(57)【要約】      （修正有）【課題】摩擦攪拌接合の長所を活かしつつ、その短所を補うことが可能な接合方法を提案する。【解決手段】複数の金属製の被接合部材を突き合わせて突合部を構成する突合工程Ｓ１と、突合部の一部に沿って溶接を行う溶接工程Ｓ２と、突合部の他部に沿って摩擦攪拌を行う摩擦攪拌接合工程Ｓ３とを有する。【選択図】図１
2011101891.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の金属製の被接合部材を突き合わせて突合部を構成する突合工程と、
前記突合部の一部に沿って溶接を行う溶接工程と、
前記突合部の他部に沿って摩擦攪拌を行う摩擦攪拌接合工程と、を有することを特徴とする接合方法。
【請求項２】
前記摩擦攪拌接合工程は、前記突合部のうち略平面形状な部分を接合することを特徴とする請求項１に記載の接合方法。
【請求項３】
前記溶接工程は、前記突合部のうち非平面形状部分を接合することを特徴とする請求項１または２に記載の接合方法。
【請求項４】
前記摩擦攪拌接合工程による接合端と前記溶接工程による接合端とを重ねたことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の接合方法。
【請求項５】
前記摩擦攪拌接合工程による接合端と前記溶接工程による接合端とが重なる部分は、前記突合部のうち略平面形状な部分に位置することを特徴とする請求項４に記載の接合方法。
【請求項６】
前記摩擦攪拌接合工程による接合端と前記溶接工程による接合端とを重ねる範囲は、前記溶接工程におけるビード幅以上とすることを特徴とする請求項４または５に記載の接合方法。
【請求項７】
前記摩擦攪拌接合工程は、前記溶接工程の後に行うことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の接合方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶接および摩擦攪拌接合を組み合わせた接合方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、金属製の被接合部材の接合方法として種々の溶接方法が知られている。溶接は、被接合部材の溶接箇所を加熱し、被接合部材または被接合部材と溶加材とを融合させて溶融金属を作り、これを凝固させて被接合部材を接合する。
【０００３】
他方、近年、金属製の被接合部材の接合方法として溶接やろう接に代わる新しい接合方法として摩擦攪拌接合が開発され実用化されている。摩擦攪拌接合は、固相接合であり、溶接（溶融接合）やろう接（液相−固相反応接合）よりも低温で被接合部材を接合できるため、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などの利点がある（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−３１２１９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
溶接は、溶け込み不良、割れ、気孔、融合不良、スラグ巻き込みなどの溶接欠陥を生じることがある。これら溶接欠陥のうち、気孔は、溶融金属の温度低下にともなう溶解度の減少あるいは化学反応ないしは固相の晶出による急激な溶解度の減少によって発生したガスによる気泡が接合終了まで残留したものである。溶接欠陥は、一般に溶接の始端部および終端部に生じやすい。
【０００６】
他方、摩擦攪拌接合は、ツールと呼ばれる接合工具から被接合部材に大きなツール荷重を負荷して接合を行う。これに起因して、摩擦攪拌接合は、曲面形状や角形状（単なる角部分や、角部分が連続的に連なる段差部分）等の複雑な形状を有する被接合部材の突合部を接合することが困難であるという問題を有する。
【０００７】
また、摩擦攪拌接合は、接合端部に接合強度を十分に得られない部分（攪拌が不十分な部分）が生じてしまう。
【０００８】
そこで、本発明は、溶接の接合端部に発生する溶接欠陥を除去できるとともに、摩擦攪拌接合の長所を活かしつつ、その短所を補うことが可能な接合方法を提案する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記の課題を解決するため本発明に係る接合方法は、複数の金属製の被接合部材を突き合わせて突合部を構成する突合工程と、前記突合部の一部に沿って溶接を行う溶接工程と、前記突合部の他部に沿って摩擦攪拌を行う摩擦攪拌接合工程と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、溶接の接合端部に発生する溶接欠陥を除去できるとともに、摩擦攪拌接合の長所を活かしつつ、その短所を補うことが可能な接合方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態に係る接合方法を示したフローチャート。
【図２】本発明の実施形態に係る接合方法のうち摩擦攪拌接合工程を示した概略図。
【図３】本発明の実施形態に係る接合方法によって接合された構造物の一例を示した概略図。
【図４】本発明の実施形態に係る接合方法によって接合された構造物の一例を示した概略図。
【図５】本発明の実施形態に係る接合方法のうち溶接工程において溶接された接合部分の始端部の一例を示した断面図。
【図６】本発明の実施形態に係る接合方法によって溶接工程後に摩擦攪拌溶接で接合されたオーバーラップ部を示した断面図。
【図７】本発明の実施形態に係る接合方法によって接合された構造物の接合強度の一例を示した図。
【図８】本発明の実施形態に係る接合方法によって接合された構造物の他の例を示した概略的な断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明に係る接合方法の実施の形態について、図１から図８を参照して説明する。
【００１３】
図１は、本発明の実施形態に係る接合方法を示したフローチャートである。
【００１４】
図１に示すように、本実施形態に係る接合方法は、突合工程Ｓ１と、突合工程Ｓ１の後に実施する溶接工程Ｓ２と、少なくとも突合工程Ｓ１の後に実施する摩擦攪拌接合工程Ｓ３と、を有する。なお、本実施形態に係る接合方法は、溶接工程Ｓ２の後に摩擦攪拌接合工程Ｓ３を行う。
【００１５】
突合工程Ｓ１は、本実施形態に係る接合方法によって接合される複数の被接合部材に突合部を構成する工程である。被接合部材は、例えばアルミニウム合金を含む金属製の部材であり、摩擦攪拌接合および溶接によって接合できるものであれば良い。突合部は、それぞれの被接合部材に形成された面を突き合わせた突合面（または「接合面」と呼ぶ。）を含み、溶接工程Ｓ２および摩擦攪拌接合工程Ｓ３で接合される領域である。
【００１６】
溶接工程Ｓ２は、突合部の一部に沿って熱源を移動し、溶接によって被接合部材の本接合を行う工程である。溶接工程Ｓ２において行われる溶接方法は、アークを熱源とするアーク溶接（ティグ溶接やミグ溶接を含むガスシールドアーク溶接やセルフシールドアーク溶接などを含む）やガス溶接、レーザ溶接、電子ビーム溶接などの既知の溶接方法を用いることが可能である。
【００１７】
摩擦攪拌接合工程Ｓ３は、突合部の他部に沿って接合工具を移動し、摩擦攪拌によって被接合部材の本接合を行う工程である。
【００１８】
次に、摩擦攪拌接合工程Ｓ３について詳述する。
【００１９】
図２は、本発明の実施形態に係る接合方法のうち摩擦攪拌接合工程を示した概略図である。
【００２０】
図２に示すように、摩擦攪拌接合工程Ｓ３は、接合工具１４を用いて複数の被接合部材である一対の被接合プレート１１、１２を突き合わせた突合部の他部を接合する工程である。このとき、被接合プレート１１、１２を突き合わせた突合部の一部は、既に溶接工程Ｓ２において溶接接合部分２４（詳細は後述する。）が形成されている。
【００２１】
接合工具１４は、例えば、回転駆動装置（図示省略）の駆動部に結合された円柱形状の回転体１５と、回転体１５の先端に突出させて一体に形成された円柱形状のプローブ１６と、を備える。回転体１５の端面はショルダ１７と呼ばれる。プローブ１６は、回転体１５の端面から被接合プレート１１、１２の突合部の厚さに相当する長さに突出される。またプローブ１６は、被接合プレート１１、１２の攪拌を効率よく行うなどのため、ねじ溝が設けられたり、回転軸直交方向の断面形状が非円形状（例えば、楕円や太鼓型）に形成されたりする。
【００２２】
摩擦攪拌接合工程Ｓ３は、回転駆動装置によって接合工具１４を高速で回転（図２中、実線矢Ｒ）させながら被接合プレート１１、１２の突合部に押圧し、接合工具１４と被接合プレート１１、１２との摩擦熱によって被接合プレート１１、１２の接合部分を軟化させ、この軟化した部分を接合工具１４の回転によって攪拌し、被接合プレート１１、１２を接合する。摩擦熱によって軟化された被接合プレート１１、１２の接合部分が接合工具１４の接合方向（図２中、実線矢Ｆ）後方へ回り込むように攪拌された後、接合工具１４の移動にともなって摩擦熱を急速に失い冷却硬化することによって、被接合プレート１１、１２は接合される。
【００２３】
図３および図４は、本発明の実施形態に係る接合方法によって接合された構造物の一例を示した概略図である。
【００２４】
図３および図４に示すように、接合板材２２、２２Ａは、被接合プレート１１、１２を本発明の実施形態に係る接合方法によって接合した構造物である。
【００２５】
具体的には、図３に示すように、接合板材２２は、溶接工程Ｓ２による溶接接合部分２４と摩擦攪拌接合工程Ｓ３による摩擦攪拌接合部分２５とを隣接させて接合される。
【００２６】
他方、図４に示すように、接合板材２２Ａは、溶接工程Ｓ２の後に摩擦攪拌接合工程Ｓ３を行い、溶接工程Ｓ２による溶接接合部分２４と摩擦攪拌接合工程Ｓ３による摩擦攪拌接合部分２５とを重ね合わせて接合される。この重ね合わされた部分をオーバーラップ部２６と呼ぶ。
【００２７】
オーバーラップ部２６は、溶接工程Ｓ２による溶接接合部分２４の始端部２４ａに摩擦攪拌接合工程Ｓ３による摩擦攪拌接合部分２５の始端部２５ａを重ね合わせて形成される。なお、オーバーラップ部２６は、溶接工程Ｓ２による溶接接合部分２４の始端部２４ａおよび終端部２４ｂのいずれに形成しても良い。
【００２８】
このとき、オーバーラップ部２６の範囲は、溶接工程Ｓ２によるビード幅以上とすることが好ましい。このように両工程における溶接接合部分２４および摩擦攪拌接合部分２５を重ね合わせることによって、溶接工程Ｓ２において溶接欠陥が生じやすい溶接接合部分２４の始端部２４ａ（または終端部２４ｂ）を摩擦攪拌接合工程Ｓ３における摩擦攪拌接合によって攪拌し、接合することができる。
【００２９】
接合板材２２、２２Ａについてさらに詳述する。
【００３０】
接合板材２２、２２Ａは、アルミ合金（ＪＩＳ  Ｈ  ４１００：６０６１−Ｔ６）を材料とする板厚４ｍｍの板材である被接合プレート１１、１２を本実施形態に係る接合方法によって接合した構造物である。
【００３１】
溶接工程Ｓ２の接合条件は、溶加材にアルミニウム用溶接棒（ＪＩＳ  Ｚ  ３２３２：Ａ５３５６ＢＹ）を使用し、電流値約１３０Ａから１７０Ａ、接合速度約１００ｍｍ／分とした。
【００３２】
摩擦攪拌接合工程Ｓ３に用いる接合工具１４は、ショルダ１７の直径約１２ｍｍ、プローブ１６の直径約５ｍｍ、プローブ１６の突出長さ約３．５ｍｍの形状を有する。摩擦攪拌接合工程Ｓ３の接合条件は、接合工具１４の回転数約１５００ｒｐｍ、接合工具１４の接合速度約３００ｍｍ／分、接合工具１４の前進角約３°、被接合部材に対するプローブ１６の挿入量約３．７ｍｍ、接合工具１４を被接合部材に挿入してから接合工具１４の移動を開始するまでの待機時間約２秒、接合工具１４の移動を終了してから接合工具１４を被接合部材から引き抜くまでの待機時間約１秒とした。
【００３３】
また、接合板材２２Ａは、溶接工程Ｓ２による接合端部と摩擦攪拌接合工程Ｓ３による接合端部とを約２０ｍｍ重ねた。これは、溶接工程Ｓ２におけるビード幅約１５ｍｍに対して約１．３倍となる。
【００３４】
図５は、本発明の実施形態に係る接合方法のうち溶接工程において溶接された接合部分の始端部の一例を示した断面図である。
【００３５】
図５に示すように、溶接工程Ｓ２による溶接接合部分２４の始端部２４ａは、溶接欠陥として気孔２４ｃを有する。溶接欠陥は必ず生じるものではないが、一般に溶接工程Ｓ２による溶接接合部分２４の始端部２４ａまたは終端部２４ｂに生じやすい。
【００３６】
図６は、本発明の実施形態に係る接合方法によって溶接工程後に摩擦攪拌溶接で接合されたオーバーラップ部を示した断面図である。
【００３７】
図６に示すように、オーバーラップ部２６は、摩擦攪拌接合工程Ｓ３において接合工具１４により攪拌され接合される。これによって、溶接工程Ｓ２による溶接接合部分２４の始端部２４ａまたは終端部２４ｂに生じた溶接欠陥（例えば、図５中の気孔２４ｃ）は、潰れて無くなっている。
【００３８】
ここで、接合板材２２、２２Ａの接合部分の強度について説明する。
【００３９】
接合板材２２の試験片は、溶接による溶接接合部分２４のうち接合端（ここでは始端部２４ａ）を含む領域（図３中、二点鎖線に挟まれた領域Ｔ１）を切り出したものである。
【００４０】
他方、接合板材２２Ａの試験片は、溶接による溶接接合部分２４のうちオーバーラップ部２６を含む領域（図４中、二点鎖線に挟まれた領域Ｔ２）を切り出したものである。
【００４１】
両試験片は、オーバーラップ部２６の接合方向長さの約２倍の幅を有する。また、評価対象の接合強度は、突合面の法線方向に対する引張強さである。
【００４２】
図７は、本発明の実施形態に係る接合方法によって接合された構造物の接合強度の一例を示した図である。
【００４３】
図７に示すように、接合板材２２Ａは、接合板材２２に比べて約２．７倍の接合強度の向上が見られた。
【００４４】
接合板材２２の試験片は、溶接工程Ｓ２により接合された溶接接合部分２４のみを有する。溶接接合部分２４は、接合工具１４による攪拌を受けていない。すなわち、接合板材２２の試験片は、摩擦攪拌接合を行われていないまま溶接接合部分２４の始端部２４ａが残っている。したがって、接合板材２２の試験片は、溶接のみによって接合された接合部とほぼ同様の接合強度を有していると考えられる。
【００４５】
他方、接合板材２２Ａの試験片は、オーバーラップ部２６を含む。すなわち、接合板材２２Ａの試験片は、溶接接合部分２４の始端部２４ａが接合工具１４による攪拌され接合されている。
【００４６】
図８は、本発明の実施形態に係る接合方法によって接合された構造物の他の例を示した概略的な断面図である。
【００４７】
図８に示すように、接合管３５は、被接合部材である角丸角管材２７、２８を本発明の実施形態に係る接合方法によって接合した構造物である。
【００４８】
角丸角管材２７、２８は、長手軸直交方向の断面形状が略方形状であり、略平面形状の表面を有する辺部分３１と、角丸形状の表面を有する角丸部分３２と、を有する中空管である。
【００４９】
接合管３５は、溶接工程Ｓ２において角丸部分３２を接合した後に摩擦攪拌接合工程Ｓ３において辺部分３１の接合を行い、溶接工程Ｓ２による溶接接合部分２４と摩擦攪拌接合工程Ｓ３による摩擦攪拌接合部分２５とを重ね合わせて接合される。
【００５０】
すなわち、接合管３５は、接合板材２２Ａと同様に、溶接工程Ｓ２の後に摩擦攪拌接合工程Ｓ３を行い、オーバーラップ部２６を形成しつつ接合される。溶接接合工程Ｓ２による溶接接合部分２４に摩擦攪拌接合工程Ｓ３による摩擦攪拌接合部分２５を重ね合わせて構成されたオーバーラップ部２６を有する。
【００５１】
オーバーラップ部２６は、溶接工程Ｓ２において角丸部分３２に連続させて角丸部分３２近傍の辺部分３１を溶接し、かつ摩擦攪拌接合により辺部分３１を接合して形成される。
【００５２】
したがって、本実施形態に係る接合方法によれば、溶接接合部分２４の始端部２４ａ（または、終端部２４ｂ）に溶接欠陥が生じていても、この部分を摩擦攪拌接合によって確実に接合し接合品質を改善できる。
【００５３】
また、本実施形態に係る接合方法によれば、突合面に隙間（例えば、約０．５ｍｍ以上）や段差（例えば、約０．５ｍｍ以上）を有する被接合部材を接合する場合、このような隙間や段差を溶接によって接合し、その他の部分を摩擦攪拌接合によって接合することができる。本実施形態に係る接合方法によれば、摩擦攪拌接合による接合が困難な隙間部分や段差部分を確実に接合し高い接合強度を得ることができる。
【００５４】
さらに、本実施形態に係る接合方法によれば、曲面形状を有する部分、および角形状（単なる角部分や、角部分が連続的に連なる段差部分）を有する部分などの複雑な形状部分（以下、「非平面形状部分」と言う。）を有する被接合部材を接合する場合、非平面形状部分（接合管３５における角丸部分３２に相当する部分）を溶接によって接合し、その他の略平面な部分（接合管３５における辺部分３１に相当する部分）を摩擦攪拌接合によって接合することができる。本実施形態に係る接合方法によれば、非平面形状部分（接合管３５における角丸部分３２に相当する部分）についても確実に接合し高い接合強度を得ることができる。
【００５５】
さらにまた、本実施形態に係る接合方法によれば、例えば、溶接による接合が困難なガス欠陥が多い厚肉部を有する鋳物の被接合部材や、溶接による接合では十分な接合強度が得られない応力集中部を有する被接合部材に対し、これらの部分を摩擦攪拌接合により接合を行うことが可能になり、接合強度を向上させることができる。
【００５６】
なお、実施形態に係る接合方法によって接合される構造物は、接合板材２２、２２Ａ、接合管３５に限られず、非平面形状部分を有する中空押し出し材、角パイプ材、各種フレーム材、プレス成形品、鋳造品、鍛造品、焼結品などの被接合部材を背癒合する場合にも適用できる。
【００５７】
したがって、本発明に係る接合方法によれば、溶接の接合端部に発生する溶接欠陥を除去できるとともに、摩擦攪拌接合の長所を活かしつつ、その短所を補うことができる。
【符号の説明】
【００５８】
１１、１２  被接合プレート
１４  接合工具
１５  回転体
１６  プローブ
１７  ショルダ
２１  表面
２２、２２Ａ  接合板材
２４  溶接接合部分
２４ａ  始端部
２４ｂ  終端部
２４ｃ  気孔
２５  摩擦攪拌接合部分
２５ｂ  終端部
２５ａ  始端部
２６  オーバーラップ部
２７、２８  角丸角管材
３１  辺部分
３２  角丸部分
３５  接合管
【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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【図８】
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