WO2012147204A1 - 摩擦攪拌接合方法および装置並びにツールセット - Google Patents

Abstract

　経済性に優れ、接合強度および信頼性の高い摩擦攪拌接合を行うため、回転ツール３は、ショルダ面３ｂを先端部分に形成したツール本体３ａと、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３ｄとを有し、裏当てツール４は、押圧力保持面４ｂを先端部分に形成したツール本体４ａと、突起部３ｄの先端部を収納する凹み部４ｄとを有し、回転ツール３と裏当てツール４とを金属板の接合部Ｊの表面側と裏面側に相対向するように配置し、裏当てツール４を保持し、回転ツール３を回転させながら裏当てツール４に近づく方向に移動させ、回転ツールの突起部３ｄ先端を裏当てツールの凹み部４ｄ内に挿入し、接合部を挟み込み、回転ツールのショルダ面３ｂを接合部の表面側に押圧し、その状態で、回転ツール３と裏当てツール４とを接合部に沿って移動させ、接合部の板厚方向全域を回転ツール３で摩擦攪拌する。

Description

摩擦攪拌接合方法および装置並びにツールセット

　本発明は、金属材料の接合部を摩擦攪拌し接合するための摩擦攪拌接合方法および装置並びにツールセットに関する。

　接合ツール（回転ツール）を回転させながら、接合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接合ツールを用い、この接合ツールを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、接合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（従来技術１）。

　片面摩擦攪拌接合方法を実際の工業製品に適用する場合の一例として、例えば特許文献２（日本特許第３２８９６５０号公報）には、次のような２つの課題とその課題を解決する手段が示されている。

　まず１つ目の課題について説明する。接合部裏面に未攪拌部を発生させないように摩擦攪拌接合を行うには、接合部に挿入したツール先端の距離と加工部材の裏面すなわち裏当て板表面の距離を常に０．２ｍｍ程度以下に制御する必要がある。しかしながら、長尺物の接合においては、ツールの熱膨張が生じるため、常に０．２ｍｍ程度以下に、精度良く位置制御するのは困難である。

　２つ目の課題について説明する。ツール先端が接合部を貫通した状態で接合を行った場合、接合部裏面に配置した裏当て板にツール先端が接触し、ツールと裏当て板が干渉する。これにより、接合部裏面にも欠陥が発生したり、加工部材と裏当て板が接合されることもある。

　これらの課題を解決する手段（従来技術２）が、特許文献２（日本特許第３２８９６５０号公報）の図３、図４に示されている。加工部材の裏面に配置される裏当て板にはツール直下に溝が設けられている。ツールの先端が加工部材の接合部裏面を貫通し、加工部材の接合部裏面と裏当て板との間に形成された溝の内部を移動しながら接合する。

　一方、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本の接合ツールで、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（従来技術３）。

　両面摩擦攪拌接合の第２の手法は、２本の接合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（従来技術４）。

特許２７１２８３８号 特許３２８９６５０号

　上記従来技術１～４には、それぞれ以下の問題がある。

　第１は、経済性とツール寿命の問題である。

　従来技術１（片面摩擦攪拌接合）に供される接合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。

　従来技術３（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。従来技術４（両面摩擦攪拌接合）に供される表裏面に相対向して配置した２本の接合ツールのプローブ長さは、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接合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、従来技術３（両面摩擦攪拌接合）に供される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。

　従来技術２によれば、溶接中に塑性流動した金属が、接合部裏面に設けられた溝に押し込められる。その結果、接合部裏面に前記、溝と同一形状の裏波が形成される。裏面に形成した溝形状と同一形状の裏波は、グラインダまたは切削などにより機械的に除去する。これにより、接合部裏面に発生する未接合部を排除することが可能となる（特許文献２段落００２３～００２８参照）。しかし、裏波のグラインダ及び切削加工により、接合後工程の増加や材料歩留りの低下は避けられずに、経済性に劣る問題があった。

　一方、接合部表面は、溝に金属が充填されると、金属が減少する。そのため接合後の表面は凹状になる。これを防止するために、表面には突起８を形成しておくこと場合が図３（ｂ）に図示されている。これにより、接合部表面の凹状は防止できる（特許文献２段落００２６参照）。しかし、接合前に突起形状としておく必要がある。接合前の突起形状の形成は、押し出し形成材であれば、金型の成型で如何様にも形状形成が可能であるが、板材の接合では、突起形状を形成するため機械加工を施す必要があり、機械加工工程の増加や材料歩留りの低下は避けられずに、経済性に劣る問題があった。

　また、従来技術２では、回転ツールから供給される熱エネルギが裏当て板から逃げ、熱損失が生じていた。したがって、摩擦攪拌接合に要するエネルギ以上の熱エネルギを供給する必要があり、経済性に劣る問題があった。

　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供給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ず、経済性に劣る問題があった。

　更に、高価な多結晶ダイヤモンド等の材料を用いても、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。ツール寿命が短いと、ツールを交換する頻度が多くなり、経済性に劣る問題があった。

　第２は、接合不良の問題である。

　従来技術３（両面摩擦攪拌接合）に供されるボビンツールでは、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、従来技術４（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本の接合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、従来技術３に供されるボビンツールでは、表裏面のショルダとプローブを一体としているため、ボビンツールの進行方向の前方及び後方において、表裏面のショルダ面間の距離が同一となる。更に、接合ツール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。

　本発明の第１の目的は、摩擦攪拌接合において、経済性に優れ、かつ接合ツール（回転ツール）の寿命を向上することが出来る摩擦攪拌接合方法および装置ならびに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、摩擦攪拌接合において、更に、接合部の強度および接合の信頼性を向上させることが出来る摩擦攪拌接合方法および装置ならびに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、突き合わせた２枚の金属板の接合部の表面側と裏面側に、回転ツールと裏当てツールを配置し、こ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摩擦攪拌接合方法において、前記回転ツールは、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つの突起部とを有する構成とし、前記裏当てツールは、押圧力保持面部を先端部分に形成した裏当てツール本体と、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つの凹み部を有する構成とし、前記回転ツールと裏当てツールを前記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、前記回転ツールを回転させ、前記回転ツールを前記裏当てツールに近づく方向に移動して、前記回転ツールの突起部の先端部を前記裏当てツールの凹み部内に挿入し、前記回転ツールの前記ショルダ部のショルダ面と前記裏当てツールの押圧力保持面との間に接合部を挟み込み、前記回転ツールの前記ショルダ部のショルダ面と前記裏当てツールの押圧力保持面を前記接合部の表面側と裏面側から押圧し、前記回転ツールと裏当てツールを前記接合部に沿って同期した状態で移動させ、前記接合部の板厚方向全域を前記回転ツールで摩擦攪拌することを特徴とする。

　上述した課題を解決する第２の発明は、突き合わせた２枚の金属板の接合部の表面側と裏面側に、回転ツールと裏当てツールを配置し、こ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摩擦攪拌接合方法において、前記回転ツールは、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つの突起部とを有する構成とし、前記裏当てツールは、押圧力保持面部を先端部分に形成した裏当てツール本体と、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つの凹み部を有する構成とし、前記回転ツールと裏当てツールを前記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、前記回転ツールを回転させ、前記回転ツールを前記裏当てツールに近づく方向に移動して、前記回転ツールの突起部の先端部を前記裏当てツールの凹み部内に挿入し、前記回転ツールの前記ショルダ部のショルダ面と前記裏当てツールの押圧力保持面との間に接合部を挟み込み、前記回転ツールの前記ショルダ部のショルダ面と前記裏当てツールの押圧力保持面を前記接合部の表面側と裏面側から押圧し、前記２枚の金属板を接合方向と同方向に移動させ、前記接合部の板厚方向全域を前記回転ツールで摩擦攪拌することを特徴とする。

　上述した課題を解決する第３の発明は、上記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回転ツールのショルダ面と前記裏当てツールの押圧力保持面との間の距離δについて、回転ツール及び裏当てツールの進行方向の前方の面間距離δ１と比較して、該進行方向の後方の面間距離δ２が狭くなるように、前記回転ツールまた裏当てツールの少なくともいずれか一方を傾斜することを特徴とする。

　上述した課題を解決する第４の発明は、上記摩擦攪拌接合方法において、前記回転ツールは、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、前記裏当てツールは、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、位置を保持したままで、摩擦攪拌接合の開始から終了まで位置制御することを特徴とする。

　上述した課題を解決する第５の発明は、突き合わせた２枚の金属板の接合部の表面側と裏面側に、回転ツールと裏当てツールを配置し、こ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摩擦攪拌接合装置において、前記金属板をそれぞれ把持する第１及び第２把持装置と、前記回転ツールと裏当てツールが前記突き合わせた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、前記回転ツールを装着し、前記回転ツールを回転駆動するツール回転駆動装置と、前記裏当てツールを金属板裏面位置に保持するツール位置保持装置と、前記ツール回転駆動装置に装着した前記回転ツールを前記ツール位置保持装置により位置保持された裏当てツールに近づく方向に移動して、前記回転ツールを金属板の接合部の表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回転ツールおよび裏当てツールを前記接合部に沿って、同期した状態で移動させる移動装置とを備え、前記回転ツールは、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、前記裏当てツールは、押圧力保持面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、回転ツールを裏当てツールに近づく方向に移動するとき、前記回転ツールの突起部の先端部を前記裏当てツールの凹み部内に挿入するとともに、前記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から押圧し、回転ツールのショルダ面と裏当てツールの押圧力保持面の間に接合部を挟み込むことで接合部に押圧力を付与し、前記移動装置は、前記回転ツールの突起部）の先端部を前記裏当てツールの凹み部内に挿入し、前記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から押圧した状態で、かつ、前記回転ツールと裏当てツールを前記接合部に沿って同期した状態で移動させ、前記接合部の板厚方向全域を前記回転ツールで摩擦攪拌することを特徴とする。

　上述した課題を解決する第６の発明は、突き合わせた２枚の金属板の接合部の表面側と裏面側に、回転ツールと裏当てツールを配置し、こ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摩擦攪拌接合装置において、前記金属板をそれぞれ把持する第１及び第２把持装置と、前記回転ツールと裏当てツールが前記突き合わせた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、前記回転ツールを装着し、前記回転ツールを回転駆動するツール回転駆動装置と、前記裏当てツールを金属板裏面位置に保持するツール位置保持装置と、前記ツール回転駆動装置に装着した前記回転ツールを前記ツール位置保持装置により位置保持された裏当てツールに近づく方向に移動して、前記回転ツールを金属板の接合部の表面側に押圧するツール押圧装置と、前記把持装置に２枚の金属板を接合方向と同方向に移動させる移動装置とを備え、前記回転ツールは、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、前記裏当てツールは、押圧力保持面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、回転ツールを裏当てツールに近づく方向に移動するとき、前記回転ツールの突起部の先端部を前記裏当てツールの凹み部内に挿入するとともに、前記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から押圧し、回転ツールのショルダ面と裏当てツールの押圧力保持面の間に接合部を挟み込むことで接合部に押圧力を付与し、前記移動装置は、前記回転ツールの突起部の先端部を前記裏当てツールの凹み部内に挿入し、前記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から押圧した状態で、２枚の金属板を接合方向と同方向に移動させ、前記接合部の板厚方向全域を前記回転ツールで摩擦攪拌することを特徴とする。

　上述した課題を解決する第７の発明は、上記摩擦攪拌接合装置において、前記相対向するように配置した前記回転ツールのショルダ面と前記裏当てツールの押圧力保持面の間の距離について、回転ツール及び裏当てツールの進行方向の前方の面間距離と比較し、該進行方向の後方の面間距離が狭くなるように、前記回転ツールまた裏当てツールの少なくともいずれか一方を傾けて支持する傾斜支持装置を更に備えることを特徴とする。

　上述した課題を解決する第８の発明は、上記摩擦攪拌接合装置において、前記回転ツールは、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、前記裏当てツールは、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、位置を保持したままで、摩擦攪拌接合の開始から終了まで位置制御するよう前記ツール押圧装置、前記ツール位置保持装置および前記移動装置を制御する制御装置を更に備えることを特徴とする。

　上述した課題を解決する第９の発明は、上記摩擦攪拌接合装置において、前記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、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。

　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摩擦攪拌して、前記２枚の金属板を摩擦攪拌接合する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回転ツールと裏当てツールとを備え、前記回転ツールは、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、前記裏当てツールは、押圧力保持面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、前記回転ツールの突起部の先端部を前記裏当てツールの凹み部内に挿入し、前記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から押圧し、回転ツールのショルダ面と裏当てツールの押圧力保持面の間に接合部を挟み込むことで接合部に押圧力を付与した状態で、前記回転ツールと裏当て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。

　本発明によれば、以下のような効果を得ることが出来る。

　まず、経済性とツール寿命に係る効果（第１効果）について説明する。

　第１、第２、第５、第６および第１１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回転ツールと裏当てツールは別体であるため、裏当てツール凹み部内の回転ツールの突起部の挿入量（回転ツール突起部先端と裏当てツール押圧力保持面との距離）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、裏当てツールの凹み部内に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の接合部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、回転ツール及び裏当てツールは別体である。したがって、ボビンツールの場合とは異なり、裏当てツールの押圧力保持面部は、プローブを介して動力を伝達する必要がないため、プローブ（突起部）の直径をボビンツールと比較し、小さく出来る。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。

　裏当てツールは、接合部に沿って回転ツールと同期した状態で移動するため、溝形状などの裏波は形成されず、接合後のグラインダ作業及び切削加工による裏波の除去作業を施すことはない。更に、接合部表面での金属の減少が発生しにくいので、接合前に接合部表面に突起を形成しておく必要はない。したがって、工程の増加や材料歩留りの低下を抑制し、経済性を向上することが出来る。

　裏当て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に埋まり、裏当てツールの押圧力保持面は従来技術２（片面摩擦攪拌接合）の裏当て板と同様な機能を果たす。裏当てツールの押圧力保持面は、回転ツールから付与される押圧力を保持できる面積であればよく、従来技術２の裏当て板と比較して、狭くてよい。表面積が狭いことにより、熱拡散範囲が狭まり、熱エネルギ損出を抑制でき、経済性を向上することが出来る。

　熱エネルギ損出を抑制できることにより、回転ツールへの熱供給量を低減できるため、第９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でき、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、経済性を向上することが出来る。

　回転ツールへの熱供給量を低減できることにより、ツールの長寿命化を図ることができる。

　第９の発明において、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にした結果、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。

　次に、接合部の強度向上および接合の信頼性向上に係る効果（第２効果）について説明する。

　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。

　回転ツール及び裏当て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４および第８の発明のように、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。

　第４および第８の発明において、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回転ツールのショルダ面及び裏当てツールの押圧力保持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、熱負荷変動を低減するとともに、接合部Ｊの品質低下（接合不良）を抑制し、高い信頼性を有する接合ができる。

　回転ツール及び裏当てツールは別体であるため、それぞれのツール軸芯を傾けることが出来る。すなわち、第３および第７の発明のように、進行方向の前方の面間距離δ１と比較し、該進行方向の後方の面間距離δ２が狭くなるようにすることができる。

　第３および第７の発明において、進行方向の前方の面間距離δ１と比較し、該進行方向の後方の面間距離δ２が狭くなるように、回転ツールまたは裏当てツールの少なくとも一方を傾けることで、金属板への押圧力を高めることが出来、摩擦攪拌接合による接合部の流動性を向上させ、接合部Ｊの品質低下（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、裏当て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、裏当てツールの凹み部に挿入された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、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。

本発明の一実施の形態に係わる摩擦攪拌接合用の回転ツールと裏当てツールの先端部分の拡大断面図であって、接合時における回転ツールと裏当てツールの使用状態を示す図である。 接合部の表裏面に対し、回転ツール及び裏当て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の使用状態を示す図である。 回転ツールによる摩擦攪拌接合距離（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。 回転ツールと裏当てツールの各部寸法関係を示す図である。 本発明の一実施の形態に係わる摩擦攪拌接合装置（装置１）の一部を欠損して示す全体斜視図である。 図５に示した摩擦攪拌接合装置の要部の概略正面図である。 図５に示した摩擦攪拌接合装置の要部の概略側面図である。 図５に示した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。 他の摩擦攪拌接合装置（装置２）であって、回転ツールと裏当てツールの軸芯の同期を電気的に行う方式を示す図の一部を欠損して示す全体斜視図である。 図９に示した摩擦攪拌接合装置の要部の概略正面図である。 他の摩擦攪拌接合装置（装置３）であって、接合時に金属板１，２の突合せ部を接合方向に移動させる方式を示す図の一部を欠損して示す全体斜視図である。 図１１に示した摩擦攪拌接合装置の要部の概略正面図である。 図１１に示した摩擦攪拌接合装置の要部の概略側面図である。 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。 ツール傾斜を説明する断面図である。 ツール傾斜を説明する概略斜視図である。 回転ツール，裏当て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。 回転ツールおよび裏当てツールの傾き角度を０度に設定して（ツールを傾けずに）、回転ツールおよび裏当てツールを接合部端面から挿入する際の説明図である。 回転ツールおよび裏当てツールを適度に傾けて、回転ツールおよび裏当て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。 回転ツールおよび裏当てツールを傾けてプランジングレスで摩擦攪拌接合を行う運転制御（制御１）を示す図である。 図２３において、制御装置が行う処理手順を示す制御フロー（制御１）である。 回転ツールおよび裏当てツールを傾けてプランジングレスで摩擦攪拌接合を行う別の運転制御（制御２）を示す図である。 図２３において、制御装置が行う処理手順を示す制御フロー（制御２）である。 金属板を円筒状に成形して、その両端部を突合せた後、該突合せ部を摩擦攪拌接合し、一体的な円筒部材を製造する概略斜視図である。 ２本のパイプ材を長尺化する際の摩擦攪拌接合方法の概略斜視図である。 ２枚の金属板をＬ型になるように配置し、摩擦攪拌接合する際の摩擦攪拌接合中の概略斜視図である。 ２枚の金属板をＬ型になるように配置し、摩擦攪拌接合する際の接合開始時の概略斜視図である。 ２枚の金属板をＴ型になるように配置し、摩擦攪拌接合する際の概略斜視図である。 ３枚の金属板をＴ型になるように配置し、摩擦攪拌接合する際の概略斜視図である。 回転ツールの回転方向とアドバンシングサイド・リトリーティングサイドとの関係を示す図である。 ２枚の金属板の表面側に段差が生じるケースを説明する図である（異厚ケース１）。 図３１における回転ツール尾端を板厚の薄い金属板側に傾けた状態を示す図である。 接合後の接合部断面形状の概念図である（異厚ケース１）。 ２枚の金属板の裏面側に段差が生じるケースを説明する図である（異厚ケース２）。 接合後の接合部断面形状の概念図である（異厚ケース２）。 ２枚の金属板の表面側・裏面側共に段差が生じるケースを説明する図である（異厚ケース３）。 図３６における回転ツールを板厚の薄い金属板側に傾けた状態を示す図である。 接合後の接合部断面形状の概念図である（異厚ケース３）。

　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。

　＜ツールセット構成と方法概要＞
　図１は本発明の一実施の形態に係わる摩擦攪拌接合用ツールセットの先端部分の拡大断面図であり、接合時における使用状態を示す図である。接合の形態は、突き合わせ溶接である。

　図１おいて、本実施の形態に係わる摩擦攪拌接合用ツールセットは、回転ツール３と裏当てツール４とを有し、回転ツール３と裏当てツール４とは、突き合わせた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、接合部Ｊを摩擦攪拌する。ツールセットとは、回転ツール３と裏当てツール４の総称である。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。裏当てツール４は、摩擦攪拌接合に必要な押圧力を受ける押圧力保持面４ｂを有する押圧力保持面部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の押圧力保持面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。

　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ている。裏当てツール４の凹み部４ｄも円筒形の内周形状が好ましい。押圧力保持面４ｂや凹み部４ｄの形状は接合する金属板の形状に合わせて加工することが可能である。（後述）
　接合方法はこのようなツールセットを用いて行うものであり、その概要は次のとおりである。まず、回転ツール３及び裏当てツール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、裏当てツール４の押圧力保持面４ｂが接合部Ｊの裏面側に位置するように裏当てツール４を保持し、回転ツール３を回転させ、裏当てツール４に近づく方向に移動して、回転ツール３の突起部３ｄの先端部を裏当てツール４の凹み部４ｄ内に挿入し、ショルダ面３ｂと押圧力保持面４ｂとの間に接合部Ｊを挟み込むとともに、回転ツール３のショルダ面３ｂを接合部Ｊの表面側から押圧する。なお、回転ツール３により接合部Ｊの表面側に付与された押圧力は、接合部Ｊの裏面側に配置した裏当てツール４の押圧力保持面４ｂにより保持される。次いで、その状態（回転ツール３の突起部３ｄの先端部を裏当てツール４の凹み部４ｄ内に挿入し、回転ツール３のショルダ面３ｂと裏当てツール４の押圧力保持面４ｂを接合部Ｊの表面側と裏面側から押圧した状態）で、回転ツール３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。

　＜効果概要＞
　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回転ツール３と裏当てツール４は別体であるため、裏当てツール４の凹み部４ｄ内の回転ツール３の突起部３ｄの挿入量（突起部３ｄ先端と押圧力保持面４ｂとの距離）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、裏当てツール４の凹み部４ｄ内に回転ツール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の接合部Ｊ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、回転ツール３と裏当てツール４は別体である。したがって、ボビンツールの場合とは異なり、裏当てツール４にプローブを介して動力を伝達する必要がないため、プローブ（突起部）３ｄの直径をボビンツールと比較し、小さく出来る。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、回転ツール３で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、回転ツール３と裏当てツール４は別体であって、両者間の距離を調整可能であるため、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、回転ツール３の突起部３ｄの裏当てツール４の凹み部４ｄへの挿入量を調整することで、回転ツール３のショルダ面３ｂと裏当てツール４の押圧力保持面４ｂとの間の距離を固定せずに、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回転ツール３のショルダ面３ｂ及び裏当てツール４の押圧力保持面４ｂと金属板接合部表裏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、本実施の形態の接合方法によれば、回転ツール３と裏当てツール４は別体であるため、それぞれのツール軸芯１５を傾けることが出来る。すなわち、少なくともいずれか一方のツール軸心１５を傾けることにより、相対向するように配置した回転ツール３のショルダ面３ｂと裏当てツール４の押圧力保持面４ｂの間の距離δについて、ツール進行方向の前方の面間距離δ１と比較し、進行方向の後方の面間距離δ２が狭くなるようにすることが出来る（後述）。これにより接合部J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。

　図２は、接合部Ｊの表裏面に対し、回転ツール３及び裏当てツール４の配置位置を逆にした場合の接合時における回転ツール３と裏当てツール４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を有する回転ツール３を配置し、接合部Ｊの裏面側に、裏当てツール本体４ａの先端部分に凹み部４ｄを有する裏当てツール４を配置したが、図２に示すように、接合部Ｊの表裏面に対して、回転ツール３と裏当てツール４の配置位置を逆にしても、上記の効果は変わらない。また、下記に述べる効果も変わらない。

　＜材質＞
　回転ツール３及び裏当てツール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３には高い耐熱強度と靭性が求められ、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、裏当てツール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に埋まり、裏当てツール４の押圧力保持面４ｂは従来技術の裏当て板と同様な機能を果たす。裏当てツール４の押圧力保持面４ｂは、回転ツール３から付与される押圧力を保持できる面積であればよく、従来技術の裏当て板と比較して、狭くてよい。表面積が狭いことにより、熱拡散範囲が狭まり、熱エネルギ損出を抑制でき、経済性を向上することが出来る。

　熱エネルギ損出を抑制できることにより、回転ツール３への熱供給量を低減できるため、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でき、回転ツール３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、経済性を向上することが出来る。

　回転ツール３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した結果、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。

　また、裏当てツール４の材質を保熱性の高い材料（すなわち熱伝達率の低い材料）とすることで、更に熱損失が軽減されるため、熱エネルギ供給量を抑制でき、経済性を向上することが出来る。たとえば、裏当てツール４の材質をセラミックスやチタンとしても良い。

　＜びびり振動抑制＞
　図３は、回転ツール３および裏当てツール４による摩擦攪拌接合時の接合距離（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、回転ツール３の突起部（プローブ）３ｄの裏当てツール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、挿入された回転ツール３の突起部３ｄが、軟化充填された材料を介し、裏当てツール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。

　＜各部寸法関係の検討＞
　図４は各部の寸法関係を示している。回転ツール３の各部の寸法関係および裏当てツール４の寸法関係について図４と表１を用いて説明する。

　上記において、ツールセットの効果として、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旨を述べた。

　この効果を例えば表１の第３項で説明する。金属板の１，２の板厚が３ｍｍを超え６ｍｍ以下の全ての板厚とその板厚の微小変動分（１ｍｍ程度）を考慮した２ｍｍを超え７ｍｍ以下の全ての接合部厚みにおいて１セットのツールセットでカバーできる。接合する金属板１，２の板厚が範囲外となった場合には、異なるツールセットが必要となるが、従来の摩擦攪拌接合方法と比較し、１セットのツールセットで接合できる板厚範囲は数倍広がり、経済性も格段に向上する。

　一方、金属板１，２の板厚が範囲外となる場合は、異なる回転ツールを準備する必要がある（たとえば、表１第3項→第4項）。

　ツール本体３ａの先端部分に突起部３ｄ（プローブ）を有する回転ツール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。

　（回転ツールのショルダ径Ｄ１）
　まず、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１５ｍｍ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２０ｍｍ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２５ｍｍ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。

　（回転ツールの突起部直径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に作用する曲げモーメントである。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８ｍｍ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１２ｍｍ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１５ｍｍ以下であれば、摩擦攪拌接合時に突起部３ｄに作用する曲げモーメントにより、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。

　（回転ツールの突起部長さ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。

　（裏当てツール４の寸法関係の説明）
　例えば、本実施形態では、裏当てツール本体４ａの形状を円柱とし、円柱の先端部に押圧力保持面４ｂと、接合中に、回転ツール３の突起部３ｄを挿入する凹み部４ｄを有する。凹み部４ｄは、円柱状の穴とする。押圧力保持面４ｂは、金属板との接触面とする。裏当てツール４ａの先端部分に凹み部４ｄを有する裏当てツール４の押圧力保持部４ｃ（押圧力保持面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、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、裏当てツール４の押圧力保持面４ｄの直径Ｄ２は、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、相対向するように配置した回転ツール３のショルダ面３ｂと裏当てツール４の押圧力保持面４ｂの間の距離δについて、ツール進行方向の前方の面間距離δ１と比較し、進行方向の後方の面間距離δ２が狭くなるように、回転ツール３または裏当てツール４の少なくともいずれか一方を傾斜した状態で摩擦攪拌接合することが好ましい（図１６参照）。

　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、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、回転ツール３および裏当てツール４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板厚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、回転ツール３のショルダ面３ｂに螺旋溝の加工を施し、突起部３d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４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。

　＜装置構成＞
　本発明の接合方法を実施する摩擦攪拌接合装置の実施の形態を説明する。摩擦攪拌接合装置は例えば、下記、装置１～３のような装置が考えられる。

　（装置１：ツール移動・機械同調）
　図５は、本発明の一実施の形態に係わる摩擦攪拌接合装置（装置１）の一部を欠損して示す全体斜視図であり、図６は、その摩擦攪拌接合装置の要部の概略正面図であり、図７は、その摩擦攪拌接合装置の要部の概略側面図であり、図８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５～８において、本実施の形態に係わる金属板の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、回転ツール３を２枚の金属板１，２の接合部Ｊの表面側に配置し、回転ツール３を回転駆動するツール回転駆動装置７と、裏当てツール４を２枚の金属板１，２の接合部Ｊの裏面側の回転ツール３に対向する位置に配置し、この配置位置を保持するツール位置保持装置４６と、回転ツール３を裏当てツール４に近づく方向に移動して、回転ツール３を金属板１，２の接合部Ｊの表面側に押圧するツール押圧装置４５と、ツール押圧装置４５とツール位置保持装置４６が設けられるキャリッジフレーム１９と、回転ツール３と裏当てツール４を接合部Ｊに沿って接合方向に移動させる移動装置７５を有している。

　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６の開閉シリンダー５ｃ、６ｃを備えた開閉機構により開閉可能である。

　また、２枚の金属板１，２の突合せ位置や接合線を回転ツール３と裏当てツール４の摩擦攪拌接合位置に合わせるために、２枚の金属板１，２を入出側把持装置５，６で把持した状態で、接合線の直角方向に可動することができるように、入出側フレーム１３，１４にそれぞれ、シリンダー１６，１７を設置する。このシリンダーの代替として、電動モータによる方式を取っても良い。

　キャリッジフレーム１９は、Ｃ型形状をしており、上水平フレーム１９ａと下水平フレーム１９ｂとを有する。回転ツール３はツール回転駆動装置７およびツール押圧装置４５を介して上水平フレーム１９ａに支持され、裏当てツール４はツール位置保持装置４６を介して下水平フレーム１９ｂに支持されている。

　キャリッジフレーム１９の底部には車輪７１が設けらている。車輪７１は、台板１８上に設置されたレール１１ａ，１１ｂ上を走行可能である。

　移動装置７５は、車輪７１、スクリュー７２、走行用モータ７３、制御装置７４（制御装置８３の一機能）を有している。スクリュー７２の一端はキャリッジフレーム１９と連結し、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７４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、キャリッジフレーム１９は移動する。これにより、回転ツール３と裏当てツール４は機械的に同調した状態で、金属板１，２の進行方向に直交する方向（接合方向）に走行する。

　前述したように、回転ツール３には、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、裏当てツール４には、裏当てツール本体４ａの押圧力保持面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。

　裏当てツール４は、２枚の金属板１，２の接合部Ｊの裏面側に配置され、ツール位置保持装置４６によりこの配置位置に保持される。

　ツール位置保持装置４６は、裏当てツール４が２枚の金属板１，２の接合部Ｊの裏面側に配置されるように、その形状について設定されている（位置固定）。

　ツール回転駆動装置７には、回転ツール３を回転駆動する回転用モータ５３が内蔵されている。

　ツール押圧装置４５は、回転ツール３を裏当てツール４に近づく方向に移動するとともに、ショルダ面３ｂを接合部Ｊの表面側から押圧し、ショルダ面３ｂと押圧力保持面４ｂの間に接合部Ｊを挟み込むことで接合部Ｊに押圧力を付与する。

　回転ツール３は、ツール回転駆動装置７によって回転駆動され、ツール押圧装置４５によって回転ツール３の突起部３ｄの先端部を裏当てツール４の凹み部４ｄ内に挿入した状態で、ショルダ面３ｂを接合部Ｊの表面側に押圧される。

　ツール回転駆動装置７およびツール押圧装置４５は上ケース５１内に少なくとも部分的に収納されている。ツール位置保持装置４６は下ケース５２内に少なくとも部分的に収納されている。

　このように、裏当てツール４はツール位置保持装置４６により、２枚の金属板１，２の接合部Ｊの裏面側に配置・保持されるよう設定されているが、実際には設定した配置位置に微差が生じる可能性もある。この場合、ツール押圧装置４５の押圧力により、２枚の金属板１，２が撓み、微差を吸収する。

　しかしながら、接合する材料の剛性が高く、突き合わせた金属板の接合部Ｊでの波打ちなどによる形状変化が発生した場合に、ツール押圧装置４５の押圧力だけでは接合部Ｊの表面側と裏面側を押圧できないことがある。

　その場合には、ツール位置保持装置４６は、位置調整機能を有していても良い。ツール位置保持装置４６は裏当てツール４の位置を上下に変動し、裏当てツール４の押圧力保持面４ｂを接合部の裏面側に当接するようにする。ツール位置保持装置４６は位置保持用モータ６１ｂを有し、位置保持用モータ６１ｂの駆動により、ツール４の押圧力保持面４ｂの位置を調整する。

　なお、ツール位置保持装置４６は、ツール押圧装置４５による押圧力を、接合部Ｊの裏面側に配置した裏当てツール４の押圧力保持面４ｂを介して保持する。また、位置調整機能により、押圧力保持面４ｂの位置を接合部Jの裏面側に当接するように調整することで、押圧力保持面４ｂで回転ツール３にからの押圧力を保持するだけでなく、裏当てツール４から押圧しても良い。

　図８に示すように、回転ツール押圧装置４５は、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、回転駆動装置７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。

　さらに、摩擦攪拌接合装置は、回転ツール３の軸芯１５ａを傾けて支持する上傾斜支持装置７６ａおよび裏当てツール４の軸芯１５ｂを傾けて支持する下傾斜支持装置７６ｂを更に有している。傾斜支持装置７６ａ，７６ｂは角度調整式である。上傾斜支持装置７６ａは上水平フレーム１９ａに設けられ、上水平フレーム１９ａが支持する軸６４ａを回転駆動する角度調整用モータ７７ａを有している。下傾斜支持装置７６ｂは下水平フレーム１９ｂに設けられ、下水平フレーム１９ｂが支持する軸６４ｂを回転駆動する角度調整用モータ７７ｂを有している。傾斜支持装置７６ａ，７６ｂは、回転ツール３および裏当てツール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。

　（装置２：ツール移動・電気同調）
　図９は、他の摩擦攪拌接合装置（装置２）の一部を欠損して示す全体斜視図であり、図１０は、その摩擦攪拌接合装置の要部の概略正面図である。

　図９，１０において、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、回転ツール３を２枚の金属板１，２の接合部Ｊの表面側に配置するように装着し、回転ツール３を回転駆動するツール回転駆動装置７と、裏当てツール４を２枚の金属板１，２の接合部Ｊの裏面側の回転ツール３に対向する位置に配置し、この配置位置を保持するツール位置保持装置４６と、回転ツール３を裏当てツール４に近づく方向に移動して、回転ツール３を金属板１，２の接合部Ｊの表面側に押圧するツール押圧装置４５と、回転ツール３と裏当てツール４を接合部Ｊに沿って接合方向に移動させる移動装置４７，４８とを有している。

　前述したように、回転ツール３には、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、裏当てツール４には、裏当てツール本体４ａの押圧力保持面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。

　ツール位置保持装置４６は、裏当てツール４を２枚の金属板１，２の接合部Ｊの裏面側に配置・保持する。

　ツール押圧装置４５は、ツール回転駆動装置７に装着した回転ツール３を裏当てツール４に近づく方向に移動し、回転ツール３の突起部３ｄの先端部を裏当てツール４の凹み部４ｄ内に挿入し、ショルダ面３ｂと押圧力保持面４ｂとの間に接合部Ｊを挟み込むとともに、回転ツール３のショルダ面３ｂを接合部Ｊの表面側に押圧するよう制御される。

　上下の移動装置４７，４８は、ツール回転駆動装置７によって回転ツール３が回転駆動され、ツール押圧装置４５によって回転ツール３の突起部３ｄの先端部が裏当てツール４の凹み部４ｄ内に挿入され、ショルダ面３ｂと押圧力保持面４ｂとの間に接合部Ｊが挟み込まれ、回転ツール３のショルダ面３ｂが接合部Ｊの表面側に押圧され、ツール位置保持装置４６によって裏当てツール４が２枚の金属板１，２の接合部Ｊの裏面側に配置・保持された状態で、回転ツール３と裏当てツール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。

　ツール回転駆動装置７には、回転ツール３を回転駆動する回転用モータ５３が内蔵されている。ツール回転駆動装置７およびツール押圧装置４５は上ケース５１内に少なくとも部分的に収納されている。ツール位置保持装置４６は下ケース５２内に少なくとも部分的に収納されている。

　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、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（図示省略）とを有しており、ツール回転駆動装置７およびツール押圧装置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、ツール位置保持装置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。

　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とは同期制御される。これにより、回転ツール３と裏当てツール４は電気的に同調した状態で、金属板１，２の進行方向に直交する方向（接合方向）に走行する。

　（装置３：金属板移動・電気同調・機械同調）
　図１１は、他の摩擦攪拌接合装置（装置３）の一部を欠損して示す全体斜視図であり、図１２は、その摩擦攪拌接合装置の要部の概略正面図であり、図１３は、その摩擦攪拌接合装置の要部の概略側面図である。

　この摩擦攪拌接合装置（装置３）は、入側把持装置５および出側把持装置６を固定するフレーム１３，１４を接合方向へ移動させることにより、２枚の金属板１，２を接合部Ｊに沿った接合方向へ移動させる。入側フレーム１３と出側フレーム１４は、連結部材を介して一体として形成されており、移動装置７５の駆動により機械的に同調した状態で、金属板１，２の進行方向に直交する方向（接合方向）に走行する。

　なお、入側フレーム１３と出側フレーム１４は位置センサを有し、この位置センサの計測位置に基づいて、電気的に同調した状態で、金属板１，２の進行方向に直交する方向（接合方向）に走行してもよい。

　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、上述した摩擦攪拌接合装置（装置１～３）を用いて行う本発明の一実施の形態に係わる金属板の摩擦攪拌接合方法（以下適宜、単に接合方法という）を突き合わせ接合を行う場合を例に説明する。

　回転ツール３と裏当てツール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、回転ツール３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、回転ツール３および裏当てツール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。

　ツール位置保持装置４６により、裏当てツール４を２枚の金属板１，２の接合部Ｊの裏面側に配置・保持する。次いで、ツール押圧装置４５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の裏当てツール４に対向する位置に配置した回転ツール３を裏当てツール４に近づくように移動し、接合部Ｊの板厚方向の全域で未接合部の無い様に、回転ツール３の突起部（プローブ）３ｄを裏当てツール４の凹み部４ｄに挿入させる。

　裏当てツール４の押圧力保持面４ｂを２枚の金属板１，２の接合部Ｊの裏面側に保持しながら、ツール回転駆動装置７を駆動して回転ツール３を回転させ、回転ツール３のショルダ面３ｂを２枚の金属板１，２の接合部Ｊの表面側に押圧して摩擦攪拌する。なお、回転ツール３により接合部Ｊの表面側に付与された押圧力は、接合部Ｊの裏面側に配置した裏当てツール４の押圧力保持面４ｂにより保持される。

　そして、この状態（回転ツール３の突起部３ｄを裏当てツール４の凹み部４ｄに挿入させかつ回転ツール３のショルダ面３ｂ，裏当てツール４の押圧力保持面４ｂを接合部Ｊの表面側と裏面側に押圧した状態）で、移動装置７５（装置１）を駆動して、接合部Ｊに沿って回転ツール３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（接合方向）に移動させて摩擦攪拌接合する。

　上述の装置２においては、移動装置４７，４８を駆動して、接合部Ｊに沿って回転ツール３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（接合方向）に移動させて摩擦攪拌接合する。

　上述の装置３においては、移動装置７５（装置３）を駆動して、２枚の金属板１，２をそれぞれ把持した入側把持装置５および出側把持装置６を固定するフレーム１３，１４を移動させる。２枚の金属板１，２を接合方向と同方向に移動させることにより摩擦攪拌接合する。

　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、ツール進行方向前方の面間距離δ１と比較し、進行方向の後方の面間距離δ２が狭くなるように、回転ツール３また裏当てツール４の少なくともいずれか一方を傾ける。回転ツール３のショルダ面３ｂと裏当てツール４の押圧力保持面４ｂの間の距離を面間距離δとする。この傾斜状態で、回転ツール３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（接合方向）に移動させて摩擦攪拌接合する（後述）。

　＜重ね合わせ接合＞
　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、突き合わせの摩擦攪拌接合と同様に重ね合わせた金属板１，２の摩擦攪拌接合においても、図１４および図１５に示すように、回転ツール３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、相対向する裏当てツール４の先端部分の押圧力保持面４ｂには、突起部３ｄの先端部を収納する凹み部４ｄを形成し、回転ツールの突起部３ｄの少なくとも先端部を裏当てツールの凹み部４ｄ内に挿入した状態で、回転ツール３と裏当てツール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１，２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。この点で、図１５の例の方が好ましいと考えられる。

　＜接合装置・接合方法の効果＞
　以上のように図５～図１３に示した摩擦攪拌接合装置（装置１～３）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。

　＜更なる特徴：ツール傾斜＞
　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、回転ツール３および裏当てツール４の傾斜について言及する。

　図１６は、ツール傾斜を説明する断面図であり、図１７はその概略斜視図である。回転ツール３のショルダ面３ｂと裏当てツール４の押圧力保持面４ｂの間の距離を面間距離δとする。

　本実施の形態では、ツール進行方向前方の面間距離δ１と比較し、進行方向の後方の面間距離δ２が狭くなるように、回転ツール３また裏当てツール４の少なくともいずれか一方を傾けた状態で、回転ツール３を回転させながら摩擦攪拌接合する。

　裏当てツール４の凹み部４ｄの直径ｄ２は、回転ツール３の突起部３ｄの直径ｄ１、長さＬ１および傾斜角θ１から、回転ツール３の突起部３ｄと裏当てツール４の凹み部４ｄが干渉しない大きさに設定する（図4参照）。

　このようにツール進行方向前方の面間距離δ１と比較し、進行方向の後方の面間距離δ２が狭くなるように、回転ツール３また裏当てツール４の少なくともいずれか一方を傾けることによって、回転ツール３のショルダ面３ｂと裏当てツール４の押圧力保持面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、裏当てツール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、裏当てツール４の凹み部４ｄに挿入された回転ツール３のプローブまたは突起部３ｄが、隙間に軟化充填された材料を介し、裏当てツール４の凹み部４ｄ内で内圧を受けた結果、制振力が作用し、回転ツール３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、回転ツール３また裏当てツール４の少なくともいずれか一方を傾ける角度θ１，θ２が大きすぎる場合には、進行方向の後方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と押圧力保持部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。

　＜更なる特徴：把持装置間距離＞
　図１８は、回転ツール３，裏当てツール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。

　次に、入出側把持装置５，６間の距離Ｌｃと回転ツール３の直径Ｄ３、入出側把持装置５，６間の距離Ｌｃと裏当てツール４の直径Ｄ４（例えば、裏当てツールの形状を円柱とした場合）との関係について、図１８を用いて説明する。なお、突合せ接合を例とするが、重ね合わせ接合でも同様なことがいえる。

　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が回転ツール３のショルダ部３ｃと裏当てツール４の押圧力保持部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のツール本体直径Ｄ３或いは裏当てツール４の本体直径Ｄ４の１．５倍以上５倍以下とし、図１８に示すように、回転ツール３および裏当てツール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回転ツール３および裏当てツール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：回転ツールのツール本体直径
　　Ｄ４：裏当てツールの本体直径
　本発明において、上記のように把持装置間距離と回転ツールおよび裏当てツール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回転ツール３のショルダ部３ｃ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および裏当てツール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を回転ツール直径Ｄ３および裏当てツール４の本体直径Ｄ４の１．５倍以上とすることにより、回転ツール３および裏当てツール４が微振動を起こしても、回転ツール３および裏当てツール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の表裏面を入出側把持装置５，６でショルダ部および押圧力保持部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。

　＜更なる特徴：プランジングレス＞
　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、裏当て板への熱拡散が生じるため、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。

　裏当てツール４の押圧力保持面部４ｃは片面摩擦攪拌接合の裏当て板と同様な役割を果たす。一方、裏当てツール４の押圧力保持面４ｂは、片面摩擦攪拌接合の裏当て板と比較して、熱拡散に寄与する表面積が狭い。そこで、本発明者等は、片面摩擦攪拌接合で生じていたような裏当て板への熱拡散が無くなり、接合部への投入熱量を抑制でき、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、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、回転ツール３のプローブまたは突起部３ｄと裏当てツール４の凹み部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。

　＜更なる特徴：プランジングレスとツール傾斜＞
　次に、プランジングレスと回転ツール３と裏当てツール４の傾斜について言及する。

　図１９は、ツールセット３，４の傾き角度を０度に設定して（ツールを傾けずに）回転ツール３と裏当てツール４を接合部端面２４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、回転ツール３と裏当てツール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と裏当てツール４の相対位置で決定される。図１９に示すように回転ツール３の先端部３ｄを裏当てツール４の凹み部４ｄに挿入する挿入位置が微小にずれ、回転ツール３の先端部３ｄが過挿入となった場合には、回転ツール３および裏当てツール４の側面で接合部端面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２０は、回転ツール３および裏当てツール４を適度に傾けて回転ツール３および裏当てツール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２０に示す通り、相対向するように配置した回転ツール３のショルダ面３ｂと裏当てツール４の押圧力保持面４ｂの間の距離δについて、ツール進行方向の前方の面間距離δ１と比較し、進行方向の後方の面間距離δ２が狭くなるように、回転ツール３または裏当てツール４の少なくともいずれか一方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のショルダ面３ｂおよび裏当てツール４の押圧力保持面４ｂから接合部端面２４に接触するため、回転ツールおよび裏当てツールの側面から接合部端面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、回転ツール３および裏当てツール４が傾いていることにより、前述したように、回転ツール３のショルダ面３ｂおよび裏当てツール４の押圧力保持面４ｂ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。

　＜更なる特徴：運転制御＞
　次に、プランジングレスで摩擦攪拌接合を行う運転制御について説明する。

　まず、その運転制御に係わる制御系について説明する。

　図８に示すように、本実施の形態に係わる接合装置は、上ケース５１の下面に取り付けられた上位置計測器８１ａおよびツール回転駆動装置７の筒体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と制御装置８３とを有している。

　制御装置８３は、上位置計測器８１ａおよび上荷重計測器８２ａの計測値を入力し、所定の演算処理を行い、ツール回転駆動装置７の回転用モータ５３、ツール押圧装置４５の押圧用モータ６１ａ、移動装置７５の走行用モータ７３に指令信号を送り、ツール回転駆動装置７、ツール押圧装置４５、移動装置７５の動作を制御する。

　図示の例では、上下位置計測器８１ａ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、回転ツール３および裏当てツール４を傾けて所定の角度で支持する。

　下側に取り付けた裏当てツール４の上下方向位置が移動可能な構成の場合には、下位置計測器８１ｂの計測値を入力し、所定の演算処理を行い、ツール位置保持装置４６の動作を制御する。下位置計測器８１ｂは上位置計測器８１ａと同様に非接触式でも、接触式であっても構わない。

　（制御１）
　図２１は、回転ツール３および裏当てツール４を傾けてプランジングレスで摩擦攪拌接合を行う運転制御を示す図である。図２２は、図８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２１および図２２に示す通り、摩擦攪拌接合開始前は、回転ツール３および裏当てツール４は待機位置２０ａ，２０ｂにある。この待機位置２０ａ，２０ｂにおいて、回転ツール３および裏当てツール４は傾けた状態にある。

　上ケース５１に取り付けられた上位置計測器８１ａ（図８参照）を用いて接合部Ｊと回転ツール３および裏当てツール４間の距離を測定し、回転ツール３の突起部３ｄの予定挿入深さを演算する（ステップＳ１）。次に、裏当てツール４を初期設定位置に固定し、押圧用モータ６１ａを駆動して上回転ツール３の突起部３ｄ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の計測値に基づいて、回転ツール３のショルダ面３ｂ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、移動装置７５を駆動して上ケース５１、５２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、回転ツール側は位置制御、裏当てツール側は位置固定の状態のまま接合部端面２４から回転ツール３のショルダ面３ｂおよび裏当てツール４の押圧力保持面４ｂを接合部端面２４に当てながら回転ツール３の突起部３ｄ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２１等参照）。

　摩擦攪拌接合開始後、回転ツール３の回転用モータ５３の制御電流に基づいて回転用モータ５３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Ｓ４）、摩擦攪拌終了位置２２ａ，２２ｂを通過させるように制御する。裏当てツール４については、摩擦攪拌接合開始後も固定位置が維持され、位置固定のまま摩擦攪拌終了位置２２ａ，２２ｂを通過させる（ステップＳ２→Ｓ４）。

　このように摩擦攪拌接合開始後に、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。

　上記の各ステップの制御は制御装置８３が上位置計測器８１ａの計測値を入力し、この計測値と回転用モータ５３の制御電流に基づいて回転用モータ５３、押圧用モータ６１ａ、走行モータ７３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、上記運転制御では、回転ツール３の負荷一定制御を回転用モータ５３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の計測値を用いて行ってもよい。また、回転ツール３の位置制御を上位置計測器８１ａの計測値を用いて行ったが、その代わりに上押圧用モータ６１ａ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。

　（制御２）
　図２３は、裏当てツール４の上下方向の移動を可能にした構成の場合の回転ツール３および裏当てツール４を傾けてプランジングレスで摩擦攪拌接合を行う運転制御を示す図である。図２４は、図８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、回転ツール３および裏当てツール４は待機位置２０ａ，２０ｂにある。この待機位置２０ａ，２０ｂにおいて、回転ツール３および裏当てツール４は傾けた状態にある。

　また、上ケース５１，５２に取り付けられた上下位置計測器８１ａ，８１ｂ（図８参照）を用いて接合部Ｊと回転ツール３と裏当てツール４間の距離を測定し、回転ツール３および裏当てツール４の予定挿入深さを演算する（ステップＳ１）。次に、押圧用モータ６１ａ，位置保持用モータ６１ｂを駆動してツール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Ｓ２A）。このとき、位置計測器８１ａ，８１ｂの計測値に基づいて、回転ツール３のショルダ面３ｂと裏当てツール４の押圧力保持面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、移動装置７５を駆動して上ケース５１、５２を接合方向へ移動させ（ステップＳ２A）、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のショルダ面３ｂおよび裏当てツール４の押圧力保持面４ｂを接合部端面２４に当てながら回転ツール３と裏当てツール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、回転ツール３の回転用モータ５３の制御電流に基づいて回転用モータ５３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Ｓ３A）、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Ｓ４A）、摩擦攪拌終了位置２２ａ，２２ｂを通過させるように制御する。裏当てツール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Ｓ２A→Ｓ４A）。

　このように摩擦攪拌接合開始後に、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。

　特に、接合する材料の剛性が高く、突き合わせた金属板の接合部Ｊでの波打ちなどによる形状変化が発生した場合に、ツール押圧装置４５の押圧力だけでは接合部Ｊの表面側と裏面側を押圧できないときにも、裏当てツール４の位置制御を維持することで、安定して摩擦攪拌することが出来る。

　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、この計測値と回転用モータ５３の制御電流に基づいて回転用モータ５３、押圧用モータ６１ａ、位置保持用モータ６１ｂ、走行モータ７３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、上記運転制御では、回転ツール３の負荷一定制御を回転用モータ５３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の計測値を用いて行ってもよい。また、回転ツール３および裏当てツール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、その代わりに押圧用モータ６１ａ、位置保持用モータ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。

　＜適用例＞
　次に、本発明の実施の形態として、様々な接合継手に本発明を適用した場合について、図２５～２９を用いて説明する。また、２枚の金属板の板厚が異なる場合については、図３１～３８を用いて説明する。

　（円筒部材）
　図２５、２６は、パイプに代表される円筒部材（以下パイプ材と称する）の接合方法の概略斜視図を示す。図２５は、金属板を円筒状に成形して、その両端部を突合せた後、該突合せ部を摩擦攪拌接合し、一体的な円筒部材を製造する概略斜視図である。図２６は、２本のパイプ材を長尺化する際の摩擦攪拌接合方法の概略斜視図である。

　裏当てツール４の押圧力保持面４ｂの形状は、パイプ材９０の裏面形状（周形状）に対応するように加工されている。

　図２５に示すように、金属板９０を円筒状に成形して、その両端部を突合せる。その突合せ部に、回転ツール３及び裏当てツール４をパイプ材の接合部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、回転ツール３を回転させ、裏当てツール４に近づく方向に移動して、回転ツール３の突起部３ｄの先端部を裏当てツール４の凹み部４ｄ内に挿入するとともに、裏当てツール４の押圧力保持面４ｂを接合部Ｊ裏面側に当て、ショルダ面３ｂと押圧力保持面４ｂとの間に接合部Ｊを挟み込み、回転ツール３のショルダ面３ｂ接合部Ｊの表面側から押圧する。次いで、その状態（回転ツール３の突起部３ｄの先端部を裏当てツール４の凹み部４ｄ内に挿入し、裏当てツール４の押圧力保持面４ｂを接合部Ｊ裏面側に当て、ショルダ面３ｂと押圧力保持面４ｂとの間に接合部Ｊを挟み込み、回転ツール３のショルダ面３ｂを接合部Ｊの表面側から押圧した状態）で、回転ツール３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、金属板９０両端部は接合部Ｊの板厚方向全域で接合される。接合開始時から終了時の運転制御については、前述した図２１～２４の制御を適宜使用する。

　なお、接合方向への移動は、回転ツール３および裏当てツール４を接合部（接合線）Ｊに沿って移動させる方法としたが、円筒状に成形した金属板９０を回転ツール３および裏当てツール４が接合部Ｊ（接合線）に沿うように、移動させる方法としても良い。

　図２６に示す接合では、パイプ材９１とパイプ材９２の端面を突合せ、その突合せ部（接合部J）を摩擦攪拌接合する。

　（Ｌ型、Ｔ型）
　本発明は、Ｌ型部材や、Ｔ型部材の接合にも適用できる。

　図２７A，図２７Bは、金属板９３と金属板９４をＬ型になるように配置し、その金属板９３と金属板９４の接触した角部を摩擦攪拌接合する際の概略斜視図である。図２７Aは、摩擦攪拌接合中の概略斜視図であり、図２７Bは接合開始時の概略斜視図である。図２８は、金属板９３と金属板９４をＴ型になるように配置した場合の概略斜視図である。図２９は、金属板９３および金属板９４、金属板９５をＴ型になるように配置した場合の概略斜視図である。

　図２７A，図２７Bに示すように、金属板９３と金属板９４をＬ型になるように配置する。その金属板９３と金属板９４の接触部（角部）に、回転ツール３及び裏当てツール４を接合部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、回転ツール３を回転させ、裏当てツール４に近づく方向に移動して、回転ツール３の突起部３ｄの先端部を裏当てツール４の凹み部４ｄ内に挿入するとともに、裏当てツール４の押圧力保持面４ｂを接合部Ｊ裏面側に当て、ショルダ面３ｂと押圧力保持面４ｂとの間に接合部Ｊを挟み込み、回転ツール３のショルダ面３ｂ接合部Ｊの表面側から押圧する。次いで、その状態（回転ツール３の突起部３ｄの先端部を裏当てツール４の凹み部４ｄ内に挿入し、裏当てツール４の押圧力保持面４ｂを接合部Ｊ裏面側に当て、ショルダ面３ｂと押圧力保持面４ｂとの間に接合部Ｊを挟み込み、回転ツール３のショルダ面３ｂを接合部Ｊの表面側から押圧した状態）で、回転ツール３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、金属板９４は接合部Ｊの板厚方向全域で金属板９３に接合される。接合開始時から終了時の制御方法については、前述した図２１～２４の制御を適宜使用する。

　なお、接合方向への移動は、回転ツール３および裏当てツール４を接合部（接合線）Ｊに沿って移動させる方法としたが、金属板９３，９４を回転ツール３および裏当てツール４が接合部Ｊ（接合線）に沿うように、移動させる方法としても良い。

　図２８に示す接合では、金属板９３と金属板９４をＴ型になるように配置し、摩擦攪拌接合する。図２９に示す接合では、金属板９３および金属板９４、金属板９５をＴ型になるように配置し、摩擦攪拌接合する。

　なお、裏当てツール４の押圧力保持面部４ｃは、一部が欠損し、凹み部４ｄの一方向が開放されるように、加工されているが、接合部Jに沿う金属板９３の側面が押圧力保持面部４ｃ欠損部を補うため、本発明の効果は変わらない。

　（異厚・段差）
　本発明は、２枚の金属板１，２が異厚であることにより、接合部に段差が生じる場合にも適用できる。以下、異厚ケース１～３について説明する。

　図３０は、回転ツールの回転方向とアドバンシングサイド・リトリーティングサイドとの関係を示す図である。図３０に示すように、回転ツール３の回転方向と摩擦攪拌進行方向（接合方向或いはツール送り方向）が一致する側をアドバンシングサイドAS、ツールの回転方向と摩擦攪拌進行方向が反対を向いている側をリトリーティングサイドRSという。

　・異厚ケース１
　図３１は、２枚の金属板１，２の裏面側（図示下面）に段差が生じないようにし、表面側（図示上面）に段差が生じるケースを説明する図である。このとき、板厚の厚い金属板１がリトリーティングサイドＲＳになるように、板厚の薄い金属板２がアドバンシングサイドＡＳになるように、金属板１，２を配置する。

　回転ツール３による摩擦攪拌により、板厚の厚い金属板１から板厚の薄い金属板２へ容易に塑性流動する（ＲＳ→ＡＳ）。余剰塑性流動分となるバリは、段差に衝突し（ＡＳ→ＲＳ）、接合方向へ排出される。これにより、接合部表面のビード端部へのバリの生成を抑制し、表面品質が維持された接合部とすることができる。

　図３２は、図３１における回転ツール３尾端を板厚の薄い金属板２側に傾けた状態を示す図である。回転ツール３のショルダ面３ｂと裏当てツール４の押圧力保持面４ｂの間の距離を面間距離δとする。回転ツール３を、ツール進行方向前方の面間距離δ１と比較し、進行方向の後方の面間距離δ２が狭くなるように傾ける（図１６参照）とともに、板厚の厚い金属板１側の面間距離δ３と比較し、板厚の薄い金属板２側の面間距離δ４が狭くなるように傾け、回転ツール３の移動方向における側面視において、回転ツール３のショルダ面３ｂが厚い金属板１と薄い金属板２の表面にそれぞれ略接触するようにした。

　図３３は、接合後の接合部断面形状の概念図である。図３１および図３２の状態で摩擦攪拌接合をすることで、金属板１，２の裏面が概略一致する。

　本発明者らは、図３１および図３２の状態で摩擦攪拌接合試験を行なった。回転ツール３の回転速度は１０００ｒｐｍとし、移動速度（接合速度）は毎分２ｍとして接合を行った。作製した接合部に対して、断面観察および１８０度曲げ試験を行い、接合部の健全性を評価した。断面観察の結果、いずれの接合部に対しても、欠陥のない接合部が得られていることが判った。曲げ試験では割れが発生せず、健全な接合部が作製できることを確認した。

　・異厚ケース２
　図３４は、２枚の金属板１，２の表面側（図示上面）に段差が生じないようにし、裏面側（図示下面）に段差が生じるケースを説明する図である。このとき、裏当てツール４の押圧力保持面４ｂの形状は、金属板１，２の板厚差（裏面側段差）に対応するように加工されている。すなわち、薄い金属板２に対応する側の裏当てツール４の高さが、厚い金属板１に対応する側の裏当てツール４の高さより高いことにより、裏当てツール４の押圧力保持面４ｂは金属板１，２の裏面に接触する。

　図３５は、接合後の接合部断面形状の概念図である。図３４の状態で摩擦攪拌接合をすることで、金属板１，２の表面が概略一致する。

　本発明者らは、ケース１と同様、ケース２においても、回転ツール３の回転速度を１０００ｒｐｍとし、移動速度（接合速度）は毎分２ｍとして接合を行った。作製した接合部に対して、断面観察および１８０度曲げ試験を行い、接合部の健全性を評価した。断面観察の結果、いずれの接合部に対しても、欠陥のない接合部が得られていることが判った。曲げ試験では割れが発生せず、健全な接合部が作製できることを確認した。

　・異厚ケース３
　図３６は、金属板１，２の板厚中心を揃えて、金属板１，２は突合せ部の表面側・裏面側共に段差が生じるようにケースを説明する図である。このとき、回転ツール３は、段差の高い側がリトリーティングサイドＲＳになるように、段差の低い側がアドバンシングサイドＡＳになるようにする。また、裏当てツール４の押圧力保持面４ｂの形状は、金属板１，２の板厚差（裏面側段差）に対応するように加工されている。

　図３７は、図３６における回転ツール３尾端を板厚の薄い金属板２側に傾けた状態を示す図である。

　図３８は、接合後の接合部断面形状の概念図である。図３６および図３７の状態で摩擦攪拌接合をすることで、金属板１，２の板厚中心が概略一致する。

　本発明者らは、ケース１，２と同様、ケース３においても、回転ツール３の回転速度を１０００ｒｐｍとし、移動速度（接合速度）は毎分２ｍとして接合を行った。作製した接合部に対して、断面観察および１８０度曲げ試験を行い、接合部の健全性を評価した。断面観察の結果、いずれの接合部に対しても、欠陥のない接合部が得られていることが判った。曲げ試験では割れが発生せず、健全な接合部が作製できることを確認した。

　・異厚ケース1～３の検討
　このように、金属板１，２の配置および回転ツール３の配置や傾斜、裏当てツール４の配置や形状を変更することで、段差部の接合後の形状を図３３、図３５、図３８のようなそれぞれ異なった形状に変更することが可能である。

　異厚ケース２，３において、裏当てツール４の押圧力保持面４ｂの形状は、金属板１，２の板厚差（裏面側段差）に対応するように加工されていると記載したが、板厚差（段差）が２ｍｍ未満であれば、このような加工がなくとも、本発明の効果が得られる。

　但し、段差量が２ｍｍ以上の場合には、接合不良や接合部の強度低下のおそれがあるため、裏当てツールの形状を加工することが好ましい。異厚量（段差量）の変化に伴い、裏当てツール４を適宜準備すると、経済性に劣る。このため、異厚ケース１の接合が好適である。

１，２　金属板
３　　　回転ツール
３ａ　　ツール本体
３ｂ　　ショルダ面
３ｃ　　ショルダ部
３ｄ　　突起部(プローブ)
４　　　裏当てツール
４ａ　　本体
４ｂ　　押圧力保持面
４ｃ　　押圧力保持面部
４ｄ　　凹み部
５　　　入側把持装置
５ａ，５ｂ　上下把持板
６　　　出側把持装置
６ａ，６ｂ　上下把持板
７　ツール回転駆動装置
９　上ハウジング
１０　下ハウジング
１１ａ、ｂ　レール
１１，１２　上下レール
１３，１４　フレーム
１５　軸芯
１８　台板
１９　キャリッジフレーム
１９ａ，１９ｂ　上下水平フレーム
２０ａ　回転ツール待機位置
２０ｂ　裏当てツール待機位置
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
４５　ツール押圧装置
４６　ツール位置保持装置
４７　上移動装置
４８　下移動装置
５１　上ケース
５２　下ケース
５３　回転用モータ
６１ａ　押圧用モータ
６１ｂ　位置保持用モータ
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　走行用モータ
７１　車輪
７２　スクリュー
７３　走行用モータ
７４　制御装置（走行用）
７５　移動装置
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
８３　制御装置
９０～９５　金属板（適用例）
Ｊ　接合部

Claims (10)

1. 　突き合わせた２枚の金属板（１，２）の接合部（Ｊ）の表面側と裏面側に、回転ツール（３）と裏当てツール（４）を配置し、こ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摩擦攪拌接合方法において、
   　前記回転ツール（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）とを有する構成とし、
   　前記裏当てツール（４）は、押圧力保持面部（４ｃ）を先端部分に形成した裏当てツール本体（４ａ）と、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）を有する構成とし、
   　前記回転ツール（３）と裏当てツール（４）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、
   　前記回転ツール（３）を回転させ、前記回転ツール（３）を前記裏当てツール（４）に近づく方向に移動して、前記回転ツールの突起部の先端部（３ｄ）を前記裏当てツールの凹み部（４ｄ）内に挿入し、前記回転ツールの前記ショルダ部（３ｃ）のショルダ面（３ｂ）と前記裏当てツールの押圧力保持面（４ｂ）との間に接合部（Ｊ）を挟み込み、前記回転ツールの前記ショルダ部のショルダ面（３ｂ）と前記裏当てツールの押圧力保持面（４ｂ）を前記接合部の表面側と裏面側から押圧し、
   　前記回転ツール（３）と裏当てツール（４）を前記接合部に沿って同期した状態で移動させ、
   　前記接合部の板厚方向全域を前記回転ツール（３）で摩擦攪拌する
   　ことを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
2. 　突き合わせた２枚の金属板（１，２）の接合部（Ｊ）の表面側と裏面側に、回転ツール（３）と裏当てツール（４）を配置し、こ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摩擦攪拌接合方法において、
   　前記回転ツール（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）とを有する構成とし、
   　前記裏当てツール（４）は、押圧力保持面部（４ｃ）を先端部分に形成した裏当てツール本体（４ａ）と、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）を有する構成とし、
   　前記回転ツール（３）と裏当てツール（４）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、
   　前記回転ツール（３）を回転させ、前記回転ツール（３）を前記裏当てツール（４）に近づく方向に移動して、前記回転ツールの突起部の先端部（３ｄ）を前記裏当てツールの凹み部（４ｄ）内に挿入し、前記回転ツールの前記ショルダ部（３ｃ）のショルダ面（３ｂ）と前記裏当てツールの押圧力保持面（４ｂ）との間に接合部（Ｊ）を挟み込み、前記回転ツールの前記ショルダ部のショルダ面（３ｂ）と前記裏当てツールの押圧力保持面（４ｂ）を前記接合部の表面側と裏面側から押圧し、
   　前記２枚の金属板（１，２）を接合方向と同方向に移動させ、
   　前記接合部の板厚方向全域を前記回転ツール（３）で摩擦攪拌することを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
3. 　請求項１または２に記載の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回転ツール（３）のショルダ面（３ｂ）と前記裏当てツール（４）の押圧力保持面（４ｂ）との間の距離（δ）について、回転ツール及び裏当てツールの進行方向の前方の面間距離（δ１）と比較して、該進行方向の後方の面間距離（δ２）が狭くなるように、前記回転ツール（３）また裏当てツール（４）の少なくともいずれか一方を傾斜する
   　ことを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
4. 　請求項１乃至３の何れか１項に記載の摩擦攪拌接合方法において、
   　前記回転ツール（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、
   　前記裏当てツール（４）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、位置を保持したままで、摩擦攪拌接合の開始から終了まで位置制御する
   　ことを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
5. 　突き合わせた２枚の金属板（１，２）の接合部（Ｊ）の表面側と裏面側に、回転ツール（３）と裏当てツール（４）を配置し、こ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摩擦攪拌接合装置において、
   　前記金属板（１，２）をそれぞれ把持する第１及び第２把持装置（５，６）と、
   　前記回転ツール（３）と裏当てツール（４）が前記突き合わせた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、前記回転ツールを装着し、前記回転ツールを回転駆動するツール回転駆動装置（７）と、
   　前記裏当てツール（４）を金属板裏面位置に保持するツール位置保持装置（４６）と、
   　前記ツール回転駆動装置に装着した前記回転ツール（３）を前記ツール位置保持装置により位置保持された裏当てツール（４）に近づく方向に移動して、前記回転ツールを金属板の接合部の表面側に押圧するツール押圧装置（４５）と、
   　前記ツール回転駆動装置に装着した前記回転ツール（３）および裏当てツール（４）を前記接合部（Ｊ）に沿って、同期した状態で移動させる移動装置（４７，４８，７５）とを備え、
   　前記回転ツール（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、
   　前記裏当てツール（４）は、押圧力保持面部（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）は、回転ツールを裏当てツールに近づく方向に移動するとき、前記回転ツールの突起部（３ｄ）の先端部を前記裏当てツールの凹み部（４ｄ）内に挿入するとともに、前記回転ツールの前記ショルダ部のショルダ面（３ｂ）を前記接合部の表面側から押圧し、回転ツールのショルダ面（３ｂ）と裏当てツールの押圧力保持面（４ｂ）の間に接合部（Ｊ）を挟み込むことで接合部（Ｊ）に押圧力を付与し、
   　前記移動装置（４７，４８，７５）は、前記回転ツールの突起部（３ｄ）の先端部を前記裏当てツールの凹み部（４ｄ）内に挿入し、前記回転ツールの前記ショルダ部のショルダ面（３ｂ）を前記接合部の表面側から押圧した状態で、かつ、前記回転ツール（３）と裏当てツール（４）を前記接合部に沿って同期した状態で移動させ、前記接合部の板厚方向全域を前記回転ツール（３）で摩擦攪拌する
   　ことを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
6. 　突き合わせた２枚の金属板（１，２）の接合部（Ｊ）の表面側と裏面側に、回転ツール（３）と裏当てツール（４）を配置し、こ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摩擦攪拌接合装置において、
   　前記金属板（１，２）をそれぞれ把持する第１及び第２把持装置（５，６）と、
   　前記回転ツール（３）と裏当てツール（４）が前記突き合わせた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、前記回転ツールを装着し、前記回転ツールを回転駆動するツール回転駆動装置（７）と、
   　前記裏当てツール（４）を金属板裏面位置に保持するツール位置保持装置（４６）と、
   　前記ツール回転駆動装置に装着した前記回転ツール（３）を前記ツール位置保持装置により位置保持された裏当てツール（４）に近づく方向に移動して、前記回転ツールを金属板の接合部の表面側に押圧するツール押圧装置（４５）と、
   　前記把持装置（５，６）に２枚の金属板（１，２）を接合方向と同方向に移動させる移動装置（７５）とを備え、
   　前記回転ツール（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、
   　前記裏当てツール（４）は、押圧力保持面部（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）は、回転ツールを裏当てツールに近づく方向に移動するとき、前記回転ツールの突起部（３ｄ）の先端部を前記裏当てツールの凹み部（４ｄ）内に挿入するとともに、前記回転ツールの前記ショルダ部のショルダ面（３ｂ）を前記接合部の表面側から押圧し、回転ツールのショルダ面（３ｂ）と裏当てツールの押圧力保持面（４ｂ）の間に接合部（Ｊ）を挟み込むことで接合部（Ｊ）に押圧力を付与し、
   　前記移動装置（７５）は、前記回転ツールの突起部（３ｄ）の先端部を前記裏当てツールの凹み部（４ｄ）内に挿入し、前記回転ツールの前記ショルダ部のショルダ面（３ｂ）を前記接合部の表面側から押圧した状態で、２枚の金属板（１，２）を接合方向と同方向に移動させ、前記接合部の板厚方向全域を前記回転ツール（３）で摩擦攪拌する
   　ことを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
7. 　請求項５または６に記載の摩擦攪拌接合装置において、
   　前記相対向するように配置した前記回転ツール（３）のショルダ面（３ｂ）と前記裏当てツール（４）の押圧力保持面（４ｂ）の間の距離（δ）について、回転ツール及び裏当てツールの進行方向の前方の面間距離（δ１）と比較し、該進行方向の後方の面間距離（δ２）が狭くなるように、前記回転ツール（３）また裏当てツール（４）の少なくともいずれか一方を傾けて支持する傾斜支持装置（７６ａ，７６ｂ）
   　を更に備えることを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
8. 　請求項５乃至７の何れか１項に記載の摩擦攪拌接合装置において、
   　前記回転ツール（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、前記裏当てツール（４）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、位置を保持したままで、摩擦攪拌接合の開始から終了まで位置制御するよう前記ツール押圧装置（４５）、前記ツール位置保持装置（４６）および前記移動装置（４７，４８，７５）を制御する制御装置（８３）
   　を更に備えることを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
9. 　請求項５乃至８に記載の摩擦攪拌接合装置において、
   　前記回転ツール（３）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、
   　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
   　ことを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
10. 　２枚の金属板（１，２）の接合部（Ｊ）を摩擦攪拌して、前記２枚の金属板を摩擦攪拌接合する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回転ツール（３）と裏当てツール（４）とを備え、
    　前記回転ツール（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、
    　前記裏当てツール（４）は、押圧力保持面部（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、
    　前記回転ツールの突起部（３ｄ）の先端部を前記裏当てツールの凹み部（４ｄ）内に挿入し、前記回転ツールの前記ショルダ部のショルダ面（３ｂ）を前記接合部の表面側から押圧し、回転ツールのショルダ面（３ｂ）と裏当てツールの押圧力保持面（４ｂ）の間に接合部（Ｊ）を挟み込むことで接合部（Ｊ）に押圧力を付与した状態で、前記回転ツール（３）と裏当てツール（４）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
    　ことを特徴とする摩擦攪拌接合用ツールセット。

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