(57)【要約】【課題】被接合部材の継手部に生じる隙間へ充填する粉末状接合材料の流出を確実に防ぎ、良好な摩擦攪拌接合を施すことが可能な接合方法を提案する。【解決手段】接合方法は、被接合部材の突き合わせ部に生じる隙間に通じるシール空間を準備し、シール空間を充填剤で塞ぎ、隙間に粉末状接合材料を充填し、略円柱形状のショルダ部とショルダ部の先端面から突出する突起とを備える接合用工具を回転させつつ突起を突き合わせ部に押し入れかつ先端面を突き合わせ部に押し付け、回転する接合用工具を突き合わせ部に沿って移動する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被接合部材の突き合わせ部に生じる隙間に通じるシール空間を準備し、
前記シール空間を充填剤で塞ぎ、
前記隙間に粉末状接合材料を充填し、
略円柱形状のショルダ部と前記ショルダ部の先端面から突出する突起とを備える接合用工具を回転させつつ前記突起を前記突き合わせ部に押し入れかつ前記先端面を前記突き合わせ部に押し付け、
回転する前記接合用工具を前記突き合わせ部に沿って移動することを特徴とする接合方法。
【請求項２】
前記シール空間は、前記接合用工具の押し付け方向にみて前記被接合部材が重なる部分にあることを特徴とする請求項１に記載の接合方法。
【請求項３】
前記充填剤は、前記接合用工具の移動方向にみて前記ショルダ部よりも幅広いことを特徴とする請求項１または２に記載の接合方法。
【請求項４】
前記充填剤は、接合時の熱影響部の外側にあることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の接合方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、接合方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、金属製の被接合部材を接合する接合方法である溶接やろう接に代わり、新しい接合方法として摩擦攪拌接合の開発、実用化が進められている。
【０００３】
摩擦攪拌接合は固相接合であり、溶接（溶融接合）やろう接（液相−固相反応接合）よりも低温で被接合部材を接合できるため、被接合部材の接合時の熱変形が小さく、接合部の酸化による接合不良が少ないなどの利点がある。
【０００４】
この摩擦攪拌接合は、ツールと呼ばれる円柱形状の接合用工具を準備し、この接合用工具を高速で回転させつつ被接合部材の継手部に押し付け、接合用工具と被接合部材（より詳しくは継手部）との間に生じる摩擦熱を利用して継手部の塑性流動を促し被接合部材を接合する。一般に、接合用工具は、外径の大きい一様な円柱状のショルダ部と、ショルダ部の先端面から突出するプローブと呼ばれる外径の小さい突起と、を備える。ショルダ部および突起は、略同軸線上に位置する。接合の際、接合用工具は、プローブを継手部に押し入れ、かつショルダ部の先端面を継手部に押し付ける状態で継手部に沿って移動する。被接合部材は、接合用工具との摩擦熱によって軟化しながらも固相を維持しつつ塑性流動して接合する。
【０００５】
ところで、摩擦攪拌接合は、所謂ギャップ裕度が厳しく、継手部（一般には突き合わせ）の隙間の大きさが極めて重要であり、許容範囲はゼロまたはゼロに近い値であることを求められる。しかしながら、隙間の大きさをゼロに近づけることは難しく、手間や費用も必要になるため、隙間に粉末状接合材料を充填して摩擦攪拌接合を行う接合方法が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−２９９５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
継手部の隙間に粉末状接合材料を充填して摩擦攪拌接合を行う従来の接合方法は、平板状の被接合部材の隙間に粉末状接合材料を充填し接合を行う。したがって、被接合部材を保持し、かつ粉末状接合材料の流出を防ぐため、継手部の裏側に平板状の保持治具を当てておく必要がある。
【０００８】
このような従来の接合方法を中空な被接合部材に適用する場合、継手部に生じる隙間に粉末状接合材料を充填し、保持する観点で課題があり、また、摩擦攪拌接合にともなう粉末状接合材料の流出を防がなければ良好な接合を得ることが難しい。しかも、粉末状接合材料が中空部に流出してしまうと、これを除去することが困難になり、残留する粉末状接合材料が接合品の機能不良や塗装不良などの原因になる虞もある。
【０００９】
そこで、本発明は、被接合部材の継手部に生じる隙間へ充填する粉末状接合材料の流出を確実に防ぎ、良好な摩擦攪拌接合を施すことが可能な接合方法を提案する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記の課題を解決するため本発明に係る接合方法は、被接合部材の突き合わせ部に生じる隙間に通じるシール空間を準備し、前記シール空間を充填剤で塞ぎ、前記隙間に粉末状接合材料を充填し、略円柱形状のショルダ部と前記ショルダ部の先端面から突出する突起とを備える接合用工具を回転させつつ前記突起を前記突き合わせ部に押し入れかつ前記先端面を前記突き合わせ部に押し付け、回転する前記接合用工具を前記突き合わせ部に沿って移動することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、被接合部材の継手部に生じる隙間へ充填する粉末状接合材料の流出を確実に防ぎ、良好な摩擦攪拌接合を施すことが可能な接合方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施形態に係る接合方法を示すフローチャート。
【図２】本発明の実施形態に係る接合方法を施す被接合部材の一例を部分的に示す斜視図。
【図３】本発明の実施形態に係る接合方法を施す被接合部材の一例を部分的に示す断面図。
【図４】本発明の実施形態に係る接合方法を施す被接合部材および充填剤の一例を部分的に示す断面図。
【図５】本発明の実施形態に係る接合方法の一例を部分的に示す断面図。
【図６】本発明の実施形態に係る接合方法の他の例を部分的に示す断面図。
【図７】本発明の実施形態に係る接合方法を施す被接合部材の一例を示す斜視図。
【図８】本発明の実施形態に係る接合方法を施す被接合部材の一例を部分的に示す断面図。
【図９】本発明の実施形態に係る接合方法による接合品の検査結果を示す図。
【図１０】本発明の実施形態に係る接合方法による接合品を示す図。
【図１１】本発明の実施形態に係る接合方法による接合品を示す図。
【図１２】本発明の実施形態に係る接合方法による接合品を示す図。
【図１３】本発明の実施形態に係る接合方法による接合品を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明に係る接合方法の実施の形態について、図１から図１３を参照して説明する。
【００１４】
図１は、本発明の実施形態に係る接合方法を示すフローチャートである。
【００１５】
図１に示すように、本実施形態に係る接合方法は、被接合部材準備工程Ｓ１と、突き合わせ工程Ｓ２と、シーリング工程Ｓ３と、粉末状接合材料充填工程Ｓ４と、摩擦攪拌接合工程Ｓ５と、を備える。
【００１６】
被接合部材準備工程Ｓ１は、被接合部材の突き合わせ部に生じる隙間に通じるシール空間を準備する工程である。被接合部材は一対ある。被接合部材の突き合わせ面は精度が低く、突き合わせると隙間を生じてしまう。
【００１７】
一対の被接合部材は、突き合わせ部の隙間に通じるシール空間を有する。シール空間は、突き合わせ部の隙間に連続する空間であり、一対の被接合部材を隔てる空間であって、シーリング工程Ｓ３における充填剤の充填以前は、単に突き合わせ部の隙間が摩擦攪拌接合工程Ｓ５における接合範囲外に延びているに過ぎない。
【００１８】
突き合わせ工程Ｓ２は、それぞれの被接合部材の突き合わせ面を接触させて継手部としての突き合わせ部を形成する工程である。
【００１９】
シーリング工程Ｓ３は、シール空間を充填剤で塞ぐ工程である。
【００２０】
粉末状接合材料充填工程Ｓ４は、突き合わせ部の隙間に粉末状接合材料を充填する工程である。粉末状接合材料は隙間に充填可能な粒径の粉体であり、被接合部材の材料と同じであっても良いし、異なっていても良い。
【００２１】
摩擦攪拌接合工程Ｓ５は、被接合部材の突き合わせ部を摩擦攪拌接合で接合する工程である。摩擦攪拌接合は、一般にツールと呼ばれる接合用工具を使用する。接合用工具は、略円柱形状のショルダ部と、ショルダ部の先端面から突出する突起と、を備える。摩擦攪拌接合は、接合用工具を回転させつつ接合用工具の突起を被接合部材の突き合わせ部に押し入れ、かつショルダ部の先端面を被接合部材の突き合わせ部に押し付け、この後、回転する接合用工具を突き合わせ部に沿って移動することで一対の被接合部材を接合する。
【００２２】
次に、被接合部材準備工程Ｓ１で準備する被接合部材について説明する。
【００２３】
図２は、本発明の実施形態に係る接合方法を施す被接合部材の一例を部分的に示す斜視図である。
【００２４】
図３は、本発明の実施形態に係る接合方法を施す被接合部材の一例を部分的に示す断面図である。
【００２５】
なお、図３は、被接合部材の長手軸方向断面を示す図であり、突き合わせ工程Ｓ２で突き合わせた状態を示す図である。
【００２６】
図２および図３に示すように、本実施形態に係る接合方法を施す被接合部材５、６の一例は中空部材である。被接合部材５および被接合部材６は摩擦攪拌接合を施す平面部分を備える範囲において直管でも曲管でも良く、また、単なる平板でも良い。被接合部材５、６は、アルミニウム合金、マグネシウム合金、銅合金、鉄鋼材料、マトリックス金属としてアルミニウム、マグネシウム、チタンおよびこれらの合金と強化材料として繊維や粒子を含む金属基複合材料など、摩擦攪拌接合が可能な材料で形成した部材である。被接合部材５、６は、同種材料であっても異種材料であっても良い。
【００２７】
被接合部材５は少なくとも１つの平板部７を有する中空な管であり、例えば角管である。平板部７は被接合部材６に突き合わせる突き合わせ面８を有する。突き合わせ面８は被接合部材５の開口端面９の一部である。
【００２８】
被接合部材６は、少なくとも１つの平板部１１を有する中空な管部１２と、管部１２の端部に連接する嵌入部１３と、を備える。
【００２９】
管部１２は被接合部材５とほぼ同様な断面形状を有する管であり、例えば角管である。管部１２は被接合部材５の開口端面９に向かい合う端面１５を有する。平板部１１は被接合部材５の突き合わせ面８に突き合わさる突き合わせ面１６を有する。突き合わせ面１６は被接合部材６の端面１５の一部である。
【００３０】
嵌入部１３は、被接合部材５に嵌め込み可能であり、被接合部材５の内面１７を臨む側面１８を有する。被接合部材５の内面１７と嵌入部１３の側面１８とを隔てる空間はシール空間１９である。シール空間１９は、接合用工具の押し付け方向（図３中、実線矢Ｆ）にみて被接合部材５、６が重なる部分にある。嵌入部１３は、被接合部材５と協働してシール空間１９を形成する一方、摩擦攪拌接合における所謂ツール荷重を支える。
【００３１】
嵌入部１３を被接合部材５に嵌め込んで被接合部材６の端面１５に被接合部材５の開口端面９を突き合わせると、突き合わせ面８および突き合わせ面１６は隙間２１が生じた継手部としての突き合わせ部２２になる。隙間２１はシール空間１９に連続している。なお、隙間２１は突き合わせ面８および突き合わせ面１６の面精度の都合上生じるものでも良いし、意図的に生じさせるものでも良い。
【００３２】
次に、シーリング工程Ｓ３においてシール空間１９を充填剤２３で塞いだ状態について説明する。
【００３３】
図４は、本発明の実施形態に係る接合方法を施す被接合部材および充填剤の一例を部分的に示す断面図である。
【００３４】
図４に示すように、本実施形態に係る充填剤２３は被接合部材５、６の隙間２１の奥側に連続するシール空間１９を塞ぐ。充填剤２３は、摩擦攪拌接合時の熱影響に対する耐性を満足する接着剤であれば良く、例えばエポキシ系の耐熱性接着剤である。充填剤２３は隙間２１に充填する粉末状接合材料が隙間から流出することを防ぐためのシーリングである。
【００３５】
充填剤２３は、先ず嵌入部１３の側面１８に硬化前の充填剤２３を適量塗布し、この後に嵌入部１３を被接合部材５に嵌め込んで被接合部材６の端面１５に被接合部材５の開口端面９を突き合わせ、硬化を待って形成する。なお、硬化前の充填剤２３の塗布位置はシール空間１９を臨むいずれの面であっても良く、すなわち硬化前の充填剤２３を被接合部材６の内面１７に塗布しても良い。
【００３６】
また、充填剤２３は、注射針のような細管を使用して、被接合部材６と被接合部材５との突き合わせ後に隙間２１側からシール空間１９に硬化前の充填剤２３を供給して形成しても良い。
【００３７】
次に、粉末状接合材料充填工程Ｓ４および摩擦攪拌接合工程Ｓ５について説明する。
【００３８】
図５は、本発明の実施形態に係る接合方法の一例を部分的に示す断面図である。
【００３９】
図５に示すように、本実施形態に係る接合方法は、突き合わせ部２２の隙間２１に粉末状接合材料２５を充填し、粉末状接合材料２５ごと突き合わせ部２２に摩擦攪拌接合を施して被接合部材５、６を接合する。
【００４０】
粉末状接合材料２５は、被接合部材５、６と同様にアルミニウム合金、マグネシウム合金、銅合金、鉄鋼材料、マトリックス金属としてアルミニウム、マグネシウム、チタンおよびこれらの合金と強化材料として繊維や粒子を含む金属基複合材料やセラミックスなど、摩擦攪拌接合が可能な材料で形成した粉末あるいは粒子である。粉末状接合材料２５は、被接合部材５、６に比べて同種材料であっても異種材料であっても良い。粉末状接合材料２５は、摩擦攪拌接合前の隙間２１を埋める。平均粒径を０．３ｍｍ以下にすることで隙間２１を充填する粉末状接合材料２５の密度が高まり、摩擦攪拌接合時の欠陥を防止しやすい。
【００４１】
摩擦攪拌接合に使用する接合用工具２６は、摩擦攪拌接合装置（図示省略）で使用する摩擦攪拌接合用工具であり、摩擦攪拌接合装置に接続する円柱形状の軸部２７と、軸部２７の先端面２７ａから突出する突起２８と、を備える。先端面２７ａを含む軸部２７の先端部分をショルダ部２９と呼ぶ。
【００４２】
突起２８は、プローブと呼ばれる部分であり、ねじ状の溝（図示省略）を有する。
【００４３】
摩擦攪拌接合工程Ｓ５は、先ず、被接合部材５、６あるいは突き合わせ部２２から遠隔する接合用工具２６の回転を開始し（図５中、実線で示す結合用工具２６）、この後、回転する接合用工具２６を突き合わせ部２２に押し付け、突起２８を突き合わせ部２２に押し込み、ショルダ部２９を突き合わせ部２２に押し付けて被接合部材５、６を摩擦熱によって軟化しながらも固相を維持しつつ塑性流動を促し（図５中、二点鎖線で示す結合用工具２６）、さらに接合用工具２６を突き合わせ部２２に沿って移動して摩擦攪拌接合を施す。
【００４４】
ここで、充填剤２３および接合用工具２６に着目すると、充填剤２３は、接合用工具２６の移動方向（図５を示す紙面に直交する方向）にみてショルダ部２９よりも幅広く、接合用工具２６を突き合わせ部２２に押し付ける力（所謂ツール荷重）によって粉末状接合材料２５を介して充填剤２３へ力が加わっても、この荷重に耐えて粉末状接合材料２５の流出を確実に防ぐ。
【００４５】
また、充填剤２３は、接合時の熱影響部ＨＡＺの外側にあり、熱影響による強度低下を回避する。例えば、被接合部材５、６がアルミニウム合金の場合、接合時に生じる熱は最高でも約４００℃から約４５０℃であり、充填剤２３を熱影響部ＨＡＺの外側に配置することで熱影響による強度低下を回避できる。また、充填剤２３に耐熱温度２５０℃以上の耐熱性接着剤を使用することで接合時の熱影響に対する耐性はさらに高まる。
【００４６】
図６は、本発明の実施形態に係る接合方法の他の例を部分的に示す断面図である。
【００４７】
図６に示すように、本実施形態にかかる接合方法は、シール空間１９を隔てる被接合部材５の内面１７および嵌入部１３の側面１８の少なくとも一方を凹凸形状にすることで充填剤２３の接着面積を増加し、被接合部材５、６と充填剤２３との接着力を高めて粉末状接合材料２５の流出をより確実に防ぐことができる。
【００４８】
次に、本実施形態に係る接合方法の具体例について説明する。
【００４９】
図７は、本発明の実施形態に係る接合方法を施す被接合部材の一例を示す斜視図である。
【００５０】
図８は、本発明の実施形態に係る接合方法を施す被接合部材の一例を部分的に示す断面図である。
【００５１】
図７および図８に示すように、被接合部材５Ａ、６Ａは摩擦攪拌接合を施す平面を有する平板である。被接合部材５Ａ、６Ａのそれぞれは、アルミニウム合金（ＪＩＳ  Ｈ  ４０４０：Ａ６０６１）を材料とし、機械加工による一体成形品である。
【００５２】
被接合部材５Ａは略一様な平板であるが、隙間２１を模擬する切り欠き部３１を備える。
【００５３】
被接合部材６Ａは嵌入部１３を模擬する鍔部３２を備える。
【００５４】
鍔部３２は、被接合部材５Ａの下面３３を臨む上面３５を有する。被接合部材５Ａの下面３３（被接合部材５の内面１７に相当する。）と鍔部３２の上面３５（嵌入部１３の側面１８に相当する。）とを隔てる空間はシール空間１９である。また、ツール荷重を支えるに当たり嵌入部１３に比べて鍔部３２の剛性が不十分な場合、鍔部３２と協働してツール荷重を支える保持治具Ｊを使用する。
【００５５】
被接合部材５Ａ、６Ａの板厚ｔは、約５ｍｍ、約４．５ｍｍ、約４ｍｍおよび約３．５ｍｍの４種類から選択した。隙間２１の寸法Ｇ１（被接合部材５Ａの突き合わせ面８と被接合部材６Ａの突き合わせ面１６との距離）は、約１ｍｍ、約２ｍｍ、約３ｍｍおよび約４ｍｍの４種類から選択した。また、シール空間１９の寸法Ｇ２（被接合部材５Ａの下面３３と鍔部３２の上面３５との距離）も、約１ｍｍ、約２ｍｍ、約３ｍｍおよび約４ｍｍの４種類から選択した。
【００５６】
粉末状接合材料２５として平均粒径約０．３ｍｍのアルミニウム粉末を使用した。
【００５７】
充填剤２３は耐熱温度２５０℃のエポキシ系耐熱性接着剤である。
【００５８】
接合用工具２６は、合金工具鋼鋼材（ＪＩＳ  Ｇ  ４４０４：ＳＫＤ６１）を材料とし、突起２８の直径が約６ｍｍ、突起２８の突出長さが約５．５ｍｍ、先端面２７ａの直径が約１４ｍｍの形状を有する。
【００５９】
また、摩擦攪拌接合における接合用工具２６の使用条件は、回転速度約１２００ｒｐｍ、送り速度約１００ｍｍ／分である。
【００６０】
これらの条件の下、粉末状接合材料２５の充填の有無、充填剤２３の有無を組み合わせて被接合部材５Ａ、６Ａに本実施形態に係る接合方法を施した。
【００６１】
図９は、本発明の実施形態に係る接合方法による接合品の検査結果を示す図である。
【００６２】
図１０から図１３は、本発明の実施形態に係る接合方法による接合品を示す図である。
【００６３】
なお、図１０は隙間２１の寸法Ｇ１＝約１ｍｍ、粉末状接合材料２５の充填あり、充填剤２３なしの条件による接合品の外観を示す図である。図１１は隙間２１の寸法Ｇ１＝約３ｍｍ、粉末状接合材料２５の充填あり、充填剤２３ありの条件による接合品の外観を示す図である。図１２は図１１の接合品の断面を示す図である。図１３は隙間２１の寸法Ｇ１＝約４ｍｍ、粉末状接合材料２５の充填あり、充填剤２３ありの条件による接合品の外観を示す図である。
【００６４】
図１０から図１３に示すように、粉末状接合材料２５の充填のなしおよび充填剤２３なしの条件では隙間２１の寸法Ｇ１＝約１ｍｍでも隙間２１に溝状の欠陥がある。
【００６５】
他方、本実施形態に係る接合方法であり、粉末状接合材料２５の充填のありおよび充填剤２３ありの条件では隙間２１の寸法Ｇ１＝約３ｍｍでも隙間２１に欠陥のない良好な接合が得られギャップ裕度が高まっている。また、隙間２１を埋める粉末状接合材料２５は、摩擦攪拌接合によって被接合部材５Ａ、６Ａに一体化しているものの、熱影響が不十分になる充填剤２３近傍のシール空間１９内において一部が粉末状態のまま残留しているが充填剤２３によってシール空間１９外へ流出することはない。
【００６６】
なお、本実施形態に係る接合方法であっても、隙間２１の寸法Ｇ１＝約４ｍｍでは隙間２１に溝状の欠陥を生じてしまう。
【００６７】
本実施形態に係る接合方法は、被接合部材５、６の隙間２１に粉末状接合材料２５を充填することでギャップ裕度を高める一方、シール空間１９を充填剤２３で塞ぎ粉末状接合材料２５の流出を妨げて粉末状接合材料２５によるギャップ裕度の向上効果を確実に発揮する。
【００６８】
また、本実施形態に係る接合方法は、シール空間１９を接合用工具２６の押し付け方向にみて被接合部材５、６が重なる部分にあり、接合用工具から被接合部材５、６に作用するツール荷重を支えることができるので、中空材であっても摩擦攪拌接合を施すことができる。
【００６９】
さらに、本実施形態に係る接合方法は、接合用工具２６のショルダ部２９よりも充填剤２３を幅広にすることによって、隙間２１の粉末状接合材料２５の流出をより確実に妨げて粉末状接合材料２５によるギャップ裕度の向上効果をより確実に発揮する。
【００７０】
さらにまた、本実施形態に係る接合方法は、充填剤２３を摩擦攪拌接合の熱影響部ＨＡＺの外側に配置することによって、摩擦攪拌接合の熱影響から充填剤２３を保護し、劣化を防いで粉末状接合材料２５の流出をさらに確実に妨げて粉末状接合材料２５によるギャップ裕度の向上効果を発揮する。
【００７１】
したがって、本実施形態に係る接合方法によれば、被接合部材５、６の継手部に生じる隙間２１へ充填する粉末状接合材料２５の流出を確実に防ぎ、良好な摩擦攪拌接合を施すことが可能である。
【符号の説明】
【００７２】
５、５Ａ、６、６Ａ  被接合部材
７  平板部
８  突き合わせ面
９  開口端面
１１  平板部
１２  管部
１３  嵌入部
１５  端面
１６  突き合わせ面
１７  内面
１８  側面
１９  シール空間
２１  隙間
２２  突き合わせ部
２３  充填剤
２５  粉末状接合材料
２６  接合用工具
２７  軸部
２７ａ  先端面
２８  突起
２９  ショルダ部
３１  切り欠き部
３２  鍔部
３３  下面
３５  上面
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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