(57)【要約】【課題】一対の金属部材に対して摩擦攪拌接合を行う際に、摩擦攪拌装置の簡略化、小型化を可能とした接合方法を提供することを課題とする。【解決手段】第一金属部材１ａと第二金属部材１ｂとを接合する接合方法であって、凹部に継手部材２０を挿入する継手部材挿入工程と、前記凹部と継手部材２０の一方の側面との一方側突合部Ｊ１１及び前記凹部と継手部材２０の他方の側面との他方側突合部Ｊ１２に対して、継手部材２０側から摩擦攪拌を行う継手部材仮接合工程と、一対の前記段部が突き合わされた段部突合部Ｊ１０及び継手部材２０の裏面と前記凹部の底面とが突き合わされた底面突合部Ｊ１３に対して継手部材２０の反対側から、摩擦攪拌を行う本接合工程と、底面突合部Ｊ１３及び段部突合部Ｊ１０に対して継手部材２０側から摩擦攪拌を行う一体化工程と、を含むことを特徴とする。【選択図】図８
2009208143.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
本体部の縁部に前記本体部よりも肉厚の小さい段部を備える一対の金属部材を接合する接合方法であって、
一対の前記本体部の間に形成された凹部に継手部材を挿入する継手部材挿入工程と、
前記凹部の一方の立上壁面と前記継手部材の一方の側面との一方側突合部及び前記凹部
の他方の立上壁面と前記継手部材の他方の側面との他方側突合部に対して、前記継手部材側から摩擦攪拌を行う継手部材仮接合工程と、
一対の前記段部が突き合わされた段部突合部及び前記継手部材の裏面と前記凹部の底面とが突き合わされた底面突合部に対して前記継手部材の反対側から、摩擦攪拌を行う本接合工程と、
前記底面突合部及び前記段部突合部に対して前記継手部材側から摩擦攪拌を行う一体化工程と、を含み、
前記本接合工程で形成された塑性化領域と、前記一体化工程で形成された塑性化領域とを重複させることを特徴とする接合方法。
【請求項２】
前記一体化工程では、前記継手部材仮接合工程によって形成された塑性化領域に対して、摩擦攪拌を行うことを特徴とする請求項１に記載の接合方法。
【請求項３】
前記一体化工程では、ショルダ部の外径が前記継手部材の幅よりも大きい回転ツールを用いて、当該回転ツールの攪拌ピンが前記段部突合部に達する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】
前記本接合工程では、前記一体化工程で用いる回転ツールを用いて摩擦攪拌を行うことを特徴とする請求項３に記載の接合方法。
【請求項５】
一対の前記金属部材の両側面に、第一タブ材及び第二タブ材を配置するタブ材配置工程をさらに含み、
前記継手部材仮接合工程では、前記第一タブ材と前記継手部材とが突き合わされた第一タブ材突合部、前記一方の金属部材と前記継手部材とが突き合わされた一方側突合部、前記第二タブ材と前記継手部材とが突き合わされた第二タブ材突合部及び前記他方の金属部材と前記継手部材とが突き合わされた他方側突合部に対して前記継手部材側から摩擦攪拌を行うことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の接合方法。
【請求項６】
前記継手部材仮接合工程では、前記一体化工程で用いる回転ツールよりも小型の仮接合用回転ツールを用いて摩擦攪拌を行うことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の接合方法。
【請求項７】
前記摩擦攪拌で用いる各回転ツールの挿入予定位置に下穴を形成する下穴形成工程を含むことを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか一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、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、回転させた回転ツールを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、一対の金属部材を突き合わせて形成された突合部に、回転ツールを押し込んで、摩擦攪拌を行う技術が開示されている。即ち、特許文献１には、被接合金属部材の裏面に板状の裏当部材を当接させて、摩擦攪拌の際の被接合金属部材の裏面の変形を抑制することが記載されている。
また、特許文献２には、回転ツールに付随して移動するローラ状の裏当装置を用いた摩擦攪拌技術が開示されている。即ち、特許文献２には、被接合金属部材の裏面に配置されたローラ状の裏当装置が、回転ツールと同時に移動して摩擦攪拌を行うことで、被接合金属部材の裏面の変形を抑制することが記載されている。
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−２９１０６６号公報
【特許文献２】特開２００２−３４６７６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、金属部材の裏側に裏当部材を設けると、裏当部材を固定するための治具が必要になるため、摩擦攪拌装置の大型化・複雑化を招来するという問題があった。また、金属部材の板厚に対して比較的大型の回転ツールを用いる場合には、それに伴って裏当部材も大きくしなければならず、摩擦攪拌装置の大型化を招来するという問題があった。
また、前記したローラ状の裏当装置を用いる場合にも、摩擦攪拌装置が大型化・複雑化するという問題があった。また、複雑な構造から成る一対の金属部材を摩擦攪拌接合する場合は、金属部材の裏側に裏当部材又は裏当装置を配置することができない場合もある。
【０００６】
このような観点から、本発明は、一対の金属部材に対して摩擦攪拌接合を行う際に、摩擦攪拌装置の簡略化、小型化を可能とした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本発明に係る接合方法は、本体部の縁部に前記本体部よりも肉厚の小さい段部を備える一対の金属部材を接合する接合方法であって、一対の前記本体部の間に形成された凹部に継手部材を挿入する継手部材挿入工程と、前記凹部の一方の立上壁面と前記継手部材の一方の側面との一方側突合部及び前記凹部の他方の立上壁面と前記継手部材の他方の側面との他方側突合部に対して、前記継手部材側から摩擦攪拌を行う継手部材仮接合工程と、一対の前記段部が突き合わされた段部突合部及び前記継手部材の裏面と前記凹部の底面とが突き合わされた底面突合部に対して前記継手部材の反対側から、摩擦攪拌を行う本接合工程と、前記底面突合部及び前記段部突合部に対して前記継手部材側から摩擦攪拌を行う一体化工程と、を含み、前記本接合工程で形成された塑性化領域と、前記一体化工程で形成された塑性化領域とを重複させることを特徴とする。
【０００８】
かかる接合方法によれば、金属部材の凹溝に継手部材を挿入して、継手部材と金属部材を仮接合した後に、継手部材とは反対側の面から本接合工程を行うため、当該継手部材が裏当としての役割を果たす。即ち、金属部材の裏面に部材が突出しないため、摩擦攪拌装置の簡略化、小型化を図ることができる。また、本接合工程及び一体化工程で段部突合部及び底面突合部をそれぞれ摩擦攪拌するため、金属部材の水密性及び気密性を高めることができる。
【０００９】
また、本発明は、前記一体化工程では、前記継手部材仮接合工程によって形成された塑性化領域に対して、摩擦攪拌を行うことが好ましい。かかる接合方法によれば、突合部が予め接合されているため、一体化工程の際の突合部の目開きを防止することができる。
【００１０】
また、前記一体化工程では、ショルダ部の外径が前記継手部材の幅よりも大きい回転ツールを用いて、当該回転ツールの攪拌ピンが前記段部突合部に達することが好ましい。かかる接合方法によれば、段部突合部を確実に摩擦攪拌することができる。
【００１１】
また、前記本接合工程では、前記一体化工程で用いる回転ツールを用いて摩擦攪拌を行うことが好ましい。かかる接合方法によれば、摩擦攪拌工程ごとに回転ツールを交換する必要がないため、作業効率を高めることができる。また、金属部材の表面側と裏面側で形成される塑性化領域が略同等の体積となるため、均質な製品を製造することができる。
【００１２】
また、一対の前記金属部材の両側面に、第一タブ材及び第二タブ材を配置するタブ材配置工程をさらに含み、前記継手部材仮接合工程では、前記第一タブ材と前記継手部材とが突き合わされた第一タブ材突合部、前記一方の金属部材と前記継手部材とが突き合わされた一方側突合部、前記第二タブ材と前記継手部材とが突き合わされた第二タブ材突合部及び前記他方の金属部材と前記継手部材とが突き合わされた他方側突合部に対して前記継手部材側から摩擦攪拌を行うことが好ましい。
【００１３】
かかる接合方法によれば、タブ材を用いることで、摩擦攪拌の作業を迅速かつ確実に行うことができる。
【００１４】
また、前記継手部材仮接合工程では、前記一体化工程で用いる回転ツールよりも小型の仮接合用回転ツールを用いて摩擦攪拌を行うことが好ましい。小型の仮接合用回転ツールを用いると小回りが効くようになるため、仮接合工程を容易に行うことができる。
【００１５】
また、前記摩擦攪拌で用いる各回転ツールの挿入予定位置に下穴を形成する下穴形成工程を含むことが好ましい。かかる接合方法によれば、摩擦攪拌を行う際の回転ツールの圧入抵抗を減少させることができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係る接合方法によれば、一対の金属部材に対して摩擦攪拌接合を行う際に、摩擦攪拌装置の簡略化、小型化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
［第一実施形態］
本発明に係る接合方法の最良の実施形態について、図面を参照して説明する。
第一実施形態に係る接合方法は、図１に示すように、第一金属部材１ａと、第二金属部材１ｂと、第一金属部材１ａと第二金属部材１ｂの間に介設される継手部材２０とを有する被接合金属部材１の表面及び裏面に現れる突合部に対して摩擦攪拌を行うものである。
【００１８】
本実施形態に係る接合方法は、（１）準備工程、（２）予備工程、（３）本接合工程、（４）一体化工程を含むものである。
【００１９】
まず、図１に示すように、一対の金属部材である第一金属部材１ａ及び第二金属部材１ｂ、第一金属部材１ａと第二金属部材１ｂの間に介設される継手部材２０について説明する。図１の（ａ）は、第一実施形態に係る第一金属部材、第二金属部材及び継手部材を示した分解斜視図である。図１の（ｂ）は、（ａ）のＸ−Ｘ線平面図である。
【００２０】
第一金属部材１ａ、第二金属部材１ｂ及び継手部材２０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なる。第一金属部材１ａ、第二金属部材１ｂ及び継手部材２０は、本実施形態では同一組成の金属材料で形成している。
【００２１】
第一金属部材１ａ及び第二金属部材１ｂは、略同等の形状からなる部材であって、肉厚部分である本体部Ｑと、本体部Ｑの端部に肉薄に形成された段部Ｒとを備えて構成されている。図１の（ａ）及び（ｂ）にそれぞれ示すように、以下の説明においては、本体部Ｑの側面１１，１４のうち、段部Ｒの表面１６から立ち上がる側面１１を「立上壁面１１（１１ａ，１１ｂ）」と称し、その他の側面１４を「露出側面１４」と称することとする。また、段部Ｒの側面１５，１８（図１の（ｂ）参照）のうち、他の段部Ｒに突き合わされる側面１５を「突合側面１５」と称し、その他の側面１８を「露出側面１８」と称することとする。本体部Ｑの立上壁面１１は、本実施形態では、段部Ｒの表面１６から垂直に立ち上がっており、かつ、段部Ｒの突合側面１５と平行である。
【００２２】
段部Ｒは、本体部Ｑよりも肉厚の小さい部位であり、本実施形態では本体部Ｑの表面１２を面削若しくは切除することにより形成される。図１の（ａ）及び（ｂ）に示すように、段部Ｒの表面１６は、本体部Ｑの表面１２から一段下がったところに位置している。また、段部Ｒの突合側面１５は、段部Ｒの表面１６に対して垂直になっている。段部Ｒの奥行き寸法（本体部Ｑの立上壁面１１から段部Ｒの突合側面１５までの距離）は、後記する本接合用ツールＧ（図３の（ｂ）参照）のショルダ部Ｇ１の半径（＝Ｙ１／２）よりも小さくなっている。
【００２３】
（１）準備工程
準備工程は、図１及び図２に示すように、第一金属部材１ａ及び第二金属部材１ｂの段部Ｒ，Ｒ同士を突き合せ、本体部Ｑ，Ｑ間に凹部１００を形成する突合工程と、凹部１００に継手部材２０を挿入する継手部材挿入工程を含む。
【００２４】
突合工程では、第一金属部材１ａの段部Ｒの突合側面１５に第二金属部材１ｂの段部Ｒの突合側面１５を密着させるとともに、第一金属部材１ａの段部Ｒの表面（上面）１６と第二金属部材１ｂの段部Ｒの表面（上面）１６を面一にし、さらに、第一金属部材１ａの段部Ｒの裏面１７と第二金属部材１ｂの段部Ｒの裏面１７を面一にする。これにより、対向する本体部Ｑ，Ｑ間には、断面視矩形の凹部１００が形成される。また、第一金属部材１ａ及び第二金属部材１ｂの段部Ｒ同士を突き合わせることにより、段部突合部Ｊ１０が形成される。
【００２５】
なお、本実施形態では、予め端部が切り欠かれた金属部材を用いて突き合わせたが、これに限定されるものではなく、一対の金属部材の端部同士を突き合わせた後に、当該突き合わせた部分をエンドミル等で切り欠いて凹部１００を形成してもよい。
【００２６】
継手部材挿入工程では、図１及び図２に示すように、凹部１００に継手部材２０を挿入する。継手部材２０は、直方体の板状部材であって、長さ、幅、高さともに、凹部１００の長さ、幅、高さと略同等に形成されている。したがって、凹部１００に継手部材２０を挿入すると、凹部１００を構成する各面と継手部材２０を構成する各面とがほぼ隙間なく対向する。また、第一金属部材１ａ及び第二金属部材１ｂの表面１２，１２と、継手部材２０の上面２０ｄとが面一に形成される。また、第一金属部材１ａ及び第二金属部材１ｂの側面１４，１４と、継手部材２０の両端面とが面一に形成される。
【００２７】
ここで、図２の（ｂ）に示すように、凹部１００の一方の立上壁面１１ａと、継手部材２０の一方の側面２０ａとが対向する部分を一方側突合部Ｊ１１とする。また、凹部１００の他方の立上壁面１１ｂと、継手部材２０の他方の側面２０ｂとが対向する部分を他方側突合部Ｊ１２とする。また、凹部１００の底面１１ｃと、継手部材２０の底面２０ｃとが対向する部分を底面突合部Ｊ１３とする。
ここで、図２の（ａ）に示すように、継手部材挿入工程後の部材を被接合金属部材１とし、被接合金属部材１の表面を表面Ａ、裏面を裏面Ｂ、一方の側面を第一側面Ｃ、他方の側面を第二側面Ｄとする。
【００２８】
（２）予備工程
仮接合工程では、一方側突合部Ｊ１１及び他方側突合部Ｊ１２を表面Ａ側から比較的小さい回転ツールを用いて摩擦攪拌する。本実施形態に係る予備工程では、一対のタブ材を配置するタブ材配置工程、仮接合を行う仮接合工程、下穴を形成する下穴形成工程を含む。
【００２９】
タブ材配置工程では、被接合金属部材１の両側面に第一タブ材２及び第二タブ材３を配置する。図２の（ａ）に示すように、第一タブ材２及び第二タブ材３は、被接合金属部材１の両側面を挟むように配置されるものであり、被接合金属部材１の厚み方向を覆い隠すことができる寸法・形状を備えている。第一タブ材２及び第二タブ材３は、それぞれ、被接合金属部材１の表面Ａ及び裏面Ｂと面一になるように配置されている。第一タブ材２と被接合金属部材１の第二側面Ｄ及び第二タブ材３と被接合金属部材１の第一側面Ｃとは溶接によって接合されている。第一タブ材２及び第二タブ材３の材質に特に制限はないが、本実施形態では被接合金属部材１と同一組成の金属材料で形成している。なお、被接合金属部材１と第一タブ材２との突合部を第一タブ材突合部Ｊ２とし、被接合金属部材１と第二タブ材３との突合部を第二タブ材突合部Ｊ３とする。
【００３０】
ここで、図３を参照して、小型の回転ツール（以下、「仮接合用回転ツールＦ」という。）及び仮接合用回転ツールＦよりも比較的大型の回転ツール（以下、「本接合用回転ツールＧ」という。）について詳細に説明する。
【００３１】
図３の（ａ）に示す仮接合用回転ツールＦは、工具鋼など被接合金属部材１よりも硬質の金属材料からなり、円柱状を呈するショルダ部Ｆ１と、このショルダ部Ｆ１の下端面Ｆ１１に突設された攪拌ピン（プローブ）Ｆ２とを備えて構成されている。仮接合用回転ツールＦの寸法・形状は、被接合金属部材１の材質や厚さ等に応じて設定すればよいが、少なくとも、本接合用回転ツールＧ（図３の（ｂ）参照）よりも小型にする。このようにすると、本接合用回転ツールＧを用いる場合よりも小さな負荷で摩擦攪拌接合を行うことが可能となるので、摩擦攪拌装置に掛かる負荷を低減することが可能となり、さらには、仮接合用回転ツールＦの移動速度（送り速度）を本接合用回転ツールＧの移動速度よりも高速にすることも可能になるので、摩擦攪拌接合に要する作業時間やコストを低減することが可能となる。
【００３２】
ショルダ部Ｆ１の下端面Ｆ１１は、塑性流動化した金属を押えて周囲への飛散を防止する役割を担う部位であり、本実施形態では、凹面状に成形されている。ショルダ部Ｆ１の外径Ｘ１の大きさに特に制限はないが、本実施形態では、本接合用回転ツールＧのショルダ部Ｇ１の外径Ｙ１よりも小さくなっている。
【００３３】
攪拌ピンＦ２は、ショルダ部Ｆ１の下端面Ｆ１１の中央から垂下しており、本実施形態では、先細りの円錐台状に成形されている。また、攪拌ピンＦ２の周面には、螺旋状に刻設された攪拌翼が形成されている。攪拌ピンＦ２の外径の大きさに特に制限はないが、本実施形態では、最大外径（上端径）Ｘ２が本接合用回転ツールＧの攪拌ピンＧ２の最大外径（上端径）Ｙ２よりも小さく、かつ、最小外径（下端径）Ｘ３が攪拌ピンＧ２の最小外径（下端径）Ｙ３よりも小さくなっている。また、攪拌ピンＦ２の長さＬＡも、本接合用回転ツールＧの攪拌ピンＧ２の長さＬＢよりも小さくなっている。
【００３４】
図３の（ｂ）に示す本接合用回転ツールＧは、工具鋼など被接合金属部材１よりも硬質の金属材料からなり、円柱状を呈するショルダ部Ｇ１と、このショルダ部Ｇ１の下端面Ｇ１１に突設された攪拌ピン（プローブ）Ｇ２とを備えて構成されている。
【００３５】
ショルダ部Ｇ１の下端面Ｇ１１は、仮接合用回転ツールＦと同様に、凹面状に成形されている。攪拌ピンＧ２は、ショルダ部Ｇ１の下端面Ｇ１１の中央から垂下しており、本実施形態では、先細りの円錐台状に成形されている。また、攪拌ピンＧ２の周面には、螺旋状に刻設された攪拌翼が形成されている。なお、攪拌ピンＧ２の長さＬＢは、本実施形態では、図２の（ｂ）に示す段部Ｒの高さｔｂよりもよりも大きく形成されている。
【００３６】
仮接合工程では、図４に示すように、仮接合用回転ツールＦを一筆書きの移動軌跡（ビード）を形成するように移動させて、第一タブ材突合部Ｊ２、第二タブ材突合部Ｊ３、一方側突合部Ｊ１１及び他方側突合部Ｊ１２に対して表面Ａ側から連続して摩擦攪拌を行う。即ち、摩擦攪拌の開始位置ＳＰに挿入した仮接合用回転ツールＦの攪拌ピンＦ２を途中で離脱させることなく終了位置ＥＰまで移動させる。本実施形態では、開始位置ＳＰ及び終了位置ＥＰは、同じ位置とした。
【００３７】
図４を用いて仮接合工程をより詳細に説明する。
本実施形態における仮接合工程は、第一タブ材突合部接合工程、一方側突合部接合工程、第二タブ材突合部接合工程、他方側突合部接合工程及び第一タブ材突合部接合工程を含む。
まず、第一タブ材２の任意の点である開始位置ＳＰの直上に、右回転させた仮接合用回転ツールＦを位置させて、攪拌ピンＦ２を開始位置ＳＰに押し込む（押圧する）。仮接合用回転ツールＦのショルダ部Ｆ１の下端面が第一タブ材２の表面に接触したら、第一タブ材突合部Ｊ２上の略中央に設定された基点ｓ１に向けて相対移動させる。仮接合用回転ツールＦが基点ｓ１に達したら、そのまま第一タブ材突合部接合工程に移行して、一方側突合部Ｊ１１上に設定された基点ｓ２に向けて、第一タブ材突合部Ｊ２に沿って相対移動させる。
【００３８】
仮接合用回転ツールＦが基点ｓ２に達したら、そのまま一方側突合部接合工程に移行して、一方側突合部Ｊ１１に沿って、仮接合用回転ツールＦを相対移動させる。仮接合用回転ツールＦが第二タブ材突合部Ｊ３上に設定された基点ｓ３に達したら、仮接合用回転ツールＦを離脱させずに、そのまま第二タブ材突合部接合工程に移行して、第二タブ材突合部Ｊ３に沿って相対移動させる。仮接合用回転ツールＦが他方側突合部Ｊ１２上に設定された基点ｓ４に達したら、そのまま他方側突合部接合工程に移行して、他方側突合部Ｊ１２に沿って仮接合用回転ツールＦを相対移動させる。そして、仮接合用回転ツールＦが第一タブ材突合部Ｊ２上の基点ｓ５に達したら、そのまま第一タブ材突合部接合工程に移行して、第一タブ材突合部Ｊ２に沿って仮接合用回転ツールＦを相対移動させる。第一タブ材突合部Ｊ２上の基点ｓ１に再び仮接合用回転ツールＦが達したら、終了位置ＥＰに向けて仮接合用回転ツールＦを移動させて、終了位置ＥＰで仮接合用回転ツールＦを離脱させる。仮接合工程によって、被接合金属部材１の表面Ａには、仮接合塑性化領域Ｗ１１が形成される。
【００３９】
仮接合用回転ツールＦの攪拌ピンＦ２が第一タブ材突合部Ｊ２及び第二タブ材突合部Ｊ３に入り込むと、第一タブ材２及び第二タブ材３と被接合金属部材１とを引き離そうとする力が作用するが、各タブ材と被接合金属部材１とを溶接しているので、各タブ材と被接合金属部材１との間に目開きが発生することがない。
【００４０】
なお、仮接合用回転ツールＦを右回転させた場合には、仮接合用回転ツールＦの進行方向の左側に微細な接合欠陥が発生する虞があるので、第一タブ材突合部Ｊ２及び第二タブ材突合部Ｊ３の摩擦攪拌を行う際には、仮接合用回転ツールＦの進行方向の左側に第一タブ材２、第二タブ材３が位置するように摩擦攪拌のルートを設定することが望ましい。このようにすると、継手部材２０側に接合欠陥が発生し難くなるので、高品質の接合体を得ることが可能となる。
【００４１】
ちなみに、仮接合用回転ツールＦを左回転させた場合には、仮接合用回転ツールＦの進行方向の右側に微細な接合欠陥が発生する虞があるので、第一タブ材突合部Ｊ２及び第二タブ材突合部Ｊ３に沿って摩擦攪拌を行う際には、仮接合用回転ツールＦの進行方向の右側に第一タブ材２、第二タブ材３が位置するように摩擦攪拌のルートを設定することが望ましい。
なお、仮接合工程は、第一実施形態にいては図４に示すような軌跡となったが、これに限定されるものではなく、他の軌跡であってもよい。また、仮接合工程は、必ずしも一筆書きの要領で摩擦攪拌しなければならないものではない。
【００４２】
下穴形成工程では、図３の（ｂ）に示すように、後記する本接合工程における摩擦攪拌の開始位置ＳＭ１に下穴Ｐ１を形成する工程である。即ち、下穴形成工程は、本接合用回転ツールＧの攪拌ピンＧ２の挿入予定位置に下穴Ｐ１を形成する工程である。
【００４３】
下穴Ｐ１は、本接合用回転ツールＧの攪拌ピンＧ２の挿入抵抗（圧入抵抗）を低減する目的で設けられるものであり、本実施形態では、仮接合用回転ツールＦの攪拌ピンＦ２（図３の（ａ）参照）を離脱させたときに形成される抜き穴Ｈ１を図示せぬドリルなどで拡径することで形成される。抜き穴Ｈ１を利用すれば、下穴Ｐ１の形成工程を簡略化することが可能となるので、作業時間を短縮することが可能となる。下穴Ｐ１の形態に特に制限はないが、本実施形態では、円筒状としている。なお、本実施形態では、第一タブ材２に下穴Ｐ１を形成しているが、下穴Ｐ１の位置に特に制限はなく、第二タブ材３に形成してもよいし、第一タブ材突合部Ｊ２、第二タブ材突合部Ｊ３に形成してもよいが、好適には、本実施形態の如く被接合金属部材１の表面Ａ側に現れる継ぎ目（境界線）の延長線上に形成することが望ましい。
【００４４】
下穴Ｐ１の最大穴径Ｚ１は、本接合用回転ツールＧの攪拌ピンＧ２の最大外径（上端径）Ｙ２よりも小さくなっているが、好適には、攪拌ピンＧ２の最大外径Ｙ２の５０〜９０％とすることが望ましい。なお、下穴Ｐ１の最大穴径Ｚ１が攪拌ピンＧ２の最大外径Ｙ２の５０％を下回ると、攪拌ピンＧ２の圧入抵抗の低減度合いが低下する虞があり、また、下穴Ｐ１の最大穴径Ｚ１が攪拌ピンＧ２の最大外径Ｙ２の９０％を上回ると、攪拌ピンＧ２による摩擦熱の発生量が少なくなって塑性流動化する領域が小さくなり、入熱量が減少するので、本接合用回転ツールＧを移動させる際の負荷が大きくなり、欠陥が発生し易くなる。
【００４５】
（３）本接合工程
本接合工程では、被接合金属部材１の裏面Ｂ側から段部突合部Ｊ１０に沿って、本接合用回転ツールＧを用いて摩擦攪拌を行う。本接合工程は、図５に示すように、第二タブ材３に設定された開始位置ＳＭ１に本接合用回転ツールＧの攪拌ピンＧ２を挿入（圧入）し、挿入した攪拌ピンＧ２を途中で離脱させることなく終了位置ＥＭ１まで移動させる。なお、本実施形態では、第二タブ材３に摩擦攪拌の開始位置ＳＭ１を設け、第一タブ材２に終了位置ＥＭ１を設けているが、開始位置ＳＭ１と終了位置ＥＭ１の位置を限定する趣旨ではない。
【００４６】
本接合工程について具体的に説明する。前記した予備工程を終えた被接合金属部材１の表裏を逆にして、摩擦攪拌装置に被接合金属部材１を固定する。そして、右回転させた本接合用回転ツールＧを開始位置ＳＭ１に押し込み、本接合用回転ツールＧのショルダ部Ｇ１が第二タブ材３に接触したら、被接合金属部材１側に向けて本接合用回転ツールＧを相対移動させる。
【００４７】
攪拌ピンＧ２を下穴（図示省略）に入り込ませると、攪拌ピンＧ２の周面（側面）が下穴Ｐ１の穴壁に当接し、穴壁から金属が塑性流動化する。このような状態になると、塑性流動化した金属を攪拌ピンＧ２の周面で押し退けながら、攪拌ピンＧ２が圧入されることになるので、圧入初期段階における圧入抵抗を低減することが可能となり、また、本接合用回転ツールＧのショルダ部Ｇ１が第二タブ材３の表面に当接する前に攪拌ピンＧ２が下穴Ｐ１の穴壁に当接して摩擦熱が発生するので、塑性流動化するまでの時間を短縮することが可能となる。つまり、摩擦攪拌装置の負荷を低減することが可能となり、加えて、本接合に要する作業時間を短縮することが可能となる。
【００４８】
そして、第二タブ材突合部Ｊ３を横断させて、段部突合部Ｊ１０に沿って本接合用回転ツールＧを相対移動させる。さらに、第一タブ材突合部Ｊ２を横断させて、第一タブ材２に設定された終了位置ＥＭ１において本接合用回転ツールＧを離脱させる。
【００４９】
本接合用回転ツールＧを移動させると、その攪拌ピンＧ２の周囲にある金属が順次塑性流動化するとともに、攪拌ピンＧ２から離れた位置では、塑性流動化していた金属が再び硬化して裏面塑性化領域Ｗ１２が形成される。
【００５０】
ここで、本実施形態では、図６に示すように、本接合用回転ツールＧの攪拌ピンＧ２の先端が、底面突合部Ｊ１３に達するように摩擦攪拌を行う。これにより、段部突合部Ｊ１０の深さ方向の全長に亘って摩擦攪拌を行うことができるとともに、底面突合部Ｊ１３を摩擦攪拌することができる。したがって、被接合金属部材１の気密性及び水密性を高めることができる。攪拌ピンＧ２の長さ及び本接合用回転ツールＧの押込み量は、段部突合部Ｊ１０の長さに応じて適宜設定すればよいが、本実施形態のように、底面突合部Ｊ１３の全体が摩擦攪拌されるように設定することが好ましい。
【００５１】
また、本接合工程を行う前に、被接合金属部材１の表面Ａ側から仮接合工程を行っているため、裏面Ｂ側から本接合工程を行ったとしても継手部材２０が離脱することなく摩擦攪拌を行うことができる。
【００５２】
なお、本実施形態では、被接合金属部材１の表面Ａ側に現れる継ぎ目（境界線）の延長線上に摩擦攪拌の開始位置ＳＭ１を設定しているので、本接合工程における摩擦攪拌のルートを一直線にすることができる。摩擦攪拌のルートを一直線にすると、本接合用回転ツールＧの移動距離を最小限に抑えることができるので、本接合工程を効率よく行うことが可能となり、さらには、本接合用回転ツールＧの磨耗量を低減することが可能となる。
【００５３】
また、本実施形態では、図６に示すように、攪拌ピンＧ２が底面突合部Ｊ１３に達するように設定したが、これに限定されるものではない。少なくとも、本接合工程によって形成される裏面塑性化領域Ｗ１２が底面突合部Ｊ１３に達するように設定すればよい。
【００５４】
（４）一体化工程
一体化工程では、被接合金属部材１の表面Ａ側から継手部材２０に沿って、本接合用回転ツールを用いて摩擦攪拌を行う。即ち、前記した本接合工程が終了したら、被接合金属部材１の表裏を逆にして、摩擦攪拌装置に固定する。一体化工程では、図７に示すように、第一タブ材２に設定された開始位置ＳＭ２に本接合用回転ツールＧの攪拌ピンＧ２を挿入（圧入）し、挿入した攪拌ピンＧ２を途中で離脱させることなく終了位置ＥＭ２まで移動させる。
【００５５】
一体化工程で用いる回転ツールは、本実施形態では、本接合用回転ツールＧを用いる。本接合工程及び一体化工程で同一の回転ツールを用いることで、回転ツールの付け替え作業などの手間を省くことができる。また、形成される塑性化領域が、被接合金属部材１の表面Ａ側及び裏面Ｂ側で略同等となるため、均質な製品を製造することができる。
なお、一体化工程で用いる回転ツールは、他の形状の回転ツールであってもよいが、少なくとも回転ツールのピンの長さが継手部材２０の高さｔａ（図２の（ｂ）参照）よりも大きく、ショルダ部の外径が継手部材２０の幅よりも大きいことが好ましい。
【００５６】
一体化工程は、具体的には、右回転させた本接合用回転ツールＧを開始位置ＳＭ２に押し込み、本接合用回転ツールＧのショルダ部Ｇ１が第一タブ材２に接触したら、被接合金属部材１側に向けて本接合用回転ツールＧを相対移動させる。そして、第一タブ材突合部Ｊ２を横断させて、継手部材２０に沿って本接合用回転ツールＧを相対移動させる。さらに、第二タブ材突合部Ｊ３を横断させて、第二タブ材３に設定された終了位置ＥＭ２において本接合用回転ツールＧを離脱させる。
【００５７】
本接合用回転ツールＧを移動させると、その攪拌ピンＧ２の周囲にある金属が順次塑性流動化するとともに、攪拌ピンＧ２から離れた位置では、塑性流動化していた金属が再び硬化して表面塑性化領域Ｗ１３が形成される。
【００５８】
ここで、図８に示すように、本実施形態では、本接合用回転ツールＧのショルダ部Ｇ１の外径Ｙ１が、継手部材２０の幅（一方の側面２０ａから他方の側面２０ｂまでの距離（図２の（ｂ）参照））よりも大きいため、継手部材２０の中心に沿って本接合用回転ツールＧを移動させることで、一方側突合部Ｊ１１及び他方側突合部Ｊ１２に対して摩擦攪拌することができる。これにより、第一金属部材１ａ、第二金属部材１ｂ及び継手部材２０を一体化させることができる。
【００５９】
また、本実施形態においては、本接合用回転ツールＧの攪拌ピンＧ２が、凹部１００の高さｔａ（図２の（ｂ）参照）よりも大きいため、段部突合部Ｊ１０及び底面突合部Ｊ１３に対しても摩擦攪拌を行うことができる。即ち、一方側突合部Ｊ１１、他方側突合部Ｊ１２及び底面突合部Ｊ１３のそれぞれの突合部の全体に亘って摩擦攪拌を行うとともに、表面塑性化領域Ｗ１３と裏面塑性化領域Ｗ１２が重複するため、より気密性及び水密性を高めることができる。
一体化工程が終了したら、被接合金属部材１からタブ材を切除する。
【００６０】
なお、図７の（ｂ）に示すように、本接合工程で残置された抜き穴Ｑ１と一体化工程における本接合用回転ツールＧの移動ルートとが重なると、塑性流動化した金属が抜き穴Ｑ１に流れ込み、接合欠陥が発生する虞があるので、抜き穴Ｑ１から離れた位置に一体化工程における摩擦攪拌の開始位置ＳＭ２及び終了位置ＥＭ２を設定して、抜き穴Ｑ１を避けるように一体化工程における摩擦攪拌のルートを設定することが好ましい。
【００６１】
また、図７の（ｂ）に示すように、一体化工程で用いる本接合用回転ツールＧの攪拌ピンＧ２が本接合工程の抜き穴Ｑ１を通過しない場合であっても、その離隔距離が小さい場合には、塑性流動化した金属が抜き穴Ｑ１に押し出され、接合欠陥が発生する虞があるので、より好適には、本接合工程における摩擦攪拌の終了位置ＥＭ１と、一体化工程における本接合用回転ツールＧの開始位置ＳＭ２との平面視での最短距離ｄを、本接合用回転ツールＧのショルダ部Ｇ１の外径Ｙ１以上にすることが望ましい。
【００６２】
以上説明した接合方法によれば、表面Ａ側に形成された凹部１００に継手部材２０を挿入して、継手部材２０と第一金属部材１ａ及び第二金属部材１ｂを仮接合した後に、裏面Ｂ側から本接合工程を行うため、継手部材２０が裏当部材としての役割を果たす。即ち、
従来の裏当部材のように、被接合金属部材１の裏面（又は表面）から裏当部材が突出することがないため、裏当部材を固定する治具等は不用となる。これにより、摩擦攪拌装置の簡略化、小型化を図ることができ、ひいては製造コストの低減を図ることができる。
【００６３】
また、本接合工程及び一体化工程で段部突合部Ｊ１０及び底面突合部Ｊ１３をそれぞれ摩擦攪拌するため、被接合金属部材１の水密性及び気密性を高めることができる。
また、被接合金属部材１の側面に一対のタブ材を設けて摩擦攪拌を行うため、摩擦攪拌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。
【００６４】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において適宜変更が可能である。なお、他の実施形態の説明においては、第一実施形態と重複する部分については説明を省略する。
【００６５】
［第二実施形態］
図９〜図１１に示す第二実施形態においては、一体化工程で本接合用回転ツールＧを往復させる点で第一実施形態と異なる。即ち、図９に示すように、本接合工程を行う際に、本接合用回転ツールＧのショルダ部Ｇ１の外径Ｙ１が、継手部材２０の幅よりも小さい場合は、一方側突合部Ｊ１１及び他方側突合部Ｊ１２に沿って本接合用回転ツールＧを往復させて一体化工程を行ってもよい。
【００６６】
具体的には、図１０に示すように、一方側突合部Ｊ１１の延長線上において、第二タブ材３に開始位置ＳＭ４を設定し、第一タブ材２に折返し点ｓ１０を設定する。また、他方側突合部Ｊ１２の延長線上において、第二タブ材３に終了位置ＥＭ４を設定し、第一タブ材２に折返し点ｓ１１を設定する。そして、開始位置ＳＭ４に本接合用回転ツールＧを押し込んだ後、一方側突合部Ｊ１１に沿って摩擦攪拌を行い、折返し点Ｓ１０，Ｓ１１を経由した後、本接合用回転ツールＧを離脱させずに、他方側突合部Ｊ１２に摩擦攪拌を行い、終了位置ＥＭ４に達したら本接合用回転ツールＧを離脱させる。
【００６７】
本実施形態における一体化工程では、図１１に示すように、表面塑性化領域Ｗ１４ａと裏面塑性化領域Ｗ１２、表面塑性化領域Ｗ１４ｂと裏面塑性化領域Ｗ１２とをそれぞれ重複させることにより、一方側突合部Ｊ１１、他方側突合部Ｊ１２及び底面突合部Ｊ１３の全体に亘って摩擦攪拌を行うことができる。即ち、本接合工程において継手部材２０の幅が、本接合用回転ツールＧのショルダ部Ｇ１の外径Ｙ１よりも大きい場合は、本接合用回転ツールＧを往復させて、摩擦攪拌を行ってもよい。
【００６８】
なお、第二実施形態においては、継手部材２０の幅を適宜設定して、表面塑性化領域Ｗ１４ａ及び表面塑性化領域Ｗ１４ｂが段部突合部Ｊ１０に達するように摩擦攪拌を行ってもよい。
【００６９】
また、仮接合工程、本接合工程及び一体化工程を行なった後は、面削加工を行うことにより、被接合金属部材１の表面Ａ及び裏面Ｂを平滑形成することが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】（ａ）は、第一実施形態に係る第一金属部材、第二金属部材及び継手部材を示した分解斜視図である。（ｂ）は、（ａ）のＸ−Ｘ線平面図である。
【図２】（ａ）は、第一実施形態に係る被接合金属部材とタブ材を示した斜視図である。（ｂ）は、（ａ）のＩ−Ｉ線断面図である。
【図３】（ａ）は仮接合用回転ツールを示した側面図、（ｂ）は本接合用回転ツールを示した側面図である。
【図４】第一実施形態に係る仮接合工程を示した平面図である。
【図５】第一実施形態に係る本接合工程を示した斜視図である。
【図６】図５のII−II線断面図である。
【図７】第一実施形態に係る一体化工程を示した図であって、（ａ）は、斜視図、（ｂ）は、（ａ）のIII−III線断面図である。
【図８】図７の（ａ）のIV−IV線断面図である。
【図９】第二実施形態に係る第一金属部材、第二金属部材及び継手部材を示した側断面図である。
【図１０】第二実施形態に係る一体化工程を示した斜視図である。
【図１１】図１０のV−V線断面図である。
【符号の説明】
【００７１】
１      被接合金属部材
１ａ    第一金属部材
１ｂ    第二金属部材
２      第一タブ材
３      第二タブ材
２０    継手部材
１００  凹部
Ａ      表面
Ｂ      裏面
Ｆ      仮接合用回転ツール
Ｇ      本接合用回転ツール
Ｊ２    第一タブ材突合部
Ｊ３    第二タブ材突合部
Ｊ１０  段部突合部
Ｊ１１  一方側突合部
Ｊ１２  他方側突合部
Ｊ１３  底面突合部
Ｑ      本体部
Ｒ      段部
Ｗ      塑性化領域
【図１】
2009208143.tif 000003
【図２】
2009208143.tif 000004
【図３】
2009208143.tif 000005
【図４】
2009208143.tif 000006
【図５】
2009208143.tif 000007
【図６】
2009208143.tif 000008
【図７】
2009208143.tif 000009
【図８】
2009208143.tif 000010
【図９】
2009208143.tif 000011
【図１０】
2009208143.tif 000012
【図１１】
2009208143.tif 000013