(57)【要約】【課題】めっきや塗装を施した被接合材を接合する場合であっても、健全な接合、特に接合始点において健全な接合が得られる接合方法を提供することを課題とする。【解決手段】図（ｂ）に示す供試材Ｂは、接合ツール２４を接合始点２２から挿入し（挿入工程）、折り返し点１９まで後進させ（後進工程）、折り返し点１９で前進に転じ（折り返し工程）、続いて接合終点２１まで前進させ（前進工程）、接合終点２１で上昇させる（引き抜き工程）ことで、得る。【効果】接合始点と、この接合始点よりも接合終点と逆側に設定される折り返し点との間で、接合ツールを往復させる。高速で回転するピン部を往復させることで、往路で界面に留まるめっき層などが、復路で巻き上げられ溶融金属内に分散化され、結果、界面での破断は解消される。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
母材にこの母材とは異なる物質を被せてなる第１の部材へ、第２の部材を重ね、この第２の部材側から挿入する接合ツールにより、前記第２の部材を前記第１の部材に接合する摩擦撹拌接合方法であって、
接合始点と接合終点とを通る接合線上にて前記接合始点に前記接合ツールを臨ませ、この接合ツールを前記第２の部材へ挿入する挿入工程と、
前記接合ツールを前記接合線に沿って前記接合始点とは逆側へ所定距離移動する後進工程と、
前記接合始点から所定距離離れた折り返し点で折り返す折り返し工程と、
この折り返し工程に続いて前記接合ツールを前記接合線に沿って前記接合終点まで前進させる前進工程と、
前記接合終点にて前記接合ツールを前記第２の部材から抜く引き抜き工程とからなる摩擦撹拌接合方法。
【請求項２】
前記第１の部材は、めっき鋼板であり、前記母材は鋼板であり、前記母材と異なる物質はめっき層であることを特徴とする請求項１記載の摩擦撹拌接合方法。
【請求項３】
前記所定距離は、前記接合ツールのピン部の外径の０．７５倍〜１．５倍であることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の摩擦撹拌接合方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は摩擦撹拌接合技術の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
摩擦撹拌接合法は、高速で回転する接合ツールを被接合材に当て、発生する摩擦熱で被接合材同士を接合する接合法である。
ただし、接合ツールを被接合材に挿入する接合始点や、接合ツールを被接合材から抜く接合終点に痕が残り、そこから疲労亀裂が発生する心配がある。対策として、接合中心線から外れた位置に接合始点又は接合終点を設けることが提案されている（例えば、特許文献１（図４）参照。）。
【０００３】
特許文献１の図４に示されるように、接合中心線Ｘ上の接合起点（１７）（括弧付き数字は、特許文献１に記載された符号を示す。以下同様）から接合中心線Ｘに対して横方向に一定距離離れた位置にＦＳＷ開始部（３０ｅ）を定める。ＦＳＷ開始部（３０ｅ）から接合を開始し、接合起点（１７）を介して接合終点（１８）まで接合を実施する。
接合起点（１７）は、ＦＳＷ開始部（３０ｅ）から離れているため、疲労亀裂の開始点になる心配がない。
【０００４】
ところで、近年、被接合材にめっきや塗装を施したものが使用されるようになってきた。すると、めっき物や塗料が接合界面に悪影響を及ぼす。特許文献１の技術で接合しても、接合起点（１７）での接合界面における接合不良が認められた。
そこで、めっきや塗装を施した被接合材を接合する場合であっても、健全な接合、特に接合始点において健全な接合が得られる接合方法が求められる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第４４３６０９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、めっきや塗装を施した被接合材を接合する場合であっても、健全な接合、特に接合始点において健全な接合が得られる接合方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１に係る発明は、母材にこの母材とは異なる物質を被せてなる第１の部材へ、第２の部材を重ね、この第２の部材側から挿入する接合ツールにより、前記第２の部材を前記第１の部材に接合する摩擦撹拌接合方法であって、
接合始点と接合終点とを通る接合線上にて前記接合始点に前記接合ツールを臨ませ、この接合ツールを前記第２の部材へ挿入する挿入工程と、
前記接合ツールを前記接合線に沿って前記接合始点とは逆側へ所定距離移動する後進工程と、
前記接合始点から所定距離離れた折り返し点で折り返す折り返し工程と、
この折り返し工程に続いて前記接合ツールを前記接合線に沿って前記接合終点まで前進させる前進工程と、
前記接合終点にて前記接合ツールを前記第２の部材から抜く引き抜き工程とからなることを特徴とする。
【０００８】
請求項２に係る発明では、第１の部材は、めっき鋼板であり、母材は鋼板であり、母材と異なる物質はめっき層であることを特徴とする。
【０００９】
請求項３に係る発明では、所定距離は、接合ツールのピン部の外径の０．７５倍〜１．５倍であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
請求項１に係る発明では、接合始点と、この接合始点よりも接合終点と逆側に設定される折り返し点との間で、接合ツールを往復させる。高速で回転するピン部を往復させることで、往路で界面に留まるめっき層などが、復路で巻き上げられ溶融金属内に分散化され、結果、界面での破断は解消される。
よって、本発明によれば、めっきや塗装を施した被接合材を接合する場合であっても、健全な接合、特に接合始点において健全な接合が得られる接合方法が提供される。
【００１１】
請求項２に係る発明では、第１の部材は、めっき鋼板であり、母材は鋼板であり、母材と異なる物質はめっき層である。めっき層は堅く、通常の摩擦撹拌接合では、接合始点近傍での分散化が困難である。この点、本発明は、接合ツールを往復させるため、剥離しためっき層を溶融金属に分散させることができる。
【００１２】
請求項３に係る発明では、所定距離は、接合ツールのピン部の外径の０．７５倍〜１．５倍である。所定距離は、ピン部の外径の１．０倍前後を基本とする。０．７５倍未満では距離が不足して撹拌不十分な領域が出現する。また、折り返し部は切除されるため、１．５倍を超えると歩留まりが低下する。歩留まりを考慮すると、１．５倍に留めたい。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明方法で製造された摩擦撹拌接合部材の断面図である。
【図２】図１の２部拡大部である。
【図３】摩擦撹拌接合部材の平面図である。
【図４】本発明に係る挿入工程〜後進工程を説明する図である。
【図５】本発明に係る折り返し工程〜引き抜き工程を説明する図である。
【図６】供試材Ａ，Ｂの断面図である。
【図７】供試材Ａ，Ｂの引張強度を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の実施の形態を添付図に基づいて以下に説明する。
【実施例】
【００１５】
図１に示すように、摩擦撹拌接合方法で製造された摩擦撹拌接合部材１０は、第１の部材１１と、第２の部材１２と、この第２の部材１２を第１の部材１１に接合するビード１３とからなる。
【００１６】
第１の部材１１は、例えば合金化溶融めっき鋼板（以下、めっき鋼板と記す。）である。以下、第１の部材１１をめっき鋼板１１と読み替える。
第２の部材１２は、例えばアルミニウム合金板である。アルミニウム合金板は、例えば、厚さが３．０ｍｍのＡＤＣ３−Ｔ５材である。第２の部材１２をアルミニウム合金板１２と読み替える。
【００１７】
図２に示すように、めっき鋼板１１は、例えば、２７０ＭＰａ級亜鉛鋼板であって、母材としての鋼板１５と、この鋼板１５に被せられる、被覆としての合金溶融めっき法によるめっき層１６と、このめっき層１６に被されられる被覆としてのカチオン電着層１７とからなる。例えば、めっき鋼板１１は、厚さが２．０ｍｍである。めっき層１６の厚さは５〜６μｍであり、カチオン電着層１７の厚さは２０μｍ（上限値）である。
【００１８】
図３に示すように、ビード１３は、接合線１８に沿って延びるが、この接合線１８は、折り返し点１９と接合終点２１の間を連続して形成される。接合始点２２は、折り返し点１９から接合始点２２へ所定距離Ｌだけ離れた、接合線１８の途中にある。
【００１９】
以上に述べた摩擦撹拌接合部材１０の製造方法を次に述べる。
図４（ａ）に示すように、めっき鋼板１１にアルミニウム合金板１２を載せ、このアルミニウム合金板１２の接合始点２２の上方に接合ツール２４を臨ませる。
接合ツール２４は、ショルダ部２５とピン部２６とを備える。ピン部２６の外径は７．２ｍｍで、長さは３．１ｍｍである。
【００２０】
（ｂ）に示すように、高速回転させる接合ツール２４のピン部２６は、アルミニウム合金板１２を貫通して先端が界面に到達する（挿入工程）。
【００２１】
（ｂ）の要部拡大図である（ｃ）に示すように、接合ツール２４を図左へ距離Ｌだけ移動させる。この距離Ｌは、ピン部２６の外径７．２とほぼ同一の８ｍｍが適当である。
すなわち、接合ツール２４を接合始点２２から折り返し点１９まで後進させる（後進工程）。
【００２２】
図５（ａ）に示すように、接合ツール２４が折り返し点１９に到達すると、接合始点２２から折り返し点１９までの間において、高速回転するピン部２６により、めっき層１６及びカチオン電着層１７が削られる。
ピンが横移動する時のピン部２６の進行方向先端部がめっき層およびカチオン電着層をかき分ける時が、効果的にめっき層およびカチオン電着層を削ることができる。それを考えると、接合始点２２近傍は挿入工程でピンが上から挿入されるのみであり、横移動によりピン部２６の進行方向先端部が掻き分けることができず、削られためっき層１６やカチオン電着層１７は、界面（めっき鋼板１１とアルミニウム合金板１２の間）に比較的多く留まると推測される。
接合ツール２４を折り返し点１６で後進から前進へ切り換える（折り返し工程）。
【００２３】
（ｂ）に示すように、接合ツール２４を前進させる（前進工程）。この前進工程では、まず接合ツール２４は、折り返し点１９から接合始点２２まで前進する。接合始点２２近傍で、界面付近に留まっている、削られためっき層１６やカチオン電着層１７は、ピン部２６で改めて撹拌される。この撹拌により、界面付近のめっき層１６やカチオン電着層１７は、溶融金属内に撹拌され、分散される。
なお、接合ツール２４は、接合始点２２で止めることなく、連続的に前進させる。
【００２４】
接合終点２１で接合ツール２４を上昇させる（引き抜き工程）。すると（ｃ）に示すように、めっき鋼板１１とアルミニウム合金板１２とビード１３とからなる摩擦撹拌接合部材１０が得られる。
【００２５】
本発明の後進工程、折り返し工程及び前進工程の初期工程の効果を確かめるために、次に述べる実験を行った。
【００２６】
（実験例）
本発明に係る実験例を以下に述べる。なお、本発明は実験例に限定されるものではない。
【００２７】
○供試材：
供試材として、図６（ａ）、（ｂ）に示す２種を準備した。
図６（ａ）に示す供試材Ａは、比較例であって、接合ツール２４を接合始点２２から挿入し（挿入工程）、接合終点２１まで前進させ（前進工程）、接合終点２１で上昇させる（引き抜き工程）ことで、得たものである。
【００２８】
（ｂ）に示す供試材Ｂは、実施例であって、接合ツール２４を接合始点２２から挿入し（挿入工程）、折り返し点１９まで後進させ（後進工程）、折り返し点１９で前進に転じ（折り返し工程）、続いて接合終点２１まで前進させ（前進工程）、接合終点２１で上昇させる（引き抜き工程）ことで、得たものである。
【００２９】
供試材Ａ、Ｂともに、同一条件（接合ツールの回転速度：毎分１０００回転、移動速度：毎分５００ｍｍ）で摩擦撹拌接合を実施した。
【００３０】
○供試材Ａからテストピース作製：
供試材Ａの溶接線の端部のうち始点に近い端部を２５ｍｍ幅で切断することによりテストピースを得た。同一条件で８回の摩擦撹拌接合を実施し、供試体Ａのテストピースは８つ製作した。
【００３１】
○供試材Ｂからテストピース作製：
供試材Ｂの溶接線の端部のうち始点に近い端部を２５ｍｍ幅で切断することによりテストピースを得た。同一条件で８回の摩擦撹拌接合を実施し、供試体Ｂのテストピースは８つ製作した。
【００３２】
○供試材Ａ、Ｂから得たテストピースによる引張試験：
得られたテストピース（Ｔ．Ｐ）を引張試験機にかけ、引張強度を測定した。ただし、測定値はＰａ（パスカル）ではなく、Ｗ＝２５ｍｍ当たりのＮ（ニュートン）で表示する。
測定結果を、表１に示す。
【００３３】
【表１】
2014057987.tif 000003
【００３４】
供試材Ａに係るＴ．Ｐ１〜Ｔ．Ｐ８における引張強度は、最大が７３３３Ｎ、最小が５９１６Ｎ、平均が６６９３Ｎであった。
一方、供試材Ｂに係るＴ．Ｐ１〜Ｔ．Ｐ８における引張強度は、最大が９２６８Ｎ、最小が８３７６Ｎ、平均が８８０７Ｎであった。
【００３５】
図７に示すように、供試材Ａでは、引張強度がバラツキが大きく且つ平均値が小さい。一方、供試材Ｂは、供試材Ａに比較して引張強度のバラツキが小さく且つ平均値が大きい。
【００３６】
加えて、供試材Ａに係るＴ．Ｐ１〜Ｔ．Ｐ８の破断部位は界面であった。一方、供試材Ｂに係るＴ．Ｐ１〜Ｔ．Ｐ８の破断部位は、ＴＭＡＺ（Ｔｈｅｍｏ−Ｍｅｃａｎｉｃａｌｌｙ  Ａｆｆｅｃｔｅｄ  Ｚｏｎｅ、塑性流動部）であり、母材に寄った部位であった。
【００３７】
以上のことから、供試材Ａ（図６（ａ））では、母材から剥離しためっき層などが、界面に留まっており、そのために界面で破断が起こったと推測される。
この点、本発明では、ピン部を往復させることで、往路で界面に留まるめっき層などが、復路で巻き上げられ溶融金属内に分散化され、結果、界面での破断は解消されたと考えられる。
【００３８】
尚、第１の部材は、めっき鋼板の他、塗装鋼板、酸化膜被覆鋼板の他、他の金属板であってもよく、母材と異なる物質で被覆された鋼板であれば、種類は問わない。
また、第２の部材は、アルミニウム合金板の他、他の金属板であってもよく、種類は問わない。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明は、めっき鋼板とアルミニウム合金板とを接合する摩擦撹拌接合方法に好適である。
【符号の説明】
【００４０】
１０…摩擦撹拌接合部材、１１…第１の部材（めっき鋼板）、１２…第２の部材（アルミニウム合金板）、１３…ビード、１５…母材（鋼板）、１６…被覆（めっき層）、１７…被覆（カチオン電着層）、１８…接合線、１９…折り返し点、２１…接合終点、２２…接合始点、２４…接合ツール、２６…ピン部、Ｌ…所定距離。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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