JP6047951B2 - 金属材料の摩擦撹拌接合方法および金属材料接合体 - Google Patents

Description

本発明は、端部の断面に複雑形状部を持つ金属部材同士を突合せ長手方向に接合する摩擦撹拌接合技術に関する。

近年、金属製の被接合部材の接合技術として、溶接やろう接に代わる新しい摩擦撹拌接合（ＦＳＷ：Ｆｒｉｃｔｉｏｎ Ｓｔｉｒ Ｗｅｌｄｉｎｇ）が開発され、実用化されている。摩擦撹拌接合は、被接合部材を溶融させずに撹拌、軟化させ、塑性流動化させて固相接合する技術であり、溶接（溶融接合）やろう付（液相−固相反応接合）より熱歪みや母材の強度低下が少なく、被接合部材の金属部材同士を接合することができるため、接合時の熱変形や接合部の酸化による接合不良が少ない等の利点がある。

この摩擦撹拌接合は、ＦＳＷツールと呼ばれる円柱または円筒形状の接合工具（以下、接合ツールという。）を高速で回転させながら被接合部材に押し付け、接合ツールと被接合部材との摩擦熱を利用して被接合部材を撹拌、軟化させ、塑性流動させて接合を行なう接合技術である。

通常の摩擦撹拌接合は、その接合原理と接合ツール形状から接合可能形状は特許文献１および２に示すように、平面もしくは緩やかな曲面の接合に限られ、角形状、小径なＲ形状や段差などの複雑形状部を持つ被接合部材同士を突合せ、長手方向の接合は困難であった。

さらに、外筒部などの複雑形状部を持つ被接合部材同士の摩擦撹拌接合は、図１（Ａ），（Ｂ）および図２に示すように、被接合部材１（１ａ，１ｂ）の接合面（突合せ面）２を複雑形状部（角部）３を挟んで複数の接合工程に分けて接合が行なわれる。

しかし、摩擦撹拌接合技術では、撹拌されて溶融、軟化し、融合された摩擦撹拌接合部４が被接合部材１（１ａ，１ｂ）の突合せ面２全面に形成されず、複雑形状部３に未接合部５が残る。また、被接合部材１（１ａ，１ｂ）は図３に示すように、各接合工程毎に、接合終端部に接合ツール６のプローブ穴７が残ったり、複雑形状部（角部）３に未接合部５が形成され、残される。被接合部材１（１ａ，１ｂ）の突合せ接合により角形状の金属材料接合体８が構成されるが、この接合体８は、応力が集中する応力集中部の部材表面にプローブ穴や未接合部が残される。

また、摩擦撹拌接合技術では、金属材料接合体８にプローブ穴７をなくす方法として、図４（Ａ）および（Ｂ）に示す複動式摩擦撹拌接合装置９による接合方法が特許文献３に記載されている。この複動式摩擦撹拌接合装置９は、ショルダ部９ａとプローブ部９ｂを別体として、各々上下に可動する昇降装置を用いたものである。接合終了後には、プローブ部９ｂをプローブ穴７から引き上げると同時に、ショルダ部９ａをワークである被接合部材１（１ａ，１ｂ）中に押し下げることで、ワーク材料をプローブ穴７へ塑性流動させて、プローブ穴７を埋める接合方法である。

さらに、複雑形状部を持つ金属部材同士の接合例として、例えばツール荷重による変形を防止し、中空な金属製被接合部材同士を突合せ接合する継手構造の摩擦撹拌接合技術が特許文献４に開示されている。

しかし、特許文献３に記載の摩擦撹拌接合技術は、被接合部材１ａ，１ｂ同士の接合深さが深い場合には、プローブ穴７を埋めるためにショルダ部９ａをより深く押し下げる必要があり、結果的にプローブ穴７は浅いが、より径の大きな（ショルダ）穴７ａが残され、却って、プローブ穴７ａによる強度低下が大きくなる懸念がある。また、特許文献４による摩擦撹拌接合技術は、金属製の被接合部材同士の成型性を維持するために、被接合部材の一方に突出片を形成し、この突出片を挿入支持する突出片支持片を他方の被接合部材にそれぞれ別途設ける必要がある。

特開２０１１−１０１８９１号公報 特開２０１１−１０１８９０号公報 特開２００６−２３９７２０号公報 特開２０１１−１２１０９０号公報

従来の摩擦撹拌接合技術では、被接合部材同士を突合せ、接合ツールを用いて長手方向に接合させると、接合終端部にプローブ穴が残ったり、さらに、より大径のショルダ穴が残ったり、複雑形状部（角部）に未接合部が形成されて残るために接合強度不良が生じ、充分な機械的、物理的強度を得ることができなかったり、外観品質を低下させる等の問題があった。

また、金属材料の被接合部材同士を突合せ、接合する際、変形を抑制し、成型性を維持するために、被接合部材の一方に突出片を、その突出片を嵌め合される突出片支持片を他方の被接合部材に、別途それぞれ事前に追設しておく必要があり、被接合部材同士の突合せ接合部（継手）形状が複雑で手間隙がかかり、加工に困難性を伴う。

本発明は、上述した事情を考慮してなされたもので、被接合部材同士を突合せ、長手方向に接合する摩擦撹拌接合において、複雑形状部付近にプローブ穴および未接合部が存在せず、突合せ接合の接合強度および接合品質を向上させた金属材料の摩擦撹拌接合方法および金属材料接合体を提供することを目的とする。

本発明の他の目的は、被接合部材同士を突合せ接合させる継手構造を簡素化することができ、複雑形状付近にプローブ穴および未接合部が存在せず、機械的、物理的接合強度を向上させ、外観品質を向上させた金属材料の摩擦撹拌接合方法および金属材料接合体を提供することにある。

本発明に係る金属材料の摩擦撹拌接合方法は、上述した目的を達成するために、端部の断面に複雑形状部を有する被接合部材同士を突合せて長手方向に接合する金属材料の摩擦撹拌接合方法において、前記被接合部材同士は、突合せ面の少なくとも一辺の接合終端部の辺延長面上に膨出する余肉部を設け、前記被接合部材同士の突合せ面を接合ツールで一辺に沿って接合していき、一辺の突合せ接合を前記余肉部直前で終了させる接合第１工程と、前記一辺の突合せ接合に続いて、前記余肉部側から接合ツールを挿入して、前記接合第１工程で残されたプローブ穴を材料の塑性流動により埋める穴埋め工程と、この穴埋め工程から先の一辺に続く辺に沿って突合せ接合を行なう接合第２工程とを備えることを特徴とする接合方法である。

また、本発明に係る金属材料の摩擦撹拌接合方法は、角断面形状を有する矩形の被接合部材同士を突合せて長手方向に接合する金属材料の摩擦撹拌接合方法において、前記被接合部材は突合せ面４辺の各接合終端部の辺延長面上に膨出する余肉部をそれぞれ必要に応じて設け、前記被接合部材同士の突合せ面を接合ツールで一辺に沿って接合していき、一辺の突合せ接合を前記余肉部直前で終了させる接合第１工程と、前記一辺の突合せ接合に続いて、前記余肉部側から接合ツールを挿入して前記接合第１工程で残されたプローブ穴を材料の塑性流動により埋める穴埋め工程と、この穴埋め工程からその一辺に続く側辺に沿って突合せ接合を行なう接合第２工程と、接合第２工程終了後、被接合部材同士の突合せ面を前記先の一辺と反対側の他辺に沿って接合していき、他辺の突合せ接合を、次の余肉部直前で終了させる他辺側の接合第１工程と、前記他辺の突合せ接合に続いて、前記次の余肉部側から接合ツールを挿入して前記他辺側の接合第１工程で残されたプローブ穴を材料の塑性流動により埋める他辺穴埋め工程と、第２の穴埋め工程から他辺に続く他側辺に沿って突合せ接合を行なう第２の接合第２工程とを備え、前記接合第２工程および第２の接合第２工程は、側辺の突合せ接合を途中あるいは側端側からの折返しにより側辺中央部でそれぞれ終了させることを特徴とする接合方法である。

さらに、本発明に係る金属材料の摩擦撹拌接合方法は、角断面形状を有する金属材料の矩形の被接合部材同士を突合せて長手方向に接合する金属材料の摩擦撹拌接合方法において、前記被接合部材は突合せ面４辺の各接合終端部の辺延長面上に膨出する余肉部をそれぞれ設け、前記被接合部材同士の突合せ面を接合ツールで一辺に沿って接合していき、一辺の突合せ接合を前記余肉部直前で終了させる接合第１工程と、前記一辺の突合せ接合に続いて、前記余肉部側から接合ツールを挿入して前記接合第１工程で残されたプローブ穴を材料の塑性流動により埋める穴埋め工程と、この穴埋め工程からその一辺に続く側辺に沿って接合していき、側辺の突合せ接合を第２の余肉部直前で終了させる接合第２工程と、前記側辺の突合せ接合に続いて、前記第２余肉部側から接合ツールを挿入して前記接合第２工程で残されたプローブ穴を材料の塑性流動により埋める側辺穴埋め工程と、側辺穴埋め工程に続く前記先の一辺の反対側他辺の被接合部材同士の突合せ面に沿って接合していき、他辺の突合せ接合を、第３の余肉部直前で終了させる接合第３工程と、前記他辺の突合せ接合に続いて、前記第３余肉部側から接合ツールを挿入して前記接合第３工程で残されたプローブ穴を材料の塑性流動により埋める他辺穴埋め工程と、他辺穴埋め工程に続く反対側側辺の被接合部材同士の突合せ面に沿って接合していき、他側辺の突合せ接合を途中あるいは側端部側から折り返された他側区中央部で終了させることを特徴とする接合方法である。

一方、本発明に係る金属材料接合体は、上述した目的を達成するために、端部の断面に複雑形状部を有する金属材料の被接合部材同士を突合せて摩擦撹拌接合により長手方向に接合する金属材料接合体において、前記被接合部材同士の突合せ面の少なくとも一辺の接合終端部にはプローブ穴の外周部に円形の痕跡と、前記一辺に続く辺は接合部を有し、前記プローブ穴内部には前記プローブ穴開口部外側に向け塑性流動された材料を備えることを特徴とするものである。

本発明においては、金属材料の被接合部材同士を突合せ、長手方向に接合する摩擦撹拌接合において、複雑形状部付近にプローブ穴および未接合部を残さないで突合せ接合させることができ、被接合部材同士の突合せ接合の接合強度および接合品質を向上させることができる。

さらに、本発明は、被接合部材同士を長手方向に突合せ接合させる継手構造を溶接やろう付けを使用せず簡素化することができ、摩擦撹拌接合により金属材料接合体を構成でき、この金属材料接合体は、複雑形状部付近にプローブ穴および未接合部が残されて存在することはなく、機械的、物理的接合強度を向上させ、接合品質の外観品質に優れたものとなる。

被接合部材同士を接合する従来の摩擦撹拌接合を示すもので、（Ａ）は複雑形状部（角部）を持つ金属部材の被接合部材同士の接合状態を示す接合断面図、（Ｂ）は被接合部材同士の接合状態を示す部材上面図。 従来の摩擦撹拌接合により接合された接合後の部分的な横断面図。 摩擦撹拌接合により突合せ接合された複雑形状部の継手構造例を示す斜視図。 （Ａ）は従来の複動式摩擦撹拌接合装置を用いた摩擦撹拌接合の接合方法を示すもので、被接合部材の部分的な接合断面図、（Ｂ）は摩擦撹拌接合のプローブ穴の穴埋め工程を示す被接合部材の接合断面図。 （Ａ）および（Ｂ）は摩擦撹拌接合で使用される接合（ＦＳＷ）ツールのツール形状をそれぞれ示す図。 摩擦撹拌接合で用いられる金属部材の被接合部材の一例を示すワーク形状の部分的な斜視図。 本発明に係る摩擦撹拌接合の第１実施形態を示すもので、摩擦撹拌接合を実施する基本的な製造工程を示すフローチャート図。 第１実施形態に係る摩擦撹拌接合を示すもので、（Ａ）は金属材料の被接合部材同士が突合せ接合されるワーク形状の部材上面を部分的に示す図、（Ｂ）はワーク形状の接合断面を示す部分的な横断面図。 第１実施形態に用いられる被接合部材の第１変形例を示す部分的なワーク形状の部材上面図。 第１実施形態に用いられる被接合部材の第２変形例を示す部分的なワーク形状を示す部材断面図。 第１実施形態で用いられる摩擦撹拌接合の接合第１工程を示すもので、（Ａ）は被接合部材の部分的な部材上面図、（Ｂ）は被接合部材の部分的な接合断面図。 第１実施形態で用いられる摩擦撹拌接合の穴埋め工程を示す被接合部材の部分的な接合断面図。 第１実施形態で用いられる摩擦撹拌接合の接合第２工程を示す被接合部材の部分的な接合断面図。 第１実施形態で用いられる摩擦撹拌接合の穴埋め工程の第１変形例を示すもので、（Ａ）は被接合部材の部分的な部材側面図、（Ｂ）は被接合部材の部分的な接合断面図。 本発明に係る摩擦撹拌接合の第２実施形態を示す構成図。 第２実施形態の適用により製造される金属材料接合体の構成を示す斜視図。 本発明に係る摩擦撹拌接合の第３実施形態を示すもので、摩擦撹拌接合を実施する工程を示すフローチャート図。 本発明に係る摩擦撹拌接合の第３実施形態を示す構成図。 本発明の第４実施形態に係る摩擦撹拌接合で用いられる被接合部材としてのワーク材料を示す部分的な斜視図。 本発明の第４実施形態で使用される接合ツールや摩擦撹拌接合の使用条件を示す図。 本発明の第４実施形態で製造された実施例品（金属材料接合体）を示す横断面図。 図２１の実施例品と比較して示される従来品の横断面図。 本発明の第４実施形態で被接合部材同士を突合せ接合したもので、接合第１工程実施後の接合状態を示す部分的な斜視図。 本発明の第４実施形態において接合第２工程実施後の接合状態を示す実施例品の部分的な斜視図。 図２４と同様、接合第２工程実施後の接合断面を示すもので、実施例品の部分的横断面図。 試験機により実施例品の曲げ試験前の状態を示す構成図。 図２６の実施例品および従来品の曲げ試験結果を示す図。

以下、本発明に係る実施形態について、添付図面を参照して説明する。

本発明は、複雑形状部を持つ金属材料の被接合部材同士を長手方向に突合せて接合する摩擦撹拌接合技術に関するものである。この摩擦撹拌接合（ＦＳＷ）には、接合工具として図５に示す摩擦撹拌接合用ツール（以下、接合ツール）１０が用いられる。接合ツール１０は、円柱形状のショルダ部１１の先端面（ショルダ）面１１ａにプローブ部１２を一体に備えて構成される。プローブ部１２はショルダ部１１より小径に形成されると共にショルダ部１１と回転一体に設けられている。接合ツール１０は摩擦撹拌接合時に図示しない駆動軸により回転駆動される。

接合ツール１０は、図５に示すように、ショルダ径φＡ、プローブ径φＢ、プローブ長さＬのツール寸法を有するＳＫＤ６１等の工具鋼で構成され、そのツール形状は、図５（Ａ）に示す円筒（円柱）状プローブ１２ａを備えたものや、図５（Ｂ）に示す円錐状プローブ１２ｂを備えたもの、あるいは他のプローブ形状を備えたものがある。

また、摩擦撹拌接合により突合せ接合される金属部材１３には、アルミニウム材あるいはアルミニウム合金製、角材あるいは角筒材が用いられる。金属部材１３は、例えば図６に示すように、角断面形状を持つ角部材である一対の被接合部材１４，１５が用いられる。

摩擦撹拌接合は、回転する接合ツール１０（図５）を用いて撹拌による摩擦熱で軟化された一対の被接合部材１４，１５同士の材料を塑性流動させて一体接合させるものである。摩擦撹拌接合は接合ツール１０の回転に伴なう塑性流動現象を利用して突合せた被接合部材１４，１５同士を固相接合する技術である。

金属部材１３は、突合せ、接合される一対の被接合部材１４，１５同士の対向両側耳部に余肉部１４ａ，１４ｂ；１５ａ，１５ｂがエンドタグとして設けられる。余肉部１４ａ，１４ｂ；１５ａ，１５ｂは被接合部材１４，１５の複雑形状部、例えば角部に接して両側方に張り出し、かつ図６に示すように接合部上面および接合面に沿って面一状に膨出している。余肉部１４ａ，１４ｂ；１５ａ，１５ｂは被接合部材１４，１５の突合せ面周りの４辺（４面）うち１辺（１面）、例えば上辺の接合始端部および接合終端部から辺延長面上に両外側方に膨出している。

本発明は、突合せ端部の断面形状に複雑形状部、例えば角形状や段差、半径２０ｍｍ程度以下と小径のＲ形状など、を持つ金属部材１３同士を長手方向に突合せて摩擦撹拌接合させるもので、摩擦撹拌接合を複数の接合工程と穴埋め工程とを組み合せるもので、摩擦撹拌接合を複数の接合工程と穴埋め工程とを組み合せることで、摩擦撹拌に伴う材料の塑性流動性を活用して接合部領域を効率よく有効的に接合させることができる。

複雑形状部およびその近傍領域にプローブ穴および未接合部が残るのを確実に防止し、突合せ接合部の接合強度（機械的、物理的強度）や剛性を高め、接合品質を向上させた金属材料の摩擦撹拌接合方法および摩擦撹拌接合体を提供するものである。

［第１の実施形態］（図６〜図１４対応）
複雑形状部を持つ金属部材同士を摩擦撹拌接合する第１の実施形態を図６〜図１４を参照して説明する。

図７は、金属材料の摩擦撹拌接合を実施する第１実施形態の基本的工程を示すフローチャート図である。この金属材料の摩擦撹拌接合では、準備工程で図５に示す接合工具としての接合ツール１０および図６に示す角部材や角筒部材としての金属材料１３が用意されて摩擦撹拌接合の各ステップが開始される（接合方法の開始：２０）。この摩擦撹拌接合は、図６において、例えば部材上面Ａ側に応力が集中する被接合部材１４，１５同士を長手方向に突合せ接合に適した例で説明する。

摩擦撹拌接合がスタートすると、図７の基本的な工程をフローチャートに示すように、摩擦撹拌接合は、接合第１工程、穴埋め工程２２および接合第２工程２３の３つの基本的工程（ステップ）が順次実施されて、金属材料接合体が構成され、摩擦撹拌接合が終了する（接合方法の終了：２４）。

接合第１工程２１では、図６に示す金属部材１３の突合された被接合部材１４，１５同士の一方の余肉部１４ａ，１５ａ側、すなわち接合始端部の接合面２５に接合ツール１０が回転させながら挿入される。接合ツール１０はショルダ部１１のショルダ面１１ａが部材上面Ａに押し付けられることで、被接合部材１４，１５は撹拌され、摩擦熱により軟化されるため、固相状態が維持されて材料の塑性流動が促される。また、プローブ部１２（１２ａ，１２ｂ）は接合ツール１０の回転時に被接合部材１４，１５の接合部（突合せ面）２５に挿入され、被接合部材１４，１５を摩擦熱により軟化させながらも、固相状態を維持して、材料の塑性流動により接合される。さらに、図８（Ａ）に示すように、接合ツール１０を回転駆動させながら、被接合部材１４，１５の接合部２５に沿って他方の余肉部１４ｂ，１５ｂである接合終端部側に移動し、その移動軌跡が摩擦撹拌接合部２６として形成される。

接合第１工程２１では、被接合部材１４，１５同士の摩擦撹拌接合において、接合ツール１０は、接合部２５上面Ａに沿って延長した余肉部１４ｂ，１５ｂ直前の接合終端部で終端し、接合第１工程２１が終了する。余肉部１４ａ，１４ｂ；１５ａ，１５ｂは金属材料接合体（ワーク）を構成する製品部２７の外側に設けられる。したがって、図８（Ａ）および図８（Ｂ）に示すように、接合第１工程２１では接合ツール１０のプローブ部１２は、接合始端部から接合終端部に製品部２７内で移動するので、接合プローブ１０の荷重や回転力の大部分を製品部２７で受ける。このため、余肉部１４ａ，１４ｂ；１５ａ，１５ｂは小さくてよく、余肉部の変形は少なくて済む。

余肉部１４ｂ，１５ｂの形状は、例えば、図８（Ａ），（Ｂ）に示すように、余肉部長さＣ、全肉部奥行き（高さ）Ｄ、半径Ｒの半円柱状に構成される。余肉部１４ｂ，１５ｂの寸法形状と、接合ツール１０の寸法形状との関係は、次の［数１］式が成立する。
［数１］
余肉部長さＣ ＞ Ａ−Ｂ／２
余肉部奥行きＤ ≧ Ａ
半径Ｒ ≧ Ａ／２

金属部材１３の接合始端側の余肉部１４ａ，１５ａの形状も、接合終端側の余肉部１４ｂ，１５ｂ形状と同様である。

金属部材１３の余肉部形状は、図８（Ａ）および（Ｂ）では、半円柱状に構成された例を示したが、この余肉部は、図９および図１０の変形例に示す形状構成としてもよい。図９に示す第１変形例は、金属部材１３（１４，１５）の余肉部１４ｂ１，１５ｂ１を矩形体の形状に構成したものであり、図１０に示す第２変形例は、金属部材１３（１４，１５）の余肉部１４ｂ２，１５ｂ２の下部をＲ形状の丸みを持たせた構成としたものである。いずれにしても、金属部材１３の余肉部は、摩擦撹拌接合の各工程終了後に切削等の機械加工により、破線ａ，ａ_１，ａ_２に沿って切断されるが、余肉部は小さいため、接合後の切除（除去）も容易である。

金属部材１３の被接合部材１４，１５は、図１１（Ａ）に示すように、接合部２６の上面（部材上面）Ａ側が接合第１工程２１にて摩擦撹拌接合により接合され、余肉部１４ｂ，１５ｂ手前の接合終端部を終了点として接合第１工程２１が終了する。接合第１工程２１は、図１１（Ｂ）に示すように、接合ツール１０のプローブ部１２の進行方向前端が余肉部１４ｂ，１５ｂと製品部２７の近傍となる位置で終了する。接合プローブ１０は接合終了位置で被接合部材１４，１５の接合部２５から引き抜かれる。このとき、被接合部材１４，１５は余肉部１４ｂ，１５ｂ近くで、部材上面Ａに接合ツール１０によるプローブ穴２８が形成されて残される。

接合第１工程２１を図１１（Ａ）および（Ｂ）に示す接合終端（点）部で終了することにより、プローブ穴２８の位置が余肉部１４ｂ，１５ｂに近くなり、後の穴埋め工程２２で、塑性流動性を活用して穴埋めが容易になる。また、接合第１工程２１の終了が余肉部１４ｂ，１５ｂ近くの接合終端位置であれば、摩擦撹拌接合時の荷重と回転力の大部分は製品部２７で受けるため、余肉部１４ｂ，１５ｂは小さくても、余肉部１４ｂ，１５ｂの変形（開き）は僅かであり、小さく、変形（開き）による欠陥の発生を防止できる。

接合第１工程２１にて被接合部材１４，１５の部材上面Ａが接合された後、部材上面Ａのプローブ穴２８を埋める穴埋め工程２２に接合ツール１０が移行される。接合ツール１０は接合第１工程２１で用いたツールを使用しても、新しい別の接合ツールを用いてもよい。この場合、余肉部の奥行きＤは、穴埋め工程２２で使用する場合、ツールのショルダ径Ａ以上であることが好ましい。

穴埋め工程２２では、図１２に示すように、余肉部１４ｂ，１５ｂを設けた部材側面Ｂに対して略直角となる外側方向から、接合ツール１０を回転させながら挿入される。この挿入時には、余肉部１４ｂ，１５ｂは抑え治具３０で予め抑えられており、余肉部１４ｂ，１５ｂの浮上り変形が抑制される。

穴埋め工程２２で接合ツール１０を回転させながら余肉部１４ｂ，１５ｂ側の部材側面Ｂに挿入されると、プローブ部１２が被接合部材１４，１５の材料を軟化させてプローブ穴２８に向けて押し込む矢印Ｍで示すように塑性流動させる。すなわち、接合ツール１０の挿入により、挿入したプローブ部１２の被接合部材１４，１５の材料に加えて、ショルダ部１１に押された余肉部１４ａ，１４ｂ；１５ａ，１５ｂの材料の一部が、部材上面Ａのプローブ穴２８に矢印Ｍで示すように塑性流動し、プローブ穴２８を埋めることができる。このとき、余肉部１４ｂ，１５ｂの上面側を抑え治具３０で部材の流れを抑制することにより、部材上面Ａのプローブ穴２８以外への流出が抑制される。

この穴埋め工程２２に続いて、接合第２工程２３が実施される。接合第２工程２３では、図１３に示すように、接合ツール１０を回転させたまま、被接合部材１４，１５同士が接合する部材側面Ｂに溜まって平行に接合ツール１０を移動させる。この接合ツール１０の移動により、被接合部材１４，１５の部材側面Ｂに沿って摩擦撹拌接合部２６が延長される。

被接合部材１４，１５は、接合第１工程２１の後、穴埋め工程２２に続いて接合第２工程２３を実施することにより、金属部材１３の被接合部材１４，１５は、部材上面Ａから部材側面Ｂにかけて全体に摩擦撹拌接合部２６が形成されて長手方向に接合される。被接合部材１４，１５同士は、余肉部１４ｂ，１５ｂを設けた複雑形状部、例えば角部近傍にプローブ穴２８および未接合部を残さない接合が得られ、突合せ接合の接合強度が向上し、良好な接合品質が得られる。

なお、金属部材１３は被接合部材１４，１５同士を長手方向に突合せて接合する摩擦撹拌接合の終了後には、残された余肉部１４ａ，１４ｂ；１５ａ，１５ｂを研削や切削などの機械加工により破線Ｅで示すように切除される。突合せて接合された被接合部材１４，１５の金属部材の接合体は、複雑形状部（角部）付近にプローブ穴および未接合部が存在しないため、良好な外観品質が得られ、機械的、物理的強度も向上させることができる。

また、第１実施形態に記載の摩擦撹拌接合は、複雑形状部を持つ被接合部材１４，１５の金属部材同士を、接合ツール１０の回転摩擦により軟化させて塑性流動化させる固相接合する技術であるから、突合せ接合された接合体の継手構造は、接合時の熱変形や酸化による接合不良が少なく、さらに、複雑形状部付近の部材上面にプローブ穴２８および未接合部が存在しない良好な接合が得られ、接合強度を向上させ、良好な接合品質（外観品質）が得られる。

接合第１工程２１の摩擦撹拌接合により。一辺である部材上面Ａの接合終端部に残るプローブ穴２８は、余肉部１４ｂ，１５ｂから始める次の穴埋め工程２２で材料の塑性流動性を活用して埋めることができる。したがって、第１実施形態の摩擦撹拌接合より突合せ接合される摩擦撹拌接合体は外観品質を向上させることができ、良好な製品品質が得られる。

［穴埋め工程の第１変形例］
図１４（Ａ），（Ｂ）は、第１実施形態で用いられた穴埋め工程２２の第１変形例を示すものである。図１２に示された穴埋め工程２２に用いられる部材と同じ構成には同一符号を付して重複説明を省略する。

第１変形例に示された穴埋め工程２２Ａは、抑え治具３０だけでなく、被接合部材１４，１５の余肉部１４ｂ，１５ｂを挟んで両側にも変形拘束治具３１，３２が配置されたものである。抑え治具３０や変形拘束治具３１，３２を配置することにより、穴埋め工程２２Ａにおいて、被接合部材１４，１５や余肉部１４ｂ，１５ｂの材料のプローブ穴２８以外への流出をより一層抑制することができ、プローブ穴２８を埋める矢印Ｍの方向に塑性流動効果を増大させ、複雑形状部を持つ被接合部材１４，１５同士の接合強度をより一層向上させることができる。

［第２の実施形態］（図１５および図１６対応）
図１５および図１６を参照して本発明の第２の実施形態を説明する。

第２実施形態は、矩形断面を持ち、部材上面Ａおよび部材下面視Ｃに応力が集中する金属部材１３の被接合部材１４，１５同士を突合せ接合させる継手構造の例を示すもので、矩形断面の４面を摩擦撹拌接合するために、第１実施形態の摩擦撹拌接合を２組の対に分けて実施したものである。第１実施形態と同じ構成には同一符号を付して重複説明を省略する。

図１５に示す第２実施形態は、部材上面Ａ側と部材下面Ｃ側に応力集中部３７，３８を備えたものである。第２実施形態では、部材上面Ａから一方の部材側面Ｂにかけて１組目の摩擦撹拌接合を半周分行ない、続いて残りの半周分を部材下面Ｃから他方の部材側面Ｂにかけて２組目の摩擦撹拌接合を実施し、２組の対をなす摩擦撹拌接合で、矩形断面を持つ被接合部材１４，１５同士を長手方向に突合せ、全周に亘って接合させるものである。

被接合部材１４，１５は突合せ４辺の各接合終端部の辺延長面上に膨出する全余肉部１４ｂ，１５ｂをそれぞれ必要に応じて設ける。

具体的には、図１５に示す第２実施形態の摩擦撹拌接合は、部材上面Ａの被接合部材１４，１５同士の突合せ面を接合ツール１０で一辺の部材上面Ａに沿って接合していき、一辺の突合せ接合を余肉部１４ｂ，１５ｂ直前で終了させる接合第１工程２１と、部材上面Ａ（一辺）の突合せ接合に続いて、余肉部１４ｂ，１５ｂ側から接合ツール１０を挿入して、接合第１工程２１で残されたプローブ穴２８を材料の塑性流動により埋める穴埋め工程２２と、この穴埋め工程２２から先の部材上面Ａに続く側辺である一方の部材側面Ｂに沿って突合せ接合を行なう部材側面Ｂの接合第２工程２３とで半周分の突合せ接合が終了する。接合第２工程２３では、部材側面Ｂの下方への接合後に接合方向を反転させて折り返し、部材側面Ｂの中央部付近で接合を終了させる。

また、部材下面Ｃから他方の部材側面Ｂにかけての残り半周分の摩擦撹拌接合は、部材側面の接合第２工程２３終了後に、被接合部材１４，１５同士の突合せ面を先の一辺と反対側の他辺、すなわち、部材下面Ｃに沿って接合していき、他辺の突合せ接合を、次の余肉部１４ｂ，１５ｂ直前で終了させる部材他辺（部材下面）側の接合第１工程２１と、他辺の突合せ接合に続いて、次の余肉部１４ｂ，１５ｂ側から接合ツール１０を挿入して部材他辺側の接合第１工程２１で残されたプローブ穴２８を材料の塑性流動により埋める他辺穴埋め工程２２Ｂと、第２の穴埋め工程２２Ｂから他辺に続く他方の部材側面Ｂ（他側辺）に沿って突合せ接合を行なう第２の接合第２工程２３Ａとを備えて、摩擦撹拌接合が実施される。接合第２工程２３Ａでは、他方の部材側面Ｂを上方への接合後に接合方向を反転させて折り返し、他方の部材側面Ｂの中央部付近で接合を終了させる。摩擦撹拌接合終了後には、余肉部は機械加工により除去される。なお、接合第２工程２３および第１の接合第２工程２３Ａは部材側面Ｂの突合せ接合を途中の側辺中央部で終了させてもよい。

第２実施形態の摩擦撹拌接合において、各接合第２工程２３，２３Ａでは、部材側面Ｂの中央部で接合を終了させることにより、最終的に接合ツール１０のプローブ穴２８が残る。しかし、プローブ穴２８は、全周を摩擦撹拌接合した上で、応力の低い部材側面Ｂの中央部付近のみに残り、部材上面Ａおよび部材下面Ｃ側の応力集中部３７，３８にプローブ穴および未接合部に残ることはない。

したがって、第２実施形態の摩擦撹拌接合により被接合部材が突合せ接合されて構成された矩形断面の金属材料接合体４０は、応力集中部３７，３８にプローブ穴や未接合部が存在せず、強固な接合強度が得られる。金属材料接合体４０は、応力集中部にプローブ穴や未接合部を残さないので、機械的、物理的強度を向上させることができ、良好な接合外観が得られる継手構造を提供できる。

［第３の実施形態］（図１７および図１８対応）
図１７および図１８を参照して本発明の第３の実施形態を説明する。

第２実施形態は、矩形断面を持ち、部材表面の４面のうち３面に応力が集中する金属部材１３の被接合部材１４，１５同士を突合せ接合させる継手構造の例を示すもので、応力が集中しない残りの隣接する面、例えば部材上面Ａから、時計方向廻りあるいは反時計方向廻りに摩擦撹拌接合を実施して構成される継手構造の例である。第１実施形態と同じ構成には、同一符号を付して重複説明を省略する。

具体的には、矩形断面を有する金属部材１３の被接合部材１４，１５同士を突合せ、接合する摩擦撹拌接合をする場合、図１７および図１８に示すように、応力が集中しない一面に隣接する面、例えば部材上面Ａから順に接合第１工程２１、接合第２工程２３、接合第３工程４２、接合第４工程４３が実施される一方、接合第１工程２１と接合第２工程２３の間、接合第２工程２３と接合第３工程４２の間、および接合第３工程４２と接合第４工程４３との間に、接合第１工程２１、接合第２工程および接合第３工程４２の実施により残されたプローブ穴２８ａ，２８ｂ，２８ｃを埋める穴埋め工程２２，４５，４６が実施される。各穴埋め工程２２，４５，４６では、接合ツール１０を余肉部４８ａ，４８ｂ，４８ｃ側から挿入し、前の接合工程で残されたプローブ穴２８ａ，２８ｂ，２８ｃを部材の塑性流動を活用して埋めるものである。

摩擦撹拌接合の最後の接合第４工程４３では、部材側面Ｂに沿って図１８において下方から上方に接合していき、部材上面Ａ近くで反転して折り返し、部材側面Ｂの中央部付近で接合を終了する。最終的に、接合第４工程４３の接合終了時にプローブ穴２８が残されるが、このプローブ穴２８は、応力が集中しない部材側面Ｂに形成されるので、接合強度に悪影響が及ぶのを防止することができる。余肉部４８ａ，４８ｂ，４８ｃなどは、摩擦撹拌接合終了後に機械加工により切除され、取り除かれる。

すなわち、第３実施形態は、角断面形状を有する金属材料の矩形の被接合部材１４，１５同士を突合せて長手方向に接合する金属材料の摩擦撹拌接合方法である。この摩擦撹拌接合技術は、被接合部材１４，１５は突合せ面４辺の各接合終端部の辺延長面上に膨出する余肉部４８ａ，４８ｂ，４８ｃをそれぞれ設ける。そして、摩擦撹拌接合では、被接合部材１４，１５同士の突合せ面を接合ツール１０で一辺に沿って接合していき、一辺の突合せ接合を余肉部４８ｂ直前で終了させる接合第１工程２１と、一辺の突合せ接合に続いて、余肉部４８ｂ側から接合ツール１０を挿入して接合第１工程２１で残されたプローブ穴２８ａを材料の塑性流動により埋める穴埋め工程２２と、この穴埋め工程２２からその一辺に続く側辺（一方の部材側面Ｂ）に沿って接合していき、側辺の突合せ接合を第２の余肉部４８ｂ直前で終了させる接合第２工程２３と、側辺の突合せ接合に続いて、第２余肉部４８ｂ側から接合ツール１０を挿入して接合第２工程２３で残されたプローブ穴２８ｂを材料の塑性流動により埋める側辺穴埋め工程２２Ｂと、側辺穴埋め工程２２Ｂに続く先の一辺の反対側他辺（部材下面Ｃ）の被接合部材１４，１５同士の突合せ面に沿って接合していき、部材下面Ｃである他辺の突合せ接合に続いて、第３余肉部４８Ｃ側から接合ツール１０を挿入して接合第３工程４２で残されたプローブ穴２８ｃを材料の塑性流動により埋める他辺穴埋め工程４８ｃと、他辺穴埋め工程４８ｃに続く反対側側辺の被接合部材１４，１５同士の突合せ面に沿って接合していき、他側辺の突合せ接合を途中あるいは側端部側から折り返された他側区中央部で終了させ、摩擦撹拌接合が終了される。

第３実施形態の摩擦撹拌接合により、矩形断面で複雑形状部（角部）を有する金属部材１３は、被接合部材１４，１５同士の突合せ接合により全周に亘って接合させる継手構造が得られ、全周継手構造の金属材料接合体４０Ａが構成される。この接合体４０Ａは、応力が集中しない一方の部材側面Ｂを除いて応力が集中する応力集中部の３面に、プローブ穴２８ａ，２８ｂ，２８ｃおよび未接合部が残らないので、接合強度を向上させることができ、機械的強度、物理的強度を向上させた良好な外観品質（接合品質）が得られる。これにより、第３実施形態では、矩形断面の金属部材１３は、被接合部材１４，１５同士を全周に亘り摩擦撹拌接合した上で、応力の低い面、例えば部材側面Ｂの１箇所のみにプローブ穴２８を残すのみであるので、応力集中部を残さない強固な接合が得られる。

［第４の実施形態］（図１９〜図２７参照）
図１９〜図２７を参照して本発明の第４の実施形態について説明する。

第４実施形態は、角断面形状を持ち、複雑形状部を有するアルミニウム金属あるいはアルミニウム合金製の金属部材５０の被接合部材５１，５２同士を、図１９に示した摩擦撹拌接合の実施条件を用いて突合せ、接合して金属材料接合体５５が構成される例を示すものである。

第４実施形態の摩擦撹拌接合は、例えばＡ６０６１−Ｔ６展進材製の金属部材５０を用いて、被接合部材５１，５２同士を突合せ、接合して応力が集中する部材上面Ａにプローブ穴２８を残さない金属材料接合体５５を構成したものである。

接合ツール１０は、図５（Ａ）に示す円柱状プローブを備えたツール形状を有し、ツール寸法は、図２０に示すように、ショルダ径φＡ；１２ｍｍ、プローブ径φＢ；６ｍｍ、プローブ長さＬ；６ｍｍの接合ツール１０を用いた。また、金属部材５０は部材上面Ａ側の両側の部材側面Ｂに図１９に示すように、半円柱状の余肉部５１ａ，５１ｂ；５２ａ，５２ｂを設ける。余肉部５１ａ，５１ｂ；５２ａ，５２ｂの形状寸法は、曲率半径Ｒ；６ｍｍ、余肉部長さＤｃ；４ｍｍ、余肉部奥行きＤ；１２ｍｍのものを用意した。

第４実施形態の摩擦撹拌接合では、第１実施形態で示した摩擦撹拌接合と同様に、接合第１工程２１、穴埋め工程２２および接合第２工程２３を実施して、突合せ、接合を行なった後、接合第３工程４２を実施して、接合第２工程２２を反対側の部材側面Ｂを図２１において上方から下方に向けて接合し、摩擦撹拌接合を終了した。摩擦撹拌接合の終了後には両部材側面Ｂの下方にプローブ穴２８，２８が残され、残された余肉部５１ａ，５１ｂ；５２ａ，５２ｂは機械加工により削除される。

しかして、第４実施形態の摩擦撹拌接合では、接合ツール１０にＳＫＤ６１材製の接合工具を用い、図２０に示す摩擦撹拌接合条件で、接合ツール１０の回転速度；１５００ｒｐｍ、穴埋め工程２２のツール挿入速度２０ｍｍ／分、接合ツール１０の送り速度１００ｍｍ／分を用いて実施し、金属材料接合体５５を構成した。構成される金属材料接合体５５の接合断面構造は、図２１に示すように構成され、接合第１工程２１の実施後に残される部材上面Ａのプローブ穴２８は、穴埋め工程２２および接合第２工程２３の実施により、余肉部５１ｂ，５２ｂなどの材料の塑性流動により消滅し、埋められた。このため、第４実施形態の摩擦撹拌接合により突合せ、接合された金属材料接合体５５は、応力が集中しない両側の部材側面Ｂの下方にだけプローブ穴２８，２８が存在し、応力が集中する応力集中部の部材上面Ａには、プローブ穴や未接合部が残らない継手構造が得られた。

比較のため、従来の摩擦撹拌接合で構成された従来品と比較すると、従来品では、被接合部材は図１９に示されるように余肉部が存在しない。このため、第４実施形態で使用した接合ツール１０を用いて同じ摩擦撹拌接合条件で突合せ、接合して構成される従来品は、図２２に示される接合断面構造を有することを示す。このため、従来品では応力集中する応力集中部の部材上面Ａに接合第１工程２１のプローブ穴２８が残され、また、部材上面Ａの複雑形状部（角部）に未接合部５８，５８が残されるため、被接合部材同士の接合強度低下を招き、良好な接合品質が得られない問題がある。

また、第４実施形態により、金属部材５０の被接合部材５１，５２同士を突合せて部材上面Ａを摩擦撹拌接合すると、接合第１工程２１で接合ツール１０により突合せ面の部材上面Ａに、図２３に示すように、プローブ穴２８が残される。

しかし、接合第１工程２１の実施により残された部材上面Ａのプローブ穴２８は、図２３および図２４に示すように、穴埋め工程２２により、接合ツール１０を余肉部５１ｂ，５２ｂ側から挿入すると、余肉部５１ｂ，５２ｂや部材側面の部材材料が塑性流動してプローブ穴２８側に移動し埋められる。部材上面Ａのプローブ穴２８は穴埋め工程２２やこれに続く接合第２工程２３により材料の塑性流動により部材上面Ａのプローブ穴２８が埋められて消滅する。部材上面Ａのプローブ穴２８が埋められて消滅することにより、応力集中する部材上面Ａにプローブ穴や未接合部の接合欠陥が生じていない突合せ接合が得られた。

接合第２工程２３および接合第３工程４２を実施し、金属部材５０の被接合部材５１，５２同士を突合せ接合して金属材料接合体５５を構成した後、この金属材料接合体５５の摩擦撹拌接合により残された余肉部５１ａ，５１ｂ；５２ａ，５２ｂを切除し、その後、図２６に示す状態で金属材料接合体５５の曲げ試験を実施した。

曲げ試験は、金属材料接合体５５の部材上面Ａを下向きにして支持間隔が、例えば１２０ｍｍで両持ち支持された中央部に試験片５６を押し当て、上方から曲げ荷重を作用させた。試験片５６は、曲率半径Ｒ（Ｒ＝２０ｍｍ）で昇降ストロークするものを用意し、実施例品である金属材料接合体５５の曲げ試験を実施したところ、図２７に示される曲げ試験結果が得られた。

図２７に示された試験結果によると、実施例品の金属材料接合体５５は、図２に示される従来品に比較して、曲げ強度が２３％向上していることが確認できる。

１０ 接合ツール（ＦＳＷツール）
１１ ショルダ部
１２ プローブ部
１３ 金属部材
１４，１５ 被接合部材
１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂ 余肉部（エンドタブ）
２０ 接合方法の開始
２１ 接合第１工程
２２ 穴埋め工程
２３ 接合第２工程
２４ 接合方法の終了
２５ 接合部（突合せ面）
２６ 摩擦撹拌接合部
２７ 製品部
２８ プローブ穴
３０ 抑え治具
３１，３２ 変形拘束治具
３５ ショルダ穴
３７，３８ 応力集中部
４０，４０Ａ 金属材料接合体
４２ 接合第３工程
４３ 接合第４工程
４５，４６ 穴埋め工程
４８ａ，４８ｂ，４８ｃ 余肉部
５０ 金属部材
５１，５２ 被接合部材
５５ 金属材料接合体
５６ 試験片

Claims (8)

1. 端部の断面に複雑形状部を有する被接合部材同士を突合せて長手方向に接合する金属材料の摩擦撹拌接合方法において、
   前記被接合部材同士は、突合せ面の少なくとも一辺の接合終端部の辺延長面上に膨出する余肉部を設け、
   前記被接合部材同士の突合せ面を接合ツールで一辺に沿って接合していき、一辺の突合せ接合を前記余肉部直前で終了させる接合第１工程と、
   前記一辺の突合せ接合に続いて、前記余肉部側から接合ツールを挿入して、前記接合第１工程で残されたプローブ穴を材料の塑性流動により埋める穴埋め工程と、
   この穴埋め工程から先の一辺に続く辺に沿って突合せ接合を行なう接合第２工程とを備えることを特徴とする金属材料の摩擦撹拌接合方法。
2. 前記先の一辺の接合終端部に抑え工具を当接させた状態で前記穴埋め工程を実施する請求項１に記載の金属材料の摩擦撹拌接合方法。
3. 角断面形状を有する矩形の被接合部材同士を突合せて長手方向に接合する金属材料の摩擦撹拌接合方法において、
   前記被接合部材は突合せ面４辺の各接合終端部の辺延長面上に膨出する余肉部をそれぞれ必要に応じて設け、
   前記被接合部材同士の突合せ面を接合ツールで一辺に沿って接合していき、一辺の突合せ接合を前記余肉部直前で終了させる接合第１工程と、
   前記一辺の突合せ接合に続いて、前記余肉部側から接合ツールを挿入して前記接合第１工程で残されたプローブ穴を材料の塑性流動により埋める穴埋め工程と、
   この穴埋め工程からその一辺に続く側辺に沿って突合せ接合を行なう接合第２工程と、
   接合第２工程終了後、被接合部材同士の突合せ面を前記先の一辺と反対側の他辺に沿って接合していき、他辺の突合せ接合を、次の余肉部直前で終了させる他辺側の接合第１工程と、
   前記他辺の突合せ接合に続いて、前記次の余肉部側から接合ツールを挿入して前記他辺側の接合第１工程で残されたプローブ穴を材料の塑性流動により埋める他辺穴埋め工程と、
   第２の穴埋め工程から他辺に続く他側辺に沿って突合せ接合を行なう第２の接合第２工程とを備え、
   前記接合第２工程および第２の接合第２工程は、側辺の突合せ接合を途中あるいは側端側からの折返しにより側辺中央部でそれぞれ終了させることを特徴とする金属材料の摩擦撹拌接合方法。
4. 角断面形状を有する金属材料の矩形の被接合部材同士を突合せて長手方向に接合する金属材料の摩擦撹拌接合方法において、
   前記被接合部材は突合せ面４辺の各接合終端部の辺延長面上に膨出する余肉部をそれぞれ設け、
   前記被接合部材同士の突合せ面を接合ツールで一辺に沿って接合していき、一辺の突合せ接合を前記余肉部直前で終了させる接合第１工程と、
   前記一辺の突合せ接合に続いて、前記余肉部側から接合ツールを挿入して前記接合第１工程で残されたプローブ穴を材料の塑性流動により埋める穴埋め工程と、
   この穴埋め工程からその一辺に続く側辺に沿って接合していき、側辺の突合せ接合を第２の余肉部直前で終了させる接合第２工程と、
   前記側辺の突合せ接合に続いて、前記第２余肉部側から接合ツールを挿入して前記接合第２工程で残されたプローブ穴を材料の塑性流動により埋める側辺穴埋め工程と、
   側辺穴埋め工程に続く前記先の一辺の反対側他辺の被接合部材同士の突合せ面に沿って接合していき、他辺の突合せ接合を、第３の余肉部直前で終了させる接合第３工程と、
   前記他辺の突合せ接合に続いて、前記第３余肉部側から接合ツールを挿入して前記接合第３工程で残されたプローブ穴を材料の塑性流動により埋める他辺穴埋め工程と、
   他辺穴埋め工程に続く反対側側辺の被接合部材同士の突合せ面に沿って接合していき、他側辺の突合せ接合を途中あるいは側端部側から折り返された他側区中央部で終了させることを特徴とする金属材料の摩擦撹拌接合方法。
5. 前記被接合部材同士を突合せ長手方向に接合する摩擦撹拌接合は、接合終了後に余肉部を機械加工により削除する請求項１〜４のいずれか１項に記載の金属材料の摩擦撹拌接合方法。
6. 端部の断面に複雑形状部を有する金属材料の被接合部材同士を突合せて摩擦撹拌接合により長手方向に接合する金属材料接合体において、
   前記被接合部材同士の突合せ面の少なくとも一辺の接合終端部にはプローブ穴の外周部に円形の痕跡と、
   前記一辺に続く辺は接合部を有し、
   前記プローブ穴内部には前記プローブ穴開口部外側に向け塑性流動された材料を備えることを特徴とする金属材料接合体。
7. 前記被接合部材同士の接合終端部を有する前記一辺に続く辺は接合部を備え、
   前記一辺の接合終端部側および前記接合部の一辺側に位置する部位が機械加工による切断面を有する請求項６に記載の金属材料接合体。
8. 前記被接合部材は角断面形状を有する矩形断面で構成されている請求項６または７に記載の金属材料接合体。