接合方法
【課題】一対の金属部材を摩擦攪拌接合する際に、金属部材に発生する歪みを抑制するとともに、容易に作業を行う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】一対の金属部材１ａ，１ｂ同士を突き合わせて形成された突合部Ｊ１に対して、表面Ａ側から摩擦攪拌接合を行う第一摩擦攪拌工程と、裏面Ｂ側から摩擦攪拌接合を行う第二摩擦攪拌工程とを含み、第一摩擦攪拌工程と第二摩擦攪拌工程で形成された塑性化領域Ｗ１，Ｗ２を重複させる接合方法であって、第二摩擦攪拌工程を行う前に、突合部Ｊ１に対して裏面Ｂ側から溶接を行う溶接矯正工程を含むことを特徴とする。
【解決手段】一対の金属部材１ａ，１ｂ同士を突き合わせて形成された突合部Ｊ１に対して、表面Ａ側から摩擦攪拌接合を行う第一摩擦攪拌工程と、裏面Ｂ側から摩擦攪拌接合を行う第二摩擦攪拌工程とを含み、第一摩擦攪拌工程と第二摩擦攪拌工程で形成された塑性化領域Ｗ１，Ｗ２を重複させる接合方法であって、第二摩擦攪拌工程を行う前に、突合部Ｊ１に対して裏面Ｂ側から溶接を行う溶接矯正工程を含むことを特徴とする。
【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】
一対の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】
一対の金属部材を突き合わせて形成された突合部に摩擦攪拌接合を行うと、摩擦攪拌によって形成された塑性化領域が熱収縮によって縮むため、接合された金属部材が凹状に反って歪んでしまうという問題がある（例えば、特許文献１参照）。かかる問題を解消するために、例えば、図１２に示すように、回転ツールＧを用いて金属部材１０１の表面１０１Ａから摩擦攪拌接合を行った後、表裏を逆にして、裏面１０１Ｂからも摩擦攪拌を行って歪みを是正することが考えられる。かかる方法によれば、金属部材１０１の両面に形成された塑性化領域Ｗがそれぞれ熱収縮するため金属部材に発生する歪みを抑制することができるとも考えられる。
【特許文献１】特開２００１−８７８７１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、裏面１０１Ｂから摩擦攪拌接合を行う際には、金属部材１０１は上方（接合する側）に向けて凸状となるように反っているため、金属部材１０１に回転ツールＧを一定の深さで押し込んで移動させることが困難となる。またこのように、金属部材が上方に向けて凸状に反っていると、回転ツールが深く挿入される可能性が高くなり、バリが大量に発生するとともに、摩擦攪拌装置に過負荷がかかるという問題が発生する。
【０００５】
そこで、本発明は、一対の金属部材を摩擦攪拌接合する際に、金属部材に発生する歪みを抑制するとともに、容易に接合作業を行う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】
【０００６】
かかる課題を解決するために本発明は、一対の金属部材同士を突き合わせて形成された突合部に対して、表面側から摩擦攪拌接合を行う第一摩擦攪拌工程と、裏面側から摩擦攪拌接合を行う第二摩擦攪拌工程とを含み、前記第一摩擦攪拌工程と前記第二摩擦攪拌工程で形成された塑性化領域を重複させる接合方法であって、前記第一摩擦攪拌工程を行った後に、前記突合部に対して前記裏面側から溶接を行う溶接矯正工程を含むことを特徴とする。
【０００７】
かかる接合方法によれば、第一摩擦攪拌工程で金属部材が歪んだとしても、裏面側から摩擦攪拌接合を行う前に、裏面側に現れる突合部に対して溶接を行うことで金属部材の裏面側に熱収縮が発生し、金属部材に発生している歪みをある程度矯正することができる。これにより、金属部材が比較的平坦な状態で第二摩擦攪拌工程を行うことができるため、接合作業を容易に行うことができる。また、金属部材の表面側及び裏面側から摩擦攪拌接合を行うことで、金属部材に発生する歪みをバランスよく抑制することができる。また、両面に形成される塑性化領域を重複させることで、金属部材の気密性、水密性を高めることができる。
【０００８】
また、前記溶接矯正工程では、さらに前記突合部に対して交差する方向に溶接を行うことが好ましい。かかる接合方法によれば、金属部材をバランスよく矯正することができる。
【０００９】
また、第二摩擦攪拌工程では、前記溶接矯正工程によって前記突合部に対して肉盛りされた溶接金属を回転ツールのピンによって摩擦攪拌することが好ましい。かかる接合方法によれば、溶接矯正工程で形成された溶接金属が外部に露出するのを防ぐことができる。
【００１０】
また、前記第一摩擦攪拌工程は、小型の回転ツールによって仮接合を行う仮接合工程と、当該仮接合工程で用いた回転ツールよりも大型の回転ツールを用いて本接合を行う本接合工程と、を含むことが好ましい。仮接合工程を行うことで、本接合工程の際に一対の金属部材が離間することを防止することができる。また、小型の回転ツールを用いることで比較的容易に仮接合の作業を行うことができる。
【００１１】
また、前記第一摩擦攪拌工程の前に、前記突合部の両側に一対のタブ材を配置するタブ材配置工程と、前記タブ材と前記金属部材との突合部に沿って摩擦攪拌を行うタブ材仮接合工程と、を含むことが好ましい。
【００１２】
かかる接合方法によれば、タブ材を用いることで摩擦攪拌作業の開始位置及び終了位置の設定が容易となる。また、摩擦攪拌接合の際に、タブ材と金属部材の離間を防止することができる。
【００１３】
また、摩擦攪拌接合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下穴形成工程を含むことが好ましい。かかる接合方法によれば、金属部材に回転ツールを押し込む際の圧入抵抗を軽減することができるため、摩擦攪拌接合の作業性を高めることができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明にかかる接合方法によれば、一対の金属部材を摩擦攪拌接合する際に、金属部材に発生する歪みを抑制するとともに、容易に接合作業を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明の最良の実施形態について図面を参照して説明する。本実施形態では、図１に示すように、金属部材１ａ，１ｂを直線状に繋ぎ合せる場合を例にして説明する。まず、接合すべき金属部材１ａ，１ｂを詳細に説明するとともに、この金属部材１ａ，１ｂを接合する際に用いられる第一タブ材２、第二タブ材３を詳細に説明する。
【００１６】
金属部材１ａ，１ｂは、断面視矩形を呈する板状部材であって、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。本実施形態では、一方の金属部材１ａ及び他方の金属部材１ｂを、同一組成の金属材料で形成している。金属部材１ａ，１ｂの形状・寸法に特に制限はないが、両部材が突き合わされる突合部Ｊ１における厚さ寸法を同一にすることが望ましい。なお、金属部材１ａ及び金属部材１ｂを突き合わせた金属部材を被接合金属部材１といい、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及び他方の側面を第二側面Ｄともいう。
【００１７】
第一タブ材２及び第二タブ材３は、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、被接合金属部材１の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。
【００１８】
次に、図２を参照して、仮接合に用いる回転ツール（以下、「仮接合用回転ツールＦ」という。）及び本接合に用いる回転ツール（以下、「本接合用回転ツールＧ」という。）を詳細に説明する。
【００１９】
図２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、後記する本接合用回転ツールＧ（図２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。
【００２０】
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。
【００２１】
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における被接合金属部材１の厚さｔ（図１の（ｃ）参照）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ＬＢよりも小さくすることが望ましい。
【００２２】
図２の（ｂ）に示す本接合用回転ツールＧは、工具鋼など被接合金属部材１よりも硬質の金属材料からなり、円柱状を呈するショルダ部Ｇ１と、このショルダ部Ｇ１の下端面Ｇ１１に突設された攪拌ピン（プローブ）Ｇ２とを備えて構成されている。
【００２３】
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ＬＢは、突合部Ｊ１における被接合金属部材１の肉厚ｔ（図１の（ｃ）参照）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≦２ＬＢ／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。
【００２４】
以下、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）準備工程、（２）予備工程、（３）第一摩擦攪拌工程、（４）溶接矯正工程、（５）第二摩擦攪拌工程を含むものである。なお、予備工程、第一摩擦攪拌工程は、被接合金属部材１の表面Ａ側から実行される工程であり、溶接矯正工程、第二摩擦攪拌工程は、被接合金属部材１の裏面Ｂ側から実行される工程である。
【００２５】
（１）準備工程
図１を参照して準備工程を説明する。準備工程では、接合すべき金属部材１ａ，１ｂを突き合せる突合工程と、突合工程で形成された被接合金属部材１の突合部Ｊ１の両側に第一タブ材２、第二タブ材３を配置するタブ材配置工程とを具備している。
【００２６】
突合工程では、図１の（ａ）乃至（ｄ）に示すように、一方の金属部材１ａの端面１１に他方の金属部材１ｂの端面１１を密着させるとともに、一方の金属部材１ａの表面１２と他方の金属部材１ｂの表面１２を面一にし、さらに、一方の金属部材１ａの裏面１３と他方の金属部材１ｂの裏面１３を面一にする。また、一方の金属部材１ａの側面１４，１４と他方の金属部材１ｂの側面１４，１４をそれぞれ面一にする。
【００２７】
タブ材配置工程では、図１の（ｂ）に示すように、金属部材１ａ，１ｂからなる被接合金属部材１の突合部Ｊ１の一端側に第一タブ材２を配置してその当接面２１を被接合金属部材１の第二側面Ｄに当接させるとともに、突合部Ｊ１の他端側に第二タブ材３を配置してその当接面３１を被接合金属部材１の第一側面Ｃに当接させる。このとき、図１の（ｄ）に示すように、第一タブ材２の表面２２と第二タブ材３の表面３２を被接合金属部材１の表面Ａと面一にするとともに、第一タブ材２の裏面２３と第二タブ材３の裏面３３を被接合金属部材１の裏面Ｂと面一にする。
【００２８】
また、タブ材配置工程では、図１の（ａ）及び（ｂ）に示すように、被接合金属部材１と第一タブ材２とにより形成された入隅部２ａ，２ａ（即ち、金属部材１ａ，１ｂの側面１４と第一タブ材２の側面２４とにより形成された角部）を溶接して被接合金属部材１と第一タブ材２とを接合し、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隅部３ａ，３ａ（即ち、金属部材１ａ，１ｂの側面１４と第二タブ材３の側面３４とにより形成された角部）を溶接して被接合金属部材１と第二タブ材３とを接合する。なお、各入隅部の全長に亘って連続して溶接を施してもよいし、断続して溶接を施してもよい。
【００２９】
準備工程が終了したら、被接合金属部材１を図示せぬ摩擦攪拌装置の架台に載置し、クランプ等の図示せぬ治具を用いて移動不能に拘束する。
【００３０】
（２）予備工程
予備工程は、第一摩擦攪拌工程に先立って行われる工程であり、本実施形態では、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、第一摩擦攪拌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具備している。
【００３１】
本実施形態の予備工程では、図３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Ｊ１，Ｊ２，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２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、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連続して実行する。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。
【００３２】
本実施形態の予備工程における摩擦攪拌の手順を図３を参照してより詳細に説明する。
まず、図３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、５００〜２０００（ｒｐｍ）の範囲内において設定される。
【００３３】
攪拌ピンＦ２が第一タブ材２の表面２２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、攪拌ピンＦ２が第一タブ材２に挿入される。仮接合用回転ツールＦの挿入速度（下降速度）は、攪拌ピンＦ２の寸法・形状、開始位置ＳＰが設けられる部材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、３０〜６０（ｍｍ／分）の範囲内において設定される。
【００３４】
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、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。
【００３５】
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、１００〜１０００（ｍｍ／分）の範囲内において設定される。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。
【００３６】
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、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。
【００３７】
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の継ぎ目（境界線）上に摩擦攪拌のルートを設定し、当該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。
【００３８】
なお、仮接合用回転ツールＦを右回転させた場合には、仮接合用回転ツールＦの進行方向の左側に微細な接合欠陥が発生する虞があるので、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。
【００３９】
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。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。
【００４０】
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と第一タブ材２により形成された入隅部２ａを溶接により接合しているので、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。
【００４１】
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。即ち、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可能となる。
【００４２】
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。
【００４３】
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（境界線）上に摩擦攪拌のルートを設定し、当該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Ｊ１の全長に亘って連続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。このようにすると、仮接合工程中における仮接合用回転ツールＦの離脱作業が一切不要となることから、予備的な接合作業のより一層の効率化・迅速化を図ることが可能となる。
【００４４】
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第二タブ材接合工程の始点ｓ３まで連続して摩擦攪拌を行い、そのまま第二タブ材接合工程に移行する。即ち、仮接合工程の終点ｅ１から第二タブ材接合工程の始点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、さらに、始点ｓ３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。このようにすると、仮接合工程の終点ｅ１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、第二タブ材接合工程の始点ｓ３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より一層の効率化・迅速化を図ることが可能となる。
【００４５】
本実施形態では、仮接合工程の終点ｅ１から第二タブ材接合工程の始点ｓ３に至る摩擦攪拌のルートを第二タブ材３に設定し、仮接合用回転ツールＦを仮接合工程の終点ｅ１から第二タブ材接合工程の始点ｓ３に移動させる際の移動軌跡を第二タブ材３に形成する。このようにすると、仮接合工程の終点ｅ１から第二タブ材接合工程の始点ｓ３に至る工程中において、被接合金属部材１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。
【００４６】
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。具体的には、被接合金属部材１と第二タブ材３の継ぎ目（境界線）上に摩擦攪拌のルートを設定し、当該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Ｊ３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。
【００４７】
なお、仮接合用回転ツールＦを右回転させているので、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二タブ材接合工程の始点ｓ３と終点ｅ３の位置を設定する。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。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の進行方向の左側に被接合金属部材１が位置するように第二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。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ｅ３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ｓ３の位置に終点を設ければよい。
【００４８】
なお、仮接合用回転ツールＦの攪拌ピンＦ２（図２の（ａ）参照）が突合部Ｊ３に入り込むと、被接合金属部材１と第二タブ材３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の入隅部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。
【００４９】
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、被接合金属部材１の表面Ａ側に現れる継ぎ目（境界線）の延長線上に終了位置ＥＰを設けている。ちなみに、終了位置ＥＰは、後記する第一摩擦攪拌工程における摩擦攪拌の開始位置ＳＭ１でもある。
【００５０】
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。
【００５１】
なお、仮接合用回転ツールＦの離脱速度（上昇速度）は、攪拌ピンＦ２の寸法・形状、終了位置ＥＰが設けられる部材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、３０〜６０（ｍｍ／分）の範囲内において設定される。また、仮接合用回転ツールＦの離脱時の回転速度は、移動時の回転速度と同じか、それよりも高速にする。
【００５２】
続いて、下穴形成工程を実行する。下穴形成工程は、図２の（ｂ）に示すように、第一摩擦攪拌工程における摩擦攪拌の開始位置ＳＭ１に下穴Ｐ１を形成する工程である。即ち、下穴形成工程は、本接合用回転ツールＧの攪拌ピンＧ２の挿入予定位置に下穴Ｐ１を形成する工程である。
【００５３】
下穴Ｐ１は、本接合用回転ツールＧの攪拌ピンＧ２の挿入抵抗（圧入抵抗）を低減する目的で設けられるものであり、本実施形態では、仮接合用回転ツールＦの攪拌ピンＦ２（図２の（ａ）参照）を離脱させたときに形成される抜き穴Ｈ１を図示せぬドリルなどで拡径することで形成される。抜き穴Ｈ１を利用すれば、下穴Ｐ１の形成工程を簡略化することが可能となるので、作業時間を短縮することが可能となる。下穴Ｐ１の形態に特に制限はないが、本実施形態では、円筒状としている。なお、本実施形態では、第二タブ材３に下穴Ｐ１を形成しているが、下穴Ｐ１の位置に特に制限はなく、第一タブ材２に形成してもよいし、突合部Ｊ２，Ｊ３に形成してもよいが、好適には、本実施形態の如く被接合金属部材１の表面Ａ側に現れる被接合金属部材１の継ぎ目（境界線）の延長線上に形成することが望ましい。
【００５４】
下穴Ｐ１の最大穴径Ｚ１は、本接合用回転ツールＧの攪拌ピンＧ２の最大外径（上端径）Ｙ２よりも小さくなっているが、好適には、攪拌ピンＧ２の最大外径Ｙ２の５０〜９０％とすることが望ましい。なお、下穴Ｐ１の最大穴径Ｚ１が攪拌ピンＧ２の最大外径Ｙ２の５０％を下回ると、攪拌ピンＧ２の圧入抵抗の低減度合いが低下する虞があり、また、下穴Ｐ１の最大穴径Ｚ１が攪拌ピンＧ２の最大外径Ｙ２の９０％を上回ると、攪拌ピンＧ２による摩擦熱の発生量が少なくなって塑性流動化する領域が小さくなり、入熱量が減少するので、本接合用回転ツールＧを移動させる際の負荷が大きくなり、欠陥が発生し易くなる。
【００５５】
なお、本実施形態では、仮接合用回転ツールＦの攪拌ピンＦ２（図２の（ａ）参照）の抜き穴Ｈ１を拡径して下穴Ｐ１とする場合を例示したが、攪拌ピンＦ２の最大外径Ｘ２が本接合用回転ツールＧの攪拌ピンＧ２の最小外径Ｙ３よりも大きく、かつ、攪拌ピンＦ２の最大外径Ｘ２が攪拌ピンＧ２の最大外径Ｙ２よりも小さい（Ｙ３＜Ｘ２＜Ｙ２）場合などにおいては、攪拌ピンＦ２の抜き穴Ｈ１をそのまま下穴Ｐ１としてもよい。
【００５６】
（３）第一摩擦攪拌工程
第一摩擦攪拌工程は、被接合金属部材１の突合部Ｊ１を表面Ａ側から本格的に接合する工程である。本実施形態に係る第一摩擦攪拌工程では、図２の（ｂ）に示す本接合用回転ツール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側から摩擦攪拌を行う。
【００５７】
第一摩擦攪拌工程では、図４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。即ち、第一摩擦攪拌工程では、下穴Ｐ１から摩擦攪拌を開始し、終了位置ＥＭ１まで連続して摩擦攪拌を行う。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。
【００５８】
図４の（ａ）〜（ｃ）を参照して第一摩擦攪拌工程をより詳細に説明する。
まず、図４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。つまり、摩擦攪拌装置の負荷を低減することが可能となり、加えて、本接合に要する作業時間を短縮することが可能となる。
【００５９】
摩擦攪拌の開始位置ＳＭ１に本接合用回転ツールＧの攪拌ピンＧ２を挿入する際の本接合用回転ツールＧの回転速度（挿入時の回転速度）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り、多くの場合、７０〜７００（ｒｐｍ）の範囲内において設定されるが、開始位置ＳＭ１から摩擦攪拌の終了位置ＥＭ１に向かって本接合用回転ツールＧを移動させる際の本接合用回転ツールＧの回転速度（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、挿入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、金属を塑性流動化させるまでに要する時間が短くなるので、開始位置ＳＭ１における攪拌ピンＧ２の挿入作業を迅速に行うことが可能となる。
【００６０】
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４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。なお、塑性化領域とは、回転ツールの摩擦熱によって加熱されて現に塑性化している状態と、回転ツールが通り過ぎて常温に戻った状態の両方を含むこととする。
【００６１】
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、３０〜３００（ｍｍ／分）の範囲内において設定される。なお、本接合用回転ツールＧを移動させる際には、ショルダ部Ｇ１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、本接合用回転ツールＧの方向転換が容易となり、複雑な動きが可能となる。
【００６２】
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、被接合金属部材１の突合部Ｊ１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間の目地を閉塞しているので、被接合金属部材１の突合部Ｊ１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。
【００６３】
被接合金属部材１の突合部Ｊ１では、被接合金属部材１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、当該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。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。
【００６４】
なお、本実施形態では、被接合金属部材１の表面Ａ側に現れる継ぎ目（境界線）の延長線上に摩擦攪拌の開始位置ＳＭ１を設定しているので、第一摩擦攪拌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、第一摩擦攪拌工程を効率よく行うことが可能となり、さらには、本接合用回転ツールＧの磨耗量を低減することが可能となる。
【００６５】
本接合用回転ツールＧが終了位置ＥＭ１に達したら、図４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（図４の（ｂ）参照）から離脱させる。なお、終了位置ＥＭ１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。
【００６６】
なお、本実施形態では、図４の（ｂ）及び（ｃ）に示すように、本接合用回転ツールＧを右回転させて第一摩擦攪拌工程を行ったため、進行方向左側、即ち、金属部材１ｂにトンネル状の空洞欠陥（以下、トンネル状空洞欠陥Ｒとする）が形成される可能性がある。
【００６７】
ちなみに、本接合用回転ツールＧを左回転させると、進行方向右側にトンネル状空洞欠陥が形成される可能性がある。かかるトンネル状空洞欠陥Ｒなどの接合欠陥が被接合金属部材１に形成されると、被接合金属部材１の気密性及び水密性を低下させる原因となる。
【００６８】
第一摩擦攪拌工程が終了したら、予備工程、第一摩擦攪拌工程における摩擦攪拌で発生したバリを除去し、図１の（ａ）に示す前後軸回りに被接合金属部材１を裏返し、裏面Ｂを上にする。
【００６９】
（４）溶接矯正工程
図５は、第一摩擦攪拌工程を終了して被接合金属部材１の裏面Ｂを上方に向けて配置した斜視図である。図５に示すように、被接合金属部材１は、第一摩擦攪拌工程に係る摩擦攪拌接合によって、被接合金属部材１の裏面Ｂが上方に向けて凸状となるように歪んでいる。即ち、第一摩擦攪拌工程によって表面側塑性化領域Ｗ１（図４参照）が熱収縮するため、被接合金属部材１の表面Ａに、表面Ａの中央に向けて引張応力が発生し被接合金属部材１に反りが発生してしまう。
【００７０】
そこで、溶接矯正工程では、被接合金属部材１の裏面Ｂに溶接を行うことにより、被接合金属部材１の歪みを矯正する。具体的には、溶接矯正工程では、図６に示すように、被接合金属部材１の裏面Ｂに現われる突合部Ｊ１に対して、ＭＩＧ溶接又はＴＩＧ溶接などの肉盛溶接を行い、突合部Ｊ１に沿って溶接金属Ｕ１を形成する。また、本実施形態では、突合部Ｊ１に対して直交方向に対しても溶接を行って溶接金属Ｕ２乃至Ｕ４を形成する。このように、溶接矯正工程を行うことで、溶接金属Ｕ１乃至Ｕ４が熱収縮するため、被接合金属部材１の裏面Ｂ側にも引張応力が発生する。これにより、被接合金属部材１の反りがある程度矯正される。
【００７１】
なお、本実施形態に係る溶接矯正工程では、裏面Ｂに現れる突合部Ｊ１に対して、肉盛溶接を行っているが、ビードオンの状態によっては反りの矯正が十分でない可能性がある。そこで、第一摩擦攪拌工程を行う前に、予め裏面Ｂに現れる突合部Ｊ１に沿って凹溝（図示省略）を形成しておくとよい。凹溝を形成することにより、溶接矯正工程において、溶接金属が凹溝に充填され、凹溝の内面と溶接金属との接触面積が確保され、溶接金属の熱が被接合金属部材１に確実に伝達されて十分な反りの矯正が可能となる。
【００７２】
本実施形態に係る溶接矯正工程では、被接合金属部材１の中央に形成される溶接金属Ｕ２を、溶接金属Ｕ２の両脇の溶接金属Ｕ３，Ｕ４よりも長く形成した。このように、被接合金属部材１の形状等を加味して溶接を行うことで、バランスよく反りを矯正することが好ましい。また、溶接金属Ｕ１乃至Ｕ４が断続的に形成されるように溶接矯正工程を行ってもよい。また、溶接金属Ｕ２乃至Ｕ４は、本実施形態のように必ずしも突合部Ｊ１を横断するように形成しなくてもよい。
【００７３】
なお、突合部Ｊ１に対して直交方向に行う肉盛溶接は、溶接箇所、溶接本数について特に制限を受けるものではないが、被接合金属部材１の反りが抑制されるようにバランスよく肉盛溶接を行うことが好ましい。即ち、後に行う第二摩擦攪拌工程で形成される塑性化領域によって発生する熱収縮も考慮に入れつつ、溶接矯正の範囲（溶接量）を設定すればよい。また、溶接の種類は限定するものではなく、公知の溶接の中から適宜採用すればよい。
（５）第二摩擦攪拌工程
第二摩擦攪拌工程は、被接合金属部材１の突合部Ｊ１を裏面Ｂ側から本格的に接合する工程である。本実施形態に係る第二摩擦攪拌工程では、図７の（ａ）に示すように、本接合用回転ツールＧを使用し、突合部Ｊ１に対して摩擦攪拌接合を行う。なお、具体的な図示はしないが、第二摩擦攪拌工程に先だって、第二タブ材３に設定する開始位置ＳＭ２には、予め下穴を形成しておくことが好ましい。
【００７４】
第二摩擦攪拌工程では、第二タブ材３に設けた下穴（開始位置ＳＭ２）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第一タブ材２に設けた終了位置ＥＭ２まで移動させる。
【００７５】
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Ｗ２（以下、「裏面側塑性化領域Ｗ２」という。）が形成される。図７の（ｂ）に示すように、第二摩擦攪拌工程では、表面側塑性化領域Ｗ１の先端と、裏面側塑性化領域Ｗ２の先端とが重複するように本接合用回転ツールＧの押し込み量を設定するのが好ましい。これにより、突合部Ｊ１の深さ方向全てを摩擦攪拌することができ、気密性及び水密性を高めることができる。第二摩擦攪拌工程においては、本接合用回転ツールＧを右回転させて、被接合金属部材１の第一側面Ｃ側から第二側面Ｄ側に向けて摩擦攪拌を行うため、進行方向右側、即ち、金属部材１ｂ側は、比較的高密度に塑性化される。
【００７６】
なお、第二摩擦攪拌工程で形成される裏面側塑性化領域Ｗ２によっても、熱収縮が起こるため被接合金属部材１の裏面Ｂ側に引張応力が発生する。したがって、第二摩擦攪拌工程では、先に行った溶接矯正工程で発生する熱収縮も考慮しつつ本接合用回転ツールＧの押込み量等を設定することが好ましい。
【００７７】
また、前記した工程を行った場合であっても、被接合金属部材１のいずれかの面側に凸となるように反って歪んでしまった場合、以下に示す矯正工程を行って被接合金属部材１を平坦にすることが好ましい。本実施形態では、例えば、被接合金属部材１の表面Ａ側に凸となるように反って歪んでしまった場合を例にして説明する。
【００７８】
矯正工程では、被接合金属部材１の表面Ａから、被接合金属部材１の裏面Ｂ側に引張応力が発生するような曲げモーメントを作用させて、前記した摩擦攪拌工程により形成された被接合金属部材１の反りを矯正する。矯正工程では、以下に記すプレス矯正、衝打矯正及びロール矯正の三種類の方法からいずれか一以上の方法を選択して行えばよい。まず、プレス矯正について説明する。
【００７９】
＜プレス矯正＞
前記した第二摩擦攪拌工程が終了したら、摩擦攪拌で発生したバリを除去するとともに、図８に示すように、被接合金属部材１の表面Ａが上方を向くように裏返し、表面Ａの中央付近に板状の第一補助部材Ｔ１を配置する。さらに、被接合金属部材１の裏面Ｂ側の四隅に、板状の第二補助部材Ｔ２，Ｔ２及び第三補助部材Ｔ３，Ｔ３を配置する。即ち、第二補助部材Ｔ２、第三補助部材Ｔ３は、第一補助部材Ｔ１を挟んで両側に配置される。第一補助部材Ｔ１乃至第三補助部材Ｔ３は、プレス矯正を行う際の当て材又は台座となる部材であるとともに、被接合金属部材１が傷つかないようにするための部材である。第一補助部材Ｔ１乃至第三補助部材Ｔ３は、被接合金属部材１よりも軟質の材料であればよく、例えば、アルミニウム合金、硬質ゴム、プラスチック、木材を用いることができる。なお、第一補助部材Ｔ１乃至第三補助部材Ｔ３は、被接合金属部材１の力学特性や反りの曲率に応じて、反りとは反対側に撓ませて反りを矯正するのに十分な厚みで設定すればよい。
【００８０】
各補助部材を配置したら、図９の（ａ）及び（ｂ）に示すように、公知のプレス装置Ｋを用いて、被接合金属部材１の表面Ａから押圧する。即ち、第一補助部材Ｔ１にプレス装置ＫのポンチＫａを押し当て、所定の押圧力で押圧する。プレス装置Ｋによって被接合金属部材１に圧力が加えられると、図９の（ａ）及び（ｂ）に示すように、第一補助部材Ｔ１が被接合金属部材１を下側に押し、第二補助部材Ｔ２及び第三補助部材Ｔ３が被接合金属部材１の両端側を上側に押すため、被接合金属部材１には曲げモーメントが作用する。この曲げモーメントは被接合金属部材１の裏面Ｂ側に引張応力を発生させるため、被接合金属部材１が強制的に下側に凸に撓ませられる。
【００８１】
プレス装置の押圧力は、被接合金属部材１の厚みや材料によって適宜設定すればよいが、図９の（ｂ）に示すように、被接合金属部材１の裏面Ｂ側が下に凸となって、裏面Ｂに引張応力が発生するような曲げモーメントを作用させることが好ましい。
【００８２】
また、本実施形態では、図１０に示すように、中心地点ｊだけでなく被接合金属部材１の表面Ａ側の四辺の中点である地点ｂ、地点ｄ、地点ｅ及び地点ｇ付近に対しても押圧を行う。即ち、被接合金属部材１の表面Ａにかかる各辺の中間地点である地点ｂ、地点ｄ、地点ｅ及び地点ｇを含んだ位置Ｈ２〜Ｈ５に第一補助部材Ｔ１を配置して、プレス装置Ｋによって押圧を行う。これにより、被接合金属部材１をバランスよく矯正でき、平坦性をより高めることができる。
【００８３】
なお、プレスする位置は、本実施形態では５箇所に設定したが、これに限定されるものではなく、接合工程によって生じる被接合金属部材１の反りに応じて適宜設定すればよい。
【００８４】
＜衝打矯正＞
次に、衝打矯正について説明する。衝打矯正については、プレス矯正と近似するため、
具体的な図示は省略する。衝打矯正とは、例えばハンマーなどの衝打具を用いて被接合金属部材１を衝打して、被接合金属部材１に発生した反りを矯正することをいう。衝打矯正は、プレス装置Ｋに替えてハンマーなどの衝打具で被接合金属部材１を衝打する点を除いては、プレス矯正と略同等である。
【００８５】
衝打矯正では、プレス矯正と同様に補助部材を配置した後、図９及び図１０を参照するように、被接合金属部材１の表面Ａから例えばプラスチックハンマー等の衝打具で被接合金属部材１を衝打する。被接合金属部材１を衝打すると、被接合金属部材１の裏面Ｂ側に引張応力を発生させるため、被接合金属部材１が強制的に下側に凸に撓ませられる（図９の（ｂ）参照）。これにより、被接合金属部材１の反りを矯正して平坦にすることができる。また、プレス矯正と同様に、必要に応じて被接合金属部材１の表面Ａの位置Ｈ２〜Ｈ５を衝打することで、被接合金属部材１をバランスよく矯正することができる。
【００８６】
衝打矯正は、プレス矯正と比べると、プレス装置等を準備する手間が省けるため、作業を容易に行うことができる。また、衝打矯正は、作業が容易であるため被接合金属部材１が小さい場合や薄い場合に有効である。なお、衝打矯正を終了した後は、衝打により発生したバリを除去することが好ましい。また、衝打具は、被接合金属部材１を衝打可能なものであれば、特に種類を問わないが、例えばプラスチックハンマーが好ましい。
【００８７】
＜ロール矯正＞
次に、ロール矯正について説明する。前記した摩擦攪拌工程が終了したら、図１１の（ａ）に示すように、摩擦攪拌で発生したバリを除去するとともに、被接合金属部材１の表面Ａが上方を向くように裏返し、表面Ａの中心地点ｊ（図１０参照）を含んで縦方向と平行になるように長板形状の第一補助部材Ｔ１を配置する。さらに、被接合金属部材１の裏面Ｂ側の縁部において縦方向と平行になるように、長板形状の第二補助部材Ｔ２及び第三補助部材Ｔ３を配置する。即ち、第二補助部材Ｔ２、第三補助部材Ｔ３は、第一補助部材Ｔ１を挟んで両側に配置される。
【００８８】
そして、第一補助部材Ｔ１の上側に、第一補助部材Ｔ１と直交するようにロールＲ１を配置し、第二補助部材Ｔ２及び第三補助部材Ｔ３の下側に第二補助部材Ｔ２及び第三補助部材Ｔ３と直交するようにロールＲ２を配置する。つまり、被接合金属部材１は、図１１の（ｂ）に示すように、上側に凸の状態でロールＲ１，Ｒ２の間に配置され、第一補助部材Ｔ１乃至第三補助部材Ｔ３を介してロールＲ１，Ｒ２に狭持される。
【００８９】
第一補助部材Ｔ１乃至第三補助部材Ｔ３は、ロール矯正を行う際の当て材であるとともに、被接合金属部材１が傷つかないようにするための部材である。第一補助部材Ｔ１乃至第三補助部材Ｔ３は、被接合金属部材１よりも軟質の材料であればよく、例えば、アルミニウム合金、硬質ゴム、プラスチック、木材を用いることができる。
【００９０】
ここで、ロールＲ１，Ｒ２が互いに近づいて被接合金属部材１に圧力を加えると、図１１の（ｂ）及び（ｃ）に示すように、第一補助部材Ｔ１が被接合金属部材１を下側に押し、第二補助部材Ｔ２及び第三補助部材Ｔ３が被接合金属部材１の両端側を上側に押すため、被接合金属部材１には曲げモーメントが作用する。この曲げモーメントは被接合金属部材１の裏面Ｂ側に引張応力を発生させるため、被接合金属部材１が強制的に下側に凸に撓ませられる。
【００９１】
また、図１１の（ａ）に示すように、ロールＲ１が矢印α方向に回転するとともに、ロールＲ２が矢印β方向に回転すると、ロールＲ１，Ｒ２は被接合金属部材１に対して矢印γ方向（ロール送り方向）に相対的に移動する。また、ロールＲ１が矢印β方向に回転するとともにロールＲ２が矢印α方向に回転すると、ロールＲ１，Ｒ２は被接合金属部材１に対して矢印δ方向（ロール送り方向）に相対的に移動する。
【００９２】
したがって、被接合金属部材１に作用する曲げモーメントの位置が、その相対的な移動に伴って遷移していくため、被接合金属部材１の全体が強制的に下側に凸に撓まされる。そのため、この相対的な移動を繰り返して往復動させることによって、反りを矯正していくことが可能になる。なお、第一補助部材Ｔ１乃至第三補助部材Ｔ３は、被接合金属部材１の力学特性や反りの曲率に応じて、反りとは反対側に撓ませて反りを矯正するのに十分な厚みで設定すればよい。
【００９３】
また、被接合金属部材１の縦方向にロールＲ１，Ｒ２を回転させて矯正工程を行なった後、横方向にロールＲ１，Ｒ２を回転させてもよい。即ち、第一補助部材Ｔ１乃至第三補助部材Ｔ３を横方向と平行になるように配置するとともに、第一補助部材Ｔ１乃至第三補助部材Ｔ３に対して直交するようにロールＲ１，Ｒ２を配置する。そして、ロールＲ１，Ｒ２を横方向に往復動させる。これにより、被接合金属部材１をバランスよく矯正することができる。
【００９４】
また、ここでは、被接合金属部材１の表面Ａを上にして、歪矯正工程を行うものとして説明したが、裏返さずに裏面Ｂを上にして歪矯正工程を行うようにしてもよい。この場合、前記した各構成部品は、表裏対称に表れるため、説明を省略する。
【００９５】
以上説明した本実施形態によれば、裏面Ｂ側から摩擦攪拌接合を行う前に、裏面Ｂ側に現れる突合部Ｊ１に対して溶接を行うことで、被接合金属部材１の裏面Ｂに熱収縮が発生し、被接合金属部材１に発生している歪みをある程度矯正することができる。これにより、被接合金属部材１が比較的平坦な状態で第二摩擦攪拌工程を行うことができるため、本接合用回転ツールＧの押し込み量の調節等を容易に行うことができ、高品質な接合を行うことができる。また、本実施形態によれば、バリの大量発生や摩擦攪拌装置に作用する過負荷を防止することができる。
【００９６】
また、前記した矯正工程を行うことで、第一摩擦攪拌工程、溶接矯正工程及び第二摩擦攪拌工程で発生した被接合金属部材１の歪みを矯正して平坦な部材を形成することができる。
【００９７】
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、本実施形態では、第一摩擦攪拌工程と第二摩擦攪拌工程で同じ本接合用回転ツールＧを用いたが、それぞれ異なる回転ツールを用いてもよい。即ち、被接合金属部材１の表面Ａ側から行う第一摩擦攪拌工程、裏面Ｂ側から行う溶接矯正工程及び第二摩擦攪拌工程でそれぞれ発生する熱収縮を考慮しながら各工程を行うことで、被接合金属部材１の歪みを極力小さくすることができる。
【００９８】
また、表面側塑性化領域Ｗ１に形成されるトンネル状空洞欠陥を封入するように、第二摩擦攪拌工程の回転ツールの大きさや押込み量を適宜設定してもよい。これにより、より気密性及び水密性の高い被接合金属部材１を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００９９】
【図１】本実施形態に係る金属部材、第一タブ材、第二タブ材の配置を説明するための図であって、（ａ）は斜視図、（ｂ）は平面図、（ｃ）は（ｂ）のＩ−Ｉ線断面図、（ｄ）は（ｂ）のII−II線断面図である。
【図２】（ａ）は仮接合用回転ツールを説明するための側面図、（ｂ）は本接合用回転ツールを説明するための側面図である。
【図３】本実施形態に係る第一タブ材接合工程、仮接合工程、第二タブ材接合工程を説明するための平面図である。
【図４】（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は、本実施形態に係る第一摩擦攪拌工程を説明するための図３のIII−III線断面図である。
【図５】第一摩擦攪拌工程を終了して被接合金属部材の裏面を上方に向けて配置した斜視図である。
【図６】本実施形態に係る溶接矯正工程を示した斜視図である。
【図７】本実施形態に係る第二摩擦攪拌工程を示した図であって、（ａ）は、斜視図、（ｂ）は、断面図である。
【図８】本実施形態に係るプレス矯正を示した斜視図である。
【図９】（ａ）は、プレス矯正の矯正前、（ｂ）は、矯正中を示した断面図である。
【図１０】本実施形態に係るプレス矯正を説明するための被接合金属部材の平面図である。
【図１１】本実施形態に係るロール矯正を示した図であって、（ａ）は、斜視図、（ｂ）は、矯正前の断面図、（ｃ）は、矯正中の断面図である。
【図１２】従来の摩擦攪拌接合を示した断面図である。
【符号の説明】
【０１００】
１ 接合金属部材
１ａ 金属部材
１ｂ 金属部材
２ 第一タブ材
３ 第二タブ材
Ｊ１〜Ｊ３ 突合部
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
Ｆ１ ショルダ部
Ｆ２ 攪拌ピン
Ｇ 本接合用回転ツール
Ｇ１ ショルダ部
Ｇ２ 攪拌ピン
Ｕ１〜Ｕ４ 溶接金属
Ｗ１，Ｗ２ 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】
一対の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】
一対の金属部材を突き合わせて形成された突合部に摩擦攪拌接合を行うと、摩擦攪拌によって形成された塑性化領域が熱収縮によって縮むため、接合された金属部材が凹状に反って歪んでしまうという問題がある（例えば、特許文献１参照）。かかる問題を解消するために、例えば、図１２に示すように、回転ツールＧを用いて金属部材１０１の表面１０１Ａから摩擦攪拌接合を行った後、表裏を逆にして、裏面１０１Ｂからも摩擦攪拌を行って歪みを是正することが考えられる。かかる方法によれば、金属部材１０１の両面に形成された塑性化領域Ｗがそれぞれ熱収縮するため金属部材に発生する歪みを抑制することができるとも考えられる。
【特許文献１】特開２００１−８７８７１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、裏面１０１Ｂから摩擦攪拌接合を行う際には、金属部材１０１は上方（接合する側）に向けて凸状となるように反っているため、金属部材１０１に回転ツールＧを一定の深さで押し込んで移動させることが困難となる。またこのように、金属部材が上方に向けて凸状に反っていると、回転ツールが深く挿入される可能性が高くなり、バリが大量に発生するとともに、摩擦攪拌装置に過負荷がかかるという問題が発生する。
【０００５】
そこで、本発明は、一対の金属部材を摩擦攪拌接合する際に、金属部材に発生する歪みを抑制するとともに、容易に接合作業を行う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】
【０００６】
かかる課題を解決するために本発明は、一対の金属部材同士を突き合わせて形成された突合部に対して、表面側から摩擦攪拌接合を行う第一摩擦攪拌工程と、裏面側から摩擦攪拌接合を行う第二摩擦攪拌工程とを含み、前記第一摩擦攪拌工程と前記第二摩擦攪拌工程で形成された塑性化領域を重複させる接合方法であって、前記第一摩擦攪拌工程を行った後に、前記突合部に対して前記裏面側から溶接を行う溶接矯正工程を含むことを特徴とする。
【０００７】
かかる接合方法によれば、第一摩擦攪拌工程で金属部材が歪んだとしても、裏面側から摩擦攪拌接合を行う前に、裏面側に現れる突合部に対して溶接を行うことで金属部材の裏面側に熱収縮が発生し、金属部材に発生している歪みをある程度矯正することができる。これにより、金属部材が比較的平坦な状態で第二摩擦攪拌工程を行うことができるため、接合作業を容易に行うことができる。また、金属部材の表面側及び裏面側から摩擦攪拌接合を行うことで、金属部材に発生する歪みをバランスよく抑制することができる。また、両面に形成される塑性化領域を重複させることで、金属部材の気密性、水密性を高めることができる。
【０００８】
また、前記溶接矯正工程では、さらに前記突合部に対して交差する方向に溶接を行うことが好ましい。かかる接合方法によれば、金属部材をバランスよく矯正することができる。
【０００９】
また、第二摩擦攪拌工程では、前記溶接矯正工程によって前記突合部に対して肉盛りされた溶接金属を回転ツールのピンによって摩擦攪拌することが好ましい。かかる接合方法によれば、溶接矯正工程で形成された溶接金属が外部に露出するのを防ぐことができる。
【００１０】
また、前記第一摩擦攪拌工程は、小型の回転ツールによって仮接合を行う仮接合工程と、当該仮接合工程で用いた回転ツールよりも大型の回転ツールを用いて本接合を行う本接合工程と、を含むことが好ましい。仮接合工程を行うことで、本接合工程の際に一対の金属部材が離間することを防止することができる。また、小型の回転ツールを用いることで比較的容易に仮接合の作業を行うことができる。
【００１１】
また、前記第一摩擦攪拌工程の前に、前記突合部の両側に一対のタブ材を配置するタブ材配置工程と、前記タブ材と前記金属部材との突合部に沿って摩擦攪拌を行うタブ材仮接合工程と、を含むことが好ましい。
【００１２】
かかる接合方法によれば、タブ材を用いることで摩擦攪拌作業の開始位置及び終了位置の設定が容易となる。また、摩擦攪拌接合の際に、タブ材と金属部材の離間を防止することができる。
【００１３】
また、摩擦攪拌接合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下穴形成工程を含むことが好ましい。かかる接合方法によれば、金属部材に回転ツールを押し込む際の圧入抵抗を軽減することができるため、摩擦攪拌接合の作業性を高めることができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明にかかる接合方法によれば、一対の金属部材を摩擦攪拌接合する際に、金属部材に発生する歪みを抑制するとともに、容易に接合作業を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明の最良の実施形態について図面を参照して説明する。本実施形態では、図１に示すように、金属部材１ａ，１ｂを直線状に繋ぎ合せる場合を例にして説明する。まず、接合すべき金属部材１ａ，１ｂを詳細に説明するとともに、この金属部材１ａ，１ｂを接合する際に用いられる第一タブ材２、第二タブ材３を詳細に説明する。
【００１６】
金属部材１ａ，１ｂは、断面視矩形を呈する板状部材であって、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。本実施形態では、一方の金属部材１ａ及び他方の金属部材１ｂを、同一組成の金属材料で形成している。金属部材１ａ，１ｂの形状・寸法に特に制限はないが、両部材が突き合わされる突合部Ｊ１における厚さ寸法を同一にすることが望ましい。なお、金属部材１ａ及び金属部材１ｂを突き合わせた金属部材を被接合金属部材１といい、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及び他方の側面を第二側面Ｄともいう。
【００１７】
第一タブ材２及び第二タブ材３は、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、被接合金属部材１の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。
【００１８】
次に、図２を参照して、仮接合に用いる回転ツール（以下、「仮接合用回転ツールＦ」という。）及び本接合に用いる回転ツール（以下、「本接合用回転ツールＧ」という。）を詳細に説明する。
【００１９】
図２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、後記する本接合用回転ツールＧ（図２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。
【００２０】
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。
【００２１】
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における被接合金属部材１の厚さｔ（図１の（ｃ）参照）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ＬＢよりも小さくすることが望ましい。
【００２２】
図２の（ｂ）に示す本接合用回転ツールＧは、工具鋼など被接合金属部材１よりも硬質の金属材料からなり、円柱状を呈するショルダ部Ｇ１と、このショルダ部Ｇ１の下端面Ｇ１１に突設された攪拌ピン（プローブ）Ｇ２とを備えて構成されている。
【００２３】
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ＬＢは、突合部Ｊ１における被接合金属部材１の肉厚ｔ（図１の（ｃ）参照）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≦２ＬＢ／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。
【００２４】
以下、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）準備工程、（２）予備工程、（３）第一摩擦攪拌工程、（４）溶接矯正工程、（５）第二摩擦攪拌工程を含むものである。なお、予備工程、第一摩擦攪拌工程は、被接合金属部材１の表面Ａ側から実行される工程であり、溶接矯正工程、第二摩擦攪拌工程は、被接合金属部材１の裏面Ｂ側から実行される工程である。
【００２５】
（１）準備工程
図１を参照して準備工程を説明する。準備工程では、接合すべき金属部材１ａ，１ｂを突き合せる突合工程と、突合工程で形成された被接合金属部材１の突合部Ｊ１の両側に第一タブ材２、第二タブ材３を配置するタブ材配置工程とを具備している。
【００２６】
突合工程では、図１の（ａ）乃至（ｄ）に示すように、一方の金属部材１ａの端面１１に他方の金属部材１ｂの端面１１を密着させるとともに、一方の金属部材１ａの表面１２と他方の金属部材１ｂの表面１２を面一にし、さらに、一方の金属部材１ａの裏面１３と他方の金属部材１ｂの裏面１３を面一にする。また、一方の金属部材１ａの側面１４，１４と他方の金属部材１ｂの側面１４，１４をそれぞれ面一にする。
【００２７】
タブ材配置工程では、図１の（ｂ）に示すように、金属部材１ａ，１ｂからなる被接合金属部材１の突合部Ｊ１の一端側に第一タブ材２を配置してその当接面２１を被接合金属部材１の第二側面Ｄに当接させるとともに、突合部Ｊ１の他端側に第二タブ材３を配置してその当接面３１を被接合金属部材１の第一側面Ｃに当接させる。このとき、図１の（ｄ）に示すように、第一タブ材２の表面２２と第二タブ材３の表面３２を被接合金属部材１の表面Ａと面一にするとともに、第一タブ材２の裏面２３と第二タブ材３の裏面３３を被接合金属部材１の裏面Ｂと面一にする。
【００２８】
また、タブ材配置工程では、図１の（ａ）及び（ｂ）に示すように、被接合金属部材１と第一タブ材２とにより形成された入隅部２ａ，２ａ（即ち、金属部材１ａ，１ｂの側面１４と第一タブ材２の側面２４とにより形成された角部）を溶接して被接合金属部材１と第一タブ材２とを接合し、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隅部３ａ，３ａ（即ち、金属部材１ａ，１ｂの側面１４と第二タブ材３の側面３４とにより形成された角部）を溶接して被接合金属部材１と第二タブ材３とを接合する。なお、各入隅部の全長に亘って連続して溶接を施してもよいし、断続して溶接を施してもよい。
【００２９】
準備工程が終了したら、被接合金属部材１を図示せぬ摩擦攪拌装置の架台に載置し、クランプ等の図示せぬ治具を用いて移動不能に拘束する。
【００３０】
（２）予備工程
予備工程は、第一摩擦攪拌工程に先立って行われる工程であり、本実施形態では、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、第一摩擦攪拌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具備している。
【００３１】
本実施形態の予備工程では、図３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Ｊ１，Ｊ２，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２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、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連続して実行する。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。
【００３２】
本実施形態の予備工程における摩擦攪拌の手順を図３を参照してより詳細に説明する。
まず、図３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、５００〜２０００（ｒｐｍ）の範囲内において設定される。
【００３３】
攪拌ピンＦ２が第一タブ材２の表面２２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、攪拌ピンＦ２が第一タブ材２に挿入される。仮接合用回転ツールＦの挿入速度（下降速度）は、攪拌ピンＦ２の寸法・形状、開始位置ＳＰが設けられる部材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、３０〜６０（ｍｍ／分）の範囲内において設定される。
【００３４】
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、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。
【００３５】
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、１００〜１０００（ｍｍ／分）の範囲内において設定される。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。
【００３６】
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、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。
【００３７】
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の継ぎ目（境界線）上に摩擦攪拌のルートを設定し、当該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。
【００３８】
なお、仮接合用回転ツールＦを右回転させた場合には、仮接合用回転ツールＦの進行方向の左側に微細な接合欠陥が発生する虞があるので、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。
【００３９】
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。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。
【００４０】
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と第一タブ材２により形成された入隅部２ａを溶接により接合しているので、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。
【００４１】
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。即ち、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可能となる。
【００４２】
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。
【００４３】
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（境界線）上に摩擦攪拌のルートを設定し、当該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Ｊ１の全長に亘って連続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。このようにすると、仮接合工程中における仮接合用回転ツールＦの離脱作業が一切不要となることから、予備的な接合作業のより一層の効率化・迅速化を図ることが可能となる。
【００４４】
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第二タブ材接合工程の始点ｓ３まで連続して摩擦攪拌を行い、そのまま第二タブ材接合工程に移行する。即ち、仮接合工程の終点ｅ１から第二タブ材接合工程の始点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、さらに、始点ｓ３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。このようにすると、仮接合工程の終点ｅ１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、第二タブ材接合工程の始点ｓ３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より一層の効率化・迅速化を図ることが可能となる。
【００４５】
本実施形態では、仮接合工程の終点ｅ１から第二タブ材接合工程の始点ｓ３に至る摩擦攪拌のルートを第二タブ材３に設定し、仮接合用回転ツールＦを仮接合工程の終点ｅ１から第二タブ材接合工程の始点ｓ３に移動させる際の移動軌跡を第二タブ材３に形成する。このようにすると、仮接合工程の終点ｅ１から第二タブ材接合工程の始点ｓ３に至る工程中において、被接合金属部材１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。
【００４６】
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。具体的には、被接合金属部材１と第二タブ材３の継ぎ目（境界線）上に摩擦攪拌のルートを設定し、当該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Ｊ３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。
【００４７】
なお、仮接合用回転ツールＦを右回転させているので、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二タブ材接合工程の始点ｓ３と終点ｅ３の位置を設定する。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。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の進行方向の左側に被接合金属部材１が位置するように第二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。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ｅ３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ｓ３の位置に終点を設ければよい。
【００４８】
なお、仮接合用回転ツールＦの攪拌ピンＦ２（図２の（ａ）参照）が突合部Ｊ３に入り込むと、被接合金属部材１と第二タブ材３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の入隅部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。
【００４９】
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、被接合金属部材１の表面Ａ側に現れる継ぎ目（境界線）の延長線上に終了位置ＥＰを設けている。ちなみに、終了位置ＥＰは、後記する第一摩擦攪拌工程における摩擦攪拌の開始位置ＳＭ１でもある。
【００５０】
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。
【００５１】
なお、仮接合用回転ツールＦの離脱速度（上昇速度）は、攪拌ピンＦ２の寸法・形状、終了位置ＥＰが設けられる部材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、３０〜６０（ｍｍ／分）の範囲内において設定される。また、仮接合用回転ツールＦの離脱時の回転速度は、移動時の回転速度と同じか、それよりも高速にする。
【００５２】
続いて、下穴形成工程を実行する。下穴形成工程は、図２の（ｂ）に示すように、第一摩擦攪拌工程における摩擦攪拌の開始位置ＳＭ１に下穴Ｐ１を形成する工程である。即ち、下穴形成工程は、本接合用回転ツールＧの攪拌ピンＧ２の挿入予定位置に下穴Ｐ１を形成する工程である。
【００５３】
下穴Ｐ１は、本接合用回転ツールＧの攪拌ピンＧ２の挿入抵抗（圧入抵抗）を低減する目的で設けられるものであり、本実施形態では、仮接合用回転ツールＦの攪拌ピンＦ２（図２の（ａ）参照）を離脱させたときに形成される抜き穴Ｈ１を図示せぬドリルなどで拡径することで形成される。抜き穴Ｈ１を利用すれば、下穴Ｐ１の形成工程を簡略化することが可能となるので、作業時間を短縮することが可能となる。下穴Ｐ１の形態に特に制限はないが、本実施形態では、円筒状としている。なお、本実施形態では、第二タブ材３に下穴Ｐ１を形成しているが、下穴Ｐ１の位置に特に制限はなく、第一タブ材２に形成してもよいし、突合部Ｊ２，Ｊ３に形成してもよいが、好適には、本実施形態の如く被接合金属部材１の表面Ａ側に現れる被接合金属部材１の継ぎ目（境界線）の延長線上に形成することが望ましい。
【００５４】
下穴Ｐ１の最大穴径Ｚ１は、本接合用回転ツールＧの攪拌ピンＧ２の最大外径（上端径）Ｙ２よりも小さくなっているが、好適には、攪拌ピンＧ２の最大外径Ｙ２の５０〜９０％とすることが望ましい。なお、下穴Ｐ１の最大穴径Ｚ１が攪拌ピンＧ２の最大外径Ｙ２の５０％を下回ると、攪拌ピンＧ２の圧入抵抗の低減度合いが低下する虞があり、また、下穴Ｐ１の最大穴径Ｚ１が攪拌ピンＧ２の最大外径Ｙ２の９０％を上回ると、攪拌ピンＧ２による摩擦熱の発生量が少なくなって塑性流動化する領域が小さくなり、入熱量が減少するので、本接合用回転ツールＧを移動させる際の負荷が大きくなり、欠陥が発生し易くなる。
【００５５】
なお、本実施形態では、仮接合用回転ツールＦの攪拌ピンＦ２（図２の（ａ）参照）の抜き穴Ｈ１を拡径して下穴Ｐ１とする場合を例示したが、攪拌ピンＦ２の最大外径Ｘ２が本接合用回転ツールＧの攪拌ピンＧ２の最小外径Ｙ３よりも大きく、かつ、攪拌ピンＦ２の最大外径Ｘ２が攪拌ピンＧ２の最大外径Ｙ２よりも小さい（Ｙ３＜Ｘ２＜Ｙ２）場合などにおいては、攪拌ピンＦ２の抜き穴Ｈ１をそのまま下穴Ｐ１としてもよい。
【００５６】
（３）第一摩擦攪拌工程
第一摩擦攪拌工程は、被接合金属部材１の突合部Ｊ１を表面Ａ側から本格的に接合する工程である。本実施形態に係る第一摩擦攪拌工程では、図２の（ｂ）に示す本接合用回転ツール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側から摩擦攪拌を行う。
【００５７】
第一摩擦攪拌工程では、図４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。即ち、第一摩擦攪拌工程では、下穴Ｐ１から摩擦攪拌を開始し、終了位置ＥＭ１まで連続して摩擦攪拌を行う。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。
【００５８】
図４の（ａ）〜（ｃ）を参照して第一摩擦攪拌工程をより詳細に説明する。
まず、図４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。つまり、摩擦攪拌装置の負荷を低減することが可能となり、加えて、本接合に要する作業時間を短縮することが可能となる。
【００５９】
摩擦攪拌の開始位置ＳＭ１に本接合用回転ツールＧの攪拌ピンＧ２を挿入する際の本接合用回転ツールＧの回転速度（挿入時の回転速度）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り、多くの場合、７０〜７００（ｒｐｍ）の範囲内において設定されるが、開始位置ＳＭ１から摩擦攪拌の終了位置ＥＭ１に向かって本接合用回転ツールＧを移動させる際の本接合用回転ツールＧの回転速度（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、挿入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、金属を塑性流動化させるまでに要する時間が短くなるので、開始位置ＳＭ１における攪拌ピンＧ２の挿入作業を迅速に行うことが可能となる。
【００６０】
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４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。なお、塑性化領域とは、回転ツールの摩擦熱によって加熱されて現に塑性化している状態と、回転ツールが通り過ぎて常温に戻った状態の両方を含むこととする。
【００６１】
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、３０〜３００（ｍｍ／分）の範囲内において設定される。なお、本接合用回転ツールＧを移動させる際には、ショルダ部Ｇ１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、本接合用回転ツールＧの方向転換が容易となり、複雑な動きが可能となる。
【００６２】
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、被接合金属部材１の突合部Ｊ１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間の目地を閉塞しているので、被接合金属部材１の突合部Ｊ１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。
【００６３】
被接合金属部材１の突合部Ｊ１では、被接合金属部材１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、当該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。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。
【００６４】
なお、本実施形態では、被接合金属部材１の表面Ａ側に現れる継ぎ目（境界線）の延長線上に摩擦攪拌の開始位置ＳＭ１を設定しているので、第一摩擦攪拌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、第一摩擦攪拌工程を効率よく行うことが可能となり、さらには、本接合用回転ツールＧの磨耗量を低減することが可能となる。
【００６５】
本接合用回転ツールＧが終了位置ＥＭ１に達したら、図４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（図４の（ｂ）参照）から離脱させる。なお、終了位置ＥＭ１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。
【００６６】
なお、本実施形態では、図４の（ｂ）及び（ｃ）に示すように、本接合用回転ツールＧを右回転させて第一摩擦攪拌工程を行ったため、進行方向左側、即ち、金属部材１ｂにトンネル状の空洞欠陥（以下、トンネル状空洞欠陥Ｒとする）が形成される可能性がある。
【００６７】
ちなみに、本接合用回転ツールＧを左回転させると、進行方向右側にトンネル状空洞欠陥が形成される可能性がある。かかるトンネル状空洞欠陥Ｒなどの接合欠陥が被接合金属部材１に形成されると、被接合金属部材１の気密性及び水密性を低下させる原因となる。
【００６８】
第一摩擦攪拌工程が終了したら、予備工程、第一摩擦攪拌工程における摩擦攪拌で発生したバリを除去し、図１の（ａ）に示す前後軸回りに被接合金属部材１を裏返し、裏面Ｂを上にする。
【００６９】
（４）溶接矯正工程
図５は、第一摩擦攪拌工程を終了して被接合金属部材１の裏面Ｂを上方に向けて配置した斜視図である。図５に示すように、被接合金属部材１は、第一摩擦攪拌工程に係る摩擦攪拌接合によって、被接合金属部材１の裏面Ｂが上方に向けて凸状となるように歪んでいる。即ち、第一摩擦攪拌工程によって表面側塑性化領域Ｗ１（図４参照）が熱収縮するため、被接合金属部材１の表面Ａに、表面Ａの中央に向けて引張応力が発生し被接合金属部材１に反りが発生してしまう。
【００７０】
そこで、溶接矯正工程では、被接合金属部材１の裏面Ｂに溶接を行うことにより、被接合金属部材１の歪みを矯正する。具体的には、溶接矯正工程では、図６に示すように、被接合金属部材１の裏面Ｂに現われる突合部Ｊ１に対して、ＭＩＧ溶接又はＴＩＧ溶接などの肉盛溶接を行い、突合部Ｊ１に沿って溶接金属Ｕ１を形成する。また、本実施形態では、突合部Ｊ１に対して直交方向に対しても溶接を行って溶接金属Ｕ２乃至Ｕ４を形成する。このように、溶接矯正工程を行うことで、溶接金属Ｕ１乃至Ｕ４が熱収縮するため、被接合金属部材１の裏面Ｂ側にも引張応力が発生する。これにより、被接合金属部材１の反りがある程度矯正される。
【００７１】
なお、本実施形態に係る溶接矯正工程では、裏面Ｂに現れる突合部Ｊ１に対して、肉盛溶接を行っているが、ビードオンの状態によっては反りの矯正が十分でない可能性がある。そこで、第一摩擦攪拌工程を行う前に、予め裏面Ｂに現れる突合部Ｊ１に沿って凹溝（図示省略）を形成しておくとよい。凹溝を形成することにより、溶接矯正工程において、溶接金属が凹溝に充填され、凹溝の内面と溶接金属との接触面積が確保され、溶接金属の熱が被接合金属部材１に確実に伝達されて十分な反りの矯正が可能となる。
【００７２】
本実施形態に係る溶接矯正工程では、被接合金属部材１の中央に形成される溶接金属Ｕ２を、溶接金属Ｕ２の両脇の溶接金属Ｕ３，Ｕ４よりも長く形成した。このように、被接合金属部材１の形状等を加味して溶接を行うことで、バランスよく反りを矯正することが好ましい。また、溶接金属Ｕ１乃至Ｕ４が断続的に形成されるように溶接矯正工程を行ってもよい。また、溶接金属Ｕ２乃至Ｕ４は、本実施形態のように必ずしも突合部Ｊ１を横断するように形成しなくてもよい。
【００７３】
なお、突合部Ｊ１に対して直交方向に行う肉盛溶接は、溶接箇所、溶接本数について特に制限を受けるものではないが、被接合金属部材１の反りが抑制されるようにバランスよく肉盛溶接を行うことが好ましい。即ち、後に行う第二摩擦攪拌工程で形成される塑性化領域によって発生する熱収縮も考慮に入れつつ、溶接矯正の範囲（溶接量）を設定すればよい。また、溶接の種類は限定するものではなく、公知の溶接の中から適宜採用すればよい。
（５）第二摩擦攪拌工程
第二摩擦攪拌工程は、被接合金属部材１の突合部Ｊ１を裏面Ｂ側から本格的に接合する工程である。本実施形態に係る第二摩擦攪拌工程では、図７の（ａ）に示すように、本接合用回転ツールＧを使用し、突合部Ｊ１に対して摩擦攪拌接合を行う。なお、具体的な図示はしないが、第二摩擦攪拌工程に先だって、第二タブ材３に設定する開始位置ＳＭ２には、予め下穴を形成しておくことが好ましい。
【００７４】
第二摩擦攪拌工程では、第二タブ材３に設けた下穴（開始位置ＳＭ２）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第一タブ材２に設けた終了位置ＥＭ２まで移動させる。
【００７５】
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Ｗ２（以下、「裏面側塑性化領域Ｗ２」という。）が形成される。図７の（ｂ）に示すように、第二摩擦攪拌工程では、表面側塑性化領域Ｗ１の先端と、裏面側塑性化領域Ｗ２の先端とが重複するように本接合用回転ツールＧの押し込み量を設定するのが好ましい。これにより、突合部Ｊ１の深さ方向全てを摩擦攪拌することができ、気密性及び水密性を高めることができる。第二摩擦攪拌工程においては、本接合用回転ツールＧを右回転させて、被接合金属部材１の第一側面Ｃ側から第二側面Ｄ側に向けて摩擦攪拌を行うため、進行方向右側、即ち、金属部材１ｂ側は、比較的高密度に塑性化される。
【００７６】
なお、第二摩擦攪拌工程で形成される裏面側塑性化領域Ｗ２によっても、熱収縮が起こるため被接合金属部材１の裏面Ｂ側に引張応力が発生する。したがって、第二摩擦攪拌工程では、先に行った溶接矯正工程で発生する熱収縮も考慮しつつ本接合用回転ツールＧの押込み量等を設定することが好ましい。
【００７７】
また、前記した工程を行った場合であっても、被接合金属部材１のいずれかの面側に凸となるように反って歪んでしまった場合、以下に示す矯正工程を行って被接合金属部材１を平坦にすることが好ましい。本実施形態では、例えば、被接合金属部材１の表面Ａ側に凸となるように反って歪んでしまった場合を例にして説明する。
【００７８】
矯正工程では、被接合金属部材１の表面Ａから、被接合金属部材１の裏面Ｂ側に引張応力が発生するような曲げモーメントを作用させて、前記した摩擦攪拌工程により形成された被接合金属部材１の反りを矯正する。矯正工程では、以下に記すプレス矯正、衝打矯正及びロール矯正の三種類の方法からいずれか一以上の方法を選択して行えばよい。まず、プレス矯正について説明する。
【００７９】
＜プレス矯正＞
前記した第二摩擦攪拌工程が終了したら、摩擦攪拌で発生したバリを除去するとともに、図８に示すように、被接合金属部材１の表面Ａが上方を向くように裏返し、表面Ａの中央付近に板状の第一補助部材Ｔ１を配置する。さらに、被接合金属部材１の裏面Ｂ側の四隅に、板状の第二補助部材Ｔ２，Ｔ２及び第三補助部材Ｔ３，Ｔ３を配置する。即ち、第二補助部材Ｔ２、第三補助部材Ｔ３は、第一補助部材Ｔ１を挟んで両側に配置される。第一補助部材Ｔ１乃至第三補助部材Ｔ３は、プレス矯正を行う際の当て材又は台座となる部材であるとともに、被接合金属部材１が傷つかないようにするための部材である。第一補助部材Ｔ１乃至第三補助部材Ｔ３は、被接合金属部材１よりも軟質の材料であればよく、例えば、アルミニウム合金、硬質ゴム、プラスチック、木材を用いることができる。なお、第一補助部材Ｔ１乃至第三補助部材Ｔ３は、被接合金属部材１の力学特性や反りの曲率に応じて、反りとは反対側に撓ませて反りを矯正するのに十分な厚みで設定すればよい。
【００８０】
各補助部材を配置したら、図９の（ａ）及び（ｂ）に示すように、公知のプレス装置Ｋを用いて、被接合金属部材１の表面Ａから押圧する。即ち、第一補助部材Ｔ１にプレス装置ＫのポンチＫａを押し当て、所定の押圧力で押圧する。プレス装置Ｋによって被接合金属部材１に圧力が加えられると、図９の（ａ）及び（ｂ）に示すように、第一補助部材Ｔ１が被接合金属部材１を下側に押し、第二補助部材Ｔ２及び第三補助部材Ｔ３が被接合金属部材１の両端側を上側に押すため、被接合金属部材１には曲げモーメントが作用する。この曲げモーメントは被接合金属部材１の裏面Ｂ側に引張応力を発生させるため、被接合金属部材１が強制的に下側に凸に撓ませられる。
【００８１】
プレス装置の押圧力は、被接合金属部材１の厚みや材料によって適宜設定すればよいが、図９の（ｂ）に示すように、被接合金属部材１の裏面Ｂ側が下に凸となって、裏面Ｂに引張応力が発生するような曲げモーメントを作用させることが好ましい。
【００８２】
また、本実施形態では、図１０に示すように、中心地点ｊだけでなく被接合金属部材１の表面Ａ側の四辺の中点である地点ｂ、地点ｄ、地点ｅ及び地点ｇ付近に対しても押圧を行う。即ち、被接合金属部材１の表面Ａにかかる各辺の中間地点である地点ｂ、地点ｄ、地点ｅ及び地点ｇを含んだ位置Ｈ２〜Ｈ５に第一補助部材Ｔ１を配置して、プレス装置Ｋによって押圧を行う。これにより、被接合金属部材１をバランスよく矯正でき、平坦性をより高めることができる。
【００８３】
なお、プレスする位置は、本実施形態では５箇所に設定したが、これに限定されるものではなく、接合工程によって生じる被接合金属部材１の反りに応じて適宜設定すればよい。
【００８４】
＜衝打矯正＞
次に、衝打矯正について説明する。衝打矯正については、プレス矯正と近似するため、
具体的な図示は省略する。衝打矯正とは、例えばハンマーなどの衝打具を用いて被接合金属部材１を衝打して、被接合金属部材１に発生した反りを矯正することをいう。衝打矯正は、プレス装置Ｋに替えてハンマーなどの衝打具で被接合金属部材１を衝打する点を除いては、プレス矯正と略同等である。
【００８５】
衝打矯正では、プレス矯正と同様に補助部材を配置した後、図９及び図１０を参照するように、被接合金属部材１の表面Ａから例えばプラスチックハンマー等の衝打具で被接合金属部材１を衝打する。被接合金属部材１を衝打すると、被接合金属部材１の裏面Ｂ側に引張応力を発生させるため、被接合金属部材１が強制的に下側に凸に撓ませられる（図９の（ｂ）参照）。これにより、被接合金属部材１の反りを矯正して平坦にすることができる。また、プレス矯正と同様に、必要に応じて被接合金属部材１の表面Ａの位置Ｈ２〜Ｈ５を衝打することで、被接合金属部材１をバランスよく矯正することができる。
【００８６】
衝打矯正は、プレス矯正と比べると、プレス装置等を準備する手間が省けるため、作業を容易に行うことができる。また、衝打矯正は、作業が容易であるため被接合金属部材１が小さい場合や薄い場合に有効である。なお、衝打矯正を終了した後は、衝打により発生したバリを除去することが好ましい。また、衝打具は、被接合金属部材１を衝打可能なものであれば、特に種類を問わないが、例えばプラスチックハンマーが好ましい。
【００８７】
＜ロール矯正＞
次に、ロール矯正について説明する。前記した摩擦攪拌工程が終了したら、図１１の（ａ）に示すように、摩擦攪拌で発生したバリを除去するとともに、被接合金属部材１の表面Ａが上方を向くように裏返し、表面Ａの中心地点ｊ（図１０参照）を含んで縦方向と平行になるように長板形状の第一補助部材Ｔ１を配置する。さらに、被接合金属部材１の裏面Ｂ側の縁部において縦方向と平行になるように、長板形状の第二補助部材Ｔ２及び第三補助部材Ｔ３を配置する。即ち、第二補助部材Ｔ２、第三補助部材Ｔ３は、第一補助部材Ｔ１を挟んで両側に配置される。
【００８８】
そして、第一補助部材Ｔ１の上側に、第一補助部材Ｔ１と直交するようにロールＲ１を配置し、第二補助部材Ｔ２及び第三補助部材Ｔ３の下側に第二補助部材Ｔ２及び第三補助部材Ｔ３と直交するようにロールＲ２を配置する。つまり、被接合金属部材１は、図１１の（ｂ）に示すように、上側に凸の状態でロールＲ１，Ｒ２の間に配置され、第一補助部材Ｔ１乃至第三補助部材Ｔ３を介してロールＲ１，Ｒ２に狭持される。
【００８９】
第一補助部材Ｔ１乃至第三補助部材Ｔ３は、ロール矯正を行う際の当て材であるとともに、被接合金属部材１が傷つかないようにするための部材である。第一補助部材Ｔ１乃至第三補助部材Ｔ３は、被接合金属部材１よりも軟質の材料であればよく、例えば、アルミニウム合金、硬質ゴム、プラスチック、木材を用いることができる。
【００９０】
ここで、ロールＲ１，Ｒ２が互いに近づいて被接合金属部材１に圧力を加えると、図１１の（ｂ）及び（ｃ）に示すように、第一補助部材Ｔ１が被接合金属部材１を下側に押し、第二補助部材Ｔ２及び第三補助部材Ｔ３が被接合金属部材１の両端側を上側に押すため、被接合金属部材１には曲げモーメントが作用する。この曲げモーメントは被接合金属部材１の裏面Ｂ側に引張応力を発生させるため、被接合金属部材１が強制的に下側に凸に撓ませられる。
【００９１】
また、図１１の（ａ）に示すように、ロールＲ１が矢印α方向に回転するとともに、ロールＲ２が矢印β方向に回転すると、ロールＲ１，Ｒ２は被接合金属部材１に対して矢印γ方向（ロール送り方向）に相対的に移動する。また、ロールＲ１が矢印β方向に回転するとともにロールＲ２が矢印α方向に回転すると、ロールＲ１，Ｒ２は被接合金属部材１に対して矢印δ方向（ロール送り方向）に相対的に移動する。
【００９２】
したがって、被接合金属部材１に作用する曲げモーメントの位置が、その相対的な移動に伴って遷移していくため、被接合金属部材１の全体が強制的に下側に凸に撓まされる。そのため、この相対的な移動を繰り返して往復動させることによって、反りを矯正していくことが可能になる。なお、第一補助部材Ｔ１乃至第三補助部材Ｔ３は、被接合金属部材１の力学特性や反りの曲率に応じて、反りとは反対側に撓ませて反りを矯正するのに十分な厚みで設定すればよい。
【００９３】
また、被接合金属部材１の縦方向にロールＲ１，Ｒ２を回転させて矯正工程を行なった後、横方向にロールＲ１，Ｒ２を回転させてもよい。即ち、第一補助部材Ｔ１乃至第三補助部材Ｔ３を横方向と平行になるように配置するとともに、第一補助部材Ｔ１乃至第三補助部材Ｔ３に対して直交するようにロールＲ１，Ｒ２を配置する。そして、ロールＲ１，Ｒ２を横方向に往復動させる。これにより、被接合金属部材１をバランスよく矯正することができる。
【００９４】
また、ここでは、被接合金属部材１の表面Ａを上にして、歪矯正工程を行うものとして説明したが、裏返さずに裏面Ｂを上にして歪矯正工程を行うようにしてもよい。この場合、前記した各構成部品は、表裏対称に表れるため、説明を省略する。
【００９５】
以上説明した本実施形態によれば、裏面Ｂ側から摩擦攪拌接合を行う前に、裏面Ｂ側に現れる突合部Ｊ１に対して溶接を行うことで、被接合金属部材１の裏面Ｂに熱収縮が発生し、被接合金属部材１に発生している歪みをある程度矯正することができる。これにより、被接合金属部材１が比較的平坦な状態で第二摩擦攪拌工程を行うことができるため、本接合用回転ツールＧの押し込み量の調節等を容易に行うことができ、高品質な接合を行うことができる。また、本実施形態によれば、バリの大量発生や摩擦攪拌装置に作用する過負荷を防止することができる。
【００９６】
また、前記した矯正工程を行うことで、第一摩擦攪拌工程、溶接矯正工程及び第二摩擦攪拌工程で発生した被接合金属部材１の歪みを矯正して平坦な部材を形成することができる。
【００９７】
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、本実施形態では、第一摩擦攪拌工程と第二摩擦攪拌工程で同じ本接合用回転ツールＧを用いたが、それぞれ異なる回転ツールを用いてもよい。即ち、被接合金属部材１の表面Ａ側から行う第一摩擦攪拌工程、裏面Ｂ側から行う溶接矯正工程及び第二摩擦攪拌工程でそれぞれ発生する熱収縮を考慮しながら各工程を行うことで、被接合金属部材１の歪みを極力小さくすることができる。
【００９８】
また、表面側塑性化領域Ｗ１に形成されるトンネル状空洞欠陥を封入するように、第二摩擦攪拌工程の回転ツールの大きさや押込み量を適宜設定してもよい。これにより、より気密性及び水密性の高い被接合金属部材１を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００９９】
【図１】本実施形態に係る金属部材、第一タブ材、第二タブ材の配置を説明するための図であって、（ａ）は斜視図、（ｂ）は平面図、（ｃ）は（ｂ）のＩ−Ｉ線断面図、（ｄ）は（ｂ）のII−II線断面図である。
【図２】（ａ）は仮接合用回転ツールを説明するための側面図、（ｂ）は本接合用回転ツールを説明するための側面図である。
【図３】本実施形態に係る第一タブ材接合工程、仮接合工程、第二タブ材接合工程を説明するための平面図である。
【図４】（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は、本実施形態に係る第一摩擦攪拌工程を説明するための図３のIII−III線断面図である。
【図５】第一摩擦攪拌工程を終了して被接合金属部材の裏面を上方に向けて配置した斜視図である。
【図６】本実施形態に係る溶接矯正工程を示した斜視図である。
【図７】本実施形態に係る第二摩擦攪拌工程を示した図であって、（ａ）は、斜視図、（ｂ）は、断面図である。
【図８】本実施形態に係るプレス矯正を示した斜視図である。
【図９】（ａ）は、プレス矯正の矯正前、（ｂ）は、矯正中を示した断面図である。
【図１０】本実施形態に係るプレス矯正を説明するための被接合金属部材の平面図である。
【図１１】本実施形態に係るロール矯正を示した図であって、（ａ）は、斜視図、（ｂ）は、矯正前の断面図、（ｃ）は、矯正中の断面図である。
【図１２】従来の摩擦攪拌接合を示した断面図である。
【符号の説明】
【０１００】
１ 接合金属部材
１ａ 金属部材
１ｂ 金属部材
２ 第一タブ材
３ 第二タブ材
Ｊ１〜Ｊ３ 突合部
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
Ｆ１ ショルダ部
Ｆ２ 攪拌ピン
Ｇ 本接合用回転ツール
Ｇ１ ショルダ部
Ｇ２ 攪拌ピン
Ｕ１〜Ｕ４ 溶接金属
Ｗ１，Ｗ２ 塑性化領域
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の金属部材同士を突き合わせて形成された突合部に対して、表面側から摩擦攪拌接合を行う第一摩擦攪拌工程と、裏面側から摩擦攪拌接合を行う第二摩擦攪拌工程とを含み、前記第一摩擦攪拌工程と前記第二摩擦攪拌工程で形成された塑性化領域を重複させる接合方法であって、
前記第一摩擦攪拌工程を行った後に、前記突合部に対して前記裏面側から溶接を行う溶接矯正工程を含むことを特徴とする接合方法。
【請求項２】
前記溶接矯正工程では、前記突合部に対して交差する方向にさらに溶接を行うことを特徴とする請求項１に記載の接合方法。
【請求項３】
第二摩擦攪拌工程では、前記溶接矯正工程によって前記突合部に対して肉盛りされた溶接金属を回転ツールのピンによって摩擦攪拌することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の接合方法。
【請求項４】
前記第一摩擦攪拌工程は、小型の回転ツールによって仮接合を行う仮接合工程と、当該仮接合工程で用いた回転ツールよりも大型の回転ツールを用いて本接合を行う本接合工程と、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】
前記第一摩擦攪拌工程の前に、前記突合部の両側に一対のタブ材を配置するタブ材配置工程と、前記タブ材と前記金属部材との突合部に沿って摩擦攪拌を行うタブ材仮接合工程と、を含むことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の接合方法。
【請求項６】
摩擦攪拌接合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下穴形成工程を含むことを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の接合方法。
【請求項１】
一対の金属部材同士を突き合わせて形成された突合部に対して、表面側から摩擦攪拌接合を行う第一摩擦攪拌工程と、裏面側から摩擦攪拌接合を行う第二摩擦攪拌工程とを含み、前記第一摩擦攪拌工程と前記第二摩擦攪拌工程で形成された塑性化領域を重複させる接合方法であって、
前記第一摩擦攪拌工程を行った後に、前記突合部に対して前記裏面側から溶接を行う溶接矯正工程を含むことを特徴とする接合方法。
【請求項２】
前記溶接矯正工程では、前記突合部に対して交差する方向にさらに溶接を行うことを特徴とする請求項１に記載の接合方法。
【請求項３】
第二摩擦攪拌工程では、前記溶接矯正工程によって前記突合部に対して肉盛りされた溶接金属を回転ツールのピンによって摩擦攪拌することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の接合方法。
【請求項４】
前記第一摩擦攪拌工程は、小型の回転ツールによって仮接合を行う仮接合工程と、当該仮接合工程で用いた回転ツールよりも大型の回転ツールを用いて本接合を行う本接合工程と、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】
前記第一摩擦攪拌工程の前に、前記突合部の両側に一対のタブ材を配置するタブ材配置工程と、前記タブ材と前記金属部材との突合部に沿って摩擦攪拌を行うタブ材仮接合工程と、を含むことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の接合方法。
【請求項６】
摩擦攪拌接合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下穴形成工程を含むことを特徴とする請求項４又は請求項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２０１０−１２５４９５（Ｐ２０１０−１２５４９５Ａ）
【公開日】平成２２年６月１０日（２０１０．６．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−３０３７２８（Ｐ２００８−３０３７２８）
【出願日】平成２０年１１月２８日（２００８．１１．２８）
【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２２年６月１０日（２０１０．６．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１１月２８日（２００８．１１．２８）
【出願人】（０００００４７４３）日本軽金属株式会社 (627)
【Ｆターム（参考）】
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