JP5050674B2

JP5050674B2 - 接合方法

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Publication number: JP5050674B2
Application number: JP2007154237A
Authority: JP
Inventors: 一彦野上; 雅章熊井; 久司堀
Original assignee: Nippon Light Metal Co Ltd
Current assignee: Nippon Light Metal Co Ltd
Priority date: 2007-06-11
Filing date: 2007-06-11
Publication date: 2012-10-17
Anticipated expiration: 2027-06-11
Also published as: JP2008302416A

Description

本発明は、摩擦攪拌を利用した金属部材の接合方法に関する。

金属部材（金属要素）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、回転させた回転ツールを金属部材同士の突合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させるものである（例えば、特許文献１、２参照）。なお、回転ツールは、円柱状を呈するショルダ部の下端面に攪拌ピン（プローブ）を突設してなるものが一般的である。
特開２０００−３４３２５０号公報特開２００３−１６４９８０号公報

ところで、本発明者らは、金属部材の表面やタブ部の表面に存在していた酸化皮膜が、攪拌ピンによって突合部の塑性化領域に巻き込まれ、突合部の側方に位置させたタブ部と突合部との接合面付近に溜まりやすいという性質があることを発見した。

そのため、特許文献１のように、摩擦接合部分に仮接合を行わずに摩擦接合する接合方法では、タブ部に挿入された攪拌ピンを移動させて突合部に摩擦攪拌を行い、もう一方のタブ部で摩擦攪拌を終了するため、タブ部から突合部に攪拌ピンを移動させるときに、タブ部の表面や突合部の表面の酸化皮膜を攪拌ピンによって突合部に形成された塑性化領域に巻き込み、接合面付近に酸化皮膜を溜めやすい。

一方、特許文献２のように、摩擦接合部分に仮接合を行った後に、その仮接合を行った部分を再び、摩擦攪拌によって本接合を行う接合方法では、タブ部と突合部との接合面に、仮接合及び本接合の２回攪拌ピンを横切らせるため、接合面付近に溜まりやすい酸化皮膜を分断することは可能である。しかしながら、この場合、仮接合と本接合とは工程自体が異なって攪拌ピンの挿抜が工程ごとに必要であるため、工数が多く、接合時間の短時間化や低コスト化に向かない。

そこで、本発明は、金属要素同士の突合部の接合面付近の接合品質を向上させることを目的とする。

このような課題を解決する本発明に係る接合方法は、金属要素同士の突合部に回転ツールの攪拌ピンを挿入して、前記攪拌ピンを右回転させながら前記攪拌ピン及び前記金属要素同士を相対的に移動させて前記突合部に摩擦攪拌を行い、前記金属要素同士を接合する接合方法であって、前記突合部の側方にタブ部を位置させておき、摩擦攪拌の開始位置に挿入された前記攪拌ピンが終了位置から抜き出されるまでの間に、前記攪拌ピンが前記タブ部と前記突合部との接合面を少なくとも２回横切るように前記攪拌ピンを前記突合部又は前記タブ部において折り返すようにし、前記攪拌ピンは、折り返し位置で折り返した後は、右回転のまま前記突合部又は前記タブ部において摩擦攪拌を行いつつ、前記接合面を横切ることを特徴とする。
また、金属要素同士の突合部に回転ツールの攪拌ピンを挿入して、前記攪拌ピンを左回転させながら前記攪拌ピン及び前記金属要素同士を相対的に移動させて前記突合部に摩擦攪拌を行い、前記金属要素同士を接合する接合方法であって、前記突合部の側方にタブ部を位置させておき、摩擦攪拌の開始位置に挿入された前記攪拌ピンが終了位置から抜き出されるまでの間に、前記攪拌ピンが前記タブ部と前記突合部との接合面を少なくとも２回横切るように前記攪拌ピンを前記突合部又は前記タブ部において折り返すようにし、前記攪拌ピンは、折り返し位置で折り返した後は、左回転のまま前記突合部又は前記タブ部において摩擦攪拌を行いつつ、前記接合面を横切ることを特徴とする。

この構成によれば、攪拌ピンが、摩擦攪拌の開始位置に挿入されて終了位置から抜き出されるまでの間に、接合面を少なくとも２回横切ることによって、接合面付近の突合部に残存しやすい酸化皮膜を分断する。そのため、金属要素同士の突合部とタブ部との接合面付近の突合部の接合品質が向上する。
なお、攪拌ピンが接合面を一度横切ると、接合面は摩擦攪拌されて存在しなくなる。そのため、攪拌ピンが接合面を２回目以降に再び横切るという意味は、接合面が存在していた箇所を通過するという程度の意味である。また、突合部についても考え方は接合面の場合と同じである。

また、摩擦攪拌の前記開始位置に挿入された前記攪拌ピンが前記終了位置から抜き出されるまでの間に、前記攪拌ピンは前記突合部又は前記タブ部から一度も途中で離脱されないことが好ましい。
また、摩擦攪拌の前記開始位置に挿入された前記攪拌ピンが前記終了位置から抜き出されるまでの間に、前記攪拌ピンが摩擦攪拌しつつ移動して形成する移動軌跡は、一筆書きの移動軌跡になっていることが好ましい。
また、前記攪拌ピンは、前記折り返し位置で折り返した後は、折り返す前の前記回転ツールの移動軌跡を辿るように移動されて、塑性化領域を形成することが好ましい。

また、金属要素同士の突合部に回転ツールの攪拌ピンを挿入して、前記攪拌ピンを回転させながら前記攪拌ピン及び前記金属要素同士を相対的に移動させて前記突合部に摩擦攪拌を行い、前記金属要素同士を接合する接合方法であって、前記突合部の側方にタブ部を位置させるとともに、前記突合部に摩擦攪拌の開始位置を設定しておき、前記開始位置に挿入した前記攪拌ピンを前記タブ部に向かって移動させ、前記タブ部と前記突合部との接合面を横切らせた後に前記タブ部で折り返させて、再び前記接合面を横切らせ、その後、前記突合部を移動させることを特徴とする。

この構成によれば、攪拌ピンが、突合部に設定された摩擦攪拌の開始位置に挿入されて終了位置から抜き出されるまでの間に、接合面を横切ってタブ部に移動した後に折り返して、再び、接合面を横切ることによって、突合部付近に残存しやすい酸化皮膜を分断するため、接合面付近の突合部の接合品質を少ない工数で向上させることができる。

また、金属要素同士の突合部に回転ツールの攪拌ピンを挿入して、前記攪拌ピンを回転させながら前記攪拌ピン及び前記金属要素同士を相対的に移動させて前記突合部に摩擦攪拌を行い、前記金属要素同士を接合する接合方法であって、前記突合部の側方にタブ部を位置させるとともに、前記突合部の摩擦攪拌を行っている攪拌ピンを前記タブ部に向かって移動させ、前記タブ部と前記突合部との接合面を横切らせた後に前記タブ部で折り返させて、再び前記接合面を横切らせて、前記突合部の摩擦攪拌を行った後に、さらに再び、前記接合面を横切らせて前記タブ部に設定した前記終了位置で抜き出すことを特徴とする。

この構成によれば、攪拌ピンが、突合部の摩擦攪拌の開始位置に挿入されて終了位置から抜き出されるまでの間に、接合面を横切ってタブ部を折り返した後に、再び接合面を横切って突合部に移動して折り返し、さらに再び接合面を横切ってタブ部に設定された終了位置から抜き出されることによって、突合部付近に残存しやすい酸化皮膜を分断するため、突合部の接合面付近の接合品質を少ない工数で向上させることができる。

なお、以上の構成において、前記金属要素を中空部材としてもよい。また、この場合、前記中空部材の突合面に凹部を成形し、前記中空部材同士の突合部に前記凹部による隙間を形成することが好ましい。このようにすれば、凹部によって突合部に隙間が形成されるため、中空部材の側面の一方の端部側に位置する面同士と他方の端部側に位置する面同士とを密着させて突合部を形成することができる。

本発明に係る接合方法によれば、金属要素同士の突合部の接合面付近の接合品質を向上させることができるようになる。

本発明を実施するための最良の形態として、金属部材（金属要素）同士の突合部に攪拌ピン（プローブ）を挿入して、その攪拌ピンを回転させながら、攪拌ピン及び金属部材同士を相対的に移動させて、突合部に摩擦攪拌を行い、金属部材同士を接合する接合方法について説明する。

この実施形態では、図１に示すように、金属部材１，１を直線状に繋ぎ合せる場合を例示する。
まず、接合すべき金属部材１，１を詳細に説明するとともに、この金属部材１，１を接合する際に用いられる第一タブ材２と第二タブ材３を詳細に説明する。

金属部材１は、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、マグネシウム合金など摩擦攪拌可能な金属材料からなる。本実施形態では、一方の金属部材１および他方の金属部材１を、同一組成の金属材料で形成している。金属部材１，１の形状・寸法に特に制限はないが、少なくとも突合部Ｊ１における厚さ寸法を同一にすることが望ましい。

第一タブ材２および第二タブ材３は、金属部材１，１の突合部Ｊ１を挟むように配置されるものであって、それぞれ、金属部材１，１に添設され、金属部材１の側面１４側に現れる金属部材１，１の継ぎ目（境界線）を覆い隠す。第一タブ材２および第二タブ材３の材質に特に制限はないが、本実施形態では、金属部材１と同一組成の金属材料で形成している。また、第一タブ材２および第二タブ材３の形状・寸法にも特に制限はないが、本実施形態では、その厚さ寸法を突合部Ｊ１における金属部材１の厚さ寸法と同一にしている。

次に、図２を参照して、摩擦攪拌を行うための攪拌ピンＡ２を備える回転ツールＡについて詳細に説明する。
図２の（ａ）に示す回転ツールＡは、工具鋼など金属部材１よりも硬質の金属材料からなり、円柱状を呈するショルダ部Ａ１と、このショルダ部Ａ１の下端面Ａ１１（図２の（ｂ））に突設された攪拌ピンＡ２とを備えて構成されている。回転ツールＡの寸法・形状は、金属部材１の材質や厚さ等に応じて設定すればよい。

ショルダ部Ａ１の下端面Ａ１１は、塑性流動化した金属を押えて周囲への飛散を防止する役割を担う部位であり、本実施形態では、凹面状に成形されている。ショルダ部Ａ１の外径の大きさに特に制限はない。

攪拌ピンＡ２は、ショルダ部Ａ１の下端面Ａ１１の中央から垂下しており、本実施形態では、先細りの円錐台状に成形されている。また、攪拌ピンＡ２の周面には、螺旋状に刻設された攪拌翼が形成されている。

続いて、回転ツールＡの攪拌ピンＡ２による摩擦攪拌の原理について説明する。まず、図２の（ａ）に示すように、金属部材１同士の間の突合部Ｊ１の適所に設けた開始位置Ｓの直上に回転ツールＡを位置させ、続いて、回転ツールＡを右回転させつつ下降させて攪拌ピンＡ２を開始位置Ｓに押し付ける。そして、攪拌ピンＡ２が突合部Ｊ１の表面１２に接触すると、摩擦熱によって攪拌ピンＡ２の周囲にある金属が塑性流動化し、図２の（ｂ）に示すように、攪拌ピンＡ２が突合部Ｊ１部分に挿入される。

回転ツールＡの回転速度は、攪拌ピンＡ２の寸法・形状、摩擦攪拌される金属部材１等の材質や肉厚等に応じて設定されるものであるが、多くの場合、７０〜２０００（ｒｐｍ）の範囲内において設定される。

以下、本実施形態に係る接合方法を詳細に説明する。本実施形態に係る接合方法は、（１）準備工程、（２）摩擦攪拌接合工程を含むものである。

（１）準備工程：
図１を参照して準備工程を説明する。準備工程は、接合すべき金属部材１，１や当て部材（第一タブ材２および第二タブ材３）を準備する工程であり、本実施形態では、接合すべき金属部材１，１を突き合せる突合工程と、金属部材１，１の突合部Ｊ１の両側に第一タブ材２と第二タブ材３を配置するタブ材配置工程と、第一タブ材２と第二タブ材３を溶接により金属部材１，１に仮接合する溶接工程とを具備している。

突合工程では、図１の（ｃ）に示すように、一方の金属部材１の側面１１に他方の金属部材１の側面１１を密着させるとともに、一方の金属部材１の表面１２と他方の金属部材１の表面１２を面一にし、さらに、一方の金属部材１の裏面１３と他方の金属部材１の裏面１３を面一にする。

タブ材配置工程では、図１の（ｂ）に示すように、金属部材１，１の突合部Ｊ１の一端側に第一タブ材２を配置してその当接面２１を金属部材１，１の側面１４，１４に当接させるとともに、突合部Ｊ１の他端側に第二タブ材３を配置してその当接面３１を金属部材１，１の側面１４，１４に当接させる。このとき、図１の（ｄ）に示すように、第一タブ材２の表面２２と第二タブ材３の表面３２を金属部材１の表面１２と面一にするとともに、第一タブ材２の裏面２３と第二タブ材３の裏面３３を金属部材１の裏面１３と面一にする。

溶接工程では、図１の（ａ）および（ｂ）に示すように、金属部材１と第一タブ材２とにより形成された入隅部２ａ，２ａ（すなわち、金属部材１の側面１４と第一タブ材２の側面２４とにより形成された角部２ａ，２ａ）を溶接して金属部材１と第一タブ材２とを接合し、金属部材１と第二タブ材３とにより形成された入隅部３ａ，３ａ（すなわち、金属部材１の側面１４と第二タブ材３の側面３４とにより形成された角部３ａ，３ａ）を溶接して金属部材１と第二タブ材３とを接合する。なお、入隅部２ａ，３ａの全長に亘って連続して溶接を施してもよいし、断続して溶接を施してもよい。

準備工程が終了したら、金属部材１，１、第一タブ材２および第二タブ材３を図示せぬ摩擦攪拌装置の架台に載置し、クランプ等の図示せぬ治具を用いて移動不能に拘束する。なお、溶接工程を省略する場合には、図示せぬ摩擦攪拌装置の架台上で、突合工程とタブ材配置工程を実行する。

（２）摩擦攪拌接合工程：
続いて、図３〜図６、図７の（ａ）〜（ｃ）及び図８の（ａ）（ｂ）を参照して摩擦攪拌接合工程について詳細に説明する。摩擦攪拌接合工程は、金属部材１，１の突合部Ｊ１を接合する工程である。この摩擦攪拌接合工程では、図２に示す回転ツールＡを使用し、突合部Ｊ１に対して金属部材１の表面１２側から摩擦攪拌を行う。

この摩擦攪拌接合工程では、開始位置Ｓに回転ツールＡの攪拌ピンＡ２を挿入（圧入）し、挿入した攪拌ピンＡ２を途中で離脱させることなく終了位置Ｅまで移動させる。すなわち、この摩擦攪拌接合工程では、開始位置Ｓから摩擦攪拌を開始し、終了位置Ｅまで連続して摩擦攪拌を行う。

なお、本実施形態では、第一タブ部２側に位置する突合部Ｊ１に摩擦攪拌の開始位置Ｓを設け、第二タブ材３に終了位置Ｅを設けているが、開始位置Ｓと終了位置Ｅの位置を限定する趣旨ではない。本実施形態では、開始位置Ｓは突合部Ｊ１の適所に、終了位置Ｅは第一タブ部２又は第二タブ部３の適所に設定されるのであれば、いずれの箇所に設定されてもよい。また、開始位置Ｓに下穴（図示省略）を形成してもよい。

また、本実施形態では、折り返し位置Ｔ_１（図３、図７の（ａ）等参照）が第一タブ部２の適所に、折り返し位置Ｔ_２（図３、４、図７の（ｂ）等参照）が第二タブ部３の適所に、折り返し位置Ｔ_３（図５、図７の（ｃ）等参照）が突合部Ｊ１の適所に設定されるところに特徴がある。

まず、図３及び図７の（ａ）に示すように、開始位置Ｓの直上に回転ツールＡを位置させ、続いて、回転ツールＡを右回転させつつ下降させて攪拌ピンＡ２を開始位置Ｓに位置決めさせる。そして、回転ツールＡの攪拌ピンＡ２の先端側が、回転しながら金属部材１の表面１２に当接し、その表面１２から金属が塑性流動化する。そして、このような状態になると、さらに下降する力が加えられている塑性流動化した金属を攪拌ピンＡ２の周面で押し退けながら、攪拌ピンＡ２が圧入される。

なお、攪拌ピンＡ２の先端が、金属部材１の表面１２に当接した後に、次第に表面１２から深くなるように挿入されつつ開始位置Ｓから移動されるようにして、次第に表面１２から金属を塑性流動化させつつ、表面１２から挿入されるようにしてもよい。この場合、接合面Ｊ２の前までに、攪拌ピンＡ２がショルダ部Ａ１の下端面Ａ１１まで挿入されていればよい。突合部Ｊ１は、再び摩擦攪拌されるため、開始時にすべて最深部分まで摩擦攪拌しておく必要がないからである。このようにすれば、開始時の作業時間を短縮することができる。また、同様に開示時の作業時間を短縮することから、開始位置Ｓを、可能な限り接合面Ｊ２に近いところに設定することが好ましい。

攪拌ピンＡ２の全体が金属部材１、１の突合部Ｊ１に入り込み、かつ、ショルダ部Ａ１の下端面Ａ１１の全面が金属部材１、１の表面１２、１２に接触したら、図３及び図７の（ａ）に示すように、摩擦攪拌を行いながら第一タブ材２側と突合部Ｊ１との接合面Ｊ２に向けて回転ツールＡ（攪拌ピンＡ２）を相対移動させ、さらに、接合面Ｊ２を横切らせて第一タブ材２に突入させる。なお、回転ツールＡを移動させると、その攪拌ピンＡ２の周囲にある金属が順次塑性流動化するとともに、攪拌ピンＡ２から離れた位置では、塑性流動化していた金属が再び硬化して塑性化領域Ｗ１が形成される。

そして、図３及び図７の（ｂ）に示すように、第一タブ材２側に突入した回転ツールＡ（攪拌ピンＡ２）は、折り返し位置Ｔ_１に到達すると、その折り返し位置Ｔ_１で折り返されて、先ほど横切った接合面Ｊ２に向かって相対移動し、再び接合面Ｊ２を横切って、突合部Ｊ１に突入される。このとき、回転ツールＡは、塑性化領域Ｗ１を再び通過して塑性化領域Ｗ２に変化させ、塑性化領域Ｗ１を通過後には新たに塑性化領域Ｗ２を形成しつつ移動する。このようにすると、攪拌ピンＡ２が、接合面Ｊ２を２回横切ることになるため、１回目に横切った際に突合部Ｊ１に酸化皮膜を巻き込んでいたとしても、２回目に横切る際に、巻き込まれている酸化皮膜を攪拌し、分断してしまう。そのため、接合面Ｊ２の近くの突合部Ｊ１の接合品質を向上させることができる。

なお、回転ツールＡの移動速度（送り速度）は、攪拌ピンＡ２の寸法・形状、摩擦攪拌される金属部材１等の材質や肉厚等に応じて設定されるものであるが、多くの場合、３０〜３００（ｍｍ／分）の範囲内において設定される。また、回転ツールＡを移動させる際には、ショルダ部Ａ１の軸線を鉛直線に対して進行方向の後ろ側へ僅かに傾斜させてもよいが、傾斜させずに鉛直にすると、回転ツールＡの方向転換が容易となり、複雑な動きが可能となる。

一方、接合面Ｊ２を横切って再び突合部Ｊ１に突入した回転ツールＡは、図４及び図７の（ｃ）に示すように、塑性化領域Ｗ２を形成しつつ、第二タブ部３に向かって突合部Ｊ１に沿って移動され、攪拌ピンＡ２によって摩擦攪拌を行って突合部Ｊ１を接合する。そして、回転ツールＡ、つまり、攪拌ピンＡ２は、突合部Ｊ１と第二タブ部３と接合面Ｊ３を横切って第二タブ部３に突入する。

接合面Ｊ３を横切って第二タブ部３に突入した攪拌ピンＡ２は、そのまま第二タブ部３を移動され、折り返し位置Ｔ_２に到達する（図４及び図７の（ｃ））。そして、その攪拌ピンＡ２は、折り返し位置Ｔ_２で折り返されて、先ほど横切った接合面Ｊ３に向かって相対移動し、再び接合面Ｊ３を横切って、突合部Ｊ１に突入される。このとき、回転ツールＡは、塑性化領域Ｗ２を再び通過して塑性化領域Ｗ３に変化させつつ移動する。このようにすると、攪拌ピンＡ２が、接合面Ｊ３を２回横切ることになるため、１回目に横切った際に突合部Ｊ１に酸化皮膜を巻き込んでいたとしても、２回目に横切る際に、巻き込まれている酸化皮膜を攪拌し、分断してしまう。そのため、接合面Ｊ３の近くの突合部Ｊ１の接合品質を向上させることができる。

このように、接合面Ｊ３を横切って突合部Ｊ１に再び突入した回転ツールＡは、そのまま突合部Ｊ１で攪拌ピンＡ２を引き抜かれると、突合部Ｊ１に引き抜き穴（図８の（ｂ）に示す抜き穴Ｑ１に相当。）を残してしまう。そのため、最終位置Ｅが第二タブ部３に設定されている。図５及び図８の（ａ）に示すように、突合部Ｊ１に突入した回転ツールＡは、突合部Ｊ１に設定されている折り返し位置Ｔ_３に到達すると、折り返して再び接合面Ｊ３に向かって相対移動され、接合面Ｊ３を横切って、第二タブ部３に突入する。このとき、回転ツールＡは、塑性化領域Ｗ３を再び通過して塑性化領域Ｗ４に変化させつつ移動する。このように、攪拌ピンＡ２が３回接合面Ｊ３を横切ることになるため、酸化皮膜がより確実に分断される。

そして、図６及び図８の（ｂ）に示すように、回転ツールＡは、第二タブ部３に設定されている最終位置Ｅに到達すると、回転されたまま上昇されて攪拌ピンＡ２を終了位置Ｅから離脱される。なお、終了位置Ｅにおいて攪拌ピンＡ２を上方に離脱させると、攪拌ピンＡ２と略同形の抜き穴Ｑ１が不可避的に形成されることになるが、本実施形態では、そのまま残置する。なお、本実施形態では、第二タブ部３において、折り返し位置Ｔ２と最終位置Ｅとを異なる位置に設定したが、同一位置に設定してももちろん構わない。

以上のように、開始位置Ｓを設定した突合部Ｊ１から挿入された攪拌ピンＡ２は、第一タブ部２を２回横切るとともに、第二タブ部３を３回横切って、第二タブ部３に設定された最終位置Ｅから引き抜かれる。攪拌ピンＡ２は金属部材１，１、第一タブ部２及び第二タブ部３から一度も途中で離脱されないので、攪拌ピンＡ２が摩擦攪拌しつつ移動して形成する移動軌跡は、一筆書きの移動軌跡（ビード）になっている。そのため、攪拌ピンＡ２は、折り返し位置Ｔ_１〜Ｔ_３で折り返した後は、折り返す前の移動軌跡を辿るように移動されて、塑性化領域Ｗ１〜Ｗ４を形成することによって、金属要素１，１同士を突合部Ｊ１で接合することが可能となる。

また、開始位置Ｓと終了位置Ｅとの間は、折り返し位置Ｔ_１〜Ｔ_３で直線的に一直線上を折り返しているため、回転ツールＡの移動距離を最小限に抑えることができ。そのため、摩擦攪拌接合工程を効率よく行うことが可能となり、さらには、回転ツールＡの磨耗量を低減することが可能となる。

したがって、本実施形態によれば、第一タブ部２及び第二タブ部３の近くの突合部Ｊ１に残りやすい酸化皮膜を分断し、突合部Ｊ１の接合品質を向上することができる。

なお、本実施形態では、回転ツールＡの回転方向を右回転として説明したが、左回転でも同じである。また、本実施形態では、折り返し位置Ｔ_１等で折り返した後に、同じ経路を戻るようにした場合を説明したが、第一タブ部２及び第二タブ部での経路はどのような経路を辿っても構わない。例えば、第一タブ部２や第二タブ部３で円を描くような経路を辿って、接合面Ｊ２，Ｊ３を再度横切るようにしてもよい。

また、本実施形態では、回転ツールＡが折り返し位置Ｔ_１等で折り返すときに、そのまま折り返すように動作するものとして説明したが、折り返し位置Ｔ_１等で回転ツールＡを若干押し下げて攪拌ピンＡ２を若干深く挿入した後に再び戻して折り返させるように動作させてもよい。

また、本実施形態では、金属要素として、板材としての金属部材１を例に説明したが、前記したように、その形状や寸法に特に制限はない。そこで、以下に、中空部材同士に摩擦攪拌接合を行う場合について説明する。

図９の（ａ）に示すように、この摩擦攪拌接合工程では、アルミニウム合金製の押出形材からなる中空部材４１及び中空部材５１の突合部Ｊ１に摩擦攪拌接合を行う。中空部材４１，５１は、長尺な直方体形状の外形の枠体４６，５６によって形成されている。この枠体４６，５６内には、板体４５，５５によって隔てられた中空部Ｓ１，Ｓ２が形成されている。なお、枠体４６，５６と板体４５，５５とは、押出形材なので一体に形成されている。

図９の（ａ）（ｂ）に示すように、中空部材４１，５１の枠体４６，５６の表面４２，５２側には、溝４２ａ，５２ａが形成されている。また、溝４２ａ，５２ａを挟んで表面４２の対岸の位置に帯状の面４２ｂ，５２ｂが形成されている。なお、表面４２，５２は、面４２ｂ，５２ｂよりも高い位置に形成されている。中空部材４１は、同一断面の押出形状からなり、これらを突き合わせて、突合部Ｊ１を中心にして互いに対称になる。また、表面４２，５２の裏側に位置する図示しない面にも、同じように溝等が形成されているが、図示および説明を省略する。

一方、突合部Ｊ１，Ｊ１ｂを形成する部分には、凹部４３ｃ，５３ｃを挟んで面４３ａ，５３ａと面４３ｂ，５３ｂとが形成されている。面４３ａと面５３ａとが突き合わされて突合部Ｊ１が形成される。また、面４３ｂと面５３ｂとが突き合わされて突合部Ｊ１ｂが形成される。そして、突合部Ｊ１，Ｊ１ｂを隔てるように、凹部４３ｃと凹部５３ｃとによって隙間Ｓ３が形成されている。なお、面４３ａ，５３ａと面４３ｂ，５３ｂとの高さ方向の各長さは、攪拌ピンＡ２（図２参照）が形成する塑性流動化した金属の深さよりも若干長く形成されている。

したがって、凹部４３ｃ，５３ｃの不陸は隙間Ｓ３によって吸収され、また、摩擦攪拌が行われる深さ分の突合部Ｊ１，Ｊ１ｂは摩擦攪拌後には塑性流動化されて塑性化領域として一体化してしまうため、突合部Ｊ１，Ｊ１ｂの不陸も摩擦攪拌後には吸収されてしまう。その結果、面４３ａと面５３ａとが密着し、面４３ｂと面５３ｂとが密着するため、中空部材４１，５１同士の高品質な接合体を形成することができる。

以上の構造の中空部材４１，５１は、摩擦攪拌接合工程において、まず、図示しない台座上に載せられ、側面４７，５７の脇に配置される治具９１，９２で上側の面４２，５２を押さえられ、治具９３とこの治具９３の反対側に位置する不図示の同一治具とによって側面４７，５７を押さえられて固定される。また、中空部材４１，５１の開口端部側には、タブ材２Ａを下から支持する治具９４が設置される。

そして、治具９４の上側に形成された面９４ａに固定されたタブ材２Ａ（第一タブ材２に相当）の図示しない面と、中空部材４１、５１の端面とが突き合わされて接合面（接合面Ｊ２相当）が形成される。また、中空部材４１，５１の図示しない反対側の端部側には、第二タブ材３に相当する図示しないタブ材が同じようにして図示しない治具によって配置されている。

続いて、図１０の（ａ）に示すように、タブ材２Ａの近くの突合部Ｊ１に設定された開始位置（図３の開始位置Ｓ参照）に回転ツールＡの攪拌ピンＡ２を回転させながら挿入し、接合面を横切ってタブ材２Ａに摩擦攪拌を行って、塑性化領域を形成しつつ突合部Ｊ１を接合していく。その後、タブ材２Ａに設定された折り返し位置（図３の折り返し位置Ｔ_１参照）で折り返し、再度塑性化領域を摩擦攪拌して接合部を横切って突合部Ｊ１の摩擦攪拌による接合を行う（図４参照）。なお、以降の手順は、図４〜６と同じなので、説明を省略する。また、突合部Ｊ１の接合後、裏側の突合部Ｊ１ｂにも同じように摩擦攪拌を行って接合を行い、中空部材４１と中空部材５１とが表裏面で接合される。したがって、中空部材４１と中空部材５１は、突合部Ｊ１と突合部Ｊ１ｂにおいて確実に接合される。

また、突合部Ｊ１を形成する面４２ｂ，５２ｂは、溝４２ａ，５２ａの底面よりも高く、凸部状に形成されているが、完成部材として必要な強度を発現することが可能な高さと厚みを有している。なお、面４２ｂ，５２ｂは、摩擦攪拌後であっても、凸部として残る。また、面４２ｂ，５２ｂの幅寸法は、回転ツールＡのショルダ径（ショルダ部Ａ１の外径）よりも大きくなるようになっている。なお、突合部Ｊ１ｂも同じである。

一方、面４２ｂ，５２ｂは、表面４２，５２よりも低く形成されているため、摩擦攪拌によって面４２ｂ，５２ｂに不陸が発生したとしても、表面４２，５２よりも突出することはない。そのため、摩擦攪拌後の塑性化領域の凸凹した表面が互いに重ならない。したがって、接合体６０Ａと接合体６０Ｂとをさらに摩擦攪拌接合する場合に、密着させるべき合わせ面を確実に密着させることができるため、接合不良を招くことなく接合することができるようになる。また、ここでは、図示していないが、接合体６０Ａ，６０Ｂは、図１１中、左右側面の摩擦攪拌を行われる。この場合にも、溝４２ａ等に相当する構造が形成してあることが好ましい。

実施形態に係る金属部材、第一タブ材および第二タブ材の配置を説明するための図であって、（ａ）は斜視図、（ｂ）は平面図、（ｃ）は（ｂ）のＩ−Ｉ線断面図、（ｄ）は（ｂ）のII−II線断面図である。（ａ）および（ｂ）は回転ツールを開始位置に挿入する状況を説明するための模式的な側面図である。実施形態に係る摩擦攪拌接合工程を説明するための平面図である。実施形態に係る摩擦攪拌接合工程を説明するための平面図である。実施形態に係る摩擦攪拌接合工程を説明するための平面図である。実施形態に係る摩擦角は接合工程を説明するための平面図である。（ａ）は図３のIII−III断面図、（ｂ）は図４のIV−IV断面図、（ｃ）は図５のＶ−Ｖ断面図である。（ａ）は図５のVI-VI断面図、（ｂ）は図６のVII-VII断面図である。実施形態に係る中空部材同士に摩擦攪拌接合工程を説明するための図であって、（ａ）は中空部材を示す斜視図、（ｂ）は中空部材の端面の様子を示す要部拡大図、(ｃ）はタブ材を配置する直前の様子を示す斜視図である。図９に示す中空部材を摩擦攪拌する手順の一部を示す斜視図である。（ａ）に開始時の様子を示し、（ｂ）に攪拌ピンの折り返しの様子を示す。中空部材の２つの接合体同士をさらに摩擦攪拌接合するときの中空部材の様子を示す斜視図である。

符号の説明

１金属部材
２第一タブ材
３第二タブ材
２Ａタブ材
４１，４２中空部材
４２，５２面
４２ａ，５２ａ溝
４２ｂ，５２ｂ面
４３ａ，４３ｂ面
５３ａ，５３ｂ面
４３ｃ，５３ｃ溝
６０Ａ，６０Ｂ接合体
Ｊ１突合部
Ｊ２接合面
Ｊ３接合面
Ａ回転ツール
Ａ１ショルダ部
Ａ２攪拌ピン
Ｐ１下穴
Ｓ３中空部
Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３塑性化領域

Claims

金属要素同士の突合部に回転ツールの攪拌ピンを挿入して、前記攪拌ピンを右回転させながら前記攪拌ピン及び前記金属要素同士を相対的に移動させて前記突合部に摩擦攪拌を行い、前記金属要素同士を接合する接合方法であって、
前記突合部の側方にタブ部を位置させておき、摩擦攪拌の開始位置に挿入された前記攪拌ピンが終了位置から抜き出されるまでの間に、前記攪拌ピンが前記タブ部と前記突合部との接合面を少なくとも２回横切るように前記攪拌ピンを前記突合部又は前記タブ部において折り返すようにし、前記攪拌ピンは、折り返し位置で折り返した後は、右回転のまま前記突合部又は前記タブ部において摩擦攪拌を行いつつ、前記接合面を横切ることを特徴とする接合方法。
金属要素同士の突合部に回転ツールの攪拌ピンを挿入して、前記攪拌ピンを左回転させながら前記攪拌ピン及び前記金属要素同士を相対的に移動させて前記突合部に摩擦攪拌を行い、前記金属要素同士を接合する接合方法であって、
前記突合部の側方にタブ部を位置させておき、摩擦攪拌の開始位置に挿入された前記攪拌ピンが終了位置から抜き出されるまでの間に、前記攪拌ピンが前記タブ部と前記突合部との接合面を少なくとも２回横切るように前記攪拌ピンを前記突合部又は前記タブ部において折り返すようにし、前記攪拌ピンは、折り返し位置で折り返した後は、左回転のまま前記突合部又は前記タブ部において摩擦攪拌を行いつつ、前記接合面を横切ることを特徴とする接合方法。
摩擦攪拌の前記開始位置に挿入された前記攪拌ピンが前記終了位置から抜き出されるまでの間に、前記攪拌ピンは前記突合部又は前記タブ部から一度も途中で離脱されない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。
摩擦攪拌の前記開始位置に挿入された前記攪拌ピンが前記終了位置から抜き出されるまでの間に、前記攪拌ピンが摩擦攪拌しつつ移動して形成する移動軌跡は、一筆書きの移動軌跡になっている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。
前記攪拌ピンは、前記折り返し位置で折り返した後は、折り返す前の前記回転ツールの移動軌跡を辿るように移動されて、塑性化領域を形成する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。
金属要素同士の突合部に回転ツールの攪拌ピンを挿入して、前記攪拌ピンを回転させながら前記攪拌ピン及び前記金属要素同士を相対的に移動させて前記突合部に摩擦攪拌を行い、前記金属要素同士を接合する接合方法であって、
前記突合部の側方にタブ部を位置させるとともに、前記突合部に摩擦攪拌の開始位置を設定しておき、前記開始位置に挿入した前記攪拌ピンを前記タブ部に向かって移動させ、前記タブ部と前記突合部との接合面を横切らせた後に前記タブ部で折り返させて、再び前記接合面を横切らせ、その後、前記突合部を移動させることを特徴とする接合方法。
金属要素同士の突合部に回転ツールの攪拌ピンを挿入して、前記攪拌ピンを回転させながら前記攪拌ピン及び前記金属要素同士を相対的に移動させて前記突合部に摩擦攪拌を行い、前記金属要素同士を接合する接合方法であって、
前記突合部の側方にタブ部を位置させるとともに、前記突合部の摩擦攪拌を行っている攪拌ピンを前記タブ部に向かって移動させ、前記タブ部と前記突合部との接合面を横切らせた後に前記タブ部で折り返させて、再び前記接合面を横切らせて、前記突合部の摩擦攪拌を行った後に、さらに再び、前記接合面を横切らせて前記タブ部に設定した前記終了位置で抜き出すことを特徴とする接合方法。
請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載の接合方法において、
前記金属要素を中空部材としたことを特徴とする接合方法。
請求項８に記載の接合方法において、
前記中空部材の突合面に凹部を成形し、前記中空部材同士の突合部に前記凹部による隙間を形成することを特徴とする接合方法。