(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに熱による固相接合が可能な金属の上層部材及び下層部材の間に、前記上層部材及び前記下層部材のいずれよりも融点が低く、かつ前記上層部材と下層部材との少なくともどちらか一方に対して固相接合できない材質の中間層部材が少なくとも一層挟まれている積層構造接合体を製造する方法であって、
高速回転する摩擦攪拌接合用ツールを前記上層部材に押し当てて摩擦熱によって軟化させ、前記摩擦攪拌接合用ツールを挿入することによって前記軟化した上層部材を変形させ、前記軟化した上層部材が前記中間層部材を押しのけて前記下層部材へ到達する深さまで前記摩擦攪拌接合用ツールを挿入し、該到達箇所において前記上層部材と前記下層部材が固相接合するようにし、
前記中間層部材は、前記上層部材と前記下層部材の接合部において前記上層部材の表面に露出しない、積層構造接合体の製造方法。
【請求項２】
前記中間層部材は、前記上層部材及び前記下層部材よりも接合時の温度条件において硬度が低い、請求項１に記載の積層構造接合体の製造方法。
【請求項３】
前記摩擦攪拌接合用ツールを前記上層部材に挿入する長さは、前記中間層部材の厚さ以上である、請求項１又は請求項２に記載の積層構造接合体の製造方法。
【請求項４】
互いに熱による固相接合が可能な金属の上層部材及び下層部材の間に、前記上層部材及び前記下層部材のいずれよりも融点が低く、かつ前記上層部材と下層部材との少なくともどちらか一方に対して固相接合できない材質の中間層部材が少なくとも一層挟まれている積層構造接合体を製造する方法であって、
高速回転する摩擦攪拌接合用ツールを前記上層部材に押し当てて摩擦熱によって軟化させ、前記摩擦攪拌接合用ツールを挿入することによって前記軟化した上層部材を変形させ、前記軟化した上層部材が前記中間層部材を押しのけて前記下層部材へ到達する深さまで前記摩擦攪拌接合用ツールを挿入し、該到達箇所において前記上層部材と前記下層部材が固相接合するようにし、
前記摩擦攪拌接合用ツールは、ショルダーと、前記ショルダーの先端に設けた前記ショルダーよりも外径の小さいプローブとを有し、
前記摩擦攪拌接合用ツールを前記上層部材に挿入することによって、前記ショルダーが前記上層部材へ挿入する深さは、前記上層部材の厚みの５０％以下である、積層構造接合体の製造方法。
【請求項５】
前記プローブの長さは、前記上層部材の厚さ以下である、請求項４に記載の積層構造接合体の製造方法。
【請求項６】
前記中間層部材は熱可塑性樹脂である、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の積層構造接合体の製造方法。
【請求項７】
互いに熱による固相接合が可能な金属の上層部材及び下層部材と、前記上層部材及び前記下層部材の間にある前記上層部材及び前記下層部材よりも融点が低く、かつ前記上層部材と下層部材との少なくともどちらか一方に対して固相接合できない少なくとも一つの中間層部材とを備え、
前記上層部材が、前記中間層部材を押しのけることにより、前記上層部材と前記下層部材とが固相接合しており、
前記中間層部材は、接合部において前記上層部材の表面に露出していない積層構造接合体。
【請求項８】
前記中間層部材は、前記上層部材及び前記下層部材よりも接合時の温度条件において硬度が低い請求項７に記載の積層構造接合体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、摩擦攪拌接合用ツールを用いた三層以上の積層構造接合体の製造方法とその方法により製造された積層構造接合体に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
二層に重ね合わせた金属部材を接合する方法として、摩擦攪拌接合が知られている。この方法により接合をする場合、まず、二層に重ね合わせた金属部材の一方に、高速回転する摩擦攪拌接合用のツールを押し付ける。このとき、ツールと金属部材との摩擦によって、金属部材のツールが押し付けられた箇所に摩擦熱が発生する。すると、この摩擦熱を受けた金属部材は軟化し、二つの金属は接合することになる。
【０００３】
ここで、このような接合には、二種類のメカニズムがある。一つは、軟化した金属同士が塑性流動状態となって混ざり合って接合するものであり、もう一つは、材料同士が熱により反応生成物を作って接合するものである。後者の場合には、部材の塑性流動により酸化被膜や汚れの層が破れて、反応生成物が生じることにより固相接合する。固相接合は、金属接合のうちの界面接合の一種であり、金属を溶かして接合する溶融接合とは異なるカテゴリーに属するものである。また、固相のままで接合するということを意味し、接合される部材間の攪拌が生じるものでもない。
【０００４】
積層構造接合体の製造方法としては、摩擦攪拌接合による点接合と線接合が知られている。これらの接合方法をそれぞれ図６と図７を参照しながら説明する。
【０００５】
まず、図６は、摩擦攪拌接合により点接合する方法を示す斜視図である。摩擦攪拌接合を行う場合、図６に示すように、まず対象となる金属部材を重ねて配置する。次に、回転可能に設けた摩擦攪拌接合用ツール２１を、最上部に配置した上層部材２３の上部に、高速回転させながら押し付ける。これにより、摩擦攪拌接合用ツール２１と上層部材２３との間で摩擦熱が発生する。すると、上層部材２３の、摩擦攪拌接合用ツール２１を押し付けた箇所が局所的に高温となり軟化する。
【０００６】
さらに、押し付けられた摩擦攪拌接合用ツール２１は、高速回転しながら軟化した箇所に挿入していく。このとき、軟化した金属部材は、非溶融状態のまま、摩擦攪拌接合用ツール２１から加えられた力によって塑性流動する。これにより、上層部材２３の下側に重ねた部材も局所的に熱せられて軟化するか、同様に酸化被膜や汚れの膜を破る。そして、摩擦攪拌接合用ツール２１の周囲の金属部材同士が攪拌されて混ざり合い、あるいは金属間の熱による反応生成物を生じる。その後、摩擦攪拌接合用ツール２１を上部に抜きとることで、軟化した部分が冷却して凝固し、重ね合わせた金属部材同士を接合する。なお、下層部材２５の下側には、図示しない固定用の治具があり、接合対象の部材２３、２５を支えている。
【０００７】
次に、図７は、摩擦攪拌接合により線接合する方法を示す斜視図である。図７に示すように、軟化した上層部材に挿入した摩擦攪拌接合用ツール２１が上層部材の表面に沿って移動することで、一定の範囲を連続して接合できる。
【０００８】
特許文献１では、この摩擦攪拌接合により、二つの金属部材を接合している。ここでは、互いに摩擦攪拌接合が可能な材料として、ステンレス系もしくは鉄系の板状の材料を選択している。このように、摩擦攪拌接合をするためには、互いに摩擦攪拌接合可能な部材を選択する必要がある。
【０００９】
また、特許文献２に示すように、金属部材を三層に重ねることで、互いに摩擦攪拌接合する方法が知られている。しかしながら、この方法によれば、摩擦攪拌接合用ツールを、上層部材が下層部材に到達するように十分深く挿入する必要があり、接合に比較的時間がかかる。また、この挿入によって、接合箇所に深い孔を残す傾向がある。
【００１０】
一方、特許文献３に示すように、三層に重ねた金属部材のうち、中間層に摩擦攪拌接合ができない金属部材を配置した場合においても、接合を可能にする方法がある。この方法によれば、中間層にあらかじめ十分な大きさの孔を設けておく。そして、ツールとの摩擦熱によって軟化した上層の金属部材が変形し、中間層に設けた孔を通って下層の金属部材と接触する。しかし、この方法によれば、あらかじめ中間層に孔を設け、その孔と接合箇所の位置合わせをするといった手間が生じる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００５−２１９３１号公報
【特許文献２】特開２００１−３１４９８３号公報
【特許文献３】特開２００６−１５０３８９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明の目的は、互いに熱による固相接合が可能な比較的に高融点の上層部材及び下層部材の間に、少なくとも一層の比較的に低融点の中間層部材を挟んだ積層構造接合体、及びその製造方法を提供することにある。ここでいう「高融点」または「低融点」とは、二者の間で相対的に融点が高いか、低いことを意味するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、互いに熱による固相接合が可能な金属の上層部材及び下層部材の間に、前記上層部材及び前記下層部材のいずれよりも融点が低く、かつ前記上層部材と下層部材との少なくともどちらか一方に対して熱による固相接合できない材質の中間層部材が少なくとも一層挟まれている積層構造接合体を製造する方法であって、高速回転する摩擦攪拌接合用ツールを前記上層部材に押し当てて摩擦熱によって軟化させ、前記摩擦攪拌接合用ツールを挿入することによって前記軟化した上層部材を変形させ、前記軟化した上層部材が前記中間層部材を押しのけて前記下層部材へ到達する深さまで前記摩擦攪拌接合用ツールを挿入し、該到達箇所において前記上層部材と前記下層部材が固相接合するようにする積層構造接合体の製造方法を提供する。
【００１４】
また、前記中間層部材は、前記接合部において前記上層部材の表面に露出しないものであってもよい。
【００１５】
また、前記中間層部材は、前記上層部材及び前記下層部材よりも接合時の温度条件において硬度が低いものであってもよい。
【００１６】
また、前記摩擦攪拌接合用ツールを前記上層部材に挿入する長さは、前記中間層部材の厚さ以上であってもよい。
【００１７】
また、前記摩擦攪拌接合用ツールは、ショルダーと、前記ショルダーの先端に設けた前記ショルダーよりも外径の小さいプローブとを有し、前記摩擦攪拌接合用ツールを前記上層部材に挿入することによって、前記ショルダーが前記上層部材へ挿入する長さは、前記上層部材の厚みの５０％以下であってもよい。
【００１８】
また、前記プローブの長さは、前記上層部材の厚さ以下であってもよい。
【００１９】
また、前記中間層部材は熱可塑性樹脂であってもよい。
【００２０】
また、本発明は、互いに熱による固相接合が可能な金属の上層部材及び下層部材と、前記上層部材及び前記下層部材の間にある前記上層部材及び前記下層部材よりも融点が低く、かつ前記上層部材と下層部材の少なくともどちらか一方に対して固相接合できない少なくとも一つの中間層部材とを備え、前記上層部材が、前記中間層部材を押しのけることにより、前記上層部材と前記下層部材とが固相接合しており、前記中間層部材は、接合部において前記上層部材の表面に露出していない接合体を提供する。
【００２１】
また、前記積層構造接合体における前記中間層部材は、前記上層部材及び前記下層部材よりも接合時の温度条件において硬度が低いものであってもよい。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、互いに固相接合が可能な比較的に高融点の上層部材及び下層部材の間に、少なくとも一層の比較的に低融点で上層部材と下層部材の少なくともどちらか一方に対して固相接合できない中間層部材を挟んだ積層構造接合体、及びその製造方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】三層の部材と摩擦攪拌接合用ツールを示す断面図である。
【図２】中間層に上層と下層の部材との間で固相接合できない部材を設けた場合の接合方法を示す断面図である。
【図３】四層の部材と摩擦攪拌接合用ツールを示す断面図である。
【図４】上層部材３及び下層部材５のいずれとも固相接合できない複数の中間層を備えた場合の接合状態を示す断面図である。
【図５】第３の実施形態に係る方法により積層構造接合体の接合する方法を示す断面図である。
【図６】摩擦攪拌接合により点接合する方法を示す斜視図である。
【図７】摩擦攪拌接合により線接合する方法を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明に係る三層以上の積層構造接合体とその製造方法について、図１〜５を用いて詳細に説明する。
【００２５】
［第１の実施形態］
まず、図１は、三層の部材と接合用ツールを示す断面図である。図１に示すように、ここでは接合対象の部材として、金属の上層部材３と、やはり金属の下層部材５と、その間に挟んだ中間層部材７とを用意している。上層部材３と下層部材５の材質は同一でも異なっていてもよい。
【００２６】
また、本実施形態における摩擦攪拌接合用ツール１は、下端にプローブ１３を、その上方にショルダー１５を備えている。プローブ１３は、略円柱の形状をしており、その底面部の外径は接合をする箇所と対応した大きさになっている。また、その高さは中間層部材７の厚さ以上となっている。そして、プローブ１３の上部には、プローブ１３よりも外径の大きな略円柱形状のショルダー１５がある。この摩擦攪拌接合用ツール１は、ツール鋼、超鋼材のような素材で作製できる。
【００２７】
ここで、図２は、中間層に上層と下層の金属部材との間で固相接合できない部材を設けた場合の接合方法を示す断面図である。図２に示す通り、固相接合できない中間層部材７は、上層部材３と下層部材５とのいずれとも反応せず、反応生成物を生じないため、二者が接合できない。例えば、マグネシウム合金と、軟鋼、ステンレス鋼、鋼鉄とは固相接合できない。一方で、アルミニウムやアルミニウム合金と、軟鋼、低合金鋼、ステンレス鋼とは、熱による固相接合が可能であり、マグネシウム合金とアルミニウム合金とは固相接合が可能である。また、同種の金属同士は一般に固相接合が可能である。
【００２８】
本実施形態においては、回転可能に設けた摩擦攪拌接合用ツール１のプローブ１３を、最上部に配置した上層部材３の上部に、高速回転させながら押し付ける。これにより、摩擦攪拌接合用ツール１と上層部材３との間で摩擦熱が発生する。すると、上層部材３の、摩擦攪拌接合用ツール１を押し付けた箇所が局所的に高温となり軟化する。
【００２９】
さらに、軟化した上層部材３は、プローブ１３に押されて下方に向かって変形し、中間層部材７をその周囲に押しのける。そして、この変形した上層部材３が中間層部材７を完全に押しのけて、上層部材３は下層部材５へと到達する。到達した上層部材３は、下層部材５に接して、熱または熱と圧力とによる反応生成物９３ができる。この反応生成物９３は、冷却後に凝固し、上層部材３と下層部材５を接合する。このとき、上層部材３の一体性は保たれており、上層部材３がツール１の下で破断することはない。
【００３０】
なお、摩擦攪拌接合用ツール１の上層部材３への挿入深さは、中間層部材７の厚さ以上であることが好ましい。これにより、上層部材３が確実に中間層部材７を押しのけて下層部材５に到達できるためである。
【００３１】
また、本実施形態における摩擦攪拌接合用ツール１の上層部材３への挿入深さは、上層部材３の厚さ以下であることが好ましい。これによって、プローブ１３は上層部材３を破断しない。つまり、中間層部材７は、上層部材３と下層部材５によって密封され、上層部材３もしくは下層部材５の表面に露出しないこととなる。これにより、空気中の水分が、中間層部材７と、上層部材３又は下層部材５とに触れ、化学反応することで生じる電気化学的な腐食等を防ぐことができる。
【００３２】
ここで、本実施形態における、各構成部材の条件の一例を示す。本実施形態においては、上層部材３として板厚約２．０ｍｍの鋼板を、中間層部材７として板厚約１．０ｍｍのマグネシウム合金を、そして下層部材５として板厚約２．０ｍｍの鋼板を用いている。また、摩擦攪拌接合用ツール１は、超鋼材製の、直径約３．０ｍｍ、高さ約１.０ｍｍの略円柱形のプローブ１３と、直径約６．０ｍｍ、高さ約１０ｍｍの略円柱形のショルダー１５とを備えている。接合時における、摩擦攪拌接合用ツール１の回転数は約５００ｒｐｍとし、上層部材３への挿入深さは約１．８ｍｍとしている。
【００３３】
また、摩擦攪拌接合用ツール１の挿入後、約２秒間この状態を保持する。このような条件にあっては、上層部材３が中間層部材７を確実に押しのけて下層部材５へと到達し、接合できる。また、上層部材３は、接合工程において、一部が破断するようなことはほぼない。つまり、中間層部材７は上層部材３の表面から露出しない。なお、ここに挙げた条件は、本実施形態の一例にすぎず、これらの条件に限られるものではない。
【００３４】
本実施形態においては、上層部材３が中間層部材７を押しのけて、下層部材５へと到達する。ここで、上層部材３が中間層部材７を押しのけるためには、接合時において上層部材３及び下層部材５よりも軟質であればよい。そのためには、中間層部材７は、常温での硬度が上層部材３より高いものであっても、上層部材３の変形時の温度において上層部材３及び下層部材５よりも軟質であればよい。つまり、中間層部材７の融点が上層部材３及び下層部材５よりも低ければよい。また、中間層部材７の硬度は、常温においても上層部材３及び下層部材５よりも低いことが好ましい。
【００３５】
ここで、表１に、本実施形態にかかる固相接合によって接合可能な三層の部材の組み合わせの一例を示す。
【００３６】
【表１】
0006458539.tif 000002
【００３７】
表１においては、いずれの組み合わせにおいても、上層部材３と下層部材５とは、熱による反応生成物による固相接合が可能な組み合わせになっている。例えば、鉄とアルミニウム合金、マグネシウム合金とアルミニウム合金のように、異なる部材であってもよい。
【００３８】
これに対し、中間層部材７は、上層部材３と下層部材５との少なくともどちらか一方と固相接合できない部材を選択している。そして、中間層部材７には、上層部材３と下層部材５のいずれよりも硬度が低い、又は融点が低い部材となっている。
【００３９】
例えば、Ｎｏ．１の組み合わせにおいては、マグネシウム合金の融点は鉄よりも低い。そのため、熱せられた上層部材３の鉄が変形する際に、中間層部材７であるマグネシウム合金に熱が伝播して軟化する。これにより、上層部材３の鉄が、中間層部材７のマグネシウムを押しのけて下層部材５の鉄に到達できる。このとき、鉄とマグネシウム合金は熱反応生成物による固相接合できない組み合わせであるため、互いに固相接合することはない。また、鉄の方が融点が高いので、マグネシウムが軟化したとしても攪拌による接合は起きにくい。そのため、上層部材３の鉄は下層部材５の鉄に接触して、初めて固相接合する。なお、表１に記載した部材の組み合わせは一例であって、ここに挙げたものに限られない。
【００４０】
ここで、Ｎｏ．３〜Ｎｏ．９の組み合わせにおいては、上層部材３及び下層部材５が金属部材に、中間層部材７が熱可塑性樹脂になっている。熱可塑性樹脂と金属とは反応せず、熱による反応生成物を生じないので、固相接合はしない。ただし、金属の表面を粗面化したり、金属の表面に化学的エッチングや官能基を結合するなどの処理を行うことで、熱と圧力を加えて、熱可塑性樹脂と金属とを接合できる。
【００４１】
また、表１には、代表的な金属の名前として、アルミニウム合金やマグネシウム合金などを例に挙げているが、これらの部材はその成分や種類によって異なる融点を持つものがある。
【００４２】
ここで、表２に代表的な種類のアルミニウム合金とマグネシウム合金の融点の一例を示す。
【００４３】
【表２】
0006458539.tif 000003
【００４４】
表１における、Ｎｏ．２の組み合わせにおいては、マグネシウム合金の融点がアルミニウム合金と比較して低いことを想定している。しかし、表２に示すように、アルミニウム合金やマグネシウム合金などは、その種類によって融点が様々である。つまり、中間層部材７にマグネシウム合金を置いた場合は、上層部材３と下層部材５のいずれよりも融点が低い材料を選択すればよい。
【００４５】
上記の第１の実施形態においては、中間層部材７が上層と下層の部材より融点が低いものであるが、もし上層と下層と中間層に同じ鋼材（ステンレス系または鉄系など）を用いたような場合は、鋼材である中間層部材７を軟化させるのに十分な熱量を加えると、上層部材３も軟化するため、中間層部材７を押しのける接合形態にはならずに、ともに混ざり合うことになる。
【００４６】
［第２の実施形態］
第２の実施形態について、図３及び図４を用いて説明する。図３は、四層の部材と摩擦攪拌接合用ツール１を示す断面図である。ここでは、中間層部材には異なる材質の中間層部材７１及び７２を設けている。また、図４は、上層部材３及び下層部材５の少なくともどちらか一方と固相接合できない複数の中間層を備えた場合の接合状態を示す断面図である。本実施形態においては、上層部材３に対して固相接合できない第１の中間層部材７１と、下層部材５に対して固相接合ができない第２の中間層部材７２とを有している。ここで、本第２の実施形態は、第１の実施形態（図１及び図２）の変形例であるため、第１の実施形態と同一部分または類似部分には同一符号を付して重複する説明を省略する。
【００４７】
図４に示す通り、本実施形態においては、金属の上層部材３とやはり金属の下層部材５との間に、中間層部材７１及び７２の二層を設けている。この中間層部材７１及び７２は、上層部材３と下層部材５のいずれよりも融点が低いか、接合時の温度条件での硬度が小さいことが好ましい。これにより、上層部材３が、軟質化したこれらの中間層部材７１及び７２を押しのけて、下層部材５へと到達し、下層部材５と接合できる。なお、このとき中間層部材７１及び７２は、いずれも上層部材３及び下層部材５の表面から露出しない。つまり、上層部材３及び下層部材５は、破断しない。
【００４８】
本実施形態においては、第１の実施形態と同様に、中間層部材７１と上層部材３及びその下にある中間層部材７２と下層部材５とがそれぞれ固相接合できない組み合わせであってもよい。上層部材３と下層部材５とが接合することによって、複数の中間層部材を挟み込んで固定できる。
【００４９】
また、本実施形態では、例えば、中間層部材７１及び７２が、互いに固相接合が可能な組み合わせでもよい。この場合、上層部材３と下層部材５の接合工程において、中間層部材７１及び７２は、軟化して互いに固相接合する。しかしながら、これらの中間層部材７１及び７２は、上層部材３及び下層部材５のいずれとも固相接合しない。したがって、この接合された中間層部材７１及び７２は、上層部材３の変形に伴って、プローブ１３の下方から押しのけられる。つまり、上層部材３と下層部材５の固相接合を阻害しない。
【００５０】
また、本第２の実施形態のように複数に積層された部材を接合する場合には、中間層に設けた部材のうち、いくつかの部材（例えば、中間層部材７が三層になっており、その中間にある部材）が、上層部材３又は下層部材５と固相接合が可能な部材であっても、本実施の形態にかかる方法で接合できる。
【００５１】
なお、本第２の実施形態におけるプローブ１３の上層部材３への挿入深さは、二層に設けた中間層部材７１及び７２の厚みの和以上の大きさであることが好ましい。これによって、上層部材３は下層部材５へと到達できる。
【００５２】
［第３の実施形態］
第３の実施形態について、図５を用いて説明する。図５は、第３の実施形態に係る方法により製造した積層構造接合体を示す断面図の一例である。ここで、本第３の実施形態は、第１の実施形態（図１及び図２）の変形例であるため、第１の実施形態と同一部分または類似部分には、同一符号を付して、重複する説明を省略する。
【００５３】
図５に示すように、本第３の実施形態においては、プローブ１３を、その長さ分だけ上層部材３に完全に挿入し、さらにショルダー１５をプローブ１３と同様に上層部材３にある程度挿入する。この場合は、プローブ１３と上層部材３との接触部と、ショルダー１５と上層部材３との接触部の二箇所で摩擦熱を発生させることができる。つまり、摩擦熱を作る面積が大きくなるため大きな熱量を発生させることができ、より効率的に接合ができる。
【００５４】
また、ショルダー１５を上層部材３にある程度挿入することで、ショルダー１５の下に位置する上層部材３を、下側に向けてある程度押し込むことができる。これにより、この範囲においては、上層部材３が、ショルダー１５の押し込み深さとほぼ同等の長さだけ下方向に変形することになる。
【００５５】
ここで、第１の実施形態の説明で示したとおり、上層部材３が下層部材５に確実に到達するためには、接合用ツール１の挿入深さが中間層部材７の厚さよりも大きいことが好ましい。また、上層部材３を破断しないためには、摩擦攪拌接合用ツール１の深さが、上層部材３の厚さ以下であることが好ましい。ここで、上層部材３の厚さが中間層部材７の厚さよりも小さい場合は、この両方の条件を満たすことが困難となる。
【００５６】
しかしながら、本第３の実施形態によれば、この両条件を満たすことが比較的容易となる。本第３の実施形態では、ショルダー１５を上層部材３にある程度挿入するため、このショルダー１５の挿入深さａと、プローブ１３の長さの和が、摩擦攪拌接合用ツール１の挿入深さとなる。つまり、中間層部材７を押しのけるためには、ショルダー１５の挿入深さと、プローブ１３の長さの和が、中層部材７の厚さよりも大きければよいものとなる。
【００５７】
さらに、上層部材３を破断させることなく、プローブ１３を挿入するためには、ショルダー１５の挿入深さａを除いた、プローブ１３のみの長さが、上層部材３の厚さ以下であればよいこととなる。つまり、上層部材３を破断することなく、摩擦攪拌接合用ツール１を挿入できる深さが、ショルダー１５を挿入しない場合と比較して、実質的に大きくなる。
【００５８】
しかしながら、ショルダー１５を上層部材３に挿入すると、摩擦熱により軟化する範囲も大きくなる。そして、ショルダー１５の押し込みによって、軟化した上層部材３が変形して浮き上がったり、接合部周囲の接合体内部に隙間を発生させてしまうことがある。この浮き上がりは、出来上がった積層構造接合体の剛性の低下等を招くため好ましくない。
【００５９】
この上層部材３の浮き上がりは、ショルダー１５が上層部材３へ入り込む深さによって、その発生の有無や浮き上がりの量が変化する。そのため、ショルダー１５の上層部材３への挿入深さを調整することで、接合の効率を上げながら、好ましくない浮き上がりの発生を防ぐことができる。以下、表３によって、浮き上がりを発生させないための、ショルダー１５の挿入深さを説明する。
【００６０】
ここで表３に、上層部材３、中間層部材７、下層部材５と、ショルダー１５の挿入深さａと、上層部材３の浮き上がりの発生状況を示す。この表３に示すように、ショルダー１５の挿入深さａが、上層部材３の厚さに対して、５０％を超えると浮き上がりが発生する傾向がある。つまり、ショルダー１５の上層部材３への挿入深さを上層部材３の厚さの５０％以下とすることで、浮き上がりの発生を防ぐことができる。なお、表３に示した条件は、本実施形態における各構成要素の条件を示す一例であって、本発明の実施はこれに限られるものではない。
【００６１】
【表３】
0006458539.tif 000004
【００６２】
［その他の態様］
前述した実施形態の説明は、本発明にかかる積層構造接合体及びその製造方法を示す例示であって、特許請求の範囲に記載の発明を限定するものではない。また、本発明の各構成は前記した実施形態に限らず、特許請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能である。
【００６３】
表４は、上層部材３、中間層部材７、下層部材５のその他の組み合わせである。表４に示すように、上層部材３及び下層部材５が、中間層部材７とそれぞれ固相接合できる組み合わせの場合も接合できる。ただ、この場合には上層部材３と中間層部材７との攪拌接合が起きやすく、上層部材３が下層部材５にまで達しにくくなる可能性がある。
【００６４】
【表４】
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【００６５】
また、前述した実施形態に示したプローブ１３及びショルダー１５の材質は超鋼材を用いているが、材質はこれらに限定されず、接合対象の部材よりも硬度が高く、かつ融点が高い材質であればその他の材質を用いても良い。例えばツール鋼、コバルト合金、セラミックなどを用いることもできる。
【００６６】
また、前述した実施形態においては、表面が平滑な板状の部材を水平に重ねて接合しているが、接合対象の部材は、このような形状に限られず、各部材の接合箇所が密着していれば、その他の形状であってもよい。例えば、各部材が凹凸を持っていても、接合部において接合対象の部材同士が密着していればよい。
【００６７】
また、前述した実施形態においては、各部材は厚さが一様な部材を接合する場合を例に挙げて説明しているが、接合対象の部材はこのような形状に限られるものではない。例えば、曲面や段差を有していて、位置に応じて厚みが変化するような部材を用いてもよい。また、中間層部材を積層する枚数は、三層や四層に限られず、それよりも多い複数枚であってもよい。なお、本発明は点接合にも、線接合にも、面接合にも適用できる。
【符号の説明】
【００６８】
１      摩擦攪拌接合用ツール
３      上層部材
５      下層部材
７      中間層部材
１３    プローブ
１５    ショルダー
２１    摩擦攪拌接合用ツール
２３    上層部材
２５    下層部材
７１    第１の中間層部材
７２    第２の中間層部材
９３    反応生成物
ａ      ショルダーの挿入深さ
【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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