JP6578241B2 - 摩擦撹拌接合方法および摩擦撹拌接合装置 - Google Patents

Description

本発明は、摩擦撹拌接合用ツールを用いて、複数の部材同士をお互いに接合する摩擦撹拌接合方法および摩擦撹拌接合装置に関する。

従来、摩擦撹拌接合用ツールを用いて複数の部材同士をお互いに接合する摩擦撹拌接合装置（工作機械）が知られている（たとえば、特許文献１参照）。

また、ツール本体の底面の凹部における周縁から中心部に向けた径方向の傾斜角θを改良した摩擦撹拌接合用ツールが知られている（たとえば、特許文献２参照）。

また、先端（プローブ）の形状を改良した摩擦撹拌接合用ツールが知られている（たとえば、特許文献３参照）。

特許第５５４８５３０号公報 特開２００２−１９２３５７号公報 特開２００７−１７５７６４号公報

ところで、摩擦撹拌接合では、摩擦撹拌ピン（摩擦撹拌接合用ツールのプローブ）が破損しやすいという問題がある。この破損は、摩擦撹拌接合をして工具（摩擦撹拌接合用ツール）を母材（お互いが接合される部材）から抜き取るときに発生しやすい。

摩擦撹拌接合用ツールが破損することで、破損した摩擦撹拌接合用ツールの一部が母材の接合部に残ってしまい、製品（母材）の廃棄や破損した摩擦撹拌接合用ツールの一部を製品から抜き取る作業が必要になり、損失が発生してしまう。

ここで、摩擦撹拌接合用ツールの破損について詳しく説明する。

摩擦撹拌接合時には、摩擦撹拌接合用ツールのショルダ（肩部）と母材との間に発生する摩擦熱、プローブ（撹拌ピン）と母材との間に発生する摩擦熱など、複数の熱源から得られる熱によって、母材の接合部は軟化した状態になっている。

摩擦撹拌接合用ツールを母材から抜き取るとき、ショルダが母材から離れた瞬間に母材への入熱量は極端に減少する。これにより、母材の温度は急激に低下し、軟化していた母材（プローブ近傍の部位）の粘性が高くなる。

この状況下でも撹拌ピンは母材中に存在しており、母材が固まろうとして粘性が高くなることで、撹拌ピンの母材からの抜き取りで撹拌ピンに多大な引っ張り応力が発生し、摩擦撹拌接合用ツールが破損してしまうことがある。

たとえば、摩擦撹拌接合をしているときには、撹拌ピンにかかる最大応力が８ｋＮであるのに対し、抜き取り時には、４５ｋＮ（５倍以上）になる（図７（ａ）参照）。

特許文献２では、傾斜角θを改良してあることで、撹拌ピンの破損を防止している。しかし、特許文献２に記載のものでも、抜き取り時に発生する応力が大きくなり、摩擦撹拌接合用ツールが破損するおそれがある。

また、特許文献３では、摩擦撹拌接合用ツールの先端（プローブ）の形状を改良したことで、工具に発生する応力集中を無くし工具を破損しにくくしている。しかし、特許文献３に記載のものでも、抜き取り時に発生する応力を小さくすることができず、摩擦撹拌接合用ツールの破損が発生するおそれがある。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、摩擦撹拌接合用ツールを用いて複数の部材同士をお互いに接合する摩擦撹拌接合方法および摩擦撹拌接合装置において、摩擦撹拌ピンの破損を防止することができるものを提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、摩擦撹拌接合用ツールを用いて部材の接合部を接合する摩擦撹拌接合方法において、前記摩擦撹拌接合用ツールを回転し、前記摩擦撹拌接合用ツールのプローブを前記接合部に貫入し、前記摩擦撹拌接合用ツールを前記接合部に沿って移動することで、前記接合部を摩擦撹拌接合する摩擦撹拌接合工程と、前記摩擦撹拌接合工程で前記摩擦撹拌接合用ツールを移動し終えた後、前記摩擦撹拌接合工程での移動終了直前の移動方向とは逆方向と前記摩擦撹拌接合工程での移動終了直前の移動方向とに、交互にしかも移動距離が往復の回数に応じて次第に短くなるように前記摩擦撹拌接合用ツールを往復移動するツール移動工程と、前記ツール移動工程で前記摩擦撹拌接合用ツールを移動し終えた後ただちに、または、前記ツール移動工程での前記摩擦攪拌接合用ツールの移動中に、前記摩擦撹拌接合用ツールのプローブを前記部材から抜くプローブ抜き工程とを有する摩擦撹拌接合方法である。

請求項２に記載の発明は、摩擦撹拌接合用ツールを用いて第１の部材と第２の部材とをお互いに接合する摩擦撹拌接合方法において、前記第１の部材の端面と前記第２の部材の端面とをお互いに突き合わせて設置する部材設置工程と、前記部材設置工程で前記各部材を設置した後、前記摩擦撹拌接合用ツールを回転し、前記摩擦撹拌接合用ツールのプローブを各部材に貫入し、前記摩擦撹拌接合用ツールを前記各部材の突き合せ部の延伸方向に移動することで、前記各部材をお互いに摩擦撹拌接合する摩擦撹拌接合工程と、前記摩擦撹拌接合工程で前記摩擦撹拌接合用ツールを移動し終えた後、前記摩擦撹拌接合工程での移動終了直前の移動方向とは逆方向と前記摩擦撹拌接合工程での移動終了直前の移動方向とに、交互にしかも移動距離が往復の回数に応じて次第に短くなるように前記摩擦撹拌接合用ツールを往復移動するツール移動工程と、前記ツール移動工程で前記摩擦撹拌接合用ツールを移動し終えた後ただちに、または、前記ツール移動工程での前記摩擦攪拌接合用ツールの移動中に、前記摩擦撹拌接合用ツールのプローブを前記部材から抜くプローブ抜き工程とを有する摩擦撹拌接合方法である。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の摩擦撹拌接合方法において、前記部材設置工程は、前記各部材の設置とともに、前記各部材の突き合せ部の延伸方向であって前記摩擦撹拌接合工程での前記摩擦撹拌接合用ツールの移動方向の終端側の端に、上記各部材の突き合せ部の延伸方向の延長線上に位置する終端側当て部材を設ける工程であり、前記摩擦撹拌接合工程は、前記摩擦撹拌接合用ツールのプローブを前記終端側当て部材まで移動する工程であり、前記ツール移動工程は、前記終端側当て部材のところで、前記摩擦撹拌接合用ツールを移動する工程であり、前記プローブ抜き工程は、前記終端側当て部材のところで、前記摩擦撹拌接合用ツールを抜く工程である摩擦撹拌接合方法である。

請求項４に記載の発明は、請求項２または請求項３に記載の摩擦撹拌接合方法において、前記部材設置工程は、前記各部材の設置とともに、前記各部材の突き合せ部の延伸方向であって前記摩擦撹拌接合工程での前記摩擦撹拌接合用ツールの移動方向の初端側の端に、上記各部材の突き合せ部の延伸方向の延長線上に位置する初端側当て部材を設ける工程であり、前記摩擦撹拌接合工程は、前記摩擦撹拌接合用ツールのプローブを前記初端側当て部材で貫入する工程である摩擦撹拌接合方法である。

請求項５に記載の発明は、摩擦撹拌接合用ツールを用いて部材の接合部を接合する摩擦撹拌接合装置において、前記接合部が形成されるようにして前記部材が設置されるベース体と、前記ベース体に対して相対的に移動位置決め自在であり、前記摩擦撹拌接合用ツールが回転自在に設置される摩擦撹拌接合用ツール設置体と、前記摩擦撹拌接合用ツール設置体に設置された摩擦撹拌接合用ツールを回転して摩擦撹拌接合用ツールのプローブを前記部材の接合部に貫入し前記摩擦撹拌接合用ツールを前記接合部に沿って移動することで前記接合部をお互いに摩擦撹拌接合し、前記摩擦撹拌接合用ツールの移動で前記摩擦撹拌接合をし終えた後、前記摩擦撹拌接合での移動終了直前の移動方向とは逆方向と前記摩擦撹拌接合での移動終了直前の移動方向とに、交互にしかも移動距離が往復の回数に応じて次第に短くなるように前記摩擦撹拌接合用ツールを往復移動し、この移動中に、または、この移動をし終えた後前記摩擦撹拌接合用ツールのプローブによって前記部材に形成された凹部が埋まる前に、前記摩擦撹拌接合用ツールのプローブを前記部材から抜くように、前記摩擦撹拌接合用ツール設置体を制御する制御部とを有する摩擦撹拌接合装置である。

請求項６に記載の発明は、摩擦撹拌接合用ツールを用いて第１の部材と第２の部材とをお互いに接合する摩擦撹拌接合装置において、前記第１の部材の端面と前記第２の部材の端面とがお互いに突き合わされて、前記各部材が設置されるベース体と、前記ベース体に対して相対的に移動位置決め自在であり、前記摩擦撹拌接合用ツールが回転自在に設置される摩擦撹拌接合用ツール設置体と、前記摩擦撹拌接合用ツール設置体に設置された摩擦撹拌接合用ツールを回転して摩擦撹拌接合用ツールのプローブを前記各部材に貫入し前記摩擦撹拌接合用ツールを前記各部材の突き合せ部の延伸方向に移動することで前記各部材をお互いに摩擦撹拌接合し、前記摩擦撹拌接合用ツールの移動で前記摩擦撹拌接合をし終えた後、前記摩擦撹拌接合での移動終了直前の移動方向とは逆方向と前記摩擦撹拌接合での移動終了直前の移動方向とに、交互にしかも移動距離が往復の回数に応じて次第に短くなるように前記摩擦撹拌接合用ツールを往復移動し、この移動中に、または、この移動をし終えた後前記摩擦撹拌接合用ツールのプローブによって前記部材に形成された凹部が埋まる前に、前記摩擦撹拌接合用ツールのプローブを前記部材から抜くように、前記摩擦撹拌接合用ツール設置体を制御する制御部とを有する摩擦撹拌接合装置である。

本発明によれば、摩擦撹拌接合用ツールを用いて複数の部材同士をお互いに接合する摩擦撹拌接合方法および摩擦撹拌接合装置において、摩擦撹拌ピンの破損を防止することができるという効果を奏する。

本発明の実施形態に係る摩擦撹拌接合方法を示す斜視図である。 図１におけるＩＩ−ＩＩ断面を示す図である。 本発明の実施形態に係る摩擦撹拌接合方法を示す平面図である。 本発明の別の実施形態に係る摩擦撹拌接合方法を示す平面図である。 本発明の実施形態に係る摩擦撹拌接合装置を示す図である。 本発明の実施形態に係る摩擦撹拌接合方法の試験結果と従来の摩擦撹拌接合方法の試験結果とを示す図である。 本発明の実施形態に係る摩擦撹拌接合方法の試験結果と従来の摩擦撹拌接合方法の試験結果とを示す図である。 変形例に係る摩擦撹拌接合方法を示す斜視図である。

本発明の実施形態に係る摩擦撹拌接合方法は、図１、図２等で示すように、摩擦撹拌接合用ツール１を用いて第１の部材３と第２の部材５とをお互いに摩擦撹拌接合（ＦＳＷ；Ｆｒｉｃｔｉｏｎ Ｓｔｉｒ Ｗｅｌｄｉｎｇ）するものである。

摩擦撹拌接合とは、先端に突起（プローブ）８のある円筒状の工具（摩擦撹拌接合用ツール１）を回転させながら強い力で部材３，５に押し付けることで、プローブ８を接合させる部材（母材）３，５の突き合せ部１３に貫入（挿入）し、これによって摩擦熱を発生させて部材３，５（接合部７）を軟化させるとともに、摩擦撹拌接合用ツール１の回転力によって接合部７の周辺を塑性流動させて練り混ぜることで、複数の部材３，５を一体化させる接合法である。

摩擦撹拌接合方法は、たとえば、部材設置工程と摩擦撹拌接合工程とツール移動工程とプローブ抜き工程を経てなされる。

部材設置工程では、第１の部材３の端面（突き合わせ面）３Ａと第２の部材５の端面（突き合わせ面）５Ａとをお互いに突き合わせて、ベース体９に一体的に設置する。

ここで説明の便宜のために、水平な所定の一方向をＸ軸方向とし、水平な所定の他の一方向であってＸ軸方向に対して直交する方向をＹ軸方向とし、Ｘ軸方向とＹ軸方向とに対して直交する上下方向をＺ軸方向とする。

第１の部材３と第２の部材５とは、たとえば、お互いの厚さがほぼ等しい平板状に形成されている。また、ベース体９の、各部材３，５が設置される面（部材設置面；たとえば上面）１１は平面状に形成されている。

第１の部材３、第２の部材５として、たとえば、厚さが５ｍｍの高力系アルミニウム合金を掲げることができる。

第１の部材３の端面（第２の部材５に突き合わされる面）３Ａは、第１の部材３の側面の一部で形成されている。また、第１の部材３の端面３Ａは、たとえば、第１の部材３の厚さ方向に対して平行な幅（第１の部材３の厚さに相当）が狭い直線状の平面で形成されている。

第２の部材５の端面（第１の部材３に突き合わされる面）５Ａも、第２の部材５の側面の一部で形成されている。また、第２の部材５の端面５Ａも、たとえば、第２の部材５の厚さ方向に対して平行な幅（第２の部材５の厚さに相当）が狭い直線状の平面で形成されている。

第１の部材３の突き合わせ面３Ａと第２の部材５との突き合わせ面５Ａとをお互いに突き合わせて各部材３，５がベース体９に一体的に設置された状態（部材設置状態）では、各部材３，５の厚さ方向の一方の面（たとえば下面）が、ベース体９の上面に面接触しており、第１の部材３の突き合わせ面３Ａと第２の部材５との突き合わせ面５Ａとがお互いに面接触している。

部材設置状態を各部材３，５の厚さ方向（上下方向）から見ると、第１の部材３の突き合わせ面３Ａと第２の部材５の突き合わせ面５Ａとの突き合せ部１３は、たとえば、直線状に延伸している。

部材設置工程では、ベース体９に各部材３，５を載置するとともに、ベース体９に設けられている突き当て（図示せず）に各部材３，５の側面の一部を突き当てて各部材３，５を位置決めしておき、クランプ部材とネジやシリンダで等の締結部材とを備えて構成されているクランパ（図示せず）によって、各部材３，５をベース体９の所定の位置でベース体９に一体的に設置するようになっている。

また、部材設置工程では、各部材３，５の突き合せ部１３の下方に、裏当て金１４を設置してある。裏当て金１４の上面は、各部材３，５の突き合せ部１３に接しており、裏当て金１４の下面は、ベース体９に接している。なお、裏当て金１４を用いない構成であってもよい。

摩擦撹拌接合用ツール１は、たとえば、焼き入れした工具鋼で構成されており、円柱状のツール本体部１５と、プローブ８とを備えて構成されている。プローブ８は、各部材３，５を撹拌するためにたとえば外径が５ｍｍ程度のオスネジ状に形成されている。

プローブ８の外径は、ツール本体部１５の外径よりも小さくなっている。プローブ８は、ツール本体部１５の一方の円形状の端面（下面）から突出している。ツール本体部１５の中心軸Ｃ１とプローブ８の中心軸Ｃ１とはお互いが一致している。ツール本体部１５とプローブ８との境界には段差が形成されており、この段差が、摩擦撹拌接合用ツール１のショルダ（ショルダ部）１７になっている。

また、摩擦撹拌接合用ツール１は、部材設置状態の各部材３，５の上方に位置し、プローブ８が下側になりツール本体部１５が上側になり、中心軸Ｃ１がたとえば上下方向に延伸している。摩擦撹拌接合用ツール１は、この中心軸Ｃ１を回転中心にして回転するようになっている。

また、摩擦撹拌接合用ツール１は、ベース体９の各部材３，５が設置される面に対して直交する方向（Ｚ軸方向）と、ベース体９の各部材３，５が設置される面の展開方向（Ｘ軸方向やＹ軸方向）で、部材設置状態の各部材３，５に対して相対的に移動位置決め自在になっている。

摩擦撹拌接合工程では、部材設置工程で各部材３，５を設置した後、摩擦撹拌接合用ツール１を所定の速度で回転し、摩擦撹拌接合用ツール１を下方に移動し、摩擦撹拌接合用ツール１のプローブ８を各部材３，５（突き合せ部１３の所定の部位）に貫入する。

そして、この回転と貫入とを維持したまま摩擦撹拌接合用ツール１を各部材３，５の突き合せ部１３の延伸方向に所定の速度で移動することで（突き合せ部１３に沿って移動することで）、各部材３，５を突き合わせ部１３にところでお互いに摩擦撹拌接合する。

ここで、摩擦撹拌接合工程についてさらに説明する。この説明では、後述する当て部材１９，２１（図８参照）を用いないものとする。

部材設置工程で各部材３，５を設置した後であって摩擦撹拌接合工程を実行する前の状態（摩擦撹拌接合準備状態）では、摩擦撹拌接合用ツール１は、摩擦撹拌接合の開始位置のところで、部材設置状態の各部材３，５の上方に位置し、各部材３，５から僅かに離れている。

摩擦撹拌接合準備状態で、摩擦撹拌接合用ツール１を回転させたまま摩擦撹拌接合用ツール１を所定の位置まで下降する。この所定の位置まで下降することで、摩擦撹拌接合用ツール１のプローブ８が、摩擦撹拌接合の開始位置で各部材３，５の突き合せ部に貫入される。この貫入によっても、プローブ８の下端は各部材３，５の下面よりも０．１ｍｍ〜０．２ｍｍ程度上方に位置している。

また、上記所定の位置までの下降によって、プローブ８の貫入に加えて、各部材３，５の上面に摩擦撹拌接合用ツール１のショルダ部１７が所定の付勢力をもって当接している。

上記貫入がされている状態で、摩擦撹拌接合用ツール１を各部材３，５の突き合せ部１３に沿って摩擦撹拌接合の終了位置まで移動する。この移動によって、各部材の突き合せ部１３における摩擦撹拌接合の開始位置と終了位置との間で、接合部７が形成され、各部材３，５同士の摩擦撹拌接合がなされるようになっている。

ツール移動工程では、摩擦撹拌接合工程で摩擦撹拌接合用ツール１を摩擦撹拌接合の開始位置から終了位置まで移動し終えた後、摩擦撹拌接合工程での移動方向（各部材３，５の突き合せ部１３の延伸方向）と異なり、かつ、摩擦撹拌接合用ツール１の中心軸Ｃ１の延伸方向と異なる方向に摩擦撹拌接合用ツール１を僅かに移動する。

ツール移動工程での摩擦撹拌接合用ツール１の移動は、摩擦撹拌接合用ツール１を各部材３，５の突き合せ部１３の摩擦撹拌接合の終了位置から上方に抜くのに要する力を低減するためになされる。

また、ツール移動工程では、摩擦撹拌接合用ツール１のショルダ部１７が、摩擦撹拌接合工程の場合と同様にして、各部材３，５に当接し、各部材３，５を押圧しており、摩擦撹拌接合用ツール１を水平方向に移動している。ただし、摩擦撹拌接合用ツール１を、水平方向に対して僅かに斜めに傾いた方向（たとえば、水平方向と摩擦撹拌接合用ツール１を各部材３，５から抜くＺ軸上方向とを合わせた方向）に移動してもよい。

ツール移動工程で、摩擦撹拌接合工程の移動行程の終了位置（摩擦撹拌接合の終了位置）から摩擦撹拌接合用ツール１を僅かにずらすことで、プローブ８の側面の一部と各部材３，５との間に短時間ではあるが間隙が形成される。

プローブ抜き工程では、ツール移動工程で摩擦撹拌接合用ツール１を僅かに移動し終えた後ただちに、摩擦撹拌接合用ツール１のプローブ８によって部材３，５に形成された凹部（下方に凹んだ部位）が完全に埋まる前に、摩擦撹拌接合用ツール１を部材設置状態の各部材３，５から離す方向（上方向に移動して）、摩擦撹拌接合用ツール１のプローブ８を部材３，５から抜く。

なお、プローブ抜き工程において、ツール移動工程で摩擦撹拌接合用ツール１を僅かに移動し終えた後ただちに摩擦撹拌接合用ツール１のプローブ８を部材３，５から抜くのではなく、ツール移動工程での摩擦撹拌接合用ツール１の移動中に、摩擦撹拌接合用ツール１のプローブ８を部材３，５から抜くようにしてもよい。

ここで、ツール移動工程について、例を掲げて詳しく説明する。

ツール移動工程では、図３で示すように、摩擦撹拌接合工程で摩擦撹拌接合用ツール１を移動し終えた後、摩擦撹拌接合用ツール１を摩擦撹拌接合工程での移動方向と逆方向に移動する。

さらに、詳しく説明すると、図３（ａ）で示すように、摩擦撹拌接合工程で矢印Ａ１３で示す方向に移動してきた摩擦撹拌接合用ツール１を、摩擦撹拌接合の終了位置Ｐ１で停止し、この停止後ただちに、逆方向（矢印Ａ１４で示す方向）に僅かな距離Ｌ１（たとえば０．１ｍｍ程度であるが、０．１ｍｍ以上３．０ｍｍ以下の任意の値であってもよい。）だけ移動する（図３（ｂ）参照）。この移動後ただちに、矢印Ａ１３で示す方向と同方向（矢印Ａ１５で示す方向）に僅かな距離Ｌ２だけ移動する（図３（ｃ）参照）。この移動後ただちに、摩擦撹拌接合用ツール１を上方に移動して、プローブ抜き工程で各部材３，５から抜き取る。

なお、図３に矢印Ａ１２で示す方向は、摩擦撹拌接合用ツール１の回転方向であり、距離Ｌ２は、距離Ｌ１よりも小さくなっている。

また、距離Ｌ１だけの移動で（逆方向に１回移動した後ただちに）、摩擦撹拌接合用ツール１を各部材３，５から抜き取ってもよいし、距離Ｌ１、距離Ｌ２だけの移動ではなく、さらに３回以上の往復移動した後、摩擦撹拌接合用ツール１を各部材３，５から抜き取ってもよい。この場合、移動距離を、往復の回数に応じて次第に短くすることが望ましい。

また、摩擦撹拌接合用ツール１にチルトアングル（傾斜角）をつけている場合、プローブ抜き工程で摩擦撹拌接合用ツール１の中心軸Ｃ１の延伸方向に摩擦撹拌接合用ツール１を移動して、摩擦撹拌接合用ツール１を各部材３，５から抜き取ることが望ましい。

また、図１等で示す上記説明では、摩擦撹拌接合工程で摩擦撹拌接合用ツール１を直線的に移動しているが、接合する箇所が湾曲や屈曲して曲線状に形成されている場合がある。この場合には、摩擦撹拌接合工程で摩擦撹拌接合用ツール１を上記曲線に沿って移動し、ツール移動工程では、摩擦撹拌接合工程での移動終了直前の移動方向と異なり、かつ、擦撹拌接合用ツールの中心軸の延伸方向と異なる方向に摩擦撹拌接合用ツール１をわずかに移動する。

さらに具体的には、ツール移動工程では、摩擦撹拌接合工程で摩擦撹拌接合用ツールを移動し終えた後、摩擦撹拌接合用ツールを摩擦撹拌接合工程での移動終了直前の移動方向と逆方向に、たとえば、摩擦撹拌接合工程で摩擦撹拌接合用ツールの移動経路に沿って、移動する。

本発明の実施形態に係る摩擦撹拌接合方法によれば、プローブ抜き工程で、摩擦撹拌接合用ツール１のプローブ８によって部材３，５に形成された凹部が埋まる前に、摩擦撹拌接合用ツール１のプローブ８を部材３，５から抜き取るので、プローブ８を部材３，５から抜き取るときに発生する応力を小さくすることができ、摩擦撹拌接合用ツール１の破損（特に、プローブ８を部材３，５から抜き取るときのプローブ８の破損）を防止することができる。

また、本発明の実施形態に係る摩擦撹拌接合方法によれば、ツール移動工程で摩擦撹拌接合用ツール１を摩擦撹拌接合工程での移動方向と逆方向に移動するので、摩擦撹拌接合工程での摩擦撹拌接合用ツール１の移動方向での、プローブ８と部材３，５との接触面を少なくすることができ、摩擦撹拌接合用ツール１の破損を防止することができる。

本発明の実施形態に係る摩擦撹拌接合方法と従来の摩擦撹拌接合方法の試験結果とを、図６、図７を参照して説明する。

図６（ａ）は、諸条件１〜５で従来の摩擦撹拌接合方法を行った場合の、摩擦撹拌接合用ツール１を部材３，５から抜き取るのに要する力（最大引張荷重）と、プローブ８に発生する応力（推定応力）とを示している。図６（ａ）では、最大引張荷重が３５ｋＮ〜４６ｋＮ、最大推定応力が１７８３ＭＰａ〜２３４４ＭＰａになっている。

図６（ｂ）は、上記諸条件１〜５で本発明の実施形態に係る摩擦撹拌接合方法を行った場合の、摩擦撹拌接合用ツール１を部材３，５から抜き取るのに要する力（最大引張荷重）と、プローブ８に発生する応力（推定応力）とを示している。図６（ｂ）では、最大引張荷重が７ｋＮ〜８ｋＮ、最大推定応力が７９ＭＰａ〜８３ＭＰａになっている。

なお、図６（ｂ）の方法Ａ１では、摩擦撹拌接合用ツール１の回転数と送り速度（移動速度）とを図６（ａ）の条件１と同じにしているとともに、図３に示す距離Ｌ１を１ｍｍとし図３に示す距離Ｌ２を０．５ｍｍとしている。

図６（ｂ）の方法Ａ３では、摩擦撹拌接合用ツール１の回転数と送り速度（移動速度）とを図６（ａ）の条件３と同じにしているとともに、図３に示す距離Ｌ１を１ｍｍとし図３に示す距離Ｌ２を０．５ｍｍとしている。

図６（ｂ）の方法Ａ５では、摩擦撹拌接合用ツール１の回転数と送り速度（移動速度）とを図６（ａ）の条件５と同じにしているとともに、図３に示す距離Ｌ１を１ｍｍとし図３に示す距離Ｌ２を０．５ｍｍとしている。

図６（ｂ）の方法Ｂ２、Ｂ４の詳細については後述する。

また、図７（ａ）は、従来の摩擦撹拌接合方法で、Ｚ軸方向で摩擦撹拌接合用ツール１に発生する荷重を示している。図７（ａ）では、最大荷重４５ｋＮが、摩擦撹拌接合用ツール１を部材３，５から抜き取るときに発生しており、このときに、プローブ８に発生する最大応力は、２２９３ＭＰａになる。この応力では、工具鋼であっても破断するおそれが高い。

図７（ｂ）は、本発明の実施形態に係る摩擦撹拌接合方法で、Ｚ軸方向で摩擦撹拌接合用ツール１に発生する荷重を示している。図７（ｂ）では、最大荷重８ｋＮが、摩擦撹拌接合用ツール１を部材３，５から抜き取るときに発生しており、このときに、プローブ８に発生する最大応力は、８２％減少している。

次に、ツール移動工程の別の実施形態について、図４を参照しつつ説明する。

別の実施形態のツール移動工程では、摩擦撹拌接合工程で摩擦撹拌接合用ツール１を移動し終えた後、摩擦撹拌接合用ツール１を円弧に沿って移動する。

さらに、詳しく説明すると、図４（ａ）で示すように、摩擦撹拌接合工程で矢印Ａ１３で示す方向に移動してきた摩擦撹拌接合用ツール１を、摩擦撹拌接合の終了位置Ｐ１で停止し、この停止後ただちに、円弧に沿って（矢印Ａ１６で示すように、円周１周分だけ）移動する（図４（ｂ）参照）。この移動後ただちに、矢印Ａ１３で示す方向と逆方向（矢印Ａ１７で示す方向）に僅かな距離移動する（図４（ｃ）参照）。この移動後ただちに、摩擦撹拌接合用ツール１を上方に移動して各部材３，５から抜き取る。なお、図４に矢印Ａ１２で示す方向は、摩擦撹拌接合用ツール１の回転方向である。

矢印Ａ１６で示す円弧の半径は、プローブ８の半径よりも大きくなっている（たとえば、０．１ｍｍ程度大きくなっている）が、プローブ８の半径よりも０．１ｍｍ〜１．０ｍｍの範囲で大きくなっていてもよい。矢印Ａ１７で示す移動距離は、プローブ８の半径とほぼ等しくなっている。また、摩擦撹拌接合用ツール１の回転方向（矢印Ａ１２）とツール移動工程での摩擦撹拌接合用ツール１の移動方向（矢印Ａ１６）とは、摩擦撹拌接合用ツール１を低減するためにお互いが逆方向になっているが、お互いが同方向になっていてもよい。

また、矢印Ａ１６だけの移動で、プローブ抜き工程で摩擦撹拌接合用ツール１を各部材３，５から抜き取ってもよいし、摩擦撹拌接合用ツール１にチルトアングルをつけている場合、摩擦撹拌接合用ツール１の中心軸Ｃ１の延伸方向に摩擦撹拌接合用ツール１を移動して、プローブ抜き工程で摩擦撹拌接合用ツール１を各部材３，５から抜き取ることが望ましい。

図４に示す方法によれば、ツール移動工程で摩擦撹拌接合用ツール１を円弧に沿って移動するので、プローブ８と部材３，５との接触面をより少なくすることができ、摩擦撹拌接合用ツール１の破損を防止することができる。

なお、図６（ｂ）の方法Ｂ２、Ｂ４では、摩擦撹拌接合用ツール１の回転数と送り速度（移動速度）とを図６（ａ）の条件２、条件４と同じにしているとともに、図４（ｂ）に矢印Ａ１６の円弧の半径を、プローブ８半径よりも０．５ｍｍ大きくしている。

次に、変形例に係る摩擦撹拌接合方法について図８を参照しつつ説明する。

変形例に係る摩擦撹拌接合方法は、当て部材１９，２１を用いた点が、上述した本発明の実施形態に係る摩擦撹拌接合方法と異なり、その他の点は、上述した本発明の実施形態に係る摩擦撹拌接合方法とほぼ同様になっている。

すなわち、変形例に係る摩擦撹拌接合方法の部材設置工程では、各部材３，５の設置とともに、各部材３，５の突き合せ部１３の延伸方向であって摩擦撹拌接合工程での摩擦撹拌接合用ツール１の移動方向の初端側の端に、各部材３，５の突き合せ部１３の延伸方向の延長線上に位置する初端側当て部材１９を設ける。

そして、摩擦撹拌接合工程では、摩擦撹拌接合用ツール１のプローブ８を初端側当て部材１９で貫入し、この貫入後、摩擦撹拌接合用ツール１を初端側当て部材１９から各部材３，５へ移動する。

また、変形例に係る摩擦撹拌接合方法の部材設置工程では、各部材３，５の設置とともに、各部材３，５の突き合せ部１３の延伸方向であって摩擦撹拌接合工程での摩擦撹拌接合用ツール１の移動方向の終端側の端に、各部材３，５の突き合せ部１３の延伸方向の延長線上に位置する終端側当て部材２１を設ける。

そして、摩擦撹拌接合工程では、摩擦撹拌接合用ツール１のプローブ８を終端側当て部材２１まで移動する。なお、各当て部材１９，２１は、部材３，５と同じ材料で同じ厚さになっている。

また、ツール移動工程では、終端側当て部材２１のところで、摩擦撹拌接合用ツール１を僅かに移動する。プローブ抜き工程では、終端側当て部材２１のところで、摩擦撹拌接合用ツール１を抜く。

プローブ抜き工程で摩擦撹拌接合用ツール１を終端側当て部材２１から抜いた後、初端側当て部材１９や終端側当て部材２１を各部材３，５から切断等により分離する。

変形例に係る摩擦撹拌接合方法によれば、初端側当て部材１９や終端側当て部材２１を用いるので、部材３，５の接合部７に摩擦撹拌接合用ツール１のプローブ８で形成された凹部が残ることを防止することができるとともに、各部材３，５の突き合せ部１３の全長にわたり、接合部７を形成することができる。

ここで、本発明の実施形態や変形例に係る摩擦撹拌接合方法を実行するための摩擦撹拌接合装置３１について、図５を参照しつつ説明する。

摩擦撹拌接合装置３１は、ベース体９と摩擦撹拌接合用ツール設置体３３と制御部３５とを備えて構成されている。また、摩擦撹拌接合装置３１は、たとえば、汎用工作機械で構成されており、摩擦撹拌接合用ツール１は、アタッチメント（図示せず）を介して、主軸４７に保持されるようになっている。

ベース体９は、ベッド３７にＸ軸方向で移動自在に係合しており、図示しないサーボモータ等のアクチュエータによって、Ｘ軸方向で移動位置決め自在になっている。

ベース体９の上面には、第１の部材３の端面３Ａと第２の部材５の端面５Ａとがお互いに突き合わされて、各部材３，５が一体的に設置されるようになっている。

摩擦撹拌接合用ツール設置体３３は、ベース体９に対して相対的に移動位置決め自在になっており、また、摩擦撹拌接合用ツール設置体３３には、摩擦撹拌接合用ツール１が回転自在に設置されるようになっている。

さらに説明すると、ベッド３７から２本の支柱３９が起立しており、この一対の支柱３９の上端部は、ビーム４１によって連結されている。

ビーム４１には、移動体４３が設けられている。移動体４３は、ビーム４１にＹ軸方向で移動自在に係合しており、図示しないサーボモータ等のアクチュエータによって、Ｙ軸方向で移動位置決め自在になっている。

摩擦撹拌接合用ツール設置体３３は、筐体４５と主軸４７とを備えて構成されている。移動体４３には、筐体４５が設けられている。筐体４５は、移動体４３にＺ軸方向で移動自在に係合しており、図示しないサーボモータ等のアクチュエータによって、Ｚ軸方向で移動位置決め自在になっている。

主軸４７は、筐体４５の内部で筐体４５に回転自在に設けられており、図示しないサーボモータ等のアクチュエータによって、回転するようになっている。

摩擦撹拌接合用ツール１は、上述したように、アタッチメントを介して、主軸４７に一体的に設けられ、主軸４７の回転によって中心軸Ｃ１を回転中心として回転するようになっている。

制御部３５は、メモリ４９とＣＰＵ５１とを備えて構成されており、予めメモリ４９に格納されている動作プログラムによって、次に示すように摩擦撹拌接合用ツール設置体３３を制御するようになっている。

摩擦撹拌接合用ツール設置体３３に設置された摩擦撹拌接合用ツール１を回転して摩擦撹拌接合用ツール１のプローブ８を各部材３，５に貫入し摩擦撹拌接合用ツール１を各部材３，５の突き合せ部１３の延伸方向に移動することで各部材３，５をお互いに摩擦撹拌接合する。この摩擦撹拌接合用ツール１の移動で摩擦撹拌接合をし終えた後、突き合せ部１３の延伸方向と異なりかつ摩擦撹拌接合用ツール１の中心軸Ｃ１の延伸方向と異なる方向に摩擦撹拌接合用ツール１を移動する。この移動中に、または、この移動をし終えた後摩擦撹拌接合用ツール１のプローブ８によって部材３，５に形成された凹部が埋まる前に、摩擦撹拌接合用ツール１のプローブ８を部材３，５から抜く。

ところで、上記説明では、第１の部材３の側面の一部と第２の部材５の側面の一部とがお互いに突き合わされて形成された接合部７を接合する場合を例に掲げているが、第１の部材３の裏面の一部と第２の部材５の表面の一部とをお互いに重ねて接合部７を形成し、この接合部７を、上記説明した形態で、摩擦撹拌接合するようにしてもよい。

また、たとえば平板を円弧状に曲げて円柱状のパイプを形成する場合のように、１つの部材の側面の一部と、上記１つの部材の側面の他の一部とをお互いに突き合わせ接合部７を形成し、この接合部７を、上記説明した形態で、摩擦撹拌接合するようにしてもよい。

すなわち、上述した摩擦撹拌接合方法を、摩擦撹拌接合用ツールを用いて部材の接合部を接合する摩擦撹拌接合方法であって、接合部が形成されるようにして、部材を設置する部材設置工程と、前記部材設置工程で前記各部材を設置した後、前記摩擦撹拌接合用ツールを回転し、前記摩擦撹拌接合用ツールのプローブを前記接合部に貫入し、前記摩擦撹拌接合用ツールを前記接合部に沿って移動することで、前記接合部を摩擦撹拌接合する摩擦撹拌接合工程と、前記摩擦撹拌接合工程で前記摩擦撹拌接合用ツールを移動し終えた後、前記摩擦撹拌接合工程での移動終了直前の移動方向と異なり、かつ、前記摩擦撹拌接合用ツールの中心軸の延伸方向と異なる方向に前記摩擦撹拌接合用ツールを移動するツール移動工程と、前記ツール移動工程で前記摩擦撹拌接合用ツールを移動し終えた後ただちに、または、前記ツール移動工程での前記摩擦攪拌接合用ツールの移動中に、前記摩擦撹拌接合用ツールのプローブを前記部材から抜くプローブ抜き工程とを有する摩擦撹拌接合方法として把握してもよい。

また、上述した摩擦撹拌接合装置を、摩擦撹拌接合用ツールを用いて部材の接合部を接合する摩擦撹拌接合装置であって、前記接合部が形成されるようにして前記部材が設置されるベース体と、前記ベース体に対して相対的に移動位置決め自在であり、前記摩擦撹拌接合用ツールが回転自在に設置される摩擦撹拌接合用ツール設置体と、前記摩擦撹拌接合用ツール設置体に設置された摩擦撹拌接合用ツールを回転して摩擦撹拌接合用ツールのプローブを前記部材の接合部に貫入し前記摩擦撹拌接合用ツールを前記接合部に沿って移動することで前記接合部をお互いに摩擦撹拌接合し、前記摩擦撹拌接合用ツールの移動で前記摩擦撹拌接合をし終えた後、前記摩擦撹拌接合工程での移動終了直前の移動方向と異なり、かつ、前記摩擦撹拌接合用ツールの中心軸の延伸方向と異なる方向に前記摩擦撹拌接合用ツールを移動し、この移動中に、または、この移動をし終えた後前記摩擦撹拌接合用ツールのプローブによって前記部材に形成された凹部が埋まる前に、前記摩擦撹拌接合用ツールのプローブを前記部材から抜くように、前記摩擦撹拌接合用ツール設置体を制御する制御部とを有する摩擦撹拌接合装置として把握してもよい。

１ 摩擦撹拌接合用ツール
３ 第１の部材
３Ａ 第１の部材の端面（突き合せ面）
５ 第２の部材
５Ａ 第２の部材の端面（突き合せ面）
８ プローブ
１９ 初端側当て部材
２１ 終端側当て部材
３１ 摩擦撹拌接合装置
３３ 摩擦撹拌接合用ツール設置体
３５ 制御部
Ｃ１ 摩擦撹拌接合用ツールの中心軸

Claims (6)

1. 摩擦撹拌接合用ツールを用いて部材の接合部を接合する摩擦撹拌接合方法において、
   前記摩擦撹拌接合用ツールを回転し、前記摩擦撹拌接合用ツールのプローブを前記接合部に貫入し、前記摩擦撹拌接合用ツールを前記接合部に沿って移動することで、前記接合部を摩擦撹拌接合する摩擦撹拌接合工程と、
   前記摩擦撹拌接合工程で前記摩擦撹拌接合用ツールを移動し終えた後、前記摩擦撹拌接合工程での移動終了直前の移動方向とは逆方向と前記摩擦撹拌接合工程での移動終了直前の移動方向とに、交互にしかも移動距離が往復の回数に応じて次第に短くなるように前記摩擦撹拌接合用ツールを往復移動するツール移動工程と、
   前記ツール移動工程で前記摩擦撹拌接合用ツールを移動し終えた後ただちに、または、前記ツール移動工程での前記摩擦攪拌接合用ツールの移動中に、前記摩擦撹拌接合用ツールのプローブを前記部材から抜くプローブ抜き工程と、
   を有することを特徴とする摩擦撹拌接合方法。
2. 摩擦撹拌接合用ツールを用いて第１の部材と第２の部材とをお互いに接合する摩擦撹拌接合方法において、
   前記第１の部材の端面と前記第２の部材の端面とをお互いに突き合わせて設置する部材設置工程と、
   前記部材設置工程で前記各部材を設置した後、前記摩擦撹拌接合用ツールを回転し、前記摩擦撹拌接合用ツールのプローブを各部材に貫入し、前記摩擦撹拌接合用ツールを前記各部材の突き合せ部の延伸方向に移動することで、前記各部材をお互いに摩擦撹拌接合する摩擦撹拌接合工程と、
   前記摩擦撹拌接合工程で前記摩擦撹拌接合用ツールを移動し終えた後、前記摩擦撹拌接合工程での移動終了直前の移動方向とは逆方向と前記摩擦撹拌接合工程での移動終了直前の移動方向とに、交互にしかも移動距離が往復の回数に応じて次第に短くなるように前記摩擦撹拌接合用ツールを往復移動するツール移動工程と、
   前記ツール移動工程で前記摩擦撹拌接合用ツールを移動し終えた後ただちに、または、前記ツール移動工程での前記摩擦攪拌接合用ツールの移動中に、前記摩擦撹拌接合用ツールのプローブを前記部材から抜くプローブ抜き工程と、
   を有することを特徴とする摩擦撹拌接合方法。
3. 請求項２に記載の摩擦撹拌接合方法において、
   前記部材設置工程は、前記各部材の設置とともに、前記各部材の突き合せ部の延伸方向であって前記摩擦撹拌接合工程での前記摩擦撹拌接合用ツールの移動方向の終端側の端に、上記各部材の突き合せ部の延伸方向の延長線上に位置する終端側当て部材を設ける工程であり、
   前記摩擦撹拌接合工程は、前記摩擦撹拌接合用ツールのプローブを前記終端側当て部材まで移動する工程であり、
   前記ツール移動工程は、前記終端側当て部材のところで、前記摩擦撹拌接合用ツールを移動する工程であり、
   前記プローブ抜き工程は、前記終端側当て部材のところで、前記摩擦撹拌接合用ツールを抜く工程であることを特徴とする摩擦撹拌接合方法。
4. 請求項２または請求項３に記載の摩擦撹拌接合方法において、
   前記部材設置工程は、前記各部材の設置とともに、前記各部材の突き合せ部の延伸方向であって前記摩擦撹拌接合工程での前記摩擦撹拌接合用ツールの移動方向の初端側の端に、上記各部材の突き合せ部の延伸方向の延長線上に位置する初端側当て部材を設ける工程であり、
   前記摩擦撹拌接合工程は、前記摩擦撹拌接合用ツールのプローブを前記初端側当て部材で貫入する工程であることを特徴とする摩擦撹拌接合方法。
5. 摩擦撹拌接合用ツールを用いて部材の接合部を接合する摩擦撹拌接合装置において、
   前記接合部が形成されるようにして前記部材が設置されるベース体と、
   前記ベース体に対して相対的に移動位置決め自在であり、前記摩擦撹拌接合用ツールが回転自在に設置される摩擦撹拌接合用ツール設置体と、
   前記摩擦撹拌接合用ツール設置体に設置された摩擦撹拌接合用ツールを回転して摩擦撹拌接合用ツールのプローブを前記部材の接合部に貫入し前記摩擦撹拌接合用ツールを前記接合部に沿って移動することで前記接合部をお互いに摩擦撹拌接合し、前記摩擦撹拌接合用ツールの移動で前記摩擦撹拌接合をし終えた後、前記摩擦撹拌接合での移動終了直前の移動方向とは逆方向と前記摩擦撹拌接合での移動終了直前の移動方向とに、交互にしかも移動距離が往復の回数に応じて次第に短くなるように前記摩擦撹拌接合用ツールを往復移動し、この移動中に、または、この移動をし終えた後前記摩擦撹拌接合用ツールのプローブによって前記部材に形成された凹部が埋まる前に、前記摩擦撹拌接合用ツールのプローブを前記部材から抜くように、前記摩擦撹拌接合用ツール設置体を制御する制御部と、
   を有することを特徴とする摩擦撹拌接合装置。
6. 摩擦撹拌接合用ツールを用いて第１の部材と第２の部材とをお互いに接合する摩擦撹拌接合装置において、
   前記第１の部材の端面と前記第２の部材の端面とがお互いに突き合わされて、前記各部材が設置されるベース体と、
   前記ベース体に対して相対的に移動位置決め自在であり、前記摩擦撹拌接合用ツールが回転自在に設置される摩擦撹拌接合用ツール設置体と、
   前記摩擦撹拌接合用ツール設置体に設置された摩擦撹拌接合用ツールを回転して摩擦撹拌接合用ツールのプローブを前記各部材に貫入し前記摩擦撹拌接合用ツールを前記各部材の突き合せ部の延伸方向に移動することで前記各部材をお互いに摩擦撹拌接合し、前記摩擦撹拌接合用ツールの移動で前記摩擦撹拌接合をし終えた後、前記摩擦撹拌接合での移動終了直前の移動方向とは逆方向と前記摩擦撹拌接合での移動終了直前の移動方向とに、交互にしかも移動距離が往復の回数に応じて次第に短くなるように前記摩擦撹拌接合用ツールを往復移動し、この移動中に、または、この移動をし終えた後前記摩擦撹拌接合用ツールのプローブによって前記部材に形成された凹部が埋まる前に、前記摩擦撹拌接合用ツールのプローブを前記部材から抜くように、前記摩擦撹拌接合用ツール設置体を制御する制御部と、
   を有することを特徴とする摩擦撹拌接合装置。

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