JP2018020364A - 接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】接合部の金属不足を防ぐことができる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を備えた接合用回転ツールＦを用いて第一金属部材１と第二金属部材１０とを接合する接合方法であって、少なくとも表面の高さが変化する第一金属部材１の表面に、少なくとも裏面の高さが変化する第二金属部材１０の裏面を重ね合せて高さが変化する重合部Ｊ１を形成する重合工程と、第二金属部材１０の表面に面接触するように補助部材２０を配置する配置工程と、回転する攪拌ピンＦ２を補助部材２０の表面側から挿入し、接合用回転ツールＦの攪拌ピンＦ２のみを第二金属部材１０及び補助部材２０、又は、第一金属部材１、第二金属部材１０及び補助部材２０に接触させた状態で接合用回転ツールＦを相対移動させて第一金属部材１、第二金属部材１０及び補助部材２０を接合する摩擦攪拌工程と、を含むことを特徴とする。【選択図】図３

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。

例えば、特許文献１には、第一金属部材と第二金属部材を重ね合わせて重合部を形成した後、第二金属部材の表面から回転ツールを挿入して重合部を摩擦攪拌接合する接合方法が記載されている。当該摩擦攪拌接合では、攪拌ピンのみを第二金属部材に接触させた状態で摩擦攪拌を行うというものである。

特開２０１５−１３９８００号公報

従来の接合方法であると、塑性流動化した金属を回転ツールのショルダ部で押さえないため、塑性流動化した金属が外部に溢れ出し接合部が金属不足になり、第二金属部材の表面に凹溝が形成されるという問題がある。

そこで、本発明は、接合部の金属不足を防ぐことができる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ために本発明は、攪拌ピンを備えた回転ツールを用いて第一金属部材と第二金属部材とを接合する接合方法であって、少なくとも表面の高さが変化する前記第一金属部材の表面に、少なくとも裏面の高さが変化する前記第二金属部材の裏面を重ね合せて高さが変化する重合部を形成する重合工程と、前記第二金属部材の表面に面接触するように補助部材を配置する配置工程と、回転する前記攪拌ピンを前記補助部材の表面側から挿入し、前記回転ツールの前記攪拌ピンのみを前記第二金属部材及び前記補助部材、又は、前記第一金属部材、前記第二金属部材及び前記補助部材に接触させた状態で前記回転ツールを相対移動させて前記第一金属部材、前記第二金属部材及び前記補助部材を接合する摩擦攪拌工程と、を含むことを特徴とする。

かかる方法によれば、高さが変化する重合部が接合されるとともに、高さが変化する第一金属部材及び第二金属部材に加え、補助部材も同時に摩擦攪拌接合することにより、接合部の金属不足を防ぐことができる。これにより、第二金属部材の表面に凹溝ができるのを防ぐことができる。

また、バリが形成された前記補助部材を前記第二金属部材から除去する除去工程を含むことを特徴とする。

かかる方法によれば、バリを補助部材ごと除去することができる。

また、前記摩擦攪拌工程では、前記補助部材の中央部に前記攪拌ピンを挿入することを特徴とする。

かかる方法によれば、金属不足をより確実に防ぐことができる。また、補助部材に回転ツールを容易に挿入することができる。

また、前記補助部材の端面を通り前記第一金属部材及び前記第二金属部材に直交する線を基準線とした場合、前記摩擦攪拌工程では、前記回転ツールの回転中心軸と前記基準線とが重なるように前記攪拌ピンを相対移動させるとともに、バリが前記補助部材に形成されるように接合条件を設定することを特徴とする。

かかる方法によれば、回転ツールに対して片側にのみ補助部材が残存するため、除去工程を容易に行うことができる。

また、前記補助部材の端面を通り前記第一金属部材及び前記第二金属部材に直交する線を基準線とした場合、前記摩擦攪拌工程では、前記摩擦攪拌工程を行った後に前記回転ツールの片側にのみ補助部材が残存する程度に前記回転ツールの回転中心軸を前記基準線よりもわずかに前記補助部材の中央側に偏移させて相対移動させるとともに、残存する前記補助部材にバリが形成されるように接合条件を設定することを特徴とする。

かかる方法によれば、回転ツールに対して方側にのみ補助部材が残存するため、除去工程を容易に行うことができる。また、回転ツールの回転中心軸が基準線よりも補助部材の中央側に偏移しているため接合部の金属不足をより確実に防ぐことができる。また、補助部材に回転ツールを容易に挿入することができる。

本発明に係る接合方法によれば、接合部の金属不足を防ぐことができる。

本発明の第一実施形態に係る接合方法の第一金属部材、第二金属部材及び補助部材を示す斜視図である。 第一実施形態に係る接合方法の重合工程及び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摩擦攪拌工程を示す斜視図である。 第一実施形態に係る接合方法の摩擦攪拌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摩擦攪拌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除去工程前を示す断面図である。 第一実施形態に係る接合方法の除去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除去工程後を示す断面図である。 第一実施形態に係る接合方法の摩擦攪拌工程（変形例）を示す断面図である。 本発明の第二実施形態の重合工程及び配置工程を示す断面図である。 第二実施形態に係る接合方法の摩擦攪拌工程を示す斜視図である。 第二実施形態に係る接合方法の摩擦攪拌工程を示す断面図である。 第二実施形態に係る接合方法の除去工程を示す断面図である。 本発明の第三実施形態の重合工程及び配置工程を示す断面図である。 第三実施形態に係る接合方法の摩擦攪拌工程を示す斜視図である。 第三実施形態に係る接合方法の摩擦攪拌工程を示す断面図である。 第三実施形態に係る接合方法の除去工程を示す断面図である。 他の実施形態に係る接合方法の摩擦攪拌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接合方法について図面を参照して詳細に説明する。本実施形態に係る接合方法では、重合工程と、配置工程と、摩擦攪拌工程と、除去工程と、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。

重合工程は、図１に示すように第一金属部材１と第二金属部材１０とを重ね合わせる工程である第一金属部材１及び第二金属部材１０は、金属製の板状部材である。第一金属部材１及び第二金属部材１０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。第一金属部材１の板厚は、第二金属部材１０の板厚よりも厚くなっている。

第一金属部材１は、直方体を呈する本体部２と、本体部２の上に形成され断面台形状を呈する凸部３とで構成されている。凸部３の表面３ａは、本体部２の表面２ａ，２ｂよりも上方に位置している。凸部３の第一表面３ｂは、傾斜しており本体部２の表面２ａと凸部３の表面３ａとを連結している。また、凸部３の第二表面３ｃは、傾斜しており本体部２の表面２ｂと凸部３の表面３ａとを連結している。

第二金属部材１０は、第一金属部材１よりも薄く、一定の板厚で形成された高さの異なる板状部材である。第二金属部材１０は、基部１１，１１と、中央部１２と、傾斜部１３，１４とで構成されている。中央部１２は、基部１１，１１の中央において、基部１１，１１よりも高い位置に形成されている。傾斜部１３は、一方の基部１１と中央部１２とを斜めに連結している。傾斜部１４は、他方の基部１１と中央部１２とを斜めに連結している。

重合工程では、図２に示すように、第一金属部材１の表面に、第二金属部材１０の裏面を重ね合わせて重合部Ｊ１を形成する。より詳しくは、本体部２の表面２ａ，２ｂと、基部１１，１１の裏面１１ｂ，１１ｂとを重ね合わせるとともに、凸部３の表面３ａと中央部１２の裏面１２ｂとを重ね合わせる。また、凸部３の第一表面３ｂと傾斜部１３の裏面１３ｂとを重ね合わせるとともに、凸部３の第二表面３ｃと傾斜部１４の裏面１４ｂとを重ね合わせる。

第一金属部材１と第二金属部材１０とはほぼ隙間なく重ね合わされる。重合部Ｊ１は、その高さ位置が変化するように形成される。つまり、重合部Ｊ１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、重合部Ｊ１は、第一平部Ｊａと、第一傾斜部Ｊｂと、第二平部Ｊｃと、第二傾斜部Ｊｄと、第三平部Ｊｅとで構成されている。

配置工程は、図１に示す第二金属部材１０に補助部材２０を配置する工程である。補助部材２０は金属製の板状部材である。補助部材２０は摩擦攪拌可能な金属であれば特に制限されないが、本実施形態では第一金属部材１及び第二金属部材１０と同じ材料になっている。補助部材２０の板厚は、後記する摩擦攪拌工程後の塑性化領域Ｗが金属不足にならないように適宜設定する。本実施形態では、補助部材２０の板厚は第二金属部材１０よりも薄く設定している。

補助部材２０は、一定の板厚で形成された高さの異なる板状部材である。補助部材２０は、基部２１，２１と、中央部２２と、傾斜部２３，２４とで構成されている。中央部２２は、基部２１，２１の中央において、基部２１，２１よりも高い位置に形成されている。傾斜部２３は、一方の基部２１と中央部２２とを斜めに連結している。傾斜部２４は、他方の基部２１と中央部２２とを斜めに連結している。また、基部２１，２１のそれぞれの端部の中央付近には、スリット２５，２５が設けられている。

配置工程では、図３に示すように、第二金属部材１０の表面の長手方向の中央部に沿って、補助部材２０の裏面を面接触させる。より詳しくは、図２に示すように、第二金属部材１０の基部１１，１１の表面１１ａ，１１ａと、補助部材２０の基部２１，２１の裏面２１ｂ，２１ｂとを重ね合わせるとともに、中央部１２の表面１２ａと中央部２２の裏面２２ｂとを重ね合わせる。また、傾斜部１３の第一表面１３ａと傾斜部２３の裏面２３ｂとを重ね合わせるとともに、傾斜部１４の第二表面１４ａと傾斜部２４の裏面２４ｂとを重ね合わせる。

また、第一金属部材１、第二金属部材１０及び補助部材２０を治具（図示省略）を用いて架台Ｔに移動不能に拘束する。なお、補助部材２０は本実施形態では高さの異なる板状としているが、他の形状であってもよい。

摩擦攪拌工程は、図３に示すように、接合用回転ツールＦを用いて第一金属部材１と第二金属部材１０との重合部Ｊ１を摩擦攪拌によって接合する工程である。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。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。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（図示省略）に連結される部位である。連結部Ｆ１は円柱状を呈している。

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が刻設されている。本実施形態では、接合用回転ツール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。言い換えると、螺旋溝は、螺旋溝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、接合用回転ツール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。言い換えると、この場合の螺旋溝は、螺旋溝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、第二金属部材１０及び補助部材２０）の外部に溢れ出る金属の量を少なくすることができる。

接合用回転ツールＦは、マシニングセンタ等の摩擦攪拌装置に取り付けてもよいが、例えば、先端にスピンドルユニット等の回転手段を備えたアームロボットに取り付けてもよい。アームロボットに接合用回転ツールＦを取り付けることにより接合用回転ツールＦの回転中心軸Ｆｃを容易に傾斜させることができる。

摩擦攪拌工程では、図３に示す補助部材２０の表面に設定した開始位置Ｓｐに、右回転させた接合用回転ツールＦの攪拌ピンＦ２を、図４に示すように重合部Ｊ１まで挿入する。この攪拌ピンＦ２の挿入深さは、本実施形態では、攪拌ピンＦ２が第一金属部材１に達するように設定している。また、接合用回転ツールＦの回転中心軸が、常に鉛直軸と平行となる状態で摩擦攪拌を行う。なお、攪拌ピンＦ２を第二金属部材１０及び補助部材２０のみに接触させた状態で重合部Ｊ１を摩擦攪拌するようにしてもよい。この場合は、攪拌ピンＦ２と第二金属部材１０及び補助部材２０との摩擦熱によって重合部Ｊ１が塑性流動化して接合される。接合用回転ツールＦの移動軌跡には、補助部材２０に塑性化領域Ｗが形成される。

つまり、摩擦攪拌工程では、図４に示すように、重合部Ｊ１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のみを補助部材２０、第一金属部材１及び第二金属部材１０に接触させた状態で摩擦攪拌を行う。本実施形態に係る摩擦攪拌工程では、補助部材２０、第一金属部材１及び第二金属部材１０が固定された架台（図示省略）に対して接合用回転ツールＦを、補助部材２０の上下に高さ（標高）が異なる表面を、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Ｊａの塑性化領域Ｗの深さＺａ、第一傾斜部Ｊｂの塑性化領域Ｗの深さＺｂ（傾斜部２３の表面２３ａと直交する線上における塑性化領域Ｗの深さ）及び第二平部Ｊｃの塑性化領域Ｗ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、接合用回転ツールＦの回転中心軸Ｆｃ上における補助部材２０の表面から攪拌ピンＦ２の先端までの距離を意味する。

上記の摩擦攪拌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１と第二金属部材１０とが接合される。この際、図５及び図６に示すように、補助部材２０の表面部にバリＶが形成される。なお、本実施形態では、接合用回転ツールＦを高速回転させているため、バリは後述するシアー側に比べてフロー側の方に多く発生する傾向にある。なお、攪拌ピンＦ２を第二金属部材１０及び補助部材２０のみに接触させて（第一金属部材１には達しないようにして）摩擦攪拌を行ってもよい。この場合は、攪拌ピンＦ２と第二金属部材１０及び補助部材２０との摩擦熱によって重合部Ｊ１が塑性流動化して接合される。

除去工程は、図７及び図８に示すように、補助部材２０を第二金属部材１０から除去する工程である。除去工程では、例えば手作業により、補助部材２０を第二金属部材１０から離間する方向に両側から折り曲げて第二金属部材１０から除去する。この際、補助部材２０のスリット２５，２５（図３参照）の一方を起点として端部をめくり上げつつ、折り曲げるようにして除去する。

以上説明した本実施形態に係る接合方法によれば、第一金属部材１と第二金属部材１０１とが接合されるとともに、第一金属部材１及び第二金属部材１０に加え、補助部材２０も同時に摩擦攪拌接合されることにより、接合部（塑性化領域Ｗ）の金属不足を防ぐことができる。これにより、第二金属部材１０の表面に凹溝が形成されるのを防ぐことができる。

また、補助部材２０の中央部から攪拌ピンＦ２を挿入することにより、接合部の金属不足をより確実に防ぐことができるとともに、金属をバランスよく補充することができる。また、補助部材２０の中央部から攪拌ピンＦ２を挿入することにより、攪拌ピンＦ２を補助部材２０に容易に挿入することができる。

また、本実施形態によれば、摩擦攪拌工程によって分断された補助部材２０，２０にそれぞれバリＶ，Ｖが形成されるが、除去工程において補助部材２０，２０ごと取り除くことができる。これにより、バリを除去する作業を容易に行うことができる。補助部材２０は除去装置等を用いて除去してもよいが、本実施形態では手作業で補助部材２０を容易に取り除くことができる。

ここで、本実施形態に係る接合方法では、補助部材２０を第一金属部材１及び第二金属部材１０よりも薄く設定しているため、従来のように回転ツールのショルダ部を金属部材に押し込みながら摩擦攪拌を行うと、ショルダ部と補助部材２０との接触により補助部材２０が外部に飛ばされてしまい接合部の金属不足を補うことができない。しかし、本実施形態では、接合用回転ツールＦの攪拌ピンＦ２のみを第一金属部材１、第二金属部材１０及び補助部材２０に接触させつつ摩擦攪拌を行うため、補助部材２０が外部に飛ばされることなく接合部の金属不足を補うことができる。また、本実施形態によれば、回転ツールのショルダ部を接触させる場合に比べて摩擦攪拌装置に作用する負荷を低減した状態で、深い位置にある重合部Ｊ１を接合することができる。

［変形例］
図９は、第一実施形態に係る接合方法の変形例の摩擦攪拌工程を示す断面図である。図９に示すように、変形例では、摩擦攪拌工程を行う際に、接合用回転ツールＦを接合面に対して垂直に挿入しつつ摩擦攪拌を行う。変形例の摩擦攪拌工程では、第一平部Ｊａ、第二平部Ｊｃ及び第三平部Ｊｅにおいては、第一実施形態と同様に接合用回転ツールＦの回転中心軸Ｆｃを鉛直軸と平行にした状態で摩擦攪拌を行う。一方、第一傾斜部Ｊｂ及び第二傾斜部Ｊｄにおいては、接合用回転ツールＦを鉛直軸に対して傾斜させて、第一傾斜部Ｊｂ及び第二傾斜部Ｊｄの接合面に対して接合用回転ツールＦの回転中心軸Ｆｃを垂直にした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好ましい。このような摩擦攪拌装置によれば、接合用回転ツールＦの回転中心軸Ｆｃの角度を容易に変更することができる。これにより、重合部Ｊ１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接合用回転ツールＦの回転中心軸Ｆｃの角度を変更することで、接合面に対して接合用回転ツール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、第一実施形態と略同等の効果を奏することができる。また、接合用回転ツールＦを各接合面に対して垂直に挿入することができるため、傾斜面であっても重合部Ｊ１の深い位置まで摩擦攪拌を行うことができる。

［第二実施形態］
次に、第二実施形態に係る接合方法について説明する。第二実施形態に係る接合方法は、図１０に示す補助部材２０Ａの端面２０ａから接合用回転ツールＦを挿入する点で第一実施形態と相違する。また、補助部材２０Ａには、スリット２５，２５が形成されていない点が相違する。第二実施形態に係る接合方法では、第一実施形態と相違する部分を中心に説明する。

本実施形態に係る接合方法は、重合工程と、配置工程と、摩擦攪拌工程と、除去工程とを行う。重合工程は、第一実施形態と同じであるため説明を省略する。配置工程では、図１０及び図１１に示すように、第一実施形態と同じ要領で第二金属部材１０の表面に補助部材２０Ａを配置する。第二実施形態の補助部材２０Ａは、第一実施形態の補助部材２０の半分程度の幅になっている。

摩擦攪拌工程は、図１１及び図１２に示すように、接合用回転ツールＦを用いて第一金属部材１と第二金属部材１０との重合部Ｊ１を摩擦攪拌によって接合する工程である。本実施形態では、接合用回転ツールＦを左回転させるため、攪拌ピンＦ２の螺旋溝は、基端から先端に向かうにつれて右回りに形成されている。言い換えると、螺旋溝は、螺旋溝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。

摩擦攪拌工程では、左回転させた攪拌ピンＦ２のみを挿入し、被接合金属部材と連結部Ｆ１とは離間させつつ相対移動させる。言い換えると、攪拌ピンＦ２の基端部は露出させた状態で摩擦攪拌接合を行う。ここで、図１０に示すように、補助部材２０Ａの端面２０ａを通り第一金属部材１及び第二金属部材１０に直交する線を基準線Ｚとする。摩擦攪拌工程では、図１１に示すように、接合用回転ツールＦの回転中心軸Ｆｃを基準線Ｚに重ねた状態で、かつ、第一金属部材１、第二金属部材１０及び補助部材２０Ａと攪拌ピンＦ２とを接触させた状態で接合用回転ツールＦを相対移動させる。

本実施形態では、接合用回転ツールＦのシアー側（advancing side：回転ツールの外周における接線速度に回転ツールの移動速度が加算される側）が進行方向右側となるように、接合用回転ツールＦの移動方向と回転方向を設定している。接合用回転ツールＦの回転方向及び進行方向は前記したものに限定されるものではなく適宜設定すればよい。

例えば、接合用回転ツールＦの回転速度が遅い場合では、塑性化領域Ｗのフロー側（retreating side：回転ツールの外周における接線速度から回転ツールの移動速度が減算される側）に比べてシアー側の方が塑性流動材の温度が上昇しやすくなるため、塑性化領域Ｗ外のシアー側にバリＶが多く発生する傾向にある。一方、例えば、接合用回転ツールＦの回転速度が速い場合、シアー側の方が塑性流動材の温度が上昇するものの、回転速度が速い分、塑性化領域Ｗ外のフロー側にバリＶが多く発生する傾向にある。

本実施形態では、接合用回転ツールＦの回転速度を速く設定しているため、図１２に示すように、塑性化領域Ｗ外のフロー側にバリＶが多く発生する傾向にある。また、接合用回転ツールＦの回転速度を速く設定することにより、接合用回転ツールＦの移動速度（送り速度）を高めることができる。これにより、接合サイクルを短くすることができる。

摩擦攪拌工程の際に、接合用回転ツールＦの進行方向のどちら側にバリＶが多く発生するかは接合条件によって異なる。当該接合条件とは、接合用回転ツールＦの回転速度、回転方向、移動速度（送り速度）、攪拌ピンＦ２の傾斜角度（テーパー角度）、第一金属部材１、第二金属部材１０及び補助部材２０Ａの材質、厚さ等の各要素とこれらの要素の組み合わせで決定される。摩擦攪拌工程では、バリＶが補助部材２０Ａに形成されるように接合条件を設定することが好ましい。

攪拌ピンＦ２の挿入深さは、本実施形態では、攪拌ピンＦ２が第一金属部材１に達するように設定している。なお、攪拌ピンＦ２を第二金属部材１０及び補助部材２０Ａのみに接触させた状態で重合部Ｊ１を摩擦攪拌するようにしてもよい。この場合は、攪拌ピンＦ２と第二金属部材１０及び補助部材２０Ａとの摩擦熱によって重合部Ｊ１が塑性流動化して接合される。接合用回転ツールＦの移動軌跡には塑性化領域Ｗが形成される。

除去工程は、図１３に示すように、補助部材２０Ａを第二金属部材１０から除去する工程である。除去工程では、例えば手作業により、補助部材２０Ａを矢印で示すように第二金属部材１０から離間する方向に折り曲げて第二金属部材１０から除去する。これにより、第一金属部材１及び第二金属部材１０が板厚方向に接合される。

以上説明した本実施形態に係る接合方法によれば、第一金属部材１と第二金属部材１０とが接合されるとともに、第一金属部材１及び第二金属部材１０に加え、補助部材２０Ａも同時に摩擦攪拌接合されることにより、接合部（塑性化領域Ｗ）の金属不足を防ぐことができる。これにより、第二金属部材１０の表面に凹溝が形成されるのを防ぐことができる。

また、本実施形態によれば、摩擦攪拌工程によって補助部材２０ＡにバリＶが形成されるが、除去工程において補助部材２０Ａごと取り除くことができる。これにより、バリＶを除去する作業を容易に行うことができる。補助部材２０Ａは除去装置等を用いて除去してもよいが、本実施形態では矢印で示す方向に、手作業で容易に補助部材２０Ａを取り除くことができる。

［第三実施形態］
次に、本発明の第三実施形態に係る接合方法について説明する。図１４〜図１７に示すように、第三実施形態に係る接合方法では、攪拌ピンＦ２の挿入位置が第二実施形態と主に相違する。第三実施形態に係る接合方法では、第二実施形態と相違する点を中心に説明する。第三実施形態に係る接合方法は、重合工程と、配置工程と、摩擦攪拌工程と、除去工程とを行う。

重合工程は、第二実施形態と同じであるため説明を省略する。図１４に示すように、配置工程では、第一実施形態と同じ要領で第二金属部材１０の表面に補助部材２０Ｂを配置する。補助部材２０Ｂは、第一実施形態の補助部材２０の半分程度の幅になっている。

摩擦攪拌工程は、図１５に示すように、接合用回転ツールＦを用いて第一金属部材１と第二金属部材１０との重合部Ｊ１を摩擦攪拌によって接合する工程である。本実施形態では、接合用回転ツールＦを右回転させるため、攪拌ピンＦ２の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。

摩擦攪拌工程では、図１４に示すように、接合用回転ツールＦの回転中心軸Ｆｃを、補助部材２０Ｂの端面２０ａを通る基準線Ｚよりもわずかに補助部材２０Ｂの中央側となるように位置させつつ、重合部Ｊ１に右回転させた攪拌ピンＦ２のみを挿入し、被接合金属部材と連結部Ｆ１とは離間させつつ相対移動させる。本実施形態では、図１５に示すように、接合用回転ツールＦの進行方向右側に補助部材２０Ｂが位置するように接合用回転ツールＦの進行方向を設定し、高速回転させる。これにより、本実施形態では、図１６に示すように、補助部材２０Ｂ側がフロー側となり、補助部材２０ＢにバリＶが発生する。本実施形態における接合用回転ツールＦの挿入位置（接合用回転ツールＦの回転中心軸Ｆｃと基準線Ｚとの距離）は、摩擦攪拌工程を行った後に接合用回転ツールＦの片側にのみ補助部材２０Ｂが残存する程度に適宜調節する。

除去工程は、図１７に示すように、補助部材２０Ｂを第二金属部材１０から除去する工程である。除去工程では、例えば手作業により、補助部材２０Ｂを第二金属部材１０から離間する方向（矢印方向）に折り曲げて第二金属部材１０から除去する。

以上説明した本実施形態に係る接合方法によれば、第一金属部材１と第二金属部材１０とが接合されるとともに、第一金属部材１及び第二金属部材１０に加え、補助部材２０Ｂも同時に摩擦攪拌接合されることにより、接合部（塑性化領域Ｗ）の金属不足を防ぐことができる。

また、本実施形態の接合条件によれば、接合用回転ツールＦの回転速度を速く設定しているため、フロー側にバリＶが多く発生する傾向にある。つまり、本実施形態ではバリＶが補助部材２０Ｂに多く形成されるように接合用回転ツールＦの回転方向及び進行方向等（接合条件）を設定している。これにより、補助部材２０Ｂに形成されたバリＶは、補助部材２０Ｂごと除去されるため、バリ除去工程をより容易に行うことができる。補助部材２０Ｂは除去装置等を用いてもよいが、本実施形態では手作業で容易に補助部材２０Ｂを取り除くことができる。

ここで、前記した第一実施形態の除去工程では、塑性化領域Ｗの中央を挟んで両側にある補助部材２０，２０除去する必要がある。しかし、本実施形態では摩擦攪拌工程後に一方側（接合用回転ツールＦの進行方向左側）に補助部材２０Ｂが残存しないように攪拌ピンＦ２の挿入位置を調節しているため、除去工程では他方側に残存する補助部材２０Ｂを除去するだけでよい。これにより除去工程の作業手間を少なくすることができる。また、回転中心軸Ｆｃが、基準線Ｚよりもわずかに補助部材２０Ｂの中央側に偏移しているため、接合部の金属不足をバランス良く、かつ、より確実に防ぐことができる。また、回転中心軸Ｆｃが、基準線Ｚよりもわずかに補助部材２０Ｂの中央側に偏移しているため、攪拌ピンＦ２を補助部材２０Ｂに容易に挿入することができる。

［他の実施形態］
次に、本発明の他の実施形態について説明する。他の実施形態に係る接合方法では、重合工程と、摩擦攪拌工程と、除去工程とを行う。他の実施形態では、金属部材同士が上下に湾曲している点で第一実施形態〜第三実施形態と相違する。

図１８に示すように、重合工程では、第一金属部材３０と、第二金属部材４０とを重ね合わせる。第一金属部材３０及び第二金属部材４０は、摩擦攪拌可能な金属で形成されるとともに、第一金属部材３０の表面３０ａと、板状の第二金属部材４０の表面４０ａ及び裏面４０ｂとが、同等の曲率半径で湾曲形成されている。第一金属部材３０の表面３０ａと、第二金属部材４０の裏面４０ｂとを重ね合わせることにより、重合部Ｊ２が形成される。

配置工程では、第二金属部材４０と同形状に湾曲した板状の補助部材５０の裏面５０ｂを、第二金属部材４０の表面４０ａに面接触させる。なお、第一金属部材３０、第二金属部材４０及び補助部材５０は、治具（図示省略）を用いて架台Ｔに移動不能に拘束される。

摩擦攪拌工程は、接合用回転ツールＦを用いて重合部Ｊ２を摩擦攪拌接合する工程である。摩擦攪拌工程では、接合用回転ツールＦの攪拌ピンＦ２を補助部材５０の表面５０ａから第二金属部材４０を介して第一金属部材３０まで挿入し、重合部Ｊ２に沿って接合用回転ツールＦを相対移動させる。摩擦攪拌工程では、接合用回転ツールＦの回転中心軸Ｆｃが補助部材５０及び第二金属部材４０の法線と重なるように、接合用回転ツールＦの傾斜角度を漸次変更する。また、摩擦攪拌工程では、塑性化領域Ｗ１が一定になるように攪拌ピンＦ２の挿入深さを設定する。除去工程は、第一実施形態と同等であるため説明を省略する。

以上説明した他の実施形態に係る接合方法のように、重合部Ｊ２が上下方向に湾曲して高さが変化する場合であっても、第一実施形態〜第三実施形態と略同等の効果を奏することができる。

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、本実施形態では除去工程を行ったが、補助部材を除去せずに、第二金属部材にそのまま存置してもよい。

１，３０ 第一金属部材
１０，４０ 第二金属部材
２０，５０ 補助部材
Ｆ 接合用回転ツール（回転ツール）
Ｆ１ 連結部
Ｆ２ 攪拌ピン
Ｆｃ 回転中心軸
Ｊ１，Ｊ２ 重合部
Ｖ バリ
Ｗ 塑性化領域
Ｚ 基準線

Claims (5)

1. 攪拌ピンを備えた回転ツールを用いて第一金属部材と第二金属部材とを接合する接合方法であって、
   少なくとも表面の高さが変化する前記第一金属部材の表面に、少なくとも裏面の高さが変化する前記第二金属部材の裏面を重ね合せて高さが変化する重合部を形成する重合工程と、
   前記第二金属部材の表面に面接触するように補助部材を配置する配置工程と、
   回転する前記攪拌ピンを前記補助部材の表面側から挿入し、前記回転ツールの前記攪拌ピンのみを前記第二金属部材及び前記補助部材、又は、前記第一金属部材、前記第二金属部材及び前記補助部材に接触させた状態で前記回転ツールを相対移動させて前記第一金属部材、前記第二金属部材及び前記補助部材を接合する摩擦攪拌工程と、を含むことを特徴とする接合方法。
2. バリが形成された前記補助部材を前記第二金属部材から除去する除去工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の接合方法。
3. 前記摩擦攪拌工程では、前記補助部材の中央部に前記攪拌ピンを挿入することを特徴とする請求項２に記載の接合方法。
4. 前記補助部材の端面を通り前記第一金属部材及び前記第二金属部材に直交する線を基準線とした場合、
   前記摩擦攪拌工程では、前記回転ツールの回転中心軸と前記基準線とが重なるように前記攪拌ピンを相対移動させるとともに、バリが前記補助部材に形成されるように接合条件を設定することを特徴とする請求項２に記載の接合方法。
5. 前記補助部材の端面を通り前記第一金属部材及び前記第二金属部材に直交する線を基準線とした場合、
   前記摩擦攪拌工程では、前記摩擦攪拌工程を行った後に前記回転ツールの片側にのみ補助部材が残存する程度に前記回転ツールの回転中心軸を前記基準線よりもわずかに前記補助部材の中央側に偏移させて相対移動させるとともに、残存する前記補助部材にバリが形成されるように接合条件を設定することを特徴とする請求項２に記載の接合方法。

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