接合方法
【課題】突合部に対して溶接を行った後に摩擦攪拌接合を行う接合方法において、摩擦攪拌によって形成された塑性化領域に溶接金属が混入し難い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１，１の表面１２側に現れる突合部Ｊ１に、金属部材１，１の表面１２よりも盛り上がった肉盛部Ｇを肉盛溶接によって形成して突合部Ｊ１を接合する仮接合工程と、突合部Ｊ１に対して摩擦攪拌用回転ツールＫによって摩擦攪拌を行って金属部材１，１を接合する本接合工程と、を含む接合方法であって、前記本接合工程では、ショルダ部Ｋ１の外周面で摩擦攪拌用回転ツールＫの進行方向前側に形成された肉盛部Ｇを剥ぎ取りながら突合部Ｊ１を摩擦攪拌接合する。
【解決手段】一対の金属部材１，１の表面１２側に現れる突合部Ｊ１に、金属部材１，１の表面１２よりも盛り上がった肉盛部Ｇを肉盛溶接によって形成して突合部Ｊ１を接合する仮接合工程と、突合部Ｊ１に対して摩擦攪拌用回転ツールＫによって摩擦攪拌を行って金属部材１，１を接合する本接合工程と、を含む接合方法であって、前記本接合工程では、ショルダ部Ｋ１の外周面で摩擦攪拌用回転ツールＫの進行方向前側に形成された肉盛部Ｇを剥ぎ取りながら突合部Ｊ１を摩擦攪拌接合する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属部材の接合方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属部材同士を接合する方法として、摩擦攪拌接合（ＦＳＷ＝Friction Stir Welding）が知られている。摩擦攪拌接合は、回転ツールを回転させつつ金属部材同士の突合部に沿って移動させ、回転ツールと金属部材との摩擦熱により突合部の金属を塑性流動させることで、金属部材同士を固相接合させるものである。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】
例えば、特許文献１には、金属部材同士の突合部に予め溝を形成し、当該溝に肉盛溶接を行なった後、肉盛溶接によって形成された溶接金属に対して回転ツールを圧入して摩擦攪拌接合を行う技術が開示されている。かかる接合方法によれば、突合部を仮接合した後に、摩擦攪拌接合を行うことができるため、摩擦攪拌接合時の金属部材同士の目開きを防ぐことができる。また、予め溝を形成することで肉盛溶接の作業を容易に行うことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−２８４６０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に係る摩擦攪拌接合では、溶接金属の上方から回転ツールを押し込み、金属部材と溶接金属とを一緒に摩擦攪拌するため、摩擦攪拌によって形成された塑性化領域に溶接金属が多く混入するという問題があった。
【０００６】
このような観点から本発明は、突合部に対して溶接を行った後に摩擦攪拌接合を行う接合方法において、摩擦攪拌によって形成された塑性化領域に溶接金属が混入し難い接合方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
このような課題を解決する本発明は、一対の金属部材の突合部に、前記金属部材の表面よりも盛り上がった肉盛部を肉盛溶接によって形成して前記突合部を接合する仮接合工程と、前記突合部に対して摩擦攪拌用回転ツールによって摩擦攪拌を行って前記金属部材同士を接合する本接合工程と、を含む接合方法であって、前記摩擦攪拌用回転ツールは、柱状のショルダ部と、このショルダ部の底面中央に突設された攪拌ピンとを備え、前記本接合工程では、前記ショルダ部の外周面で前記摩擦攪拌用回転ツールの進行方向前側に形成された前記肉盛部を剥ぎ取りながら前記突合部に対して摩擦攪拌接合を行うことを特徴とする。
【０００８】
かかる接合方法によれば、本接合工程において、肉盛溶接よって形成された肉盛部が摩擦攪拌用回転ツールの移動に伴って剥ぎ取られるため、摩擦攪拌によって形成される塑性化領域に溶接金属が混入し難くなる。これにより、接合部分の品質を向上させることができる。なお、前記仮接合工程では、肉盛部を突合部に沿って連続的に形成してもよいし、断続的に形成してもよい。
【０００９】
また、前記本接合工程では、前記ショルダ部の下端面を前記金属部材の表面よりも下方に押し込み、前記肉盛部とともに前記金属部材の表層を剥ぎ取りながら前記突合部に対して摩擦攪拌接合を行うことが好ましい。かかる接合方法によれば、肉盛部をより確実に剥ぎ取ることができる。
【００１０】
また、前記本接合工程では、前記摩擦攪拌用回転ツールの前進角を０°に設定して相対的に移動させることが好ましい。かかる接合方法によれば、塑性化領域内に肉盛部が混入し難くなるとともに、金属部材の表面を均一に押圧することができる。
【００１１】
また、前記仮接合工程の前に、前記突合部の側方の両側にタブ材を配置して、前記金属部材と前記タブ材とを突き合わせるタブ材配置工程と、前記タブ材と前記金属部材とを接合するタブ材接合工程と、を含み、前記本接合工程では、前記タブ材に設定される摩擦攪拌の開始位置を、前記肉盛部の一端から前記摩擦攪拌用回転ツールの前記ショルダ部の外径の１／２よりも離れた位置に設定することが好ましい。
【００１２】
かかる接合方法によれば、本接合工程の開始位置を容易に設定することができる。また、摩擦攪拌用回転ツールで肉盛部を押し込まないため、塑性化領域に溶接金属がより混入し難くなる。
【００１３】
また、前記本接合工程の前に、摩擦攪拌を行う開始位置に前記摩擦攪拌用回転ツールの前記攪拌ピンを挿入するための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、摩擦攪拌用回転ツールを金属部材に押し込む際の圧入抵抗を小さくすることができる。
【００１４】
また、一対の前記金属部材の突合部に対して、前記金属部材の裏面側から前記摩擦攪拌用回転ツールによって摩擦攪拌接合を行う本接合工程を行って、前記金属部材の表面側に形成された塑性化領域と、前記金属部材の裏面側に形成された塑性化領域とを重複させることが好ましい。かかる接合法によれば、突合部の気密性及び水密性を高めることができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係る接合方法によれば、突合部に対して溶接を行った後に当該溶接部分に対して摩擦攪拌接合を行っても、摩擦攪拌によって形成された塑性化領域に溶接金属が混入し難い。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】第一の実施形態に係る金属部材、第一タブ材および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】第一の実施形態で用いる摩擦攪拌用回転ツールを示した図であって、（ａ）は、側断面図、（ｂ）は、底面図である。
【図３】第一の実施形態に係る第一の予備工程を示した斜視図である。
【図４】第一の実施形態に係る第一の本接合工程を示した図であって、（ａ）は、開始位置を示し、（ｂ）は、金属部材内における摩擦攪拌時を示した拡大断面図である。
【図５】第一の実施形態に係る第二の本接合工程を示した断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
［ 第一の実施形態 ］
第一の実施形態では、図１に示すように、金属部材１，１を直線状に繋ぎ合せる場合を例示する。すなわち、第一の実施形態は、摩擦攪拌を利用した金属部材同士の接合方法であって、金属部材同士の突合部に対して仮接合としての溶接を行った後に、仮接合された状態の突合部に対して本接合としての摩擦攪拌を行う接合方法を例示する。
まず、接合すべき金属部材１，１を詳細に説明するとともに、この金属部材１，１を接合する際に用いられる第一タブ材２と第二タブ材３を詳細に説明する。
【００１８】
金属部材１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。本実施形態では、一方の金属部材１および他方の金属部材１を、同一組成の金属材料で形成している。金属部材１，１の形状・寸法に特に制限はないが、少なくとも突合部Ｊ１における厚さ寸法を同一にすることが望ましい。
【００１９】
第一タブ材２および第二タブ材３は、金属部材１，１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、金属部材１，１に添設され、金属部材１の側面１４側に現れる金属部材１，１の継ぎ目（境界線）を覆い隠す。第一タブ材２および第二タブ材３の材質に特に制限はないが、本実施形態では、金属部材１と同一組成の金属材料で形成している。また、第一タブ材２および第二タブ材３の形状・寸法にも特に制限はないが、本実施形態では、その厚さ寸法を突合部Ｊ１における金属部材１の厚さ寸法と同一にしている。
【００２０】
次に、図２を参照して、本接合に用いる本接合用回転ツールＫ（摩擦攪拌用回転ツールＫともいう）を詳細に説明する。
【００２１】
図２の（ａ）に示す摩擦攪拌用回転ツールＫは、工具鋼など金属部材１よりも硬質の金属材料からなり、円柱状を呈するショルダ部Ｋ１と、このショルダ部Ｋ１の下端面Ｋ１１に突設された攪拌ピン（プローブ）Ｋ２と、下端面Ｋ１１に突設された攪拌用突条体Ｋ３と、攪拌ピンＫ２の周面に刻設された攪拌翼Ｋ４とを備えて構成されている。摩擦攪拌用回転ツールＫの寸法・形状は、金属部材１の材質や厚さ等に応じて設定すればよい。
【００２２】
攪拌ピンＫ２は、ショルダ部Ｋ１の下端面Ｋ１１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。平坦に形成されたショルダ部Ｋ１の下端面Ｋ１１には、攪拌用突条体Ｋ３が突設されている。攪拌用突条体Ｋ３は、図２の（ｂ）に示すように、攪拌ピンＫ２の周囲を取り囲むように下端面Ｋ１１に渦巻き状に形成されている。攪拌用突条体Ｋ３を備えることで、塑性流動化された金属が攪拌ピンＫ２側に流動するため、摩擦攪拌の効率を高めるとともに接合欠陥の発生を防止することができる。なお、攪拌用突条体Ｋ３の長さや巻回数等は適宜設定すればよい。攪拌ピンＫ２の周面には、攪拌効果を高めるために螺旋状に刻設された攪拌翼Ｋ４が形成されている。
【００２３】
攪拌ピンＫ２の長さＬ１は、突合部Ｊ１（図１の（ａ）参照）における金属部材１の肉厚ｔの１／２以上３／４以下となるように設定することが望ましく、より好適には、１．０１≦２Ｌ１／ｔ≦１．１０という関係を満たすように設定することが望ましい。
【００２４】
攪拌ピンＫ２の最大外径Ｙ２に対する攪拌ピンＫ２の長さＬ１の比は、１．３３〜２．０３で構成することが望ましい。また、攪拌ピンＫ２の最小外径Ｙ３に対する攪拌ピンＫ２の最大外径Ｙ２の比は、２．００〜２．６７で構成することが望ましい。また、攪拌ピンＫ２の最大外径Ｙ２に対するショルダ部Ｋ１の外径Ｙ１の比が、１．５６〜２．１４で構成することが望ましい。
【００２５】
以下、本実施形態に係る接合方法について説明する。
本実施形態に係る接合方法は、（１）準備工程、（２）第一の予備工程、（３）第一の本接合工程、（４）第二の予備工程、（５）第二の本接合工程を含む。なお、第一の予備工程、第一の本接合工程は、金属部材１の表面１２側から実行される工程であり、第二の予備工程、第二の本接合工程は、金属部材１の裏面１３側から実行される工程である。
【００２６】
（１）準備工程 ：
図１を参照して準備工程を説明する。準備工程は、接合すべき金属部材１，１や摩擦攪拌の開始位置や終了位置が設けられる当て部材（第一タブ材２および第二タブ材３）を準備する工程であり、本実施形態では、接合すべき金属部材１，１を突き合せる突合工程と、金属部材１，１の突合部Ｊ１の両側に第一タブ材２と第二タブ材３を配置するタブ材配置工程と、第一タブ材２と第二タブ材３を溶接により金属部材１，１に仮接合する溶接工程とを具備している。
【００２７】
突合工程では、図１の（ｃ）に示すように、一方の金属部材１の側面１１に他方の金属部材１の側面１１を密着させるとともに、一方の金属部材１の表面１２と他方の金属部材１の表面１２を面一にし、さらに、一方の金属部材１の裏面１３と他方の金属部材１の裏面１３を面一にする。
【００２８】
タブ材配置工程では、図１の（ｂ）に示すように、金属部材１，１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を金属部材１，１の側面１４，１４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を金属部材１，１の側面１４，１４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を金属部材１の表面１２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を金属部材１の裏面１３と面一にする。
【００２９】
溶接工程では、図１の（ａ）および（ｂ）に示すように、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（すなわち、金属部材１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２ａ，２ａ）を溶接して金属部材１と第一タブ材２とを接合し、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（すなわち、金属部材１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３ａ，３ａ）を溶接して金属部材１と第二タブ材３とを接合する。なお、入隅部２ａ，３ａ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。
【００３０】
準備工程が終了したら、金属部材１，１、第一タブ材２および第二タブ材３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。なお、溶接工程を省略する場合には、図示せぬ摩擦攪拌装置の架台上で、突合工程とタブ材配置工程を実行する。
【００３１】
（２）第一の予備工程 ：
第一の予備工程は、第一の本接合工程に先だって行われる工程であり、本実施形態では、金属部材１，１と第一タブ材２との突合部Ｊ２を肉盛溶接により接合する第一タブ材接合工程と、金属部材１，１の突合部Ｊ１を肉盛溶接により仮接合する仮接合工程と、金属部材１，１と第二タブ材３との突合部Ｊ３を肉盛溶接により接合する第二タブ材接合工程と、第一の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具備している。
【００３２】
第一タブ材接合工程では、図３に示すように、金属部材１，１と第一タブ材２との突合部Ｊ２に対してＴＩＧ溶接又はＭＩＧ溶接等の肉盛溶接を行う。これにより、突合部Ｊ２には、溶接金属からなる肉盛部Ｇが形成される。肉盛部Ｇは、金属部材１，１の表面１２よりも突出するように形成される。同様に、第二タブ材接合工程では、金属部材１，１と第二タブ材３との突合部Ｊ３に対してＴＩＧ溶接又はＭＩＧ溶接等の肉盛溶接を行う。
【００３３】
仮接合工程では、金属部材１，１の突合部Ｊ１の全長に亘って、ＴＩＧ溶接又はＭＩＧ溶接等の肉盛溶接を行う。これにより、突合部Ｊ１には、溶接金属からなる肉盛部Ｇが形成される。肉盛部Ｇは、金属部材１，１の表面１２よりも突出するように形成される。なお、本実施形態では、突合部Ｊ１の全長に亘って連続的に肉盛溶接を行ったが、断続的に肉盛溶接を行ってもよい。これにより、作業手間を少なくすることができる。
【００３４】
下穴形成工程は、図４の（ａ）に示すように、第一の本接合工程における摩擦攪拌の開始位置ＳＭ１に下穴Ｐ１を形成する工程である。下穴Ｐ１を設けることで、摩擦攪拌用回転ツールＫを金属部材１に押し込む際の圧入抵抗を低減することができる。本実施形態では、下穴Ｐ１の中心から、肉盛部Ｇの第二タブ材３側の一端までの距離ｄ１０を、摩擦攪拌用回転ツールＫのショルダ部Ｋ１の外径Ｙ１の二分の一よりも大きく設定している。これにより、摩擦攪拌用回転ツールＫを第二タブ材３に圧入する際に、摩擦攪拌用回転ツールＫが肉盛部Ｇを上方から押し込むことがないため、肉盛部Ｇが塑性化領域に混入し難い。
【００３５】
（３）第一の本接合工程 ：
第一の本接合工程は、金属部材１，１の突合部Ｊ１を表面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の本接合工程では、図２に示す摩擦攪拌用回転ツールＫを使用し、金属部材１の表面１２側から突合部Ｊ１に形成された肉盛部Ｇを剥ぎ取りながら摩擦攪拌接合を行う。
【００３６】
第一の本接合工程では、図４の（ａ）及び（ｂ）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Ｋの攪拌ピンＫ２を挿入（圧入）し、挿入した攪拌ピンＫ２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。すなわち、第一の本接合工程では、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。
【００３７】
図４の（ａ）及び（ｂ）を参照して第一の本接合工程について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）の直上に摩擦攪拌用回転ツールＫを位置させ、続いて、摩擦攪拌用回転ツールＫを右回転させつつ下降させる。摩擦攪拌用回転ツールＫを所定の押込み量で第二タブ材３に圧入したら、その押込み量を保った状態で摩擦攪拌用回転ツールＫを突合部Ｊ１に向けて相対移動させる。本実施形態では、摩擦攪拌用回転ツールＫの回転軸と金属部材１の表面との角度（前進角）を０°に設定して摩擦攪拌用回転ツールＫを移動させる。
【００３８】
図４の（ｂ）に示すように、摩擦攪拌用回転ツールＫが肉盛部Ｇに接触すると、高速回転するショルダ部Ｋ１の外周面で摩擦攪拌用回転ツールＫの進行方向前側を覆っている肉盛部Ｇを剥ぎ取るとともに、攪拌ピンＫ２および攪拌用突条体Ｋ３で摩擦攪拌接合を行う。当該摩擦攪拌接合によって、突合部Ｊ１には表側塑性化領域Ｗ１が形成される。
【００３９】
本実施形態では、摩擦攪拌用回転ツールＫの押込み量ＬＫ（金属部材１の表面１２からショルダ部Ｋ１の下端面Ｋ１１までの距離）は、例えば０．５ｍｍ〜１．０ｍｍに設定する。このように、ショルダ部Ｋ１の下端面Ｋ１１が肉盛部Ｇの下端よりも下側に位置した状態で摩擦攪拌接合を行うことにより、金属部材１の表層が剥ぎ取られる。これにより、表層とともに肉盛部Ｇを確実に剥ぎ取ることができる。なお、押込み量ＬＫは、肉盛部Ｇを剥ぎ取ることができる量（長さ）で適宜設定すればよい。
摩擦攪拌用回転ツールＫが第一タブ材２に設定した終了位置ＥＭ１に達したら、摩擦攪拌用回転ツールＫを第一タブ材２から離脱させる。
【００４０】
（４）第二の予備工程 ：
第二の予備工程では、第一の本接合工程が終了したら、金属部材１，１の表裏を逆にして第二の本接合工程の開始位置に下穴を形成する下穴形成工程を行う。
【００４１】
（５）第二の本接合工程 ：
第二の本接合工程は、金属部材１，１の突合部Ｊ１を裏面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の本接合工程では、図５に示すように、摩擦攪拌用回転ツールＫを使用し、第二タブ材３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、突合部Ｊ１に沿って摩擦攪拌接合を行う。第二の本接合工程では、金属部材１，１の表面側に形成された表側塑性化領域Ｗ１と裏面側に形成された裏側塑性化領域Ｗ２との先端側が重複することが好ましい。かかる構成によれば、突合部Ｊ１の深さ方向全体に対して摩擦攪拌接合を行うことができるため、水密性および気密性を高めることができる。本実施形態に係る第二の本接合工程では、摩擦攪拌用回転ツールＫの攪拌ピンＫ２の先端を、表側塑性化領域Ｗ１に入り込ませて摩擦攪拌を行う。これにより、表側塑性化領域Ｗ１に仮に接合欠陥が発生した場合であっても、当該接合欠陥を補修することができる。
【００４２】
以上説明した本実施形態では、仮接合工程を行うことで、金属部材１，１を仮付けした状態で第一の本接合工程を行うことができるため、金属部材１，１の目開きを防止することができる。また、第一の本接合工程では、仮接合工程で形成された肉盛部Ｇを剥ぎ取りながら摩擦攪拌接合を行うため、摩擦攪拌によって形成される塑性化領域に溶接金属が混入し難い。これにより、接合部分の品質をより高めることができる。
【００４３】
また、図４の（ａ）に示すように、下穴Ｐ１の中心から、肉盛部Ｇの第二タブ材３側の一端までの距離ｄ１０を、摩擦攪拌用回転ツールＫのショルダ部Ｋ１の外径Ｙ１の二分の一よりも大きく設定している。これにより、摩擦攪拌用回転ツールＫを第二タブ材３に圧入する際に、摩擦攪拌用回転ツールＫが肉盛部Ｇを上方から押し込むことがないため、肉盛部Ｇが塑性化領域に混入し難い。また、肉盛部Ｇの一端部に摩擦攪拌用回転ツールＫのショルダ部Ｋ１の外周面が当たるので、肉盛部Ｇをきれいに剥ぎ取ることができる。
【００４４】
また、本実施形態では、摩擦攪拌用回転ツールＫの前進角を０°で設定したため、肉盛部Ｇが塑性化領域内に巻き込まれるのを防ぐことができるとともに、金属部材１の表面１２を均一に押圧することができる。
【００４５】
なお、本実施形態は前記した工程に限定されるものではなく適宜変更が可能である。例えば、第二の本接合工程を行う前に、金属部材１，１の裏面側に現れる突合部Ｊ１に対して肉盛溶接を行ってもよい。この場合は、第二の本接合工程において、第一の本接合工程と同様に肉盛部を剥ぎ取りながら摩擦攪拌接合を行うことが好ましい。
また、本実施形態では、摩擦攪拌用回転ツールＫの前進角を０°で設定したが、肉盛部Ｇが塑性化領域に巻き込まれない程度に摩擦攪拌用回転ツールＫを傾けて移動させてもよい。
【００４６】
以上、本発明の実施形態について説明したが、前記した形態に限定されず発明の趣旨を逸脱しない範囲において適宜変更してもかまわない。例えば、本実施形態では、摩擦攪拌用回転ツールＫに、攪拌用突条体Ｋ３を設けたが、攪拌用突条体Ｋ３を備えていない回転ツールを用いてもよい。
【実施例】
【００４７】
摩擦攪拌用回転ツールＫの各要素の条件（寸法）を表１に示す。表１は、摩擦攪拌用回転ツールＫと同等の構成からなるツールＩ〜ツールＩＶにおいて、ピン（攪拌ピン）長さ
、ピンの最大径、ピンの最小径及びショルダ径の各寸法、各寸法の割合及び回転数・接合速度を示す。表１に記載した各ツールＩ〜ツールＩＶを用いて、一対のアルミニウム合金（５０５２アルミニウム合金）に対して摩擦攪拌接合を行い各ツールＩ〜ツールＩＶにおける接合状況について観察した。
【００４８】
【表１】
【００４９】
ピンの長さ／ピン最大径の値が２．０３を超えると、ピンが破損した。一方、ピンの長さ／ピン最大径の値が１．３３未満であると、摩擦攪拌装置への負荷が大きくなるため不適切であった。
【００５０】
ピン最大径／ピン最小径の値が２．６７を超えると、ピン最大径が大き過ぎてメタルが溢れ出し、表面欠陥が発生した。一方、ピン最大径／ピン最小径の値が２．００未満であると、ピン最大径が小さ過ぎて、ピン先端の入熱が不足して接合欠陥が発生した。
【００５１】
ショルダ径／ピン最大径の値が２．１４を超えると、表面欠陥の発生は防げるが、摩擦攪拌装置への負荷が大きくなり不適切であった。一方、ショルダ径／ピン最大径の値が１．５６未満であると、ショルダからメタルが溢れ出して表面欠陥が発生した。
【符号の説明】
【００５２】
１ 金属部材
２ 第一タブ材
３ 第二タブ材
Ｊ１〜Ｊ３ 突合部
Ｇ 肉盛部
Ｋ 摩擦攪拌用回転ツール
Ｋ１ ショルダ部
Ｋ２ 攪拌ピン
Ｋ３ 攪拌用突条体
Ｋ４ 攪拌翼
Ｐ１ 下穴
Ｗ１，Ｗ２ 塑性化領域
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属部材の接合方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属部材同士を接合する方法として、摩擦攪拌接合（ＦＳＷ＝Friction Stir Welding）が知られている。摩擦攪拌接合は、回転ツールを回転させつつ金属部材同士の突合部に沿って移動させ、回転ツールと金属部材との摩擦熱により突合部の金属を塑性流動させることで、金属部材同士を固相接合させるものである。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】
例えば、特許文献１には、金属部材同士の突合部に予め溝を形成し、当該溝に肉盛溶接を行なった後、肉盛溶接によって形成された溶接金属に対して回転ツールを圧入して摩擦攪拌接合を行う技術が開示されている。かかる接合方法によれば、突合部を仮接合した後に、摩擦攪拌接合を行うことができるため、摩擦攪拌接合時の金属部材同士の目開きを防ぐことができる。また、予め溝を形成することで肉盛溶接の作業を容易に行うことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−２８４６０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に係る摩擦攪拌接合では、溶接金属の上方から回転ツールを押し込み、金属部材と溶接金属とを一緒に摩擦攪拌するため、摩擦攪拌によって形成された塑性化領域に溶接金属が多く混入するという問題があった。
【０００６】
このような観点から本発明は、突合部に対して溶接を行った後に摩擦攪拌接合を行う接合方法において、摩擦攪拌によって形成された塑性化領域に溶接金属が混入し難い接合方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
このような課題を解決する本発明は、一対の金属部材の突合部に、前記金属部材の表面よりも盛り上がった肉盛部を肉盛溶接によって形成して前記突合部を接合する仮接合工程と、前記突合部に対して摩擦攪拌用回転ツールによって摩擦攪拌を行って前記金属部材同士を接合する本接合工程と、を含む接合方法であって、前記摩擦攪拌用回転ツールは、柱状のショルダ部と、このショルダ部の底面中央に突設された攪拌ピンとを備え、前記本接合工程では、前記ショルダ部の外周面で前記摩擦攪拌用回転ツールの進行方向前側に形成された前記肉盛部を剥ぎ取りながら前記突合部に対して摩擦攪拌接合を行うことを特徴とする。
【０００８】
かかる接合方法によれば、本接合工程において、肉盛溶接よって形成された肉盛部が摩擦攪拌用回転ツールの移動に伴って剥ぎ取られるため、摩擦攪拌によって形成される塑性化領域に溶接金属が混入し難くなる。これにより、接合部分の品質を向上させることができる。なお、前記仮接合工程では、肉盛部を突合部に沿って連続的に形成してもよいし、断続的に形成してもよい。
【０００９】
また、前記本接合工程では、前記ショルダ部の下端面を前記金属部材の表面よりも下方に押し込み、前記肉盛部とともに前記金属部材の表層を剥ぎ取りながら前記突合部に対して摩擦攪拌接合を行うことが好ましい。かかる接合方法によれば、肉盛部をより確実に剥ぎ取ることができる。
【００１０】
また、前記本接合工程では、前記摩擦攪拌用回転ツールの前進角を０°に設定して相対的に移動させることが好ましい。かかる接合方法によれば、塑性化領域内に肉盛部が混入し難くなるとともに、金属部材の表面を均一に押圧することができる。
【００１１】
また、前記仮接合工程の前に、前記突合部の側方の両側にタブ材を配置して、前記金属部材と前記タブ材とを突き合わせるタブ材配置工程と、前記タブ材と前記金属部材とを接合するタブ材接合工程と、を含み、前記本接合工程では、前記タブ材に設定される摩擦攪拌の開始位置を、前記肉盛部の一端から前記摩擦攪拌用回転ツールの前記ショルダ部の外径の１／２よりも離れた位置に設定することが好ましい。
【００１２】
かかる接合方法によれば、本接合工程の開始位置を容易に設定することができる。また、摩擦攪拌用回転ツールで肉盛部を押し込まないため、塑性化領域に溶接金属がより混入し難くなる。
【００１３】
また、前記本接合工程の前に、摩擦攪拌を行う開始位置に前記摩擦攪拌用回転ツールの前記攪拌ピンを挿入するための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、摩擦攪拌用回転ツールを金属部材に押し込む際の圧入抵抗を小さくすることができる。
【００１４】
また、一対の前記金属部材の突合部に対して、前記金属部材の裏面側から前記摩擦攪拌用回転ツールによって摩擦攪拌接合を行う本接合工程を行って、前記金属部材の表面側に形成された塑性化領域と、前記金属部材の裏面側に形成された塑性化領域とを重複させることが好ましい。かかる接合法によれば、突合部の気密性及び水密性を高めることができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係る接合方法によれば、突合部に対して溶接を行った後に当該溶接部分に対して摩擦攪拌接合を行っても、摩擦攪拌によって形成された塑性化領域に溶接金属が混入し難い。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】第一の実施形態に係る金属部材、第一タブ材および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】第一の実施形態で用いる摩擦攪拌用回転ツールを示した図であって、（ａ）は、側断面図、（ｂ）は、底面図である。
【図３】第一の実施形態に係る第一の予備工程を示した斜視図である。
【図４】第一の実施形態に係る第一の本接合工程を示した図であって、（ａ）は、開始位置を示し、（ｂ）は、金属部材内における摩擦攪拌時を示した拡大断面図である。
【図５】第一の実施形態に係る第二の本接合工程を示した断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
［ 第一の実施形態 ］
第一の実施形態では、図１に示すように、金属部材１，１を直線状に繋ぎ合せる場合を例示する。すなわち、第一の実施形態は、摩擦攪拌を利用した金属部材同士の接合方法であって、金属部材同士の突合部に対して仮接合としての溶接を行った後に、仮接合された状態の突合部に対して本接合としての摩擦攪拌を行う接合方法を例示する。
まず、接合すべき金属部材１，１を詳細に説明するとともに、この金属部材１，１を接合する際に用いられる第一タブ材２と第二タブ材３を詳細に説明する。
【００１８】
金属部材１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。本実施形態では、一方の金属部材１および他方の金属部材１を、同一組成の金属材料で形成している。金属部材１，１の形状・寸法に特に制限はないが、少なくとも突合部Ｊ１における厚さ寸法を同一にすることが望ましい。
【００１９】
第一タブ材２および第二タブ材３は、金属部材１，１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、金属部材１，１に添設され、金属部材１の側面１４側に現れる金属部材１，１の継ぎ目（境界線）を覆い隠す。第一タブ材２および第二タブ材３の材質に特に制限はないが、本実施形態では、金属部材１と同一組成の金属材料で形成している。また、第一タブ材２および第二タブ材３の形状・寸法にも特に制限はないが、本実施形態では、その厚さ寸法を突合部Ｊ１における金属部材１の厚さ寸法と同一にしている。
【００２０】
次に、図２を参照して、本接合に用いる本接合用回転ツールＫ（摩擦攪拌用回転ツールＫともいう）を詳細に説明する。
【００２１】
図２の（ａ）に示す摩擦攪拌用回転ツールＫは、工具鋼など金属部材１よりも硬質の金属材料からなり、円柱状を呈するショルダ部Ｋ１と、このショルダ部Ｋ１の下端面Ｋ１１に突設された攪拌ピン（プローブ）Ｋ２と、下端面Ｋ１１に突設された攪拌用突条体Ｋ３と、攪拌ピンＫ２の周面に刻設された攪拌翼Ｋ４とを備えて構成されている。摩擦攪拌用回転ツールＫの寸法・形状は、金属部材１の材質や厚さ等に応じて設定すればよい。
【００２２】
攪拌ピンＫ２は、ショルダ部Ｋ１の下端面Ｋ１１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。平坦に形成されたショルダ部Ｋ１の下端面Ｋ１１には、攪拌用突条体Ｋ３が突設されている。攪拌用突条体Ｋ３は、図２の（ｂ）に示すように、攪拌ピンＫ２の周囲を取り囲むように下端面Ｋ１１に渦巻き状に形成されている。攪拌用突条体Ｋ３を備えることで、塑性流動化された金属が攪拌ピンＫ２側に流動するため、摩擦攪拌の効率を高めるとともに接合欠陥の発生を防止することができる。なお、攪拌用突条体Ｋ３の長さや巻回数等は適宜設定すればよい。攪拌ピンＫ２の周面には、攪拌効果を高めるために螺旋状に刻設された攪拌翼Ｋ４が形成されている。
【００２３】
攪拌ピンＫ２の長さＬ１は、突合部Ｊ１（図１の（ａ）参照）における金属部材１の肉厚ｔの１／２以上３／４以下となるように設定することが望ましく、より好適には、１．０１≦２Ｌ１／ｔ≦１．１０という関係を満たすように設定することが望ましい。
【００２４】
攪拌ピンＫ２の最大外径Ｙ２に対する攪拌ピンＫ２の長さＬ１の比は、１．３３〜２．０３で構成することが望ましい。また、攪拌ピンＫ２の最小外径Ｙ３に対する攪拌ピンＫ２の最大外径Ｙ２の比は、２．００〜２．６７で構成することが望ましい。また、攪拌ピンＫ２の最大外径Ｙ２に対するショルダ部Ｋ１の外径Ｙ１の比が、１．５６〜２．１４で構成することが望ましい。
【００２５】
以下、本実施形態に係る接合方法について説明する。
本実施形態に係る接合方法は、（１）準備工程、（２）第一の予備工程、（３）第一の本接合工程、（４）第二の予備工程、（５）第二の本接合工程を含む。なお、第一の予備工程、第一の本接合工程は、金属部材１の表面１２側から実行される工程であり、第二の予備工程、第二の本接合工程は、金属部材１の裏面１３側から実行される工程である。
【００２６】
（１）準備工程 ：
図１を参照して準備工程を説明する。準備工程は、接合すべき金属部材１，１や摩擦攪拌の開始位置や終了位置が設けられる当て部材（第一タブ材２および第二タブ材３）を準備する工程であり、本実施形態では、接合すべき金属部材１，１を突き合せる突合工程と、金属部材１，１の突合部Ｊ１の両側に第一タブ材２と第二タブ材３を配置するタブ材配置工程と、第一タブ材２と第二タブ材３を溶接により金属部材１，１に仮接合する溶接工程とを具備している。
【００２７】
突合工程では、図１の（ｃ）に示すように、一方の金属部材１の側面１１に他方の金属部材１の側面１１を密着させるとともに、一方の金属部材１の表面１２と他方の金属部材１の表面１２を面一にし、さらに、一方の金属部材１の裏面１３と他方の金属部材１の裏面１３を面一にする。
【００２８】
タブ材配置工程では、図１の（ｂ）に示すように、金属部材１，１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を金属部材１，１の側面１４，１４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を金属部材１，１の側面１４，１４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を金属部材１の表面１２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を金属部材１の裏面１３と面一にする。
【００２９】
溶接工程では、図１の（ａ）および（ｂ）に示すように、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（すなわち、金属部材１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２ａ，２ａ）を溶接して金属部材１と第一タブ材２とを接合し、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（すなわち、金属部材１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３ａ，３ａ）を溶接して金属部材１と第二タブ材３とを接合する。なお、入隅部２ａ，３ａ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。
【００３０】
準備工程が終了したら、金属部材１，１、第一タブ材２および第二タブ材３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。なお、溶接工程を省略する場合には、図示せぬ摩擦攪拌装置の架台上で、突合工程とタブ材配置工程を実行する。
【００３１】
（２）第一の予備工程 ：
第一の予備工程は、第一の本接合工程に先だって行われる工程であり、本実施形態では、金属部材１，１と第一タブ材２との突合部Ｊ２を肉盛溶接により接合する第一タブ材接合工程と、金属部材１，１の突合部Ｊ１を肉盛溶接により仮接合する仮接合工程と、金属部材１，１と第二タブ材３との突合部Ｊ３を肉盛溶接により接合する第二タブ材接合工程と、第一の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具備している。
【００３２】
第一タブ材接合工程では、図３に示すように、金属部材１，１と第一タブ材２との突合部Ｊ２に対してＴＩＧ溶接又はＭＩＧ溶接等の肉盛溶接を行う。これにより、突合部Ｊ２には、溶接金属からなる肉盛部Ｇが形成される。肉盛部Ｇは、金属部材１，１の表面１２よりも突出するように形成される。同様に、第二タブ材接合工程では、金属部材１，１と第二タブ材３との突合部Ｊ３に対してＴＩＧ溶接又はＭＩＧ溶接等の肉盛溶接を行う。
【００３３】
仮接合工程では、金属部材１，１の突合部Ｊ１の全長に亘って、ＴＩＧ溶接又はＭＩＧ溶接等の肉盛溶接を行う。これにより、突合部Ｊ１には、溶接金属からなる肉盛部Ｇが形成される。肉盛部Ｇは、金属部材１，１の表面１２よりも突出するように形成される。なお、本実施形態では、突合部Ｊ１の全長に亘って連続的に肉盛溶接を行ったが、断続的に肉盛溶接を行ってもよい。これにより、作業手間を少なくすることができる。
【００３４】
下穴形成工程は、図４の（ａ）に示すように、第一の本接合工程における摩擦攪拌の開始位置ＳＭ１に下穴Ｐ１を形成する工程である。下穴Ｐ１を設けることで、摩擦攪拌用回転ツールＫを金属部材１に押し込む際の圧入抵抗を低減することができる。本実施形態では、下穴Ｐ１の中心から、肉盛部Ｇの第二タブ材３側の一端までの距離ｄ１０を、摩擦攪拌用回転ツールＫのショルダ部Ｋ１の外径Ｙ１の二分の一よりも大きく設定している。これにより、摩擦攪拌用回転ツールＫを第二タブ材３に圧入する際に、摩擦攪拌用回転ツールＫが肉盛部Ｇを上方から押し込むことがないため、肉盛部Ｇが塑性化領域に混入し難い。
【００３５】
（３）第一の本接合工程 ：
第一の本接合工程は、金属部材１，１の突合部Ｊ１を表面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の本接合工程では、図２に示す摩擦攪拌用回転ツールＫを使用し、金属部材１の表面１２側から突合部Ｊ１に形成された肉盛部Ｇを剥ぎ取りながら摩擦攪拌接合を行う。
【００３６】
第一の本接合工程では、図４の（ａ）及び（ｂ）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Ｋの攪拌ピンＫ２を挿入（圧入）し、挿入した攪拌ピンＫ２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。すなわち、第一の本接合工程では、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。
【００３７】
図４の（ａ）及び（ｂ）を参照して第一の本接合工程について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）の直上に摩擦攪拌用回転ツールＫを位置させ、続いて、摩擦攪拌用回転ツールＫを右回転させつつ下降させる。摩擦攪拌用回転ツールＫを所定の押込み量で第二タブ材３に圧入したら、その押込み量を保った状態で摩擦攪拌用回転ツールＫを突合部Ｊ１に向けて相対移動させる。本実施形態では、摩擦攪拌用回転ツールＫの回転軸と金属部材１の表面との角度（前進角）を０°に設定して摩擦攪拌用回転ツールＫを移動させる。
【００３８】
図４の（ｂ）に示すように、摩擦攪拌用回転ツールＫが肉盛部Ｇに接触すると、高速回転するショルダ部Ｋ１の外周面で摩擦攪拌用回転ツールＫの進行方向前側を覆っている肉盛部Ｇを剥ぎ取るとともに、攪拌ピンＫ２および攪拌用突条体Ｋ３で摩擦攪拌接合を行う。当該摩擦攪拌接合によって、突合部Ｊ１には表側塑性化領域Ｗ１が形成される。
【００３９】
本実施形態では、摩擦攪拌用回転ツールＫの押込み量ＬＫ（金属部材１の表面１２からショルダ部Ｋ１の下端面Ｋ１１までの距離）は、例えば０．５ｍｍ〜１．０ｍｍに設定する。このように、ショルダ部Ｋ１の下端面Ｋ１１が肉盛部Ｇの下端よりも下側に位置した状態で摩擦攪拌接合を行うことにより、金属部材１の表層が剥ぎ取られる。これにより、表層とともに肉盛部Ｇを確実に剥ぎ取ることができる。なお、押込み量ＬＫは、肉盛部Ｇを剥ぎ取ることができる量（長さ）で適宜設定すればよい。
摩擦攪拌用回転ツールＫが第一タブ材２に設定した終了位置ＥＭ１に達したら、摩擦攪拌用回転ツールＫを第一タブ材２から離脱させる。
【００４０】
（４）第二の予備工程 ：
第二の予備工程では、第一の本接合工程が終了したら、金属部材１，１の表裏を逆にして第二の本接合工程の開始位置に下穴を形成する下穴形成工程を行う。
【００４１】
（５）第二の本接合工程 ：
第二の本接合工程は、金属部材１，１の突合部Ｊ１を裏面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の本接合工程では、図５に示すように、摩擦攪拌用回転ツールＫを使用し、第二タブ材３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、突合部Ｊ１に沿って摩擦攪拌接合を行う。第二の本接合工程では、金属部材１，１の表面側に形成された表側塑性化領域Ｗ１と裏面側に形成された裏側塑性化領域Ｗ２との先端側が重複することが好ましい。かかる構成によれば、突合部Ｊ１の深さ方向全体に対して摩擦攪拌接合を行うことができるため、水密性および気密性を高めることができる。本実施形態に係る第二の本接合工程では、摩擦攪拌用回転ツールＫの攪拌ピンＫ２の先端を、表側塑性化領域Ｗ１に入り込ませて摩擦攪拌を行う。これにより、表側塑性化領域Ｗ１に仮に接合欠陥が発生した場合であっても、当該接合欠陥を補修することができる。
【００４２】
以上説明した本実施形態では、仮接合工程を行うことで、金属部材１，１を仮付けした状態で第一の本接合工程を行うことができるため、金属部材１，１の目開きを防止することができる。また、第一の本接合工程では、仮接合工程で形成された肉盛部Ｇを剥ぎ取りながら摩擦攪拌接合を行うため、摩擦攪拌によって形成される塑性化領域に溶接金属が混入し難い。これにより、接合部分の品質をより高めることができる。
【００４３】
また、図４の（ａ）に示すように、下穴Ｐ１の中心から、肉盛部Ｇの第二タブ材３側の一端までの距離ｄ１０を、摩擦攪拌用回転ツールＫのショルダ部Ｋ１の外径Ｙ１の二分の一よりも大きく設定している。これにより、摩擦攪拌用回転ツールＫを第二タブ材３に圧入する際に、摩擦攪拌用回転ツールＫが肉盛部Ｇを上方から押し込むことがないため、肉盛部Ｇが塑性化領域に混入し難い。また、肉盛部Ｇの一端部に摩擦攪拌用回転ツールＫのショルダ部Ｋ１の外周面が当たるので、肉盛部Ｇをきれいに剥ぎ取ることができる。
【００４４】
また、本実施形態では、摩擦攪拌用回転ツールＫの前進角を０°で設定したため、肉盛部Ｇが塑性化領域内に巻き込まれるのを防ぐことができるとともに、金属部材１の表面１２を均一に押圧することができる。
【００４５】
なお、本実施形態は前記した工程に限定されるものではなく適宜変更が可能である。例えば、第二の本接合工程を行う前に、金属部材１，１の裏面側に現れる突合部Ｊ１に対して肉盛溶接を行ってもよい。この場合は、第二の本接合工程において、第一の本接合工程と同様に肉盛部を剥ぎ取りながら摩擦攪拌接合を行うことが好ましい。
また、本実施形態では、摩擦攪拌用回転ツールＫの前進角を０°で設定したが、肉盛部Ｇが塑性化領域に巻き込まれない程度に摩擦攪拌用回転ツールＫを傾けて移動させてもよい。
【００４６】
以上、本発明の実施形態について説明したが、前記した形態に限定されず発明の趣旨を逸脱しない範囲において適宜変更してもかまわない。例えば、本実施形態では、摩擦攪拌用回転ツールＫに、攪拌用突条体Ｋ３を設けたが、攪拌用突条体Ｋ３を備えていない回転ツールを用いてもよい。
【実施例】
【００４７】
摩擦攪拌用回転ツールＫの各要素の条件（寸法）を表１に示す。表１は、摩擦攪拌用回転ツールＫと同等の構成からなるツールＩ〜ツールＩＶにおいて、ピン（攪拌ピン）長さ
、ピンの最大径、ピンの最小径及びショルダ径の各寸法、各寸法の割合及び回転数・接合速度を示す。表１に記載した各ツールＩ〜ツールＩＶを用いて、一対のアルミニウム合金（５０５２アルミニウム合金）に対して摩擦攪拌接合を行い各ツールＩ〜ツールＩＶにおける接合状況について観察した。
【００４８】
【表１】
【００４９】
ピンの長さ／ピン最大径の値が２．０３を超えると、ピンが破損した。一方、ピンの長さ／ピン最大径の値が１．３３未満であると、摩擦攪拌装置への負荷が大きくなるため不適切であった。
【００５０】
ピン最大径／ピン最小径の値が２．６７を超えると、ピン最大径が大き過ぎてメタルが溢れ出し、表面欠陥が発生した。一方、ピン最大径／ピン最小径の値が２．００未満であると、ピン最大径が小さ過ぎて、ピン先端の入熱が不足して接合欠陥が発生した。
【００５１】
ショルダ径／ピン最大径の値が２．１４を超えると、表面欠陥の発生は防げるが、摩擦攪拌装置への負荷が大きくなり不適切であった。一方、ショルダ径／ピン最大径の値が１．５６未満であると、ショルダからメタルが溢れ出して表面欠陥が発生した。
【符号の説明】
【００５２】
１ 金属部材
２ 第一タブ材
３ 第二タブ材
Ｊ１〜Ｊ３ 突合部
Ｇ 肉盛部
Ｋ 摩擦攪拌用回転ツール
Ｋ１ ショルダ部
Ｋ２ 攪拌ピン
Ｋ３ 攪拌用突条体
Ｋ４ 攪拌翼
Ｐ１ 下穴
Ｗ１，Ｗ２ 塑性化領域
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の金属部材の突合部に、前記金属部材の表面よりも盛り上がった肉盛部を肉盛溶接によって形成して前記突合部を接合する仮接合工程と、前記突合部に対して摩擦攪拌用回転ツールによって摩擦攪拌を行って前記金属部材同士を接合する本接合工程と、を含む接合方法であって、
前記摩擦攪拌用回転ツールは、柱状のショルダ部と、このショルダ部の底面中央に突設された攪拌ピンとを備え、
前記本接合工程では、前記ショルダ部の外周面で前記摩擦攪拌用回転ツールの進行方向前側に形成された前記肉盛部を剥ぎ取りながら前記突合部に対して摩擦攪拌接合を行うことを特徴とする接合方法。
【請求項２】
前記本接合工程では、前記ショルダ部の下端面を前記金属部材の表面よりも下方に押し込み、前記肉盛部とともに前記金属部材の表層を剥ぎ取りながら前記突合部に対して摩擦攪拌接合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】
前記本接合工程では、前記摩擦攪拌用回転ツールの前進角を０°に設定して相対的に移動させ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】
前記仮接合工程では、前記突合部に沿って連続した前記肉盛部を形成する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】
前記仮接合工程では、前記突合部に沿って断続的に前記肉盛部を形成する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６】
前記仮接合工程の前に、前記突合部の側方の両側にタブ材を配置して、前記金属部材と前記タブ材とを突き合わせるタブ材配置工程と、前記タブ材と前記金属部材とを接合するタブ材接合工程と、を含み、
前記本接合工程では、前記タブ材に設定される摩擦攪拌の開始位置を、前記肉盛部の一端から前記摩擦攪拌用回転ツールの前記ショルダ部の外径の１／２よりも離れた位置に設定することを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の接合方法。
【請求項７】
前記本接合工程の前に、摩擦攪拌を行う開始位置に前記摩擦攪拌用回転ツールの前記攪拌ピンを挿入するための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１乃至請求項６のいずれか一項に記載の接合方法。
【請求項８】
一対の前記金属部材の突合部に対して、前記金属部材の裏面側から前記摩擦攪拌用回転ツールによって摩擦攪拌接合を行う本接合工程を行って、前記金属部材の表面側に形成された塑性化領域と、前記金属部材の裏面側に形成された塑性化領域とを重複させることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の接合方法。
【請求項１】
一対の金属部材の突合部に、前記金属部材の表面よりも盛り上がった肉盛部を肉盛溶接によって形成して前記突合部を接合する仮接合工程と、前記突合部に対して摩擦攪拌用回転ツールによって摩擦攪拌を行って前記金属部材同士を接合する本接合工程と、を含む接合方法であって、
前記摩擦攪拌用回転ツールは、柱状のショルダ部と、このショルダ部の底面中央に突設された攪拌ピンとを備え、
前記本接合工程では、前記ショルダ部の外周面で前記摩擦攪拌用回転ツールの進行方向前側に形成された前記肉盛部を剥ぎ取りながら前記突合部に対して摩擦攪拌接合を行うことを特徴とする接合方法。
【請求項２】
前記本接合工程では、前記ショルダ部の下端面を前記金属部材の表面よりも下方に押し込み、前記肉盛部とともに前記金属部材の表層を剥ぎ取りながら前記突合部に対して摩擦攪拌接合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】
前記本接合工程では、前記摩擦攪拌用回転ツールの前進角を０°に設定して相対的に移動させ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】
前記仮接合工程では、前記突合部に沿って連続した前記肉盛部を形成する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】
前記仮接合工程では、前記突合部に沿って断続的に前記肉盛部を形成する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６】
前記仮接合工程の前に、前記突合部の側方の両側にタブ材を配置して、前記金属部材と前記タブ材とを突き合わせるタブ材配置工程と、前記タブ材と前記金属部材とを接合するタブ材接合工程と、を含み、
前記本接合工程では、前記タブ材に設定される摩擦攪拌の開始位置を、前記肉盛部の一端から前記摩擦攪拌用回転ツールの前記ショルダ部の外径の１／２よりも離れた位置に設定することを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の接合方法。
【請求項７】
前記本接合工程の前に、摩擦攪拌を行う開始位置に前記摩擦攪拌用回転ツールの前記攪拌ピンを挿入するための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１乃至請求項６のいずれか一項に記載の接合方法。
【請求項８】
一対の前記金属部材の突合部に対して、前記金属部材の裏面側から前記摩擦攪拌用回転ツールによって摩擦攪拌接合を行う本接合工程を行って、前記金属部材の表面側に形成された塑性化領域と、前記金属部材の裏面側に形成された塑性化領域とを重複させることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の接合方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１０−２０１４４１（Ｐ２０１０−２０１４４１Ａ）
【公開日】平成２２年９月１６日（２０１０．９．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−４７５３５（Ｐ２００９−４７５３５）
【出願日】平成２１年３月２日（２００９．３．２）
【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９月１６日（２０１０．９．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月２日（２００９．３．２）
【出願人】（０００００４７４３）日本軽金属株式会社 (627)
【Ｆターム（参考）】
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