JP2002263862A - 摩擦撹拌接合法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高温変形抵抗が相異する２個の接合部材を突
合せ接合する摩擦撹拌接合法であって、塑性流動不足に
伴うトンネル状接合欠陥の発生を抑制することのできる
摩擦撹拌接合法を提供すること。 【解決手段】 高温変形抵抗が相異する２個の接合部材
1,2を、厚さ方向に段差を表面側にて生じる態様で突き
合わせる。そして、接合工具10の接合ヘッド12の回転方
向を、接合方向Ｍの後方側において、高温変形抵抗の高
い接合部材から高温変形抵抗の低い接合部材へと回転す
る方向に設定する。そして、接合ヘッド13を両接合部材
1,2の突合せ部５に表面側から埋入した状態に配置す
る。この状態で、接合ヘッド13を突合せ部５に沿って移
動させることにより、両接合部材1,2を突合せ接合す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、例えば、自動
車、電算機器、産業機械等における金属製構造部材を製
造する際に用いられる摩擦撹拌接合法に関する。

【０００２】

【従来の技術】摩擦撹拌接合法は、固相接合法の範疇に
入り、接合部材である金属材の種類に制限を受けない、
接合熱に伴う熱歪みが極めて少ない等の優れた利点を有
し、近年、様々な構造物の接合手段として用いられてき
ている。

【０００３】図５及び図６は、厚さ方向に段差を表面側
にて生じる態様で突き合わされた２個の接合部材をこの
摩擦撹拌接合により突合せ接合する場合について示して
いる。

【０００４】同図において、（51）は薄肉の平板状第１
接合部材、（52）は厚肉の平板状第２接合部材である。
第１接合部材（51）と第２接合部材（52）とは互いに異
なる種類の金属材からなるものであり、更にこれら両接
合部材（51）（52）の肉厚も相異している。すなわち、
図６に示すように第１接合部材（51）はその高温変形抵
抗がＹ1'で肉厚がｔ1'のものであり、一方、第２接合部
材（52）はその高温変形抵抗がＹ2'（但しＹ2'≠Ｙ1'）
で肉厚がｔ2'（但しｔ2'＞ｔ1'）のものである。

【０００５】ここでは、説明の便宜上、第１接合部材
（51）の高温変形抵抗Ｙ1'よりも第２接合部材（52）の
高温変形抵抗Ｙ2'の方が高い（即ちＹ2'＞Ｙ1'）ものと
して、説明を行う。

【０００６】各接合部材（51）（52）は幅方向の一端面
（53）を突合せ面とするものであり、同図では、これら
両接合部材（51）（52）は裏面同士が面一に連なる態様
にして端面（53）（53）同士が突き合わされており（突
合せ部55）、このため、厚さ方向に両者の肉厚差に対応
した段差を表面側にて生じている。（54）は両接合部材
（51）（52）の突合せ部（55）の位置における表面に形
成された段部を示し、（54a）はこの段部（54）のすみ
部を示している。

【０００７】（60）は摩擦撹拌接合用の接合工具であ
る。この接合工具（60）は、径大の円柱状回転子（61）
と、該回転子（61）の端面（61a）の回転中心部に回転
軸線（Ｑ’）上に沿って突出して一体に設けられた径小
のピン状プローブ（62）とを備えた回転可能なものであ
って、前記プローブ（62）を接合ヘッド（63）とするも
のである。

【０００８】この接合工具（60）を用いて両接合部材
（51）（52）の突合せ接合を行う場合には、突合せ部
（55）に段差が生じているから、接合中に、摩擦熱にて
軟化した両接合部材（51）（52）の肉が接合工具（60）
のプローブ（62）近傍から飛散して肉不足に伴う接合欠
陥が生じ易く、また摩擦熱の発生量の不足に伴う接合欠
陥が生じ易く、このため、良好な接合部（Ｗ’）を形成
することが困難であった。

【０００９】そこで、このような問題を解決するため、
特開平１０−２４９５５３号公報には、図６に示すよう
に、回転している接合工具（60）のプローブ（62）を突
合せ部（55）に埋入した状態に配置するとともに、回転
子（61）をその回転軸線（Ｑ’）が両接合部材（51）
（52）に対して低位側の接合部材（即ち、第１接合部材
（１））側に相対的に傾斜した状態に配置し、この状態
で、プローブ（62）を突合せ部（55）に沿って両接合部
材（51）（52）に対して相対的に移動させることによ
り、両接合部材（51）（52）を突合せ接合する方法が提
案されている。なお、同図において、Ｍ’は接合方向を
示し、Ｒ’は回転子（61）の回転方向を示している。

【００１０】この提案方法では、プローブ（62）近傍か
ら飛散する両接合部材（51）（52）の肉を回転子（61）
の端面（61a）で反射したり回転子（61）の端面（61a）
内に収容したりすることができるようになって、肉不足
に伴う接合欠陥の発生を防止できるようになるし、回転
子（61）の回転軸線（Ｑ’）の第１接合部材（51）側へ
の傾斜角（θ’）を適宜変更することにより、摩擦熱の
発生量を適度に調整することができるようになって、摩
擦熱不足に伴う接合欠陥の発生を防止できるようになる
という利点がある。さらに、この提案方法では、接合時
に、回転子（61）の端面（61a）を、突合せ部（55）か
ら突出している高位側の接合部材（即ち、第２接合部材
（52））の肩部（52a）に圧接することによって、当該
肩部（52a）をその表面が傾斜面になるように塑性変形
させることができ、この結果、得られる突合せ接合継手
において段部（54）に生じる応力集中を緩和できるよう
になるという利点がある。なお、Ｐ'は接合部材（51）
（52）のプローブ埋入位置における表面の法線を示して
いる。

【００１１】ところで、摩擦撹拌接合では、接合部
（Ｗ’）の内部周縁部における、回転子（61）の回転方
向（Ｒ’）と接合方向（Ｍ’）とが一致した位置にある
縁部は、一般にアドバンスドエッジと呼ばれており、一
方、このアドバンスドエッジとは反対側の位置にある縁
部は、リトリーティングエッジと呼ばれている。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】而して、一般に摩擦撹
拌接合は、接合部（Ｗ’）のアドバンスドエッジ近傍で
空洞部を生じ易いという難点がある。この空洞部は、プ
ローブ（62）の移動に伴って該プローブの移動方向後方
側に連続して形成される接合欠陥であり、トンネル状の
接合欠陥と呼ばれている。その発生原因は、アドバンス
ドエッジ側で第２接合部材（２）の肉の塑性流動が十分
に行われなかったことに起因する。

【００１３】したがって、上述した提案方法において、
接合工具（60）の回転子（61）の回転方向を、もし仮
に、接合方向（Ｍ’）の後方側において、同図に示すよ
うに高温変形抵抗の低い第１接合部材（51）から高温変
形抵抗の高い第２接合部材（52）へと回転する方向
（Ｒ'）に設定して、突合せ接合を行う場合には、上述
したように接合部（Ｗ）のアドバンスドエッジ近傍にト
ンネル状接合欠陥が生じ易くなることはもとより、アド
バンスドエッジ側に配置されている第２接合部材（52）
は高温変形抵抗Ｙ2'が高いものであるから当該第２接合
部材（２）の肉がより一層塑性流動され難く、この結
果、トンネル状接合欠陥が極めて発生し易くなるという
難点があった。

【００１４】殊に、同図のように両接合部材（51）（5
2）が厚さ方向に段差を生じる態様で突き合わされてい
る場合には、段部（54）のすみ部（54a）内に存在して
いる空気が接合時に接合部（Ｗ’）の内部に巻き込まれ
てしまい、このため、かかるトンネル状接合欠陥がます
ます生じ易くなっていた。

【００１５】この発明は、このような技術背景に鑑みて
なされたもので、その目的は、高温変形抵抗が相異する
２個の接合部材を突合せ接合する摩擦撹拌接合法であっ
て、両接合部材が厚さ方向に段差を表面側にて生じる態
様で突き合わされている場合であっても、塑性流動不足
に伴うトンネル状接合欠陥の発生を抑制することのでき
る摩擦撹拌接合法を提供することにある。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１に係る発明は、回転可能な接合ヘッドを備
えた接合工具を用い、高温変形抵抗が相異する２個の接
合部材を、厚さ方向に段差を表面側にて生じる態様で突
き合わせるとともに、回転している接合ヘッドを両接合
部材の突合せ部又はその近傍に表面側から埋入した状態
に配置し、この状態で、接合ヘッドを突合せ部に沿って
両接合部材に対して相対的に移動させることにより、両
接合部材を突合せ接合する摩擦撹拌接合法であって、接
合ヘッドの回転方向を、接合方向の後方側において、高
温変形抵抗の高い接合部材から高温変形抵抗の低い接合
部材へと回転する方向に設定して、突合せ接合を行うこ
とを特徴としている。

【００１７】この摩擦撹拌接合法においては、接合ヘッ
ドの回転方向を、接合方向の後方側において、高温変形
抵抗の高い接合部材から高温変形抵抗の低い接合部材へ
と回転する方向に設定することにより、アドバンスドエ
ッジ側には、両接合部材のうち高温変形抵抗の低い方の
接合部材が配置されることになる。この結果、接合時
に、摩擦熱にて軟化した当該接合部材の肉が接合ヘッド
からの回転力を受けて迅速に塑性流動されるようにな
り、もってトンネル状接合欠陥の発生が抑制される。

【００１８】なお、この発明において、両接合部材の高
温変形抵抗の高低についての比較は、接合温度での変形
抵抗に基づいて行う。これを具体的に示すと、両接合部
材の双方が例えばアルミニウム又はその合金からなる場
合には、２００〜６００℃の範囲内における平均変形抵
抗に基づいて比較することが望ましく、特に４００〜５
５０℃の範囲内における平均変形抵抗に基づいて比較す
ることが最も望ましい。こうすることにより、トンネル
状接合欠陥の発生を確実に抑制できるようになる。

【００１９】請求項２に係る発明は、回転可能な接合ヘ
ッドを備えた接合工具を用い、高温変形抵抗及び肉厚が
それぞれＹ1及びｔ1である第１接合部材と、高温変形抵
抗及び肉厚がそれぞれＹ2（但しＹ2≠Ｙ1）及びｔ2であ
る第２接合部材とを、厚さ方向に段差を表面側にて生じ
る態様で突き合わせるとともに、回転している接合ヘッ
ドを両接合部材の突合せ部又はその近傍に表面側から埋
入した状態に配置し、この状態で、接合ヘッドを突合せ
部に沿って両接合部材に対して相対的に移動させること
により、両接合部材を突合せ接合する摩擦撹拌接合法で
あって、両接合部材がＹ2×ｔ2＜Ｙ1×ｔ1の関係式を満
足して突き合わされているときには、接合ヘッドの回転
方向を、接合方向の後方側において、第１接合部材から
第２接合部材へと回転する方向に設定して、突合せ接合
を行い、両接合部材がＹ2×ｔ2＞Ｙ1×ｔ1の関係式を満
足して突き合わされているときには、接合ヘッドの回転
方向を、接合方向の後方側において、第２接合部材から
第１接合部材へと回転する方向に設定して、突合せ接合
を行うことを特徴としている。

【００２０】この摩擦撹拌接合法においては、両接合部
材の双方の高温変形抵抗に加えて更に双方の肉厚をも考
慮して接合ヘッドの回転方向を設定することにより、ト
ンネル状接合欠陥の発生が確実に抑制されるようにな
る。

【００２１】請求項３に係る発明は、上記請求項１又は
２に係る発明において、前記接合工具の接合ヘッドは、
径大の回転子の端面に突設された径小のプローブからな
り、回転している回転子をその回転軸線が両接合部材に
対して低位側の接合部材側に相対的に傾斜した状態に配
置するとともに、回転している回転子の端面を突合せ部
から突出している高位側の接合部材の肩部に圧接した状
態に配置し、この状態で、突合せ接合を行うものであ
る。

【００２２】これによれば、接合工具の回転子をその回
転軸線が両接合部材に対して低位側の接合部材側に相対
的に傾斜した状態に配置することにより、プローブ近傍
から飛散する両接合部材の肉を回転子の端面で反射した
り回転子の端面内に収容したりすることができるように
なって、肉不足に伴う接合欠陥を防止できるようにな
る。

【００２３】また、回転子の端面を高位側の接合部材の
肩部に圧接した状態に配置することにより、回転子の端
面で当該肩部をその表面が傾斜面になるように塑性変形
させ得るようになる。この結果、得られる突合せ接合継
手において段部に生じる応力集中を緩和できるようにな
る。また、回転子の回転軸線の低位側の接合部材側への
傾斜角を適宜変更したり、回転子の端面における外径を
適宜変更したりすることにより、摩擦熱の発生量を適度
に調整することができるようになって、摩擦熱不足に伴
う接合欠陥の発生を防止できるようになる。

【００２４】また、回転子の端面を高位側の接合部材の
肩部に圧接することで摩擦熱の発生量が増大し、この増
大した摩擦熱を受けることによってアドバンスドエッジ
側に配置されている接合部材の肉がより一層迅速に塑性
流動されるようになり、この結果、トンネル状接合欠陥
の発生が更に確実に抑制されるようになる。

【００２５】請求項４に係る発明は、径大の回転子の端
面に突設された径小のプローブからなる回転可能な接合
ヘッドを備えた接合工具を用い、高温変形抵抗及び肉厚
がそれぞれＹ1及びｔ1である第１接合部材と、高温変形
抵抗及び肉厚がそれぞれＹ2（但しＹ2≠Ｙ1）及びｔ2で
ある第２接合部材とを、第２接合部材を高位側に位置さ
せて厚さ方向に段差を表面側にて生じる態様で突き合わ
せるとともに、この突合せ状態において、両接合部材は
Ｙ2×ｔ2＞Ｙ1×ｔ1の関係式を満足しており、回転して
いるプローブを両接合部材の突合せ部又はその近傍に表
面側から埋入した状態に配置するとともに、回転してい
る回転子をその回転軸線が両接合部材に対して第１接合
部材側に相対的に傾斜した状態に配置し、且つ回転して
いる回転子の端面を突合せ部から突出している第２接合
部材の肩部に圧接した状態に配置し、この状態で、プロ
ーブを突合せ部に沿って両接合部材に対して相対的に移
動させることにより、両接合部材を突合せ接合する摩擦
撹拌接合法であって、接合ヘッドの回転方向を、接合方
向の後方側において、第２接合部材から第１接合部材へ
と回転する方向に設定して、突合せ接合を行うことを特
徴としている。

【００２６】この摩擦撹拌接合においては、上記請求項
３の発明と同じ理由により、アドバンスドエッジ側に配
置された第１接合部材の肉が迅速に塑性流動されるよう
になり、この結果、トンネル状接合欠陥の発生が更に確
実に抑制されるようになる。

【００２７】また、接合方向の後方側において、回転子
の端面に圧接されている第２接合部材の肩部の肉が、回
転子の端面からの圧接力と回転子の回転力とを受けるこ
とで第１接合部材側に塑性流動されるようになる。この
結果、当該肩部の肉が段部のすみ部内に効率良く充填さ
れるようになり、もって得られる突合せ接合継手の接合
強度が向上する。

【００２８】

【発明の実施の形態】次に、この発明の実施形態を図面
を参照して説明する。

【００２９】図１〜図４は、この発明の一実施形態を示
している。この実施形態の摩擦撹拌接合により得られる
突合せ接合継手は、自動車のテーラードブランク材とし
て用いられるものである。

【００３０】図１において、（１）は薄肉の長尺平板状
第１接合部材、（２）は厚肉の長尺平板状第２接合部材
である。

【００３１】第１接合部材（１）と第２接合部材（２）
とは、互いに異なる種類のアルミニウム又はその合金か
らなるものであり、このため互いに異なる高温変形抵抗
を有している。さらに、両接合部材（１）（２）は互い
に異なる肉厚を有している。

【００３２】ここで、図１（ロ）に示すように第１接合
部材（１）の高温変形抵抗及び肉厚をそれぞれＹ1及び
ｔ1とし、一方、第２接合部材（２）の高温変形抵抗及
び肉厚をそれぞれＹ2（但しＹ2≠Ｙ1）及びｔ2とする。
またｔ2はｔ1よりも大である（即ちｔ2＞ｔ1）とする。

【００３３】第１接合部材（１）の高温変形抵抗Ｙ1と
肉厚ｔ1との積（即ちＹ1×ｔ1）は、当該第１接合部材
（１）の全高温変形抵抗に対応している。これと同じ
く、第２接合部材（２）の高温変形抵抗Ｙ2と肉厚ｔ2と
の積（即ちＹ2×ｔ2）は、当該第２接合部材（２）の全
高温変形抵抗に対応している。

【００３４】この実施形態では、説明の便宜上、第１接
合部材（１）の高温変形抵抗Ｙ1よりも第２接合部材
（２）の高温変形抵抗のＹ2の方が大きく（即ちＹ2＞Ｙ
1）、且つ、第１接合部材（１）の全高温変形抵抗Ｙ1×
ｔ1よりも第２接合部材（２）の全高温変形抵抗Ｙ2×ｔ
2の方が大きい（即ちＹ2×ｔ2＞Ｙ1×ｔ1）ものとし
て、説明を行う。

【００３５】各接合部材（１）（２）は、幅方向の一端
面（３）を突合せ面とするものであって、この端面
（３）は接合部材の表面及び裏面に対して垂直に形成さ
れている。そして、これら両接合部材（１）（２）は、
裏面同士が面一に連なる態様で端面（３）（３）同士が
突き合わされており（突合せ部５）、このため、厚さ方
向に両者の肉厚差に対応した段差を表面側にて生じてい
る。更に、こうして突き合わされた両接合部材（１）
（２）の突合せ部（５）裏面に、裏当て部材（図示せ
ず）が当てられている。図１（ロ）において、（４）
は、両接合部材（１）（２）の突合せ部（５）の位置に
おける表面に形成された段部を示しており、（4a）はこ
の段部（４）のすみ部を示している。また、両接合部材
（１）（２）は裏面同士が面一に連なる態様で突き合わ
されているから、この突合せ状態において、第２接合部
材（２）が高位側に、第１接合部材（１）が低位側に位
置されるものとなる。

【００３６】（10）は摩擦撹拌接合用の接合工具であ
る。この接合工具（10）は、従来例で示されたもの（図
５参照、60）と同じく、径大の円柱状回転子（11）と、
該回転子（11）の端面（11a）の回転中心部に回転軸線
（Ｑ）上に沿って突出して一体に設けられた径小のピン
状プローブ（12）とを備えた回転可能なものであって、
前記ピン状プローブ（12）を接合ヘッド（13）とするも
のである。回転子（11）及びプローブ（12）は両接合部
材（１）（２）よりも硬質で且つ接合時に発生する摩擦
熱に耐え得る耐熱材料から形成されている。また、プロ
ーブ（12）の外周面には、摩擦熱にて軟化した両接合部
材（１）（２）の肉を撹拌するための撹拌用凸部（図示
せず）が設けられている。また、回転子（11）の端面
（11a）の少なくとも外周縁部は、回転軸線（Ｑ）に対
して直交する平面内にあり、この実施形態では、回転子
（11）の端面（11a）は平坦面からなる。なお、この発
明では、回転子（11）の端面（11a）は、外周縁部から
回転中心部に向かって窪んだ形状になっていても良い。

【００３７】この接合工具（10）を用いて両接合部材
（１）（２）を突合せ接合する場合には、まず、接合工
具（10）の回転子（11）をその回転軸線（Ｑ）を中心に
所定の回転方向（この回転方向については後述する）に
回転させ、これによりプローブ（12）を回転させる。

【００３８】次いで、図３に示すように、両接合部材
（１）（２）の表面側において、回転している回転子
（11）の回転軸線（Ｑ）を第１接合部材（１）側に傾斜
させる。そして、この状態で、回転しているプローブ
（12）を段部（４）のすみ部（4a）内から突合せ部
（５）中に埋入する。さらに、この回転子（11）の端面
（11a）を、両接合部材（１）（２）に跨らせた態様で
突合せ部（５）から突出している第２接合部材（２）の
肩部（2a）に圧接する。図３において、Ｐは接合部材
（１）（２）のプローブ埋入位置における表面の法線を
示している。また、θ（但し０°＜θ＜９０°）は、こ
のＰに対する回転子（11）の回転軸線（Ｑ）の第１接合
部材（１）側への傾斜角を示している。なお、この発明
では、プローブ（12）の突合せ部（５）への埋入は、両
接合部材（１）（２）の長さ方向の端面から行っても良
い。また、プローブ（12）を突合せ部（２）に埋入した
後で、回転子（11）の回転軸線（Ｑ）を第１接合部材
（１）側に傾斜させても良い。もとより、回転子（11）
を傾斜させることで回転軸線（Ｑ）が第１接合部材
（１）側に傾斜した状態を実現するのではなく、回転子
（11）の姿勢を下向きに固定しておき、両接合部材
（１）（２）を水平面に対して傾斜させることにより、
かかる状態を実現しても良い。

【００３９】そして、この状態で、プローブ（12）を突
合せ部（５）に沿って移動させる。このプローブ（５）
の移動方向（Ｍ）が接合方向となる。このとき、図２に
示すように、回転子（11）の回転軸線（Ｑ）を接合方向
（Ｍ）の後方側に僅かに傾斜させて当該回転子（11）の
端面（11a）における接合方向の前部を、第２接合部材
（２）の肩部（2a）から浮き上がらせ、この状態で移動
させることが望ましい。こうすることにより、回転子
（11）の端面（11a）における接合方向の前部が第２接
合部材（２）の肩部（2a）表面に存在することのある微
細な凹凸に引っ掛かる不具合を防止し得るようになっ
て、プローブ（12）をスムーズに所定方向に移動させる
ことができるようになる。

【００４０】このプローブ（12）の移動に伴い、両接合
部材（１）（２）の突合せ部（５）がプローブ（12）に
よりプローブ埋入位置にて次々に接合されていく。
（Ｗ）は接合部を示している。

【００４１】ここで、回転子（11）の回転方向について
説明する。

【００４２】この実施形態では、上述したように両接合
部材（１）（２）はＹ2×ｔ2＞Ｙ1×ｔ1の関係式を満足
して突き合わされていることから、回転子（11）の回転
方向を、接合方向（Ｍ）の後方側において、第２接合部
材（２）から第１接合部材（１）へと回転する方向
（Ｌ）に設定する。

【００４３】このように回転子（11）の回転方向を設定
して突合せ接合を行うことにより、トンネル状接合欠陥
の発生を防止できるようになる。

【００４４】すなわち、プローブ（12）の回転に伴い発
生する摩擦熱と、回転子（11）の端面（11a）と両接合
部材（１）（２）の表面との摺動に伴い発生する摩擦熱
とによって、両接合部材（１）（２）はプローブとの接
触部分近傍において軟化する。そして、両接合部材
（１）（２）の軟化部中の肉が、回転子（11）及びプロ
ーブ（12）の回転力を受けて撹拌混合されるとともにプ
ローブ（12）の移動に伴って該プローブ（12）の通過溝
を埋めるように塑性流動する。このとき、両接合部材
（１）（２）のうちアドバンスドエッジ側に配置されて
いる第１接合部材（１）は全高温変形抵抗の低いもので
あるから、当該第１接合部材（１）の肉は、この回転子
（11）及びプローブ（12）の回転力を受けることで、プ
ローブ通過溝を埋めるように迅速に塑性流動するように
なり、このためプローブ通過溝内に肉が不足なく且つ迅
速に充填されるようになる。このため、リトリーティン
グ近傍はもとよりアドバンスドエッジ近傍においても空
洞部が生じることがなくなる。

【００４５】こうしてプローブ通過溝内に肉が不足なく
且つ迅速に充填されながら、当該肉が摩擦熱を急速に失
って冷却固化される。

【００４６】さらに、接合方向（Ｍ）の後方側におい
て、第２接合部材（２）の肩部（2a）が回転子（11）の
端面（11a）からの圧接力を受けてその表面が傾斜面に
なるように塑性変形される。

【００４７】以上の現象がプローブ（12）の移動に伴っ
て連続的に繰り返されていき、最終的に両接合部材
（１）（２）が突合せ部（５）の全長にわたって接合一
体化され、もって所望する突合せ接合継手が得られる。

【００４８】こうして得られた突合せ接合継手は、プロ
ーブ通過溝に両接合部材（１）（２）の肉が不足なく充
填されており、つまり接合部（Ｗ）のアドバンスドエッ
ジ近傍にトンネル状接合欠陥が発生していないので、高
い接合強度を有している。

【００４９】さらに、この突合せ接合継手は、第２接合
部材（２）の肩部（2a）が塑性変形されてその表面が傾
斜面になるように形成されているので、段部（４）に生
じる応力集中を緩和できるものとなっている。

【００５０】また、この摩擦撹拌接合によれば、接合方
向（Ｍ）の後方側において、摩擦熱にて軟化した第２接
合部材（２）の肩部（2a）の肉が、回転子（11）の端面
（11a）からの圧接力と回転子（11）の回転力とを受け
ることによって第１接合部材（１）側に塑性流動される
ようになり、この結果、当該肩部（2a）の肉が段部
（４）のすみ部（4a）内に効率良く充填されるようにな
る。したがって、得られた突合せ接合継手は、肩部（2
a）の肉が段部（４）のすみ部（4a）内に不足なく充填
されている、つまり高い接合強度を有するものとなる。

【００５１】その上、この摩擦撹拌接合法によれば、回
転子（11）の端面（11a）を第２接合部材（２）の肩部
（2a）に圧接することによって、摩擦熱をより多く発生
させることができるので、この摩擦熱によって第１接合
部材（１）の肉を、より一層迅速に塑性流動させること
ができる。したがって、トンネル状接合欠陥の発生をよ
り一層確実に抑制することができる。

【００５２】もとより、この摩擦撹拌接合法によれば、
プローブ近傍から飛散する両接合部材（１）（２）の肉
を回転子（11）の端面（11a）で反射したり回転子（1
1）の端面（11a）内に収容したりすることができるよう
になって、肉不足に伴う接合欠陥を防止できるようにな
るし、その上、回転子（11）の回転軸線（Ｑ）の第１接
合部材（１）側への傾斜角を適宜変更したり、回転子
（11）の端面（11a）における外径を適宜変更したりす
ることにより、摩擦熱の発生量を適度に調整することが
できるようになって、摩擦熱不足に伴う接合欠陥の発生
を防止することができる。

【００５３】以上の実施形態の摩擦撹拌接合法では、両
接合部材（１）（２）がＹ2×ｔ2＞Ｙ1×ｔ1の関係式を
満足して突き合わされている場合について説明している
が、これとは逆に、両接合部材（１）（２）がＹ2×ｔ2
＜Ｙ1×ｔ1の関係式を満足して突き合わされている場合
には、回転子（11）の回転方向を、接合方向（Ｍ）の後
方側において、第１接合部材（１）から第２接合部材
（２）へと回転する方向（Ｒ）に設定して、突合せ接合
を行う。こうすることにより、トンネル状接合欠陥の発
生を抑制できるようになる。この場合における他の接合
手順は、上述した接合手順と同じであり、重複する説明
を省略する。

【００５４】以上、この発明の実施形態について説明し
たが、この発明は上記実施形態に限定されるものではな
く、様々に設定変更可能である。

【００５５】例えば、上記実施形態では、接合工具（1
0）のプローブ（12）を突合せ部（５）に沿って移動さ
せて接合を行う場合について示しているが、この発明で
は、この他に、プローブ（12）の位置を固定しておき、
突合せ部（５）が順次このプローブ（12）を通過するよ
うに両接合部材（１）（２）を移動させて接合を行って
も良い。この場合には、両接合部材（１）（２）の移動
方向とは反対の方向が接合方向となる。

【００５６】

【実施例】次に、この発明の具体的実施例を説明する。

【００５７】＜実施例１＞第１接合部材（１）として、
平板状のアルミニウム合金材（材質Ａ６０６３−Ｔ５、
肉厚ｔ1＝１．０ｍｍ）からなるものを準備した。第２
接合部材（２）として、平板状のアルミニウム合金材
（材質Ａ５０５２−Ｈ３４、肉厚ｔ2＝２．０ｍｍ）か
らなるものを準備した。

【００５８】なお、６０６３−Ｔ５の４００〜５５０℃
の範囲内における平均変形抵抗と５０５２−Ｈ３４の同
温度範囲内における平均変形抵抗とを比較すると、５０
５２−Ｈ３４の方が高いことが一般に知られている。し
たがって、同温度範囲において第１接合部材（１）の全
高温変形抵抗と第２接合部材（２）の全高温変形抵抗と
を比較すると、第２接合部材（２）の方が高くなる。

【００５９】次いで、上記実施形態と同様に、両接合部
材（１）（２）を裏面同士が面一に連なる態様にして突
き合わせた。そして、接合工具（10）の回転子（11）の
回転方向を、接合方向（Ｍ）の後方側において、第２接
合部材（２）から第１接合部材（１）へと回転する方向
（Ｌ）に設定して、上記実施形態で示された接合手順に
従って、両接合部材（１）（２）の突合せ接合を行っ
た。

【００６０】＜比較例１＞接合工具（10）の回転子（1
1）の回転方向を、接合方向（Ｍ）の後方側において、
第１接合部材（１）から第２接合部材（２）へと回転す
る方向（Ｒ）に設定して、突合せ接合を行った。用いた
接合部材及び他の接合条件は、上記実施例１と同じであ
る。

【００６１】＜実施例２＞第１接合部材（１）として、
平板状のアルミニウム合金材（材質Ａ５０８３−Ｈ３
４、肉厚ｔ1＝１．０ｍｍ）からなるものを準備した。
第２接合部材（２）として、平板状のアルミニウム合金
材（材質Ａ６０６３−Ｔ５、肉厚ｔ2＝３．０ｍｍ）か
らなるものを準備した。

【００６２】なお、５０８３−Ｈ３４の４００〜５５０
℃の範囲内における平均変形抵抗と６０６３−Ｔ５の同
温度範囲内における平均変形抵抗とを比較すると、５０
８３−Ｈ３４の方が高いことが一般に知られている。し
かしながら、双方の肉厚をも考慮して各接合部材の全高
温変形抵抗を算出し、同温度範囲内における第１接合部
材（１）の全高温変形抵抗と第２接合部材（２）の全高
温変形抵抗とを比較すると、第２接合部材（２）の方が
高くなる。

【００６３】次いで、上記実施形態と同様に、両接合部
材（１）（２）を裏面同士が面一に連なる態様にして突
き合わせた。そして、接合工具（10）の回転子（11）の
回転方向を、接合方向（Ｍ）の後方側において、第２接
合部材（２）から第１接合部材（１）へと回転する方向
（Ｌ）に設定して、上記実施形態で示された接合手順に
従って、両接合部材（１）（２）の突合せ接合を行っ
た。

【００６４】［接合結果］上記実施例１、実施例２及び
比較例１で得られた突合せ接合継手の接合部に対して顕
微鏡による断面観察を行い、その接合状態を調べた。

【００６５】この結果、比較例１で得られた突合せ接合
継手では、接合部（Ｗ）のアドバンスドエッジ近傍にト
ンネル状接合欠陥が多数発生していた。

【００６６】これに対して、実施例１及び実施例２で得
られた突合せ接合継手では、いずれも、接合部（Ｗ）の
リトリーティングエッジ近傍はもとよりアドバンスドエ
ッジ近傍にもトンネル状接合欠陥が発生していなかっ
た。したがって、この発明によれば、良好な接合部を形
成できることを確認し得た。

【００６７】

【発明の効果】上述の次第で、請求項１の発明に係る摩
擦撹拌接合法は、接合ヘッドの回転方向を、接合方向の
後方側において、高温変形抵抗の高い接合部材から高温
変形抵抗の低い接合部材へと回転する方向に設定して、
突合せ接合を行うことを特徴としているから、この摩擦
撹拌接合法によれば、アドバンスドエッジ側に配置され
ている接合部材の肉を迅速に塑性流動させ得るようにな
って、塑性流動不足に伴うトンネル状接合欠陥の発生を
抑制することができる。

【００６８】請求項２の発明に係る摩擦撹拌接合法によ
れば、両接合部材の双方の高温変形抵抗に加えて更に双
方の肉厚をも考慮して接合ヘッドの回転方向が設定され
ているので、トンネル状接合欠陥の発生を確実に抑制す
ることができる。

【００６９】請求項３の発明に係る摩擦撹拌接合法によ
れば、回転子の端面を高位側の接合部材の肩部に圧接す
ることにより、摩擦熱の発生量が増大し、この増大した
摩擦熱によってアドバンスドエッジ側に配置された接合
部材の肉をより一層迅速に塑性流動させ得るようになる
ため、トンネル状接合欠陥の発生をより一層確実に抑制
することができる。更には、摩擦熱の発生量が増大する
ため、接合ヘッドの回転数や接合速度等の接合条件の適
性範囲を拡大することができる。

【００７０】また、回転子の端面を高位側の接合部材の
肩部に圧接することにより、当該肩部をその表面が傾斜
面になるように塑性変形させることができるので、段部
に生じる応力集中が緩和されている突合せ接合継手を得
ることができる。

【００７１】さらには、プローブ近傍から飛散する両接
合部材の肉を回転子の端面で反射したり回転子の端面内
に収容したりすることができるようになって、肉不足に
伴う接合欠陥をも防止することができる。

【００７２】その上、回転子の回転軸線の低位側の接合
部材側への傾斜角を適宜変更することにより、摩擦熱の
発生量を適度に調整することができるようになって、摩
擦熱不足に伴う接合欠陥の発生を防止することができ
る。

【００７３】請求項４の発明に係る摩擦撹拌接合法によ
れば、第１接合部材の肉を迅速に塑性流動させ得るよう
になって、トンネル状接合欠陥の発生を更に確実に抑制
することができる。

【００７４】さらには、第２接合部材の肩部の肉を段部
のすみ部内に効率良く充填することができるようになっ
て、得られる突合せ接合継手の接合強度を向上させるこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施形態の摩擦撹拌接合法を示す
図で、（イ）は両接合部材の接合途中の状態の斜視図、
（ロ）はＩ−Ｉ線要部拡大断面図である。

【図２】図１（イ）中のII−II線要部拡大断面図であ
る。

【図３】図１（イ）中のIII−III線要部拡大断面図であ
る。

【図４】接合後の状態を示す、図３に対応する図であ
る。

【図５】従来の摩擦撹拌接合法を示す図で、両接合部材
の接合途中の状態の斜視図である。

【図６】図５中のVI−VI線要部拡大断面図である。

【符号の説明】

１…第１接合部材 ２…第２接合部材 ５…突合せ部 10…接合工具 11…回転子 11a…回転子の端面 12…プローブ 13…接合ヘッド Ｒ、Ｌ…接合ヘッドの回転方向 Ｗ…接合部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 浜 靖之 埼玉県和光市中央１丁目４番１号 株式会 社本田技術研究所内 (72)発明者 橋本 武典 堺市海山町６丁224番地 昭和アルミニウ ム株式会社内 (72)発明者 成願 茂利 堺市海山町６丁224番地 昭和アルミニウ ム株式会社内 (72)発明者 長野 喜隆 堺市海山町６丁224番地 昭和アルミニウ ム株式会社内 Ｆターム(参考） 4E067 AA05 BG00 DA17 DC07 EA04 EA07 EA08 EC01

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 回転可能な接合ヘッド（13）を備えた接
   合工具（10）を用い、 高温変形抵抗が相異する２個の接合部材（１、２）を、
   厚さ方向に段差を表面側にて生じる態様で突き合わせる
   とともに、 回転している接合ヘッド（13）を両接合部材の突合せ部
   （５）又はその近傍に表面側から埋入した状態に配置
   し、 この状態で、接合ヘッド（13）を突合せ部（５）に沿っ
   て両接合部材に対して相対的に移動させることにより、
   両接合部材を突合せ接合する摩擦撹拌接合法であって、 接合ヘッド（13）の回転方向を、接合方向（Ｍ）の後方
   側において、高温変形抵抗の高い接合部材から高温変形
   抵抗の低い接合部材へと回転する方向（Ｒ、Ｌ）に設定
   して、突合せ接合を行うことを特徴とする摩擦撹拌接合
   法。
2. 【請求項２】 回転可能な接合ヘッド（13）を備えた接
   合工具（10）を用い、 高温変形抵抗及び肉厚がそれぞれＹ1及びｔ1である第１
   接合部材（１）と、高温変形抵抗及び肉厚がそれぞれＹ
   2（但しＹ2≠Ｙ1）及びｔ2である第２接合部材（２）と
   を、厚さ方向に段差を表面側にて生じる態様で突き合わ
   せるとともに、回転している接合ヘッド（13）を両接合
   部材の突合せ部（５）又はその近傍に表面側から埋入し
   た状態に配置し、 この状態で、接合ヘッド（13）を突合せ部（５）に沿っ
   て両接合部材に対して相対的に移動させることにより、
   両接合部材を突合せ接合する摩擦撹拌接合法であって、 両接合部材（１、２）がＹ2×ｔ2＜Ｙ1×ｔ1の関係式を
   満足して突き合わされているときには、接合ヘッド（1
   3）の回転方向を、接合方向（Ｍ）の後方側において、
   第１接合部材（１）から第２接合部材（２）へと回転す
   る方向（Ｒ）に設定して、突合せ接合を行い、 両接合部材（１、２）がＹ2×ｔ2＞Ｙ1×ｔ1の関係式を
   満足して突き合わされているときには、接合ヘッド（1
   3）の回転方向を、接合方向（Ｍ）の後方側において、
   第２接合部材（２）から第１接合部材（１）へと回転す
   る方向（Ｌ）に設定して、突合せ接合を行うことを特徴
   とする摩擦撹拌接合法。
3. 【請求項３】 前記接合工具（10）の接合ヘッド（13）
   は、径大の回転子（11）の端面（11a）に突設された径
   小のプローブ（12）からなり、 回転している回転子（11）をその回転軸線（Ｑ）が両接
   合部材に対して低位側の接合部材（１）側に相対的に傾
   斜した状態に配置するとともに、回転している回転子の
   端面（11a）を突合せ部から突出している高位側の接合
   部材（２）の肩部（2a）に圧接した状態に配置し、 この状態で、突合せ接合を行う請求項１又は２記載の摩
   擦撹拌接合法。
4. 【請求項４】 径大の回転子（11）の端面（11a）に突
   設された径小のプローブ（12）からなる回転可能な接合
   ヘッド（13）を備えた接合工具（10）を用い、 高温変形抵抗及び肉厚がそれぞれＹ1及びｔ1である第１
   接合部材（１）と、高温変形抵抗及び肉厚がそれぞれＹ
   2（但しＹ2≠Ｙ1）及びｔ2である第２接合部材（２）と
   を、第２接合部材（２）を高位側に位置させて厚さ方向
   に段差を表面側にて生じる態様で突き合わせるととも
   に、この突合せ状態において、両接合部材（１、２）は
   Ｙ2×ｔ2＞Ｙ1×ｔ1の関係式を満足しており、 回転しているプローブ（12）を両接合部材の突合せ部
   （５）又はその近傍に表面側から埋入した状態に配置す
   るとともに、回転している回転子（11）をその回転軸線
   （Ｑ）が両接合部材に対して第１接合部材（１）側に相
   対的に傾斜した状態に配置し、且つ回転している回転子
   の端面（11a）を突合せ部から突出している第２接合部
   材（２）の肩部（2a）に圧接した状態に配置し、 この状態で、プローブ（12）を突合せ部（５）に沿って
   両接合部材に対して相対的に移動させることにより、両
   接合部材を突合せ接合する摩擦撹拌接合法であって、 接合ヘッド（13）の回転方向を、接合方向（Ｍ）の後方
   側において、第２接合部材（２）から第１接合部材
   （１）へと回転する方向（Ｌ）に設定して、突合せ接合
   を行うことを特徴とする摩擦撹拌接合法。