JP2018086674A - 接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】接合部の金属不足を防ぐとともに、摩擦攪拌工程前に接合部に予め熱歪みを付与することで、接合部の品質を高めることができる接合方法を提供する。【解決手段】接合方法であって、第一金属部材１と第二金属部材２とを突き合わせて突合せ部Ｊ１を形成する突合せ工程と、突合せ部Ｊ１に対して表面側から溶接する溶接工程と、第一金属部材１及び第二金属部材２をひっくり返して、第一金属部材１又は第二金属部材２の裏面に補助部材１０を配置する配置工程と、回転ツールＦの攪拌ピンＦ２を回転させながら補助部材１０の表面側から挿入し、攪拌ピンＦ２のみを第一金属部材１、第二金属部材２及び補助部材１０に接触させた状態で突合せ部Ｊ１に沿って回転ツールＦを相対移動させる摩擦攪拌工程と、バリＶが形成された補助部材１０を第一金属部材１又は第二金属部材２から除去する除去工程と、を含むことを特徴とする。【選択図】図４

Description

本発明は、金属部材同士を摩擦攪拌で接合する接合方法に関する。

例えば、特許文献１には、第一金属部材と第二金属部材とを摩擦攪拌で接合する接合方法が開示されている。当該接合方法では、第一金属部材と第二金属部材とを突き合わせて突合せ部を形成した後、回転ツールの攪拌ピンのみを第一金属部材及び第二金属部材に接触させた状態で突合せ部に対して摩擦攪拌を行うというものである。

特開２０１３−３９６１３号公報

従来の接合方法であると、塑性流動化した金属を回転ツールのショルダ部で押さえないため、塑性流動化した金属が外部に溢れ出し接合部が金属不足になるという問題がある。
また、従来の接合方法では、塑性流動化した金属の温度が低下すると、接合部の金属が収縮するため、接合された金属部材同士が平坦にならずに歪んでしまう場合があり、この場合には、製品の品質が低下するという問題がある。
さらに、接合部において塑性化領域の反対側となる部位には、接合部の金属の収縮に起因して隙間が形成されてしまう虞がある。このように、接合部に溶接欠陥（Kissing Bond）が形成されると、接合部の引張強度が低下するとともに、接合部の水密性及び気密性が低下するという問題がある。

そこで、本発明は、前記した問題を解決し、接合部の金属不足を防ぐとともに、摩擦攪拌工程前に接合部に予め熱歪みを付与することで、接合部の品質を高めることができる接合方法を提供することを課題とする。

前記課題を解決するための第一の発明は、第一金属部材と第二金属部材とを接合する接合方法であって、前記第一金属部材と前記第二金属部材とを突き合わせて突合せ部を形成する突合せ工程と、前記突合せ部に対して表面側から溶接する溶接工程と、前記第一金属部材及び前記第二金属部材をひっくり返して、前記第一金属部材又は前記第二金属部材の裏面に面接触するように補助部材を配置する配置工程と、回転ツールの攪拌ピンを回転させながら前記補助部材の表面側から挿入し、前記攪拌ピンのみを前記第一金属部材、前記第二金属部材及び前記補助部材に接触させた状態で前記突合せ部に沿って前記回転ツールを相対移動させて前記第一金属部材、前記第二金属部材及び前記補助部材を接合する摩擦攪拌工程と、バリが形成された前記補助部材を前記第一金属部材又は前記第二金属部材から除去する除去工程と、を含むことを特徴とする。

前記課題を解決するための第二の発明は、第一金属部材と第二金属部材とを接合する接合方法であって、前記第一金属部材と前記第二金属部材とを突き合わせて突合せ部を形成する突合せ工程と、前記突合せ部に対して表面側から溶接する溶接工程と、前記第一金属部材及び前記第二金属部材をひっくり返して、前記第一金属部材及び前記第二金属部材の裏面の両方に面接触するように補助部材を配置する配置工程と、回転ツールの攪拌ピンを回転させながら前記補助部材の表面側から挿入し、前記攪拌ピンのみを前記第一金属部材、前記第二金属部材及び前記補助部材に接触させた状態で前記突合せ部に沿って前記回転ツールを相対移動させて前記第一金属部材、前記第二金属部材及び前記補助部材を接合する摩擦攪拌工程と、バリが形成された前記補助部材を前記第一金属部材及び前記第二金属部材から除去する除去工程と、を含むことを特徴とする。

第一の発明および第二の発明における接合方法によれば、第一金属部材と第二金属部材とが接合されるとともに、第一金属部材及び第二金属部材に加え、補助部材も同時に摩擦攪拌接合することにより、接合部の金属不足を防ぐことができる。
また、表面側から突合せ部に溶接工程を行った後に、裏面側から突合せ部に摩擦攪拌工程を行うことで、摩擦攪拌工程前に、溶接工程によって接合部に予め熱歪みを付与している。これにより、接合された金属部材同士が摩擦攪拌工程後に屈曲するのを防ぐとともに、水密性及び気密性に優れた接合部を形成することができる。
また、除去工程においてバリを補助部材ごと除去することができるため、バリを除去する作業が容易となる。

また、前記摩擦攪拌工程では、摩擦攪拌接合で発生するバリが前記補助部材に形成されるように接合条件を設定することが好ましい。かかる接合方法によれば、バリを除去する作業をより容易に行うことができる。

また、前記配置工程では、前記補助部材を前記第一金属部材及び前記第二金属部材のいずれか一方に配置しつつ、前記突合せ部を挟んで他方側にわずかに突出するように配置し、前記摩擦攪拌工程では、摩擦攪拌接合で発生するバリが、前記補助部材のうち前記第一金属部材及び前記第二金属部材のいずれか一方側に形成されるように接合条件を設定することが好ましい。

かかる接合方法によれば、バリを除去する作業をより容易に行うことができる。また、突合せ部を挟んで他方側にわずかに補助部材を突出させる分、接合部の金属不足をより防ぐことができる。

また、前記溶接工程において前記突合せ部に形成された溶接金属と、前記摩擦攪拌工程において前記突合せ部に形成された塑性化領域とを接触させることが好ましい。かかる接合方法によれば、接合部の水密性及び気密性をより高めることができる。

本発明に係る接合方法によれば、接合部の金属不足を防ぐことができ、さらに、摩擦攪拌工程前に接合部に予め熱歪みを付与することで、接合部の品質を高めるとともに、水密性及び気密性に優れた接合部を形成することができる。

本発明の第一実施形態の突合せ工程及び溶接工程を示す断面図である。 本発明の第一実施形態に係る溶接工程後を示す断面図である。 本発明の第一実施形態に係る配置工程を示す断面図である。 本発明の第一実施形態に係る摩擦攪拌工程を示す断面図である。 本発明の第一実施形態に係る摩擦攪拌工程後を示す断面図である。 本発明の第一実施形態に係る除去工程を示す断面図である。 本発明の第一実施形態に係る除去工程後を示す断面図である。 本発明の第二実施形態に係る溶接工程及び配置工程を示す断面図である。 本発明の第二実施形態に係る摩擦攪拌工程を示す断面図である。 本発明の第二実施形態に係る除去工程を示す断面図である。 本発明の第二実施形態に係る除去工程後を示す断面図である。 本発明の第三実施形態に係る溶接工程及び配置工程を示す断面図である。 本発明の第三実施形態に係る摩擦攪拌工程を示す断面図である。 本発明の第三実施形態に係る除去工程を示す断面図である。 本発明の第三実施形態に係る除去工程後を示す断面図である。

［第一実施形態］
本発明の第一実施形態に係る接合方法について図面を参照して詳細に説明する。本実施形態に係る接合方法では、突合せ工程と、溶接工程と、配置工程と、摩擦攪拌工程と、除去工程と、を行う。なお、以下の説明における「表面」とは、「裏面」の反対側の面という意味である。

突合せ工程は、図１に示すように、第一金属部材１と第二金属部材２とを突き合わせる工程である。第一金属部材１及び第二金属部材２は、金属製の板状部材である。第一金属部材１及び第二金属部材２の材料は、摩擦攪拌可能な金属であれば特に制限されないが、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金、チタン、チタン合金、マグネシウム、マグネシウム合金等から適宜選択すればよい。
第一金属部材１及び第二金属部材２の板厚は同等になっている。第一金属部材１及び第二金属部材２の板厚は適宜設定すればよい。

突合せ工程では、第一金属部材１の端面１ａと、第二金属部材２の端面２ａとを突き合わせて突合せ部Ｊ１を形成する。第一金属部材１の表面１ｂと、第二金属部材２の表面２ｂとは面一になる。

さらに、第一金属部材１及び第二金属部材２の表面１ｂ，２ｂが上側となるようにして、第一金属部材１及び第二金属部材２の架台Ｔの上面に載置し、第一金属部材１及び第二金属部材２を治具（図示省略）を用いて架台Ｔに移動不能に拘束する。

溶接工程は、第一金属部材１と第二金属部材２との突合せ部Ｊ１を表面側から溶接する工程である。溶接工程において、溶接の種類は特に制限されないが、例えば、ＭＩＧ溶接、ＴＩＧ溶接等のアーク溶接やレーザー溶接で行うことができる。
溶接工程では、溶接トーチを突合せ部Ｊ１の表面側に近接させ、突合せ部Ｊ１に沿って溶接トーチを相対移動させることで、突合せ部Ｊ１の表面側を溶接する。
これにより、突合せ部Ｊ１の表面側に溶接金属Ｗ２が形成される。溶接金属Ｗ２は、突合せ部Ｊ１の内部に形成されるとともに、突合せ部Ｊ１の表面に肉盛りされる。

溶接工程後に、第一金属部材１及び第二金属部材２を上下方向にひっくり返して架台Ｔの上面に載置し、第一金属部材１及び第二金属部材２を治具（図示省略）を用いて架台Ｔに移動不能に拘束する。このように、第一金属部材１及び第二金属部材２を上下反転させることで、第一金属部材１及び第二金属部材２の裏面１ｃ，２ｃが上側に配置される。
第一実施形態の架台Ｔには、直線状の凹溝Ｔ１が形成されている。溶接工程では、凹溝Ｔ１の直上に突合せ部Ｊ１の表側が配置されるように、架台Ｔに対して第一金属部材１及び第二金属部材２を配置する。

なお、溶接工程後に、接合部の温度が低下すると、図２に示すように、溶接金属Ｗ２が収縮するため、第一金属部材１及び第二金属部材２の接合部には、溶接金属Ｗ２の反対側（裏面１ｃ，２ｃ側）に向けて凸形状となるように歪みが生じる。すなわち、第一金属部材１及び第二金属部材２の接合部には、溶接金属Ｗ２側が窪むように歪みが生じる。このように、溶接工程によって接合部に熱歪みが付与されている。

配置工程は、第一金属部材１又は第二金属部材２に補助部材１０を配置する工程である。補助部材１０は金属製の板状部材である。補助部材１０は摩擦攪拌可能な金属であれば特に制限されないが、本実施形態では第一金属部材１及び第二金属部材２と同じ材料になっている。
補助部材１０の板厚は、後記する摩擦攪拌工程後の塑性化領域Ｗ１（図７参照）が金属不足にならないように適宜設定する。本実施形態では、補助部材１０の板厚は第一金属部材１よりも薄く設定している。なお、補助部材１０は本実施形態では板状としているが、他の形状であってもよい。

配置工程では、補助部材１０の裏面１０ｃと第二金属部材２の裏面２ｃとを面接触させる。補助部材１０は、第二金属部材２（又は第一金属部材１）のみと面接触するように配置する。本実施形態では、補助部材１０の端面１０ａと第二金属部材２の端面２ａとが面一となるように配置する。

また、第一金属部材１、第二金属部材２及び補助部材１０を治具（図示省略）を用いて架台Ｔに移動不能に拘束する。このとき、第一金属部材１及び第二金属部材２は治具によって架台Ｔの上面に押さえ付けられるため、第一金属部材１と第二金属部材２とは架台Ｔの上面に平坦に固定される。

また、第一実施形態の架台Ｔには、直線状の凹溝Ｔ１が形成されている。配置工程では、凹溝Ｔ１の直上に突合せ部Ｊ１の表側が配置されるように、架台Ｔに対して第一金属部材１及び第二金属部材２を配置する。これにより、突合せ部Ｊ１の表側に形成された溶接金属Ｗ２の肉盛り部は、凹溝Ｔ１内に入り込むため、溶接金属Ｗ２の肉盛り部が架台Ｔの上面に当たるのを防ぐことができる。したがって、架台Ｔの上面に第一金属部材１及び第二金属部材２を平坦に配置することができる。
なお、架台Ｔに凹溝Ｔ１を設けることなく、架台Ｔの上面に複数の板材を間隔を空けて配置し、板材同士の間に第一金属部材１及び第二金属部材２を載置してもよい。この構成では、板材同士の間に溶接金属Ｗ２を配置し、板材同士の間に溶接金属Ｗ２の肉盛り部を入り込ませることができる。
また、溶接工程後に溶接金属Ｗ２の肉盛り部を切除してもよい。この構成では、架台Ｔの上面に凹溝Ｔ１を形成しなくてもよい。

摩擦攪拌工程は、図４に示すように、接合用回転ツールＦを用いて第一金属部材１と第二金属部材２との突合せ部Ｊ１を裏面側から摩擦攪拌によって接合する工程である。接合用回転ツールＦは、連結部Ｆ１と、攪拌ピンＦ２とで構成されている。接合用回転ツールＦは、特許請求の範囲の「回転ツール」に相当する。接合用回転ツールＦは、例えば工具鋼で形成されている。連結部Ｆ１は、摩擦攪拌装置の回転軸（図示省略）に連結される部位である。連結部Ｆ１は円柱状を呈している。

攪拌ピンＦ２は、連結部Ｆ１から垂下しており、連結部Ｆ１と同軸になっている。攪拌ピンＦ２は連結部Ｆ１から離間するにつれて先細りになっている。攪拌ピンＦ２の外周面には螺旋溝が刻設されている。本実施形態では、接合用回転ツールＦを左回転させるため、螺旋溝は、基端から先端に向かうにつれて右回りに形成されている。言い換えると、螺旋溝は、螺旋溝を基端から先端に向けてなぞると上から見て右回りに形成されている。

なお、接合用回転ツールＦを右回転させる場合は、螺旋溝を基端から先端に向かうにつれて左回りに形成することが好ましい。言い換えると、この場合の螺旋溝は、螺旋溝を基端から先端に向けてなぞると上から見て左回りに形成されている。螺旋溝をこのように設定することで、摩擦攪拌の際に塑性流動化した金属が螺旋溝によって攪拌ピンＦ２の先端側に導かれる。これにより、被接合金属部材（第一金属部材１、第二金属部材２及び補助部材１０）の外部に溢れ出る金属の量を少なくすることができる。螺旋溝は省略してもよい。

接合用回転ツールＦは、マシニングセンタ等の摩擦攪拌装置に取り付けてもよいが、例えば、先端にスピンドルユニット等の回転手段を備えたアームロボットに取り付けてもよい。

摩擦攪拌工程では、補助部材１０の表面１０ｂから突合せ部Ｊ１に左回転させた攪拌ピンＦ２のみを挿入し、被接合金属部材と連結部Ｆ１とは離間させつつ相対移動させる。言い換えると、攪拌ピンＦ２の基端部は露出させた状態で摩擦攪拌接合を行う。
そして、第一金属部材１、第二金属部材２及び補助部材１０と攪拌ピンＦ２とを接触させた状態で、突合せ部Ｊ１に沿って図４の手前側から奥側に向けて接合用回転ツールＦを相対移動させる。本実施形態では、接合用回転ツールＦの進行方向左側に補助部材１０が位置するように接合用回転ツールＦの進行方向を設定する。

接合用回転ツールＦの回転方向及び進行方向は前記したものに限定されるものではなく適宜設定すればよい。例えば、接合用回転ツールＦの進行方向左側に補助部材１０を配置しつつ、接合用回転ツールＦを右回転させてもよい。もしくは、接合用回転ツールＦの進行方向右側に補助部材１０を配置しつつ、接合用回転ツールＦを左右いずれかに回転させてもよい。接合用回転ツールＦの回転方向等の条件と補助部材１０の好ましい位置関係については後記する。

攪拌ピンＦ２の挿入深さは、攪拌ピンＦ２と突合せ部Ｊ１とを接触させつつ、第一金属部材１及び第二金属部材２の板厚等に応じて適宜設定すればよい。これにより、突合せ部Ｊ１が摩擦攪拌接合される。接合用回転ツールＦの移動軌跡には塑性化領域Ｗ１が形成される。摩擦攪拌工程後は、図５に示すように、補助部材１０の端部にバリＶが形成される。

除去工程は、図６に示すように、補助部材１０を第二金属部材２から除去する工程である。除去工程では、例えば手作業により、補助部材１０を第二金属部材２から離間する方向に折り曲げて第二金属部材２から除去する。これにより、図７に示すように、第一金属部材１と第二金属部材２とが接合される。

なお、摩擦攪拌工程後に、接合部の温度が低下すると、塑性化領域Ｗ１の金属が収縮するため、第一金属部材１及び第二金属部材２の接合部には、塑性化領域Ｗ１側の反対側に向けて凸形状となるように歪みが生じる。すなわち、第一金属部材１及び第二金属部材２の接合部には、塑性化領域Ｗ１側が窪むように歪みが生じる。
第一実施形態の接合方法では、摩擦攪拌工程の前に、溶接工程によって接合部に溶接金属Ｗ２の反対側（裏面１ｃ，２ｃ側）に向けて凸形状となるように熱歪みが付与されている。したがって、摩擦攪拌工程において接合部に歪みが生じることで、第一金属部材１と第二金属部材２とは平坦になる。

また、接合部の温度が低下して、塑性化領域Ｗ１の金属が収縮すると、接合部において塑性化領域Ｗ１の反対側（裏面側）となる部位に隙間が形成され、接合部に溶接欠陥（Kissing Bond）が形成される虞がある。しかしながら、第一実施形態の接合方法では、摩擦攪拌工程の前に、接合部の裏面側が溶接されているため、接合部に溶接欠陥が生じるのを防ぐことができる。

また、第一実施形態の摩擦攪拌工程では、溶接工程において突合せ部Ｊ１の表面側に形成された溶接金属Ｗ２と、摩擦攪拌工程において突合せ部Ｊ１の裏面側に形成された塑性化領域Ｗ１とが接触するように、攪拌ピンＦ２の挿入深さが設定されている。

以上説明した第一実施形態に係る接合方法によれば、図５に示すように、第一金属部材１と第二金属部材２とが接合されるとともに、第一金属部材１及び第二金属部材２に加え、補助部材１０も同時に摩擦攪拌接合することにより、接合部（塑性化領域Ｗ１）の金属不足を防ぐことができる。また、第一実施形態によれば、第一金属部材１及び第二金属部材２の両方ではなく、片側のみに補助部材１０を配置するだけで金属不足を防ぐことができる。

また、第一実施形態では、図１に示すように、表面側から突合せ部Ｊ１に溶接工程を行った後に、図４に示すように、裏面側から突合せ部Ｊ１に摩擦攪拌工程を行うことで、摩擦攪拌工程前に、溶接工程によって接合部に予め熱歪みを付与している。これにより、接合された第一金属部材１及び第二金属部材２が摩擦攪拌工程後に屈曲するのを防ぐとともに、水密性及び気密性に優れた接合部を形成することができる。また、第一金属部材１及び第二金属部材２の接合強度を高めることができる。

また、第一実施形態では、図６に示すように、摩擦攪拌工程によって補助部材１０にバリＶが形成されるが、除去工程において補助部材１０ごと取り除くことができる。これにより、バリを除去する作業を容易に行うことができる。図５に示すように、摩擦攪拌工程後は補助部材１０の端面が突合せ部Ｊ１に向かうにつれて板厚が薄くなるように傾斜している。補助部材１０は除去装置等を用いてもよいが、本実施形態では手作業で容易に補助部材１０を取り除くことができる。

ここで、第一実施形態に係る接合方法では、補助部材１０を第一金属部材１及び第二金属部材２よりも薄く設定しているため、従来のようにショルダ部を金属部材に押し込みながら摩擦攪拌を行うと、ショルダ部と補助部材１０との接触により補助部材１０が外部に飛ばされてしまい接合部の金属不足を補うことができない。しかし、第一実施形態では、接合用回転ツールＦの攪拌ピンＦ２のみを第一金属部材１、第二金属部材２及び補助部材１０に接触させつつ摩擦攪拌を行うため、補助部材１０が外部に飛ばされることなく接合部の金属不足を補うことができる。また、ショルダ部を接触させる場合に比べて摩擦攪拌装置に作用する負荷を低減することができる。

第一実施形態では、図４に示すように、接合用回転ツールＦのシアー側（advancing side：回転ツールの外周における接線速度に回転ツールの移動速度が加算される側）が他方側（接合中心線Ｘよりも右側）となるように接合用回転ツールＦの移動方向と回転方向を設定している。接合用回転ツールＦの回転方向及び進行方向は前記したものに限定されるものではなく適宜設定すればよい。

例えば、接合用回転ツールＦの回転速度が遅い場合では、フロー側（retreating side：回転ツールの外周における接線速度から回転ツールの移動速度が減算される側）に比べてシアー側の方が塑性流動材の温度が上昇しやすくなるため、塑性化領域Ｗ１外のシアー側にバリＶが多く発生する傾向にある。
一方、例えば、接合用回転ツールＦの回転速度が速い場合、シアー側の方が塑性流動材の温度が上昇するものの、回転速度が速い分、塑性化領域Ｗ１外のフロー側にバリＶが多く発生する傾向にある。

第一実施形態では、接合用回転ツールＦの回転速度を速く設定しているため、図５に示すように、塑性化領域Ｗ１外のフロー側にバリＶが多く発生する傾向にある。つまり、補助部材１０側にバリＶを集約させることができる。また、接合用回転ツールＦの回転速度を速く設定することにより、接合用回転ツールＦの移動速度（送り速度）を高めることができる。これにより、接合サイクルを短くすることができる。

摩擦攪拌工程の際に、図４に示すように、接合用回転ツールＦの進行方向のどちら側にバリＶが発生するかは接合条件によって異なる。当該接合条件とは、接合用回転ツールＦの回転速度、回転方向、移動速度（送り速度）、攪拌ピンＦ２の傾斜角度（テーパー角度）、第一金属部材１、第二金属部材２及び補助部材１０の材質、補助部材１０の厚さ等の各要素とこれらの要素の組合せで決定される。接合条件に応じて、バリＶが発生する側又はバリＶが多く発生する側が、接合中心線Ｘに対して補助部材１０が第一金属部材１及び第二金属部材２と多く面接触している側となるように設定すれば、バリを除去する作業を容易に行うことができるため好ましい。

［第二実施形態］
次に、第二実施形態に係る接合方法について説明する。第二実施形態に係る接合方法は、図８に示すように、第一金属部材１及び第二金属部材２の両方と接触するように補助部材１０を配置する点で第一実施形態と相違する。また、接合用回転ツールＦの回転方向も第一実施形態と相違する。第二実施形態に係る接合方法では、第一実施形態と相違する部分を中心に説明する。

第二実施形態に係る接合方法は、突合せ工程と、溶接工程と、配置工程と、摩擦攪拌工程と、除去工程とを行う。第二実施形態の突合せ工程及び溶接工程は、第一実施形態と同じであるため説明を省略する。

溶接工程において突合せ部Ｊ１を表面側から溶接した後に、第一金属部材１及び第二金属部材２を上下方向にひっくり返して架台Ｔの上面に拘束する。なお、溶接工程後に、接合部の温度が低下すると、接合部には、溶接金属Ｗ２の反対側（裏面１ｃ，２ｃ側）に向けて凸形状となるように歪みが生じる。このように、溶接工程によって接合部に熱歪みが付与されている。

第二実施形態の配置工程は、図８に示すように、第一金属部材１の裏面１ｃ及び第二金属部材２の裏面２ｃと補助部材１０の裏面１０ｃとを面接触させる工程である。補助部材１０の板厚は、後記する摩擦攪拌工程後の塑性化領域Ｗ１が金属不足にならないように適宜設定する。
第二実施形態の配置工程では、補助部材１０の中央が概ね突合せ部Ｊ１に位置するように配置する。

摩擦攪拌工程は、図９に示すように、接合用回転ツールＦを用いて第一金属部材１と第二金属部材２との突合せ部Ｊ１を摩擦攪拌によって接合する工程である。
第二実施形態では、接合用回転ツールＦを右回転させるため、攪拌ピンＦ２の螺旋溝は基端から先端に向かうにつれて左回りに形成されている。

第二実施形態の摩擦攪拌工程では、右回転させた攪拌ピンＦ２を補助部材１０の表面１０ｂから挿入し、突合せ部Ｊ１に達するように攪拌ピンＦ２の挿入深さを設定する。
第二実施形態の摩擦攪拌工程では、突合せ部Ｊ１に右回転させた攪拌ピンＦ２のみを挿入し、被接合金属部材と連結部Ｆ１とは離間させつつ移動させる。言い換えると、攪拌ピンＦ２の基端部は露出させた状態で摩擦攪拌接合を行う。
そして、第一金属部材１、第二金属部材２及び補助部材１０と攪拌ピンＦ２とを接触させた状態で、突合せ部Ｊ１に沿って接合用回転ツールＦを図９の手前側から奥側に向けて相対移動させる。これにより、突合せ部Ｊ１が摩擦攪拌接合される。接合用回転ツールＦの移動軌跡には塑性化領域Ｗ１が形成される。
なお、第二実施形態では、接合用回転ツールＦを高速回転しているため、バリＶはシアー側に比べてフロー側の方に多く発生する傾向にある。

除去工程は、図１０に示すように、摩擦攪拌工程によって分断された補助部材１０を第一金属部材１及び第二金属部材２から除去する工程である。除去工程では、補助部材１０，１０を第一金属部材１及び第二金属部材２から離間する方向にそれぞれ折り曲げて除去する。

なお、摩擦攪拌工程後に、接合部に歪みが生じるが、摩擦攪拌工程の前に、溶接工程によって接合部に予め熱歪みが付与されているため、図１１に示すように、第一金属部材１と第二金属部材２とは平坦になる。また、摩擦攪拌工程において、突合せ部Ｊ１の表面側を摩擦攪拌する前に、突合せ部Ｊ１の裏面側が溶接されているため、接合部に溶接欠陥が生じるのを防ぐことができる。

以上説明した第二実施形態に係る接合方法によれば、図１０に示すように、第一金属部材１と第二金属部材２とが接合されるとともに、第一金属部材１及び第二金属部材２に加え、補助部材１０も同時に摩擦攪拌接合することにより、接合部（塑性化領域Ｗ１）の金属不足を防ぐことができる。また、第一金属部材１及び第二金属部材２の両方に跨るように補助部材１０を配置するため、接合部の金属不足をより確実に防ぐことができるとともに、金属をバランスよく補充することができる。

また、第二実施形態では、図８に示すように、表面側から突合せ部Ｊ１に溶接工程を行った後に、図９に示すように、裏面側から突合せ部Ｊ１に摩擦攪拌工程を行うことで、摩擦攪拌工程前に、溶接工程によって接合部に予め熱歪みを付与している。これにより、接合された第一金属部材１及び第二金属部材２が摩擦攪拌工程後に屈曲するのを防ぐとともに、水密性及び気密性に優れた接合部を形成することができる。また、第一金属部材１及び第二金属部材２の接合強度を高めることができる。

また、第二実施形態によれば、図１０に示すように、摩擦攪拌工程によって分断された補助部材１０にそれぞれバリＶが形成されるが、除去工程において補助部材１０ごと取り除くことができる。これにより、バリＶを除去する作業を容易に行うことができる。

［第三実施形態］
次に、本発明の第三実施形態に係る接合方法について説明する。図１２に示すように、第三実施形態に係る接合方法では、配置工程において補助部材１０を第一金属部材１及び第二金属部材２の両方に配置しつつ、補助部材１０に対する第一金属部材１と第二金属部材２との接触割合を変更する点で第一実施形態と相違する。また、接合用回転ツールＦの回転方向も第一実施形態と相違する。第三実施形態に係る接合方法では、第一実施形態と相違する点を中心に説明する。

第三実施形態に係る接合方法は、突合せ工程と、溶接工程と、配置工程と、摩擦攪拌工程と、除去工程とを行う。第三実施形態の突合せ工程及び溶接工程は、第一実施形態と同じであるため説明を省略する。

溶接工程において突合せ部Ｊ１を表面側から溶接した後に、第一金属部材１及び第二金属部材２を上下方向にひっくり返して架台Ｔの上面に拘束する。なお、溶接工程後に、接合部の温度が低下すると、接合部には、溶接金属Ｗ２の反対側（裏面１ｃ，２ｃ側）に向けて凸形状となるように歪みが生じる。このように、溶接工程によって接合部に熱歪みが付与されている。

第三実施形態の配置工程は、図１２に示すように、第一金属部材１の裏面１ｃ及び第二金属部材２の裏面２ｃと補助部材１０の裏面１０ｃとを面接触させる工程である。
第三実施形態の配置工程では、補助部材１０の９割程度を第一金属部材１に配置し、残りの１割程度を第二金属部材２に配置する。つまり、突合せ部Ｊ１に対して補助部材１０がわずかに第二金属部材２側に突出するように配置する。
第三実施形態において、補助部材１０の配置位置は、補助部材１０が第一金属部材１及び第二金属部材２の両方に面接触するように配置するとともに、後記する除去工程を行った際に第二金属部材２側（補助部材１０との接触面積が少ない側）に補助部材１０が残存しないように調節する。

摩擦攪拌工程は、図１３に示すように、接合用回転ツールＦを用いて第一金属部材１と第二金属部材２との突合せ部Ｊ１を摩擦攪拌によって接合する工程である。
第三実施形態では、接合用回転ツールＦを右回転させるため、攪拌ピンＦ２の螺旋溝は基端から先端に向かうにつれて左回りに形成されている。

第三実施形態の摩擦攪拌工程では、右回転させた攪拌ピンＦ２を補助部材１０の表面１０ｂから挿入し、突合せ部Ｊ１に達するように攪拌ピンＦ２の挿入深さを設定する。
第三実施形態の摩擦攪拌工程では、突合せ部Ｊ１に右回転させた攪拌ピンＦ２のみを挿入し、被接合金属部材と連結部Ｆ１とは離間させつつ移動させる。言い換えると、攪拌ピンＦ２の基端部は露出させた状態で摩擦攪拌接合を行う。
そして、第一金属部材１、第二金属部材２及び補助部材１０と攪拌ピンＦ２とを接触させた状態で、突合せ部Ｊ１に沿って接合用回転ツールＦを図１３の手前側から奥側に向けて相対移動させる。これにより、突合せ部Ｊ１が摩擦攪拌接合される。接合用回転ツールＦの移動軌跡には塑性化領域Ｗ１が形成される。
なお、第三実施形態では、接合用回転ツールＦの進行方向右側に補助部材１０が位置するように接合用回転ツールＦの進行方向を設定する。第三実施形態では、接合用回転ツールＦを高速回転しているため、バリＶはシアー側に比べてフロー側の方に多く発生する傾向にある。そして、第三実施形態では、第一金属部材１側がフロー側となるため、補助部材１０に多くのバリＶが発生する。

除去工程は、図１４に示すように、補助部材１０を第一金属部材１から除去する工程である。除去工程では、例えば手作業により、補助部材１０を第一金属部材１から離間する方向に折り曲げて第一金属部材１から除去する。

なお、摩擦攪拌工程後に、接合部に歪みが生じるが、摩擦攪拌工程の前に、溶接工程によって接合部に予め熱歪みが付与されているため、図１５に示すように、第一金属部材１と第二金属部材２とは平坦になる。また、摩擦攪拌工程において、突合せ部Ｊ１の表面側を摩擦攪拌する前に、突合せ部Ｊ１の裏面側が溶接されているため、接合部に溶接欠陥が生じるのを防ぐことができる。

以上説明した第三実施形態に係る接合方法によれば、第一金属部材１と第二金属部材２とが平面状に接合されるとともに、第一金属部材１及び第二金属部材２に加え、補助部材１０も同時に摩擦攪拌接合することにより、接合部（塑性化領域Ｗ１）の金属不足を防ぐことができる。

また、第三実施形態では、図１２に示すように、表面側から突合せ部Ｊ１に溶接工程を行った後に、図１３に示すように、裏面側から突合せ部Ｊ１に摩擦攪拌工程を行うことで、摩擦攪拌工程前に、溶接工程によって接合部に予め熱歪みを付与している。これにより、接合された第一金属部材１及び第二金属部材２が摩擦攪拌工程後に屈曲するのを防ぐとともに、水密性及び気密性に優れた接合部を形成することができる。また、第一金属部材１及び第二金属部材２の接合強度を高めることができる。

また、第三実施形態の接合条件によれば、図１３に示すように、接合用回転ツールＦの回転速度を速く設定しているため、フロー側にバリＶが多く発生する傾向にある。つまり、第三実施形態ではバリＶが補助部材１０のうち第一金属部材１側に多く形成されるように接合用回転ツールＦの回転方向及び進行方向等（接合条件）を設定している。
これにより、補助部材１０に形成されたバリＶは、除去工程において補助部材１０ごと除去されるため、バリを除去する作業をより容易に行うことができる。
また、摩擦攪拌工程後は、補助部材１０の端面が突合せ部Ｊ１に向かうにつれて板厚が薄くなるように傾斜している。補助部材１０は除去装置等を用いてもよいが、第三実施形態では、手作業で容易に補助部材１０を容易に取り除くことができる。

ここで、前記した第二実施形態の除去工程では、突合せ部Ｊ１を挟んで両側にある補助部材１０，１０を除去する必要がある。しかし、第三実施形態では摩擦攪拌工程後に第二金属部材２側（補助部材１０との接触面積が少ない側）に補助部材１０が残存しないように補助部材１０の配置位置を調節しているため、除去工程では片側の補助部材１０を除去するだけでよい。これにより除去工程の作業手間を少なくすることができる。また、配置工程では、突合せ部Ｊ１を挟んで第二金属部材２側（他方側）にわずかに補助部材１０を突出させる分、接合部の金属不足をバランス良く、かつ、より確実に防ぐことができる。

１ 第一金属部材
２ 第二金属部材
１０ 補助部材
Ｆ 接合用回転ツール（回転ツール）
Ｆ１ 連結部
Ｆ２ 攪拌ピン
Ｊ１ 突合せ部
Ｖ バリ
Ｗ１ 塑性化領域
Ｗ２ 溶接金属

Claims (5)

1. 第一金属部材と第二金属部材とを接合する接合方法であって、
   前記第一金属部材と前記第二金属部材とを突き合わせて突合せ部を形成する突合せ工程と、
   前記突合せ部に対して表面側から溶接する溶接工程と、
   前記第一金属部材及び前記第二金属部材をひっくり返して、前記第一金属部材又は前記第二金属部材の裏面に面接触するように補助部材を配置する配置工程と、
   回転ツールの攪拌ピンを回転させながら前記補助部材の表面側から挿入し、前記攪拌ピンのみを前記第一金属部材、前記第二金属部材及び前記補助部材に接触させた状態で前記突合せ部に沿って前記回転ツールを相対移動させて前記第一金属部材、前記第二金属部材及び前記補助部材を接合する摩擦攪拌工程と、
   バリが形成された前記補助部材を前記第一金属部材又は前記第二金属部材から除去する除去工程と、
   を含むことを特徴とする接合方法。
2. 前記摩擦攪拌工程では、摩擦攪拌接合で発生するバリが前記補助部材に形成されるように接合条件を設定することを特徴とする請求項１に記載の接合方法。
3. 第一金属部材と第二金属部材とを接合する接合方法であって、
   前記第一金属部材と前記第二金属部材とを突き合わせて突合せ部を形成する突合せ工程と、
   前記突合せ部に対して表面側から溶接する溶接工程と、
   前記第一金属部材及び前記第二金属部材をひっくり返して、前記第一金属部材及び前記第二金属部材の裏面の両方に面接触するように補助部材を配置する配置工程と、
   回転ツールの攪拌ピンを回転させながら前記補助部材の表面側から挿入し、前記攪拌ピンのみを前記第一金属部材、前記第二金属部材及び前記補助部材に接触させた状態で前記突合せ部に沿って前記回転ツールを相対移動させて前記第一金属部材、前記第二金属部材及び前記補助部材を接合する摩擦攪拌工程と、
   バリが形成された前記補助部材を前記第一金属部材及び前記第二金属部材から除去する除去工程と、
   を含むことを特徴とする接合方法。
4. 前記配置工程では、前記補助部材を前記第一金属部材及び前記第二金属部材のいずれか一方に配置しつつ、前記突合せ部を挟んで他方側にわずかに突出するように配置し、
   前記摩擦攪拌工程では、摩擦攪拌接合で発生するバリが、前記補助部材のうち前記第一金属部材及び前記第二金属部材のいずれか一方側に形成されるように接合条件を設定することを特徴とする請求項３に記載の接合方法。
5. 前記溶接工程において前記突合せ部に形成された溶接金属と、
   前記摩擦攪拌工程において前記突合せ部に形成された塑性化領域と、が接触していることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の接合方法。

Images