WO2014038505A1

WO2014038505A1 - 摩擦攪拌点接合用回転工具及びそれを用いた摩擦攪拌点接合方法

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Publication number: WO2014038505A1
Application number: PCT/JP2013/073523
Authority: WO
Inventors: 福田　敏彦
Original assignee: 住友軽金属工業株式会社
Priority date: 2012-09-06
Filing date: 2013-09-02
Publication date: 2014-03-13
Also published as: CA2884230A1; US20150174697A1; JP6076004B2; CN104718046A; JP2014050859A; US9676055B2

Abstract

アルミニウム材(２４)、(２６)の重ね合わせ部位を摩擦攪拌点接合せしめる回転工具(１０)において、円柱状の工具本体(１２)の先端中心部に同軸的に突出するように設けたプローブを、同軸的に突出する中間プローブ(１４)と中心プローブ(１６)とからなる段付き構造にて構成すると共に、工具本体(１２)の先端面及び中間プローブ(１４)の先端面を、それぞれ、径方向内方に向かって漸次凹陥して、中間プローブ(１４)の基部及び中心プローブ(１６)の基部に連結する形状の第一のショルダ面(２０)及び第二のショルダ面(２２)として構成することで、２つのアルミニウム材を重ね合わせて摩擦攪拌点接合するに際して、高い接合強度を実現する。

Description

摩擦攪拌点接合用回転工具及びそれを用いた摩擦攪拌点接合方法

　本発明は、摩擦攪拌点接合用回転工具及びそれを用いた摩擦攪拌点接合方法に係り、特に、少なくとも一方がＭｇ含有量の高いアルミニウム合金からなる２つのアルミニウム材の重ね合わせ物を、高い接合強度をもって、有利に摩擦攪拌点接合することの出来る回転工具と、それを用いて、そのような２つのアルミニウム材の重ね合わせ物を有利に摩擦攪拌点接合せしめる方法に関するものである。

　近年、接合時の入熱が少なく、軟化や歪みの程度が少ない接合手法として提案されている、摩擦熱を利用してアルミニウム材の如き金属部材を接合せしめる摩擦攪拌接合法を採用して、複数の金属部材の重ね合わせ部位を点接合せしめる技術が検討され、それによって、従来の抵抗スポット溶接やリベットによる接合よりも継手品質が良く、良好な接合状態が安定して得られることが、明らかにされている。

　また、そのような摩擦攪拌点接合方法は、基本的には、ロッド形状の工具本体の先端にピン形状の硬質プローブを設けてなる構造のピン型工具（回転工具）を用い、それを高速回転させながら所定の金属部材の重ね合わせ部位に差し込み、そして、かかるピン型工具の工具本体の先端部にて構成されるショルダ部を重ね合わせ部位に押圧することにより、それらショルダ部やプローブと重ね合わせ部位との間に摩擦熱を発生させて材料を塑性流動せしめ、かかるプローブの周りに攪拌領域を形成することにより、そのようなプローブの差し込み部位において金属部材の重ね合わせ部位の点接合が実現されるようにしたものであるが、そのような点接合部位の接合強度（継手強度）を充分に確保するには、その重ね合わせ部位における接合界面の攪拌が充分に行なわれるようにする必要がある。

　一方、摩擦攪拌接合において回転工具による攪拌力を向上させるために、かかる工具の形状に工夫を加えた提案が、従来から数多くなされてきており、例えば、特開２００３－３２６３７２号公報等においては、プローブをネジ形状としてなる構造の工具が提案されており、また特開２００３－３２６３７１号公報には、ショルダ端面やプローブに種々の模様を配してなる構造の工具が提案され、更に特開２００４－５８０８４号公報においては、ショルダ端面の全周に亘って、三角形の断面形状を有する溝が形成されてなる構造の工具が、提案されている。そして、特開２００２－３３６９７７号公報等においては、ショルダ端面をその外周縁よりもプローブ基部側において凹陥させてなる構造の工具が提案され、更にまた特開２００４－１０６０３７号公報においては、ショルダ端面を円弧状に凹陥させてなる構造の工具が提案されている。

　ところで、ＪＩＳＡ５１５４、Ａ５０５６、Ａ５１８２等といった、Ｍｇを３％（質量基準、以下同じ）以上含むような、高Ｍｇ含量のアルミニウム合金材を接合する場合において、その接合操作にて生じた酸化皮膜中には、強固なＭｇ酸化物が高い割合で存在するようになるために、酸化皮膜自体が強固になるのであるが、接合における界面に、そのような酸化皮膜が存在すると、この酸化皮膜が破壊され難いために、摩擦攪拌部位にヒゲ状の未接合部やフック状の未接合部が生じて、健全な接合が行なわれずに、接合強度不足となり易い問題を惹起することとなる。特に、前記した摩擦攪拌点接合を適用した場合にあっては、メタルの攪拌による攪拌力で、かかる強固な酸化皮膜を破壊して、被接合材のメタル同士を直接攪拌することにより、接合強度を確保する必要があるが、上記提案の攪拌力向上対策を講じた回転工具を用いても、少なくとも１つが高Ｍｇ含量のアルミニウム合金材である２つのアルミニウム材の重ね合わせ部の接合において、充分な接合強度を得ることは困難なことであった。

特開２００３－３２６３７２号公報特開２００３－３２６３７１号公報特開２００４－５８０８４号公報特開２００２－３３６９７７号公報特開２００４－１０６０３７号公報

　ここにおいて、本発明は、かかる事情を背景にして為されたものであって、その解決課題とするところは、２つのアルミニウム材を重ね合わせて摩擦攪拌点接合するに際して、かかるアルミニウム材の一方又は両方がＭｇ含有量が３％以上である、所謂高Ｍｇ含有アルミニウム合金材であっても、高い接合強度を実現し得る摩擦攪拌点接合用回転工具と、それを用いて摩擦攪拌点接合を有利に行ない得る方法を提供することにある。

　そして、本発明にあっては、上記した課題の解決のために、２つのアルミニウム材の重ね合わせ部位に対して、軸心回りに回転せしめられる円柱状の工具本体の先端中心部に同軸的に突出するように設けたプローブを差し込んで、それら２つのアルミニウム材の重ね合わせ物を摩擦攪拌点接合せしめる回転工具にして、前記プローブを、前記工具本体の先端部から同軸的に突出する、該工具本体よりも外径の小さな円柱状の中間プローブと、該中間プローブから同軸的に更に突出する、該中間プローブよりも外径の小さな円柱状の中心プローブとからなる、段付き構造にて構成すると共に、該工具本体の先端面を、径方向内方に向かって漸次凹陥して、該工具本体の先端外周縁よりも該工具本体内に入り込んだ位置において前記中間プローブの基部に連結する形状の第一のショルダ面として形成し、更に該中間プローブの先端面を、径方向内方に向かって漸次凹陥して、該中間プローブの先端外周縁よりも該中間プローブ内に入り込んだ位置において前記中心プローブの基部に連結する形状の第二のショルダ面として形成したことを特徴とする摩擦攪拌点接合用回転工具を、その要旨とするものである。

　なお、このような本発明に従う摩擦攪拌点接合用回転工具の望ましい態様の一つによれば、前記第一のショルダ面及び／又は前記第二のショルダ面が、外周縁から前記工具本体又は前記中間プローブの軸心に向かって一定角度で傾斜して凹陥形状を与える傾斜面にて形成されている。

　また、本発明に従う摩擦攪拌点接合用回転工具の望ましい態様の他の一つによれば、前記中心プローブの外周部は、ネジ部にて構成されており、更に別の望ましい態様によれば、前記中心プローブの先端面と前記中間プローブの先端外周縁とが、前記工具本体から同一の突出高さとされている。

　そして、かくの如き本発明に従う摩擦攪拌点接合用回転工具は、少なくとも一方がＭｇを３質量％以上含有するアルミニウム合金材である２つのアルミニウム材の重ね合わせ部位の点接合に有利に用いられることとなるのである。

　さらに、かかる本発明に従う摩擦攪拌点接合用回転工具の好ましい態様の一つにあっては、前記中間プローブの直径は、前記工具本体の直径の４０～８０％の範囲内となるように構成され、更に別の好ましい態様の一つによれば、前記中心プローブの直径は、前記中間プローブの直径の５０～９０％の範囲内となるように構成されている。

　なお、そのような本発明に従う摩擦攪拌点接合用回転工具の他の望ましい態様の一つによれば、前記第一のショルダ面の傾斜角度（θ₁ ）は、１０～３０°の範囲内にあり、更に他の望ましい態様の一つにあっては、前記第二のショルダ面の傾斜角度（θ₂ ）は、１０～３０°の範囲内にある。

　また、かくの如き摩擦攪拌点接合用回転工具を用いた本発明に従う摩擦攪拌点接合方法にあっては、２つのアルミニウム材の重ね合わせ部位に対して、回転工具における、軸心回りに回転せしめられる円柱状の工具本体の先端中心部に同軸的に突出するように設けられたプローブを差し込んで、それら２つのアルミニウム材の重ね合わせ物を摩擦攪拌点接合せしめる方法において、前記回転工具として、前記プローブが、前記工具本体の先端部から同軸的に突出する、該工具本体よりも外径の小さな円柱状の中間プローブと、該中間プローブから同軸的に更に突出する、該中間プローブよりも外径の小さな円柱状の中心プローブとからなる、段付き構造にて構成されると共に、該工具本体の先端面を、径方向内方に向かって漸次凹陥して、該工具本体の先端外周縁よりも該工具本体内に入り込んだ位置において前記中間プローブの基部に連結する形状の第一のショルダ面として形成し、更に該中間プローブの先端面を、径方向内方に向かって漸次凹陥して、該中間プローブの先端外周縁よりも該中間プローブ内に入り込んだ位置において前記中心プローブの基部に連結する形状の第二のショルダ面として形成したものを用い、かかる回転工具の前記中心プローブの先端が該中心プローブの差し込み方向前方側のアルミニウム材内に差し込まれるようにして、前記摩擦攪拌点接合が行なわれることを特徴とする摩擦攪拌点接合方法を、その要旨とするものである。

　なお、かかる本発明に従う摩擦攪拌点接合方法の望ましい態様の一つによれば、前記２つのアルミニウム材のうちの少なくとも一方が、Ｍｇを３質量％以上含有するアルミニウム合金材であり、また、前記重ね合わされる２つのアルミニウム材のうち、前記回転工具の各プローブの差し込まれる側のものが、Ｍｇを３質量％以上含有するアルミニウム合金材とされている。

　また、本発明に従う摩擦攪拌点接合方法の別の望ましい態様の一つによれば、前記回転工具の中間プローブの先端は、前記中心プローブの差し込み方向前方側のアルミニウム材内に差し込まれるようにして、前記摩擦撹拌点接合が行われることとなる。

　さらに、かかる本発明に従う摩擦攪拌点接合方法の別の好ましい態様の一つによれば、前記回転工具の中心プローブのみが、該中心プローブの差し込み方向前方側のアルミニウム材内に位置するようにして、前記摩擦撹拌点接合が行われることとなる。

　このように、本発明に従う摩擦攪拌点接合用回転工具にあっては、軸心回りに回転せしめられる工具本体の先端中心部に同軸的に設けられるプローブを、大径の中間プローブと小径の中心プローブとからなる二段の段付き構造において、構成すると共に、かかる工具本体の先端面にて与えられる第一のショルダ面と、中間プローブの先端面にて与えられる第二のショルダ面とが、それぞれ工具本体側に向かって凹陥した、二段傘形状において形成されているところから、そのような二段構造のプローブが差し込まれて高速回転せしめられると、そのようなプローブの周りに形成される摩擦攪拌領域は、段付き構造のプローブ、特に、傘形状の第二のショルダ面を有する中間プローブの存在によって、格段の攪拌作用を受けることとなり、以てより有効な接合特性を備えた摩擦攪拌接合部が実現され得るのであり、また、そのような効果的な攪拌力によって、高Ｍｇ含有アルミニウム合金材の接合に際して形成される強固な酸化皮膜も有利に破壊され得ることとなるのであって、これにより、そのような高Ｍｇ含有アルミニウム合金材を少なくとも一方のアルミニウム材とする、２つのアルミニウム材の重ね合わせ物の摩擦攪拌点接合において、摩擦攪拌部位における未接合部の発生を抑制乃至は阻止して、高い接合強度を有する接合物を有利に提供することが出来るのである。

本発明に従う摩擦攪拌点接合用回転工具の一例を示す半截断面要部説明図である。図１に示される回転工具を用いて摩擦攪拌点接合する形態を示す断面説明図である。本発明に従う摩擦攪拌点接合用回転工具の他の一例を示す半截断面要部説明図である。後述の実験例において用いられる回転工具の各部位の寸法を示す断面説明図であって、（ａ）は、二段傘形状のものを対象とし、（ｂ）は、一段傘形状のものを対象としている。

　以下、本発明を更に具体的に明らかにするために、本発明の実施の形態について、図面を参照しつつ、詳細に説明することとする。

　先ず、図１には、本発明に従う摩擦攪拌点接合用回転工具の一例に係る要部が、半截断面図の形態において示されている。そこにおいて、回転工具１０は、円柱状の工具本体１２と、その先端中心部において同軸的に突出するように設けられた中間プローブ１４と、更にその中間プローブ１４の先端中心部において同軸的に突出するように設けられた中心プローブ１６とを、一体的に有している。

　具体的には、かかる回転工具１０の工具本体１２は、その軸心回りに高速回転せしめられ得るようになっており、その先端（図において下端）の中心部に、工具本体１２の外径よりも小さな外径を有する円柱状の中間プローブ１４が、同軸的に所定長さ突出して設けられており、更に、かかる中間プローブ１４の先端部に、そのような中間プローブ１４の外径よりも小さな外径を有する円柱状の中心プローブ１６が、同軸的に所定長さ突出して設けられている。即ち、それら中間プローブ１４と中心プローブ１６とは、工具本体１２の先端中心部に一体に設けられており、二段の段付き構造の外観を呈する形態とされているのである。なお、ここでは、中心プローブ１６の外周面に、従来と同様な形態のネジ部１８が形成されて、攪拌効果が高められ得るようになっている。

　しかも、そのような回転工具１０において、その工具本体１２の先端面（図において下面）にて与えられる第一のショルダ面２０は、径方向内方に向かって漸次凹陥して、工具本体１２の先端外周縁よりも工具本体内に入り込んだ位置において、中間プローブ１４の基部に連結してなる形状において形成されており、また、中間プローブ１４の先端面（図において下面）にて与えられる第二のショルダ面２２にあっても、第一のショルダ面２０と同様に、径方向内方に向かって漸次凹陥して、中間プローブ１４の先端外周縁よりも中間プローブ内に入り込んだ位置において、中心プローブ１６の基部に連結されてなる形状において形成されているのである。そして、ここでは、それら第一及び第二のショルダ面２０、２２は、それぞれ、工具本体１２の先端外周縁又は中間プローブ１４の先端外周縁から、それぞれの軸心に向かって一定角度（θ₁、θ₂）で傾斜して延びて、円錐台状の凹陥形状を与える傾斜面（テーパ面）にて構成されており、これによって、工具本体１２の先端部位の縦断面において、第一のショルダ面２０と中間プローブ１４、及び第二のショルダ面２２と中心プローブ１６によって、それぞれ傘形状が与えられる、二段傘形状を呈するように構成されている。

　そして、このような構成の回転工具１０を用いて摩擦攪拌点接合せしめるに際しては、その工具本体１２の先端部に設けた中間プローブ１４及び中心プローブ１６からなるプローブを、重ね合わされた２つの板状のアルミニウム材２４、２６の重ね合わせ部位に差し込んで、従来と同様に、高速回転させて、摩擦攪拌せしめることにより、それら２つのアルミニウム材２４、２６の重ね合わせ物が点接合されるのであるが、本発明にあっては、有利には、そのような２つのアルミニウム材２４、２６のうちの少なくとも一方が、高Ｍｇ含有アルミニウム合金材とされることとなるのである。

　ここにおいて、それらアルミニウム材２４、２６のうちの少なくとも一方に用いられる高Ｍｇ含有アルミニウム合金材は、質量基準で、Ｍｇを３％以上含むアルミニウム合金からなる材料であって、例えばＪＩＳＡ称呼で、５１５４合金、５０５６合金、５１８２合金、５２５４合金、５０８２合金、５０８３合金、５０８６合金、５Ｎ０２合金等からなる材料を対象とすることが出来る。また、このような高Ｍｇ含有アルミニウム合金材に組み合わされる他のアルミニウム材としては、公知の各種のアルミニウム材が対象とされ、特定のものに限定されるものではない。勿論、それらアルミニウム材２４、２６の両方を高Ｍｇ含有アルミニウム合金材とすることも可能であることは言うまでもないところであるが、本発明にあっては、プローブ（１４、１６）の差し込み方向後方側（図において上方側）のアルミニウム材２４を、高Ｍｇ含有アルミニウム材とすることが望ましい。

　そして、かかる回転工具１０が高速回転せしめられつつ、２つのアルミニウム材２４、２６の重ね合わせ部位の上側から差し込まれて、その中心プローブ１６が下側のアルミニウム材２６内に到達するようにして、摩擦攪拌せしめられることによって、図２に示される如く、工具本体１２の先端部及び中間プローブ１４、中心プローブ１６の周りに攪拌領域３０が形成されることとなるのであるが、そのような攪拌領域３０においては、中間プローブ１４の存在と、第二のショルダ面２２の凹陥形状、加えて第一のショルダ面２０の凹陥形状により、可塑化、流動せしめられる攪拌力が効果的に高められるのである。従って、高Ｍｇ含有アルミニウム合金材を接合対象とすることによって、酸化皮膜中に強固な酸化Ｍｇが高い割合で存在して強固となった酸化皮膜が生じても、そのような酸化皮膜自体を有利に破壊し得ることとなり、以て、接合界面のメタルの塑性流動性を格段に向上せしめ得ることとなるのであって、これにより、摩擦攪拌接合部位におけるヒゲ状の未接合部やフック状の未接合部の発生を効果的に抑制乃至は阻止し得て、２つのアルミニウム材２４、２６の接合強度の向上を有利に図り得ることとなるのである。

　なお、かくの如き回転工具１０における工具本体１２、中間プローブ１４、中心プローブ１６のサイズや、第一及び第二のショルダ面２０、２２の形成形態等は、摩擦攪拌点接合せしめられる２つのアルミニウム材２４、２６の重ね合わせ部位の厚さ等によって、適宜に設定されるところであるが、一般に、中間プローブ１４の直径（ｄ₁）は、工具本体１２の直径（ｄ₀）の４０～８０％程度の割合となるように構成され、更に中心プローブ１６の直径（ｄ₂）は、中間プローブ１４の直径（ｄ₁）の５０～９０％程度の割合となるように構成されることが望ましく、また、第一のショルダ面２０の軸直角方向の面（工具本体１２の先端外周縁の位置する軸直角方向の面）に対する傾斜角（θ₁）や、第二のショルダ面２２の軸直角方向の面（中間プローブ１４の先端外周縁の位置する軸直角方向の面）に対する傾斜角（θ₂）は、それぞれ、一般に、１０～３０°程度の範囲内とされることとなる。

　より具体的には、例えば、接合されるべき２つのアルミニウム材２４、２６の重ね合わせ部位におけるそれぞれの厚さが、１～３ｍｍ程度である場合において、前記工具本体１２の直径（ｄ₀）は、６～２０ｍｍ程度とされ、また中間プローブ１４の直径（ｄ₁）及び中心プローブ１６の直径（ｄ₂）は、それぞれ、４～１０ｍｍ程度及び２～６ｍｍ程度とされるのである。更に、図１に示されるように、工具本体１２の軸方向における、工具本体１２自身の先端と中間プローブ１４の先端との間の距離（ｈ₁）、換言すれば中間プローブ１４の突出長さは、１～２ｍｍ程度とされ、また中間プローブ１４の先端と中心プローブ１６の先端との間の距離（ｈ₂）、換言すれば中心プローブ１６の突出長さは、０～２ｍｍ程度とされるのである。

　また、図３には、本発明に従う摩擦攪拌点接合用回転工具の他の一例が、図１と同様な形態において示されているが、そこに開示の回転工具１０’は、図１に示される回転工具１０において、中心プローブ１６の突出長さ（ｈ₂）が０である形態のものである。即ち、そこでは、中間プローブ１４の第二のショルダ面２２によって構成される凹陥部内に、中心プローブ１６’が突出形成されており、そしてその先端面が、中間プローブ１４の先端外周縁と同位置に位置するように構成されているのである。このような中間プローブ１４及び中心プローブ１６’からなるプローブ形態において、摩擦攪拌点接合操作を実施しても、攪拌力は効果的に高められ得て、強固な酸化皮膜が存在しても容易に破壊され得ることとなるのであり、以て高い接合強度を実現することが出来るのである。

　ところで、このような本発明に従う摩擦攪拌点接合用回転工具の優れた特徴は、以下の実験例において、図４（ａ）及び（ｂ）に示される各部位の寸法を種々変化させてなる各種の回転工具を用いて、それぞれ摩擦攪拌点接合を実施して得られた実験結果からも、容易に理解され得るところである。

　先ず、実験に際して、図４の（ａ）及び（ｂ）に示される部位の寸法を下記表１及び表２に示される如くした、各種の回転工具Ａ～Ｋを準備した。

　ここで、本実験においては、板厚が２．３ｍｍのアルミニウム板（５１８２－Ｏ材）を上板とし、板厚が２．０ｍｍのアルミニウム板（６０１６－Ｔ４材）を下板として重ね合わせ、その重ね合わせ部位に対して、上方から、上記表１及び表２に示される寸法の回転工具Ａ、Ｂ及びＨを用いて、それぞれ、摩擦攪拌点接合を実施した。なお、各回転工具の工具本体の軸心回りの回転数を１５００ｒｐｍ又は２０００ｒｐｍとすると共に、各回転工具のプローブ先端部の下板への挿入深さ（中心プローブの先端面から下板下面までの距離となる下板残厚）を種々異ならしめた形態において、それぞれの摩擦攪拌点接合操作を行なった。そして、その得られた各種の接合板材における上板と下板の接合界面の剪断強度を調べて、その結果を、下記表３に示した。

　かかる表３の結果から明らかな如く、本発明に従って二段傘形状の先端部とされた回転工具Ａ及びＢを用いることにより、単なる一段傘形状の先端部を有する回転工具Ｈに比べて、剪断強度が効果的に高められた接合板材を得ることが出来ることが確認された。

　また、先の表１及び表２に示される寸法の回転工具Ａ～Ｇ及びＨ～Ｋを用いて、厚さが２．３ｍｍのアルミニウム板材（５１８２－Ｏ材）からなる上板と、厚さが１．５ｍｍのアルミニウム板材（６０６３－Ｔ１材）からなる下板との重ね合わせ部位に対して、上方から、摩擦攪拌点接合操作を実施した。そして、それぞれの回転工具を用いて得られた各種の接合板材について、その接合界面における剪断強度を調べ、その結果を、下記表４及び表５に示した。

　かかる表４及び表５の対比から明らかな如く、本発明に従う二段傘形状の先端部を有する回転工具Ａ～Ｆを用いて得られた接合板材にあっては、単なる段付き構造のプローブである回転工具Ｇや、単なる一段傘形状の先端部である回転工具Ｈ、Ｉ、Ｊ、更には、単なるピン突出形態の先端部とされた回転工具Ｋを用いて得られた接合板材よりも、高い引張強度が得られ、何れも、接合強度において優れていることが確認された。

　さらに、先の表１及び表２に示される寸法の回転工具Ｃ～Ｆ、Ｈ及びＪを用いて、厚さが１．５ｍｍのアルミニウム板材（６０６３－Ｔ１材）からなる上板と、厚さが２．３ｍｍのアルミニウム板材（５１８２－Ｏ材）からなる下板との重ね合わせ部位に対して、上方から、摩擦攪拌点接合操作を実施した。そして、それぞれの回転工具を用いて得られた各種の接合板材について、その接合界面における剪断強度を調べ、その結果を、下記表６に示した。

　かかる表６の結果から明らかな如く、本発明に従う二段傘形状の先端部を有する回転工具Ｃ～Ｆを用いて得られた接合板材にあっては、単なる一段傘形状の先端部である回転工具Ｈ及びＪを用いて得られた接合板材よりも、高い引張強度が得られ、何れも、接合強度において優れていることが確認された。

　以上、本発明の実施形態について詳述してきたが、それは、あくまでも、例示に過ぎないものであって、本発明は、そのような実施形態に係る具体的な記述によって、何等限定的に解釈されるものではないことが、理解されるべきである。

　例えば、本発明に従う回転工具による摩擦攪拌点接合の対象とされて、重ね合わされる被接合部材たる２つのアルミニウム材は、一般に、板材が対象となるものではあるが、それらは全体が平坦な板材である必要はなく、少なくともその重ね合わせ部位が摩擦攪拌点接合可能な範囲において平坦な板状を呈しておれば充分であり、それ故に、それぞれの板材に対してプレス成形等の各種の成形操作が施されて、種々なる形状に成形されてなる成形品を、本発明における被接合部材として用いることも可能であり、更には、重ね合わせ部位以外の部分が板状ではなく、ブロック状、柱状、筒状、箱状等の各種の形状を有する部材を用いることも可能である。加えて、回転工具の差し込み方向前方側に位置するアルミニウム材を、板状ではなく、ブロック状とすることも可能である。

　また、図１に示される回転工具１０においては、中心プローブ１６の外周面が、ネジ部１８とされて、そのような中心プローブ１６の周りのメタルの攪拌を効果的に行ない得るようになっているが、そのようなネジ部１８に代えて、公知の各種の溝形状乃至は突起形状の手段を設けることも可能であるが、勿論、そのようなネジ部１８を設けない平滑な円柱面として、構成することも可能である。

　さらに、２つのアルミニウム材２４、２６の重ね合わせ部位に対して、回転工具１０の中心プローブ１６の先端が、その差し込み方向前方側（図において下側）のアルミニウム材２６内に充分に差し込まれて、図２に示される如く、中間プローブ１４の先端外周縁をも、かかるアルミニウム材２６内に差し込まれるようにすることによって、より大きな攪拌領域３０が形成され、また強固な酸化皮膜も効果的に破壊され得ることとなるところから、より接合強度の高い接合物を得ることが出来る利点を有しているが、また、そのような中間プローブ１４の先端外周縁が、中間プローブ１４の差し込み方向後方側のアルミニウム材２４内に留まるようにして、摩擦攪拌点接合を行なうことも可能である。特に、そのような中心プローブ１６のみが差し込み方向前方側のアルミニウム材２６内に位置するようにして、摩擦攪拌点接合する場合において、本発明に従う二段傘形態の先端部を有する回転工具の特徴がよりよく発揮され得ることが確認されている。

　その他、一々列挙はしないが、本発明は、当業者の知識に基づいて、種々なる変更、修正、改良等を加えた態様において実施され得るものであり、また、そのような実施の態様が、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて、何れも、本発明の範疇に属するものであることは、言うまでもないところである。

　１０　回転工具　　　　　　　　　　　　　１２　工具本体
　１４　中間プローブ　　　　　　　　　　　１６　中心プローブ
　１８　ネジ部　　　　　　　　　　　　　　２０　第一のショルダ面
　２２　第二のショルダ面　　　　　　　　　２４、２６　アルミニウム材
　３０　攪拌領域

Claims

　２つのアルミニウム材の重ね合わせ部位に対して、軸心回りに回転せしめられる円柱状の工具本体の先端中心部に同軸的に突出するように設けたプローブを差し込んで、それら２つのアルミニウム材の重ね合わせ物を摩擦攪拌点接合せしめる回転工具にして、
　前記プローブを、前記工具本体の先端部から同軸的に突出する、該工具本体よりも外径の小さな円柱状の中間プローブと、該中間プローブから同軸的に更に突出する、該中間プローブよりも外径の小さな円柱状の中心プローブとからなる、段付き構造にて構成すると共に、該工具本体の先端面を、径方向内方に向かって漸次凹陥して、該工具本体の先端外周縁よりも該工具本体内に入り込んだ位置において前記中間プローブの基部に連結する形状の第一のショルダ面として形成し、更に該中間プローブの先端面を、径方向内方に向かって漸次凹陥して、該中間プローブの先端外周縁よりも該中間プローブ内に入り込んだ位置において前記中心プローブの基部に連結する形状の第二のショルダ面として形成したことを特徴とする摩擦攪拌点接合用回転工具。
　前記第一のショルダ面及び／又は前記第二のショルダ面が、外周縁から前記工具本体又は前記中間プローブの軸心に向かって一定角度で傾斜して凹陥形状を与える傾斜面にて構成されている請求項１に記載の摩擦攪拌点接合用回転工具。
　前記中心プローブの外周部を、ネジ部にて構成した請求項１又は請求項２に記載の摩擦攪拌点接合用回転工具。
　前記中心プローブの先端面と前記中間プローブの先端外周縁とが、前記工具本体から同一の突出高さとされている請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の摩擦攪拌点接合用回転工具。
　前記２つのアルミニウム材のうちの少なくとも一方が、Ｍｇを３質量％以上含有するアルミニウム合金材である請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の摩擦攪拌点接合用回転工具。
　前記中間プローブの直径が、前記工具本体の直径の４０～８０％の範囲内となるように構成されている請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載の摩擦攪拌点接合用回転工具。
　前記中心プローブの直径が、前記中間プローブの直径の５０～９０％の範囲内となるように構成されている請求項１乃至請求項６の何れか１項に記載の摩擦攪拌点接合用回転工具。
　前記第一のショルダ面の傾斜角度（θ₁ ）が、１０～３０°の範囲内にある請求項１乃至請求項７の何れか１項に記載の摩擦攪拌点接合用回転工具。
　前記第二のショルダ面の傾斜角度（θ₂ ）が、１０～３０°の範囲内にある請求項１乃至請求項８の何れか１項に記載の摩擦攪拌点接合用回転工具。
　２つのアルミニウム材の重ね合わせ部位に対して、回転工具における、軸心回りに回転せしめられる円柱状の工具本体の先端中心部に同軸的に突出するように設けられたプローブを差し込んで、それら２つのアルミニウム材の重ね合わせ物を摩擦攪拌点接合せしめる方法にして、
　前記回転工具として、前記プローブが、前記工具本体の先端部から同軸的に突出する、該工具本体よりも外径の小さな円柱状の中間プローブと、該中間プローブから同軸的に更に突出する、該中間プローブよりも外径の小さな円柱状の中心プローブとからなる、段付き構造にて構成されると共に、該工具本体の先端面を、径方向内方に向かって漸次凹陥して、該工具本体の先端外周縁よりも該工具本体内に入り込んだ位置において前記中間プローブの基部に連結する形状の第一のショルダ面として形成し、更に該中間プローブの先端面を、径方向内方に向かって漸次凹陥して、該中間プローブの先端外周縁よりも該中間プローブ内に入り込んだ位置において前記中心プローブの基部に連結する形状の第二のショルダ面として形成したものを用い、かかる回転工具の前記中心プローブの先端が該中心プローブの差し込み方向前方側のアルミニウム材内に差し込まれるようにして、前記摩擦攪拌点接合が行なわれることを特徴とする摩擦攪拌点接合方法。
　前記２つのアルミニウム材のうちの少なくとも一方が、Ｍｇを３質量％以上含有するアルミニウム合金材である請求項１０に記載の摩擦攪拌点接合方法。
　前記重ね合わされる２つのアルミニウム材のうち、前記回転工具のプローブの差し込まれる側のものが、Ｍｇを３質量％以上含有するアルミニウム合金材である請求項１０又は請求項１１に記載の摩擦攪拌点接合方法。
　前記回転工具の中間プローブの先端が、前記中心プローブの差し込み方向前方側のアルミニウム材内に差し込まれるようにして、前記摩擦撹拌点接合が行われる請求項１０乃至請求項１２の何れか１項に記載の摩擦攪拌点接合方法。
　前記回転工具の中心プローブのみが、該中心プローブの差し込み方向前方側のアルミニウム材内に位置するようにして、前記摩擦撹拌点接合が行われる請求項１０乃至請求項１２の何れか１項に記載の摩擦攪拌点接合方法。