摩擦攪拌接合方法
【課題】中空な被接合部材の成型性を損なうことなく、ツール荷重による変形を抑制可能であり、接合強度および接合品質の良好な摩擦攪拌接合方法を提案する。
【解決手段】摩擦攪拌接合方法は、中空形状に形成され少なくとも１つの平板状の面板５と面板５の内端部に形成された突出片７とを有する金属製の被接合部材３と、中空形状に形成され少なくとも１つの平板状の面板８と面板８に対向させて中空部１０に配置され突出片７を嵌入可能な凹所１２を形成する突出片支持片１４とを有する金属製の被接合部材４と、を準備する工程と、凹所１２に突出片７を嵌め込み面板５の端面と面板８の端面とを突き合わせて接合予定部２３を構成する工程と、接合予定部２３に沿って摩擦攪拌接合を行い被接合部材３と被接合部材４と接合する工程と、を有する。
【解決手段】摩擦攪拌接合方法は、中空形状に形成され少なくとも１つの平板状の面板５と面板５の内端部に形成された突出片７とを有する金属製の被接合部材３と、中空形状に形成され少なくとも１つの平板状の面板８と面板８に対向させて中空部１０に配置され突出片７を嵌入可能な凹所１２を形成する突出片支持片１４とを有する金属製の被接合部材４と、を準備する工程と、凹所１２に突出片７を嵌め込み面板５の端面と面板８の端面とを突き合わせて接合予定部２３を構成する工程と、接合予定部２３に沿って摩擦攪拌接合を行い被接合部材３と被接合部材４と接合する工程と、を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属製の中空材、特に管材の摩擦攪拌接合方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、金属製の被接合部材の接合方法として溶接やろう接に代わる新しい接合方法として摩擦攪拌接合が開発され実用化されている。摩擦攪拌接合は、固相接合であり、溶接（溶融接合）やろう接（液相−固相反応接合）よりも低温で被接合部材を接合できるため、接合時の熱変形や接合部の酸化による接合不良が少ないなどの利点がある。
【０００３】
この摩擦攪拌接合は、ツールと呼ばれる円柱形状の接合工具を高速で回転させながら被接合部材に押し付け、接合工具と被接合部材との摩擦熱を利用し被接合部材を塑性流動させて接合を行う接合方法である。接合工具は、外径の大きい円柱状の回転子と、回転子の先端面に形成されたプローブと呼ばれる外径の小さい突起と、を備える。回転子と突起とは、同軸である。接合を行う際、接合工具は、ショルダと呼ばれる回転子の先端面を被接合部材に押し当てられるとともに、プローブを被接合部材中に押し入れられ、突合せ面に沿って移動させられる。被接合部材は、接合工具と被接合部材との摩擦熱によって軟化されるとともに、プローブによって攪拌され接合される。
【０００４】
ところで、摩擦攪拌接合は、被接合部材に接合工具を大きな力（以下、「ツール荷重」という。）で押し付ける接合方法である。例えば、いわゆる６０００系アルミニウム合金（Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金）の場合、ツール荷重は、約３ｋＮから約１０ｋＮにもなる。
【０００５】
このツール荷重のために、摩擦攪拌接合は、中空な被接合部材を接合する場合、突合せ部を変形させてしまい、良好な接合が得られなかったり、接合品の寸法精度が得られなかったりするという問題がある。
【０００６】
そこで、被接合部材の中空部に中子を詰めてツール荷重による突合せ部の変形を抑制した摩擦攪拌接合方法が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００７】
また、中空な被接合部材の開口を閉じるリブを設けてツール荷重による突合せ部の変形を抑制した摩擦攪拌接合方法が知られている（例えば、特許文献２参照。）。
【０００８】
さらに、接合工具を差し込み可能な孔を有するスリーブで円筒形状の被接合部材の突合せ部を覆い、接合工具の移動に追従させてスリーブを回転させることによってツール荷重による突合せ部の変形を抑制した摩擦攪拌接合方法が知られている（例えば、特許文献３参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平１０−７６３７５号公報
【特許文献２】特開２０００−６８１号公報
【特許文献３】特開２００１−１９１１８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
特許文献１に記載の摩擦攪拌接合方法は、被接合部材の中空部に中子を詰めるため、接合品の重量の増加が避けられない。
【００１１】
また、特許文献２に記載の摩擦攪拌接合方法は、中空な被接合部材の開口を閉じるリブを有するため、被接合部材の成型性を損なう。例えば、曲管状の被接合部材を鋳造する場合、中子を取り出すことが困難になる虞がある。
【００１２】
さらに、特許文献３に記載の摩擦攪拌接合方法は、被接合部材の変形を抑制するスリーブを回転させるため、被接合部材の軸直交方向の断面形状に自由度がない（円形である必要がある。）。すなわち、この方法は、軸直交方向の断面形状が多角形状の被接合部材を接合できない。
【００１３】
そこで、本発明は、中空な被接合部材の成型性を損なうことなく、ツール荷重による変形を抑制可能であり、接合強度および接合品質の良好な摩擦攪拌接合方法を提案する。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
前記の課題を解決するため本発明に係る摩擦攪拌接合方法は、中空形状に形成され少なくとも１つの平板状の第一面板と前記第一面板の内端部に形成された突出片とを有する金属製の第一被接合部材と、中空形状に形成され少なくとも１つの平板状の第二面板と前記第二面板に対向させて中空部に配置され前記突出片を嵌入可能な凹所を形成する内突片とを有する金属製の第二被接合部材と、を準備する工程と、前記凹所に前記突出片を嵌め込み前記第一面板の端面と前記第二面板の端面とを突き合わせて接合予定部を構成する工程と、前記接合予定部に沿って摩擦攪拌接合を行い第一被接合部材と第二被接合部材と接合する工程と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、中空な被接合部材の成型性を損なうことなく、ツール荷重による変形を抑制可能であり、接合強度および接合品質の良好な摩擦攪拌接合方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施形態に係る摩擦攪拌接合方法を示したフローチャート。
【図２】本発明の実施形態に係る摩擦攪拌接合方法によって接合される被接合部材の一例を部分的に示した断面図。
【図３】本発明の実施形態に係る摩擦攪拌接合方法によって接合される被接合部材の一例を部分的に示した断面図。
【図４】本発明の実施形態に係る摩擦攪拌接合方法によって接合される被接合部材の他の例を部分的に示した断面図。
【図５】本発明の実施形態に係る摩擦攪拌接合方法によって接合される被接合部材の他の例を部分的に示した断面図。
【図６】本発明の実施形態に係る摩擦攪拌接合方法によって接合される被接合部材の他の例を部分的に示した断面図。
【図７】本発明の実施形態に係る摩擦攪拌接合方法によって接合される被接合部材の他の例を部分的に示した断面図。
【図８】本発明の実施形態に係る摩擦攪拌接合方法によって接合される被接合部材の他の例を部分的に示した断面図。
【図９】本発明の実施形態に係る摩擦攪拌接合方法によって接合される被接合部材の他の例を部分的に示した断面図。
【図１０】本発明の実施形態に係る摩擦攪拌接合方法の摩擦攪拌接合工程を示した概略図。
【図１１】本発明の実施形態に係る摩擦攪拌接合方法によって接合された構造物の一例を示した斜視図。
【図１２】本発明の実施形態に係る摩擦攪拌接合方法によって接合される被接合部材の一例を部分的に示した断面図。
【図１３】本発明の実施形態に係る摩擦攪拌接合方法によって接合される被接合部材の一例を部分的に示した断面図。
【図１４】本発明の実施形態に係る摩擦攪拌接合方法によって接合された構造物の強度試験の様子を示した概略図。
【図１５】本発明の実施形態に係る摩擦攪拌接合方法によって接合された構造物の接合強度の一例を示した図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明に係る摩擦攪拌接合方法の実施の形態について、図１から図１５を参照して説明する。
【００１８】
図１は、本発明の実施形態に係る摩擦攪拌接合方法を示したフローチャートである。
【００１９】
図１に示すように、本実施形態に係る摩擦攪拌接合方法は、準備工程Ｓ１と、突合せ工程Ｓ２と、摩擦攪拌接合工程Ｓ３と、を有する。
【００２０】
準備工程Ｓ１は、本実施形態に係る摩擦攪拌接合方法によって接合される一対の被接合部材を準備する工程である。
【００２１】
突合せ工程Ｓ２は、本実施形態に係る摩擦攪拌接合方法によって接合される一対の被接合部材を突き合わせて接合予定部を構成する工程である。それぞれの被接合部材は、例えばアルミニウム合金を含む金属製の中空部材であり、摩擦攪拌接合によって接合できるものであれば良い。接合予定部は、それぞれの被接合部材が相互に接する継手部分によって構成される。具体的には、接合予定部は、一対の被接合部材によって構成された突き合わせ継手、重ね継手であり、摩擦攪拌接合工程Ｓ３で接合される領域である。
【００２２】
摩擦攪拌接合工程Ｓ３は、接合予定部に沿って接合工具を移動し、摩擦攪拌によって被接合部材を本接合した構造物を得る工程である。
【００２３】
なお、本実施形態に係る摩擦攪拌接合方法は、被接合部材が相互に接する継手部分のうち、摩擦攪拌接合によって接合が困難な部分、例えば、曲面部分や角部分、段差部分などの非平面形状部分について、溶接によって接合することができる。溶接方法は、アークを熱源とするアーク溶接（ティグ溶接やミグ溶接を含むガスシールドアーク溶接やセルフシールドアーク溶接などを含む）やガス溶接、レーザ溶接、電子ビーム溶接などの既知の溶接方法を用いることが可能である。
【００２４】
次に、準備工程Ｓ１において準備される被接合部材について説明する。
【００２５】
図２および図３は、本発明の実施形態に係る摩擦攪拌接合方法によって接合される被接合部材の一例を部分的に示した断面図である。なお、図２は、被接合部材の長手軸方向断面を示した図であり、図３は、被接合部材の長手軸直交方向断面を示した図である。
【００２６】
図２および図３に示すように、本実施形態に係る摩擦攪拌接合によって接合される被接合部材３（第一被接合部材）および被接合部材４（第二被接合部材）は、金属製の中空部材である。具体的には、被接合部材３および被接合部材４は直管でも曲管でも良い。
【００２７】
被接合部材３は、少なくとも１つの平板状の面板５（第一面板）と、面板５の内端部に形成された突出片７と、を備える。
【００２８】
突出片７は、面板５に対し略平行に延在される。また、突出片７は、面板５に一体に形成される。なお、突出片７は、面板５に一体的に固定された別部材で構成しても良い。
【００２９】
他方、被接合部材４は、少なくとも１つの平板状の面板８（第二面板）と、面板８に対向させて中空部１０に配置され、面板８とともに突出片７を嵌入可能な凹所１２を形成する突出片支持片１４と、を備える。
【００３０】
突出片支持片１４は、面板８に隣り合う面板１６の内面から互いに対向させて突出された一対の円柱形状または四角柱等の多角形柱形状の突起である。また、突出片支持片１４は、面板８に対し略平行に延在される。突出片支持片１４は、面板１６に一体に形成される。なお、突出片支持片１４は、面板１６に一体的に固定された別部材で構成しても良い。
【００３１】
より詳しくは、被接合部材３は、断面方形状の管材であり、中空部１７を囲む４つの平板状の面板５ａ、５ｂ、面板１９ａ、１９ｂと、面板５ａの内端部に形成された突出片７ａと、面板５ｂの内端部に形成された突出片７ｂと、を備える。面板５ａと面板５ｂとは互いに対向させて配置される。面板１９ａと面板１９ｂとも互いに対向させて配置される。
【００３２】
他方、被接合部材４は、被接合部材３に対応させた断面方形状の管材であり、中空部１０を囲む４つの平板状の面板８ａ、８ｂ、面板１６ａ、１６ｂと、面板８ａに対向させて中空部１０に配置され、面板８ａとともに突出片７ａを嵌入可能な凹所１２ａを形成する突出片支持片１４ａと、面板８ｂに対向させて中空部１０に配置され、面板８ｂとともに突出片７ｂを嵌入可能な凹所１２ｂを形成する突出片支持片１４ｂと、を備える。
【００３３】
被接合部材３および被接合部材４は、突合せ工程Ｓ２において凹所１２に突出片７を嵌め込まれ、面板５の端面２１と面板８の端面２２とを突き合わされる。この面板５の端面２１と面板８の端面２２との突合せ面は、摩擦攪拌接合工程Ｓ３において接合される接合予定部２３である。
【００３４】
このような構造によって、被接合部材３および被接合部材４は、面板８の内面側に両端支持された突出片７を有するので、接合予定部２３に高い剛性を備える。なお、面板５ａおよび面板８の内面とは、被接合部材３および被接合部材４の中空部側の面であり、面板５および面板８の外面とは、被接合部材３および被接合部材４の外側の面である。
【００３５】
面板８は、中空部１０の開口近傍にあたる内端部に、厚肉部２４を備える。厚肉部２４は、摩擦攪拌接合における最軟化部が攪拌部周辺に生じる場合の補強として設けられる。厚肉部２４の板厚ｔｃは、面板８の一般部の板厚ｔ２の２倍以下の厚みを有する。
【００３６】
なお、突出片７の板厚ｔｅは、面板５の板厚ｔ１または面板８の板厚ｔ２のいずれか薄い方よりも厚く構成されことが好ましい。突出片７の幅Ｗは、摩擦攪拌接合工程Ｓ３における接合工具２６の送り量Ｌよりも広く構成されることが好ましい。このように構成することによって、突出片７は、ツール荷重に対する接合予定部２３の剛性を確実に向上させる。
【００３７】
このように構成された被接合部材３および被接合部材４は、ツール荷重による面板５および面板８の変形を大幅に低減させる。
【００３８】
図４および図５は、本発明の実施形態に係る摩擦攪拌接合方法によって接合される被接合部材の他の例を部分的に示した断面図である。なお、図４は、被接合部材の長手軸方向断面を示した図であり、図５は、被接合部材の長手軸直交方向断面を示した図である。
【００３９】
図４および図５に示すように、本実施形態に係る摩擦攪拌接合によって接合される被接合部材３および被接合部材４Ａ（第二被接合部材）は、金属製の中空部材である。
【００４０】
なお、被接合部材４Ａについて、被接合部材４と同じ構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００４１】
他方、被接合部材４Ａは、少なくとも１つの平板状の面板８（第二面板）と、面板８に対向させて中空部１０に配置され、面板８とともに突出片７を嵌入可能な凹所１２Ａを形成する突出片支持片１４Ａと、を備える。
【００４２】
より詳しくは、被接合部材４Ａは、被接合部材３に対応させた断面方形状の管材であり、中空部１０を囲む４つの平板状の面板８ａ、８ｂ、面板１６ａ、１６ｂと、面板８ａに対向させて中空部１０に配置され、面板８ａとともに突出片７を嵌入可能な凹所１２Ａａを形成する突出片支持片１４Ａａと、面板８ｂに対向させて中空部１０に配置され、面板８ｂとともに突出片７ｂを嵌入可能な凹所１２Ａｂを形成する突出片支持片１４Ａｂと、を備える。
【００４３】
突出片支持片１４Ａは、面板８の内面から突出させて形成され、被接合部材４Ａの開口方向に先端を指向させたＬ字形状の断面を有する。突出片支持片１４ＡのＬ字形状の先端部分は、面板８に対し略平行に延在される。さらに、突出片支持片１４Ａは、面板８に一体に形成される。なお、突出片支持片１４Ａは、面板８に一体的に固定された別部材で構成しても良い。
【００４４】
このように構成された被接合部材３および被接合部材４Ａは、ツール荷重による面板５および面板８の変形を大幅に低減させる。
【００４５】
図６および図７は、本発明の実施形態に係る摩擦攪拌接合方法によって接合される被接合部材の他の例を部分的に示した断面図である。なお、図６は、被接合部材の長手軸方向断面を示した図であり、図７は、被接合部材の長手軸直交方向断面を示した図である。
【００４６】
図６および図７に示すように、本実施形態に係る摩擦攪拌接合によって接合される被接合部材３Ａ（第一被接合部材）および被接合部材４は、金属製の中空部材である。
【００４７】
なお、被接合部材３Ａについて、被接合部材３と同じ構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００４８】
被接合部材３Ａは、少なくとも１つの平板状の面板５（第一面板）と、面板５の内端部に形成された突出片７Ａと、を備える。
【００４９】
突出片７Ａは、面板５に対し略平行に延在される。また、突出片７Ａは、中空部１７側に張り出された膨出部２７を備える。さらに、突出片７Ａは、面板５に一体に形成される。なお、突出片７Ａは、面板５に一体的に固定された別部材で構成しても良い。
【００５０】
膨出部２７は、突出片７Ａが凹所１２に嵌め込まれると、面板８の内面から互いに対向させて突出された一対の突起から構成された突出片支持片１４によって挟み込まれる。これによって、被接合部材３Ａおよび被接合部材４は、長手軸直交方向の位置決めを確実に行われ、摩擦攪拌接合の際に接合予定部２３を移動する接合工具２６によっても突合せ面がずれることがない。
【００５１】
図８および図９は、本発明の実施形態に係る摩擦攪拌接合方法によって接合される被接合部材の他の例を部分的に示した断面図である。なお、図８は、被接合部材の長手軸方向断面を示した図であり、図９は、被接合部材の長手軸直交方向断面を示した図である。
【００５２】
図８および図９に示すように、本実施形態に係る摩擦攪拌接合によって接合される被接合部材３Ｂ（第一被接合部材）および被接合部材４Ｂ（第二被接合部材）は、金属製の中空部材である。
【００５３】
なお、被接合部材３Ｂおよび被接合部材４Ｂについて、被接合部材３および被接合部材４と同じ構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００５４】
被接合部材３Ｂおよび被接合部材４Ｂは、突合せ工程Ｓ２において凹所１２に突出片７を嵌め込まれ、面板５の端面２１と面板８の端面２２とを突き合わされる。このとき、突出片７と面板８とが重なる部分は、摩擦攪拌接合工程Ｓ３において接合される接合予定部２３Ｂである。
【００５５】
このような構造によって、被接合部材３Ｂおよび被接合部材４Ｂは、面板８の内面側に両端支持された突出片７を有しているので、接合予定部２３Ｂに高い剛性を備える。
【００５６】
このように構成された被接合部材３Ｂおよび被接合部材４Ｂは、ツール荷重による面板５および面板８の変形を大幅に低減させる。
【００５７】
被接合部材３、４、被接合部材３、４Ａ、被接合部材３Ａ、４および被接合部材３Ｂ、４Ｂは、面板１９ａ、１９ｂにも突出片７を設け、面板１６ａ、１６ｂにも突出片支持片１４を設けることもできる。特に、被接合部材３、４Ａは、各面板の略全幅に渡って剛性を向上させ、摩擦攪拌接合の接合強度、接合品質を向上できる。
【００５８】
次に、摩擦攪拌接合工程Ｓ３について詳述する。
【００５９】
図１０は、本発明の実施形態に係る摩擦攪拌接合方法の摩擦攪拌接合工程を示した概略図である。
【００６０】
図１１は、本発明の実施形態に係る摩擦攪拌接合方法によって接合された構造物の一例を示した斜視図である。
【００６１】
図１０および図１１に示すように、摩擦攪拌接合方法の摩擦攪拌接合工程Ｓ３は、被接合部材３、４の接合予定部２３を接合した構造物２８を得る工程である。
【００６２】
なお、摩擦攪拌接合工程Ｓ３は、被接合部材３、４の他に被接合部材３、４Ａ、被接合部材３Ａ、４、被接合部材３Ｂ、４Ｂの各接合予定部２３、２３Ｂの接合を行うこともできる。
【００６３】
摩擦攪拌接合工程Ｓ３に用いられる接合工具２６は、例えば、回転駆動装置（図示省略）の駆動部に結合された円柱形状の回転体３１と、回転体３１の先端に突出させて一体に形成された円柱形状のプローブ３２と、を備える。回転体３１の端面はショルダ３３と呼ばれる。プローブ３２は、回転体３１のショルダ３３から被接合部材３、４の接合予定部２３の厚さ（すなわち、被接合部材３の面板５または被接合部材４の面板８）に相当する長さに突出される。またプローブ３２は、接合予定部２３の攪拌を効率よく行うなどのため、ねじ溝が設けられたり、回転軸直交方向の断面形状を非円形状（例えば、楕円や太鼓型）に形成されたりする。
【００６４】
摩擦攪拌接合工程Ｓ３は、回転駆動装置によって接合工具２６を高速で回転（図１０中、実線矢Ｒ）させながら接合予定部２３に押圧し、接合工具２６と被接合部材３、４との摩擦熱によって接合予定部２３を軟化させ、この軟化した部分を接合工具２６の回転によって攪拌、塑性流動させ、被接合部材３、４を接合部分３４で一体化された構造物２８を製作する。
【００６５】
次に、摩擦攪拌接合方法の具体例についてさらに詳述する。
【００６６】
図１２および図１３は、本発明の実施形態に係る摩擦攪拌接合方法によって接合される被接合部材の一例を部分的に示した断面図である。なお、図１２は、被接合部材の長手軸方向断面を示した図であり、図１３は、被接合部材の長手軸直交方向断面を示した図である。
【００６７】
構造物としての接合管３５は、アルミニウム合金（ＪＩＳ Ｈ ５２０２：ＡＣ４ＣＨ−Ｔ６）を材料とする幅約４０ｍｍ、高さ約１００ｍｍ、板厚約４ｍｍの角管材である被接合部材３、４を本実施形態に係る接合方法によって接合した構造物である。
【００６８】
被接合部材３は、板厚ｔｅ＝約４ｍｍ、幅Ｗ＝約２４ｍｍ、突合せ面からの突出距離Ｌ＝約１６ｍｍの形状寸法を有する突出片７を備える。
【００６９】
被接合部材４は、直径Ｒ＝約８ｍｍのアルミニウム合金（ＪＩＳ Ｈ ４１００：６０６１−Ｔ６）を材料とする丸棒を面板１６に穿孔された孔に圧入させた突出片支持片１４を備える。突出片支持片１４は、面板１６の内面からの突出量Ｓ＝約１０ｍｍ、凹所１２の間隔Ｄ＝約４ｍｍ、突合せ面から丸棒中心までの距離約１２ｍｍの形状寸法を有する。
【００７０】
摩擦攪拌接合工程Ｓ３に用いる接合工具２６は、ショルダ３３の直径約１２ｍｍ、プローブ３２の直径約５ｍｍ、プローブ３２の突出長さ約３．５ｍｍの形状を有する。摩擦攪拌接合工程Ｓ３の接合条件は、接合工具２６の回転数約１５００ｒｐｍ、接合工具２６の接合速度約３００ｍｍ／分、接合工具２６の前進角約３°、被接合部材に対するプローブ３２の挿入量約３．７ｍｍ、接合工具２６を被接合部材に挿入してから接合工具２６の移動を開始するまでの待機時間約２秒、接合工具２６の移動を終了してから接合工具２６を被接合部材から引き抜くまでの待機時間約１秒、ツール荷重約３ｋＮとした。
【００７１】
この接合管３５の接合強度について説明する。なお、接合管３５の強度評価のために、突出片支持片１４を備えていない被接合部材と被接合部材３とを接合した比較用構造物（図示省略）を製作した。この比較用構造物は、突出片支持片１４を備えていないので突出片７は片持ち状態で被接合部材４に挿入されている。
【００７２】
図１４は、本発明の実施形態に係る摩擦攪拌接合方法によって接合された構造物の強度試験の様子を示した概略図である。
【００７３】
図１４に示すように、接合管３５の接合強度を評価するために、接合管３５および比較用構造物の三点曲げ試験を行った。評価対象の接合強度は、接合管３５および比較用構造物の三点曲げ試験における破断時の曲げ強さである。
【００７４】
なお、三点曲げ試験における負荷荷重は、摩擦攪拌接合による接合部分３４に引っ張り力が生じる方向へ負荷した。
【００７５】
図１５は、本発明の実施形態に係る摩擦攪拌接合方法によって接合された構造物の接合強度の一例を示した図である。
【００７６】
図１５に示すように、接合管３５は、比較用構造物に比べて約１．４倍の接合強度の向上が見られた。この結果から、接合管３５は、摩擦攪拌接合による接合部分に十分な剛性を有するため、摩擦攪拌接合におけるツール荷重による変形が抑制され、接合強度の高い接合が得られることが分かる。
【００７７】
このように構成された本実施形態に係る摩擦攪拌接合は、被接合部材３の突出片７および被接合部材４の突出片支持片１４によって接合予定部２３の剛性を高め、摩擦攪拌接合におけるツール荷重による面板５の変形を抑制できるので、接合された構造物の接合部分に十分な接合強度と接合品質を得ることができる。
【００７８】
また、本実施形態に係る摩擦攪拌接合は、被接合部材３、４、被接合部材３Ａ、４、被接合部材３、４Ａおよび被接合部材３Ｂ、４Ｂの中空部１０、１７に中子を詰める必要が無く、中空部１０、１７を塞ぐリブを有しないので、接合された構造物を軽量化できる。
【００７９】
さらに、本実施形態に係る摩擦攪拌接合は、中空部１０、１７を塞ぐリブを有しないので、被接合部材３、４、被接合部材３Ａ、４、被接合部材３、４Ａおよび被接合部材３Ｂ、４Ｂの成型を容易化できる。
【００８０】
さらにまた、本実施形態に係る摩擦攪拌接合は、軸直交方向の断面形状が多角形状の被接合部材３、４、被接合部材３Ａ、４、被接合部材３、４Ａおよび被接合部材３Ｂ、４Ｂを容易に接合できる。
【００８１】
なお、実施形態に係る摩擦攪拌接合方法によって接合される構造物は、接合管３５に限られず、中空押し出し材、角パイプ材、各種フレーム材、プレス成形品、鋳造品、鍛造品、焼結品などの被接合部材を接合する場合にも適用可能であり、特に自動二輪車の車体フレームを構成する中空部材を接合する場合に好適である。
【００８２】
したがって、本実施形態に係る摩擦攪拌接合方法によれば、中空な被接合部材３、４、被接合部材３Ａ、４、被接合部材３、４Ａおよび被接合部材３Ｂ、４Ｂの成型性を損なうことなく、ツール荷重による変形を抑制可能であり、接合強度および接合品質を良好に保つことができる。
【符号の説明】
【００８３】
３、３Ａ、３Ｂ 被接合部材
４、４Ａ、４Ｂ 被接合部材
５、５ａ、５ｂ 面板
７、７ａ、７ｂ、７Ａ 突出片
８、８ａ、８ｂ 面板
１０ 中空部
１２、１２ａ、１２ｂ、１２Ａ 凹所
１４、１４ａ、１４ｂ、１４Ａ 突出片支持片
１６、１６ａ、１６ｂ 面板
１７ 中空部
１９ａ、１９ｂ 面板
２１ 端面
２２ 端面
２３、２３Ｂ 接合予定部
２４ 厚肉部
２６ 接合工具
２７ 膨出部
２８ 構造物
３１ 回転体
３２ プローブ
３３ ショルダ
３４ 接合部分
３５ 接合管
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属製の中空材、特に管材の摩擦攪拌接合方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、金属製の被接合部材の接合方法として溶接やろう接に代わる新しい接合方法として摩擦攪拌接合が開発され実用化されている。摩擦攪拌接合は、固相接合であり、溶接（溶融接合）やろう接（液相−固相反応接合）よりも低温で被接合部材を接合できるため、接合時の熱変形や接合部の酸化による接合不良が少ないなどの利点がある。
【０００３】
この摩擦攪拌接合は、ツールと呼ばれる円柱形状の接合工具を高速で回転させながら被接合部材に押し付け、接合工具と被接合部材との摩擦熱を利用し被接合部材を塑性流動させて接合を行う接合方法である。接合工具は、外径の大きい円柱状の回転子と、回転子の先端面に形成されたプローブと呼ばれる外径の小さい突起と、を備える。回転子と突起とは、同軸である。接合を行う際、接合工具は、ショルダと呼ばれる回転子の先端面を被接合部材に押し当てられるとともに、プローブを被接合部材中に押し入れられ、突合せ面に沿って移動させられる。被接合部材は、接合工具と被接合部材との摩擦熱によって軟化されるとともに、プローブによって攪拌され接合される。
【０００４】
ところで、摩擦攪拌接合は、被接合部材に接合工具を大きな力（以下、「ツール荷重」という。）で押し付ける接合方法である。例えば、いわゆる６０００系アルミニウム合金（Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金）の場合、ツール荷重は、約３ｋＮから約１０ｋＮにもなる。
【０００５】
このツール荷重のために、摩擦攪拌接合は、中空な被接合部材を接合する場合、突合せ部を変形させてしまい、良好な接合が得られなかったり、接合品の寸法精度が得られなかったりするという問題がある。
【０００６】
そこで、被接合部材の中空部に中子を詰めてツール荷重による突合せ部の変形を抑制した摩擦攪拌接合方法が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００７】
また、中空な被接合部材の開口を閉じるリブを設けてツール荷重による突合せ部の変形を抑制した摩擦攪拌接合方法が知られている（例えば、特許文献２参照。）。
【０００８】
さらに、接合工具を差し込み可能な孔を有するスリーブで円筒形状の被接合部材の突合せ部を覆い、接合工具の移動に追従させてスリーブを回転させることによってツール荷重による突合せ部の変形を抑制した摩擦攪拌接合方法が知られている（例えば、特許文献３参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平１０−７６３７５号公報
【特許文献２】特開２０００−６８１号公報
【特許文献３】特開２００１−１９１１８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
特許文献１に記載の摩擦攪拌接合方法は、被接合部材の中空部に中子を詰めるため、接合品の重量の増加が避けられない。
【００１１】
また、特許文献２に記載の摩擦攪拌接合方法は、中空な被接合部材の開口を閉じるリブを有するため、被接合部材の成型性を損なう。例えば、曲管状の被接合部材を鋳造する場合、中子を取り出すことが困難になる虞がある。
【００１２】
さらに、特許文献３に記載の摩擦攪拌接合方法は、被接合部材の変形を抑制するスリーブを回転させるため、被接合部材の軸直交方向の断面形状に自由度がない（円形である必要がある。）。すなわち、この方法は、軸直交方向の断面形状が多角形状の被接合部材を接合できない。
【００１３】
そこで、本発明は、中空な被接合部材の成型性を損なうことなく、ツール荷重による変形を抑制可能であり、接合強度および接合品質の良好な摩擦攪拌接合方法を提案する。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
前記の課題を解決するため本発明に係る摩擦攪拌接合方法は、中空形状に形成され少なくとも１つの平板状の第一面板と前記第一面板の内端部に形成された突出片とを有する金属製の第一被接合部材と、中空形状に形成され少なくとも１つの平板状の第二面板と前記第二面板に対向させて中空部に配置され前記突出片を嵌入可能な凹所を形成する内突片とを有する金属製の第二被接合部材と、を準備する工程と、前記凹所に前記突出片を嵌め込み前記第一面板の端面と前記第二面板の端面とを突き合わせて接合予定部を構成する工程と、前記接合予定部に沿って摩擦攪拌接合を行い第一被接合部材と第二被接合部材と接合する工程と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、中空な被接合部材の成型性を損なうことなく、ツール荷重による変形を抑制可能であり、接合強度および接合品質の良好な摩擦攪拌接合方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施形態に係る摩擦攪拌接合方法を示したフローチャート。
【図２】本発明の実施形態に係る摩擦攪拌接合方法によって接合される被接合部材の一例を部分的に示した断面図。
【図３】本発明の実施形態に係る摩擦攪拌接合方法によって接合される被接合部材の一例を部分的に示した断面図。
【図４】本発明の実施形態に係る摩擦攪拌接合方法によって接合される被接合部材の他の例を部分的に示した断面図。
【図５】本発明の実施形態に係る摩擦攪拌接合方法によって接合される被接合部材の他の例を部分的に示した断面図。
【図６】本発明の実施形態に係る摩擦攪拌接合方法によって接合される被接合部材の他の例を部分的に示した断面図。
【図７】本発明の実施形態に係る摩擦攪拌接合方法によって接合される被接合部材の他の例を部分的に示した断面図。
【図８】本発明の実施形態に係る摩擦攪拌接合方法によって接合される被接合部材の他の例を部分的に示した断面図。
【図９】本発明の実施形態に係る摩擦攪拌接合方法によって接合される被接合部材の他の例を部分的に示した断面図。
【図１０】本発明の実施形態に係る摩擦攪拌接合方法の摩擦攪拌接合工程を示した概略図。
【図１１】本発明の実施形態に係る摩擦攪拌接合方法によって接合された構造物の一例を示した斜視図。
【図１２】本発明の実施形態に係る摩擦攪拌接合方法によって接合される被接合部材の一例を部分的に示した断面図。
【図１３】本発明の実施形態に係る摩擦攪拌接合方法によって接合される被接合部材の一例を部分的に示した断面図。
【図１４】本発明の実施形態に係る摩擦攪拌接合方法によって接合された構造物の強度試験の様子を示した概略図。
【図１５】本発明の実施形態に係る摩擦攪拌接合方法によって接合された構造物の接合強度の一例を示した図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明に係る摩擦攪拌接合方法の実施の形態について、図１から図１５を参照して説明する。
【００１８】
図１は、本発明の実施形態に係る摩擦攪拌接合方法を示したフローチャートである。
【００１９】
図１に示すように、本実施形態に係る摩擦攪拌接合方法は、準備工程Ｓ１と、突合せ工程Ｓ２と、摩擦攪拌接合工程Ｓ３と、を有する。
【００２０】
準備工程Ｓ１は、本実施形態に係る摩擦攪拌接合方法によって接合される一対の被接合部材を準備する工程である。
【００２１】
突合せ工程Ｓ２は、本実施形態に係る摩擦攪拌接合方法によって接合される一対の被接合部材を突き合わせて接合予定部を構成する工程である。それぞれの被接合部材は、例えばアルミニウム合金を含む金属製の中空部材であり、摩擦攪拌接合によって接合できるものであれば良い。接合予定部は、それぞれの被接合部材が相互に接する継手部分によって構成される。具体的には、接合予定部は、一対の被接合部材によって構成された突き合わせ継手、重ね継手であり、摩擦攪拌接合工程Ｓ３で接合される領域である。
【００２２】
摩擦攪拌接合工程Ｓ３は、接合予定部に沿って接合工具を移動し、摩擦攪拌によって被接合部材を本接合した構造物を得る工程である。
【００２３】
なお、本実施形態に係る摩擦攪拌接合方法は、被接合部材が相互に接する継手部分のうち、摩擦攪拌接合によって接合が困難な部分、例えば、曲面部分や角部分、段差部分などの非平面形状部分について、溶接によって接合することができる。溶接方法は、アークを熱源とするアーク溶接（ティグ溶接やミグ溶接を含むガスシールドアーク溶接やセルフシールドアーク溶接などを含む）やガス溶接、レーザ溶接、電子ビーム溶接などの既知の溶接方法を用いることが可能である。
【００２４】
次に、準備工程Ｓ１において準備される被接合部材について説明する。
【００２５】
図２および図３は、本発明の実施形態に係る摩擦攪拌接合方法によって接合される被接合部材の一例を部分的に示した断面図である。なお、図２は、被接合部材の長手軸方向断面を示した図であり、図３は、被接合部材の長手軸直交方向断面を示した図である。
【００２６】
図２および図３に示すように、本実施形態に係る摩擦攪拌接合によって接合される被接合部材３（第一被接合部材）および被接合部材４（第二被接合部材）は、金属製の中空部材である。具体的には、被接合部材３および被接合部材４は直管でも曲管でも良い。
【００２７】
被接合部材３は、少なくとも１つの平板状の面板５（第一面板）と、面板５の内端部に形成された突出片７と、を備える。
【００２８】
突出片７は、面板５に対し略平行に延在される。また、突出片７は、面板５に一体に形成される。なお、突出片７は、面板５に一体的に固定された別部材で構成しても良い。
【００２９】
他方、被接合部材４は、少なくとも１つの平板状の面板８（第二面板）と、面板８に対向させて中空部１０に配置され、面板８とともに突出片７を嵌入可能な凹所１２を形成する突出片支持片１４と、を備える。
【００３０】
突出片支持片１４は、面板８に隣り合う面板１６の内面から互いに対向させて突出された一対の円柱形状または四角柱等の多角形柱形状の突起である。また、突出片支持片１４は、面板８に対し略平行に延在される。突出片支持片１４は、面板１６に一体に形成される。なお、突出片支持片１４は、面板１６に一体的に固定された別部材で構成しても良い。
【００３１】
より詳しくは、被接合部材３は、断面方形状の管材であり、中空部１７を囲む４つの平板状の面板５ａ、５ｂ、面板１９ａ、１９ｂと、面板５ａの内端部に形成された突出片７ａと、面板５ｂの内端部に形成された突出片７ｂと、を備える。面板５ａと面板５ｂとは互いに対向させて配置される。面板１９ａと面板１９ｂとも互いに対向させて配置される。
【００３２】
他方、被接合部材４は、被接合部材３に対応させた断面方形状の管材であり、中空部１０を囲む４つの平板状の面板８ａ、８ｂ、面板１６ａ、１６ｂと、面板８ａに対向させて中空部１０に配置され、面板８ａとともに突出片７ａを嵌入可能な凹所１２ａを形成する突出片支持片１４ａと、面板８ｂに対向させて中空部１０に配置され、面板８ｂとともに突出片７ｂを嵌入可能な凹所１２ｂを形成する突出片支持片１４ｂと、を備える。
【００３３】
被接合部材３および被接合部材４は、突合せ工程Ｓ２において凹所１２に突出片７を嵌め込まれ、面板５の端面２１と面板８の端面２２とを突き合わされる。この面板５の端面２１と面板８の端面２２との突合せ面は、摩擦攪拌接合工程Ｓ３において接合される接合予定部２３である。
【００３４】
このような構造によって、被接合部材３および被接合部材４は、面板８の内面側に両端支持された突出片７を有するので、接合予定部２３に高い剛性を備える。なお、面板５ａおよび面板８の内面とは、被接合部材３および被接合部材４の中空部側の面であり、面板５および面板８の外面とは、被接合部材３および被接合部材４の外側の面である。
【００３５】
面板８は、中空部１０の開口近傍にあたる内端部に、厚肉部２４を備える。厚肉部２４は、摩擦攪拌接合における最軟化部が攪拌部周辺に生じる場合の補強として設けられる。厚肉部２４の板厚ｔｃは、面板８の一般部の板厚ｔ２の２倍以下の厚みを有する。
【００３６】
なお、突出片７の板厚ｔｅは、面板５の板厚ｔ１または面板８の板厚ｔ２のいずれか薄い方よりも厚く構成されことが好ましい。突出片７の幅Ｗは、摩擦攪拌接合工程Ｓ３における接合工具２６の送り量Ｌよりも広く構成されることが好ましい。このように構成することによって、突出片７は、ツール荷重に対する接合予定部２３の剛性を確実に向上させる。
【００３７】
このように構成された被接合部材３および被接合部材４は、ツール荷重による面板５および面板８の変形を大幅に低減させる。
【００３８】
図４および図５は、本発明の実施形態に係る摩擦攪拌接合方法によって接合される被接合部材の他の例を部分的に示した断面図である。なお、図４は、被接合部材の長手軸方向断面を示した図であり、図５は、被接合部材の長手軸直交方向断面を示した図である。
【００３９】
図４および図５に示すように、本実施形態に係る摩擦攪拌接合によって接合される被接合部材３および被接合部材４Ａ（第二被接合部材）は、金属製の中空部材である。
【００４０】
なお、被接合部材４Ａについて、被接合部材４と同じ構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００４１】
他方、被接合部材４Ａは、少なくとも１つの平板状の面板８（第二面板）と、面板８に対向させて中空部１０に配置され、面板８とともに突出片７を嵌入可能な凹所１２Ａを形成する突出片支持片１４Ａと、を備える。
【００４２】
より詳しくは、被接合部材４Ａは、被接合部材３に対応させた断面方形状の管材であり、中空部１０を囲む４つの平板状の面板８ａ、８ｂ、面板１６ａ、１６ｂと、面板８ａに対向させて中空部１０に配置され、面板８ａとともに突出片７を嵌入可能な凹所１２Ａａを形成する突出片支持片１４Ａａと、面板８ｂに対向させて中空部１０に配置され、面板８ｂとともに突出片７ｂを嵌入可能な凹所１２Ａｂを形成する突出片支持片１４Ａｂと、を備える。
【００４３】
突出片支持片１４Ａは、面板８の内面から突出させて形成され、被接合部材４Ａの開口方向に先端を指向させたＬ字形状の断面を有する。突出片支持片１４ＡのＬ字形状の先端部分は、面板８に対し略平行に延在される。さらに、突出片支持片１４Ａは、面板８に一体に形成される。なお、突出片支持片１４Ａは、面板８に一体的に固定された別部材で構成しても良い。
【００４４】
このように構成された被接合部材３および被接合部材４Ａは、ツール荷重による面板５および面板８の変形を大幅に低減させる。
【００４５】
図６および図７は、本発明の実施形態に係る摩擦攪拌接合方法によって接合される被接合部材の他の例を部分的に示した断面図である。なお、図６は、被接合部材の長手軸方向断面を示した図であり、図７は、被接合部材の長手軸直交方向断面を示した図である。
【００４６】
図６および図７に示すように、本実施形態に係る摩擦攪拌接合によって接合される被接合部材３Ａ（第一被接合部材）および被接合部材４は、金属製の中空部材である。
【００４７】
なお、被接合部材３Ａについて、被接合部材３と同じ構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００４８】
被接合部材３Ａは、少なくとも１つの平板状の面板５（第一面板）と、面板５の内端部に形成された突出片７Ａと、を備える。
【００４９】
突出片７Ａは、面板５に対し略平行に延在される。また、突出片７Ａは、中空部１７側に張り出された膨出部２７を備える。さらに、突出片７Ａは、面板５に一体に形成される。なお、突出片７Ａは、面板５に一体的に固定された別部材で構成しても良い。
【００５０】
膨出部２７は、突出片７Ａが凹所１２に嵌め込まれると、面板８の内面から互いに対向させて突出された一対の突起から構成された突出片支持片１４によって挟み込まれる。これによって、被接合部材３Ａおよび被接合部材４は、長手軸直交方向の位置決めを確実に行われ、摩擦攪拌接合の際に接合予定部２３を移動する接合工具２６によっても突合せ面がずれることがない。
【００５１】
図８および図９は、本発明の実施形態に係る摩擦攪拌接合方法によって接合される被接合部材の他の例を部分的に示した断面図である。なお、図８は、被接合部材の長手軸方向断面を示した図であり、図９は、被接合部材の長手軸直交方向断面を示した図である。
【００５２】
図８および図９に示すように、本実施形態に係る摩擦攪拌接合によって接合される被接合部材３Ｂ（第一被接合部材）および被接合部材４Ｂ（第二被接合部材）は、金属製の中空部材である。
【００５３】
なお、被接合部材３Ｂおよび被接合部材４Ｂについて、被接合部材３および被接合部材４と同じ構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００５４】
被接合部材３Ｂおよび被接合部材４Ｂは、突合せ工程Ｓ２において凹所１２に突出片７を嵌め込まれ、面板５の端面２１と面板８の端面２２とを突き合わされる。このとき、突出片７と面板８とが重なる部分は、摩擦攪拌接合工程Ｓ３において接合される接合予定部２３Ｂである。
【００５５】
このような構造によって、被接合部材３Ｂおよび被接合部材４Ｂは、面板８の内面側に両端支持された突出片７を有しているので、接合予定部２３Ｂに高い剛性を備える。
【００５６】
このように構成された被接合部材３Ｂおよび被接合部材４Ｂは、ツール荷重による面板５および面板８の変形を大幅に低減させる。
【００５７】
被接合部材３、４、被接合部材３、４Ａ、被接合部材３Ａ、４および被接合部材３Ｂ、４Ｂは、面板１９ａ、１９ｂにも突出片７を設け、面板１６ａ、１６ｂにも突出片支持片１４を設けることもできる。特に、被接合部材３、４Ａは、各面板の略全幅に渡って剛性を向上させ、摩擦攪拌接合の接合強度、接合品質を向上できる。
【００５８】
次に、摩擦攪拌接合工程Ｓ３について詳述する。
【００５９】
図１０は、本発明の実施形態に係る摩擦攪拌接合方法の摩擦攪拌接合工程を示した概略図である。
【００６０】
図１１は、本発明の実施形態に係る摩擦攪拌接合方法によって接合された構造物の一例を示した斜視図である。
【００６１】
図１０および図１１に示すように、摩擦攪拌接合方法の摩擦攪拌接合工程Ｓ３は、被接合部材３、４の接合予定部２３を接合した構造物２８を得る工程である。
【００６２】
なお、摩擦攪拌接合工程Ｓ３は、被接合部材３、４の他に被接合部材３、４Ａ、被接合部材３Ａ、４、被接合部材３Ｂ、４Ｂの各接合予定部２３、２３Ｂの接合を行うこともできる。
【００６３】
摩擦攪拌接合工程Ｓ３に用いられる接合工具２６は、例えば、回転駆動装置（図示省略）の駆動部に結合された円柱形状の回転体３１と、回転体３１の先端に突出させて一体に形成された円柱形状のプローブ３２と、を備える。回転体３１の端面はショルダ３３と呼ばれる。プローブ３２は、回転体３１のショルダ３３から被接合部材３、４の接合予定部２３の厚さ（すなわち、被接合部材３の面板５または被接合部材４の面板８）に相当する長さに突出される。またプローブ３２は、接合予定部２３の攪拌を効率よく行うなどのため、ねじ溝が設けられたり、回転軸直交方向の断面形状を非円形状（例えば、楕円や太鼓型）に形成されたりする。
【００６４】
摩擦攪拌接合工程Ｓ３は、回転駆動装置によって接合工具２６を高速で回転（図１０中、実線矢Ｒ）させながら接合予定部２３に押圧し、接合工具２６と被接合部材３、４との摩擦熱によって接合予定部２３を軟化させ、この軟化した部分を接合工具２６の回転によって攪拌、塑性流動させ、被接合部材３、４を接合部分３４で一体化された構造物２８を製作する。
【００６５】
次に、摩擦攪拌接合方法の具体例についてさらに詳述する。
【００６６】
図１２および図１３は、本発明の実施形態に係る摩擦攪拌接合方法によって接合される被接合部材の一例を部分的に示した断面図である。なお、図１２は、被接合部材の長手軸方向断面を示した図であり、図１３は、被接合部材の長手軸直交方向断面を示した図である。
【００６７】
構造物としての接合管３５は、アルミニウム合金（ＪＩＳ Ｈ ５２０２：ＡＣ４ＣＨ−Ｔ６）を材料とする幅約４０ｍｍ、高さ約１００ｍｍ、板厚約４ｍｍの角管材である被接合部材３、４を本実施形態に係る接合方法によって接合した構造物である。
【００６８】
被接合部材３は、板厚ｔｅ＝約４ｍｍ、幅Ｗ＝約２４ｍｍ、突合せ面からの突出距離Ｌ＝約１６ｍｍの形状寸法を有する突出片７を備える。
【００６９】
被接合部材４は、直径Ｒ＝約８ｍｍのアルミニウム合金（ＪＩＳ Ｈ ４１００：６０６１−Ｔ６）を材料とする丸棒を面板１６に穿孔された孔に圧入させた突出片支持片１４を備える。突出片支持片１４は、面板１６の内面からの突出量Ｓ＝約１０ｍｍ、凹所１２の間隔Ｄ＝約４ｍｍ、突合せ面から丸棒中心までの距離約１２ｍｍの形状寸法を有する。
【００７０】
摩擦攪拌接合工程Ｓ３に用いる接合工具２６は、ショルダ３３の直径約１２ｍｍ、プローブ３２の直径約５ｍｍ、プローブ３２の突出長さ約３．５ｍｍの形状を有する。摩擦攪拌接合工程Ｓ３の接合条件は、接合工具２６の回転数約１５００ｒｐｍ、接合工具２６の接合速度約３００ｍｍ／分、接合工具２６の前進角約３°、被接合部材に対するプローブ３２の挿入量約３．７ｍｍ、接合工具２６を被接合部材に挿入してから接合工具２６の移動を開始するまでの待機時間約２秒、接合工具２６の移動を終了してから接合工具２６を被接合部材から引き抜くまでの待機時間約１秒、ツール荷重約３ｋＮとした。
【００７１】
この接合管３５の接合強度について説明する。なお、接合管３５の強度評価のために、突出片支持片１４を備えていない被接合部材と被接合部材３とを接合した比較用構造物（図示省略）を製作した。この比較用構造物は、突出片支持片１４を備えていないので突出片７は片持ち状態で被接合部材４に挿入されている。
【００７２】
図１４は、本発明の実施形態に係る摩擦攪拌接合方法によって接合された構造物の強度試験の様子を示した概略図である。
【００７３】
図１４に示すように、接合管３５の接合強度を評価するために、接合管３５および比較用構造物の三点曲げ試験を行った。評価対象の接合強度は、接合管３５および比較用構造物の三点曲げ試験における破断時の曲げ強さである。
【００７４】
なお、三点曲げ試験における負荷荷重は、摩擦攪拌接合による接合部分３４に引っ張り力が生じる方向へ負荷した。
【００７５】
図１５は、本発明の実施形態に係る摩擦攪拌接合方法によって接合された構造物の接合強度の一例を示した図である。
【００７６】
図１５に示すように、接合管３５は、比較用構造物に比べて約１．４倍の接合強度の向上が見られた。この結果から、接合管３５は、摩擦攪拌接合による接合部分に十分な剛性を有するため、摩擦攪拌接合におけるツール荷重による変形が抑制され、接合強度の高い接合が得られることが分かる。
【００７７】
このように構成された本実施形態に係る摩擦攪拌接合は、被接合部材３の突出片７および被接合部材４の突出片支持片１４によって接合予定部２３の剛性を高め、摩擦攪拌接合におけるツール荷重による面板５の変形を抑制できるので、接合された構造物の接合部分に十分な接合強度と接合品質を得ることができる。
【００７８】
また、本実施形態に係る摩擦攪拌接合は、被接合部材３、４、被接合部材３Ａ、４、被接合部材３、４Ａおよび被接合部材３Ｂ、４Ｂの中空部１０、１７に中子を詰める必要が無く、中空部１０、１７を塞ぐリブを有しないので、接合された構造物を軽量化できる。
【００７９】
さらに、本実施形態に係る摩擦攪拌接合は、中空部１０、１７を塞ぐリブを有しないので、被接合部材３、４、被接合部材３Ａ、４、被接合部材３、４Ａおよび被接合部材３Ｂ、４Ｂの成型を容易化できる。
【００８０】
さらにまた、本実施形態に係る摩擦攪拌接合は、軸直交方向の断面形状が多角形状の被接合部材３、４、被接合部材３Ａ、４、被接合部材３、４Ａおよび被接合部材３Ｂ、４Ｂを容易に接合できる。
【００８１】
なお、実施形態に係る摩擦攪拌接合方法によって接合される構造物は、接合管３５に限られず、中空押し出し材、角パイプ材、各種フレーム材、プレス成形品、鋳造品、鍛造品、焼結品などの被接合部材を接合する場合にも適用可能であり、特に自動二輪車の車体フレームを構成する中空部材を接合する場合に好適である。
【００８２】
したがって、本実施形態に係る摩擦攪拌接合方法によれば、中空な被接合部材３、４、被接合部材３Ａ、４、被接合部材３、４Ａおよび被接合部材３Ｂ、４Ｂの成型性を損なうことなく、ツール荷重による変形を抑制可能であり、接合強度および接合品質を良好に保つことができる。
【符号の説明】
【００８３】
３、３Ａ、３Ｂ 被接合部材
４、４Ａ、４Ｂ 被接合部材
５、５ａ、５ｂ 面板
７、７ａ、７ｂ、７Ａ 突出片
８、８ａ、８ｂ 面板
１０ 中空部
１２、１２ａ、１２ｂ、１２Ａ 凹所
１４、１４ａ、１４ｂ、１４Ａ 突出片支持片
１６、１６ａ、１６ｂ 面板
１７ 中空部
１９ａ、１９ｂ 面板
２１ 端面
２２ 端面
２３、２３Ｂ 接合予定部
２４ 厚肉部
２６ 接合工具
２７ 膨出部
２８ 構造物
３１ 回転体
３２ プローブ
３３ ショルダ
３４ 接合部分
３５ 接合管
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中空形状に形成され少なくとも１つの平板状の第一面板と前記第一面板の内端部に形成された突出片とを有する金属製の第一被接合部材と、中空形状に形成され少なくとも１つの平板状の第二面板と前記第二面板に対向させて中空部に配置され前記突出片を嵌入可能な凹所を形成する内突片とを有する金属製の第二被接合部材と、を準備する工程と、
前記凹所に前記突出片を嵌め込み前記第一面板の端面と前記第二面板の端面とを突き合わせて接合予定部を構成する工程と、
前記接合予定部に沿って摩擦攪拌接合を行い第一被接合部材と第二被接合部材と接合する工程と、を有することを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
【請求項２】
前記突出片は、前記第一面板に対し略平行に延在された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】
前記内突片は、前記第二面板に対し略平行に延在されたことを特徴とする請求項１または２に記載の摩擦攪拌接合方法。
【請求項４】
前記内突片は、前記第二面板の内面に設けられたことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の摩擦攪拌接合方法。
【請求項５】
前記内突片は、前記第二面板に隣り合う面板の内面に設けられたことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の摩擦攪拌接合方法。
【請求項６】
前記内突片は、前記第二被接合部材に一体に形成されたことを特徴とする請求項５に記載の摩擦攪拌接合方法。
【請求項７】
前記内突片は、前記第二被接合部材に一体的に固定された別部材で形成されたことを特徴とする請求項５に記載の摩擦攪拌接合方法。
【請求項８】
前記摩擦攪拌接合は、前記第一面板の端面と前記第二面板の端面との突合せ面に行うことを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の摩擦攪拌接合方法。
【請求項９】
前記摩擦攪拌接合は、前記第二面板と前記突出片とが重なる部分に行うことを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の摩擦攪拌接合方法。
【請求項１】
中空形状に形成され少なくとも１つの平板状の第一面板と前記第一面板の内端部に形成された突出片とを有する金属製の第一被接合部材と、中空形状に形成され少なくとも１つの平板状の第二面板と前記第二面板に対向させて中空部に配置され前記突出片を嵌入可能な凹所を形成する内突片とを有する金属製の第二被接合部材と、を準備する工程と、
前記凹所に前記突出片を嵌め込み前記第一面板の端面と前記第二面板の端面とを突き合わせて接合予定部を構成する工程と、
前記接合予定部に沿って摩擦攪拌接合を行い第一被接合部材と第二被接合部材と接合する工程と、を有することを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
【請求項２】
前記突出片は、前記第一面板に対し略平行に延在された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】
前記内突片は、前記第二面板に対し略平行に延在されたことを特徴とする請求項１または２に記載の摩擦攪拌接合方法。
【請求項４】
前記内突片は、前記第二面板の内面に設けられたことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の摩擦攪拌接合方法。
【請求項５】
前記内突片は、前記第二面板に隣り合う面板の内面に設けられたことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の摩擦攪拌接合方法。
【請求項６】
前記内突片は、前記第二被接合部材に一体に形成されたことを特徴とする請求項５に記載の摩擦攪拌接合方法。
【請求項７】
前記内突片は、前記第二被接合部材に一体的に固定された別部材で形成されたことを特徴とする請求項５に記載の摩擦攪拌接合方法。
【請求項８】
前記摩擦攪拌接合は、前記第一面板の端面と前記第二面板の端面との突合せ面に行うことを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の摩擦攪拌接合方法。
【請求項９】
前記摩擦攪拌接合は、前記第二面板と前記突出片とが重なる部分に行うことを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の摩擦攪拌接合方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２０１１−１２１０９０（Ｐ２０１１−１２１０９０Ａ）
【公開日】平成２３年６月２３日（２０１１．６．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２８０６１６（Ｐ２００９−２８０６１６）
【出願日】平成２１年１２月１０日（２００９．１２．１０）
【出願人】（０００００２０８２）スズキ株式会社 (3,196)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年６月２３日（２０１１．６．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１２月１０日（２００９．１２．１０）
【出願人】（０００００２０８２）スズキ株式会社 (3,196)
【Ｆターム（参考）】
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