JP2015223590A - 接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】被接合金属部材の４つの側面を接合するにあたり、作業手間を少なくすることができる接合方法を提供すること。
【解決手段】第一金属部材及び前記第二金属部材の端面同士を突き合わせて第一側面１０ｂ、第二側面１０ｃ、第三側面１０ｄ及び第四側面１０ｅを備えた被接合金属部材１０を形成するとともに、被接合金属部材１０の第一稜線Ｒ１が上になるように配置する金属部材配置工程と、第一側面１０ｂに摩擦攪拌を行う第一の本接合工程と、第二側面１０ｃに第二の本接合工程と、被接合金属部材１０の第三稜線Ｒ３が上になるように配置する金属部材再配置工程と、第三側面１０ｄに摩擦攪拌を行う第三の本接合工程と、第四側面１０ｅに摩擦攪拌を行う第四の本接合工程と、を含み、各本接合工程において、回転する攪拌ピンＦ２のみを被接合金属部材１０に接触させた状態で摩擦攪拌を行う。
【選択図】図６

Description

本発明は、金属部材同士を摩擦攪拌で接合する接合方法に関する。

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。摩擦攪拌接合とは、回転ツールを回転させつつ金属部材同士の突合せ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せ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。摩擦攪拌接合で用いられる回転ツールは、ショルダ部と、当該ショルダ部の下端面から突出する攪拌ピンとで構成されている。

特許文献１には、矩形断面を呈する金属部材の端面同士を突き合わせて被接合金属部材を形成し、当該被接合金属部材の４つの側面を摩擦攪拌する接合方法が開示されている。従来の接合方法では、一の側面に対して摩擦攪拌を行った後は、金属部材を再度配置する金属部材再配置工程を行っている。金属部材再配置工程は、被接合金属部材の拘束を解除し、被接合金属部材を回転させて他の側面と回転ツールとを対向させるとともに、再度被接合金属部材を固定する作業を行うものである。

特開２００８−３０７５７０号公報

従来の接合方法では、４つの側面を接合するにあたり、金属部材再配置工程を３回行わなければならず作業が煩雑になっていた。

そこで、本発明は、被接合金属部材の４つの側面を接合するにあたり、作業手間を少なくすることができる接合方法を提供することを課題とする。

前記課題を解決するために、本発明は、矩形断面を呈する第一金属部材と第二金属部材とを突き合わせて、第一側面、第二側面、第三側面及び第四側面を備えた被接合金属部材を形成するとともに、攪拌ピンを備えた回転ツールで摩擦攪拌する接合方法であって、前記第一側面と前記第二側面とで構成される第一稜線が前記第三側面と前記第四側面とで構成される第三稜線に対して上に位置するように前記被接合金属部材を配置する金属部材配置工程と、前記第一側面に現れる突合せ部に摩擦攪拌を行う第一の本接合工程と、前記第二側面に現れる突合せ部に摩擦攪拌を行う第二の本接合工程と、前記被接合金属部材を反転させるとともに、前記第一稜線に対して前記第三稜線が上に位置するように前記被接合金属部材を配置する金属部材再配置工程と、前記第三側面に現れる突合せ部に摩擦攪拌を行う第三の本接合工程と、前記第四側面に現れる突合せ部に摩擦攪拌を行う第四の本接合工程と、を含み、前記各本接合工程において、回転する前記攪拌ピンのみを前記被接合金属部材に接触させた状態で摩擦攪拌を行うことを特徴とする。

かかる接合方法によれば、攪拌ピンのみを被接合金属部材に接触させた状態で摩擦攪拌を行うため、被接合金属部材を傾斜させても摩擦攪拌を容易に行うことができる。被接合金属部材の第一稜線を上にして被接合金属部材を傾斜して配置することで、被接合金属部材を一度配置すると２つの側面の突合せ部に対して摩擦攪拌を行うことができる。よって、金属部材配置工程後は、一度の金属部材再配置工程で残りの２つの側面に対して摩擦攪拌できるため作業手間を少なくすることができる。

また、前記第一の本接合工程では、前記第一稜線に前記回転ツールを挿入し、前記第一側面の下り傾斜に沿って前記回転ツールを相対移動させることが好ましい。
また、前記第二の本接合工程では、前記第一稜線に前記回転ツールを挿入し、前記第二側面の下り傾斜に沿って前記回転ツールを相対移動させることが好ましい。

かかる接合方法によれば、各本接合工程をスムーズに行うことができる。

また、前記第一の本接合工程及び前記第二の本接合工程は、連続して行う工程であって、前記第二側面と前記第三側面とで構成される第二稜線及び前記第一側面と前記第四側面とで構成される第四稜線のいずれか一方に前記回転ツールを挿入し、前記第一側面及び前記第二側面のいずれか一方の上り傾斜に沿って前記回転ツールを相対移動させるとともに前記第一稜線を経由し、前記第一側面及び前記第二側面のいずれか他方の下り傾斜に沿って前記回転ツールを相対移動させることが好ましい。

かかる接合方法によれば、第一の本接合工程と第二の本接合工程を連続して行うことができるため、作業手間をより少なくすることができる。

また、前記第三の本接合工程では、前記第三稜線に前記回転ツールを挿入し、前記第三側面の下り傾斜に沿って前記回転ツールを相対移動させることが好ましい。
また、前記第四の本接合工程では、前記第三稜線に前記回転ツールを挿入し、前記第四側面の下り傾斜に沿って前記回転ツールを相対移動させることが好ましい。

かかる接合方法によれば、各本接合工程をスムーズに行うことができる。

また、前記第三の本接合工程及び前記第四の本接合工程は、連続して行う工程であって、前記第二側面と前記第三側面とで構成される第二稜線及び前記第一側面と前記第四側面とで構成される第四稜線のいずれか一方に前記回転ツールを挿入し、前記第三側面及び前記第四側面のいずれか一方の上り傾斜に沿って前記回転ツールを相対移動させるとともに前記第三稜線を経由し、前記第三側面及び前記第四側面のいずれか他方の下り傾斜に沿って前記回転ツールを相対移動させることが好ましい。

かかる接合方法によれば、第三の本接合工程と第四の本接合工程を連続して行うことができるため、作業手間をより少なくすることができる。

また、前記第一の本接工程乃至前記第四の本接合工程で形成される塑性化領域において、少なくとも一組の隣り合う前記塑性化領域が重複していることが好ましい。

かかる接合方法によれば、水密性及び気密性を高めることができるとともに、接合強度を高めることができる。

また、前記金属部材配置工程及び前記金属部材再配置工程では、前記被接合金属部材を支持する支持台を用いることが好ましい。

かかる接合方法によれば、支持台を用いることで金属部材配置工程及び金属部材再配置工程を容易に行うことができる。

また、前記各本接合工程を行う前に、前記被接合金属部材に現れる前記突合せ部に沿ってタブ材を当接させるとともに前記支持台に当該タブ材を配置するタブ材配置工程を含み、前記各本接合工程では、前記タブ材上に前記回転ツールの挿入位置又は引抜位置を設定することが好ましい。

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又は引抜位置を容易に設定することができる。

本発明に係る接合方法によれば、被接合金属部材の４つの側面を接合するにあたり、作業手間を少なくすることができる。

本発明の実施形態に係る本接合用回転ツールを示した側面図である。 （ａ）本発明の実施形態に係る金属部材を示す斜視図であり、（ｂ）は被接合金属部材を示す斜視図である。 本発明の実施形態に係る支持台を示す斜視図である。 第一実施形態に係る接合方法のタブ材配置工程を示す断面図である。 第一実施形態に係る接合方法の金属部材配置工程を示す斜視図である。 （ａ）は第一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）は第一実施形態に係る第二の本接合工程を示す断面図である。 （ａ）は第一実施形態に係る金属部材再配置工程を示す断面図であり、（ｂ）は第一実施形態に係る第三の本接合工程及び第四の本接合工程を示す断面図である。 （ａ）は第二実施形態に係る第一の本接合工程及び第二の本接合工程を示す断面図であり、（ｂ）は第二の本接合工程後を示す断面図である。 第二実施形態に係る金属部材再配置工程を示す断面図である。 （ａ）は第二実施形態に係る第三の本接合工程及び第四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四の本接合工程後を示す断面図である。 （ａ）は第三実施形態に係る金属部材配置工程を示す断面図であり、（ｂ）は第三実施形態に係る第一の本接合工程及び第二の本接合工程を示す断面図である。 （ａ）は第三実施形態に係る金属部材再配置工程を示す斜視図であり、（ｂ）は第三実施形態に係る第三の本接合工程を示す斜視図である。 第三実施形態に係る第四の本接合工程を示す断面図である。 第四実施形態に係る第一の本接合工程及び第二の本接合工程を示す断面図である。 変形例に係る第一の本接合工程及び第二の本接合工程を示す断面図である。

［第一実施形態］
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について説明する。

図１に示すように、本接合用回転ツールＦは、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、特許請求の範囲の「回転ツール」に相当する。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、摩擦攪拌装置の回転軸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。

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。本実施形態では、本接合用回転ツールＦを右回転させるため、螺旋溝Ｆ３は、基端から先端に向かうにつれて左回りに形成されている。言い換えると、螺旋溝Ｆ３は、螺旋溝Ｆ３を基端から先端に向けてなぞると上から見て左回りに形成されている。

なお、本接合用回転ツールＦを左回転させる場合は、螺旋溝Ｆ３を基端から先端に向かうにつれて右回りに形成することが好ましい。言い換えると、この場合の螺旋溝Ｆ３は、螺旋溝Ｆ３を基端から先端に向けてなぞると上から見て右回りに形成されている。螺旋溝Ｆ３をこのように設定することで、摩擦攪拌の際に塑性流動化した金属が螺旋溝Ｆ３によって攪拌ピンＦ２の先端側に導かれる。これにより、図２に示すように、被接合金属部材１０（金属部材１Ａ，１Ｂ）の外部に溢れ出る金属の量を少なくすることができる。

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、被接合金属部材１０に回転した攪拌ピンＦ２のみを挿入し、被接合金属部材１０と連結部Ｆ１とは離間させつつ移動させる。本接合用回転ツールＦの詳細な接合形態については後記する。

次に、本実施形態で接合する金属部材１Ａ，１Ｂについて説明する。図２の（ａ）及び（ｂ）に示すように、本実施形態では、金属部材１Ａ，１Ｂ同士を重ね合わせて形成された突合せ部Ｊ１を摩擦攪拌によって接合する。金属部材１Ａ，１Ｂは、それぞれ直方体を呈する金属製の部材であって、同等の形状になっている。金属部材１Ａ，１Ｂは、少なくとも突き合わされる部分が同等の形状であればよい。金属部材１Ａ，１Ｂの断面形状は、矩形であればよく、本実施形態では正方形になっている。

金属部材１Ａ，１Ｂは同等の材料で形成されている。金属部材１Ａ，１Ｂの材料は、摩擦攪拌可能な金属であれば特に制限されないが、例えば、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、マグネシウム合金等から適宜選択すればよい。

金属部材１Ａは、金属部材１Ｂに対向する端面１ａと、第一側面１ｂと、第二側面１ｃと、第三側面１ｄと、第四側面１ｅとを有する。また、金属部材１Ｂは、金属部材１Ａに対向する端面１ａと、第一側面１ｂと、第二側面１ｃと、第三側面１ｄと、第四側面１ｅとを有する。

図２の（ｂ）に示すように、金属部材１Ａの端面１ａと、金属部材１Ｂの端面１ａとを突き合わせることにより、被接合金属部材１０が形成される。被接合金属部材１０は、直方体を呈する。被接合金属部材１０の突合せ部分には、突合せ部Ｊ１が形成される。

被接合金属部材１０は、第一側面１０ｂと、第二側面１０ｃと、第三側面１０ｄと、第四側面１０ｅとを有する。つまり、第一側面１０ｂは、第一側面１ｂ，１ｂで構成されている。また、第二側面１０ｃは、第二側面１ｃ，１ｃで構成されている。また、第三側面１０ｄは、第三側面１ｄ，１ｄで構成されている。さらに、第四側面１０ｅは、第四側面１ｅ，１ｅで構成されている。

また、被接合金属部材１０は、第一側面１０ｂと第二側面１０ｃとで構成される第一稜線Ｒ１と、第二側面１０ｃと第三側面１０ｄとで構成される第二稜線Ｒ２と、第三側面１０ｄと第四側面１０ｅとで構成される第三稜線Ｒ３と、第四側面１０ｅと第一側面１０ｂとで構成される第四稜線Ｒ４とを有する。

次に、図３に示すように、本実施形態で用いる支持台２０について説明する。支持台２０は、被接合金属部材１０及び一対のタブ材を傾斜させて支持する部材である支持台２０は、本実施形態では金属で形成されている。支持台２０は、本体部２１と、金属部材配置部２２と、第一タブ材配置部２３と、第二タブ材配置部２４とで構成されている。なお、以下の説明における「上下」、「左右」、「前後」は図３の矢印に従う。

本体部２１は、載置面Ｓに面接触する下面２１ａを有している。金属部材配置部２２は、被接合金属部材１０を傾斜させて配置する部位である。金属部材配置部２２は、本体部２１の上部の中央を切り欠いて形成されている。金属部材配置部２２は、傾斜面２２ａ，２２ｂで構成されている。傾斜面２２ａ，２２ｂの載置面Ｓに対する傾斜角度は適宜設定すればよいが、本実施形態では４５°に設定している。傾斜面２２ａ，２２ｂがなす角度は被接合金属部材１０に合わせて直角になっている。

第一タブ材配置部２３は、第一タブ材Ｔ１を配置する部位である。第一タブ材配置部２３は、本体部２１の上部の右端を切り欠いて形成されている。第一タブ材配置部２３は、傾斜面２３ａ，２３ｂで構成されている。傾斜面２３ａ，２３ｂがなす角度は直角になっている。

第二タブ材配置部２４は、第二タブ材Ｔ２を配置する部位である。第二タブ材配置部２４は、本体部２１の上部の左端を切り欠いて形成されている。第二タブ材配置部２４は、金属部材配置部２２を挟んで第一タブ材配置部２３の反対側に形成されている。第二タブ材配置部２４は、傾斜面２４ａ，２４ｂで構成されている。傾斜面２４ａ，２４ｂがなす角度は直角になっている。

次に、本実施形態に係る接合方法について説明する。本実施形態に係る接合方法では、タブ材配置工程と、金属部材配置工程と、第一の本接合工程と、第二の本接合工程と、タブ材再配置工程と、金属部材再配置工程と、第三の本接合工程と、第四の本接合工程と、を行う。

タブ材配置工程は、支持台２０に第一タブ材Ｔ１及び第二タブ材Ｔ２を配置する工程である。第一タブ材Ｔ１は、図４に示すように、直方体を呈する金属部材である。第一タブ材Ｔ１は、金属部材１Ａ，１Ｂと同等の材料で形成されている。

第一タブ材Ｔ１は、第一側面Ｔ１ａと、第二側面Ｔ１ｂと、第三側面Ｔ１ｃと、第四側面Ｔ１ｄとを有する。タブ材配置工程では、第一タブ材Ｔ１の第一側面Ｔ１ａ及び第二側面Ｔ１ｂを、第一タブ材配置部２３の傾斜面２３ａ，２３ｂにそれぞれ面接触させる。第一タブ材Ｔ１を第一タブ材配置部２３に配置すると、第三側面Ｔ１ｃと金属部材配置部２２の傾斜面２２ｂとが面一になる。本実施形態では、傾斜面２２ｂの長さと第三側面Ｔ１ｃの長さとの和は、被接合金属部材１０の第四側面１０ｅの長さと同等になっている。

第二タブ材Ｔ２は、直方体を呈する金属部材である。第二タブ材Ｔ２は、金属部材１Ａ，１Ｂと同等の材料で形成されている。第二タブ材Ｔ２は、第一側面Ｔ２ａと、第二側面Ｔ２ｂと、第三側面Ｔ２ｃと、第四側面Ｔ２ｄとを有する。タブ材配置工程では、第二タブ材Ｔ２を、第二タブ材配置部２４の傾斜面２４ａ，２４ｂにそれぞれ当接（面接触）させる。第二タブ材Ｔ２を第二タブ材配置部２４に配置すると、第三側面Ｔ２ｃと金属部材配置部２２の傾斜面２２ａとが面一になる。本実施形態では、傾斜面２２ａの長さと第三側面Ｔ２ｃの長さとの和は、被接合金属部材１０の第三側面１０ｄの長さと同等になっている。

金属部材配置工程は、被接合金属部材１０の各側面を載置面Ｓに対して傾斜させるとともに、第一稜線Ｒ１が本接合用回転ツールＦと対向するように配置する工程である。言い換えると、被接合金属部材１０の第一稜線Ｒ１が各稜線のうち最も上方に位置するように配置する工程である。金属部材配置工程では、金属部材１Ａ，１Ｂの端面１ａ，１ａ同士を突き合わせて被接合金属部材１０を形成しつつ、金属部材配置部２２に被接合金属部材１０を配置する。より具体的には、被接合金属部材１０の第三側面１０ｄを、傾斜面２２ａ及び第三側面Ｔ２ｃに面接触させる。また、被接合金属部材１０の第四側面１０ｅを、傾斜面２２ｂ及び第三側面Ｔ１ｃに面接触させる。

また、図５に示すように、金属部材配置工程では、第一タブ材Ｔ１及び第二タブ材Ｔ２の略中央に突合せ部Ｊ１を位置させる。金属部材配置工程により、被接合金属部材１０の第一側面１０ｂと第一タブ材Ｔ１の第四側面Ｔ１ｄとは面一になる。また、被接合金属部材１０の第二側面１０ｃと第二タブ材Ｔ２の第四側面Ｔ２ｄとは面一になる。被接合金属部材１０と第一タブ材Ｔ１とが突き合わされることで突合せ部Ｊ２が形成される。また、被接合金属部材１０と第二タブ材Ｔ２とが突き合わされることで突合せ部Ｊ３が形成される。

第一の本接合工程は、本接合用回転ツールＦを用いて被接合金属部材１０の第一側面１０ｂの突合せ部Ｊ１を摩擦攪拌する工程である。図６の（ａ）に示すように、第一の本接合工程では、右回転させた本接合用回転ツールＦを第一稜線Ｒ１に挿入し、一定の挿入深さを保った状態で第一側面１０ｂの下り傾斜に沿って本接合用回転ツールＦを相対移動させる。第一の本接合工程では、攪拌ピンＦ２のみを被接合金属部材１０に接触させた状態で摩擦攪拌を行う。言い換えると、攪拌ピンＦ２の基端側は露出させた状態で摩擦攪拌を行う。

本接合用回転ツールＦが突合せ部Ｊ２を横切って第一タブ材Ｔ１に達したら、第一タブ材Ｔ１上で本接合用回転ツールＦを離脱させる。第一側面１０ｂにおいて、本接合用回転ツールＦの移動軌跡には塑性化領域Ｗ１が形成される。また、第一タブ材Ｔ１には、攪拌ピンＦ２の抜き穴Ｑ１が形成される。

第二の本接合工程は、本接合用回転ツールＦを用いて被接合金属部材１０の第二側面１０ｃの突合せ部Ｊ１を摩擦攪拌する工程である。図６の（ｂ）に示すように、第二の本接合工程では、右回転させた本接合用回転ツールＦを第一稜線Ｒ１に挿入し、一定の挿入深さを保った状態で第二側面１０ｃの下り傾斜に沿って本接合用回転ツールＦを相対移動させる。第二の本接合工程では、攪拌ピンＦ２のみを被接合金属部材１０に接触させた状態で摩擦攪拌を行う。言い換えると、攪拌ピンＦ２の基端側は露出させた状態で摩擦攪拌を行う。

本接合用回転ツールＦが突合せ部Ｊ３を横切って第二タブ材Ｔ２に達したら、第二タブ材Ｔ２上で本接合用回転ツールＦを離脱させる。第二側面１０ｃにおいて、本接合用回転ツールＦの移動軌跡には塑性化領域Ｗ２が形成される。第一稜線Ｒ１において、塑性化領域Ｗ１と塑性化領域Ｗ２とは重複している。また、第二タブ材Ｔ２には、攪拌ピンＦ２の抜き穴Ｑ２が形成される。第二の本接合工程が終了したら、被接合金属部材１０から第一タブ材Ｔ１及び第二タブ材Ｔ２を切除する。また、第一の本接合工程及び第二の本接合工程で発生したバリを切除する。

タブ材再配置工程は、支持台２０の第一タブ材配置部２３及び第二タブ材配置部２４に、新たな第一タブ材Ｔ１及び第二タブ材Ｔ２をそれぞれ配置する工程である。タブ材再配置工程では、前記したタブ材配置工程と同等の要領で新たな第一タブ材Ｔ１及び第二タブ材Ｔ２を配置する。

金属部材再配置工程は、図７の（ａ）に示すように、被接合金属部材１０の各側面を載置面Ｓに対して傾斜させるとともに、第三稜線Ｒ３が本接合用回転ツールＦと対向するように配置する工程である。言い換えると、被接合金属部材１０を前後方向軸周りに１８０°回転させて、被接合金属部材１０の第三稜線Ｒ３が各稜線のうち最も上方に位置するように配置する工程である。より具体的には、被接合金属部材１０の第一側面１０ｂを、傾斜面２２ａ及び第三側面Ｔ２ｃに面接触させる。また、被接合金属部材１０の第二側面１０ｃを、傾斜面２２ｂ及び第三側面Ｔ１ｃに面接触させる。

また、金属部材再配置工程では、第一タブ材Ｔ１及び第二タブ材Ｔ２の略中央に突合せ部Ｊ１を位置させる。金属部材再配置工程により、被接合金属部材１０の第三側面１０ｄと第一タブ材Ｔ１の第四側面Ｔ１ｄとは面一になる。また、被接合金属部材１０の第四側面１０ｅと第二タブ材Ｔ２の第四側面Ｔ２ｄとは面一になる。被接合金属部材１０と第一タブ材Ｔ１とが突き合わされることで突合せ部Ｊ２が形成される。また、被接合金属部材１０と第二タブ材Ｔ２とが突き合わされることで突合せ部Ｊ３が形成される。

第三の本接合工程は、本接合用回転ツールＦを用いて被接合金属部材１０の第三側面１０ｄの突合せ部Ｊ１を摩擦攪拌する工程である。図７の（ｂ）に示すように、第三の本接合工程では、右回転させた本接合用回転ツールＦを第三稜線Ｒ３に挿入し、一定の挿入深さを保った状態で第三側面１０ｄの下り傾斜に沿って本接合用回転ツールＦを相対移動させる。第三の本接合工程では、攪拌ピンＦ２のみを被接合金属部材１０に接触させた状態で摩擦攪拌を行う。言い換えると、攪拌ピンＦ２の基端側は露出させた状態で摩擦攪拌を行う。

本接合用回転ツールＦが突合せ部Ｊ２を横切って第一タブ材Ｔ１に達したら、第一タブ材Ｔ１上で本接合用回転ツールＦを離脱させる。第三側面１０ｄにおいて、本接合用回転ツールＦの移動軌跡には塑性化領域Ｗ３が形成される。第二稜線Ｒ２において、塑性化領域Ｗ２と塑性化領域Ｗ３とは重複している。また、第一タブ材Ｔ１には、攪拌ピンＦ２の抜き穴Ｑ３が形成される。

第四の本接合工程は、本接合用回転ツールＦを用いて被接合金属部材１０の第四側面１０ｅの突合せ部Ｊ１を摩擦攪拌する工程である。図７の（ｂ）に示すように、第四の本接合工程では、右回転させた本接合用回転ツールＦを第三稜線Ｒ３に挿入し、一定の挿入深さを保った状態で第四側面１０ｅの下り傾斜に沿って本接合用回転ツールＦを相対移動させる。第四の本接合工程では、攪拌ピンＦ２のみを被接合金属部材１０に接触させた状態で摩擦攪拌を行う。言い換えると、攪拌ピンＦ２の基端側は露出させた状態で摩擦攪拌を行う。

本接合用回転ツールＦが突合せ部Ｊ３を横切って第二タブ材Ｔ２に達したら、第二タブ材Ｔ２上で本接合用回転ツールＦを離脱させる。第四側面１０ｅにおいて、本接合用回転ツールＦの移動軌跡には塑性化領域Ｗ４が形成される。第四稜線Ｒ４において、塑性化領域Ｗ１と塑性化領域Ｗ４とは重複している。また、第二タブ材Ｔ２には、攪拌ピンＦ２の抜き穴Ｑ４が形成される。

第四の本接合工程が終了したら、被接合金属部材１０から第一タブ材Ｔ１及び第二タブ材Ｔ２を切除する。また、第三の本接合工程及び第四の本接合工程で発生したバリを切除する。これにより、金属部材１Ａ，１Ｂが接合される。

以上説明した本実施形態に係る接合方法によれば、攪拌ピンＦ２のみを被接合金属部材１０に接触させた状態で摩擦攪拌を行うため、被接合金属部材１０を傾斜させても摩擦攪拌を容易に行うことができる。ショルダを備えた従来の回転ツールで摩擦攪拌を行う場合、接合部位が傾斜しているとショルダ部が金属部材に接触するため、攪拌ピンを深く挿入することができないという問題があった。しかし、本実施形態によれば攪拌ピンＦ２のみを挿入するため突合せ部Ｊ１の深い位置まで摩擦攪拌を行うことができる。

また、被接合金属部材１０を傾斜して配置できるため、被接合金属部材１０を一度配置すると２つの側面の突合せ部Ｊ１に対して摩擦攪拌を行うことができる。よって、金属部材配置工程後は、一度の金属部材再配置工程を行えば残りの２つの側面を摩擦攪拌できるため作業手間を少なくすることができる。

また、本実施形態に係る各本接合工程では、被接合金属部材１０のうち最も上方に位置する稜線（第一稜線Ｒ１又は第三稜線Ｒ３）から本接合用回転ツールＦを挿入して、各側面の下り傾斜に沿って本接合用回転ツールＦを相対移動させるため、各本接合工程をスムーズに行うことができる。

また、第一の本接合工程乃至第四の本接合工程で形成される塑性化領域のうち、少なくとも一組の隣り合う塑性化領域が重複していることが好ましい。本実施形態では、塑性化領域Ｗ１の両端は、塑性化領域Ｗ２，Ｗ４と重複している。また、本実施形態では、塑性化領域Ｗ３の両端は、塑性化領域Ｗ２，Ｗ４と重複している。つまり、本実施形態では、塑性化領域Ｗ１〜Ｗ４のうち隣り合う塑性化領域が全て重複しているため、水密性及び気密性を高めることができる。

また、支持台２０を用いることで、タブ材配置工程、金属部材配置工程、タブ材再配置工程及び金属部材再配置工程を容易に行うことができる。つまり、支持台２０を用いることで、載置面Ｓ（水平面）に対して金属部材１Ａ，１Ｂを傾斜した状態で容易に配置することができる。

また、支持台２０を用いることで、第一タブ材Ｔ１及び第二タブ材Ｔ２を容易に配置することができる。つまり、支持台２０を用いることとで、被接合金属部材１０の各側面と第一タブ材Ｔ１及び第二タブ材Ｔ２の側面とが面一になるように容易に配置することができる。

また、第一タブ材Ｔ１及び第二タブ材Ｔ２を用いることで、各本接合工程における本接合用回転ツールＦの挿入位置及び引抜位置を設定することができる。また、第一タブ材Ｔ１及び第二タブ材Ｔ２を用いることで、被接合金属部材１０に本接合用回転ツールＦの抜き穴が残存するのを防ぐことができる。

また、第一の本接合工程及び第二の本接合工程後に、各本接合工程で発生したバリを切除することで、第三の本接合工程及び第四の本接合工程を行う際に、被接合金属部材１０がガタつかず安定して行うことができる。

なお、第一実施形態では、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、第一の本接合工程及び第二の本接合工程は、本実施形態では第一の本接合工程を先に行ったが、第二の本接合工程を先に行ってもよい。同様に、第三の本接合工程及び第四の本接合工程は、本実施形態では第三の本接合工程を先に行ったが、第四の本接合工程を先に行ってもよい。

［第二実施形態］
次に、本発明の第二実施形態に係る接合方法について説明する。第二実施形態では、２つの本接合工程を連続して行う点で第一実施形態と相違する。第二実施形態では、第一実施形態と相違する点を中心に説明する。

第二実施形態に係る接合方法では、タブ材配置工程と、金属部材配置工程と、第一の本接合工程と、第二の本接合工程と、タブ材再配置工程と、金属部材再配置工程と、第三の本接合工程と、第四の本接合工程と、を行う。タブ材配置工程及び金属部材配置工程は、第一実施形態と同等であるため説明を省略する。

図８の（ａ）に示すように、第一の本接合工程及び第二の本接合工程は、本接合用回転ツールＦを被接合金属部材１０から途中で離脱させずに連続して行う。第一の本接合工程及び第二の本接合工程では、本接合用回転ツールＦを第一タブ材Ｔ１に挿入した後、第一側面１０ｂの上り傾斜に沿って本接合用回転ツールＦを相対移動させて摩擦攪拌を行う。本接合用回転ツールＦが第一稜線Ｒ１に達したら、本接合用回転ツールＦを被接合金属部材１０から離脱させずにそのまま第二側面１０ｃの下り傾斜に沿って本接合用回転ツールＦを相対移動させて摩擦攪拌を行う。

本接合用回転ツールＦが第二タブ材Ｔ２に達したら、本接合用回転ツールＦを第二タブ材Ｔ２から離脱させる。被接合金属部材１０の第一側面１０ｂ及び第二側面１０ｃには、一続きの塑性化領域Ｗ１’が形成される。第二タブ材Ｔ２には、本接合用回転ツールＦの攪拌ピンＦ２の抜き穴Ｑ１が形成される。

図９に示すように、タブ材再配置工程は、支持台２０の第一タブ材配置部２３及び第二タブ材配置部２４に、新たな第一タブ材Ｔ１及び第二タブ材Ｔ２をそれぞれ配置する工程である。また、金属部材再配置工程は、被接合金属部材１０の各側面を載置面Ｓに対して傾斜させるとともに、第三稜線Ｒ３が本接合用回転ツールＦと対向するように配置する工程である。タブ材再配置工程及び金属部材再配置工程は、第一実施形態と略同等であるため詳細な説明は省略する。

図１０の（ａ）に示すように、第三の本接合工程及び第四の本接合工程は、本接合用回転ツールＦを途中で離脱させずに連続して行う。第三の本接合工程及び第四の本接合工程では、本接合用回転ツールＦを第一タブ材Ｔ１に挿入した後、第三側面１０ｄの上り傾斜に沿って本接合用回転ツールＦを相対移動させて摩擦攪拌を行う。本接合用回転ツールＦが第三稜線Ｒ３に達したら、本接合用回転ツールＦを被接合金属部材１０から離脱させずにそのまま第四側面１０ｅの下り傾斜に沿って本接合用回転ツールＦを相対移動させて摩擦攪拌を行う。

図１０の（ｂ）に示すように、本接合用回転ツールＦが第二タブ材Ｔ２に達したら、本接合用回転ツールＦを第二タブ材Ｔ２から離脱させる。被接合金属部材１０の第三側面１０ｄ及び第四側面１０ｅには、一続きの塑性化領域Ｗ２’が形成される。第二タブ材Ｔ２には、本接合用回転ツールＦの攪拌ピンＦ２の抜き穴Ｑ２が形成される。

以上説明した第二実施形態に係る接合方法によっても第一実施形態と略同等の効果を奏することができる。また、第二実施形態では、第一の本接合工程及び第二の本接合工程、第三の本接合工程及び第四の本接合工程をそれぞれ連続して行うことができるため、第一稜線Ｒ１又は第三稜線Ｒ３で本接合用回転ツールＦを離脱させる作業及び挿入する作業を省略することができる。

なお、第一の本接合工程及び第二の本接合工程において、本実施形態では、第一側面１０ｂ、第二側面１０ｃの順番で連続的に摩擦攪拌を行ったが、第二側面１０ｃ、第一側面１０ｂの順番で連続的に摩擦攪拌を行ってもよい。また、第三の本接合工程及び第四の本接合工程において、本実施形態では、第三側面１０ｄ、第四側面１０ｅの順番で連続的に摩擦攪拌を行ったが、第四側面１０ｅ、第三側面１０ｄの順番で連続的に摩擦攪拌を行ってもよい。

［第三実施形態］
次に、本発明の第三実施形態に係る接合方法について説明する。第三実施形態では、支持台３０を用いる点及びタブ材を用いない点で第一実施形態と相違する。第三実施形態では、第一実施形態と相違する点を中心に説明する。まずは、第三実施形態で用いる支持台３０について説明する。

図１１の（ａ）に示すように、支持台３０は、本体部３１と、金属部材配置部３２と、傾斜面３３ａ，３３ｂとで構成されている。支持台３０は摩擦攪拌可能な金属材料で形成されている。本体部３１は、載置面Ｓに接触する下面３１ａを有する。金属部材配置部３２は、被接合金属部材１０を傾斜させて配置する部位である。金属部材配置部３２は、本体部３１の上部の中央を切り欠いて形成されている。金属部材配置部３２は、傾斜面３２ａ，３２ｂで構成されている。傾斜面３２ａ，３２ｂの各一辺の長さは、被接合金属部材１０の断面の一変の長さと同等になっている。傾斜面３２ａ，３２ｂがなす角度は直角になっている。

傾斜面３３ａ，３３ｂは、金属部材配置部３２の上部の両端にそれぞれ形成される面である。傾斜面３３ａは、傾斜面３２ａに対して直角になっている。また、傾斜面３３ｂは、傾斜面３２ｂに対して直角になっている。

第三実施形態に係る接合方法では、金属部材配置工程と、第二の本接合工程と、第一の本接合工程と、金属部材再配置工程と、第三の本接合工程と、第四の本接合工程と、を行う。

金属部材配置工程は、被接合金属部材１０の各側面を載置面Ｓに対して傾斜させるとともに、第一稜線Ｒ１が本接合用回転ツールＦと対向するように配置する工程である。図１１の（ａ）及び（ｂ）に示すように、第一稜線Ｒ１が他の稜線よりも上方に位置するようにしつつ、金属部材配置部３２に被接合金属部材１０を配置する。これにより、第一側面１０ｂと傾斜面３３ｂは面一になる。また、第二側面１０ｃと傾斜面３３ａは面一になる。

図１１の（ｂ）に示すように、第二の本接合工程及び第一の本接合工程は、第一実施形態と同等である。第一の本接合工程及び第二の本接合工程は、どちらを先にやってもよく、本実施形態では第二の本接合工程を行った後に、第一の本接合工程を行っている。図１２の（ａ）に示すように、第一の本接合工程及び第二の本接合工程が終了すると、被接合金属部材１０と支持台３０とは摩擦攪拌で接合された状態となる。つまり、第一側面１０ｂと傾斜面３３ｂとは塑性化領域Ｗ１によって接合され、第二側面１０ｃと傾斜面３３ａとは塑性化領域Ｗ２によって接合される。塑性化領域Ｗ１，Ｗ２には、攪拌ピンＦ２の抜き穴Ｑ１，Ｑ２がそれぞれ形成されている。

第一の本接合工程及び第二の本接合工程が終了したら、各本接合工程で発生したバリを切除する。

金属部材再配置工程では、被接合金属部材１０の各側面を載置面Ｓに対して傾斜させるとともに、第三稜線Ｒ３が本接合用回転ツールＦと対向するように配置する工程である。本実施形態に係る金属部材再配置工程では、第一側面１０ｂと傾斜面３３ｂとの突合せ部Ｊ２で、被接合金属部材１０と支持台３０とを切断する。つまり、第一突合せ部Ｊ２で塑性化領域Ｗ１を切断する。

また、第二側面１０ｃと傾斜面３３ａとの突合せ部Ｊ３で被接合金属部材１０と支持台３０とを切断する。つまり、第二突合せ部Ｊ３で塑性化領域Ｗ２を切断する。そして、被接合金属部材１０を前後方向軸周りに１８０°回転させるとともに前方に若干移動させる。これにより、図１２の（ｂ）に示すように、突合せ部Ｊ１は、傾斜面３３ｂに残存する塑性化領域Ｗ１及び傾斜面３３ａに残存する塑性化領域Ｗ２よりも前方に位置する。

第三接合工程は、図１２の（ｂ）に示すように、第三側面１０ｄの突合せ部Ｊ１に対して第一実施形態と同じ要領で摩擦攪拌を行う。また、第四接合工程は、図１３に示すように、第四側面１０ｅの突合せ部Ｊ１に対して第一実施形態と同じ要領で摩擦攪拌を行う。

以上説明した第三実施形態に係る接合方法によっても第一実施形態と略同等の効果を得ることができる。また、本実施形態では、タブ材を用いなくとも支持台３０の傾斜面３３ａ，３３ｂを本接合用回転ツールＦの引抜位置として利用することができる。また、金属部材再配置工程の際に、被接合金属部材１０を前後方向に若干移動させることで、傾斜面３３ａ，３３ｂの新しい部位（塑性化されていない部位）を引抜位置として利用することができる。

また、前記した第二実施形態を行う場合も、支持台３０を利用することができる。この場合は、傾斜面３３ａ，３３ｂを攪拌ピンＦ２の挿入位置又は引抜位置として利用することができる。

［第四実施形態］
次に、本発明の第四実施形態に係る接合方法について説明する。第四実施形態では、被接合金属部材１０Ａが断面長方形である点及び支持台２０Ａを用いる点で第一実施形態と相違する。第四実施形態では第一実施形態と相違する部分を中心に説明する。

第四実施形態の被接合金属部材１０Ａは、その断面形状が直方体になっている。第一側面１０Ａｂ及び第三側面１０Ａｄの長さは、第二側面１０Ａｃ及び第四側面１０Ａｅの長さよりも大きくなっている。

支持台２０Ａは、金属部材配置部２２Ａ、第一タブ材配置部２３Ａ及び第二タブ材配置部２４Ａを有している。金属部材配置部２２Ａの傾斜面２２Ａａは、本実施形態では載置面Ｓに対して３０°傾斜している。また、金属部材配置部２２Ａの傾斜面２２Ａｂは、本実施形態では載置面Ｓに対して６０°傾斜している。

支持台２０Ａは、被接合金属部材１０Ａ、第一タブ材Ｔ１及び第二タブ材Ｔ２を配置した際に、第一側面１０Ａｂと第一タブ材Ｔ１の第四側面Ｔ１ｄとが面一になるように形成されている。また、第二側面１０Ａｃと第二タブ材Ｔ２の第四側面Ｔ２ｄとが面一になるように形成されている。支持台２０Ａに被接合金属部材１０を配置すると、第一稜線Ｒ１を含む仮想水平面Ｐ１と第一側面１０Ａｂとのなす角度αは３０°となる。また、仮想水平面Ｐ１と第二側面１０Ａｃとのなす角度βは６０°となる。

第四実施形態に係る接合方法では、タブ材配置工程と、金属部材配置工程と、第一の本接合工程と、第二の本接合工程と、タブ材再配置工程と、金属部材再配置工程と、第三の本接合工程と、第四の本接合工程と、を行う。第四実施形態の各工程は、傾斜角度を除いては第一実施形態の各工程と同等であるため説明は省略する。

第四実施形態に係る接合方法のように、被接合金属部材１０Ａの断面を長方形とした場合も第一実施形態と略同等の効果を奏することができる。また、被接合金属部材１０Ａの傾斜角度は角度α，βを４５°に設定してもよいし、本実施形態のように角度α，βが異なるように設定してもよい。

［変形例］
次に、本発明の変形例に係る接合方法について説明する。上記した実施形態では、本接合用回転ツールＦを鉛直方向と平行にした状態で摩擦攪拌を行ったが、これに限定されるものではない。図１５に示すように、第一の本接合工程乃至第四の本接合工程を行う際に、本接合用回転ツールＦを各側面に対して垂直に挿入しつつ摩擦攪拌を行ってもよい。各稜線に対して摩擦攪拌を行う場合は、攪拌ピンＦ２の先端を中心として連結部Ｆ１側が円弧を描くように移動させて摩擦攪拌を行うことが好ましい。

当該変形例を行う場合は、例えば、先端にスピンドルユニット等の回転駆動手段を備えたロボットアームに本接合用回転ツールＦを取り付けて摩擦攪拌を行うことができる。かかる摩擦攪拌装置によれば本接合用回転ツールＦの挿入角度を容易に変更することができる。このような変形例であっても、第一実施形態と略同等の効果を奏することができる。また、本接合用回転ツールＦを各側面に対して垂直に挿入することができるため、突合せ部Ｊ１の深い位置まで摩擦攪拌を行うことができる。

以上本発明の実施形態及び変形例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、金属部材配置工程及び金属部材再配置工程では、図示しない固定治具を用いて支持台２０，３０に被接合金属部材１０，１０Ａを移動不能に固定してもよい。同様に、図示しない固定治具を用いて支持台２０，３０に第一タブ材Ｔ１及び第二タブ材Ｔ２を移動不能に固定してもよい。

また、各本接合工程を行う前に、金属部材１Ａ，１Ｂに仮接合を行う仮接合工程を行ってもよい。仮接合工程を行うことで、各本接合工程における突合せ部Ｊ１の目開きを防ぐことができる。仮接合工程は、小型の回転ツールを用いて行ってもよいし、溶接で行ってもよい。

また、第一実施形態の本接合工程と第二実施形態の本接合工程とを併用してもよい。例えば、第一の本接合工程及び第二の本接合工程は、第一実施形態を採用して第一稜線Ｒ１から第一側面１０ｂ及び第二側面１０ｃに対してそれぞれ下り傾斜に沿って摩擦攪拌を行い、第三の本接合工程及び第四の本接合工程は、第二実施形態を採用して第三側面１０ｄ及び第四側面１０ｅに連続して摩擦攪拌を行ってもよい。

逆に、第一の本接合工程及び第二の本接合工程では、第二実施形態を採用して第一側面１０ｂ及び第二側面１０ｃに連続して摩擦攪拌を行い、第三の本接合工程及び第四の本接合工程では第一実施形態を採用して第三稜線Ｒ３から第三側面１０ｄ及び第四側面１０ｅに対してそれぞれ下り傾斜に沿って摩擦攪拌を行ってもよい。

また、本実施形態では支持台２０，３０を用いて被接合金属部材１０，１０Ａを傾斜させたが、他の固定部材、固定治具等を用いて傾斜させてもよい。

１Ａ 金属部材
１Ｂ 金属部材
１０ 被接合金属部材
１０ｂ 第一側面
１０ｃ 第二側面
１０ｄ 第三側面
１０ｅ 第四側面
Ｆ 本接合用回転ツール（回転ツール）
Ｆ１ 連結部
Ｆ２ 攪拌ピン
Ｆ３ 螺旋溝
Ｊ１ 突合せ部
Ｒ１ 第一稜線
Ｒ２ 第二稜線
Ｒ３ 第三稜線
Ｒ４ 第四稜線
Ｓ 載置面
Ｔ１ 第一タブ材
Ｔ２ 第二タブ材
Ｗ１ 塑性化領域
Ｗ２ 塑性化領域
Ｗ３ 塑性化領域
Ｗ４ 塑性化領域

Claims (10)

1. 矩形断面を呈する第一金属部材と第二金属部材とを突き合わせて、第一側面、第二側面、第三側面及び第四側面を備えた被接合金属部材を形成するとともに、攪拌ピンを備えた回転ツールで摩擦攪拌する接合方法であって、
   前記第一側面と前記第二側面とで構成される第一稜線が前記第三側面と前記第四側面とで構成される第三稜線に対して上に位置するように前記被接合金属部材を配置する金属部材配置工程と、
   前記第一側面に現れる突合せ部に摩擦攪拌を行う第一の本接合工程と、
   前記第二側面に現れる突合せ部に摩擦攪拌を行う第二の本接合工程と、
   前記被接合金属部材を反転させるとともに、前記第一稜線に対して前記第三稜線が上に位置するように前記被接合金属部材を配置する金属部材再配置工程と、
   前記第三側面に現れる突合せ部に摩擦攪拌を行う第三の本接合工程と、
   前記第四側面に現れる突合せ部に摩擦攪拌を行う第四の本接合工程と、を含み、
   前記各本接合工程において、回転する前記攪拌ピンのみを前記被接合金属部材に接触させた状態で摩擦攪拌を行うことを特徴とする接合方法。
2. 前記第一の本接合工程では、
   前記第一稜線に前記回転ツールを挿入し、前記第一側面の下り傾斜に沿って前記回転ツールを相対移動させることを特徴とする請求項１に記載の接合方法。
3. 前記第二の本接合工程では、
   前記第一稜線に前記回転ツールを挿入し、前記第二側面の下り傾斜に沿って前記回転ツールを相対移動させ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。
4. 前記第一の本接合工程及び前記第二の本接合工程は、連続して行う工程であって、
   前記第二側面と前記第三側面とで構成される第二稜線及び前記第一側面と前記第四側面とで構成される第四稜線のいずれか一方に前記回転ツールを挿入し、
   前記第一側面及び前記第二側面のいずれか一方の上り傾斜に沿って前記回転ツールを相対移動させるとともに前記第一稜線を経由し、
   前記第一側面及び前記第二側面のいずれか他方の下り傾斜に沿って前記回転ツールを相対移動させることを特徴とする請求項１に記載の接合方法。
5. 前記第三の本接合工程では、
   前記第三稜線に前記回転ツールを挿入し、前記第三側面の下り傾斜に沿って前記回転ツールを相対移動させる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。
6. 前記第四の本接合工程では、
   前記第三稜線に前記回転ツールを挿入し、前記第四側面の下り傾斜に沿って前記回転ツールを相対移動させる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。
7. 前記第三の本接合工程及び前記第四の本接合工程は、連続して行う工程であって、
   前記第二側面と前記第三側面とで構成される第二稜線及び前記第一側面と前記第四側面とで構成される第四稜線のいずれか一方に前記回転ツールを挿入し、
   前記第三側面及び前記第四側面のいずれか一方の上り傾斜に沿って前記回転ツールを相対移動させるとともに前記第三稜線を経由し、
   前記第三側面及び前記第四側面のいずれか他方の下り傾斜に沿って前記回転ツールを相対移動させる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。
8. 前記第一の本接工程乃至前記第四の本接合工程で形成される塑性化領域において、少なくとも一組の隣り合う前記塑性化領域が重複していることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の接合方法。
9. 前記金属部材配置工程及び前記金属部材再配置工程では、前記被接合金属部材を支持する支持台を用いることを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の接合方法。
10. 前記各本接合工程を行う前に、前記被接合金属部材に現れる前記突合せ部に沿ってタブ材を当接させるとともに前記支持台に当該タブ材を配置するタブ材配置工程を含み、
    前記各本接合工程では、前記タブ材上に前記回転ツールの挿入位置又は引抜位置を設定することを特徴とする請求項９に記載の接合方法。

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