JP2019010673A - 接合方法 - Google Patents

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】第一金属部材１０および第二金属部材２０は、何れも断面がＵ字形状の金属部材である。第一金属部材１０の第一横板１２の表面１２ａと、第二金属部材２０の縦板２１の他方の側面２１ｂとを突き合わせて突合せ部Ｊ１，Ｊ２を形成する。第一金属部材１０の第一横板１２と第二金属部材２０の第二横板２３で構成される内隅Ｕを覆うように、第一金属部材１０および第二金属部材２０に軸断面Ｌ字形の補助部材３０を配置する。攪拌ピンＦ２を補助部材３０の表面３０ｂ側から挿入し、攪拌ピンＦ２のみを補助部材３０、第一金属部材１０および第二金属部材２０に接触させた状態で、突合せ部Ｊ１に沿って回転ツールＦを相対移動させて、補助部材３０、第一金属部材１０および第二金属部材２０の摩擦攪拌接合を行う。【選択図】図７

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

特許文献１に開示された接合方法では、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、前記第一金属部材および前記第二金属部材の少なくとも端部は、いずれも縦板における一方の側面の基端部から第一横板が突出するとともに、前記縦板における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、前記第一金属部材における前記縦板の他方の側面と、前記第二金属部材における前記第一横板の表面とを面一にするとともに、前記第一金属部材における前記第一横板の表面と、前記第二金属部材における前記縦板の他方の側面とを突き合わせて突合せ部を形成する突合せ工程と、前記第一金属部材の第一横板と前記第二金属部材の第二横板で構成される内隅を覆うように、前記第一金属部材およ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、前記第一金属部材および前記第二金属部材に接触させた状態で、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、前記第一金属部材およ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およ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、前記第一金属部材および前記第二金属部材の少なくとも端部は、いずれも縦板における一方の側面の基端部から第一横板が突出するとともに、前記縦板における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、前記第一金属部材における前記縦板の他方の側面と、前記第二金属部材における前記第一横板の表面とを面一にするとともに、前記第一金属部材における前記第一横板の表面と、前記第二金属部材における前記縦板の他方の側面とを突き合わせて突合せ部を形成する突合せ工程と、前記第一金属部材の第一横板と前記第二金属部材の第二横板で構成される内隅を覆うように、前記第一金属部材また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、前記第一金属部材および前記第二金属部材に接触させた状態で、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、前記第一金属部材およ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また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。

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、第一金属部材およ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。

前記の場合に、前記補助部材配置工程の前に、前記内隅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望ましい。
また、前記補助部材配置工程の前に、前記第二金属部材における前記縦板の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望ましい。

かかる発明によれば、攪拌ピンのみを金属部材に接触させた状態で内隅や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、従来のように内隅や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。

前記の場合に、前記仮接合用回転ツールおよ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望ましい。
かかる発明によれば、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。

前記の場合に、前記補助部材配置工程の前に、前記内隅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望ましい。また、前記溶接は、ＭＩＧ溶接、ＴＩＧ溶接またはレーザー溶接を用いることができる。
また、前記補助部材配置工程の前に、前記第二金属部材における前記縦板の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望ましい。また、前記溶接は、ＭＩＧ溶接、ＴＩＧ溶接またはレーザー溶接を用いることができる。

かかる発明によれば、内隅や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。

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。

本発明の第一実施形態に係る接合方法の突合せ工程前の状態を示す斜視図である。 本発明の第一実施形態に係る接合方法の突合せ工程後の状態を示す断面図である。 本発明の第一実施形態に係る接合方法の第一仮接合工程を示す斜視図である。 本発明の第一実施形態に係る接合方法の第二仮接合工程を示す斜視図である。 本発明の第一実施形態に係る接合方法の第一補助部材配置工程を示す斜視図である。 本発明の第一実施形態に係る接合方法の第一補助部材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接合方法の第一本接合工程を示す斜視図である。 本発明の第一実施形態に係る接合方法の第一本接合工程を示す断面図である。 本発明の第一実施形態に係る接合方法の第一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接合方法の第二補助部材配置工程を示す斜視図である。 本発明の第一実施形態に係る接合方法の第二補助部材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接合方法の第二本接合工程を示す斜視図である。 本発明の第一実施形態に係る接合方法の第二本接合工程を示す断面図である。 本発明の第一実施形態に係る接合方法の第二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接合方法の第一仮接合工程の他の例を示す斜視図である。 本発明の第一実施形態に係る接合方法の第二仮接合工程の他の例を示す斜視図である。 本発明の第二実施形態に係る接合方法の第一補助部材配置工程を示す斜視図である。 本発明の第二実施形態に係る接合方法の第一本接合工程を示す斜視図である。 本発明の第二実施形態に係る接合方法の第一本接合工程を示す断面図である。 本発明の第二実施形態に係る接合方法の第一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接合方法の第一補助部材配置工程を示す斜視図である。 本発明の第三実施形態に係る接合方法の第一本接合工程を示す斜視図である。

［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部材である第一金属部材と第二金属部材とを接合する。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および第二金属部材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。

第一金属部材１０は、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１１ｃ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１１ｄ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。なお、図１の例では第一横板１２の突出方向と第二横板１３の突出方向とは同じ方向であるが、本発明はこれに限定されるものではない。
縦板１１の基端部１１ｃ（図１における縦板１１の右側端部）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１１ｄ（図１における縦板１１の左側端部）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および第二横板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。

第二金属部材２０は、図１に示すように、断面がＵ字形状に形成された形材であり、第一金属部材１０と同じ形状の部材である。すなわち、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２１ｃ（図１における縦板２１の下端部）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２１ｄ（図１における縦板２１の上端部）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。

縦板２１と第一横板２２および第二横板２３との接続部には、図２に示すように、直角に屈曲した角部２４が形成されている。角部２４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。

図２に示すように、突合せ工程では、第一金属部材１０を上方向に向けて開口するように配置する。また、第二金属部材２０を、第一金属部材１０とは反対側の横方向に向けて開口するように配置する。そして、第一金属部材１０における縦板１１の他方の側面１１ｂと、第二金属部材２０における第一横板２２の表面２２ａとを面一にするとともに、第一金属部材１０における第一横板１２の表面１２ａと、第二金属部材２０における縦板２１の他方の側面２１ｂとを面接触させて突き合わせる。

第一金属部材１０における第一横板１２の表面１２ａと、第二金属部材２０における縦板２１の他方の側面２１ｂとが突き合わされると、第二金属部材２０の先端部２１ｄ側の角部２４と、第一横板１２の表面１２ａとによって、突合せ部Ｊ１が形成される。
また、第一金属部材１０の基端部１１ｃ側の角部１４と、第二金属部材２０の基端部２１ｃ側の角部２４とによって、突合せ部Ｊ２が形成される。さらに、第一金属部材１０の第一横板１２と第二金属部材２０の第二横板２３とで内隅Ｕが形成される。

第二金属部材２０の先端部２１ｄ側の角部２４には円弧状に湾曲した曲面が形成されているため、第二金属部材２０の先端部２１ｄ側の角部２４と、第一横板１２の表面１２ａとの間には略Ｖ字形状の隙間Ｓ１が形成される。また、第一金属部材１０の基端部１１ｃ側の角部１４と第二金属部材２０の基端部２１ｃ側の角部２４とは、逆向きに湾曲しているため、これらの角部１４と角部２４との間には、略Ｖ字形状の隙間Ｓ２が形成される。

仮接合工程は、図３、図４に示すように、回転ツールＦ（仮接合用回転ツール）を用いて突合せ部Ｊ１および突合せ部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。本実施形態では、回転ツールＦを右回転させるため、螺旋溝は、基端部から先端部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、後記する補助部材３０および補助部材４０）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。

図３に図示する第一仮接合工程（仮接合工程）では、回転させた回転ツールＦの攪拌ピンＦ２のみを突合せ部Ｊ１に接触させてスポット仮付けを行う。かかる工程では、所定の間隔をあけて攪拌ピンＦ２のみを突合せ部Ｊ１に浅く押し込んでいく。そして、攪拌ピンＦ２のみを第一金属部材１０および第二金属部材２０に接触させる。これにより、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、回転ツールＦの回転中心軸を容易に傾斜させることができる。

図４に図示する第二仮接合工程（仮接合工程）では、図３の状態にある第一金属部材１０および第二金属部材２０を相対的に上下反転させ、回転ツールＦによって突合せ部Ｊ２にスポット仮付けを行う。第二仮接合工程では、図３に図示する第一仮接合工程と同様に、所定の間隔をあけて攪拌ピンＦ２のみを突合せ部Ｊ２に浅く押し込んでいくことにより、塑性化領域Ｗ０が形成される。

第一補助部材配置工程（補助部材配置工程）は第一仮接合工程（仮接合工程）後に行う。図５、図６に示す第一補助部材配置工程は、内隅Ｕを覆うように、第一金属部材１０および第二金属部材２０に補助部材３０を配置する工程である。
まず、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形成されていれば特に制限されないが、本実施形態では、第一金属部材１０および第二金属部材２０と同じ材料になっている。

補助部材３０の板厚は、後記する第一本接合工程（本接合工程）後に、後記する塑性化領域Ｗが金属不足にならないとともに、突合せ部Ｊ１の隙間Ｓ１が金属によって埋まるように適宜設定する。本実施形態では、補助部材３０の板厚は第一金属部材１０および第二金属部材２０の板厚よりも薄く設定している。

また、本実施形態で用いる補助部材３０は軸断面がＬ字形をした長尺状の金属部材である。これにより、図５、図６に示すように、第一金属部材１０の第一横板１２と第二金属部材２０の第二横板２３で構成される内隅Ｕ（突合せ部Ｊ１）を覆うように、第一金属部材１０および第二金属部材２０に補助部材３０を配置することができる。すなわち、補助部材３０の裏面３０ａが、第一金属部材１０の第一横板１２の表面１２ａと、第二金属部材２０の第二横板２３の表面２３ａにそれぞれ面接触する。これにより、内隅Ｕは補助部材３０により覆われる。なお、第一実施形態では、補助部材３０は軸断面がＬ字形の板状としているが、他の形状であってもよい。例えば、矩形状且つ平板状の補助部材を２枚用意して、一枚は第一金属部材１０の第一横板１２の表面１２ａに面接触させ、もう一枚は第二金属部材２０の第二横板２３の表面２３ａに面接触させて、２枚の補助部材３０で内隅Ｕ（突合せ部Ｊ１）を覆うようにしてもよい。
なお、第一金属部材１０、第二金属部材２０および補助部材３０は治具（図示せず）によって架台（図示せず）に移動不能に拘束する。

第一本接合工程（本接合工程）は、図７、図８に示すように、回転ツールＦ（本接合用回転ツール）を用いて突合せ部Ｊ１に対して摩擦攪拌接合を行う工程である。ここで、本接合用回転ツールは前記の仮接合用回転ツールと共用するのが好ましい。すなわち、本実施形態では、本接合用回転ツールおよび仮接合用回転ツールは、同じ回転ツールＦを使用している。第一本接合工程では、図８に示すように、右回転させた回転ツールＦを補助部材３０の表面３０ｂ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。

攪拌ピンＦ２の外周面には螺旋溝が刻まれている。本実施形態では、回転ツールＦを右回転させるため、螺旋溝は、基端部から先端部に向かうにつれ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である第一金属部材１０、第二金属部材２０および補助部材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。回転ツールＦは、例えば、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に取り付けられる。アームロボットに取り付けることにより、回転ツールＦの回転中心軸線の傾斜角度を容易に変更することができる。これにより、連結部Ｆ１が第一金属部材１０の第一横板１２の表面１２ａに干渉しないように、回転ツールＦを第二金属部材２０側に傾斜させた状態で摩擦攪拌接合を行う。本実施形態では、第一横板１２の表面１２ａおよび第二横板２３の表面２３ａに対してそれぞれ攪拌ピンＦ２の軸方向を略４５°傾けて摩擦攪拌接合を行っている。

第一本接合工程では、攪拌ピンＦ２のみを補助部材３０、第一金属部材１０および第二金属部材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。
図７に示すように、第一本接合工程では、第一金属部材１０および第二金属部材２０と補助部材３０とが当接する部分に設定した開始位置Ｓｐに攪拌ピンＦ２を挿入し、突合せ部Ｊ１に沿って矢印の方向に回転ツールＦを移動させる。なお、回転ツールＦの移動方向は、図７と逆方向であってもよい。これにより、突合せ部Ｊ１において、補助部材３０、第一金属部材１０および第二金属部材２０が摩擦攪拌接合される。回転ツールＦの移動軌跡には、線状の塑性化領域Ｗが形成される。
第一本接合工程後には、図９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。

第一除去工程（除去工程）は、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。第一除去工程では、図９に示すように、補助部材３０の端部を矢印方向にめくり上げて、塑性化領域Ｗを境に折り曲げるようにして切除する。除去工程は、切削工具等を用いてもよいが、本実施形態では手作業で除去している。補助部材３０にはバリＶが形成されているので、補助部材３０と共にバリＶも一緒に除去される。

第二補助部材配置工程（補助部材配置工程）は第二仮接合工程（仮接合工程）後に行う。図１０、図１１に示す第二補助部材配置工程は、突合せ部Ｊ２を覆うように、第一金属部材１０および第二金属部材２０に補助部材４０を配置する工程である。
まず、補助部材４０は、金属製の板状部材である。補助部材４０は摩擦攪拌可能な金属で形成されていれば特に制限されないが、本実施形態では、第一金属部材１０および第二金属部材２０と同じ材料になっている。
補助部材４０の板厚は、後記する第二本接合工程（本接合工程）後に、後記する塑性化領域Ｗが金属不足にならないとともに、突合せ部Ｊ２の隙間Ｓ２が金属によって埋まるように適宜設定する。本実施形態では、補助部材４０の板厚は第一金属部材１０および第二金属部材２０の板厚よりも薄く設定している。

また、本実施形態で用いる補助部材４０は長尺の平板状の金属部材である。そして、図１０、図１１に示すように、第一金属部材１０の縦板１１と第二金属部材２０の第一横板２２で構成される突合せ部Ｊ２を覆うように、第一金属部材１０および第二金属部材２０に補助部材４０を配置する。これにより、補助部材４０の裏面４０ａが、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の第一横板２２の表面２２ａにそれぞれ面接触する。よって、突合せ部Ｊ２は補助部材４０により覆われる。なお、第一実施形態では、補助部材４０は平板状としているが、他の形状であってもよい。なお、第一金属部材１０、第二金属部材２０および補助部材４０は治具（図示せず）によって架台（図示せず）に移動不能に拘束する。

第二本接合工程（本接合工程）は、図１２、図１３に示すように、回転ツールＦ（本接合用回転ツール）を用いて突合せ部Ｊ２に対して摩擦攪拌接合を行う工程である。第二本接合工程でも、本接合用回転ツールは前記の仮接合用回転ツールと共用するのが好ましい。すなわち、本実施形態では、本接合用回転ツールおよび仮接合用回転ツールは、同じ回転ツールＦを使用している。第二本接合工程では、図１２に示すように、右回転させた回転ツールＦを補助部材４０の表面４０ｂから挿入し、図１３に示すように、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。

攪拌ピンＦ２の外周面には螺旋溝が刻まれている。これにより、第一本接合工程と同様に、被接合金属部材である第一金属部材１０、第二金属部材２０および補助部材４０の外部に溢れ出る金属の量を少なくすることができる。また、第二本接合工程では、スピンドルユニット等を備えたアームロボットにより、縦板１１の他方の側面１１ｂおよび第一横板２２の表面２２ａに対して攪拌ピンＦ２の軸方向を略垂直にして摩擦攪拌接合を行っている。
第二本接合工程においても、攪拌ピンＦ２のみを補助部材４０、第一金属部材１０および第二金属部材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。

図１２に示すように、第二本接合工程では、第一金属部材１０および第二金属部材２０と補助部材４０とが当接する部分に設定した開始位置Ｓｐに攪拌ピンＦ２を挿入し、突合せ部Ｊ２に沿って矢印の方向に回転ツールＦを移動させる。なお、回転ツールＦの移動方向は、図１２と逆方向であってもよい。これにより、突合せ部Ｊ２において、補助部材４０、第一金属部材１０および第二金属部材２０が摩擦攪拌接合される。回転ツールＦの移動軌跡には、線状の塑性化領域Ｗが形成される。
第二本接合工程後には、図１４に示すように、補助部材４０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４０，４０の端部にはバリＶ，Ｖが形成されている。

第二除去工程（除去工程）は、図１４に示すように、補助部材４０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。第二除去工程では、図１４に示すように、補助部材４０の端部を矢印方向にめくり上げて、塑性化領域Ｗを境に折り曲げるようにして切除する。除去工程は、切削工具等を用いてもよいが、本実施形態では手作業で除去している。補助部材３０にはバリＶが形成されているので、補助部材３０と共にバリＶも一緒に除去される。

以上説明した第一実施形態に係る接合方法によれば、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、図７、図１２に示すように第一金属部材１０および第二金属部材２０に加えて、補助部材３０や補助部材４０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、図７、図１２に示すように、回転ツールＦの攪拌ピンＦ２のみを補助部材３０（または補助部材４０）、第一金属部材１０および第二金属部材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。
さらに、第一実施形態に係る接合方法では、本接合工程およ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および第二金属部材２０の熱歪みを小さくすることができる。

そのうえ、第一実施形態に係る接合方法では、突合せ部Ｊ１および突合せ部Ｊ２に補助部材３０または補助部材４０を配置し、補助部材３０（または補助部材４０）、第一金属部材１０および第二金属部材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、隙間Ｓ１、隙間Ｓ２（図６、図１１参照）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、本接合工程によって補助部材３０にバリＶ，Ｖが形成されるが、図９、図１４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。
さらに、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突合せ部Ｊ１および突合せ部Ｊ２の目開きを防ぐことができる。

そのうえ、第一実施形態に係る接合方法では、図３および図４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突合せ部Ｊ１および突合せ部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Ｊ１および突合せ部Ｊ２のそれぞれ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または本接合用回転ツールに、ショルダ部およ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、第一金属部材１０の角部１４と第二金属部材２０の角部２４が丸面取りされており、突合せ部Ｊ１および突合せ部Ｊ２にそれぞれ隙間Ｓ１および隙間Ｓ２を設ける構成としたが、このような隙間が無いように構成してもよい。

また、第一実施形態の第一仮接合工程では、図３に示すように、回転ツールＦを用いて内隅Ｕ（突合せ部Ｊ２）に対して仮接合を行っているが、図１５に示すように、内隅Ｕ（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（Metal Inert Gas welding）、ＴＩＧ溶接（Tungsten Inert Gas welding）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を内隅Ｕ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Ｗ２が形成される。

また、この第一仮接合工程の変形例と同様に、図１６に示すように、第二仮接合工程においても、突合せ部Ｊ２に対して溶接で仮接合を行ってもよい。この場合も溶接の種類は特に制限されない。そして、溶接トーチＨを突合せ部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、仮接合工程において、図１５および図１６に示すように、溶接で内隅Ｕ（突合せ部Ｊ１）および突合せ部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、従来のように内隅Ｕ（突合せ部Ｊ１）および突合せ部Ｊ２それぞれ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。第一金属部材１０および第二金属部材２０は、少なくとも端部が断面Ｕ字形状を呈する金属部材でもよい。

［第二実施形態］
本発明の第二実施形態に係る接合方法について詳細に説明する。以下の説明において、第一実施形態と同様の部材等については同一の符号を用い、詳細な説明は省略する。第二実施形態においても、断面Ｕ字形状の二つの金属部材である第一金属部材と第二金属部材とを接合する。また、第二実施形態に係る接合方法でも、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。このうち、突合せ工程と、仮接合工程は、第一実施形態と同様であるため説明を省略する。

仮接合工程後、第一補助部材配置工程（補助部材配置工程）を行う。第一補助部材配置工程は、図１７に示すように、突合せ部Ｊ１を覆うように、第一金属部材１０および第二金属部材２０に補助部材５０を配置する工程である。
補助部材５０は金属製の平板状部材である。第一実施形態と同様に補助部材５０は摩擦攪拌可能な金属であれば特に制限されないが、本実施形態でも、第一金属部材１０および第二金属部材２０と同じ材料になっている。

補助部材５０の板厚は、後記する第一本接合工程後に、後記する塑性化領域Ｗが金属不足にならないとともに、突合せ部Ｊ１の隙間Ｓ１が金属によって埋まるように適宜設定する。第二実施形態でも、補助部材５０の板厚は第一金属部材１０および第二金属部材２０の板厚よりも薄く設定している。
補助部材５０の配置方法は、突合せ部Ｊ１を覆うように、第二金属部材２０の第二横板２３に補助部材５０の裏面５０ａを面接触させて、第一金属部材１０の第一横板１２の表面１２ａに補助部材５０の端面５０ｂを突き合わせる。
また、第一金属部材１０、第二金属部材２０および補助部材５０は治具（図示せず）によって移動不能に拘束する。なお、本実施形態では、補助部材５０は板状としているが、他の形状であってもよい。

第一本接合工程（本接合工程）は、図１８、図１９に示すように、回転ツールＦ（本接合用回転ツール）を用いて突合せ部Ｊ１に対して摩擦攪拌接合を行う工程である。ここで、本実施形態でも、本接合用回転ツールは前記の仮接合用回転ツールと共用するのが好ましい。すなわち、本実施形態では、本接合用回転ツールおよび仮接合用回転ツールは、同じ回転ツールＦを使用している。

攪拌ピンＦ２の外周面には螺旋溝が刻まれている。これにより、第一実施形態同様、被接合金属部材（第一金属部材１０、第二金属部材２０および補助部材５０）の外部に溢れ出る金属の量を少なくすることができる。また、回転ツールＦは、スピンドルユニット等を備えたアームロボットに取り付けられることにより、回転ツールＦの回転中心軸の傾斜角度を容易に変更することができる。

突合せ部Ｊ１の摩擦攪拌接合では、第一金属部材１０の第一横板１２の表面１２ａと補助部材５０の端面５０ｂとが当接する部分に設定した補助部材５０の表面５０ｃにおける開始位置Ｓｐに、右回転させた攪拌ピンＦ２を挿入し、突合せ部Ｊ１に沿って回転ツールＦを相対移動させる。つまり、攪拌ピンＦ２の基端側は露出させた状態で、攪拌ピンＦ２のみを第一金属部材１０、第二金属部材２０および補助部材５０に接触させて摩擦攪拌を行う。また、回転ツールＦの右側に補助部材５０が位置するように回転ツールＦの進行方向を設定する。図１８の場合、図の手前側から奥側に向かって回転ツールＦを移動させる（矢印で示している）。これにより、回転ツールＦの移動軌跡には線状の塑性化領域Ｗが形成される。

図１８、図１９に示すように、第一本接合工程では、連結部Ｆ１が第一金属部材１０の第一横板１２の表面１２ａに干渉しないように、回転ツールＦを第二金属部材２０に対して傾斜させた状態で摩擦攪拌接合を行う。攪拌ピンＦ２の挿入角度や挿入深さは、第一金属部材１０と第二金属部材２０とを接合できるように適宜設定すればよい。なお、本実施形態では、第一横板１２の表面１２ａに対して回転ツールＦの中心軸線を略４５°傾けている。

第一本接合工程では、補助部材５０にバリが発生するように接合条件を設定するのが望ましい。バリが発生する位置は、接合条件によって異なる。当該接合条件とは、回転ツールＦの回転速度、回転方向、移動速度（送り速度）、進行方向、攪拌ピンＦ２の傾斜角度（テーパー角度）、被接合金属部材（第一金属部材１０、第二金属部材２０および補助部材５０）の材質、被接合金属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。

例えば、回転ツールＦの回転速度が遅い場合は、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（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）の方が、塑性流動材の温度が上昇し易くなるため、塑性化領域外のシアー側にバリが多く発生する傾向にある。一方、例えば、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、塑性化領域外のフロー側にバリが多く発生する傾向がある。

本実施形態では、回転ツールＦの回転速度を速く設定しているため、突合せ部Ｊ１の摩擦攪拌接合では、塑性化領域Ｗ外のフロー側である補助部材５０にバリＶが多く発生する傾向にある（図１９参照）。なお、回転ツールＦの接合条件および補助部材５０の配置位置は、ここで説明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。

このようにして、バリＶが発生する側またはバリＶが多く発生する側が補助部材５０となるように接合条件を設定すれば、図１８、図１９に示すように補助部材５０にバリＶを集約することができる。そのため、後記する第一除去工程を容易に行うことができるため好ましい。また、回転ツールＦの回転速度を速く設定することにより、回転ツールＦの移動速度（送り速度）を速めることができる。これにより接合サイクルを短くすることができる。

第一本接合工程の後、第一除去工程（除去工程）を行う。第一除去工程は、第二金属部材２０から補助部材５０を除去する工程である。図２０に示すように、本実施形態の除去工程では、補助部材５０の端部を矢印方向にめくり上げて、塑性化領域Ｗを境に折り曲げるようにして切除する。除去工程は、切削工具等を用いてもよいが、本実施形態では手作業で除去している。補助部材５０にはバリＶが形成されているので、補助部材５０と共にバリＶも一緒に除去される。
本実施形態においても、第二補助部材配置工程、第二本接合工程、第二除去工程を行うが、これらの工程の内容は第一実施形態と同様であるため、説明は省略する。

以上説明した本実施形態の接合方法によれば、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および第二金属部材２０に加えて、補助部材５０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Ｖを補助部材５０ごと金属部材から除去することができるため、バリＶを除去する工程が容易となる。また、本接合工程では、攪拌ピンＦ２のみを被接合金属部材に接触させた状態で摩擦攪拌接合を行うため、摩擦攪拌装置に作用する負荷を軽減することができる。
さらに、仮接合用回転ツールおよび本接合用回転ツールは同一の回転ツールＦとすることにより、仮接合工程と本接合工程とで回転ツールＦの交換を行う必要がないため、作業効率を高めることができる。
その他、第一実施形態と同様の工程においては、第一実施形態と同様の作用効果を奏することができる。
また、第一実施形態で説明した仮接合工程等の変形例が、本実施形態でも適用可能である。

［第三実施形態］
第三実施形態も、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。突合せ工程および仮接合工程は第一実施形態と同様であり、除去工程は第二実施形態と同様であるため詳細な説明は省略する。また、第二補助部材配置工程、第二本接合工程も第一実施形態と同様であるため、説明は省略する。以下では、第一補助部材配置工程および第一本接合工程について説明する。また、第一実施形態または第二実施形態と同様の部材等については第一実施形態または第二実施形態と同一の符号を用い、詳細な説明は省略する。

まず、図２１に示すように、第一補助部材配置工程（補助部材配置工程）においては、内隅Ｕ（突合せ部Ｊ１）を覆うように、第一金属部材１０の第一横板１２の表面１２ａに補助部材５０の裏面５０ａを面接触させて突合せ部Ｊ１に補助部材５０の端面５０ｂを突き合わせる。

次に、第一本接合工程（本接合工程）について説明する。図２２に示すように、突合せ部Ｊ１の摩擦攪拌接合では、第一金属部材１０の表面１２ａと補助部材５０の端面５０ｂとが当接する部分に設定した補助部材５０の表面５０ｃにおける開始位置Ｓｐに、高速で右回転させた攪拌ピンＦ２を挿入し、突合せ部Ｊ１に沿って回転ツール（本接合用回転ツール）Ｆを相対移動させる。つまり、攪拌ピンＦ２の基端側は露出させた状態で、攪拌ピンＦ２のみを第一金属部材１０、第二金属部材２０および補助部材５０に接触させて摩擦攪拌を行う。また、回転ツールＦの右側に補助部材３０が位置するように回転ツールＦの進行方向を設定する。図２２の場合、図の奥側から手前側に向かって回転ツールＦを移動させる（矢印で示している）。これにより、回転ツールＦの移動軌跡には線状の塑性化領域Ｗが形成される。また、回転ツールＦの補助部材５０側がフロー側となり、バリＶも主として補助部材５０に発生する。

以上説明した本実施形態の接合方法によれば、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および第二金属部材２０に加えて、補助部材５０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。
その他、第三実施形態によれば第二実施形態と同様の効果を奏することができる。

１０ 第一金属部材
１１ 縦板
１１ａ 一方の側面
１１ｂ 他方の側面
１１ｃ 基端部
１１ｄ 先端部
１２ 第一横板
１２ａ 表面
１３ 第二横板
２０ 第二金属部材
２１ 縦板
２１ａ 一方の側面
２１ｂ 他方の側面
２１ｃ 基端部
２１ｄ 先端部
２２ 第一横板
２３ 第二横板
３０ 補助部材
３０ｂ 表面
４０ 補助部材
５０ 補助部材
５０ｃ 表面
Ｆ 回転ツール（仮接合用回転ツール、本接合用回転ツール）
Ｆ２ 攪拌ピン
Ｊ１ 突合せ部
Ｊ２ 突合せ部
Ｕ 内隅
Ｖ バリ

Claims (10)

1. 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、
   前記第一金属部材および前記第二金属部材の少なくとも端部は、いずれも縦板における一方の側面の基端部から第一横板が突出するとともに、前記縦板における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、
   前記第一金属部材における前記縦板の他方の側面と、前記第二金属部材における前記第一横板の表面とを面一にするとともに、前記第一金属部材における前記第一横板の表面と、前記第二金属部材における前記縦板の他方の側面とを突き合わせて突合せ部を形成する突合せ工程と、
   前記第一金属部材の第一横板と前記第二金属部材の第二横板で構成される内隅を覆うように、前記第一金属部材およ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、前記第一金属部材および前記第二金属部材に接触させた状態で、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、前記第一金属部材およ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およ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。
2. 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、
   前記第一金属部材および前記第二金属部材の少なくとも端部は、いずれも縦板における一方の側面の基端部から第一横板が突出するとともに、前記縦板における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、
   前記第一金属部材における前記縦板の他方の側面と、前記第二金属部材における前記第一横板の表面とを面一にするとともに、前記第一金属部材における前記第一横板の表面と、前記第二金属部材における前記縦板の他方の側面とを突き合わせて突合せ部を形成する突合せ工程と、
   前記第一金属部材の第一横板と前記第二金属部材の第二横板で構成される内隅を覆うように、前記第一金属部材また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、前記第一金属部材および前記第二金属部材に接触させた状態で、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、前記第一金属部材およ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また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。
3. 前記補助部材配置工程の前に、前記内隅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または請求項２に記載の接合方法。
4. 前記仮接合用回転ツールおよ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。
5. 前記補助部材配置工程の前に、前記内隅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または請求項２に記載の接合方法。
6. 前記溶接は、ＭＩＧ溶接、ＴＩＧ溶接またはレーザー溶接であることを特徴とする請求項５に記載の接合方法。
7. 前記補助部材配置工程の前に、前記第二金属部材における前記縦板の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１または請求項２に記載の接合方法。
8. 前記仮接合用回転ツールおよ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７に記載の接合方法。
9. 前記補助部材配置工程の前に、前記第二金属部材における前記縦板の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１または請求項２に記載の接合方法。
10. 前記溶接は、ＭＩＧ溶接、ＴＩＧ溶接またはレーザー溶接であることを特徴とする請求項９に記載の接合方法。

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