８）に装着した前記第１および第２の回転ツールを互いに近づく方向に移動するとき、前記第１の回転ツールの突起部（３ｄ）の先端部を前記第２の回転ツールの凹み部（４ｄ）内に挿入するとともに、前記第１および第２の回転ツールの前記ショルダ部のショルダ面（３ｂ，４ｂ）を前記接合部の表面側と裏面側に押圧し、
   前記移動装置（４７，４８）は、前記第１の回転ツールの突起部（３ｄ）の先端部を前記第２の回転ツールの凹み部（４ｄ）内に挿入し、前記第１および第２の回転ツールの前記ショルダ部のショルダ面（３ｂ，４ｂ）を前記接合部の表面側と裏面側に押圧した状態で、前記第１および第２の回転ツールを前記接合部に沿って移動させ、前記接合部の板厚方向全域を前記第１および第２の回転ツールで摩擦攪拌することを特徴とする両面摩擦攪拌接合装置。
   
7. 請求項６に記載の両面摩擦攪拌接合装置において、
   前記ツール回転駆動装置（７，８）に装着した前記第１および第２の回転ツール（３，４）の先端部分が前記接合部（Ｊ）に対する前記第１および第２の回転ツールの移動方向に向かって先行するように、前記第１および第２の回転ツールのそれぞれの軸芯（１５）を傾けて支持する傾斜支持装置（７６ａ，７６ｂ）を更に有することを特徴とする両面摩擦攪拌接合装置。
   
8. 請求項６または７に記載の両面摩擦攪拌接合装置において、
   前記ツール回転駆動装置（７，８）は、前記第１および第２の回転ツール（３，４）を前記接合部（Ｊ）の表面側と裏面側で逆方向に回転させることを特徴とする両面摩擦攪拌接合装置。
   
9. 請求項６乃至８の何れか１項に記載の両面摩擦攪拌接合装置において、
   前記ツール回転駆動装置（７，８）に装着した前記第１および第２の回転ツール（３，４）のうちの少なくとも一方の回転ツール（３）は、摩擦攪拌接合開始前に予定挿入深さまで金属板（１，２）の厚み方向に対し位置制御にて移動し、該回転ツール（３）の挿入深さを保持した状態で、前記２枚の金属板の接合部端面（２４）から該回転ツールを接合進行方向に位置制御にて送って摩擦攪拌接合を開始し、摩擦攪拌接合開始後は、該回転ツール（３）の負荷が所定の値となるように、該回転ツールの挿入位置を制御する負荷一定制御に切り替え、摩擦攪拌接合が終了する接合終端部到達前に、その時点の該回転ツール（３）の挿入位置を保持する位置制御に切り替え、接合部終端部を通過させるよう前記ツール押圧装置（４５，４６）および移動装置（４７，４８）を制御する制御装置（８３）を更に有することを特徴とする両面摩擦攪拌接合装置。
   
10. ２枚の金属板（１，２）の接合部（Ｊ）をその表裏面の両側から摩擦攪拌して、前記２枚の金属板を摩擦攪拌接合する両面摩擦攪拌接合用ツールセットにおいて、
    前記２枚の金属板（１，２）の接合部（Ｊ）の表面側と裏面側に相対向するように配置され、前記接合部を摩擦攪拌する第１および第２の回転ツール（３，４）を有し、
    前記第１の回転ツール（３）は、ショルダ部（３ｃ）を先端部分に形成したツール本体（３ａ）と、このツール本体の先端部分から突出するよう形成された少なくとも１つの突起部（３ｄ）とを有し、
    前記第２の回転ツール（４）は、ショルダ部（４ｃ）を先端部分に形成したツール本体（４ａ）と、このツール本体の先端部分に形成され、前記２枚の金属板の接合時に前記突起部（３ｄ）の先端部を収納する少なくとも１つの凹み部（４ｄ）とを有し、
    前記第１の回転ツールの突起部（３ｄ）の先端部を前記第２の回転ツールの凹み部（４ｄ）内に挿入し、前記第１および第２の回転ツールの前記ショルダ部のショルダ面（３ｂ，４ｂ）を前記接合部の表面側と裏面側に押圧した状態で、前記第１および第２の回転ツールを前記接合部に沿って移動させ、前記接合部の板厚方向全域を摩擦攪拌することを特徴とする両面摩擦攪拌接合用ツールセット。
    
11. 請求項１０に記載の両面摩擦攪拌接合用ツールセットにおいて、前記第２の回転ツール（４）のショルダ面（４ｂ）の直径は前記第１の回転ツール（３）のショルダ面（３ｂ）の直径と同じであることを特徴とする両面摩擦攪拌接合用ツールセット。
    
12. 請求項１０又は１１に記載の両面摩擦攪拌接合用ツールセットにおいて、
    前記第２の回転ツール（４）は、前記ツール本体（４ａ）の先端部分から突出するよう形成された少なくとも１つの少なくとも１つのリング状の突起部（４ｅ，４ｆ，４ｈ）を有し、前記凹み部（４ｄ）は前記リング状の突起部の内側に形成されていることを特徴とする両面摩擦攪拌接合用ツールセット。

Images