JP6248790B2

JP6248790B2 - 摩擦攪拌接合方法

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Publication number: JP6248790B2
Application number: JP2014096849A
Authority: JP
Inventors: 伸城瀬尾; 堀　久司; 久司堀
Original assignee: Nippon Light Metal Co Ltd
Current assignee: Nippon Light Metal Co Ltd
Priority date: 2014-05-08
Filing date: 2014-05-08
Publication date: 2017-12-20
Anticipated expiration: 2034-05-08
Also published as: JP2015213928A

Description

本発明は、摩擦攪拌によって金属部材を接合する摩擦攪拌接合方法に関する。

一対の金属部材同士を接合する方法として、摩擦攪拌接合（ＦＳＷ＝Friction Stir Welding）が知られている。摩擦攪拌接合は、回転ツールを金属部材同士の突合せ部に沿って移動させ、回転ツールと金属部材との摩擦熱により突合せ部の金属を塑性流動させることで、金属部材同士を固相接合するものである。

特許文献１には、摩擦攪拌装置に連結される連結部と、連結部から垂下する攪拌ピンとを備えた本接合用回転ツールを用いて摩擦攪拌を行う技術が開示されている。当該摩擦攪拌接合方法では、従来のように金属部材にショルダ部を接触させずに、攪拌ピンのみを金属部材に接触させた状態で摩擦攪拌を行うため、回転ツールの操作性を向上させることができる。

また、当該摩擦攪拌接合方法によれば、金属部材にショルダ部を接触させないため、摩擦攪拌装置に大きな負荷が作用しない状態で、金属部材の深い位置まで摩擦攪拌を行うことができる。

特開２０１３−３９６１３号公報

しかし、当該摩擦攪拌接合方法では、ショルダ部を金属部材に接触させないため、塑性流動化した金属が金属部材の表面に溢れ出やすくなり、接合部が金属不足になるおそれがある。

そこで、本発明は、回転ツールの操作性を向上させることができるとともに、摩擦攪拌による金属不足を防ぐことができる摩擦攪拌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に、本発明は、攪拌ピンを備え、摩擦攪拌装置に連結された回転ツールを用いて二つの金属部材を接合する摩擦攪拌接合方法であって、前記金属部材同士を突き合わせて第一突合せ部を形成する突合せ工程と、前記第一突合せ部に沿って形成された凹部に、当該凹部の深さよりも厚く形成された断面矩形状を呈する板状の補助部材を配置して前記第一突合せ部を覆う補助部材配置工程と、前記補助部材の表面から回転した前記攪拌ピンを挿入し、前記摩擦攪拌装置及び前記回転ツールのうち、前記回転ツールの前記攪拌ピンのみを前記補助部材及び前記両金属部材、又は、前記補助部材のみに接触させ摩擦熱を発生させた状態で前記第一突合せ部を摩擦攪拌する第一の本接合工程と、を含み、前記回転ツールの前記攪拌ピンの外周面には螺旋溝が刻設されており、前記回転ツールを右回転させる場合は、前記螺旋溝を基端から先端に向かうにつれて左回りに形成し、前記回転ツールを左回転させる場合は、前記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を特徴とする。

かかる方法によれば、凹部の深さよりも厚く形成された補助部材の表面から回転ツールの攪拌ピンを挿入して第一の本接合工程を行うため、金属不足を防ぐことができる。また、補助部材を凹部に配置することで第一の本接合工程を安定して行うことができる。また、攪拌ピンのみを補助部材及び両金属部材、又は、補助部材のみに接触させた状態で摩擦攪拌を行うため、回転ツールの操作性を向上させることができる。

また、前記第一の本接合工程後に、前記金属部材の表面から突出する前記補助部材を切除する切除工程を含むことが好ましい。

かかる接合方法によれば、金属部材の表面を平滑にすることができる。

また、前記第一の本接合工程を行う前に、前記補助部材と前記金属部材とを仮接合する補助部材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、補助部材が金属部材に固定されるため、第一の本接合工程をより安定して行うことができる。

また、本発明は、攪拌ピンを備えた回転ツールを用いて二つの金属部材を接合する摩擦攪拌接合方法であって、前記金属部材同士を突き合わせて第一突合せ部を形成する突合せ工程と、前記第一突合せ部に沿って形成された凹部に、当該凹部の深さよりも厚く形成された補助部材を配置して前記第一突合せ部を覆う補助部材配置工程と、前記補助部材の表面から回転した前記攪拌ピンを挿入し、前記補助部材及び前記両金属部材、又は、前記補助部材のみに前記攪拌ピンのみを接触させた状態で前記第一突合せ部を摩擦攪拌する第一の本接合工程と、前記第一の本接合工程後に、前記金属部材の表面から突出する前記補助部材を切除する切除工程と、前記切除工程後に、前記補助部材と前記両金属部材とが突き合わされた一対の第二突合せ部に対して摩擦攪拌を行う補修工程を含むことを特徴とする。
さらに、本発明は、攪拌ピンを備えた回転ツールを用いて二つの金属部材を接合する摩擦攪拌接合方法であって、前記金属部材同士を突き合わせて第一突合せ部を形成する突合せ工程と、前記第一突合せ部に沿って形成された凹部に、当該凹部の深さよりも厚く形成された補助部材を配置して前記第一突合せ部を覆う補助部材配置工程と、前記補助部材の表面から回転した前記攪拌ピンを挿入し、前記補助部材及び前記両金属部材、又は、前記補助部材のみに前記攪拌ピンのみを接触させた状態で前記第一突合せ部を摩擦攪拌する第一の本接合工程と、前記第一の本接合工程後に、前記金属部材の表面から突出する前記補助部材を切除する切除工程と、前記第一の本接合工程を行う前に、前記補助部材と前記金属部材とを仮接合する補助部材仮接合工程と、前記切除工程後に、前記補助部材と前記両金属部材とが突き合わされた一対の第二突合せ部に対して摩擦攪拌を行う補修工程と、を含むことを特徴とする。

かかる方法によれば、凹部の深さよりも厚く形成された補助部材の表面から回転ツールの攪拌ピンを挿入して第一の本接合工程を行うため、金属不足を防ぐことができる。また、補助部材を凹部に配置することで第一の本接合工程を安定して行うことができる。また、攪拌ピンのみを補助部材及び両金属部材、又は、補助部材のみに接触させた状態で摩擦攪拌を行うため、回転ツールの操作性を向上させることができる。
また、第二突合せ部が摩擦攪拌されることで水密性及び気密性を向上させることができる。また、補助部材仮接合工程を行った後は、第二突合せ部の周辺に接合痕が残存するおそれがあるが、補修工程を行うことで当該接合痕を補修することができる。

また、本発明は、攪拌ピンを備えた回転ツールを用いて二つの金属部材を接合する摩擦攪拌接合方法であって、前記金属部材同士を突き合わせて第一突合せ部を形成する突合せ工程と、前記第一突合せ部に沿って形成された凹部に、当該凹部の深さよりも厚く形成された補助部材を配置して前記第一突合せ部を覆う補助部材配置工程と、前記補助部材配置工程を行う前に、前記第一突合せ部に仮接合を行う金属部材仮接合工程と、前記補助部材の表面から回転した前記攪拌ピンを挿入し、前記補助部材及び前記両金属部材、又は、前記補助部材のみに前記攪拌ピンのみを接触させた状態で前記第一突合せ部を摩擦攪拌する第一の本接合工程と、を含むことを特徴とする。

かかる方法によれば、凹部の深さよりも厚く形成された補助部材の表面から回転ツールの攪拌ピンを挿入して第一の本接合工程を行うため、金属不足を防ぐことができる。また、補助部材を凹部に配置することで第一の本接合工程を安定して行うことができる。また、攪拌ピンのみを補助部材及び両金属部材、又は、補助部材のみに接触させた状態で摩擦攪拌を行うため、回転ツールの操作性を向上させることができる。
また、かかる接合方法によれば、第一の本接合工程を行う際の第一突合せ部の目開きを防ぐことができる。

また、前記第一突合せ部に対して前記金属部材の裏面側から摩擦攪拌を行う第二の本接合工程を含み、前記第二の本接合工程では、前記第一の本接合工程で形成された塑性化領域と前記第二の本接合工程で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向上させることができるとともに、接合強度を高めることができる。

また、前記第一突合せ部の脇にタブ材を配置するタブ材配置工程を含み、前記第一の本接合工程では、前記タブ材に形成された下穴に前記回転ツールの前記攪拌ピンを挿入して摩擦攪拌を行うことが好ましい。

かかる接合方法によれば、タブ材を用いることで第一の本接合工程を容易に行うことができる。また、第一の本接合工程後にタブ材を切除することで、金属部材の側面をきれいに仕上げることができる。

また、本発明は、攪拌ピンを備え、摩擦攪拌装置に連結された回転ツールを用いて二つの金属部材を接合する摩擦攪拌接合方法であって、前記金属部材同士を突き合わせて突合せ部を形成する突合せ工程と、前記突合せ部を覆うように前記金属部材の表面に断面矩形状を呈する板状の補助部材を配置する補助部材配置工程と、前記補助部材の表面から回転した前記攪拌ピンを挿入し、前記摩擦攪拌装置及び前記回転ツールのうち、前記回転ツールの前記攪拌ピンのみを前記補助部材及び前記両金属部材、又は、前記補助部材のみに接触させ摩擦熱を発生させた状態で前記突合せ部を摩擦攪拌する第一の本接合工程と、を含み、前記回転ツールの前記攪拌ピンの外周面には螺旋溝が刻設されており、前記回転ツールを右回転させる場合は、前記螺旋溝を基端から先端に向かうにつれて左回りに形成し、前記回転ツールを左回転させる場合は、前記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を特徴とする。

かかる接合方法によれば、補助部材の表面から回転ツールの攪拌ピンを挿入して第一の本接合工程を行うため、金属不足を防ぐことができる。また、攪拌ピンのみを補助部材及び両金属部材、又は、補助部材のみに接触させた状態で摩擦攪拌を行うため、回転ツールの操作性を向上させることができる。

また、本発明は、攪拌ピンを備えた回転ツールを用いて二つの金属部材を接合する摩擦攪拌接合方法であって、前記金属部材同士を突き合わせて突合せ部を形成する突合せ工程と、前記突合せ部を覆うように前記金属部材の表面に補助部材を配置する補助部材配置工程と、前記補助部材配置工程を行う前に、前記突合せ部に仮接合を行う金属部材仮接合工程と、前記補助部材の表面から回転した前記回転ツールを挿入し、前記補助部材及び前記両金属部材、又は、前記補助部材のみに前記攪拌ピンのみを接触させた状態で前記突合せ部を摩擦攪拌する第一の本接合工程と、を含むことを特徴とする。

かかる方法によれば、凹部の深さよりも厚く形成された補助部材の表面から回転ツールの攪拌ピンを挿入して第一の本接合工程を行うため、金属不足を防ぐことができる。また、補助部材を凹部に配置することで第一の本接合工程を安定して行うことができる。また、攪拌ピンのみを補助部材及び両金属部材、又は、補助部材のみに接触させた状態で摩擦攪拌を行うため、回転ツールの操作性を向上させることができる。
また、かかる接合方法によれば、第一の本接合工程を行う際の突合せ部の目開きを防ぐことができる。

また、前記突合せ部に対して前記金属部材の裏面側から摩擦攪拌を行う第二の本接合工程を含み、前記第二の本接合工程では、前記第一の本接合工程で形成された塑性化領域と前記第二の本接合工程で形成された塑性化領域とを接触させることが好ましい。

また、前記突合せ部の脇にタブ材を配置するタブ材配置工程を含み、前記第一の本接合工程では、前記タブ材に形成された下穴に前記回転ツールの前記攪拌ピンを挿入して摩擦攪拌を行うことが好ましい。

本発明に係る摩擦攪拌接合方法によれば、回転ツールの操作性を向上させることができるとともに、摩擦攪拌による金属不足を防ぐことができる。

本接合用回転ツールを示す側面図である。本発明の第一実施形態に係る摩擦攪拌接合方法を示す断面図であって、（ａ）は突合せ工程を示し、（ｂ）は凹部形成工程及び金属部材仮接合工程を示し、（ｃ）は補助部材配置工程を示す。第一実施形態に係る補助部材仮接合工程及びタブ材配置工程を示す斜視図である。第一実施形態に係る第一の本接合工程を示す図であって、（ａ）は縦断面図を示し、（ｂ）は横断面図を示す。（ａ）は第一実施形態に係る第一の本接合工程後を示す断面図であり、（ｂ）は第一実施形態に係る切除工程を示す断面図である。第一実施形態に係る補修工程を示す斜視図である。（ａ）は第一実施形態に係る第二の本接合工程を示す断面図であり、（ｂ）は第一実施形態に係る第二の本接合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摩擦攪拌接合方法を示す断面図であって、（ａ）は突合せ工程、金属部材仮接合工程、補助部材配置工程及び補助部材仮接合工程を示し、（ｂ）は第一の本接合工程を示す。（ａ）は第二実施形態に係る第一の本接合工程後を示す断面図であり、（ｂ）は第二実施形態に係る切除工程を示す断面図である。第二実施形態に係る第二の本接合工程を示す断面図である。

本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。まずは、本実施形態で用いる本接合用回転ツールについて説明する。

図１に示すように、本接合用回転ツールＦは、連結部Ｆ１と、攪拌ピンＦ２とで構成されている。本接合用回転ツールＦは、特許請求の範囲の「回転ツール」に相当する。本接合用回転ツール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に連結される部位である。連結部Ｆ１は円柱状を呈し、ボルトが締結されるネジ孔Ｂ，Ｂが形成されている。

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Ｆ３が刻設されている。本実施形態では、本接合用回転ツールＦを右回転させるため、螺旋溝Ｆ３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。言い換えると、螺旋溝Ｆ３は、螺旋溝Ｆ３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。

なお、本接合用回転ツールＦを左回転させる場合は、螺旋溝Ｆ３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。言い換えると、この場合の螺旋溝Ｆ３は、螺旋溝Ｆ３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。螺旋溝Ｆ３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Ｆ３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（金属部材１，１）の外部に溢れ出る金属の量を少なくすることができる。

本接合用回転ツールＦを用いて摩擦攪拌接合をする際には、被接合金属部材に回転した攪拌ピン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。本接合用回転ツールＦの詳細な接合形態については後記する。

［第一実施形態］
次に、第一実施形態に係る摩擦攪拌接合方法について説明する。図２の（ａ）に示すように、本実施形態では、金属部材１，１同士を突き合わせて形成された第一突合せ部Ｊ１を摩擦攪拌によって接合する。金属部材１，１は、金属製の板状部材であって、同等の形状になっている。金属部材１，１は、少なくとも突き合わされる部分が同等の形状であればよい。

金属部材１，１は同等の材料で形成されている。金属部材１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。

第一本実施形態に係る接合方法では、表面接合工程と、裏面接合工程とを行う。表面接合工程は、金属部材１，１の表面１ｂ，１ｂ側から接合する工程である。裏面接合工程は、裏面１ｃ，１ｃ側から接合する工程である。

表面接合工程は、突合せ工程と、凹部形成工程と、金属部材仮接合工程と、補助部材配置工程と、補助部材仮接合工程と、タブ材配置工程と、第一の本接合工程と、切除工程と、補修工程と、を行う。

突合せ工程は、金属部材１，１を突き合わせる工程である。図２の（ａ）に示すように、突合せ工程では、金属部材１，１の端面１ａ，１ａ同士を突き合わせる。突合せ工程によって第一突合せ部Ｊ１が形成される。金属部材１，１の表面１ｂ，１ｂ及び裏面１ｃ，１ｃはいずれも面一になっている。

凹部形成工程は、第一突合せ部Ｊ１に沿って凹部１０を形成する工程である。図２の（ｂ）に示すように、凹部形成工程では、第一突合せ部Ｊ１に沿って断面矩形状の凹部１０を形成する。凹部形成工程では、例えば、エンドミル等を用いて金属部材１，１の一部を切削して形成する。凹部１０は、底面１０ａと、底面１０ａの両端から立ち上がる側壁１０ｂ，１０ｂとで構成されている。凹部１０の形状は、本実施形態では断面矩形状にしたが、後記する補助部材１１が隙間なく配置されるように、補助部材１１の形状に合わせて適宜形成すればよい。

なお、本実施形態では、凹部１０を切削により形成したが、これに限定されるものではない。例えば、予め切欠き部が形成された金属部材同士を突き合わせて凹部１０を形成してもよい。

金属部材仮接合工程は、金属部材１，１を仮接合する工程である。図２の（ｂ）に示すように、金属部材仮接合工程では、凹部１０の底面１０ａに露出する第一突合せ部Ｊ１に沿って摩擦攪拌により仮接合を行う。金属部材仮接合工程は、第一突合せ部Ｊ１に対して連続的に行ってもよいし、断続的に行ってもよい。また、金属部材仮接合工程では、どのような回転ツールを用いてもよいが、本実施形態では小型回転ツール（図示省略）を用いる。小型回転ツールの移動軌跡には塑性化領域Ｗが形成される。

なお、金属部材仮接合工程は、溶接で行ってもよい。また、金属部材仮接合工程は省略してもよい。

補助部材配置工程は、凹部１０に補助部材１１を配置する工程である。図２の（ｃ）及び図３に示すように、補助部材１１は、断面矩形状を呈する板状部材である。補助部材１１の材料は摩擦攪拌可能であれば特に制限されないが、金属部材１と同等の材料で形成することが好ましい。

補助部材１１の幅は、凹部１０の幅と略同等に形成されている。補助部材１１の高さは、凹部１０の深さよりも大きく形成されている。補助部材１１の高さは、本実施形態では凹部１０の深さの二倍程度になっている。補助部材１１の長さは適宜設定すればよいが、本実施形態では第一突合せ部Ｊ１の長さと同等になっている。補助部材１１はほぼ隙間のない状態で凹部１０に配置される。補助部材１１を配置することによって塑性化領域Ｗ（突合せ部Ｊ１）が覆われる。

補助部材仮接合工程は、金属部材１，１に補助部材１１を仮接合する工程である。図３に示すように、補助部材仮接合工程では、金属部材１の表面１ｂと補助部材１１の側面１１ｃとで構成された入隅部に対して溶接を行う。溶接の種類は特に制限されないが、本実施形態ではＴＩＧ溶接又はＭＩＧ溶接等の肉盛溶接を行う。肉盛溶接は、連続的に行ってもよいが、本実施形態では断続的に行っている。肉盛溶接を行うことにより、入隅部には複数の溶接金属Ｗ０が形成される。なお、補助部材仮接合工程は省略してもよい。

タブ材配置工程は、金属部材１，１の脇にタブ材ＴＢ，ＴＢを配置する工程である。図３に示すように、タブ材配置工程では、金属部材１，１の側面に露出する第一突合せ部Ｊ１を覆うようにタブ材ＴＢ，ＴＢを配置する。タブ材ＴＢの高さは、金属部材１の高さと同等になっている。タブ材ＴＢの側面と金属部材１の側面とで構成された入隅部に溶接により仮接合を行うことで金属部材１，１に対してタブ材ＴＢを固定することができる。タブ材ＴＢの表面ＴＢａと金属部材１の表面１ｂは面一になるとともに、裏面ＴＢｂと金属部材１の裏面１ｃは面一になる。

また、タブ材配置工程では、タブ材ＴＢの表面ＴＢａ及び裏面ＴＢｂに下穴Ｚを形成する。下穴Ｚは、本接合用回転ツールＦを挿入する際の挿入抵抗を軽減するための穴である。下穴Ｚは、第一突合せ部Ｊ１の延長線上に形成されている。下穴Ｚの形状や大きさ等は適宜設定すればよい。なお、タブ材配置工程は省略してもよい。

第一の本接合工程は、金属部材１，１の表面１ｂ，１ｂ側から本接合用回転ツールＦを挿入して摩擦攪拌を行う工程である。第一の本接合工程では、まず、図３に示す一方のタブ材ＴＢに形成された下穴Ｚに回転した攪拌ピンＦ２を所定の深さまで挿入する。そして、深さを一定に保った状態で他方のタブ材ＴＢまで相対移動させる。

図４の（ａ）及び（ｂ）に示すように、第一の本接合工程では、補助部材１１を貫通し攪拌ピンＦ２の先端を第一突合せ部Ｊ１の半分程度の深さまで挿入する。第一の本接合工程では、金属部材１，１及び補助部材１１に回転した攪拌ピンＦ２のみを挿入し、補助部材１１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。本接合用回転ツールＦの移動軌跡には摩擦攪拌された金属が硬化することにより塑性化領域Ｗ１が形成される。他方のタブ材ＴＢまで本接合用回転ツールＦを相対移動させたら、他方のタブ材ＴＢ上で本接合用回転ツールＦを離脱させる。

図５の（ａ）に示すように、第一の本接合工程を行うと、補助部材１１の表面１１ａには凹溝１２が形成されるとともに、凹溝１２の周囲にバリＶが形成される。本実施形態では、ショルダ部で塑性流動化した金属を押さえないで本接合工程を行うため、摩擦攪拌によって形成される凹溝１２が深くなる傾向にあるとともにバリＶが多く発生しやすい。

第一の本接合工程によって形成される凹溝１２の底面１２ａは、金属部材１の表面１ｂよりも上方に位置している。補助部材１１の厚さや形状等は、第一の本接合工程によって形成された凹溝１２の底面１２ａが金属部材１の表面１ｂよりも上方に位置するように設定することが好ましい。

切除工程は、補助部材１１、バリＶ及び溶接金属Ｗ０を切除する工程である。切除工程では、図５の（ａ）に示すように、金属部材１の表面１ｂを含む基準面に沿って、補助部材１１、バリＶ及び溶接金属Ｗ０を切除する。これにより、図５の（ｂ）に示すように、金属部材１の表面１ｂと切除後の補助部材１１の表面１１ａ’は面一になる。また、補助部材１１の側面１１ｃと金属部材１，１とがそれぞれ突き合わされた第二突合せ部Ｊ２，Ｊ２が露出する。

なお、切除工程では、金属部材１の表面１ｂを含む基準面よりも上方（凹溝１２側）の位置で切除してもよい。つまり、切除工程では、金属部材１の表面１ｂから突出する補助部材１１の一部を切除するだけでもよい。また、切除工程は省略してもよい。

補修工程は、第二突合せ部Ｊ２，Ｊ２に対して摩擦攪拌接合を行う工程である。図６に示すように、補修工程では、小型回転ツールＨを用いて第二突合せ部Ｊ２に対して摩擦攪拌を行う。補修工程では、タブ材ＴＢに小型回転ツールＨを挿入した後、第二突合せ部Ｊ２，Ｊ２に沿って小型回転ツールＨを相対移動させつつ他方のタブ材ＴＢまで相対移動させる。小型回転ツールＨは、ショルダ部とショルダ部に突設された攪拌ピンとで構成されている。

補修工程では、小型回転ツールＨのショルダ部を金属部材１，１に数ミリ程度押し込んで摩擦攪拌を行う。小型回転ツールＨの移動軌跡には塑性化領域Ｗ２，Ｗ２が形成される。なお、補修工程は省略してもよい。

次に、金属部材１，１を裏返し、裏面接合工程を行う。裏面接合工程は、凹部形成工程と、金属部材仮接合工程と、補助部材配置工程と、補助部材仮接合工程と、第二の本接合工程と、切除工程と、補修工程と、を行う。

凹部形成工程、金属部材仮接合工程、補助部材配置工程及び補助部材仮接合工程は、金属部材１，１の裏面１ｃ，１ｃに対して行うことを除いて表面接合工程と略同等であるため説明を省略する。

第二の本接合工程は、金属部材１，１の裏面１ｃ，１ｃ側から第一突合せ部Ｊ１に対して摩擦攪拌接合を行う工程である。図７の（ａ）は第一実施形態に係る第二の本接合工程を示す断面図であり、（ｂ）は第一実施形態に係る第二の本接合工程後を示す断面図である。図７では、表面側接合工程と同じ部材には同等の符号を付している。

図７の（ａ）に示すように、第二の本接合工程では、補助部材１１を貫通し攪拌ピンＦ２の先端を塑性化領域Ｗ１に入り込む深さまで挿入する。第二の本接合工程では、金属部材１，１及び補助部材１１に回転した攪拌ピンＦ２のみを挿入し、補助部材１１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。本接合用回転ツールＦの移動軌跡には摩擦攪拌された金属が硬化することにより塑性化領域Ｗ３が形成される。

図７の（ｂ）に示すように、第二の本接合工程を行うと、補助部材１１の表面１１ａには凹溝１２が形成されるとともに、凹溝１２の周囲にバリＶが形成される。本実施形態では、ショルダ部で塑性流動化した金属を押さえないで本接合工程を行うため、摩擦攪拌によって形成される凹溝１２が深くなる傾向にあるとともにバリＶが多く発生しやすい。

第二の本接合工程によって形成される凹溝１２の底面１２ａは、金属部材１の裏面１ｃよりも上方に位置している。補助部材１１の厚さや形状等は、第二の本接合工程によって形成された凹溝１２の底面１２ａが金属部材１の裏面１ｃよりも上方に位置するように設定することが好ましい。

裏面接合工程の切除工程及び補修工程は、金属部材１，１の裏面１ｃ，１ｃ側に行うことを除いて第一実施形態と同等であるため説明を省略する。

以上説明した第一本実施形態に係る摩擦攪拌接合方法によれば、凹部１０の深さよりも厚く形成された補助部材１１を配置するとともに、補助部材１１の表面１１ａから本接合用回転ツールＦの攪拌ピンＦ２を挿入して第一の本接合工程及び第二の本接合工程を行うため、金属不足を防ぐことができる。

また、凹部１０に補助部材１１を配置することで補助部材１１の位置決めが容易になるとともに、第一の本接合工程及び第二の本接合工程を安定して行うことができる。また、本実施形態では補助部材仮接合工程を行って金属部材１，１に対して補助部材１１を固定するため、より安定して第一の本接合工程及び第二の本接合工程を行うことができる。

また、攪拌ピンＦ２のみを補助部材１１及び金属部材１，１に接触させた状態で摩擦攪拌を行うため、本接合用回転ツールＦの操作性を向上させることができる。つまり、攪拌ピンＦ２のみを補助部材１１及び金属部材１，１に接触させた状態で摩擦攪拌を行うことで、金属部材１，１との摩擦を軽減することができるため、摩擦攪拌装置Ｄに作用する負荷を軽減することができる。これにより、摩擦攪拌装置Ｄに作用する負荷を軽減した状態で第一突合せ部Ｊ１の深い位置を接合することができる。

また、本実施形態では切除工程を行うことで、金属部材１，１の表面１ｂ，１ｂ及び裏面１ｃ，１ｃを平滑にすることができる。また、切除工程を行うことで、金属部材１，１の表面１ｂ，１ｂが平滑になるため、金属部材１，１を裏返して裏面接合工程を行う際にガタつくことなく安定して行うことができる。

また、補修工程を行うことで、補助部材１１と金属部材１，１とが突き合わされて形成された第二突合せ部Ｊ２，Ｊ２が摩擦攪拌される。これにより、金属部材１，１の水密性及び気密性を向上させることができる。また、本実施形態のように補助部材仮接合工程を溶接によって行う場合、切除工程を行っても金属部材１の表面１ｂ及び裏面１ｃが変色していたり、改質したりする場合があるが、補修工程を行うことでこれらの変色箇所や改質箇所等の接合痕Ｗ０’（図６参照）を補修することができる。

また、補助部材配置工程を行う前に、第一突合せ部Ｊ１に金属部材仮接合工程を行うことで、第一の本接合工程及び第二の本接合工程を行う際の第一突合せ部Ｊ１の目開きを防ぐことができる。

また、第一の本接合工程で形成された塑性化領域Ｗ１と第二の本接合工程で形成された塑性化領域Ｗ３とを接触させることで接合部の気密性及び水密性を向上させることができるとともに接合強度を高めることができる。第二の本接合工程の攪拌ピンＧ２の挿入深さは適宜設定すればよいが、本実施形態では、攪拌ピンＧ２を塑性化領域Ｗ１に入り込ませつつ摩擦攪拌を行うため、塑性化領域Ｗ１の先端側に形成された接合欠陥を再度摩擦攪拌することができる。これにより、接合部の水密性及び気密性をより向上させることができる。

また、タブ材配置工程を行うことで、第一の本接合工程、第二の本接合工程及び補修工程を容易に行うことができる。また、第二の本接合工程を行った後にタブ材ＴＢを切除することで、金属部材１の側面をきれいに仕上げることができる。また、タブ材ＴＢの表面ＴＢａ（又は裏面ＴＢｂ）の高さは補助部材１１の表面１１ａの高さと面一となるように設定してもよいが、本実施形態のように、タブ材ＴＢの表面ＴＢａと金属部材１の表面１ｂ（又は裏面ＴＢｂと裏面１ｃ）とが面一となるように設定することで、補修工程を行う際にもタブ材ＴＢを利用することができる。

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、第一実施形態では、第一の本接合工程を行う際に、金属部材１，１及び補助部材１１の両方に攪拌ピンＦ２を接触させた状態で摩擦攪拌を行ったが、補助部材１１のみに攪拌ピンＦ２を接触させた状態で摩擦攪拌を行ってもよい。この場合は、攪拌ピンＦ２と補助部材１１との接触によって生じた摩擦熱で、金属部材１，１が塑性流動化されることにより、第一突合せ部Ｊ１が接合される。

また、第一実施形態の第二の接合工程は、第一の接合工程と同じ工程としたが、これに限定されるものではない。第二の接合工程は、第二の接合工程で形成される塑性化領域が第一の接合工程で形成される塑性化領域Ｗ１と接触するように接合することが好ましいが、少なくとも金属部材１，１の裏面１ｃ，１ｃに露出する第一突合せ部Ｊ１を接合可能であればよい。第二の本接合工程では、補助部材１１を省略してもよい。また、第一実施形態の第二の本接合工程では、本接合用回転ツールＦを用いて摩擦攪拌を行ったが、どのような形態の回転ツールを用いてもよい。

また、前記した第一実施形態では、補助部材仮接合工程及び補修工程の両方を行ったが、両者のうち補助部材仮接合工程を省略して補修工程のみを行ってもよい。

また、本実施形態では、前記した順番で工程を行ったがこれに限定されるものではない。例えば、凹溝形成工程及び金属部材仮接合工程を金属部材１，１の表裏面に行った後に、表面接合工程の補助部材配置工程、補助部材仮接合工程、タブ材配置工程及び第一の本接合工程を行ってもよい。

［第二実施形態］
次に、本発明の第二実施形態について説明する。第二本実施形態に係る接合方法では、表面接合工程と、裏面接合工程を行う。第二実施形態は、主に凹部１０を形成しない点で第一実施形態と相違する。第二実施形態では、第一実施形態と相違する部分を中心に説明する。

表面接合工程は、突合せ工程と、金属部材仮接合工程と、補助部材配置工程と、補助部材仮接合工程と、タブ材配置工程と、第一の本接合工程と、切除工程と、を行う。

図８の（ａ）に示すように、突合せ工程では、金属部材１，１の端面１ａ，１ａ同士を突き合わせて突合せ部Ｊを形成する。

金属部材仮接合工程では、突合せ部Ｊに沿って小型回転ツール（図示省略）を用いて仮接合を行う。小型回転ツールの移動軌跡には塑性化領域Ｗが形成される。

補助部材配置工程は、金属部材１，１の表面１ｂ，１ｂに補助部材１１を配置する工程である。補助部材配置工程では、塑性化領域Ｗ（突合せ部Ｊ）を覆うように補助部材１１の裏面１１ｂを金属部材１，１の表面１ｂ，１ｂに接触させる。補助部材１１は、断面矩形状を呈する板状部材である。

補助部材仮接合工程では、金属部材１，１と補助部材１１とを肉盛溶接で仮接合する。

タブ材配置工程は、具体的な図示は省略するが、図３を参照するように、金属部材１，１の両脇にタブ材を配置する。

第一の本接合工程は、金属部材１，１の表面１ｂ，１ｂ側から本接合用回転ツールＦを挿入して摩擦攪拌を行う工程である。第一の本接合工程では、一方のタブ材に形成された下穴に回転した攪拌ピンＦ２を所定の深さまで挿入する。そして、深さを一定に保った状態で他方のタブ材ＴＢまで相対移動させる。

図８の（ｂ）に示すように、第一の本接合工程では、補助部材１１を貫通し攪拌ピンＦ２の先端を突合せ部Ｊの半分程度の深さまで挿入する。第一の本接合工程では、金属部材１，１及び補助部材１１に回転した攪拌ピンＦ２のみを挿入し、補助部材１１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。本接合用回転ツールＦの移動軌跡には摩擦攪拌された金属が硬化することにより塑性化領域Ｗ１が形成される。他方のタブ材まで本接合用回転ツールＦを相対移動させたら、他方のタブ材上で本接合用回転ツールＦを離脱させる。

図９の（ａ）に示すように、第一の本接合工程を行うと、補助部材１１の表面１１ａには凹溝１２が形成されるとともに、凹溝１２の周囲にバリＶが形成される。本実施形態では、ショルダ部で塑性流動化した金属を押さえないで本接合工程を行うため、摩擦攪拌によって形成される凹溝１２が深くなる傾向にあるとともにバリＶが多く発生しやすい。

切除工程は、補助部材１１、バリＶ及び溶接金属Ｗ０を切除する工程である。切除工程では、図９の（ｂ）に示すように、金属部材１の表面１ｂを含む基準面に沿って、補助部材１１、バリＶ及び溶接金属Ｗ０を切除する。これにより、金属部材１の表面１ｂと切除後の塑性化領域Ｗ１の表面Ｗ１ａは面一になる。

次に、金属部材１，１を裏返し、裏面接合工程を行う。裏面接合工程は、金属部材仮接合工程と、補助部材配置工程と、補助部材仮接合工程と、第二の本接合工程と、切除工程と、を行う。

金属部材仮接合工程、補助部材配置工程及び補助部材仮接合工程は、金属部材１，１の裏面１ｃ，１ｃに対して行うことを除いて表面接合工程と略同等であるため説明を省略する。

第二の本接合工程は、金属部材１，１の裏面１ｃ，１ｃ側から突合せ部Ｊに対して摩擦攪拌接合を行う工程である。図１０に示すように、第二の本接合工程では、本接合用回転ツールＦを用いて行う。

第二の本接合工程では、補助部材１１を貫通し攪拌ピンＦ２の先端を塑性化領域Ｗ１に入り込む深さまで挿入する。第二の本接合工程では、金属部材１，１及び補助部材１１に回転した攪拌ピンＦ２のみを挿入し、補助部材１１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。本接合用回転ツールＦの移動軌跡には摩擦攪拌された金属が硬化することにより塑性化領域Ｗ３が形成される。

第二の本接合工程を終了したら、切除工程を行う。切除工程は、金属部材１，１の裏面１ｃ，１ｃに対して行うことを除いては、表面接合工程と同等である。

以上説明した第二実施形態に係る摩擦攪拌接合方法によれば、突合せ部Ｊを覆うように補助部材１１を配置するとともに、補助部材１１の表面１１ａから本接合用回転ツールＦの攪拌ピンＦ２を挿入して第一の本接合工程及び第二の本接合工程を行うため、金属不足を防ぐことができる。つまり、第一実施形態のように凹部１０を設けずに、補助部材１１を金属部材１の表面１ｂ及び裏面１ｃに配置する構成としても第一実施形態と略同等の効果を得ることができる。

また、第二実施形態においても、第一の本接合工程及び第二の本接合工程を行う際に、金属部材１，１及び補助部材１１の両方に攪拌ピンＦ２を接触させた状態で摩擦攪拌を行ったが、補助部材１１のみに攪拌ピンＦ２を接触させた状態で摩擦攪拌を行ってもよい。この場合は、攪拌ピンＦ２と補助部材１１との接触によって生じた摩擦熱で、金属部材１，１が塑性流動化されることにより、突合せ部Ｊが接合される。

１金属部材
１ａ端面
１ｂ表面
１ｃ裏面
１０凹部
１１補助部材
Ｊ１第一突合せ部
Ｊ２第二突合せ部
Ｊ突合せ部
Ｈ小型回転ツール
Ｆ本接合用回転ツール
Ｆ１連結部
Ｆ２攪拌ピン
Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３塑性化領域
Ｚ下穴

Claims

攪拌ピンを備え、摩擦攪拌装置に連結された回転ツールを用いて二つの金属部材を接合する摩擦攪拌接合方法であって、
前記金属部材同士を突き合わせて第一突合せ部を形成する突合せ工程と、
前記第一突合せ部に沿って形成された凹部に、当該凹部の深さよりも厚く形成された断面矩形状を呈する板状の補助部材を配置して前記第一突合せ部を覆う補助部材配置工程と、
前記補助部材の表面から回転した前記攪拌ピンを挿入し、前記摩擦攪拌装置及び前記回転ツールのうち、前記回転ツールの前記攪拌ピンのみを前記補助部材及び前記両金属部材、又は、前記補助部材のみに接触させ摩擦熱を発生させた状態で前記第一突合せ部を摩擦攪拌する第一の本接合工程と、を含み、
前記回転ツールの前記攪拌ピンの外周面には螺旋溝が刻設されており、前記回転ツールを右回転させる場合は、前記螺旋溝を基端から先端に向かうにつれて左回りに形成し、前記回転ツールを左回転させる場合は、前記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を特徴とする摩擦攪拌接合方法。
前記第一の本接合工程後に、前記金属部材の表面から突出する前記補助部材を切除する切除工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の摩擦攪拌接合方法。
前記第一の本接合工程を行う前に、前記補助部材と前記金属部材とを仮接合する補助部材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に記載の摩擦攪拌接合方法。
攪拌ピンを備えた回転ツールを用いて二つの金属部材を接合する摩擦攪拌接合方法であって、
前記金属部材同士を突き合わせて第一突合せ部を形成する突合せ工程と、
前記第一突合せ部に沿って形成された凹部に、当該凹部の深さよりも厚く形成された補助部材を配置して前記第一突合せ部を覆う補助部材配置工程と、
前記補助部材の表面から回転した前記攪拌ピンを挿入し、前記補助部材及び前記両金属部材、又は、前記補助部材のみに前記攪拌ピンのみを接触させた状態で前記第一突合せ部を摩擦攪拌する第一の本接合工程と、
前記第一の本接合工程後に、前記金属部材の表面から突出する前記補助部材を切除する切除工程と、
前記切除工程後に、前記補助部材と前記両金属部材とが突き合わされた一対の第二突合せ部に対して摩擦攪拌を行う補修工程を含むことを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
攪拌ピンを備えた回転ツールを用いて二つの金属部材を接合する摩擦攪拌接合方法であって、
前記金属部材同士を突き合わせて第一突合せ部を形成する突合せ工程と、
前記第一突合せ部に沿って形成された凹部に、当該凹部の深さよりも厚く形成された補助部材を配置して前記第一突合せ部を覆う補助部材配置工程と、
前記補助部材の表面から回転した前記攪拌ピンを挿入し、前記補助部材及び前記両金属部材、又は、前記補助部材のみに前記攪拌ピンのみを接触させた状態で前記第一突合せ部を摩擦攪拌する第一の本接合工程と、
前記第一の本接合工程後に、前記金属部材の表面から突出する前記補助部材を切除する切除工程と、
前記第一の本接合工程を行う前に、前記補助部材と前記金属部材とを仮接合する補助部材仮接合工程と、
前記切除工程後に、前記補助部材と前記両金属部材とが突き合わされた一対の第二突合せ部に対して摩擦攪拌を行う補修工程と、を含むことを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
攪拌ピンを備えた回転ツールを用いて二つの金属部材を接合する摩擦攪拌接合方法であって、
前記金属部材同士を突き合わせて第一突合せ部を形成する突合せ工程と、
前記第一突合せ部に沿って形成された凹部に、当該凹部の深さよりも厚く形成された補助部材を配置して前記第一突合せ部を覆う補助部材配置工程と、
前記補助部材配置工程を行う前に、前記第一突合せ部に仮接合を行う金属部材仮接合工程と、
前記補助部材の表面から回転した前記攪拌ピンを挿入し、前記補助部材及び前記両金属部材、又は、前記補助部材のみに前記攪拌ピンのみを接触させた状態で前記第一突合せ部を摩擦攪拌する第一の本接合工程と、を含むことを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
前記第一突合せ部に対して前記金属部材の裏面側から摩擦攪拌を行う第二の本接合工程を含み、
前記第二の本接合工程では、前記第一の本接合工程で形成された塑性化領域と前記第二の本接合工程で形成された塑性化領域とを接触させることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の摩擦攪拌接合方法。
前記第一突合せ部の脇にタブ材を配置するタブ材配置工程を含み、
前記第一の本接合工程では、前記タブ材に形成された下穴に前記回転ツールの前記攪拌ピンを挿入して摩擦攪拌を行うことを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の摩擦攪拌接合方法。
攪拌ピンを備え、摩擦攪拌装置に連結された回転ツールを用いて二つの金属部材を接合する摩擦攪拌接合方法であって、
前記金属部材同士を突き合わせて突合せ部を形成する突合せ工程と、
前記突合せ部を覆うように前記金属部材の表面に断面矩形状を呈する板状の補助部材を配置する補助部材配置工程と、
前記補助部材の表面から回転した前記攪拌ピンを挿入し、前記摩擦攪拌装置及び前記回転ツールのうち、前記回転ツールの前記攪拌ピンのみを前記補助部材及び前記両金属部材、又は、前記補助部材のみに接触させ摩擦熱を発生させた状態で前記突合せ部を摩擦攪拌する第一の本接合工程と、を含み、
前記回転ツールの前記攪拌ピンの外周面には螺旋溝が刻設されており、前記回転ツールを右回転させる場合は、前記螺旋溝を基端から先端に向かうにつれて左回りに形成し、前記回転ツールを左回転させる場合は、前記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を特徴とする摩擦攪拌接合方法。
前記第一の本接合工程後に、前記金属部材の表面から突出する前記補助部材を切除する切除工程を含むことを特徴とする請求項９に記載の摩擦攪拌接合方法。
前記第一の本接合工程を行う前に、前記補助部材と前記金属部材とを仮接合する補助部材仮接合工程を含むことを特徴とする請求項９又は請求項１０に記載の摩擦攪拌接合方法。
攪拌ピンを備えた回転ツールを用いて二つの金属部材を接合する摩擦攪拌接合方法であって、
前記金属部材同士を突き合わせて突合せ部を形成する突合せ工程と、
前記突合せ部を覆うように前記金属部材の表面に補助部材を配置する補助部材配置工程と、
前記補助部材配置工程を行う前に、前記突合せ部に仮接合を行う金属部材仮接合工程と、
前記補助部材の表面から回転した前記回転ツールを挿入し、前記補助部材及び前記両金属部材、又は、前記補助部材のみに前記攪拌ピンのみを接触させた状態で前記突合せ部を摩擦攪拌する第一の本接合工程と、を含むことを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
前記突合せ部に対して前記金属部材の裏面側から摩擦攪拌を行う第二の本接合工程を含み、
前記第二の本接合工程では、前記第一の本接合工程で形成された塑性化領域と前記第二の本接合工程で形成された塑性化領域とを接触させることを特徴とする請求項９乃至請求項１２のいずれか一項に記載の摩擦攪拌接合方法。
前記突合せ部の脇にタブ材を配置するタブ材配置工程を含み、
前記第一の本接合工程では、前記タブ材に形成された下穴に前記回転ツールの前記攪拌ピンを挿入して摩擦攪拌を行うことを特徴とする請求項９乃至請求項１３のいずれか一項に記載の摩擦攪拌接合方法。