(57)【要約】【課題】金属部材同士を容易に接合することができるとともに、接合箇所の強度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】第一金属部材１ｂの側面１４ａと第二金属部材１ｂの端面１１ｂとを突き合わせてなる被接合金属部材１に対して摩擦攪拌を行う接合方法であって、第二金属部材１ｂの端面１１ｂの側面側に形成された溝部Ｋ，Ｋ内に充填部材を挿入する工程と、第一金属部材１ａと第二金属部材１ｂとの突合部Ｊ１に対して被接合金属部材１の表面Ａから摩擦攪拌を行う工程と、突合部Ｊ１に対して被接合金属部材１の裏面Ｂから摩擦攪拌を行う工程と、溝部Ｋ，Ｋ内から充填部材を除去する工程と、突合部Ｊ１に対して被接合金属部材１の側面Ｃ，Ｄから溶接を行うことで、溝部Ｋ，Ｋ内に溶接金属Ｋ２，Ｋ２を充填する工程と、を含むことを特徴とする。【選択図】図１
2009101402.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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摩擦攪拌を行う接合方法であって、
前記第二金属部材の端面の側面側に形成された溝部内に充填部材を挿入する充填部材挿入工程と、
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、
前記溝部内から前記充填部材を除去する充填部材除去工程と、
前記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ことで、前記溝部内に溶接金属を充填する溶接接合工程と、
を含むことを特徴とする接合方法。
【請求項２】
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摩擦攪拌を行う接合方法であって、
前記第一金属部材及び前記第二金属部材の少なくとも一方の端面の側面側に形成された溝部内に充填部材を挿入する充填部材挿入工程と、
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、
前記溝部内から前記充填部材を除去する充填部材除去工程と、
前記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ことで、前記溝部内に溶接金属を充填する溶接接合工程と、
を含むことを特徴とする接合方法。
【請求項３】
前記充填部材除去工程の後に、前記溝部を前記被接合金属部材の表面側及び裏面側に拡張し、摩擦攪拌により前記被接合金属部材の表面側及び裏面側に形成された塑性化領域に前記溝部を接触させる溝部拡張工程を行う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】
前記溝部は、前記端面の側縁部に沿って形成されており、軸断面が三角形状であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の接合方法。
【請求項５】
前記第一本接合工程及び第二本接合工程の前に、前記突合部を仮接合する仮接合工程を行うことを特徴とする請求項１から請求項４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は、摩擦攪拌接合（ＦＳＷ＝Friction  Stir  Welding）が知られている。この摩擦攪拌接合は、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）を突設した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ることで、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できる。しかしながら、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る。
【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。
前記した従来の接合方法に用いられる金属部材は、図１２に示すように、第一金属部材１１０ａ及び第二金属部材１１０ｂの本体部１０１の縁部に、本体部１０１よりも肉厚の小さい段部１０２が形成されている。そして、従来の接合方法は、第一金属部材１１０ａ及び第二金属部材１１０ｂの段部１０２同士を突き合わせる突合工程と、段部１０２，１０２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、を備えるものである。この接合方法によれば、金属部材の肉厚が大きい部材であっても金属部材同士を接合することができる。
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−３５８５３５号公報（段落００１９、図２参照）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、前記した従来の接合方法では、金属部材１１０ａ，１１０ｂの肉厚が大きくなるにつれて、金属部材１１０ａ，１１０ｂに設ける段部や継手部材を増やさなければならず接合作業が煩雑になってしまうという問題がある。また、金属部材１１０ａ，１１０ｂの接合箇所に段部や継手部材が増えることで、接合箇所が複雑で大きくなるため、接合箇所の強度が低くなってしまうという問題がある。
【０００７】
そこで、本発明では、前記した問題を解決し、金属部材同士を容易に接合することができるとともに、接合箇所の強度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】
【０００８】
前記課題を解決するため、本発明は、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摩擦攪拌を行う接合方法であって、第二金属部材の端面の側面側に形成された溝部内に充填部材を挿入する充填部材挿入工程と、第一金属部材と第二金属部材との突合部に対して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、第一本接合工程の後に、突合部に対して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、溝部内から充填部材を除去する充填部材除去工程と、突合部に対して被接合金属部材の側面から溶接を行うことで、溝部内に溶接金属を充填する溶接接合工程と、を含むことを特徴としている。
【０００９】
本発明の他の構成としては、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摩擦攪拌を行う接合方法であって、第一金属部材及び第二金属部材の少なくとも一方の端面の側面側に形成された溝部内に充填部材を挿入する充填部材挿入工程と、第一金属部材と第二金属部材との突合部に対して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、第一本接合工程の後に、突合部に対して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、溝部内から充填部材を除去する充填部材除去工程と、突合部に対して被接合金属部材の側面から溶接を行うことで、溝部内に溶接金属を充填する溶接接合工程と、を含むことを特徴としている。
【００１０】
前記した各構成では、溶接接合工程において、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、金属部材の端面の側面側に形成された溝部内に溶接金属を充填することで、被接合金属部材の奥まで溶接を行うことができ、溶接範囲が広くなるため、接合箇所の強度を高めることができる。
また、第一本接合工程及び第二本接合工程では、溝部内に充填部材を挿入した状態で、突合部に摩擦攪拌が行われるため、溝部よりも表面側及び裏面側で塑性化された金属が、摩擦攪拌を行うための工具からの押圧によって溝部内に移動するのを防ぐことができる。これにより、摩擦攪拌の際に溝部が変形して潰れてしまうのを防ぐことができる。
【００１１】
前記した接合方法において、充填部材除去工程の後に、溝部を被接合金属部材の表面側及び裏面側に拡張し、摩擦攪拌により被接合金属部材の表面側及び裏面側に形成された塑性化領域に溝部を接触させる溝部拡張工程を行うことが望ましい。
【００１２】
この構成では、被接合金属部材の表面側及び裏面側に形成された塑性化領域に溝部を接触させることで、溶接接合工程において溝部内に充填される溶接金属が塑性化領域に接触することになり、被接合金属部材の側面において突合部が密閉されるため、被接合金属部材の接合箇所の気密性及び水密性を高めることができる。
【００１３】
前記した接合方法において、溝部は、端面の側縁部に沿って形成されており、軸断面が三角形状であることが望ましい。
【００１４】
この構成では、溝部の軸断面を三角形状とすることで、溝部は金属部材の内部から外部に向かうにつれて広がるように形成されるため、溝部内に挿入された充填部材を引き出し易くなる。
【００１５】
前記した接合方法において、第一本接合工程及び第二本接合工程の前に、突合部を仮接合する仮接合工程を行うことが望ましい。
【００１６】
ここで、第一本接合工程及び第二本接合工程を行うときには、接合される各金属部材の突合部に摩擦攪拌を行うための工具を押し込むため、金属部材同士を引き離そうとする力が作用し、突合部に目開きが発生する場合がある。しかし、前記した構成では、第一本接合工程及び第二本接合工程を行う前に、突合部を仮接合することで、第一本接合工程及び第二接合工程を好適に行うことができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の接合方法によれば、比較的容易に被接合金属部材を接合することができるとともに、接合箇所の強度を高めることができる。
また、溝部内に充填部材を挿入した状態で、突合部に摩擦攪拌を行うことで、摩擦攪拌の際に溝部が変形して潰れてしまうのを防ぐことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
次に、本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。
なお、各実施形態の説明において、同一の構成要素に関しては同一の符号を付し、重複した説明は省略するものとする。
【００１９】
［第一実施形態］
第一実施形態の接合方法は、図１に示すように、第一金属部材１ａの側面１４ａと第二金属部材１ｂの端面１１ｂとを突き合わせてなるＬ字型の被接合金属部材１の突合部Ｊ１に対して、被接合金属部材１の表面Ａ及び裏面Ｂから摩擦攪拌接合を行った後に、被接合金属部材１の第一側面Ｃ及び第二側面Ｄから溶接接合を行うものである。
【００２０】
第一実施形態の接合方法は、（１）突合工程、（２）充填部材挿入工程、（３）第一本接合工程、（４）第二本接合工程、（５）充填部材除去工程、（６）溝部拡張工程、（７）溶接接合工程を含むものである。以下、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。
【００２１】
（１）突合工程
突合工程は、図２に示すように、第一金属部材１ａの側面１４ａと第二金属部材１ｂの端面１１ｂと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、図２（ａ）に示すように、断面視矩形の金属部材であって、略同等の形状となっている。第一金属部材１ａ及び第二金属部材１ｂ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である。
【００２２】
第二金属部材１ｂの端面１１ｂの両側面１４ｂ，１５ｂ側において高さ方向の中央部には、端面１１ｂと側面１４ｂとの角部、及び端面１１ｂと側面１５ｂとの角部を切り欠いた溝部Ｋ，Ｋが形成されている。溝部Ｋは、端面１１ｂの側縁部に沿って形成されており、その軸断面は直角二等辺三角形となっている。
【００２３】
突合工程では、図２（ｂ）に示すように、第一金属部材１ａの側面１４ａ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とを面一にし、第一金属部材１ａの裏面１３ａと第二金属部材１ｂの裏面１３ｂとを面一にする。また、第一金属部材１ａの端面１１ａと第二金属部材１ｂの側面１５ｂとを面一にする。そして、第一金属部材１ａの側面１４ａと第二金属部材１ｂの端面１１ａとの突合せ面には、突合部Ｊ１が形成されている。
【００２４】
なお、第一金属部材１ａと第二金属部材１ｂ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１とする。また、被接合金属部材１の表面を表面Ａ、裏面を裏面Ｂとし、被接合金属部材１のうち、第一金属部材１ａの側面１４ａと第二金属部材１ｂ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１のうち、第一金属部材１ａの端面１１ａと第二金属部材１ｂ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１ａの側面１４ａと第二金属部材１ｂの側面１４ｂとで構成される角部を入り隅部Ｒとする。
【００２５】
なお、本実施形態では、第二金属部材１ｂに対して溝部Ｋ，Ｋを予め形成しているが、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溝部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。
【００２６】
（２）充填部材挿入工程
充填部材挿入工程は、図３（ａ）に示すように、第二金属部材１ｂの溝部Ｋ，Ｋに充填部材Ｋ１，Ｋ１を挿入する工程である。
充填部材Ｋ１は、溝部Ｋ内に嵌り合うように、軸断面が直角二等辺三角形に形成された柱状の金属部材である。図３（ｂ）に示すように、充填部材Ｋ１が各溝部Ｋ，Ｋに挿入され、各溝部Ｋ，Ｋが埋められることで、第二金属部材１ｂの端面１１ｂが矩形な平面となる。なお、本実施形態では、充填部材Ｋ１に被接合金属部材１と同等の素材を用いているが、その材料は限定されるものではない。
【００２７】
（３）第一本接合工程
第一本接合工程は、突合部Ｊ１に対して被接合金属部材１の表面Ａから摩擦攪拌接合を行う工程である。
第一本接合工程は、被接合金属部材１にタブ材２，３を配置して仮接合するタブ材配置工程と、表面Ａ側において被接合金属部材１と第一タブ材２との突合部Ｊ２を接合する第一タブ材接合工程と、被接合金属部材１の突合部Ｊ１を仮接合する仮接合工程と、被接合金属部材１と第二タブ材３との突合部Ｊ３を接合する第二タブ材接合工程と、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。
【００２８】
タブ材配置工程は、図３（ｂ）に示すように、被接合金属部材１の突合部Ｊ１に沿って一対のタブ材２，３を配置する工程である。タブ材２，３は、後記する本接合工程において、回転ツールを押圧させる開始位置、及び回転ツールを離脱させる終了位置を設定するものである。
【００２９】
第一タブ材２及び第二タブ材３は、直方体の金属部材であり、本実施形態では被接合金属部材１と同等の素材を用いている。第一タブ材２及び第二タブ材３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は、被接合金属部材１の第二側面Ｄにおいて、突合部Ｊ１に沿って、当接配置されている。また、第二タブ材３は、被接合金属部材１の入り隅部Ｒに当接して配置されている。
第一タブ材２と被接合金属部材１、及び第二タブ材３と被接合金属部材１とは、それぞれ入り隅部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。
【００３０】
次に、図４を参照して、仮接合工程に用いる回転ツールＦ（以下、「仮接合用回転ツールＦ」という）及び本接合工程に用いる回転ツールＧ（以下、「本接合用回転ツールＧ」という）を詳細に説明する。
【００３１】
図４（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、後記する第一の本接合工程で用いる本接合用回転ツールＧ（図４（ｂ）参照）よりも小型にする。このようにすると、本接合よりも小さな負荷で仮接合を行うことができるので、仮接合時に摩擦攪拌装置に掛かる負荷を低減することができ、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できるので、仮接合に要する作業時間やコストを低減することができる。
【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よりも小さい。攪拌ピンＦ２の長さＬ２は、本接合用回転ツールＧの攪拌ピンＧ２の長さＬ１よりも小さくすることが望ましい。
【００３４】
図４（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。
【００３６】
なお、本実施形態では、図９に示すように、本接合用回転ツールＧを用いて、第一金属部材１ａと第二金属部材１ｂとの突合部Ｊ１を表面Ａ側及び裏面Ｂ側から摩擦攪拌した際に、摩擦攪拌により形成された塑性化領域Ｗ１，Ｗ２が溝部Ｋに達しないように、本接合用回転ツールＧの攪拌ピンＧ２の長さＬ１（図４（ｂ）参照）が設定されている。
【００３７】
第一タブ材接合工程、仮接合工程、及び第二タブ材接合工程では、図６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、突合部Ｊ２，Ｊ１，Ｊ３に対して連続して摩擦攪拌を行う。すなわち、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（図４（ａ）参照）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。なお、本実施形態では、第一タブ材２に摩擦攪拌の開始位置ＳＰを設け、第二タブ材３に終了位置ＥＰを設けているが、開始位置ＳＰと終了位置ＥＰの位置を限定する趣旨ではない。
【００３８】
まず、第一タブ材接合工程の前に、図５（ａ）に示すように、第一タブ材２の適所に設けた開始位置ＳＰの直上に仮接合用回転ツールＦを位置させ、続いて、仮接合用回転ツールＦを右回転させつつ下降させて攪拌ピンＦ２を開始位置ＳＰに押し付ける。
仮接合用回転ツールＦの回転速度は、攪拌ピンＦ２の寸法・形状、摩擦攪拌される被接合金属部材１等の材質や肉厚等に応じて設定されるものであるが、多くの場合、５００〜２０００ｒｐｍの範囲内に設定される。
【００３９】
攪拌ピンＦ２が第一タブ材２の表面に接触すると、摩擦熱によって攪拌ピンＦ２の周囲にある金属が塑性流動化し、図５（ｂ）に示すように、攪拌ピンＦ２が第一タブ材２に挿入される。
【００４０】
攪拌ピンＦ２全体が第一タブ材２に入り込み、かつ、ショルダ部Ｆ１の下端面Ｆ１１の全面が第一タブ材２の表面に接触したら、図６に示すように、仮接合用回転ツールＦを回転させつつ第一タブ材接合工程の始点ｓ２に向けて相対移動させる。
【００４１】
仮接合用回転ツールＦの移動速度（送り速度）は、攪拌ピンＦ２の寸法・形状、摩擦攪拌される被接合金属部材１の材質や肉厚等に応じて設定されるものであるが、多くの場合、１００〜１０００ｍｍ／分の範囲内に設定される。仮接合用回転ツールＦの移動時の回転速度は、挿入時の回転速度と同じか、それよりも低速に設定する。
なお、仮接合用回転ツールＦを移動させる際には、ショルダ部Ｆ１の軸線を鉛直線に対して進行方向の後ろ側へ僅かに傾斜させてもよいが、傾斜させずに鉛直にすると、仮接合用回転ツールＦの方向転換が容易となり、複雑な動きが可能となる。
仮接合用回転ツールＦを移動させると、その攪拌ピンＦ２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Ｆ２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する。
【００４２】
仮接合用回転ツールＦを相対移動させて第一タブ材接合工程の始点ｓ２まで連続して摩擦攪拌を行ったら、第一タブ材接合工程の始点ｓ２で仮接合用回転ツールＦを離脱させずに、そのまま第一タブ材接合工程に移行する。
【００４３】
第一タブ材接合工程では、被接合金属部材１と第一タブ材２との突合部Ｊ２に対して摩擦攪拌を行う。具体的には、被接合金属部材１と第一タブ材２の継ぎ目（境界線）上に摩擦攪拌のルートを設定し、このルートに沿って仮接合用回転ツールＦを相対移動させることで、突合部Ｊ２に対して摩擦攪拌を行う。なお、本実施形態では、仮接合用回転ツールＦを途中で離脱させることなく第一タブ材接合工程の始点ｓ２から終点ｅ２まで連続して摩擦攪拌を行う。
【００４４】
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空洞欠陥が発生する虞があるので、仮接合用回転ツールＦの進行方向の右側に被接合金属部材１が位置するように第一タブ材接合工程の始点ｓ２と終点ｅ２の位置を設定することが望ましい。このようにすると、被接合金属部材１側に空洞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できる。
【００４５】
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空洞欠陥が発生する虞があるので、仮接合用回転ツールＦの進行方向の左側に被接合金属部材１が位置するように、第一タブ材接合工程の始点と終点の位置を設定することが望ましい。
【００４６】
なお、仮接合用回転ツールＦの攪拌ピンＦ２が突合部Ｊ２に入り込むと、被接合金属部材１と第一タブ材２を引き離そうとする力が作用するが、被接合金属部材１と第一タブ材２により形成された各入隅部を溶接により仮接合しているので、被接合金属部材１と第一タブ材２との間に目開きが発生することがない。
【００４７】
仮接合用回転ツールＦが第一タブ材接合工程の終点ｅ２に達したら、終点ｅ２で摩擦攪拌を終了させずに仮接合工程の始点ｓ１まで連続して摩擦攪拌を行い、そのまま仮接合工程に移行する。すなわち、第一タブ材接合工程の終点ｅ２から仮接合工程の始点ｓ１まで仮接合用回転ツールＦを離脱させずに摩擦攪拌を継続し、さらに、始点ｓ１で仮接合用回転ツールＦを離脱させることなく仮接合工程に移行する。このようにすると、第一タブ材接合工程の終点ｅ２での仮接合用回転ツールＦの離脱作業が不要となり、さらに、仮接合工程の始点ｓ１での仮接合用回転ツールＦの挿入作業が不要となることから、予備的な接合作業の効率化・迅速化を図ることができる。
【００４８】
本実施形態では、第一タブ材接合工程の終点ｅ２から仮接合工程の始点ｓ１に至る摩擦攪拌のルートを第一タブ材２に設定し、仮接合用回転ツールＦを第一タブ材接合工程の終点ｅ２から仮接合工程の始点ｓ１に移動させる際の移動軌跡を第一タブ材２に形成する。このようにすると、第一タブ材接合工程の終点ｅ２から仮接合工程の始点ｓ１に至る工程中において、被接合金属部材１に空洞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できる。
【００４９】
仮接合工程では、第一金属部材１ａと第二金属部材１ｂとの突合部Ｊ１に対して摩擦攪拌を行う。具体的には、第一金属部材１ａ及び第二金属部材１ｂの継ぎ目上に設定された摩擦攪拌のルートに沿って、仮接合用回転ツールＦを始点ｓ１から終点ｅ１まで連続して移動させることで、突合部Ｊ１の全長に亘って摩擦攪拌を行う。
【００５０】
仮接合用回転ツールＦが仮接合工程の終点ｅ１に達したら、終点ｅ１で摩擦攪拌を終了させずに、そのまま第二タブ材接合工程に移行する。すなわち、第二タブ材接合工程の始点ｓ３でもある仮接合工程の終点ｅ１で仮接合用回転ツールＦを離脱させることなく第二タブ材接合工程に移行する。
【００５１】
第二タブ材接合工程では、被接合金属部材１と第二タブ材３との突合部Ｊ３に対して摩擦攪拌を行う。本実施形態では、第二タブ材接合工程の始点ｓ３が、突合部Ｊ３の中間に位置しているので、第二タブ材接合工程の始点ｓ３から終点ｅ３に至る摩擦攪拌のルートに折返し点ｍ３を設けている。そして、仮接合用回転ツールＦ（図４（ｂ）参照）を始点ｓ３から折返し点ｍ３に移動させた後に、仮接合用回転ツールＦを折返し点ｍ３から終点ｅ３に移動させることで、第二タブ材接合工程の始点ｓ３から終点ｅ３まで連続して摩擦攪拌を行う。なお、始点ｓ３から折返し点ｍ３に至る摩擦攪拌のルート及び折返し点ｍ３から終点ｅ３に至る摩擦攪拌のルートは、それぞれ被接合金属部材１と第二タブ材３との継ぎ目上に設定する。
【００５２】
仮接合用回転ツールＦが第二タブ材接合工程の終点ｅ３に達したら、終点ｅ３で摩擦攪拌を終了させずに、第二タブ材３に設けた終了位置ＥＰまで連続して摩擦攪拌を行う。なお、本実施形態では、第一金属部材１ａと第二金属部材１ｂとの継ぎ目（境界線）の延長線上に終了位置ＥＰを設けている。
【００５３】
仮接合用回転ツールＦが終了位置ＥＰに達したら、仮接合用回転ツールＦを回転させつつ上昇させて攪拌ピンＦ２を終了位置ＥＰから離脱させる。
なお、攪拌ピンＦ２を終了位置ＥＰから離脱させたときに形成される抜き穴をドリルなどで拡径することで、第二タブ材３に設定されたＳＭに下穴を形成してもよい。この下穴は、本接合用回転ツールＧの攪拌ピンＧ２（図４（ｂ）参照）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る。
【００５４】
本接合工程は、図７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に沿って摩擦攪拌を行う工程である。本実施形態の本接合工程では、摩擦攪拌の開始位置ＳＭを第二タブ材３に設定し、終了位置ＥＭを第一タブ材２に設定して、一筆書きの要領で摩擦攪拌を行う。
【００５５】
図８（ａ）〜（ｃ）を参照して本接合工程をより詳細に説明する。
まず、図８（ａ）に示すように、開始位置ＳＭの直上に本接合用回転ツールＧを位置させ、続いて、本接合用回転ツールＧを右回転させつつ下降させて攪拌ピンＧ２の先端を第二タブ材３に挿入する。攪拌ピンＧ２を第二タブ材３に入り込ませると、攪拌ピンＧ２の周囲にある金属が塑性流動化する。
さらに、図８（ｂ）に示すように、攪拌ピンＧ２の全体が第一タブ材２に入り込み、かつ、ショルダ部Ｇ１の下端面Ｇ１１の全面が第二タブ材３の表面に接触したら、摩擦攪拌を行いながら被接合金属部材１の突合部Ｊ１の一端に向けて本接合用回転ツールＧを相対移動させ、さらに、突合部Ｊ３を横切らせて突合部Ｊ１に突入させる。
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塑性化領域Ｗ１が形成される。
【００５６】
本接合用回転ツールＧの移動速度（送り速度）は、攪拌ピンＧ２の寸法・形状、摩擦攪拌される被接合金属部材１等の材質や肉厚等に応じて設定されるものであるが、多くの場合、３０〜３００ｍｍ／分の範囲内に設定される。
【００５７】
被接合金属部材１への入熱量が過大になる虞がある場合には、本接合用回転ツールＧの周囲に表面Ａ側から水を供給するなどして冷却することが望ましい。なお、第一金属部材１ａ（図６参照）と第二金属部材１ｂとの間に冷却水が入り込むと、接合面に酸化皮膜を発生させる虞があるが、本実施形態では、仮接合工程を実行して第一金属部材１ａと第二金属部材１ｂとの間の目地を閉塞しているので、被接合金属部材１の接合部に冷却水が入り込み難く、接合部の品質を劣化させる虞がない。
【００５８】
図７に示すように、突合部Ｊ１では、第一金属部材１ａと第二金属部材１ｂとの継ぎ目上（仮接合工程における移動軌跡上）に摩擦攪拌のルートを設定し、このルートに沿って本接合用回転ツールＧを相対移動させることで、突合部Ｊ１の一端から他端まで連続して摩擦攪拌を行う。
図８（ｃ）に示すように、本接合用回転ツールＧは、突合部Ｊ１の他端まで相対移動させたら、摩擦攪拌を行いながら突合部Ｊ２を横切らせ、そのまま終了位置ＥＭに向けて相対移動させる。このようにして、本接合工程では突合部Ｊ１に沿って塑性化領域Ｗ１が形成される。
【００５９】
なお、本実施形態では、塑性化領域Ｗ１の深さが溝部Ｋに達しないように、本接合用回転ツールＧの攪拌ピンＧ２の長さＬ１（図４（ｂ）参照）が設定されているため、溝部Ｋ内に挿入された充填部材Ｋ１が塑性流動化することがない。
また、充填部材Ｋ１を挿入した状態で、突合部Ｊ１に摩擦攪拌を行うことで、溝部Ｋよりも表面Ａ側及び裏面Ｂ側で塑性化された金属が、本接合用回転ツールＧからの押圧によって溝部Ｋ内に移動するのを防ぐことができる。
【００６０】
本実施形態では、被接合金属部材１の表面Ａ側に現れる第一金属部材１ａと第二金属部材１ｂとの継ぎ目（境界線）の延長線上に摩擦攪拌の開始位置ＳＭ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、第一本接合工程を効率良く行うことができ、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できる。
【００６１】
本接合用回転ツールＧが終了位置ＥＭに達したら、本接合用回転ツールＧを回転させつつ上昇させて攪拌ピンＧ２を終了位置ＥＭから離脱させる。なお、終了位置ＥＭにおいて攪拌ピンＧ２を上方に離脱させると、攪拌ピンＧ２と略同形の抜き穴Ｑ１が不可避的に形成されることになるが、本実施形態では、そのまま残置する。
【００６２】
本接合用回転ツールＧの攪拌ピンＧ２を終了位置ＥＭから離脱させるときの本接合用回転ツールＧの回転速度（離脱時の回転速度）は、移動時の回転速度よりも高速にすることが望ましい。このようにすると、離脱時の回転速度を移動時の回転速度と同じにした場合に比べて、攪拌ピンＧ２の離脱抵抗が小さくなるので、終了位置ＥＭにおける攪拌ピンＧ２の離脱作業を迅速に行うことができる。
【００６３】
なお、本実施形態では、第一タブ材２に本接合工程の開始位置ＳＭを設けたが、第二タブ材３に設けてもよい。また、本実施形態では、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。
【００６４】
（４）第二本接合工程
第二本接合工程は、図９に示すように、突合部Ｊ１に対して被接合金属部材１の裏面Ｂから摩擦攪拌を行う工程である。
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、タブ材配置工程が含まれないこと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。なお、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。また、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２，３を切削して除去する。
【００６５】
（５）充填部材除去工程
充填部材除去工程は、各溝部Ｋ，Ｋ内から充填部材Ｋ１，Ｋ１を除去する工程である。
第二本接合工程の後に、被接合金属部材１からタブ材２，３（図３（ｂ）参照）を除去すると、被接合金属部材１の第一側面Ｃ及び第二側面Ｄにそれぞれ充填部材Ｋ１，Ｋ１が露出した状態となる。
充填部材除去工程では、被接合金属部材１の第一側面Ｃ及び第二側面Ｄに露出した各充填部材Ｋ１，Ｋ１を各溝部Ｋ，Ｋ内から引き出して除去する。このとき、各溝部Ｋ，Ｋは、その軸断面が三角形状となっており、各溝部Ｋ，Ｋは第二金属部材１ｂの内部から外部に向かうにつれて広がるように形成されるため、溝部Ｋ内に挿入された充填部材Ｋ１を引き出し易くなっている。
【００６６】
（６）溝部拡張工程
溝部拡張工程は、各溝部Ｋ，Ｋを被接合金属部材１の表面Ａ側及び裏面Ｂ側に拡張する工程である。
充填金属除去工程において各溝部Ｋ，Ｋ内から充填部材Ｋ１，Ｋ１（図９参照）を除去した後に、溝部拡張工程では、図１０（ａ）に示すように、図示しない切削器具を用いて各溝部Ｋ，Ｋの表面Ａ側（上端部）及び裏面Ｂ側（下端部）をそれぞれ切除することで、各溝部Ｋ，Ｋを表面Ａ側及び裏面Ｂ側に拡張し、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に各溝部Ｋ，Ｋを接触させる。
【００６７】
（７）溶接接合工程
溶接接合工程は、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から溶接を行うことで、各溝部Ｋ，Ｋに溶接金属Ｋ２を充填する工程である。
溶接接合工程では、図１０（ｂ）に示すように、第一側面Ｃ及び第二側面Ｄから各溝部Ｋ，Ｋ内にＴＩＧ溶接又はＭＩＧ溶接等の肉盛溶接を行うことで、各溝部Ｋ，Ｋ内に溶接金属Ｋ２を充填させる。これにより、図１に示すように、第一金属部材１ａの側面１４ａと第二金属部材１ｂの端面１１ｂとが接合された被接合金属部材１が形成される。
【００６８】
なお、溶接接合工程は、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、本実施形態では同一の材料を用いている。
【００６９】
以上のような第一実施形態の接合方法によれば、図１に示すように、溶接接合工程において、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、溶接接合を行うことで、比較的容易に被接合金属部材１を接合することができる。また、第二金属部材１ｂの端面１１ｂの各側面１４ｂ，１５ｂ（図２（ａ）参照）側に形成された各溝部Ｋ，Ｋ内に溶接金属を充填することで、被接合金属部材１の奥まで溶接を行うことができ、溶接面積が広くなるため、接合箇所の強度を高めることができる。
【００７０】
また、第一本接合工程及び第二本接合工程において、充填部材Ｋ１を挿入した状態で、突合部Ｊ１に摩擦攪拌を行うことで、溝部Ｋよりも表面Ａ側及び裏面Ｂ側で塑性化された金属が、本接合用回転ツールＧからの押圧によって溝部Ｋ内に移動するのを防ぐことができるため、摩擦攪拌の際に溝部Ｋが変形して潰れてしまうことがない。
【００７１】
また、溝部拡張工程において、被接合金属部材１の表面Ａ側及び裏面Ｂ側に形成された塑性化領域Ｗ１，Ｗ２に各溝部Ｋ，Ｋを接触させることで、溶接接合工程において各溝部Ｋ，Ｋ内に充填された溶接金属Ｋ２，Ｋ２が塑性化領域Ｗ１，Ｗ２に接触することになり、被接合金属部材１の各側面Ｃ，Ｄにおいて突合部が密閉されるため、被接合金属部材１の接合箇所の気密性及び水密性を高めることができる。
【００７２】
以上、本発明の第一実施形態について説明したが、本発明は前記第一実施形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜に設計変更が可能である。
例えば、第一実施形態では、図２に示すように、第二金属部材１ｂに形成された溝部Ｋの軸断面を直角二等辺三角形としているが、その形状は限定されるものではなく、溝部Ｋの軸断面が四角形など他の形状であってもよい。
【００７３】
また、図１０（ａ）に示すように、溝部拡張工程において、溝部Ｋを表面Ａ側及び裏面Ｂ側に拡張し、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に溝部Ｋを接触させているが、溝部Ｋを表面Ａ側及び裏面Ｂ側に拡張することなく、被接合金属部材１の各側面Ｃ，Ｄに露出した突合部Ｊ１において、表面Ａから溝部Ｋまでの間、及び裏面Ｂから溝部Ｋまでの間に対して、ＴＩＧ溶接又はＭＩＧ溶接等の肉盛溶接を行うことで、突合部Ｊ１を密閉してもよい。
【００７４】
［第二実施形態］
第二実施形態の接合方法は、図１１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Ｊ１０に対して、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った後に、被接合金属部材１´の第一側面Ｃ及び第二側面Ｄから溶接接合を行うものである。
【００７５】
第二実施形態の接合方法は、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る（１）突合工程と、第二金属部材１ｂの溝部Ｋ，Ｋに充填部材（図示せず）を挿入する充填部材挿入工程と、突合部Ｊ１０に対して被接合金属部材１´の表面Ａから摩擦攪拌接合を行う（３）第一本接合工程と、突合部Ｊ１０に対して被接合金属部材１´の裏面Ｂから摩擦攪拌を行う（４）第二本接合工程と、各溝部Ｋ，Ｋ内から充填部材を除去する（５）充填部材除去工程と、各溝部Ｋ，Ｋを被接合金属部材１の表面Ａ側及び裏面Ｂ側に拡張する（６）溝部拡張工程と、突合部Ｊ１０に対して被接合金属部材１の各側面Ｃ，Ｄから溶接を行うことで、各溝部Ｋ，Ｋに溶接金属Ｋ２を充填する（７）溶接接合工程と、を含むものである。この第二実施形態の接合方法は、突合工程において第一金属部材１ａと第二金属部材１ｂとの端面同士を突き合わせること以外は、前記第一実施形態の接合方法の各工程と同等であるため、各工程の説明は省略する。
【００７６】
なお、第二実施形態では、第一金属部材１ａに溝部Ｋを形成してもよく、さらには、第二金属部材１ｂと第一金属部材１ａとの両方に溝部Ｋを形成してもよい。第二金属部材１ｂと第一金属部材１ａとの両方に溝部Ｋを形成した場合には、接合面積を広げることができるため、被接合金属部材１の接合箇所の強度を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】第一実施形態の接合方法によって接合された被接合金属部材を示した斜視図である。
【図２】第一実施形態の突合工程を示した図で、（ａ）は第一金属部材と第二金属部材とを突き合わせる前の斜視図、（ｂ）は第一金属部材と第二金属部材とを突き合わせた後の斜視図である。
【図３】第一実施形態の充填部材挿入工程及び第一本接合工程を示した図で、（ａ）は充填部材挿入工程を示した斜視図、（ｂ）はタブ材配置工程を示した斜視図である。
【図４】第一実施形態の回転ツールを示した図で、（ａ）は仮接合用回転ツールの側面図、（ｂ）は本接合用回転ツールの側面図である。
【図５】第一実施形態の仮接合用回転ツールの使用状態を示した図で、（ａ）は仮接合用回転ツールを第一タブ材に当接させたときの側面図、（ｂ）は仮接合用回転ツールを第一タブ材に押し込んだときの側面図である。
【図６】第一実施形態の第一本接合工程における第一タブ材接合工程、仮接合工程及び第二タブ材接合工程を示した平面図である。
【図７】第一実施形態の第一本接合工程における本接合工程を示した平面図である。
【図８】第一実施形態の第一本接合工程を示した図７のＩ−Ｉ断面図で、（ａ）は開始位置、（ｂ）は中間部分、（ｃ）は終了位置の摩擦攪拌接合を示した図である。
【図９】第一実施形態の第二本接合工程を示した断面図である。
【図１０】第一実施形態の溝部拡張工程及び溶接接合工程を示した図で、（ａ）は溝部拡張工程を示した断面図、（ｂ）は溶接接合工程を示した断面図である。
【図１１】第二実施形態の接合方法によって接合された被接合金属部材を示した斜視図である。
【図１２】従来の接合方法を示した断面図である。
【符号の説明】
【００７８】
１      被接合金属部材（第一実施形態）
１´    被接合金属部材（第二実施形態）
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
１１ｂ  第二金属部材の端面
１４ａ  第一金属部材の側面
Ｊ１    突合部（第一実施形態）
Ｊ１０  突合部（第二実施形態）
Ａ      表面
Ｂ      裏面
Ｃ      第一側面
Ｄ      第二側面
Ｋ      溝部
Ｋ１    充填部材
Ｋ２    溶接金属
Ｗ１    塑性化領域
Ｗ２    塑性化領域
Ｆ      仮接合用回転ツール
Ｇ      本接合用回転ツール
【図１】
2009101402.tif 000003
【図２】
2009101402.tif 000004
【図３】
2009101402.tif 000005
【図４】
2009101402.tif 000006
【図５】
2009101402.tif 000007
【図６】
2009101402.tif 000008
【図７】
2009101402.tif 000009
【図８】
2009101402.tif 000010
【図９】
2009101402.tif 000011
【図１０】
2009101402.tif 000012
【図１１】
2009101402.tif 000013
【図１２】
2009101402.tif 000014