JP6480708B2 - 摩擦撹拌接合部材及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、摩擦撹拌接合部材及びその製造方法に関し、特に、基材と相手部材とが摩擦撹拌接合により接合された摩擦撹拌接合部材及びその製造方法に関するものである。

近年、摩擦撹拌接合を用いて、金属製の部材同士や、金属製の部材と樹脂製の部材とを接合する提案がなされており、かかる摩擦撹拌接合で接合される部材同士の接合強度を増強する試みもなされるようになっている。

かかる状況下で、特許文献１は、材料の接合方法に関し、接合孔３を予め穿設した第一材料１に接合孔３を被覆するように第二材料２を重ね合わせ、接合孔３に対応させて配置した接合ツール８を回転しながら第二材料２に押し付け、摩擦熱で第二材料２を固相状態のまま局所的に軟化させて第一材料１の接合孔３へ入り込ませ、接合孔３に入り込ませた第二材料２に第一材料１側との幾何学的な係合部（山部５’及びアンカー部６’）を形成した後に接合ツール８を引き抜き、係合部を硬化させて第一材料１と第二材料２とを接合する構成を開示する。

また、特許文献２は、軟化温度が異なる第１及び第２の金属部材の板状部２及び３を重ね合わせて接合する摩擦攪拌接合方法に関し、軟化温度が高い方の第２の金属部材２の板状部の接合箇所に溝５を設け、軟化温度が低い方の第１の金属部材３の溝５に対面する部位を摩擦攪拌用ツール６で塑性流動を生じさせ、摩擦攪拌用ツールのプローブ６ａの先端を塑性流動箇所を通して溝５の内部に挿入しながら回転させることにより塑性流動した第１の金属部材３を溝５内に押し込み、塑性流動材３ａを溝５に充填させ冷却固化させる構成を開示する。

また、特許文献３は、異種金属からなる第１金属部材６及び第２金属部材７に設けられて第１金属部材６と第２金属部材７とを互いに連結するための異材継手構造１０に関し、第１金属部材６に挿入溝８ａが形成され、第２金属部材１１が挿入溝８ａ内に挿入可能な挿入部９を有し、挿入溝８ａ内に挿入部９が挿入された状態で第１金属部材６が挿入部９と接合される構成を開示している。

特開２００７−１３６５０５号公報 特開２００７−２２２９２５号公報 国際公開２００９／０８４１３６号公報

しかしながら、本発明者の検討によれば、特許文献１の構成では、あくまでも各々が平板状の第一材料１と第二材料２とを重ね合わせた状態で接合する構成を開示するものに過ぎず、それ以外の形状の部材同士を接合する構成について何等の開示や示唆をするものではない。

また、本発明者の検討によれば、特許文献２の構成では、板状部２及び３を重ね合わせて接合する構成を開示するものに過ぎず、それ以外の形状の部材同士を接合する構成について何等の開示や示唆をするものではない。

また、本発明者の検討によれば、特許文献３の構成では、基本的には、第１金属部材６に対してはそれと別体の挿入部９を設け、第２金属部材７に対してはそれと別体の溝形成部８を設ける必要があり、その構成が煩雑である。また、特許文献３の構成では、回転ツール２１を押し当てる位置に応じて凸部１９等を形成することにより、アンカー効果を生じさせるものであるため、アンカー効果を増強するために凸部１９等の個数を増やそうとすると、その都度、回転ツール２１を押し当てる位置を増やす必要があり、その構成が煩雑である。

つまり、現状では、簡便な構成で、充分なアンカー効果を発揮させながら、中実部材の基材と相手部材とを確実に接合した摩擦撹拌接合部材の実現が待望された状況にある。

本発明は、以上の検討を経てなされたもので、簡便な構成で、充分なアンカー効果を発揮させながら、中実部材の基材と相手部材とを確実に接合した摩擦撹拌接合部材を提供することを目的とする。

以上の目的を達成すべく、本発明の第１の局面における摩擦撹拌接合部材は、中実部材である基材と、前記基材内にその一端部が第１の方向の負方向に向けて挿入されて収容されながらその他端部が前記基材から前記第１の方向の正方向に向けて突出するように突設されると共に、前記一端部で、摩擦撹拌接合ツールで撹拌される前記基材を構成する材料が前記第１の方向及び前記第１の方向に直交する第２の方向で規定される平面に平行な第１の壁部、前記第１の壁部に前記第１の方向及び前記第２の方向に直交する第３の方向で対向する第２の壁部、並びに前記第１の方向の前記負方向の側で、前記第１の壁部及び前記第２の壁部間を前記第３の方向で連絡する第３の壁部の周囲を囲って固相化することにより形成された接合領域で、前記基材と前記一端部とが接合された相手部材と、前記接合領域内で、前記摩擦撹拌接合ツールで撹拌される前記基材を構成する前記材料が、前記相手部材の前記一端部において、前記第１の壁部に配置された第１の複数の凹部、及び前記第３の壁部に配置された第２の複数の凹部に侵入しながら固相化することにより形成されたアンカー部、並びに前記接合領域内で、前記摩擦撹拌接合ツールで撹拌される前記基材を構成する前記材料が、前記相手部材の前記一端部における前記第１の複数の凹部及び前記第２の複数の凹部以外の残部で固相化することにより、前記残部がかしめられたかしめ部を有するアンカー領域と、を備える。

また、本発明は、かかる第１の局面に加え、前記接合領域は、前記基材内に収容された前記相手部材の前記一端部に沿って前記第２の方向に延在することを第２の局面とする。

また、本発明は、かかる第１又は第２の局面に加え、前記アンカー領域は、前記摩擦撹拌接合ツールが、前記相手部材が突設される前記基材の第１の面に交差する第３の面から前記基材の内方に、侵入されて前記基材を構成する前記材料を撹拌することにより形成されることを第３の局面とする。

また、本発明は、別の局面において、第１から第３の局面のいずれかに記載の前記摩擦撹拌接合部材を製造する製造方法であって、前記相手部材の前記一端部を、前記基材内に収容した状態で、前記摩擦撹拌接合ツールを前記基材内に侵入させて前記基材を構成する前記材料を撹拌させ、前記材料を前記相手部材の前記第１の複数の凹部及び前記第２の複数の凹部に侵入させながら固相化させて前記アンカー部を形成し、かつ前記材料を前記相手部材の前記第１の複数の凹部及び前記第２の複数の凹部以外の残部で固相化させて前記かしめ部を形成することにより、前記接合領域において前記相手部材の前記アンカー領域を形成する摩擦撹拌接合部材の製造方法である。

なお、本発明においては、前記摩擦撹拌接合ツールは、そのプローブが球状であってもよい。

また、本発明においては、前記アンカー領域は、更に、前記相手部材が突設される前記基材の第１の面が盛り上がった盛り上がり部に形成されていてもよい。

本発明の第１の局面における構成によれば、中実部材である基材と、基材内にその一端部が第１の方向の負方向に向けて挿入されて収容されながらその他端部が基材から第１の方向の正方向に向けて突出するように突設されると共に、一端部で、摩擦撹拌接合ツールで撹拌される基材を構成する材料が第１の方向及び第１の方向に直交する第２の方向で規定される平面に平行な第１の壁部、第１の壁部に第１の方向及び第２の方向に直交する第３の方向で対向する第２の壁部、並びに第１の方向の負方向の側で、第１の壁部及び第２の壁部間を第３の方向で連絡する第３の壁部の周囲を囲って固相化することにより形成された接合領域で、基材と一端部とが接合された相手部材と、接合領域内で、摩擦撹拌接合ツールで撹拌される基材を構成する材料が、相手部材の一端部において、第１の壁部に配置された第１の複数の凹部、及び第３の壁部に配置された第２の複数の凹部に侵入しながら固相化することにより形成されたアンカー部、並びに接合領域内で、摩擦撹拌接合ツールで撹拌される基材を構成する材料が、相手部材の一端部における第１の複数の凹部及び第２の複数の凹部以外の残部で固相化することにより、残部がかしめられたかしめ部を有するアンカー領域と、を備えるものであるため、簡便な構成で、充分なアンカー効果を発揮させながら、中実部材の基材と相手部材とを確実に接合した摩擦撹拌接合部材を実現することができる。

また、本発明の第２の局面における構成によれば、接合領域が、基材内に収容された相手部材の一端部に沿って第２の方向に延在することにより、アンカー領域に複数のアンカー部を確実に形成することができ、アンカー効果をより増大することができる。

また、本発明の第３の局面における構成によれば、摩擦撹拌接合ツールが、相手部材が突設される基材の第１の面に交差する第３の面から基材の内方に、侵入されて基材を構成する材料を撹拌することにより、アンカー領域が、形成されるものであるため、簡便な構成で、充分なアンカー効果を発揮させながら、中実部材の基材と相手部材との接合力をより増強することができる。

また、本発明の別の局面における構成によれば、相手部材の一端部を、基材内に収容した状態で、摩擦撹拌接合ツールを基材内に侵入させて基材を構成する材料を撹拌させ、その材料を相手部材の第１の複数の凹部及び第２の複数の凹部に侵入させながら固相化させてアンカー部を形成し、かつ材料を相手部材の第１の複数の凹部及び第２の複数の凹部以外の残部で固相化させてかしめ部を形成することにより、接合領域において相手部材のアンカー領域を形成するものであるため、簡便な構成で、充分なアンカー効果を発揮させながら、中実部材の基材と相手部材とを確実に接合した摩擦撹拌接合部材を製造することができる。

本発明の第１の実施形態における摩擦撹拌接合部材の斜視図を示す。 図１のＡ−Ａ拡大断面図である。 図２の部分拡大図である。 本実施形態における摩擦撹拌接合部材を製造するための製造方法の各工程を示すもので、図４（ａ）は、接合ツールを、相手部材を装着した基材に対向させた状態を示す断面図であり、図４（ｂ）は、接合ツールを、相手部材を装着した基材に侵入させて摩擦撹拌接合している状態を示す断面図である。なお、図４（ａ）及び図４（ｂ）は、断面の位置として図２に相当する。 本実施形態における摩擦撹拌接合部材の相手部材を構成する相手部材要素が６個設けられた場合のツール挿入領域を示す断面図である。 本実施形態の変形例における摩擦撹拌接合部材を製造するための製造方法の各工程を図４に対応させて示すもので、図６（ａ）は、接合ツールを、相手部材を装着した基材に対向させた状態を示す断面図であり、図６（ｂ）は、接合ツールを、相手部材を装着した基材に侵入させて摩擦撹拌接合している状態を示す断面図である。 本発明の第２の実施形態における摩擦撹拌接合部材の斜視図を示す。 図７のＢ−Ｂ拡大断面図である。 図８の部分拡大図である。 本実施形態における摩擦撹拌接合部材を製造するための製造方法の各工程を図４に対応させて示すもので、図１０（ａ）は、接合ツールを、相手部材を装着した基材に対向させた状態を示す断面図であり、図１０（ｂ）は、接合ツールを、相手部材を装着した基材に侵入させて摩擦撹拌接合している状態を示す断面図である。 本発明の第３の実施形態における摩擦撹拌接合部材の拡大断面図を示し、位置的には図２に相当する。 本発明の第４の実施形態における摩擦撹拌接合部材の上面図を示す。 図１２のＣ−Ｃ拡大断面図である。なお、図１３は、摩擦撹拌接合部材の右側の構成について主として示すものであるが、図示を省略する左側の構成は、右側の構成に対して左右対称な構成を有する。 本実施形態における摩擦撹拌接合部材を製造するための製造方法の各工程を示すもので、図１４（ａ）は、接合ツールを、相手部材を装着した基材に対向させた状態を示す断面図であり、図１４（ｂ）は、接合ツールを、相手部材を装着した基材に侵入させて摩擦撹拌接合している状態を示す断面図である。なお、図１４（ａ）及び図１４（ｂ）は、断面の位置として図１３に相当する。 本発明の第５の実施形態における摩擦撹拌接合部材の拡大断面図を示し、位置的には図１３に相当する。

以下、図面を適宜参照して、本発明の各実施形態における摩擦撹拌接合部材及びその製造方法につき詳細に説明する。なお、図中、ｘ軸、ｙ軸及びｚ軸は、３軸直交座標系を成し、ｚ軸の正方向を上方向とする。

（第１の実施形態）
まず、図１から図３を参照して、本発明の第１の実施形態における摩擦撹拌接合部材の構成につき、詳細に説明する。

図１は、本実施形態における摩擦撹拌接合部材の斜視図を示し、図２は、図１のＡ−Ａ拡大断面図である。また、図３は、図２の部分拡大図である。

図１から図３に示すように、摩擦撹拌接合部材１は、金属製の基材１０、典型的には鋼製、アルミニウム製又は銅製で矩形板又は矩形ブロック状の基材１０と、金属製の相手部材２０、典型的には鋼製、アルミニウム製又は銅製で基材１０に装着された相手部材２０と、を備える。なお、ここで基材１０及び相手部材２０に用いるアルミニウム及び銅は、各々、それらの合金であってもよい。また、摩擦撹拌接合部材１を軽量化を重視する必要がある場合は、基材１０及び相手部材２０には樹脂材（合成樹脂材）を用いてもよく、かかる樹脂材は、基材１０及び相手部材２０のいずれにも適用可能である。本実施形態においては、基材１０がアルミニウム合金製であり、相手部材２０が銅製である構成について説明する。

基材１０は、典型的には中実部材であり、そのｚ軸の正方向側の面である上面に相手部材２０を突設させる一方で、それと対向するｚ軸の負方向側の面である下面は、図示を省略する機械部品や電気部品等を装着する装着面として利用可能である。

相手部材２０は、典型的には矩形平板状で基材１０の上面から上方に突設された単数又は複数の相手部材要素から成り、図中では、一例として、２個の相手部材、つまり、共に矩形平板状の第１の相手部材要素２１及び第２の相手部材要素２２を示す。第１の相手部材要素２１及び第２の相手部材要素２２は、ｘ軸の方向に列を成して配列される。相手部材２０を構成する相手部材要素の個数が多い場合には、各相手部材要素は、複数の列を併置してもよい。

第１の相手部材要素２１は、そのｙ−ｚ平面に平行な主平面をｘ軸の方向に陥設して形成された凹部２１ｃを有し、第２の相手部材要素２２は、そのｙ−ｚ平面に平行な主平面をｘ軸の方向に陥設して形成された凹部２２ｃを有する。原理上、かかる凹部２１ｃ及び凹部２２ｃは、基材１０内に位置する第１の相手部材要素２１及び第２の相手部材要素２２の各々の部分のみに対応して１個ずつ設けられていれば足りるが、便宜上、これらを複数の凹部２１ｃ及び複数の凹部２２ｃとして説明する。また、凹部２１ｃ及び凹部２２ｃは、ｙ軸の方向やｚ軸の方向に陥設するものであってもよい。また、凹部２１ｃ及び凹部２２ｃは、第１の相手部材要素２１及び第２の相手部材要素２２が中実部材である場合には、機械加工や表面処理等の外部からの加工処理で形成された凹部であってもよい。また、凹部２１ｃ及び凹部２２ｃは、第１の相手部材要素２１及び第２の相手部材要素２２が鋳造品や焼結品等である多孔質部材である場合には、それらに形成される気孔が対応する主平面に開口した開口凹部であってもよい。

ここで、基材１０と、第１の相手部材要素２１及び第２の相手部材要素２２と、は、基材１０内に位置する第１の相手部材要素２１の一端部及び第２の相手部材要素２２の一端部に沿って上下方向に延在する接合領域Ｗにおいて、互いに接合される。

具体的には、図２及び図３に示すように、かかる接合領域Ｗは、詳細は後述する摩擦撹拌接合により、基材１０の上面に達していなくともよいが、基材１０の下面から上面に向かって第１の相手部材要素２１及び第２の相手部材要素２２の周囲を囲ってそれらに収束するような先細りの固相接合領域として形成される領域である。詳しくは、接合領域Ｗは、基材１０の材料が摩擦撹拌接合時に塑性流動を起こした後に固相化された基材領域１０ｗと、接合領域Ｗ内に位置する第１の相手部材要素２１の複数の凹部２１ｃの中に基材１０の材料が塑性流動により侵入した後に固相化された部分であるアンカー部２１ｆ、及び塑性流動を起こした基材１０の材料が第１の相手部材要素２１の壁面を擦りながら移動した後に固相化されることにより第１の相手部材要素２１の凹部２１ｃ以外の壁面と接合しながらこれを押圧してかしめたかしめ部２１ｐを含むアンカー領域２１ｅと、接合領域Ｗ内に位置する第２の相手部材要素２２の複数の凹部２２ｃの中に基材１０の材料が塑性流動により侵入した後に固相化された部分であるアンカー部２２ｆ、及び塑性流動を起こした基材１０の材料が第２の相手部材要素２２の壁面を擦りながら移動した後に固相化されることにより第２の相手部材要素２２の凹部２２ｃ以外の壁面と接合しながらこれを押圧してかしめたかしめ部２２ｐを含むアンカー領域２２ｅと、から成る。なお、アンカー部２１ｆにおいては、塑性流動を起こした基材１０の材料が凹部２１ｃに侵入する際に凹部２１ｃの内部の壁面を擦りながら侵入して接合していてもよく、アンカー部２２ｆにおいては、塑性流動を起こした基材１０の材料が凹部２２ｃに侵入する際に凹部２２ｃの内部の壁面を擦りながら侵入して接合していてもよい。

つまり、第１の相手部材要素２１のアンカー領域２１ｅは、接合領域Ｗ内に残存する第１の相手部材要素２１の複数の凹部２１ｃの中に基材１０の材料が塑性流動により侵入してその後固相化された部分であるアンカー部２１ｆを備える。かかるアンカー部２１ｆは、第１の相手部材要素２１と基材１０との間の固相接合状態を補強してこれらを係止するアンカーとして機能する。併せて、基材１０の材料が摩擦撹拌接合時に塑性流動を起こした後に固相化された基材領域１０ｗは、それが第１の相手部材要素２１の壁面を擦りながら移動した後に固相化する際に、接合領域Ｗ内に残存する第１の相手部材要素２１の複数の凹部２１ｃ以外の部分に接合すると共にかかる部分を押圧してかしめるため、かかる部分はアンカー領域２１ｅにおけるかしめ部２１ｐとなる。ここで、基材１０内に位置する第１の相手部材要素２１の凹部２１ｃが複数個であれば、アンカー部２１ｆも複数個形成されて第１の相手部材要素２１と基材１０との間の係止力が増強されるため、より好ましい。なお、アンカー部２１ｆにおいても、基材１０が第１の相手部材要素２１に接合していてもよい。

同様に、第２の相手部材要素２２のアンカー領域２２ｅは、接合領域Ｗ内に残存する第２の相手部材要素２２の複数の凹部２２ｃの中に基材１０の材料が塑性流動により侵入してその後固相化された部分であるアンカー部２２ｆを備える。かかるアンカー部２２ｆは、第２の相手部材要素２２と基材１０との間の固相接合状態を補強してこれらを係止するアンカーとして機能する。併せて、基材１０の材料が摩擦撹拌接合時に塑性流動を起こした後に固相化された基材領域１０ｗは、それが第２の相手部材要素２２の壁面を擦りながら移動した後に固相化する際に、接合領域Ｗ内に残存する第２の相手部材要素２２の複数の凹部２２ｃ以外の部分に接合すると共にかかる部分を押圧してかしめるため、かかる部分はアンカー領域２２ｅにおけるかしめ部２２ｐとなる。ここで、基材１０内に位置する第２の相手部材要素２２の凹部２２ｃが複数個であれば、アンカー部２２ｆも複数個形成されて第２の相手部材要素２２と基材１０との間の係止力が増強されるため、より好ましい。なお、アンカー部２２ｆにおいても、基材１０が第２の相手部材要素２２に接合していてもよい。

なお、図３中で示すアンカー部２１ｆ及びアンカー部２２ｆの個数は模式的なものであり、実際には、接合領域Ｗ内に残存する第１の相手部材要素２１の凹部２１ｃ及び第２の相手部材要素２２の凹部２２ｃの個数に応じた個数のアンカー部２１ｆ及びアンカー部２２ｆが生成される。

次に、以上の構成を有する本実施形態における摩擦撹拌接合部材１を製造するための製造方法につき、更に図４をも参照しながら、詳細に説明する。

図４は、本実施形態における摩擦撹拌接合部材を製造するための製造方法の各工程を示すもので、図４（ａ）は、接合ツールを、相手部材を装着した基材に対向させた状態を示す断面図であり、図４（ｂ）は、接合ツールを、相手部材を装着した基材に侵入させて摩擦撹拌接合している状態を示す断面図である。なお、図４（ａ）及び図４（ｂ）は、断面の位置として図２に相当する。

摩擦撹拌接合部材１を製造するには、図４（ａ）に示すように、まず、予め、中実の基材１０、複数の凹部２１ｃを有する第１の相手部材要素２１及び複数の凹部２２ｃを有する第２の相手部材要素２２を各々用意し、基材１０の上面側（図中では下側）にその上面から内方に陥設してｙ軸の方向に延在する第１の挿入溝１１に第１の相手部材要素２１の一端部を挿入し、かつ、基材１０の上面側にその上面から内方に陥設してｙ軸の方向に延在する第２の挿入溝１２に第２の相手部材要素２２の一端部を挿入した状態で、これらを典型的には金属製の載置ブロック３５上に載置して、基材１０の下面側（図中では上側）に摩擦撹拌接合用の接合ツール３０を対向させる。ここで、第１の挿入溝１１は、第１の相手部材要素２１の一端部がそれに挿入される際に、所定の遊び代を与えるように、第１の相手部材要素２１の一端部のサイズよりも大きいサイズを有する典型的には矩形凹部である。同様に、第２の挿入溝１２は、第２の相手部材要素２２の一端部がそれに挿入される際に、所定の遊び代を与えるように、第２の相手部材要素２２の一端部のサイズよりも大きいサイズを有する典型的には矩形凹部である。なお、この際、接合ツール３０は、第１の相手部材要素２１及び第２の相手部材要素２２に対して、ｙ軸の負方向側の端部に位置させるものとする。

ここで、接合ツール３０は、典型的には工具鋼製であり、ショルダ３２、及びショルダ３２の下端部から下方に突出するプローブ３４を備える。かかるプローブ３４は、その基端から先端までにおいて、プローブ３４の回転軸と直交する断面における円形の半径が同一である円柱形状を有するが、その基端から先端に向かって先細りとなるテーパ状、つまり円錐形状を有していてもよい。

また、載置ブロック３５には、２つの挿入溝３６が設けられ、基材１０の上面側（図中では下側）から突出した第１の相手部材要素２１及び第２の相手部材要素２２の部分は、２つの挿入溝３６に対応して挿入される。かかる状態の第１の相手部材要素２１及び第２の相手部材要素２２は、対応する挿入溝３６の内周部で、ｘ軸の方向、ｙ軸の方向及びｚ軸の方向に移動しないように固定される。この際、載置ブロック３５の下面（図中では上側の面）は、基材１０の上面（図中では下側の面）に当接されている。また、載置ブロック３５上に載置された基材１０の下面側（図中では上側）の縁部は、典型的には金属製の保持具５０で保持される。このような構成により、結果として、基材１０、第１の相手部材要素２１及び第２の相手部材要素２２は、互いに相対移動しないように保持される。

次に、図４（ｂ）に示すように、図示を省略する移動機構を動作させて、図４（ａ）の状態から、接合ツール３０を上下軸を回転軸として回転させながら基材１０に向けて接近させていき、プローブ３４の先端部が、第１の相手部材要素２１及び第２の相手部材要素２２の間に侵入するまで、接合ツール３０を基材１０内に侵入させる。この際、プローブ３４は、第１の相手部材要素２１及び第２の相手部材要素２２に接触しない。よって、プローブ３４は、第１の相手部材要素２１及び第２の相手部材要素２２を不要に押圧してそれらの姿勢や位置を移動させることもない。なお、接合ツール３０の回転速度が大きい場合には、プローブ３４の先端部を、第１の相手部材要素２１及び第２の相手部材要素２２の間まで侵入させずにその手前の基材１０内でとどめてもかまわない。

そして、このようにプローブ３４の先端部を第１の相手部材要素２１及び第２の相手部材要素２２の間に侵入させたならば、接合ツール３０の回転を所望の回転数に維持しながら、図示を省略する移動機構を動作させ、ｙ軸の正方向側に向けて移動させて走査させる。

その結果、プローブ３４により塑性流動を起こした基材１０の材料が、凹部２１ｃ及び凹部２２ｃの中に流れ込んでいく状態になると共に、凹部２１ｃ及び凹部２２ｃ以外の部分では、塑性流動を起こした基材１０の材料が、第１の相手部材要素２１及び第２の相手部材要素２２を相対的に強く擦りながら移動する。

併せて、プローブ３４が通過した後の基材１０、第１の相手部材要素２１及び第２の相手部材要素２２の各材料は、それらの温度が塑性流動を起こす温度よりも低下していき、最終的には固相化していくことになる。

そして、接合ツール３０が、第１の相手部材要素２１及び第２の相手部材要素２２に対して、ｙ軸の正方向側の端部に到達したならば、接合ツール３０を基材１０内から退避させ、回転を停止する。なお、接合ツール３０を基材１０内に侵入させる際、及びそれらを基材１０内から退避させる際の回転数は、接合する際の回転数よりも小さく設定してもよい。

このように接合ツール３０を退避させた後では、基材１０、第１の相手部材要素２１及び第２の相手部材要素２２の各材料は、それらの温度がより低下して完全に固相化しており、図１から図３に示す構成のアンカー部２１ｆ及びかしめ部２１ｐを有するアンカー領域２１ｅ、並びにアンカー部２２ｆ及びかしめ部２２ｐを有するアンカー領域２２ｅの各々を備える摩擦撹拌接合部材１が得られることになる。

ここで、接合領域Ｗでは、基材１０の上面は、摩擦撹拌接合中に載置ブロック３５の下面がそれに当接し保持していたために平坦面に維持されており、基材１０の下面側ではｙ軸の方向に延在する直線上の塑性流動痕が見られた。また、第１の相手部材要素２１のアンカー領域２１ｅ及び第２の相手部材要素２２のアンカー領域２２ｅには、第１の相手部材要素２１の凹部２１ｃの中に塑性流動を起こした基材１０の材料が流れ込んで固相化したアンカー部２１ｆ及び第２の相手部材要素２２の凹部２２ｃの中に塑性流動を起こした基材１０の材料が流れ込んで固相化したアンカー部２２ｆが対応して形成されていた。併せて、接合領域Ｗ内の第１の相手部材要素２１の複数の凹部２１ｃ以外の部分には、基材領域１０ｗと接合してこれに押圧されてかしめられたかしめ部２１ｐが形成されると共に、接合領域Ｗ内の第２の相手部材要素２２の複数の凹部２２ｃ以外の部分には、基材領域１０ｗと接合してこれに押圧されてかしめられたかしめ部２２ｐが形成されていた。

かかる本実施形態における実験条件の一例を挙げると、基材１０には、板厚５ｍｍの純アルミ板を用い、これに深さ２ｍｍ及び幅２ｍｍの第１の挿入溝１１及び第２の挿入溝１２の溝加工を行った。かかる溝加工は、切削加工、板鍛造、押出、異形圧延、及びフォトエッチングのいずれでもよい。これらに２０ｍｍｘ６０ｍｍの厚み２ｍｍの多孔質銅板を、第１の相手部材要素２１及び第２の相手部材要素２２として嵌め込み、基材１０の下面側から摩擦撹拌接合を行った。この際の接合条件は、接合ツール３０の回転数が１２００ｒｐｍ、接合ツール３０の送り速度（走査速度）が３００ｍｍ／ｍｉｎ、及びプローブ３４の挿入量が４．８ｍｍであった。そして、接合行程が完了した後、図２のように切断した摩擦撹拌接合部材１の断面について、走査型電子顕微鏡を用いて詳細に観察したが、接合欠陥や拡散接合で見られるようなアルミニウム−銅系金属間化合物は認められず、良好な固相接合物が得られた。

最後に、本実施形態における摩擦撹拌接合部材の相手部材を構成する相手部材要素の配列方向の個数が増えた場合の一例を、更に図５をも参照しながら、詳細に説明する。

図５は、本実施形態における摩擦撹拌接合部材の相手部材を構成する相手部材要素が６個設けられた場合のツール挿入領域を示す断面図であり、断面の位置としては図２に相当する。

図５に示すように、接合前の摩擦撹拌接合部材１００の相手部材２０を構成する相手部材要素が６個設けられる場合には、基材１１０に第１の挿入溝１１１から第６の挿入溝１１６を設け、第１の挿入溝１１１から第６の挿入溝１１６に対して、複数の凹部１２１ｃを有する第１の相手部材要素１２１から複数の凹部１２６ｃを有する第６の相手部材要素１２６を対応して挿入することになる。

ここで、第１の相手部材要素１２１と第２の相手部材要素１２２との間のツール挿入領域Ｓ１、第３の相手部材要素１２３と第４の相手部材要素１２４との間のツール挿入領域Ｓ２、及び第５の相手部材要素１２５と第６の相手部材要素１２６との間のツール挿入領域Ｓ３に、接合ツール３０を挿入させれば、相手部材要素の個数の半分の３箇所のツール挿入領域を設けるだけで足りるため効率的である。

つまり、相手部材要素の個数が偶数である場合には、基材の一方の端部側から２個ずつの相手部材要素の対を作り、各対の間にツール挿入領域を設ければ、接合領域の総数が抑制できて相手部材要素と基材との摩擦撹拌接合を効率的に行うことができる。また、相手部材要素の個数が奇数である場合には、相手部材要素の個数が偶数である場合と同様に相手部材要素の対を作っていけばよいが、残余の１個の相手部材要素では対を作ることはできないため、その残余の１個については、そのｘ軸の方向の側方領域の一方又は双方に同様にツール挿入領域を設ければよい。なお、相手部材要素の配列方向の個数が減って相手部材要素の個数が１個である場合には、そのｘ軸の方向の側方領域の一方又は双方に同様にツール挿入領域を設ければよい。

以上の本実施形態の構成によれば、中実部材である基材１０と、基材１０内にその一端部が収容されながらその他端部が基材１０から突出するように突設されると共に、接合領域Ｗで基材１０と一端部とが接合された相手部材２０と、摩擦撹拌接合ツール３０で撹拌される基材１０を構成する材料が、相手部材２０の一端部の凹部２１ｃ、２２ｃに侵入しながら固相化することにより、接合領域Ｗにおいて形成されたアンカー部２１ｆ、２２ｆ、及び摩擦撹拌接合ツール３０で撹拌される基材１０を構成する材料が、相手部材２０の一端部における凹部２１ｃ、２２ｃ以外の残部で固相化することにより、残部がかしめられたかしめ部２１ｐ、２２ｐを有するアンカー領域２１ｅ、２２ｅと、を備えるものであるため、簡便な構成で、充分なアンカー効果を発揮させながら、中実部材の基材１０と相手部材２０とを確実に接合した摩擦撹拌接合部材１を実現することができる。

また、本実施形態の構成によれば、接合領域Ｗが、基材１０内に収容された相手部材２０の一端部に沿って延在することにより、アンカー領域２１ｅ、２２ｅに複数のアンカー部２１ｆ、２２ｆを確実に形成することができ、アンカー効果をより増大することができる。

また、本実施形態の構成によれば、摩擦撹拌接合ツール３０が、相手部材２０が突設される基材１０の第１の面に対向する基材１０の第２の面から、基材の内方に侵入されて基材を構成する材料を撹拌することにより、アンカー領域２１ｆ、２２ｆが形成されるものであるため、簡便な構成で、充分なアンカー効果を発揮させながら、中実部材の基材１０と相手部材２０とを確実に摩擦撹拌接合することができる。また、摩擦撹拌接合ツール３０をこのような方向から基材１０内に侵入させた場合には、相手部材２０が突設される側の第１の面を盛り上がらせずに平坦面にすることも可能である。

さて、以上説明した本実施形態の構成において、第１の相手部材要素２１及び第２の相手部材要素２２と基材１０とを固相接合し、かつ、第１の相手部材要素２１のアンカー領域２１ｅ及び第２の相手部材要素２２のアンカー領域２２ｅを生成させる際に用い得る接合ツール３０の構成、特にプローブ３４の形状には、種々の変形例が考えられる。

そこで、図６を参照して、本実施形態の変形例における摩擦撹拌接合部材を製造するための接合ツールのプローブの構成につき、詳細に説明する。

図６は、本変形例における摩擦撹拌接合部材を製造するための製造方法の各工程を図４に対応させて示すもので、図６（ａ）は、接合ツールを、相手部材を装着した基材に対向させた状態を示す断面図であり、図６（ｂ）は、接合ツールを、相手部材を装着した基材に侵入させて摩擦撹拌接合している状態を示す断面図である。

具体的には、図６（ａ）及び図６（ｂ）に示すように、本変形例における接合ツール１３０においては、プローブ１３４の先端部が、球状の形状を有しており、つまり、プローブ１３４は、円柱の先端に半球等の球状部を有した形状であり、かかる点が本実施形態の構成との相違点であって、残余の構成は同一である。かかる同一な構成については同一の符号を付して、その説明を簡略化又は省略する。

かかる接合ツール１３０を用いて摩擦撹拌接合部材１を製造するには、図６（ａ）に示すように、本実施形態と同様に、基材１０の上面側（図中では下側）にその上面から内方に陥設して設けられた第１の挿入溝１１に第１の相手部材要素２１の一端部を挿入し、かつ、基材１０の上面側にその上面から内方に陥設して設けられた第２の挿入溝１２に第２の相手部材要素２２の一端部を挿入した状態で、これらを載置ブロック３５上に載置して固定し、基材１０の下面側（図中では上側）に摩擦撹拌接合用の接合ツール１３０を対向させる。

次に、図６（ｂ）に示すように、図示を省略する移動機構を動作させて、図６（ａ）の状態から、接合ツール１３０を上下軸を回転軸として回転させながら基材１０に向けて接近させていき、プローブ１３４の先端部が、第１の相手部材要素２１及び第２の相手部材要素２２に接触しないでそれらの間に侵入するまで、接合ツール１３０を基材１０内に侵入させる。この際、プローブ１３４の先端形状は球状であるため、プローブ１３４は、基材１０の材料を不要に乱すことなく均等にかき分けながらスムースに基材１０内に侵入し得ると共に、第１の相手部材要素２１及び第２の相手部材要素２２を不要に押圧してそれらの姿勢や位置を移動させることもない。

そして、このようにプローブ１３４の先端部を第１の相手部材要素２１及び第２の相手部材要素２２の間に侵入させたならば、接合ツール１３０の回転を所望の回転数に維持しながら、図示を省略する移動機構を動作させ、ｙ軸の負方向側の端部からｙ軸の正方向側端部へと移動させて走査させる。

その結果、プローブ１３４により塑性流動を起こした基材１０の材料が、第１の相手部材要素２１の凹部２１ｃ及び第２の相手部材要素２２の凹部２２ｃの中に流れ込んでいく状態になると共に、凹部２１ｃ及び凹部２２ｃ以外の部分では、塑性流動を起こした基材１０の材料が、第１の相手部材要素２１及び第２の相手部材要素２２の壁面を相対的に強く擦りながら移動する。

この際、先端形状が球状のプローブ１３４は、基材１０の材料を不要に乱すことなく均等にかき分けながらスムースに第１の相手部材要素２１及び第２の相手部材要素２２間に侵入し得ているため、塑性流動を起こした基材１０の材料は、よりスムースに第１の相手部材要素２１の凹部２１ｃ及び第２の相手部材要素２２の凹部２２ｃの中に流れ込む。併せて、このようにスムースに第１の相手部材要素２１及び第２の相手部材要素２２間に侵入し得る先端形状が球状のプローブ１３４は、その摩耗もより小さくなる。

そして、接合ツール１３０が、第１の相手部材要素２１及び第２の相手部材要素２２に対して、ｙ軸の正方向側の端部に到達したならば、接合ツール１３０を基材１０内から退避させ、それらの回転を停止する。

このように接合ツール１３０を退避させた後では、基材１０、第１の相手部材要素２１及び第２の相手部材要素２２の各材料は、それらの温度がより低下して完全に固相化して、図１から図３に示す第１の相手部材要素２１のアンカー領域２１ｅ及び第２の相手部材要素２２のアンカー領域２２ｅを有する摩擦撹拌接合部材１が同様に得られる。

以上の本変形例の構成によれば、摩擦撹拌接合ツール１３０のプローブ１３４が、球状の形状を有することにより、摩擦撹拌接合ツール１３０、特にプローブ１３４の摩耗を抑制することができると共に、摩擦撹拌接合ツール１３０で撹拌される基材１０を構成する材料が塑性流動する流れを不要に乱す現象を抑制することができ、アンカー領域２１ｅ、２２ｅにおけるアンカー部２１ｆ、２２ｆをより迅速かつ確実に形成することができる。

（第２の実施形態）
次に、図７から図９を参照して、本発明の第２の実施形態における摩擦撹拌接合部材の構成につき、詳細に説明する。

図７は、本発明の第２の実施形態における摩擦撹拌接合部材の斜視図を示し、図８は、図７のＢ−Ｂ拡大断面図である。また、図９は、図８の部分拡大図である。

図７から図９に示すように、本実施形態における摩擦撹拌接合部材１０１においては、接合領域Ｗ’が第１の相手部材要素２１及び第２の相手部材要素２２から下方に向かって先細りの領域であることが、第１の実施形態の構成との相違点であって、残余の構成は同一である。かかる同一な構成については同一の符号を付して、その説明を簡略化又は省略する。

具体的には、図８及び図９に示すように、本変形例における摩擦撹拌接合部材１０１の接合領域Ｗ’は、詳細は後述する摩擦撹拌接合により、基材１０の下面に達していなくともよいが、基材１０の上面の第１の相手部材要素２１及び第２の相手部材要素２２からそれらの周囲を囲って下面に向かって先細りの固相接合領域として形成される領域である。詳しくは、接合領域Ｗ’は、基材１０の材料が摩擦撹拌接合時に塑性流動を起こした後に固相化された基材領域１１０ｗと、接合領域Ｗ’内に位置する第１の相手部材要素２１の複数の凹部２１ｃの中に基材１０の材料が塑性流動により侵入した後に固相化された部分であるアンカー部２１ｆ、及び塑性流動を起こした基材１０の材料が第１の相手部材要素２１の壁面を擦りながら移動した後に固相化されることにより第１の相手部材要素２１の凹部２１ｃ以外の壁面と接合しながらこれを押圧してかしめたかしめ部２１ｐを含むアンカー領域２１ｅと、接合領域Ｗ内に位置する第２の相手部材要素２２の複数の凹部２２ｃの中に基材１０の材料が塑性流動により侵入した後に固相化された部分であるアンカー部２２ｆ、及び塑性流動を起こした基材１０の材料が第２の相手部材要素２２の壁面を擦りながら移動した後に固相化されることにより第２の相手部材要素２２の凹部２２ｃ以外の壁面と接合しながらこれを押圧してかしめたかしめ部２２ｐを含むアンカー領域２２ｅと、から成る。なお、アンカー部２１ｆにおいては、塑性流動を起こした基材１０の材料が凹部２１ｃに侵入する際に凹部２１ｃの内部の壁面を擦りながら侵入して接合していてもよく、アンカー部２２ｆにおいては、塑性流動を起こした基材１０の材料が凹部２２ｃに侵入する際に凹部２２ｃの内部の壁面を擦りながら侵入して接合していてもよい。

つまり、かかる接合領域Ｗ’は、第１の相手部材要素２１及び第２の相手部材要素２２から下面に向かって先細りの領域であるため、第１の実施形態における摩擦撹拌接合部材１０の接合領域Ｗよりもその容積が小さな固相接合領域として形成されれば足りる。よって、摩擦撹拌接合により接合領域Ｗ’を形成するための加工エネルギ量や加工時間が、より低減され得るものである。

次に、以上の構成を有する本実施形態における摩擦撹拌接合部材１０１を製造するための製造方法につき、更に図１０をも参照しながら、詳細に説明する。

図１０は、本実施形態における摩擦撹拌接合部材を製造するための製造方法の各工程を図４に対応させて示すもので、図１０（ａ）は、接合ツールを、相手部材を装着した基材に対向させた状態を示す断面図であり、図１０（ｂ）は、接合ツールを、相手部材を装着した基材に侵入させて摩擦撹拌接合している状態を示す断面図である。

摩擦撹拌接合部材１０１を製造するには、図１０（ａ）に示すように、まず、予め、中実の基材１０、複数の凹部２１ｃを有する第１の相手部材要素２１及び複数の凹部２２ｃを有する第２の相手部材要素２２を各々用意し、基材１０の上面側にその上面から内方に陥設して設けられた第１の挿入溝１１に第１の相手部材要素２１の一端部を挿入し、かつ、基材１０の上面側にその上面から内方に陥設して設けられた第２の挿入溝１２に第２の相手部材要素２２の一端部を挿入した状態で、これらを典型的には金属製のテーブル１４０上に載置して、基材１０の上面側に摩擦撹拌接合用の接合ツール２３０を対向させる。

ここで、接合ツール２３０は、典型的には工具鋼製であり、ショルダ３２、及びショルダ３２の下端部から下方に突出するプローブ２３４を備える。かかるプローブ２３４は、円柱形状を有するものであるが、第１の実施形態におけるプローブ３４よりも長尺である。また、第１の実施形態の変形例におけるプローブ１３４のように、プローブ２３４の先端形状が球状であってもよい。

また、テーブル１４０には、嵌装凹部１４２が設けられ、基材１０の下部は、嵌装凹部１４２に嵌め込まれて固定される。また、基材１０の上部は、典型的には金属製の保持具１５０で押さえられて保持されると共に、第１の相手部材要素２１及び第２の相手部材要素２２は、保持具１５０で各々の側方を押さえられて保持される。このような構成により、結果として、基材１０、第１の相手部材要素２１及び第２の相手部材要素２２は、互いに相対移動しないように保持される。

次に、図１０（ｂ）に示すように、図示を省略する移動機構を動作させて、図１０（ａ）の状態から、接合ツール２３０を上下軸を回転軸として回転させながら第１の相手部材要素２１及び第２の相手部材要素２２の間に向けて接近させて、プローブ２３４をそれらの間を通過させ基材１０内に侵入させていき、プローブ２３４の先端部が、第１の相手部材要素２１及び第２の相手部材要素２２の各下端よりも下方に侵入するまで、基材１０内に侵入させる。この際、プローブ２３４は、第１の相手部材要素２１及び第２の相手部材要素２２に接触しない。なお、接合ツール２３０の回転速度が大きい場合には、プローブ２３４の先端部を、基材１０内における第１の相手部材要素２１及び第２の相手部材要素２２の間でとどめてもかまわない。

そして、このようにプローブ２３４の先端部を第１の相手部材要素２１及び第２の相手部材要素２２の間又はそれらの下端の下方に侵入させたならば、接合ツール２３０の回転を所望の回転数を維持しながら、図示を省略する移動機構を動作させ、接合ツール２３０を基材１０におけるｙ軸の方向の負方向の端部からｙ軸の方向の正方向の端部に移動させて走査させる。

その結果、プローブ２３４により塑性流動を起こした基材１０の材料が、第１の相手部材要素２１の凹部２１ｃ及び第２の相手部材要素２２の凹部２２ｃの中に流れ込んでいく状態になると共に、凹部２１ｃ及び凹部２２ｃ以外の部分では、塑性流動を起こした基材１０が、第１の相手部材要素２１及び第２の相手部材要素２２の壁面を相対的に強く擦りながら移動する。なお、アンカー部２１ｆにおいては、塑性流動を起こした基材１０の材料が凹部２１ｃに侵入する際に凹部２１ｃの内部の壁面を擦りながら侵入して接合していてもよく、アンカー部２２ｆにおいては、塑性流動を起こした基材１０の材料が凹部２２ｃに侵入する際に凹部２２ｃの内部の壁面を擦りながら侵入して接合していてもよい。

併せて、プローブ２３４が通過した後の基材１０、第１の相手部材要素２１及び第２の相手部材要素２２の各材料は、それらの温度が塑性流動を起こす温度よりも低下していき、最終的には固相化していくことになる。

そして、接合ツール２３０が、第１の相手部材要素２１及び第２の相手部材要素２２に対して、ｙ軸の正方向側の端部に到達したならば、基材１０内から退避させ、それらの回転を停止する。

このように接合ツール２３０を退避させた後では、基材１０、第１の相手部材要素２１及び第２の相手部材要素２２の各材料は、それらの温度がより低下して完全に固相化しており、図７から図９に示す構成のアンカー領域２１ｅ及びアンカー領域２２ｅを有する摩擦撹拌接合部材１０１が得られることになる。ここで、接合領域Ｗ’では、基材１０の上面側ではｙ軸の方向に延在する直線上の塑性流動痕が見られたが、基材１０の下面側では摩擦撹拌接合ツールによる塑性流動痕が存在しない平坦面にすることができた。また、第１の相手部材要素２１のアンカー領域２１ｅ及び第２の相手部材要素２２のアンカー領域２２ｅには、第１の相手部材要素２１の凹部２１ｃの中に塑性流動を起こした基材１０の材料が流れ込んで固相化したアンカー部２１ｆ及び第２の相手部材要素２２の凹部２２ｃの中に塑性流動を起こした基材１０の材料が流れ込んで固相化したアンカー部２２ｆが形成されていた。

なお、本実施形態における接合領域Ｗ’は、第１の実施形態における変形例の構成においても実現し得ることはもちろんである。

以上の本実施形態の構成によれば、摩擦撹拌接合ツール２３０が、相手部材２０が突設される基材１０の第１の面から、基材１０の内方に侵入されて基材１０を構成する材料を撹拌し、基材１０内に挿入された相手部材２０の凹部２１ｃ、２２ｃに材料を侵入させることにより、このような方向から基材１０内に摩擦撹拌接合ツール２３０を侵入させた場合にでも、中実部材の基材１０と相手部材２０とを確実に摩擦撹拌接合することができる。また、変形例を含む第１の実施形態における摩擦撹拌接合ツール３０、１３０が、相手部材２０が突設される基材１０の第１の面に対向する基材１０の第２の面から、基材１０の内方に侵入される態様と併せて評価すると、摩擦撹拌接合ツール３０、１３０、２３０を基材１０に侵入させる自由度を増大すると共に、基材１０の第１及び第２の面のいずれの方から対応する摩擦撹拌接合ツール３０、１３０、２３０を侵入させた場合にでも、中実部材の基材１０と相手部材２０とを確実に摩擦撹拌接合することができることが理解できる。また、摩擦撹拌接合ツール２３０を基材１０の第１の面からその中に侵入させた場合には、第２の面を摩擦撹拌接合ツール２３０による加工痕が存在しない平坦面にすることができると共に、形成すべきアンカー領域２１ｅ、２２ｅを、相手部材１０が突設される第１の面側でそれらを内包した状態から第２の面側に向かって縮小した態様で形成しながら、アンカー領域２１ｅ、２２ｅのアンカー機能を必要十分に発揮させることができるため、不要に大きなアンカー領域２１ｅ、２２ｅを形成する必要性を排除することができ、摩擦撹拌接合ツール２３０を作動させるエネルギを減少できると共にその加工時間も短縮することができる。

（第３の実施形態）
次に、図１１を参照して、本発明の第３の実施形態における摩擦撹拌接合部材の構成につき、詳細に説明する。

図１１は、本実施形態における摩擦撹拌接合部材の拡大断面図を示し、位置的には図２に相当する。

図１１に示すように、本実施形態における摩擦撹拌接合部材２０１においては、接合領域Ｗ’’が基材１０の上面側で若干盛り上がっていることが、第１の実施形態の構成との相違点であって、残余の構成は同一である。かかる同一な構成については同一の符号を付して、その説明を簡略化又は省略する。

具体的には、図１１に示すように、接合領域Ｗ’’は、基材１０の下面から上面に向かって第１の相手部材要素２１及び第２の相手部材要素２２の周囲を囲ってそれらに収束するような先細りの固相接合領域として形成される領域である。詳しくは、接合領域Ｗ’’は、基材１０の材料が摩擦撹拌接合時に塑性流動を起こした後に固相化された基材領域２１０ｗと、接合領域Ｗ’’内に位置する第１の相手部材要素２１の複数の凹部２１ｃの中に基材１０の材料が塑性流動により侵入した後に固相化された部分であるアンカー部２１ｆ、及び塑性流動を起こした基材１０の材料が第１の相手部材要素２１の壁面を擦りながら移動した後に固相化されることにより第１の相手部材要素２１の凹部２１ｃ以外の壁面と接合しながらこれを押圧してかしめたかしめ部２１ｐを含むアンカー領域２１ｅと、接合領域Ｗ’’内に位置する第２の相手部材要素２２の複数の凹部２２ｃの中に基材１０の材料が塑性流動により侵入した後に固相化された部分であるアンカー部２２ｆ、及び塑性流動を起こした基材１０の材料が第２の相手部材要素２２の壁面を擦りながら移動した後に固相化されることにより第２の相手部材要素２２の凹部２２ｃ以外の壁面と接合しながらこれを押圧してかしめたかしめ部２１ｐを含むアンカー領域２２ｅと、から成る。なお、アンカー部２１ｆにおいては、塑性流動を起こした基材１０の材料が凹部２１ｃに侵入する際に凹部２１ｃの内部の壁面を擦りながら侵入して接合していてもよく、アンカー部２２ｆにおいては、塑性流動を起こした基材１０の材料が凹部２２ｃに侵入する際に凹部２２ｃの内部の壁面を擦りながら侵入して接合していてもよい。

ここで、接合領域Ｗ’’では、基材１０の下面側ではｙ軸の方向に延在する直線上の塑性流動痕が存在する一方で、基材１０の上面側では塑性流動に起因する若干の盛り上がった盛り上がり部２３が形成されている。また、第１の相手部材要素２１のアンカー領域２１ｅ及び第２の相手部材要素２２のアンカー領域２２ｅには、第１の相手部材要素２１の凹部２１ｃの中に塑性流動を起こした基材１０の材料が流れ込んで固相化したアンカー部２１ｆ、凹部２１ｃ以外の部分でかしめられたかしめ部２１ｐ、第２の相手部材要素２２の凹部２２ｃの中に塑性流動を起こした基材１０の材料が流れ込んで固相化したアンカー部２２ｆ、及び凹部２２ｃ以外の部分でかしめられたかしめ部２２ｐが形成されているが、かかるアンカー部２１ｆ及び２２ｆ並びにかしめ部２１ｐ及び２２ｐを有するアンカー領域２１ｅ及びアンカー領域２２ｅは、基材１０の上面に形成される塑性流動に起因する若干の盛り上がり部２３の中にも存在している。

このような接合領域Ｗ’’の構成は、基材１０と、第１の相手部材要素２１及び第２の相手部材要素２２と、を摩擦撹拌接合する際に、第１の相手部材要素２１及び第２の相手部材要素２２の間に位置する図４に示した載置ブロック３５の下面の部分を、基材１０の上面に当接させないで所定の間隙を持たせて離間させる凹形状にすることにより、基材１０の上面が塑性流動時に若干盛り上がってその後固相化されたことに起因する。

なお、本実施形態における接合領域Ｗ’’は、第１の実施形態における変形例の構成においても実現し得ることはもちろんである。

以上の本実施形態の構成によれば、摩擦撹拌接合ツール３０、１３０を、相手部材２０が突設される基材１０の第１の面に対向する基材１０の第２の面からその中に侵入させた場合に、治具６０の設定を調節することにより、相手部材２０が突設される側の第１の面を微小に盛り上げることもでき、アンカー領域２１ｅ、２２ｅの容積がその分増大され得るため、基材１０と相手部材２０との接合力をより増大することができる。

（第４の実施形態）
次に、図１２及び図１３を参照して、本発明の第４の実施形態における摩擦撹拌接合部材の構成につき、詳細に説明する。

図１２は、本実施形態における摩擦撹拌接合部材の上面図を示し、図１３は、図１２のＣ−Ｃ拡大断面図である。なお、図１３は、摩擦撹拌接合部材の右側の断面の構成について主として示すものであるが、図示を省略する左側の断面の構成は、右側の構成に対して左右対称な構成を有する。

図１２及び図１３に示すように、本実施形態における摩擦撹拌接合部材３０１においては、一対の基材６０の間に相手部材７０を配設したことが、第１の実施形態の構成との相違点であって、残余の構成は同一である。かかる同一な構成については同一の符号を付して、その説明を簡略化又は省略する。

具体的には、摩擦撹拌接合部材３０１は、金属製の基材６０、典型的には鋼製、アルミニウム製又はチタン製の基材６０と、金属製の相手部材７０、典型的には鋼製、アルミニウム製又はチタン製である基材６０に装着された相手部材７０と、を備える。なお、ここで、基材６０及び相手部材７０に用いるアルミニウム及びチタンは、各々、それらの合金であってもよい。摩擦撹拌接合部材３０１は、構造体に適用される強度部材として好適に使用可能である。

また、本実施形態における摩擦撹拌接合部材３０１として、軽量化の観点からは、樹脂材を用いる構成が挙げられるが、その樹脂材としては、熱可塑性樹脂が好ましく、より高い強度を必要とする場合等には、ガラス繊維又は炭素繊維等の繊維強化プラスチックを用いることがより好ましい。かかる樹脂材は、基材６０及び相手部材７０のいずれにも適用可能であり、かかる樹脂材を用いた摩擦撹拌接合部材３０１は、構造体に適用される強度部材として使用が可能な強度を有する。本実施形態においては、一例として、基材６０が熱可塑性樹脂製であり、相手部材７０がアルミニウム合金製の鋳造品である構成について説明する。

基材６０は、典型的には中実部材であり、そのｘ軸の負方向側の面である側面に相手部材７０を突設させる一方で、ｚ軸の正方向側の面である上面、または負方向側の面である下面は、図示を省略する構造体等と装着される装着面として利用可能である。

相手部材７０は、典型的には矩形平板状で基材６０の左側面から左側方に突設された単数又は複数の相手部材要素から成り、図中では、一例として、１個の相手部材要素で構成される相手部材７０を示す。相手部材７０を構成する相手部材要素の個数が多い場合には、各相手部材要素は、単数の列に複数配設してもよく、複数の列で併置してもよい。

相手部材７０は、そのｘ−ｙ平面に平行な主平面をｚ軸の方向に陥設して形成された凹部７０ｃを有する。原理上、かかる凹部７０ｃは、基材６０内に位置する相手部材７０の部分のみに対応して１個設けられていれば足りるが、接合強度を向上する観点からは、複数の凹部７０ｃを有することが望ましい。また、凹部７０ｃは、更にｙ−ｚ平面に平行な主平面をｘ軸の方向に陥設して形成されていることがより好ましい。なお、凹部７０ｃは、相手部材７０が中実部材である場合には、機械加工や表面処理等の外部からの加工処理で形成された凹部であってもよい。また、凹部７０ｃは、相手部材７０が鋳造品や焼結品等である多孔質部材である場合には、それらに形成される気孔が対応する主平面に開口した開口凹部であってもよい。また、図中では、基材６０内に位置する相手部材７０の部分のみに複数の凹部７０ｃを配設した構成を示している。

ここで、基材６０及び相手部材７０は、基材６０内に位置する相手部材７０の一端部に沿って上下方向に延在する接合領域Ｗ’’’において、互いに接合される。

具体的には、図１３に示すように、かかる接合領域Ｗ’’’は、摩擦撹拌接合により、基材６０の上面から下面に向かって相手部材７０の端部を囲って収束するような先細りの固相接合領域として形成される領域である。詳しくは、接合領域Ｗ’’’は、基材６０の材料が摩擦撹拌接合時に塑性流動を起こした後に固相化された基材領域３１０ｗ、基材領域３１０ｗ内に位置する相手部材７０の複数の凹部７０ｃの中に基材６０の材料が塑性流動により侵入した後に固相化された部分であるアンカー部７０ｆ、及び塑性流動を起こした基材６０の材料が相手部材７０の壁面を擦りながら移動した後に固相化されることにより相手部材７０の凹部７０ｃ以外の壁面と接合しながらこれを押圧してかしめたかしめ部７０ｐを含む接合領域Ｗ’’’から成る。なお、アンカー部７０ｆにおいては、塑性流動を起こした基材６０の材料が凹部７０ｃに侵入する際に凹部７０ｃの内部の壁面を擦りながら侵入していてもよい。

つまり、相手部材７０のアンカー領域７０ｅは、接合領域Ｗ’’’内にある相手部材７０の複数の凹部７０ｃの中に基材６０の材料が塑性流動により侵入してその後固相化された部分であるアンカー部７０ｆを備える。かかるアンカー部７０ｆは、相手部材７０と基材６０との間の固相接合状態を補強してこれらを係止するアンカーとして機能する。併せて、基材６０の材料が摩擦撹拌接合時に塑性流動を起こした後に固相化された基材領域３１０ｗは、それが相手部材７０の壁面を擦りながら移動した後に固相化する際に、接合領域Ｗ’’’内にある相手部材７０の複数の凹部７０ｃ以外の部分に接合すると共にかかる部分を押圧してかしめるため、かかる部分はアンカー領域７０ｅにおけるかしめ部７０ｐとなる。ここで、基材６０内に位置する相手部材７０の凹部７０ｃが複数個であれば、アンカー部７０ｆも複数個形成されて相手部材７０と基材６０との間の接合強度が増強されるため、より好ましい。なお、アンカー部７０ｆにおいても、基材６０が相手部材７０に接合していてもよい。

なお、図１３中で示すアンカー部７０ｆの個数は模式的なものであり、実際には、接合領域Ｗ’’’内にある相手部材７０の凹部７０ｃの個数に応じた個数のアンカー部７０ｆが生成される。

次に、以上の構成を有する本実施形態における摩擦撹拌接合部材３０１を製造するための製造方法につき、更に図１４をも参照しながら、詳細に説明する。

図１４は、本実施形態における摩擦撹拌接合部材３０１を製造するための製造方法の各工程を示すもので、図１４（ａ）は、接合ツール３０を、相手部材７０を装着した基材６０に対向させた状態を示す断面図であり、図１４（ｂ）は、接合ツール３０を、相手部材７０を装着した基材６０に侵入させて摩擦撹拌接合している状態を示す断面図である。なお、図１４（ａ）及び図１４（ｂ）は、断面の位置として図１３に相当する。

摩擦撹拌接合部材３０１を製造するには、図１４（ａ）に示すように、まず、予め、中実の基材６０、複数の凹部７０ｃを有する相手部材７０を用意し、基材７０の左側面側にその左側面から内方に陥設してｙ軸の方向に延在する挿入溝１３に相手部材７０の一端部を挿入した状態で、これらを典型的には金属製の載置ブロック３７上に載置して、基材６０の上面側に摩擦撹拌接合用の接合ツール３０を対向させる。ここで、挿入溝１３は、相手部材７０の一端部がそれに挿入される際に、所定の遊び代を与えるように、相手部材７０の一端部のサイズよりも大きいサイズを有する典型的には矩形凹部である。なお、この際、接合ツール３０は、相手部材７０に対して、ｙ軸の負方向側の端部に位置させるものとする。なお、図１４中では、相手部材７０の左側面と上面とは、直交した関係にあるが、これらは、互いに交差する関係にあればよい。

ここで、接合ツール３０は、典型的には工具鋼製であり、ショルダ３２、及びショルダ３２の下端部から下方に突出するプローブ３４を備える。かかるプローブ３４は、その基端から先端までにおいて、プローブ３４の回転軸と直交する断面における円形の半径が同一である円柱形状を有するが、その基端から先端に向かって先細りとなるテーパ状、つまり円錐形状を有していてもよい。但し、基材６０の撹拌性が良好である場合や過剰な入熱を避ける必要がある場合等はプローブ３４を有さない所謂ショルダタイプのツールであってもよい。かかるショルダタイプのツールにおいては、ショルダの下端部が基材６０と接触することになるが、その形状は球状であることが好ましい。

また、載置ブロック３７上に載置された基材６０及び相手部材７０の縁部は、典型的には金属製の保持具５１で保持される。このような構成により、基材６０及び相手部材７０は、互いに相対移動しないように保持される。

次に、図１４（ｂ）に示すように、図示を省略する移動機構を動作させて、図１４（ａ）の状態から、接合ツール３０を上下軸を回転軸として回転させながら基材６０に向けて接近させていき、接合ツール３０を基材６０内に侵入させる。

そして、このように接合ツール３０を侵入させたならば、接合ツール３０の回転を所望の回転数を維持しながら、図示を省略する移動機構を動作させ、ｙ軸の正方向側に向けて移動させて走査させる。

その結果、プローブ３２により塑性流動を起こした基材６０の材料が、凹部７０ｃの中に流れ込んでいく状態になると共に、凹部７０ｃ以外の部分では、塑性流動を起こした基材６０の材料が、相手部材７０の壁面を相対的に強く擦りながら移動する。

併せて、プローブ３４が通過した後の基材６０、相手部材７０の各材料は、それらの温度が塑性流動を起こす温度よりも低下していき、最終的には固相化していくことになる。

そして、接合ツール３０が、相手部材７０に対して、ｙ軸の正方向側の端部に到達したならば、接合ツール３０を基材６０内から退避させ、回転を停止する。なお、接合ツール３０を基材６０内に侵入させる際、及び基材６０内から退避させる際の回転数は、接合する際の回転数よりも小さく設定してもよい。

このように接合ツール３０を退避させた後では、基材６０の材料は、その温度がより低下して完全に固相化しており、図１３に示す構成のアンカー部７０ｆ及びかしめ部７０ｐを有する摩擦撹拌接合部材３０１が得られることになる。

ここで、接合領域Ｗ’’’では、基材６０の下面は、摩擦撹拌接合中に載置ブロック３７の上面がそれに当接し保持していたために平坦面に維持されており、基材６０の上面側ではｙ軸の方向に延在する直線上の塑性流動痕が見られた。また、相手部材７０のアンカー領域７０ｅには、相手部材７０の凹部７０ｃの中に塑性流動を起こした基材６０の材料が流れ込んで固相化したアンカー部７０ｆが形成されていた。併せて、接合領域Ｗ’’’内の相手部材７０における複数の凹部７０ｃ以外の部分には、基材領域３１０ｗと接合してこれに押圧されてかしめられたかしめ部７０ｐが形成されていた。

以上の本実施形態の構成によれば、摩擦撹拌接合ツール３０が、相手部材７０が突設される基材６０の第１の面に交差する第３の面から、基材６０の内方に侵入されて基材６０を構成する材料を撹拌することにより、アンカー領域７０ｅが、形成されるものであるため、簡便な構成で、充分なアンカー効果を発揮させながら、中実部材の基材６０及び相手部材７０の接合力をより増強することができる。

さて、以上説明した本実施形態の構成において、相手部材７０が装着される基材６０の構成には、種々の変形例が挙げられる。

そこで、図１５を参照して、本実施形態の変形例における摩擦撹拌接合部材４０１の構成につき、詳細に説明する。

図１５は、本変形例における摩擦撹拌接合部材４０１の拡大断面図を示し、位置的には図１３に相当する。

図１５に示すように、本実施形態における摩擦撹拌接合部材４０１においては、基材８０が切欠部１４を有し、かつ、これに対応して基材８０及び相手部材７０を載置する載置ブロック３８が適用されることが、第４の実施形態の構成との相違点であって、残余の構成は同一である。かかる同一な構成については同一の符号を付して、その説明を簡略化又は省略する。

具体的には、図１５に示すように、本変形例における摩擦撹拌接合部材４０１は、その左側面側に対して、その左側面から内方に陥設してｘ軸の方向に延在する相手部材７０の厚さと略同一の切欠部１４を有する基材８０に、その切欠部１４に相手部材７０の一端部が対応して配設されるものである。切欠部１４は、相手部材７０の一端部がそれに配設される際に、所定の遊び代を与えるように、相手部材７０の一端部の厚さよりも大きく設定されている。

載置ブロック３８は、基材８０及び相手部材７０が載置される載置面が平坦であり、相手部材７０を載置した後に、相手部材７０の一端部と基材８０の切欠部１４とを対応させながら載置させる。なお、載置ブロック３８に予め基材８０を載置してから、相手部材７０の一端部を基材８０の切欠部１４に挿入するように載置してもよい。

以上の本変形例の構成によれば、基材８０が、切欠部１４を有することにより、載置ブロック３８への基材８０及び相手部材７０の載置が容易になるので、簡便な構成で、摩擦撹拌接合部材４０１を製造することができる。

なお、本発明は、構成要素の形状、配置、個数等は前述の実施形態に限定されるものではなく、その構成要素を同等の作用効果を奏するものに適宜置換する等、発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能であることはもちろんである。

以上のように、本発明においては、簡便な構成で、充分なアンカー効果を発揮させながら、中実部材の基材と相手部材とを確実に接合した摩擦撹拌接合部材を提供することができるものであるため、その汎用普遍的な性格から広範に摩擦撹拌接合の分野に適用され得るものと期待される。

１、１０１、２０１、３０１、４０１…摩擦撹拌接合部材
１０、６０、８０…基材
１０ｗ、１１０ｗ、２１０ｗ、３１０ｗ…基材領域
１１…第１の挿入溝
１２…第２の挿入溝
１３…挿入溝
１４…切欠部
２０、７０…相手部材
２１…第１の相手部材要素
２１ｃ…凹部
２１ｅ…アンカー領域
２１ｆ…アンカー部
２１ｐ…かしめ部
２２…第２の相手部材要素
２２ｃ…凹部
２２ｅ…アンカー領域
２２ｆ…アンカー部
２２ｐ…かしめ部
２３…盛り上がり部
３０、１３０、２３０…接合ツール
３２…ショルダ
３４、１３４、２３４…プローブ
３５…載置ブロック
３６…挿入溝
３７、３８…載置ブロック
５０、５１…保持具
７０ｃ…凹部
７０ｅ…アンカー領域
７０ｆ…アンカー部
７０ｐ…かしめ部
１００…摩擦撹拌接合部材（接合前）
１１０…基材
１１１…第１の挿入溝
１１２…第２の挿入溝
１１３…第３の挿入溝
１１４…第４の挿入溝
１１５…第５の挿入溝
１１６…第６の挿入溝
１２１…第１の相手部材要素
１２１ｃ…凹部
１２２…第２の相手部材要素
１２２ｃ…凹部
１２３…第３の相手部材要素
１２３ｃ…凹部
１２４…第４の相手部材要素
１２４ｃ…凹部
１２５…第５の相手部材要素
１２５ｃ…凹部
１２６…第６の相手部材要素
１２６ｃ…凹部
１４０…テーブル
１４２…嵌装凹部
１５０…保持具
Ｗ、Ｗ’、Ｗ’’、 Ｗ’’’…接合領域
Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３…ツール挿入領域

Claims (4)

1. 中実部材である基材と、
   前記基材内にその一端部が第１の方向の負方向に向けて挿入されて収容されながらその他端部が前記基材から前記第１の方向の正方向に向けて突出するように突設されると共に、前記一端部で、摩擦撹拌接合ツールで撹拌される前記基材を構成する材料が前記第１の方向及び前記第１の方向に直交する第２の方向で規定される平面に平行な第１の壁部、前記第１の壁部に前記第１の方向及び前記第２の方向に直交する第３の方向で対向する第２の壁部、並びに前記第１の方向の前記負方向の側で、前記第１の壁部及び前記第２の壁部間を前記第３の方向で連絡する第３の壁部の周囲を囲って固相化することにより形成された接合領域で、前記基材と前記一端部とが接合された相手部材と、
   前記接合領域内で、前記摩擦撹拌接合ツールで撹拌される前記基材を構成する前記材料が、前記相手部材の前記一端部において、前記第１の壁部に配置された第１の複数の凹部、及び前記第３の壁部に配置された第２の複数の凹部に侵入しながら固相化することにより形成されたアンカー部、並びに前記接合領域内で、前記摩擦撹拌接合ツールで撹拌される前記基材を構成する前記材料が、前記相手部材の前記一端部における前記第１の複数の凹部及び前記第２の複数の凹部以外の残部で固相化することにより、前記残部がかしめられたかしめ部を有するアンカー領域と、
   を備えた摩擦撹拌接合部材。
2. 前記接合領域は、前記基材内に収容された前記相手部材の前記一端部に沿って前記第２の方向に延在する請求項１に記載の摩擦撹拌接合部材。
3. 前記アンカー領域は、前記摩擦撹拌接合ツールが、前記相手部材が突設される前記基材の第１の面に交差する第３の面から前記基材の内方に、侵入されて前記基材を構成する前記材料を撹拌することにより形成される請求項１又は２に記載の摩擦撹拌接合部材。
4. 請求項１から３のいずれかに記載の前記摩擦撹拌接合部材を製造する製造方法であって、前記相手部材の前記一端部を、前記基材内に収容した状態で、前記摩擦撹拌接合ツールを前記基材内に侵入させて前記基材を構成する前記材料を撹拌させ、前記材料を前記相手部材の前記第１の複数の凹部及び前記第２の複数の凹部に侵入させながら固相化させて前記アンカー部を形成し、かつ前記材料を前記相手部材の前記第１の複数の凹部及び前記第２の複数の凹部以外の残部で固相化させて前記かしめ部を形成することにより、前記接合領域において前記相手部材の前記アンカー領域を形成する摩擦撹拌接合部材の製造方法。

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