JPWO2019054400A1 - 金属板の両面摩擦撹拌接合方法および両面摩擦撹拌接合装置 - Google Patents

Abstract

両面摩擦撹拌接合を行なうに際し、金属板の厚さ方向に対して均質的に接合状態を達成するに十分な塑性流動を得ることが可能となり、接合時における欠陥発生を抑制しつつ接合速度の高速度化を達成し、十分な強度と共に、接合施工性を向上することが可能な摩擦撹拌接合方法、及びその摩擦撹拌接合を行なうための好適な摩擦撹拌接合装置を提供する。互いに対向する一対の回転ツールを２枚の金属板の接合部である突合せ部もしくは重ね部の表面側と裏面側にそれぞれ配置し、突合せ部もしくは重ね部において一対の回転ツールを回転させながら接合方向に移動させ、回転ツールと金属板との摩擦熱により金属板を軟化させつつ、その軟化した部位を回転ツールで撹拌することにより塑性流動を生じさせて金属板同士を接合する。

Description

本発明は、互いに対向する一対の回転ツールを金属板の接合部である突合せ部もしくは重ね部の表面側と裏面側に対向してそれぞれ配置し、突合せ部もしくは重ね部において一対の回転ツールを回転させながら接合方向に移動させ、回転ツールと金属板との摩擦熱により金属板を軟化させつつ、その軟化した部位を回転ツールで撹拌することにより塑性流動を生じさせて金属板同士を接合する両面摩擦撹拌接合方法、およびその両面摩擦撹拌接合を行なうための両面摩擦撹拌接合装置に関する。

また、本発明は、この摩擦撹拌接合方法を金属板の接合に適用した場合、あるいは摩擦撹拌接合装置を使用した場合に懸念される問題点、すなわち接合部における金属板の厚さ方向に生じる温度、塑性流動の差異に起因する接合部内の局所的な塑性流動不良を解消することで接合欠陥を有利に解消し、十分な強度と共に、接合施工性の向上、特に接合速度の向上を図ろうとするものである。

なお以下では、金属板（たとえば鋼板等）を突合せた（もしくは重ねた）だけで未だ接合されていない状態にある突合せ部分（もしくは重ね部分）を「未接合部」、一方、塑性流動により接合されて一体化された部分を「接合部」と呼ぶものとする。

摩擦溶接法として、特許文献１には、一対の金属材料の両方または片方を回転することにより、金属材料に摩擦熱を生じさせて軟化させながら、その軟化した部位を撹拌して塑性流動を起こすことによって、金属材料を接合する技術が開示されている。しかしながら、この技術は、接合される金属材料を回転させるものであるから、その金属材料の形状や寸法に限界がある。

一方、特許文献２には、金属板よりも実質的に硬い材質からなる回転ツールを金属板の未接合部に挿入し、この回転ツールを回転させながら移動させることにより、回転ツールと金属板との間に生じる熱と塑性流動によって、金属板を長手方向に連続的に接合する方法が提案されている。この技術は、金属板を固定した状態で、回転ツールを回転させながら移動させることによって金属板を接合する。このため、接合方向に沿って実質的に無限に長い部材にも、その長手方向に連続的に固相接合できるという利点がある。また、回転ツールと金属板との摩擦熱による金属の塑性流動を利用した固相接合であるため、接合部を溶融することなく接合することができる。さらに、加熱温度が低いため接合後の変形が少なく、また接合部は溶融されないため欠陥が少なく、加えて溶加材を必要としないなど多くの利点がある。

摩擦撹拌接合法は、アルミニウム合金やマグネシウム合金に代表される低融点金属板の接合法として、航空機、船舶、鉄道車輌および自動車等の分野で利用が広がってきている。その理由としては、これらの低融点金属板は、従来のアーク溶接法では接合部の満足な特性を得ることが難しく、摩擦撹拌接合法を適用することにより生産性を向上すると共に、品質の高い接合部を得ることができるためである。

一方、建築物や船舶、重機、パイプライン、自動車といった構造物の素材として主に適用されている構造用鋼板に対する摩擦撹拌接合法の適用は、従来の溶融溶接で課題となる凝固割れや水素割れを回避できるとともに、鋼板の組織変化も抑制されるので、継手性能の向上が期待できる。また、回転ツールにより接合界面を撹拌することで清浄面を創出して清浄面同士を接触できるので、拡散接合のような事前の準備工程は不要であるというメリットも期待できる。このように、構造用鋼板に対する摩擦撹拌接合法の適用は、多くの利点が期待される。しかし、接合時における欠陥発生の抑制、接合速度（すなわち回転ツールの移動速度）の高速度化といった接合施工性に問題を残していたため、低融点金属板と比較して摩擦撹拌接合法の普及が進んでいない。

特許文献２に記載された摩擦撹拌接合法における欠陥発生の主な要因として、金属板の厚さ方向に生じる温度、塑性流動の差異が挙げられる。金属板の接合部の一方の面側に対して回転ツールを押圧させ、回転させながら接合方向に移動することで接合する場合、回転ツールの肩部が押圧される面側では、肩部の回転により十分な温度上昇とせん断応力の負荷により高温で大きな変形が加わることで、接合界面に清浄面を創出して接触させることで冶金的な接合状態を達成するに十分な塑性流動が得られる。一方、その反対の面側では、比較的低温で、負荷されるせん断応力が小さくなるために、冶金的な接合状態を達成するに十分な塑性流動が得られない状態に陥りやすい。

特許文献２に記載された摩擦撹拌接合技術を構造用鋼板に適用する場合、構造用鋼板の高温における強度が高いため、低入熱でかつ接合速度が高い場合に上記のような状態となる傾向が強く、接合時における欠陥発生を抑制しつつ接合速度の高速度化が困難である。

特許文献３、４、５には両面摩擦撹拌接合方法が開示されている。両面摩擦撹拌接合方法においては、互いに対向する一対の回転ツールの肩部が金属板の接合部の表面側と裏面側に押圧され、肩部の回転により十分な温度上昇とせん断応力により高温で大きな変形を両面に加えることで、接合状態を達成するに十分な塑性流動を、金属板の厚さ方向に対して均質的に得ることができ、接合時における欠陥発生を抑制しつつ接合速度の高速度化を達成することができると考えられる。しかし特許文献３、４、５に記載された技術に関しては、互いに対向する一対の回転ツールの肩部を金属板の接合部の表面側と裏面側に押圧するに際して、接合状態を達成するに十分な温度上昇とせん断応力を得る上で重要な意味を持つ一対の回転ツールの肩間の隙間に関しては何ら考慮されていない。

特開昭62−183979号公報 特表平7-505090号公報 特許第3261433号 特許第4838385号 特許第4838388号

本発明は、従来の技術の問題点を解消し、両面摩擦撹拌接合を行なうに際し、互いに対向する一対の回転ツールの肩部が金属板の接合部の表面側と裏面側に押圧され、肩部の回転により十分な温度上昇とせん断応力が生じる。これにより高温で大きな変形が両面に加わり、接合状態を達成するに十分な塑性流動を金属板の厚さ方向に対して均質的に得ることが可能となる。以上により、本発明においては、接合時における欠陥発生を抑制しつつ接合速度の高速度化を達成し、十分な強度と共に、接合施工性を向上することが可能な摩擦撹拌接合方法、及びその摩擦撹拌接合を行なうための好適な摩擦撹拌接合装置を提供することを目的とする。とりわけ、接合状態を達成するに十分な温度上昇とせん断応力を得る上で重要となる、互いに対向する一対の回転ツールの肩間の隙間を厳密に精査した摩擦撹拌接合方法、およびそれを実現する摩擦撹拌接合装置を提供することを目的とする。

さて、発明者らは、上記の課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、以下に述べる知見(a)〜(e)を得た。

(a)両面摩擦撹拌接合においては、接合時における欠陥発生を抑制しつつ接合速度の高速度化を達成する上で、接合状態を得るに十分な温度上昇とせん断応力を、金属板の厚さ方向に対して均質的に分布させるために、互いに対向する一対の回転ツールの肩部同士の隙間を厳密に管理する必要がある。特に、一対の回転ツールに傾斜角度が付与される場合は、金属板の厚さに加えて、回転ツールの肩部の直径、傾斜角度を調整することが有効である。

(b)互いに対向する一対の回転ツールの回転方向を表面側と裏面側で同方向とすると、一方の回転ツールに対する他方の回転ツールの相対速度はゼロである。そのため、回転ツールの肩部同士の隙間において金属板の塑性流動が均質状態に近づくほど塑性変形が小さくなり、金属板の塑性変形による発熱も得られないので、良好な接合状態は達成不可能となる。よって、良好な接合状態を達成するに十分な温度上昇とせん断応力を金属板の厚さ方向に対して均質的に得るためには、一対の回転ツールの回転方向を表面側と裏面側で逆方向とする必要がある。

(c)互いに対向する一対の回転ツールのピン部の先端間の隙間を厳密に管理することによって、温度上昇とせん断応力を金属板の厚さ方向に対して均質的に得ることが可能となり、接合時における欠陥発生を抑制しつつ接合速度の高速度化を達成することができる。さらに、金属板の厚さ、回転ツールの肩部の直径を調整することによって、効果が顕著に発揮される。

(d)互いに対向する一対の回転ツールの肩部の直径を厳密に管理することによって、温度上昇とせん断応力を金属板の厚さ方向に対して均質的に得ることが可能となり、接合時における欠陥発生を抑制しつつ接合速度の高速度化を達成することができる。特に、金属板の厚さに関連して肩部の直径を限定することで顕著な効果を得ることができる。

(e) 互いに対向する一対の回転ツールの回転数を同一とし、接合速度と回転数の比を厳密に管理することによって、温度上昇とせん断応力を金属板の厚さ方向に対して均質的に得ることが可能となり、接合時における欠陥発生を抑制しつつ接合速度の高速度化を達成することができる。特に、回転ツールの肩部同士の隙間、肩部の直径および金属板の厚さに関連して、接合速度と回転数の比を限定することで顕著な効果を得ることができる。

本発明は、このような知見に立脚するものである。

すなわち本発明は、互いに対向する一対の回転ツールを２枚の金属板の接合部である突合せ部もしくは重ね部の表面側と裏面側にそれぞれ配置し、突合せ部もしくは重ね部において一対の回転ツールを回転させながら接合方向に移動させ、回転ツールと金属板との摩擦熱により金属板を軟化させつつ、その軟化した部位を回転ツールで撹拌することにより塑性流動を生じさせて金属板同士を接合する両面摩擦撹拌接合方法において、
一対の回転ツールとして、肩部およびその肩部に配され肩部と回転軸を共有するピン部を備え、かつ少なくとも肩部とピン部とが金属板よりも硬い材質により形成されてなるものを使用し、
金属板を把持装置により固定しつつ、一対の回転ツールを金属板の表面と裏面とに押圧させ、回転ツールを回転させながら接合方向に移動させるとともに、
一対の回転ツールの回転軸を金属板に対して鉛直方向から、ピン先端が接合方向に対して先行する側に傾斜角度α（°）で傾斜させ、傾斜角度αが
０＜α≦３
を満たし、
かつ一対の回転ツールのピン部の先端間に隙間g（mm）を与えることによって生じる肩部の隙間Ｇ（mm）が、突合せの場合は金属板の厚さｔ（mm）、もしくは重ねの場合は重ね合せた金属板の総厚さｔ（mm）ならびに回転ツールの肩部の直径Ｄ（mm）に対して
（0.5×t）−（0.2×Ｄ×sinα）≦Ｇ≦ｔ−（0.2×Ｄ×sinα）
を満たし、
肩部の直径Ｄ（mm）が、突合せの場合は金属板の厚さｔ（mm）、もしくは重ねの場合は重ね合せた金属板の総厚さｔ（mm）に対して
４×ｔ≦Ｄ≦20×ｔ
を満たし、
隙間ｇが、突合せの場合は金属板の厚さｔ（mm）、もしくは重ねの場合は重ね合せた金属板の総厚さｔ（mm）ならびに回転ツールの肩部の直径Ｄ（mm）に対して
［0.1−0.09×exp{−0.011×（Ｄ／ｔ）²}］×ｔ≦ｇ
≦［１−0.09×exp{−0.011×（Ｄ／ｔ）²}］×ｔ
を満たし、
さらに一対の回転ツールを互いに逆方向に回転させて摩擦撹拌接合を行ない、
かつ一対の逆方向に回転する回転ツールの回転数Ｓ（回／分）が同一であり、回転ツールによる接合速度Ｔ（ｍ／分）と回転ツールの回転数Ｓの比Ｔ／Ｓが、肩部の隙間Ｇ（mm）、肩部の直径Ｄ（mm）、突合せの場合は金属板の厚さｔ（mm）、もしくは重ねの場合は重ね合せた金属板の総厚さｔ（mm）に対して
Ｔ／Ｓ≦（１／1000）×（Ｄ／ｔ）×{34.5−32.2×（Ｇ／ｔ）}／{53−3.4×（Ｄ／ｔ）}
を満たす両面摩擦撹拌接合方法である。

また本発明は、互いに対向する一対の回転ツールを２枚の金属板の接合部である突合せ部もしくは重ね部の表面側と裏面側にそれぞれ配置し、突合せ部もしくは重ね部において一対の回転ツールを回転させながら接合方向に移動させ、回転ツールと金属板との摩擦熱により金属板を軟化させつつ、その軟化した部位を回転ツールで撹拌することにより塑性流動を生じさせて金属板同士を接合する両面摩擦撹拌接合装置において、
回転ツールが、肩部およびその肩部に配され肩部と回転軸を共有するピン部を備え、かつ少なくとも肩部とピン部とが金属板よりも硬い材質により形成され、
一対の回転ツールを回転させながら接合方向に移動させる間、金属板を固定する把持装置を備え、
一対の回転ツールの回転軸を金属板に対して鉛直方向から、ピン先端が接合方向に対して先行する側に傾斜角度α（°）で傾斜させ、傾斜角度αが
０＜α≦３
を満たし、
一対の回転ツールのピン部の先端間に隙間g（mm）を与えることによって生じる肩部の隙間Ｇ（mm）が、突合せの場合は金属板の厚さｔ（mm）、もしくは重ねの場合は重ね合せた金属板の総厚さｔ（mm）ならびに回転ツールの肩部の直径Ｄ（mm）に対して
（0.5×t）−（0.2×Ｄ×sinα）≦Ｇ≦ｔ−（0.2×Ｄ×sinα）
を満たし、
肩部の直径Ｄ（mm）が、突合せの場合は金属板の厚さｔ（mm）、もしくは重ねの場合は重ね合せた金属板の総厚さｔ（mm）に対して
４×ｔ≦Ｄ≦20×ｔ
を満たし、
隙間ｇが、突合せの場合は金属板の厚さｔ（mm）、もしくは重ねの場合は重ね合せた金属板の総厚さｔ（mm）ならびに回転ツールの肩部の直径Ｄ（mm）に対して
［0.1−0.09×exp{−0.011×（Ｄ／ｔ）²}］×ｔ≦ｇ
≦［１−0.09×exp{−0.011×（Ｄ／ｔ）²}］×ｔ
を満たし、
さらに一対の回転ツールを互いに逆方向に回転させる回転駆動装置を備え、
かつ一対の逆方向に回転する回転ツールの回転数Ｓ（回／分）が同一であり、回転ツールによる接合速度Ｔ（ｍ／分）と回転ツールの回転数Ｓの比Ｔ／Ｓが、肩部の隙間Ｇ（mm）、肩部の直径Ｄ（mm）、突合せの場合は金属板の厚さｔ（mm）、もしくは重ねの場合は重ね合せた金属板の総厚さｔ（mm）に対して
Ｔ／Ｓ≦（１／1000）×（Ｄ／ｔ）×{34.5−32.2×（Ｇ／ｔ）}／{53−3.4×（Ｄ／ｔ）}
を満たす両面摩擦撹拌接合装置である。

本発明によれば、両面摩擦撹拌接合を行なうに際し、互いに対向する一対の回転ツールの肩部が金属板の接合部の表面と裏面に押圧され、肩部の回転により十分な温度上昇とせん断応力が生じる。これにより高温で大きな変形が両面に加えることで、金属板の厚さ方向に対して均質的に塑性流動が促進され良好な接合状態を達成することができる。その結果、接合時における欠陥発生を抑制しつつ接合速度の高速度化を達成し、十分な強度と共に、接合施工性を向上することができるため、産業上格段の効果を奏する。

図１は本発明における回転ツールと金属板の配置の例を模式的に示す斜視図である。(1)は突合せ接合の場合であり、(2)は重ね接合の場合である。 図２(1)は図１中の回転ツールと金属板の平面図であり、図２(2)はＡ−Ａ矢視の断面図である。 図３は実施例で使用した回転ツールの断面寸法を示す断面図である。 図４は対抗する回転ツールの、軸荷重と肩部の隙間の関係を示す。 図５は軸荷重と、接合速度および回転数との関係を示す。

本発明では、２枚の金属板を突き合わせて、もしくは重ね合わせて、その突合せ部もしくは重ね部の表面側と裏面側に一対の回転ツールを配置して両面摩擦撹拌接合を行なう。

以下、図１、２を参照して、突合せ部の両面摩擦撹拌接合を行なう場合について具体的に説明する。

図１に示すように、突き合わされた２枚の金属板３の表面側と裏面側に一対の回転ツール１、８を互いに対向して配置し、金属板３の表面側と裏面側の両方から未接合部12に回転ツール１、８を挿入して、さらに回転させながら接合方向に移動させる。図１中の矢印Ｐは回転ツール１、８の進行方向（すなわち接合方向）、矢印Ｑは表面側に配置される回転ツール１の回転方向、矢印Ｒは裏面側に配置される回転ツール８の回転方向を示す。

そして、互いに対抗する一対の回転ツール１、８を回転させて摩擦熱を発生させ、金属板３を軟化させつつ、その軟化した部位を一対の回転ツール１、８で撹拌することにより塑性流動を生じさせて、金属板３を接合する。こうして得られる接合部４は、回転ツール１、８の進行方向に沿って線状に形成される。図１中の未接合部12から接合部４の幅中央に延伸する直線７（以下、接合中央線という）は、矢印Ｐの方向へ進行する回転ツール１、８の軌跡に一致する（図２(1)参照）。

２枚の金属板３は、回転ツール１、８が接合中央線７に沿って進行する際に、いずれも把持装置（図示せず）で把持されて、所定の位置に固定される。なお把持装置は、回転ツール１、８の進行に伴う金属板３の位置の変動を防止できるものを使用すれば良いので、その構成は特に限定しない。

表面側の回転ツール１のピン部６先端と、裏面側の回転ツール８のピン部10先端は当接させず、図２(2)に示すように隙間ｇ（mm）を与える。また、回転ツール１、８の直径Ｄ（mm）とピン部６、10の先端の直径ａ（mm）の差によって生じる段差５、９（以下、肩部という）の間には隙間Ｇ（mm）が生じる。

さらに、表面側から見て、表面側の回転ツール１の回転方向（すなわち矢印Ｑ）に対して裏面側の回転ツール８を逆方向（すなわち矢印Ｒ）に回転させる。たとえば図２(1)に示すように、金属板３の表面側から見た平面図において、回転ツール１を時計方向に回転させる場合は、回転ツール８を反時計方向に回転させる。図示を省略するが、回転ツール１を反時計方向に回転させる場合は、回転ツール８を時計方向に回転させる。

このようにして、回転ツール１のピン部６先端と回転ツール８のピン部10先端に隙間ｇを設け、回転ツール１の肩部５と回転ツール８の肩部９に隙間Ｇを設け、かつ回転ツール１と回転ツール８を逆方向に回転させることによって、十分な温度上昇とせん断応力が両面から加えられ、接合部４における金属板３の厚さ方向に生じる温度、塑性流動の差異を低減し均質的な接合状態を達成することができる。また、接合部４内に局所的に発生する塑性流動不良を解消することで接合欠陥を有利に解消し、十分な強度と共に、接合施工性の向上、特に接合速度の向上を図ることが可能となる。

表面側の回転ツール１は、肩部５、および、この肩部５に配置され、かつ肩部５と回転軸２を共有するピン部６を備える。裏面側の回転ツール８は、肩部９、および、この肩部９に配置され、かつ肩部９と回転軸11を共有するピン部10を備える。そして、少なくとも肩部５、９とピン部６、10は金属板３よりも硬い材質により形成される。

また、互いに対向する回転ツール１、８の回転方向Ｑ、Ｒを、表面側と裏面側で逆方向とすることで、回転ツール１、８の回転によって金属板３に加わる回転トルクを打ち消し合うことができ、従来の一方面側から回転ツールを押圧して接合する摩擦撹拌接合法と比較すると、金属板３を拘束する治具の構造を簡略化することが可能である。

一方、互いに対向する回転ツール１、８の回転方向を表面側と裏面側で同方向とすると、表面側の回転ツール１に対する裏面側の回転ツール８の相対速度はゼロであるため、回転ツール１、８の肩部５、９間では金属板３の塑性流動が均質状態に近づくほど塑性変形が小さくなり金属板３の塑性変形による発熱も得られなくなるため、良好な接合状態は達成不可能となる。

よって、良好な接合状態を達成するに十分な温度上昇とせん断応力を被加工材の厚さ方向に対して均質的に得るために、互いに対向する回転ツール１、８の回転方向Ｑ、Ｒを表面側と裏面側で逆方向とする。

さらに、本発明では、回転ツールの配置を以下のように調整することによって、回転ツール寿命の向上、接合欠陥発生の抑制、接合速度の高速度化を図る上で有効である。

まず、表面側および裏面側の回転ツールの傾斜角度α（°）について説明する。

回転ツール１、８の回転軸２、11を、金属板３に対する鉛直方向から角度α（°）をもって傾斜させて、ピン部６、10先端を接合方向Ｐに対して先行させることで、回転ツール１、８に対する負荷を回転軸２、11方向に圧縮される分力として回転ツール１、８に受けることができる。一対の回転ツール１、８は、金属板３よりも硬い材質により形成される必要があり、セラミックなどの靭性に乏しい材料を使用する場合には、ピン部６、10に対して曲げ方向の力が負荷されると、局部に応力が集中し破壊に至る。よって、一対の回転ツール１、８の回転軸２、11を角度α（以下、傾斜角度という）で傾けることで回転ツール１、８に加わる負荷を回転軸２、11方向に圧縮される分力として受け、曲げ方向の力を低減することができ、回転ツール１、８の破損を回避することができる。

傾斜角度αは０°を超えると上述の効果が得られるが、３°を超えると接合部の表裏面が凹形となり接合継手強度に悪影響を及ぼすため、３°を上限とする。すなわち、０＜α≦３の範囲内である。

次に、表面側および裏面側の回転ツールの肩部間の隙間Ｇ（mm）について説明する。

両面摩擦撹拌接合においては、接合時における欠陥発生を抑制しつつ接合速度の高速度化を達成する上で、接合状態を達成するに十分な温度上昇とせん断応力を金属板３の厚さ方向に対して均質的に得るに際し重要となる一対の回転ツール１、８の肩部５、９間の隙間Ｇを厳密に管理する必要がある。

表面側および裏面側の回転ツール１、８の傾斜角度αを０°＜α≦３°とし、突合せ接合においては金属板３の厚さｔ（mm）、重ね接合においては重ね合せた金属板３の総厚さｔ（mm）、回転ツール１、８の肩部５、９の直径Ｄ（mm）に対して、隙間Ｇ（mm）を（0.5×t）−（0.2×Ｄ×sinα）以上かつｔ−（0.2×Ｄ×sinα）以下の範囲内とすることで、互いに対向する回転ツール１、８の肩部５、９が金属板３の表面側および裏面側に密接もしくは押し込まれる状態となり、結果として、金属板３は表面側および裏面側から回転ツール１、８の肩部５、９により十分な荷重で押圧される。

図４は、表１の記号１に示す厚さ、化学組成、引張強さの鋼板を用いて、角度をつけないいわゆるＩ型開先でフライス加工程度の表面状態により鋼板を突合せ、図３(1)に断面形状を有する炭化タングステン（ＷＣ）を素材とした回転ツールを表面側、裏面側の両方に配置し、傾斜角度αを1.5°として押圧して、表面側、裏面側の回転ツールの回転数を1000rpm、接合速度を2m/minとして摩擦撹拌接合を行なった際の、表面側、裏面側の回転ツールの肩部間の隙間Ｇ、軸荷重Ｆを示す。この際の隙間Ｇの限定範囲は、0.74mm以上かつ1.54mm以下となり、隙間Ｇを1.54mm以下とすることで、軸荷重Ｆは10kN以上とすることができる。十分な荷重で押圧されることで、回転ツール１、８の肩部５、９による摩擦とせん断方向への塑性変形により発熱と塑性流動が促進される。これにより、厚さ方向に対して均質的に塑性流動が促進され、良好な接合状態を達成することができる。一対の回転ツール１、８の肩部５、９間の隙間Ｇは、ｔ−（0.2×Ｄ×sinα）を超えると回転ツール１、８の肩部５、９が金属板３の表面側および裏面側に十分な荷重で押圧することができず、上記の効果が得られない。一方、（0.5×t）−（0.2×Ｄ×sinα）未満となると、接合部の表面と裏面が凹形となり接合継手強度に悪影響を及ぼす。よって、
（0.5×t）−（0.2×Ｄ×sinα）≦Ｇ≦ｔ−（0.2×Ｄ×sinα）
とする。

次に、表面側および裏面側の回転ツールのピン部先端の隙間ｇ（mm）について説明する。

金属板３の厚さ方向に対して均質的に温度上昇とせん断応力を得、接合時における欠陥発生を抑制しつつ接合速度の高速度化を達成するために、互いに対向する回転ツール１、８のピン部６、10先端の隙間ｇを厳密に管理することが有効である。特に、回転ツール１、８の肩部５、９の直径Ｄと金属板３の厚さｔ（mm）（突合せ接合の場合）もしくは重ね合せた金属板の総厚さｔ（mm）（重ね接合の場合）の比（Ｄ／ｔ）が小さい場合は、表面側および裏面側の回転ツールの肩部で発生する摩擦発熱が厚さ方向に対して伝わりにくく、肩部からの加熱による材料の軟化が進まず、厚さ方向に対して均質的に塑性流動が起こり難くなる。よって、接合状態を得るに必要十分な摩擦発熱と塑性流動をピン部から発生させる必要があるので、ピン部６、10先端の隙間ｇを、［0.1−0.09×exp{-0.011×（Ｄ／ｔ）²}］×ｔ以上かつ［1−0.9×exp{-0.011×（Ｄ／ｔ）²}］×ｔ以下に限定することが有効である。この式によりＤ／ｔが小さくなる程、隙間ｇの上限と下限はより小さい値で管理される。隙間ｇの調整は表面側および裏面側の回転ツールの位置もしくは両方の回転ツールのピン部の長さｂを変化させることで可能である。

ピン部６、10先端の隙間ｇが［0.1−0.09×exp{-0.011×（Ｄ／ｔ）²}］×ｔ未満では、互いに対向する回転ツール１、８のピン部６、10先端が接触し損傷する恐れがあるので望ましくない。また、［1−0.9×exp{-0.011×（Ｄ／ｔ）²}］×ｔを超えると、厚さ方向に対して均質的な塑性流動、摩擦発熱が有効に得られない。したがって隙間ｇは、［0.1−0.09×exp{-0.011×（Ｄ／ｔ）²}］×ｔ≦ｇ≦［1−0.9×exp{-0.011×（Ｄ／ｔ）²}］×ｔとする。

次に、表面側および裏面側の回転ツールの肩部の直径Ｄ（mm）について説明する。

既に説明した隙間Ｇ、ｇに加えて、互いに対向する回転ツール１、８の肩部５、９の直径Ｄを厳密に管理することが、金属板３の厚さ方向に対して均質的に温度上昇とせん断応力を得、接合時における欠陥発生を抑制しつつ接合速度の高速度化を達成する上で有効である。直径Ｄがｔとの比において小さくなる場合は、表面側および裏面側の回転ツールの肩部で発生する摩擦発熱が厚さ方向に対して伝わりにくく、肩部からの加熱による材料の軟化が進まず、厚さ方向に対して均質的に塑性流動が起こり難くなる。よって、特に、金属板３の厚さｔ（mm）に対して、４×ｔ以上かつ20×ｔ以下に限定することで効果を得ることができる。

直径Ｄが４×ｔ未満では、厚さ方向に対して均質的な塑性流動が有効に得られない。一方、20×ｔを超えると、不要に塑性流動を生じる領域を広げるのみで、装置に対して過大な負荷がかかるため好ましくない。したがって直径Ｄは、４×ｔ≦Ｄ≦20×ｔとする。なお厚さｔは、突合せ接合においては金属板３の厚さｔ、重ね接合においては重ね合せた金属板３の総厚さｔを指す。

次に、表面側および裏面側の回転ツールによる接合速度Ｔ（ｍ／分）と回転ツールの回転数Ｓの比Ｔ／Ｓについて説明する。

金属板３の厚さ方向に対して均質的に温度上昇とせん断応力を得、接合時における欠陥発生を抑制しつつ接合速度の高速度化を達成するために、互いに対抗する回転ツール１、８による接合速度Ｔ（m／分）と回転ツールの回転数Ｓ（回／分）の比Ｔ／Ｓを厳密に管理することが有効である。

両面摩擦攪拌接合において、表面側、裏面側の回転ツールの軸荷重Ｆ、肩部の直径Ｄ、または回転速度Ｓの上昇により時間単位あたりの摩擦発熱Ｑ_timeは上昇する。よって、下記のような関係が考えられる。
Ｑ_time（Ｊ／分）∝Ｆ×Ｄ×Ｓ
さらに時間単位あたりの摩擦発熱を接合速度Ｔ（m／分）、板厚ｔ（mm）で除することにより、熱量を接合方向および板厚方向の距離で標準化することができる。

Ｑ_Ｊ−ｔ（J／mm²）＝Ｑ_ｔime／（Ｔ×ｔ）∝Ｆ×Ｄ×Ｓ／（１０００×Ｔ×ｔ）
ここで、軸荷重Ｆ（ｋＮ）に関しては、図４に示される表面側、裏面側の回転ツールの肩部間の隙間Ｇと軸荷重Ｆの関係と共に、図５に示されるように接合速度Ｔ、表面側、裏面側の回転ツールの回転数Ｓの関係を考慮する必要がある。

図５は、表１の記号１に示す厚さ、化学組成、引張強さの鋼板を用いて、角度をつけないいわゆるＩ型開先でフライス加工程度の表面状態により鋼板を突合せ、図３(1)に断面形状を有する炭化タングステン（ＷＣ）を素材とした回転ツールを表面側、裏面側の両方に配置し、傾斜角度αを1.5°として押圧し、回転ツールの肩部間の隙間Ｇを1.0mmとし、表面側、裏面側の回転ツールの回転数を2000〜3000回／分、接合速度を4〜5ｍ／分として摩擦撹拌接合を行なった際の、軸荷重Ｆ（ｋＮ）と接合速度T×1000/回転数S（ｍｍ）の関係を示す。接合速度T/回転数Sの上昇に従い軸荷重Ｆは上昇する傾向が示された。

図４、５に示される実験的な傾向より、軸荷重Ｆは、接合速度Ｔ、表面側、裏面側の回転ツールの回転数Ｓ、接合速度T、回転数S、板厚ｔにより、以下の式で表される。
Ｆ＝３．４×Ｔ×１０００／Ｓ−３２.２×Ｇ／ｔ＋３４.５
これにより、上述のＱＪ−ｔを表すと下記のように得られる。
ＱＪ−ｔ（J／mm2）∝Ｆ×Ｄ×Ｓ／（１０００×Ｔ×ｔ）
＝（３．４×Ｔ×１０００／Ｓ−３２.２×Ｇ／ｔ＋３４.５）×Ｄ×Ｓ／（１０００×Ｔ×ｔ）
表１の記号１に示す厚さ、化学組成、引張強さの鋼板を用いて、角度をつけないいわゆるＩ型開先でフライス加工程度の表面状態により鋼板を突合せ、図３(1)に断面形状を有する炭化タングステン（ＷＣ）を素材とした回転ツールを表面側、裏面側の両方に配置し、傾斜角度αを1.5°として押圧し、回転ツールの肩部間の隙間Ｇを0.8〜1.5mmとし、表面側、裏面側の回転ツールの回転数を400〜3000rpm、接合速度を1〜5m/minとして摩擦撹拌接合を行なった際、ＱＪ−ｔと比例関係にある上述の式の右辺が、
（３．４×Ｔ×１０００／Ｓ−３２.２×Ｇ／ｔ＋３４.５）×Ｄ×Ｓ／（１０００×Ｔ×ｔ）≧５３
を満たす場合、入熱が十分となり欠陥の無い健全な継手が得られた。
上記の式を変形すると、
Ｔ／Ｓ≦（１／1000）×（Ｄ／ｔ）×{34.5−32.2×（Ｇ／ｔ）}／{53−3.4×（Ｄ／ｔ）}
となり、接合速度Ｔ（m／分）と回転ツールの回転数Ｓ（回／分）の比Ｔ／Ｓは、表面側、裏面側の回転ツールの肩部の直径Ｄ（mm）と金属板３の厚さｔ（mm）（突合せの場合）もしくは重ね合わせた金属板３の総厚さｔ（mm）（重ねの場合）の比Ｄ／ｔ、回転ツール１、８の肩部５、９間の隙間Ｇ（mm）と金属板３の厚さｔ（mm）（突合せの場合）もしくは重ね合わせた金属板３の総厚さｔ（mm）（重ねの場合）の比Ｇ／ｔとの関係で表される。

特に、回転ツール１、８の肩部５、９の直径Ｄと金属板３の厚さｔ（突合せの場合）もしくは重ね合わせた金属板３の総厚さｔ（重ねの場合）の比Ｄ／ｔが小さい場合、すなわち表面側および裏面側の回転ツールの肩部で発生する摩擦発熱が厚さ方向に対して伝わりにくく、肩部からの加熱による材料の軟化が進まない場合や、回転ツール１、８の肩部５、９間の隙間Ｇと金属板３の厚さｔ（突合せの場合）もしくは重ね合わせた金属板３の総厚さｔ（重ねの場合）の比Ｇ／ｔが大きい場合、すなわち表面側および裏面側の回転ツールの軸荷重が厚さｔに対して小さく、回転ツールと材料間での摩擦発熱が小さくなる場合は、厚さ方向に対して均質的に組成流動がおこり難くなるので、互いに対向する回転ツール１、８による接合速度Ｔと回転ツールの回転数Ｓの比Ｔ／Ｓを（１／1000）×（Ｄ／ｔ）×{34.5−32.2×（Ｇ／ｔ）}／{53−3.4×（Ｄ／ｔ）}以下に限定することが有効である。なお、互いに対抗する回転ツール１、８の回転数Ｓは同一とする。

また、表面側および裏面側の回転ツール１、８のピン部は肩部との境界から先端にかけてテーパ状とすることができる。該ピン部６、10の長さｂは、傾斜角度α、隙間Ｇ、隙間ｇ、直径Ｄ、厚さｔに応じて適宜決定すればよい。また、該ピン部６、10の先端部の直径ａ（mm）は、当業者の設計的事項に従えばよい。

上記以外の接合条件については、当業者の設計的事項に従えばよい。こうすることによって、互いに対向する回転ツール１、８の回転数を100〜5000回／分の範囲とし、接合速度を1000mm／分以上に高速化することができる。

また、本発明が対象とする金属板３は、一般的な構造用鋼や炭素鋼板、例えばJIS G 3106やJIS G 4051に相当する鋼板等に好適に適用することができる。また、引張強さが800MPa以上の高強度構造用鋼板にも有利に適用でき、この場合であっても、接合部において、鋼板の引張強さの85％以上の強度、さらには90％以上の強度が得られる。

表１に示す厚さ、化学組成、引張強さの鋼板を用いて、摩擦撹拌接合を行なった。突合せ接合の場合は、継手突合せ面は、角度をつけないいわゆるＩ型開先でフライス加工程度の表面状態により、鋼板突合せ部の表面側、裏面側の両方から回転ツールを押圧して接合を行なった。重ね接合の場合は、同種の鋼板を２枚重ねて、鋼板重ね部の表面側、裏面側の両方から回転ツールを押圧して接合を行なった。表面側、裏面側の回転ツールの回転方向は、図２(1)に示すように鋼板（金属板３）の表面側から見た平面図において、表面側回転ツール（回転ツール１）を時計方向に回転させ、表面側回転ツール（回転ツール８）を反時計方向に回転させた。摩擦撹拌接合の接合条件を表２に示す。また、ここでは、図３(1)、(2)に断面形状を有する２種類の炭化タングステン（ＷＣ）を素材とした回転ツールを用いた。

表３に、接合した際の継手外観観察での表面欠陥の有無、継手断面観察での内部欠陥の有無と、得られた接合継手よりJIS Z 3121で規定する１号試験片の寸法の引張試験片を採取し、引張試験を行った際の引張強さを示す。

表３に示す通り、突合せ継手の発明例１〜10、重ね継手の発明例11、12では、接合速度を２ｍ／分以上と高速化した場合であっても、継手外観観察で表面欠陥は認められず、継手断面観察でも内部欠陥は認められず、健全な接合状態が得られたことが確認された。さらに、継手強度に関しては、母材となる鋼板の引張強さの95％以上が得られた。

一方、突合せ継手の比較例１〜７、重ね継手の比較例８〜10では、継手外観観察で表面欠陥、継手断面観察で内部欠陥のいずれか片方もしくは両方が認められ、健全な接合状態が得られなかった。さらに、継手強度に関しては、母材となる鋼板の引張強さの70％以下となった。

１ 表面側の回転ツール
２ 表面側の回転ツールの回転軸
３ 金属板
４ 接合部
５ 表面側の回転ツールの肩部
６ 表面側の回転ツールのピン部
７ 接合中央線
８ 裏面側の回転ツール
９ 裏面側の回転ツールの肩部
10 裏面側の回転ツールのピン部
11 裏面側の回転ツールの回転軸
12 未接合部

Claims (4)

1. 互いに対向する一対の回転ツールを２枚の金属板の接合部である突合せ部の表面側と裏面側にそれぞれ配置し、前記突合せ部において前記一対の回転ツールを回転させながら接合方向に移動させ、前記回転ツールと前記金属板との摩擦熱により前記金属板を軟化させつつ、その軟化した部位を前記回転ツールで撹拌することにより塑性流動を生じさせて前記金属板同士を接合する両面摩擦撹拌接合方法において、
   前記一対の回転ツールとして、肩部および該肩部に配され前記肩部と回転軸を共有するピン部を備え、かつ少なくとも前記肩部と前記ピン部とが前記金属板よりも硬い材質により形成されてなるものを使用し、
   前記金属板を把持装置により固定しつつ、前記一対の回転ツールを前記金属板の表面と裏面とに押圧させ、前記回転ツールを回転させながら接合方向に移動させるとともに、
   前記一対の回転ツールの前記回転軸を前記金属板に対して鉛直方向から、ピン先端が前記接合方向に対して先行する側に傾斜角度α（°）で傾斜させ、該傾斜角度αが
   ０＜α≦３
   を満たし、
   かつ前記一対の回転ツールの前記ピン部の先端間に隙間g（mm）を与えることによって生じる前記肩部の隙間Ｇ（mm）が、前記金属板の厚さｔ（mm）ならびに前記回転ツールの前記肩部の直径Ｄ（mm）に対して
   （0.5×t）−（0.2×Ｄ×sinα）≦Ｇ≦ｔ−（0.2×Ｄ×sinα）
   を満たし、
   前記肩部の前記直径Ｄ（mm）が、前記金属板の前記厚さｔ（mm）に対して
   ４×ｔ≦Ｄ≦20×ｔ
   を満たし、
   前記隙間ｇが、前記金属板の前記厚さｔ（mm）ならびに前記回転ツールの前記肩部の前記直径Ｄ（mm）に対して
   ［0.1−0.09×exp{−0.011×（Ｄ／ｔ）²}］×ｔ≦ｇ
   ≦［１−0.09×exp{−0.011×（Ｄ／ｔ）²}］×ｔ
   を満たし、
   さらに前記一対の回転ツールを互いに逆方向に回転させて前記摩擦撹拌接合を行ない、
   かつ前記一対の逆方向に回転する前記回転ツールの回転数Ｓ（回／分）が同一であり、前記回転ツールによる接合速度Ｔ（ｍ／分）と前記回転ツールの前記回転数Ｓの比Ｔ／Ｓが、前記肩部の前記隙間Ｇ（mm）、前記肩部の前記直径Ｄ（mm）、前記金属板の前記厚さｔ（mm）に対して
   Ｔ／Ｓ≦（１／1000）×（Ｄ／ｔ）×{34.5−32.2×（Ｇ／ｔ）}／{53−3.4×（Ｄ／ｔ）}
   を満たすことを特徴とする両面摩擦撹拌接合方法。
2. 互いに対向する一対の回転ツールを２枚の金属板の接合部である重ね部の表面側と裏面側にそれぞれ配置し、前記重ね部において前記一対の回転ツールを回転させながら接合方向に移動させ、前記回転ツールと前記金属板との摩擦熱により前記金属板を軟化させつつ、その軟化した部位を前記回転ツールで撹拌することにより塑性流動を生じさせて前記金属板同士を接合する両面摩擦撹拌接合方法において、
   前記一対の回転ツールとして、肩部および該肩部に配され前記肩部と回転軸を共有するピン部を備え、かつ少なくとも前記肩部と前記ピン部とが前記金属板よりも硬い材質により形成されてなるものを使用し、
   前記金属板を把持装置により固定しつつ、前記一対の回転ツールを前記金属板の表面と裏面とに押圧させ、前記回転ツールを回転させながら接合方向に移動させるとともに、
   前記一対の回転ツールの前記回転軸を前記金属板に対して鉛直方向から、ピン先端が前記接合方向に対して先行する側に傾斜角度α（°）で傾斜させ、該傾斜角度αが
   ０＜α≦３
   を満たし、
   かつ前記一対の回転ツールの前記ピン部の先端間に隙間g（mm）を与えることによって生じる前記肩部の隙間Ｇ（mm）が、重ね合わせた前記金属板の総厚さｔ（mm）ならびに前記回転ツールの前記肩部の直径Ｄ（mm）に対して
   （0.5×t）−（0.2×Ｄ×sinα）≦Ｇ≦ｔ−（0.2×Ｄ×sinα）
   を満たし、
   前記肩部の前記直径Ｄ（mm）が、前記金属板の前記総厚さｔ（mm）に対して
   ４×ｔ≦Ｄ≦20×ｔ
   を満たし、
   前記隙間ｇが、前記金属板の前記総厚さｔ（mm）ならびに前記回転ツールの前記肩部の前記直径Ｄ（mm）に対して
   ［0.1−0.09×exp{−0.011×（Ｄ／ｔ）²}］×ｔ≦ｇ
   ≦［１−0.09×exp{−0.011×（Ｄ／ｔ）²}］×ｔ
   を満たし、
   さらに前記一対の回転ツールを互いに逆方向に回転させて前記摩擦撹拌接合を行ない、
   かつ前記一対の逆方向に回転する前記回転ツールの回転数Ｓ（回／分）が同一であり、前記回転ツールによる接合速度Ｔ（ｍ／分）と前記回転ツールの前記回転数Ｓの比Ｔ／Ｓが、前記肩部の前記隙間Ｇ（mm）、前記肩部の前記直径Ｄ（mm）、前記金属板の前記総厚さｔ（mm）に対して
   Ｔ／Ｓ≦（１／1000）×（Ｄ／ｔ）×{34.5−32.2×（Ｇ／ｔ）}／{53−3.4×（Ｄ／ｔ）}
   を満たすことを特徴とする両面摩擦撹拌接合方法。
3. 互いに対向する一対の回転ツールを２枚の金属板の接合部である突合せ部の表面側と裏面側にそれぞれ配置し、前記突合せ部において前記一対の回転ツールを回転させながら接合方向に移動させ、前記回転ツールと前記金属板との摩擦熱により前記金属板を軟化させつつ、その軟化した部位を前記回転ツールで撹拌することにより塑性流動を生じさせて前記金属板同士を接合する両面摩擦撹拌接合装置において、
   前記回転ツールが、肩部および該肩部に配され前記肩部と回転軸を共有するピン部を備え、かつ少なくとも前記肩部と前記ピン部とが前記金属板よりも硬い材質により形成され、
   前記一対の回転ツールを回転させながら接合方向に移動させる間、前記金属板を固定する把持装置を備え、
   前記一対の回転ツールの前記回転軸を前記金属板に対して鉛直方向から、ピン先端が前記接合方向に対して先行する側に傾斜角度α（°）で傾斜させ、該傾斜角度αが
   ０＜α≦３
   を満たし、
   前記一対の回転ツールの前記ピン部の先端間に隙間g（mm）を与えることによって生じる前記肩部の隙間Ｇ（mm）が、前記金属板の厚さｔ（mm）ならびに前記回転ツールの前記肩部の直径Ｄ（mm）に対して
   （0.5×t）−（0.2×Ｄ×sinα）≦Ｇ≦ｔ−（0.2×Ｄ×sinα）
   を満たし、
   前記肩部の前記直径Ｄ（mm）が、前記金属板の前記厚さｔ（mm）に対して
   ４×ｔ≦Ｄ≦20×ｔ
   を満たし、
   前記隙間ｇが、前記金属板の前記厚さｔ（mm）ならびに前記回転ツールの前記肩部の前記直径Ｄ（mm）に対して
   ［0.1−0.09×exp{−0.011×（Ｄ／ｔ）²}］×ｔ≦ｇ
   ≦［１−0.09×exp{−0.011×（Ｄ／ｔ）²}］×ｔ
   を満たし、
   さらに前記一対の回転ツールを互いに逆方向に回転させる回転駆動装置を備え、
   かつ前記一対の逆方向に回転する前記回転ツールの回転数Ｓ（回／分）が同一であり、前記回転ツールによる接合速度Ｔ（ｍ／分）と前記回転ツールの前記回転数Ｓの比Ｔ／Ｓが、前記肩部の前記隙間Ｇ（mm）、前記肩部の前記直径Ｄ（mm）、前記金属板の前記厚さｔ（mm）に対して
   Ｔ／Ｓ≦（１／1000）×（Ｄ／ｔ）×{34.5−32.2×（Ｇ／ｔ）}／{53−3.4×（Ｄ／ｔ）}
   を満たすことを特徴とする両面摩擦撹拌接合装置。
4. 互いに対向する一対の回転ツールを２枚の金属板の接合部である重ね部の表面側と裏面側にそれぞれ配置し、前記重ね部において前記一対の回転ツールを回転させながら接合方向に移動させ、前記回転ツールと前記金属板との摩擦熱により前記金属板を軟化させつつ、その軟化した部位を前記回転ツールで撹拌することにより塑性流動を生じさせて前記金属板同士を接合する両面摩擦撹拌接合装置において、
   前記回転ツールが、肩部および該肩部に配され前記肩部と回転軸を共有するピン部を備え、かつ少なくとも前記肩部と前記ピン部とが前記金属板よりも硬い材質により形成され、
   前記一対の回転ツールを回転させながら接合方向に移動させる間、前記金属板を固定する把持装置を備え、
   前記一対の回転ツールの前記回転軸を前記金属板に対して鉛直方向から、ピン先端が前記接合方向に対して先行する側に傾斜角度α（°）で傾斜させ、該傾斜角度αが
   ０＜α≦３
   を満たし、
   前記一対の回転ツールの前記ピン部の先端間に隙間g（mm）を与えることによって生じる前記肩部の隙間Ｇ（mm）が、重ね合わせた前記金属板の総厚さｔ（mm）ならびに前記回転ツールの前記肩部の直径Ｄ（mm）に対して
   （0.5×t）−（0.2×Ｄ×sinα）≦Ｇ≦ｔ−（0.2×Ｄ×sinα）
   を満たし、
   前記肩部の前記直径Ｄ（mm）が、前記金属板の前記総厚さｔ（mm）に対して
   ４×ｔ≦Ｄ≦20×ｔ
   を満たし、
   前記隙間ｇが、前記金属板の前記総厚さｔ（mm）ならびに前記回転ツールの前記肩部の前記直径Ｄ（mm）に対して
   ［0.1−0.09×exp{−0.011×（Ｄ／ｔ）²}］×ｔ≦ｇ
   ≦［１−0.09×exp{−0.011×（Ｄ／ｔ）²}］×ｔ
   を満たし、
   さらに前記一対の回転ツールを互いに逆方向に回転させる回転駆動装置を備え、
   かつ前記一対の逆方向に回転する前記回転ツールの回転数Ｓ（回／分）が同一であり、前記回転ツールによる接合速度Ｔ（ｍ／分）と前記回転ツールの前記回転数Ｓの比Ｔ／Ｓが、前記肩部の前記隙間Ｇ（mm）、前記肩部の前記直径Ｄ（mm）、前記金属板の前記総厚さｔ（mm）に対して
   Ｔ／Ｓ≦（１／1000）×（Ｄ／ｔ）×{34.5−32.2×（Ｇ／ｔ）}／{53−3.4×（Ｄ／ｔ）}
   を満たすことを特徴とする両面摩擦撹拌接合装置。