JP2018020345A - 摩擦攪拌接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】摩擦攪拌装置に作用する負荷を軽減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を備えた回転ツールＦを用いて板状の第一金属部材１と第二金属部材２とを接合する摩擦攪拌接合方法であって、第一金属部材１の端面1ａと第二金属部材２の端面２ａとを突き合わせて突合せ部Ｊ１を形成するとともに、第一金属部材１の端面１ａと第二金属部材２の表面２ｂとで突合せ部Ｊ１の端部に位置する内隅Ｃ１を形成する突合せ工程と、内隅Ｃ１に仮接合用回転ツールＦの攪拌ピンＦ２のみを挿入してスポットで摩擦攪拌接合を行う仮接合工程と、仮接合された内隅Ｃ１に本接合用回転ツールＦの攪拌ピンＦ２のみを挿入して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。【選択図】図３

Description

本発明は、摩擦攪拌接合方法に関する。

特許文献１には、金属部材同士が突き合わされた突合せ部に対して、小型の回転ツールで仮接合工程を行った後、大型の回転ツールで本接合工程を行う摩擦攪拌接合方法が記載されている。仮接合工程を行うことにより、本接合工程の際に、突合せ部の目開きを防ぐことができる。

特開２０１０−２７４３２０号公報

当該摩擦攪拌接合方法の仮接合工程は、小型の回転ツールのショルダ部を数ミリ程度金属部材に押し込んで接合するというものである。当該接合方法であると、ショルダ部を金属部材に押し込むため摩擦攪拌装置に作用する負荷が大きくなるという問題がある。

そこで、本発明は、摩擦攪拌装置に作用する負荷を軽減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。

前記課題を解決するための第一の発明は、攪拌ピンを備えた回転ツールを用いて板状の第一金属部材と第二金属部材とを接合する摩擦攪拌接合方法であって、前記第一金属部材の端面と前記第二金属部材の端面とを突き合わせて突合せ部を形成するとともに、前記第一金属部材の端面と前記第二金属部材の表面とで前記突合せ部の端部に位置する内隅を形成する突合せ工程と、前記内隅に仮接合用回転ツールの攪拌ピンのみを挿入してスポットで摩擦攪拌接合を行う仮接合工程と、仮接合された前記内隅に本接合用回転ツールの攪拌ピンのみを挿入して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。

また、前記課題を解決するための第二の発明は、攪拌ピンを備えた回転ツールを用いて板状の第一金属部材と第二金属部材とを接合する摩擦攪拌接合方法であって、前記第一金属部材の表面と前記第二金属部材の裏面とを重ね合わせて重合部を形成する重ね合せ工程と、前記第一金属部材の表面と前記第二金属部材の端面とで形成され、前記重合部の一端部に位置する表内隅に仮接合用回転ツールの攪拌ピンのみを挿入してスポットで摩擦攪拌接合を行う仮接合工程と、仮接合された前記表内隅に本接合用回転ツールの攪拌ピンのみを挿入して前記表内隅に沿って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。

第二の発明の摩擦攪拌接合方法においては、前記第一金属部材の端面と板状の第二金属部材の裏面とで形成され、前記重合部の他端部に位置する裏内隅に仮接合用回転ツールの攪拌ピンのみを挿入してスポットで摩擦攪拌接合を行う第二の仮接合工程と、仮接合された前記裏内隅に本接合用回転ツールの攪拌ピンのみを挿入して前記裏内隅に沿って摩擦攪拌接合を行う第二の本接合工程と、をさらに含むことが好ましい。

かかる摩擦攪拌接合方法によれば、内隅を接合する場合において、攪拌ピンのみを金属部材に接触させた状態で突合せ部のスポット仮付けを行うことにより、摩擦攪拌装置に作用する負荷を軽減することができる。また、従来のように突合せ部の全長に対して仮接合を行う場合に比べて工程時間を短くすることができる。また、本接合工程においても攪拌ピンのみを金属部材に接触させた状態で摩擦攪拌接合を行うことにより、摩擦攪拌装置に作用する負荷を軽減することができる。

また、第一の発明および第二の発明の摩擦攪拌接合方法において、前記仮接合用回転ツール及び前記本接合用回転ツールは同一の回転ツールであることが好ましい。かかる摩擦攪拌接合方法によれば、回転ツールの交換を行う必要が無いため作業効率を高めることができる。

本発明に係る摩擦攪拌接合方法によれば、摩擦攪拌装置に作用する負荷を軽減することができる。

第一実施形態に係る摩擦攪拌接合方法の突合せ工程を示す斜視図である。 第一実施形態に係る摩擦攪拌接合方法の仮接合工程を示す斜視図である。 第一実施形態に係る摩擦攪拌接合方法の本接合工程を示す斜視図である。 第一実施形態に係る摩擦攪拌接合方法の本接合工程を示す断面図である。 第二実施形態に係る摩擦攪拌接合方法の突合せ工程を示す斜視図である。 第二実施形態に係る摩擦攪拌接合方法の仮接合工程を示す斜視図である。 第二実施形態に係る摩擦攪拌接合方法の本接合工程を示す斜視図である。 第二実施形態に係る摩擦攪拌接合方法の本接合工程を示す断面図である。 第三実施形態に係る摩擦攪拌接合方法の突合せ工程前を示す斜視図である。 第三実施形態に係る摩擦攪拌接合方法の突合せ工程後を示す斜視図である。 第三実施形態に係る摩擦攪拌接合方法の仮接合工程を示す斜視図である。 第三実施形態に係る摩擦攪拌接合方法の本接合工程を示す断面図である。 第三実施形態に係る摩擦攪拌接合方法の変形例の本接合工程を示す断面図である。

［第一実施形態］
本発明の第一実施形態に係る摩擦攪拌接合方法について、図1〜図４を参照して詳細に説明する。第一実施形態では、厚さの異なる二つの金属板（第一金属部材と第二金属部材）を接合する。本実施形態に係る摩擦攪拌接合方法では、突合せ工程と、仮接合工程と、本接合工程と、を行う。なお、以下の説明における「表面」とは、「裏面」の反対側の面という意味である。

突合せ工程は、図１に示すように、厚さの異なる第一金属部材１と第二金属部材２とを突き合わせる工程である。第一金属部材１および第二金属部材２は、アルミニウム合金製の板状部材からなる。第一金属部材１および第二金属部材２の材料は、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の摩擦攪拌可能な金属から適宜選択される。第二金属部材２は、第一金属部材１よりも薄い。突合せ工程では、第一金属部材１の端面１ａと、第二金属部材２の端面２ａとを突き合わせて突合せ部Ｊ１を形成する。

突合せ工程では、第一金属部材１の裏面（下面）１ｃと第二金属部材２の裏面（下面）２ｃとを面一とするので、第一金属部材１の表面（上面）１ｂが、第二金属部材２の表面（上面）２ｂより上方に位置している。また、第一金属部材１の側面１ｄと第二金属部材２の側面２ｄとを面一とする。ここで、突合せ部Ｊ１の端部（第一金属部材１の厚さ方向端部）には、第一金属部材１の端面１ａと第二金属部材２の表面２ｂとで内隅Ｃ１が形成される。内隅Ｃ１は、第一金属部材１の端面１ａに突き当たる第二金属部材２の表面２ｂの端縁に沿って延在している。

また、突合せ工程では、タブ材Ｔ，Ｔを内隅Ｃ１の延在方向の両端に配置する。タブ材Ｔの表面Ｔａは、第二金属部材２の表面２ｂと面一にする。また、タブ材Ｔの裏面Ｔｂは、第一金属部材１の裏面１ｃおよび第二金属部材２の裏面２ｃと面一にする。

仮接合工程は、図２に示すように、回転ツールＦ（仮接合用回転ツール）を用いて内隅Ｃ１に対して仮接合を行う工程である。回転ツールＦは、例えば工具鋼で形成されている。回転ツールＦは、連結部Ｆ１と攪拌ピンＦ２とを備えている。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は円柱状を呈する。

攪拌ピンＦ２は、連結部Ｆ１から延在しており、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が刻設されている。本実施形態では、回転ツールＦを右回転させるため、螺旋溝は、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。

なお、回転ツールＦを左回転させる場合は、螺旋溝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。螺旋溝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によって攪拌ピンＦ２の先端側に導かれる。これにより、被接合金属部材（第一金属部材１および第二金属部材２）の外部に溢れ出る金属の量を少なくすることができる。

仮接合工程では、回転させた回転ツールＦの攪拌ピンＦ２のみを突合せ部Ｊ１の端部の内隅Ｃ１に接触させてスポット仮付けを行う。仮接合工程では、所定の間隔をあけて攪拌ピンＦ２のみを突合せ部Ｊ１に浅く押し込んでいく。このとき、攪拌ピンＦ２が第一金属部材１の端面１ａの上部に干渉しないように、回転ツールＦを傾斜させる。回転ツールＦは、連結部Ｆ１が第二金属部材２側になるように傾斜させる。攪拌ピンＦ２の押し込み跡には、塑性化領域Ｗ０が形成される。回転ツールＦは、先端にスピンドルユニット等の駆動手段を備えたアームロボット（図示せず）に取り付けられることが好ましい。これにより、回転ツールＦの回転中心軸を容易に傾けることができるため、容易に内隅Ｃ１のスポット仮付けを行うことができる。

また、仮接合工程では、第一金属部材１とタブ材Ｔとの突合せ部、および第二金属部材２とタブ材Ｔとの突合せ部に対してもスポット仮付けを行い、タブ材Ｔと第一金属部材１および第二金属部材２とを仮接合する。第一金属部材１とタブ材Ｔとの突合せ部の端部には、第一金属部材１の側面１ｄとタブ材Ｔの表面Ｔａとで形成される内隅Ｃ２と、第一金属部材１の側面１ｄとタブ材Ｔの側面Ｔｃとで形成される内隅Ｃ３が形成されている。第二金属部材２とタブ材Ｔとの突合せ部の端部には、第二金属部材２の表面２ｂとタブ材Ｔの表面Ｔａとで形成される面一部と、第二金属部材２の側面２ｄとタブ材Ｔの側面Ｔｃとで形成される内隅Ｃ４とが形成されている。面一部をスポット仮付けする際には、回転ツールＦの回転中心軸を、第二金属部材２の表面２ｂに直交させる。内隅Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４をスポット仮付けする際には、攪拌ピンＦ２が第一金属部材１の側面１ｄまたは第二金属部材２の側面２ｄに干渉しないように、回転ツールＦを傾斜させる。回転ツールＦは、連結部Ｆ１がタブ材Ｔ側になるように傾ける。

本接合工程は、図３に示すように、回転ツールＦ（本接合用回転ツール）を用いて突合せ部Ｊ１の内隅Ｃ１に対して本接合を行う工程である。本接合工程では、一方のタブ材Ｔに設定した開始位置Ｓｐに右回転させた回転ツールＦを挿入した後、突合せ部Ｊ１の内隅Ｃ１に沿って回転ツールＦを相対移動させる。本接合工程では、攪拌ピンＦ２のみを第一金属部材１および第二金属部材２に接触させ、攪拌ピンＦ２の基端側は露出させた状態で摩擦攪拌接合を行う。タブ材Ｔ上では、回転ツールＦの回転中心軸がタブ材Ｔの表面Ｔａに直交した状態で回転ツールＦを移動させる。回転ツールＦが内隅Ｃ１の近傍まで移動すると、回転ツールＦを第二金属部材２側（表面が低い金属部材側）に傾斜させる。回転ツールＦの傾斜角度は、第一金属部材１の表面１ｂと第二金属部材２の表面２ｂとの段差の高さ寸法に応じて適宜設定される。図４に示すように、本実施形態では、回転ツールＦの回転中心軸が、第二金属部材２の表面２ｂに対して６０°程度傾斜しており、攪拌ピンＦ２の先端部が、第一金属部材１と第二金属部材２との突合せ面（第一金属部材１の端面１ａと第二金属部材２の端面２ａとの当接面）から離れすぎないようになっている。回転ツールＦが内隅Ｃ１から離反して他方のタブ材Ｔ上に移動すると、回転ツールＦの回転中心軸をタブ材Ｔの表面Ｔａに直交する状態に戻す。回転ツールＦが他方のタブ材Ｔに設定した終了位置Ｅｐに達したら、タブ材Ｔから回転ツールＦを離脱させる。以上の工程によって、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。

以上説明した第一実施形態に係る摩擦攪拌接合方法によれば、攪拌ピンＦ２のみを第一金属部材１および第二金属部材２に接触させた状態で突合せ部Ｊ１の内隅Ｃ１のスポット仮付けを行うことにより、摩擦攪拌装置に作用する負荷を軽減することができる。また、従来のように突合せ部Ｊ１の内隅Ｃ１の全長に対して仮接合を行う場合に比べて工程時間を短くすることができる。本実施形態の接合工程は、内隅Ｃ１の全長が長い場合等においては特に有効である。さらに、本接合工程においても攪拌ピンＦ２のみを第一金属部材１および第二金属部材２に接触させた状態で摩擦攪拌接合を行うことにより、摩擦攪拌装置に作用する負荷を軽減した状態で、突合せ部Ｊ１の深い位置を接合できる。

また、本実施形態では、回転ツールＦの頭部を段差の下側となる第二金属部材２側に傾斜させているので、塑性化領域Ｗ１を攪拌ピンＦ２の周囲にバランスよく形成することができる。また、回転ツールＦの傾斜角度を段差の高さ寸法に応じて設定している。攪拌ピンＦ２の先端部が、第一金属部材１と第二金属部材２との突合せ面から離れすぎないように傾斜角度を設定している。これによって、突合せ面の広い範囲に亘って塑性化領域Ｗ１が形成されるので、接合強度を高めることができる。

さらに、本実施形態では、仮接合工程を行う回転ツールＦ（仮接合用回転ツール）と、本接合工程を行う回転ツール（本接合用回転ツール）は同一の回転ツールを用いている。これにより、各工程で回転ツールの交換を行う必要が無いため作業効率を高めることができる。

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、仮接合用回転ツール又は本接合用回転ツールに、ショルダ部及び攪拌ピンを備えた回転ツールを用いてもよい。また、仮接合工程と、本接合工程とで異なる回転ツールを用いてもよい。また、本接合工程は、第一金属部材１の表面１ｂおよび第二金属部材２の表面２ｂ側からのみ行ったが、裏面１ｃ，２ｃ側からも行ってもよい。このとき、表面１ｂ，２ｂに形成された塑性化領域Ｗ１と裏面１ｃ、２ｃ側に形成された塑性化領域（図示せず）とが重複するようにすれば突合せ部Ｊ１の接合強度を高めることができる。

また、本実施形態では、厚さの異なる第一金属部材１と第二金属部材２とを突き合わせて内隅Ｃ１を形成したが、厚さが等しい第一金属部材の端部と第二金属部材の端部とをオフセットして突き合わせることで、内隅を形成してもよい。

［第二実施形態］
次に、本発明の第二実施形態に係る摩擦攪拌接合方法について、図５〜図８を参照して詳細に説明する。第二実施形態では、重ね合わされた二つの金属板（第一金属部材と第二金属部材）を接合する。本実施形態に係る摩擦攪拌接合方法では、重ね合せ工程と、仮接合工程と、本接合工程と、を行う。

重ね合せ工程は、図５に示すように、第一金属部材１０１と第二金属部材１０２とを重ね合わせる工程である。第一金属部材１０１および第二金属部材１０２は、アルミニウム合金製の板状部材からなる。第一金属部材１０１および第二金属部材１０２の材料は、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の摩擦攪拌可能な金属から適宜選択される。本実施形態では、第一金属部材１０１の厚さ寸法は、第二金属部材１０２の厚さ寸法と同じである。なお、第一金属部材１０１の厚さ寸法と第二金属部材１０２の厚さ寸法は異なっていてもよい。

重ね合せ工程では、第一金属部材１０１の表面１０１ｂと、第二金属部材１０２の裏面１０２ｃとを重ね合わせて重合部Ｋ１０１を形成する。ここで、重合部Ｋ１０１の一端部（第二金属部材１０２の端面１０２ａの直交方向の端面１０２ａ側の端部）には、第一金属部材１０１の表面１０１ｂと第二金属部材１０２の端面１０２ａとで表内隅Ｃ１０１が形成されている。表内隅Ｃ１０１は、第一金属部材１０１の表面１０１ｂに交差する第二金属部材１０２の端面１０２ａの下端縁に沿って延在している。また、重合部Ｋ１０１の他端部（第二金属部材１０２の端面１０２ａの直交方向の第一金属部材１０１の端面１０１ａ側の端部）には、第一金属部材１０１の端面１０１ａと第二金属部材１０２の裏面１０２ｃとで裏内隅Ｃ１０２が形成されている。裏内隅Ｃ１０２は、第二金属部材１０２の裏面１０２ｃに交差する第一金属部材１０１の端面１０１ａの上端縁に沿って延在している。

また、重ね合せ工程では、タブ材Ｔ１，Ｔ１を表内隅Ｃ１０１の延在方向の両端に配置する。タブ材Ｔ１は、第一金属部材１０１の側面１０１ｄに当接させる。タブ材Ｔ１の表面Ｔ１ａは、第一金属部材１０１の表面１０１ｂおよび第二金属部材１０２の裏面１０２ｃと面一にする。また、タブ材Ｔ１の裏面Ｔ１ｂは、第一金属部材１０１の裏面１０１ｃと面一にする。さらに、重ね合せ工程では、タブ材Ｔ２，Ｔ２を裏内隅Ｃ１０２の延在方向の両端に配置する。タブ材Ｔ２は、第二金属部材１０２の側面１０２ｄに当接させる。タブ材Ｔ２の表面Ｔ２ａは、第二金属部材１０２の表面１０２ｂと面一にする。また、タブ材Ｔ１の裏面Ｔ２ｂは、第一金属部材１０１の表面１０１ｂおよび第二金属部材１０２の裏面１０２ｃと面一にする。

仮接合工程は、図６に示すように、回転ツールＦ（仮接合用回転ツール）を用いて表内隅Ｃ１０１および裏内隅Ｃ１０２に対して仮接合を行う工程である。回転ツールＦは、第一実施形態と同様のものであって、先端にスピンドルユニット等の駆動手段を備えたアームロボット（図示せず）に取り付けられている。

仮接合工程では、回転させた回転ツールＦの攪拌ピンＦ２のみを表内隅Ｃ１０１および裏内隅Ｃ１０２に接触させてスポット仮付けを行う。仮接合工程では、所定の間隔をあけて攪拌ピンＦ２のみを重合部Ｋ１０１に浅く押し込んでいく。このとき、連結部Ｆ１が第一金属部材１０１側になるように回転ツールＦを傾斜させる。攪拌ピンＦ２の押し込み跡には、塑性化領域Ｗ０が形成される。

仮接合工程では、第一金属部材１０１とタブ材Ｔ１との突合せ部、および第二金属部材２とタブ材Ｔ２との突合せ部に対してもスポット仮付けを行い、タブ材Ｔ１，Ｔ２と第一金属部材１および第二金属部材２とを仮接合する。第一金属部材１０１とタブ材Ｔ１との突合せ部の端部には、第二金属部材１０２の側面１０２ｄとタブ材Ｔ１の表面Ｔ１ａとで形成される内隅Ｃ１０３と、第一金属部材１０１の側面１０１ｄとタブ材Ｔ１の側面Ｔ１ｃとで形成される内隅Ｃ１０４と、第一金属部材１０１の表面１０１ｂとタブ材Ｔ１の表面Ｔ１ａとで形成される面一部とが形成されている。面一部をスポット仮付けする際には、回転ツールＦの回転中心軸を、第一金属部材１０１の表面１０１ｂに直交させる。各内隅Ｃ１０３，Ｃ１０４をスポット仮付けする際には、攪拌ピンＦ２が第一金属部材１０１、第二金属部材１０２およびタブ材Ｔ１に干渉しないように、回転ツールＦを傾斜させる。回転ツールＦは、連結部Ｆ１がタブ材Ｔ１側になるように傾ける。

第二金属部材１０２とタブ材Ｔ２との突合せ部の端部には、第一金属部材１０１の側面１０１ｄとタブ材Ｔ２の裏面Ｔ２ｂとで形成される内隅Ｃ１０５と、第二金属部材１０２の側面１０２ｄとタブ材Ｔ２の側面Ｔ２ｃとで形成される内隅Ｃ１０６と、第二金属部材１０２の裏面１０２ｃとタブ材Ｔ２の裏面Ｔ２ｂとで形成される面一部とが形成されている。面一部をスポット仮付けする際には、回転ツールＦの回転中心軸を、第二金属部材１０２の裏面１０２ｄに直交させる。各内隅Ｃ１０５，Ｃ１０６をスポット仮付けする際には、攪拌ピンＦ２が第一金属部材１０１、第二金属部材１０２およびタブ材Ｔ２に干渉しないように、回転ツールＦを傾斜させる。回転ツールＦは、連結部Ｆ１がタブ材Ｔ２側になるように傾ける。

本接合工程は、図７に示すように、回転ツールＦ（本接合用回転ツール）を用いて重合部Ｋ１０１の表内隅Ｃ１０１および裏内隅Ｃ１０２に対して本接合を行う工程である。本実施形態では、まず、表内隅Ｃ１０１の本接合を行う。一方のタブ材Ｔ１に設定した開始位置Ｓｐに右回転させた回転ツールＦを挿入した後、表内隅Ｃ１０１に沿って回転ツールＦを相対移動させる。本接合工程では、攪拌ピンＦ２のみを第一金属部材１０１および第二金属部材１０２に接触させ、攪拌ピンＦ２の基端側は露出させた状態で摩擦攪拌接合を行う。タブ材Ｔ１上では、回転ツールＦの回転中心軸がタブ材Ｔ１の表面Ｔ１ａに直交した状態で回転ツールＦを移動させる。回転ツールＦが表内隅Ｃ１０１の近傍まで移動すると、回転ツールＦを第一金属部材１０１側（下側の金属部材側）に傾斜させる。図８に示すように、回転ツールＦの傾斜角度は、回転ツールＦの形状に応じて、適宜設定される。回転ツールＦの連結部Ｆ１が第一金属部材１０１に干渉しない範囲で、第一金属部材１０１側に傾斜している。本実施形態では、回転ツールＦの回転中心軸が、第一金属部材１０１の表面１０１ｂに対して３０°程度傾斜しており、攪拌ピンＦ２の先端部が、第一金属部材１０１と第二金属部材１０２との重合面（第一金属部材１０１の表面１０１ｂと第二金属部材１０２の裏面１０２ｃとの当接面）から離れすぎないようになっている。回転ツールＦが表内隅Ｃ１０１から離反して他方のタブ材Ｔ１上に移動すると、回転ツールＦの回転中心軸をタブ材Ｔ１の表面Ｔ１ａに直交する状態に戻す。回転ツールＦが他方のタブ材Ｔ１に設定した終了位置Ｅｐに達したら、タブ材Ｔ１から回転ツールＦを離脱させる。以上の工程によって、回転ツールＦの移動軌跡には塑性化領域Ｗ１０１が形成される。

その後、第一金属部材１０１、第二金属部材１０２およびタブ材Ｔ１，Ｔ２を上下反転させて、裏内隅Ｃ１０２に対して本接合を行う。ここでは、一方のタブ材Ｔ２の裏面Ｔ２ｂに設定した開始位置（図示せず）に右回転させた回転ツールを挿入した後、裏内隅Ｃ１０２に沿って回転ツールＦを相対移動させ、他方のタブ材Ｔ２に設定した終了位置から回転ツールＦを離脱させる。途中の回転ツールＦの傾斜角度や挿入深さは、表内隅Ｃ１０１の本接合と同等である。以上の工程によって、回転ツールＦの移動軌跡には塑性化領域Ｗ１０２（図８の二点鎖線にて示す）が形成される。なお、表内隅Ｃ１０１に形成された塑性化領域Ｗ１０１の底部と、裏内隅Ｃ１０２に形成された塑性化領域Ｗ１０２の底部とを重複させると、接合強度がより一層高まる。

以上説明した第二実施形態に係る摩擦攪拌接合方法によれば、攪拌ピンＦ２のみを第一金属部材１０１および第二金属部材１０２に接触させた状態で重合部Ｋ１０１の表内隅Ｃ１０１と裏内隅Ｃ１０２のスポット仮付けを行うことにより、摩擦攪拌装置に作用する負荷を軽減することができる。また、従来のように重合部の全長に対して仮接合を行う場合に比べて工程時間を短くすることができる。本実施形態の接合工程は、重合部Ｋ１０１の表内隅Ｃ１０１と裏内隅Ｃ１０２の全長が長い場合等においては特に有効である。さらに、本接合工程においても攪拌ピンＦ２のみを第一金属部材１０１および第二金属部材１０２に接触させた状態で摩擦攪拌接合を行うことにより、摩擦攪拌装置に作用する負荷を軽減した状態で、重合部Ｋ１０１の奥深い位置を接合できる。

また、本実施形態では、回転ツールＦの頭部を段差の底側となる第一金属部材１０１の表面１０１ｂ側または第二金属部材１０２の裏面１０２ｃ側に傾斜させているので、塑性化領域Ｗ１を攪拌ピンＦ２の周囲にバランスよく形成することができる。また、回転ツールＦの傾斜角度を回転ツールＦの形状に応じて設定している。攪拌ピンＦ２の先端部が、第一金属部材１０１と第二金属部材１０２との重合面から離れすぎないように傾斜角度を設定している。これによって、重合面の広い範囲に亘って塑性化領域Ｗ１０１，Ｗ１０２が形成されるので、接合強度を高めることができる。

さらに、本実施形態では、仮接合工程を行う回転ツールＦ（仮接合用回転ツール）と、本接合工程を行う回転ツール（本接合用回転ツール）は同一の回転ツールを用いている。これにより、各工程で回転ツールの交換を行う必要が無いため作業効率を高めることができる。

［第三実施形態］
次に、本発明の第三実施形態に係る摩擦攪拌接合方法について図９〜図１３を参照して説明する。本実施形態に係る摩擦攪拌接合方法では、厚さの異なる二つの金属板（第一金属部材と第二金属部材）を接合する。第一金属部材と第二金属部材は、とともに表面に凸部を有する。かかる摩擦攪拌接合方法では、突合せ工程と、仮接合工程と、本接合工程と、を行う。

突合せ工程は、図９に示すように、厚さの異なる第一金属部材２１０と第二金属部材２２０を突き合わせる工程である。第一金属部材２１０および第二金属部材２２０は、本実施形態ではアルミニウム合金製であるが、摩擦攪拌接合が可能な金属から適宜選択すればよい。

第一金属部材２１０は、直方体を呈する本体部２１１と、本体部２１１の上に形成され断面台形状を呈する凸部２１２とで構成されている。凸部２１２は、本体部２１１の中間に配置されている。凸部２１２の上部表面２１２ａは、本体部２１１の表面２１１ａ，２１１ｂよりも上方に位置している。凸部２１２の第一傾斜表面２１２ｂは、台形の斜辺部に相当する部分であって本体部２１１の表面２１１ａと凸部２１２の上部表面２１２ａとを連結している。また、凸部２１２の第二表面２１２ｃは、台形の斜辺部に相当する部分であって本体部２１１の表面２１１ｂと凸部２１２の上部表面２１２ａとを連結している。

第二金属部材２２０は、直方体を呈する本体部２２１と、本体部２２１の上に形成され断面台形状を呈する凸部２２２とで構成されている。凸部２２２は、本体部２２１の中間に配置されている。第二金属部材２２０の本体部２２１の厚さは、第一金属部材２１０の本体部２１１の厚さより薄い。凸部２２２の形状は、凸部２１２と同等である。凸部２２２の上部表面２２２ａは、本体部２２１の表面２２１ａ，２２１ｂよりも上方に位置している。凸部２２２の第一傾斜表面２２２ｂは、台形の斜辺部に相当する部分であって本体部２２１の表面２２１ａと凸部２２２の上部表面２２２ａとを連結している。また、凸部２２２の第二表面２２２ｃは、台形の斜辺部に相当する部分であって本体部２２１の表面２２１ｂと凸部２２２の上部表面２２２ａとを連結している。

突合せ工程では、第一金属部材２１０の端面２１０ａと第二金属部材２２０の端面２２０ａとを突き合わせる。このとき、第一金属部材２１０の裏面（下面）２１０ｃと第二金属部材２２０の裏面（下面）２２０ｃとを面一とするので、第一金属部材２１０の本体部２１１の各表面（上面）２１１ａ，２１１ｂが、第二金属部材２２０の本体部２２１の各表面（上面）２２１ａ，２２１ｂより上方に位置している。また、第一金属部材２１０の凸部２１２の各表面（上面）２１２ａ，２１２ｂ，２１２ｃが、対応する第二金属部材２２０の凸部２２２の各表面（上面）２２２ａ，２２２ｂ，２２２ｃよりそれぞれ上方に位置している。

図１０に示すように、突合せ工程によって端面２１０ａ，２２０ａが面接触して突合せ部Ｊ２０１が形成される。突合せ部Ｊ２０１はその高さ位置が変化するように形成される。突合せ部Ｊ２０１の端部（第二金属部材２２０の厚さ方向上端部）には、第一金属部材２１０の端面２１０ａと第二金属部材２２０の各表面２２１ａ，２２２ｂ，２２２ａ，２２２ｃ，２２１ｂとで内隅Ｃ２０１が形成される。内隅Ｃ２０１は、摩擦攪拌の始点（挿入位置）の高さ（標高）を基準高さとすると、始点から終点に至るまでに基準高さと高さの異なる区間が存在している。本実施形態では、内隅Ｃ２０１は、第一平部Ｃａと、第一傾斜部Ｃｂと、第二平部Ｃｃと、第二傾斜部Ｃｄと、第三平部Ｃｅとで構成されている。挿入位置は、第一平部Ｃａにある。

仮接合工程では、図１１に示すように、回転ツールＦ（仮接合用回転ツール）の攪拌ピンＦ２のみを突合せ部Ｊ２０１の内隅Ｃ２０１に接触させてスポット仮付けを行う。仮接合工程では、所定の間隔をあけて回転させた攪拌ピンＦ２のみを内隅Ｃ２０１の各部に浅く押し込んでいく。攪拌ピンＦ２の押し込み跡には塑性化領域Ｗ０が形成される。このとき、攪拌ピンＦ２が第一金属部材２１０の端面２１０ａの上部に干渉しないように、回転ツールＦを傾斜させる。回転ツールＦは、連結部Ｆ１が第二金属部材２２０側になるように傾斜させる。

本接合工程は、図１２に示すように、回転ツールＦ（本接合用回転ツール）を用いて突合せ部Ｊ２０１の内隅Ｃ２０1に対して摩擦攪拌接合を行う工程である。本接合工程では、内隅Ｃ２０１の第一平部Ｃａの端部に回転した回転ツールＦの攪拌ピンＦ２を挿入し、内隅Ｃ２０１に沿って回転ツールＦを相対移動させる。回転ツールＦは、第二金属部材２２０側（表面が低い金属部材側）に傾斜させる。回転ツールＦの傾斜角度は、第一金属部材２１０の表面２１１ａと第二金属部材２２０の表面２２１ａとの段差の高さ寸法に応じて適宜設定される。また、回転ツールＦの回転中心軸は、本体部２２１の表面２２１ａ上における回転ツールＦの進行方向に対しては直交している。回転ツールＦは、この角度を維持しながら摩擦攪拌を行う。この本接合工程によって攪拌ピンＦ２の周囲が摩擦攪拌され第一金属部材２１０と第二金属部材２２０とが接合される。回転ツールＦの移動軌跡には、塑性化領域Ｗ２０１が形成される。

本実施形態に係る本接合工程では、突合せ部Ｊ２０１の内隅Ｃ２０１に対する攪拌ピンＦ２の挿入深さをほぼ一定に保ちつつ、攪拌ピンＦ２のみを第一金属部材２１０および第二金属部材２２０に接触させた状態で摩擦攪拌を行う。本実施形態に係る本接合工程では、第一金属部材２１０と第二金属部材２２０が固定された架台（図示省略）に対して回転ツールＦを上下動させることにより摩擦攪拌を行う。

これにより、第一平部Ｃａの塑性化領域Ｗ１の深さＺａ、第一傾斜部Ｃｂの塑性化領域Ｗ２０１の深さＺｂ（第一傾斜表面２２２ｂと直交する線上における塑性化領域Ｗ２０１の深さ）及び第二平部Ｃｃの塑性化領域Ｗ２０１の深さＺｃをほぼ同等にすることができる。攪拌ピンＦ２の「挿入深さ」とは、回転ツールＦの回転中心軸上における第二金属部材２２０の表面から攪拌ピンＦ２の先端までの距離を意味する。

なお、本実施形態に係る本接合工程では、架台（図示省略）に対して回転ツールＦを上下動させたが、回転ツールＦの高さ位置を固定して、架台を上下動させることにより摩擦攪拌を行ってもよい。また、第三実施形態で、第一実施形態と同様に内隅Ｃ２０１の両端にタブ材を設け、当該タブ材に本接合工程の開始位置及び終了位置を設定してもよい。

以上説明した本実施形態に係る摩擦攪拌接合方法によれば、攪拌ピンＦ２のみを第一金属部材２１０と第二金属部材２２０に接触させた状態で突合せ部Ｊ２０１の内隅Ｃ２０１のスポット仮付けを行うことにより、摩擦攪拌装置に作用する負荷を軽減することができる。また、従来のように突合せ部Ｊ２０１の全長に対して仮接合を行う場合に比べて工程時間を短くすることができる。本実施形態に係る仮接合工程は、突合せ部Ｊ２０１の全長が長い場合等においては特に有効である。さらに、本接合工程においても攪拌ピンＦ２のみを第一金属部材２１０と第二金属部材２２０に接触させた状態で摩擦攪拌接合を行うことにより、摩擦攪拌装置に作用する負荷を軽減した状態で、突合せ部Ｊ２０１の深い位置を接合することができる。

また、本実施形態では、仮接合工程を行う回転ツールＦ（仮接合用回転ツール）と、本接合工程を行う回転ツール（本接合用回転ツール）は同一の回転ツールを用いている。これにより、各工程で回転ツールの交換を行う必要が無いため作業効率を高めることができる。

また、本接合工程では、高さが変化する突合せ部Ｊ２０１の内隅Ｃ２０１に対する攪拌ピンＦ２の挿入深さをほぼ一定に保ちつつ摩擦攪拌を行っているため、接合部の接合強度をほぼ一定に保つことができる。

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、仮接合用回転ツール又は本接合用回転ツールに、ショルダ部及び攪拌ピンを備えた回転ツールを用いてもよい。また、仮接合工程と、本接合工程とで異なる回転ツールを用いてもよい。

図１３は、第三実施形態に係る摩擦攪拌接合方法の変形例の本接合工程を示す断面図である。図１３に示すように、変形例では、本接合工程を行う際に、回転ツールＦの回転軸を内隅線（内隅Ｃ２０１に沿って延在する線）に対して垂直に挿入しつつ摩擦攪拌を行う。変形例の本接合工程では、第一平部Ｃａ、第二平部Ｃｃ及び第三平部Ｃｅにおいては、第三実施形態と同様に、回転ツールＦを第二金属部材２２０側（表面が低い金属部材側）に傾斜させる。つまり、回転ツールＦを第二金属部材２２０側から見た側面視（図１３の状態）で、回転ツールＦを第二金属部材２２０の表面２２１ａに対して直立させる。

一方、第一傾斜部Ｃｂ及び第二傾斜部Ｃｄにおいては、回転ツールＦを第二金属部材２２０側（表面が低い金属部材側）に傾斜させるとともに、回転ツールＦを第二金属部材２２０側から見た側面視でも傾斜させる。具体的には、回転ツールＦを第二金属部材２２０側から見た側面視で、回転ツールＦを第二金属部材２２０の凸部２２２の各表面２２２ｂ，２２２ｃの傾斜面と第一金属部材２１０の端面とで構成される各内隅線に対してそれぞれ直立させる。以上の状態で、摩擦攪拌を行う。

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駆動手段を備えたロボットアームに回転ツールＦを取り付けて摩擦攪拌を行うことが好ましい。このような摩擦攪拌装置によれば、鉛直軸に対する回転ツールＦの回転中心軸の角度を容易に変更することができる。これにより、突合せ部Ｊ２０１の高さが変化する場合においても、摩擦攪拌中に鉛直軸に対する回転ツールＦの回転中心軸の角度を変更することで、各内隅線に対して回転ツールＦを常に垂直にした状態で連続して摩擦攪拌を行うことができる。

前記した変形例であっても、第三実施形態と略同等の効果を奏することができる。また、回転ツールＦを各内隅線に対して垂直に挿入することができるため、傾斜面であっても突合せ部Ｊ２０１の内隅Ｃ２０１の深い位置まで摩擦攪拌を行うことができる。なお、接合面が曲面である場合は、第二金属部材２２０側から見て、各内隅線に対する垂直面と回転ツールＦの回転中心軸とを重ね合わせつつ摩擦攪拌を行えばよい。

１ 第一金属部材
１ａ 端面
１ｂ 表面
１ｃ 裏面
１ｄ 側面
２ 第二金属部材
２ａ 端面
２ｂ 表面
２ｃ 裏面
２ｄ 側面
Ｃ１ 内隅
Ｃ２ 内隅
Ｆ 回転ツール（仮接合用回転ツール、本接合用回転ツール）
Ｆ２ 攪拌ピン
Ｊ１ 突合せ部
Ｋ１０１ 重合部
Ｔ タブ材
Ｗ０ 塑性化領域
Ｗ１ 塑性化領域

Claims (4)

1. 攪拌ピンを備えた回転ツールを用いて板状の第一金属部材と第二金属部材とを接合する摩擦攪拌接合方法であって、
   前記第一金属部材の端面と前記第二金属部材の端面とを突き合わせて突合せ部を形成するとともに、前記第一金属部材の端面と前記第二金属部材の表面とで前記突合せ部の端部に位置する内隅を形成する突合せ工程と、
   前記内隅に仮接合用回転ツールの攪拌ピンのみを挿入してスポットで摩擦攪拌接合を行う仮接合工程と、
   仮接合された前記内隅に本接合用回転ツールの攪拌ピンのみを挿入して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。
2. 攪拌ピンを備えた回転ツールを用いて板状の第一金属部材と第二金属部材とを接合する摩擦攪拌接合方法であって、
   前記第一金属部材の表面と前記第二金属部材の裏面とを重ね合わせて重合部を形成する重ね合せ工程と、
   前記第一金属部材の表面と前記第二金属部材の端面とで形成され、前記重合部の一端部に位置する表内隅に仮接合用回転ツールの攪拌ピンのみを挿入してスポットで摩擦攪拌接合を行う仮接合工程と、
   仮接合された前記表内隅に本接合用回転ツールの攪拌ピンのみを挿入して前記表内隅に沿って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。
3. 前記第一金属部材の端面と前記第二金属部材の裏面とで形成され、前記重合部の他端部に位置する裏内隅に仮接合用回転ツールの攪拌ピンのみを挿入してスポットで摩擦攪拌接合を行う第二の仮接合工程と、
   仮接合された前記裏内隅に本接合用回転ツールの攪拌ピンのみを挿入して前記裏内隅に沿って摩擦攪拌接合を行う第二の本接合工程と、をさらに含む
   ことを特徴とする請求項２に記載の摩擦攪拌接合方法。
4. 前記仮接合用回転ツール及び前記本接合用回転ツールは同一の回転ツールである
   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。

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