(57)【要約】【課題】接合部の金属不足を防ぐとともに接合後の金属部材を平坦にする。【解決手段】第一金属部材１の一端側の端面１ａと第二金属部材２の一端側の端面２ａとを突き合わせ、且つ第一金属部材１及び第二金属部材２の他端側に対して一端側が高くなるように第一金属部材１及び第二金属部材２を傾斜させた状態で突合せ部を形成する突合せ工程と、第一金属部材１又は第二金属部材２に面接触するように補助部材１０を配置する配置工程と、回転する攪拌ピンＦ２を補助部材１０の表面側から挿入し、攪拌ピンＦ２のみを第一金属部材１、第二金属部材２及び補助部材１０に接触させた状態で突合せ部Ｊに沿って回転ツールＦを相対移動させて第一金属部材１、第二金属部材２及び補助部材１０を接合する摩擦攪拌工程と、を含むことを特徴とする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
攪拌ピンを備えた回転ツールを用いて第一金属部材と第二金属部材とを接合する接合方法であって、
前記第一金属部材の一端側の端面と前記第二金属部材の一端側の端面とを突き合わせ、且つ前記第一金属部材及び前記第二金属部材の他端側に対して一端側が高くなるように前記第一金属部材及び前記第二金属部材を傾斜させた状態で突合せ部を形成する突合せ工程と、
前記第一金属部材又は前記第二金属部材に面接触するように補助部材を配置する配置工程と、
回転する前記攪拌ピンを前記補助部材の表面側から挿入し、前記攪拌ピンのみを前記第一金属部材、前記第二金属部材及び前記補助部材に接触させた状態で前記突合せ部に沿って前記回転ツールを相対移動させて前記第一金属部材、前記第二金属部材及び前記補助部材を接合する摩擦攪拌工程と、を含むことを特徴とする接合方法。
【請求項２】
バリが形成された前記補助部材を前記第一金属部材又は前記第二金属部材から除去する除去工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の接合方法。
【請求項３】
前記摩擦攪拌工程では、摩擦攪拌接合で発生するバリが前記補助部材に形成されるように接合条件を設定することを特徴とする請求項２に記載の接合方法。
【請求項４】
攪拌ピンを備えた回転ツールを用いて第一金属部材と第二金属部材とを接合する接合方法であって、
前記第一金属部材の一端側の端面と前記第二金属部材の一端側の端面とを突き合わせ、且つ前記第一金属部材及び前記第二金属部材の他端側に対して一端側が高くなるように前記第一金属部材及び前記第二金属部材を傾斜させた状態で突合せ部を形成する突合せ工程と、
前記第一金属部材及び前記第二金属部材上に補助部材を配置する配置工程と、
回転する前記攪拌ピンを前記補助部材の表面側から挿入し、前記攪拌ピンのみを前記第一金属部材、前記第二金属部材及び前記補助部材に接触させた状態で前記突合せ部に沿って前記回転ツールを相対移動させて前記第一金属部材、前記第二金属部材及び前記補助部材を接合する摩擦攪拌工程と、を含むことを特徴とする接合方法。
【請求項５】
バリが形成された前記補助部材を前記第一金属部材及び前記第二金属部材から除去する除去工程を含むことを特徴とする請求項４に記載の接合方法。
【請求項６】
前記配置工程では、前記補助部材を前記第一金属部材及び前記第二金属部材のいずれか一方に載置しつつ、前記補助部材の端部が前記突合せ部を挟んで他方の金属部材側に突出するように配置し、
前記摩擦攪拌工程では、前記補助部材のうち当該補助部材が載置された一方の金属部材側に摩擦攪拌接合で発生するバリが形成されるように接合条件を設定することを特徴とする請求項５に記載の接合方法。
【請求項７】
攪拌ピンを備えた回転ツールを用いて第一金属部材と第二金属部材とを接合する接合方法であって、
前記第一金属部材の一端側の端面と前記第二金属部材の一端側の端面とを突き合わせ、且つ前記第一金属部材又は前記第二金属部材の他端側に対して一端側が高くなるように前記第一金属部材及び前記第二金属部材のいずれか一方を傾斜させた状態で突合せ部を形成する突合せ工程と、
前記第一金属部材又は前記第二金属部材に面接触するように補助部材を配置する配置工程と、
回転する前記攪拌ピンを前記補助部材の表面側から挿入し、前記攪拌ピンのみを前記第一金属部材、前記第二金属部材及び前記補助部材に接触させた状態で前記突合せ部に沿って前記回転ツールを相対移動させて前記第一金属部材、前記第二金属部材及び前記補助部材を接合する摩擦攪拌工程と、を含むことを特徴とする接合方法。
【請求項８】
前記突合せ工程では、第一金属部材及び前記第二金属部材を載置する載置部に形成された段差を利用して前記第一金属部材及び前記第二金属部材のいずれか一方を傾斜させ、前記第一金属部材及び前記第二金属部材のいずれか他方を前記載置部上に水平に載置することを特徴とする請求項７に記載の接合方法。
【請求項９】
バリが形成された前記補助部材を前記第一金属部材又は前記第二金属部材から除去する除去工程を含むことを特徴とする請求項７または請求項８に記載の接合方法。
【請求項１０】
前記摩擦攪拌工程では、摩擦攪拌接合で発生するバリが前記補助部材に形成されるように接合条件を設定することを特徴とする請求項９に記載の接合方法。
【請求項１１】
攪拌ピンを備えた回転ツールを用いて第一金属部材と第二金属部材とを接合する接合方法であって、
前記第一金属部材の一端側の端面と前記第二金属部材の一端側の端面とを突き合わせ、且つ前記第一金属部材又は前記第二金属部材の他端側に対して一端側が高くなるように前記第一金属部材及び前記第二金属部材のいずれか一方を傾斜させた状態で突合せ部を形成する突合せ工程と、
前記第一金属部材及び前記第二金属部材上に補助部材を配置する配置工程と、
回転する前記攪拌ピンを前記補助部材の表面側から挿入し、前記攪拌ピンのみを前記第一金属部材、前記第二金属部材及び前記補助部材に接触させた状態で前記突合せ部に沿って前記回転ツールを相対移動させて前記第一金属部材、前記第二金属部材及び前記補助部材を接合する摩擦攪拌工程と、を含むことを特徴とする接合方法。
【請求項１２】
前記突合せ工程では、第一金属部材及び前記第二金属部材を載置する載置部に形成された段差を利用して前記第一金属部材及び前記第二金属部材のいずれか一方を傾斜させ、前記第一金属部材及び前記第二金属部材のいずれか他方を前記載置部上に水平に載置することを特徴とする請求項１１に記載の接合方法。
【請求項１３】
バリが形成された前記補助部材を前記第一金属部材及び前記第二金属部材から除去する除去工程を含むことを特徴とする請求項１１または請求項１２に記載の接合方法。
【請求項１４】
前記配置工程では、前記補助部材を前記第一金属部材及び前記第二金属部材のいずれか一方に載置しつつ、前記補助部材の端部が前記突合せ部を挟んで他方の金属部材側に突出するように配置し、
前記摩擦攪拌工程では、前記補助部材のうち当該補助部材が載置された一方の金属部材側に摩擦攪拌接合で発生するバリが形成されるように接合条件を設定することを特徴とする請求項１３に記載の接合方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属部材同士を摩擦攪拌で接合する接合方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、特許文献１には、第一金属部材と第二金属部材とを摩擦攪拌で接合する接合方法が開示されている。当該接合方法では、第一金属部材と第二金属部材とを突き合わせて突合せ部を形成した後、回転ツールの攪拌ピンのみを第一金属部材及び第二金属部材に接触させた状態で突合せ部に対して摩擦攪拌を行うというものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−３９６１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の接合方法であると、塑性流動化した金属を回転ツールのショルダ部で押さえないため、塑性流動化した金属が外部に溢れ出し接合部が金属不足になるという問題がある。
【０００５】
さらに、摩擦攪拌接合を行うと、回転ツールの移動軌跡に塑性化領域が形成されるが、当該塑性化領域が熱収縮するため、接合後の金属部材同士が表面側に凹状に形成するという問題がある。
【０００６】
そこで、本発明は、接合部の金属不足を防ぐことができるとともに接合後の金属部材を平坦にすることができ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】
前記課題を解決するための第一の本発明は、攪拌ピンを備えた回転ツールを用いて第一金属部材と第二金属部材とを接合する接合方法であって、前記第一金属部材の一端側の端面と前記第二金属部材の一端側の端面とを突き合わせ、且つ前記第一金属部材及び前記第二金属部材の他端側に対して一端側が高くなるように前記第一金属部材及び前記第二金属部材を傾斜させた状態で突合せ部を形成する突合せ工程と、前記第一金属部材又は前記第二金属部材に面接触するように補助部材を配置する配置工程と、回転する前記攪拌ピンを前記補助部材の表面側から挿入し、前記攪拌ピンのみを前記第一金属部材、前記第二金属部材及び前記補助部材に接触させた状態で前記突合せ部に沿って前記回転ツールを相対移動させて前記第一金属部材、前記第二金属部材及び前記補助部材を接合する摩擦攪拌工程と、を含むことを特徴とする接合方法である。
【０００８】
かかる接合方法によれば、第一金属部材と第二金属部材とが接合されるとともに、第一金属部材及び第二金属部材に加え、補助部材も同時に摩擦攪拌接合することにより、接合部の金属不足を防ぐことができる。また、摩擦攪拌接合を行う前に金属部材を予め傾斜させておき、摩擦攪拌接合後の熱収縮を利用することで、接合された金属部材を平坦にすることができる。
【０００９】
また、前記発明は、バリが形成された前記補助部材を前記第一金属部材又は前記第二金属部材から除去する除去工程を含むことが好ましい。かかる接合方法によれば、バリを補助部材ごと除去できるので除去工程が容易となる。
【００１０】
さらに、前記摩擦攪拌工程では、摩擦攪拌接合で発生するバリが前記補助部材に形成されるように接合条件を設定することが好ましい。かかる接合方法によれば、バリを除去する作業をより容易に行うことができる。
【００１１】
前記課題を解決するための第二の本発明は、攪拌ピンを備えた回転ツールを用いて第一金属部材と第二金属部材とを接合する接合方法であって、前記第一金属部材の一端側の端面と前記第二金属部材の一端側の端面とを突き合わせ、且つ前記第一金属部材及び前記第二金属部材の他端側に対して一端側が高くなるように前記第一金属部材及び前記第二金属部材を傾斜させた状態で突合せ部を形成する突合せ工程と、前記第一金属部材及び前記第二金属部材上に補助部材を配置する配置工程と、回転する前記攪拌ピンを前記補助部材の表面側から挿入し、前記攪拌ピンのみを前記第一金属部材、前記第二金属部材及び前記補助部材に接触させた状態で前記突合せ部に沿って前記回転ツールを相対移動させて前記第一金属部材、前記第二金属部材及び前記補助部材を接合する摩擦攪拌工程と、を含むことを特徴とする接合方法である。
【００１２】
かかる接合方法によれば、第一金属部材と第二金属部材とが接合されるとともに、第一金属部材及び第二金属部材に加え、補助部材も同時に摩擦攪拌接合することにより、接合部の金属不足を防ぐことができる。補助部材が第一金属部材上と第二金属部材上の両方に配置されるので、バランスよく接合できるとともに金属を充分に補充できる。また、摩擦攪拌接合を行う前に金属部材を予め傾斜させておき、摩擦攪拌接合後の熱収縮を利用することで、接合された金属部材を平坦にすることができる。
【００１３】
また、前記発明は、バリが形成された前記補助部材を前記第一金属部材及び前記第二金属部材から除去する除去工程を含むことが好ましい。かかる接合方法によれば、バリを補助部材ごと除去できるので除去工程が容易となる。
【００１４】
さらに、前記配置工程では、前記補助部材を前記第一金属部材及び前記第二金属部材のいずれか一方に載置しつつ、前記補助部材の端部が前記突合せ部を挟んで他方の金属部材側に突出するように配置し、  前記摩擦攪拌工程では、前記補助部材のうち当該補助部材が載置された一方の金属部材側に摩擦攪拌接合で発生するバリが形成されるように接合条件を設定することが好ましい。
【００１５】
前記課題を解決するための第三の本発明は、攪拌ピンを備えた回転ツールを用いて第一金属部材と第二金属部材とを接合する接合方法であって、前記第一金属部材の一端側の端面と前記第二金属部材の一端側の端面とを突き合わせ、且つ前記第一金属部材又は前記第二金属部材の他端側に対して一端側が高くなるように前記第一金属部材及び前記第二金属部材のいずれか一方を傾斜させた状態で突合せ部を形成する突合せ工程と、前記第一金属部材又は前記第二金属部材に面接触するように補助部材を配置する配置工程と、回転する前記攪拌ピンを前記補助部材の表面側から挿入し、前記攪拌ピンのみを前記第一金属部材、前記第二金属部材及び前記補助部材に接触させた状態で前記突合せ部に沿って前記回転ツールを相対移動させて前記第一金属部材、前記第二金属部材及び前記補助部材を接合する摩擦攪拌工程と、を含むことを特徴とする接合方法である。
【００１６】
かかる接合方法によれば、第一金属部材と第二金属部材とが接合されるとともに、第一金属部材及び第二金属部材に加え、補助部材も同時に摩擦攪拌接合することにより、接合部の金属不足を防ぐことができる。また、摩擦攪拌接合を行う前に金属部材を予め傾斜させておき、摩擦攪拌接合後の熱収縮を利用することで、接合された金属部材を平坦にすることができる。
【００１７】
また、前記発明は、前記突合せ工程では、第一金属部材及び前記第二金属部材を載置する載置部に形成された段差を利用して前記第一金属部材及び前記第二金属部材のいずれか一方を傾斜させ、前記第一金属部材及び前記第二金属部材のいずれか他方を前記載置部上に水平に載置することが好ましい。このような方法によれば、載置部の段差を利用することで、金属部材を容易に傾斜させることができる。
【００１８】
さらに、バリが形成された前記補助部材を前記第一金属部材又は前記第二金属部材から除去する除去工程を含むことが好ましい。かかる接合方法によれば、バリを補助部材ごと除去できるので除去工程が容易となる。
【００１９】
また、前記摩擦攪拌工程では、摩擦攪拌接合で発生するバリが前記補助部材に形成されるように接合条件を設定することが好ましい。かかる接合方法によれば、バリを除去する作業をより容易に行うことができる。
【００２０】
前記課題を解決するための第四の本発明は、攪拌ピンを備えた回転ツールを用いて第一金属部材と第二金属部材とを接合する接合方法であって、前記第一金属部材の一端側の端面と前記第二金属部材の一端側の端面とを突き合わせ、且つ前記第一金属部材又は前記第二金属部材の他端側に対して一端側が高くなるように前記第一金属部材及び前記第二金属部材のいずれか一方を傾斜させた状態で突合せ部を形成する突合せ工程と、前記第一金属部材及び前記第二金属部材上に補助部材を配置する配置工程と、回転する前記攪拌ピンを前記補助部材の表面側から挿入し、前記攪拌ピンのみを前記第一金属部材、前記第二金属部材及び前記補助部材に接触させた状態で前記突合せ部に沿って前記回転ツールを相対移動させて前記第一金属部材、前記第二金属部材及び前記補助部材を接合する摩擦攪拌工程と、を含むことを特徴とする接合方法である。
【００２１】
かかる接合方法によれば、第一金属部材と第二金属部材とが接合されるとともに、第一金属部材及び第二金属部材に加え、補助部材も同時に摩擦攪拌接合することにより、接合部の金属不足を防ぐことができる。補助部材が第一金属部材上と第二金属部材上の両方に配置されるので、バランスよく接合できるとともに金属を充分に補充できる。また、摩擦攪拌接合を行う前に金属部材を予め傾斜させておき、摩擦攪拌接合後の熱収縮を利用することで、接合された金属部材を平坦にすることができる。
【００２２】
また、前記発明は、前記突合せ工程では、第一金属部材及び前記第二金属部材を載置する載置部に形成された段差を利用して前記第一金属部材及び前記第二金属部材のいずれか一方を傾斜させ、前記第一金属部材及び前記第二金属部材のいずれか他方を前記載置部上に水平に載置することが好ましい。このような方法によれば、載置部の段差を利用することで、金属部材を容易に傾斜させることができる。
【００２３】
また、前記発明は、バリが形成された前記補助部材を前記第一金属部材及び前記第二金属部材から除去する除去工程を含むことが好ましい。かかる接合方法によれば、バリを補助部材ごと除去できるので除去工程が容易となる。
【００２４】
さらに、前記配置工程では、前記補助部材を前記第一金属部材及び前記第二金属部材のいずれか一方に載置しつつ、前記補助部材の端部が前記突合せ部を挟んで他方の金属部材側に突出するように配置し、  前記摩擦攪拌工程では、前記補助部材のうち当該補助部材が載置された一方の金属部材側に摩擦攪拌接合で発生するバリが形成されるように接合条件を設定することが好ましい。
【発明の効果】
【００２５】
本発明に係る接合方法によれば、接合部の金属不足を防ぐことができるとともに接合後の金属部材を平坦にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の第一実施形態に係る接合方法の突合せ工程および配置工程を示した断面図である。
【図２】本発明の第一実施形態に係る接合方法の接合工程を示した断面図である。
【図３】本発明の第一実施形態に係る接合方法の除去工程を示した断面図である。
【図４】本発明の第一実施形態に係る接合方法の除去工程後を示した断面図である。
【図５】本発明の第一実施形態に係る接合方法の第一変形例の突合せ工程を示した断面図である。
【図６】本発明の第一実施形態に係る接合方法の第二変形例の突合せ工程を示した断面図である。
【図７】本発明の第二実施形態に係る接合方法の突合せ工程の傾斜前を示した断面図である。
【図８】本発明の第二実施形態に係る接合方法の突合せ工程の傾斜後および配置工程を示した断面図である。
【図９】本発明の第二実施形態に係る接合方法の接合工程を示した断面図である。
【図１０】本発明の第二実施形態に係る接合方法の除去工程を示した断面図である。
【図１１】本発明の第二実施形態に係る接合方法の除去工程後を示した断面図である。
【図１２】本発明の第二実施形態に係る接合方法の第一変形例の準備工程を示した断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
［第一実施形態］
本発明の第一実施形態に係る接合方法について説明する。本実施形態に係る接合方法では、突合せ工程と、配置工程と、接合工程と、除去工程と、を行う。なお、以下の説明における「表面」とは、「裏面」の反対側の面という意味である。
【００２８】
突合せ工程は、図１に示すように第一金属部材１と第二金属部材２とを突き合わせる工程である。第一金属部材１及び第二金属部材２は、金属製の板状部材である。第一金属部材１及び第二金属部材２の材料は、摩擦攪拌可能な金属であれば特に制限されないが、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、マグネシウム合金等から適宜選択すればよい。第一金属部材１及び第二金属部材２の板厚は同等になっている。第一金属部材１及び第二金属部材２の板厚は適宜設定すればよい。
【００２９】
突合せ工程では、第一金属部材１の一端側の端面１ａと、第二金属部材２の一端側の端面２ａとを突き合わせて突合せ部Ｊを形成しつつ、第一金属部材１及び第二金属部材２の一端側（互いに対向する側）をスペーサ−２０の上に配置する。そして、本実施形態では、第一金属部材１及び第二金属部材２の他端側をそれぞれクランプＫ２で固定する。つまり、第一金属部材１の他端側に対して一端側（端面１ａ側）が高くなるとともに、第二金属部材２の他端側に対して一端側（端面２ａ側）が高くなるように、第一金属部材１及び第二金属部材２の両方を傾斜させる。これにより、突合せ部Ｊが高くなる状態で第一金属部材１及び第二金属部材２が固定される。第一金属部材１及び第二金属部材２が架台ＫＡに固定されると、端面１ａ，２ａの下端は当接した状態となるが、端面１ａ，２ａの上端はわずかに離間した状態となる。本実施形態に係る「突合せ部」とは、端面１ａ，２ａが突き合わされており、端面１ａ，２ａ間で形成される空間断面がＶ字状を呈する状態も含むものである。
【００３０】
第一金属部材１と第二金属部材２の傾斜角度は、特に限定されないが、第一金属部材１及び第二金属部材２の材質、各部位の寸法、後記する接合工程の入熱量や接合後の熱収縮等を考慮して、接合後の熱収縮によって第一金属部材１と第二金属部材２とが平坦になるような傾斜角度を適宜設定すればよい。
【００３１】
配置工程は、第一金属部材１又は第二金属部材２（本実施形態では、第二金属部材２）に補助部材１０を配置する工程である。補助部材１０は金属製の板状部材である。補助部材１０は摩擦攪拌可能な金属であれば特に制限されないが、本実施形態では第一金属部材１及び第二金属部材２と同じ材料になっている。補助部材１０の板厚は、後記する接合工程後の塑性化領域Ｗが金属不足にならないように適宜設定する。本実施形態では、補助部材１０の板厚は第一金属部材１及び第二金属部材２よりも薄く設定している。
【００３２】
配置工程では、補助部材１０の裏面１０ｃと第二金属部材２の表面２ｂとを面接触させる。補助部材１０は、第二金属部材２のみと面接触するように配置する。本実施形態では、補助部材１０の端面１０ａと第二金属部材２の端面２ａとが面一となるように配置する。なお、補助部材１０は本実施形態では板状としているが、他の形状であってもよい。
【００３３】
接合工程は、図２に示すように、回転ツールＦを用いて第一金属部材１と第二金属部材２との突合せ部Ｊを摩擦攪拌によって接合する工程である。回転ツールＦは、連結部Ｆ１と、攪拌ピンＦ２とで構成されている。回転ツールＦは、例えば工具鋼で形成されている。連結部Ｆ１は、摩擦攪拌装置の回転軸（図示省略）に連結される部位である。連結部Ｆ１は円柱状を呈している。
【００３４】
攪拌ピンＦ２は、連結部Ｆ１から垂下しており、連結部Ｆ１と同軸になっている。攪拌ピンＦ２は連結部Ｆ１から離間するにつれて先細りになっている。攪拌ピンＦ２の外周面には螺旋溝が刻設されている。本実施形態では、回転ツールＦを左回転させるため、螺旋溝は、基端から先端に向かうにつれて右回りに形成されている。言い換えると、螺旋溝は、螺旋溝を基端から先端に向けてなぞると上から見て右回りに形成されている。
【００３５】
なお、回転ツールＦを右回転させる場合は、螺旋溝を基端から先端に向かうにつれて左回りに形成することが好ましい。言い換えると、この場合の螺旋溝は、螺旋溝を基端から先端に向けてなぞると上から見て左回りに形成されている。螺旋溝をこのように設定することで、摩擦攪拌の際に塑性流動化した金属が螺旋溝によって攪拌ピンＦ２の先端側に導かれる。これにより、被接合金属部材（第一金属部材１、第二金属部材２及び補助部材１０）の外部に溢れ出る金属の量を少なくすることができる。螺旋溝は省略してもよい。
【００３６】
回転ツールＦは、マシニングセンタ等の摩擦攪拌装置に取り付けてもよいが、例えば、先端にスピンドルユニット等の回転手段を備えたアームロボットに取り付けてもよい。アームロボットに回転ツールＦを取り付けることにより回転ツールＦの回転中心軸を容易に変更することができる。
【００３７】
接合工程では、突合せ部Ｊに左回転させた攪拌ピンＦ２のみを挿入し、被接合金属部材と連結部Ｆ１とは離間させつつ相対移動させる。言い換えると、攪拌ピンＦ２の基端部は露出させた状態で摩擦攪拌接合を行う。そして、第一金属部材１、第二金属部材２及び補助部材１０と攪拌ピンＦ２とを接触させた状態で突合せ部Ｊに沿って回転ツールＦを相対移動させる。本実施形態では、回転ツールＦの進行方向左側に補助部材１０が位置するように回転ツールＦの進行方向を設定する。回転ツールＦの回転方向及び進行方向は前記したものに限定されるものではなく適宜設定すればよい。例えば、回転ツールＦの進行方向左側に補助部材１０を配置しつつ、回転ツールＦを右回転させてもよい。もしくは、回転ツールＦの進行方向右側に補助部材１０を配置しつつ、回転ツールＦを左右いずれかに回転させてもよい。回転ツールＦの回転方向等の条件と補助部材１０の好ましい位置関係については後記する。
【００３８】
攪拌ピンＦ２の挿入深さは、攪拌ピンＦ２と突合せ部Ｊとを接触させつつ、第一金属部材１及び第二金属部材２の板厚等に応じて適宜設定すればよい。これにより突合せ部Ｊが摩擦攪拌接合される。回転ツールＦの移動軌跡には塑性化領域Ｗが形成される。摩擦攪拌工程後は、図２に示すように、補助部材１０の端部にバリＶが形成される。
【００３９】
本実施形態に係る接合工程では、進行方向左側に補助部材１０を配置するとともに回転ツールＦを左回転させるため、補助部材１０側がＲｅ側（Retreating side）となる。Ｒｅ側とは、回転ツールＦの外周における接線速度の大きさから送り速度の大きさが減算される側である。一方、Ｒｅ側の反対側がＡｄ側（Advancing side）となる。Ａｄ側とは、回転ツールＦの外周における接線速度の大きさに送り速度の大きさが加算される側である。
【００４０】
例えば、回転ツールＦの回転速度が遅い場合では、塑性化領域ＷのＲｅ側に比べてＡｄ側の方が塑性流動材の温度が上昇しやすくなるため、Ａｄ側にバリＶが多く発生する傾向にある。一方、例えば、回転ツールＦの回転速度が速い場合、Ａｄ側の方が塑性流動材の温度が上昇するものの、回転速度が速い分、Ｒｅ側にバリＶが発生する傾向にある。
【００４１】
本実施形態では、回転ツールＦの回転速度を速く設定しているため、Ｒｅ側即ち補助部材１０側にバリＶが発生する。つまり、本実施形態ではバリＶが補助部材１０側に多く形成されるように回転ツールＦの回転速度、回転方向及び進行方向等を設定している。
【００４２】
接合工程が終了したら、クランプＫ２を解除して接合された第一金属部材１及び第二金属部材２を放置する。すると、摩擦攪拌接合後の熱収縮が発生することにより、接合後の第一金属部材１及び第二金属部材２が平坦になる。
【００４３】
除去工程は、図３に示すように、補助部材１０を第二金属部材２から除去する工程である。除去工程では、例えば手作業により、補助部材１０を第二金属部材２から離間する方向に折り曲げて第二金属部材２から除去する。これにより、図４に示すように第一金属部材１と第二金属部材２とが平面状に接合された状態となる。
【００４４】
以上説明した本実施形態に係る接合方法によれば、第一金属部材１と第二金属部材２とが接合されるとともに、第一金属部材１及び第二金属部材２に加え、補助部材１０も同時に摩擦攪拌接合することにより、接合部（塑性化領域Ｗ）の金属不足を防ぐことができる。また、本実施形態によれば、第一金属部材１及び第二金属部材２の両方ではなく、片側のみに補助部材１０を配置するだけで金属不足を防ぐことができる。
【００４５】
また、本実施形態に係る接合方法によれば、摩擦攪拌工程によって補助部材１０にバリＶが形成されるが、除去工程において補助部材１０ごと取り除くことができる。これにより、バリを除去する作業を容易に行うことができる。補助部材１０は除去装置等を用いて取り除いてもよいが、本実施形態では手作業で容易に補助部材１０を取り除くことができる。
【００４６】
ここで、本実施形態に係る接合方法では、補助部材１０を第一金属部材１及び第二金属部材２よりも薄く設定しているため、従来のようにショルダ部を金属部材に押し込みながら摩擦攪拌を行うと、ショルダ部と補助部材１０との接触により補助部材１０が外部に飛ばされてしまい接合部の金属不足を補うことができない。しかし、本実施形態では、回転ツールＦの攪拌ピンＦ２のみを第一金属部材１、第二金属部材２及び補助部材１０に接触させつつ摩擦攪拌を行うため、補助部材１０が外部に飛ばされることなく接合部の金属不足を補うことができる。また、ショルダ部を接触させる場合に比べて摩擦攪拌装置に作用する負荷を低減することができる。
【００４７】
さらに、本実施形態に係る接合方法によれば、摩擦攪拌接合を行う前に第一金属部材１及び第二金属部材２を予め傾斜させておき、摩擦攪拌接合後の熱収縮を利用することで、接合された第一金属部材１及び第二金属部材２を容易に平坦にすることができる。要するに、熱収縮による第一金属部材１及び第二金属部材２の変形は避けられないため、第一金属部材１及び第二金属部材２を予め傾斜させている。
【００４８】
また、架台ＫＡと第一金属部材１及び第二金属部材２との間にスペーサ−２０を配置することにより、第一金属部材１及び第二金属部材２を傾斜させつつ第一金属部材１及び第二金属部材２同士を突き合わせる作業を容易に行うことができる。また、スペーサ−２０の高さを変更するだけで、第一金属部材１及び第二金属部材２の傾斜角度を容易に変更することができる。
【００４９】
なお、第一実施形態では、例えば、突合せ部Ｊに形成された隙間に肉盛溶接を行った後に接合工程を行ってもよい。また、突合せ部Ｊに対して回転ツールＦよりも小型の仮回転ツールを用いて摩擦攪拌を行うか、若しくは溶接によって仮接合を行ってもよい。これにより、接合工程の際の突合せ部Ｊの目開きを確実に防ぐことができる。
【００５０】
また、本実施形態ではスペーサ−２０を用いて第一金属部材１及び第二金属部材２を傾斜させたが、突合せ部Ｊが高くなるように第一金属部材１及び第二金属部材２を傾斜させることが可能であれば、スペーサ−２０を省略してもよい。たとえば、図５に示すように、第一金属部材１の一端側の端面１ａと、第二金属部材２の一端側の端面２ａとを突き合わせて突合せ部Ｊを形成しつつ、第一金属部材１及び第二金属部材２の一端側（互いに対向する側）をテーブルＫ１上に形成された凸部Ｋ３の上に配置してもよい。凸部Ｋ３      は、突合せ部Ｊに沿った突条であってもよいし、所定間隔で配置される複数の山部であってもよい。第一金属部材１及び第二金属部材２の他端側は、それぞれクランプＫ２で固定する。
【００５１】
また、図６に示すように、テーブルＫ１上に設けられた傾斜載置部Ｋ４上に第一金属部材１及び第二金属部材２を載置してもよい。傾斜載置部Ｋ４は、断面山型を呈し、傾斜面Ｋ４ａ，Ｋ４ａを備えている。そして、第一金属部材１の裏面１ｃ及び第二金属部材２の裏面２ｃを傾斜面Ｋ４ａ，Ｋ４ａにそれぞれ面接触させつつ、頂点Ｋ４ｂに突合せ部Ｊが位置するように配置し、図示しないクランプで固定する。
【００５２】
図５および図６の変形例の突合せ工程では、補助部材１０は、第二金属部材２の表面２ｂに面接触するとともに、補助部材１０の端部１０ｂが突合せ部Ｊを挟んで他方の金属部材（第一金属部材１）側に突出するように配置する。つまり、補助部材１０は、一つであって、第二金属部材２の表面２ｂ上に載置されており、補助部材１０の第一金属部材２側の端部１０ｂが突合せ部Ｊの上側を覆っている。補助部材１０の端部１０ｂは、第一金属部材１の表面からわずかに離間した状態となる。なお、補助部材１０は平板状に限定されるものではなく、端部１０ｂを第一金属部材２に面接触するように折り曲げてもよい。このようにすれば、補助部材が第一金属部材１及び第二金属部材２の両方に接触するので、安定して載置でき、摩擦攪拌接合を行い易くなる。
【００５３】
摩擦攪拌工程では、回転する回転ツール（図示せず）の攪拌ピンを、補助部材１０の表面側から突合せ部Ｊに挿入し、回転ツールを突合せ部Ｊに沿って移動させる。補助部材１０が載置された金属部材（第二金属部材２）側の補助部材１０に摩擦攪拌接合で発生するバリが形成されるように接合条件を設定する。なお、補助部材１０の端部１０ｂは、第一金属部材１と一緒に塑性流動化される。
【００５４】
［第二実施形態］
本発明の第二実施形態に係る接合方法について説明する。まずは、本実施形態で用いる可動式架台について説明する。 図７に示すように、第二実施形態に係る接合方法では、可動式架台Ｍを用いる。可動式架台Ｍは、分割架台Ｍ１と分割架台Ｍ２とを横方向に並設して構成されている。可動式架台Ｍは、第一金属部材１及び第二金属部材２を接合するための架台であって、分割架台Ｍ２に対して分割架台Ｍ１が昇降可能に形成されている。
【００５５】
分割架台Ｍ１は、基板Ｍ１ａと、クランプＭ１ｂとで構成されている。分割架台Ｍ１は、基板Ｍ１ａの下部に設けられた昇降部（図示せず）によって上下に移動可能に形成されている。基板Ｍ１ａは、金属製の部材であって、直方体を呈する。基板Ｍ１ａは、伝熱性の高い金属で形成されていることが好ましい。クランプＭ１ｂは、第一金属部材１を基板Ｍ１ａに固定する部材である。クランプＭ１ｂは、基板Ｍ１ａの表面Ｍ１ｄに複数個設置されている。
【００５６】
基板Ｍ１ａの内部には、冷却流路Ｍ１ｃが複数個形成されている。冷却流路Ｍ１ｃは、冷却媒体が流れる流路である。冷却流路Ｍ１ｃに冷却媒体が流れることで第一金属部材１及び第二金属部材２を冷却することができる。冷却流路Ｍ１ｃは、本実施形態では筒状の管で形成されている。冷却流路Ｍ１ｃは、表面Ｍ１ｄに近い部位において、表面Ｍ１ｄと平行に配設されている。冷却流路Ｍ１ｃの本数は特に制限されないが、本実施形態では３本設けている。
【００５７】
分割架台Ｍ２は、基板Ｍ２ａと、クランプＭ２ｂとで構成されている。分割架台Ｍ２は、上下に移動しないように形成されている。基板Ｍ２ａは、金属製の部材であって、直方体を呈する。基板Ｍ２ａは、伝熱性の高い金属で形成されていることが好ましい。基板Ｍ２ａの側面Ｍ２ｅは、基板Ｍ１ａの側面Ｍ１ｅと面接触している。側面Ｍ１ｅと側面Ｍ２ｅとが面接触することで境界面Ｎが形成される。クランプＭ２ｂは、第二金属部材２を基板Ｍ２ａに固定する部材である。クランプＭ２ｂは、基板Ｍ２ａの表面Ｍ２ｄに複数個設置されている。
【００５８】
基板Ｍ２ａの内部には、冷却流路Ｍ２ｃが複数個形成されている。冷却流路Ｍ２ｃは、冷却媒体が流れる流路である。冷却流路Ｍ２ｃに冷却媒体が流れることで第一金属部材１及び第二金属部材２を冷却することができる。冷却流路Ｍ２ｃは、本実施形態では筒状の管で形成されている。冷却流路Ｍ２ｃは、表面Ｍ２ｄに近い部位において、表面Ｍ２ｄと平行に配設されている。冷却流路Ｍ２ｃの本数は特に制限されないが、本実施形態では３本設けている。
【００５９】
なお、可動式架台Ｍは、本実施形態では分割架台Ｍ１を可動式とし、分割架台Ｍ２を固定式にしているが、分割架台Ｍ１及び分割架台Ｍ２のうち少なくとも一方が昇降可能に構成されていればよい。
【００６０】
次に、第二実施形態に係る接合方法について説明する。かかる接合方法では、突合せ工程と、配置工程と、接合工程と、除去工程と、を行う。第一金属部材１と第二金属部材２は、第一実施形態と同等の構成である。
【００６１】
突合せ工程は、第一金属部材１と第二金属部材２とを突き合わせるとともに一方の金属部材（本実施形態では第二金属部材２）を傾斜させる工程である。突合せ工程では、まず、分割架台Ｍ１を移動させて、分割架台Ｍ１の表面Ｍ１ｄと分割架台Ｍ２の表面Ｍ２ｄを面一にする。これにより、表面Ｍ１ｄと表面Ｍ２ｄが面一な平坦架台が形成される。
【００６２】
次に、表面Ｍ１ｄ及び表面Ｍ２ｄの上に第一金属部材１と第二金属部材２を載置するとともに第一金属部材１の端面１ａと第二金属部材２の端面２ａを突き合わせて突合せ部Ｊを形成する。このとき、突合せ部Ｊが、分割架台Ｍ１の上に位置するように設定する。言い換えると、突合せ部Ｊが、境界面Ｎよりも分割架台Ｍ１側に位置するように設定する。
【００６３】
次に、図８に示すように、分割架台Ｍ２に対して分割架台Ｍ１を上昇させる。これにより、表面Ｍ２ｄに対して表面Ｍ１ｄの位置が高くなり、可動式架台Ｍの表面に段差が形成される。特許請求の範囲の「載置部」は、本実施形態では高さ位置が異なる表面Ｍ１ｄ，Ｍ２ｄによって段差が形成された分割架台Ｍ１，Ｍ２で構成されている。
【００６４】
分割架台Ｍ１を上昇させることで、第一金属部材１は、他端側に対して一端側（端面１ａ側）が高くなるように傾斜する。つまり、第一金属部材１の他端側は表面Ｍ２ｄに当接し、一端側は分割架台Ｍ１によって上方に持ち上げられて傾斜する。第二金属部材２は、分割架台Ｍ１の表面Ｍ１ｄにおいて略水平に載置された状態となる。そして、クランプＭ１ｂ，Ｍ２ｂで第一金属部材１及び第二金属部材２をそれぞれ移動不能に拘束する。
【００６５】
第一金属部材１及び第二金属部材２が可動式架台Ｍに固定されると、端面１ａ，２ａの下端は当接した状態となるが、端面１ａ，２ａの上端はわずかに離間した状態となる。本実施形態に係る「突合せ部」とは、端面１ａ，２ａが突き合わされており、端面１ａ，２ａ間で形成される空間断面がＶ字状を呈する状態も含むものである。
【００６６】
第二金属部材２の傾斜角度は、第一金属部材１及び第二金属部材２の材質、各部位の寸法、後記する本接合工程の入熱量や接合後の熱収縮等を考慮して、接合工程後の熱収縮によって第一金属部材１と第二金属部材２とが平坦になるような傾斜角度を適宜設定すればよい。
【００６７】
配置工程は、第一金属部材１及び第二金属部材２に補助部材１０をそれぞれ配置する工程である。補助部材１０は第一実施形態と同様の構成である。配置工程では、一方の補助部材１０の裏面１０ｃと第一金属部材１の表面１ｂとを面接触させるとともに、他方の補助部材１０の裏面１０ｃと第二金属部材２の表面２ｂとを面接触させる。本実施形態では、一方の補助部材１０の端面１０ａと第一金属部材１の端面１ａとが面一となるとともに、他方の補助部材１０の端面１０ａと第二金属部材２の端面２ａとが面一となるように配置する。なお、補助部材１０は本実施形態では板状としているが、他の形状であってもよい。
【００６８】
接合工程は、突合せ部Ｊに対して補助部材１０側から摩擦攪拌接合を行う工程である。図９に示すように、用いる回転ツールＦは、第一実施形態と同様に連結部Ｆ１と、攪拌ピンＦ２とで構成されている。本実施形態では、回転ツールＦを右回転させるため、螺旋溝は、基端から先端に向かうにつれて左回りに形成されている。言い換えると、螺旋溝は、螺旋溝を基端から先端に向けてなぞると上から見て左回りに形成されている。
【００６９】
接合工程では、突合せ部Ｊに右回転させた攪拌ピンＦ２のみを挿入し、被接合金属部材と連結部Ｆ１とは離間させつつ相対移動させる。言い換えると、攪拌ピンＦ２の基端部は露出させた状態で摩擦攪拌接合を行う。そして、第一金属部材１、第二金属部材２及び補助部材１０，１０と攪拌ピンＦ２とを接触させた状態で突合せ部Ｊに沿って回転ツールＦを相対移動させる。本実施形態では、図９の紙面裏側に向かって回転ツールＦが移動するように回転ツールＦの進行方向を設定する。回転ツールＦの回転方向及び進行方向は前記したものに限定されるものではなく適宜設定すればよい。
【００７０】
攪拌ピンＦ２の挿入深さは、攪拌ピンＦ２と突合せ部Ｊとを接触させつつ、第一金属部材１及び第二金属部材２の板厚等に応じて適宜設定すればよい。これにより突合せ部Ｊが摩擦攪拌接合される。回転ツールＦの移動軌跡には塑性化領域Ｗが形成される。摩擦攪拌工程後は、図１０に示すように、補助部材１０の端部にバリＶが形成される。
【００７１】
本実施形態に係る接合工程では、回転ツールＦを右回転させるため、回転ツールＦの進行方向の右側である第一金属部材１側がＲｅ側（Retreating side）となる。Ｒｅ側とは、回転ツールＦの外周における接線速度の大きさから送り速度の大きさが減算される側である。一方、Ｒｅ側の反対側がＡｄ側（Advancing side）となる。Ａｄ側とは、回転ツールＦの外周における接線速度の大きさに送り速度の大きさが加算される側である。
【００７２】
本実施形態では、回転ツールＦの回転速度を速く設定しているため、Ｒｅ側即ち第一金属部材１側に多くのバリＶが発生する。つまり、本実施形態ではバリＶが第一金属部材１側に多く形成されるように回転ツールＦの回転速度、回転方向及び進行方向等を設定している。なお、本実施形態では、第一金属部材１側に多くのバリＶが発生するようにしているが、第二金属部材２側にも補助部材１０が設けられているので、第一金属部材１及び第二金属部材２のいずれの側に多くもバリＶが発生するようにしてもよいし、第一金属部材１及び第二金属部材２の両側に均等にバリＶが発生するようにしてもよい。
【００７３】
除去工程は、図１０に示すように、補助部材１０を第二金属部材２から除去する工程である。除去工程では、例えば手作業により、一方の補助部材１０を第一金属部材１から離間する方向に折り曲げて第一金属部材１から除去するとともに、他方の補助部材１０を第二金属部材２から離間する方向に折り曲げて第二金属部材２から除去する。
【００７４】
除去工程が終了したら、クランプＭ１ｂ，Ｍ２ｂを解除して接合された第一金属部材１及び第二金属部材２を放置する。すると、摩擦攪拌接合後の熱収縮が発生することにより、接合後の第一金属部材１と第二金属部材２が平坦になる。
【００７５】
なお、本実施形態では、除去工程が終了した後に、クランプＭ１ｂ，Ｍ２ｂを解除して第一金属部材１と第二金属部材２を平坦にしているが、第一実施形態のように第一金属部材１と第二金属部材２を平坦にした後に、除去工程を行ってもよい。
【００７６】
以上説明した本実施形態に係る接合方法によれば、接合工程を行う際に、第一金属部材１と第二金属部材２を予め傾斜させて突き合わせておき、摩擦攪拌接合後の熱収縮を利用することで、第一金属部材１と第二金属部材２とを平坦にすることができる。
【００７７】
また、本実施形態によれば、昇降可能な可動式架台Ｍを用いているため、第一金属部材１と第二金属部材２の傾斜角度を容易に調節することができる。また、可動式架台Ｍを段差架台とした状態で第一金属部材１と第二金属部材２を突き合わせてもよいが、本実施形態のように段差のない平坦架台とした状態から分割架台Ｍ１を上昇させることで第一金属部材１と第二金属部材２の傾斜角度の微調整が容易となる。
【００７８】
さらに、本実施形態に係る接合方法によれば、第一金属部材１と第二金属部材２とが接合されるとともに、第一金属部材１及び第二金属部材２に加え、補助部材１０も同時に摩擦攪拌接合することにより、接合部（塑性化領域Ｗ）の金属不足を防ぐことができる。また、特に本実施形態によれば、第一金属部材１及び第二金属部材２の両方に補助部材１０を配置しているので、バランスよく接合できるとともに金属を充分に補充できる。
【００７９】
また、本実施形態に係る接合方法によれば、摩擦攪拌工程によって補助部材１０にバリＶが形成されるが、除去工程において補助部材１０ごと取り除くことができる。これにより、バリを除去する作業を容易に行うことができる。補助部材１０は除去装置等を用いて取り除いてもよいが、本実施形態では手作業で容易に補助部材１０を取り除くことができる。
【００８０】
ここで、本実施形態に係る接合方法では、補助部材１０を第一金属部材１及び第二金属部材２よりも薄く設定しているため、従来のようにショルダ部を金属部材に押し込みながら摩擦攪拌を行うと、ショルダ部と補助部材１０との接触により補助部材１０が外部に飛ばされてしまい接合部の金属不足を補うことができない。しかし、本実施形態では、回転ツールＦの攪拌ピンＦ２のみを第一金属部材１、第二金属部材２及び補助部材１０に接触させつつ摩擦攪拌を行うため、補助部材１０が外部に飛ばされることなく接合部の金属不足を補うことができる。また、ショルダ部を接触させる場合に比べて摩擦攪拌装置に作用する負荷を低減することができる。
【００８１】
また、本実施形態では可動式架台Ｍを用いて第一金属部材１と第二金属部材２を傾斜させたが、可動式架台Ｍに限定されるものではない。たとえば、図１２に示すように、平坦な架台ＫのテーブルＫ１上に段差プレート２１を載置する。段差プレート２１の裏面２１ｂは、テーブルＫ１と面接触する。これにより、を第一金属部材１及び第二金属部材２を載置する載置部に段差が形成される。
【００８２】
そして、突合せ工程では、段差プレート２１の上に突合せ部Ｊが位置するように第一金属部材１と第二金属部材２を突き合わせる。これにより、一方の金属部材（第二金属部材２）は、他端側に対して一端側（端面２ａ側）が高くなるように傾斜する。他方の金属部材（第一金属部材１）は、段差プレート２１の表面２１ａにおいて略水平に載置された状態となる。そして、クランプＫ２，Ｋ２で第一金属部材１及び第二金属部材２をそれぞれ移動不能に拘束すればよい。このような変形例によれば、架台Ｋの構成を簡単なものにできる。また、図示はしないが、元々段差が形成された架台を用いてもよい。
【００８３】
以上本発明の実施形態について説明したが、本発明の趣旨に反しない範囲において適宜設計変更が可能である。例えば、本実施形態では除去工程を行ったが、補助部材１０を除去せずに、第一金属部材１又は第二金属部材２にそのまま存置してもよい。
【００８４】
また、第一実施形態では、第一金属部材１と第二金属部材２の両方を傾斜させて、第一金属部材１と第二金属部材２の片方に補助部材１０を設けたが、これに限定されるものではない。第一金属部材と第二金属部材の両方を傾斜させて、第一金属部材と第二金属部材の両方に補助部材を設けてもよい。さらに、第二実施形態では、第一金属部材１と第二金属部材２の片方を傾斜させて、第一金属部材１と第二金属部材２の両方に補助部材１０を設けたが、これに限定されるものではない。第一金属部材と第二金属部材の片方を傾斜させて、第一金属部材と第二金属部材の片方に補助部材を設けてもよい。この場合、補助部材は、傾斜した金属部材上に設けてもよいし、水平な金属部材上に設けてもよい。
【符号の説明】
【００８５】
１      第一金属部材
２      第二金属部材
１０    補助部材
Ｆ      回転ツール
Ｆ１    連結部
Ｆ２    攪拌ピン
Ｊ    突合せ部
Ｖ      バリ
Ｗ      塑性化領域
【図１】
2018126765.tif 000003
【図２】
2018126765.tif 000004
【図３】
2018126765.tif 000005
【図４】
2018126765.tif 000006
【図５】
2018126765.tif 000007
【図６】
2018126765.tif 000008
【図７】
2018126765.tif 000009
【図８】
2018126765.tif 000010
【図９】
2018126765.tif 000011
【図１０】
2018126765.tif 000012
【図１１】
2018126765.tif 000013
【図１２】
2018126765.tif 000014