JP2006239734A - 溶接継手およびその形成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 疲労特性の低下を防止しうる溶接継手およびその形成方法を提供する。
【解決手段】 溶接継手は、２つの金属製被接合材1,2が溶融溶接されることにより形成された溶接金属部３が摩擦攪拌されたものである。この溶接継手を、２つの金属製被接合材1,2を溶融溶接法により溶接した後、両被接合材1,2の溶接金属部３に、摩擦攪拌接合用工具６のプローブ８を回転させつつ埋入し、当該プローブ８を回転させながら、両被接合材1,2と摩擦攪拌接合用工具６とを相対的に移動させ、両被接合材1,2の溶接金属部３を摩擦攪拌することにより形成する。
【選択図】 図２

Description

この発明は、溶接継手およびその形成方法に関する。

この明細書および特許請求の範囲において、「アルミニウム」という用語には、純アルミニウムの他にアルミニウム合金を含むものとする。

自動車産業、建築産業、電気機器産業、航空宇宙産業などの各種産業においては、金属製被接合材を溶接することにより種々の製品が形成されている。金属製被接合材の溶接には、一般にＴＩＧやＭＩＧなどの溶融溶接法が広く用いられているが、これらの溶融溶接法では溶接継手の溶接金属部にブローホール、融合不良、割れなどの溶接欠陥が生じるおそれがある。また、溶接継手の溶接金属部は溶融、再凝固によって生じる鋳造組織であり、母材に比べて結晶粒径が非常に大きくなる。そして、ブローホール、融合不良、割れなどの溶接欠陥や、粗大結晶粒は、溶接継手の疲労特性を低下させる要因となる。しかも、溶接速度を速くした場合には、溶接ビードの止端部が凹陥状にえぐられるアンダカットが発生して溶接継手の疲労強度が低下したり、溶接ビードの表面が凹凸状となる形状不良が発生して外観が低下するおそれがある。

上記溶接ビード止端部のアンダカットや溶接ビード表面の形状不良を修正する方法として、２つの金属製被接合材を溶融溶接法により溶接した後、整形ツールを両被接合材の溶接ビード表面および溶接ビード止端部の周辺に押し付けつつ相対移動することにより摩擦熱を発生させ、この摩擦熱により溶接ビード表面および溶接ビード止端部の周辺を塑性流動化しつつ整形ツールを移動させることにより、溶接ビード表面および溶接ビード止端部の形状を滑らかに整形する方法が知られている（特許文献１参照）。

しかしながら、特許文献１記載の方法では、溶接金属部のブローホール、融合不良、割れなどの溶接欠陥を減少させたり、粗大結晶粒を微細化させたりすることはできない。
特開２００３−５３５８６号公報

この発明の目的は、上記問題を解決し、疲労特性の低下を防止しうる溶接継手およびその形成方法を提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するために以下の態様からなる。

1)２つの金属製被接合材が溶融溶接されることにより形成された溶接金属部が、摩擦攪拌接合用工具のプローブを用いて摩擦攪拌されている溶接継手。

2)２つの被接合材がアルミニウムからなる上記1)記載の溶接継手。

3)溶接金属部における被接合材の肉厚の１／２以上の部分が摩擦攪拌されている上記1)または2)記載の溶接継手。

4)２つの金属製被接合材を溶融溶接法により溶接した後、両被接合材の溶接金属部に、摩擦攪拌接合用工具のプローブを回転させつつ埋入し、当該プローブを回転させながら、両被接合材と摩擦攪拌接合用工具とを相対的に移動させることにより、両被接合材の溶接金属部を摩擦攪拌することを特徴とする溶接継手の形成方法。

5)２つの被接合材がアルミニウムからなる上記4)記載の溶接継手の形成方法。

6)溶融溶接法による溶接時に、高さが１ｍｍ以上の余盛を形成しておき、両被接合材の溶接金属部の摩擦攪拌時に、摩擦攪拌接合用工具の回転子の肩部を余盛に押し付ける上記4)または5)記載の溶接継手の形成方法。

7)摩擦攪拌接合用工具のプローブの長さを、被接合材の肉厚の１／２以上にする上記4)〜6)のうちのいずれかに記載の溶接継手の形成方法。

8)２つの被接合材が板状であり、両被接合材を両面から溶融溶接し、両被接合材の片面側から溶融金属部を摩擦攪拌する上記4)〜7)のうちのいずれかに記載の溶接継手の形成方法。

9)２つの被接合材が板状であり、両被接合材を片面から溶融溶接し、両被接合材における溶融溶接を行った片面側から溶融金属部を摩擦攪拌する上記4)〜7)のうちのいずれかに記載の溶接継手の形成方法。

10)２つの被接合材が筒状である上記4)〜7)のうちのいずれかに記載の溶接継手の形成方法。

11)２つの被接合材の内側に、両被接合材に跨るように金属製の環状支持部材を配置しておく上記10)記載の溶接継手の形成方法。

12)両被接合材の溶接金属部の摩擦攪拌時に、環状支持部材を両被接合材に摩擦攪拌接合する上記11)記載の溶接継手の形成方法。

13)複数の金属製板状被接合材が溶接されることにより形成されており、隣り合う被接合材どうしの間に、上記1)〜3)のうちのいずれかに記載の溶接継手が形成されている板。

14)複数の金属製筒状配管構成部材が溶接されることにより形成されており、隣り合う管構成部材どうしの間に、上記1)〜3)のうちのいずれかに記載の溶接継手が形成されている配管。

15)内部に、気体または液体が流通させられる上記14)記載の配管。

16)気体が水素ガスである上記15)記載の配管。

17)筒状の胴と胴の少なくとも一端開口を閉鎖する閉鎖板とよりなり、かつ胴の長さ方向に分断したような形状となされた少なくとも２つの金属製容器構成部材が溶接されることにより形成されており、各容器構成部材が筒状の周壁部を有しており、隣り合う容器構成部材の周壁部どうしの間に、上記1)〜3)のうちのいずれかに記載の溶接継手が形成されている容器。

18)隣り合う容器構成部材の周壁部の内側に、両容器構成部材の周壁部に跨るように金属製の環状支持部材が配置されている上記17)記載の容器。

19)支持部材が両容器構成部材の周壁部に摩擦攪拌接合されている上記18)記載の容器。

20) 内部に、気体または液体が充填される上記17)〜19)のうちのいずれかに記載の容器。

上記1)の溶接継手によれば、２つの金属製被接合材が溶融溶接されることにより形成された溶接金属部が、摩擦攪拌接合用工具のプローブを用いて摩擦攪拌されているので、溶接金属部のブローホール、融合不良、割れなどの溶接欠陥が少なくなっているとともに、溶接金属部の結晶粒が、たとえば２０μｍ程度まで微細化されている。したがって、溶接継手の疲労強度、伸びなどの疲労特性が向上する。また、この溶接継手を有する製品を水素ガスが接触する用途に使用した場合、溶接継手の耐水素脆化特性が向上する。

上記3)の溶接継手によれば、疲労特性および耐水素脆化特性が確実に向上する。

上記4)の溶接継手の形成方法によれば、２つの金属製被接合材を溶融溶接法により溶接した後、両被接合材の溶接金属部に、摩擦攪拌接合用工具のプローブを回転させつつ埋入し、当該プローブを回転させながら、両被接合材と摩擦攪拌接合用工具とを相対的に移動させることにより、両被接合材の溶接金属部を摩擦攪拌するので、溶接金属部のブローホール、融合不良、割れなどの溶接欠陥の少ない溶接継手を形成することが可能になる。また、溶接金属部を摩擦攪拌するので、溶接金属部の結晶粒が、たとえば２０μｍ程度まで微細化される。したがって形成された溶接継手の疲労強度、伸びなどの疲労特性が向上する。また、この方法は、２つの金属製被接合材を溶融溶接法により溶接した後摩擦攪拌を行うので、２つの被接合材を摩擦攪拌接合する場合に比べて、２つの被接合材間のギャップの自由度が大きくなる。さらに、この方法により形成された溶接継手を有する製品を水素ガスが接触する用途に使用した場合、溶接継手の耐水素脆化特性が向上する。

上記6)の溶接継手の形成方法によれば、形成された溶接継手を有する金属製品の表面仕上げ加工を容易に行うことができる。すなわち、両被接合材の溶接金属部に、摩擦攪拌接合用工具のプローブを回転させつつ埋入し、当該プローブを回転させながら、両被接合材と摩擦攪拌接合用工具とを相対的に移動させることにより、両被接合材の溶接金属部を摩擦攪拌すると、溶融金属部の表面に押し付けられる摩擦攪拌接合用工具の回転子の肩部の影響によって、溶接金属部に減肉が発生し、溶接金属部の肉厚が被接合材の肉厚よりも薄くなることがある。そして、この場合、製品の表面を面一にするには、被接合材全体の表面に、たとえば切削による表面仕上げ加工を施さねばならず、その作業が面倒になる。ところが、溶融溶接法による溶接時に高さが１ｍｍ以上の余盛を形成しておき、両被接合材の溶接金属部の摩擦攪拌時に、摩擦攪拌接合用工具の回転子の肩部を余盛に押し付けるようにすれば、肩部の影響により溶接金属部に減肉が発生したとしても、溶接金属部の肉厚が被接合材の肉厚よりも薄くなることを防止することができる。したがって、製品の表面を面一にする場合にも、溶接金属部の表面のみに、たとえば切削による表面仕上げ加工を施せばよく、その作業が容易になる。

上記7)の溶接継手の形成方法によれば、形成された溶接継手の疲労特性および耐水素脆化特性が確実に向上する。

上記10)の溶接継手の形成方法によれば、この方法により形成された溶接継手を有する金属製品の軽量化を図ることができる。すなわち、２つの筒状の金属製被接合材どうしを、突き合わせ継手で摩擦攪拌接合する場合、接合部に、ブローホール、融合不良、割れなどの溶接欠陥や、粗大結晶粒が発生しないことは公知のことであるが、摩擦攪拌接合時には外側から比較的大きな荷重が負荷されて被接合材が変形することがあるので、この変形を防止するために、両被接合材の内側に、両被接合材に跨るように金属製の環状支持部材を配置しておく必要がある。しかしながら、この場合、得られた金属製品の重量が増大する。これに対し、上記10)の方法によれば、２つの筒状被接合材を予め溶融溶接法により溶接しており、溶接継手の剛性が向上しているので、環状支持部材が不要になる。また、上記11)の方法のように環状支持部材を用いる場合であっても、この環状支持部材として摩擦攪拌接合の際に用いる環状支持部材よりも軽量のものを用いることができ、得られた金属製品の軽量化を図ることができる。

上記12)の溶接継手の形成方法によれば、環状支持部材が両筒状被接合材に摩擦攪拌接合されるので、両筒状被接合材の径方向の耐圧性が向上する。

以下、この発明の実施形態を、図面を参照して説明する。なお、全図面を通じて同一部分および同一物には同一符号を付して重複する説明を省略する。

実施形態１
この実施形態は図１〜図３に示すものであり、２つの板状被接合材どうしの間に形成される溶接継手である。実施形態１に関する説明において、図１の上下、左右を上下、左右というものとする。

図１は溶接継手を示し、図２および図３は溶接継手の形成方法を示す。

図１において、溶接継手は、肉厚の等しい２つのアルミニウム製板状被接合材(1)(2)の側縁部どうしが、突き合わせ状となされて上下両面側から溶融溶接され、その溶接金属部(3)が、摩擦攪拌接合用工具のプローブを用いて、上面側から被接合材(1)(2)の肉厚の１／２以上の深さにわたって摩擦攪拌されたものである。摩擦攪拌部を(4)で示す。摩擦攪拌部(4)の深さは、被接合材(1)(2)の肉厚の１／２以上である。

次に、溶接継手の形成方法を、図２および図３を参照して説明する。

まず、肉厚の等しい２つの板状被接合材(1)(2)を用意し、両被接合材(1)(2)の側縁部どうしをＩ型開先となるように配置する（図２(a)参照）。

両被接合材(1)(2)は、それぞれアルミニウム、たとえばJIS Ａ２０００系合金、JIS Ａ５０００系合金、JIS Ａ６０００系合金およびJIS Ａ７０００系合金のうちのいずれかにより形成されている。両被接合材(1)(2)は同じ材料で形成されていてもよいし、あるいは異なる材料で形成されていてもよい。また、両被接合材(1)(2)の肉厚は、たとえば４ｍｍ以上である。

ついで、ＴＩＧ、ＭＩＧなどの適当な溶融溶接法により、両被接合材(1)(2)を片面側、ここでは上面側から１層で溶接する。この片面側からの溶接時に、高さが１ｍｍ以上の余盛(5)を形成しておく（図２(b)参照）。ついで、ＴＩＧ、ＭＩＧなどの適当な溶融溶接法により、両被接合材(1)(2)を他面側、ここでは下面側から１層で溶接する。この他面側からの溶接時に、高さが１ｍｍ以上の余盛(5)を形成しておく。なお、余盛(5)は、少なくともいずれか一方の面側からの溶接時のみに形成しておけばよい。両被接合材(1)(2)を両面側から溶融溶接することにより、両被接合材(1)(2)の全厚にわたって溶融金属部(3)が形成される（図２(c)参照）。

ついで、摩擦攪拌接合用工具(6)を用いて、溶接金属部(3)を両被接合材(1)(2)の片面側、ここでは上面側からから摩擦攪拌する。摩擦攪拌接合用工具(6)は、先端部にテーパ部を介して小径部(7a)が同軸上に一体に形成された円柱状回転子(7)と、回転子(7)の小径部(7a)の端面に小径部(7a)と同軸上に一体に形成されかつ小径部(7a)よりも小径であるピン状プローブ(8)とを備えている。回転子(7)の小径部(7a)の端面の外径、すなわち小径部(7a)とプローブ(8)との間の肩部(7b)の外径は、余盛(5)の左右方向の幅と等しいか、あるいはこの幅よりも小さくなっていることが好ましい（図２(c)参照）。回転子(7)およびプローブ(8)は、両被接合材(1)(2)よりも硬質でかつ接合時に発生する摩擦熱に耐えうる耐熱性を有する材料で形成されている。プローブ(8)の長さは両被接合材(1)(2)の肉厚の１／２以上としておくことが好ましい。

そして、摩擦攪拌接合用工具(6)を回転させながら、溶接金属部(3)にプローブ(8)を埋入するとともに、回転子(7)の肩部(7b)を余盛(5)の表面に押し付ける。肩部(7b)の余盛(5)表面への押し付けにより、肩部(7b)の影響により溶接金属部(3)に減肉が発生したとしても、溶接金属部(3)の肉厚が被接合材(1)(2)の肉厚よりも薄くなることを防止することができる。また、肩部(7b)の余盛(5)表面への押し付けにより、後述する攪拌開始時および攪拌途中に生じることのある軟化部の肉の飛散を防止して良好な攪拌状態を得ることができるとともに、溶接金属部(3)と肩部(7b)との摺動によって摩擦熱をさらに発生させてプローブ(8)と溶接金属部(3)との接触部およびその近傍の軟化を促進することができ、溶接金属部(3)表面へのバリ等の凹凸の発生を防止することができる。

ついで、両被接合材(1)(2)と摩擦攪拌接合用工具(6)とを相対的に移動させることによって、プローブ(8)を溶接金属部(3)に沿って移動させる（図３参照）。すると、プローブ(8)の回転により発生する摩擦熱と、溶接金属部(3)と肩部(7b)との摺動により発生する摩擦熱とによって、溶接金属部(3)およびその近傍における両被接合材(1)(2)の母材である金属は軟化するとともに、この軟化部がプローブ(8)の回転力を受けて攪拌混合され、さらにこの軟化部がプローブ(8)通過溝を埋めるように塑性流動した後、摩擦熱を急速に失って冷却固化するという現象が、プローブ(8)の移動に伴って繰り返されることにより、溶接金属部(3)の大部分およびその近傍の被接合材(1)(2)母材となる金属が摩擦攪拌混合されて摩擦攪拌部(4)が形成され、摩擦攪拌部(4)のブローホール、融合不良および割れなどの溶接欠陥が消失するとともに、結晶粒が微細化する。最後に、被接合材(1)(2)の上下両面が平滑になるように、摩擦攪拌部(4)の上面および下側余盛(5)に、たとえば切削による表面仕上げ加工を施す。こうして、疲労特性の向上した溶接継手が形成される。

上記実施形態１において、被接合材(1)(2)の肉厚が４ｍｍ以上でありかつＩ型開先なので、両被接合材(1)(2)の全厚にわたって溶融金属部(3)が形成されるように、被接合材(1)(2)の両面側から溶融溶接を行っているが、被接合材(1)(2)の肉厚がもっと小さい場合、Ｉ型開先であっても片面側から溶融溶接することにより、両被接合材(1)(2)の全厚にわたって溶融金属部を形成することができる。

次に、実施形態１の溶接継手の形成方法の具体的実験例について、比較実験例とともに説明する。

実験例１
JIS Ａ５０８３−Ｈ３２１の圧延材からなる肉厚：４ｍｍの両被接合材(1)(2)を用意して両被接合材(1)(2)を側縁部どうしがＩ型開先となるように配置し、両面側から各１層ずつＴＩＧ溶接を行った。このとき両面に高さ１．０ｍｍの余盛(5)を形成した。なお、溶加材にはJIS Ａ５１８３ＢＹからなる直径２．３ｍｍのものを用い、溶接電流は先に溶接を行う片面側１９０〜２００Ａ、後の溶接を行う他面側１７０〜１９０Ａ、溶接速度１００ｍｍ／ｍｉｎ、アルゴンガス量１２ｌ／ｍｉｎとした。

ついで、回転子(7)における小径部(7a)の端面の直径（肩部(7b)の外径）：１６ｍｍ、プローブ(8)の直径：６ｍｍで、プローブ(8)の長さ：２ｍｍの摩擦攪拌接合用工具(6)を用意し、プローブ回転数：１５００ｒｐｍ、プローブ移動速度：２００ｍｍ／ｍｉｎの条件で、実施形態１に述べた方法により両被接合材(1)(2)の溶接金属部(3)を片面側から摩擦攪拌し、溶接継手を形成した。最後に、被接合材(1)(2)の上下両面が平滑になるように、摩擦攪拌部(4)の上面および下側余盛(5)に切削による表面仕上げ加工を施した。

実験例２
摩擦攪拌接合溶工具のプローブの長さを４ｍｍとした他は、上記実験例１と同様にして溶接継手を形成した。

比較実験例１
上記実験例１と同様にして両被接合材を両面側から各１層ずつＴＩＧ溶接を行った。なお、溶接金属部の摩擦攪拌は行わなかった。こうして、溶接継手を形成した。最後に、被接合材の上下両面が平滑になるように、上下の余盛に切削による表面仕上げ加工を施した。

比較実験例２
上記実験例１と同様にして両被接合材を両面側から各１層ずつＴＩＧ溶接を行った。ついで、回転子における小径部の端面の直径：１６ｍｍで、かつプローブを有さない擦攪拌接合用工具を用意し、回転子回転数：１５００ｒｐｍ、移動速度：２００ｍｍ／ｍｉｎの条件で、回転子を回転させつつその小径部の端面を、両被接合材の片面側から溶接金属部の余盛表面に押し付けつつ直線移動させた。こうして、溶接継手を形成した。最後に、被接合材の上下両面が平滑になるように、上下の余盛に切削による表面仕上げ加工を施した。

実験例１〜２および比較実験例１〜２の溶接継手は５つずつ用意した。

評価試験
実験例１〜２および比較実験例１〜２で得られた溶接継手の平面曲げ疲労試験を行った。試験条件は周期：６０Ｈｚ、応力比：Ｒ＝−１とした。疲労強度は繰り返し数１０^７の値を用いることとし、５つの溶接継手の最小値を用いた。その結果を表１に示す。

表１から明らかなように、実験例１〜２の溶接継手の疲労強度は、比較実験例１〜２の疲労強度よりも大きくなっていた。なお、被接合材の母材の疲労強度は１１kgf/mm^２である。

また、実験例１および２の溶接継手の断面観察を行った結果、溶接金属部(3)における摩擦攪拌が施されていない部分の結晶粒径は８０μｍであり、摩擦攪拌が施された部分の結晶粒径は２０μｍであった。

実施形態２
この実施形態は図４および図５に示すものであり、２つの板状被接合材どうしの間に形成される溶接継手である。実施形態１に関する説明において、図４の上下、左右を上下、左右というものとする。

図４は溶接継手を示し、図５は溶接継手の形成方法を示す。

図４において、溶接継手は、肉厚の等しい２つのアルミニウム製板状被接合材(1)(2)の側縁部どうしが、突き合わせ状となされて上面側から溶融溶接され、その溶接金属部(3)が、摩擦攪拌接合用工具のプローブを用いて、上面側から被接合材(1)(2)の肉厚の１／２以上の深さにわたって摩擦攪拌されたものである。摩擦攪拌部を(4)で示す。摩擦攪拌部(4)の深さは、被接合材(1)(2)の肉厚の１／２以上である。

次に、溶接継手の形成方法を、図５を参照して説明する。

まず、肉厚の等しい２つの板状被接合材(1)(2)を用意し、両被接合材(1)(2)の側縁部に加工を施し、両被接合材(1)(2)の側縁部どうしを上方に開口したＵ型開先となるように配置する（図５(a)参照）。

両被接合材(1)(2)の材質は実施形態１と同様である。

ついで、ＴＩＧ、ＭＩＧなどの適当な溶融溶接法により、両被接合材(1)(2)を、上方から２層または２層以上で溶接する（図５(b)参照）。両被接合材(1)(2)をＵ型開先で２層以上溶融溶接することにより、両被接合材(1)(2)の全厚にわたって溶融金属部(3)が形成される。この溶接時に、高さが１ｍｍ以上の余盛(5)を形成しておく。

その後、実施形態１の場合と同様にして、摩擦攪拌接合用工具(6)を用いて、溶接金属部(3)を両被接合材(1)(2)の上面側から摩擦攪拌する。この場合も、回転子(7)の小径部(7a)の端面の外径、すなわち小径部(7a)とプローブ(8)との間の肩部(7b)の外径は、余盛(5)の左右方向の幅と等しいか、あるいはこの幅よりも小さくなっていることが好ましい。また、プローブ(8)の長さは両被接合材(1)(2)の肉厚の１／２以上としておくことが好ましい。最後に、被接合材(1)(2)の上下両面が平滑になるように、摩擦攪拌部(4)の上面および溶接金属部(3)の下面側への溶け出し部に、たとえば切削による表面仕上げ加工を施す。こうして、疲労特性の向上した溶接継手が形成される。

実施形態１および２の溶接継手は、複数の板状被接合材が溶接されることにより形成された板において、隣り合う被接合材どうしの間に形成される。このような板は各種産業において用いられる。

実施形態３
この実施形態は図６および図７に示すものであり、２つの筒状被接合部材どうしの間に形成される溶接継手である。

図６は溶接継手を示し、図７は溶接継手の形成方法を示す。

図６において、溶接継手は、肉厚および外径の等しい２つのアルミニウム製横断面円形筒状被接合材(10)(11)の端面どうしが、突き合わせ状となされて外面側から溶融溶接され、その溶接金属部全体が、摩擦攪拌接合用工具のプローブを用いて、外面側から被接合材(10)(11)の肉厚の１／２以上の深さにわたって摩擦攪拌されたものである。摩擦攪拌部を(4)で示す。摩擦攪拌部(4)の径方向の深さは、被接合材(10)(11)の肉厚と等しくなっている。また、両被接合材(10)(11)の内側に、両被接合材(10)(11)に跨るようにアルミニウム製の環状支持部材(12)が配置され、この環状支持部材(12)が両被接合材(10)(11)に摩擦攪拌接合されている
次に、溶接継手の形成方法を、図７を参照して説明する。

まず、肉厚および外径の等しい２つの横断面円形筒状被接合部材(10)(11)を用意する。各筒状被接合部材(10)(11)は押出加工、鍛造加工、切削加工などの適当な方法で形成される。両筒状被接合部材(10)(11)は、それぞれ、たとえばJIS Ａ２０００系合金、JIS Ａ５０００系合金、JIS Ａ６０００系合金およびJIS Ａ７０００系合金のうちのいずれかにより形成されている。両筒状被接合部材(10)(11)は同じ材料で形成されていてもよいし、あるいは異なる材料で形成されていてもよい。

ついで、両被接合材(10)(11)の突き合わせ端面に加工を施し、両被接合材(10)(11)の接合端部どうしを外方に開口したＵ型開先となるように配置する。このとき、両被接合材(10)(11)の内側に、環状支持部材(12)を両被接合部材(10)(11)に跨って配置する（図７(a)参照）。環状支持部材(12)は、たとえばJIS Ａ２０００系合金、JIS Ａ５０００系合金、JIS Ａ６０００系合金およびJIS Ａ７０００系合金のうちのいずれかにより形成されている。

ついで、ＴＩＧ、ＭＩＧなどの適当な溶融溶接法により、両被接合材(10)(11)を、外面側から２層または２層以上で溶接する。両被接合材(10)(11)をＵ型開先で２層以上溶融溶接することにより、両被接合材(10)(11)の全厚にわたって溶融金属部(3)が形成される（図７(b)参照）。この溶接時に、高さが１ｍｍ以上の余盛(5)を形成しておく。また、この溶接時に、環状支持部材(12)の一部が両被接合材(10)(11)に溶融溶接される。さらに、余盛(5)の両側において、両被接合材(10)(11)の外面に肉盛溶接を行い、余盛(5)に連なった高さ１ｍｍ以上の肉盛部(13)を形成しておく（図７(c)参照）。

その後、実施形態１の場合と同様にして、摩擦攪拌接合用工具(6)を用いて、溶接金属部(3)を両被接合材(10)(11)の外面側から摩擦攪拌して摩擦攪拌部(4)を形成する。ここで、プローブ(8)の長さは両被接合材(10)(11)の肉厚よりも長くしておく。すると、摩擦攪拌時に、溶融金属部(3)の摩擦攪拌と同時に、環状支持部材(12)を両被接合材(10)(11)に摩擦攪拌接合することができる。プローブ(8)の長さが長く、環状支持部材(12)が両被接合材(10)(11)に摩擦攪拌接合されることにより、溶接金属部(3)全体が摩擦攪拌される。また、この場合、回転子(7)の小径部(7a)の端面の外径、すなわち小径部(7a)とプローブ(8)との間の肩部(7b)の外径は、余盛(5)と両肉盛部(13)を合わせた部分の両被接合材(10)(11)の長さ方向の幅と等しいか、あるいはこの幅よりも小さくしておくことが好ましい（図７(c)参照）。すなわち、プローブ(8)の長さを両被接合材(10)(11)の肉厚よりも長くするためには、肩部(7b)の外径を大きくする必要があるが、両肉盛部(13)を形成しておくと、肩部(7b)が両被接合材(10)(11)の外面に直接押し付けられることはなく、摩擦攪拌時の両被接合材(10)(11)の減肉が防止される。

最後に、被接合材(10)(11)の外面が滑らかな円筒面になるように、摩擦攪拌部(4)の外面および肉盛部(13)の外面に、たとえば切削による表面仕上げ加工を施す。こうして、疲労特性の向上した溶接継手が形成される。

上記実施形態３において、環状支持部材(12)を必ずしも両被接合材(10)(11)に摩擦攪拌接合する必要はない。この場合、摩擦攪拌接合用工具(6)のプローブ(8)の長さは、上記実施形態１と同様に、両被接合材(10)(11)の肉厚の１／２以上であればよい。また、プローブ(8)が短くなるので、肩部(7b)の外径を大きくする必要がなく、肉盛部を形成しなくても、上記実施形態１の場合と同様に、回転子(7)の小径部(7a)の端面の外径、すなわち小径部(7a)とプローブ(8)との間の肩部(7b)の外径を、余盛(5)における両被接合材(10)(11)の長さ方向の幅と等しいか、あるいはこの幅よりも小さくすることができる。さらに、環状支持部材(12)を両被接合材(10)(11)に摩擦攪拌接合しない場合、環状支持部材(12)としてアルミニウム以外の材質からなるものも使用可能である。

実施形態４
この実施形態は図８に示すものであり、２つの筒状被接合部材どうしの間に形成される溶接継手である。

図８に示すように、実施形態４の溶接継手における実施形態３の溶接継手との相違点は、両被接合材(10)(11)の内側に環状支持部材が配置されていない点にある。したがって、摩擦攪拌部(4)が形成された後も溶接金属部(3)が残存している。

図８に示す溶接継手の形成方法は、環状支持部材を配置しないこと、摩擦攪拌接合用工具(6)のプローブ(8)の長さを、両被接合材(10)(11)の肉厚の１／２以上でかつ肉厚以下とすること、肉盛部を形成しないこと、および回転子(7)の小径部(7a)の端面の外径、すなわち小径部(7a)とプローブ(8)との間の肩部(7b)の外径を、余盛(5)における両被接合材(10)(11)の長さ方向の幅と等しいか、あるいはこの幅よりも小さくすることを除いては、上記実施形態３の溶接継手を形成する方法と同様にである。

上記実施形態３および４において、筒状被接合材は横断面円形であるが、これに限定されるものではなく、たとえば横断面楕円形であってもよい。

上記実施形態３および４の溶接継手は、たとえば複数の金属製筒状配管構成部材が溶接されることにより形成された配管において、隣り合う管構成部材どうしの間に形成される。このような配管は、各種産業において、内部に気体または液体を流通させるのに用いられる。気体としては、たとえば水素ガスがあげられる。

また、上記実施形態３および４の溶接継手は、たとえば筒状の胴と胴の少なくとも一端開口を閉鎖する閉鎖板とよりなり、かつ胴の長さ方向に分断したような形状となされた少なくとも２つの金属製容器構成部材が溶接されることにより形成された容器において、各容器構成部材が筒状の周壁部を有している場合に、隣り合う容器構成部材の周壁部どうしの間に形成される。このような容器は、各種産業において、内部に気体または液体を充填するのに用いられる。

この発明による溶接継手の実施形態１を示す拡大断面図である。 図１に示す溶接継手を形成する方法を示す拡大断面図である。 図１に示す溶接継手を形成する方法を示す拡大斜視図である。 この発明による溶接継手の実施形態２を示す拡大断面図である。 図４に示す溶接継手を形成する方法を示す拡大断面図である。 この発明による溶接継手の実施形態３を示す拡大断面図である。 図６に示す溶接継手を形成する方法を示す拡大断面図である。 この発明による溶接継手の実施形態を示す一部切り欠き斜視図である。

符号の説明

(1)(2)：被接合材
(3)：溶接金属部
(4)：摩擦攪拌部
(5)：余盛
(6)：摩擦攪拌接合用工具
(7)：回転子
(7b)：肩部
(8)：プローブ
(10)(11)：被接合材
(12)：環状支持部材

Claims (20)

1. ２つの金属製被接合材が溶融溶接されることにより形成された溶接金属部が、摩擦攪拌接合用工具のプローブを用いて摩擦攪拌されている溶接継手。
2. ２つの被接合材がアルミニウムからなる請求項１記載の溶接継手。
3. 溶接金属部における被接合材の肉厚の１／２以上の部分が摩擦攪拌されている請求項１または２記載の溶接継手。
4. ２つの金属製被接合材を溶融溶接法により溶接した後、両被接合材の溶接金属部に、摩擦攪拌接合用工具のプローブを回転させつつ埋入し、当該プローブを回転させながら、両被接合材と摩擦攪拌接合用工具とを相対的に移動させることにより、両被接合材の溶接金属部を摩擦攪拌することを特徴とする溶接継手の形成方法。
5. ２つの被接合材がアルミニウムからなる請求項４記載の溶接継手の形成方法。
6. 溶融溶接法による溶接時に、高さが１ｍｍ以上の余盛を形成しておき、両被接合材の溶接金属部の摩擦攪拌時に、摩擦攪拌接合用工具の回転子の肩部を余盛に押し付ける請求項４または５記載の溶接継手の形成方法。
7. 摩擦攪拌接合用工具のプローブの長さを、被接合材の肉厚の１／２以上にする請求項４〜６のうちのいずれかに記載の溶接継手の形成方法。
8. ２つの被接合材が板状であり、両被接合材を両面から溶融溶接し、両被接合材の片面側から溶融金属部を摩擦攪拌する請求項４〜７のうちのいずれかに記載の溶接継手の形成方法。
9. ２つの被接合材が板状であり、両被接合材を片面から溶融溶接し、両被接合材における溶融溶接を行った片面側から溶融金属部を摩擦攪拌する請求項４〜７のうちのいずれかに記載の溶接継手の形成方法。
10. ２つの被接合材が筒状である請求項４〜７のうちのいずれかに記載の溶接継手の形成方法。
11. ２つの被接合材の内側に、両被接合材に跨るように金属製の環状支持部材を配置しておく請求項１０記載の溶接継手の形成方法。
12. 両被接合材の溶接金属部の摩擦攪拌時に、環状支持部材を両被接合材に摩擦攪拌接合する請求項１１記載の溶接継手の形成方法。
13. 複数の金属製板状被接合材が溶接されることにより形成されており、隣り合う被接合材どうしの間に、請求項１〜３のうちのいずれかに記載の溶接継手が形成されている板。
14. 複数の金属製筒状配管構成部材が溶接されることにより形成されており、隣り合う管構成部材どうしの間に、請求項１〜３のうちのいずれかに記載の溶接継手が形成されている配管。
15. 内部に、気体または液体が流通させられる請求項１４記載の配管。
16. 気体が水素ガスである請求項１５記載の配管。
17. 筒状の胴と胴の少なくとも一端開口を閉鎖する閉鎖板とよりなり、かつ胴の長さ方向に分断したような形状となされた少なくとも２つの金属製容器構成部材が溶接されることにより形成されており、各容器構成部材が筒状の周壁部を有しており、隣り合う容器構成部材の周壁部どうしの間に、請求項１〜３のうちのいずれかに記載の溶接継手が形成されている容器。
18. 隣り合う容器構成部材の周壁部の内側に、両容器構成部材の周壁部に跨るように金属製の環状支持部材が配置されている請求項１７記載の容器。
19. 支持部材が両容器構成部材の周壁部に摩擦攪拌接合されている請求項１８記載の容器。
20. 内部に、気体または液体が充填される請求項１７〜１９のうちのいずれかに記載の容器。

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