JP2018187671A

JP2018187671A - 接合方法

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Publication number: JP2018187671A
Application number: JP2017095045A
Authority: JP
Inventors: 堀　久司; Hisashi Hori; 久司堀; 伸城瀬尾; Nobushiro Seo
Original assignee: Nippon Light Metal Co Ltd
Current assignee: Nippon Light Metal Co Ltd
Priority date: 2017-05-11
Filing date: 2017-05-11
Publication date: 2018-11-29

Abstract

【課題】接合部の金属不足を防ぐことができる接合方法を提供する。【解決手段】金属部材１０，２０同士を接合する接合方法であって、第一金属部材１０及び第二金属部材２０は断面Ｕ字形状に形成されており、第二金属部材２０の縦板２１の縦寸法は、第一金属部材１０の縦板１１の縦寸法よりも長く形成され、両金属部材１０，２０を突き合わせて、両金属部材１０，２０によって段差を伴う突合せ部Ｊ２を形成する突合せ工程と、第一金属部材１０に補助部材３０を配置する補助部材配置工程と、攪拌ピンＦ２のみを補助部材３０及び両金属部材１０，２０に接触させた状態で、補助部材３０及び両金属部材１０，２０の摩擦攪拌接合を行う本接合工程と、補助部材３０を第一金属部材１０から除去する除去工程と、を含んでいる。【選択図】図６

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に、回転ツールの攪拌ピンのみを第一金属部材と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２０１３−０３９６１３号公報

前記した従来の接合方法では、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漏れ出して接合部が金属不足になるという問題がある。

そこで、本発明は、接合部の金属不足を防ぐ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、攪拌ピンを備えた本接合用回転ツールを用いて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であって、前記第一金属部材及び前記第二金属部材は、縦板の一方の側面の基端部から第一横板が突出するとともに、前記縦板の一方の側面の先端部から第二横板が突出した断面Ｕ字形状に形成されており、前記第二金属部材の前記縦板の縦寸法は、前記第一金属部材の前記縦板の縦寸法よりも長く形成され、前記第一金属部材の前記縦板の他方の側面と、前記第二金属部材の前記縦板の他方の側面とを突き合わせて、前記第一金属部材の前記第一横板と、前記第二金属部材の前記第一横板とを面一に突き合わせるとともに、前記第一金属部材の前記第二横板と、前記第二金属部材の前記第二横板とによって段差を伴う先端側の突合せ部を形成する突合せ工程と、前記第一金属部材の前記第二横板の表面に補助部材を配置し、前記補助部材の端面を前記第二金属部材の前記縦板の他方の側面に突き合せる補助部材配置工程と、前記攪拌ピンを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補助部材、前記第一金属部材及び前記第二金属部材に接触させた状態で、先端側の前記突合せ部に沿って前記本接合用回転ツールを相対移動させて、前記補助部材、前記第一金属部材及び前記第二金属部材の摩擦攪拌接合を行う本接合工程と、バリが形成された前記補助部材を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、攪拌ピンを備えた本接合用回転ツールを用いて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であって、前記第一金属部材及び前記第二金属部材は、縦板の一方の側面の基端部から第一横板が突出するとともに、前記縦板の一方の側面の先端部から第二横板が突出した断面Ｕ字形状に形成されており、前記第二金属部材の前記縦板の縦寸法は、前記第一金属部材の前記縦板の縦寸法よりも長く形成され、前記第一金属部材の前記縦板の他方の側面と、前記第二金属部材の前記縦板の他方の側面とを突き合わせて、前記第一金属部材の前記第一横板と、前記第二金属部材の前記第一横板とを面一に突き合わせた基端側の突合せ部を形成する突合せ工程と、基端側の前記突合せ部を覆うように、前記第一金属部材及び前記第二金属部材に補助部材を配置する補助部材配置工程と、前記攪拌ピンを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補助部材、前記第一金属部材及び前記第二金属部材に接触させた状態で、基端側の前記突合せ部に沿って前記本接合用回転ツールを相対移動させて、前記補助部材、前記第一金属部材及び前記第二金属部材の摩擦攪拌接合を行う本接合工程と、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。

前記課題を解決するための第三の発明は、攪拌ピンを備えた本接合用回転ツールを用いて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であって、前記第一金属部材及び前記第二金属部材は、縦板の一方の側面の基端部から第一横板が突出するとともに、前記縦板の一方の側面の先端部から第二横板が突出した断面Ｕ字形状に形成されており、前記第二金属部材の前記縦板の縦寸法は、前記第一金属部材の前記縦板の縦寸法よりも長く形成され、前記第一金属部材の前記縦板の他方の側面と、前記第二金属部材の前記縦板の他方の側面とを突き合わせて、前記第一金属部材の前記第一横板と、前記第二金属部材の前記第一横板とを面一に突き合わせた基端側の突合せ部を形成する突合せ工程と、基端側の前記突合せ部に沿って、前記第一金属部材又は前記第二金属部材に補助部材を配置する補助部材配置工程と、前記攪拌ピンを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補助部材、前記第一金属部材及び前記第二金属部材に接触させた状態で、基端側の前記突合せ部に沿って前記本接合用回転ツールを相対移動させて、前記補助部材、前記第一金属部材及び前記第二金属部材の摩擦攪拌接合を行う本接合工程と、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。

これら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て、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、摩擦攪拌接合で発生するバリを補助部材ごと金属部材から除去することができるため、バリを除去する工程が容易となる。

第一の発明の前記本接合工程では、前記本接合用回転ツールの回転軸を前記第一金属部材側に傾斜させた状態で、先端側の前記突合せ部に沿って前記本接合用回転ツールを相対移動させて、前記補助部材、前記第一金属部材及び前記第二金属部材の摩擦攪拌接合を行うことが好ましい。
かかる接合方法によれば、摩擦攪拌接合を行うときに、補助部材の表面と第二金属部材の縦板とによって形成された内隅に対して容易に攪拌ピンを挿入することができる。

第一の発明において、前記補助部材配置工程の前に、先端側の前記突合せ部に仮接合用回転ツールの攪拌ピンのみを挿入してスポットで摩擦攪拌接合を行う仮接合工程を含むことが好ましい。
第二の発明及び第三の発明において、前記補助部材配置工程の前に、基端側の前記突合せ部に仮接合用回転ツールの攪拌ピンのみを挿入してスポットで摩擦攪拌接合を行う仮接合工程を含むことが好ましい。
かかる接合方法によれば、攪拌ピンのみを金属部材に接触させた状態で突合せ部のスポット仮付けを行うことにより、摩擦攪拌装置に作用する負荷を軽減することができる。また、従来のように突合せ部の全長に対して仮接合を行う場合に比べて工程時間を短くすることができる。

第一の発明の前記仮接合工程では、前記仮接合用回転ツールの回転軸を前記第一金属部材側に傾斜させた状態で、先端側の前記突合せ部に前記仮接合用回転ツールの前記攪拌ピンのみを挿入してスポットで摩擦攪拌接合を行うことが好ましい。
かかる接合方法によれば、摩擦攪拌接合を行うときに、攪拌ピンが第二金属部材に干渉するのを防ぐことができる。

また、前記仮接合用回転ツール及び前記本接合用回転ツールは同一の回転ツールであることが好ましい。
かかる接合方法によれば、回転ツールの交換を行う必要が無いため、作業効率を高めることができる。

第一の発明において、前記補助部材配置工程の前に、先端側の前記突合せ部を溶接によるスポットで接合する仮接合工程を含むことが好ましい。
第二の発明及び第三の発明において、前記補助部材配置工程の前に、基端側の前記突合せ部を溶接によるスポットで接合する仮接合工程を含むことが好ましい。
前記溶接は、ＭＩＧ溶接、ＴＩＧ溶接又はレーザー溶接であることが好ましい。
かかる接合方法によれば、従来のように突合せ部の全長に対して仮接合を行う場合に比べて工程時間を短くすることができる。

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る。

第一実施形態に係る接合方法の突合せ工程前を示す斜視図である。第一実施形態に係る接合方法の突合せ工程後を示す断面図である。第一実施形態に係る接合方法の仮接合工程を示す斜視図である。第一実施形態に係る接合方法の補助部材配置工程を示す斜視図である。第一実施形態に係る接合方法の補助部材配置工程を示す断面図である。第一実施形態に係る接合方法の本接合工程を示す斜視図である。第一実施形態に係る接合方法の本接合工程を示す断面図である。第一実施形態に係る接合方法の除去工程前を示す断面図である。第一実施形態に係る接合方法の除去工程を示す断面図である。第一実施形態に係る接合方法の本接合工程の変形例を示す断面図である。第一実施形態に係る接合方法の仮接合工程の変形例を示した図で、本接合用回転ツールを傾斜させた構成の斜視図である。第一実施形態に係る接合方法の仮接合工程の変形例を示した図で、先端側の突合せ部を溶接する構成の斜視図である。第二実施形態に係る接合方法の突合せ工程前を示す斜視図である。第二実施形態に係る接合方法の突合せ工程後を示す断面図である。第二実施形態に係る接合方法の仮接合工程を示す斜視図である。第二実施形態に係る接合方法の補助部材配置工程を示す斜視図である。第二実施形態に係る接合方法の補助部材配置工程を示す断面図である。第二実施形態に係る接合方法の本接合工程を示す斜視図である。第二実施形態に係る接合方法の本接合工程を示す断面図である。第二実施形態に係る接合方法の除去工程前を示す断面図である。第二実施形態に係る接合方法の除去工程を示す断面図である。第三実施形態に係る接合方法の補助部材配置工程を示す断面図である。第三実施形態に係る接合方法の本接合工程を示す断面図である。第三実施形態に係る接合方法の除去工程を示す断面図である。第四実施形態に係る接合方法の補助部材配置工程を示す断面図である。第四実施形態に係る接合方法の本接合工程を示す断面図である。第四実施形態に係る接合方法の除去工程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１〜図１２を参照して詳細に説明する。第一実施形態では、断面Ｕ字形状の二つの金属板（第一金属部材と第二金属部材）を接合する。第一実施形態に係る接合方法では、突合せ工程と、仮接合工程と、補助部材配置工程と、本接合工程と、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、断面Ｕ字形状の第一金属部材１０と第二金属部材２０とを突き合わせる工程である。
第一金属部材１０及び第二金属部材２０は、アルミニウム合金製の板状部材からなる。第一金属部材１０及び第二金属部材２０の材料は、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の摩擦攪拌可能な金属から適宜選択される。
第一実施形態の第一金属部材１０と第二金属部材２０とは、断面Ｕ字形状の形材を横方向に向けて開口するように配置し、二つの形材を逆向きに配置したものである。

第一金属部材１０は、軸断面がＵ字形状に形成された形材である。第一金属部材１０は、縦板１１と、縦板１１の一方の側面１１ａの基端部から一方に向けて突出した第一横板１２と、縦板１１の一方の側面１１ａの先端部から一方に向けて突出した第二横板１３とによって構成されている。
すなわち、縦板１１の基端部（図１における縦板１１の下端部）から一方に向けて第一横板１２が直角に屈曲し、縦板１１の先端部（図１における縦板１１の上端部）から一方に向けて第二横板１３が直角に屈曲している。
縦板１１と第一横板１２及び第二横板１３との接続部には、図２に示すように、直角に屈曲した角部１４が形成されている。角部１４の外側の頂部には、円弧状に湾曲した曲面が形成されている。
なお、第一実施形態の第一金属部材１０では、縦板１１の高さと、第一横板１２及び第二横板１３の横幅とが同じ長さに形成されているが、異なる長さに形成してもよい。

第二金属部材２０は、図１に示すように、第一金属部材１０と同様に、軸断面がＵ字形状に形成された形材である。第二金属部材２０は、縦板２１と、縦板２１の一方の側面２１ａの基端部から他方に向けて突出した第一横板２２と、縦板２１の一方の側面２１ａの先端部から他方に向けて突出した第二横板２３とで構成されている。
なお、第二金属部材２０では、縦板１１の高さと、第一横板１２及び第二横板１３の横幅とが同じ長さに形成されているが、異なる長さに形成してもよい。

第二金属部材２０の縦板２１の縦寸法は、図２に示すように、第一金属部材１０の縦板１１の縦寸法よりも長く形成されている。第一実施形態では、第二金属部材２０の縦板２１の縦寸法が、第一金属部材１０の縦板１１の縦寸法よりも、第二金属部材２０の第二横板２３の厚さの約半分だけ長く形成されている。

突合せ工程では、第一金属部材１０と第二金属部材２０とを逆向きに配置し、図２に示すように、第一金属部材１０の縦板１１の他方の側面１１ｂと、第二金属部材２０の縦板２１の他方の側面２１ｂとを面接触させて突き合わせる。
このとき、第一金属部材１０の第一横板１２の裏面１２ａ（図２における第一横板１２の下面）と、第二金属部材２０の第一横板２２の裏面２２ａ（図２における第一横板２２の下面）とを面一とする。これにより、第一金属部材１０の第一横板１２と、第二金属部材２０の第一横板２２とによって平坦な基端側の突合せ部Ｊ１が形成される。

そして、第一金属部材１０の第一横板１２と、第二金属部材２０の第一横板２２を面一にすると、第一金属部材１０の第二横板１３の表面１３ａ（図２における第二横板１３の上面）よりも、第二金属部材２０の第二横板２３の表面２３ａ（図２における第二横板２３の上面）が上方に配置される。
これにより、第一金属部材１０の第二横板１３と、第二金属部材２０の第二横板２３とによって段差を伴う先端側の突合せ部Ｊ２が形成される。
第一金属部材１０の角部１４は湾曲しているため、第一金属部材１０の角部１４と第二金属部材２０の他方の側面２１ｂとの間には隙間Ｓが形成される。

仮接合工程は、図３に示すように、回転ツールＦ（仮接合用回転ツール）を用いて先端側の突合せ部Ｊ２に対して仮接合を行う工程である。
回転ツールＦは、例えば工具鋼で形成されている。回転ツールＦは、連結部Ｆ１と攪拌ピンＦ２とを備えている。連結部Ｆ１は、摩擦攪拌装置の回転軸に連結される部位である。連結部Ｆ１は円柱状を呈する。

攪拌ピンＦ２は、連結部Ｆ１から延在しており、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。第一実施形態では、回転ツールＦを右回転させるため、螺旋溝は、基端から先端に向かうにつれて左回りに形成されている。
なお、回転ツールＦを左回転させる場合は、螺旋溝を基端から先端に向かうにつれて右回りに形成することが好ましい。

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１０、第二金属部材２０及び補助部材３０）の外部に溢れ出る金属の量を少なくすることができる。なお、螺旋溝は省略してもよい。

仮接合工程では、回転させた回転ツールＦの攪拌ピンＦ２のみを先端側の突合せ部Ｊ２に接触させてスポット仮付けを行う。仮接合工程では、回転ツールＦの回転軸を第一金属部材１０の第二横板１３の表面１３ａ及び第二金属部材２０の第二横板２３の表面２３ａに対して垂直に配置する。そして、所定の間隔をあけて攪拌ピンＦ２のみを先端側の突合せ部Ｊ２に浅く押し込んでいく。攪拌ピンＦ２の押し込み跡には、塑性化領域Ｗ０が形成される。
回転ツールＦは、先端にスピンドルユニット等の回転駆動手段を備えたアームロボット（図示せず）に取り付けられることが好ましい。これにより、容易にスポット仮付けを行うことができる。

補助部材配置工程は、図４に示すように、第一金属部材１０に補助部材３０を配置する工程である。
補助部材３０は金属製の板状部材である。補助部材３０は摩擦攪拌可能な金属であれば特に制限されないが、第一実施形態では、第一金属部材１０及び第二金属部材２０と同じ材料になっている。
補助部材３０の板厚は、図５に示すように、後記する本接合工程後に、塑性化領域Ｗ（図８参照）が金属不足にならないとともに、先端側の突合せ部Ｊ２の隙間Ｓが金属によって埋まるように適宜設定する。なお、第一実施形態では、補助部材３０は板状としているが、他の形状であってもよい。

補助部材配置工程では、補助部材３０の裏面３０ｂと、第一金属部材１０の第二横板１３の表面１３ａとを面接触させる。また、補助部材３０の第二金属部材２０側の端面を第二金属部材２０の縦板２１の他方の側面２１ｂに突き合せる。これにより、先端側の突合せ部Ｊ２に沿って、補助部材３０が配置される。
第一実施形態では、補助部材３０の板厚が、第一金属部材１０の第二横板１３の厚さの約半分に設定されている。これにより、補助部材３０の表面３０ａと、第二金属部材２０の第二横板２３の表面２３ａとが面一となる。
また、第一金属部材１０の第一横板１２及び第二金属部材２０の第一横板２２を下側にして、第一金属部材１０、第二金属部材２０及び補助部材３０を治具（図示せず）によって架台（図示せず）に移動不能に拘束する。

本接合工程は、図６に示すように、回転ツールＦ（本接合用回転ツール）を用いて先端側の突合せ部Ｊ２に対して摩擦攪拌接合を行う工程である。本接合工程では、図７に示すように、回転ツールＦの回転軸を第一金属部材１０の第二横板１３の表面１３ａ及び第二金属部材２０の第二横板２３の表面２３ａに対して垂直に配置する。そして、右回転させた回転ツールＦを補助部材３０の表面３０ａから挿入し、先端側の突合せ部Ｊ２に達するように、攪拌ピンＦ２の挿入深さを設定する。
本接合工程では、攪拌ピンＦ２のみを補助部材３０、第一金属部材１０及び第二金属部材２０に接触させ、攪拌ピンＦ２の基端側は露出させた状態で摩擦攪拌接合を行う。

そして、図６に示すように、先端側の突合せ部Ｊ２に沿って回転ツールＦを相対移動させる。これにより、先端側の突合せ部Ｊ２において、補助部材３０、第一金属部材１０及び第二金属部材２０が摩擦攪拌接合される。回転ツールＦの移動軌跡には、塑性化領域Ｗが形成される。また、本接合工程後には、図８に示すように、補助部材３０の端部にバリＶが形成されている。

第一実施形態では、回転ツールＦを右回転させているため、第一金属部材１０側は、接合用回転ツールＦのフロー側（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）である。一方、第二金属部材２０側は、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）である。

接合用回転ツールＦの回転速度が遅い場合には、フロー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Ｗ外のシアー側（第二金属部材２０側）にバリＶが多く発生する傾向にある。
一方、接合用回転ツールＦの回転速度が速い場合は、フロー側に比べて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Ｗ外のフロー側（第一金属部材１０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のフロー側が第一金属部材１０側（接合中心よりも右側）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。

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、塑性化領域Ｗ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３０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。

上記したように、本接合工程の際に、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。
接合条件とは、回転ツールＦの回転速度、回転方向、移動方向、移動速度（送り速度）、攪拌ピンＦ２の傾斜角度、第一金属部材１０、第二金属部材２０及び補助部材３０の材料、各部材の厚さ等の各要素と、これらの要素の組み合わせで決定される。
接合条件に応じて、バリＶが発生する側又はバリＶが多く発生する側に補助部材３０を配置するようにすれば、バリＶを除去する工程を容易に行うことができる。

除去工程は、図９に示すように、補助部材３０を第一金属部材１０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３０を第一金属部材１０から離間する方向に折り曲げて、補助部材３０を第一金属部材１０から除去する。これにより、第一金属部材１０の第二横板１３と、第二金属部材２０の第二横板２３との間の段差部が接合される。

以上説明した第一実施形態に係る接合方法によれば、図７に示すように、第一金属部材１０と第二金属部材２０とが接合されるとともに、第一金属部材１０及び第二金属部材２０に加えて、補助部材３０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Ｗ）の金属不足を防ぐことができる。
また、回転ツールＦの攪拌ピンＦ２のみを補助部材３０、第一金属部材１０及び第二金属部材２０に接触させた状態で摩擦攪拌接合を行うことにより、摩擦攪拌装置に作用する負荷を軽減することができる。
また、第一実施形態に係る接合方法では、図３及び図６に示すように、本接合工程及び仮接合工程において、回転ツールＦの攪拌ピンＦ２のみを金属部材に接触させて摩擦攪拌しているため、入熱量を少なくすることができ、第一金属部材１０及び第二金属部材２０の熱歪みを小さくすることができる。

また、第一実施形態に係る接合方法では、図７に示すように、先端側の突合せ部Ｊ２に補助部材３０を配置し、補助部材３０、第一金属部材１０及び第二金属部材２０を同時に摩擦攪拌接合しているため、塑性流動化した金属によって、第一金属部材１０と第二金属部材２０との隙間Ｓ（図５参照）を埋めることができる。

また、第一実施形態に係る接合方法では、図８に示すように、本接合工程によって補助部材３０にバリＶが形成されるが、図９に示すように、除去工程において、バリＶを補助部材３０ごと取り除くことができる。これにより、バリＶを除去する工程を容易に行うことができる。
補助部材３０は、除去装置等を用いて除去してもよいが、第一実施形態では、手作業で容易に補助部材３０を取り除くことができる。

また、第一実施形態に係る接合方法では、仮接合工程を行うため、本接合工程を行う際の先端側の突合せ部Ｊ２の目開きを防ぐことができる。
また、第一実施形態に係る接合方法では、図３に示すように、回転ツールＦの攪拌ピンＦ２のみを金属部材に接触させた状態で先端側の突合せ部Ｊ２のスポット仮付けを行うことにより、摩擦攪拌装置に作用する負荷を軽減することができる。また、従来のように突合せ部の全長に対して仮接合を行う場合に比べて工程時間を短くすることができる。

また、第一実施形態では、仮接合工程を行う回転ツールＦ（仮接合用回転ツール）と、本接合工程を行う回転ツールＦ（本接合用回転ツール）は同一の回転ツールを用いている。これにより、各工程で回転ツールの交換を行う必要が無いため作業効率を高めることができる。

以上、本発明の第一実施形態について説明したが、本発明の趣旨に反しない範囲において適宜設計変更が可能である。
例えば、仮接合用回転ツール又は本接合用回転ツールに、ショルダ部及び攪拌ピンを備えた回転ツールを用いてもよい。また、仮接合工程と、本接合工程とで異なる回転ツールを用いてもよい。

また、第一実施形態では、図２に示すように、第一金属部材１０の角部１４が丸面取りされており、先端側の突合せ部Ｊ２に隙間Ｓを設ける構成としたが、隙間Ｓが無いように構成してもよい。

また、第一実施形態の本接合工程では、図７に示すように、回転ツールＦの回転軸を第一金属部材１０の第二横板１３及び第二金属部材２０の第二横板２３に対して垂直に配置しているが、図１０に示すように、回転ツールＦの回転軸を第一金属部材１０側に傾斜させてもよい。なお、回転ツールＦをアームロボット（図示せず）に取り付けた場合には、回転ツールＦの回転軸を容易に傾斜させることができる。
このようにすると、補助部材３０の表面３０ａと第二金属部材２０の縦板２１とによって形成された内隅に対して容易に攪拌ピンＦ２を挿入することができる。

さらに、図１１に示すように、仮接合工程においても、回転ツールＦの回転軸を第一金属部材１０側に傾斜させることで、補助部材３０の表面３０ａと第二金属部材２０の縦板２１とによって形成された内隅に対して容易に攪拌ピンＦ２を挿入することができる。

また、第一実施形態の仮接合工程では、図３に示すように、回転ツールＦを用いて先端側の突合せ部Ｊ２に対して仮接合を行っているが、図１２に示すように、先端側の突合せ部Ｊ２に対して溶接で仮接合を行ってもよい。このとき、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。そして、溶接トーチＨを先端側の突合せ部Ｊ２に近接させつつ、所定の間隔をあけてスポット仮付けを行う。このようにして、スポット仮付けを行った部分には、溶接痕Ｗ１が形成される。

このように、仮接合工程において、図１１に示すように、溶接で先端側の突合せ部Ｊ２のスポット仮付けを行う場合には、仮付けを摩擦攪拌にて行う場合より、摩擦攪拌装置に作用する負担を軽減できる。また、従来のように先端側の突合せ部Ｊ２の全長に対して仮接合を行う場合に比べて工程時間を短くすることができる。

また、第一実施形態では、図３に示すように、先端側の突合せ部Ｊ２に対して仮接合を行っているが、基端側の突合せ部Ｊ１も仮接合した場合には、目開きをより確実に防ぐことができる。また、仮接合工程は省略してもよい。

また、第一実施形態では、図７に示すように、先端側の突合せ部Ｊ２のみに補助部材３０を配置して摩擦攪拌接合しているが、基端側の突合せ部Ｊ１も同様に補助部材３０を配置して摩擦攪拌接合してもよい。

［第二実施形態］
次に、本発明の第二実施形態に係る接合方法について、図１３〜図２１を参照して詳細に説明する。第二実施形態では、断面Ｕ字形状の二つの金属板（第一金属部材と第二金属部材）を接合する。第二実施形態に係る接合方法では、突合せ工程と、仮接合工程と、補助部材配置工程と、本接合工程と、除去工程と、を行う。なお、第二実施形態に係る接合方法では、第一実施形態の接合方法と相違する点を中心に説明する。

突合せ工程は、図１３に示すように、断面Ｕ字形状の第一金属部材１０と第二金属部材２０とを突き合わせる工程である。
第二実施形態では、図１４に示すように、第一金属部材１０の第一横板１２及び第二金属部材２０の第一横板２２を上側にして、第一金属部材１０の縦板１１と第二金属部材２０の縦板２１とを突き合わせている。つまり、第一実施形態の第一金属部材１０及び第二金属部材２０（図２参照）を上下方向にひっくり返した状態である。

これにより、第一金属部材１０の第一横板１２と、第二金属部材２０の第一横板２２とによる平坦な基端側の突合せ部Ｊ１が上側に配置され、第一金属部材１０の第二横板１３と、第二金属部材２０の第二横板２３とによる段差を伴う先端側の突合せ部Ｊ２が下側に配置される。この状態で第一金属部材１０及び第二金属部材２０は架台の上面に載置される。

また、第一金属部材１０の第二横板１３の表面１３ａと架台の上面との間に嵩上げ台５０を介在させる。嵩上げ台５０は、第一金属部材１０の第二横板１３と、第二金属部材２０の第二横板２３とによる段差の高さと同じ厚さに形成されている。
このように、嵩上げ台５０によって、第一金属部材１０の高さを調節することで、第一金属部材１０の第一横板１２の裏面１２ａと、第二金属部材２０の第一横板２２の裏面２２ａとを面一にすることができる。

仮接合工程は、図１５に示すように、回転ツールＦ（仮接合用回転ツール）を用いて基端側の突合せ部Ｊ１に対して仮接合を行う工程である。仮接合工程では、回転させた回転ツールＦの攪拌ピンＦ２のみを基端側の突合せ部Ｊ１に接触させてスポット仮付けを行う。

補助部材配置工程は、図１６に示すように、第一金属部材１０及び第二金属部材２０に補助部材３０を配置する工程である。
補助部材配置工程では、図１７に示すように、補助部材３０の裏面３０ｂと、第一金属部材１０の第一横板１２の裏面１２ａと、第二金属部材２０の第一横板２２の裏面２２ａとを面接触させる。このように、基端側の突合せ部Ｊ１を覆うように、補助部材３０を配置する。

本接合工程は、図１８に示すように、回転ツールＦ（本接合用回転ツール）を用いて基端側の突合せ部Ｊ１に対して摩擦攪拌接合を行う工程である。
本接合工程では、右回転させた回転ツールＦを補助部材３０の表面３０ａから挿入し、攪拌ピンＦ２のみを補助部材３０、第一金属部材１０及び第二金属部材２０に接触させ、攪拌ピンＦ２の基端側は露出させた状態で摩擦攪拌接合を行う。

そして、図１９に示すように、基端側の突合せ部Ｊ１に沿って回転ツールＦを相対移動させる。これにより、基端側の突合せ部Ｊ１において、補助部材３０、第一金属部材１０及び第二金属部材２０が摩擦攪拌接合される。回転ツールＦの移動軌跡には、塑性化領域Ｗが形成される。
本接合工程後には、図２０に示すように、補助部材３０は、塑性化領域Ｗによって第一金属部材１０側と第二金属部材２０側とに分断される。また、分断された補助部材３０，３０の端部にはバリＶ，Ｖが形成されている。

除去工程は、図２１に示すように、補助部材３０を第一金属部材１０および第二金属部材２０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３０を第一金属部材１０および第二金属部材２０から離間する方向に折り曲げて、補助部材３０を第一金属部材１０および第二金属部材２０から除去する。これにより、第一金属部材１０の第一横板１２と、第二金属部材２０の第一横板２２とが平面状に接合される。

以上説明した第二実施形態に係る接合方法においても、第一実施形態に係る接合方法と同様に、図１９に示すように、第一金属部材１０及び第二金属部材２０に加えて、補助部材３０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、攪拌ピンＦ２のみを補助部材３０、第一金属部材１０及び第二金属部材２０に接触させた状態で摩擦攪拌接合を行うことにより、摩擦攪拌装置に作用する負荷を軽減することができる。
また、第二実施形態に係る接合方法では、図１５及び図１８に示すように、攪拌ピンＦ２のみを金属部材に接触させて摩擦攪拌しているため、入熱量を少なくすることができ、第一金属部材１０及び第二金属部材２０の熱歪みを小さくすることができる。
また、第二実施形態に係る接合方法では、図２１に示すように、除去工程において、バリＶを補助部材３０ごと取り除くことができるため、バリＶを除去する工程を容易に行うことができる。

以上、本発明の第二実施形態について説明したが、第一実施形態と同様に、本発明の趣旨に反しない範囲において適宜設計変更が可能である。
第二実施形態では、図１８に示すように、基端側の突合せ部Ｊ１のみに補助部材３０を配置して摩擦攪拌接合しているが、先端側の突合せ部Ｊ２を前記第一実施形態の接合方法を用いて摩擦攪拌接合してもよい。つまり、基端側の突合せ部Ｊ１と先端側の突合せ部Ｊ２との両方を接合してもよい。

［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の補助部材配置工程、本接合工程及び除去工程について、図２２〜図２４を参照して詳細に説明する。
第三実施形態に係る接合方法は、図２２に示すように、補助部材配置工程において、補助部材３０を第一金属部材１０及び第二金属部材２０に配置する割合が第二実施形態と相違する。第三実施形態に係る接合方法では、第二実施形態の接合方法と相違する点を中心に説明する。

第三実施形態の補助部材配置工程では、図２２に示すように、補助部材３０の９割程度を第二金属部材２０に配置し、補助部材３０の残りの１割程度を第一金属部材１０に配置する。つまり、基端側の突合せ部Ｊ１に対して補助部材３０が僅かに第一金属部材１０の第一横板１２の裏面１２ａに突出するように配置する。

第三実施形態の本接合工程では、図２３に示すように、回転ツールＦ（本接合用回転ツール）を右回転させるため、螺旋溝は、基端から先端に向かうにつれて左回りに形成されている。また、本接合工程では、図２３の手前側から奥側に向けて回転ツールＦを相対移動させる。
第三実施形態の本接合工程では、右回転させた回転ツールＦの攪拌ピンＦ２のみを補助部材３０、第一金属部材１０及び第二金属部材２０に接触させた状態で摩擦攪拌接合を行う。これにより、基端側の突合せ部Ｊ１において、補助部材３０、第一金属部材１０及び第二金属部材２０が摩擦攪拌接合されて塑性化領域Ｗが形成される。

第三実施形態では、回転ツールＦを右回転させているため、第二金属部材２０側は、回転ツールＦのフロー側である。一方、第一金属部材１０側は、回転ツールＦのシアー側である。
第三実施形態では、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、塑性化領域Ｗ外のフロー側にバリＶが多く発生する傾向にある。
なお、第三実施形態では、本接合工程において、第一金属部材１０側に補助部材３０が残存しないように、第一金属部材１０と補助部材３０との接触割合が調節されている。

第三実施形態の除去工程では、図２４に示すように、補助部材３０を第二金属部材２０から除去することで、バリＶを片側のみに残存する補助部材３０ごと除去することができるため、バリＶを除去する工程を容易に行うことができる。

以上、本発明の第三実施形態について説明したが、第二実施形態と同様に、本発明の趣旨に反しない範囲において適宜設計変更が可能である。
例えば、補助部材配置工程において、補助部材３０の９割程度を第一金属部材１０に配置し、補助部材３０の残りの１割程度を第二金属部材２０に配置してもよい。この場合には、本接合工程において、補助部材３０にバリＶが発生するように、各種の接合条件を設定するとともに、第二金属部材２０側に補助部材３０が残存しないように、第二金属部材２０と補助部材３０との接触割合が調節する。そして、除去工程では、補助部材３０を第一金属部材１０から除去することで、バリＶを補助部材３０ごと除去することができる。

［第四実施形態］
次に、本発明の第四実施形態に係る接合方法の補助部材配置工程、本接合工程及び除去工程について、図２５〜図２７を参照して詳細に説明する。
第四実施形態に係る接合方法では、図２５に示すように、補助部材工程において、補助部材３０を第一金属部材１０のみと面接触させる点で第三実施形態と相違する。第四実施形態に係る接合方法では、第三実施形態の接合方法と相違する点を中心に説明する。

第四実施形態に係る接合方法では、図２６に示すように、本接合工程において、回転ツールＦを左回転させるため、攪拌ピンＦ２の螺旋溝は、基端から先端に向かうに従って右回りに形成されている。また、本接合工程では、図２６の手前側から奥側に向けて回転ツールＦを相対移動させる。

第四実施形態では、回転ツールＦを左回転させているため、第一金属部材１０側は、回転ツールＦのフロー側である。一方、第二金属部材２０側は、回転ツールＦのシアー側である。
第四実施形態の本接合工程では、回転ツールＦの回転速度を速く設定しているため、塑性化領域Ｗ外のフロー側にバリＶが多く発生する傾向にある。

そして、第四実施形態の除去工程では、図２７に示すように、補助部材３０を第一金属部材１０から除去することで、バリＶを補助部材３０ごと除去することができる。つまり、第四実施形態によれば片側のみに残存する補助部材３０及びバリＶを除去するだけでよい。

以上、本発明の第四実施形態について説明したが、第三実施形態と同様に、本発明の趣旨に反しない範囲において適宜設計変更が可能である。
例えば、補助部材配置工程において、補助部材３０を第二金属部材２０のみと面接触するように配置してもよい。この場合には、本接合工程において、補助部材３０にバリＶが発生するように、各種の接合条件を設定し、除去工程では、補助部材３０を第二金属部材２０から除去することで、バリＶを補助部材３０ごと除去することができる。

１０第一金属部材
１１縦板
１２第一横板
１３第二横板
２０第二金属部材
２１縦板
２２第一横板
２３第二横板
３０補助部材
５０嵩上げ台
Ｆ回転ツール
Ｆ１連結部
Ｆ２攪拌ピン
Ｊ１基端側の突合せ部
Ｊ２先端側の突合せ部
Ｓ隙間
Ｖバリ
Ｗ塑性化領域

Claims

攪拌ピンを備えた本接合用回転ツールを用いて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であって、
前記第一金属部材及び前記第二金属部材は、縦板の一方の側面の基端部から第一横板が突出するとともに、前記縦板の一方の側面の先端部から第二横板が突出した断面Ｕ字形状に形成されており、
前記第二金属部材の前記縦板の縦寸法は、前記第一金属部材の前記縦板の縦寸法よりも長く形成され、
前記第一金属部材の前記縦板の他方の側面と、前記第二金属部材の前記縦板の他方の側面とを突き合わせて、前記第一金属部材の前記第一横板と、前記第二金属部材の前記第一横板とを面一に突き合わせるとともに、前記第一金属部材の前記第二横板と、前記第二金属部材の前記第二横板とによって段差を伴う先端側の突合せ部を形成する突合せ工程と、
前記第一金属部材の前記第二横板の表面に補助部材を配置し、前記補助部材の端面を前記第二金属部材の前記縦板の他方の側面に突き合せる補助部材配置工程と、
前記攪拌ピンを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補助部材、前記第一金属部材及び前記第二金属部材に接触させた状態で、先端側の前記突合せ部に沿って前記本接合用回転ツールを相対移動させて、前記補助部材、前記第一金属部材及び前記第二金属部材の摩擦攪拌接合を行う本接合工程と、
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。
前記本接合工程では、前記本接合用回転ツールの回転軸を前記第一金属部材側に傾斜させた状態で、先端側の前記突合せ部に沿って前記本接合用回転ツールを相対移動させて、前記補助部材、前記第一金属部材及び前記第二金属部材の摩擦攪拌接合を行うことを特徴とする請求項１に記載の接合方法。
前記補助部材配置工程の前に、先端側の前記突合せ部に仮接合用回転ツールの攪拌ピンのみを挿入してスポットで摩擦攪拌接合を行う仮接合工程を含むことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の接合方法。
前記仮接合用回転ツール及び前記本接合用回転ツールは同一の回転ツールであることを特徴とする請求項３に記載の接合方法。
前記仮接合工程では、前記仮接合用回転ツールの回転軸を前記第一金属部材側に傾斜させた状態で、先端側の前記突合せ部に前記仮接合用回転ツールの前記攪拌ピンのみを挿入してスポットで摩擦攪拌接合を行うことを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の接合方法。
前記補助部材配置工程の前に、先端側の前記突合せ部を溶接によるスポットで接合する仮接合工程を含むことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の接合方法。
前記溶接は、ＭＩＧ溶接、ＴＩＧ溶接又はレーザー溶接であることを特徴とする請求項６に記載の接合方法。
攪拌ピンを備えた本接合用回転ツールを用いて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であって、
前記第一金属部材及び前記第二金属部材は、縦板の一方の側面の基端部から第一横板が突出するとともに、前記縦板の一方の側面の先端部から第二横板が突出した断面Ｕ字形状に形成されており、
前記第二金属部材の前記縦板の縦寸法は、前記第一金属部材の前記縦板の縦寸法よりも長く形成され、
前記第一金属部材の前記縦板の他方の側面と、前記第二金属部材の前記縦板の他方の側面とを突き合わせて、前記第一金属部材の前記第一横板と、前記第二金属部材の前記第一横板とを面一に突き合わせた基端側の突合せ部を形成する突合せ工程と、
基端側の前記突合せ部を覆うように、前記第一金属部材及び前記第二金属部材に補助部材を配置する補助部材配置工程と、
前記攪拌ピンを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補助部材、前記第一金属部材及び前記第二金属部材に接触させた状態で、基端側の前記突合せ部に沿って前記本接合用回転ツールを相対移動させて、前記補助部材、前記第一金属部材及び前記第二金属部材の摩擦攪拌接合を行う本接合工程と、
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。
攪拌ピンを備えた本接合用回転ツールを用いて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であって、
前記第一金属部材及び前記第二金属部材は、縦板の一方の側面の基端部から第一横板が突出するとともに、前記縦板の一方の側面の先端部から第二横板が突出した断面Ｕ字形状に形成されており、
前記第二金属部材の前記縦板の縦寸法は、前記第一金属部材の前記縦板の縦寸法よりも長く形成され、
前記第一金属部材の前記縦板の他方の側面と、前記第二金属部材の前記縦板の他方の側面とを突き合わせて、前記第一金属部材の前記第一横板と、前記第二金属部材の前記第一横板とを面一に突き合わせた基端側の突合せ部を形成する突合せ工程と、
基端側の前記突合せ部に沿って、前記第一金属部材又は前記第二金属部材に補助部材を配置する補助部材配置工程と、
前記攪拌ピンを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補助部材、前記第一金属部材及び前記第二金属部材に接触させた状態で、基端側の前記突合せ部に沿って前記本接合用回転ツールを相対移動させて、前記補助部材、前記第一金属部材及び前記第二金属部材の摩擦攪拌接合を行う本接合工程と、
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。
前記補助部材配置工程の前に、基端側の前記突合せ部に仮接合用回転ツールの攪拌ピンのみを挿入してスポットで摩擦攪拌接合を行う仮接合工程を含むことを特徴とする請求項８又は請求項９に記載の接合方法。
前記仮接合用回転ツール及び前記本接合用回転ツールは同一の回転ツールであることを特徴とする請求項１０に記載の接合方法。
前記補助部材配置工程の前に、基端側の前記突合せ部を溶接によるスポットで接合する仮接合工程を含むことを特徴とする請求項８又は請求項９に記載の接合方法。
前記溶接は、ＭＩＧ溶接、ＴＩＧ溶接又はレーザー溶接であることを特徴とする請求項１２に記載の接合方法。