JP2019089107A - 接合方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】金属部材の表面の凹溝を小さくすることができるとともに、接合表面粗さを小さ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。【解決手段】基端側ピンＦ３と先端側ピンＦ４とを備える摩擦攪拌用の回転ツールＦ１Ｄを用いて第一金属部材１と第二金属部材２とを接合する接合方法であって、重合部Ｊ１ａ、表側突合せ部Ｊ１ｂ、裏側突合せ部Ｊ１ｃを形成する重ね突合せ工程と、回転する先端側ピンＦ４を表側突合せ部Ｊ１ｂから挿入し、回転ツールＦ１Ｄの回転軸に対して垂直な平坦面Ｆ５を第一金属部材１及び第二金属部材２に接触させるとともに、平坦面Ｆ５から突出する突起部Ｆ６の先端面Ｆ７を重合部Ｊ１ａよりも深く挿入して表側突合せ部Ｊ１ｂ及び重合部Ｊ１ａを接合する摩擦攪拌工程と、を含む。【選択図】図５

Description

本発明は、接合方法に関する。
摩擦攪拌接合に用いられる回転ツールとして、ショルダ部と、ショルダ部から垂下する攪拌ピンとを備えたものがあり、この回転ツールを用いてダブルスキンパネルを接合する摩擦攪拌接合方法が知られている（特許文献１）。当該回転ツールは、ショルダ部の下端面を金属部材に押し込んだ状態で摩擦攪拌接合を行うというものである。ショルダ部を金属部材に押し込むことにより塑性流動材を押えてバリの発生を抑制することができる。しかし、接合の高さ位置が変化すると欠陥が発生しやすく、凹溝が大きくなるとともにバリが多く発生するという問題がある。
一方、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、金属部材同士の突合部に回転した攪拌ピンを挿入し、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本接合工程を含むことを特徴とする摩擦攪拌接合方法が知られている（特許文献２）。当該従来技術によれば、攪拌ピンの外周面には螺旋溝が刻設されており、攪拌ピンのみを被接合部材に接触させつつ基端部を露出させた状態で摩擦攪拌接合を行うため、接合の高さ位置が変化しても欠陥の発生を抑制することができるとともに、摩擦攪拌装置への負荷も軽減することができる。しかし、ショルダ部で塑性流動材を押えないため、金属部材の表面の凹溝が大きくなるとともに、接合表面粗さが大きくなるという問題がある。また、凹溝の脇に膨出部（接合前に比べて金属部材の表面が膨らむ部位）が形成されるという問題がある。
他方、特許文献３には、ショルダ部と、ショルダ部から垂下する攪拌ピンとを備えた回転ツールが記載されている。ショルダ部及び攪拌ピンの外周面にはそれぞれテーパー面が形成されている。ショルダ部のテーパー面には、平面視渦巻き状の溝が形成されている。当該溝の断面形状は半円状になっている。テーパー面を設けることにより、金属部材の厚さや接合の高さ位置が変化しても安定して接合することができる。また、当該溝に塑性流動材が入り込むことにより、塑性流動材の流れを制御して好適な塑性化領域を形成できるというものである。
特開２００８−２７９５１３号公報 特開２０１３−３９６１３号公報 特許第４２１０１４８号公報
しかし、特許文献３の従来技術であると、塑性流動材がテーパー面の溝の内部に入り込んでしまうため、溝が機能しなくなるという問題がある。また、当該溝に塑性流動材が入り込むと、塑性流動材が溝に付着した状態で摩擦攪拌されるため、被接合金属部材と付着物とが擦れ合って接合品質が低下するという問題がある。さらに、被接合金属部材の表面が粗くなり、バリが多くなるとともに、金属部材の表面の凹溝も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、金属部材の表面の凹溝を小さくすることができるとともに、接合表面粗さを小さ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。
このような課題を解決するために本発明は、基端側ピンと先端側ピンとを備える摩擦攪拌用の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、前記第一金属部材の端部の表面に第一段差底面及び第一段差側面を形成するとともに、前記第二金属部材の端部の裏面に第二段差底面及び第二段差側面を形成する準備工程と、前記第一段差底面と前記第二段差底面とを重ね合わせて重合部を形成するとともに、前記第一段差側面と前記第二金属部材の端面とを突き合わせて表側突合せ部を形成し、さらに、前記第二段差側面と前記第一金属部材の端面とを突き合わせて裏側突合せ部を形成する重ね突合せ工程と、回転する前記先端側ピンを前記表側突合せ部から挿入し、前記基端側ピン及び前記先端側ピンを前記第一金属部材及び前記第二金属部材に接触させた状態で前記表側突合せ部に沿って前記回転ツールを相対移動させて前記表側突合せ部及び前記重合部を接合する摩擦攪拌工程と、を含み、前記基端側ピンのテーパー角度は、前記先端側ピンのテーパー角度よりも大きくなっており、前記基端側ピンの外周面には階段状の段差部が形成されており、前記先端側ピンは、前記回転ツールの回転軸に対して垂直な平坦面を備えるとともに、前記平坦面から突出する突起部を備え、前記摩擦攪拌工程では、前記平坦面を前記第一金属部材及び前記第二金属部材に接触させるとともに、前記突起部の先端面を前記重合部よりも深く挿入して前記表側突合せ部及び前記重合部を接合することを特徴とする。
また、本発明は、基端側ピンと先端側ピンとを備える摩擦攪拌用の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、前記第一金属部材の端部の表面に第一段差底面及び第一段差側面を形成するとともに、前記第二金属部材の端部の裏面に第二段差底面及び第二段差側面を形成する準備工程と、前記第一段差底面と前記第二段差底面とを重ね合わせて重合部を形成するとともに、前記第一段差側面と前記第二金属部材の端面とを突き合わせて表側突合せ部を形成し、さらに、前記第二段差側面と前記第一金属部材の端面とを突き合わせて裏側突合せ部を形成する重ね突合せ工程と、回転する前記先端側ピンを前記裏側突合せ部から挿入し、前記基端側ピン及び前記先端側ピンを前記第一金属部材及び前記第二金属部材に接触させた状態で前記裏側突合せ部に沿って前記回転ツールを相対移動させて前記裏側突合せ部及び前記重合部を接合する摩擦攪拌工程と、を含み、前記基端側ピンのテーパー角度は、前記先端側ピンのテーパー角度よりも大きくなっており、前記基端側ピンの外周面には階段状の段差部が形成されており、前記先端側ピンは、前記回転ツールの回転軸に対して垂直な平坦面を備えるとともに、前記平坦面から突出する突起部を備え、前記摩擦攪拌工程では、前記平坦面を前記第一金属部材及び前記第二金属部材に接触させるとともに、前記突起部の先端面を前記重合部よりも深く挿入して前記裏側突合せ部及び前記重合部を接合することを特徴とする。
また、本発明は、基端側ピンと先端側ピンとを備える摩擦攪拌用の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、前記第一金属部材の端部の表面に第一段差底面及び第一段差側面を形成するとともに、前記第二金属部材の端部の裏面に第二段差底面及び第二段差側面を形成する準備工程と、前記第一段差底面と前記第二段差底面とを重ね合わせて重合部を形成するとともに、前記第一段差側面と前記第二金属部材の端面とを突き合わせて表側突合せ部を形成し、さらに、前記第二段差側面と前記第一金属部材の端面とを突き合わせて裏側突合せ部を形成する重ね突合せ工程と、回転する前記先端側ピンを前記表側突合せ部から挿入し、前記基端側ピン及び前記先端側ピンを前記第一金属部材及び前記第二金属部材に接触させた状態で前記表側突合せ部に沿って前記回転ツールを相対移動させて前記表側突合せ部を接合する摩擦攪拌工程と、を含み、前記基端側ピンのテーパー角度は、前記先端側ピンのテーパー角度よりも大きくなっており、前記基端側ピンの外周面には階段状の段差部が形成されており、前記先端側ピンは、前記回転ツールの回転軸に対して垂直な平坦面を備えるとともに、前記平坦面から突出する突起部を備え、前記摩擦攪拌工程では、前記平坦面及び前記突起部の先端面をいずれも前記第一金属部材及び前記第二金属部材に接触させた状態で前記表側突合せ部を接合することを特徴とする。
また、本発明は、基端側ピンと先端側ピンとを備える摩擦攪拌用の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、前記第一金属部材の端部の表面に第一段差底面及び第一段差側面を形成するとともに、前記第二金属部材の端部の裏面に第二段差底面及び第二段差側面を形成する準備工程と、前記第一段差底面と前記第二段差底面とを重ね合わせて重合部を形成するとともに、前記第一段差側面と前記第二金属部材の端面とを突き合わせて表側突合せ部を形成し、さらに、前記第二段差側面と前記第一金属部材の端面とを突き合わせて裏側突合せ部を形成する重ね突合せ工程と、回転する前記先端側ピンを前記裏側突合せ部から挿入し、前記基端側ピン及び前記先端側ピンを前記第一金属部材及び前記第二金属部材に接触させた状態で前記裏側突合せ部に沿って前記回転ツールを相対移動させて前記裏側突合せ部を接合する摩擦攪拌工程と、を含み、前記基端側ピンのテーパー角度は、前記先端側ピンのテーパー角度よりも大きくなっており、前記基端側ピンの外周面には階段状の段差部が形成されており、前記先端側ピンは、前記回転ツールの回転軸に対して垂直な平坦面を備えるとともに、前記平坦面から突出する突起部を備え、前記摩擦攪拌工程では、前記平坦面及び前記突起部の先端面をいずれも前記第一金属部材及び前記第二金属部材に接触させた状態で前記裏側突合せ部を接合することを特徴とする。
かかる接合方法によれば、テーパー角度の大きい基端側ピンの外周面で金属部材を押えることができるため、接合表面の凹溝を小さくすることができるとともに、凹溝の脇に形成される膨出部を無くすか若しくは小さくすることができる。階段状の段差部は浅く、かつ、出口が広いため、基端側ピンで金属部材を押えても基端側ピンの外周面に塑性流動材が付着し難い。このため、接合表面粗さを小さくすることができるとともに、接合品質を好適に安定させることができる。また、先端側ピンを備えることにより深い位置まで容易に挿入することができる。
また、かかる接合方法によれば、回転ツールの先端側ピンが平坦面を有することにより、突起部の周辺に巻き上げられる塑性流動材を平坦面で押え込むことができ、重合部の酸化被膜を確実に分断することができる。
また、本発明は、基端側ピンと先端側ピンとを備える摩擦攪拌用の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、前記第一金属部材の端部の表面に第一段差底面及び第一段差側面を形成するとともに、前記第二金属部材の端部の裏面に第二段差底面及び第二段差側面を形成する準備工程と、前記第一段差底面と前記第二段差底面とを重ね合わせて重合部を形成するとともに、前記第一段差側面と前記第二金属部材の端面とを突き合わせて表側突合せ部を形成し、さらに、前記第二段差側面と前記第一金属部材の端面とを突き合わせて裏側突合せ部を形成する重ね突合せ工程と、回転する前記先端側ピンを前記表側突合せ部から挿入し、前記基端側ピン及び前記先端側ピンを前記第一金属部材及び前記第二金属部材に接触させた状態で前記表側突合せ部に沿って前記回転ツールを相対移動させて前記表側突合せ部を接合する摩擦攪拌工程と、を含み、前記基端側ピンのテーパー角度は、前記先端側ピンのテーパー角度よりも大きくなっており、前記基端側ピンの外周面には階段状の段差部が形成されていることを特徴とする。
また、本発明は、基端側ピンと先端側ピンとを備える摩擦攪拌用の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、前記第一金属部材の端部の表面に第一段差底面及び第一段差側面を形成するとともに、前記第二金属部材の端部の裏面に第二段差底面及び第二段差側面を形成する準備工程と、前記第一段差底面と前記第二段差底面とを重ね合わせて重合部を形成するとともに、前記第一段差側面と前記第二金属部材の端面とを突き合わせて表側突合せ部を形成し、さらに、前記第二段差側面と前記第一金属部材の端面とを突き合わせて裏側突合せ部を形成する重ね突合せ工程と、回転する前記先端側ピンを前記裏側突合せ部から挿入し、前記基端側ピン及び前記先端側ピンを前記第一金属部材及び前記第二金属部材に接触させた状態で前記裏側突合せ部に沿って前記回転ツールを相対移動させて前記裏側突合せ部を接合する摩擦攪拌工程と、を含み、前記基端側ピンのテーパー角度は、前記先端側ピンのテーパー角度よりも大きくなっており、前記基端側ピンの外周面には階段状の段差部が形成されていることを特徴とする。
また、本発明は、前記摩擦攪拌工程では、攪拌ピンの先端に形成された平坦面が、前記重合部よりも深くなるよう挿入してもよい。
かかる接合方法によれば、テーパー角度の大きい基端側ピンの外周面で金属部材を押えることができるため、接合表面の凹溝を小さくすることができるとともに、凹溝の脇に形成される膨出部を無くすか若しくは小さくすることができる。階段状の段差部は浅く、かつ、出口が広いため、基端側ピンで金属部材を押えても基端側ピンの外周面に塑性流動材が付着し難い。このため、接合表面粗さを小さくすることができるとともに、接合品質を好適に安定させることができる。また、先端側ピンを備えることにより深い位置まで容易に挿入することができる。
また、本発明は、基端側ピンと先端側ピンとを備える摩擦攪拌用の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、前記第一金属部材の表面に前記第二金属部材の裏面を重ね合わせて重合部を形成する重ね合わせ工程と、回転する前記先端側ピンを前記第二金属部材の表面側から挿入し、前記先端側ピンのみを前記第一金属部材に接触させるとともに、前記基端側ピン及び前記先端側ピンを前記第二金属部材に接触させた状態で前記重合部に沿って前記回転ツールを相対移動させて前記重合部を接合する摩擦攪拌工程と、を含み、前記基端側ピンのテーパー角度は、前記先端側ピンのテーパー角度よりも大きくなっており、前記基端側ピンの外周面には階段状の段差部が形成されており、前記先端側ピンは、前記回転ツールの回転軸に対して垂直な平坦面を備えるとともに、前記平坦面から突出する突起部を備え、前記摩擦攪拌工程では、前記平坦面を前記第二金属部材に接触させるとともに、前記突起部の先端面を前記第一金属部材に接触させた状態で前記重合部を接合することを特徴とする。
かかる接合方法によれば、テーパー角度の大きい基端側ピンの外周面で金属部材を押えることができるため、接合表面の凹溝を小さくすることができるとともに、凹溝の脇に形成される膨出部を無くすか若しくは小さくすることができる。階段状の段差部は浅く、かつ、出口が広いため、基端側ピンで金属部材を押えても基端側ピンの外周面に塑性流動材が付着し難い。このため、接合表面粗さを小さくすることができるとともに、接合品質を好適に安定させることができる。また、先端側ピンを備えることにより深い位置まで容易に挿入することができる。
また、かかる接合方法によれば、回転ツールの先端側ピンが平坦面を有することにより、突起部の周辺に巻き上げられる塑性流動材を平坦面で押え込むことができ、重合部の酸化被膜を確実に分断することができる。
また、本発明は、基端側ピンと先端側ピンとを備える摩擦攪拌用の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、前記第一金属部材の表面に前記第二金属部材の裏面を重ね合わせて重合部を形成する重ね合わせ工程と、回転する前記先端側ピンを前記第二金属部材の表面側から挿入し、前記基端側ピン及び前記先端側ピンを前記第二金属部材に接触させた状態で前記重合部に沿って前記回転ツールを相対移動させて前記重合部を接合する摩擦攪拌工程と、を含み、前記基端側ピンのテーパー角度は、前記先端側ピンのテーパー角度よりも大きくなっており、前記基端側ピンの外周面には階段状の段差部が形成されており、前記摩擦攪拌工程では、前記先端側ピンを前記第二金属部材のみに接触させるか、又は前記第一金属部材および前記第二金属部材の両方に接触させた状態で前記重合部を接合することを特徴とする。
かかる接合方法によれば、テーパー角度の大きい基端側ピンの外周面で金属部材を押えることができるため、接合表面の凹溝を小さくすることができるとともに、凹溝の脇に形成される膨出部を無くすか若しくは小さくすることができる。階段状の段差部は浅く、かつ、出口が広いため、基端側ピンで金属部材を押えても基端側ピンの外周面に塑性流動材が付着し難い。このため、接合表面粗さを小さくすることができるとともに、接合品質を好適に安定させることができる。また、先端側ピンを備えることにより深い位置まで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、金属部材の表面の凹溝を小さくすることができるとともに、接合表面粗さを小さくすることができる。
本発明の第一実施形態に係る接合方法の準備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重ね突合せ工程を示す断面図である。 回転ツールを示す側面図である。 回転ツールの拡大断面図である。 第一実施形態に係る接合方法の上部表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接合方法の上部裏側摩擦攪拌工程を示す断面図である。 従来のショルダレス回転ツールを示す概念図である。 従来の回転ツールを示す概念図である。 第二実施形態に係る接合方法の上部表側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上部裏側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上部表側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上部裏側摩擦攪拌工程を示す断面図である。 第四実施形態に係る接合方法の上部表側摩擦攪拌工程を示す断面図である。 第四実施形態に係る接合方法の上部裏側摩擦攪拌工程を示す断面図である。 第五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。 第六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。 回転ツールの第一変形例を示す断面図である。 回転ツールの第二変形例を示す断面図である。 回転ツールの第三変形例を示す断面図である。
［第一実施形態］
本発明の実施形態に係る接合方法について、図面を用いて詳細に説明する。図１に示すように、本実施形態に係る接合方法では、ダブルスキンパネルである第一金属部材１と、ダブルスキンパネルである第二金属部材２とを摩擦攪拌によって接合する。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。
第一金属部材１及び第二金属部材２はいずれも摩擦攪拌可能な金属で形成されている。第一金属部材１及び第二金属部材２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。本実施形態に係る接合方法では、準備工程と、重ね突合せ工程と、摩擦攪拌工程とを行う。
準備工程は、第一金属部材１及び第二金属部材２を用意する工程である。第一金属部材１は、上基板１１と、下基板１２と、支持板１３とで主に構成されている。第一金属部材１は、例えば、押出し形材である。上基板１１の端部の表面１１ｂには、第一上部段差部１５が形成されている。第一上部段差部１５は、第一上部段差底面（第一段差底面）１５ａと、第一上部段差側面（第一段差側面）１５ｂとで構成されている。第一上部段差底面１５ａと、第一上部段差側面１５ｂとは垂直になっている。上基板１１と下基板１２との間には中空部１４が形成されている。
下基板１２の端部の表面１２ｂには、第一下部段差部１６が形成されている。第一下部段差部１６は、第一下部段差底面（第一段差底面）１６ａと、第一下部段差側面（第一段差側面）１６ｂとで構成されている。第一下部段差底面１６ａと、第一下部段差側面１６ｂとは垂直になっている。支持板１３は、上基板１１の裏面１１ｃと、下基板１２の裏面１２ｃとをそれぞれ垂直に連結する板状部材である。上基板１１と支持板１３との角部は円弧状になっている。また、下基板１２と支持板１３との角部も円弧状になっている。
第二金属部材２は、上基板２１と、下基板２２と、支持板２３とで主に構成されている。第二金属部材２は、例えば、押出し形材である。上基板２１の端部の裏面２１ｃには、第二上部段差部２５が形成されている。第二上部段差部２５は、第二上部段差底面（第二段差底面）２５ａと、第二上部段差側面（第二段差側面）２５ｂとで構成されている。第二上部段差底面２５ａと、第二上部段差側面２５ｂとは垂直になっている。上基板２１と下基板２２との間には中空部２４が形成されている。
下基板２２の端部の裏面２２ｃには、第二下部段差部２６が形成されている。第二下部段差部２６は、第二下部段差底面（第二段差底面）２６ａと、第二下部段差側面（第二段差側面）２６ｂとで構成されている。第二下部段差底面２６ａと、第二下部段差側面２６ｂとは垂直になっている。支持板２３は、上基板２１の裏面２１ｃと、下基板２２の裏面２２ｃとをそれぞれ垂直に連結する板状部材である。上基板２１と支持板２３との角部は円弧状になっている。また、下基板２２と支持板２３との角部も円弧状になっている。
重ね突合せ工程は、図２に示すように、第一金属部材１の端部と第二金属部材２の端部とを突き合せて突合せ部Ｊ１，Ｊ２を形成する工程である。突合せ部Ｊ１は、上部重合部（重合部）Ｊ１ａと、上部表側突合せ部Ｊ１ｂと、上部裏側突合せ部Ｊ１ｃとで構成されている。上部重合部Ｊ１ａは、第一上部段差底面１５ａと、第二上部段差底面２５ａとが重ね合わされて形成されている。支持板１３と支持板２３との間には中空部Ｚが形成される。
上部表側突合せ部Ｊ１ｂは、第一上部段差側面１５ｂと、上基板２１の端面２１ａとが突き合わされて形成されている。上部裏側突合せ部Ｊ１ｃは、上基板１１の端面１１ａと第二上部段差側面２５ｂとが突き合わされて形成されている。
突合せ部Ｊ２は、下部重合部（重合部）Ｊ２ａと、下部表側突合せ部Ｊ２ｂと、下部裏側突合せ部Ｊ２ｃとで構成されている。下部重合部Ｊ２ａは、第一下部段差底面１６ａと、第二下部段差底面２６ａとが重ね合わされて形成されている。下部表側突合せ部Ｊ２ｂは、第一下部段差側面１６ｂと、下基板２２の端面２２ａとが突き合わされて形成されている。下部裏側突合せ部Ｊ２ｃは、下基板１２の端面１２ａと、第二下部段差側面２６ｂとが突き合わされて形成されている。このように、突合せ部Ｊ１，Ｊ２が断面視クランク形状となるように第一金属部材１と第二金属部材２とを突き合わせることにより、摩擦攪拌工程の際の位置ずれを防ぐことができる。
摩擦攪拌工程は、図３及び図４に示すように、突合せ部Ｊ１，Ｊ２に対して回転ツールＦ１Ｄを用いて摩擦攪拌接合を行う工程である。図３に示すように、回転ツールＦ１Ｄは、摩擦攪拌接合に用いられるツールである。回転ツールＦ１Ｄは、例えば工具鋼で形成されている。回転ツールＦ１Ｄは、基軸部Ｆ２と、基端側ピンＦ３と、先端側ピンＦ４とで主に構成されている。先端側ピンＦ４の平坦面Ｆ５には、突出する突起部Ｆ６が形成されている。基軸部Ｆ２は、円柱状を呈し、摩擦攪拌装置の主軸に接続される部位である。先端側ピンＦ４の平坦面Ｆ５は、回転軸に対して垂直である。
基端側ピンＦ３は、基軸部Ｆ２に連続し、先端に向けて先細りになっている。基端側ピンＦ３は、円錐台形状を呈する。基端側ピンＦ３のテーパー角度Ａは適宜設定すればよいが、例えば、１３５〜１６０°になっている。テーパー角度Ａが１３５°未満であるか、又は、１６０°を超えると摩擦攪拌後の接合表面粗さが大きくなる。テーパー角度Ａは、後記する先端側ピンＦ４のテーパー角度Ｂよりも大きくなっている。図４に示すように、基端側ピンＦ３の外周面には、階段状の段差部１１０が高さ方向の全体に亘って形成されている。段差部１１０は、右回り又は左回りで螺旋状に形成されている。つまり、段差部１１０は、平面視して螺旋状であり、側面視すると階段状になっている。本実施形態では、回転ツールを右回転させるため、段差部１１０は基端側から先端側に向けて左回りに設定している。
なお、回転ツールを左回転させる場合は、段差部１１０を基端側から先端側に向けて右回りに設定することが好ましい。これにより、段差部１１０によって塑性流動材が先端側に導かれるため、被接合金属部材の外部に溢れ出る金属を低減することができる。段差部１１０は、段差底面１１０ａと、段差側面１１０ｂとで構成されている。隣り合う段差部１１０の各頂点１１０ｃ，１１０ｃの距離Ｘ１（水平方向距離）は、後記する段差角度Ｃ及び段差側面１１０ｂの高さＹ１に応じて適宜設定される。
段差側面１１０ｂの高さＹ１は適宜設定すればよいが、例えば、０．１〜０．４ｍｍで設定されている。高さＹ１が０．１ｍｍ未満であると接合表面粗さが大きくなる。一方、高さＹ１が０．４ｍｍを超えると接合表面粗さが大きくなる傾向があるとともに、有効段差部数（被接合金属部材と接触している段差部１１０の数）も減少する。
段差底面１１０ａと段差側面１１０ｂとでなす段差角度Ｃは適宜設定すればよいが、例えば、８５〜１２０°で設定されている。段差底面１１０ａは、本実施形態では水平面と平行になっている。段差底面１１０ａは、ツールの回転軸から外周方向に向かって水平面に対して−５°〜１５°内の範囲で傾斜していてもよい（マイナスは水平面に対して下方、プラスは水平面に対して上方）。距離Ｘ１、段差側面１１０ｂの高さＹ１、段差角度Ｃ及び水平面に対する段差底面１１０ａの角度は、摩擦攪拌を行う際に、塑性流動材が段差部１１０の内部に滞留して付着することなく外部に抜けるとともに、段差底面１１０ａで塑性流動材を押えて接合表面粗さを小さくすることができるように適宜設定する。
先端側ピンＦ４は、基端側ピンＦ３に連続して形成されている。先端側ピンＦ４は円錐台形状を呈する。先端側ピンＦ４の先端は平坦面Ｆ５になっている。平坦面Ｆ５は、回転ツールＦ１Ｄの回転軸に対して垂直である。先端側ピンＦ４のテーパー角度Ｂは、基端側ピンＦ３のテーパー角度よりも小さくなっている。先端側ピンＦ４の外周面には、螺旋溝１１１が刻設されている。螺旋溝１１１は、右回り、左回りのどちらでもよいが、本実施形態では回転ツールＦ１Ｄを右回転させるため、基端側から先端側に向けて左回りに刻設されている。
なお、回転ツールを左回転させる場合は、螺旋溝１１１を基端側から先端側に向けて右回りに設定することが好ましい。これにより、螺旋溝１１１によって塑性流動材が先端側に導かれるため、被接合金属部材の外部に溢れ出る金属を低減することができる。螺旋溝１１１は、螺旋底面１１１ａと、螺旋側面１１１ｂとで構成されている。隣り合う螺旋溝１１１の頂点１１１ｃ，１１１ｃの距離（水平方向距離）を長さＸ２とする。螺旋側面１１１ｂの高さを高さＹ２とする。螺旋底面１１１ａと、螺旋側面１１１ｂとで構成される螺旋角度Ｄは例えば、４５〜９０°で形成されている。螺旋溝１１１は、被接合金属部材と接触することにより摩擦熱を上昇させるとともに、塑性流動材を先端側に導く役割を備えている。
図３に示すように、突起部Ｆ６は、平坦面Ｆ５の中央に基軸部Ｆ２と同軸で突設されている。突起部Ｆ６の形状は特に制限されないが、本実施形態では円柱状を呈する。突起部Ｆ６の側面に螺旋溝を形成してもよい。
本実施形態の摩擦攪拌工程では、上部表側摩擦攪拌工程と、上部裏側摩擦攪拌工程と、下部表側摩擦攪拌工程と、下部裏側摩擦攪拌工程とを行う。
上部表側摩擦攪拌工程は、図５に示すように、右回転させた回転ツールＦ１Ｄを上部表側突合せ部Ｊ１ｂに挿入し、上部表側突合せ部Ｊ１ｂに沿って回転ツールＦ１Ｄを相対移動させる。図５において、回転ツールＦ１Ｄは手前側から奥側へ移動させている。回転ツールＦ１Ｄの挿入深さは、少なくとも基端側ピンＦ３の一部が第一金属部材１の上基板１１の表面１１ｂ及び第二金属部材２の上基板２１の表面２１ｂと接触するように設定する。本実施形態では、基端側ピンＦ３の外周面の先端側ピンＦ４に近い部分が上基板１１の表面１１ｂ及び上基板２１の表面２１ｂと接触するように挿入深さを設定している。つまり、回転ツールＦ１Ｄの基端側ピンＦ３の外周面で上基板１１の表面１１ｂ及び上基板２１の表面２１ｂを押えながら摩擦攪拌接合を行う。
また、本実施形態では先端側ピンＦ４の平坦面Ｆ５が第一金属部材１及び第二金属部材２の両方に接触すると共に、突起部Ｆ６の先端面Ｆ７が上部重合部Ｊ１ａよりも深くなるように回転ツールＦ１Ｄの挿入深さを設定する。つまり、突起部Ｆ６の先端面Ｆ７は、第一金属部材１のみと接触するように挿入する。言い換えると、上部重合部Ｊ１ａが突起部Ｆ６の側面に位置するように回転ツールＦ１Ｄの挿入深さを設定する。回転ツールＦ１Ｄの移動軌跡には、塑性化領域Ｗ１が形成される。
上部裏側摩擦攪拌工程は、図６に示すように、右回転させた回転ツールＦ１Ｄを上部裏側突合せ部Ｊ１ｃに挿入し、上部裏側突合せ部Ｊ１ｃに沿って回転ツールＦ１Ｄを相対移動させる。図６において、回転ツールＦ１Ｄは手前側から奥側へ移動させている。回転ツールＦ１Ｄの挿入深さは、少なくとも基端側ピンＦ３の一部が第一金属部材１の上基板１１の裏面１１ｃ及び第二金属部材２の上基板２１の裏面２１ｃと接触するように設定する。本実施形態では、基端側ピンＦ３の外周面の先端側ピンＦ４に近い部分が上基板１１の裏面１１ｃ及び上基板２１の裏面２１ｃと接触するように挿入深さを設定している。つまり、回転ツールＦ１Ｄの基端側ピンＦ３の外周面で上基板１１の裏面１１ｃ及び上基板２１の裏面２１ｃを押えながら摩擦攪拌接合を行う。
また、本実施形態では先端側ピンＦ４の平坦面Ｆ５が第一金属部材１及び第二金属部材２の両方に接触すると共に、突起部Ｆ６の先端面Ｆ７が上部重合部Ｊ１ａよりも深くなるように回転ツールＦ１Ｄの挿入深さを設定する。つまり、突起部Ｆ６の先端面Ｆ７は、第二金属部材２のみと接触するように挿入する。言い換えると、上部重合部Ｊ１ａが突起部Ｆ６の側面に位置するように回転ツールＦ１Ｄの挿入深さを設定する。回転ツールＦ１Ｄの移動軌跡には、塑性化領域Ｗ２が形成される。なお、回転ツールＦ１Ｄは、先端にスピンドルユニット等の回転駆動手段を備えたアームロボットに取り付けてもよい。このようにすると、中空部Ｚ内のような狭隘な部分でも容易に作業を行うことができる。
下部表側摩擦攪拌工程は、図２に示すように、右回転させた回転ツールＦ１Ｄを下部表側突合せ部Ｊ２ｂに挿入し、下部表側突合せ部Ｊ２ｂに沿って回転ツールＦ１Ｄを相対移動させる。下部表側摩擦攪拌工程は、上部表側摩擦攪拌工程と同じ要領で行うため、詳細な説明は省略する。
下部裏側摩擦攪拌工程は、図２に示すように、右回転させた回転ツールＦ１Ｄを下部裏側突合せ部Ｊ２ｃに挿入し、下部裏側突合せ部Ｊ２ｃに沿って回転ツールＦ１Ｄを相対移動させる。下部裏側摩擦攪拌工程は、上部裏側摩擦攪拌工程と同じ要領で行うため、詳細な説明は省略する。以上の工程によって第一金属部材１と第二金属部材２とが接合される。また、摩擦攪拌工程によって発生するバリを除去するバリ除去工程を行ってもよい。
ここで、図７に示すように、従来のショルダレス回転ツール９００であると、ショルダ部で被接合金属部材９１０の表面を押えないため凹溝（被接合金属部材の表面と塑性化領域の表面とで構成される凹溝）が大きくなるとともに、接合表面粗さが大きくなるという問題がある。また、凹溝の脇に膨出部（接合前に比べて被接合金属部材の表面が膨らむ部位）が形成されるという問題がある。一方、図８の回転ツール９０１のように、回転ツール９０１のテーパー角度βをショルダレス回転ツール９００のテーパー角度αよりも大きくすると、ショルダレス回転ツール９００に比べて被接合金属部材９１０の表面を押えることはできるため、凹溝は小さくなり、膨出部も小さくなる。しかし、下向きの塑性流動が強くなるため、塑性化領域の下部にキッシングボンドが形成されやすくなる。
これに対し、本実施形態の回転ツールＦ１Ｄは、基端側ピンＦ３と、基端側ピンＦ３のテーパー角度Ａよりもテーパー角度が小さい先端側ピンＦ４を備えた構成になっている。これにより、第一金属部材１及び第二金属部材２に回転ツールＦ１Ｄを挿入しやすくなる。また、先端側ピンＦ４のテーパー角度Ｂが小さいため、第一金属部材１及び第二金属部材２の深い位置まで回転ツールＦ１Ｄを容易に挿入することができる。また、先端側ピンＦ４のテーパー角度Ｂが小さいため、回転ツール９０１に比べて下向きの塑性流動を抑えることができる。このため、塑性化領域Ｗ１，Ｗ２の下部にキッシングボンドが形成されるのを防ぐことができる。一方、基端側ピンＦ３のテーパー角度Ａは大きいため、従来の回転ツールに比べ、被接合金属部材の厚さや接合の高さ位置が変化しても安定して接合することができる。
また、基端側ピンＦ３の外周面で塑性流動材を押えることができるため、接合表面に形成される凹溝を小さくすることができるとともに、凹溝の脇に形成される膨出部を無くすか若しくは小さくすることができる。また、階段状の段差部１１０は浅く、かつ、出口が広いため、塑性流動材を段差底面１１０ａで押さえつつ塑性流動材が段差部１１０の外部に抜けやすくなっている。そのため、基端側ピンＦ３で塑性流動材を押えても基端側ピンＦ３の外周面に塑性流動材が付着し難い。よって、接合表面粗さを小さくすることができるとともに、接合品質を好適に安定させることができる。
また、本実施形態では、摩擦攪拌工程において、突起部Ｆ６の先端面Ｆ７を上部重合部Ｊ１ａ及び下部重合部Ｊ２ａよりもそれぞれ深く挿入することにより、上部重合部Ｊ１ａ及び下部重合部Ｊ２ａの周囲も確実に接合することができる。例えば、上部表側摩擦攪拌工程においては、上部重合部Ｊ１ａ及び上部表側突合せ部Ｊ１ｂの両方を摩擦攪拌接合できるため、接合強度を高めることができる。
また、本実施形態では、回転ツールＦ１Ｄの先端側ピンＦ４が平坦面Ｆ５を有することにより、突起部Ｆ６の周辺に巻き上げられる塑性流動材を平坦面Ｆ５で押え込むことができ、摩擦攪拌工程において、突起部Ｆ６の先端面Ｆ７を上部重合部Ｊ１ａ及び下部重合部Ｊ２ａよりもそれぞれ深く挿入することにより、上部重合部Ｊ１ａ及び下部重合部Ｊ２ａの酸化被膜を確実に分断することができる。
［第二実施形態］
次に、図９を用いて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。本実施形態に係る接合方法では、準備工程、重ね突合せ工程及び摩擦攪拌工程を行う。本実施形態では、摩擦攪拌工程の回転ツールＦ１Ｄの挿入深さが第一実施形態と相違するため、相違する部分を中心に説明する。
上部表側摩擦攪拌工程では、図９に示すように、右回転させた回転ツールＦ１Ｄを上部表側突合せ部Ｊ１ｂに挿入し、上部表側突合せ部Ｊ１ｂに沿って回転ツールＦ１Ｄを相対移動させる。図９において、回転ツールＦ１Ｄは手前側から奥側へ移動させている。回転ツールＦ１Ｄの挿入深さは、少なくとも基端側ピンＦ３の一部が第一金属部材１の上基板１１の表面１１ｂ及び第二金属部材２の上基板２１の表面２１ｂと接触するように設定する。本実施形態では、基端側ピンＦ３の外周面の先端側ピンＦ４に近い部分が上基板１１の表面１１ｂ及び上基板２１の表面２１ｂと接触するように挿入深さを設定している。つまり、回転ツールＦ１Ｄの基端側ピンＦ３の外周面で上基板１１の表面１１ｂ及び上基板２１の表面２１ｂを押えながら摩擦攪拌接合を行う。
また、本実施形態では先端側ピンＦ４の平坦面Ｆ５及び突起部Ｆ６の先端面Ｆ７のいずれもが第一金属部材１及び第二金属部材２の両方に接触するように回転ツールＦ１Ｄの挿入深さを設定する。つまり、突起部Ｆ６の先端面Ｆ７が、上部重合部Ｊ１ａと接触しないように、回転ツールＦ１Ｄの挿入深さを上部重合部Ｊ１ａよりも浅く設定する。回転ツールＦ１Ｄの移動軌跡には、塑性化領域Ｗ１が形成される。
上部裏側摩擦攪拌工程では、図１０に示すように、右回転させた回転ツールＦ１Ｄを上部裏側突合せ部Ｊ１ｃに挿入し、上部裏側突合せ部Ｊ１ｃに沿って回転ツールＦ１Ｄを相対移動させる。図１０において、回転ツールＦ１Ｄは手前側から奥側へ移動させている。回転ツールＦ１の挿入深さは、少なくとも基端側ピンＦ３の一部が第一金属部材１の上基板１１の裏面１１ｃ及び第二金属部材２の上基板２１の裏面２１ｃと接触するように設定する。本実施形態では、基端側ピンＦ３の外周面の先端側ピンＦ４に近い部分が上基板１１の裏面１１ｃ及び上基板２１の裏面２１ｃと接触するように挿入深さを設定している。つまり、回転ツールＦ１の基端側ピンＦ３の外周面で上基板１１の裏面１１ｃ及び上基板２１の裏面２１ｃを押えながら摩擦攪拌接合を行う。
また、本実施形態では先端側ピンＦ４の平坦面Ｆ５及び突起部Ｆ６の先端面Ｆ７のいずれもが第一金属部材１及び第二金属部材２の両方に接触するように回転ツールＦ１Ｄの挿入深さを設定する。つまり、突起部Ｆ６の先端面Ｆ７が、上部重合部Ｊ１ａと接触しないように、回転ツールＦ１Ｄの挿入深さを上部重合部Ｊ１ａよりも浅く設定する。回転ツールＦ１Ｄの移動軌跡には、塑性化領域Ｗ２が形成される。
下部表側摩擦攪拌工程及び下部裏側摩擦攪拌工程は、上部表側摩擦攪拌工程及び上部裏側摩擦攪拌工程と同じ要領で行うため、詳細な説明は省略する。以上の工程によって第一金属部材１と第二金属部材２とが接合される。また、摩擦攪拌工程によって発生するバリを除去するバリ除去工程を行ってもよい。
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。ここで、本実施形態では、突起部Ｆ６の先端面Ｆ７を上部重合部Ｊ１ａ及び下部重合部Ｊ２ａよりも深く挿入しないが、塑性化領域Ｗ１，Ｗ２が上部重合部Ｊ１ａ及び下部重合部Ｊ２ａに達するようにすることで接合強度を高めることができる。
［第三実施形態］
次に、図１１を用いて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。本実施形態に係る接合方法では、準備工程、重ね突合せ工程及び摩擦攪拌工程を行う。本実施形態に係る接合方法では、回転ツールが第一実施形態および第二実施形態と相違するため、相違する部分を中心に説明する。
図１１に示すように、本実施形態に係る回転ツールＦ１は、先端側ピンＦ４の平坦面Ｆ５に突出する突起部Ｆ６が形成されていない点で第一実施形態および第二実施形態で用いた回転ツールＦ１Ｄと相違する。
上部表側摩擦攪拌工程では、図１１に示すように、右回転させた回転ツールＦ１を上部表側突合せ部Ｊ１ｂに挿入し、上部表側突合せ部Ｊ１ｂに沿って回転ツールＦ１を相対移動させる。図１１において、回転ツールＦ１は手前側から奥側へ移動させている。回転ツールＦ１の挿入深さは、少なくとも基端側ピンＦ３の一部が第一金属部材１の上基板１１の表面１１ｂ及び第二金属部材２の上基板２１の表面２１ｂと接触するように設定する。本実施形態では、基端側ピンＦ３の外周面の先端側ピンＦ４に近い部分が上基板１１の表面１１ｂ及び上基板２１の表面２１ｂと接触するように挿入深さを設定している。つまり、回転ツールＦ１の基端側ピンＦ３の外周面で上基板１１の表面１１ｂ及び上基板２１の表面２１ｂを押えながら摩擦攪拌接合を行う。
また、本実施形態では先端側ピンＦ４の平坦面Ｆ５が第一金属部材１及び第二金属部材２の両方に接触するように設定する。つまり、先端側ピンＦ４の平坦面Ｆ５が上部重合部Ｊ１ａと接触しないように、回転ツールＦ１の挿入深さを上部重合部Ｊ１ａよりも浅く設定する。回転ツールＦ１の移動軌跡には、塑性化領域Ｗ１が形成される。
上部裏側摩擦攪拌工程では、図１２に示すように、右回転させた回転ツールＦ１を上部裏側突合せ部Ｊ１ｃに挿入し、上部裏側突合せ部Ｊ１ｃに沿って回転ツールＦ１を相対移動させる。図１２において、回転ツールＦ１は手前側から奥側へ移動させている。回転ツールＦ１の挿入深さは、少なくとも基端側ピンＦ３の一部が第一金属部材１の上基板１１の裏面１１ｃ及び第二金属部材２の上基板２１の裏面２１ｃと接触するように設定する。本実施形態では、基端側ピンＦ３の外周面の先端側ピンＦ４に近い部分が上基板１１の裏面１１ｃ及び上基板２１の裏面２１ｃと接触するように挿入深さを設定している。つまり、回転ツールＦ１の基端側ピンＦ３の外周面で上基板１１の裏面１１ｃ及び上基板２１の裏面２１ｃを押えながら摩擦攪拌接合を行う。
また、本実施形態では先端側ピンＦ４の平坦面Ｆ５が第一金属部材１及び第二金属部材２の両方に接触するように設定する。つまり、先端側ピンＦ４の平坦面Ｆ５が上部重合部Ｊ１ａと接触しないように、回転ツールＦ１の挿入深さを上部重合部Ｊ１ａよりも浅く設定する。回転ツールＦ１の移動軌跡には、塑性化領域Ｗ２が形成される。
下部表側摩擦攪拌工程及び下部裏側摩擦攪拌工程は、上部表側摩擦攪拌工程及び上部裏側摩擦攪拌工程と同じ要領で行うため、詳細な説明は省略する。以上の工程によって第一金属部材１と第二金属部材２とが接合される。また、摩擦攪拌工程によって発生するバリを除去するバリ除去工程を行ってもよい。
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奏することができる。ここで、本実施形態では、先端側ピンＦ４の平坦面Ｆ５を上部重合部Ｊ１ａ及び下部重合部Ｊ２ａよりも深く挿入しないが、塑性化領域Ｗ１，Ｗ２が上部重合部Ｊ１ａ及び下部重合部Ｊ２ａに達するようにすることで接合強度を高めることができる。
［第四実施形態］
次に、図１３を用いて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。本実施形態に係る接合方法では、準備工程、重ね突合せ工程及び摩擦攪拌工程を行う。本実施形態では、摩擦攪拌工程の回転ツールＦ１の挿入深さが第三実施形態と相違するため、相違する部分を中心に説明する。
上部表側摩擦攪拌工程では、図１３に示すように、右回転させた回転ツールＦ１を上部表側突合せ部Ｊ１ｂに挿入し、上部表側突合せ部Ｊ１ｂに沿って回転ツールＦ１を相対移動させる。図１３において、回転ツールＦ１は手前側から奥側へ移動させている。回転ツールＦ１の挿入深さは、少なくとも基端側ピンＦ３の一部が第一金属部材１の上基板１１の表面１１ｂ及び第二金属部材２の上基板２１の表面２１ｂと接触するように設定する。本実施形態では、基端側ピンＦ３の外周面の高さ方向の中央部あたりが上基板１１の表面１１ｂ及び上基板２１の表面２１ｂと接触するように挿入深さを設定している。つまり、回転ツールＦ１の基端側ピンＦ３の外周面で上基板１１の表面１１ｂ及び上基板２１の表面２１ｂを押えながら摩擦攪拌接合を行う。
また、本実施形態では回転ツールＦ１の基端側ピンＦ３及び先端側ピンＦ４を、第一金属部材１の上基板１１及び第二金属部材２の上基板２１の両方に接触させつつ、先端側ピンＦ４の平坦面Ｆ５が上部重合部Ｊ１ａよりも深くなるように設定する。つまり、先端側ピンＦ４の平坦面Ｆ５は、第一金属部材１のみと接触するように挿入する。言い換えると、上部重合部Ｊ１ａが先端側ピンＦ４の側面に位置するように回転ツールＦ１の挿入深さを設定する。回転ツールＦ１の移動軌跡には、塑性化領域Ｗ１が形成される。
上部裏側摩擦攪拌工程では、図１４に示すように、右回転させた回転ツールＦ１を上部裏側突合せ部Ｊ１ｃに挿入し、上部裏側突合せ部Ｊ１ｃに沿って回転ツールＦ１を相対移動させる。図１４において、回転ツールＦ１は手前側から奥側へ移動させている。回転ツールＦ１の挿入深さは、少なくとも基端側ピンＦ３の一部が第一金属部材１の上基板１１の裏面１１ｃ及び第二金属部材２の上基板２１の裏面２１ｃと接触するように設定する。本実施形態では、基端側ピンＦ３の外周面の高さ方向の中央部あたりが上基板１１の裏面１１ｃ及び上基板２１の裏面２１ｃと接触するように挿入深さを設定している。つまり、回転ツールＦ１の基端側ピンＦ３の外周面で上基板１１の裏面１１ｃ及び上基板２１の裏面２１ｃを押えながら摩擦攪拌接合を行う。
また、本実施形態では回転ツールＦ１の基端側ピンＦ３及び先端側ピンＦ４を、第一金属部材１の上基板１１及び第二金属部材２の上基板２１の両方に接触させつつ、先端側ピンＦ４の平坦面Ｆ５が上部重合部Ｊ１ａよりも深くなるように設定する。つまり、先端側ピンＦ４の平坦面Ｆ５は、第二金属部材２のみと接触するように設定する。言い換えると、上部重合部Ｊ１ａが先端側ピンＦ４の側面に位置するように回転ツールＦ１の挿入深さを設定する。回転ツールＦ１の移動軌跡には、塑性化領域Ｗ２が形成される。
下部表側摩擦攪拌工程及び下部裏側摩擦攪拌工程は、上部表側摩擦攪拌工程及び上部裏側摩擦攪拌工程と同じ要領で行うため、詳細な説明は省略する。以上の工程によって第一金属部材１と第二金属部材２とが接合される。また、摩擦攪拌工程によって発生するバリを除去するバリ除去工程を行ってもよい。
以上説明した第四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。ここで、本実施形態では、摩擦攪拌工程において、先端側ピンＦ４の平坦面Ｆ５を上部重合部Ｊ１ａ及び下部重合部Ｊ２ａよりもそれぞれ深く挿入することにより、上部重合部Ｊ１ａ及び下部重合部Ｊ２ａの周囲も確実に接合することができる。例えば、上部表側摩擦攪拌工程においては、上部重合部Ｊ１ａ及び上部表側突合せ部Ｊ１ｂの両方を摩擦攪拌接合できるため、接合強度を高めることができる。
［第五実施形態］
次に、図１５を用いて本発明の第五実施形態に係る接合方法について説明する。第五実施形態に係る接合方法では、板状の第一金属部材４１と板状の第二金属部材５１を用いる点で第一実施形態と相違する。本実施形態では、第一実施形態と相違する部分を中心に説明する。第五実施形態に係る接合方法では、準備工程、重ね合わせ工程及び摩擦攪拌工程を行う。
準備工程は、第一金属部材４１及び第二金属部材５１を用意する工程である。第一金属部材４１及び第二金属部材５１は、ダブルスキンパネルの一部を構成する部材であって、板状を呈し摩擦攪拌可能な金属部材である。
重ね合わせ工程は、第一金属部材４１と第二金属部材５１とを重ね合わせる工程である。第一金属部材４１の表面４１ａと、第二金属部材５１の裏面５１ａとが重ね合わされて重合部Ｊ３が形成される。
摩擦攪拌工程は、回転ツールＦ１Ｄを用いて重合部Ｊ３を摩擦攪拌接合する工程である。摩擦攪拌工程では、回転する回転ツールＦ１Ｄを第二金属部材５１の表面５１ｂから挿入し、第二金属部材５１の表面５１ｂ上を移動させる。回転ツールＦ１Ｄの挿入深さは、少なくとも基端側ピンＦ３の一部が第二金属部材５１の表面５１ｂと接触するように設定する。つまり、回転ツールＦ１Ｄの基端側ピンＦ３の外周面で第二金属部材５１の表面５１ｂを押えながら摩擦攪拌接合を行う。また、先端側ピンＦ４の平坦面Ｆ５を重合部Ｊ３よりも上方に位置させるとともに、突起部Ｆ６の先端面Ｆ７を重合部Ｊ３よりも下方に位置させるように回転ツールＦ１Ｄの挿入深さを設定する。言い換えると、重合部Ｊ３が突起部Ｆ６の側面に位置するように回転ツールＦ１Ｄの挿入深さを設定する。
以上説明した第五実施形態に係る接合方法によれば、回転ツールＦ１Ｄが、基端側ピンＦ３と、基端側ピンＦ３のテーパー角度Ａよりもテーパー角度が小さい先端側ピンＦ４を備えた構成になっている。これにより、第二金属部材５１に回転ツールＦ１Ｄを挿入しやすくなる。また、先端側ピンＦ４のテーパー角度Ｂが小さいため、第二金属部材５１の深い位置まで回転ツールＦ１Ｄを容易に挿入することができる。また、先端側ピンＦ４のテーパー角度Ｂが小さいため、回転ツール９０１に比べて下向きの塑性流動を抑えることができる。このため、塑性化領域Ｗの下部にキッシングボンドが形成されるのを防ぐことができる。一方、基端側ピンＦ３のテーパー角度Ａは大きいため、従来の回転ツールに比べ、被接合金属部材の厚さや接合の高さ位置が変化しても安定して接合することができる。
また、基端側ピンＦ３の外周面で塑性流動材を押えることができるため、接合表面に形成される凹溝を小さくすることができるとともに、凹溝の脇に形成される膨出部を無くすか若しくは小さくすることができる。また、階段状の段差部１１０は浅く、かつ、出口が広いため、塑性流動材を段差底面１１０ａで押さえつつ塑性流動材が段差部１１０の外部に抜けやすくなっている。そのため、基端側ピンＦ３で塑性流動材を押えても基端側ピンＦ３の外周面に塑性流動材が付着し難い。よって、接合表面粗さを小さくすることができるとともに、接合品質を好適に安定させることができる。
また、本実施形態では、回転ツールＦ１Ｄの先端側ピンＦ４が平坦面Ｆ５を有することにより、突起部Ｆ６の周辺に巻き上げられる塑性流動材を平坦面Ｆ５で押え込むことができ、摩擦攪拌工程において、突起部Ｆ６の先端面Ｆ７を重合部Ｊ３よりも深く挿入することにより、重合部Ｊ３の酸化被膜を確実に分断することができる。
なお、本実施形態では、突起部Ｆ６の先端面Ｆ７が、重合部Ｊ３よりも上方に位置するように挿入深さを設定してもよい。つまり、先端側ピンＦ４が第二金属部材５１のみと接触するように回転ツールＦ１Ｄの挿入深さを設定してもよい。この場合においても、少なくとも基端側ピンＦ３の一部が第二金属部材５１の表面５１ｂと接触するようにする。この場合は、回転ツールＦ１Ｄと第二金属部材５１の摩擦熱によって、重合部Ｊ３が塑性流動化され接合される。なお、摩擦攪拌工程では、回転ツールＦ１Ｄの先端側ピンＦ４の平坦面Ｆ５を重合部Ｊ３よりも深く挿入してもよい。
また、本実施形態の摩擦攪拌工程では、第一金属部材４１の裏面４１ｂから回転ツールＦ１Ｄを挿入し、重合部Ｊ３に対して摩擦攪拌接合を行ってもよい。この際、表側の塑性化領域と裏側の塑性化領域とが重なるようにしてもよい。
［第六実施形態］
次に、図１６を用いて本発明の第六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、準備工程、重ね突合せ工程及び摩擦攪拌工程を行う。本実施形態に係る接合方法では、回転ツールが第五実施形態と相違するため、相違する部分を中心に説明する。
図１６に示すように、本実施形態に係る回転ツールＦ１は、先端側ピンＦ４の平坦面Ｆ５に突出する突起部Ｆ６が形成されていない点で第五実施形態で用いた回転ツールＦ１Ｄと相違する。
摩擦攪拌工程では、回転する回転ツールＦ１を第二金属部材５１の表面５１ｂから挿入し、第二金属部材５１の表面５１ｂ上を移動させる。回転ツールＦ１の挿入深さは、少なくとも基端側ピンＦ３の一部が第二金属部材５１の表面５１ｂと接触するように設定する。つまり、回転ツールＦ１の基端側ピンＦ３の外周面で第二金属部材５１の表面５１ｂを押えながら摩擦攪拌接合を行う。また、先端側ピンＦ４の平坦面Ｆ５を重合部Ｊ３よりも上方に位置させるように回転ツールＦ１の挿入深さを設定する。つまり、先端側ピンＦ４が第二金属部材５１のみに接触するように回転ツールＦ１の挿入深さを設定してもよい。言い換えると、先端側ピンＦ４の平坦面Ｆ５が重合部Ｊ３と接触しないように、回転ツールＦ１の挿入深さを重合部Ｊ３よりも浅く設定する。この場合、回転ツールＦ１と第二金属部材５１の摩擦熱によって、重合部Ｊ３が塑性流動化され接合される。
以上説明した第六実施形態に係る接合方法によっても、第五実施形態と略同等の効果を奏することができる。
なお、本実施形態では、先端側ピンＦ４の平坦面Ｆ５が、重合部Ｊ３よりも下方に位置するように挿入深さを設定してもよい。つまり、先端側ピンＦ４が第一金属部材４１及び第二金属部材５１の両方に接触するように回転ツールＦ１Ｄの挿入深さを設定してもよい。言い換えると、重合部Ｊ３が先端側ピンＦ４の側面に位置するように、回転ツールＦ１の挿入深さを重合部Ｊ３よりも深く設定してもよい。この場合においても、少なくとも基端側ピンＦ３の一部が第二金属部材５１の表面５１ｂと接触するようにする。
また、本実施形態の摩擦攪拌工程では、第一金属部材４１の裏面４１ｂから回転ツールＦ１を挿入し、重合部Ｊ３に対して摩擦攪拌接合を行ってもよい。この際、表側の塑性化領域と裏側の塑性化領域とが重なるようにしてもよい。
［変形例］
次に、各実施形態で使用した回転ツールＦ１，Ｆ１Ｄの変形例について説明する。
図１７は、各実施形態で使用した回転ツールの第一変形例を示す側面図である。図１７に示すように、第一変形例に係る回転ツールＦ１Ａでは、段差部１１０の段差底面１１０ａと段差側面１１０ｂとのなす段差角度Ｃが８５°になっている。段差底面１１０ａは、水平面と平行である。このように、段差底面１１０ａは水平面と平行であるとともに、段差角度Ｃは、摩擦攪拌中に段差部１１０内に塑性流動材が滞留して付着することなく外部に抜ける範囲で鋭角としてもよい。
図１８は、各実施形態で使用した回転ツールの第二変形例を示す側面図である。図１８に示すように、第二変形例に係る回転ツールＦ１Ｂでは、段差部１１０の段差角度Ｃが１１５°になっている。段差底面１１０ａは水平面と平行になっている。このように、段差底面１１０ａは水平面と平行であるとともに、段差部１１０として機能する範囲で段差角度Ｃが鈍角となってもよい。
図１９は、各実施形態で使用した回転ツールの第三変形例を示す側面図である。図１９に示すように、段差底面１１０ａがツールの回転軸から外周方向に向かって水平面に対して１０°上方に傾斜している。段差側面１１０ｂは、鉛直面と平行になっている。このように、摩擦攪拌中に塑性流動材を押さえることができる範囲で、段差底面１１０ａがツールの回転軸から外周方向に向かって水平面よりも上方に傾斜するように形成されていてもよい。上記の回転ツールの第一〜第三変形例によっても、本実施形態と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。
１，４１ 第一金属部材
２，５１ 第二金属部材
Ｆ１，Ｆ１Ａ，Ｆ１Ｂ，Ｆ１Ｃ，Ｆ１Ｄ 回転ツール
Ｆ２ 基軸部
Ｆ３ 基端側ピン
Ｆ４ 先端側ピン
Ｆ５ 平坦面
Ｆ６ 突起部
Ｆ７ 先端面
１１０ 段差部
１１０ａ 段差底面
１１０ｂ 段差側面
１１１ 螺旋溝
Ａ テーパー角度（基端側ピンの）
Ｂ テーパー角度
Ｃ 段差角度
Ｄ 螺旋溝角度
Ｘ１ 距離（基端側ピンの）
Ｘ２ 距離
Ｙ１ 高さ（段差側面の）
Ｙ２ 高さ
Ｊ１ 突合せ部
Ｊ１ａ 上部重合部
Ｊ１ｂ 上部表側突合せ部
Ｊ１ｃ 上部裏側突合せ部
Ｊ２ 突合せ部
Ｊ２ａ 下部重合部
Ｊ２ｂ 下部表側突合せ部
Ｊ２ｃ 下部裏側突合せ部
Ｊ３ 重合部
Ｗ１，Ｗ２，Ｗ 塑性化領域

Claims (10)

  1. 基端側ピンと先端側ピンとを備える摩擦攪拌用の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、
    前記第一金属部材の端部の表面に第一段差底面及び第一段差側面を形成するとともに、前記第二金属部材の端部の裏面に第二段差底面及び第二段差側面を形成する準備工程と、
    前記第一段差底面と前記第二段差底面とを重ね合わせて重合部を形成するとともに、前記第一段差側面と前記第二金属部材の端面とを突き合わせて表側突合せ部を形成し、さらに、前記第二段差側面と前記第一金属部材の端面とを突き合わせて裏側突合せ部を形成する重ね突合せ工程と、
    回転する前記先端側ピンを前記表側突合せ部から挿入し、前記基端側ピン及び前記先端側ピンを前記第一金属部材及び前記第二金属部材に接触させた状態で前記表側突合せ部に沿って前記回転ツールを相対移動させて前記表側突合せ部及び前記重合部を接合する摩擦攪拌工程と、を含み、
    前記基端側ピンのテーパー角度は、前記先端側ピンのテーパー角度よりも大きくなっており、
    前記基端側ピンの外周面には階段状の段差部が形成されており、
    前記先端側ピンは、前記回転ツールの回転軸に対して垂直な平坦面を備えるとともに、前記平坦面から突出する突起部を備え、
    前記摩擦攪拌工程では、前記平坦面を前記第一金属部材及び前記第二金属部材に接触させるとともに、前記突起部の先端面を前記重合部よりも深く挿入して前記表側突合せ部及び前記重合部を接合することを特徴とする接合方法。
  2. 基端側ピンと先端側ピンとを備える摩擦攪拌用の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、
    前記第一金属部材の端部の表面に第一段差底面及び第一段差側面を形成するとともに、前記第二金属部材の端部の裏面に第二段差底面及び第二段差側面を形成する準備工程と、
    前記第一段差底面と前記第二段差底面とを重ね合わせて重合部を形成するとともに、前記第一段差側面と前記第二金属部材の端面とを突き合わせて表側突合せ部を形成し、さらに、前記第二段差側面と前記第一金属部材の端面とを突き合わせて裏側突合せ部を形成する重ね突合せ工程と、
    回転する前記先端側ピンを前記裏側突合せ部から挿入し、前記基端側ピン及び前記先端側ピンを前記第一金属部材及び前記第二金属部材に接触させた状態で前記裏側突合せ部に沿って前記回転ツールを相対移動させて前記裏側突合せ部及び前記重合部を接合する摩擦攪拌工程と、を含み、
    前記基端側ピンのテーパー角度は、前記先端側ピンのテーパー角度よりも大きくなっており、
    前記基端側ピンの外周面には階段状の段差部が形成されており、
    前記先端側ピンは、前記回転ツールの回転軸に対して垂直な平坦面を備えるとともに、前記平坦面から突出する突起部を備え、
    前記摩擦攪拌工程では、前記平坦面を前記第一金属部材及び前記第二金属部材に接触させるとともに、前記突起部の先端面を前記重合部よりも深く挿入して前記裏側突合せ部及び前記重合部を接合することを特徴とする接合方法。
  3. 基端側ピンと先端側ピンとを備える摩擦攪拌用の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、
    前記第一金属部材の端部の表面に第一段差底面及び第一段差側面を形成するとともに、前記第二金属部材の端部の裏面に第二段差底面及び第二段差側面を形成する準備工程と、
    前記第一段差底面と前記第二段差底面とを重ね合わせて重合部を形成するとともに、前記第一段差側面と前記第二金属部材の端面とを突き合わせて表側突合せ部を形成し、さらに、前記第二段差側面と前記第一金属部材の端面とを突き合わせて裏側突合せ部を形成する重ね突合せ工程と、
    回転する前記先端側ピンを前記表側突合せ部から挿入し、前記基端側ピン及び前記先端側ピンを前記第一金属部材及び前記第二金属部材に接触させた状態で前記表側突合せ部に沿って前記回転ツールを相対移動させて前記表側突合せ部を接合する摩擦攪拌工程と、を含み、
    前記基端側ピンのテーパー角度は、前記先端側ピンのテーパー角度よりも大きくなっており、
    前記基端側ピンの外周面には階段状の段差部が形成されており、
    前記先端側ピンは、前記回転ツールの回転軸に対して垂直な平坦面を備えるとともに、前記平坦面から突出する突起部を備え、
    前記摩擦攪拌工程では、前記平坦面及び前記突起部の先端面をいずれも前記第一金属部材及び前記第二金属部材に接触させた状態で前記表側突合せ部を接合することを特徴とする接合方法。
  4. 基端側ピンと先端側ピンとを備える摩擦攪拌用の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、
    前記第一金属部材の端部の表面に第一段差底面及び第一段差側面を形成するとともに、前記第二金属部材の端部の裏面に第二段差底面及び第二段差側面を形成する準備工程と、
    前記第一段差底面と前記第二段差底面とを重ね合わせて重合部を形成するとともに、前記第一段差側面と前記第二金属部材の端面とを突き合わせて表側突合せ部を形成し、さらに、前記第二段差側面と前記第一金属部材の端面とを突き合わせて裏側突合せ部を形成する重ね突合せ工程と、
    回転する前記先端側ピンを前記裏側突合せ部から挿入し、前記基端側ピン及び前記先端側ピンを前記第一金属部材及び前記第二金属部材に接触させた状態で前記裏側突合せ部に沿って前記回転ツールを相対移動させて前記裏側突合せ部を接合する摩擦攪拌工程と、を含み、
    前記基端側ピンのテーパー角度は、前記先端側ピンのテーパー角度よりも大きくなっており、
    前記基端側ピンの外周面には階段状の段差部が形成されており、
    前記先端側ピンは、前記回転ツールの回転軸に対して垂直な平坦面を備えるとともに、前記平坦面から突出する突起部を備え、
    前記摩擦攪拌工程では、前記平坦面及び前記突起部の先端面をいずれも前記第一金属部材及び前記第二金属部材に接触させた状態で前記裏側突合せ部を接合することを特徴とする接合方法。
  5. 基端側ピンと先端側ピンとを備える摩擦攪拌用の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、
    前記第一金属部材の端部の表面に第一段差底面及び第一段差側面を形成するとともに、前記第二金属部材の端部の裏面に第二段差底面及び第二段差側面を形成する準備工程と、
    前記第一段差底面と前記第二段差底面とを重ね合わせて重合部を形成するとともに、前記第一段差側面と前記第二金属部材の端面とを突き合わせて表側突合せ部を形成し、さらに、前記第二段差側面と前記第一金属部材の端面とを突き合わせて裏側突合せ部を形成する重ね突合せ工程と、
    回転する前記先端側ピンを前記表側突合せ部から挿入し、前記基端側ピン及び前記先端側ピンを前記第一金属部材及び前記第二金属部材に接触させた状態で前記表側突合せ部に沿って前記回転ツールを相対移動させて前記表側突合せ部を接合する摩擦攪拌工程と、を含み、
    前記基端側ピンのテーパー角度は、前記先端側ピンのテーパー角度よりも大きくなっており、
    前記基端側ピンの外周面には階段状の段差部が形成されていることを特徴とする接合方法。
  6. 前記摩擦攪拌工程では、攪拌ピンの先端に形成された平坦面が、前記重合部よりも深くなるよう挿入することを特徴とする請求項５に記載の接合方法。
  7. 基端側ピンと先端側ピンとを備える摩擦攪拌用の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、
    前記第一金属部材の端部の表面に第一段差底面及び第一段差側面を形成するとともに、前記第二金属部材の端部の裏面に第二段差底面及び第二段差側面を形成する準備工程と、
    前記第一段差底面と前記第二段差底面とを重ね合わせて重合部を形成するとともに、前記第一段差側面と前記第二金属部材の端面とを突き合わせて表側突合せ部を形成し、さらに、前記第二段差側面と前記第一金属部材の端面とを突き合わせて裏側突合せ部を形成する重ね突合せ工程と、
    回転する前記先端側ピンを前記裏側突合せ部から挿入し、前記基端側ピン及び前記先端側ピンを前記第一金属部材及び前記第二金属部材に接触させた状態で前記裏側突合せ部に沿って前記回転ツールを相対移動させて前記裏側突合せ部を接合する摩擦攪拌工程と、を含み、
    前記基端側ピンのテーパー角度は、前記先端側ピンのテーパー角度よりも大きくなっており、
    前記基端側ピンの外周面には階段状の段差部が形成されていることを特徴とする接合方法。
  8. 前記摩擦攪拌工程では、攪拌ピンの先端に形成された平坦面が、前記重合部よりも深くなるよう挿入することを特徴とする請求項７に記載の接合方法。
  9. 基端側ピンと先端側ピンとを備える摩擦攪拌用の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、
    前記第一金属部材の表面に前記第二金属部材の裏面を重ね合わせて重合部を形成する重ね合わせ工程と、
    回転する前記先端側ピンを前記第二金属部材の表面側から挿入し、前記先端側ピンのみを前記第一金属部材に接触させるとともに、前記基端側ピン及び前記先端側ピンを前記第二金属部材に接触させた状態で前記重合部に沿って前記回転ツールを相対移動させて前記重合部を接合する摩擦攪拌工程と、を含み、
    前記基端側ピンのテーパー角度は、前記先端側ピンのテーパー角度よりも大きくなっており、
    前記基端側ピンの外周面には階段状の段差部が形成されており、
    前記先端側ピンは、前記回転ツールの回転軸に対して垂直な平坦面を備えるとともに、前記平坦面から突出する突起部を備え、
    前記摩擦攪拌工程では、前記平坦面を前記第二金属部材に接触させるとともに、前記突起部の先端面を前記第一金属部材に接触させた状態で前記重合部を接合することを特徴とする接合方法。
  10. 基端側ピンと先端側ピンとを備える摩擦攪拌用の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、
    前記第一金属部材の表面に前記第二金属部材の裏面を重ね合わせて重合部を形成する重ね合わせ工程と、
    回転する前記先端側ピンを前記第二金属部材の表面側から挿入し、前記基端側ピン及び前記先端側ピンを前記第二金属部材に接触させた状態で前記重合部に沿って前記回転ツールを相対移動させて前記重合部を接合する摩擦攪拌工程と、を含み、
    前記基端側ピンのテーパー角度は、前記先端側ピンのテーパー角度よりも大きくなっており、
    前記基端側ピンの外周面には階段状の段差部が形成されており、
    前記摩擦攪拌工程では、前記先端側ピンを前記第二金属部材のみに接触させるか、又は前記第一金属部材および前記第二金属部材の両方に接触させた状態で前記重合部を接合することを特徴とする接合方法。
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