JPWO2016006377A1 - 回転ツールおよび接合方法 - Google Patents

Abstract

摩擦攪拌点接合ツール（１）は、第１部材と第２部材とを重ね合わせて第１部材側から押圧することにより、第１部材と第２部材とを摩擦攪拌点接合させるものである。第１部材および第２部材は、それぞれ引張強度が５９０ＭＰａ以上の鋼板である。摩擦攪拌点接合ツール（１）は、回転軸（４）を中心に回転可能である。摩擦攪拌点接合ツール（１）は、先端にショルダー（５）を備える柱状部（２）と、ショルダー（５）から回転軸（４）を延長する方向に突出した円柱状または円錐台状のプローブ（３）とを備える。第２部材の厚さをｔ（ｍｍ）とし、プローブ（３）が押圧時に第２部材側に挿入される体積を第２部材挿入体積Ｖ（ｍｍ3）とするとき、Ｖはｔとの関係において以下の式（１）を満たす。Ｖ≧２．７５ｔ2＋８．１９ｔ−４．１９ （ｔ≧０．５ｍｍ）・・・（１）

Description

本発明は、摩擦攪拌点接合ツールおよびそれを用いた接合方法に関する。

近年、二枚以上の薄板を接合するための接合法として、たとえば特開２００１−３１４９８２号公報（以下、特許文献１）において摩擦攪拌点接合（Spot Friction WeldingもしくはFriction Spot Joining）と呼ばれる接合法が考案され、自動車車体等に対して当該接合法の実用化が始まっている。この技術は、先端に小径突起部（プローブもしくはピンと呼ばれる）が形成された円柱状のツールを回転させながら接合箇所に押圧することにより摩擦熱が発生することを利用したものであり、当該摩擦熱によって接合箇所の金属材料を軟化させて塑性流動させることにより、金属材料同士を接合させるというものである。

摩擦攪拌点接合は、自動車車体の接合方法として現在主流となっている抵抗スポット溶接とは異なり、被接合材を溶融させずに固相接合させるというものである。そのため、摩擦攪拌点接合では、低い温度での接合が可能である。よって、摩擦攪拌点接合は、抵抗スポット溶接に比べて、接合箇所におけるスパッタまたはヒュームの発生がなく、被接合材の変形が少なく、省電力であり、異種材料間の接合が可能である、といったメリットを有する。

摩擦攪拌点接合を行なう接合ツール（以下「摩擦攪拌点接合ツール」とも記す）を改良することによってより強度の高い継手を得る試みが、たとえば特開２００９−１３１８９１号公報（以下、特許文献２）において提案されている。特許文献２には、横断面形状が非円形（例えば三角形等）なプローブを有する摩擦攪拌点接合ツールを使用することによって、接合時の攪拌効率を高くでき、攪拌領域における垂直方向のフックラインと呼ばれる未接合領域の形成を防止でき、接合強度が向上することが記載されている。

また、特開２０１３−０８６１７５号公報（以下、特許文献３）には、円錐台状のプローブを有する摩擦攪拌点接合ツールについて次に示すことが記載されている。プローブの側面が回転軸となす角度と、プローブの高さと、プローブが貫通する鋼板の厚さとが一定の関係式を満たすように、摩擦攪拌点接合ツールを設計する。これにより、接合箇所に対して加える十字引張荷重を大きくしてフッキングによる未接合領域の拡大を抑制し、接合強度が向上する。

摩擦攪拌点接合ツールは、軟化温度が低く攪拌が容易であるアルミニウム合金の接合において既に適用されており、自動車車体の製造ラインへの適用が拡大している。

特開２００１−３１４９８２号公報 特開２００９−１３１８９１号公報 特開２０１３−０８６１７５号公報

鋼は、高温においても硬度が高く、アルミニウム合金などの軟質金属に比べ塑性流動が困難であるので、広い攪拌領域を得ることが困難である。また、鋼板を重ね合わせて形成された界面には、フックラインと呼ばれる未接合領域が生じる。このため、鋼板（特に高張力鋼板）を摩擦攪拌点接合により接合するに際し、高い接合強度を得ることは困難である。

なお、鋼板の摩擦攪拌点接合において、特許文献２に記載のように、横断面形状が非円形なプローブを有する摩擦攪拌点接合ツールを使用することによって接合強度を向上させることが考えられる。しかし、プローブの横断面形状は、非円形であるので、角部を有する。そのため、摩擦攪拌点接合ツールにおいては、上記角部（プローブの横断面形状が有する角部）への負荷による欠損および摩耗が生じやすく、プローブの十分な耐久性が確保されないおそれがある。

また、特許文献３には、上記のとおり、プローブの形状を特定し且つプローブと被接合材との関係を規定することによって接合強度を向上させることが記載されている。しかし、特許文献３においては、接合強度の指標を十字引張荷重としている。そのため、接合強度の指標としてより重要な引張せん断荷重が考慮されていないという問題がある。

詳細には、ＪＩＳ Ｚ ３１４０：１９８９において、鋼板等の継手の機械的性質について引張せん断荷重を基準とした等級が定められている。そのため、鋼板の継手の接合強度の指標としては、引張せん断荷重が適切である。しかしながら、十分な耐久性を有する摩擦攪拌点接合ツールであって鋼板の継手に要求されている程度の高い引張せん断荷重を有する継手を形成可能な摩擦攪拌点接合ツールは、いまだ提供されていない。

そこで、鋼板の接合において高い引張せん断荷重が得られる摩擦攪拌点接合ツールを提供することを目的とする。

本発明の一態様に係る摩擦攪拌点接合ツールは、第１部材と第２部材とを重ね合わせて第１部材側から押圧することにより、第１部材と第２部材とを摩擦攪拌点接合させるものである。第１部材および第２部材は、それぞれ引張強度が５９０ＭＰａ以上の鋼板である。摩擦攪拌点接合ツールは、回転軸を中心に回転可能である。摩擦攪拌点接合ツールは、先端にショルダーを備える柱状部と、ショルダーから回転軸を延長する方向に突出した円柱状または円錐台状のプローブとを備える。第２部材の厚さをｔ（ｍｍ）とし、プローブが押圧時に第２部材側に挿入される体積を第２部材挿入体積Ｖ（ｍｍ³）とするとき、Ｖはｔとの関係において以下の式（１）を満たす。
Ｖ≧２．７５ｔ²＋８．１９ｔ−４．１９ （ｔ≧０．５ｍｍ）・・・（１）。

また、本発明の一態様に係る接合方法は、第１部材と第２部材とを重ね合わせて摩擦攪拌点接合ツールを第１部材側から押圧することにより、第１部材と第２部材とを摩擦攪拌点接合する接合方法である。本発明の一態様に係る接合方法は、第１部材と第２部材とを重ね合わせて摩擦攪拌点接合ツールを第１部材側から押圧する押圧工程を含む。第１部材および第２部材は、それぞれ引張強度が５９０ＭＰａ以上の鋼板である。摩擦攪拌点接合ツールは、回転軸を中心に回転可能である。摩擦攪拌点接合ツールは、先端にショルダーを備える柱状部と、ショルダーから回転軸を延長する方向に突出した円柱状または円錐台状のプローブとを備える。押圧工程は、回転軸を中心に摩擦攪拌点接合ツールを回転させながら、第１部材と第２部材との接触面よりもさらに第２部材側の厚み方向に深くなる深さまでプローブを挿入させることによって、第１部材と第２部材とを接合させる工程である。第２部材の厚さをｔ（ｍｍ）とし、押圧工程においてプローブを第２部材側に挿入させる体積を第２部材挿入体積Ｖ（ｍｍ³）とするとき、Ｖはｔとの関係において以下の式（１）を満たす。
Ｖ≧２．７５ｔ²＋８．１９ｔ−４．１９ （ｔ≧０．５ｍｍ）・・・（１）。

上記によれば、鋼板の接合において高い引張せん断荷重が得られる。

本発明の一態様に係る摩擦攪拌点接合ツールの一例を示す概略断面図である。 本発明の一態様に係る摩擦攪拌点接合ツールを用いて第１部材と第２部材とを接合する場合において、押圧時にプローブが最も深く挿入された状態を示す概略断面図である。 引張強度が５９０ＭＰａ以上の鋼板について継手を形成する場合において、ＪＩＳ Ｚ ３１４０：１９８９での定義に基づいてＪＩＳ Ａ級最小値と認められるために要する継手の引張せん断荷重Ｆ₁（ｋＮ）およびＪＩＳ Ｚ ３１４０：１９８９での定義に基づいてＪＩＳ Ａ級平均値と認められるために要する継手の引張せん断荷重Ｆ₂（ｋＮ）と被接合材である鋼板の厚さｔとの関係を示す相関図である。 摩擦攪拌点接合ツールを用いて鋼板に対し継手を形成する実験によって得られた、第２部材挿入体積Ｖと継手の引張せん断荷重Ｆとの関係を示す相関図である。

[本発明の実施形態の説明]
最初に本発明の実施態様を以下の［１］〜［１２］に列記して説明する。

［１］本発明の一態様に係る摩擦攪拌点接合ツールは、第１部材と第２部材とを重ね合わせて第１部材側から押圧することにより、第１部材と第２部材とを摩擦攪拌点接合させるものである。第１部材および第２部材は、それぞれ引張強度が５９０ＭＰａ以上の鋼板である。摩擦攪拌点接合ツールは、回転軸を中心に回転可能である。摩擦攪拌点接合ツールは、先端にショルダーを備える柱状部と、ショルダーから回転軸を延長する方向に突出した円柱状または円錐台状のプローブとを備える。第２部材の厚さをｔ（ｍｍ）とし、プローブが押圧時に第２部材側に挿入される体積を第２部材挿入体積Ｖ（ｍｍ³）とするとき、Ｖはｔとの関係において以下の式（１）を満たす。これにより、鋼板の接合において高い引張せん断荷重が得られる。
Ｖ≧２．７５ｔ²＋８．１９ｔ−４．１９ （ｔ≧０．５ｍｍ）・・・（１）。

［２］なお、第２部材挿入体積Ｖ（ｍｍ³）は、第２部材の厚さｔ（ｍｍ）との関係において以下の式（２）を満たすことが好ましい。これにより、鋼板の接合においてより高い引張せん断荷重が得られる。
Ｖ≧３．２５ｔ²＋９．６２ｔ−４．４８ （ｔ≧０．５ｍｍ）・・・（２）。

［３］また、第１部材および第２部材は、それぞれ引張強度が９８０ＭＰａ以上の鋼板であることが好ましい。抵抗スポット溶接では、接合箇所においてスパッタが発生しやすい。また、引張強度が９８０ＭＰａ以上の鋼板を用いた場合には、高い引張せん断荷重が得られ難い。しかし、本発明の摩擦攪拌点接合ツールを用いれば、スパッタを発生させることなく、高い引張せん断荷重を得ることが可能となる。

［４］また、プローブは、ショルダーへとつながる側面を備えることが好ましい。その側面は、回転軸に対し０°以上１５°以下の角度θを有することが好ましい。これにより、プローブを被接合材に挿入するために必要な荷重を低減できる。また、本発明の摩擦攪拌点接合ツールは、ショルダーを通じて第１部材に対して十分な面圧を加えるツールとして適したものとなる。

［５］また、プローブが第２部材側に挿入される深さをｈ（ｍｍ）とするとき、ｈと第２部材の厚さｔ（ｍｍ）との比ｈ／ｔは、０．２５以上０．７５以下であることが好ましい。これにより、プローブ先端直径およびフッキング高さが大きくなりすぎることなく、上記式（１）または上記式（２）が満たされることとなる。

［６］また、プローブは、ショルダーへとつながる側面を備えることが好ましい。ショルダーは、その外縁からプローブの上記側面と交わる部位にかけてすり鉢状に凹むような形状を有することが好ましい。これにより、押圧による接合時には、プローブにより押し出された第１部材および第２部材がショルダーからはみ出すことを防止できる。よって、形成される接合部の外観が良くなる。また、ショルダーの外縁が第１部材を押さえることにより、接合中において摩擦攪拌点接合ツールがぶれることを防止できる。

［７］本発明の一態様に係る接合方法は、第１部材と第２部材とを重ね合わせて摩擦攪拌点接合ツールを第１部材側から押圧することにより、第１部材と第２部材とを摩擦攪拌点接合する接合方法である。本発明の一態様に係る接合方法は、第１部材と第２部材とを重ね合わせて摩擦攪拌点接合ツールを第１部材側から押圧する押圧工程を含む。第１部材および第２部材は、それぞれ引張強度が５９０ＭＰａ以上の鋼板である。摩擦攪拌点接合ツールは、回転軸を中心に回転可能である。摩擦攪拌点接合ツールは、先端にショルダーを備える柱状部と、ショルダーから回転軸を延長する方向に突出した円柱状または円錐台状のプローブとを備える。押圧工程は、回転軸を中心に摩擦攪拌点接合ツールを回転させながら、第１部材と第２部材との接触面よりもさらに第２部材側の厚み方向に深くなる深さまでプローブを挿入させることによって、第１部材と第２部材とを接合させる工程である。第２部材の厚さをｔ（ｍｍ）とし、押圧工程においてプローブを第２部材側に挿入させる体積を第２部材挿入体積Ｖ（ｍｍ³）とするとき、Ｖはｔとの関係において以下の式（１）を満たす。これにより、鋼板の接合において高い引張せん断荷重が得られる。
Ｖ≧２．７５ｔ²＋８．１９ｔ−４．１９ （ｔ≧０．５ｍｍ）・・・（１）。

［８］なお、第２部材挿入体積Ｖ（ｍｍ³）は、第２部材の厚さｔ（ｍｍ）との関係において以下の式（２）を満たすことが好ましい。これにより、鋼板の接合においてより高い引張せん断荷重が得られる。
Ｖ≧３．２５ｔ²＋９．６２ｔ−４．４８ （ｔ≧０．５ｍｍ）・・・（２）。

［９］また、第１部材および第２部材は、それぞれ引張強度が９８０ＭＰａ以上の鋼板であることが好ましい。抵抗スポット溶接では、接合箇所においてスパッタが発生しやすい。また、引張強度が９８０ＭＰａ以上の鋼板を用いた場合には、高い引張せん断荷重が得られ難い。しかし、本発明の摩擦攪拌点接合ツールを用いれば、スパッタを発生させることなく、高い引張せん断荷重を得ることが可能となる。

［１０］また、プローブは、ショルダーへとつながる側面を備えることが好ましい。その側面は、回転軸に対し０°以上１５°以下の角度θを有することが好ましい。これにより、プローブを被接合材に挿入するために必要な荷重を低減できる。また、ショルダーを通じて第１部材に対して十分な面圧を加えることができる。

［１１］また、プローブが第２部材側に挿入される深さをｈ（ｍｍ）とするとき、ｈと第２部材の厚さｔ（ｍｍ）との比ｈ／ｔは、０．２５以上０．７５以下であることが好ましい。これにより、プローブ先端直径およびフッキング高さが大きくなりすぎることなく、上記式（１）または上記式（２）が満たされることとなる。

［１２］また、プローブは、ショルダーへとつながる側面を備えることが好ましい。ショルダーは、その外縁からプローブの上記側面と交わる部位にかけてすり鉢状に凹むような形状を有することが好ましい。これにより、押圧による接合時には、プローブにより押し出された第１部材および第２部材がショルダーからはみ出すことを防止できる。よって、形成される接合部の外観が良くなる。また、ショルダーの外縁が第１部材を押さえることにより、接合中において摩擦攪拌点接合ツールがぶれることを防止できる。

[本発明の実施形態の詳細]
以下、本発明の実施形態を、図面を参照しつつより詳細に説明する。

＜摩擦攪拌点接合ツール＞
本発明の実施形態（以下「本実施形態」とも記す）の摩擦攪拌点接合ツールは、第１部材と第２部材とを重ね合わせて第１部材側から押圧することにより、第１部材と第２部材とを摩擦攪拌点接合させるものである。第１部材および第２部材は、それぞれ引張強度が５９０ＭＰａ以上の鋼板である。摩擦攪拌点接合ツールは、回転軸を中心に回転可能である。摩擦攪拌点接合ツールは、先端にショルダーを備える柱状部と、ショルダーから回転軸を延長する方向に突出した円柱状または円錐台状のプローブとを備える。第２部材の厚さをｔ（ｍｍ）とし、プローブが押圧時に第２部材側に挿入される体積を第２部材挿入体積Ｖ（ｍｍ³）とするとき、Ｖはｔとの関係において以下の式（１）を満たす。
Ｖ≧２．７５ｔ²＋８．１９ｔ−４．１９ （ｔ≧０．５ｍｍ）・・・（１）。

本実施形態の摩擦攪拌点接合ツールは、上記の構成を備える限り、他の構成を含んでもよい。このような他の構成としては、摩擦攪拌点接合ツールの表面に形成される各種コーティング膜などを挙げることができる。

図１は、本実施形態の摩擦攪拌点接合ツールの概略断面図である。本実施形態の摩擦攪拌点接合ツール１は、図１に示される回転軸４を中心に回転可能である。なお、ここでいう「回転軸」とは、その軸を中心として摩擦攪拌点接合ツールが回転する軸をいう。また、本実施形態の摩擦攪拌点接合ツール１は、少なくとも、先端にショルダー５を備える柱状部２と、ショルダー５から回転軸４を延長する方向に突出した円柱状または円錐台状のプローブ３とを備える。なお、本実施形態において特に断りがない限り、「摩擦攪拌点接合ツール」は上記柱状部と上記プローブとを少なくとも有する摩擦攪拌点接合ツールを意味する。

以下、各構成要素についてさらに詳細に説明する。
（柱状部）
本実施形態の摩擦攪拌点接合ツール１は、先端にショルダー５を備える柱状部２を有する。ここで「ショルダー」とは、柱状部の先端部分であって、その中央部に後述のプローブが形成されている面をいう。

プローブ３は、ショルダー５へとつながる側面を備えることが好ましく、ショルダー５は、その外縁からプローブ３の側面と交わる部位にかけてすり鉢状に凹むような形状を有することが好ましい。なお、ここでいう「プローブの側面」とは、プローブの円柱状または円錐台状という外形（すなわち円柱または円錐台）の側面にあたる面を意味する。また、ここでいう「外縁」とは、ショルダーを備えた柱状部においてショルダーを構成する面の外周を意味する。

ショルダー５を上記形状（ショルダー５の外縁からプローブ３の側面と交わる部位にかけてすり鉢状に凹むような形状）とすることにより、押圧時には、プローブ３により押し出された第１部材６および第２部材７（以下、第１部材６および第２部材７の両者またはいずれか一方を単に「被接合材」と記すことがある）がショルダー５からはみ出すことを防止できる。よって、形成される接合部の外観が良くなる。また、ショルダー５の外縁が被接合材（例えば第１部材６）を押さえることにより、押圧中に摩擦攪拌点接合ツール１がぶれることを防止できる。

なお、ショルダー５の面積は、５０ｍｍ²以上７０ｍｍ²以下であることが好ましい。これにより、押圧時には、ショルダー５を通じて被接合材に対して加わる面圧が十分に大きくなる。よって、被接合材同士の間に隙間が空きにくくなる。ショルダー５の面積は、５５ｍｍ²以上６５ｍｍ²以下であることがより好ましい。

（プローブ）
本実施形態の摩擦攪拌点接合ツール１は、ショルダー５から回転軸４を延長する方向に突出した円柱状または円錐台状のプローブ３を備える。なお、ここでいう「円錐台状」とは、円錐から、頂点を共有し相似に縮小した円錐を取り除いた形状をいう。また、「円柱状」および「円錐台状」の形状における「円」とは、必ずしも真円に限られるものではなく、略円を含むものとする。また、「プローブ」とは、押圧時に第１部材および第２部材に対して挿入されることによって被接合材を攪拌する部分であって摩擦攪拌点接合ツールの突出部分である。摩擦攪拌点接合ツール１では、プローブ３は、円柱状または円錐台状である。そのため、プローブ３の横断面形状は、円形であり、よって、角部を有さない。したがって、摩擦攪拌点接合ツール１では、プローブ３の角部への負荷による欠損および摩耗が生じるおそれがなく、その結果、その耐久性は高いものとなる。

図２は、本実施形態の摩擦攪拌点接合ツール１を用いて第１部材６（被接合材）と第２部材７（被接合材）とを押圧して接合する場合において、押圧時にプローブ３が最も深く挿入された状態を示す概略断面図である。なお、図２にはプローブ３が最も深く挿入された状態を示しているが、本実施形態はこれに限られるものではなく、押圧時に第１部材６と第２部材７との接触面８よりもさらに第２部材７側の厚み方向に深くなる深さまでプローブ３が挿入されるものであればよい。図２中、プローブ先端半径ｒおよびプローブ長ｌは、後述の通り押圧時における第２部材挿入体積Ｖを調整するために適宜決定されるものであり、特に制限されるものではない。たとえば厚さ１．２ｍｍの鋼板を接合する場合、プローブ先端半径ｒは１．９ｍｍ以上２．６ｍｍ以下であることが好ましく、プローブ長ｌは２．０ｍｍ以上２．４ｍｍ以下であることが好ましい。これにより、より一層高い引張せん断荷重を得ることができる。なお、ここでいう「プローブ先端半径ｒ」とは、プローブの先端面（すなわち円）の半径をいう。また、「プローブ長ｌ」とは、プローブの先端面と、プローブの側面とショルダーとが交差する線を含む面とが平行であると仮定した場合の両面間の距離をいう。

本実施形態においては、プローブ３は、ショルダー５へとつながる側面を備えることが好ましく、その側面は、回転軸４に対し０°以上１５°以下の角度θを有することが好ましい。なお、ここで「角度θ」とは、摩擦攪拌点接合ツールの回転軸を含む断面においてプローブの側面を延長した直線と回転軸を延長した直線とが交差する角度であり、図２におけるθに相当する。この角度θは、以下「プローブテーパー角θ」とも記す。角度θは、上記の通り０°以上１５°以下であることが好ましい。θが１５°よりも大きいと、プローブの側面とショルダーとが交差する線を含む面であって回転軸に対して垂直な面を断面とするプローブ断面（形状は円形）において、当該円の直径が大きくなることがある。そのため、プローブを被接合材に挿入するために必要な荷重が大きくなり過ぎることがある。また、θが１５°よりも大きいと、ショルダーの面積が相対的に小さくなることがある。そのため、ショルダーを通じて第１部材に加わる面圧が小さくなることがあるので、第１部材と第２部材との間に隙間が生じることがある。

角度θが０°以上１５°以下であれば、プローブ３を被接合材に挿入するために必要な荷重を抑えることができる。また、ショルダー５を通じて第１部材６に十分な面圧を加えることができる。なお、角度θは５°以上１０°以下であることがより好ましい。

本実施形態においては、プローブ３の側面において溝が形成されていても良い。また、プローブ３は、プローブ３の先端面からプローブ３の側面にかけて斜めにカットされた斜面（いわゆる面取り）を備えていても良い。なお、ここで「プローブの先端面」とは、回転軸を延長する方向におけるプローブの先端に位置する円形の面をいう。プローブ３が上記形状を有することによって、摩擦攪拌点接合ツール１の攪拌力をより大きなものとすることができる。

また、プローブ３は、プローブ３の先端面とプローブ３の側面とが交差する領域に対してＲ面取りが施されたものであっても良い。これにより、プローブ３の先端は押圧時に欠損しにくくなる。

（摩擦攪拌点接合ツールの素材）
本実施形態においては、摩擦攪拌点接合ツール１の素材には、たとえば摩擦攪拌点接合ツールまたは摩擦攪拌線接合ツールなどの各種接合ツールの素材として知られる従来公知のものを特に限定なく使用することができる。摩擦攪拌点接合ツール１の素材の例としては、たとえば、超硬合金（たとえばＷＣ基超硬合金。上記「ＷＣ基超硬合金」には、ＷＣとＣｏまたはＮｉとを含む超硬合金、および、ＷＣとＣｏまたはＮｉとともにＴｉ、ＴａまたはＮｂ等の炭窒化物等とを含有する超硬合金が含まれる）、サーメット（ＴｉＣ、ＴｉＮまたはＴｉＣＮ等を主成分とするもの）、高速度鋼、工具鋼、セラミックス（炭化チタン、炭化硅素、窒化硅素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、サイアロンまたはこれらの混合体など）、立方晶窒化硼素焼結体、ダイヤモンド焼結体、立方晶窒化硼素粒子が分散した硬質材料、または、耐熱合金等を挙げることができる。

これらの中でも、超硬合金は、比較的安価であり、ツール寿命を長くすることが可能である。よって、摩擦攪拌点接合ツール１の素材として超硬合金を使用することが好ましい。摩擦攪拌点接合ツール１の素材として超硬合金を使用する場合、かかる超硬合金は、組織中において遊離炭素またはη相と呼ばれる異常相を含んでいても良い。

（コーティング膜）
本実施形態においては、摩擦攪拌点接合ツール１の表面の一部または全体に対してコーティング膜が形成されていてもよい。これにより、摩擦攪拌点接合ツール１の耐酸化性または耐摩耗性を向上させることができる。コーティング膜としては、切削工具または摩擦攪拌点接合ツールのコーティング膜として用いられる従来公知のものを用いることができる。また、コーティング膜は、１層であってもよいし、２層以上が積層されて構成されてもよい。

（第１部材および第２部材）
本実施形態の摩擦攪拌点接合ツール１は、引張強度が５９０ＭＰａ以上の鋼板である第１部材６と第２部材７との摩擦攪拌点接合において用いられるものである。たとえば自動車車体には、燃費向上またはＣＯ₂排出量低減を実現するための車体の軽量化と衝突安全性とを両立させるために、より引張強度の高い鋼板が使用されるようになってきている。引張強度の高い鋼板の継手には、鋼板自体の引張強度が高いことを活かすために、高い引張せん断荷重が要求されている。しかし、引張強度が５９０ＭＰａ以上の鋼板を溶融接合（たとえば抵抗スポット溶接等）によって接合しようとすると、接合箇所においてスパッタ（溶滴）が発生しやすくなる。そのため、飛散したスパッタが車体に付着して外観不良の原因になる、または、作業環境が悪化するなどの問題が生じる。一方、本実施形態においては、非溶融接合である摩擦攪拌点接合により引張強度の高い鋼板を接合する。そのため、第１部材６および第２部材７の引張強度が５９０ＭＰａ以上であっても、接合箇所におけるスパッタの発生を防止しつつ、引張せん断荷重が高く且つ強度が高い継手を得ることができる。

本実施形態の摩擦攪拌点接合ツール１は、引張強度が９８０ＭＰａ以上の鋼板である第１部材６と第２部材７との摩擦攪拌点接合において用いられることがさらに好ましい。第１部材６および第２部材７の引張強度が９８０ＭＰａ以上であれば、抵抗スポット溶接等の溶融接合時には接合箇所においてより多くのスパッタが発生することとなる。しかし、本実施形態においては、溶融接合によっては高い接合強度を得ることが難しい場合であっても（つまり第１部材６および第２部材７の引張強度が９８０ＭＰａ以上であっても）、接合箇所におけるスパッタの発生を防止しつつ、引張せん断荷重が高く且つ強度が高い継手を得ることができる。

第１部材６および第２部材７の各引張強度の上限は、特に限定されるものではない。しかし、第１部材６および第２部材７の各引張強度が１５００ＭＰａ以下であれば、自動車車体用鋼板として実用化できるため好ましい。より好ましくは、第１部材６および第２部材７の各引張強度は１２００ＭＰａ以下である。

本実施形態の摩擦攪拌点接合ツール１による接合において用いることのできる第１部材６の厚さについては特に限定されるものではない。しかし、本実施形態の摩擦攪拌点接合ツール１による接合において用いることのできる第２部材７の厚さについては、次に示すことが言える。第２部材挿入深さをある程度以上の値にしなければ、第２部材挿入深さの制御が難しく、よって、継手の引張せん断荷重のばらつきが大きくなる。そのため、第２部材７の厚さは０．５ｍｍ以上であることが好ましい。第１部材６および第２部材７の厚さはともに０．８ｍｍ以上１．５ｍｍ以下であればより好ましい。

（第２部材挿入体積Ｖと第２部材の厚さｔとの関係）
本実施形態においては、第２部材７の厚さをｔ（ｍｍ）とし、プローブ３が押圧時に第２部材７側に挿入される体積を第２部材挿入体積Ｖ（ｍｍ³）とするとき、Ｖはｔとの関係において以下の式（１）を満たす。
Ｖ≧２．７５ｔ²＋８．１９ｔ−４．１９ （ｔ≧０．５ｍｍ）・・・（１）。

なお、本実施形態においては、第２部材挿入体積Ｖ（ｍｍ³）は、第２部材７の厚さｔ（ｍｍ）との関係において以下の式（２）を満たすことがより好ましい。
Ｖ≧３．２５ｔ²＋９．６２ｔ−４．４８ （ｔ≧０．５ｍｍ）・・・（２）。

ここで「第２部材挿入体積Ｖ」とは、押圧時に第１部材と第２部材との接触面よりもさらに第２部材側の厚み方向に深くなる深さまでプローブが挿入された状態において、プローブの側面とプローブの先端面とで囲まれた領域であって、プローブの先端面から後述の第２部材挿入深さと等しくなる高さまでの領域が占める体積をいい、図２におけるＶに相当する体積を表す。

なお、第２部材挿入体積Ｖは、プローブ先端半径ｒとプローブテーパー角θと第２部材挿入深さとから計算することができる。ここで、「第２部材挿入深さ」とは、押圧時に第１部材と第２部材との接触面よりもさらに第２部材側の厚み方向に深くなる深さまでプローブが挿入された状態において、第１部材と第２部材との接触面とプローブの先端面とが平行であると仮定した場合における両面間の距離をいい、図２におけるｈに相当する。第２部材挿入深さは、接合後の第２部材残厚を計測し、第２部材の厚さと第２部材残厚との差により求めることができる。ここで、「第２部材残厚」とは、押圧時に、第１部材と第２部材との接触面よりもさらに第２部材側の厚み方向に深くなる深さまでプローブが挿入された状態における、プローブと接触していない方の第２部材の表面からプローブの先端面までの垂直距離をいい、図２におけるｔ’に相当する。

本実施形態は、第２部材挿入体積Ｖ（ｍｍ³）と第２部材７の厚さｔ（ｍｍ）とが上記式（１）または上記式（２）を満たすことによって、継手の強度が高くなるものであるが、以下、その理由について説明する。

２枚の鋼板を抵抗スポット溶接して接合したときの継手の強度については、ＪＩＳ Ｚ ３１４０：１９８９において、継手が耐えることのできる引張せん断荷重の上限値（以下「継手の引張せん断荷重」とも記す）を基準とした等級が定められている。その中でも、「特に強さを要求される溶接部」と認められるために要する継手の引張せん断荷重の最小値および平均値は、それぞれＪＩＳ Ａ級最小値およびＪＩＳ Ａ級平均値として規定されている。図３は、引張強度が５９０ＭＰａ以上の鋼板を用いて継手を形成した場合において、ＪＩＳ Ｚ ３１４０：１９８９での定義に基づいてＪＩＳ Ａ級最小値と認められるために要する継手の引張せん断荷重Ｆ₁（ｋＮ）（以下「引張せん断荷重Ｆ₁」とも記す）およびＪＩＳ Ｚ ３１４０：１９８９での定義に基づいてＪＩＳ Ａ級平均値と認められるために要する継手の引張せん断荷重Ｆ₂（ｋＮ）（以下「引張せん断荷重Ｆ₂」とも記す）と、被接合材である鋼板のうち薄い方の鋼板の厚さｔとの関係を示す相関図である。

図３から、引張せん断荷重Ｆ₁（ｋＮ）および引張せん断荷重Ｆ₂（ｋＮ）と鋼板のうち薄い方の鋼板の厚さｔとの相関関係について数式を導くため、最小二乗法を用いてそれぞれ二次関数に近似する。

すると、引張せん断荷重Ｆ₁（ｋＮ）と鋼板のうち薄い方の鋼板の厚さｔ（ｍｍ）との関係について、以下の式（３）が得られる。
Ｆ₁＝２．０１ｔ²＋５．９８ｔ−１．２２ ・・・（３）。

また、引張せん断荷重Ｆ₂（ｋＮ）と鋼板のうち薄い方の鋼板の厚さｔ（ｍｍ）との関係について、以下の式（４）が得られる。
Ｆ₂＝２．３７ｔ²＋７．０２ｔ−１．４３ ・・・（４）。

上記式（３）から、本実施形態の摩擦攪拌点接合ツール１を用いて得られる継手の引張せん断荷重Ｆ（ｋＮ）を引張せん断荷重Ｆ₁（ｋＮ）以上とするためには、Ｆ（ｋＮ）と本実施形態において接合される鋼板のうち薄い方の鋼板の厚さｔ（ｍｍ）との関係が以下の式（５）を満たすものとすればよいことになる。
Ｆ≧２．０１ｔ²＋５．９８ｔ−１．２２ ・・・（５）。

また、上記式（４）から、本実施形態の摩擦攪拌点接合ツール１を用いて得られる継手の引張せん断荷重Ｆ（ｋＮ）を引張せん断荷重Ｆ₂（ｋＮ）以上とするためには、Ｆ（ｋＮ）と本実施形態において接合される鋼板のうち薄い方の鋼板の厚さｔ（ｍｍ）との関係が以下の式（６）を満たすものとすればよいことになる。
Ｆ≧２．３７ｔ²＋７．０２ｔ−１．４３ ・・・（６）。

ここで、本実施形態においては、第２部材の厚さは第１部材の厚さと同じ又は第１部材の厚さより薄いと仮定し、上記式（５）および上記式（６）において、「接合される鋼板のうち薄い方の鋼板の厚さｔ」を「第２部材の厚さｔ」に置き換える。

本発明者らは、引張強度が５９０ＭＰａ以上の鋼板である第１部材と第２部材との摩擦攪拌点接合においてＪＩＳ Ａ級最小値またはＪＩＳ Ａ級平均値と認められるために要する引張せん断荷重以上の引張せん断荷重を有する継手を得ることができる接合手段としての摩擦攪拌点接合ツールを得るために、プローブ形状またはプローブの寸法を種々に変更して複数種の摩擦攪拌点接合ツールを試作し、試作された摩擦攪拌点接合ツールを用いて種々の引張強度または種々の寸法を有する鋼板に対して接合試験を行なった。その結果、第２部材挿入体積Ｖが継手の引張せん断荷重を支配する重要な因子であることを見出した。図４は、本発明者らによる実験によって得られた第２部材挿入体積Ｖと継手の引張せん断荷重Ｆとの関係を示す相関図である。本発明者らは、引張強度が２７０ＭＰａ以上９８０ＭＰａ以下の範囲内にあり厚さが０．６ｍｍ以上２．０ｍｍ以下の範囲内にある複数種の鋼板を第１部材および第２部材として用い、プローブ形状またはプローブの寸法が互いに異なる摩擦攪拌点接合ツールを用いて第１部材と第２部材とを接合し、第２部材挿入体積Ｖと継手の引張せん断荷重Ｆとの関係を調べた。その結果を図４に示す。

図４より、プローブ形状、プローブの寸法、被接合材（第１部材および第２部材）の引張強度、および、被接合材の寸法等の因子に関わらず、第２部材挿入体積Ｖ（ｍｍ³）と引張せん断荷重Ｆ（ｋＮ）とは正の相関関係にあることがわかる。この相関関係を最小二乗法を用いて一次関数に近似することにより、第２部材挿入体積Ｖ（ｍｍ³）と引張せん断荷重Ｆ（ｋＮ）との関係について以下の近似式（７）が得られる。なお、図４中の線分は、上記式（７）が表す直線の一部を示したものである。
Ｆ＝０．７３Ｖ＋１．８４・・・（７）。

上記式（５）に上記式（７）を代入して計算することにより、上記式（１）（本実施形態の摩擦攪拌点接合ツール１を用いて得られる継手の引張せん断荷重Ｆ（ｋＮ）が引張せん断荷重Ｆ₁（ｋＮ）以上となるときの第２部材挿入体積Ｖ（ｍｍ³）と第２部材７の厚さｔ（ｍｍ）（ｔ≧０．５ｍｍ）との関係を示す関係式）を得ることができる。

よって、摩擦攪拌点接合において第２部材挿入体積Ｖ（ｍ²）と第２部材の厚さｔ（ｍｍ）とが上記式（１）を満たすことにより、継手の引張せん断荷重としてＪＩＳ Ａ級最小値と認められるために要する引張せん断荷重以上の引張せん断荷重を得ることができる。これにより、接合強度の大きな継手を作製することができる。

また、上記式（６）に上記式（７）を代入して計算することにより、上記式（２）（本実施形態の摩擦攪拌点接合ツール１を用いて得られる継手の引張せん断荷重Ｆ（ｋＮ）が引張せん断荷重Ｆ₂（ｋＮ）以上となるときの第２部材挿入体積（ｍｍ³）と第２部材７の厚さｔ（ｍｍ）（ｔ≧０．５ｍｍ）との関係を示す関係式）を得ることができる。

よって、摩擦攪拌点接合において第２部材挿入体積Ｖ（ｍ²）と第２部材の厚さｔ（ｍｍ）とが上記式（２）を満たすことにより、継手の引張せん断荷重としてＪＩＳ Ａ級平均値と認められるために要する引張せん断荷重以上の引張せん断荷重を得ることができる。これにより、接合強度のより大きな継手を作製することができるため好ましい。

（第２部材挿入深さｈと第２部材の厚さｔとの比ｈ／ｔ）
本実施形態の摩擦攪拌点接合ツール１において、プローブ３が第２部材７に挿入される深さｈは、第２部材７の厚さｔとの比ｈ／ｔが０．２５以上０．７５以下となることが好ましい。なお、プローブが第２部材に挿入される深さｈを以後「第２部材挿入深さｈ」とも記す。ｈ／ｔが０．２５よりも小さいと、上記式（１）または上記式（２）を満たすためにはプローブ先端直径ｄが大きくなる傾向にあり、その結果、プローブを被接合材に挿入するために必要な荷重が大きくなり過ぎることがある。なお、ここでいう「プローブ先端直径ｄ」とは、プローブ先端面の直径であって、上記プローブ先端半径ｒを２倍にした値に相当する。また、ｈ／ｔが０．７５よりも大きいと、フッキング高さが大きくなりすぎることがあり、その結果、継手の引張せん断荷重が低くなることがある。なお、ここでいう「フッキング高さ」とは、第１部材と第２部材との接触面から未接合領域であるフックラインの上端までの垂直方向の距離をいい、図２におけるＨに相当する。ｈ／ｔを０．２５以上０．７５以下とすることによって、プローブ先端直径ｄおよびフッキング高さＨが大きくなり過ぎることなく上記式（１）または上記式（２）が満たされることとなる。なお、ｈ／ｔは０．４以上０．７５以下であることがより好ましい。

＜摩擦攪拌点接合ツールの製造方法＞
本実施形態の摩擦攪拌点接合ツール１としては、以下に示すようにして作製されたものを用いることが好ましい。まず、原料粉末を混合する。原料粉末としては、摩擦攪拌点接合ツールまたは摩擦攪拌線接合ツールなどの各種接合ツールの素材として知られる従来公知のもの（たとえば超硬合金）を特に限定なく用いることができる。次に、混合した原料粉末にエタノールを添加して、アトライターを用いて４〜１０時間程度攪拌する。エタノールを揮発させた後、１００ＭＰａの圧力にて単軸加圧し、１２００〜１７００℃にて１〜３時間程度焼結する。このようにして得られた焼結体をダイヤモンド砥石などによって研削加工し、摩擦攪拌点接合ツールとする。

なお、本実施形態においては、摩擦攪拌点接合ツールの表面の一部または全体に対してコーティング膜を作製してもよい。コーティング膜の成膜プロセスとしては、従来公知のいかなる成膜プロセスをも用いることができ、たとえばＰＶＤ（physical vapor deposition）（物理蒸着）法（たとえば真空アーク蒸着法）またはＣＶＤ（chemical vapor deposition）（化学蒸着）法等を用いることができる他、２以上の従来公知の成膜プロセスを組み合わせてもよい。

＜接合方法＞
以下、本実施形態の接合方法について説明する。

本実施形態の接合方法は、本実施形態の摩擦攪拌点接合ツール１を用いた接合方法である。具体的には、第１部材６と第２部材７とを重ね合わせて摩擦攪拌点接合ツール１を第１部材６側から押圧することにより、第１部材６と第２部材７とを摩擦攪拌点接合する接合方法である。本実施形態の接合方法は、第１部材６と第２部材７とを重ね合わせて摩擦攪拌点接合ツール１を第１部材６側から押圧する押圧工程を含む。第１部材６および第２部材７は、それぞれ引張強度が５９０ＭＰａ以上の鋼板である。摩擦攪拌点接合ツール１は、回転軸４を中心に回転可能である。摩擦攪拌点接合ツール１は、先端にショルダー５を備える柱状部２と、ショルダー５から回転軸４を延長する方向に突出した円柱状または円錐台状のプローブ３とを備える。押圧工程は、回転軸４を中心に摩擦攪拌点接合ツール１を回転させながら、プローブ３を第１部材６および第２部材７側に挿入させることによって、第１部材６と第２部材７とを接合させる工程である。第２部材７の厚さをｔ（ｍｍ）とし、押圧工程においてプローブ３を第２部材７側に挿入する体積を第２部材挿入体積Ｖ（ｍｍ³）とするとき、Ｖはｔとの関係において以下の式（１）を満たす。
Ｖ≧２．７５ｔ²＋８．１９ｔ−４．１９ （ｔ≧０．５ｍｍ）・・・（１）。

本実施形態の接合方法は、上記押圧工程を含む限り、他の工程を含んでもよい。このような他の工程としては、第１部材６および第２部材７を準備する工程などを挙げることができる。

（第１部材および第２部材を準備する工程）
本実施形態の接合方法は、第１部材６および第２部材７を準備する工程（以下「準備工程」とも記す）を含むことができる。この準備工程は、押圧工程に用いられる第１部材６および第２部材７を準備する工程であるが、第１部材６と第２部材７との接合箇所を形成する工程を含んでいてもよい。接合箇所の形成方法としては、第１部材６の一部と第２部材７の一部とを重ねて重ね代を形成し、当該重ね代を接合箇所としてもよい。なお、第１部材６の全体と第２部材７の全体とを重ねて重ね代を形成してもよいし、第１部材６の全体と第２部材７の一部とを重ねて重ね代を形成してもよいし、第１部材６の一部と第２部材７の全体とを重ねて重ね代を形成してもよい。重ね代を接合箇所とする場合には、重ね代の幅はショルダー５の直径以上である必要がある。

第１部材６および第２部材７は、それぞれ引張強度が５９０ＭＰａ以上の鋼板である。
本実施形態の接合方法は、非溶融接合である摩擦攪拌点接合による接合方法である。そのため、上記のように引張強度が５９０ＭＰａ以上の第１部材６および第２部材７を接合の対象とする場合においても、接合箇所におけるスパッタの発生を防止しつつ、強度が高い継手を得ることができる。

第１部材６および第２部材７は、それぞれ引張強度が９８０ＭＰａ以上の鋼板であってもよい。抵抗スパッタ溶接ではスパッタが発生し易いために高い接合強度を得ることが難しい鋼板（例えば引張強度が９８０ＭＰａ以上の鋼板）を用いた場合であっても、本実施形態の接合方法を用いることにより、接合箇所におけるスパッタの発生を防止しつつ、強度が高い継手を得ることができる。

（押圧工程）
本実施形態の接合方法は、第１部材６と第２部材７とを重ね合わせて摩擦攪拌点接合ツール１を第１部材６側から押圧する工程（押圧工程）を含む。

押圧工程は、回転軸４を中心に摩擦攪拌点接合ツール１を回転させながら、第１部材６と第２部材７との接触面８よりもさらに第２部材７側の厚み方向に深くなる深さまでプローブ３を挿入させることによって、第１部材６と第２部材７とを接合させる工程である。この工程により、第１部材６と第２部材７とが接合し、継手が形成される。

押圧工程においては、プローブ３を回転させながら被接合材に挿入することにより、摩擦熱が発生する。その摩擦熱によって、接合箇所では、第１部材６と第２部材７とが軟化し塑性流動する。これにより、第１部材６と第２部材７とが接合され、継手が形成される。

本実施形態においては、第２部材７の厚さをｔ（ｍｍ）とし、押圧工程においてプローブ３を第２部材７側に挿入させる体積を第２部材挿入体積Ｖ（ｍｍ³）とするとき、Ｖはｔとの関係において以下の式（１）を満たす。
Ｖ≧２．７５ｔ²＋８．１９ｔ−４．１９ （ｔ≧０．５ｍｍ）・・・（１）。

Ｖがｔとの関係において上記式（１）を満たすように第１部材６と第２部材７との接合箇所に対してプローブ３を挿入し、押圧による接合を行って継手を形成する。これにより、継手の引張せん断荷重を高くすることができ、接合強度を高くすることができる。

本実施形態においては、第２部材挿入体積Ｖ（ｍｍ³）が、第２部材の厚さｔ（ｍｍ）との関係において以下の式（２）を満たすことが好ましい。
Ｖ≧３．２５ｔ²＋９．６２ｔ−４．４８ （ｔ≧０．５ｍｍ）・・・（２）。

これにより、継手の引張せん断荷重をより高くすることができ、接合強度をより高くすることができる。なお、上記式（１）および上記式（２）の説明および導入理由は前述した通りであるので、繰り返しは避ける。

本実施形態においては、プローブ３が第２部材７側に挿入される深さをｈ（ｍｍ）とするとき、ｈと第２部材７の厚さｔ（ｍｍ）との比ｈ／ｔは、０．２５以上０．７５以下であることが好ましい。これにより、プローブ先端直径ｄおよびフッキング高さＨが大きくなりすぎることなく上記式（１）または上記式（２）が満たされることとなる。なお、比ｈ／ｔの詳細も前述の通りであるので、繰り返さない。

本実施形態にて使用される摩擦攪拌点接合ツール１において、プローブ３は、ショルダー５へとつながる側面を備えることが好ましく、この側面は、回転軸４に対し０°以上１５°以下の角度θを有することが好ましい。これにより、摩擦攪拌点接合ツール１の形状を、プローブ３を被接合材に挿入するために必要な荷重を低減可能な形状であってショルダー５を通じて第１部材６に対して十分な面圧を加えることが可能な形状とすることができる。なお、角度θの詳細も前述の通りであるので、繰り返さない。

本実施形態にて使用される摩擦攪拌点接合ツール１において、プローブ３は、ショルダー５へとつながる側面を備えることが好ましく、ショルダー５は、その外縁からプローブ３の上記側面と交わる部位にかけてすり鉢状に凹むような形状を有することが好ましい。これにより、押圧時には、プローブ３により押し出された第１部材６および第２部材７がショルダー５からはみ出すことを防止できる。よって、形成される接合部の外観が良くなる。また、ショルダー５の外縁が被接合材（例えば第１部材６）を押さえることにより、押圧中に摩擦攪拌点接合ツール１がぶれることを防止できる。

押圧工程における摩擦攪拌点接合ツール１の回転数（以下「ツール回転数」とも記す）、摩擦攪拌点接合ツール１によって接合箇所に対して加えられる荷重（以下「接合荷重」とも記す）および摩擦攪拌点接合ツール１により押圧された時間（以下「接合時間」とも記す）は、特に制限されるものではなく、プローブ３の形状、プローブ３の寸法、および、接合の対象である第１部材６および第２部材７の各寸法等に応じて適宜決定すればよい。ツール回転数、接合荷重、接合時間のいずれかもしくは全てが小さすぎる場合は、プローブ３が被接合材に対して充分に押し込まれないために高い接合強度を得ることが難しいことがある。一方、ツール回転数、接合荷重、接合時間のいずれかもしくは全てが大きすぎる場合は、接合部の温度が上がり過ぎるために継手の強度が低下することがある。また、摩擦攪拌点接合ツールが破損することがある。

以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

＜実施例１＞
Ｎｏ．１−１〜１−６において、摩擦攪拌点接合ツールを作製し、作製された摩擦攪拌点接合ツールを用いて第１部材と第２部材とを接合することによって当該摩擦攪拌点接合ツールを評価した。

（柱状部）
Ｎｏ．１−１〜１−６において作製された摩擦攪拌点接合ツールは、いずれも、先端にショルダーを備える柱状部と、ショルダーから回転軸を延長する方向に突出した円柱状または円錐台状のプローブとを備えていた。プローブは、ショルダーへとつながる側面を備えていた。ショルダーは、その外縁からプローブの上記側面と交わる部位にかけてすり鉢状に凹むような形状を有しており、ショルダーの直径（すなわち柱状部の直径）は、１０ｍｍであった。

（プローブ）
Ｎｏ．１−１〜１−６において作製された摩擦攪拌点接合ツールのプローブ形状、プローブ先端半径ｒ、プローブテーパー角θおよびプローブ長ｌを表１に示す。なお、表１中「プローブ形状」とは、プローブ形状が円柱状であるか円錐台状であるかを示す。Ｎｏ．１−１〜１−６では、プローブ形状を表１に示す形状とし、且つ、プローブ先端半径ｒ、プローブテーパー角θおよびプローブ長ｌを表１に示す値とすることによって、上記式（１）が満たされた（表１中の欄「式（１）の成立」に「成立する」と示す）。また、Ｎｏ．１−２〜１−４においては、上記式（２）が満たされたが（表１中の欄「式（２）の成立」に「成立する」と示す）、Ｎｏ．１−１、１−５、１−６においては、上記式（２）が満たされなかった（表１中の欄「式（２）の成立」に「成立しない」と示す）。

（摩擦攪拌点接合ツールの素材）
Ｎｏ．１−１〜１−６では、摩擦攪拌点接合ツールの素材として超硬合金を用いた。超硬合金は、平均径２μｍのＷＣ結晶粒を焼結して作製されたものであった。超硬合金の組成は、Ｃｏが３ｗｔ％であり、ＷＣが９７ｗｔ％であった。

（摩擦攪拌点接合ツールの製造方法）
Ｎｏ．１−１〜１−６では、摩擦攪拌点接合ツールは、以下のようにして作製した。すなわち、上記ＷＣ結晶粒を混合し、さらにエタノールを添加して、アトライターを用いて８時間攪拌した。エタノールを揮発させた後、１００ＭＰａの圧力にて単軸加圧し、１５００℃にて２時間焼結させた。このようにして得られた焼結体をダイヤモンド砥石などによって研削加工し、摩擦攪拌点接合ツールを作製した。

（コーティング膜）
Ｎｏ．１−１〜１−６では、摩擦攪拌点接合ツールの酸化防止および耐摩耗性改善のために、真空アーク蒸着法により、摩擦攪拌点接合ツールの表面全体に、膜厚が４μｍのＡｌ_0.57Ｔｉ_0.38Ｓｉ_0.05Ｎ膜（コーティング膜）を形成した。

（準備工程）
Ｎｏ．１−１〜１−６では、厚さが１．２ｍｍであり引張強度が９８０ＭＰａである超高張力鋼板を第１部材（被接合材）および第２部材（被接合材）として１枚ずつ準備した（表１）。ＪＩＳ Ｚ ３１３６：１９９９の手法に従ってせん断試験による継手の引張せん断荷重の評価を行なうために、第１部材および第２部材の寸法は、ともに、幅を３０ｍｍとし、長さを１００ｍｍとした。準備した第１部材および第２部材を重ね、３０ｍｍの重ね代を形成して接合箇所とした。

（押圧工程）
回転軸を中心に摩擦攪拌点接合ツールを回転させながら、第１部材と第２部材との接触面よりもさらに第２部材側の厚み方向に深くなる深さまでプローブを挿入させた。これにより、第１部材と第２部材との接合を行った。ツール回転数を１５００ｒｐｍとし、接合荷重を１５００ｋｇｆとし、摩擦攪拌点接合ツールの形状に応じて接合時間を１．５ｓ〜３．０ｓの間に調整して、継手を形成した。

（第２部材挿入体積Ｖと第２部材の厚さｔとの関係）
Ｎｏ．１−１〜１−６の摩擦攪拌点接合ツールを用いて第１部材と第２部材とを接合したときの第２部材残厚ｔ’、第２部材挿入深さｈ、ｈ／ｔ、および、第２部材挿入体積Ｖを表１に示す。

具体的には、まず、第２部材残厚ｔ’をマイクロメータ（株式会社ミツトヨ製の品番「ＣＰＭ３０−２５ＭＪ」）にて測定した。この測定結果（第２部材残厚ｔ’）と、第２部材の厚さｔと、プローブ先端半径ｒと、プローブテーパー角θとから、第２部材挿入体積Ｖを計算した。

＜比較例１＞
プローブ形状、プローブ先端半径ｒ、プローブテーパー角θおよびプローブ長ｌを変更したことにより第２部材挿入体積Ｖの値が第２部材の厚さｔとの関係において上記式（１）と上記式（２）とを満たさなくなったことを除いては（表１中の欄「式（１）の成立」および欄「式（２）の成立」に「成立しない」と示す）Ｎｏ．１−１〜１−６と同様の方法によって、表１のＮｏ．１−１１〜１−１４に示す摩擦攪拌点接合ツールを作製した。

また、作製された摩擦攪拌点接合ツールを用いて実施例１と同様にして第１部材と第２部材との接合を行った。Ｎｏ．１−１１〜１−１４における第１部材および第２部材の引張強度、第２部材の厚さｔ、プローブ形状、プローブ先端半径ｒ、プローブテーパー角θ、プローブ長ｌ、第２部材残厚ｔ’、第２部材挿入深さｈ、ｈ／ｔ、および、第２部材挿入体積Ｖを表１に示す。

＜実施例２＞
プローブ形状、プローブ先端半径ｒ、プローブテーパー角θおよびプローブ長ｌを変更したこと、作製された摩擦攪拌点接合ツールを用いて接合される第１部材および第２部材の厚さを１．５ｍｍ、幅を４０ｍｍ、長さを１２５ｍｍ、重ね代を４０ｍｍに変更したこと、および、接合時間を２．０〜３．４ｓの間にて調整したことを除いてはＮｏ．１−１〜１−６と同様の方法によって、表１のＮｏ．２−１〜２−６に示す摩擦攪拌点接合ツールを作製した。作製された摩擦攪拌点接合ツールを用いて実施例１と同様にして第１部材と第２部材との接合を行なった。

Ｎｏ．２−１〜２−６における第１部材および第２部材の引張強度、第２部材の厚さｔ、プローブ形状、プローブ先端半径ｒ、プローブテーパー角θ、プローブ長ｌ、第２部材残厚ｔ’、第２部材挿入深さｈ、ｈ／ｔ、および、第２部材挿入体積Ｖを表１に示す。Ｎｏ．２−１〜２−６では、プローブ形状を表１に示す形状とし、且つ、プローブ先端半径ｒ、プローブテーパー角θおよびプローブ長ｌを表１に示す値とすることによって、上記式（１）が満たされた（表１中の欄「式（１）の成立」に「成立する」と示す）。また、Ｎｏ．２−３、２−４においては、上記式（２）が満たされたが（表１中の欄「式（２）の成立」に「成立する」と示す）、Ｎｏ．２−１、２−２、２−５、２−６においては、上記式（２）が満たされなかった（表１中の欄「式（２）の成立」に「成立しない」と示す）。

＜比較例２＞
プローブ形状、プローブ先端半径ｒ、プローブテーパー角θおよびプローブ長ｌを変更したことにより第２部材挿入体積Ｖの値が第２部材の厚さｔとの関係において上記式（１）と上記式（２）とを満たさなくなったことを除いては（表１中の欄「式（１）の成立」および欄「式（２）の成立」に「成立しない」と示す）Ｎｏ．２−１〜２−６と同様の方法によって、表１のＮｏ．２−１１〜２−１３に示す摩擦攪拌点接合ツールを作製した。

また、作製された摩擦攪拌点接合ツールを用いて実施例２と同様にして第１部材と第２部材との接合を行った。Ｎｏ．２−１１〜２−１３における第１部材および第２部材の引張強度、第２部材の厚さｔ、プローブ形状、プローブ先端半径ｒ、プローブテーパー角θ、プローブ長ｌ、第２部材残厚ｔ’、第２部材挿入深さｈ、ｈ／ｔ、および、第２部材挿入体積Ｖを表１に示す。

＜実施例３＞
プローブ形状、プローブ先端半径ｒ、プローブテーパー角θおよびプローブ長ｌを変更したこと、作製された摩擦攪拌点接合ツールを用いて接合する第１部材および第２部材の厚さを１．０ｍｍに変更したこと、第１部材および第２部材を引張強度５９０ＭＰａの高張力鋼板に変更したこと、ツール回転数を１０００ｒｐｍに変更したこと、および、接合荷重を１２００ｋｇｆに変更したことを除いてはＮｏ．１−１〜１−６と同様の方法によって、表１のＮｏ．３−１〜３−６に示す摩擦攪拌点接合ツールを作製した。作製された摩擦攪拌点接合ツールを用いて実施例１と同様にして第１部材と第２部材との接合を行なった。

Ｎｏ．３−１〜３−６における第１部材および第２部材の引張強度、第２部材の厚さｔ、プローブ形状、プローブ先端半径ｒ、プローブテーパー角θ、プローブ長ｌ、第２部材残厚ｔ’、第２部材挿入深さｈ、ｈ／ｔ、および、第２部材挿入体積Ｖを表１に示す。Ｎｏ．３−１〜３−６では、プローブ形状を表１に示す形状とし、且つ、プローブ先端半径ｒ、プローブテーパー角θおよびプローブ長ｌを表１に示す値とすることによって、上記式（１）が満たされた（表１中の欄「式（１）の成立」に「成立する」と示す）。また、Ｎｏ．３−１〜３−４においては、上記式（２）が満たされたが（表１中の欄「式（２）の成立」に「成立する」と示す）、Ｎｏ．３−５、３−６においては、上記式（２）が満たされなかった（表１中の欄「式（２）の成立」に「成立しない」と示す）。

＜比較例３＞
プローブ形状、プローブ先端半径ｒ、プローブテーパー角θおよびプローブ長ｌを変更したことにより第２部材挿入体積Ｖの値が第２部材の厚さｔとの関係において上記式（１）と上記式（２）とを満たさなくなったことを除いては（表１中の欄「式（１）の成立」および欄「式（２）の成立」に「成立しない」と示す）Ｎｏ．３−１〜３−６と同様の方法によって、表１のＮｏ．３−１１〜３−１３に示す摩擦攪拌点接合ツールを作製した。

また、作製された摩擦攪拌点接合ツールを用いて実施例３と同様にして第１部材と第２部材との接合を行なった。Ｎｏ．３−１１〜３−１３における第１部材および第２部材の引張強度、第２部材の厚さｔ、プローブ形状、プローブ先端半径ｒ、プローブテーパー角θ、プローブ長ｌ、第２部材残厚ｔ’、第２部材挿入深さｈ、ｈ／ｔ、および、第２部材挿入体積Ｖを表１に示す。

＜評価方法＞
Ｎｏ．１−１〜１−６、２−１〜２−６、３−１〜３−６、および、Ｎｏ．１−１１〜１−１４、２−１１〜２−１３、３−１１〜３−１３において、摩擦攪拌点接合ツールを使用して形成された継手について、ＪＩＳ Ｚ ３１３６：１９９９の手法に従ってせん断試験を行い、引張せん断荷重（ｋＮ）を評価した。結果を表１に示す。

＜評価結果＞
表１より、第２部材挿入体積Ｖの値が第２部材の厚さｔとの関係において上記式（１）を満たさないＮｏ．１−１１〜１−１４、２−１１〜２−１３、および、３−１１〜３−１３では、いずれも継手の引張せん断荷重がＪＩＳ Ａ級最小値において要求される引張せん断荷重を下回った（表１中の欄「引張せん断荷重につきＪＩＳ Ｚ ３１４０：１９８９に基づく等級」に「ＪＩＳ Ａ級最小値未満」と示す）。一方、上記式（１）を満たすＮｏ．１−１〜１−６、２−１〜２−６、および、３−１〜３−６では、いずれも継手の引張せん断荷重がＪＩＳ Ａ級最小値において要求される値以上となった（表１中の欄「引張せん断荷重につきＪＩＳ Ｚ ３１４０：１９８９に基づく等級」に「ＪＩＳ Ａ級最小値以上」または「ＪＩＳ Ａ級平均値以上」と示す）。よって、本実施例の摩擦攪拌点接合ツールによって、継手の引張せん断荷重を高くでき、接合強度の高い継手を形成可能であることが明らかとなった。

また、第２部材挿入体積Ｖの値が第２部材の厚さｔとの関係において上記式（２）を満たすＮｏ．１−２〜１−４、２−３、２−４、および、３−１〜３−４では、いずれも継手の引張せん断荷重がＪＩＳ Ａ級平均値において要求される値以上となった（表１中の欄「引張せん断荷重につきＪＩＳ Ｚ ３１４０：１９８９に基づく等級」に「ＪＩＳ Ａ級平均値以上」と示す）。よって、上記式（２）を満たす摩擦攪拌点接合ツールによって、継手の引張せん断荷重をより一層高くでき、より接合強度の高い継手を形成可能であることが明らかとなった。

以上のように本発明の実施の形態および実施例について説明を行なったが、上述の各実施の形態および実施例の構成を適宜組み合わせることも当初から予定している。

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 摩擦攪拌点接合ツール、２ 柱状部、３ プローブ、４ 回転軸、５ ショルダー、６ 第１部材、７ 第２部材、８ 第１部材と第２部材との接触面。

Claims (12)

1. 第１部材と第２部材とを重ね合わせて該第１部材側から押圧することにより該第１部材と該第２部材とを摩擦攪拌点接合させる摩擦攪拌点接合ツールであって、
   前記第１部材および前記第２部材は、それぞれ引張強度が５９０ＭＰａ以上の鋼板であり、
   前記摩擦攪拌点接合ツールは、回転軸を中心に回転可能であり、かつ、先端にショルダーを備える柱状部と、前記ショルダーから前記回転軸を延長する方向に突出した円柱状または円錐台状のプローブとを備え、
   前記第２部材の厚さをｔ（ｍｍ）とし、前記プローブが押圧時に前記第２部材側に挿入される体積を第２部材挿入体積Ｖ（ｍｍ³）とするとき、Ｖはｔとの関係において以下の式（１）を満たす、摩擦攪拌点接合ツール。
   Ｖ≧２．７５ｔ²＋８．１９ｔ−４．１９ （ｔ≧０．５ｍｍ）・・・（１）
2. 前記第２部材挿入体積Ｖ（ｍｍ³）は、前記第２部材の厚さｔ（ｍｍ）との関係において以下の式（２）を満たす、請求項１に記載の摩擦攪拌点接合ツール。
   Ｖ≧３．２５ｔ²＋９．６２ｔ−４．４８ （ｔ≧０．５ｍｍ）・・・（２）
3. 前記第１部材および前記第２部材は、それぞれ引張強度が９８０ＭＰａ以上の鋼板である、請求項１または請求項２に記載の摩擦攪拌点接合ツール。
4. 前記プローブは、前記ショルダーへとつながる側面を備え、
   前記側面は、前記回転軸に対し０°以上１５°以下の角度θを有する、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の摩擦攪拌点接合ツール。
5. 前記プローブが前記第２部材側に挿入される深さをｈ（ｍｍ）とするとき、ｈと前記第２部材の厚さｔ（ｍｍ）との比ｈ／ｔは、０．２５以上０．７５以下である、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の摩擦攪拌点接合ツール。
6. 前記プローブは、前記ショルダーへとつながる側面を備え、
   前記ショルダーは、その外縁から前記側面と交わる部位にかけてすり鉢状に凹むような形状を有する、請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の摩擦攪拌点接合ツール。
7. 第１部材と第２部材とを重ね合わせて摩擦攪拌点接合ツールを該第１部材側から押圧することにより該第１部材と該第２部材とを摩擦攪拌点接合する接合方法であって、
   前記接合方法は、前記第１部材と前記第２部材とを重ね合わせて前記摩擦攪拌点接合ツールを前記第１部材側から押圧する押圧工程を含み、
   前記第１部材および前記第２部材は、それぞれ引張強度が５９０ＭＰａ以上の鋼板であり、
   前記摩擦攪拌点接合ツールは、回転軸を中心に回転可能であり、かつ、先端にショルダーを備える柱状部と、前記ショルダーから前記回転軸を延長する方向に突出した円柱状または円錐台状のプローブとを備え、
   前記押圧工程は、前記回転軸を中心に前記摩擦攪拌点接合ツールを回転させながら、前記第１部材と前記第２部材との接触面よりもさらに前記第２部材側の厚み方向に深くなる深さまで前記プローブを挿入させることによって、前記第１部材と前記第２部材とを接合させる工程であり、
   前記第２部材の厚さをｔ（ｍｍ）とし、前記押圧工程において前記プローブを前記第２部材側に挿入させる体積を第２部材挿入体積Ｖ（ｍｍ³）とするとき、Ｖはｔとの関係において以下の式（１）を満たす、接合方法。
   Ｖ≧２．７５ｔ²＋８．１９ｔ−４．１９ （ｔ≧０．５ｍｍ）・・・（１）
8. 前記第２部材挿入体積Ｖ（ｍｍ³）は、前記第２部材の厚さｔ（ｍｍ）との関係において以下の式（２）を満たす、請求項７に記載の接合方法。
   Ｖ≧３．２５ｔ²＋９．６２ｔ−４．４８ （ｔ≧０．５ｍｍ）・・・（２）
9. 前記第１部材および前記第２部材は、それぞれ引張強度が９８０ＭＰａ以上の鋼板である、請求項７または請求項８に記載の接合方法。
10. 前記プローブは、前記ショルダーへとつながる側面を備え、
    前記側面は、前記回転軸に対し０°以上１５°以下の角度θを有する、請求項７〜請求項９のいずれか１項に記載の接合方法。
11. 前記プローブが前記第２部材側に挿入される深さをｈ（ｍｍ）とするとき、ｈと前記第２部材の厚さｔ（ｍｍ）との比ｈ／ｔは、０．２５以上０．７５以下である、請求項７〜請求項１０のいずれか１項に記載の接合方法。
12. 前記プローブは、前記ショルダーへとつながる側面を備え、
    前記ショルダーは、その外縁から前記側面と交わる部位にかけてすり鉢状に凹むような形状を有する、請求項７〜請求項１１のいずれか１項に記載の接合方法。

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