(57)【要約】      （修正有）【課題】突合されている２枚の薄板被接合材を接合する接合部の板厚減少することなく継手強度が向上している接合体の提供。【解決手段】厚さが０．１ｍｍ〜０．６ｍｍである被加工材の表面に、被加工材の横幅と円柱状の回転工具の直径とが同一である回転する円柱状の回転工具を押し付けて、平面上に突合されて配置されている、厚さが１．０ｍｍ以下、０．４ｍｍ以上の２枚の薄板被接合材中に、被加工材を、被加工材の厚さ−０．１ｍｍ以上から被加工材の厚さの範囲で押し込むことにより、被加工材及び２枚の薄板被接合材に発生する摩擦熱により、被加工材と被接合材との接合面及び被接合材と被接合材の接触する面が接合されていることを特徴とする被加工材及び突合されている２枚の被接合材が接合されている接合体。【選択図】図１
2011240398.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
厚さが０．１ｍｍ〜０．６ｍｍである被加工材の表面に、被加工材の横幅と円柱状の回転工具の直径とが同一である回転する円柱状の回転工具を押し付けて、平面上に突合されて配置されている、厚さが１．０ｍｍ以下、０．４ｍｍ以上の２枚の薄板被接合材中に、被加工材を、被加工材の厚さ−０．１ｍｍ以上から被加工材の厚さの範囲で押し込むことにより、被加工材及び２枚の薄板被接合材に発生する摩擦熱により、被加工材と被接合材との接合面及び被接合材と被接合材の接触する面が接合されていることを特徴とする被加工材及び突合されている２枚の被接合材が接合されている接合体。
【請求項２】
厚さが０．１ｍｍ〜０．６ｍｍである被加工材の表面に、被加工材の横幅と円柱状の回転工具の直径とが同一である回転する円柱状の回転工具を押し付けて、平面上に突合されて配置されている、厚さが１．０ｍｍ以下、０．４ｍｍ以上の２枚の薄板被接合材中に、被加工材を、被加工材の厚さ−０．１ｍｍ以上から被加工材の厚さの範囲で押し込みつつ、回転する円柱状の回転工具を接合面に合わせて移動させて、被加工材及び２枚の薄板被接合材に発生する摩擦熱により、被加工材と被接合材との接合面及び被接合材と被接合材の接触する面が接合されていることを特徴とする被加工材及び突合されている２枚の被接合材が接合されている接合体。
【請求項３】
厚さが０．１ｍｍ〜０．６ｍｍである被加工材の表面を、被加工材の横幅は円柱状の回転工具の直径より大きい回転する円柱状の回転工具を被加工材の表面に押し付けて、平面上に突合されて配置されている、厚さが１．０ｍｍ以下、０．４ｍｍ以上の２枚の薄板被接合材中に、被加工材を被加工材の厚さ以上、被加工材の厚さ＋０．１ｍｍ以下の範囲で押し込むことにより、円柱状の回転工具の直径より大きい被加工材の横幅の部分は取り除かれるとともに、被加工材及び２枚の薄板被接合材に発生する摩擦熱により、被加工材と被接合材との接合面及び被接合材と被接合材の接触する面が接合されていることを特徴とする被加工材及び突合されている２枚の被接合材が接合されている接合体。
【請求項４】
厚さが０．１ｍｍ〜０．６ｍｍである被加工材の表面に、被加工材の横幅は円柱状の回転工具の直径より大きい回転する円柱状の回転工具を押し付けて、平面上に突合されて配置されている、厚さが１．０ｍｍ以下、０．４ｍｍ以上の２枚の薄板被接合材中に、被加工材を被加工材の厚さ以上、被加工材の厚さ＋０．１ｍｍ以下の範囲で押し込みつつ、接合面に合わせて回転する円柱状の回転工具を移動させることにより、円柱状の回転工具の直径より大きい被加工材の横幅の部分は取り除かれるとともに、被加工材及び２枚の薄板被接合材に発生する摩擦熱により、被加工材と被接合材との接合面及び被接合材と被接合材の接触する面が接合されていることを特徴とする被加工材及び突合されている２枚の被接合材が接合されている接合体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被接合材を突合せて接触する接合面の表面に被接合材を載せて被接合材の表面に回転する回転工具を押し付けて、被接合材を接触する接合面に押し込んで、被接合材による板厚減少を伴わない接合体に関するものである。
２枚の突合された状態で配置されている被接合材の接合面の被接合材の表面を回転する回転体に圧力をかけた状態で移動させて接合する接合を摩擦シーム接合と言う。本発明では、単に摩擦圧接接合とも言う。
【背景技術】
【０００２】
接合加工しようとする材料を対向、突合せた状態とした接合面に、加工しようとしている材料より硬い材料の円柱状回転子（プローブ）を挿入し、回転運動により接合加工しようとする材料を摩擦し、突合された接合面の周囲を摩擦溶融させて接合する摩擦撹拌接合法（Ｆ．Ｓ．Ｗ）が知られている（特許文献１  特表平７−５０５０９０号公報、特許文献２  特開平１０−１８０４６６号公報、特許文献３  特開２００１−１３８０７３号公報）。摩擦攪拌接合法は固相接合であるため多くの材料の接合を可能にした。この接合方法は変形抵抗の異なる異種材料同士を接合する方法であり、温度ピーク位置や温度制御が難しく、少しでも逸脱すると高融点である異種材料は変形し難くなり、一方低融点である異種材料のみが変形するといったことが生じ、その結果、撹拌が十分行われなくなり、結局、十分な継手が得られないという問題点が指摘されている。
【０００３】
接合時の部材の厚さが減少することを解決する摩擦攪拌接合については以下の発明が知られている。
２つの部材の接合部にＴ状の部材を位置させ、部材の第１の片は２つの部材の間に位置させ、部材の第２の片を部材の一方の面の側にそれぞれ位置させ、この状態で第２の片の側から挿入した回転工具によって、摩擦攪拌接合をすることにより、部材の厚さの減少を及び強度の低下を防止する（特許文献4特開２０００−３１７６５２号公報）。
部材同士による接合したい個所に工具を押圧しつつ回転させ、発生する摩擦熱により接合したい個所の金属部材１を塑性流動させ、金属部材１の固相接合を行う摩擦攪拌接合方法であり、接合したい個所に生じている隙間に対し、工具の押圧回転に先行して金属部材１と同種の充填材６を無定形で供給し、接合強度が得られる（特許文献５  特開２００４−４２０９５号公報）。
厚さ寸法が異なる部材を突き合せて摩擦攪拌接合する際に２つの工程により良好な接合部形成する方法（特許文献６  特開２００７−１１１７５８号公報）。
【０００４】
肉厚が０．１〜１ｍｍである薄肉部材同士の接合を、回転ツールの挿入による摩擦攪拌接合法により行う以下の方法が知られている。
薄肉部材を定盤に設置し、該定盤の接合部に対応する部分に前記回転ツールの直径より小さい幅の溝を設け、該溝内に前記部材の一部を埋めながら前記接合すること；前記薄肉部材は接合部の前記回転ツールの挿入側と反対面側に前記回転ツールの挿入によって形成された突起を有すること；前記薄肉部材は接合部の前記回転ツールの挿入側と反対面側に突起が設けられており、該突起と反対面側に前記回転ツールを挿入して前記接合すると共に、その挿入深さを非接合部の平板部の厚さより大きくする（特許文献７  特開２００２−６６７５８号公報）。
摩擦攪拌接合に関しては、回転体にプローブを固定し、プローブを、被接合体が形成する被接合面に挿入して接合する。このプローブの挿入を考慮すると、プローブピンを用いるため、接合部材の厚さが少なくとも１．２ｍｍ以上の場合に限って適用可能であるとし（特許文献８  特開２００５−１８６０７２号公報）。１．２ｍｍ以下の２つの接合部材に対する突合せ接合では、既存の摩擦攪拌溶接法とは異なり、１．２ｍｍ以下の薄板溶接が可能であるとして、プローブ径は、前記接合部材厚の２．０倍以上のものを使用、プローブ径が接合部材厚の２．０倍未満であるときは、前記接合部材間の接合面の上下部に対して二重パス溶接を行うこと、摩擦係数を増大させるためには、下端面に微細凸凹を形成したプローブを使用することなどの、「プローブの形状」を特定することにより解決を図っている。これらの方法では接合部の両側にバリの発生が観察され、凹部の形成が見られる。
【０００５】
本発明者らは薄板について摩擦圧接接合法に取り組んできた。この摩擦圧接接合法は複数枚の重ねられた薄板金属を接合する際に、接合しようとしている表面金属部分に又は表面金属部分にそって、回転する回転体の圧力をかけた状態で通過させる。回転部材を押し付けることにより、発生する摩擦熱により金属を溶融させずに固相で均一に接合した相を形成する（特許文献９  特開２００３−３１１４４０号公報、特許文献１０再表２００５／０９２０５５８号公報）。これらは摩擦スポット接合、摩擦シーム接合と呼ばれている（非特許文献１  摩擦圧接協会編集「摩擦接合技術」日刊工業新聞社４頁以降、非特許文献２、時末光編著ＦＳＷ（摩擦拡販接合）の基礎と応用２００５年５月３０日日刊工業新聞社発行１６８頁）。
【０００６】
発明者が取り組んでいる薄板の金属板が突合された状態で配置されている被接合材の接合する表面を回転する回転体に圧力をかけた状態で接合する（摩擦スポット接合）、又は移動させて接合するシーム接合する（摩擦シーム接合）では、接合部分にバリの発生を伴った、円弧状の模様又は凹みが形成される。又、バリの発生が観察される（図１２）。
継手の巨視的組織を見てみると、回転工具の通過位置に工具が押し込まれた状態となり、摩擦熱により軟化した表層部の一部がバリとなって排出される。又、抵抗スポット溶接の接合部に見られるナゲットの生成はなく、微視的にも完全な接合部が得られていることがわかる（図１３）。又、薄板継手の引張りせん断強さは接合速度が遅い条件では工具の押込み深さの大小には関係せず、殆ど一定の値となり、差は無く、接合速度が速くした場合には、押込み深さの増大に伴い引っ張りせん断強さは向上する。接合速度が遅い条件に比較すると、その値は小さくなる。重ね合わされた薄板の接合に当たっては実用上十分な継手強度を得ることができることを確認した（非特許文献３  軽金属溶接，４５，（２００７），１４）。
【０００７】
本発明者らは単純に突合せ接合に摩擦シーム接合を適用すると、接合部に凹みが生じ、接合部が完成されても、接合部板厚は減少して継手強度を弱める結果となることを確認した（非特許文献４  溶接学会，第８４集溶接学会全国大会講演概要，（２００９），１６０．）。
突合摩擦接合により継手強度が十分な結果を得ることができれば実用上有効である。しかしながら、単純に向き合う接合面を突合せて突合摩擦により摩擦シーム接合を行うと、前記したように板厚の減少により継ぎ手強度は低下する。そこで板厚を減少させることなく接合を行うことが必要となる。
そこで、本発明者らは、突合摩擦接合で被加工材を２枚の薄板被接合材中に、被加工材の厚さ以上、被加工材の厚さ＋０．１ｍｍ以下の範囲で押し込んで、被加工材と被接合材との接合面及び被接合材と被接合材の接合面が接合されている接合面を形成することを行った（非特許文献５。溶接学会，第８５集溶接学会全国大会講演概要，（２００９），２６４）。この場合でも接合部分の薄板被接合材の厚さが減少することが観察され、厚さが減少する部分での硬度は減少することが分かった。又、引張試験の結果では接合速度の増加に伴い、引張強さは低下している。
【０００８】
以上のことから、摩擦シーム接合により突合されている２枚の薄板被接合材を接合する際に、接合部の板厚減少がなく継手強度を有している接合体及びその継手が同一平面上に線状に形成されている接合体、摩擦シーム接合により突合されている２枚の薄板被接合材を接合する際に、接合部の板厚減少はわずかに見られ、継手強度を有している場合には、従来は必ずバリが発生する。このような継手部分にはバリの発生がない接合体及びその継手が同一平面上に線状に形成されている接合体が求められていることがわかる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特表平７−５０５０９０号公報
【特許文献２】特開平１０−１８０４６６号公報
【特許文献３】特開２００１−１３８０７３号公報
【特許文献４】特開２０００−３１７６５２号公報
【特許文献５】特開２００４−４２０９５号公報
【特許文献６】特開２００７−１１１７５８号公報
【特許文献７】特開２００２−６６７５８号公報
【特許文献８】特開２００５−１８６０７２号公報
【特許文献９】特開２００３−３１１４４０号公報
【特許文献１０】再表２００５／０９２０５５８号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】摩擦圧接協会編集「摩擦接合技術」日刊工業新聞社４頁以降、
【非特許文献２】時末光編著ＦＳＷ（摩擦拡販接合）の基礎と応用２００５年５月３０日日刊工業新聞社発行１６８頁）
【非特許文献３】軽金属溶接，４５，（２００７），１４
【非特許文献４】溶接学会，第８４集溶接学会全国大会講演概要（２００９）
【発明の概要】
【００１１】
本発明は、摩擦シーム接合により突合されている２枚の薄板被接合材を接合する際に、接合部の板厚減少がなく継手強度を有している接合体及びその継手が同一平面上に線状に形成されている接合体、及び摩擦シーム接合により突合されている２枚の薄板被接合材を接合する際に、接合部の板厚減少はわずかに見られ、継手強度を有している場合であっても、継手部分にはバリの発生がない接合体及びその継手が同一平面上に線状に形成されている接合体を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
（１）  本発明者は、摩擦接合法により薄板からなる被接合体が突合された状態で接合部に、回転している円柱状の回転工具の底面を被加工材の表面に押し付けることにより被加工材と被加工材を接合する場合には、回転している円柱状の回転工具の底面により形成される凹部が形成されこと、その結果、強度も弱い接合体が得られることとり、これが板厚の減少により継手強度は低下することとなることは既に確認している。
この問題点を解決するためには、継ぎ手強度は低下させる原因となる被加工材と被加工材による継ぎ手部分の板厚の減少を防止することであると考えた。板厚の減少を防止するだけであるならば、接合部材に材料を存在させて、この材料が被加工材と被加工材と均一に接合させることができることが有効であると考えた。
（２）  そして、凹部を形成することなく突合せ摩擦スポット接合を行うには、以下の（ｂ）及び（ｃ）のようにすることが有効であることを見出した。
（ａ）  突合されている２枚の薄板被接合材からなる接合面の表面に、被加工材を重ね、回転している円柱状の回転工具の底面を、被加工材の表面に押し付ける。被加工材を薄板被接合材中に押し込んで、発生する摩擦熱により、被加工材と被加工材による凹んだ接合部分に被加工材が押し込まれることができれば、被加工材と被加工材による接合部分の厚さが減少することが、防止できると推定した。
前記薄板被接合材と薄板被接合材を突合せて、被加工材を押し込む押し込み量を、板厚の１／２（１ｍｍの場合は０．５ｍｍ）とする場合について試みたところ、被加工材がその厚さの１／２の部分が押し込まれることなく残されることが観察された。その結果、接合部分にはバリとして残された結果、平面の形成は困難であることがわかった。
前記操作による１パスの接合後、継手を室温まで冷却したのち、２パス目の接合を行った。１パス目と２パス目は同一方向とし、２パス目は１パス目と回転部材の回転方向を同一とした場合と逆回転とした場合について実験を試みた。
逆回転をさせる場合には板厚はほぼ均一にすることができるものの、同一回転の場合は、バリの発生は常にＲＳ側の板厚が増加する結果となる。以上のことから、１パス後に２パスを逆回転とすることが必要となる。
被加工材を押し込む押し込み量を、板厚の１／２（１ｍｍの場合は０．５ｍｍ）とする場合には、接合部分について２パスの操作が必要となり、適当でないことがわかった。
（ｂ）  そこで、前記被接合部材の押込み量を、被接合部材の厚さに加えて、０．１ｍｍ（板厚０．６ｍｍ、板厚０．５ｍｍ板厚０．４ｍｍの場合）とした。すなわち、被接合部材の押し込み量は、被加工材の厚さ−０．１ｍｍ以上から被加工材の厚さの範囲とした。
その結果は、図２（従来例の継手横断面の巨視的および微視的組織を示す）に示されている。
接合部には全条件で凸レンズ状の熱影響部が観察された。又、全条件で接合部工具回転方向と接合方向が逆となる側（以後ＲＳと称す。又、逆側をＡＳと略す。）に凸部が観察された。この凸部は回転工具による板表層部の塑性流動によるものと考える。又、図に示さないが、全条件で接合速度の速い条件では接合面に未接合部が観察された。
微視的には接合面近傍では母材に比較して微細な組織を示し、接合部ＡＳ側の組織が最も微細となった。接合部ＲＳおよびＡＳ側では、ばりの排出方向に沿った組織の流動が認められ、接合部ＡＳ側で明瞭に観察された。接合界面では全条件で明瞭に識別できた。接合部分の厚みが減少することをかなり防止できているが、依然として接合部分の厚みを減少は観察される。
図３には従来例の継手横断面板厚中央部の硬さの試験結果を示す図が示されている。中央部にはわずかではあるが硬さの低下が見られる。
（ｃ）  次に、前記（ｂ）の場合を変更して、前記被接合部材の押込み量を、被加工材を被加工材の厚さ以上、被加工材の厚さ＋０．１ｍｍ以下の範囲で押し込んだ（板厚０．６ｍｍ、板厚０．５ｍｍ板厚０．４ｍｍの場合）。現象としては前記（ｂ）の接合部と同じく全条件で凸レンズ状の熱影響部が観察された。又、全条件で接合部工具回転方向と接合方向が逆となる側（以後ＲＳと称す。又、逆側をＡＳと略す。）に凸部が観察された。この凸部は回転工具による板表層部の塑性流動によるものと考える。又、これらの条件下で接合速度の速い条件でも接合面に未接合部が観察されなかった。
微視的には接合面近傍では母材に比較して微細な組織を示し、接合部ＡＳ側の組織が最も微細となった。接合部ＲＳおよびＡＳ側では、ばりの排出方向に沿った組織の流動が認められ、接合部ＡＳ側で明瞭に観察された。接合界面では全条件で明瞭に識別できた。接合部分の厚みについて見てみると減少することは防止されており、接合部分の厚みを減少は観察されなかった（図４  請求項２の発明による接合体の継手横断面の巨視的及び微視的組織を観察した図である）。図５は請求項２の発明による継手横断面板厚中央部の硬さの試験結果を示す図である。中央部分の硬度の低下は少ない。
図６は請求項２の発明による接合速度と強度の関係を示す図である。接合速度が上昇すると引張強さが低下する。
（ｄ）  前記（ｂ）の場合と同じく、はじめに薄板被接合材１、２を組み合わせて配置した（図７の左図）。薄板被接合材１，２の接合面（突合せ面）の上部に、被加工材の横幅は回転工具の直径より広い被加工材３を配置した。被加工材の押し込みは、前記被加工材３の板厚＋０．１ｍｍとした。
薄板被接合材は、薄板被接合材に対して０．１ｍｍ押し込んでいるので（図１０中央）、接合終了後、前記被加工材３の横幅が回転工具の直径より広い部分は、薄板被接合材１，２の接合面より手動により離される（図７右）。
前記の操作の結果、接合部の外部の状態は図８に示すとおりである。
接合直後の継手には上板が付着した状態である（図８ａ）。この図から明らかなように、接合部ＲＳ（接合方向と回転工具の回転方向が逆側の場合）側にバリの発生が観察された。ところで、前記したように、被加工材の横幅は回転工具の直径より広い部分については、薄板被接合材１，２より、除去される（図１０右）。除去される際にはバリも除去される結果となり、外観上ではバリの発生は認められない（図８ｂ）。この場合には、バリの発生を伴わずに、かなり程度まで接合部分の厚みが減少させることが防止できていることは前記（ｂ）の場合と同様であり、引っ張り試験の結果も良好である。
バリの発生を抑制できたことを評価すれば良好な接合であるということができる。
（３）  本発明は以下の通りである。
（Ａ）  厚さが０．１ｍｍ〜０．６ｍｍである被加工材の表面に、被加工材の横幅と円柱状の回転工具の直径とが同一である回転する円柱状の回転工具を押し付けて、平面上に突合されて配置されている、厚さが１．０ｍｍ以下、０．４ｍｍ以上の２枚の薄板被接合材中に、被加工材を、被加工材の厚さ−０．１ｍｍ以上から被加工材の厚さの範囲で押し込むことにより、被加工材及び２枚の薄板被接合材に発生する摩擦熱により、被加工材と被接合材との接合面及び被接合材と被接合材の接触する面が接合されていることを特徴とする被加工材及び突合されている２枚の被接合材が接合されている接合体。
（Ｂ）  厚さが０．１ｍｍ〜０．６ｍｍである被加工材の表面に、被加工材の横幅と円柱状の回転工具の直径とが同一である回転する円柱状の回転工具を押し付けて、平面上に突合されて配置されている、厚さが１．０ｍｍ以下、０．４ｍｍ以上の２枚の薄板被接合材中に、被加工材を被加工材の厚さ−０．１ｍｍ以上から被加工材の厚さの範囲で押し込みつつ、回転する円柱状の回転工具を接合面に合わせて移動させて、被加工材及び２枚の薄板被接合材に発生する摩擦熱により、被加工材と被接合材との接合面及び被接合材と被接合材の接触する面が接合されていることを特徴とする被加工材及び突合されている２枚の被接合材が接合されている接合体。
（Ｃ）  厚さが０．１ｍｍ〜０．６ｍｍである被加工材の表面に、被加工材の横幅は円柱状の回転工具の直径より大きい回転する円柱状の回転工具を押し付けて、平面上に突合されて配置されている、厚さが１．０ｍｍ以下、０．４ｍｍ以上の２枚の薄板被接合材中に、被加工材を被加工材の厚さ以上、被加工材の厚さ＋０．１ｍｍ以下の範囲で押し込むことにより、円柱状の回転工具の直径より大きい被加工材の横幅の部分は取り除かれるとともに、被加工材及び２枚の薄板被接合材に発生する摩擦熱により、被加工材と被接合材との接合面及び被接合材と被接合材の接触する面が接合されていることを特徴とする被加工材及び突合されている２枚の被接合材が接合されている接合体。
（Ｄ）  厚さが０．１ｍｍ〜０．６ｍｍである被加工材の表面に、被加工材の横幅は円柱状の回転工具の直径より大きい回転する円柱状の回転工具を押し付けて、平面上に突合されて配置されている、厚さが１．０ｍｍ以下、０．４ｍｍ以上の２枚の薄板被接合材中に、被加工材を被加工材の厚さ以上、被加工材の厚さ＋０．１ｍｍ以下の範囲で押し込みつつ、接合面に合わせて回転する円柱状の回転工具を移動させることにより、円柱状の回転工具の直径より大きい被加工材の横幅の部分は取り除かれてとともに、被加工材及び２枚の薄板被接合材に発生する摩擦熱により、被加工材と被接合材との接合面及び被接合材と被接合材の接触する面が接合されていることを特徴とする被加工材及び突合されている２枚の被接合材が接合されている接合体。
【発明の効果】
【００１３】
請求項１及び２の発明によれば、突合せ摩擦シーム接合法により形成される接合面は板厚減少を伴うことなく、突き合わされる２枚の薄板被接合材、スポット状及び同一平面状に接合している接合体を得ることができる。継手部分は、いずれも板厚減少を伴うことがなく、継手横断面板厚の硬さの試験結果の低下は少なく、良好な結果であった。引っ張り試験の結果も良好である。この接合による曲げ試験では、表曲げでは曲げ中心が若干ＲＳ側に移動することは見られるが、割れは観察されなかった。裏曲げ試験では押込み量０．５ｍｍでは全条件で発生がない。
請求項３及び４の発明では、通常この種の接合面にバリの発生を伴うにもかかわらず、これらと相違してバリの発生がなく、接合部の板厚減少が少なく、継手横断面板厚の硬さの試験結果の低下は少なく、引っ張り試験の結果も良好である接合体及びその継手が同一平面上に線状に形成されている接合体を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】請求項１及び２の接合を説明する図である。
【図２】従来例の接合体の継手横断面の巨視的及び微視的組織を観察した図である。
【図３】従来例の継手横断面板厚中央部の硬さの試験結果を示す図である。
【図４】請求項２の発明による接合体の継手横断面の巨視的及び微視的組織を観察した図である。
【図５】請求項２の発明による継手横断面板厚中央部の硬さの試験結果を示す図である。
【図６】請求項２の発明による接合速度と接合部表面を面削し、接合方向と直角に採取したＪＩＳ１３Ｂ試験片による引張試験結果を示す図である。
【図７】請求項３及び４の接合を説明する図である。
【図８】請求項４の接合部の外部の状態を示す図である。
【図９】請求項４の場合の上板分離後の継手外観を示す図である。
【図１０】継手横断面板厚中央部の硬さ分布の結果を示す図である。
【図１１】接合速度と接合部表面を面削し、接合方向と直角に採取したＪＩＳ１３Ｂ試験片による引張試験結果を示す図である。
【図１２】従来の摩擦シーム接合の終端部を示す図であり、バリの発生を伴った、円弧状の模様又は凹みが形成されることを示す図である。
【図１３】従来の摩擦シーム接合の継手の巨視的組織と微視的組織を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下の本発明の１は次の通りである。突合せ摩擦シーム接合法により形成される接合面は板厚減少を伴うことなく、突き合わされる２枚の薄板被接合材、スポット状及び同一平面状に接合している接合体を得ることができる。
厚さが０．１ｍｍ〜０．６ｍｍである被加工材の表面に、被加工材の横幅と円柱状の回転工具の直径とが同一である回転する円柱状の回転工具を押し付けて、平面上に突合されて配置されている、厚さが１．０ｍｍ以下、０．４ｍｍ以上の２枚の薄板被接合材中に、被加工材を、被加工材の厚さ−０．１ｍｍ以上から被加工材の厚さ未満の範囲で押し込むことにより、被加工材及び２枚の薄板被接合材に発生する摩擦熱により、被加工材と被接合材との接合面及び被接合材と被接合材の接触する面が接合されている被加工材及び突合されている２枚の被接合材が接合されている接合体である。
【００１６】
以下図１を用いて本発明の１例を示す内容を説明する。
図１左側は、平面上に突合されて配置されている２枚の薄板被接合材１及び２が突合されて配置されている表面に、被加工材３を重ね、回転している円柱状の回転工具１０の底面を、被加工材３の表面に押し付けている状態を示している。
図１右側は、被加工材３を、２枚の薄板被接合材８中に被加工材３の厚さ−０．１ｍｍ以上から被加工材３の厚さ未満の範囲で押し込んでいる状態を示している。その結果、薄板被接合材表面に被加工材が0を超えて０．１ｍｍの範囲で飛び出している状態を示している。
被加工材１０及び２枚の薄板被接合材８に発生する摩擦熱により、被加工材と被接合材との接合面及び被接合材と被接合材の接触する面が接合されている被加工材及び突合されている２枚の被接合材が接合されている接合体を示している。
【００１７】
以下の本発明の２は次の通りである。
接合面に合わせて被加工材の表面を回転している円柱状の回転工具を移動させて平面に継手を形成する接合体は次の通りである。
厚さが０．１ｍｍ〜０．６ｍｍである被加工材の表面に、被加工材の横幅と円柱状の回転工具の直径とが同一である回転する円柱状の回転工具を押し付けて、平面上に突合されて配置されている、厚さが１．０ｍｍ以下、０．４ｍｍ以上の２枚の薄板被接合材中に、被加工材を、被加工材の厚さ−０．１ｍｍ以上から被加工材の厚さ未満の範囲で押し込みつつ、回転する円柱状の回転工具を接合面に合わせて移動させて、被加工材及び２枚の薄板被接合材に発生する摩擦熱により、被加工材と被接合材との接合面及び被接合材と被接合材の接触する面が接合されていることを特徴とする被加工材及び突合されている２枚の被接合材が接合されている接合体。
【００１８】
特徴点は突合されている２枚の薄板被接合材からなる接合面の表面に、被加工材を重ね、回転している円柱状の回転工具の底面を、被加工材の表面に押し付け、被加工材中に被加工材３を２枚の薄板被接合材中に被加工材の厚さ−０．１ｍｍ以上から被加工材の厚さの未満の範囲で被加工材を２枚の薄板被接合材中に押し込んで回転している円柱状の回転工具を接合面に合わせて移動させ発生する、摩擦熱により、被加工材と被接合材との接合面及び被接合材と被接合材の接合面が接合する。
接合装置はフライス盤を用いて行うことができる。
【００１９】
接合部の状態を示すと以下の通りである。
（ａ）  外観は、上板を用いないで５０５２アルミニウム合金突合せ継手を行った場合と類似した様相であった。摩擦シーム接合後、バリになる部分は容易に上板からはがれるため、バリの形成は認められなかった。
図４に継手横断面の巨視的および微視的組織を示す。接合部には全条件で凸レンズ状の熱影響部が観察された。又、全条件で接合部工具回転方向と接合方向が逆となる側（以後ＲＳと称す。又、逆側をＡＳと略す。）に凸部が観察された。この凸部は回転工具による板表層部の塑性流動によるものと考える。
又、全条件で接合速度の速い条件でも接合面には未接合部分は観察されなかった。接合度がゆっくりした条件の方が接合は十分に行われる。
微視的には接合面近傍では母材に比較して微細な組織を示し、接合部ＡＳ側の組織が最も微細となった。接合部ＲＳおよびＡＳ側では、ばりの排出方向に沿った組織の流動が認められ、接合部ＡＳ側で明瞭に観察された。接合界面では全条件で明瞭に識別できた。
（ｂ）  継手横断面板厚中央部の硬さ試験結果を図５として示す。全条件で回転工具径と同程度の軟化域が観察された。軟化割合は上板板厚の大小による差は明瞭には認められなかった。最軟化部は接合部端部であり、接合中心部で軟化割合はわずかに小さかった。又、軟化域内のＡＳ側で硬さが一部高値を示す部分があるが、これはＡＳ側で組織が著しく微細になったための部分である。
硬度は全体で８０％を超えている。
（ｃ）  接合部表面を面削し、接合方向と直角に採取したＪＩＳ１３Ｂ試験片による引張試験結果を図６に示す。板厚０．６ｍｍ、接合速度２ｍｍ／Ｓ以上の条件では試験片が得られなかったため図には示していない。
引張強さは全条件で接合速度０．５ｍｍ／ｓで最大値を示し、接合速度の増加に伴い引張強さは低下した。又、上板の板厚の増加により引張強さは低下する傾向を示した。
本実験の範囲内で最高引張り強さは上板の板厚０．４ｍｍ、接合速度  ０．５ｍｍ／ｓで２３６ＭＰａと母材の８８％の値が得られた。単純突合せによる接合では引張強さは母材の約８５％であり、継手強度は若干増加した。
従来例より良好な結果となっていることがわかる。
【００２０】
以下の本発明の３は次の通りである。
通常接合面にバリの発生を伴わないにもかかわらず、接合部の板厚減少が少なく、継手横断面板厚の硬さの試験結果の低下は少なく、引っ張り試験の結果も良好である接合体である。
厚さが０．１ｍｍ〜０．６ｍｍである被加工材の表面を、被加工材の横幅は円柱状の回転工具の直径より大きい回転する円柱状の回転工具を被加工材の表面に押し付けて、平面上に突合されて配置されている、厚さが１．０ｍｍ以下、０．４ｍｍ以上の２枚の薄板被接合材中に、被加工材を被加工材の厚さ以上、被加工材の厚さ＋０．１ｍｍ以下の範囲で押し込むことにより、円柱状の回転工具の直径より大きい被加工材の横幅の部分は取り除かれてとともに、被加工材及び２枚の薄板被接合材に発生する摩擦熱により、被加工材と被接合材との接合面及び被接合材と被接合材の接触する面が接合されている被加工材及び突合されている２枚の被接合材が接合されている接合体。
【００２１】
図７は以下の一連の工程を説明する図である。
平面上に突合されて配置されている２枚の薄板被接合材１、２の、突合されて配置されている表面に、被加工材３を重ねる（図７左）。
回転している円柱状の回転工具１０の底面を、被加工材の表面に押し付け、被加工材を、２枚の薄板被接合材中に、被加工材の厚さ以上被加工材の厚さ＋０．１ｍｍ以下の範囲で押し込む（図７中央）。
前記被加工材の横幅は円柱状の回転工具の直径より大きく、被加工材と被接合材との接合面及び被接合材と被接合材の接合面が接合された後に、被加工材の横幅が円柱状の回転工具の直径より大きい部分７を、手を用いて、取り除くことができる。
発生する摩擦熱により、被加工材と被接合材との接合面及び被接合材と被接合材の接合面が接合されている突合されている２枚の被接合材及び被加工材が接合されている接合体８を得る（図７右側）。完成する接合体は、被加工材と被接合材との接合面及び被接合材と被接合材の接合面が接合されている突合されている２枚の被接合材及び被加工材が接合されている接合体８である（図７右側）。
【００２２】
以下の本発明の４は次の通りである。
通常接合面にバリの発生を伴わないにもかかわらず、接合部の板厚減少が少なく、継手横断面板厚の硬さの試験結果の低下は少なく、引っ張り試験の結果も良好である継手を平面上に形成する。
厚さが０．１ｍｍ〜０．６ｍｍである被加工材の表面に、被加工材の横幅は円柱状の回転工具の直径より大きい回転する円柱状の回転工具を押し付けて、平面上に突合されて配置されている、厚さが１．０ｍｍ以下、０．４ｍｍ以上の２枚の薄板被接合材中に、被加工材を被加工材の厚さ以上、被加工材の厚さ＋０．１ｍｍ以下の範囲で押し込みつつ、接合面に合わせて回転する円柱状の回転工具を移動させることにより、円柱状の回転工具の直径より大きい被加工材の横幅の部分は取り除かれてとともに、被加工材及び２枚の薄板被接合材に発生する摩擦熱により、被加工材と被接合材との接合面及び被接合材と被接合材の接触する面が接合されている被加工材及び突合されている２枚の被接合材が接合されている接合体である。
【００２３】
厚さが１．０ｍｍ以下、０．４ｍｍ以上の２枚の薄板被接合材中に、被加工材を被加工材の厚さ以上、被加工材の厚さ＋０．１ｍｍ以下の範囲で押し込みつつ、接合面に合わせて回転する円柱状の回転工具を移動させることにより、円柱状の回転工具の直径より大きい被加工材の横幅の部分は取り除かれてとともに、被加工材及び２枚の薄板被接合材に発生する摩擦熱により、被加工材と被接合材との接合面及び被接合材と被接合材の接触する面が接合されていることが特徴である。
【００２４】
接合部の外部の状態は図８に示すとおりである。
接合直後の継手には上板が付着した状態である（図８ａ）。接合部ＲＳ（接合方向と回転工具の回転方向が逆側の場合）側にバリの発生が観察された。被加工材が接合後に容易に除去できる（図８右）。この場合にはバリが除去されるので、外観上ではバリは認められない（図８ｂ）。
又、上板分離後の継手外観を図９に示す。
【００２５】
（７）  継手横断面の巨視的組織について
継手横断面の巨視的組織を図１０示した。巨視的には未接合部等の接合欠陥は観察されない。接合速度の遅い条件では接合部ＲＳ側に上板を除去した際に残存するばりが、わずかに認められたが、接合部の増加に伴い、バリは減少した。このことは板厚の増加、すなわち、押し込み量の増加に伴い入熱が大きくなるためであると考える。
図１１に接合速度と接合部表面を面削し、接合方向と直角に採取したＪＩＳ１３Ｂ試験片による引張試験結果を示す図である。すべての条件下で接合部の板厚減少は抑制できた。
【００２６】
（８）  硬さ試験の結果
継手横断面板厚中央部の硬さ分布の結果を図１０として示す。全条件で回転工具径と同程度の軟化域が観察された。最軟化部は回転工具径の外周部であった。硬さは接合中心部では接合速度に関係なく、被加工材板厚の違いによる差は明瞭に観察されない。又、接合速度の遅い条件では接合部ＡＳ側に微細な組織による高い値を示す部分があった。
【００２７】
（９）  引張試験の結果
接合部表面を面削し、接合方向と直角に採取したＪＩＳ１３Ｂ試験片による引張試験結果を図１１に示す。全条件で引張強さは接合速度の増加に伴い低下した。突合せ継手と比較して引張速度に及ぼす接合速度の影響が増大した。
このことは、本件発明では被接合材と被接合材の突合表面には被加工材が配置されており、被接合材下部への入熱が接合速度の増加に伴い減少したことによると考えられる。
【００２８】
以上の操作に用いられる２枚の突き合されている被接合材を構成する材料は、アルミニウム、アルミニウム合金、アルミニウムマグネシウム合金、銅及び銅合金などを挙げることができる。これらは同じ材料であることが接合し同じ組成を形成するうえで好ましい。
これらの被接合材は板材の場合が通常である。厚さ１ｍｍ程度までの被接合材について適用可能である。被接合材の厚さについては、０．４ｍｍ〜１．０ｍｍの範囲である。
被加工材の厚さは０．１から０．６ｍｍである。
２枚の突合されている被接合材により形成される接合面は直線状に形成されるものが一般的である。曲線であっても可能である。
【００２９】
突合されている２枚の薄板被接合材の接合面の表面に重ねる被加工材は、被接合材と同じ材料のものを用いることが好ましい。例えば、薄板被接合材がアルミニウム板とアルミニウム板の場合には被加工材を用いる。その結果、接合部は同じ系統の材料で構成され、組織も均一になる。
異なる材料からなる薄板被接合材を接合するには、被加工材には何れか一方の薄板被接合材と同じ材料の被加工材を用いる。アルミニウム板とアルミニウムマグネシウム合金板を接合する場合には、被加工材はアルミニウム板またはアルミニウムマグネシウム合金板の何れかを用いる。一方の異なる材料の方では静止室の接合部の組織が均一に保つことは困難となる。
回転工具の材料は、アルミニウム、アルミニウム合金、アルミニウムマグネシウム合金などの板材に対しては、高速度工具鋼、ステンレス鋼などで十分に対処できる。
耐熱衝撃性を有する、窒化物系化合物、炭化物系化合物、高融点酸化物又はこれらの混合焼結体を主成分とする材料で形成しても良い。窒化物系化合物としては、窒化アルミニウム、窒化タンタル、窒化硼素、窒化チタン、窒化ジルコニウム、窒化ハフニウムが例示でき、炭化物系化合物としては炭化チタン、炭化ジルコニウム、炭化タンタル、タングステンカーバイト、炭化硼素、炭化ハフニウムが例示できる。
【００３０】
回転工具の形状は円柱状であり、底面は平坦である。
回転工具の回転数は５００〜２０００ｒｐｍである。
接合時間は０．０５〜０．１秒程度である。
接合速度は０．１〜５ｍｍ／ｓ程度である。
【００３１】
以下本発明について実施例により説明する。これにより発明が限定されるものではない。
【実施例１】
【００３２】
（１）  薄板被接合材の作成
薄板被接合材（供試材）には板厚１．０ｍｍの５０２Ｐ−Ｈ３４アルミニウム合金板（σＢ＝２７０、δ＝７％、８５ＨＫ０．０５）を圧延方向に長さ１３０ｍｍ、幅７０ｍｍに機械加工後、接合面を脱脂洗浄し接合に供した。
（２）  被加工材の作成
薄板被接合材の表面にのせる被加工材（上板）は、板厚０．４ｍｍ、０．５ｍｍ、０．６ｍｍの、同じく５０２Ｐ−Ｈ３４アルミニウム合金板を用いた。
（３）  摩擦シーム接合の条件
ＦＮ−ＩＩ型摩擦攪拌接合機を使用した。供試材を冶具により固定した。接合は供試材の圧延方向と平行とし、実験条件は予備実験により選定した表１に示す条件を組合せて行った。回転工具の押込みは上板板厚−０．１ｍｍとした。回転工具の材質は炭素工具鋼（ＳＫ１０５）製、直径１０ｍｍに機械加工したものを用いた。工具の回転方向は時計回りとした。得られた継手の外観観察、組織観察、硬さ試験及び引張り試験を室温で行った。
【００３３】
【表１】
2011240398.tif 000003
【００３４】
（４）  試験結果
（ａ）  外観は、上板を用いないで５０５２アルミニウム合金突合せ継手を行った場合と類似した様相であった。摩擦シーム接合後、バリになる部分は容易に上板からはがれるため、バリの形成は認められなかった。
図３に継手横断面の巨視的および微視的組織を示す。接合部には全条件で凸レンズ状の熱影響部が観察された。又、全条件で接合部工具回転方向と接合方向が逆となる側（以後ＲＳと称す。又、逆側をＡＳと略す。）に凸部が観察された。この凸部は回転工具による板表層部の塑性流動によるものと考える。
又、図に示さないが、全条件で接合速度の速い条件では接合面に未接合部が観察された。
微視的には接合面近傍では母材に比較して微細な組織を示し、接合部ＡＳ側の組織が最も微細となった。接合部ＲＳおよびＡＳ側では、ばりの排出方向に沿った組織の流動が認められ、接合部ＡＳ側で明瞭に観察された。接合界面では全条件で明瞭に識別できた。
（ｂ）  継手横断面板厚中央部の硬さ試験結果を図４として示す。全条件で回転工具径と同程度の軟化域が観察された。軟化割合は上板板厚の大小による差は明瞭には認められなかった。最軟化部は接合部端部であり、接合中心部で軟化割合はわずかに小さかった。又、軟化域内のＡＳ側で硬さが一部高値を示す部分があるが、これはＡＳ側で組織が著しく微細になったための部分である。
（ｃ）  接合部表面を面削し、接合方向と直角に採取したＪＩＳ１３Ｂ試験片による引張試験結果を図５に示す。板厚０．６ｍｍ、接合速度２ｍｍ／Ｓ以上の条件では試験片が得られなかったため図には示していない。
引張強さは全条件で接合速度０．５ｍｍ／ｓで最大値を示し、接合速度の増加に伴い引張強さは低下した。又、上板の板厚の増加により引張強さは低下する傾向を示した。
本実験の範囲内で最高引張り強さは上板の板厚０．４ｍｍ、接合速度  ０．５ｍｍ／ｓで２３６ＭＰａと母材の８８％の値が得られた。単純突合せによる接合では引張強さは母材の約８５％であり、継手強度は若干増加した。
（ｄ）  破断後の試験片の形状を図６に示す。破断は引張強さが高い値を示した条件では全条件でネッキングを伴い接合部ＲＳ側で破断した。しかし、引張強さが低い条件の試験片の破断は接合界面であった。
【実施例２】
【００３５】
（１）  薄板被接合材
薄板被接合材（供試材）にはアルニウム合金５０５２を使用した。
（２）  被加工材の作成
薄板被接合材の表面にのせる被加工材（上板）は、板厚０．４ｍｍ、０．５ｍｍ、０．６ｍｍの、同じく５０５２アルミニウム合金板を用いた。
（３）  回転部材（回転工具）
円柱状炭素工具は炭素工具は鋼（ＳＫ１０５）製である。
（４）  接合の条件
以下の表２に示すとおりであった。
【００３６】
【表２】
2011240398.tif 000004
【００３７】
（５）  接合の態様は以下の通りである。
接合の態様は図７に示した。
被加工材３と薄板被接合材１，２を組み合わせて配置した（図７の左図）。
被加工材３の横幅は回転工具の直径より幅が広くする。被加工材３の横幅が回転工具の直径より幅が広い部分は、接合後にとりはずすこととなるので不必要に長い必要はない。回転工具の直径より２倍程度あれば十分である。
薄板被接合材１，２の接合面（突合せ面）の上部に被加工材３を配置し、押し込みは、被加工材３の板厚＋０．１ｍｍとした。薄板被接合材に対して０．１ｍｍ押し込んでいるので（図７中央）、接合終了後、被加工材３は容易に分離できた（図７右）。
（６）  接合部の外部観察
接合部の外部の状態は図８に示すとおりである。
接合直後の継手には上板が付着した状態である（図８ａ）。接合部ＲＳ（接合方向と回転工具の回転方向が逆側の場合）側にバリの発生が観察された。被加工材が接合後に容易に除去できる（図１０右）。この場合にはバリが除去されるので、外観上ではバリは認められない（図１１ｂ）。
又、上板分離後の継手外観を図９に示す。
（７）  継手横断面の巨視的組織について
継手横断面の巨視的組織を図９に示した。巨視的には未接合部等の接合欠陥は観察されない。接合速度の遅い条件では接合部ＲＳ側に上板を除去した際に残存するばりが、わずかに認められたが、接合部の増加に伴い、バリは減少した。このことは板厚の増加、すなわち、押し込み量の増加に伴い入熱が大きくなるためであると考える。
図１０に接合部の板厚を測定した結果を示す。すべての条件下で接合部の板厚減少は抑制できた。
（８）  硬さ試験の結果
継手横断面板厚中央部の硬さ分布の結果を図１０に示す。全条件で回転工具径と同程度の軟化域が観察された。最軟化部は回転工具径の外周部であった。硬さは接合中心部では接合速度に関係なく、被加工材板厚の違いによる差は明瞭に観察されない。又、接合速度の遅い条件では接合部ＡＳ側に微細な組織による高い値を示す部分があった。
（９）  引張試験の結果
接合部表面を面削し、接合方向と直角に採取したＪＩＳ１３Ｂ試験片による引張試験結果を図１１に示す。全条件で引張強さは接合速度の増加に伴い低下した。突合せ継手と比較して引張速度に及ぼす接合速度の影響が増大した。
このことは、本件発明では被接合材と被接合材の突合表面には被加工材が配置されており、被接合材下部への入熱が接合速度の増加に伴い減少したことによると考えられる。
【符号の説明】
【００３８】
１：被接合材
２：被接合材
３：被加工材
４：被接合材１及び２からなる接合面
５：被接合材と被接合材及び被加工材との接合面
Ｐ：押込量
７：取り除かれた被加工材
８：被加工材と被接合材との接合面及び被接合材と被接合材の接合面が接合されている突合されている２枚の被接合材及び被加工材が接合されている接合体
１０：円柱状の回転工具の底面
【図８】
2011240398.tif 000005
【図９】
2011240398.tif 000006
【図１０】
2011240398.tif 000007
【図１】
2011240398.tif 000008
【図２】
2011240398.tif 000009
【図３】
2011240398.tif 000010
【図４】
2011240398.tif 000011
【図５】
2011240398.tif 000012
【図６】
2011240398.tif 000013
【図７】
2011240398.tif 000014
【図１１】
2011240398.tif 000015
【図１２】
2011240398.tif 000016
【図１３】
2011240398.tif 000017