JP2002263865A - 摩擦撹拌接合法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ルート残り部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】 ２個の板状のアルミニウム製接合部材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。両接合部材1,2の突合せ部５に表面側から接合ツ
ール11の回転している接合ヘッド14を埋入する。一方、
両接合部材1,2の裏面側において、電気ヒータを内蔵し
た裏当てローラ17を、接合ヘッド14に対向して配置す
る。そして、電気ヒータを発熱させて裏当てローラ17の
外周面を加熱し、この裏当てローラ17の加熱された外周
面に、両接合部材1,2の突合せ部５の裏面を当接させて
当該裏面を加熱する。こうして加熱しながら、突合せ部
５が順次接合ヘッド14を通過するように両接合部材1,2
を移動させることにより、両接合部材1,2の突合せ部５
を接合する。

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い
る。

【０００３】図１３〜図１５は、従来の摩擦撹拌接合法
について示している。同図において、（101）は薄肉の
長尺平板状の金属製第１接合部材、（102）は厚肉の長
尺平板状の金属製第２接合部材である。これら両接合部
材（101）（102）は、裏面同士が面一に連なる態様にし
て幅方向の一端面同士が突き合わされており（突合せ部
105）、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。そして、この状態で、両
接合部材（101）（102）の裏面側に配置された前後の支
持ローラ（115）（116）によって支持されている。な
お、同図において、（107）は両接合部材（101）（10
2）の突合せ部（105）の位置における表面に形成された
段部を示し、（107a）はこの段部（107）のすみ部を示
している。

【０００４】（111）は摩擦撹拌接合用の接合ツールで
ある。この接合ツール（111）は、径大の円柱状回転子
（112）と、該回転子（112）の端面（112a）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（113）と、を備えたもので
あって、前記プローブ（113）を接合ヘッド（114）とす
るものである。

【０００５】（117）は裏当てローラである。この裏当
てローラ（117）は、両接合部材（101）（102）の裏面
側において接合ツール（111）のプローブ（113）に対向
して配置されている。

【０００６】而して、上記接合ツール（111）を用いて
両接合部材（101）（102）の突合せ部（105）を表面側
から接合する場合には、まず、接合ツール（111）の回
転しているプローブ（113）を突合せ部（115）に表面側
から埋入した状態に配置する。そして、この状態で、突
合せ部（105）が順次、プローブ（113）を通過するよう
に両接合部材（101）（102）を突合せ状態のままで移動
させる。MDは両接合部材（101）（102）の移動方向を示
している。

【０００７】この両接合部材（101）（102）の移動に伴
い、両接合部材（101）（102）の突合せ部（105）がプ
ローブ（113）埋入位置にて当該プローブ（113）により
接合されていき、両接合部材（101）（102）が突合せ部
（105）のプローブ通過部分において接合一体化され
る。Ｗ’は、接合された突合せ部に形成された接合部を
示している。また、WDはこの接合方法での接合方向を示
している。

【０００８】而して、上述した接合方法においては、両
接合部材（101）（102）の突合せ部（105）における表
面にて段差を生じているから、接合中に摩擦熱にて軟化
した両接合部材（101）（102）の軟化部中の肉がプロー
ブ近傍から飛散することがあり、このため肉不足に伴う
接合欠陥を生じ易く、また摩擦熱不足に伴う接合欠陥を
生じ易かった。このため、突合せ部（105）を良好に接
合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、接合ツール（11
1）の回転しているプローブ（113）を突合せ部（105）
に埋入した状態に配置するとともに、回転子（112）を
その回転軸線（Ｑ’）が両接合部材（101）（102）に対
して低位側の接合部材（即ち、第１接合部材（101））
側に相対的に傾斜した状態に配置し、この状態で、接合
を行う方法が提案されている。

【００１０】この提案方法では、プローブ近傍から飛散
する両接合部材（101）（102）の肉を回転子（112）の
端面（112a）で反射したり回転子（112）の端面（112
a）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、
また回転子（112）の回転軸線（Ｑ’）の第１接合部材
（101）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。

【００１１】さらに、この提案方法では、接合時に、回
転子（112）の端面（112a）を、突合せ部（105）から表
面側に突出している高位側の接合部材（即ち、第２接合
部材（102））の肩部（102a）に圧接することによっ
て、当該肩部（102a）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
継手において段部（107）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
（101）（102）のプローブ埋入位置における表面の法線
を示している。

【００１２】ところで、一般に摩擦撹拌接合では、接合
ツール（111）のプローブ（113）を突合せ部（105）中
に奥深くまで埋入した状態で接合を行うことが、突合せ
部（105）を厚さ方向全体に亘って接合できるようにな
る点で、望ましい。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うにプローブ（113）を埋入して接合を行うと、接合中
に当該プローブ（113）の先端が両接合部材（101）（10
2）の突合せ部（105）裏面から突き出てしまって裏当て
ローラ（117）等の裏当て部材に接触して破損する恐れ
がある。そこで、このような不具合を防止すべく、通
常、プローブ（113）は、図１４に示すようにその先端
と両接合部材（101）（102）の裏面との間に少し距離を
おいた状態にして埋入されるが、このような埋入状態で
接合を行うと、図１５に示すように、両接合部材（10
1）（102）の接合された突合せ部の裏面の表層部に、ル
ート残り部（Ｒ）が残存することがあった。このように
ルート残り部（Ｒ）が残存すると、得られる突合せ継手
の接合強度が低下するという問題が発生する。

【００１４】殊に、同図のように両接合部材（101）（1
02）が厚さ方向に段差を表面側にて生じる態様で突き合
わされている場合には、特にルート残り部（Ｒ）が残存
し易かった。すなわち、両接合部材（101）（102）がこ
のような態様で突き合わされている場合には、接合ツー
ル（111）の回転子（112）の端面（112a）を両接合部材
（101）（102）上に安定良く載置することが困難であ
り、図１４に示すように回転子（112）が不本意に第１
接合部材（101）側や第２接合部材（102）側に傾き易か
った。このように回転子（112）が傾いてしまうと、プ
ローブ（113）の埋入深さが変化してしまうことから、
安全を見込んでプローブ（113）の埋入深さを更に浅く
設定する必要があり、このためルート残り部（Ｒ）が特
に残存し易かった。

【００１５】更に、この場合には、接合ツール（111）
の回転子（112）はその回転軸線（Ｑ’）が傾斜状態に
なるように配置されるので、プローブ（113）の埋入深
さの設定が困難であり、その上、接合中に第２接合部材
（102）の肩部（102a）が塑性変形することでプローブ
（113）の埋入深さが深くなるから、やはり安全を見込
んでプローブ（113）の埋入深さを浅く設定する必要が
あり、ルート残り部（Ｒ）が特に残存し易かった。

【００１６】もとより、接合部材（101）（102）の製造
ロット間には、少なからず肉厚寸法等の寸法バラツキが
生じているから、接合の際にプローブ（113）の埋入深
さを一定に設定することが困難であり、この点からも、
ルート残り部（Ｒ）が発生することがあった。

【００１７】この発明は、上述した問題を解決するため
になされたもので、その目的は、ルート残り部の発生を
抑制又は防止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。

【００１８】

【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の発明は、突合せ状に配置されるとともに
突合せ部に表面側から接合ツールの回転している接合ヘ
ッドが埋入された２個の接合部材を、突合せ部が順次接
合ヘッドを通過するように接合ヘッドに対して相対的に
移動させることにより、両接合部材の突合せ部を接合す
る摩擦撹拌接合法において、両接合部材の突合せ部にお
ける接合ヘッド埋入位置の裏面又は接合ヘッド埋入位置
の接合方向前方側の裏面を加熱して接合を行うことを特
徴としている。

【００１９】この摩擦撹拌接合法においては、両接合部
材の突合せ部における接合ヘッド埋入位置の裏面又は接
合ヘッド埋入位置の接合方向前方側の裏面を加熱するこ
とにより、両接合部材の加熱された裏面から熱が厚さ方
向に伝導していき、この結果、両接合部材の裏面の厚さ
方向近傍部分が高温状態になる。このため、接合時に接
合ヘッドの先端と両接合部材の裏面との間にある肉が迅
速に軟化するようになり、もってルート残り部の発生が
抑制又は防止されるようになる。

【００２０】請求項２の発明は、上記請求項１記載の摩
擦撹拌接合法において、両接合部材は、厚さ方向に段差
を表面側にて生じる態様で突合せ状に配置されているも
のである。

【００２１】すなわち、この発明に係る摩擦撹拌接合法
によれば、厚さ方向に段差を表面側にて生じる態様で突
合せ状に配置された２個の接合部材の突合せ部を表面側
から接合する場合であっても、ルート残り部の発生を抑
制できるようになり、もって両接合部材の突合せ部を良
好に接合できるようになる。

【００２２】請求項３の発明は、請求項１又は２記載の
摩擦撹拌接合法において、両接合部材の裏面側において
接合ヘッドに対向して配置されるとともに外周面が加熱
された裏当てローラからの熱伝導によって、加熱するも
のである。

【００２３】この摩擦撹拌接合法では、接合時に、両接
合部材の突合せ部における接合ヘッド埋入位置の裏面が
裏当てローラの加熱された外周面に当接し、これにより
裏当てローラの外周面の熱が当該裏面に伝導して当該裏
面が加熱される。このように裏面が加熱されながら接合
が行われる。このため、接合作業を能率良く行えるよう
になる。また、この摩擦撹拌接合法では、両接合部材の
突合せ部における接合ヘッド埋入位置の裏面が加熱され
るようになるため、熱損失が少なく、したがって効率良
く加熱を行えるようになる。

【００２４】請求項４の発明は、厚さ方向に段差を表面
側にて生じる態様で突合せ状に配置されるとともに突合
せ部に表面側から接合ツールの回転している接合ヘッド
が埋入された２個の接合部材を、突合せ部が順次接合ヘ
ッドを通過するように接合ヘッドに対して相対的に移動
させることにより、両接合部材の突合せ部を接合する摩
擦撹拌接合法において、ルート残り部を接合するための
接合ヘッドを備えた副接合ツールを用い、この副接合ツ
ールの回転している接合ヘッドを両接合部材の突合せ部
に裏面側から埋入した状態に配置し、この状態で、両接
合部材を、突合せ部が順次接合ツールの接合ヘッド及び
副接合ルーツの接合ヘッドを通過するように相対移動さ
せることにより、両接合部材の突合せ部を接合すること
を特徴としている。

【００２５】この摩擦撹拌接合法においては、ルート残
り部が副接合ツールの接合ヘッドにより接合されながら
接合が行われるようになる。このため、厚さ方向に段差
を表面側にて生じる態様で突合せ状に配置された２個の
接合部材の突合せ部を接合する場合であっても、ルート
残り部の発生を抑制又は防止できるようになる。

【００２６】請求項５の発明は、表面同士及び裏面同士
が面一に連なる態様で突合せ状に配置されるとともに突
合せ部に表面側から接合ツールの回転している接合ヘッ
ドが埋入された２個の接合部材を、突合せ部が順次接合
ヘッドを通過するように接合ヘッドに対して相対的に移
動させることにより、両接合部材の突合せ部を接合する
摩擦撹拌接合法において、ルート残り部を接合するため
の接合ヘッドを備えた副接合ツールを用い、この副接合
ツールの回転している接合ヘッドを両接合部材の突合せ
部に０．１〜０．５ｍｍの範囲内の埋入深さで裏面側か
ら埋入した状態に配置し、この状態で、両接合部材を、
突合せ部が順次接合ツールの接合ヘッド及び副接合ルー
ツの接合ヘッドを通過するように相対移動させることに
より、両接合部材の突合せ部を接合することを特徴とし
ている。

【００２７】この摩擦撹拌接合法においては、接合一体
化される２個の接合部材は、互いに同じ肉厚を有してい
る。この摩擦撹拌接合法において、副接合ツールの接合
ヘッドの埋入深さを０．１〜０．５ｍｍの範囲内に設定
することにより、ルート残りの発生を確実に抑制又は防
止できるようになるし、両接合部材の移動操作（即ち接
合操作）を容易に行えるようになる。

【００２８】すなわち、副接合ルーツの接合ヘッドの埋
入深さが０．１ｍｍ未満である場合には、埋入深さが不
足してルート残り部が残存する。一方、埋入深さが０．
５ｍｍを超えた場合には、両接合部材の移動に要する力
が大きくなり過ぎてしまって、両接合部材の移動操作が
困難になる。したがって、埋入深さを０．１〜０．５ｍ
ｍの範囲内に設定する必要がある。

【００２９】また、上記請求項４の発明においても、こ
れと同様の理由により、副接合ツールの接合ヘッドの埋
入深さをこの範囲内に設定することが、望ましい。

【００３０】さらに、上記請求項４の発明において、両
接合部材の肉厚が相異し且つ裏面同士が面一に連なる態
様で両接合部材が突合せ状に配置されている場合には、
両接合部材のうち薄肉の方の接合部材の肉厚が３ｍｍ以
下である場合に対して、埋入深さをこの範囲内に設定す
ることが、かかる作用を確実に奏し得るようになる点
で、望ましい。また同じく、上記請求項５の発明におい
ても、両接合部材の肉厚が３ｍｍ以下である場合に対し
て、埋入深さをこの範囲内に設定することが、かかる作
用を確実に奏し得るようになる点で、望ましい。

【００３１】

【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。

【００３２】図１〜図５はこの発明の第１実施形態を示
している。なお、この第１実施形態の摩擦撹拌接合法で
接合された突合せ継手は、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。

【００３３】図１において、（１）は薄肉の長尺板状の
アルミニウム（その合金を含む、以下同じ）製第１接合
部材、（２）は厚肉の長尺板状のアルミニウム製第２接
合部材（２）である。

【００３４】各接合部材（１）（２）は、図３に示すよ
うに、幅方向の一端面（４）を突合せ面とするものであ
って、この端面（４）は接合部材の表面及び裏面に対し
て略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にしてこ
の端面（４）（４）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。そして、この突合せ状態
で両接合部材（１）（２）が後述する前後の支持ローラ
（15）（16）によって裏面側から支持されている。図３
において、（７）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、
（7a）はこの段部（７）のすみ部を示している。

【００３５】この第１実施形態では、このように突合せ
状に配置された両接合部材（１）（２）の突合せ部
（５）を突合せ状態のままで表面側から摩擦撹拌接合に
より接合する場合について示すものである。

【００３６】図１において、（10）は接合装置である。
この接合装置（10）は、両接合部材（１）（２）を裏面
側から支持する前後の支持ローラ（15）（16）と、摩擦
撹拌接合用の接合ツール（11）と、裏当てローラ（17）
とを備えている。

【００３７】前支持ローラ（15）及び後支持ローラ（1
6）は、両接合部材（１）（２）の裏面側において互い
に離間して平行状に配置されている。この前後の支持ロ
ーラ（15）（16）は、図示しない回転駆動装置を備えて
おり、この駆動装置を作動させることにより、両接合部
材（１）（２）をその長さ方向に移動させる駆動ローラ
としても機能するものとなされている。MDは両接合部材
（１）（２）の移動方向を示している。また、WDはこの
接合方法における接合方向を示している。

【００３８】接合ツール（11）は、上述した従来例で示
されたもの（111）と同じく、径大の円柱状回転子（1
2）と、該回転子（12）の端面（12a）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（13）とを備えたものであって、前記
ピン状プローブ（13）を接合ヘッド（14）とするもので
ある。

【００３９】この接合ツール（11）において、回転子
（12）及びプローブ（13）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（13）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（12）の端面（12a）の少なく
とも外周縁部は、回転軸線（Ｑ）に直交する平面内にあ
り、この第１実施形態では、回転子（12）の端面（12
a）は平坦面からなる。なお、この発明では、回転子（1
2）の端面（12a）は、図示していないが外周縁部から回
転中心部側に向かって窪んだ形状になっていても良い。

【００４０】そして、この接合ツール（11）は、両接合
部材（１）（２）の表面側においてプローブ（13）を下
方に向ける態様にして配置されている。

【００４１】裏当てローラ（17）は、両接合部材（１）
（２）の裏面側における前後の支持ローラ（15）（16）
の間の位置にて接合ツール（11）のプローブ（13）に対
向して配置されている。更にこの裏当てローラ（17）
は、図示しない回転駆動装置を備えており、この駆動装
置を作動させることにより、前後の支持ローラ（15）
（16）と同じく、両接合部材（１）（２）をその長さ方
向に移動させるための駆動ローラとして機能するものと
なされている。なお、この発明では、裏当てローラ（1
7）は回転自在なものであっても良い。

【００４２】さらに、この裏当てローラ（17）の長さ方
向中間部における内部の外周面近傍部分には、図２に示
すように、熱源としての電気ヒータ（20）が全周に亘っ
て埋設内蔵されている。図１において、（20a）はこの
電気ヒータ（20）の電力供給コードである。この裏当て
ローラ（17）は、電気ヒータ（20）から発生する熱に耐
え得る耐熱材料から形成されている。

【００４３】（18）は各接合部材（１）（２）の接合方
向（WD）前方側を押さえる回転自在な前押さえローラで
あって、各接合部材（１）（２）の表面側における前支
持ローラ（15）の上方位置に配置されている。

【００４４】（19）は各接合部材（１）（２）の接合方
向（WD）後方側を押さえる回転自在な後押さえローラで
あって、各接合部材（１）（２）の表面側における後支
持ローラ（16）の上方位置に配置されている。

【００４５】次に、上記構成の接合装置（10）を用いて
両接合部材（１）（２）の突合せ部（５）を接合する方
法について説明する。

【００４６】まず、接合ツール（11）のプローブ（13）
を裏当てローラ（17）の上方離間位置に待機させてお
き、前後の支持ローラ（15）（16）及び裏当てローラ
（17）を同一の周速度で回転駆動させるとともに、裏当
てローラ（17）に内蔵された電気ヒータ（20）を発熱さ
せることにより当該裏当てローラ（17）の外周面を加熱
する。

【００４７】次いで、突合せ状に配置された両接合部材
（１）（２）の長さ方向の一端部を、前支持ローラ（1
5）と前押さえローラ（18）との間に通してこの各接合
部材（１）（５）を前押さえローラ（18）によって押さ
える。そして、この状態のままで両接合部材（１）
（２）を前支持ローラ（15）の駆動力により移動させる
ことにより、両接合部材（１）（２）を裏当てローラ
（17）と接合ツール（11）のプローブ（13）との間に通
し、これにより、当該両接合部材（１）（２）の突合せ
部（５）裏面を裏当てローラ（17）の加熱された外周面
に当接させる。すると、裏当てローラ（17）の外周面の
熱が両接合部材（１）（２）の突合せ部（５）裏面に伝
導するとともに、この伝導した熱が当該裏面から両接合
部材（１）（２）の厚さ方向に伝導していき、もって当
該裏面の厚さ方向近傍部分が高温状態になる。図２及び
図４において、（Ｈ）は両接合部材（１）（２）の高温
状態になっている部分を示している。ここで、この発明
では、両接合部材（１）（２）の突合せ部（５）裏面の
温度が４００〜５００℃の範囲内になるように加熱する
ことが特に望ましい。その理由は、４００℃未満では、
加熱不足で撹拌混合が十分に行えなくなる恐れがあり、
一方５００℃を超えると、加熱し過ぎて接合部材（１）
（２）が溶融する恐れがあるからである。

【００４８】一方、所定の時点で、接合ツール（11）の
回転子（12）をその回転軸線（Ｑ）を中心に回転させて
プローブ（13）を回転させる。そして、この回転子（1
2）を回転軸線（Ｑ）が第１接合部材（１）側に傾斜し
た状態に配置し、この傾斜状態で、プローブ（13）を突
合せ部（５）に表面側から埋入する（図４参照）。さら
に、この回転子（12）の端面（12a）を、突合せ部
（５）から表面側に突出している第２接合部材（２）の
肩部（2a）に圧接する。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は、この法線Ｐに対する回転子（12）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。さらに、図２に示すように、回転子（12）の回転軸
線（Ｑ）を接合方向（WD）後方側に僅かに傾けて該回転
子（12）の端面（12a）における接合方向（WD）前側の
部分を両接合部材（１）（２）の表面から浮き上がらせ
た状態にすることが、両接合部材（１）（２）の表面に
存在することのある微細な凹凸（図示せず）への引っ掛
かりを防止し得るようになる点で、望ましい。

【００４９】なお、この発明では、プローブ（13）を突
合せ部（５）中に埋入した後で、回転子（12）の回転軸
線（Ｑ）を第１接合部材（１）側に傾斜させても良い。
また、プローブ（13）を予め下降させておき、このプロ
ーブ（13）に向かって両接合部材（１）（２）を移動さ
せることで該プローブ（13）を両接合部材（１）（２）
の長さ方向の一端面から突合せ部（５）に強制的に埋入
させても良いことはもちろんである。

【００５０】そして、両接合部材（１）（２）を、その
突合せ部（５）裏面を裏当てローラ（17）の加熱された
外周面に当接させた状態のままで、突合せ部（５）が順
次プローブ（13）を通過するように移動させる。そし
て、この両接合部材（１）（２）を後支持ローラ（16）
と後押さえローラ（19）との間に通して後押さえローラ
（19）で各接合部材（１）（２）を押さえる。この状態
で両接合部材（１）（２）を前後の支持ローラ（15）
（16）及び裏当てローラ（17）の駆動力で移動させる。

【００５１】この両接合部材（１）（２）の移動に伴
い、突合せ部（５）がプローブ埋入位置において該プロ
ーブ（13）により順次、接合されていく。

【００５２】すなわち、プローブ（13）の回転により発
生する摩擦熱と、回転子（12）の端面（12a）と第２接
合部材（２）の肩部（2a）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）がプローブ埋入
位置近傍において軟化するとともに、第２接合部材
（２）の肩部（2a）が回転子（12）の端面（12a）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
形されて当該肩部（2a）の肉が段部（７）のすみ部（7
a）内に充填される。

【００５３】このように充填されながら両接合部材
（１）（２）の肉が、プローブ（13）の回転力を受けて
撹拌混合されるとともに該プローブ（13）の通過溝を埋
めるように塑性流動したのち、摩擦熱を急速に失って冷
却固化する。この現象が両接合部材（１）（２）の移動
に伴ってプローブ埋入位置にて順次繰り返されていき、
もって両接合部材（１）（２）の突合せ部（５）がプロ
ーブ通過部分にて接合される。Ｗは突合せ部（５）に形
成された接合部を示している。

【００５４】そして、両接合部材（１）（２）の突合せ
部（５）の接合終了予定部がプローブ（13）の位置に到
達したとき、プローブ（13）を抜出させ、接合が終了す
る。

【００５５】而して、以上の摩擦撹拌接合法において、
両接合部材（１）（２）の突合せ部（５）におけるプロ
ーブ埋入位置の裏面は、図２及び図４に示すように、常
に、裏当てローラ（17）の加熱された外周面に当接して
加熱されているから、当該裏面の厚さ方向近傍部分は高
温状態になっている。このため、プローブ（13）の先端
と両接合部材（１）（２）の裏面との間にある肉は、極
めて迅速に軟化するようになり得て、当該肉の撹拌混合
が良好に行われるようになり、もってルート残り部（図
１５参照、Ｒ）の発生が抑制又は防止されるようにな
る。このため、もし仮に接合部材（１）（２）の肉厚が
長さ方向において僅かに変化している場合であっても、
ルート残り部（Ｒ）の発生を抑制又は防止することがで
き、接合状態の良好な突合せ継手を得ることができる。

【００５６】さらに、この摩擦撹拌接合法は、両接合部
材（１）（２）の突合せ部（５）におけるプローブ埋入
位置の裏面を、裏当てローラ（17）の外周面で加熱しな
がら、接合を行うものであるから、接合作業を能率良く
行うことができるし、効率良く加熱を行うことができ
る。

【００５７】もとより、この摩擦撹拌接合法によれば、
接合ツール（11）の回転子（12）を回転軸線（Ｑ）が第
１接合部材（１）側に傾斜した状態に配置するととも
に、回転子（12）の端面（12a）を第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、接
合が行われているので、肉不足に伴う接合欠陥の発生を
防止することができるし、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。しかも、第２接合部材
（２）の肩部（2a）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。したがって、こうして得ら
れた突合せ継手は、段部（７）に生じる応力集中を緩和
できるものとなる。

【００５８】図６及び図７はこの発明の第２実施形態を
示している。これらの図には、上記第１実施形態と同じ
構成要素に同一の符号が付されており、以下、この第２
実施形態を上記第１実施形態との相異点を中心に説明す
る。

【００５９】この第２実施形態は、両接合部材（１）
（２）の突合せ部（５）裏面を加熱するための加熱手段
として、レーザ加熱が採用されている。

【００６０】すなわち、この第２実施形態では、図６に
示すように、裏当てローラ（17）には電気ヒータが内蔵
されておらず、その代わりに、同図に示すように、両接
合部材（１）（２）の裏面側における裏当てローラ（1
7）の接合方向（WD）前方側近傍に、レーザ加熱装置に
備えられたレーザ噴射ノズル（21a）が、その噴射口を
上方に向ける態様にして配置されている。

【００６１】而して、この第２実施形態では、接合時に
ノズル（21a）の噴射口からレーザ（21）を噴射させ、
このレーザ（21）を両接合部材（１）（２）の突合せ部
（５）におけるプローブ埋入位置の接合方向（WD）前方
側近傍の裏面に照射し、これにより当該裏面を加熱す
る。すると、この裏面から熱が厚さ方向に伝導してい
き、もって両接合部材（１）（２）の当該裏面の厚さ方
向近傍部分が高温状態（その部分Ｈ）になる。

【００６２】このように加熱しながら、両接合部材
（１）（２）を突合せ部（５）が順次プローブ（13）を
通過するように移動させることにより、両接合部材
（１）（２）の突合せ部（５）を接合する。

【００６３】この第２実施形態では、両接合部材（１）
（２）の移動に伴い、両接合部材（１）（２）の高温部
分（Ｈ）がプローブ埋入位置に到達すると、プローブ
（13）の先端と両接合部材（１）（２）の裏面との間に
ある肉が、極めて迅速に軟化するようになり得て、当該
肉の撹拌混合が良好に行われるようになる。この結果、
ルート残り部の発生が抑制又は防止されるようになる。

【００６４】なお、この第２実施形態では、レーザ（2
1）を両接合部材（１）（２）の突合せ部（５）におけ
るプローブ埋入位置の接合方向前方側近傍の裏面に照射
することで当該裏面を加熱する場合について示している
が、この発明では、この他に、裏当てローラ（17）を用
いないで接合を行う場合など、両接合部材（１）（２）
の突合せ部（５）におけるプローブ埋入位置の裏面側に
ノズル（21a）の設置スペースが空いている場合には、
このスペースを利用してこの位置からレーザ（21）を両
接合部材（１）（２）の突合せ部（５）におけるプロー
ブ埋入位置の裏面に照射して当該裏面を加熱しても良
い。

【００６５】図８及び図９はこの発明の第３実施形態を
示している。これらの図には、上記第１実施形態と同じ
構成要素に同一の符号が付されており、以下、この第３
実施形態を上記第１及び第２実施形態との相異点を中心
に説明する。

【００６６】この第３実施形態では、両接合部材（１）
（２）の突合せ部（５）裏面を加熱するための加熱手段
として、高周波誘導加熱が採用されている。

【００６７】すなわち、この第３実施形態では、図８に
示すように、裏当てローラ（17）には電気ヒータが内蔵
されておらず、その代わりに、図８及び図９に示すよう
に、両接合部材（１）（２）の裏面側における裏当てロ
ーラ（17）の接合方向前方側近傍に、高周波誘導加熱装
置に備えられた誘導コイル（22）が、突合せ部（５）を
跨ぐ態様にして両接合部材（１）（２）の裏面に接触し
て又は近接して配置されている。この高周波誘導加熱装
置には、図示しない高周波電源が備えられている。

【００６８】而して、この第３実施形態では、高周波電
源から高周波電流を誘導コイル（22）に流すことによっ
て、両接合部材（１）（２）の突合せ部（５）における
プローブ埋入位置の接合方向前方側近傍の裏面の表層部
に誘導電流を発生させ、これにより当該裏面を加熱す
る。すると、この裏面から熱が厚さ方向に伝導してい
き、もって両接合部材（１）（２）の当該裏面の厚さ方
向近傍部分が高温状態（その部分Ｈ）になる。

【００６９】このように加熱しながら、両接合部材
（１）（２）を突合せ部（５）が順次プローブ（13）を
通過するように移動させることにより、両接合部材
（１）（２）の突合せ部（５）を接合する。

【００７０】この第３実施形態では、上述した第２実施
形態と同じく、両接合部材（１）（２）の移動に伴い、
両接合部材（１）（２）の高温部分（Ｈ）がプローブ埋
入位置に到達すると、プローブ（13）の先端と両接合部
材（１）（２）の裏面との間にある肉が、極めて迅速に
軟化するようになって、当該肉の撹拌混合が良好に行わ
れるようになる。この結果、ルート残り部の発生が抑制
又は防止されるようになる。

【００７１】なお、この第３実施形態では、両接合部材
（１）（２）の突合せ部（５）におけるプローブ埋入位
置の接合方向前方側近傍の裏面を加熱する場合について
示しているが、この発明では、この他に、裏当てローラ
（17）を用いないで接合を行う場合など、両接合部材
（１）（２）の突合せ部（５）におけるプローブ埋入位
置の裏面側に誘導コイル（22）の設置スペースが空いて
いる場合には、このスペースを利用してここに誘導コイ
ル（22）を配置してこの位置から両接合部材（１）
（２）の突合せ部（５）におけるプローブ埋入位置の裏
面を加熱しても良い。

【００７２】図１０〜図１２はこの発明の第４実施形態
を示している。これらの図には、上記第１実施形態と同
じ構成要素に同一の符号が付されており、以下、この第
４実施形態を上記第１〜第３実施形態との相異点を中心
に説明する。

【００７３】この第４実施形態において、第１接合部材
（１）の肉厚をｔ1とし、第２接合部材（２）の肉厚を
ｔ2（但しt2＞ｔ1）とすると（図１２参照）、第１接合
部材（１）の肉厚ｔ1は３ｍｍ以下であり、具体的に言
うとｔ1は１ｍｍである。

【００７４】そして、両接合部材（１）（２）は、上記
第１実施形態と同じく、裏面同士が面一に連なる態様に
して突き合わされており、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。

【００７５】この第４実施形態では、ルート残り部の発
生を防止するために、ルート残り部を接合するための接
合ヘッド（34）を備えた接合ツール（31）を用いる。以
下、説明の便宜上、第４実施形態では、この接合ツール
（31）を「副接合ツール」と呼び、一方、両接合部材
（１）（２）の突合せ部（５）を接合するための接合ヘ
ッド（14）を備えている上記第１〜第３実施形態で用い
られた接合ツール（11）を「主接合ツール」と呼ぶ。

【００７６】この副接合ツール（31）は、径大の円柱状
回転子（32）と、該回転子（32）の端面（32a）の回転
中心部に回転軸線（Ｓ）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（33）とを備えており、前
記ピン状プローブ（33）を接合ヘッド（34）とするもの
である。

【００７７】この副接合ルーツ（31）において、プロー
ブ（33）の長さは、上述した主接合ツール（11）のプロ
ーブ（13）よりもかなり短く設定されており、特に０．
１〜０．５ｍｍに設定されていることが望ましい。この
副接合ルーツ（31）の他の構成は、上述した主接合ツー
ル（11）と同じである。

【００７８】そして、この副接合ツール（31）は、両接
合部材（１）（２）の裏面側における裏当てローラ（1
7）の接合方向前方側近傍に、そのプローブ（33）を上
方に向ける態様にして配置されている。

【００７９】この第４実施形態では、副接合ツール（3
1）の回転しているプローブ（33）を、両接合部材
（１）（２）の突合せ部（５）におけるプローブ（13）
埋入位置の接合方向（WD）前方側近傍に裏面側から埋入
した状態に配置し、更に好ましくは回転子（32）の端面
（32a）を両接合部材（１）（２）の裏面に圧接した状
態に配置する。そして、この状態で、突合せ部（５）が
順次、主接合ツール（11）のプローブ（13）及び副接合
ツール（31）のプローブ（33）を通過するように両接合
部材（１）（２）を移動させる。なお、この際、副接合
ツール（31）のプローブ（33）の埋入深さ（δ）は、
０．１〜０．５ｍｍの範囲内に設定することが、上述し
たように、ルート残り部の発生を確実に抑制又は防止で
きるようになり、且つ両接合部材（１）（２）の移動操
作を容易に行えるようになる点で、望ましい。

【００８０】この両接合部材（１）（２）の移動に伴
い、副接合ツール（31）のプローブ（33）によって両接
合部材（１）（２）の突合せ部（５）におけるプローブ
（13）埋入位置の接合方向前方側近傍が裏面側から浅く
接合されるとともに、この接合部分が主接合ツール（1
1）のプローブ（13）埋入位置に到達したとき、該プロ
ーブ（13）によって両接合部材（１）（２）の突合せ部
（５）が厚さ方向全体に亘って接合されるようになり、
もってルート残り部の発生が抑制又は防止されるように
なる。

【００８１】なお、この第４実施形態では、副接合ツー
ル（31）の回転しているプローブ（33）を両接合部材
（１）（２）の突合せ部（５）におけるプローブ（13）
埋入位置の接合方向前方側近傍に裏面側から埋入した状
態で、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、図１１に鎖線で示すように、副接合ツ
ール（31）の回転しているプローブ（33）を両接合部材
（１）（２）の突合せ部（５）におけるプローブ（13）
埋入位置の接合方向後方側近傍に裏面側から埋入した状
態で、接合を行っても良い。あるいはまた、裏当てロー
ラ（17）を用いないで接合を行う場合など、両接合部材
（１）（２）の突合せ部（５）におけるプローブ（13）
埋入位置の裏面側に副接合ツール（31）の設置スペース
が空いている場合には、このスペースを利用してここに
副接合ツール（31）を配置してこの位置からプローブ
（33）を埋入して、接合を行っても良い。

【００８２】以上でこの発明の第１〜第４実施形態につ
いて説明したが、この発明はこられの実施形態に限定さ
れるものではなく、様々に設定変更可能である。

【００８３】例えば、第１〜第４実施形態では、いずれ
も、接合ツール（11）の接合ヘッド（14）の位置を固定
しておき、突合せ部（５）が順次接合ヘッド（14）を通
過するように両接合部材（１）（２）を移動させること
により、突合せ部（５）を接合する場合について示して
いるが、この発明では、この他に、両接合部材（１）
（２）の位置を固定しておき、突合せ部（５）に埋入さ
れた接合ツール（11）の接合ヘッド（14）を突合せ部
（５）に沿って移動させることにより、突合せ部（５）
を接合するものであっても良い。この場合には、接合ツ
ール（11）の接合ヘッド（14）の移動方向が接合方向と
なる。

【００８４】また、第１〜第４実施形態では、いずれ
も、厚さ方向に段差を表面側にて生じる態様で突合せ状
に配置された２個の接合部材（１）（２）の突合せ部
（５）を表面側から接合する場合について示している
が、請求項１の発明では、この他に、表面同士が面一に
連なる態様で突合せ状に配置された２個の接合部材の突
合せ部を表面側から接合する場合に対して、適用しても
良い。

【００８５】

【実施例】次に、この発明の具体的実施例を示す。

【００８６】＜実施例１＞長尺平板状のアルミニウム製
第１接合部材（材質６０６３−Ｔ５、肉厚１ｍｍ）と、
同じく長尺平板状のアルミニウム製第２接合部材（材質
６０６３−Ｔ５、肉厚２ｍｍ）とを準備した。そして、
両接合部材を裏面同士が面一に連なる態様にして幅方向
の一端面同士を突き合わせて、この突合せ部を上記第１
実施形態の接合方法に従って接合した。

【００８７】＜実施例２＞長尺平板状のアルミニウム製
第１接合部材（材質６０６３−Ｔ５、肉厚１ｍｍ）と、
同じく長尺平板状のアルミニウム製第２接合部材（材質
６０６３−Ｔ５、肉厚２ｍｍ）とを準備した。そして、
両接合部材を裏面同士が面一に連なる態様にして幅方向
の一端面同士を突き合わせて、この突合せ部を上記第２
実施形態の接合方法に従って接合した。

【００８８】＜実施例３＞長尺平板状のアルミニウム製
第１接合部材（材質６０６３−Ｔ５、肉厚１ｍｍ）と、
同じく長尺平板状のアルミニウム製第２接合部材（材質
６０６３−Ｔ５、肉厚２ｍｍ）とを準備した。そして、
両接合部材を裏面同士が面一に連なる態様にして幅方向
の一端面同士を突き合わせて、この突合せ部を上記第３
実施形態の接合方法に従って接合した。

【００８９】＜実施例４＞長尺平板状のアルミニウム製
第１接合部材（材質６０６３−Ｔ５、肉厚１ｍｍ）と、
同じく長尺平板状のアルミニウム製第２接合部材（材質
６０６３−Ｔ５、肉厚２ｍｍ）とを準備した。そして、
両接合部材を裏面同士が面一に連なる態様にして幅方向
の一端面同士を突き合わせて、この突合せ部を上記第４
実施形態の接合方法に従って接合した。なお、ここで
は、副接合ツールのプローブの突合せ部裏面への埋入深
さδを０．１ｍｍに設定して、接合を行った。

【００９０】［接合結果］以上の実施例１〜４で接合さ
れた両接合部材に対して、顕微鏡による断面観察を行
い、接合状態を評価した。この結果、いずれもルート残
り部が残存していなかった。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。

【００９１】

【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、両接合部材の突合せ部における接合ヘ
ッド埋入位置の裏面又は接合ヘッド埋入位置の接合方向
前方側の裏面を加熱することを特徴とするものであるか
ら、この摩擦撹拌接合法によれば、接合ツールの接合ヘ
ッドの先端と両接合部材の裏面との間にある肉が、迅速
に軟化されるようになり、このため、表面同士が面一に
連なる態様で突合せ状に配置された２個の接合部材の突
合せ部を接合する場合はもとより、厚さ方向に段差を表
面側にて生じる態様で突合せ状に配置された２個の接合
部材の突合せ部を接合する場合であっても、ルート残り
部の発生を抑制又は防止することができる。更には、接
合部材の製造ロット間に肉厚寸法等の寸法バラツキが発
生している場合であっても、この摩擦撹拌接合法によれ
ば、当該寸法バラツキに起因するルート残り部の発生を
抑制又は防止することができ、接合状態の良好な突合せ
継手を得ることができる。

【００９２】また、両接合部材の裏面側において接合ヘ
ッドに対向して配置されるとともに外周面が加熱された
裏当てローラからの熱伝導によって、加熱する場合に
は、接合作業を能率良く行うことができるし、効率良く
加熱を行うことができる。

【００９３】また、請求項４の発明に係る摩擦撹拌接合
法によれば、ルート残り部を副接合ツールの接合ヘッド
により接合することができる。このため、厚さ方向に段
差を表面側にて生じる態様で突合せ状に配置された２個
の接合部材の突合せ部を表面側から接合する場合であっ
ても、ルート残り部の発生を抑制又は防止することがで
きる。

【００９４】さらに、この摩擦撹拌接合法において、副
接合ツールの接合ヘッドを両接合部材の突合せ部に所定
範囲内の埋入深さで裏面側から埋入した状態に配置し、
この状態で接合を行う場合には、ルート残り部の発生を
確実に抑制又は防止できるようになるし、その上、接合
操作を容易に行えるようになるという利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第１実施形態の摩擦撹拌接合法を説
明するための図で、両接合部材を接合途中の状態で示す
斜視図である。

【図２】図１中のII−II線断面図である。

【図３】図１中のIII−III線断面図である。

【図４】図１中のIV−IV線断面図である。

【図５】図１中のＶ−Ｖ線断面図である。

【図６】この発明の第２実施形態の摩擦撹拌接合法を説
明するための図で、両接合部材を接合途中の状態で示す
図２に対応する断面図である。

【図７】図６中のIIV−IIV線断面図である。

【図８】この発明の第３実施形態の摩擦撹拌接合法を説
明するための図で、両接合部材を接合途中の状態で示す
図２に対応する断面図である。

【図９】図８中のIX−IX線断面図である。

【図１０】この発明の第４実施形態の摩擦撹拌接合法を
説明するための図で、両接合部材を接合途中の状態で示
す斜視図である。

【図１１】図１０中のXI−XI線断面図である。

【図１２】図１０中のXII−XII線断面図である。

【図１３】従来の摩擦撹拌接合法を説明するための図
で、両接合部材を接合途中の状態で示す斜視図である。

【図１４】図１３中のXIV−XIV線断面図である。

【図１５】図１４中のXV−XV線断面図である。

【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…接合装置 11…接合ツール 13…プローブ 14…接合ヘッド 17…裏当てローラ 20…電気ヒータ 21…レーザ 22…高周波誘導加熱装置の誘導コイル 31…副接合ツール 33…プローブ 34…接合ヘッド Ｗ…接合部 Ｒ…ルート残り部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 秋山 浩 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 CA03 CA04 DA17 DC05 DC07 EA04 EA07 EA08 EC01

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 突合せ状に配置されるとともに突合せ部
   （５）に表面側から接合ツール（11）の回転している接
   合ヘッド（14）が埋入された２個の接合部材（１）
   （２）を、突合せ部が順次接合ヘッドを通過するように
   接合ヘッドに対して相対的に移動させることにより、両
   接合部材の突合せ部を接合する摩擦撹拌接合法におい
   て、 両接合部材（１）（２）の突合せ部（５）における接合
   ヘッド埋入位置の裏面又は接合ヘッド埋入位置の接合方
   向前方側の裏面を加熱して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】 両接合部材（１）（２）は、厚さ方向に
   段差を表面側にて生じる態様で突合せ状に配置されてい
   る請求項１記載の摩擦撹拌接合法。
3. 【請求項３】 両接合部材（１）（２）の裏面側におい
   て接合ヘッド（14）に対向して配置されるとともに外周
   面が加熱された裏当てローラ（20）からの熱伝導によっ
   て、加熱する請求項１又は２記載の摩擦撹拌接合法。
4. 【請求項４】 厚さ方向に段差を表面側にて生じる態様
   で突合せ状に配置されるとともに突合せ部（５）に表面
   側から接合ツール（11）の回転している接合ヘッド（1
   4）が埋入された２個の接合部材（１）（２）を、突合
   せ部が順次接合ヘッドを通過するように接合ヘッドに対
   して相対的に移動させることにより、両接合部材の突合
   せ部を接合する摩擦撹拌接合法において、 ルート残り部（Ｒ）を接合するための接合ヘッド（34）
   を備えた副接合ツール（31）を用い、 この副接合ツール（31）の回転している接合ヘッド（3
   4）を両接合部材（１）（２）の突合せ部（５）に裏面
   側から埋入した状態に配置し、 この状態で、両接合部材（１）（２）を、突合せ部
   （５）が順次接合ツール（11）の接合ヘッド（14）及び
   副接合ルーツ（31）の接合ヘッド（34）を通過するよう
   に相対移動させることにより、両接合部材（１）（２）
   の突合せ部（５）を接合することを特徴とする摩擦撹拌
   接合法。
5. 【請求項５】 表面同士及び裏面同士が面一に連なる態
   様で突合せ状に配置されるとともに突合せ部（５）に表
   面側から接合ツール（11）の回転している接合ヘッド
   （14）が埋入された２個の接合部材（１）（２）を、突
   合せ部が順次接合ヘッドを通過するように接合ヘッドに
   対して相対的に移動させることにより、両接合部材の突
   合せ部を接合する摩擦撹拌接合法において、 ルート残り部（Ｒ）を接合するための接合ヘッド（34）
   を備えた副接合ツール（31）を用い、 この副接合ツール（31）の回転している接合ヘッド（3
   4）を両接合部材（１）（２）の突合せ部（５）に０．
   １〜０．５ｍｍの範囲内の埋入深さで裏面側から埋入し
   た状態に配置し、 この状態で、両接合部材（１）（２）を、突合せ部
   （５）が順次接合ツール（11）の接合ヘッド（14）及び
   副接合ルーツ（31）の接合ヘッド（34）を通過するよう
   に相対移動させることにより、両接合部材（１）（２）
   の突合せ部（５）を接合することを特徴とする摩擦撹拌
   接合法。