(57)【要約】【課題】  本発明は、回転子及びプローブの移動方向と回転方向を必要に応じ両者共に特定して設定し、摩擦撹拌接合を施工することにより信頼性の高い摩擦撹拌接合方法を提供することを課題とする。【解決手段】  そのために、本発明の摩擦撹拌接合方法は、二枚の部材を重ね合わせ、摩擦撹拌接合工具の回転するプローブを挿入し、前記二枚の部材と前記プローブとの接触部を摩擦熱にて軟化させ撹拌して前記二枚の部材を接合する摩擦撹拌接合方法において、前記摩擦撹拌接合工具の移動方向に対し、左右いずれの側がより確実な接合を要するかを決めて、前記プローブの回転方向を設定することを特徴とする。【選択図】        図１
2006095532.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
二枚の部材を重ね合わせ、摩擦撹拌接合工具の回転するプローブを挿入し、前記二枚の部材と前記プローブとの接触部を摩擦熱にて軟化させ撹拌して前記二枚の部材を接合する摩擦撹拌接合方法において、前記摩擦撹拌接合工具の移動方向に対し、左右いずれの側がより確実な接合を要するかを決めて、前記プローブの回転方向を設定することを特徴とする摩擦撹拌接合方法。
【請求項２】
前記二枚の部材の上側の部材の裏面に裏当て具を押圧して設け、前記摩擦撹拌接合工具の移動方向に対し、前記裏当て具が左右いずれの側にあるかにより、前記プローブの回転方向を左右いずれかに設定することを特徴とする請求項１に記載の摩擦撹拌接合方法。
【請求項３】
二枚の部材を重ね合わせ、摩擦撹拌接合工具の回転するプローブを挿入し、前記二枚の部材と前記プローブとの接触部を摩擦熱にて軟化させ撹拌して前記二枚の部材を接合する摩擦撹拌接合方法において、前記プローブの回転方向に対し、左右いずれの側がより確実な接合を要するかを決めて、前記プローブの回転方向が左右いずれかにより前記摩擦撹拌接合工具の移動方向を設定することを特徴とする摩擦撹拌接合方法。
【請求項４】
表面に流体流路用溝を有する下プレートの上に上プレートを重ね合わせ、摩擦撹拌接合工具の回転するプローブを挿入し、前記上下プレートと前記プローブとの接触部を摩擦熱にて軟化させ撹拌して、前記流体流路用溝の周囲に沿って移動して前記上下プレートを接合する摩擦撹拌接合方法において、前記流体流路用溝側を前記プローブのアドバンス側として、前記流体流路用溝の全周囲を摩擦撹拌接合することを特徴とする摩擦撹拌接合方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アルミニウム（アルミニウム合金を含む）等の金属材料、或いは金属材料以外の硬質合成樹脂等を、摩擦撹拌接合（ＦＳＷ：Ｆｒｉｃｔｉｏｎ  Ｓｔｉｒ  Ｗｅｌｄｉｎｇ）により接合する摩擦撹拌接合方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
最近、例えば、アルミニウム等の金属材料を接合する手段として摩擦撹拌接合方法が多く用いられるようになった。
摩擦撹拌接合方法は、例えば、特許文献１及び特許文献２等により公知の技術であり、被接合部材の材質より硬質でかつ、溶融温度の高い材質のツールを被接合部材の接合部に挿入し、この摩擦撹拌接合工具を回転させながら移動することにより、被接合部材との間に発生する摩擦熱で被接合部材を軟化させ接合する方法である。
【０００３】
図８、図９、図１０は、摩擦撹拌接合の一例を示したものであり、あらかじめＬ字形の流体流路用溝３が形成された下プレート２に２個の連通孔６を加工した上プレート１を重ね合わせて、両者を摩擦撹拌接合方法で接合して流体流路を形成している。
図に示すように、一方の連通孔６において、上プレート１に対し、流体流路用溝３の幅方向中心から適当な距離ｆの位置に、径大の円柱状の回転子１１の端部軸線上に径小のピン状のプローブ１２が突出して一体に設けられた摩擦撹拌接合工具１０を高速で回転させながら押圧する。
【０００４】
その結果、摩擦撹拌接合工具１０のプローブ１２の先端部において摩擦熱により、上プレート１が局部的に軟化し撹拌されながら、プローブ１２はさらに深く挿入され、摩擦撹拌接合工具１０の回転子１１の下面が上プレート１の上面に当接するまで挿入される。
次いで流体流路用溝３の幅方向の距離ｆを保ちながら、流体流路用溝３に沿って、例えば図８中の矢印Ｘの方向に、摩擦撹拌接合工具１０を回転させながら移動させる。
【０００５】
この時、摩擦撹拌接合工具１０の回転子１１及びプローブ１２と、上プレート１及び下プレート２の接触部近傍において、摩擦熱により軟化し、かつプローブ１２により撹拌される。
そして、摩擦撹拌接合工具１０の移動に伴って、軟化した摩擦撹拌接合部５がプローブ１２の進行方向の後側に廻り込む様に塑性流動したのち、急速に冷却固化されると同時に上プレート１と下プレート２が接合される。
摩擦撹拌接合工具１０の移動に伴い、この現象を繰返しながら流体流路用溝３の周囲を一周して接合開始点を通過した点で、摩擦撹拌接合工具１０を上方に引き抜いて一連の接合作業を終了する。
【０００６】
この摩擦撹拌接合方法においては、次の問題が発生する。
即ち、図１１、図１２は、軽金属学会第９４回春期大会（１９９８）において発表された、清水文嗣氏らの論文“５０５２アルミニウム合金のＦｒｉｃｔｉｏｎ  Ｓｔｉｒ  ｗｅｌｄｉｎｇ”にも発表された、被接合部材５０、５１を摩擦撹拌接合方法によってΙ型突合せ接合したときの、接合部の表面形状を模式的に示したものである。
図１１において、摩擦撹拌接合工具１０の移動方向Ｘに対して、接合部表面には、回転子１１の直径とほぼ一致した半円形状の模様の摩擦撹拌接合部５が連続的に形成される。
【０００７】
そして、摩擦撹拌接合工具１０の移動方向Ｘの右側の一部には被接合部材が溶融して付着したり、プローブ１２の撹拌による塑性流動の不連続性に起因すると思われる付着物５２や切欠部（ノッチ）５３の発生がしばしば観察されている。
上記実験と同一条件で回転子１１及びプローブ１２の回転方向Ｙによる差異を調べると、摩擦撹拌接合工具１０の移動方向Ｘに対して、回転子１１及びプローブ１２の周辺部回転方向Ｙが反対方向側、即ち摩擦撹拌接合部のリトリーティング側５ｂ（図１１、図１２の右側）に、切欠部５３等が顕著に現われる。
【０００８】
これら付着物５２や切欠部５３の発生した接合部の断面マクロ組織をみると、図１２に示すように、回転子１１及びプローブ１２の周辺部回転方向Ｙと移動方向Ｘとが同じ方向側、即ち摩擦撹拌接合部のアドバンス側５ａ（図１１、図１２の左側）においては、被接合部材５０、５１が軟化し、塑性流動した境界が明確に観察され、接合が必要な範囲で確実に行われていることが明確に現われている。
【０００９】
これに対し、回転子１１及びプローブ１２のリトリーティング側５ｂにおいては、その境界が不明確であり、かつ、被接合部材５０、５１の表面の酸化膜をかみ込んだと見られる付着物５２およびこれらが起因となったと思われる切欠部５３も観察され、接合が不充分であることが観察される。
【００１０】
したがって、リトリーティング側５ｂ（図１１、図１２の右側）においてはアドバンス側５ａ（図１１、図１２の左側）に比較し、接合不良やノッチによる応力集中により機械的強度が当然ながら低下することになる。
以上の結果から、一般の摩擦撹拌接合において、その接合部断面は左右対象ではなく、摩擦撹拌接合工具１０の移動方向Ｘと回転子１１及びプローブ１２の回転方向Ｙにより、より確実に接合する側と、欠陥の生じやすい側が存在することが判明した。
【００１１】
なお、上述のものは、２つの部材を突合せ接合する場合であるが、重合わせ接合の場合においても、同様に、アドバンス側５ａは確実に接合が行われるものの、リトリーティング側５ｂは撹拌が十分に行われず内部に酸化皮膜の一部が残存する等の欠陥が存在する。
【００１２】
【特許文献１】特許第２７９２２３３号公報
【特許文献２】特開平１１−９０６５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明は上記事情に鑑み、回転子１１及びプローブ１２の移動方向と回転方向を必要に応じ両者共に特定して設定し、摩擦撹拌接合を施工することにより信頼性の高い摩擦撹拌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】
【００１４】
上記の問題点に対し本発明は、以下の各手段を以て課題の解決を図る。
（１）第１の手段の摩擦撹拌接合方法は、二枚の部材を重ね合わせ、摩擦撹拌接合工具の回転するプローブを挿入し、前記二枚の部材と前記プローブとの接触部を摩擦熱にて軟化させ撹拌して前記二枚の部材を接合する摩擦撹拌接合方法において、前記摩擦撹拌接合工具の移動方向に対し、左右いずれの側がより確実な接合を要するかを決めて、前記プローブの回転方向を設定することを特徴とする。
【００１５】
（２）第２の手段の摩擦撹拌接合方法は、第１の手段において、前記二枚の部材の上側の部材の裏面に裏当て具を押圧して設け、前記摩擦撹拌接合工具の移動方向に対し、前記裏当て具が左右いずれの側にあるかにより、前記プローブの回転方向を左右いずれかに設定することを特徴とする。
【００１６】
（３）第３の手段の摩擦撹拌接合方法は、二枚の部材を重ね合わせ、摩擦撹拌接合工具の回転するプローブを挿入し、前記二枚の部材と前記プローブとの接触部を摩擦熱にて軟化させ撹拌して前記二枚の部材を接合する摩擦撹拌接合方法において、前記プローブの回転方向に対し、左右いずれの側がより確実な接合を要するかを決めて、前記プローブの回転方向が左右いずれかにより前記摩擦撹拌接合工具の移動方向を設定することを特徴とする。
【００１７】
（４）第４の手段の摩擦撹拌接合方法は、表面に流体流路用溝を有する下プレートの上に上プレートを重ね合わせ、摩擦撹拌接合工具の回転するプローブを挿入し、前記上下プレートと前記プローブとの接触部を摩擦熱にて軟化させ撹拌して、前記流体流路用溝の周囲に沿って移動して前記上下プレートを接合する摩擦撹拌接合方法において、前記流体流路用溝側を前記プローブのアドバンス側として、前記流体流路用溝の全周囲を摩擦撹拌接合することを特徴とする
【発明の効果】
【００１８】
特許請求の範囲に記載の請求項１〜４に係る発明は、上記の（１）〜（４）に記載の各手段を採用しているので、流体流路用溝側を摩擦撹拌接合工具の周辺部回転方向と移動方向とが同じ方向側、即ち摩擦撹拌接合部のアドバンス側として撹拌接合するようにしたので、流体流路用溝側は欠陥の少ない摩擦撹拌接合とすることができ、摩擦撹拌接合の信頼性を高めることができる。
そして、従来の方法では、流体流路用溝側に撹拌接合部分が不連続にはみ出したり、欠陥が生じたりしていたが、本発明では、はみ出し及び欠陥が無くなるため、乱流の発生が防止され、且つ、流路の断面積も計画通りに確保されるので圧力損失もなくなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、図面を参照にて、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る、摩擦撹拌接合工具を左方向に回転させながら流体流路用溝の周辺を右廻りに移動する摩擦撹拌接合方法を示す平面図、図２は、図１のＡ−Ａ断面図である。
図３は、本発明の第２の実施の形態に係る、摩擦撹拌接合工具を右回転しながら、流体流路用溝の周辺を左廻りに移動する摩擦撹拌接合方法を示す平面図である。
図４は、摩擦撹拌接合後の流体流路用溝付近の横断面図であり、（ａ）は本発明の各実施の形態に係る方法での摩擦撹拌接合後の横断面図、（ｂ）は従来の方法での横断面図である。
図５は、本発明の第１、２の実施の形態に係る摩擦撹拌接合工具を使用にて接合する集積配管プレートの一例を示す斜視図である。
図６は、本発明の第３の実施の形態に係る、裏当て具を用いて端面を接合する摩擦撹拌接合方法を示す平面図、図７は図６のＢ−Ｂ断面である。
【００２０】
先ず、図５に基づき、摩擦撹拌接合を行う集積配管プレートの構造の一例につき説明する。
図５に示すように、集積配管プレートは、上プレート１と下プレート２とにより構成されている。
この上プレート１の表面には、燃料電池発電システムなどの装置の複数の接続機器９等が配設される。
そして、各接続機器９は、摩擦撹拌接合された上プレート１及び下プレート２と、取付ボルト７及びナット８等により一体的に固定される。
【００２１】
下プレート２の上プレート１との接合面４には、上プレート１上の複数の接続機器９間を接続する複数本の流体流路が形成されている。
各流体流路は、複数の流体流路用溝３（３ａ，３ｂ）を有する下プレート２と上プレート１と重ね合わせて、各流体流路用溝３の周囲を液密に摩擦撹拌接合することにより形成される。
流体流路は、曲がったり、複数本並べて設けられたりしている。
この各流体流路は、上プレート１に明けられた各連通孔６を介して各接続機器９に接続されるようになっている。
即ち、流体流路及び連通孔６は、集積配管プレート上の各機器に必要な流体（液体やガス）が流動するための配管の機能を担うものである。
【００２２】
次に、図１、図２に基づき、本発明の第１の実施の形態に係る、摩擦撹拌接合工具の回転子及びプローブを左方向に回転させながら流体流路用溝の周辺を右廻りに移動する摩擦撹拌接合方法を説明する。
図１、図２は、図５の集積配管プレートにおいて、１本の流体流路用溝３の周囲を摩擦撹拌接合する方法を示しており、流体流路用溝３は、直線状のものに限らず図５に図示のように湾曲したもの、２本の流体流路用溝３が接近したもの等の色々な形状のものがある。
【００２３】
下プレート２には、あらかじめ流体流路用溝３が形成されている。
その下プレート２の上面に上プレート１を重ね合わせ密着させる。
そして、摩擦撹拌接合工具１０の回転子１１及びプローブ１２を回転方向Ｙの方向に回転させながら、上プレート１の上面から押し当てて、上プレート１及び下プレート２とプローブ１２との接触部を摩擦熱にて軟化させ撹拌する。
この摩擦撹拌接合工具１０を、流体流路用溝３の周辺を全周にわたって、移動方向Ｘの方向に移動させながら摩擦撹拌接合により接合する。
【００２４】
この場合、摩擦撹拌接合工具１０の回転子１１の下端（ショルダー部）の半径をＤ、回転子１１（プローブ１２）の中心から流体流路用溝３の側面迄の距離をＬとすると、０．５×Ｄ≦Ｌ≦０．８×Ｄ”とすることが好ましい。
即ち、上プレート１の表面から深くなるにしたがって、摩擦撹拌接合部分の範囲が若干小さくなるため、上プレート１と下プレート２との接合部の流体流路用溝３角部が、摩擦撹拌接合の範囲内におさまるようにするために、Ｌ≦０．８×Ｄとする必要がある。
また、Ｌ＜０．５×Ｄとすると、流体流路用溝３の側壁の変形が大きくなる。
これにより、更に、摩擦撹拌接合後における流体流路用溝３角部付近の隙間をなくすることが可能となり、上プレート１、下プレート２の変形を最小限に抑えられる。
【００２５】
このようにして、流体流路用溝３の全周囲は、気密性或いは液密性が確保され、流体流路が形成される。
形成された流体流路は、図５に図示のように接続機器９、９等間を接続する配管としての機能を担い、流体流路内を高圧の流体や腐食成分等の不純物を含む流体が流動することになる。
【００２６】
したがって、流体流路用溝３の両側面の接合部は、流体流路用溝３に対向する側に非接合部が生じたり酸化膜等の不純物の介在またはノッチの発生等が極力少ないことが必要がある。
そこで、上記目的を達成する施工方法として、図１に図示のように、回転子１１及びプローブ１２を回転方向Ｙ（反時計方向）に左回転させ、流体流路用溝３の中心からの適当な間隔を保ちながら、流体流路用溝３の周辺に沿って移動方向Ｘ（時計廻り）に移動しながら流体流路用溝３の全周囲を摩擦撹拌接合する。
【００２７】
この場合、先ず、摩擦撹拌接合工具１０の移動方向Ｘに向って、右側または左側のどちらが、より欠陥の少ない接合が必要であるかを見極める。
その後、例えば、図１に示すように、摩擦撹拌接合工具１０の移動方向Ｘの右側（流体流路用溝３側）に、より確実な接合断面を要するならば、摩擦撹拌接合工具１０の回転子１１及びプローブ１２を回転方向Ｙの方向に左回転（反時計方向）するように設定する。
【００２８】
なお、摩擦撹拌接合工具１０の移動方向Ｘと、回転子１１及びプローブ１２の周囲の回転方向Ｙとが同じ方向になる側を、摩擦撹拌接合のアドバンス側と言い、移動方向Ｘと回転方向Ｙとが反対方向になる側を、摩擦撹拌接合のリトリーティング側という。
【００２９】
また、図３に図示の本発明の第２の実施の形態のごとく、摩擦撹拌接合工具１０の移動方向Ｘの左側（流体流路用溝３側）が重要であるならば、回転子１１及びプローブ１２を回転方向Ｙの方向に右回転（時計方向）するように設定する。
【００３０】
このようにして、流体流路用溝３側が摩擦撹拌接合部のアドバンス側５ａになるようにして、通常の摩擦撹拌接合を行う。
このとき、回転子１１及びプローブ１２の回転方向Ｙを決めてから、摩擦撹拌接合工具１０の移動方向Ｘを決定することも有効である。
【００３１】
上述のように摩擦撹拌接合することにより、図２に図示のように、回転子１１及びプローブ１２と流体流路用溝３と間の摩擦撹拌接合部のアドバンス側５ａは、切欠部（ノッチ）５３等の接合不良はなく、良好な摩擦撹拌接合が行われる。
一方、回転子１１及びプローブ１２の流体流路用溝３の反対側の摩擦撹拌接合部のリトリーティング側５ｂには、切欠部５３が生じるが、リトリーティング側５ｂは、流体を流すのには無関係なため、切欠部５３が生じても問題はない。
【００３２】
なお、下プレート２に２本の流体流路用溝３が接近して設けられている場合、２本の流体流路用溝３の各々について、流体流路用溝３側が、常に摩擦撹拌接合のアドバンス側になるように摩擦撹拌接合を行うため、２本の流体流路用溝３の間は往復することになる。
【００３３】
図４は、摩擦撹拌接合後の流体流路用溝付近の横断面図であり、（ａ）は本発明の各実施の形態に係る方法での摩擦撹拌接合後の横断面図、（ｂ）は従来の方法での横断面図である。
従来のように、流体流路用溝３側をリトリーティング側とした場合、図４（ｂ）に図示のように、上プレート１と下プレート２との摩擦撹拌接合部の流体流路用溝３の角部Ｂが、流体流路用溝３側にはみ出している。
これに対し、本発明の第１、２の実施の形態に係る摩擦撹拌接合方法のごとく、流体流路用溝３側を常にアドバンス側になるように摩擦撹拌接合を行うことにより、図４（ａ）に図示のように、上プレート１と下プレート２との摩擦撹拌接合部の流体流路用溝３の角部Ａは、流体流路用溝３側にはみ出すことはない。
これにより、流体流路用溝３の流路の断面積も計画通りに確保されるので圧力損失もなくなる。
【００３４】
次に、図６、図７に基づき、本発明の第３の実施の形態に係る摩擦撹拌接合方法を説明する。
図６、図７は、裏当て具４を用いて、摩擦撹拌接合方法を適用した例を示す。
即ち、図６、図７に図示のように、上プレート１にリブ等の下プレート２の先端を摩擦撹拌接合するために、裏当て具４を上プレート１および下プレート２に密着して固定する。
そして、下プレート２の端面が摩擦撹拌接合工具１０の移動方向Ｘの左側にあるときは、回転子１１及びプローブ１２を回転方向Ｙの方向に右回転（時計方向）させながら、摩擦撹拌接合工具１０を移動方向Ｘに向かって移動させ、上プレート１と下プレート２とを摩擦撹拌接合する。
【００３５】
また、下プレート２の端面が摩擦撹拌接合工具１０の移動方向の右側にあるときは、摩擦撹拌接合工具１０を、回転子１１及びプローブ１２を回転方向の方向に左回転（反時計方向）させながら、移動方向に向かって移動させ、上プレート１と下プレート２とを摩擦撹拌接合する。
このようにして、常に下プレート２の端面側が摩擦撹拌接合部のアドバンス側５ａになるようにして摩擦撹拌接合を行う。
【００３６】
その結果、本発明の第１、２の実施の形態のものと同様の作用効果を奏すると共に、図７に図示のように、下プレート（リブ等も含む）２の端面側の接合部には不純物の介在やノッチ、または接合不良などの欠陥がなく、良好な接合が行われる。
このため、機械強度が高く保たれ、摩擦撹拌接合部の端面における局部応力集中による被労破壊などの事故が防止できる。
【００３７】
以上、本発明の第１〜３の実施の形態について説明したが、本発明は上記の各実施の形態に限定されず、本発明の範囲内でその具体的構造に種々の変更を加えてよいことはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る、摩擦撹拌接合工具を左方向に回転させながら流体流路用溝の周辺を右廻りに移動する摩擦撹拌接合方法を示す平面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ断面図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態に係る、摩擦撹拌接合工具を右回転しながら、流体流路用溝の周辺を左廻りに移動する摩擦撹拌接合方法を示す平面図である。
【図４】摩擦撹拌接合後の流体流路用溝付近の横断面図であり、（ａ）は本発明の各実施の形態に係る方法での摩擦撹拌接合後の横断面図、（ｂ）は従来の方法での横断面図である。
【図５】本発明の第１、２の実施の形態に係る摩擦撹拌接合工具を使用にて接合する集積配管プレートの一例を示す斜視図である。
【図６】本発明の第３の実施の形態に係る、裏当て具を用いて端面を接合する摩擦撹拌接合方法を示す平面図である。
【図７】図６のＢ−Ｂ断面である。
【図８】従来の重ね合わせ摩擦撹拌接合の一例を示す平面図である。
【図９】図８のＣ−Ｃ断面図である。
【図１０】図８のＤ−Ｄ断面図である。
【図１１】従来の突合せ摩擦撹拌接合の例を示す平面図である。
【図１２】図１１のＥ−Ｅ断面図である。
【符号の説明】
【００３９】
１      上プレート
２      下プレート
３、３ａ、３ｂ      流体流路用溝
４      裏当て具
５      摩擦撹拌接合部
５ａ    摩擦撹拌接合部のアドバンス側
５ｂ    摩擦撹拌接合部のリトリーティング側
６      連通孔
７      取付ボルト
８      ナット
９      接続機器
１０    摩擦撹拌接合工具
１１    回転子
１２    プローブ
Ｘ      移動方向矢印
Ｙ      回転方向
５０、５１    接合部材
５２    付着物
５３    切欠部（ノッチ）
【図１】
2006095532.tif 000003
【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】
2006095532.tif 000009
【図８】
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【図９】
2006095532.tif 000011
【図１０】
2006095532.tif 000012
【図１１】
2006095532.tif 000013
【図１２】
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