摩擦攪拌接合方法
【課題】接合する際の金属部材の損傷を抑えるとともに好適に接合す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。
【解決手段】攪拌ピンＦ２を備えた本接合用回転ツールＦを用いて二つの金属部材１，２を接合する摩擦攪拌接合方法であって、金属部材１，２同士を角度をつけて突き合わせて突合部Ｊ１を形成する突合工程と、金属部材１，２同士の内隅に回転した攪拌ピンＦ２を挿入し、攪拌ピンＦ２のみを金属部材１，２に接触させた状態で突合部Ｊの摩擦攪拌接合を行う本接合工程と、を含むことを特徴とする。
【解決手段】攪拌ピンＦ２を備えた本接合用回転ツールＦを用いて二つの金属部材１，２を接合する摩擦攪拌接合方法であって、金属部材１，２同士を角度をつけて突き合わせて突合部Ｊ１を形成する突合工程と、金属部材１，２同士の内隅に回転した攪拌ピンＦ２を挿入し、攪拌ピンＦ２のみを金属部材１，２に接触させた状態で突合部Ｊの摩擦攪拌接合を行う本接合工程と、を含むことを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、摩擦攪拌接合方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、直角に突き合わせた二つの金属部材の内隅に内隅摩擦攪拌接合用回転ツールを挿入して摩擦攪拌接合する技術が開示されている。図２４は、従来の摩擦攪拌接合方法を示す断面図である。従来の摩擦攪拌接合方法では、金属部材１０１の端面と、金属部材１０２の側面とを突き合わせて形成した突合部Ｊを内隅摩擦攪拌接合用回転ツール１１０によって摩擦攪拌接合する。内隅摩擦攪拌接合用回転ツール１１０は、三角柱を呈する押さえブロック１１１と、押さえブロック１１１を貫通した状態でこの押さえブロック１１１に対して回転可能な攪拌ピン１１２と、を備えている。接合する際には、押さえブロック１１１を金属部材１０１，１０２の各側面に当接させた状態で、攪拌ピン１１２を回転させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−３２０１２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の摩擦攪拌接合では、押さえブロック１１１を金属部材１０１，１０２に押圧しながら接合するため、押さえブロック１１１によって金属部材１０１，１０２が削れてしまうおそれがあった。また、押さえブロック１１１があるため、接合部分を視認することができなかった。
【０００５】
また、図２４に示すように、金属部材１０１，１０２の内隅を接合する前に、外隅を構成する面側から仮接合を行うことも考えられる。金属部材１０１，１０２の厚さが大きい場合、仮接合によって形成された塑性化領域Ｗａと、内隅に形成された塑性化領域Ｗｂとの間に隙間ができてしまうという問題があった。
【０００６】
このような観点から、本発明は、接合する際の金属部材の損傷を抑えるとともに好適に接合す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】
【０００７】
このような課題を解決するために本発明は、攪拌ピンを備えた回転ツールを用いて二つの金属部材を接合する摩擦攪拌接合方法であって、前記金属部材同士を角度をつけて突き合わせて突合部を形成する突合工程と、回転した前記攪拌ピンを前記金属部材同士の内隅に挿入し、前記攪拌ピンのみを前記両金属部材に接触させた状態で前記突合部の摩擦攪拌接合を行う本接合工程と、を含むことを特徴とする。
【０００８】
また、本発明は、攪拌ピンを備えた回転ツールを用いて二つの金属部材を接合する摩擦攪拌接合方法であって、前記金属部材同士を角度をつけて突き合わせて突合部を形成する突合工程と、回転した前記攪拌ピンを前記金属部材同士の内隅に挿入し、前記攪拌ピンのみを前記両金属部材に接触させた状態で前記突合部の摩擦攪拌接合を行う第一の本接合工程と、回転した前記攪拌ピンを前記金属部材同士の外隅を構成する面側に挿入し、前記攪拌ピンのみを前記両金属部材に接触させた状態で前記突合部の摩擦攪拌接合を行う第二の本接合工程と、を含むことを特徴とする。
【０００９】
かかる接合方法によれば、攪拌ピンのみを金属部材に接触させるため、接合する際の金属部材の側面の損傷を抑えることができる。また、従来のように回転ツールに押さえブロックを用いないため、接合部分を視認することができる。これにより、作業性を高めることができる。
【００１０】
また、前記第一の本接合工程で形成された塑性化領域と、前記第二の本接合工程で形成された塑性化領域とを重複させることが好ましい。かかる接合方法によれば、突合部の隙間が無くなるため、気密性及び水密性を高めることができる。
【００１１】
また、前記突合工程では、一方の前記金属部材の側面と、他方の前記金属部材の端面とを突き合わせ、一方の前記金属部材の側面と他方の前記金属部材の側面とでなす内隅の角度がαである場合に、前記本接合工程では、前記側面同士の交線に挿入された前記回転ツールの回転中心軸が、前記交線を通り前記側面とのなす角度がα／２となる仮想基準面と前記一方の前記金属部材の側面との間に位置することが好ましい。
【００１２】
一方の前記金属部材側に回転ツールを傾かせることで、突合部の深い位置まで攪拌ピンを挿入することができるため、突合部の深い位置まで接合することができる。
【００１３】
また、前記本接合工程の前に、回転した回転ツールを前記金属部材同士の外隅を構成する面側に挿入し、前記突合部の仮接合を行う仮接合工程を含むことが好ましい。かかる接合方法によれば、本接合工程を行う際に、金属部材同士が離間するのを防ぐことができる。
【００１４】
また、前記本接合工程では、前記仮接合工程で形成された塑性化領域と前記本接合工程で形成された塑性化領域とを重複させることが好ましい。かかる接合方法によれば、塑性化領域同士を重複させることで、突合部の隙間が無くなるため気密性及び水密性を高めることができる。
【００１５】
また、前記本接合工程で形成された塑性化領域の上に肉盛溶接を行うことが好ましい。かかる接合方法によれば、本接合工程による金属の不足分を補充することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係る摩擦攪拌接合方法によれば、接合する際の金属部材の損傷を抑えるとともに好適に接合することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】（ａ）は本実施形態の本接合用回転ツールを示した側面図であり、（ｂ）は本接合用回転ツールの接合形態を示した断面図である。
【図２】（ａ）は本実施形態の仮接合用回転ツールを示した側面図であり、（ｂ）は仮接合用回転ツールの接合形態を示した断面図である。
【図３】（ａ）は第一実施形態に係る準備工程を示した斜視図、（ｂ）は第一実施形態に係る予備工程を示した斜視図である。
【図４】第一実施形態に係る本接合工程を示した図であって、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は断面図である。
【図５】第一実施形態に係る補修工程を示した断面図である。
【図６】（ａ）は第二実施形態に係る第一の本接合工程を示す断面図であり、（ｂ）は第二実施形態に係る第二の本接合工程を示す断面図である。
【図７】実施例で用いる本接合用回転ツールの基本形状を示した側面図である。
【図８】実施例で用いる本接合用回転ツールの１シリーズと２シリーズを示す側面図である。
【図９】実施例で用いる本接合用回転ツールの３シリーズと４シリーズを示す側面図である。
【図１０】（ａ）は実施例の隅肉部減肉量を示す模式図である。（ｂ）は実施例のネジ断面積を示す模式図である。
【図１１】実施例１における１シリーズと２シリーズの結果を示した断面図である。
【図１２】実施例１における３シリーズと４シリーズの結果を示した断面図である。
【図１３】実施例２における１シリーズと２シリーズの結果を示した断面図である。
【図１４】実施例２における３シリーズと４シリーズの結果を示した断面図である。
【図１５】実施例１におけるネジ断面積と隅肉部減肉量との関係を示したグラフである。
【図１６】実施例２におけるネジ断面積と隅肉部減肉量との関係を示したグラフである。
【図１７】実施例３において、本接合用回転ツールＢ−１の回転数を１０００ｒｐｍに設定し、接合速度を１００ｍｍ／ｍｉｎ、２００ｍｍ／ｍｉｎ、３００ｍｍ／ｍｉｎ、５００ｍｍ／ｍｉｎに設定した場合の結果を示す断面図である。
【図１８】実施例３において、本接合用回転ツールＣ−１の回転数を１０００ｒｐｍに設定し、接合速度を１００ｍｍ／ｍｉｎ、２００ｍｍ／ｍｉｎ、３００ｍｍ／ｍｉｎ、５００ｍｍ／ｍｉｎに設定した場合の結果を示す断面図である。
【図１９】実施例３において、本接合用回転ツールＡ−４の回転数を１０００ｒｐｍに設定し、接合速度を１００ｍｍ／ｍｉｎ、２００ｍｍ／ｍｉｎ、３００ｍｍ／ｍｉｎ、５００ｍｍ／ｍｉｎに設定した場合の結果を示す断面図である。
【図２０】実施例３において、回転数を１０００ｒｐｍに固定するとともに接合速度を１００ｍｍ／ｍｉｎとした場合の結果を示す断面図である。
【図２１】実施例３において、回転数を１０００ｒｐｍに固定するとともに接合速度を２００ｍｍ／ｍｉｎとした場合の結果を示す断面図である。
【図２２】実施例３において、回転数を１０００ｒｐｍに固定するとともに接合速度を３００ｍｍ／ｍｉｎとした場合の結果を示す断面図である。
【図２３】実施例３において、回転数を１０００ｒｐｍに固定するとともに接合速度を５００ｍｍ／ｍｉｎとした場合の結果を示す断面図である。
【図２４】従来の摩擦攪拌接合方法を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。まずは、本実施形態で用いる本接合用回転ツール及び仮接合用回転ツールについて説明する。
【００１９】
本接合用回転ツールＦは、図１の（ａ）に示すように、連結部Ｆ１と、攪拌ピンＦ２とで構成されている。本接合用回転ツールＦは、例えば工具鋼で形成されている。連結部Ｆ１は、図１の（ｂ）に示す摩擦攪拌装置の回転軸Ｄに連結される部位である。連結部Ｆ１は円柱状を呈し、ボルトが締結されるネジ孔Ｂ，Ｂが形成されている。
【００２０】
攪拌ピンＦ２は、連結部Ｆ１から垂下しており、連結部Ｆ１と同軸になっている。攪拌ピンＦ２は連結部Ｆ１から離間するにつれて先細りになっている。攪拌ピンＦ２の外周面には螺旋溝Ｆ３が刻設されている。
【００２１】
図１の（ｂ）に示すように、本接合用回転ツールＦを用いて摩擦攪拌接合をする際には、金属部材１に回転した攪拌ピンＦ２のみを挿入し、金属部材１，２と連結部Ｆ１とは離間させつつ移動させる。言い換えると、攪拌ピンＦ２の基端部は露出させた状態で摩擦攪拌接合を行う。本接合用回転ツールＦの移動軌跡には摩擦攪拌された金属が硬化することにより塑性化領域Ｗが形成される。
【００２２】
仮接合用回転ツールＧは、図２の（ａ）に示すように、ショルダ部Ｇ１と、攪拌ピンＧ２とで構成されている。仮接合用回転ツールＧは、例えば工具鋼で形成されている。ショルダ部Ｇ１は、図２の（ｂ）に示すように、摩擦攪拌装置の回転軸Ｄに連結される部位であるとともに、塑性流動化した金属を押える部位である。ショルダ部Ｇ１は円柱状を呈する。ショルダ部Ｇ１の下端面は、流動化した金属が外部へ流出するのを防ぐために凹状になっている。
【００２３】
攪拌ピンＧ２は、ショルダ部Ｇ１から垂下しており、ショルダ部Ｇ１と同軸になっている。攪拌ピンＧ２はショルダ部Ｇ１から離間するにつれて先細りになっている。攪拌ピンＧ２の外周面には螺旋溝Ｇ３が刻設されている。
【００２４】
図２の（ｂ）に示すように、仮接合用回転ツールＧを用いて摩擦攪拌接合をする際には、回転した攪拌ピンＧ２とショルダ部Ｇ１の下端を金属部材１，２に挿入しつつ移動させる。仮接合用回転ツールＧの移動軌跡には摩擦攪拌された金属が硬化することにより塑性化領域ｗが形成される。
【００２５】
＜第一実施形態＞
次に、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説明する。第一実施形態では、（１）準備工程、（２）予備工程、（３）本接合工程、（４）補修工程を含んでいる。
【００２６】
（１）準備工程
図３を参照して準備工程を説明する。本実施形態に係る準備工程は、接合すべき金属部材１，２を突き合せる突合工程と、金属部材１，２の突合部Ｊ１の端部にタブ材３を配置するタブ材配置工程と、タブ材３を溶接により金属部材１，２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３の（ａ）に示すように、接合すべき金属部材１の側面１ｂと金属部材２の端面２ａとを突き合わせるとともに、金属部材１の端面１ａと金属部材２の側面２ｃとが面一になるようにする。つまり、突合工程では、金属部材１，２を垂直に突き合わせ、側面視してＬ字状になるようにする。金属部材１，２は、摩擦攪拌可能な金属であればよいが、本実施形態ではアルミニウム合金を用いる。
【００２８】
タブ材配置工程では、図３の（ｂ）に示すように、金属部材１，２の突合部Ｊ１の一端側にタブ材３を配置してタブ材３を金属部材１の側面１ｄ及び金属部材２の側面２ｄに当接させる。タブ材３の表面３ａと、金属部材２の側面２ｃ及び金属部材１の端面１ａとが面一になるように配置する。
【００２９】
溶接工程では、金属部材１，２とタブ材３とを溶接し、金属部材１，２とタブ材３とを接合する。
【００３０】
準備工程が終了したら、金属部材１，２及びタブ材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。
【００３１】
（２）予備工程
予備工程は、金属部材１，２の突合部Ｊ１を仮接合する仮接合工程を具備している。具体的には、図３の（ｂ）に示すように、タブ材３に仮接合用回転ツールＧを挿入し、金属部材１，２の外側（外隅を構成する面側）から突合部Ｊ１に対して摩擦攪拌接合を行う。仮接合工程においては、図２の（ｂ）を参照するように、ショルダ部Ｇ１の下面を金属部材１，２に押し込んだ状態で、仮接合用回転ツールＧを移動させる。突合部Ｊ１の全部又は一部を接合したら、金属部材１，２からタブ材３を切削する。なお、本実施形態では仮接合工程を摩擦攪拌接合により行ったが、例えば溶接で金属部材１，２の仮接合を行ってもよい。
【００３２】
（３）本接合工程
予備工程が終了したら、金属部材１，２の突合部Ｊ１を本格的に接合する本接合工程を実行する。本実施形態に係る本接合工程では、まず、図４の（ａ）に示すように、金属部材１，２の外隅を構成する面に裏当材Ｔを配置する。裏当材Ｔは、平面視Ｌ字状を呈する金属製の部材であって、金属部材１の側面１ｃ、端面１ａ及び金属部材２の側面２ｃに接触させる。そして、金属部材１，２及び裏当材Ｔ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。
【００３３】
次に、本接合工程では、金属部材１と金属部材２の内隅（側面１ｂと側面２ｂとで構成される隅部）に回転した本接合用回転ツールＦを挿入し、突合部Ｊ１に対して摩擦攪拌接合を行う。本接合工程では、図４の（ａ）及び（ｂ）に示すように、本接合用回転ツールＦの連結部Ｆ１と金属部材１，２とを離間させて、攪拌ピンＦ２のみを突合部Ｊ１に挿入する。
【００３４】
また、本接合工程では、図４の（ｂ）に示すように、本接合用回転ツールＦの回転中心軸Ｆｃを傾けて摩擦攪拌接合を行う。つまり、本接合工程では、側面１ｂと側面２ｂとの交線Ｃ１に挿入された本接合用回転ツールＦの回転中心軸Ｆｃが、交線Ｃ１を通り側面１ｂと側面２ｂとのなす角度がα／２（本実施形態ではα＝９０°）となる仮想基準面Ｃと金属部材１の側面１ｂとの間に位置するように設定する。本接合工程では、本接合工程で形成された塑性化領域Ｗ１と、仮接合工程で形成された塑性化領域ｗとが重複するようにする。なお、回転中心軸Ｆｃの位置は、側面１ｂ及び仮想基準面Ｃに重なる位置は含まない。
【００３５】
（４）補修工程
本接合工程が終了したら、本接合工程によって金属部材１，２に形成された塑性化領域Ｗ１に対して補修工程を実行する。本実施形態に係る補修工程では、図５に示すように、塑性化領域Ｗ１の上面に肉盛溶接を行う。
【００３６】
本接合工程によって、塑性化領域Ｗ１の上面（表面）は金属が不足して溝ができる傾向にあるが、肉盛溶接を行うことで不足した金属を補充することができる。図５に示すように、金属部材１の側面１ｂ及び金属部材２の側面２ｂと、肉盛溶接によって形成された溶接金属Ｎとが面一になるようにすることが好ましい。なお、肉盛溶接を行う前に、塑性化領域Ｗ１の上面を削って予め凹溝を形成し、この凹溝に肉盛溶接を行ってもよい。また、溝が比較的浅い場合には、肉盛溶接を省略して、金属部材１の側面１ｂ及び金属部材２の側面２ｂに面削加工を施すことで、摩擦攪拌接合によって形成された溝を除去してもよい。
【００３７】
以上説明した本実施形態に係る摩擦攪拌接合によれば、金属部材１，２の内隅を接合する本接合工程において、攪拌ピンＦ２のみを金属部材１，２に接触させるため、接合する際の金属部材１の側面１ｂ及び金属部材２の側面２ｂの損傷を抑えることができる。また、従来のように押さえブロックを用いないため、接合部分を視認することができる。これにより、接合状況等を把握することができるため作業性を高めることができる。
【００３８】
また、本接合工程では、仮接合工程で形成された塑性化領域ｗと本接合工程で形成された塑性化領域Ｗ１とを重複させることにより、気密性及び水密性を高めることができる。また、本接合用回転ツールＦよりも小さい仮接合用回転ツールＧを用いて仮接合工程を行うことで、本接合工程の際に、金属部材１，２が離間するのを防ぐことができる。
【００３９】
また、本接合工程では、一方の金属部材１側に本接合用回転ツールＦを傾かせることで、例えば、図４の（ｂ）に示す仮想基準面Ｃに沿って攪拌ピンＦ２を挿入する場合、つまり、垂直である金属部材１，２に対して側面１ｂ，２ｂと回転中心軸Ｆｃとのなす角度が４５°となるように挿入する場合に比べて、突合部Ｊ１の深い位置まで攪拌ピンＦ２を挿入することができる。これにより、突合部Ｊ１の深い位置まで接合することができる。
【００４０】
また、本接合工程で形成された塑性化領域Ｗ２の上に肉盛溶接を行うことで、本接合工程における金属の不足分を補充することができる。
【００４１】
＜第二実施形態＞
次に、本発明の第二実施形態に係る摩擦攪拌接合方法について説明する。第二実施形態では、（１）準備工程、（２）予備工程、（３）第一の本接合工程、（４）第二の本接合工程、（５）補修工程を含んでいる。第二実施形態は、第一実施形態よりも厚い金属部材１，２を接合する場合を例示する。第二実施形態は、本接合工程を二回行う点で第一実施形態と相違する。なお、（１）準備工程、（２）予備工程は、第一実施形態と同等であるため、詳細な説明は省略する。
【００４２】
（４）第一の本接合工程
第一の本接合工程では、図６の（ａ)に示すように、前記した第一実施形態の本接合工程と略同等の要領で、突合部Ｊ１に対して金属部材１，２の内隅に回転した本接合用回転ツールＦを挿入して、摩擦攪拌接合を行う。第二実施形態では、金属部材１，２の厚さが大きいため、本接合用回転ツールＦの挿入角度を金属部材１側に傾けたとしても、本接合工程で形成された塑性化領域Ｗ１と、仮接合工程で形成された塑性化領域ｗとを重複させることができない。
【００４３】
（５）第二の本接合工程
第二の本接合工程では、金属部材１，２の外隅を構成する面側から本接合用回転ツールＦを用いて摩擦攪拌接合を行う。具体的には、図６の（ｂ）に示すように、金属部材１の端面１ａと金属部材２の側面２ｃ側から回転した本接合用回転ツールＦの攪拌ピンＦ２を挿入し、突合部Ｊ１に沿って移動させる。第二の本接合工程では、本接合用回転ツールＦの連結部Ｆ１と金属部材１，２とを離間させて、攪拌ピンＦ２のみを突合部Ｊ１に挿入する。第二の本接合工程で形成された塑性化領域Ｗ２は、第一の本接合工程で形成された塑性化領域Ｗ１と重複させる。本実施形態の第二の本接合工程では、塑性化領域Ｗ１に攪拌ピンＦ２が達するようにする。これにより、より確実に突合部Ｊ１を接合できる。
【００４４】
なお、第二の本接合工程では、金属部材１，２にタブ材を適宜設けて摩擦攪拌接合を行ってもよい。仮接合工程の際に使用したタブ材を切削除去せずに、第二の本接合工程で利用してもよい。
【００４５】
（６）補修工程
補修工程では、第一実施形態の補修工程と同じ要領で、第一の本接合工程で形成された塑性化領域Ｗ１と第二の本接合工程で形成された塑性化領域Ｗ２の上面に肉盛溶接を行って、不足した金属を補充する。
【００４６】
以上説明した、第二実施形態によれば、第一実施形態と略同等の効果が得られるとともに、第二の本接合工程を行うことで、金属部材１，２が厚い場合であっても、突合部Ｊ１の全長に亘って摩擦攪拌接合を行うことができるため、気密性及び水密性を高めることができる。また、本接合用回転ツールＦによれば、摩擦攪拌装置にかかる負荷を抑制しつつ、攪拌ピンＦ２を深い位置まで挿入することができる。
【００４７】
なお、第二本接合工程は、本実施形態では本接合用回転ツールＦを用いて行ったが、これに限定されるものではなく、例えば、ショルダ部及び攪拌ピンを備えた回転ツールであって、攪拌ピンの長さが長いものを用いてもよい。
【００４８】
以上本発明の実施形態について説明したが、本発明の趣旨に反しない範囲において適宜設計変更が可能である。例えば、本実施形態では金属部材１，２を直角に突き合わせたが、金属部材１の側面１ｂと金属部材２の側面２ｂとのなす角度が１８０度以外であれば何度で突き合わせてもよい。また、例えば金属部材１の端面１ａと金属部材２の端面２ａとを斜めに切り欠いて金属部材１，２を突き合わせてもよい。
【実施例】
【００４９】
実施例では、図７に示すように、ピン角度（回転軸と攪拌ピンの外周面との角度）が５種類と、ネジの深さ及びネジピッチが４種類の合計２０個の本接合用回転ツールを用意して、それぞれの接合状況について調査した。
【００５０】
図７に示すように、接合する金属部材Ｚは、アルミニウム合金製であって、断面Ｖ字状のＶ字溝Ｚａが形成されている。Ｖ字溝Ｚａの角度は９０度になっている。各実施例においては、Ｖ字溝Ｚａに各本接合用回転ツールの攪拌ピンのみを所定の深さで挿入し、Ｖ字溝Ｚａの長手方向に所定の長さで移動させた。攪拌ピンの挿入深さは各実施例ごとに共通の深さとした。
【００５１】
図８及び図９の縦方向に示すように、本接合用回転ツールのＡシリーズはピン角度が９．５度であり、Ｂシリーズはピン角度が１４度であり、Ｃシリーズはピン角度が１８．４度であり、Ｄシリーズはピン角度が２３度であり、Ｅシリーズはピン角度が２７．６度になっている。
【００５２】
また、図８及び図９の横方向に示すように、１シリーズはネジ深さが０．４ｍｍ、ネジピッチが０．５ｍｍであり、２シリーズはネジ深さが１．０ｍｍ、ネジピッチが１．０ｍｍであり、３シリーズはネジ深さが１．８ｍｍ、ネジピッチが２．０ｍｍであり、４シリーズはネジ深さが２．５ｍｍ、ネジピッチが３．０ｍｍである。例えば、図８に示すように、「本接合用回転ツールＣ−２」は、ピン角度が１８．４度、ネジ深さが１．０ｍｍ及びネジピッチが１．０ｍｍになっている。
【００５３】
また、後記する「隅肉部減肉量（ｍｍ２）」とは、図１０の（ａ）に示すように、摩擦攪拌接合を行った後の塑性化領域Ｗの上面Ｚ１と、金属部材Ｚの側壁Ｚ２，Ｚ２と、Ｖ字溝Ｚａの仮想延長線Ｚ３とで囲まれた領域の断面積のことを意味する。なお、塑性化領域Ｗの内部に接合欠陥が存在する場合には、この接合欠陥の領域の断面積も「隅肉部減肉量（ｍｍ２）」として加算した。
【００５４】
また、後記する「ネジ断面積（ｍｍ２）」とは、図１０の（ｂ)に示すように、攪拌ピンＦ２の外周面を通る仮想線Ｆ４と螺旋溝Ｆ３とで囲まれた領域の断面積の和（ハッチが描画された部分）のことを意味する。
【００５５】
＜実施例１＞
実施例１では、前記した本接合用回転ツールＡ―１〜Ａ―４、本接合用回転ツールＢ―１〜Ｂ―４、本接合用回転ツールＣ―１〜Ｃ―４、本接合用回転ツールＤ―１〜Ｄ―４、本接合用回転ツールＥ―１〜Ｅ―４の合計２０種類の本接合用回転ツールを用いて回転数１０００ｒｐｍ、接合速度（移動速度）１００ｍｍ／ｍｉｎに設定して摩擦攪拌接合を行った。
【００５６】
図１１及び図１２に示すように、ピン角度が大きくなるにつれて、塑性化領域Ｗの断面積が大きくなっていることがわかる。また、ネジ深さ及びネジピッチが大きくなるにつれて塑性化領域Ｗが深い位置に形成されるとともに、隅肉部減肉量が大きくなっていることがわかる。
【００５７】
また、図１１及び図１２に示すように、本接合用回転ツールＡ−１では、接合欠陥Ｑが発生している。本接合用回転ツールＢ−２では、減肉量が多く接合不良になっている。本接合用回転ツールＡ−１、Ｂ−２以外は、接合状況が概ね良好であることがわかる。
【００５８】
図１２に示す、４シリーズ（Ａ−４，Ｂ−４，Ｃ−４，Ｄ−４）では、金属部材Ｚの下面が下方に突出するように変形していることがわかる。また、１シリーズ及び４シリーズではバリが多く発生していることがわかる。
【００５９】
＜実施例２＞
実施例２では、前記した２０種類の本接合用回転ツールを用いて回転数１０００ｒｐｍ、接合速度２００ｍｍ／ｍｉｎに設定して摩擦攪拌接合を行った。
【００６０】
図１３及び図１４に示すように、本接合用回転ツールＡ−１、Ｂ−１、Ｃ−１、Ｄ−１、Ｂ−２、Ｃ−２では、接合欠陥Ｑが形成されていることがわかる。また、本接合用回転ツールＡ−２では減肉量が多く接合不良になっていることがわかる。その他の本接合用回転ツールについては接合状況が概ね良好であることがわかる。
【００６１】
実施例１と実施例２を総合的に観察すると、接合速度が遅い方（実施例１）が、接合欠陥Ｑの発生率が低いことがわかる。また、ネジ深さ及びネジピッチが大きくなるにつれて、減肉量は多くなってしまうが、接合欠陥の発生率が低いことが分かる。
【００６２】
図１５は、実施例１におけるネジ断面積と隅肉部減肉量との関係を示したグラフである。図１６は、実施例２におけるネジ断面積と隅肉部減肉量との関係を示したグラフである。ネジ断面積が小さすぎると接合欠陥Ｑが発生しやすい傾向がある。一方、ネジ断面積が大き過ぎると隅肉部減肉量が大きくなる傾向がある。したがって、ネジ断面積は５０〜１８０ｍｍ２が好ましく、１００〜１５０ｍｍ２であるとより好ましい。
【００６３】
＜実施例３＞
実施例３では、平板状の金属部材Ｚ（Ｖ字溝無し）に対して前記した２０種類の本接合用回転ツールを移動させて形成された塑性化領域の断面を観察した。実施例３では、回転数を１０００ｒｐｍに固定するとともに接合速度を１００ｍｍ／ｍｉｎ、２００ｍｍ／ｍｉｎ、３００ｍｍ／ｍｉｎ、５００ｍｍ／ｍｉｎに可変させた。
【００６４】
図１７は、実施例３において、本接合用回転ツールＢ−１の回転数を１０００ｒｐｍに設定し、接合速度を１００ｍｍ／ｍｉｎ、２００ｍｍ／ｍｉｎ、３００ｍｍ／ｍｉｎ、５００ｍｍ／ｍｉｎに設定した場合の結果を示す断面図である。
図１８は、実施例３において、本接合用回転ツールＣ−１の回転数を１０００ｒｐｍに設定し、接合速度を１００ｍｍ／ｍｉｎ、２００ｍｍ／ｍｉｎ、３００ｍｍ／ｍｉｎ、５００ｍｍ／ｍｉｎに設定した場合の結果を示す断面図である。
図１９は、実施例３において、本接合用回転ツールＡ−４の回転数を１０００ｒｐｍに設定し、接合速度を１００ｍｍ／ｍｉｎ、２００ｍｍ／ｍｉｎ、３００ｍｍ／ｍｉｎ、５００ｍｍ／ｍｉｎに設定した場合の結果を示す断面図である。
【００６５】
図１７及び図１８を見ると、接合速度が上がるほど、接合欠陥Ｑが大きくなることがわかる。また、図１７〜１９を見ると、接合速度が上がるほどバリの量が多くなることがわかる。
【００６６】
図２０は、実施例３において、回転数を１０００ｒｐｍに固定するとともに接合速度を１００ｍｍ／ｍｉｎとした場合の結果を示す断面図である。
図２１は、実施例３において、回転数を１０００ｒｐｍに固定するとともに接合速度を２００ｍｍ／ｍｉｎとした場合の結果を示す断面図である。
図２２は、実施例３において、回転数を１０００ｒｐｍに固定するとともに接合速度を３００ｍｍ／ｍｉｎとした場合の結果を示す断面図である。
図２３は、実施例３において、回転数を１０００ｒｐｍに固定するとともに接合速度を５００ｍｍ／ｍｉｎとした場合の結果を示す断面図である。
【００６７】
図２０〜２３を総合的に判断すると、接合速度については遅い方が好ましく、ネジ深さ及びネジピッチについては大きい方が好ましいことがわかる。
【符号の説明】
【００６８】
１ 金属部材
１ａ 端面
１ｂ 側面
１ｃ 側面
１ｄ 側面
２ 金属部材
２ａ 端面
２ｂ 側面
２ｃ 側面
２ｄ 側面
３ タブ材
Ｃ 仮想基準面
Ｃ１ 交線
Ｆ 本接合用回転ツール
Ｆ１ 連結部
Ｆ２ 攪拌ピン
Ｇ 仮接合用回転ツール
Ｇ１ ショルダ部
Ｇ２ 攪拌ピン
Ｊ１ 突合部
Ｗ１〜Ｗ２ 塑性化領域
ｗ 塑性化領域
【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】
特許文献１には、直角に突き合わせた二つの金属部材の内隅に内隅摩擦攪拌接合用回転ツールを挿入して摩擦攪拌接合する技術が開示されている。図２４は、従来の摩擦攪拌接合方法を示す断面図である。従来の摩擦攪拌接合方法では、金属部材１０１の端面と、金属部材１０２の側面とを突き合わせて形成した突合部Ｊを内隅摩擦攪拌接合用回転ツール１１０によって摩擦攪拌接合する。内隅摩擦攪拌接合用回転ツール１１０は、三角柱を呈する押さえブロック１１１と、押さえブロック１１１を貫通した状態でこの押さえブロック１１１に対して回転可能な攪拌ピン１１２と、を備えている。接合する際には、押さえブロック１１１を金属部材１０１，１０２の各側面に当接させた状態で、攪拌ピン１１２を回転させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−３２０１２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の摩擦攪拌接合では、押さえブロック１１１を金属部材１０１，１０２に押圧しながら接合するため、押さえブロック１１１によって金属部材１０１，１０２が削れてしまうおそれがあった。また、押さえブロック１１１があるため、接合部分を視認することができなかった。
【０００５】
また、図２４に示すように、金属部材１０１，１０２の内隅を接合する前に、外隅を構成する面側から仮接合を行うことも考えられる。金属部材１０１，１０２の厚さが大きい場合、仮接合によって形成された塑性化領域Ｗａと、内隅に形成された塑性化領域Ｗｂとの間に隙間ができてしまうという問題があった。
【０００６】
このような観点から、本発明は、接合する際の金属部材の損傷を抑えるとともに好適に接合す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】
【０００７】
このような課題を解決するために本発明は、攪拌ピンを備えた回転ツールを用いて二つの金属部材を接合する摩擦攪拌接合方法であって、前記金属部材同士を角度をつけて突き合わせて突合部を形成する突合工程と、回転した前記攪拌ピンを前記金属部材同士の内隅に挿入し、前記攪拌ピンのみを前記両金属部材に接触させた状態で前記突合部の摩擦攪拌接合を行う本接合工程と、を含むことを特徴とする。
【０００８】
また、本発明は、攪拌ピンを備えた回転ツールを用いて二つの金属部材を接合する摩擦攪拌接合方法であって、前記金属部材同士を角度をつけて突き合わせて突合部を形成する突合工程と、回転した前記攪拌ピンを前記金属部材同士の内隅に挿入し、前記攪拌ピンのみを前記両金属部材に接触させた状態で前記突合部の摩擦攪拌接合を行う第一の本接合工程と、回転した前記攪拌ピンを前記金属部材同士の外隅を構成する面側に挿入し、前記攪拌ピンのみを前記両金属部材に接触させた状態で前記突合部の摩擦攪拌接合を行う第二の本接合工程と、を含むことを特徴とする。
【０００９】
かかる接合方法によれば、攪拌ピンのみを金属部材に接触させるため、接合する際の金属部材の側面の損傷を抑えることができる。また、従来のように回転ツールに押さえブロックを用いないため、接合部分を視認することができる。これにより、作業性を高めることができる。
【００１０】
また、前記第一の本接合工程で形成された塑性化領域と、前記第二の本接合工程で形成された塑性化領域とを重複させることが好ましい。かかる接合方法によれば、突合部の隙間が無くなるため、気密性及び水密性を高めることができる。
【００１１】
また、前記突合工程では、一方の前記金属部材の側面と、他方の前記金属部材の端面とを突き合わせ、一方の前記金属部材の側面と他方の前記金属部材の側面とでなす内隅の角度がαである場合に、前記本接合工程では、前記側面同士の交線に挿入された前記回転ツールの回転中心軸が、前記交線を通り前記側面とのなす角度がα／２となる仮想基準面と前記一方の前記金属部材の側面との間に位置することが好ましい。
【００１２】
一方の前記金属部材側に回転ツールを傾かせることで、突合部の深い位置まで攪拌ピンを挿入することができるため、突合部の深い位置まで接合することができる。
【００１３】
また、前記本接合工程の前に、回転した回転ツールを前記金属部材同士の外隅を構成する面側に挿入し、前記突合部の仮接合を行う仮接合工程を含むことが好ましい。かかる接合方法によれば、本接合工程を行う際に、金属部材同士が離間するのを防ぐことができる。
【００１４】
また、前記本接合工程では、前記仮接合工程で形成された塑性化領域と前記本接合工程で形成された塑性化領域とを重複させることが好ましい。かかる接合方法によれば、塑性化領域同士を重複させることで、突合部の隙間が無くなるため気密性及び水密性を高めることができる。
【００１５】
また、前記本接合工程で形成された塑性化領域の上に肉盛溶接を行うことが好ましい。かかる接合方法によれば、本接合工程による金属の不足分を補充することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係る摩擦攪拌接合方法によれば、接合する際の金属部材の損傷を抑えるとともに好適に接合することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】（ａ）は本実施形態の本接合用回転ツールを示した側面図であり、（ｂ）は本接合用回転ツールの接合形態を示した断面図である。
【図２】（ａ）は本実施形態の仮接合用回転ツールを示した側面図であり、（ｂ）は仮接合用回転ツールの接合形態を示した断面図である。
【図３】（ａ）は第一実施形態に係る準備工程を示した斜視図、（ｂ）は第一実施形態に係る予備工程を示した斜視図である。
【図４】第一実施形態に係る本接合工程を示した図であって、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は断面図である。
【図５】第一実施形態に係る補修工程を示した断面図である。
【図６】（ａ）は第二実施形態に係る第一の本接合工程を示す断面図であり、（ｂ）は第二実施形態に係る第二の本接合工程を示す断面図である。
【図７】実施例で用いる本接合用回転ツールの基本形状を示した側面図である。
【図８】実施例で用いる本接合用回転ツールの１シリーズと２シリーズを示す側面図である。
【図９】実施例で用いる本接合用回転ツールの３シリーズと４シリーズを示す側面図である。
【図１０】（ａ）は実施例の隅肉部減肉量を示す模式図である。（ｂ）は実施例のネジ断面積を示す模式図である。
【図１１】実施例１における１シリーズと２シリーズの結果を示した断面図である。
【図１２】実施例１における３シリーズと４シリーズの結果を示した断面図である。
【図１３】実施例２における１シリーズと２シリーズの結果を示した断面図である。
【図１４】実施例２における３シリーズと４シリーズの結果を示した断面図である。
【図１５】実施例１におけるネジ断面積と隅肉部減肉量との関係を示したグラフである。
【図１６】実施例２におけるネジ断面積と隅肉部減肉量との関係を示したグラフである。
【図１７】実施例３において、本接合用回転ツールＢ−１の回転数を１０００ｒｐｍに設定し、接合速度を１００ｍｍ／ｍｉｎ、２００ｍｍ／ｍｉｎ、３００ｍｍ／ｍｉｎ、５００ｍｍ／ｍｉｎに設定した場合の結果を示す断面図である。
【図１８】実施例３において、本接合用回転ツールＣ−１の回転数を１０００ｒｐｍに設定し、接合速度を１００ｍｍ／ｍｉｎ、２００ｍｍ／ｍｉｎ、３００ｍｍ／ｍｉｎ、５００ｍｍ／ｍｉｎに設定した場合の結果を示す断面図である。
【図１９】実施例３において、本接合用回転ツールＡ−４の回転数を１０００ｒｐｍに設定し、接合速度を１００ｍｍ／ｍｉｎ、２００ｍｍ／ｍｉｎ、３００ｍｍ／ｍｉｎ、５００ｍｍ／ｍｉｎに設定した場合の結果を示す断面図である。
【図２０】実施例３において、回転数を１０００ｒｐｍに固定するとともに接合速度を１００ｍｍ／ｍｉｎとした場合の結果を示す断面図である。
【図２１】実施例３において、回転数を１０００ｒｐｍに固定するとともに接合速度を２００ｍｍ／ｍｉｎとした場合の結果を示す断面図である。
【図２２】実施例３において、回転数を１０００ｒｐｍに固定するとともに接合速度を３００ｍｍ／ｍｉｎとした場合の結果を示す断面図である。
【図２３】実施例３において、回転数を１０００ｒｐｍに固定するとともに接合速度を５００ｍｍ／ｍｉｎとした場合の結果を示す断面図である。
【図２４】従来の摩擦攪拌接合方法を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。まずは、本実施形態で用いる本接合用回転ツール及び仮接合用回転ツールについて説明する。
【００１９】
本接合用回転ツールＦは、図１の（ａ）に示すように、連結部Ｆ１と、攪拌ピンＦ２とで構成されている。本接合用回転ツールＦは、例えば工具鋼で形成されている。連結部Ｆ１は、図１の（ｂ）に示す摩擦攪拌装置の回転軸Ｄに連結される部位である。連結部Ｆ１は円柱状を呈し、ボルトが締結されるネジ孔Ｂ，Ｂが形成されている。
【００２０】
攪拌ピンＦ２は、連結部Ｆ１から垂下しており、連結部Ｆ１と同軸になっている。攪拌ピンＦ２は連結部Ｆ１から離間するにつれて先細りになっている。攪拌ピンＦ２の外周面には螺旋溝Ｆ３が刻設されている。
【００２１】
図１の（ｂ）に示すように、本接合用回転ツールＦを用いて摩擦攪拌接合をする際には、金属部材１に回転した攪拌ピンＦ２のみを挿入し、金属部材１，２と連結部Ｆ１とは離間させつつ移動させる。言い換えると、攪拌ピンＦ２の基端部は露出させた状態で摩擦攪拌接合を行う。本接合用回転ツールＦの移動軌跡には摩擦攪拌された金属が硬化することにより塑性化領域Ｗが形成される。
【００２２】
仮接合用回転ツールＧは、図２の（ａ）に示すように、ショルダ部Ｇ１と、攪拌ピンＧ２とで構成されている。仮接合用回転ツールＧは、例えば工具鋼で形成されている。ショルダ部Ｇ１は、図２の（ｂ）に示すように、摩擦攪拌装置の回転軸Ｄに連結される部位であるとともに、塑性流動化した金属を押える部位である。ショルダ部Ｇ１は円柱状を呈する。ショルダ部Ｇ１の下端面は、流動化した金属が外部へ流出するのを防ぐために凹状になっている。
【００２３】
攪拌ピンＧ２は、ショルダ部Ｇ１から垂下しており、ショルダ部Ｇ１と同軸になっている。攪拌ピンＧ２はショルダ部Ｇ１から離間するにつれて先細りになっている。攪拌ピンＧ２の外周面には螺旋溝Ｇ３が刻設されている。
【００２４】
図２の（ｂ）に示すように、仮接合用回転ツールＧを用いて摩擦攪拌接合をする際には、回転した攪拌ピンＧ２とショルダ部Ｇ１の下端を金属部材１，２に挿入しつつ移動させる。仮接合用回転ツールＧの移動軌跡には摩擦攪拌された金属が硬化することにより塑性化領域ｗが形成される。
【００２５】
＜第一実施形態＞
次に、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説明する。第一実施形態では、（１）準備工程、（２）予備工程、（３）本接合工程、（４）補修工程を含んでいる。
【００２６】
（１）準備工程
図３を参照して準備工程を説明する。本実施形態に係る準備工程は、接合すべき金属部材１，２を突き合せる突合工程と、金属部材１，２の突合部Ｊ１の端部にタブ材３を配置するタブ材配置工程と、タブ材３を溶接により金属部材１，２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３の（ａ）に示すように、接合すべき金属部材１の側面１ｂと金属部材２の端面２ａとを突き合わせるとともに、金属部材１の端面１ａと金属部材２の側面２ｃとが面一になるようにする。つまり、突合工程では、金属部材１，２を垂直に突き合わせ、側面視してＬ字状になるようにする。金属部材１，２は、摩擦攪拌可能な金属であればよいが、本実施形態ではアルミニウム合金を用いる。
【００２８】
タブ材配置工程では、図３の（ｂ）に示すように、金属部材１，２の突合部Ｊ１の一端側にタブ材３を配置してタブ材３を金属部材１の側面１ｄ及び金属部材２の側面２ｄに当接させる。タブ材３の表面３ａと、金属部材２の側面２ｃ及び金属部材１の端面１ａとが面一になるように配置する。
【００２９】
溶接工程では、金属部材１，２とタブ材３とを溶接し、金属部材１，２とタブ材３とを接合する。
【００３０】
準備工程が終了したら、金属部材１，２及びタブ材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。
【００３１】
（２）予備工程
予備工程は、金属部材１，２の突合部Ｊ１を仮接合する仮接合工程を具備している。具体的には、図３の（ｂ）に示すように、タブ材３に仮接合用回転ツールＧを挿入し、金属部材１，２の外側（外隅を構成する面側）から突合部Ｊ１に対して摩擦攪拌接合を行う。仮接合工程においては、図２の（ｂ）を参照するように、ショルダ部Ｇ１の下面を金属部材１，２に押し込んだ状態で、仮接合用回転ツールＧを移動させる。突合部Ｊ１の全部又は一部を接合したら、金属部材１，２からタブ材３を切削する。なお、本実施形態では仮接合工程を摩擦攪拌接合により行ったが、例えば溶接で金属部材１，２の仮接合を行ってもよい。
【００３２】
（３）本接合工程
予備工程が終了したら、金属部材１，２の突合部Ｊ１を本格的に接合する本接合工程を実行する。本実施形態に係る本接合工程では、まず、図４の（ａ）に示すように、金属部材１，２の外隅を構成する面に裏当材Ｔを配置する。裏当材Ｔは、平面視Ｌ字状を呈する金属製の部材であって、金属部材１の側面１ｃ、端面１ａ及び金属部材２の側面２ｃに接触させる。そして、金属部材１，２及び裏当材Ｔ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。
【００３３】
次に、本接合工程では、金属部材１と金属部材２の内隅（側面１ｂと側面２ｂとで構成される隅部）に回転した本接合用回転ツールＦを挿入し、突合部Ｊ１に対して摩擦攪拌接合を行う。本接合工程では、図４の（ａ）及び（ｂ）に示すように、本接合用回転ツールＦの連結部Ｆ１と金属部材１，２とを離間させて、攪拌ピンＦ２のみを突合部Ｊ１に挿入する。
【００３４】
また、本接合工程では、図４の（ｂ）に示すように、本接合用回転ツールＦの回転中心軸Ｆｃを傾けて摩擦攪拌接合を行う。つまり、本接合工程では、側面１ｂと側面２ｂとの交線Ｃ１に挿入された本接合用回転ツールＦの回転中心軸Ｆｃが、交線Ｃ１を通り側面１ｂと側面２ｂとのなす角度がα／２（本実施形態ではα＝９０°）となる仮想基準面Ｃと金属部材１の側面１ｂとの間に位置するように設定する。本接合工程では、本接合工程で形成された塑性化領域Ｗ１と、仮接合工程で形成された塑性化領域ｗとが重複するようにする。なお、回転中心軸Ｆｃの位置は、側面１ｂ及び仮想基準面Ｃに重なる位置は含まない。
【００３５】
（４）補修工程
本接合工程が終了したら、本接合工程によって金属部材１，２に形成された塑性化領域Ｗ１に対して補修工程を実行する。本実施形態に係る補修工程では、図５に示すように、塑性化領域Ｗ１の上面に肉盛溶接を行う。
【００３６】
本接合工程によって、塑性化領域Ｗ１の上面（表面）は金属が不足して溝ができる傾向にあるが、肉盛溶接を行うことで不足した金属を補充することができる。図５に示すように、金属部材１の側面１ｂ及び金属部材２の側面２ｂと、肉盛溶接によって形成された溶接金属Ｎとが面一になるようにすることが好ましい。なお、肉盛溶接を行う前に、塑性化領域Ｗ１の上面を削って予め凹溝を形成し、この凹溝に肉盛溶接を行ってもよい。また、溝が比較的浅い場合には、肉盛溶接を省略して、金属部材１の側面１ｂ及び金属部材２の側面２ｂに面削加工を施すことで、摩擦攪拌接合によって形成された溝を除去してもよい。
【００３７】
以上説明した本実施形態に係る摩擦攪拌接合によれば、金属部材１，２の内隅を接合する本接合工程において、攪拌ピンＦ２のみを金属部材１，２に接触させるため、接合する際の金属部材１の側面１ｂ及び金属部材２の側面２ｂの損傷を抑えることができる。また、従来のように押さえブロックを用いないため、接合部分を視認することができる。これにより、接合状況等を把握することができるため作業性を高めることができる。
【００３８】
また、本接合工程では、仮接合工程で形成された塑性化領域ｗと本接合工程で形成された塑性化領域Ｗ１とを重複させることにより、気密性及び水密性を高めることができる。また、本接合用回転ツールＦよりも小さい仮接合用回転ツールＧを用いて仮接合工程を行うことで、本接合工程の際に、金属部材１，２が離間するのを防ぐことができる。
【００３９】
また、本接合工程では、一方の金属部材１側に本接合用回転ツールＦを傾かせることで、例えば、図４の（ｂ）に示す仮想基準面Ｃに沿って攪拌ピンＦ２を挿入する場合、つまり、垂直である金属部材１，２に対して側面１ｂ，２ｂと回転中心軸Ｆｃとのなす角度が４５°となるように挿入する場合に比べて、突合部Ｊ１の深い位置まで攪拌ピンＦ２を挿入することができる。これにより、突合部Ｊ１の深い位置まで接合することができる。
【００４０】
また、本接合工程で形成された塑性化領域Ｗ２の上に肉盛溶接を行うことで、本接合工程における金属の不足分を補充することができる。
【００４１】
＜第二実施形態＞
次に、本発明の第二実施形態に係る摩擦攪拌接合方法について説明する。第二実施形態では、（１）準備工程、（２）予備工程、（３）第一の本接合工程、（４）第二の本接合工程、（５）補修工程を含んでいる。第二実施形態は、第一実施形態よりも厚い金属部材１，２を接合する場合を例示する。第二実施形態は、本接合工程を二回行う点で第一実施形態と相違する。なお、（１）準備工程、（２）予備工程は、第一実施形態と同等であるため、詳細な説明は省略する。
【００４２】
（４）第一の本接合工程
第一の本接合工程では、図６の（ａ)に示すように、前記した第一実施形態の本接合工程と略同等の要領で、突合部Ｊ１に対して金属部材１，２の内隅に回転した本接合用回転ツールＦを挿入して、摩擦攪拌接合を行う。第二実施形態では、金属部材１，２の厚さが大きいため、本接合用回転ツールＦの挿入角度を金属部材１側に傾けたとしても、本接合工程で形成された塑性化領域Ｗ１と、仮接合工程で形成された塑性化領域ｗとを重複させることができない。
【００４３】
（５）第二の本接合工程
第二の本接合工程では、金属部材１，２の外隅を構成する面側から本接合用回転ツールＦを用いて摩擦攪拌接合を行う。具体的には、図６の（ｂ）に示すように、金属部材１の端面１ａと金属部材２の側面２ｃ側から回転した本接合用回転ツールＦの攪拌ピンＦ２を挿入し、突合部Ｊ１に沿って移動させる。第二の本接合工程では、本接合用回転ツールＦの連結部Ｆ１と金属部材１，２とを離間させて、攪拌ピンＦ２のみを突合部Ｊ１に挿入する。第二の本接合工程で形成された塑性化領域Ｗ２は、第一の本接合工程で形成された塑性化領域Ｗ１と重複させる。本実施形態の第二の本接合工程では、塑性化領域Ｗ１に攪拌ピンＦ２が達するようにする。これにより、より確実に突合部Ｊ１を接合できる。
【００４４】
なお、第二の本接合工程では、金属部材１，２にタブ材を適宜設けて摩擦攪拌接合を行ってもよい。仮接合工程の際に使用したタブ材を切削除去せずに、第二の本接合工程で利用してもよい。
【００４５】
（６）補修工程
補修工程では、第一実施形態の補修工程と同じ要領で、第一の本接合工程で形成された塑性化領域Ｗ１と第二の本接合工程で形成された塑性化領域Ｗ２の上面に肉盛溶接を行って、不足した金属を補充する。
【００４６】
以上説明した、第二実施形態によれば、第一実施形態と略同等の効果が得られるとともに、第二の本接合工程を行うことで、金属部材１，２が厚い場合であっても、突合部Ｊ１の全長に亘って摩擦攪拌接合を行うことができるため、気密性及び水密性を高めることができる。また、本接合用回転ツールＦによれば、摩擦攪拌装置にかかる負荷を抑制しつつ、攪拌ピンＦ２を深い位置まで挿入することができる。
【００４７】
なお、第二本接合工程は、本実施形態では本接合用回転ツールＦを用いて行ったが、これに限定されるものではなく、例えば、ショルダ部及び攪拌ピンを備えた回転ツールであって、攪拌ピンの長さが長いものを用いてもよい。
【００４８】
以上本発明の実施形態について説明したが、本発明の趣旨に反しない範囲において適宜設計変更が可能である。例えば、本実施形態では金属部材１，２を直角に突き合わせたが、金属部材１の側面１ｂと金属部材２の側面２ｂとのなす角度が１８０度以外であれば何度で突き合わせてもよい。また、例えば金属部材１の端面１ａと金属部材２の端面２ａとを斜めに切り欠いて金属部材１，２を突き合わせてもよい。
【実施例】
【００４９】
実施例では、図７に示すように、ピン角度（回転軸と攪拌ピンの外周面との角度）が５種類と、ネジの深さ及びネジピッチが４種類の合計２０個の本接合用回転ツールを用意して、それぞれの接合状況について調査した。
【００５０】
図７に示すように、接合する金属部材Ｚは、アルミニウム合金製であって、断面Ｖ字状のＶ字溝Ｚａが形成されている。Ｖ字溝Ｚａの角度は９０度になっている。各実施例においては、Ｖ字溝Ｚａに各本接合用回転ツールの攪拌ピンのみを所定の深さで挿入し、Ｖ字溝Ｚａの長手方向に所定の長さで移動させた。攪拌ピンの挿入深さは各実施例ごとに共通の深さとした。
【００５１】
図８及び図９の縦方向に示すように、本接合用回転ツールのＡシリーズはピン角度が９．５度であり、Ｂシリーズはピン角度が１４度であり、Ｃシリーズはピン角度が１８．４度であり、Ｄシリーズはピン角度が２３度であり、Ｅシリーズはピン角度が２７．６度になっている。
【００５２】
また、図８及び図９の横方向に示すように、１シリーズはネジ深さが０．４ｍｍ、ネジピッチが０．５ｍｍであり、２シリーズはネジ深さが１．０ｍｍ、ネジピッチが１．０ｍｍであり、３シリーズはネジ深さが１．８ｍｍ、ネジピッチが２．０ｍｍであり、４シリーズはネジ深さが２．５ｍｍ、ネジピッチが３．０ｍｍである。例えば、図８に示すように、「本接合用回転ツールＣ−２」は、ピン角度が１８．４度、ネジ深さが１．０ｍｍ及びネジピッチが１．０ｍｍになっている。
【００５３】
また、後記する「隅肉部減肉量（ｍｍ２）」とは、図１０の（ａ）に示すように、摩擦攪拌接合を行った後の塑性化領域Ｗの上面Ｚ１と、金属部材Ｚの側壁Ｚ２，Ｚ２と、Ｖ字溝Ｚａの仮想延長線Ｚ３とで囲まれた領域の断面積のことを意味する。なお、塑性化領域Ｗの内部に接合欠陥が存在する場合には、この接合欠陥の領域の断面積も「隅肉部減肉量（ｍｍ２）」として加算した。
【００５４】
また、後記する「ネジ断面積（ｍｍ２）」とは、図１０の（ｂ)に示すように、攪拌ピンＦ２の外周面を通る仮想線Ｆ４と螺旋溝Ｆ３とで囲まれた領域の断面積の和（ハッチが描画された部分）のことを意味する。
【００５５】
＜実施例１＞
実施例１では、前記した本接合用回転ツールＡ―１〜Ａ―４、本接合用回転ツールＢ―１〜Ｂ―４、本接合用回転ツールＣ―１〜Ｃ―４、本接合用回転ツールＤ―１〜Ｄ―４、本接合用回転ツールＥ―１〜Ｅ―４の合計２０種類の本接合用回転ツールを用いて回転数１０００ｒｐｍ、接合速度（移動速度）１００ｍｍ／ｍｉｎに設定して摩擦攪拌接合を行った。
【００５６】
図１１及び図１２に示すように、ピン角度が大きくなるにつれて、塑性化領域Ｗの断面積が大きくなっていることがわかる。また、ネジ深さ及びネジピッチが大きくなるにつれて塑性化領域Ｗが深い位置に形成されるとともに、隅肉部減肉量が大きくなっていることがわかる。
【００５７】
また、図１１及び図１２に示すように、本接合用回転ツールＡ−１では、接合欠陥Ｑが発生している。本接合用回転ツールＢ−２では、減肉量が多く接合不良になっている。本接合用回転ツールＡ−１、Ｂ−２以外は、接合状況が概ね良好であることがわかる。
【００５８】
図１２に示す、４シリーズ（Ａ−４，Ｂ−４，Ｃ−４，Ｄ−４）では、金属部材Ｚの下面が下方に突出するように変形していることがわかる。また、１シリーズ及び４シリーズではバリが多く発生していることがわかる。
【００５９】
＜実施例２＞
実施例２では、前記した２０種類の本接合用回転ツールを用いて回転数１０００ｒｐｍ、接合速度２００ｍｍ／ｍｉｎに設定して摩擦攪拌接合を行った。
【００６０】
図１３及び図１４に示すように、本接合用回転ツールＡ−１、Ｂ−１、Ｃ−１、Ｄ−１、Ｂ−２、Ｃ−２では、接合欠陥Ｑが形成されていることがわかる。また、本接合用回転ツールＡ−２では減肉量が多く接合不良になっていることがわかる。その他の本接合用回転ツールについては接合状況が概ね良好であることがわかる。
【００６１】
実施例１と実施例２を総合的に観察すると、接合速度が遅い方（実施例１）が、接合欠陥Ｑの発生率が低いことがわかる。また、ネジ深さ及びネジピッチが大きくなるにつれて、減肉量は多くなってしまうが、接合欠陥の発生率が低いことが分かる。
【００６２】
図１５は、実施例１におけるネジ断面積と隅肉部減肉量との関係を示したグラフである。図１６は、実施例２におけるネジ断面積と隅肉部減肉量との関係を示したグラフである。ネジ断面積が小さすぎると接合欠陥Ｑが発生しやすい傾向がある。一方、ネジ断面積が大き過ぎると隅肉部減肉量が大きくなる傾向がある。したがって、ネジ断面積は５０〜１８０ｍｍ２が好ましく、１００〜１５０ｍｍ２であるとより好ましい。
【００６３】
＜実施例３＞
実施例３では、平板状の金属部材Ｚ（Ｖ字溝無し）に対して前記した２０種類の本接合用回転ツールを移動させて形成された塑性化領域の断面を観察した。実施例３では、回転数を１０００ｒｐｍに固定するとともに接合速度を１００ｍｍ／ｍｉｎ、２００ｍｍ／ｍｉｎ、３００ｍｍ／ｍｉｎ、５００ｍｍ／ｍｉｎに可変させた。
【００６４】
図１７は、実施例３において、本接合用回転ツールＢ−１の回転数を１０００ｒｐｍに設定し、接合速度を１００ｍｍ／ｍｉｎ、２００ｍｍ／ｍｉｎ、３００ｍｍ／ｍｉｎ、５００ｍｍ／ｍｉｎに設定した場合の結果を示す断面図である。
図１８は、実施例３において、本接合用回転ツールＣ−１の回転数を１０００ｒｐｍに設定し、接合速度を１００ｍｍ／ｍｉｎ、２００ｍｍ／ｍｉｎ、３００ｍｍ／ｍｉｎ、５００ｍｍ／ｍｉｎに設定した場合の結果を示す断面図である。
図１９は、実施例３において、本接合用回転ツールＡ−４の回転数を１０００ｒｐｍに設定し、接合速度を１００ｍｍ／ｍｉｎ、２００ｍｍ／ｍｉｎ、３００ｍｍ／ｍｉｎ、５００ｍｍ／ｍｉｎに設定した場合の結果を示す断面図である。
【００６５】
図１７及び図１８を見ると、接合速度が上がるほど、接合欠陥Ｑが大きくなることがわかる。また、図１７〜１９を見ると、接合速度が上がるほどバリの量が多くなることがわかる。
【００６６】
図２０は、実施例３において、回転数を１０００ｒｐｍに固定するとともに接合速度を１００ｍｍ／ｍｉｎとした場合の結果を示す断面図である。
図２１は、実施例３において、回転数を１０００ｒｐｍに固定するとともに接合速度を２００ｍｍ／ｍｉｎとした場合の結果を示す断面図である。
図２２は、実施例３において、回転数を１０００ｒｐｍに固定するとともに接合速度を３００ｍｍ／ｍｉｎとした場合の結果を示す断面図である。
図２３は、実施例３において、回転数を１０００ｒｐｍに固定するとともに接合速度を５００ｍｍ／ｍｉｎとした場合の結果を示す断面図である。
【００６７】
図２０〜２３を総合的に判断すると、接合速度については遅い方が好ましく、ネジ深さ及びネジピッチについては大きい方が好ましいことがわかる。
【符号の説明】
【００６８】
１ 金属部材
１ａ 端面
１ｂ 側面
１ｃ 側面
１ｄ 側面
２ 金属部材
２ａ 端面
２ｂ 側面
２ｃ 側面
２ｄ 側面
３ タブ材
Ｃ 仮想基準面
Ｃ１ 交線
Ｆ 本接合用回転ツール
Ｆ１ 連結部
Ｆ２ 攪拌ピン
Ｇ 仮接合用回転ツール
Ｇ１ ショルダ部
Ｇ２ 攪拌ピン
Ｊ１ 突合部
Ｗ１〜Ｗ２ 塑性化領域
ｗ 塑性化領域
【特許請求の範囲】
【請求項１】
攪拌ピンを備えた回転ツールを用いて二つの金属部材を接合する摩擦攪拌接合方法であって、
前記金属部材同士を角度をつけて突き合わせて突合部を形成する突合工程と、
回転した前記攪拌ピンを前記金属部材同士の内隅に挿入し、前記攪拌ピンのみを前記両金属部材に接触させた状態で前記突合部の摩擦攪拌接合を行う本接合工程と、を含むことを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
【請求項２】
攪拌ピンを備えた回転ツールを用いて二つの金属部材を接合する摩擦攪拌接合方法であって、
前記金属部材同士を角度をつけて突き合わせて突合部を形成する突合工程と、
回転した前記攪拌ピンを前記金属部材同士の内隅に挿入し、前記攪拌ピンのみを前記両金属部材に接触させた状態で前記突合部の摩擦攪拌接合を行う第一の本接合工程と、
回転した前記攪拌ピンを前記金属部材同士の外隅を構成する面側に挿入し、前記攪拌ピンのみを前記両金属部材に接触させた状態で前記突合部の摩擦攪拌接合を行う第二の本接合工程と、を含むことを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
【請求項３】
前記第一の本接合工程で形成された塑性化領域と、前記第二の本接合工程で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２に記載の摩擦攪拌接合方法。
【請求項４】
前記突合工程では、一方の前記金属部材の側面と、他方の前記金属部材の端面とを突き合わせ、一方の前記金属部材の側面と他方の前記金属部材の側面とでなす内隅の角度がαである場合に、
前記本接合工程では、前記側面同士の交線に挿入された前記回転ツールの回転中心軸が、前記交線を通り前記側面とのなす角度がα／２となる仮想基準面と前記一方の前記金属部材の側面との間に位置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】
前記本接合工程の前に、回転した回転ツールを前記金属部材同士の外隅を構成する面側に挿入し、前記突合部の仮接合を行う仮接合工程を含むことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の摩擦攪拌接合方法。
【請求項６】
前記本接合工程では、前記仮接合工程で形成された塑性化領域と前記本接合工程で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５に記載の摩擦攪拌接合方法。
【請求項７】
前記本接合工程で形成された塑性化領域の上に肉盛溶接を行う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１】
攪拌ピンを備えた回転ツールを用いて二つの金属部材を接合する摩擦攪拌接合方法であって、
前記金属部材同士を角度をつけて突き合わせて突合部を形成する突合工程と、
回転した前記攪拌ピンを前記金属部材同士の内隅に挿入し、前記攪拌ピンのみを前記両金属部材に接触させた状態で前記突合部の摩擦攪拌接合を行う本接合工程と、を含むことを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
【請求項２】
攪拌ピンを備えた回転ツールを用いて二つの金属部材を接合する摩擦攪拌接合方法であって、
前記金属部材同士を角度をつけて突き合わせて突合部を形成する突合工程と、
回転した前記攪拌ピンを前記金属部材同士の内隅に挿入し、前記攪拌ピンのみを前記両金属部材に接触させた状態で前記突合部の摩擦攪拌接合を行う第一の本接合工程と、
回転した前記攪拌ピンを前記金属部材同士の外隅を構成する面側に挿入し、前記攪拌ピンのみを前記両金属部材に接触させた状態で前記突合部の摩擦攪拌接合を行う第二の本接合工程と、を含むことを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
【請求項３】
前記第一の本接合工程で形成された塑性化領域と、前記第二の本接合工程で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２に記載の摩擦攪拌接合方法。
【請求項４】
前記突合工程では、一方の前記金属部材の側面と、他方の前記金属部材の端面とを突き合わせ、一方の前記金属部材の側面と他方の前記金属部材の側面とでなす内隅の角度がαである場合に、
前記本接合工程では、前記側面同士の交線に挿入された前記回転ツールの回転中心軸が、前記交線を通り前記側面とのなす角度がα／２となる仮想基準面と前記一方の前記金属部材の側面との間に位置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】
前記本接合工程の前に、回転した回転ツールを前記金属部材同士の外隅を構成する面側に挿入し、前記突合部の仮接合を行う仮接合工程を含むことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の摩擦攪拌接合方法。
【請求項６】
前記本接合工程では、前記仮接合工程で形成された塑性化領域と前記本接合工程で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５に記載の摩擦攪拌接合方法。
【請求項７】
前記本接合工程で形成された塑性化領域の上に肉盛溶接を行う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。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図１０】
【図２４】
【図８】
【図９】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図１０】
【図２４】
【図８】
【図９】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【公開番号】特開２０１３−４９０７２（Ｐ２０１３−４９０７２Ａ）
【公開日】平成２５年３月１４日（２０１３．３．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１８７９１６（Ｐ２０１１−１８７９１６）
【出願日】平成２３年８月３０日（２０１１．８．３０）
【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２５年３月１４日（２０１３．３．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年８月３０日（２０１１．８．３０）
【出願人】（０００００４７４３）日本軽金属株式会社 (627)
【Ｆターム（参考）】
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