(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属材の被接合部に対して摩擦撹拌接合を行うことで、前記金属材に接合部を形成する摩擦撹拌接合工程と、
前記摩擦撹拌接合工程前の前記被接合部における金属の結晶粒径以下となる塑性加工条件で、前記接合部に対して塑性加工を行う塑性加工工程と、
前記塑性加工工程後、前記金属材を溶体化させる処理を行う溶体化処理工程と、を備え、
前記塑性加工条件は、前記塑性加工工程の前後における前記接合部のひずみ量が５％以上となる条件であることを特徴とする接合部処理方法。
【請求項２】
前記摩擦撹拌接合工程後で前記塑性加工工程前に、前記接合部を含む前記金属材に対して焼鈍を行う焼鈍工程を、さらに備えることを特徴とする請求項１に記載の接合部処理方法。
【請求項３】
前記摩擦撹拌接合工程時における前記接合部の摩擦撹拌温度は、前記焼鈍工程時における前記接合部の焼鈍温度に比して高くすることを特徴とする請求項２に記載の接合部処理方法。
【請求項４】
前記摩擦撹拌接合工程では、前記被接合部の厚さ方向の一方側に形成される第１撹拌領域と、前記被接合部の厚さ方向の他方側に形成される第２撹拌領域とが重複するように、前記被接合部の厚さ方向の両側から摩擦撹拌接合を行うことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の接合部処理方法。
【請求項５】
前記摩擦撹拌接合工程では、前記被接合部の厚さ方向において、接合工具の反対側に、前記被接合部を加熱する加熱源が設けられていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の接合部処理方法。
【請求項６】
前記溶体化処理工程後に、前記接合部を含む前記金属材に対して時効処理を行う時効工程を、さらに備えることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の接合部処理方法。
【請求項７】
前記溶体化処理工程後に、前記接合部を含む前記金属材に対して、前記金属材の強度を向上させるための塑性加工を行うひずみ付与工程と、
前記ひずみ付与工程後に、前記接合部を含む前記金属材に対して時効処理を行う時効工程と、をさらに備えることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の接合部処理方法。
【請求項８】
前記摩擦撹拌接合工程において前記接合部が形成される前記金属材は、板形状となる板材であり、
前記塑性加工工程では、前記板材の中心から外側に向かって湾曲するドーム形状となるように、前記板材に対して回転塑性加工を行うことを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の接合部処理方法。
【請求項９】
前記塑性加工工程では、前記板材の中心から外側に向かって、前記板材の厚みが薄くなるようなひずみ量が与えられており、
前記板材に形成される前記接合部は、前記塑性加工工程における前記ひずみ量が５％以上となる領域に形成されることを特徴とする請求項８に記載の接合部処理方法。
【請求項１０】
前記金属材の前記接合部における厚さは、前記金属材の前記接合部以外の部位における厚さに比して厚く形成されており、
前記塑性加工工程では、前記接合部の厚さが、前記摩擦撹拌接合工程で形成された前記接合部の厚さよりも薄くなるように塑性加工を行うことを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の接合部処理方法。
【請求項１１】
前記金属材は、アルミニウム合金であることを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載の接合部処理方法。
【請求項１２】
前記塑性加工工程は、冷間状態で行われることを特徴とする請求項１から１１のいずれか１項に記載の接合部処理方法。
【請求項１３】
摩擦撹拌接合により接合部が形成される板形状の金属材を、回転塑性加工することでドーム形状に形成されるドーム部材であって、
前記金属材は、前記回転塑性加工時において、中心から外側に向かって、前記金属材の厚みが薄くなるようなひずみ量が与えられながら、中心から外側に向かって湾曲するドーム形状に形成され、
前記金属材に形成される前記接合部は、前記回転塑性加工時において与えられる前記ひずみ量が５％以上となる領域に形成されることを特徴とするドーム部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、摩擦撹拌接合によって形成される接合部に対して処理を行う接合部処理方法及びドーム部材に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、２枚以上の平板を摩擦撹拌溶接により接合してワークピースを形成し、ワークピースを回転させて半球体形状のドームを形成する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。この方法では、摩擦撹拌溶接を行う前に、結晶粒の成長を遅らせるアルミニウム−スカンジウム合金等の材料を、平板同士が当接する縁の間に配置している。
【０００３】
また、アルミニウム合金の摩擦撹拌接合部における溶体化処理に伴う結晶粒の異常成長を抑制する方法として、摩擦撹拌接合後に、中間焼鈍処理を行って、中間焼鈍処理後に、溶体化熱処理を行う方法が知られている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−１８１５７６号公報
【特許文献２】米国特許出願公開第２０１２／００９０７３８号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ここで、摩擦撹拌接合により形成される接合部の結晶粒が粗大化すると、接合部における延性や破壊靭性が低下したりすることで、接合部における塑性加工性や強度特性といった品質が低下してしまう。なお、結晶粒が粗大化するとは、接合前の金属の結晶粒径よりも大きくなることである。金属材の接合部の品質が低下すると、金属材の強度を高めるために行われる溶体化処理状態で塑性加工を行うと、接合部において加工によるクラック等の影響が発生し易くなる。このため、摩擦撹拌接合により接合部が形成される金属材は、溶体化処理状態で塑性加工を行って高強度な金属材とすることが困難となる。
【０００６】
特許文献１に係る発明では、結晶粒の粗大化を防止するためにアルミニウム−スカンジウム合金を添加する。この場合、接合部の材料組成が変わってしまうことから、予め規定された材料規格を満たすことが困難となる。また、スカンジウムは、高価な材料であるため、摩擦撹拌接合に係る加工コストが増大してしまう。
【０００７】
また、特許文献２に係る発明では、結晶粒の粗大化を防止するために、アルミニウム合金を焼鈍することで、摩擦撹拌接合時に与えられたひずみを除去している。このとき、ひずみ除去を目的として焼鈍を行うと、接合条件や溶体化処理条件によっては金属材の接合部の一部において特定の結晶粒のみが成長し粗大化する。また、この状態で溶体化処理を行うと、さらに広い範囲において特定の結晶粒が成長し易くなることから、結晶粒の粗大化を抑制することが困難であった。
【０００８】
そこで、本発明は、摩擦撹拌接合によって形成される接合部の溶体化処理に伴う結晶粒の粗大化を抑制することができる接合部処理方法及びドーム部材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】
【０００９】
本発明の接合部処理方法は、金属材の被接合部に対して摩擦撹拌接合を行うことで、前記金属材に接合部を形成する摩擦撹拌接合工程と、前記摩擦撹拌接合工程前の前記被接合部における金属の結晶粒径以下となる塑性加工条件で、前記接合部に対して塑性加工を行う塑性加工工程と、前記塑性加工工程後、前記金属材を溶体化させる処理を行う溶体化処理工程と、を備えることを特徴とする。
【００１０】
この構成によれば、摩擦撹拌接合工程において形成された金属材の接合部に対し、溶体化処理前に塑性加工工程を行うことで、再結晶の核を、接合部において増加させることができる。このため、塑性加工工程後に、溶体化処理工程を行うと、再結晶の核が増加した分、再結晶の核の成長を相互に抑制できることから、接合部の結晶粒の粗大化を抑制し、接合部の結晶粒の微細化を図ることができる。ここで、結晶粒の微細化とは、摩擦撹拌接合工程前の被接合部もしくは母材部における結晶粒径よりも小さい結晶粒径となることである。このように、溶体化処理時の粗大化を抑制して、接合部の結晶粒を微細化することで、接合部の品質低下を抑制できることから、例えば、金属材の強度を高めるために溶体化処理状態で塑性加工を行う場合であっても、加工に耐え得る品質とすることが可能となる。
【００１１】
また、前記塑性加工条件は、前記塑性加工工程の前後における前記接合部のひずみ量が５％以上となる条件であることが好ましい。
【００１２】
この構成によれば、塑性加工工程の前後において、接合部のひずみ量が５％以上となるように、接合部を塑性加工することで、摩擦撹拌接合工程前の被接合部における結晶粒径よりも小さい結晶粒径にすることができる。
【００１３】
また、前記摩擦撹拌接合工程後で前記塑性加工工程前に、前記接合部を含む前記金属材に対して焼鈍を行う焼鈍工程を、さらに備えることが好ましい。
【００１４】
この構成によれば、焼鈍工程を行うことで、金属材の接合部における硬さの均一化を図ることができ、塑性加工工程時において、金属材の局所的な変形を抑制すると共に、均一にひずみを付与することができる。
【００１５】
また、前記摩擦撹拌接合工程時における前記接合部の摩擦撹拌温度は、前記焼鈍工程時における前記接合部の焼鈍温度に比して高くすることが好ましい。
【００１６】
この構成によれば、摩擦撹拌温度を高く、焼鈍温度を低くすることができ、これにより、焼鈍工程において、接合部における結晶粒の粗大化を抑制することができる。なお、摩擦撹拌温度を焼鈍温度に比して高くする場合には、摩擦撹拌接合時において摩擦撹拌温度を高くしてもよいし、焼鈍工程時において焼鈍温度を低くしてもよいし、その両方を行ってもよく、特に限定されない。
【００１７】
また、前記摩擦撹拌接合工程では、前記被接合部の厚さ方向の一方側に形成される第１撹拌領域と、前記被接合部の厚さ方向の他方側に形成される第２撹拌領域とが重複するように、前記被接合部の厚さ方向の両側から摩擦撹拌接合を行うことが好ましい。
【００１８】
この構成によれば、接合部の厚み方向の全域に亘って摩擦撹拌することができるため、摩擦撹拌による接合部への入熱を厚み方向の全域に亘って行うことができる。
【００１９】
また、前記摩擦撹拌接合工程では、前記被接合部の厚さ方向において、接合工具の反対側に、前記被接合部を加熱する加熱源が設けられていることが好ましい。
【００２０】
この構成によれば、摩擦撹拌接合工程時において、接合部を加熱源により加熱することで、接合部の摩擦撹拌温度を高くすることができる。このため、焼鈍工程を行う場合には、焼鈍温度を高く設定できることから、焼鈍時間を短くすることができ、作業効率を高めることができる。
【００２１】
また、前記溶体化処理工程後に、前記接合部を含む前記金属材に対して時効処理を行う時効工程を、さらに備えることが好ましい。
【００２２】
この構成によれば、金属材を時効処理することで、金属材の硬度を高めることができる。よって、金属材としてアルミニウム合金を適用した場合には、日本工業規格（ＪＩＳ）によって規定されるアルミニウム合金の品質であるＴ６を得ることができる。
【００２３】
また、前記溶体化処理工程後に、前記接合部を含む前記金属材に対して、前記金属材の強度を向上させるための塑性加工を行うひずみ付与工程と、前記ひずみ付与工程後に、前記接合部を含む前記金属材に対して時効処理を行う時効工程と、をさらに備えることが好ましい。
【００２４】
この構成によれば、金属材にひずみを付与し、時効処理することで、金属材の強度をより高めることができる。このとき、溶体化処理後の接合部は、結晶粒が粗大化しておらず、母材並みかそれよりも微細化していることから、ひずみ付与を行う場合であっても、塑性加工に耐え得る品質となっている。よって、金属材としてアルミニウム合金を適用した場合には、日本工業規格（ＪＩＳ）によって規定されるアルミニウム合金の品質であるＴ８を得ることができる。なお、ひずみ付与工程は、冷間状態で行われる。
【００２５】
また、前記摩擦撹拌接合工程において前記接合部が形成される前記金属材は、板形状となる板材であり、前記塑性加工工程では、前記板材の中心から外側に向かって湾曲するドーム形状となるように、前記板材に対して回転塑性加工を行うことが好ましい。
【００２６】
この構成によれば、板材に対して回転塑性加工を行うことで、溶体化処理時の組織の粗大化を抑制するために、再結晶の核を増やしつつ、板材をドーム形状に加工することができる。
【００２７】
また、前記塑性加工工程では、前記板材の中心から外側に向かって、前記板材の厚みが薄くなるようなひずみ量が与えられており、前記板材に形成される前記接合部は、前記塑性加工工程における前記ひずみ量が５％以上となる領域に形成されることが好ましい。
【００２８】
この構成によれば、回転塑性加工により板材がドーム形状に加工される場合であっても、板材の接合部にひずみを与えることができるため、接合部における溶体化処理時の組織の粗大化の抑制を図ることができる。
【００２９】
また、前記金属材の前記接合部における厚さは、前記金属材の前記接合部以外の部位における厚さに比して厚く形成されており、前記塑性加工工程では、前記接合部の厚さが、前記摩擦撹拌接合工程で形成された前記接合部の厚さよりも薄くなるように塑性加工を行うことが好ましい。
【００３０】
この構成によれば、塑性加工工程において、接合部の厚さが薄くなるように塑性加工することで、接合部における溶体化処理時の組織の粗大化の抑制を図りつつ、接合部の厚さと接合部以外の部位の厚さとを同じ厚さにすることができる。
【００３１】
また、前記金属材は、アルミニウム合金であることが好ましい。
【００３２】
この構成によれば、金属材として、アルミニウム合金を適用することができるため、摩擦撹拌接合によりアルミニウム合金に形成される接合部の品質低下を抑制することができる。
【００３３】
また、前記塑性加工工程は、冷間状態で行われることが好ましい。
【００３４】
この構成によれば、接合部への塑性加工を適切に行うことができる。すなわち、塑性加工によって接合部に与えられるひずみ量を、適切にコントロールすることができる。また、温度が１００℃以下の場合、回復現象等が起こらないため、塑性加工で入れたひずみが加工中に抜けるような現象も発生せず、粗大化抑制を図るための再結晶の核の量もコントロールすることができる。
【００３５】
本発明のドーム部材は、摩擦撹拌接合により接合部が形成される板形状の金属材を、回転塑性加工することでドーム形状に形成されるドーム部材であって、前記金属材は、前記回転塑性加工時において、中心から外側に向かって、前記金属材の厚みが薄くなるようなひずみ量が与えられながら、中心から外側に向かって湾曲するドーム形状に形成され、前記金属材に形成される前記接合部は、前記回転塑性加工時において与えられる前記ひずみ量が５％以上となる領域に形成されることを特徴とする。
【００３６】
この構成によれば、板形状の金属材に対して回転塑性加工を行うことで、接合部における再結晶の核を増やしつつ、板材をドーム形状に加工することができ、溶体化処理時の組織の粗大化の抑制を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】図１は、実施例１に係る接合部処理方法に関するフローチャートである。
【図２】図２は、摩擦撹拌接合工程において用いられる摩擦撹拌接合装置の一例を示す断面図である。
【図３】図３は、焼鈍工程によりビッカース硬さが変化する接合部に関するグラフである。
【図４】図４は、焼鈍工程により接合部で変化する結晶粒に関する表である。
【図５】図５は、図４の表に対応する接合部の一例を示す図である。
【図６】図６は、塑性加工工程において与えられるひずみ量によって変化する結晶粒径のグラフである。
【図７】図７は、塑性加工工程を行うことで得られる接合部の一例を示す図である。
【図８】図８は、接合部処理方法が適用されるドーム部材のひずみ量（板厚変化）に関するグラフである。
【図９】図９は、材料設置工程において設置されるドーム部材の材料となる平板の一例を示す平面図である。
【図１０】図１０は、材料設置工程において設置されるドーム部材の材料となる平板の一例を示す平面図である。
【図１１】図１１は、ドーム部材の材料となる平板の従来の一例を示す平面図である。
【図１２】図１２は、実施例２に係る接合部処理方法に関するフローチャートである。
【図１３】図１３は、実施例３に係る接合部処理方法を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
以下に、本発明に係る実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施例における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。さらに、以下に記載した構成要素は適宜組み合わせることが可能であり、また、実施例が複数ある場合には、各実施例を組み合わせることも可能である。
【実施例１】
【００３９】
図１は、実施例１に係る接合部処理方法に関するフローチャートである。図２は、摩擦撹拌接合工程において用いられる摩擦撹拌接合装置の一例を示す断面図である。図３は、焼鈍工程によりビッカース硬さが変化する接合部に関するグラフである。図４は、焼鈍工程により接合部で変化する結晶粒に関する表である。図５は、図４の表に対応する接合部の一例を示す図である。図６は、塑性加工工程において与えられるひずみ量によって変化する結晶粒径のグラフである。図７は、塑性加工工程を行うことで得られる接合部の一例を示す図である。
【００４０】
実施例１の接合部処理方法は、摩擦撹拌接合によって形成される接合部の品質を向上させるために行われる処理である。図１に示すように、接合部処理方法は、材料設置工程Ｓ１と、摩擦撹拌接合工程Ｓ２と、焼鈍工程Ｓ３と、塑性加工工程Ｓ４と、溶体化処理工程Ｓ５と、時効工程Ｓ６とを順に行っている。
【００４１】
材料設置工程Ｓ１では、金属材として、アルミニウム合金が用いられて構成される平板が適用されている。材料設置工程Ｓ１では、この平板の端面を突き合わせて開先部（被接合部）が形成されるように、平板が設置される。なお、実施例１では、平板を突き合わせた開先部を摩擦撹拌接合の対象となる被接合部としたが、この構成に特に限定されず、摩擦撹拌接合の対象となる部位であればいずれであってもよい。
【００４２】
摩擦撹拌接合工程Ｓ２では、材料設置工程Ｓ１において形成される開先部に対して、摩擦撹拌接合（ＦＳＷ：Friction Stir Welding）を行うことで接合部を形成し、これにより、突き合せた平板同士が接合される。この摩擦撹拌接合工程Ｓ２では、摩擦撹拌接合装置１が用いられており、開先部を挟んで両側から摩擦撹拌接合を行っている。
【００４３】
図２に示すように、摩擦撹拌接合装置１は、接合工具として、第１回転ツール２１と第２回転ツール２２とを有している。第１回転ツール２１は、開先部６を挟んで、開先部６の厚さ方向の上方側（一方側）に配置されている。第１回転ツール２１は、第１回転軸Ｉ１を中心に回転すると共に、開先部６の上面に押圧される。第２回転ツール２２は、開先部６を挟んで、開先部６の厚さ方向の下方側（他方側）に配置されている。第２回転ツール２２は、第２回転軸Ｉ２を中心に回転すると共に、開先部６の下面に押圧される。
【００４４】
第１回転ツール２１は、第１プローブ３２と、第１ショルダ部３５とを含んで構成されている。第１プローブ３２は、開先部６の厚さの半分よりも長くなるように形成されている。また、第１プローブ３２の外周面には、軟化した開先部６の金属を撹拌するための溝が形成されている。第１ショルダ部３５は、開先部６の上面に接触している。このような第１回転ツール２１は、第１ショルダ部３５を開先部６の上面に接触させた状態で回転することで、開先部６に対して摩擦による熱を与え、熱を与えることで軟化した開先部６を、第１プローブ３２により撹拌する。よって、開先部６の上方側には、第１回転ツール２１によって摩擦撹拌される第１撹拌領域が形成される。
【００４５】
第２回転ツール２２は、第２プローブ４２と第２ショルダ部４５とを含んで構成されている。なお、第２プローブ４２と第２ショルダ部４５とは、第１回転ツール２１とほぼ同様であるため、説明を省略する。このような第２回転ツール２２は、第２ショルダ部４５を開先部６の下面に接触させた状態で回転することで、開先部６に対して摩擦による熱を与え、熱を与えることで軟化した開先部６を、第２プローブ４２により撹拌する。よって、開先部６の下方側には、第２回転ツール２２によって摩擦撹拌される第２撹拌領域が形成される。
【００４６】
そして、第１撹拌領域は、第１プローブ３２が開先部６の厚さの半分よりも長くなっていることから、開先部６の上面から開先部６の厚さの半分よりも長くなる領域となっている。同様に、第２撹拌領域は、第２プローブ４２が開先部６の厚さの半分よりも長くなっていることから、開先部６の下面から開先部６の厚さの半分よりも長くなる領域となっている。このため、第１撹拌領域と第２撹拌領域とは、開先部６の厚さ方向において、相互に重複する領域となっている。具体的に、第１撹拌領域の下方側の領域と、第２撹拌領域の上方側の領域とが、開先部６の厚さ方向の中央において、相互に重複する重複領域となっている。なお、第１回転ツール２１と第２回転ツール２２とは、物理的に干渉しないように位置ずれして配置され、開先部６の両側から同時に接合を行う。開先部６の両側を同時に接合することにより、接合時の最小加熱温度を上昇させることが可能となる。なお、開先部６の両側を同時に接合せず、第１回転ツール２１で接合した後、第２回転ツール２２で接合してもよい。
【００４７】
このように、開先部６は、厚さ方向に全域に亘って撹拌されることから、摩擦撹拌接合工程Ｓ２において、開先部６の両面から厚さ方向の中央まで、熱を与えることができる。ここで、摩擦撹拌接合工程Ｓ２では、摩擦撹拌接合時における接合部の摩擦撹拌温度が、例えば、２２１９アルミニウム合金では、４００℃から５５０℃の間の温度となっている。
【００４８】
焼鈍工程Ｓ３では、摩擦撹拌接合工程Ｓ２において形成された接合部を含む平板５を、所定の焼鈍温度で焼鈍する（焼き鈍す）。この焼鈍工程Ｓ３は、摩擦撹拌接合後の平板５の硬度を一様とするために行われる。具体的に、図３に示すグラフは、その横軸が、接合部の溶接幅の中心（０）からの距離であり、その縦軸が、ビッカース硬さ（Ｈｖ）となっている。図３に示すように、摩擦撹拌接合後の接合部は、溶接幅の中心付近において硬度が高く、溶接幅の外側へ向かうにつれて硬度が低くなっており、硬度が一様となっていない。一方で、図３に示すように、焼鈍後の接合部は、溶接幅の全域に亘ってほぼ同じ硬度となっており、硬度が一様となる。このように、焼鈍工程Ｓ３において、接合部の硬度を一様とすることにより、後工程となる塑性加工工程Ｓ４における塑性加工時において、接合部が形成された平板５の局所的な変形が抑制されると共に、均一にひずみを付与することが可能となる。
【００４９】
次に、図４及び図５を参照して、焼鈍工程Ｓ３での焼鈍温度の変化による接合部７の結晶粒径の変化について説明する。接合部７におけるアルミニウム合金の結晶粒径は、焼鈍工程Ｓ３の焼鈍温度によって、その大きさが変化する。図４は、その左側の項が、焼鈍温度となっており、その右側の項が、結晶粒径が大きくなる粗大化の発生状況となっている。ここで、図４に示す焼鈍温度が４１３℃のときに形成される接合部７は、図５に示すＰ１となっている。また、図４に示す焼鈍温度が３９３℃のときに形成される接合部７は、図５に示すＰ２となっている。さらに、図４に示す焼鈍温度が３７３℃のときに形成される接合部７は、図５に示すＰ３となっている。そして、図４に示す焼鈍温度が３５３℃のときに形成される接合部７は、図５に示すＰ４となっている。
【００５０】
ここで、上記したように、摩擦撹拌接合工程Ｓ２の摩擦撹拌温度は、４００℃から５５０℃の間の温度となっていることから、Ｐ１における焼鈍温度は、摩擦撹拌温度の下限値よりも高くなっている。また、Ｐ２における焼鈍温度は、摩擦撹拌温度よりも僅かに低くなっている。さらに、Ｐ３における焼鈍温度は、摩擦撹拌温度よりも低く、また、Ｐ２の焼鈍温度よりも低くなっている。そして、Ｐ４における焼鈍温度は、摩擦撹拌温度よりも低く、また、Ｐ３の焼鈍温度よりも低くなっている。
【００５１】
図５に示すように、Ｐ１の接合部７は、厚さ方向の中央における領域Ｅａにおいて、結晶粒の粗大化が発生しており、図４に示すとおりである。また、Ｐ２の接合部７は、厚さ方向の中央において、Ｐ１よりも結晶粒の粗大化がやや減少しており、図４に示すとおりである。さらに、Ｐ３及びＰ４の接合部７は、結晶粒の粗大化が発生しておらず、図４に示すとおりである。
【００５２】
上記のように、焼鈍工程Ｓ３では、焼鈍温度が、摩擦撹拌接合工程Ｓ２における接合部の摩擦撹拌温度よりも低くなるように設定することで、接合部７の結晶粒の粗大化を抑制できることが確認された。このため、焼鈍工程Ｓ３では、焼鈍温度を摩擦撹拌温度よりも低い温度で、接合部７が形成される平板５を焼鈍する。具体的に、摩擦撹拌温度の下限温度が４００℃である場合、焼鈍温度は、４００℃より低くすることが好ましい。さらに、焼鈍温度を、摩擦撹拌温度の下限温度よりも１０℃以上低くすることで、接合部７の結晶粒の粗大化を、より好適に抑制することができる。一方で、焼鈍温度を低くし過ぎると、平板５の硬度を一様にするためにかかる焼鈍時間が長くなってしまうことから、焼鈍温度は、３５０℃以上とすることが好ましい。
【００５３】
塑性加工工程Ｓ４では、所定の塑性加工条件で、焼鈍後の接合部７に対して冷間状態で塑性加工を行っている。ここで、塑性加工条件は、摩擦撹拌接合工程Ｓ２前の開先部６におけるアルミニウム合金の結晶粒径以下となる条件である。具体的に、塑性加工工程Ｓ４では、接合部７の厚みが薄くなるように塑性加工を行うことで、接合部７に所定のひずみ量を与えている。
【００５４】
溶体化処理工程Ｓ５では、塑性加工後の接合部７を含む平板５を溶体化させている。溶体化処理工程Ｓ５では、塑性加工工程Ｓ４での塑性加工条件によって、接合部７に形成される結晶粒径が変化する。
【００５５】
次に、図６及び図７を参照して、塑性加工工程Ｓ４及び溶体化処理工程Ｓ５後における、接合部７に与えられるひずみ量に応じて変化する結晶粒径について説明する。図６のグラフは、その横軸がひずみ量となっており、その縦軸が結晶粒径となっている。ひずみ量は、塑性加工前後における接合部７の変形量であり、例えば、塑性加工前の接合部７の厚さに対して、塑性加工後の接合部７の厚さが薄くなったときの割合である。また、図６のグラフにおいて、摩擦撹拌接合前の開先部６及び母材部の結晶粒径が領域Ｒの範囲となっている。
【００５６】
図６に示すように、領域Ｒにおいて結晶粒径は、ほぼ０．１ｍｍ〜０．１５ｍｍの間となっている。塑性加工工程Ｓ４において、接合部７に対して、塑性加工によるひずみ量を０％与える（つまり、塑性加工を行わない）と、接合部７の結晶粒径は、０．３５ｍｍ前後となる。このため、ひずみ量が０％である場合、領域Ｒの結晶粒径よりも大きくなることから、溶体化処理後の接合部７の結晶粒（組織）が粗大化する。一方で、塑性加工工程Ｓ４において、接合部７に対して、塑性加工によるひずみ量を５％与えると、接合部７の結晶粒径は、０．１５ｍｍ程度となる。このため、ひずみ量が５％である場合、領域Ｒの範囲内の結晶粒径となることから、溶体化処理後の接合部７における結晶粒の粗大化が抑制される。さらに、塑性加工工程Ｓ４において、接合部７に対して、塑性加工によるひずみ量を１０％以上与えると、接合部７の結晶粒径は、０．１ｍｍよりも小さくなる。このため、ひずみ量が１０％以上である場合、領域Ｒの結晶粒径よりも小さくなることから、溶体化処理後の接合部７における結晶粒の微細化が図られる。
【００５７】
ここで、図７は、接合部７が形成される試験片Ｗに対して、所定のひずみ量となる塑性加工条件で圧延により塑性加工を行った後、溶体化処理を行ったときの接合部７を示す図である。具体的に、ひずみ量を０％与えたときの接合部７は、図７に示すＰ１１となっており、ひずみ量を５％与えたときの接合部７は、図７に示すＰ１２となっており、ひずみ量を１０％与えたときの接合部７は、図７に示すＰ１３となっている。図７に示すように、ひずみ量が０％の場合、組織の粗大化が認められるが、一方で、ひずみ量が５％の場合、組織の粗大化は認められなくなり、ひずみ量が１０％の場合、母材部も組織が微細化して、接合部７とそれ以外の部分の違いがほぼなくなることが確認された。
【００５８】
上記のように、塑性加工工程Ｓ４では、ひずみ量が５％以上となる塑性加工条件で、接合部７に対して塑性加工を行うことで、接合部７の結晶粒の粗大化を抑制できることが確認された。このため、塑性加工工程Ｓ４では、ひずみ量が５％以上となる塑性加工条件で、接合部７に対して塑性加工を行う。なお、ひずみ量は、１０％以上とすることにより、母材部も含めた組織が微細化されると共に均一になり、接合部７と母材部の差が認められなくなる。
【００５９】
時効工程Ｓ６では、溶体化処理後の平板５に対して人工時効を行うことで、平板５の硬度を高めている。このため、時効工程Ｓ６後の平板５は、日本工業規格（ＪＩＳ）によって規定されるアルミニウム合金の品質であるＴ６となる。ここで、２２１９アルミ合金材で、Ｔ６状態での材料の伸び量は、ひずみを与えない場合には４％程度であるのに対して、粗大化を抑制できる５％以上のひずみを与えた場合には８％以上の伸びが得られる。この材料の規格値（ＡＭＳ−ＱＱ−Ａ−２５０／３０）での要求値は７％以上であり、溶体化処理前にひずみを与えることで規格値を満足できる。
【００６０】
次に、図８から図１１を参照して、実施例１の接合部処理方法が行われるドーム部材５１について説明する。図８は、接合部処理方法が適用されるドーム部材のひずみ量（板厚変化）に関するグラフである。図９及び図１０は、材料設置工程において設置されるドーム部材の材料となる平板の一例を示す平面図である。図１１は、ドーム部材の材料となる平板の従来の一例を示す平面図である。
【００６１】
図８に示すように、ドーム部材５１は、接合部処理方法の塑性加工工程Ｓ４において形成される。つまり、ドーム部材５１は、塑性加工前の平板５を塑性加工することで形成される。塑性加工工程Ｓ４では、平板５に対し回転塑性加工、いわゆるスピニング加工を行うことで、平板５の中心側から外側に向かって湾曲するドーム形状のドーム部材５１を形成している。
【００６２】
図８は、その横軸が、ドーム部材５１の半径方向における位置（半径位置）となっており、その縦軸が、ひずみ量となっている。なお、ひずみ量は、塑性加工前の厚さに対する塑性加工後の厚さの割合となっており、塑性加工前後の厚さが変わらない場合の数値が１．００であり、ひずみ量が０％となる。回転塑性加工が行われたドーム部材５１は、中心側から外側に向かうにつれて、ひずみ量が大きくなっており、半径位置がｒ１となる位置において、ひずみ量が５％となる。このため、ドーム部材５１は、中心側から半径位置ｒ１までの領域Ｓａが、ひずみ量が５％よりも小さくなる領域であり、半径位置ｒ１から外側までの領域Ｓｂが、ひずみ量が５％以上となる領域である。
【００６３】
図９及び図１０は、摩擦撹拌接合される塑性加工前の平板５を示している。図９及び図１０に示すように平板５は、ドーム部材５１の領域Ｓａに対応する領域が、中心側に形成され、ドーム部材５１の領域Ｓｂに対応する領域が、領域Ｓａの外側に形成されている。そして、平板５に形成される接合部７は、領域Ｓｂに形成される。
【００６４】
例えば、図９において、領域Ｓｂに接合部７を形成する場合、３つのワーク片Ｗ１〜Ｗ３を用いて平板５を構成する。具体的に、３つのワーク片Ｗ１〜Ｗ３のうち、ワーク片Ｗ１は、領域Ｓａが収まる大きさとなっており、このワーク片Ｗ１を中央に配置する。残りの２つのワーク片Ｗ２，Ｗ３は、ワーク片Ｗ１の両側に配置され、これにより、ワーク片Ｗ１の両側に開先部６がそれぞれ形成される。摩擦撹拌接合工程Ｓ２では、ワーク片Ｗ１の両側に形成される２つの開先部６をそれぞれ摩擦撹拌接合することで、領域Ｓｂに接合部７が形成される平板５とすることができる。
【００６５】
また、例えば、図１０において、領域Ｓｂに接合部７を形成する場合、５つのワーク片Ｗ１１〜Ｗ１５を用いて平板５を構成する。具体的に、５つのワーク片Ｗ１１〜Ｗ１５のうち、ワーク片Ｗ１１は、領域Ｓａが収まる大きさとなっており、このワーク片Ｗ１１を中央に配置する。残りの４つのワーク片Ｗ１２〜Ｗ１５は、ワーク片Ｗ１１の周囲に配置され、これにより、ワーク片Ｗ１１の周囲に開先部６がそれぞれ形成される。摩擦撹拌接合工程Ｓ２では、ワーク片Ｗ１１の周囲に形成される４つの開先部６をそれぞれ摩擦撹拌接合することで、領域Ｓｂに接合部７が形成される平板５とすることができる。
【００６６】
ここで、図９に示すワーク片Ｗ１〜Ｗ３の配置、及び図１０に示すワーク片Ｗ１１〜Ｗ１５の配置とする場合、摩擦撹拌接合工程Ｓ２における接合開始点及び接合終了点は、スピニング加工時において形成されるドーム部材５１の外側の領域に位置させることができる。このため、方形状となる平板５の一辺を、ドーム部材５１の直径とほぼ同じ長さとすることができる。
【００６７】
これに対し、図１１に示す平板５は、同じ大きさの２つのワーク片Ｗ２１，Ｗ２２を、平板５の中央において突き合せて配置している。この場合、開先部６は、平板５の中心を通ることから、摩擦撹拌接合工程Ｓ２において形成される接合部７が領域Ｓａに形成される。したがって、領域Ｓａに形成される接合部は、スピニング加工時に粗大化抑制に必要なひずみを受けないため、組織の粗大化を防止できない。また、摩擦撹拌接合工程Ｓ２における接合開始点及び接合終了点は、スピニング加工時において形成されるドーム部材５１の外側の領域に位置させることから、方形状となる平板５の一辺を、ドーム部材５１の直径よりも大きくする必要がある。よって、図１１に示す平板５は、図９及び図１０に示す平板５よりも大きくなる。
【００６８】
以上のように、実施例１によれば、摩擦撹拌接合工程Ｓ２において形成された平板５の接合部７に対し、塑性加工工程Ｓ４を行うことで、再結晶の核を、接合部７において増加させることができる。このため、塑性加工工程Ｓ４後に、溶体化処理工程Ｓ５を行うと、再結晶の核が増加した分、再結晶の核の成長を相互に抑制できることから、接合部７の結晶粒の粗大化を抑制し、接合部７の結晶粒の微細化を図ることができる。このように、接合部７の結晶粒を微細化することで、接合部７の品質低下を抑制できることから、例えば、平板５の強度を高めるために溶体化処理後にひずみ付与を行う場合であっても、塑性加工に耐え得る品質とすることが可能となる。
【００６９】
また、実施例１によれば、塑性加工条件を、塑性加工工程Ｓ４の前後における接合部のひずみ量が５％以上となる条件とすることにより、接合部７の結晶粒の粗大化を好適に抑制することができる。
【００７０】
また、実施例１によれば、焼鈍工程Ｓ３を行うことで、平板５の接合部７における硬さの均一化を図ることができ、塑性加工工程Ｓ４時において、平板５の局所的な変形を抑制すると共に、均一にひずみを付与することができる。
【００７１】
また、実施例１によれば、焼鈍工程Ｓ３において、摩擦撹拌温度を高く、焼鈍温度を低くすることにより、接合部７における結晶粒の粗大化を抑制することができる。
【００７２】
また、実施例１によれば、開先部６の両側から摩擦撹拌接合を行うと共に、第１回転ツール２１により形成される第１撹拌領域と、第２回転ツール２２により形成される第２撹拌領域とを重複させることができる。このため、接合部７の厚み方向の全域に亘って摩擦撹拌することができるため、摩擦撹拌による接合部７への入熱を厚み方向の全域に亘って行うことができる。
【００７３】
また、実施例１によれば、塑性加工工程Ｓ４を冷間状態で行い、溶体化処理工程Ｓ５を行った後、時効工程Ｓ６を行うことで、平板５の硬度を高めることができる。よって、平板５に接合部７が形成される場合であっても、日本工業規格（ＪＩＳ）によって規定されるアルミニウム合金の品質であるＴ６とすることができる。
【００７４】
また、実施例１によれば、塑性加工工程Ｓ４において、回転塑性加工を行うことで、平板５にひずみを与えながら、平板５をドーム部材５１に形成することができるため、結晶粒の粗大化の抑制を図りつつ、平板５をドーム形状に加工することができる。
【００７５】
また、実施例１によれば、塑性加工工程Ｓ４を冷間状態で行うことができるため、接合部７に与えられるひずみ量を適切にコントロールしながら、接合部７への塑性加工を適切に行うことができる。また、温度が１００℃以下の場合、回復現象等が起こらないため、塑性加工で入れたひずみが加工中に抜けるような現象も発生せず、粗大化抑制を図るための再結晶の核の量もコントロールすることができる。
【００７６】
なお、実施例１では、焼鈍工程Ｓ３を設けたが、摩擦撹拌接合工程Ｓ２後の接合部７の硬さが均一となる場合や硬度の違いが塑性加工工程Ｓ４に悪影響を与えない場合には、焼鈍工程Ｓ３を省いてもよい。
【００７７】
また、実施例１では、焼鈍工程Ｓ３において、焼鈍温度を摩擦撹拌温度に比して低くしたが、このとき、摩擦撹拌接合時において摩擦撹拌温度を高くしてもよいし、焼鈍工程時において焼鈍温度を低くしてもよいし、その両方を行ってもよく、特に限定されない。このため、例えば、摩擦撹拌接合工程Ｓ２において、開先部６の厚さ方向において、接合工具の裏面側に、開先部６を加熱する加熱源を設けてもよい。この構成によれば、摩擦撹拌接合工程Ｓ２時において、接合部７を加熱源により加熱することで、接合部７の摩擦撹拌温度を高くすることができる。このため、焼鈍工程Ｓ３を行う場合には、焼鈍温度を高く設定できることから、焼鈍時間を短くすることができ、作業効率を高めることができる。
【実施例２】
【００７８】
次に、図１２を参照して、実施例２に係る接合部処理方法について説明する。図１２は、実施例２に係る接合部処理方法に関するフローチャートである。なお、実施例２では、重複した記載を避けるべく、実施例１と異なる部分について説明すると共に、実施例１と同様の構成である部分については、同じ符号を付す。実施例２に係る接合部処理方法では、実施例１の接合部処理方法の溶体化処理工程Ｓ５と時効工程Ｓ６との間に、溶体化処理後にひずみ付与工程Ｓ７を行っている。以下、実施例２に係る接合部処理方法について説明する。
【００７９】
図１２に示すように、実施例２に係る接合部処理方法において、ひずみ付与工程Ｓ７は、溶体化処理工程Ｓ５後で、時効工程Ｓ６前に行われる。ひずみ付与工程Ｓ７は、溶体化処理後の平板５に対して、冷間状態で塑性加工を行うことにより、平板５の強度を向上させている。なお、ひずみ付与工程Ｓ７において平板５に与えられるひずみ量は、２％から８％の範囲であり、ひずみ量が大きいほど、時効処理後に高い強度が得られる。
【００８０】
以上のように、実施例２によれば、塑性加工工程Ｓ４を冷間状態で行い、溶体化処理工程Ｓ５を行った後、さらに、ひずみ付与工程Ｓ７を冷間状態で行い、時効工程Ｓ６を行うことで、平板５の強度を高めることができる。よって、平板５に接合部７が形成される場合であっても、日本工業規格（ＪＩＳ）によって規定されるアルミニウム合金の品質であるＴ８とすることができる。これは、溶体化処理後の接合部７は、結晶粒が粗大化していないため、高めのひずみ付与を行う場合であっても、加工に耐え得る品質となっているからである。
【実施例３】
【００８１】
次に、図１３を参照して、実施例３に係る接合部処理方法について説明する。図１３は、実施例３に係る接合部処理方法を示す説明図である。なお、実施例３でも、重複した記載を避けるべく、実施例１及び２と異なる部分について説明すると共に、実施例１及び２と同様の構成である部分については、同じ符号を付す。実施例３に係る接合部処理方法は、接合部７の厚さを、接合部以外の部位の厚さよりも厚くしている。以下、実施例３に係る接合部処理方法について説明する。
【００８２】
図１３に示すように、実施例３に係る接合部処理方法において、材料設置工程Ｓ１で設置される平板５は、突き合わされる他の平板５と対向する側の端部５ａの厚さが厚くなっている（Ｓ１０１）。一方で、端部５ａ以外の部位５ｂは、端部５ａの厚さに比して薄くなっている。
【００８３】
摩擦撹拌接合工程Ｓ２では、一方の平板５の端部５ａと他方の平板５の端部５ａとにより形成される開先部６に対し、開先部６の厚さ方向の両側から、第１回転ツール２１及び第２回転ツール２２により摩擦撹拌接合を行って接合部７を形成する（Ｓ１０２）。摩擦撹拌接合工程Ｓ２で形成される接合部７は、その厚さが、接合部７以外の厚さよりも厚くなる。
【００８４】
そして、塑性加工工程Ｓ４では、接合部７を、厚み方向の両側から上金型６１と下金型６２とによりプレス成型することで、接合部７の厚さが薄くなるように塑性加工する（Ｓ１０３）。
【００８５】
以上のように、実施例３によれば、塑性加工工程Ｓ４において、接合部７の厚さが薄くなるように塑性加工することで、接合部７における結晶粒の粗大化の抑制を図りつつ、接合部７の厚さと接合部７以外の部位の厚さとを同じ厚さにすることができる。
【００８６】
なお、実施例３では、塑性加工工程Ｓ４として、鍛造工程を行ってもよく、この場合、接合部７に対して、ハンマー等により複数回圧力を与えることによって、デッドメタル領域を形成しないように、塑性加工を行ってもよい。
【符号の説明】
【００８７】
１  摩擦撹拌接合装置
５  平板
６  開先部
７  接合部
２１  第１回転ツール
２２  第２回転ツール
３２  第１プローブ
３５  第１ショルダ部
４２  第２プローブ
４５  第２ショルダ部
５１  ドーム部材
Ｉ１  第１回転軸
Ｉ２  第２回転軸
【図１】
0006403515.tif 000002
【図２】
0006403515.tif 000003
【図３】
0006403515.tif 000004
【図４】
0006403515.tif 000005
【図５】
0006403515.tif 000006
【図６】
0006403515.tif 000007
【図７】
0006403515.tif 000008
【図８】
0006403515.tif 000009
【図９】
0006403515.tif 000010
【図１０】
0006403515.tif 000011
【図１１】
0006403515.tif 000012
【図１２】
0006403515.tif 000013
【図１３】
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