摩擦撹拌点接合用の回転工具
【課題】複動式構造の回転工具を用いて、複数の重ね合わされた被接合金属部材を摩擦撹拌点接合する際、前記回転工具のプローブとショルダ部材との間に、摩擦撹拌領域を構成する被接合金属板部材の材料が凝着することを抑制、防止することができる摩擦撹拌点接合用の回転工具を提供する。
【解決手段】複数の被接合金属部材が重ね合わされた重ね合わせ部の片方の面へ回転しながら差し込まれるロッド状のプローブと、プローブの周りに同軸状に配置されて重ね合わせ部の同じ面に回転しながら当接されるショルダ面を有する円筒状のショルダ部材とが別体に構成されて、別個に軸方向に移動可能に設けられている複動式構造の摩擦撹拌点接合用の回転工具であって、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が形成されている摩擦撹拌点接合用の回転工具。
【解決手段】複数の被接合金属部材が重ね合わされた重ね合わせ部の片方の面へ回転しながら差し込まれるロッド状のプローブと、プローブの周りに同軸状に配置されて重ね合わせ部の同じ面に回転しながら当接されるショルダ面を有する円筒状のショルダ部材とが別体に構成されて、別個に軸方向に移動可能に設けられている複動式構造の摩擦撹拌点接合用の回転工具であって、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が形成されている摩擦撹拌点接合用の回転工具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、摩擦撹拌点接合用の回転工具に関し、特に、一般構造用鋼材、建築構造用鋼材および自動車用鋼板などの鉄鋼材料をはじめとする鉄系金属、およびアルミニウム、マグネシウム等の非鉄金属からなる被接合物を接合するために好適に使用される摩擦撹拌点接合用の回転工具に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、自動車の製造工程においては、複数の金属板部材を重ね合わせ、リベットや抵抗スポット溶接のような点接合にて連結して一体化することにより、ボデー部材や各種部品が製造されていた。そして、このような点接合による金属板材の連結は、鉄道車両をはじめとする各種車両や、航空機等の輸送機分野においても、また、家電製品、建材等の構造物の分野においても広く採用されている。
【０００３】
このような金属部材の接合に関して、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、摩擦熱を利用して、金属部材を接合させるようにした摩擦撹拌接合法が提案されている（特許文献１）。
【０００４】
そして、このような摩擦撹拌接合法を用いて複数の金属板部材の重合せ部位を点接合する技術が検討され、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よく、良好な接合状態が安定して得られる方法として、各種の摩擦撹拌点接合方法（Ｆｒｉｃｔｉｏｎ Ｓｔｉｒ Ｓｐｏｔ Ｗｅｌｄｉｎｇ）が、提案されている（例えば、特許文献２〜４）。
【０００５】
しかしながら、これらの特許文献２〜４に示された摩擦撹拌点接合法は、何れも、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（以下、単に「プローブ」とも言う）を一体的に設けてなる構造のピン型工具（回転工具）を用いて、以下に示す手順により接合を行っている。
【０００６】
即ち、前記のピン型工具を高速回転させながら、所定の金属板部材の重ね合わせ部位に差し込み、このピン型工具本体の先端部に構成されたショルダ部を重ね合せ部位に押圧する。これにより、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が発生して、金属板部材の材料を塑性流動させる。このように、プローブの周りに撹拌領域を形成させることにより、プローブの差し込み部位において、金属板部材の重ね合わせ部位の点接合が行われる。
【０００７】
しかし、このような点接合操作においては、点接合の終了後、金属板部材の重ね合わせ部位に形成されている撹拌領域からピン型工具を引き抜くと、そこにプローブの差し込み部分に対応した形状の凹所（プローブの引き抜き穴）が残る。この穴は、塗装時における液溜まりの問題を引き起こしたり、接合されるべき金属板部材の継手強度（接合強度）に悪影響をもたらしたりする等の問題が生じる恐れがある。
【０００８】
上記の問題を解決する方策として、以下のような技術が特許文献５に提案されている。即ち、プローブとショルダ部材とが別体に構成されて、別個に軸方向に移動可能な複動式構造の回転工具を用い、接合される金属板部材の重ね合わせ部に対して、それぞれ回転するプローブとショルダ部材のそれぞれを当接させてプローブを差し込むことによって、重ね合わせ部に摩擦撹拌領域を形成させる。そして、それら複数の金属板部材の接合を図った後、プローブを摩擦撹拌領域から引き抜きつつ、ショルダ部材を前進させて、摩擦撹拌領域の表面を押圧する。この摩擦撹拌領域の押圧によって、プローブの引き抜き穴の内に周囲の摩擦撹拌領域の材料が流れ込み、穴が埋められる。そして、プローブとショルダ部材のショルダ面とが面一となったところで、回転工具を重ね合わせ部から離脱させる。
【０００９】
このような複動式の回転工具を用いることにより、接合される金属板部材の板厚が種々変化しても、１つの回転工具にて対応することができる。さらに、摩擦撹拌領域に形成される接合部に、プローブの引き抜き穴が残ることを効果的に回避することができる。この結果、前記した接合強度の低下の問題や塗装時における液溜まりの問題等を有利に解消することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特許第２７１２８３８号公報
【特許文献２】特開２００１−３２１９６７号公報
【特許文献３】特開２００１−３１４９８３号公報
【特許文献４】特開２００２−１２００７７号公報
【特許文献５】特開２００１−２５９８６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかし、特許文献５で用いる回転工具は複動式構造であるため、プローブとショルダ部材との間には、必然的にクリアランス（隙間）が存在し、摩擦撹拌領域（接合部）を構成する被接合金属板部材の材料（以下、「領域金属」とも言う）がこのクリアランスに浸入して、凝着する恐れがあった。この凝着が生じると、プローブとショルダ部材との間における、互いに独立した作動（移動）が困難になり、摩擦撹拌点接合操作を繰り返して行うことが不可能になる。
【００１２】
本発明は、上記の問題に鑑み、複動式構造の回転工具を用いて、複数の重ね合わされた被接合金属部材を摩擦撹拌点接合する際、前記回転工具のプローブとショルダ部材との間に、前記した摩擦撹拌領域を構成する被接合金属板部材の材料が凝着することを抑制、防止することができる摩擦撹拌点接合用の回転工具を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明者は、鋭意検討の結果、以下の各請求項に示す発明により、上記の課題を解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。以下、各請求項に分けて説明する。
【００１４】
請求項１に記載の発明は、
複数の被接合金属部材が重ね合わされた重ね合わせ部の片方の面へ回転しながら差し込まれるロッド状のプローブと、前記プローブの周りに同軸状に配置されて前記重ね合わせ部の同じ面に回転しながら当接されるショルダ面を有する円筒状のショルダ部材とが別体に構成されて、別個に軸方向に移動可能に設けられている複動式構造の摩擦撹拌点接合用の回転工具であって、
前記プローブの外周面および／または前記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が形成されている
ことを特徴とする摩擦撹拌点接合用の回転工具である。
【００１５】
本請求項の発明においては、プローブの外周面やショルダ部材の内周面にカーボンナノチューブからなるコーティング層が形成されている。このため、プローブとショルダ部材との間に形成された隙間にはカーボンナノチューブが存在し、前記した領域金属の隙間への浸入が困難となり、領域金属の凝着を抑制、防止することができる。
【００１６】
そして、カーボンナノチューブは、硬度が高く、高い耐摩耗性を有しており、凝着した領域金属との摩擦にも十分耐えることができる。このため、万一、隙間へ領域金属が浸入した場合であっても、加工終了後、プローブを回転工具本体の外側に突き出すことにより、表面に形成されているカーボンナノチューブが、浸入、凝着した領域金属を押し出して、外部に排出することができ、効果的に被接合金属部材の材料の凝着を抑制、防止することができる。
【００１７】
なお、カーボンナノチューブのコーティング層は、プローブの外周面とショルダ部材の内周面の少なくとも一方の面に形成されていればよく、いずれか一方の面にのみ形成する場合には、製膜の技術上、プローブの外周面に形成するほうが容易であり好ましい。
【００１８】
請求項２に記載の発明は、
前記カーボンナノチューブは、前記プローブの外周面および／または前記ショルダ部材の内周面に対して、略垂直に成長して形成されていることを特徴とする請求項１に記載の摩擦撹拌点接合用の回転工具である。
【００１９】
プローブの外周面やショルダ部材の内周面に対して、カーボンナノチューブが略垂直に成長して形成されているため、プローブとショルダ部材の相対的な移動に際しても好ましく作用して、領域金属の隙間への浸入がより困難となると共に、浸入、凝着した領域金属を効果的に排出することができる。
【００２０】
請求項３に記載の発明は、
前記プローブの外周面および／または前記ショルダ部材の内周面の表面部がＳｉＣであり、前記カーボンナノチューブは、前記ＳｉＣが熱分解されることにより形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の摩擦撹拌点接合用の回転工具である。
【００２１】
本請求項の発明は、好ましい方法により形成されたカーボンナノチューブを規定するものであり、ＳｉＣセラミックスを１４００℃以上の温度で真空中で加熱して、熱分解させた場合、シリコン原子が揮発して、結果としてカーボンナノチューブが残存する。このとき形成されたカーボンナノチューブはＳｉＣ面に対してほぼ垂直に成長しているため、前記した効果を十分に発揮して、領域金属の凝着を効果的に、抑制、防止することができる。
【００２２】
また、熱分解法により形成されたカーボンナノチューブはＳｉＣとの密着強度が高く、凝着した金属との摩擦にも耐えることができ、プローブやショルダ部材の表面から剥離することもなく、浸入、凝着した領域金属を効果的に排出することができる。
【００２３】
なお、カーボンナノチューブの形成方法としては、前記の熱分解法の他に、ＣＶＤ法やメッキ法等を採用することもできる。
【００２４】
請求項４に記載の発明は、
前記カーボンナノチューブの長さが１０μｍ以上であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の摩擦撹拌点接合用の回転工具である。
【００２５】
カーボンナノチューブの長さが１０μｍ以上であれば、カーボンナノチューブが良くしなるようになるため、領域金属の浸入を効果的に抑制することができ、また、隙間に浸入した領域金属を効果的に外部に排出することができる。
【００２６】
請求項５に記載の発明は、
前記ショルダ部材がＳｉＣセラミックスからなることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の摩擦撹拌点接合用の回転工具である。
【００２７】
ＳｉＣセラミックスからなるショルダ部材であるため、硬度が高く、熱分解により、カーボンナノチューブが容易に形成される。このような回転工具は、鋼などの硬度の高い金属の加工に好適に使用できる。
【００２８】
請求項６に記載の発明は、
前記プローブがＳｉＣセラミックスからなり、前記ショルダ部材が超硬合金又は高速度鋼からなることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の摩擦撹拌点接合用の回転工具である。
【００２９】
本請求項の発明においては、プローブとして、ＳｉＣセラミックスからなるプローブが用いられているため、硬度が高く、熱分解により、カーボンナノチューブが容易に形成される。そして、ショルダ部材として、ＳｉＣセラミックスに比べ安価な超硬合金又は高速度鋼からなるショルダ部材を用いているため、安価な回転工具を提供することができる。このような回転工具は、アルミなどの比較的柔らかい金属の加工に好適に使用できる。
【００３０】
このようなショルダ部材にカーボンナノチューブを形成するには、ＳｉＣコーティングを行い、このＳｉＣコーティング層を熱分解すれば良い。
【００３１】
請求項７に記載の発明は、
前記カーボンナノチューブの内層として、グラファイト層が形成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の摩擦撹拌点接合用の回転工具である。
【００３２】
熱分解法を用いてカーボンナノチューブを形成した場合、カーボンナノチューブの内層としてグラファイト層が生成されることがある。このグラファイト層は、凝着防止に大きな不利益を与えることがない一方、熱伝導率が低いため、断熱効果がある。その結果、摩擦撹拌時に発生した熱が外部に逃げにくく、撹拌時に温度が上がりやすく、金属が軟化しやすいため、撹拌抵抗が下がって接合しやすくなる。
【００３３】
請求項８に記載の発明は、
コーティング層を含む前記プローブの外径が、コーティング層を含む前記ショルダ部材の内径±１０μｍの範囲内であることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の摩擦撹拌点接合用の回転工具である。
【００３４】
プローブの外径（コーティング層を含む）がショルダ部材の内径（コーティング層を含む）よりも大きい場合、１０μｍ以内であれば、カーボンナノチューブはしなるため、プローブはショルダの中をスムーズに動くことができるが、１０μｍを超えると、カーボンナノチューブとショルダ部材の内壁との摩擦が大きくなり、スムーズな動作が困難となる。一方、前者が後者よりも小さい場合、プローブはショルダの中をスムーズに動くことができるが、１０μｍを超えると、隙間が大きくなり、加工時に領域金属が浸入しやすくなり、凝着を起こす恐れがある。従って、前者と後者の差は±１０μｍの範囲内にあることが好ましい。同じ値であると最も好ましい。
【００３５】
請求項９に記載の発明は、
前記プローブと前記ショルダ部材との間への前記被接合金属部材の材料の浸入を防止する、もしくは浸入した前記被接合金属部材の材料を外部へ排出する凝着防止機構が設けられていることを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載の摩擦撹拌点接合用の回転工具である。
【００３６】
プローブとショルダ部材との間に凝着防止機構が設けられているため、摩擦撹拌領域を構成する被接合金属板部材の材料（領域金属）の凝着を抑制、防止することができる。
【００３７】
請求項１０に記載の発明は、
前記凝着防止機構が、カーボンナノチューブのしなりにより、前記プローブと前記ショルダ部材との間への前記被接合金属部材の材料の浸入を防止する凝着防止機構であることを特徴とする請求項９に記載の摩擦撹拌点接合用の回転工具である。
【００３８】
プローブやショルダ部材に当接して設けられたカーボンナノチューブのしなりにより、プローブとショルダ部材の間の隙間が小さくなり、領域金属の浸入を効率的に防止することができる。
【００３９】
請求項１１に記載の発明は、
前記凝着防止機構が、摩擦撹拌点接合操作の後の前記プローブの回転により、浸入した前記被接合金属部材の材料を外部へ排出する凝着防止機構であることを特徴とする請求項９に記載の摩擦撹拌点接合用の回転工具である。
【００４０】
摩擦撹拌点接合操作の後のプローブの回転により、カーボンナノチューブがプローブとショルダ部材の間の隙間に浸入した領域金属を充分効率的に取り除いて、外部へ排出することができる。
【００４１】
請求項１２に記載の発明は、
前記凝着防止機構が、摩擦撹拌点接合操作の後の前記プローブの前記ショルダに対する相対的な突き出しにより、浸入した前記被接合金属部材の材料を外部へ排出する凝着防止機構であることを特徴とする請求項９に記載の摩擦撹拌点接合用の回転工具である。
【００４２】
摩擦撹拌点接合操作の後のプローブのショルダに対する相対的な突き出しにより、カーボンナノチューブがプローブとショルダ部材の間の隙間に浸入した領域金属を充分効率的に取り除いて、外部へ排出することができる。
【発明の効果】
【００４３】
本発明によれば、複動式構造の回転工具を用いて、複数の重ね合わされた被接合金属部材を摩擦撹拌点接合する際、前記回転工具のプローブとショルダ部材との間に、摩擦撹拌領域を構成する被接合金属板部材の材料が凝着することを抑制、防止することができる摩擦撹拌点接合用の回転工具を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の一実施の形態に係る摩擦撹拌点接合用の回転工具の要部を模式的に示す断面図である。
【図２】本発明の一実施の形態に係る摩擦撹拌点接合用の回転工具を用いた被接合金属部材の接合を説明する図である。
【図３】比較例の摩擦撹拌点接合用の回転工具の要部を模式的に示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００４５】
以下、本発明を実施の形態に基づいて説明する。なお、本発明は、以下の実施の形態に限定されるものではない。本発明と同一および均等の範囲内において、以下の実施の形態に対して種々の変更を加えることが可能である。
【００４６】
１．摩擦撹拌点接合用の回転工具
はじめに、本実施の形態の摩擦撹拌点接合用の回転工具について説明する。図１は本発明に係る摩擦撹拌点接合用の回転工具１の要部を模式的に示す断面図である。摩擦撹拌点接合用の回転工具１は、図示していない駆動装置により回転しながら、被接合材に差し込まれるプローブ２と、このプローブ２の周りに回転可能に同軸状に設けられたショルダ部材３を備える。
【００４７】
イ．プローブ
プローブ２はロッド状であり、基材としては、ＳｉＣやＳｉＮ等のセラミックス、超硬合金、高速度鋼等の工具用鋼等が好ましく用いられる。また、図１（ａ）に示すように、外周面にカーボンナノチューブからなるコーティング層（ＣＮＴ層）２ａが設けられる。
【００４８】
ロ．ショルダ部材
ショルダ部材３は、円筒状であり、図示していない駆動装置によりプローブ２とは独立して回転でき、一方の側の面に回転状態下にプローブの周囲の被接合金属面に当接するショルダ面４を有する。ショルダ部材３の材質としては、ＳｉＣやＳｉＮ等のセラミックス、超硬合金、高速度鋼等の工具用鋼等が好ましく用いられる。また、ＣＮＴ層が設けられていないプローブ２と組み合わせて使用するものについては、図１（ｂ）に示すように、ショルダ部材３の内周面にＣＮＴ層３ａが設けられる。
【００４９】
ハ．ＣＮＴ層
ＣＮＴ層は、プローブ２の外周面とショルダ部材３の内周面のいずれか一方の面または両方の面に設けられる。そして、プローブ２の外周面に設けられるＣＮＴ層２ａおよびショルダ部材３の内周面に設けられるＣＮＴ層３ａは、いずれも前記のように好ましくは、ＳｉＣを熱分解する熱分解法により形成される。また、好ましくは１０μｍ以上の厚さに形成される。このようなＣＮＴ層は、具体的には例えば、ＳｉＣセラミックスからなる基材を真空炉中において、１５５０℃において１０分間以上加熱することにより形成される。
【００５０】
なお、カーボンナノチューブの形成方法としては、前記の熱分解法の他に、ＣＶＤ法やメッキ法等を採用することもできる。
【００５１】
ＣＶＤ法を採用した場合、熱分解法の場合と同様に、カーボンナノチューブは垂直成長しやすいが、熱分解法の場合に比べ基板との密着強度がやや低くなるため、ＣＶＤ処理後、カーボンナノチューブの根本を基板と密着させるための処理を別途施す必要がある。例えば、予め工具の表面に金属をコーティングした後、カーボンナノチューブを形成し、その後、金属の融点以上の温度で加熱する。この方法では、溶融金属がカーボンナノチューブと工具とを強固に密着させる効果を発揮する。
【００５２】
また、メッキ法を採用した場合、形成されたカーボンナノチューブは垂直成長しないため、金属が浸入した場合における排出効果は、垂直成長するＣＶＤ法や熱分解法の場合に比べやや低下するが、金属の浸入を抑制する効果は有している。そして、ＣＶＤ法の場合と同様に、めっき後の密着強度を改良する処理を別途施すことにより、基板との高密着力を付与することができる。
【００５３】
ニ．プローブの外径とショルダ部材の内径の大小
プローブ２の外径（ＣＮＴ層を含めた外径）は、好ましくはショルダ部材３の内径の±１０μｍの範囲内に設定される。
【００５４】
２．摩擦撹拌点接合用の回転工具を用いた金属板材の接合
次に、摩擦撹拌点接合用の回転工具を用いた被接合金属部材の接合について説明する。図２は、本実施の形態の摩擦撹拌点接合用の回転工具を用いた被接合金属部材の接合を説明する図であり、図２（ａ）、（ｂ）は、それぞれ接合開始直前の状態を示す図、接合中の状態を示す図である。
【００５５】
図２（ａ）において、まず、回転工具１のプローブ２の先端面とショルダ部材３のショルダ面４とを同一面にした状態で回転させる。次に、このように回転させながらプローブ２の先端面とショルダ面４の２つの面を被接合金属部材Ｗ１、Ｗ２の上側の被接合金属部材Ｗ１の表面に当接させ押圧する。これにより、これらの２つの面と被接合金属部材Ｗ１との接触部は摩擦により発熱し、被接合金属部材Ｗ１は軟化する。
【００５６】
次に、図２（ｂ）に示すようにプローブ２の先端部が被接合金属部材Ｗ１に差し込まれ、引き続いて下側の被接合金属部材Ｗ２に差し込まれる。これにより、プローブ２の接触部周辺は撹拌され、被接合金属部材Ｗ１、Ｗ２にプローブ穴が形成されるとともに、塑性領域が形成される。なお、図２中Ｗは裏当て材である。
【００５７】
その後、プローブ穴が被接合金属部材Ｗ２の所定の深さに達するまで、プローブ２を引き続いて押圧する。これにより、被接合金属部材Ｗ１、Ｗ２が摩擦撹拌点接合される。
【００５８】
プローブ２を引き抜くに際しては、抜けた後にプローブ引き抜き穴を形成しないように、プローブ２を引き抜きながらショルダ部材３を押圧し、流動化した被接合金属部材（領域金属）でプローブの引き抜き穴を埋め、その後にショルダ部材３を抜く。
【００５９】
３．領域金属の浸入、凝着の抑制、防止
前記１の通り、本発明の摩擦撹拌点接合用の回転工具の場合、摩擦撹拌領域を構成する領域金属が浸入する可能性の高いプローブとショルダ部材との間にカーボンナノチューブの層を介在させている。このため、接合操作中において、領域金属の浸入を抑制、防止でき、また、領域金属の凝着を抑制、防止することができる。
【実施例】
【００６０】
本実施例は、図１（ａ）に示すように、外周面にＣＮＴ層を設けたプローブ２とショルダ部材３の組み合わせからなる回転工具１、および図１（ｂ）に示すように、内周面にＣＮＴ層を設けたショルダ部材３とプローブ２の組み合わせからなる回転工具１を用意し、また、併せて比較例として図３に示すように、いずれにもＣＮＴ層が設けられていないプローブ１２とショルダ部材１３の組み合わせからなる回転工具１１を用意し、それぞれの回転工具を用いて被接合金属部材であるアルミニウム板材を領域金属の凝着により装置が停止するまで摩擦撹拌点接合を繰り返し行った例である。
【００６１】
１．摩擦撹拌点接合用の回転工具
（１）プローブの基材の材質および外径
材質：工具鋼（ＳＫＤ６１）、ＳｉＣ、ＳＫＤ６１のＳｉＣ被覆材、超硬合金のＳｉＣ被覆材の４種類を用いた。
外径（ＣＮＴ層含まず）：８．０ｍｍとした。
【００６２】
（２）ショルダ部材の基材の材質及び内径
材質：ＳＫＤ６１、ＳｉＣの２種類を用いた。
内径（ＣＮＴ層含まず）：ＳＫＤ６１を用いた場合には８．０５０ｍｍ、ＳｉＣを用いた場合には８．００５ｍｍとした。
【００６３】
（３）ＣＮＴ層の形成
真空炉を用いて熱分解時の加熱温度を１５５０℃とし、プローブの外周面、ショルダ部材の内周面のいずれか一方の面に熱分解法により、層厚がそれぞれ５μｍ、１５μｍ、２２μｍ、４２μｍのＣＮＴ層を形成した。なお、ＣＮＴ層の厚さは、熱分解時の加熱時間を調整することにより行った。
【００６４】
また、プローブとショルダ部材の何れにもＣＮＴ層を形成しない場合についても比較実験を行った。表１にプローブとショルダ部材の組み合わせについてまとめて示す。
なお、表１の実施例１、実施例２のプローブにはＳｉＣ被覆タイプの基材が用いられており、実施例４の内層は、グラファイト内層であり、プローブの外径およびショルダ部材の内径はＣＮＴの長さ（ＣＮＴ層の厚さ）を含む値であり、ギャップは、ショルダ部材の内径とプローブの外径の差である。
【００６５】
【表１】
【００６６】
２．摩擦撹拌点接合
板厚が１．２ｍｍのアルミニウム板材（６０１６−Ｔ４材）を２枚を重ね合わせたものを用意した。その下板側に裏当て材を当接し、それらを所定のクランプ部材を用いて固定した。
【００６７】
次に、回転工具を用いて摩擦撹拌点接合を行った。なお、摩擦撹拌点接合操作は、回転工具を６００ｒｐｍで高速回転させつつ、先ず、ショルダ部材のショルダ面及びプローブの先端面が平坦とされた状態（同一面とした状態）で、上側（回転工具側）のアルミニウム板材に当接させて押圧し、その後、プローブを下側のアルミニウム板の板厚の４／７の深さまで差し込み、摩擦撹拌点接合を行った後、プローブをアルミニウム板材から引き抜きつつ、ショルダ部材を押さえ込み、プローブ穴の残らない摩擦撹拌点接合部を形成した。
【００６８】
そして、プローブとショルダ部材との間にアルミニウムが凝着し、プローブを駆動する負荷が大きくなり、リミッタが作動して装置が停止するまでの接合回数を記録した。
【００６９】
【表２】
【００７０】
表１と表２より、プローブの外周面とショルダ部材の内周面のいずれか一方の面にＣＮＴ層を形成させた実施例１〜実施例５は比較例に比べて、リミッタが作動して装置が停止するまでの接合回数が多いことが分かる。特に、ギャップ（絶対値）が小さい実施例１、実施例４、実施例５の場合、接合回数が多く良好な結果が得られることが分かる。
【符号の説明】
【００７１】
１、１１ 回転工具
２、１２ プローブ
３、１３ ショルダ部材
４ ショルダ面
２ａ、３ａ カーボンナノチューブ
Ｗ１、Ｗ２ 被接合金属部材
Ｗ 裏当て材
【技術分野】
【０００１】
本発明は、摩擦撹拌点接合用の回転工具に関し、特に、一般構造用鋼材、建築構造用鋼材および自動車用鋼板などの鉄鋼材料をはじめとする鉄系金属、およびアルミニウム、マグネシウム等の非鉄金属からなる被接合物を接合するために好適に使用される摩擦撹拌点接合用の回転工具に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、自動車の製造工程においては、複数の金属板部材を重ね合わせ、リベットや抵抗スポット溶接のような点接合にて連結して一体化することにより、ボデー部材や各種部品が製造されていた。そして、このような点接合による金属板材の連結は、鉄道車両をはじめとする各種車両や、航空機等の輸送機分野においても、また、家電製品、建材等の構造物の分野においても広く採用されている。
【０００３】
このような金属部材の接合に関して、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、摩擦熱を利用して、金属部材を接合させるようにした摩擦撹拌接合法が提案されている（特許文献１）。
【０００４】
そして、このような摩擦撹拌接合法を用いて複数の金属板部材の重合せ部位を点接合する技術が検討され、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よく、良好な接合状態が安定して得られる方法として、各種の摩擦撹拌点接合方法（Ｆｒｉｃｔｉｏｎ Ｓｔｉｒ Ｓｐｏｔ Ｗｅｌｄｉｎｇ）が、提案されている（例えば、特許文献２〜４）。
【０００５】
しかしながら、これらの特許文献２〜４に示された摩擦撹拌点接合法は、何れも、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（以下、単に「プローブ」とも言う）を一体的に設けてなる構造のピン型工具（回転工具）を用いて、以下に示す手順により接合を行っている。
【０００６】
即ち、前記のピン型工具を高速回転させながら、所定の金属板部材の重ね合わせ部位に差し込み、このピン型工具本体の先端部に構成されたショルダ部を重ね合せ部位に押圧する。これにより、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が発生して、金属板部材の材料を塑性流動させる。このように、プローブの周りに撹拌領域を形成させることにより、プローブの差し込み部位において、金属板部材の重ね合わせ部位の点接合が行われる。
【０００７】
しかし、このような点接合操作においては、点接合の終了後、金属板部材の重ね合わせ部位に形成されている撹拌領域からピン型工具を引き抜くと、そこにプローブの差し込み部分に対応した形状の凹所（プローブの引き抜き穴）が残る。この穴は、塗装時における液溜まりの問題を引き起こしたり、接合されるべき金属板部材の継手強度（接合強度）に悪影響をもたらしたりする等の問題が生じる恐れがある。
【０００８】
上記の問題を解決する方策として、以下のような技術が特許文献５に提案されている。即ち、プローブとショルダ部材とが別体に構成されて、別個に軸方向に移動可能な複動式構造の回転工具を用い、接合される金属板部材の重ね合わせ部に対して、それぞれ回転するプローブとショルダ部材のそれぞれを当接させてプローブを差し込むことによって、重ね合わせ部に摩擦撹拌領域を形成させる。そして、それら複数の金属板部材の接合を図った後、プローブを摩擦撹拌領域から引き抜きつつ、ショルダ部材を前進させて、摩擦撹拌領域の表面を押圧する。この摩擦撹拌領域の押圧によって、プローブの引き抜き穴の内に周囲の摩擦撹拌領域の材料が流れ込み、穴が埋められる。そして、プローブとショルダ部材のショルダ面とが面一となったところで、回転工具を重ね合わせ部から離脱させる。
【０００９】
このような複動式の回転工具を用いることにより、接合される金属板部材の板厚が種々変化しても、１つの回転工具にて対応することができる。さらに、摩擦撹拌領域に形成される接合部に、プローブの引き抜き穴が残ることを効果的に回避することができる。この結果、前記した接合強度の低下の問題や塗装時における液溜まりの問題等を有利に解消することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特許第２７１２８３８号公報
【特許文献２】特開２００１−３２１９６７号公報
【特許文献３】特開２００１−３１４９８３号公報
【特許文献４】特開２００２−１２００７７号公報
【特許文献５】特開２００１−２５９８６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかし、特許文献５で用いる回転工具は複動式構造であるため、プローブとショルダ部材との間には、必然的にクリアランス（隙間）が存在し、摩擦撹拌領域（接合部）を構成する被接合金属板部材の材料（以下、「領域金属」とも言う）がこのクリアランスに浸入して、凝着する恐れがあった。この凝着が生じると、プローブとショルダ部材との間における、互いに独立した作動（移動）が困難になり、摩擦撹拌点接合操作を繰り返して行うことが不可能になる。
【００１２】
本発明は、上記の問題に鑑み、複動式構造の回転工具を用いて、複数の重ね合わされた被接合金属部材を摩擦撹拌点接合する際、前記回転工具のプローブとショルダ部材との間に、前記した摩擦撹拌領域を構成する被接合金属板部材の材料が凝着することを抑制、防止することができる摩擦撹拌点接合用の回転工具を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明者は、鋭意検討の結果、以下の各請求項に示す発明により、上記の課題を解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。以下、各請求項に分けて説明する。
【００１４】
請求項１に記載の発明は、
複数の被接合金属部材が重ね合わされた重ね合わせ部の片方の面へ回転しながら差し込まれるロッド状のプローブと、前記プローブの周りに同軸状に配置されて前記重ね合わせ部の同じ面に回転しながら当接されるショルダ面を有する円筒状のショルダ部材とが別体に構成されて、別個に軸方向に移動可能に設けられている複動式構造の摩擦撹拌点接合用の回転工具であって、
前記プローブの外周面および／または前記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が形成されている
ことを特徴とする摩擦撹拌点接合用の回転工具である。
【００１５】
本請求項の発明においては、プローブの外周面やショルダ部材の内周面にカーボンナノチューブからなるコーティング層が形成されている。このため、プローブとショルダ部材との間に形成された隙間にはカーボンナノチューブが存在し、前記した領域金属の隙間への浸入が困難となり、領域金属の凝着を抑制、防止することができる。
【００１６】
そして、カーボンナノチューブは、硬度が高く、高い耐摩耗性を有しており、凝着した領域金属との摩擦にも十分耐えることができる。このため、万一、隙間へ領域金属が浸入した場合であっても、加工終了後、プローブを回転工具本体の外側に突き出すことにより、表面に形成されているカーボンナノチューブが、浸入、凝着した領域金属を押し出して、外部に排出することができ、効果的に被接合金属部材の材料の凝着を抑制、防止することができる。
【００１７】
なお、カーボンナノチューブのコーティング層は、プローブの外周面とショルダ部材の内周面の少なくとも一方の面に形成されていればよく、いずれか一方の面にのみ形成する場合には、製膜の技術上、プローブの外周面に形成するほうが容易であり好ましい。
【００１８】
請求項２に記載の発明は、
前記カーボンナノチューブは、前記プローブの外周面および／または前記ショルダ部材の内周面に対して、略垂直に成長して形成されていることを特徴とする請求項１に記載の摩擦撹拌点接合用の回転工具である。
【００１９】
プローブの外周面やショルダ部材の内周面に対して、カーボンナノチューブが略垂直に成長して形成されているため、プローブとショルダ部材の相対的な移動に際しても好ましく作用して、領域金属の隙間への浸入がより困難となると共に、浸入、凝着した領域金属を効果的に排出することができる。
【００２０】
請求項３に記載の発明は、
前記プローブの外周面および／または前記ショルダ部材の内周面の表面部がＳｉＣであり、前記カーボンナノチューブは、前記ＳｉＣが熱分解されることにより形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の摩擦撹拌点接合用の回転工具である。
【００２１】
本請求項の発明は、好ましい方法により形成されたカーボンナノチューブを規定するものであり、ＳｉＣセラミックスを１４００℃以上の温度で真空中で加熱して、熱分解させた場合、シリコン原子が揮発して、結果としてカーボンナノチューブが残存する。このとき形成されたカーボンナノチューブはＳｉＣ面に対してほぼ垂直に成長しているため、前記した効果を十分に発揮して、領域金属の凝着を効果的に、抑制、防止することができる。
【００２２】
また、熱分解法により形成されたカーボンナノチューブはＳｉＣとの密着強度が高く、凝着した金属との摩擦にも耐えることができ、プローブやショルダ部材の表面から剥離することもなく、浸入、凝着した領域金属を効果的に排出することができる。
【００２３】
なお、カーボンナノチューブの形成方法としては、前記の熱分解法の他に、ＣＶＤ法やメッキ法等を採用することもできる。
【００２４】
請求項４に記載の発明は、
前記カーボンナノチューブの長さが１０μｍ以上であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の摩擦撹拌点接合用の回転工具である。
【００２５】
カーボンナノチューブの長さが１０μｍ以上であれば、カーボンナノチューブが良くしなるようになるため、領域金属の浸入を効果的に抑制することができ、また、隙間に浸入した領域金属を効果的に外部に排出することができる。
【００２６】
請求項５に記載の発明は、
前記ショルダ部材がＳｉＣセラミックスからなることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の摩擦撹拌点接合用の回転工具である。
【００２７】
ＳｉＣセラミックスからなるショルダ部材であるため、硬度が高く、熱分解により、カーボンナノチューブが容易に形成される。このような回転工具は、鋼などの硬度の高い金属の加工に好適に使用できる。
【００２８】
請求項６に記載の発明は、
前記プローブがＳｉＣセラミックスからなり、前記ショルダ部材が超硬合金又は高速度鋼からなることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の摩擦撹拌点接合用の回転工具である。
【００２９】
本請求項の発明においては、プローブとして、ＳｉＣセラミックスからなるプローブが用いられているため、硬度が高く、熱分解により、カーボンナノチューブが容易に形成される。そして、ショルダ部材として、ＳｉＣセラミックスに比べ安価な超硬合金又は高速度鋼からなるショルダ部材を用いているため、安価な回転工具を提供することができる。このような回転工具は、アルミなどの比較的柔らかい金属の加工に好適に使用できる。
【００３０】
このようなショルダ部材にカーボンナノチューブを形成するには、ＳｉＣコーティングを行い、このＳｉＣコーティング層を熱分解すれば良い。
【００３１】
請求項７に記載の発明は、
前記カーボンナノチューブの内層として、グラファイト層が形成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の摩擦撹拌点接合用の回転工具である。
【００３２】
熱分解法を用いてカーボンナノチューブを形成した場合、カーボンナノチューブの内層としてグラファイト層が生成されることがある。このグラファイト層は、凝着防止に大きな不利益を与えることがない一方、熱伝導率が低いため、断熱効果がある。その結果、摩擦撹拌時に発生した熱が外部に逃げにくく、撹拌時に温度が上がりやすく、金属が軟化しやすいため、撹拌抵抗が下がって接合しやすくなる。
【００３３】
請求項８に記載の発明は、
コーティング層を含む前記プローブの外径が、コーティング層を含む前記ショルダ部材の内径±１０μｍの範囲内であることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の摩擦撹拌点接合用の回転工具である。
【００３４】
プローブの外径（コーティング層を含む）がショルダ部材の内径（コーティング層を含む）よりも大きい場合、１０μｍ以内であれば、カーボンナノチューブはしなるため、プローブはショルダの中をスムーズに動くことができるが、１０μｍを超えると、カーボンナノチューブとショルダ部材の内壁との摩擦が大きくなり、スムーズな動作が困難となる。一方、前者が後者よりも小さい場合、プローブはショルダの中をスムーズに動くことができるが、１０μｍを超えると、隙間が大きくなり、加工時に領域金属が浸入しやすくなり、凝着を起こす恐れがある。従って、前者と後者の差は±１０μｍの範囲内にあることが好ましい。同じ値であると最も好ましい。
【００３５】
請求項９に記載の発明は、
前記プローブと前記ショルダ部材との間への前記被接合金属部材の材料の浸入を防止する、もしくは浸入した前記被接合金属部材の材料を外部へ排出する凝着防止機構が設けられていることを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載の摩擦撹拌点接合用の回転工具である。
【００３６】
プローブとショルダ部材との間に凝着防止機構が設けられているため、摩擦撹拌領域を構成する被接合金属板部材の材料（領域金属）の凝着を抑制、防止することができる。
【００３７】
請求項１０に記載の発明は、
前記凝着防止機構が、カーボンナノチューブのしなりにより、前記プローブと前記ショルダ部材との間への前記被接合金属部材の材料の浸入を防止する凝着防止機構であることを特徴とする請求項９に記載の摩擦撹拌点接合用の回転工具である。
【００３８】
プローブやショルダ部材に当接して設けられたカーボンナノチューブのしなりにより、プローブとショルダ部材の間の隙間が小さくなり、領域金属の浸入を効率的に防止することができる。
【００３９】
請求項１１に記載の発明は、
前記凝着防止機構が、摩擦撹拌点接合操作の後の前記プローブの回転により、浸入した前記被接合金属部材の材料を外部へ排出する凝着防止機構であることを特徴とする請求項９に記載の摩擦撹拌点接合用の回転工具である。
【００４０】
摩擦撹拌点接合操作の後のプローブの回転により、カーボンナノチューブがプローブとショルダ部材の間の隙間に浸入した領域金属を充分効率的に取り除いて、外部へ排出することができる。
【００４１】
請求項１２に記載の発明は、
前記凝着防止機構が、摩擦撹拌点接合操作の後の前記プローブの前記ショルダに対する相対的な突き出しにより、浸入した前記被接合金属部材の材料を外部へ排出する凝着防止機構であることを特徴とする請求項９に記載の摩擦撹拌点接合用の回転工具である。
【００４２】
摩擦撹拌点接合操作の後のプローブのショルダに対する相対的な突き出しにより、カーボンナノチューブがプローブとショルダ部材の間の隙間に浸入した領域金属を充分効率的に取り除いて、外部へ排出することができる。
【発明の効果】
【００４３】
本発明によれば、複動式構造の回転工具を用いて、複数の重ね合わされた被接合金属部材を摩擦撹拌点接合する際、前記回転工具のプローブとショルダ部材との間に、摩擦撹拌領域を構成する被接合金属板部材の材料が凝着することを抑制、防止することができる摩擦撹拌点接合用の回転工具を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の一実施の形態に係る摩擦撹拌点接合用の回転工具の要部を模式的に示す断面図である。
【図２】本発明の一実施の形態に係る摩擦撹拌点接合用の回転工具を用いた被接合金属部材の接合を説明する図である。
【図３】比較例の摩擦撹拌点接合用の回転工具の要部を模式的に示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００４５】
以下、本発明を実施の形態に基づいて説明する。なお、本発明は、以下の実施の形態に限定されるものではない。本発明と同一および均等の範囲内において、以下の実施の形態に対して種々の変更を加えることが可能である。
【００４６】
１．摩擦撹拌点接合用の回転工具
はじめに、本実施の形態の摩擦撹拌点接合用の回転工具について説明する。図１は本発明に係る摩擦撹拌点接合用の回転工具１の要部を模式的に示す断面図である。摩擦撹拌点接合用の回転工具１は、図示していない駆動装置により回転しながら、被接合材に差し込まれるプローブ２と、このプローブ２の周りに回転可能に同軸状に設けられたショルダ部材３を備える。
【００４７】
イ．プローブ
プローブ２はロッド状であり、基材としては、ＳｉＣやＳｉＮ等のセラミックス、超硬合金、高速度鋼等の工具用鋼等が好ましく用いられる。また、図１（ａ）に示すように、外周面にカーボンナノチューブからなるコーティング層（ＣＮＴ層）２ａが設けられる。
【００４８】
ロ．ショルダ部材
ショルダ部材３は、円筒状であり、図示していない駆動装置によりプローブ２とは独立して回転でき、一方の側の面に回転状態下にプローブの周囲の被接合金属面に当接するショルダ面４を有する。ショルダ部材３の材質としては、ＳｉＣやＳｉＮ等のセラミックス、超硬合金、高速度鋼等の工具用鋼等が好ましく用いられる。また、ＣＮＴ層が設けられていないプローブ２と組み合わせて使用するものについては、図１（ｂ）に示すように、ショルダ部材３の内周面にＣＮＴ層３ａが設けられる。
【００４９】
ハ．ＣＮＴ層
ＣＮＴ層は、プローブ２の外周面とショルダ部材３の内周面のいずれか一方の面または両方の面に設けられる。そして、プローブ２の外周面に設けられるＣＮＴ層２ａおよびショルダ部材３の内周面に設けられるＣＮＴ層３ａは、いずれも前記のように好ましくは、ＳｉＣを熱分解する熱分解法により形成される。また、好ましくは１０μｍ以上の厚さに形成される。このようなＣＮＴ層は、具体的には例えば、ＳｉＣセラミックスからなる基材を真空炉中において、１５５０℃において１０分間以上加熱することにより形成される。
【００５０】
なお、カーボンナノチューブの形成方法としては、前記の熱分解法の他に、ＣＶＤ法やメッキ法等を採用することもできる。
【００５１】
ＣＶＤ法を採用した場合、熱分解法の場合と同様に、カーボンナノチューブは垂直成長しやすいが、熱分解法の場合に比べ基板との密着強度がやや低くなるため、ＣＶＤ処理後、カーボンナノチューブの根本を基板と密着させるための処理を別途施す必要がある。例えば、予め工具の表面に金属をコーティングした後、カーボンナノチューブを形成し、その後、金属の融点以上の温度で加熱する。この方法では、溶融金属がカーボンナノチューブと工具とを強固に密着させる効果を発揮する。
【００５２】
また、メッキ法を採用した場合、形成されたカーボンナノチューブは垂直成長しないため、金属が浸入した場合における排出効果は、垂直成長するＣＶＤ法や熱分解法の場合に比べやや低下するが、金属の浸入を抑制する効果は有している。そして、ＣＶＤ法の場合と同様に、めっき後の密着強度を改良する処理を別途施すことにより、基板との高密着力を付与することができる。
【００５３】
ニ．プローブの外径とショルダ部材の内径の大小
プローブ２の外径（ＣＮＴ層を含めた外径）は、好ましくはショルダ部材３の内径の±１０μｍの範囲内に設定される。
【００５４】
２．摩擦撹拌点接合用の回転工具を用いた金属板材の接合
次に、摩擦撹拌点接合用の回転工具を用いた被接合金属部材の接合について説明する。図２は、本実施の形態の摩擦撹拌点接合用の回転工具を用いた被接合金属部材の接合を説明する図であり、図２（ａ）、（ｂ）は、それぞれ接合開始直前の状態を示す図、接合中の状態を示す図である。
【００５５】
図２（ａ）において、まず、回転工具１のプローブ２の先端面とショルダ部材３のショルダ面４とを同一面にした状態で回転させる。次に、このように回転させながらプローブ２の先端面とショルダ面４の２つの面を被接合金属部材Ｗ１、Ｗ２の上側の被接合金属部材Ｗ１の表面に当接させ押圧する。これにより、これらの２つの面と被接合金属部材Ｗ１との接触部は摩擦により発熱し、被接合金属部材Ｗ１は軟化する。
【００５６】
次に、図２（ｂ）に示すようにプローブ２の先端部が被接合金属部材Ｗ１に差し込まれ、引き続いて下側の被接合金属部材Ｗ２に差し込まれる。これにより、プローブ２の接触部周辺は撹拌され、被接合金属部材Ｗ１、Ｗ２にプローブ穴が形成されるとともに、塑性領域が形成される。なお、図２中Ｗは裏当て材である。
【００５７】
その後、プローブ穴が被接合金属部材Ｗ２の所定の深さに達するまで、プローブ２を引き続いて押圧する。これにより、被接合金属部材Ｗ１、Ｗ２が摩擦撹拌点接合される。
【００５８】
プローブ２を引き抜くに際しては、抜けた後にプローブ引き抜き穴を形成しないように、プローブ２を引き抜きながらショルダ部材３を押圧し、流動化した被接合金属部材（領域金属）でプローブの引き抜き穴を埋め、その後にショルダ部材３を抜く。
【００５９】
３．領域金属の浸入、凝着の抑制、防止
前記１の通り、本発明の摩擦撹拌点接合用の回転工具の場合、摩擦撹拌領域を構成する領域金属が浸入する可能性の高いプローブとショルダ部材との間にカーボンナノチューブの層を介在させている。このため、接合操作中において、領域金属の浸入を抑制、防止でき、また、領域金属の凝着を抑制、防止することができる。
【実施例】
【００６０】
本実施例は、図１（ａ）に示すように、外周面にＣＮＴ層を設けたプローブ２とショルダ部材３の組み合わせからなる回転工具１、および図１（ｂ）に示すように、内周面にＣＮＴ層を設けたショルダ部材３とプローブ２の組み合わせからなる回転工具１を用意し、また、併せて比較例として図３に示すように、いずれにもＣＮＴ層が設けられていないプローブ１２とショルダ部材１３の組み合わせからなる回転工具１１を用意し、それぞれの回転工具を用いて被接合金属部材であるアルミニウム板材を領域金属の凝着により装置が停止するまで摩擦撹拌点接合を繰り返し行った例である。
【００６１】
１．摩擦撹拌点接合用の回転工具
（１）プローブの基材の材質および外径
材質：工具鋼（ＳＫＤ６１）、ＳｉＣ、ＳＫＤ６１のＳｉＣ被覆材、超硬合金のＳｉＣ被覆材の４種類を用いた。
外径（ＣＮＴ層含まず）：８．０ｍｍとした。
【００６２】
（２）ショルダ部材の基材の材質及び内径
材質：ＳＫＤ６１、ＳｉＣの２種類を用いた。
内径（ＣＮＴ層含まず）：ＳＫＤ６１を用いた場合には８．０５０ｍｍ、ＳｉＣを用いた場合には８．００５ｍｍとした。
【００６３】
（３）ＣＮＴ層の形成
真空炉を用いて熱分解時の加熱温度を１５５０℃とし、プローブの外周面、ショルダ部材の内周面のいずれか一方の面に熱分解法により、層厚がそれぞれ５μｍ、１５μｍ、２２μｍ、４２μｍのＣＮＴ層を形成した。なお、ＣＮＴ層の厚さは、熱分解時の加熱時間を調整することにより行った。
【００６４】
また、プローブとショルダ部材の何れにもＣＮＴ層を形成しない場合についても比較実験を行った。表１にプローブとショルダ部材の組み合わせについてまとめて示す。
なお、表１の実施例１、実施例２のプローブにはＳｉＣ被覆タイプの基材が用いられており、実施例４の内層は、グラファイト内層であり、プローブの外径およびショルダ部材の内径はＣＮＴの長さ（ＣＮＴ層の厚さ）を含む値であり、ギャップは、ショルダ部材の内径とプローブの外径の差である。
【００６５】
【表１】
【００６６】
２．摩擦撹拌点接合
板厚が１．２ｍｍのアルミニウム板材（６０１６−Ｔ４材）を２枚を重ね合わせたものを用意した。その下板側に裏当て材を当接し、それらを所定のクランプ部材を用いて固定した。
【００６７】
次に、回転工具を用いて摩擦撹拌点接合を行った。なお、摩擦撹拌点接合操作は、回転工具を６００ｒｐｍで高速回転させつつ、先ず、ショルダ部材のショルダ面及びプローブの先端面が平坦とされた状態（同一面とした状態）で、上側（回転工具側）のアルミニウム板材に当接させて押圧し、その後、プローブを下側のアルミニウム板の板厚の４／７の深さまで差し込み、摩擦撹拌点接合を行った後、プローブをアルミニウム板材から引き抜きつつ、ショルダ部材を押さえ込み、プローブ穴の残らない摩擦撹拌点接合部を形成した。
【００６８】
そして、プローブとショルダ部材との間にアルミニウムが凝着し、プローブを駆動する負荷が大きくなり、リミッタが作動して装置が停止するまでの接合回数を記録した。
【００６９】
【表２】
【００７０】
表１と表２より、プローブの外周面とショルダ部材の内周面のいずれか一方の面にＣＮＴ層を形成させた実施例１〜実施例５は比較例に比べて、リミッタが作動して装置が停止するまでの接合回数が多いことが分かる。特に、ギャップ（絶対値）が小さい実施例１、実施例４、実施例５の場合、接合回数が多く良好な結果が得られることが分かる。
【符号の説明】
【００７１】
１、１１ 回転工具
２、１２ プローブ
３、１３ ショルダ部材
４ ショルダ面
２ａ、３ａ カーボンナノチューブ
Ｗ１、Ｗ２ 被接合金属部材
Ｗ 裏当て材
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の被接合金属部材が重ね合わされた重ね合わせ部の片方の面へ回転しながら差し込まれるロッド状のプローブと、前記プローブの周りに同軸状に配置されて前記重ね合わせ部の同じ面に回転しながら当接されるショルダ面を有する円筒状のショルダ部材とが別体に構成されて、別個に軸方向に移動可能に設けられている複動式構造の摩擦撹拌点接合用の回転工具であって、
前記プローブの外周面および／または前記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が形成されている
ことを特徴とする摩擦撹拌点接合用の回転工具。
【請求項２】
前記カーボンナノチューブは、前記プローブの外周面および／または前記ショルダ部材の内周面に対して、略垂直に成長して形成されていることを特徴とする請求項１に記載の摩擦撹拌点接合用の回転工具。
【請求項３】
前記プローブの外周面および／または前記ショルダ部材の内周面の表面部がＳｉＣであり、前記カーボンナノチューブは、前記ＳｉＣが熱分解されることにより形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の摩擦撹拌点接合用の回転工具。
【請求項４】
前記カーボンナノチューブの長さが１０μｍ以上であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の摩擦撹拌点接合用の回転工具。
【請求項５】
前記ショルダ部材がＳｉＣセラミックスからなることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の摩擦撹拌点接合用の回転工具。
【請求項６】
前記プローブがＳｉＣセラミックスからなり、前記ショルダ部材が超硬合金又は高速度鋼からなることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の摩擦撹拌点接合用の回転工具。
【請求項７】
前記カーボンナノチューブの内層として、グラファイト層が形成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の摩擦撹拌点接合用の回転工具。
【請求項８】
コーティング層を含む前記プローブの外径が、コーティング層を含む前記ショルダ部材の内径±１０μｍの範囲内であることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の摩擦撹拌点接合用の回転工具。
【請求項９】
前記プローブと前記ショルダ部材との間への前記被接合金属部材の材料の浸入を防止する、もしくは浸入した前記被接合金属部材の材料を外部へ排出する凝着防止機構が設けられていることを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載の摩擦撹拌点接合用の回転工具。
【請求項１０】
前記凝着防止機構が、カーボンナノチューブのしなりにより、前記プローブと前記ショルダ部材との間への前記被接合金属部材の材料の浸入を防止する凝着防止機構であることを特徴とする請求項９に記載の摩擦撹拌点接合用の回転工具。
【請求項１１】
前記凝着防止機構が、摩擦撹拌点接合操作の後の前記プローブの回転により、浸入した前記被接合金属部材の材料を外部へ排出する凝着防止機構であることを特徴とする請求項９に記載の摩擦撹拌点接合用の回転工具。
【請求項１２】
前記凝着防止機構が、摩擦撹拌点接合操作の後の前記プローブの前記ショルダに対する相対的な突き出しにより、浸入した前記被接合金属部材の材料を外部へ排出する凝着防止機構であることを特徴とする請求項９に記載の摩擦撹拌点接合用の回転工具。
【請求項１】
複数の被接合金属部材が重ね合わされた重ね合わせ部の片方の面へ回転しながら差し込まれるロッド状のプローブと、前記プローブの周りに同軸状に配置されて前記重ね合わせ部の同じ面に回転しながら当接されるショルダ面を有する円筒状のショルダ部材とが別体に構成されて、別個に軸方向に移動可能に設けられている複動式構造の摩擦撹拌点接合用の回転工具であって、
前記プローブの外周面および／または前記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が形成されている
ことを特徴とする摩擦撹拌点接合用の回転工具。
【請求項２】
前記カーボンナノチューブは、前記プローブの外周面および／または前記ショルダ部材の内周面に対して、略垂直に成長して形成されていることを特徴とする請求項１に記載の摩擦撹拌点接合用の回転工具。
【請求項３】
前記プローブの外周面および／または前記ショルダ部材の内周面の表面部がＳｉＣであり、前記カーボンナノチューブは、前記ＳｉＣが熱分解されることにより形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の摩擦撹拌点接合用の回転工具。
【請求項４】
前記カーボンナノチューブの長さが１０μｍ以上であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の摩擦撹拌点接合用の回転工具。
【請求項５】
前記ショルダ部材がＳｉＣセラミックスからなることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の摩擦撹拌点接合用の回転工具。
【請求項６】
前記プローブがＳｉＣセラミックスからなり、前記ショルダ部材が超硬合金又は高速度鋼からなることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の摩擦撹拌点接合用の回転工具。
【請求項７】
前記カーボンナノチューブの内層として、グラファイト層が形成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の摩擦撹拌点接合用の回転工具。
【請求項８】
コーティング層を含む前記プローブの外径が、コーティング層を含む前記ショルダ部材の内径±１０μｍの範囲内であることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の摩擦撹拌点接合用の回転工具。
【請求項９】
前記プローブと前記ショルダ部材との間への前記被接合金属部材の材料の浸入を防止する、もしくは浸入した前記被接合金属部材の材料を外部へ排出する凝着防止機構が設けられていることを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載の摩擦撹拌点接合用の回転工具。
【請求項１０】
前記凝着防止機構が、カーボンナノチューブのしなりにより、前記プローブと前記ショルダ部材との間への前記被接合金属部材の材料の浸入を防止する凝着防止機構であることを特徴とする請求項９に記載の摩擦撹拌点接合用の回転工具。
【請求項１１】
前記凝着防止機構が、摩擦撹拌点接合操作の後の前記プローブの回転により、浸入した前記被接合金属部材の材料を外部へ排出する凝着防止機構であることを特徴とする請求項９に記載の摩擦撹拌点接合用の回転工具。
【請求項１２】
前記凝着防止機構が、摩擦撹拌点接合操作の後の前記プローブの前記ショルダに対する相対的な突き出しにより、浸入した前記被接合金属部材の材料を外部へ排出する凝着防止機構であることを特徴とする請求項９に記載の摩擦撹拌点接合用の回転工具。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１１−３６８７８（Ｐ２０１１−３６８７８Ａ）
【公開日】平成２３年２月２４日（２０１１．２．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１８５６１１（Ｐ２００９−１８５６１１）
【出願日】平成２１年８月１０日（２００９．８．１０）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年２月２４日（２０１１．２．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年８月１０日（２００９．８．１０）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【Ｆターム（参考）】
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