(57)【要約】【課題】筒状部材と蓋部材とを確実に接合することができる接合方法を提供する。【解決手段】筒状部材２と筒状部材２の開口部を覆う蓋部材３とを接合する接合方法であって、筒状部材２の外周面２ｃと蓋部材３の外周面３ｃとが面一になるように筒状部材２と蓋部材３とを突き合わせて突合せ部Ｊ１を形成する突合せ工程と、突合せ部Ｊ１に対して筒状部材２の外側から摩擦攪拌を行う外側摩擦攪拌工程と、突合せ部Ｊ１に対して筒状部材２の内側から肉盛溶接を行う溶接工程と、外側摩擦攪拌工程の後に、攪拌ピンＦ２のみを筒状部材２、蓋部材３及び肉盛溶接で形成された溶接金属Ｒ１に接触させた状態で突合せ部Ｊ１に対して筒状部材２の内側から摩擦攪拌を行う内側摩擦攪拌工程と、を含むことを特徴とする。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属製の筒状部材と当該筒状部材の開口部を覆う金属製の蓋部材とを接合する接合方法であって、
前記筒状部材の外周面と前記蓋部材の外周面とが面一になるように前記筒状部材と前記蓋部材とを突き合わせて突合せ部を形成する突合せ工程と、
前記突合せ部に対して前記筒状部材の外側から摩擦攪拌を行う外側摩擦攪拌工程と、
前記突合せ部に対して前記筒状部材の内側から肉盛溶接を行う溶接工程と、
前記外側摩擦攪拌工程の後に、攪拌ピンのみを前記筒状部材、蓋部材及び前記肉盛溶接で形成された溶接金属に接触させた状態で前記突合せ部に対して前記筒状部材の内側から摩擦攪拌を行う内側摩擦攪拌工程と、を含むことを特徴とする接合方法。
【請求項２】
金属製の筒状部材と当該筒状部材の開口部を覆う金属製の蓋部材とを接合する接合方法であって、
前記筒状部材の外周面と前記蓋部材の外周面とが面一になるように前記筒状部材と前記蓋部材とを突き合わせて突合せ部を形成する突合せ工程と、
前記突合せ部に対して前記筒状部材の外側から摩擦攪拌を行う外側摩擦攪拌工程と、
前記筒状部材と前記蓋部材とで構成される内隅に補助部材を配置する補助部材配置工程と、
前記外側摩擦攪拌工程の後に、攪拌ピンのみを前記筒状部材、前記蓋部材及び前記補助部材に接触させた状態で前記突合せ部に対して前記筒状部材の内側から摩擦攪拌を行う内側摩擦攪拌工程と、を含むことを特徴とする接合方法。
【請求項３】
前記外側摩擦攪拌工程の前に、前記突合せ部に対して筒状部材の外側から仮接合を行う仮接合工程を含むことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の接合方法。
【請求項４】
金属製の筒状部材と当該筒状部材の開口部とを覆う金属製の蓋部材とを接合する接合方法であって、
前記筒状部材の外周面と前記蓋部材の外周面とが面一になるように前記筒状部材と前記蓋部材とを突き合わせて突合せ部を形成する突合せ工程と、
前記突合せ部に対して前記筒状部材の内側から肉盛溶接を行う溶接工程と、
攪拌ピンのみを前記筒状部材、前記蓋部材及び前記肉盛溶接で形成された溶接金属に接触させた状態で前記突合せ部に対して前記筒状部材の内側から摩擦攪拌を行う内側摩擦攪拌工程と、
前記内側摩擦攪拌工程の後に、前記突合せ部に対して前記筒状部材の外側から摩擦攪拌を行う外側摩擦攪拌工程と、を含むことを特徴とする接合方法。
【請求項５】
前記溶接工程の前に、前記突合せ部に対して筒状部材の外側から仮接合を行う仮接合工程を含むことを特徴とする請求項４に記載の接合方法。
【請求項６】
金属製の筒状部材と当該筒状部材の開口部とを覆う金属製の蓋部材とを接合する接合方法であって、
前記筒状部材の外周面と前記蓋部材の外周面とが面一になるように前記筒状部材と前記蓋部材とを突き合わせて突合せ部を形成する突合せ工程と、
前記筒状部材と前記蓋部材とで構成される内隅に補助部材を配置する補助部材配置工程と、
攪拌ピンのみを前記筒状部材、前記蓋部材及び前記補助部材に接触させた状態で前記突合せ部に対して前記筒状部材の内側から摩擦攪拌を行う内側摩擦攪拌工程と、
前記内側摩擦攪拌工程の後に、前記突合せ部に対して前記筒状部材の外側から摩擦攪拌を行う外側摩擦攪拌工程と、を含むことを特徴とする接合方法。
【請求項７】
前記補助部材配置工程の前に、前記突合せ部に対して前記筒状部材の外側から仮接合を行う仮接合工程を含むことを特徴とする請求項６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、摩擦攪拌を利用した金属部材の接合方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属部材同士を接合する方法として、摩擦攪拌接合（ＦＳＷ＝Friction  Stir  Welding）が知られている。摩擦攪拌接合は、回転ツールを回転させつつ金属部材同士の突合部に沿って移動させ、回転ツールと金属部材との摩擦熱により突合部の金属を塑性流動させることで、金属部材同士を固相接合させるものである。なお、回転ツールは、円柱状を呈するショルダ部の下端面に攪拌ピン（プローブ）を突設してなるものが一般的である。
【０００３】
例えば、特許文献１には、金属製の筒状部材と、筒状部材の開口部を覆う蓋部材とを摩擦攪拌で接合する技術が開示されている。当該技術では、筒状部材と蓋部材とで構成される内隅を溶接で接合している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第２００９／０８１７３１Ａ１号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
筒状部材と蓋部材とで構成される内隅の接合作業は、作業スペースが限られるため困難となる。特に、当該内隅に摩擦攪拌接合を行う場合、従来の回転ツールであるとショルダ部が筒状部材及び蓋部材に接触するため、攪拌ピンを深い位置まで挿入することができないという問題がある。また、塑性流動化した金属をショルダ部で押さえることができなくなるため、金属が外部に溢れ出して金属不足となり接合不良となるおそれがある。
【０００６】
このような観点から、本発明は、筒状部材と蓋部材とを確実に接合することができる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】
【０００７】
このような課題を解決するために本発明は、金属製の筒状部材と当該筒状部材の開口部を覆う金属製の蓋部材とを接合する接合方法であって、前記筒状部材の外周面と前記蓋部材の外周面とが面一になるように前記筒状部材と前記蓋部材とを突き合わせて突合せ部を形成する突合せ工程と、前記突合せ部に対して前記筒状部材の外側から摩擦攪拌を行う外側摩擦攪拌工程と、前記突合せ部に対して前記筒状部材の内側から肉盛溶接を行う溶接工程と、前記外側摩擦攪拌工程の後に、攪拌ピンのみを前記筒状部材、蓋部材及び前記肉盛溶接で形成された溶接金属に接触させた状態で前記突合せ部に対して前記筒状部材の内側から摩擦攪拌を行う内側摩擦攪拌工程と、を含むことを特徴とする。
また、本発明は、金属製の筒状部材と当該筒状部材の開口部を覆う金属製の蓋部材とを接合する接合方法であって、前記筒状部材の外周面と前記蓋部材の外周面とが面一になるように前記筒状部材と前記蓋部材とを突き合わせて突合せ部を形成する突合せ工程と、前記突合せ部に対して前記筒状部材の外側から摩擦攪拌を行う外側摩擦攪拌工程と、前記筒状部材と前記蓋部材とで構成される内隅に補助部材を配置する補助部材配置工程と、前記外側摩擦攪拌工程の後に、攪拌ピンのみを前記筒状部材、前記蓋部材及び前記補助部材に接触させた状態で前記突合せ部に対して前記筒状部材の内側から摩擦攪拌を行う内側摩擦攪拌工程と、を含むことを特徴とする。
【０００８】
かかる接合方法によれば、突合せ部に対して攪拌ピンのみを挿入して筒状部材の内側から摩擦攪拌を行っても、内隅に肉盛溶接が施されているか、又は補助部材が配置されているので金属不足を解消することができる。これにより、筒状部材と蓋部材との内隅を確実に接合することができる。
【０００９】
また、前記外側摩擦攪拌工程の前に、前記突合せ部に対して筒状部材の外側から仮接合を行う仮接合工程を含むことが好ましい。かかる接合方法によれば、外側摩擦攪拌工程の際の突合せ部の目開きを防ぐことができる。
【００１０】
また、本発明は、金属製の筒状部材と当該筒状部材の開口部とを覆う金属製の蓋部材とを接合する接合方法であって、前記筒状部材の外周面と前記蓋部材の外周面とが面一になるように前記筒状部材と前記蓋部材とを突き合わせて突合せ部を形成する突合せ工程と、前記突合せ部に対して前記筒状部材の内側から肉盛溶接を行う溶接工程と、攪拌ピンのみを前記筒状部材、前記蓋部材及び前記肉盛溶接で形成された溶接金属に接触させた状態で前記突合せ部に対して前記筒状部材の内側から摩擦攪拌を行う内側摩擦攪拌工程と、前記内側摩擦攪拌工程の後に、前記突合せ部に対して前記筒状部材の外側から摩擦攪拌を行う外側摩擦攪拌工程と、を含むことを特徴とする。
また、本発明は、金属製の筒状部材と当該筒状部材の開口部とを覆う金属製の蓋部材とを接合する接合方法であって、前記筒状部材の外周面と前記蓋部材の外周面とが面一になるように前記筒状部材と前記蓋部材とを突き合わせて突合せ部を形成する突合せ工程と、前記筒状部材と前記蓋部材とで構成される内隅に補助部材を配置する補助部材配置工程と、攪拌ピンのみを前記筒状部材、前記蓋部材及び前記補助部材に接触させた状態で前記突合せ部に対して前記筒状部材の内側から摩擦攪拌を行う内側摩擦攪拌工程と、前記内側摩擦攪拌工程の後に、前記突合せ部に対して前記筒状部材の外側から摩擦攪拌を行う外側摩擦攪拌工程と、を含むことを特徴とする。
【００１１】
かかる接合方法によれば、突合せ部に対して攪拌ピンのみを挿入して筒状部材の内側から摩擦攪拌を行っても、肉盛溶接が施されているか、又は補助部材が配置されているので金属不足を解消することができる。これにより、筒状部材と蓋部材との内隅を確実に接合することができる。
【００１２】
また、前記溶接工程又は前記補助部材配置工程の前に、前記突合せ部に対して前記筒状部材の外側から仮接合を行う仮接合工程を含むことが好ましい。かかる接合方法によれば、溶接工程又は補助部材配置工程を安定して行うことができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係る接合方法によれば、筒状部材と蓋部材とを確実に接合することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】（ａ）は本実施形態の本接合用回転ツールを示した側面図であり、（ｂ）は本接合用回転ツールの接合形態を示した模式断面図である。
【図２】（ａ）は本実施形態の仮接合用回転ツールを示した側面図であり、（ｂ）は仮接合用回転ツールの接合形態を示した模式断面図である。
【図３】（ａ）は第一実施形態に係る構造体を示す分解斜視図であり、（ｂ）は第一実施形態に係る仮接合工程を示す斜視図である。
【図４】（ａ）は第一実施形態に係る外側摩擦攪拌工程を示す斜視図であり、（ｂ）は第一実施形態に係る外側摩擦攪拌工程を示す断面図である。
【図５】第一実施形態に係る溶接工程を示す斜視図である。
【図６】（ａ）は第一実施形態に係る内側摩擦攪拌工程を示す斜視図であり、（ｂ）は第一実施形態に係る内側摩擦攪拌工程を示す断面図である。
【図７】（ａ）は第二実施形態に係る構造体を示す分解斜視図であり、（ｂ）は第二実施形態に係る仮接合工程を示す斜視図である。
【図８】（ａ）は第二実施形態に係る外側摩擦攪拌工程を示す斜視図であり、（ｂ）は第二実施形態に係る外側摩擦攪拌工程を示す断面図である。
【図９】（ａ）は第二実施形態に係る補助部材配置工程を示す斜視図であり、（ｂ）は第二実施形態に係る補助部材配置工程を示す断面図である。
【図１０】（ａ）は第二実施形態に係る内側摩擦攪拌工程を示す斜視図であり、（ｂ）は第二実施形態に係る内側摩擦攪拌工程を示す断面図である。
【図１１】（ａ）は第三実施形態に係る溶接工程を示す断面図であり、（ｂ）は第三実施形態に係る外側摩擦攪拌工程及び内側摩擦攪拌工程を示す断面図である。
【図１２】（ａ）は第四実施形態に係る補助部材配置工程を示す断面図であり、（ｂ）は第四実施形態に係る外側摩擦攪拌工程及び内側摩擦攪拌工程を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
［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。まずは、本実施形態で用いる本接合用回転ツール及び仮接合用回転ツールについて説明する。
【００１６】
図１の（ａ）に示すように、本接合用回転ツールＦは、連結部Ｆ１と、攪拌ピンＦ２とで構成されている。本接合用回転ツールＦは、例えば工具鋼で形成されている。連結部Ｆ１は、図１の（ｂ）に示す摩擦攪拌装置の回転軸Ｄに連結される部位である。連結部Ｆ１は円柱状を呈し、ボルトが締結されるネジ孔Ｂ，Ｂが形成されている。
【００１７】
攪拌ピンＦ２は、連結部Ｆ１から垂下しており、連結部Ｆ１と同軸になっている。攪拌ピンＦ２は連結部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の長さは、後記する筒状部材２及び蓋部材３の板厚よりも大きくなっている。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、本接合用回転ツール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。
【００１８】
なお、本接合用回転ツール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、構造体（後記する筒状部材２及び蓋部材３）の外部に溢れ出る金属の量を少なくすることができる。
【００１９】
図１の（ｂ）に示すように、本接合用回転ツールＦを用いて摩擦攪拌接合をする際には、構造体に回転した攪拌ピンＦ２のみを挿入し、構造体と連結部Ｆ１とは離間させつつ移動させる。言い換えると、攪拌ピンＦ２の基端部は露出させた状態で摩擦攪拌接合を行う。本接合用回転ツールＦの移動軌跡には摩擦攪拌された金属が硬化することにより塑性化領域Ｗ１（又は塑性化領域Ｗ２）が形成される。
【００２０】
仮接合用回転ツールＧは、図２の（ａ）に示すように、ショルダ部Ｇ１と、攪拌ピンＧ２とで構成されている。仮接合用回転ツールＧは、例えば工具鋼で形成されている。ショルダ部Ｇ１は、図２の（ｂ）に示すように、摩擦攪拌装置の回転軸Ｄに連結される部位であるとともに、塑性流動化した金属を押える部位である。ショルダ部Ｇ１は円柱状を呈する。ショルダ部Ｇ１の下端面は、流動化した金属が外部へ流出するのを防ぐために凹状になっている。
【００２１】
攪拌ピンＧ２は、ショルダ部Ｇ１から垂下しており、ショルダ部Ｇ１と同軸になっている。攪拌ピンＧ２はショルダ部Ｇ１から離間するにつれて先細りになっている。攪拌ピンＧ２の外周面には螺旋溝Ｇ３が刻設されている。
【００２２】
図２の（ｂ）に示すように、仮接合用回転ツールＧを用いて摩擦攪拌接合をする際には、回転した攪拌ピンＧ２とショルダ部Ｇ１の下端面を被接合金属部材に挿入しつつ移動させる。仮接合用回転ツールＧの移動軌跡には摩擦攪拌された金属が硬化することにより塑性化領域Ｗが形成される。
【００２３】
次に、本実施形態の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、図３の（ａ）に示すように、筒状部材２と蓋部材３とを摩擦攪拌により接合して構造体１を形成する場合を例示する。
【００２４】
筒状部材２は、金属部材であって断面矩形枠状を呈する。筒状部材２の材料は、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、マグネシウム合金など摩擦攪拌可能な金属材料から適宜選択すればよい。筒状部材２は一定の板厚で形成されている。
【００２５】
蓋部材３は、金属部材であって矩形板状を呈する。蓋部材３は、筒状部材２の開口部を覆う部材である。蓋部材３の材料は、摩擦攪拌可能な金属材料から適宜選択されればよいが、本実施形態では筒状部材２と同等の材料を用いている。
【００２６】
本実施形態に係る接合方法では、突合せ工程と、仮接合工程と、外側摩擦攪拌工程と、溶接工程と、内側摩擦攪拌工程と、を行う。
【００２７】
突合せ工程は、筒状部材２の開口部を蓋部材３で覆い、筒状部材２と蓋部材３とを突き合わせる工程である。より詳しくは、突合せ工程では、筒状部材２の端面２ａと、蓋部材３の裏面３ｂとを突き合わせるとともに、筒状部材２の外周面２ｃと、蓋部材３の外周面３ｃとが面一になるように突き合わせる。突合せ工程によって、突合せ部Ｊ１（図３の（ｂ）参照）が形成される。
【００２８】
仮接合工程は、突合せ部Ｊ１を仮接合する工程である。図３の（ｂ）に示すように、仮接合工程では、仮接合用回転ツールＧを用いて突合せ部Ｊ１を仮接合する。仮接合用回転ツールＧの移動軌跡には、塑性化領域Ｗが形成される。仮接合工程では、仮接合用回転ツールＧのショルダ部Ｇ１を筒状部材２及び蓋部材３に数ミリ程度押込み、摩擦攪拌を行う。仮接合工程は、突合せ部Ｊ１に沿って連続的に行ってもよいし、図３の（ｂ）に示すように、断続的に行ってもよい。
【００２９】
外側摩擦攪拌工程は、突合せ部Ｊ１を筒状部材２の外側から本格的に摩擦攪拌接合する工程である。外側摩擦攪拌工程では、図４の（ａ）に示すように、突合せ部Ｊ１上の任意の開始位置ｓ１に回転させた本接合用回転ツールＦを挿入する。本接合用回転ツールＦの挿入深さは適宜設定すればよいが、本実施形態では筒状部材２の板厚の半分程度まで挿入している。本接合用回転ツールＦの回転中心軸は、接合面（筒状部材２の外周面２ｃ及び蓋部材３の外周面３ｃに対して垂直となるように挿入する。そして、外側摩擦攪拌工程では、突合せ部Ｊ１をなぞるようにして相対移動させる。本接合用回転ツールＦの移動軌跡には塑性化領域Ｗ１が形成される。外側摩擦攪拌工程では、攪拌ピンＦ２のみを筒状部材２及び蓋部材３に接触させ、攪拌ピンＦ２の基端側は露出した状態で摩擦攪拌を行う。
【００３０】
本接合用回転ツールＦで突合せ部Ｊ１を一周させたら、開始位置ｓ１を通過させて塑性化領域Ｗ１の始端と終端とをオーバーラップさせた後、本接合用回転ツールＦを筒状部材２及び蓋部材３から離脱させる。なお、本接合用回転ツールＦを離脱させた後に、攪拌ピンＦ２の引抜痕が残存する場合は、当該引抜痕に肉盛溶接を行って補修する補修工程を行ってもよい。これにより、接合面をきれいに仕上げることができる。
【００３１】
また、本接合用回転ツールＦの挿入深さを徐々に浅くしつつ本接合用回転ツールＦを離脱させてもよい。これにより、攪拌ピンＦ２の引抜痕をなくすか、引抜痕を小さくすることができる。
【００３２】
外側摩擦攪拌工程及び後記する内側摩擦攪拌工程では、例えば、スピンドルユニット等の回転駆動手段を備えたロボットアームの先端に本接合用回転ツールＦを装着して、摩擦攪拌を行うことができる。これにより、本接合用回転ツールＦの回転中心軸の角度を容易に変更することができる。
【００３３】
溶接工程は、突合せ部Ｊ１を筒状部材２の内側からＴＩＧ溶接又はＭＩＧ溶接等の肉盛溶接する工程である。溶接工程では、図５に示すように、突合せ部Ｊ１の全長に亘って筒状部材２の内側から肉盛溶接を行う。これにより、筒状部材２と蓋部材３とで構成される内隅に、溶接金属Ｒ１が形成される。溶接金属Ｒ１の大きさは、後記する内側摩擦攪拌工程を行った際に、接合部が金属不足にならず、かつ、バリが過剰に残存しない程度に設定することが好ましい。
【００３４】
内側摩擦攪拌工程は、筒状部材２の内側から溶接金属Ｒ１及び突合せ部Ｊ１に対して本格的に摩擦攪拌接合する工程である。内側摩擦攪拌工程では、図６の（ａ）に示すように、溶接金属Ｒ１（突合せ部Ｊ１）の任意の開始位置ｓ２に、回転させた本接合用回転ツールＦを突合せ部Ｊ１に達する位置まで挿入する。内側摩擦攪拌工程では、図６の（ｂ）に示すように、本接合用回転ツールＦの回転中心軸と蓋部材３の裏面３ｂとのなす角度が４５°となるように挿入する。そして、当該角度を保った状態で溶接金属Ｒ１をなぞるようにして摩擦攪拌を行う。内側摩擦攪拌工程では、攪拌ピンＦ２のみを筒状部材２、蓋部材３及び溶接金属Ｒ１に接触させ、攪拌ピンＦ２の基端側は露出した状態で摩擦攪拌を行う。本接合用回転ツールＦの移動軌跡には塑性化領域Ｗ２が形成される。
【００３５】
本接合用回転ツールＦの挿入深さは、適宜設定すればよいが、本実施形態のように、塑性化領域Ｗ２と、外側摩擦攪拌工程で形成された塑性化領域Ｗ１とが重なるようにすることが好ましい。このようにすることで、突合せ部Ｊ１の深さ方向の全体を摩擦攪拌接合することができ、接合強度、水密性及び気密性を高めることができる。
【００３６】
本接合用回転ツールＦで突合せ部Ｊ１を一周させたら、開始位置ｓ２を通過させて塑性化領域Ｗ２の始端と終端とをオーバーラップさせた後、本接合用回転ツールＦを筒状部材２及び蓋部材３から離脱させる。本接合用回転ツールＦを離脱させる際には、外側摩擦攪拌工程と同じように、補修工程を行ってもよいし、本接合用回転ツールＦの挿入深さを徐々に浅くするようにして離脱させてもよい。
【００３７】
なお、本接合用回転ツールＦの回転中心軸と蓋部材３の裏面３ｂとのなす角度が４５°よりも小さくなるように本接合用回転ツールＦの挿入角度を変更してもよい。このようにすることで、突合せ部Ｊ１のより深い位置まで塑性流動化することができる。内側摩擦攪拌工程が終了したら、外側摩擦攪拌工程及び内側摩擦攪拌工程で発生したバリ等を切除する。これにより、構造体１の表面をきれいに仕上げることができる。
【００３８】
以上説明した本実施形態に係る接合方法によれば、筒状部材２の内側から筒状部材２及び蓋部材３に攪拌ピンＦ２のみを接触させた状態で摩擦攪拌を行っても、肉盛溶接によって溶接金属Ｒ１が施されているため金属不足を解消することができる。これにより、筒状部材２と蓋部材３との内隅を確実に接合することができる。また、外側摩擦攪拌工程を先に行うため、溶接工程を安定して行うことができる。
【００３９】
また、仮接合工程を行うことで、外側摩擦攪拌工程の際に突合せ部Ｊ１の目開きを防ぐことができる。また、本実施形態によれば、攪拌ピンＦ２のみを筒状部材２、蓋部材３及び溶接金属Ｒ１に挿入するため、回転ツールのショルダ部を押し込む場合に比べて摩擦攪拌装置にかかる負荷を軽減することができるとともに、本接合用回転ツールＦの操作性も良好となる。また、摩擦攪拌装置にかかる負荷を軽減することができるため、摩擦攪拌装置に大きな負荷がかからない状態で、突合せ部Ｊ１の深い位置を接合することができる。
【００４０】
なお、第一実施形態は前記した形態に限定されるものではない。例えば、図４に示す外側摩擦攪拌工程を行う際に、タブ材を配置するとともに、筒状部材２及び蓋部材３にタブ材を仮接合して、当該タブ材に本接合用回転ツールＦの開始位置及び終了位置を設定してもよい。タブ材を用いることで、本接合用回転ツールＦの開始位置及び終了位置を容易に設定することができる。また、本接合用回転ツールＦの引抜痕の補修工程を行う必要がない。
【００４１】
また、本実施例形態では、外側摩擦攪拌工程の後に、突合せ部Ｊ１に対して筒状部材２の内側から肉盛溶接を行う溶接工程を行ったが、例えば、外側摩擦撹拌工程の前に、突合せ部Ｊ１に対して筒状部材２の内側から肉盛溶接を行う溶接工程を行ってもよい。
また、本実施形態の外側摩擦攪拌工程では、本接合用回転ツールＦを用いたが、ショルダ部及び攪拌ピンを備えた回転ツールを用いるとともに、当該ショルダ部を筒状部材２及び蓋部材３に数ミリ程度押し込んで摩擦攪拌接合を行ってもよい。
【００４２】
また、本実施形態では筒状部材２を矩形筒状としたが、円筒状、楕円筒状又は他の多角筒状としてもよい。また、仮接合工程は、省略してもよい。また、筒状部材２及び蓋部材３の少なくともいずれかに段差を設けて突き合わせてもよい。
【００４３】
［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。第二実施形態に係る接合方法では、主に、筒状部材２Ａ及び蓋部材３Ａが円筒状である点、補助部材４を用いる点で第一実施形態と相違する。
【００４４】
本実施形態に係る接合方法では、図７の（ａ）に示すように、筒状部材２Ａと蓋部材３Ａとを摩擦攪拌により接合して構造体１Ａを形成する。筒状部材２Ａは、円筒状を呈する。蓋部材３Ａは、円板状を呈する。蓋部材３Ａの外径は、筒状部材２Ａの外径と同等になっている。
【００４５】
本実施形態に係る接合方法では、突合せ工程と、仮接合工程と、外側摩擦攪拌工程と、補助部材配置工程と、内側摩擦攪拌工程と、を行う。
【００４６】
突合せ工程は、筒状部材２Ａの開口部を蓋部材３Ａで覆い、筒状部材２Ａと蓋部材３Ａとを突き合わせる工程である。より詳しくは、突合せ工程では、筒状部材２Ａの端面２ａと、蓋部材３Ａの裏面３ｂとを突き合わせるとともに、筒状部材２Ａの外周面２ｃと、蓋部材３Ａの外周面３ｃとが面一になるように突き合わせる。突合せ工程によって、突合せ部Ｊ１（図７の（ｂ）参照）が形成される。
【００４７】
仮接合工程は、突合せ部Ｊ１を仮接合する工程である。図７の（ｂ）に示すように、仮接合工程では、仮接合用回転ツールＧを用いて突合せ部Ｊ１を仮接合する。仮接合用回転ツールＧの移動軌跡には、塑性化領域Ｗが形成される。仮接合工程では、仮接合用回転ツールＧのショルダ部Ｇ１を筒状部材２及び蓋部材３に数ミリ程度押込み、摩擦攪拌を行う。仮接合工程は、突合せ部Ｊ１に沿って連続的に行ってもよいし、図７の（ｂ）に示すように、断続的に行ってもよい。
【００４８】
外側摩擦攪拌工程は、突合せ部Ｊ１を筒状部材２Ａの外側から本格的に摩擦攪拌接合する工程である。外側摩擦攪拌工程では、図８の（ａ）に示すように、突合せ部Ｊ１の任意の開始位置ｓ１に回転させた本接合用回転ツールＦを挿入する。本接合用回転ツールＦの回転中心軸は、開始位置ｓ１の法線と重なるように挿入する。本接合用回転ツールＦの挿入深さは適宜設定すればよいが、本実施形態では筒状部材２Ａの板厚の半分程度まで挿入している。そして、外側摩擦攪拌工程では、突合せ部Ｊ１をなぞるようにして本接合用回転ツールＦを相対移動させる。本実施形態では、本接合用回転ツールＦの位置は固定し、筒状部材２Ａ及び蓋部材３Ａを中心軸回りに回転させる。本接合用回転ツールＦの移動軌跡には塑性化領域Ｗ１が形成される。外側摩擦攪拌工程では、攪拌ピンＦ２のみを筒状部材２Ａ及び蓋部材３Ａに接触させ、攪拌ピンＦ２の基端側は露出した状態で摩擦攪拌を行う。
【００４９】
本接合用回転ツールＦで突合せ部Ｊ１を一周させたら、開始位置ｓ１を通過させて塑性化領域Ｗ１の始端と終端とをオーバーラップさせた後、本接合用回転ツールＦを筒状部材２及び蓋部材３から離脱させる。本接合用回転ツールＦを離脱させる際には、第一実施形態と同じように、補修工程を行ってもよいし、本接合用回転ツールＦの挿入深さが徐々に浅くするようにして離脱させてもよい。
【００５０】
外側摩擦攪拌工程及び後記する内側摩擦攪拌工程では、例えば、スピンドルユニット等の回転駆動手段を備えたロボットアームの先端に本接合用回転ツールＦを装着して、摩擦攪拌を行うことができる。これにより、本接合用回転ツールＦの回転中心軸の角度を容易に変更することができる。
【００５１】
補助部材配置工程は、図９の（ａ）及び（ｂ）に示すように、筒状部材２Ａと蓋部材３Ａとの内隅に補助部材４を配置する工程である。補助部材４は、断面直角三角形を呈するリング状部材である。補助部材４の外径は、筒状部材２Ａの内径と同等になっている。補助部材４の材料は、筒状部材２Ａ及び蓋部材３Ａと同じ材料であることが好ましい。
【００５２】
補助部材配置工程では、図９の（ｂ）に示すように、筒状部材２Ａと蓋部材３Ａとの内隅に突合せ部Ｊ１を覆うように補助部材４を配置する。より詳しくは、補助部材４の側面４ａを筒状部材２Ａの内周面２ｂに面接触させるとともに、補助部材４の底面４ｂを蓋部材３の裏面３ｂに面接触させる。補助部材４の大きさは、後記する内側摩擦攪拌工程を行った際に、接合部が金属不足にならず、かつ、バリが過剰に残存しない程度に設定することが好ましい。
【００５３】
内側摩擦攪拌工程は、筒状部材２Ａの内側から補助部材４及び突合せ部Ｊ１に対して本格的に摩擦攪拌接合する工程である。内側摩擦攪拌工程では、図１０の（ａ）に示すように、補助部材４の傾斜面４ｃ（突合せ部Ｊ１）の任意の開始位置ｓ２に回転させた本接合用回転ツールＦを突合せ部Ｊ１に達する位置まで挿入する。内側摩擦攪拌工程では、図１０の（ｂ）に示すように、本接合用回転ツールＦの回転中心軸と蓋部材３Ａの裏面３ｂとのなす角度が４５°となるように挿入する。そして、当該角度を保った状態で補助部材４をなぞるようにして本接合用回転ツールＦを相対移動させる。内側摩擦攪拌工程では、攪拌ピンＦ２のみを筒状部材２、蓋部材３及び補助部材４に接触させ、攪拌ピンＦ２の基端側は露出した状態で摩擦攪拌を行う。本接合用回転ツールＦの移動軌跡には塑性化領域Ｗ２が形成される。
【００５４】
本接合用回転ツールＦの挿入深さは、適宜設定すればよいが、本実施形態のように、塑性化領域Ｗ２と、外側摩擦攪拌工程で形成された塑性化領域Ｗ１とが重なるようにすることが好ましい。このようにすることで、突合せ部Ｊ１の深さ方向の全体を摩擦攪拌接合することができ、接合強度、水密性及び気密性を高めることができる。
【００５５】
本接合用回転ツールＦで突合せ部Ｊ１を一周させたら、開始位置ｓ２を通過させて塑性化領域Ｗ２の始端と終端とをオーバーラップさせた後、本接合用回転ツールＦを筒状部材２及び蓋部材３から離脱させる。本接合用回転ツールＦを離脱させる際には、第一実施形態と同じように、補修工程を行ってもよいし、本接合用回転ツールＦの挿入深さを徐々に浅くするようにして離脱させてもよい。
【００５６】
なお、本接合用回転ツールＦの回転中心軸と蓋部材３の裏面３ｂとのなす角度が４５°よりも小さくなるように本接合用回転ツールＦの挿入角度を変更してもよい。このようにすることで、突合せ部Ｊ１のより深い位置まで塑性流動化することができる。内側摩擦攪拌工程が終了したら、外側摩擦攪拌工程及び内側摩擦攪拌工程で発生したバリ等を切除する。これにより、構造体１Ａの表面をきれいに仕上げることができる。
【００５７】
以上説明した本実施形態に係る接合方法によれば、筒状部材２Ａの内側から筒状部材２Ａ及び蓋部材３Ａに攪拌ピンＦ２のみを接触させた状態で摩擦攪拌を行っても、補助部材４が配置されているため内隅の金属不足を解消することができる。これにより、筒状部材２Ａと蓋部材３Ａとの内隅を確実に接合することができる。また、外側摩擦攪拌工程を先に行うため、補助部材配置工程を安定して行うことができる。
【００５８】
また、仮接合工程を行うことで、外側摩擦攪拌工程の際に突合せ部Ｊ１の目開きを防ぐことができる。また、本実施形態によれば、攪拌ピンＦ２のみを筒状部材２、蓋部材３及び補助部材４に挿入するため、回転ツールのショルダ部を押し込む場合に比べて摩擦攪拌装置にかかる負荷を軽減することができるとともに、本接合用回転ツールＦの操作性も良好となる。また、摩擦攪拌装置にかかる負荷を軽減することができるため、摩擦攪拌装置に大きな負荷がかからない状態で、突合せ部Ｊ１の深い位置を接合することができる。
【００５９】
なお、第二実施形態は前記した形態に限定されるものではない。本実施形態の外側摩擦攪拌工程では、本接合用回転ツールＦを用いたが、ショルダ部及び攪拌ピンを備えた回転ツールを用いるとともに、当該ショルダ部を筒状部材２Ａ及び蓋部材３Ａに数ミリ程度押し込んで摩擦攪拌接合を行ってもよい。
【００６０】
また、本実施例形態では、外側摩擦攪拌工程の後に、筒状部材２と蓋部材３とで構成される内隅に補助部材４を配置する補助部材配置工程を行ったが、例えば、外側摩擦撹拌工程の前に、筒状部材２と蓋部材３とで構成される内隅に補助部材４を配置する補助部材配置工程を行ってもよい。
また、本実施形態では筒状部材２Ａを円筒状としたが、楕円筒状又は多角筒状としてもよい。また、仮接合工程は、省略してもよい。また、筒状部材２Ａ及び蓋部材３Ａの少なくともいずれかに段差を設けて突き合わせてもよい。
【００６１】
［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。第三実施形態に係る接合方法では、第一実施形態に近似する形態であって、主に、工程の順番が第一実施形態と相違する。第三実施形態では、第一実施形態と相違する部分を中心に説明する。
【００６２】
第三実施形態に係る接合方法は、突合せ工程と、仮接合工程と、溶接工程と、内側摩擦攪拌工程と、外側摩擦攪拌工程をこの順に行う。
【００６３】
突合せ工程及び仮接合工程は、第一実施形態と同等であるため説明を省略する。図１１の（ａ）に示すように溶接工程では、第一実施形態と同じ要領で突合せ部Ｊ１に対して筒状部材２の内側から肉盛溶接を行う。溶接工程によって、筒状部材２と蓋部材３との内隅には溶接金属Ｒ１が形成される。本実施形態では、仮接合工程を行った後に、溶接工程を行うため、溶接工程を安定して行うことができる。
【００６４】
内側摩擦攪拌工程では、第一実施形態の内側摩擦攪拌工程と同じ要領で溶接金属Ｒ１及び突合せ部Ｊ１に対して筒状部材２の内側から摩擦攪拌接合を行う。図１１の（ｂ）に示すように、内側摩擦攪拌工程によって突合せ部Ｊ１には塑性化領域Ｗ１が形成される。
【００６５】
外側摩擦攪拌工程では、第一実施形態の外側摩擦攪拌工程と同じ要領で突合せ部Ｊ１に対して筒状部材２の外側から摩擦攪拌接合を行う。外側摩擦攪拌工程では、図１１の（ｂ）に示すように、外側摩擦攪拌工程で形成された塑性化領域Ｗ２と塑性化領域Ｗ１とが接触するように、本接合用回転ツールＦの挿入深さを設定することが好ましい。これにより、突合せ部Ｊ１の深さ方向全体を摩擦攪拌接合することができ、接合強度、水密性及び気密性を高めることができる。
【００６６】
以上説明した本実施形態によっても第一実施形態と略同等の効果を奏することができる。
【００６７】
［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について説明する。第四実施形態に係る接合方法では、第二実施形態に近似する形態であって、主に、工程の順番が第二実施形態と相違する。第四実施形態では、第二実施形態と相違する部分を中心に説明する。
【００６８】
第四実施形態に係る接合方法は、突合せ工程と、仮接合工程と、補助部材配置工程と、内側摩擦攪拌工程と、外側摩擦攪拌工程をこの順に行う。
【００６９】
突合せ工程及び仮接合工程は、第二実施形態と同等であるため説明を省略する。図１２の（ａ）に示すように蓋部材配置工程では、第二実施形態と同じ要領で筒状部材２Ａと蓋部材３Ａとの内隅に突合せ部Ｊ１を覆うように補助部材４を配置する。本実施形態では、仮接合工程を行った後に、補助部材配置工程を行うため、補助部材配置工程を安定して行うことができる。
【００７０】
内側摩擦攪拌工程では、第二実施形態の内側摩擦攪拌工程と同じ要領で補助部材４及び突合せ部Ｊ１に対して筒状部材２Ａの内側から摩擦攪拌接合を行う。図１２の（ｂ）に示すように、内側摩擦攪拌工程によって突合せ部Ｊ１には塑性化領域Ｗ１が形成される。
【００７１】
外側摩擦攪拌工程では、第二実施形態の外側摩擦攪拌工程と同じ要領で突合せ部Ｊ１に対して筒状部材２Ａの外側から摩擦攪拌接合を行う。外側摩擦攪拌工程では、図１２の（ｂ）に示すように、外側摩擦攪拌工程で形成された塑性化領域Ｗ２と塑性化領域Ｗ１とが接触するように、本接合用回転ツールＦの挿入深さを設定することが好ましい。これにより、突合せ部Ｊ１の深さ方向全体を摩擦攪拌接合することができ、接合強度、水密性及び気密性を高めることができる。
【００７２】
以上説明した本実施形態によっても第二実施形態と略同等の効果を奏することができる。
【符号の説明】
【００７３】
１      構造体
１Ａ    構造体
２      筒状部材
２Ａ    筒状部材
３      蓋部材
３Ａ    蓋部材
４      補助部材
Ｆ      本接合用回転ツール
Ｇ      仮接合用回転ツール
Ｊ１    突合せ部
Ｒ１    溶接金属
Ｗ１    塑性化領域
Ｗ２    塑性化領域
【図１】
2016078087.tif 000003
【図２】
2016078087.tif 000004
【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】
2016078087.tif 000009
【図８】
2016078087.tif 000010
【図９】
2016078087.tif 000011
【図１０】
2016078087.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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