(57)【要約】【課題】ｒ値が高いプレス成形用アルミニウム合金板の成形性を低下させることのない摩擦攪拌接合方法を提供する。【解決手段】略円柱状の基部と、基部の被接合部材側に設けられたショルダー部と、ショルダー部の被接合部材側の表面から基部と同軸方向に垂下して設けられたプローブと、を備えた回転接合ツール３を用いたアルミニウム合金板の摩擦攪拌接合方法は、プローブの摩擦攪拌接合面の形状が略平面形状であり、回転接合ツール３の前進角が０°以上１．５°以下であり、回転接合ツール３の回転速度が７００ｒｐｍ以上３０００ｒｐｍ以下であり、接合速度が３００ｍｍ／ｍｉｎ以上１８００ｍｍ/ｍｉｎ以下であり、回転速度と接合速度との比が１．７以上３．０以下である条件下においてアルミニウム合金板を接合する。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
略円柱状の基部と、当該基部の被接合部材側に設けられたショルダー部と、当該ショルダー部の被接合部材側の表面から前記基部と同軸方向に垂下して設けられたプローブと、を備えた摩擦攪拌接合工具を用いたアルミニウム合金板の摩擦攪拌接合方法であって、
前記プローブの摩擦攪拌接合面の形状が略平面形状であり、
前記摩擦攪拌接合工具の前進角が０°以上１．５°以下であり、
前記摩擦攪拌接合工具の回転速度が７００ｒｐｍ以上３０００ｒｐｍ以下であり、
接合速度が３００ｍｍ／ｍｉｎ以上１８００ｍｍ/ｍｉｎ以下であり、
前記回転速度と前記接合速度との比が１．７以上３．０以下である、
条件下において接合する、ことを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
【請求項２】
前記アルミニウム合金板がＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金を温間異周速圧延して製造され、前記アルミニウム合金板の板厚が０．７ｍｍ以上２．０ｍｍ以下である、ことを特徴とする請求項１に記載の摩擦攪拌接合方法。
【請求項３】
前記アルミニウム合金板がＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金板であり、
前記アルミニウム合金板のＭｇ含有率が０．３％以上２．０％以下であり、
前記アルミニウム合金板のＳｉ含有率が０．３％以上２．５％以下であり、
前記アルミニウム合金板の｛４３２｝面の角度が、｛４３２｝面と板面とがなす平行な角度と１０°以内である結晶粒の面積比が０．１５以上であり、
前記アルミニウム合金板の｛１１１｝＜１１２＞、｛３３２｝＜１１３＞、｛２２１｝＜１１４＞および｛２２１｝＜１２２＞の各方位の方位密度のうち高いものをα、さらに｛００１｝＜１００＞及び｛００１｝＜１１０＞の方位密度の高い方をβとした時のα／βが２以上であり、
前記アルミニウム合金板の平均ランクフォード値が０．９以上である、ことを特徴とする請求項１または２に記載の摩擦攪拌接合方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車のボディーシート、その他各種車両用部品や、電子・電気機器のシャーシやパネルなどに使用される成形加工用の摩擦攪拌接合方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
自動車のボディーシートには、従来は冷延鋼板を使用することが多かったが、最近では地球温暖化防止の観点からＣＯ２の削減が求められ、それに伴って自動車の燃費向上が求められている。その対策として車体の軽量化は有効な方法であり、鋼板に比べて比重が小さく、比強度が大きいアルミニウム合金の車体への適用が多くなってきている。また、近年では部品点数の削減、部位毎の板厚の最適化を図ることによる車体の軽量化を目的として、同じ板厚又は異なる板厚の複数の板材を接合し、プレス成形するテーラードブランク技術の開発も進められている。
【０００３】
各種アルミニウム合金のうちでも、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金は、軽量であるばかりでなく、成形後の塗装焼付け処理時（ベーク時）に強度が向上するという焼付け硬化性、すなわちベークハード性（以下、ＢＨ性と記す）を有するところから、自動車のボディーシートなどのプレス成形部品素材として、その有用性が増大しつつある。自動車ボディーシート向けのＡｌ−Ｍｇ―Ｓｉ系合金としては、ＡＡ６０１６合金、ＡＡ６０２２合金あるいはＡＡ６１１１合金等のＴ４処理材が多用されている。
【０００４】
ところで、このような成形加工用素材のアルミニウム又はアルミニウム合金（以下アルミニウム合金）は、一般的にはＤＣ鋳造法によって鋳造して均質化処理を施し、続いて熱間圧延を行い、さらに冷間圧延を行い、その後に溶体化処理を行なう方法が適用されることが多い。しかし、このような一般的な方法によって製造されたアルミニウム合金板は、成形加工性、特に深絞り性が冷延鋼板と比べて低いことがあった。
【０００５】
成形加工性、とりわけ深絞り性の指標としては、ランクフォード値（ｒ値）が従来から広く使用されている。このランクフォード値、特に平均ランクフォード値（平均ｒ値）が高いほど深絞り性が優れていると判断される。ここで、平均ｒ値とは、圧延方向に対して、０°、４５°、９０°の各方向で測定したｒ値（ｒ０、ｒ４５、ｒ９０）の平均値であり、平均ｒ値＝（ｒ０+２×ｒ４５+ｒ９０）／４であらわされる値である。
【０００６】
成形加工用素材では、深絞り性が集合組織によって大きな影響を受けることが良く知られている。｛１００｝＜００１＞方位を有する結晶粒のｒ４５（圧延方向に対して４５°方向のｒ値）は、理論上はゼロであるため、｛１００｝＜００１＞方位を有する結晶粒が多く存在すると、ｒ４５が低下し、深絞り性が低下する。また、｛１００｝＜１１０＞方位を有する結晶粒のｒ０（圧延方向に対して０°方向のｒ値）及びｒ９０（圧延方向に対して９０°方向のｒ値）が、理論上はゼロであるため、｛１００｝＜１１０＞方位を有する結晶粒が多く存在する場合にも深絞り性が低下する。一方、｛１１１｝＜１１０＞、｛１１１｝＜１１２＞等の板面が｛１１１｝に平行な方位を有する結晶粒は、ｒ０、ｒ４５、ｒ９０はどれも２．０以上と平均ｒ値が高いため、板面が｛１１１｝に平行な方位を有する結晶粒が多く存在すると、深絞り性は向上する。
【０００７】
体心立方格子構造を有する冷延鋼板では、圧延集合組織の板面に平行な主方位面が｛１１１｝面となり、その｛１１１｝面の方位集積密度を高めることによって、平均ｒ値が上がり、深絞り性が向上することが知られている。そして、冷延鋼板では、冷間圧延・再結晶熱処理によって得られる結晶方位が前述のように｛１１１｝面であることから、｛１１１｝面の方位集積密度を高めて深絞り性を向上させることが容易であり、そのための方法も確立されている。再結晶焼鈍を行った低炭素鋼のｒ値は１．５以上の高い値を示すことが知られている。
【０００８】
これに対して面心立方格子構造を有するアルミニウム合金の場合は、一般的な方法によって加工熱処理を行えば、成形性向上に有効な｛１１１｝面が形成されないばかりでなく、むしろ成形性を阻害するキューブ（Ｃｕｂｅ）方位である｛１００｝＜００１＞方位が主方位となってしまい、平均ｒ値を充分に上げることができないことがあった。すなわち、アルミニウム合金板のｒ値が０．７程度と低い値となり、成形性、特に深絞り性を向上させることが困難となることがあった。そこで、アルミニウム合金板の成形性改善のために、キューブ方位密度を減少させる方策について種々の検討がなされてきた。
【０００９】
アルミニウム合金のせん断集合組織は、｛１１１｝＜１１０＞、｛００１｝＜１１０＞、｛１１１｝＜１１２＞、｛１１２｝＜１１０＞であり、常温（約２５℃）において、ひずみ量が小さい場合は主に｛１１１｝＜１１０＞方位、または｛１１１｝＜１１２＞方位が集積し、ひずみ量が大きい場合は｛００１｝＜１１０＞方位の集合組織が形成されることが知られている。また、高温（アルミニウム合金の融点の約６７％以上の温度）において、ひずみ量が小さい場合は｛１１１｝＜１１０＞方位または｛１１１｝＜１１２＞の集合組織が主に形成され、ひずみ量が大きい場合は｛１１２｝＜１１０＞方位の集合組織が形成されることが知られている。
【００１０】
アルミニウム合金板の成形性改善のため、近年、アルミニウム合金にせん断変形を与えることにより｛１１１｝集合組織を形成させて、平均ｒ値を高めることにより、深絞り性を向上させる技術が研究されている。
【００１１】
例えば非特許文献１では、｛１１１｝集合組織の材料でｒ値が高くなることの理論解析が開示されており、さらに｛１１１｝集合組織を形成するための具体的な手法として、熱間圧延と冷間圧延の中間的な温度で圧延する温間圧延や、圧延時における上下の圧延ロールの回転周速を異ならしめる異周速圧延を適用して、せん断変形を導入する方法が記載されている。
【００１２】
また、例えば特許文献１には、通常の熱間圧延後に、熱間、温間もしくは冷間で異周速圧延を適用することによる｛１１１｝方位の集積とそれによる深絞り性の改善が記載されている。また、特許文献２〜４には、温間異周速圧延を適用することによって、それぞれ｛１１１｝集合組織を形成して深絞り性を向上させる技術が記載されている。
【００１３】
特許文献１には、既知の製造工程に従って熱間圧延まで行なった板に対し、異周速圧延を行なうことが示されており、異周速圧延自体は熱間、温間、冷間のいずれでも良いとされている。また、特許文献２には、鋳塊に対して再結晶を伴う熱間圧延を行なって、得られた熱間圧延板（再結晶板）に対して温間で異周速圧延を行なうことが示されている。また、特許文献３においては、熱間圧延板、もしくは連続鋳造板などの鋳塊に対して、８５％以上の高圧下率で温間異周速圧延を施すことが示されている。さらに、特許文献４においては、温間異周速圧延の前工程として、通常の圧延により、βファイバーと称されるアルミニウム合金圧延集合組織として一般的な集合組織を安定的に形成し、その後に５０％以下の圧下率での温間異周速圧延を適用することによって、目的とする成形性に有利な集合組織を形成することが示されている。
【００１４】
上述のように、温間異周速圧延により、せん断変形を与えることが、アルミニウム合金における集合組織制御に有効であり、優れたプレス成型用アルミニウム合金板を製造することができることが示されている。温間異周速圧延材など｛１１１｝集合組織が制御された、成形性に優れるアルミニウム合金板が自動車のボディーシート等に適用されることが期待されている。
【００１５】
ところで、自動車ボディーシートにおいては、材料歩留まりの向上や、製造工程の簡略化、軽量化などを目的として、複数の板材を接合した後に、プレス加工や曲げ加工などが行なわれるテーラードブランク工法が適用されている。テーラードブランク工法は鋼板では広く採用されており、例えば自動車の内装パネル、サイドパネル等に用いられている。しかしながら、通常のアルミニウム合金板は前述のように鋼板に比べて成形性、特に深絞り性に劣ることがあるため、自動車へのアルミニウム板の適用部位は少なかった。しかし、温間異周速圧延材等の成形性に優れたアルミニウム合金板は様々な部位に使用されることが予想され、鋼板のようにテーラードブランク工法も適用されることが考えられる。
【００１６】
アルミニウム合金の一般的な接合方法であるＭＩＧ溶接、ＴＩＧ溶接、レーザー溶接といった溶融溶接によって接合してなる接合材では、接合部の組織は溶接凝固組織となり、被接合部材として上述のような温間異周速圧延材を用いた場合、被接合部材と接合部とが異なる集合組織となり、被接合部材が持っていた特性が失われてしまうことがあった。
【００１７】
一方、近年では、材料を溶融させずに固相状態のままで接合せしめる固相接合の一種である摩擦攪拌接合が各種アルミニウム合金材の接合に適用されることがある。摩擦攪拌接合方法は溶融溶接に比べて接合時の入熱量が小さく、強度低下も小さいことから、熱処理型アルミニウム合金（６０００系）を摩擦攪拌接合により接合し、健全な接合部を有する接合材を形成すると共に、かかる接合材の接合強度の更なる向上を目的として、接合部を強制冷却する条件（例えば、特許文献５参照）や、接合材に対して様々な温度で人工時効処理を実施する技術や、接合前に接合材に復元処理を実施する技術、接合後に再度溶体化処理を実施する技術もある（特許文献６〜１１）。また、集合組織ではないが、微細な結晶粒を持つ被接合部材の摩擦攪拌接合方法もある（特許文献７）。しかしながら、これらは摩擦攪拌接合によって接合することで接合時の入熱による結晶粒粗大化を抑制する技術であり、集合組織を制御する技術ではなかった。
【００１８】
一方、摩擦攪拌接合の接合部には主にせん断集合組織が形成されていることが非特許文献１〜６に開示されている。しかし、それぞれの非特許文献における実験で用いられている被接合部材の材質および板厚、回転接合ツールの形状、接合条件が異なるため、それぞれの非特許文献において提示されている集合組織が異なるうえ、せん断方向や、せん断面も異なっている。そのため、接合部に形成されるせん断集合組織は不明瞭なことがあった。さらに｛００１｝集合組織も観察されており、｛１１１｝集合組織が形成される条件が不明なことがあった。これは、通常の摩擦攪拌接合では、ツールの先端にあってショルダー部よりも径が小さいプローブにネジまたは溝が設けられており、接合時に発生する塑性流動はツールの回転方向の塑性流動に加えて、ネジ又は溝による上下方向の塑性流動が発生する上、このネジまたは溝による塑性流動は接合条件によりその大きさが変わるため、先行技術文献に記載されている摩擦攪拌接合のせん断集合組織のせん断面とせん断方向とが一定となっていないと考えられるからである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１９】
【特許文献１】特開２００３−３０５５０３号公報
【特許文献２】特開２００５−１３９４９５号公報
【特許文献３】特開２００８−００６４８４号公報
【特許文献４】特開２００８−０６３６２３号公報
【特許文献５】特開平１１−１０４８６０号公報
【特許文献６】特開２０００−６１６６３号公報
【特許文献７】特開２００２−３４６７７０号公報
【特許文献８】特開２００２−２９４３８１号公報
【特許文献９】特開２００５−１３８１２５号公報
【特許文献１０】特開２００５−１３１６７９号公報
【特許文献１１】特開２００５−１５２９４４号公報
【非特許文献】
【００２０】
【非特許文献１】軽金属学会第５０回シンポジウムテキスト、「再結晶・集合組織の解析と制御」（１９９６）、P１８
【非特許文献２】軽金属、第５０巻第７号（２０００）、P３３５〜３４０
【非特許文献３】軽金属、第５２巻第４号（２００２）、P１８５〜１８９
【非特許文献４】Scripta Materialia (2007), 57, P1052-1055
【非特許文献５】Metallurgical and Materials transactions A (2001), Vol.32A, April P941-948
【非特許文献６】軽金属、第５６巻第７号（２００６）、Ｐ３４７−３５３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
上述のように摩擦攪拌接合（Ｆｒｉｃｔｉｏｎ  Ｓｔｉｒ  Ｗｅｌｄｉｎｇ、以下ＦＳＷ）の変形モードはせん断変形であり、相当量のひずみが導入されると言われている。しかしながら、通常のＦＳＷにおいては、回転接合ツールのプローブにネジ溝が設けられているうえ、前進角も設定されているため、接合時の塑性流動は複雑である。そのため、せん断面、せん断方向は複雑であり、先行技術文献において報告されているものは、それぞれ、せん断面とせん断方向とが一定ではなかった。また、形成される集合組織も一定とはなっていなかった。
【００２２】
また、温間異周速圧延材により集合組織が制御され、板面が｛１１１｝に平行な集合組織を持つ被接合部材を接合した場合、溶融溶接においては、接合部は溶接凝固組織となり、摩擦攪拌接合においても安定して接合部に板面が｛１１１｝に平行な集合組織が形成されることが難しいことがあった。
【００２３】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、ｒ値が高いプレス成形用アルミニウム合金板の成形性を低下させることのない摩擦攪拌接合方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
上記目的を達成するため、本発明の摩擦攪拌接合方法は、
略円柱状の基部と、当該基部の被接合部材側に設けられたショルダー部と、当該ショルダー部の被接合部材側の表面から前記基部と同軸方向に垂下して設けられたプローブと、を備えた摩擦攪拌接合工具を用いたアルミニウム合金板の摩擦攪拌接合方法であって、
前記プローブの摩擦攪拌接合面の形状が略平面形状であり、
前記摩擦攪拌接合工具の前進角が０°以上１．５°以下であり、
前記摩擦攪拌接合工具の回転速度が７００ｒｐｍ以上３０００ｒｐｍ以下であり、
接合速度が３００ｍｍ／ｍｉｎ以上１８００ｍｍ/ｍｉｎ以下であり、
前記回転速度と前記接合速度との比が１．７以上３．０以下である、
条件下において接合する、ことを特徴とする。
【００２５】
前記アルミニウム合金板がＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金を温間異周速圧延して製造され、前記アルミニウム合金板の板厚が０．７ｍｍ以上２．０ｍｍ以下であってもよい。
【００２６】
前記アルミニウム合金板がＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金板であり、
前記アルミニウム合金板のＭｇ含有率が０．３％以上２．０％以下であり、
前記アルミニウム合金板のＳｉ含有率が０．３％以上２．５％以下であり、
前記アルミニウム合金板の｛４３２｝面の角度が、｛４３２｝面と板面とがなす平行な角度と１０°以内である結晶粒の面積比が０．１５以上であり、
前記アルミニウム合金板の｛１１１｝＜１１２＞、｛３３２｝＜１１３＞、｛２２１｝＜１１４＞および｛２２１｝＜１２２＞の各方位の方位密度のうち高いものをα、さらに｛００１｝＜１００＞及び｛００１｝＜１１０＞の方位密度の高い方をβとした時のα／βが２以上であり、
前記アルミニウム合金板の平均ランクフォード値が０．９以上であってもよい。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、ｒ値が高いプレス成形用アルミニウム合金板の成形性を低下させることのない摩擦攪拌接合方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の一実施形態に係る、ショルダー部が凹形状となっている回転接合ツールを示す模式図である。図１（ａ）は回転接合ツールを下側からみた模式図であり、図１（ｂ）はその断面模式図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る、ショルダー部に溝形状が設けられている回転接合ツールを示す模式図である。図２（ａ）は回転接合ツールを下側からみた模式図であり、図２（ｂ）はその断面模式図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る摩擦攪拌接合方法の一工程を示す模式図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る摩擦攪拌接合方法の一工程を示す模式図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る摩擦攪拌接合方法の一工程を示す模式図である。
【図６】本発明の一実施形態に係る摩擦攪拌接合方法の一工程を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、本発明を更に具体的に明らかにするために、本発明に係る摩擦攪拌接合方法について、図面を参照して詳細に説明する。本実施形態においては、板厚が同じ板状部材を直線状に繋ぎ合わせる形態について説明する。なお、本実施形態において、特にことわらない限り、「％」は質量％（ｍａｓｓ  ％）を示す。
【００３０】
本発明者は接合時の塑性流動を単純にするとともに、形成されるせん断集合組織のせん断面を板面と平行にするため、回転接合ツールのプローブにネジを設けず、かつ前進角も小さく設定して摩擦攪拌接合を行った。これは、プローブにネジを設けず、かつ前進角を小さくすることで、接合部の塑性流動が主に回転接合ツールの回転によるせん断変形モードになると考えられたためである。特に、板厚が０．７ｍｍ以上２．０ｍｍ以下である場合、板厚における温度勾配が小さくなる。さらに、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金（６０００系）において、板厚が０．７ｍｍ以上２．０ｍｍ以下のアルミニウム合金板の摩擦攪拌接合を行うことができる。そして、この回転接合ツールを用いて、小さな前進角で接合を行った接合部の組織を調査すると、せん断面は接合面（板面）、せん断方向はツール回転方向（板幅方向）となるせん断集合組織が形成されていることを本発明者は見出した。さらに、このせん断集合組織は、板厚全域での差異も小さいものであることを見出した。
【００３１】
ＦＳＷによってせん断面が接合面（板面）であるせん断集合組織が形成されることから、せん断集合組織を制御することで｛１１１｝集合組織を形成することが可能であることを本発明者は見出した。しかし、せん断集合組織には｛００１｝＜１１０＞成分も含まれており、ｒ値を低下させる成分が形成される場合がある。しかし、前述のように、アルミニウム合金のせん断集合組織が高温であれば、｛００１｝＜１１０＞成分が形成されにくいことから、本発明者は接合温度に注目した。
【００３２】
通常の摩擦攪拌接合において、回転速度および前進角を一定とした場合、接合速度を大きくすると単位長当たりの接合部への入熱量が減少するため接合温度は小さくなり、接合速度を小さくすると単位長当たりの接合部への入熱量が増加するため接合温度は大きくなることから、回転速度、前進角、および接合ツールの押込み量を一定とし、接合速度を変更し、接合部に形成される集合組織と接合速度との関係を本発明者は調査した。
【００３３】
回転速度および前進角が一定である場合、接合速度が小さい時には、接合部に形成される集合組織は板厚の全長にわたって｛１１１｝＜１１０＞または｛１１１｝＜１１２＞方位の集合組織が多く形成され、一部に｛１１２｝＜１１０＞方位の集合組織が形成される。しかしながら、接合速度が大きくなると、板厚の全長にわたって｛１１２｝＜１１０＞方位の集合組織と｛００１｝＜１１０＞方位の集合組織とが形成され、特に｛００１｝＜１１０＞方位の集合組織の集積が強くなった。
【００３４】
本発明者はさらに詳細な調査を行い、上記実験を様々な回転速度、前進角において行い、前進角を大きくした場合、せん断面が板面と平行ではなくなり、｛１１１｝＜１１０＞または｛１１１｝＜１１２＞方位のせん断集合組織が形成された場合でも、板面と｛１１１｝とが平行でなくなってしまい、前進角を小さくし過ぎると接合自体が困難となることを見出した。また、回転速度と接合速度との比がある一定の範囲になる摩擦攪拌接合を行うと、その接合部において｛１１１｝＜１１０＞または｛１１１｝＜１１２＞方位の集合組織が多く形成され、その範囲外においては｛００１｝＜１００＞または｛００１｝＜１１０＞方位の集合組織が形成されることを見出した。
【００３５】
まず、本発明の摩擦攪拌接合方法の接合対象となるアルミニウム合金について説明する。
【００３６】
本発明に好適なアルミニウム合金は、Ｍｇ：０．３％以上２．０％以下、Ｓｉ：０．３％以上２．５％以下を含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなる組成を有し、溶体化処理されたＴ４状態のＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金板であって、異周速圧延により、｛４３２｝面が板面と平行から１０°以内の範囲にある結晶粒の面積比が０．１５以上、かつ｛１１１｝＜１１２＞、｛３３２｝＜１１３＞、｛２２１｝＜１１４＞及び｛２２１｝＜１２２＞の各方位の方位密度のうち高い物をα、さらに｛００１｝＜１００＞及び｛００１｝＜１１０＞の方位密度の高い方をβとした時のα／βが２以上であり、平均ランクフォード値（平均ｒ値）が０．９以上となっている板厚が０．７ｍｍ以上２．０ｍｍ以下の高成形性アルミニウム合金である。
【００３７】
本実施形態におけるＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金の成分およびその好ましい含有率の範囲について説明する。
【００３８】
Ｍｇ（マグネシウム）：
Ｍｇは、Ｓｉとともに、析出硬化性、ＢＨ性及び強度、延性、成形性の向上に寄与する。Ｍｇの含有率が０．３％以上であると、ＢＨ性および強度がより十分となり、また延性や成形性もより十分となる。Ｍｇの含有率が２．０％以下であると、適切な強度を保つことができ、より高い成形性を維持できる。そのため、Ｍｇの含有率は、０．３％以上２．０％以下の範囲内であることが、より好ましい。
【００３９】
Ｓｉ（シリコン）：
Ｓｉは、Ｍｇとともに、強度やＢＨ性の向上に寄与する。Ｓｉの含有率が０．３％以上であると、ＢＨ性及び強度がより十分となる。Ｓｉの含有率が２．５％以下であると、適切な強度を保つことができ、より高い成形性と延性を維持できる。そのため、Ｓｉの含有率は、０．３％以上２．５％以下の範囲内であることが、より好ましい。
【００４０】
上述のように、板面と｛１１１｝面とが平行となる方位の結晶粒を多く形成すると平均ランクフォード値が向上するが、上述のような板面と｛１１１｝面とが平行となる方位以外の方位においても平均ｒ値の向上に効果がある。具体的には、板面と｛４３２｝面とが平行となる方位がそれに当たる。｛１１１｝および｛１００｝方位の結晶粒の制御だけでなく、この｛４３２｝方位の結晶粒をある面積以上で存在させることで、安定して高いｒ値が達成できる。本実施形態においては、これらの方位の範囲の結晶粒の面積率を０．１５以上とする。
【００４１】
｛１１１｝＜１１２＞方位は｛１１１｝方位の代表的なものであり、｛３３２｝＜１１３＞、｛２２１｝＜１１４＞及び｛２２１｝＜１２２＞は｛１１１｝方位に近い方位で、いずれも平均ｒ値を向上させる効果が著しい方位である。対して、｛００１｝＜１００＞および｛００１｝＜１１０＞は、平均ｒ値を減少させる可能性がある位置方位といえる。
【００４２】
本実施形態のＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金においては、｛１１１｝＜１１２＞、｛３３２｝＜１１３＞、｛２２１｝＜１１４＞および｛２２１｝＜１２２＞の各方位の方位密度のうち最も高いものをα、さらに｛００１｝＜１００＞および｛００１｝＜１１０＞の方位密度の高い方をβとした時のα／βが２以上である。これは平均ｒ値を向上させる効果の大きい方位の集積度を、平均ｒ値を減少させる方位に対して十分に高い集積度とすることで、高いｒ値を実現することを可能とするものである。｛００１｝＜１００＞及び｛００１｝＜１１０＞の方位密度が相対的に低ければ低いほど平均ｒ値の向上には、より有利である。
【００４３】
次に、本発明の摩擦攪拌接合方法に用いられる回転接合摩擦攪拌接合工具について説明する。
【００４４】
本発明の摩擦攪拌接合に用いられる回転接合ツール３（摩擦攪拌接合工具）は、図１および図２に示すように、略円柱状の基部３３と、基部３３の被接合部材側に設けられたショルダー部３２と、ショルダー部３２の表面から基部３３と同軸に垂下したプローブ３１とを有する。プローブ３１及びショルダー部３２の寸法および形状は、材料や接合条件等によって適宜選択される。プローブ３１の直径とショルダー部３２の直径との比は２対１から３対１の間となっている。プローブ３１の半径は被接合部材の板厚の１〜３倍程度となっている。また、プローブ３１にネジまたは溝は設けられておらず、プローブ３１の先端部分（摩擦攪拌接合面）は略平面形状となっている。また、回転接合ツール３の前進角は、０°以上１．５°以下の範囲に設定されている。ＦＳＷによるせん断変形におけるせん断面はショルダー部３２と平行になる傾向があるため、前進角が１．５°よりも大きい場合はせん断面と板面とが平行ではなくなり、０°より小さく設定すると接合自体が困難となるためである。
【００４５】
ショルダー部３２の形状は様々であり、バリの発生を抑えるために、ショルダー部３２の表面がプローブ３１に向かって１０°程度傾斜した凹形状になっていたり（図１（ａ）および図１（ｂ））、ショルダー部３２の表面に渦状溝（スクロール）が設けられている（図２（ａ）および図２（ｂ））。
【００４６】
以下、本実施形態に係る摩擦攪拌接合方法を説明する。
【００４７】
まず、接合される被接合部材１として、温間異周速圧延によって｛１１１｝集合組織が形成された、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金の板材１１および板材１２を用意する。次に、図３に示すように、突合せ面１１ａと突合わせ面１２ａとが密着するように突き合せて、突合わせ部Ｊを形成し、板材１１および板材１２を裏当て板材２の上に載置する。板材１１の裏面および板材１２の裏面を平坦な面位置にする。次いで、板材１１および板材１２を、クランプ等（不図示）によって裏当て板材２に対して固定する。
【００４８】
次に、図４に示すように、回転接合ツール３を図４中の矢印Ｙ１で示す方向に回転させながら図４中の矢印Ｙ２で示す方向に下降させ、板材１１と板材１２との突合わせ部Ｊにプローブ３１を挿入し、ショルダー部３２を突合わせ部Ｊの板材１１および板材１２の両方に押し付ける。この際、プローブ３１は、突合せ面１１ａと突合わせ面１２ａとに平行な方向に挿入される。
【００４９】
その後、図５に示すように、回転接合ツール３を図５中の矢印Ｙ３で示す接合方向に移動させる。ショルダー部３２は回転した状態で、板材１１および板材１２に接触する。これにより両方の板材１１および板材１２は加熱され、アルミニウム合金が塑性化して流動する。塑性流動したアルミニウム合金は、ショルダー部３２によって上から押さえつけられ、外部への飛散が防止される。また、プローブ３１が回転した状態で両方の板材１１および板材１２と接触することで、板材１１および板材１２のアルミニウム合金を塑性流動させるとともに、板材１１および板材１２を攪拌する役割を担う。このようにして、板材１１と板材１２との突合せ部Ｊが摩擦攪拌接合される。次に、図６に示すように、接合の全長に渡って摩擦攪拌接合した後、回転接合ツール３を板材１１と板材１２との突合せ部Ｊから図６中の矢印Ｙ４で示す方向に引き抜いて、摩擦攪拌接合工程を終了する。
【００５０】
接合時の回転接合ツール３の前進角は０°以上１．５°以下の範囲内に設定され、回転接合ツール３の回転速度は７００ｒｐｍ以上３０００ｒｐｍ以下、接合速度は３００ｍｍ／ｍｉｎ以上１８００ｍｍ/ｍｉｎ以下の範囲内に設定され、なおかつ回転速度と接合速度との比が１．７以上３．０以下の範囲となるように設定されている。ここで、回転速度と接合速度との比は、回転速度の数値を接合速度の数値で除したものである。上記接合条件の下で摩擦攪拌接合を行うことで、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金の深絞り性を低下させる｛００１｝＜１００＞方位、｛００１｝＜１１０＞方位の形成を抑制するとともに、深絞り性を向上させる、平均ｒ値が高い｛１１１｝＜１１０＞方位の集合組織の集積と、｛１１１｝＜１１２＞方位の集合組織の集積とを大きくできる接合温度を保つことができる。
【００５１】
上記接合条件の下でＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金板の摩擦攪拌接合が行われると、板材１１と板材１２との接合部の接合線（元の突合せ面）の板厚の中央部において、ランダム方位に対する｛００１｝＜１００＞方位を有する結晶粒の方位密度の比が５以下であり、ランダム方位に対する｛１１１｝＜１１０＞方位を有する結晶粒の方位密度の比と、ランダム方位に対する｛１１１｝＜１１２＞方位を有する結晶粒の方位密度の比の和が１０以上となっており、摩擦攪拌接合された被接合材のランクフォード値は０．８以上となり、深絞り性の指標である限界絞り比：ＬＤＲ（Ｌｉｍｉｔｉｎｇ  Ｄｒａｗｉｎｇ  Ｒａｔｉｏ）において、母材である温間異周速圧延材の９０％程度の成形性を有している摩擦攪拌接合されたＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金板を得ることができる。
【００５２】
上記の摩擦攪拌接合方法により得られたＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金摩擦攪拌接合材は優れた加工性を有し、自動車車体の外板用として好適に使用できる。
【００５３】
なお、この発明は上記実施の形態に限定されず、種々の変形及び応用が可能である。たとえば、本実施形態においては、板厚が０．７ｍｍ以上２．０ｍｍ以下のアルミニウム合金板を摩擦攪拌接合する形態について説明したが、それ以外の板厚のアルミニウム合金板を摩擦攪拌接合してもよい。
【００５４】
また、本実施形態においては、板厚が同じ板状部材を直線状に繋ぎ合わせる形態について説明したが、板厚が異なる板状部材を摩擦攪拌接合してもよいし、曲線状に繋ぎ合わせてもよい。
【００５５】
また、本実施形態においては、Ｍｇ：０．３％以上２．０％以下、Ｓｉ：０．３％以上２．５％以下を含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなる組成を有し、溶体化処理されたＴ４状態のＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金板であって、異周速圧延により、｛４３２｝面が板面と平行から１０°以内の範囲にある結晶粒の面積比が０．１５以上、かつ｛１１１｝＜１１２＞、｛３３２｝＜１１３＞、｛２２１｝＜１１４＞及び｛２２１｝＜１２２＞の各方位の方位密度のうち高い物をα、さらに｛００１｝＜１００＞及び｛００１｝＜１１０＞の方位密度の高い方をβとした時のα／βが２以上であり、平均ランクフォード値（平均ｒ値）が０．９以上となっている板厚が０．７ｍｍ以上２．０ｍｍ以下の高成形性アルミニウム合金を用いたが、それ以外のアルミニウム合金を用いてもよい。たとえば、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金以外のアルミニウム合金であってもよいし、｛４３２｝面が板面と平行から１０°以内の範囲にある結晶粒の面積比が０．１５未満であってもよいし、Ｍｇ（マグネシウム）の含有率が０．３％未満であってもよいし、２．０％超過であってもよいし、Ｓｉ（シリコン）の含有率が０．３％未満であってもよいし、２．５％超過であってもよい。
【００５６】
また、摩擦攪拌接合の前後に熱処理を施してもよい。例えば熱処理型合金のＴ４調質の被接合部材を用いた場合、接合後に時効処理を施し、接合時の入熱による強度が低下した熱影響部の強度を大きくする。または接合時の入熱による熱影響部の強度低下がクラスターまたはＧ．Ｐ．Ｚｏｎｅの再固溶によるものであるから、接合前に被接合部材を溶体化処理し、直ちに焼き入れ後、クラスター又はＧ．Ｐ．Ｚｏｎｅが再度析出される前に接合する等といった熱処理方法と併せて行っても良い。また、接合後に自然時効を行い、接合時の入熱によって再固溶したクラスターを再度析出させてもよい。これらの熱処理は接合部の強度に寄与する析出物の状態を変化させるための熱処理であって、本実施形態において形成された集合組織を変化させるものではない。
【実施例】
【００５７】
以下、実施例及び比較例を挙げて本発明を詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。また、特にことわらない限り、「％」は質量％（ｍａｓｓ  ％）を示す。
【００５８】
実施例１〜６、比較例１９〜２４の被接合部材として、板厚１．０ｍｍのアルミニウム合金Ａ（ＡＡ６０２２−Ｔ４）の板材を用いた。この板材は温間異周速圧延により｛１１１｝集合組織が制御されており、｛４３２｝面が板面と平行から１０°以内の範囲にある結晶粒の面積比が０．１８、かつ｛１１１｝＜１１２＞、｛３３２｝＜１１３＞、｛２２１｝＜１１４＞及び｛２２１｝＜１２２＞の各方位の方位密度のうち高いものをα、｛００１｝＜１００＞及び｛００１｝＜１１０＞の方位密度の高い方をβとした時のα／βが２．４となっている、摩擦攪拌接合前の平均ランクフォード値が１．１８である高成形性のプレス成形用のアルミニウム系合金の板材であった。
【００５９】
実施例７〜１２、比較例２５〜３０の被接合部材として、板厚２．０ｍｍのアルミニウム合金Ｂ（ＡＡ６０６１合金―Ｔ４）の板材を用いた。この板材は温間異周速圧延により｛１１１｝集合組織が制御されており、｛４３２｝面が板面と平行から１０°以内の範囲にある結晶粒の面積比が０．３８、かつ｛１１１｝＜１１２＞、｛３３２｝＜１１３＞、｛２２１｝＜１１４＞及び｛２２１｝＜１２２＞の各方位の方位密度のうち高いものをα、｛００１｝＜１００＞及び｛００１｝＜１１０＞の方位密度の高い方をβとした時のα／βが５．９となっている、摩擦攪拌接合前の平均ランクフォード値が１．０９である高成形性のプレス成形用のアルミニウム系合金の板材であった。
【００６０】
実施例１３〜１８、比較例３１〜３６の被接合部材として、板厚１．５ｍｍのアルミニウム合金Ｃ（ＡＡ６１１１合金―Ｔ４）の板材を用いた。この板材は温間異周速圧延により｛１１１｝集合組織が制御されており、｛４３２｝面が板面と平行から１０°以内の範囲にある結晶粒の面積比が０．３４、かつ｛１１１｝＜１１２＞、｛３３２｝＜１１３＞、｛２２１｝＜１１４＞及び｛２２１｝＜１２２＞の各方位の方位密度のうち高いものをα、｛００１｝＜１００＞及び｛００１｝＜１１０＞の方位密度の高い方をβとした時のα／βが６．１となっている、摩擦攪拌接合前の平均ランクフォード値が１．１１である高成形性のプレス成形用のアルミニウム系合金の板材であった。表１にこれら合金の各成分組成を示す。表２にこれら板材の｛４３２｝方位の結晶粒の面積比、α／β、平均ｒ値、ＬＤＲを示す。
【００６１】
【表１】
2012218001.tif 000003
【００６２】
【表２】
2012218001.tif 000004
【００６３】
以下、被接合部材の評価方法および試験方法を説明する。平均ｒ値は、引張試験機によってＪＩＳ５号試験片を圧延方向に対して０°、４５°及び９０°方向に引っ張り、７．５％ひずみ、１５％ひずみでの各方向のｒ値から算出した。さらに深絞り性は限界絞り比（ＬＤＲ、Ｌｉｍｉｔｉｎｇ  Ｄｒａｗｉｎｇ  Ｒａｔｉｏ）を測定して評価した。
【００６４】
集合組織の評価は、板厚全体を含む圧延方向断面でのＳＥＭ−ＥＢＳＰ測定によって行った。本実験では、観察総面積を１〜３ｍｍ２となるようにした。ＥＢＳＰ測定結果より、｛４３２｝方位からズレ角１０°以内の結晶粒の面積比と、規定される方位分布関数の比α／βとを算出した。これらの測定及び解析はＴＳＬソリューションズ社製のＥＢＳＰシステム及び解析ソフトを用いて行った。
【００６５】
摩擦攪拌接合を行うため、被接合部材の板材を幅１５０ｍｍ、長さ４００ｍｍにそれぞれ切断し、長辺同士を突合わせて接合し、接合後の形状が幅３００ｍｍ、長さ４００ｍｍとなるようにした。接合時の裏当て板として、板厚２．５ｍｍのＳＳ４００を用い、Ｕ字クランプを用いて、摩擦攪拌接合時に被接合部材が動かないように固定した。
【００６６】
ショルダー径が６．０ｍｍおよびプローブ径が２．０ｍｍの回転接合ツール、ショルダー径が７．０ｍｍおよびプローブ径が２．５ｍｍの回転接合ツール、ショルダー径が１０．０ｍｍおよびプローブ径が３．０ｍｍの回転接合ツールを用いた。回転接合ツールのショルダー部の形状として、プローブに向かって１０°傾斜したショルダー部表面が凹形状のものと（以下、凹形状）、摩擦攪拌接合に用いる回転接合ツールの回転方向に対して中心方向に向かっていく幅が１．０ｍｍで深さが０．５ｍｍの渦状の溝が２本設けられた形状（以下、スクロール）のものの２種類を用いた。プローブの形状としては、円柱形状、円柱の三面（１２０°毎）を０．２ｍｍ切削し、平面にした略六角形状、ネジ溝を設けたものの３種類を用いた。実施例１〜１８においては円柱形状のプローブまたは略六角形状のプローブのみを用い、比較例１９〜３６においては円柱形状のプローブまたは略六角形状のプローブに加えて、ネジ溝を設けたプローブも使用した。本実施例において使用した回転接合ツールの形状等について表３に示す。回転接合ツールの素材はＳＫＤ６１であり、熱処理後の回転接合ツール表面の硬さがＨＲＣ４５〜５２になるものを使用した。
【００６７】
【表３】
2012218001.tif 000005
【００６８】
上記の回転接合ツールを用いて、回転速度が７００ｒｐｍ以上３０００ｒｐｍ以下、接合速度が３００ｍｍ/ｍｉｎ以上２０００ｍｍ/ｍｉｎ以下、前進角が０°以上３．０°以下の範囲である条件下で、摩擦攪拌接合の実験を行った。実施例及び比較例における、被接合部材の合金符号、板厚、摩擦攪拌接合に用いる回転接合ツールの形状、および接合条件等を表３に示す。
【００６９】
上述のように摩擦攪拌接合して得られたそれぞれの摩擦攪拌接合板について性能を評価するため、接合材のランクフォード値を、引張試験機によってＪＩＳ５号試験片を接合板の接合線に対して９０度方向に引っ張り、７．５％ひずみでのｒ値のみを測定した。さらに深絞り性は、限界絞り比（ＬＤＲ）を測定して評価した。
【００７０】
集合組織の評価は、接合開始点から５０ｍｍの位置、接合中央部（２００ｍｍ）、接合終点から５０ｍｍの位置の３箇所から試験片を採取し、その試験片の接合部の中心における板厚中央の断面において、ＳＥＭ−ＥＢＳＰ測定によって行った。ＳＥＭ−ＥＢＳＰの測定結果によって、ランダム方位に対する｛００１｝＜１００＞方位と｛００１｝＜１１０＞方位との結晶粒の方位密度の比と、ランダム方位に対する｛１１１｝＜１１０＞方位と｛１１１｝＜１１２＞方位との結晶粒の方位密度の比とを算出した。これらの測定及び解析は、母材の測定と同様に、ＴＳＬソリューションズ社製のＥＢＳＰシステム及び解析ソフトを用いて行った。
【００７１】
表３に示すように、実施例１〜１８においては、摩擦攪拌接合条件は、回転速度と接合速度の比が１．７以上３．０以下であり、前進角が０°以上１．５°以下であり、かつ摩擦攪拌接合工具のプローブにネジまたは溝が設けられておらず、プローブ表面が略平面形状であった。実施例１〜１８における接合板の、接合方向に垂直な方向のランクフォード値（ｒ値）は０．８以上であり、ＬＤＲで表される深絞り性も母材の９０％以上の値を満たしており、母材の成形性の低下が抑制されていることがわかった。また、表３からわかるように、接合材の接合部の集合組織については、｛１１１｝方位の集合組織の形成が成形性向上に寄与していることがわかった。
【００７２】
一方、比較例１９〜２８、３０〜３２、３５〜３６においては、回転速度と接合速度との比が１．７以上３．０以下の範囲外であった。また、比較例２２〜２４、２６、３４〜３６においては、プローブにネジ溝が設けられており、回転接合ツールの摩擦攪拌接合面は略平面状ではなかった。比較例２９、３３においては、前進角が１．５°を超えていた。
【００７３】
表３に示すように、比較例１９〜３６における接合板の、接合方向に垂直な方向のｒ値は０．８未満であり、ＬＤＲで表される深絞り性も母材の９０％以下の値となっており、母材の成形性が低下していることがわかった。
【００７４】
比較例２２〜２４、２６、３４〜３６においては、プローブにネジ溝が設けられていたため、摩擦攪拌接合時に形成されるせん断集合組織のせん断面が板面から大きくずれてしまい、成形性が低下したと考えられる。前進角が１．５°超過に設定された比較例２９、３３においても、せん断面が板面から大きくずれてしまったために成形性が低下したと考えられる。
【産業上の利用可能性】
【００７５】
本発明は、アルミニウム合金板の摩擦攪拌接合に有用である。
【符号の説明】
【００７６】
１        被接合部材
２        裏当て材
３        回転接合ツール
１１      被接合部材１
１１ａ    突合せ面
１２      被接合部材２
１２ａ    突合せ面
３１      プローブ
３２      ショルダー部
３３      基部
Ｊ        突合せ部
Ｓ        スクロール
【図１】
2012218001.tif 000006
【図２】
2012218001.tif 000007
【図３】
2012218001.tif 000008
【図４】
2012218001.tif 000009
【図５】
2012218001.tif 000010
【図６】
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