(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１金属及び第２金属が重なり合う重複部に対し、ツールを加圧・回転させながら前記第１金属に挿入し、前記ツールを所定の接線方向に移動させた後に前記ツールを前記第１金属から抜き取ることにより前記重複部を摩擦攪拌接合する金属接合方法であって、
前記重複部は、前記第１金属と前記第２金属とが互い接する接触部と、前記第１金属と前記第２金属との間に隙間が形成された非接触部とを有し、
前記接触部に対応する位置の前記第１金属に前記ツールを挿入すると共に、前記非接触部に対応する位置の前記第１金属から前記ツールを抜き取ることで、前記第１金属と前記第２金属とを摩擦攪拌接合する工程と、
前記ツールを抜き取ったツール穴を含む前記非接触部に対応する位置の前記第１金属を除去する工程と、を有することを特徴とする金属接合方法。
【請求項２】
前記非接触部は、前記第２金属の板厚を前記接触部よりも薄くすることで形成されている
ことを特徴とする請求項１に記載の金属接合方法。
【請求項３】
円筒状の前記第１金属の内側に、円筒状の前記第２金属を挿入し、前記ツールを前記第１金属の外周面の周方向に沿って移動させることを特徴とする請求項１又は２に記載の金属接合方法。
【請求項４】
前記ツールを前記第１金属の外周面の周方向に沿って移動させる際、前記ツールを抜き取る前に、前記ツールを挿入した始点部から離れる方向に４５°以下の曲げ角度で折り曲げることを特徴とする請求項３に記載の金属接合方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２つの金属部材が摩擦攪拌接合された金属複合材および金属接合方法に関するものである。 
【背景技術】
【０００２】
２つの金属部材を接合する接合方法として、先端中央部に設けられたピン（プローブ）と、ショルダと呼ばれる円柱状の回転体とから構成されるツールを回転させながら、両金属部材が重なる接合部（重複部）に対し上方より加圧するのと同時に水平方向に移動させることによって、母材を軟化・攪拌し、これにより両金属部材の接合界面部を固相接合する、いわゆる摩擦攪拌接合が知られている（例えば、特許文献１及び２を参照。）。
【０００３】
ところで、ツールが回転しながら水平方向（又は円周方向）に移動する場合、ツールによって軟化・攪拌された金属材料（攪拌材料）は、ツールの移動方向とは逆の後方に追いやられることになる。そのため、ツールが金属部材に挿入される始点では、この先で攪拌された攪拌材料が補填されて来るのに対し、ツールが金属部材から抜き取られる終点では、この先に攪拌材料がないため、攪拌材料が補填されて来ることはない。その結果、終点に凹部（ツール穴）が必然的に生じることになる。ツール穴が生じると、荷重が部材に作用する場合ツール穴近傍に応力が集中するため、摩擦攪拌接合部の接合強度が低下することになる。特に、摩擦攪拌接合部の軌跡がオーバーラップする場合、オーバーラップ部は１回目で凹んだ部位の再施工になるため、そこでは材料が足りずにトンネル状欠陥（空洞欠陥）が生じることになる。
【０００４】
オーバーラップ部において空洞欠陥が生じないようにするために、ツールを水平方向に移動させる際、オーバーラップ部におけるツールの押込み量をオーバーラップしていない他の部位より増加させるようにした摩擦攪拌接合方法が知られている（例えば、特許文献２を参照。）。
【０００５】
また、ツール穴に集中する応力が、荷重条件の厳しい接合中心線に影響を及ぼすことがないようにするため、ツールが金属部材から抜き取られる終点（ツール穴）を、接合中心線から外れた横方向に形成するようにした摩擦攪拌接合方法が知られている（例えば、特許文献１を参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−９５９５１号公報
【特許文献２】特開２００９−２４８１６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記特許文献１に記載の摩擦攪拌接合方法では、ツールの移動方向が切り替わる際の角度変化（変化前の移動方向からの曲げ角）は９０°以上としている。一般に、ツールが所定方向に移動する際、ツールの移動方向と回転方向が同方向になる領域（ＡＳ側）と、ツールの移動方向と回転方向が互いに逆向きとなる領域（ＲＳ側）とがツールの移動方向に関して両側にそれぞれ形成される。ＡＳ側では材料の流速が大きいのに対し、ＲＳ側では材料の流速が小さくなる。
【０００８】
従って、ツールの移動方向が切り替わる際の角度変化が９０°以上の場合、角度変化が生じる際の材料の流動変化が過大になり、空洞欠陥が起こりやすくなるという問題がある。
【０００９】
他方、上記特許文献２記載の摩擦攪拌接合方法では、押込み量を増加させるため、軟化・攪拌される金属部材（第１金属）の下方に位置する金属部材（第２金属）の削り量が増えることになる。第２金属の削り量が増えると、第２金属の硬度が高い場合、ツールの摩耗量が増加することになる。加えて、ツールと第２金属で生成される発熱量が増加し、これにより接合強度低下を招来するという問題がある。
【００１０】
そこで、本発明は、上記従来技術の問題点に鑑み成されたものであり、その目的は、２つの金属を摩擦攪拌接合する際、ツールを抜き取る際に形成されるツール穴が摩擦攪拌接合部の接合強度に与える影響を最小限に抑えることが出来る金属複合材および金属接合方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するための本発明に係る金属複合材では、第１金属（１１）の下方に第２金属（１２）が摩擦攪拌接合された摩擦攪拌接合部（４０ＦＳＷ）を有する金属複合材であって、前記第１金属（１１）は、前記第２金属（１２）に内接する内接部（４１）と、前記第２金属（１２）から離隔した非内接部（４２）とを備え、前記摩擦攪拌接合部（４０ＦＳＷ）の始点部（４３）は、前記内接部（４１）に形成され且つ同終点部（４４）は、前記非内接部（４２）に形成されていることを特徴とする。
【００１２】
上記構成では、摩擦攪拌接合部の終点部（４４）は、第１金属（１１）が第２金属（１２）から離隔した非内接部（４２）に形成されている。そのため、終点部（４４）では第１金属（１１）と第２金属（１２）が摩擦攪拌接合されていない状態である。つまり、終点部（４４）は、第１金属（１１）と第２金属（１２）との摩擦攪拌接合部（４０ＦＳＷ）の接合強度に寄与していない状態である。従って、ツール穴（４４ａ）を含む終点部（４４）を除去した場合であっても、摩擦攪拌接合部（４０ＦＳＷ）の接合強度はそのままの状態を維持することになる。すなわち、本発明に係る金属複合材では、摩擦攪拌接合部（４０ＦＳＷ）の接合強度に影響を与えずにツール穴（４４ａ）を除去する（切り離す）ことが可能となる。
【００１３】
本発明に係る金属複合材の第２の特徴は、前記第１金属（１１）と前記第２金属（１２）はともに円筒形状であり、前記摩擦攪拌接合部（４０ＦＳＷ）が前記第１金属（１１）の外周面の周方向に沿って形成されていることである。
【００１４】
上記構成では、円筒状の第１金属（１１）と円筒状の第２金属（１２）とが、同軸上に接合され、第１金属（１１）の周方向に沿って摩擦攪拌接合された円筒状の金属複合材となる。この円筒状の金属複合材では、摩擦攪拌接合部（４０ＦＳＷ）の終点部（４４）が接合強度に寄与していない状態である。従って、この円筒状の金属複合材では、摩擦攪拌接合部（４０ＦＳＷ）の接合強度に影響を与えずにツール穴（４４ａ）を切り離す（除去する）ことが可能となる。従って、この円筒状の金属複合材は、全体のうち一部分に強度および硬度が要求される円筒状の金属部材、例えばステータシャフト等に対して好適に適用することが可能となる。
【００１５】
本発明に係る金属複合材の第３の特徴は、前記摩擦攪拌接合部（４０ＦＳＷ）が、前記始点部（４３）から前記第１金属（１１）外周面に沿って延びる第１直線部（４０Ｌ１）と、該第１直線部（４０Ｌ１）に対し前記始点部（４３）から離れる方向に４５°以下の曲げ角度（δ）で曲げられ、前記第１金属（１１）外周面に沿って前記終点部（４４）に至る第２直線部（４０Ｌ２）とを有することである。
【００１６】
上記構成では、始点部（４３）から延びる摩擦攪拌接合部（４０ＦＳＷ）に係る第１直線部（４０Ｌ１）は、終点部（４４）の手前で４５°以下の所定の曲げ角度（δ）で曲げられ終点部（４４）に至る第２直線部（４０Ｌ２）となる。この場合、軌跡の角度変化が４５°以下と、緩やかであるため、軌跡の角度変化に伴う材料流動変化が小さくなり、角度変化後の摩擦攪拌接合部（４０ＦＳＷ）に空洞欠陥が生じにくくなる。また、１回目の摩擦攪拌接合部（４０ＦＳＷ）と、それ以降の摩擦攪拌接合部（４０ＦＳＷ）が互いにオーバーラップしなくなるため、同様に空洞欠陥が生じにくくなる。
【００１７】
本発明に係る金属接合方法の第４の特徴は、前記非内接部（４２）において前記第１金属（１１）又は前記第２金属（１２）の何れか一方に板厚減少部（１２ａ）が形成されていることである。
【００１８】
上記構成では、板厚減少部（１２ａ）により、第１金属（１１）と第２金属（１２）が互いに接していない状態（離隔した状態）を形成することが可能となる。これにより、非内接部（４２）は、第２金属（１２）とツールが接しない領域になるため、摩擦攪拌接合部（４０ＦＳＷ）の接合強度が終点部（４４）に依存しなくなる状態を形成することが可能となる。
【００１９】
本発明に係る金属複合材の第５の特徴は、前記板厚減少部（１２ａ）は、前記第２金属（１２）に形成されていることである。
【００２０】
上記構成では、第１金属（１１）の下方に位置する第２金属（１２）に板厚減少部（１２ａ）が形成されている。その結果、摩擦攪拌接合の際、ツールの深さを変える必要がないため、作業が容易となる。
【００２１】
上記目的を達成するための本発明に係る金属接合方法では、第１金属（１１）及び第２金属（１２）が重なり合う重複部（４０）に対し、ツール（２０）を加圧・回転させながら前記第１金属（１１）に挿入し、前記ツール（２０）を所定の接線方向に移動させた後に前記ツール（２０）を前記第１金属（１１）から抜き取ることにより前記重複部（４０）を摩擦攪拌接合する金属接合方法であって、
前記重複部（４０）の前記第１金属（１１）と前記第２金属（１２）との間に隙間（ｄ）を形成し、前記隙間（ｄ）が形成されていない内接部（４１）に係る前記第１金属（１１）に対し前記ツール（２０）を挿入すると共に、前記隙間（ｄ）が形成された非内接部（４２）に係る前記第１金属（１１）から前記ツール（２０）を抜き取ることを特徴とする。
【００２２】
上記構成では、上記第１の特徴に係る第１金属（１１）及び第２金属（１２）を好適に摩擦攪拌接合することが出来る。
【００２３】
本発明に係る金属接合方法の第２の特徴は、円筒状の前記第１金属（１１）の内側に、円筒状の前記第２金属（１２）を同軸状に挿入し、前記ツール（２０）を前記第１金属（１１）の外周面の周方向に沿って移動させることである。
【００２４】
上記構成では、上記第２の特徴に係る第１金属（１１）及び第２金属（１２）を好適に摩擦攪拌接合することが出来る。
【００２５】
本発明に係る金属接合方法の第３の特徴は、前記ツール（２０）を前記第１金属（１１）の外周面の周方向に沿って移動させる際、前記ツール（２０）を抜き取る前に、前記ツール（２０）を挿入した始点部（４３）から離れる方向に４５°以下の曲げ角度（δ）で折り曲げることである。
【００２６】
上記構成では、上記第３の特徴に係る第１金属（１１）及び第２金属（１２）を好適に摩擦攪拌接合することが出来る。
【００２７】
本発明に係る金属接合方法の第４の特徴は、前記第１金属（１１）又は前記第２金属（１２）の何れか一方の板厚を部分的に薄くすることである。
【００２８】
上記構成では、上記第４の特徴に係る第１金属（１１）及び第２金属（１２）を好適に摩擦攪拌接合することが出来る。
【００２９】
本発明に係る金属接合方法の第５の特徴は、前記第２金属（１２）の板厚を部分的に薄くすることである。
【００３０】
上記構成では、上記第５の特徴に係る第１金属（１１）及び第２金属（１２）を好適に摩擦攪拌接合することが出来る。
【００３１】
本発明に係る金属接合方法の第６の特徴は、前記非内接部（４２）の全部又は一部を前記第１金属（１１）から除去することである。
【００３２】
上記構成では、ツール穴（４４ａ）が除去されるため、摩擦攪拌接合部（４０ＦＳＷ）の接合強度が好適に維持されることになる。
【発明の効果】
【００３３】
本発明の金属複合材（１００）によれば、第１金属（１１）と第２金属（１２）との摩擦攪拌接合部（４０ＦＳＷ）の接合強度に影響を与えずにツール穴（４４ａ）を除去する（切り離す）ことが可能となる。
【００３４】
本発明の他の金属複合材（２００）によれば、摩擦攪拌接合部（４０ＦＳＷ）の接合強度がツール穴（４４ａ）に依存しなくなる。
【００３５】
また、本発明の金属接合方法によれば、摩擦攪拌接合部（４０ＦＳＷ）の接合強度がツール穴（４４ａ）に依存しなくなるように第１金属（１１）及び第２金属（１２）を好適に摩擦攪拌接合することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の摩擦攪拌接合方法が適用された異種金属シャフトを示す説明図である。
【図２】本発明の摩擦攪拌接合方法が適用された他の異種金属シャフトを示す説明図である。
【図３】本発明の摩擦攪拌接合方法を示す説明図である。
【図４】本発明の摩擦攪拌接合方法が適用された変形例１に係る異種金属シャフトを示す説明図である。
【図５】本発明の摩擦攪拌接合方法が適用された変形例２に係る異種金属シャフトを示す説明図である。
【図６】本発明の摩擦攪拌接合方法が適用された変形例３に係る異種金属シャフトを示す説明図である。
【図７】本発明の摩擦攪拌接合方法が適用された変形例４に係る異種金属シャフトを示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００３８】
図１は、本発明の摩擦攪拌接合方法が適用された異種金属シャフト１００を示す説明図である。なお、図１（ａ）は異種金属シャフト１００の平面図であり、図１（ｂ）は同（ａ）のＡ−Ａ断面図である。また、図１（ｃ）は同（ｂ）のＢ部拡大図である。
【００３９】
この異種金属シャフト１００は、第１シャフト１１と、第１シャフト１１の内周面に圧入接合される第２シャフト１２とから構成されている。第１シャフト１１は全体が軽金属、例えばアルミニウム又はその合金から成る円筒状の中空シャフトである。対する第２シャフト１２は、鉄系金属、例えばステンレス鋼から成り第１シャフト１１と同心の円筒状の中空シャフトである。
【００４０】
図１（ａ）に示されるように、第１シャフト１１と第２シャフト１２は、第１シャフト１１の内周面と第２シャフト１２の外周面とが軸方向に沿って重複する軸方向重複部４０を、摩擦攪拌接合ツール２０（以下、「ツール」という。）（図３）によって上方より加圧・回転しながら例えば螺旋状に２周にわたり摩擦攪拌接合されている。従って、第１シャフト１１の外周面には、第１シャフト１１と第２シャフト１２とを結合する摩擦攪拌接合部４０ＦＳＷが螺旋状に形成されている。
【００４１】
また、図１（ｂ）に示されるように、軸方向重複部４０は、第１シャフト１１の内周面と第２シャフト１２の外周面が接する内接部４１と、第１シャフト１１の内周面と第２シャフト１２の外周面とが接していない非内接部４２とから成る。また、第２シャフト１２は板厚減少部１２ａを有し、非内接部４２における板厚ｔ２が内接部４１における板厚ｔ１よりも薄くなっている。そのため、非内接部４２において第１シャフト１１と第２シャフト１２との間に隙間ｄが形成されている。
【００４２】
本異種金属シャフト１００では、摩擦攪拌接合部４０ＦＳＷの始点部（以下、単に「始点部」ともいう。）４３は内接部４１に形成され、摩擦攪拌接合部４０ＦＳＷの終点部（以下、単に「終点部」ともいう。）４４は非内接部４２に形成されている。
【００４３】
従って、非内接部４２において第１シャフト１１と第２シャフト１２は摩擦攪拌接合されておらず、隙間ｄにはツール２０によって軟化・攪拌された第１シャフト１１の攪拌部材が充填されているのみである。終点部４４を含む非内接部４２は、摩擦攪拌接合部４０ＦＳＷの接合強度に寄与していない状態である。従って、詳細については図２及び図３を参照しながら後述するが、ツール穴４４ａを含む非内接部４２は、第１シャフト１１から切り離すことが出来る。
【００４４】
また、図１（ｃ）に示されるように、内接部４１と非内接部４２との境目は、傾きθ（例えば、３０°以下）の段差が設けられている。
【００４５】
図２は、本発明の摩擦攪拌接合方法が適用された他の異種金属シャフト２００を示す説明図である。なお、図２（ａ）は異種金属シャフト２００の平面図であり、図２（ｂ）は同（ａ）のＡ−Ａ断面図である。また、図２（ｃ）は同（ｂ）のＢ部拡大図である。
【００４６】
この異種金属シャフト２００は、上記異種金属シャフト１００から、ツール穴４４ａを含む非内接部４２に係る第１シャフト１１の部位を除去した（切り離した）ものに相当する。従って、第１シャフト１１の外周面に形成される摩擦攪拌接合部４０ＦＳＷには終点部４４は存在しない。非内接部４２に係る摩擦攪拌接合部４０ＦＳＷは、第１シャフト１１と第２シャフト１２とを摩擦攪拌接合するものではないため、除去された場合でも、摩擦攪拌接合部４０ＦＳＷの接合強度が低下することはない。以下、上記異種金属シャフト１００から異種金属シャフト２００を製造する本発明の摩擦攪拌接合方法について説明する。
【００４７】
図３は、本発明の摩擦攪拌接合方法を示す説明図である。なお、各工程は、平面図及び断面図によって表されている。また、図３（ａ）から（ｃ）は上記異種金属シャフト１００に係る工程であり、図３（ｄ）から（ｆ）は上記異種金属シャフト２００に係る工程である。
【００４８】
図３（ａ）に示されるように、第１シャフト１１の内周面と第２シャフト１２の外周面とが軸方向に沿って重複する軸方向重複部４０に対し、ツール２０は加圧・回転しながら第１シャフト１１に挿入し、挿入深さＤ（第１シャフト１１の外周面からツール２０のピン先端２１までの距離）を維持した状態で所定の接合条件（ツール２０の回転速度、ツール移動速度）で螺旋方向に沿って内接部４１を移動する。なお、第１シャフト１１と第２シャフト１２との間に存在する不純物（酸化膜）を取り除くため、ツール２０は所定の深さＫ（＝挿入深さＤ−第１シャフト板厚ｔ１１）だけ第２シャフト１２の外周面を削り取る。
【００４９】
図３（ｂ）に示されるように、ツール２０が非内接部４２を移動する際、ツール２０によって軟化・攪拌されたアルミニウム材が隙間ｄに充填される。この場合、非内接部４２において第１シャフト１１と第２シャフト１２との間に形成される隙間ｄ（図１（ｂ））は、深さ（距離）が上記Ｋ以上に設定されている。従って、非内接部４２において、ツール２０が第２シャフト１２の表面を削り取ることはない。その結果、非内接部４２において第１シャフト１１及び第２シャフト１２は摩擦攪拌接合されていない状態である。
【００５０】
図３（ｃ）に示されるように、ツール２０が第１シャフト１１から抜き取られる際、終点部４４にツール穴４４ａが形成される。終点部４４において第１シャフト１１及び第２シャフト１２は、摩擦攪拌接合されていない。つまり、終点部４４を含む非内接部４２は、摩擦攪拌接合部４０ＦＳＷの接合強度に寄与していない状態である。従って、ツール穴４４ａを含む非内接部４２は除去した（切り離した）方が好ましい。
【００５１】
非内接部４２において第１シャフト１１及び第２シャフト１２は、摩擦攪拌接合されていない状態である。更に、隙間ｄにはツール２０によって軟化・攪拌されたアルミニウム材が充填された状態である。従って、図３（ｄ）及び（ｅ）に示されるように、ツール穴４４ａを含む非内接部４２は、突切りバイト５０によって容易に第１シャフト１１から切り離すことが出来る。
【００５２】
図３（ｆ）に示されるように、非内接部４２を第１シャフト１１から切り離すことにより、本発明に係る上記異種金属シャフト２００が得られる。
【００５３】
図４は、本発明の摩擦攪拌接合方法が適用された変形例１に係る異種金属シャフト３００を示す説明図である。
この異種金属シャフト３００は、摩擦攪拌接合部４０ＦＳＷがオーバーラップすることがないように、第１直線４０Ｌ１によって特徴付けられるツール２０の移動方向（接線方向）が、終点部４４の手前において始点部４３から離れる方向に曲げ角度δで曲げられ、第２直線４０Ｌ２によって特徴付けられる移動方向に変化している。なお、曲げ角度δは、変化前の第１直線４０Ｌ１と変化後の第２直線４０Ｌ２との成す角度であって、第１直線４０Ｌ１から反時計回りに測った角度として定義される。従って、その他の構成については上記異種金属シャフト２００と同様である。
【００５４】
図５は、本発明の摩擦攪拌接合方法が適用された変形例２に係る異種金属シャフト４００を示す説明図である。
この異種金属シャフト４００は、上記異種金属シャフト４００からツール穴４４ａを含む非内接部４２を切り離したものである。従って、その他の構成については上記異種金属シャフト３００と同様である。
【００５５】
図６は、本発明の摩擦攪拌接合方法が適用された変形例３に係る異種金属シャフト５００を示す説明図である。
この異種金属シャフト５００は、上記異種金属シャフト３００と異なり、摩擦攪拌接合部４０ＦＳＷが円周方向に沿って形成されている。従って、その他の構成については上記異種金属シャフト３００と同様である。従って、この異種金属シャフト５００も上記異種金属シャフト３００と同様に、摩擦攪拌接合部４０ＦＳＷがオーバーラップすることがないように、第１直線４０Ｌ１によって特徴付けられるツール２０の移動方向（接線方向）が、終点部４４の手前において始点部４３から離れる方向に曲げ角度δで曲げられ、第２直線４０Ｌ２によって特徴付けられる移動方向に変化している。
【００５６】
図７は、本発明の摩擦攪拌接合方法が適用された変形例４に係る異種金属シャフト６００を示す説明図である。
この異種金属シャフト６００は、上記異種金属シャフト５００からツール穴４４ａを含む非内接部４２を切り離したものである。従って、その他の構成については上記異種金属シャフト５００と同様である。
【００５７】
以上、図面を参照しながら本実施形態に係る異種金属シャフト及び金属接合方法について説明した。しかし、本発明の実施形態は上記実施形態だけに限定されるものではなく、本発明の技術的特徴の要旨を変更しない範囲において種々の変更・修正を加えることが可能である。例えば、第１シャフト１１と第２シャフト１２は同種金属であっても良い。また、摩擦攪拌接合部４０ＦＳＷに係るツール２０の移動方向については、螺旋状及び円周状の他、ジグザグ状又はこれらの組み合わせであっても良い。更に、ツール２０の周回数については２周以上であっても良い。
【符号の説明】
【００５８】
１１                      第１シャフト
１２                      第２シャフト
２０                      摩擦攪拌接合ツール
２１                      ピン
４０                      軸方向重複部
４１                      内接部
４２                      非内接部
４３                      摩擦攪拌接合部の始点部
４４                      摩擦攪拌接合部の終点部
４４ａ                    ツール穴
４０ＦＳＷ                摩擦攪拌接合部
４０Ｌ１                  第１直線部
４０Ｌ２                  第２直線部
５０                      突切りバイト
１００、２００、３００    異種金属シャフト
４００、５００、６００    異種金属シャフト
【図１】
0006410756.tif 000002
【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】
0006410756.tif 000008