JP5092561B2 - 接合方法 - Google Patents

Description

本発明は、摩擦撹拌を利用した金属部材の接合方法に関する。

金属部材同士を接合する方法として、摩擦撹拌接合（ＦＳＷ＝Friction Stir Welding）が知られている。摩擦撹拌接合は、回転ツールを回転させつつ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。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撹拌ピン（プローブ）を突設してなるものが一般的である。

ここで図１７及び図１８は、一対の金属部材に摩擦撹拌接合を施した従来の接合方法を示した斜視図である。図１７に示すように、接合すべき金属部材１０１，１０１の肉厚が図示しない回転ツールの撹拌ピンの長さよりも大きい場合には、金属部材１０１の表面１０２側から摩擦撹拌接合を行った後に、裏面１０３側からも摩擦撹拌接合を行う場合がある。
即ち、従来の接合方法１００は、金属部材１０１，１０１の突合部１０４（二点鎖線）に沿って表面１０２及び裏面１０３の両側から摩擦撹拌接合を行い、摩擦撹拌接合によって形成された塑性化領域１０５，１０６の厚さ方向の中央部分が接触するように接合するものである。これにより、突合部１０４においては、隙間なく接合することができる。

特開２００５−１３１６６６号公報（図７参照）

しかしながら、図１８に示すように、接合すべき金属部材１１１，１１１の肉厚が大きい場合、表面１０２及び裏面１０３から摩擦撹拌接合を行っても突合部１０４（二点鎖線）の中央部に未接合部が生じてしまう可能性がある。即ち、図示しない回転ツールの撹拌ピンの長さに対して、金属部材１１１の肉厚が非常に大きい場合、金属部材１１１の表面１０２及び裏面１０３から摩擦撹拌を行ったとしても、塑性化領域１０５，１０６の厚さ方向の中央部分を接触させることができないため、突合部１０４の中央部に隙間（未接合部）１１９が生じてしまう。このように、一方の側面１０７から他方の側面１０８に連続する隙間１１９が生じてしまうと、側面１０７及び側面１０８間における水密性及び気密性が低下するという問題があった。

ここで、金属部材１１１の厚みに応じて回転ツールの撹拌ピンの長さを大きくすれば、表面１０２及び裏面１０３から摩擦撹拌接合を行うことで金属部材１１１同士を隙間なく接合することは可能である。しかし、回転ツールは、金属部材１１１内に撹拌ピンを埋没させて高速で回転しながら移動するため、撹拌ピンの長さを大きくすると、摩擦撹拌装置の駆動手段及び撹拌ピンに作用する負荷が増大し、装置の短寿命化を招来するという問題があった。

また、図１７及び図１８に示すように、塑性化領域１０５，１０６において、一方の側面１０７から他方の側面１０８に連続する空洞欠陥１０９が生じる可能性がある。かかる空洞欠陥１０９は、金属部材１０１，１１１の側面１０７及び側面１０８間における水密性及び気密性を低下させる一因となっていた。

このような観点から、本発明は、金属部材同士の突合部を金属部材の表面側及び裏面側から摩擦撹拌を行うとともに金属部材の両側面間の気密性及び水密性を向上させることが可能な接合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本発明に係る接合方法は、第一金属部材と第二金属部材とを突き合わせてなる被接合金属部材に対して回転ツールを移動させて摩擦撹拌を行う接合方法であって、前記第一金属部材と前記第二金属部材との突合部に対して前記被接合金属部材の表面側から摩擦撹拌を行う第一の本接合工程と、前記突合部に対して前記被接合金属部材の裏面側から摩擦撹拌を行う第二の本接合工程と、前記突合部に対して前記被接合金属部材の一方の側面側から摩擦撹拌を行う第三の本接合工程と、前記突合部に対して前記被接合金属部材の他方の側面側から摩擦撹拌を行う第四の本接合工程と、を含み、前記第一の本接合工程及び第二の本接合工程で形成された塑性化領域と、前記第三の本接合工程及び第四の本接合工程で形成される塑性化領域とを重複させるとともに、前記第一乃至第四の本接合工程における前記回転ツールの回転方向が同方向の場合、前記第二の本接合工程における摩擦撹拌の開始位置は、前記第一の本接合工程における摩擦撹拌の終了位置側に設定し、前記第三の本接合工程における摩擦撹拌の開始位置は、前記第一の本接合工程における摩擦撹拌の開始位置側及び前記第二の本接合工程における摩擦撹拌の開始位置側のいずれか一方に設定し、前記第四の本接合工程における摩擦撹拌の開始位置は、前記第一の本接合工程における摩擦撹拌の開始位置側及び前記第二の本接合工程における摩擦撹拌の開始位置側のいずれか他方に設定することを特徴とする。

かかる接合方法によれば、突合部に対して被接合金属部材の表面側及び裏面側から摩擦撹拌接合を行った後、突合部に対して被接合金属部材の側面側から摩擦撹拌接合を行い塑性化領域を重複させるため、側面間に連続する隙間が生じることがない。これにより、両側面間の気密性及び水密性を向上させることができる。

ここで、摩擦撹拌接合を行った際に生じる可能性のある空洞欠陥は、回転ツールが右回転の場合、進行方向左側に形成され、左回転の場合、進行方向右側に形成される可能性が高いが、第三の接合工程及び第四の接合工程の開始位置を前記した位置に設定することで、仮に側面間に連続する空洞欠陥が生じたとしても、当該空洞欠陥を分断することができる。これにより、両側面間の気密性及び水密性を向上させることができる。また、回転ツールの回転方向を同方向に設定しているため、各本接合工程を行う際に逐一回転ツールの回転方向を変更する必要がなく、作業性を高めることができる。

また、本発明は、前記第一乃至第四の各本接合工程のうち少なくとも一の本接合工程を行う前に、前記突合部を仮接合する仮接合工程を行ってもよい。

第一乃至第四の本接合工程を行う際、第一金属部材及び第二金属部材の突合部に回転ツールを押し込むため、第一金属部材及び第二金属部材を引き離そうとする力が作用し、突合部に目開きが発生する場合がある。しかし、かかる接合方法によれば、第一乃至第四の本接合工程を行う前に、突合部を仮接合することで、第一乃至第四の本接合工程を好適に行うことができる。

また、本発明は、前記突合部の両側に一対のタブ材を配置し、前記タブ材と前記被接合金属部材との突合部に予備的に摩擦撹拌を行う予備工程を行ってもよい。かかる接合工程によれば、タブ材を用いることで、仮接合工程及び本接合工程を迅速にかつ仕上がり面もきれいに接合することができる。

また、本発明は、前記回転ツールの挿入予定位置に予め下穴を形成してもよい。かかる接合方法によれば、回転ツールを挿入予定位置に押し込む際に生じる挿入抵抗を低減することができるともに、回転ツールが下穴に案内されるため、精度よく迅速に摩擦撹拌接合を行うことができる。

本発明に係る接合方法によれば、金属部材同士の突合部を金属部材の表面側及び裏面側から摩擦撹拌を行うとともに金属部材の両側面間の気密性や水密性を向上させることができる。

［第一実施形態］
本発明に係る接合方法は、図１に示すように、第一金属部材１ａ及び第二金属部材１ｂを突き合わせてなる被接合金属部材１の外周４辺を摩擦撹拌により接合する際に、本接合用回転ツールＧの回転方向及び進行方向のそれぞれを好適に設定することを特徴とするものである。
まず、本実施形態に係る接合方法の被接合金属部材１を詳細に説明するとともに、この被接合金属部材１を接合する際に用いられる第一タブ材と第二タブ材を詳細に説明する。

被接合金属部材１は、図２に示すように、本実施形態では、断面視矩形の第一金属部材１ａ及び第二金属部材１ｂからなり、それぞれの端面を突き合わせることで突合部Ｊ１が形成されている。第一金属部材１ａ及び第二金属部材１ｂは、本実施形態では、同一組成の金属材料であって、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、マグネシウム合金など摩擦撹拌可能な金属材料からなる。第一金属部材１ａ及び第二金属部材１ｂ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。
なお、図１に示すように、被接合金属部材１の表面を表面Ａ、裏面を裏面Ｂ、一方の側面を第一側面Ｃ、他方の側面を第二側面Ｄとする。また、本実施形態における上下左右前後は、図１の矢印に従う。

第一タブ材２および第二タブ材３は、図２の（ａ）及び（ｂ）に示すように、被接合金属部材１の突合部Ｊ１を挟むように配置されるものであって、それぞれ被接合金属部材１に添設され、第一側面Ｃ及び第二側面Ｄに現れる第一金属部材１ａと第二金属部材１ｂの継ぎ目（境界線）を覆い隠す。第一タブ材２及び第二タブ材３の材質に特に制限はないが、本実施形態では、被接合金属部材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及び第二タブ材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における被接合金属部材１の厚さ寸法と同一にしている。

次に、図４を参照して、仮接合工程に用いる回転ツールＦ（以下、「仮接合用回転ツールＦ」という。）及び本接合工程に用いる回転ツールＧ（以下、「本接合用回転ツールＧ」という。）を詳細に説明する。

図４の（ａ）に示す仮接合用回転ツールＦは、工具鋼など被接合金属部材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Ｆ１と、このショルダ部Ｆ１の下端面Ｆ１１に突設された撹拌ピン（プローブ）Ｆ２とを備えて構成されている。仮接合用回転ツールＦの寸法・形状は、被接合金属部材１の材質や厚さ等に応じて設定すればよいが、少なくとも、後記する第一の本接合工程で用いる本接合用回転ツールＧ（図４の（ｂ）参照）よりも小型にする。このようにすると、本接合よりも小さな負荷で仮接合を行うことが可能となるので、仮接合時に摩擦撹拌装置に掛かる負荷を低減することが可能となり、さらには、仮接合用回転ツールＦの移動速度（送り速度）を本接合用回転ツールＧの移動速度よりも高速にすることも可能になるので、仮接合に要する作業時間やコストを低減することが可能となる。

ショルダ部Ｆ１の下端面Ｆ１１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Ｆ１の外径Ｘ_１の大きさに特に制限はないが、本実施形態では、本接合用回転ツールＧのショルダ部Ｇ１の外径Ｙ_１よりも小さくなっている。

撹拌ピンＦ２は、ショルダ部Ｆ１の下端面Ｆ１１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、撹拌ピンＦ２の周面には、螺旋状に刻設された撹拌翼が形成されている。撹拌ピンＦ２の外径の大きさに特に制限はないが、本実施形態では、最大外径（上端径）Ｘ_２が本接合用回転ツールＧの撹拌ピンＧ２の最大外径（上端径）Ｙ_２よりも小さく、かつ、最小外径（下端径）Ｘ_３が撹拌ピンＧ２の最小外径（下端径）Ｙ_３よりも小さい。撹拌ピンＦ２の長さＬ_２は、本接合用回転ツールＧの撹拌ピンＧ２の長さＬ_１（図４の（ｂ）参照）よりも小さくすることが望ましい。

図４の（ｂ）に示す本接合用回転ツールＧは、工具鋼など被接合金属部材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Ｇ１と、このショルダ部Ｇ１の下端面Ｇ１１に突設された撹拌ピン（プローブ）Ｇ２とを備えて構成されている。

ショルダ部Ｇ１の下端面Ｇ１１は、仮接合用回転ツールＦと同様に、凹面状に成形されている。撹拌ピンＧ２は、ショルダ部Ｇ１の下端面Ｇ１１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、撹拌ピンＧ２の周面には、螺旋状に刻設された撹拌翼が形成されている。

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）第一の準備工程、（２）第一の予備工程、（３）第一の本接合工程、（４）第二の準備工程、（５）第二の予備工程、（６）第二の本接合工程、（７）タブ材切除工程、（８）第三の準備工程、（９）第三の予備工程、（１０）第三の本接合工程、（１１）第四の準備工程、（１２）第四の予備工程、（１３）第四の本接合工程、（１４）タブ材切除工程を含むものである。

なお、図１に示すように、（２）第一の予備工程及び（３）第一の本接合工程は、表面Ａ側から実行される工程であり、（５）第二の予備工程及び（６）第二の本接合工程は、裏面Ｂ側から実行される工程であり、（９）第三の予備工程及び（１０）第三の本接合工程は、第一側面Ｃ側から実行される工程であり、（１２）第四の予備工程及び（１３）第四の本接合工程は、第二側面Ｄ側から実行される工程である。本実施形態では、仮接合用回転ツールＦ及び本接合用回転ツールＧの回転方向は、全て右回転で行うものとする。このように、仮接合用回転ツールＦ及び本接合用回転ツールＧの回転方向を統一することで、作業手間を省略することができる。

（１）第一の準備工程
図２及び図３を参照して第一の準備工程を説明する。第一の準備工程は、第一及び第二の本接合工程における摩擦撹拌の開始位置や終了位置が設けられる当て部材（第一タブ材２及び第二タブ材３）を準備する工程である。第一の準備工程は、本実施形態では、第一金属部材１ａ及び第二金属部材１ｂを突き合せる（1-1）突合工程と、被接合金属部材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（1-2）タブ材配置工程と、第一タブ材２と第二タブ材３を溶接により被接合金属部材１に仮接合する（1-3）溶接工程と、被接合金属部材１を図示せぬ摩擦撹拌装置の架台に設置する（1-4）設置工程と、を具備している。

（1-1）突合工程
突合工程では、図２及び図３に示すように、第一金属部材１ａの端面１１ａに第二金属部材１ｂの端面１１ｂを密着させる。また、第一金属部材１ａの表面１２ａと第二金属部材１ｂの表面１２ｂを面一にし、さらに、第一金属部材１ａの裏面１３ａと第二金属部材１ｂの裏面１３ｂを面一にする。また、同様に、第一金属部材１ａの第一側面１４ａと第二金属部材１ｂの第一側面１４ｂを面一にし、第一金属部材１ａの第二側面１５ａと第二金属部材１ｂの第二側面１５ｂを面一にする。

なお、表面Ａは、第一金属部材１ａの表面１２ａと第二金属部材１ｂの表面１２ｂで形成され、裏面Ｂは、第一金属部材１ａの裏面１３ａと第二金属部材１ｂの裏面１３ｂで形成され、第一側面Ｃは、第一金属部材１ａの第一側面１４ａと第二金属部材１ｂの第一側面１４ｂで形成され、第二側面Ｄは、第一金属部材１ａの第二側面１５ａと第二金属部材１ｂの第二側面１５ｂで形成される。

（1-2）タブ材配置工程
タブ材配置工程では、図２の（ｂ）に示すように、突合部Ｊ１の第一側面Ｃ側に第一タブ材２を配置して、その当接面２１を第一側面Ｃに当接させる。さらに、突合部Ｊ１の第二側面Ｄに第二タブ材３を配置して、その当接面３１を第二側面Ｄに当接させる。このとき、図３の（ｂ）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を被接合金属部材１の表面Ａ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を被接合金属部材１の裏面Ｂと面一にする。

（1-3）溶接工程
溶接工程では、図２の（ａ）及び（ｂ）に示すように、被接合金属部材１と第一タブ材２とにより形成された入隅部２ａ，２ｂを溶接して被接合金属部材１と第一タブ材２とを仮接合する。さらに、被接合金属部材１と第二タブ材３とにより形成された入隅部３ａ，３ｂを溶接して被接合金属部材１と第二タブ材３とを仮接合する。なお、入隅部２ａ，２ｂ及び３ａ，３ｂ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。

（1-4）設置工程
設置工程では、第一タブ材２及び第二タブ材３が仮溶接された被接合金属部材１を図示せぬ摩擦撹拌装置の架台に載置し、例えばクランプを用いて移動不能に拘束する。本実施形態に係る前記摩擦撹拌装置は、被接合金属部材１の上方から摩擦撹拌を行うように設定される装置とする。
なお、第一の準備工程において、溶接工程を省略する場合には、図示せぬ摩擦撹拌装置の架台上で、突合工程とタブ材配置工程を実行してもよい。

（２）第一の予備工程
第一の予備工程は、第一の本接合工程に先立って行われる工程であり、本実施形態では、表面Ａ側において、被接合金属部材１と第二タブ材３との突合部Ｊ３を接合する（2-1）第二タブ材接合工程と、被接合金属部材１の突合部Ｊ１を仮接合する（2-2）仮接合工程と、被接合金属部材１と第一タブ材２との突合部Ｊ２を接合する（2-3）第一タブ材接合工程と、第一の本接合工程における摩擦撹拌の開始位置に下穴を形成する（2-4）下穴形成工程とを具備している。

第一の予備工程では、図６に示すように、一の仮接合用回転ツールＦを一筆書きの移動軌跡（ビード）を形成するように移動させて、突合部Ｊ３，Ｊ１，Ｊ２に対して連続して摩擦撹拌を行う。即ち、摩擦撹拌の開始位置Ｓ_Ｐ１に挿入した仮接合用回転ツールＦの撹拌ピンＦ２（図４の（ａ）参照）を途中で離脱させることなく終了位置Ｅ_Ｐ１まで移動させる。なお、本実施形態では、第二タブ材３に摩擦撹拌の開始位置Ｓ_Ｐ１を設け、第一タブ材２に終了位置Ｅ_Ｐ１を設けているが、開始位置Ｓ_Ｐ１と終了位置Ｅ_Ｐ１の位置を限定する趣旨ではない。

本実施形態の第一の予備工程における摩擦撹拌の手順を図５及び図６を参照してより詳細に説明する。
まず、図５の（ａ）に示すように、第二タブ材３の適所に設けた開始位置Ｓ_Ｐ１の直上に仮接合用回転ツールＦを位置させ、続いて、仮接合用回転ツールＦを右回転させつつ下降させて撹拌ピンＦ２を開始位置Ｓ_Ｐ１に押し付ける。仮接合用回転ツールＦの回転速度は、撹拌ピンＦ２の寸法・形状、摩擦撹拌される被接合金属部材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、５００〜２０００（ｒｐｍ）の範囲内において設定される。

撹拌ピンＦ２が第二タブ材３の表面３２に接触すると、摩擦熱によって撹拌ピンＦ２の周囲にある金属が塑性流動化し、図５の（ｂ）に示すように、撹拌ピンＦ２が第二タブ材３に挿入される。

撹拌ピンＦ２の全体が第二タブ材３に入り込み、かつ、ショルダ部Ｆ１の下端面Ｆ１１の全面が第二タブ材３の表面３２に接触したら、図６に示すように、仮接合用回転ツールＦを回転させつつ第二タブ材接合工程の始点ｓ２に向けて相対移動させる。

仮接合用回転ツールＦの移動速度（送り速度）は、撹拌ピンＦ２の寸法・形状、摩擦撹拌される被接合金属部材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、１００〜１０００（ｍｍ／分）の範囲内において設定される。仮接合用回転ツールＦの移動時の回転速度は、挿入時の回転速度と同じか、それよりも低速にする。なお、仮接合用回転ツールＦを移動させる際には、ショルダ部Ｆ１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、仮接合用回転ツールＦの方向転換が容易となり、複雑な動きが可能となる。仮接合用回転ツールＦを移動させると、その撹拌ピンＦ２の周囲にある金属が順次塑性流動化するとともに、撹拌ピンＦ２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する。

仮接合用回転ツールＦを相対移動させて第二タブ材接合工程の始点ｓ２まで連続して摩擦撹拌を行ったら、始点ｓ２で仮接合用回転ツールＦを離脱させずにそのまま第二タブ材接合工程に移行する。

（2-1）第二タブ材接合工程
第二タブ材接合工程では、第二タブ材３と被接合金属部材１との突合部Ｊ３に対して摩擦撹拌を行う。具体的には、被接合金属部材１と第二タブ材３の継ぎ目（境界線）上に摩擦撹拌のルートを設定し、当該ルートに沿って仮接合用回転ツールＦを相対移動させることで、突合部Ｊ３に対して摩擦撹拌を行う。なお、本実施形態では、仮接合用回転ツールＦを途中で離脱させることなく第一タブ材接合工程の始点ｓ２から終点ｅ２まで連続して摩擦撹拌を行う。

なお、仮接合用回転ツールＦを右回転させた場合には、仮接合用回転ツールＦの進行方向の左側に微細な空洞欠陥が発生する虞があるので、仮接合用回転ツールＦの進行方向の右側に被接合金属部材１が位置するように第二タブ材接合工程の始点ｓ２と終点ｅ２の位置を設定することが望ましい。このようにすると、被接合金属部材１側に空洞欠陥が発生し難くなるので、高品質の接合体を得ることが可能となる。

ちなみに、仮接合用回転ツールＦを左回転させた場合には、仮接合用回転ツールＦの進行方向の右側に微細な空洞欠陥が発生する虞があるので、仮接合用回転ツールＦの進行方向の左側に被接合金属部材１が位置するように第二タブ材接合工程の始点と終点の位置を設定することが望ましい。具体的には、図示は省略するが、仮接合用回転ツールＦを右回転させた場合の終点ｅ２の位置に始点を設け、仮接合用回転ツールＦを右回転させた場合の始点ｓ２の位置に終点を設ければよい。

なお、仮接合用回転ツールＦの撹拌ピンＦ２が突合部Ｊ３に入り込むと、被接合金属部材１と第二タブ材３を引き離そうとする力が作用するが、被接合金属部材１と第二タブ材３により形成された入隅部３ａ，３ｂ（図２参照）を溶接により仮接合しているので、被接合金属部材１と第二タブ材３との間に目開きが発生することがない。

（2-2）仮接合工程
仮接合用回転ツールＦが第二タブ材接合工程の終点ｅ２に達したら、終点ｅ２で摩擦撹拌を終了させずに仮接合工程の始点ｓ１まで連続して摩擦撹拌を行い、そのまま仮接合工程に移行する。即ち、第二タブ材接合工程の終点ｅ２から仮接合工程の始点ｓ１まで仮接合用回転ツールＦを離脱させずに摩擦撹拌を継続し、さらに、始点ｓ１で仮接合用回転ツールＦを離脱させることなく仮接合工程に移行する。このようにすると、第二タブ材接合工程の終点ｅ２での仮接合用回転ツールＦの離脱作業が不要となり、さらに、仮接合工程の始点ｓ１での仮接合用回転ツールＦの挿入作業が不要となることから、予備的な接合作業の効率化・迅速化を図ることが可能となる。

本実施形態では、第二タブ材接合工程の終点ｅ２から仮接合工程の始点ｓ１に至る摩擦撹拌のルートを第二タブ材３に設定し、仮接合用回転ツールＦを第二タブ材接合工程の終点ｅ２から仮接合工程の始点ｓ１に移動させる際の移動軌跡を第二タブ材３に形成する。このようにすると、第二タブ材接合工程の終点ｅ２から仮接合工程の始点ｓ１に至る工程中において、被接合金属部材１に空洞欠陥が発生し難くなるので、高品質の接合体を得ることが可能となる。

仮接合工程では、被接合金属部材１の突合部Ｊ１（図６参照）に対して摩擦撹拌を行う。具体的には、被接合金属部材１の継ぎ目（境界線）上に摩擦撹拌のルートを設定し、当該ルートに沿って仮接合用回転ツールＦを相対移動させることで、突合部Ｊ１の全長に亘って連続して摩擦撹拌を行う。なお、本実施形態では、仮接合用回転ツールＦを途中で離脱させることなく仮接合工程の始点ｓ１から終点ｅ１まで連続して摩擦撹拌を行う。

仮接合用回転ツールＦが仮接合工程の終点ｅ１に達したら、終点ｅ１で摩擦撹拌を終了させずに第一タブ材接合工程の始点ｓ３まで連続して摩擦撹拌を行い、そのまま第一タブ材接合工程に移行する。即ち、仮接合工程の終点ｅ１から第一タブ材接合工程の始点ｓ３まで仮接合用回転ツールＦを離脱させずに摩擦撹拌を継続し、さらに、始点ｓ３で仮接合用回転ツールＦを離脱させることなく第一タブ材接合工程に移行する。

本実施形態では、仮接合工程の終点ｅ１から第一タブ材接合工程の始点ｓ３に至る摩擦撹拌のルートを第一タブ材２に設定し、仮接合用回転ツールＦを仮接合工程の終点ｅ１から第一タブ材接合工程の始点ｓ３に移動させる際の移動軌跡を第一タブ材２に形成する。このようにすると、仮接合工程の終点ｅ１から第一タブ材接合工程の始点ｓ３に至る工程中において、被接合金属部材１に空洞欠陥が発生し難くなるので、高品質の接合体を得ることが可能となる。

（2-3）第一タブ材接合工程
第一タブ材接合工程では、被接合金属部材１と第一タブ材２との突合部Ｊ２に対して摩擦撹拌を行う。具体的には、被接合金属部材１と第一タブ材２の継ぎ目（境界線）上に摩擦撹拌のルートを設定し、当該ルートに沿って仮接合用回転ツールＦを相対移動させることで、突合部Ｊ２に対して摩擦撹拌を行う。なお、本実施形態では、仮接合用回転ツールＦを途中で離脱させることなく第一タブ材接合工程の始点ｓ３から終点ｅ３まで連続して摩擦撹拌を行う。

なお、仮接合用回転ツールＦを右回転させているので、仮接合用回転ツールＦの進行方向の右側に被接合金属部材１が位置するように第一タブ材接合工程の始点ｓ３と終点ｅ３の位置を設定する。このようにすると、被接合金属部材１側に空洞欠陥が発生し難くなるので、高品質の接合体を得ることが可能となる。ちなみに、仮接合用回転ツールＦを左回転させた場合には、仮接合用回転ツールＦの進行方向の左側に被接合金属部材１が位置するように第一タブ材接合工程の始点と終点の位置を設定することが望ましい。具体的には、図示は省略するが、仮接合用回転ツールＦを右回転させた場合の終点ｅ３の位置に始点を設け、仮接合用回転ツールＦを右回転させた場合の始点ｓ３の位置に終点を設ければよい。

なお、仮接合用回転ツールＦの撹拌ピンＦ２が突合部Ｊ２に入り込むと、被接合金属部材１と第一タブ材２を引き離そうとする力が作用するが、被接合金属部材１と第一タブ材２の入隅部２ａ，２ｂ（図２参照）を溶接により仮接合しているので、被接合金属部材１と第一タブ材２との間に目開きが発生することがない。

仮接合用回転ツールＦが第一タブ材接合工程の終点ｅ３に達したら、終点ｅ３で摩擦撹拌を終了させずに、第一タブ材２に設けた終了位置Ｅ_Ｐ１まで連続して摩擦撹拌を行う。なお、本実施形態では、被接合金属部材１の表面Ａ側に現れる継ぎ目（境界線）の延長線上に終了位置Ｅ_Ｐ１を設けている。ちなみに、終了位置Ｅ_Ｐ１は、後記する第一の本接合工程における摩擦撹拌の開始位置Ｓ_Ｍ１でもある。

仮接合用回転ツールＦが終了位置Ｅ_Ｐ１に達したら、仮接合用回転ツールＦを回転させつつ上昇させて撹拌ピンＦ２を終了位置Ｅ_Ｐ１から離脱させる。

（2-4）下穴形成工程
続いて、下穴形成工程を実行する。下穴形成工程は、図４の（ｂ）に示すように、第一の本接合工程における摩擦撹拌の開始位置に下穴Ｐ１を形成する工程である。第一の予備工程に係る下穴形成工程においては、第一タブ材２の表面２２に設定された開始位置Ｓ_Ｍ１に下穴Ｐ１を形成する。

下穴Ｐ１は、本接合用回転ツールＧの撹拌ピンＧ２の挿入抵抗（圧入抵抗）を低減する目的で設けられるものであり、本実施形態では、仮接合用回転ツールＦの撹拌ピンＦ２（図４の（ａ）参照）を離脱させたときに形成される抜き穴Ｈ１を図示せぬドリルなどで拡径することで形成される。抜き穴Ｈ１を利用すれば、下穴Ｐ１の形成工程を簡略化することが可能となるので、作業時間を短縮することが可能となる。下穴Ｐ１の形態に特に制限はないが、本実施形態では、円筒状としている。なお、本実施形態では、第一タブ材２に下穴Ｐ１を形成しているが、下穴Ｐ１の位置に特に制限はなく、第二タブ材３に形成してもよいし、突合部Ｊ２，Ｊ３に形成してもよいが、好適には、本実施形態の如く被接合金属部材１の表面Ａ側に現れる被接合金属部材１の継ぎ目（境界線）の延長線上に形成することが望ましい。

なお、本実施形態では、仮接合用回転ツールＦの撹拌ピンＦ２（図４の（ａ）参照）の抜き穴Ｈ１を拡径して下穴Ｐ１とする場合を例示したが、撹拌ピンＦ２の最大外径Ｘ_２が本接合用回転ツールＧの撹拌ピンＧ２の最小外径Ｙ_３よりも大きく、かつ、撹拌ピンＦ２の最大外径Ｘ_２が撹拌ピンＧ２の最大外径Ｙ_２よりも小さい（Ｙ_３＜Ｘ_２＜Ｙ_２）場合などにおいては、撹拌ピンＦ２の抜き穴Ｈ１をそのまま下穴Ｐ１としてもよい。

（３）第一の本接合工程
第一の本接合工程は、被接合金属部材１の表面Ａ側における突合部Ｊ１を本格的に接合する工程である。本実施形態に係る第一の本接合工程では、図４の（ｂ）に示す本接合用回転ツールＧを使用し、仮接合された状態の突合部Ｊ１に対して被接合金属部材１の表面Ａ側から摩擦撹拌を行う。

第一の本接合工程では、図７の（ａ）〜（ｃ）に示すように、開始位置Ｓ_Ｍ１に形成した下穴Ｐ１に本接合用回転ツールＧの撹拌ピンＧ２を挿入（圧入）し、挿入した撹拌ピンＧ２を途中で離脱させることなく終了位置Ｅ_Ｍ１まで移動させる。即ち、第一の本接合工程では、下穴Ｐ１から摩擦撹拌を開始し、終了位置Ｅ_Ｍ１まで連続して摩擦撹拌を行う。

ここで、第一の予備工程を終了した時点では、仮接合用回転ツールＦを備えた摩擦撹拌装置は、第一タブ材２の終了位置Ｅ_Ｐ１の直上（図６参照）に位置しているため、第一の本接合工程の開始位置をＳ_Ｍ１にすると、本接合用回転ツールＧを備えた摩擦撹拌装置を移動させることなく第一の本接合工程を行うことができ、作業を省略できる。
なお、本実施形態では、第一タブ材２に摩擦撹拌の開始位置Ｓ_Ｍ１を設け、第二タブ材３に終了位置Ｅ_Ｍ１を設けているが、開始位置Ｓ_Ｍ１と終了位置Ｅ_Ｍ１の位置を限定する趣旨ではない。

図７の（ａ）〜（ｃ）を参照して第一の本接合工程をより詳細に説明する。
まず、図７の（ａ）に示すように、下穴Ｐ１（開始位置Ｓ_Ｍ１）の直上に本接合用回転ツールＧを位置させ、続いて、本接合用回転ツールＧを右回転させつつ下降させて撹拌ピンＧ２の先端を下穴Ｐ１に挿入する。撹拌ピンＧ２を下穴Ｐ１に入り込ませると、撹拌ピンＧ２の周面（側面）が下穴Ｐ１の穴壁に当接し、穴壁から金属が塑性流動化する。このような状態になると、塑性流動化した金属を撹拌ピンＧ２の周面で押し退けながら、撹拌ピンＧ２が圧入されることになるので、圧入初期段階における圧入抵抗を低減することが可能となり、また、本接合用回転ツールＧのショルダ部Ｇ１が第一タブ材２の表面２２に当接する前に撹拌ピンＧ２が下穴Ｐ１の穴壁に当接して摩擦熱が発生するので、塑性流動化するまでの時間を短縮することが可能となる。つまり、摩擦撹拌装置の負荷を低減することが可能となり、加えて、本接合工程に要する作業時間を短縮することが可能となる。

撹拌ピンＧ２の全体が第一タブ材２に入り込み、かつ、ショルダ部Ｇ１の下端面Ｇ１１の全面が第一タブ材２の表面２２に接触したら、図７の（ｂ）に示すように、摩擦撹拌を行いながら被接合金属部材１の突合部Ｊ１の一端に向けて本接合用回転ツールＧを相対移動させ、さらに、突合部Ｊ２を横切らせて突合部Ｊ１に突入させる。本接合用回転ツールＧを移動させると、その撹拌ピンＧ２の周囲にある金属が順次塑性流動化するとともに、撹拌ピンＧ２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（以下、「表面側塑性化領域Ｗ１」という。）が形成される。

本接合用回転ツールＧの移動速度（送り速度）は、撹拌ピンＧ２の寸法・形状、摩擦撹拌される被接合金属部材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。

被接合金属部材１への入熱量が過大になる虞がある場合には、本接合用回転ツールＧの周囲に表面Ａ側から水を供給するなどして冷却することが望ましい。なお、第一金属部材１ａ及び第二金属部材１ｂ間に冷却水が入り込むと、接合面（端面１１ａ，１１ｂ、図２の（ｂ）参照）に酸化皮膜を発生させる虞があるが、本実施形態においては、仮接合工程を実行して被接合金属部材１間の目地を閉塞しているので、被接合金属部材１間に冷却水が入り込み難く、接合部の品質を劣化させる虞がない。

被接合金属部材１の突合部Ｊ１では、被接合金属部材１の継ぎ目上（仮接合工程における移動軌跡上）に摩擦撹拌のルートを設定し、当該ルートに沿って本接合用回転ツールＧを相対移動させることで、突合部Ｊ１の一端から他端まで連続して摩擦撹拌を行う。突合部Ｊ１の他端まで本接合用回転ツールＧを相対移動させたら、摩擦撹拌を行いながら突合部Ｊ３を横切らせ、そのまま終了位置Ｅ_Ｍ１に向けて相対移動させる。

なお、本実施形態では、被接合金属部材１の表面Ａ側に現れる被接合金属部材１の継ぎ目（境界線）の延長線上に摩擦撹拌の開始位置Ｓ_Ｍ１を設定しているので、第一の本接合工程における摩擦撹拌のルートが一直線にすることができる。摩擦撹拌のルートを一直線にすると、本接合用回転ツールＧの移動距離を最小限に抑えることができるので、第一の本接合工程を効率よく行うことが可能となり、さらには、本接合用回転ツールＧの磨耗量を低減することが可能となる。

本接合用回転ツールＧが終了位置Ｅ_Ｍ１に達したら、図７の（ｃ）に示すように、本接合用回転ツールＧを回転させつつ上昇させて撹拌ピンＧ２を終了位置Ｅ_Ｍ１（図７の（ｂ）参照）から離脱させる。なお、終了位置Ｅ_Ｍ１において撹拌ピンＧ２を上方に離脱させると、撹拌ピンＧ２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。

本接合用回転ツールＧの撹拌ピンＧ２を終了位置Ｅ_Ｍ１から離脱させる際の本接合用回転ツールＧの回転速度（離脱時の回転速度）は、移動時の回転速度よりも高速にすることが望ましい。このようにすると、離脱時の回転速度を移動時の回転速度と同じにした場合に比べて、撹拌ピンＧ２の離脱抵抗が小さくなるので、終了位置Ｅ_Ｍ１における撹拌ピンＧ２の離脱作業を迅速に行うことが可能となる。

なお、本実施形態においては、第一の本接合工程の前に、第一の予備工程を行ったが、第一の予備工程を省略して、第一の準備工程の直後に第一の本接合工程を行ってもよい。

（４）第二の準備工程
第二の準備工程は、第二の予備工程に先だって行われる準備工程である。本実施形態では、被接合金属部材１の裏面Ｂ側を上方に向けて、図示しない摩擦撹拌装置に再度設置する再設置工程を具備するものである。

（4-1）再設置工程
再設置工程では、第一の本接合工程を終えた被接合金属部材１の拘束を解いた後、被接合金属部材１の表裏を逆にして、裏面Ｂ側を上方に向け、摩擦撹拌装置の架台に再度設置する。本実施形態では、図１に示す前後軸回りに被接合金属部材１を半回転させて、被接合金属部材１の表裏を逆にする。
ここで、図８の（ａ）は、第一実施形態に係る第二の準備工程の再設置工程後において、突合部Ｊ１から第一金属部材１ａ側を臨む断面図である。図８の（ａ）に示すように、再設置工程では、被接合金属部材１の上面が裏面Ｂとなるとともに、突合部Ｊ１側から第一金属部材１ａを臨むと、被接合金属部材１の左側に第一タブ材２、右側に第二タブ材３が位置する。
なお、摩擦撹拌装置の形態によっては、被接合金属部材１の拘束を解かずに表裏を回転させてもよい。

（５）第二の予備工程
第二の予備工程は、第二の本接合工程に先だって行われる工程であり、裏面Ｂ側において、被接合金属部材１と第一タブ材２との突合部Ｊ２を接合する（5-1）第一タブ材接合工程と、被接合金属部材１の突合部Ｊ１を仮接合する（5-2）仮接合工程と、被接合金属部材１と第二タブ材３との突合部Ｊ３を接合する（5-3）第二タブ材接合工程と、第二の本接合工程における摩擦撹拌の開始位置に下穴を形成する（5-4）下穴形成工程とを具備している。なお、（5-1）第一タブ材接合工程、（5-2）仮接合工程及び（5-3）第二タブ材接合工程においては、仮接合用回転ツールＦを用いる。

（5-1）第一タブ材接合工程、（5-2）仮接合工程及び（5-3）第二タブ材接合工程
（5-1）第一タブ材接合工程、（5-2）仮接合工程及び（5-3）第二タブ材接合工程は、前記した第一の予備工程に係る（2-3）第一タブ材接合工程、（2-2）仮接合工程及び（2-1）第二タブ材接合工程と略同等の工程である。図８の（ｂ）に示すように、一の仮接合用回転ツールＦを一筆書きの移動軌跡（ビード）を形成するように移動させて、突合部Ｊ２，Ｊ１，Ｊ３の順で連続して摩擦撹拌を行う。即ち、摩擦撹拌の開始位置Ｓ_Ｐ２に挿入した仮接合用回転ツールＦの撹拌ピンＦ２（図４の（ａ）参照）を途中で離脱させることなく終了位置Ｅ_Ｐ２まで移動させ、（5-1）第一タブ材接合工程、（5-2）仮接合工程及び（5-3）第二タブ材接合工程、を連続して実行する。なお、終了位置Ｅ_Ｐ２は、後に行う第二の本接合工程の開始位置Ｓ_Ｍ２となる。

ここで、第一の予備工程では、図６に示すように、第二タブ材３側から、（2-1）第二タブ材接合工程、（2-2）仮接合工程及び（2-3）第一タブ材接合工程を順次行った。一方、第二の予備工程では、突合部Ｊ１から金属部材１ａ側を臨むと、第一タブ材２が被接合金属部材１の左側に位置するとともに、第一の本接合工程を終えた時点で、本接合用回転ツールＧを備えた摩擦撹拌装置が第一タブ材２の上方に位置しているため、第一タブ材２側から（5-1）第一タブ材接合工程、（5-2）仮接合工程及び（5-3）第二タブ材接合工程を順次行う。このようにすると、仮接合用回転ツールＦを備えた摩擦撹拌装置の移動距離が小さくて済むため、作業を省力できる。
なお、（5-1）第一タブ材接合工程、（5-2）仮接合工程及び（5-3）第二タブ材接合工程の詳細な説明は、第一予備工程と略同等であるため省略する。

（5-4）下穴形成工程
下穴形成工程は、図９の（ａ）に示すように、第二の本接合工程における摩擦撹拌の開始位置Ｓ_Ｍ２に下穴Ｐ２を形成する工程である。即ち、下穴形成工程は、本接合用回転ツールＧの撹拌ピンＧ２の挿入予定位置に下穴Ｐ２を形成する工程である。これにより、本接合用回転ツールＧの撹拌ピンＧ２の挿入抵抗（圧入抵抗）を低減することができる。
なお、（5-4）下穴形成工程は、第一の予備工程に係る（2-4）下穴形成工程と略同等であるため、詳細な説明は省略する。

（６）第二の本接合工程
第二の本接合工程は、被接合金属部材１の裏面Ｂ側における突合部Ｊ１を本格的に接合する工程である。本実施形態に係る第二の本接合工程では、本接合用回転ツールＧを使用し、仮接合された状態の突合部Ｊ２に対して被接合金属部材１の裏面Ｂ側から摩擦撹拌を行う。

第二の本接合工程は、図９の（ａ）及び（ｂ）に示すように、第二タブ材３の裏面３３に設定された開始位置Ｓ_Ｍ２に本接合用回転ツールＧの撹拌ピンＧ２を挿入（圧入）し、挿入した撹拌ピンＧ２を途中で離脱させることなく終了位置Ｅ_Ｍ２まで移動させる。第二の本接合工程では、下穴Ｐ２から摩擦撹拌を開始し、終了位置Ｅ_Ｍ２まで連続して摩擦撹拌を行う。即ち、第二の本接合工程の開始位置Ｓ_Ｍ２は、第一の本接合工程の終了位置Ｅ_Ｍ１側の上方に位置する。本接合用回転ツールＧを移動させると、その撹拌ピンＧ２の周囲にある金属が順次塑性流動化するとともに、撹拌ピンＧ２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（以下、「裏面側塑性化領域Ｗ２」という。）が形成される。

ここで、第二の予備工程を終了した時点では、仮接合用回転ツールＦを備えた摩擦撹拌装置は、第二タブ材３の終了位置Ｅ_Ｐ２の直上（図８の（ｂ）参照）に位置しているため、第二の本接合工程の開始位置Ｓ_Ｍ２を第二タブ材３の上方に設定すると、本接合用回転ツールＧを備えた摩擦撹拌装置を移動させることなく第一の本接合工程を行うことができ、作業を省略できる。
第二の本接合工程については、第一の本接合工程と略同等であるため、詳細な説明は省略する。なお、本実施形態においては、第二の予備工程を行ったが、第二の予備工程を省略して、第一の本接合工程の直後に第二の本接合工程を行ってもよい。

（７）タブ材切除工程
タブ材切除工程では、第一タブ材２及び第二タブ材３を被接合金属部材１から切除する。本実施形態では、第二の本接合工程を終えた被接合金属部材１を摩擦撹拌装置の架台から一旦外し、図示しない切削器具を用いて突合部Ｊ２，Ｊ３に沿って第一タブ材２及び第二タブ材３を切除する。この際、被接合金属部材１の表面Ａ及び裏面Ｂに形成されているバリを除去することが好ましい。これにより、後記する（8-1）タブ材配置工程を行う際に、被接合金属部材１に第一タブ材２及び第二タブ材３を密着させることができる。

図１０は、タブ材切除工程を行った後の被接合金属部材１を示した斜視図である。図１０に示すように、表面側塑性化領域Ｗ１及び裏面側塑性化領域Ｗ２は、第一側面Ｃ側から第二側面Ｄ側に亘って連続して形成されている。一方、表面側塑性化領域Ｗ１と裏面側塑性化領域Ｗ２との間には、第一側面Ｃ側から第二側面Ｄ側に亘って連続する微細な隙間（未接合部）が形成されている。
ここで、表面側塑性化領域Ｗ１及び裏面側塑性化領域Ｗ２には、本接合用回転ツールＧの進行方向（矢印Ｖ_１，Ｖ_２参照）左側、即ち、第二金属部材１ｂに、第一側面Ｃ側から第二側面Ｄ側に亘って連続する空洞欠陥Ｒ_１，Ｒ_２が発生しているものとする。

（８）第三の準備工程
第三の準備工程は、第一側面Ｃ側の摩擦撹拌接合を行う際に、被接合金属部材１の摩擦撹拌の開始位置や終了位置が設けられる当て部材（第一タブ材２’及び第二タブ材３’）を準備する工程である。第三の準備工程は、本実施形態では、被接合金属部材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（8-1）タブ材配置工程と、第一タブ材２’と第二タブ材３’を溶接により被接合金属部材１に仮接合する（8-2）溶接工程と、被接合金属部材１の第一側面Ｃが上面を向くように図示せぬ摩擦撹拌装置の架台に設置する（8-3）再設置工程と、を具備するものである。

（8-1）タブ材配置工程
タブ材配置工程では、図１１に示すように、第二の本接合工程を終えた被接合金属部材１において、突合部Ｊ１を覆うように表面Ａに第二タブ材３’を配置して、その当接面３１’を表面Ａに当接させる。さらに、突合部Ｊ１を覆うように裏面Ｂ側に第一タブ材２’を配置して、その当接面２１’を裏面Ｂに当接させる。このとき、（1-2）タブ材配置工程と同様に、第一タブ材２’と第二タブ材３’の表面及び裏面と第一側面Ｃ及び第二側面Ｄとを面一にする。

（8-2）溶接工程
溶接工程では、図１１に示すように、被接合金属部材１と第一タブ材２’とにより形成された入隅部２ａ’，２ｂ’を溶接して被接合金属部材１と第一タブ材２’とを接合する。さらに、被接合金属部材１と第二タブ材３’とにより形成された入隅部３ａ’，３ｂ’を溶接して被接合金属部材１と第二タブ材３’とを接合する。

（8-3）再設置工程
再設置工程では、図１１に示すように、溶接工程を終えた被接合金属部材１の第一側面Ｃを上面に向けるとともに、突合部Ｊ１から第一金属部材１ａを臨むと左側に第二タブ材３’が位置するように、被接合金属部材１を図示せぬ摩擦撹拌装置の架台に拘束させて再度設置する。
（９）第三の予備工程
第三の予備工程は、第三の本接合工程に先だって、摩擦撹拌接合の開始位置に下穴を形成する（9-1）下穴形成工程を具備している。

（9-1）下穴形成工程
下穴形成工程は、図１１に示すように、第三の本接合工程における摩擦撹拌の開始位置Ｓ_Ｍ３に下穴Ｐ３を形成する工程である。即ち、下穴形成工程は、前記した下穴形成工程と同様に、本接合用回転ツールＧの撹拌ピンＧ２の挿入予定位置に下穴Ｐ３を形成する工程である。これにより、本接合用回転ツールＧの撹拌ピンＧ２の挿入抵抗（圧入抵抗）を低減することができる。（9-1）下穴形成工程は、第一の予備工程に係る（2-4）下穴形成工程と略同等であるため、詳細な説明は省略する。

（１０）第三の本接合工程
第三の本接合工程は、被接合金属部材１の第一側面Ｃ側における突合部Ｊ１を接合する工程である。本実施形態に係る第三の本接合工程では、図１２に示すように、本接合用回転ツールＧを使用し、第二タブ材３’の表面３２’に形成された下穴Ｐ３に本接合用回転ツールＧの撹拌ピンＧ２を挿入（圧入）し、挿入した撹拌ピンＧ２を途中で離脱させることなく終了位置Ｅ_Ｍ３まで移動させる（進行方向Ｖ_３参照）。即ち、第三の本接合工程の開始位置Ｓ_Ｍ３は、第一の本接合工程の開始位置側（進行方向Ｖ_１参照）に位置する。

本接合用回転ツールＧを移動させると、その撹拌ピンＧ２の周囲にある金属が順次塑性流動化するとともに、撹拌ピンＧ２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（以下、「第一側面側塑性化領域Ｗ３」という。）が形成される。終了位置Ｅ_Ｍ３まで摩擦撹拌を行うと、図１３に示すように、第一タブ材２’の表面には抜き穴Ｑ３が形成されるが、本実施形態では存置する。

ここで、第二の本接合工程を終了した時点では、図９の（ｂ）に示すように、仮接合用回転ツールＦを備えた摩擦撹拌装置は、第一タブ材２の上方に位置している。そのため、図１２に示すように、第三の本接合工程の開始位置を第二タブ材３’の上方に設定すると、本接合用回転ツールＧを備えた摩擦撹拌装置を移動させることなく第三の本接合工程を行うことができ、作業を省略できる。第三の本接合工程の詳細な説明は、第一の本接合工程と略同等であるため省略する。

図１３に示すように、第三の本接合工程を行うと、表面側塑性化領域Ｗ１及び裏面側塑性化領域Ｗ２の第一側面Ｃ側の一部と、第一側面側塑性化領域Ｗ３とが重複する。即ち、表面側塑性化領域Ｗ１及び裏面側塑性化領域Ｗ２の一部が再度摩擦撹拌されることにより、第一側面Ｃ側の空洞欠陥Ｒ_１及び空洞欠陥Ｒ_２の少なくとも一部が第一側面側塑性化領域Ｗ３によって分断される。これにより、空洞欠陥Ｒ_１及び空洞欠陥Ｒ_２に、充填部Ｓ_１，Ｓ_２がそれぞれ形成される。

なお、本実施形態においては、第三の本接合工程を行う前に、第三の準備工程及び第三の予備工程を行ったが、第三の準備工程及び第三の予備工程（但し、再設置工程を除く）を省略して、第二の本接合工程の直後に第三の本接合工程を行ってもよい。
また、第三の本接合工程の前に、前記した第一タブ材接合工程、仮接合工程、第二タブ材接合工程を行ってもよい。

（１１）第四の準備工程
第四の準備工程は、第四の本接合工程に先だって行われる工程であり、本実施形態では、被接合金属部材１の第二側面Ｄ側を上方に向けて、図示しないクランプに再度設置する（11-1）再設置工程を具備するものである。

（11-1）再設置工程
再設置工程では、第三の本接合工程を終えた被接合金属部材１の拘束を解いた後、被接合金属部材１の表裏を逆にして、第二側面Ｄ側を上方に向け、図示せぬ摩擦撹拌装置の架台に再度設置する。本実施形態では、図１２に示す左右軸回りに被接合金属部材１を半回転させて被接合金属部材１の表裏を逆にする。これにより図１４に示すように、被接合金属部材１の上面が第二側面Ｄとなるとともに、突合部Ｊ１から第二金属部材１ｂを臨むと右側に第一タブ材２’が位置する。
なお、摩擦撹拌装置によっては、被接合金属部材１の拘束を解かずに表裏を回転させてもよい。
（１２）第四の予備工程
第二の予備工程は、第四の本接合工程に先だって行われる工程であり、第二側面Ｄ側において、第四の本接合工程における摩擦撹拌の開始位置に下穴を形成する（12-1）下穴形成工程を具備している。

（12-1）下穴形成工程
下穴形成工程は、図１４（ａ）に示すように、第四の本接合工程における摩擦撹拌の開始位置Ｓ_Ｍ４に下穴Ｐ４を形成する工程である。これにより、本接合用回転ツールＧの撹拌ピンＧ２の挿入抵抗（圧入抵抗）を低減することができる。
なお、（12-1）下穴形成工程は、第一の予備工程に係る（2-4）下穴形成工程と略同等であるため、詳細な説明は省略する。

（１３）第四の本接合工程
第四の本接合工程は、被接合金属部材１の第二側面Ｄにおける突合部Ｊ１を接合する工程である。本実施形態に係る第四の本接合工程では、本接合用回転ツールＧを使用し、被接合金属部材１の第二側面Ｄ側から摩擦撹拌接合を行う。

第四の本接合工程は、図１４の（ａ）に示すように、第一タブ材２’に設けられた開始位置Ｓ_Ｍ４に本接合用回転ツールＧの撹拌ピンＧ２を挿入（圧入）し、挿入した撹拌ピンＧ２を途中で離脱させることなく終了位置Ｅ_Ｍ４まで移動させる。第四の本接合工程では、下穴Ｐ４から摩擦撹拌を開始し、終了位置Ｅ_Ｍ４まで連続して摩擦撹拌を行う。即ち、第四の本接合工程の開始位置Ｓ_Ｍ４は、第二の本接合工程の開始位置側（進行方向Ｖ_２参照）に位置する。本接合用回転ツールＧを移動させると、図１４の（ｂ）に示すように、その撹拌ピンＧ２の周囲にある金属が順次塑性流動化するとともに、撹拌ピンＧ２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（以下、「第二側面側塑性化領域Ｗ４」という。）が形成される。

第三の本接合工程を終了した時点では、図１３に示すように、本接合用回転ツールＧを備えた摩擦撹拌装置は、第一タブ材２’の上方に位置する。そして、（11-1）再設置工程後において左右軸で半回転させたことにより、当該摩擦撹拌装置はなお、第一タブ材２’の上方に位置する。そのため、第四の本接合工程の開始位置を第一タブ材２’の上方に設定すると、本接合用回転ツールＧを備えた摩擦撹拌装置を移動させることなく第四の本接合工程を行うことができ、作業を省略化できる。

ここで、第四の本接合工程を行うと、図１４の（ｂ）に示すように、表面側塑性化領域Ｗ１及び裏面側塑性化領域Ｗ２の第二側面Ｄ側の一部と、第二側面側塑性化領域Ｗ４とが重複する。即ち、表面側塑性化領域Ｗ１及び裏面側塑性化領域Ｗ２の一部が再度摩擦撹拌されることにより、第二側面Ｄ側の空洞欠陥Ｒ_１及び空洞欠陥Ｒ_２の少なくとも一部が第二側面側塑性化領域Ｗ４によって分断される。これにより、空洞欠陥Ｒ_１及び空洞欠陥Ｒ_２に、充填部Ｓ_３，Ｓ_４がそれぞれ形成される。

なお、第四の本接合工程を行う前に、（12-1）下穴形成工程を省略して、第三の本接合工程の直後に第四の本接合工程を行ってもよい。また、第四の本接合工程の前に、前記した第一タブ材接合工程、仮接合工程、第二タブ材接合工程を行ってもよい。

（１４）タブ材切除工程
タブ材切除工程では、第四の本接合工程を終了した後に、第一タブ材２’及び第二タブ材３’を被接合金属部材１から切除する（図１参照）。この際、被接合金属部材１の第一側面Ｃ及び第二側面Ｄで発生したバリを除去することが好ましい。

以上説明した本実施形態に係る接合方法によれば、図１に示すように、第一金属部材１ａ及び第二金属部材１ｂが肉厚であったとしても、第一側面Ｃ及び第二側面Ｄに摩擦撹拌接合を行うことで、第一側面Ｃから第二側面Ｄに連続する隙間（図１８の隙間１１９参照）を埋めることができる。

また、本接合用回転ツールＧの回転方向及び進行方向を前記したように設定した場合、表面側塑性化領域Ｗ１及び裏面側塑性化領域Ｗ２に、第一側面Ｃから第二側面Ｄに亘って連続する空洞欠陥Ｒ_１，Ｒ_２が形成されたとしても、第三の本接合工程における開始位置Ｓ_Ｍ３を第一の本接合工程の開始位置Ｓ_Ｍ１側、第四の本接合工程における開始位置Ｓ_Ｍ４を第二の本接合工程における開始位置Ｓ_Ｍ２側に設定して摩擦撹拌接合をすることで、空洞欠陥Ｒ_１，Ｒ_２をそれぞれ分断する充填部Ｓ_１乃至Ｓ_４を形成することができる。

即ち、本実施形態では、本接合用回転ツールＧの回転方向は全て右回転に設定しているため、空洞欠陥Ｒは表面側塑性化領域Ｗ１及び裏面側塑性化領域Ｗ２の進行方向左側にできる可能性が高く、進行方向右側は比較的高密度の塑性化領域が形成される。このような摩擦撹拌接合の特性を利用して、図１の（ａ）及び（ｂ）に示すように、空洞欠陥Ｒ_１，Ｒ_２が第二金属部材１ｂに形成される可能性が高い場合は、第三の本接合工程及び第四の本接合工程の本接合用回転ツールＧの開始位置を前記したように設定することで、空洞欠陥Ｒ_１，Ｒ_２の両端を比較的密度の高い塑性化領域で分断することができる。これにより、第一側面Ｃと第二側面Ｄ間における水密性及び気密性がより高い被接合金属部材１を製造することができる。

ここで、本接合用回転ツールＧが突合部Ｊ２，Ｊ３を横切る際に、塑性化領域Ｗ１乃至Ｗ４に酸化皮膜が形成される可能性がある。例えば、図７の（ｂ）を参照するように、被接合金属部材１から第二タブ材３に向かって摩擦撹拌接合を行う際、突合部Ｊ３を横切る際に、被接合金属部材１と第一タブ材２との間に形成されていた酸化皮膜が表面側塑性化領域Ｗ１側に巻き込まれる。酸化皮膜は、本接合用回転ツールＧが右回転であれば、表面側塑性化領域Ｗ１の進行方向右側に、左回転であれば、表面側塑性化領域Ｗ１の進行方向左側に形成される可能性が高い。
しかし、本実施形態によれば、塑性化領域Ｗ１乃至Ｗ４の両端部を重複させているため、酸化皮膜を分断し、高品質な製品を製造することができる。

なお、本実施形態では前記したように第二タブ材接合工程、仮接合工程、第一タブ材接合工程を行ったが、これに限定するものではない。例えば、必ずしも一筆書きの要領でなく、各工程ごと断続的に摩擦撹拌を行ってもよい。また、本実施形態では、一対のタブ材を用いて仮接合工程及び本接合工程を行ったが、タブ材を用いずに摩擦撹拌接合を行ってもよい。また、本実施形態では、第一の予備工程の直後に第一の本接合工程を行ったが、第一の予備工程の直後に、第二の予備工程を行った後、第一の本接合工程及び第二の本接合工程を連続して行ってもよい。

前記したように本発明は、被接合金属部材１の外周４辺を摩擦撹拌により接合する際に、本接合用回転ツールＧの回転方向及び進行方向のそれぞれを好適に設定することを特徴とするものである。即ち、摩擦撹拌接合を行う際に、空洞欠陥Ｒの発生する可能性の高い位置を勘案して本接合用回転ツールＧの回転方向及び進行方向を設定するのが好ましい。第一実施形態においては、本接合用回転ツールＧを全て右回転させた場合について説明したが、これに限定されるものではなく、本接合用回転ツールＧの回転方向及び進行方向によって様々な接合のバリエーションが考えられる。

［第二実施形態］
例えば、第一実施形態においては、本接合用回転ツールＧの回転方向は、全て右回転で設定したが、第二実施形態のように全て左回転で設定してもよい。
図１５に示すように、本接合用回転ツールＧの回転方向を左方向に設定し、被接合金属部材１の表面Ａを進行方向Ｖ_１で第一の本接合工程を行った場合、第二の本接合工程は、第一の本接合工程の終了位置側から開始位置側（進行方向Ｖ_２）に向かって摩擦撹拌接合を行う。この際、本接合用回転ツールＧは左回転であるため、空洞欠陥Ｒは、表面側塑性化領域Ｗ１及び裏面側塑性化領域Ｗ２の進行方向右側にできる可能性が高く、進行方向左側は比較的高密度の塑性化領域が形成される。即ち、この場合、第一金属部材１ａに空洞欠陥Ｒ_１，Ｒ_２が形成されやすい。

したがって、第三の本接合工程は、第一の接合工程の開始位置側から進行方向Ｖ_３で摩擦撹拌接合を行う。そして、第四の本接合工程は、第二の接合工程の開始位置側から進行方向Ｖ_４で摩擦撹拌接合を行う。かかる第三の本接合工程及び第四の本接合工程によれば、空洞欠陥Ｒ_１，Ｒ_２の両端が再度摩擦撹拌され、比較的密度の高い塑性化領域で分断される。これにより、充填部Ｓ_１乃至Ｓ_４が形成されるため、第一側面Ｃと第二側面Ｄ間の気密性及び水密性をより高めることができる。

即ち、第一実施形態及び第二実施形態に示すように、本接合用回転ツールＧの回転方向が全て同方向の場合、第二の本接合工程における摩擦撹拌の開始位置は、第一の本接合工程における摩擦撹拌の終了位置側に設定するとともに、第三の本接合工程における摩擦撹拌の開始位置は、第一の本接合工程における摩擦撹拌の開始位置側及び第二の本接合工程における摩擦撹拌の開始位置側のいずれか一方に設定し、第四の本接合工程における摩擦撹拌の開始位置は、第一の本接合工程における摩擦撹拌の開始位置側及び第二の本接合工程における摩擦撹拌の開始位置側のいずれか他方に設定すればよい。

［参考形態］
また、例えば、図１６に示す参考形態に係る接合方法は、本接合用回転ツールＧの回転方向が同方向ではない点で第一実施形態と相違する。

第三の実施形態に係る接合方法は、第一の本接合工程において、本接合用回転ツールＧの回転方向を左回転に設定し、第一側面Ｃ側から第二側面Ｄ側（進行方向Ｖ_１’参照）に向けて摩擦撹拌接合を行う。
一方、第二の本接合工程は、本接合用回転ツールＧの回転方向を右回転に設定するとともに、摩擦撹拌接合の開始位置を第一の本接合工程の開始位置側に設定し、第一側面Ｃ側から第二側面Ｄ側に向けて（進行方向Ｖ_２’参照）摩擦撹拌接合を行う。この際、表面側塑性化領域Ｗ１に形成される空洞欠陥Ｒ_１及び裏面側塑性化領域Ｗ２に形成される空洞欠陥Ｒ_２は、共に第一金属部材１ａに形成されやすい。

したがって、第三の本接合工程は、本接合用回転ツールＧの回転方向を図１６に示すように、左回転に設定した場合、摩擦撹拌接合の開始位置を第一の本接合工程の開始位置側に設定し、表面Ａ側から裏面Ｂ側に向けて（進行方向Ｖ３’参照）摩擦撹拌接合を行う。一方、第四の本接合工程は、本接合用回転ツールＧの回転方向を右回転に設定した場合、摩擦撹拌接合の開始位置を第一の本接合工程の終了位置側に設定し、表面Ａ側から裏面Ｂ側に向けて（進行方向Ｖ４’参照）摩擦撹拌接合を行う。かかる第三の本接合工程及び第四の本接合工程によれば、空洞欠陥Ｒ_１，Ｒ_２の両端が再度摩擦撹拌され、比較的密度の高い塑性化領域で分断される。これにより、充填部Ｓ_１乃至Ｓ_４が形成されるため、第一側面Ｃと第二側面Ｄ側の気密性及び水密性をより高めることができる。

即ち、図１６に示すように、第一の本接合工程において、本接合用回転ツールＧを左回転させ、本接合用回転ツールＧの進行方向右側に第一金属部材１ａが位置するように設定し、一方、第二の本接合工程において、本接合用回転ツールＧを右回転させ、本接合用回転ツールＧの進行方向左側に第一金属部材１ａが位置するように設定した場合、第三の本接合工程及び第四の本接合工程は、本接合用回転ツールＧが右回転であれば、進行方向右側に第一金属部材１ａが位置するように本接合用回転ツールＧを設定し、本接合用回転ツールＧが左回転であれば、進行方向左側に第一金属部材１ａが位置するように本接合用回転ツールＧの進行方向を設定すると、第一側面Ｃと第二側面Ｄ側の気密性及び水密性をより高めることができる。

また、具体的な図示はしないが、第一の本接合工程において、本接合用回転ツールＧを右回転させ、本接合用回転ツールＧの進行方向右側に第一金属部材１ａが位置するように設定し、一方、第二の本接合工程において、本接合用回転ツールＧを左回転させ、本接合用回転ツールＧの進行方向左側に第一金属部材１ａが位置するように設定した場合、第三の本接合工程及び第四の本接合工程は、本接合用回転ツールＧが右回転であれば、進行方向左側に第一金属部材１ａが位置するように本接合用回転ツールＧの進行方向を設定し、本接合用回転ツールＧが左回転であれば、進行方向右側に第一金属部材１ａが位置するように本接合用回転ツールＧの進行方向を設定すると、第一側面Ｃと第二側面Ｄ側の気密性及び水密性をより高めることができる。

以上説明したように、本発明に係る接合方法は、本接合用回転ツールＧの回転方向と進行方向によって、様々な摩擦撹拌接合の組合せが考えられる。

なお、本発明は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において適宜変更が可能である。例えば、本実施形態にかかる摩擦撹拌装置は、被接合金属部材の上方から摩擦撹拌を行うものであったが、これに限定されるものではなく、被接合金属部材の周囲を本接合用回転ツールが移動しながら摩擦撹拌を行ってもよい。また、第一金属部材１ａ及び第二金属部材１ｂは、中空の部材であってもよい。

第一実施形態に係る接合方法を示した図であって、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）のＮ部分における拡大斜視図である。 第一実施形態に係る第一の準備工程を示した図であって（ａ）は、斜視図、（ｂ）は、平面図である。 第一実施形態に係る（２）第一の準備工程を示した図であって（ａ）は、図２の（ｂ）のＩ−Ｉ線断面図、（ｂ）は、図２の（ｂ）のII−II線断面図である。 第一実施形態に係る回転ツールを示した図であって、（ａ）は、仮接合用回転ツールの側面図、（ｂ）は、本接合用回転ツールの側面図である。 第一実施形態に係る仮接合用回転ツールの使用状態を示した図であって、（ａ）は、仮接合用回転ツールを第二タブ材に当接させた図であって、（ｂ）は、仮接合用回転ツールを第二タブ材に押し込んだ図である。 第一実施形態に係る第一の予備工程の第二タブ材接合工程、仮接合工程及び第一タブ材接合工程を示した平面図である。 第一実施形態に係る第一の本接合工程を図６のIII−III矢視方向で示した断面図であって、（ａ）は開始位置、（ｂ）は中間部分、（ｃ）は終了位置の摩擦撹拌接合を示した図である。 （ａ）は、第一実施形態に係る第二の準備工程の再設置工程後において、突合部Ｊ１から第一金属部材１ａ側を臨む断面図である。（ｂ）は、第一実施形態に係る第二の準備工程の第一タブ材接合工程、仮接合工程及び第二タブ材接合工程を示した平面図である。 第一実施形態に係る第二の本接合工程を示した図８の（ｂ）のIV−IV線断面図であって、（ａ）は開始位置、（ｂ）は中間部分の摩擦撹拌接合を示した図である。 第一実施形態に係るタブ材切除工程後の被接合金属部材を示した斜視図である。 第一実施形態に係る第三の準備工程を示した斜視図である。 第一実施形態に係る第三の本接合工程を示した斜視図である。 第一実施形態に係る第三の本接合工程後を示した図１２のＶ−Ｖ線断面図である。 （ａ）は、第一実施形態に係る第四の準備工程の再設置工程後において、突合部Ｊ１から第二金属部材１ｂ側を臨む断面図である。（ｂ）は、第一実施形態に係る第四の本接合工程を示した図であって、突合部Ｊ１から第二金属部材１ｂ側を臨む断面図である。 第二実施形態に係る接合方法を示した図であって、（ａ）は、斜視図、（ｂ）は、Ｈ部分における拡大斜視図である。 参考形態に係る接合方法を示した図であって、（ａ）は、斜視図、（ｂ）は、Ｉ部分における拡大斜視図である。 従来の接合方法を示した斜視図である。 従来の接合方法を示した斜視図である。

符号の説明

１ 被接合金属部材
１ａ 第一金属部材
１ｂ 第二金属部材
２ 第一タブ材
３ 第二タブ材
Ａ 表面
Ｂ 裏面
Ｃ 第一側面
Ｄ 第二側面
Ｆ 仮接合用回転ツール
Ｇ 本接合用回転ツール
Ｊ１〜Ｊ３ 突合部
Ｐ１〜Ｐ４ 下穴
Ｖ_１〜Ｖ_４ 回転ツールの進行方向
Ｗ１〜Ｗ４ 塑性化領域
Ｓ_Ｍ 本接合工程の開始位置
Ｅ_Ｍ 本接合工程の終了位置

Claims (4)

1. 第一金属部材と第二金属部材とを突き合わせてなる被接合金属部材に対して回転ツールを移動させて摩擦撹拌を行う接合方法であって、
   前記第一金属部材と前記第二金属部材との突合部に対して前記被接合金属部材の表面側から摩擦撹拌を行う第一の本接合工程と、
   前記突合部に対して前記被接合金属部材の裏面側から摩擦撹拌を行う第二の本接合工程と、
   前記突合部に対して前記被接合金属部材の一方の側面側から摩擦撹拌を行う第三の本接合工程と、
   前記突合部に対して前記被接合金属部材の他方の側面側から摩擦撹拌を行う第四の本接合工程と、を含み、
   前記第一の本接合工程及び第二の本接合工程で形成された塑性化領域と、
   前記第三の本接合工程及び第四の本接合工程で形成される塑性化領域とを重複させるとともに、
   前記第一乃至第四の本接合工程における前記回転ツールの回転方向が同方向の場合、
   前記第二の本接合工程における摩擦撹拌の開始位置は、前記第一の本接合工程における摩擦撹拌の終了位置側に設定し、
   前記第三の本接合工程における摩擦撹拌の開始位置は、前記第一の本接合工程における摩擦撹拌の開始位置側及び前記第二の本接合工程における摩擦撹拌の開始位置側のいずれか一方に設定し、
   前記第四の本接合工程における摩擦撹拌の開始位置は、前記第一の本接合工程における摩擦撹拌の開始位置側及び前記第二の本接合工程における摩擦撹拌の開始位置側のいずれか他方に設定することを特徴とする接合方法。
2. 前記第一乃至第四の各本接合工程のうち少なくとも一の本接合工程を行う前に、
   前記突合部を仮接合する仮接合工程を行うことを特徴とする請求項１に記載の接合方法。
3. 前記突合部の両側に一対のタブ材を配置し、前記タブ材と前記被接合金属部材との突合部に予備的に摩擦撹拌を行う予備工程、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. 前記回転ツールの挿入予定位置に予め下穴を形成することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の接合方法。

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