(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１及び第２のアルミニウム板を突き合わせ、直線状の突き合わせ部に沿って摩擦攪拌接合し、接合部を長手方向に沿って曲げ加工するアルミニウム構造体の製造方法において、前記アルミニウム構造体は、摩擦攪拌接合により形成される接合部とその両側の熱影響部からなる所定幅の領域をみたとき幅方向に板厚差があり、前記領域では前記熱影響部を含む幅方向外側の板厚が内側の板厚より厚く形成され、前記第１及び第２アルミニウム板は、突き合わせたとき突き合わせ部を中心とする前記所定幅の領域において幅方向外側の板厚が内側の板厚より厚く形成され、さらに前記第１及び第２のアルミニウム板が熱処理型合金からなり、そのＴ１処理材を摩擦攪拌接合及び曲げ加工した後、Ｔ５処理することを特徴とするアルミニウム構造体の製造方法。
【請求項２】
前記領域には段差が形成され、段差の外側の板厚が内側の板厚より厚く形成されていることを特徴とする請求項１に記載されたアルミニウム構造体の製造方法。
【請求項３】
前記領域では板厚が連続的に変化していることを特徴とする請求項１に記載されたアルミニウム構造体の製造方法。
【請求項４】
前記第１又は／及び第２のアルミニウム板が、アルミニウム押出材の一部であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載されたアルミニウム構造体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数のアルミニウム板を摩擦攪拌接合した後曲げ加工してアルミニウム構造体を製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
図６に示すように、２つのアルミニウム板１，２の端部同士を突き合わせ（図６（ａ））、突き合わせ部をアーク溶接等により溶接して接合板３とし（図６（ｂ））、溶接後、仮に突き合わせ部（ビード４の中心位置）で曲げ加工を行う場合、ビード４の部分は鋳造組織になるため、事実上変形せず、その両側のＨＡＺ（熱影響部）５，５は軟化しているため、そこを起点に曲げ変形が進行し、その結果、図６（ｃ）に示すように、突き合わせ部で曲がらず、ＨＡＺ５の部分を中心にして曲がり、高い曲げ位置精度が得られない。
【０００３】
一方、図７に示すように、２つのアルミニウム板１，２の端部同士を突き合わせ（図７（ａ））、突き合わせ部を摩擦攪拌接合して接合板３とし（図７（ｂ））、接合後、突き合わせ部（接合部６の中心位置）で曲げ加工を行う場合も、接合部６の両側のＨＡＺ（熱影響部）７，７が軟化しているため、そこを起点に曲げ加工が進行し、その結果、図７（ｃ）に示すように、接合板３の中心で曲がらず、ＨＡＺ７の部分を中心にして曲がり、高い曲げ位置精度が得られない。ただし、摩擦攪拌接合の接合部６及びＨＡＺ７の幅はアーク溶接に比べて小さくできるので、アーク溶接の場合よりは曲げ位置精度が改善される。
下記非特許文献１及び特許文献１，２が先行技術文献として挙げられる。
【０００４】
【非特許文献１】WELDING JOURNAL 1996年3月号 41〜45頁「Friction Stir Process Welds Aluminum Alloys」
【特許文献１】特開２００４−１７６１４９号公報
【特許文献２】特開２００５−１２５３４１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
図７（ａ）に示すように、摩擦攪拌接合は、アルミニウム板１，２を突き合わせて定盤８の上に固定し、回転ツール９をアルミニウム板１，２に押し付け、先端のプローブ１１を突き合わせ部に挿入し、突き合わせ部に沿って移動させることによって行われる。回転ツール９の回転による摩擦熱によりアルミニウムは加熱されて塑性流動し（攪拌され）、その部位の組織が入り交じることにより、突き合わせ部が接合される。接合部６はアルミニウムが塑性流動して攪拌された部分であり、結晶粒は微細化されている。その両側のＨＡＺ７は接合部６からの熱影響を受け、接合部６やＨＡＺ７の外側の母材（非熱影響部）の部分より軟化している。
【０００６】
摩擦攪拌接合したアルミニウム板３を突き合わせ部又はその近傍で曲げ加工する場合、アーク溶接のビード４とは違って接合部６は母材と遜色ない伸びを示し、結晶粒は微細化されているため割れの抑制に有利であり、確実にこの接合部６に曲げ中心がくるようにして、精度よく曲げ加工ができることが望ましい。しかし、従来は、突き合わせ部を曲げの中心とした曲げ加工を行っても、図７（ｃ）に示すように軟化したＨＡＺ７が曲げの起点となりやすく、高い曲げ位置精度を得ることができなかった。
従って、本発明は、摩擦攪拌接合したアルミニウム板を、接合部に曲げ中心がくるように曲げ加工ができるようにして、高い曲げ位置精度を達成することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、第１及び第２のアルミニウム板を突き合わせ、直線状の突き合わせ部に沿って摩擦攪拌接合し、接合部を長手方向に沿って曲げ加工するアルミニウム構造体の製造方法において、前記アルミニウム構造体は、摩擦攪拌接合により形成される接合部とその両側の熱影響部からなる所定幅の領域をみたとき幅方向に板厚差があり、前記領域では前記熱影響部を含む幅方向外側の板厚が内側の板厚より厚く形成され、前記第１及び第２アルミニウム板は、突き合わせたとき突き合わせ部を中心とする前記所定幅の領域において幅方向外側の板厚が内側の板厚より厚く形成されていることを特徴とする。要するに、アルミニウム板の接合部と熱影響部が形成される領域に、幅方向の板厚差を予め形成しておくということである。本発明において、前記第１及び第２のアルミニウム板は熱処理型合金からなり、そのＴ１処理材を摩擦攪拌接合及び曲げ加工した後、Ｔ５処理する。
【０００８】
上記製造方法によって製造されるアルミニウム構造体は、前記接合部とその両側の熱影響部からなる所定幅の領域をみたとき幅方向に板厚差があり、前記領域では熱影響部を含む幅方向外側の板厚が内側の板厚より厚く形成されている。
より具体的には、上記アルミニウム構造体において、幅方向の板厚差は、段差による場合（段差の外側の板厚が内側の板厚より厚く形成されている）と連続的に板厚が変化している場合（前記領域で外側ほど板厚が厚い）の両方が含まれる。また、上記アルミニウム構造体は、前記第１又は／及び第２のアルミニウム板がアルミニウム押出材の一部である場合を含む。アルミニウム押出材は、例えば両面の互いに平行なフランジ板とそれらの間を連結するリブからなるダブルスキンパネル材である。
本発明において、熱処理型アルミニウム合金としては、ＪＩＳ６０００系、７０００系等が好適に利用できる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係るアルミニウム構造体は、摩擦攪拌接合した第１及び第２のアルミニウム板の突き合わせ部近傍の所定幅の領域（接合部とその両側の熱影響部）をみたとき、幅方向に板厚差が形成され、かつ熱影響部を含む幅方向外側の板厚がそれより内側の板厚より厚く形成されている。いいかえれば、前記領域において、軟化した熱影響部の板厚がその内側の接合部より厚肉に形成されている。そのため、突き合わせ部を曲げ中心として曲げ加工するとき、従来のように熱影響部で曲がりにくく、予定どおり突き合わせ部又はその近傍（接合部）を曲げの中心として曲げ加工でき、高い曲げ位置精度を達成することができる。熱影響部の板厚は、ここが曲げ加工による変形の起点にならないように、アルミニウム合金の軟化のレベルを考慮して適宜設定する。
【００１０】
なお、本発明では、第１及び第２アルミニウム板の端部同士を突き合わせて摩擦攪拌接合し、接合後にその接合部を所望の形状に曲げ加工する。従って、接合部がアルミニウム構造体のコーナー部や湾曲部に位置していたとしても、摩擦攪拌接合自体はフランジ板の端部同士が平面をなす状態で行うことができ、接合にあたってのアルミニウム板同士の位置決めも容易である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図１〜図５を参照して、本発明をより具体的に説明する。
図１（ａ）〜（ｃ）は、本発明の製造方法の一例である。図７と同等の部位には同じ番号を付与している。
図１（ａ）に示すように、第１及び第２のアルミニウム板１，２を、端部同士を突き合わせて定盤８の上に固定し、回転ツール９をアルミニウム板１，２に押し付け、先端のプローブ１１を突き合わせ部に挿入し、突き合わせ部に沿って直線的に（図１の紙面に垂直）移動させ、摩擦攪拌接合を行う。アルミニウム板１，２は、突き合わせ部から所定距離離れた箇所に板厚が厚い厚肉部１２が形成され、図１（ａ）のように突き合わせた状態で見ると、突き合わせ部を中心とする所定幅の領域Ｒ（下記領域Ｗと同じ幅）において幅方向外側の板厚が内側の板厚より厚く形成されている。いいかえれば、アルミニウム板１，２は、それぞれ突き合わせ端のごく近傍が薄肉で、それより離れた箇所が厚肉に形成されている。なお、アルミニウム板１，２は押出材からなるが、差厚圧延材からなっていてもよい。
【００１２】
図１（ｂ）は摩擦攪拌接合後の接合板３であり、幅Ｗ１の接合部６の両側に、幅Ｗ２の熱影響部（以下、ＨＡＺという）７が形成されている。なお、幅Ｗ１は接合部６の最大幅であり、幅Ｗ２は幅Ｗ１の接合部６の外側に形成されたＨＡＺ７の幅である。
接合部６とＨＡＺ７からなる幅Ｗ（＝Ｗ１＋２Ｗ２）の領域をみると、下面幅方向に段差が形成されて板厚差があり、ＨＡＺ７を含む幅方向外側（段差の外側）の板厚Ｔ２が、内側（段差の内側）の板厚Ｔ１より厚く形成されている。この例では、幅Ｗ１を有する接合部６の中央部が板厚Ｔ１の部分に形成され、その一部（両端部）と幅Ｗ２を有するＨＡＺ７が板厚Ｔ２の部分に形成されている。
【００１３】
図１（ｃ）はこの接合板３を接合部６の中心（元の突き合わせ部）を曲げ中心として曲げ加工したものである。幅Ｗ２の軟化したＨＡＺ７は、板厚の厚い部分に形成されているので、曲げ加工に際し従来のように優先的に変形することが抑えられ、接合板３を接合部６の中心を曲げ中心とし、高い曲げ位置精度で曲げ加工することができる。
なお、この例では、摩擦攪拌接合を行った側（回転ツール９を押し当てた側）が曲げの外側になるように曲げ加工を行っているが、摩擦攪拌接合を行った側を曲げの内側にして曲げ加工を行うこともできる。この点は、以下の例でも同じである。
【００１４】
図２（ａ）〜（ｃ）は、本発明の製造方法の他の例である。図１と同等の部位には同じ番号を付与している。
図１の製造方法との違いは、第１及び第２のアルミニウム板１，２の突き合わせ部近傍のみが薄肉とされ、かつ段差が板の上面に形成され、回転ツール９が突き合わせ部近傍に形成された凹部１３に挿入される点である。
図２（ｂ）は摩擦攪拌接合後の接合板３であり、幅Ｗ１の接合部６の両側に、幅Ｗ２のＨＡＺ７が形成されている。接合部６とＨＡＺ７からなる幅Ｗ（＝Ｗ１＋２Ｗ２）の領域をみると、幅方向に段差が形成されて板厚差があり、ＨＡＺ７が形成された幅方向外側（段差の外側）の板厚Ｔ２が、内側（段差の内側）の板厚Ｔ１より厚く形成されている。この例では、幅Ｗ２のＨＡＺ７が板厚Ｔ２の部分に形成され、幅Ｗ１の接合部６が板厚Ｔ１の部分に形成されている。
なお、図１の例では、定盤の上面に板の段差に対応した凹凸を形成していたが、図２の例では、段差が板の上面に形成され、板の下面は平らであるため、平らな定盤を用いることができる。下記図４の例も同じである。
【００１５】
図２（ｃ）はこの接合板３を接合部６の中心（元の突き合わせ部）を曲げ中心として曲げ加工したものである。幅Ｗ２の軟化したＨＡＺ７は、板厚の厚い部分に形成されているので、曲げ加工に際し従来のように優先的に変形することが抑えられ、接合板３を接合部６の中心を曲げ中心とし、高い曲げ位置精度で曲げ加工することができる。
【００１６】
図３（ａ），（ｂ）は、本発明の製造方法の他の例である。図１と同等の部位には同じ番号を付与している。
図１の製造方法との違いは、第１及び第２のアルミニウム板１，２の下面突き合わせ部近傍に傾斜部１４が形成され、突き合わせ部に向かって連続的に板厚が薄くなっている点である。
図３（ｂ）は摩擦攪拌接合後の接合板３であり、幅Ｗ１の接合部６の両側に、幅Ｗ２のＨＡＺ７が形成されている。接合部６とＨＡＺ７からなる幅Ｗ（＝Ｗ１＋２Ｗ２）の領域をみると、幅方向に連続的に板厚が変化して板厚差があり、この板厚の変化によって、ＨＡＺ７が形成された幅方向外側の板厚の方が、内側の板厚より厚く形成されている。
【００１７】
この接合板３を接合部６の中心（元の突き合わせ部）を曲げ中心として曲げ加工すると、幅Ｗ２の軟化したＨＡＺ７は、板厚の相対的に厚い部分に形成されているので、曲げ加工に際し従来のように優先的に変形することが抑えられ、接合板３を接合部６の中心を曲げ中心とし、高い曲げ位置精度で曲げ加工することができる。
【００１８】
図４（ａ），（ｂ）は、本発明の製造方法の他の例である。図１と同等の部位には同じ番号を付与している。
図１の製造方法との違いは、第１及び第２のアルミニウム板１，２が厚肉部を有さず、全体が均一な肉厚の板である点、及び回転ツール９の円柱部がアルミニウム板１，２に所定厚さ分（Ｔ２−Ｔ１）押し込まれた状態で摩擦攪拌接合が行われる点である。なお、回転ツール９の円柱部を押し込むことにより排除されるアルミニウムが、接合部６に沿ってバリとして残るが、これは摩擦攪拌接合後に除去される。
図２（ｂ）は摩擦攪拌接合後の接合板３であり、幅Ｗ１の接合部６の両側に、幅Ｗ２のＨＡＺ７が形成されている。接合部６とＨＡＺ７からなる幅Ｗ（＝Ｗ１＋２Ｗ２）の領域をみると、幅方向に段差が形成されて板厚差があり、ＨＡＺ７が形成された幅方向外側（段差の外側）の板厚Ｔ２が、内側（段差の内側）の板厚Ｔ１より厚く形成されている。この例では、ＨＡＺが板厚Ｔ２の部分に形成され、接合部６が板厚Ｔ１の部分に形成されている。
【００１９】
この接合板３を接合部６の中心（元の突き合わせ部）を曲げ中心として曲げ加工すると、幅Ｗ２の軟化したＨＡＺ７は、板厚の相対的に厚い部分に形成されているので、曲げ加工に際し従来のように優先的に変形することが抑えられ、接合板３を接合部６の中心を曲げ中心とし、高い曲げ位置精度で曲げ加工することができる。
【００２０】
図５（ａ）〜（ｃ）は、本発明を押出材に適用した例を示す。図５（ａ）に示すように、接合される押出材１５，１６は、それぞれ互いに平行な両面のフランジ板１５ａ，１５ｂ、１６ａ，１６ｂと、両フランジ板１５ａ，１５ｂ、１６ａ，１６ｂを接続する複数のリブ１５ｃ、１６ｃからなるダブルスキンパネルであり、押出材１５のフランジ板１５ａと押出材１６のフランジ板１６ａが突き合わされ、摩擦攪拌接合される。なお、フランジ板１５ａ，１６ａの端部は、突き合わせ部から所定距離離れた箇所から板厚が厚くなり、図５（ａ）のように突き合わせた状態で見ると、突き合わせ部を中心とする所定幅の領域Ｒ（下記領域Ｗと同じ幅）において幅方向外側の板厚が内側の板厚より厚く形成されている。
【００２１】
図５（ｂ）は摩擦攪拌接合後の接合部材１７であり、幅Ｗ１の接合部１８の両側に、幅Ｗ２のＨＡＺ１９が形成されている。幅Ｗ１は接合部１８の最大幅であり、幅Ｗ２は幅Ｗ１の接合部１８の外側に形成されたＨＡＺ１９の幅である。
接合部１８とＨＡＺ１９からなる幅Ｗ（＝Ｗ１＋２Ｗ２）の領域をみると、下面幅方向に段差が形成されて板厚差があり、ＨＡＺ１９を含む幅方向外側（段差の外側）の板厚Ｔ２が、内側（段差の内側）の板厚Ｔ１より厚く形成されている。この例では、幅Ｗ１を有する接合部６の中央部が板厚Ｔ１の部分に形成され、その一部（両端部）と幅Ｗ２を有するＨＡＺ７が板厚Ｔ２の部分に形成されている。
【００２２】
図５（ｃ）はこの接合部材１７を接合部１８の中心（元の突き合わせ部）を曲げ中心として曲げ加工したものである。幅Ｗ２の軟化したＨＡＺ１９は、板厚の厚い部分に形成されているので、曲げ加工に際し従来のように優先的に変形することが抑えられ、接合部材１７を接合部１８の中心を曲げ中心とし、高い曲げ位置精度で曲げ加工することができる。
【００２３】
このようなダブルスキンパネルを接合した構造体は、例えば衝突エネルギーを吸収するエネルギー吸収部材（いわゆるクラッシャブル部材）のように、構造体全体が強度的に均一性を必要とする場合に好適である。
このような構造体を、複数の押出形材を例えばアーク溶接することにより製造した場合、ビードは鋳造組織であり、その両側のＨＡＺ（熱影響部）は軟化するため、構造体には強度の不均一な部分ができ、衝突時の変形が安定しない。そのため溶接後に構造体を焼鈍処理してＯ材とし、全体の材質を均質化して使用せざるを得ない。そうなると構造体の強度が低下し、所定のエネルギーを吸収するためには構造体を大型化又は厚肉化するか、その個数を増やす必要が出てくる。一方、構造体の接合部が全て摩擦攪拌接合されている場合、強度の不均一性が小さいため、Ｏ材処理を行うことなく（熱処理型アルミニウム合金であればＴ５材のままで）使用することが可能である。Ｔ５材は高強度であるから、構造体を小型化又は薄肉化でき、あるいはその個数を減らすことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明に係るアルミニウム構造体の製造方法を説明する模式図である。
【図２】本発明に係るアルミニウム構造体の製造方法を説明する別の模式図である。
【図３】本発明に係るアルミニウム構造体の製造方法を説明する別の模式図である。
【図４】本発明に係るアルミニウム構造体の製造方法を説明する別の模式図である。
【図５】本発明に係るアルミニウム構造体の製造方法を説明する別の模式図である。
【図６】アーク溶接により接合した比較例のアルミニウム構造体の製造方法及び曲げ変形時の状態を示す模式図である。
【図７】従来の摩擦攪拌接合により接合した比較例のアルミニウム構造体の製造方法及び曲げ変形時の状態を示す模式図である。
【符号の説明】
【００２５】
１，２，１５ａ，１６ａ  アルミニウム板
３，１７  接合体
６，１８  摩擦攪拌接合の接合部
７，１９  摩擦攪拌接合のＨＡＺ（熱影響部）
８  定盤
９  回転ツール
１５，１６  押出材
【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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