JP2019188433A - 摩擦攪拌接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 接合欠陥の発生を抑制できる摩擦攪拌接合方法を提供する。【解決手段】 所定の方向に延びる平面状の外周面を有する第１摩擦攪拌接合対象部位、ＷＰ１及び前記第１摩擦攪拌接合対象部位ＷＰ１の外周面の延設方向における端部から前記所定の方向に延びる曲面状の外周面を有する第２摩擦攪拌接合対象部位ＷＰ２に沿って摩擦攪拌ツールＦＴを走査して、第１摩擦攪拌接合対象部位ＷＰ１及び第２摩擦攪拌接合対象部位ＷＰ２を、この順に連続的に接合する。摩擦撹拌ツールＦＴのショルダ部の前記走査方向における後半部が前半部に比べて前記摩擦攪拌接合対象部位内へ深く入り込み、且つ第１摩擦攪拌接合対象部位ＷＰ１内への前記ショルダ部の入り込み深さｄと、第２摩擦攪拌接合対象部位ＷＰ２内への前記ショルダ部の入り込み深さｄとが同一になるように、摩擦攪拌ツールＦＴと接合対象の部材との相対的位置又は姿勢を制御する。【選択図】図６

Description

本発明は、摩擦攪拌接合方法に関する。

例えば、下記特許文献１に記載されているように、２つの金属部材の摩擦攪拌接合方法は知られている。この摩擦拡販接合方法の第１工程（突き合わせ工程）では、まず、接合対象部材としての２つの金属部材（第１部材及び第２部材）の端面が突き合わせられる。なお、第１部材及び第２部材の境界部に段差が形成されないように両部材が配置される。第２工程（接合工程）では、摩擦攪拌ツールの先端部（プローブ部）が摩擦攪拌接合対象部位に圧入され、摩擦攪拌接合対象部位に沿って走査される。これにより、摩擦攪拌接合対象部位（つまり、前記突き合わせられた端面の両側に位置する部分）が攪拌されて塑性流動する。このようにして第１部材と第２部材とが接合される。

特開２０１６−７４０１４号公報

一般に、摩擦攪拌ツールが摩擦攪拌接合対象部位に沿って走査される際、摩擦攪拌ツールの中心軸は接合対象部位の表面に垂直ではなく、前記表面（又は法線）に対して少し傾斜している。すなわち、摩擦攪拌ツールの先端側（プローブ部側）が基端側（シャンク部側）に比べて前記走査方向における前方に位置している。前記法線に対する中心軸の傾斜角度は前進角と呼ばれる。前進角は、例えば、３°に設定される。上記のように、前記法線に対して摩擦攪拌ツールが傾斜配置されることにより、摩擦攪拌ツールのショルダ部（シャンク部の先端）のうち、前記走査方向における後半部側が、前半部側に比べて、前記接合対象部位内に深く入り込む。そのため、摩擦攪拌ツールによって攪拌されて前記走査方向における後方側へ塑性流動した金属材料の浮き上がり（表面の膨出）を抑制して、接合欠陥（空洞）の発生を抑制できる。

ここで、図２２に示すように、突き合わせられた第１部材Ｐ１及び第２部材Ｐ２の第１摩擦攪拌接合対象部位ＷＰ１を接合し、引き続き第２摩擦攪拌接合対象部位ＷＰ２を接合する工程について考察する。なお、第１摩擦攪拌接合対象部位ＷＰ１の外周面Ｓ１が平面状であり、第２摩擦攪拌接合対象部位ＷＰ２の外周面Ｓ２が、外周面Ｓ１に連続する円弧面である。

まず、第１摩擦攪拌接合対象部位ＷＰ１に摩擦攪拌ツールＦＴが圧入される。そして、摩擦攪拌ツールＦＴが、第２摩擦攪拌接合対象部位ＷＰ２側（図２３において右方）へ平行移動される。なお、第１摩擦攪拌接合対象部位ＷＰ１の接合工程において、前進角θが、所定値（例えば３°）に設定される。言い換えれば、第１摩擦攪拌接合対象部位ＷＰ１内へのショルダ部の後半部の入り込み深さｄが、塑性流動した金属材料の浮き上がりを抑制可能な最適値ｄ_０（例えば０．３ｍｍ）に設定される。なお、摩擦攪拌ツールＦＴの先端（プローブ部）は、実際には円錐台形であるが、以下の説明において、プローブ部ＰＲの先端ＤＰを尖鋭形とする。また、図２３において、破線Ｌａは、外周面Ｓ１，Ｓ２からの距離が入り込み深さｄの最適値ｄ_０である位置を表す。また、破線Ｌｂは、外周面Ｓ１，Ｓ２からの距離が撹拌深さＤの最適値Ｄ_０である位置を表す。

図２３に示すように、プローブ部ＰＲの先端ＤＰが、第１摩擦攪拌接合対象部位ＷＰ１と第２摩擦攪拌接合対象部位ＷＰ２との境界部ＢＤ_１２に到達したとき、摩擦攪拌ツールＦＴが、外周面Ｓ２の中心軸Ｏの回りに回動され始める。ここで、摩擦撹拌ツールＦＴの中心軸Ｏの回りの回動角度αが増大するだけであり、前進角θ（外周面Ｓ２の各点における法線Ｎに対する中心軸ＣＡの角度）、摩擦撹拌ツールＦＴの中心軸ＣＡの延設方向の位置などの他のパラメータは変更されない。この場合、撹拌深さＤ（外周面Ｓ１，Ｓ２からプローブ部ＰＲの先端ＤＰまでの距離）は、最適値Ｄ_０に保たれる。しかし、図２３に示すように、摩擦攪拌ツールＦＴが中心軸Ｏの回りに回動され始めると、摩擦接合対象部位ＷＰ（第１摩擦攪拌接合対象部位ＷＰ１又は第２摩擦攪拌接合対象部位ＷＰ２）内へのショルダ部（シャンク部ＳＨの先端）の入り込み深さｄが、最適値ｄ_０より小さくなる。したがって、図２４に示すように、塑性流動した金属材料が浮き上がり、外周面Ｓ２が膨出して、第２摩擦攪拌接合対象部位ＷＰ２の内部に接合欠陥（空洞）が生じる虞がある。なお、図２４において、摩擦撹拌ツールＦＴのショルダ部の後端の軌跡を２点鎖線で示している。

本発明は上記問題に対処するためになされたもので、その目的は、接合欠陥の発生を抑制できる摩擦攪拌接合方法を提供することにある。なお、下記本発明の各構成要件の記載においては、本発明の理解を容易にするために、実施形態の対応箇所の符号を括弧内に記載しているが、本発明の各構成要件は、実施形態の符号によって示された対応箇所の構成に限定解釈されるべきものではない。

上記目的を達成するために、本発明の特徴は、２つの部材（１０，２０）の突き合わせ面の両側に位置する部位からなる第１摩擦攪拌接合対象部位（ＷＰ１）及び第２摩擦攪拌接合対象部位（ＷＰ２）であって、所定の方向に延びる平面状の外周面（Ｓ１）を有する第１摩擦攪拌接合対象部位、及び前記第１摩擦攪拌接合対象部位の外周面の延設方向における端部から前記所定の方向に延びる曲面状の外周面（Ｓ２）を有する第２摩擦攪拌接合対象部位に沿って摩擦攪拌ツール（ＦＴ）を走査して、前記第１摩擦攪拌接合対象部位及び前記第２摩擦攪拌接合対象部位を、この順に連続的に接合する摩擦攪拌接合方法であって、前記摩擦撹拌ツールのショルダ部の前記走査方向における後半部が前半部に比べて前記摩擦攪拌接合対象部位内へ深く入り込み、且つ前記第１摩擦攪拌接合対象部位内への前記ショルダ部の入り込み深さ（ｄ）と、前記第２摩擦攪拌接合対象部位内への前記ショルダ部の入り込み深さ（ｄ）とが同一になるように、前記摩擦攪拌ツールと前記２つの部材との相対的位置又は姿勢を制御する、摩擦攪拌接合方法としたことにある。

この場合、前記第１摩擦攪拌接合対象部位における摩擦攪拌ツールの前進角（θ）を所定値に設定し、前記第１摩擦攪拌接合対象部位と前記第２摩擦攪拌接合対象部位との境界部（ＢＤ_１２）に、前記摩擦攪拌ツールの先端部（ＤＰ）が到達したとき、前記摩擦攪拌ツールを、前記第２摩擦攪拌接合対象部位の外周面（Ｓ２）の中心軸（Ｏ）の回りに回動させ始めるとともに、前記前進角を徐々に変更するとよい。

また、この場合、前記第１摩擦攪拌接合対象部位と前記第２摩擦攪拌接合対象部位との境界部に、前記ショルダ部の走査方向における後端側の部位が到達したとき、前記摩擦攪拌ツールを、前記第２摩擦攪拌接合対象部位の外周面の中心軸の回りに回動させ始めてもよい。

また、この場合、前記第１摩擦攪拌接合対象部位における摩擦攪拌ツールの前進角を所定値に設定し、前記第１摩擦攪拌接合対象部位と前記第２摩擦攪拌接合対象部位との境界部に、前記摩擦攪拌ツールの先端部が到達したとき、前記摩擦攪拌ツールを、前記第２摩擦攪拌接合対象部位の外周面の中心軸の回りに回動させ始めるとともに、摩擦攪拌ツールの攪拌深さ（Ｄ）を徐々に変更してもよい。なお、本発明の「攪拌深さ」は、接合される前記２つの部材の外周面から摩擦攪拌ツールの先端までの距離に相当する。

本発明によれば、平面状の外周面を有する第１摩擦攪拌接合対象部位から曲面状の外周面を有する第２摩擦攪拌接合対象部位に亘り、摩擦攪拌ツールのショルダ部の入り込み深さを最適値に保つことができる。よって、図２４に示すような接合欠陥の発生を抑制できる。

本発明の第１実施形態乃至第３実施形態に係る摩擦撹拌接合方法を用いて接合される第１部材及び第２部材の斜視図である。 本発明の摩擦撹拌接合方法の接合工程の概略を示す斜視図である。 本発明の第１乃至第３実施形態に係り、第１部材と第２部材との境界面であって、摩擦撹拌ツールを第１摩擦攪拌接合対象部位に沿って走査する様子を示す断面図である。 摩擦撹拌ツールが第１摩擦攪拌接合対象部位と第２摩擦攪拌接合対象部位の境界部に到達した状態を示す断面図である。 前進角を変更することなく、摩擦撹拌ツールを第２摩擦攪拌接合対象部位に沿って少し回動させた場合の摩擦撹拌ツールの姿勢を示す断面図である。 前進角を徐々に増大させつつ摩擦撹拌ツールを第２摩擦攪拌接合対象部位に沿って回動させる様子を示す断面図である。 ショルダ部の走査方向における後端が第１摩擦攪拌接合対象部位と第２摩擦攪拌接合対象部位の境界部に到達した状態を示す断面図である。 前進角を変更することなく摩擦撹拌ツールを第２摩擦攪拌接合対象部位に沿って回動させる様子を示す断面図である。 プローブ部の先端が第１摩擦攪拌接合対象部位と第２摩擦攪拌接合対象部位の境界部に到達した状態を示す断面図である。 前進角を変更することなく、摩擦撹拌ツールを第３摩擦攪拌接合対象部位に沿って少し平行移動させた場合の摩擦撹拌ツールの姿勢を示す断面図である。 前進角を徐々に増大させつつ摩擦撹拌ツールを第３摩擦攪拌接合対象部位に沿って平行移動させる様子を示す断面図である。 ショルダ部の走査方向における後端が第２摩擦攪拌接合対象部位と第３摩擦攪拌接合対象部位の境界部に到達した状態を示す断面図である。 摩擦撹拌ツールを第３摩擦攪拌接合対象部位に沿って平行移動させる様子を示す断面図である。 本発明の第２実施形態に係り、ショルダ部の走査方向における後端が第１摩擦攪拌接合対象部位と第２摩擦攪拌接合対象部位の境界部に到達した状態を示す断面図である。 摩擦撹拌ツールを第２摩擦攪拌接合対象部位に沿って回動させる様子を示す断面図である。 本発明の第３実施形態に係り、摩擦撹拌ツールの押し込み量を変更することなく、摩擦撹拌ツールを第２摩擦攪拌接合対象部位に沿って少し回動させた場合の摩擦撹拌ツールの姿勢を示す断面図である。 押し込み量を徐々に増大させつつ摩擦撹拌ツールを第２摩擦攪拌接合対象部位に沿って回動させる様子を示す断面図である。 押し込み量を変更することなく摩擦撹拌ツールを第２摩擦攪拌接合対象部位に沿って回動させる様子を示す断面図である。 押し込み量を変更することなく摩擦撹拌ツールを第３摩擦攪拌接合対象部位に沿って平行移動させた場合の摩擦撹拌ツールの姿勢を示す断面図である。 ショルダ部の走査方向における後端が第２摩擦攪拌接合対象部位と第３摩擦攪拌接合対象部位の境界部に到達した状態を示す断面図である。 押し込み量を変更することなく摩擦撹拌ツールを第３摩擦攪拌接合対象部位に沿って平行移動させる様子を示す断面図である。 従来の摩擦撹拌接合方法の接合工程の概略を示す斜視図である。 従来の摩擦撹拌接合方法に係り、第１部材と第２部材との突き合わせ面であって、摩擦撹拌ツールを第１摩擦攪拌接合対象部位及び第２摩擦攪拌接合対象部位に沿って走査する様子を示す断面図である。 接合欠陥を示す断面図である。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態に係る摩擦攪拌接合方法を用いて、図１に示す第１部材１０と第２部材２０とを接合して、一方向へ開放された箱状（ケース状）の製品を製造する手順（突き合わせ工程及び接合工程）について説明する。第１部材１０及び第２部材２０は、アルミニウム合金製である。第１部材１０は、側壁部１１及び周壁部１２を有する。側壁部１１は、略長方形の板状部である。すなわち、側壁部１１１は、対向する長辺部１１１，１１３及び短辺部１１２，１１４を有する。側壁部１１の長辺部１１１と短辺部１１２との交差部（角部Ｃ１ａ）が円弧状に湾曲している。また、側壁部１１の長辺部１１３と短辺部１１２との交差部（角部Ｃ１ｂ）が円弧状に湾曲している。

周壁部１２は、側壁部１１の周縁部から側壁部１１の表面に対して垂直に延びるとともに、側壁部１１の周縁部に沿って延設されている。周壁部１２は、側壁部１１の周縁部のうち、短辺部１１４を除く部分に沿って形成されている。具体的には、周壁部１２は、長辺部１１１に沿った第１壁部１２１、角部Ｃ１ａに沿った第２壁部１２２、短辺部１１２に沿った第３壁部１２３、角部Ｃ１ｂに沿った第４壁部１２４、長辺部１１３に沿った第５壁部１２５を有する。第１壁部１２１、第３壁部１２３及び第５壁部１２５の外周面は平面である。また、第２壁部１２２及び第４壁部１２４の外周面は、円弧面である。なお、第１壁部１２１乃至第５壁部１２５の幅（側壁部１１の壁厚方向に平行な方向の寸法）は同一である。また、第１壁部１２１乃至第５壁部１２５の壁厚は同一である。また、第１壁部１２１乃至第５壁部１２５の幅方向における端面であって、側壁部１１とは反対側の端面Ｅ１は、側壁部１１の表面に平行である。

第２部材２０は、第１部材１０の周壁部１２の端面に関して面対称形状を有する。すなわち、第２部材２０は、側壁部１１と同様の側壁部２１、及び周壁部１２と同様の周壁部２２を有する。側壁部２１は、長辺部２１１，２１３及び短辺部２１２，２１４を有する。側壁部２１の長辺部２１１と短辺部２１２との交差部（角部Ｃ２ａ）が円弧状に湾曲している。また、側壁部２１の長辺部２１３と短辺部２１２との交差部（角部Ｃ２ｂ）が円弧状に湾曲している。周壁部２２は、第１壁部１２１乃至第５壁部１２５と同様の第１壁部２２１乃至第５壁部２２５を有する。なお、第１壁部２２１乃至第５壁部２２５の幅方向における端面であって、側壁部２１とは反対側の端面Ｅ２は、側壁部２１の表面に平行である。

以下説明するように、第１部材１０の周壁部１２と第２部材２０の周壁部２２とが突き合わせられ、その突き合わせ面の両側に位置する部位からなる摩擦攪拌接合対象部位ＷＰに沿って摩擦撹拌ツールＦＴが走査されて、第１部材１０と第２部材２０とが接合される（図２参照）。なお、摩擦攪拌ツールＦＴは、駆動装置ＤＲに取り付けられている。駆動装置ＤＲは、図示しない制御装置及び各種アクチュエータを備える。前記制御装置は、摩擦攪拌ツールＦＴの位置及び姿勢、並びに中心軸ＣＡの回りの回転数に関する各種パラメータを所定のコンピュータプログラムに従って制御する。また、前記各種アクチュエータは、前記パラメータに従って動作し、摩擦攪拌ツールＦＴの回転数、位置及び姿勢を変更する。

（突き合わせ工程）
つぎに、突き合わせ工程について説明する。第１部材１０の周壁部１２の端面Ｅ１及び第２部材２０の周壁部２２の端面Ｅ２が突き合わせられる。周壁部１２と周壁部２２との境界部において段差が形成されないように、第１部材１０及び第２部材２０が配置される。つまり、第１部材１０の周壁部１２の外周面と第２部材２０の周壁部２２の外周面とが連続するように、両部材が配置される。以下の説明において、第１部材１０及び第２部材２０との摩擦攪拌接合対象部位ＷＰのうち、第１壁部１２１と第１壁部２２１とが接合される部分を第１摩擦攪拌接合対象部位ＷＰ１と呼ぶ。第２壁部１２２と第２壁部２２２とが接合される部分を第２摩擦攪拌接合対象部位ＷＰ２と呼ぶ。第３壁部１２３と第３壁部２２３とが接合される部分を第３摩擦攪拌接合対象部位ＷＰ３と呼ぶ。第４壁部１２４と第４壁部２２４とが接合される部分を第４摩擦攪拌接合対象部位ＷＰ４と呼ぶ。また、第５壁部１２５と第５壁部２２５とが接合される部分を第５摩擦攪拌接合対象部位ＷＰ５と呼ぶ。

上記のように突き合わせられた第１部材１０及び第２部材２０が、図示しない支持装置に取り付けられて固定される。以下の説明において、第１摩擦攪拌接合対象部位ＷＰ１の外周面Ｓ１の延設方向を前後方向と呼び、第１部材１０及び第２部材２０の並び方向を左右方向と呼ぶ。また、第１摩擦攪拌接合対象部位ＷＰ１の外周面Ｓ１の法線方向を上下方向と呼ぶ。

（接合工程）
つぎに、接合工程について説明する。この工程では、第１摩擦攪拌接合対象部位ＷＰ１の接合、第２摩擦攪拌接合対象部位ＷＰ２の接合、及び第３摩擦攪拌接合対象部位ＷＰ３の接合がこの順に実施される。そして、引き続き、第４接合対象部位ＷＰ４の接合、及び第５接合対象部位ＷＰ５の接合が、この順に実施される。上記の工程が連続的に実施される。第１摩擦攪拌接合対象部位ＷＰ１の接合から第３接合対象部位ＷＰ３の接合に亘る一連の工程と、第３接合対象部位ＷＰ３の接合から第５接合対象部位ＷＰ５の接合に亘る一連の工程とは略同一である。そこで、以下、第１摩擦攪拌接合対象部位ＷＰ１の接合から第３接合対象部位ＷＰ３の接合に亘る一連の工程について説明し、第３接合対象部位ＷＰ３の接合から第５接合対象部位ＷＰ５の接合に亘る一連の工程についての説明を省略する。なお、図３乃至図２０において、なお、摩擦攪拌ツールＦＴの先端（プローブ部ＰＲ）は、実際には円錐台形であるが、以下の説明において、プローブ部ＰＲの先端ＤＰを尖鋭形とする。また、破線Ｌａは、外周面Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３からの距離が入り込み深さｄの最適値ｄ_０である位置を表す。また、破線Ｌｂは、外周面Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３からの距離が撹拌深さＤの最適値Ｄ_０である位置を表す。

まず、図２に示すように、摩擦攪拌ツールＦＴが第１部材１０及び第２部材２０の上方に配置される。つぎに、摩擦攪拌ツールＦＴの中心軸ＣＡの左右方向における位置と、第１部材１０と第２部材２０との突き合わせ面（つまり、端面Ｅ１及び端面Ｅ２）の左右方向における位置とが一致するように、第１部材１０及び第２部材２０並びに摩擦攪拌ツールＦＴの左右方向における位置が設定される。また、第１摩擦攪拌接合対象部位ＷＰ１の前後方向における端部であって、第２摩擦攪拌接合対象部位ＷＰ２とは反対側の端部の上方に摩擦攪拌ツールＦＴの先端部が位置するように、摩擦攪拌ツールＦＴの位置が設定される。

つぎに、摩擦攪拌ツールＦＴが中心軸ＣＡの回りに回転されながら下降され、摩擦攪拌ツールＦＴの先端部が第１壁部１２１と第１壁部２２１との境界部に圧入される。図３に示すように、前進角θは、例えば、３°に設定される。これにより、摩擦攪拌ツールＦＴのショルダ部の後半部（摩擦撹拌ツールＦＴの走査方向における後側部）が、前半部（摩擦撹拌ツールＦＴの走査方向における前側部）に比べて、第１摩擦攪拌接合対象部位ＷＰ１内に深く入り込む。具体的には、第１摩擦攪拌接合対象部位ＷＰ１内へのショルダ部の入り込み深さｄが、塑性流動した金属材料の浮き上がりを抑制可能な最適値ｄ_０（例えば０．３ｍｍ）に設定される。なお、ショルダ部の前端は、外周面Ｓ１より少し上方に位置している。

つぎに、摩擦撹拌ツールＦＴが前方（図３における右方）へ走査（平行移動）される。なお、摩擦攪拌ツールＦＴの位置及び姿勢に関するパラメータのうち、前後方向の位置に関するパラメータを除くパラメータは変更されない。これによれば、プローブ部ＰＲの先端ＤＰは破線Ｌｂに沿って移動する。つまり、撹拌深さＤが最適値Ｄ_０に保持される。また、ショルダ部の走査方向における後端ＲＰ（すなわち、摩擦攪拌接合対象部位ＷＰ内へ最も深く入り込んだ部位）は、図３において破線Ｌａに沿って移動する。つまり、入り込み深さｄが最適値ｄ_０に保持される。図４に示すように、摩擦攪拌ツールＦＴのプローブ部ＰＲの先端ＤＰが、第１摩擦攪拌接合対象部位ＷＰ１と第２摩擦攪拌接合対象部位ＷＰ２との境界部ＢＤ_１２に到達したとき、摩擦撹拌ツールＦＴの前方への走査が停止される。

つぎに、摩擦撹拌ツールＦＴが、第２摩擦攪拌接合対象部位ＷＰ２の外周面Ｓ２の中心軸Ｏの回りに走査（回動）され始める。その際、摩擦攪拌ツールＦＴのプローブ部ＰＲの先端ＤＰが図４において破線Ｌｂに沿って移動し、且つショルダ部の走査方向における後端ＲＰが図４において破線Ｌａに沿って移動するように、摩擦攪拌ツールＦＴの位置及び姿勢に関する各種パラメータが変更される。すなわち、攪拌深さＤ（外周面Ｓ２からプローブ部ＰＲの先端ＤＰまでの距離）が最適値Ｄ_０に保持され、且つ摩擦攪拌ツールＦＴのショルダ部の入り込み深さｄが、最適値ｄ_０（例えば０．３ｍｍ）に保持されるように、各種パラメータが変更される。

図４の状態から、摩擦撹拌ツールＦＴの中心軸Ｏの回りの回動角度αが増大されることにより、プローブ部ＰＲの先端ＤＰは、図５において破線Ｌｂに沿って移動する。つまり、撹拌深さＤが最適値Ｄ_０に保持される。ここで、仮に、図５に示すように、摩擦撹拌ツールＦＴの中心軸Ｏの回りの回動角度αが増大され始めた際、摩擦攪拌ツールＦＴの位置及び姿勢に関するパラメータのうち、回動角度αを除くパラメータが変更されない場合には、ショルダ部の走査方向における後端ＲＰは図５において破線Ｌａから逸れる。つまり、入り込み深さｄが徐々に小さくなる。そこで、図６に示すように、摩擦撹拌ツールＦＴの回動角度αが徐々に増大されつつ、入り込み深さｄが最適値ｄ_０に保持されるように、摩擦撹拌ツールＦＴが、プローブ部ＰＲの先端ＤＰを中心として徐々に回動されて、前進角θが増大される。ショルダ部の走査方向における後端ＲＰが境界部ＢＤ_１２に到達したとき（図７参照）、先端ＤＰを中心とした摩擦撹拌ツールＦＴの回動（前進角θの変更）が停止される。

つぎに、図８に示すように、摩擦撹拌ツールＦＴが、中心軸Ｏの回りにさらに回動される。なお、摩擦攪拌ツールＦＴの位置及び姿勢に関するパラメータのうち、回動角度αを除くパラメータは変更されない。すなわち、図７に示す時点の前進角θが保持される。これによれば、ショルダ部の走査方向における後端ＲＰは、図８及び図９において破線Ｌａに沿って移動する。つまり、入り込み深さｄが最適値ｄ_０に保持される。また、プローブ部ＰＲの先端ＤＰは、図８及び図９において破線Ｌｂに沿って移動する。つまり、撹拌深さＤが最適値Ｄ_０に保持される。回動角度αが「９０°」に到達したとき（すなわち、プローブ部ＰＲの先端ＤＰが境界部ＢＤ_２３に到達したとき（図９参照））、中心軸Ｏの回りの摩擦撹拌ツールＦＴの回動が停止される。

つぎに、摩擦撹拌ツールＦＴが下方へ走査（平行移動）され始める。これによれば、プローブ部ＰＲの先端ＤＰは、図１１及び図１２において破線Ｌｂに沿って移動する。つまり、撹拌深さＤが最適値Ｄ_０に保持される。ここで、仮に、図１０に示すように、摩擦撹拌ツールＦＴが下方へ走査され始めた際、摩擦攪拌ツールＦＴの位置及び姿勢に関するパラメータのうち、上下方向の位置に関するパラメータを除くパラメータが変更されない場合には、ショルダ部の走査方向における後端ＲＰは図１０において破線Ｌａから逸れる。つまり、入り込み深さｄが徐々に大きくなる。そこで、図１１に示すように、摩擦撹拌ツールＦＴが下方へ平行移動されつつ、入り込み深さｄが最適値ｄ_０に保持されるように、摩擦撹拌ツールＦＴが、プローブ部ＰＲの先端ＤＰを中心として徐々に回動されて、前進角θが減少される。ショルダ部の走査方向における後端ＲＰが境界部ＢＤ_２３に到達したとき（図１２参照）、先端ＤＰを中心とした摩擦撹拌ツールＦＴの回動（前進角θの変更）が停止される。

つぎに、図１３に示すように、摩擦撹拌ツールＦＴがさらに下方へ走査（平行移動）される。なお、摩擦攪拌ツールＦＴの位置及び姿勢に関するパラメータのうち、上下方向の位置に関するパラメータを除くパラメータは変更されない。これによれば、プローブ部ＰＲの先端ＤＰは図１３において破線Ｌｂに沿って移動する。つまり、撹拌深さＤが最適値Ｄ_０に保持される。また、ショルダ部の走査方向における後端ＲＰは図１３において破線Ｌａに沿って移動する。つまり、入り込み深さｄが最適値ｄ_０に保持される。上記のようにして、第１摩擦攪拌接合対象部位ＷＰ１乃至第３摩擦攪拌接合対象部位ＷＰ３が接合される。

上記のように、本実施形態では、プローブ部ＰＲの先端ＤＰが破線Ｌｂに沿って移動するように、摩擦攪拌ツールＦＴの前後方向における位置、上下方向における位置、及び回動角度αが制御される。そのうえ、ショルダ部の走査方向における後端ＲＰが破線Ｌａに沿って移動するように、前進角θが適宜変更される。つまり、本実施形態によれば、攪拌深さＤを最適値Ｄ_０に保つことにより、各部位の接合強度を均一化するとともに、入り込み深さｄを最適値ｄ_０に保つことにより、接合欠陥の発生を抑制できる。

（第２実施形態）
つぎに、本発明の第２実施形態に係る摩擦攪拌接合方法を用いて、第１実施形態と同様の製品を製造する手順について説明する。

（突き合わせ工程）
本実施形態においても、第１実施形態と同様に、第１部材１０と第２部材２０とが突き合わせられる。この突き合わせ工程の具体的手順は、第１実施形態と同一であるので、その説明を省略する。

（接合工程）
第１実施形態と同様に、第１摩擦攪拌接合対象部位ＷＰ１乃至第５摩擦攪拌接合対象部位ＷＰ５が、この順に連続的に接合される。第１摩擦攪拌接合対象部位ＷＰ１の接合から第３摩擦攪拌接合対象部位ＷＰ３の接合に亘る一連の工程と、第３摩擦攪拌接合対象部位ＷＰ３の接合から第５摩擦攪拌接合対象部位ＷＰ５の接合に亘る一連の工程とは略同一である。そこで、以下、第１摩擦攪拌接合対象部位ＷＰ１の接合から第３摩擦攪拌接合対象部位ＷＰ３の接合に亘る一連の工程について説明し、第３摩擦攪拌接合対象部位ＷＰ３の接合から第５摩擦攪拌接合対象部位ＷＰ５の接合に亘る一連の工程についての説明を省略する。

まず、第１部材１０及び第２部材２０に対する摩擦攪拌ツールＦＴの位置及び姿勢が、第１実施形態の接合開始時と同様に設定される。

つぎに、第１実施形態と同様に、摩擦攪拌ツールＦＴが中心軸ＣＡの回りに回転されながら下降され、摩擦攪拌ツールＦＴの先端部が第１摩擦攪拌接合対象部位ＷＰ１の後端部に圧入される（図３参照）。前進角θは、例えば、３°に設定される。これにより、第１摩擦攪拌接合対象部位ＷＰ１内へのショルダ部の入り込み深さｄが最適値ｄ_０（例えば０．３ｍｍ）に設定される。

つぎに、摩擦撹拌ツールＦＴが前方（図３における右方）へ走査（平行移動）される。なお、摩擦攪拌ツールＦＴの位置及び姿勢に関するパラメータのうち、前後方向の位置に関するパラメータを除くパラメータは変更されない。これによれば、ショルダ部の走査方向における後端ＲＰは図３において破線Ｌａに沿って移動する。つまり、入り込み深さｄが最適値ｄ_０に保持される。また、プローブ部ＰＲの先端ＤＰは破線Ｌｂに沿って移動する。つまり、撹拌深さＤが最適値Ｄ_０に保持される。

第２実施形態では、第１実施形態とは異なり、摩擦攪拌ツールＦＴのプローブ部ＰＲの先端ＤＰが境界部ＢＤ_１２に到達しても摩擦攪拌ツールＦＴの前方への移動が停止されない。第２実施形態では、図１４に示すように、摩擦攪拌ツールＦＴのショルダ部の走査方向における後端ＲＰが、第１摩擦攪拌接合対象部位ＷＰ１と第２摩擦攪拌接合対象部位ＷＰ２との境界部ＢＤ_１２に到達したとき、摩擦撹拌ツールＦＴの前方への移動が停止される。これによれば、プローブ部ＰＲの先端ＤＰは、図１４に示すように、プローブ部ＰＲの先端ＤＰが境界部ＢＤ_１２を通過し、破線Ｌｂから逸れて前方へ移動する。つまり、プローブ部ＰＲの先端ＤＰが境界部ＢＤ_１２を通過すると、撹拌深さＤが最適値Ｄ_０より浅くなる。

つぎに、図１５に示すように、摩擦攪拌ツールＦＴが、外周面Ｓ２の中心軸Ｏの回りに走査（回動）される。なお、摩擦攪拌ツールＦＴの位置及び姿勢に関するパラメータのうち、中心軸Ｏの回りの回動角度αを除くパラメータは変更されない。これによれば、ショルダ部の走査方向における後端ＲＰは図１５において破線Ｌａに沿って移動する。つまり、入り込み深さｄが最適値ｄ_０に保持される。一方、プローブ部ＰＲの先端ＤＰは、図１５において破線Ｌｂから逸れて移動する。つまり、攪拌深さＤが最適値Ｄ_０より浅い。中心軸Ｏの回りの摩擦撹拌ツールＦＴの回動角度αが「９０°」に達すると、ショルダ部の走査方向における後端ＲＰが第２摩擦攪拌接合対象部位ＷＰ２と第３摩擦攪拌接合対象部位ＷＰ３との境界部ＢＤ_２３に達する。また、プローブ部ＰＲの先端ＤＰは、境界部ＢＤ_２３を超えて第３摩擦攪拌接合対象部位ＷＰ３内へ進入した後、破線Ｌｂに交差する。この時点で、中心軸Ｏの回りの摩擦攪拌ツールＦＴの回動が停止される。

つぎに、摩擦攪拌ツールＦＴが下方へ走査（平行移動）される。なお、摩擦攪拌ツールＦＴの位置及び姿勢に関するパラメータのうち、上下方向の位置に関するパラメータを除くパラメータは変更されない。これによれば、ショルダ部の走査方向における後端ＲＰは図１５において破線Ｌａに沿って移動する。つまり、入り込み深さｄが最適値ｄ_０に保持される。また、プローブ部ＰＲの先端ＤＰは図１５において破線Ｌｂに沿って移動する。つまり、撹拌深さＤが最適値Ｄ_０に保持される。上記のようにして、第１摩擦攪拌接合対象部位ＷＰ１乃至第３摩擦攪拌接合対象部位ＷＰ３が接合される。

上記のように、本実施形態では、ショルダ部の走査方向における後端ＲＰが破線Ｌａに沿って移動するように、摩擦攪拌ツールＦＴの前後方向における位置、上下方向における位置、及び回動角度αが制御される。すなわち、入り込み深さｄが最適値ｄ_０に保持される。よって、接合欠陥の発生を抑制できる。本実施形態では、摩擦攪拌ツールＦＴの前後方向における位置、上下方向における位置、及び回動角度αだけが制御される。すなわち、例えば第１実施形態とは異なり、前進角θが制御されない。よって、摩擦攪拌ツールＦＴを制御するコンピュータプログラム及び各種アクチュエータの構成を簡略化できる。

（第３実施形態）
つぎに、本発明の第３実施形態に係る摩擦攪拌接合方法を用いて、第１実施形態と同様の製品を製造する手順について説明する。

（突き合わせ工程）
本実施形態においても、第１実施形態と同様に、第１部材１０と第２部材２０とが突き合わせられる。この突き合わせ工程の具体的手順は、第１実施形態と同一であるので、その説明を省略する。

（接合工程）
第１実施形態と同様に、第１摩擦攪拌接合対象部位ＷＰ１乃至第５摩擦攪拌接合対象部位ＷＰ５が、この順に連続的に接合される。第１摩擦攪拌接合対象部位ＷＰ１の接合から第３摩擦攪拌接合対象部位ＷＰ３の接合に亘る一連の工程と、第３摩擦攪拌接合対象部位ＷＰ３の接合から第５摩擦攪拌接合対象部位ＷＰ５の接合に亘る一連の工程とは略同一である。そこで、以下、第１摩擦攪拌接合対象部位ＷＰ１の接合から第３摩擦攪拌接合対象部位ＷＰ３の接合に亘る一連の工程について説明し、第３摩擦攪拌接合対象部位ＷＰ３の接合から第５摩擦攪拌接合対象部位ＷＰ５の接合に亘る一連の工程についての説明を省略する。

まず、第１部材１０及び２部材２０に対する摩擦攪拌ツールＦＴの位置及び姿勢が、第１実施形態の接合開始時と同様に設定される。

つぎに、第１実施形態と同様に、摩擦攪拌ツールＦＴが中心軸ＣＡの回りに回転されながら下降され、摩擦攪拌ツールＦＴの先端部が第１摩擦攪拌接合対象部位ＷＰ１の後端部に圧入される（図３参照）。前進角θは、例えば、３°に設定される。これにより、入り込み深さｄが、最適値ｄ_０（例えば０．３ｍｍ）に設定される。

つぎに、摩擦撹拌ツールＦＴが前方（図３における右方）へ走査（平行移動）される。なお、摩擦攪拌ツールＦＴの位置及び姿勢に関するパラメータのうち、前後方向の位置に関するパラメータを除くパラメータは変更されない。これによれば、ショルダ部の走査方向における後端ＲＰは、図３において破線Ｌａに沿って移動する。つまり、入り込み深さｄが最適値ｄ_０に保持される。また、プローブ部ＰＲの先端ＤＰは破線Ｌｂに沿って移動する。つまり、撹拌深さＤが最適値Ｄ_０に保持される。図４に示すように、摩擦攪拌ツールＦＴのプローブ部ＰＲの先端ＤＰが、第１摩擦攪拌接合対象部位ＷＰ１と第２摩擦攪拌接合対象部位ＷＰ２との境界部ＢＤ_１２に到達したとき、摩擦撹拌ツールＦＴの前方への走査が停止される。

つぎに、摩擦撹拌ツールＦＴが、第２摩擦攪拌接合対象部位ＷＰ２の外周面Ｓ２の中心軸Ｏの回りに走査（回動）され始める。その際、摩擦攪拌ツールＦＴのショルダ部の走査方向における後端ＲＰが図１８において破線Ｌａに沿って移動するように、摩擦攪拌ツールＦＴの位置及び姿勢に関する各種パラメータが変更される。すなわち、摩擦攪拌ツールＦＴのショルダ部の入り込み深さｄが、最適値ｄ_０（例えば０．３ｍｍ）に保持されるように、各種パラメータが変更される。

仮に、図１６に示すように、摩擦撹拌ツールＦＴの中心軸Ｏの回りの回動角度αが増大され始めた際、摩擦攪拌ツールＦＴの位置及び姿勢に関するパラメータのうち、回動角度αを除くパラメータが変更されない場合には、ショルダ部の走査方向における後端ＲＰは図１６において破線Ｌａから逸れる。つまり、入り込み深さｄが徐々に小さくなる。そこで、図１７に示すように、摩擦撹拌ツールＦＴの回動角度αが徐々に増大されつつ、入り込み深さｄが最適値ｄ_０に保持されるように、摩擦撹拌ツールＦＴが、中心軸ＣＡの延設方向に徐々に移動されて、摩擦攪拌接合対象部位ＷＰ内への摩擦攪拌ツールＦＴの押し込み量が徐々に増大される。これによれば、プローブ部ＰＲの先端ＤＰは、図１７において破線Ｌｂから少し逸れる。つまり、撹拌深さＤが最適値Ｄ_０より少し深くなる。ショルダ部の走査方向における後端ＲＰが境界部ＢＤ_１２に到達したとき（図１８参照）、中心軸ＣＡの延設方向への摩擦撹拌ツールＦＴの移動（押し込み量の変更）が停止される。

つぎに、摩擦撹拌ツールＦＴが、中心軸Ｏの回りにさらに回動される。なお、摩擦攪拌ツールＦＴの位置及び姿勢に関するパラメータのうち、回動角度αを除くパラメータは変更されない。すなわち、図１７に示す時点の押し込み量が保持される。これによれば、ショルダ部の走査方向における後端ＲＰは、図１８において破線Ｌａに沿って移動する。つまり、入り込み深さｄが最適値ｄ_０に保持される。一方、プローブ部ＰＲの先端ＤＰは、図１８において破線Ｌｂから少し逸れている。つまり、撹拌深さＤが最適値Ｄ_０より少し深い。回動角度αが「９０°」に到達したとき（すなわち、プローブ部ＰＲの先端ＤＰが境界部ＢＤ_２３に到達したとき）、中心軸Ｏの回りの摩擦撹拌ツールＦＴの回動が停止される。

つぎに、摩擦撹拌ツールＦＴが下方へ走査（平行移動）され始める。仮に、図１９に示すように、摩擦撹拌ツールＦＴが下方へ走査され始めた際、摩擦攪拌ツールＦＴの位置及び姿勢に関するパラメータのうち、上下方向の位置に関するパラメータを除くパラメータが変更されない場合には、入り込み深さｄが徐々に大きくなる。そこで、図２０に示すように、摩擦撹拌ツールＦＴが下方へ平行移動されつつ、入り込み深さｄが最適値ｄ_０に保持されるように、摩擦撹拌ツールＦＴが中心軸ＣＡの延設方向に移動されて、押し込み量が徐々に減少される。なお、プローブ部ＰＲの先端ＤＰは、図２０において破線Ｌｂから少し逸れて移動する。つまり、撹拌深さＤが最適値Ｄ_０より少し深い。ショルダ部の走査方向における後端ＲＰが境界部ＢＤ_２３に到達したとき（図２１参照）、プローブ部ＰＲの先端ＤＰは、図２０において破線Ｌｂに交差する。この時点で、中心軸ＣＡの延設方向への摩擦撹拌ツールＦＴの移動（押し込み量の変更）が停止される。

つぎに、摩擦撹拌ツールＦＴがさらに下方へ走査（平行移動）される。なお、摩擦攪拌ツールＦＴの位置及び姿勢に関するパラメータのうち、上下方向の位置に関するパラメータを除くパラメータは変更されない。これによれば、ショルダ部の走査方向における後端ＲＰは図１２１において破線Ｌａに沿って移動する。つまり、入り込み深さｄが最適値ｄ_０に保持される。また、プローブ部ＰＲの先端ＤＰは図２１において破線Ｌｂに沿って移動する。つまり、撹拌深さＤが最適値Ｄ_０に保持される。上記のようにして、第１摩擦攪拌接合対象部位ＷＰ１乃至第３摩擦攪拌接合対象部位ＷＰ３が接合される。

上記のように、本実施形態では、ショルダ部の走査方向における後端ＲＰが破線Ｌａに沿って移動するように、摩擦攪拌ツールＦＴの前後方向における位置、上下方向における位置、回動角度α及び押し込み量が制御される。すなわち、入り込み深さｄが最適値ｄ_０に保持される。よって、接合欠陥の発生を抑制できる。また、本実施形態では、湾曲部（第２摩擦攪拌接合対象部位ＷＰ２及び第４摩擦攪拌接合対象部位ＷＰ４）において、摩擦攪拌ツールＦＴの押し込み量が直線部（第１摩擦攪拌接合対象部位ＷＰ１、第３摩擦攪拌接合対象部位ＷＰ３及び第５摩擦攪拌接合対象部位ＷＰ５）に比べて少し増大される。すなわち、湾曲部の攪拌深さＤ（つまり接合された部分の深さ）が直線部の攪拌深さＤに比べて少し大きい。よって、直線部の接合強度に比べて、湾曲部の接合強度を高く設定できる。

さらに、本発明の実施にあたっては、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。

上記実施形態では、第１部材１０及び第２部材２０を固定しておき、第１部材１０及び第２部材２０に対して、摩擦攪拌ツールＦＴを移動させている。これに代えて、第１部材１０及び第２部材２０と、摩擦攪拌ツールＦＴとの相対的な位置及び姿勢が上記実施形態と同一になるように、摩擦攪拌ツールＦＴを固定しておき、摩擦攪拌ツールＦＴに対して、第１部材１０及び第２部材２０を移動させてもよい。また、摩擦攪拌ツールＦＴとの相対的な位置及び姿勢が上記実施形態と同一になるように、摩擦攪拌ツールＦＴを移動させるとともに、摩擦攪拌ツールＦＴに対して、第１部材１０及び第２部材２０を移動させてもよい。

１０・・・第１部材、２０・・・第２部材、１１・・・側壁部、１２・・・周壁部ＢＤ_１２・・・境界部、ＢＤ_２３・・・境界部、ＣＡ・・・中心軸、ＤＰ・・・先端、ＤＲ・・・駆動装置、ＦＴ・・・摩擦攪拌ツール、Ｎ・・・法線、Ｏ・・・中心軸、ＰＲ・・・プローブ部、ＲＰ・・・後端、Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３・・・外周面、ＷＰ・・・摩擦攪拌接合対象部位、ＷＰ１・・・第１摩擦攪拌接合対象部位、ＷＰ２・・・第２摩擦攪拌接合対象部位、ＷＰ３・・・第３摩擦攪拌接合対象部位、ＷＰ４・・・第４摩擦攪拌接合対象部位、ＷＰ５・・・第５摩擦攪拌接合対象部位、α・・・回動角度、θ・・・前進角

Claims (4)

1. ２つの部材の突き合わせ面の両側に位置する部位からなる第１摩擦攪拌接合対象部位及び第２摩擦攪拌接合対象部位であって、所定の方向に延びる平面状の外周面を有する第１摩擦攪拌接合対象部位、及び前記第１摩擦攪拌接合対象部位の外周面の延設方向における端部から前記所定の方向に延びる曲面状の外周面を有する第２摩擦攪拌接合対象部位に沿って摩擦攪拌ツールを走査して、前記第１摩擦攪拌接合対象部位及び前記第２摩擦攪拌接合対象部位を、この順に連続的に接合する摩擦攪拌接合方法であって、
   前記摩擦撹拌ツールのショルダ部の前記走査方向における後半部が前半部に比べて前記摩擦攪拌接合対象部位内へ深く入り込み、且つ前記第１摩擦攪拌接合対象部位内への前記ショルダ部の入り込み深さと、前記第２摩擦攪拌接合対象部位内への前記ショルダ部の入り込み深さとが同一になるように、前記摩擦攪拌ツールと前記２つの部材との相対的位置又は姿勢を制御する、摩擦攪拌接合方法。
2. 請求項１に記載の摩擦攪拌接合方法において、
   前記第１摩擦攪拌接合対象部位における摩擦攪拌ツールの前進角を所定値に設定し、
   前記第１摩擦攪拌接合対象部位と前記第２摩擦攪拌接合対象部位との境界部に、前記摩擦攪拌ツールの先端部が到達したとき、前記摩擦攪拌ツールを、前記第２摩擦攪拌接合対象部位の外周面の中心軸の回りに回動させ始めるとともに、前記前進角を徐々に変更する、摩擦攪拌接合方法。
3. 請求項１に記載の摩擦攪拌接合方法において、
   前記第１摩擦攪拌接合対象部位と前記第２摩擦攪拌接合対象部位との境界部に、前記ショルダ部の走査方向における後端側の部位が到達したとき、前記摩擦攪拌ツールを、前記第２摩擦攪拌接合対象部位の外周面の中心軸の回りに回動させ始める、摩擦攪拌接合方法。
4. 請求項１に記載の摩擦攪拌接合方法において、
   前記第１摩擦攪拌接合対象部位における摩擦攪拌ツールの前進角を所定値に設定し、
   前記第１摩擦攪拌接合対象部位と前記第２摩擦攪拌接合対象部位との境界部に、前記摩擦攪拌ツールの先端部が到達したとき、前記摩擦攪拌ツールを、前記第２摩擦攪拌接合対象部位の外周面の中心軸の回りに回動させ始めるとともに、摩擦攪拌ツールの攪拌深さを徐々に変更する、摩擦攪拌接合方法。

Images