JP2018094568A

JP2018094568A - 接合方法

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Publication number: JP2018094568A
Application number: JP2016239168A
Authority: JP
Inventors: 伸城瀬尾; Nobushiro Seo; 堀　久司; Hisashi Hori; 久司堀
Original assignee: Nippon Light Metal Co Ltd
Current assignee: Nippon Light Metal Co Ltd
Priority date: 2016-12-09
Filing date: 2016-12-09
Publication date: 2018-06-21
Anticipated expiration: 2036-12-09
Also published as: JP6699530B2

Abstract

【課題】筒状部材と蓋部材とを確実に接合することができる接合方法を提供する。【解決手段】筒状部材２の外周面と蓋部材３の外周面とが面一になるように筒状部材２と蓋部材３とを突き合わせて突合せ部Ｊ１を形成する突合せ工程と、突合せ部Ｊ１に対して筒状部材２の外側から摩擦攪拌を行う外側摩擦攪拌工程と、筒状部材２と蓋部材３とで構成される内隅部において、筒状部材２または蓋部材３に面接触するように板状の補助部材１０を配置する配置工程と、回転ツールＦの攪拌ピンＦ２のみを筒状部材２、蓋部材３及び補助部材１０に接触させた状態で回転ツールＦを内隅部に沿って相対移動させて、筒状部材２の内側から摩擦攪拌を行う内側摩擦攪拌工程と、を含むことを特徴とする。【選択図】図５

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。なお、回転ツールは、円柱状を呈するショルダ部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、特許文献１には、金属製の筒状部材と、筒状部材の開口部を覆う蓋部材とを摩擦攪拌で接合する技術が開示されている。当該技術では、筒状部材と蓋部材とで構成される内隅部を溶接で接合している。

国際公開第２００９／０８１７３１Ａ１号パンフレット

筒状部材と蓋部材とで構成される内隅部の接合作業は、作業スペースが限られるため困難となる。特に、当該内隅部に摩擦攪拌接合を行う場合、従来の回転ツールであるとショルダ部が筒状部材及び蓋部材に接触するため、攪拌ピンを深い位置まで挿入することができないという問題がある。また、塑性流動化した金属をショルダ部で押さえることができなくなるため、金属が外部に溢れ出して金属不足となり接合不良となるおそれがある。

このような観点から、本発明は、筒状部材と蓋部材とを確実に接合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。

このような課題を解決するために第一の本発明は、金属製の筒状部材と当該筒状部材の開口部を覆う金属製の蓋部材とを接合する接合方法であって、前記筒状部材の外周面と前記蓋部材の外周面とが面一になるように前記筒状部材と前記蓋部材とを突き合わせて突合せ部を形成する突合せ工程と、前記突合せ部に対して前記筒状部材の外側から摩擦攪拌を行う外側摩擦攪拌工程と、前記筒状部材と前記蓋部材とで構成される内隅部において、前記筒状部材または前記蓋部材に面接触するように板状の補助部材を配置する配置工程と、回転ツールの攪拌ピンのみを前記筒状部材、前記蓋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前記内隅部に沿って相対移動させて、前記筒状部材の内側から摩擦攪拌を行う内側摩擦攪拌工程と、を含むことを特徴とする。

かかる接合方法によれば、突合せ部に対して攪拌ピンのみを挿入して筒状部材の内側から摩擦攪拌を行っても、内隅部に補助部材が配置されているので金属不足を解消することができる。これにより、筒状部材と蓋部材との内隅部を確実に接合することができる。

本発明では、前記外側摩擦攪拌工程および前記内側摩擦攪拌工程の前に、前記攪拌ピンのみを前記筒状部材の外側から前記筒状部材および前記蓋部材に接触させた状態で前記突合せ部に対してスポット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、外側摩擦攪拌工程および内側摩擦攪拌工程の際の突合せ部の目開きを防ぐことができる。さらに、摩擦攪拌接合による熱歪みを抑えられるとともに、仮接合の加工時間を短縮することができる。

また、前記外側摩擦攪拌工程および前記内側摩擦攪拌工程の前に、ＴＩＧ，ＭＩＧまたはレーザー溶接によって前記突合せ部に対してスポット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っても、外側摩擦攪拌工程の際の突合せ部の目開きを防ぐことができる。さらに、摩擦攪拌接合による熱歪みを抑えられるとともに、仮接合の加工時間を短縮することができる。

さらに、摩擦攪拌接合によってバリが形成された前記補助部材を前記前記筒状部材または前記蓋部材から除去する除去工程を、さらに含むことが好ましい。また、前記内側摩擦攪拌工程では、摩擦攪拌接合によって発生する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が好ましい。かかる接合方法によれば、バリを補助部材ごと容易に除去することができる。

前記課題を解決するために第二の本発明は、金属製の筒状部材と当該筒状部材の開口部を覆う金属製の蓋部材とを接合する接合方法であって、前記筒状部材の外周面と前記蓋部材の外周面とが面一になるように前記筒状部材と前記蓋部材とを突き合わせて突合せ部を形成する突合せ工程と、前記突合せ部に対して前記筒状部材の外側から摩擦攪拌を行う外側摩擦攪拌工程と、前記筒状部材と前記蓋部材とで構成される内隅部において、前記筒状部材および前記蓋部材に面接触するように断面Ｌ字状の補助部材を配置する配置工程と、回転ツールの攪拌ピンのみを前記筒状部材、前記蓋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前記内隅部に沿って相対移動させて、前記筒状部材の内側から摩擦攪拌を行う内側摩擦攪拌工程と、を含むことを特徴とする。

本発明では、前記外側摩擦攪拌工程および前記内側摩擦攪拌工程の前に、前記攪拌ピンのみを前記筒状部材の外側から前記筒状部材および前記蓋部材に接触させた状態で前記突合せ部に対してスポット仮接合を行う仮接合工程を含むことが好ましい。また、前記外側摩擦攪拌工程および前記内側摩擦攪拌工程の前に、ＴＩＧ，ＭＩＧまたはレーザー溶接によって前記突合せ部に対してスポット仮接合を行う仮接合工程を含むようにしてもよい。かかる接合方法によれば、外側摩擦攪拌工程および内側摩擦攪拌工程の際の突合せ部の目開きを防ぐことができる。さらに、摩擦攪拌接合による熱歪みを抑えられるとともに、仮接合の加工時間を短縮することができる。

また、前記内側摩擦攪拌工程での摩擦攪拌接合によって分断されるとともにバリが形成された前記補助部材を前記前記筒状部材および前記蓋部材から除去する除去工程を、さらに含むことが好ましい。かかる接合方法によれば、バリを補助部材ごと容易に除去することができる。

本発明に係る接合方法によれば、筒状部材と蓋部材とを確実に接合することができる。

（ａ）は本実施形態の接合用回転ツールを示した側面図であり、（ｂ）は接合用回転ツールの接合形態を示した模式断面図である。（ａ）は第一実施形態に係る構造体を示す分解斜視図であり、（ｂ）は第一実施形態に係る仮接合工程を示す斜視図である。（ａ）は第一実施形態に係る外側摩擦攪拌工程を示す斜視図であり、（ｂ）は第一実施形態に係る外側摩擦攪拌工程を示す断面図である。第一実施形態に係る配置工程を示す斜視図である。（ａ）は第一実施形態に係る内側摩擦攪拌工程を示す斜視図であり、（ｂ）は第一実施形態に係る内側摩擦攪拌工程を示す断面図である。（ａ）は第二実施形態に係る構造体を示す分解斜視図であり、（ｂ）は第二実施形態に係る仮接合工程を示す斜視図である。（ａ）は第二実施形態に係る外側摩擦攪拌工程を示す斜視図であり、（ｂ）は第二実施形態に係る外側摩擦攪拌工程を示す断面図である。（ａ）は第二実施形態に係る配置工程を示す斜視図であり、（ｂ）は第二実施形態に係る配置工程を示す断面図である。（ａ）は第二実施形態に係る内側摩擦攪拌工程を示す斜視図であり、（ｂ）は第二実施形態に係る内側摩擦攪拌工程を示す断面図である。（ａ）は第三実施形態に係る溶接工程を示す断面図であり、（ｂ）は第三実施形態に係る外側摩擦攪拌工程及び内側摩擦攪拌工程を示す断面図である。（ａ）は第四実施形態に係る配置工程を示す断面図であり、（ｂ）は第四実施形態に係る外側摩擦攪拌工程及び内側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。まずは、本実施形態で用いる接合用回転ツールについて説明する。

図１の（ａ）に示すように、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、例えば工具鋼で形成されている。連結部Ｆ１は、図１の（ｂ）に示す摩擦攪拌装置の回転軸Ｄ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の長さは、後記する筒状部材２及び蓋部材３の板厚よりも大きくなっている。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、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、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、構造体（後記する筒状部材２及び蓋部材３）の外部に溢れ出る金属の量を少なくすることができる。

図１の（ｂ）に示すように、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、構造体に回転した攪拌ピンＦ２のみを挿入し、構造体と連結部Ｆ１とは離間させつつ移動させる。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。接合用回転ツールＦの移動軌跡には摩擦攪拌された金属が硬化することにより塑性化領域Ｗ１（又は塑性化領域Ｗ２）が形成される。

次に、本実施形態の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、図２の（ａ）に示すように、筒状部材２と蓋部材３とを摩擦攪拌により接合して構造体１を形成する場合を例示する。

筒状部材２は、金属部材であって断面矩形枠状を呈する。筒状部材２の材料は、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適宜選択すればよい。筒状部材２は一定の板厚で形成されている。

蓋部材３は、金属部材であって矩形板状を呈する。蓋部材３は、筒状部材２の開口部を覆う部材である。蓋部材３の材料は、摩擦攪拌可能な金属材料から適宜選択されればよいが、本実施形態では筒状部材２と同等の材料を用いている。

本実施形態に係る接合方法では、突合せ工程と、仮接合工程と、外側摩擦攪拌工程と、配置工程と、内側摩擦攪拌工程と、除去工程とを行う。

突合せ工程は、筒状部材２の開口部を蓋部材３で覆い、筒状部材２と蓋部材３とを突き合わせる工程である。より詳しくは、突合せ工程では、筒状部材２の端面２ａと、蓋部材３の裏面３ｂとを突き合わせるとともに、筒状部材２の外周面２ｃと、蓋部材３の外周面３ｃとが面一になるように突き合わせる。突合せ工程によって、突合せ部Ｊ１（図２の（ｂ）参照）が形成される。

仮接合工程は、突合せ部Ｊ１を仮接合する工程である。図２の（ｂ）に示すように、仮接合工程では、接合用回転ツールＦまたは他の回転ツールを用いて突合せ部Ｊ１を仮接合する。回転させた接合用回転ツールＦの攪拌ピンＦ２のみを突合せ部Ｊ１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。本実施形態では、螺旋溝Ｆ３が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ので、接合用回転ツールＦを右回転させる。なお、螺旋溝Ｆ３が右回りに形成されている場合は、接合用回転ツールＦを左回転させることが好ましい。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。

外側摩擦攪拌工程は、突合せ部Ｊ１を筒状部材２の外側から本格的に摩擦攪拌接合する工程である。外側摩擦攪拌工程では、図３の（ａ）に示すように、突合せ部Ｊ１上の任意の開始位置ｓ１に回転させた接合用回転ツールＦを挿入する。接合用回転ツールＦの挿入深さは適宜設定すればよいが、本実施形態では筒状部材２の板厚の半分程度まで挿入している。接合用回転ツールＦの回転中心軸は、接合面（筒状部材２の外周面２ｃ及び蓋部材３の外周面３ｃ）に対して垂直となるように挿入する。そして、外側摩擦攪拌工程では、突合せ部Ｊ１をなぞるようにして相対移動させる。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。外側摩擦攪拌工程では、攪拌ピンＦ２のみを筒状部材２及び蓋部材３に接触させ、攪拌ピンＦ２の基端側は露出した状態で摩擦攪拌を行う。

接合用回転ツールＦを突合せ部Ｊ１に沿って一周させたら、開始位置ｓ１を通過させて塑性化領域Ｗ１の始端と終端とをオーバーラップさせた後、接合用回転ツールＦを筒状部材２及び蓋部材３から離脱させる。なお、接合用回転ツールＦを離脱させた後に、攪拌ピンＦ２の引抜痕が残存する場合は、当該引抜痕に肉盛溶接を行って補修する補修工程を行ってもよい。これにより、接合面をきれいに仕上げることができる。

また、接合用回転ツールＦの挿入深さを徐々に浅くしつつ接合用回転ツールＦを離脱させてもよい。これにより、攪拌ピンＦ２の引抜痕をなくすか、引抜痕を小さくすることができる。

仮接合工程、外側摩擦攪拌工程及び後記する内側摩擦攪拌工程では、例えば、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の先端に接合用回転ツールＦを装着して、摩擦攪拌を行うことができる。これにより、接合用回転ツールＦの回転中心軸の角度を容易に変更することができる。

配置工程は、筒状部材２と蓋部材３とで構成される内隅部に補助部材１０を配置する工程である。図４に示すように、補助部材１０は、長尺の平板形状を呈している。補助部材１０は、内隅部に沿って環状に配置される。補助部材１０は、蓋部材３の裏面３ｂに面接触するとともに、幅方向一方の辺が筒状部材２の内周面２ｂに接するように配置される。補助部材１０の材質は、摩擦攪拌可能な金属材料から適宜選択されればよいが、本実施形態では筒状部材２と同等の材料を用いている。補助部材１０の大きさ（幅や板厚等）は、後記する内側摩擦攪拌工程を行った際に、接合部が金属不足にならず、かつ、バリが過剰に残存しない程度に設定することが好ましい。なお、本実施形態では、内隅部の各辺毎に直線状の補助部材１０をそれぞれ設けているが、各辺の板材を一体化した補助部材としてもよい。

内側摩擦攪拌工程は、筒状部材２の内側から補助部材１０及び突合せ部Ｊ１に対して本格的に摩擦攪拌接合する工程である。内側摩擦攪拌工程では、図５の（ａ）に示すように、補助部材１０の筒状部材２側端部（内隅部側）の任意の開始位置ｓ２に回転させた接合用回転ツールＦを突合せ部Ｊ１に達する位置まで挿入する。内側摩擦攪拌工程では、図５の（ｂ）に示すように、接合用回転ツールＦの回転中心軸と蓋部材３の裏面３ｂとのなす角度が約４５°となるように挿入する。そして、当該角度を保った状態で、内隅部に沿って補助部材１０をなぞるようにして接合用回転ツールＦを相対移動させる。内側摩擦攪拌工程では、攪拌ピンＦ２のみを筒状部材２、蓋部材３及び補助部材１０に接触させ、攪拌ピンＦ２の基端側は露出した状態で摩擦攪拌を行う。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。塑性化領域Ｗ２の補助部材１０側には、バリＶが形成されている。

接合用回転ツールＦの挿入深さは、適宜設定すればよいが、本実施形態のように、塑性化領域Ｗ２と、外側摩擦攪拌工程で形成された塑性化領域Ｗ１とが重なるようにすることが好ましい。このようにすることで、突合せ部Ｊ１の深さ方向の全体を摩擦攪拌接合することができ、接合強度、水密性及び気密性を高めることができる。

接合用回転ツールＦを、突合せ部Ｊ１に沿って内隅部で一周させたら、開始位置ｓ２を通過させて塑性化領域Ｗ２の始端と終端とをオーバーラップさせた後、接合用回転ツールＦを筒状部材２及び蓋部材３から離脱させる。接合用回転ツールＦを離脱させる際には、外側摩擦攪拌工程と同じように、補修工程を行ってもよいし、接合用回転ツールＦの挿入深さを徐々に浅くするようにして離脱させてもよい。

なお、接合用回転ツールＦの回転中心軸と蓋部材３の裏面３ｂとのなす角度が４５°よりも小さくなるように接合用回転ツールＦの挿入角度を変更してもよい。このようにすることで、突合せ部Ｊ１のより深い位置まで塑性流動化することができる。内側摩擦攪拌工程が終了したら、外側摩擦攪拌工程及び内側摩擦攪拌工程で発生したバリ等を切除する。これにより、構造体１の表面をきれいに仕上げることができる。

本実施形態では、摩擦攪拌接合によって発生するバリＶが補助部材１０側に形成されるように、接合用回転ツールＦの回転方向、回転速度および進行方向を設定する。以下に、接合用回転ツールＦの回転方向・速度および進行方向と、バリＶの発生位置との関係を説明する。

接合用回転ツールＦの回転速度が遅い場合では、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（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）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、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。

つまり、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するとともに、接合用回転ツールＦを、右回転させつつ、図５の（ｂ）において紙面方向裏側に進行させる。これによって、補助部材１０側がフロー側となり、補助部材１０にバリＶを集約させることができる。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。

回転ツールの進行方向のどちら側にバリが発生するかは、接合条件によって異なる。この接合条件とは、回転ツールの回転速度、回転方向、進行方向、進行速度（送り速度）、攪拌ピンの傾斜角度（テーパー角度）、筒状部材２、蓋部材３および補助部材１０の材質、補助部材１０の厚さ等の各要素の組合せで決定される。つまり、回転ツールの速い回転速度と遅い回転速度の閾値は、他の要素によって決定される。

除去工程は、摩擦攪拌接合によって発生したバリを除去する工程である。除去工程では、残存する補助部材１０を折り曲げるようにして切除することで、補助部材１０ごとバリＶを除去する。除去工程は、切削装置等を用いてもよいが、本実施形態では手作業で行っている。

以上説明した本実施形態に係る接合方法によれば、筒状部材２の内側から筒状部材２及び蓋部材３に攪拌ピンＦ２のみを接触させた状態で摩擦攪拌を行っても、補助部材１０も同時に摩擦攪拌されるので金属不足を解消することができる。これにより、筒状部材２と蓋部材３との内隅部を確実に接合することができる。また、外側摩擦攪拌工程を先に行うため、内側摩擦攪拌工程を安定して行うことができる。

また、仮接合工程を行うことで、外側摩擦攪拌工程の際に突合せ部Ｊ１の目開きを防ぐことができる。さらに、スポット仮接合を行っているので、仮接合を突合せ部Ｊ１全体に行う場合と比較して摩擦攪拌接合による熱歪みを抑えられるとともに、仮接合の加工時間を短縮することができる。

さらに、本実施形態によれば、攪拌ピンＦ２のみを筒状部材２、蓋部材３及び補助部材１０に挿入するため、回転ツールのショルダ部を押し込む場合に比べて摩擦攪拌装置にかかる負荷を軽減することができるとともに、接合用回転ツールＦの操作性も良好となる。また、摩擦攪拌装置にかかる負荷を軽減することができるため、摩擦攪拌装置に大きな負荷がかからない状態で、突合せ部Ｊ１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、補助部材１０側にバリＶを形成させ、補助部材１０を除去することでバリＶを一体的に除去しているので、バリＶの除去を容易に行うことができる。さらに、本実施形態では、仮接合工程、外側摩擦攪拌工程および内側摩擦攪拌工程で、同一の接合用回転ツールＦを使用しているので、工程ごとに回転ツールを交換する必要がない。よって、作業手間を省くことができる。なお、場合によっては、別の回転ツールを利用するようにしてもよいのは勿論である。

なお、第一実施形態は前記した形態に限定されるものではない。例えば、図３に示す外側摩擦攪拌工程を行う際に、タブ材を配置するとともに、筒状部材２及び蓋部材３にタブ材を仮接合して、当該タブ材に接合用回転ツールＦの開始位置及び終了位置を設定してもよい。タブ材を用いることで、接合用回転ツールＦの開始位置及び終了位置を容易に設定することができる。また、接合用回転ツールＦの引抜痕の補修工程を行う必要がない。

また、本実施形態では補助部材１０は、蓋部材３に面接触しているがこれに限定されるものではない。補助部材は、筒状部材の内周面に面接触してもよい。この場合、長尺の平板形状の板材を、立てて筒状部材の内周面に沿って配置する。

さらに、本実施形態では筒状部材２を矩形筒状としたが、円筒状、楕円筒状又は他の多角筒状としてもよい。また、仮接合工程は、省略してもよい。さらに、筒状部材２及び蓋部材３の少なくともいずれかに段差を設けて突き合わせてもよい。

また、本実施形態では、攪拌ピンＦ２のみを筒状部材２および蓋部材３に接触させた状態で突合せ部Ｊ１に対してスポット仮接合を行ったがこれに限定されるものではない。たとえば、ＴＩＧ，ＭＩＧまたはレーザー溶接によってスポット仮接合を行ってもよい。

［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。第二実施形態に係る接合方法では、主に、筒状部材２Ａ及び蓋部材３Ａが円筒状である点、補助部材１１の形状が断面Ｌ字状であ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では、図６の（ａ）に示すように、筒状部材２Ａと蓋部材３Ａとを摩擦攪拌により接合して構造体１Ａを形成する。筒状部材２Ａは、円筒状を呈する。蓋部材３Ａは、円板状を呈する。蓋部材３Ａの外径は、筒状部材２Ａの外径と同等になっている。

本実施形態に係る接合方法では、突合せ工程と、仮接合工程と、外側摩擦攪拌工程と、補助部材配置工程と、内側摩擦攪拌工程と、除去工程とを行う。

突合せ工程は、筒状部材２Ａの開口部を蓋部材３Ａで覆い、筒状部材２Ａと蓋部材３Ａとを突き合わせる工程である。より詳しくは、突合せ工程では、筒状部材２Ａの端面２ａと、蓋部材３Ａの裏面３ｂとを突き合わせるとともに、筒状部材２Ａの外周面２ｃと、蓋部材３Ａの外周面３ｃとが面一になるように突き合わせる。突合せ工程によって、突合せ部Ｊ１（図６の（ｂ）参照）が形成される。

仮接合工程は、突合せ部Ｊ１を仮接合する工程である。図６の（ｂ）に示すように、仮接合工程では、接合用回転ツールＦまたは他の回転ツールを用いて突合せ部Ｊ１を仮接合する。回転させた接合用回転ツールＦの攪拌ピンＦ２のみを突合せ部Ｊ１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。本実施形態では、螺旋溝Ｆ３が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ので、接合用回転ツールＦを右回転させる。なお、螺旋溝Ｆ３が右回りに形成されている場合は、接合用回転ツールＦを左回転させることが好ましい。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。

外側摩擦攪拌工程は、突合せ部Ｊ１を筒状部材２Ａの外側から本格的に摩擦攪拌接合する工程である。外側摩擦攪拌工程では、図７の（ａ）に示すように、突合せ部Ｊ１の任意の開始位置ｓ１に回転させた接合用回転ツールＦを挿入する。接合用回転ツールＦの回転中心軸は、開始位置ｓ１の法線と重なるように挿入する。接合用回転ツールＦの挿入深さは適宜設定すればよいが、本実施形態では筒状部材２Ａの板厚の半分程度まで挿入している。そして、外側摩擦攪拌工程では、突合せ部Ｊ１をなぞるようにして接合用回転ツール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の位置は固定し、筒状部材２Ａ及び蓋部材３Ａを中心軸回りに回転させる。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。外側摩擦攪拌工程では、攪拌ピンＦ２のみを筒状部材２Ａ及び蓋部材３Ａに接触させ、攪拌ピンＦ２の基端側は露出した状態で摩擦攪拌を行う。

接合用回転ツールＦで突合せ部Ｊ１を一周させたら、開始位置ｓ１を通過させて塑性化領域Ｗ１の始端と終端とをオーバーラップさせた後、接合用回転ツールＦを筒状部材２Ａ及び蓋部材３Ａから離脱させる。接合用回転ツールＦを離脱させる際には、第一実施形態と同じように、補修工程を行ってもよいし、接合用回転ツールＦの挿入深さが徐々に浅くするようにして離脱させてもよい。

配置工程は、図８の（ａ）及び（ｂ）に示すように、筒状部材２Ａと蓋部材３Ａとの内隅部に補助部材１１を配置する工程である。補助部材１１は、断面Ｌ字形を呈するリング状部材である。補助部材１１は、円環状の底板部１１ａと円筒状の側板部１１ｂとを備えてなる、側板部１１ｂは、底板部１１ａの外周縁から立ち上がっている。補助部材１１の外径（側板部１１ｂの外周径）は、筒状部材２Ａの内径と同等になっている。補助部材１１の材料は、筒状部材２Ａ及び蓋部材３Ａと同じ材料であることが好ましい。

配置工程では、図８の（ｂ）に示すように、筒状部材２Ａと蓋部材３Ａとの内隅部に突合せ部Ｊ１を覆うように補助部材１１を配置する。より詳しくは、補助部材１１の側板部１１ｂの外周面を筒状部材２Ａの内周面２ｂに面接触させるとともに、補助部材１１の底板部１１ａを蓋部材３Ａの裏面３ｂに面接触させる。補助部材１１の大きさ（幅や板厚等）は、後記する内側摩擦攪拌工程を行った際に、接合部が金属不足にならず、かつ、バリが過剰に残存しない程度に設定することが好ましい。

内側摩擦攪拌工程は、筒状部材２Ａの内側から補助部材１１及び突合せ部Ｊ１に対して本格的に摩擦攪拌接合する工程である。内側摩擦攪拌工程では、図９の（ａ）に示すように、補助部材１１の内隅部（底板部１１ａと側板部１１ｂとの交差部分）の任意の開始位置ｓ２に回転させた接合用回転ツールＦを突合せ部Ｊ１に達する位置まで挿入する。内側摩擦攪拌工程では、図９の（ｂ）に示すように、接合用回転ツールＦの回転中心軸と蓋部材３Ａの裏面３ｂとのなす角度が約４５°となるように挿入する。そして、当該角度を保った状態で内隅部に沿って補助部材１１をなぞるようにして接合用回転ツールＦを相対移動させる。内側摩擦攪拌工程では、攪拌ピンＦ２のみを筒状部材２Ａ、蓋部材３Ａ及び補助部材１１に接触させ、攪拌ピンＦ２の基端側は露出した状態で摩擦攪拌を行う。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。塑性化領域Ｗ２の幅方向両側には、バリＶが形成されている。

接合用回転ツールＦで突合せ部Ｊ１を一周させたら、開始位置ｓ２を通過させて塑性化領域Ｗ２の始端と終端とをオーバーラップさせた後、接合用回転ツールＦを筒状部材２Ａ及び蓋部材３Ａから離脱させる。接合用回転ツールＦを離脱させる際には、第一実施形態と同じように、補修工程を行ってもよいし、接合用回転ツールＦの挿入深さを徐々に浅くするようにして離脱させてもよい。

なお、接合用回転ツールＦの回転中心軸と蓋部材３Ａの裏面３ｂとのなす角度が４５°よりも小さくなるように接合用回転ツールＦの挿入角度を変更してもよい。このようにすることで、突合せ部Ｊ１のより深い位置まで塑性流動化することができる。内側摩擦攪拌工程が終了したら、外側摩擦攪拌工程及び内側摩擦攪拌工程で発生したバリ等を切除する。これにより、構造体１Ａの表面をきれいに仕上げることができる。

本実施形態では、摩擦攪拌接合によって発生するバリＶが塑性化領域Ｗ２の幅方向両側に形成されるように、接合用回転ツールＦの回転方向、回転速度および進行方向等を設定する。図９の（ｂ）では、バリＶは、塑性化領域Ｗ２の幅方向両側に均等に発生しているが、一方に偏って発生してもよい。なお、本実施形態では、バリＶの発生位置は、補助部材１１の底板部１１ａ側または側板部１１ｂ側のいずれか一方であってもよい。

除去工程は、摩擦攪拌接合によって発生したバリを除去する工程である。除去工程では、残存する補助部材１１の底板部１１ａおよび側板部１１ｂをそれぞれ折り曲げるようにして切除することで、補助部材１１ごとバリＶを除去する。除去工程は、切削装置等を用いてもよいが、本実施形態では手作業で行っている。

以上説明した本実施形態に係る接合方法によれば、筒状部材２Ａの内側から筒状部材２Ａ及び蓋部材３Ａに攪拌ピンＦ２のみを接触させた状態で摩擦攪拌を行っても、補助部材１１も同時に摩擦攪拌されるので内隅部の金属不足を解消することができる。これにより、筒状部材２Ａと蓋部材３Ａとの内隅部を確実に接合することができる。また、外側摩擦攪拌工程を先に行うため、配置工程を安定して行うことができる。

また、仮接合工程を行うことで、外側摩擦攪拌工程の際に突合せ部Ｊ１の目開きを防ぐことができる。また、本実施形態によれば、攪拌ピンＦ２のみを筒状部材２Ａ、蓋部材３Ａ及び補助部材１１に挿入するため、回転ツールのショルダ部を押し込む場合に比べて摩擦攪拌装置にかかる負荷を軽減することができるとともに、接合用回転ツールＦの操作性も良好となる。また、摩擦攪拌装置にかかる負荷を軽減することができるため、摩擦攪拌装置に大きな負荷がかからない状態で、突合せ部Ｊ１の深い位置を接合することができる。

さらに、本実施形態では、補助部材１１を除去することでバリＶを一体的に除去しているので、バリＶの除去を容易に行うことができる。

なお、第二実施形態は前記した形態に限定されるものではない。本実施形態の外側摩擦攪拌工程では、接合用回転ツールＦを用いたが、ショルダ部及び攪拌ピンを備えた回転ツールを用いるとともに、当該ショルダ部を筒状部材２Ａ及び蓋部材３Ａに数ミリ程度押し込んで摩擦攪拌接合を行ってもよい。

また、本実施例形態では、外側摩擦攪拌工程の後に、筒状部材２Ａと蓋部材３Ａとで構成される内隅部に補助部材１１を配置する補助部材配置工程を行ったが、例えば、外側摩擦攪拌工程の前に、筒状部材２Ａと蓋部材３Ａとで構成される内隅部に補助部材１１を配置する配置工程を行ってもよい。
また、本実施形態では筒状部材２Ａを円筒状としたが、楕円筒状又は多角筒状としてもよい。また、仮接合工程は、省略してもよい。また、筒状部材２Ａ及び蓋部材３Ａの少なくともいずれかに段差を設けて突き合わせてもよい。

［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。第三実施形態に係る接合方法では、第一実施形態に近似する形態であって、主に、工程の順番が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部分を中心に説明する。

第三実施形態に係る接合方法は、突合せ工程と、仮接合工程と、配置工程と、内側摩擦攪拌工程と、除去工程と、外側摩擦攪拌工程をこの順に行う。

突合せ工程及び仮接合工程は、第一実施形態と同等であるため説明を省略する。図１０の（ａ）に示すように、配置工程では、筒状部材２と蓋部材３との内隅部に補助部材１０を配置する。補助部材１０は、長尺の平板形状を呈している。補助部材１０は、内隅部に沿って環状に配置される。補助部材１０は、蓋部材３の裏面３ｂに面接触するとともに、幅方向一方の辺が筒状部材２の内周面２ｂに接するように配置される。補助部材１０の材質は、筒状部材２及び蓋部材３と同じ材料であることが好ましい。補助部材１０の大きさは、後記する内側摩擦攪拌工程を行った際に、接合部が金属不足にならず、かつ、バリが過剰に残存しない程度に設定することが好ましい。

内側摩擦攪拌工程では、接合用回転ツールＦの回転中心軸と蓋部材３の裏面３ｂとのなす角度が約４５°となるように挿入する。そして、当該角度を保った状態で補助部材１０をなぞるようにして接合用回転ツールＦを相対移動させる。内側摩擦攪拌工程では、攪拌ピンＦ２のみを筒状部材２、蓋部材３及び補助部材１０に接触させ、攪拌ピンＦ２の基端側は露出した状態で摩擦攪拌を行う。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。

除去工程では、摩擦攪拌接合によって発生したバリを除去する。除去工程では、残存する補助部材１０を折り曲げるようにして切除することで、補助部材１０ごとバリＶを除去する。除去工程は、切削装置等を用いてもよいが、本実施形態では手作業で行っている。

外側摩擦攪拌工程では、第一実施形態の外側摩擦攪拌工程と同じ要領で突合せ部Ｊ１に対して筒状部材２の外側から摩擦攪拌接合を行う。外側摩擦攪拌工程では、図１０の（ｂ）に示すように、外側摩擦攪拌工程で形成された塑性化領域Ｗ２と塑性化領域Ｗ１とが接触するように、接合用回転ツールＦの挿入深さを設定することが好ましい。これにより、突合せ部Ｊ１の深さ方向全体を摩擦攪拌接合することができ、接合強度、水密性及び気密性を高めることができる。

以上説明した本実施形態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。

［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。第四実施形態に係る接合方法では、第二実施形態に近似する形態であって、主に、工程の順番が第二実施形態と相違する。第四実施形態では、第二実施形態と相違する部分を中心に説明する。

第四実施形態に係る接合方法は、突合せ工程と、仮接合工程と、補助部材配置工程と、内側摩擦攪拌工程と、除去工程と、外側摩擦攪拌工程をこの順に行う。

突合せ工程及び仮接合工程は、第二実施形態と同等であるため説明を省略する。図１１の（ａ）に示すように蓋部材配置工程では、第二実施形態と同じ要領で筒状部材２Ａと蓋部材３Ａとの内隅部に突合せ部Ｊ１を覆うように補助部材１１を配置する。本実施形態では、仮接合工程を行った後に、配置工程を行うため、配置工程を安定して行うことができる。

内側摩擦攪拌工程では、第二実施形態の内側摩擦攪拌工程と同じ要領で補助部材１１及び突合せ部Ｊ１に対して筒状部材２Ａの内側から摩擦攪拌接合を行う。図１１の（ｂ）に示すように、内側摩擦攪拌工程によって突合せ部Ｊ１には塑性化領域Ｗ１が形成される。

外側摩擦攪拌工程では、第二実施形態の外側摩擦攪拌工程と同じ要領で突合せ部Ｊ１に対して筒状部材２Ａの外側から摩擦攪拌接合を行う。外側摩擦攪拌工程では、図１１の（ｂ）に示すように、外側摩擦攪拌工程で形成された塑性化領域Ｗ２と塑性化領域Ｗ１とが接触するように、接合用回転ツールＦの挿入深さを設定することが好ましい。これにより、突合せ部Ｊ１の深さ方向全体を摩擦攪拌接合することができ、接合強度、水密性及び気密性を高めることができる。

以上説明した本実施形態によっても第二実施形態と略同等の効果を奏することができる。

１構造体
１Ａ構造体
２筒状部材
２Ａ筒状部材
３蓋部材
３Ａ蓋部材
１０補助部材
１１補助部材
Ｆ接合用回転ツール（回転ツール）
Ｆ２攪拌ピン
Ｊ１突合せ部
Ｗ０塑性化領域
Ｗ１塑性化領域
Ｗ２塑性化領域

Claims

金属製の筒状部材と当該筒状部材の開口部を覆う金属製の蓋部材とを接合する接合方法であって、
前記筒状部材の外周面と前記蓋部材の外周面とが面一になるように前記筒状部材と前記蓋部材とを突き合わせて突合せ部を形成する突合せ工程と、
前記突合せ部に対して前記筒状部材の外側から摩擦攪拌を行う外側摩擦攪拌工程と、
前記筒状部材と前記蓋部材とで構成される内隅部において、前記筒状部材または前記蓋部材に面接触するように板状の補助部材を配置する配置工程と、
回転ツールの攪拌ピンのみを前記筒状部材、前記蓋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前記内隅部に沿って相対移動させて、前記筒状部材の内側から摩擦攪拌を行う内側摩擦攪拌工程と、を含む
ことを特徴とする接合方法。
前記外側摩擦攪拌工程および前記内側摩擦攪拌工程の前に、前記攪拌ピンのみを前記筒状部材の外側から前記筒状部材および前記蓋部材に接触させた状態で前記突合せ部に対してスポット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に記載の接合方法。
前記外側摩擦攪拌工程および前記内側摩擦攪拌工程の前に、ＴＩＧ，ＭＩＧまたはレーザー溶接によって前記突合せ部に対してスポット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に記載の接合方法。
摩擦攪拌接合によってバリが形成された前記補助部材を前記前記筒状部材または前記蓋部材から除去する除去工程を、さらに含む
ことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の接合方法。
前記内側摩擦攪拌工程では、摩擦攪拌接合によって発生する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４に記載の接合方法。
金属製の筒状部材と当該筒状部材の開口部を覆う金属製の蓋部材とを接合する接合方法であって、
前記筒状部材の外周面と前記蓋部材の外周面とが面一になるように前記筒状部材と前記蓋部材とを突き合わせて突合せ部を形成する突合せ工程と、
前記突合せ部に対して前記筒状部材の外側から摩擦攪拌を行う外側摩擦攪拌工程と、
前記筒状部材と前記蓋部材とで構成される内隅部において、前記筒状部材および前記蓋部材に面接触するように断面Ｌ字状の補助部材を配置する配置工程と、
回転ツールの攪拌ピンのみを前記筒状部材、前記蓋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前記内隅部に沿って相対移動させて、前記筒状部材の内側から摩擦攪拌を行う内側摩擦攪拌工程と、を含む
ことを特徴とする接合方法。
前記外側摩擦攪拌工程および前記内側摩擦攪拌工程の前に、前記攪拌ピンのみを前記筒状部材の外側から前記筒状部材および前記蓋部材に接触させた状態で前記突合せ部に対してスポット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６に記載の接合方法。
前記外側摩擦攪拌工程および前記内側摩擦攪拌工程の前に、ＴＩＧ，ＭＩＧまたはレーザー溶接によって前記突合せ部に対してスポット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６に記載の接合方法。
前記内側摩擦攪拌工程での摩擦攪拌接合によって分断されるとともにバリが形成された前記補助部材を前記前記筒状部材および前記蓋部材から除去する除去工程を、さらに含む
ことを特徴とする請求項６乃至請求項８のいずれか１項に記載の接合方法。