双面摩擦搅拌接合用旋转工具、双面摩擦搅拌接合装置以及双面摩擦搅拌接合方法
技术领域
本发明涉及用于边使相对置的一对旋转工具相互向相反方向旋转边将两张金属板接合的双面摩擦搅拌接合的双面摩擦搅拌接合用旋转工具、使用该双面摩擦搅拌接合用旋转工具的双面摩擦搅拌接合装置以及双面摩擦搅拌接合方法。
背景技术
在专利文献1中，公开了使一对金属板等部件的双方或者一者旋转，由此边在金属板产生摩擦热而使其软化，边搅拌该软化的部位而产生塑性流动，由此将金属板接合这种技术。
然而，该专利文献1所记载的技术需要使成为接合对象的金属板等部件旋转，因此在接合的金属板等部件的形状、尺寸存在极限。
另一方面，作为与专利文献1不同的摩擦焊接法，例如在专利文献2中，公开了如下方法：将具有由实质上比金属板等加工物硬的材质构成的探针(也称为销)的旋转工具(也存在简称为“工具”的情况)插入金属板的未接合部，使该工具边旋转边移动，由此通过在旋转工具与金属板之间产生的热与塑性流动，将金属板沿长边方向连续地接合。此外，在本说明书中，将在使金属板对接或者重叠的部分中处于未被接合的状态的部分称为“未接合部”，将被接合而一体化的部分称为“接合部”。
如上述那样，专利文献1所记载的摩擦焊接法是使金属板彼此旋转，通过金属板彼此的摩擦热进行焊接的方法。另一方面，专利文献2所记载的摩擦搅拌接合法是在将金属板固定的状态下，使旋转工具边旋转边移动由此进行接合的方法。因此，摩擦搅拌接合法存在即便是相对于焊接方向实质上无限长的部件，也能够沿其长边方向连续地进行固相接合的优点。另外，摩擦搅拌接合方法是利用了旋转工具与金属板的摩擦热带来的金属的塑性流动的固相接合，因此能够使未接合部不熔融地接合。另外，加热温度较低，因此接合后的变形较少，另外金属板没有熔融，因此接合部的缺陷较少，此外，还存在无需填充金属等较多的优点。
摩擦搅拌接合法作为铝合金、镁合金所代表的低熔点金属材料的接合法，在飞机、船舶、铁路车辆以及汽车等领域广泛利用。作为该理由，是因为这些低熔点金属材料在以往的电弧焊接法中在接合部难以获得满足的特性，应用摩擦搅拌接合法，由此能够提高生产率，并且获得品质较高的接合部(接头)。
在作为建筑物、船舶、重机、管线以及汽车之类的构造物的材料而主要得到应用的构造用钢应用摩擦搅拌接合法，能够避免在以往的熔融焊接中成为课题的凝固裂纹、氢裂纹，并且也抑制钢材的组织变化，因此能够期待实现接头性能的提高。另外，通过旋转工具搅拌接合界面，由此制造出清洁面而能够使清洁面彼此接触，因此也能够期待无需扩散接合那样的前准备工序的优点。这样，摩擦搅拌接合法相对于构造用钢这种应用被期待较多的优点。但是，摩擦搅拌接合法相对于构造用钢这种应用在接合时的接头处的缺陷产生的抑制、接合速度的高速化之类的接合施工性残留有问题，因此与摩擦搅拌接合法相对于低熔点金属材料这种应用相比，未进行普及。作为上述的接头的缺陷，特别是能够列举出刚接合之后的接头表面或者接头内部的形状不良以及接合不良等。
作为上述的专利文献2所记载的摩擦搅拌接合法的缺陷产生的主要的因素，能够列举在金属板的厚度方向产生的温度、塑性流动的差别。具体而言，在仅在金属板的一个面侧配置旋转工具的情况下，在该一个面侧能够获得实现冶金方面优选的接合状态所需的充分的塑性流动，但在另一个面侧，接合时的未接合部的温度上升以及剪断应力的负荷不充分，仅能够获得不充分的塑性流动这种情况较多。
在将专利文献2所记载的摩擦搅拌接合法应用于构造用钢的情况下，作为被加工材料的构造用钢的高温下的强度较高，因此在低热输入且接合速度较高的情况下，在未接合部无法获得充分的塑性流动的情况较多。因此，难以抑制接合时的缺陷产生并且使接合速度高速化。
作为解决这样的问题的手段，例如在专利文献3、4以及5中公开了双面摩擦搅拌接合方法。在双面摩擦搅拌接合方法中，相对置的一对旋转工具按压金属板(被加工材料)的接合部的一个面侧与另一个面侧，由此能够相对于被加工材料的厚度方向获得均质且充分的塑性流动。由此，能够抑制接合时的接头的缺陷产生，并且实现接合速度的高速化。
另外，为了进一步普及摩擦搅拌接合法向构造用钢的应用，需要工具的耐久性、寿命的提高。其理由是因为，在预见以工具的破损以及磨损为原因需要修补，由此以较高的概率产生接合不良的情况下，即使存在上述那样的有利的特点(效果)，也判断为摩擦搅拌接合法向构造用钢的实际应用较困难。
在通常的摩擦搅拌接合法中，使用在末端且在旋转轴的中心具有突起状的探针，并在其四周具有成为更加平坦的形状的肩部的旋转工具，将探针插入未接合部，使探针边旋转边平行移动，由此进行被加工材料的接合。因此，在接合中，对探针施加大量的负荷，因此探针在构成旋转工具的部位中特别容易引起破损以及磨损。
作为以避免探针的破损等为目的的技术，例如存在专利文献6～11所公开的、使用了末端部呈平面形状且不具有探针的旋转工具的摩擦搅拌接合。
专利文献1：日本特开昭62-183979号公报
专利文献2：日本特表平07-505090号公报
专利文献3：日本特许第3261433号公报
专利文献4：日本特许第4838385号公报
专利文献5：日本特许第4838388号公报
专利文献6：日本特许第5185103号公报
专利文献7：日本特开2015-127063号公报
专利文献8：日本特开2003-181655号公报
专利文献9：日本特开2003-290936号公报
专利文献10：日本特开2004-195480号公报
专利文献11：日本特开2011-115846号公报
然而，专利文献6以及7所公开的技术以焊接部的加强，或者金属的表面固化为目的，完全没考虑应用于金属板的接合。这些技术所公开的旋转工具的末端部记载为平坦或为平面，但未记载以提高塑性流动为目的而形成凹型或凸型的曲面状。另外，上述的专利文献6以及7所记载的以往的旋转工具也未记载具有在与旋转方向相反的方向形成的旋涡状的台阶部。因此，当在金属板的接合中使用上述以往的旋转工具的情况下，无法在板厚方向获得充分的塑性流动，存在产生接合不良的担忧。
另外，专利文献8～11所公开的技术虽以基于摩擦搅拌方法的金属板的接合为目的，但完全未考虑应用于双面摩擦搅拌接合方法。即、专利文献8～11中，未公开双面摩擦搅拌接合方法中工具末端部的直径与接合的金属板的厚度间的适当的关系，因此存在无法获得健全的接头的担忧。
发明内容
本发明是鉴于上述的问题而完成的，其目的在于，提供一种用于边使相对置的一对旋转工具相互向相反方向旋转边将两张金属板接合的双面摩擦搅拌接合的双面摩擦搅拌接合用旋转工具、使用该双面摩擦搅拌接合用旋转工具的双面摩擦搅拌接合装置以及双面摩擦搅拌接合方法。
本发明的主旨如下。
[1]一种双面摩擦搅拌接合用旋转工具，其使用于使在金属板的未接合部的一个面侧与另一个面侧配置的一对旋转工具相互向相反方向旋转而将金属板彼此接合的双面摩擦搅拌接合，该双面摩擦搅拌接合用旋转工具的特征在于，一对双面摩擦搅拌接合用旋转工具具有圆形且形成为平面状的末端部，上述末端部为比金属板硬的材质。
[2]一种双面摩擦搅拌接合用旋转工具，其使用于使在金属板的未接合部的一个面侧与另一个面侧配置的一对旋转工具相互向相反方向旋转而将金属板彼此接合的双面摩擦搅拌接合，该双面摩擦搅拌接合用旋转工具的特征在于，一对双面摩擦搅拌接合用旋转工具具有圆形且形成为凸型的曲面状的末端部，上述末端部为比金属板硬的材质。
[3]一种双面摩擦搅拌接合用旋转工具，其使用于使在金属板的未接合部的一个面侧与另一个面侧配置的一对旋转工具相互向相反方向旋转而将金属板彼此接合的双面摩擦搅拌接合，该双面摩擦搅拌接合用旋转工具的特征在于，一对双面摩擦搅拌接合用旋转工具具有圆形且形成为凹型的曲面状的末端部，上述末端部为比金属板硬的材质。
[4]根据[1]～[3]中任一个所记载的双面摩擦搅拌接合用旋转工具，其特征在于，上述末端部具有在与旋转方向相反的方向形成的旋涡状的台阶部。
[5]根据[1]～[4]中任一个所记载的双面摩擦搅拌接合用旋转工具，其特征在于，上述末端部的直径D(mm)满足式(3)。
4×t≤D≤20×t···式(3)
这里，t为金属板的厚度(mm)。
[6]一种双面摩擦搅拌接合装置，其具有在金属板的未接合部的一个面侧与另一个面侧配置的一对旋转工具以及控制该旋转工具的动作的控制装置，一对旋转工具相互向相反方向旋转而将金属板彼此接合，该双面摩擦搅拌接合装置的特征在于，上述旋转工具是[1]～[4]中任一个所记载的双面摩擦搅拌接合用旋转工具。
[7]一种双面摩擦搅拌接合装置，其具有在金属板的未接合部的一个面侧与另一个面侧配置的一对旋转工具以及控制该旋转工具的动作的控制装置，一对旋转工具相互向相反方向旋转并将金属板彼此接合，该双面摩擦搅拌接合装置的特征在于，上述旋转工具是[5]所记载的双面摩擦搅拌接合用旋转工具，上述控制装置以满足以下的式(1)以及(2)的方式控制旋转工具。
0≤α≤3···(1)
0.25×t-0.2×D×sinα≤G≤0.8×t-0.2×D×sinα···(2)
α(°)：旋转工具的倾斜角度，G(mm)：一对旋转工具的末端部的距离。
[8]一种双面摩擦搅拌接合方法，其使在金属板的未接合部的一个面侧与另一个面侧配置的一对旋转工具相互向相反方向旋转并将金属板彼此接合，该双面摩擦搅拌接合方法的特征在于，作为上述旋转工具，使用[1]～[4]中任一个所记载的双面摩擦搅拌接合用旋转工具。
[9]一种双面摩擦搅拌接合方法，其使在金属板的未接合部的一个面侧与另一个面侧配置的一对旋转工具相互向相反方向旋转并将金属板彼此接合，该双面摩擦搅拌接合方法的特征在于，作为上述旋转工具，使用[5]所记载的双面摩擦搅拌接合用旋转工具，使旋转工具的倾斜角度α(°)以及一对旋转工具的末端部的距离G(mm)满足以下的式(1)以及(2)。
0≤α≤3···(1)
0.25×t-0.2×D×sinα≤G≤0.8×t-0.2×D×sinα···(2)
根据本发明，能够提供适当地使用于边使相对置的一对旋转工具相互向相反方向旋转边将两张金属板接合的双面摩擦搅拌接合装置以及双面摩擦搅拌接合方法的、在末端不具有探针的双面摩擦搅拌接合用旋转工具。通过本发明的双面摩擦搅拌接合用旋转工具，相对于金属板的厚度方向均质地促进塑性流动，因此能够以较高的接合速度获得抑制了缺陷的产生的充分的强度的接头。另外，能够取消在以往的旋转工具中被施加大于肩部的应力而优先产生破损以及磨损的探针，因此能够提高双面摩擦搅拌接合用旋转工具的耐久性。
附图说明
图1是对应用了本发明的双面摩擦搅拌接合用旋转工具的双面摩擦搅拌接合方法进行说明的简图，示出了对接接合的一个例子。
图2是对应用了本发明的双面摩擦搅拌接合用旋转工具的双面摩擦搅拌接合方法进行说明的简图，示出了重叠接合的一个例子。
图3是表示通过旋转工具进行摩擦搅拌的区域的说明图，图3的(a)是俯视图，图3的(b)是图3的(a)所示的A-A′线剖视图。
图4的(a)以及图4的(b)示出了以往的旋转工具的形状，上部为侧视图，下部为俯视图。
图5的(a)以及图5的(b)示出了本发明的双面摩擦搅拌接合用旋转工具的第1实施方式的形状，上部为侧视图，下部为俯视图。
图6的(a)以及图6的(b)示出了本发明的双面摩擦搅拌接合用旋转工具的第2实施方式的形状，上部为侧视图，下部为俯视图。
图7的(a)以及图7的(b)示出了本发明的双面摩擦搅拌接合用旋转工具的第3实施方式的形状，上部为侧视图，下部为俯视图。
图8示出了设置于本发明的双面摩擦搅拌接合用旋转工具的台阶部的形状，图8的(a)为俯视图，图8的(b)以及图8的(c)分别为图8的(a)所示的B-B′线剖视图。
具体实施方式
以下，参照各图，对本发明的双面摩擦搅拌接合用旋转工具进行说明。此外，本发明不限定于该实施方式。
首先，对能够应用本发明的双面摩擦搅拌接合用旋转工具(以下，称为旋转工具)的双面摩擦搅拌接合方法进行说明。图1作为双面摩擦搅拌接合方法，示出了对接接合的一个例子，图2作为双面摩擦搅拌接合方法，示出了重叠接合的一个例子。
如图1以及图2所示，在双面摩擦搅拌接合方法中，使用具备1对旋转工具1、8、把持装置(未图示)以及控制旋转工具1、8的动作的控制装置(未图示)的双面摩擦搅拌接合装置。在控制装置中，例如控制旋转工具1、8的倾斜角度α、旋转工具1、8的末端部彼此的距离、接合速度以及旋转工具1、8的转速等。
双面摩擦搅拌接合装置的旋转工具1、8(以下，也存在将配置于金属板的表面侧的旋转工具称为表面侧旋转工具1，将配置于金属板的背面侧的旋转工具称为背面侧旋转工具8这种情况)分别配置于金属板(被加工材料、被接合材料)4的一个面侧(表面侧)与另一个面侧(背面侧)。两张金属板4配置为与在图1以及图2中表示的接合中央线7平行，分别被把持装置(未图示)把持。在位于接合中央线7上的两张金属板4的未接合部中，旋转工具1、8按压金属板4，并边旋转边向接合方向(各图中表示的箭头的方向)移动。由此，通过旋转工具1、8与金属板4的摩擦热使该金属板4软化，并且通过旋转工具1、8搅拌该软化的部位，由此产生塑性流动，而将金属板4接合。此外，在以下的说明中，接合结束的部分称为接合部5。
如图1以及图2所示，从金属板4的表面侧(或者背面侧)观察，优选使相对置的旋转工具1、8的旋转方向在表面侧与背面侧形成相反方向。由此，能够使从旋转工具1、8施加于金属板4的旋转扭矩相互抵消。其结果，若与作为现有技术的仅通过来自一个面侧的旋转工具按压未接合部并将其接合的摩擦搅拌接合法比较，则能够简化束缚被接合材料的夹具的构造。在图1以及图2所示的例子中，表面侧旋转工具1的旋转方向由箭头TS表示，背面侧旋转工具8的旋转方向由箭头Tb表示。
此外，若使相对置的旋转工具1、8的旋转方向在表面侧与背面侧形成相同方向，则另一个旋转工具相对于一个旋转工具的相对速度接近零。其结果，金属板4的塑性流动越接近均质状态，塑性变形越变小，从而也无法获得材料的塑性变形带来的发热，因此难以实现良好的接合状态。因此，为了相对于金属板的厚度方向均质地获得实现良好的接合状态所需的充分的温度上升与剪断应力，使相对置的旋转工具1、8的旋转方向在表面侧与背面侧(一个面侧与另一个面侧)形成相反方向较有效。
这里，对金属板的接合方式进行说明。
作为金属板的接合方式的优选的例子，能够列举对接接合以及重叠接合。对接接合如图1所示，是指在不使两张金属板4局部重叠，而使金属板4的端面彼此对置的状态下，通过旋转工具1、8按压对置的金属板的包含端面(对接面)在内的对接部，并且使旋转工具1、8边旋转边向接合方向移动，由此进行金属板的接合。如图2所示，重叠接合，是指使两张金属板4的端部的至少局部重叠，通过旋转工具1、8按压金属板4彼此重合的重叠部，并且使旋转工具1、8边旋转边向接合方向移动，由此进行金属板的接合。此外，图1与图2仅接合方式不同，其他的装置的结构等相同，因此，以下，以图1的对接接合的例子为中心进行说明。
接下来，对本发明的双面摩擦搅拌接合用旋转工具进行说明。
图4是对以往的具有探针的旋转工具20进行说明的图。图5～图8是对本发明的旋转工具1、8进行说明的图。图5表示本发明的旋转工具的第1实施方式，图6表示本发明的旋转工具的第2实施方式，图7表示本发明的旋转工具的第3实施方式。此外，在图4～图7中，上部为侧视图，下部为俯视图。表面侧旋转工具1以及背面侧旋转工具8成为相同的形状，因此图4～图8仅表示表面侧旋转工具1。
使用图4，对作为现有例的具有探针(销)21的旋转工具20进行说明。在图4的(a)以及图4的(b)中分别表示在肩部22具有探针21的旋转工具20的例子。例如，在图4的(a)所示的旋转工具20的例子中，对于旋转工具20的形状而言，肩部22的直径(肩径)：12mm，探针21的直径(销径)：4mm，探针21的长度(销长度)：0.5mm，凹面深度：0.3mm。在图4的(b)所示的旋转工具20的例子中，对于旋转工具20的形状而言，肩径：20mm，销径：6.7mm，销长度：0.7mm，凹面深度：0.3mm。
如图4的(a)以及图4的(b)所示，以往的旋转工具20的末端部，即在接合时与金属板的软化部接触的部位，由肩部22(图4的(a)、图4的(b)中的由肩径表示的范围)与探针21(图4的(a)、图4的(b)中的由销径表示的范围)构成。肩部22呈由大致平面或者平缓的曲面形成的平坦的形状。探针21成为不与肩部22连续的形状，呈朝向金属板(未图示)大致垂直地突出的形状。
探针21在接合时，在金属板的软化部，更加侵入至板厚中心方向，由此具有提高板厚中心部附近的搅拌能的功能。另一方面，存在对板厚方向的更加位于末端侧(板厚中心部侧)的探针21施加大于肩部22的应力这种问题。其结果，也存在上述的旋转工具的破损以及磨损所引起的修补变得必要这种问题。
本发明的发明人们专心研究，发现了即使不设置因施加更大的应力而特别容易引起破损、磨损的部位亦即探针，也能够抑制接合部的缺陷产生，并且能够实现接合速度的高速化的双面摩擦搅拌接合用旋转工具。
对于本发明的双面摩擦搅拌接合用旋转工具(相对置的旋转工具1、8)而言，如图5～图7所示，旋转工具1、8的末端仅由末端部11构成。若与图4所示的以往的旋转工具的结构相比，本发明的旋转工具的末端部11不具有探针21。旋转工具1、8的末端部11形成为平面状11a(参照图5)、凸型的曲面状11b(参照图6)以及凹型的曲面状11c(参照图7)中任1种形状。另外，末端部11的截面形状形成为圆形。
这里，旋转工具1、8的末端部11(图1等所示的表面侧旋转工具的末端部2、背面侧旋转工具的末端部9)，是指在接合时与金属板4及其流动部(软化部)接触的部分。因此，旋转工具1、8的末端部11由在接合时暴露的高温状态下，比金属板4硬的材质形成。由此，在接合时，旋转工具1、8能够保持末端部11的形状不变地对金属板4施加变形。其结果，能够持续地实现较高的搅拌能，从而能够进行适当的接合。
此外，在比较硬度时，只要使用高温维氏硬度试验方法即可。旋转工具1、8可以仅将其末端部形成上述的硬度，或者也可以将旋转工具1、8整体形成上述的硬度。
另外，在本发明中，除了上述的结构之外，进一步优选在旋转工具1、8的末端部11设置旋涡状(螺旋状)的台阶部12。构成台阶部12的旋涡(螺旋)优选设置于与各旋转工具1、8的旋转方向相反的方向。构成台阶部12的旋涡优选设置一个以上。此外，构成台阶部12的旋涡的数量若超过6个，则不仅提高材料流动的效果不足，也存在旋转工具1、8的末端部11因形状的复杂化而容易破损的担忧，因此优选形成6个以下。此外，在图5～图7的(b)的例子以及图8的(a)的例子中，旋涡的数量均为4个。
从提高材料流动并且防止旋转工具1、8的末端部11的破损的观点来看，构成台阶部12的旋涡的数量能够与末端部11的直径对应地进行调节。具体而言，优选末端部11的直径越大，则旋涡的数量越多，末端部11的直径越小，则旋涡的数量越少。
台阶部12具有比末端部的其他的面(平面或者曲面)凹陷的形状。设置这样的凹陷的台阶部12，由此使在由旋转工具1、8形成的金属板4的按压以及搅拌时产生的、从旋转工具1、8的外侧朝向内侧因摩擦热而软化的金属材料流动，能够抑制金属材料向旋转工具1、8的按压部的外侧流出。由此，能够促进按压部的塑性流动，并且能够抑制接合部的厚度相对于母材减少，并且形成无毛刺的整洁的接合部表面。此外，设置台阶部带来的该效果通过在与旋转工具1、8的旋转方向相反的方向设置旋涡状的台阶部12而获得。换言之，本发明的旋转工具的末端部优选不具有旋涡状的台阶部，或者具有在与旋转方向相反的方向形成的旋涡状的台阶部。
此外，在与该旋转工具的旋转方向相反的方向形成的旋涡状的台阶部12设置1层以上，由此能够获得与上述相同的效果。
这里，使用图8，对台阶部12更加具体地进行说明。图8的(a)是具有凸型的曲面状11b的末端部11的旋转工具1(表面侧旋转工具)的俯视图，图8的(b)以及图8的(c)是图8的(a)所示的B-B′线剖视图。
如图8的(a)所示，在俯视时，各台阶部12形成于与旋转方向相反的方向。换言之，各个台阶部12的从圆周侧朝向圆中心侧的曲线的方向与旋转工具的旋转方向成为相反方向。
如图8的(a)所示，旋涡状的台阶部12分别在俯视时形成以圆中心部附近为起点朝向圆周部的曲线。旋涡的长度优选在将末端部11的外周的长度设为1周时，形成0.5周以上2周以下。旋涡的长度也能够与末端部11的直径对应地进行调节，从而优选末端部11的直径越大，则旋涡的长度越长，末端部11的直径越小，则旋涡的长度越短。
作为台阶部12的具体例，能够列举图8的(b)所示的阶梯部12b与图8的(c)所示的槽部12c。在图8的(b)所示的例子中，阶梯部12b与旋转工具1的末端部11处的凸型的曲面相同，从圆周侧朝向圆中心侧，以逐渐增高的方式形成大致水平的层。从获得上述的效果的观点来看，在本发明中，只要将该旋涡状的阶梯差设置一层以上即可。在图8的(b)的例子中，形成的各台阶部12如图8的(a)所示在俯视时呈旋涡状的形状。
此外，虽未图示，但在具有凹型的曲面状的末端部的旋转工具中，当在凹型的曲面设置阶梯部12b的情况下，只要迎合凹型的曲面，从圆周侧朝向圆中心侧，以逐渐降低的方式形成台阶即可。
在图8的(c)所示的例子中，槽部12c在旋转工具1的末端部11的曲面(凸型的曲面)中，呈比其他面凹陷的截面大致U字形状的槽。从获得上述的效果的观点来看，在本发明中，只要该槽部12c设置1条以上即可。在图8的(c)的例子中，形成的各槽部12c如图8的(a)所示以在俯视图中成为旋涡状的方式具有狭长的形状。
此外，虽未图示，但在具有凹型的曲面状11c或者平面状11a的末端部11的旋转工具1中，在凹型的曲面或者平面设置槽部12c的情况也相同，只要形成截面大致U字形状的槽即可。
另外，在本发明中，除了上述的结构之外，进一步优选旋转工具1、8的末端部11的直径D(mm)满足接下来的关系式的式(3)。
4×t≤D≤20×t···式(3)
这里，t为金属板的厚度(mm)。
管理末端部11的直径，由此旋转工具1、8能够对于金属板4的板厚方向均质地有效赋予温度上升与剪断应力。旋转工具1的末端部11的直径D优选利用金属板4的厚度(在重叠接合的情况下为金属板4的总厚度)进行管理。即，旋转工具1、8的末端部11的直径D(mm)形成上述式(3)：4×t≤D≤20×t较有效。
若直径D(mm)不足4×t(mm)，则存在对于板厚方向无法有效地获得均质的塑性流动的情况。另一方面，若直径D(mm)超过20×t(mm)，则导致不必要地扩大产生塑性流动的区域，从而对于装置施加过大的负荷，因此不优选。
接下来，对本发明的旋转工具的第1实施方式～第3实施方式详细地进行说明。此外，图5～图7仅表示表面侧旋转工具1。
(第1实施方式)
如图5的(a)以及图5的(b)所示，第1实施方式的本发明的旋转工具1、8仅由设置为圆形的末端被形成为平面状11a的末端部11构成。在形成为平面状的末端部11中，与金属板接触的末端面由与旋转工具1、8的旋转轴线垂直的一个平面构成。该末端面与以往的旋转工具不同，不具有朝向金属板突出的探针。另外，如图5的(b)所示，旋转工具1、8能够在末端部11设置1层以上的与上述的旋转方向相反的方向的旋涡状(螺旋状)的台阶部12。此外，在台阶部12设置上述的阶梯部12b或者槽部12c。
(第2实施方式)
如图6的(a)以及图6的(b)所示，第2实施方式的旋转工具1、8仅由设置为圆形的末端被形成为凸型的曲面状11b的末端部11构成，旋转工具的末端突出。以往的旋转工具具有朝向金属板突出的探针，在肩部和探针呈不连续的形状，与此相对，凸型的曲面状的末端部11呈不具有探针的连续的形状，形成大致一样的倾斜面。换言之，在凸型的曲面状的末端部1中，与金属板接触的末端面由朝向中心方向突出的一个曲面(抛物面、椭圆球面或者球面)构成，在相对于金属板在铅垂方向包含旋转轴线的截面形状中，呈大致一样的曲率半径的曲线。另外，如图6的(b)所示，旋转工具1、8能够在末端部11设置1层以上的与上述的旋转方向相反的方向的旋涡状(螺旋状)的台阶部12。此外，在台阶部12设置上述的阶梯部12b或者槽部12c。
另外，在旋转工具1、8的末端由凸型的曲面状11b的末端部11构成的情况下，在将凸型的曲面(凸面)高度设为dv(mm)，将旋转工具的末端部的直径设为D(mm)时，优选旋转工具满足接下来的关系式的式(4)。
dv/D≤0.06···式(4)
当在满足上述的式(4)的范围内(即dv/D的值为0.06以下)，末端部与金属板接触时，能够对流动部有效地施加压力。其结果，能够通过旋转工具的旋转产生使接合充分的塑性流动。另一方面，若超过上述的式(4)的范围(即dv/D的值超过0.06)，则接合部的表面以及背面显著地成为凹状，从而接合部的厚度相对于金属板的厚度显著变小，因此存在接头强度的确保变得困难的情况，从而不优选。此外，为了对流动部有效地施加压力，优选dv/D的值的下限形成0.01以上。
(第3实施方式)
如图7的(a)以及图7的(b)所示，第3实施方式的旋转工具1、8仅由设置为圆形的末端被形成为凹型的曲面状11c的末端部11构成，旋转工具的末端凹陷。以往的旋转工具具有朝向金属板突出的探针，在肩部和探针呈不连续的形状，与此相对，凹型的曲面状的末端部11呈不具有探针的连续的形状，形成大致一样的倾斜面。换言之，在凹型的曲面状的末端部1中，与金属板接触的末端面由朝向中心方向凹陷的一个曲面(抛物面、椭圆球面或者球面)构成，在相对于金属板在铅垂方向包含旋转轴线的截面形状中，呈大致一样的曲率半径的曲线。另外，如图7的(b)所示，旋转工具1、8能够在末端部11设置1层以上的与上述的旋转方向相反的方向的旋涡状(螺旋状)的台阶部12。此外，在台阶部12设置上述的阶梯部12b或者槽部12c。
另外，在旋转工具的末端部由凹型的曲面状的末端部11构成的情况下，在将凹型的曲面(凹面)深度设为dc(mm)，将旋转工具的末端部的直径设为D(mm)时，优选旋转工具满足接下来的关系式的式(5)。
dc/D≤0.03···式(5)
当在满足上述的式(5)的范围内(即dc/D的值为0.03以下)，末端部与金属板接触时，软化的金属充满末端部的凹型的曲面，由此能够对流动部施加一样的压力。其结果，能够通过旋转工具的旋转产生使接合充分的塑性流动。另一方面，若超过上述的式(5)的范围(即dc/D的值超过0.03)，则对上述的流动部施加一样的压力变得困难，从而存在使接合充分的塑性流动的确保变得困难这种情况，从而不优选。此外，为了对流动部施加一样的压力，优选dc/D的值的下限形成0.01以上。
此外，旋转工具1、8的与末端部相反一侧的根部分只要能够安装于以往公知的双面摩擦搅拌接合装置即可，该根部分的形状不被特别地限制。
接下来，对使用本发明的双面摩擦搅拌接合用旋转工具1、8的双面摩擦搅拌接合方法的优选的一个例子进行说明。
在该双面摩擦搅拌接合方法中，使以下所示的各种参数的条件最佳化，由此能够起到旋转工具的耐久性的提高、接头缺陷产生的抑制以及接合速度的高速化进一步优秀的效果。
(1)旋转工具的倾斜角度α(°)：0≤α≤3···式(1)
图3是表示通过本发明的旋转工具进行摩擦搅拌的区域的说明图。图3的(a)是从金属板4的表面侧俯视使图1所示那样的配置于金属板4的表背面的旋转工具1、8向接合方向移动的状态而得的图。图3的(b)是图3的(a)所示的A-A′线剖视图。
如图3的(b)所示，旋转工具1、8的旋转轴线(表面侧旋转工具的旋转轴线3、背面侧旋转工具的旋转轴线10)优选相对于金属板4从铅垂方向的垂线6起相对于接合方向向后侧倾斜角度α°地进行接合。换言之，优选以旋转工具1、8的末端侧位于比后端侧靠接合方向的前侧的方式使旋转工具1、8倾斜。由此，能够使在接合时向旋转工具1、8的水平方向(弯曲方向)施加的负荷作为在轴向压缩的分力进行分散。
旋转工具1、8需要由比金属板4硬的材质形成，例如也存在使用陶瓷等的韧性不足的材料的情况。在该情况下，若相对于旋转工具1、8施加弯曲方向的力，则存在应力局部集中直至破坏这种情况。为了避免该情况，如上述那样使旋转工具1、8的旋转轴线3、10倾斜规定的角度(α°)，由此能够将施加于旋转工具1、8的负荷接受为沿轴向被压缩的分力，而减少弯曲方向的力。由此，能够进一步提高旋转工具1、8的耐久性。
若倾斜角度α为0°以上则能够获得上述的效果，但若倾斜角度α超过3°，则接合部的表背面成为凹形，从而存在对接头强度带来负面影响的情况。因此，旋转工具1、8的旋转轴线的倾斜角度优选形成0≤α≤3。
(2)一对旋转工具1、8的末端部的距离G(mm)：
0.25×t-0.2×D×sinα≤G≤0.8×t-0.2×D×sinα···式(2)
其中，t：金属板4的未接合部的厚度(mm)，D：旋转工具1、8的末端部的直径(mm)，α：旋转工具1、8的倾斜角度(°)。
在双面摩擦搅拌接合中，在对于板厚方向均质地实现接合时的充分的温度上升与剪断应力的赋予时，管理相对置的旋转工具1、8的末端部之间的距离G尤为重要。具体而言，优选使用金属板4的未接合部的厚度t、旋转工具1、8的末端部的直径D以及旋转工具1、8的倾斜角度α，以成为上述式(2)的范围内的方式管理(调整)上述的旋转工具1、8的末端部的距离G。
此外，金属板4的未接合部的厚度t只要在进行图1所示的对接接合的情况下，将金属板4的1张大小的厚度采用为t，在进行图2所示的重叠接合的情况下，将重叠的金属板4的总厚度采用为t即可。一对旋转工具1、8的倾斜角度α只要分别采用相同的角度即可。另外，旋转工具1、8的末端部的直径D是指图5～图7所示的呈平面状或者曲面状(凹型、凸型的曲面形状)的末端部11中的、相对于金属板在铅垂方向包含旋转轴线的截面的末端直径(销径)。
在不使旋转工具1、8倾斜的情况下(即，旋转工具1、8的倾斜角度α＝0°的情况)，只要将旋转工具1、8的末端部2、9之间的距离G的下限设为0.25×t，将G的上限设为0.8×t即可。
另一方面，在使旋转工具1、8倾斜的情况(即，旋转工具1、8的倾斜角度为0≤α≤3的情况)，或者增大旋转工具1、8的末端部的直径D的情况下，为了使旋转工具1、8的末端部在金属板4的表面以及背面以更宽的范围接触，需要更小地设定旋转工具1、8彼此的距离G。在该情况下，如上述的式(2)那样，G的下限值只要是从上述0.25×t减去0.2×D×sinα即可，G的上限值只要是从上述0.8×t减去0.2×D×sinα即可。
如上述那样，旋转工具1、8的末端部的距离G被控制在上述的式(2)的范围内，由此相对置的旋转工具1、8的末端部以充分的负载按压于金属板4的表面以及背面侧，从而充分地促进接合部的发热与塑性流动。由此，对于板厚方向均质地促进塑性流动，从而能够获得良好的状态的接头。此外，若上述的距离G的值超过式(2)的上限值，则旋转工具1、8的末端部无法以充分的负载按压于金属板4(被加工材料)的表面以及背面侧，从而存在无法获得上述效果这种情况。另一方面，若上述的距离G的值不足式(2)的下限值，则接合部的表面以及背面成为凹形，存在对接头强度带来负面影响的情况。
上述的距离G如图3的(b)所示，相当于对置的旋转工具(表面侧旋转工具)1的末端面与旋转工具(背面侧旋转工具)8的末端面之间的铅垂方向的最短长度。
此外，针对上述以外的接合条件，只要依据通常的方法即可。例如，在本发明的双面摩擦搅拌接合装置以及双面摩擦搅拌接合方法中，旋转工具1、8的转速优选为100～5000r/min，进一步优选为500～3000r/min。将转速形成在该范围内，由此能够将表面形状保持为良好，并且抑制由过度的热量的投入导致的机械特性的降低。接合速度优选为1000mm/min以上，进一步优选为2000mm/min以上来进行高速化。
被接合材料优选的是，作为接合对象而以钢板等的高熔点合金为对象，但被接合材料不限定于该例子。另外，作为被接合材料，能够列举作为金属板的一种的钢板，作为适当的一个例子。
在将钢板形成被接合材料的情况下，作为对象钢种，能够适当地使用通常的构造用钢、碳钢，例如JIS(日本工业标准)G 3106的焊接构造用压延钢材、JIS G 4051的机械构造用碳钢等。另外，对拉伸强度为800MPa以上的高强度构造用钢也能够有利地应用。在该情况下，在接合部，也能够获得钢板(母材)的拉伸强度的85％以上的强度、进一步90％以上的强度、进一步优选95％以上的强度。
在进行双面摩擦搅拌接合的情况下，使用图1等所示的、具有一对本发明的旋转工具1、8、把持装置(未图示)、控制旋转工具的控制装置(未图示)的双面摩擦搅拌接合装置而进行。该控制装置以满足上述(1)、(2)的接合条件的方式，例如控制旋转工具1、8的倾斜角度、旋转工具的末端部彼此的距离、接合速度以及旋转工具的转速等。
如以上说明的那样，根据本发明的旋转工具1、8，能够提高旋转工具1、8的耐久性。另外，在旋转工具的末端部采用上述的形状，并且将相对置的旋转工具1、8的旋转形成相反方向，由此能够对接合时的金属板赋予充分的温度上升与剪断应力。其结果，能够获得能够抑制接合部的缺陷产生，并且能够实现接合速度的高速化的效果，因此，使用应用了本发明的旋转工具的双面摩擦搅拌接合装置进行双面摩擦搅拌接合方法，由此能够在构造用钢的接合时也实际应用双面摩擦搅拌接合。
实施例
以下，使用实施例，对本发明的作用以及效果进行说明。此外，本发明不限定于以下的实施例。
使用表1所示的板厚、化学组成、拉伸强度以及维氏硬度的钢板，实施了摩擦搅拌接合。在本实施例中，相对于一部分的钢板进行重叠接合，相对于剩余的钢板进行对接接合。
在对接接合的情况下，在将两张同种的钢板并排，利用不带坡口角度的所谓的I型坡口，通过铣削加工程度的表面状态形成接头对接面后，使旋转工具从对接部的一个面侧(表面侧)以及另一个面侧(背面侧)双方按压，使它们向接合方向移动来进行接合。
在重叠接合的情况下，将同种的钢板两张重叠，使旋转工具从钢板重叠部的一个面侧(表面侧)以及另一个面侧(背面侧)双方按压，并将1次的接合长度设为0.5m来进行接合。
此外，即使在对接接合以及重叠接合的任意的情况下，在接合时，都使1对旋转工具相互向相反方向旋转。即，在正面观察各个工具末端部的状态下，向相同方向旋转。表2-1以及表2-2表示摩擦搅拌接合的接合条件。另外，这里，使用图4～图7所示的8种截面尺寸以及形状的旋转工具。这些旋转工具使用以维氏硬度为1090的碳化钨(WC)为材料的工具。使用图5～图7的各(a)所示的不具有探针，并且不具有旋涡状的台阶部的各旋转工具为发明例。另外，当在图5～图7的各(b)所示的不具有探针的旋转工具中使用具有旋涡状的台阶部的旋转工具的情况下，该旋涡的方向为顺时针方向，因此将旋转工具的旋转方向为逆时针方向的工具设为发明例，将旋转工具的旋转方向为顺时针方向的工具设为比较例。将使用图4的(a)以及(b)所示的具有探针的旋转工具的例子设为比较例。
[表1]
[表2-1]
[表2-2]
使用所获得的接合接头，如以下所示那样进行了评价。
(I)通过接头外观观察的表面缺陷的有无
观察使用了所获得的接合接头的接合速度成为表2-1以及表2-2所记载的值的部位。表面缺陷的有无，通过目视观察判定是否因塑性流动不足而观察到槽状的未接合状态，或者是否因接合工具的肩部之间的间隙G过窄而观察到接合部成为凹形状的状态。作为表面缺陷，在观察到槽状的未接合状态或者接合部的凹形状的状态的情况下，使用激光位移仪测定其深度Dd(mm)，根据以下的基准进行了评价。
＜基准＞
·无：均未观察到上述记载的表面缺陷。
·良好：观察到上述记载的表面缺陷中任一种，但上述深度Dd(mm)与钢板的厚度t(mm)之比率(Dd/t)为0.1以下。
·有：观察到上述记载的表面缺陷中任一种，并且上述深度Dd(mm)与钢板的厚度t(mm)之比率(Dd/t)超过0.1。或者，槽状的未接合状态从表面向背面贯通。此外，在贯通的情况下，视为接合不成立，不进行内部缺陷以及接头强度的评价。
(II)通过接头剖面观察的内部缺陷的有无
观察在获得的接合接头的接合速度成为表2-1以及表2-2所记载的值的部位，分别切断到从接合开始侧的端部起算20mm的位置、从接合结束侧的端部起算20mm的位置以及成为两端部的中间的位置的剖面，形成了试验片。内部缺陷的有无使用光学显微镜(倍率：10倍)，根据以下的基准评价了是否因塑性流动不足而观察到形成于接合部内部的未接合状态。
＜基准＞
·无：即使在上述记载的3处的任一个位置，都未观察到形成为隧道状的未接合状态。
·良好：在上述记载的3处的位置，观察到1处形成于接合部内部的未接合状态。
·有：在上述记载的3处的位置，观察到2处以上形成于接合部内部的未接合状态。
表3分别表示(I)实施1次接合长度0.5m的接合时的接头外观观察得到的表面缺陷的有无以及(II)接头剖面观察得到的内部缺陷的有无的判定结果。另外，表3表示从获得的接合接头采取JIS Z 3121中规定的1号试验片的尺寸的拉伸试验片，并对该试验片进行拉伸试验(JIS Z 3121)时的拉伸强度。
根据表3，在对接接头的发明例1～24、重叠接头的发明例25～27中，即使在将接合速度设为1.0m以上而进行了高速化的情况下，也确认到接头外观观察无表面缺陷，接头剖面观察也无内部缺陷，能够获得健全的接合状态。另外，关于接头强度，获得成为母材的钢板的拉伸强度的95％以上。
与此相对，在对接接头的比较例1～3中，使用不具有探针，而具有顺时针方向的旋涡状的台阶部的各旋转工具，以旋转工具的旋转方向为顺时针方向进行了接合。获得的接头有表面缺陷以及内部缺陷，无法获得健全的接合状态。另外，关于接头强度，获得成为母材的钢板的拉伸强度的70％以下。
在重叠接头的比较例4中，使用不具有探针，而具有顺时针方向的旋涡状的台阶部的旋转工具，以旋转工具的旋转方向为顺时针方向进行了接合。获得的接头有表面缺陷以及内部缺陷，无法获得健全的接合状态。另外，关于接头强度，获得成为母材的钢板的拉伸强度的70％以下。
在对接接头的比较例5～9中，使用具有销的旋转工具，D(旋转工具的末端部的直径(mm))、α(旋转工具的倾斜角度(°))以及G(一对旋转工具的末端部的距离(mm))形成全部满足上述的式(1)、(2)、(3)的条件。
在对接接头的比较例5～9中，即使在将接合速度设为1.0m以上而进行了高速化的情况下，也确认到接头外观观察无表面缺陷，接头剖面观察也无内部缺陷，能够获得健全的接合状态，但确认到旋转工具的耐久性较差。
在重叠接头的比较例10中，即使在将接合速度设为1.0m以上而进行了高速化的情况下，也确认到接头外观观察无表面缺陷，接头剖面观察也无内部缺陷，能够获得健全的接合状态，但确认到旋转工具的耐久性较差。
[表3]
表4表示反复接合长度0.5m的接合，相对于累积的接合次数通过接头剖面观察未产生内部缺陷而能够获得健全的接头的概率成为90％以上的接合次数。如表4所示，在对接接头的发明例1～24、重叠接头的发明例25～27中，能够获得健全的接头的概率成为90％以上的接合次数为13次以上。
与此相对，在对接接头的比较例1～3中，使用不具有探针，而具有顺时针方向的旋涡状的台阶部的各旋转工具，以旋转工具的旋转方向为顺时针方向进行了接合。在比较例1～3中，能够获得健全的接头的概率成为90％以上的接合次数为0次。
在重叠接头的比较例4中，使用不具有探针，而具有顺时针方向的旋涡状的台阶部的旋转工具，以旋转工具的旋转方向为顺时针方向进行了接合。在比较例4中，能够获得健全的接头的概率成为90％以上的接合次数为0次。
在对接接头的比较例5～9中，使用具有销的旋转工具来进行接合，能够获得健全的接头的概率成为90％以上的接合次数为10次以下。
在重叠接头的比较例10中，使用具有销的旋转工具来进行接合，能够获得健全的接头的概率成为90％以上的接合次数为10次以下。
如以上那样，若使不具有探针而具有旋涡状的台阶部的旋转工具以台阶部的旋涡的方向与旋转工具的旋转方向形成相同的方式进行接合，则在接头的缺陷的产生、接头强度产生问题，在具有销的旋转工具中示出了旋转工具的耐久性较差。
在表3中，根据除了旋涡状的台阶部的有无以外以相同条件进行了实验的、发明例1以及4、发明例2以及5、发明例3以及6、发明例19以及22、发明例20以及23、发明例21以及24的结果，示出了使用具备旋涡状的台阶部的旋转工具，能够提高接头的接合强度。
另外，根据以不满足以下所示的式(5)的条件进行了实验的发明例19以及22的结果，示出了若超过式(5)的范围，则成为无表面缺陷的评价，但对使接合充分的塑性流动的确保造成影响，存在导致内部缺陷的产生的情况。即，明确具备凹部的旋转工具进一步满足式(5)的条件，由此能够更加有效地抑制表面缺陷以及内部缺陷的产生，因此能够获得充分的强度的接头。
dc/D≤0.03···式(5)
另外，根据以小于以下所示的式(3)的范围的下限的条件进行了实验的发明例20以及23的结果，示出了若小于式(3)的范围的下限，则作为表面缺陷以及内部缺陷的评价为良好，但相对于板厚方向对均质的塑性流动的确保造成影响，存在导致表面缺陷、内部缺陷的产生的情况。即，明确具备平面的旋转工具进一步满足式(3)的条件，由此能够更有效地抑制表面缺陷以及内部缺陷的产生，因此能够获得充分的强度的接头。
4×t≤D≤20×t···式(3)
根据以不满足式(1)的条件进行了实验的发明例21以及24的结果，示出了若超过式(4)的范围，则作为表面缺陷以及内部缺陷的评价为良好，但对接合部的表面的形状带来影响，存在导致表面缺陷的产生的情况。即，明确具备凸部的旋转工具进一步满足式(4)的条件，由此能够更有效地抑制表面缺陷以及内部缺陷的产生，因此能够获得充分的强度的接头。
dv/D≤0.06···式(4)
[表4]
附图标记说明
1…表面侧旋转工具；2…表面侧旋转工具的末端部；3…表面侧旋转工具的旋转轴线；4…金属板；5…接合部；6…相对于金属板为铅垂方向的垂线；7…接合中央线；8…背面侧旋转工具；9…背面侧旋转工具的末端部；10…背面侧旋转工具的旋转轴线；11…末端部；12…台阶部；12b…阶梯部；12c…槽部；G…旋转工具的末端部彼此的距离；α…旋转工具的倾斜角度；D…旋转工具的末端部的直径；t…金属板的厚度。
