(57)【要約】【課題】異なる種類の金属部材を好適に接合することができる接合方法及び複合圧延材の製造方法を提供することを課題とする。【解決手段】端面１ａを備えた第一金属部材１と、端面２ａを備え、第一金属部材１よりも融点の高い第二金属部材２と、を準備する準備工程と、第一金属部材１及び第二金属部材２の端面１ａ，２ａ同士を突き合わせて突合せ部Ｊ１を形成する突合せ工程と、回転する回転ツールＦの攪拌ピンＦ２を第一金属部材１の表面１ｂのみから挿入し、回転ツールＦの回転中心軸を突合せ部Ｊ１に対して第一金属部材１側に傾斜させつつ、攪拌ピンＦ２のみを少なくとも第一金属部材１に接触させた状態で突合せ部Ｊ１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と第二金属部材２とを接合する接合工程と、を含むことを特徴とする。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
先細りの攪拌ピンを備えた回転ツールを用いて材料の異なる一対の金属部材を接合する接合方法であって、
端面を備えた第一金属部材と、
端面を備え、前記第一金属部材よりも融点の高い第二金属部材と、を準備する準備工程と、
前記第一金属部材及び前記第二金属部材の前記端面同士を突き合わせて突合せ部を形成する突合せ工程と、
回転する前記回転ツールの攪拌ピンを前記第一金属部材の表面のみから挿入し、前記回転ツールの回転中心軸を前記突合せ部に対して前記第一金属部材側に傾斜させつつ、前記攪拌ピンのみを少なくとも前記第一金属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と前記第二金属部材とを接合する接合工程と、を含むことを特徴とする接合方法。
【請求項２】
前記回転中心軸と前記攪拌ピンの外周面とのなすテーパー角度が角度αである場合、
前記接合工程において、前記回転中心軸を前記突合せ部に対して前記第一金属部材側に角度α傾斜させ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】
前記第一金属部材はアルミニウム又はアルミニウム合金で形成し、前記第二金属部材は銅又は銅合金で形成するとともに、
前記接合工程では、回転する前記回転ツールの攪拌ピンを前記第一金属部材の表面のみから挿入し、前記回転ツールの回転中心軸を前記第一金属部材側に傾斜させつつ、前記攪拌ピンのみを前記第一金属部材のみ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ることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の接合方法。
【請求項４】
前記回転ツールの前記攪拌ピンは、先端に前記回転中心軸に垂直な平坦面を備え、
前記第一金属部材の厚みを前記第二金属部材の厚みよりも大きくし、
前記突合せ工程では、段差部を備える架台の上に、前記第一金属部材を前記段差部を挟んで低い面に載置し、前記第二金属部材を前記段差部を挟んで高い面に載置することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の接合方法。
【請求項５】
前記突合せ工程では、前記第一金属部材の表面と前記第二金属部材の表面とが面一となるように設定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】
前記突合せ工程では、前記第一金属部材の表面が、前記第二金属部材の表面よりも高い位置となるように設定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７】
前記接合工程では、前記回転ツールの移動軌跡が形成される塑性化領域のうち、前記第二金属部材側がシアー側となり、前記第一金属部材側がフロー側となるように前記回転ツールの接合条件を設定することを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の接合方法。
【請求項８】
前記回転ツールの外周面に基端から先端に向かうにつれて左回りの螺旋溝を刻設した場合、前記回転ツールを右回転させ、
前記回転ツールの外周面を基端から先端に向かうにつれて右回りの螺旋溝を刻設した場合、前記回転ツールを左回転させることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の接合方法。
【請求項９】
材料の異なる一対の金属部材で形成された複合圧延材の製造方法であって、
端面を備えた第一金属部材と、
端面を備え、前記第一金属部材よりも融点の高い第二金属部材と、先細りの攪拌ピンを備えた回転ツールと、を準備する準備工程と、
前記第一金属部材及び前記第二金属部材の前記端面同士を突き合わせて突合せ部を形成する突合せ工程と、
回転する前記回転ツールの攪拌ピンを前記第一金属部材の表面のみから挿入し、前記回転ツールの回転中心軸を前記突合せ部に対して前記第一金属部材側に傾斜させつつ、前記攪拌ピンのみを少なくとも前記第一金属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と前記第二金属部材とを接合する接合工程と、
前記接合工程で接合された前記金属部材同士を、接合線を圧延方向として圧延する圧延工程と、を含むことを特徴とする複合圧延材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、接合方法及び複合圧延材の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、特許文献１には、材料の異なる金属部材同士を回転ツールで摩擦攪拌する技術が開示されている。従来の接合方法では、金属部材同士の端面は、斜めに切断されている。そのため、端面同士を突き合わせて形成された突合せ部も斜めになっている。接合工程では、第二金属部材よりも融点の低い第一金属部材に回転ツールを挿入し、突合せ部に沿って摩擦攪拌を行う。接合工程では、突合せ部の傾斜角度と、攪拌ピンのテーパー角度とが同一になっているため、接合工程の際に材料の異なる第一金属部材と第二金属部材とが混在することを回避することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１６−１５０３８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の接合方法では、第一金属部材及び第二金属部材の端面を斜めに形成する工程が煩雑になるという問題がある。
【０００５】
このような観点から、本発明は、異なる種類の金属部材を好適に接合することができる接合方法及び複合圧延材の製造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】
【０００６】
このような課題を解決するために本発明は、先細りの攪拌ピンを備えた回転ツールを用いて材料の異なる一対の金属部材を接合する接合方法であって、端面を備えた第一金属部材と、端面を備え、前記第一金属部材よりも融点の高い第二金属部材と、を準備する準備工程と、前記第一金属部材及び前記第二金属部材の前記端面同士を突き合わせて突合せ部を形成する突合せ工程と、回転する前記回転ツールの攪拌ピンを前記第一金属部材の表面のみから挿入し、前記回転ツールの回転中心軸を前記突合せ部に対して前記第一金属部材側に傾斜させつつ、前記攪拌ピンのみを少なくとも前記第一金属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と前記第二金属部材とを接合する接合工程と、を含むことを特徴とする。
【０００７】
また、本発明は、材料の異なる一対の金属部材で形成された複合圧延材の製造方法であって、端面を備えた第一金属部材と、端面を備え、前記第一金属部材よりも融点の高い第二金属部材と、先細りの攪拌ピンを備えた回転ツールと、を準備する準備工程と、前記第一金属部材及び前記第二金属部材の前記端面同士を突き合わせて突合せ部を形成する突合せ工程と、回転する前記回転ツールの攪拌ピンを前記第一金属部材の表面のみから挿入し、前記回転ツールの回転中心軸を前記突合せ部に対して前記第一金属部材側に傾斜させつつ、前記攪拌ピンのみを少なくとも前記第一金属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と前記第二金属部材とを接合する接合工程と、前記接合工程で接合された前記金属部材同士を、接合線を圧延方向として圧延する圧延工程と、を含むことを特徴とする。
【０００８】
かかる接合方法によれば、従来のように金属部材同士の端面を斜めに形成する必要がないため、製造コストを低減することができる。また、回転ツールの回転中心軸を第一金属部材側に傾斜させることで、回転ツールと第二金属部材との接触を回避することができ、接合工程の際に材料の異なる第一金属部材と第二金属部材とが混在することを防ぐことができる。また、第一金属部材及び第二金属部材に回転ツールのショルダ部を接触させないため、第一金属部材及び第二金属部材への入熱量を抑えることができる。また、例えば、第一金属部材のみに接触するように回転ツールを挿入すれば、軟化温度の低い第一金属部材に合わせて接合条件を調節することができ、入熱量を抑えることができる。したがって、第一金属部材が大きく軟化してバリが過剰に発生するのを抑制することができ、金属不足による接合不良を防ぐことができる。
【０００９】
また、第一金属部材及び第二金属部材に回転ツールのショルダ部を接触させないため、摩擦抵抗を小さくすることができ、回転ツールや摩擦攪拌装置にかかる負荷を小さくすることができる。さらに、回転ツールのショルダ部を第一金属部材及び第二金属部材に接触させないため、回転ツールが高温になるのを防ぐことができる。これにより、回転ツールの材料選択が容易になるとともに、回転ツールの寿命を長くすることができる。
【００１０】
また、前記回転中心軸と前記攪拌ピンの外周面とのなすテーパー角度が角度αである場合、前記接合工程において、前記回転中心軸を前記突合せ部に対して前記第一金属部材側に角度α傾斜させることが好ましい。
【００１１】
かかる接合方法によれば、攪拌ピンの外周面と突合せ部とを接触させずに、極力近接させることができる。
【００１２】
また、前記第一金属部材はアルミニウム又はアルミニウム合金で形成し、前記第二金属部材は銅又は銅合金で形成するとともに、前記接合工程では、回転する前記回転ツールの攪拌ピンを前記第一金属部材の表面のみから挿入し、前記回転ツールの回転中心軸を前記第一金属部材側に傾斜させつつ、前記攪拌ピンのみを前記第一金属部材のみ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ることが好ましい。
【００１３】
かかる接合方法によれば、銅又は銅合金製の金属部材とアルミニウム又はアルミニウム合金製の金属部材とを好適に接合することができる。
【００１４】
また、前記回転ツールの前記攪拌ピンは、先端に前記回転中心軸に垂直な平坦面を備え、前記第一金属部材の厚みを前記第二金属部材の厚みよりも大きくし、前記突合せ工程では、段差部を備える架台の上に、前記第一金属部材を前記段差部を挟んで低い面に載置し、前記第二金属部材を前記段差部を挟んで高い面に載置することが好ましい。
【００１５】
かかる接合方法によれば、第一金属部材の厚みを大きくする分、塑性化領域を高さ方向に大きくすることができるため、接合強度を高めることができる。
【００１６】
また、前記突合せ工程では、前記第一金属部材の表面と前記第二金属部材の表面とが面一となるように設定することが好ましい。
【００１７】
かかる接合方法によれば、回転ツールを容易に挿入することができる。
【００１８】
また、前記突合せ工程では、前記第一金属部材の表面が、前記第二金属部材の表面よりも高い位置となるように設定することが好ましい。
【００１９】
かかる接合方法によれば、第一金属部材の凹溝状の欠陥が第二金属部材の表面よりも下の高さ位置に発生するのを防ぐことができる。
【００２０】
また、前記接合工程では、前記回転ツールの移動軌跡が形成される塑性化領域のうち、前記第二金属部材側がシアー側となり、前記第一金属部材側がフロー側となるように前記回転ツールの接合条件を設定することが好ましい。
【００２１】
塑性化領域のうち、融点が高い第二金属部材側がフロー側となると、突合せ部での第一金属部材の温度が低下して、異なる金属同士の界面における相互拡散が促進されず、接合不良となるおそれがある。しかし、かかる接合方法によれば、融点の高い第二金属部材側がシアー側となるように設定することで、突合せ部での第一金属部材の温度を比較的高温に保つことが可能となり、異なる金属同士の界面における相互拡散が促進され、接合不良となるのを防ぐことができる。
なお、シアー側とは、接合部に対する回転ツールの外周の相対速さが、回転ツールの外周における接線速度の大きさに移動速度の大きさを加算した値となる側である。フロー側とは、接合部に対する回転ツールの外周の相対速さが、回転ツールの外周における接線速度の大きさに移動速度の大きさを減算した値となる側である。
【００２２】
また、前記回転ツールの外周面に基端から先端に向かうにつれて左回りの螺旋溝を刻設した場合、前記回転ツールを右回転させ、前記回転ツールの外周面を基端から先端に向かうにつれて右回りの螺旋溝を刻設した場合、前記回転ツールを左回転させることが好ましい。
【００２３】
かかる接合方法によれば、塑性流動化した金属が螺旋溝に導かれて回転ツールの先端側に流動するため、バリの発生を抑制することができる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明に係る接合方法及び複合圧延材の製造方法によれば、異なる種類の金属部材を好適に接合することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の第一実施形態に係る複合圧延材の製造方法における突合せ工程を示す断面図である。
【図２】第一実施形態に係る接合工程を示す斜視図である。
【図３】第一実施形態に係る接合工程を示す断面図である。
【図４】第一実施形態に係る接合工程後を示す断面図である。
【図５】第一実施形態に係る圧延工程を示す斜視図である。
【図６】本発明の第二実施形態に係る複合圧延材の製造方法における突合せ工程を示す断面図である。
【図７】第二実施形態に係る接合工程を示す断面図である。
【図８】第三実施形態に係る接合工程を示す断面図である。
【図９】第三実施形態に係る接合工程後を示す断面図である。
【図１０】変形例に係る接合工程を示す斜視図である。
【図１１】図１０のＩ-Ｉ断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
［第一実施形態］
本発明の実施形態に係る複合圧延材の製造方法について、図面を参照して詳細に説明する。本実施形態に係る複合圧延材の製造方法は、一対の金属部材同士を回転ツールＦで接合した後に圧延し、複合圧延材を得るというものである。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。
【００２７】
図１に示すように、第一金属部材１は、板状を呈する。第一金属部材１は、表面１ｂと、裏面１ｃと、表面１ｂ及び裏面１ｃに垂直な端面１ａを備えている。第一金属部材１は、本実施形態ではアルミニウム合金で形成されているが、アルミニウム、銅、銅合金、チタン、チタン合金、マグネシウム、マグネシウム合金など摩擦攪拌可能な金属材料で形成してもよい。
【００２８】
第二金属部材２は、板状を呈する。第二金属部材２は、表面２ｂと、裏面２ｃと、表面２ｂ及び裏面２ｃに垂直な端面２ａを備えている。第二金属部材２は、第一金属部材１よりも融点が高く、かつ、摩擦攪拌可能な材料で形成されている。第二金属部材２は、本実施形態では銅（Ｃｕ１０２０）で形成されている。なお、第一金属部材１及び第二金属部材２の形状は、少なくとも端面を備えていれば他の形状であってもよい。
【００２９】
ちなみに、金属部材の軟化温度（Ｋ）は、概ね金属部材の融点（Ｋ）に比例すると仮定して差し支えないと考えられるので、本明細書において、軟化温度の高い金属部材を融点の高い金属部材として、軟化温度の低い金属部材を融点の低い金属部材として、取り扱うものとする。
【００３０】
本実施形態に係る複合圧延材の製造方法は、準備工程と、突合せ工程と、接合工程と、圧延工程と、を行う。準備工程は、第一金属部材１、第二金属部材２及び回転ツールＦを用意する工程である。なお、接合方法を行う場合は、準備工程と、突合せ工程と、接合工程と、を行う。
【００３１】
回転ツールＦは、図２及び図３に示すように、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、ボルトが締結されるネジ孔（図示省略）が形成されている。
【００３２】
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。側面視した場合において、回転中心軸Ｃと攪拌ピンＦ２の外周面とのなすテーパー角度αは本実施形態では約２０°に設定されている。テーパー角度αは１０〜３０°の範囲で適宜設定される。テーパー角度αが１０°未満であると、接合時に攪拌ピンＦ２の外周面からバリが排出されてしまい接合欠陥を発生するおそれがあるため、好ましくない。テーパー角度αが３０°を超えると、回転ツールＦを傾斜させるのが困難となる。攪拌ピンＦ２の先端には、回転中心軸Ｃに対して垂直な平坦面Ｆ３が形成されている。
【００３３】
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。
【００３４】
なお、回転ツールＦを左回転させる場合は、螺旋溝を基端から先端に向かうにつれて右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右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）の外部に溢れ出る金属の量を少なくすることができる。回転ツールＦは、先端にスピンドルユニット等の回転駆動手段が設けられたロボットアームに取り付けられることが好ましい。これにより、回転ツールＦの回転中心軸Ｃを容易に傾斜させることができる。
【００３５】
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の端部同士を突き合わせる工程である。突合せ工程では、第一金属部材１の端面１ａと、第二金属部材２の端面２ａとを面接触させて突合せ部Ｊ１を形成する。また、第一金属部材１の表面１ｂと第二金属部材２の表面２ｂとを面一にするとともに、第一金属部材１の裏面１ｃと第二金属部材２の裏面２ｃとを面一にする。第一金属部材１と第二金属部材２とを突き合わせたら、架台に設けられたクランプ（図示省略）で各部材を移動不能に拘束する。突合せ工程では、鉛直面と突合せ部Ｊ１とが平行となるように配置する。
【００３６】
接合工程は、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とを接合する工程である。図２に示すように、接合工程では、回転ツールＦの攪拌ピンＦ２を右回転させつつ、第一金属部材１の表面１ｂであり、かつ、突合せ部Ｊ１の近傍に設定した開始位置Ｓｐに回転ツールＦを挿入する。そして、突合せ部Ｊ１の延長方向と平行に回転ツールＦを相対移動させる。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。
【００３７】
接合工程では、図３に示すように、回転中心軸Ｃを突合せ部Ｊ１に対して第一金属部材１側に傾斜させた状態で摩擦攪拌を行う。本実施形態では、回転中心軸Ｃと攪拌ピンＦ２の外周面とのテーパー角度αを２０°に設定しているため、接合工程においては回転中心軸Ｃを突合せ部Ｊ１に対して第一金属部材１側に２０°傾斜させた状態で摩擦攪拌を行う。また、摩擦攪拌を行う際には、被接合金属部材に回転した攪拌ピン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を行う。
【００３８】
接合工程では、塑性化領域Ｗのうち、第二金属部材２側（第二金属部材２に近い側）がシアー側となり、第一金属部材１側（第二金属部材２から離間する側）がフロー側となるように回転ツールＦの接合条件を設定している。つまり、本実施形態に係る接合工程では、進行方向右側に第一金属部材１が位置するように配置して、回転ツールＦを右回転させる。なお、進行方向右側に第二金属部材２が位置するように配置した場合は、回転ツールＦを左回転させることにより、塑性化領域Ｗのうち第一金属部材１側がフロー側となる。
【００３９】
図３に示すように、攪拌ピンＦ２の挿入深さは、適宜設定すればよいが、本実施形態では平坦面Ｆ３が第一金属部材１の板厚の９０％程度まで達する深さに設定している。また、本実施形態の接合工程では、回転ツールＦが第二金属部材２に接触せず、かつ、摩擦攪拌によって第一金属部材１と第二金属部材２とが拡散接合するように開始位置Ｓｐの位置を設定している。
【００４０】
ここで、回転ツールＦの外周面と第二金属部材２とが大きく離間すると、突合せ部Ｊ１で第一金属部材１と第二金属部材２とが相互に拡散せず、第一金属部材１と第二金属部材２とを強固に接合することができない。一方、回転ツールＦと第二金属部材２とを接触させ、両者の重なり代を大きくした状態で摩擦攪拌を行うと、第二金属部材２を軟化させるために、接合条件を調節して入熱量を大きくする必要があり、接合不良となるおれがある。したがって、突合せ部Ｊ１で第一金属部材１と第二金属部材２とが相互に拡散して接合するように、回転ツールＦの外周面と第二金属部材２とをわずかに接触させた状態で接合するか、若しくは、回転ツールＦの外周面と第二金属部材２とを接触させず極力近づけた状態で接合することが好ましい。
【００４１】
また、本実施例形態のように、第一金属部材１がアルミニウム合金部材であり、第二金属部材２が銅部材である場合、接合工程において、回転ツールＦの外周面と第二金属部材２（銅部材）とを接触させず極力近づけた状態で接合することが好ましい。因みに、入熱量が大きくなる接合条件下で、仮に回転ツールＦの外周面と第二金属部材２（銅部材）とを接触させたとすると、アルミニウム合金部材中に少量の銅部材が攪拌混入され、Ａｌ/Ｃｕの相互拡散が促進され、アルミニウム合金部材中に分散したＡｌ−Ｃｕ相が液相となり、アルミニウム合金部材側から多くのバリが発生して接合不良となる。
【００４２】
図４に示すように、塑性化領域Ｗの上面にはバリＶが形成されるとともに、突合せ部Ｊ１に沿って凹溝Ｑが形成される。塑性化領域Ｗと第二金属部材２とは隣接している。つまり、塑性化領域Ｗは、突合せ部Ｊ１を超えて第二金属部材２側には形成されていない。凹溝Ｑは、摩擦攪拌によって金属が外部に溢れることによって、突合せ部Ｊ１に沿って形成される溝である。接合工程が終了したら、バリＶを切除するバリ切除工程を行うことが好ましい。
【００４３】
圧延工程は、接合された第一金属部材１及び第二金属部材２を圧延する工程である。図５に示すように、圧延工程では、ローラＲ，Ｒを備えた圧延装置を用いて冷間圧延を行う。圧延工程では、接合工程における接合線（塑性化領域Ｗ）を圧延方向に設定して圧延する。以上により、複合圧延材１０が形成される。圧延工程における圧下率は、第一金属部材１及び第二金属部材２の材料や複合圧延材１０の用途に応じて適宜設定すればよい。
【００４４】
以上説明した複合圧延材の製造方法及び接合方法によれば、従来のように金属部材同士の端面を斜めに形成する必要がないため、製造コストを低減することができる。また、回転ツールＦの回転中心軸Ｃを第一金属部材１側に傾斜させることで、回転ツールＦと第二金属部材２とが接触するのを回避することができ、接合工程の際に材料の異なる第一金属部材１と第二金属部材２とが混在することを容易に防ぐことができる。
【００４５】
また、接合工程における回転ツールＦの回転中心軸Ｃの傾斜角度は適宜設定すればよいが、本実施形態では、攪拌ピンＦ２の外周面のテーパー角度αと、突合せ部Ｊ１に対する回転中心軸Ｃの傾斜角度とを同一にしている。これにより、図３に示すように、攪拌ピンＦ２の外周面と突合せ部Ｊ１とが平行になるため、回転ツールＦの外周面と第二金属部材２とが接触しない状態で、両者を極力近づける作業が容易となる。
【００４６】
また、第一金属部材１及び第二金属部材２に回転ツールのショルダ部を接触させないため、第一金属部材１及び第二金属部材２への入熱量を抑えることができる。また、例えば、第一金属部材１のみに接触するように回転ツールＦを挿入すれば、軟化温度の低い第一金属部材１に合わせて接合条件を調節することができ、入熱量を抑えることができる。したがって、第一金属部材１が大きく軟化してバリＶが過剰に発生するのを抑制することができ、金属不足による接合不良を防ぐことができる。
【００４７】
また、第一金属部材１及び第二金属部材２に回転ツールＦのショルダ部を接触させないため、摩擦抵抗を小さくすることができ、回転ツールＦや摩擦攪拌装置にかかる負荷を小さくすることができる。さらに、回転ツールＦのショルダ部を第一金属部材１及び第二金属部材２に接触させないため、回転ツールＦが高温になるのを防ぐことができる。これにより、回転ツールＦの材料選択が容易になるとともに、回転ツールＦの寿命を長くすることができる。
【００４８】
また、本実施形態のように、第一金属部材１がアルミニウム合金部材であり、第二金属部材２が銅部材である場合、接合工程において、回転ツールＦの外周面と第二金属部材２（銅部材）とを接触させず、かつ、極力近づけた状態で接合することが好ましい。このようにすると、アルミニウム合金部材側からバリＶが過剰に発生することなく、突合せ部Ｊ１で第一金属部材１と第二金属部材２との相互拡散が促進され強固に接合する。
【００４９】
塑性化領域Ｗのうち融点が高い第二金属部材２側がフロー側となると、突合せ部Ｊ１での第一金属部材１の温度が低下して、異なる金属同士の界面における相互拡散が促進されず、接合不良となるおそれがある。そこで、入熱量を大きくするように接合条件を調節すると、シアー側となっている第一金属部材１側からバリが過剰に発生して接合欠陥となる。しかし、本実施形態のように、塑性化領域Ｗのうち、融点が高い第二金属部材２側がシアー側となるように設定することで、突合せ部Ｊ１での第一金属部材１の温度を比較的高温に保つことが可能となり、異なる金属同士の界面における相互拡散が促進され、接合不良となるのを防ぐことができる。
【００５０】
回転ツールＦの外周面を第二金属部材２にわずかに接触させてもよいが、本実施形態では回転ツールＦと第二金属部材２とを接触させないように設定しているため、第一金属部材１と第二金属部材２とが混合攪拌されるのを防止することができ、バリＶが過剰に発生して接合不良となるのをより確実に防ぐことができる。
【００５１】
［第二実施形態］
次に、本発明の複合圧延材の製造方法及び接合方法の第二実施形態について説明する。第二実施形態に係る複合圧延材の製造方法では、金属部材同士の板厚が異なる点で第一実施形態と相違する。第二実施形態に係る複合圧延材の製造方法では、準備工程と、突合せ工程と、接合工程と、圧延工程と、を行う。
【００５２】
図６に示すように、第一金属部材１Ｘは、第二金属部材２よりも板厚が大きくなっている。架台Ｋは、第一金属部材１Ｘ及び第二金属部材２を移動不能に拘束する部材である。架台Ｋは、第一金属部材１Ｘが載置される第一面Ｋ１と、第一面Ｋ１よりも高い位置にあり第二金属部材２が載置される第二面Ｋ２とを備えている。第一面Ｋ１と第二面Ｋ２とで段差部が形成されている。
【００５３】
突合せ工程では、第一金属部材１Ｘの裏面１ｃ及び端面１ａを第一面Ｋ１及び段差面Ｋ３にそれぞれ接触させつつ、第一金属部材１Ｘの端面１ａと第二金属部材２の端面２ａとを面接触させる。第一金属部材１Ｘの表面１ｂと第二金属部材２の表面２ｂとは面一になる。
【００５４】
接合工程では、図７に示すように、第一実施形態と概ね同じ要領で摩擦攪拌を行う。本実施形態では、回転ツールＦの挿入深さを平坦面Ｆ３が第二金属部材２の裏面２ｃと概ね同じ高さ位置となるように設定する。
【００５５】
ここで、図３に示すように、回転ツールＦの先端は、材料抵抗を受けて折れたり、破損したりするため平坦面Ｆ３を設けている。ところが、第一実施形態の接合工程では、平坦面Ｆ３があるために突合せ部Ｊ１の全長に亘って摩擦攪拌を行うことが困難になり、未接合部分が発生してしまう。
一方、第二実施形態に係る複合圧延材の製造方法では、図７に示すように、第二金属部材２よりも第一金属部材１Ｘ側を板厚とするとともに、接合工程において平坦面Ｆ３を第二金属部材２の裏面２ｃの高さ位置まで挿入する。これにより、突合せ部Ｊ１の高さ方向全体を摩擦攪拌することができるため、接合強度を高めることができる。よって、未接合部分に起因する割れ等を防ぐことができる。また、第一金属部材１Ｘの表面１ｂと第二金属部材２の表面２ｂとを面一にしているため回転ツールＦを容易に挿入することができる。
【００５６】
［第三実施形態］
次に、本発明の複合圧延材の製造方法及び接合方法の第三実施形態について説明する。第三実施形態に係る複合圧延材の製造方法では、金属部材同士の板厚が異なる点で第一実施形態と相違する。複合圧延材の製造方法では、準備工程と、突合せ工程と、接合工程と、圧延工程と、を行う。
【００５７】
図８に示すように、第三実施形態に係る複合圧延材の製造方法では、第二実施形態よりもさらに第一金属部材１Ｙの板厚を大きくする。つまり、第三実施形態の突合せ工程では、第二実施形態の突合せ工程と同じ要領で第一金属部材１Ｙと第二金属部材２とを架台Ｋに載置する。また、第一金属部材１Ｙの端面１ａと第二金属部材２の端面２ａとを突き合わせて突合せ部Ｊ１を形成する。その際、第二金属部材２の表面２ｂよりも、第一金属部材１Ｙの表面１ｂが高い位置となるように第一金属部材１Ｙの板厚を設定する。当該板厚は、接合工程で発生する凹溝Ｑの大きさ等に合わせて適宜設定する。
【００５８】
接合工程では、第二実施形態と同じ要領で摩擦攪拌を行う。つまり、図８に示すように、回転ツールＦの平坦面Ｆ３が、第二金属部材２の裏面２ｃと概ね同じ高さ位置となるように回転ツールＦの挿入深さを設定して摩擦攪拌を行う。
【００５９】
ここで、例えば、図４に示す第一実施形態であると、第一金属部材１の表面１ｂに凹溝Ｑが発生する傾向がある。しかし、図９に示す第三実施形態によれば、第一金属部材１Ｙの表面１ｂの高さ位置を、第二金属部材２の表面２ｂよりも高くしているため、凹溝Ｑが形成されたとしても、第二金属部材２の表面２ｂの位置よりも下に凹溝Ｑが形成されるのを防ぐことができる。例えば、第一金属部材１Ｙの表面１ｂを第二金属部材２の表面２ｂの高さ位置に合わせて面切削すれば平坦な表面を形成することができる。また、第三実施形態によれば、第二実施形態と同様に、突合せ部Ｊ１の高さ方向全体を摩擦攪拌することができるため、接合強度を高めることができる。よって、未接合部分に起因する割れ等を防ぐことができる。
【００６０】
［変形例］
次に、本発明の変形例について説明する。図１０は、変形例に係る接合工程を示す斜視図である。図１０に示すように、変形例に係る突合せ工程では、第一金属部材１と第二金属部材２とからなる組を複数組（図１０では三組）並設させ、架台に設けられたクランプ（図示省略）で移動不能に拘束する。
【００６１】
本変形例では、第一金属部材１Ａと第二金属部材２Ａとからなる第一組と、第一金属部材１Ｂと第二金属部材２Ｂとからなる第二組と、第一金属部材１Ｃと第二金属部材２Ｃとからなる第三組とを並設させている。第一組、第二組及び第三組の各突合せ部Ｊ１は、それぞれ平行になるように突き合わせる。
【００６２】
また、第一金属部材１Ａの端面と第二金属部材２Ｂの端面とが突き合わされて突合せ部Ｊ２が形成される。また、第一金属部材１Ｂと第二金属部材２Ｃとが突き合わされて突合せ部Ｊ３が形成される。
【００６３】
接合工程では、前記した実施形態と同じ要領で回転ツールＦを用いて摩擦攪拌を行い、各突合せ部Ｊ１を接合する。また、接合工程では、突合せ部Ｊ２及び突合せ部Ｊ３に対しても前記した実施形態と同じ要領で回転ツールＦを用いて摩擦攪拌を行う。
【００６４】
つまり、変形例に係る接合工程では、右回転する回転ツールＦを突合せ部Ｊ２の近傍であり、かつ、第一金属部材１Ａの表面１ｂに挿入し、突合せ部Ｊ１に沿って回転ツールＦを第一金属部材１Ａの奥側から手前側に移動させる。この際、進行方向右側に第一金属部材１Ａが位置するように設定しつつ、第一金属部材１Ａ側に回転ツールＦを傾斜させる。
【００６５】
つまり、突合せ部Ｊ２において、塑性化領域Ｗのうち第二金属部材２Ｂ側がシアー側となるように回転ツールＦの接合条件（回転方向及び移動方向等）を設定する。突合せ部Ｊ３においても、突合せ部Ｊ２と同じ要領で摩擦攪拌を行う。図１０及び図１１に示すように、本変形例では、第二金属部材２（２Ａ，２Ｂ，２Ｃ）には塑性化領域Ｗが形成されず、第一金属部材１（１Ａ，１Ｂ，１Ｃ）にのみ塑性化領域Ｗが形成される。
【００６６】
第一金属部材１と第二金属部材２は、異なる材料で形成されているためその硬度も異なる。本実施形態のようにアルミニウム合金で形成された第一金属部材１と銅で形成された第二金属部材２とを圧延する場合は、銅部材よりもアルミニウム合金部材の方が硬度が低いため、第一金属部材１の方が大きく変形する。そのため、圧延後に得られる複合圧延材は、第一金属部材１が外側、第二金属部材２が内側となるように平面視して弓形に湾曲してしまう。
【００６７】
しかし、変形例に係る接合工程によれば、隣り合う金属部材の組同士を並設させた状態で移動不能に拘束しているため、各金属部材が平面視して弓形に変形するのを抑制することができる。また、一回のクランプ作業で、複数の突合せ部Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３に対する摩擦攪拌を連続して行うことができるため、製造サイクルを高めることができる。
【符号の説明】
【００６８】
１      第一金属部材
２      第二金属部材
１０    複合圧延材
Ｆ      回転ツール
Ｆ１    連結部
Ｆ２    攪拌ピン
Ｆ３    平坦面
Ｗ      塑性化領域
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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