双面摩擦搅拌接合方法及装置以及双面摩擦搅拌接合用工具组

摘要

本发明提供一种双面摩擦搅拌接合方法及装置、以及双面摩擦搅拌接合用工具组。为了进行经济性好、接合强度高的双面摩擦搅拌接合，第一和第二旋转工具(3、4)分别具有在前端部分形成有肩台部(3c、4c)的工具主体(3a、4a)，第一旋转工具(3)还具有从工具主体的前端部分突出地形成的突起部(3d)，第二旋转工具(4)还具有在工具主体的前端部分形成并在两张金属板(1、2)接合时收纳突起部(3d)的前端部的凹部(4d)，使第一和第二旋转工具相对地配置在金属板的接合部(J)的表面侧和背面侧，并向彼此接近的方向移动，将第一旋转工具的突起部的前端部插入到第二旋转工具的凹部内，将第一和第二旋转工具的肩台部的肩台面(3b、4b)按压在接合部的表面侧和背面侧，在该状态下，使第一和第二旋转工具沿着接合部移动，通过第一和第二旋转工具在接合部的板厚方向的整个区域进行摩擦搅拌。

说明书

技术领域

本发明涉及用于对金属材料的接合部从双面进行摩擦搅拌并接合的双面摩擦搅拌接合方法及装置、以及双面摩擦搅拌接合用工具组。

背景技术

公知有一种这样的摩擦搅拌接合技术：一边使旋转工具旋转，一边使设在旋转工具的工具主体上的肩台部的表面与接合部件的表面相接触，利用肩台部的表面与接合部件的表面的摩擦热进行摩擦搅拌，将接合部件在熔点以下的固相状态对材料进行搅拌并接合。该接合技术以铝合金为主体，正在各种工业领域中实际应用。

以往的摩擦搅拌接合技术大体上分为单面摩擦搅拌接合和双面摩擦搅拌接合。

单面摩擦搅拌接合是最常见的方法，例如专利文献1(日本专利第2712838号公报)的图12所示。该单面摩擦搅拌接合是，使用在工具主体的前端部设置比其直径小的探针、并将工具主体的前端部上的探针安装部的周围作为肩台部而构成的旋转工具，将该旋转工具从两张金属板的接合部(例如对接部)的单面侧插入，利用通过使旋转工具旋转而产生的摩擦热进行摩擦搅拌并接合。

双面摩擦搅拌接合的方法有两种。

双面摩擦搅拌接合的第一种方法是，在两张金属板的接合部(例如对接部)的表面侧和背面侧，使用通常被称为双轴肩(bobbin tool)的一根旋转工具对接合部进行摩擦搅拌并接合，例如专利文献1(日本专利第2712838号公报)的图2a所示。

双面摩擦搅拌接合的第二种方法是，将两根旋转工具以探针前端之间实质上没有间隙的状态相对地配置在金属板的接合部(例如对接部)的表面侧和背面侧，从接合部的两侧进行摩擦搅拌并接合，例如专利文献1(日本专利第2712838号公报)的图14a所示。

专利文献1：日本专利第2712838号公报

在专利文献1记载的单面摩擦搅拌接合及双面摩擦搅拌接合中，存在以下问题。

第一是经济性和工具寿命的问题。

专利文献1记载的单面摩擦搅拌接合所使用的旋转工具的探针长度是与金属板的厚度相同的长度。

此外，双面摩擦搅拌接合所使用的双轴肩的探针长度也与单面摩擦搅拌接合一样，是与金属板的厚度相同的长度。而且，在表背面相对地配置的两根旋转工具的探针插入量是金属板厚度的一半。

因此，如果金属板的厚度不同，则不得不根据其厚度改变探针长度，因此，需要与金属板的厚度相应地准备多个具有不同探针长度的旋转工具，从而存在经济性差的问题。

此外，在双轴肩中，反驱动侧的肩台部的摩擦搅拌做功经由探针传递动力。因此，为了驱动比探针直径大的肩台部，必须使探针的截面系数为与单面摩擦搅拌接合装置的工具的截面系数相比时的至少2倍以上。由此，由于探针的直径变大，所以也需要增大肩台直径，摩擦搅拌范围也扩大，消耗能量增加，且装置大型化，因此存在经济性差的问题。

此外，摩擦搅拌接合在作为熔点较低的材料的铝等非铁合金的领域中已被实际应用。通常，在摩擦搅拌接合中，需要通过摩擦搅拌热使材料温度上升至熔点的80％左右。在超过1000℃的高熔点材料的接合中，基于每单位接合长度的摩擦搅拌的投入能量变高，而且变形阻力值也变高，因此，在旋转工具中谋求高的耐热强度和破坏韧性，从而不得不使用昂贵的多晶金刚石等材料。

再有，即使使用这些工具材料，也由于热冲击、工具的磨损以及作用在探针上的弯曲应力等，使工具寿命变短，成为妨碍摩擦搅拌接合对超过1000℃的高熔点材料的普及的主要原因。

第二是接合不良的问题。

在专利文献1的图2a记载的双轴肩中，使表背面的肩台部和探针成为一体，因此表背面的肩台面之间的距离在工具的构造上是固定的。

此外，在专利文献1的图14a记载的双面摩擦搅拌接合中，以在表背面相对地配置的两根旋转工具的探针前端之间实质上没有间隙的状态进行摩擦搅拌接合，因此，表背面的肩台面之间的距离被固定在与金属板的厚度相应的接合设定位置。

在这样的固定了肩台面之间的距离的状态下的双面摩擦搅拌接合中，当金属板的厚度发生微小变动时，肩台面与金属板表面的接触面的面压力发生变动。由于该面压力的变动，摩擦热量变动，存在接合部的品质下降的问题。

再有，在专利文献1的图2a记载的双轴肩中，由于在表背面相对地配置的旋转工具的肩台部的垂直轴心相同，所以不能使旋转工具的轴心倾斜，难以施加搅拌所需的希望的面压力。在不能施加搅拌所需的希望的面压力的情况下，接合部的流动性降低，存在引起接合缺陷的问题。

第三是因摩擦力而导致的金属板的断裂的问题。

在双面摩擦搅拌接合中，由于摩擦力而在表背面的肩台面所夹的金属板部分中产生剪切力，当该剪切力超过材料的容许剪切力时，金属板就会断裂。

进行摩擦搅拌接合的材料(金属板)的容许剪切力根据板厚而变化，板厚薄时，容许剪切力降低。

根据本发明的发明人们所进行的实验，确认了在金属板的板厚为3mm以下的情况下，特别容易发生金属板的断裂。

发明内容

本发明的第一目的是提供一种在双面摩擦搅拌接合中经济性好且能够提高接合部的强度的双面摩擦搅拌接合方法及装置、以及双面摩擦搅拌接合用工具组。

本发明的第二目的是提供一种在双面摩擦搅拌接合中还能够提高旋转工具的寿命的双面摩擦搅拌接合方法及装置、以及双面摩擦搅拌接合用工具组。

本发明的第三目的是提供一种在双面摩擦搅拌接合中还能够减少接合不良和金属板的断裂从而进行具有高可靠性的接合的双面摩擦搅拌接合方法及装置、以及双面摩擦搅拌接合用工具组。

解决上述技术问题的第一发明是一种双面摩擦搅拌接合方法，将第一和第二旋转工具相对地配置在两张金属板的接合部的表面侧和背面侧，通过该第一和第二旋转工具对所述接合部进行摩擦搅拌，将所述两张金属板摩擦搅拌接合，其特征在于，所述第一和第二旋转工具中的一个旋转工具构成为具有在前端部分形成有肩台部的工具主体、和从该工具主体的前端部分突出地形成的至少一个突起部，所述第一和第二旋转工具中的另一旋转工具构成为具有在前端部分形成有肩台部的工具主体、和在该工具主体的前端部分形成并在所述两张金属板接合时收纳所述突起部的前端部的至少一个凹部，将所述第一和第二旋转工具在所述两张金属板的接合部的表面侧和背面侧相对地配置，使所述第一和第二旋转工具旋转，并使所述第一和第二旋转工具向彼此接近的方向移动，而将所述第一旋转工具的突起部的前端部插入到所述第二旋转工具的凹部内，并将所述第一和第二旋转工具的所述肩台部的肩台面按压在所述接合部的表面侧和背面侧，在将所述第一旋转工具的突起部的前端部插入到所述第二旋转工具的凹部内，并将所述第一和第二旋转工具的所述肩台部的肩台面按压在所述接合部的表面侧和背面侧的状态下，使所述第一和第二旋转工具沿着所述接合部移动，通过所述第一和第二旋转工具在所述接合部的板厚方向的整个区域进行摩擦搅拌。

此外，解决上述技术问题的第二发明是，在上述接合方法中，其特征在于，所述第一和第二旋转工具的材质为烧结碳化钨的超硬合金或钨合金，通过所述第一和第二旋转工具接合的两张金属板由熔点在1000℃以上的材料构成。

此外，解决上述技术问题的第三发明是，在上述接合方法中，其特征在于，以使得所述相对地配置的所述第一和第二旋转工具的前端部分向着所述第一和第二旋转工具相对于所述接合部的移动方向先行的方式，使所述第一和第二旋转工具的各自的轴心倾斜。

此外，解决上述技术问题的第四发明是，在上述接合方法中，其特征在于，使所述相对地配置的所述第一和第二旋转工具的旋转方向在所述两张金属板的接合部的表面侧和背面侧为相反方向。

此外，解决上述技术问题的第五发明是，在上述接合方法中，其特征在于，在摩擦搅拌接合开始前，通过位置控制使所述第一和第二旋转工具中的至少一个旋转工具相对于金属板的厚度方向移动至预定插入深度，在保持该旋转工具的插入深度的状态下，从所述两张金属板的接合部端面通过位置控制将该旋转工具向接合行进方向进给而开始摩擦搅拌接合，在摩擦搅拌接合开始后，切换为控制该旋转工具的插入位置的负荷恒定控制，以使该旋转工具的负荷成为规定的值，在到达摩擦搅拌接合结束的接合终端部之前，切换为保持该时刻的该旋转工具的插入位置的位置控制，并通过接合部终端部。

此外，解决上述技术问题的第六发明是一种双面摩擦搅拌接合装置，将第一和第二旋转工具相对地配置在两张金属板的接合部的表面侧和背面侧，通过该第一和第二旋转工具对所述接合部进行摩擦搅拌，将所述两张金属板摩擦搅拌接合，其特征在于，具有：工具旋转驱动装置，将所述第一和第二旋转工具相对地配置在所述两张金属板的接合部的表面侧和背面侧，并旋转驱动所述第一和第二旋转工具；工具按压装置，使安装在所述工具旋转驱动装置上的所述第一和第二旋转工具向彼此接近的方向移动，而将所述第一和第二旋转工具按压在所述金属板的接合部的表面侧和背面侧；以及移动装置，使安装在所述工具旋转驱动装置上的所述第一和第二旋转工具沿着所述接合部移动，所述第一旋转工具具有在前端部分形成有肩台部的工具主体、和从该工具主体的前端部分突出地形成的至少一个突起部，所述第二旋转工具具有在前端部分形成有肩台部的工具主体、和在该工具主体的前端部分形成并在所述两张金属板接合时收纳所述突起部的前端部的至少一个凹部，所述工具按压装置在使安装在所述工具旋转驱动装置上的所述第一和第二旋转工具向彼此接近的方向移动时，将所述第一旋转工具的突起部的前端部插入到所述第二旋转工具的凹部内，并将所述第一和第二旋转工具的所述肩台部的肩台面按压在所述接合部的表面侧和背面侧，在将所述第一旋转工具的突起部的前端部插入到所述第二旋转工具的凹部内，并将所述第一和第二旋转工具的所述肩台部的肩台面按压在所述接合部的表面侧和背面侧的状态下，所述移动装置使所述第一和第二旋转工具沿着所述接合部移动，通过所述第一和第二旋转工具在所述接合部的板厚方向的整个区域进行摩擦搅拌。

此外，解决上述技术问题的第七发明是，在上述接合装置中，其特征在于，还具有倾斜支承装置，该倾斜支承装置以使得安装在所述工具旋转驱动装置上的所述第一和第二旋转工具的前端部分向着所述第一和第二旋转工具相对于所述接合部的移动方向先行的方式，将所述第一和第二旋转工具的各自的轴心倾斜地支承。

此外，解决上述技术问题的第八发明是，在上述接合装置中，其特征在于，所述工具旋转驱动装置使所述第一和第二旋转工具在所述接合部的表面侧和背面侧向相反方向旋转。

此外，解决上述技术问题的第九发明是，在上述接合装置中，其特征在于，还具有控制装置，该控制装置通过以下方式控制所述工具按压装置及移动装置：在摩擦搅拌接合开始前，通过位置控制使安装在所述工具旋转驱动装置上的所述第一和第二旋转工具中的至少一个旋转工具相对于金属板的厚度方向移动至预定插入深度，在保持该旋转工具的插入深度的状态下，从所述两张金属板的接合部端面通过位置控制将该旋转工具向接合行进方向进给而开始摩擦搅拌接合，在摩擦搅拌接合开始后，切换为控制该旋转工具的插入位置的负荷恒定控制，以使该旋转工具的负荷成为规定的值，在到达摩擦搅拌接合结束的接合终端部之前，切换为保持该时刻的该旋转工具的插入位置的位置控制，并通过接合部终端部。

此外，解决上述技术问题的第十发明是一种双面摩擦搅拌接合用工具组，对两张金属板的接合部从其表背面两侧进行摩擦搅拌，将所述两张金属板摩擦搅拌接合，其特征在于，具有第一和第二旋转工具，所述第一和第二旋转工具相对地配置在所述两张金属板的接合部的表面侧和背面侧，对所述接合部进行摩擦搅拌，所述第一旋转工具具有在前端部分形成有肩台部的工具主体、和从该工具主体的前端部分突出地形成的至少一个突起部，所述第二旋转工具具有在前端部分形成有肩台部的工具主体、和在该工具主体的前端部分形成并在所述两张金属板接合时收纳所述突起部的前端部的至少一个凹部，在将所述第一旋转工具的突起部的前端部插入到所述第二旋转工具的凹部内，并将所述第一和第二旋转工具的所述肩台部的肩台面按压在所述接合部的表面侧和背面侧的状态下，使所述第一和第二旋转工具沿着所述接合部移动，在所述接合部的板厚方向的整个区域进行摩擦搅拌。

此外，解决上述技术问题的第十一发明是，在上述工具组中，其特征在于，所述第二旋转工具的肩台面的直径与所述第一旋转工具的肩台面的直径相同。

再有，解决上述技术问题的第十二发明是，在上述工具组中，其特征在于，所述第二旋转工具具有从所述工具主体的前端部分突出地形成的至少一个突起部，所述突起部中的至少一个是环状的，所述凹部在所述环状的突起部的内侧形成。

发明的效果

根据本发明，能够得到以下效果。

在第一、第六和第十发明中，由于相对于接合部的表背面相对地配置的第一和第二旋转工具是分体的，所以在第一旋转工具的突起部向第二旋转工具的凹部内的插入量(第一和第二旋转工具之间的距离)不为0的范围内，能够自由调整其插入量。由此，即使金属板的厚度不同，也能够与金属板的厚度相匹配地将第一旋转工具的突起部插入到第二旋转工具的凹部内，并从两面对突起部的长度范围内的厚度的金属板在接合部的整个范围内进行摩擦搅拌接合。由此，不需要根据金属板的厚度来更换具有不同探针长度的旋转工具，因此不需要准备多个具有不同探针长度的旋转工具，能够抑制运转成本，提高经济性。

此外，第一和第二旋转工具是分体的，并且分别独立驱动。因此，与双轴肩的情况不同，背面侧旋转工具的肩台部的摩擦搅拌做功不需要经由探针传递动力，所以，无需像双轴肩的情况那样，在与单面摩擦搅拌接合装置的工具相比时，可以不使探针(突起部)的直径为单面摩擦搅拌接合装置的工具的至少2倍以上。由此，能够防止因探针的直径变大而导致的肩台直径的增大，因此，不会使装置大型化，通过这一点也能够提高经济性。

此外，由于第一和第二旋转工具在金属板的接合部的板厚方向的整个区域进行摩擦搅拌，所以能够提高接合部的强度。

此外，由于第一和第二旋转工具从接合部的表背面两侧进行摩擦搅拌接合，所以能够防止在单面摩擦搅拌接合中产生的向背衬板的热损失。因此，接合部的软化区域增加，能够使作用在1根旋转工具上的热负荷为1/2以下。而且，由于第一和第二旋转工具是分体的，并且两者间的距离(金属板厚度方向上的工具前端之间的距离)是可调整的，所以，如第五和第九发明那样，能够在至少一个旋转工具向接合部的压着中采用负荷控制。这样，通过采用负荷控制，能够避免因金属板厚度的微小变动而导致的肩台面3b、4b与金属板接合部表面的接触面上的面压力变动，降低热负荷的变动。由此，旋转工具的材质不需要使用昂贵的多晶金刚石等材料，如第二发明那样，旋转工具的材质可以是烧结碳化钨的超硬合金、钨合金等。其结果是，在熔点为1000℃以上的金属板的摩擦搅拌中，能够提供工具寿命长且经济的旋转工具。

再有，由于能够作用负荷控制，所以，能够根据金属板的厚度(接合部的厚度)的微小变动来调整第一旋转工具的突起部向第二旋转工具的凹部的插入量，由此，能够不固定上下的肩台面之间的距离地从两面进行摩擦搅拌接合。由此，能够避免因金属板的厚度的微小变动而导致的肩台面与金属板接合部表面的接触面上的面压力变动，抑制摩擦热量的变动，防止接合部J的品质低下(接合不良)，实现具有高可靠性的接合。

此外，由于第一和第二旋转工具是分体的，所以，如第三和第七发明那样，能够以第一和第二旋转工具的前端部分向着接合行进方向先行的方式使各个旋转工具轴心倾斜。由此，由于能够提高对金属板1、2的按压力，所以能够提高基于摩擦搅拌接合的接合部的流动性，抑制接合不良，实现具有高可靠性的接合。

再有，由于第一和第二旋转工具是分体的，所以，如第四和第八发明那样，能够使第一和第二旋转工具的旋转方向在接合部的表面侧和背面侧为相反的方向。由此，能够使来自接合部的表面侧的搅拌引起的剪切力与来自背面侧的搅拌引起的剪切力在接合部的内部抵消，能够防止材料的断裂，实现具有高可靠性的接合。该效果如第十一发明那样，在第一和第二旋转工具的肩台面的直径相同的情况尤其显著。

再有，由于摩擦搅拌而使得材料在第二旋转工具的凹部内软化流动，填充间隙。由此，插入到第二旋转工具的凹部中的第一旋转工具的突起部经由被软化填充到间隙中的材料而在凹部内受到内压力，结果作用制振力，由此，能够提高第一和第二旋转工具的半径方向的制振性能。其结果是，能够抑制颤动，实现均匀的摩擦搅拌，通过这一点也能够抑制接合不良，实现具有高可靠性的接合。

此外，如第十二发明那样，在第二旋转工具上也形成有从工具主体的前端部分突出的至少一个环状的突起部，并在其内侧形成供第一旋转工具的突起部插入的凹部，由此，在摩擦搅拌时，不仅是第一旋转工具的突起部，第二旋转工具的环状的突起部也在接合部的板厚方向上突入到接合部中，通过两个突起部进行摩擦搅拌。由此，能够缩短第一旋转工具的突起部的长度，因此能够减少摩擦搅拌接合时作用在该突起部上的旋转弯曲力矩，即使在金属板的板厚变厚的情况下，也能够不折损突起部地进行摩擦搅拌接合，能够提高旋转工具的寿命。

附图说明

图1是本发明的一个实施方式的双面摩擦搅拌接合用工具组的工具前端部分的放大剖视图，是表示接合时的工具组的使用状态的图。

图2是本发明的一个实施方式的双面摩擦搅拌接合用工具组的工具前端部分的放大剖视图，是表示各部分的尺寸关系的图。

图3是表示第一及第二旋转工具的接合距离(接合开始后的时间)与旋转工具的主轴旋转电动机负荷的变化的时间图。

图4是表示相对于接合部的表背面、使第一及第二旋转工具的配置位置颠倒的情况下的接合时的工具组的使用状态的图。

图5是本发明的其他实施方式的双面摩擦搅拌接合用工具组的工具前端部分的放大剖视图，是表示接合时的工具组的使用状态的图。

图6是本发明的又一其他实施方式的双面摩擦搅拌接合用工具组的工具前端部分的放大剖视图，是表示接合时的工具组的使用状态的图。

图7是本发明的又一其他实施方式的双面摩擦搅拌接合用工具组的工具前端部分的放大剖视图，是表示接合时的工具组的使用状态的图。

图8是本发明的又一其他实施方式的双面摩擦搅拌接合用工具组的工具前端部分的放大剖视图，是表示接合时的工具组的使用状态的图。

图9是将本发明的一个实施方式的双面摩擦搅拌接合装置的一部拆出进行表示的整体立体图。

图10是图9所示的双面摩擦搅拌接合装置的主要部分的简要主视图。

图11是表示图9所示的双面摩擦搅拌接合装置的上半侧和控制系统的图。

图12表示本发明的其他实施方式的金属板的双面摩擦搅拌接合装置，并表示以机械方式进行上下的旋转工具的轴心的同步的方式的图。

图13是表示将本发明的接合方法应用于两张金属板的对接焊接的情况下的接合时的状态，并表示上下的旋转工具与入出侧握持装置的位置关系(入出侧握持装置间距离)的图。

图14是表示将本发明的接合方法应用于两张金属板的重叠焊接的情况下的接合时的状态，并表示握持方式的图。

图15是表示将本发明的接合方法应用于两张金属板的重叠焊接的情况下的其他接合时的状态和握持方式的图。

图16是表示一边使上下的旋转工具旋转一边进行摩擦搅拌接合时的沿着接合方向(与图1的截面垂直的方向)的剖视图。

图17是表示使上下旋转工具的旋转方向为相同方向、使旋转工具的肩台直径相同、并且使旋转工具的轴心相对于旋转工具的行进方向以相同角度倾斜地进行摩擦搅拌接合的状态的立体图。

图18是表示使上下旋转工具的旋转方向为相同方向、使旋转工具的肩台直径相同、并且使旋转工具的轴心相对于旋转工具的行进方向以相同角度倾斜地进行摩擦搅拌接合的状态的剖视图。

图19是表示使上下旋转工具的旋转方向为相反方向、使旋转工具的肩台直径相同、并且使旋转工具的轴心相对于旋转工具的行进方向以相同角度倾斜地进行摩擦搅拌接合的状态的立体图。

图20是表示使上下旋转工具的旋转方向为相反方向、使旋转工具的肩台直径相同、并且使旋转工具的轴心相对于旋转工具的行进方向以相同角度倾斜地进行摩擦搅拌接合的状态的剖视图。

图21是将上下旋转工具的倾斜角度设定为0度(不使工具倾斜)地将上下旋转工具从接合部端面插入时的说明图。

图22是表示使上下旋转工具适度倾斜地将上下旋转工具从接合部端面插入时的状态的图。

图23是表示使旋转工具的轴心倾斜地以无压入的方式进行双面摩擦搅拌接合的运转方法的图。

图24是表示控制装置所进行的处理步骤的控制流程图。

图25是表示控制装置所进行的处理步骤的其他例子的控制流程图。

附图标记的说明

1、2金属板

3第一旋转工具(上旋转工具)

3a工具主体

3b肩台部

3c肩台面

3d突起部(探针)

4第二旋转工具(下旋转工具)

4a工具主体

4b肩台部

4c肩台面

4d凹部

5入侧上握持装置

5a、5b上、下握持板

6出侧下握持装置

6a、6b上、下握持板

7上工具旋转驱动装置

8下工具旋转驱动装置

9上壳体

10下壳体

11上导轨

12下导轨

15工具轴心

20a上旋转工具待机位置

20b下旋转工具待机位置

21a上摩擦搅拌接合开始位置

21b下摩擦搅拌接合开始位置

22a上摩擦搅拌接合结束位置

22b下摩擦搅拌接合结束位置

24摩擦搅拌开始金属板端面

27a上剪切力

27b下剪切力

45上工具按压装置

46下工具按压装置

47上移动装置

48下移动装置

49上筒体

50下筒体

51上主体箱

52下主体箱

53a上旋转用电动机

53b下旋转用电动机

61a、61b按压用电动机

62a、62b丝杠

63a、63b支承框架

64a、64b轴

65a、65b行走框架

66a、66b车轮

67a、67b行走电动机

71车轮

72丝杠

73行走用电动机

74行走装置

75控制装置

76a上倾斜支承装置

76b下倾斜支承装置

77a、77b角度调整用电动机

81a上位置测量器

81b下位置测量器

82a上载荷测量器

82b下载荷测量器

83控制装置

J接合部

θ1、θ2倾斜角

具体实施方式

下面参照附图说明本发明的实施方式。

图1和图2是本发明的一个实施方式的双面摩擦搅拌接合用工具组的工具前端部分的放大剖视图，图1表示接合时的工具组的使用状态，图2表示各部分的尺寸关系。接合的形态，例如是对接焊接。另外，在本说明书中，所谓接合部是指两张金属板的应被接合的部分，在对接焊接中相当于对接部，在重叠焊接中相当于重叠部。

在图1和图2中，本实施方式的双面摩擦搅拌接合用工具组具有第一和第二旋转工具3、4，该第一和第二旋转工具3、4相对地配置在两张金属板1、2的接合部(对接部)J的表面侧和背面侧，对接合部J进行摩擦搅拌。第一旋转工具3具有：将具有对接合部J进行按压的肩台面3b的肩台部3c形成在前端部分上的工具主体3a；和从肩台面3b突出地形成在该工具主体3a的前端部分上的销状的突起部(探针)3d。第二旋转工具4具有：将具有对接合部J进行按压的肩台面4b的肩台部4c形成在前端部分上的工具主体4a；和形成在该工具主体4a的肩台面4b上，并在进行两张金属板1、2的接合时将突起部3d的前端部收纳的凹部4d。

第一旋转工具3的突起部(探针)3d具有圆筒形的外周形状，第二旋转工具4的凹部4d也具有圆筒形的内周形状。在突起部(探针)3d的前端被插入到凹部4d内的状态下，在两者之间形成有呈圆筒形状的环状间隙。

在本说明书中，所谓“工具组”，是上述这样的两个旋转工具3、4的总称。本实施方式的接合方法是使用这样的工具组实施的接合方法，其简要说明如下。

首先，将第一和第二旋转工具3、4相对地配置在两张金属板1、2的接合部J的表面侧和背面侧。接下来，使第一和第二旋转工具3、4一边旋转一边向彼此接近的方向移动，将第一旋转工具3的突起部3d的前端部插入到第二旋转工具4的凹部4d内，并将第一和第二旋转工具3、4的肩台面3b、4b按压在接合部J的表面侧和背面侧。接着，在该状态下(将第一旋转工具3的突起部3d的前端部插入到第二旋转工具4的凹部4d内，并将第一和第二旋转工具3、4的肩台面3b、4b按压在所述接合部的表面侧和背面侧的状态)，使第一和第二旋转工具3、4一边旋转一边沿着接合部J移动。当在该移动期间进行摩擦搅拌时，突起部3d处于在接合部J的板厚方向的整个区域突入的状态。由此，接合部J的板厚方向的整个区域被摩擦搅拌，两张金属板1、2在接合部J的板厚方向的整个区域被接合。

在本实施方式的接合方法中，由于在接合部J的表背面相对地配置的第一和第二旋转工具3、4是分体的，所以，在第一旋转工具3的突起部3d在第二旋转工具4的凹部4d内的插入量(第一和第二旋转工具之间的距离)不为0的范围内，能够自由调整其插入量。由此，即使金属板1、2的厚度不同，也能够与金属板1、2的厚度相应地将第一旋转工具3的突起部3d插入到第二旋转工具4的凹部4d内，并在接合部J的整个范围内从两面对突起部3d的长度范围内的厚度的金属板进行摩擦搅拌接合。由此，不需要根据金属板的厚度而换成具有不同探针长度的旋转工具，因此不需要准备多个具有不同探针长度的旋转工具，能够抑制运转成本，提高经济性。

此外，第一和第二旋转工具3、4是分体的，并且分别独立驱动。因此，与双轴肩的情况不同，背面侧旋转工具的肩台部4c的摩擦搅拌做功不需要经由探针传递动力，所以，无需像双轴肩的情况那样，在与单面摩擦搅拌接合装置的工具相比时，可以不使探针(突起部)3d的直径为单面摩擦搅拌接合装置的工具的至少2倍以上。由此，能够防止因探针的直径变大而导致的肩台直径的增大，因此，不会使装置大型化，通过这一点也能够提高经济性。

此外，根据本实施方式的接合方法，由于第一和第二旋转工具3、4在对接的金属板1、2的接合部J的板厚方向的整个区域进行摩擦搅拌，所以能够提高接合部J的强度。

另外，由于第一和第二旋转工具3、4是分体的，并且两者间的距离是可调整的，所以，能够在至少一个旋转工具向接合部的压接中采用负荷控制(后述)。由于能够像这样采用负荷控制，所以，能够根据金属板的厚度(接合部的厚度)的微小变动来调整第一旋转工具3的突起部3d向第二旋转工具4的凹部4d的插入量，从而不固定上下的肩台面3b、4b之间的距离地从两面进行摩擦搅拌接合。由此，能够避免因金属板的厚度的微小变动而导致的肩台面3b、4b与金属板接合部表面的接触面上的面压力变动，能够抑制摩擦热量的变动，防止接合部J的品质低下(接合不良)，实现具有高可靠性的接合。

下面对第一和第二旋转工具3、4的材质进行说明。

单面的摩擦搅拌接合在作为熔点较低的材料的铝等非铁合金领域中已被应用。通常，在摩擦搅拌接合中，需要通过摩擦搅拌热使材料温度上升到熔点的80％左右。其结果是，在超过1000℃的高熔点材料的接合中，基于每单位长度的摩擦搅拌的投入能量变高，而且变形阻力值也变高，因此，旋转工具需要高的耐热强度和破坏韧性，而不得不使用昂贵的多晶金刚石等材料。

而且，即使使用这些工具材料，也由于热冲击、工具的磨损以及作用在探针或突起上的弯曲力矩等，使工具寿命变短，成为妨碍摩擦搅拌接合对超过1000℃的高熔点材料的普及的主要原因。

在本实施方式中，从接合部的表背面两侧进行摩擦搅拌接合，由此，能够防止在单面摩擦搅拌接合中产生的向背衬板的热损失。因此，接合部的软化区域增加，能够使施加在1根旋转工具上的热负荷为1/2以下。而且，如上所述，在至少一个旋转工具向接合部的压接中采用负荷控制(后述)，由此，能够避免金属板的厚度的微小变动而导致的肩台面3b、4b与金属板接合部表面的接触面上的面压力变动，从而降低热负荷的变动。由此，旋转工具的材质不必使用昂贵的多晶金刚石等材料，而使旋转工具的材质为烧结碳化钨的超硬合金、钨合金等。其结果是，在熔点为1000℃以上的金属板的摩擦搅拌中，能够一种提供工具寿命长且经济的旋转工具。

而且，根据本实施方式的接合方法，由于第一和第二旋转工具3、4是分体的，所以，能够以第一和第二旋转工具3、4的前端部分向着接合行进方向先行的方式，使各个旋转工具轴心倾斜(后述)。由此，能够提高对金属板1、2的按压力，因此能够提高摩擦搅拌接合的接合部的流动性，抑制接合不良，实现具有高可靠性的接合。

再有，由于第一和第二旋转工具3、4是分体的，所以能够使第一和第二旋转工具3、4的旋转方向在接合部J的表面侧和背面侧为相反方向(后述)。由此，来自接合部J的表面侧的搅拌引起的剪切力与来自背面侧的搅拌引起的剪切力能够在接合部J的内部抵消，从而能够防止材料的断裂，实现具有高可靠性的接合。该效果在使第一和第二旋转工具3、4的肩台面3b、4b的直径相同的情况下尤其显著。

图3是表示第一和第二旋转工具3、4的接合距离(接合开始后的时间)与旋转工具的主轴的旋转电动机负荷的变化的时间图。

当使不具有探针或突起部的旋转工具在接合方向上行进时，如果在旋转工具的肩台面与金属板的接触面上作用有偏心载荷，则存在产生颤动、摩擦搅拌不均匀、引起接合不良的问题。

根据本发明的发明人所进行的实验，使第一旋转工具3的突起部(探针)3d向第二旋转工具4的凹部4d的插入量超过0mm，由此，如图3的时间图所示，能够确认：在接合刚开始后的数秒中产生了颤动，但是随后振动能够被抑制。这是因为材料软化，在凹部4d中填充材料，由此，插入的第一旋转工具3的突起部3d经由被软化填充的材料而在第二旋转工具4的凹部4d内受到内压，结果作用制振力。其结果是，能够抑制颤动，实现均匀的摩擦搅拌，通过这一点也能够抑制接合不良，实现具有高可靠性的接合。

此外，如果在接合开始前就向凹部4d内填充相当于间隙的量的材料，也能够避免该振动。

图4是表示相对于接合部J的表背面，使第一及第二旋转工具的配置位置颠倒的情况下的接合时的工具组的使用状态的图。在图1中，在接合部J的表面侧配置在工具主体3a的前端部分具有突起部(探针)3d的第一旋转工具3，并在接合部J的背面侧配置在工具主体4a的前端部分具有凹部4d的第二旋转工具4，但是如图4所示，即使相对于接合部J的表背面，使第一旋转工具3和第二旋转工具4的配置位置颠倒，摩擦搅拌接合的效果也不会改变。

利用图2和表1来说明第一旋转工具3的各部分的尺寸关系及第一旋转工具3与第二旋转工具4的尺寸关系。

  金属板的板厚  肩台直径D1  突起部直径d1  突起部长度L1

  1  超过0mm，  1mm以下  超过3mm，  8mm以下  超过1mm，  4mm以下  超过接合板  厚，2mm以下  2  超过1mm，  3mm以下  超过5mm，  12mm以下  超过1mm，  6mm以下  超过接合板  厚，4mm以下  3  超过3mm，  6mm以下  超过8mm，  15mm以下  超过2mm，  8mm以下  超过接合板  厚，7mm以下  4  超过6mm，  10mm以下  超过12mm，  20mm以下  超过4mm，  10mm以下  超过接合板  厚，11mm以下

表1金属板的板厚与肩台直径及突起部形状(直径及长度)

在工具主体3a的前端部分具有突起部3d(探针)的第一旋转工具3的肩台部3c(肩台面3b)的直径D1及突起部3d的直径d1、突起部3d的长度L1，根据摩擦搅拌接合的金属板1、2的厚度、变形阻力以及接合条件而改变。

<第一旋转工具3的尺寸关系(肩台直径D1)>

首先，说明第一旋转工具3的肩台部3c(肩台面3b)的直径D1。肩台直径D1的主要决定因素是每单位时间投入到接合部的热量。在摩擦搅拌接合中，在摩擦发热量不足或摩擦发热量过多的情况下会引起接合不良。因此，需要选定能够产生希望的摩擦发热量的肩台直径D1。

根据本发明的发明人们所进行的至最大板厚为10mm的实验，通过采用表1所示的设定条件，能够获得良好的接合部。即，如果当金属板的板厚超过0mm但在1mm以下时，肩台直径D1超过3mm但在8mm以下；当板厚超过1mm但在3mm以下时，肩台直径D1超过5mm但在12mm以下；当板厚超过3mm但在6mm以下时，肩台直径D1超过8mm但在15mm以下；当板厚超过6mm但在10mm以下时，肩台直径D1超过12mm但在20mm以下，则能够在不存在摩擦发热量不足或摩擦发热量过多的状态下进行摩擦搅拌接合。由此，能够获得不会引起接合不良的良好的接合部。

(突起部直径d1)

接下来，对在工具主体3a的前端部分具有突起部3d(探针)的第一旋转工具3的肩台部3c(肩台面3b)的突起部3d的直径d1进行说明。

突起部直径d1的下限值的主要决定因素是在摩擦搅拌接合时作用在突起部3d上的力矩。如果突起部3d的直径d1小，则不能确保截面系数，有时会发生突起部3d的折损。因此，必须成为不会发生突起部3d的折损的截面系数。

此外，突起部直径d1的上限值的主要决定因素是摩擦搅拌接合时的摩擦发热量。摩擦发热量取决于肩台面3b与金属板表面的接触面积。与金属板表面接触的第一旋转工具3的肩台面3b的面积根据肩台直径D1和突起部直径d1的设定条件而变化。首先，突起部直径d1相对于肩台直径D1小是前提。然后，在突起部直径d1相对于肩台直径D1的比率大的情况下，金属板表面的接触面积变小，摩擦发热量有可能不足。因此，必须成为不会引起因摩擦发热量不足而导致的接合不良的突起部直径d1。

根据本发明的发明人们所进行的至最大板厚为10mm的实验，能够得到表1所示的设定条件。即，如果当金属板的板厚超过0mm但在1mm以下时，突起部3d的直径d1超过1mm但在4mm以下；当板厚超过1mm但在3mm以下时，突起部3d的直径d1超过1mm但在6mm以下；当板厚超过3mm但在6mm以下时，突起部3d的直径d1超过2mm但在8mm以下；当板厚超过6mm但在10mm以下时，突起部3d的直径d1超过4mm但在10mm以下，则确认了不会由于在摩擦搅拌接合时作用在突起部3d上的力矩而发生突起部3d的折损。

此外，在根据金属板的板厚、变形阻力等条件设定的肩台直径D1范围中，在上述范围内适当地选定突起部直径d1的上限值，由此确认了能够在不存在摩擦发热量不足的状态下实现摩擦搅拌接合。由此，能够获得不会引起接合不良的良好的接合部。

(突起部长度L1)

接下来，对在工具主体3a的前端部分具有突起部3d(探针)的第一旋转工具3的肩台部3c(肩台面3b)的突起部3d的长度L1进行说明。

突起部长度L1的决定因素是金属板的板厚。如果突起部3d的长度L1比金属板的板厚短，则通常会产生被称为未焊合缺陷(kissingbond)的未接合部。因此，突起部3d的长度L1必须成为没有未接合部且能够以全坡口状态接合的长度。

根据本发明的发明人们所进行的至最大板厚为10mm的实验，能够得到表1所示的设定条件。即，如果当金属板的板厚超过0mm但在1mm以下时，突起部3d的长度L1超过板厚但在2mm以下；当板厚超过1mm但在3mm以下时，突起部3d的长度L1超过板厚但在4mm以下；当板厚超过3mm但在6mm以下时，突起部3d的长度L1超过板厚但在7mm以下；当板厚超过6mm但在10mm以下时，突起部3d的长度L1超过板厚但在11mm以下，则确认了没有未接合部，能够以全坡口状态接合。

<第二旋转工具4的尺寸关系的说明>

此外，在工具主体4a的前端部分具有凹部4d的第二旋转工具4的肩台部4c(肩台面4b)的直径D2以及凹部4d的直径d2、凹部4d的深度L2是根据第一旋转工具3的肩台直径D1、突起部直径d1、突起部长度L1而决定的。根据本发明的发明人们所进行的实验，第二旋转工具4的肩台直径D2优选采用与第一旋转工具3的肩台直径D1相同的值。而且，凹部直径d2比突起部直径d1大，优选为d1+2mm以下。而且，凹部深度L2比突起部长度L1大，在L1+1mm以下时能够得到良好的接合部。

(凹部的直径d2＝d1+2mm、长度L2＝L1+1mm的说明)

在本发明的接合方法中，如后所述，优选在以第一和第二旋转工具3、4的前端部分向着接合行进方向(垂直于图1的纸面的方向)先行的方式使第一和第二旋转工具3、4的轴心倾斜的状态下，进行摩擦搅拌接合。

在该情况下，凹部直径d2及凹部长度L2由基于摩擦搅拌接合的金属板的板厚、第一旋转工具3的突起部3d的直径d1及长度L1、突起部3d向凹部4d的插入量、第一和第二旋转工具3、4的轴心的倾斜角度的几何学上的关系而确定。

凹部直径d2及凹部长度L2由突起部3d能够无干涉地插入到凹部4d内并且倾斜的凹部直径d2及凹部长度的最小值来决定。

如果使凹部直径d2及长度L2变大，则突起部3d虽然能够无干涉地插入到凹部4d内并且倾斜，但是，过大会导致向凹部4d流动的材料变多，从而成为产生接合不良的原因。

根据本发明的发明人们所进行的最大10mm为止的实验，如果凹部4d的直径d2为d1+2mm以下，且凹部4d的长度L2为L1+1mm以下，则确认了能够得到突起部3d不会在凹部4d内干涉、并且不会引起接合不良的良好的接合部。

虽然没有图示，但可以根据摩擦搅拌接合的金属板的材质对第一和第二旋转工具3、4的肩台面3b、4b实施螺旋槽的加工，对突起部3b实施螺纹加工，对凹部4d实施内螺纹加工等，由此能够提高摩擦搅拌接合中的搅拌效率。

此外，在图1、图2中，使探针或突起直径d1及凹部直径d2在各自的长度L1、L2内为相同的直径并进行了图示，但是即使加工成圆锥状，摩擦搅拌接合的效果也不会改变。

图5～图8表示本发明的实施方式的双面摩擦搅拌接合用工具组的其他形状的简要剖视图。

图5表示第一变形例。在该变形例中，第一旋转工具3A具有与图1所示的第一旋转工具3大致相同的结构，在工具主体3a的前端部分形成有从肩台面3b突出的销状的突起部(探针)3d。但是，突起部3d的长度L1比图1所示的第一旋转工具3短。第二旋转工具4A具有从工具主体4a的肩台面4b突出地形成、且外周面为圆锥形状、内周面为圆筒形状的环状的突起部4e，凹部4d形成在该环状的突起部4e的内侧。

摩擦搅拌时，不仅是突起部3d，突起部4e也在接合部J的板厚方向突入到接合部J中，通过突起部3d和突起部4e双方在接合部J的板厚方向的整个区域进行摩擦搅拌。

通过实施图5那样的变形，能够缩短在第一旋转工具3A的工具主体3a的前端部分上从肩台面3b突出地形成的销状的突起部(探针)3d的长度L1，使摩擦搅拌接合时作用在突起部3d上的旋转弯曲力矩变小，由此，即使在金属板1、2的板厚变厚的情况下，也能够不折损突起部3d地进行摩擦搅拌接合。

图6表示第二变形例。在该变形例中，第二旋转工具4B具有与图5所示的第二旋转工具4A大致相同的结构。第一旋转工具3B除了具有上述第一旋转工具3、3A的结构以外，还具有在工具主体3a的前端部分上从肩台面3b突出地形成的环状的第二突起部3e。该第二突起部3e具有与突起部3d大致相同的长度，并且外周面为圆筒形状，内周面为圆锥形状。此外，突起部3e包围着突起部3d，在两者之间形成有用于对第二旋转工具3B的突起部4e的前端部进行收纳的环状的凹部3f。

摩擦搅拌时，不仅是突起部3d，突起部4e和突起部3e也在接合部J的板厚方向突入到接合部J中，通过突起部3d、3e这两个突起部和突起部4e在接合部J的板厚方向的整个区域进行摩擦搅拌。

图7表示第三变形例。在该变形例中，第一旋转工具3C具有比突起部3d短且内外周面都为圆筒形状的环状的第二突起部3g以取代图6所示的第二突起部3e。第二旋转工具4C具有内外周面都为圆筒形状的环状的突起部4f以取代图5和图6所示的突起部4e，在突起部4f的环状的前端面上形成有比凹部4d的深度浅、用于收纳第二突起部3g的前端部的环状的第二凹部4g。

摩擦搅拌时，突起部3d在板厚方向的整个区域突入到接合部J中，并且第二突起部3g和突起部4f也在接合部J的板厚方向突入到接合部J中，通过这些突起部3d、3g、4f在接合部J的板厚方向的整个区域进行双重摩擦搅拌。

图8表示第四变形例。在该变形例中，第一旋转工具3D具有与图7所示的第一旋转工具3C大致相同的结构。但是，环状的第二突起部3g具有与突起部3d大致相同的长度。第二旋转工具4D与图5所示的第二旋转工具4A一样，具有从工具主体4a的肩台面4b突出地形成的环状的突起部4h，凹部4d形成在该突起部4h的环形状的内侧。此外，凹部4d具有比图5的凹部4d大的直径，使得其不仅收纳第一旋转工具4D的突起部3d的前端部，还收纳第二突起部3g的前端部。

摩擦搅拌时，不仅是突起部3d，第二突起部3g和突起部4h也在接合部J的板厚方向突入到接合部J中，通过这些突起部3d、3g、4h在接合部J的板厚方向的整个区域进行摩擦搅拌。

在上述图6～图8的变形例中，也能够与图5的变形例同样地缩短突起部(探针)3d的长度L1，从而即使在金属板1、2的板厚变厚的情况下，也能够不折损突起部3d地进行摩擦搅拌接合。

接下来，对实施本发明的接合方法的双面摩擦搅拌接合装置的实施方式进行说明。

图9是将本发明的一个实施方式的双面摩擦搅拌接合装置的一部分拆出进行表示的整体立体图，图10是该双面摩擦搅拌接合装置的主要部分的简要主视图，图11是表示该摩擦搅拌装置部分的上半侧以及控制系统的图。

在图9～图11中，本实施方式的金属板的双面摩擦搅拌接合装置具有：分别对两张金属板1、2的表背面进行握持的入侧握持装置5及出侧握持装置6；将第一和第二旋转工具3、4相对地安装在两张金属板1、2的接合部J的表面侧和背面侧，并旋转驱动第一和第二旋转工具3、4的上下的工具旋转驱动装置7、8；使安装在上下的工具旋转驱动装置7、8上的第一和第二旋转工具3、4向彼此接近的方向移动，而将第一和第二旋转工具3、4按压在金属板1、2的接合部J的表面侧和背面侧上的上下的工具按压装置45、46；使安装在上下的工具旋转驱动装置7、8上的第一和第二旋转工具3、4沿着接合部J移动的上下的移动装置47、48。

如前所述，第一旋转工具3在工具主体3a的前端部分形成有从肩台面3b突出的突起部(探针)3d，第二旋转工具4在工具主体4a的肩台面4b上形成有收纳突起部3d的前端部的凹部4d。在本实施方式中，第一旋转工具3被安装在上工具旋转驱动装置7上，第二旋转工具4被安装在下工具旋转驱动装置8上，因此，在以下的说明中，将第一旋转工具3称为上旋转工具，将第二旋转工具4称为下旋转工具。

上下的工具按压装置45、46在使安装在上下的工具旋转驱动装置7、8上的上下的旋转工具3、4向彼此接近的方向移动时进行控制，使上旋转工具3的突起部3d的前端部插入到下旋转工具4的凹部4d内，并将上下的旋转工具3、4的肩台部3c、4c的肩台面3b、4b按压在接合部J的表面侧和背面侧。

在通过上下的工具旋转驱动装置7、8旋转驱动上下的旋转工具3、4、通过上下的工具按压装置45、46将上旋转工具3的突起部3d的前端部插入到下旋转工具4的凹部4d内并将上下的旋转工具3、4的肩台部3c、4c的肩台面3b、4b按压在接合部J的表面侧和背面侧的状态下，上下的移动装置47、48进行控制，使上下的旋转工具3、4沿着接合部J移动，通过旋转工具3、4在接合部J的板厚方向的整个区域进行摩擦搅拌接合。

入侧握持装置5和出侧握持装置6分别具有上下的握持板5a、5b和6a、6b，上、下握持板5a、5b和6a、6b通过具有未图示的驱动装置的开闭机构而能够开闭。

上下的工具旋转驱动装置7、8分别具有保持上下的旋转工具3、4的上下的筒体49、50，筒体49、50至少一部分被收纳在上主体箱51和下主体箱52内。在筒体49、50内内置有分别旋转驱动旋转工具3、4的上旋转用电动机53a和下旋转用电动机53b。

如图11所示，上工具按压装置45具有：设置在上主体箱51内的按压用电动机61a；由该按压用电动机61a旋转驱动的丝杠62a；通过该丝杠62a的旋转而在丝杠62a的轴向上直线移动的支承框架63a，上工具旋转驱动装置7的筒体49以与支承框架63a一体地在丝杠62a的轴向上直线移动的方式被安装在支承框架63a上。

虽然未图示，但下工具按压装置46也同样地构成。在以下的说明中，在对下工具按压装置46的与上工具按压装置45等同的要素进行表示的参照附图标记上添加后缀b来取代后缀a。

上移动装置47具有：固定在上壳体9上的左右的上导轨11、11；通过轴64a、64a支承上主体箱51的左右的行走框架65a、65a；设置在左右的行走框架65a、65a上，并在上导轨11、11上行走的左右、前后的车轮66a、66a；安装在左右的行走框架65a、65a上，驱动前后车轮中的至少一个的行走用电动机67a、67a，上工具旋转驱动装置7及上工具按压装置45在上导轨11、11上沿着金属板1、2的接合部J在与金属板1、2的行进方向垂直的方向上行走。

下移动装置48也同样地构成，下工具旋转驱动装置8及下工具按压装置46在固定在下壳体10上的下导轨12、12上，沿着金属板1、2的接合部J在与金属板1、2的行进方向垂直的方向上行走。在以下的说明中，在对下移动装置48的与上移动装置47等同的要素进行表示的参照附图标记上添加后缀b来取代后缀a。

在图9～图11所示的结构中，上下的工具旋转驱动装置7、8在上下导轨11、11和12、12上行走时的上下的旋转工具3、4的轴心的同步，是通过由控制装置83(后述)对上移动装置47的行走用电动机67a、67a和下移动装置48的行走电动机67b、67b进行同步控制的电气控制方式来进行的。

图12是表示以机械方式进行上下的旋转工具3、4的轴心的同步的方式的图。上下的工具旋转驱动装置7、8固定在以C型一体连结的上下的壳体9A、10A上，相对于该C型的上下壳体9A、10A，设有由车轮71、丝杠72和行走用电动机73构成的行走装置74。车轮71设在下壳体10A上，丝杠72与下壳体10A卡合，行走用电动机73旋转驱动丝杠72。当通过控制装置75的指令驱动行走用电动机73时，丝杠72旋转，上下壳体9A、10A在上下的旋转工具3、4的轴心同步的状态下在与金属板1、2的行进方向垂直的方向上行走。

返回图11，本实施方式的接合装置还具有上倾斜支承装置76a和下倾斜支承装置76b，该上倾斜支承装置76a和下倾斜支承装置76b以使安装在上下的工具旋转驱动装置7、8上的上下的旋转工具3、4的前端部分向着旋转工具3、4的行进方向先行的方式，倾斜地支承工具轴心15。上下的倾斜支承装置76a、76b是角度调整式的，被设置在左右的行走框架65a、65a、65b、65b中的一个上，并具有对行走框架65a、65b所支承的轴64a、64b进行旋转驱动的角度调整用电动机77a、77b。倾斜支承装置76a、76b也可以是将上下旋转工具3、4的轴心15倾斜地固定支承的固定方式的。

本实施方式的接合装置所具有的控制系统将在后面说明。

<接合方法>

接下来，用图13～图25对使用上述的接合装置实施的本发明的一个实施方式的金属板的双面摩擦搅拌接合方法(以下适当地简称为接合方法)进行说明。

图13是表示将本发明的接合方法应用于两张金属板的对接焊接的情况下的接合时的状态，并表示上下的旋转工具3、4与入出侧握持装置5、6的位置关系(入出侧握持装置间距离)的图。

如图13所示，在通过双面摩擦搅拌接合进行金属板1、2的对接接合的情况下，将上下2根旋转工具3、4从表面侧和背面侧插入到两张金属板1、2的接合部J(对接部)中，利用通过使上下的旋转工具3、4旋转而产生的摩擦热进行摩擦搅拌，将两张金属板1、2接合。

在本实施方式的接合方法中，首先，隔着上下的旋转工具3、4，通过配置在其两侧的入侧握持装置5和出侧握持装置6分别握持两张金属板1、2的表背面。接着，驱动工具按压装置45、46，使分别在两张金属板1、2的接合部J即对接部的表面侧和背面侧相对地配置的上下的旋转工具3、4以彼此接近的方式移动，而使上旋转工具3的突起部(探针)3d插入到下旋转工具4的凹部4d中，在不存在未接合部的状态下对接合部J的板厚方向的整面进行摩擦搅拌接合。

此外，驱动工具旋转驱动装置7、8，使相对地配置的上下的旋转工具3、4向相反方向旋转，并将旋转工具3、4的肩台面3b、4b按压在两张金属板1、2的接合部J即对接部的表面侧和背面侧上进行摩擦搅拌。此时，上下的旋转工具3、4从表面侧和背面侧按压金属板1、2的对接部J(接合部)的按压力在表面侧和背面侧是相同的。

然后，在该状态(将上旋转工具3的突起部3d插入到下旋转工具4的凹部4d中、且将上下的旋转工具3、4的肩台面3b、4b按压在对接部J的表面侧和背面侧上的状态)下，驱动移动装置47、48，并沿着对接部J使上下的旋转工具3、4一边旋转一边在与金属板1、2的行进方向垂直的方向上移动，进行摩擦搅拌接合。

此外，在本实施方式的接合方法中，通过倾斜支承装置76a、76b使上下的旋转工具3、4的前端部分向朝着旋转工具3、4的行进方向先行的方向倾斜，在该状态下，使旋转工具3、4一边旋转一边在与金属板1、2的行进方向垂直的方向上移动，进行摩擦搅拌接合(参照图16、图17、图19、图22、图23)。

图14和图15是表示将本发明的接合方法应用于两张金属板的重叠接合的情况下的接合时的状态的图，在图14和图15中，示出了将本发明的接合方法应用于对接接合的情况下的握持方式的不同。

如图14和图15所示，与对接的双面摩擦搅拌接合一样，在重叠的金属板1、2的双面摩擦搅拌接合中，本发明的发明人们也是在上下的旋转工具3、4的至少一个旋转工具的前端部分形成从肩台面3b突出的突起部3d，在相对的另一个旋转工具的前端部分的肩台面4b上形成收纳突起部3d的前端部的凹部4b，在将一个旋转工具的突起部3d的至少前端部插入到另一个旋转工具的凹部4d内的状态下，使旋转工具3、4沿着接合部J移动，进行金属板1、2的摩擦搅拌接合。

在将本发明应用于重叠焊接时，由入出侧握持装置5、6进行的金属板1、2的握持有对重叠的金属板1、2进行握持的情况、和对金属板1、2分别单独地进行握持的情况。

图14是前者的例子，较长地获取两张金属板的重叠部，入出侧握持装置5、6将作为接合部的重叠部的两侧的金属板1、2两张一起握持。图15是后者的例子，入出侧握持装置5、6握持作为接合部的重叠部的两侧的金属板1、2的每一张。

在图14的例子中，接合时难以提高重叠部的紧贴度。此外，由于入出侧握持装置5、6所位于的高度不同，所以需要高度调整机构。在该意义上，认为图14的例子是优选的。

通过如上述那样利用图9～图12所示的接合装置实施本发明的接合方法，如在工具组的实施方式中所说明的那样，能够提高旋转工具寿命，经济性好，并且能够抑制接合不良和金属板的断裂，能够进行具有高可靠性的接合。

下面说明本实施方式的接合方法及装置的更详细的特征。

首先，就上下的旋转工具3、4的轴心的倾斜进行说明。

图16是一边使旋转工具3、4旋转一边进行摩擦搅拌接合时的沿接合方向(与图1的截面垂直的方向)的剖视图。

在本实施方式中，在工具轴心15向上下的旋转工具3、4的前端部分相对于旋转工具3、4的行进方向分别先行方向倾斜的状态下，一边使旋转工具3、4旋转一边进行摩擦搅拌接合。

下旋转工具4的凹部4d的直径d2根据上旋转工具3的突起部4的直径d1、长度L1以及倾斜角θ1而被设定成上下旋转工具3、4不会发生干涉的大小。

这样，通过使旋转工具3、4的轴心15倾斜，能够提高旋转工具3、4的肩台面3b、4b与材料之间的面压力，能够提高摩擦搅拌接合的接合部的流动性，抑制接合缺陷。

此外，在下旋转工具4的凹部4d中，由于摩擦搅拌而使得材料软化流动，填充间隙。由此，插入到下旋转工具4的凹部4d中的上旋转工具3的探针或突起部4隔着被软化填充到间隙中的材料在另一个工具的凹部4d内受到内压力，结果作用制振力，由此，能够提高上下旋转工具3、4的半径方向的制振性能。其结果是，能够抑制颤动，实现均匀的摩擦搅拌，通过这一点也能够抑制接合不良，提高接合部的强度。

这里，在工具轴心15的倾斜角度过大的情况下，行进方向后侧的肩台面对金属板1、2的插入量增加。其结果是，与向金属板1、2插入的肩台部3c、4c的体积相当的量的接合部的材料被排出到焊缝外部，会发生接合部的厚度的局部减小，接合部的强度降低。特别是在接合的金属板1、2的板厚薄到2mm以下的情况下，存在接合部的厚度的减少的比例大，从接合部发生板断裂的问题。

因此，在金属板1、2的板厚为2mm以下的情况下，通过使倾角θ1或θ2超过0°但在3°以下，从而能够抑制因接合部厚度的局部减少而导致的接合部的强度降低，能够抑制从接合部发生板断裂。此外，为了抑制接合部的厚度的局部减少，优选使倾角θ1或θ2超过0°但在2°以下，更优选超过0°但在1°以下。

下面，就上下的旋转工具3、4的旋转方向进行说明。

图17和图18是表示使上下旋转工具3、4的旋转方向为相同方向、使旋转工具3、4的肩台部3d、4d(肩台面3b、4b)的直径(肩台直径)相同、并且使旋转工具3、4的轴心15相对于旋转工具3、4的行进方向以相同角度倾斜而进行摩擦搅拌接合的状态的图，图17是立体图，图18是剖视图。

如图17和图18所示，在上下旋转工具3、4的旋转方向为相同方向的情况下，在表背面被夹在肩台部3c、4c之间的金属板的软化区域部分中，上剪切力27a和下剪切力27b的剪切力在作用在同一方向上。因此，在金属板1、2的厚度薄的情况下，有可能作用有超过容许剪切力的剪切力，导致材料断裂。

图19和图20是表示使上下旋转工具3、4的旋转方向为相反方向、使旋转工具3、4的肩台部3c、4c(肩台面3b、4b)的直径(肩台直径)相同、并且使旋转工具3、4的轴心15相对于旋转工具3、4的行进方向以相同的角度倾斜而进行摩擦搅拌接合的状态的图，图19是立体图，图20是剖视图。

在本实施方式中，如图19和图20所示，上下的旋转工具3、4的旋转方向在表面侧和背面侧是相反方向。由此，能够使来自表面侧的搅拌引起的剪切力27a与来自背面侧的搅拌引起的剪切力27b在接合部的内部抵消，从而能够防止材料的断裂。此外，能够降低握持装置5、6的握持力，从而简化握持装置5、6。

此外，以使上下旋转工具3、4的旋转速度成为同一速度的方式，从控制装置83向用来旋转驱动的上旋转用电动机53a和下旋转用电动机53b送出指令，进行控制，由此，能够使从表背面向接合部的投入热量以及由摩擦力引起的剪切力相同。

由此，残留应力在板厚方向上是均匀的，不会在表背面产生抗拉伸、抗弯曲强度差，能够防止强度可靠性降低。

接下来，用图13～图15对入出侧握持装置5、6间的距离与旋转工具的直径的关系进行说明。

在金属板1、2的材料刚性低的情况下，即在金属板的板厚t1、t2比上下旋转工具3、4的肩台部3c、4c的直径小、薄的情况下，或在高温变形阻力σ1、σ2低的情况下，优选入侧握持装置5与出侧握持装置6之间的距离Lc为旋转工具3、4的工具主体直径D1或D2的1.5倍以上且5倍以下，如图13所示，在上下旋转工具3、4的附近进行握持。即，优选满足下述式子地相对于上下的旋转工具3、4配置入出侧握持装置5、6。

Lc＝D3(D4)×(1.5～5)

Lc＝Lc1+Lc2

Lc：入出侧握持装置间距离

Lc1：旋转工具轴心与入侧握持装置间距离

Lc2：旋转工具轴心与出侧握持装置间距离

D3：上旋转工具的工具主体直径

D4：下旋转工具的工具主体直径

在本发明中，如上述那样设定握持装置间距离与工具直径的关系的理由如下。

在金属板1、2的材料刚性低的情况下，即在金属板的板厚t1、t2薄的情况下，或在高温变形阻力σ1、σ2低的情况下，若用入出侧握持装置5、6握持金属板1、2进行摩擦搅拌接合，则由于摩擦搅拌接合时产生的摩擦热所引起的热膨胀、热变形以及探针或突起通过时的排斥力和肩台部3c、4c的旋转所引起的对材料的剪切力，有可能会发生金属板1、2弯曲。本发明的发明人们对于这一点进行了反复研究，结果得出以下认识。

在金属板(钢板)的板厚为3mm以上的情况下，相对于工具直径D(＝D3＝D4)＝25mm，若握持装置间距离Lc为125mm以下，则能够不发生弯曲地进行接合。此时的握持装置间距离Lc为工具直径D的5倍以下。

此外，在金属板的板厚为3mm以下的情况下，当握持装置间距离Lc为工具直径D的5倍时，有可能发生弯曲，无法进行接合。

因此，确认了在金属板的板厚为3mm以下的情况下，如果根据板厚、材料的高温变形阻力值而在5倍以下的范围内适当地进行设定，则能够不发生弯曲地接合。

综上所述，使入出侧握持装置5、6间的距离Lc为工具直径D的5倍以下，由此，能够在不会由于摩擦搅拌接合时产生的摩擦热所引起的热膨胀、热变形以及探针或突起通过时的排斥力和肩台部3c、4c的旋转所引起的对材料的剪切力而发生弯曲的情况下，将金属板1、2接合。

此外，在板厚为3mm以下的情况下，更优选入出侧握持装置5、6间的距离Lc为工具主体直径D的1.5倍以上3倍以下，进一步优选为工具主体直径D的1.5倍以上2倍以下。

另一方面，在利用旋转工具3、4进行摩擦搅拌时，由于接合部的负荷变动、可动部的间隙等，不可避免旋转工具3、4引起微振动，因此，若将入出侧握持装置5、6过于接近旋转工具3、4，则两者有可能发生干涉(接触)。通过使入出侧握持装置5、6间的距离Lc为工具直径D的1.5倍以上，由此，即使旋转工具3、4引起微振动，也能够防止旋转工具3、4与入出侧握持装置5、6之间的干涉，从而能够提高装置寿命。

如上述那样，使入出侧握持装置5、6间的距离Lc为旋转工具直径的1.5倍以上5倍以下，并通过握持装置5、6在肩台附近握持金属板1、2的表背面，由此，即使在金属板1、2薄、材料刚性低的情况下，也能够抑制由于摩擦搅拌接合时产生的摩擦热所引起的热膨胀、热变形以及探针或突起通过时的排斥力和肩台部的旋转所引起的对材料的剪切力而导致的金属板的弯曲，并且能够良好地保持金属板1、2的对接精度，进行稳定的接合。

下面，对无压入(plunging less)进行说明。

在以往的单面摩擦搅拌接合中，在摩擦搅拌开始前需要进行被称为压入的操作，该被称为压入的操作是，在旋转工具的肩台面与金属板1、2的表面接触的状态下使旋转工具旋转，由此，保持插入位置直到通过旋转工具的肩台面与金属板1、2的表面的摩擦发热使金属板材料的温度上升到材料软化的熔点的大约80％左右的温度。在金属板1、2软化之后，在使摩擦搅拌深度位置固定的状态下，或是在将摩擦搅拌装置的工具旋转用电动机负荷控制在一定值的同时，使旋转工具向接合方向移动，进行摩擦搅拌接合。该压入操作需要时间，相应地，接合所需的时间变长，在提高生产效率方面形成制约。

本发明的发明人们注意到，在进行双面摩擦搅拌接合时，由于在接合部的两面产生摩擦热，所以不存在单面摩擦搅拌接合中发生的那样的向背衬金属的热扩散，能够在短时间内实现温度上升，因此考虑可以省略摩擦搅拌接合开始前的压入工序，不从金属板1、2的端面进行压入而直接开始摩擦搅拌接合。其结果是，确认了能够通过上下旋转工具3、4使金属板1、2顺畅地塑性流动。

更优选的是，如果事先对上下旋转工具3、4的探针或突起部4与凹部4d之间的间隙进行摩擦搅拌等，并用与接合金属相同材质的材料填埋的话，则能够如前述那样，抑制由初期的偏心载荷而导致的振动。

因此，根据本发明的接合方法，能够实现省略了压入工序的无压入的摩擦搅拌接合，由此，能够缩短接合所需的时间，提高生产效率。

下面，对无压入和上下的旋转工具3、4的轴心的倾斜进行说明。

图21是将上下旋转工具3、4的倾斜角度设定为0度(不使工具倾斜)并将上下旋转工具3、4从接合部端面插入时的说明图。为了以无压入的方式开始摩擦搅拌，上下旋转工具3、4从接合部端面24插入时的工具插入位置由接合部J与旋转工具3、4的相对位置来确定。如图21所示，在旋转工具3、4的插入位置微小地偏移而成为过插入的情况下，在旋转工具3、4侧面按压接合部端面24，有可能引起使金属板1、2弯曲等问题的产生以及摩擦搅拌不良。

图22是表示使上下旋转工具3、4适度倾斜地将上下旋转工具3、4从接合部端面24插入时的状态的图。为了实现从接合部端面24开始的顺畅的工具插入，如图22所示，在使工具轴心14向上下旋转工具3、4前端部的探针13a、13b相对于行进方向先行的方向倾斜的状态下进行搅拌。此时的倾角θ1和θ2优选超过0°但在10°以下，更优选超过0°但在6°以下，进一步优选超过0°但在3°以下。

由此，由于旋转工具3、4从其肩台面卡合在接合部端面24上，因此不会在工具侧面按压接合部端面24，不会引起金属板弯曲等问题或摩擦搅拌不良，能够以无压入的方式顺利地开始摩擦搅拌接合。而且，在其后的接合过程中，由于上下旋转工具3、4的轴心是倾斜的，所以如上所述，能够提高旋转工具3、4的肩台与材料间的面压力，从而能够抑制在摩擦搅拌接合时产生的毛刺或接合缺陷。

下面，说明以无压入的方式进行双面摩擦搅拌接合的运转方法。

首先，说明该运转方法的控制系统。

如图10和图11所示，本实施方式的接合装置具有：安装在上主体箱51的下表面上的上位置测量器81a及安装在上工具旋转驱动装置7的简体49与支承框架63a之间的上载荷测量器82a；安装在下主体箱52的上表面上的下位置测量器(测力传感器)81b及安装在下工具旋转驱动装置8的筒体54与未图示的下工具旋转驱动装置8用的支承框架63b之间的下载荷测量器(测力传感器)82b；和控制装置83。控制装置83输入上下位置测量器81a、81b及上下载荷测量器82a、82b的测量值，进行规定的运算处理，并向上下工具旋转驱动装置7、8的旋转用电动机53a、53b、上下工具按压装置45、46的按压用电动机61a、61b、上下移动装置47、48的行走用电动机67a、67b发送指令信号，控制上下工具旋转驱动装置7、8、上下工具按压装置45、46、上下移动装置47、48的动作。在图示的例子中，上下位置测量器81a、81b是非接触式的，但也可以是接触式的。此外，在倾斜支承装置76a、76b是角度调整式的情况下，控制装置83根据事先设定的数据向倾斜支承装置76a、76b的角度调整用电动机77a、77b发送指令信号，使上下的旋转工具3、4的轴心15倾斜并将其以规定的角度支承。

图23是表示使旋转工具3、4的轴心15倾斜地以无压入的方式进行双面摩擦搅拌接合的运转方法的图。图24是表示图11所示的控制装置83所进行的处理步骤的控制流程图。

如图23和图24所示，在摩擦搅拌接合开始前，上下工具旋转驱动装置7、8处于待机位置20a、20b。在该待机位置20a、20b，上下旋转工具3、4处于轴心15倾斜的状态。此外，利用安装在上下主体箱51、52上的上下位置测量器81a、81b(参照图10和图11)测定接合部J与上下工具旋转驱动装置7、8之间的距离，并运算旋转工具3、4的预定插入深度(步骤S1)。接着，驱动上下按压用电动机61a、61b，通过位置控制使上下旋转工具3、4移动至预定插入深度(步骤S2)。此时，根据位置测量器81a、81b的测量值，将上下的旋转工具3、4的肩台面3b、4b设定在规定范围内(例如板厚t)。然后，在像这样通过位置控制保持着工具插入位置的状态下，驱动上下行走电动机67a、67b，使上下工具旋转驱动装置7、8向接合方向移动(步骤S2)，从接合部端面24的摩擦搅拌开始位置21a、21b开始摩擦搅拌接合。此时，如前所述，在保持位置控制的状态下从接合部端面24开始，一边使旋转工具3、4的肩台面3b、4b抵在接合部端面24上一边将旋转工具3、4插入金属板1、2，由此，以无压入的方式开始摩擦搅拌接合(参照图23等)。

在摩擦搅拌接合开始后，进行负荷恒定控制，即，根据上旋转工具3的上旋转用电动机53a的控制电流，以使上旋转用电动机53a的负荷成为规定值的方式控制工具插入位置(步骤S3)，在到达摩擦搅拌接合结束的摩擦搅拌结束位置22a、22b之前，切换成保持该时刻的工具插入位置的位置恒定控制(步骤S3→S4)，进行控制以通过摩擦搅拌结束位置22a、22b。对于下旋转工具4，在摩擦搅拌接合开始后也维持位置控制，在保持位置控制的状态下通过摩擦搅拌结束位置22a、22b(步骤S3→S4)。

这样，在摩擦搅拌接合开始后，对下旋转工具4维持位置控制，将上旋转工具3切换成负荷恒定控制，由此，即使在接合部J的厚度变动的情况下也能够稳定地进行摩擦搅拌。

此外，由于对上下旋转工具3、4的负荷是恒定的，所以能够抑制旋转工具3、4的损耗和折损，从而能够延长旋转工具3、4的寿命。

上述各步骤的控制是通过控制装置83输入上下位置测量器81a、81b的测量值，并根据该测量值和上下旋转用电动机53a、53b的控制电流向上下旋转用电动机53a、53b、上下按压用的电动机61a、61b、上下行走电动机67a、67b等各种执行机构发送动作指令而进行的。

另外，在上述运转方法中，上旋转工具3的负荷恒定控制是使用旋转用电动机53a的控制电流来进行的，但也可以取而代之，使用载荷测量器82a、82b的测量值来进行。此外，上下旋转工具3、4的位置控制是使用上下位置测量器81a、81b的测量值来进行的，但也可以取而代之，使用检测上下按压用电动机61a、61b的旋转量的编码器等旋转传感器来进行。

图25是表示控制装置83所进行的处理步骤的其他例子的控制流程图。在该例子中，在从图23的摩擦搅拌开始位置21a、21b到摩擦搅拌结束位置22a、22b的范围内，不只对上旋转工具4进行负荷恒定控制，而对上下旋转工具3、4都进行负荷恒定控制(步骤S3A)。在图23中，在摩擦搅拌开始位置21a、21b和摩擦搅拌结束位置22a、22b的范围内，该例子被补充记载在括号中。

在上下旋转工具3、4的控制方法中，在对下旋转工具4在摩擦搅拌接合后也进行位置恒定控制的情况下，金属板的下表面成为基准面。此时，在由于金属板的变形等而导致基准面不恒定的情况下，当材料薄(或材料的刚性低)、材料的变形阻力低时，通过基于只对上旋转工具3进行负荷恒定控制的从上旋转工具3对金属板的按压力，就能够使上下的摩擦搅拌范围基本一致。但是，当材料厚(或材料的刚性高)、材料的变形阻力高时，通过基于只对上旋转工具3进行负荷恒定控制的对金属板的按压力，有时难以使金属板的表背面的摩擦搅拌接合范围一致，这一点已经被确认。

在金属板的表背面的摩擦搅拌接合范围不同的情况下，有可能在板厚方向上产生残留应力的失衡，在表背面产生抗拉伸、抗弯强度差，从而成为使强度可靠性降低的一个原因。

此外，在对旋转工具中的一个进行位置控制的情况下，由于表背面上的按压力的失衡，会在握持金属板的握持装置5、6上产生基于按压力的力，因此，除了金属板的保持力，还需要对因该表背面的按压力的失衡而产生的作用在握持装置5、6上的力进行保持，所以可能导致握持装置5、6大型化。

因此，在金属板厚的情况下或金属板的刚性高的情况下，如图23的括号中以及图25的控制流程的步骤S3A中所记载的那样，在摩擦搅拌接合开始后，对下旋转工具4也进行旋转电动机负荷恒定控制，对上下旋转工具3、4都进行负荷恒定控制。由此，来自金属板的表面侧的投入热量以及投入热范围与来自背面侧的投入热量以及投入热范围相同，能够使表背面的残留应力均匀，防止金属板的翘曲。

另外，相反，在金属板十分薄的情况下或金属板的刚性十分低的情况下，包括摩擦搅拌中，可以始终对上下旋转工具3、4进行位置控制。