JP2019000890A - 摩擦攪拌接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】金属部材同士を摩擦攪拌接合する場合に、各金属部材の熱歪を小さくすることができるとともに摩擦攪拌装置に係る負荷を軽減することができる。【解決手段】金属部材１，２同士の突合部に回転した仮接合用回転ツールの攪拌ピンを挿入し、前記攪拌ピンのみを前記金属部材に接触させた状態で摩擦攪拌接合を行う仮接合工程と、仮接合工程を行った後に、金属部材１，２同士の前記突合部に回転した本接合用回転ツールＦＢの攪拌ピンＦ２を挿入し、攪拌ピンＦ２のみを金属部材１，２に接触させた状態で摩擦攪拌接合を行う本接合工程とを含む。【選択図】図３

Description

本発明は、摩擦攪拌接合方法に関する。

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。

例えば、特許文献１には、仮接合用回転ツールを用いて金属部材同士の突合部を仮接合する仮接合工程と、本接合用回転ツールを用いて仮接合した突合部を本接合する本接合工程とを含む摩擦攪拌接合方法が開示されている。仮接合用回転ツールは、ショルダ部と攪拌ピンとで構成されており、仮接合工程ではショルダ部で塑性流動化した金属を押さえながら突合部に沿って仮接合用回転ツールを相対移動する。また、本接合用回転ツールは、連結部と攪拌ピンとで構成されており、本接合工程では金属部材に回転した攪拌ピンのみを挿入し、金属部材と連結部とを離間させた状態で突合部に沿って本接合用回転ツールを相対移動する。

特開２０１３−０３９６１３号公報

しかし、従来の摩擦攪拌接合方法では、仮接合用回転ツールのショルダ部の下端面を金属部材の表面に押し込んで仮接合工程を行うため、入熱量が多くなり金属部材の熱歪が大きくなるという問題がある。また、仮接合用回転ツールのショルダ部の下端面を金属部材の表面に押し込んで仮接合工程を行うため、摩擦攪拌装置にかかる負荷が大きくなるという問題がある。

このような観点から、本発明は、金属部材同士を摩擦攪拌接合する場合に、各金属部材の熱歪を小さくすることができるとともに摩擦攪拌装置に係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。

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二つの金属部材を接合する摩擦攪拌接合方法であって、前記金属部材同士の突合部に回転した仮接合用回転ツールの攪拌ピンを挿入し、前記攪拌ピンのみを前記金属部材に接触させた状態で摩擦攪拌接合を行う仮接合工程と、前記仮接合工程を行った後に、前記金属部材同士の前記突合部に回転した本接合用回転ツールの攪拌ピンを挿入し、前記攪拌ピンのみを前記金属部材に接触させた状態で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。

かかる方法によれば、仮接合工程及び本接合工程とも、攪拌ピンのみを各金属部材に挿入するため、入熱量を少なくすることができ、各金属部材の熱歪を小さくすることができる。また、仮接合工程及び本接合工程とも、攪拌ピンのみを各金属部材に挿入するため、摩擦攪拌装置にかかる負荷を小さくすることができる。

また、本発明は、攪拌ピンを備えた回転ツールを用いて二つの金属部材を接合する摩擦攪拌接合方法であって、前記金属部材同士の突合部に回転した仮接合用回転ツールの攪拌ピンを挿入し、前記攪拌ピンのみを前記金属部材に接触させた状態で摩擦攪拌接合を行う仮接合工程と、前記仮接合工程を行った後に、前記金属部材同士の前記突合部に回転した本接合用回転ツールの攪拌ピンを挿入し、前記攪拌ピンのみを前記金属部材に接触させた状態で摩擦攪拌接合を行う本接合工程と、を含み、前記仮接合工程では、前記金属部材の表面側から摩擦攪拌接合を行う第一の仮接合工程と、前記金属部材の裏面側から摩擦攪拌接合を行う第二の仮接合工程と、を行い、前記本接合工程では、前記金属部材の表面側から摩擦攪拌接合を行う第一の本接合工程と、前記金属部材の裏面側から摩擦攪拌接合を行う第二の本接合工程と、を行い、前記第一の本接合工程で形成された塑性化領域と前記第二の本接合工程で形成された塑性化領域とを接触させることを特徴とする。

かかる方法によれば、金属部材の両側から仮接合工程及び本接合工程を行うので、金属部材の深い位置まで攪拌ピンを挿入することができるようになるため、板厚の大きい金属部材であっても深い位置まで接合することができる。また、突合部の厚さ方向の全長に対して摩擦攪拌接合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。

また、本発明は、前記本接合工程で形成された塑性化領域の上に肉盛溶接を行うのが好ましい。かかる方法によれば、本接合工程による金属の不足分を補充することができる。

また、本発明は、前記本接合工程で形成された塑性化領域の上に補助部材を配置する配置工程と、前記金属部材と前記補助部材とを接合する補助部材接合工程と、を行うのが好ましい。かかる方法によれば、本接合工程による金属の不足分を補充することができる。

また、本発明は、前記突合部の脇にタブ材を配置し前記タブ材に下穴を設けた後、前記下穴に前記攪拌ピンを挿入して前記本接合工程を行うのが好ましい。かかる方法によれば、本接合用回転ツールを金属部材に押し込む際の圧力抵抗を小さくすることができる。

本発明に係る摩擦攪拌接合方法によれば、各金属部材の熱歪を小さくすることができるとともに摩擦攪拌装置に係る負荷を軽減することができる。

本発明の実施形態に係る摩擦攪拌接合方法における準備工程を示す斜視図である。 本発明の実施形態に係る摩擦攪拌接合方法における第一の予備工程（第一の仮接合工程を含む）を示す斜視図である。 本発明の実施形態に係る摩擦攪拌接合方法における第一の本接合工程を示す斜視図である。 本発明の実施形態に係る摩擦攪拌接合方法における第一の本接合工程後の状態を示す斜視図である。 本発明の実施形態に係る摩擦攪拌接合方法における第一の補修工程後の状態を示す斜視図である。 本発明の実施形態に係る摩擦攪拌接合方法における第二の予備工程（第二の仮接合工程を含む）を示す斜視図である。 本発明の実施形態に係る摩擦攪拌接合方法における第二の本接合工程を示す斜視図である。 本発明の実施形態に係る摩擦攪拌接合方法における第二の本接合工程を示す断面図である。 本発明の変形例に係る補修工程を示す斜視図である。 本発明の変形例に係る補修工程を示す断面図である。

本発明の実施形態に係る摩擦攪拌接合方法について図面を参照して詳細に説明する。本発明の実施形態に係る摩擦攪拌接合方法では、二つの板状の金属部材（図１に示す第一金属部材１及び第二金属部材２）を突き合わせた後で、突合部の両側から接合用ツールを使用して摩擦攪拌を行う。

本実施形態における摩擦攪拌接合方法は、（１）準備工程、（２）第一の予備工程、（３）第一の本接合工程、（４）第一の補修工程、（５）第二の予備工程、（６）第二の本接合工程、（７）第二の補修工程を含んでいる。なお、第一の予備工程、第一の本接合工程及び第一の補修工程は、第一金属部材１及び第二金属部材２の表面側から作業を実行する工程であり、第二の予備工程、第二の本接合工程及び第二の補修工程は、第一金属部材１及び第二金属部材２の裏面側から作業を実行する工程である。なお、説明における「裏面」とは、「表面」に対する反対側の面という意味である。

（１）準備工程
図１を参照して準備工程を説明する。本実施形態に係る準備工程は、接合すべき第一金属部材１及び第二金属部材２を突き合せる突合工程と、第一金属部材１及び第二金属部材２の突合部Ｊ１の両側に第一タブ材３と第二タブ材４を配置するタブ材配置工程とを具備している。

第一金属部材１及び第二金属部材２は、矩形状を呈する板状の金属部材である。第一金属部材１及び第二金属部材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、マグネシウム合金等の摩擦攪拌可能な金属から適宜選択されればよいが、本実施形態ではアルミニウム合金を用いる。

突合工程では、接合すべき第一金属部材１及び第二金属部材２を並べて配置し、第一金属部材１の側面１ｃと第二金属部材２の側面２ｃとを突き合わせて突合部Ｊ１を形成する。第一金属部材１の板厚と第二金属部材２の板厚とは同等の寸法であることが好ましい。つまり、第一金属部材１と第二金属部材２とが突き合わされた状態において、第一金属部材１の表面１ａと第二金属部材２の表面２ａとが面一になるとともに、第一金属部材１の裏面１ｂと第二金属部材２の裏面２ｂとが面一になることが好ましい。また、第一金属部材１の延長方向の長さと第二金属部材２の延長方向の長さとは同等の寸法であることが好ましい。つまり、第一金属部材１と第二金属部材２とが突き合わされた状態において、第一金属部材１の端面１ｄと第二金属部材２の端面２ｄとが面一になるとともに、第一金属部材１の端面１ｅと第二金属部材２の端面２ｅとが面一になることが好ましい。

タブ材配置工程では、突合部Ｊ１の一端側に第一タブ材３を配置し、第一タブ材３の当接面３ｃを第一金属部材１及び第二金属部材２の端面１ｄ，２ｄに当接させて突合部Ｊ２を形成する。また、突合部Ｊ１の他端側に第二タブ材４を配置し、第二タブ材４の当接面４ｃを第一金属部材１及び第二金属部材２の端面１ｅ，２ｅに当接させて突合部Ｊ３を形成する。第一タブ材３及び第二タブ材４の板厚と第一金属部材１及び第二金属部材２の板厚とは同等の寸法であることが好ましい。つまり、第一金属部材１及び第二金属部材２と第一タブ材３及び第二タブ材４とが突き合わされた状態において、第一金属部材１及び第二金属部材２の表面１ａ，２ａと、第一タブ材３及び第二タブ材４の表面３ａ，４ａとが面一になるとともに、第一金属部材１及び第二金属部材２の裏面１ｂ，２ｂと、第一タブ材３及び第二タブ材４の裏面３ｂ，４ｂとが面一になることが好ましい。

なお、準備工程は、第一金属部材１、第二金属部材２、第一タブ材３及び第二タブ材４を図示せぬ摩擦攪拌装置の架台に載置した状態で行われ、これらの部材はクランプ等の図示せぬ治具を用いて移動不能に拘束される。

（２）第一の予備工程
図２を参照して（適宜図３参照）第一の予備工程を説明する。第一の予備工程は、第一金属部材１及び第二金属部材２と第一タブ材３との突合部Ｊ２を接合する第一の一端側タブ材接合工程と、第一金属部材１及び第二金属部材２の突合部Ｊ１を仮接合する第一の仮接合工程と、第一金属部材１及び第二金属部材２と第二タブ材４との突合部Ｊ３を接合する第一の他端側タブ材接合工程と、第一の本接合工程における摩擦攪拌の開始位置に下穴を形成する下穴形成工程とを具備している。

第一の一端側タブ材接合工程、第一の仮接合工程及び第一の他端側タブ材接合工程では、仮接合用回転ツールＦＡが使用される。仮接合用回転ツールＦＡは、例えば工具鋼で形成されており、図２に示すように、連結部Ｆ１と、攪拌ピンＦ２とで構成されている。

連結部Ｆ１は、図示しない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（図示せず）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、仮接合用回転ツールＦＡ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。

なお、仮接合用回転ツールＦＡ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。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、被接合金属部材（第一金属部材１、第二金属部材２、第一タブ材３及び第二タブ材４）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２に示すように、仮接合用回転ツールＦＡを用いて摩擦攪拌接合をする際には、被接合金属部材（第一金属部材１、第二金属部材２、第一タブ材３及び第二タブ材４）に回転した攪拌ピン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。

第一の一端側タブ材接合工程では、第一金属部材１及び第二金属部材２と第一タブ材３との突合部Ｊ２に対して摩擦攪拌を行う。具体的には、第一金属部材１及び第二金属部材２と第一タブ材３との継ぎ目上に摩擦攪拌のルートを設定し、当該ルートに沿って仮接合用回転ツールＦＡを相対移動させることで、突合部Ｊ２に対して摩擦攪拌を行う。

本実施形態では、仮接合用回転ツールＦＡの攪拌ピンＦ２を右回転させながら第一タブ材３の適所に設けた開始位置Ｐ１１に挿入して摩擦攪拌を開始し、仮接合用回転ツールＦＡを突合部Ｊ２上に設定される方向転換点Ｐ１２に向けて相対移動させる。方向転換点Ｐ１２まで連続して摩擦攪拌を行ったら、突合部Ｊ２上に設定される方向転換点Ｐ１３に仮接合用回転ツールＦＡが進む方向を変更し、仮接合用回転ツールＦＡを途中で離脱させることなく方向転換点Ｐ１２から方向転換点Ｐ１３まで連続して摩擦攪拌を行う。方向転換点Ｐ１３まで連続して摩擦攪拌を行ったら、第一タブ材３の適所に設けた終了位置Ｐ１４に仮接合用回転ツールＦＡが進む方向を変更し、仮接合用回転ツールＦＡを終了位置Ｐ１４に向けて相対移動させる。仮接合用回転ツールＦＡが終了位置Ｐ１４に達したら、仮接合用回転ツールＦＡを回転させつつ上昇させて攪拌ピンＦ２を終了位置Ｐ１４から離脱させる。仮接合用回転ツールＦＡ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が形成される。

なお、仮接合用回転ツールＦＡを右回転させた場合には、進行方向の左側に凹溝状の表面欠陥が発生する虞があるので、仮接合用回転ツールＦＡの進行方向の右側に第一金属部材１及び第二金属部材２が位置するように仮接合用回転ツールＦＡの経路を設定することが望ましい。このようにすると、第一金属部材１及び第二金属部材２側に凹溝状の表面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。

第一の仮接合工程では、第一金属部材１及び第二金属部材２の突合部Ｊ１に対して摩擦攪拌を行う。具体的には、第一金属部材１と第二金属部材２との継ぎ目上に摩擦攪拌のルートを設定し、当該ルートに沿って仮接合用回転ツールＦＡを相対移動させることで、突合部Ｊ１に対して摩擦攪拌を行う。

本実施形態では、仮接合用回転ツールＦＡの攪拌ピンＦ２を右回転させながら第一タブ材３の適所に設けた開始位置Ｐ２１に挿入し、摩擦攪拌を開始する。第一金属部材１及び第二金属部材２の突合部Ｊ１の一端まで摩擦攪拌を行ったら、摩擦攪拌を行いながら突合部Ｊ２を横切らせ、そのまま仮接合用回転ツールＦＡを突合部Ｊ１に突入させる。そして、第一金属部材１及び第二金属部材２の継ぎ目上に設定された摩擦攪拌のルートに沿って仮接合用回転ツールＦＡを相対移動させることで、突合部Ｊ１の一端から他端まで連続して摩擦攪拌を行う。突合部Ｊ１の他端まで仮接合用回転ツールＦＡを相対移動させたら、摩擦攪拌を行いながら突合部Ｊ３を横切らせ、そのまま終了位置Ｐ２２に向けて相対移動させる。開始位置Ｐ２１及び終了位置Ｐ２２は、突合部Ｊ１の延長線上に位置している。

仮接合用回転ツールＦＡが終了位置Ｐ２２に達したら、仮接合用回転ツールＦＡを回転させながら上昇させて攪拌ピンＦ２を終了位置Ｐ２２から離脱させる。なお、終了位置Ｐ２２において攪拌ピンＦ２を上方に離脱させると、攪拌ピンＦ２と略同形の抜き穴が不可避的に形成されることになるが、本実施形態ではそのまま残置する。仮接合用回転ツールＦＡ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Ｗ２が形成される。

第一の他端側タブ材接合工程では、第一金属部材１及び第二金属部材２と第二タブ材４との突合部Ｊ３に対して摩擦攪拌を行う。具体的には、第一金属部材１及び第二金属部材２と第二タブ材４との継ぎ目上に摩擦攪拌のルートを設定し、当該ルートに沿って仮接合用回転ツールＦＡを相対移動させることで、突合部Ｊ３に対して摩擦攪拌を行う。

本実施形態では、仮接合用回転ツールＦＡの攪拌ピンＦ２を右回転させながら第二タブ材４の適所に設けた開始位置Ｐ３１（図３参照）に挿入して摩擦攪拌を開始し、仮接合用回転ツールＦＡを突合部Ｊ３上に設定される方向転換点Ｐ３２（図３参照）に向けて相対移動させる。方向転換点Ｐ３２まで連続して摩擦攪拌を行ったら、突合部Ｊ３上に設定される方向転換点Ｐ３３（図３参照）に仮接合用回転ツールＦＡが進む方向を変更し、仮接合用回転ツールＦＡを途中で離脱させることなく方向転換点Ｐ３２から方向転換点Ｐ３３まで連続して摩擦攪拌を行う。方向転換点Ｐ３３まで連続して摩擦攪拌を行ったら、第二タブ材４の適所に設けた終了位置Ｐ３４（図３参照）に仮接合用回転ツールＦＡが進む方向を変更し、仮接合用回転ツールＦＡを終了位置Ｐ３４に向けて相対移動させる。仮接合用回転ツールＦＡが終了位置Ｐ３４に達したら、仮接合用回転ツールＦＡを回転させつつ上昇させて攪拌ピンＦ２を終了位置Ｐ３４から離脱させる。仮接合用回転ツールＦＡ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Ｗ３（図３参照）が形成される。

なお、仮接合用回転ツールＦＡを右回転させた場合には、進行方向の左側に凹溝状の表面欠陥が発生する虞があるので、仮接合用回転ツールＦＡの進行方向の右側に第一金属部材１及び第二金属部材２が位置するように仮接合用回転ツールＦＡの経路を設定することが望ましい。このようにすると、第一金属部材１及び第二金属部材２側に凹溝状の表面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。

第一の他端側タブ材接合工程に続いて、下穴形成工程を実行する。下穴形成工程は、第一の本接合工程における摩擦攪拌の開始位置に下穴を形成する工程である。本実施形態では、第一の仮接合工程における開始位置Ｐ２１に新たに下穴を形成する。なお、第一の仮接合工程において、仮接合用回転ツールＦＡの攪拌ピンＦ２を離脱させたときに形成される抜き穴を、ドリル等で拡径して下穴を形成してもよい。このようにすると、下穴の加工作業を省略あるいは簡略化することができるので、作業時間を短縮することが可能となる。なお、前記した抜き穴をそのまま下穴として利用してもよい。

（３）第一の本接合工程
図３を参照して（適宜図２、図４参照）第一の本接合工程を説明する。第一の予備工程が終了したら、第一金属部材１及び第二金属部材２の突合部Ｊ１（図２参照）を本格的に接合する第一の本接合工程を実行する。本実施形態に係る第一の本接合工程では、図３に示す本接合用回転ツールＦＢを使用し、仮接合された状態の突合部Ｊ１（図２参照）に対して第一金属部材１及び第二金属部材２の表面側から摩擦攪拌を行う。

本接合用回転ツールＦＢは、例えば工具鋼で形成されており、仮接合用回転ツールＦＡと同様に、連結部Ｆ１と、攪拌ピンＦ２とで構成されている。本実施形態で使用する本接合用回転ツールＦＢは、仮接合用回転ツールＦＡに比べて一回り大きいサイズであるが、本接合用回転ツールＦＢと仮接合用回転ツールＦＡとが同一であってもよい。つまり、第一の予備工程及び第一の本接合工程で同じ接合用回転ツールを使用することで、接合用回転ツールを交換しなくて済むため作業効率を高めることができる。

本実施形態では、本接合用回転ツールＦＢ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。なお、本接合用回転ツールＦＢ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。ここでは、本接合用回転ツールＦＢの連結部Ｆ１と第一金属部材１及び第二金属部材２とを離間させて、攪拌ピンＦ２のみを突合部Ｊ１に挿入して摩擦攪拌を行う。

第一の本接合工程では、図３に示すように、本接合用回転ツールＦＢを右回転させつつ攪拌ピンＦ２を開始位置Ｐ４１（すなわち、図１に示す開始位置Ｐ２１）に挿入し、摩擦攪拌を開始する。第一金属部材１及び第二金属部材２の突合部Ｊ１の一端まで摩擦攪拌を行ったら、摩擦攪拌を行いながら突合部Ｊ２を横切らせ、そのまま本接合用回転ツールＦＢを突合部Ｊ１（図２参照）に突入させる。そして、第一金属部材１及び第二金属部材２の継ぎ目上に設定された摩擦攪拌のルートに沿って本接合用回転ツールＦＢを相対移動させることで、突合部Ｊ１（図２参照）の一端から他端まで連続して摩擦攪拌を行う。突合部Ｊ１の他端まで本接合用回転ツールＦを相対移動させたら、摩擦攪拌を行いながら突合部Ｊ３を横切らせ、そのまま終了位置Ｐ４２（図５参照）に向けて相対移動させる。

本接合用回転ツールＦＢが終了位置Ｐ４２（図５参照）に達したら、本接合用回転ツールＦＢを回転させながら上昇させて攪拌ピンＦ２を終了位置Ｐ４２から離脱させる。なお、終了位置Ｐ４２において攪拌ピンＦ２を上方に離脱させると、攪拌ピンＦ２と略同形の抜き穴が不可避的に形成されることになるが、本実施形態ではそのまま残置する。本接合用回転ツールＦＢ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Ｗ４が形成される（図５参照）。

（４）第一の補修工程
図４を参照して（適宜図２、図５参照）第一の補修工程を説明する。第一の本接合工程が終了したら、第一の本接合工程により第一金属部材１及び第二金属部材２の突合部Ｊ１（図２参照）に形成された塑性化領域Ｗ４に対して第一の補修工程を実行する。本実施形態に係る第一の補修工程では、塑性化領域Ｗ４の表面に肉盛り溶接を行う。これにより、塑性化領域Ｗ４の表面に溶接金属Ｎ１（図５参照）が形成されるため、第一金属部材１及び第二金属部材２の表面を平坦にすることができる。なお、塑性化領域Ｗ４の表面を切削して凹溝を形成し、形成した凹溝に肉盛り溶接を行ってもよい。

（５）第二の予備工程
図６を参照して（適宜図７参照）第二の予備工程を説明する。第一の補修工程を終えたら被接合金属部材（第一金属部材１、第二金属部材２、第一タブ材３及び第二タブ材４）を裏返し、第二の予備工程を実行する。

本実施形態に係る第二の予備工程は、第一の予備工程と同様の工程からなる。つまり、第二の予備工程は、第一金属部材１及び第二金属部材２と第一タブ材３との突合部Ｊ２を接合する第二の一端側タブ材接合工程と、第一金属部材１及び第二金属部材２の突合部Ｊ１を仮接合する第二の仮接合工程と、第一金属部材１及び第二金属部材２と第二タブ材４との突合部Ｊ３を接合する第二の他端側タブ材接合工程と、第二の本接合工程における摩擦攪拌の開始位置に下穴を形成する下穴形成工程とを具備している。第二の予備工程では、第一の予備工程で使用した仮接合用回転ツールＦＡを使用する。

第二の一端側タブ材接合工程では、第一金属部材１及び第二金属部材２と第一タブ材３との突合部Ｊ２に対して摩擦攪拌を行う。具体的には、第一金属部材１及び第二金属部材２と第一タブ材３との継ぎ目上に摩擦攪拌のルートを設定し、当該ルートに沿って仮接合用回転ツールＦＡを相対移動させることで、突合部Ｊ２に対して摩擦攪拌を行う。

本実施形態では、仮接合用回転ツールＦＡの攪拌ピンＦ２を右回転させながら第一タブ材３の適所に設けた開始位置Ｐ５１に挿入して摩擦攪拌を開始し、仮接合用回転ツールＦＡを突合部Ｊ２上に設定される方向転換点Ｐ５２に向けて相対移動させる。方向転換点Ｐ５２まで連続して摩擦攪拌を行ったら、突合部Ｊ２上に設定される方向転換点Ｐ５３に仮接合用回転ツールＦＡが進む方向を変更し、仮接合用回転ツールＦＡを途中で離脱させることなく方向転換点Ｐ５２から方向転換点Ｐ５３まで連続して摩擦攪拌を行う。方向転換点Ｐ５３まで連続して摩擦攪拌を行ったら、第一タブ材３の適所に設けた終了位置Ｐ５４に仮接合用回転ツールＦＡが進む方向を変更し、仮接合用回転ツールＦＡを終了位置Ｐ５４に向けて相対移動させる。仮接合用回転ツールＦＡが終了位置Ｐ５４に達したら、仮接合用回転ツールＦＡを回転させつつ上昇させて攪拌ピンＦ２を終了位置Ｐ５４から離脱させる。仮接合用回転ツールＦＡ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Ｗ５が形成される。

第二の仮接合工程では、第一金属部材１及び第二金属部材２の突合部Ｊ１に対して摩擦攪拌を行う。具体的には、第一金属部材１と第二金属部材２との継ぎ目上に摩擦攪拌のルートを設定し、当該ルートに沿って仮接合用回転ツールＦＡを相対移動させることで、突合部Ｊ１に対して摩擦攪拌を行う。

本実施形態では、仮接合用回転ツールＦＡの攪拌ピンＦ２を右回転させながら第一タブ材３の適所に設けた開始位置Ｐ６１に挿入し、摩擦攪拌を開始する。第一金属部材１及び第二金属部材２の突合部Ｊ１の一端まで摩擦攪拌を行ったら、摩擦攪拌を行いながら突合部Ｊ２を横切らせ、そのまま仮接合用回転ツールＦＡを突合部Ｊ１に突入させる。そして、第一金属部材１及び第二金属部材２の継ぎ目上に設定された摩擦攪拌のルートに沿って仮接合用回転ツールＦＡを相対移動させることで、突合部Ｊ１の一端から他端まで連続して摩擦攪拌を行う。突合部Ｊ１の他端まで仮接合用回転ツールＦＡを相対移動させたら、摩擦攪拌を行いながら突合部Ｊ３を横切らせ、そのまま終了位置Ｐ６２に向けて相対移動させる。開始位置Ｐ６１及び終了位置Ｐ６２は、突合部Ｊ１の延長線上に位置している。

仮接合用回転ツールＦＡが終了位置Ｐ６２に達したら、仮接合用回転ツールＦＡを回転させながら上昇させて攪拌ピンＦ２を終了位置Ｐ６２から離脱させる。なお、終了位置Ｐ６２において攪拌ピンＦ２を上方に離脱させると、攪拌ピンＦ２と略同形の抜き穴が不可避的に形成されることになるが、本実施形態ではそのまま残置する。仮接合用回転ツールＦＡ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Ｗ６が形成される。

第二の他端側タブ材接合工程では、第一金属部材１及び第二金属部材２と第二タブ材４との突合部Ｊ３に対して摩擦攪拌を行う。具体的には、第一金属部材１及び第二金属部材２と第二タブ材４との継ぎ目上に摩擦攪拌のルートを設定し、当該ルートに沿って仮接合用回転ツールＦＡを相対移動させることで、突合部Ｊ３に対して摩擦攪拌を行う。

本実施形態では、仮接合用回転ツールＦＡの攪拌ピンＦ２を右回転させながら第二タブ材４の適所に設けた開始位置Ｐ７１（図７参照）に挿入して摩擦攪拌を開始し、仮接合用回転ツールＦＡを突合部Ｊ３上に設定される方向転換点Ｐ７２（図７参照）に向けて相対移動させる。方向転換点Ｐ７２まで連続して摩擦攪拌を行ったら、突合部Ｊ３上に設定される方向転換点Ｐ７３（図７参照）に仮接合用回転ツールＦＡが進む方向を変更し、仮接合用回転ツールＦＡを途中で離脱させることなく方向転換点Ｐ７２から方向転換点Ｐ７３まで連続して摩擦攪拌を行う。方向転換点Ｐ７３まで連続して摩擦攪拌を行ったら、第二タブ材４の適所に設けた終了位置Ｐ７４（図７参照）に仮接合用回転ツールＦＡが進む方向を変更し、仮接合用回転ツールＦＡを終了位置Ｐ７４に向けて相対移動させる。仮接合用回転ツールＦＡが終了位置Ｐ７４に達したら、仮接合用回転ツールＦＡを回転させつつ上昇させて攪拌ピンＦ２を終了位置Ｐ７４から離脱させる。仮接合用回転ツールＦＡ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Ｗ７（図７参照）が形成される。

第二の他端側タブ材接合工程に続いて、下穴形成工程を実行する。下穴形成工程は、第二の本接合工程における摩擦攪拌の開始位置に下穴を形成する工程である。本実施形態では、第二の仮接合工程における開始位置Ｐ６１に新たに下穴を形成する。なお、第二の仮接合工程において、仮接合用回転ツールＦＡの攪拌ピンＦ２を離脱させたときに形成される抜き穴を、ドリル等で拡径して下穴を形成してもよい。このようにすると、下穴の加工作業を省略あるいは簡略化することができるので、作業時間を短縮することが可能となる。なお、前記した抜き穴をそのまま下穴として利用してもよい。

（６）第二の本接合工程
図７を参照して（適宜図６、図８参照）第二の本接合工程を説明する。第二の予備工程が終了したら、第一金属部材１及び第二金属部材２の突合部Ｊ１（図６参照）を本格的に接合する第二の本接合工程を実行する。第二の本接合工程は、第一の本接合工程と同様の工程である。つまり、本実施形態に係る第二の本接合工程では、第一の本接合工程で使用した本接合用回転ツールＦＢを使用し、仮接合された状態の突合部Ｊ１（図６参照）に対して第一金属部材１及び第二金属部材２の裏面側から摩擦攪拌を行う。

第二の本接合工程では、図７に示すように、本接合用回転ツールＦＢを右回転させつつ攪拌ピンＦ２を開始位置Ｐ８１（すなわち、図６に示す開始位置Ｐ６１）に挿入し、摩擦攪拌を開始する。第一金属部材１及び第二金属部材２の突合部Ｊ１の一端まで摩擦攪拌を行ったら、摩擦攪拌を行いながら突合部Ｊ２を横切らせ、そのまま本接合用回転ツールＦＢを突合部Ｊ１（図６参照）に突入させる。そして、第一金属部材１及び第二金属部材２の継ぎ目上に設定された摩擦攪拌のルートに沿って本接合用回転ツールＦＢを相対移動させることで、突合部Ｊ１（図６参照）の一端から他端まで連続して摩擦攪拌を行う。

ここでは、本接合用回転ツールＦＢの連結部Ｆ１と第一金属部材１及び第二金属部材２とを離間させて、攪拌ピンＦ２のみを突合部Ｊ１に挿入する。また、図８を参照するように、第二の本接合工程における攪拌ピンＦ２の挿入深さは、第一の本接合工程で形成された塑性化領域Ｗ４まで到達するのがよい。突合部Ｊ１の他端まで本接合用回転ツールＦＢを相対移動させたら、摩擦攪拌を行いながら突合部Ｊ３を横切らせ、そのまま終了位置Ｐ８２に向けて相対移動させる。

本接合用回転ツールＦＢが終了位置Ｐ８２に達したら、本接合用回転ツールＦＢを回転させながら上昇させて攪拌ピンＦ２を終了位置Ｐ８２から離脱させる。なお、終了位置Ｐ８２において攪拌ピンＦ２を上方に離脱させると、攪拌ピンＦ２と略同形の抜き穴が不可避的に形成されることになるが、本実施形態ではそのまま残置する。本接合用回転ツールＦＢ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Ｗ８が形成される。

（７）第二の補修工程
第二の本接合工程が終了したら、第二の本接合工程により第一金属部材１及び第二金属部材２の突合部Ｊ１（図８参照）に形成された塑性化領域Ｗ８に対して第二の補修工程を実行する。第二の補修工程は、第一の補修工程と同様の工程である。つまり、本実施形態に係る第二の補修工程では、塑性化領域Ｗ８の表面に肉盛り溶接を行う。これにより、塑性化領域Ｗ８の表面に溶接金属が形成されるため、第一金属部材１及び第二金属部材２の表面を平坦にすることができる。なお、塑性化領域Ｗ８の表面を切削して凹溝を形成し、形成した凹溝に肉盛り溶接を行ってもよい。

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、仮接合工程及び本接合工程とも、攪拌ピンＦ２のみを第一金属部材１及び第二金属部材２に挿入するため、入熱量を少なくすることができ、第一金属部材１及び第二金属部材２の熱歪を小さくすることができる。また、仮接合工程及び本接合工程とも、攪拌ピンＦ２のみを第一金属部材１及び第二金属部材２に挿入するため、摩擦攪拌装置にかかる負荷を小さくすることができる。

また、本実施形態に係る摩擦攪拌接合方法によれば、第一金属部材１及び第二金属部材２の両側から仮接合工程及び本接合工程を行うので、第一金属部材１及び第二金属部材２の深い位置まで攪拌ピンＦ２を挿入することができるようになるため、板厚の大きい金属部材であっても深い位置まで接合することができる。また、突合部Ｊ１の厚さ方向の全長に対して摩擦攪拌接合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。

また、本実施形態に係る摩擦攪拌接合方法によれば、本接合工程で形成された塑性化領域Ｗ４，Ｗ８の上に肉盛溶接を行うので、本接合工程による金属の不足分を補充することができる。

また、本実施形態に係る摩擦攪拌接合方法によれば、突合部Ｊ１の脇に第一タブ材３を配置し第一タブ材３に下穴を設けた後、下穴に本接合用回転ツールＦＢの攪拌ピンＦ２を挿入して本接合工程を行うので、本接合用回転ツールＦＢを第一金属部材１及び第二金属部材２に押し込む際の圧力抵抗を小さくすることができる。

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設計変更が可能である。
例えば、第一の予備工程及び第二の予備工程において、仮接合用回転ツールＦＡを一筆書きの移動軌跡（ビード）を形成するように移動させて、突合部Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３に対して連続して摩擦攪拌を行ってもよい。

また、実施形態では第一の補修工程及び第二の補修工程（以下では、まとめて「補修工程」と称する）において突合部Ｊ１に形成された塑性化領域Ｗ４，Ｗ８の表面に肉盛り溶接を行っていた。しかしながら、補修工程はこれに限定されずに、例えば、図９及び図１０に示すように、凹溝Ｍを形成する凹溝形成工程と、凹溝Ｍに補助部材５を配置する配置工程と、第一金属部材１及び第二金属部材２と補助部材５とを接合する補助部材接合工程とを有する。

凹溝形成工程では、本接合用回転ツールＦＢの移動に伴って形成された塑性化領域Ｗ４，Ｗ８の表面に凹溝Ｍを形成する。ここでは、図９として第一の補修工程を示しており、表面側の塑性化領域Ｗ４の表面に凹溝Ｍを形成した状態を示している。凹溝形成工程では、例えばエンドミル等を用いてバリや塑性化領域Ｗ４，Ｗ８の表面を切削して、断面視矩形の凹溝Ｍを形成する。

配置工程では、図９に示すように、凹溝Ｍに補助部材５を配置する。補助部材５は、第一金属部材１及び第二金属部材２と同等の材料からなる金属板である。補助部材５は、凹溝Ｍと同等の形状を呈する。補助部材５の厚さは、凹溝Ｍの深さと略同等になっている。

補助部材接合工程では、図１０に示すように、補助部材５の縁部分（つまり、補助部材５と、第一金属部材１、第二金属部材２、第一タブ材３及び第二タブ材４との各突き合わせ部分）に対して摩擦攪拌接合を行う。補助部材５の摩擦攪拌接合は、補修用回転ツールＦＣを使用して行われる。

補修用回転ツールＦＣは、例えば工具鋼で形成されており、仮接合用回転ツールＦＡや本接合用回転ツールＦＢと同様に、連結部Ｆ１と、攪拌ピンＦ２とで構成されている。ここで使用する補修用回転ツールＦＣは、本接合用回転ツールＦＢに比べて一回り小さいサイズ（例えば、仮接合用回転ツールＦＡと同じサイズ）であるが、本接合用回転ツールＦＢと補修用回転ツールＦＣとが同一であってもよい。つまり、補修工程で予備工程や本接合工程と同じ回転ツールを使用することで、回転ツールを交換しなくて済むため作業効率を高めることができる。

具体的には、回転した補修用回転ツールＦＣを第一タブ材３又は第二タブ材４に設定した開始位置（図示せず）に挿入し、補助部材５に沿って一周させて終了位置（図示せず）まで移動させる。図１０に示すように、補助部材接合工程では、補修用回転ツールＦＣの連結部Ｆ１と第一金属部材１や第二金属部材２とを離間させて、攪拌ピンＦ２のみを突き合わせ部分に挿入する。攪拌ピンＦ２の挿入深さは、補助部材５の厚みよりも深く設定されている。

図１０に示すように、補修用回転ツールＦＣを補助部材５に沿って一周させて、補助部材５の周りにリング状の塑性化領域Ｗ９，Ｗ１０が形成されると、補助部材５は全て塑性化領域Ｗ９，Ｗ１０で覆われる。また、塑性化領域Ｗ４と塑性化領域Ｗ９とが重複する、また塑性化領域Ｗ８と塑性化領域Ｗ１０とが重複するため、より気密性及び水密性を高めることができる。

なお、第一の本接合工程後、第一金属部材１及び第二金属部材２の表面１ａ，２ａと塑性化領域Ｗ４の表面との段差、又は第一金属部材１及び第二金属部材２の裏面１ｂ，２ｂと塑性化領域Ｗ８の表面との段差が大きい場合には、凹溝形成工程は省略してもよい。

１ 第一金属部材
２ 第二金属部材
３ 第一タブ材
４ 第二タブ材
５ 補助部材
Ｊ１〜Ｊ３ 突合部
ＦＡ 仮接合用回転ツール
ＦＢ 本接合用回転ツール
ＦＣ 補修用回転ツール
Ｗ１〜Ｗ１０ 塑性化領域
Ｎ１ 溶接金属
Ｍ 凹溝

Claims (5)

1. 攪拌ピンを備えた回転ツールを用いて二つの金属部材を接合する摩擦攪拌接合方法であって、
   前記金属部材同士の突合部に回転した仮接合用回転ツールの攪拌ピンを挿入し、前記攪拌ピンのみを前記金属部材に接触させた状態で摩擦攪拌接合を行う仮接合工程と、
   前記仮接合工程を行った後に、前記金属部材同士の前記突合部に回転した本接合用回転ツールの攪拌ピンを挿入し、前記攪拌ピンのみを前記金属部材に接触させた状態で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二つの金属部材を接合する摩擦攪拌接合方法であって、
   前記金属部材同士の突合部に回転した仮接合用回転ツールの攪拌ピンを挿入し、前記攪拌ピンのみを前記金属部材に接触させた状態で摩擦攪拌接合を行う仮接合工程と、
   前記仮接合工程を行った後に、前記金属部材同士の前記突合部に回転した本接合用回転ツールの攪拌ピンを挿入し、前記攪拌ピンのみを前記金属部材に接触させた状態で摩擦攪拌接合を行う本接合工程と、
   を含み、
   前記仮接合工程では、
   前記金属部材の表面側から摩擦攪拌接合を行う第一の仮接合工程と、
   前記金属部材の裏面側から摩擦攪拌接合を行う第二の仮接合工程と、を行い、
   前記本接合工程では、
   前記金属部材の表面側から摩擦攪拌接合を行う第一の本接合工程と、
   前記金属部材の裏面側から摩擦攪拌接合を行う第二の本接合工程と、を行い、
   前記第一の本接合工程で形成された塑性化領域と前記第二の本接合工程で形成された塑性化領域とを接触させることを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
3. 前記本接合工程で形成された塑性化領域の上に肉盛溶接を行うことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の摩擦攪拌接合方法。
4. 前記本接合工程で形成された塑性化領域の上に補助部材を配置する配置工程と、
   前記金属部材と前記補助部材とを接合する補助部材接合工程と、を行うことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の摩擦攪拌接合方法。
5. 前記突合部の脇にタブ材を配置し前記タブ材に下穴を設けた後、前記下穴に前記攪拌ピンを挿入して前記本接合工程を行う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摩擦攪拌接合方法。

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