(57)【要約】【課題】金属部材同士を容易に接合する方法であって、金属部材の気密性及び水密性を高めることができる接合方法を提供することを課題とする。【解決手段】本発明に係る接合方法は、第一金属部材１ａ及び第二金属部材１ｂの端面同士を突き合わせてなる被接合金属部材１に対して回転ツールＧを移動させて摩擦攪拌を行う接合方法であって、被接合金属部材１の側面から突合部Ｊ１に沿って溶接を行う溶接接合工程と、溶接接合工程の後に、突合部Ｊ１に対して表面Ａから摩擦攪拌を行う第一本接合工程と、第一本接合工程の後に、突合部Ｊ１に対しての裏面Ｂから摩擦攪拌を行う第二本接合工程と、を含み、溶接接合工程で形成された溶接金属Ｔと、第一本接合工程及び第二本接合工程で形成された塑性化領域Ｗを接触させることを特徴とする。【選択図】図１
2009090341.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一金属部材及び第二金属部材の端面同士を突き合わせてなる被接合金属部材に対して回転ツールを移動させて摩擦攪拌を行う接合方法であって、
前記第一金属部材と前記第二金属部材との突合部に対して前記被接合金属部材の側面から溶接を行う溶接接合工程と、
前記溶接接合工程の後に、前記突合部に対して前記被接合金属部材の表面から摩擦攪拌を行う第一本接合工程と、
前記第一本接合工程の後に、前記突合部に対して前記被接合金属部材の裏面から摩擦攪拌を行う第二本接合工程と、を含み、
前記溶接接合工程で形成された溶接金属と、前記第一本接合工程及び前記第二本接合工程で形成された塑性化領域とを接触させることを特徴とする接合方法。
【請求項２】
前記溶接接合工程は、前記被接合金属部材の側面において、前記突合部に沿って形成された凹溝に前記溶接金属を充填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】
前記凹溝の幅は、前記第一本接合工程及び前記第二本接合工程で形成される塑性化領域の幅よりも小さいことを特徴とする請求項２に記載の接合方法。
【請求項４】
前記凹溝は、被接合金属部材の中央方向に連続して拡張された拡張凹溝を備えることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の接合方法。
【請求項５】
第一金属部材の側面と第二金属部材の端面とを突き合わせてなる被接合金属部材に対して回転ツールを移動させて摩擦攪拌を行う接合方法であって、
前記第一金属部材と前記第二金属部材との突合部に対して前記被接合金属部材の側面から溶接を行う溶接接合工程と、
前記溶接接合工程の後に、前記突合部に対して前記被接合金属部材の表面から摩擦攪拌を行う第一本接合工程と、
前記第一本接合工程の後に、前記突合部に対して前記被接合金属部材の裏面から摩擦攪拌を行う第二本接合工程と、を含み、
前記溶接接合工程で形成された溶接金属と、前記第一本接合工程及び前記第二本接合工程で形成された塑性化領域とを接触させることを特徴とする接合方法。
【請求項６】
前記溶接接合工程は、前記第二金属部材の端面の側面側において、前記突合部に沿って形成された凹溝に、前記溶接金属を充填することを特徴とする請求項５に記載の接合方法。
【請求項７】
前記凹溝の幅は、前記第一本接合工程及び前記第二本接合工程で形成された塑性化領域の幅の１／２よりも小さいことを特徴とする請求項６に記載の接合方法。
【請求項８】
前記凹溝は、前記第二金属部材の中央方向に連続して拡張された拡張凹溝を備えることを特徴とする請求項６又は請求項７に記載の接合方法。
【請求項９】
前記第一本接合工程及び前記第二本接合工程の少なくともいずれか一方の工程を行う前に、前記突合部に対して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乃至請求項８のいずれか一項に記載の接合方法。
【請求項１０】
前記溶接接合工程の後に、前記溶接金属のうち被接合金属部材の前記側面から突出した部分を切除することを特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれか一項に記載の接合方法。
【請求項１１】
前記回転ツールの挿入予定位置に予め下穴を形成することを特徴とする請求項１乃至請求項１０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】
ここで、回転ツールの攪拌ピンの長さに対して金属部材の肉厚が大きい場合には、金属部材の厚みに応じて攪拌ピンの長さを大きくすれば、突合部の深さ方向の全長に亘って隙間なく接合することが可能である。しかし、回転ツールは、金属部材内に攪拌ピンを埋没させて高速で回転しながら移動するため、攪拌ピンの長さを大きくすると、摩擦攪拌装置の駆動手段及び攪拌ピンに作用する負荷が増大し、装置の短寿命化を招来するという問題があった。
【０００４】
そこで、回転ツールの攪拌ピンの長さに対して金属部材の肉厚が大きい場合には、厚みの異なる段部を備えた一対の金属部材の間に継手部材を介して段階的に摩擦攪拌を行う接合方法が知られている。
従来の接合方法は、例えば、図１３の（ａ）及び（ｂ）に示すように、本体部１０１の縁部に本体部１０１よりも肉厚の小さい段部１０２を備える第一金属部材１１０ａ及び第二金属部材１１０ｂを段部１０２同士で突き合わせる突合工程と、段部同士の突合部Ｊｄに対して摩擦攪拌を行う段部摩擦攪拌工程と、突合工程で形成された凹部１０３に継手部材Ｕを配置する継手部材配置工程と、第一金属部材１１０ａと継手部材Ｕとの突合部Ｊａ及び第二金属部材１１０ｂと継手部材Ｕとの突合部Ｊｂに対して摩擦攪拌を行う摩擦攪拌工程とを具備するものである。かかる接合方法によれば、金属部材の肉厚が大きい部材であっても好適に金属部材同士を接合することができる。
【０００５】
また、前記した従来の接合方法において、金属部材の側面間の気密性及び水密性を高める場合には、継手部材Ｕの下面と凹部１０３の底面との突合部Ｊｃを摩擦攪拌することが好ましい。即ち、図１３の（ｂ）に示すように、前記摩擦攪拌工程によって形成された塑性化領域Ｗの深さＷａを継手部材Ｕの厚みＵａよりも大きく設定するとともに、回転ツールＧを複数回往復させて突合部Ｊｃを全面に亘って摩擦攪拌する。これにより、金属部材の両側面間の水密性及び気密性を高めることができる。
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−３５８５３５号公報（図８参照）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来の接合方法によると、摩擦攪拌する際に第一金属部材１１０ａ、第二金属部材１１０ｂ及び継手部材Ｕの各金属材料の収縮が起こるため接合された製品が変形しやすく、精度よく接合することが困難であった。
また、図１３の（ｂ）に示すように、突合部Ｊｃを全面に亘って摩擦攪拌する場合は、継手部材Ｕの表面積に比例して手間が増えるものであった。また、金属部材の肉厚がさらに大きくなると、金属部材に設ける段部や継手部材も増やさなければならず作業が煩雑化するものであった。
【０００８】
このような観点から、本発明は、金属部材同士を容易に接合する方法であって、金属部材の気密性及び水密性を高め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】
【０００９】
このような課題を解決する本発明に係る接合方法は、第一金属部材及び第二金属部材の端面同士を突き合わせてなる被接合金属部材に対して回転ツールを移動させて摩擦攪拌を行う接合方法であって、前記第一金属部材と前記第二金属部材との突合部に対して前記被接合金属部材の側面から溶接を行う溶接接合工程と、前記溶接接合工程の後に、前記突合部に対して前記被接合金属部材の表面から摩擦攪拌を行う第一本接合工程と、前記第一本接合工程の後に、前記突合部に対して前記被接合金属部材の裏面から摩擦攪拌を行う第二本接合工程と、を含み、前記溶接接合工程で形成された溶接金属と、前記第一本接合工程及び前記第二本接合工程で形成された塑性化領域とを接触させることを特徴とする。
【００１０】
かかる接合方法によれば、被接合金属部材の側面に露出する突合部に対して、溶接接合を行うことで、比較的容易に被接合金属部材を接合することができる。また、被接合金属部材の側面に露出する突合部に溶接接合工程を行った後に、溶接接合工程で形成された溶接金属と第一本接合工程及び前記第二本接合工程で形成された塑性化領域とを接触させる。これにより、被接合金属部材と溶接金属との界面を摩擦攪拌することができるため、被接合金属部材の気密性及び水密性を高めることができる。
【００１１】
また、本接合方法では、前記溶接接合工程は、前記被接合金属部材の側面において、前記突合部に沿って形成された凹溝に前記溶接金属を充填することが好ましい。
【００１２】
かかる接合方法によれば、凹溝に溶接金属を充填することにより、より確実に突合部を密閉するとともに接合箇所の強度を高めることができる。
【００１３】
また、本接合方法では、前記凹溝の幅は、前記第一本接合工程及び前記第二本接合工程で形成される塑性化領域の幅よりも小さいことが好ましい。かかる接合方法によれば、溶接金属を充填する範囲を小さくすることができるため、作業効率を高めることができる。
【００１４】
また、本接合方法では、前記凹溝は、被接合金属部材の中央方向に連続して拡張された拡張凹溝を備えることが好ましい。
【００１５】
かかる接合方法によれば、溶接長を大きくすることができるため、より接合箇所の強度を高めることができる。
【００１６】
また、本接合方法では、第一金属部材の側面と第二金属部材の端面とを突き合わせてなる被接合金属部材に対して回転ツールを移動させて摩擦攪拌を行う接合方法であって、
前記第一金属部材と前記第二金属部材との突合部に対して前記被接合金属部材の側面から溶接を行う溶接接合工程と、前記溶接接合工程の後に、前記突合部に対して前記被接合金属部材の表面から摩擦攪拌を行う第一本接合工程と、前記第一本接合工程の後に、前記突合部に対して前記被接合金属部材の裏面から摩擦攪拌を行う第二本接合工程と、を含み、前記溶接接合工程で形成された溶接金属と、前記第一本接合工程及び前記第二本接合工程で形成された塑性化領域とを接触させることを特徴とする。
【００１７】
かかる接合方法によれば、被接合金属部材の側面に露出する突合部に対して、溶接接合を行うことで、比較的容易に被接合金属部材を接合することができる。また、被接合金属部材の側面に露出する突合部に溶接接合工程を行った後に、溶接接合工程で形成された溶接金属と第一本接合工程及び前記第二本接合工程で形成された塑性化領域とを接触させる。これにより、被接合金属部材と溶接金属との界面を摩擦攪拌することができるため、被接合金属部材の気密性及び水密性を高めることができる。
【００１８】
また、本接合方法では、前記溶接接合工程は、前記第二金属部材の端面の側面側において、前記突合部に沿って形成された凹溝に、前記溶接金属を充填することが好ましい。
【００１９】
かかる接合方法によれば、凹溝に溶接金属を充填することにより、より確実に突合部を密閉するとともに、接合箇所の強度を高めることができる。
【００２０】
また、本接合方法では、前記凹溝の幅は、前記第一本接合工程及び前記第二本接合工程で形成された塑性化領域の幅の１／２よりも小さいことが好ましい。
【００２１】
かかる接合方法によれば、溶接金属を充填する範囲を小さくすることができるため、作業効率を高めることができる。
【００２２】
また、本接合方法では、前記凹溝は、前記第二金属部材の中央方向に連続して拡張された拡張凹溝を備えることが好ましい。
【００２３】
かかる接合方法によれば、溶接長を大きくすることができるため、より接合箇所の強度を高めることができる。
【００２４】
また、本接合方法では、前記第一本接合工程及び前記第二本接合工程の少なくともいずれか一方の工程を行う前に、前記突合部に対して仮接合を行う仮接合工程を含むことが好ましい。
【００２５】
かかる接合方法によれば、第一本接合工程及び記第二本接合工程を行う際の目開きを防止することができる。
【００２６】
また、本接合方法では、前記溶接接合工程の後に、前記溶接金属のうち被接合金属部材の前記側面から突出した部分を切除することが好ましい。
【００２７】
かかる接合方法によれば、側面から突出した溶接金属を切除することにより、仕上がり面を平滑に成形することができる。なお、溶接金属のうち被接合金属部材の側面から突出した部分を以下、肉盛部ともいう。
【００２８】
また、本接合方法では、前記回転ツールの挿入予定位置に予め下穴を形成することが好ましい。かかる接合工程によれば、回転ツールを押し込む際の圧入抵抗を低減することができる。これにより、摩擦攪拌接合の精度を高めるとともに、迅速に接合作業を行うことができる。
【発明の効果】
【００２９】
本発明に係る接合方法によれば、金属部材同士を容易に接合するとともに、金属部材の気密性及び水密性を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
［第一実施形態］
本発明に係る接合方法は、図１の（ａ）に示すように、第一金属部材１ａ及び第二金属部材１ｂの端面同士を突き合わせてなる被接合金属部材１の突合部Ｊ１に対して、被接合金属部材１の第一側面Ｃ及び第二側面Ｄから溶接接合を行った後、被接合金属部材１の表面Ａ及び裏面Ｂから摩擦攪拌接合を行うことを特徴とする。
【００３１】
本実施形態に係る接合方法は、（１）突合工程、（２）第一溶接接合工程、（３）第二溶接接合工程、（４）第一本接合工程、（５）第二本接合工程を含むものである。以下に各工程について詳細に説明する。なお、本実施形態における上下左右前後は、図１の矢印に従う。
【００３２】
（１）突合工程
突合工程は、図２の（ａ）及び（ｂ）に示すように、第一金属部材１ａと第二金属部材１ｂとの端面同士を突き合わせる工程である。第一金属部材１ａ及び第二金属部材１ｂは、断面視矩形の金属部材であって、略同等の形状からなる。第一金属部材１ａの端面１１ａの両側面側には、表面１２ａから裏面１３ａに向けて連続する凹溝Ｋａ，Ｋａが形成されている。また、第二金属部材１ｂの端面１１ｂの両側面側には、表面１２ｂから裏面１３ｂに向けて連続する凹溝Ｋｂ，Ｋｂが形成されている。
第一金属部材１ａ及び第二金属部材１ｂは、本実施形態においては、例えば、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。
【００３３】
突合工程は、第一金属部材１ａの端面１１ａと第二金属部材１ｂの端面１１ｂとを突き合わせるとともに、第一金属部材１ａの表面１２ａと第二金属部材１ｂの表面１２ｂとを面一に、第一金属部材１ａの裏面１３ａと第二金属部材１ｂの裏面１３ｂとを面一に形成する。さらに、第一金属部材１ａの側面１４ａと第二金属部材１ｂの側面１４ｂとを面一にするとともに、第一金属部材１ａの側面１５ａと第二金属部材１ｂの側面１５ｂとを面一に形成する。
図１に示すように、第一金属部材１ａと第二金属部材１ｂを突き合わせて形成された部材を以下、被接合金属部材１とし、その表面を表面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。
【００３４】
図２の（ｂ）に示すように、第一金属部材１ａと第二金属部材１ｂの突合せ面には、突合部Ｊ１が形成されている。また、第一金属部材１ａの凹溝Ｋａと第二金属部材１ｂの凹溝Ｋｂとが対向することで、被接合金属部材１の両側面に表面Ａから裏面Ｂに連続する凹溝Ｋ，Ｋが形成されている。
【００３５】
なお、本実施形態においては、第一金属部材１ａ及び第二金属部材１ｂの凹溝Ｋａ，Ｋｂは予め形成したが、これに限定されるものではない。例えば、第一金属部材１ａ及び第二金属部材１ｂを突き合わせた後に、切削具を用いて切削して凹溝Ｋを形成してもよい。また、第一金属部材１ａ及び第二金属部材１ｂの形状・寸法に特に制限はないが、少なくとも突合部Ｊ１における厚さ寸法を同一にすることが望ましい。また、凹溝Ｋの形状は本実施形態においては、断面視矩形に形成したが、他の形状であってもよい。
【００３６】
（２）第一溶接接合工程
第一溶接接合工程は、被接合金属部材１の第一側面Ｃに露出する突合部Ｊ１に対して、溶接を行う工程である。第一溶接接合工程は、本実施形態においては、図３の（ａ）に示すように、被接合金属部材１の第一側面Ｃに形成された凹溝Ｋに肉盛溶接を行う肉盛溶接工程と、肉盛溶接によって充填された溶接金属のうち、第一側面Ｃから突出した部分を切除する肉盛部切除工程とを含むものである。
【００３７】
肉盛溶接工程では、突合部Ｊ１に対してＴＩＧ溶接又はＭＩＧ溶接等の肉盛溶接を行って、突合部Ｊ１を密閉するとともに、溶接金属Ｔによって凹溝Ｋを充填させる。本実施形態においては、図３の（ｂ）に示すように、被接合金属部材１の第一側面Ｃから溶接金属Ｔが突出するように、肉盛溶接を行う。肉盛溶接工程は、前記したＴＩＧ溶接又はＭＩＧ溶接に限定するものではなく他の公知の溶接を行ってもよい。なお、溶接材料は、被接合金属部材１と異なっていてもよいが、本実施形態においては同一の材料を用いている。
【００３８】
肉盛部切除工程では、図３の（ｂ）に示すように、公知の切削具を用いて肉盛溶接によって第一側面Ｃから突出した肉盛部Ｔ’を切削除去する。これにより、溶接金属Ｔの表面を平滑にすることができるため、後記するタブ材を被接合金属部材１に密着させることができる。
【００３９】
（３）第二溶接接合工程
第二溶接接合工程は、被接合金属部材１の第二側面Ｄに露出する突合部Ｊ１に対して、溶接を行う工程である。第二溶接接合工程は、具体的な図示はしないが、被接合金属部材１の第二側面Ｄに形成された凹溝Ｋに肉盛溶接を行う肉盛溶接工程と、肉盛溶接によって充填された溶接金属のうち、第二側面Ｄから突出した部分を切除する肉盛部切除工程とを含むものである。第二溶接接合工程は、第一溶接接合工程と略同等であるため、詳細な説明は省略する。
【００４０】
（４）第一本接合工程
第一本接合工程では、被接合金属部材１の表面Ａから突合部Ｊ１に沿って摩擦攪拌接合を行う。第一本接合工程は、本実施形態においては、図４の（ａ）に示すように、被接合金属部材１にタブ材を配置するタブ材配置工程と、突合部Ｊ１に対して摩擦攪拌を行う本接合工程とを含むものである。
【００４１】
タブ材配置工程では、図４の（ａ）に示すように、被接合金属部材１の両側面に、突合部Ｊ１に沿って一対のタブ材を配置する工程である。タブ材は、後記する本接合工程において、回転ツールをタブ材に押圧させる開始位置及び回転ツールをタブ材から離脱させる終了位置を設定するものである。
第一タブ材２及び第二タブ材３は、直方体を呈しそれぞれの表面及び裏面は、被接合金属部材１の表面Ａ及び裏面Ｂと面一に形成されている。第一タブ材２及び第二タブ材３は、本実施形態においては、被接合金属部材１と同等の素材を用いる。
【００４２】
図４の（ｂ）に示すように、第一タブ材２の当接面２１は、第一側面Ｃに当接されるとともに、第二タブ材３の当接面３１は、第二側面Ｄに当接される。第一タブ材２と被接合金属部材１の入り隅部２ａ，２ｂは、溶接により仮接合される。また、第二タブ材３と被接合金属部材１の入り隅部３ａ，３ｂは溶接により仮接合される。これにより、後記する本接合工程において、第一タブ材２及び第二タブ材３と被接合金属部材１との目開きを防止することができる。
ここで、被接合金属部材１と第一タブ材２との突合せ面を突合部Ｊ２とする。また、被接合金属部材１と第二タブ材３との突合せ面を突合部Ｊ３とする。
【００４３】
本接合工程では、図６に示すように、被接合金属部材１の表面Ａに露出する突合部Ｊ１に沿って回転ツールＧを用いて摩擦攪拌を行う。本接合工程は、本実施形態においては、第二タブ材３に開始位置ＳＭ１を設定し、第一タブ材２に終了位置ＥＭ１を設定して、一筆書きの要領で摩擦攪拌を行う。
【００４４】
ここで、本実施形態の本接合工程で用いる回転ツールＧについて説明する。
回転ツールＧは、図５に示すように、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。
【００４５】
ショルダ部Ｇ１の下端面Ｇ１１は、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。
【００４６】
本接合工程では、図６に示すように、回転ツールＧを回転させた状態で開始位置ＳＭ１に押圧し、回転ツールＧを離脱させることなく、終了位置ＥＭ１まで相対移動させる。即ち、回転ツールＧを開始位置ＳＭ１に押圧したら、本接合工程の始点ｓ１に向かって移動させ、回転ツールＧを離脱させることなく突合部Ｊ１に沿って摩擦攪拌を行う。そして、本接合工程の終点ｓ２に達したら、そのまま第一タブ材２に設定された終了位置ＥＭ１まで回転ツールＧを移動させ、回転ツールＧを第一タブ材２から離脱させる。
【００４７】
本接合工程によれば、図６に示すように、突合部Ｊ１に沿って塑性化領域Ｗ１が形成されている。塑性化領域Ｗ１の幅Ｗａは、凹溝Ｋの幅ＫＬよりも大きく設定されている。これにより、溶接金属Ｔの上面は、塑性化領域Ｗ１によって覆われる。
【００４８】
なお、本接合工程においては、図５の（ｂ）に示すように、第二タブ材３の表面３２に予め下穴Ｐ１を設けてもよい。本実施形態にかかる下穴Ｐ１は、円柱状に切り欠かれており、下穴Ｐの深さが攪拌ピンＧ２の長さＬ１よりも小さくなるように形成されている。下穴Ｐ１を設けることにより、第二タブ材３に回転ツールＧを押し込む際の圧入抵抗を低減することができる。これにより、摩擦攪拌の精度を高めるとともに、迅速に接合作業を行うことができる。下穴Ｐ１の形状、大きさは、限定されるものではないが、Ｐ１の開口部の大きさは、攪拌ピンＧ２の最大外径Ｙ２よりも小さく、最小外径Ｙ３よりも大きいことが好ましい。
【００４９】
また、本接合工程に先だって、突合部Ｊ１に対して仮接合工程を行ってもよい。即ち、仮接合工程では、例えば、回転ツールＧよりも小さい回転ツールを用いて、第一タブ材２と被接合金属部材１との突合部Ｊ２、突合部Ｊ１及び第二タブ材３と被接合金属部材１との突合部Ｊ３に対して摩擦攪拌を行う。本接合工程の前に、仮接合工程を行うことで、タブ材と被接合金属部材１との目開きを防止することができる。
また、本接合工程において、摩擦により被接合金属部材１が高熱になる場合、突合部Ｊ１に水を供給しながら作業を行うことがある。そのような場合に、仮接合工程を行っておくと、突合部Ｊ１の隙間に水が入り込むことがないため高品質な製品を供給することができる。
【００５０】
また、本実施形態においては、第二タブ材３に本接合工程の開始位置ＳＭ１を設けたが、第一タブ材２に設けてもよい。また、本実施形態においては、タブ材を用いて本接合工程を行ったが、タブ材は、必ずしも設けなくてもよい。
【００５１】
（５）第二本接合工程
第二本接合工程では、被接合金属部材１の裏面Ｂから突合部Ｊ１に沿って摩擦攪拌を行う。第二本接合工程は、第一本接合工程が終了したら、被接合金属部材１を図示せぬ摩擦攪拌装置から一旦取り外し、裏面Ｂを上方に向けて、再度固定する。第二本接合工程は、タブ材配置工程以外は第一本接合工程と略同等であるため、詳細な説明は省略する。第二本接合工程が終了したら、被接合金属部材１からタブ材を切削除去する。
なお、図１に示すように、第二本接合工程で形成された塑性化領域を塑性化領域Ｗ２とする。
【００５２】
以上説明した本実施形態に係る接合方法によれば、被接合金属部材１の第一側面Ｃ及び第二側面Ｄに露出する突合部Ｊ１に対して溶接接合を行うとともに、表面Ａ及び裏面Ｂに摩擦攪拌接合を行うことで、被接合金属部材１が肉厚であったとしても、被接合金属部材１に露出する突合部Ｊ１を効率よく、かつ容易に接合することができる。また、継手部材を用いないため、接合された製品が変形するなどの問題を解消することができる。
【００５３】
また、第一溶接接合工程及び第二溶接接合工程を行った後に、第一本接合工程及び第二本接合工程を行うことで、溶接接合工程で形成された溶接金属Ｔの上端と下端が被接合金属部材１の表面Ａ及び裏面Ｂに露出することがない。即ち、溶接金属Ｔの上端及び下端において、被接合金属部材１と溶接金属Ｔとの界面が摩擦攪拌されるため、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。
【００５４】
また、凹溝Ｋに溶接金属Ｔを充填することにより、より確実に突合部Ｊ１を密閉するとともに、接合箇所の強度を高めることができる。また、図６に示すように、凹溝Ｋの幅ＫＬは、第一本接合工程及び第二本接合工程で形成された塑性化領域Ｗ１，Ｗ２の幅Ｗａよりも小さいことが好ましい。かかる接合方法によれば、溶接金属Ｔを充填する範囲を小さくすることができ、作業効率を高めることができるとともに、溶接金属Ｔの上面及び下面の全面を摩擦攪拌することができる。なお、図６に示すように、凹溝Ｋの深さＫＤは、溶接接合の種類、被接合金属部材の素材に応じて適宜設定すればよい。
【００５５】
[第二実施形態]
次に、本発明の第二実施形態について説明する。図７は、第二実施形態を示した図であって、（ａ）は、斜視図、（ｂ）は、（ａ）のＩ−Ｉ線断面図である。第二実施形態に係る接合方法は、凹溝を設けずに溶接接合工程を行う点で第一実施形態と相違する。
【００５６】
即ち、第二実施形態に係る溶接接合工程は、第一実施形態に係る接合方法のように被接合金属部材１に凹溝Ｋを備えずに、突合部Ｊ１に対して溶接接合を行う。第二実施形態に係る溶接接合工程は、図７の（ｂ）に示すように、被接合金属部材１の第一側面Ｃの突合部Ｊ１に対して肉盛溶接を行う。そして、肉盛溶接によって形成された溶接金属Ｔ１のうち、第一側面Ｃから突出する肉盛部Ｔ１’については、第一側面Ｃと面一になるように切削除去する。このように、溶接接合工程においては、凹溝Ｋを用いなくても被接合金属部材１に露出する突合部Ｊ１に対して、容易に接合することができる。
そして、第二実施形態に係る溶接接合工程を行った後、第一本接合工程及び第二本接合工程を行う。他の工程は、第一実施形態と略同等であるため、説明を省略する。
【００５７】
［第三実施形態］
次に、本発明の第三実施形態について説明する。図８は、第三実施形態に係る接合方法を示した斜視図である。第三実施形態に係る接合方法は、第一金属部材１０ａと第二金属部材１０ｂを平面視してＬ字型に接合する点で第一実施形態と相違する。
【００５８】
第三実施形態に係る接合方法は、（１）突合工程、（２）第一溶接接合工程、（３）第二溶接接合工程、（４）第一本接合工程、（５）第二本接合工程を含むものである。以下に各工程について詳細に説明する。
【００５９】
（１）突合工程
突合工程では、図９に示すように、第一金属部材１０ａの側面と第二金属部材１０ｂの端面とを突き合わせる。第一金属部材１０ａは、直方体を呈する金属部材である。一方、第二金属部材１０ｂは、略直方体を呈する金属部材であって、端面１１ａの両側に凹溝Ｋｃ，Ｋｄが形成されている。凹溝Ｋｃ，Ｋｄは、断面が矩形であって、第二金属部材１０ｂの表面１２ｂから裏面１３ｂまで連続して形成されている。
【００６０】
突合工程では、第一金属部材１０ａの側面４４ａと第二金属部材１０ｂの端面１１ａとを突き合わせるとともに、第一金属部材１０ａの表面４２ａと第二金属部材１０ｂの表面１２ｂとを面一にし、第一金属部材１０ａの裏面４３ａと第二金属部材１０ｂの裏面１３ｂとを面一にする。また、第一金属部材１０ａの端面４５ａと第二金属部材１０ｂの側面１５ｂとを面一にする。第一金属部材１０ａの側面４４ａと第二金属部材１０ｂの端面１１ａとの突合せ面には、突合部Ｊ１０（図８参照）が形成されている。
【００６１】
なお、図８に示すように、第一金属部材１０ａと第二金属部材１０ｂとを突き合わせて形成された部材を以下、被接合金属部材１０とする。また、被接合金属部材１０の表面を表面Ａ、裏面を裏面Ｂとし、被接合金属部材１０のうち、第一金属部材１０ａの側面４４ａと第二金属部材１０ｂの側面１４ｂとで構成される面を第一側面Ｃとする。また、被接合金属部材１０のうち、第一金属部材１０ａの端面４５ａと第二金属部材１０ｂの側面１５ｂとで構成される面を第二側面Ｄとする。また、第一金属部材１０ａの側面４４ａと第二金属部材１０ｂの側面１４ｂとで構成される角部を入り隅部Ｒとする。
【００６２】
（２）第一溶接接合工程
第一溶接接合工程は、被接合金属部材１０の第一側面Ｃに露出する突合部Ｊ１に対して、溶接を行う工程である。第一溶接工程は、第二実施形態においては、図１０の（ａ）及び（ｂ）に示すように、凹溝Ｋｃに肉盛溶接を行う肉盛溶接工程と、肉盛溶接によって第二金属部材１０ｂの側面１４ｂから突出した部分を切除する肉盛部切除工程とを含むものである。
【００６３】
肉盛溶接工程では、図１０の（ａ）に示すように、突合部Ｊ１０に対してＴＩＧ溶接又はＭＩＧ溶接等の肉盛溶接を行って、突合部Ｊ１０を密閉するとともに、溶接金属Ｔ１によって凹溝Ｋｃを充填させる。本実施形態においては、第二金属部材１０ｂの側面１４ｂから溶接金属Ｔ１が突出するように、肉盛溶接を行う。肉盛溶接工程は、前記したＴＩＧ溶接又はＭＩＧ溶接に限定するものではなく他の公知の溶接を行ってもよい。
【００６４】
肉盛部切除工程では、図１０の（ｂ）に示すように、肉盛溶接によって第二金属部材１０ｂの側面１４ｂから突出した肉盛部Ｔ１’を切削除去する。これにより、溶接金属Ｔ１の表面を平滑にすることができるため、後記するタブ材を被接合金属部材１０に密着させることができる。
【００６５】
（３）第二溶接接合工程
第二溶接接合工程は、被接合金属部材１０の第二側面Ｄ側に露出する突合部Ｊ１０に対して、溶接を行う工程である。第二溶接工程は、被接合金属部材１０の第二側面Ｄ側の凹溝Ｋｄに肉盛溶接を行う肉盛溶接工程と、肉盛溶接によって第二側面Ｄから突出した部分を切除する肉盛部切除工程とを含むものである。
第二溶接接合工程は、第一溶接接合工程と略同等であるため、詳細な説明は省略する。
【００６６】
（４）第一本接合工程
第一本接合工程では、被接合金属部材１０の表面Ａから突合部Ｊ１０に沿って摩擦攪拌接合を行う。第一本接合工程は、第三実施形態においては、図１１に示すように、被接合金属部材１０にタブ材を配置するタブ材配置工程と、突合部Ｊ１０に対して摩擦攪拌を行う本接合工程とを含むものである。
【００６７】
タブ材配置工程では、図１１に示すように、被接合金属部材１０の突合部Ｊ１０に沿って一対のタブ材を配置する工程である。タブ材は、後記する本接合工程において、回転ツールをタブ材に押圧させる開始位置及び回転ツールをタブ材から離脱させる終了位置を設定するものである。
第一タブ材４及び第二タブ材５は、直方体を呈しそれぞれの表面及び裏面は、被接合金属部材１０の表面Ａ及び裏面Ｂと面一に形成されている。第一タブ材４及び第二タブ材５は、本実施形態においては、被接合金属部材１０と同等の素材を用いる。第一タブ材４は、被接合金属部材１０の第二側面Ｄにおいて、突合部Ｊ１０（溶接金属Ｔ１）に沿って、当接配置されている。第二タブ材５は、被接合金属部材１０の入り隅部Ｒに当接配置されている。第一タブ材４と被接合金属部材１０とは、入り隅部４ａ，４ｂにおいて溶接により仮接合されている。また、第二タブ材５と被接合金属部材１０とは、入り隅部５ａ，５ｂにおいて溶接により仮接合されている。これにより、後記する本接合工程において、第一タブ材４及び第二タブ材５と被接合金属部材１０との目開きを防止することができる。
【００６８】
本接合工程では、図１２に示すように、被接合金属部材１０の表面Ａに露出する突合部Ｊ１０に沿って回転ツールＧを用いて摩擦攪拌を行う。本接合工程では、第三実施形態においては、開始位置ＳＭ２を第一タブ材４に設定し、終了位置ＥＭ２を第二タブ材５に設定して、一筆書きの要領で摩擦攪拌を行う。
【００６９】
即ち、本接合工程では、回転ツールＧを回転させた状態で開始位置ＳＭ２に押圧し、本接合工程の始点ｓ３に向かって移動させ、回転ツールＧを離脱させることなく突合部Ｊ１０に沿って摩擦攪拌を行う。そして、本接合工程の終点ｓ４に達したら、そのまま第二タブ材５に設定された終了位置ＥＭ２まで回転ツールＧを移動させ、回転ツールＧを第二タブ材５から離脱させる。
【００７０】
本接合工程によれば、図１２に示すように、突合部Ｊ１０に沿って塑性化領域Ｗ１０が形成されている。塑性化領域Ｗ１０の幅Ｗａ／２は、凹溝Ｋｃの幅ＫＨよりも大きくなるように形成されている。これにより、溶接金属Ｔ１の上面は、塑性化領域Ｗ１０によって覆われる。
【００７１】
（５）第二本接合工程
第二本接合工程では、被接合金属部材１０の裏面Ｂから突合部Ｊ１０に沿って摩擦攪拌を行う。第二本接合工程は、第一本接合工程が終了したら、被接合金属部材１０を図示せぬ摩擦攪拌装置から一旦取り外し、裏面Ｂを上方に向けて、再度固定する。第二本接合工程は、タブ材配置工程以外は第一本接合工程と同等であるため、詳細な説明は省略する。
第二本接合工程が終了したら、被接合金属部材１０からタブ材を切削除去する。
なお、図８に示すように、第二本接合工程で形成された塑性化領域を塑性化領域Ｗ１１とする。
【００７２】
以上説明した第二実施形態に係る接合方法によれば、第一金属部材１０ａ及び第二金属部材１０ｂを平面視してＴ字状に接合する場合であっても、好適に接合することができる。
また、被接合金属部材１０の第一側面Ｃ及び第二側面Ｄに露出する突合部Ｊ１０に対して溶接接合を行うとともに、表面Ａ及び裏面Ｂに摩擦攪拌接合を行うことで、被接合金属部材１０が肉厚であったとしても、被接合金属部材１０に露出する突合部Ｊ１０を効率よく、かつ容易に接合することができる。
【００７３】
また、第一溶接接合工程及び第二溶接接合工程を行った後に、第一本接合工程及び第二本接合工程を行うことで、溶接接合工程で形成された溶接金属Ｔ１の上端と下端が被接合金属部材１０の表面Ａ及び裏面Ｂに露出することがない。即ち、溶接金属Ｔ１の上端及び下端において、被接合金属部材１０と溶接金属Ｔ１との界面が摩擦攪拌されるため、被接合金属部材１０の気密性及び水密性を高めることができる。
【００７４】
また、凹溝Ｋｃ，Ｋｄに溶接金属Ｔ１を充填することにより、より確実に突合部Ｊ１０を密閉するとともに、接合箇所の強度を高めることができる。また、肉盛部切除工程を設けることで、被接合金属部材１０の仕上がり面を平滑に仕上げることができる。
【００７５】
また、本接合工程に先だって、突合部Ｊ１０に対して仮接合工程を行ってもよい。即ち、仮接合工程では、例えば、回転ツールＧよりも小さい回転ツールを用いて、第一タブ材４と被接合金属部材１との突合部Ｊ１４、突合部Ｊ１０及び第二タブ材５と被接合金属部材１との突合部Ｊ１５に対して摩擦攪拌を行う。本接合工程の前に、仮接合工程を行うことで、タブ材と被接合金属部材１との目開きを防止することができる。
また、本接合工程において、摩擦により被接合金属部材１が高熱になる場合、突合部Ｊ１０に水を供給しながら作業を行うことがある。そのような場合に、仮接合工程を行っておくと、突合部Ｊ１０の隙間に水が入り込むことがないため高品質な製品を供給することができる。
【００７６】
なお、第三実施形態においては、前記したように形成したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、第一金属部材１０ａの端面４５ａ（図９参照）のうち、第二金属部材１０ｂ側に凹溝を切り欠いて形成してもよい。即ち、具体的な図示はしないが、第一金属部材１０ａに切欠いた凹溝と、第二金属部材１０ｂに係る凹溝Ｋｄとを対向させて凹溝を形成してもよい。
また、第二金属部材１０ｂに凹溝Ｋｃ，Ｋｄを設けずに、入り隅部Ｒに直接溶接接合を行ってもよい。
【００７７】
以上発明の実施形態について説明したが、本発明は前記した形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に反しない範囲において適宜変更が可能である。
例えば、図１３は凹溝の変形例を示した斜視図である。図１３に示すように、第一金属部材１ａ及び第二金属部材１ｂの少なくとも一方に、端面１１ａに形成された凹溝Ｋａに連続して、部材の中央方向に拡張した拡張凹溝Ｌａを設けてもよい。溶接接合工程においては、凹溝Ｋａ及び拡張凹溝Ｌａに肉盛溶接によって溶接金属が充填される。このように、拡張凹溝Ｌａを設けることで、溶接長を大きくすることができるため、より接合強度を高めることができる。
【００７８】
なお、第一金属部材１ａの表面１２ａから拡張凹溝Ｌａの上面までの距離Ｌｂ及び第一金属部材１ａの裏面１３ａから拡張凹溝Ｌａの下面までの距離Ｌｃは、第一本接合工程及び第二本接合工程で形成された塑性化領域Ｗ１，Ｗ２（図１参照）の深さよりも小さくしてもよい。これにより、拡張凹溝Ｌａに充填される溶接金属と第一金属部材１ａとの界面を摩擦攪拌することができるため、被接合金属部材の気密性及び水密性を高めることができる。また、拡幅凹溝Ｌａは、前記した第一実施形態乃至第三実施形態のいずれにおいても採用することができる。また、凹溝Ｋａ及び拡幅凹溝Ｌａは両者とも断面視矩形に形成したが、この形状に限定されるものではない。
【００７９】
また、例えば、第一本接合工程及び第二本接合工程において形成される塑性化領域Ｗ１，Ｗ２，Ｗ１０，Ｗ１１においては、第一側面Ｃから第二側面Ｄに連通するトンネル状の空洞欠陥が生じる可能性がある。また、摩擦攪拌接合において、被接合金属部材とタブ材との突合部を通過する際に、被接合金属部材とタブ材の間に形成された酸化被膜を被接合金属部材側に巻き込む可能性がある。このようなトンネル状空洞欠陥及び酸化被膜は、被接合金属部材の気密性及び水密性を低下させる要因となる。したがって、このような空洞欠陥部分が生じた場合には、溶接により当該欠陥部分を封入する補修工程を行ってもよい。
また、本実施形態においては、被接合金属部材の両側面において溶接接合工程を行ったが、どちらか一方にのみ行うだけでもよい。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】第一実施形態に係る接合方法を示した図であって、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）のＮ部分における拡大斜視図である。
【図２】第一実施形態に係る突合工程を示した図であって（ａ）は、斜視図、（ｂ）は、平面図である。
【図３】第一実施形態に係る第一溶接接合工程を示した図であって（ａ）は、被接合金属部材の第一側面における正面図、（ｂ）は、（ａ）のＩ−Ｉ線断面図である。
【図４】第一実施形態に係るタブ材配置工程を示した図であって、（ａ）は、斜視図、（ｂ）は、平面図である。
【図５】第一実施形態に係る回転ツールを示した側面図である。
【図６】第一実施形態に係る第一本接合工程を示した平面図である。
【図７】（ａ）は、第二実施形態を示した斜視図であり、（ｂ）は、（ａ）のII−II線断面図である。
【図８】第三実施形態に係る接合方法を示した斜視図である。
【図９】第三実施形態に係る突合工程を示した斜視図である。
【図１０】第三実施形態に係る溶接接合工程を示した図であって、（ａ）は、斜視図、（ｂ）は、平面図である。
【図１１】第三実施形態に係るタブ材配置工程を示した斜視図である。
【図１２】第三実施形態に係る第一本接合工程を示した平面図である。
【図１３】凹溝の変形例を示した斜視図である。
【図１４】（ａ）は、従来の接合方法を示した分解斜視図であり、（ｂ）は、従来の接合方法を示した断面図である。
【符号の説明】
【００８１】
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
Ａ      表面
Ｂ      裏面
Ｃ      第一側面
Ｄ      第二側面
Ｇ      回転ツール
Ｊ      突合部
Ｋ      凹溝
Ｐ１    下穴
Ｔ      溶接金属
Ｗ      塑性化領域
ＳＭ    本接合工程の開始位置
ＥＭ    本接合工程の終了位置
【図１】
2009090341.tif 000003
【図２】
2009090341.tif 000004
【図３】
2009090341.tif 000005
【図４】
2009090341.tif 000006
【図５】
2009090341.tif 000007
【図６】
2009090341.tif 000008
【図７】
2009090341.tif 000009
【図８】
2009090341.tif 000010
【図９】
2009090341.tif 000011
【図１０】
2009090341.tif 000012
【図１１】
2009090341.tif 000013
【図１２】
2009090341.tif 000014
【図１３】
2009090341.tif 000015
【図１４】
2009090341.tif 000016
【手続補正書】
【提出日】平成20年9月10日(2008.9.10)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００４】
そこで、回転ツールの攪拌ピンの長さに対して金属部材の肉厚が大きい場合には、厚みの異なる段部を備えた一対の金属部材の間に継手部材を介して段階的に摩擦攪拌を行う接合方法が知られている。
従来の接合方法は、例えば、図１４の（ａ）及び（ｂ）に示すように、本体部１０１の縁部に本体部１０１よりも肉厚の小さい段部１０２を備える第一金属部材１１０ａ及び第二金属部材１１０ｂを段部１０２同士で突き合わせる突合工程と、段部同士の突合部Ｊｄに対して摩擦攪拌を行う段部摩擦攪拌工程と、突合工程で形成された凹部１０３に継手部材Ｕを配置する継手部材配置工程と、第一金属部材１１０ａと継手部材Ｕとの突合部Ｊａ及び第二金属部材１１０ｂと継手部材Ｕとの突合部Ｊｂに対して摩擦攪拌を行う摩擦攪拌工程とを具備するものである。かかる接合方法によれば、金属部材の肉厚が大きい部材であっても好適に金属部材同士を接合することができる。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００５】
また、前記した従来の接合方法において、金属部材の側面間の気密性及び水密性を高める場合には、継手部材Ｕの下面と凹部１０３の底面との突合部Ｊｃを摩擦攪拌することが好ましい。即ち、図１４の（ｂ）に示すように、前記摩擦攪拌工程によって形成された塑性化領域Ｗの深さＷａを継手部材Ｕの厚みＵａよりも大きく設定するとともに、回転ツールＧを複数回往復させて突合部Ｊｃを全面に亘って摩擦攪拌する。これにより、金属部材の両側面間の水密性及び気密性を高めることができる。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
しかしながら、従来の接合方法によると、摩擦攪拌する際に第一金属部材１１０ａ、第二金属部材１１０ｂ及び継手部材Ｕの各金属材料の収縮が起こるため接合された製品が変形しやすく、精度よく接合することが困難であった。
また、図１４の（ｂ）に示すように、突合部Ｊｃを全面に亘って摩擦攪拌する場合は、継手部材Ｕの表面積に比例して手間が増えるものであった。また、金属部材の肉厚がさらに大きくなると、金属部材に設ける段部や継手部材も増やさなければならず作業が煩雑化するものであった。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５５】
[第二実施形態]
次に、本発明の第二実施形態について説明する。図７は、第二実施形態を示した図であって、（ａ）は、斜視図、（ｂ）は、（ａ）のII−II線断面図である。第二実施形態に係る接合方法は、凹溝を設けずに溶接接合工程を行う点で第一実施形態と相違する。