接合方法
【課題】金属部材同士の突合部を金属部材の表面側及び裏面側から摩擦攪拌を行うとともに金属部材の気密性及び水密性を向上させることが可能な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、一対の金属部材の端面同士を突き合わせて被接合金属部材１を形成する突合工程と、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から摩擦攪拌を行う第一本接合工程と、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第二本接合工程と、突合部Ｊ１に対して被接合金属部材１の側面から溶接を行う溶接接合工程と、を含み、第一本接合工程で形成された表面側塑性化領域Ｗ１と、第二本接合工程で形成された裏面側塑性化領域Ｗ２とを重複させるとともに、溶接接合工程において、表面側塑性化領域Ｗ１及び裏面側塑性化領域Ｗ２を溶接金属で密閉することを特徴とする。
【解決手段】本発明に係る接合方法は、一対の金属部材の端面同士を突き合わせて被接合金属部材１を形成する突合工程と、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から摩擦攪拌を行う第一本接合工程と、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第二本接合工程と、突合部Ｊ１に対して被接合金属部材１の側面から溶接を行う溶接接合工程と、を含み、第一本接合工程で形成された表面側塑性化領域Ｗ１と、第二本接合工程で形成された裏面側塑性化領域Ｗ２とを重複させるとともに、溶接接合工程において、表面側塑性化領域Ｗ１及び裏面側塑性化領域Ｗ２を溶接金属で密閉することを特徴とする。
【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】
ここで図１２は、一対の金属部材に摩擦攪拌接合を施した従来の接合方法を示した斜視図である。図１２に示すように、接合すべき金属部材１０１，１０１の肉厚が図示しない回転ツールの攪拌ピンの長さよりも大きい場合には、金属部材１０１の表面１０２側から摩擦攪拌接合を行った後に、裏面１０３側からも摩擦攪拌接合を行う場合がある。
即ち、従来の接合方法は、金属部材１０１，１０１の突合部１０４（二点鎖線）に沿って表面１０２及び裏面１０３の両側から摩擦攪拌接合を行い、摩擦攪拌接合によって形成された塑性化領域１０５，１０６の厚さ方向の中央部分が接触するように接合するものである。これにより、突合部１０４においては、隙間なく接合することができる。
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−１３１６６６号公報（図７参照）
【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、従来の接合方法は、図１２に示すように、塑性化領域１０５，１０６において、一方の側面１０７から他方の側面１０８に連続するトンネル状の空洞欠陥（以下、トンネル状空洞欠陥１０９という）が生じる可能性がある。トンネル状空洞欠陥１０９は、突合部１０４の微細な隙間を充填するためにメタルが不足したり、摩擦攪拌によってバリが発生したりすることにより生じるものである。かかる空洞欠陥１０９は、金属部材１０１，１１１の水密性及び気密性を低下させる一因となっていた。
【０００６】
このような観点から本発明は、金属部材同士の突合部を金属部材の表面側及び裏面側から摩擦攪拌を行うとともに金属部材の気密性及び水密性を向上させることが可能な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、一対の金属部材の端面同士を突き合わせて被接合金属部材を形成する突合工程と、前記被接合金属部材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、を含み、第一本接合工程で形成された表面側塑性化領域と、第二本接合工程で形成された裏面側塑性化領域とを重複させるとともに、前記溶接接合工程において、前記表面側塑性化領域及び前記裏面側塑性化領域を溶接金属で密閉することを特徴とする。
【０００８】
かかる接合方法によれば、表面側塑性化領域及び裏面側塑性化領域を重複させているので、突合部において未塑性化領域のない被接合金属部材を形成することができるとともに、被接合金属部材の側面に露出するトンネル状空洞欠陥については溶接により溶接金属で密閉するため、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。
【０００９】
また、本接合方法では、前記溶接接合工程の前に、前記被接合金属部材の側面の前記突合部に沿って凹溝を形成する凹溝形成工程を含み、前記溶接接合工程の際に、前記凹溝に前記溶接金属を充填することが好ましい。
【００１０】
かかる接合方法によれば、被接合金属部材の側面側に酸化皮膜が形成されていたとしても、凹溝を形成する際に除去することができる。
【００１１】
また、本接合方法では、前記凹溝の幅は、前記表面側塑性化領域及び前記裏面側塑性化領域の幅よりも小さいことが好ましい。
【００１２】
かかる接合方法によれば、凹溝を形成する作業手間を低減することができるとともに、溶接金属の充填量を小さくすることができるため、材料コストの低減を図ることができる。
【００１３】
また、本接合方法では、前記溶接接合工程において、前記溶接金属のうち前記被接合金属部材の側面から突出した部分を切除する切除工程を含むことが好ましい。
【００１４】
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。
【００１５】
また、本接合方法では、摩擦攪拌を行う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。かかる接合方法によれば、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】
【００１６】
本発明に係る接合方法によれば、金属部材同士の突合部を金属部材の表面側及び裏面側から摩擦攪拌を行うとともに金属部材の気密性及び水密性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明に係る接合方法は、図１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の表面Ａ及び裏面Ｂから摩擦攪拌をするとともに、両側面に形成された凹溝Ｋ，Ｋに溶接金属Ｔを充填することを特徴とするものである。まず、被接合金属部材１、摩擦攪拌の際に用いるタブ材及び回転ツールについて詳細に説明する。
【００１８】
被接合金属部材１は、図２に示すように、略同等の形状からなる第一金属部材１ａ及び第二金属部材１ｂの端面同士を突き合わせて形成されている。第一金属部材１ａ及び第二金属部材１ｂ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。
【００１９】
第一タブ材２および第二タブ材３は、図２に示すように、被接合金属部材１の突合部Ｊ１を挟むように配置されるものであって、それぞれ、被接合金属部材１に添設され、両側面に現れる継ぎ目（境界線）を覆い隠す。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。また、第一タブ材２および第二タブ材３の形状・寸法にも特に制限はないが、本実施形態では、その厚さ寸法を突合部Ｊ１における被接合金属部材１の厚さ寸法と同一にしている。
【００２０】
次に、図３を参照して、仮接合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。）および本接合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。
【００２１】
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、後記する第一本接合工程で用いる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、本接合よりも小さな負荷で仮接合を行うことが可能となるので、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、仮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。
【００２２】
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。
【００２３】
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ＬＡは、突合部Ｊ１（図３の（ｂ）参照）における被接合金属部材１の厚さｔの３〜１５％とすることが望ましいが、少なくとも、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。
【００２４】
図３の（ｂ）に示す本接合用回転ツールＧは、工具鋼など金属部材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。
【００２５】
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。攪拌ピンＧ２の長さＬ１は、突合部Ｊ１（図２の（ｃ）参照）における被接合金属部材１の肉厚ｔの１／２以上３／４以下となるように設定することが望ましく、より好適には、１．０１≦２Ｌ１／ｔ≦１．１０という関係を満たすように設定することが望ましい。
【００２６】
以下に本実施形態に係る接合方法を詳細に説明する。本実施形態に係る接合方法は、（１）突合工程、（２）仮接合工程、（３）第一本接合工程、（４）第二本接合工程、（５）凹溝形成工程、（６）溶接接合工程を含むものである。なお、説明における上下前後左右は、図１の矢印に従う。
【００２７】
（１）突合工程
突合工程は、第一金属部材１ａ及び第二金属部材１ｂの両端面を突き合わせて被接合金属部材１を形成する突合工程と、被接合金属部材１の両側面にタブ材を配置するタブ材配置工程とを含むものである。
【００２８】
突合工程では、図２の（ａ）〜（ｃ）に示すように、第一金属部材１ａと第二金属部材１ｂの両端面１１ａ及び１１ｂを突き合わせて被接合金属部材１を形成する。図２の（ｃ）に示すように、第一金属部材１ａの表面１２ａと第二金属部材１ｂの表面１２ｂとを面一にするとともに、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、図３の（ｂ）に示すように、第一金属部材１ａの一方の側面１４ａと第二金属部材１ｂの一方の側面１４ｂとを面一にするとともに、第一金属部材１ａの他方の側面１５ａと第二金属部材１ｂの他方の側面１５ｂとを面一にする。第一金属部材１ａ及び第二金属部材１ｂの突合せ面には突合部Ｊ１が形成されている。
ここで、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。
【００２９】
タブ材配置工程では、図２の（ａ）及び（ｂ）に示すように、被接合金属部材１の両側面に露出する突合部Ｊ１に沿って、第一タブ材２及び第二タブ材３を配置する。第一タブ材２は、図２の（ｂ）に示すように、第一タブ材２の当接面２１が第二側面Ｄに当接するように配置される。第二タブ材３は、第二タブ材３の当接面３１が第一側面Ｃに当接するように配置される。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。また、図２の（ａ）に示すように、被接合金属部材１と第一タブ材２との突合せ面には突合部Ｊ２が形成され、被接合金属部材１と第二タブ材３との突合せ面には突合部Ｊ３が形成されている。
【００３０】
本実施形態においては、第一タブ材２と被接合金属部材１とで形成された入り隅部２ａ，２ａを溶接によって仮接合する。これにより、第一タブ材２と被接合金属部材１を摩擦攪拌する際の目開きを防止することができる。同様に、第二タブ材３と被接合金属部材１とで形成された入り隅部３ａ，３ａを溶接によって仮接合する。
突合工程が終了したら、タブ材を仮接合した被接合金属部材１を図示せぬ摩擦攪拌装置の架台に載置し、クランプ等の治具を用いて移動不能に拘束する。
【００３１】
（２）仮接合工程
仮接合工程は、突合部Ｊ２，突合部Ｊ１及び突合部Ｊ３に沿って摩擦攪拌を行う仮接合工程と、第二タブ材３の表面に下穴を形成する下穴形成工程とを含むものである。
【００３２】
仮接合工程では、図４に示すように、一の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。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（図３の（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。
【００３３】
仮接合工程は、まず、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。攪拌ピンＦ２の全体が第一タブ材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２２に接触したら、図４に示すように、仮接合用回転ツールＦを回転させつつ始点ｓ２に向けて相対移動させる。
【００３４】
始点ｓ２まで連続して摩擦攪拌を行ったら、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突合部Ｊ２に沿って接合用回転ツールＦを移動させ、突合部Ｊ２を摩擦攪拌する。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、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。
【００３５】
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、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が位置するように始点と終点の位置を設定することが望ましい。具体的には、図示は省略するが、仮接合用回転ツールＦを右回転させた場合の終点ｅ２の位置に始点を設け、仮接合用回転ツールＦを右回転させた場合の始点ｓ２の位置に終点を設ければよい。
【００３６】
仮接合用回転ツールＦが終点ｅ２に達したら、仮接合用回転ツールＦを離脱させずに、一旦第一タブ材２側に入り込ませて、始点ｓ１まで移動させる。仮接合用回転ツールＦが始点ｓ１に達したら、突合部Ｊ１に沿って仮接合用回転ツールＦを移動させ、突合部Ｊ１の全長に亘って連続して摩擦攪拌を行う。
【００３７】
仮接合用回転ツールＦが終点ｅ１に達したら、一旦第二タブ材３に入り込ませて、始点ｓ３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、突合部Ｊ３の摩擦攪拌に移行する。仮接合用回転ツールＦが終点ｅ３に達したら第二タブ材３の内部に設定した終了位置ＥＰまで仮接合用回転ツールＦを移動させて、第二タブ材３から仮接合用回転ツールＦを離脱させる。
なお、本実施形態では、被接合金属部材１の突合部Ｊ１の延長線上に終了位置ＥＰを設けている。ちなみに、終了位置ＥＰは、後記する第一本接合工程における摩擦攪拌の開始位置ＳＭ１でもある。また、本実施形態では、前記したように仮接合のルートを設定したがこれに限定されるものではなく、他のルートであっても構わない。
【００３８】
下穴形成工程では、図３の（ｂ）に示すように、第一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。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。これにより、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）を低減することができる。
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。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よりも小さく形成されている。
【００３９】
（３）第一本接合工程
第一本接合工程では、被接合金属部材１の突合部Ｊ１に対して、本接合用回転ツールＧを用いて表面Ａから本格的に摩擦攪拌する。
第一本接合工程では、図５の（ａ）〜（ｃ）に示すように、開始位置ＳＭ１に形成した下穴Ｐ１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。
【００４０】
図５の（ａ）〜（ｃ）を参照して第一本接合工程をより詳細に説明する。
まず、図５の（ａ）に示すように、下穴Ｐ１（開始位置ＳＭ１）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の先端を下穴Ｐ１に挿入する。攪拌ピンＧ２を下穴Ｐ１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３２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。
【００４１】
攪拌ピンＧ２の全体が第二タブ材３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３２に接触したら、図５の（ｂ）に示すように、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（以下、「表面側塑性化領域Ｗ１」という。）が形成される。
【００４２】
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の周囲に水を供給するなどして冷却することが望ましい。なお、被接合金属部材１の突合部Ｊ１の隙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、本実施形態においては、仮接合工程を実行して被接合金属部材１の突合部Ｊ１の目地を閉塞しているので、突合部Ｊ１の隙間に冷却水が入り込み難く、したがって、接合部の品質を劣化させる虞がない。
【００４３】
突合部Ｊ１の他端まで本接合用回転ツールＧを相対移動させたら、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ＥＭ１に向けて相対移動させる。本接合用回転ツールＧが終了位置ＥＭ１に達したら、図５の（ｃ）に示すように、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ＥＭ１から離脱させる。
【００４４】
（４）第二本接合工程
第二本接合工程では、被接合金属部材１の突合部Ｊ１に対して、本接合用回転ツールＧを用いて裏面Ｂから本格的に摩擦攪拌する。
まず、第一本接合工程が終了したら、図示しない摩擦攪拌装置から被接合金属部材１を一旦外し、図１に示す前後方向の軸に沿って半回転させて裏面Ｂを上方に向けた状態にして、再度固定する。なお、第二本接合工程に先だって、第二タブ材３の裏面３３に下穴Ｐ２を形成する。
【００４５】
第二本接合工程では、図６の（ａ）〜（ｃ）に示すように、第二タブ材３に設定した開始位置ＳＭ２に形成した下穴Ｐ２に右回転させた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。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ＳＭ２を設け、第一タブ材２に終了位置ＥＭ２を設けているが、開始位置ＳＭ２と終了位置ＥＭ２の位置を限定する趣旨ではない。
【００４６】
第二本接合工程は、第一本接合工程と略同等であるため、重複する部分については説明を省略する。第二本接合工程では、摩擦攪拌によって裏面側塑性化領域Ｗ２が形成される。第二本接合工程では、図６の（ｂ）及び（ｃ）に示すように、表面側塑性化領域Ｗ１と裏面側塑性化領域Ｗ２とが重複するように摩擦攪拌を行う。即ち、表面側塑性化領域Ｗ１の深さＷ１ｄと裏面側塑性化領域Ｗ２の深さＷ２ｄとの和は、被接合金属部材１の厚さｔよりも大きくなるように形成されている。これにより、突合部Ｊ１の隙間を全て摩擦攪拌することができるため、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。
なお、第二本接合工程を行う前に、前記した仮接合工程を行って、突合部Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３を仮接合してもよい。
【００４７】
第二本接合工程が終了したら、図７に示すように、第一タブ材２及び第二タブ材３を被接合金属部材１から切除する。被接合金属部材１の表面側塑性化領域Ｗ１及び裏面側塑性化領域Ｗ２には、トンネル状空洞欠陥Ｒ及び酸化皮膜Ｕが形成されている。トンネル状空洞欠陥Ｒは、第一側面Ｃから第二側面Ｄに連通する空洞欠陥であって、本実施形態においては本接合用回転ツールＧを右回転させているため、本接合用回転ツールＧの進行方向左側に形成される。即ち、表面側塑性化領域Ｗ１には、第二金属部材１ｂにトンネル状空洞欠陥Ｒが形成されている。また、裏面側塑性化領域Ｗ２には、第一金属部材１ａにトンネル状空洞欠陥Ｒが形成されている。トンネル状空洞欠陥Ｒの両端は、第一側面Ｃ及び第二側面Ｄに露出している。
【００４８】
酸化皮膜Ｕは、本接合用回転ツールＧが突合部Ｊ２及びＪ３を通過する際に、タブ材と被接合金属部材１との間に存する酸化皮膜を被接合金属部材１側に巻き込むため、塑性化領域の両端側に形成される。酸化皮膜Ｕは、本実施形態においては、本接合用回転ツールＧを右回転させているため、裏面側塑性化領域Ｗ２においては、第一側面Ｃ上の第一金属部材１ａ及び第二側面Ｄ上の第二金属部材１ｂに形成されている。また、表面側塑性化領域Ｗ１においては、第一側面Ｃ上の第二金属部材１ｂ及び第二側面Ｄ上の第一金属部材１ａに形成されている。
【００４９】
（５）凹溝形成工程
凹溝形成工程では、被接合金属部材１の第一側面Ｃ及び第二側面Ｄにおいて、突合部Ｊ１に沿って凹溝Ｋ，Ｋを形成する。凹溝Ｋは、後記する溶接接合工程において、溶接金属を充填させる凹部である。凹溝Ｋは、本実施形態においては公知のエンドミル等を用いて、一定の幅Ｋａ、深さＫｂで裏面Ｂから表面Ａに亘って連続して形成されている。
【００５０】
凹溝Ｋを設けることで、後記する溶接接合を行う際に、溶接金属を好適に充填させることができるとともに、酸化皮膜Ｕ（図７参照）を取り除くことができる。凹溝Ｋの幅Ｋａ及び深さＫｂは、酸化皮膜Ｕの大きさ（範囲）に応じて適宜設定すればよい。また、凹溝Ｋの幅Ｋａと、裏面側塑性化領域Ｗ２の幅Ｗａは、Ｋａ＜Ｗａとなるように形成されるのが好ましい。これにより、溶接接合の際に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。なお、凹溝Ｋは、本実施形態においては、断面視矩形に形成したがこれに限定されるものではなく他の形状であってもよい。
【００５１】
（６）溶接接合工程
溶接接合工程は、図９に示すように、第二側面Ｄ及び第一側面Ｃ（図８参照）に形成された凹溝Ｋに対して溶接接合を行う溶接接合工程と、肉盛部を切除する切除工程（以下、肉盛部切除工程ともいう）とを含む。
溶接接合工程では、ＴＩＧ溶接、ＭＩＧ溶接などによって肉盛溶接接合を行って、凹溝Ｋに溶接金属Ｔを充填させる。これにより、凹溝Ｋを溶接金属Ｔで確実に密閉するとともに、接合箇所の強度を高めることができる。また、第一側面Ｃから第二側面Ｄに連続するトンネル状空洞欠陥Ｒが形成されたとしても、凹溝Ｋに溶接金属Ｔが充填されることによりトンネル状空洞欠陥Ｒを分断し、被接合金属部材１中に封入することができる。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。
【００５２】
なお、溶接接合工程を行ったとしても、被接合金属部材１の表面Ａ及び裏面Ｂに酸化皮膜Ｕが残存する場合には、酸化皮膜Ｕに対して溶接を行い、溶接金属Ｔで密閉してもよい。
【００５３】
肉盛部切除工程は、図１０に示すように、溶接接合工程で充填された溶接金属Ｔのうち、第一側面Ｃ又は第二側面Ｄの表面から突出する部分（肉盛部Ｔ’）を切除する工程である。かかる肉盛部Ｔ’を切除することにより、第一側面Ｃ又は第二側面Ｄの表面を平滑に成形することができる。
【００５４】
以上説明した本発明に係る接合方法によれば、表面側塑性化領域Ｗ１及び裏面側塑性化領域Ｗ２を重複させることで、突合部Ｊ１の隙間を全て摩擦攪拌することができるとともに、被接合金属部材１の両側面に露出するトンネル状空洞欠陥Ｒについては溶接金属Ｔで密閉するため、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。
【００５５】
また、摩擦攪拌の際に被接合金属部材１に形成される酸化皮膜Ｕは、凹溝形成工程で切除されるため、被接合金属部材１の気密性及び水密性をより高めることができる。また、凹溝Ｋに溶接金属Ｔを充填させることで、突合部Ｊ１の接合強度を高めることができる。
【００５６】
以上本発明の最良の実施形態について説明したが、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。
例えば、第一本接合工程と第二本接合工程とで異なる形態の本接合用回転ツールＧを用いてもよい。例えば図１１の（ａ）および（ｂ）に示すように、第一本接合工程で用いる本接合用回転ツールＧの攪拌ピンＧ２の長さＬ１と第二本接合工程で用いる本接合用回転ツールＧ’の攪拌ピンＧ２’の長さＬ２の和を、突合部Ｊ１における被接合金属部材１の肉厚ｔ以上に設定してもよい。なお、攪拌ピンＧ２，Ｇ２’の長さＬ１，Ｌ２が、それぞれ肉厚ｔ未満であることは言うまでもない。このようにすれば、第一本接合工程で形成された表面側塑性化領域Ｗ１の深部が、第二本接合工程で使用する本接合用回転ツールＧ’の攪拌ピンＧ２’によって再び摩擦攪拌されることになるので、表面側塑性化領域Ｗ１の深部に接合欠陥が連続的に形成されていたとしても、当該接合欠陥を分断して不連続にすることが可能となり、ひいては、接合部における気密性や水密性を向上させることが可能となる。
【００５７】
また例えば、本実施形態においては、被接合金属部材１の側面に凹溝Ｋを形成したが、凹溝Ｋを形成せずに溶接接合工程を行ってもよい。即ち、図７に示すように、第二本接合工程を終えた段階で、第一側面Ｃ及び第二側面Ｄに露出する表面側塑性化領域Ｗ１及び裏面側塑性化領域Ｗ２に対してＴＩＧ溶接等を行った後、肉盛部を切除してもよい。これにより、トンネル状空洞欠陥Ｒ及び酸化皮膜Ｕを溶接金属で密閉することができるため、水密性及び気密性を高めることができる。
【００５８】
また、溶接接合工程は、本実施形態では被接合金属部材１の両面に行ったが、どちらか一方に行うだけでもよい。また、仮接合用回転ツールＦ及び本接合用回転ツールＧの回転方向や進行方向は、前記した形態に限定するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明の実施形態に係る接合方法を示した斜視図である。
【図２】本発明の実施形態に係る被接合金属部材及びタブ材を示した図であって、（ａ）は、斜視図、（ｂ）は、平面図、（ｃ）は、（ｂ）のＩ−Ｉ線断面図である。
【図３】本発明の実施形態に係る回転ツールを示した側面図であって、（ａ）は、仮接合用回転ツール、（ｂ）は、本接合用回転ツールを示す。
【図４】本発明の実施形態に係る仮接合工程を示した平面図である。
【図５】本発明の実施形態に係る第一本接合工程を示した図４のII−II線断面図であって、（ａ）は、開始位置、（ｂ）は、中間位置、（ｃ）は、終了位置を示す。
【図６】本発明の実施形態に係る第二本接合工程を示した断面図であって、（ａ）は、開始位置、（ｂ）は、中間位置、（ｃ）は、終了位置付近を示す。
【図７】本発明の実施形態に係る第二本接合工程の終了後を示した斜視図である。
【図８】本発明の実施形態に係る凹溝形成工程を示した斜視図である。
【図９】本発明の実施形態に係る溶接接合工程を示した正面図である。
【図１０】本発明の実施形態に係る図９のIII−III線断面図である。
【図１１】回転ツールの変形例を示した側面図である。
【図１２】従来の接合方法を示した斜視図である。
【符号の説明】
【００６０】
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
Ｆ 仮接合用回転ツール
Ｇ 本接合用回転ツール
Ｊ１ 突合部
Ｋ 凹溝
Ｐ１ 下穴
Ｔ 溶接金属
Ｗ１ 表面側塑性化領域
Ｗ２ 裏面側塑性化領域
ＳＭ 本接合工程の開始位置
ＥＭ 本接合工程の終了位置
【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】
ここで図１２は、一対の金属部材に摩擦攪拌接合を施した従来の接合方法を示した斜視図である。図１２に示すように、接合すべき金属部材１０１，１０１の肉厚が図示しない回転ツールの攪拌ピンの長さよりも大きい場合には、金属部材１０１の表面１０２側から摩擦攪拌接合を行った後に、裏面１０３側からも摩擦攪拌接合を行う場合がある。
即ち、従来の接合方法は、金属部材１０１，１０１の突合部１０４（二点鎖線）に沿って表面１０２及び裏面１０３の両側から摩擦攪拌接合を行い、摩擦攪拌接合によって形成された塑性化領域１０５，１０６の厚さ方向の中央部分が接触するように接合するものである。これにより、突合部１０４においては、隙間なく接合することができる。
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−１３１６６６号公報（図７参照）
【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、従来の接合方法は、図１２に示すように、塑性化領域１０５，１０６において、一方の側面１０７から他方の側面１０８に連続するトンネル状の空洞欠陥（以下、トンネル状空洞欠陥１０９という）が生じる可能性がある。トンネル状空洞欠陥１０９は、突合部１０４の微細な隙間を充填するためにメタルが不足したり、摩擦攪拌によってバリが発生したりすることにより生じるものである。かかる空洞欠陥１０９は、金属部材１０１，１１１の水密性及び気密性を低下させる一因となっていた。
【０００６】
このような観点から本発明は、金属部材同士の突合部を金属部材の表面側及び裏面側から摩擦攪拌を行うとともに金属部材の気密性及び水密性を向上させることが可能な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、一対の金属部材の端面同士を突き合わせて被接合金属部材を形成する突合工程と、前記被接合金属部材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、を含み、第一本接合工程で形成された表面側塑性化領域と、第二本接合工程で形成された裏面側塑性化領域とを重複させるとともに、前記溶接接合工程において、前記表面側塑性化領域及び前記裏面側塑性化領域を溶接金属で密閉することを特徴とする。
【０００８】
かかる接合方法によれば、表面側塑性化領域及び裏面側塑性化領域を重複させているので、突合部において未塑性化領域のない被接合金属部材を形成することができるとともに、被接合金属部材の側面に露出するトンネル状空洞欠陥については溶接により溶接金属で密閉するため、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。
【０００９】
また、本接合方法では、前記溶接接合工程の前に、前記被接合金属部材の側面の前記突合部に沿って凹溝を形成する凹溝形成工程を含み、前記溶接接合工程の際に、前記凹溝に前記溶接金属を充填することが好ましい。
【００１０】
かかる接合方法によれば、被接合金属部材の側面側に酸化皮膜が形成されていたとしても、凹溝を形成する際に除去することができる。
【００１１】
また、本接合方法では、前記凹溝の幅は、前記表面側塑性化領域及び前記裏面側塑性化領域の幅よりも小さいことが好ましい。
【００１２】
かかる接合方法によれば、凹溝を形成する作業手間を低減することができるとともに、溶接金属の充填量を小さくすることができるため、材料コストの低減を図ることができる。
【００１３】
また、本接合方法では、前記溶接接合工程において、前記溶接金属のうち前記被接合金属部材の側面から突出した部分を切除する切除工程を含むことが好ましい。
【００１４】
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。
【００１５】
また、本接合方法では、摩擦攪拌を行う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。かかる接合方法によれば、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】
【００１６】
本発明に係る接合方法によれば、金属部材同士の突合部を金属部材の表面側及び裏面側から摩擦攪拌を行うとともに金属部材の気密性及び水密性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明に係る接合方法は、図１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の表面Ａ及び裏面Ｂから摩擦攪拌をするとともに、両側面に形成された凹溝Ｋ，Ｋに溶接金属Ｔを充填することを特徴とするものである。まず、被接合金属部材１、摩擦攪拌の際に用いるタブ材及び回転ツールについて詳細に説明する。
【００１８】
被接合金属部材１は、図２に示すように、略同等の形状からなる第一金属部材１ａ及び第二金属部材１ｂの端面同士を突き合わせて形成されている。第一金属部材１ａ及び第二金属部材１ｂ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。
【００１９】
第一タブ材２および第二タブ材３は、図２に示すように、被接合金属部材１の突合部Ｊ１を挟むように配置されるものであって、それぞれ、被接合金属部材１に添設され、両側面に現れる継ぎ目（境界線）を覆い隠す。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。また、第一タブ材２および第二タブ材３の形状・寸法にも特に制限はないが、本実施形態では、その厚さ寸法を突合部Ｊ１における被接合金属部材１の厚さ寸法と同一にしている。
【００２０】
次に、図３を参照して、仮接合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。）および本接合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。
【００２１】
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、後記する第一本接合工程で用いる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、本接合よりも小さな負荷で仮接合を行うことが可能となるので、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、仮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。
【００２２】
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。
【００２３】
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ＬＡは、突合部Ｊ１（図３の（ｂ）参照）における被接合金属部材１の厚さｔの３〜１５％とすることが望ましいが、少なくとも、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。
【００２４】
図３の（ｂ）に示す本接合用回転ツールＧは、工具鋼など金属部材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。
【００２５】
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。攪拌ピンＧ２の長さＬ１は、突合部Ｊ１（図２の（ｃ）参照）における被接合金属部材１の肉厚ｔの１／２以上３／４以下となるように設定することが望ましく、より好適には、１．０１≦２Ｌ１／ｔ≦１．１０という関係を満たすように設定することが望ましい。
【００２６】
以下に本実施形態に係る接合方法を詳細に説明する。本実施形態に係る接合方法は、（１）突合工程、（２）仮接合工程、（３）第一本接合工程、（４）第二本接合工程、（５）凹溝形成工程、（６）溶接接合工程を含むものである。なお、説明における上下前後左右は、図１の矢印に従う。
【００２７】
（１）突合工程
突合工程は、第一金属部材１ａ及び第二金属部材１ｂの両端面を突き合わせて被接合金属部材１を形成する突合工程と、被接合金属部材１の両側面にタブ材を配置するタブ材配置工程とを含むものである。
【００２８】
突合工程では、図２の（ａ）〜（ｃ）に示すように、第一金属部材１ａと第二金属部材１ｂの両端面１１ａ及び１１ｂを突き合わせて被接合金属部材１を形成する。図２の（ｃ）に示すように、第一金属部材１ａの表面１２ａと第二金属部材１ｂの表面１２ｂとを面一にするとともに、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、図３の（ｂ）に示すように、第一金属部材１ａの一方の側面１４ａと第二金属部材１ｂの一方の側面１４ｂとを面一にするとともに、第一金属部材１ａの他方の側面１５ａと第二金属部材１ｂの他方の側面１５ｂとを面一にする。第一金属部材１ａ及び第二金属部材１ｂの突合せ面には突合部Ｊ１が形成されている。
ここで、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。
【００２９】
タブ材配置工程では、図２の（ａ）及び（ｂ）に示すように、被接合金属部材１の両側面に露出する突合部Ｊ１に沿って、第一タブ材２及び第二タブ材３を配置する。第一タブ材２は、図２の（ｂ）に示すように、第一タブ材２の当接面２１が第二側面Ｄに当接するように配置される。第二タブ材３は、第二タブ材３の当接面３１が第一側面Ｃに当接するように配置される。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。また、図２の（ａ）に示すように、被接合金属部材１と第一タブ材２との突合せ面には突合部Ｊ２が形成され、被接合金属部材１と第二タブ材３との突合せ面には突合部Ｊ３が形成されている。
【００３０】
本実施形態においては、第一タブ材２と被接合金属部材１とで形成された入り隅部２ａ，２ａを溶接によって仮接合する。これにより、第一タブ材２と被接合金属部材１を摩擦攪拌する際の目開きを防止することができる。同様に、第二タブ材３と被接合金属部材１とで形成された入り隅部３ａ，３ａを溶接によって仮接合する。
突合工程が終了したら、タブ材を仮接合した被接合金属部材１を図示せぬ摩擦攪拌装置の架台に載置し、クランプ等の治具を用いて移動不能に拘束する。
【００３１】
（２）仮接合工程
仮接合工程は、突合部Ｊ２，突合部Ｊ１及び突合部Ｊ３に沿って摩擦攪拌を行う仮接合工程と、第二タブ材３の表面に下穴を形成する下穴形成工程とを含むものである。
【００３２】
仮接合工程では、図４に示すように、一の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。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（図３の（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。
【００３３】
仮接合工程は、まず、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。攪拌ピンＦ２の全体が第一タブ材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２２に接触したら、図４に示すように、仮接合用回転ツールＦを回転させつつ始点ｓ２に向けて相対移動させる。
【００３４】
始点ｓ２まで連続して摩擦攪拌を行ったら、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突合部Ｊ２に沿って接合用回転ツールＦを移動させ、突合部Ｊ２を摩擦攪拌する。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、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。
【００３５】
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、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が位置するように始点と終点の位置を設定することが望ましい。具体的には、図示は省略するが、仮接合用回転ツールＦを右回転させた場合の終点ｅ２の位置に始点を設け、仮接合用回転ツールＦを右回転させた場合の始点ｓ２の位置に終点を設ければよい。
【００３６】
仮接合用回転ツールＦが終点ｅ２に達したら、仮接合用回転ツールＦを離脱させずに、一旦第一タブ材２側に入り込ませて、始点ｓ１まで移動させる。仮接合用回転ツールＦが始点ｓ１に達したら、突合部Ｊ１に沿って仮接合用回転ツールＦを移動させ、突合部Ｊ１の全長に亘って連続して摩擦攪拌を行う。
【００３７】
仮接合用回転ツールＦが終点ｅ１に達したら、一旦第二タブ材３に入り込ませて、始点ｓ３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、突合部Ｊ３の摩擦攪拌に移行する。仮接合用回転ツールＦが終点ｅ３に達したら第二タブ材３の内部に設定した終了位置ＥＰまで仮接合用回転ツールＦを移動させて、第二タブ材３から仮接合用回転ツールＦを離脱させる。
なお、本実施形態では、被接合金属部材１の突合部Ｊ１の延長線上に終了位置ＥＰを設けている。ちなみに、終了位置ＥＰは、後記する第一本接合工程における摩擦攪拌の開始位置ＳＭ１でもある。また、本実施形態では、前記したように仮接合のルートを設定したがこれに限定されるものではなく、他のルートであっても構わない。
【００３８】
下穴形成工程では、図３の（ｂ）に示すように、第一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。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。これにより、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）を低減することができる。
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。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よりも小さく形成されている。
【００３９】
（３）第一本接合工程
第一本接合工程では、被接合金属部材１の突合部Ｊ１に対して、本接合用回転ツールＧを用いて表面Ａから本格的に摩擦攪拌する。
第一本接合工程では、図５の（ａ）〜（ｃ）に示すように、開始位置ＳＭ１に形成した下穴Ｐ１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。
【００４０】
図５の（ａ）〜（ｃ）を参照して第一本接合工程をより詳細に説明する。
まず、図５の（ａ）に示すように、下穴Ｐ１（開始位置ＳＭ１）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の先端を下穴Ｐ１に挿入する。攪拌ピンＧ２を下穴Ｐ１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３２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。
【００４１】
攪拌ピンＧ２の全体が第二タブ材３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３２に接触したら、図５の（ｂ）に示すように、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（以下、「表面側塑性化領域Ｗ１」という。）が形成される。
【００４２】
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の周囲に水を供給するなどして冷却することが望ましい。なお、被接合金属部材１の突合部Ｊ１の隙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、本実施形態においては、仮接合工程を実行して被接合金属部材１の突合部Ｊ１の目地を閉塞しているので、突合部Ｊ１の隙間に冷却水が入り込み難く、したがって、接合部の品質を劣化させる虞がない。
【００４３】
突合部Ｊ１の他端まで本接合用回転ツールＧを相対移動させたら、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ＥＭ１に向けて相対移動させる。本接合用回転ツールＧが終了位置ＥＭ１に達したら、図５の（ｃ）に示すように、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ＥＭ１から離脱させる。
【００４４】
（４）第二本接合工程
第二本接合工程では、被接合金属部材１の突合部Ｊ１に対して、本接合用回転ツールＧを用いて裏面Ｂから本格的に摩擦攪拌する。
まず、第一本接合工程が終了したら、図示しない摩擦攪拌装置から被接合金属部材１を一旦外し、図１に示す前後方向の軸に沿って半回転させて裏面Ｂを上方に向けた状態にして、再度固定する。なお、第二本接合工程に先だって、第二タブ材３の裏面３３に下穴Ｐ２を形成する。
【００４５】
第二本接合工程では、図６の（ａ）〜（ｃ）に示すように、第二タブ材３に設定した開始位置ＳＭ２に形成した下穴Ｐ２に右回転させた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。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ＳＭ２を設け、第一タブ材２に終了位置ＥＭ２を設けているが、開始位置ＳＭ２と終了位置ＥＭ２の位置を限定する趣旨ではない。
【００４６】
第二本接合工程は、第一本接合工程と略同等であるため、重複する部分については説明を省略する。第二本接合工程では、摩擦攪拌によって裏面側塑性化領域Ｗ２が形成される。第二本接合工程では、図６の（ｂ）及び（ｃ）に示すように、表面側塑性化領域Ｗ１と裏面側塑性化領域Ｗ２とが重複するように摩擦攪拌を行う。即ち、表面側塑性化領域Ｗ１の深さＷ１ｄと裏面側塑性化領域Ｗ２の深さＷ２ｄとの和は、被接合金属部材１の厚さｔよりも大きくなるように形成されている。これにより、突合部Ｊ１の隙間を全て摩擦攪拌することができるため、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。
なお、第二本接合工程を行う前に、前記した仮接合工程を行って、突合部Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３を仮接合してもよい。
【００４７】
第二本接合工程が終了したら、図７に示すように、第一タブ材２及び第二タブ材３を被接合金属部材１から切除する。被接合金属部材１の表面側塑性化領域Ｗ１及び裏面側塑性化領域Ｗ２には、トンネル状空洞欠陥Ｒ及び酸化皮膜Ｕが形成されている。トンネル状空洞欠陥Ｒは、第一側面Ｃから第二側面Ｄに連通する空洞欠陥であって、本実施形態においては本接合用回転ツールＧを右回転させているため、本接合用回転ツールＧの進行方向左側に形成される。即ち、表面側塑性化領域Ｗ１には、第二金属部材１ｂにトンネル状空洞欠陥Ｒが形成されている。また、裏面側塑性化領域Ｗ２には、第一金属部材１ａにトンネル状空洞欠陥Ｒが形成されている。トンネル状空洞欠陥Ｒの両端は、第一側面Ｃ及び第二側面Ｄに露出している。
【００４８】
酸化皮膜Ｕは、本接合用回転ツールＧが突合部Ｊ２及びＪ３を通過する際に、タブ材と被接合金属部材１との間に存する酸化皮膜を被接合金属部材１側に巻き込むため、塑性化領域の両端側に形成される。酸化皮膜Ｕは、本実施形態においては、本接合用回転ツールＧを右回転させているため、裏面側塑性化領域Ｗ２においては、第一側面Ｃ上の第一金属部材１ａ及び第二側面Ｄ上の第二金属部材１ｂに形成されている。また、表面側塑性化領域Ｗ１においては、第一側面Ｃ上の第二金属部材１ｂ及び第二側面Ｄ上の第一金属部材１ａに形成されている。
【００４９】
（５）凹溝形成工程
凹溝形成工程では、被接合金属部材１の第一側面Ｃ及び第二側面Ｄにおいて、突合部Ｊ１に沿って凹溝Ｋ，Ｋを形成する。凹溝Ｋは、後記する溶接接合工程において、溶接金属を充填させる凹部である。凹溝Ｋは、本実施形態においては公知のエンドミル等を用いて、一定の幅Ｋａ、深さＫｂで裏面Ｂから表面Ａに亘って連続して形成されている。
【００５０】
凹溝Ｋを設けることで、後記する溶接接合を行う際に、溶接金属を好適に充填させることができるとともに、酸化皮膜Ｕ（図７参照）を取り除くことができる。凹溝Ｋの幅Ｋａ及び深さＫｂは、酸化皮膜Ｕの大きさ（範囲）に応じて適宜設定すればよい。また、凹溝Ｋの幅Ｋａと、裏面側塑性化領域Ｗ２の幅Ｗａは、Ｋａ＜Ｗａとなるように形成されるのが好ましい。これにより、溶接接合の際に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。なお、凹溝Ｋは、本実施形態においては、断面視矩形に形成したがこれに限定されるものではなく他の形状であってもよい。
【００５１】
（６）溶接接合工程
溶接接合工程は、図９に示すように、第二側面Ｄ及び第一側面Ｃ（図８参照）に形成された凹溝Ｋに対して溶接接合を行う溶接接合工程と、肉盛部を切除する切除工程（以下、肉盛部切除工程ともいう）とを含む。
溶接接合工程では、ＴＩＧ溶接、ＭＩＧ溶接などによって肉盛溶接接合を行って、凹溝Ｋに溶接金属Ｔを充填させる。これにより、凹溝Ｋを溶接金属Ｔで確実に密閉するとともに、接合箇所の強度を高めることができる。また、第一側面Ｃから第二側面Ｄに連続するトンネル状空洞欠陥Ｒが形成されたとしても、凹溝Ｋに溶接金属Ｔが充填されることによりトンネル状空洞欠陥Ｒを分断し、被接合金属部材１中に封入することができる。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。
【００５２】
なお、溶接接合工程を行ったとしても、被接合金属部材１の表面Ａ及び裏面Ｂに酸化皮膜Ｕが残存する場合には、酸化皮膜Ｕに対して溶接を行い、溶接金属Ｔで密閉してもよい。
【００５３】
肉盛部切除工程は、図１０に示すように、溶接接合工程で充填された溶接金属Ｔのうち、第一側面Ｃ又は第二側面Ｄの表面から突出する部分（肉盛部Ｔ’）を切除する工程である。かかる肉盛部Ｔ’を切除することにより、第一側面Ｃ又は第二側面Ｄの表面を平滑に成形することができる。
【００５４】
以上説明した本発明に係る接合方法によれば、表面側塑性化領域Ｗ１及び裏面側塑性化領域Ｗ２を重複させることで、突合部Ｊ１の隙間を全て摩擦攪拌することができるとともに、被接合金属部材１の両側面に露出するトンネル状空洞欠陥Ｒについては溶接金属Ｔで密閉するため、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。
【００５５】
また、摩擦攪拌の際に被接合金属部材１に形成される酸化皮膜Ｕは、凹溝形成工程で切除されるため、被接合金属部材１の気密性及び水密性をより高めることができる。また、凹溝Ｋに溶接金属Ｔを充填させることで、突合部Ｊ１の接合強度を高めることができる。
【００５６】
以上本発明の最良の実施形態について説明したが、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。
例えば、第一本接合工程と第二本接合工程とで異なる形態の本接合用回転ツールＧを用いてもよい。例えば図１１の（ａ）および（ｂ）に示すように、第一本接合工程で用いる本接合用回転ツールＧの攪拌ピンＧ２の長さＬ１と第二本接合工程で用いる本接合用回転ツールＧ’の攪拌ピンＧ２’の長さＬ２の和を、突合部Ｊ１における被接合金属部材１の肉厚ｔ以上に設定してもよい。なお、攪拌ピンＧ２，Ｇ２’の長さＬ１，Ｌ２が、それぞれ肉厚ｔ未満であることは言うまでもない。このようにすれば、第一本接合工程で形成された表面側塑性化領域Ｗ１の深部が、第二本接合工程で使用する本接合用回転ツールＧ’の攪拌ピンＧ２’によって再び摩擦攪拌されることになるので、表面側塑性化領域Ｗ１の深部に接合欠陥が連続的に形成されていたとしても、当該接合欠陥を分断して不連続にすることが可能となり、ひいては、接合部における気密性や水密性を向上させることが可能となる。
【００５７】
また例えば、本実施形態においては、被接合金属部材１の側面に凹溝Ｋを形成したが、凹溝Ｋを形成せずに溶接接合工程を行ってもよい。即ち、図７に示すように、第二本接合工程を終えた段階で、第一側面Ｃ及び第二側面Ｄに露出する表面側塑性化領域Ｗ１及び裏面側塑性化領域Ｗ２に対してＴＩＧ溶接等を行った後、肉盛部を切除してもよい。これにより、トンネル状空洞欠陥Ｒ及び酸化皮膜Ｕを溶接金属で密閉することができるため、水密性及び気密性を高めることができる。
【００５８】
また、溶接接合工程は、本実施形態では被接合金属部材１の両面に行ったが、どちらか一方に行うだけでもよい。また、仮接合用回転ツールＦ及び本接合用回転ツールＧの回転方向や進行方向は、前記した形態に限定するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明の実施形態に係る接合方法を示した斜視図である。
【図２】本発明の実施形態に係る被接合金属部材及びタブ材を示した図であって、（ａ）は、斜視図、（ｂ）は、平面図、（ｃ）は、（ｂ）のＩ−Ｉ線断面図である。
【図３】本発明の実施形態に係る回転ツールを示した側面図であって、（ａ）は、仮接合用回転ツール、（ｂ）は、本接合用回転ツールを示す。
【図４】本発明の実施形態に係る仮接合工程を示した平面図である。
【図５】本発明の実施形態に係る第一本接合工程を示した図４のII−II線断面図であって、（ａ）は、開始位置、（ｂ）は、中間位置、（ｃ）は、終了位置を示す。
【図６】本発明の実施形態に係る第二本接合工程を示した断面図であって、（ａ）は、開始位置、（ｂ）は、中間位置、（ｃ）は、終了位置付近を示す。
【図７】本発明の実施形態に係る第二本接合工程の終了後を示した斜視図である。
【図８】本発明の実施形態に係る凹溝形成工程を示した斜視図である。
【図９】本発明の実施形態に係る溶接接合工程を示した正面図である。
【図１０】本発明の実施形態に係る図９のIII−III線断面図である。
【図１１】回転ツールの変形例を示した側面図である。
【図１２】従来の接合方法を示した斜視図である。
【符号の説明】
【００６０】
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
Ｆ 仮接合用回転ツール
Ｇ 本接合用回転ツール
Ｊ１ 突合部
Ｋ 凹溝
Ｐ１ 下穴
Ｔ 溶接金属
Ｗ１ 表面側塑性化領域
Ｗ２ 裏面側塑性化領域
ＳＭ 本接合工程の開始位置
ＥＭ 本接合工程の終了位置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の金属部材の端面同士を突き合わせて被接合金属部材を形成する突合工程と、
前記被接合金属部材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、を含み、
第一本接合工程で形成された表面側塑性化領域と、第二本接合工程で形成された裏面側塑性化領域とを重複させるとともに、
前記溶接接合工程において、前記表面側塑性化領域及び前記裏面側塑性化領域を溶接金属で密閉することを特徴とする接合方法。
【請求項２】
前記溶接接合工程の前に、前記被接合金属部材の側面の前記突合部に沿って凹溝を形成する凹溝形成工程を含み、
前記溶接接合工程の際に、前記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、前記表面側塑性化領域及び前記裏面側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】
前記溶接接合工程において、前記溶接金属のうち前記被接合金属部材の側面から突出した部分を切除する切除工程を含むことを特徴とする請求項１乃至請求項３に記載の接合方法。
【請求項５】
摩擦攪拌を行う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４に記載の接合方法。
【請求項１】
一対の金属部材の端面同士を突き合わせて被接合金属部材を形成する突合工程と、
前記被接合金属部材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、を含み、
第一本接合工程で形成された表面側塑性化領域と、第二本接合工程で形成された裏面側塑性化領域とを重複させるとともに、
前記溶接接合工程において、前記表面側塑性化領域及び前記裏面側塑性化領域を溶接金属で密閉することを特徴とする接合方法。
【請求項２】
前記溶接接合工程の前に、前記被接合金属部材の側面の前記突合部に沿って凹溝を形成する凹溝形成工程を含み、
前記溶接接合工程の際に、前記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、前記表面側塑性化領域及び前記裏面側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】
前記溶接接合工程において、前記溶接金属のうち前記被接合金属部材の側面から突出した部分を切除する切除工程を含むことを特徴とする請求項１乃至請求項３に記載の接合方法。
【請求項５】
摩擦攪拌を行う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４に記載の接合方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２００９−１０１４０１（Ｐ２００９−１０１４０１Ａ）
【公開日】平成２１年５月１４日（２００９．５．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２７７３４９（Ｐ２００７−２７７３４９）
【出願日】平成１９年１０月２５日（２００７．１０．２５）
【出願人】（０００００４７４３）日本軽金属株式会社 (627)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年５月１４日（２００９．５．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１０月２５日（２００７．１０．２５）
【出願人】（０００００４７４３）日本軽金属株式会社 (627)
【Ｆターム（参考）】
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