JP4134562B2 - アルミニウム系構造体の製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アルミニウム系構造体の製造方法に関し、特にアルマイト処理される自動車用ホイールリム等に適用して好適なアルミニウム系構造体の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、アルミニウムまたはアルミニウム合金（以下、本発明においてはこれらを総称してアルミニウム系と称する）部材等の金属部材どうしを突き合わせまたは重ね合わせて接合する方法として、特開平１１−２８５８６２号公報、特許第２７１２８３８号公報、特許第２７９２２３３号公報等に開示された摩擦撹拌接合方法（Friction Stir Welding:以下、ＦＳＷと略称する）が知られている。
【０００３】
ＦＳＷは、摩擦熱を利用して２つ（または１つ）の被接合材の接合部を互いに突き合わせるかまたは重ね合わせて接合する方法である。図９は２つの被接合材をＦＳＷによって突き合わせ接合する場合の従来例を示す図である。同図において、被接合材１，２よりも硬質で耐熱性に優れた材料からなる摩擦撹拌接合ツール３を高速回転させ、その先端に一体に設けた撹拌ピン４を被接合材１，２の接合部５の接合面６に沿って押し込み、被接合材１，２とプローブ３を接合線ＳＬに沿って紙面と直交する方向に相対的に移動させることにより、接合部５に摩擦熱を発生させる。この摩擦熱により２つの被接合材１，２の接合面６付近のメタルＭ（斜線部）は塑性加工可能な状態にまで軟化され、撹拌ピン４の高速回転による撹拌作用により撹拌・流動された後、撹拌ピン４の通過により冷却・固化することにより、接合部５を固相接合する。
【０００４】
このようなＦＳＷによって被接合材１，２を突き合わせ接合する場合は摩擦熱を利用した固相溶接であるため、ＴＩＧ溶接またはＭＩＧ溶接によって溶接する場合と異なり、溶接棒、不活性ガス等を全く必要とせず、簡便で迅速に接合することができる利点があり、建築土木用、車両用、船舶用等の構造体の接合に広く用いられている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ＦＳＷによって接合されたアルミニウム系構造体をアルマイト処理すると、接合部の裏面側にすじ（表面酸化膜の痕）が生じたり、接合部と母材部（塑性加工可能な状態に軟化しない部分）との色調が異なってしまうという問題があった。接合部裏面側に生じるすじは、図９に示すように撹拌ピン４の先端を接合部材１，２の裏面側から内部に０．２ｍｍ程度位置させた状態、言い換えれば裏面側に突出させない状態で撹拌接合するため、２つの被接合材１，２の接合端面１ａ，２ａの撹拌ピン４より下方部分が十分に撹拌されずに酸化膜のまま残存し、この酸化膜のアルマイト処理時のアルカリ洗浄における溶解のされ方が他の部分と異なることによるものと考えられる。また、この酸化膜部分は連続的に残りその程度が大きくなると未接合部分を形成するため十分な接合強度が得られない。接合部と母材部との色調差はこれら両部の成分・組織の相違、特に結晶粒径の相違に起因することが判明した。
【０００６】
アルミニウム系構造体が建築土木用、車両用、船舶用等に用いられる一般の構造体である場合は接合部が直接視認されることが少ないため、すじや色調差が生じても問題になることは少ない。しかし、例えば平板状のバーを円筒状に折り曲げてその周方向両端をＦＳＷによって突き合わせ接合することにより円筒体からなるリム用中間体を形成し、この中間体の開放端部を外側に折り曲げてフランジを形成することにより車両用ホイールリムとし、外周にタイヤを装着するようにした場合は、摩擦撹拌接合部がフランジ部の裏面や端面において直接視認されるため、接合部にすじや色調差があるとホイールリムの外観品質や光輝性が低下するので問題となる。このため、接合部にすじや色調差のないアルミニウム系構造材およびその製造方法の開発が要請されている。
【０００７】
そこで、例えば特開平１１−５１７９号公報に開示された摩擦撹拌接合方法は、被接合材の裏面側に配置される裏当てに溝を設け、撹拌ピンを接合部の裏面側に突出させて前記裏当ての溝に挿入して摩擦撹拌接合を行うことにより、未接合部の発生を防止するようにしている。しかしながら、このような貫通摩擦撹拌接合方法においては、摩擦熱によって塑性化したメタルが溝内に流入して固化するため、裏当てを研削によって削除するための余分な後工程を必要とするばかりか、溝内に流入する塑性化メタルの量が多いため、接合部のメタルが不足して内部にトンネル状の空洞欠陥が発生し易いという問題があった。
【０００８】
本発明は上記した従来の問題および要請に応えるべくなされたもので、その目的とするところは、貫通摩擦撹拌接合を行うことなく接合が可能で、接合部にすじや色調差が生じず、外観品質、光輝性、さらには接合強度を向上させることができるアルミニウム系構造体の製造方法を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために第１の発明に係るアルミニウム系構造体の製造方法は、板状に形成された被接合材の裏面の折り曲げ方向両端縁に開先用切欠きを形成する工程と、前記被接合材を表面が外側となるように円筒形状に折り曲げて折り曲げ方向両端を互いに突き合わせて接合部とし、この接合部の裏面側に前記開先用切欠きどうしの突き合わせによる開先を形成する工程と、前記被接合材の前記接合部裏面に裏当てを配置する工程と、前記被接合材の前記接合部の接合面に表面側から摩擦撹拌接合ツールを挿入して先端が前記開先内に位置する状態で前記接合部を摩擦撹拌接合する工程と、摩擦撹拌接合された前記被接合材の外表面をアルマイト処理する工程とを備え、前記摩擦撹拌接合ツールが円柱状のツール本体と、このツール本体の底面中央に一体に突設され被接合材の接合部に前記ツール本体の一部とともに押し込まれる撹拌ピンとからなり、前記ツール本体の底面が前記接合部の表面を押圧するツールショルダーを構成し、前記開先の幅を撹拌ピンの直径の６．２５〜７５％とし、開先の長手方向と直交する面内の縦断面積が前記撹拌ピンの軸線と直交する横断面積の０．１３〜１５％としたものである。
【００１８】
第１の発明においては、被接合材を円筒形状に折り曲げることにより、周方向の両端が互いに突き合わされて接合部を形成する。開先用切欠きは、被接合材を円筒形状に折り曲げる前に予め切削加工等によって形成されており、被接合材が円筒形状に折り曲げられて周方向の両端が互いに突き合わされると、互いに突き合わされて１つの開先を形成する。開先は裏当てによって覆われる。
接合部を表面側から摩擦撹拌すると、酸化膜からなる開先面も撹拌され、摩擦熱によって塑性加工可能な状態にまで軟化したメタルが撹拌・流動して開先内に進入し固化する。このため、接合部は表面側から裏面側まで撹拌接合されて摩擦撹拌後は酸化膜からなる開先面が被接合材の裏面や端面に存在せず、大きな接合強度が得られる。また、アルマイト処理してもすじが生じないので外観品質を損なうことがない。
また、開先の幅が撹拌ピンの直径の６．２５〜７５％で、開先の長手方向と直交する面内の縦断面積が前記撹拌ピンの軸線と直交する横断面積の０．１３〜１５％であると、摩擦熱によって塑性加工可能な状態にまで軟化し開先内に入り込むメタルの量が十分であり、開先が凹みとなって残ることがなく、開先内に入り込まなかった余分なメタルは接合部表面の両側に沿って突出しばりとなり、確実な摩擦撹拌接合が得られる。開先の幅が撹拌ピンの直径の７５％以上で、開先の縦断面積が撹拌ピンの軸線と直交する横断面積の１５％以上であると、メタルの量が不十分で、開先が凹みとなって残る。
【００１９】
第２の発明に係るアルミニウム系構造体の製造方法は、２つの被接合材の互いに突き合わせ接合される接合部の裏面側に接合面に沿って開先を形成するとともに裏当てを配置する工程と、前記被接合材の接合部の接合面に表面側から摩擦撹拌接合ツールを挿入して先端が前記開先内に位置する状態で前記接合部を摩擦撹拌接合する工程と、摩擦撹拌接合された前記被接合材の外表面をアルマイト処理する工程とを備え、前記摩擦撹拌接合ツールが円柱状のツール本体と、このツール本体の底面中央に一体に突設され被接合材の接合部に前記ツール本体の一部とともに押し込まれる撹拌ピンとからなり、前記ツール本体の底面が前記接合部の表面を押圧するツールショルダーを構成し、前記開先の幅を撹拌ピンの直径の６．２５〜７５％とし、開先の長手方向と直交する面内の縦断面積が前記撹拌ピンの軸線と直交する横断面積の０．１３〜１５％としたものである。
【００２０】
第２の発明において、２つの被接合材は裏面側の接合部側端縁に開先が形成され、接合部が表面側から摩擦撹拌接合される。開先の形成は、２つの被接合材の接合端を突き合わせた後に切削加工によって形成するか、または予め各被接合材の裏面接合側端縁に開先用切欠きを切削加工によって形成しておき、２つの被接合材の接合部を突き合わせて開先用切欠きを互いに対向させることで１つの開先としてもよい。
接合部を表面側から摩擦撹拌すると、酸化膜からなる開先面も撹拌され、摩擦熱によって塑性加工可能な状態にまで軟化したメタルが撹拌・流動して開先内に進入し固化する。このため、接合部は表面側から裏面側まで撹拌接合されて摩擦撹拌後は酸化膜からなる開先面が被接合材の裏面および両端面に存在せず、大きな接合強度が得られる。また、アルマイト処理してもすじが生じないので外観品質を損なうことがない。
また、開先の幅を撹拌ピンの直径の６．２５〜７５％とし、開先の長手方向と直交する面内の縦断面積が前記撹拌ピンの軸線と直交する横断面積の０．１３〜１５％としたので、摩擦熱によって塑性加工可能な状態にまで軟化し開先内に入り込むメタルの量が十分であり、開先が凹みとなって残ることがなく、開先内に入り込まなかった余分なメタルは接合部表面の両側に沿って突出しばりとなり、確実な摩擦撹拌接合が得られる。開先の幅が撹拌ピンの直径の７５％以上で、開先の縦断面積が撹拌ピンの軸線と直交する横断面積の１５％以上であると、メタルの量が不十分で、開先が凹みとなって残る。
【００２５】
第３の発明に係るアルミニウム系構造体の製造方法は、撹拌ピンの先端面または外周に溝または突状体が形成されているものである。
【００２６】
第３の発明において、撹拌部は接合面およびその近傍と開先面を撹拌・流動化させる。溝または突状体としては、環状、螺旋状、放射状等が考えられる。
【００２７】
第４の発明に係るアルミニウム系構造体の製造方法は、上記第１〜３のうちのいずれか１つに記載の発明において、摩擦撹拌接合後、アルマイト処理する工程の前工程として、被接合材を３００〜３７５℃で１〜５時間焼鈍処理する工程を備えたものである。
【００２８】
第４の発明において、焼鈍処理によって接合部の結晶粒を再結晶化させて母材部の結晶粒と略等しくすると、接合部と母材部の色調差をなくすことができる。３００℃以下であると、接合部の再結晶が不十分であり、３７５℃以上であると再結晶組織が粗大化するため、色調差が大きくなる。
【００２９】
第５の発明に係るアルミニウム系構造体の製造方法は、上記第１〜４のうちのいずれか１つに記載の発明において、摩擦撹拌接合時の摩擦撹拌接合ツールの回転数Ｒ（ rpm ）と接合速度Ｗ（ mm ／ min ）の比（Ｒ／Ｗ）を４〜１１としたものである。
【００３０】
第５の発明において、摩擦撹拌接合ツールの回転数と接合速度の比が４〜１１であると、接合部と母材部の結晶粒が略等しくなり、接合部と母材部との色調差をなくすことができる。回転数と接合速度の比が１以下であると、接合部の結晶粒が細かく、１１以上であると結晶粒が粗大化するため、アルマイト処理後の色調差が大きくなる。
【００３１】
第６の発明に係るアルミニウム系構造体の製造方法は、上記第１〜５のうちのいずれか１つに記載の発明において、アルマイト処理工程の前工程として、摩擦撹拌接合された接合部の少なくとも裏面を研磨または機械加工によって平滑面に形成する工程を備えているものである。
【００３２】
第６の発明においては、接合部を摩擦撹拌接合によって接合すると、接合部裏面の面精度が粗いため、研磨または機械加工によって平滑面に形成される。構造体が車両用ホイールリムの場合、タイヤが装着された状態において、フランジ部の裏面側が視認されるが、接合部裏面が研磨または機械加工によって平滑面に形成されているので、外観を損なうことがない。一方、接合部の表面側には摩擦撹拌接合によるばりおよび凹みが発生するが、このばりおよび凹みが視認される構造体の場合は、表面側も研磨または機械加工によって平滑面にすることが好ましい。特に車両用ホイールリムの場合、ばりが存在しタイヤに接触すると、タイヤを損傷するおそれがあるため、このばりを研磨または機械加工によって除去することが好ましい。
【００３３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図面に示す実施の形態に基づいて詳細に説明する。
図１は本発明に係るアルミニウム系構造体を車両用ホイールリムに適用した一実施の形態を示す外観斜視図、図２は同ホイールリムの断面図、図３（ａ）〜（ｃ）はＦＳＷの手順を説明するための図、図４は同ホイールリムのＦＳＷを行っている状態を示す断面図、図５は図４のＶ−Ｖ線断面図、図６は撹拌ピンの撹拌部を示す図である。
【００３４】
先ず、図１および図２に基づいて車両用ホイールリムの構造について説明する。全体を符号２０で示す車両用ホイールリムは乗用車、トラック、バス等の車両に用いられるもので、外周にタイヤが装着される円筒状のリム本体２０Ａと、このリム本体２０Ａの一側縁に一体に形成されたフランジ２０Ｂと、他側縁に形成されたガター２０Ｃに嵌合固定されるフランジ２１およびディスク２２とで構成されている。リム本体２０Ａは、摩擦撹拌接合によって製作されている。フランジ２０Ｂ，２１は、摩擦撹拌接合後に行う塑性加工によって断面形状がＬ字状になるように折り曲げ形成されている。ガター２０Ｃは、外面にフランジ２１の基端部が嵌合する環状の溝２３を有し、内面に前記ディスク２２の後端部が嵌合されかつ溶接によって接合されている。フランジ２１とディスク２２は、リム本体２０Ａと同様に、５０００系等のアルミニウム合金によって製作されている。そして、ホイールリム２０は、装飾性および耐食性を向上させるために外表面全体がアルマイト処理されている。
【００３５】
次に、前記リム本体２０Ａの製造手順を図３〜図６に基づいて詳述する。
先ず、アルミニウム合金の押出形材によって板状に形成された所定長さおよび幅を有するバー（被接合材）３０を用意する（図３（ａ））。このバー３０の裏面３０ａで長手方向の両端縁に開先用切欠き３１ａ，３１ｂをそれぞれ全幅にわたって形成する。開先用切欠き３１ａと３１ｂは略同一形状で、裏面３０ａの長手方向端縁部を所要角度（例えば、３０〜４５°）で斜めに切削することにより形成されている。
【００３６】
次に、バー３０を表面３０ｂが外側になるように円筒形状に折り曲げて長手方向の両端を互いに突き合わせ、この突き合わせ部分を接合部３２とする。バー３０を円筒形状に折り曲げてその周方向の両端を突き合わせて動かないように拘束すると、前記開先用切欠き３１ａ，３１ｂも互いに突き合わされることによりＶ字状の溝からなる１つの開先３１を形成する。
【００３７】
次に、接合部３２の裏面側に裏当て３４（図４）を密接し、表面側から接合部３２を摩擦撹拌接合ツール３６によって摩擦撹拌接合する。裏当て３４は、鉄、アルミニウム等の金属製で、一方の面が円筒形状に折り曲げられたバー３０の内周面と略同一の曲率半径を有する凸曲面に形成され、開先３１を覆っている。
【００３８】
前記摩擦撹拌接合ツール３６は、バー３０より融点が高い金属、例えば工具鋼等によって製作されるもので、円柱状のツール本体３６Ａと、このツール本体３６Ａの底面３７の中央に一体に突設された撹拌ピン３６Ｂとで構成され、前記底面３７が前記接合部３２の表面を押圧するツールショルダーを形成している。撹拌ピン３６Ｂは、長さが前記バー３０の板厚ｔより０．２〜０．４ｍｍ程度短く設定されており、先端面３８と外周面３９には前記接合部３２の接合面３５とその近傍を撹拌する撹拌部４０，４１がそれぞれ形成されている。この場合、本実施の形態においては撹拌部４０を図６に示すように１つの螺旋状溝で構成した例を示したが、これに限らず例えば特開２００１−７１１５５号公報に開示されているように放射状の溝または突状体であったり、あるいは小さな円筒状の突起を多数突設したものであってもよい。また、外周面の撹拌部４１については、本実施の形態においては周方向に等間隔をおいて形成した４つの螺旋状溝で構成した例を示したが、螺旋状の突状体であったりねじ溝であってもよい。
【００３９】
このような摩擦撹拌接合ツール３６は、接合部３２の表面に対してプローブ３６の移動方向（矢印Ａ方向）とは反対側に所要角度α（＝３〜５°程度）傾斜した状態でセットされる。
【００４０】
次に、摩擦撹拌接合ツール３６をモータによって５００〜５０００ｒｐｍ程度の回転数で回転させながら撹拌ピン３６Ｂを接合面３５上に位置させて接合部表面に押し付け、摩擦熱によって接合部３２の撹拌ピン３６Ｂによって押し付けられている表面部分およびその近傍を加熱、可塑化させ、撹拌ピン３６Ｂとツールショルダー３７の一部を接合部３２内に徐々に押し込む。このツールショルダー３７が接合部３２の表面に押し込まれる量、すなわち押込量δは、０．１〜０．３ｍｍ程度である。押込量δは、摩擦撹拌接合ツール３６の軸線を通りプローブの移動方向（Ａ方向）と直交する直線上における押込量である。なお、ツールショルダー３７の移動方向先端側（図５において左端）は、摩擦撹拌接合ツール３６内へのメタル供給を可能にするために接合部３２の表面より上方に位置している。
【００４１】
撹拌ピン３６Ｂとツールショルダー３７の一部が接合部３２内に所定量押し込まれると、撹拌ピン３６Ｂの先端は、開先３１の傾斜した壁面（開先面）４６の撹拌を可能にするために図４に示すように開先３１内に突出しており、この状態で摩擦撹拌接合ツール３６を矢印Ａ方向に０．０２〜２ｍ／ｓｅｃ程度の送り速度（接合速度）で移動させることで、接合部３２を摩擦撹拌接合する。すなわち、摩擦撹拌接合ツール３６を高速回転させながら接合面３５に沿って移動させると、接合面３５とその近傍部は、撹拌ピン３６Ｂにより加熱されることにより可塑化され、水平および垂直方向に流動化する。そして、流動化したメタル４３の一部は、開先３１内に入り込み撹拌ピン３６Ｂが通過することにより冷却して固化し開先３１を埋める。したがって、接合部３２は撹拌ピン３６Ｂを接合部３２の裏面側に突出させないでも表面側から裏面側まで完全に接合される。このとき、酸化膜からなる開先３１の開先面４６は、撹拌部４０，４１によって撹拌・分断され、可塑化したメタル４３内に分散される。なお、接合部３２の裏面から撹拌ピン３６Ｂの先端までの距離は０．２ｍｍ程度で、開先３１はこれより深く形成されている。
【００４２】
開先３１に充填されるメタル４３の量が不足すると、開先３１を完全に埋めることができず、接合部３２の裏面側に凹部として残るため好ましくない。メタル４３の最適量は、開先３１を完全に埋め、かつ余剰のメタルが接合部３２の表面両側に沿って飛び出して固化することにより、ばり４４（図４）が若干生じる程度とされる。このため、ツール本体３６Ａの軸線を通り摩擦撹拌接合ツール３６の移動方向（Ａ方向）と直交する縦断面積のうち、接合部３２に押し込まれる部分の縦断面積Ｓ（図４、図５参照）を開先３１の長手方向と直交する面内の縦断面積Ｓ1 と略等しくするかこれより若干大きくする。または、別法として開先３１の幅Ｅ（図４）を撹拌ピン３６Ｂの外径Ｄの７５％以下とし、開先３１の断面積Ｓ１を前記撹拌ピン３６Ｂの軸線と直交する横断面積（πＤ2/４）の１５％以下にすることが好ましい。
【００４３】
開先３１の幅Ｅが撹拌ピン３６Ｂの外径Ｄの７５％以下で、開先３１の縦断面積Ｓ1 が撹拌ピン３６Ｂの軸線と直交する横断面積の１５％以下であると、摩擦熱によって塑性加工可能な状態にまで軟化し開先３１内に入り込むメタル４３の量が十分であり、開先３１が凹みとなって残ることがなく、開先３１内に入り込まなかった余剰のメタルが接合部３２の表面両側に沿って突出しばり４４を形成することにより、確実な摩擦撹拌接合が得られる。これに対して、開先３１の幅Ｅが撹拌ピン３６Ｂの外径Ｄの７５％以上で、開先３１の縦断面積Ｓ1 が撹拌ピン３６Ｂの軸線と直交する横断面積の１５％以上になると、開先３１に入り込むメタル４３の量が不十分で、開先３１が凹みとして残る。
【００４４】
このような摩擦攪拌接合方法によれば、板厚ｔが２〜２０ｍｍ程度のアルミニウム合金製の被接合材であるバー３０の突き合わせ接合部３２を表面側から裏面側にわたって強固に接合することが可能である。また、摩擦撹拌接合は金属材料の接合部を溶融せず、加熱温度が低いため、ＭＩＧ溶接やＴＩＧ溶接に比べて熱影響が少なく、安定した品質を得ることができる。また、摩擦撹拌接合ツール３６を回転させ、このプローブ３６と円筒形状に折り曲げられたバー３０を所要の接合速度で相対的に移動させるだけでよいため、大がかりな設備を必要とせずコスト的にも有利である。
【００４５】
摩擦撹拌接合によってバー３０を円筒体に形成した後、裏当て３４を円筒体から取り外す。摩擦撹拌接合によって製作された円筒体は、図１および図２に示したリム本体２０Ａの中間製品である。この円筒体の摩擦撹拌接合された接合部３２の表裏面は粗面であるため、研磨または機械加工によって母材部と同程度の面精度からなる平滑面に形成される。特に、図１および図２に示すホイールリム２０においては、タイヤを装着した状態でフランジ２０Ｂの裏面と、ガター２１の先端面および裏面が視認されるので、これらの部分における接合部の裏面および端面を研磨または機械加工する必要がある。また、表面側についてはばり４４とツールショルダー３７の押し込みによる凹みが生じているので、表面側が視認される構造体の製作に当たっては表面側も研磨または機械加工して完全に取り除くことが好ましい。
【００４６】
次に、研磨または機械加工が終了した円筒体を成形装置によって成形することにより、図１および図２に示した、一端側にフランジ２０Ｂを一体に有し、他端側にガター２０Ｃを一体に有するリム本体２０Ａを製作する（図３（ｃ））。そして、ガター２０Ｃにフランジ２１とホイール２２を取付け、ホイールリム２０を製作する。なお、フランジ２１については、リム本体２０Ａと別個に製作されるものに限らず、フランジ２０Ｂと同様にリム本体２０Ａに一体に形成されるものであってもよい。その場合は、ガター２０Ｃの製作は当然不要である。
【００４７】
この後、ホイールリム２０に装飾性、耐食性を付与するためにホイールリム２０をアルマイト処理してその外表面全体に陽極酸化被膜を形成し、もってホイールリム２０の製作を終了する。
【００４８】
アルマイト処理工程の一実施の形態を図７に基づいて説明する。
先ず、上記摩擦撹拌接合によって接合され整形装置によって所定のリム形状に形成された被処理物（被接合材）を準備する（ステップ１００）。次に、前処理工程として、被処理物を、酸（Ｈ2ＳＯ4、ＨＮＯ3 またはこれらの混合水溶液）による脱脂工程（ステップ１０１）と、アルカリ（ＮａＯＨ）によるエッチング工程（ステップ１０２）と、酸（Ｈ2ＳＯ4）による中和工程（ステップ１０３）をこの順序で行う。なお、エッチング工程は、表面の異物や変質層などを除去する工程である。
【００４９】
次に、被処理物を酸（Ｈ2ＳＯ4 ）の水溶液中に浸漬して陽極に接続し、水溶液を陰極に接続してアルマイト処理を行い（ステップ１０４）、被処理物の外表面全体に多孔質の陽極酸化被膜を形成する。次に、必要に応じて電解着色（ステップ１０５）を行った後、温水に浸漬して封孔処理を行うか（ステップ１０６）、またはクリアー電着塗装（ステップ１０７）を行うことにより、透明で光沢感のあるホイールリム２０が製作される。なお、アルミニウム合金のアルマイト処理自体は、従来一般に行われている周知技術のため、これ以上の詳細については説明を省略する。
【００５０】
摩擦撹拌接合した後、アルマイト処理する前工程としては、接合部３２の結晶粒を再結晶化して粒径を母材部の結晶粒径と略一致させるために焼鈍処理を行うか、または摩擦撹拌接合条件を最適化することが好ましい。焼鈍処理は、摩擦撹拌接合された被接合材を加熱炉に入れて３００℃〜３７５℃の温度範囲で１〜５時間加熱し、その後緩やかに冷却して常温にする。３００℃以下であると結晶粒の再結晶化が不十分であり、３７５℃以上であると再結晶組織が粗大化するため好ましくない。
【００５１】
摩擦撹拌接合条件を最適化する場合も、焼鈍処理と同様に接合部３２と母材部の結晶粒径と略一致させることができる。最適化の条件としては、摩擦撹拌接合ツール３６の回転数Ｒと接合速度Ｗの比率が４〜１１の範囲になるようにする。この比率が４以下であると接合部３２の結晶粒の再結晶化が不十分であり、１１以上であると再結晶組織が粗大化するため好ましくない。
【００５２】
【実施例１】
被接合材として板厚６ｍｍのＪＩＳ Ａ５０５２−Ｏを円筒形状に折り曲げてその周方向両端を突き合わせ摩擦撹拌接合した。使用した摩擦撹拌接合ツールは、ツールショルダー径２０ｍｍ、撹拌ピンの直径８ｍｍ、ピン長さ５．４ｍｍで、接合面に対するプローブの傾斜角度３°、回転数８９０ｒｐｍ、接合速度２００ｍｍ／ｍｉｎの条件で、開先３１の深さＤ1 、幅Ｅ、および長手方向と直交する面内の縦断面積Ｓ1 を種々変更して摩擦撹拌接合を行った。その結果を表１に示す。
【００５３】
【表１】
【００５４】
この表１から明らかなように、開先３１を形成しないで、また撹拌ピンを接合部の裏面側に突出させないで摩擦撹拌接合した場合（比較例１）では、接合面の一部が撹拌されないで残るためアルマイト処理した後に接合部３２の裏面側にすじが発生した。比較例２および比較例３では開先面積が撹拌ピンの横断面積の１５％以上になるため接合部３２内にトンネル状空洞欠陥と凹みが発生したが、本発明３に示すように開先３１の断面積Ｓ1 が６ｍｍ2 では問題なく接合できた。このことから開先３１の縦断面積Ｓ1 は撹拌ピンの横断面積の１５％以下が望ましいと判断される。また、開先３１の幅Ｅが８ｍｍの場合（比較例４）、ピン径と一致するので、開先３１に充填されるメタルの量が不足し開先３１が凹みとして残る。したがって、開先３１の幅Ｅはピン径以下で、好ましくは７５％以下にする必要がある。
【００５５】
開先３１の深さＤ1 が０．１ｍｍの場合（比較例５）、アルマイト処理した後に接合部３２の裏面側にすじが発生した。これはピン先端が接合部３２の裏面より０．２ｍｍの位置｛６ｍｍ−（５．４＋０．４ｍｍ）｝（３°傾斜分）にあり、開先３１内に突出しておらず、開先面４６を撹拌しないためである。したがって、開先３１内に撹拌ピン３６Ｂの先端部を突出させることが必要である。
【００５６】
【実施例２】
摩擦撹拌接合条件が色調差に及ぼす影響について調査した結果を表２に示す。
【００５７】
【表２】
【００５８】
この表２から明らかなように、摩擦撹拌接合ツール３６の回転数Ｒと接合速度Ｗの比率が４〜１１の範囲内にある本発明１〜４においては、母材部と接合部の色調に差が殆ど生じなかった。一方、前記比率が４以下または１１以上となる比較例１〜３においては、母材部と接合部の色調が大きく異なるため不良品と判定された。
【００５９】
図８は本発明の他の実施の形態を示す摩擦撹拌接合の断面図である。
この実施の形態は１つの被接合材を円筒形に丸めてその両端を突き合わせ接合する代わりに、平板状に形成されたアルミニウム合金からなる２つの被接合材５０，５１の一端を互いに突き合わせて接合部５２とし、この接合部５２を摩擦撹拌接合ツール３６によって摩擦撹拌接合するようにしたものである。摩擦撹拌接合の条件は、被接合材が２つである点を除いて上記した実施の形態と全く同一である。また、その摩擦撹拌後のアルマイト処理工程等の工程についても全く同様である。
【００６０】
各被接合材５０，５１の裏面で接合側端縁には、開先用切欠き５３ａ，５３ｂがそれぞれ形成されており、被接合材５０，５１の接合側端面を突き合わせることにより、開先用切欠き５３ａ，５３ｂも突き合わされて１つの開先５３を形成する。この場合、予め開先用切欠き５３ａ，５３ｂを形成する代わりに、２つの被接合材５０，５１の接合端を互いに突き合わせた後、接合部５２の裏面側にその接合面５４に沿って開先５３を切削加工によって形成してもよい。
【００６１】
このように、２つの被接合材５０，５１を摩擦撹拌接合する場合は、上記したホイールリムに限らず種々の形状の構造体に適用することが可能であり、例えば自動車のピラー（車体の柱）、フロントクロスメンバー、リアクロスメンバー、サスペンションフレーム等の車体構造体、一般の建築土木用構造体等にも適用することが可能である。
【００６２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明に係るアルミニウム系構造体の製造方法によれば、貫通摩擦撹拌接合を行うことなく接合が可能で、接合部の接合強度を向上させることができ、またアルマイト処理しても接合部裏面側にすじが発生せず、外観品質、光輝性に優れた構造体を提供することができる。
【００６３】
また、本発明においては、摩擦撹拌接合後に焼鈍処理するかまたは摩擦撹拌接合条件を最適化して摩擦撹拌接合するようにしているので、接合部の結晶粒を再結晶化させることができ、母材部と接合部との色調を略一致させることができ、特に板状のバーを円筒形状に折り曲げて摩擦撹拌接合される車両用ホイールリムに適用して好適である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係るアルミニウム系構造体を車両用ホイールリムに適用した一実施の形態を示す外観斜視図である。
【図２】 同ホイールリムの断面図である。
【図３】 （ａ）〜（ｃ）はＦＳＷの手順を説明するための図である。
【図４】 同ホイールリムのＦＳＷを行っている状態を示す断面図である。
【図５】 図４のＶ−Ｖ線断面図である。
【図６】 撹拌ピンの撹拌部を示す図である。
【図７】 アルマイト処理工程のフローチャートである。
【図８】 本発明の他の実施の形態を示すＦＳＷの断面図である。
【図９】 従来のＦＳＷを説明するための図である。
【符号の説明】
２０…ホイールリム、２０Ａ…リム本体、２２…ホイール、３０…バー（被接合材）、３１…開先、３１ａ，３１ｂ…開先用切欠き、３２…接合部、３５…開先面、３６…摩擦撹拌接合ツール、３６Ａ…ツール本体、３６Ｂ…撹拌ピン、３４…裏当て、４０，４１…撹拌部、５０，５１…被接合材、５２…接合部、５３…開先。
【発明の属する技術分野】
本発明は、アルミニウム系構造体の製造方法に関し、特にアルマイト処理される自動車用ホイールリム等に適用して好適なアルミニウム系構造体の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、アルミニウムまたはアルミニウム合金（以下、本発明においてはこれらを総称してアルミニウム系と称する）部材等の金属部材どうしを突き合わせまたは重ね合わせて接合する方法として、特開平１１−２８５８６２号公報、特許第２７１２８３８号公報、特許第２７９２２３３号公報等に開示された摩擦撹拌接合方法（Friction Stir Welding:以下、ＦＳＷと略称する）が知られている。
【０００３】
ＦＳＷは、摩擦熱を利用して２つ（または１つ）の被接合材の接合部を互いに突き合わせるかまたは重ね合わせて接合する方法である。図９は２つの被接合材をＦＳＷによって突き合わせ接合する場合の従来例を示す図である。同図において、被接合材１，２よりも硬質で耐熱性に優れた材料からなる摩擦撹拌接合ツール３を高速回転させ、その先端に一体に設けた撹拌ピン４を被接合材１，２の接合部５の接合面６に沿って押し込み、被接合材１，２とプローブ３を接合線ＳＬに沿って紙面と直交する方向に相対的に移動させることにより、接合部５に摩擦熱を発生させる。この摩擦熱により２つの被接合材１，２の接合面６付近のメタルＭ（斜線部）は塑性加工可能な状態にまで軟化され、撹拌ピン４の高速回転による撹拌作用により撹拌・流動された後、撹拌ピン４の通過により冷却・固化することにより、接合部５を固相接合する。
【０００４】
このようなＦＳＷによって被接合材１，２を突き合わせ接合する場合は摩擦熱を利用した固相溶接であるため、ＴＩＧ溶接またはＭＩＧ溶接によって溶接する場合と異なり、溶接棒、不活性ガス等を全く必要とせず、簡便で迅速に接合することができる利点があり、建築土木用、車両用、船舶用等の構造体の接合に広く用いられている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ＦＳＷによって接合されたアルミニウム系構造体をアルマイト処理すると、接合部の裏面側にすじ（表面酸化膜の痕）が生じたり、接合部と母材部（塑性加工可能な状態に軟化しない部分）との色調が異なってしまうという問題があった。接合部裏面側に生じるすじは、図９に示すように撹拌ピン４の先端を接合部材１，２の裏面側から内部に０．２ｍｍ程度位置させた状態、言い換えれば裏面側に突出させない状態で撹拌接合するため、２つの被接合材１，２の接合端面１ａ，２ａの撹拌ピン４より下方部分が十分に撹拌されずに酸化膜のまま残存し、この酸化膜のアルマイト処理時のアルカリ洗浄における溶解のされ方が他の部分と異なることによるものと考えられる。また、この酸化膜部分は連続的に残りその程度が大きくなると未接合部分を形成するため十分な接合強度が得られない。接合部と母材部との色調差はこれら両部の成分・組織の相違、特に結晶粒径の相違に起因することが判明した。
【０００６】
アルミニウム系構造体が建築土木用、車両用、船舶用等に用いられる一般の構造体である場合は接合部が直接視認されることが少ないため、すじや色調差が生じても問題になることは少ない。しかし、例えば平板状のバーを円筒状に折り曲げてその周方向両端をＦＳＷによって突き合わせ接合することにより円筒体からなるリム用中間体を形成し、この中間体の開放端部を外側に折り曲げてフランジを形成することにより車両用ホイールリムとし、外周にタイヤを装着するようにした場合は、摩擦撹拌接合部がフランジ部の裏面や端面において直接視認されるため、接合部にすじや色調差があるとホイールリムの外観品質や光輝性が低下するので問題となる。このため、接合部にすじや色調差のないアルミニウム系構造材およびその製造方法の開発が要請されている。
【０００７】
そこで、例えば特開平１１−５１７９号公報に開示された摩擦撹拌接合方法は、被接合材の裏面側に配置される裏当てに溝を設け、撹拌ピンを接合部の裏面側に突出させて前記裏当ての溝に挿入して摩擦撹拌接合を行うことにより、未接合部の発生を防止するようにしている。しかしながら、このような貫通摩擦撹拌接合方法においては、摩擦熱によって塑性化したメタルが溝内に流入して固化するため、裏当てを研削によって削除するための余分な後工程を必要とするばかりか、溝内に流入する塑性化メタルの量が多いため、接合部のメタルが不足して内部にトンネル状の空洞欠陥が発生し易いという問題があった。
【０００８】
本発明は上記した従来の問題および要請に応えるべくなされたもので、その目的とするところは、貫通摩擦撹拌接合を行うことなく接合が可能で、接合部にすじや色調差が生じず、外観品質、光輝性、さらには接合強度を向上させることができるアルミニウム系構造体の製造方法を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために第１の発明に係るアルミニウム系構造体の製造方法は、板状に形成された被接合材の裏面の折り曲げ方向両端縁に開先用切欠きを形成する工程と、前記被接合材を表面が外側となるように円筒形状に折り曲げて折り曲げ方向両端を互いに突き合わせて接合部とし、この接合部の裏面側に前記開先用切欠きどうしの突き合わせによる開先を形成する工程と、前記被接合材の前記接合部裏面に裏当てを配置する工程と、前記被接合材の前記接合部の接合面に表面側から摩擦撹拌接合ツールを挿入して先端が前記開先内に位置する状態で前記接合部を摩擦撹拌接合する工程と、摩擦撹拌接合された前記被接合材の外表面をアルマイト処理する工程とを備え、前記摩擦撹拌接合ツールが円柱状のツール本体と、このツール本体の底面中央に一体に突設され被接合材の接合部に前記ツール本体の一部とともに押し込まれる撹拌ピンとからなり、前記ツール本体の底面が前記接合部の表面を押圧するツールショルダーを構成し、前記開先の幅を撹拌ピンの直径の６．２５〜７５％とし、開先の長手方向と直交する面内の縦断面積が前記撹拌ピンの軸線と直交する横断面積の０．１３〜１５％としたものである。
【００１８】
第１の発明においては、被接合材を円筒形状に折り曲げることにより、周方向の両端が互いに突き合わされて接合部を形成する。開先用切欠きは、被接合材を円筒形状に折り曲げる前に予め切削加工等によって形成されており、被接合材が円筒形状に折り曲げられて周方向の両端が互いに突き合わされると、互いに突き合わされて１つの開先を形成する。開先は裏当てによって覆われる。
接合部を表面側から摩擦撹拌すると、酸化膜からなる開先面も撹拌され、摩擦熱によって塑性加工可能な状態にまで軟化したメタルが撹拌・流動して開先内に進入し固化する。このため、接合部は表面側から裏面側まで撹拌接合されて摩擦撹拌後は酸化膜からなる開先面が被接合材の裏面や端面に存在せず、大きな接合強度が得られる。また、アルマイト処理してもすじが生じないので外観品質を損なうことがない。
また、開先の幅が撹拌ピンの直径の６．２５〜７５％で、開先の長手方向と直交する面内の縦断面積が前記撹拌ピンの軸線と直交する横断面積の０．１３〜１５％であると、摩擦熱によって塑性加工可能な状態にまで軟化し開先内に入り込むメタルの量が十分であり、開先が凹みとなって残ることがなく、開先内に入り込まなかった余分なメタルは接合部表面の両側に沿って突出しばりとなり、確実な摩擦撹拌接合が得られる。開先の幅が撹拌ピンの直径の７５％以上で、開先の縦断面積が撹拌ピンの軸線と直交する横断面積の１５％以上であると、メタルの量が不十分で、開先が凹みとなって残る。
【００１９】
第２の発明に係るアルミニウム系構造体の製造方法は、２つの被接合材の互いに突き合わせ接合される接合部の裏面側に接合面に沿って開先を形成するとともに裏当てを配置する工程と、前記被接合材の接合部の接合面に表面側から摩擦撹拌接合ツールを挿入して先端が前記開先内に位置する状態で前記接合部を摩擦撹拌接合する工程と、摩擦撹拌接合された前記被接合材の外表面をアルマイト処理する工程とを備え、前記摩擦撹拌接合ツールが円柱状のツール本体と、このツール本体の底面中央に一体に突設され被接合材の接合部に前記ツール本体の一部とともに押し込まれる撹拌ピンとからなり、前記ツール本体の底面が前記接合部の表面を押圧するツールショルダーを構成し、前記開先の幅を撹拌ピンの直径の６．２５〜７５％とし、開先の長手方向と直交する面内の縦断面積が前記撹拌ピンの軸線と直交する横断面積の０．１３〜１５％としたものである。
【００２０】
第２の発明において、２つの被接合材は裏面側の接合部側端縁に開先が形成され、接合部が表面側から摩擦撹拌接合される。開先の形成は、２つの被接合材の接合端を突き合わせた後に切削加工によって形成するか、または予め各被接合材の裏面接合側端縁に開先用切欠きを切削加工によって形成しておき、２つの被接合材の接合部を突き合わせて開先用切欠きを互いに対向させることで１つの開先としてもよい。
接合部を表面側から摩擦撹拌すると、酸化膜からなる開先面も撹拌され、摩擦熱によって塑性加工可能な状態にまで軟化したメタルが撹拌・流動して開先内に進入し固化する。このため、接合部は表面側から裏面側まで撹拌接合されて摩擦撹拌後は酸化膜からなる開先面が被接合材の裏面および両端面に存在せず、大きな接合強度が得られる。また、アルマイト処理してもすじが生じないので外観品質を損なうことがない。
また、開先の幅を撹拌ピンの直径の６．２５〜７５％とし、開先の長手方向と直交する面内の縦断面積が前記撹拌ピンの軸線と直交する横断面積の０．１３〜１５％としたので、摩擦熱によって塑性加工可能な状態にまで軟化し開先内に入り込むメタルの量が十分であり、開先が凹みとなって残ることがなく、開先内に入り込まなかった余分なメタルは接合部表面の両側に沿って突出しばりとなり、確実な摩擦撹拌接合が得られる。開先の幅が撹拌ピンの直径の７５％以上で、開先の縦断面積が撹拌ピンの軸線と直交する横断面積の１５％以上であると、メタルの量が不十分で、開先が凹みとなって残る。
【００２５】
第３の発明に係るアルミニウム系構造体の製造方法は、撹拌ピンの先端面または外周に溝または突状体が形成されているものである。
【００２６】
第３の発明において、撹拌部は接合面およびその近傍と開先面を撹拌・流動化させる。溝または突状体としては、環状、螺旋状、放射状等が考えられる。
【００２７】
第４の発明に係るアルミニウム系構造体の製造方法は、上記第１〜３のうちのいずれか１つに記載の発明において、摩擦撹拌接合後、アルマイト処理する工程の前工程として、被接合材を３００〜３７５℃で１〜５時間焼鈍処理する工程を備えたものである。
【００２８】
第４の発明において、焼鈍処理によって接合部の結晶粒を再結晶化させて母材部の結晶粒と略等しくすると、接合部と母材部の色調差をなくすことができる。３００℃以下であると、接合部の再結晶が不十分であり、３７５℃以上であると再結晶組織が粗大化するため、色調差が大きくなる。
【００２９】
第５の発明に係るアルミニウム系構造体の製造方法は、上記第１〜４のうちのいずれか１つに記載の発明において、摩擦撹拌接合時の摩擦撹拌接合ツールの回転数Ｒ（ rpm ）と接合速度Ｗ（ mm ／ min ）の比（Ｒ／Ｗ）を４〜１１としたものである。
【００３０】
第５の発明において、摩擦撹拌接合ツールの回転数と接合速度の比が４〜１１であると、接合部と母材部の結晶粒が略等しくなり、接合部と母材部との色調差をなくすことができる。回転数と接合速度の比が１以下であると、接合部の結晶粒が細かく、１１以上であると結晶粒が粗大化するため、アルマイト処理後の色調差が大きくなる。
【００３１】
第６の発明に係るアルミニウム系構造体の製造方法は、上記第１〜５のうちのいずれか１つに記載の発明において、アルマイト処理工程の前工程として、摩擦撹拌接合された接合部の少なくとも裏面を研磨または機械加工によって平滑面に形成する工程を備えているものである。
【００３２】
第６の発明においては、接合部を摩擦撹拌接合によって接合すると、接合部裏面の面精度が粗いため、研磨または機械加工によって平滑面に形成される。構造体が車両用ホイールリムの場合、タイヤが装着された状態において、フランジ部の裏面側が視認されるが、接合部裏面が研磨または機械加工によって平滑面に形成されているので、外観を損なうことがない。一方、接合部の表面側には摩擦撹拌接合によるばりおよび凹みが発生するが、このばりおよび凹みが視認される構造体の場合は、表面側も研磨または機械加工によって平滑面にすることが好ましい。特に車両用ホイールリムの場合、ばりが存在しタイヤに接触すると、タイヤを損傷するおそれがあるため、このばりを研磨または機械加工によって除去することが好ましい。
【００３３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図面に示す実施の形態に基づいて詳細に説明する。
図１は本発明に係るアルミニウム系構造体を車両用ホイールリムに適用した一実施の形態を示す外観斜視図、図２は同ホイールリムの断面図、図３（ａ）〜（ｃ）はＦＳＷの手順を説明するための図、図４は同ホイールリムのＦＳＷを行っている状態を示す断面図、図５は図４のＶ−Ｖ線断面図、図６は撹拌ピンの撹拌部を示す図である。
【００３４】
先ず、図１および図２に基づいて車両用ホイールリムの構造について説明する。全体を符号２０で示す車両用ホイールリムは乗用車、トラック、バス等の車両に用いられるもので、外周にタイヤが装着される円筒状のリム本体２０Ａと、このリム本体２０Ａの一側縁に一体に形成されたフランジ２０Ｂと、他側縁に形成されたガター２０Ｃに嵌合固定されるフランジ２１およびディスク２２とで構成されている。リム本体２０Ａは、摩擦撹拌接合によって製作されている。フランジ２０Ｂ，２１は、摩擦撹拌接合後に行う塑性加工によって断面形状がＬ字状になるように折り曲げ形成されている。ガター２０Ｃは、外面にフランジ２１の基端部が嵌合する環状の溝２３を有し、内面に前記ディスク２２の後端部が嵌合されかつ溶接によって接合されている。フランジ２１とディスク２２は、リム本体２０Ａと同様に、５０００系等のアルミニウム合金によって製作されている。そして、ホイールリム２０は、装飾性および耐食性を向上させるために外表面全体がアルマイト処理されている。
【００３５】
次に、前記リム本体２０Ａの製造手順を図３〜図６に基づいて詳述する。
先ず、アルミニウム合金の押出形材によって板状に形成された所定長さおよび幅を有するバー（被接合材）３０を用意する（図３（ａ））。このバー３０の裏面３０ａで長手方向の両端縁に開先用切欠き３１ａ，３１ｂをそれぞれ全幅にわたって形成する。開先用切欠き３１ａと３１ｂは略同一形状で、裏面３０ａの長手方向端縁部を所要角度（例えば、３０〜４５°）で斜めに切削することにより形成されている。
【００３６】
次に、バー３０を表面３０ｂが外側になるように円筒形状に折り曲げて長手方向の両端を互いに突き合わせ、この突き合わせ部分を接合部３２とする。バー３０を円筒形状に折り曲げてその周方向の両端を突き合わせて動かないように拘束すると、前記開先用切欠き３１ａ，３１ｂも互いに突き合わされることによりＶ字状の溝からなる１つの開先３１を形成する。
【００３７】
次に、接合部３２の裏面側に裏当て３４（図４）を密接し、表面側から接合部３２を摩擦撹拌接合ツール３６によって摩擦撹拌接合する。裏当て３４は、鉄、アルミニウム等の金属製で、一方の面が円筒形状に折り曲げられたバー３０の内周面と略同一の曲率半径を有する凸曲面に形成され、開先３１を覆っている。
【００３８】
前記摩擦撹拌接合ツール３６は、バー３０より融点が高い金属、例えば工具鋼等によって製作されるもので、円柱状のツール本体３６Ａと、このツール本体３６Ａの底面３７の中央に一体に突設された撹拌ピン３６Ｂとで構成され、前記底面３７が前記接合部３２の表面を押圧するツールショルダーを形成している。撹拌ピン３６Ｂは、長さが前記バー３０の板厚ｔより０．２〜０．４ｍｍ程度短く設定されており、先端面３８と外周面３９には前記接合部３２の接合面３５とその近傍を撹拌する撹拌部４０，４１がそれぞれ形成されている。この場合、本実施の形態においては撹拌部４０を図６に示すように１つの螺旋状溝で構成した例を示したが、これに限らず例えば特開２００１−７１１５５号公報に開示されているように放射状の溝または突状体であったり、あるいは小さな円筒状の突起を多数突設したものであってもよい。また、外周面の撹拌部４１については、本実施の形態においては周方向に等間隔をおいて形成した４つの螺旋状溝で構成した例を示したが、螺旋状の突状体であったりねじ溝であってもよい。
【００３９】
このような摩擦撹拌接合ツール３６は、接合部３２の表面に対してプローブ３６の移動方向（矢印Ａ方向）とは反対側に所要角度α（＝３〜５°程度）傾斜した状態でセットされる。
【００４０】
次に、摩擦撹拌接合ツール３６をモータによって５００〜５０００ｒｐｍ程度の回転数で回転させながら撹拌ピン３６Ｂを接合面３５上に位置させて接合部表面に押し付け、摩擦熱によって接合部３２の撹拌ピン３６Ｂによって押し付けられている表面部分およびその近傍を加熱、可塑化させ、撹拌ピン３６Ｂとツールショルダー３７の一部を接合部３２内に徐々に押し込む。このツールショルダー３７が接合部３２の表面に押し込まれる量、すなわち押込量δは、０．１〜０．３ｍｍ程度である。押込量δは、摩擦撹拌接合ツール３６の軸線を通りプローブの移動方向（Ａ方向）と直交する直線上における押込量である。なお、ツールショルダー３７の移動方向先端側（図５において左端）は、摩擦撹拌接合ツール３６内へのメタル供給を可能にするために接合部３２の表面より上方に位置している。
【００４１】
撹拌ピン３６Ｂとツールショルダー３７の一部が接合部３２内に所定量押し込まれると、撹拌ピン３６Ｂの先端は、開先３１の傾斜した壁面（開先面）４６の撹拌を可能にするために図４に示すように開先３１内に突出しており、この状態で摩擦撹拌接合ツール３６を矢印Ａ方向に０．０２〜２ｍ／ｓｅｃ程度の送り速度（接合速度）で移動させることで、接合部３２を摩擦撹拌接合する。すなわち、摩擦撹拌接合ツール３６を高速回転させながら接合面３５に沿って移動させると、接合面３５とその近傍部は、撹拌ピン３６Ｂにより加熱されることにより可塑化され、水平および垂直方向に流動化する。そして、流動化したメタル４３の一部は、開先３１内に入り込み撹拌ピン３６Ｂが通過することにより冷却して固化し開先３１を埋める。したがって、接合部３２は撹拌ピン３６Ｂを接合部３２の裏面側に突出させないでも表面側から裏面側まで完全に接合される。このとき、酸化膜からなる開先３１の開先面４６は、撹拌部４０，４１によって撹拌・分断され、可塑化したメタル４３内に分散される。なお、接合部３２の裏面から撹拌ピン３６Ｂの先端までの距離は０．２ｍｍ程度で、開先３１はこれより深く形成されている。
【００４２】
開先３１に充填されるメタル４３の量が不足すると、開先３１を完全に埋めることができず、接合部３２の裏面側に凹部として残るため好ましくない。メタル４３の最適量は、開先３１を完全に埋め、かつ余剰のメタルが接合部３２の表面両側に沿って飛び出して固化することにより、ばり４４（図４）が若干生じる程度とされる。このため、ツール本体３６Ａの軸線を通り摩擦撹拌接合ツール３６の移動方向（Ａ方向）と直交する縦断面積のうち、接合部３２に押し込まれる部分の縦断面積Ｓ（図４、図５参照）を開先３１の長手方向と直交する面内の縦断面積Ｓ1 と略等しくするかこれより若干大きくする。または、別法として開先３１の幅Ｅ（図４）を撹拌ピン３６Ｂの外径Ｄの７５％以下とし、開先３１の断面積Ｓ１を前記撹拌ピン３６Ｂの軸線と直交する横断面積（πＤ2/４）の１５％以下にすることが好ましい。
【００４３】
開先３１の幅Ｅが撹拌ピン３６Ｂの外径Ｄの７５％以下で、開先３１の縦断面積Ｓ1 が撹拌ピン３６Ｂの軸線と直交する横断面積の１５％以下であると、摩擦熱によって塑性加工可能な状態にまで軟化し開先３１内に入り込むメタル４３の量が十分であり、開先３１が凹みとなって残ることがなく、開先３１内に入り込まなかった余剰のメタルが接合部３２の表面両側に沿って突出しばり４４を形成することにより、確実な摩擦撹拌接合が得られる。これに対して、開先３１の幅Ｅが撹拌ピン３６Ｂの外径Ｄの７５％以上で、開先３１の縦断面積Ｓ1 が撹拌ピン３６Ｂの軸線と直交する横断面積の１５％以上になると、開先３１に入り込むメタル４３の量が不十分で、開先３１が凹みとして残る。
【００４４】
このような摩擦攪拌接合方法によれば、板厚ｔが２〜２０ｍｍ程度のアルミニウム合金製の被接合材であるバー３０の突き合わせ接合部３２を表面側から裏面側にわたって強固に接合することが可能である。また、摩擦撹拌接合は金属材料の接合部を溶融せず、加熱温度が低いため、ＭＩＧ溶接やＴＩＧ溶接に比べて熱影響が少なく、安定した品質を得ることができる。また、摩擦撹拌接合ツール３６を回転させ、このプローブ３６と円筒形状に折り曲げられたバー３０を所要の接合速度で相対的に移動させるだけでよいため、大がかりな設備を必要とせずコスト的にも有利である。
【００４５】
摩擦撹拌接合によってバー３０を円筒体に形成した後、裏当て３４を円筒体から取り外す。摩擦撹拌接合によって製作された円筒体は、図１および図２に示したリム本体２０Ａの中間製品である。この円筒体の摩擦撹拌接合された接合部３２の表裏面は粗面であるため、研磨または機械加工によって母材部と同程度の面精度からなる平滑面に形成される。特に、図１および図２に示すホイールリム２０においては、タイヤを装着した状態でフランジ２０Ｂの裏面と、ガター２１の先端面および裏面が視認されるので、これらの部分における接合部の裏面および端面を研磨または機械加工する必要がある。また、表面側についてはばり４４とツールショルダー３７の押し込みによる凹みが生じているので、表面側が視認される構造体の製作に当たっては表面側も研磨または機械加工して完全に取り除くことが好ましい。
【００４６】
次に、研磨または機械加工が終了した円筒体を成形装置によって成形することにより、図１および図２に示した、一端側にフランジ２０Ｂを一体に有し、他端側にガター２０Ｃを一体に有するリム本体２０Ａを製作する（図３（ｃ））。そして、ガター２０Ｃにフランジ２１とホイール２２を取付け、ホイールリム２０を製作する。なお、フランジ２１については、リム本体２０Ａと別個に製作されるものに限らず、フランジ２０Ｂと同様にリム本体２０Ａに一体に形成されるものであってもよい。その場合は、ガター２０Ｃの製作は当然不要である。
【００４７】
この後、ホイールリム２０に装飾性、耐食性を付与するためにホイールリム２０をアルマイト処理してその外表面全体に陽極酸化被膜を形成し、もってホイールリム２０の製作を終了する。
【００４８】
アルマイト処理工程の一実施の形態を図７に基づいて説明する。
先ず、上記摩擦撹拌接合によって接合され整形装置によって所定のリム形状に形成された被処理物（被接合材）を準備する（ステップ１００）。次に、前処理工程として、被処理物を、酸（Ｈ2ＳＯ4、ＨＮＯ3 またはこれらの混合水溶液）による脱脂工程（ステップ１０１）と、アルカリ（ＮａＯＨ）によるエッチング工程（ステップ１０２）と、酸（Ｈ2ＳＯ4）による中和工程（ステップ１０３）をこの順序で行う。なお、エッチング工程は、表面の異物や変質層などを除去する工程である。
【００４９】
次に、被処理物を酸（Ｈ2ＳＯ4 ）の水溶液中に浸漬して陽極に接続し、水溶液を陰極に接続してアルマイト処理を行い（ステップ１０４）、被処理物の外表面全体に多孔質の陽極酸化被膜を形成する。次に、必要に応じて電解着色（ステップ１０５）を行った後、温水に浸漬して封孔処理を行うか（ステップ１０６）、またはクリアー電着塗装（ステップ１０７）を行うことにより、透明で光沢感のあるホイールリム２０が製作される。なお、アルミニウム合金のアルマイト処理自体は、従来一般に行われている周知技術のため、これ以上の詳細については説明を省略する。
【００５０】
摩擦撹拌接合した後、アルマイト処理する前工程としては、接合部３２の結晶粒を再結晶化して粒径を母材部の結晶粒径と略一致させるために焼鈍処理を行うか、または摩擦撹拌接合条件を最適化することが好ましい。焼鈍処理は、摩擦撹拌接合された被接合材を加熱炉に入れて３００℃〜３７５℃の温度範囲で１〜５時間加熱し、その後緩やかに冷却して常温にする。３００℃以下であると結晶粒の再結晶化が不十分であり、３７５℃以上であると再結晶組織が粗大化するため好ましくない。
【００５１】
摩擦撹拌接合条件を最適化する場合も、焼鈍処理と同様に接合部３２と母材部の結晶粒径と略一致させることができる。最適化の条件としては、摩擦撹拌接合ツール３６の回転数Ｒと接合速度Ｗの比率が４〜１１の範囲になるようにする。この比率が４以下であると接合部３２の結晶粒の再結晶化が不十分であり、１１以上であると再結晶組織が粗大化するため好ましくない。
【００５２】
【実施例１】
被接合材として板厚６ｍｍのＪＩＳ Ａ５０５２−Ｏを円筒形状に折り曲げてその周方向両端を突き合わせ摩擦撹拌接合した。使用した摩擦撹拌接合ツールは、ツールショルダー径２０ｍｍ、撹拌ピンの直径８ｍｍ、ピン長さ５．４ｍｍで、接合面に対するプローブの傾斜角度３°、回転数８９０ｒｐｍ、接合速度２００ｍｍ／ｍｉｎの条件で、開先３１の深さＤ1 、幅Ｅ、および長手方向と直交する面内の縦断面積Ｓ1 を種々変更して摩擦撹拌接合を行った。その結果を表１に示す。
【００５３】
【表１】
この表１から明らかなように、開先３１を形成しないで、また撹拌ピンを接合部の裏面側に突出させないで摩擦撹拌接合した場合（比較例１）では、接合面の一部が撹拌されないで残るためアルマイト処理した後に接合部３２の裏面側にすじが発生した。比較例２および比較例３では開先面積が撹拌ピンの横断面積の１５％以上になるため接合部３２内にトンネル状空洞欠陥と凹みが発生したが、本発明３に示すように開先３１の断面積Ｓ1 が６ｍｍ2 では問題なく接合できた。このことから開先３１の縦断面積Ｓ1 は撹拌ピンの横断面積の１５％以下が望ましいと判断される。また、開先３１の幅Ｅが８ｍｍの場合（比較例４）、ピン径と一致するので、開先３１に充填されるメタルの量が不足し開先３１が凹みとして残る。したがって、開先３１の幅Ｅはピン径以下で、好ましくは７５％以下にする必要がある。
【００５５】
開先３１の深さＤ1 が０．１ｍｍの場合（比較例５）、アルマイト処理した後に接合部３２の裏面側にすじが発生した。これはピン先端が接合部３２の裏面より０．２ｍｍの位置｛６ｍｍ−（５．４＋０．４ｍｍ）｝（３°傾斜分）にあり、開先３１内に突出しておらず、開先面４６を撹拌しないためである。したがって、開先３１内に撹拌ピン３６Ｂの先端部を突出させることが必要である。
【００５６】
【実施例２】
摩擦撹拌接合条件が色調差に及ぼす影響について調査した結果を表２に示す。
【００５７】
【表２】
この表２から明らかなように、摩擦撹拌接合ツール３６の回転数Ｒと接合速度Ｗの比率が４〜１１の範囲内にある本発明１〜４においては、母材部と接合部の色調に差が殆ど生じなかった。一方、前記比率が４以下または１１以上となる比較例１〜３においては、母材部と接合部の色調が大きく異なるため不良品と判定された。
【００５９】
図８は本発明の他の実施の形態を示す摩擦撹拌接合の断面図である。
この実施の形態は１つの被接合材を円筒形に丸めてその両端を突き合わせ接合する代わりに、平板状に形成されたアルミニウム合金からなる２つの被接合材５０，５１の一端を互いに突き合わせて接合部５２とし、この接合部５２を摩擦撹拌接合ツール３６によって摩擦撹拌接合するようにしたものである。摩擦撹拌接合の条件は、被接合材が２つである点を除いて上記した実施の形態と全く同一である。また、その摩擦撹拌後のアルマイト処理工程等の工程についても全く同様である。
【００６０】
各被接合材５０，５１の裏面で接合側端縁には、開先用切欠き５３ａ，５３ｂがそれぞれ形成されており、被接合材５０，５１の接合側端面を突き合わせることにより、開先用切欠き５３ａ，５３ｂも突き合わされて１つの開先５３を形成する。この場合、予め開先用切欠き５３ａ，５３ｂを形成する代わりに、２つの被接合材５０，５１の接合端を互いに突き合わせた後、接合部５２の裏面側にその接合面５４に沿って開先５３を切削加工によって形成してもよい。
【００６１】
このように、２つの被接合材５０，５１を摩擦撹拌接合する場合は、上記したホイールリムに限らず種々の形状の構造体に適用することが可能であり、例えば自動車のピラー（車体の柱）、フロントクロスメンバー、リアクロスメンバー、サスペンションフレーム等の車体構造体、一般の建築土木用構造体等にも適用することが可能である。
【００６２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明に係るアルミニウム系構造体の製造方法によれば、貫通摩擦撹拌接合を行うことなく接合が可能で、接合部の接合強度を向上させることができ、またアルマイト処理しても接合部裏面側にすじが発生せず、外観品質、光輝性に優れた構造体を提供することができる。
【００６３】
また、本発明においては、摩擦撹拌接合後に焼鈍処理するかまたは摩擦撹拌接合条件を最適化して摩擦撹拌接合するようにしているので、接合部の結晶粒を再結晶化させることができ、母材部と接合部との色調を略一致させることができ、特に板状のバーを円筒形状に折り曲げて摩擦撹拌接合される車両用ホイールリムに適用して好適である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係るアルミニウム系構造体を車両用ホイールリムに適用した一実施の形態を示す外観斜視図である。
【図２】 同ホイールリムの断面図である。
【図３】 （ａ）〜（ｃ）はＦＳＷの手順を説明するための図である。
【図４】 同ホイールリムのＦＳＷを行っている状態を示す断面図である。
【図５】 図４のＶ−Ｖ線断面図である。
【図６】 撹拌ピンの撹拌部を示す図である。
【図７】 アルマイト処理工程のフローチャートである。
【図８】 本発明の他の実施の形態を示すＦＳＷの断面図である。
【図９】 従来のＦＳＷを説明するための図である。
【符号の説明】
２０…ホイールリム、２０Ａ…リム本体、２２…ホイール、３０…バー（被接合材）、３１…開先、３１ａ，３１ｂ…開先用切欠き、３２…接合部、３５…開先面、３６…摩擦撹拌接合ツール、３６Ａ…ツール本体、３６Ｂ…撹拌ピン、３４…裏当て、４０，４１…撹拌部、５０，５１…被接合材、５２…接合部、５３…開先。
Claims (6)
- 板状に形成された被接合材の裏面の折り曲げ方向両端縁に開先用切欠きを形成する工程と、
前記被接合材を表面が外側となるように円筒形状に折り曲げて折り曲げ方向両端を互いに突き合わせて接合部とし、この接合部の裏面側に前記開先用切欠きどうしの突き合わせによる開先を形成する工程と、
前記被接合材の前記接合部裏面に裏当てを配置する工程と、
前記被接合材の前記接合部の接合面に表面側から摩擦撹拌接合ツールを挿入して先端が前記開先内に位置する状態で前記接合部を摩擦撹拌接合する工程と、
摩擦撹拌接合された前記被接合材の外表面をアルマイト処理する工程とを備え、
前記摩擦撹拌接合ツールが円柱状のツール本体と、このツール本体の底面中央に一体に突設され被接合材の接合部に前記ツール本体の一部とともに押し込まれる撹拌ピンとからなり、前記ツール本体の底面が前記接合部の表面を押圧するツールショルダーを構成し、
前記開先の幅を撹拌ピンの直径の６．２５〜７５％とし、開先の長手方向と直交する面内の縦断面積が前記撹拌ピンの軸線と直交する横断面積の０．１３〜１５％としたことを特徴とするアルミニウム系構造体の製造方法。 - ２つの被接合材の互いに突き合わせ接合される接合部の裏面側に接合面に沿って開先を形成するとともに裏当てを配置する工程と、
前記被接合材の接合部の接合面に表面側から摩擦撹拌接合ツールを挿入して先端が前記開先内に位置する状態で前記接合部を摩擦撹拌接合する工程と、
摩擦撹拌接合された前記被接合材の外表面をアルマイト処理する工程とを備え、
前記摩擦撹拌接合ツールが円柱状のツール本体と、このツール本体の底面中央に一体に突設され被接合材の接合部に前記ツール本体の一部とともに押し込まれる撹拌ピンとからなり、前記ツール本体の底面が前記接合部の表面を押圧するツールショルダーを構成し、
前記開先の幅を撹拌ピンの直径の６．２５〜７５％とし、開先の長手方向と直交する面内の縦断面積が前記撹拌ピンの軸線と直交する横断面積の０．１３〜１５％としたことを特徴とするアルミニウム系構造体の製造方法。 - 請求項１または２記載のアルミニウム系構造体の製造方法において、
撹拌ピンの先端面または外周に溝または突状体が形成されていることを特徴とするアルミニウム系構造体の製造方法。 - 請求項１〜３のうちのいずれか１つに記載のアルミニウム系構造体の製造方法において、
摩擦撹拌接合後、アルマイト処理する工程の前工程として、被接合材を３００〜３７５℃で１〜５時間焼鈍処理する工程を備えたことを特徴とするアルミニウム系構造体の製造方法。 - 請求項１〜４のうちのいずれか１つに記載のアルミニウム系構造体の製造方法において、
摩擦撹拌接合時の摩擦撹拌接合ツールの回転数Ｒ（rpm）と接合速度Ｗ（mm／min）の比（Ｒ／Ｗ）を４〜１１としたことを特徴とするアルミニウム系構造体の製造方法。 - 請求項１〜５のうちのいずれか１つに記載のアルミニウム系構造体の製造方法において、
アルマイト処理工程の前工程として、摩擦撹拌接合された接合部の少なくとも裏面を研磨または機械加工によって平滑面にする工程を備えたことを特徴とするアルミニウム系構造体の製造方法。
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