JP4754904B2

JP4754904B2 - アルミ接合製品及びその製造方法

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Publication number: JP4754904B2
Application number: JP2005242951A
Authority: JP
Inventors: 正樹熊谷; 直田中
Original assignee: Sumitomo Light Metal Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Light Metal Industries Ltd
Priority date: 2005-08-24
Filing date: 2005-08-24
Publication date: 2011-08-24
Anticipated expiration: 2025-08-24
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Description

本発明は、少なくとも二つのアルミニウム部材を摩擦攪拌接合によって接合してなるアルミ接合製品及びその製造方法に関する。

アルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミ製品は、ステンレス等の金属に比べて軽量化が図れるため、自動車のフレーム、足回り部品であるサブフレーム等に用いられる。このようなアルミ製品としては、複数のアルミニウム部材を接合してなるアルミ接合製品が用いられている。

アルミ接合製品は、従来、押出材、板成形材、及びハイドロフォーム等のアルミニウム部材をアーク溶接等によって接合して作製されていた。しかし、アーク溶接は入熱が大きく、熱歪みが起こりやすいため、製品の寸法精度を確保することが困難になるという問題があった。また、例えば６０００系アルミニウム合金からなるアルミニウム部材を接合する場合には、溶接入熱によって接合部付近が軟化し、接合部の強度が低下してしまうおそれがあった。この接合部の強度低下を回避するために、接合部付近の厚みを大きくしておく必要があった。したがって、アーク溶接によってアルミ接合製品を作製する場合には、薄肉軽量化に限界があった。

そこで、アルミニウム部材を摩擦攪拌接合によって接合させることによりアルミ接合製品を作製する技術が開発されている（特許文献１〜２参照）。摩擦攪拌接合においては、２つのアルミニウム部材を当接させ、その当接部に回転工具のプローブを挿入し当接部に沿って移動させることにより２つのアルミニウム部材間に塑性流動を生じさせて接合を行うことができる。このような摩擦攪拌接合を利用することにより、アーク溶接等のように接合部の厚みを過度に大きくする必要がなくなるため、アルミニウム接合製品の薄肉軽量化及びコスト削減が図れる。

また、自動車のサブフレーム等のように、複雑な形状のアルミ接合製品を製造する場合においても、摩擦攪拌接合を適用することができる。例えば鋳物や板材等の複数のアルミニウム部材を摩擦攪拌接合によって接合してアルミ接合製品を作製することができる（特許文献３参照）。

しかしながら、サブフレーム等のように複雑な形状のアルミ接合製品を摩擦攪拌接合によって作製すると、接合部の強度にばらつきが生じるおそれがあった。
即ち、サブフレーム等の作製においては、厚みが大きく変動するアルミニウム部材を接合する必要があるため、上述のごとくアルミニウム部材の当接部に回転工具のプローブを挿入し移動させて摩擦攪拌接合を行うと、アルミニウム部材の厚みの大きい部分等において、部分的に接合が不充分になるおそれがあった。その結果、得られるアルミ接合製品は、使用中に接合部が破損するという問題が生じるおそれがあった。

特開２００３−２３６６８２号公報特開２００２−１１５８３号公報特開２００４−４２７１３号公報

本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたものであって、接合部の強度に優れたアルミ接合製品及びその製造方法を提供しようとするものである。

第１の発明は、パイプ状又は棒状を呈する第１継手部を有すると共に、該第１継手部の先端面にその外径よりも小さい径のボス部を突出させてなる第１アルミニウム部材と、上記ボス部に外挿させると共に上記第１継手部の上記先端面に当接する当接面を有するパイプ状の第２継手部を有し、該第２継手部の肉厚が周方向において変動している第２アルミニウム部材とを、上記第１継手部の上記先端面と上記第２継手部の上記当接面とのリング状の境界面を摩擦攪拌接合することによって接合してなるアルミ接合製品であって、
上記摩擦攪拌接合による塑性流動によって形成された上記第１アルミニウム部材と上記第２アルミニウム部材とが入り交じった攪拌部が、上記第１継手部と上記第２継手部との接合部の全周に渡って、上記第１継手部の上記ボス部の外周面と上記第２継手部の内周面との重合面を越える深さまで達しており、
上記第１継手部と上記第２継手部との上記接合部は、その断面形状が、円弧状輪郭の一部を部分的に表面外方に突出させたティアドロップ形状を有していることを特徴とするアルミ接合製品にある（請求項１）。

上記第１の発明のアルミ接合製品において最も注目すべき点は、上記攪拌部が、上記第１継手部と上記第２継手部との接合部の全周に渡って上記重合面を越える深さまで達していることにある。
即ち、従来においては、一般に、摩擦攪拌接合によって形成される上記攪拌部は、表面から均一な深さで形成されていた。そのため、上記第２アルミニウム部材のように、継手部の肉厚が変動するアルミニウム部材を用いて接合を行った場合には、攪拌部が部分的に上記重合面に到達できず、その部分の強度が弱くなるおそれがあった。

本発明においては、上記のごとく、上記接合部の全周にわたって上記攪拌部が上記重合面を越える深さまで形成されている。そのため、上記第２継手部の肉厚が周方向において変動していても、上記第１継手部と上記第２継手部とは、接合部の全周に渡って優れた強度で接合され、破損等が生じ難くなる。したがって、上記アルミ接合製品は、優れた接合強度が要求されるサブフレーム等の自動車用部品等に好適に用いることができる。
このように、本発明によれば、接合部の強度に優れたアルミ接合製品を提供することができる。

第２の発明は、パイプ状又は棒状を呈する第１継手部を有すると共に、該第１継手部の先端面にその外径よりも小さい径のボス部を突出させてなる第１アルミニウム部材と、上記ボス部に外挿させると共に上記第１継手部の上記先端面に当接する当接面を有するパイプ状の第２継手部を有し、該第２継手部の肉厚が周方向において変動している第２アルミニウム部材とを接合させてアルミ接合製品を製造する方法であって、
上記第１継手部の上記ボス部に上記第２継手部の端部を外挿させ、上記第１継手部の上記先端面と上記第２継手部の上記当接面とを当接させて当接部を形成する外挿工程と、
先端に伸縮可能なピン状プローブを備えた回転工具を回転させつつ上記当接部に挿入し、該当接部に沿って相対的に周方向に移動させることにより、上記当接部を摩擦攪拌接合によって接合する接合工程とを有し、
上記接合工程においては、上記摩擦攪拌接合時に上記ピン状プローブの周辺に生じる塑性流動によって上記第１アルミニウム部材と第２アルミニウム部材とが入り交じった攪拌部の先端位置が、上記当接部の全周に渡って上記第１継手部の上記ボス部の外周面と上記第２継手部の内周面との重合面を越えるように、上記当接部に挿入された上記ピン状プローブの伸縮を制御して接合を行うことを特徴とするアルミ接合製品の製造方法にある（請求項５）。

上記第２の発明においては、上記外挿工程と上記接合工程とを行うことにより、上記第１継手部を有する上記第１アルミニウム部材と上記第２継手部を有する上記第２アルミニウム部材とを接合させてアルミ接合製品を作製する。
上記外挿工程においては、上記第１継手部の上記ボス部に上記第２継手部の端部を外挿させ、上記第１継手部の上記先端面と上記第２継手部の上記当接面とを当接させて当接部を形成する。また、上記接合工程においては、先端に伸縮可能なピン状プローブを備えた回転工具を回転させつつ上記当接部に挿入し、該当接部に沿って相対的に周方向に移動させて、上記当接部を摩擦攪拌接合によって接合する。このとき、上記ピン状プローブの周辺に生じる塑性流動によって上記第１アルミニウム部材と第２アルミニウム部材とが入り交じった攪拌部の先端位置が、上記当接部の全周に渡って上記重合面を越えるように、上記当接部に挿入された上記ピン状プローブの伸縮を制御する。

その結果、上記攪拌部が上記接合部の全周に渡って上記重合面を越える深さまで形成された上記アルミ接合製品を製造することができる。該アルミ接合製品は、上記第１継手部と上記第２継手部とが、上記接合部の全周に渡って優れた強度で接合されている。そのため、上記アルミ接合製品は、サブフレーム等の自動車用部品に用いても、破損等が生じ難い。

次に、本発明の実施の好ましい形態について説明する。
上記アルミ接合製品は、上記第１アルミニウム部材の上記第１継手部と上記第２アルミニウム部材の上記第２継手部とを摩擦攪拌接合（ＦｒｉｃｔｉｏｎＳｔｉｒＷｅｌｄｉｎｇ；ＦＳＷ）によって接合してなる。
摩擦攪拌接合は、先端に突起（上記ピン状プローブ）の付いた硬質の工具を高速で回転させて母材（上記第１アルミニウム部材及び上記第２アルミニウム部材）を掻き回すことにより、溶融させることなく母材を接合する技術である。

上記第１アルミニウム部材２と上記第２アルミニウム部材３とを摩擦攪拌接合によって接合させると、その接合部５に第１アルミニウム部材２と第２アルミニウム部材３とが入り交じった上記攪拌部４が形成される（図３参照）。上記アルミ接合製品１においては、攪拌部４が、上記第１継手部２１と上記第２継手部３１との接合部５の全周に渡って、第１継手部２１の上記ボス部２１５の外周面２１７と第２継手部３１の内周面３１７との重合面５１を越える深さまで達している。

また、上記第１アルミニウム部材及び上記第２アルミニウム部材としては、純アルミニウムからなるものの他に、アルミ合金からなるものを用いることができる。アルミ合金からなるアルミニウム部材としては、具体的には例えば、Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系（２０００系）、Ａｌ−Ｍｇ系（５０００系）、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系（６０００系）、Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系（７０００系）等からなるものを用いることができる。

上記アルミ接合製品は、上記外挿工程と上記接合工程とを行うことにより作製することができる。即ち、上記外挿工程においては、上記第１継手部の上記ボス部に上記第２継手部の端部を外挿させ、上記第１継手部の上記先端面と上記第２継手部の上記当接面とを当接させて当接部を形成する。また、上記接合工程においては、回転工具を回転させつつ上記当接部に挿入し、該当接部に沿って相対的に周方向に移動させる。これにより、上記当接部を摩擦攪拌接合によって接合する。
上記回転工具としては、先端に伸縮可能なピン状プローブを備えた工具を用いる。具体的には、例えば軸周りに回転可能なロッド状本体の先端部（ショルダー部）に、伸縮可能なピン状プローブが同心的に形成された回転工具がある。該回転工具において、上記ピン状プローブは、その一方の端部側が部分的に上記先端部内に収納されており、上記ピン状プローブを上記先端部に対して相対的に進退させることにより、上記先端部から露出した他端側を伸縮させることができる。

次に、上記第２アルミニウム部材としては、上記第２継手部の肉厚が周方向において変動しているものを用いる。
上記第２継手部の肉厚の変動幅は２〜６倍であることが好ましい（請求項２、請求項６）。
上記第２継手部の肉厚の変動幅が２倍未満の場合には、上記重合面を越える深さまで上記攪拌部を形成することによって接合部の強度を向上できるという上述の作用効果の発現が小さくなるおそれがある。一方、変動幅が６倍を超える場合には、上記攪拌部が上記重合面を越える上記アルミ接合製品を作製することが困難になるおそれがある。即ち、例えば上記接合工程における上記ピン状プローブの伸縮幅が大きくなり、上記回転工具のピン状プローブの先端位置を制御することが困難になるおそれがある。また、特別な回転工具が必要となるおそれがある。

上記第１の発明において、上記アルミ接合製品は、対面して配置された２つの上記第１アルミニウム部材と、該第１アルミニウム部材の両端近傍をつなぐように配置された２つの上記第２アルミニウム部材とを有する自動車用のサブフレームであることが好ましい（請求項３）。
また、上記第２の発明において、上記アルミ接合製品は、自動車用のサブフレームであり、上記外挿工程においては、略平行に配置される２つの上記第２アルミニウム部材を挟むように、２つの上記第１アルミニウム部材を配置し、上記当接部を形成させることが好ましい（請求項７）。
これらの場合には、上記アルミ接合製品の優れた強度を最大限に生かすことができる。
即ち、一般に自動車用のサブフレームは、複雑な構造を有し、肉厚が変化するアルミニウム部材を複数接合して作製されている。そのため、ＦＳＷによって接合を行うと、接合部における肉厚差のため、充分に接合されていない部分が発生しやすくなる。その結果、接合部の強度が部分的に低くなり、自動車のサブフレームに用いることができなくなるおそれがある。上記のごとく、本発明のアルミ接合製品は、接合部の全周に渡って優れた強度で接合されているため、自動車のサブフレームに好適な優れた接合強度を示すことができる。

次に、本発明において、上記第１アルミニウム部材は鋳物よりなり、上記第２アルミニウム部材は押出材又はハイドロフォーミング材よりなることが好ましい（請求項４、請求項８）。
全体が鋳物からなる場合には、開構造にならざるを得なくなる。さらに、補強のため、あるいは金型抜きのために、厚肉にならざるを得なくなる。これに対し、上記のごとく、鋳物からなる第１アルミニウム部材と、押出材又はハイドロフォーミング材からなる第２アルミニウム部材とを組み合わせることにより、強度が必要な部位を閉構造とすることが可能になり、さらに肉厚についても制限が少ないため軽量化が可能である。
上記第２アルミニウム部材としては、具体的には、例えば押出偏肉パイプや、等肉厚の押出パイプのハイドロフォーミング材等を用いることができる。

上記第１の発明において、上記第１継手部と上記第２継手部との上記接合部は、その断面形状が、円弧状輪郭の一部を部分的に表面外方に突出させたティアドロップ形状を有していることが好ましい。
また、上記第２の発明において、上記第１アルミニウム部材及び上記第２アルミニウム部材としては、上記当接部における断面形状が円弧状輪郭の一部を部分的に表面外方に突出させたティアドロップ形状を有するものを用い、上記接合工程においては、上記当接部における上記ティアドロップ形状の突出部の先端近傍を接合開始点として、該接合開始点に上記ピン状プローブを挿入し、上記突出部とは反対側に向けて上記当接部に沿って摩擦攪拌接合を行うことが好ましい（請求項９）。
この場合には、自動車のサブフレーム等のように複雑な形状の上記アルミ接合製品をＦＳＷによって容易に作製することができる。

即ち、接合部（当接部）における断面が円形状又は楕円形状の場合には、摩擦攪拌接合において、回転工具を挿入した接合開始点から接合を開始し、接合部に沿って側面を周回させて接合開始点に達したところ又は接合開始点を越えたところで接合を完了させる必要がある（図８及び図９参照）。この場合には、接合部（当接部）にそって回転工具を１回転以上周回させる必要がある。しかし、複雑な形状を有するアルミニウム部材を接合させる場合には、回転工具の周回時に、回転工具がアルミニウム部材に衝突してしまう場合がある。特に、上述のごとく、上記アルミ接合製品として、対面して配置された２つの上記第１アルミニウム部材と、該第１アルミニウム部材の両端近傍をつなぐように配置された２つの上記第２アルミニウム部材とを有する自動車用のサブフレームを作製する場合には、このような問題が生じやすい。

一方、上記のごとく、ティアドロップ形状の場合には、当接部の周囲を完全に周回させることなく、接合を終了させることができる。即ち、ティアドロップ形状における突出部は、先端角αを有している。そのため、接合開始点から当接部にそって回転工具を周回させる際に、完全に周回させる場合に比べて先端角αだけ周回を省略することができる（図１５〜図１８参照）。それ故、接合時に、例えば突出部側に配置された他のアルミニウム部材等に回転工具が衝突することを回避することができる。

（参考例）
次に、本発明の参考例について、図１〜図９を用いて説明する。
図１〜図５に示すごとく、本例のアルミ接合製品１は、第１アルミニウム部材２と第２アルミニウム部材３とを接合してなる。第１アルミニウム部材２は、パイプ状又は棒状を呈する第１継手部２１を有すると共に、その先端面２１１にその外径よりも小さい径のボス部２１５を突出させてなる。また、第２アルミニウム部材３は、第１継手部２１のボス部２１５に外挿させると共に第１継手部２１の先端面２１１に当接する当接面３１１を有するパイプ状の第２継手部３１を有する。また、図２及び図４に示すごとく、第２アルミニウム部材３においては、第２継手部２１の肉厚が周方向において変動している。

アルミ接合製品１は、図４〜図９に示すごとく、第１継手部２１の先端面２１１と第２継手部３１の当接面３１１とのリング状の境界面５２を摩擦攪拌接合することによって接合してなる。図３に示すごとく、摩擦攪拌接合による塑性流動によって形成された第１アルミニウム部材２と第２アルミニウム部材３とが入り交じった攪拌部４は、第１継手部２１と第２継手部３１との接合部５の全周に渡って、第１継手部２１のボス部２１５の外周面２１７と第２継手部３１の内周面３１７との重合面５１を越える深さまで達している。

本例のアルミ接合製品について、詳細に説明する。
図１及び図２に示すごとく、本例のアルミ接合製品１は、自動車用のサブフレームである。アルミ接合製品１は、対面して配置された２つの第１アルミニウム部材２と、これらの両端近傍をつなぐように配置された２つのパイプ状の第２アルミニウム部材３とを有する。
第１アルミニウム部材２は、６０００系アルミニウム合金の鋳物からなる。また、第２アルミニウム部材３は、６０００系のアルミニウム合金を一定の肉厚で押出形成してなるパイプをハイドロフォーミング加工してなる。

図２に示すごとく、第２アルミニウム部材３の第２継手部３１においては、周方向において肉厚が変動しており、肉厚の大きな部分と肉厚の小さな部分とを有している。本例のアルミ接合製品１においては、第２継手部のの肉厚の変動幅はおよそ３倍程度である。
アルミ接合製品１において、第１アルミニウム部材２と第２アルミニウム部材３とは、摩擦攪拌接合によって接合されている。

図３〜図５に示すごとく、接合部５においては、第１アルミニウム部材２の第１継手部２１の先端面２１１から突出するボス部２１５がパイプ状の第２継手部３１内に挿入されている。また、接合部５においては、第１継手部２１の先端面２１１と第２継手部３１の当接面３１１との境界面５２に沿って、周方向に攪拌部４が形成されている。攪拌部４は、摩擦攪拌接合の塑性流動によって第１アルミニウム部材２と第２アルミニウム部材３とが入り交じった部分である。図３に示すごとく、接合部５において、攪拌部４は、第１継手部２１におけるボス部２１５の外周面２１７と第２継手部３１の外周面３１７との重合面５１を越える深さまで形成されている。

次に、本例のアルミ接合製品１の製造方法について説明する。
本例においては、外挿工程と接合工程とを行うことにより、図１〜図３に示すごとく、アルミ接合製品１を製造する。
外挿工程においては、図４〜図６に示すごとく、第１継手部２１のボス部２１５に第２継手部３１の端部を外挿させ、第１継手部２１の先端面２１１と第２継手部３１の当接面３１１とを当接させて当接部（境界面）５２を形成する。

接合工程においては、図６〜図９に示すごとく、先端に伸縮可能なピン状プローブ６１を備えた回転工具６を回転させつつ当接部５２に挿入し、当接部５２に沿って相対的に周方向に移動させることにより、摩擦攪拌接合によって接合する。このとき、当接部５２に挿入されたピン状プローブ６１の伸縮を制御する。これにより、摩擦攪拌接合時にピン状プローブ６１の周辺に生じる塑性流動によって第１アルミニウム部材２と第２アルミニウム部材３とが入り交じった攪拌部４の先端位置４５が、重合面５１を越えるように制御して接合を行う。

以下、本例の製造方法につき、図１〜図９を用いて詳細に説明する。
まず、第１アルミニウム部材２として、６０００系アルミニウム合金からなる鋳物を準備した。第１アルミニウム部材は、図１〜図３に示すごとく略コの字状であり、両端部付近に２つの第１継手部２１が形成されている。図４及び図５に示すごとく、第１継手部２１は棒状で、先端面２１１には、その外径よりも径の小さいボス部２１５が突出している。

また、第２アルミニウム部材３としては、６０００系アルミニウム合金を一定の肉厚で押出して成形したパイプを、ハイドロフォーミング加工したものを準備した。このようにして得られる第２アルミニウム部材３は、図２及び図４に示すごとく、肉厚が周方向において変動するものである。
次に、図４〜図６に示すごとく、第１継手部２１のボス部２１５に、第２継手部３１の端部を外挿させ、第１継手部２１の先端面２１１と第２継手部３１の当接面３１１とを当接させて当接部５２を形成した。

次いで、図６〜図９に示すごとく、先端部６２から突出すると共に伸縮可能なピン状プローブ６１を備えた回転工具６を準備した。この回転工具６を回転させつつ当接部５２にピン状プローブ６１を挿入した。回転工具６は、高速回転しているため、当接部５２において、回転工具６のピン状プローブ６１及び先端部たるショルダー部６２と第１アルミニウム部材２及び第２アルミニウム部材３との間に摩擦熱が発生し、その摩擦熱により当接部５２の周辺部位を塑性流動可能な状態にし、第１アルミニウム部材２と第２アルミニウム部材３とが入り交じった攪拌部４を形成することができる。そして、ピン状プローブ６１を当接部５２に沿って相対的に周方向に移動させた。このとき、当接部５２に挿入されたピン状プローブ６１の伸縮を制御することにより、攪拌部４の先端位置４５が、当接部５２の全周に渡って第１継手部２１のボス部２５における外周面２１７と第２継手部３１の内周面３１７との重合面５１を越えるように制御して接合を行った。

接合時においては、回転工具６のショルダー部６２は、第１継手部２１と第２継手部３１との当接部５２の外表面に当接する。また、接合時には、ショルダー部６２は荷重制御し、回転工具６は母材（第１アルミニウム部材及び第２アルミニウム部材）から３°の前傾角を保ちながら当接部に沿って移動させて接合した。

摩擦攪拌接合による接合は、ピン状プローブ６１を挿入して接合を開始した接合開始点から当接部５２に沿って周方向にピン状プローブ６１を移動させ、周方向に１周移動して再度接合開始点を越えてもピン状プローブ６１を当接部５２に沿って移動させ続けた。そして、１周した後さらに接合開始点から当接部５２の全周距離の１０％分を越えたところでピン状プローブ６１を抜き始め、全周距離の２０％を越えたところで完全にピン状プローブ６２を抜き取り、接合を終えた。このようにして、第１アルミニウム部材２と第２アルミニウム部材３とを接合した。なお、ピン状プローブ６２を抜き取った接合部５の接合終了点においては、ピン状プローブの穴は残らなかった。

次いで、接合に用いた第２アルミニウム部材３と同形状の第２アルミニウム部材、及び第１アルミニウム部材２と同形状の第１アルミニウム部材を準備し、上記のごとく第１アルミニウム部材２と第２アルミニウム部材３とを接合した略Ｌ字状のアルミ接合製品にける第１アルミニウム部材２に対面するようにもう一つの第１アルミニウム部材と配置し、アルミ接合製品における第２アルミニウム部材２に対面するようにもう一つの第２アルミニウム部材を配置した。このようにして２つの第１アルミニウム部材と２つの第２アルミニウム部材とを配置すると、上述の当接部５２と同様の当接部が新たに３つ形成される。これらの当接部についても、上述と同様にして、摩擦攪拌接合によって接合を行った。このようにして、図１に示すごとく、対面して配置された２つの上記第１アルミニウム部材２と、その両端近傍をつなぐように配置された２つの第２アルミニウム部材３とを有する最終的なアルミ接合製品１を作製した。

本例の製造方法においては、図６〜図９に示すごとく、先端に伸縮可能なピン状プローブ６１を備えた回転工具６を用い、摩擦攪拌接合を行っている。そして、攪拌部４の先端位置４５が、当接部５２の全周に渡って重合面５１を越えるように、当接部５２に挿入されたピン状プローブ６１の伸縮を制御している。
そのため、本例のように第２継手部３１の肉厚が変動していても、第１継手部２１と第２継手部３１との接合部５の全周に渡って、攪拌部４が重合面５１を越える深さまで達したアルミ接合製品１を製造することができる。かかるアルミ接合製品１は、接合部５における強度が優れている。そのため、特に優れた接合強度が要求される自動車のサブフレーム等に好適に用いることができる。

（実施例１）
本例は、第１継手部及び上記第２継手部との接合部の断面形状が、円弧状輪郭の一部を部分的に表面外方に突出させたティアドロップ形状を有するアルミ接合製品を作製する例である。
図１０及び図１１に示すごとく、本例のアルミ接合製品７は、参考例と同様に、対面して配置された２つの第１アルミニウム部材７１と、その両端近傍をつなぐように配置された２つの第２アルミニウム部材７２とを接合してなる自動車用のサブフレームである。本例のアルミ接合製品７においては、接合部８の断面形状が、円弧状輪郭の一部を部分的に表面外方に突出させたティアドロップ形状をなしている点を除いては参考例と同様のものである。

即ち、図１２及び図１３に示すごとく、第１アルミニウム部材７１は、参考例と同様に、棒状の第１継手部７１１を有すると共に、その先端面７１２にその外径よりも小さい径のボス部７１３を突出させてなる。第１継手部７１１及びボス部７１３は、外方に突出する突出部７３、７４を有し、ティアドロップ形状をなしている。
第２アルミニウム部材７２は、参考例と同様に、第１継手部７１１のボス部７１３に外挿させると共に第１継手部７１１の先端面７１２に当接する当接面７２２を有するパイプ状の第２継手部７２１を有する。第２継手部７２１は、ティアドロップ形状の開口部７２３を有しており、同様にティアドロップ形状の第１継手部７１１のボス部７１３に外挿させることができる。
図１０に示すごとく、アルミ接合製品１において、２つの第２アルミニウム部材７２は、第２継手部７２１のティアドロップ形状の突出部７４が互いに対向するように配置されている。

また、図１１及び図１２に示すごとく、第１アルミニウム部材７１と第２アルミニウム部材７２とは、接合部８において、摩擦攪拌接合にって接合されている。摩擦攪拌接合の塑性流動によって形成された第１アルミニウム部材７１と第２アルミニウム部材７２とが入り交じった攪拌部８５は、第１継手部７１１のボス部７１３の外周面７１４と第２継手部７２１の内周面７２４との重合面８１を越える深さまで達している。

本例のアルミ接合製品の製造にあたっては、図１３及び図１４に示すごとく、まず、第１アルミニウム部材７１として、６０００系アルミニウム合金からなる鋳物を準備した。第１アルミニウム部材７１は、図１０に示すごとく略コの字状であり、両端部付近に２つの第１継手部７１１が形成されている。図１３及び図１４に示すごとく、第１継手部７１１は、棒状であり、円弧状輪郭の一部を側表面外方に突出させた突出部７４を有しており、ティアドロップ形状をなしている。また、第１継手部７１１の先端面７１２には、その外径よりも径の小さいボス部７１３が突出しており、ボス部７１３もティアドロップ形状をなしている。

また、第２アルミニウム部材７２としては、６０００系アルミニウム合金を一定の肉厚で押出して成形したパイプを、ハイドロフォーミング加工したものを準備した。このようにして得られる第２アルミニウム部材７２は、図１３に示すごとく、肉厚が周方向において変動するものである。
また、第２アルミニウム部材７２は、その両端に第１アルミニウム部材７１における第１継手部７１１のボス部７１３を外挿する第２継手部７２１を有し、第２継手部７２１は、円弧状輪郭の一部を部分的に側表面外方に突出させた突出部７５を有するティアドロップ形状をなしている。

次に、図１３〜図１６に示すごとく、参考例と同様に、第１アルミニウム部材７１における第１継手部７１１のボス部７１３に、第２アルミニウム部材７２の第２継手部７２１の端部を外挿させ、第１継手部７１の先端面７１２と第２継手部７２１の当接面７２２とを当接させて当接部８２を形成した。

次いで、図１７〜図１９に示すごとく、参考例と同様に、先端部６２から突出すると共に伸縮可能なピン状プローブ６１を備えた回転工具６を準備した。この回転工具６を回転させつつ当接部８２に挿入した。このとき、ピン状プローブ６１を当接部８２におけるティアドロップ形状の突出部７６近傍に挿入した。そして、参考例と同様に、ピン状プローブ６１を当接部８２に沿って相対的に周方向に移動させると共に、当接部８２に挿入されたピン状プローブ６１の伸縮を制御することにより、攪拌部８５の先端位置８５１が、当接部８２の全周に渡って第１継手部７１１のボス部７１３における外周面７１４と第２継手部７２１の内周面７２４との重合面８１を越えるように制御して接合を行った。

参考例と同様に、接合時においては、回転工具６のショルダー部６２は、第１継手部７１１と第２継手部７２１との当接部８２の外表面に当接する。また、接合時には、ショルダー部６２は荷重制御し、回転工具６は、母材（第１アルミニウム部材及び第２アルミニウム部材）から３°の前傾角を保ちながら接合した。
摩擦攪拌接合による接合においては、図１７〜図１９に示すごとく、当接部８２におけるティアドロップ形状の突出部７６の先端近傍を接合開始点８８とし、この接合開始点８８にピン状プローブ６１を挿入して接合を開始し、当接部８２に沿って突出部７６とは反対側に向けて周方向にピン状プローブ６１を移動させて摩擦攪拌接合を行った。ピン状プローブ６１が接合開始点８８からティアドロップ形状の突出部７６近傍における接合開始点８８と反対側に位置する接合終了点８９においてピン状プローブを抜き取り、接合を終了させた。

次いで、参考例と同様に、接合に用いた第２アルミニウム部材７２１と同形状の第２アルミニウム部材、及び第１アルミニウム部材７１１と同形状の第１アルミニウム部材を準備し、上記のごとく第１アルミニウム部材７１１と第２アルミニウム部材７２１とを接合した略Ｌ字状のアルミ接合製品にける第１アルミニウム部材７１１に対面するようにもう一つの第１アルミニウム部材と配置し、アルミ接合製品における第２アルミニウム部材７２１に対面するようにもう一つの第２アルミニウム部材を配置した。このようにして２つの第１アルミニウム部材７２１と２つの第２アルミニウム部材７２２とを配置すると、上述の当接部８２と同様の当接部が新たに３つ形成される。これらの当接部についても、上述と同様にして、摩擦攪拌接合によって接合を行った。このようにして、図１０に示すごとく、対面して配置された２つの上記第１アルミニウム部材７２１と、その両端近傍をつなぐように配置された２つの第２アルミニウム部材７２２とを有する最終的なアルミ接合製品１を作製した。

本例においては、上記のごとく、ティアドロップ形状の当接部を摩擦攪拌接合してアルミ接合製品を作製した。
そのため、図１７〜図１９に示すごとく、当接部８２の周囲を完全に周回させることなく、接合を終了させることができる。即ち、ティアドロップ形状における突出部は、先端角αを有している。そのため、接合開始点８８から当接部８２にそって回転工具６を周回させる際に、完全に周回させる場合に比べて先端角αだけ周回を省略することができる。

本例のように、対面して配置される２つの第１アルミニウム部材７１と、対面して配置された２つの第２アルミニウム部材７２とを、それぞれの両端近傍をつなぐように接合してアルミ接合製品１を作製する場合において、当接部８２の断面形状がティアドロップ形状ではなく、円や楕円形状等の場合には、回転工具６を当接部に沿って１回以上周回させて接合を行う必要がある。この場合には、回転工具６を周回させて接合を行う際に、対面に配置された第１アルミニウム部材７１又は第２アルミニウム部材７２に回転工具６の駆動装置等（図示略）が衝突するおそれがある。これを回避するためには、第１アルミニウム部材、第２アルミニウム部材、又はアルミ接合製品の形状を変更する必要があり、最終的なアルミ接合製品が特定形状のものに限定されてしまうおそれがある。
本例のように、当接部８２をティアドロップ形状にすると、上述のごとく角度α分だけ周回を省略させることができるため、対面に配置された第１アルミニウム部材７１又は第２アルミニウム部材７２に、回転工具６が衝突することなく、接合を行うことができる。
その他の作用効果は参考例と同様である。

参考例にかかる、アルミ接合製品の全体を示す説明図。参考例にかかる、アルミ接合製品の接合部を示す拡大説明図。参考例にかかる、アルミ接合製品における接合部の部分断面説明図参考例にかかる、第１アルミニウム部材と第２アルミニウム部材とを第１継手部と第２継手部とで当接する様子を示す部分拡大説明図。参考例にかかる、第１アルミニウム部材と第２アルミニウム部材とを第１継手部と第２継手部とで当接する様子を示す部分断面説明図。参考例にかかる、第１継手部と第２継手部との当接部に回転工具を挿入する様子を示す断面説明図。参考例にかかる、第１継手部と第２継手部との当接部に回転工具を挿入した状態を示す説明図。図７のＡ−Ａ線矢視断面図参考例にかかる、第２アルミニウム部材側から見た当接面を示し、該当接面に沿って摩擦攪拌接合を行う様子を示す説明図。実施例１にかかる、アルミ接合製品の全体を示す説明図。実施例１にかかる、アルミ接合製品の接合部を示す拡大説明図。実施例１にかかる、アルミ接合製品における接合部の断面説明図実施例１にかかる、第１アルミニウム部材と第２アルミニウム部材とを第１継手部と第２継手部とで当接する様子を示す部分拡大説明図。実施例１にかかる、第１アルミニウム部材と第２アルミニウム部材とを第１継手部と第２継手部とで当接する様子を示す断面説明図。実施例１にかかる、第１継手部と第２継手部との当接部の断面説明図。図１５のＢ−Ｂ線矢視断面図実施例１にかかる、第２アルミニウム部材側から見た当接面を示し、該当接面に回転工具を挿入した状態を示す説明図。実施例１にかかる、第２アルミニウム部材側から見た当接面を示し、該当接面に沿って摩擦攪拌接合を行う様子を示す説明図。実施例１にかかる、第２アルミニウム部材側から見た当接面を示し、摩擦攪拌接合を完了して回転工具を引き抜く様子を示す説明図。

符号の説明

１アルミ接合製品
２第１アルミニウム部材
２１第１継手部
２１１先端面
２１５ボス部
２１７外周面
３第２アルミニウム部材
３１第２継手部
３１１当接面
３１７内周面
４攪拌部
５接合部
５１重合面
５２境界面

Claims

パイプ状又は棒状を呈する第１継手部を有すると共に、該第１継手部の先端面にその外径よりも小さい径のボス部を突出させてなる第１アルミニウム部材と、上記ボス部に外挿させると共に上記第１継手部の上記先端面に当接する当接面を有するパイプ状の第２継手部を有し、該第２継手部の肉厚が周方向において変動している第２アルミニウム部材とを、上記第１継手部の上記先端面と上記第２継手部の上記当接面とのリング状の境界面を摩擦攪拌接合することによって接合してなるアルミ接合製品であって、
上記摩擦攪拌接合による塑性流動によって形成された上記第１アルミニウム部材と上記第２アルミニウム部材とが入り交じった攪拌部が、上記第１継手部と上記第２継手部との接合部の全周に渡って、上記第１継手部の上記ボス部の外周面と上記第２継手部の内周面との重合面を越える深さまで達しており、
上記第１継手部と上記第２継手部との上記接合部は、その断面形状が、円弧状輪郭の一部を部分的に表面外方に突出させたティアドロップ形状を有していることを特徴とするアルミ接合製品。
請求項１において、上記第２継手部の肉厚の変動幅は２〜６倍であることを特徴とするアルミ接合製品。
請求項１又は２において、上記アルミ接合製品は、対面して配置された２つの上記第１アルミニウム部材と、該第１アルミニウム部材の両端近傍をつなぐように配置された２つの上記第２アルミニウム部材とを有する自動車用のサブフレームであることを特徴とするアルミ接合製品。
請求項１〜３のいずれか一項において、上記第１アルミニウム部材は鋳物よりなり、上記第２アルミニウム部材は押出材又はハイドロフォーミング材よりなることを特徴とするアルミ接合製品。
パイプ状又は棒状を呈する第１継手部を有すると共に、該第１継手部の先端面にその外径よりも小さい径のボス部を突出させてなる第１アルミニウム部材と、上記ボス部に外挿させると共に上記第１継手部の上記先端面に当接する当接面を有するパイプ状の第２継手部を有し、該第２継手部の肉厚が周方向において変動している第２アルミニウム部材とを接合させてアルミ接合製品を製造する方法であって、
上記第１継手部の上記ボス部に上記第２継手部の端部を外挿させ、上記第１継手部の上記先端面と上記第２継手部の上記当接面とを当接させて当接部を形成する外挿工程と、
先端に伸縮可能なピン状プローブを備えた回転工具を回転させつつ上記当接部に挿入し、該当接部に沿って相対的に周方向に移動させることにより、上記当接部を摩擦攪拌接合によって接合する接合工程とを有し、
上記接合工程においては、上記摩擦攪拌接合時に上記ピン状プローブの周辺に生じる塑性流動によって上記第１アルミニウム部材と第２アルミニウム部材とが入り交じった攪拌部の先端位置が、上記当接部の全周に渡って上記第１継手部の上記ボス部の外周面と上記第２継手部の内周面との重合面を越えるように、上記当接部に挿入された上記ピン状プローブの伸縮を制御して接合を行うことを特徴とするアルミ接合製品の製造方法。
請求項５において、上記第２継手部の肉厚の変動幅は２〜６倍であることを特徴とするアルミ接合製品の製造方法。
請求項５又は６において、上記アルミ接合製品は、自動車用のサブフレームであり、上記外挿工程においては、略平行に配置される２つの上記第２アルミニウム部材を挟むように、２つの上記第１アルミニウム部材を配置し、上記当接部を形成させることを特徴とするアルミ接合製品の製造方法。
請求項５〜７のいずれか一項において、上記第１アルミニウム部材は鋳物よりなり、上記第２アルミニウム部材は押出材又はハイドロフォーミング材よりなることを特徴とするアルミ接合製品の製造方法。
請求項５〜８のいずれか一項において、上記第１アルミニウム部材及び上記第２アルミニウム部材としては、上記当接部における断面形状が円弧状輪郭の一部を部分的に表面外方に突出させたティアドロップ形状を有するものを用い、上記接合工程においては、上記当接部における上記ティアドロップ形状の突出部の先端近傍を接合開始点として、該接合開始点に上記ピン状プローブを挿入し、上記突出部とは反対側に向けて上記当接部に沿って摩擦攪拌接合を行うことを特徴とするアルミ接合製品の製造方法。