JP2021079424A - 摩擦攪拌接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】材種の異なるアルミニウム合金を好適に接合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。【解決手段】回転する回転ツールＦの攪拌ピンＦ２を第二金属部材２の外周面２１ｂに挿入し、攪拌ピンＦ２の外周面を第一金属部材１の段差傾斜面１３ａにわずかに接触させつつ、ショルダ部Ｆ１の下端面を第二金属部材２の外周面２１ｂに接触させた状態で、隙間に第二アルミニウム合金を流入させながら、突合せ部Ｊ１よりも第二金属部材２側に設定された設定移動ルートＬ１に沿って所定の深さで第二金属部材２の外周面２１ｂの廻りに一周させて突合せ部Ｊ１を摩擦攪拌する本接合工程と、を含むことを特徴とする。【選択図】図７

Description

本発明は、摩擦攪拌接合方法に関する。

例えば、特許文献１には、円柱状の第一金属部材と、円筒状の第二金属部材とを回転ツールを用いて摩擦攪拌接合する発明が開示されている。特許文献１に記載の摩擦攪拌接合方法では、第一金属部材と、第二金属部材とを突き合わせて形成された突合せ部を回転ツールを用いて摩擦攪拌接合している。

特開２００９−２６９０５８号公報

ここで、第一金属部材を例えば、４０００系アルミニウム合金の鋳造材で形成し、第二金属部材を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。つまり、アルミニウム合金の材種の異なる部材同士を摩擦攪拌接合する場合がある。

例えば、第一金属部材を鋳造材で形成し、第二金属部材を展伸材で形成する場合、攪拌ピンが第二金属部材側から受ける材料抵抗に比べて、第一金属部材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、材種の異なるアルミニウム合金を好適に接合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。

前記課題を解決するために、本発明は、大径部の端部に小径部を備えた柱状の第一金属部材と、前記小径部と略同等の内径を有するとともに前記大径部の外径よりも大きい外径を有する筒状の第二金属部材とを端部同士で突き合わせて形成された被接合金属部材の突合せ部に対して、回転ツールを用いて摩擦攪拌を行う摩擦攪拌接合方法であって、前記回転ツールは、ショルダ部を備え、前記ショルダ部の下端面の中央から垂下する攪拌ピンを備えており、前記攪拌ピンは、先細りのテーパー状となっており、前記第一金属部材は第一アルミニウム合金で形成されており、前記第二金属部材は第二アルミニウム合金で形成されており、前記第一アルミニウム合金は前記第二アルミニウム合金よりも硬度が高い材種であり、前記第二金属部材の開口部に前記第一金属部材の前記小径部を挿入することにより、前記第二金属部材の内周面と前記第一金属部材の段差側面とを重ね合わせるとともに、前記第二金属部材の端面と前記第一金属部材の段差傾斜面とを突き合わせて前記突合せ部に断面Ｖ字状の隙間を形成する突合せ工程と、回転する前記回転ツールの前記攪拌ピンを前記第二金属部材の外周面に挿入し、前記攪拌ピンの外周面を前記第一金属部材の前記段差傾斜面にわずかに接触させつつ、前記ショルダ部の下端面を前記第二金属部材の外周面に接触させた状態で、前記隙間に前記第二アルミニウム合金を流入させながら、前記突合せ部よりも前記第二金属部材側に設定された設定移動ルートに沿って所定の深さで前記第二金属部材の外周面の廻りに一周させて前記突合せ部を摩擦攪拌する本接合工程と、を含むことを特徴とする。

また、本発明は、大径部の端部に小径部を備えた円柱状の第一金属部材と、前記小径部と略同等の内径を有するとともに前記大径部の外径よりも大きい外径を有する円筒状の第二金属部材とを端面同士で突き合わせて形成された被接合金属部材の突合せ部に対して回転ツールを用いて摩擦攪拌を行う摩擦攪拌接合方法であって、前記回転ツールは、ショルダ部を備え、前記ショルダ部の下端面の中央から垂下する攪拌ピンを備えており、前記攪拌ピンは、先細りのテーパー状となっており、前記第一金属部材は第一アルミニウム合金で形成されており、前記第二金属部材は第二アルミニウム合金で形成されており、前記第一アルミニウム合金は前記第二アルミニウム合金よりも硬度が高い材種であり、前記第二金属部材の開口部に前記第一金属部材の前記小径部を挿入することにより、前記第二金属部材の内周面と前記第一金属部材の段差側面とを重ね合わせるとともに、前記第二金属部材の端面と前記第一金属部材の段差傾斜面とを突き合わせて前記突合せ部に断面Ｖ字状の隙間を形成する突合せ工程と、回転する前記回転ツールの前記攪拌ピンを前記第二金属部材の外周面に挿入し、前記攪拌ピンの外周面を前記第一金属部材の前記段差傾斜面にわずかに接触させつつ、前記ショルダ部の下端面を前記第二金属部材の外周面に接触させた状態で、前記隙間に前記第二アルミニウム合金を流入させながら、前記突合せ部よりも前記第二金属部材側に設定された設定移動ルートに沿って所定の深さで前記第二金属部材の外周面の廻りに一周させて前記突合せ部を摩擦攪拌する本接合工程と、を含むことを特徴とする。

かかる接合方法によれば、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第二アルミニウム合金が攪拌されて塑性流動化され、突合せ部において第一金属部材と第二金属部材とを接合することができる。また、攪拌ピンの外周面を第一金属部材の段差傾斜面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第一アルミニウム合金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第二アルミニウム合金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、ショルダ部の下端面を第二金属部材の外周面に接触させた状態で摩擦攪拌を行うため、バリの発生を抑制することができる。

また、前記突合せ部に形成される塑性化領域の始端と終端とがオーバーラップしており、前記塑性化領域の一部が重複していることが好ましい。

かかる接合方法によれば、被接合金属部材の水密性及び気密性を高めることができる。

また、前記第一金属部材は、ダイキャスト材からなり、前記第二金属部材は、展伸材からなることが好ましい。

かかる接合方法によれば、被接合金属部材を容易に形成することができる。

また、前記第一金属部材が前記回転ツールの進行方向左側に位置する場合、前記回転ツールを右回転させ、前記第一金属部材が前記回転ツールの進行方向右側に位置する場合、前記回転ツールを左回転させることが好ましい。

かかる接合方法によれば、塑性化領域のうち突合せ部側の摩擦攪拌が促進され、より好適に接合することができる。

また、前記本接合工程において、前記設定移動ルート上に設定した開始位置から回転する前記攪拌ピンを挿入し、進行方向に移動させつつ所定の深さとなるまで徐々に前記攪拌ピンを押入することが好ましい。
また、前記本接合工程において、回転する前記攪拌ピンを前記設定移動ルートよりもさらに前記第一金属部材から離間した側に設定した開始位置に挿入した後、前記回転ツールの回転中心軸を前記設定移動ルートと重複する位置まで移動させつつ前記所定の深さとなるまで前記攪拌ピンを徐々に押入することが好ましい。

かかる接合方法によれば、回転ツールを挿入する際に、設定移動ルート上で摩擦熱が過大になるのを防ぐことができ、第一金属部材側から第二金属部材側への第一アルミニウム合金の混入を防ぐことができる。

また、前記本接合工程において、前記設定移動ルート上に終了位置を設定し、前記突合せ部に対する摩擦攪拌の後、前記回転ツールを前記終了位置に移動させつつ前記攪拌ピンを徐々に引き抜いて前記終了位置で前記第二金属部材から前記回転ツールを離脱させることが好ましい。
また、前記本接合工程において、前記設定移動ルートよりもさらに前記第一金属部材から離間した側に終了位置を設定し、前記突合せ部に対する摩擦攪拌の後、前記回転ツールを前記終了位置に移動させつつ前記攪拌ピンを徐々に引き抜いて前記終了位置で前記第二金属部材から前記回転ツールを離脱させることが好ましい。

かかる接合方法によれば、回転ツールを離脱させる際に、設定移動ルート上で摩擦熱が過大になるのを防ぐことができ、第一金属部材側から第二金属部材側への第一アルミニウム合金の混入を防ぐことができる。

また、前記本接合工程において、前記攪拌ピンの先端が、前記第一金属部材の段差側面を突き抜けた状態で前記突合せ部の摩擦攪拌を行うことが好ましい。

かかる接合方法によれば、第一金属部材と第二金属部材との接合強度をより高めることができる。

本発明に係る摩擦攪拌接合方法によれば、材種の異なるアルミニウム合金を好適に接合することができる。

本発明の実施形態に係る回転ツールを示す側面図である。 本発明の第一実施形態に係る摩擦攪拌接合方法を示す斜視図である。 第一実施形態に係る摩擦攪拌接合方法の第一金属部材及び第二金属部材を示す斜視図である。 第一実施形態に係る摩擦攪拌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摩擦攪拌接合方法の突合せ工程を示す斜視図である。 第一実施形態に係る摩擦攪拌接合方法の本接合工程を示す斜視図である。 第一実施形態に係る摩擦攪拌接合方法の本接合工程を示す断面図である。 本発明の第二実施形態に係る摩擦攪拌接合方法の本接合工程を示す斜視図である。 本発明の第二実施形態に係る摩擦攪拌接合方法の本接合工程を示す斜視図である。

本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら説明する。まずは、本実施形態に係る接合方法で用いる回転ツールについて説明する。回転ツールは、摩擦攪拌接合に用いられるツールである。図１に示すように、回転ツールＦは、例えば工具鋼で形成されており、ショルダ部Ｆ１と、攪拌ピンＦ２とで構成されている。ショルダ部Ｆ１は、塑性流動化した金属を押える部位である。ショルダ部Ｆ１は円柱状を呈する。ショルダ部Ｆ１の下端面は、平坦でもよいし、流動化した金属が外部へ流出するのを防ぐために凹状としてもよい。

攪拌ピンＦ２は、ショルダ部Ｆ１の下端面の中央から垂下しており、ショルダ部Ｆ１と同軸になっている。攪拌ピンＦ２は、先細りのテーパー状となっている。攪拌ピンＦ２はショルダ部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、螺旋溝を基端から先端に向けて左回りに刻設する。

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けて右回りに刻設する。このようにすると、摩擦攪拌接合によって塑性流動化した金属が螺旋溝に導かれて攪拌ピンＦ２の先端側に移動する。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）から溢れ出る金属を少なくすることができる。

［第一実施形態］
本発明の第一実施形態について、適宜図面を参照しながら説明する。本実施形態に係る摩擦攪拌接合方法では、図２に示すように、第一金属部材１と、第二金属部材２を摩擦攪拌接合するというものである。第一金属部材１と第二金属部材２とを合わせて被接合金属部材Ｈとも言う。本実施形態に係る摩擦攪拌接合方法では、準備工程と、突合せ工程と、本接合工程と、を行う。

準備工程は、第一金属部材１及び第二金属部材２を準備する工程である。図３に示すように、第一金属部材１は、大径部１１と、小径部１２を備えた中実の金属部材である。第一金属部材１は、ダイキャスト材からなることが好ましい。第一金属部材１は、摩擦攪拌可能な金属であれば特に制限されないが、本実施形態では第一アルミニウム合金を主に含んで形成されている。第一アルミニウム合金は、例えば、ＪＩＳＨ５３０２ ＡＤＣ１２（Ａｌ-Ｓｉ-Ｃｕ系）等のアルミニウム合金鋳造材を用いている。

大径部１１は、円柱状を呈する。小径部１２は、円柱状を呈し、大径部１１の先端側に同心で形成されている。大径部１１と小径部１２とで段差部１３が形成されている。段差部１３は、段差傾斜面１３ａと、段差側面１３ｂとで構成されている。段差傾斜面１３ａは、大径部１１の先端側の端面に設けられている。段差側面１３ｂは、小径部１２の外周面である。段差側面１３ｂは、段差傾斜面１３ａから小径部１２の先端方向に向けて立ち上がって形成されている。段差傾斜面１３ａは、段差側面１３ｂと接する内周部から、大径部１１の外周面１１ｂと接する外周部へと、径外方向に向かうにつれて段差側面１３ｂから離間する方向に傾斜している。図４に示すように、第一金属部材１の中心軸を通過する断面から見たときに、段差傾斜面１３ａは、第一金属部材１の中心軸と直交する面に対して、傾斜角度βをもって傾斜している。第一金属部材１と第二金属部材２とが突き合わされた際に、段差傾斜面１３ａは、径外方向に向かうにつれて第二金属部材２から離間する方向に傾斜している。段差傾斜面１３ａの傾斜角度βは、攪拌ピンＦ２の傾斜角度α（図１参照）と同一になっている。段差側面１３ｂは、小径部１２の端面１２ａに対して垂直になっている。つまり、段差側面１３ｂは、第一金属部材１の軸方向と平行になっている。

第二金属部材２は、円筒状を呈する金属部材である。第二金属部材２は、小径部１２と略同等の内径を有するとともに、大径部１１の外径よりも大きい外径を有する。第二金属部材２は、展伸材からなることが好ましい。摩擦攪拌可能な金属であれば特に制限されないが、本実施形態では第二アルミニウム合金を主に含んで形成されている。第二アルミニウム合金は、第一アルミニウム合金よりも硬度の低い材料である。第二アルミニウム合金は、例えば、ＪＩＳ Ａ１０５０，Ａ１１００，Ａ６０６３等のアルミニウム合金展伸材で形成されている。第二金属部材２の端面２１ａは、外周面２１ｂ及び内周面２１ｃに対して垂直になっている。第一金属部材１の外径と第二金属部材２の外径は同一でもよいが、本実施形態では、第二金属部材２の外径を第一金属部材１の外径よりも大きく形成している。また、第二金属部材２の内周面２１ｃの内径は、第一金属部材１の小径部１２の外径と同一又は略同一になっている。なお、本明細書において硬度はブリネル硬さをいい、ＪＩＳ Ｚ ２２４３に準じた方法によって測定することができる。

突合せ工程は、図４に示すように、第一金属部材１の端部と、第二金属部材２の端部とを突き合わせる工程である。突合せ工程では、第一金属部材１の小径部１２を、第二金属部材２の開口部に挿入する。これにより、第一金属部材１の段差傾斜面１３ａと、第二金属部材２の端面２１ａとが突き合わされて突合せ部Ｊ１が形成される。突合せ部Ｊ１には、周方向にわたって断面Ｖ字状の隙間が形成される。また、第一金属部材１の段差側面１３ｂと、第二金属部材２の内周面２１ｃとが重ね合わされて突合せ部Ｊ２が形成される。

図５に示すように、第二金属部材２の外周面２１ｂには、設定移動ルートＬ１を設定する。設定移動ルートＬ１は、突合せ部Ｊ１よりも第二金属部材２側に設定されており、突合せ部Ｊ１と平行になっている。設定移動ルートＬ１は、後記する本接合工程において、突合せ部Ｊ１を接合するために必要な回転ツールＦの移動ルートである。設定移動ルートＬ１については追って詳述する。

本接合工程は、図６及び図７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。本接合工程では、回転ツールＦを固定して、被接合金属部材Ｈを周方向に回転させてもよいし、被接合金属部材Ｈを固定して被接合金属部材Ｈの周りに回転ツールＦを移動させてもよい。

図６に示すように、本接合工程では、開始位置ＳＰ１から中間点Ｓ１までの押入区間と、設定移動ルートＬ１上の中間点Ｓ１から一周廻って中間点Ｓ２までの本区間と、中間点Ｓ２から終了位置ＥＰ１までの離脱区間の三つの区間を連続して摩擦攪拌接合する。中間点Ｓ１，Ｓ２は、設定移動ルートＬ１上に設定されている。開始位置ＳＰ１は、第二金属部材２の外周面２１ｂにおいて、設定移動ルートＬ１よりも第一金属部材１から離間する側に設定されている。本実施形態では、開始位置ＳＰ１と中間点Ｓ１とを結ぶ線分と、設定移動ルートＬ１とのなす角度が鈍角となる位置に設定している。

本接合工程の押入区間では、図６及び図７に示すように、開始位置ＳＰ１から中間点Ｓ１までの摩擦攪拌を行う。押入区間では、外周面２１ｂに対して回転中心軸Ｚを垂直にしつつ、右回転させた攪拌ピンＦ２を開始位置ＳＰ１に挿入し、中間点Ｓ１まで移動させる。つまり、回転ツールＦが相対移動する間、回転中心軸Ｚが第二金属部材２の外周面２１ｂの法線と重なるように設定する。この際、図６に示すように、少なくとも中間点Ｓ１に到達するまでに予め設定された「所定の深さ」に達するように攪拌ピンＦ２を徐々に押し入れていく。つまり、回転ツールＦを一ヶ所に留まらせることなく、回転ツールＦを設定移動ルートＬ１に移動させながら徐々に下降させていく。ここで、「所定の深さ」とは、設定移動ルートＬ１上の中間点Ｓ１から中間点Ｓ２までの本区間において、攪拌ピンＦ２を差し込む深さをいう。

また、中間点Ｓ１に達した際に、攪拌ピンＦ２の外周面と第一金属部材１の段差傾斜面１３ａとがわずかに接触するように設定する。このとき、少なくとも攪拌ピンＦ２の外周面と第一金属部材１との接触により、第一金属部材１側の第一アルミニウム合金がわずかに削り取られ、第一アルミニウム合金が第二金属部材２側に混入する。さらに、ショルダ部Ｆ１の下端面と第二金属部材２の外周面２１ｂとが接触するように設定する。また、攪拌ピンＦ２の平坦面Ｆ３が段差側面１３ｂを突き抜けるように設定する。そして、そのまま本区間の摩擦攪拌接合に移行する。なお、ショルダ部Ｆ１の下端面は、第一金属部材１の外周面１１ｂに接触させない方が好ましい。

攪拌ピンＦ２の外周面と第一金属部材１の段差傾斜面１３ａとの接触代（オフセット量）Ｎは、例えば、０＜Ｎ≦１．０ｍｍの間で設定し、好ましくは０＜Ｎ≦０．８５ｍｍの間で設定し、より好ましくは０＜Ｎ≦０．６５ｍｍの間で設定する。

設定移動ルートＬ１は、図７に示すように、攪拌ピンＦ２の平坦面Ｆ３の中心が通過する軌跡を示している。つまり、設定移動ルートＬ１は、突合せ部Ｊ１の周方向において、第一金属部材１の段差傾斜面１３ａと攪拌ピンＦ２の外周面とを平行にしつつ両者がわずかに接触するように設定されている。

本区間においては、上方から見た場合（外周面２１ｂ側から見た場合）に、平坦面Ｆ３の中心が、設定移動ルートＬ１と重なるように回転ツールＦを相対移動させる。本区間においては、第二金属部材２の第二アルミニウム合金を突合せ部Ｊ１の隙間に流入させながら摩擦攪拌接合を行う。攪拌ピンＦ２の外周面と段差傾斜面１３ａとが接触しないように設定すると、突合せ部Ｊ１の接合強度が低くなる。一方、攪拌ピンＦ２の外周面と段差傾斜面１３ａとの接触代Ｎが１．０ｍｍを超えると第一金属部材１の第一アルミニウム合金が、第二金属部材２側に大量に混入して接合不良となるおそれがある。

本区間では、図６に示すように、回転ツールＦを一周させて攪拌ピンＦ２が中間点Ｓ２に到達したら、そのまま離脱区間に移行する。離脱区間では、中間点Ｓ２から終了位置ＥＰ１に向かうまでの間に攪拌ピンＦ２を徐々に上方に移動させて、終了位置ＥＰ１で第二金属部材２から攪拌ピンＦ２を離脱させる。つまり、回転ツールＦを一ヶ所に留まらせることなく、回転ツールＦを終了位置ＥＰ１に移動させながら第二金属部材２から離間する方向に徐々に引抜いていく。終了位置ＥＰ１は、終了位置ＥＰ１と中間点Ｓ２とが結ぶ線分と設定移動ルートＬ１とでなす角度が鈍角となる位置に設定する。回転ツールＦの移動軌跡には塑性化領域Ｗが形成される。

以上説明した本実施形態における摩擦攪拌接合方法によれば、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側の第二アルミニウム合金が攪拌されて塑性流動化され、突合せ部Ｊ１において第一金属部材１の段差傾斜面１３ａと、第二金属部材２の端面２１ａとを接合することができる。

また、攪拌ピンＦ２の外周面を第一金属部材１の段差傾斜面１３ａ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への第一アルミニウム合金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Ｊ１においては主として第二金属部材２側の第二アルミニウム合金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。つまり、本接合工程では、攪拌ピンＦ２の回転中心軸Ｚ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少な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、本接合工程において、攪拌ピンＦ２の外周面と第一金属部材１の段差傾斜面１３ａとが平行となるように回転ツールＦの位置を設定することで、攪拌ピンＦ２と第一金属部材１とをバランスよく接触させることができる。また、第二金属部材２の外径を、第一金属部材１の外径よりも大きく設定することにより、接合部が金属不足になるのを防ぐことができる。また、攪拌ピンＦ２の先端を、第一金属部材１の段差側面１３ｂに達するように設定することで、突合せ部Ｊ２も確実に摩擦攪拌できるため、接合強度を高めることができる。

また、本実施形態では、本接合工程において、ショルダ部Ｆ１の下端面と第二金属部材２の外周面２１ｂとを接触させ、塑性流動材を押さえながら摩擦攪拌を行うため、バリの発生を抑制することができる。
また、本実施形態では、攪拌ピンＦ２の平坦面Ｆ３が段差側面１３ｂを突き抜けるように設定して摩擦攪拌接合を行うことで、第一金属部材１と第二金属部材２との接合強度をより高めることができる。
また、本実施形態では、第一金属部材１はダイキャスト材からなり、第二金属部材２は展伸材からなることで、被接合金属部材Ｈを容易に形成することができる。

ここで、攪拌ピンＦ２を設定移動ルートＬ１に挿入する際、設定移動ルートＬ１上に摩擦攪拌の開始位置を設定して所定の深さとなるまで鉛直方向に攪拌ピンＦ２を押入すると、開始位置における摩擦熱が過大となる。これにより、当該開始位置において、第一金属部材１側の金属が第二金属部材２側に混入しやすくなり、接合不良の一因となるという問題がある。

これに対し、本実施形態の本接合工程の押入区間では、開始位置ＳＰ１から設定移動ルートＬ１と重複する位置まで回転ツールＦを移動させつつ所定の深さとなるまで攪拌ピンＦ２を徐々に押入することにより、設定移動ルートＬ１上で回転ツールＦが停止して摩擦熱が局所的に過大になるのを防ぐことができる。
同様に、本接合工程の離脱区間では、設定移動ルートＬ１から終了位置ＥＰ１まで回転ツールＦを移動させつつ所定の深さから攪拌ピンＦ２を徐々に引き抜いて離脱させることにより、設定移動ルートＬ１上で回転ツールＦが停止して摩擦熱が局所的に過大になるのを防ぐことができる。

これらにより、設定移動ルートＬ１上で摩擦熱が過大となり、第一金属部材１から第二金属部材２へ第一アルミニウム合金が過剰に混入して接合不良となるのを防ぐことができる。

また、本接合工程において、開始位置ＳＰ１及び終了位置ＥＰ１の位置は適宜設定すればよいが、開始位置ＳＰ１と設定移動ルートＬ１とのなす角度、終了位置ＥＰ１と設定移動ルートＬ１とのなす角度が鈍角となるように設定することにより、中間点Ｓ１，Ｓ２で回転ツールＦの移動速度が低下することなくスムーズに本区間又は離脱区間に移行することができる。これにより、設定移動ルートＬ１上で回転ツールＦが停止又は移動速度が低下することにより、摩擦熱が過大となることを防ぐことができる。なお、上方から見て回転ツールＦの軌跡が円弧を描くように開始位置ＳＰ１から設定移動ルートＬ１に回転ツールＦを移動させてもよい。同様に、上方から見て回転ツールＦの軌跡が円弧を描くように設定移動ルートＬ１から終了位置ＥＰ１に回転ツールＦを移動させてもよい。

また、本実施形態の本接合工程では、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Ｗのうち、第一金属部材１（突合せ部Ｊ１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。第一金属部材１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において第一金属部材１の段差傾斜面１３ａと、第二金属部材２の端面２１ａ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、第一金属部材１の第一アルミニウム合金は、第二金属部材２の第二アルミニウム合金よりも硬度の高い材料になっている。これにより、被接合金属部材Ｈの耐久性を高めることができる。また、第一金属部材１の第一アルミニウム合金をアルミニウム合金鋳造材とし、第二金属部材２の第二アルミニウム合金をアルミニウム合金展伸材とすることが好ましい。第一アルミニウム合金を例えば、ＪＩＳＨ５３０２ ＡＤＣ１２等のＡｌ−Ｓｉ−Ｃｕ系アルミニウム合金鋳造材とすることにより、第一金属部材１の鋳造性、強度、被削性等を高めることができる。また、第二アルミニウム合金を例えば、ＪＩＳ Ａ１０００系又はＡ６０００系とすることにより、加工性、熱伝導性を高めることができる。

また、本接合工程においては、突合せ部Ｊ１の全周を摩擦攪拌接合するため、被接合金属部材Ｈの気密性及び水密性を高めることができる。また、本接合工程の終端部分において、回転ツールＦが中間点Ｓ１を完全に通過してから終了位置ＥＰ１に向かうようにする。つまり、本接合工程によって形成された塑性化領域Ｗの各端部同士をオーバーラップさせることにより、より気密性及び水密性を高めることができる。

なお、本接合工程では、回転ツールＦの回転速度を一定としてもよいが、可変させてもよい。本接合工程の押入区間において、開始位置ＳＰ１における回転ツールＦの回転速度をＶ１とし、本区間における回転ツールＦの回転速度をＶ２とすると、Ｖ１＞Ｖ２としてもよい。回転速度のＶ２は、設定移動ルートＬ１における予め設定された一定の回転速度である。つまり、開始位置ＳＰ１では、回転速度を高く設定しておき、押入区間内で徐々に回転速度を低減させながら本区間に移行してもよい。

また、本接合工程の離脱区間において、本区間における回転ツールＦの回転速度をＶ２、終了位置ＥＰ１において離脱させるときの回転ツールＦの回転速度をＶ３とすると、Ｖ３＞Ｖ２としてもよい。つまり、離脱区間に移行したら、終了位置ＥＰ１に向けて徐々に回転速度を上げながら第二金属部材２から回転ツールＦを離脱させてもよい。回転ツールＦを第二金属部材２に押し入れる際又は第二金属部材２から離脱させる際に、前記のように設定することで、押入区間又は離脱区間時における少ない押圧力を、回転速度で補うことができるため、摩擦攪拌を好適に行うことができる。

［第二実施形態］
次に、本発明の第二実施形態に係る摩擦攪拌接合方法について説明する。第二実施形態では、図８及び図９に示すように、本接合工程における開始位置ＳＰ１及び終了位置ＥＰ１の位置をいずれも設定移動ルートＬ１上に設定する点で第一実施形態と相違する。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。

第二実施形態に係る液冷ジャケットの製造では、準備工程と、突合せ工程と、本接合工程とを行う。準備工程及び突合せ工程は、第一実施形態と同一である。

本接合工程では、図８に示すように、開始位置ＳＰ１を設定移動ルートＬ１上に設定する。本接合工程では、開始位置ＳＰ１から中間点Ｓ１までの押入区間と、設定移動ルートＬ１上の中間点Ｓ１から一周廻って中間点Ｓ２までの本区間と、中間点Ｓ２から終了位置ＥＰ１（図９参照）までの離脱区間の三つの区間を連続して摩擦攪拌する。

押入区間では、図８に示すように、開始位置ＳＰ１から中間点Ｓ１までの摩擦攪拌を行う。押入区間では、回転中心軸Ｚを垂直となるようにしつつ、右回転させた攪拌ピンＦ２を開始位置ＳＰ１に挿入し、中間点Ｓ１まで移動させる。この際、少なくとも中間点Ｓ１に到達するまでに予め設定された「所定の深さ」に達するように攪拌ピンＦ２を徐々に押し入れていく。つまり、回転ツールＦを一ヶ所に留まらせることなく、回転ツールＦを設定移動ルートＬ１に移動させながら徐々に下降させていく。

また、押入区間においては、中間点Ｓ１に達した際に、攪拌ピンＦ２の外周面と第一金属部材１の段差傾斜面１３ａとがわずかに接触するように設定する。さらに、ショルダ部Ｆ１の下端面と第二金属部材２の外周面２１ｂとが接触するように設定するとともに、攪拌ピンＦ２の平坦面Ｆ３が第一金属部材１の段差側面１３ｂを突き抜けるように設定する。この回転ツールＦの姿勢を維持した状態で、そのまま本区間の摩擦攪拌接合に移行する。攪拌ピンＦ２の外周面と第一金属部材１の段差傾斜面１３ａとの接触代（オフセット量）Ｎ及び設定移動ルートＬ１の設定は第一実施形態と同一である。

本区間では、図９のように設定移動ルートＬ１に沿って回転ツールＦを一周させる。回転ツールＦを一周させて攪拌ピンＦ２が中間点Ｓ２に到達したら、そのまま離脱区間に移行する。終了位置ＥＰ１は、設定移動ルートＬ１上に設定されている。離脱区間では、中間点Ｓ２から終了位置ＥＰ１に向かうまでの間に攪拌ピンＦ２を徐々に引き抜いて、終了位置ＥＰ１で第二金属部材２から攪拌ピンＦ２を離脱させる。つまり、回転ツールＦを一ヶ所に留まらせることなく、回転ツールＦを終了位置ＥＰ１に移動させながら徐々に引抜いていく。

以上説明した第二実施形態に係る摩擦攪拌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。第二実施形態のように本接合工程における開始位置ＳＰ１及び終了位置ＥＰ１は、設定移動ルートＬ１上に設定してもよい。

以上、本発明の実施形態について説明したが、適宜設計変更が可能である。例えば、第一金属部材１及び第二金属部材２は、矩形、多角形、楕円形等他の断面形状の柱状部材でもよい。また、両方とも中実部材でもよいし、両方とも筒状部材でもよい。

１ 第一金属部材
２ 第二金属部材
Ｆ 回転ツール
Ｆ１ ショルダ部
Ｆ２ 攪拌ピン
Ｊ１ 突合せ部
ＳＰ１ 開始位置
ＥＰ１ 終了位置
Ｗ 塑性化領域

Claims (10)

1. 大径部の端部に小径部を備えた柱状の第一金属部材と、前記小径部と略同等の内径を有するとともに前記大径部の外径よりも大きい外径を有する筒状の第二金属部材とを端部同士で突き合わせて形成された被接合金属部材の突合せ部に対して回転ツールを用いて摩擦攪拌を行う摩擦攪拌接合方法であって、
   前記回転ツールは、ショルダ部を備え、前記ショルダ部の下端面の中央から垂下する攪拌ピンを備えており、
   前記攪拌ピンは、先細りのテーパー状となっており、
   前記第一金属部材は第一アルミニウム合金で形成されており、前記第二金属部材は第二アルミニウム合金で形成されており、前記第一アルミニウム合金は前記第二アルミニウム合金よりも硬度が高い材種であり、
   前記第二金属部材の開口部に前記第一金属部材の前記小径部を挿入することにより、前記第二金属部材の内周面と前記第一金属部材の段差側面とを重ね合わせるとともに、前記第二金属部材の端面と前記第一金属部材の段差傾斜面とを突き合わせて前記突合せ部に断面Ｖ字状の隙間を形成する突合せ工程と、
   回転する前記回転ツールの前記攪拌ピンを前記第二金属部材の外周面に挿入し、前記攪拌ピンの外周面を前記第一金属部材の前記段差傾斜面にわずかに接触させつつ、前記ショルダ部の下端面を前記第二金属部材の外周面に接触させた状態で、前記隙間に前記第二アルミニウム合金を流入させながら、前記突合せ部よりも前記第二金属部材側に設定された設定移動ルートに沿って所定の深さで前記第二金属部材の外周面の廻りに一周させて前記突合せ部を摩擦攪拌する本接合工程と、を含むことを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
2. 前記突合せ部に形成される塑性化領域の始端と終端とがオーバーラップしており、前記塑性化領域の一部が重複していることを特徴とする請求項１に記載の摩擦攪拌接合方法。
3. 前記第一金属部材は、ダイキャスト材からなり、
   前記第二金属部材は、展伸材からなる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. 前記第一金属部材が前記回転ツールの進行方向左側に位置する場合、前記回転ツールを右回転させ、
   前記第一金属部材が前記回転ツールの進行方向右側に位置する場合、前記回転ツールを左回転させることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の摩擦攪拌接合方法。
5. 前記本接合工程において、前記設定移動ルート上に設定した開始位置から回転する前記攪拌ピンを挿入し、進行方向に移動させつつ所定の深さとなるまで徐々に前記攪拌ピンを押入する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。
6. 前記本接合工程において、回転する前記攪拌ピンを前記設定移動ルートよりもさらに前記第一金属部材から離間した側に設定した開始位置に挿入した後、前記回転ツールの回転中心軸を前記設定移動ルートと重複する位置まで移動させつつ前記所定の深さとなるまで前記攪拌ピンを徐々に押入する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。
7. 前記本接合工程において、前記設定移動ルート上に終了位置を設定し、前記突合せ部に対する摩擦攪拌の後、前記回転ツールを前記終了位置に移動させつつ前記攪拌ピンを徐々に引き抜いて前記終了位置で前記第二金属部材から前記回転ツールを離脱させることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の摩擦攪拌接合方法。
8. 前記本接合工程において、前記設定移動ルートよりもさらに前記第一金属部材から離間した側に終了位置を設定し、前記突合せ部に対する摩擦攪拌の後、前記回転ツールを前記終了位置に移動させつつ前記攪拌ピンを徐々に引き抜いて前記終了位置で前記第二金属部材から前記回転ツールを離脱させることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の摩擦攪拌接合方法。
9. 前記本接合工程において、前記攪拌ピンの先端が、前記第一金属部材の前記段差側面を突き抜けた状態で前記突合せ部の摩擦攪拌を行うことを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の摩擦攪拌接合方法。
10. 大径部の端部に小径部を備えた円柱状の第一金属部材と、前記小径部と略同等の内径を有するとともに前記大径部の外径よりも大きい外径を有する円筒状の第二金属部材とを端面同士で突き合わせて形成された被接合金属部材の突合せ部に対して回転ツールを用いて摩擦攪拌を行う摩擦攪拌接合方法であって、
    前記回転ツールは、ショルダ部を備え、前記ショルダ部の下端面の中央から垂下する攪拌ピンを備えており、
    前記攪拌ピンは、先細りのテーパー状となっており、
    前記第一金属部材は第一アルミニウム合金で形成されており、前記第二金属部材は第二アルミニウム合金で形成されており、前記第一アルミニウム合金は前記第二アルミニウム合金よりも硬度が高い材種であり、
    前記第二金属部材の開口部に前記第一金属部材の前記小径部を挿入することにより、前記第二金属部材の内周面と前記第一金属部材の段差側面とを重ね合わせるとともに、前記第二金属部材の端面と前記第一金属部材の段差傾斜面とを突き合わせて前記突合せ部に断面Ｖ字状の隙間を形成する突合せ工程と、
    回転する前記回転ツールの前記攪拌ピンを前記第二金属部材の外周面に挿入し、前記攪拌ピンの外周面を前記第一金属部材の前記段差傾斜面にわずかに接触させつつ、前記ショルダ部の下端面を前記第二金属部材の外周面に接触させた状態で、前記隙間に前記第二アルミニウム合金を流入させながら、前記突合せ部よりも前記第二金属部材側に設定された設定移動ルートに沿って所定の深さで前記第二金属部材の外周面の廻りに一周させて前記突合せ部を摩擦攪拌する本接合工程と、を含むことを特徴とする摩擦攪拌接合方法。

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