WO2014024474A1 - 複動式摩擦攪拌接合または複動式摩擦攪拌点接合に用いられる接合ツールおよびこれを用いた接合装置 - Google Patents

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pin member
friction stir
pin
double
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豪生 岡田
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川崎重工業株式会社
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    • B23K20/12—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating the heat being generated by friction; Friction welding
    • B23K20/122—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating the heat being generated by friction; Friction welding using a non-consumable tool, e.g. friction stir welding
    • B23K20/1245—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating the heat being generated by friction; Friction welding using a non-consumable tool, e.g. friction stir welding characterised by the apparatus
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B23K20/1255—Tools therefor, e.g. characterised by the shape of the probe

Definitions

  • the present invention relates to a welding tool used for double-acting friction stir welding or double-acting friction stir spot welding, and a joining apparatus using the same, and in particular, a joining tool that enables good joining of objects to be joined and the same. It is related with the used joining apparatus.
  • double-acting friction stir welding using a substantially cylindrical shoulder member having a hollow for inserting the pin member in addition to the pin member is also known as a rotary tool.
  • the pin member and the shoulder member can rotate and advance and retract, respectively, the timing of the advance / retreat operation of the pin member and the advance / retreat operation of the shoulder member is adjusted. Thereby, it is possible to backfill the concave portion formed by the press-fitting of the pin member.
  • a substantially circular clamp member is often used outside the shoulder member.
  • double-acting friction stir welding or double-acting friction stir spot welding
  • double-acting friction stir welding is collectively referred to as “double-acting friction stir welding”.
  • bonded object or the like an object to be bonded or an adherent that protrudes from the object to be bonded
  • an operation failure occurs when an object to be joined or the like similarly enters between the shoulder member and the clamp member.
  • Patent Document 1 discloses a cleaning method for cleaning an object to be joined or the like attached between a pin member and a shoulder member.
  • Patent Document 2 Although there is nothing intended to prevent adhesion of an object to be joined or the like, as a technique for coating the surface of a welding tool in friction stir welding, for example, a technique disclosed in Patent Document 2, 3 or 4 is used.
  • these techniques aim to shorten the joining time (Patent Document 2), a base layer made of titanium carbide and a surface layer made of titanium nitride.
  • the pin member is coated with a two-layer film (Patent Document 2) and a film made of aluminum nitride (Patent Documents 3 and 4).
  • Patent Document 4 in addition to the coating of the aluminum nitride film, it is specified.
  • the use of a substrate in the composition is disclosed.
  • the outer peripheral surface of the probe and / or the probe is intended to suppress or prevent the material of the object to be bonded between the probe (pin member) and the shoulder member of the rotary tool.
  • a “rotary tool for friction stir spot joining” in which a coating layer whose outermost surface is made of carbon nanotubes is formed on the inner peripheral surface of a shoulder member is disclosed.
  • the coating disclosed in Patent Documents 2 to 4 is mainly intended to improve the strength of the joining tool as described above.
  • the pin member and the shoulder member It is not intended to suppress the adhesion of objects to be joined that have entered between.
  • the coating disclosed in Patent Documents 2 to 4 effectively suppresses adhesion of the aluminum-based material that is the workpiece. Therefore, malfunction cannot be effectively avoided.
  • Patent Document 5 forms a coating layer made of carbon nanotubes on the surface between the pin member and the shoulder member, thereby suppressing adhesion of an object to be bonded or the like between them.
  • this is prevented, it is not possible to suppress adhesion of an object to be joined to the tip of the pin member. Therefore, the appearance quality of the joint is not always good.
  • adhesion cannot be suppressed, part of the surface of the object to be bonded adheres to the contact surface and peels off with the movement of the pin member, which may affect the object to be bonded or the bonding tool itself. There is.
  • carbon nanotubes used as a material for the coating layer are very expensive and may increase costs.
  • the present invention has been made in order to solve such problems, and in double-acting friction stir welding or double-acting friction stir spot welding, particularly between a pin member and a shoulder member, It is an object to make it difficult to cause adhesion, to enable efficient joining, and to improve the quality of the joining portion.
  • a welding tool is used for double-acting friction stir welding or double-acting friction stir spot joining, in which the objects to be joined are partially agitated.
  • a joining tool that rotates around an axis to stir the joined article and is configured to be movable back and forth in the axial direction.
  • the joining tool is cylindrical and has a contact surface and an outer peripheral face to the joined object.
  • a pin member having non-affinity for the object to be joined and a cylindrical shape that is located outside the pin member and surrounds the outside of the pin member, and rotates around the same axis as the pin member.
  • the inner peripheral surface and the outer peripheral surface facing the pin member have non-affinity for the object to be bonded, and only the contact surface to the object to be bonded has affinity for the object to be bonded.
  • a shoulder member having To have.
  • the pin member and the shoulder member have non-affinity. Therefore, even if a to-be-joined object etc. penetrates between a pin member and a shoulder member, it can control or prevent effectively. Therefore, operation failure of the welding tool can be effectively avoided, and efficient friction stir welding or friction stir spot welding can be performed. Furthermore, since the thickness reduction due to wear of the pin member and the shoulder member, the occurrence of bending of the pin member, and the like can be effectively suppressed, it is possible to prevent the life of the joining tool from being reduced. Moreover, according to the said structure, since discharge
  • the contact surface of the shoulder member has an affinity for the object to be bonded, sufficient friction can be given to the object to be bonded, and the contact surface of the pin member can be applied to the object to be bonded. Since it has non-affinity, it is possible to avoid the possibility that part of the surface of the object to be bonded adheres to the contact surface and peels off as the pin member is retracted. Therefore, the friction stir welding or the friction stir spot welding can be performed more efficiently, and the quality of the joining portion can be further improved.
  • the bonding tool further includes a clamp member that is positioned outside the shoulder member and presses the object to be bonded from one surface, and a contact surface of the clamp member to the object to be bonded;
  • the clamp member may have a configuration in which the inner peripheral surface of the shoulder member facing the outer peripheral surface has non-affinity with respect to the workpiece.
  • the non-affinity state with respect to the object to be bonded may be a configuration realized by coating with diamond or hydrogen-free diamond-like carbon (hydrogen-free DLC).
  • the object to be joined may be composed of at least aluminum or an alloy thereof.
  • the state having non-affinity with respect to the object to be joined may be a configuration realized by surface treatment, change of tool material, or change of property of the tool material.
  • another welding tool is a double-acting friction stir welding or a double-acting friction stir welding that joins by partially stirring an object to be joined made of at least aluminum or an alloy thereof.
  • a joining tool that is used for double-acting friction stir spot welding is configured to rotate about an axis to stir the object to be joined, and to move back and forth in the axial direction.
  • the bonding tool further includes a clamp member that is positioned outside the shoulder member and presses the object to be bonded from one surface, and a contact surface of the clamp member to the object to be bonded;
  • the clamp member may have a configuration in which an inner peripheral surface facing the outer peripheral surface of the shoulder member is coated with diamond or hydrogen-free diamond-like carbon.
  • another joining tool is a double-acting friction stir welding or a double-acting friction stir spot joining which is performed by partially stirring the objects to be joined.
  • a joining tool that is configured to rotate around an axis to stir the object to be joined and to be movable back and forth in the axial direction, and includes a cylindrical pin member and an outer side of the pin member And a shoulder member that rotates around the same axis as the pin member, the outer diameter of the pin member being a pin outer diameter, and the shoulder
  • the clearance between the pin member and the shoulder member is such that the difference between the pin outer diameter and the shoulder inner diameter is 0.01 m. It may be a configuration that is set to be in the range of 0.1mm or less.
  • the joining tool further includes a clamp member that is located outside the shoulder member and presses the object to be joined from one surface, and an outer diameter of the shoulder member is a shoulder outer diameter.
  • the clearance between the shoulder member and the clamp member is a difference between the outer diameter of the shoulder and the inner diameter of the clamp of 0.01 mm or more and 0.1 mm or less when the inner diameter of the through hole for inserting the shoulder member is defined as the clamp inner diameter.
  • the configuration may be set so as to be within the range.
  • the present invention includes a joining apparatus that includes the joining tool having any one of the above-described configurations and is used for double-acting friction stir welding or double-acting friction stir spot joining.
  • FIG. 1 It is a schematic diagram which shows an example of a structure of the double acting friction stir welding apparatus which concerns on Embodiment 1 of this invention.
  • the double-action friction stir welding apparatus shown in FIG. 1 it is a schematic diagram which shows an example of the location which has coated the diamond or hydrogen free DLC on the double-action friction stir welding tool.
  • the double-action friction stir welding apparatus shown in FIG. 1 it is a schematic diagram which shows an example of the location which has coated the diamond or hydrogen free DLC on the double-action friction stir welding tool and other members.
  • the friction stir welding apparatus 50 includes a rotary tool 51, a tool fixing unit 52, a tool driving unit 53, a clamp member 54, a backing support unit 55, and a backing member 56. I have.
  • the rotary tool 51 is a joining tool supported by the tool fixing unit 52, and is advanced and retracted and rotated by the tool driving unit 53.
  • the rotary tool 51, the tool fixing unit 52, the tool driving unit 53, and the clamp member 54 are provided on an upper portion of a backing support portion 55 configured by a C-type gun (C-type frame), and a lower portion of the backing support portion 55. Is provided with a backing member 56. Therefore, the rotary tool 51 and the backing member 56 are attached to the backing support portion 55 at positions facing each other, and the workpiece 60 is disposed between the rotary tool 51 and the backing member 56.
  • the object 60 is made of aluminum or an alloy thereof (aluminum-based material).
  • the rotary tool 51 includes a pin member 11 and a shoulder member 12.
  • the tool fixing unit 52 includes a rotary tool fixing unit 521 and a clamp fixing unit 522.
  • the tool driving unit 53 includes a pin driving unit 531, a shoulder driving unit 532, a rotation driving unit 533, and a spring 534.
  • the clamp member 54 is fixed to the clamp fixing portion 522 via a spring 534.
  • the pin member 11 has a substantially cylindrical shape or a substantially columnar shape, and is supported by a rotary tool fixing portion 521, although not shown in detail.
  • the pin member 11 is rotated around the axis Xr (rotation axis, one-dot chain line in the drawing) by the rotation driving unit 533, and along the broken line arrow P1 direction, that is, the axis Xr direction (vertical direction in FIG. 1) by the pin driving unit 531. It can be moved forward and backward.
  • the shoulder member 12 has a substantially cylindrical shape having a hollow, the pin member 11 is inserted into the hollow, and is supported by the rotary tool fixing portion 521 so as to surround the pin member 11 outside the pin member 11.
  • the shoulder member 12 is configured to be rotated about the same axis line Xr as the pin member 11 by the rotation driving unit 533, and can be moved forward and backward by the shoulder driving unit 532 along the broken line arrow P ⁇ b> 2 direction, that is, the axis line Xr direction.
  • the pin member 11 and the shoulder member 12 are both supported by the same rotary tool fixing portion 521 in the present embodiment, and both rotate integrally around the axis Xr by the rotation drive portion 533. Further, the pin member 11 and the shoulder member 12 are configured to be movable forward and backward along the direction of the axis Xr by the pin driving unit 531 and the shoulder driving unit 532, respectively. In the configuration shown in FIG. 1, the pin member 11 can move forward and backward independently, and can also move forward and backward with the forward and backward movement of the shoulder member 12. However, the pin member 11 and the shoulder member 12 are mutually connected. It may be configured to be able to move forward and backward independently.
  • the clamp member 54 is provided on the outer side of the shoulder member 12 and, like the shoulder member 12, has a hollow cylindrical shape, and the shoulder member 12 is inserted into the hollow. Therefore, the substantially cylindrical shoulder member 12 is located on the outer periphery of the pin member 11, and the substantially cylindrical clamp member 54 is located on the outer periphery of the shoulder member 12. In other words, the clamp member 54, the shoulder member 12, and the pin member 11 each form a coaxial core-like nested structure.
  • the clamp member 54 presses the workpiece 60 from one surface (first surface), and is supported by the clamp fixing portion 522 via the spring 534 in the present embodiment. Therefore, the clamp member 54 is urged toward the backing member 56 side.
  • a rotating tool fixing portion 521 is supported on the clamp fixing portion 522 via a rotation driving portion 533.
  • the clamp fixing portion 522 is configured to be able to advance and retract in the direction of the broken line arrow P3 (the same direction as the broken line arrows P1 and P2) by the shoulder drive unit 532.
  • the spring 534 is a member that applies an urging force or pressurizing force to the clamp member 54, instead of the spring 534, for example, a mechanism using gas pressure, hydraulic pressure, a servo motor, or the like is also preferably used. be able to. Further, as shown in FIG. 1, the spring 534 may be configured to be movable forward and backward by being attached to the shoulder drive unit 532, or may be configured to be movable forward and backward independently of the shoulder drive unit 532. Good.
  • the rotary tool 51, the tool fixing part 52, the tool driving part 53, and the clamp member 54 having the above-described configuration are provided on the backing support part 55 so as to face the backing member 56 as described above.
  • the pin member 11 and the shoulder member 12 and the clamp member 54 constituting the rotary tool 51 include a contact surface 11a, a contact surface 12a, and a contact surface 54a, respectively, and the contact surfaces 11a, 12a, 54a are
  • the tool drive unit 53 moves forward and backward, and can come into contact with the first surface of the article 60 to be joined to the backing member 56.
  • the backing member 56 is provided at a position facing the pin member 11, the shoulder member 12, and the clamp member 54, and comes into contact with the other surface (second surface) of the workpiece 60. In FIG. 1, it has a flat surface so that it may contact
  • FIG. 1 it has a flat surface so that it may contact
  • the backing member 56 is located on the advancing direction side of the pin member 11 and the shoulder member 12, and the first surface of the object to be bonded 60 is directed to the pin member 11 and the shoulder member 12, and the back of the object 60
  • the two surfaces are supported by the support surface 56a.
  • the configuration of the backing member 56 is not particularly limited as long as the backing member 56 can appropriately support the workpiece 60 so that the friction stir spot welding can be performed.
  • it may be a flat plate-like structure having a support surface 56 a that can stably support the plate-like object 60, but a structure other than the flat shape can also be adopted according to the shape of the object 60 to be joined.
  • the backing member 56 having a plurality of types of shapes may be separately prepared and configured so as to be removed from the backing support portion 55 and exchanged depending on the type of the object to be joined 60.
  • the specific configurations of the rotary tool 51, the tool fixing unit 52, and the tool driving unit 53 in the present embodiment are not limited to the configurations described above, and widely known configurations can be suitably used in the field of friction stir welding.
  • the pin driving unit 531, the shoulder driving unit 532, and the rotation driving unit 533 constituting the tool driving unit 53 are all configured of a motor and a gear mechanism that are well-known in the field of friction stir welding in the present embodiment.
  • the clamp member 54 may not be provided in the configuration of the friction stir spot joining device 50A, and may be configured to be detachable from the backing support portion 55 as necessary, for example.
  • other members not shown in FIG. 1 may be included.
  • the backing support portion 55 is configured by a C-type gun in the present embodiment, but is not limited to this, and supports the pin member 11 and the shoulder member 12 so as to be movable forward and backward, and these rotary tools 51. What is necessary is just to be comprised so that the backing member 56 may be supported in the position which opposes.
  • the backing support portion 55 can be provided in a well-known processing device such as a friction stir spot welding robot device, an NC machine tool, a large C frame, or an auto riveter (not shown).
  • the contact area between the pin member 11 and the shoulder member 12 is softened by heat generation due to friction, and a plastic flow portion is generated. Therefore, the plastic fluidized portion can be agitated by causing the pin member 11 and the shoulder member 12 to enter or retreat from the workpiece 60, respectively. Therefore, the workpiece 60 can be partly agitated and joined.
  • a recess generated by the entry (press-fit) of the pin member 11 can be backfilled by the shoulder member 12. Thereafter, the rotary tool 51 and the backing member 56 are separated from the workpiece 60, and a series of friction stir welding is completed.
  • the state in which the surface of the rotary tool 51 has “low affinity for the object to be bonded 60” means that a material (such as an object to be bonded) constituting the object to be bonded 60 adheres or adheres. This means a difficult state, in other words, a state of “having non-affinity with the object to be bonded 60”.
  • the “having affinity” state can be rephrased as a state in which the friction with respect to the workpiece 60 is low. Therefore, the “having affinity” state can be rephrased as a state in which the friction against the workpiece 60 is high.
  • a typical example is a surface treatment.
  • the surface treatment is not particularly limited as long as it has low adhesion to the object to be bonded 60.
  • Specific examples thereof include various known coatings. Of these, diamond or hydrogen-free diamond-like carbon (hydrogen-free DLC) coating is particularly preferably used.
  • the pin member 11 of the rotary tool 51 has the contact surface 11 a and the outer peripheral surface 11 b that are in contact with the workpiece 60 coated with diamond or hydrogen-free DLC.
  • the shoulder member 12 has an inner peripheral surface 12b facing the pin member 11 and an outer peripheral surface 12c facing the clamp member 54 coated with diamond or hydrogen-free DLC.
  • the contact surface 12a of the shoulder member 12 is not coated with diamond or hydrogen-free DLC.
  • the coating with diamond or hydrogen-free DLC has a much lower affinity (having non-affinity) to the metal material than general DLC or other ceramic hard films. It became. Specifically, for example, when an aluminum-based material is cited as a metal material, since the bond structure between diamond-like carbon atoms is difficult to bond with aluminum atoms, the DLC coating itself is more aluminum than other ceramic coatings. There is a tendency for the affinity to the system material to be low.
  • the entire surface of the rotary tool 51 is not simply coated with diamond or hydrogen-free DLC, but the contact surface 12a of the shoulder member 12 is not coated with diamond or hydrogen-free DLC, and the pin member.
  • the contact surface 11a of 11 is coated with diamond or hydrogen-free DLC.
  • the peripheral speed with respect to the workpiece 60 is relatively higher than that of the contact surface 11 a of the pin member 11.
  • the contact surface 12a of the shoulder member 12 is not coated with diamond or hydrogen-free DLC, the contact surface 12a can exhibit a good affinity for the object to be bonded 60, and therefore is not covered. Sufficient friction can be given to the bonded product 60. As a result, friction stir welding can be performed more efficiently.
  • the contact surface 11a of the pin member 11 has a relatively low peripheral speed with respect to the object to be bonded 60. Therefore, if the affinity with the object to be bonded 60 is high, the contact surface 11a is accompanied by the retraction of the pin member 11. A part of the first surface of the object to be bonded 60 may adhere to and peel off. If the contact surface 11a of the pin member 11 is coated with diamond or hydrogen-free DLC, peeling of the first surface of the workpiece 60 is avoided, so that the quality of the joint can be further improved. .
  • hydrogen-free DLC does not indicate only DLC that does not contain any hydrogen atoms, but includes those that contain less hydrogen atoms than general DLC. Therefore, in the present invention, the hydrogen-free DLC that coats the pin member 11 and the shoulder member 12 refers to, for example, DLC having a hydrogen content of 10 at% (atomic concentration) or less. With such a DLC, the affinity with an aluminum-based material or the like can be lowered (providing non-affinity) as compared with general DLC, and adhesion of an object to be joined can be effectively suppressed. Alternatively, it can be avoided.
  • the method for coating the pin member 11 and the shoulder member 12 with diamond or hydrogen-free DLC is not particularly limited, and a known physical vapor deposition method or the like can be suitably used.
  • a method of depositing carbon by a known physical vapor deposition method using graphite as a raw material under atmospheric conditions not containing hydrogen can be suitably used.
  • the coating surface of the pin member 11 and the shoulder member 12 that is, the contact surface 11a and the outer peripheral surface 11b of the pin member 11, and the inner peripheral surface 12b and the outer peripheral surface 12c of the shoulder member 12 should have less surface roughness. preferable. Thereby, the coating surface can be satisfactorily coated with diamond or hydrogen-free DLC.
  • the method for not coating the contact surface 12a of the shoulder member 12 with diamond or hydrogen-free DLC is not particularly limited.
  • the contact surface 12a is masked by a known method.
  • diamond or hydrogen-free DLC may be removed by polishing only the contact surface 12a.
  • the coating is exemplified as an example of the surface treatment of the pin member 11, the shoulder member 12, and the clamp member 54 (the rotary tool 51).
  • the surface treatment according to the present invention is not limited to this. Needless to say. That is, in the present invention, as long as the properties of the surface of the rotary tool 51 can be changed, a known surface treatment method other than coating can be suitably used, and even a method other than the surface treatment can be used. It can be used suitably.
  • a material (or a surface state) that has a low affinity for the object to be bonded 60 and is difficult to adhere to the part to be prevented or avoided in the rotating tool 51 is adopted.
  • the material (or surface state) which has affinity with the to-be-joined object 60 can be employ
  • the contact surface 12a of the shoulder member 12 may be made of a material (or a change in the surface state) that can obtain friction with respect to the workpiece 60.
  • the specific method for coating, surface treatment, or partial change of material is not particularly limited, and a coating, surface treatment, or material having low affinity is selected depending on the type of the object to be bonded 60. It can be appropriately selected and used.
  • a ceramic material such as silicon nitride (Si 3 N 4 ) can be given.
  • diamond or hydrogen-free DLC coating is adopted as a preferred method for “reducing affinity”, but these coatings should be widely and suitably used for general metal materials. And is highly versatile.
  • the object to be joined 60 to be joined by the friction stir welding apparatus 50 according to the present embodiment is typically made of metal, and the type of the metal is specifically described. It is not limited. As a specific example, the above-described aluminum-based material (aluminum or an alloy thereof) may be mentioned, but the object to be bonded 60 is composed of other metals such as titanium and iron or an alloy thereof in addition to the aluminum-based material. It may be what has been done. Furthermore, since the friction stir welding apparatus 50 according to the present embodiment is also effective for joining dissimilar metals such as aluminum and titanium or aluminum and iron, the workpiece 60 is made of a plurality of types of metals. Also good. In addition, the material to be bonded 60 is not limited to metal, and may be a material to which friction stir welding can be applied, such as various resins.
  • the joining tool according to the present invention is used for double-acting friction stir welding or double-acting friction stir spot joining, and has a cylindrical pin member 11 that rotates around an axis, and an outer side of the pin member 11.
  • the contact member 11a and the outer peripheral surface 11b of the pin member 11 have low affinity for the workpiece 60 (to the workpiece 60).
  • the inner peripheral surface 12b and the outer peripheral surface 12c of the shoulder member 12 have a low affinity for the object to be bonded 60 (has a non-affinity for the object to be bonded 60).
  • only the contact surface 12a may have a configuration having affinity for the workpiece 60.
  • the joining tool according to the present invention includes the clamp member 54
  • the contact surface 54a of the clamp member 54 and the inner peripheral surface 54b of the clamp member 54 have an affinity for the workpiece 60. What is necessary is just to become low (it has non-affinity with respect to the to-be-joined object 60).
  • non-affinity with respect to the workpiece 60 may be imparted to members other than the rotary tool 51.
  • the welding tool provided in the friction stir welding apparatus 50 that is, the rotary tool 51 is coated with diamond or hydrogen-free DLC except for the contact surface 12a of the shoulder member 12.
  • the members other than the rotary tool 51 may be coated with diamond or hydrogen-free DLC.
  • the clamp member 54 and the backing member 56 can also be coated with diamond or hydrogen-free DLC.
  • the contact surface 54a to the workpiece 60 and the inner peripheral surface 54b facing the outer peripheral surface 12c of the shoulder member 12 may be coated with diamond or hydrogen-free DLC.
  • the clamp member 54 does not rotate.
  • the contact surface 54a that contacts the workpiece 60 is coated with diamond or hydrogen-free DLC. Is preferred.
  • the clamp member 54 is positioned so as to cover the periphery of the shoulder member 12, there is a possibility that an object to be joined or the like enters between the shoulder member 12 and the clamp member 54 as the shoulder member 12 moves forward and backward. There is. Therefore, it is preferable that the inner peripheral surface 54b facing the shoulder member 12 is also coated with diamond or hydrogen-free DLC.
  • the clamp member 54 is a part of the friction stir welding apparatus 50 in the present embodiment, it may constitute the rotary tool 51 (friction stir welding tool) together with the pin member 11 and the shoulder member 12.
  • the support surface 56a that supports the workpiece 60 may be coated with diamond or hydrogen-free DLC.
  • the backing member 56 is located on the advancing direction side when viewed from the rotary tool 51, and is supported on the second surface of the workpiece 60 with the first surface of the workpiece 60 facing the rotary tool 51.
  • the surface 56a is in contact with and supported. Therefore, since the backing member 56 abuts on the workpiece 60 in a very large area, the workpiece or the like generated from the workpiece 60 is likely to be interposed between the second surface and the support surface 56a. . Therefore, by coating the support surface 56a with diamond or hydrogen-free DLC, it is possible to make it difficult to adhere the object to be bonded between the object 60 and the support surface 56a.
  • the bush portion provided inside the clamp member 54 prevents the shoulder member 12 located inside the clamp member 54 from being touched during rotation.
  • the presence of the bush portion causes the clamp member 54 and the shoulder member 12 to be touched. Excessive contact with the shoulder member 12 that is the rotary tool 51 can be particularly reduced.
  • the state in which the bush portion is in contact with the pin member 11 or the shoulder member 12 is not particularly limited, and may be a lubrication contact through a known lubricant, or no lubrication without a lubricant or the like. It may be a contact.
  • the present invention has been described by taking double-acting friction stir welding as an example, but the present invention is not limited to this, and is also suitable for single-acting friction stir welding that is not double-acting. Can be used. Further, the present invention can be suitably applied to double-acting friction stir spot welding and friction stir welding that is not spot welding.
  • the surface of the shoulder member 12 other than the contact surface 12 a may be provided with non-affinity for the workpiece 60.
  • the present invention is not limited to this, and may be configured to set at least the clearances of the pin member 11 and the shoulder member 12.
  • the rotary tool 51 has basically the same configuration as the rotary tool 51 described in the first embodiment, but the clearance between the pin member 11 and the shoulder member 12 is preferable.
  • the range is set.
  • the rotary tool 51 only needs to include the pin member 11 and the shoulder member 12, but may further include a clamp member 54.
  • the shoulder member 12 and The clearance of the clamp member 54 may be set within a suitable range.
  • the through hole for inserting the pin member 11 in the shoulder member 12 is referred to as a “pin member insertion hole 12d”.
  • the outer diameter of the pin member 11 is the pin outer diameter
  • the inner diameter of the pin member insertion hole 12d in the shoulder member 12 is the shoulder inner diameter
  • the clearance between the pin member 11 and the shoulder member 12 is the pin outer diameter and the shoulder.
  • the difference with the inner diameter may be set within the range of 0.01 mm or more and 0.1 mm or less, preferably within the range of more than 0.01 mm and less than 0.05 mm, and more preferably around 0.03 mm. .
  • Dta shown by the block arrow in FIG. 4 is a difference between the radius of the pin member 11 and the radius of the shoulder inner diameter.
  • this 2Dta may be 0.01 mm or more and 0.1 mm or less (0.01 mm ⁇ 2Dta ⁇ 0.1 mm).
  • the quality of the joined portion of the article to be joined 60 is significantly lowered. Moreover, aluminum adhesion that cannot be ignored occurs on the pin member 11 and the shoulder member 12, and scratches that cannot be ignored occur on the shoulder member 12.
  • the quality of the joined portion of the workpiece 60 is good, but if the mounting accuracy of the rotary tool 51 is low, the pin member 11 and the shoulder member 12 become red hot. May be overheated.
  • the temperature of the rotary tool 51 during construction is generally about 450 ° C. However, at this temperature, excessive heating of the rotary tool 51 is usually not performed. Does not happen. Therefore, excessive heating of the pin member 11 and the shoulder member 12 may lead to damage of the rotary tool 51.
  • the clearance between the pin member 11 and the shoulder member 12 it is desirable to set the clearance between the pin member 11 and the shoulder member 12 so that the difference between the pin outer diameter and the shoulder inner diameter is within a range of 0.01 mm or more and 0.1 mm or less. .
  • the clearance between the shoulder member 12 and the clamp member 54 may be set within a suitable range. Similar to the through hole of the shoulder member 12, the through hole into which the shoulder member 12 is inserted in the clamp member 54 is referred to as “shoulder member insertion hole 54 d”, and the outer diameter of the shoulder member 12 is defined as the shoulder outer diameter. If the inner diameter of the shoulder member insertion hole 54d is the clamp inner diameter, the clearance between the shoulder member 12 and the clamp member 54 is within the range where the difference between the shoulder outer diameter and the clamp inner diameter is 0.01 mm or more and 0.1 mm or less. It may be set as follows.
  • the shoulder outer diameter is Ro and the clamp inner diameter is Rc
  • Dtb shown by the block arrow in FIG. 4 is a difference between the radius of the shoulder outer diameter and the radius of the clamp inner diameter.
  • this 2Dtb may be 0.01 mm or more and 0.1 mm or less (0.01 mm ⁇ 2Dtb ⁇ 0.1 mm).
  • non-affinity By imparting non-affinity to appropriate portions of the rotary tool 51, it is possible to substantially prevent adhesion of workpieces and the like that have entered between the members.
  • by optimizing the clearance of the rotary tool 51 it is possible to effectively prevent the possibility that a workpiece or the like enters between each member while taking into account the width of thermal expansion or forward / backward movement of the rotary tool 51. can do. Therefore, non-affinity is imparted to an appropriate portion of the rotary tool 51 and the clearance of the rotary tool 51 is optimized (by combining the first and second embodiments), so that the members to be joined are joined.
  • the rotary tool 51 can also be suppressed from being press-fitted into the workpiece 60 in such a manner as to press down the discharge from between them.
  • the clearance between the pin member 11 and the shoulder member 12 is such that the difference 2Dta between the pin outer diameter and the shoulder inner diameter is within a range of 0.01 mm ⁇ 2Dta ⁇ 0.1 mm
  • the clearance between the shoulder member 12 and the clamp member 54 may be such that the difference 2Dtb between the shoulder outer diameter and the clamp inner diameter is 0.01 mm ⁇ 2Dtb ⁇ 0.1 mm, but the results of Example 2 and Reference Examples 1 to 3 described later are used. As is clear from the above, a range of about 0.03 mm is more preferable.
  • the difference 2Dta between the pin outer diameter and the shoulder inner diameter is more preferably in the range of 0.03 mm ⁇ 0.01 mm (0.02 mm ⁇ 2Dta ⁇ 0.04 mm). More preferably, the difference 2Dtb between the inner diameter of the clamp and the inner diameter of the clamp is within a range of 0.03 mm ⁇ 0.01 mm (0.02 mm ⁇ 2Dtb ⁇ 0.04 mm).
  • Example 1 First, a double-acting FSJ robot system manufactured by Kawasaki Heavy Industries, Ltd. is used as the friction stir welding apparatus 50.
  • the rotary tool 51 As the rotary tool 51, the pin member 11 entirely coated with hydrogen-free DLC and the pin member 11 are moved forward and backward.
  • the outer diameter of the part (the pin member 11 and the shoulder member 12) that moves forward and backward with respect to the workpiece 60 is 6 mm, and the outer part of the clamp member 54 that accommodates the part that moves forward and backward is contained inside. The diameter was 12 mm.
  • an aluminum material (AL6061-T6) having a thickness of 0.025 inch (about 0.635 mm) and an aluminum material (AL2024C-T3) having a thickness of 0.020 inch (about 0.508 mm) are used. Friction stir welding was applied 952 times to the workpiece 60 using the stacked ones.
  • Friction stir welding was applied to the workpiece 60 in the same manner as in the above example, except that the rotating tool 51 having the same dimensions coated entirely with non-hydrogen-free DLC was used as the rotating tool 51.
  • Example 2 As the rotary tool 51, a pin member 11 having an outer diameter of 3.0 mm, a shoulder member 12 having an outer diameter of 6.0 mm and an inner diameter of 3.03 mm, and an outer diameter of 12 mm and an inner diameter of 6.03 mm. A clamp member 54 was prepared. The pin member 11, the shoulder member 12, and the clamp member 54 were subjected to hydrogen-free DLC coating.
  • the clearance between the pin member 11 and the shoulder member 12 is set so that the difference between the pin outer diameter and the shoulder inner diameter is 0.03 mm, and the clearance between the shoulder member 12 and the clamp member 54 is equal to the shoulder outer diameter.
  • the difference from the clamp inner diameter is set to 0.03 mm.
  • a shoulder member 12 having an outer diameter of 6.0 mm and an inner diameter of 3.05 mm is used, and a clamp member 54 has an outer diameter of 12 mm and an inner diameter of 6.05 mm.
  • the workpiece 60 was joined in the same manner as in Example 2 except that a material was used.
  • the clearance between the pin member 11 and the shoulder member 12 is set so that the difference between the pin outer diameter and the shoulder inner diameter is 0.05 mm, and the clearance between the shoulder member 12 and the clamp member 54 is outside the shoulder.
  • the difference between the diameter and the clamp inner diameter is set to be 0.05 mm.
  • the shoulder member 12 has an outer diameter of 6.0 mm and an inner diameter of 3.07 mm
  • the clamp member 54 has an outer diameter of 12 mm and an inner diameter of 6.07 mm.
  • the object to be bonded 60 was bonded in the same manner as in Example 2 except that was used.
  • the clearance between the pin member 11 and the shoulder member 12 is set so that the difference between the pin outer diameter and the shoulder inner diameter is 0.07 mm, and the clearance between the shoulder member 12 and the clamp member 54 is outside the shoulder.
  • the difference between the diameter and the clamp inner diameter is set to be 0.07 mm.
  • the shoulder member 12 has an outer diameter of 6.0 mm and an inner diameter of 3.01 mm
  • the clamp member 54 has an outer diameter of 12 mm and an inner diameter of 6.01 mm.
  • the object to be bonded 60 was bonded in the same manner as in Example 2 except that was used.
  • the clearance between the pin member 11 and the shoulder member 12 is set so that the difference between the pin outer diameter and the shoulder inner diameter is 0.01 mm, and the clearance between the shoulder member 12 and the clamp member 54 is equal to the shoulder outer diameter.
  • the difference from the inner diameter of the clamp is set to 0.01 mm.
  • the rotating tool 51 tended to be excessively heated in the pin member 11 and the shoulder member 12 during construction.
  • both the clearance of the pin member 11 and the shoulder member 12 and the clearance of the shoulder member 12 and the clamp member 54 may be 0.01 mm or more and 0.1 mm or less. It is preferable that it is within the range of more than 0.01 mm and less than 0.05 mm, and more preferably around 0.03 mm (for example, about 0.03 ⁇ 0.01 mm).
  • the present invention can be used widely and suitably when various objects to be bonded are subjected to friction stir welding or friction stir spot welding.

Landscapes

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Abstract

　本発明に係る複動式摩擦攪拌接合ツールは、少なくとも、円柱状のピン部材（１１）と、このピン部材（１１）の外側に位置する円筒形状であって、当該ピン部材（１１）と同一の軸線周りに回転するショルダ部材（１２）と、から構成される。ピン部材（１１）は、被接合物（６０）への当接面（１１ａ）および外周面（１１ｂ）が、被接合物（６０）に対する非親和性を有する。またショルダ部材（１２）は、ピン部材（１１）に面する内周面（１２ｂ）および外周面（１２ｃ）が、被接合物（６０）に対する非親和性を有しており、被接合物（６０）への当接面（１２ａ）のみ、被接合物（６０）に対する親和性を有している。また、ピン部材（１１）およびショルダ部材（１２）のクリアランスが好適化されてもよい。

Description

複動式摩擦攪拌接合または複動式摩擦攪拌点接合に用いられる接合ツールおよびこれを用いた接合装置
　本発明は、複動式摩擦攪拌接合または複動式摩擦攪拌点接合に用いられる接合ツールおよびこれを用いた接合装置に関し、特に、被接合物の良好な接合を可能とする接合ツールおよびこれを用いた接合装置に関する。
　摩擦攪拌接合は、回転工具である円柱状のピン部材を、金属材料からなる被接合物中に押し込んで（圧入して）、当該金属材料を軟化させて攪拌することにより、被接合物同士を接合する方法であり、接合時の入熱が少なく、軟化または歪みの程度が少ない接合手法として注目されている。
　さらに、回転工具として、前記ピン部材に加えて、当該ピン部材を内挿するための中空を有する略円柱状のショルダ部材とを用いる複動式摩擦攪拌接合も知られている。この複動式摩擦攪拌接合は、ピン部材およびショルダ部材（接合ツール）は、それぞれ回転動作および進退動作を行うことができるため、ピン部材の進退動作とショルダ部材の進退動作とのタイミングを調整することで、ピン部材の圧入により形成された凹部を埋め戻すことが可能となっている。さらに、複動式摩擦攪拌点接合では、ショルダ部材の外側に略円中状のクランプ部材が用いられることが多い。
　ところで、複動式摩擦攪拌接合あるいは複動式摩擦攪拌点接合（以下、複動式摩擦攪拌接合あるいは複動式摩擦攪拌点接合をまとめて「複動式摩擦攪拌接合」と称する）においては、ピン部材とショルダ部材との間に被接合物あるいは被接合物からはみ出した凝着物等（以下、「被接合物等」と称する）が入り込むことによって動作不良が生じることが知られている。さらには、ショルダ部材とクランプ部材との間にも同様に被接合物等が入り込むことによって動作不良が生じることが知られている。具体的には、接合ツールの圧入および引抜きによって被接合物等の入り込み等が生じやすく、入り込んだ被接合物等がピン部材とショルダ部材との間に入り込むと、これら接合ツールの表面（例えばピン部材であれば外周面、ショルダ部材であれば内周面）に凝着して、当該接合ツールの進退動作が円滑に行われなくなるおそれがある。そこで、例えば特許文献１には、ピン部材とショルダ部材との間に付着した被接合物等を清掃する清掃方法が開示されている。
　しかしながら、複動式摩擦攪拌接合においては、前記のような清掃方法を随時実施するよりも、そもそも被接合物等が接合ツールの表面に凝着しないようにする方が、動作不良を防止する観点から好ましい。この場合、接合ツールの表面をコーティングすることが考えられる。
　被接合物等の凝着を防止することを目的とするものはないが、摩擦攪拌接合において接合ツールの表面をコーティングする技術としては、例えば、特許文献２、３または４に開示される技術が知られている。これら技術は、接合ツールの耐久性の向上を図ることに加え、接合時間の短縮化も図ることを目的として、酸化アルミニウムの被膜（特許文献２）、炭化チタンからなる基層と窒化チタンからなる表層との二層の被膜（特許文献２）、窒化アルミニウムからなる被膜（特許文献３、４）等をピン部材にコーティングしており、さらに特許文献４では、窒化アルミニウム被膜のコーティングに加えて、特定組成に基材を用いることが開示されている。
　さらに、特許文献５には、回転工具のプローブ（ピン部材）とショルダ部材との間に被接合物の材料が凝着することを抑制または防止することを目的として、プローブの外周面および／またはショルダ部材の内周面に、最表面がカーボンナノチューブからなるコーティング層を形成する「摩擦攪拌点接合用の回転工具」が開示されている。
特開２００７－２１６２８６号公報 特開２００７－２６８６０５号公報 特開２００８－０３００９６号公報 特開２００９－０７２７９０号公報 特開２０１１－０３６８７８号公報
　ここで、特許文献２ないし４に開示されるコーティングは、前述した通り接合ツールの強度向上を図ることを主たる目的とするものであり、複動式摩擦攪拌接合において、ピン部材とショルダ部材との間に入り込んだ被接合物等の凝着を抑制するためのものではない。例えば、被接合物がアルミニウムまたはアルミニウム合金（アルミニウム系材料）で構成されている場合、特許文献２ないし４に開示されるコーティングでは、被接合物であるアルミニウム系材料の凝着を有効に抑制することができないため、動作不良を有効に回避することができない。
　また、被接合物等が接合ツールの表面に凝着すると、清掃により凝着物を排出させる際に当該接合ツールの表面に摩耗が生じる場合がある。また、凝着物の排出が繰り返されると接合ツールの肉厚が減少するおそれもある。このことから凝着物はなるべく少ない、あるいは出さないほうが望ましい。
　一方、特許文献５に開示される技術は、ピン部材とショルダ部材との間の面にカーボンナノチューブからなるコーティング層を形成することで、これらの間に被接合物等が凝着することを抑制または防止しているが、この技術では、ピン部材の先端に被接合物等が凝着することを抑制できない。そのため、接合部の外観品質は必ずしも良好ではない。また、凝着を抑制できないことから、ピン部材の動作に伴って、当接面に被接合物の表面の一部が付着して剥離し、被接合物あるいは接合ツールそのものに影響を与える可能性がある。また、コーティング層の材料として用いられるカーボンナノチューブは非常に高価であり、コスト増を招くおそれもある。
　本発明はこのような課題を解決するためになされたものであって、複動式摩擦攪拌接合または複動式摩擦攪拌点接合において、特にピン部材とショルダ部材との間で被接合物等の凝着を発生させにくくするとともに、効率的な接合を可能とし、さらに接合箇所の品質向上を図ることも可能とすることを目的とする。
　本発明に係る接合ツールは、前記の課題を解決するために、被接合物を部分的に攪拌することにより接合する複動式摩擦攪拌接合または複動式摩擦攪拌点接合に用いられ、前記被接合物を攪拌するために軸線周りに回転し、かつ、当該軸線方向に進退移動可能に構成されている接合ツールであって、円柱状であって前記被接合物への当接面および外周面が、前記被接合物に対する非親和性を有するピン部材と、当該ピン部材の外側に位置し、かつ、当該ピン部材の外側を囲う円筒形状であって、当該ピン部材と同一の軸線周りに回転し、当該ピン部材に面する内周面および外周面が、前記被接合物に対する非親和性を有しており、かつ、前記被接合物への当接面のみ、前記被接合物に対する親和性を有しているショルダ部材と、から構成されている。
　前記構成によれば、ピン部材およびショルダ部材の間は非親和性を有している。これにより、被接合物等がピン部材およびショルダ部材の間に入り込んでも凝着することを有効に抑制または防止することができる。それゆえ、接合ツールの動作不良を有効に回避することができ、効率的な摩擦攪拌接合または摩擦攪拌点接合を実施することができる。さらに、ピン部材およびショルダ部材の摩耗による肉厚の減少、ピン部材の折れ等の発生も有効に抑えることができるので、接合ツールの寿命の低下を防止することもできる。また、前記構成によれば、凝着物の排出が抑えられることから、ピン部材やショルダ部材が排出物を押え付ける形で圧入することも抑制することができる。それゆえ、接合箇所の表面に損傷が生じたり凹凸が発生したりすることが実質的に防止できるので、接合箇所の品質向上を図ることも可能となる。
　しかも、ショルダ部材の当接面が被接合物に対して親和性を有することから、被接合物に対して十分な摩擦を与えることができ、また、ピン部材の当接面は被接合物に対する非親和性を有しているので、ピン部材の引込みに伴って当接面に被接合物の表面の一部が付着して剥離するおそれも回避することができる。それゆえ、摩擦攪拌接合または摩擦攪拌点接合をより効率的に実施することができるとともに、接合箇所の品質をより向上することもできる。　前記構成の接合ツールにおいては、前記ショルダ部材の外側に位置し、前記被接合物を一方の面から押圧するクランプ部材をさらに備え、当該クランプ部材における前記被接合物への当接面と、当該クランプ部材における前記ショルダ部材の前記外周面に面する内周面とが、前記被接合物に対する非親和性を有している構成であってもよい。
　また、前記構成の接合ツールにおいては、前記被接合物に対する非親和性を有する状態は、ダイヤモンドあるいは水素フリーダイヤモンドライクカーボン（水素フリーＤＬＣ）によるコーティングで実現されている構成であってもよい。
　また、前記構成の接合ツールにおいては、前記被接合物が、少なくともアルミニウムまたはその合金で構成されてもよい。
　また、前記構成の接合ツールにおいては、前記被接合物に対する非親和性を有する状態とは、表面処理、ツール材質の変更、あるいは、ツール材料の性質の変更により実現される構成であってもよい。
　また、本発明に係る他の接合ツールは、前記の課題を解決するために、少なくともアルミニウムまたはその合金で構成される被接合物を部分的に攪拌することにより接合する複動式摩擦攪拌接合または複動式摩擦攪拌点接合に用いられ、前記被接合物を攪拌するために軸線周りに回転し、かつ、当該軸線方向に進退移動可能に構成されている接合ツールであって、円柱状であって前記被接合物への当接面および外周面が、ダイヤモンドあるいは水素フリーダイヤモンドライクカーボンによりコーティングされているピン部材と、当該ピン部材の外側に位置し、かつ、当該ピン部材の外側を囲う円筒形状であって、当該ピン部材と同一の軸線周りに回転し、当該ピン部材に面する内周面、および外周面が、ダイヤモンドあるいは水素フリーダイヤモンドライクカーボンによりコーティングされており、かつ、前記被接合物への当接面のみ、ダイヤモンドあるいは水素フリーダイヤモンドライクカーボンではコーティングされていないショルダ部材と、から構成されてもよい。
　前記構成の接合ツールにおいては、前記ショルダ部材の外側に位置し、前記被接合物を一方の面から押圧するクランプ部材をさらに備え、当該クランプ部材における前記被接合物への当接面と、当該クランプ部材における前記ショルダ部材の前記外周面に面する内周面とが、ダイヤモンドあるいは水素フリーダイヤモンドライクカーボンによりコーティングされている構成であってもよい。
　また、本発明に係るさらに他の接合ツールは、前記の課題を解決するために、被接合物を部分的に攪拌することにより接合する複動式摩擦攪拌接合または複動式摩擦攪拌点接合に用いられ、前記被接合物を攪拌するために軸線周りに回転し、かつ、当該軸線方向に進退移動可能に構成されている接合ツールであって、円柱状のピン部材と、当該ピン部材の外側に位置し、かつ、当該ピン部材を囲う円筒形状であって、当該ピン部材と同一の軸線周りに回転するショルダ部材と、から構成され、前記ピン部材の外径をピン外径とし、前記ショルダ部材における前記ピン部材を内挿する貫通孔の内径をショルダ内径としたときに、前記ピン部材および前記ショルダ部材のクリアランスは、前記ピン外径と前記ショルダ内径との差分が０．０１ｍｍ以上０．１ｍｍ以下の範囲内になるように設定されている構成であってもよい。
　前記構成によれば、ピン部材およびショルダ部材のクリアランスを好適化しているので、被接合物等がピン部材およびショルダ部材の間に入り込みにくくすることができる。それゆえ、接合ツールの動作不良を有効に回避することができ、効率的な摩擦攪拌接合または摩擦攪拌点接合を実施することができる。また、接合箇所では、ピン部材の当接部位とショルダ部材の当接部位との間にバリが発生することを有効に抑制することができる。それゆえ、接合箇所の品質向上を図ることも可能となる。
　さらに、凝着の原因となる被接合物の入り込みが仮に発生したとしても、その量は極めて少なく、入り込んだ被接合物の排出も実質的に抑制される。それゆえ、ピン部材およびショルダ部材が、これらの間からの排出物を押さえ付ける形で、被接合物に圧入することも抑制することができる。
　前記構成の接合ツールにおいては、前記ショルダ部材の外側に位置し、前記被接合物を一方の面から押圧するクランプ部材をさらに備え、前記ショルダ部材の外径をショルダ外径とし、前記クランプ部材における前記ショルダ部材を内挿する貫通孔の内径をクランプ内径としたときに、前記ショルダ部材および前記クランプ部材のクリアランスは、前記ショルダ外径と前記クランプ内径との差分が０．０１ｍｍ以上０．１ｍｍ以下の範囲内になるように設定されている構成であってもよい。
　また、本発明には、前記いずれかの構成の接合ツールを備え、複動式摩擦攪拌接合または複動式摩擦攪拌点接合に用いられる接合装置も含まれる。
　本発明の上記目的、他の目的、特徴、及び利点は、添付図面参照の下、以下の好適な実施態様の詳細な説明から明らかにされる。
　本発明によれば、複動式摩擦攪拌接合または複動式摩擦攪拌点接合において、特にピン部材とショルダ部材との間で被接合物等の凝着を発生させにくくするとともに、効率的な接合を可能とし、さらに接合箇所の品質向上を図ることも可能とするという効果を奏する。
本発明の実施の形態１に係る複動式摩擦攪拌接合装置の構成の一例を示す模式図である。 図１に示す複動式摩擦攪拌接合装置において、複動式摩擦攪拌接合ツールにダイヤモンドあるいは水素フリーＤＬＣをコーティングしている箇所の一例を示す模式図である。 図１に示す複動式摩擦攪拌接合装置において、複動式摩擦攪拌接合ツールおよびそれ以外の部材にダイヤモンドあるいは水素フリーＤＬＣをコーティングしている箇所の一例を示す模式図である。 本発明の実施の形態２に係る複動式摩擦攪拌接合装置が備える複動式摩擦攪拌接合ツールにおいて、ピン部材およびショルダ部材のクリアランス、または、ショルダ部材およびクランプ部材のクリアランスを説明する模式図である。 本発明の実施の形態１に係る複動式摩擦攪拌接合装置で、アルミニウム材の摩擦攪拌接合を行った後のピン部材の外観を示す図である。
　以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。なお、以下では全ての図を通じて同一又は相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複する説明を省略する。
　（実施の形態１）
　［複動式摩擦攪拌接合装置］
　本発明の実施の形態に係る複動式摩擦攪拌接合装置の基本的な構成の一例について、図１を参照して具体的に説明する。なお、以下の説明では、便宜上、複動式摩擦攪拌接合装置を「摩擦攪拌接合装置」と、複動式摩擦攪拌接合ツールを「接合ツール」と、それぞれ略記する。また、前述したように、本明細書では、複動式摩擦攪拌接合あるいは複動式摩擦攪拌点接合をまとめて「複動式摩擦攪拌接合」と称するので、本実施の形態で説明する「摩擦攪拌接合装置」は、「複動式摩擦攪拌接合装置」であってもよいし「複動式摩擦攪拌点接合装置」であってもよい。
　図１に示すように、本実施の形態に係る摩擦攪拌接合装置５０は、回転工具５１、工具固定部５２、工具駆動部５３、クランプ部材５４、裏当て支持部５５、および裏当て部材５６を備えている。
　回転工具５１は、工具固定部５２により支持される接合ツールであって、工具駆動部５３によって進退および回転駆動される。回転工具５１、工具固定部５２、工具駆動部５３およびクランプ部材５４は、Ｃ型ガン（Ｃ型フレーム）で構成される裏当て支持部５５の上部に設けられ、当該裏当て支持部５５の下部には裏当て部材５６が設けられている。したがって、回転工具５１と裏当て部材５６とは互いに対向する位置で裏当て支持部５５に取り付けられており、これら回転工具５１と裏当て部材５６との間に被接合物６０が配される。なお、本発明においては、被接合物６０は、アルミニウムまたはその合金（アルミニウム系材料）で構成される。
　回転工具５１は、ピン部材１１およびショルダ部材１２から構成されている。また、工具固定部５２は、回転工具固定部５２１およびクランプ固定部５２２から構成され、工具駆動部５３は、ピン駆動部５３１、ショルダ駆動部５３２、回転駆動部５３３およびスプリング５３４から構成されている。また、クランプ部材５４は、スプリング５３４を介してクランプ固定部５２２に固定されている。
　ピン部材１１は、略円筒形または略円柱形であり、詳細に図示されないが、回転工具固定部５２１により支持されている。このピン部材１１は、回転駆動部５３３により軸線Ｘｒ（回転軸、図中一点鎖線）周りに回転し、ピン駆動部５３１により、破線矢印Ｐ１方向すなわち軸線Ｘｒ方向（図１では上下方向）に沿って進退移動可能に構成されている。ショルダ部材１２は、中空を有する略円筒状であり、中空内にピン部材１１が内挿され、ピン部材１１の外側において当該ピン部材１１を囲むように回転工具固定部５２１により支持されている。このショルダ部材１２は、回転駆動部５３３によりピン部材１１と同一の軸線Ｘｒ周りに回転し、ショルダ駆動部５３２により、破線矢印Ｐ２方向すなわち軸線Ｘｒ方向に沿って進退移動可能に構成されている。
　このように、ピン部材１１およびショルダ部材１２は、本実施の形態ではいずれも同一の回転工具固定部５２１によって支持され、いずれも回転駆動部５３３により軸線Ｘｒ周りに一体的に回転する。さらに、ピン部材１１およびショルダ部材１２は、ピン駆動部５３１およびショルダ駆動部５３２により、それぞれ軸線Ｘｒ方向に沿って進退移動可能に構成されている。なお、図１に示す構成では、ピン部材１１は単独で進退移動可能であるとともに、ショルダ部材１２の進退移動に伴っても進退移動可能となっているが、ピン部材１１およびショルダ部材１２が互いに独立して進退移動可能に構成されてもよい。
　クランプ部材５４は、ショルダ部材１２の外側に設けられ、ショルダ部材１２と同様に、中空を有する円筒状であって、中空内にショルダ部材１２が内挿されている。したがって、ピン部材１１の外周に略円筒状のショルダ部材１２が位置し、ショルダ部材１２の外周に略円筒状のクランプ部材５４が位置している。言い換えれば、クランプ部材５４、ショルダ部材１２およびピン部材１１が、それぞれ同軸芯状の入れ子構造を形成している。
　クランプ部材５４は、被接合物６０を一方の面（第一面）から押圧するものであり、本実施の形態では、スプリング５３４を介してクランプ固定部５２２に支持されている。したがって、クランプ部材５４は裏当て部材５６側に付勢されている。また、クランプ固定部５２２には、回転駆動部５３３を介して回転工具固定部５２１が支持されている。クランプ固定部５２２は、ショルダ駆動部５３２によって破線矢印Ｐ３方向（破線矢印Ｐ１およびＰ２と同方向）に進退可能に構成されている。
　なお、スプリング５３４はクランプ部材５４に付勢を与えたり加圧力を与えたりする部材であるので、当該スプリング５３４に代えて、例えば、ガス圧、油圧、サーボモータ等を用いた機構も好適に用いることができる。また、スプリング５３４は、図１に示すようにショルダ駆動部５３２に取り付けられることで進退移動可能に構成されてもよいし、ショルダ駆動部５３２によらず独立して進退移動可能に構成されてもよい。
　前記構成の回転工具５１、工具固定部５２、工具駆動部５３およびクランプ部材５４は、前述したとおり、裏当て部材５６と対向するように裏当て支持部５５に設けられている。回転工具５１を構成するピン部材１１およびショルダ部材１２、並びにクランプ部材５４は、それぞれ当接面１１ａおよび当接面１２ａ、並びに当接面５４ａを備え、これら当接面１１ａ，１２ａ，５４ａは、工具駆動部５３により進退移動し、裏当て部材５６との間に配される被接合物６０の第一面に当接可能となっている。また、裏当て部材５６は、ピン部材１１およびショルダ部材１２、並びにクランプ部材５４に対向する位置に設けられ、被接合物６０の他方の面（第二面）に当接するものである。図１では、平板状の被接合物６０の第二面に当接するように平坦な面を有している。
　裏当て部材５６は、ピン部材１１およびショルダ部材１２の進出方向側に位置し、被接合物６０の第一面をピン部材１１およびショルダ部材１２に向けた状態で、当該被接合物６０の第二面を支持面５６ａにより支持する。裏当て部材５６は、摩擦攪拌点接合を実施できるように被接合物６０を適切に支持することができるものであれば、その構成は特に限定されない。通常は、板状の被接合物６０を安定に支持できる支持面５６ａを有する平板状の構成であればよいが、被接合物６０の形状に合わせて平板状以外の構成も採用することができる。例えば、複数種類の形状を有する裏当て部材５６が別途準備され、被接合物６０の種類に応じて、裏当て支持部５５から外して交換できるように構成されてもよい。
　本実施の形態における回転工具５１、工具固定部５２および工具駆動部５３の具体的な構成は、前述した構成に限定されず、広く摩擦攪拌接合の分野で公知の構成を好適に用いることができる。例えば工具駆動部５３を構成するピン駆動部５３１、ショルダ駆動部５３２、および回転駆動部５３３は、本実施の形態では、いずれも摩擦攪拌接合の分野で公知のモータおよびギア機構等から構成されている。また、摩擦攪拌点接合装置５０Ａの構成上、クランプ部材５４は設けられていなくてもよく、例えば、必要に応じて裏当て支持部５５から着脱可能に構成されてもよい。さらに、図１には図示されない他の部材等が含まれてもよい。
　また、裏当て支持部５５は、本実施の形態ではＣ型ガンで構成されているが、これに限定されず、ピン部材１１およびショルダ部材１２を進退移動可能に支持するとともに、これら回転工具５１に対向する位置に裏当て部材５６を支持するように構成されていればよい。なお、裏当て支持部５５は、図示されない摩擦攪拌点接合用ロボット装置、ＮＣ工作機械、大型のＣフレーム、オートリベッター等の公知の加工用機器等に設けることができる。
　このような摩擦攪拌点接合装置５０を用いて実施される摩擦攪拌接合方法の一例について説明すると、まず、回転工具５１を被接合物６０に接近させ、クランプ部材５４の当接面５４ａおよび裏当て部材５６の支持面５６ａを被接合物６０に当接させる。そして、回転工具５１を被接合物６０に近接させ、ピン部材１１の当接面１１ａおよびショルダ部材１２の当接面１２ａを被接合物６０に当接させて回転させる。
　これによりピン部材１１およびショルダ部材１２の当接領域が摩擦により発熱することで軟化し、塑性流動部が生じる。そこで、ピン部材１１およびショルダ部材１２をそれぞれ被接合物６０に進入させたり後退させたりすることにより塑性流動部を攪拌することができる。それゆえ、被接合物６０を部分的に攪拌して接合することができる。しかも、例えばピン部材１１の進入（圧入）により生じた凹部は、ショルダ部材１２で埋め戻すことができる。その後、回転工具５１および裏当て部材５６を被接合物６０から離し、一連の摩擦攪拌接合が終了する。
　［回転工具の表面処理］
　次に、本実施の形態に係る摩擦攪拌接合装置５０が備える回転工具５１（接合ツール）においては、その表面の多くの部分が、被接合物６０に対する親和性が低くなっているが、一部は被接合物６０に対する親和性を有している。この点に関して、図２を参照して具体的に説明する。
　本実施の形態において、回転工具５１の表面が「被接合物６０に対する親和性が低くなっている」状態とは、被接合物６０を構成する材料（被接合物等）が付着または凝着しにくい状態を意味し、言い換えれば、「被接合物６０に対して非親和性を有する」状態である。なお、「被親和性を有する」状態とは、被接合物６０に対する摩擦が低い状態と言い換えることができる。それゆえ、「親和性を有する」状態とは、被接合物６０に対する摩擦が高い状態と言い換えることができる。
　「被接合物６０に対する親和性が低くなっている」状態（非親和性を有する状態）を実現するための手法としては、代表的には、表面処理を挙げることができる。この表面処理は、被接合物６０に対する凝着性が低いものであればよく、具体的には、例えば、公知の種々のコーティングを挙げることができる。中でも、ダイヤモンドあるいは水素フリーダイヤモンドライクカーボン（水素フリーＤＬＣ）のコーティングが特に好ましく用いられる。
　図２において斜線のハッチング領域で模式的に示すように、回転工具５１のうちピン部材１１は、被接合物６０に当接する当接面１１ａおよび外周面１１ｂがダイヤモンドあるいは水素フリーＤＬＣによりコーティングされている。一方、ショルダ部材１２は、ピン部材１１に面する内周面１２ｂとクランプ部材５４に面する外周面１２ｃとがダイヤモンドあるいは水素フリーＤＬＣによりコーティングされている。ただし、ショルダ部材１２の当接面１２ａはダイヤモンドあるいは水素フリーＤＬＣによりコーティングされていない。
　ダイヤモンドあるいは水素フリーＤＬＣによるコーティングは、一般的なＤＬＣあるいは他のセラミック系硬質膜よりも金属材料への親和性が非常に低くなる（非親和性を有する）ことが本発明者らの検討により明らかとなった。具体的には、例えば、金属材料としてアルミニウム系材料を挙げると、ダイヤモンド状の炭素原子同士の結合構造は、アルミニウム原子と結合しにくいことから、ＤＬＣコーティングそのものが他のセラミックコーティングと比較してアルミニウム系材料への親和性が低くなる傾向にある。
　しかも、コーティングに水素原子等の不純物が存在すると、当該不純物が欠陥（ポア）となってアルミニウム原子が入り込んで凝着の起点となるが、ダイヤモンドあるいは水素フリーＤＬＣは、一般的なＤＬＣと比較して、コーティングに含まれる水素等の不純物が少ないため、凝着の起点が非常に少なくなる。しかもダイヤモンドあるいは水素フリーＤＬＣの摩擦係数は０．１以下であって、その摩擦係数が極めて小さいコーティングであるという特徴も有している。
　それゆえ、摩擦攪拌接合時において被接合物６０からはみ出したアルミニウム系材料の凝着物等が生じてピン部材１１およびショルダ部材１２の間に入り込んでも、当該凝着物等が凝集することがない。これにより、回転工具５１の動作不良を有効に回避することができ、効率的な摩擦攪拌接合を実施することができる。また、凝着した被接合物等の排出が抑えられることから、ピン部材１１やショルダ部材１２が排出物を押え付ける形で圧入することも抑制することができる。それゆえ、接合箇所の表面に損傷が生じたり凹凸が発生したりすることが実質的に防止できるので、接合箇所の品質向上を図ることも可能となる。
　しかも、本発明においては、回転工具５１の表面全体を単純にダイヤモンドあるいは水素フリーＤＬＣでコーティングするのではなく、ショルダ部材１２の当接面１２ａにはダイヤモンドあるいは水素フリーＤＬＣをコーティングせず、ピン部材１１の当接面１１ａに対してはダイヤモンドあるいは水素フリーＤＬＣをコーティングしている。これにより、摩擦攪拌接合をより効率的に実施することができるとともに、接合箇所のさらなる品質向上を図ることができる。
　ショルダ部材１２の当接面１２ａでは、被接合物６０に対する周速度がピン部材１１の当接面１１ａよりも相対的に高くなる。ここでショルダ部材１２の当接面１２ａはダイヤモンドあるいは水素フリーＤＬＣでコーティングされていないので、当該当接面１２ａは被接合物６０に対して良好な親和性を発揮することができ、それゆえ被接合物６０に十分な摩擦を与えることができる。その結果、摩擦攪拌接合をより効率的に実施することが可能となる。
　一方、ピン部材１１の当接面１１ａは、被接合物６０に対する周速度が相対的に低くなるため、被接合物６０との親和性が高ければピン部材１１の引込みに伴って当接面１１ａに被接合物６０の第一面の一部が付着して剥離することがある。ピン部材１１の当接面１１ａがダイヤモンドあるいは水素フリーＤＬＣでコーティングされていれば、被接合物６０の第一面の剥離が回避されるので、接合箇所のより一層の品質向上を図ることができる。
　加えて、ピン部材１１およびショルダ部材１２の間に被接合物等が凝着しないため、当該ピン部材１１およびショルダ部材１２の摩耗を有効に抑制することができる。また、ピン部材１１とショルダ部材１２とのクリアランスは特に限定されないものの、設計上クリアランスを狭くするとこれら回転工具５１に赤熱現象が生ずるおそれがある。これに対して、ピン部材１１の外周面１１ｂとショルダ部材１２の内周面１２ｂをダイヤモンドあるいは水素フリーＤＬＣでコーティングすると、赤熱現象の発生を抑えることが可能となる。さらには、凝着した被接合物等を押え付けながら圧入することが抑制できることから、ピン部材１１の折れ等の損傷が発生する頻度も有効に低下させることができる。それゆえ、回転工具５１の寿命の低下を回避することが可能となる。
　ここで、水素フリーＤＬＣは、水素原子を全く含まないＤＬＣのみを指すものではなく、一般的なＤＬＣと比較して水素原子の含有量が少ないものを含む。したがって、本発明においてピン部材１１およびショルダ部材１２をコーティングする水素フリーＤＬＣとは、例えば、水素の含有量が１０ａｔ％（原子濃度）以下のＤＬＣを指す。このようなＤＬＣであれば、一般的なＤＬＣと比較してアルミニウム系材料等との親和性を低くすること（非親和性を与えること）ができ、被接合物等の凝着を有効に抑制または回避することが可能となる。
　ピン部材１１およびショルダ部材１２にダイヤモンドあるいは水素フリーＤＬＣをコーティングする方法は特に限定されず、公知の物理蒸着法等を好適に用いることができる。例えば、水素を含まない雰囲気条件下において、グラファイトを原料して公知の物理蒸着法によりカーボンを蒸着する方法を、好適に用いることができる。
　ここで、ピン部材１１およびショルダ部材１２におけるコーティング面、すなわちピン部材１１の当接面１１ａ並びに外周面１１ｂ、ショルダ部材１２の内周面１２ｂ並びに外周面１２ｃは、その表面粗さが少ない方が好ましい。これにより、コーティング面にダイヤモンドあるいは水素フリーＤＬＣを良好にコーティングすることができる。
　また、ショルダ部材１２の当接面１２ａをダイヤモンドあるいは水素フリーＤＬＣでコーティングしないための手法については特に限定されず、物理蒸着法によりカーボンを蒸着させる際に、当接面１２ａを公知の方法によりマスキングしてもよいし、ショルダ部材１２の表面全体をコーティングしてから、当接面１２ａのみダイヤモンドあるいは水素フリーＤＬＣを研磨により除去してもよい。
　なお、本実施の形態では、ピン部材１１、ショルダ部材１２、およびクランプ部材５４（回転工具５１）の表面処理の一例として、コーティングを例示したが、本発明による表面処理はこれに限定されないことは言うまでもない。すなわち、本発明においては、回転工具５１の表面の性質を変更することができれば、コーティング以外の公知の表面処理法であっても好適に用いることができるとともに、表面処理以外の方法であっても好適に用いることができる。
　すなわち、本発明においては、回転工具５１のうち、被接合物６０の凝着を防止または回避したい箇所には、被接合物６０に対する親和性が低く凝着し難い材質（あるいは表面状態）を採用し、ショルダ部材１２の当接面（底面）１２ａには、被接合物６０に対する親和性を有する材質（あるいは表面状態）を採用することができる。もしくは、ショルダ部材１２の当接面１２ａに対しては、被接合物６０に対して摩擦を得ることができる材質（あるいは表面状態の変更等）を採用してもよい。
　また、コーティング、表面処理、あるいは、材質の部分的な変更について、その具体的な手法は特に限定されず、被接合物６０の種類に応じて、親和性の低いコーティング、表面処理、あるいは材料を適宜選択して用いることができる。例えば、他のコーティングの例としては、窒化ケイ素（Ｓｉ3 Ｎ4 ）等のセラミックス材を挙げることができる。なお、本実施の形態では、「親和性を低くする」手法の好ましいものとして、ダイヤモンドあるいは水素フリーＤＬＣによるコーティングを採用しているが、これらコーティングは、一般的な金属材料に広く好適に用いることができ、汎用性の高いものである。
　なお、特許文献５に開示されている技術では、ピン部材とショルダ部材との間の面にカーボンナノチューブからなるコーティング層を形成しているが、このような接合ツールでは、前述した問題点が生じることに加え、数百回程度の接合で負荷を超えてしまい、接合ができなくなってしまう。一方、本実施の形態の接合ツール（回転工具５１）であれば、例えば接合回数が２０００回以上であっても特に問題なく実行することができる。
　ここで、本実施の形態に係る摩擦攪拌接合装置５０が接合対象とする被接合物６０は、代表的には、金属で構成されているものであればよく、その金属の種類は具体的に限定されない。具体的な一例としては、前述したアルミニウム系材料（アルミニウムまたはその合金）が挙げられるが、被接合物６０はアルミニウム系材料以外にも、例えば、チタン、鉄等の他の金属またはその合金で構成されているものであってもよい。さらに、本実施の形態に係る摩擦攪拌接合装置５０では、アルミニウムとチタン、またはアルミニウムと鉄等、異種金属の接合にも有効であるので、被接合物６０は、複数種類の金属から構成されてもよい。加えて、被接合物６０は金属に限定されず、各種樹脂等のように摩擦攪拌接合が適用可能な材料であってもよい。
　［変形例］
　前述したように、本発明に係る接合ツールは、複動式摩擦攪拌接合または複動式摩擦攪拌点接合に用いられ、軸線周りに回転する円柱状のピン部材１１と、当該ピン部材１１の外側を囲う円筒形状であって、ピン部材１１およびショルダ部材１２を備え、ピン部材１１における当接面１１ａおよび外周面１１ｂは、被接合物６０に対する親和性が低くなっており（被接合物６０に対する非親和性を有しており）、ショルダ部材１２における内周面１２ｂおよび外周面１２ｃは、被接合物６０に対する親和性が低くなっており（被接合物６０に対する非親和性を有しており）、かつ、当接面１２ａのみ、被接合物６０に対する親和性を有している構成であればよい。
　また、本発明に係る接合ツールは、クランプ部材５４を備えていれば、当該クランプ部材５４における当接面５４ａと、当該クランプ部材５４における内周面５４ｂとが、被接合物６０に対する親和性が低くなって（被接合物６０に対する非親和性を有して）いればよい。
　しかしながら、本発明は、これに限定されず、例えば、回転工具５１以外の部材などに対しても、被接合物６０に対する非親和性を付与してもよい。具体的には、本実施の形態では、摩擦攪拌接合装置５０が備える接合ツール、すなわち回転工具５１が、ショルダ部材１２の当接面１２ａを除いて、ダイヤモンドあるいは水素フリーＤＬＣによりコーティングされていればよいが、回転工具５１以外の部材等に対しても、ダイヤモンドあるいは水素フリーＤＬＣをコーティングしてもよい。これにより、回転工具５１の動作不良をさらに一層抑えて、摩擦攪拌接合の効率を向上させることが可能となる。このような構成を採用した摩擦攪拌接合装置５０（摩擦攪拌接合装置５０の変形例）について、図３を参照して具体的に説明する。
　具体的には、例えば、図３において斜線のハッチング領域で模式的に示すように、クランプ部材５４および裏当て部材５６に対してもダイヤモンドあるいは水素フリーＤＬＣをコーティングすることができる。
　クランプ部材５４の場合には、被接合物６０への当接面５４ａと、ショルダ部材１２の外周面１２ｃに面する内周面５４ｂをダイヤモンドあるいは水素フリーＤＬＣによりコーティングすればよい。クランプ部材５４は、回転工具５１とは異なり回転しないが、被接合物６０を第一面から押圧するため、被接合物６０に接触する当接面５４ａにはダイヤモンドあるいは水素フリーＤＬＣをコーティングすることが好ましい。
　また、クランプ部材５４は、ショルダ部材１２の周囲を覆うように位置しているので、ショルダ部材１２の進退移動に伴って当該ショルダ部材１２とクランプ部材５４との間に被接合物等が入り込むおそれがある。そこで、ショルダ部材１２に面する内周面５４ｂもダイヤモンドあるいは水素フリーＤＬＣでコーティングすることが好ましい。なお、クランプ部材５４は、本実施の形態では摩擦攪拌接合装置５０の一部であるが、ピン部材１１およびショルダ部材１２とともに回転工具５１（摩擦攪拌接合ツール）を構成してもよい。
　裏当て部材５６の場合には、被接合物６０を支持する支持面５６ａをダイヤモンドあるいは水素フリーＤＬＣによりコーティングすればよい。裏当て部材５６は、回転工具５１から見て進出方向側に位置しており、被接合物６０の第一面を回転工具５１に向けた状態で、当該被接合物６０の第二面に支持面５６ａを当接させて支持する構成となっている。それゆえ、裏当て部材５６は、非常に大きな面積で被接合物６０に当接するため、当該被接合物６０から生じる被接合物等が第二面と支持面５６ａとの間に介在しやすくなる。そこで、支持面５６ａをダイヤモンドあるいは水素フリーＤＬＣによりコーティングすることで、被接合物６０と支持面５６ａとの間で被接合物等を凝着させにくくすることができる。
　同様に、クランプ部材５４の内側に設けられるブッシュ部は、クランプ部材５４の内側に位置するショルダ部材１２の回転時の触れを抑制するが、このブッシュ部の存在により、クランプ部材５４とショルダ部材１２との過剰な接触を抑制することができるため、特に回転工具５１であるショルダ部材１２の摩耗を軽減することができる。
　なお、前記ブッシュ部がピン部材１１またはショルダ部材１２と接触している状態については特に限定されず、公知の潤滑剤を介した潤滑接触であってもよいし、潤滑剤等を介さない無潤滑接触であってもよい。
　また、本実施の形態では、複動式摩擦攪拌接合を例に挙げて本発明を説明したが、本発明はこれに限定されず、複動式でない単動式の摩擦攪拌接合にも好適に用いることができる。また、本発明は、複動式摩擦攪拌点接合にも、点接合でない摩擦攪拌接合にも好適に適用することができる。
　（実施の形態２）
　前記実施の形態１では、少なくともピン部材１１およびショルダ部材１２からなる回転工具５１において、ショルダ部材１２の当接面１２ａを除いた面に、被接合物６０に対する非親和性を付与すればよいが、本発明はこれに限定されず、少なくともピン部材１１およびショルダ部材１２のクリアランスを設定する構成であってもよい。ピン部材１１およびショルダ部材１２のクリアランスを好適化することで、被接合物等の凝着を発生させにくくして、効率的な接合が可能となり、さらに接合箇所の品質向上を図ることも可能となる。この構成について、図４を参照して説明する。
　本実施の形態に係る回転工具５１は、図４に示すように、前記実施の形態１で説明した回転工具５１と基本的に同じ構成であるが、ピン部材１１およびショルダ部材１２のクリアランスを好ましい範囲に設定する構成となっている。また、回転工具５１は、前記実施の形態１で説明したように、ピン部材１１およびショルダ部材１２を備えていればよいが、さらにクランプ部材５４を備えてもよく、この場合、ショルダ部材１２およびクランプ部材５４のクリアランスも好適な範囲に設定すればよい。
　本実施の形態では、ショルダ部材１２におけるピン部材１１を内挿する貫通孔を「ピン部材内挿孔１２ｄ」と称する。そして、ピン部材１１の外径をピン外径とし、ショルダ部材１２におけるピン部材内挿孔１２ｄの内径をショルダ内径としたときに、ピン部材１１およびショルダ部材１２のクリアランスは、ピン外径とショルダ内径との差分が０．０１ｍｍ以上０．１ｍｍ以下の範囲内に設定されればよく、０．０１ｍｍを超え０．０５ｍｍ未満の範囲内であれば好ましく、０．０３ｍｍ前後であることがより好ましい。
　具体的には、図４に示すように、ピン外径をＲｐとし、ショルダ内径をＲｉとすれば、ＲｐとＲｉとの差分（Ｒｉ－Ｒｐ）は、Ｄｔａ＋Ｄｔａ＝２Ｄｔａとなる。なお、図４においてブロック矢印で示すＤｔａは、ピン部材１１の半径とショルダ内径の半径との差分である。本実施の形態では、この２Ｄｔａが、０．０１ｍｍ以上であり０．１ｍｍ以下となっていればよい（０．０１ｍｍ≦２Ｄｔａ≦０．１ｍｍ）。
　２Ｄｔａが０．１ｍｍを超えると、被接合物６０の接合箇所の品質が大幅に低下する。しかも、ピン部材１１およびショルダ部材１２に対して、無視できない程度のアルミニウムの凝着が発生し、また、ショルダ部材１２には、無視できない程度の傷が発生している。
　一方、２Ｄｔａが０．０１ｍｍ未満であれば、被接合物６０の接合箇所の品質は良好であるが、回転工具５１の取り付け精度が低い場合には、ピン部材１１およびショルダ部材１２が赤熱するほど過剰に熱せられる可能性がある。被接合物６０がアルミニウム系材料であれば、施工中の回転工具５１の温度は、一般的には４５０℃程度であるのが、この程度の温度では、通常、回転工具５１の過剰な加熱は起こらない。それゆえ、ピン部材１１およびショルダ部材１２の過剰な加熱は、回転工具５１の損傷につながるおそれがある。
　それゆえ、本実施の形態では、ピン外径とショルダ内径との差分が０．０１ｍｍ以上０．１ｍｍ以下の範囲内になるように、ピン部材１１およびショルダ部材１２のクリアランスを設定することが望ましい。これにより、被接合物６０の接合箇所の品質を向上できるとともに、ピン部材１１とショルダ部材１２との間で被接合物等の凝着を発生させにくくすることができる。その結果、従来よりも効率的な接合が可能となる。
　さらに、クランプ部材５４を備えている場合には、ショルダ部材１２およびクランプ部材５４のクリアランスも好適な範囲に設定すればよい。ショルダ部材１２の貫通孔と同様に、クランプ部材５４におけるショルダ部材１２を内挿する貫通孔を「ショルダ部材内挿孔５４ｄ」と称し、ショルダ部材１２の外径をショルダ外径とし、クランプ部材５４におけるショルダ部材内挿孔５４ｄの内径をクランプ内径とすれば、ショルダ部材１２およびクランプ部材５４のクリアランスは、ショルダ外径とクランプ内径との差分が０．０１ｍｍ以上０．１ｍｍ以下の範囲内になるように設定されればよい。
　具体的には、図４に示すように、ショルダ外径をＲｏとし、クランプ内径をＲｃとすれば、ＲｏとＲｃとの差分（Ｒｃ－Ｒｏ）は、Ｄｔｂ＋Ｄｔｂ＝２Ｄｔｂとなる。なお、図４においてブロック矢印で示すＤｔｂは、ショルダ外径の半径とクランプ内径の半径との差分である。本実施の形態では、この２Ｄｔｂが、０．０１ｍｍ以上であり０．１ｍｍ以下となっていればよい（０．０１ｍｍ≦２Ｄｔｂ≦０．１ｍｍ）。
　２Ｄｔｂが０．１ｍｍを超えると、ショルダ部材１２およびクランプ部材５４に対して、無視できない程度のアルミニウムの凝着が発生し、また、クランプ部材５４の当接面５４ａには、無視できない程度のコーティングの剥離が発生している。一方、２Ｄｔｂが０．０１ｍｍ未満であれば、被接合物６０の接合箇所の品質は良好であるが、ショルダ部材１２に前述した過剰な加熱が生じる可能性がある。このような過剰な加熱は、回転工具５１の損傷につながるおそれがある。
　このように、本発明においては、回転工具５１を構成するピン部材１１、ショルダ部材１２（さらにはクランプ部材５４）の適切な箇所に対して、被接合物６０に対する非親和性を付与する構成であってもよいし、ピン部材１１およびショルダ部材１２のクリアランスを好適化してもよい。
　回転工具５１の適切な箇所に非親和性を付与することで、各部材の間に侵入した被接合物等が凝着することを実質的に防止することができる。一方、回転工具５１のクリアランスを好適化することで、回転工具５１の熱膨張または進退移動の幅を考慮しつつ、各部材の間に被接合物等が侵入するおそれを実質的に有効に防止することができる。それゆえ、回転工具５１の適切な箇所に非親和性を付与するとともに、回転工具５１のクリアランスを好適化することで（実施の形態１および２を組み合わせることで）、各部材の間で被接合物等の凝着をより一層発生させにくくして、効率的な接合が可能になるとともに、接合箇所の品質をより一層向上することも可能となる。また、凝着の原因となる被接合物等の入り込みが仮に発生したとしても、その量は極めて少なくなるとともに、入り込んだ被接合物等の排出も実質的に抑制される。それゆえ、回転工具５１が、これらの間からの排出物を押さえ付ける形で、被接合物６０に圧入することも抑制することができる。
　なお、本実施の形態では、前記の通り、ピン部材１１およびショルダ部材１２のクリアランスは、ピン外径とショルダ内径との差分２Ｄｔａが０．０１ｍｍ≦２Ｄｔａ≦０．１ｍｍ以下の範囲内であり、ショルダ部材１２およびクランプ部材５４のクリアランスは、ショルダ外径とクランプ内径との差分２Ｄｔｂが０．０１ｍｍ≦２Ｄｔｂ≦０．１ｍｍであればよいが、後述する実施例２および参考例１～３の結果から明らかなように、０．０３ｍｍ前後の範囲内がより好ましい。したがって、本実施の形態では、ピン外径とショルダ内径との差分２Ｄｔａは、０．０３ｍｍ±０．０１ｍｍの範囲内（０．０２ｍｍ≦２Ｄｔａ≦０．０４ｍｍ）であるとより好ましく、ショルダ外径とクランプ内径との差分２Ｄｔｂも、０．０３ｍｍ±０．０１ｍｍの範囲内（０．０２ｍｍ≦２Ｄｔｂ≦０．０４ｍｍ）であるとより好ましい。
　本発明について、実施例、比較例および参考例に基づいてより具体的に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。当業者は本発明の範囲を逸脱することなく、種々の変更、修正、および改変を行うことができる。
　（実施例１）
　まず、摩擦攪拌接合装置５０として、川崎重工業株式会社製、複動式ＦＳＪロボットシステムを用い、回転工具５１としては、全体を水素フリーＤＬＣでコーティングしたピン部材１１と、当該ピン部材１１を進退移動可能に収容する円筒状で、当接面１２ａを除く全体を水素フリーＤＬＣでコーティングしたショルダ部材１２と、このショルダ部材１２の外側に位置する円筒形状のクランプ部材５４を用いた。この回転工具５１のうち、被接合物６０に対して進退移動する部分（ピン部材１１およびショルダ部材１２）の外径は６ｍｍであり、この進退移動する部分を内部に収容するクランプ部材５４の外径は１２ｍｍであった。
　次に、被接合物６０として、厚み０．０２５インチ（約０．６３５ｍｍ）のアルミニウム材（ＡＬ６０６１－Ｔ６）と厚み０．０２０インチ（約０．５０８ｍｍ）のアルミニウム材（ＡＬ２０２４Ｃ－Ｔ３）とを重ねたものを用い、この被接合物６０に対して摩擦攪拌接合を９５２回施工した。
　施工後の被接合物６０の接合箇所を確認したところ、顕著な凹凸等は発生しておらず、平坦で良好な外観を有していた。また、回転工具５１およびクランプ部材５４を確認したところ、ショルダ部材１２の内周面１２ｂおよびクランプ部材５４の内周面５４ｂのいずれにおいても、アルミニウムの凝着は見られず、また、内周面１２ｂ，５４ｂの顕著な損傷も見られなかった。
　さらに、ピン部材１１の当接面１１ａにもアルミニウムの凝着は見られず、図５に示すように、施工前と同様でアルミニウムの凝着は一切見られなかった。なお、図５では、ピン部材１１の状態を明確に図示するために、ピン部材１１を背景に対して強調するよう画像処理を行っている。
　（比較例）
　回転工具５１として、水素フリーでないＤＬＣで全体をコーティングした同寸法の回転工具５１を用いた以外は、前記実施例と同様にして被接合物６０に摩擦攪拌接合を施工した。
　施工後の被接合物６０の接合箇所を確認したところ、ディンプル状の小さな表面荒れが観察された。また、回転工具５１およびクランプ部材５４を確認したところ、ショルダ部材１２の内周面１２ｂおよびクランプ部材５４の内周面５４ｂのいずれにおいても、アルミニウムの顕著な凝着および損傷が観察された。さらに、ピン部材１１の当接面１１ａにもアルミニウムの凝着が観察された。
　（実施例２）
　回転工具５１として、外径３．０ｍｍであるピン部材１１と、外径が６．０ｍｍであり、内径が３．０３ｍｍであるショルダ部材１２と、外径が１２ｍｍであり、内径が６．０３ｍｍであるクランプ部材５４を準備した。なお、ピン部材１１、ショルダ部材１２、およびクランプ部材５４には、水素フリーＤＬＣコーティングを施した。
　この構成では、ピン部材１１およびショルダ部材１２のクリアランスは、ピン外径とショルダ内径との差分が０．０３ｍｍになるように設定され、ショルダ部材１２およびクランプ部材５４のクリアランスは、ショルダ外径とクランプ内径との差分が０．０３ｍｍになるように設定されている。この回転工具５１を用いて、前記実施例１と同じ被接合物６０に対して、接合を３０回施工した。
　施工後の被接合物６０の接合箇所を確認したところ、ピン部材１１の接触部位にもショルダ部材１２の接触部位にも、外観上の大きな問題点は特に観察されなかった。また、ピン部材１１の接触部位とショルダ部材１２の接触部位との境界部には、バリの発生は観察されなかった。
　また、施工後の回転工具５１を観察したところ、まず、ピン部材１１には、外観上の大きな問題点は特に観察されず、外周面１１ｂに微量のアルミニウムの凝着が観察される程度であった。
　次に、ショルダ部材１２については、当接面１２ａには、ＣｒＮコーティングの剥離による凹凸が一部観察されたものの、大幅な凹凸の発生は観察されなかった。さらに、内周面１２ｂおよび外周面１２ｃにも、外観上の大きな問題点は特に観察されず、内周面１２ｂに微量のアルミニウムの凝着が観察され、外周面１２ｃにわずかな傷が観察される程度であった。
　次に、クランプ部材５４については、当接面５４ａおよび内周面５４ｂにも、外観上の大きな問題点は特に観察されず、内周面５４ｂに微量のアルミニウムの凝着が観察される程度であった。
　（参考例１）
　回転工具５１のうち、ショルダ部材１２として、外径が６．０ｍｍであり、内径が３．０５ｍｍであるものを用い、クランプ部材５４として、外径が１２ｍｍであり、内径が６．０５ｍｍであるものを用いた以外は、前記実施例２と同様にして被接合物６０を接合した。
　なお、この構成では、ピン部材１１およびショルダ部材１２のクリアランスは、ピン外径とショルダ内径との差分が０．０５ｍｍになるように設定され、ショルダ部材１２およびクランプ部材５４のクリアランスは、ショルダ外径とクランプ内径との差分が０．０５ｍｍになるように設定されている。
　施工後の被接合物６０の接合箇所を確認したところ、ピン部材１１の接触部位にもショルダ部材１２の接触部位にも、外観上の大きな問題点は特に観察されなかった。しかしながら、ピン部材１１の接触部位とショルダ部材１２の接触部位との境界部には、バリの発生が観察された。
　また、施工後の回転工具５１を観察したところ、まず、ピン部材１１については、その外周面１１ｂに、実施例２よりも多くのアルミニウムの凝着が観察された。
　次に、ショルダ部材１２については、当接面１２ａには、ＣｒＮコーティングの剥離による凹凸が、実施例２よりも広く発生していることが観察された。さらに、内周面１２ｂには、実施例２よりも多くのアルミニウムの凝着が観察され、外周面１２ｃには、実施例２よりも広範囲の傷の発生が観察された。
　次に、クランプ部材５４については、当接面５４ａの貫通孔（ショルダ部材内挿孔５４ｄ）周囲に、水素フリーＤＬＣコーティングの脱落が観察された。また、内周面５４ｂには、実施例２よりも多量のアルミニウムの凝着が観察された。
　（参考例２）
　回転工具５１のうち、ショルダ部材１２として、外径が６．０ｍｍであり、内径が３．０７ｍｍであるものを用い、クランプ部材５４として、外径が１２ｍｍであり、内径６．０７ｍｍであるものを用いた以外は、前記実施例２と同様にして被接合物６０を接合した。
　なお、この構成では、ピン部材１１およびショルダ部材１２のクリアランスは、ピン外径とショルダ内径との差分が０．０７ｍｍになるように設定され、ショルダ部材１２およびクランプ部材５４のクリアランスは、ショルダ外径とクランプ内径との差分が０．０７ｍｍになるように設定されている。
　施工後の被接合物６０の接合箇所を確認したところ、ショルダ部材１２の接触部位にはスクラッチ痕の発生が観察された。また、ピン部材１１の接触部位とショルダ部材１２の接触部位との境界部には、バリの発生が観察された。
　また、施工後の回転工具５１を観察したところ、まず、ピン部材１１については、参考例１よりも多くのアルミニウムの凝着が観察された。
　次に、ショルダ部材１２については、当接面１２ａには凹凸がほぼ全面に発生していることが観察された。さらに、内周面１２ｂには、参考例１よりも多くのアルミニウムの凝着が観察され、外周面１２ｃには、参考例１よりも広くかつ深い傷の発生が観察された。
　次に、クランプ部材５４については、当接面５４ａの貫通孔（ショルダ部材内挿孔５４ｄ）周囲に、参考例１よりも大きな水素フリーＤＬＣコーティングの脱落が観察された。また、内周面５４ｂには、参考例１よりも多量のアルミニウムの凝着が観察された。なお、クランプ部材５４の内周面５４ｂにおける凝着の範囲と、ショルダ部材１２の外周面１２ｃにおける傷の範囲とは、ほぼ対応していた。
　（参考例３）
　回転工具５１のうち、ショルダ部材１２として、外径が６．０ｍｍであり、内径が３．０１ｍｍであるものを用い、クランプ部材５４として、外径が１２ｍｍであり、内径６．０１ｍｍであるものを用いた以外は、前記実施例２と同様にして被接合物６０を接合した。
　この構成では、ピン部材１１およびショルダ部材１２のクリアランスは、ピン外径とショルダ内径との差分が０．０１ｍｍになるように設定され、ショルダ部材１２およびクランプ部材５４のクリアランスは、ショルダ外径とクランプ内径との差分が０．０１ｍｍになるように設定されている。
　施工後の被接合物６０の接合箇所を確認したところ、ピン部材１１の接触部位にもショルダ部材１２の接触部位にも、外観上の大きな問題点は特に観察されなかった。また、ピン部材１１の接触部位とショルダ部材１２の接触部位との境界部には、バリの発生は観察されなかった。
　ただし、回転工具５１については、施工中に、ピン部材１１およびショルダ部材１２の過剰に加熱される傾向にあった。
　（実施例２、参考例１～３の対比）
　実施例２および参考例１～３の結果を対比すると、これら実施例および参考例ではいずれも、過剰なアルミニウムの凝着を抑制しつつ被接合物６０を十分に接合することができる。ただし、ピン外径とショルダ内径との差分が大きくなると、被接合物６０の接合箇所においてバリの発生が確認されるので、接合の品質低下を招くことになる。また、ショルダ部材１２の内周面１２ｂにアルミニウムの凝着が多くなり、凝着の厚さも大きくなる。これに伴い、ピン部材１１およびショルダ部材１２が互いに動作するときの負荷が大きくなり、回転工具５１の寿命低下の可能性が高くなる。
　また、ショルダ外径とクランプ内径との差分が大きくなると、クランプ部材５４の内周面５４ｂにアルミニウムの凝着が多くなり、凝着の厚さも大きくなる。これに伴い、ショルダ部材１２およびクランプ部材５４が互いに動作するときの負荷が大きくなり、回転工具５１の寿命低下の可能性が高くなる。
　このような結果から、本発明においては、ピン部材１１およびショルダ部材１２のクリアランスも、ショルダ部材１２およびクランプ部材５４のクリアランスも、いずれも０．０１ｍｍ以上０．１ｍｍ以下であればよいが、０．０１ｍｍを超え０．０５ｍｍ未満の範囲内であることが好ましく、０．０３ｍｍ前後（例えば０．０３±０．０１ｍｍ程度）がより好ましいことがわかる。
　なお、本発明は前記実施の形態の記載に限定されるものではなく、特許請求の範囲に示した範囲内で種々の変更が可能であり、異なる実施の形態や複数の変形例にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施の形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
　また、上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。
　本発明は、様々な被接合物を摩擦攪拌接合または摩擦攪拌点接合する場合に、広く好適に用いることができる。
１１　　ピン部材
１１ａ　（ピン部材の）当接面
１１ｂ　（ピン部材の）外周面
１２　　ショルダ部材
１２ａ　（ショルダ部材の）当接面
１２ｂ　（ショルダ部材の）内周面
１２ｃ　（ショルダ部材の）外周面
１２ｄ　ピン部材内挿孔（ショルダ部材の貫通孔）
５０　　（複動式）摩擦攪拌接合装置
５１　　回転工具（接合ツール）
５４　　クランプ部材
５４ａ　（クランプ部材の）当接面
５４ｂ　（クランプ部材の）内周面
５４ｄ　ショルダ部材内挿孔（クランプ部材の貫通孔）
５６　　裏当て部材
５６ａ　支持面
６０　　被接合物

Claims (10)

  1. 　被接合物を部分的に攪拌することにより接合する複動式摩擦攪拌接合または複動式摩擦攪拌点接合に用いられ、前記被接合物を攪拌するために軸線周りに回転し、かつ、当該軸線方向に進退移動可能に構成されている接合ツールであって、
    　円柱状であって前記被接合物への当接面および外周面が、前記被接合物に対する非親和性を有するピン部材と、
    　当該ピン部材の外側に位置し、かつ、当該ピン部材の外側を囲う円筒形状であって、当該ピン部材と同一の軸線周りに回転し、当該ピン部材に面する内周面および外周面が、前記被接合物に対する非親和性を有しており、かつ、前記被接合物への当接面のみ、前記被接合物に対する親和性を有しているショルダ部材と、
    から構成されている、
    接合ツール。
  2. 　前記ショルダ部材の外側に位置し、前記被接合物を一方の面から押圧するクランプ部材をさらに備え、
    　当該クランプ部材における前記被接合物への当接面と、当該クランプ部材における前記ショルダ部材の前記外周面に面する内周面とが、前記被接合物に対する非親和性を有している、
    請求項１に記載の接合ツール。
  3. 　前記被接合物に対する非親和性を有する状態は、ダイヤモンドあるいは水素フリーダイヤモンドライクカーボンによるコーティングで実現されている、
    請求項１に記載の接合ツール。
  4. 　前記被接合物が、少なくともアルミニウムまたはその合金で構成されている、
    請求項３に記載の接合ツール。
  5. 　前記被接合物に対する非親和性を有する状態とは、表面処理、ツール材質の変更、あるいは、ツール材料の性質の変更により実現される、
    請求項１に記載の接合ツール。
  6. 　少なくともアルミニウムまたはその合金で構成される被接合物を部分的に攪拌することにより接合する複動式摩擦攪拌接合または複動式摩擦攪拌点接合に用いられ、前記被接合物を攪拌するために軸線周りに回転し、かつ、当該軸線方向に進退移動可能に構成されている接合ツールであって、
    　円柱状であって前記被接合物への当接面および外周面が、ダイヤモンドあるいは水素フリーダイヤモンドライクカーボンによりコーティングされているピン部材と、
    　当該ピン部材の外側に位置し、かつ、当該ピン部材の外側を囲う円筒形状であって、当該ピン部材と同一の軸線周りに回転し、当該ピン部材に面する内周面および外周面が、ダイヤモンドあるいは水素フリーダイヤモンドライクカーボンによりコーティングされており、かつ、前記被接合物への当接面のみ、ダイヤモンドあるいは水素フリーダイヤモンドライクカーボンではコーティングされていないショルダ部材と、
    から構成されている、
    接合ツール。
  7. 　前記ショルダ部材の外側に位置し、前記被接合物を一方の面から押圧するクランプ部材をさらに備え、
    　当該クランプ部材における前記被接合物への当接面と、当該クランプ部材における前記ショルダ部材の前記外周面に面する内周面とが、ダイヤモンドあるいは水素フリーダイヤモンドライクカーボンによりコーティングされている、
    請求項６に記載の接合ツール。
  8. 　被接合物を部分的に攪拌することにより接合する複動式摩擦攪拌接合または複動式摩擦攪拌点接合に用いられ、前記被接合物を攪拌するために軸線周りに回転し、かつ、当該軸線方向に進退移動可能に構成されている接合ツールであって、
    　円柱状のピン部材と、
    　当該ピン部材の外側に位置し、かつ、当該ピン部材を囲う円筒形状であって、当該ピン部材と同一の軸線周りに回転するショルダ部材と、
    から構成され、
    　前記ピン部材の外径をピン外径とし、前記ショルダ部材における前記ピン部材を内挿する貫通孔の内径をショルダ内径としたときに、
    　前記ピン部材および前記ショルダ部材のクリアランスは、前記ピン外径と前記ショルダ内径との差分が０．０１ｍｍ以上０．１ｍｍ以下の範囲内になるように設定されている、
    接合ツール。
  9. 　前記ショルダ部材の外側に位置し、前記被接合物を一方の面から押圧するクランプ部材をさらに備え、
    　前記ショルダ部材の外径をショルダ外径とし、前記クランプ部材における前記ショルダ部材を内挿する貫通孔の内径をクランプ内径としたときに、
    　前記ショルダ部材および前記クランプ部材のクリアランスは、前記ショルダ外径と前記クランプ内径との差分が０．０１ｍｍ以上０．１ｍｍ以下の範囲内になるように設定されている、
    請求項８に記載の接合ツール。
  10. 　請求項１から９のいずれか１項に記載の接合ツールを備え、複動式摩擦攪拌接合または複動式摩擦攪拌点接合に用いられる、
    接合装置。
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