(57)【要約】【課題】合金を素材とする接合部材を重ね合わせて摩擦攪拌接合するときに、接合部分に発生する巻き上げ高さを低く抑えることで摩擦攪拌接合の接合強さを高めることができる摩擦攪拌接合方法と摩擦攪拌接合構造体を提供する。【解決手段】摩擦攪拌接合する接合部材として、成分組成の異なる合金を素材としてせん断強さが異なる２つの接合部材を使用する。そして、高せん断部材２が接合ピン１０側になるように低せん断部材３と重ねて形成される接合面領域２０において高せん断部材２の表面２ａから高速で回転する接合ピン１０を挿入して、摩擦攪拌接合することを特徴とする摩擦攪拌接合方法と摩擦攪拌接合構造体。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の接合部材と、前記第１の接合部材よりせん断強さの高い第２の接合部材と、を重ねて接合面領域を形成する工程と、
前記接合面領域において、高速で回転する接合ピンを前記第２の接合部材の表面から、前記第１の接合部材と前記第２の接合部材が接する面に向かって挿入して摩擦攪拌することで前記第１の接合部材と前記第２の接合部材とを接合する工程と、
を有することを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
【請求項２】
第１の接合部材と第２の接合部材とを重ねて接合面領域を形成し、
前記接合面領域において、高速で回転する接合ピンを前記第２の接合部材の表面から、前記第１の接合部材と前記第２の接合部材が接する面に向かって挿入して摩擦攪拌することで前記第１の接合部材と前記第２の接合部材とが接合された摩擦攪拌接合構造体であって、
前記第２の接合部材は前記第１の接合部材よりせん断強さが高いことを特徴とする摩擦攪拌接合構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、せん断強さの異なる２つの接合部材を重ねて摩擦攪拌接合する摩擦攪拌接合方法および摩擦攪拌接合構造体に関する。
【背景技術】
【０００２】
摩擦攪拌接合は、例えばアルミニウム合金を素材とする２つの部材を接合部材として接合する方法として確立されている技術である。摩擦攪拌接合は、接合する２つの接合部材を突き合わせて突き合わせ部を形成し、接合部材を摩擦攪拌する接合ピンを高速で回転しながら前記の突き合わせ部において接合部材内に接合ピンを挿入して、前記の突き合わせ部に沿って接合ピンを送ることで２つの接合部材を接合する。
【０００３】
さらに、例えばアルミニウム合金を素材とする２つの接合部材を重ねた、重ね合わせ部（以下、接合面領域と称する）を形成し、この接合面領域において一方の接合部材の表面から接合ピンを高速で回転しながら接合部材内に挿入して、２つの接合部材を接合する技術も公開されている。
【０００４】
【特許文献１】米国特許第６０５１３２５号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、従来、２つの接合部材を重ねた接合面領域を摩擦攪拌接合するときに、２つの接合部材が接合する部分（以下、接合部分と称する）において、接合ピンを挿入する側の接合部材が塑性流動する領域に、接合ピンを挿入しない側の接合部材が塑性流動して侵入する領域（以下、巻き上げ部と称する）が発生することがわかっている（図４の(ｂ)参照）。
【０００６】
前記のとおり、巻き上げ部は接合ピンを挿入しない側の接合部材が、接合ピンを挿入する側の接合部材に侵入する。したがって、巻き上げ部の高さ（以下、巻き上げ高さと称する）が高いと、接合ピンを挿入する側の接合部材の板厚（以下、有効板厚と称する）が薄くなり、摩擦攪拌接合の接合強さの確保に対して不利な要因となる。
【０００７】
よって、巻き上げ高さを低く抑えることは、摩擦攪拌接合の接合強さを高めるための重要な要因の１つである。すなわち、巻き上げ高さを低く抑えれば、巻き上げ部が接合ピンを挿入する側の接合部材へ侵入する侵入量を抑制できることから、接合ピンを挿入する側の有効板厚を厚くすることができる。そして、有効板厚が厚ければ摩擦攪拌接合の接合強さも高くなる。
【０００８】
ここで、巻き上げ部は接合部材のせん断強さの差によって発生するが、従来は、同一材質の接合部材どうしの摩擦攪拌接合であるため、接合部材のせん断強さも同一であり、巻き上げ高さを低く抑えることは困難であった。
【０００９】
そこで、本発明は摩擦攪拌接合の接合強さを高めることが可能な摩擦攪拌接合方法および摩擦攪拌接合構造体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】
【００１０】
前記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、第１の接合部材と、前記第１の接合部材よりせん断強さの高い第２の接合部材と、を重ねて接合面領域を形成する工程と、前記接合面領域において、高速で回転する接合ピンを前記第２の接合部材の表面から、前記第１の接合部材と前記第２の接合部材が接する面に向かって挿入して摩擦攪拌することで前記第１の接合部材と前記第２の接合部材とを接合する工程と、を有することを特徴とする摩擦攪拌接合方法とした。
【００１１】
請求項１に係る発明により、２つの接合部材を重ねた接合面領域における摩擦攪拌接合の接合部分で発生する巻き上げ高さを低く抑えられる摩擦攪拌接合方法を提供できる。
【００１２】
また、請求項２に係る発明は、第１の接合部材と第２の接合部材とを重ねて接合面領域を形成し、前記接合面領域において、高速で回転する接合ピンを前記第２の接合部材の表面から、前記第１の接合部材と前記第２の接合部材が接する面に向かって挿入して摩擦攪拌することで前記第１の接合部材と前記第２の接合部材とが接合された摩擦攪拌接合構造体であって、前記第２の接合部材は前記第１の接合部材よりせん断強さが高いことを特徴とする摩擦攪拌接合構造体とした。
【００１３】
請求項２に係る発明により、２つの接合部材を重ねた接合面領域における摩擦攪拌接合の接合部分で発生する巻き上げ高さを低く抑えられる摩擦攪拌接合構造体を提供できる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、摩擦攪拌接合の接合強さを高めることが可能な摩擦攪拌接合方法および摩擦攪拌接合構造体を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明を実施するための最良の形態について、適宜図を用いて詳細に説明する。
【００１６】
図１は、摩擦攪拌接合に使用する接合ツールを示す図である。接合ツール１は、円柱状の回転子１２の１つの底面から、回転軸Ａを中心に同心円状に突出した略円柱形の接合ピン１０を有する。回転子１２の直径は接合ピン１０の直径より大きく、回転子１２の接合ピン１０が突出している側の底面の接合ピン１０の直径より大きな部分でショルダ部１１を形成している。
【００１７】
接合ツール１は、例えば、図３に示すようなロボットアームからなる摩擦攪拌接合装置本体５によって回転軸Ａの回りに高速で回転するように構成されている。そして、高速で回転する接合ツール１と共に接合ピン１０も高速で回転する。
【００１８】
そして、摩擦攪拌接合装置本体５は、回転軸Ａに垂直な方向に接合ツール１を自在に動かすことができる機能を有することが好ましい。
【００１９】
この機能によって、摩擦攪拌接合装置本体５は、摩擦攪拌接合しながら接合ツール１を接合部材の表面に平行に送ることができ、任意の長さを摩擦攪拌接合できる。
【００２０】
さらに、摩擦攪拌接合装置本体５は、回転軸Ａに平行な方向に接合ツール１を自在に動かすことができる機能を有することが好ましい。
【００２１】
この機能によって、摩擦攪拌接合装置本体５は、接合ツール１と共に動く接合ピン１０を接合部材の内部に挿入したり、接合部材の内部から離脱したりできる。
【００２２】
なお、接合ピン１０には、例えば接合ピン１０の側面にねじ山を有するなどの形状のものもあるが、接合ピン１０の形状は限定するものではない。
【００２３】
また、摩擦攪拌接合装置本体の例としてロボットアームを示したが、これも限定されるものではなく、フライス盤などのＮＣ工作機械等であってもよい。
【００２４】
図２に本実施形態を図示する。図２は請求項に記載の摩擦攪拌接合方法を示す図である。図２の（ａ）は、２つの接合部材（高せん断部材および低せん断部材）を、接合面領域を形成するように重ねることを示す図、（ｂ）は、（ａ）における２つの接合部材（高せん断部材および低せん断部材）のＸ−Ｘ断面図であり、接合ピンによって塑性流動域が形成されることを示す図、（ｃ）は、（ａ）における２つの接合部材（高せん断部材および低せん断部材）のＸ−Ｘ断面図であり、接合ツールのショルダ部が接合部材（高せん断部材）の表面に摺接することを示す図、（ｄ）は、接合ツールを接合部材（高せん断部材）の表面に平行に送ることを示す図である。なお、摩擦攪拌接合装置本体に関しては、前記のとおり限定するものではないが、図３に示す摩擦攪拌接合装置本体５を参照して説明する。
【００２５】
ここで、前記の２つの接合部材は、せん断強さが異なるものとする。そして、前記の２つの接合部材のうち、せん断強さの高い接合部材（以下、高せん断部材と称する）２が、請求項に記載の第２の接合部材となり、せん断強さの低い接合部材（以下、低せん断部材と称する）３が、請求項に記載の第１の接合部材となる。
【００２６】
そして、図２の（ａ）に示すように、高せん断部材２と低せん断部材３とを重ねて、接合面領域２０を形成する。このとき、高せん断部材２が接合ピン１０の挿入側（図２の（ａ）においては、図面の上側に相当）になるように、低せん断部材３と重ねることを特徴とする。
【００２７】
図２の（ａ）に示すように高せん断部材２と低せん断部材３とを重ねて接合面領域２０を形成したら、接合面領域２０が接合ツール１の回転軸Ａに垂直となるように、高せん断部材２と低せん断部材３を摩擦攪拌接合装置本体５に対して、図示しない固定手段で固定する。
【００２８】
そして、摩擦攪拌接合装置本体５は、接合ツール１を高速で回転しながら高せん断部材２の表面２ａに近づけ、接合ツール１と共に高速で回転する接合ピン１０の先端部１０ａを高せん断部材２の表面２ａの摩擦攪拌接合を開始する位置に圧接させる。
【００２９】
接合ピン１０の先端部１０ａが高せん断部材２の表面２ａに圧接しても接合ツール１は高速で回転しているため、接合ツール１と共に高速で回転している接合ピン１０の先端部１０ａは高せん断部材２の表面２ａに摺接することになり、接合ピン１０の先端部１０ａと高せん断部材２の表面２ａとの摩擦によって、摩擦熱が発生する。
【００３０】
そして、発生した摩擦熱によって高せん断部材２の温度が上昇すると、高せん断部材２は溶融して、図２の（ｂ）に示すように塑性流動域２ｂが形成される。
【００３１】
ここで、摩擦攪拌接合装置本体５は、接合ツール１を高速で回転したまま一定の力で高せん断部材２に向かって押し、接合ツール１と共に動作する接合ピン１０の先端部１０ａから高せん断部材２の表面２ａに圧力を加えながら、接合ピン１０を塑性流動域２ｂの内部に挿入していく。そして、図２の（ｃ）に示すように、接合ツール１のショルダ部１１を高せん断部材２の表面２ａに摺接させる。
【００３２】
摩擦攪拌接合装置本体５は、接合ツール１のショルダ部１１を高せん断部材２の表面２ａに圧接させた状態で、図２の（ｄ）に示すように接合ツール１を高速で回転して、この回転による摩擦熱で接合面を溶融させながら、高せん断部材２の表面２ａに平行に、高せん断部材２の幅方向に送って摩擦攪拌接合する。
【００３３】
そして、摩擦攪拌接合装置本体５は、摩擦攪拌接合する長さに相当する距離だけ接合ツール１を送って接合した後、接合ツール１を高速で回転したまま、高せん断部材２の表面２ａから引き離し、接合ツール１と共に動作する接合ピン１０が塑性流動域２ｂから離脱したら摩擦攪拌接合が終了する。
【００３４】
なお、本実施形態において、摩擦攪拌接合装置本体５は、接合ツール１を高速で回転したまま高せん断部材２の表面２ａに平行に送って摩擦攪拌接合したが、接合ツール１を高せん断部材２の表面２ａに平行に送らずに摩擦攪拌接合を終了して、スポット状の摩擦攪拌接合としても本発明に係る効果を奏する。
【実施例】
【００３５】
以下、具体的な実施例を示して本発明における効果を説明する。
【００３６】
なお、本実施例において、高せん断部材２の素材としてアルミニウム合金のＡｌ−３Ｍｇ（Ａｌ−Ｍｇ系合金）を使用し、低せん断部材３の素材としてアルミニウム合金のＡｌ−８Ｓｉ−０．３Ｍｇ（Ａｌ−Ｓｉ系合金）を使用した。
【００３７】
まず、本発明に係る摩擦攪拌接合構造体として、第１の接合構造体４０を得る（図４の（ａ）参照）。第１の接合構造体４０は前記の実施形態にしたがって、図２の（ａ）に示すように高せん断部材２が接合ピン１０側になるように、高せん断部材２と低せん断部材３とを重ねて接合面領域２０を形成し、高せん断部材２の表面２ａから接合ピン１０を挿入して摩擦攪拌接合した摩擦攪拌接合構造体である。
【００３８】
次に、摩擦攪拌接合によって発生する巻き上げ高さおよび摩擦攪拌接合の接合強さを第１の接合構造体４０と比較するため、比較例として第２の接合構造体４１を得る（図４の（ｂ）参照）。第２の接合構造体４１は、図３に示すように低せん断部材３が接合ピン１０側になるように、低せん断部材３と高せん断部材２とを重ねて接合面領域２０を形成し、低せん断部材３の表面３ａから接合ピン１０を挿入して摩擦攪拌接合した摩擦攪拌接合構造体である。
【００３９】
なお、摩擦攪拌接合によって第２の接合構造体４１を得る手順は、低せん断部材３の表面３ａから接合ピン１０を挿入する以外は、前記の実施形態と同等である。
【００４０】
表１に、第１の接合構造体４０と第２の接合構造体４１とに使用する接合部材の構成ならびに、第１の接合構造体４０と第２の接合構造体４１とを得るための摩擦攪拌接合の加工条件を示す。
【００４１】
【表１】
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【００４２】
なお、表１の接合ピンの押付け荷重とは、摩擦攪拌接合装置本体５が接合ツール１を接合部材（高せん断部材２もしくは低せん断部材３）に向かって押し付けるときの荷重である（図２および図３参照）。
【００４３】
図４の（ａ）は、第１の接合構造体の接合部分の顕微鏡写真であり、（ｂ）は第２の接合構造体の接合部分の顕微鏡写真である。
【００４４】
図４の（ａ）においては、最下層の明灰色部４０ｂの層が低せん断部材３を示し、その上側にある暗灰色部４０ａの層が高せん断部材２を示す。そして、図面中央の左方にある低せん断部材３の凸部４０ｃから右方に向かって、低せん断部材３が凹部４０ｅを形成している部分が接合部分である。なお、接合ピン１０（図２の（ａ）参照）は、接合ピン挿入面４０ｆから挿入した。
【００４５】
そして、接合部分の右端にある、低せん断部材３の盛り上がり４０ｄの高さΔＨ１が第１の接合構造体４０の巻き上げ高さである。
【００４６】
なお、接合部分の左方にある低せん断部材３の凸部４０ｃは、低せん断部材３と高せん断部材２が混在した層（明灰色の部分と暗灰色の部分が混在している）を形成しているため接合部分の一部であり、その高さを巻き上げ高さとはしない。
【００４７】
また、図４の（ｂ）においては、最下層の暗灰色部４１ｃの層が高せん断部材２を示し、その上側にある灰色部４１ａおよび明灰色部４１ｂからなる層が低せん断部材３を示す。そして、図面中央にある高せん断部材２が凹部４１ｅを形成している部分が接合部分である。なお、接合ピン１０（図３参照）は、接合ピン挿入面４１ｆから挿入した。
【００４８】
そして、接合部分の右端にある、高せん断部材２の凸部４１ｄの高さΔＨ２が第２の接合構造体４１の巻き上げ高さである。
【００４９】
ここで、第１の接合構造体４０と第２の接合構造体４１との摩擦攪拌接合の接合強さを調べるために、第１の接合構造体４０および第２の接合構造体４１の引張りせん断強さを測定した。
【００５０】
表２に、第１の接合構造体４０と第２の接合構造体４１の巻上げ高さΔＨ１、ΔＨ２の実測値および引張りせん断強さの測定値を示す。
【００５１】
【表２】
2007301573.tif 000004
【００５２】
表２に示す、巻上げ高さΔＨ１、ΔＨ２の実測値および引張りせん断強さの測定値からわかるように、第１の接合構造体４０のほうが第２の接合構造体４１よりも巻き上げ高さが低く、第１の接合構造体４０の引張りせん断強さのほうが第２の接合構造体４１の引張りせん断強さよりも高い。
【００５３】
なお、摩擦攪拌接合の引張りせん断強さは、摩擦攪拌接合時の攪拌温度で比較することが好ましく、本実施例では、攪拌温度が約４５０℃のときのデータを示している。
【００５４】
以上より、摩擦攪拌接合をする接合部材として、異なる成分組成を有するアルミニウム合金を素材としたせん断強さの異なる２つの接合部材を使用し、かつ、せん断強さの高い接合部材の表面から接合ピンを挿入して摩擦攪拌接合する本発明によって、せん断強さの低い接合部材の表面から接合ピンを挿入して摩擦攪拌接合するよりも、接合部分に形成される巻き上げ高さを低く抑えることができ、接合強さを高めることが可能になる。
【００５５】
なお、本実施例においては、摩擦攪拌接合で接合する接合部材の素材としてアルミニウム合金のＡｌ−Ｍｇ系合金であるＡｌ−３Ｍｇと、アルミニウム合金のＡｌ−Ｓｉ系合金であるＡｌ−８Ｓｉ−０．３Ｍｇとを使用したが、摩擦攪拌接合で接合する接合部材のせん断強さが異なるという条件を満たせば、接合部材の素材とするアルミニウム合金の種類は限定されない。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】摩擦攪拌接合に使用する接合ツールの概略図である。
【図２】本発明の実施形態に係る摩擦攪拌接合方法の接合過程を示す概略図である。（ａ）は、高せん断部材を接合ピン側にして重ねたことを示す図、（ｂ）は、接合ピンによって塑性流動域が形成されることを示す図、（ｃ）は、ショルダ部が高せん断部材の表面に摺接するまで接合ピンを塑性流動域に挿入したことを示す図、（ｄ）は、接合ツールを高せん断部材の表面に平行に送ることを示す図である。
【図３】摩擦攪拌接合装置本体に、低せん断部材を接合ピン側にして重ねたことを示す図である。
【図４】摩擦攪拌接合の接合部分の顕微鏡写真である。（ａ）は、第１の接合構造体の接合部分の顕微鏡写真、（ｂ）は、第２の接合構造体の接合部分の顕微鏡写真である。
【符号の説明】
【００５７】
１    接合ツール
１０  接合ピン
２    高せん断部材
３    低せん断部材
２ｂ  塑性流動域
２０  接合面領域
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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