JP2019195825A - 接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】材種の異なる金属部材を好適に接合することができる接合方法を提供する。【解決手段】第一金属部材１の端面１ａから立ち上がり先端に向けて先細りとなる突出部１０を形成するとともに、第二金属部材２に貫通する孔部１１を形成する準備工程と、第一金属部材１の端面１ａと第二金属部材２の裏面２ｃとを重ね合わせて重合部Ｊ２を形成するとともに、孔部１１に突出部１０を挿入して孔部１１と突出部１０とが突き合わされた突合せ部Ｊ１に隙間を形成する突合せ工程と、第二金属部材２の表面２ｂ側から回転する回転ツールＦの攪拌ピンＦ２のみを挿入し、攪拌ピンＦ２の外周面Ｆ１０を突出部１０に接触させない状態で突合せ部Ｊ１に沿って回転ツールＦを移動させる際に第二金属部材２を隙間に流入させながら摩擦攪拌を行う第一摩擦攪拌工程と、を含むことを特徴とする。【選択図】図４

Description

本発明は、接合方法に関する。

例えば、特許文献１には、液冷ジャケットの製造方法が開示されている。図１３は、従来の液冷ジャケットの製造方法を示す断面図である。従来の液冷ジャケットの製造方法では、アルミニウム合金製のジャケット本体１０１の段差部に設けられた段差側面１０１ｃと、アルミニウム合金製の封止体１０２の側面１０２ｃとを突き合わせて形成された突合せ部Ｊ１０に対して摩擦攪拌接合を行うというものである。また、従来の液冷ジャケットの製造方法では、回転ツールＦの攪拌ピンＦ２のみを突合せ部Ｊ１０に挿入して摩擦攪拌接合を行っている。また、従来の液冷ジャケットの製造方法では、回転ツールＦの回転中心軸Ｃを突合せ部Ｊ１０に重ねて相対移動させるというものである。

特開２０１５−１３１３２１号公報

ここで、ジャケット本体１０１は複雑な形状となりやすく、例えば、４０００系アルミニウム合金の鋳造材で形成し、封止体１０２のように比較的単純な形状のものは、１０００系アルミニウム合金の展伸材で形成するというような場合がある。このように、アルミニウム合金の材種の異なる部材同士を接合して、液冷ジャケットを製造する場合がある。このような場合は、ジャケット本体１０１の方が封止体１０２よりも硬度が高くなることが一般的であるため、図１３のように摩擦攪拌接合を行うと、攪拌ピンが封止体１０２側から受ける材料抵抗に比べて、ジャケット本体１０１側から受ける材料抵抗が大きくなる。そのため、回転ツールＦの攪拌ピンによって異なる材種をバランスよく攪拌することが困難となり、接合後の塑性化領域に空洞欠陥が発生し接合強度が低下するという問題がある。

このような観点から、本発明は、材種の異なる金属部材を好適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。

前記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及び第二金属部材を接合する接合方法であって、前記第一金属部材は、前記第二金属部材よりも硬度が高い材種であり、前記攪拌ピンの外周面は先細りとなるように傾斜しており、前記攪拌ピンはその先端に前記回転ツールの回転中心軸に垂直な平坦面を備え、前記第一金属部材の端面から立ち上がり先端に向けて先細りとなる突出部を形成するとともに、前記第二金属部材に貫通する孔部を形成する準備工程と、前記第一金属部材の端面と前記第二金属部材の裏面とを重ね合わせて重合部を形成するとともに、前記孔部に前記突出部を挿入して前記孔部と前記突出部とが突き合わされた突合せ部に隙間を形成する突合せ工程と、前記回転ツールを移動させて前記突合せ部に対して摩擦攪拌接合を行う第一摩擦攪拌工程と、を含み、前記第一摩擦攪拌工程では、前記第二金属部材の表面側から回転する前記回転ツールの攪拌ピンのみを挿入し、前記攪拌ピンの外周面を前記突出部に接触させない状態で前記突合せ部に沿って前記回転ツールを移動させる際に前記第二金属部材を前記隙間に流入させながら摩擦攪拌を行うことを特徴とする。

また、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及び第二金属部材を接合する接合方法であって、前記第一金属部材は、前記第二金属部材よりも硬度が高い材種であり、前記攪拌ピンの外周面は先細りとなるように傾斜しており、前記攪拌ピンはその先端に前記回転ツールの回転中心軸に垂直な平坦面を備え、前記第一金属部材の表面から立ち上がり先端に向けて先細りとなる突出部を形成するとともに、前記第二金属部材に貫通する孔部を形成する準備工程と、前記第一金属部材の表面と前記第二金属部材の裏面とを重ね合わせて重合部を形成するとともに、前記孔部に前記突出部を挿入して前記孔部と前記突出部とが突き合わされた突合せ部に隙間を形成する重合工程と、前記回転ツールを移動させて前記突合せ部に対して摩擦攪拌接合を行う第一摩擦攪拌工程と、を含み、前記第一摩擦攪拌工程では、前記第二金属部材の表面側から回転する前記回転ツールの攪拌ピンのみを挿入し、前記攪拌ピンの外周面を前記突出部に接触させない状態で前記突合せ部に沿って前記回転ツールを移動させる際に前記第二金属部材を前記隙間に流入させながら摩擦攪拌を行うことを特徴とする。

かかる接合方法によれば、第二金属部材と攪拌ピンとの摩擦熱によって突合せ部の主として第二金属部材側の金属が攪拌されて塑性流動化され、突合せ部において突出部と孔部とを接合することができる。また、攪拌ピンのみを第二金属部材に接触させて摩擦攪拌を行うため、第一金属部材から第二金属部材への金属の混入は殆どない。これにより、突合せ部においては主として第二金属部材側の金属が摩擦攪拌されるため、接合強度の低下を抑制することができる。

また、本発明は、攪拌ピンを備えた回転ツールを用いて第一金属部材及び第二金属部材を接合する接合方法であって、前記第一金属部材は、前記第二金属部材よりも硬度が高い材種であり、前記攪拌ピンの外周面は先細りとなるように傾斜しており、前記攪拌ピンはその先端に前記回転ツールの回転中心軸に垂直な平坦面を備え、前記第一金属部材の端面から立ち上がり先端に向けて先細りとなる突出部を形成するとともに、前記第二金属部材に貫通する孔部を形成する準備工程と、前記第一金属部材の端面と前記第二金属部材の裏面とを重ね合わせて重合部を形成するとともに、前記孔部に前記突出部を挿入して前記孔部と前記突出部とが突き合わされた突合せ部に隙間を形成する突合せ工程と、前記回転ツールを移動させて前記突合せ部に対して摩擦攪拌接合を行う第一摩擦攪拌工程と、を含み、前記第一摩擦攪拌工程では、前記第二金属部材の表面側から回転する前記回転ツールの攪拌ピンのみを挿入し、前記攪拌ピンの外周面を前記突出部にわずかに接触させた状態で前記突合せ部に沿って前記回転ツールを移動させる際に前記第二金属部材を前記隙間に流入させながら摩擦攪拌を行うことを特徴とする。

また、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及び第二金属部材を接合する接合方法であって、前記第一金属部材は、前記第二金属部材よりも硬度が高い材種であり、前記攪拌ピンの外周面は先細りとなるように傾斜しており、前記攪拌ピンはその先端に前記回転ツールの回転中心軸に垂直な平坦面を備え、前記第一金属部材の表面から立ち上がり先端に向けて先細りとなる突出部を形成するとともに、前記第二金属部材に貫通する孔部を形成する準備工程と、前記第一金属部材の表面と前記第二金属部材の裏面とを重ね合わせて重合部を形成するとともに、前記孔部に前記突出部を挿入して前記孔部と前記突出部とが突き合わされた突合せ部に隙間を形成する重合工程と、前記回転ツールを移動させて前記突合せ部に対して摩擦攪拌接合を行う第一摩擦攪拌工程と、を含み、前記第一摩擦攪拌工程では、前記第二金属部材の表面側から回転する前記回転ツールの攪拌ピンのみを挿入し、前記攪拌ピンの外周面を前記突出部にわずかに接触させた状態で前記突合せ部に沿って前記回転ツールを移動させる際に前記第二金属部材を前記隙間に流入させながら摩擦攪拌を行うことを特徴とする。

かかる接合方法によれば、第二金属部材と攪拌ピンとの摩擦熱によって突合せ部の主として第二金属部材側の金属が攪拌されて塑性流動化され、突合せ部において突出部と孔部とを接合することができる。また、攪拌ピンの外周面を突出部にわずかに接触させるに留めるため、第一金属部材から第二金属部材への金属の混入を極力少なくすることができる。これにより、突合せ部においては主として第二金属部材側の金属が摩擦攪拌されるため、接合強度の低下を抑制することができる。

また、前記第一摩擦攪拌工程では、前記攪拌ピンの前記平坦面を前記第一金属部材の表面にわずかに接触させた状態で前記突合せ部を摩擦攪拌接合することが好ましい。かかる接合方法によれば、第一金属部材と第二金属部材の接合強度をより高めることができる。

また、前記重合工程の前に、前記第一金属部材の表面及び前記第二金属部材の裏面の少なくとも一方に溝又は凹部を形成することが好ましい。かかる製造方法によれば、内部に中空部を備えた構造物を形成することができる。

また、前記重合部を摩擦攪拌接合する第二摩擦攪拌工程を含むことが好ましい。かかる接合方法によれば、第一金属部材と第二金属部材の接合強度をより高めることができる。

本発明に係る接合方法によれば、材種の異なる金属部材を好適に接合することができる。

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斜視図である。 第一実施形態に係る接合方法の突合せ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第一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第一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第一摩擦攪拌工程の変形例を示す断面図である。 本発明の第二実施形態に係る接合方法の第一摩擦攪拌工程を示す断面図である。 本発明の第三実施形態に係る接合方法の第一摩擦攪拌工程を示す断面図である。 本発明の第四実施形態に係る接合方法の第一摩擦攪拌工程を示す断面図である。 本発明の第五実施形態に係る接合方法の準備工程を示す斜視図である。 第五実施形態に係る接合方法の重合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第一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第二摩擦攪拌工程を示す斜視図である。 従来の液冷ジャケットの製造方法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。図１に示すように、本実施形態に係る接合方法では、第一金属部材１と第二金属部材２とを正面視Ｔ字状に突合せて摩擦攪拌により接合する。本実施形態に係る接合方法では、準備工程と、突合せ工程と、第一摩擦攪拌工程と、を行う。なお、説明における「表面」とは、「裏面」の反対側の面を意味する。

準備工程は、第一金属部材１及び第二金属部材２を準備する工程である。第一金属部材１及び第二金属部材２は、いずれも板状を呈する。第一金属部材１及び第二金属部材２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る。

本実施形態では、第一金属部材１は、第二金属部材２よりも硬度の高い材種で形成されている。例えば、第一金属部材１を銅又は銅合金で形成し、第二金属部材２をアルミニウム又はアルミニウム合金で形成してもよい。また、例えば、第一金属部材１をアルミニウム合金鋳造材で形成し、第二金属部材２をアルミニウム合金展伸材で形成してもよい。また、例えば、第一金属部材１をアルミニウム合金ＡＤＣ１２で形成し、第二金属部材２をアルミニウムＡ１０５０で形成してもよい。

第一金属部材１の端面１ａには、複数の突出部１０（本実施形態では３つ）が形成されている。突出部１０の個数は制限されるものではない。突出部１０は単数でも良い。突出部１０の形状は特に制限されないが本実施形態では円錐台形状を呈する。図２に示すように、突出部１０の高さ寸法は、第二金属部材２の板厚寸法よりも小さくなっている。突出部１０の外周面１０ａの傾斜角度βは適宜設定すればよいが、例えば、鉛直面に対して３°〜３０°になっている。

第二金属部材２には、板厚方向に貫通する孔部１１が形成されている。孔部１１は、円柱状の中空部になっており、突出部１０に対応する位置に形成されている。孔部１１は、突出部１０が嵌め合わされる大きさになっている。

突合せ工程は、図２に示すように、第一金属部材１の端面１ａと第二金属部材２の裏面２ｃとを重ね合わせるとともに、孔部１１に突出部１０を挿入する工程である。突出部１０の外周面と孔部１１の孔壁とが突き合わされることにより突合せ部Ｊ１が形成される。また、第一金属部材１の端面１ａと第二金属部材２の裏面２ｃとが重ね合わされて重合部Ｊ２が形成される。突出部１０の外周面１０ａと孔部１１の孔壁との間には断面Ｖ字状の隙間が形成されている。

第一摩擦攪拌工程は、図３及び図４に示すように、第二金属部材２の表面２ｂ側から回転する回転ツールＦを挿入し、突合せ部Ｊ１を摩擦攪拌接合する工程である。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。連結部Ｆ１は、図示しない摩擦攪拌装置に取り付けられる部位であって、円柱状を呈する。

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Ｆ１０の傾斜角度αは適宜設定すればよいが、本実施形態では突出部１０の外周面１０ａの傾斜角度βと同じになっている。攪拌ピンＦ２の先端には、回転軸に対して垂直な平坦面Ｆ３が形成されている。攪拌ピンＦ２の外周面Ｆ１０には螺旋溝が刻設されている。本実施形態では、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。

なお、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。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２）の外部に溢れ出る金属の量を少なくすることができる。

第一摩擦攪拌工程では、図３及び図４に示すように、塑性流動化した金属を突合せ部Ｊ１の隙間に流入させつつ、攪拌ピンＦ２のみを第二金属部材２のみに接触させて突合せ部Ｊ１に沿って一周させる。つまり、攪拌ピンＦ２の基端側を露出させた状態で突合せ部Ｊ１を摩擦攪拌接合する。本実施形態では、攪拌ピンＦ２の平坦面Ｆ３も第一金属部材１に接触しないように挿入深さを設定している。換言すると、本実施形態では、攪拌ピンＦ２の外周面Ｆ１０を突出部１０の外周面１０ａに接触させない状態で、かつ、攪拌ピンＦ２の平坦面Ｆ３を第一金属部材１の端面１ａに接触させない状態で摩擦攪拌を行う。回転ツールＦの軌跡には塑性化領域Ｗ１が形成される。

「攪拌ピンＦ２のみを封止体３のみに接触させた状態」とは、摩擦攪拌を行っている際に、攪拌ピンＦ２の外周面Ｆ１０が第一金属部材１に接触していない状態を言い、攪拌ピンＦ２の外周面Ｆ１０と突出部１０の外周面１０ａとの距離がゼロである場合も含み得る。

突出部１０の外周面１０ａから攪拌ピンＦ２の外周面Ｆ１０までの距離が遠すぎると突合せ部Ｊ１の接合強度が低下する。突出部１０の外周面１０ａから攪拌ピンＦ２の外周面Ｆ１０までの離間距離Ｌは第一金属部材１及び第二金属部材２の材料によって適宜設定すればよいが、本実施形態のように攪拌ピンＦ２の外周面Ｆ１０を突出部１０の外周面１０ａに接触させず、かつ、平坦面Ｆ３を端面１ａに接触させない場合は、例えば、０≦Ｌ≦０．５ｍｍに設定し、好ましくは０≦Ｌ≦０．３ｍｍに設定することが好ましい。

回転ツールＦを突出部１０の左廻りに一周させたら、塑性化領域Ｗ１の始端と終端とを重複させる。回転ツールＦは、第二金属部材２の表面２ｂにおいて、徐々に上昇させて引き抜くようにしてもよい。塑性化領域Ｗ１は、突合せ部Ｊ１を境に第二金属部材２側に形成されている。また、攪拌ピンＦ２の平坦面Ｆ３は端面１ａに接触させておらず（図４参照）、塑性化領域Ｗ１は、重合部Ｊ２を超えて第一金属部材１に達するように形成される。

第一摩擦攪拌工程が終了したら、第二金属部材２の表面２ｂに発生したバリを除去するバリ除去工程を行うことが好ましい。これにより、第二金属部材２の表面２ｂをきれいに仕上げることができる。

以上説明した本実施形態に係る接合方法によれば、回転ツールＦの攪拌ピンＦ２と突出部１０の外周面１０ａとは接触させていないが、第二金属部材２と攪拌ピンＦ２との摩擦熱によって突合せ部Ｊ１の主として第二金属部材２側の金属が攪拌されて塑性流動化され、突合せ部Ｊ１において突出部１０と第二金属部材２とを接合することができる。また、第一摩擦攪拌工程では、攪拌ピンＦ２のみを第二金属部材２のみに接触させて摩擦攪拌を行うため、硬度の高い第一金属部材１から硬度の低い第二金属部材２への金属の混入は殆どない。これにより、突合せ部Ｊ１においては主として第二金属部材２側の金属が摩擦攪拌されるため、接合強度の低下を抑制することができる。

また、本実施形態では、突合せ部Ｊ１に断面Ｖ字状の隙間が形成されるが、第二金属部材２の板厚を突出部１０よりも大きくすることで、第一摩擦攪拌工程における接合部（塑性化領域Ｗ１）の金属不足を防ぐことができる。

また、第一摩擦攪拌工程では、攪拌ピンＦ２のみを第二金属部材２に接触させて摩擦攪拌接合を行うため、攪拌ピンＦ２の回転中心軸Ｃに対して一方側と他方側で、攪拌ピンＦ２が受ける材料抵抗の不均衡を極力小さくすることができる。これにより、塑性流動材がバランス良く摩擦攪拌されるため、接合強度の低下を抑制することができる。また、第一摩擦攪拌工程では、攪拌ピンＦ２のみを挿入させるため、塑性化領域Ｗの幅を小さくすることができる。これにより、第一金属部材１と第二金属部材２の内隅から塑性流動材が流出するのを防ぐことができる。また、第一金属部材１の板厚も小さくすることができる。

また、第一摩擦攪拌工程では、第一金属部材１の突出部１０を先端に向けて先細りとなるように形成したため、攪拌ピンＦ２と突出部１０との接触を容易に回避することができる。また、本実施形態では、突出部１０の外周面１０ａの傾斜角度βと、攪拌ピンＦ２の傾斜角度αとを同一（突出部１０の外周面１０ａと攪拌ピンＦ２の外周面Ｆ１０とを平行）にしているため、攪拌ピンＦ２と突出部１０の外周面１０ａとの接触を避けつつ、攪拌ピンＦ２と突出部１０の外周面１０ａとを極力近接させることができる。

また、第一摩擦攪拌工程では、回転ツールＦの攪拌ピンＦ２のみを第二金属部材２に接触させた状態で突合せ部Ｊ１を摩擦攪拌接合するため、摩擦攪拌装置に作用する負荷を小さくすることができる。また、突合せ工程では、突出部１０を孔部１１に嵌め合わせると、第一金属部材１に対して第二金属部材２が移動不能となる。つまり、突出部１０及び孔部１１によって両金属部材を容易に位置決めすることができる。

また、第一摩擦攪拌工程では、回転ツールＦの回転方向及び進行方向は適宜設定すればよいが、回転ツールＦの移動軌跡に形成される塑性化領域Ｗ１のうち、突出部１０側がシアー側となり、第二金属部材２側がフロー側となるように回転ツールＦの回転方向及び進行方向を設定した。突出部１０側がシアー側となるように設定することで、突合せ部Ｊ１の周囲における攪拌ピンＦ２による攪拌作用が高まり、突合せ部Ｊ１における温度上昇が期待でき、突合せ部Ｊ１において突出部１０と第二金属部材２とをより確実に接合することができる。

なお、シアー側（Advancing side）とは、被接合部に対する回転ツールの外周の相対速度が、回転ツールの外周における接線速度の大きさに移動速度の大きさを加算した値となる側を意味する。一方、フロー側（Retreating side）とは、回転ツールの移動方向の反対方向に回転ツールが回動することで、被接合部に対する回転ツールの相対速度が低速になる側を言う。

また、突合せ部Ｊ１においては、本実施形態では攪拌ピンＦ２の平坦面Ｆ３を端面１ａよりも深く挿入しないが、塑性化領域Ｗ１が重合部Ｊ２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。

なお、前記した実施形態においては適宜設計変更が可能である。例えば、第一摩擦攪拌工程とは別に第二金属部材２の表面２ｂから回転ツールＦを挿入して、重合部Ｊ２に対して摩擦攪拌接合を行う第二摩擦攪拌工程を行ってもよい。この場合は、例えば、突出部１０，１０の間の重合部Ｊ２に対して摩擦攪拌接合を行うことが好ましい。第二摩擦攪拌工程を行うことで、第一金属部材１と第二金属部材２の接合強度を高めることができる。

また、図５の第一実施形態の変形例に示すように、突出部１０の高さ寸法を、第二金属部材２の板厚よりも大きく設定してもよい。このようにしても、第一摩擦攪拌工程における接合部（塑性化領域Ｗ１）の金属不足を防ぐことができる。また、突出部１０の高さ寸法と、第一金属部材１の板厚とを同一にしてもよい。

［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は、準備工程と、突合せ工程と、第一摩擦攪拌工程と、を行う。第二実施形態では、第一実施形態と相違する部分を中心に説明する。

本実施形態の第一摩擦攪拌工程は、図６に示すように、回転ツールＦを用いて突合せ部Ｊ１を摩擦攪拌接合する工程である。第一摩擦攪拌工程では、攪拌ピンＦ２を突合せ部Ｊ１に沿って相対移動させる際に、攪拌ピンＦ２の外周面Ｆ１０を突出部１０の外周面１０ａにわずかに接触させ、かつ、攪拌ピンＦ２の平坦面Ｆ３を第一金属部材１の端面１ａに接触させない状態で摩擦攪拌接合を行う。

ここで、突出部１０に対する攪拌ピンＦ２の外周面Ｆ１０の接触代をオフセット量Ｎとする。本実施形態のように、攪拌ピンＦ２の外周面Ｆ１０を突出部１０に接触させ、かつ、攪拌ピンＦ２の平坦面Ｆ３を第一金属部材１の端面１ａに接触させない場合は、オフセット量Ｎを、０＜Ｎ≦０．５ｍｍの間で設定し、好ましくは０＜Ｎ≦０．２５ｍｍの間で設定する。

図１３に示す従来の液冷ジャケットの製造方法であると、ジャケット本体１０１と封止体１０２とで硬度が異なるため、回転中心軸Ｃを挟んで一方側と他方側とで攪拌ピンＦ２が受ける材料抵抗も大きく異なる。そのため、塑性流動材がバランス良く攪拌されず、接合強度が低下する要因になっていた。しかし、本実施形態によれば、攪拌ピンＦ２の外周面Ｆ１０と第二金属部材２との接触代を極力小さくしているため、攪拌ピンＦ２が第二金属部材２から受ける材料抵抗を極力小さくすることができる。また、本実施形態では、突出部１０の外周面１０ａの傾斜角度βと、攪拌ピンＦ２の傾斜角度αとを同一（外周面１０ａと攪拌ピンＦ２の外周面Ｆ１０とを平行）にしているため、攪拌ピンＦ２と突出部１０の接触代を高さ方向に亘って均一にすることができる。これにより、本実施形態では、塑性流動材がバランス良く攪拌されるため、接合部の強度低下を抑制することができる。

［第三実施形態］
次に、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、準備工程と、突合せ工程と、第一摩擦攪拌工程と、を行う。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。

本実施形態の第一摩擦攪拌工程では、図７に示すように、攪拌ピンＦ２の外周面Ｆ１０を突出部１０の外周面１０ａに接触させず、かつ、攪拌ピンＦ２の平坦面Ｆ３を第一金属部材１の端面１ａにわずかに接触させた状態で摩擦攪拌接合を行ってもよい。

本実施形態によっても、第一実施形態と略同等の効果を得ることができる。また、攪拌ピンＦ２の平坦面Ｆ３を第一金属部材１の端面１ａにわずかに接触させることにより、重合部Ｊ２の接合強度をより高めることができる。また、攪拌ピンＦ２の平坦面Ｆ３を第一金属部材１の端面１ａにわずかに接触させるに留めるため、第一金属部材１から第二金属部材２への金属の流入を極力防ぐことができる。これにより、塑性流動材がバランス良く攪拌されるため、接合部の強度低下を抑制することができる。

［第四実施形態］
次に、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、準備工程と、突合せ工程と、第一摩擦攪拌工程と、を行う。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。

本実施形態の第一摩擦攪拌工程では、図８に示すように、攪拌ピンＦ２の外周面Ｆ１０を突出部１０の外周面１０ａにわずかに接触させつつ、かつ、攪拌ピンＦ２の平坦面Ｆ３を第一金属部材１の端面１ａにわずかに接触させた状態で摩擦攪拌接合を行ってもよい。

第四実施形態によっても、第二実施形態と略同等の効果を得ることができる。また、攪拌ピンＦ２の平坦面Ｆ３を第一金属部材１の端面１ａにわずかに接触させることにより、重合部Ｊ２の接合強度をより高めることができる。また、攪拌ピンＦ２の平坦面Ｆ３を第一金属部材１の端面１ａにわずかに接触させるに留めるため、第一金属部材１から第二金属部材２への金属の流入を極力防ぐことができる。これにより、塑性流動材がバランス良く攪拌されるため、接合部の強度低下を抑制することができる。

［第五実施形態］
次に、第五実施形態に係る接合方法について説明する。図９に示すように、第五実施形態に係る接合方法では、第一金属部材２０と、第二金属部材３０とを摩擦攪拌接合して構造物（中空容器）を形成する。本実施形態の接合方法では、準備工程と、重合工程と、第一摩擦攪拌工程と、第二摩擦攪拌工程と、を行う。

準備工程は、第一金属部材２０及び第二金属部材３０を準備する工程である。第一金属部材２０は、平面視矩形の底部２１と、底部２１から立ち上がる周壁部２２と、底部２１から立ち上がるとともに周壁部２２の一部に連続する支持部２３とで構成されている。第一金属部材２０には凹部２４が形成されている。周壁部２２の周壁端面２２ａと、支持部２３の支持端面２３ａとは同一平面上に形成されている。周壁端面２２ａの四隅には、推台形状を呈する突出部２５が形成されている。

第二金属部材３０は、第一金属部材２０に重ね合わされる板状部材である。第二金属部材３０の四隅には、板厚方向に貫通する孔部３１が形成されている。孔部３１は、突出部２５に対応する位置に形成されており、突出部２５が嵌め合わされるように形成されている。第二金属部材３０の板厚は、突出部２５の高さ寸法よりも大きくなっている。

第一金属部材２０及び第二金属部材３０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る。

本実施形態では、第一金属部材２０は、第二金属部材３０よりも硬度の高い材種で形成されている。例えば、第一金属部材２０を銅又は銅合金で形成し、第二金属部材３０をアルミニウム又はアルミニウム合金で形成してもよい。また、例えば、第一金属部材２０をアルミニウム合金鋳造材で形成し、第二金属部材３０をアルミニウム合金展伸材で形成してもよい。また、例えば、第一金属部材２０をアルミニウム合金ＡＤＣ１２で形成し、第二金属部材３０をアルミニウムＡ１０５０で形成してもよい。

重合工程は、図１０に示すように、第一金属部材２０と第二金属部材３０とを重ね合わせる工程である。重合工程では、第二金属部材３０の孔部３１に第一金属部材２０の突出部２５を挿入する。突出部２５の外周面２５ａと、孔部３１の孔壁とが突き合わされることにより、突合せ部Ｊ３が形成される。突合せ部Ｊ３には断面Ｖ字状の隙間が形成されている。また、第一金属部材２０の周壁端面２２ａと、第二金属部材３０の裏面３０ｃとが重ね合わされることにより重合部Ｊ４が形成される。

第一摩擦攪拌工程は、図１１に示すように、突合せ部Ｊ３を摩擦攪拌接合する工程である。本実施形態の第一摩擦攪拌工程は、第一実施形態の第一摩擦攪拌工程と同じ要領で行う。つまり、本実施形態の第一摩擦攪拌工程では、攪拌ピンＦ２の外周面Ｆ１０を突出部２５の外周面２５ａに接触させず、かつ、攪拌ピンＦ２の平坦面Ｆ３を第一金属部材２０に接触させない状態で突出部２５周りに摩擦攪拌を行う。これにより、突出部２５（第一金属部材２０）と第二金属部材３０とが接合される。

第二摩擦攪拌工程は、図１２に示すように、重合部Ｊ４を摩擦攪拌接合する工程である。第二摩擦攪拌工程では、第二金属部材３０の表面３０ｂに設定された開始位置Ｓｐに回転する攪拌ピンＦ２のみを挿入し、第二金属部材３０の周縁部に沿って回転ツールＦを相対移動させ、重合部Ｊ４を接合する。つまり、攪拌ピンＦ２の基端側は露出した状態で摩擦攪拌接合を行う。攪拌ピンＦ２の挿入深さは、本実施形態では、攪拌ピンＦ２の平坦面Ｆ３が第一金属部材２０に接触しないように設定する。この場合は、攪拌ピンＦ２と第二金属部材３０との摩擦熱により、重合部Ｊ４が塑性流動化して接合される。また、攪拌ピンＦ２が突出部２５に接触しないように、回転ツールＦの移動軌跡を設定する。

なお、攪拌ピンＦ２の挿入深さは、第一金属部材２０及び第二金属部材３０の両方と接触するように設定してもよい。この場合は、第一金属部材２０の金属が、第二金属部材３０に極力流入しないように、攪拌ピンＦ２を第一金属部材２０にわずかに接触する程度に設定する。

第二摩擦攪拌工程が終了したら、第二金属部材３０の表面３０ｂに発生したバリを除去するバリ除去工程を行うことが好ましい。これにより、第二金属部材３０の表面３０ｂをきれいに仕上げることができる。

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Ｆの攪拌ピンＦ２と突出部２５の外周面２５ａとは接触させていないが、第二金属部材３０と攪拌ピンＦ２との摩擦熱によって突合せ部Ｊ３の主として第二金属部材３０側の金属が攪拌されて塑性流動化され、突合せ部Ｊ３において突出部２５と第二金属部材３０とを接合することができる。また、第一摩擦攪拌工程では、攪拌ピンＦ２のみを第二金属部材３０のみに接触させて摩擦攪拌を行うため、硬度の高い第一金属部材２０から硬度の低い第二金属部材３０への金属の混入は殆どない。これにより、突合せ部Ｊ３においては主として第二金属部材３０側の金属が摩擦攪拌されるため、接合強度の低下を抑制することができる。

また、本実施形態では、突合せ部Ｊ３に断面Ｖ字状の隙間が形成されるが、第二金属部材３０の板厚を突出部２５よりも大きくすることで、第一摩擦攪拌工程における接合部（塑性化領域Ｗ１）の金属不足を防ぐことができる。

また、第一摩擦攪拌工程では、攪拌ピンＦ２のみを第二金属部材３０に接触させて摩擦攪拌接合を行うため、攪拌ピンＦ２の回転中心軸Ｃに対して一方側と他方側で、攪拌ピンＦ２が受ける材料抵抗の不均衡を極力小さくすることができる。これにより、塑性流動材がバランス良く摩擦攪拌されるため、接合強度の低下を抑制することができる。また、第一摩擦攪拌工程では、攪拌ピンＦ２のみを挿入させるため、塑性化領域Ｗの幅を小さくすることができる。これにより、第一金属部材２０と第二金属部材３０の内隅から塑性流動材が流出するのを防ぐことができる。

また、第一摩擦攪拌工程では、第一金属部材２０の突出部２５を先端に向けて先細りとなるように形成したため、攪拌ピンＦ２と突出部２５との接触を容易に回避することができる。また、本実施形態では、突出部２５の外周面２５ａの傾斜角度βと、攪拌ピンＦ２の傾斜角度αとを同一（突出部２５の外周面２５ａと攪拌ピンＦ２の外周面Ｆ１０とを平行）にしているため、攪拌ピンＦ２と突出部２５の外周面２５ａとの接触を避けつつ、攪拌ピンＦ２と突出部１０の外周面２５ａとを極力近接させることができる。

また、第一摩擦攪拌工程では、回転ツールＦの攪拌ピンＦ２のみを第二金属部材３０に接触させた状態で突合せ部Ｊ３を摩擦攪拌接合するため、摩擦攪拌装置に作用する負荷を小さくすることができる。また、突合せ工程では、突出部２５を孔部３１に嵌め合わせると、第一金属部材２０に対して第二金属部材３０が移動不能となる。つまり、突出部２５及び孔部３１によって両金属部材を容易に位置決めすることができる。

また、突合せ部Ｊ３においては、本実施形態では攪拌ピンＦ２の平坦面Ｆ３を周壁端面２２ａよりも深く挿入しないが、塑性化領域Ｗ１が重合部Ｊ４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。また、第二摩擦攪拌工程を行うことにより、第一金属部材２０と第二金属部材３０との接合強度を高めることができる。また、第二摩擦攪拌工程では、突出部２５と回転ツールＦの攪拌ピンＦ２とが接触しないように移動ルートを設定することにより、第一金属部材２０から第二金属部材３０への金属の流入を防ぐことができ、接合強度の低下を抑制することができる。

なお、第五実施形態の第一摩擦攪拌工程においては、前記した第二実施形態〜第四実施形態のようにして突合せ部Ｊ３に対して摩擦攪拌接合を行ってもよい。また、支持部２３と第二金属部材３０との重合部を摩擦攪拌で接合してもよい。これにより、接合強度をより高めることができる。また、第二摩擦攪拌工程は省略してもよい。また、第二実施形態〜第五実施形態でも、第一実施形態の第一変形例のように突出部を第二金属部材の板厚よりも大きくしてもよい。

１ 第一金属部材
１ａ 端面
２ 第二金属部材
１０ 突出部
１１ 孔部
２０ 第一金属部材
２５ 突出部
３０ 第二金属部材
３１ 孔部
Ｆ 回転ツール
Ｆ２ 攪拌ピン
Ｊ１ 突合せ部
Ｊ２ 重合部
Ｊ３ 突合せ部
Ｊ４ 重合部
Ｗ１ 塑性化領域
Ｗ２ 塑性化領域

Claims (8)

1. 攪拌ピンを備えた回転ツールを用いて第一金属部材及び第二金属部材を接合する接合方法であって、
   前記第一金属部材は、前記第二金属部材よりも硬度が高い材種であり、
   前記攪拌ピンの外周面は先細りとなるように傾斜しており、前記攪拌ピンはその先端に前記回転ツールの回転中心軸に垂直な平坦面を備え、
   前記第一金属部材の端面から立ち上がり先端に向けて先細りとなる突出部を形成するとともに、前記第二金属部材に貫通する孔部を形成する準備工程と、
   前記第一金属部材の端面と前記第二金属部材の裏面とを重ね合わせて重合部を形成するとともに、前記孔部に前記突出部を挿入して前記孔部と前記突出部とが突き合わされた突合せ部に隙間を形成する突合せ工程と、
   前記回転ツールを移動させて前記突合せ部に対して摩擦攪拌接合を行う第一摩擦攪拌工程と、を含み、
   前記第一摩擦攪拌工程では、前記第二金属部材の表面側から回転する前記回転ツールの攪拌ピンのみを挿入し、前記攪拌ピンの外周面を前記突出部に接触させない状態で前記突合せ部に沿って前記回転ツールを移動させる際に前記第二金属部材を前記隙間に流入させながら摩擦攪拌を行うことを特徴とする接合方法。
2. 攪拌ピンを備えた回転ツールを用いて第一金属部材及び第二金属部材を接合する接合方法であって、
   前記第一金属部材は、前記第二金属部材よりも硬度が高い材種であり、
   前記攪拌ピンの外周面は先細りとなるように傾斜しており、前記攪拌ピンはその先端に前記回転ツールの回転中心軸に垂直な平坦面を備え、
   前記第一金属部材の端面から立ち上がり先端に向けて先細りとなる突出部を形成するとともに、前記第二金属部材に貫通する孔部を形成する準備工程と、
   前記第一金属部材の端面と前記第二金属部材の裏面とを重ね合わせて重合部を形成するとともに、前記孔部に前記突出部を挿入して前記孔部と前記突出部とが突き合わされた突合せ部に隙間を形成する突合せ工程と、
   前記回転ツールを移動させて前記突合せ部に対して摩擦攪拌接合を行う第一摩擦攪拌工程と、を含み、
   前記第一摩擦攪拌工程では、前記第二金属部材の表面側から回転する前記回転ツールの攪拌ピンのみを挿入し、前記攪拌ピンの外周面を前記突出部にわずかに接触させた状態で前記突合せ部に沿って前記回転ツールを移動させる際に前記第二金属部材を前記隙間に流入させながら摩擦攪拌を行うことを特徴とする接合方法。
3. 前記第一摩擦攪拌工程では、前記攪拌ピンの前記平坦面を前記第一金属部材の端面にわずかに接触させた状態で摩擦攪拌接合することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の接合方法。
4. 攪拌ピンを備えた回転ツールを用いて第一金属部材及び第二金属部材を接合する接合方法であって、
   前記第一金属部材は、前記第二金属部材よりも硬度が高い材種であり、
   前記攪拌ピンの外周面は先細りとなるように傾斜しており、前記攪拌ピンはその先端に前記回転ツールの回転中心軸に垂直な平坦面を備え、
   前記第一金属部材の表面から立ち上がり先端に向けて先細りとなる突出部を形成するとともに、前記第二金属部材に貫通する孔部を形成する準備工程と、
   前記第一金属部材の表面と前記第二金属部材の裏面とを重ね合わせて重合部を形成するとともに、前記孔部に前記突出部を挿入して前記孔部と前記突出部とが突き合わされた突合せ部に隙間を形成する重合工程と、
   前記回転ツールを移動させて前記突合せ部に対して摩擦攪拌接合を行う第一摩擦攪拌工程と、を含み、
   前記第一摩擦攪拌工程では、前記第二金属部材の表面側から回転する前記回転ツールの攪拌ピンのみを挿入し、前記攪拌ピンの外周面を前記突出部に接触させない状態で前記突合せ部に沿って前記回転ツールを移動させる際に前記第二金属部材を前記隙間に流入させながら摩擦攪拌を行うことを特徴とする接合方法。
5. 攪拌ピンを備えた回転ツールを用いて第一金属部材及び第二金属部材を接合する接合方法であって、
   前記第一金属部材は、前記第二金属部材よりも硬度が高い材種であり、
   前記攪拌ピンの外周面は先細りとなるように傾斜しており、前記攪拌ピンはその先端に前記回転ツールの回転中心軸に垂直な平坦面を備え、
   前記第一金属部材の表面から立ち上がり先端に向けて先細りとなる突出部を形成するとともに、前記第二金属部材に貫通する孔部を形成する準備工程と、
   前記第一金属部材の表面と前記第二金属部材の裏面とを重ね合わせて重合部を形成するとともに、前記孔部に前記突出部を挿入して前記孔部と前記突出部とが突き合わされた突合せ部に隙間を形成する重合工程と、
   前記回転ツールを移動させて前記突合せ部に対して摩擦攪拌接合を行う第一摩擦攪拌工程と、を含み、
   前記第一摩擦攪拌工程では、前記第二金属部材の表面側から回転する前記回転ツールの攪拌ピンのみを挿入し、前記攪拌ピンの外周面を前記突出部にわずかに接触させた状態で前記突合せ部に沿って前記回転ツールを移動させる際に前記第二金属部材を前記隙間に流入させながら摩擦攪拌を行うことを特徴とする接合方法。
6. 前記第一摩擦攪拌工程では、前記攪拌ピンの前記平坦面を前記第一金属部材の表面にわずかに接触させた状態で前記突合せ部を摩擦攪拌接合することを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の接合方法。
7. 前記重合工程の前に、前記第一金属部材の表面及び前記第二金属部材の裏面の少なくとも一方に溝又は凹部を形成することを特徴とする請求項４乃至請求項６のいずれか一項に記載の接合方法。
8. 前記重合部を摩擦攪拌接合する第二摩擦攪拌工程を含むことを特徴とする請求項４乃至請求項７のいずれか一項に記載の接合方法。

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