(57)【要約】【課題】金属部材同士の位置決めが容易であるとともに、摩擦攪拌中に金属部材同士が離間するのを防ぐ接合方法を提供する。【解決手段】攪拌ピンを備えた回転ツールを用いて第一金属部材１及び第二金属部材２を接合する接合方法であって、第一金属部材１の端面１ａの第一孔３にピン１０を押入するピン固定工程と、第一金属部材１の端面１ａと第二金属部材２の裏面２ｃとを突き合わせるとともに、第二孔４にピン１０を押入する突合せ工程と、第二金属部材２の表面２ｂ側から回転する攪拌ピンを挿入し、第一金属部材１と第二金属部材２とが突き合わされた突合せ部Ｊ１を摩擦攪拌接合する摩擦攪拌接合工程と、を含むことを特徴とする。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
攪拌ピンを備えた回転ツールを用いて第一金属部材及び第二金属部材を接合する接合方法であって、
前記第一金属部材の端面の第一孔及び前記第二金属部材の裏面の第二孔のいずれか一方にピンを押入するピン固定工程と、
前記第一金属部材の端面と前記第二金属部材の裏面とを突き合わせるとともに、前記第一孔及び前記第二孔のいずれか他方に前記ピンを押入する突合せ工程と、
前記第二金属部材の表面側から回転する前記攪拌ピンを挿入し、前記第一金属部材と前記第二金属部材とが突き合わされた突合せ部を摩擦攪拌接合する摩擦攪拌接合工程と、を含むことを特徴とする接合方法。
【請求項２】
前記摩擦攪拌接合工程において、前記第一金属部材及び前記第二金属部材とともに前記ピンを摩擦攪拌接合す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】
攪拌ピンを備えた回転ツールを用いて第一金属部材及び第二金属部材を接合する接合方法であって、
前記第一金属部材の表面の第一孔及び前記第二金属部材の裏面の第二孔のいずれか一方にピンを押入するピン固定工程と、
前記第一金属部材の表面と前記第二金属部材の裏面とを重ね合せるとともに、前記第一孔及び前記第二孔のいずれか他方に前記ピンを押入する重ね合せ工程と、
前記第一金属部材の裏面側及び前記第二金属部材の表面側の少なくとも一方から回転する前記攪拌ピンを挿入し、前記第一金属部材の表面と前記第二金属部材の裏面とが重ね合わされた重合部を摩擦攪拌接合する摩擦攪拌接合工程と、を含むことを特徴とする接合方法。
【請求項４】
前記摩擦攪拌接合工程において、前記第一金属部材及び前記第二金属部材とともに前記ピンを摩擦攪拌接合することを特徴とする請求項３に記載の接合方法。
【請求項５】
前記重ね合せ工程の前に、前記第一金属部材の表面及び前記第二金属部材の裏面の少なくとも一方に流体が流通する溝又は凹部を設けることを特徴とする請求項３又は請求項４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、金属部材同士を摩擦攪拌で接合する接合方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１，２には、金属部材同士を正面視Ｔ字状に突き合わせ、突合せ部を摩擦攪拌接合する技術が開示されている。当該従来技術は、第一金属部材の端面を、第二金属部材の裏面に形成された凹溝に挿入した後、第二金属部材の表面側から回転ツールを挿入して突合せ部を摩擦攪拌接合するというものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第３９４７２７１号公報
【特許文献２】特許第４０５６５８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来技術であると、第一金属部材の端面を第二金属部材の凹溝に挿入する形態であるため、第一金属部材の長手方向に両部材が相対移動する。これにより、金属部材同士の位置決めが困難になるという問題がある。また、摩擦攪拌を行う際に、第二金属部材が第一金属部材に対して浮き上がるように離間し、接合欠陥の原因となるおそれがある。
【０００５】
このような観点から、本発明は、金属部材同士の位置決めが容易であるとともに、摩擦攪拌中に金属部材同士が離間するのを防ぐ接合方法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】
【０００６】
このような課題を解決するために本発明は、攪拌ピンを備えた回転ツールを用いて第一金属部材及び第二金属部材を接合する接合方法であって、前記第一金属部材の端面の第一孔及び前記第二金属部材の裏面の第二孔のいずれか一方にピンを押入するピン固定工程と、前記第一金属部材の端面と前記第二金属部材の裏面とを突き合わせるとともに、前記第一孔及び前記第二孔のいずれか他方に前記ピンを押入する突合せ工程と、前記第二金属部材の表面側から回転する前記攪拌ピンを挿入し、前記第一金属部材と前記第二金属部材とが突き合わされた突合せ部を摩擦攪拌接合する摩擦攪拌接合工程と、を含むことを特徴とする。
【０００７】
また、本発明は、攪拌ピンを備えた回転ツールを用いて第一金属部材及び第二金属部材を接合する接合方法であって、前記第一金属部材の表面の第一孔及び前記第二金属部材の裏面の第二孔のいずれか一方にピンを押入するピン固定工程と、前記第一金属部材の表面と前記第二金属部材の裏面とを重ね合せるとともに、前記第一孔及び前記第二孔のいずれか他方に前記ピンを押入する重ね合せ工程と、前記第一金属部材の裏面側及び前記第二金属部材の表面側の少なくとも一方から回転する前記攪拌ピンを挿入し、前記第一金属部材の表面と前記第二金属部材の裏面とが重ね合わされた重合部を摩擦攪拌接合する摩擦攪拌接合工程と、を含むことを特徴とする。
【０００８】
第一孔及び第二孔にピンを押入すると、第一金属部材に対して第二金属部材が移動不能となる。つまり、ピンによって両金属部材を位置決めすることができる。また、第一孔及び第二孔にピンを押入すると、摩擦攪拌中に第一金属部材と第二金属部材とが離間することを防ぐことができる。
【０００９】
また、前記摩擦攪拌接合工程において、前記第一金属部材及び前記第二金属部材とともに前記ピンを摩擦攪拌接合することが好ましい。
【００１０】
突合せ工程又は重ね合せ工程後は、第一孔と、第二孔と、ピンとの間に微細な隙間が存在するが、摩擦攪拌によって第一金属部材、第二金属部材及びピンが塑性流動化される。これにより当該隙間が塑性流動材で充填されるため、水密性及び気密性を高めることができる。
【００１１】
また、前記重ね合せ工程の前に、前記第一金属部材の表面及び前記第二金属部材の裏面の少なくとも一方に流体が流通する溝又は凹部を設けることが好ましい。かかる接合方法によれば、内部に流体が流通する中空部を備えた構造物を容易に形成することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係る接合方法によれば、金属部材同士の位置決めが容易になるとともに、摩擦攪拌中に金属部材同士が離間するのを防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第一実施形態に係る第一金属部材及び第二金属部材を接合した後を示す斜視図である。
【図２】第一実施形態に係るピン固定工程を示す斜視図であって、（ａ）は押入前を示し、（ｂ）は押入後を示す。
【図３】第一実施形態に係る突合せ工程を示す図であって、（ａ）は突合せ前を示す側面図であり、（ｂ）は突合せ後を示す断面図である。
【図４】第一実施形態に係る摩擦攪拌接合工程を示す図であって、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は断面図である。
【図５】第一実施形態の変形例を示す断面図である。
【図６】本発明の第二実施形態に係る伝熱板を示す斜視図である。
【図７】第二実施形態に係るピン固定工程を示す斜視図である。
【図８】第二実施形態に係る重ね合せ工程を示す断面図である。
【図９】第二実施形態に係る摩擦攪拌接合工程を示す図であって、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は断面図である。
【図１０】本発明の第三実施形態に係るピン固定工程を示す斜視図である。
【図１１】第三実施形態に係る重ね合せ工程を示す断面図である。
【図１２】第三実施形態に係る摩擦攪拌接合工程を示す図であって、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は断面図である。
【図１３】本発明の第四実施形態に係る構造物を示す斜視図である。
【図１４】第四実施形態に係るピン固定工程を示す斜視図である。
【図１５】第四実施形態に係る突合せ工程を示す断面図である。
【図１６】第四実施形態に係る摩擦攪拌接合工程を示す図であって、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
［第一実施形態］
本発明の第一実施形態に係る接合方法について図面を参照して詳細に説明する。図１に示すように、本実施形態に係る接合方法では、第一金属部材１と第二金属部材２とを正面視Ｔ字状に突合せて摩擦攪拌により接合する。
【００１５】
第一金属部材１及び第二金属部材２は、いずれも板状を呈する。第一金属部材１及び第二金属部材２の板厚は、異なるように形成してもよいが、本実施形態では同一である。第一金属部材１及び第二金属部材２は、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金、チタン、チタン合金、 マグネシウム、マグネシウム合金等の摩擦攪拌可能な金属から適宜選択される。
【００１６】
本実施形態に係る接合方法では、孔形成工程と、ピン固定工程と、突合せ工程と、摩擦攪拌接合工程とを行う。孔形成工程は、図２の（ａ）に示すように、第一金属部材１の端面１ａに第一孔３を形成する工程である。また、孔形成工程では、図３の（ａ）に示すように、第二金属部材２の裏面２ｃに第二孔４を形成する工程である。孔形成工程では、第一孔３及び第二孔４は、第一金属部材１又は第二金属部材２の対応する位置にそれぞれ形成する。第一孔３及び第二孔４は、本実施形態では３つ形成しているが、個数を限定するものではない。
【００１７】
第一孔３及び第二孔４の形状は、後記するピン１０に合わせて形成すればよく、本実施形態では円柱状を呈する。第一孔３及び第二孔４は、エンドミル等で切削加工によって形成してもよいし、ダイキャストによって第一金属部材１及び第二金属部材２に予め形成してもよい。
【００１８】
ピン固定工程は、図２の（ａ）及び（ｂ）に示すように、第一金属部材１の第一孔３又は第二金属部材２の第二孔４にピン１０を押入（圧入）する工程である。本実施形態のピン固定工程では、第一金属部材１の第一孔３にピン１０を押入する。ピン１０の中空部は、円柱状を呈する。ピン１０の外径は、第一孔３及び第二孔４の内径と略同等に形成されており、第一孔３及び第二孔４にピン１０を押入すると簡単には抜けない大きさになっている。言い換えると、第一孔３、第二孔４及びピン１０は、後記する摩擦攪拌接合工程を行った際に、第一孔３とピン１０及び第二孔４とピン１０にそれぞれ作用する摩擦力によって第一金属部材１と第二金属部材２とが離間しないように形成されている。
【００１９】
ピン１０の長さは、第一孔３及び第二孔４の深さの１／２程度になっている。したがって、図２（ｂ）に示すように、第一孔３にピン１０を押入すると、ピン１０の長手方向の半分は外部に露出する。
【００２０】
突合せ工程は、図３の（ａ）及び（ｂ）に示すように、第一金属部材１の端面１ａと第二金属部材２の裏面２ｃとを突き合わせるとともに、第一孔３及び第二孔４のいずれかに、ピン１０を押入する工程である。突合せ工程は、本実施形態では、第二孔４にピン１０を押入する。図３の（ａ）に示すように、第一金属部材１の端面１ａから突出するピン１０と第二孔４とをそれぞれ対向配置させ、第一金属部材１の端面１ａと第二金属部材２の裏面２ｃとを突き合わせつつ、第二孔４にピン１０を押入する。図３の（ｂ）に示すように、第一金属部材１の端面１ａと第二金属部材２の裏面２ｃとが突き合わされることによって突合せ部Ｊ１が形成される。
【００２１】
摩擦攪拌接合工程は、図４の（ａ）及び（ｂ）に示すように、第二金属部材２の表面２ｂ側から回転する回転ツールＦを挿入し、第一金属部材１と第二金属部材２とが突き合わされた突合せ部Ｊ１を摩擦攪拌接合する工程である。回転ツールＦは、ショルダ部Ｆ１と、攪拌ピンＦ２とで構成されている。ショルダ部Ｆ１は、円柱状を呈する。ショルダ部Ｆ１の下端面は凹状になっている。
【００２２】
攪拌ピンＦ２は、ショルダ部Ｆ１から垂下しており、ショルダ部Ｆ１と同軸になっている。攪拌ピンＦ２はショルダ部Ｆ１から離間するにつれて先細りになっている。攪拌ピンＦ２の外周面には螺旋溝Ｆ３が刻設されている。本実施形態では、回転ツールＦを右回転させるため、螺旋溝Ｆ３は、基端から先端に向かうにつれて左回りに形成されている。言い換えると、螺旋溝Ｆ３は、螺旋溝Ｆ３を基端から先端に向けてなぞると上から見て左回りに形成されている。
【００２３】
なお、回転ツールＦを左回転させる場合は、螺旋溝Ｆ３を基端から先端に向かうにつれて右回りに形成することが好ましい。言い換えると、この場合の螺旋溝Ｆ３は、螺旋溝Ｆ３を基端から先端に向けてなぞると上から見て右回りに形成されている。螺旋溝Ｆ３をこのように設定することで、摩擦攪拌の際に塑性流動化した金属が螺旋溝Ｆ３によって攪拌ピンＦ２の先端側に導かれる。これにより、被接合金属部材（第一金属部材１、第二金属部材２）の外部に溢れ出る金属の量を少なくすることができる。
【００２４】
摩擦攪拌接合工程では、図４の（ａ）に示すように、第二金属部材２の表面２ｂに設定された開始位置Ｓｐ１に回転ツールＦの攪拌ピンＦ２を挿入する。そして、回転ツールＦを突合せ部Ｊ１の延長方向に沿って相対移動させる。図４の（ｂ）に示すように、回転ツールＦの移動軌跡には塑性化領域Ｗが形成される。回転ツールＦの挿入深さは、攪拌ピンＦ２の先端が突合せ部Ｊ１に達するように設定することが好ましく、さらには攪拌ピンＦ２の先端が第一孔３の底面に達するように設定することがより好ましい。攪拌ピンＦ２の先端が、突合せ部Ｊ１に達しないように設定する場合は、第二金属部材２と攪拌ピンＦ２との摩擦熱によって突合せ部Ｊ１の周囲の金属が塑性流動化して第一金属部材１と第二金属部材２とが接合するようにする。
【００２５】
また、ショルダ部Ｆ１の下端面を第二金属部材２に数ミリ程度押し込んで摩擦攪拌を行うことが好ましい。これにより、塑性流動化した金属がショルダ部Ｆ１の下端面で押さえられてバリの発生を低減することができる。
【００２６】
特許請求の範囲の「前記摩擦攪拌接合工程において、前記第一金属部材及び前記第二金属部材とともに前記ピンを摩擦攪拌接合する」とは、摩擦攪拌によって形成される塑性化領域Ｗが第一金属部材１、第二金属部材２及びピン１０のいずれにも接触している状態を意味する。
【００２７】
なお、摩擦攪拌接合工程が終了したら、第二金属部材２の表面２ｂに発生したバリを除去するバリ除去工程を行うことが好ましい。これにより、表面２ｂをきれいに仕上げることができる。
【００２８】
以上説明した本実施形態に係る接合方法によれば、第一孔３及び第二孔４にピン１０を押入すると、第一金属部材１に対して第二金属部材２を移動不能にすることができる。これにより、簡易な方法で両金属部材を位置決めすることができる。また、第一孔３及び第二孔４にピン１０を押入すると、摩擦攪拌接合中に第一金属部材１と第二金属部材２とが離間するのを防ぐことができる。これにより、第一金属部材１と第二金属部材２とが離間することに伴う接合不良を防ぐことができる。
【００２９】
また、突合せ工程後は、第一孔３と、第二孔４と、ピン１０との間に微細な隙間が存在する。本実施形態のように、第一金属部材１及び第二金属部材２とともにピン１０を摩擦攪拌接合することで、第一金属部材１、第二金属部材２及びピン１０が塑性流動化される。これにより当該隙間が塑性流動材で充填されるため、水密性及び気密性を高めることができる。
【００３０】
また、摩擦攪拌接合工程では、少なくとも突合せ部Ｊ１が摩擦攪拌されることで第一金属部材１と第二金属部材２とが接合されればよい。しかし、本実施形態のように、第一孔３、第二孔４の位置を、回転ツールＦの移動軌跡上に設定することにより、全ての第一孔３、第二孔４及びピン１０を一パスで摩擦攪拌接合することができる。これにより、製造サイクルを向上することができる。
【００３１】
以上本発明の第一実施形態について説明したが、本発明の趣旨に反しない範囲で適宜設計変更が可能である。図５は、第一実施形態の変形例を示す断面図である。図５の変形例に示すように、第一金属部材１と第二金属部材２とを正面視Ｌ字状に突き合わせてもよい。変形例に係る接合方法は、第一実施形態と略同等であるため説明を省略する。
【００３２】
［第二実施形態］
次に、本発明の第二実施形態に係る接合方法について説明する。図６に示すように、本実施形態では、第一金属部材２１と第二金属部材２２とを摩擦攪拌により接合して伝熱板（構造物）２０を形成する。伝熱板２０の内部には水等の流体が流通する中空部が形成されている。第一金属部材２１及び第二金属部材２２は、摩擦攪拌可能な金属で形成されている。
【００３３】
図７に示すように、第一金属部材２１は、直方体を呈する。第一金属部材２１の表面２１ａには、平面視Ｕ字状を呈する溝２５が形成されている。また、表面２１ａにおいて、溝２５の周囲には、複数の第一孔２３が形成されている。第一孔２３の個数は特に制限されないが、本実施形態では１４個形成されている。
【００３４】
図７に示すように、第二金属部材２２は、板状を呈する。第二金属部材２２の平面形状は、第一金属部材２１の平面形状と同一になっている。第二金属部材２２の裏面２２ｂには、第一孔２３に対応する第二孔２４が形成されている。
【００３５】
次に、本実施形態に係る接合方法について説明する。本実施形態に係る接合方法では、孔形成工程と、ピン固定工程と、重ね合せ工程と、摩擦攪拌接合工程とを行う。孔形成工程は、第一金属部材２１に第一孔２３を形成するとともに、第二金属部材２２に第二孔２４を形成する工程である。孔形成工程では、第一孔２３と第二孔２４とが対応する位置に形成されていればよいが、本実施形態では、後記する摩擦攪拌接合工程における回転ツールＦの移動軌跡上に第一孔２３及び第二孔２４を形成する。第一孔２３、第二孔２４及ピン１０の大きさ、形状等については第一実施形態と同一であるため詳細な説明は省略する。
【００３６】
ピン固定工程は、第一金属部材２１の第一孔２３又は第二金属部材２２の第二孔２４にピン１０を押入（圧入）する工程である。本実施形態のピン固定工程では、第一金属部材２１の各第一孔２３にピン１０をそれぞれ押入する。ピン固定工程は、第一実施形態と略同等の要領で全ての第一孔２３にピン１０を押入する。
【００３７】
重ね合せ工程は、図８に示すように、第一金属部材２１の表面２１ａと第二金属部材２２の裏面２２ｂとを重ね合わせるとともに、第一孔２３又は第二孔２４のいずれかにピン１０を押入する工程である。重ね合せ工程は、本実施形態では、第二孔２４にピン１０を押入する。第一金属部材２１の表面２１ａから突出するピン１０と第二孔２４とをそれぞれ対向配置させ、第一金属部材２１の表面２１ａと第二金属部材２２の裏面２２ｂとを重ね合わせつつ、第二孔２４にピン１０を押入する。第一金属部材２１の表面２１ａと第二金属部材２２の裏面２２ｂとが重ね合わされて重合部Ｊ２が形成される。
【００３８】
摩擦攪拌接合工程は、図９の（ａ）及び（ｂ）に示すように、第二金属部材２２の表面２２ａ側から回転する回転ツールＦを挿入し、第一金属部材２１と第二金属部材２２とが重ね合わされた重合部Ｊ２を摩擦攪拌接合する工程である。
【００３９】
摩擦攪拌接合工程では、図９の（ａ）に示すように、第二金属部材２２の表面２２ａに設定された開始位置Ｓｐ１に回転ツールＦの攪拌ピンＦ２を挿入する。そして、回転ツールＦを溝２５の周囲に沿って一周させる。回転ツールＦの移動軌跡には塑性化領域Ｗが形成される。回転ツールＦを一周させたら、終了位置Ｅｐ１（開始位置Ｓｐ１と同じ位置）で回転ツールＦを第二金属部材２２から離脱させる。つまり、塑性化領域Ｗは溝２５の周りを囲むように形成され、その始端と終端とが重複している。これにより、伝熱板２０の水密性及び気密性を高めることができる。
【００４０】
図９の（ｂ）に示すように、回転ツールＦの挿入深さは、攪拌ピンＦ２の先端が重合部Ｊ２に達するように設定することが好ましい。また、ショルダ部Ｆ１の下端面を第二金属部材２２に数ミリ程度押し込んで摩擦攪拌を行うことが好ましい。これにより、塑性流動化した金属がショルダ部Ｆ１の下端面で押さえられてバリの発生を低減することができる。なお、攪拌ピンＦ２の先端は、重合部Ｊ２に達しないように設定してもよい。この場合は、第二金属部材２２と攪拌ピンＦ２との摩擦熱によって重合部Ｊ２の周囲の金属が塑性流動化して第一金属部材２１と第二金属部材２２とが接合するように攪拌ピンＦ２の挿入深さを設定する。図９の（ｂ）における回転ツールＦの横方向の位置は、塑性流動化した金属が溝２５に流入しないように設定することが好ましい。以上の工程によって伝熱板２０が完成する。
【００４１】
なお、摩擦攪拌接合工程が終了したら、第二金属部材２２の表面２２ａに発生したバリを除去するバリ除去工程を行うことが好ましい。これにより、表面２２ａをきれいに仕上げることができる。
【００４２】
以上説明した本実施形態に係る接合方法によれば、第一孔２３及び第二孔２４にピン１０を押入すると、第一金属部材２１に対して第二金属部材２２を移動不能にすることができる。これにより、簡易な方法で両部材を位置決めすることができる。また、第一孔２３及び第二孔２４にピン１０を押入すると、摩擦攪拌接合中に第一金属部材２１と第二金属部材２２とが離間することに伴う接合不良を防ぐことができる。
【００４３】
また、重ね合せ工程後は、第一孔２３と、第二孔２４と、ピン１０との間に微細な隙間が存在する。本実施形態のように、第一金属部材２１及び第二金属部材２２とともにピン１０を摩擦攪拌接合することで、第一金属部材２１、第二金属部材２２及びピン１０が塑性流動化される。これにより当該隙間が塑性流動材で充填されるため、水密性及び気密性を高めることができる。
【００４４】
また、摩擦攪拌接合工程では、少なくとも重合部Ｊ２が摩擦攪拌接合されることで第一金属部材２１と第二金属部材２２とが接合されればよい。しかし、本実施形態のように、第一孔２３、第二孔２４の位置を、回転ツールＦの移動軌跡上に設定することにより、全ての第一孔２３、第二孔２４及びピン１０を一パスで摩擦攪拌接合することができる。これにより、製造サイクルを向上することができる。
【００４５】
また、摩擦攪拌接合工程の回転ツールＦの回転方向及び進行方向は、適宜設定すればよいが、回転ツールＦを右回転させた場合は、進行方向右側に溝２５が位置するように設定することが好ましい。回転ツールＦを右回転させた場合は、進行方向左側に空洞欠陥が形成されるおそれがあるが、本実施形態によれば溝２５から遠い位置に空洞欠陥が形成される。これにより、伝熱板２０の水密性及び気密性をより高めることができる。なお、回転ツールＦを左回転させた場合は、進行方向左側に溝２５が位置するように回転ツールＦの進行方向を設定することが好ましい。
【００４６】
［第三実施形態］
次に、本発明の第三実施形態に係る接合方法について説明する。図１０に示すように、本実施形態では、第一金属部材３１と第二金属部材３２とを摩擦攪拌により接合して伝熱板（構造物）３０を形成する。伝熱板３０の内部には水等の流体が流通する中空部が形成されている。第一金属部材３１及び第二金属部材３２は、摩擦攪拌可能な金属で形成されている。
【００４７】
図１０に示すように、第一金属部材３１は、底部３３と、周壁部３４と、支持部３５とを有する。底部３３は、平面視矩形の板状部である。周壁部３４は、底部３３の周縁から立ち上がる壁である。周壁部３４は、矩形枠状を呈する。支持部３５は、底部３３から立ち上がる壁である。支持部３５は、周壁部３４の一方の壁に連続し、対向する他方の壁に向けて延設されている。支持部３５の延設方向の先端は、他方の壁と離間している。底部３３、周壁部３４及び支持部３５によって平面視Ｕ字状の溝３６が形成されている。
【００４８】
周壁部３４の内周縁には、段差部３７が形成されている。段差部３７は、段差底面３７ａと、段差底面３７ａから立ち上がる段差側面３７ｂとで構成されている。段差底面３７ａは、支持部３５の端面３５ａと面一になっている。支持部３５の端面３５ａには、第一孔３８が形成されている。第一孔３８の個数は特に制限されないが、本実施形態では三つ形成されている。
【００４９】
第二金属部材３２は、板状を呈する。第二金属部材３２の平面形状は、段差底面３７ａの外周縁と同一の形状になっている。第二金属部材３２の厚さは、段差側面３７ｂの高さと同一になっている。第二金属部材３２の裏面３２ｂには、第一孔３８に対応する第二孔３９が形成されている。
【００５０】
次に、本実施形態に係る接合方法について説明する。本実施形態に係る接合方法は、孔形成工程と、ピン固定工程と、重ね合せ工程と、摩擦攪拌接合工程とを行う。孔形成工程は、第一金属部材３１に第一孔３８を形成するとともに、第二金属部材３２に第二孔３９を形成する工程である。第一孔３８、第二孔３９及びピン１０の大きさ、形状等については第一実施形態と同一であるため詳細な説明は省略する。
【００５１】
ピン固定工程は、第一金属部材３１の第一孔３８又は第二金属部材３２の第二孔３９にピン１０を押入（圧入）する工程である。本実施形態のピン固定工程では、第一金属部材３１の各第一孔３８にピン１０をそれぞれ押入する。ピン固定工程は、第一実施形態と略同等の要領でピン１０を押入する。
【００５２】
重ね合せ工程は、図１１に示すように、第一金属部材３１の段差底面３７ａと第二金属部材３２の裏面３２ｂとを重ね合わせるとともに、第一孔３８又第二孔３９のいずれかにピン１０を押入する工程である。重ね合せ工程は、本実施形態では第二孔３９にピン１０を押入する。支持部３５の端面３５ａから突出するピン１０と第二孔３９とを対向配置させ、第一金属部材３１の段差底面３７ａと第二金属部材３２の裏面３２ｂとを重ね合わせる。さらに、重ね合せ工程では、支持部３５の端面３５ａと第二金属部材３２の裏面３２ｂとを重ね合わせつつ、第二孔３９にピン１０を押入する。
【００５３】
第一金属部材３１の段差底面３７ａと第二金属部材３２の裏面３２ｂとを重ね合わされた領域と、支持部３５の端面３５ａと第二金属部材３２の裏面３２ｂとを重ね合わされた領域とで重合部Ｊ３が形成される。また、第一金属部材３１の段差側面３７ｂと第二金属部材３２の側面３２ｃとが突き合わされて突合せ部Ｊ４が形成される。
【００５４】
摩擦攪拌接合工程は、図１２の（ａ）及び（ｂ）に示すように、第二金属部材３２の表面３２ａ側から回転する回転ツールＦを挿入し、重合部Ｊ３及び突合せ部Ｊ４を摩擦攪拌接合する工程である。
【００５５】
摩擦攪拌接合工程では、図１２の（ａ）に示すように、第二金属部材３２の表面３２ａに設定された開始位置Ｓｐ１に回転ツールＦの攪拌ピンＦ２を挿入する。開始位置Ｓｐ１は、支持部３５の延長方向先端に対応する位置に設定している。そして、回転ツールＦを支持部３５の延長方向に沿って相対移動させる。回転ツールＦの移動軌跡には塑性化領域Ｗが形成される。回転ツールＦが突合せ部Ｊ４の中間点ｐ２に到達したら、突合せ部Ｊ４に沿って回転ツールＦを相対移動させる。回転ツールＦを第二金属部材３２の周りに一周させたら、中間点ｐ２を通過させた後、回転ツールＦを第二金属部材３２から離脱させる。つまり、塑性化領域Ｗは、溝３６を囲むように形成され、中間点ｐ２付近で一周目の塑性化領域Ｗと二週目の塑性化領域Ｗとが一部重複している。これにより、伝熱板３０の水密性及び気密性を高めることができる。
【００５６】
図１２の（ｂ）に示すように、回転ツールＦの挿入深さは、攪拌ピンＦ２の先端が重合部Ｊ３に達するように（端面３５ａ及び段差底面３７ａに達するように）設定することが好ましい。また、ショルダ部Ｆ１の下端面を第二金属部材３２に数ミリ程度押し込んで摩擦攪拌を行うことが好ましい。これにより、塑性流動化した金属がショルダ部Ｆ１の下端面で押さえられてバリの発生を低減することができる。なお、攪拌ピンＦ２の先端は、重合部Ｊ３に達しないように設定してもよい。この場合は、第二金属部材３２と攪拌ピンＦ２との摩擦熱によって重合部Ｊ３の周囲の金属が塑性流動化して接合される。図１２の（ｂ）における回転ツールＦの横方向の位置は、塑性流動化した金属が溝３６に流入しないように設定することが好ましい。以上の工程によって伝熱板３０が完成する。
【００５７】
なお、摩擦攪拌接合工程が終了したら、第二金属部材３２の表面３２ａに発生したバリを除去するバリ除去工程を行うことが好ましい。これにより、表面３２ａをきれいに仕上げることができる。
【００５８】
仮に、ピン１０を備えていない構成であると、寸法誤差の影響で第一金属部材３１の段差側面３７ｂと第二金属部材３２との間に隙間が生じ、摩擦攪拌中に第一金属部材３１と第二金属部材３２との位置がずれてしまうおそれがある。しかし、以上説明した本実施形態に係る接合方法によれば、第一孔３８及び第二孔３９にピン１０を押入すると、第一金属部材３１に対して第二金属部材３２を移動不能にすることができる。これにより、簡易な方法で両部材を位置決めすることができる。また、第一孔３８及び第二孔３９にピン１０を押入すると、摩擦攪拌中に第一金属部材３１と第二金属部材３２とが離間することに伴う接合不良を防ぐことができる。
【００５９】
また、重ね合せ工程後は、第一孔３８と、第二孔３９と、ピン１０との間に微細な隙間が存在する。本実施形態のように、第一金属部材３１及び第二金属部材３２とともにピン１０を摩擦攪拌接合することで、第一金属部材３１、第二金属部材３２及びピン１０が塑性流動化される。これにより当該隙間が塑性流動材で充填されるため、水密性及び気密性を高めることができる。
【００６０】
また、摩擦攪拌接合工程では、少なくとも重合部Ｊ３及び突合せ部Ｊ４が攪拌接合されることで第一金属部材３１と第二金属部材３２とが接合されればよい。しかし、本実施形態のように、第一孔３８、第二孔３９の位置を、回転ツールＦの移動軌跡上に設定することにより、全ての第一孔３８、第二孔３９及びピン１０を一パスで摩擦攪拌接合することができる。これにより、製造サイクルを向上することができる。
【００６１】
また、摩擦攪拌接合工程の回転ツールＦの回転方向及び進行方向は、適宜設定すればよいが、回転ツールＦを右回転させた場合は、進行方向右側に溝３６が位置するように設定することが好ましい。回転ツールＦを右回転させた場合は、進行方向左側に空洞欠陥が形成されるおそれがあるが、本実施形態によれば溝３６から遠い位置に空洞欠陥が形成される。これにより、伝熱板３０の水密性及び気密性を高めることができる。なお、回転ツールＦを左回転させた場合は、進行方向左側に溝３６が位置するように回転ツールＦの進行方向を設定することが好ましい。
【００６２】
［第四実施形態］
次に、本発明の第四実施形態に係る接合方法ついて説明する。図１３に示すように、本実施形態では、一対の第一金属部材４１，４２と、一対の第二金属部材４３，４４とを摩擦攪拌により接合して構造物４０を形成する。第一金属部材４１，４２及び第二金属部材４３，４４は、摩擦攪拌可能な金属で形成されている。
【００６３】
図１４に示すように、第一金属部材４１は、板状を呈する。第一金属部材４１の表端面４１ａには、３個の第一孔４６が形成されている。第一孔４６は、第二金属部材４４の第二孔４８と対応する位置に形成されている。第一金属部材４１の裏端面４１ｂには、３個の第一孔４７が形成されている。第一孔４７は、第二金属部材４３の第二孔４５と対応する位置に形成されている。第一金属部材４２は、第一金属部材４１と同じ構造になっているため詳細な説明は省略する。
【００６４】
図１４に示すように、第二金属部材４３は、薄板状を呈する。第二金属部材４３には、板厚方向に貫通する第二孔４５が形成されている。第二孔４５の個数は特に制限されないが、本実施形態では第一金属部材４１，４２の第一孔４７に対応する位置に６個形成している。第二金属部材４４は、薄板状を呈する。第二金属部材４４には、板厚方向に貫通する第二孔４８が形成されている。第二孔４８の個数は特に制限されないが、本実施形態では第一金属部材４１，４２の第一孔４６に対応する位置に６個形成している。
【００６５】
第二孔４５の深さ（第二金属部材４３の板厚）と第一孔４７の深さの和は、ピン１０の長さと同一になっている。第二孔４８の深さ（第二金属部材４４の板厚）と第一孔４６の深さの和は、ピン１０の長さと同一になっている。
【００６６】
次に、本実施形態に係る接合方法について説明する。本実施形態に係る接合方法は、孔形成工程と、ピン固定工程と、突合せ工程と、摩擦攪拌接合工程とを行う。孔形成工程は、第一金属部材４１の表端面４１ａ及び第一金属部材４２の表端面４２ａに第一孔４６をそれぞれ形成するとともに、第一金属部材４１の裏端面４１ｂ及び第一金属部材４２の裏端面４２ｂに第一孔４７をそれぞれ形成する工程である。また、孔形成工程は、第二金属部材４３に第二孔４５をそれぞれ形成するとともに、第二金属部材４４に第二孔４８をそれぞれ形成する工程である。
【００６７】
ピン固定工程は、対向する第一孔４７及び第二孔４５のいずれか、対向する第一孔４６及び第二孔４８のいずれかにピン１０を押入（圧入）する固定である。本実施形態のピン固定工程では、第二金属部材４３の第二孔４５にピン１０をそれぞれ押入する。また、ピン固定工程では、第一金属部材４１，４２の第一孔４６にピン１０をそれぞれ押入する。
【００６８】
突合せ工程は、図１５に示すように、第一金属部材４１の裏端面４１ｂと第二金属部材４３の裏面４３ｂとを突き合わせるとともに、第一孔４７又は第二孔４５のいずれかにピン１０を押入する。突合せ工程は、本実施形態では、第一孔４７に裏面４３ｂから突出するピン１０を押入する。これにより、突合せ部Ｊ６が形成される。ピン１０の端面と第二金属部材４３の表面４３ａとは面一になる。
【００６９】
また、突合せ工程は、第一金属部材４１の表端面４１ａと第二金属部材４４の裏面４４ｂとを突き合わせるとともに、第一孔４６又は第二孔４８のいずれかにピン１０を押入する。突合せ工程は、本実施形態では、第二金属部材４４の第二孔４８に、表端面４１ａから突出するピン１０を押入する。これにより、突合せ部Ｊ５が形成される。ピン１０の端面と第二金属部材４４の表面４４ａとは面一になる。
【００７０】
また、同様に、突合せ工程では、第一金属部材４２と第二金属部材４３、第一金属部材４２と第二金属部材４４とをそれぞれ突き合わせて突合せ部Ｊ５，Ｊ６を形成する。
【００７１】
摩擦攪拌接合工程は、図１６の（ａ）に示すように、第二金属部材４４の表面４４ａに設定された開始位置Ｓｐ１に回転ツールＦの攪拌ピンＦ２を挿入する。開始位置Ｓｐ１は、第一金属部材４１の端部に対応する位置に設定されている。そして、回転ツールＦを第一金属部材４１の延長方向に沿って相対移動させる。回転ツールＦの移動軌跡には塑性化領域Ｗが形成される。回転ツールＦを終了位置Ｅｐ１まで相対移動させたら、回転ツールＦを第二金属部材４４から離脱させる。
【００７２】
また、摩擦攪拌接合工程では、第二金属部材４４の表面４４ａに設定された開始位置Ｓｐ２に回転ツールＦの攪拌ピンＦ２を挿入する。開始位置Ｓｐ２は、第一金属部材４２の端部に対応する位置に設定されている。そして、回転ツールＦを第一金属部材４２の延長方向に沿って移動させる。回転ツールＦを終了位置Ｅｐ２まで移動させたら、回転ツールＦを第二金属部材４４から離脱させる。
【００７３】
図１６の（ｂ）に示すように、回転ツールＦの挿入深さは、本実施形態では、攪拌ピンＦ２の先端が突合せ部Ｊ５に達するように設定している。回転ツールＦの挿入深さは第一実施形態と略同等であるため詳細な説明は省略する。
【００７４】
摩擦攪拌接合工程では、第二金属部材４３の表面４３ａ側からも、第二金属部材４４と同様に摩擦攪拌を行う。以上により、構造物４０が形成される。なお、摩擦攪拌接合工程が終了したら、第二金属部材４３，４４の表面４３ａ，４４ａに発生したバリを除去するバリ除去工程を行うことが好ましい。これにより、表面４３ａ，４４ａをきれいに仕上げることができる。
【００７５】
以上説明した本実施形態に係る接合方法によれば、内部に中空部を有する構造物４０を容易に製造することができる。また、本実施形態によれば、第一孔４６，４７及び第二孔４５，４８にそれぞれピン１０を押入すると、第一金属部材４１，４２に対して第二金属部材４３，４４を移動不能にすることができる。これにより、簡易な方法で両金属部材を位置決めすることができる。また、第一孔４６，４７及び第二孔４５，４８にピン１０を押入すると、摩擦攪拌中に第一金属部材４１，４２と第二金属部材４３，４４とが離間するのを防ぐことができる。これにより、第一金属部材４１，４２と第二金属部材４３，４４とが離間することに伴う接合不良を防ぐことができる。
【００７６】
また、本実施形態のように、第一金属部材４１，４２及び第二金属部材４３，４４とともにピン１０を摩擦攪拌接合することで、第一金属部材４１，４２、第二金属部材４３，４４及びピン１０が塑性流動化される。これによりピン１０の周囲が塑性流動材で充填されるため、水密性及び気密性を高めることができる。また、本実施形態のように、第一孔４６及び第二孔４８の位置を、回転ツールＦの移動軌跡上に設定することにより、全ての第一孔４６、第二孔４８及びピン１０を一パスで摩擦攪拌接合することができる（第一孔４７及び第二孔４５についても同様である）。これにより、製造サイクルを向上することができる。
【００７７】
以上本発明の実施形態について説明したが、本発明の趣旨に反しない範囲において適宜設計変更が可能である。例えば、被接合金属部材の表面に回転ツールＦを離脱させる際に抜き穴が残存する場合は、当該抜き穴を例えば溶接金属で充填する補修工程を行ってもよい。また、例えば、摩擦攪拌接合工程においては、タブ材を設けて、当該タブ材に摩擦攪拌の開始位置又は終了位置を設定してもよい。これにより、回転ツールの開始位置及び終了位置の設定が容易になる。また、タブ材を設けることで、被接合金属部材に抜き穴が残存するのを防ぐことができる。
【００７８】
また、第一金属部材の第一孔、第二金属部材の第二孔及びピンの形状大きさは、円柱状に限定されるものではなく、他の形状であってもよい。また、本実施形態では、例えば伝熱板２０，３０の内部に溝２５，３６を設けたが、溝２５，３６に代えて凹部（図示省略）を設けて中空部を形成してもよい。また、伝熱板２０においては、第一金属部材２１及び第二金属部材２２の少なくともいずれかに溝又は凹部を設ければよい。同様に、伝熱板３０においては、第一金属部材３１及び第二金属部材３２の少なくともいずれかに溝又は凹部を設ければよい。
【００７９】
また、摩擦攪拌接合工程では、回転ツールＦを用いたが、ショルダ部Ｆ１のないショルダレスツールを用いてもよい。これにより、摩擦攪拌装置に大きな負荷がかからない状態で、深い位置にある突合せ部又は重合部を摩擦攪拌可能になる。
【００８０】
また、第二実施形態及び第三実施形態では、第二金属部材の表面側から回転ツールＦを挿入して重合部に対して摩擦攪拌を行ったが、第一金属部材の裏面側から回転ツールを挿入して重合部に対して摩擦攪拌を行ってもよい。つまり、第二実施形態及び第三実施形態では、第一金属部材の裏面側及び第二金属部材の表面側の少なくとも一方から回転する攪拌ピンを挿入し、重合部を摩擦攪拌すればよい。
【符号の説明】
【００８１】
１      第一金属部材
２      第二金属部材
３      第一孔
４      第二孔
１０    ピン
Ｊ１    突合せ部
Ｊ２    重合部
Ｊ３    重合部
Ｊ４    突合せ部
Ｊ５    突合せ部
Ｊ６    突合せ部
【図１】
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【図２】
2016215206.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2016215206.tif 000007
【図６】
2016215206.tif 000008
【図７】
2016215206.tif 000009
【図８】
2016215206.tif 000010
【図９】
2016215206.tif 000011
【図１０】
2016215206.tif 000012
【図１１】
2016215206.tif 000013
【図１２】
2016215206.tif 000014
【図１３】
2016215206.tif 000015
【図１４】
2016215206.tif 000016
【図１５】
2016215206.tif 000017
【図１６】
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