接合方法
【課題】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せてなる被接合金属部材の側面間における水密性及び気密性を高めるとともに、接合強度を高め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】
本発明は、側面に凸部を備えた第一金属部材1aと端面に凹部を備えた第二金属部材1bとを、側面と端面で突き合わせてなる被接合金属部材1を形成する突合工程と、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、突合部J1に対して裏面Bから摩擦攪拌を行う第二本接合工程と、突合部J1に対して側面から溶接及び摩擦攪拌の少なくともいずれか一方を行う側面本接合工程と、を含み、表面側塑性化領域W1と溶接金属T1又は第一側面側塑性化領域W3とを重複させるとともに、裏面側塑性化領域W2と溶接金属T1又は第一側面側塑性化領域W3とを重複させることを特徴とする。
【解決手段】
本発明は、側面に凸部を備えた第一金属部材1aと端面に凹部を備えた第二金属部材1bとを、側面と端面で突き合わせてなる被接合金属部材1を形成する突合工程と、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、突合部J1に対して裏面Bから摩擦攪拌を行う第二本接合工程と、突合部J1に対して側面から溶接及び摩擦攪拌の少なくともいずれか一方を行う側面本接合工程と、を含み、表面側塑性化領域W1と溶接金属T1又は第一側面側塑性化領域W3とを重複させるとともに、裏面側塑性化領域W2と溶接金属T1又は第一側面側塑性化領域W3とを重複させ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】
ところで、一方の金属部材の側面と、他方の金属部材の端面とを突き合せて平面視L字状を呈する被接合金属部材に摩擦攪拌接合する場合は、被接合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、両金属部材の各側面によって形成される入り隅部に摩擦攪拌を行う場合がある。
しかし、前記した回転ツールで入り隅部に摩擦攪拌を行うと、当該回転ツールのショルダ部が一方の金属部材及び他方の金属部材に接触するため、当該回転ツールを深い位置まで押し込むことができないという問題があった。
【0004】
そこで、平面視L字状の被接合金属部材の接合方法として、特許文献1に係る発明が知られている。
従来の接合方法は、図18に示すように、第一金属部材1aの側面と第二金属部材1bの端面とを突き合せて形成された突合部J1に、表面側及び裏面側から摩擦攪拌を行う。そして、第一金属部材1aの側面及び第二金属部材1bの側面によって略直角に形成される入り隅部Eに対しては、小型の回転ツールHを用いて摩擦攪拌を行う。即ち、被接合金属部材1の入り隅部Eに三角柱形状を呈する当て部材Lを当接させるとともに、棒状の回転ツールHを当て部材Lの上面から貫通させ、当て部材Lを摺動させながら摩擦攪拌を行う。これによれば、入り隅部Eであっても好適に接合し、被接合金属部材1の側面間の水密性及び気密性を高めることができる。
【0005】
【特許文献1】特開平11−320128号公報(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、被接合金属部材1の入り隅部Eを接合する場合は、回転ツールHの攪拌ピンを押圧するのが困難であるため、攪拌ピンの径を小さくせざるを得なかった。そのため、第一金属部材1a及び第二金属部材1bの接合強度が低いという問題があった。
【0007】
このような観点から、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せてなる被接合金属部材の側面間における水密性及び気密性を高めるとともに、接合強度を高め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】
【0008】
このような課題を解決する本発明に係る接合方法は、側面に凸部を備えた第一金属部材と端面に凹部を備えた第二金属部材とを、前記側面と前記端面で突き合わせ、前記凸部と前記凹部とを嵌め合わせてなる被接合金属部材を形成する突合工程と、前記第一金属部材と前記第二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及び摩擦攪拌の少なくともいずれか一方を行う側面本接合工程と、を含み、前記第一本接合工程で形成された表面側塑性化領域と、前記溶接で形成された溶接金属又は前記摩擦攪拌で形成された側面側塑性化領域とを重複させるとともに、前記第二本接合工程で形成された裏面側塑性化領域と、前記溶接で形成された溶接金属又は前記摩擦攪拌で形成された側面側塑性化領域とを重複させることを特徴とする。
【0009】
かかる接合方法によれば、溶接及び摩擦攪拌の少なくともいずれか一方によって、被接合金属部材の側面に露出する突合部を密閉するため、水密性及び気密性を高めることができる。また、被接合金属部材の側面に露出する突合部の一部は、第一金属部材の凸部及び第二金属部材の凹部によって、入り隅部から離間した位置に形成される。これにより、当該突合部を摩擦攪拌する際には、接合面に対して攪拌ピンを略垂直に押圧することができるため、攪拌ピンを深い位置まで押し込むことができる。よって、被接合金属部材の接合強度を高めることができる。また、被接合金属部材の側面に露出する突合部に対して溶接のみを行う場合には、従来よりも溶接長を長く確保することができるため、被接合金属部材の接合強度を高めることができる。また、突合部の一部が入り隅部から離間した位置に形成されるため、当該突合部に対する溶接及び摩擦攪拌作業を比較的容易に行うことができる。
【0010】
また、本発明は、前記表面側塑性化領域及び前記裏面側塑性化領域の少なくともいずれか一方が、前記凸部に接触することが好ましい。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をより確実に密閉することができる。
【0011】
また、本発明に係る前記凸部は、前記第一金属部材から離間する方向に向かうに従って先細りとなり、前記凹部は、前記第二金属部材の前記端面から離間する方向に向かうに従って先細りとなることが好ましい。かかる接合方法によれば、突合工程において、第一金属部材及び第二金属部材をスムーズに嵌め合わせることができる。
【0012】
また、本発明は、前記側面本接合工程の前に、前記被接合金属部材の側面に露出する前記突合部に沿って予め凹溝を形成する凹溝形成工程と、前記凹溝に前記溶接金属を充填する溶接金属充填工程を含むことが好ましい。
【0013】
かかる接合方法によれば、凹溝を形成して溶接金属を充填するため、溶接の作業性を高めることができる。
【0014】
また、本発明は、前記溶接金属充填工程によって前記被接合金属部材の側面から突出した溶接金属を切除する切除工程を含むことが好ましい。かかる接合方法によれば、被接合金属部材の側面を平滑に成形することができる。
【0015】
また、本発明は、前記第一金属部材の一方の側面と、前記第二金属部材の一方の側面とで形成される前記被接合金属部材の入り隅部において、前記入り隅部に露出する前記表面側塑性化領域及び前記裏面側塑性化領域の少なくともいずれか一方に、回転ツールを用いて摩擦攪拌を行う入り隅部補修工程を含むことが好ましい。
【0016】
かかる接合方法によれば、仮に、被接合金属部材の側面に露出する表面側塑性化領域及び裏面側塑性化領域に空洞欠陥や酸化被膜等が発生したとしても、これらの空隙を封入して好適に補修することができる。
【発明の効果】
【0017】
本発明に係る接合方法によれば、第一金属部材の側面と、第二金属部材の端面とを突き合せてなる被接合金属部材の側面間における水密性及び気密性を高めるとともに、接合強度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】
【0018】
[第一実施形態]
本発明の最良の実施形態を、適宜図面を用いて説明する。図1は、第一実施形態に係る接合方法を示した斜視図である。図1に示すように、第一実施形態に係る接合方法は、第一金属部材1aの側面と、第二金属部材1b端面とを突き合せて平面視L字状に形成し、表面A、裏面Bから摩擦攪拌を行うとともに、側面においては、溶接及び摩擦攪拌の両方を行うことを特徴とする。まず、被接合金属部材1、タブ材及び回転ツールについて詳細に説明する。なお、説明における上下左右前後は、図1の矢印に従う。
【0019】
被接合金属部材1は、図2の(a)及び(b)に示すように、側面に凸部Nを有する第一金属部材1aと、端面に凹部Oを有する第二金属部材1bとを略隙間なく嵌め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。
【0020】
第一金属部材1aは、断面視矩形の直方体形状を呈し、その側面14aから突出した断面視等脚台形の凸部Nを有する。凸部Nは、第一金属部材1aの端面11aから、前後軸方向に向かって延設されている。凸部Nは、第一金属部材1aの側面14aの高さ方向の中央に形成されている。凸部Nの台形に係る長辺の長さはp1、短辺の長さはp2で形成されている。また、長辺から短辺までの突出高さはp3、凸部Nの長さはp4で形成されている。
【0021】
なお、本実施形態においては、突出高さp3は、後記する大型接合用回転ツールG(図3の(b)参照)のショルダ部G1の半径よりも大きく形成されている。即ち、突出高さp3と、後記する大型接合用回転ツールGのショルダ部G1の外径Y1との関係が、p3>Y1/2となるように形成されている。
【0022】
第二金属部材1bは、断面視矩形の直方体形状を呈し、その端面11bに凹設された断面視等脚台形の凹部Oを有する。凹部Oは、第二金属部材1bの一方の側面14bから他方の側面15bまで連続して形成されている。凹部Oは、第二金属部材1bの端面11bの高さ方向の中央に形成されている。凹部Oの断面に係る長辺の長さはq1、短辺の長さはq2で形成されている。また、長辺から短辺までの深さはq3、凹部Oの長さはq4で形成されている。
【0023】
図2の(b)に示すように、第一金属部材1aの凸部Nと、第二金属部材1bの凹部Oとを突き合わせると、ほぼ隙間のないように嵌め合わされ、突合せ面には突合部J1が形成される。即ち、凸部Nと凹部Oの断面形状は、それぞれ略同等(p1≒q1、p2≒q2、p3≒q3、p4≒q4)に形成されている。なお、凸部N及び凹部Oの形状は、断面視等脚台形に限定されるものではなく、他の形状であってもよい。
【0024】
また、凸部Nは、側面14aから離間する方向に向かうに従って先細り(テーパ)となるように形成されている。また、凹部Oは、端面11bから離間する方向に向かうに従って先細りとなるように形成されている。これにより、第一金属部材1aと第二金属部材1bとを嵌め合わせる作業が容易となる。
【0025】
なお、図2の(b)に示すように、被接合金属部材1のうち、第一金属部材1aの表面12aと第二金属部材1bの表面12bとで形成される面を表面Aともいう。また、第一金属部材1aの裏面13aと第二金属部材1bの裏面13bとで形成される面を裏面Bともいう。
また、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とで形成される面を第一側面Cともいう。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とで形成される面を第二側面Dともいう。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とで略垂直に形成された角部分を入り隅部Iとする。
【0026】
次に、図3を参照して、仮接合などに用いる回転ツールF(以下、「小型接合用回転ツールF」という。)及び本接合に用いる回転ツールG(以下、「大型接合用回転ツールG」という。)を詳細に説明する。
【0027】
図3の(a)に示す小型接合用回転ツール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。小型接合用回転ツール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大型接合用回転ツール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、小型接合用回転ツールFの移動速度(送り速度)を大型接合用回転ツール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。
【0028】
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、大型接合用回転ツールGのショルダ部G1の外径Y1よりも小さくなっている。
【0029】
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が大型接合用回転ツール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、大型接合用回転ツール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。
【0030】
図3の(b)に示す大型接合用回転ツール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。
【0031】
ショルダ部G1の下端面G11は、小型接合用回転ツール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。
【0032】
第一タブ材2及び第二タブ材3は、図4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及び第二タブ材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。
【0033】
以下、本実施形態に係る各工程について詳細に説明する。本実施形態に係る接合方法は、(1)突合工程、(2)第一仮接合工程、(3)第一本接合工程、(4)第二仮接合工程、(5)第二本接合工程、(6)第一側面本接合工程、(7)第二側面本接合工程を含んでいる。
【0034】
(1)突合工程
突合工程は、第一金属部材1aと第二金属部材1bと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。
突合工程では、図2の(a)及び(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とを突き合わせて被接合金属部材1を形成する。即ち、第一金属部材1aの凸部Nと第二金属部材1bの凹部Oとを嵌め合わせる。被接合金属部材1は、第一金属部材1aの表面12aと第二金属部材1bの表面12bとは面一に形成されており、第一金属部材1aの裏面13aと第二金属部材1bの裏面13bとは面一に形成されている。また、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とは略垂直に形成されている。また、第一金属部材1aの端面11aと第二金属部材1bの他方の側面15bとは面一に形成されている。
【0035】
ここで、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との突合部J1のうち、凸部Nと凹部Oとの突合せ面を突合部J10とする。さらに、突合部J10のうち、鉛直の部分を鉛直辺部J10a、一方の斜辺部分を斜辺部10b、他方の斜辺部分を斜辺部10cとする。
【0036】
タブ材配置工程では、図4に示すように、被接合金属部材1の第二側面D及び被接合金属部材1の入り隅部Iに第一タブ材2及び第二タブ材3をそれぞれ配置する。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と同等の材料からなる。第一タブ材2は、直方体を呈し、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る。第一タブ材2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にそれぞれ面一に形成されている。また、第一タブ材2と被接合金属部材1との入り隅部2a,2bは、溶接によって仮接合されている。これにより、摩擦攪拌を行うときの目開きを防止することができる。なお、第一タブ材2と被接合金属部材1との突合部を突合部j2とする。
【0037】
第二タブ材3は、直方体を呈し、入り隅部Iにおいて、第一金属部材1a及び第二金属部材1bに沿ってそれぞれ当接配置される。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とそれぞれ面一に形成されている。また、第二タブ材3と被接合金属部材1との入り隅部3a,3bは、第一タブ材2と同様に溶接によって仮接合されている。
被接合金属部材1にタブ材を配置したら、当該被接合金属部材1を図示しない摩擦攪拌装置に、表面Aが上方を向くようにして治具などで固定する。
【0038】
(2)第一仮接合工程
第一仮接合工程は、被接合金属部材1の表面Aから被接合金属部材1とタブ材とを仮に接合する第一仮接合工程と、後記する第一本接合工程における摩擦攪拌の開始位置に下穴を形成する下穴形成工程とを含むものである。
【0039】
第一仮接合工程では、図5に示すように、被接合金属部材1の表面Aから、小型接合用回転ツール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及びj4に対して連続して摩擦攪拌を行う。即ち、第一仮接合工程は、突合部j2を接合する第一タブ材接合工程、突合部J1を接合する仮接合工程、突合部j3及びj4を接合する第二タブ材接合工程からなる。
【0040】
本実施形態の第一仮接合工程における摩擦攪拌の手順をより詳細に説明する。
まず、小型接合用回転ツールFの攪拌ピンF2を右回転させながら第一タブ材2の適所に設けた開始位置SP1に挿入して摩擦攪拌を開始し、小型接合用回転ツールFを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】
小型接合用回転ツール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、始点s2で小型接合用回転ツールFを離脱させることなくそのまま第一タブ材接合工程に移行する。
【0042】
第一タブ材接合工程では、第一タブ材2と被接合金属部材1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との継ぎ目上に摩擦攪拌のルートを設定し、当該ルートに沿って小型接合用回転ツール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。本実施形態では、小型接合用回転ツール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。
【0043】
なお、小型接合用回転ツールFを右回転させた場合には、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、小型接合用回転ツールFの進行方向の左側に第一タブ材2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側に接合欠陥が発生し難くなるので、高品質の製品を得ることが可能となる。
【0044】
小型接合用回転ツール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。なお、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に設定している。
【0045】
仮接合工程では、被接合金属部材1の突合部J1に対して摩擦攪拌を行う。具体的には、被接合金属部材1の継ぎ目上に摩擦攪拌のルートを設定し、当該ルートに沿って小型接合用回転ツールFを相対移動させることで、突合部J1に対して摩擦攪拌を行う。本実施形態では、小型接合用回転ツールFを途中で離脱させることなく仮接合工程の始点s1から終点e1まで連続して摩擦攪拌を行う。
【0046】
小型接合用回転ツールFが仮接合工程の終点e1に達したら、そのまま第二タブ材接合工程に移行する。即ち、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で小型接合用回転ツール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。
【0047】
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、突合部j3上に折返し点m3を設け、小型接合用回転ツールFを始点s3から折返し点m3に移動させた後に、小型接合用回転ツール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。即ち、小型接合用回転ツールFを始点s3〜折返し点m3間で往復させた後に、小型接合用回転ツールFを終点e3まで移動させることで、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。
【0048】
図5に示すように、小型接合用回転ツール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EP1まで連続して摩擦攪拌を行う。小型接合用回転ツールFが終了位置EP1に達したら、小型接合用回転ツールFを回転させつつ上昇させて終了位置EP1から離脱させる。
【0049】
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いて、大型接合用回転ツールGを挿入する挿入予定位置(開始位置)に下穴P1を形成する工程である。本実施形態に係る下穴形成工程では、第一仮接合工程の終了位置EP1(図5参照)に下穴P1を形成する。終了位置EP1には小型接合用回転ツールFの抜き穴が形成されているため、その抜き穴を利用して容易に下穴P1を形成することができる。
【0050】
下穴P1の位置(即ち、第一本接合工程における摩擦攪拌の開始位置)にも制限はなく、第一タブ材2や第二タブ材3に形成してもよいし、突合部j2に形成してもよいが、本実施形態の如く被接合金属部材1の突合部J1の延長線上に形成することが望ましい。
【0051】
(3)第一本接合工程
第一本接合工程は、図6に示すように、突合部J1に対して被接合金属部材1の表面Aから本格的に摩擦攪拌を行う工程である。本実施形態に係る第一本接合工程では、図3の(b)に示す大型接合用回転ツールGを使用し、仮接合された状態の突合部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。
【0052】
第一本接合工程では、まず、図6に示すように、大型接合用回転ツールGを左回転させつつ攪拌ピンG2を開始位置SM1に形成された下穴P1に挿入し、摩擦攪拌を開始する。本実施形態では、被接合金属部材1と第二タブ材3との突合部j4に開始位置SM1を設けているので、大型接合用回転ツールGの攪拌ピンG2を圧入する際に、塑性流動化した金属の一部が被接合金属部材1と第二タブ材3との間にある微細な隙間に流れ込み、その後に塑性流動化した金属の前記した隙間への逸散が緩和されるので、肉不足による接合欠陥が生じ難くなる。
【0053】
なお、下穴P1に大型接合用回転ツールGの攪拌ピンG2を圧入すると、被接合金属部材1と第二タブ材3とを引き離そうとする力が作用するが、被接合金属部材1と第二タブ材3とにより形成された入り隅部3a,3aを溶接により仮接合しているので、被接合金属部材1と第二タブ材3との間に目開きが発生することがない。
【0054】
被接合金属部材1の突合部J1の一端まで摩擦攪拌を行ったら、そのまま大型接合用回転ツールGを突合部J1に突入させ、被接合金属部材1の継ぎ目上に設定された摩擦攪拌のルートに沿って大型接合用回転ツール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。突合部J1の他端まで大型接合用回転ツール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。
【0055】
大型接合用回転ツールGが終了位置EM1に達したら、大型接合用回転ツールGを回転させながら上昇させて攪拌ピンG2を終了位置EM1から離脱させる。被接合金属部材1の表面Aには、突合部J1に沿って表面側塑性化領域W1が形成されている。
なお、本実施形態においては、第一本接合工程における摩擦攪拌の開始位置SM1を突合部j4に設けた場合を例示したが、第一タブ材2に設けてもよいし、第二タブ材3に設けてもよい。また、第一本接合工程が終了したら、表面Aに形成されているバリを除去して、表面Aを平滑に形成することが好ましい。これにより、後記するタブ材配置工程において表面Aにタブ材を配置する際に、タブ材と被接合金属部材1とを密着させることができる。
前記した第一本接合工程が終了したら、被接合金属部材1を図示しない摩擦攪拌装置から一旦外し、裏面Bが上方を向くようにして再度、治具で固定する。
【0056】
(4)第二仮接合工程
図7は、第一実施形態に係る第二仮接合工程及び第二本接合工程を示した平面図である。第二仮接合工程は、図7に示すように、被接合金属部材1の裏面Bから被接合金属部材1とタブ材とを仮に接合する第二仮接合工程と、第二本接合工程における摩擦攪拌の開始位置に下穴を形成する下穴形成工程とを含むものである。
第二仮接合工程では、図7に示すように、被接合金属部材1の裏面Bから、被接合金属部材1と第一タブ材2及び第二タブ材3とを左回転させた小型接合用回転ツール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及びj4に対して連続して摩擦攪拌を行う。即ち、第二仮接合工程は、突合部j2を接合する第一タブ材接合工程、突合部J1を接合する仮接合工程、突合部j3及びj4を接合する第二タブ材接合工程からなる。本実施形態においては、第二仮接合工程の開始位置SP2を第一タブ材2に設定し、終了位置EP2を突合部j4上に設定する。
第二仮接合工程は、前記した第一仮接合工程と略同等であるため、詳細な説明は省略する。
【0057】
(5)第二本接合工程
第二本接合工程は、図7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から本格的に摩擦攪拌を行う工程である。本実施形態に係る第二本接合工程では、図3の(b)に示す大型接合用回転ツールGを右回転させて使用し、仮接合された状態の突合部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。
第二本接合工程は、本実施形態においては、突合部j4に設定された開始位置SM2から第一タブ材2に設定された終了位置EM2まで大型接合用回転ツールGを離脱させることなく摩擦攪拌を行う。第二本接合工程は、前記した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。なお、被接合金属部材1の裏面Bには、突合部J1に沿って裏面側塑性化領域W2が形成されている。
【0058】
第二本接合工程が終了したら、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。図8は、第一実施形態に係る第一側面本接合工程を示した図である。図8に示すように、第一本接合工程では、大型接合用回転ツールGを左回転させて摩擦攪拌を行ったため、進行方向右側(表面側塑性化領域W1の第二金属部材1b側)にトンネル状の空洞欠陥R(以下、トンネル状空洞欠陥Rとする)が発生する可能性がある。また、第二本接合工程では、大型接合用回転ツールGを右回転させて摩擦攪拌を行ったため、進行方向左側(裏面側塑性化領域W2の第二金属部材1b側)にトンネル状空洞欠陥Rが発生する可能性がある。
また、第一本接合工程及び第二本接合工程によって、第二タブ材3と被接合金属部材1との突合部j4に形成された酸化皮膜を被接合金属部材1の内部(第一金属部材1a側)に巻き込む可能性がある。これらの欠陥については、後記する補修工程で適宜補修を行う。
【0059】
(6)第一側面本接合工程
第一側面本接合工程は、図8に示すように、被接合金属部材1の第一側面C(第二金属部材1bの一方の側面14b上)に露出する突合部J10に対して、溶接及び摩擦攪拌の少なくともいずれか一方を行うことによって突合部J10を密閉するものである。一方、後記する第二側面本接合工程は、被接合金属部材1の第二側面D(第二金属部材1bの他方の側面15b上)に露出する突合部J10(図10参照)に対して、溶接及び摩擦攪拌の少なくともいずれか一方を行うことによって突合部J10を密閉するものである。本実施形態では、第一側面本接合工程及び第二側面本接合工程を合わせて、側面本接合工程ともいう。
【0060】
第一側面本接合工程は、本実施形態においては、突合部J10に沿って凹溝Kを形成する凹溝形成工程と、凹溝Kに溶接を行って凹溝Kに溶接金属T1を充填させる溶接金属充填工程と、溶接金属T1のうち肉盛部T1’を切除する切除工程と、突合部J10の一部に摩擦攪拌を行う第一側面摩擦攪拌工程を含むものである。
【0061】
凹溝形成工程では、図8に示すように、突合部J10に沿って公知のエンドミル等を用いて凹溝Kを形成する。凹溝Kの両端は、表面側塑性化領域W1及び裏面側塑性化領域W2に重複するように形成される。これにより、後記する溶接金属充填工程の際に、表面側塑性化領域W1及び裏面側塑性化領域W2と溶接金属Tとを重複させることができるため、突合部J10を隙間なく密閉することができる。凹溝Kの形状は、本実施形態においては、図8の(b)に示すように、断面視略半円形状に形成されているが、形状を限定する趣旨ではない。
【0062】
溶接金属充填工程では、凹溝Kに肉盛溶接を行い、凹溝Kに溶接金属T1を充填させる。肉盛溶接は、図8の(b)に示すように、溶接金属T1が第一側面Cから突出する程度に、例えばTIG溶接又はMIG溶接を行う。なお、溶接金属T1のうち、第一側面Cから突出した部分を肉盛部T1’とする。
【0063】
切除工程では、溶接金属T1のうち、第一側面Cから突出した肉盛部T1’を公知の切削具を用いて切除する。これにより、第一側面Cを平滑に成形することができる。
【0064】
第一側面摩擦攪拌工程は、図9に示すように、表面A及び裏面Bに一対のタブ材を配置するタブ材配置工程と、第一側面Cに露出する突合部J10のうち、鉛直辺部J10aに沿って摩擦攪拌を行う第一側面摩擦攪拌工程とを含むものである。
【0065】
タブ材配置工程では、図9に示すように、被接合金属部材1の表面A及び裏面Bに沿って一対の第三タブ材4及び第四タブ材5をそれぞれ配置する。第三タブ材4及び第四タブ材5は、突合部J10の鉛直辺部J10aの延長線上に配置される。第三タブ材4及び第四タブ材5は、その表面及び裏面が、被接合金属部材1の第一側面C及び第二側面Dとそれぞれ面一となるように形成されている。被接合金属部材1と第三タブ材4との入り隅部4a,4bは溶接により仮接合される。同様に、被接合金属部材1と第四タブ材5との入り隅部5a,5bは、溶接により仮接合される。
【0066】
第一側面摩擦攪拌工程では、図9に示すように、突合部J10の鉛直辺部J10aに対して摩擦攪拌を行う。即ち、凸部Nの先端面と凹部Oの底面との突合部を含むように、摩擦攪拌を行う。本実施形態においては、第一側面摩擦攪拌工程の開始位置SM3は第四タブ材5に設定し、終了位置EM3は、第三タブ材4に設定する。開始位置SM3及び終了位置EM4は、突合部J10の鉛直辺部J10aの延長線上に設定する。これにより、第一側面摩擦攪拌工程を最短距離で行うことができる。
【0067】
より詳細に説明すると、大型接合用回転ツールGを回転させて第四タブ材5に設定された開始位置SM3に押し込み、第三タブ材4側に向けて相対移動させる。第四タブ材5と被接合金属部材1との突合部j5を通過させて、大型接合用回転ツールGを離脱させずに、鉛直辺部J10aに沿って相対移動させる。そして、第三タブ材4と被接合金属部材1との突合部j6を通過させて、第三タブ材4に設定された終了位置EM3で大型接合用回転ツールGを離脱させる。第一側面Cには、第一側面摩擦攪拌工程によって、第一側面側塑性化領域W3が形成されている。なお、第一側面摩擦攪拌工程を行う前に、開始位置SM3に前記した下穴を形成して大型接合用回転ツールGの圧入抵抗を軽減してもよい。
【0068】
図9に示すように、第一側面側塑性化領域W3の幅Waは、凹溝Kの幅Kaよりも大きく形成されている。これにより、鉛直辺部J10aの全長に亘って、凹溝Kと溶接金属T1との界面を摩擦攪拌することができる。
【0069】
ここで、表面Aから突合部J10の斜辺部J10bまでの距離Naは、表面側塑性化領域W1の深さW1dよりも小さく形成されている。同様に、裏面Bから突合部J10の斜辺部10cまでの距離Naは、裏面側塑性化領域W2の深さW2dよりも小さく形成されている。即ち、表面側塑性化領域W1及び裏面側塑性化領域W2と、第一金属部材1aの凸部Nとを重複させることにより、突合部J10をより確実に密閉することができる。
【0070】
(7)第二側面本接合工程
第二側面本接合工程は、図10に示すように、被接合金属部材1の第二側面Dに露出する突合部J10に対して、溶接及び摩擦攪拌のいずれか一方を行うことによって突合部J10を密閉するものである。第二側面本接合工程は、本実施形態においては、突合部J10に沿って凹溝Kを形成する凹溝形成工程と、凹溝Kに溶接を行って凹溝Kに溶接金属T2を充填させる溶接金属充填工程と、溶接金属T2のうち肉盛部(図示省略)を切除する切除工程と、突合部J10の一部に摩擦攪拌を行う第二側面摩擦攪拌工程を含むものである。
【0071】
凹溝形成工程では、図10に示すように、第二側面Dに露出する突合部J10に沿って公知のエンドミル等を用いて凹溝Kを形成する。凹溝Kの両端は、表面側塑性化領域W1及び裏面側塑性化領域W2に重複するように形成される。これにより、後記する溶接金属充填工程の際に、表面側塑性化領域W1及び裏面側塑性化領域W2と溶接金属T2とを重複させることができるため、突合部J10を隙間なく密閉することができる。
【0072】
溶接金属充填工程では、図10に示すように、凹溝Kに肉盛溶接を行い、凹溝Kに溶接金属T2を充填させる。肉盛溶接は、溶接金属T2が第二側面Dから突出する程度に、例えばTIG溶接又はMIG溶接を行う(図8の(b)参照)。
【0073】
切除工程では、溶接金属T2のうち、第二側面Dから突出した肉盛部(図示省略)を公知の切削具を用いて切除する。これにより、第二側面Dを平滑に成形することができる。
【0074】
第二側面摩擦攪拌工程では、図11に示すように、突合部J10の鉛直辺部J10aに沿って摩擦攪拌を行う。即ち、凸部Nの先端面と凹部Oの底面との突合部を含むように、摩擦攪拌を行う。第二側面摩擦攪拌工程は、本実施形態においては、第三タブ材4に設定された開始位置SM4から第四タブ材5に設定された終了位置EM4まで大型接合用回転ツールGを離脱することなく連続して摩擦攪拌を行う。第二側面Dには、第二側面本接合工程によって、第二側面側塑性化領域W4が形成されている。第二側面摩擦攪拌工程は、第一側面摩擦攪拌工程と略同等であるため、詳細な説明は省略する。
【0075】
以上説明した第一実施形態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と、第一金属部材1aの凸部Nとを重複させるとともに、突合部J10に肉盛溶接を行い、さらに、突合部J10の鉛直辺部J10aに沿って摩擦攪拌を行うことにより、被接合金属部材1の側面に露出する突合部J10を確実に密閉することができる。これにより、被接合金属部材1の側面間における水密性及び気密性を高めることができる。
【0076】
また、被接合金属部材1の第一側面Cに露出する突合部J10は、第一金属部材1aの凸部N及び第二金属部材1bの凹部Oによって、入り隅部Iから離間した位置に形成される。これにより、突合部J10(J10a)を摩擦攪拌する際には、接合面に対して大型接合用回転ツールGの攪拌ピンG2を略垂直に押圧することができるため、攪拌ピンG2を深い位置まで押し込むことができる。よって、入り隅部Iを摩擦攪拌する場合に比べて広い領域を摩擦攪拌することができるため、被接合金属部材1の接合強度を高めることができる。また、突合部J10の一部が入り隅部Iから離間した位置に形成されるため、突合部J10に対する溶接及び摩擦攪拌作業を比較的容易に行うことができる。
【0077】
ここで、図1及び図9に示すように、本実施形態に係る被接合金属部材1は、平面視L字状を呈するため、第一側面Cに露出する突合部J10の摩擦攪拌が困難になる場合がある。即ち、突合部J10を摩擦攪拌する場合、図示しない摩擦攪拌装置の構造によっては、装置の取り合いにより、大型接合用回転ツールGを第一金属部材1a側に近づけることができない場合がある。これにより、突合部J10に未塑性化領域ができてしまい、水密性及び気密性の低下を招来する。
【0078】
しかし、本実施形態においては、凸部Nの突出高さp3は、少なくとも大型接合用回転ツールGのショルダ部G1の半径よりも大きく形成されている。これにより、大型接合用回転ツールGを用いて側面本接合工程を行うことができる。
【0079】
また、凹溝Kを形成して溶接金属T1,T2を充填するとともに、切除工程で肉盛部T1’を切除するため、被接合金属部材1の側面を平滑にするとともに、仕上がり面をきれいに成形することができる。
【0080】
なお、本発明においては、適宜補修工程を行って、より気密性及び水密性の高い製品を成形することができる。以下、入り隅部補修工程、第一補修工程、第二補修工程及び横断補修工程について説明する。
【0081】
(8)入り隅部補修工程
入り隅部補修工程は、図12に示すように、被接合金属部材1の入り隅部Iに対して、入り隅部用回転ツールHを用いて摩擦攪拌を行うものである。入り隅部補修工程は、三角柱を呈する当て部材Lを入り隅部Iに当てがい、比較的小型の入り隅部用回転ツールHを当て部材Lに貫通させて、当て部材Lを入り隅部Iに摺動させながら摩擦攪拌を行う。このように入り隅部Iに摩擦攪拌を行うことで、入り隅部塑性化領域whが形成され、表面側塑性化領域W1及び裏面側塑性化領域W2に形成される可能性のあるトンネル状空洞欠陥Rや酸化皮膜(図示省略)を密閉することができる。
【0082】
(9)第一補修工程、第二補修工程
第一補修工程、第二補修工程は、図13の(a)及び(b)に示すように、被接合金属部材1の表面A及び裏面Bの少なくともいずれか一方において、表面側塑性化領域W1及び裏面側塑性化領域W2中に欠陥が形成される部分に摩擦攪拌により補修を行うものである。
【0083】
本実施形態に係る第一本接合工程おいては、大型接合用回転ツールGを左回転させて、第二タブ材3側から第一タブ材2側に向けて相対移動させているため、表面側塑性化領域W1の内部の進行方向右側の領域にトンネル状空洞欠陥が形成される可能性がある(当該領域を第一補修領域r1とする)。
また、突合部j2には、酸化皮膜が形成されているため、前記した第一本接合工程を行うと、第一金属部材1aにおける第一タブ材2側であって、かつ、第二金属部材1b側の領域の内部に酸化皮膜を巻き込む可能性がある(当該領域を第二補修領域r2とする)。そのため、第一補修工程は、第一補修領域r1に対して、第二補修工程は、第二補修領域r2に対して、それぞれ小型接合用回転ツールFを用いて摩擦攪拌を行い補修する。なお、本実施形態においては、小型接合用回転ツールFを用いるが、予想される欠陥の大きさや深さによって適宜回転ツールを選択すればよい。
【0084】
本実施形態では、図13の(b)に示すように、小型接合用回転ツール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、第一補修工程及び第二補修工程を連続して行う。なお、本実施形態では、第一補修領域r1、第二補修領域r2の順序で摩擦攪拌を行う場合を例示するが、摩擦攪拌の順序を限定する趣旨ではない。
【0085】
第一補修工程及び第二補修工程における摩擦攪拌の手順を図13の(b)を参照してより詳細に説明する。
まず、被接合金属部材1の適所に設けた開始位置SRに小型接合用回転ツールFの攪拌ピンを挿入(圧入)して摩擦攪拌を開始し、第一補修領域r1(図13の(a)参照)に対して摩擦攪拌を行う。本実施形態では、第一本接合工程における摩擦攪拌の開始位置SM1(図6参照)の近傍に開始位置SRを設けるとともに、開始位置SRを挟んで終了位置ERと反対側に折返し点MRを設け、小型接合用回転ツールFを折返し点MRに向かって相対移動させた後に、折返し点MRで折り返し、その後、突合部J1に沿って相対移動させることで、第一補修領域r1に対して摩擦攪拌を行う。
【0086】
第一補修領域r1に対する摩擦攪拌が終了したら、小型接合用回転ツールFを離脱させずにそのまま第二補修工程に移行して第二補修領域r2に対して摩擦攪拌を行う。なお、本実施形態のように、小型接合用回転ツールFで摩擦攪拌できる領域に比して第二補修領域r2が大きい場合には、摩擦攪拌のルートをずらしつつ小型接合用回転ツールFを何度かUターンさせればよい。
【0087】
第二補修領域r2に対する摩擦攪拌が終了したら、小型接合用回転ツールFを第一タブ材2上に設定した終了位置ERに移動させ、小型接合用回転ツールFを回転させつつ上昇させて攪拌ピンを終了位置ERから離脱させる。
【0088】
(10)第一横断補修工程
図14は、前記した第一補修工程及び第二補修工程後を示した被接合金属部材1の表面A側の平面図である。第一横断補修工程は、被接合金属部材1の表面Aに形成された表面側塑性化領域W1及び裏面Bに形成された裏面側塑性化領域W2の少なくともいずれか一方を複数回横断するように小型接合用回転ツールFを移動させる。
【0089】
第一横断補修工程における摩擦攪拌のルートは、第一本接合工程における表面側塑性化領域W1の中央線上において表面側塑性化領域W1を横切る複数の交差ルートf1,f1,…と、隣り合う交差ルートf1,f1の同側の端部同士を繋ぐ移行ルートf2,f2,…とを備えている。
交差ルートf1は、第一本接合工程における摩擦攪拌のルートと直交している。また、移行ルートf2は、表面側塑性化領域W1の右側あるいは左側に設けられていて、第一本接合工程における摩擦攪拌のルートと平行になっている。
【0090】
第一横断補修工程における摩擦攪拌の手順を詳細に説明する。
第一横断補修工程は、小型接合用回転ツールFを、一筆書きの移動軌跡(ビード)を形成するようにジグザグ状に移動させることで、摩擦攪拌の開始位置SCから終了位置ECまで連続して摩擦攪拌を行う。
【0091】
第一横断補修工程では、まず、被接合金属部材1の適所に設けた開始位置SCに小型接合用回転ツールFの攪拌ピンを挿入(圧入)して摩擦攪拌を開始し、一つ目の交差ルートf1に沿って連続して摩擦攪拌を行う。一つ目の交差ルートf1の終点e10に到達したら、小型接合用回転ツールFの移動方向を変更して、移行ルートf2に沿って移動させ、表面側塑性化領域W1の側方にある金属に対して連続して摩擦攪拌を行う。小型接合用回転ツールFが二つ目の交差ルートf1の始点s10に達したら、小型接合用回転ツールFの移動方向を変更して二つ目の交差ルートf1に沿って移動させ、表面側塑性化領域W1に対して連続して摩擦攪拌を行う。以上のような過程を繰り返し、小型接合用回転ツールFが最後の交差ルートf1の終点e10に達したら、小型接合用回転ツールFを終了位置ECに移動させ、小型接合用回転ツールFを回転させつつ上昇させて攪拌ピンを終了位置ECから離脱させる。このように、第一横断補修工程によれば、表面側塑性化領域W1又は裏面側塑性化領域W2の長手方向に直行する方向に摩擦攪拌を行うことで、被接合金属部材1の接合強度を高めることができる。
【0092】
[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。本発明に係る第二実施形態は、第一側面本接合工程及び第二側面本接合工程において、凹溝を形成しない点及び凸部N及び凹部Oの形状が異なる点で第一実施形態と相違する。なお、以下の説明においては、第一側面本接合工程を例にしているが、第二側面本接合工程で行ってもよい。
【0093】
第二実施形態に係る第一金属部材1aの凸部N1及び第二金属部材1bの凹部O1は、断面視矩形を呈する。このように、凸部N1及び凹部O1の形状は、被接合金属部材1によって適宜設定すればよい。なお、凸部N1と凹部O1とで形成される突合部J11は、鉛直辺部J11aと、鉛直辺部J11aの両端から垂直に延在する垂直辺部J11b,J11cとからなる。
【0094】
第二実施形態に係る第一側面本接合工程は、突合部J11に沿って溶接を行う溶接接合工程と、突合部J11の一部に摩擦攪拌を行う第一側面摩擦攪拌工程を含むものである。
【0095】
溶接接合工程は、本実施形態においては、突合部J11のうち垂直辺部J11b,11cの全長に亘って溶接を行い、溶接金属T3によって密閉する。溶接の種類は限定されるものではないが、本実施形態においては、TIG溶接又はMIG溶接を用いる。
【0096】
第一側面摩擦攪拌工程は、図16に示すように、突合部J11の鉛直辺部J11aに沿って摩擦攪拌する工程であって、第四タブ材5に設定された開始位置SM5から第三タブ材4に設定された終了位置EM5まで大型接合用回転ツールGを離脱することなく摩擦攪拌を行う。開始位置SM5及び終了位置EM5は、突合部J11の鉛直辺部J11aの延長線上に設定されているため、最短距離で摩擦攪拌することができる。第一側面Cには、第一側面摩擦攪拌工程によって、第一側面側塑性化領域W11が形成されている。
また、第一側面摩擦攪拌工程を行った後、第一側面側塑性化領域W11のバリを除去するとともに、溶接金属T3のうち、第一側面Cから突出した部分も除去して第一側面Cを平滑に形成することが好ましい。
【0097】
以上のように本発明の第二実施形態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と溶接金属T3とを重複させるとともに、第一側面摩擦攪拌工程で形成された第一側面側塑性化領域W11と、溶接金属T3とを重複させるため、突合部J11を確実に密閉することができる。
【0098】
なお、本実施形態においては、溶接接合工程を行った後に、第一側面摩擦攪拌工程を行ったが、これに限定されるものではなく、先に第一側面摩擦攪拌工程を行った後に、溶接接合工程を行ってもよい。
【0099】
[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。本発明の第三実施形態は、第一側面本接合工程及び第二側面本接合工程において、溶接を行わず、摩擦攪拌のみ行う点で、第一実施形態と相違する。なお、以下の説明においては、第一側面本接合工程を例にしているが、第二側面本接合工程で行ってもよい。
【0100】
第三実施形態に係る第一側面本接合工程は、図17に示すように、突合部J12に沿って摩擦攪拌を行う第一側面摩擦攪拌工程を含むものである。突合部J12は、鉛直辺部J12aと、鉛直辺部J12aの両端から垂直に延在する垂直辺部J12b,J12cとからなる。
第一側面摩擦攪拌工程では、第四タブ材5に設定された開始位置SM6から、第三タブ材4に設定された終了位置EM6まで一筆書きの要領で小型接合用回転ツールFを相対移動させて、摩擦攪拌を行う。本実施形態では、小型接合用回転ツールFを用いるが、他の回転ツールを用いてもよい。
【0101】
即ち、本実施形態にかかる第一側面摩擦攪拌工程は、開始位置SM6に回転させた小型接合用回転ツールFを圧入した後、突合部J12の鉛直辺部J12aの一端に設定された第一起点s11に向けて小型接合用回転ツールFを相対移動させる。第一起点s11に達したら突合部J12の垂直辺部J12cに沿って小型接合用回転ツールFを移動させる。そして、第一金属部材1aの近傍に設定された折返し点m11に達したら、再度第一起点s11に向けて小型接合用回転ツールFを移動させる。小型接合用回転ツールFが再度第一起点s11に達したら、鉛直辺部J12aの他端に設定された第二起点s12まで移動させる。そして、小型接合用回転ツールFが第二起点s12に達したら、突合部J12の垂直辺部J12bに沿って小型接合用回転ツールFを移動させる。そして、第一金属部材1aの近傍に設定された折返し点m12に達したら、再度第二起点s12に向けて小型接合用回転ツールFを移動させる。小型接合用回転ツールFが第二起点s12に達したら、第三タブ材4に設定された終了位置EM6に向けて移動させ、終了位置EM6で小型接合用回転ツールFを離脱させる。
【0102】
折返し点m11,m12の位置は、第一側面摩擦攪拌工程によって形成された第一側面側塑性化領域W12と表面側塑性化領域W1及び裏面側塑性化領域W2とが重複する位置に設定する。これにより、突合部J12を隙間なく密閉することができる。また、表面側塑性化領域W1及び裏面側塑性化領域W2と凸部N2とが重複しているため、より確実に突合部J12を密閉することができる。
【0103】
以上のように、本発明の第三実施形態に係る接合方法によれば、溶接を行わず、摩擦攪拌のみによっても突合部J12を密閉することができる。これにより、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、摩擦攪拌のみ行って、溶接を行わないので作業時間を短縮することができる。
【0104】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の趣旨に逸脱しない範囲において、適宜変更が可能である。
例えば、側面本接合工程は、摩擦攪拌を行わずに溶接のみ行って、被接合金属部材の第一側面又は第二側面に露出した突合部を密閉してもよい。この際、溶接金属によって突合部に沿って溶接金属で密閉するとともに、表面側塑性化領域及び裏面側塑性化領域と当該溶接金属とを重複させることで、隙間なく突合部を密閉することができる。また、第一金属部材の凸部及び第二金属部材の凹部によって、従来よりも溶接長(突合部)を長く確保することができるため、被接合金属部材の接合強度を高めることができる。
【0105】
なお、本実施形態においては、側面本接合工程は、第一側面本接合工程及び第二側面本接合工程を含むものであるが、どちらか一方のみ行ってもよい。また、溶接の方法は、本実施形態においては、TIG溶接又はMIG溶接を採用したが、他の溶接方法であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【0106】
【図1】第一実施形態に係る接合方法を示した斜視図である。
【図2】第一実施形態に係る被接合金属部材を示した図であって、(a)は、分解斜視図、(b)は、突き合わせた状態を示した斜視図である。
【図3】(a)は、小型接合用回転ツールを示した側面図であって、(b)は、大型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突合工程を示した斜視図である。
【図5】第一実施形態に係る第一仮接合工程を示した平面図である。
【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】第一実施形態に係る第二仮接合工程及び第二本接合工程を示した平面図である。
【図8】第一実施形態に係る第一側面本接合工程を示した図であって、(a)は、凹溝形成工程及び溶接金属充填工程を示した斜視図であって、(b)は、(a)のV−V線断面図である。
【図9】第一実施形態に係る第一側面摩擦攪拌工程を示した平面図である。
【図10】第一実施形態に係る第二側面本接合工程の凹溝形成工程及び溶接金属充填工程を示した正面図である。
【図11】第一実施形態に係る第二側面摩擦攪拌工程を示した平面図である。
【図12】入り隅部補修工程を示した斜視図である。
【図13】(a)は、表面側塑性化領域の空洞欠陥の領域を示し、(b)は、第一補修工程及び第二補修工程を示した平面図である。
【図14】第一横断補修工程を示した平面図である。
【図15】第二実施形態に係る溶接接合工程を示した平面図である。
【図16】第二実施形態に係る第一側面摩擦攪拌工程を示した平面図である。
【図17】第三実施形態に係る第一側面摩擦攪拌工程を示した平面図である。
【図18】従来の接合方法を示した斜視図である。
【符号の説明】
【0107】
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 小型接合用回転ツール
G 大型接合用回転ツール
J1,J10 突合部
K 凹溝
N 凸部
O 凹部
P1 下穴
T 溶接金属
W 塑性化領域
【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】
ところで、一方の金属部材の側面と、他方の金属部材の端面とを突き合せて平面視L字状を呈する被接合金属部材に摩擦攪拌接合する場合は、被接合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、両金属部材の各側面によって形成される入り隅部に摩擦攪拌を行う場合がある。
しかし、前記した回転ツールで入り隅部に摩擦攪拌を行うと、当該回転ツールのショルダ部が一方の金属部材及び他方の金属部材に接触するため、当該回転ツールを深い位置まで押し込むことができないという問題があった。
【0004】
そこで、平面視L字状の被接合金属部材の接合方法として、特許文献1に係る発明が知られている。
従来の接合方法は、図18に示すように、第一金属部材1aの側面と第二金属部材1bの端面とを突き合せて形成された突合部J1に、表面側及び裏面側から摩擦攪拌を行う。そして、第一金属部材1aの側面及び第二金属部材1bの側面によって略直角に形成される入り隅部Eに対しては、小型の回転ツールHを用いて摩擦攪拌を行う。即ち、被接合金属部材1の入り隅部Eに三角柱形状を呈する当て部材Lを当接させるとともに、棒状の回転ツールHを当て部材Lの上面から貫通させ、当て部材Lを摺動させながら摩擦攪拌を行う。これによれば、入り隅部Eであっても好適に接合し、被接合金属部材1の側面間の水密性及び気密性を高めることができる。
【0005】
【特許文献1】特開平11−320128号公報(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、被接合金属部材1の入り隅部Eを接合する場合は、回転ツールHの攪拌ピンを押圧するのが困難であるため、攪拌ピンの径を小さくせざるを得なかった。そのため、第一金属部材1a及び第二金属部材1bの接合強度が低いという問題があった。
【0007】
このような観点から、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せてなる被接合金属部材の側面間における水密性及び気密性を高めるとともに、接合強度を高め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】
【0008】
このような課題を解決する本発明に係る接合方法は、側面に凸部を備えた第一金属部材と端面に凹部を備えた第二金属部材とを、前記側面と前記端面で突き合わせ、前記凸部と前記凹部とを嵌め合わせてなる被接合金属部材を形成する突合工程と、前記第一金属部材と前記第二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及び摩擦攪拌の少なくともいずれか一方を行う側面本接合工程と、を含み、前記第一本接合工程で形成された表面側塑性化領域と、前記溶接で形成された溶接金属又は前記摩擦攪拌で形成された側面側塑性化領域とを重複させるとともに、前記第二本接合工程で形成された裏面側塑性化領域と、前記溶接で形成された溶接金属又は前記摩擦攪拌で形成された側面側塑性化領域とを重複させることを特徴とする。
【0009】
かかる接合方法によれば、溶接及び摩擦攪拌の少なくともいずれか一方によって、被接合金属部材の側面に露出する突合部を密閉するため、水密性及び気密性を高めることができる。また、被接合金属部材の側面に露出する突合部の一部は、第一金属部材の凸部及び第二金属部材の凹部によって、入り隅部から離間した位置に形成される。これにより、当該突合部を摩擦攪拌する際には、接合面に対して攪拌ピンを略垂直に押圧することができるため、攪拌ピンを深い位置まで押し込むことができる。よって、被接合金属部材の接合強度を高めることができる。また、被接合金属部材の側面に露出する突合部に対して溶接のみを行う場合には、従来よりも溶接長を長く確保することができるため、被接合金属部材の接合強度を高めることができる。また、突合部の一部が入り隅部から離間した位置に形成されるため、当該突合部に対する溶接及び摩擦攪拌作業を比較的容易に行うことができる。
【0010】
また、本発明は、前記表面側塑性化領域及び前記裏面側塑性化領域の少なくともいずれか一方が、前記凸部に接触することが好ましい。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をより確実に密閉することができる。
【0011】
また、本発明に係る前記凸部は、前記第一金属部材から離間する方向に向かうに従って先細りとなり、前記凹部は、前記第二金属部材の前記端面から離間する方向に向かうに従って先細りとなることが好ましい。かかる接合方法によれば、突合工程において、第一金属部材及び第二金属部材をスムーズに嵌め合わせることができる。
【0012】
また、本発明は、前記側面本接合工程の前に、前記被接合金属部材の側面に露出する前記突合部に沿って予め凹溝を形成する凹溝形成工程と、前記凹溝に前記溶接金属を充填する溶接金属充填工程を含むことが好ましい。
【0013】
かかる接合方法によれば、凹溝を形成して溶接金属を充填するため、溶接の作業性を高めることができる。
【0014】
また、本発明は、前記溶接金属充填工程によって前記被接合金属部材の側面から突出した溶接金属を切除する切除工程を含むことが好ましい。かかる接合方法によれば、被接合金属部材の側面を平滑に成形することができる。
【0015】
また、本発明は、前記第一金属部材の一方の側面と、前記第二金属部材の一方の側面とで形成される前記被接合金属部材の入り隅部において、前記入り隅部に露出する前記表面側塑性化領域及び前記裏面側塑性化領域の少なくともいずれか一方に、回転ツールを用いて摩擦攪拌を行う入り隅部補修工程を含むことが好ましい。
【0016】
かかる接合方法によれば、仮に、被接合金属部材の側面に露出する表面側塑性化領域及び裏面側塑性化領域に空洞欠陥や酸化被膜等が発生したとしても、これらの空隙を封入して好適に補修することができる。
【発明の効果】
【0017】
本発明に係る接合方法によれば、第一金属部材の側面と、第二金属部材の端面とを突き合せてなる被接合金属部材の側面間における水密性及び気密性を高めるとともに、接合強度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】
【0018】
[第一実施形態]
本発明の最良の実施形態を、適宜図面を用いて説明する。図1は、第一実施形態に係る接合方法を示した斜視図である。図1に示すように、第一実施形態に係る接合方法は、第一金属部材1aの側面と、第二金属部材1b端面とを突き合せて平面視L字状に形成し、表面A、裏面Bから摩擦攪拌を行うとともに、側面においては、溶接及び摩擦攪拌の両方を行うことを特徴とする。まず、被接合金属部材1、タブ材及び回転ツールについて詳細に説明する。なお、説明における上下左右前後は、図1の矢印に従う。
【0019】
被接合金属部材1は、図2の(a)及び(b)に示すように、側面に凸部Nを有する第一金属部材1aと、端面に凹部Oを有する第二金属部材1bとを略隙間なく嵌め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。
【0020】
第一金属部材1aは、断面視矩形の直方体形状を呈し、その側面14aから突出した断面視等脚台形の凸部Nを有する。凸部Nは、第一金属部材1aの端面11aから、前後軸方向に向かって延設されている。凸部Nは、第一金属部材1aの側面14aの高さ方向の中央に形成されている。凸部Nの台形に係る長辺の長さはp1、短辺の長さはp2で形成されている。また、長辺から短辺までの突出高さはp3、凸部Nの長さはp4で形成されている。
【0021】
なお、本実施形態においては、突出高さp3は、後記する大型接合用回転ツールG(図3の(b)参照)のショルダ部G1の半径よりも大きく形成されている。即ち、突出高さp3と、後記する大型接合用回転ツールGのショルダ部G1の外径Y1との関係が、p3>Y1/2となるように形成されている。
【0022】
第二金属部材1bは、断面視矩形の直方体形状を呈し、その端面11bに凹設された断面視等脚台形の凹部Oを有する。凹部Oは、第二金属部材1bの一方の側面14bから他方の側面15bまで連続して形成されている。凹部Oは、第二金属部材1bの端面11bの高さ方向の中央に形成されている。凹部Oの断面に係る長辺の長さはq1、短辺の長さはq2で形成されている。また、長辺から短辺までの深さはq3、凹部Oの長さはq4で形成されている。
【0023】
図2の(b)に示すように、第一金属部材1aの凸部Nと、第二金属部材1bの凹部Oとを突き合わせると、ほぼ隙間のないように嵌め合わされ、突合せ面には突合部J1が形成される。即ち、凸部Nと凹部Oの断面形状は、それぞれ略同等(p1≒q1、p2≒q2、p3≒q3、p4≒q4)に形成されている。なお、凸部N及び凹部Oの形状は、断面視等脚台形に限定されるものではなく、他の形状であってもよい。
【0024】
また、凸部Nは、側面14aから離間する方向に向かうに従って先細り(テーパ)となるように形成されている。また、凹部Oは、端面11bから離間する方向に向かうに従って先細りとなるように形成されている。これにより、第一金属部材1aと第二金属部材1bとを嵌め合わせる作業が容易となる。
【0025】
なお、図2の(b)に示すように、被接合金属部材1のうち、第一金属部材1aの表面12aと第二金属部材1bの表面12bとで形成される面を表面Aともいう。また、第一金属部材1aの裏面13aと第二金属部材1bの裏面13bとで形成される面を裏面Bともいう。
また、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とで形成される面を第一側面Cともいう。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とで形成される面を第二側面Dともいう。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とで略垂直に形成された角部分を入り隅部Iとする。
【0026】
次に、図3を参照して、仮接合などに用いる回転ツールF(以下、「小型接合用回転ツールF」という。)及び本接合に用いる回転ツールG(以下、「大型接合用回転ツールG」という。)を詳細に説明する。
【0027】
図3の(a)に示す小型接合用回転ツール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。小型接合用回転ツール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大型接合用回転ツール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、小型接合用回転ツールFの移動速度(送り速度)を大型接合用回転ツール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。
【0028】
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、大型接合用回転ツールGのショルダ部G1の外径Y1よりも小さくなっている。
【0029】
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が大型接合用回転ツール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、大型接合用回転ツール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。
【0030】
図3の(b)に示す大型接合用回転ツール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。
【0031】
ショルダ部G1の下端面G11は、小型接合用回転ツール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。
【0032】
第一タブ材2及び第二タブ材3は、図4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及び第二タブ材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。
【0033】
以下、本実施形態に係る各工程について詳細に説明する。本実施形態に係る接合方法は、(1)突合工程、(2)第一仮接合工程、(3)第一本接合工程、(4)第二仮接合工程、(5)第二本接合工程、(6)第一側面本接合工程、(7)第二側面本接合工程を含んでいる。
【0034】
(1)突合工程
突合工程は、第一金属部材1aと第二金属部材1bと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。
突合工程では、図2の(a)及び(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とを突き合わせて被接合金属部材1を形成する。即ち、第一金属部材1aの凸部Nと第二金属部材1bの凹部Oとを嵌め合わせる。被接合金属部材1は、第一金属部材1aの表面12aと第二金属部材1bの表面12bとは面一に形成されており、第一金属部材1aの裏面13aと第二金属部材1bの裏面13bとは面一に形成されている。また、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とは略垂直に形成されている。また、第一金属部材1aの端面11aと第二金属部材1bの他方の側面15bとは面一に形成されている。
【0035】
ここで、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との突合部J1のうち、凸部Nと凹部Oとの突合せ面を突合部J10とする。さらに、突合部J10のうち、鉛直の部分を鉛直辺部J10a、一方の斜辺部分を斜辺部10b、他方の斜辺部分を斜辺部10cとする。
【0036】
タブ材配置工程では、図4に示すように、被接合金属部材1の第二側面D及び被接合金属部材1の入り隅部Iに第一タブ材2及び第二タブ材3をそれぞれ配置する。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と同等の材料からなる。第一タブ材2は、直方体を呈し、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る。第一タブ材2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にそれぞれ面一に形成されている。また、第一タブ材2と被接合金属部材1との入り隅部2a,2bは、溶接によって仮接合されている。これにより、摩擦攪拌を行うときの目開きを防止することができる。なお、第一タブ材2と被接合金属部材1との突合部を突合部j2とする。
【0037】
第二タブ材3は、直方体を呈し、入り隅部Iにおいて、第一金属部材1a及び第二金属部材1bに沿ってそれぞれ当接配置される。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とそれぞれ面一に形成されている。また、第二タブ材3と被接合金属部材1との入り隅部3a,3bは、第一タブ材2と同様に溶接によって仮接合されている。
被接合金属部材1にタブ材を配置したら、当該被接合金属部材1を図示しない摩擦攪拌装置に、表面Aが上方を向くようにして治具などで固定する。
【0038】
(2)第一仮接合工程
第一仮接合工程は、被接合金属部材1の表面Aから被接合金属部材1とタブ材とを仮に接合する第一仮接合工程と、後記する第一本接合工程における摩擦攪拌の開始位置に下穴を形成する下穴形成工程とを含むものである。
【0039】
第一仮接合工程では、図5に示すように、被接合金属部材1の表面Aから、小型接合用回転ツール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及びj4に対して連続して摩擦攪拌を行う。即ち、第一仮接合工程は、突合部j2を接合する第一タブ材接合工程、突合部J1を接合する仮接合工程、突合部j3及びj4を接合する第二タブ材接合工程からなる。
【0040】
本実施形態の第一仮接合工程における摩擦攪拌の手順をより詳細に説明する。
まず、小型接合用回転ツールFの攪拌ピンF2を右回転させながら第一タブ材2の適所に設けた開始位置SP1に挿入して摩擦攪拌を開始し、小型接合用回転ツールFを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】
小型接合用回転ツール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、始点s2で小型接合用回転ツールFを離脱させることなくそのまま第一タブ材接合工程に移行する。
【0042】
第一タブ材接合工程では、第一タブ材2と被接合金属部材1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との継ぎ目上に摩擦攪拌のルートを設定し、当該ルートに沿って小型接合用回転ツール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。本実施形態では、小型接合用回転ツール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。
【0043】
なお、小型接合用回転ツールFを右回転させた場合には、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、小型接合用回転ツールFの進行方向の左側に第一タブ材2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側に接合欠陥が発生し難くなるので、高品質の製品を得ることが可能となる。
【0044】
小型接合用回転ツール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。なお、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に設定している。
【0045】
仮接合工程では、被接合金属部材1の突合部J1に対して摩擦攪拌を行う。具体的には、被接合金属部材1の継ぎ目上に摩擦攪拌のルートを設定し、当該ルートに沿って小型接合用回転ツールFを相対移動させることで、突合部J1に対して摩擦攪拌を行う。本実施形態では、小型接合用回転ツールFを途中で離脱させることなく仮接合工程の始点s1から終点e1まで連続して摩擦攪拌を行う。
【0046】
小型接合用回転ツールFが仮接合工程の終点e1に達したら、そのまま第二タブ材接合工程に移行する。即ち、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で小型接合用回転ツール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。
【0047】
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、突合部j3上に折返し点m3を設け、小型接合用回転ツールFを始点s3から折返し点m3に移動させた後に、小型接合用回転ツール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。即ち、小型接合用回転ツールFを始点s3〜折返し点m3間で往復させた後に、小型接合用回転ツールFを終点e3まで移動させることで、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。
【0048】
図5に示すように、小型接合用回転ツール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EP1まで連続して摩擦攪拌を行う。小型接合用回転ツールFが終了位置EP1に達したら、小型接合用回転ツールFを回転させつつ上昇させて終了位置EP1から離脱させる。
【0049】
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いて、大型接合用回転ツールGを挿入する挿入予定位置(開始位置)に下穴P1を形成する工程である。本実施形態に係る下穴形成工程では、第一仮接合工程の終了位置EP1(図5参照)に下穴P1を形成する。終了位置EP1には小型接合用回転ツールFの抜き穴が形成されているため、その抜き穴を利用して容易に下穴P1を形成することができる。
【0050】
下穴P1の位置(即ち、第一本接合工程における摩擦攪拌の開始位置)にも制限はなく、第一タブ材2や第二タブ材3に形成してもよいし、突合部j2に形成してもよいが、本実施形態の如く被接合金属部材1の突合部J1の延長線上に形成することが望ましい。
【0051】
(3)第一本接合工程
第一本接合工程は、図6に示すように、突合部J1に対して被接合金属部材1の表面Aから本格的に摩擦攪拌を行う工程である。本実施形態に係る第一本接合工程では、図3の(b)に示す大型接合用回転ツールGを使用し、仮接合された状態の突合部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。
【0052】
第一本接合工程では、まず、図6に示すように、大型接合用回転ツールGを左回転させつつ攪拌ピンG2を開始位置SM1に形成された下穴P1に挿入し、摩擦攪拌を開始する。本実施形態では、被接合金属部材1と第二タブ材3との突合部j4に開始位置SM1を設けているので、大型接合用回転ツールGの攪拌ピンG2を圧入する際に、塑性流動化した金属の一部が被接合金属部材1と第二タブ材3との間にある微細な隙間に流れ込み、その後に塑性流動化した金属の前記した隙間への逸散が緩和されるので、肉不足による接合欠陥が生じ難くなる。
【0053】
なお、下穴P1に大型接合用回転ツールGの攪拌ピンG2を圧入すると、被接合金属部材1と第二タブ材3とを引き離そうとする力が作用するが、被接合金属部材1と第二タブ材3とにより形成された入り隅部3a,3aを溶接により仮接合しているので、被接合金属部材1と第二タブ材3との間に目開きが発生することがない。
【0054】
被接合金属部材1の突合部J1の一端まで摩擦攪拌を行ったら、そのまま大型接合用回転ツールGを突合部J1に突入させ、被接合金属部材1の継ぎ目上に設定された摩擦攪拌のルートに沿って大型接合用回転ツール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。突合部J1の他端まで大型接合用回転ツール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。
【0055】
大型接合用回転ツールGが終了位置EM1に達したら、大型接合用回転ツールGを回転させながら上昇させて攪拌ピンG2を終了位置EM1から離脱させる。被接合金属部材1の表面Aには、突合部J1に沿って表面側塑性化領域W1が形成されている。
なお、本実施形態においては、第一本接合工程における摩擦攪拌の開始位置SM1を突合部j4に設けた場合を例示したが、第一タブ材2に設けてもよいし、第二タブ材3に設けてもよい。また、第一本接合工程が終了したら、表面Aに形成されているバリを除去して、表面Aを平滑に形成することが好ましい。これにより、後記するタブ材配置工程において表面Aにタブ材を配置する際に、タブ材と被接合金属部材1とを密着させることができる。
前記した第一本接合工程が終了したら、被接合金属部材1を図示しない摩擦攪拌装置から一旦外し、裏面Bが上方を向くようにして再度、治具で固定する。
【0056】
(4)第二仮接合工程
図7は、第一実施形態に係る第二仮接合工程及び第二本接合工程を示した平面図である。第二仮接合工程は、図7に示すように、被接合金属部材1の裏面Bから被接合金属部材1とタブ材とを仮に接合する第二仮接合工程と、第二本接合工程における摩擦攪拌の開始位置に下穴を形成する下穴形成工程とを含むものである。
第二仮接合工程では、図7に示すように、被接合金属部材1の裏面Bから、被接合金属部材1と第一タブ材2及び第二タブ材3とを左回転させた小型接合用回転ツール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及びj4に対して連続して摩擦攪拌を行う。即ち、第二仮接合工程は、突合部j2を接合する第一タブ材接合工程、突合部J1を接合する仮接合工程、突合部j3及びj4を接合する第二タブ材接合工程からなる。本実施形態においては、第二仮接合工程の開始位置SP2を第一タブ材2に設定し、終了位置EP2を突合部j4上に設定する。
第二仮接合工程は、前記した第一仮接合工程と略同等であるため、詳細な説明は省略する。
【0057】
(5)第二本接合工程
第二本接合工程は、図7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から本格的に摩擦攪拌を行う工程である。本実施形態に係る第二本接合工程では、図3の(b)に示す大型接合用回転ツールGを右回転させて使用し、仮接合された状態の突合部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。
第二本接合工程は、本実施形態においては、突合部j4に設定された開始位置SM2から第一タブ材2に設定された終了位置EM2まで大型接合用回転ツールGを離脱させることなく摩擦攪拌を行う。第二本接合工程は、前記した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。なお、被接合金属部材1の裏面Bには、突合部J1に沿って裏面側塑性化領域W2が形成されている。
【0058】
第二本接合工程が終了したら、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。図8は、第一実施形態に係る第一側面本接合工程を示した図である。図8に示すように、第一本接合工程では、大型接合用回転ツールGを左回転させて摩擦攪拌を行ったため、進行方向右側(表面側塑性化領域W1の第二金属部材1b側)にトンネル状の空洞欠陥R(以下、トンネル状空洞欠陥Rとする)が発生する可能性がある。また、第二本接合工程では、大型接合用回転ツールGを右回転させて摩擦攪拌を行ったため、進行方向左側(裏面側塑性化領域W2の第二金属部材1b側)にトンネル状空洞欠陥Rが発生する可能性がある。
また、第一本接合工程及び第二本接合工程によって、第二タブ材3と被接合金属部材1との突合部j4に形成された酸化皮膜を被接合金属部材1の内部(第一金属部材1a側)に巻き込む可能性がある。これらの欠陥については、後記する補修工程で適宜補修を行う。
【0059】
(6)第一側面本接合工程
第一側面本接合工程は、図8に示すように、被接合金属部材1の第一側面C(第二金属部材1bの一方の側面14b上)に露出する突合部J10に対して、溶接及び摩擦攪拌の少なくともいずれか一方を行うことによって突合部J10を密閉するものである。一方、後記する第二側面本接合工程は、被接合金属部材1の第二側面D(第二金属部材1bの他方の側面15b上)に露出する突合部J10(図10参照)に対して、溶接及び摩擦攪拌の少なくともいずれか一方を行うことによって突合部J10を密閉するものである。本実施形態では、第一側面本接合工程及び第二側面本接合工程を合わせて、側面本接合工程ともいう。
【0060】
第一側面本接合工程は、本実施形態においては、突合部J10に沿って凹溝Kを形成する凹溝形成工程と、凹溝Kに溶接を行って凹溝Kに溶接金属T1を充填させる溶接金属充填工程と、溶接金属T1のうち肉盛部T1’を切除する切除工程と、突合部J10の一部に摩擦攪拌を行う第一側面摩擦攪拌工程を含むものである。
【0061】
凹溝形成工程では、図8に示すように、突合部J10に沿って公知のエンドミル等を用いて凹溝Kを形成する。凹溝Kの両端は、表面側塑性化領域W1及び裏面側塑性化領域W2に重複するように形成される。これにより、後記する溶接金属充填工程の際に、表面側塑性化領域W1及び裏面側塑性化領域W2と溶接金属Tとを重複させることができるため、突合部J10を隙間なく密閉することができる。凹溝Kの形状は、本実施形態においては、図8の(b)に示すように、断面視略半円形状に形成されているが、形状を限定する趣旨ではない。
【0062】
溶接金属充填工程では、凹溝Kに肉盛溶接を行い、凹溝Kに溶接金属T1を充填させる。肉盛溶接は、図8の(b)に示すように、溶接金属T1が第一側面Cから突出する程度に、例えばTIG溶接又はMIG溶接を行う。なお、溶接金属T1のうち、第一側面Cから突出した部分を肉盛部T1’とする。
【0063】
切除工程では、溶接金属T1のうち、第一側面Cから突出した肉盛部T1’を公知の切削具を用いて切除する。これにより、第一側面Cを平滑に成形することができる。
【0064】
第一側面摩擦攪拌工程は、図9に示すように、表面A及び裏面Bに一対のタブ材を配置するタブ材配置工程と、第一側面Cに露出する突合部J10のうち、鉛直辺部J10aに沿って摩擦攪拌を行う第一側面摩擦攪拌工程とを含むものである。
【0065】
タブ材配置工程では、図9に示すように、被接合金属部材1の表面A及び裏面Bに沿って一対の第三タブ材4及び第四タブ材5をそれぞれ配置する。第三タブ材4及び第四タブ材5は、突合部J10の鉛直辺部J10aの延長線上に配置される。第三タブ材4及び第四タブ材5は、その表面及び裏面が、被接合金属部材1の第一側面C及び第二側面Dとそれぞれ面一となるように形成されている。被接合金属部材1と第三タブ材4との入り隅部4a,4bは溶接により仮接合される。同様に、被接合金属部材1と第四タブ材5との入り隅部5a,5bは、溶接により仮接合される。
【0066】
第一側面摩擦攪拌工程では、図9に示すように、突合部J10の鉛直辺部J10aに対して摩擦攪拌を行う。即ち、凸部Nの先端面と凹部Oの底面との突合部を含むように、摩擦攪拌を行う。本実施形態においては、第一側面摩擦攪拌工程の開始位置SM3は第四タブ材5に設定し、終了位置EM3は、第三タブ材4に設定する。開始位置SM3及び終了位置EM4は、突合部J10の鉛直辺部J10aの延長線上に設定する。これにより、第一側面摩擦攪拌工程を最短距離で行うことができる。
【0067】
より詳細に説明すると、大型接合用回転ツールGを回転させて第四タブ材5に設定された開始位置SM3に押し込み、第三タブ材4側に向けて相対移動させる。第四タブ材5と被接合金属部材1との突合部j5を通過させて、大型接合用回転ツールGを離脱させずに、鉛直辺部J10aに沿って相対移動させる。そして、第三タブ材4と被接合金属部材1との突合部j6を通過させて、第三タブ材4に設定された終了位置EM3で大型接合用回転ツールGを離脱させる。第一側面Cには、第一側面摩擦攪拌工程によって、第一側面側塑性化領域W3が形成されている。なお、第一側面摩擦攪拌工程を行う前に、開始位置SM3に前記した下穴を形成して大型接合用回転ツールGの圧入抵抗を軽減してもよい。
【0068】
図9に示すように、第一側面側塑性化領域W3の幅Waは、凹溝Kの幅Kaよりも大きく形成されている。これにより、鉛直辺部J10aの全長に亘って、凹溝Kと溶接金属T1との界面を摩擦攪拌することができる。
【0069】
ここで、表面Aから突合部J10の斜辺部J10bまでの距離Naは、表面側塑性化領域W1の深さW1dよりも小さく形成されている。同様に、裏面Bから突合部J10の斜辺部10cまでの距離Naは、裏面側塑性化領域W2の深さW2dよりも小さく形成されている。即ち、表面側塑性化領域W1及び裏面側塑性化領域W2と、第一金属部材1aの凸部Nとを重複させることにより、突合部J10をより確実に密閉することができる。
【0070】
(7)第二側面本接合工程
第二側面本接合工程は、図10に示すように、被接合金属部材1の第二側面Dに露出する突合部J10に対して、溶接及び摩擦攪拌のいずれか一方を行うことによって突合部J10を密閉するものである。第二側面本接合工程は、本実施形態においては、突合部J10に沿って凹溝Kを形成する凹溝形成工程と、凹溝Kに溶接を行って凹溝Kに溶接金属T2を充填させる溶接金属充填工程と、溶接金属T2のうち肉盛部(図示省略)を切除する切除工程と、突合部J10の一部に摩擦攪拌を行う第二側面摩擦攪拌工程を含むものである。
【0071】
凹溝形成工程では、図10に示すように、第二側面Dに露出する突合部J10に沿って公知のエンドミル等を用いて凹溝Kを形成する。凹溝Kの両端は、表面側塑性化領域W1及び裏面側塑性化領域W2に重複するように形成される。これにより、後記する溶接金属充填工程の際に、表面側塑性化領域W1及び裏面側塑性化領域W2と溶接金属T2とを重複させることができるため、突合部J10を隙間なく密閉することができる。
【0072】
溶接金属充填工程では、図10に示すように、凹溝Kに肉盛溶接を行い、凹溝Kに溶接金属T2を充填させる。肉盛溶接は、溶接金属T2が第二側面Dから突出する程度に、例えばTIG溶接又はMIG溶接を行う(図8の(b)参照)。
【0073】
切除工程では、溶接金属T2のうち、第二側面Dから突出した肉盛部(図示省略)を公知の切削具を用いて切除する。これにより、第二側面Dを平滑に成形することができる。
【0074】
第二側面摩擦攪拌工程では、図11に示すように、突合部J10の鉛直辺部J10aに沿って摩擦攪拌を行う。即ち、凸部Nの先端面と凹部Oの底面との突合部を含むように、摩擦攪拌を行う。第二側面摩擦攪拌工程は、本実施形態においては、第三タブ材4に設定された開始位置SM4から第四タブ材5に設定された終了位置EM4まで大型接合用回転ツールGを離脱することなく連続して摩擦攪拌を行う。第二側面Dには、第二側面本接合工程によって、第二側面側塑性化領域W4が形成されている。第二側面摩擦攪拌工程は、第一側面摩擦攪拌工程と略同等であるため、詳細な説明は省略する。
【0075】
以上説明した第一実施形態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と、第一金属部材1aの凸部Nとを重複させるとともに、突合部J10に肉盛溶接を行い、さらに、突合部J10の鉛直辺部J10aに沿って摩擦攪拌を行うことにより、被接合金属部材1の側面に露出する突合部J10を確実に密閉することができる。これにより、被接合金属部材1の側面間における水密性及び気密性を高めることができる。
【0076】
また、被接合金属部材1の第一側面Cに露出する突合部J10は、第一金属部材1aの凸部N及び第二金属部材1bの凹部Oによって、入り隅部Iから離間した位置に形成される。これにより、突合部J10(J10a)を摩擦攪拌する際には、接合面に対して大型接合用回転ツールGの攪拌ピンG2を略垂直に押圧することができるため、攪拌ピンG2を深い位置まで押し込むことができる。よって、入り隅部Iを摩擦攪拌する場合に比べて広い領域を摩擦攪拌することができるため、被接合金属部材1の接合強度を高めることができる。また、突合部J10の一部が入り隅部Iから離間した位置に形成されるため、突合部J10に対する溶接及び摩擦攪拌作業を比較的容易に行うことができる。
【0077】
ここで、図1及び図9に示すように、本実施形態に係る被接合金属部材1は、平面視L字状を呈するため、第一側面Cに露出する突合部J10の摩擦攪拌が困難になる場合がある。即ち、突合部J10を摩擦攪拌する場合、図示しない摩擦攪拌装置の構造によっては、装置の取り合いにより、大型接合用回転ツールGを第一金属部材1a側に近づけることができない場合がある。これにより、突合部J10に未塑性化領域ができてしまい、水密性及び気密性の低下を招来する。
【0078】
しかし、本実施形態においては、凸部Nの突出高さp3は、少なくとも大型接合用回転ツールGのショルダ部G1の半径よりも大きく形成されている。これにより、大型接合用回転ツールGを用いて側面本接合工程を行うことができる。
【0079】
また、凹溝Kを形成して溶接金属T1,T2を充填するとともに、切除工程で肉盛部T1’を切除するため、被接合金属部材1の側面を平滑にするとともに、仕上がり面をきれいに成形することができる。
【0080】
なお、本発明においては、適宜補修工程を行って、より気密性及び水密性の高い製品を成形することができる。以下、入り隅部補修工程、第一補修工程、第二補修工程及び横断補修工程について説明する。
【0081】
(8)入り隅部補修工程
入り隅部補修工程は、図12に示すように、被接合金属部材1の入り隅部Iに対して、入り隅部用回転ツールHを用いて摩擦攪拌を行うものである。入り隅部補修工程は、三角柱を呈する当て部材Lを入り隅部Iに当てがい、比較的小型の入り隅部用回転ツールHを当て部材Lに貫通させて、当て部材Lを入り隅部Iに摺動させながら摩擦攪拌を行う。このように入り隅部Iに摩擦攪拌を行うことで、入り隅部塑性化領域whが形成され、表面側塑性化領域W1及び裏面側塑性化領域W2に形成される可能性のあるトンネル状空洞欠陥Rや酸化皮膜(図示省略)を密閉することができる。
【0082】
(9)第一補修工程、第二補修工程
第一補修工程、第二補修工程は、図13の(a)及び(b)に示すように、被接合金属部材1の表面A及び裏面Bの少なくともいずれか一方において、表面側塑性化領域W1及び裏面側塑性化領域W2中に欠陥が形成される部分に摩擦攪拌により補修を行うものである。
【0083】
本実施形態に係る第一本接合工程おいては、大型接合用回転ツールGを左回転させて、第二タブ材3側から第一タブ材2側に向けて相対移動させているため、表面側塑性化領域W1の内部の進行方向右側の領域にトンネル状空洞欠陥が形成される可能性がある(当該領域を第一補修領域r1とする)。
また、突合部j2には、酸化皮膜が形成されているため、前記した第一本接合工程を行うと、第一金属部材1aにおける第一タブ材2側であって、かつ、第二金属部材1b側の領域の内部に酸化皮膜を巻き込む可能性がある(当該領域を第二補修領域r2とする)。そのため、第一補修工程は、第一補修領域r1に対して、第二補修工程は、第二補修領域r2に対して、それぞれ小型接合用回転ツールFを用いて摩擦攪拌を行い補修する。なお、本実施形態においては、小型接合用回転ツールFを用いるが、予想される欠陥の大きさや深さによって適宜回転ツールを選択すればよい。
【0084】
本実施形態では、図13の(b)に示すように、小型接合用回転ツール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、第一補修工程及び第二補修工程を連続して行う。なお、本実施形態では、第一補修領域r1、第二補修領域r2の順序で摩擦攪拌を行う場合を例示するが、摩擦攪拌の順序を限定する趣旨ではない。
【0085】
第一補修工程及び第二補修工程における摩擦攪拌の手順を図13の(b)を参照してより詳細に説明する。
まず、被接合金属部材1の適所に設けた開始位置SRに小型接合用回転ツールFの攪拌ピンを挿入(圧入)して摩擦攪拌を開始し、第一補修領域r1(図13の(a)参照)に対して摩擦攪拌を行う。本実施形態では、第一本接合工程における摩擦攪拌の開始位置SM1(図6参照)の近傍に開始位置SRを設けるとともに、開始位置SRを挟んで終了位置ERと反対側に折返し点MRを設け、小型接合用回転ツールFを折返し点MRに向かって相対移動させた後に、折返し点MRで折り返し、その後、突合部J1に沿って相対移動させることで、第一補修領域r1に対して摩擦攪拌を行う。
【0086】
第一補修領域r1に対する摩擦攪拌が終了したら、小型接合用回転ツールFを離脱させずにそのまま第二補修工程に移行して第二補修領域r2に対して摩擦攪拌を行う。なお、本実施形態のように、小型接合用回転ツールFで摩擦攪拌できる領域に比して第二補修領域r2が大きい場合には、摩擦攪拌のルートをずらしつつ小型接合用回転ツールFを何度かUターンさせればよい。
【0087】
第二補修領域r2に対する摩擦攪拌が終了したら、小型接合用回転ツールFを第一タブ材2上に設定した終了位置ERに移動させ、小型接合用回転ツールFを回転させつつ上昇させて攪拌ピンを終了位置ERから離脱させる。
【0088】
(10)第一横断補修工程
図14は、前記した第一補修工程及び第二補修工程後を示した被接合金属部材1の表面A側の平面図である。第一横断補修工程は、被接合金属部材1の表面Aに形成された表面側塑性化領域W1及び裏面Bに形成された裏面側塑性化領域W2の少なくともいずれか一方を複数回横断するように小型接合用回転ツールFを移動させる。
【0089】
第一横断補修工程における摩擦攪拌のルートは、第一本接合工程における表面側塑性化領域W1の中央線上において表面側塑性化領域W1を横切る複数の交差ルートf1,f1,…と、隣り合う交差ルートf1,f1の同側の端部同士を繋ぐ移行ルートf2,f2,…とを備えている。
交差ルートf1は、第一本接合工程における摩擦攪拌のルートと直交している。また、移行ルートf2は、表面側塑性化領域W1の右側あるいは左側に設けられていて、第一本接合工程における摩擦攪拌のルートと平行になっている。
【0090】
第一横断補修工程における摩擦攪拌の手順を詳細に説明する。
第一横断補修工程は、小型接合用回転ツールFを、一筆書きの移動軌跡(ビード)を形成するようにジグザグ状に移動させることで、摩擦攪拌の開始位置SCから終了位置ECまで連続して摩擦攪拌を行う。
【0091】
第一横断補修工程では、まず、被接合金属部材1の適所に設けた開始位置SCに小型接合用回転ツールFの攪拌ピンを挿入(圧入)して摩擦攪拌を開始し、一つ目の交差ルートf1に沿って連続して摩擦攪拌を行う。一つ目の交差ルートf1の終点e10に到達したら、小型接合用回転ツールFの移動方向を変更して、移行ルートf2に沿って移動させ、表面側塑性化領域W1の側方にある金属に対して連続して摩擦攪拌を行う。小型接合用回転ツールFが二つ目の交差ルートf1の始点s10に達したら、小型接合用回転ツールFの移動方向を変更して二つ目の交差ルートf1に沿って移動させ、表面側塑性化領域W1に対して連続して摩擦攪拌を行う。以上のような過程を繰り返し、小型接合用回転ツールFが最後の交差ルートf1の終点e10に達したら、小型接合用回転ツールFを終了位置ECに移動させ、小型接合用回転ツールFを回転させつつ上昇させて攪拌ピンを終了位置ECから離脱させる。このように、第一横断補修工程によれば、表面側塑性化領域W1又は裏面側塑性化領域W2の長手方向に直行する方向に摩擦攪拌を行うことで、被接合金属部材1の接合強度を高めることができる。
【0092】
[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。本発明に係る第二実施形態は、第一側面本接合工程及び第二側面本接合工程において、凹溝を形成しない点及び凸部N及び凹部Oの形状が異なる点で第一実施形態と相違する。なお、以下の説明においては、第一側面本接合工程を例にしているが、第二側面本接合工程で行ってもよい。
【0093】
第二実施形態に係る第一金属部材1aの凸部N1及び第二金属部材1bの凹部O1は、断面視矩形を呈する。このように、凸部N1及び凹部O1の形状は、被接合金属部材1によって適宜設定すればよい。なお、凸部N1と凹部O1とで形成される突合部J11は、鉛直辺部J11aと、鉛直辺部J11aの両端から垂直に延在する垂直辺部J11b,J11cとからなる。
【0094】
第二実施形態に係る第一側面本接合工程は、突合部J11に沿って溶接を行う溶接接合工程と、突合部J11の一部に摩擦攪拌を行う第一側面摩擦攪拌工程を含むものである。
【0095】
溶接接合工程は、本実施形態においては、突合部J11のうち垂直辺部J11b,11cの全長に亘って溶接を行い、溶接金属T3によって密閉する。溶接の種類は限定されるものではないが、本実施形態においては、TIG溶接又はMIG溶接を用いる。
【0096】
第一側面摩擦攪拌工程は、図16に示すように、突合部J11の鉛直辺部J11aに沿って摩擦攪拌する工程であって、第四タブ材5に設定された開始位置SM5から第三タブ材4に設定された終了位置EM5まで大型接合用回転ツールGを離脱することなく摩擦攪拌を行う。開始位置SM5及び終了位置EM5は、突合部J11の鉛直辺部J11aの延長線上に設定されているため、最短距離で摩擦攪拌することができる。第一側面Cには、第一側面摩擦攪拌工程によって、第一側面側塑性化領域W11が形成されている。
また、第一側面摩擦攪拌工程を行った後、第一側面側塑性化領域W11のバリを除去するとともに、溶接金属T3のうち、第一側面Cから突出した部分も除去して第一側面Cを平滑に形成することが好ましい。
【0097】
以上のように本発明の第二実施形態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と溶接金属T3とを重複させるとともに、第一側面摩擦攪拌工程で形成された第一側面側塑性化領域W11と、溶接金属T3とを重複させるため、突合部J11を確実に密閉することができる。
【0098】
なお、本実施形態においては、溶接接合工程を行った後に、第一側面摩擦攪拌工程を行ったが、これに限定されるものではなく、先に第一側面摩擦攪拌工程を行った後に、溶接接合工程を行ってもよい。
【0099】
[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。本発明の第三実施形態は、第一側面本接合工程及び第二側面本接合工程において、溶接を行わず、摩擦攪拌のみ行う点で、第一実施形態と相違する。なお、以下の説明においては、第一側面本接合工程を例にしているが、第二側面本接合工程で行ってもよい。
【0100】
第三実施形態に係る第一側面本接合工程は、図17に示すように、突合部J12に沿って摩擦攪拌を行う第一側面摩擦攪拌工程を含むものである。突合部J12は、鉛直辺部J12aと、鉛直辺部J12aの両端から垂直に延在する垂直辺部J12b,J12cとからなる。
第一側面摩擦攪拌工程では、第四タブ材5に設定された開始位置SM6から、第三タブ材4に設定された終了位置EM6まで一筆書きの要領で小型接合用回転ツールFを相対移動させて、摩擦攪拌を行う。本実施形態では、小型接合用回転ツールFを用いるが、他の回転ツールを用いてもよい。
【0101】
即ち、本実施形態にかかる第一側面摩擦攪拌工程は、開始位置SM6に回転させた小型接合用回転ツールFを圧入した後、突合部J12の鉛直辺部J12aの一端に設定された第一起点s11に向けて小型接合用回転ツールFを相対移動させる。第一起点s11に達したら突合部J12の垂直辺部J12cに沿って小型接合用回転ツールFを移動させる。そして、第一金属部材1aの近傍に設定された折返し点m11に達したら、再度第一起点s11に向けて小型接合用回転ツールFを移動させる。小型接合用回転ツールFが再度第一起点s11に達したら、鉛直辺部J12aの他端に設定された第二起点s12まで移動させる。そして、小型接合用回転ツールFが第二起点s12に達したら、突合部J12の垂直辺部J12bに沿って小型接合用回転ツールFを移動させる。そして、第一金属部材1aの近傍に設定された折返し点m12に達したら、再度第二起点s12に向けて小型接合用回転ツールFを移動させる。小型接合用回転ツールFが第二起点s12に達したら、第三タブ材4に設定された終了位置EM6に向けて移動させ、終了位置EM6で小型接合用回転ツールFを離脱させる。
【0102】
折返し点m11,m12の位置は、第一側面摩擦攪拌工程によって形成された第一側面側塑性化領域W12と表面側塑性化領域W1及び裏面側塑性化領域W2とが重複する位置に設定する。これにより、突合部J12を隙間なく密閉することができる。また、表面側塑性化領域W1及び裏面側塑性化領域W2と凸部N2とが重複しているため、より確実に突合部J12を密閉することができる。
【0103】
以上のように、本発明の第三実施形態に係る接合方法によれば、溶接を行わず、摩擦攪拌のみによっても突合部J12を密閉することができる。これにより、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、摩擦攪拌のみ行って、溶接を行わないので作業時間を短縮することができる。
【0104】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の趣旨に逸脱しない範囲において、適宜変更が可能である。
例えば、側面本接合工程は、摩擦攪拌を行わずに溶接のみ行って、被接合金属部材の第一側面又は第二側面に露出した突合部を密閉してもよい。この際、溶接金属によって突合部に沿って溶接金属で密閉するとともに、表面側塑性化領域及び裏面側塑性化領域と当該溶接金属とを重複させることで、隙間なく突合部を密閉することができる。また、第一金属部材の凸部及び第二金属部材の凹部によって、従来よりも溶接長(突合部)を長く確保することができるため、被接合金属部材の接合強度を高めることができる。
【0105】
なお、本実施形態においては、側面本接合工程は、第一側面本接合工程及び第二側面本接合工程を含むものであるが、どちらか一方のみ行ってもよい。また、溶接の方法は、本実施形態においては、TIG溶接又はMIG溶接を採用したが、他の溶接方法であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【0106】
【図1】第一実施形態に係る接合方法を示した斜視図である。
【図2】第一実施形態に係る被接合金属部材を示した図であって、(a)は、分解斜視図、(b)は、突き合わせた状態を示した斜視図である。
【図3】(a)は、小型接合用回転ツールを示した側面図であって、(b)は、大型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突合工程を示した斜視図である。
【図5】第一実施形態に係る第一仮接合工程を示した平面図である。
【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】第一実施形態に係る第二仮接合工程及び第二本接合工程を示した平面図である。
【図8】第一実施形態に係る第一側面本接合工程を示した図であって、(a)は、凹溝形成工程及び溶接金属充填工程を示した斜視図であって、(b)は、(a)のV−V線断面図である。
【図9】第一実施形態に係る第一側面摩擦攪拌工程を示した平面図である。
【図10】第一実施形態に係る第二側面本接合工程の凹溝形成工程及び溶接金属充填工程を示した正面図である。
【図11】第一実施形態に係る第二側面摩擦攪拌工程を示した平面図である。
【図12】入り隅部補修工程を示した斜視図である。
【図13】(a)は、表面側塑性化領域の空洞欠陥の領域を示し、(b)は、第一補修工程及び第二補修工程を示した平面図である。
【図14】第一横断補修工程を示した平面図である。
【図15】第二実施形態に係る溶接接合工程を示した平面図である。
【図16】第二実施形態に係る第一側面摩擦攪拌工程を示した平面図である。
【図17】第三実施形態に係る第一側面摩擦攪拌工程を示した平面図である。
【図18】従来の接合方法を示した斜視図である。
【符号の説明】
【0107】
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 小型接合用回転ツール
G 大型接合用回転ツール
J1,J10 突合部
K 凹溝
N 凸部
O 凹部
P1 下穴
T 溶接金属
W 塑性化領域
【特許請求の範囲】
【請求項1】
側面に凸部を備えた第一金属部材と端面に凹部を備えた第二金属部材とを、前記側面と前記端面で突き合わせ、前記凸部と前記凹部とを嵌め合わせてなる被接合金属部材を形成する突合工程と、
前記第一金属部材と前記第二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及び摩擦攪拌の少なくともいずれか一方を行う側面本接合工程と、を含み、
前記第一本接合工程で形成された表面側塑性化領域と、前記溶接で形成された溶接金属又は前記摩擦攪拌で形成された側面側塑性化領域とを重複させるとともに、
前記第二本接合工程で形成された裏面側塑性化領域と、前記溶接で形成された溶接金属又は前記摩擦攪拌で形成された側面側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】
前記表面側塑性化領域及び前記裏面側塑性化領域の少なくともいずれか一方が、前記凸部に接触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】
前記凸部は、前記第一金属部材から離間する方向に向かうに従って先細りとなり、
前記凹部は、前記第二金属部材の前記端面から離間する方向に向かうに従って先細りとな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】
前記側面本接合工程の前に、前記被接合金属部材の側面に露出する前記突合部に沿って予め凹溝を形成する凹溝形成工程と、前記凹溝に前記溶接金属を充填する溶接金属充填工程を含むことを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか一項に記載の接合方法。
【請求項5】
前記溶接金属充填工程によって前記被接合金属部材の側面から突出した溶接金属を切除する切除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】
前記第一金属部材の一方の側面と、前記第二金属部材の一方の側面とで形成される前記被接合金属部材の入り隅部において、
前記入り隅部に露出する前記表面側塑性化領域及び前記裏面側塑性化領域の少なくともいずれか一方に、回転ツールを用いて摩擦攪拌を行う入り隅部補修工程を含むことを特徴とする請求項1乃至請求項5に記載の接合方法。
【請求項1】
側面に凸部を備えた第一金属部材と端面に凹部を備えた第二金属部材とを、前記側面と前記端面で突き合わせ、前記凸部と前記凹部とを嵌め合わせてなる被接合金属部材を形成する突合工程と、
前記第一金属部材と前記第二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及び摩擦攪拌の少なくともいずれか一方を行う側面本接合工程と、を含み、
前記第一本接合工程で形成された表面側塑性化領域と、前記溶接で形成された溶接金属又は前記摩擦攪拌で形成された側面側塑性化領域とを重複させるとともに、
前記第二本接合工程で形成された裏面側塑性化領域と、前記溶接で形成された溶接金属又は前記摩擦攪拌で形成された側面側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】
前記表面側塑性化領域及び前記裏面側塑性化領域の少なくともいずれか一方が、前記凸部に接触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】
前記凸部は、前記第一金属部材から離間する方向に向かうに従って先細りとなり、
前記凹部は、前記第二金属部材の前記端面から離間する方向に向かうに従って先細りとな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】
前記側面本接合工程の前に、前記被接合金属部材の側面に露出する前記突合部に沿って予め凹溝を形成する凹溝形成工程と、前記凹溝に前記溶接金属を充填する溶接金属充填工程を含むことを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか一項に記載の接合方法。
【請求項5】
前記溶接金属充填工程によって前記被接合金属部材の側面から突出した溶接金属を切除する切除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】
前記第一金属部材の一方の側面と、前記第二金属部材の一方の側面とで形成される前記被接合金属部材の入り隅部において、
前記入り隅部に露出する前記表面側塑性化領域及び前記裏面側塑性化領域の少なくともいずれか一方に、回転ツールを用いて摩擦攪拌を行う入り隅部補修工程を含むことを特徴とする請求項1乃至請求項5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13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図2】
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【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
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【図11】
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【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【公開番号】特開2009−119488(P2009−119488A)
【公開日】平成21年6月4日(2009.6.4)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2007−295108(P2007−295108)
【出願日】平成19年11月14日(2007.11.14)
【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6月4日(2009.6.4)
【国際特許分類】
【出願日】平成19年11月14日(2007.11.14)
【出願人】(000004743)日本軽金属株式会社 (627)
【Fターム(参考)】
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