JP2023149110A - 摩擦攪拌接合方法、摩擦攪拌接合用接合ツール及び摩擦攪拌接合継手 - Google Patents

Abstract

【課題】金属材料からなる第１部材と、第１部材と材質の異なる第２部材との間で、接合強度の高い摩擦攪拌接合部が得られる摩擦攪拌接合方法を提供する。【解決手段】摩擦攪拌接合方法は、金属材料からなる下部アルミニウム板（第１部材）１１と第１部材と同種の材質からなる上部アルミニウム板（接合補助部材）１３との間に、第１部材と材質が異なる鋼板（第２部材）１２の貫通孔１６が覆われるように、第２部材を配置する重ね合わせ工程と、接合ツール１８を用いて第１部材及び接合補助部材のうち少なくとも一方を貫通孔１６内に押し込み、第１部材と接合補助部材との間で摩擦攪拌接合部１５を形成する摩擦攪拌接合工程と、を備える。接合ツール１８は、ショルダー部１８ａの先端面１８ｅと接合ピン１８ｂの側面１８ｄとの間、及び接合ピン１８ｂの側面１８ｄと接合ピン１８ｂの先端面１８ｃとの間がＲ加工されている。【選択図】図３Ａ

Description

本発明は、摩擦攪拌接合方法、摩擦攪拌接合用接合ツール及び摩擦攪拌接合継手に関する。

自動車や電車等の輸送機の軽量化は、燃費改善及びそれに伴うＣＯ_２削減効果や、操舵性の向上などが期待される永遠のニーズである。その達成手段の一つとして、鋼の一部を例えばアルミ合金やＣＦＲＰ（Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ）等の軽量素材に置換する材料置換が挙げられるが、部材間の境界ではいわゆる異材接合が必要となる。なお、異材接合法としては、（１）溶接系、（２）機械的締結、（３）接着といった分野に大別される。溶接の場合、例えば鉄とアルミニウムが溶けて混ざると、脆い性質の金属間化合物を生成して高い強度が得られにくいことから、機械的締結と接着が多く用いられている。

しかし、接着は、強度的に異方性が大きく、また経時的劣化の特性があることから、高い強度を求める部位に適用するには信頼性が不足している。このため、接着は単独では用いられず、併用策として用いられるのが一般的である。機械的締結は、信頼性が高く、実際のところ異材接合法としての実績が多い。具体的には、ボルト・ナット、ＳＰＲ（セルフ・ピアッシング・リベット）、ＦＤＳ（フロー・ドリル・スクリュー）、ブラインドリベットといった鋼製消耗部材（リベット）を用いるものが多い。

しかし、（ａ）消耗材のコストが高いこと、（ｂ）貫通穴を空けなければならないものもあること、（ｃ）施工能率が悪いものがあること、（ｄ）被接合材の片方が中空部材の場合には適用できない場合があること、（ｅ）線状には接合できず点状接合に留まること、といった各種の短所があることから、全てのニーズを満足することはできていない。したがって、現在もなお、（Ｉ）形状的や材料的な適用制限が少ない、（ＩＩ）安価、（ＩＩＩ）高能率、（ＩＶ）線状接合が可能、かつ、（Ｖ）高強度・高信頼性が得られる異材接合法の登場が待ち望まれている。

上記（Ｉ）～（Ｖ）を比較的多く満足する候補として、摩擦攪拌接合法（Ｆｒｉｃｔｉｏｎ Ｓｔｉｒ Ｗｅｌｄｉｎｇ：ＦＳＷ）が知られている。本接合法は、鋼など高強度な材料で作られた攪拌ピンを回転させながら、アルミニウムなどの軟質材の接合部に押し込むことで、被接合母材同士の一部を塑性流動させ、界面を消失させて接合する手段である。本接合法は、軟質な母材に向いているため、産業的にはアルミニウム材同士の接合に多く用いられてきたが、最近では攪拌ピンの高強度化開発が進み、鋼材同士の接合にも用いることができるようになっている。また最近では、同種の金属同士のみならず、例えば、アルミニウムと鉄のような異種金属間の摩擦攪拌接合法、又は、金属と樹脂のような金属と非金属間の摩擦攪拌接合法も注目されている。

ＦＳＷには、回転する攪拌ピンを平面状に移動させて、線状の接合部を形成する方法と、回転する攪拌ピンの移動を上下方向のみとして、点状の接合部を形成する方法（一般的に、ＦＳＪ（Ｆｒｉｃｔｉｏｎ Ｓｐｏｔ Ｊｏｉｎｉｎｇ）、ＦＳＳＷ（Ｆｒｉｃｔｉｏｎ Ｓｔｉｒ Ｓｐｏｔ Ｗｅｌｄｉｎｇ）と狭義に呼称される。）に大別される。前者は、門型の大型設備を用いることが代表的であり、後者は多関節ロボット搭載設備を用いることが代表的であって、それぞれ大きく異なる形態の実用化設備になっている。

これらのＦＳＷ装置を用いて最適条件を選定すればアルミニウムと鋼の異材接合が可能であることが報告されている。例えば、特許文献１には、貫通孔を有する鋼材を、アルミニウムからなる第１ワークと第２ワークで挟持して積層し、該貫通孔に摩擦攪拌接合用工具の攪拌ピンを通過させて塑性流動した第２ワークの肉を、貫通孔の内壁に接合させるとともに第１ワークの肉と一体的に摩擦攪拌接合するようにした摩擦攪拌接合方法が記載されている。

また、特許文献２には、被接合金属部材と被接合樹脂部材とを接合用金属部材を用いて接合する異材接合方法が提案されている。上記特許文献２に記載の異材接合方法は、貫通孔を有する被接合樹脂部材、被接合金属部材および接合用金属部材を準備し、貫通孔が被接合金属部材で覆われるとともに、接合用金属部材で覆われるように、被接合金属部材、被接合樹脂部材および前記接合用金属部材を重ね合わせた後、回転する接合ツールで接合用金属部材を貫通孔内に押し込み、被接合金属部材に摩擦攪拌接合させる方法である。

特許第４４７３７１３号公報 特開２０１９－１７１４６０号公報

しかしながら、特許文献１及び２に記載の接合方法を使用した場合に、接合用金属部材に対する応力集中度が高いことが原因で割れが発生することがあり、十分に高い接合強度を得ることができない。

本発明は、前述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、金属材料からなる第１部材と、第１部材と材質の異なる第２部材との間で、接合強度の高い摩擦攪拌接合部が得られる摩擦攪拌接合方法、該方法において使用される摩擦攪拌接合用接合ツール及び該方法により得られる摩擦攪拌接合継手を提供することにある。

したがって、本発明の上記目的は、摩擦攪拌接合方法に係る下記［１］の構成により達成される。

［１］ 金属材料からなる第１部材と、前記第１部材と材質が異なり、かつ、少なくとも１つの貫通孔を有する第２部材とを、前記第１部材と同種の材質からなる接合補助部材を用いて接合する摩擦攪拌接合方法であって、
前記第１部材と前記接合補助部材によって前記第２部材の前記貫通孔が覆われるように、前記第１部材、前記第２部材、前記接合補助部材の順に重ね合わせる重ね合わせ工程と、
回転する接合ツールを用いて前記第１部材及び前記接合補助部材のうち少なくとも一方を前記貫通孔内に押し込み、前記第１部材と前記接合補助部材との間で摩擦攪拌接合部を形成する摩擦攪拌接合工程と、を備え、
前記接合ツールは、回転するショルダー部と、前記ショルダー部の先端面に前記ショルダー部と同軸上に形成され、前記ショルダー部とともに回転する接合ピンと、を有し、
前記ショルダー部の先端面と前記接合ピンの側面との間がＲ加工されているとともに、
前記接合ピンの側面と前記接合ピンの先端面との間がＲ加工されている、摩擦攪拌接合方法。

また、本発明の上記目的は、摩擦攪拌接合用接合ツールに係る下記［２］の構成により達成される。
［２］ ［１］に記載の摩擦攪拌接合方法に使用される摩擦攪拌接合用接合ツールであって、
回転するショルダー部と、前記ショルダー部の先端面に前記ショルダー部と同軸上に形成され、前記ショルダー部とともに回転する接合ピンと、を有し、
前記ショルダー部の先端面と前記接合ピンの側面との間がＲ加工されているとともに、
前記接合ピンの側面と前記接合ピンの先端面との間がＲ加工されている、摩擦攪拌接合用接合ツール。

また、本発明の上記目的は、摩擦攪拌接合継手に係る下記［３］の構成により達成される。
［３］ ［１］に記載の摩擦攪拌接合方法によって製造される摩擦攪拌接合継手であって、
前記第２部材は、前記第１部材及び前記接合補助部材により挟持され、かつ、前記第２部材の前記貫通孔内に前記第１部材及び前記接合補助部材のうち少なくとも一方が押し込まれることで、前記第１部材と前記接合補助部材との間で形成された摩擦攪拌接合部を有する、摩擦攪拌接合継手。

本発明の摩擦攪拌接合方法によれば、同種の金属材料からなる第１部材と接合補助部材とで、第１部材と材質の異なる第２部材を挟み込み、第１部材と接合補助部材との間で摩擦攪拌接合部を形成することで、接合強度の高い接合部が得られる。また、該摩擦攪拌接合方法により、接合強度の高い接合部を有する摩擦攪拌接合継手を製造することができる。

図１は、本発明の第１実施形態に係る摩擦攪拌接合継手の斜視図である。 図２は、図１に示す摩擦攪拌接合継手の摩擦攪拌接合方法を示す説明図である。 図３Ａは、図１の摩擦攪拌接合継手の接合工程を示す断面図である。 図３Ｂは、図３Ａに示す接合ツールの一部を拡大して示す模式図である。 図３Ｃは、従来の接合ツールを使用して摩擦撹拌接合を実施した様子を示す断面図である。 図４は、図１の摩擦攪拌接合継手を形成可能な摩擦攪拌接合装置の概略構成図である。 図５Ａは、本発明の第２実施形態に係る摩擦攪拌接合方法を示す斜視図である。 図５Ｂは、図５ＡのＶＢ－ＶＢ断面図である。 図６は、図５Ａの摩擦攪拌接合方法の接合工程を示す断面図である。 図７は、本発明の第３実施形態に係る摩擦攪拌接合継手の斜視図である。 図８は、図７に示す摩擦攪拌接合継手の摩擦攪拌接合方法を示す斜視図である。 図９は、図７に示す摩擦攪拌接合継手の接合工程を示す断面図である。 図１０は、本発明の第４実施形態に係る摩擦攪拌接合方法を示す斜視図である。 図１１は、図１０に示す摩擦攪拌接合継手の接合工程を示す断面図である。 図１２は、本発明の第５実施形態に係る摩擦攪拌接合方法を示す斜視図である。 図１３は、接合点数と接合強度の関係を説明する説明図である。 図１４は、本発明の第６実施形態に係る摩擦攪拌接合継手の斜視図である。 図１５Ａは、図１４に示す摩擦攪拌接合方法を示す斜視図である。 図１５Ｂは、図１５ＡのＸＶＢ－ＸＶＢ断面図である。 図１６は、本発明の第７実施形態に係る摩擦攪拌接合方法を示す斜視図である。 図１７は、図１６に示す摩擦攪拌接合方法の接合工程を示す断面図である。 図１８Ａは、本発明の第８実施形態に係る摩擦攪拌接合方法を示す斜視図である。 図１８Ｂは、第８実施形態の変形例に係る摩擦攪拌接合方法を示す斜視図である。 図１９は、本発明の第９実施形態に係る摩擦攪拌接合継手の斜視図である。 図２０は、図１９の摩擦攪拌接合継手の接合方法を示す斜視図である。 図２１は、図１９の摩擦攪拌接合継手の接合工程を示す断面図である。 図２２は、本発明の第１０実施形態に係る摩擦攪拌接合方法を示す斜視図である。 図２３は、図２２の摩擦攪拌接合方法の接合工程を示す断面図である。 図２４は、本発明の第１１実施形態に係る摩擦攪拌接合方法を示す斜視図である。 図２５は、図２４の摩擦攪拌接合方法の接合工程を示す断面図である。 図２６は、本発明の第１２実施形態に係る摩擦攪拌接合方法を示す斜視図である。 図２７は、図２６の摩擦攪拌接合方法の接合工程を示す断面図である。 図２８は、本発明の第１３実施形態に係る摩擦攪拌接合方法を示す斜視図である。 図２９は、図２８の摩擦攪拌接合方法の接合工程を示す断面図である。 図３０は、接合点数と接合強度の関係を説明する説明図である。 図３１は、本発明の第１４実施形態に係る摩擦攪拌接合継手の斜視図である。 図３２は、図３１に示す摩擦攪拌接合継手の摩擦攪拌接合方法を示す斜視図である。 図３３は、本発明の第１５実施形態に係る摩擦攪拌接合継手の斜視図である。 図３４は、図３３に示す摩擦攪拌接合継手の摩擦攪拌接合方法を示す斜視図である。 図３５は、図３４の摩擦攪拌接合方法の接合工程を示す断面図である。 図３６は、本発明の第１６実施形態に係る摩擦攪拌接合継手の斜視図である。 図３７は、図３６に示す摩擦攪拌接合継手の接合方法を示す斜視図である。 図３８は、図３７の摩擦攪拌接合方法の接合工程を示す断面図である。 図３９Ａは、第１６実施形態の変形例に係る押出成形品の斜視図である。 図３９Ｂは、第１６実施形態の他の変形例に係る押出成形品の斜視図である。 図４０Ａは、本発明の第１７実施形態に係る摩擦攪拌接合継手の接合工程を示す断面図である。 図４０Ｂは、図４０Ａにおける鋼板の一部を拡大して示す断面図である。 図４０Ｃは、図４０Ｂの他の例を示す断面図である。 図４１Ａは、十字引張試験の試験方法を示す斜視図である。 図４１Ｂは、十字引張試験の試験方法を示す断面図である。

以下、本発明に係る摩擦攪拌接合方法の各実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
本実施形態に係る摩擦攪拌接合方法は、同種の金属材料からなる第１部材と接合補助部材とで、第１部材と材質の異なる第２部材を挟み込み、第１部材と接合補助部材との間で摩擦攪拌接合部を形成して摩擦攪拌接合継手を形成する接合方法である。

本実施形態に係る摩擦攪拌接合方法により接合される第１部材及び接合補助部材としては、摩擦攪拌接合が適用できる同種材同士の金属であれば、全て適用可能である。例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、マグネシウム、マグネシウム合金、チタン、チタン合金、銅、銅合金、鉄、鋼等が挙げられる。ここでいう「同種」とは、完全な同一材料のみならず、主成分が共通する金属材料同士も含まれる。一方、第１部材と材質の異なる第２部材は、あらゆる金属に留まらず、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、エチレン－アクリル酸コポリマー（ＥＡＡ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、これらの樹脂に繊維を混ぜ込んだコンポジット、例えば炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）、ガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ）などの樹脂材の他、木材、ゴム、セラミックなどの非金属材料も適用可能である。

なお、第１部材、第２部材及び接合補助部材の少なくとも１つの部材が金属の場合、その表面に各種めっき、塗装処理などが施されていてもよい。これは、摩擦攪拌接合工程でめっきや塗膜などが物理的に除去排出されて新生面での接合がなされるためである。また、金属同士の場合、少なくとも一方に電気的絶縁性の表面処理がなされていると、異種金属接合での課題である電食を防ぐ効果が得られる。また、摩擦攪拌接合工程に先立って、第１部材、第２部材及び接合補助部材間に接着剤を塗布することもできる。なお、摩擦攪拌接合は、接着剤の固化前であっても、固化後であってもよい。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態の摩擦攪拌接合方法について、図１～図４を参照して説明する。

図１に示すように、本実施形態に係る摩擦攪拌接合継手１０は、第１部材である下部アルミニウム板１１と、第２部材である鋼板１２と、接合補助部材である上部アルミニウム板１３とを備える。摩擦攪拌接合継手１０は、鋼板１２を上部アルミニウム板１３と下部アルミニウム板１１の間に挟持した状態で、上部アルミニウム板１３と下部アルミニウム板１１を、点状に摩擦攪拌接合した複数の（図１に示す実施形態では６箇所）摩擦攪拌接合部１５により接合されている。

ここで摩擦攪拌接合とは、接合ツールを回転させながら金属材料に押圧し、摩擦熱で金属材料を軟化させて塑性流動させ、金属材料同士を接合する方法である。図２、図３Ａ及び図３Ｂを参照して、更に本実施形態による摩擦攪拌接合方法について説明する。

まず、下部アルミニウム板１１と、鋼板１２と、上部アルミニウム板１３とを準備する。鋼板１２には、接合予定位置に複数の貫通孔１６があらかじめプレスなどの機械加工によって形成されている。次いで、鋼板１２の貫通孔１６を覆うように、下部アルミニウム板１１と上部アルミニウム板１３とで鋼板１２を挟持し、裏当て金１７上に重ね合わせて載置する。

そして、接合ツール１８を上部アルミニウム板１３に当接させ（図３Ａの左図）、接合ツール１８を回転させて上部アルミニウム板１３との摩擦熱により上部アルミニウム板１３を軟化させて鋼板１２の貫通孔１６内に押し込む。さらに摩擦熱により上部アルミニウム板１３及び下部アルミニウム板１１の一部を塑性流動させて一体化して摩擦攪拌接合部１５を形成し、上部アルミニウム板１３と下部アルミニウム板１１とを、点状に摩擦攪拌接合する（図３Ａの中央図）。そして、接合ツール１８を取り外して摩擦攪拌接合継手１０を完成させる（図３Ａの右図）。

ここで、本実施形態において使用される摩擦攪拌接合用の接合ツール１８について、図３Ｂを参照して説明する。図３Ｂは、図３Ａに示す接合ツールの一部（領域Ａ１）を拡大して示す模式図である。接合ツール１８は、回転するショルダー部１８ａと該ショルダー部１８ａの先端面に固定され、該ショルダー部１８ａと同軸上に形成されて、ショルダー部１８ａとともに回転する接合ピン１８ｂとを有する。なお、以下の説明においては、ショルダー部１８ａと接合ピン１８ｂとを区別する必要がない場合には、単に接合ツール１８という。本実施形態においては、ショルダー部１８ａの先端面１８ｅと接合ピン１８ｂの側面１８ｄとの間の隅部ｒ１が湾曲するように隅Ｒ加工されている。また、接合ピン１８ｂの先端面１８ｃと接合ピン１８ｂの側面１８ｄとの間の角部ｒ２も湾曲するように角Ｒ加工されている。

仮に、隅Ｒ加工及び角Ｒ加工が施されていない接合ツールを使用した場合について説明する。本実施形態では、母材２枚による一般的な摩擦攪拌接合と異なり、上部アルミニウム板１３を軟化させて鋼板１２の貫通孔１６内に押し込み、下部アルミニウム板１１まで到達させるため、上部アルミニウム板１３の局部変形率が大きくなる。したがって、図３Ｃに示すように、ショルダー部４８ａと接合ピン４８ｂとの間、及び接合ピン４８ｂの先端周縁部がＲ加工されていない接合ツール４８を使用した場合に、上部の部材が局部延性に乏しい素材であると、接合ピン４８ｂの押し込みに伴って、変形率に耐えられずに割れ４９が発生する。その結果、十分な接合強度が得られなくなる。これに対し、本実施形態においては、図３Ｂに示すように、隅部ｒ１及び角部ｒ２にＲ加工が施されているため、摩擦攪拌接合による接合工程時の割れを防止することができる。

隅部ｒ１の曲率半径Ｒ_１は特に限定されないが、上部アルミニウム板の板厚の２０％以上とすると、接合補助部材である上部アルミニウム板１３に割れが発生することを抑制することができ、接合強度をより一層高めることができる。また、隅部ｒ１の曲率半径Ｒ_１を上部アルミニウム板の板厚の２００％以下とすると、健全な摩擦攪拌接合部１５を形成することができる。したがって、隅部ｒ１の曲率半径Ｒ_１は、上部アルミニウム板の板厚の２０％以上かつ２００％以下とすることが好ましく、上部アルミニウム板の板厚の５０％以上１００％以下とすることがより好ましい。

角部ｒ２のサイズＲ_２についても特に限定されないが、鋼板に設けられた穴径の１０％以上かつ５０％以下とすると、健全な摩擦攪拌接合部１５を形成することができる。したがって、角部ｒ２のサイズＲ_２は、鋼板に設けられた穴径の１０％以上かつ５０％以下とすることが好ましく、鋼板に設けられた穴径の２５％以上４０％以下とすることがより好ましい。

なお、図３Ｂに示す接合ツール１８においては、接合ピン１８ｂの先端面１８ｃは最先端に向けてなだらかに突出した湾曲形状となっているが、接合ピン１８ｂの先端面１８ｃは平面であってもよい。

なお、本実施形態では、上記した接合作業を順次繰り返し行って、鋼板１２を挟持する下部アルミニウム板１１及び上部アルミニウム板１３を６箇所で接合している。なお、摩擦攪拌接合する箇所は、１箇所だけでもよいが、強い力が作用すると、下部アルミニウム板１１、鋼板１２及び上部アルミニウム板１３が相対的にずれる可能性があるため、複数箇所で接合することが好ましい。

これにより、鋼板１２は、貫通孔１６内に形成される摩擦攪拌接合部１５により鋼板１２の平面に沿う方向に拘束されると共に、下部アルミニウム板１１及び上部アルミニウム板１３で挟持されて板厚方向にも拘束された状態となる。

なお、下部アルミニウム板１１及び上部アルミニウム板１３としては、強度確保の観点から７０００系のアルミニウム合金を用いることが好ましい。また、鋼板１２の貫通孔１６の穴径は、接合ピン１８ｂの直径に上部アルミニウム板の板厚の２倍を加えた値より大きく、かつ、ショルダー部１８ａの直径より小さいことが好ましい。これにより、接合ピン１８ｂが軟化した上部アルミニウム板１３を確実に貫通孔１６内に押し込むことができる。また、接合ピン１８ｂにより上部アルミニウム板１３を押し込んだときに、その反作用により上部アルミニウム板１３が浮き上がりやすい。しかし、ショルダー部１８ａの直径を貫通孔１６の穴径よりも大きくすることにより、上部アルミニウム板１３の浮き上がりを防止することができる。

また、下部アルミニウム板１１及び上部アルミニウム板１３は、同材質のアルミニウムであるため、接合界面に金属間化合物が形成されることはなく、また塑性流動により界面を確実に消失させることができ、摩擦攪拌接合部１５の接合強度が向上する。また、リベットやボルトなどの接合部材を用いた機械的な締結方法と比較すると、接合部材の質量を低減することができ、軽量化できる。

摩擦攪拌接合部１５を点状に形成する場合、上記した接合ツール１８と裏当て金１７との組合せに替えて、図４に示すような摩擦攪拌接合装置４０を用いることもできる。この摩擦攪拌接合装置４０は、平面視で略Ｃ型の形状を呈するフレーム４２と、フレーム４２の一端に設けられた押圧用モータ４３と、不図示の回転用モータと、該回転用モータの回転軸の先端に設けられた接合ピン４１と、フレーム４２の押圧用モータ４３に対向する端部に設けられた支持台４４と、を備える。

そして、接合ピン４１を回転用モータにより回転させながら押圧用モータ４３により下降させ、支持台４４上に載置された上部アルミニウム板１３に当接し、摩擦熱により上部アルミニウム板１３を軟化させて下部アルミニウム板１１に摩擦攪拌接合する。これにより、上部アルミニウム板１３と下部アルミニウム板１１が摩擦攪拌接合部１５で点状に接合する。なお、支持台４４は、摩擦攪拌接合する際に、押圧用モータ４３の押圧力で変形しないように強固な剛性を有している。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態の摩擦攪拌接合方法について、図５Ａ、図５Ｂ及び図６を参照して説明する。なお、第１実施形態と同一部分には同一符号又は相当符号を付して説明を簡略化又は省略するものとし、以降の各実施形態においても同様である。

本実施形態の上部アルミニウム板１３は、鋼板１２の貫通孔１６に対応して、該貫通孔１６に嵌合可能な凸部１３ａが形成されている。そして、下部アルミニウム板１１、鋼板１２及び上部アルミニウム板１３をこの順で裏当て金１７上に載置する。その際、上部アルミニウム板１３の凸部１３ａを鋼板１２の貫通孔１６に嵌合させて積層する。このように、あらかじめ上部アルミニウム板１３に凸部１３ａをプレス加工などにより形成しておくことで、接合時に上部アルミニウム板１３の変形量を少なくすることができ、上部アルミニウム板１３が破損しがたくなると共に、接合位置を外部から目視で確認することができ、作業性が向上する。

そして、図６に示すように、回転する接合ツール１８を凸部１３ａに当接し、上部アルミニウム板１３との摩擦熱により軟化した凸部１３ａを貫通孔１６内に押し込んで摩擦攪拌接合部１５を形成し、上部アルミニウム板１３と下部アルミニウム板１１を点状に摩擦攪拌接合する。

なお、凸部１３ａの高さＨは、鋼板１２の厚さｔより僅かに低く形成されるのがよい。これにより、凸部１３ａを鋼板１２の貫通孔１６に嵌合させたとき、凸部１３ａの先端部と下部アルミニウム板１１の上面との間には、僅かな隙間が形成される。したがって、回転する接合ツール１８を凸部１３ａに当接させて押し込むと、上部アルミニウム板１３と鋼板１２が確実に密着した状態となるため、上部アルミニウム板１３、鋼板１２及び下部アルミニウム板１１が隙間なく密着した状態で接合される。
上述した内容以外のその他の部分については、第１実施形態の摩擦攪拌接合継手１０と同様であるため、説明を省略する。

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態の摩擦攪拌接合継手について、図７～図９を参照して説明する。

本実施形態の第１部材は、閉断面を有するアルミニウム製の中空材、例えば、断面形状が日の字型に形成された押出成形品２０からなる点で、第１実施形態や第２実施形態のものと異なる。押出成形品２０は、鋼板１２が重ね合わされる天面２０ａを一部に有する外表面と、該外表面とは反対側の面である内表面とを有し、該内表面に囲まれた空隙部２０ｂが形成されている。

また、鋼板１２及び上部アルミニウム板１３には、第２実施形態と同様に、それぞれ貫通孔１６及び凸部１３ａが設けられている。なお、押出成形品２０の空隙部２０ｂは、例えば、Ｃ字型などの開断面の空隙部であってもよい。

そして、貫通孔１６に凸部１３ａを嵌合させた鋼板１２及び上部アルミニウム板１３を押出成形品２０の天面２０ａ上に重ね合わせて積層し、接合ツール１８を回転させながら凸部１３ａに当接させることで、凸部１３ａを摩擦熱により軟化させて貫通孔１６内に押し込み、上部アルミニウム板１３と押出成形品２０の天面２０ａ間に摩擦攪拌接合部１５を形成して、点状に摩擦攪拌接合する。

なお、押出成形品２０の天面２０ａは、接合ツール１８の押し込み力によって変形しない程度の剛性を備える必要がある。天面２０ａの厚さが薄い場合には、摩擦熱が不足して接合が不十分になるおそれがある。また、図７に示すように、第１部材が押出成形品２０であって、天面２０ａの下方が外部に開放されていない形状（すなわち閉空間）の場合には、図４に示す摩擦攪拌接合装置４０は使用しがたく、接合ツール１８と裏当て金１７との組合せにより摩擦攪拌接合される。
上述した内容以外のその他の部分については、第１～第２実施形態の摩擦攪拌接合継手１０と同様であるため、説明を省略する。

（第４実施形態）
本発明の第４実施形態の摩擦攪拌接合方法について、図１０及び図１１を参照して説明する。

本実施形態における上部アルミニウム板１３、鋼板１２及びアルミニウムの押出成形品２０の形態は、第３実施形態と同様であるが、摩擦攪拌接合時に、押出成形品２０の空隙部２０ｂに裏当て金１７が挿入されて摩擦攪拌接合される点で、第３実施形態と異なる。

裏当て金１７の厚さは、空隙部２０ｂの高さと略同一であり、空隙部２０ｂにほぼ隙間がなく、特に上下方向において隙間がない状態で挿入されることが好ましい。これにより、接合ツール１８による押し込み力を裏当て金１７で支持することができ、天面２０ａの変形が防止されて、摩擦攪拌接合に必要な摩擦熱が確保できる。そして、摩擦攪拌接合した後、裏当て金１７を空隙部２０ｂから抜去する。
上述した内容以外のその他の部分については、第１～第３実施形態の摩擦攪拌接合継手１０と同様であるため、説明を省略する。

（第５実施形態）
本発明の第５実施形態の摩擦攪拌接合方法について、図１２を参照して説明する。

本実施形態の摩擦攪拌接合方法では、押出成形品２０の空隙部２０ｂに挿入される裏当て金１７の厚さが、空隙部２０ｂの上下寸法より小さくなっている。そして、空隙部２０ｂに挿入された裏当て金１７の下方には、チューブ２１が配置される。チューブ２１は、ゴムや布などの非金属製の膨張可能なチューブであり、接合時には、チューブ２１内に水、空気、油などの圧力流体を供給して膨らませて裏当て金１７を押し上げ、裏当て金１７を押出成形品２０の天面２０ａの内面に隙間なく当接させて天面２０ａの剛性を高める。

これにより、接合ツール１８の押圧力による天面２０ａの変形を防止して、上部アルミニウム板１３と接合ツール１８との摩擦力を確保する。なお、裏当て金１７の厚さは、接合ツール１８の押圧力により変形しない程度の剛性を有していればよく、薄い方が取り扱いが容易になり好ましい。

本実施形態の摩擦攪拌接合方法によれば、裏当て金１７は、膨張するチューブ２１により押し上げられて天面２０ａの内面に当接するため、裏当て金１７と天面２０ａとの密着性が向上する。また、チューブ２１を用いない場合と比較しても、裏当て金１７を薄く軽量化できるため、裏当て金１７の空隙部２０ｂへの設置が容易になる。

上部アルミニウム板１３と押出成形品２０との接合後には、チューブ２１から圧力流体を排出することで裏当て金１７を空隙部２０ｂから容易に引き抜くことができ、作業性が向上する。さらに、チューブ２１が変形することで、空隙部２０ｂの形状が複雑な形状であっても容易に対応することができる。
上述した内容以外のその他の部分については、第１～第４実施形態の摩擦攪拌接合継手１０と同様であるため、説明を省略する。

ところで、図１３（ａ）～図１３（ｄ）に示すように、下部アルミニウム板１１と上部アルミニウム板１３を点状に摩擦攪拌接合する場合、接合箇所は１箇所であってもよいが（図１３（ａ）参照）、鋼板１２、上部アルミニウム板１３及び下部アルミニウム板１１が、接合箇所を中心として相対回転する可能性がある。そこで、上部アルミニウム板１３、鋼板１２及び下部アルミニウム板１１の接合強度を向上させるためには、Ｘ方向又はＹ方向の少なくとも一方に複数の接合箇所を設けることが好ましい（図１３（ｂ）及び図１３（ｃ）参照）。また、Ｘ方向及びＹ方向のそれぞれに複数の接合箇所を設けることがさらに好ましい（図１３（ｄ）参照）。

なお、複数の摩擦攪拌接合部１５を形成する場合、１つずつ順に摩擦攪拌接合してもよいが、複数の摩擦攪拌接合部１５を同時に形成することもできる。これにより、接合時間が短縮されるばかりでなく、上部アルミニウム板１３、下部アルミニウム板１１の変形やしわの発生を防止することができる。

（第６実施形態）
本発明の第６実施形態の摩擦攪拌接合方法について、図１４、図１５Ａ及び図１５Ｂを参照して説明する。

本実施形態に係る摩擦攪拌接合継手１０の鋼板１２及び上部アルミニウム板１３には、第３実施形態（図８参照）の鋼板１２及び上部アルミニウム板１３に設けられた貫通孔１６及び凸部１３ａに替えて、線状の溝状貫通孔２２及び図中、下方に突出する突堤部２３が設けられている。

すなわち、鋼板１２には、接合予定位置に複数の溝状貫通孔２２が、あらかじめプレスなどの機械加工によって貫通して設けられ、上部アルミニウム板１３には、該溝状貫通孔２２に嵌合可能な複数の突堤部２３が設けられている。図１５Ａに示す鋼板１２の溝状貫通孔２２は、互いに対向して矩形状に配置された４つのＬ字形孔２２ａと、該矩形の中央に配置された直線状孔２２ｂを備える。また、上部アルミニウム板１３の突堤部２３は、鋼板１２のＬ字形孔２２ａ及び直線状孔２２ｂとそれぞれ相似形に形成された４つのＬ型突堤部２３ａと直線突堤部２３ｂからなり、それぞれ鋼板１２のＬ字形孔２２ａ及び直線状孔２２ｂに嵌合可能である。

そして、断面形状が日の字型のアルミニウム押出成形品２０の天面２０ａ上に、溝状貫通孔２２に突堤部２３を嵌合させた鋼板１２及び上部アルミニウム板１３を順に重ね合わせ、天面２０ａの下方に形成された空隙部２０ｂに裏当て金１７及びチューブ２１を配置し、接合ツール１８を回転させながら突堤部２３に沿わせて線状に移動させて、上部アルミニウム板１３を溝状貫通孔２２内に押し込み、上部アルミニウム板１３の突堤部２３と押出成形品２０の天面２０ａとを、摩擦熱により軟化させて摩擦攪拌接合する。

突堤部２３の形状に沿わせた接合ツール１８の線状移動は、直線座標型ロボットや多関節ロボットに接合ツール１８を積載することで実現できる。これにより、鋼板１２は、上部アルミニウム板１３と押出成形品２０の天面２０ａとで挟持されて、上下方向及び左右方向の相対移動が規制される。

なお、鋼板１２の溝状貫通孔２２は、プレスの打ち抜き加工やレーザカッティングなどにより形成可能であり、上部アルミニウム板１３の突堤部２３は、プレス加工により形成可能である。また、上部アルミニウム板１３は、必ずしも突堤部２３を備える必要はなく、突堤部２３を有しない平板であってもよい。また、第１部材は、押出成形品２０に替えて下部アルミニウム板１１とすることもできる。
上述した内容以外のその他の部分については、第１～第５実施形態の摩擦攪拌接合継手１０と同様であるため、説明を省略する。

（第７実施形態）
本発明の第７実施形態の摩擦攪拌接合方法について、図１６及び図１７を参照して説明する。

本実施形態の鋼板１２は、貫通孔として略矩形のくり抜き孔２５を有する。くり抜き孔２５は、後述する摩擦攪拌接合部１５と、該摩擦攪拌接合部１５間に形成される非接合部である空間２７とを、その内部に形成可能な面積を有する。上部アルミニウム板１３は、くり抜き孔２５に嵌合可能な、ループ状に閉じられた矩形の枠状突堤部２８を有する。すなわち、くり抜き孔２５は、枠状突堤部２８よって区画された面積より大きな面積を有する。

上部アルミニウム板１３を鋼板１２上に重ね合わせて押出成形品２０の天面２０ａに積層したとき、枠状突堤部２８の下面と天面２０ａの上面とは、僅かな隙間を介して対向している。また、枠状突堤部２８で囲まれた内側の矩形領域は、天面２０ａから離間して空間２７を形成する。

接合ツール１８は、回転しながら枠状突堤部２８の形状に沿って、その始点ＳＰ及び終点ＥＰを繋いで線状に一周し、摩擦熱により上部アルミニウム板１３を軟化させて押し込み、さらに上部アルミニウム板１３の枠状突堤部２８と押出成形品２０の天面２０ａとを摩擦熱により軟化させて摩擦攪拌接合して、図１７の上図に示すように、略矩形枠状の摩擦攪拌接合部１５を形成する。

さらに、図１７の下図に示すように、回転する接合ツール１８は、枠状突堤部２８の内側の矩形領域内を押圧しながら線状に移動して上部アルミニウム板１３を天面２０ａに摩擦攪拌接合し、線状の摩擦攪拌接合部１５を形成するようにしてもよい。これにより、枠状突堤部２８の内側の矩形領域内には、摩擦攪拌接合部１５と、該摩擦攪拌接合部１５で囲まれた非接合部である空間２７が形成される。

摩擦攪拌接合部１５で囲まれた空間２７は、気密又は水密に形成し、不図示の流体の入口及び出口に接続すれば、該空間２７を、流体を流すための流路として利用することができる。例えば、空間２７に冷却媒体を循環させることで上部アルミニウム板１３に熱伝達機能を付加することができ、例えば自動車に搭載されたバッテリーなどの冷却に用いることができる。なお、枠状突堤部２８の内側における接合ツール１８の移動軌跡、すなわち、線状の摩擦攪拌接合部１５の形状は任意の形状に形成可能であり、複数の直線状の摩擦攪拌接合部１５、１本の渦巻状の摩擦攪拌接合部１５、又はジグザグ状の摩擦攪拌接合部１５などを形成することができる。したがって、流路としての空間２７の形状も任意である。
上述した内容以外のその他の部分については、第１～第６実施形態の摩擦攪拌接合継手１０と同様であるため、説明を省略する。

（第８実施形態）
本発明の第８実施形態の摩擦攪拌接合方法について、図１８Ａを参照して説明する。

本実施形態に係る摩擦攪拌接合継手１０は、上部アルミニウム板１３とアルミニウム押出成形品２０の天面２０ａが、それぞれの一側面において接続部２９で接続されて断面形状がコの字型に一体的に形成されている。すなわち、上部アルミニウム板１３と天面２０ａ間には、鋼板１２を挿入可能な空間Ｓが形成されている。このような形状は、例えばアルミニウムを押出成形することで容易に成形可能である。そして、貫通孔１６が形成された鋼板１２を、上部アルミニウム板１３と天面２０ａ間の空間Ｓに挿入し、回転する接合ツール１８を上部アルミニウム板１３に押圧して、摩擦熱により上部アルミニウム板１３及び天面２０ａを軟化させて摩擦攪拌接合する。なお、本実施形態に係る摩擦攪拌接合方法は、図１８Ｂに示すように、アルミニウム押出成形品２０が下部アルミニウム板１１で置換されたものにも同様に適用できる。
上述した内容以外のその他の部分については、第１～第７実施形態の摩擦攪拌接合継手１０と同様であるため、説明を省略する。

（第９実施形態）
本発明の第９実施形態の摩擦攪拌接合方法について、図１９～図２１を参照して説明する。

本実施形態の摩擦攪拌接合継手１０は、第１部材、第２部材及び接合補助部材の材質が、第１実施形態の材質と逆になっている。具体的には、第１部材が鋼製の上部鋼板３１であり、第２部材がアルミニウム製のアルミニウム板３２であり、接合補助部材が第１部材と同種材質からなる鋼製の下部鋼板３３となっている。すなわち、本実施形態の摩擦攪拌接合継手１０は、アルミニウム板３２が上部鋼板３１及び下部鋼板３３で挟持され、上部鋼板３１と下部鋼板３３が摩擦攪拌接合されて形成される。
なお、上記した第１部材、第２部材及び接合補助部材の材質は、以下に説明する第１０実施形態～第１６実施形態（変形例を含む）においても同様である。

アルミニウム板３２は、複数の貫通孔１６を有する。そして、下部鋼板３３、アルミニウム板３２及び上部鋼板３１の順で、裏当て金１７上に重ね合わせて載置し、回転する接合ツール１８を上部鋼板３１に当接して上部鋼板３１との摩擦熱により上部鋼板３１を軟化させて貫通孔１６内に押し込み、上部鋼板３１と下部鋼板３３とを摩擦攪拌接合部１５で点状に接合する。
上述した内容以外のその他の部分については、第１実施形態の摩擦攪拌接合継手１０と同様であるため、説明を省略する。

（第１０実施形態）
本発明の第１０実施形態の摩擦攪拌接合方法について、図２２及び図２３を参照して説明する。

本実施形態の上部鋼板３１は、アルミニウム板３２の貫通孔１６に対応して、該貫通孔１６に嵌合可能な凸部３１ａがプレス加工などにより形成されている。上部鋼板３１に凸部３１ａを形成しておくことで、摩擦攪拌接合時に上部鋼板３１の変形量が少なくなり破損しがたくなる。また、接合位置を外部から目視で確認することができ作業性が向上する。
上述した内容以外のその他の部分については、本発明の第２実施形態の摩擦攪拌接合継手１０と同様であるため、説明を省略する。

（第１１実施形態）
本発明の第１１実施形態の摩擦攪拌接合方法について、図２４及び図２５を参照して説明する。

本実施形態の第２部材は、断面形状が日の字型に形成されたアルミニウム製の押出成形品２０であり、天面２０ａに複数の貫通孔２０ｃが形成されている。天面２０ａは、第１０実施形態におけるアルミニウム板３２と同様に機能する。すなわち、下部鋼板３３が押出成形品２０の空隙部２０ｂ内に挿入されて押出成形品２０の天面２０ａを上部鋼板３１と下部鋼板３３により挟持する。さらに下部鋼板３３の下方に裏当て金１７を挿入し、回転する接合ツール１８を上部鋼板３１に押圧して、裏当て金１７で支持された上部鋼板３１と下部鋼板３３を摩擦攪拌接合する。本実施形態の摩擦攪拌接合継手１０によれば、下部鋼板３３が押出成形品２０の空隙部２０ｂ内に挿入されて見にくくできるため、外観性能が向上する。
上述した内容以外のその他の部分については、本発明の第４実施形態の摩擦攪拌接合継手１０と同様であるため、説明を省略する。

（第１２実施形態）
本発明の第１２実施形態の摩擦攪拌接合方法について、図２６及び図２７を参照して説明する。

まず、押出成形品２０の天面２０ａの貫通孔２０ｃに、上部鋼板３１の凸部３１ａを嵌合させて重ね合わせる。次いで、押出成形品２０の空隙部２０ｂ内に下部鋼板３３及びチューブ２１（図２６参照）をこの順で挿入する。そして、チューブ２１内に圧力流体を供給して膨らませて下部鋼板３３を下面から支持する。これにより、裏当て金１７を用いることなく上部鋼板３１と下部鋼板３３を摩擦攪拌接合できる。そして、接合終了後には、チューブ２１から圧力流体を排出して縮めることで、押出成形品２０の空隙部２０ｂからチューブ２１を容易に取り出すことができる。
上述した内容以外のその他の部分については、本発明の第５実施形態の摩擦攪拌接合継手１０と同様であるため、説明を省略する。

（第１３実施形態）
本発明の第１３実施形態の摩擦攪拌接合方法について、図２８及び図２９を参照して説明する。

本実施形態においては、押出成形品２０の空隙部２０ｂ内に下部鋼板３３、裏当て金１７及びチューブ２１がこの順で挿入される。摩擦攪拌接合時には、チューブ２１内に圧力流体を供給して裏当て金１７を押出成形品２０の天面２０ａの内面に当接するまで上昇させて天面２０ａを支持する。そして、接合終了後には、チューブ２１から圧力流体を排出して裏当て金１７を下降させることで、押出成形品２０の空隙部２０ｂから裏当て金１７及びチューブ２１を容易に取り出すことができる。

なお、図３０（ａ）～図３０（ｄ）に示すように、上部鋼板３１、アルミニウム板３２（天面２０ａ）及び下部鋼板３３の接合強度は、接合箇所が多いほど向上するため、接合箇所が多いことが好ましい。接合箇所の数は、摩擦攪拌接合継手１０に求められる接合強度や接合部位に応じて決定するのがよい。
上述した内容以外のその他の部分については、本発明の第５実施形態の摩擦攪拌接合継手１０と同様であるため、説明を省略する。

（第１４実施形態）
次に、本発明の第１４実施形態の摩擦攪拌接合方法について、図３１及び図３２を参照して説明する。

本実施形態の摩擦攪拌接合方法による摩擦攪拌接合継手１０は、アルミニウム製の押出成形品２０の天面２０ａを上部鋼板３１と下部鋼板３３で挟持し、上部鋼板３１と下部鋼板３３が摩擦攪拌接合されている。上部鋼板３１及び天面２０ａには、第６実施形態（図１５Ａ参照）の上部アルミニウム板１３及び鋼板１２と同様に、それぞれ突堤部２３及び溝状貫通孔２２が設けられている。また、摩擦攪拌接合方法は、押出成形品２０の空隙部２０ｂ内に挿入された下部鋼板３３の下方にチューブ２１のみが挿入され、裏当て金１７が用いられていない。
上述した内容以外のその他の部分については、本発明の第６実施形態の摩擦攪拌接合継手１０と同様であるため、説明を省略する。

（第１５実施形態）
本発明の第１５実施形態の摩擦攪拌接合方法について、図３３～図３５を参照して説明する。

本実施形態の押出成形品２０は、天面２０ａに略矩形のくり抜き孔２５を備える。上部鋼板３１には、くり抜き孔２５に嵌合可能な矩形の枠状突堤部２８ａと、該枠状突堤部２８ａの対向する両辺から他方の辺に向かって延びる一対の直線状突堤部２８ｂが形成されている。

押出成形品２０のくり抜き孔２５に上部鋼板３１の枠状突堤部２８ａを嵌合させ、さらに天面２０ａの下方の空隙部２０ｂ内に下部鋼板３３及びチューブ２１を配置し、チューブ２１を膨らませて上部鋼板３１と下部鋼板３３で天面２０ａを挟持する。そして、接合ツール１８を枠状突堤部２８ａに沿って、その始点ＳＰ及び終点ＥＰを繋いで線状に一周し、さらに直線状突堤部２８ｂに沿って線状に移動させて上部鋼板３１と下部鋼板３３を線状に摩擦攪拌接合する。これにより、枠状突堤部２８ａ及び直線状突堤部２８ｂに沿って形成された線状の摩擦攪拌接合部１５の間には、非接合部である空間２７が形成される。該空間２７は、流体を流すための流路として利用できることは、第７実施形態（図１７参照）の摩擦攪拌接合継手１０と同様である。
上述した内容以外のその他の部分については、本発明の第７実施形態の摩擦攪拌接合継手１０と同様であるため、説明を省略する。

（第１６実施形態）
本発明の第１６実施形態の摩擦攪拌接合方法について、図３６～図３８を参照して説明する。

本実施形態の押出成形品２０は、空隙部２０ｂ内に、下部鋼板３３を保持可能な保持部２６が天面２０ａと一体に成形されている。保持部２６は、断面矩形の扁平中空部２６ａを備える。扁平中空部２６ａの高さは、下部鋼板３３の厚さより僅かに大きく、下部鋼板３３を隙間のない状態で挿入可能である。

そして、扁平中空部２６ａ内に下部鋼板３３を挿入することで、天面２０ａが下部鋼板３３により支持されるため、天面２０ａを支持するための裏当て金１７やチューブ２１などの機構を設けることなく、上部鋼板３１と下部鋼板３３を接合ツール１８で摩擦攪拌接合することができる。
上述した内容以外のその他の部分については、本発明の第１１実施形態の摩擦攪拌接合継手１０と同様であるため、説明を省略する。

図３９Ａは、保持部２６を備える変形例の押出成形品２０の斜視図であり、天面２０ａの板厚を厚く形成し、該天面２０ａの厚み内に保持部２６としての扁平中空部２６ａが形成されている。

また、図３９Ｂは、保持部２６を備える他の変形例の押出成形品２０斜視図であり、天面２０ａの左右両端部に厚板部２０ｄを設け、該厚板部２０ｄの下面から対向する厚板部２０ｄに向かって延びる一対の突部２０ｅが一体成形されている。対抗する一対のＬ字型突起部が、下部鋼板３３を保持する保持部２６を形成している。

なお、図３９Ａ及び図３９Ｂに示す押出成形品２０は、天面２０ａに貫通孔２０ｃ（図３７参照）を形成する前の形状であり、必要に応じて、摩擦攪拌接合に先立って、機械加工などにより貫通孔２０ｃを設けることができる。

（第１７実施形態）
本発明の第１７実施形態の摩擦攪拌接合方法について、図４０Ａ～図４０Ｃ、図４１Ａ及び図４１Ｂを参照して説明する。第１７実施形態は、第１実施形態の変形例である。

本実施形態においては、鋼板１２に形成された貫通孔１６に、さらに加工を施す。具体的には、鋼板１２の上面１２ａ、すなわち上部アルミニウム板１３に対向する面と、貫通孔１６の内壁面１６ａとの間の角部に対して面取り加工を施し、面取り部１６ｂを形成する。面取り部１６ｂの形状としては、図４０Ｂに示すように、貫通孔１６の内壁面１６ａ及び鋼板１２の上面１２ａに対して略４５°の角度で角を除去するＣ面取りによる形状が挙げられる。また、図４０Ｃに示すように、所定の半径の円弧で角を丸めるＲ加工による形状でもよい。また、面取り部１６ｂを形成する方法としては、ドリルやエンドミルによって貫通孔１６を形成した後に、上記角部に対してリーマ加工をする方法が挙げられる。また、貫通孔１６を形成した後に、テーパ型エンドミルを使用することにより、面取り部１６ｂを形成することもできる。
上述した内容以外のその他の部分については、本発明の第１実施形態の摩擦攪拌接合継手１０と同様であるため、説明を省略する。

上記のように、貫通孔１６の内壁面１６ａの上部に面取り部１６ｂが形成されていると、図４０Ａの右図に示すように、上部アルミニウム板１３の、面取り部１６ｂ上の領域において、十分な厚さＴを確保することができる。継手の強度は、例えば、図４１Ａ及び図４１Ｂに示すような十字引張試験により評価することができる。具体的には、一方の辺が他方の辺よりも長いサイズで形成された下部アルミニウム板１１と、同様のサイズで面取り部を有する貫通孔を形成した鋼板１２とを平面視で十字となるように重ねて配置し、さらに上部アルミニウム板１３を重ねて摩擦攪拌接合を実施する。その後、上部アルミニウム板１３および下部アルミニウム板１１の長手方向両端部を矢印の方向に引張り、破断するまでの引張荷重の測定や破壊する位置の観察を行うことにより、継手強度や応力集中を確認することができる。本実施形態のように、面取り部１６ｂを有する貫通孔１６を形成した鋼板１２を使用すると、上部アルミニウム板１３の、面取り部１６ｂ上の領域に応力が集中することを防止することができ、上部アルミニウム板１３が容易に破壊せず、その結果、優れた継手強度を得ることができる。

面取り部１６ｂがＲ加工により形成されたものである場合に、面取り部１６ｂの曲率半径Ｒ_３は特に限定されないが、鋼板の板厚の３０％以上とすると、接合後の上部アルミニウム板１３の厚さＴを十分な厚さで確保することができ、継手強度をより一層向上させることができる。一方、Ｒ_３を大きくしたとしても接合性への悪影響は特に生じないが、板厚の１００％を超えるとその効果が飽和し、鋼板の削り量が増えることになる。したがって、面取り部１６ｂの曲率半径Ｒ_３は、鋼板の板厚の３０％以上１００％以下とすることが好ましく、鋼板の板厚の５０％以上１００％以下とすることがより好ましい。

また、面取り部１６ｂがＣ面取り加工により形成されたものである場合に、貫通孔１６の内壁面１６ａにおける面取り部１６ｂの深さＤは特に限定されないが、鋼板の板厚の３０％以上とすると、接合後の上部アルミニウム板１３の厚さＴを十分な厚さで確保することができ、継手強度をより一層向上させることができる。また、面取り部１６ｂの深さＤが物理的上限である鋼板の板厚の１００％に達しても悪影響は生じない。したがって、面取り部１６ｂの深さＤは、鋼板の板厚の３０％以上１００％以下とすることが好ましく、鋼板の板厚の５０％以上１００％以下とすることがより好ましい。

なお、貫通孔１６の内壁面１６ａと、鋼板１２の上面１２ａとの間の角部に対して面取り加工を施し、面取り部１６ｂを形成する方法については、上記第１実施形態への適用にとどまらず、第１実施形態～第１６実施形態の全ての形態に適用することができる。ただし、面取り部１６ｂを形成する位置については、上部アルミニウム板１３および下部アルミニウム板１１のうち、接合ツールにより押し込まれる部材に応じて適宜選択する。すなわち、例えば第１７実施形態に示すように、接合ツール１８により接合補助部材である上部アルミニウム板１３を貫通孔１６に押し込む場合は、鋼板１２の上部アルミニウム板１３に対向する面と貫通孔１６の内壁面１６ａとの間に面取り加工を施す。一方、例えば第９実施形態に示すように、接合ツール１８により第１部材である上部鋼板３１を貫通孔１６に押し込む場合は、アルミニウム板３２の上部鋼板３１に対向する面と貫通孔１６の内壁面１６ａとの間に面取り加工を施す。

以上、図面を参照しながら各種の実施形態について説明したが、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良、等が可能である。例えば、上記した実施形態では、第２部材がアルミニウム板又は鋼板の例について説明したが、第２部材は、アルミニウム板や鋼板に限定されず、樹脂、木材などの任意の材料を用いることができる。

以上のとおり、本明細書には次の事項が開示されている。

（１） 金属材料からなる第１部材と、前記第１部材と材質が異なり、かつ、少なくとも１つの貫通孔を有する第２部材とを、前記第１部材と同種の材質からなる接合補助部材を用いて接合する摩擦攪拌接合方法であって、
前記第１部材と前記接合補助部材によって前記第２部材の前記貫通孔が覆われるように、前記第１部材、前記第２部材、前記接合補助部材の順に重ね合わせる重ね合わせ工程と、
回転する接合ツールを用いて前記第１部材及び前記接合補助部材のうち少なくとも一方を前記貫通孔内に押し込み、前記第１部材と前記接合補助部材との間で摩擦攪拌接合部を形成する摩擦攪拌接合工程と、を備え、
前記接合ツールは、回転するショルダー部と、前記ショルダー部の先端面に前記ショルダー部と同軸上に形成され、前記ショルダー部とともに回転する接合ピンと、を有し、
前記ショルダー部の先端面と前記接合ピンの側面との間がＲ加工されているとともに、
前記接合ピンの側面と前記接合ピンの先端面との間がＲ加工されている、摩擦攪拌接合方法。
この構成によれば、同種の金属材料からなる第１部材と接合補助部材とで、材質の異なる第２部材を挟み込み、第１部材と接合補助部材との間に摩擦攪拌接合部を形成することで、高い接合強度を有する摩擦攪拌接合部で異材を接合できる。

（２） 前記第１部材及び前記接合補助部材のうち少なくとも一方は、パンチ加工により形成され、前記第２部材の前記貫通孔に対応して該貫通孔に挿入可能な凸部を備える、（１）に記載の摩擦攪拌接合方法。
この構成によれば、摩擦攪拌接合時における接合補助部材の変形量が少なくなり破損しがたくなる。また、接合位置を外部から目視で確認することができ作業性が向上する。

（３） 前記第１部材は、閉断面又は開断面の中空材からなる、（１）又は（２）に記載の摩擦攪拌接合方法。
この構成によれば、第１部材として押出成形品などの中空材を使用できる。

（４） 前記中空材は、前記第２部材が重ね合わされる外表面と、前記外表面とは反対側の面である内表面とを有し、
前記内表面のうち前記摩擦攪拌接合部が形成される領域に対応する領域に、前記内表面に囲まれた空隙部に挿入され、かつ、前記中空材の変形を抑制するための裏当て金を設ける、（３）に記載の摩擦攪拌接合方法。
この構成によれば、空隙部に挿入された裏当て金により中空材の変形を抑制して良好な摩擦攪拌接合部を形成できる。

（５） 少なくとも前記摩擦攪拌接合工程において、前記内表面のうち前記摩擦攪拌接合部が形成される領域に対応する領域に前記裏当て金が接しており、
前記摩擦攪拌接合工程の後に、前記裏当て金を抜去する抜去工程を有する、（４）に記載の摩擦攪拌接合方法。
この構成によれば、摩擦攪拌接合時に中空材の変形を抑制しつつ、摩擦攪拌接合工程の後に空隙部に挿入された裏当て金を抜去できる。

（６） 前記裏当て金は、前記裏当て金とともに前記内表面に囲まれた空隙部に挿入され、かつ、流体を内部に収容する膨張可能な非金属チューブにより押圧される、（５）に記載の摩擦攪拌接合方法。
この構成によれば、非金属チューブの膨張により裏当て金を中空材に押圧して中空材の変形を抑制できる。また、裏当て金を薄く軽量化でき、取り扱いが容易になる。

（７） 少なくとも前記摩擦攪拌接合工程において、前記非金属チューブを膨張させることで前記裏当て金を押圧し、
前記摩擦攪拌接合工程の後に、前記非金属チューブの膨張を解除して前記裏当て金を抜去する、（６）に記載の摩擦攪拌接合方法。
この構成によれば、裏当て金の空隙部への挿入及び抜去が容易になる。

（８） 前記接合補助部材は、前記第１部材と前記接合補助部材の間に前記第２部材を介在させることが可能な空間を有するように前記第１部材と一体的に形成されており、
前記重ね合わせ工程は、前記第１部材と前記接合補助部材の間に前記第２部材を介在させることにより行われる、（３）～（７）のいずれか１つに記載の摩擦攪拌接合方法。
この構成によれば、第１部材、第２部材及び接合補助部材の重ね合わせ工程が、第１部材と接合補助部材の間に第２部材を挿入することで行われ、重ね合わせ作業が容易になる。

（９） 前記第１部材及び前記接合補助部材の材料として７０００系アルミニウム合金を用いる、（３）～（８）のいずれか１つに記載の摩擦攪拌接合方法。
この構成によれば、第１部材及び接合補助部材の強度が向上する。

（１０） 前記第２部材は、閉断面又は開断面の中空材からなり、
前記中空材は、前記第１部材が重ね合わされる外表面と、前記外表面とは反対側の面である内表面とを有し、
前記内表面のうち前記摩擦攪拌接合部が形成される領域に対応する領域に、前記内表面に囲まれた空隙部に挿入され、かつ、前記中空材の変形を抑制するための裏当て金を設ける、（１）又は（２）に記載の摩擦攪拌接合方法。
この構成によれば、第２部材として中空材を用いることができると共に、裏当て金により中空材の変形を抑制できる。

（１１） 少なくとも前記摩擦攪拌接合工程において、前記内表面のうち前記摩擦攪拌接合部が形成される領域に対応する領域に前記裏当て金が接しており、
前記摩擦攪拌接合工程の後に、前記裏当て金を抜去する抜去工程を有する、（１０）に記載の摩擦攪拌接合方法。
この構成によれば、摩擦攪拌接合時に裏当て金により中空材の変形を抑制でき、摩擦攪拌接合工程の後に抜去できる。

（１２） 前記裏当て金は、前記裏当て金とともに前記内表面に囲まれた空隙部に挿入され、かつ、流体を内部に収容する膨張可能な非金属チューブにより押圧される、（１１）に記載の摩擦攪拌接合方法。
この構成によれば、空隙部に挿入された非金属チューブにより裏当て金を第２部材の下面に押圧できる。

（１３） 少なくとも前記摩擦攪拌接合工程において、前記非金属チューブを膨張させることで前記裏当て金を押圧し、
前記摩擦攪拌接合工程の後に、前記非金属チューブの膨張を解除して前記裏当て金を抜去する、（１２）に記載の摩擦攪拌接合方法。
この構成によれば、非金属チューブの膨張、及び膨張解除により、容易に裏当て金を押圧し、また摩擦攪拌接合工程の後に裏当て金を抜去できる。

（１４） 前記第２部材は、閉断面又は開断面の中空材からなり、
前記中空材は、前記第１部材が重ね合わされる外表面と、前記外表面とは反対側の面である内表面とを有し、
前記内表面のうち前記摩擦攪拌接合部が形成される領域に対応する領域に、前記内表面に囲まれた空隙部に挿入され、かつ、前記中空材の変形を抑制するための、流体を内部に収容する膨張可能な非金属チューブを設ける、（１）又は（２）に記載の摩擦攪拌接合方法。
この構成によれば、空隙部に挿入された非金属チューブを膨張させて、中空材の変形を抑制できる。

（１５） 前記第２部材は、閉断面又は開断面の中空材からなり、
前記中空材は、前記第１部材が重ね合わされる外表面と、前記外表面とは反対側の面である内表面とを有し、
前記内表面に囲まれた空隙部内に、前記接合補助部材を保持可能な保持部を有する、（１）又は（２）に記載の摩擦攪拌接合方法。
この構成によれば、第２部材の空隙部内に形成された保持部に接合補助部材を挿入することで、第２部材で接合補助部材を保持できる。

（１６） 前記摩擦攪拌接合工程において、複数の前記摩擦攪拌接合部を形成する、（１）～（１５）のいずれか１つに記載の摩擦攪拌接合方法。
この構成によれば、第１部材と接合補助部材との間に形成された複数の摩擦攪拌接合部により接合強度が向上する。

（１７） 前記複数の前記摩擦攪拌接合部を同時に形成する、（１６）に記載の摩擦攪拌接合方法。
この構成によれば、接合時間が短縮されると共に、第１部材及び接合補助部材の変形やしわの発生を防止できる。

（１８） 前記第２部材の前記貫通孔は、線状に形成された溝状貫通孔であり、
前記接合ツールは、回転しながら前記溝状貫通孔に沿って線状に移動して、前記第１部材及び前記接合補助部材のうち少なくとも一方を前記貫通孔内に押し込み、前記第１部材と前記接合補助部材との間で前記摩擦攪拌接合部を形成する、（１）～（１７）のいずれか１つに記載の摩擦攪拌接合方法。
この構成によれば、任意の形状の線状接合部で、第１部材と接合補助部材を摩擦攪拌接合できる。

（１９） 前記第２部材の前記貫通孔は、前記摩擦攪拌接合部と、前記摩擦攪拌接合部以外の非接合部とを、その内部に形成する大きさを有し、
前記接合ツールは、回転しながら前記貫通孔内を一周してその始点及び終点を繋ぐように線状に移動して、前記第１部材及び前記接合補助部材のうち少なくとも一方を前記貫通孔内の一部分に押し込み、前記第１部材と前記接合補助部材との間で前記摩擦攪拌接合部を形成することにより、前記摩擦攪拌接合部で囲まれた前記非接合部によって気密又は水密となる空間を形成する、（１）～（１８）のいずれか１つに記載の摩擦攪拌接合方法。
この構成によれば、非接合部によって形成された気密又は水密の空間内に、例えば冷却媒体を循環させることで摩擦攪拌接合継手に熱伝達機能を付加することができる。

（２０） 前記第２部材は、前記第１部材及び前記接合補助部材のうち前記接合ツールにより押し込まれる部材に対向する面と、前記貫通孔の内側面との間に、面取り加工が施されている、（１）～（１９）のいずれか１つに記載の摩擦攪拌接合方法。
この構成によれば、より一層高い接合強度を有する摩擦攪拌接合継手を製造することができる。

（２１） （１）～（２０）のいずれか１つに記載の摩擦攪拌接合方法に使用される摩擦攪拌接合用接合ツールであって、
回転するショルダー部と、前記ショルダー部の先端面に前記ショルダー部と同軸上に形成され、前記ショルダー部とともに回転する接合ピンと、を有し、
前記ショルダー部の先端面と前記接合ピンの側面との間がＲ加工されているとともに、
前記接合ピンの側面と前記接合ピンの先端面との間がＲ加工されている、摩擦攪拌接合用接合ツール。
この構成によれば、より一層高い接合強度を有する摩擦攪拌接合継手を製造することができる。

（２２） （１）～（２０）のいずれか１つに記載の摩擦攪拌接合方法によって製造される摩擦攪拌接合継手であって、
前記第２部材は、前記第１部材及び前記接合補助部材により挟持され、かつ、前記第２部材の前記貫通孔内に前記第１部材及び前記接合補助部材のうち少なくとも一方が押し込まれることで、前記第１部材と前記接合補助部材との間で形成された摩擦攪拌接合部を有する、摩擦攪拌接合継手。
この構成によれば、同種の金属材料からなる第１部材と接合補助部材により、材質の異なる第２部材が挟持されてなり、高い接合強度を有する摩擦攪拌接合継手を製造できる。

１０ 摩擦攪拌接合継手
１１ 下部アルミニウム板（第１部材）
１２ 鋼板（第２部材）
１３ 上部アルミニウム板（接合補助部材）
１３ａ 凸部
１５ 摩擦攪拌接合部
１６ 貫通孔
１６ｂ 面取り部
１７ 裏当て金
１８ 接合ツール
２０ 押出成形品（中空材）
２０ａ 天面
２０ｂ 空隙部
２０ｃ 貫通孔
２１ チューブ（非金属チューブ）
２２ 溝状貫通孔
２３ 突堤部
２５ くり抜き孔
２６ 保持部
２７ 空間（非接合部）
２８ 枠状突堤部
３１ 上部鋼板（第１部材）
３１ａ 凸部
３２ アルミニウム板（第２部材）
３３ 下部鋼板（接合補助部材）
ＥＰ 終点
ｒ１ 隅部
ｒ２ 角部
ＳＰ 始点
Ｓ 空間

Claims (22)

1. 金属材料からなる第１部材と、前記第１部材と材質が異なり、かつ、少なくとも１つの貫通孔を有する第２部材とを、前記第１部材と同種の材質からなる接合補助部材を用いて接合する摩擦攪拌接合方法であって、
   前記第１部材と前記接合補助部材によって前記第２部材の前記貫通孔が覆われるように、前記第１部材、前記第２部材、前記接合補助部材の順に重ね合わせる重ね合わせ工程と、
   回転する接合ツールを用いて前記第１部材及び前記接合補助部材のうち少なくとも一方を前記貫通孔内に押し込み、前記第１部材と前記接合補助部材との間で摩擦攪拌接合部を形成する摩擦攪拌接合工程と、を備え、
   前記接合ツールは、回転するショルダー部と、前記ショルダー部の先端面に前記ショルダー部と同軸上に形成され、前記ショルダー部とともに回転する接合ピンと、を有し、
   前記ショルダー部の先端面と前記接合ピンの側面との間がＲ加工されているとともに、
   前記接合ピンの側面と前記接合ピンの先端面との間がＲ加工されている、摩擦攪拌接合方法。
2. 前記第１部材及び前記接合補助部材のうち少なくとも一方は、パンチ加工により形成され、前記第２部材の前記貫通孔に対応して該貫通孔に挿入可能な凸部を備える、請求項１に記載の摩擦攪拌接合方法。
3. 前記第１部材は、閉断面又は開断面の中空材からなる、請求項１又は２に記載の摩擦攪拌接合方法。
4. 前記中空材は、前記第２部材が重ね合わされる外表面と、前記外表面とは反対側の面である内表面とを有し、
   前記内表面のうち前記摩擦攪拌接合部が形成される領域に対応する領域に、前記内表面に囲まれた空隙部に挿入され、かつ、前記中空材の変形を抑制するための裏当て金を設ける、請求項３に記載の摩擦攪拌接合方法。
5. 少なくとも前記摩擦攪拌接合工程において、前記内表面のうち前記摩擦攪拌接合部が形成される領域に対応する領域に前記裏当て金が接しており、
   前記摩擦攪拌接合工程の後に、前記裏当て金を抜去する抜去工程を有する、請求項４に記載の摩擦攪拌接合方法。
6. 前記裏当て金は、前記裏当て金とともに前記内表面に囲まれた空隙部に挿入され、かつ、流体を内部に収容する膨張可能な非金属チューブにより押圧される、請求項５に記載の摩擦攪拌接合方法。
7. 少なくとも前記摩擦攪拌接合工程において、前記非金属チューブを膨張させることで前記裏当て金を押圧し、
   前記摩擦攪拌接合工程の後に、前記非金属チューブの膨張を解除して前記裏当て金を抜去する、請求項６に記載の摩擦攪拌接合方法。
8. 前記接合補助部材は、前記第１部材と前記接合補助部材の間に前記第２部材を介在させることが可能な空間を有するように前記第１部材と一体的に形成されており、
   前記重ね合わせ工程は、前記第１部材と前記接合補助部材の間に前記第２部材を介在させることにより行われる、請求項３～７のいずれか１項に記載の摩擦攪拌接合方法。
9. 前記第１部材及び前記接合補助部材の材料として７０００系アルミニウム合金を用いる、請求項３～８のいずれか１項に記載の摩擦攪拌接合方法。
10. 前記第２部材は、閉断面又は開断面の中空材からなり、
    前記中空材は、前記第１部材が重ね合わされる外表面と、前記外表面とは反対側の面である内表面とを有し、
    前記内表面のうち前記摩擦攪拌接合部が形成される領域に対応する領域に、前記内表面に囲まれた空隙部に挿入され、かつ、前記中空材の変形を抑制するための裏当て金を設ける、請求項１又は２に記載の摩擦攪拌接合方法。
11. 少なくとも前記摩擦攪拌接合工程において、前記内表面のうち前記摩擦攪拌接合部が形成される領域に対応する領域に前記裏当て金が接しており、
    前記摩擦攪拌接合工程の後に、前記裏当て金を抜去する抜去工程を有する、請求項１０に記載の摩擦攪拌接合方法。
12. 前記裏当て金は、前記裏当て金とともに前記内表面に囲まれた空隙部に挿入され、かつ、流体を内部に収容する膨張可能な非金属チューブにより押圧される、請求項１１に記載の摩擦攪拌接合方法。
13. 少なくとも前記摩擦攪拌接合工程において、前記非金属チューブを膨張させることで前記裏当て金を押圧し、
    前記摩擦攪拌接合工程の後に、前記非金属チューブの膨張を解除して前記裏当て金を抜去する、請求項１２に記載の摩擦攪拌接合方法。
14. 前記第２部材は、閉断面又は開断面の中空材からなり、
    前記中空材は、前記第１部材が重ね合わされる外表面と、前記外表面とは反対側の面である内表面とを有し、
    前記内表面のうち前記摩擦攪拌接合部が形成される領域に対応する領域に、前記内表面に囲まれた空隙部に挿入され、かつ、前記中空材の変形を抑制するための、流体を内部に収容する膨張可能な非金属チューブを設ける、請求項１又は２に記載の摩擦攪拌接合方法。
15. 前記第２部材は、閉断面又は開断面の中空材からなり、
    前記中空材は、前記第１部材が重ね合わされる外表面と、前記外表面とは反対側の面である内表面とを有し、
    前記内表面に囲まれた空隙部内に、前記接合補助部材を保持可能な保持部を有する、請求項１又は２に記載の摩擦攪拌接合方法。
16. 前記摩擦攪拌接合工程において、複数の前記摩擦攪拌接合部を形成する、請求項１～１５のいずれか１項に記載の摩擦攪拌接合方法。
17. 前記複数の前記摩擦攪拌接合部を同時に形成する、請求項１６に記載の摩擦攪拌接合方法。
18. 前記第２部材の前記貫通孔は、線状に形成された溝状貫通孔であり、
    前記接合ツールは、回転しながら前記溝状貫通孔に沿って線状に移動して、前記第１部材及び前記接合補助部材のうち少なくとも一方を前記貫通孔内に押し込み、前記第１部材と前記接合補助部材との間で前記摩擦攪拌接合部を形成する、請求項１～１７のいずれか１項に記載の摩擦攪拌接合方法。
19. 前記第２部材の前記貫通孔は、前記摩擦攪拌接合部と、前記摩擦攪拌接合部以外の非接合部とを、その内部に形成する大きさを有し、
    前記接合ツールは、回転しながら前記貫通孔内を一周してその始点及び終点を繋ぐように線状に移動して、前記第１部材及び前記接合補助部材のうち少なくとも一方を前記貫通孔内の一部分に押し込み、前記第１部材と前記接合補助部材との間で前記摩擦攪拌接合部を形成することにより、前記摩擦攪拌接合部で囲まれた前記非接合部によって気密又は水密となる空間を形成する、請求項１～１８のいずれか１項に記載の摩擦攪拌接合方法。
20. 前記第２部材は、前記第１部材及び前記接合補助部材のうち前記接合ツールにより押し込まれる部材に対向する面と、前記貫通孔の内側面との間に、面取り加工が施されている、
    請求項１～１９のいずれか１項に記載の摩擦攪拌接合方法。
21. 請求項１～２０のいずれか１項に記載の摩擦攪拌接合方法に使用される摩擦攪拌接合用接合ツールであって、
    回転するショルダー部と、前記ショルダー部の先端面に前記ショルダー部と同軸上に形成され、前記ショルダー部とともに回転する接合ピンと、を有し、
    前記ショルダー部の先端面と前記接合ピンの側面との間がＲ加工されているとともに、
    前記接合ピンの側面と前記接合ピンの先端面との間がＲ加工されている、摩擦攪拌接合用接合ツール。
22. 請求項１～２０のいずれか１項に記載の摩擦攪拌接合方法によって製造される摩擦攪拌接合継手であって、
    前記第２部材は、前記第１部材及び前記接合補助部材により挟持され、かつ、前記第２部材の前記貫通孔内に前記第１部材及び前記接合補助部材のうち少なくとも一方が押し込まれることで、前記第１部材と前記接合補助部材との間で形成された摩擦攪拌接合部を有する、摩擦攪拌接合継手。

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