JP2009148811A

JP2009148811A - 接合方法

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Publication number: JP2009148811A
Application number: JP2007330519A
Authority: JP
Inventors: Isato Sato; 勇人佐藤; Hisashi Hori; 久司堀; Nobushiro Seo; 伸城瀬尾; Tomohiro Kawamoto; 知広河本; Kazuo Aoki; 一男青木
Original assignee: Nippon Light Metal Co Ltd
Current assignee: Nippon Light Metal Co Ltd
Priority date: 2007-12-21
Filing date: 2007-12-21
Publication date: 2009-07-09
Anticipated expiration: 2027-12-21
Also published as: JP5223326B2

Abstract

【課題】本発明は、一対の金属部材同士の突合部を容易に接合するとともに、接合部の強度や、気密性及び水密性を高めることが可能な接合方法を提供することを課題とする。
【解決手段】本発明に係る接合方法は、一対の金属部材同士を突き合わせてなる突合部Ｊ８の接合方法であって、突合部Ｊ８に対して一方の面側から摩擦攪拌を行う摩擦攪拌工程を行った後、突合部Ｊ８に対して他方の面側から溶接を行う溶接工程を含むことを特徴とする。
【選択図】図１１

Description

本発明は、摩擦攪拌を利用した金属部材の接合方法に関する。

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。なお、回転ツールは、円柱状を呈するショルダの下端面に攪拌ピン（プローブ）を突設してなるものが一般的である。

例えば、図２０の（ａ）に示すように、一対の金属部材１０１，１０１の端面同士を突き合わせて形成された突合部Ｊに対して摩擦攪拌を行う場合、突合部Ｊの裏側に裏当材１０２を配置し、回転ツールＧを用いて突合部Ｊに沿って摩擦攪拌を行う。

特開２００１−２２５１７９号公報特開２００５−１３１６６６号公報

しかしながら、従来の接合方法によると、図２０の（ｂ）に示すように、接合部において金属部材１０１，１０１が収縮するため、接合された金属部材１０１同士が水平にならずに歪んでしまい、製品の質が低下するという問題があった。また、例えば、金属部材１０１，１０１間に形成された溝部１０３に図示しない継手部材を挿入する場合には、溝部１０３の底部が水平にならないため、継手部材を精度よく配置することができないという問題があった。また、金属部材１０１，１０１の収縮に起因して、塑性化領域Ｗの裏側に切欠き（Kissing Bond）Ｅが形成される慮りがあった。これにより、接合部における引張強度が低下するとともに、水密性及び気密性の低下をも招来していた。

また同様に、図２０の（ｃ）に示すように、金属部材１０５の側面と、金属部材１０５の端面を突き合わせて垂直に接合する場合、突合部Ｊに対して金属部材１０５，１０５の外側から摩擦攪拌を行うと、金属部材１０５，１０５の収縮により、一方の金属部材１０５が反ってしまうという問題があった。また、金属部材１０５，１０５の接合部の内側（入隅部）には、切欠きＥが形成されるという問題があった。

ここで、例えば、金属部材１０１，１０１の裏側又は金属部材１０５，１０５の内側から摩擦攪拌を行えば、かかる問題は解消される。しかし、例えば、筒状構造体の内側から摩擦攪拌をする場合や、図２０の（ｃ）のように入隅部を摩擦攪拌する場合など、接合する金属部材同士の突き合わせの形態によっては、摩擦攪拌装置の取り合い等により回転ツールを適切に可動させることが困難となるという問題があった。

このような観点から、本発明は、一対の金属部材同士の突合部を容易に接合するとともに、接合部の強度や、気密性及び水密性を高めることが可能な接合方法を提供することを課題とする。

このような課題を解決する本発明に係る接合方法は、一対の金属部材同士を突き合わせてなる突合部の接合方法であって、前記突合部に対して一方の面側から摩擦攪拌を行う摩擦攪拌工程を行った後、前記突合部に対して他方の面側から溶接を行う溶接工程を含むことを特徴とする。

かかる接合方法によれば、一対の金属部材同士の一方の面から摩擦攪拌を行なった後、他方の面からは溶接を行うため、接合部の引張強度を高めるとともに、仮に切欠きが形成されたとしても溶接金属で密閉することができるため、水密性及び気密性を高めることができる。また、溶接によれば、比較的容易に接合作業を行うことができる。

また、本発明は、複数の金属部材を接合して構成され複数の壁部材によって囲まれた構造体において、前記金属部材同士を突き合わせてなる突合部の接合方法であって、前記突合部に対して前記壁部材の外側から摩擦攪拌を行う摩擦攪拌工程を行った後、前記突合部に対して前記壁部材の内側から溶接を行う溶接工程を含むことを特徴とする。

かかる接合方法によれば、壁部材の外側から摩擦攪拌を行なった後、壁部材の内側からは溶接を行うため、接合部の引張強度を高めるとともに、仮に切欠きが形成されたとしても溶接金属で密閉することができるため、水密性及び気密性を高めることができる。また、溶接によれば、壁部材に囲まれた構造体であっても壁部材の内側から比較的容易に接合作業を行うことができる。

また、本発明は、前記摩擦攪拌工程において形成された塑性化領域と、前記溶接工程において形成された溶接金属とが接触することが好ましい。かかる接合方法によれば、接合部の水密性及び気密性をより高めることができる。

また、本発明は、前記溶接工程前に、前記他方の面側又は前記壁部材の内側に現れる突合部に沿って凹部を形成する凹部形成工程と、当該凹部に溶接金属を充填する溶接金属充填工程とを含むことが好ましい。かかる接合方法によれば、溶接の作業性を高めることができる。

また、本発明は、前記摩擦攪拌工程において、大型の回転ツールによって本接合を行う本接合工程を行う前に、小型の回転ツールによって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、本接合を行う際の突合部の目開きを防止することができる。

また、本発明は、前記摩擦攪拌工程において、前記突合部の両側に一対のタブ材を配置するタブ材配置工程と、前記タブ材と前記金属部材との突合部に沿って摩擦攪拌を行うタブ材仮接合工程とを含むことが好ましい。かかる接合方法によれば、タブ材を用いることで、回転ツールの挿入位置、離脱位置の設定が容易になる。

また、本発明は、前記摩擦攪拌工程において、摩擦攪拌を行う回転ツールの挿入予定位置に予め下穴を形成する下穴形成工程を含むことが好ましい。かかる接合工程によれば、回転ツールを押し込む際の圧入抵抗を低減することができる。これにより、摩擦攪拌接合の精度を高めるとともに、迅速に接合作業を行うことができる。

本発明に係る接合方法は、一対の金属部材同士の突合部を容易に接合するとともに、接合部の強度や、気密性及び水密性を高めることができる。

［第一実施形態］
本発明に係る接合方法について図面を説明して詳細に説明する。本実施形態に係る接合方法については、図１に示すように、４つの壁部材Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３，Ｈ４によって囲まれて形成された筒状を呈する構造物１を例にして説明する。

本実施形態に係る構造物１は、図１及び図２に示すように、内部に断面視略矩形の中空部を備え、外観視直方体を呈する筒状体である。構造物１は、構造物１の四隅を構成する角部材Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４と、角部材Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４の間にそれぞれ介設される平板１１，１２，１３，１４とからなり、各部材の側面同士が接合されている。角部材Ｒ１〜Ｒ４及び平板１１〜１４は、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。

壁部材Ｈ１は、離間して配置された角部材Ｒ１，Ｒ４と、角部材Ｒ１，Ｒ４の間に配置された平板１１とで構成されている。また、壁部材Ｈ２は、離間して配置された角部材Ｒ１，Ｒ２と、角部材Ｒ１，Ｒ２の間に配置された平板１２とで構成されている。また、壁部材Ｈ３は、離間して配置された角部材Ｒ２，Ｒ３と、角部材Ｒ２，Ｒ３の間に配置された平板１３とで構成されている。また、壁部材Ｈ４は、離間して配置された角部材Ｒ３，Ｒ４と、角部材Ｒ３，Ｒ４の間に配置された平板１４とで構成されている。

角部材Ｒ４の一方の側面と平板１１の他方の側面との突合部Ｊ１及び角部材Ｒ１の他方の側面と平板１１の一方の側面との突合部Ｊ２は、壁部材Ｈ１の外側及び内側から摩擦攪拌されており、摩擦攪拌により形成された各塑性化領域の先端側が重複して形成されている。
また同様に、角部材Ｒ１の一方の側面と平板１２の他方の側面との突合部Ｊ３及び角部材Ｒ２の他方の側面と平板１２の一方の側面との突合部Ｊ４、角部材Ｒ２の一方の側面と平板１３の他方の側面との突合部Ｊ５及び角部材Ｒ３の他方の側面と平板１３の一方の側面との突合部Ｊ６は、各壁部材の外側及び内側から摩擦攪拌されており、摩擦攪拌により形成された各塑性化領域の先端側が重複して形成されている。

一方、角部材Ｒ３の一方の側面と平板１４の他方の側面との突合部Ｊ７及び角部材Ｒ４の他方の側面と平板１４の一方の側面との突合部Ｊ８は、壁部材Ｈ４の外側から摩擦攪拌された後、内側から溶接が行なわれていることを特徴とする。
以下、本実施形態の接合方法について説明する。なお、壁部材Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３からなる断面視Ｕ字状の中間部材については、従来の摩擦攪拌接合と略同等であるから、簡単に説明する。

本実施形態に係る接合方法は、（１）中間部材接合工程、（２）突合工程、（３）溝部形成工程、（４）溝部仮接合工程、（５）溝部本接合工程、（６）溶接工程、（７）継手部材挿入工程、（８）外側仮接合工程、（９）外側本接合工程を主に含むものである。

（１）中間部材接合工程
中間部材接合工程は、構造物１の中間部材である中間部材２０を形成する工程である。中間部材２０は、本実施形態では図３の（ｂ）に示すように、構造物１から平板１４のみ取り除いた部材をいい、断面視略Ｕ字状を呈する。中間部材２０は、対向する一対の壁部材Ｈ１と、壁部材Ｈ３と、壁部材Ｈ１と壁部材Ｈ３の間に介設される平板１２とを有する。中間部材接合工程は、壁部材Ｈ１、壁部材Ｈ３を形成した後、平板１２と壁部材Ｈ１及び壁部材Ｈ３とを接合する工程をいう。

壁部材Ｈ１は、角部材Ｒ４、角部材Ｒ１及び角部材Ｒ４と角部材Ｒ１の間に介設された平板１１で構成される。角部材Ｒ４の一方の側面と平板１１の他方の側面との突合部Ｊ１は、突合部Ｊ１の長手方向の全長に亘って、外側（壁部材Ｈ１の外側）及び内側（壁部材Ｈ１の内側）から摩擦攪拌によって接合されている。また、突合部Ｊ１に形成された塑性化領域Ｗ１，Ｗ１の先端側は、重複している。これにより、突合部Ｊ１の隙間を全て摩擦攪拌することができるため、気密性及び水密性を高めることができる。同様に、角部材Ｒ１の他方の側面と平板１１の一方の側面との突合部Ｊ２は、突合部Ｊ２の長手方向の全長に亘って、外側及び内側から摩擦攪拌が行われており、塑性化領域Ｗ２，Ｗ２の先端側が重複している。

壁部材Ｈ３は、角部材Ｒ２、角部材Ｒ３及び角部材Ｒ２と角部材Ｒ３の間に介設された平板１３で構成される。角部材Ｒ２の一方の側面と平板１３の他方の側面との突合部Ｊ５は、突合部Ｊ５の長手方向の全長に亘って、外側（壁部材Ｈ３の外側）及び内側（壁部材Ｈ３の内側）から摩擦攪拌によって接合されている。また、突合部Ｊ５に形成された塑性化領域Ｗ５，Ｗ５の先端側は、重複している。これにより、突合部Ｊ５の隙間を全て摩擦攪拌することができるため、気密性及び水密性を高めることができる。同様に、角部材Ｒ３の他方の側面と平板１３の一方の側面との突合部Ｊ６は、突合部Ｊ６の長手方向の全長に亘って、外側及び内側から摩擦攪拌が行われており、塑性化領域Ｗ６，Ｗ６の先端側が重複している。

平板１２は、図３の（ｂ）に示すように、壁部材Ｈ１の角部材Ｒ１と、壁部材Ｈ３の角部材Ｒ２との間に介設される。平板１２の他方の側面と角部材Ｒ１の一方の側面との突合部Ｊ３は、突合部Ｊ３の長手方向の全長に亘って、平板１２（壁部材Ｈ２）の外側及び内側から摩擦攪拌によって接合されている。突合部Ｊ３に形成された塑性化領域Ｗ３，Ｗ３の先端側は、重複している。これにより、突合部Ｊ３の隙間を全て摩擦攪拌することができるため、気密性及び水密性を高めることができる。同様に、角部材Ｒ２の他方の側面と平板１２の一方の側面との突合部Ｊ４は、突合部Ｊ４の長手方向の全長に亘って、壁部材Ｈ２の外側及び内側から摩擦攪拌が行われており、塑性化領域Ｗ４，Ｗ４の先端側が重複している。

中間部材２０の一部には、平板１４が挿入される開口部２１が形成されている。
なお、中間部材２０は、本実施形態においては、前記したように形成したが、これに限定されるものではない。本実施形態においては、中間部材２０の外側及び内側の両側から摩擦攪拌を行ったが、どちらか一方の側から溶接を行って各突合部を摩擦攪拌してもよい。

（２）突合工程
突合工程では、図４に示すように、中間部材２０の開口部２１（図３の（ｂ）参照）に平板１４を挿入する。平板１４の幅は、開口部２１の幅と略同等に形成されている。即ち、開口部２１に平板１４を挿入すると、開口部２１に現れる一対の側面Ｒ３ｂ，Ｒ４ａと平板１４の両側面１４ａ，１４ｂとが突き合わされる。図４に示すように、平板１４の他方の側面１４ａと角部材Ｒ３の一方の側面Ｒ３ｂとの突き合わせ面には突合部Ｊ７が形成されている。一方、平板１４の一方の側面１４ｂと角部材Ｒ４の他方の側面Ｒ４ａとの突き合わせ面には突合部Ｊ８が形成されている。
なお、平板１４と角部材Ｒ４とが突き合わされて形成された金属部材を以下、被接合金属部材Ｎともいう。また、被接合金属部材Ｎの外側の面を外側面Ａ、内側の面を内側面Ｂ、一方の端面を第一端面Ｃ、他方の端面を第二端面Ｄともいう。

突合工程の際、図４及び図５の（ａ）に示すように、中間部材２０の内側に裏当台２５を配置するのが好ましい。裏当台２５は、中間部材２０の内側から平板１４を支持する部材である。裏当台２５は、離間して配置された第一裏当材２５ａ，第二裏当材２５ｂと、第一裏当材２５ａ及び第二裏当材２５ｂの間に立設された縦部材２５ｃ，２５ｃとからなる。第一裏当材２５ａの外側の面から第二裏当材２５ｂの外側の面までの距離は、平板１２の内側の面から平板１４の内側の面（図２参照）までの距離と略同等に形成されている。裏当台２５は、本実施形態においては、突合部Ｊ７，Ｊ８ごとに一つずつ設ける。

なお、以下に記載する（３）溝部形成工程、（４）溝部仮接合工程、（５）溝部本接合工程、（６）溶接工程、（７）継手部材挿入工程、（８）外側仮接合工程、（９）外側本接合工程は、突合部Ｊ７及び突合部Ｊ８に対して行なう工程であるが、作業内容は両突合部ともに略同等であるため、突合部Ｊ８を例にして説明する。

（３）溝部形成工程
溝部形成工程では、突合部Ｊ８に対して被接合金属部材Ｎの外側面Ａに溝部Ｋを形成する。溝部形成工程は、図５の（ｂ）に示すように、公知のエンドミル等を用いて突合部Ｊ８に沿って所定の幅、深さで切り欠いて溝部Ｋ形成する。溝部Ｋは、本実施形態においては、断面視矩形で形成するが他の形状であってもよい。

（４）溝部仮接合工程
溝部仮接合工程では、図６に示すように、溝部Ｋの底面に現れる突合部Ｊ８に対して小型の回転ツールを用いて仮接合を行なう。溝部仮接合工程は、一対のタブ材を配置するタブ材配置工程と、突合部Ｊ８に対して仮接合を行なう溝部仮接合工程と、大型回転ツールＧの挿入予定位置に下穴を形成する下穴形成工程を含むものである。
ここで、図７を参照して、各摩擦攪拌に用いる小型の回転ツールＦ（以下、「小型回転ツールＦ」という。）及び小型回転ツールＦよりも比較的大型の回転ツールＧ（以下、「大型回転ツールＧ」という。）を詳細に説明する。

図７の（ａ）に示す小型回転ツールＦは、工具鋼など被接合金属部材Ｎ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Ｆ１と、このショルダ部Ｆ１の下端面Ｆ１１に突設された攪拌ピン（プローブ）Ｆ２とを備えて構成されている。小型回転ツールＦの寸法・形状は、被接合金属部材Ｎの材質や厚さ等に応じて設定すればよいが、少なくとも、大型回転ツールＧ（図７の（ｂ）参照）よりも小型にする。このようにすると、大型回転ツールＧを用いる場合よりも小さな負荷で摩擦攪拌接合を行うことが可能となるので、摩擦攪拌装置に掛かる負荷を低減することが可能となり、さらには、小型回転ツールＦの移動速度（送り速度）を大型回転ツールＧの移動速度よりも高速にすることも可能になるので、摩擦攪拌接合に要する作業時間やコストを低減することが可能となる。

ショルダ部Ｆ１の下端面Ｆ１１は、塑性流動化した金属を押えて周囲への飛散を防止する役割を担う部位であり、本実施形態では、凹面状に成形されている。ショルダ部Ｆ１の外径Ｘ_１の大きさに特に制限はないが、本実施形態では、大型回転ツールＧのショルダ部Ｇ１の外径Ｙ_１よりも小さくなっている。

攪拌ピンＦ２は、ショルダ部Ｆ１の下端面Ｆ１１の中央から垂下しており、本実施形態では、先細りの円錐台状に成形されている。また、攪拌ピンＦ２の周面には、螺旋状に刻設された攪拌翼が形成されている。攪拌ピンＦ２の外径の大きさに特に制限はないが、本実施形態では、最大外径（上端径）Ｘ_２が大型回転ツールＧの攪拌ピンＧ２の最大外径（上端径）Ｙ_２よりも小さく、かつ、最小外径（下端径）Ｘ_３が攪拌ピンＧ２の最小外径（下端径）Ｙ_３よりも小さくなっている。また、攪拌ピンＦ２の長さＬ_Ａは、大型回転ツールＧの攪拌ピンＧ２の長さＬ_Ｂよりも小さくなっている。

図７の（ｂ）に示す大型回転ツールＧは、工具鋼など被接合金属部材Ｎ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Ｇ１と、このショルダ部Ｇ１の下端面Ｇ１１に突設された攪拌ピン（プローブ）Ｇ２とを備えて構成されている。
ショルダ部Ｇ１の下端面Ｇ１１は、小型回転ツールＦと同様に、凹面状に成形されている。攪拌ピンＧ２は、ショルダ部Ｇ１の下端面Ｇ１１の中央から垂下しており、本実施形態では、先細りの円錐台状に成形されている。

タブ材配置工程では、Ｊ８の両端面に一対のタブ材を配置する。第一タブ材３１及び第二タブ材３２は、図６及び図８に示すように、突合部Ｊ８を挟むように配置されるものであり、それぞれ第一端面Ｃ及び第二端面Ｄに現れる突合部Ｊ８を覆うことができる寸法・形状を備えている。第一タブ材３１及び第二タブ材３２は、本実施形態においては、裏当台２５の第一裏当材２５ａに配置されている。第一タブ材３１及び第二タブ材３２の表面は、溝部Ｋの底面と略同等に形成されている。第一タブ材３１及び第二タブ材３２の材質に特に制限はないが、本実施形態では被接合金属部材Ｎと同一組成の金属材料で形成している。なお、第一タブ材３１及び第二タブ材３２と被接合金属部材Ｎとの突き合わせ面に、公知の離型剤を塗布しておくことが好ましい。これにより、後にタブ材を切除するときに容易に切除することができる。

溝部仮接合工程では、溝部Ｋの底面に現れる突合部Ｊ８に沿って小型回転ツールＦを用いて摩擦攪拌を行う。即ち、図８に示すように、第一タブ材３１の適所に設けた開始位置Ｓ_Ｐ１の直上に小型回転ツールＦを位置させ、続いて、小型回転ツールＦを右回転させつつ下降させて攪拌ピンＦ２（図７参照）を開始位置Ｓ_Ｐ１に押し付ける。攪拌ピンＦ２の全体が第一タブ材３１に入り込み、かつ、ショルダ部Ｆ１の下端面Ｆ１１の全面が第二タブ材３２の表面に接触したら、小型回転ツールＦを回転させつつ溝部仮接合工程の始点ｓ１に向けて相対移動させる。小型回転ツールＦが始点ｓ１に達したら、始点ｓ１で小型回転ツールＦを離脱させずに溝部仮接合工程の終点ｅ１まで移動させる。小型回転ツールＦが終点ｅ１まで達したら小型回転ツールＦを離脱させずに終了位置Ｅ_Ｐ１まで移動させ、終了位置Ｅ_Ｐ１で小型回転ツールＦを離脱させる。

なお、小型回転ツールＦの攪拌ピンＦ２が突合部Ｊ８に入り込むと、被接合金属部材Ｎと第一タブ材３１及び第二タブ材３２を引き離そうとする力が作用するが、被接合金属部材Ｎと第一タブ材３１及び第二タブ材３２により形成された入隅部を溶接により仮接合しているので、被接合金属部材Ｎと第一タブ材３１及び第二タブ材３２との間の目開きを防止することができる。溝部仮接合工程の終了位置Ｅ_Ｐ１は、後記する溝部本接合工程の開始位置Ｓ_Ｍ１となる。

下穴形成工程では、図７の（ｂ）に示すように、後記する溝部本接合工程における摩擦攪拌の開始位置に下穴Ｐ１を形成する工程である。即ち、本実施形態に係る下穴形成工程においては、第二タブ材３２の表面に設定されたＳ_Ｍ１に下穴Ｐ１を形成する。

下穴Ｐ１は、大型回転ツールＧの攪拌ピンＧ２の挿入抵抗（圧入抵抗）を低減する目的で設けられるものであり、本実施形態では、小型回転ツールＦの攪拌ピンＦ２を離脱させたときに形成される抜き穴ｎ１を図示せぬドリルなどで拡径することで形成される。抜き穴ｎ１を利用すれば、下穴Ｐ１の形成工程を簡略化することが可能となるので、作業時間を短縮することが可能となる。下穴Ｐ１の形態に特に制限はないが、本実施形態では、円筒状としている。なお、本実施形態では、第二タブ材３２に下穴Ｐ１を形成しているが、下穴Ｐ１の位置に特に制限はなく、第一タブ材３１に形成してもよく、好適には、本実施形態の如く溝部Ｋの底面に現れる継ぎ目（境界線）の延長線上に形成することが望ましい。

（５）溝部本接合工程
溝部本接合工程は、溝部Ｋの底面に現れる突合部Ｊ８を本格的に接合する工程である。本実施形態に係る溝部本接合工程では、大型回転ツールＧを使用し、仮接合された状態の突合部Ｊ８に対して被接合金属部材Ｎの外側面Ａ側から摩擦攪拌を行う。

溝部本接合工程では、図９に示すように、開始位置Ｓ_Ｍ１に大型回転ツールＧの攪拌ピンＧ２を挿入（圧入）し、挿入した攪拌ピンＧ２を途中で離脱させることなく終了位置Ｅ_Ｍ１まで移動させる。即ち、溝部本接合工程では、下穴Ｐ１から摩擦攪拌を開始し、終了位置Ｅ_Ｍ１まで連続して摩擦攪拌を行う。
なお、本実施形態では、第二タブ材３２に摩擦攪拌の開始位置Ｓ_Ｍ１を設け、第一タブ材３１に終了位置Ｅ_Ｍ１を設けているが、開始位置Ｓ_Ｍ１と終了位置Ｅ_Ｍ１の位置を限定する趣旨ではない。

図９を参照して溝部本接合工程をより詳細に説明する。
まず、開始位置Ｓ_Ｍ１（下穴Ｐ１）の直上に大型回転ツールＧを位置させ、続いて、大型回転ツールＧを右回転させつつ下降させて攪拌ピンＧ２の先端を下穴Ｐ１に挿入する。攪拌ピンＧ２の全体が第二タブ材３２に入り込み、かつ、ショルダ部Ｇ１の下端面Ｇ１１の全面が第二タブ材３２の表面に接触したら、摩擦攪拌を行いながら突合部Ｊ８の一端に向けて大型回転ツールＧを相対移動させ、突合部Ｊ８に突入させる。大型回転ツールＧを移動させると、その攪拌ピンＧ２の周囲にある金属が順次塑性流動化するとともに、攪拌ピンＧ２から離れた位置では、塑性流動化していた金属が再び硬化して塑性化領域（以下、「溝部塑性化領域Ｗ８」という。）が形成される。

被接合金属部材Ｎへの入熱量が過大になる虞がある場合には、大型回転ツールＧの周囲に溝部Ｋの底面（外側面Ａ側）から水を供給するなどして冷却することが望ましい。なお、角部材Ｒ４及び平板１４の間に冷却水が入り込むと、接合面に酸化皮膜を発生させる虞があるが、本実施形態においては、溝部仮接合工程を実行して被接合金属部材Ｎ間の目地を閉塞しているので、被接合金属部材Ｎ間に冷却水が入り込み難く、接合部の品質を劣化させる虞がない。

被接合金属部材Ｎの突合部Ｊ８では、被接合金属部材Ｎの継ぎ目上における移動軌跡上に摩擦攪拌のルートを設定し、当該ルートに沿って大型回転ツールＧを相対移動させることで、突合部Ｊ８の一端から他端まで連続して摩擦攪拌を行う。突合部Ｊ８の他端まで大型回転ツールＧを相対移動させたら、摩擦攪拌を行いながらそのまま終了位置Ｅ_Ｍ１に向けて相対移動させる。大型回転ツールＧが終了位置Ｅ_Ｍ１に達したら、大型回転ツールＧを回転させつつ上昇させて攪拌ピンＧ２を終了位置Ｅ_Ｍ１から離脱させる。

図１０に示すように、溝部塑性化領域Ｗ８は、突合部Ｊ８の深さ方向の全長に亘って摩擦攪拌を行うことが好ましい。なお、溝部本接合工程が終了したら、溝部Ｋの底面に発生したバリ等を切削して底面を平滑に形成する。

（６）溶接工程
溶接工程は、被接合金属部材Ｎの内側面Ｂ側から突合部Ｊ８に沿って溶接を行なう工程である。溶接工程では、図１１に示すように、裏当台２５を一旦取り外し、溝部塑性化領域Ｗ８の内側からＴＩＧ溶接又はＭＩＧ溶接などの肉盛溶接を行って、突合部Ｊ８に沿って溶接金属Ｔ１を形成する。肉盛溶接は、被接合金属部材Ｎの内側面Ｂから溶接金属Ｔ１が突出する程度に行う。溶接工程を行うことで、仮に溝部塑性化領域Ｗ８の内側に切欠き（Kissing Bond）が形成されている場合であっても、当該切欠きを密閉することができるため、接合強度、水密性及び気密性を高めることができる。また、溝部本接合工程によって接合部に収縮が起こり、角部材Ｒ４及び平板１４が同一平面上に形成されない場合であっても、被接合金属部材Ｎの内側面Ｂ側からから溶接を行なうことで、当該収縮による変形を是正することができる。

なお、溶接金属Ｔ１のうち、内側面Ｂから突出する部分Ｔ１’を切削することが好ましい。これにより、内側面Ｂを平滑に形成することができる。

（７）継手部材挿入工程
継手部材挿入工程は、図１２に示すように、溝部Ｋに継手部材Ｕを挿入する工程である。継手部材Ｕの幅、深さ及び長さは、溝部Ｋの幅、深さ及び長さとそれぞれ略同等の寸法で形成されるとともに、被接合金属部材Ｎと同等の組成からなる金属で形成されている。即ち、溝部Ｋに継手部材Ｕを挿入すると、継手部材Ｕの表面と被接合金属部材Ｎの外側面Ａとが面一になるとともに、継手部材Ｕの両端面は、被接合金属部材Ｎの第一端面Ｃ及び第二端面Ｄと面一に形成される。継手部材挿入工程においては、前記した溶接工程によって被接合金属部材Ｎの歪みが是正されているため、溝部Ｋの底面が略水平に形成されている。これにより、継手部材Ｕを好適に挿入することができる。

（８）外側仮接合工程
外側仮接合工程では、図１３及び図１４に示すように、平板１４と継手部材Ｕとの突合部Ｊ８ａ及び角部材Ｒ４と継手部材Ｕとの突合部Ｊ８ｂに沿って小型回転ツールＦを用いて仮接合を行なう。本実施形態における外側仮接合工程は、一対のタブ材を配置するタブ材配置工程と、突合部Ｊ８ａ及び突合部Ｊ８ｂに対して小型回転ツールＦを用いて仮接合を行なう外側仮接合工程と、大型回転ツールＧの挿入予定位置に下穴を形成する下穴形成工程を含むものである。

タブ材配置工程は、図１３及び図１４に示すように、被接合金属部材Ｎの第一端面Ｃ及び第二端面Ｄに第一タブ材３３及び第二タブ材３４を配置する。第一タブ材３３及び第二タブ材３４は、突合部Ｊ８、突合部Ｊ８ａ及び突合部Ｊ８ｂを挟むように配置されるものであり、それぞれ第一端面Ｃ及び第二端面Ｄに現れる各突合部を覆うことができる寸法・形状を備えている。第一タブ材３３及び第二タブ材３４は、本実施形態においては、裏当台２５の第一裏当材２５ａに配置されている。第一タブ材３３及び第二タブ材３４の表面は、被接合金属部材Ｎの外側面Ａと略同等に形成されている。第一タブ材３３及び第二タブ材３４の材質に特に制限はないが、本実施形態では被接合金属部材Ｎと同一組成の金属材料で形成している。

外側仮接合工程では、被接合金属部材Ｎの外側面Ａに現れる突合部Ｊ８ａ及び突合部Ｊ８ｂに沿って小型回転ツールＦを用いて摩擦攪拌を行う。外側仮接合工程は、本実施形態においては、図１４に示すように、第一タブ材３３に設定された開始位置Ｓ_Ｐ２から、第一タブ材３３に設定された終了位置Ｅ_Ｐ２まで一筆書きの要領で小型回転ツールＦを相対移動させて摩擦攪拌を行う。
即ち、外側仮接合工程は、第一タブ材３３と被接合金属部材Ｎとの突合部Ｊ３３を接合する第一タブ材仮接合工程と、平板１４と継手部材Ｕとの突合部Ｊ８ａを接合する第一外側仮接合工程と、第二タブ材３４と被接合金属部材Ｎとの突合部Ｊ３４を接合する第二タブ材仮接合工程と、角部材Ｒ４と継手部材Ｕとの突合部Ｊ８ｂを接合する第二外側仮接合工程を含むものである。

第一タブ材仮接合工程は、第一タブ材３３に設定した開始位置Ｓ_Ｐ２に小型回転ツールＦを押圧した後、小型回転ツールＦを第一タブ材仮接合工程の始点ｓ３３に相対移動させる。小型回転ツールＦが始点ｓ３３に達したら、突合部Ｊ３３に沿って、第一タブ材仮接合工程の終点ｅ３３まで移動させる。小型回転ツールＦが終点ｅ３３に達したら、小型回転ツールＦを離脱させずに、一旦第一タブ材３３に入り込ませ、第一外側仮接合工程の始点ｓ１４まで移動させる。

なお、小型回転ツールＦを右回転させた場合には、小型回転ツールＦの進行方向の左側に微細な空洞欠陥が発生する虞があるので、小型回転ツールＦの進行方向の右側に被接合金属部材Ｎが位置するように第一タブ材仮接合工程の始点ｓ３３と終点ｅ３３の位置を設定することが望ましい。このようにすると、被接合金属部材Ｎ側に空洞欠陥が発生し難くなるので、高品質の接合体を得ることが可能となる。

ちなみに、小型回転ツールＦを左回転させた場合には、小型回転ツールＦの進行方向の右側に微細な空洞欠陥が発生する虞があるので、小型回転ツールＦの進行方向の左側に被接合金属部材Ｎが位置するように第一タブ材仮接合工程の始点と終点の位置を設定することが望ましい。具体的には、図示は省略するが、小型回転ツールＦを右回転させた場合の終点ｅ３３の位置に始点を設け、小型回転ツールＦを右回転させた場合の始点ｓ３３の位置に終点を設ければよい。

小型回転ツールＦが第一外側仮接合工程の始点ｓ１４に達したら、そのまま第一外側仮接合工程に移行して、突合部Ｊ８ａに沿って小型回転ツールＦを移動させる。小型回転ツールＦが第一外側仮接合工程の終点ｅ１４に達したら、一旦第二タブ材３４に入りこませて、第二タブ材仮接合工程の始点ｓ３４まで移動させる。小型回転ツールＦが始点ｓ３４に達したら、突合部Ｊ３４に沿って第二タブ材仮接合工程の終点ｅ３４まで小型回転ツールＦを移動させる。

小型回転ツールＦが終点ｅ３４に達したら、小型回転ツールＦを離脱させずに、第二外側仮接合工程の始点ｓＲ４まで移動させる。小型回転ツールＦがｓＲ４に達したら、突合部Ｊ８ｂに沿って小型回転ツールＦを移動させて、そのまま第二外側仮接合工程に移行する。小型回転ツールＦが第二外側仮接合工程の終点ｅＲ４に達したら、そのまま第一タブ材３３に突入させ、終了位置Ｅ_Ｐ２で小型回転ツールＦを離脱させる。なお、終了位置Ｅ_Ｐ２は、後記する外側本接合工程の開始位置Ｓ_Ｍ２でもある。

外側仮接合工程が終了したら、終了位置Ｅ_Ｐ２に形成された抜き穴（図示省略）を利用して下穴を形成する。下穴形成工程は、前記したものと略同等であるから説明を省略する。

（９）外側本接合工程
外側本接合工程は、被接合金属部材Ｎの外側面Ａに現れる突合部Ｊ８ａ及びＪ８ｂを本格的に接合する工程である。本実施形態に係る外側本接合工程は、大型回転ツールＧを使用し、仮接合された状態の突合部Ｊ８ａ及び突合部Ｊ８ｂに対して被接合金属部材Ｎの外側面Ａ側から摩擦攪拌を行う。

外側本接合工程では、図１５の（ａ）に示すように、開始位置Ｓ_Ｍ２に大型回転ツールＧの攪拌ピンＧ２を挿入し、挿入した攪拌ピンＧ２を途中で離脱させることなく終了位置Ｅ_Ｍ２まで移動させる。なお、本実施形態では、第一タブ材３３に摩擦攪拌の開始位置Ｓ_Ｍ２及び終了位置Ｅ_Ｍ２を設けているが、開始位置Ｓ_Ｍ２と終了位置Ｅ_Ｍ２の位置を限定する趣旨ではない。

図１５（ａ）及び（ｂ）を参照して外側本接合工程をより詳細に説明する。
まず、図１５（ａ）に示すように、下穴Ｐ１（開始位置Ｓ_Ｍ２）の直上に大型回転ツールＧを位置させ、続いて、大型回転ツールＧを右回転させつつ下降させて攪拌ピンＧ２の先端を下穴に挿入する。攪拌ピンＧ２の全体が第一タブ材３３に入り込み、かつ、ショルダ部Ｇ１の下端面Ｇ１１の全面が第一タブ材３３の表面に接触したら、摩擦攪拌を行いながら突合部Ｊ８ｂの一端に向けて大型回転ツールＧを相対移動させ、突合部Ｊ８ｂに突入させる。大型回転ツールＧを移動させると、その攪拌ピンＧ２の周囲にある金属が順次塑性流動化するとともに、攪拌ピンＧ２から離れた位置では、塑性流動化していた金属が再び硬化して塑性化領域（以下、「外側塑性化領域Ｗ８’」という。）が形成される。

そして、形成された外側塑性化領域Ｗ８’が突合部Ｊ３４及び突合部Ｊ３３に接触しないように大型回転ツールＧを往復（本実施形態では二往復）させて突合部Ｊ８ｂ及び突合部Ｊ８ａに沿って連続的に摩擦攪拌を行う。最後に、突合部Ｊ３３を通過させて第一タブ材３３に設定された終了位置Ｅ_Ｍ２で大型回転ツールＧを離脱させる。
図１５の（ｂ）に示すように、外側塑性化領域Ｗ８’の先端側は、溝部Ｋの底面に接触するように摩擦攪拌することが好ましい。かかる構成により、突合部Ｊ８ａ及び突合部Ｊ８ｂの深さ方向の全長に亘って摩擦攪拌を行うことができる。また、大型回転ツールＧをずらしながら往復させることで、継手部材Ｕの下面と溝部Ｋの底面との界面を全面に亘って摩擦攪拌することができるため、水密性及び気密性をより高めることができる。
なお、外側塑性化領域Ｗ８’が突合部Ｊ３４及び突合部Ｊ３３に接触しないように大型回転ツールＧを往復させることで、突合部Ｊ３４及び突合部Ｊ３３の酸化皮膜の巻き込みを防止することができる。

以上説明した本実施形態の接合方法によれば、図１１に示すように、平板１４と角部材Ｒ４の突合部Ｊ８に対して被接合金属部材Ｎ（壁部材Ｈ１）の外側から摩擦攪拌を行なった後、内側からは溶接を行うため、接合部の引張強度を高めるとともに、仮に溝部塑性化領域Ｗ８の先端側に切欠き（図２０の（ｂ）、（ｃ）参照）が形成されたとしても溶接金属Ｔ１で密閉することができるため、水密性及び気密性を高めることができる。また、溶接によれば、本実施形態のように例えば四方を壁部材に囲まれた構造物１であっても、内側から比較的容易に接合作業を行うことができる。

また、溝部塑性化領域Ｗ８と溶接金属Ｔ１が接触することにより、突合部Ｊ８の深さ方向の全長に亘って密閉することができる。また、溝部本接合工程及び外側本接合工程の各本接合を行う前に、溝部仮接合工程及び外側仮接合工程の各仮接合工程を行うことで、突合部を本接合する際の目開きを防止することができる。

なお、本発明に係る接合方法は、摩擦攪拌工程（溝部本接合工程）を行なった後に、溶接工程を行うものである。ここで仮に、溶接工程を先に行なうと、摩擦攪拌工程に比べて溶接工程の方が入熱量が大きくなるため、被接合金属部材の変形量が大きくなる慮りがある。そのため、摩擦攪拌工程を行なった後に、溶接工程を行なうのが好ましい。

以上本発明の実施形態について説明したが、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において適宜変更が可能である。他の実施形態の説明においては、第一実施形態と重複する説明は省略する。
例えば、溝部仮接合工程において、被接合金属部材Ｎと第一タブ材３１及び第二タブ材３２との突合部に対して、外側仮接合工程と同様の工程によって仮接合工程を行なってもよい。
また、例えば、第一実施形態においては、継手部材Ｕを用いて接合を行ったが、被接合金属部材Ｎの壁部材の厚みが大きい場合は、複数個の継手部材Ｕ及び溝部Ｋによって接合を行ってもよい。一方、被接合金属部材Ｎの厚みが小さい場合は、継手部材Ｕを用いずに、被接合金属部材Ｎの外側から摩擦攪拌を行なった後、内側から溶接を行えばよい。

［第二実施形態］
また、例えば、図１６に示すように、前記した溶接工程に先だって、溝部塑性化領域Ｗ８の先端側（被接合金属部材Ｎの内側面Ｂ）において、突合部Ｊ８に沿って凹部Ｋ’を形成する凹部形成工程と、凹部Ｋ’に溶接金属Ｔ２を充填する溶接金属充填工程を含んでもよい。かかる接合方法によれば、溶接を行う際の作業性を高めることができる。また、溶接金属Ｔ２のうち、被接合金属部材Ｎの内側面Ｂから突出する部分を切除することで、内側面Ｂを平滑に形成することができる。なお、本実施形態においては、凹部Ｋ’は断面視矩形に形成したが、他の形状であってもよい。

［第三実施形態］
第三実施形態に係る接合方法は、図１７に示すように、一方の第一金属部材１ａの側面と他方の第二金属部材１ｂの端面とを突き合わせて突合部Ｊ１０が形成されている点で、第一実施形態と相違する。
本実施形態に係る接合方法は、突合部Ｊ１０に対して摩擦攪拌を行う外側本接合工程と、入隅部Ｉに対して溶接を行う溶接工程とを含むものである。

本実施形態に係る溶接工程は、第一金属部材１ａ及び第二金属部材１ｂから形成された被接合金属部材Ｎ１の外側面Ａから摩擦攪拌を行なった後、入隅部Ｉに対して、被接合金属部材Ｎ１の内側面Ｂ側から溶接を行う。即ち、溶接によって被接合金属部材Ｎの内側面に現れる突合部Ｊ１０の全長に亘って溶接金属Ｔ３を形成する。これにより、仮に、入隅部Ｉに切欠きが形成されていたとしても、溶接によって当該切欠きを密閉することができるため、水密性及び気密性を高めることができる。また、図２０の（ｃ）に示すように、一方の金属が接合の際の収縮によって反ってしまったとしても、溶接によって当該反りを是正することができる。また、入隅部Ｉに対して接合を行う場合であっても、溶接によれば比較的容易に作業を行なうことができる。

［第四実施形態］
第四実施形態に係る接合方法は、図１８及び図１９に示すように、円筒状を呈する筒状部材１０ａと、筒状部材１０ａの端部を覆う蓋部材１０ｂとからなる点で第一実施形態と相違する。本実施形態に係る接合方法は、突合部Ｊ１１に対して摩擦攪拌を行う外側本接合工程と、入隅部Ｉ’に対して溶接を行う溶接工程とを含むものである。

本実施形態に係る構造物６０は、筒状部材１０ａの端部と蓋部材１０ｂの一方の面とを突き合わせて形成された突合部Ｊ１１を備えている。外側本接合工程においては、図１９の（ａ）に示すように、突合部Ｊ１１に沿って大型回転ツールＧによって右回転させながら、蓋部材１０ｂの正面側からみて反時計回りに移動させて摩擦攪拌を行なう。
外側本接合工程を行なった後、図１９の（ｂ）に示すように、構造物６０の内部の入隅部Ｉ’に対して溶接を行う。入隅部Ｉ’に対して溶接金属Ｔ３を形成することにより、接合部の強度を高めるとともに、気密性及び水密性を高めることができる。また、溶接工程によれば、本実施形態に係る円筒状の構造物６０であっても比較的容易に接合作業を行うことができる。

なお、大型回転ツールＧは、蓋部材１０ｂの正面側からみて反時計回りに移動するのが好ましい。これにより、蓋部材１０ｂ側に欠陥ができる可能性が高いため、筒状部材１０ａの気密性及び水密性を高めることができる。また、本実施形態では、筒状部材１０ａと蓋部材１０ｂとを接合しているが、一対の筒状部材１０ａ同士を接合してもよい。

第一実施形態に係る構造物を示した斜視図である。第一実施形態に係る構造物を示した平面図である。第一実施形態に係る中間部材を示した図であって、（ａ）は、分解斜視図、（ｂ）は、平面図である。第一実施形態に係る突合工程を示した斜視図である。（ａ）は、第一実施形態に係る突合工程後を示した斜視図であって、（ｂ）は、第一実施形態に係る溝部形成工程を示した斜視図である。第一実施形態に係るタブ材配置工程を示した斜視図である。（ａ）は、小型回転ツールを示した側面図であり、（ｂ）は、大型回転ツールを示した側面図である。第一実施形態に係る溝部仮接合工程を示した平面図である。第一実施形態に係る外側本接合工程を示した平面図である。図９のＩ−Ｉ線断面図である。第一実施形態に係る溶接工程を示した側面図である。第一実施形態に係る継手部材挿入工程を示した斜視図である。第一実施形態に係るタブ材配置工程を示した斜視図である。第一実施形態に係る外側仮接合工程を示した平面図である。第一実施形態に係る外側本接合工程を示した図であって、（ａ）は、平面図、（ｂ）は、（ａ）のII-II線断面図である。（ａ）は、第二実施形態に係る凹部形成工程を示した側面図であって、（ｂ）は、第二実施形態に係る溶接金属充填工程を示した側面図である。（ａ）は、第三実施形態に係る構造物を外側からみた斜視図、（ｂ）は、第三実施形態に係る構造物を内側からみた斜視図である。第四実施形態に係る構造物を示した分解斜視図である。（ａ）は、第四実施形態の外側本接合工程を示した斜視図であって、（ｂ）は、第四実施形態の溶接工程を示した一部透視斜視図である。従来の接合方法を示した側面図である。

符号の説明

１構造物
１１〜１４平板
３１タブ材
３２タブ材
Ｆ小型回転ツール
Ｇ大型回転ツール
Ｈ１〜Ｈ４壁部材
Ｊ突合部
Ｋ’ 凹部
Ｐ１下穴
Ｒ１〜Ｒ４角部材
Ｔ溶接金属
Ｗ塑性化領域

Claims

一対の金属部材同士を突き合わせてなる突合部の接合方法であって、
前記突合部に対して一方の面側から摩擦攪拌を行う摩擦攪拌工程を行った後、
前記突合部に対して他方の面側から溶接を行う溶接工程を含むことを特徴とする接合方法。
複数の金属部材を接合して構成され複数の壁部材によって囲まれた構造体において、前記金属部材同士を突き合わせてなる突合部の接合方法であって、
前記突合部に対して前記壁部材の外側から摩擦攪拌を行う摩擦攪拌工程を行った後、
前記突合部に対して前記壁部材の内側から溶接を行う溶接工程を含むことを特徴とする接合方法。
前記摩擦攪拌工程において形成された塑性化領域と、
前記溶接工程において形成された溶接金属とが接触することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の接合方法。
前記溶接工程前に、前記他方の面側又は前記壁部材の内側に現れる突合部に沿って凹部を形成する凹部形成工程と、当該凹部に溶接金属を充填する溶接金属充填工程とを含む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接合方法。
前記摩擦攪拌工程において、大型の回転ツールによって本接合を行う本接合工程を行う前に、小型の回転ツールによって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接合方法。
前記摩擦攪拌工程において、前記突合部の両側に一対のタブ材を配置するタブ材配置工程と、前記タブ材と前記金属部材との突合部に沿って摩擦攪拌を行うタブ材仮接合工程とを含む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接合方法。
前記摩擦攪拌工程において、摩擦攪拌を行う回転ツールの挿入予定位置に予め下穴を形成する下穴形成工程を含む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接合方法。