JP2020175403A - 接合方法及び複合圧延材の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】異なる種類の金属部材を好適に接合することができる接合方法及び複合圧延材の製造方法を提供することを課題とする。【解決手段】回転する回転ツールＦを第一金属部材１の表面１ｂのみから挿入するとともに、先端側ピンＦ３のみを少なくとも第一金属部材１に接触させた状態で突合せ部Ｊに沿って回転ツールＦを相対移動させて第一金属部材１と第二金属部材２とを接合する接合工程と、を含み、接合工程では、回転ツールＦの回転中心軸ｊの鉛直面に対する傾斜角度をγとし、傾斜面の鉛直面に対する傾斜角度をβとし、先端側ピンＦ３の外周面の回転中心軸ｊに対する傾斜角度をαとすると、γ＝α−βにした状態で接合を行うことを特徴とする。【選択図】図８

Description

本発明は、接合方法及び複合圧延材の製造方法に関する。

例えば、特許文献１には、材料の異なる金属部材同士を回転ツールで摩擦攪拌接合する技術が開示されている。

特開２０１６−１５０３８０号公報

従来の接合方法では、第一金属部材及び第二金属部材の両方の端部に傾斜面を設け、これらの傾斜面同士を面接触させて突き合わせるというものであった。そのため、傾斜面を形成するのが煩雑になるとともに、両金属部材の傾斜角度が一致しないと面接触しないため準備工程及び突合せ工程が煩雑になるという問題があった。

このような観点から、本発明は、異なる種類の金属部材を容易に接合することができる接合方法及び複合圧延材の製造方法を提供することを課題とする。

このような課題を解決するために本発明は、基端側ピンと、先端側ピンとを備えた回転ツールを用いて材料の異なる一対の金属部材を接合する接合方法であって、前記基端側ピンのテーパー角度は、前記先端側ピンのテーパー角度よりも大きくなっており、前記基端側ピンの外周面には階段状の段差部が形成されており、端部に垂直面を備えた第一金属部材と、端部に傾斜面を備え前記第一金属部材よりも融点が高く板厚が小さい第二金属部材と、を準備する準備工程と、前記第一金属部材と前記第二金属部材の端部同士を突き合わせてＶ字状の隙間を備えた突合せ部を形成する突合せ工程と、回転する前記先端側ピンを前記第一金属部材の表面のみから挿入するとともに、前記基端側ピンの外周面を前記第一金属部材の表面に接触させつつ、前記先端側ピンの外周面を少なくとも前記第一金属部材に接触させた状態で、前記隙間に前記第一金属部材を流入させながら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と前記第二金属部材とを接合する接合工程と、を含み、前記接合工程では、前記回転ツールの回転中心軸の鉛直面に対する傾斜角度をγとし、前記傾斜面の鉛直面に対する傾斜角度をβとし、前記先端側ピンの外周面の前記回転中心軸に対する傾斜角度をαとすると、γ＝α−βにした状態で接合を行うことを特徴とする。

また、本発明は、基端側ピンと、先端側ピンとを備えた回転ツールを用いて材料の異なる一対の金属部材を接合する接合方法であって、前記基端側ピンのテーパー角度は、前記先端側ピンのテーパー角度よりも大きくなっており、前記基端側ピンの外周面には階段状の段差部が形成されており、端部に垂直面を備えた第一金属部材と、端部に傾斜面を備え前記第一金属部材よりも融点が高く板厚が小さい第二金属部材と、を準備する準備工程と、前記第一金属部材と前記第二金属部材の端部同士を突き合わせてＶ字状の隙間を備えた突合せ部を形成する突合せ工程と、回転する前記先端側ピンを前記第一金属部材の表面のみから挿入するとともに、前記基端側ピンの外周面を前記第一金属部材の表面に接触させつつ、前記先端側ピンの外周面を少なくとも前記第一金属部材に接触させた状態で、前記隙間に前記第一金属部材を流入させながら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と前記第二金属部材とを接合する接合工程と、前記接合工程で接合された前記金属部材同士を、接合線を圧延方向として圧延する圧延工程と、を含み、前記接合工程では、前記回転ツールの回転中心軸の鉛直面に対する傾斜角度をγとし、前記傾斜面の鉛直面に対する傾斜角度をβとし、前記先端側ピンの外周面の前記回転中心軸に対する傾斜角度をαとすると、γ＝α−βにした状態で接合を行うことを特徴とする。

かかる接合方法又は製造方法によれば、傾斜面を形成するのは第二金属部材だけで済む。また、Ｖ字状の隙間をあけた状態で両金属部材を突き合わせるため、高い精度は必要なく突合せ作業も容易に行うことができる。また、例えば、第一金属部材のみに接触するように回転ツールを挿入すれば、軟化温度の低い第一金属部材に合わせて接合条件を調節することができ、入熱量を抑えることができる。したがって、第一金属部材が大きく軟化してバリが過剰に発生するのを抑制することができ、金属不足による接合不良を防ぐことができる。また、回転ツールの回転中心軸の鉛直面に対する傾斜角度γを、先端側ピンの外周面の回転中心軸に対する傾斜角度αから傾斜面の傾斜角度βを減算した値に一致させることにより、傾斜角度α，βとして最適な値を選択することができると共に、先端側ピンの外周面と傾斜面とを平行にして、先端側ピンの外周面と傾斜面との接触を避けつつ、先端側ピンの外周面と傾斜面とを高さ方向に亘って極力近接させることができる。また、第一金属部材の板厚を第二金属部材の板厚よりも大きくすることにより、接合部の金属不足を防ぐことができる。

また、前記突合せ工程では、前記第一金属部材及び前記第二金属部材の裏面同士を面一とした状態で前記第一金属部材と前記第二金属部材とを突き合わせることが好ましい。

かかる接合方法によれば、金属部材同士の裏面を面一にすることができる。

また、前記突合せ工程では、前記第一金属部材の裏面が前記第二金属部材の裏面よりも低い位置となり、前記第一金属部材の表面が前記第二金属部材の表面よりも高い位置となるように前記第一金属部材と前記第二金属部材とを突き合わせ、前記接合工程では、前記先端側ピンの先端が前記第二金属部材の裏面の高さよりも下に位置するように前記先端側ピンの挿入深さを設定することが好ましい。

かかる接合方法によれば、第二金属部材の深さ方向全体に亘って摩擦攪拌を行うことができる。

また、前記接合工程では、前記回転ツールの移動軌跡に形成される塑性化領域のうち、前記第二金属部材側がシアー側となり、前記第一金属部材側がフロー側となるように前記回転ツールの回転方向及び進行方向を設定することが好ましい。

塑性化領域のうち、融点が高い第二金属部材側がフロー側となると、突合せ部での第一金属部材の温度が低下して、異なる金属同士の界面における相互拡散が促進されず、接合不良となるおそれがある。しかし、かかる接合方法によれば、融点の高い第二金属部材側がシアー側となるように設定することで、突合せ部での第一金属部材の温度を比較的高温に保つことが可能となり、異なる金属同士の界面における相互拡散が促進され、接合不良となるのを防ぐことができる。

なお、シアー側とは、接合部に対する回転ツールの外周の相対速さが、回転ツールの外周における接線速度の大きさに移動速度の大きさを加算した値となる側である。フロー側とは、接合部に対する回転ツールの外周の相対速さが、回転ツールの外周における接線速度の大きさに移動速度の大きさを減算した値となる側である。

また、前記準備工程では、前記第一金属部材をアルミニウム又はアルミニウム合金で形成し、前記第二金属部材を銅又は銅合金で形成し、前記接合工程では、前記基端側ピンの外周面を前記第一金属部材の表面のみに接触させつつ、前記先端側ピンの外周面を前記第二金属部材に接触させない状態で、前記隙間に前記第一金属部材を流入させながら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と前記第二金属部材とを接合することが好ましい。

かかる接合方法によれば、銅又は銅合金製の金属部材とアルミニウム又はアルミニウム合金製の金属部材とを好適に接合することができる。

また、前記接合工程では、前記先端側ピンの外周面に基端から先端に向うにつれて左回りの螺旋溝を刻設した場合、前記回転ツールを右回転させ、前記先端側ピンの外周面に基端から先端に向うにつれて右回りの螺旋溝を刻設した場合、前記回転ツールを左回転させることが好ましい。

かかる接合方法によれば、塑性流動化した金属が螺旋溝に導かれて回転ツールの先端側に流動するため、バリの発生を抑制することができる。

本発明に係る接合方法及び複合圧延材の製造方法によれば、異なる種類の金属部材を好適に接合することができる。

本発明の実施形態に係る回転ツールを示す側面図である。 回転ツールの拡大断面図である。 回転ツールの第一変形例を示す断面図である。 回転ツールの第二変形例を示す断面図である。 回転ツールの第三変形例を示す断面図である。 本発明の第一実施形態に係る準備工程及び突合せ工程を示す断面図である。 第一実施形態に係る接合工程を示す斜視図である。 第一実施形態に係る接合工程を示す断面図である。 第一実施形態に係る接合工程後を示す断面図である。 第一実施形態に係る圧延工程を示す斜視図である。 第一実施形態に係る圧延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準備工程及び突合せ工程を示す断面図である。 第二実施形態に係る接合工程を示す断面図である。 第二実施形態に係る接合工程後を示す断面図である。

本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら説明する。まずは、本実施形態に係る接合方法で用いる回転ツールについて説明する。回転ツールは、摩擦攪拌接合に用いられるツールである。図１に示すように、回転ツールＦは、例えば工具鋼で形成されており、基軸部Ｆ１と、基端側ピンＦ２と、先端側ピンＦ３とで主に構成されている。基軸部Ｆ１は、円柱状を呈し、摩擦攪拌装置の主軸に接続される部位である。

基端側ピンＦ２は、基軸部Ｆ１に連続し、先端に向けて先細りになっている。基端側ピンＦ２は、円錐台形状を呈する。基端側ピンＦ２のテーパー角度Ａは適宜設定すればよいが、例えば、１３５〜１６０°になっている。テーパー角度Ａが１３５°未満であるか、又は、１６０°を超えると摩擦攪拌後の接合表面粗さが大きくなる。テーパー角度Ａは、後記する先端側ピンＦ３のテーパー角度Ｂよりも大きくなっている。図２に示すように、基端側ピンＦ２の外周面には、階段状のピン段差部Ｆ２１が高さ方向の全体に亘って形成されている。ピン段差部Ｆ２１は、右回り又は左回りで螺旋状に形成されている。つまり、ピン段差部Ｆ２１は、平面視して螺旋状であり、側面視すると階段状になっている。本実施形態では、回転ツールＦを右回転させるため、ピン段差部Ｆ２１は基端側から先端側に向けて左回りに設定している。

なお、回転ツールＦを左回転させる場合は、ピン段差部Ｆ２１を基端側から先端側に向けて右回りに設定することが好ましい。これにより、ピン段差部Ｆ２１によって塑性流動材が先端側に導かれるため、被接合金属部材の外部に溢れ出る金属を低減することができる。ピン段差部Ｆ２１は、段差底面Ｆ２１ａと、段差側面Ｆ２１ｂとで構成されている。隣り合うピン段差部Ｆ２１の各頂点Ｆ２１ｃ，Ｆ２１ｃの距離Ｘ１（水平方向距離）は、後記する段差角度Ｃ及び段差側面Ｆ２１ｂの高さＹ１に応じて適宜設定される。

段差側面Ｆ２１ｂの高さＹ１は適宜設定すればよいが、例えば、０．１〜０．４ｍｍで設定されている。高さＹ１が０．１ｍｍ未満であると接合表面粗さが大きくなる。一方、高さＹ１が０．４ｍｍを超えると接合表面粗さが大きくなる傾向があるとともに、有効段差部数（被接合金属部材と接触しているピン段差部Ｆ２１の数）も減少する。

段差底面Ｆ２１ａと段差側面Ｆ２１ｂとでなす段差角度Ｃは適宜設定すればよいが、例えば、８５〜１２０°で設定されている。段差底面Ｆ２１ａは、本実施形態では水平面と平行になっている。段差底面Ｆ２１ａは、ツールの回転軸から外周方向に向かって水平面に対して−５°〜１５°内の範囲で傾斜していてもよい（マイナスは水平面に対して下方、プラスは水平面に対して上方）。距離Ｘ１、段差側面Ｆ２１ｂの高さＹ１、段差角度Ｃ及び水平面に対する段差底面Ｆ２１ａの角度は、摩擦攪拌を行う際に、塑性流動材がピン段差部Ｆ２１の内部に滞留して付着することなく外部に抜けるとともに、段差底面Ｆ２１ａで塑性流動材を押えて接合表面粗さを小さくすることができるように適宜設定する。

図１に示すように、先端側ピンＦ３は、基端側ピンＦ２に連続して形成されている。先端側ピンＦ３は円錐台形状を呈する。先端側ピンＦ３の先端は回転軸に対いて垂直な平坦面Ｆ４になっている。先端側ピンＦ３のテーパー角度Ｂは、基端側ピンＦ２のテーパー角度Ａよりも小さくなっている。図２に示すように、先端側ピンＦ３の外周面には、螺旋溝Ｆ３１が刻設されている。螺旋溝Ｆ３１は、右回り、左回りのどちらでもよいが、本実施形態では回転ツールＦを右回転させるため、基端側から先端側に向けて左回りに刻設されている。

なお、回転ツールＦを左回転させる場合は、螺旋溝Ｆ３１を基端側から先端側に向けて右回りに設定することが好ましい。これにより、螺旋溝Ｆ３１によって塑性流動材が先端側に導かれるため、被接合金属部材の外部に溢れ出る金属を低減することができる。螺旋溝Ｆ３１は、螺旋底面Ｆ３１ａと、螺旋側面Ｆ３１ｂとで構成されている。隣り合う螺旋溝Ｆ３１の頂点Ｆ３１ｃ，Ｆ３１ｃの距離（水平方向距離）を長さＸ２とする。螺旋側面Ｆ３１ｂの高さを高さＹ２とする。螺旋底面Ｆ３１ａと、螺旋側面Ｆ３１ｂとで構成される螺旋角度Ｄは例えば、４５〜９０°で形成されている。螺旋溝Ｆ３１は、被接合金属部材と接触することにより摩擦熱を上昇させるとともに、塑性流動材を先端側に導く役割を備えている。

回転ツールＦは、適宜設計変更が可能である。図３は、本発明の回転ツールの第一変形例を示す側面図である。図３に示すように、第一変形例に係る回転ツールＦＡでは、ピン段差部Ｆ２１の段差底面Ｆ２１ａと段差側面Ｆ２１ｂとのなす段差角度Ｃが８５°になっている。段差底面Ｆ２１ａは、水平面と平行である。このように、段差底面Ｆ２１ａは水平面と平行であるとともに、段差角度Ｃは、摩擦攪拌中にピン段差部Ｆ２１内に塑性流動材が滞留して付着することなく外部に抜ける範囲で鋭角としてもよい。

図４は、本発明の回転ツールの第二変形例を示す側面図である。図４に示すように、第二変形例に係る回転ツールＦＢでは、ピン段差部Ｆ２１の段差角度Ｃが１１５°になっている。段差底面Ｆ２１ａは水平面と平行になっている。このように、段差底面Ｆ２１ａは水平面と平行であるとともに、ピン段差部Ｆ２１として機能する範囲で段差角度Ｃが鈍角となってもよい。

図５は、本発明の回転ツールの第三変形例を示す側面図である。図５に示すように、第三変形例に係る回転ツールＦＣでは、段差底面Ｆ２１ａがツールの回転軸から外周方向に向かって水平面に対して１０°上方に傾斜している。段差側面Ｆ２１ｂは、鉛直面と平行になっている。このように、摩擦攪拌中に塑性流動材を押さえることができる範囲で、段差底面Ｆ２１ａがツールの回転軸から外周方向に向かって水平面よりも上方に傾斜するように形成されていてもよい。上記の回転ツールの第一〜第三変形例によっても、下記の実施形態と同等の効果を奏することができる。

［第一実施形態］
次に、本発明の第一実施形態の複合圧延材の製造方法について説明する。本実施形態に係る複合圧延材の製造方法は、一対の金属部材同士を回転ツールＦで接合した後に圧延し、複合圧延材を得るというものである。なお、以下においては、「裏面」の反対側の面を「表面」とする。

図６に示すように、第一金属部材１は、板状を呈する。第一金属部材１の端面１ａは、表面１ｂ及び裏面１ｃに対して垂直な垂直面になっている。第一金属部材１は、本実施形態ではアルミニウム合金で形成されているが、アルミニウム、銅、銅合金、チタン、チタン合金、マグネシウム、マグネシウム合金など摩擦攪拌可能な金属材料で形成してもよい。

第二金属部材２は、板状を呈する。第二金属部材２の板厚は、第一金属部材１の板厚よりも小さくなっている。第二金属部材２の端面２ａは、鉛直面に対して傾斜する傾斜面となっている。端面２ａの傾斜角度βは適宜設定すればよいが、本実施形態では、先端側ピンＦ３の傾斜角度αよりも小さい角度になっている。第二金属部材２は、第一金属部材１よりも融点が高く、かつ、摩擦攪拌可能な材料で形成されている。第二金属部材２は、例えば、銅又は銅合金で形成してもよい。

本実施形態に係る複合圧延材の製造方法は、準備工程と、突合せ工程と、接合工程と、圧延工程と、を行う。なお、特許請求の範囲の接合方法は、準備工程と、突合せ工程と、接合工程と、を行う工程である。準備工程は、前記した第一金属部材１、第二金属部材２及び回転ツールＦを用意する工程である。

突合せ工程は、図６に示すように、第一金属部材１と第二金属部材２の端部同士を突き合わせる工程である。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Ｊを形成する。突合せ部Ｊは、表面１ｂ，２ｂに向かうにつれて開口が広がるように断面Ｖ字状の隙間が形成される。第一金属部材１の裏面１ｃと、第二金属部材２の裏面２ｃとは面一になる。第一金属部材１及び第二金属部材２は架台Ｋに移動不能に固定される。

接合工程は、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とを接合する工程である。図７に示すように、接合工程では、回転ツールＦの先端側ピンＦ３を右回転させつつ、第一金属部材１の表面１ｂであり、かつ、突合せ部Ｊの近傍に設定した開始位置Ｓｐに先端側ピンＦ３を挿入する。そして、突合せ部Ｊの延長方向と平行に回転ツールＦを相対移動させる。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。接合工程では、主に第一金属部材１側の塑性流動材が突合せ部Ｊの隙間に流入するように摩擦攪拌接合を行う。

図８に示すように、本接合工程では、回転ツールＦの回転中心軸ｊを鉛直面に対して第一金属部材側に傾斜角度γだけ傾斜させることで、先端側ピンＦ３を第一金属部材１のみに接触させた状態で摩擦攪拌を行う。ここでの回転ツールＦの回転中心軸ｊを鉛直面に対して傾斜させる傾斜角度γは、回転中心軸ｊと先端側ピンＦ３の外周面とのなす傾斜角度αから第二金属部材２の端面２ａの傾斜角度βを減算した値と同じになっており（γ＝α−β）、端面２ａと端面２ａに臨む先端側ピンＦ３の外周面とは平行である。

つまり、回転ツールＦの回転中心軸ｊを傾ける方向は傾斜角度α，βの関係によって決定される。例えば、本実施形態のように「α＞β」の場合に傾斜角度γは正の値となり、第一金属部材側に回転ツールＦの回転中心軸ｊを傾ける。また、「α＜β」の場合に傾斜角度γは負の値となり、第二金属部材２側に回転ツールＦの回転中心軸ｊを傾ける。また、「α＝β」の場合に傾斜角度γは「０（ゼロ）」となり、回転ツールＦの回転中心軸ｊを傾けずに鉛直面と平行にする。

接合工程では、塑性化領域Ｗのうち、第二金属部材２側（突合せ部Ｊに近い側）がシアー側となり、第一金属部材１側（突合せ部Ｊから離間する側）がフロー側となるように設定している。つまり、本実施形態に係る接合工程では、進行方向右側に第一金属部材１が位置するように配置して、回転ツールＦを右回転させる。なお、進行方向右側に第二金属部材２が位置するように配置した場合は、回転ツールＦを左回転させることにより、塑性化領域Ｗのうち第二金属部材２側（突合せ部Ｊに近い側）がシアー側となる。

先端側ピンＦ３の挿入深さは、図８に示すように適宜設定すればよいが、本実施形態では第一金属部材１の板厚の９０％程度の深さに設定している。また、本実施形態の接合工程では、回転ツールＦが第二金属部材２に接触せず、かつ、摩擦攪拌によって第一金属部材１と第二金属部材２とが拡散接合するように開始位置Ｓｐの位置及び移動ルートを設定している。また、基端側ピンＦ２の外周面と第一金属部材１の表面１ｂとが接触するように挿入深さを設定する。

ここで、先端側ピンＦ３の外周面と第二金属部材２とが大きく離間すると、突合せ部Ｊで第一金属と第二金属とが相互に拡散せず、第一金属部材１と第二金属部材２とを強固に接合することができない。一方、先端側ピンＦ３と第二金属部材２とを接触させ、両者の重なり代を大きくした状態で摩擦攪拌を行うと、第二金属部材２を軟化させるために、接合条件を調節して入熱量を大きくする必要があり、接合不良となるおれがある。したがって、突合せ部Ｊで第一金属と第二金属とが相互に拡散して接合するように、先端側ピンＦ３の外周面と第二金属部材２とをわずかに接触させた状態で接合するか、若しくは、先端側ピンＦ３の外周面と第二金属部材２とを接触させず極力近づけた状態で接合することが好ましい。

また、本実施例形態のように、第一金属部材１がアルミニウム又はアルミニウム合金部材であり、第二金属部材２が銅又は銅合金部材である場合、接合工程において、先端側ピンＦ３の外周面と第二金属部材２とを接触させず極力近づけた状態で接合することが好ましい。因みに、入熱量が大きくなる接合条件下で、仮に先端側ピンＦ３の外周面と第二金属部材２（銅部材）とを接触させたとすると、アルミニウム合金部材中に少量の銅部材が攪拌混入され、Ａｌ/Ｃｕの相互拡散が促進され、アルミニウム合金部材中に分散したＡｌ−Ｃｕ相が液相となり、アルミニウム合金部材側から多くのバリが発生して接合不良となる。

図９に示すように、基端側ピンＦ２の外周面で塑性流動材を押えることができるため、塑性化領域Ｗの表面にはバリは形成されにくい。塑性化領域Ｗと第二金属部材２とは隣接している。つまり、塑性化領域Ｗは、突合せ部Ｊを超えて第二金属部材２側には形成されていない。第一金属部材１は、第二金属部材２よりも厚く形成されているため、突合せ部Ｊの隙間に第一金属部材１の塑性流動材が流入し、塑性化領域Ｗの表面に段差凹溝等は発生しない。つまり、接合部の金属不足を防ぐことができる。

圧延工程は、接合された第一金属部材１及び第二金属部材２を圧延する工程である。図１０に示すように、圧延工程では、ローラＲ，Ｒを備えた圧延装置を用いて冷間圧延を行う。圧延工程では、接合工程における接合線（塑性化領域Ｗ）を圧延方向に設定して圧延する。以上により、図１１に示す複合圧延材１０が形成される。圧延工程における圧下率は、第一金属部材１及び第二金属部材２の材料や複合圧延材１０の用途に応じて適宜設定すればよい。図９に示すように、接合工程後では第一金属部材１と第二金属部材２との間で板厚の差が生じているが、図１１に示す圧延工程後ではその差が無視できる程度に圧延されている。

以上説明した複合圧延材の製造方法及び接合方法によれば、接合工程において、第一金属部材１側の端面１ａは、表面１ｂ及び裏面１ｃに対して垂直としため、第一金属部材１を容易に準備することができる。また、第二金属部材２に傾斜面を設けたが、突合せ工程では、断面Ｖ字状の隙間をあけて突き合わせるため、突き合わせ作業を容易に行うことができる。また、第一金属部材１の板厚を、第二金属部材２の板厚よりも大きくするととに、接合工程で突合せ部Ｊの隙間に塑性流動材が流入するように接合するため、接合部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に回転ツールのショルダ部を接触させないため、入熱量を小さくすることができ、摩擦抵抗を小さくすることができるので、回転ツールＦや摩擦攪拌装置への負荷を小さくすることができる。また、本実施形態のように、第一金属部材１がアルミニウム又はアルミニウム合金部材であり、第二金属部材２が銅又は銅合金部材である場合、接合工程において、回転ツールＦの先端側ピンＦ３の外周面と第二金属部材２（銅部材）とを接触させず、かつ、極力近づけた状態で接合することが好ましい。このようにすると、アルミニウム合金部材側からバリが過剰に発生することなく、突合せ部Ｊで第一金属部材１と第二金属部材２との相互拡散が促進され強固に接合する。したがって、従来よりも第一金属部材１及び第二金属部材２への入熱量を抑え、回転ツールＦや摩擦攪拌装置への負荷を小さくすることができるとともに、第一金属部材１側からバリが過剰に発生するのを抑制することができる。さらに、ショルダ部を第一金属部材１及び第二金属部材２に接触させないため、回転ツールＦが高温になるのを防ぐことができる。これにより、回転ツールＦの材料選択が容易になるとともに、回転ツールＦの寿命を長くすることができる。

塑性化領域Ｗのうち融点が高い第二金属部材２側がフロー側となると、突合せ部Ｊでの第一金属部材１の温度が低下して、異なる金属同士の界面における相互拡散が促進されず、接合不良となるおそれがある。入熱量を大きくするように接合条件を調節すると、シアー側となっている第一金属部材１側からバリが過剰に発生して接合欠陥となる。しかし、本実施形態のように、塑性化領域Ｗのうち、融点が高い第二金属部材２側がシアー側となるように接合条件（回転ツールＦの回転方向、進行方向等）を設定することで、突合せ部Ｊでの第一金属部材１の温度を比較的高温に保つことが可能となり、異なる金属同士の界面における相互拡散が促進され、接合不良となるのを防ぐことができる。

回転ツールＦの外周面を第二金属部材２にわずかに接触させてもよいが、本実施形態では回転ツールＦと第二金属部材２とを接触させないように設定しているため、第一金属部材１と第二金属部材２とが混合攪拌されるのを防止することができ、バリが過剰に発生して接合不良となるのをより確実に防ぐことができる。また、基端側ピンＦ２の外周面を第一金属部材１の表面１ｂに接触させることで、塑性流動材を押さえることができるため、バリの発生を抑制することができる。

第一金属部材１及び第二金属部材２の裏面１ｃ，２ｃ同士を面一とした状態で突き合わせ、摩擦攪拌接合を行うことで、接合後の各金属部材同士の裏面１ｃ，２ｃを面一にすることができる。

また、回転ツールＦの回転中心軸ｊを鉛直面に対して第一金属部材１側に傾斜角度γだけ傾斜させているため、突合せ部Ｊにおいては、先端側ピンＦ３と第二金属部材２との接触を容易に回避することができる。また、本実施形態では、回転ツールＦの回転中心軸ｊの鉛直面に対する傾斜角度γを、先端側ピンＦ３の外周面の回転中心軸ｊに対する傾斜角度αから第二金属部材２の端面２ａの鉛直面に対する傾斜角度βを減算した値に一致させることにより、傾斜角度α，βとして最適な値を選択することができると共に、先端側ピンＦ３の外周面と端面２ａとを平行にして、先端側ピンＦ３の外周面と端面２ａとの接触を避けつつ、先端側ピンＦ３の外周面と端面２ａとを高さ方向に亘って極力近接させることができる。

例えば、傾斜角度αは、摩擦攪拌接合（ＦＳＷ＝Friction Stir Welding）の技術分野による回転ツールの設計思想により決定され、また、傾斜角度βは、鋳造分野（例えばダイカスト）による金型の設計思想により決定される。つまり、傾斜角度α，βは共に設計思想によって最適な値があるので、「α＝β」にすることは難しい場合がある。しかし、本実施形態によれば、傾斜角度α，βを自由に選択することが可能であるので、傾斜角度α，βとして最適な値を選択することができる。また、本実施形態によれば、回転ツールＦの外周面と第二金属部材２とが接触しない状態で、両者を極力近づける作業が容易となる。

［第二実施形態］
本発明の第二実施形態に係る複合圧延材の製造方法について説明する。本実施形態に係る複合圧延材の製造方法は、準備工程と、突合せ工程と、接合工程と、圧延工程と、を行う。準備工程では、図１２に示すように、段差架台ＫＡを用意する。段差架台ＫＡは、底部Ｋ１と、底部Ｋ１よりも一段上がった位置にある底部Ｋ２と、段差側面Ｋ３とを有している。

突合せ工程では、図１２に示すように、第一金属部材１と第二金属部材２との端部同士を突き合わせる。第一金属部材１は、底部Ｋ１に配置するとともに、段差側面Ｋ３に第一金属部材１の端面１ａを当接させる。第一金属部材１と第二金属部材２とを突き合わせることにより突合せ部Ｊが形成される。突合せ部Ｊは第一実施形態と同様に、断面Ｖ字状の隙間が形成される。第一金属部材１と第二金属部材２とを突き合わせた状態で、第二金属部材２の表面２ｂよりも、第一金属部材１の表面１ｂの方が高い位置となるとともに、第二金属部材２の裏面２ｃよりも、第一金属部材１の裏面１ｃの方が低い位置となる。

接合工程では、図１３に示すように、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とを接合する工程である。接合工程では、第一実施形態と同じ要領で摩擦攪拌を行う。つまり、回転ツールＦの先端側ピンＦ３を回転させつつ、第一金属部材１の表面１ｂであり、かつ、突合せ部Ｊの近傍に設定した開始位置に回転ツールＦを挿入する。そして、回転ツールＦを第一金属部材１側に傾斜角度γ傾けた状態で、突合せ部Ｊの延長方向と平行に回転ツールＦを相対移動させる。回転ツールＦは、第二金属部材２とわずかに接触させてもよいが、本実施形態では第一金属部材１のみと接触させた状態で摩擦攪拌を行う。また、基端側ピンＦ２の外周面を第一金属部材１の表面１ｂに接触させた状態で摩擦攪拌を行う。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。接合工程では、主に第一金属部材１側の塑性流動材が突合せ部Ｊの隙間に流入するように摩擦攪拌接合を行う。

本実施形態に係る接合工程では、回転ツールＦの先端側ピンＦ３の先端（平坦面Ｆ４）が、第二金属部材２の裏面２ｃよりも下方に位置するように先端側ピンＦ３の挿入深さを設定する。圧延工程については、第一実施形態と同様である。

以上説明した第二実施形態においても、第一実施形態と略同等の効果を得ることができる。第一実施形態においては、図８に示すように、第二金属部材２の高さ方向の全体に亘って接合することは困難である。しかし、第二実施形態においては、第二金属部材２の裏面２ｃよりも深い位置に先端側ピンＦ３を挿入した状態で摩擦攪拌接合を行うため、図１４に示すように、第二金属部材２の板厚方向の全体に亘って接合することが可能となる。これにより、第一金属部材１と第二金属部材２の接合強度を高めることができる。

１ 第一金属部材
２ 第二金属部材
Ｆ 回転ツール
Ｆ２ 基端側ピン
Ｆ３ 先端側ピン
Ｊ 突合せ部
Ｗ 塑性化領域

Claims (7)

1. 基端側ピンと、先端側ピンとを備えた回転ツールを用いて材料の異なる一対の金属部材を接合する接合方法であって、
   前記基端側ピンのテーパー角度は、前記先端側ピンのテーパー角度よりも大きくなっており、前記基端側ピンの外周面には階段状の段差部が形成されており、
   端部に垂直面を備えた第一金属部材と、端部に傾斜面を備え前記第一金属部材よりも融点が高く板厚が小さい第二金属部材と、を準備する準備工程と、
   前記第一金属部材と前記第二金属部材の端部同士を突き合わせてＶ字状の隙間を備えた突合せ部を形成する突合せ工程と、
   回転する前記先端側ピンを前記第一金属部材の表面のみから挿入するとともに、前記基端側ピンの外周面を前記第一金属部材の表面に接触させつつ、前記先端側ピンの外周面を少なくとも前記第一金属部材に接触させた状態で、前記隙間に前記第一金属部材を流入させながら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と前記第二金属部材とを接合する接合工程と、を含み、
   前記接合工程では、前記回転ツールの回転中心軸の鉛直面に対する傾斜角度をγとし、前記傾斜面の鉛直面に対する傾斜角度をβとし、前記先端側ピンの外周面の前記回転中心軸に対する傾斜角度をαとすると、γ＝α−βにした状態で接合を行うことを特徴とする接合方法。
2. 前記突合せ工程では、前記第一金属部材及び前記第二金属部材の裏面同士を面一とした状態で前記第一金属部材と前記第二金属部材とを突き合わせることを特徴とする請求項１に記載の接合方法。
3. 前記突合せ工程では、前記第一金属部材の裏面が前記第二金属部材の裏面よりも低い位置となり、前記第一金属部材の表面が前記第二金属部材の表面よりも高い位置となるように前記第一金属部材と前記第二金属部材とを突き合わせ、
   前記接合工程では、前記先端側ピンの先端が前記第二金属部材の裏面の高さよりも下に位置するように前記先端側ピンの挿入深さ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。
4. 前記接合工程では、前記回転ツールの移動軌跡に形成される塑性化領域のうち、前記第二金属部材側がシアー側となり、前記第一金属部材側がフロー側となるように前記回転ツールの回転方向及び進行方向を設定することを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れかの一項に記載の接合方法。
5. 前記準備工程では、前記第一金属部材をアルミニウム又はアルミニウム合金で形成し、前記第二金属部材を銅又は銅合金で形成し、
   前記接合工程では、前記基端側ピンの外周面を前記第一金属部材の表面のみに接触させつつ、前記先端側ピンの外周面を前記第二金属部材に接触させない状態で、前記隙間に前記第一金属部材を流入させながら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と前記第二金属部材とを接合することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の接合方法。
6. 前記接合工程では、
   前記先端側ピンの外周面に基端から先端に向うにつれて左回りの螺旋溝を刻設した場合、前記回転ツールを右回転させ、
   前記先端側ピンの外周面に基端から先端に向うにつれて右回りの螺旋溝を刻設した場合、前記回転ツールを左回転させることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の接合方法。
7. 基端側ピンと、先端側ピンとを備えた回転ツールを用いて材料の異なる一対の金属部材を接合する接合方法であって、
   前記基端側ピンのテーパー角度は、前記先端側ピンのテーパー角度よりも大きくなっており、前記基端側ピンの外周面には階段状の段差部が形成されており、
   端部に垂直面を備えた第一金属部材と、端部に傾斜面を備え前記第一金属部材よりも融点が高く板厚が小さい第二金属部材と、を準備する準備工程と、
   前記第一金属部材と前記第二金属部材の端部同士を突き合わせてＶ字状の隙間を備えた突合せ部を形成する突合せ工程と、
   回転する前記先端側ピンを前記第一金属部材の表面のみから挿入するとともに、前記基端側ピンの外周面を前記第一金属部材の表面に接触させつつ、前記先端側ピンの外周面を少なくとも前記第一金属部材に接触させた状態で、前記隙間に前記第一金属部材を流入させながら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と前記第二金属部材とを接合する接合工程と、
   前記接合工程で接合された前記金属部材同士を、接合線を圧延方向として圧延する圧延工程と、を含み、
   前記接合工程では、前記回転ツールの回転中心軸の鉛直面に対する傾斜角度をγとし、前記傾斜面の鉛直面に対する傾斜角度をβとし、前記先端側ピンの外周面の前記回転中心軸に対する傾斜角度をαとすると、γ＝α−βにした状態で接合を行うことを特徴とする複合圧延材の製造方法。

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