接合方法
【課題】高品質の摩擦攪拌接合を行えるようにすること。
【解決手段】突合部Ｊの一端側から突合部Ｊの途中までに設けた第一の点までの第一接合範囲Ｒ２１に摩擦攪拌を行う第一の摩擦攪拌接合工程と、第一の摩擦攪拌接合工程により生じた第一接合範囲Ｒ２１に属する塑性化領域内に設けた第二の点から突合部Ｊの他端側までの第二接合範囲Ｒ２２に摩擦攪拌を行う第二の摩擦攪拌接合工程と、を含み、第一の摩擦攪拌接合工程では、第一接合範囲Ｒ２１に対する摩擦攪拌のスタート位置が突合部Ｊの途中に設けた第一の点として設定され、かつ、第一接合範囲Ｒ２１のエンド位置が突合部Ｊの一端側に設定され、第二の摩擦攪拌接合工程では、第二接合範囲Ｒ２２に対する摩擦攪拌のスタート位置が突合部Ｊの他端側に設定され、かつ、第二接合範囲Ｒ２２のエンド位置が第一接合範囲Ｒ２１に属する塑性化領域内に設けた第二の点として設定されている。
【解決手段】突合部Ｊの一端側から突合部Ｊの途中までに設けた第一の点までの第一接合範囲Ｒ２１に摩擦攪拌を行う第一の摩擦攪拌接合工程と、第一の摩擦攪拌接合工程により生じた第一接合範囲Ｒ２１に属する塑性化領域内に設けた第二の点から突合部Ｊの他端側までの第二接合範囲Ｒ２２に摩擦攪拌を行う第二の摩擦攪拌接合工程と、を含み、第一の摩擦攪拌接合工程では、第一接合範囲Ｒ２１に対する摩擦攪拌のスタート位置が突合部Ｊの途中に設けた第一の点として設定され、かつ、第一接合範囲Ｒ２１のエンド位置が突合部Ｊの一端側に設定され、第二の摩擦攪拌接合工程では、第二接合範囲Ｒ２２に対する摩擦攪拌のスタート位置が突合部Ｊの他端側に設定され、かつ、第二接合範囲Ｒ２２のエンド位置が第一接合範囲Ｒ２１に属する塑性化領域内に設けた第二の点として設定されている。
【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（金属要素）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（例えば、特許文献１参照）。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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−１６４９８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来、特許文献１に示されているように、金属要素同士の突合部の全長に渡って連続して摩擦攪拌接合を行って金属要素同士を接合している。そのため、長尺な金属要素同士の突合部に摩擦攪拌接合を行うためには、金属要素や回転ツールを相対移動させて、回転ツールが金属要素の突合部の端から端まで移動するようにしなければならず、大型の装置が必要になってしまう。
【０００５】
一般に、長尺な金属要素同士の突合部に摩擦攪拌接合を行う場合には、所定長さまで摩擦攪拌接合を行った後に、その際に生じた塑性化領域の末端から残りの摩擦攪拌接合を行うようにしている。ところが、この場合、攪拌ピンの挿抜の際には十分に攪拌されないため、金属要素の表面に存在していた酸化皮膜が、その周辺の塑性化領域に巻き込んで残したり、接合欠陥等を生じたりしてしまう虞がある。
【０００６】
そこで、本発明は、高品質の摩擦攪拌接合を行えるようにすることを目的とする。
【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の請求項１に係る接合方法は、金属要素同士の突合部を回転ツールで摩擦攪拌を行う接合方法であって、前記突合部の一端側から前記突合部の途中までに設けた第一の点までの第一接合範囲に摩擦攪拌を行う第一の摩擦攪拌接合工程と、前記第一の摩擦攪拌接合工程により生じた第一接合範囲に属する塑性化領域内に設けた第二の点から前記突合部の他端側までの第二接合範囲に摩擦攪拌を行う第二の摩擦攪拌接合工程と、を含み、前記第一の摩擦攪拌接合工程では、前記第一接合範囲に対する摩擦攪拌のスタート位置が前記突合部の途中に設けた前記第一の点として設定され、かつ、前記第一接合範囲のエンド位置が前記突合部の一端側に設定され、前記第二の摩擦攪拌接合工程では、前記第二接合範囲に対する摩擦攪拌のスタート位置が前記一端側とは反対の前記突合部の他端側に設定され、かつ、前記第二接合範囲のエンド位置が前記第一接合範囲に属する塑性化領域内に設けた前記第二の点として設定されている、ことを特徴とする。
【０００８】
この構成では、第一接合範囲の端部が第二接合範囲にも含まれ、第二接合範囲の端部が第一接合範囲に含まれている。そのため、第一の摩擦攪拌接合工程により第一接合範囲の端部（摩擦攪拌の開始位置または終了位置）に酸化皮膜が巻き込まれていたり、接合欠陥等が発生していたりしたとしても、第二の摩擦攪拌接合工程では第二接合範囲に含まれる第一接合範囲の端部も再度摩擦攪拌を行うから、その端部に巻き込まれて残っている酸化皮膜が分断され、接合欠陥等が修復される。したがって、摩擦攪拌接合の品質が向上する。また、一度の摩擦攪拌工程で摩擦攪拌できない程長い突合部の場合にも、摩擦攪拌を分けて行うことにより、酸化皮膜を分断し接合欠陥等を修復するため、種々の長さの突合部に対して高品質な摩擦攪拌を行うことができるようになる。
【０００９】
また、請求項２に係る接合方法は、金属要素同士の突合部を回転ツールで摩擦攪拌を行う接合方法であって、前記突合部の一端側から前記突合部の途中までに設けた第一の点までの第一接合範囲に摩擦攪拌を行う第一の摩擦攪拌接合工程と、前記第一の摩擦攪拌接合工程により生じた第一接合範囲に属する塑性化領域内に設けた第二の点から前記突合部の他端側までの第二接合範囲に摩擦攪拌を行う第二の摩擦攪拌接合工程と、を含み、記第一の摩擦攪拌接合工程では、前記第一接合範囲に対する摩擦攪拌のスタート位置が前記金属要素同士の前記突合部の一端側に設定され、かつ、前記第一接合範囲のエンド位置が前記突合部の途中に設けた前記第一の点として設定され、記第二の摩擦攪拌接合工程では、前記第二接合範囲に対する摩擦攪拌のスタート位置が前記一端側とは反対の前記突合部の他端側に設定され、かつ、前記第二接合範囲のエンド位置が前記第一接合範囲に属する塑性化領域内に設けた前記第二の点として設定されている、ことを特徴とする。
【００１０】
この構成では、第一接合範囲の端部が第二接合範囲にも含まれ、第二接合範囲の端部が第一接合範囲に含まれている。そのため、第一の摩擦攪拌接合工程により第一接合範囲の端部（摩擦攪拌の開始位置または終了位置）に酸化皮膜が巻き込まれていたり、接合欠陥等が発生していたりしたとしても、第二の摩擦攪拌接合工程では第二接合範囲に含まれる第一接合範囲の端部も再度摩擦攪拌を行うから、その端部に巻き込まれて残っている酸化皮膜が分断され、接合欠陥等が修復される。したがって、摩擦攪拌接合の品質が向上する。また、一度の摩擦攪拌工程で摩擦攪拌できない程長い突合部の場合にも、摩擦攪拌を分けて行うことにより、酸化皮膜を分断し接合欠陥等を修復するため、種々の長さの突合部に対して高品質な摩擦攪拌を行うことができるようになる。
【００１１】
また、前記第一の摩擦攪拌接合工程では、前記突合部の一端側の側方に配置された第一タブ部上に前記第一接合範囲に対する摩擦攪拌のエンド位置が設定され、前記第二の摩擦攪拌接合工程では、前記一端側とは反対の前記突合部の他端側の側方に配置された第二タブ部上に前記第二接合範囲に対する摩擦攪拌のスタート位置が設定されている、ことが好ましい。
また、前記第一の摩擦攪拌接合工程では、前記突合部の一端側の側方に配置された第一タブ部上に前記第一接合範囲に対する摩擦攪拌のスタート位置が設定され、前記第二の摩擦攪拌接合工程では、前記一端側とは反対の前記突合部の他端側の側方に配置された第二タブ部上に前記第二接合範囲に対する摩擦攪拌のスタート位置が設定されている、ことが好ましい。
【００１２】
この構成では、タブ部において回転ツールの挿入や引き抜きが可能となる。
【００１３】
また、さらに、前記回転ツールの攪拌ピンを前記金属要素の塑性化領域から抜き出した際に生じる抜き穴に金属部材を充填する充填工程を含むことが好ましい。
【００１４】
この構成によれば、先の摩擦攪拌のエンド位置が金属要素の突合部上に設定されているときに、そのエンド位置に生じた抜け穴を埋めた後に摩擦攪拌を行えば、金属部材をも含めて塑性流動化するため、摩擦攪拌接合の品質が向上する。また、最後の摩擦攪拌のエンド位置が突合部上に設定されているときには、その位置に生じた抜け穴を塞ぐことができるため、摩擦攪拌接合の品質が向上する。
【００１５】
また、さらに、前記充填工程でした前記金属部材と塑性化領域とを跨ぐように接合して前記金属部材を抜け穴に仮止めする仮止め工程を含むことが好ましい。
【００１６】
この構成によれば、金属部材を抜け穴に仮止めして、抜け穴内での攪拌ピンの空回りを防ぐため、抜け穴に充填された金属部材を塑性流動化させることができる。
【００１７】
また、請求項１又は請求項２に記載の接合方法において、前記金属要素を中空部材としたことが好ましい。また、請求項７に記載の接合方法において、前記中空部材の突合面に凹部を成形し、前記中空部材同士の突合部に前記凹部による隙間を形成することが好ましい。
【００１８】
したがって、本発明によれば、金属要素同士の突合部であった塑性化領域内に残存する酸化皮膜を分断し、接合欠陥等を修復することができるため、摩擦攪拌接合の品質が向上する。そのため、一度の摩擦攪拌工程で摩擦攪拌できない程長い突合部の場合にも、摩擦攪拌を分けて行うことにより、種々の長さの突合部に対して高品質な摩擦攪拌を行うことができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明に係る接合方法によれば、高品質な摩擦攪拌接合を行うことができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の好適な実施形態の接合方法に係る金属部材の固定状況を示す斜視図である。
【図２】図１に示す金属部材の固定状況の正面図である。
【図３】（ａ）および（ｂ）は、接合工程を説明するための断面図である。
【図４】接合工程の工程例１を説明する図である。（ａ）は第一工程を説明するための平面図、（ｂ）は第二工程を説明するための平面図である。
【図５】工程例１での突合部Ｊにおける断面図を示す。（ａ）は第一工程における回転ツールの攪拌ピンを挿入する直前の様子を示す図、（ｂ）は第一工程の終了時の攪拌ピンを抜き出す前の様子を示す図、（ｃ）は第一工程での攪拌ピンの抜き出し後および第二工程の攪拌ピンの挿入直前の様子を示す図、（ｄ）は第二工程の終了時の攪拌ピンを抜き出したときの様子を示す図である。
【図６】接合工程の工程例２を説明する図である。（ａ）は第一工程の様子を説明するための平面図、（ｂ）は第二工程の様子を説明するための平面図である。
【図７】接合工程の工程例３を説明する図である。（ａ）は第一工程の様子を説明するための平面図、（ｂ）は第二工程の前半の様子を説明するための平面図、（ｃ）は第二工程の後半の様子を説明するための平面図である。
【図８】接合工程の工程例４を説明する図である。（ａ）は第一工程の様子を説明するための平面図、（ｂ）は第二工程の様子を説明するための平面図である。
【図９】図８のII-II断面相当図である。（ａ）は第一工程における回転ツールの攪拌ピンを挿入する直前の様子を示す図、（ｂ）は第一工程の終了時の攪拌ピンを抜き出した後の様子を示す図、（ｃ）は第一工程での攪拌ピンの抜き出し後に生じた抜き穴を充填する充填工程を示す図、（ｄ）は第二工程の攪拌ピンの挿入直前の様子を示す図、（ｅ）は第二工程の終了時の攪拌ピンを抜き出したときの様子を示す図である。
【図１０】接合工程の工程例５を説明する図である。（ａ）は第一工程の様子を説明するための平面図、（ｂ）は第二工程の前半の様子を説明するための平面図、（ｃ）は第二工程の後半の様子を説明するための平面図である。
【図１１】接合工程の工程例６を説明する図である。（ａ）は第一工程の様子を説明するための平面図、（ｂ）は第二工程の様子を説明するための平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本実施形態では、図１に示すように、３つの金属部材１０（第一金属部材１１、第二金属部材１２、第三金属部材１３）を摩擦攪拌接合により接合する場合について説明する。なお、説明における各方向は、図１に示す方向に統一するものとする。
【００２２】
各金属部材１０の形状寸法は限定されるものではなく、適宜設定することが可能である。本実施形態では、断面矩形の中空押出形材からなる第一金属部材１１と、外形断面略Ｔ字の中空押出形材からなる第二金属部材１２および第三金属部材１３を使用する。そして、本実施形態では、第一金属部材１１の左右に、断面略Ｔ字の第二金属部材１２および第三金属部材１３を接合する場合について説明する。
【００２３】
なお、金属部材１０を構成する材料は限定されるものではなく、適宜公知の材料から選定して使用すればよいが、本実施形態では、アルミニウム合金製の金属部材１０を使用する。
【００２４】
また、図１および図２に示すように、各金属部材１０同士の突合部Ｊに対応する個所には、上下に突出する凸部１１ｂ，１２ｂ，１３ｂがそれぞれ形成されている。凸部１１ｂ，１２ｂ，１３ｂの断面形状は限定されるものではないが、摩擦攪拌接合により接合されることで、完成部材として必要な強度を発現することが可能な高さと厚みを有している。
なお、各凸部１１ｂ，１２ｂ，１３ｂは、凸部１１ｂと凸部１２ｂおよび凸部１１ｂと凸部１３ｂを付き合わせた際の幅寸法が、回転ツールＡのショルダ径（ショルダ部Ａ１の外径）よりも大きくなるようになっている（図３（ａ）および（ｂ）参照）。
【００２５】
第一金属部材１１の突合面１１ａ，１１ａは、図２に示すように、平面を呈している。一方、第二金属部材１２と第三金属部材１３の突合面１２ａ，１３ａは、第一金属部材１１の突合面１１ａと突き合せたときに隙間が形成されるように、中間部分に予め凹み（凹部）が形成されている。このように、第二金属部材１２と第三金属部材１３の突合面１２ａ，１３ａの中間部分に凹みが形成されていることで、突合面１２ａ，１３ａの上下（凸部１２ｂ，１３ｂも含む）が第一金属部材１１の突合面１１ａ，１１ａに密着する。平面からなる突合面同士を突き合わせると、突合面の不陸により密着せずに、高品質な摩擦攪拌接合ができない場合があるが、本実施形態に係る金属部材１０は、互いの突合部Ｊに隙間が形成されていることで、この隙間が突合面の不陸を吸収し、隙間の上方の摩擦攪拌接合を行う接合部分に関しては金属部材１０同士が隙間なく密着し、高品質に摩擦攪拌接合を行うことを可能としている。
【００２６】
なお、本実施形態では、第二金属部材１２と第三金属部材１３の突合面１２ａ，１３ａに凹みを形成するものとしたが、第一金属部材１１の突合面１１ａに凹みを形成してもよい。また、金属部材１０同士の突合面１１ａ，１２ａ，１３ａの形状は前記の形状に限定されないことはいうまでもない。また、各金属部材１０の突合面１１ａ，１２ａ，１３ａの厚さ寸法も限定されるものではないが、本実施形態では、全て同一である。また、突合面１２ａ，１３ａに形成された凹みの深さ（隙間の幅）は、限定されるものではなく適宜設定すればよい。なお、図面上（図１、図２および図３）では、突合面１２ａ，１３ａに形成された凹みの深さが大きく表示されているが、凹みの深さはわずかな隙間が形成される程度であればよい。
【００２７】
本実施形態に係る接合方法は、金属部材１０同士を突き合せる突合工程と、これらの金属部材１０，１０，１０を支持台２０に拘束する拘束工程と、金属部材１０同士の突合部Ｊに対して連続して熱加工としての摩擦攪拌接合を施す接合工程と、を含んでいる。
【００２８】
突合工程では、図１に示すように、接合される金属部材１０同士の突合面１１ａ，１２ａ，１３ａを突き合わせた状態で、これらの金属部材１０，１０，１０を支持台２０に載置する。具体的には、左右の第二金属部材１２および第三金属部材１３の間に、中央の第一金属部材１１を配置して、互いの突合面１１ａ，１２ａ，１３ａを突き合せた状態で支持台２０に載置する。
【００２９】
なお、支持台２０は、図１および図２に示すように、中央に間隔を有した状態で、左右に配置された台座２２，２３と、台座２２，２３の間隔において、左右の台座２２，２３に挟持された支持板２４と、これらの台座２２，２３、支持板２４を下方から支持する支持台本体２１により構成されている。
【００３０】
図２に示すように、支持板２４の上面の両端には、支持台２０に載置された金属部材１１，１２，１３同士の突合部Ｊを、下面から支持するための接合ライン支持部材２５，２５が配設されている。また、支持板２４の上面の中央には、第一金属部材１１を支持するための支持部材２６が配設されている。
【００３１】
拘束工程では、図１および図２に示すように、金属部材１０，１０，１０をボルト３０、治具４０、万力５０等を介して、支持台２０に移動不能に拘束する。このとき、ボルト３０の頭部３０ａと、第一金属部材１１との間には、押え板３１が介在されており、ボルト３０による押え付け力を押え板３１により分散させることで、第一金属部材１１を面的に押え付けるように構成されている。
【００３２】
金属部材１０の横方向の押え付けは、左側の台座２２に固定された万力５０と、右側の台座２３に固定された受部材５１により、把持することにより行う。なお、万力５０と第二金属部材１２および受部材５１と第三金属部材１３の間には、それぞれ補助板５２，５２が介在されており、万力５０による押え付け力を分散させて、突合部Ｊ，Ｊの全面が、密着するように構成されている。
【００３３】
接合工程では、突合部Ｊに対して２回の工程（後記「第一工程」および「第二工程」）で摩擦攪拌を行う。具体的には、図３の（ａ）に示すように、１回の工程ごとに、回転させた回転ツールＡの攪拌ピンＡ２を、凸部１１ｂ，１３ｂ（１２ｂ）の上から凸部１１ｂ，１３ｂ（１２ｂ）の上面に設けた開始位置Ｓに挿入（圧入）するとともに、挿入した攪拌ピンＡ２を途中で離脱させることなく突合部Ｊを含むように設定した摩擦攪拌のルートに沿って相対移動させることで摩擦攪拌を行ったうえで、終了位置で攪拌ピンＡ２を上方に離脱させればよい。
回転ツールＡを回転させつつ突合部Ｊに沿って移動させると、図３の（ｂ）に示すように、回転ツールＡと金属との摩擦熱により突合部Ｊの金属が塑性流動化し、突合部Ｊが固相接合される。本実施形態では、突合面１１ａ，１３ａ（１２ａ）同士の間に形成された隙間の上方において、接合後も各金属部材１０の凸部１１ｂ，１２ｂ，１３ｂが残るように摩擦攪拌接合がなされる。
【００３４】
回転ツールＡの形態等に特に制限はないが、本実施形態では、図３の（ａ）に示すものを使用している。図３の（ａ）に示す回転ツールＡは、工具鋼など接合対象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Ａ１と、このショルダ部Ａ１の下端面Ａ１１に突設された攪拌ピン（プローブ）Ａ２とを備えて構成されている。ショルダ部Ａ１の下端面Ａ１１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。攪拌ピンＡ２は、ショルダ部Ａ１の下端面Ａ１１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Ａ２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。
【００３５】
回転ツールＡの移動速度（送り速度）は、攪拌ピンＡ２の寸法・形状、摩擦攪拌される金属部材１０等の材質や肉厚等に応じて設定される。回転ツールＡを移動させると、その攪拌ピンＡ２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Ａ２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】
この接合工程は、各金属部材１０が長尺体であることから、各突合部Ｊを摩擦攪拌する手順に特徴があり、第一の摩擦攪拌接合工程（以下「第一工程」と称する）と第二の摩擦攪拌接合工程（以下「第二工程」と称する）との二つの特徴的な工程を含んでいる。第一工程は、突合部Ｊの一端側から突合部Ｊの途中までに設けた第一の点までの第一接合範囲に摩擦攪拌を行う手順である。第二工程は、第一工程により生じた第一接合範囲に属する塑性化領域内に設けた第二の点から突合部Ｊの他端側までの第二接合範囲に摩擦攪拌を行う手順である。以下、第一工程および第二工程についての工程例について説明する。
【００３７】
［工程例１］
図４は、実施形態における接合工程の工程例１を説明する図である。なお、この図４は図１の凸部１１ｂ，１３ｂの突合部Ｊのところを主に示す平面図であり、タブ部２，３を突合部Ｊの側方に配置した場合を示している。図４の（ａ）に第一工程の様子を説明するための平面図を示す。図４の（ｂ）に第二工程の様子を説明するための平面図を示す。
【００３８】
図４の（ａ）に示すように、第一工程では、第一接合範囲Ｒ１１に対する摩擦攪拌のスタート位置Ｓ１１が突合部Ｊの途中に第一の点として設定され、かつ、第一接合範囲Ｒ１１に対する摩擦攪拌のエンド位置Ｅ１１が突合部Ｊの一端側に配置されたタブ部３上に設定されている。つまり、第一工程では、回転ツールＡの攪拌ピンＡ２（図３参照）がスタート位置Ｓ１１に回転しつつ挿入され、金属を塑性流動化しつつタブ部３のエンド位置Ｅ１１に向かって、金属材料１０に対して相対的に移動し、タブ部３から抜き出される。この第一工程によって、突合部Ｊに塑性化領域Ｗ１１が形成され、第一接合範囲Ｒ１１において、第一金属部材１１と第三金属部材１３とが接合される。
【００３９】
また、図４の（ｂ）に示すように、第二工程では、第二接合範囲Ｒ１２に対する摩擦攪拌のスタート位置Ｓ１２が第一接合範囲Ｓ１１に属する塑性化領域Ｗ１１内の第二の点として設定され、かつ、第二接合範囲Ｒ１２に対する摩擦攪拌のエンド位置Ｅ１２が突合部Ｊの一端側に配置されたタブ部３とは反対の突合部Ｊの他端側に配置されたタブ部２上に設定されている。
【００４０】
つまり、第二工程では、回転ツールＡの攪拌ピンＡ２（図３参照）が、塑性化領域Ｗ１１内に設定されたスタート位置Ｓ１２に回転しつつ挿入され、塑性化領域Ｗ１１の金属を再び塑性流動化して塑性化領域Ｗ１２を形成しつつスタート位置Ｓ１１に向かって、金属材料１０に対して相対的に移動する。さらに、その回転ツールＡの攪拌ピンＡ２は、スタート位置Ｓ１１を過ぎると、突合部Ｊの金属を塑性流動化して塑性化領域Ｗ１２を形成しつつタブ部２のエンド位置Ｅ１２に向かって、金属材料１０に対して相対的に移動する。そして、その回転ツールＡの攪拌ピンＡ２は、タブ部２で抜き出される。この第二工程によって、突合部Ｊには塑性化領域Ｗ１２が形成され、第二接合範囲Ｒ１２において、第一金属部材１１と第三金属部材１３とが接合される。
【００４１】
図５に、工程例１での突合部Ｊにおける断面図を示す。なお、この図５は図１の凸部１１ｂ，１３ｂの突合部Ｊのところを主に示す断面図であり、タブ部２，３を突合部Ｊの側方に配置した場合を示している。（ａ）には、第一工程における回転ツールの攪拌ピンを挿入する直前の様子が示されている。（ｂ）には、第一工程の終了時の攪拌ピンを抜き出す前の様子が示されている。（ｃ）には、第一工程での攪拌ピンの抜き出し後、および、第二工程の攪拌ピンの挿入直前の様子が示されている。（ｄ）には、第二工程の終了時の攪拌ピンを抜き出したときの様子が示されている。
【００４２】
図５の（ａ）に示すように、回転ツールＡは突合部Ｊ上のスタート位置Ｓ１１の上方に相対移動され、回転する攪拌ピンＡ２がスタート位置Ｓ１１に挿入される。
次に、図５の（ｂ）に示すように、回転ツールＡは、攪拌ピンＡ２を回転させたままエンド位置Ｅ１１に向かって相対移動され、金属を塑性流動化させて塑性化領域Ｗ１１を形成して、各凸部１１ｂ，１３ｂ同士、つまり、第一金属部材１１（図１等参照）と第二金属部材１３（図１等参照）を接合する。
【００４３】
続いて、図５の（ｃ）に示すように、回転ツールＡは、エンド位置Ｅ１１から引き抜かれ、スタート位置Ｓ１２の上方に相対移動され、回転する攪拌ピンＡ２がスタート位置Ｓ１２に挿入され、エンド位置Ｅ１２に向かって第二接合範囲Ｒ１２を相対移動される。
そして、図５の（ｄ）に示すように、回転ツールＡは、突合部Ｊに塑性化領域Ｗ１２を形成してエンド位置Ｅ１２から引き抜かれて摩擦攪拌を終了する。
【００４４】
このように、工程例１においては、第一工程のスタート位置Ｓ１１は、第二工程で再度塑性流動化され、塑性化領域Ｗ１２に含まれることになる。そのため、第一工程の際にスタート位置Ｓ１１の塑性化領域Ｗ１１に酸化皮膜が残っていたとしても、第二工程により酸化皮膜を分断することができるようになる。また、スタート位置Ｓ１１に接合欠陥等が生じていたとしても、第二工程により再び塑性流動化するため、接合欠陥等を修復することができる。
【００４５】
［工程例２］
図６は、実施形態における接合工程の工程例２を説明する図である。なお、この図６は図１の凸部１１ｂ，１３ｂの突合部Ｊのところを主に示す平面図であり、タブ部２，３を突合部Ｊの側方に配置した場合を示している。図６の（ａ）に第一工程の様子を説明するための平面図を示す。図６の（ｂ）に第二工程の様子を説明するための平面図を示す。
【００４６】
図６の（ａ）に示すように、第一工程では、第一接合範囲Ｒ２１に対する摩擦攪拌のスタート位置Ｓ２１が突合部Ｊの途中に第一の点として設定され、かつ、第一接合範囲Ｒ２１のエンド位置Ｅ２１が突合部Ｊの一端側のタブ部３に設定されている。つまり、第一工程は、工程例１の第一工程と同じである。そのため、この第一工程によって、突合部Ｊには、塑性化領域Ｗ２１が形成され、第一金属部材１１と第三金属部材１３とが第一接合範囲Ｒ２１で接合される。
【００４７】
また、図６の（ｂ）に示すように、第二工程では、第二接合範囲Ｒ２２のスタート位置Ｓ２２がタブ３（一端側）とは反対のタブ２（他端側）に設定され、かつ、第二接合範囲Ｒ２２のエンド位置Ｅ２２が第一接合範囲Ｒ２１に属する塑性化領域Ｗ２１内の第二の点として設定されている。
【００４８】
つまり、第二工程では、工程例１の場合とは異なるスタート位置Ｓ２２およびエンド位置Ｅ２２が設定されている。この第二工程では、回転ツールＡの攪拌ピンＡ２（図３参照）が、タブ部２に設定されたスタート位置Ｓ２２に回転しつつ挿入され、突合部Ｊの金属を塑性流動化して塑性化領域Ｗ２２を形成しつつ塑性化領域Ｗ２１に向かって、金属材料１０に対して相対的に移動する。さらに、その回転ツールＡの攪拌ピンＡ２は、塑性化領域Ｗ２１に設定されたエンド位置Ｅ２２に向かって、金属材料１０に対して相対的に移動し、塑性化領域Ｗ２１を再び塑性流動化して塑性化領域Ｗ２２を形成する。そして、その回転ツールＡの攪拌ピンＡ２は、エンド位置Ｅ２２で抜き出される。この第二工程によって、突合部Ｊには塑性化領域Ｗ２２が形成され、第二接合範囲Ｓ２２において、第一金属部材１１と第三金属部材１３とが接合される。
【００４９】
なお、突合部Ｊの深さ方向の様子は、工程例１の場合と略同一であるため、図示を省略するが、第二工程の回転ツールＡと金属部材１０との相対移動方向が異なっている。そのため、回転ツールＡの攪拌ピンＡ２（図３参照）の最終の引き抜き箇所が、塑性化領域Ｗ２２の端部であるため、抜き穴（図示省略）が形成されている。そこで、この抜き穴には、肉盛り溶接などを行うことが好ましい。
【００５０】
このように、工程例２においては、第一工程のスタート位置Ｓ２１は、第二工程で再度塑性流動化され、塑性化領域Ｗ２２に含まれることになる。そのため、第一工程の際にスタート位置Ｓ２１に酸化皮膜が残っていたとしても、第二工程により酸化皮膜を分断することができるようになる。また、スタート位置Ｓ２１に接合欠陥等が生じていたとしても、第二工程により再び塑性流動化するため、第一工程での接合欠陥等を修復することができる。
【００５１】
［工程例３］
図７は、実施形態における接合工程の工程例３を説明する図である。なお、この図７は図１の凸部１１ｂ，１３ｂの突合部Ｊのところを主に示す平面図であり、タブ部２，３を突合部Ｊの側方に配置した場合を示している。図７の（ａ）に第一工程の様子を説明するための平面図を示す。図７の（ｂ）に第二工程の前半の様子を説明するための平面図を示す。図７の（ｃ）に第二工程の後半の様子を説明するための平面図である。
【００５２】
図７の（ａ）に示すように、第一接合範囲Ｒ３１に対する摩擦攪拌のスタート位置Ｓ３１が突合部Ｊの途中に第一の点として設定され、かつ、第一接合範囲Ｒ３１のエンド位置Ｅ３１が突合部Ｊの一端側のタブ部３に設定されている。つまり、第一工程は、工程例１，２の第一工程の場合と同じであり、塑性化領域Ｗ３１が突合部Ｊの第一接合範囲Ｒ３１に形成される。
【００５３】
次に、図７の（ｂ）に示すように、第二工程では、まず、第二接合範囲Ｒ３２に対する摩擦攪拌のスタート位置Ｓ３２が、第一接合範囲Ｒ３１に属する塑性化領域Ｗ３１の端部に第二の点（スタート位置Ｓ３１）として設定されている。また、第二接合範囲Ｒ３２のエンド位置Ｅ３３がタブ部２に設定されている。さらに、スタート位置Ｓ３２からタブ部３（突合部Ｊの一端側）に向かって第一接合範囲Ｒ３１に属する塑性化領域Ｗ３１に折り返し位置Ｔ３２が設定されている。
【００５４】
そして、第二工程では、回転ツールＡの攪拌ピンＡ２（図３参照）が、スタート位置Ｓ３２に回転しつつ挿入され、塑性化領域Ｗ３１の金属を再び塑性流動化して塑性化領域Ｗ３２を形成しつつ折り返し位置Ｔ３２に向かって、金属部材１０に対して相対的に移動する。その回転ツールＡの攪拌ピンＡ２は、折り返し位置Ｔ３２に達すると、再び塑性化領域Ｗ３２を塑性流動化して塑性化領域Ｗ３３を形成しつつ折り返して、スタート位置Ｓ３２に向かって金属部材１０に対して相対的に移動する。さらに、その回転ツールＡの攪拌ピンＡ２は、スタート位置Ｓ３２を通過して、突合部Ｊに沿ってタブ部２まで移動し、金属を塑性流動化して塑性化領域Ｗ３３を形成しつつエンド位置Ｅ３３に到達し、引き抜かれる。そのため、この第二工程によって、突合部Ｊには塑性化領域Ｗ３３が形成され、第二接合範囲Ｒ３２において、第一金属部材１１と第三金属部材１３とが接合される。
【００５５】
このように、工程例３においては、第一工程のスタート位置Ｓ３１は、第二工程で再度塑性流動化され、塑性化領域Ｗ３３に含まれることになる。そのため、第一工程の際にスタート位置Ｓ３１に酸化皮膜が残っていたとしても、第二工程により酸化皮膜を分断することができるようになる。また、スタート位置Ｓ３１に接合欠陥等が生じていたとしても、第二工程により再び塑性流動化するため、接合欠陥等を修復することができる。
【００５６】
［工程例４］
図８は、実施形態における接合工程の工程例４を説明する図である。なお、この図８は図１の凸部１１ｂ，１３ｂの突合部Ｊのところを主に示す平面図であり、タブ部２，３を突合部Ｊの側方に配置した場合を示している。図８の（ａ）に第一工程の様子を説明するための平面図を示す。図８の（ｂ）に第二工程の様子を説明するための平面図を示す。
【００５７】
図８の（ａ）に示すように、第一工程では、第一接合範囲Ｒ４１に対する摩擦攪拌のスタート位置Ｓ４１がタブ部３に設定され、かつ、第一接合範囲Ｒ４１のエンド位置Ｅ４１が突合部Ｊの途中に第一の点として設定されている。この第一工程は、工程例１の場合と相対移動方向が逆である。つまり、第一工程では、回転ツールＡの攪拌ピンＡ２（図３参照）が、タブ部３のスタート位置Ｓ４１に回転しつつ挿入され、金属を塑性流動化しつつ金属部材１０に対して相対的に移動し、エンド位置Ｅ４１で引き抜かれる。この第一工程によって、突合部Ｊには塑性化領域Ｗ４１が形成され、第一接合範囲Ｒ４１において、第一金属部材１１と第三金属部材１３とが接合される。
【００５８】
図８の（ｂ）に示すように、第二工程では、第二接合範囲Ｒ４２に対する摩擦攪拌のスタート位置Ｓ４２が第一接合範囲Ｒ４１に属する塑性化領域Ｗ４１内の第二の点として設定され、かつ、第二接合範囲Ｒ４２に対する摩擦攪拌のエンド位置Ｅ４２がタブ部２に設定されている。つまり、第二工程では、回転ツールＡの攪拌ピンＡ２（図３参照）が、スタート位置Ｓ４２に回転しつつ挿入され、塑性化領域Ｗ４１の金属を再び塑性流動化しつつスタート位置Ｓ４１に向かって、金属材料１０に対して相対的に移動する。さらに、その回転ツールＡの攪拌ピンＡ２は、スタート位置Ｓ４１を通過すると、突合部Ｊの金属を塑性流動化しつつタブ部２に向かって、金属材料１０に対して相対的に移動し、エンド位置Ｅ４２から引き抜かれる。この第二工程によって、突合部Ｊには塑性化領域Ｗ４２が形成され、第二接合範囲Ｒ４２において、第一金属部材１１と第三金属部材１３とが接合される。
【００５９】
ところで、第一工程の終了後、回転ツールＡの攪拌ピンＡ２（図３参照）は突合部Ｊから引き抜かれるため、引き抜かれた後の塑性化領域Ｗ４１の端部には、引き抜き穴が形成されている。そこで、第二工程を行う前に、その引き抜き穴に金属部材を充填する充填工程を経て、金属を補うようにすることが好ましい。以下、この工程例４の変形例として充填工程を実施する場合について説明する。
【００６０】
図９は、工程例４の接合方法を説明するための断面を示す、図８のII-II断面相当図である。（ａ）には、第一工程における回転ツールの攪拌ピンを挿入する直前の様子が示されている。（ｂ）には、第一工程の終了時の攪拌ピンを抜き出した後の様子が示されている。（ｃ）には、第一工程での攪拌ピンの抜き出し後に生じた抜き穴を充填する充填工程が示されている。（ｄ）には、第二工程の攪拌ピンの挿入直前の様子が示されている。（ｅ）には、第二工程の終了時の攪拌ピンを抜き出したときの様子が示されている。
【００６１】
図９の（ａ）に示すように、工程例４では、まず、回転ツールＡはタブ３に設定されたスタート位置Ｓ４１に挿入される。
次に、図９の（ｂ）に示すように、回転ツールＡは、攪拌ピンＡ２を回転させたままエンド位置Ｅ４１に向かって相対移動され、金属を塑性流動化させて塑性化領域Ｗ４１を形成して、各金属部材１０同士を接合する。このとき、攪拌ピンＡ２がエンド位置Ｅ４１から引き抜かれると、塑性流動化していた金属は直ぐに塑性化領域Ｗ４１に変化し、抜け穴Ｈ１が形成される。
【００６２】
図９の（ｃ）に示すように、抜け穴Ｈ１には、金属部材Ｚが充填される。この金属部材Ｚは、例えば、肉盛り溶接によって充填してもよい。また、攪拌ピンＡ２と略同一の金属部材を用意しておき、その金属部材を抜け穴Ｈ１に充填するようにしてもよい。この場合、金属部材が動かないように、周囲の塑性化領域Ｗ４１に仮接合することが好ましい。この接合は、溶接によっても、摩擦攪拌接合を行ってもよい。なお、摩擦攪拌接合の場合には、攪拌ピンＡ２の径よりも細い径の攪拌ピン（不図示）を備えた回転ツール（不図示）によって、周囲の塑性化領域Ｗ４１に仮止めすればよい。
【００６３】
続いて、図９の（ｄ）に示すように、回転ツールＡは、第二工程のスタート位置Ｓ４２の上方に相対移動され、回転する攪拌ピンＡ２がスタート位置Ｓ４２に挿入され、エンド位置Ｅ４２に向かって相対移動される。
そして、図９の（ｅ）に示すように、回転ツールＡは、エンド位置Ｅ４２から引き抜かれて摩擦攪拌を終了する。これによって、第二接合範囲Ｒ４２では、塑性化領域Ｗ４２が形成されることで、凸部１１ｂと凸部１３ｂとを接合する。つまり、第一金属部材１１（図１等参照）と第二金属部材１３（図１等参照）とが接合される。
【００６４】
このように、工程例４においては、第一工程のエンド位置Ｅ４１は、第二工程で再度塑性流動化され、塑性化領域Ｗ４２に含まれることになる。そのため、第一工程の際にエンド位置Ｅ４１に酸化皮膜が残っていたとしても、第二工程により酸化皮膜を分断することができるようになる。また、エンド位置Ｅ４１に接合欠陥等が生じていたとしても、第二工程により再び塑性流動化するため、接合欠陥等を修復することができる。
【００６５】
［工程例５］
図１０は、実施形態における接合工程の工程例５を説明する図である。なお、この図１０は図１の凸部１１ｂ，１３ｂの突合部Ｊのところを主に示す平面図であり、タブ部２，３を突合部Ｊの側方に配置した場合を示している。図１０の（ａ）に第一工程の様子を説明するための平面図を示す。図１０の（ｂ）に第二工程の前半の様子を説明するための平面図を示す。図１０の（ｃ）に第二工程の後半の様子を説明するための平面図である。
【００６６】
この工程例５は、工程例３（図７参照）の変形例に相当する。工程例３では、第一工程が、突合部Ｊの途中にスタート位置Ｓ３１を設定し、タブ部３にエンド位置Ｅ３１を設定した場合を説明したが、この工程例５は、工程例３とは反対に、タブ部３にスタート位置Ｓ５１を設定し、突合部Ｊの途中にエンド位置Ｅ５１を設定した場合である。なお、（ａ）に示す第一工程以外（（ｂ）（ｃ）の第二工程）は、工程例３と同じであるため、同一符号を付し、説明を省略する。
【００６７】
このように、工程例５においては、第一工程のエンド位置Ｅ５１は、第二工程で再度塑性流動化され、塑性化領域Ｗ３３に含まれることになる。そのため、第一工程の際にエンド位置Ｅ５１の酸化皮膜が残っていたとしても、第二工程により酸化皮膜を分断することができるようになる。また、エンド位置Ｅ５１に接合欠陥等が生じていたとしても、第二工程により再び塑性流動化するため、接合欠陥等を修復することができるようになる。
【００６８】
［工程例６］
図１１は、実施形態における接合工程の工程例６を説明する図である。なお、この図１１は図１の凸部１１ｂ，１３ｂの突合部Ｊのところを主に示す平面図であり、タブ部２，３を突合部Ｊの側方に配置した場合を示している。図１１の（ａ）に第一工程の様子を説明するための平面図を示す。図１１の（ｂ）に第二工程の様子を説明するための平面図を示す。
【００６９】
図１１の（ａ）に示すように、第一工程は、工程例４の第一工程と同じである。つまり、攪拌ピンＡ２が、タブ部３に設定されたスタート位置Ｓ６１から突合部Ｊに設定されたエンド位置Ｅ６１までの第一接合範囲Ｒ６１の摩擦攪拌を行って、塑性化領域Ｗ６１を形成して第一金属部材１１と第三金属部材１３とを接合する。
【００７０】
図１１の（ｂ）に示すように、第二工程は、工程例２の第二工程と同じである。
つまり、回転ツールＡの攪拌ピンＡ２（図３参照）は、タブ部２に設定されたスタート位置Ｓ６２から塑性化領域Ｗ６１内に設定されたエンド位置Ｅ６２までの第二接合範囲Ｒ６２の摩擦攪拌を行って、塑性化領域Ｗ６２を形成して第一金属部材１１と第三金属部材１３とを接合する。このとき、工程例２と同様に、その回転ツールＡの攪拌ピンＡ２の最終の引き抜き箇所が、塑性化領域Ｗ６２の端部であるため、抜き穴（図示省略）が形成されている。そこで、この抜き穴には、肉盛り溶接などを行うことが好ましい。
【００７１】
以上説明した各工程例のように回転ツールを移動させれば、高品質な摩擦攪拌接合を行うことができるようになる。特に、大型な装置を用いなくても、長尺な金属要素同士の高品質な摩擦攪拌接合を行うことができるようになる。
【００７２】
以上、本発明について、好適な実施形態について説明したが、本発明は前記の各実施形態に限られず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜設計変更が可能である。
例えば、前記実施形態では、３つの金属部材を接合する場合について説明したが、本発明の接合方法において接合される金属部材の数量は限定されるものではない。
【００７３】
この実施形態では、第一接合範囲を各図中右側とし、第二接合範囲を各図中左側として説明したが、反対に、第一接合範囲を図中左側とし、第二接合範囲を図中右側としてもよい。
【００７４】
この実施形態では、突合部Ｊの側方にタブ材２，３を配置したものとして説明したが、タブ材２，３を配置しなくてもよい。
【００７５】
この実施形態では、金属要素が、第一金属部材１１、第二金属部材１２、第三金属部材１３の中空部材の場合を説明したが、板材であってもよい。
【符号の説明】
【００７６】
１０ 金属部材
１１ 第一金属部材
１２ 第二金属部材
１３ 第三金属部材
Ｊ 突合部
Ｓ スタート位置
Ｅ エンド位置
Ｒ 接合範囲（第一接合範囲、第二接合範囲）
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（金属要素）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（例えば、特許文献１参照）。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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−１６４９８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来、特許文献１に示されているように、金属要素同士の突合部の全長に渡って連続して摩擦攪拌接合を行って金属要素同士を接合している。そのため、長尺な金属要素同士の突合部に摩擦攪拌接合を行うためには、金属要素や回転ツールを相対移動させて、回転ツールが金属要素の突合部の端から端まで移動するようにしなければならず、大型の装置が必要になってしまう。
【０００５】
一般に、長尺な金属要素同士の突合部に摩擦攪拌接合を行う場合には、所定長さまで摩擦攪拌接合を行った後に、その際に生じた塑性化領域の末端から残りの摩擦攪拌接合を行うようにしている。ところが、この場合、攪拌ピンの挿抜の際には十分に攪拌されないため、金属要素の表面に存在していた酸化皮膜が、その周辺の塑性化領域に巻き込んで残したり、接合欠陥等を生じたりしてしまう虞がある。
【０００６】
そこで、本発明は、高品質の摩擦攪拌接合を行えるようにすることを目的とする。
【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の請求項１に係る接合方法は、金属要素同士の突合部を回転ツールで摩擦攪拌を行う接合方法であって、前記突合部の一端側から前記突合部の途中までに設けた第一の点までの第一接合範囲に摩擦攪拌を行う第一の摩擦攪拌接合工程と、前記第一の摩擦攪拌接合工程により生じた第一接合範囲に属する塑性化領域内に設けた第二の点から前記突合部の他端側までの第二接合範囲に摩擦攪拌を行う第二の摩擦攪拌接合工程と、を含み、前記第一の摩擦攪拌接合工程では、前記第一接合範囲に対する摩擦攪拌のスタート位置が前記突合部の途中に設けた前記第一の点として設定され、かつ、前記第一接合範囲のエンド位置が前記突合部の一端側に設定され、前記第二の摩擦攪拌接合工程では、前記第二接合範囲に対する摩擦攪拌のスタート位置が前記一端側とは反対の前記突合部の他端側に設定され、かつ、前記第二接合範囲のエンド位置が前記第一接合範囲に属する塑性化領域内に設けた前記第二の点として設定されている、ことを特徴とする。
【０００８】
この構成では、第一接合範囲の端部が第二接合範囲にも含まれ、第二接合範囲の端部が第一接合範囲に含まれている。そのため、第一の摩擦攪拌接合工程により第一接合範囲の端部（摩擦攪拌の開始位置または終了位置）に酸化皮膜が巻き込まれていたり、接合欠陥等が発生していたりしたとしても、第二の摩擦攪拌接合工程では第二接合範囲に含まれる第一接合範囲の端部も再度摩擦攪拌を行うから、その端部に巻き込まれて残っている酸化皮膜が分断され、接合欠陥等が修復される。したがって、摩擦攪拌接合の品質が向上する。また、一度の摩擦攪拌工程で摩擦攪拌できない程長い突合部の場合にも、摩擦攪拌を分けて行うことにより、酸化皮膜を分断し接合欠陥等を修復するため、種々の長さの突合部に対して高品質な摩擦攪拌を行うことができるようになる。
【０００９】
また、請求項２に係る接合方法は、金属要素同士の突合部を回転ツールで摩擦攪拌を行う接合方法であって、前記突合部の一端側から前記突合部の途中までに設けた第一の点までの第一接合範囲に摩擦攪拌を行う第一の摩擦攪拌接合工程と、前記第一の摩擦攪拌接合工程により生じた第一接合範囲に属する塑性化領域内に設けた第二の点から前記突合部の他端側までの第二接合範囲に摩擦攪拌を行う第二の摩擦攪拌接合工程と、を含み、記第一の摩擦攪拌接合工程では、前記第一接合範囲に対する摩擦攪拌のスタート位置が前記金属要素同士の前記突合部の一端側に設定され、かつ、前記第一接合範囲のエンド位置が前記突合部の途中に設けた前記第一の点として設定され、記第二の摩擦攪拌接合工程では、前記第二接合範囲に対する摩擦攪拌のスタート位置が前記一端側とは反対の前記突合部の他端側に設定され、かつ、前記第二接合範囲のエンド位置が前記第一接合範囲に属する塑性化領域内に設けた前記第二の点として設定されている、ことを特徴とする。
【００１０】
この構成では、第一接合範囲の端部が第二接合範囲にも含まれ、第二接合範囲の端部が第一接合範囲に含まれている。そのため、第一の摩擦攪拌接合工程により第一接合範囲の端部（摩擦攪拌の開始位置または終了位置）に酸化皮膜が巻き込まれていたり、接合欠陥等が発生していたりしたとしても、第二の摩擦攪拌接合工程では第二接合範囲に含まれる第一接合範囲の端部も再度摩擦攪拌を行うから、その端部に巻き込まれて残っている酸化皮膜が分断され、接合欠陥等が修復される。したがって、摩擦攪拌接合の品質が向上する。また、一度の摩擦攪拌工程で摩擦攪拌できない程長い突合部の場合にも、摩擦攪拌を分けて行うことにより、酸化皮膜を分断し接合欠陥等を修復するため、種々の長さの突合部に対して高品質な摩擦攪拌を行うことができるようになる。
【００１１】
また、前記第一の摩擦攪拌接合工程では、前記突合部の一端側の側方に配置された第一タブ部上に前記第一接合範囲に対する摩擦攪拌のエンド位置が設定され、前記第二の摩擦攪拌接合工程では、前記一端側とは反対の前記突合部の他端側の側方に配置された第二タブ部上に前記第二接合範囲に対する摩擦攪拌のスタート位置が設定されている、ことが好ましい。
また、前記第一の摩擦攪拌接合工程では、前記突合部の一端側の側方に配置された第一タブ部上に前記第一接合範囲に対する摩擦攪拌のスタート位置が設定され、前記第二の摩擦攪拌接合工程では、前記一端側とは反対の前記突合部の他端側の側方に配置された第二タブ部上に前記第二接合範囲に対する摩擦攪拌のスタート位置が設定されている、ことが好ましい。
【００１２】
この構成では、タブ部において回転ツールの挿入や引き抜きが可能となる。
【００１３】
また、さらに、前記回転ツールの攪拌ピンを前記金属要素の塑性化領域から抜き出した際に生じる抜き穴に金属部材を充填する充填工程を含むことが好ましい。
【００１４】
この構成によれば、先の摩擦攪拌のエンド位置が金属要素の突合部上に設定されているときに、そのエンド位置に生じた抜け穴を埋めた後に摩擦攪拌を行えば、金属部材をも含めて塑性流動化するため、摩擦攪拌接合の品質が向上する。また、最後の摩擦攪拌のエンド位置が突合部上に設定されているときには、その位置に生じた抜け穴を塞ぐことができるため、摩擦攪拌接合の品質が向上する。
【００１５】
また、さらに、前記充填工程でした前記金属部材と塑性化領域とを跨ぐように接合して前記金属部材を抜け穴に仮止めする仮止め工程を含むことが好ましい。
【００１６】
この構成によれば、金属部材を抜け穴に仮止めして、抜け穴内での攪拌ピンの空回りを防ぐため、抜け穴に充填された金属部材を塑性流動化させることができる。
【００１７】
また、請求項１又は請求項２に記載の接合方法において、前記金属要素を中空部材としたことが好ましい。また、請求項７に記載の接合方法において、前記中空部材の突合面に凹部を成形し、前記中空部材同士の突合部に前記凹部による隙間を形成することが好ましい。
【００１８】
したがって、本発明によれば、金属要素同士の突合部であった塑性化領域内に残存する酸化皮膜を分断し、接合欠陥等を修復することができるため、摩擦攪拌接合の品質が向上する。そのため、一度の摩擦攪拌工程で摩擦攪拌できない程長い突合部の場合にも、摩擦攪拌を分けて行うことにより、種々の長さの突合部に対して高品質な摩擦攪拌を行うことができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明に係る接合方法によれば、高品質な摩擦攪拌接合を行うことができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の好適な実施形態の接合方法に係る金属部材の固定状況を示す斜視図である。
【図２】図１に示す金属部材の固定状況の正面図である。
【図３】（ａ）および（ｂ）は、接合工程を説明するための断面図である。
【図４】接合工程の工程例１を説明する図である。（ａ）は第一工程を説明するための平面図、（ｂ）は第二工程を説明するための平面図である。
【図５】工程例１での突合部Ｊにおける断面図を示す。（ａ）は第一工程における回転ツールの攪拌ピンを挿入する直前の様子を示す図、（ｂ）は第一工程の終了時の攪拌ピンを抜き出す前の様子を示す図、（ｃ）は第一工程での攪拌ピンの抜き出し後および第二工程の攪拌ピンの挿入直前の様子を示す図、（ｄ）は第二工程の終了時の攪拌ピンを抜き出したときの様子を示す図である。
【図６】接合工程の工程例２を説明する図である。（ａ）は第一工程の様子を説明するための平面図、（ｂ）は第二工程の様子を説明するための平面図である。
【図７】接合工程の工程例３を説明する図である。（ａ）は第一工程の様子を説明するための平面図、（ｂ）は第二工程の前半の様子を説明するための平面図、（ｃ）は第二工程の後半の様子を説明するための平面図である。
【図８】接合工程の工程例４を説明する図である。（ａ）は第一工程の様子を説明するための平面図、（ｂ）は第二工程の様子を説明するための平面図である。
【図９】図８のII-II断面相当図である。（ａ）は第一工程における回転ツールの攪拌ピンを挿入する直前の様子を示す図、（ｂ）は第一工程の終了時の攪拌ピンを抜き出した後の様子を示す図、（ｃ）は第一工程での攪拌ピンの抜き出し後に生じた抜き穴を充填する充填工程を示す図、（ｄ）は第二工程の攪拌ピンの挿入直前の様子を示す図、（ｅ）は第二工程の終了時の攪拌ピンを抜き出したときの様子を示す図である。
【図１０】接合工程の工程例５を説明する図である。（ａ）は第一工程の様子を説明するための平面図、（ｂ）は第二工程の前半の様子を説明するための平面図、（ｃ）は第二工程の後半の様子を説明するための平面図である。
【図１１】接合工程の工程例６を説明する図である。（ａ）は第一工程の様子を説明するための平面図、（ｂ）は第二工程の様子を説明するための平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本実施形態では、図１に示すように、３つの金属部材１０（第一金属部材１１、第二金属部材１２、第三金属部材１３）を摩擦攪拌接合により接合する場合について説明する。なお、説明における各方向は、図１に示す方向に統一するものとする。
【００２２】
各金属部材１０の形状寸法は限定されるものではなく、適宜設定することが可能である。本実施形態では、断面矩形の中空押出形材からなる第一金属部材１１と、外形断面略Ｔ字の中空押出形材からなる第二金属部材１２および第三金属部材１３を使用する。そして、本実施形態では、第一金属部材１１の左右に、断面略Ｔ字の第二金属部材１２および第三金属部材１３を接合する場合について説明する。
【００２３】
なお、金属部材１０を構成する材料は限定されるものではなく、適宜公知の材料から選定して使用すればよいが、本実施形態では、アルミニウム合金製の金属部材１０を使用する。
【００２４】
また、図１および図２に示すように、各金属部材１０同士の突合部Ｊに対応する個所には、上下に突出する凸部１１ｂ，１２ｂ，１３ｂがそれぞれ形成されている。凸部１１ｂ，１２ｂ，１３ｂの断面形状は限定されるものではないが、摩擦攪拌接合により接合されることで、完成部材として必要な強度を発現することが可能な高さと厚みを有している。
なお、各凸部１１ｂ，１２ｂ，１３ｂは、凸部１１ｂと凸部１２ｂおよび凸部１１ｂと凸部１３ｂを付き合わせた際の幅寸法が、回転ツールＡのショルダ径（ショルダ部Ａ１の外径）よりも大きくなるようになっている（図３（ａ）および（ｂ）参照）。
【００２５】
第一金属部材１１の突合面１１ａ，１１ａは、図２に示すように、平面を呈している。一方、第二金属部材１２と第三金属部材１３の突合面１２ａ，１３ａは、第一金属部材１１の突合面１１ａと突き合せたときに隙間が形成されるように、中間部分に予め凹み（凹部）が形成されている。このように、第二金属部材１２と第三金属部材１３の突合面１２ａ，１３ａの中間部分に凹みが形成されていることで、突合面１２ａ，１３ａの上下（凸部１２ｂ，１３ｂも含む）が第一金属部材１１の突合面１１ａ，１１ａに密着する。平面からなる突合面同士を突き合わせると、突合面の不陸により密着せずに、高品質な摩擦攪拌接合ができない場合があるが、本実施形態に係る金属部材１０は、互いの突合部Ｊに隙間が形成されていることで、この隙間が突合面の不陸を吸収し、隙間の上方の摩擦攪拌接合を行う接合部分に関しては金属部材１０同士が隙間なく密着し、高品質に摩擦攪拌接合を行うことを可能としている。
【００２６】
なお、本実施形態では、第二金属部材１２と第三金属部材１３の突合面１２ａ，１３ａに凹みを形成するものとしたが、第一金属部材１１の突合面１１ａに凹みを形成してもよい。また、金属部材１０同士の突合面１１ａ，１２ａ，１３ａの形状は前記の形状に限定されないことはいうまでもない。また、各金属部材１０の突合面１１ａ，１２ａ，１３ａの厚さ寸法も限定されるものではないが、本実施形態では、全て同一である。また、突合面１２ａ，１３ａに形成された凹みの深さ（隙間の幅）は、限定されるものではなく適宜設定すればよい。なお、図面上（図１、図２および図３）では、突合面１２ａ，１３ａに形成された凹みの深さが大きく表示されているが、凹みの深さはわずかな隙間が形成される程度であればよい。
【００２７】
本実施形態に係る接合方法は、金属部材１０同士を突き合せる突合工程と、これらの金属部材１０，１０，１０を支持台２０に拘束する拘束工程と、金属部材１０同士の突合部Ｊに対して連続して熱加工としての摩擦攪拌接合を施す接合工程と、を含んでいる。
【００２８】
突合工程では、図１に示すように、接合される金属部材１０同士の突合面１１ａ，１２ａ，１３ａを突き合わせた状態で、これらの金属部材１０，１０，１０を支持台２０に載置する。具体的には、左右の第二金属部材１２および第三金属部材１３の間に、中央の第一金属部材１１を配置して、互いの突合面１１ａ，１２ａ，１３ａを突き合せた状態で支持台２０に載置する。
【００２９】
なお、支持台２０は、図１および図２に示すように、中央に間隔を有した状態で、左右に配置された台座２２，２３と、台座２２，２３の間隔において、左右の台座２２，２３に挟持された支持板２４と、これらの台座２２，２３、支持板２４を下方から支持する支持台本体２１により構成されている。
【００３０】
図２に示すように、支持板２４の上面の両端には、支持台２０に載置された金属部材１１，１２，１３同士の突合部Ｊを、下面から支持するための接合ライン支持部材２５，２５が配設されている。また、支持板２４の上面の中央には、第一金属部材１１を支持するための支持部材２６が配設されている。
【００３１】
拘束工程では、図１および図２に示すように、金属部材１０，１０，１０をボルト３０、治具４０、万力５０等を介して、支持台２０に移動不能に拘束する。このとき、ボルト３０の頭部３０ａと、第一金属部材１１との間には、押え板３１が介在されており、ボルト３０による押え付け力を押え板３１により分散させることで、第一金属部材１１を面的に押え付けるように構成されている。
【００３２】
金属部材１０の横方向の押え付けは、左側の台座２２に固定された万力５０と、右側の台座２３に固定された受部材５１により、把持することにより行う。なお、万力５０と第二金属部材１２および受部材５１と第三金属部材１３の間には、それぞれ補助板５２，５２が介在されており、万力５０による押え付け力を分散させて、突合部Ｊ，Ｊの全面が、密着するように構成されている。
【００３３】
接合工程では、突合部Ｊに対して２回の工程（後記「第一工程」および「第二工程」）で摩擦攪拌を行う。具体的には、図３の（ａ）に示すように、１回の工程ごとに、回転させた回転ツールＡの攪拌ピンＡ２を、凸部１１ｂ，１３ｂ（１２ｂ）の上から凸部１１ｂ，１３ｂ（１２ｂ）の上面に設けた開始位置Ｓに挿入（圧入）するとともに、挿入した攪拌ピンＡ２を途中で離脱させることなく突合部Ｊを含むように設定した摩擦攪拌のルートに沿って相対移動させることで摩擦攪拌を行ったうえで、終了位置で攪拌ピンＡ２を上方に離脱させればよい。
回転ツールＡを回転させつつ突合部Ｊに沿って移動させると、図３の（ｂ）に示すように、回転ツールＡと金属との摩擦熱により突合部Ｊの金属が塑性流動化し、突合部Ｊが固相接合される。本実施形態では、突合面１１ａ，１３ａ（１２ａ）同士の間に形成された隙間の上方において、接合後も各金属部材１０の凸部１１ｂ，１２ｂ，１３ｂが残るように摩擦攪拌接合がなされる。
【００３４】
回転ツールＡの形態等に特に制限はないが、本実施形態では、図３の（ａ）に示すものを使用している。図３の（ａ）に示す回転ツールＡは、工具鋼など接合対象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Ａ１と、このショルダ部Ａ１の下端面Ａ１１に突設された攪拌ピン（プローブ）Ａ２とを備えて構成されている。ショルダ部Ａ１の下端面Ａ１１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。攪拌ピンＡ２は、ショルダ部Ａ１の下端面Ａ１１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Ａ２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。
【００３５】
回転ツールＡの移動速度（送り速度）は、攪拌ピンＡ２の寸法・形状、摩擦攪拌される金属部材１０等の材質や肉厚等に応じて設定される。回転ツールＡを移動させると、その攪拌ピンＡ２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Ａ２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】
この接合工程は、各金属部材１０が長尺体であることから、各突合部Ｊを摩擦攪拌する手順に特徴があり、第一の摩擦攪拌接合工程（以下「第一工程」と称する）と第二の摩擦攪拌接合工程（以下「第二工程」と称する）との二つの特徴的な工程を含んでいる。第一工程は、突合部Ｊの一端側から突合部Ｊの途中までに設けた第一の点までの第一接合範囲に摩擦攪拌を行う手順である。第二工程は、第一工程により生じた第一接合範囲に属する塑性化領域内に設けた第二の点から突合部Ｊの他端側までの第二接合範囲に摩擦攪拌を行う手順である。以下、第一工程および第二工程についての工程例について説明する。
【００３７】
［工程例１］
図４は、実施形態における接合工程の工程例１を説明する図である。なお、この図４は図１の凸部１１ｂ，１３ｂの突合部Ｊのところを主に示す平面図であり、タブ部２，３を突合部Ｊの側方に配置した場合を示している。図４の（ａ）に第一工程の様子を説明するための平面図を示す。図４の（ｂ）に第二工程の様子を説明するための平面図を示す。
【００３８】
図４の（ａ）に示すように、第一工程では、第一接合範囲Ｒ１１に対する摩擦攪拌のスタート位置Ｓ１１が突合部Ｊの途中に第一の点として設定され、かつ、第一接合範囲Ｒ１１に対する摩擦攪拌のエンド位置Ｅ１１が突合部Ｊの一端側に配置されたタブ部３上に設定されている。つまり、第一工程では、回転ツールＡの攪拌ピンＡ２（図３参照）がスタート位置Ｓ１１に回転しつつ挿入され、金属を塑性流動化しつつタブ部３のエンド位置Ｅ１１に向かって、金属材料１０に対して相対的に移動し、タブ部３から抜き出される。この第一工程によって、突合部Ｊに塑性化領域Ｗ１１が形成され、第一接合範囲Ｒ１１において、第一金属部材１１と第三金属部材１３とが接合される。
【００３９】
また、図４の（ｂ）に示すように、第二工程では、第二接合範囲Ｒ１２に対する摩擦攪拌のスタート位置Ｓ１２が第一接合範囲Ｓ１１に属する塑性化領域Ｗ１１内の第二の点として設定され、かつ、第二接合範囲Ｒ１２に対する摩擦攪拌のエンド位置Ｅ１２が突合部Ｊの一端側に配置されたタブ部３とは反対の突合部Ｊの他端側に配置されたタブ部２上に設定されている。
【００４０】
つまり、第二工程では、回転ツールＡの攪拌ピンＡ２（図３参照）が、塑性化領域Ｗ１１内に設定されたスタート位置Ｓ１２に回転しつつ挿入され、塑性化領域Ｗ１１の金属を再び塑性流動化して塑性化領域Ｗ１２を形成しつつスタート位置Ｓ１１に向かって、金属材料１０に対して相対的に移動する。さらに、その回転ツールＡの攪拌ピンＡ２は、スタート位置Ｓ１１を過ぎると、突合部Ｊの金属を塑性流動化して塑性化領域Ｗ１２を形成しつつタブ部２のエンド位置Ｅ１２に向かって、金属材料１０に対して相対的に移動する。そして、その回転ツールＡの攪拌ピンＡ２は、タブ部２で抜き出される。この第二工程によって、突合部Ｊには塑性化領域Ｗ１２が形成され、第二接合範囲Ｒ１２において、第一金属部材１１と第三金属部材１３とが接合される。
【００４１】
図５に、工程例１での突合部Ｊにおける断面図を示す。なお、この図５は図１の凸部１１ｂ，１３ｂの突合部Ｊのところを主に示す断面図であり、タブ部２，３を突合部Ｊの側方に配置した場合を示している。（ａ）には、第一工程における回転ツールの攪拌ピンを挿入する直前の様子が示されている。（ｂ）には、第一工程の終了時の攪拌ピンを抜き出す前の様子が示されている。（ｃ）には、第一工程での攪拌ピンの抜き出し後、および、第二工程の攪拌ピンの挿入直前の様子が示されている。（ｄ）には、第二工程の終了時の攪拌ピンを抜き出したときの様子が示されている。
【００４２】
図５の（ａ）に示すように、回転ツールＡは突合部Ｊ上のスタート位置Ｓ１１の上方に相対移動され、回転する攪拌ピンＡ２がスタート位置Ｓ１１に挿入される。
次に、図５の（ｂ）に示すように、回転ツールＡは、攪拌ピンＡ２を回転させたままエンド位置Ｅ１１に向かって相対移動され、金属を塑性流動化させて塑性化領域Ｗ１１を形成して、各凸部１１ｂ，１３ｂ同士、つまり、第一金属部材１１（図１等参照）と第二金属部材１３（図１等参照）を接合する。
【００４３】
続いて、図５の（ｃ）に示すように、回転ツールＡは、エンド位置Ｅ１１から引き抜かれ、スタート位置Ｓ１２の上方に相対移動され、回転する攪拌ピンＡ２がスタート位置Ｓ１２に挿入され、エンド位置Ｅ１２に向かって第二接合範囲Ｒ１２を相対移動される。
そして、図５の（ｄ）に示すように、回転ツールＡは、突合部Ｊに塑性化領域Ｗ１２を形成してエンド位置Ｅ１２から引き抜かれて摩擦攪拌を終了する。
【００４４】
このように、工程例１においては、第一工程のスタート位置Ｓ１１は、第二工程で再度塑性流動化され、塑性化領域Ｗ１２に含まれることになる。そのため、第一工程の際にスタート位置Ｓ１１の塑性化領域Ｗ１１に酸化皮膜が残っていたとしても、第二工程により酸化皮膜を分断することができるようになる。また、スタート位置Ｓ１１に接合欠陥等が生じていたとしても、第二工程により再び塑性流動化するため、接合欠陥等を修復することができる。
【００４５】
［工程例２］
図６は、実施形態における接合工程の工程例２を説明する図である。なお、この図６は図１の凸部１１ｂ，１３ｂの突合部Ｊのところを主に示す平面図であり、タブ部２，３を突合部Ｊの側方に配置した場合を示している。図６の（ａ）に第一工程の様子を説明するための平面図を示す。図６の（ｂ）に第二工程の様子を説明するための平面図を示す。
【００４６】
図６の（ａ）に示すように、第一工程では、第一接合範囲Ｒ２１に対する摩擦攪拌のスタート位置Ｓ２１が突合部Ｊの途中に第一の点として設定され、かつ、第一接合範囲Ｒ２１のエンド位置Ｅ２１が突合部Ｊの一端側のタブ部３に設定されている。つまり、第一工程は、工程例１の第一工程と同じである。そのため、この第一工程によって、突合部Ｊには、塑性化領域Ｗ２１が形成され、第一金属部材１１と第三金属部材１３とが第一接合範囲Ｒ２１で接合される。
【００４７】
また、図６の（ｂ）に示すように、第二工程では、第二接合範囲Ｒ２２のスタート位置Ｓ２２がタブ３（一端側）とは反対のタブ２（他端側）に設定され、かつ、第二接合範囲Ｒ２２のエンド位置Ｅ２２が第一接合範囲Ｒ２１に属する塑性化領域Ｗ２１内の第二の点として設定されている。
【００４８】
つまり、第二工程では、工程例１の場合とは異なるスタート位置Ｓ２２およびエンド位置Ｅ２２が設定されている。この第二工程では、回転ツールＡの攪拌ピンＡ２（図３参照）が、タブ部２に設定されたスタート位置Ｓ２２に回転しつつ挿入され、突合部Ｊの金属を塑性流動化して塑性化領域Ｗ２２を形成しつつ塑性化領域Ｗ２１に向かって、金属材料１０に対して相対的に移動する。さらに、その回転ツールＡの攪拌ピンＡ２は、塑性化領域Ｗ２１に設定されたエンド位置Ｅ２２に向かって、金属材料１０に対して相対的に移動し、塑性化領域Ｗ２１を再び塑性流動化して塑性化領域Ｗ２２を形成する。そして、その回転ツールＡの攪拌ピンＡ２は、エンド位置Ｅ２２で抜き出される。この第二工程によって、突合部Ｊには塑性化領域Ｗ２２が形成され、第二接合範囲Ｓ２２において、第一金属部材１１と第三金属部材１３とが接合される。
【００４９】
なお、突合部Ｊの深さ方向の様子は、工程例１の場合と略同一であるため、図示を省略するが、第二工程の回転ツールＡと金属部材１０との相対移動方向が異なっている。そのため、回転ツールＡの攪拌ピンＡ２（図３参照）の最終の引き抜き箇所が、塑性化領域Ｗ２２の端部であるため、抜き穴（図示省略）が形成されている。そこで、この抜き穴には、肉盛り溶接などを行うことが好ましい。
【００５０】
このように、工程例２においては、第一工程のスタート位置Ｓ２１は、第二工程で再度塑性流動化され、塑性化領域Ｗ２２に含まれることになる。そのため、第一工程の際にスタート位置Ｓ２１に酸化皮膜が残っていたとしても、第二工程により酸化皮膜を分断することができるようになる。また、スタート位置Ｓ２１に接合欠陥等が生じていたとしても、第二工程により再び塑性流動化するため、第一工程での接合欠陥等を修復することができる。
【００５１】
［工程例３］
図７は、実施形態における接合工程の工程例３を説明する図である。なお、この図７は図１の凸部１１ｂ，１３ｂの突合部Ｊのところを主に示す平面図であり、タブ部２，３を突合部Ｊの側方に配置した場合を示している。図７の（ａ）に第一工程の様子を説明するための平面図を示す。図７の（ｂ）に第二工程の前半の様子を説明するための平面図を示す。図７の（ｃ）に第二工程の後半の様子を説明するための平面図である。
【００５２】
図７の（ａ）に示すように、第一接合範囲Ｒ３１に対する摩擦攪拌のスタート位置Ｓ３１が突合部Ｊの途中に第一の点として設定され、かつ、第一接合範囲Ｒ３１のエンド位置Ｅ３１が突合部Ｊの一端側のタブ部３に設定されている。つまり、第一工程は、工程例１，２の第一工程の場合と同じであり、塑性化領域Ｗ３１が突合部Ｊの第一接合範囲Ｒ３１に形成される。
【００５３】
次に、図７の（ｂ）に示すように、第二工程では、まず、第二接合範囲Ｒ３２に対する摩擦攪拌のスタート位置Ｓ３２が、第一接合範囲Ｒ３１に属する塑性化領域Ｗ３１の端部に第二の点（スタート位置Ｓ３１）として設定されている。また、第二接合範囲Ｒ３２のエンド位置Ｅ３３がタブ部２に設定されている。さらに、スタート位置Ｓ３２からタブ部３（突合部Ｊの一端側）に向かって第一接合範囲Ｒ３１に属する塑性化領域Ｗ３１に折り返し位置Ｔ３２が設定されている。
【００５４】
そして、第二工程では、回転ツールＡの攪拌ピンＡ２（図３参照）が、スタート位置Ｓ３２に回転しつつ挿入され、塑性化領域Ｗ３１の金属を再び塑性流動化して塑性化領域Ｗ３２を形成しつつ折り返し位置Ｔ３２に向かって、金属部材１０に対して相対的に移動する。その回転ツールＡの攪拌ピンＡ２は、折り返し位置Ｔ３２に達すると、再び塑性化領域Ｗ３２を塑性流動化して塑性化領域Ｗ３３を形成しつつ折り返して、スタート位置Ｓ３２に向かって金属部材１０に対して相対的に移動する。さらに、その回転ツールＡの攪拌ピンＡ２は、スタート位置Ｓ３２を通過して、突合部Ｊに沿ってタブ部２まで移動し、金属を塑性流動化して塑性化領域Ｗ３３を形成しつつエンド位置Ｅ３３に到達し、引き抜かれる。そのため、この第二工程によって、突合部Ｊには塑性化領域Ｗ３３が形成され、第二接合範囲Ｒ３２において、第一金属部材１１と第三金属部材１３とが接合される。
【００５５】
このように、工程例３においては、第一工程のスタート位置Ｓ３１は、第二工程で再度塑性流動化され、塑性化領域Ｗ３３に含まれることになる。そのため、第一工程の際にスタート位置Ｓ３１に酸化皮膜が残っていたとしても、第二工程により酸化皮膜を分断することができるようになる。また、スタート位置Ｓ３１に接合欠陥等が生じていたとしても、第二工程により再び塑性流動化するため、接合欠陥等を修復することができる。
【００５６】
［工程例４］
図８は、実施形態における接合工程の工程例４を説明する図である。なお、この図８は図１の凸部１１ｂ，１３ｂの突合部Ｊのところを主に示す平面図であり、タブ部２，３を突合部Ｊの側方に配置した場合を示している。図８の（ａ）に第一工程の様子を説明するための平面図を示す。図８の（ｂ）に第二工程の様子を説明するための平面図を示す。
【００５７】
図８の（ａ）に示すように、第一工程では、第一接合範囲Ｒ４１に対する摩擦攪拌のスタート位置Ｓ４１がタブ部３に設定され、かつ、第一接合範囲Ｒ４１のエンド位置Ｅ４１が突合部Ｊの途中に第一の点として設定されている。この第一工程は、工程例１の場合と相対移動方向が逆である。つまり、第一工程では、回転ツールＡの攪拌ピンＡ２（図３参照）が、タブ部３のスタート位置Ｓ４１に回転しつつ挿入され、金属を塑性流動化しつつ金属部材１０に対して相対的に移動し、エンド位置Ｅ４１で引き抜かれる。この第一工程によって、突合部Ｊには塑性化領域Ｗ４１が形成され、第一接合範囲Ｒ４１において、第一金属部材１１と第三金属部材１３とが接合される。
【００５８】
図８の（ｂ）に示すように、第二工程では、第二接合範囲Ｒ４２に対する摩擦攪拌のスタート位置Ｓ４２が第一接合範囲Ｒ４１に属する塑性化領域Ｗ４１内の第二の点として設定され、かつ、第二接合範囲Ｒ４２に対する摩擦攪拌のエンド位置Ｅ４２がタブ部２に設定されている。つまり、第二工程では、回転ツールＡの攪拌ピンＡ２（図３参照）が、スタート位置Ｓ４２に回転しつつ挿入され、塑性化領域Ｗ４１の金属を再び塑性流動化しつつスタート位置Ｓ４１に向かって、金属材料１０に対して相対的に移動する。さらに、その回転ツールＡの攪拌ピンＡ２は、スタート位置Ｓ４１を通過すると、突合部Ｊの金属を塑性流動化しつつタブ部２に向かって、金属材料１０に対して相対的に移動し、エンド位置Ｅ４２から引き抜かれる。この第二工程によって、突合部Ｊには塑性化領域Ｗ４２が形成され、第二接合範囲Ｒ４２において、第一金属部材１１と第三金属部材１３とが接合される。
【００５９】
ところで、第一工程の終了後、回転ツールＡの攪拌ピンＡ２（図３参照）は突合部Ｊから引き抜かれるため、引き抜かれた後の塑性化領域Ｗ４１の端部には、引き抜き穴が形成されている。そこで、第二工程を行う前に、その引き抜き穴に金属部材を充填する充填工程を経て、金属を補うようにすることが好ましい。以下、この工程例４の変形例として充填工程を実施する場合について説明する。
【００６０】
図９は、工程例４の接合方法を説明するための断面を示す、図８のII-II断面相当図である。（ａ）には、第一工程における回転ツールの攪拌ピンを挿入する直前の様子が示されている。（ｂ）には、第一工程の終了時の攪拌ピンを抜き出した後の様子が示されている。（ｃ）には、第一工程での攪拌ピンの抜き出し後に生じた抜き穴を充填する充填工程が示されている。（ｄ）には、第二工程の攪拌ピンの挿入直前の様子が示されている。（ｅ）には、第二工程の終了時の攪拌ピンを抜き出したときの様子が示されている。
【００６１】
図９の（ａ）に示すように、工程例４では、まず、回転ツールＡはタブ３に設定されたスタート位置Ｓ４１に挿入される。
次に、図９の（ｂ）に示すように、回転ツールＡは、攪拌ピンＡ２を回転させたままエンド位置Ｅ４１に向かって相対移動され、金属を塑性流動化させて塑性化領域Ｗ４１を形成して、各金属部材１０同士を接合する。このとき、攪拌ピンＡ２がエンド位置Ｅ４１から引き抜かれると、塑性流動化していた金属は直ぐに塑性化領域Ｗ４１に変化し、抜け穴Ｈ１が形成される。
【００６２】
図９の（ｃ）に示すように、抜け穴Ｈ１には、金属部材Ｚが充填される。この金属部材Ｚは、例えば、肉盛り溶接によって充填してもよい。また、攪拌ピンＡ２と略同一の金属部材を用意しておき、その金属部材を抜け穴Ｈ１に充填するようにしてもよい。この場合、金属部材が動かないように、周囲の塑性化領域Ｗ４１に仮接合することが好ましい。この接合は、溶接によっても、摩擦攪拌接合を行ってもよい。なお、摩擦攪拌接合の場合には、攪拌ピンＡ２の径よりも細い径の攪拌ピン（不図示）を備えた回転ツール（不図示）によって、周囲の塑性化領域Ｗ４１に仮止めすればよい。
【００６３】
続いて、図９の（ｄ）に示すように、回転ツールＡは、第二工程のスタート位置Ｓ４２の上方に相対移動され、回転する攪拌ピンＡ２がスタート位置Ｓ４２に挿入され、エンド位置Ｅ４２に向かって相対移動される。
そして、図９の（ｅ）に示すように、回転ツールＡは、エンド位置Ｅ４２から引き抜かれて摩擦攪拌を終了する。これによって、第二接合範囲Ｒ４２では、塑性化領域Ｗ４２が形成されることで、凸部１１ｂと凸部１３ｂとを接合する。つまり、第一金属部材１１（図１等参照）と第二金属部材１３（図１等参照）とが接合される。
【００６４】
このように、工程例４においては、第一工程のエンド位置Ｅ４１は、第二工程で再度塑性流動化され、塑性化領域Ｗ４２に含まれることになる。そのため、第一工程の際にエンド位置Ｅ４１に酸化皮膜が残っていたとしても、第二工程により酸化皮膜を分断することができるようになる。また、エンド位置Ｅ４１に接合欠陥等が生じていたとしても、第二工程により再び塑性流動化するため、接合欠陥等を修復することができる。
【００６５】
［工程例５］
図１０は、実施形態における接合工程の工程例５を説明する図である。なお、この図１０は図１の凸部１１ｂ，１３ｂの突合部Ｊのところを主に示す平面図であり、タブ部２，３を突合部Ｊの側方に配置した場合を示している。図１０の（ａ）に第一工程の様子を説明するための平面図を示す。図１０の（ｂ）に第二工程の前半の様子を説明するための平面図を示す。図１０の（ｃ）に第二工程の後半の様子を説明するための平面図である。
【００６６】
この工程例５は、工程例３（図７参照）の変形例に相当する。工程例３では、第一工程が、突合部Ｊの途中にスタート位置Ｓ３１を設定し、タブ部３にエンド位置Ｅ３１を設定した場合を説明したが、この工程例５は、工程例３とは反対に、タブ部３にスタート位置Ｓ５１を設定し、突合部Ｊの途中にエンド位置Ｅ５１を設定した場合である。なお、（ａ）に示す第一工程以外（（ｂ）（ｃ）の第二工程）は、工程例３と同じであるため、同一符号を付し、説明を省略する。
【００６７】
このように、工程例５においては、第一工程のエンド位置Ｅ５１は、第二工程で再度塑性流動化され、塑性化領域Ｗ３３に含まれることになる。そのため、第一工程の際にエンド位置Ｅ５１の酸化皮膜が残っていたとしても、第二工程により酸化皮膜を分断することができるようになる。また、エンド位置Ｅ５１に接合欠陥等が生じていたとしても、第二工程により再び塑性流動化するため、接合欠陥等を修復することができるようになる。
【００６８】
［工程例６］
図１１は、実施形態における接合工程の工程例６を説明する図である。なお、この図１１は図１の凸部１１ｂ，１３ｂの突合部Ｊのところを主に示す平面図であり、タブ部２，３を突合部Ｊの側方に配置した場合を示している。図１１の（ａ）に第一工程の様子を説明するための平面図を示す。図１１の（ｂ）に第二工程の様子を説明するための平面図を示す。
【００６９】
図１１の（ａ）に示すように、第一工程は、工程例４の第一工程と同じである。つまり、攪拌ピンＡ２が、タブ部３に設定されたスタート位置Ｓ６１から突合部Ｊに設定されたエンド位置Ｅ６１までの第一接合範囲Ｒ６１の摩擦攪拌を行って、塑性化領域Ｗ６１を形成して第一金属部材１１と第三金属部材１３とを接合する。
【００７０】
図１１の（ｂ）に示すように、第二工程は、工程例２の第二工程と同じである。
つまり、回転ツールＡの攪拌ピンＡ２（図３参照）は、タブ部２に設定されたスタート位置Ｓ６２から塑性化領域Ｗ６１内に設定されたエンド位置Ｅ６２までの第二接合範囲Ｒ６２の摩擦攪拌を行って、塑性化領域Ｗ６２を形成して第一金属部材１１と第三金属部材１３とを接合する。このとき、工程例２と同様に、その回転ツールＡの攪拌ピンＡ２の最終の引き抜き箇所が、塑性化領域Ｗ６２の端部であるため、抜き穴（図示省略）が形成されている。そこで、この抜き穴には、肉盛り溶接などを行うことが好ましい。
【００７１】
以上説明した各工程例のように回転ツールを移動させれば、高品質な摩擦攪拌接合を行うことができるようになる。特に、大型な装置を用いなくても、長尺な金属要素同士の高品質な摩擦攪拌接合を行うことができるようになる。
【００７２】
以上、本発明について、好適な実施形態について説明したが、本発明は前記の各実施形態に限られず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜設計変更が可能である。
例えば、前記実施形態では、３つの金属部材を接合する場合について説明したが、本発明の接合方法において接合される金属部材の数量は限定されるものではない。
【００７３】
この実施形態では、第一接合範囲を各図中右側とし、第二接合範囲を各図中左側として説明したが、反対に、第一接合範囲を図中左側とし、第二接合範囲を図中右側としてもよい。
【００７４】
この実施形態では、突合部Ｊの側方にタブ材２，３を配置したものとして説明したが、タブ材２，３を配置しなくてもよい。
【００７５】
この実施形態では、金属要素が、第一金属部材１１、第二金属部材１２、第三金属部材１３の中空部材の場合を説明したが、板材であってもよい。
【符号の説明】
【００７６】
１０ 金属部材
１１ 第一金属部材
１２ 第二金属部材
１３ 第三金属部材
Ｊ 突合部
Ｓ スタート位置
Ｅ エンド位置
Ｒ 接合範囲（第一接合範囲、第二接合範囲）
Ｗ 塑性化領域
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属要素同士の突合部を回転ツールで摩擦攪拌を行う接合方法であって、
前記突合部の一端側から前記突合部の途中までに設けた第一の点までの第一接合範囲に摩擦攪拌を行う第一の摩擦攪拌接合工程と、
前記第一の摩擦攪拌接合工程により生じた第一接合範囲に属する塑性化領域内に設けた第二の点から前記突合部の他端側までの第二接合範囲に摩擦攪拌を行う第二の摩擦攪拌接合工程と、を含み、
前記第一の摩擦攪拌接合工程では、前記第一接合範囲に対する摩擦攪拌のスタート位置が前記突合部の途中に設けた前記第一の点として設定され、かつ、前記第一接合範囲のエンド位置が前記突合部の一端側に設定され、
前記第二の摩擦攪拌接合工程では、前記第二接合範囲に対する摩擦攪拌のスタート位置が前記一端側とは反対の前記突合部の他端側に設定され、かつ、前記第二接合範囲のエンド位置が前記第一接合範囲に属する塑性化領域内に設けた前記第二の点として設定されている、
ことを特徴とする接合方法。
【請求項２】
金属要素同士の突合部を回転ツールで摩擦攪拌を行う接合方法であって、
前記突合部の一端側から前記突合部の途中までに設けた第一の点までの第一接合範囲に摩擦攪拌を行う第一の摩擦攪拌接合工程と、
前記第一の摩擦攪拌接合工程により生じた第一接合範囲に属する塑性化領域内に設けた第二の点から前記突合部の他端側までの第二接合範囲に摩擦攪拌を行う第二の摩擦攪拌接合工程と、を含み、
前記第一の摩擦攪拌接合工程では、前記第一接合範囲に対する摩擦攪拌のスタート位置が前記金属要素同士の前記突合部の一端側に設定され、かつ、前記第一接合範囲のエンド位置が前記突合部の途中に設けた前記第一の点として設定され、
前記第二の摩擦攪拌接合工程では、前記第二接合範囲に対する摩擦攪拌のスタート位置が前記一端側とは反対の前記突合部の他端側に設定され、かつ、前記第二接合範囲のエンド位置が前記第一接合範囲に属する塑性化領域内に設けた前記第二の点として設定されている、
ことを特徴とする接合方法。
【請求項３】
前記第一の摩擦攪拌接合工程では、前記突合部の一端側の側方に配置された第一タブ部上に前記第一接合範囲に対する摩擦攪拌のエンド位置が設定され、
前記第二の摩擦攪拌接合工程では、前記一端側とは反対の前記突合部の他端側の側方に配置された第二タブ部上に前記第二接合範囲に対する摩擦攪拌のスタート位置が設定されている、
ことを特徴とする請求項１に記載の接合方法。
【請求項４】
前記第一の摩擦攪拌接合工程では、前記突合部の一端側の側方に配置された第一タブ部上に前記第一接合範囲に対する摩擦攪拌のスタート位置が設定され、
前記第二の摩擦攪拌接合工程では、前記一端側とは反対の前記突合部の他端側の側方に配置された第二タブ部上に前記第二接合範囲に対する摩擦攪拌のスタート位置が設定されている、
ことを特徴とする請求項２に記載の接合方法。
【請求項５】
さらに、前記回転ツールの攪拌ピンを前記金属要素の塑性化領域から抜き出した際に生じる抜き穴に金属部材を充填する充填工程を含む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６】
さらに、前記充填工程でした前記金属部材と塑性化領域とを跨ぐように接合して前記金属部材を抜け穴に仮止めする仮止め工程を含むことを特徴とする請求項５に記載の接合方法。
【請求項７】
請求項１又は請求項２に記載の接合方法において、
前記金属要素を中空部材としたことを特徴とする接合方法。
【請求項８】
請求項７に記載の接合方法において、
前記中空部材の突合面に凹部を成形し、前記中空部材同士の突合部に前記凹部による隙間を形成することを特徴とする接合方法。
【請求項１】
金属要素同士の突合部を回転ツールで摩擦攪拌を行う接合方法であって、
前記突合部の一端側から前記突合部の途中までに設けた第一の点までの第一接合範囲に摩擦攪拌を行う第一の摩擦攪拌接合工程と、
前記第一の摩擦攪拌接合工程により生じた第一接合範囲に属する塑性化領域内に設けた第二の点から前記突合部の他端側までの第二接合範囲に摩擦攪拌を行う第二の摩擦攪拌接合工程と、を含み、
前記第一の摩擦攪拌接合工程では、前記第一接合範囲に対する摩擦攪拌のスタート位置が前記突合部の途中に設けた前記第一の点として設定され、かつ、前記第一接合範囲のエンド位置が前記突合部の一端側に設定され、
前記第二の摩擦攪拌接合工程では、前記第二接合範囲に対する摩擦攪拌のスタート位置が前記一端側とは反対の前記突合部の他端側に設定され、かつ、前記第二接合範囲のエンド位置が前記第一接合範囲に属する塑性化領域内に設けた前記第二の点として設定されている、
ことを特徴とする接合方法。
【請求項２】
金属要素同士の突合部を回転ツールで摩擦攪拌を行う接合方法であって、
前記突合部の一端側から前記突合部の途中までに設けた第一の点までの第一接合範囲に摩擦攪拌を行う第一の摩擦攪拌接合工程と、
前記第一の摩擦攪拌接合工程により生じた第一接合範囲に属する塑性化領域内に設けた第二の点から前記突合部の他端側までの第二接合範囲に摩擦攪拌を行う第二の摩擦攪拌接合工程と、を含み、
前記第一の摩擦攪拌接合工程では、前記第一接合範囲に対する摩擦攪拌のスタート位置が前記金属要素同士の前記突合部の一端側に設定され、かつ、前記第一接合範囲のエンド位置が前記突合部の途中に設けた前記第一の点として設定され、
前記第二の摩擦攪拌接合工程では、前記第二接合範囲に対する摩擦攪拌のスタート位置が前記一端側とは反対の前記突合部の他端側に設定され、かつ、前記第二接合範囲のエンド位置が前記第一接合範囲に属する塑性化領域内に設けた前記第二の点として設定されている、
ことを特徴とする接合方法。
【請求項３】
前記第一の摩擦攪拌接合工程では、前記突合部の一端側の側方に配置された第一タブ部上に前記第一接合範囲に対する摩擦攪拌のエンド位置が設定され、
前記第二の摩擦攪拌接合工程では、前記一端側とは反対の前記突合部の他端側の側方に配置された第二タブ部上に前記第二接合範囲に対する摩擦攪拌のスタート位置が設定されている、
ことを特徴とする請求項１に記載の接合方法。
【請求項４】
前記第一の摩擦攪拌接合工程では、前記突合部の一端側の側方に配置された第一タブ部上に前記第一接合範囲に対する摩擦攪拌のスタート位置が設定され、
前記第二の摩擦攪拌接合工程では、前記一端側とは反対の前記突合部の他端側の側方に配置された第二タブ部上に前記第二接合範囲に対する摩擦攪拌のスタート位置が設定されている、
ことを特徴とする請求項２に記載の接合方法。
【請求項５】
さらに、前記回転ツールの攪拌ピンを前記金属要素の塑性化領域から抜き出した際に生じる抜き穴に金属部材を充填する充填工程を含む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６】
さらに、前記充填工程でした前記金属部材と塑性化領域とを跨ぐように接合して前記金属部材を抜け穴に仮止めする仮止め工程を含むことを特徴とする請求項５に記載の接合方法。
【請求項７】
請求項１又は請求項２に記載の接合方法において、
前記金属要素を中空部材としたことを特徴とする接合方法。
【請求項８】
請求項７に記載の接合方法において、
前記中空部材の突合面に凹部を成形し、前記中空部材同士の突合部に前記凹部による隙間を形成することを特徴とする接合方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１２−２２３８２２（Ｐ２０１２−２２３８２２Ａ）
【公開日】平成２４年１１月１５日（２０１２．１１．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−１６０２３８（Ｐ２０１２−１６０２３８）
【出願日】平成２４年７月１９日（２０１２．７．１９）
【分割の表示】特願２００７−１５４２４３（Ｐ２００７−１５４２４３）の分割
【原出願日】平成１９年６月１１日（２００７．６．１１）
【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２４年１１月１５日（２０１２．１１．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年７月１９日（２０１２．７．１９）
【分割の表示】特願２００７−１５４２４３（Ｐ２００７−１５４２４３）の分割
【原出願日】平成１９年６月１１日（２００７．６．１１）
【出願人】（０００００４７４３）日本軽金属株式会社 (627)
【Ｆターム（参考）】
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