摩擦攪拌接合方法
【課題】摩擦攪拌接合の接合部の密閉性能を向上させる。
【解決手段】円柱状の大径部の端部に円柱状の小径部を備えた第一金属部材１ａと、前記大径部と略同等の外径を有する円筒状の第二金属部材１ｂとを端面同士で突き合わせて形成された突合部４０に対して摩擦攪拌を行う摩擦攪拌接合方法であって、突合部４０に沿って回転ツール５０を一周させて塑性化領域４１を形成した後、塑性化領域４１に沿って回転ツール５０をさらに一周させることを特徴とする
【解決手段】円柱状の大径部の端部に円柱状の小径部を備えた第一金属部材１ａと、前記大径部と略同等の外径を有する円筒状の第二金属部材１ｂとを端面同士で突き合わせて形成された突合部４０に対して摩擦攪拌を行う摩擦攪拌接合方法であって、突合部４０に沿って回転ツール５０を一周させて塑性化領域４１を形成した後、塑性化領域４１に沿って回転ツール５０をさらに一周させることを特徴とする
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、摩擦攪拌接合方法に関する。
【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。摩擦攪拌接合とは、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。
【０００３】
例えば、一対の円筒状の金属部材を接合する場合、両金属部材の端面同士を突き合わせて形成された突合部に沿って円周方向に摩擦攪拌接合を行う技術が特許文献１に開示されている。かかる接合方法によれば、例えば、トルクロッドのような棒状部材等を製造することができる。
また、中空部を備える容器本体と、当該容器本体を塞ぐ蓋体のように、肉厚の異なる部材を突き合わせて形成された突合部に沿って、摩擦攪拌接合を行う技術が特許文献２に開示されている。当該接合方法は、回転ツールの進行速度が回転速度に加算されるシアー側に、肉厚の蓋体が位置するように摩擦攪拌接合を行ことで、摩擦攪拌接合の際に肉不足を引き起こさずに接合部分を接合することができる。
【特許文献１】特開２００３−１１２２７２号公報
【特許文献２】特開２０００−２４６４６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、一般に摩擦攪拌接合方法では、塑性化領域に空洞欠陥が発生する場合がある。従来の摩擦攪拌接合によって製造された製品では、空洞欠陥が発生したとしても、表面には露出され難いので接合部の密閉性能上問題はないが、さらなる信頼性の向上のために突合部の近くの空洞欠陥を低減して密閉性能を向上させることが要求されている。
【０００５】
そこで、本発明は、接合部の密閉性能を向上させることができる摩擦攪拌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】
前記課題を解決するための手段として、本発明は、大径部の端部に小径部を備えた柱状の第一金属部材と、前記大径部と略同等の外径を有する筒状の第二金属部材とを端面同士で突き合わせて形成された突合部に対して摩擦攪拌を行う摩擦攪拌接合方法であって、前記突合部に沿って回転ツールを一周させて塑性化領域を形成した後、前記塑性化領域に沿って前記回転ツールをさらに一周させることを特徴とする。
【０００７】
このような方法によれば、回転ツールを一周させて塑性化領域を形成した後、塑性化領域に沿って回転ツールをさらに一周させることによって、塑性化領域がより一層攪拌されるので、空洞欠陥を低減させることができ、接合部の密閉性能を向上させることができ、信頼性の高い製品を供給することができる。
【０００８】
また、前記回転ツールの一周目における始端と終端とがオーバーラップしており、前記塑性化領域の一部が重複していることが好ましい。
【０００９】
かかる接合方法によれば、塑性化領域の一部が重複していることにより、接合部の密閉性能を向上させることができる。
【００１０】
また、前記回転ツールの二周目における移動軌跡を前記回転ツールの一周目における移動で形成された塑性化領域よりも前記第一金属部材側へ偏移させることが好ましい。
【００１１】
かかる接合方法によれば、一周目で空洞欠陥が発生したとしても二周目の移動で攪拌して空洞欠陥を低減することができるとともに、万一、二周目で空洞欠陥が発生したとしても、突合部から離反した部分に発生するので、接合部の密閉性能を大幅に向上させることができる。
【００１２】
また、前記回転ツールの二周目における前記突合部への押込み量を、前記回転ツールの一周目における前記突合部への押込み量よりも大きくすることが好ましい。
【００１３】
かかる接合方法によれば、回転ツールがより一層奥まで押し込まれ、効率的に攪拌されるので、空洞欠陥を低減させることができ、接合部の密閉性能を向上できる。
【００１４】
また、前記第一金属部材が前記回転ツールの進行方向左側に位置する場合、前記回転ツールを右回転させ、前記第一金属部材が前記回転ツールの進行方向右側に位置する場合、前記回転ツールを左回転させることが好ましい。
【００１５】
かかる接合方法によれば、空洞欠陥が肉厚である第一金属部材側に形成されることになるので、接合部の密閉性能を向上させることができる。
【００１６】
また、前記回転ツールの二週目の移動方向を、前記回転ツールの一周目の移動方向と逆にすることが好ましい。かかる接合方法によれば、突合部は、一周目と二周目とで逆向きに攪拌されることになるので、効率的に攪拌される。したがって、空洞欠陥を低減させることができ、接合部の密閉性能を向上させることができる。
【００１７】
また、前記回転ツールを、前記回転ツールの二周目における終端から前記第一金属部材側に向けて偏移させながら移動させて、前記回転ツールの引抜位置を前記第一金属部材に設けることが好ましい。
【００１８】
かかる接合方法によれば、突合部から離れた位置に回転ルーツの抜き穴が形成されることとなる。これにより、接合部の密閉性能をさらに向上させることができる。
【００１９】
また、前記回転ツールで前記塑性化領域を形成する工程に先だって、前記突合部の一部を前記回転ツールよりも小型の仮接合用回転ツールを用いて仮接合することが好ましい。
【００２０】
かかる接合方法によれば、仮接合することによって、本格的に接合する際に第一金属部材及び第二金属部材が移動することがなく、接合しやすくなるとともに、位置決め精度が向上する。
【００２１】
また、円柱状の大径部の端部に円柱状の小径部を備えた第一金属部材と、前記大径部と略同等の外径を有する円筒状の第二金属部材とを端面同士で突き合わせて形成された突合部に対して摩擦攪拌を行う接合方法であって、前記突合部に沿って回転ツールを一周させて塑性化領域を形成した後、前記塑性化領域に沿って前記回転ツールをさらに一周させることを特徴とする。
【００２２】
かかる接合方法によれば、回転ツールを一周させて塑性化領域を形成した後、塑性化領域に沿って回転ツールをさらに一周させることによって、塑性化領域がより一層攪拌されるので、空洞欠陥を低減させることができ、接合部の密閉性能を向上させることができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、一対の金属部材に係る接合部の密閉性能を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
[第一実施形態]
本発明の第一実施形態に係る摩擦攪拌接合方法について、図面を適宜参照して詳細に説明する。
図１は、第一実施形態に係る摩擦攪拌接合方法を示した斜視図である。本実施形態では、略円柱状の第一金属部材１ａと、円筒状の第二金属部材１ｂとを突き合わせ、当該突き合わせた部分に形成された突合部４０に沿って円周方向に、２周に亘って摩擦攪拌を行うことを特徴とする。第一実施形態によって、例えば、密閉容器やトルクロッド等を形成することができる。
【００２５】
まず、第一金属部材１ａ及び第二金属部材１ｂについて詳細に説明する。
第一金属部材１ａは、図２の（ａ）に示すように、略円柱状を呈する金属部材であって、大径部Ｄと、大径部Ｄの端面１１ａに凸設された円柱状を呈する小径部Ｅとを有する。大径部Ｄ及び小径部Ｅは、同心軸で形成されている。第二金属部材１ｂは、円筒状を呈する金属部材である。第一金属部材１ａ及び第二金属部材１ｂは、略同等の外径からなり、第一金属部材１ａの小径部Ｅの外径と、第二金属部材１ｂの内径は、略同等に形成されている。
【００２６】
第一金属部材１ａ及び第二金属部材１ｂは、本実施形態では、同一組成の金属材料であって、例えば、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。
【００２７】
次に、第一金属部材実施形態に係る摩擦攪拌接合方法について図２乃至図４を用いて説明する。
まず、図２の（ａ）及び（ｂ）に示すように、第一金属部材１ａと第二金属部材１ｂとを端面同士で突き合わせて被接合金属部材１を形成する。即ち、第一金属部材１ａの端面１１ａと、第二金属部材１ｂの端面１１ｂとを密着させる。前記したように、第一金属部材１ａの外径（大径部Ｄの外径）と、第二金属部材１ｂの外径は、略同一に形成されているため、両部材を突き合せると互いの外周面１２ａ，外周面１２ｂが面一になる。また、第一金属部材１ａの小径部Ｅの外径と、第二金属部材１ｂの内径は、略同等に形成されているため、両部材を突き合せると小径部Ｅの外周面１３ａと、第二金属部材１ｂの内周面１３ｂとが接触する。
【００２８】
図２の（ｂ）に示すように、第一金属部材１ａの端面１１ａと、第二金属部材１ｂの端面１１ｂとが突き合わされることにより、突合部４０が形成される。突合部４０は、図４に示すように、被接合金属部材１の軸方向と直角に外周面に亘って形成される。
【００２９】
次に、この突合部４０に沿って摩擦攪拌接合用の回転ツール５０を相対移動させる。このとき、本実施形態では、被接合金属部材１が移動しないように、被接合金属部材１を治具等によって拘束する。
【００３０】
回転ツール５０は、図３の（ａ）に示すように、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５１と、このショルダ部５１の下端面に突設された攪拌ピン（プローブ）５２とを備えて構成されている。回転ツール５０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。攪拌ピン５２の突出長さ寸法Ｌ１は、第二金属部材１ｂの厚さ寸法Ｔ１の６０％以下であることが好ましい（本実施形態では、略５０％）。このような構成によれば、摩擦攪拌接合によって第二金属部材１ｂが変形しにくくなる。また、回転ツール５０の回転速度は５００〜１５０００（ｒｐｍ）、送り速度は０．０５〜２（ｍ／分）で、突合部４０を押さえる押込み力は１〜２０（ｋＮ）程度で、被接合金属部材１の材質や板厚および形状に応じて適宜選択される。
【００３１】
図４の（ａ）に示すように、回転ツール５０の挿入位置５３は、突合部４０から第一金属部材１ａ側に外れた任意の位置となっている。回転ツール５０は、挿入位置５３から突合部４０へ回転しながら移動させる。回転ツール５０は、その軸心が突合部４０の突合面４０ａ上に位置する部分（一周目の始端５４ａ）に移動したならば、その軸芯が突合面４０ａ上に沿うように、回転ツール５０を移動させる。本実施形態では、回転ツール５０の移動方向は、第一金属部材１ａ側から見て反時計回り（矢印Ｙ１）とし、回転ツール５０の回転方向（自転方向）は、右方向（矢印Ｙ２）に設定している。
【００３２】
その後、回転ツール５０の回転および移動を継続し、図４の（ｂ）に示すように、回転ツール５０を周方向に一周させて塑性化領域４１を形成する。ここで、「塑性化領域」とは、回転ツール５０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５０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。このとき、回転ツール５０の一周目における始端５４ａ（図４の（ａ）参照）と一周目の終端５４ｂ（図４の（ｂ）参照）とがオーバーラップしており、塑性化領域４１の一部が重複するように構成されている。
【００３３】
そして、図４の（ｃ）に示すように、回転ツール５０の一周目の移動が終わった後に、
二周目の始端５５ａ（一周目の終端５４ｂと同位置）から引き続いて塑性化領域４１に沿って回転ツール５０をさらに一周させる。本実施形態では、回転ツール５０の二周目の回転および移動は、一周目の回転方向、回転速度、移動方向および移動速度と同様にしている（図４の（ｃ）中、矢印Ｙ３，Ｙ４）。また、二周目の移動に入るに際して、回転ツール５０は、交換を行わず、突合部４０に挿入したままの状態で継続して回転および移動させ、押込み量も変更しない。なお、回転ツール５０の回転速度や移動速度等は、被接合金属部材１の形状や材質に応じて適宜変更してもよい。
【００３４】
ここで、回転ツール５０は、一周目の移動において塑性化領域４１を形成し、二周目の移動において、形成された塑性化領域４１をさらに攪拌することでその内部に存在する空洞欠陥を低減させている。以下、回転ツール５０の二周目の移動が終了して形成された領域を「第二塑性化領域４３」と称する場合がある。
【００３５】
そして、図４の（ｃ）に示すように、回転ツール５０の二周目の終端５５ｂに達したならば、回転ツール５０を塑性化領域４１（突合部４０）から第一金属部材１ａ側に外れた位置へと移動させ、引抜位置５５で回転ツール５０を引き抜く。このように、回転ツール５０の引抜位置５５が、突合部４０から第一金属部材１ａ側に外れた位置となっているので、攪拌ピン５２の引抜跡が突合部４０上に形成されることはない。これにより、被接合金属部材１の接合性をより高めることができる。
【００３６】
以上のように、回転ツール５０を被接合金属部材１の周囲で、突合部４０に沿って二周させて摩擦攪拌接合を行うことで第一金属部材１ａ及び第二金属部材１ｂが接合される。
【００３７】
本実施形態に係る摩擦攪拌接合方法によれば、回転ツール５０を一周させて塑性化領域４１を形成した後に、この塑性化領域４１に沿って回転ツール５０をさらに一周させることによって、塑性化領域４１よりもさらに攪拌された第二塑性化領域４３が形成される。即ち、塑性化領域４１に空洞欠陥が発生した場合であっても自動的に欠陥を補修することとなり、第二塑性化領域４３における空洞欠陥を大幅に低減させることができる。したがって、接合部の密閉性能をより一層向上させることができ、信頼性の高い製品を供給することができる。
【００３８】
また、回転ツール５０の二周目の移動は、回転ツール５０の交換を行うことなく、一周目の移動に引き続いて連続的に行うことによって、接合時間が長くなるのを抑えることができる。
【００３９】
さらに、回転ツール５０の一周目における始端５４ａと終端５４ｂとがオーバーラップしており、塑性化領域４１の一部が重複していることにより、突合部４０を良好に接合することができる。即ち、塑性化領域４１，４３が確実に突合部４０の全周を覆うので、接合部の密閉性能をさらに向上させることができる。
【００４０】
ここで、摩擦攪拌接合においては、回転ツールを右回転させると進行方向左側に空洞欠陥が形成される可能性がある。一方、回転ツールを左回転させると進行方向右側に空洞欠陥が形成される可能性がある。本実施形態では、図３及び図４に示すように、第一金属部材１ａ側から見て反時計回りに回転ツール５０を移動させるとともに、回転ツール５０を右回転させているため、第一金属部材１ａに空洞欠陥が形成される可能性が高い。つまり、仮に、空洞欠陥が残存したとしても、第二金属部材１ｂよりも肉厚である第一金属部材１ａに空洞欠陥が残存するため、被接合金属部材１の密閉性能を高めることができる。
【００４１】
なお、本実施形態では、回転ツール５０を右回転させたが、左回転させる場合は、第一金属部材１ａ側から見て時計回りに回転ツール５０を移動させればよい。これにより、空洞欠陥は第一金属部材１ａに形成される。
また、本実施形態では、被接合金属部材１に対して、回転ツール５０を相対的に移動させて摩擦攪拌を行ったが、これに限定されるものではなく、回転ツール５０を自転させた状態で固定し、被接合金属部材１を周方向に回転させてもよい。
【００４２】
[第二実施形態]
次に、第二実施形態に係る摩擦攪拌接合方法について、図５を参照して説明する。
かかる実施形態は、図５の（ａ）に示すように、回転ツール５０で塑性化領域４１を形成する工程に先立って、突合部４０の一部を回転ツール５０よりも小型の仮接合用回転ツール６０を用いて仮接合することを特徴とする。当該仮接合を行った後に、回転ツール５０を用いて第一実施形態と同様の摩擦攪拌接合を行う（図５の（ｂ）参照）。
【００４３】
仮接合用回転ツール６０は、回転ツール５０の攪拌ピン５２よりも小径のショルダ部及び攪拌ピン（図示せず）を備えており、形成される塑性化領域４５は、後の工程で回転ツール５０によって形成される塑性化領域４１（図５の（ｂ）参照）の幅よりも小さい幅を有することとなる。これによって、仮接合における塑性化領域４５は、塑性化領域４１で完全に覆われることとなるので、塑性化領域４５に残った仮接合用回転ツール６０の引抜跡および塑性化領域４５の跡が残らない。
【００４４】
本実施形態では、仮接合によって形成された四箇所の塑性化領域４５，４５・・が等間隔となるように、断続的に仮接合を行っている。これにより、第一金属部材１ａと第二金属部材１ｂとをバランスよく仮接合することができ、回転ツール５０による接合時のズレを防止でき、接合部の密閉性能をより一層向上させることができる。なお、本実施形態では、仮接合を断続的に行ったが、これに限定されるものではなく、突合部４０の全長に亘って仮接合を行ってもよい。
【００４５】
[第三実施形態]
次に、第三実施形態に係る摩擦攪拌接合方法について、図６、図７および図８を参照して説明する。
かかる実施形態は、図６に示すように、回転ツール５０の二周目における移動軌跡を、回転ツール５０の一周目における移動で形成された塑性化領域４１よりも第一金属部材１ａ側へ偏移させることを特徴とする。
【００４６】
具体的には、まず、図６の（ａ）に示すように、第一金属部材１ａと第二金属部材１ｂとを突き合わせた後、回転ツール５０を、突合部４０から第一金属部材１ａ側に外れた任意の挿入位置５３に挿入する。その後、回転ツール５０を、突合部４０上の始端５４ａまで移動させて、この突合部４０に沿って一周目の終端５４ｂまで移動させて塑性化領域４１を形成する。ここまでの工程は第一実施形態と同様である（図４の（ｂ）までと同様）。
【００４７】
その後、図７に示すように、回転ツール５０を、一周目の終端５４ｂから第一金属部材１ａ側へ偏移させる。このとき、回転ツール５０の一周目の始端５４ａと終端５４ｂとはオーバーラップしている。回転ツール５０の偏移は、移動方向に向かうに連れて第一金属部材１ａ側へ移動するように斜めに移動して、回転ツール５０の二周目の移動軌跡の内側端が、一周目の移動軌跡（塑性化領域４１）の中心線（突合部４０の突合面４０ａ）よりも第一金属部材１ａ側に位置するようになっている。その後、回転ツール５０は、図６の（ｂ）に示すように、一周目の移動軌跡（塑性化領域４１）と位置関係を保ちながら平行に移動する。これによって、塑性化領域４１の第一金属部材１ａ側部分が、回転ツール５０の二周目の移動によって攪拌されることとなる（図７および図８参照）。なお、回転ツール５０の二周目の移動は、一周目の回転方向、回転速度、移動方向、移動速度および押込み量と同様にしている。なお、二周目の回転ツール５０の回転速度や移動速度や押込み量等は、被接合金属部材１の形状や材質に応じて適宜変更してもよい。
【００４８】
そして、図６の（ｃ）に示すように、回転ツール５０の二周目の移動が終了して終端５５ｂに達したら、回転ツール５０を第二塑性化領域４３から第一金属部材１ａ側に外れた引抜位置５５へと移動させ、その位置で、回転ツール５０を引き抜く。なお、二周目の終端５５ｂは、図７に示すように、二周目の始端５５ａ（一周目の終端５４ｂと同位置）をオーバーラップしている。
【００４９】
本実施形態によれば、第一実施形態で得られる作用効果の他に、以下のような作用効果を得られる。
本実施形態では、回転ツール５０の二周目における移動軌跡を、回転ツール５０の一周目における移動で形成された塑性化領域４１よりも第一金属部材１ａ側へ偏移させることによって、一周目の摩擦攪拌で空洞欠陥が発生したとしても、その空洞欠陥は塑性化領域４１内の第一金属部材１ａ寄りのスペース５６ａ（図８参照）に発生するので、回転ツール５０の二周目の移動で攪拌して空洞欠陥を低減することができる。さらに、万一、二周目の摩擦攪拌で空洞欠陥が発生したとしても、二周目の塑性化領域４３の第一金属部材１ａ側のスペース５６ｂ（図８参照）に発生することになるので、空洞欠陥は突合部４０から大きく離反する。したがって、接合部の密閉性能をさらに向上させることができる。
【００５０】
[第四実施形態]
次に、第四実施形態に係る摩擦攪拌接合方法について、図９を参照して説明する。
かかる実施形態は、図９に示すように、回転ツール５０の二周目における移動方向を、回転ツール５０の一周目における移動方向とは逆方向にすることを特徴とする。
【００５１】
具体的には、まず、図９の（ａ）に示すように、第一金属部材１ａと第二金属部材１ｂとを突き合わせた後、回転ツール５０を、突合部４０から第一金属部材１ａ側に外れた任意の挿入位置５３に挿入する。その後、回転ツール５０を、突合部４０上の一周目の始端５４ａまで移動させた後、この突合部４０に沿って一周目の終端５４ｂまで移動させて塑性化領域４１を形成する。ここまでの工程は第一実施形態と同様である（図４の（ｂ）までと同様）。回転ツール５０の一周目の移動は、第一金属部材１ａ側から見て反時計回りとなっており（矢印Ｙ１）、回転ツール５０の回転方向も右回転となっている（矢印Ｙ２）。
【００５２】
その後、図９の（ｂ）に示すように、回転ツール５０を、一周目の終端５４ｂ（二週目の始端５５ａでもある）で折り返して、形成された塑性化領域４１に沿って（突合部４０に沿って）移動する（矢印Ｙ５）。このとき、回転ツール５０は、回転方向は一周目と同様に右回転を継続する（矢印Ｙ６）。回転ツール５０が一周目とは逆方向に移動して同方向に回転する二周目によって、形成された塑性化領域４１をさらに攪拌された第二塑性化領域４３が形成される。なお、二周目の回転ツール５０の回転速度や移動速度や押込み量等は、被接合金属部材１の形状や材質に応じて適宜変更してもよい。
【００５３】
そして、図９の（ｃ）に示すように、回転ツール５０の二周目の終端５５ｂに達したら、（本実施形態では、一周目の始端５４ａと同位置）、回転ツール５０を突合部４０から第一金属部材１ａ側に外れた位置に移動させ、引抜位置５５で、回転ツール５０を引き抜く。なお、本実施形態では回転ツール５０を引き抜く引抜位置５５は、挿入位置５３と同じである。
【００５４】
本実施形態によれば、第一実施形態で得られる作用効果の他に、以下のような作用効果を得られる。
本実施形態では、回転ツール５０の一周目と二周目における移動方向を逆方向にすることによって、塑性化領域４１，４３が一周目と二周目とで逆向きに攪拌されることになるので、効率的に攪拌される。したがって、空洞欠陥を低減させることができ、接合部の密閉性能を向上させることができる。なお、本実施形態では、一周目と二周目を同じ軌跡としたが、第三実施形態のように、二周目を第一金属部材１ａ側に偏移させてもよい。
【００５５】
[第五実施形態]
次に、第五実施形態に係る摩擦攪拌接合方法について、図１０を参照して説明する。
かかる実施形態は、図１０に示すように、回転ツール５０の二周目における突合部４０への押込み量を、回転ツール５０の一周目における突合部４０への押込み量よりも大きくすることを特徴とする。
【００５６】
具体的には、一周目における回転ツール５０は、図１０の（ａ）に示すように、回転ツール５０のショルダ部５１の下端面が、被接合金属部材１の外周面よりも僅かに低くなるように配置されており、被接合金属部材１の外周面と、回転ツール５０のショルダ部５１の下端面との距離が、突合部４０への押込み量Ｌ２となっている。二周目における回転ツール５０は、図１０の（ｂ）に示すように、回転ツール５０のショルダ部５１の下端面が、一周目よりも深く被接合金属部材１の外周面より低い高さに位置するように配置されており、回転ツール５０の突合部４０への押込み量Ｌ３が、回転ツール５０の一周目における突合部４０への押込み量Ｌ２よりも大きくなっている。このとき、回転ツール５０によって形成される第二塑性化領域４３は、突合部４０の深い位置まで形成されることとなる。なお、回転ツール５０のショルダ部５１によって押し退けられた金属は、バリとなって排除される。
【００５７】
本実施形態によれば、第一実施形態で得られる作用効果の他に、以下のような作用効果を得られる。
本実施形態では、回転ツール５０の二周目における突合部４０への押込み量Ｌ３を、回転ツール５０の一周目における突合部４０への押込み量Ｌ２よりも大きくしているので、回転ツール５０がより一層奥まで押し込まれ、回転ツール５０の押込み力により第二塑性化領域４３に作用する圧力が高くなり、効率的に攪拌されることとなる。これによって、空洞欠陥を低減させることができる。
【００５８】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の実施形態はこれに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能である。例えば、前記実施形態では、断面視円形状であるが、これに限定されるものではなく、長方形、多角形、楕円形等の他の形状であってもよい。
【００５９】
また、前記実施形態では、第一金属部材１ａを円柱状（ソリッド）とし、第二金属部材１ｂを円筒状（ホロー）としたが、これに限定されるものではなく、ソリッド同士、ホロー同士を接合する場合に本発明を採用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】第一実施形態に係る摩擦攪拌接合方法を示した斜視図である。
【図２】第一実施形態に係る被接合金属部材を示した図であって、（ａ）は、分解斜視図、（ｂ）は、断面図である。
【図３】（ａ）は、第一実施形態に係る摩擦攪拌接合方法を示した断面図、（ｂ）は、（ａ）の摩擦攪拌接合により形成された塑性化領域を示した断面図である。
【図４】第一実施形態に係る摩擦攪拌接合方法を示した工程図である。
【図５】第二実施形態に係る摩擦攪拌接合方法を示した工程図である。
【図６】第三実施形態に係る摩擦攪拌接合方法を示した工程図である。
【図７】第三実施形態に係る摩擦攪拌接合方法を示した拡大模式平面図である。
【図８】第三実施形態に係る摩擦攪拌接合方法により形成された塑性化領域を示した断面図である。
【図９】第四実施形態に係る摩擦攪拌接合方法を示した工程図である。
【図１０】（ａ）は、第五実施形態に係る摩擦攪拌接合方法の一周目を示した断面図、（ｂ）は、第五実施形態に係る摩擦攪拌接合方法の二周目を示した断面図である。
【符号の説明】
【００６１】
１ 被接合金属部材
１ａ 第一金属部材
１ｂ 第二金属部材
４０ 突合部
４１ 塑性化領域
４３ 塑性化領域
５０ 回転ツール
６０ 仮接合用回転ツール
Ｌ２ 押込み量
Ｌ３ 押込み量
【技術分野】
【０００１】
本発明は、摩擦攪拌接合方法に関する。
【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。摩擦攪拌接合とは、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。
【０００３】
例えば、一対の円筒状の金属部材を接合する場合、両金属部材の端面同士を突き合わせて形成された突合部に沿って円周方向に摩擦攪拌接合を行う技術が特許文献１に開示されている。かかる接合方法によれば、例えば、トルクロッドのような棒状部材等を製造することができる。
また、中空部を備える容器本体と、当該容器本体を塞ぐ蓋体のように、肉厚の異なる部材を突き合わせて形成された突合部に沿って、摩擦攪拌接合を行う技術が特許文献２に開示されている。当該接合方法は、回転ツールの進行速度が回転速度に加算されるシアー側に、肉厚の蓋体が位置するように摩擦攪拌接合を行ことで、摩擦攪拌接合の際に肉不足を引き起こさずに接合部分を接合することができる。
【特許文献１】特開２００３−１１２２７２号公報
【特許文献２】特開２０００−２４６４６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、一般に摩擦攪拌接合方法では、塑性化領域に空洞欠陥が発生する場合がある。従来の摩擦攪拌接合によって製造された製品では、空洞欠陥が発生したとしても、表面には露出され難いので接合部の密閉性能上問題はないが、さらなる信頼性の向上のために突合部の近くの空洞欠陥を低減して密閉性能を向上させることが要求されている。
【０００５】
そこで、本発明は、接合部の密閉性能を向上させることができる摩擦攪拌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】
前記課題を解決するための手段として、本発明は、大径部の端部に小径部を備えた柱状の第一金属部材と、前記大径部と略同等の外径を有する筒状の第二金属部材とを端面同士で突き合わせて形成された突合部に対して摩擦攪拌を行う摩擦攪拌接合方法であって、前記突合部に沿って回転ツールを一周させて塑性化領域を形成した後、前記塑性化領域に沿って前記回転ツールをさらに一周させることを特徴とする。
【０００７】
このような方法によれば、回転ツールを一周させて塑性化領域を形成した後、塑性化領域に沿って回転ツールをさらに一周させることによって、塑性化領域がより一層攪拌されるので、空洞欠陥を低減させることができ、接合部の密閉性能を向上させることができ、信頼性の高い製品を供給することができる。
【０００８】
また、前記回転ツールの一周目における始端と終端とがオーバーラップしており、前記塑性化領域の一部が重複していることが好ましい。
【０００９】
かかる接合方法によれば、塑性化領域の一部が重複していることにより、接合部の密閉性能を向上させることができる。
【００１０】
また、前記回転ツールの二周目における移動軌跡を前記回転ツールの一周目における移動で形成された塑性化領域よりも前記第一金属部材側へ偏移させることが好ましい。
【００１１】
かかる接合方法によれば、一周目で空洞欠陥が発生したとしても二周目の移動で攪拌して空洞欠陥を低減することができるとともに、万一、二周目で空洞欠陥が発生したとしても、突合部から離反した部分に発生するので、接合部の密閉性能を大幅に向上させることができる。
【００１２】
また、前記回転ツールの二周目における前記突合部への押込み量を、前記回転ツールの一周目における前記突合部への押込み量よりも大きくすることが好ましい。
【００１３】
かかる接合方法によれば、回転ツールがより一層奥まで押し込まれ、効率的に攪拌されるので、空洞欠陥を低減させることができ、接合部の密閉性能を向上できる。
【００１４】
また、前記第一金属部材が前記回転ツールの進行方向左側に位置する場合、前記回転ツールを右回転させ、前記第一金属部材が前記回転ツールの進行方向右側に位置する場合、前記回転ツールを左回転させることが好ましい。
【００１５】
かかる接合方法によれば、空洞欠陥が肉厚である第一金属部材側に形成されることになるので、接合部の密閉性能を向上させることができる。
【００１６】
また、前記回転ツールの二週目の移動方向を、前記回転ツールの一周目の移動方向と逆にすることが好ましい。かかる接合方法によれば、突合部は、一周目と二周目とで逆向きに攪拌されることになるので、効率的に攪拌される。したがって、空洞欠陥を低減させることができ、接合部の密閉性能を向上させることができる。
【００１７】
また、前記回転ツールを、前記回転ツールの二周目における終端から前記第一金属部材側に向けて偏移させながら移動させて、前記回転ツールの引抜位置を前記第一金属部材に設けることが好ましい。
【００１８】
かかる接合方法によれば、突合部から離れた位置に回転ルーツの抜き穴が形成されることとなる。これにより、接合部の密閉性能をさらに向上させることができる。
【００１９】
また、前記回転ツールで前記塑性化領域を形成する工程に先だって、前記突合部の一部を前記回転ツールよりも小型の仮接合用回転ツールを用いて仮接合することが好ましい。
【００２０】
かかる接合方法によれば、仮接合することによって、本格的に接合する際に第一金属部材及び第二金属部材が移動することがなく、接合しやすくなるとともに、位置決め精度が向上する。
【００２１】
また、円柱状の大径部の端部に円柱状の小径部を備えた第一金属部材と、前記大径部と略同等の外径を有する円筒状の第二金属部材とを端面同士で突き合わせて形成された突合部に対して摩擦攪拌を行う接合方法であって、前記突合部に沿って回転ツールを一周させて塑性化領域を形成した後、前記塑性化領域に沿って前記回転ツールをさらに一周させることを特徴とする。
【００２２】
かかる接合方法によれば、回転ツールを一周させて塑性化領域を形成した後、塑性化領域に沿って回転ツールをさらに一周させることによって、塑性化領域がより一層攪拌されるので、空洞欠陥を低減させることができ、接合部の密閉性能を向上させることができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、一対の金属部材に係る接合部の密閉性能を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
[第一実施形態]
本発明の第一実施形態に係る摩擦攪拌接合方法について、図面を適宜参照して詳細に説明する。
図１は、第一実施形態に係る摩擦攪拌接合方法を示した斜視図である。本実施形態では、略円柱状の第一金属部材１ａと、円筒状の第二金属部材１ｂとを突き合わせ、当該突き合わせた部分に形成された突合部４０に沿って円周方向に、２周に亘って摩擦攪拌を行うことを特徴とする。第一実施形態によって、例えば、密閉容器やトルクロッド等を形成することができる。
【００２５】
まず、第一金属部材１ａ及び第二金属部材１ｂについて詳細に説明する。
第一金属部材１ａは、図２の（ａ）に示すように、略円柱状を呈する金属部材であって、大径部Ｄと、大径部Ｄの端面１１ａに凸設された円柱状を呈する小径部Ｅとを有する。大径部Ｄ及び小径部Ｅは、同心軸で形成されている。第二金属部材１ｂは、円筒状を呈する金属部材である。第一金属部材１ａ及び第二金属部材１ｂは、略同等の外径からなり、第一金属部材１ａの小径部Ｅの外径と、第二金属部材１ｂの内径は、略同等に形成されている。
【００２６】
第一金属部材１ａ及び第二金属部材１ｂは、本実施形態では、同一組成の金属材料であって、例えば、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。
【００２７】
次に、第一金属部材実施形態に係る摩擦攪拌接合方法について図２乃至図４を用いて説明する。
まず、図２の（ａ）及び（ｂ）に示すように、第一金属部材１ａと第二金属部材１ｂとを端面同士で突き合わせて被接合金属部材１を形成する。即ち、第一金属部材１ａの端面１１ａと、第二金属部材１ｂの端面１１ｂとを密着させる。前記したように、第一金属部材１ａの外径（大径部Ｄの外径）と、第二金属部材１ｂの外径は、略同一に形成されているため、両部材を突き合せると互いの外周面１２ａ，外周面１２ｂが面一になる。また、第一金属部材１ａの小径部Ｅの外径と、第二金属部材１ｂの内径は、略同等に形成されているため、両部材を突き合せると小径部Ｅの外周面１３ａと、第二金属部材１ｂの内周面１３ｂとが接触する。
【００２８】
図２の（ｂ）に示すように、第一金属部材１ａの端面１１ａと、第二金属部材１ｂの端面１１ｂとが突き合わされることにより、突合部４０が形成される。突合部４０は、図４に示すように、被接合金属部材１の軸方向と直角に外周面に亘って形成される。
【００２９】
次に、この突合部４０に沿って摩擦攪拌接合用の回転ツール５０を相対移動させる。このとき、本実施形態では、被接合金属部材１が移動しないように、被接合金属部材１を治具等によって拘束する。
【００３０】
回転ツール５０は、図３の（ａ）に示すように、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５１と、このショルダ部５１の下端面に突設された攪拌ピン（プローブ）５２とを備えて構成されている。回転ツール５０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。攪拌ピン５２の突出長さ寸法Ｌ１は、第二金属部材１ｂの厚さ寸法Ｔ１の６０％以下であることが好ましい（本実施形態では、略５０％）。このような構成によれば、摩擦攪拌接合によって第二金属部材１ｂが変形しにくくなる。また、回転ツール５０の回転速度は５００〜１５０００（ｒｐｍ）、送り速度は０．０５〜２（ｍ／分）で、突合部４０を押さえる押込み力は１〜２０（ｋＮ）程度で、被接合金属部材１の材質や板厚および形状に応じて適宜選択される。
【００３１】
図４の（ａ）に示すように、回転ツール５０の挿入位置５３は、突合部４０から第一金属部材１ａ側に外れた任意の位置となっている。回転ツール５０は、挿入位置５３から突合部４０へ回転しながら移動させる。回転ツール５０は、その軸心が突合部４０の突合面４０ａ上に位置する部分（一周目の始端５４ａ）に移動したならば、その軸芯が突合面４０ａ上に沿うように、回転ツール５０を移動させる。本実施形態では、回転ツール５０の移動方向は、第一金属部材１ａ側から見て反時計回り（矢印Ｙ１）とし、回転ツール５０の回転方向（自転方向）は、右方向（矢印Ｙ２）に設定している。
【００３２】
その後、回転ツール５０の回転および移動を継続し、図４の（ｂ）に示すように、回転ツール５０を周方向に一周させて塑性化領域４１を形成する。ここで、「塑性化領域」とは、回転ツール５０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５０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。このとき、回転ツール５０の一周目における始端５４ａ（図４の（ａ）参照）と一周目の終端５４ｂ（図４の（ｂ）参照）とがオーバーラップしており、塑性化領域４１の一部が重複するように構成されている。
【００３３】
そして、図４の（ｃ）に示すように、回転ツール５０の一周目の移動が終わった後に、
二周目の始端５５ａ（一周目の終端５４ｂと同位置）から引き続いて塑性化領域４１に沿って回転ツール５０をさらに一周させる。本実施形態では、回転ツール５０の二周目の回転および移動は、一周目の回転方向、回転速度、移動方向および移動速度と同様にしている（図４の（ｃ）中、矢印Ｙ３，Ｙ４）。また、二周目の移動に入るに際して、回転ツール５０は、交換を行わず、突合部４０に挿入したままの状態で継続して回転および移動させ、押込み量も変更しない。なお、回転ツール５０の回転速度や移動速度等は、被接合金属部材１の形状や材質に応じて適宜変更してもよい。
【００３４】
ここで、回転ツール５０は、一周目の移動において塑性化領域４１を形成し、二周目の移動において、形成された塑性化領域４１をさらに攪拌することでその内部に存在する空洞欠陥を低減させている。以下、回転ツール５０の二周目の移動が終了して形成された領域を「第二塑性化領域４３」と称する場合がある。
【００３５】
そして、図４の（ｃ）に示すように、回転ツール５０の二周目の終端５５ｂに達したならば、回転ツール５０を塑性化領域４１（突合部４０）から第一金属部材１ａ側に外れた位置へと移動させ、引抜位置５５で回転ツール５０を引き抜く。このように、回転ツール５０の引抜位置５５が、突合部４０から第一金属部材１ａ側に外れた位置となっているので、攪拌ピン５２の引抜跡が突合部４０上に形成されることはない。これにより、被接合金属部材１の接合性をより高めることができる。
【００３６】
以上のように、回転ツール５０を被接合金属部材１の周囲で、突合部４０に沿って二周させて摩擦攪拌接合を行うことで第一金属部材１ａ及び第二金属部材１ｂが接合される。
【００３７】
本実施形態に係る摩擦攪拌接合方法によれば、回転ツール５０を一周させて塑性化領域４１を形成した後に、この塑性化領域４１に沿って回転ツール５０をさらに一周させることによって、塑性化領域４１よりもさらに攪拌された第二塑性化領域４３が形成される。即ち、塑性化領域４１に空洞欠陥が発生した場合であっても自動的に欠陥を補修することとなり、第二塑性化領域４３における空洞欠陥を大幅に低減させることができる。したがって、接合部の密閉性能をより一層向上させることができ、信頼性の高い製品を供給することができる。
【００３８】
また、回転ツール５０の二周目の移動は、回転ツール５０の交換を行うことなく、一周目の移動に引き続いて連続的に行うことによって、接合時間が長くなるのを抑えることができる。
【００３９】
さらに、回転ツール５０の一周目における始端５４ａと終端５４ｂとがオーバーラップしており、塑性化領域４１の一部が重複していることにより、突合部４０を良好に接合することができる。即ち、塑性化領域４１，４３が確実に突合部４０の全周を覆うので、接合部の密閉性能をさらに向上させることができる。
【００４０】
ここで、摩擦攪拌接合においては、回転ツールを右回転させると進行方向左側に空洞欠陥が形成される可能性がある。一方、回転ツールを左回転させると進行方向右側に空洞欠陥が形成される可能性がある。本実施形態では、図３及び図４に示すように、第一金属部材１ａ側から見て反時計回りに回転ツール５０を移動させるとともに、回転ツール５０を右回転させているため、第一金属部材１ａに空洞欠陥が形成される可能性が高い。つまり、仮に、空洞欠陥が残存したとしても、第二金属部材１ｂよりも肉厚である第一金属部材１ａに空洞欠陥が残存するため、被接合金属部材１の密閉性能を高めることができる。
【００４１】
なお、本実施形態では、回転ツール５０を右回転させたが、左回転させる場合は、第一金属部材１ａ側から見て時計回りに回転ツール５０を移動させればよい。これにより、空洞欠陥は第一金属部材１ａに形成される。
また、本実施形態では、被接合金属部材１に対して、回転ツール５０を相対的に移動させて摩擦攪拌を行ったが、これに限定されるものではなく、回転ツール５０を自転させた状態で固定し、被接合金属部材１を周方向に回転させてもよい。
【００４２】
[第二実施形態]
次に、第二実施形態に係る摩擦攪拌接合方法について、図５を参照して説明する。
かかる実施形態は、図５の（ａ）に示すように、回転ツール５０で塑性化領域４１を形成する工程に先立って、突合部４０の一部を回転ツール５０よりも小型の仮接合用回転ツール６０を用いて仮接合することを特徴とする。当該仮接合を行った後に、回転ツール５０を用いて第一実施形態と同様の摩擦攪拌接合を行う（図５の（ｂ）参照）。
【００４３】
仮接合用回転ツール６０は、回転ツール５０の攪拌ピン５２よりも小径のショルダ部及び攪拌ピン（図示せず）を備えており、形成される塑性化領域４５は、後の工程で回転ツール５０によって形成される塑性化領域４１（図５の（ｂ）参照）の幅よりも小さい幅を有することとなる。これによって、仮接合における塑性化領域４５は、塑性化領域４１で完全に覆われることとなるので、塑性化領域４５に残った仮接合用回転ツール６０の引抜跡および塑性化領域４５の跡が残らない。
【００４４】
本実施形態では、仮接合によって形成された四箇所の塑性化領域４５，４５・・が等間隔となるように、断続的に仮接合を行っている。これにより、第一金属部材１ａと第二金属部材１ｂとをバランスよく仮接合することができ、回転ツール５０による接合時のズレを防止でき、接合部の密閉性能をより一層向上させることができる。なお、本実施形態では、仮接合を断続的に行ったが、これに限定されるものではなく、突合部４０の全長に亘って仮接合を行ってもよい。
【００４５】
[第三実施形態]
次に、第三実施形態に係る摩擦攪拌接合方法について、図６、図７および図８を参照して説明する。
かかる実施形態は、図６に示すように、回転ツール５０の二周目における移動軌跡を、回転ツール５０の一周目における移動で形成された塑性化領域４１よりも第一金属部材１ａ側へ偏移させることを特徴とする。
【００４６】
具体的には、まず、図６の（ａ）に示すように、第一金属部材１ａと第二金属部材１ｂとを突き合わせた後、回転ツール５０を、突合部４０から第一金属部材１ａ側に外れた任意の挿入位置５３に挿入する。その後、回転ツール５０を、突合部４０上の始端５４ａまで移動させて、この突合部４０に沿って一周目の終端５４ｂまで移動させて塑性化領域４１を形成する。ここまでの工程は第一実施形態と同様である（図４の（ｂ）までと同様）。
【００４７】
その後、図７に示すように、回転ツール５０を、一周目の終端５４ｂから第一金属部材１ａ側へ偏移させる。このとき、回転ツール５０の一周目の始端５４ａと終端５４ｂとはオーバーラップしている。回転ツール５０の偏移は、移動方向に向かうに連れて第一金属部材１ａ側へ移動するように斜めに移動して、回転ツール５０の二周目の移動軌跡の内側端が、一周目の移動軌跡（塑性化領域４１）の中心線（突合部４０の突合面４０ａ）よりも第一金属部材１ａ側に位置するようになっている。その後、回転ツール５０は、図６の（ｂ）に示すように、一周目の移動軌跡（塑性化領域４１）と位置関係を保ちながら平行に移動する。これによって、塑性化領域４１の第一金属部材１ａ側部分が、回転ツール５０の二周目の移動によって攪拌されることとなる（図７および図８参照）。なお、回転ツール５０の二周目の移動は、一周目の回転方向、回転速度、移動方向、移動速度および押込み量と同様にしている。なお、二周目の回転ツール５０の回転速度や移動速度や押込み量等は、被接合金属部材１の形状や材質に応じて適宜変更してもよい。
【００４８】
そして、図６の（ｃ）に示すように、回転ツール５０の二周目の移動が終了して終端５５ｂに達したら、回転ツール５０を第二塑性化領域４３から第一金属部材１ａ側に外れた引抜位置５５へと移動させ、その位置で、回転ツール５０を引き抜く。なお、二周目の終端５５ｂは、図７に示すように、二周目の始端５５ａ（一周目の終端５４ｂと同位置）をオーバーラップしている。
【００４９】
本実施形態によれば、第一実施形態で得られる作用効果の他に、以下のような作用効果を得られる。
本実施形態では、回転ツール５０の二周目における移動軌跡を、回転ツール５０の一周目における移動で形成された塑性化領域４１よりも第一金属部材１ａ側へ偏移させることによって、一周目の摩擦攪拌で空洞欠陥が発生したとしても、その空洞欠陥は塑性化領域４１内の第一金属部材１ａ寄りのスペース５６ａ（図８参照）に発生するので、回転ツール５０の二周目の移動で攪拌して空洞欠陥を低減することができる。さらに、万一、二周目の摩擦攪拌で空洞欠陥が発生したとしても、二周目の塑性化領域４３の第一金属部材１ａ側のスペース５６ｂ（図８参照）に発生することになるので、空洞欠陥は突合部４０から大きく離反する。したがって、接合部の密閉性能をさらに向上させることができる。
【００５０】
[第四実施形態]
次に、第四実施形態に係る摩擦攪拌接合方法について、図９を参照して説明する。
かかる実施形態は、図９に示すように、回転ツール５０の二周目における移動方向を、回転ツール５０の一周目における移動方向とは逆方向にすることを特徴とする。
【００５１】
具体的には、まず、図９の（ａ）に示すように、第一金属部材１ａと第二金属部材１ｂとを突き合わせた後、回転ツール５０を、突合部４０から第一金属部材１ａ側に外れた任意の挿入位置５３に挿入する。その後、回転ツール５０を、突合部４０上の一周目の始端５４ａまで移動させた後、この突合部４０に沿って一周目の終端５４ｂまで移動させて塑性化領域４１を形成する。ここまでの工程は第一実施形態と同様である（図４の（ｂ）までと同様）。回転ツール５０の一周目の移動は、第一金属部材１ａ側から見て反時計回りとなっており（矢印Ｙ１）、回転ツール５０の回転方向も右回転となっている（矢印Ｙ２）。
【００５２】
その後、図９の（ｂ）に示すように、回転ツール５０を、一周目の終端５４ｂ（二週目の始端５５ａでもある）で折り返して、形成された塑性化領域４１に沿って（突合部４０に沿って）移動する（矢印Ｙ５）。このとき、回転ツール５０は、回転方向は一周目と同様に右回転を継続する（矢印Ｙ６）。回転ツール５０が一周目とは逆方向に移動して同方向に回転する二周目によって、形成された塑性化領域４１をさらに攪拌された第二塑性化領域４３が形成される。なお、二周目の回転ツール５０の回転速度や移動速度や押込み量等は、被接合金属部材１の形状や材質に応じて適宜変更してもよい。
【００５３】
そして、図９の（ｃ）に示すように、回転ツール５０の二周目の終端５５ｂに達したら、（本実施形態では、一周目の始端５４ａと同位置）、回転ツール５０を突合部４０から第一金属部材１ａ側に外れた位置に移動させ、引抜位置５５で、回転ツール５０を引き抜く。なお、本実施形態では回転ツール５０を引き抜く引抜位置５５は、挿入位置５３と同じである。
【００５４】
本実施形態によれば、第一実施形態で得られる作用効果の他に、以下のような作用効果を得られる。
本実施形態では、回転ツール５０の一周目と二周目における移動方向を逆方向にすることによって、塑性化領域４１，４３が一周目と二周目とで逆向きに攪拌されることになるので、効率的に攪拌される。したがって、空洞欠陥を低減させることができ、接合部の密閉性能を向上させることができる。なお、本実施形態では、一周目と二周目を同じ軌跡としたが、第三実施形態のように、二周目を第一金属部材１ａ側に偏移させてもよい。
【００５５】
[第五実施形態]
次に、第五実施形態に係る摩擦攪拌接合方法について、図１０を参照して説明する。
かかる実施形態は、図１０に示すように、回転ツール５０の二周目における突合部４０への押込み量を、回転ツール５０の一周目における突合部４０への押込み量よりも大きくすることを特徴とする。
【００５６】
具体的には、一周目における回転ツール５０は、図１０の（ａ）に示すように、回転ツール５０のショルダ部５１の下端面が、被接合金属部材１の外周面よりも僅かに低くなるように配置されており、被接合金属部材１の外周面と、回転ツール５０のショルダ部５１の下端面との距離が、突合部４０への押込み量Ｌ２となっている。二周目における回転ツール５０は、図１０の（ｂ）に示すように、回転ツール５０のショルダ部５１の下端面が、一周目よりも深く被接合金属部材１の外周面より低い高さに位置するように配置されており、回転ツール５０の突合部４０への押込み量Ｌ３が、回転ツール５０の一周目における突合部４０への押込み量Ｌ２よりも大きくなっている。このとき、回転ツール５０によって形成される第二塑性化領域４３は、突合部４０の深い位置まで形成されることとなる。なお、回転ツール５０のショルダ部５１によって押し退けられた金属は、バリとなって排除される。
【００５７】
本実施形態によれば、第一実施形態で得られる作用効果の他に、以下のような作用効果を得られる。
本実施形態では、回転ツール５０の二周目における突合部４０への押込み量Ｌ３を、回転ツール５０の一周目における突合部４０への押込み量Ｌ２よりも大きくしているので、回転ツール５０がより一層奥まで押し込まれ、回転ツール５０の押込み力により第二塑性化領域４３に作用する圧力が高くなり、効率的に攪拌されることとなる。これによって、空洞欠陥を低減させることができる。
【００５８】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の実施形態はこれに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能である。例えば、前記実施形態では、断面視円形状であるが、これに限定されるものではなく、長方形、多角形、楕円形等の他の形状であってもよい。
【００５９】
また、前記実施形態では、第一金属部材１ａを円柱状（ソリッド）とし、第二金属部材１ｂを円筒状（ホロー）としたが、これに限定されるものではなく、ソリッド同士、ホロー同士を接合する場合に本発明を採用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】第一実施形態に係る摩擦攪拌接合方法を示した斜視図である。
【図２】第一実施形態に係る被接合金属部材を示した図であって、（ａ）は、分解斜視図、（ｂ）は、断面図である。
【図３】（ａ）は、第一実施形態に係る摩擦攪拌接合方法を示した断面図、（ｂ）は、（ａ）の摩擦攪拌接合により形成された塑性化領域を示した断面図である。
【図４】第一実施形態に係る摩擦攪拌接合方法を示した工程図である。
【図５】第二実施形態に係る摩擦攪拌接合方法を示した工程図である。
【図６】第三実施形態に係る摩擦攪拌接合方法を示した工程図である。
【図７】第三実施形態に係る摩擦攪拌接合方法を示した拡大模式平面図である。
【図８】第三実施形態に係る摩擦攪拌接合方法により形成された塑性化領域を示した断面図である。
【図９】第四実施形態に係る摩擦攪拌接合方法を示した工程図である。
【図１０】（ａ）は、第五実施形態に係る摩擦攪拌接合方法の一周目を示した断面図、（ｂ）は、第五実施形態に係る摩擦攪拌接合方法の二周目を示した断面図である。
【符号の説明】
【００６１】
１ 被接合金属部材
１ａ 第一金属部材
１ｂ 第二金属部材
４０ 突合部
４１ 塑性化領域
４３ 塑性化領域
５０ 回転ツール
６０ 仮接合用回転ツール
Ｌ２ 押込み量
Ｌ３ 押込み量
【特許請求の範囲】
【請求項１】
大径部の端部に小径部を備えた柱状の第一金属部材と、前記大径部と略同等の外径を有する筒状の第二金属部材とを端面同士で突き合わせて形成された突合部に対して摩擦攪拌を行う摩擦攪拌接合方法であって、
前記突合部に沿って回転ツールを一周させて塑性化領域を形成した後、前記塑性化領域に沿って前記回転ツールをさらに一周させることを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
【請求項２】
前記回転ツールの一周目における始端と終端とがオーバーラップしており、前記塑性化領域の一部が重複していることを特徴とする請求項１に記載の摩擦攪拌接合方法。
【請求項３】
前記回転ツールの二周目における移動軌跡を前記回転ツールの一周目における移動で形成された塑性化領域よりも前記第一金属部材側へ偏移させることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の摩擦攪拌接合方法。
【請求項４】
前記回転ツールの二周目における前記突合部への押込み量を、前記回転ツールの一周目における前記突合部への押込み量よりも大きく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摩擦攪拌接合方法。
【請求項５】
前記第一金属部材が前記回転ツールの進行方向左側に位置する場合、前記回転ツールを右回転させ、
前記第一金属部材が前記回転ツールの進行方向右側に位置する場合、前記回転ツールを左回転させる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摩擦攪拌接合方法。
【請求項６】
前記回転ツールの二周目の移動方向を、前記回転ツールの一周目の移動方向と逆に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摩擦攪拌接合方法。
【請求項７】
前記回転ツールを、前記回転ツールの二周目における終端から前記第一金属部材側に向けて偏移させながら移動させて、前記回転ツールの引抜位置を前記第一金属部材に設ける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摩擦攪拌接合方法。
【請求項８】
前記回転ツールで前記塑性化領域を形成する工程に先だって、前記突合部の一部を前記回転ツールよりも小型の仮接合用回転ツールを用いて仮接合す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摩擦攪拌接合方法。
【請求項９】
円柱状の大径部の端部に円柱状の小径部を備えた第一金属部材と、前記大径部と略同等の外径を有する円筒状の第二金属部材とを端面同士で突き合わせて形成された突合部に対して摩擦攪拌を行う摩擦攪拌接合方法であって、
前記突合部に沿って回転ツールを一周させて塑性化領域を形成した後、前記塑性化領域に沿って前記回転ツールをさらに一周させることを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
【請求項１】
大径部の端部に小径部を備えた柱状の第一金属部材と、前記大径部と略同等の外径を有する筒状の第二金属部材とを端面同士で突き合わせて形成された突合部に対して摩擦攪拌を行う摩擦攪拌接合方法であって、
前記突合部に沿って回転ツールを一周させて塑性化領域を形成した後、前記塑性化領域に沿って前記回転ツールをさらに一周させることを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
【請求項２】
前記回転ツールの一周目における始端と終端とがオーバーラップしており、前記塑性化領域の一部が重複していることを特徴とする請求項１に記載の摩擦攪拌接合方法。
【請求項３】
前記回転ツールの二周目における移動軌跡を前記回転ツールの一周目における移動で形成された塑性化領域よりも前記第一金属部材側へ偏移させることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の摩擦攪拌接合方法。
【請求項４】
前記回転ツールの二周目における前記突合部への押込み量を、前記回転ツールの一周目における前記突合部への押込み量よりも大きく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摩擦攪拌接合方法。
【請求項５】
前記第一金属部材が前記回転ツールの進行方向左側に位置する場合、前記回転ツールを右回転させ、
前記第一金属部材が前記回転ツールの進行方向右側に位置する場合、前記回転ツールを左回転させる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摩擦攪拌接合方法。
【請求項６】
前記回転ツールの二周目の移動方向を、前記回転ツールの一周目の移動方向と逆に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摩擦攪拌接合方法。
【請求項７】
前記回転ツールを、前記回転ツールの二周目における終端から前記第一金属部材側に向けて偏移させながら移動させて、前記回転ツールの引抜位置を前記第一金属部材に設ける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摩擦攪拌接合方法。
【請求項８】
前記回転ツールで前記塑性化領域を形成する工程に先だって、前記突合部の一部を前記回転ツールよりも小型の仮接合用回転ツールを用いて仮接合す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摩擦攪拌接合方法。
【請求項９】
円柱状の大径部の端部に円柱状の小径部を備えた第一金属部材と、前記大径部と略同等の外径を有する円筒状の第二金属部材とを端面同士で突き合わせて形成された突合部に対して摩擦攪拌を行う摩擦攪拌接合方法であって、
前記突合部に沿って回転ツールを一周させて塑性化領域を形成した後、前記塑性化領域に沿って前記回転ツールをさらに一周させることを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００９−２６９０５８（Ｐ２００９−２６９０５８Ａ）
【公開日】平成２１年１１月１９日（２００９．１１．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１２２４３１（Ｐ２００８−１２２４３１）
【出願日】平成２０年５月８日（２００８．５．８）
【出願人】（０００００４７４３）日本軽金属株式会社 (627)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１１月１９日（２００９．１１．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年５月８日（２００８．５．８）
【出願人】（０００００４７４３）日本軽金属株式会社 (627)
【Ｆターム（参考）】
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