(57)【要約】【課題】金属部材同士を平坦に接合することができるとともに、回転ツールの操作性を向上させることができる接合方法を提供すること。【解決手段】金属部材同士の突合部Ｊ１に対して攪拌ピン及びショルダを備えた第一の本接合用回転ツールを相対移動させて金属部材の表面Ａ側から摩擦攪拌を行う第一の本接合工程と、突合部Ｊ１に対して攪拌ピンＦ２を備えた第二の本接合用回転ツールＦを相対移動させて金属部材の裏面Ｂ側から摩擦攪拌を行う第二の本接合工程と、を含む接合方法であって、第一の本接合工程では、回転した攪拌ピンを突合部Ｊ１に挿入し、攪拌ピン及びショルダを金属部材に接触させた状態で摩擦攪拌を行い、第二の本接合工程では、回転した攪拌ピンＦ２を突合部Ｊ１に挿入し、攪拌ピンＦ２のみを金属部材に接触させた状態で摩擦攪拌を行うことを特徴とする。【選択図】図９
2015116593.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属部材同士の突合部に対して攪拌ピン及びショルダを備えた第一の回転ツールを相対移動させて前記金属部材の表面側から摩擦攪拌を行う第一の本接合工程と、
前記突合部に対して攪拌ピンを備えた第二の回転ツールを相対移動させて前記金属部材の裏面側から摩擦攪拌を行う第二の本接合工程と、を含む接合方法であって、
前記第一の本接合工程では、回転した前記攪拌ピンを前記突合部に挿入し、前記攪拌ピン及び前記ショルダを前記金属部材に接触させた状態で摩擦攪拌を行い、
前記第二の本接合工程では、回転した前記攪拌ピンを前記突合部に挿入し、前記攪拌ピンのみを前記金属部材に接触させた状態で摩擦攪拌を行うことを特徴とする接合方法。
【請求項２】
前記第二の本接合工程における摩擦攪拌による入熱量が、前記第一の本接合工程における摩擦攪拌による入熱量よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の接合方法。
【請求項３】
前記第一本接合工程の後に前記金属部材の変形量を計測し、前記第二の本接合工程において、前記攪拌ピンの挿入深さを前記変形量に合わせて調節しながら摩擦攪拌を行う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】
前記第二の本接合工程において、前記第一の本接合工程で形成された塑性化領域に前記第二の回転ツールの攪拌ピンを入り込ませつつ摩擦攪拌を行う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】
前記本接合工程を行う前に、前記金属部材同士の仮接合を行う仮接合工程を含むことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の接合方法。
【請求項６】
前記突合部の脇に配置されたタブ材に下穴を設けた後、前記下穴に前記攪拌ピンを挿入して前記本接合工程を行うことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか一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、摩擦攪拌によって金属部材を接合する接合方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一対の金属部材同士を接合する方法として、摩擦攪拌接合（ＦＳＷ＝Friction  Stir  Welding）が知られている。摩擦攪拌接合は、回転ツールを金属部材同士の突合部に沿って移動させ、回転ツールと金属部材との摩擦熱により突合部の金属を塑性流動させることで、金属部材同士を固相接合するものである。なお、回転ツールは、円柱状を呈するショルダの下端面に攪拌ピン（プローブ）を突設してなるものが一般的である。
【０００３】
例えば、特許文献１には、ベース部材と蓋板とを摩擦攪拌により接合して伝熱板を形成する発明が記載されている。図１１の（ａ）に示すように、ベース部材１０１は、蓋溝１０２と、蓋溝１０２の底面に形成された凹溝１０３とを有している。蓋板１１０は、凹溝１０３を覆うように蓋溝１０２に配置される。特許文献１に係る発明では、凹溝１０３と蓋板１１０との突合部に沿って回転ツールＧを移動させて摩擦攪拌接合を行う。回転ツールＧは、ショルダＧ１と、ショルダＧ１の下端面に形成された攪拌ピンＧ２とを備えている。回転ツールＧの移動軌跡には塑性化領域Ｗが形成される。
【０００４】
上記のように摩擦攪拌接合を行うと、熱収縮によってベース部材１０１の表面１０１Ａが凹状となるように反ってしまう。そのため、特許文献１に係る発明では、図１１の（ｂ）に示すように、ベース部材１０１の裏面１０１Ｂに対して回転ツールＧによって摩擦攪拌を行う技術が開示されている。このような工程を行うと、裏面１０１Ｂにも熱収縮が発生するため、伝熱板の平坦性を高めることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−１９５９４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、図１１の（ｂ）に示すように、ベース部材１０１が裏面１０１Ｂに凸状となるように反っているため、Ｅ１方向に回転ツールＧを移動させる際には、ショルダＧ１の下端面のうち進行方向前側が裏面１０１Ｂに当接する。また、Ｅ２方向に回転ツールを移動させる際には、ショルダＧ１の下端面のうち進行方向後側が裏面１０１Ｂに当接する。これにより、回転ツールＧの操作性が低下するという問題がある。
【０００７】
そこで、本発明は、金属部材同士を平坦に接合することができるとともに、回転ツールの操作性を向上させ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】
【０００８】
前記課題を解決するために、本発明は、金属部材同士の突合部に対して攪拌ピン及びショルダを備えた第一の回転ツールを相対移動させて前記金属部材の表面側から摩擦攪拌を行う第一の本接合工程と、前記突合部に対して攪拌ピンを備えた第二の回転ツールを相対移動させて前記金属部材の裏面側から摩擦攪拌を行う第二の本接合工程と、を含む接合方法であって、前記第一の本接合工程では、回転した前記攪拌ピンを前記突合部に挿入し、前記攪拌ピン及び前記ショルダを前記金属部材に接触させた状態で摩擦攪拌を行い、前記第二の本接合工程では、回転した前記攪拌ピンを前記突合部に挿入し、前記攪拌ピンのみを前記金属部材に接触させた状態で摩擦攪拌を行うことを特徴とする。
【０００９】
かかる製造方法によれば、第一の本接合工程によって金属部材同士が表面側に凹状に変形するが、第二の本接合工程による熱収縮によって接合された金属部材同士を平坦にすることができる。また、第二の本接合工程において、第二の回転ツールのうちの攪拌ピンのみが金属部材に接触することになるので、金属部材の裏面が凸状に反っていたとしても第二の回転ツールの操作性を向上させることができる。
【００１０】
また、第二の本接合工程では、従来の接合方法と比べて接合する金属部材と第二の回転ツールとの摩擦を軽減することができ、摩擦攪拌装置にかかる負荷を小さくすることができる。これにより、突合部の深い位置まで容易に摩擦攪拌接合することができる。
【００１１】
また、前記第二の本接合工程における摩擦攪拌による入熱量が、前記第一の本接合工程における摩擦攪拌による入熱量よりも小さいことが好ましい。かかる接合方法によれば、金属部材同士への入熱量のバランスがとれるため、金属部材同士をより平坦にすることができる。
【００１２】
また、前記第一本接合工程の後に前記金属部材の変形量を計測し、前記第二の本接合工程において、前記攪拌ピンの挿入深さを前記変形量に合わせて調節しながら摩擦攪拌を行うことが好ましい。
【００１３】
かかる接合方法によれば、金属部材同士に対する攪拌ピンの深さ位置を一定に保つことができる。
【００１４】
また、前記第二の本接合工程において、前記第一の本接合工程で形成された塑性化領域に前記第二の回転ツールの攪拌ピンを入り込ませつつ摩擦攪拌を行うことが好ましい。
【００１５】
かかる接合方法によれば、金属部材同士の水密性及び気密性を向上させることができる。
【００１６】
また、前記本接合工程を行う前に、前記金属部材同士の仮接合を行う仮接合工程を含むことが好ましい。かかる接合方法によれば、本接合工程の際の突合部の目開きを防止することができる。
【００１７】
また、前記突合部の脇に配置されたタブ材に下穴を設けた後、前記下穴に前記攪拌ピンを挿入して前記本接合工程を行うことが好ましい。かかる接合方法によれば、タブ材を用いることで、金属部材同士の接合面をきれいにすることができる。また、下穴を形成することで、第一の回転ツール及び第二の回転ツールを容易に挿入することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明に係る接合方法によれば、金属部材同士を平坦に接合することができるとともに回転ツールの操作性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】第一の実施形態に係る金属部材、第一タブ材及び第二タブ材の配置を説明するための図であって、（ａ）は斜視図、（ｂ）は平面図、（ｃ）は（ｂ）のＩ−Ｉ線断面図、（ｄ）は（ｂ）のII−II線断面図である。
【図２】（ａ）は仮接合用回転ツールを説明するための側面図、（ｂ）は第一の本接合用回転ツールを説明するための側面図である。
【図３】第二の本接合用回転ツールを説明するための側面図である。
【図４】第一の実施形態に係る金属部材の固定状態を示した斜視図である。
【図５】第一の実施形態に係る第一の仮接合工程を示した平面図である。
【図６】第一の実施形態に係る第一の仮接合工程を示した断面図である。
【図７】第一の実施形態に係る第一の本接合工程を示した図であって（ａ）は、開始位置、（ｂ）は、中間位置、（ｃ）は、終了位置を示す。
【図８】第一の実施形態に係る第一の本接合工程後を示した斜視図である。
【図９】第一の実施形態に係る第二の本接合工程を示した図であって（ａ）は、開始位置、（ｂ）は、中間位置、（ｃ）は、終了位置を示す。
【図１０】第一の実施形態を終えた状態を示した断面図である。
【図１１】（ａ）、（ｂ）は、従来の摩擦攪拌接合を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
［第一の実施形態］
本発明の実施形態について図面を用いて説明する。本実施形態では、図１に示すように、金属部材１ａ，１ｂを直線状に繋ぎ合せて接合する場合を例示する。まず、接合すべき金属部材１ａ，１ｂを詳細に説明するとともに、この金属部材１ａ，１ｂを接合する際に用いられる第一タブ材２、第二タブ材３を詳細に説明する。
【００２１】
金属部材１ａ，１ｂは、断面視矩形を呈する板状部材であって、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、マグネシウム合金など摩擦攪拌可能な金属材料からなる。本実施形態では、一方の金属部材１ａ及び他方の金属部材１ｂを、同一組成の金属材料で形成している。金属部材１ａ，１ｂの形状・寸法に特に制限はないが、少なくとも突合部Ｊ１における厚さ寸法を同一にすることが望ましい。なお、金属部材１ａ及び金属部材１ｂを突き合わせた金属部材を被接合金属部材１といい、被接合金属部材１の表面を表面Ａ、裏面を裏面Ｂ、一方の側面を第一側面Ｃ及び他方の側面を第二側面Ｄともいう。
【００２２】
第一タブ材２及び第二タブ材３は、被接合金属部材１の突合部Ｊ１を挟むように配置されるものであって、それぞれ、被接合金属部材１に添設され、被接合金属部材１の側面に現れる継ぎ目（境界線）を覆い隠す。第一タブ材２及び第二タブ材３の材質に特に制限はないが、本実施形態では、被接合金属部材１と同一組成の金属材料で形成している。また、第一タブ材２及び第二タブ材３の形状・寸法にも特に制限はないが、本実施形態では、その厚さ寸法を突合部Ｊ１における被接合金属部材１の厚さ寸法と同一にしている。
【００２３】
次に、図２を参照して、仮接合工程で用いる回転ツール（以下、「仮接合用回転ツールＨ」という。）及び本接合工程で用いる２つの回転ツール（以下、「第一の本接合用回転ツールＧ」、「第二の本接合用回転ツールＦ」という。）を詳細に説明する。
【００２４】
図２の（ａ）に示す仮接合用回転ツールＨは、工具鋼など被接合金属部材１よりも硬質の金属材料からなり、円柱状を呈するショルダＨ１と、このショルダＨ１の下端面Ｈ１１に突設された攪拌ピン（プローブ）Ｈ２とを備えて構成されている。仮接合用回転ツールＨの寸法・形状は、被接合金属部材１の材質や厚さ等に応じて設定すればよいが、少なくとも、後記する第一の本接合工程で用いる第一の本接合用回転ツールＧ（図２の（ｂ）参照）よりも小型にする。このようにすると、本接合よりも小さな負荷で仮接合を行うことが可能となるので、仮接合時に摩擦攪拌装置に掛かる負荷を低減することが可能となり、さらには、仮接合用回転ツールＨの移動速度（送り速度）を第一の本接合用回転ツールＧの移動速度よりも高速にすることも可能になるので、仮接合に要する作業時間やコストを低減することが可能となる。
【００２５】
ショルダＨ１の下端面Ｈ１１は、塑性流動化した金属を押えて周囲への飛散を防止する役割を担う部位であり、本実施形態では、凹面状に成形されている。ショルダＨ１の外径Ｘ１の大きさに特に制限はないが、本実施形態では、第一の本接合用回転ツールＧのショルダＧ１の外径Ｙ１よりも小さくなっている。
【００２６】
攪拌ピンＨ２は、ショルダＨ１の下端面Ｈ１１の中央から垂下しており、本実施形態では、先細りの円錐台状に成形されている。また、攪拌ピンＨ２の周面には、螺旋状に刻設された攪拌翼が形成されている。
【００２７】
図２の（ｂ）に示す第一の本接合用回転ツールＧは、工具鋼など被接合金属部材１よりも硬質の金属材料からなり、円柱状を呈するショルダＧ１と、このショルダＧ１の下端面Ｇ１１に突設された攪拌ピン（プローブ）Ｇ２とを備えて構成されている。第一の本接合用回転ツールＧは、特許請求の範囲の「第一の回転ツール」に相当する。
【００２８】
ショルダＧ１の下端面Ｇ１１は、仮接合用回転ツールＨと同様に、凹面状に成形されている。攪拌ピンＧ２は、ショルダＧ１の下端面Ｇ１１の中央から垂下しており、本実施形態では、先細りの円錐台状に成形されている。また、攪拌ピンＧ２の周面には、螺旋状に刻設された攪拌翼が形成されている。
【００２９】
図３の（ａ）に示すように、第二の本接合用回転ツールＦは、連結部Ｆ１と、攪拌ピンＦ２とで構成されている。第二の本接合用回転ツールＦは、特許請求の範囲の「第二の回転ツール」に相当する。第二の本接合用回転ツールＦは、例えば工具鋼で形成されている。連結部Ｆ１は、図３の（ｂ）に示す摩擦攪拌装置の回転軸Ｔ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ＢＨ，ＢＨが形成されている。
【００３０】
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Ｆ３が刻設されている。本実施形態では、第二の本接合用回転ツールＦを右回転させるため、螺旋溝Ｆ３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。
【００３１】
なお、第二の本接合用回転ツールＦを左回転させる場合は、螺旋溝Ｆ３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。螺旋溝Ｆ３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Ｆ３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１の外部に溢れ出る金属の量を少なくすることができる。
【００３２】
図３の（ｂ）に示すように、第二の本接合用回転ツールＦを用いて摩擦攪拌接合をする際には、被接合金属部材１に回転した攪拌ピンＦ２のみを挿入し、被接合金属部材１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接合を行う。第二の本接合用回転ツールＦの移動軌跡には摩擦攪拌された金属が硬化することにより塑性化領域Ｗ３（裏面側塑性化領域Ｗ３）が形成される。
【００３３】
以下、本実施形態に係る接合方法を詳細に説明する。本実施形態に係る接合方法は、（１）第一の準備工程、（２）第一の予備工程、（３）第一の本接合工程、（４）第二の準備工程、（５）第二の予備工程、（６）第二の本接合工程、を含むものである。なお、第一の予備工程、第一の本接合工程は、被接合金属部材１の表面Ａ側から実行される工程であり、第二の予備工程、第二の本接合工程は、被接合金属部材１の裏面Ｂ側から実行される工程である。
【００３４】
（１）第一の準備工程
図１を参照して第一の準備工程を説明する。第一の準備工程は、接合すべき被接合金属部材１の摩擦攪拌の開始位置や終了位置が設けられる当て部材（第一タブ材２及び第二タブ材３）を準備する工程であり、本実施形態では、金属部材１ａ，１ｂ、第一タブ材２及び第二タブ材３の油脂分等の汚れを取り除く脱脂工程と、金属部材１ａ，１ｂを突き合せる突合工程と、被接合金属部材１の突合部Ｊ１の両側に第一タブ材２、第二タブ材３を配置するタブ材配置工程と、第一タブ材２、第二タブ材３を溶接により被接合金属部材１に仮接合する溶接工程と、被接合金属部材１をテーブルに固定する固定工程を具備している。
【００３５】
脱脂工程では、面削加工された金属部材１ａ，１ｂ、第一タブ材２及び第二タブ材３を脱脂処理液内に浸けて、各部材が突き合わされる面に付着した加工油等の油脂分や汚れを取り除く。具体的には、金属部材１ａと金属部材１ｂとが突き合わされる端面１１，１１や、被接合金属部材１と第一タブ材２及び第二タブ材３とが突き合わされる金属部材１ａ，１ｂの側面１４、第一タブ材２の当接面２１、第二タブ材３の当接面３１に対してそれぞれ脱脂処理を行う。脱脂工程は、少なくとも各部材が突き合わされる面に対して処理を行えばよいが、突合せ面に隣接する面に対して脱脂処理を行ってもよい。
【００３６】
突合工程では、図１の（ｃ）に示すように、一方の金属部材１ａの端面１１に他方の金属部材１ｂの端面１１を密着させるとともに、一方の金属部材１ａの表面１２と他方の金属部材１ｂの表面１２を面一にし、さらに、一方の金属部材１ａの裏面１３と他方の金属部材１ｂの裏面１３を面一にする。また、一方の金属部材１ａの側面１４，１４と他方の金属部材１ｂの側面１４，１４をそれぞれ面一にする。
【００３７】
タブ材配置工程では、図１の（ｂ）に示すように、被接合金属部材１の突合部Ｊ１の一端側に第一タブ材２を配置してその当接面２１を被接合金属部材１の第二側面Ｄに当接させるとともに、突合部Ｊ１の他端側に第二タブ材３を配置してその当接面３１を被接合金属部材１の第一側面Ｃに当接させる。このとき、図１の（ｄ）に示すように、第一タブ材２の表面２２と第二タブ材３の表面３２を被接合金属部材１の表面Ａと面一にするとともに、第一タブ材２の裏面２３と第二タブ材３の裏面３３を被接合金属部材１の裏面Ｂと面一にする。
【００３８】
溶接工程では、図１の（ａ）及び（ｂ）に示すように、被接合金属部材１と第一タブ材２とにより形成された入隅部２ａ，２ａ（即ち、金属部材１ａ，１ｂの側面１４と第一タブ材２の側面２４とにより形成された角部）を溶接して被接合金属部材１と第一タブ材２とを接合し、被接合金属部材１と第二タブ材３とにより形成された入隅部３ａ，３ａ（即ち、金属部材１ａ，１ｂの側面１４と第二タブ材３の側面３４とにより形成された角部）を溶接して被接合金属部材１と第二タブ材３とを接合する。なお、各入隅部の全長に亘って連続して溶接を施してもよいし、断続して溶接を施してもよい。
【００３９】
固定工程では、図４に示すように、被接合金属部材１を摩擦攪拌装置のテーブル（架台）１０に載置し、クランプ等の固定治具１５を用いて移動不能に拘束する。固定治具１５の形態は、特に制限されないが、被接合金属部材１の表面Ａに当接する当て金具１５ａと、当て金具１５ａに挿通されるボルト１５ｂと、ボルト１５ｂが螺入されるネジ孔１５ｃとからなる。本実施形態では４つの固定治具１５を用いたが、数量を限定するものではない。
【００４０】
（２）第一の予備工程
第一の予備工程は、第一の本接合工程に先立って行われる工程であり、本実施形態では、被接合金属部材１と第一タブ材２との突合部Ｊ２を接合する第一タブ材接合工程と、被接合金属部材１の突合部Ｊ１を仮接合する第一の仮接合工程と、被接合金属部材１と第二タブ材３との突合部Ｊ３を接合する第二タブ材接合工程と、第一の本接合工程における摩擦攪拌の開始位置に下穴を形成する下穴形成工程とを具備している。
【００４１】
第一の予備工程では、図５に示すように、一の仮接合用回転ツールＨを一筆書きの移動軌跡（ビード）を形成するように移動させて、突合部Ｊ２，Ｊ１，Ｊ３に対して連続して摩擦攪拌を行う。即ち、摩擦攪拌の開始位置ＳＰに挿入した仮接合用回転ツールＨの攪拌ピンＨ２（図２の（ａ）参照）を途中で離脱させることなく終了位置ＥＰまで移動させ、第一タブ材接合工程、第一の仮接合工程及び第二タブ材接合工程を連続して実行する。なお、本実施形態では、第一タブ材２に摩擦攪拌の開始位置ＳＰを設け、第二タブ材３に終了位置ＥＰを設けているが、開始位置ＳＰと終了位置ＥＰの位置を限定する趣旨ではない。
【００４２】
仮接合用回転ツールＨが終了位置ＥＰに達したら、仮接合用回転ツールＨを回転させつつ上昇させて攪拌ピンＨ２を終了位置ＥＰから離脱させる。図６に示すように、高速回転した仮接合用回転ツールＨが被接合金属部材１に挿入されると、被接合金属部材１内に摩擦熱が伝達される（入熱）。被接合金属部材１がテーブル１０に面接触しているため、摩擦熱の一部は、矢印Ｎに示すように被接合金属部材１の裏面Ｂの全体からテーブル１０側に放出（抜熱）される。
【００４３】
続いて、下穴形成工程を実行する。下穴形成工程は、図２の（ｂ）に示すように、第一の本接合工程における摩擦攪拌の開始位置ＳＭ１に下穴Ｐ１を形成する工程である。即ち、下穴形成工程は、第一の本接合用回転ツールＧの攪拌ピンＧ２の挿入予定位置に下穴Ｐ１を形成する工程である。
【００４４】
下穴Ｐ１は、第一の本接合用回転ツールＧの攪拌ピンＧ２の挿入抵抗（圧入抵抗）を低減する目的で設けられるものであり、本実施形態では、仮接合用回転ツールＨの攪拌ピンＨ２（図２の（ａ）参照）を離脱させたときに形成される抜き穴ｈ１を図示せぬドリルなどで拡径することで形成される。抜き穴ｈ１を利用すれば、下穴Ｐ１の形成工程を簡略化することが可能となるので、作業時間を短縮することが可能となる。下穴Ｐ１の形態に特に制限はないが、本実施形態では、円筒状としている。また、下穴Ｐ１の幅Ｚ１及び深さＺ２は、攪拌ピンＧ２の大きさ、形状に応じて適宜設定すればよい。
【００４５】
なお、本実施形態では、第二タブ材３に下穴Ｐ１を形成しているが、下穴Ｐ１の位置に特に制限はなく、第一タブ材２に形成してもよいし、突合部Ｊ２，Ｊ３に形成してもよいが、好適には、本実施形態の如く被接合金属部材１の表面Ａ側に現れる被接合金属部材１の継ぎ目（境界線）の延長線上に形成することが望ましい。
【００４６】
（３）第一の本接合工程
第一の本接合工程は、被接合金属部材１の突合部Ｊ１を表面Ａ側から本格的に接合する工程である。本実施形態に係る第一の本接合工程では、図２の（ｂ）に示す第一の本接合用回転ツールＧを使用し、仮接合された状態の突合部Ｊ１に対して被接合金属部材１の表面Ａ側から摩擦攪拌を行う。
【００４７】
第一の本接合工程では、図７の（ａ）〜（ｃ）に示すように、開始位置ＳＭ１に形成した下穴Ｐ１に第一の本接合用回転ツールＧの攪拌ピンＧ２を挿入（圧入）し、挿入した攪拌ピンＧ２を途中で離脱させることなく終了位置ＥＭ１まで移動させる。即ち、第一の本接合工程では、下穴Ｐ１から摩擦攪拌を開始し、終了位置ＥＭ１まで連続して摩擦攪拌を行う。なお、本実施形態では、第二タブ材３に摩擦攪拌の開始位置ＳＭ１を設け、第一タブ材２に終了位置ＥＭ１を設けているが、開始位置ＳＭ１と終了位置ＥＭ１の位置を限定する趣旨ではない。
【００４８】
図７の（ａ）〜（ｃ）を参照して第一の本接合工程をより詳細に説明する。
まず、図７の（ａ）に示すように、下穴Ｐ１（開始位置ＳＭ１）の直上に第一の本接合用回転ツールＧを位置させ、続いて、第一の本接合用回転ツールＧを右回転させつつ下降させて攪拌ピンＧ２の先端を下穴Ｐ１に挿入する。攪拌ピンＧ２を下穴Ｐ１に入り込ませると、攪拌ピンＧ２の周面（側面）が下穴Ｐ１の穴壁に当接し、穴壁から金属が塑性流動化する。このような状態になると、塑性流動化した金属を攪拌ピンＧ２の周面で押し退けながら、攪拌ピンＧ２が圧入されることになるので、圧入初期段階における圧入抵抗を低減することが可能となる。
【００４９】
攪拌ピンＧ２の全体が第二タブ材３に入り込み、かつ、ショルダＧ１の下端面Ｇ１１の全面が第二タブ材３の表面に接触したら、図７の（ｂ）に示すように、摩擦攪拌を行いながら被接合金属部材１の突合部Ｊ１の一端に向けて第一の本接合用回転ツールＧを相対移動させ、さらに、突合部Ｊ３を横切らせて突合部Ｊ１に突入させる。第一の本接合用回転ツールＧを移動させると、その攪拌ピンＧ２の周囲にある金属が順次塑性流動化するとともに、攪拌ピンＧ２から離れた位置では、塑性流動化していた金属が再び硬化して塑性化領域Ｗ１（以下、「表面側塑性化領域Ｗ１」という。）が形成される。
【００５０】
被接合金属部材１への入熱量が過大になる虞がある場合には、第一の本接合用回転ツールＧの周囲に表面Ａ側から水を供給するなどして冷却することが望ましい。なお、被接合金属部材１の突合部Ｊ１間に冷却水が入り込むと、接合面に酸化皮膜を発生させる虞があるが、本実施形態においては、第一の仮接合工程を実行して被接合金属部材１間の目地を閉塞しているので、被接合金属部材１の突合部Ｊ１に冷却水が入り込み難く、したがって、接合部の品質を劣化させる虞がない。
【００５１】
被接合金属部材１の突合部Ｊ１では、被接合金属部材１の継ぎ目上（第一の仮接合工程における移動軌跡上）に摩擦攪拌のルートを設定し、当該ルートに沿って第一の本接合用回転ツールＧを相対移動させることで、突合部Ｊ１の一端から他端まで連続して摩擦攪拌を行う。突合部Ｊ１の他端まで第一の本接合用回転ツールＧを相対移動させたら、摩擦攪拌を行いながら突合部Ｊ２を横切らせ、そのまま終了位置ＥＭ１に向けて相対移動させる。
【００５２】
なお、本実施形態では、被接合金属部材１の表面Ａ側に現れる継ぎ目（境界線）の延長線上に摩擦攪拌の終了位置ＥＭ１を設定しているので、第一の本接合工程における摩擦攪拌のルートを一直線にすることができる。摩擦攪拌のルートを一直線にすると、第一の本接合用回転ツールＧの移動距離を最小限に抑えることができるので、第一の本接合工程を効率よく行うことが可能となり、さらには、第一の本接合用回転ツールＧの磨耗量を低減することが可能となる。
【００５３】
第一の本接合用回転ツールＧが終了位置ＥＭ１に達したら、図７の（ｃ）に示すように、第一の本接合用回転ツールＧを回転させつつ上昇させて攪拌ピンＧ２を終了位置ＥＭ１（図７の（ｂ）参照）から離脱させる。なお、終了位置ＥＭ１において攪拌ピンＧ２を上方に離脱させると、攪拌ピンＧ２と略同形の抜き穴Ｑ１が不可避的に形成されることになるが、本実施形態では、そのまま残置する。
【００５４】
図７（ｂ）及び（ｃ）に示すように、高速回転した第一の本接合用回転ツールＧが被接合金属部材１に挿入されると、被接合金属部材１内に摩擦熱が伝達される（入熱）。被接合金属部材１がテーブル１０に面接触しているため、摩擦熱の一部は、矢印Ｎに示すように被接合金属部材１の裏面Ｂからテーブル１０側に放出（抜熱）される。
【００５５】
なお、本実施形態では、図７の（ｂ）及び（ｃ）に示すように、第一の本接合用回転ツールＧを右回転させて第一の本接合工程を行ったため、進行方向左側、即ち、金属部材１ｂにトンネル状の接合欠陥が形成される可能性がある。摩擦攪拌を行う際に、進行方向左側はシアー側（被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）であるため、メタルが強く攪拌されて高温軟化し、バリとなって排出され易いと考えられる。このため、進行方向左側はメタルが不足するので、接合欠陥が形成される可能性がある。また、進行方向右側、即ち、金属部材１ａ側は、フロー側（被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から移動速度の大きさを減算した値となる側）であるため、メタルの攪拌が比較的弱く、バリとなって排出され難いと考えられ、比較的緻密な塑性化領域が形成される。
【００５６】
ちなみに、第一の本接合用回転ツールＧを左回転させると、進行方向右側は、シアー側となるため進行方向右側に接合欠陥が形成される可能性がある。一方、進行方向左側は、フロー側となるため、比較的緻密な塑性化領域が形成される。かかる接合欠陥などの接合欠陥が被接合金属部材１に形成されると、被接合金属部材１の気密性及び水密性を低下させる原因となる。
【００５７】
第一の本接合工程が終了したら、第一予備工程、第一の本接合工程における摩擦攪拌で発生したバリを除去する。さらに、固定治具１５から被接合金属部材１を解除する。
【００５８】
図８は、第一の実施形態に係る第一の本接合工程後を示した斜視図である。図８に示すように、前記した第一の予備工程及び第一の本接合工程を行うと、被接合金属部材１が冷却されて熱収縮を起こすため、被接合金属部材１の表面Ａ側に凹状に変形する。
【００５９】
（４）第二の準備工程
第二の準備工程は、第二の予備工程に先立って行われる工程であり、本実施形態では、被接合金属部材１の表裏を逆にして、被接合金属部材１を固定治具１５（図４参照）でテーブル１０に固定する。図９を参照するように、被接合金属部材１は、熱収縮により反って（歪んで）いるため、被接合金属部材１の縁部Ｕ，Ｕとテーブル１０とが当接し、テーブル１０と被接合金属部材１の表面Ａとの間に隙間Ｐが形成される。被接合金属部材１の裏面Ｂには、引張応力が作用した状態となる。
【００６０】
（５）第二の予備工程
第二の予備工程は、第二の本接合工程に先だって行われる工程であり、本実施形態では、被接合金属部材１と第一タブ材２との突合部Ｊ２を接合する第一タブ材接合工程と、被接合金属部材１の突合部Ｊ１を仮接合する第二の仮接合工程と、被接合金属部材１と第二タブ材３との突合部Ｊ３を接合する第二タブ材接合工程と、第二の本接合工程における摩擦攪拌の開始位置に下穴を形成する下穴形成工程とを具備している。第二の予備工程は、被接合金属部材１の表裏を除いては、前記した第一の予備工程と略同等であるため、詳細な説明は省略する。第二の仮接合工程によって、被接合金属部材１の裏面Ｂには、裏面側塑性化領域Ｗ２が形成される（図９参照）。
【００６１】
（６）第二の本接合工程
第二の本接合工程は、被接合金属部材１の突合部Ｊ１を裏面Ｂ側から本格的に接合する工程である。本実施形態に係る第二の本接合工程では、図９の（ａ）〜（ｃ）に示すように、第二の本接合用回転ツールＦを使用して、突合部Ｊ１に対して被接合金属部材１の裏面Ｂ側から摩擦攪拌を行う。
【００６２】
第二の本接合工程では、第二の本接合用回転ツールＦの攪拌ピンＦ２を、第二タブ材３に設けた下穴Ｐ２（開始位置ＳＭ２）に挿入（圧入）し、挿入した攪拌ピンＨ２を途中で離脱させることなく第一タブ材２に設けた終了位置ＥＭ２まで移動させる。即ち、第二の本接合工程では、下穴Ｐ２から摩擦攪拌を開始し、終了位置ＥＭ２まで連続して摩擦攪拌を行う。
【００６３】
図９の（ａ）〜（ｃ）を参照して第二の本接合工程をより詳細に説明する。
まず、図９の（ａ）に示すように、下穴Ｐ２の直上に第二の本接合用回転ツールＦを位置させ、続いて、第二の本接合用回転ツールＦを右回転させつつ下降させて攪拌ピンＦ２の先端を下穴Ｐ２に挿入する。
【００６４】
図９の（ｂ）に示すように、第二の本接合用回転ツールＦの挿入深さは、適宜設定すればよいが、本実施形態のように攪拌ピンＦ２の先端が、表面側塑性化領域Ｗ１に接触するか又は入り込む程度に設定して、被接合金属部材１の突合部Ｊ１の一端に向けて相対移動させる。第二の本接合工程では、攪拌ピンＦ２の先端が表面側塑性化領域Ｗ１に達しても、連結部Ｆ１が被接合金属部材１に当接しない。つまり、第二の本接合工程では、連結部Ｆ１の下面で被接合金属部材１の表面Ａを押えない。第二の本接合用回転ツールＦの移動軌跡には、裏面側塑性化領域Ｗ３が形成される。
【００６５】
攪拌ピンＦ２の先端を表面側塑性化領域Ｗ１に入り込ませると、表面側塑性化領域Ｗ１の先端側を再度摩擦攪拌することができるため、表面側塑性化領域Ｗ１の先端側に接合欠陥が形成されている場合、当該欠陥を補修することができる。また、少なくとも表面側塑性化領域Ｗ１と裏面側塑性化領域Ｗ３とを接触させることで、突合部Ｊ１の深さ方向全体が摩擦攪拌されるため、被接合金属部材１の水密性及び気密性を向上させることができる。
【００６６】
さらに、本接合工程では、本接合工程の前に、テーブル１０に固定された被接合金属部材１の高さ方向の変形量を計測しておき、第二の本接合工程において当該変形量に合わせて攪拌ピンＦ２の挿入深さを調節しながら摩擦攪拌を行うことが好ましい。つまり、被接合金属部材１の表面Ａの曲面に沿って第二の本接合用回転ツールＦの移動軌跡が曲線となるように移動させる。このようにすることで、裏面側塑性化領域Ｗ３の深さ及び幅を一定にすることができる。
【００６７】
なお、被接合金属部材１の変形量の計測については、公知の高さ検知装置を用いればよい。また、例えば、テーブル１０から被接合金属部材１の表面Ａまでの高さを検知する検知装置が装備された摩擦攪拌装置を用いて、被接合金属部材１の変形量を検知しながら本接合工程を行ってもよい。
【００６８】
図９の（ｃ）に示すように、第二の本接合用回転ツールＦが終了位置ＥＭ２に達したら、第二の本接合用回転ツールＦを回転させつつ上昇させて攪拌ピンＦ２を終了位置ＥＭ２から離脱させる（図９の（ｃ）参照）。
【００６９】
図９の（ｂ）及び（ｃ）に示すように、高速回転した第二の本接合用回転ツールＦが被接合金属部材１に挿入されると、被接合金属部材１内に摩擦熱が伝達される（入熱）。また、摩擦熱の一部は、矢印Ｎに示すように被接合金属部材１の縁部Ｕ，Ｕからテーブル１０に放出（抜熱）される。
【００７０】
第二の本接合工程では、隙間Ｐが形成されているため第一の本接合工程に比べて抜熱量が少ない。また、第二の本接合工程では、攪拌ピンＦ２のみで摩擦攪拌しているため、第一の本接合工程に比べて入熱量も少ない。
【００７１】
第二の本接合工程を終了したら、タブ材を切除する。なお、各工程を終えた後は、被接合金属部材１に形成されたバリを除去することが好ましい。
【００７２】
以上説明した第一実施形態によれば、図１０に示すように、第二の本接合後に固定治具１５（図４参照）から被接合金属部材１を解除して放置すると、熱収縮によって被接合金属部材１が平坦になる。つまり、第二の本接合工程前においては、第一の本接合工程後の熱収縮で被接合金属部材１の裏面Ｂ側が凸となるように反っていたが、第二の本接合工程後の熱収縮によって反りが是正され、被接合金属部材１を平坦にすることができる。また、第二の本接合工程において、第二の本接合用回転ツールＦのうちの攪拌ピンＦ２のみが被接合金属部材１に接触することになる。これにより、被接合金属部材１の裏面Ｂが凸状に反っていたとしても第二の本接合工程では第二の本接合用回転ツールＦの操作性を向上させることができる。
【００７３】
前記したように、隙間Ｐが発生することにより第二の本接合工程では抜熱量が少ない。また、第二の本接合工程では攪拌ピンＦ２のみで摩擦攪拌を行うものであるから、第二の本接合工程における入熱量を第一の本接合工程における入熱量よりも小さく設定することが容易である。以上のことから、第一の本接合工程における被接合金属部材１の（入熱量−抜熱量）と、第二の本接合工程における被接合金属部材１の（入熱量−抜熱量）との均衡を図ることが可能となり、被接合金属部材１を平坦にすることができる。
【００７４】
また、第二の本接合工程では、第一の本接合工程で形成された表面側塑性化領域Ｗ１に第二の本接合用回転ツールＦの先端を入り込ませることにより、表面側塑性化領域Ｗ１を再度摩擦攪拌することができる。これにより、塑性化領域に発生する可能性がある接合欠陥を補修し、水密性及び気密性を高めることができる。
【００７５】
また、第二の本接合工程では、従来の接合方法と比べて接合する被接合金属部材１と第二の本接合用回転ツールＦとの摩擦を軽減することができ、摩擦攪拌装置にかかる負担を小さくすることができる。また、摩擦攪拌装置にかかる負荷を軽減することができるため、摩擦攪拌装置に大きな負荷がかからない状態で、突合部Ｊ１の深い位置まで接合することができる。
【００７６】
また、本実施形態では、本接合工程に先だって仮接合工程をするため、金属部材１ａ，１ｂ同士が離間することなく摩擦攪拌接合を行うことができる。
【００７７】
なお、第一の実施形態では、回転ツールの種類を変更することにより被接合金属部材１の表面側及び裏面側の入熱量を調節したが、これに限定されるものではない。例えば、裏面Ｂ側の回転ツールの移動速度を表面Ａ側の回転ツールの移動速度より速めることで、裏面Ｂ側の回転ツールの入熱量を少なくすることができる。また、回転ツールを移動させる軌跡の長さ（摩擦攪拌の軌跡の長さの和）を、被接合金属部材１の表面Ａ側よりも裏面Ｂ側を短くすることで、裏面Ｂ側の入熱量を少なくすることができる。第二の本接合工程で行う摩擦攪拌については、第一の本接合工程の入熱量、抜熱量及び隙間Ｐの大きさ、さらには被接合金属部材１の厚み等を考慮して設定すればよい。
【００７８】
また、第一の本接合工程及び第二の本接合工程を行った後に、被接合金属部材１に反りが残る場合には、被接合金属部材１の表面Ａ又は裏面Ｂから矯正工程を行ってもよい。矯正工程では、矯正用回転ツール（図示省略）を用いて、被接合金属部材１の表面Ａ又は裏面Ｂのうち、凸状になっている面側から摩擦攪拌を行う。矯正用回転ツールは、第一の本接合用回転ツールＧよりも小さい矯正用回転ツール（図示省略）を用いる。摩擦攪拌の移動軌跡は特に限定されるものではなく、突合部に対して行ってもよいし、反りが大きい部分に重点的に行ってもよい。
【００７９】
また、第二の本接合工程後に、摩擦攪拌によって形成される溝が大きくなった場合には、当該溝に肉盛溶接を行って補修してもよい。若しくは、当該溝に蓋部材を配置して、当該蓋部材と被接合金属部材１とを摩擦攪拌等によって接合して補修してもよい。
【符号の説明】
【００８０】
１      接合金属部材
１ａ    金属部材
１ｂ    金属部材
２      第一タブ材
３      第二タブ材
Ｊ１〜Ｊ３    突合部
Ａ      表面
Ｂ      裏面
Ｃ      第一側面
Ｄ      第二側面
Ｈ      仮接合用回転ツール
Ｈ１    ショルダ
Ｈ２    攪拌ピン
Ｇ      第一の本接合用回転ツール
Ｇ１    ショルダ
Ｇ２    攪拌ピン
Ｆ      第二の本接合用回転ツール
Ｆ１    ショルダ
Ｆ２    攪拌ピン
Ｗ１，Ｗ２  塑性化領域
【図１】
2015116593.tif 000003
【図２】
2015116593.tif 000004
【図３】
2015116593.tif 000005
【図４】
2015116593.tif 000006
【図５】
2015116593.tif 000007
【図６】
2015116593.tif 000008
【図７】
2015116593.tif 000009
【図８】
2015116593.tif 000010
【図９】
2015116593.tif 000011
【図１０】
2015116593.tif 000012
【図１１】
2015116593.tif 000013