JP5413495B2 - 接合方法 - Google Patents

Description

本発明は、摩擦攪拌を利用した金属部材の接合方法に関する。

金属部材（金属要素）同士を接合する方法として、摩擦攪拌接合（ＦＳＷ＝Friction Stir Welding）が知られている。摩擦攪拌接合は、回転させた回転ツールを金属部材同士の突合部に沿って移動させ、回転ツールと金属部材との摩擦熱により突合部の金属を塑性流動させることで、金属部材同士を固相接合させるものである（例えば、特許文献１、２参照）。なお、回転ツールは、円柱状を呈するショルダ部の下端面に攪拌ピン（プローブ）を突設してなるものが一般的である。

特開２００３−１６４９８０号公報 特開２００５−６６６６９号公報

ところで、従来の摩擦攪拌を用いた接合方法では、回転ツールと金属部材との摩擦熱により塑性流動化された金属の一部が回転ツール外周部からバリとなって排出され、塑性化領域の金属が不足するため、塑性化領域が沈下して金属要素同士の接合部分に溝（凹み）を形成し、さらには塑性化領域に空洞を形成してしまって接合欠陥を生じてしまうという問題がある。

そこで、本発明は、金属要素同士の突合部を高い接合品質で接合する接合方法を提供することを目的とする。

本発明の請求項１に記載の接合方法は、金属要素同士の突合部の両側に第一タブ材と第二タブ材を配置するタブ配置工程と、前記第一タブ材と前記第二タブ材を溶接により前記金属要素に仮接合する溶接工程と、前記金属要素の表面よりも盛り上がった肉盛部を肉盛溶接によって前記突合部に形成して前記突合部を接合する仮接合工程と、前記第一タブ材または前記第二タブ材の表面に本接合工程で使用する回転ツールの攪拌ピンを挿入するための下穴を形成する下穴形成工程と、前記金属要素同士の突合部を前記回転ツールによって摩擦攪拌を行って前記金属要素同士を前記突合部で接合する本接合工程と、を含み、前記肉盛部の幅は、前記回転ツールのショルダ部の径の２６％〜９０％の幅で形成され、前記回転ツールの攪拌ピンは、前記ショルダ部の下端面の中央から垂下するともとに、先細りの円錐台状に成形されており、前記下穴の内径は、前記回転ツールの前記攪拌ピンの最大外径よりも小さくなっており、前記本接合工程では、回転した前記回転ツールの前記攪拌ピンの先端側を、前記下穴内に挿入した後、前記突合せ部及び前記肉盛部に摩擦攪拌を行うことを特徴とする。

この構成によれば、本接合工程において塑性流動化された金属の一部が回転ツール外周部からバリとなって排出されたとしても、仮接合工程で形成された肉盛部の塑性流動化した金属がその分を補うため、金属の不足を招くことがなくなる。そのため、塑性化領域内の空洞の形成や塑性化領域表面の凹み等の接合欠陥を防いで、高品質な摩擦攪拌接合を行うことができるようになる。また、下孔を備えることで、確実に開始位置に回転ツールの攪拌ピンを挿入することができる。また、この構成によれば、回転ツールの攪拌ピンの挿入抵抗（圧入抵抗）を低減することができる。

本発明の請求項２に記載の接合方法は、請求項１において、さらに、前記仮接合工程前に、前記突合部に沿って溝を形成する溝形成工程を含み、前記仮接合工程では、肉盛溶接によって前記溝を埋めて前記肉盛部を形成することを特徴とする。

この構成によれば、金属要素の表面に溶融金属を肉盛溶接する場合に比べて、金属要素に形成した溝の表面と溶接材料の溶融金属との接触面積が大きくなって、金属要素と肉盛部との接合力が大きくなる。そのため、本接合工程において、回転ツールによる摩擦力によって肉盛部の金属要素からの剥離を防ぐこともできる。

本発明の請求項３に記載の接合方法は、請求項１または請求項２において、前記仮接合工程では、前記突合部に沿って連続した前記肉盛部を形成することを特徴とする。この構成によれば、肉盛部の高さが略一定しているため、回転ツールを略一定の高さで突合部（肉盛部）に沿って移動させることができる。

本発明の請求項４に記載の接合方法は、請求項１または請求項２において、前記仮接合工程では、前記突合部に沿って不連続に前記肉盛部を形成することを特徴とする。この構成によれば、肉盛溶接の金属が少なくて済む。なお、肉盛部が形成されていない突合部にも、肉盛部の金属が移動するため、金属が不足することはない。

本発明の請求項５に記載の接合方法は、請求項１から請求項４のいずれか１項において、前記仮接合工程では、前記突合部に形成した肉盛部から連続するように、前記金属要素および前記タブ材の表面から盛り上がったタブ肉盛部を前記タブ材に形成し、前記本接合工程では、前記タブ肉盛部の一方に設定した本接合工程の開始位置から前記タブ肉盛部の他方に設定した本接合工程の終了位置まで前記突合部に沿って摩擦攪拌を行うことを特徴とする。

この構成によれば、突合部で回転ツールの抜き差しを行わないため、回転ツールの抜き差しによる接合欠陥を突合部に形成することがない。また、タブ材にもタブ肉盛部を形成したため、回転ツールと金属部材との摩擦熱により、塑性流動化された金属の一部が回転ツール外周部からバリとなって排出されたとしても、肉盛部およびタブ肉盛部の金属がその分を補い、突合部の端部の金属が不足しないため、突合部の端部の接合欠陥を防ぐことができる。

本発明の請求項６に記載の接合方法は、請求項１から請求項５のいずれか１項において、前記溶接工程では、前記金属要素と前記第一タブ材とにより形成された入隅部を溶接して前記金属要素と前記第一タブ材とを仮接合し、前記金属要素と前記第二タブ材とにより形成された入隅部を溶接して前記金属要素と前記第二タブ材とを仮接合することを特徴とする。

本発明の請求項７に記載の接合方法は、請求項１から請求項６までのいずれか１項において、前記仮接合工程には、前記金属要素の一方の面に前記肉盛部を形成する第１の形成工程と、前記金属要素の他方の面に前記肉盛部を形成する第２の形成工程とが含まれ、前記本接合工程には、前記第１の形成工程で形成した前記肉盛部に摩擦接合を行う第１の摩擦攪拌工程と、前記第２の形成工程で形成した前記肉盛部に摩擦接合を行う第２の摩擦攪拌工程とが含まれ、前記第１の摩擦攪拌工程によって形成される塑性化領域と第２の摩擦攪拌工程によって形成される塑性化領域とが金属要素の厚さ方向の中央部において重なるように摩擦攪拌を行うことを特徴とする。

この構成によれば、金属要素の表裏面に仮接合を行い、その表裏面に本接合としての摩擦攪拌を行って、表裏から金属要素同士を接合し、表裏のそれぞれから形成される塑性化領域同士が重なるため、金属要素同士を隙間無く接合することができる。

本発明の請求項８に記載の接合方法は、金属要素同士の突合部を回転ツールによって摩擦攪拌を行って前記金属要素同士を前記突合部で接合する接合方法であって、前記金属要素同士の突合部の両側に第一タブ材と第二タブ材を配置するタブ配置工程と、前記第一タブ材と前記第二タブ材を溶接により前記金属要素に仮接合する溶接工程と、前記第一タブ材または前記第二タブ材の表面に前記回転ツールの攪拌ピンを挿入するための下穴を形成する下穴形成工程と、前記金属要素の一方の面の前記突合部に、当該一方の面よりも盛り上がった第１の肉盛部を肉盛溶接によって形成して、前記突合部を前記一方の面から接合する第１の仮接合工程と、前記第１の仮接合工程で形成された前記第１の肉盛部に摩擦攪拌を行って前記金属要素同士を前記突合部で前記一方の面から接合する第１の摩擦攪拌工程と、前記金属要素の前記一方の面の裏側の他方の面の前記突合部に、当該他方の面よりも盛り上がった第２の肉盛部を肉盛溶接によって形成して、前記突合部を前記他方の面から接合する第２の仮接合工程と、前記第２の仮接合工程で形成された前記第２の肉盛部に摩擦攪拌を行って前記金属要素同士を前記突合部で前記他方の面から接合する第２の摩擦攪拌工程と、を含み、前記肉盛部の幅は、前記回転ツールのショルダ部の径の２６％〜９０％の幅で形成され、前記回転ツールの攪拌ピンは、前記ショルダ部の下端面の中央から垂下するとともに、先細りの円錐台状に成形されており、前記下穴の内径は、前記回転ツールの前記攪拌ピンの最大外径よりも小さくなっており、前記摩擦攪拌工程では、回転した前記回転ツールの前記攪拌ピンの先端側を、前記下穴内に挿入した後、前記第１の摩擦攪拌工程で形成される塑性化領域と前記第２の摩擦攪拌工程で形成される塑性化領域とが金属要素の厚さ方向の中央部において重なるように摩擦攪拌を行うことを特徴とする。

この構成によれば、金属要素の表裏面に仮接合を行い、その表裏面に本接合としての摩擦攪拌を行って、表裏から金属要素同士を接合し、表裏のそれぞれから形成される塑性化領域同士が重なるため、金属要素同士を隙間無く接合することができる。また、下孔を備えることで、確実に開始位置に回転ツールの攪拌ピンを挿入することができる。また、この構成によれば、回転ツールの攪拌ピンの挿入抵抗（圧入抵抗）を低減することができる。

本発明に係る接合方法によれば、金属要素同士の突合部を高い接合品質で接合することができるようになる。

実施形態に係る金属部材、第一タブ材および第二タブ材の配置を説明するための図であって、（ａ）は斜視図、（ｂ）は平面図、（ｃ）は（ｂ）のＩ−Ｉ線断面図、（ｄ）は（ｂ）のII−II線断面図である。 実施形態の溝形成工程を説明するための平面図である。 実施形態の仮接合工程を説明するための平面図である。 実施形態の回転ツールの構造と摩擦攪拌工程の開始時の様子とを説明するための図であって、図３のIV-IV線断面図である。 実施形態の摩擦攪拌工程での突合部の様子を説明するための図であって、（ａ）は突合部の摩擦攪拌前の様子を示す図３のＶ−Ｖ線断面図、（ｂ）は突合部の摩擦攪拌後の様子を示す図６のVI-VI線断面に相当する断面図である。 実施形態の摩擦攪拌工程を説明するための平面図である。 実施形態の摩擦攪拌工程を説明するための断面図であって、（ａ）は摩擦攪拌開始時の様子を示す図３のIII-III線断面に相当する断面図、（ｂ）は摩擦攪拌実施中の様子を示す図６のIII-III線断面に相当する断面図、（ｃ）は摩擦攪拌終了時の様子を示す断面図である。 実施形態の溝形成工程で形成する溝の変形例を示す図であり、（ａ）は断面略Ｕ字形状の溝を示す断面図、（ｂ）は断面略矩形状の溝を示す断面図である。 実施形態の摩擦攪拌工程の変形例を説明するための断面図であって、（ａ）は摩擦攪拌開始時の様子を示す図７の（ａ）に相当する断面図、（ｂ）は摩擦攪拌実施中の様子を示す図７の（ｂ）に相当する断面図、（ｃ）は摩擦攪拌終了時の様子を示す図７の（ｃ）に相当する断面図である。

本発明を実施するための最良の形態として、金属部材（金属要素）同士の突合部に攪拌ピン（プローブ）を挿入して、その攪拌ピンを回転させながら、攪拌ピンおよび金属部材同士を相対的に移動させて、突合部に摩擦攪拌を行い、金属部材同士を接合する接合方法について説明する。

この実施形態では、図１に示すように、金属部材１，１を直線状に繋ぎ合せる場合を例示する。
まず、接合すべき金属部材１，１を詳細に説明するとともに、この金属部材１，１を接合する際に用いられる第一タブ材２と第二タブ材３を詳細に説明する。

金属部材１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、マグネシウム合金など摩擦攪拌可能な金属材料からなる。本実施形態では、一方の金属部材１および他方の金属部材１を、同一組成の金属材料で形成している。金属部材１，１の形状・寸法に特に制限はないが、少なくとも突合部Ｊ１における厚さ寸法を同一にすることが望ましい。

第一タブ材２および第二タブ材３は、金属部材１，１の突合部Ｊ１を挟むように配置されるものであって、それぞれ、金属部材１，１に添設され、金属部材１の側面１４側に現れる金属部材１，１の継ぎ目（境界線）を覆い隠す。第一タブ材２および第二タブ材３の材質に特に制限はないが、本実施形態では、金属部材１と同一組成の金属材料で形成している。また、第一タブ材２および第二タブ材３の形状・寸法にも特に制限はないが、本実施形態では、その厚さ寸法を突合部Ｊ１における金属部材１の厚さ寸法と同一にしている。

以下、本実施形態に係る接合方法を詳細に説明する。本実施形態に係る接合方法は、（１）準備工程、（２）摩擦攪拌接合工程（本接合工程）を含むものである。

（１）準備工程 ：
まず、図１を参照して準備工程を説明する。準備工程は、接合すべき金属部材１，１や当て部材（第一タブ材２および第二タブ材３）を摩擦攪拌接合可能な状態に準備する工程であり、（1-1）突合工程、（1-2）タブ材配置工程、（1-3）溶接工程、（1-4）溝形成工程、（1-5）仮接合工程、（1-6）下穴形成工程を含んでいる。

（1-1）突合工程は、接合すべき金属部材１，１を突き合せる工程である。図１の（ｃ）に示すように、一方の金属部材１の側面１１に他方の金属部材１の側面１１を密着させるとともに、一方の金属部材１の表面１２と他方の金属部材１の表面１２を面一にし、さらに、一方の金属部材１の裏面１３と他方の金属部材１の裏面１３を面一にする。

（1-2）タブ材配置工程は、金属部材１，１の突合部Ｊ１の両側に第一タブ材２と第二タブ材３を配置する工程である。図１の（ｂ）に示すように、金属部材１，１の突合部Ｊ１の一端側に第一タブ材２を配置してその当接面２１を金属部材１，１の側面１４，１４に当接させるとともに、突合部Ｊ１の他端側に第二タブ材３を配置してその当接面３１を金属部材１，１の側面１４，１４に当接させる。このとき、図１の（ｄ）に示すように、第一タブ材２の表面２２と第二タブ材３の表面３２を金属部材１の表面１２と面一にするとともに、第一タブ材２の裏面２３と第二タブ材３の裏面３３を金属部材１の裏面１３と面一にする。

（1-3）溶接工程は、第一タブ材２と第二タブ材３を溶接により金属部材１，１に仮接合する工程である。図１の（ａ）および（ｂ）に示すように、金属部材１と第一タブ材２とにより形成された入隅部２ａ，２ａ（すなわち、金属部材１の側面１４と第一タブ材２の側面２４とにより形成された角部２ａ，２ａ）を溶接して金属部材１と第一タブ材２とを接合し、金属部材１と第二タブ材３とにより形成された入隅部３ａ，３ａ（すなわち、金属部材１の側面１４と第二タブ材３の側面３４とにより形成された角部３ａ，３ａ）を溶接して金属部材１と第二タブ材３とを接合する。なお、入隅部２ａ，３ａの全長に亘って連続して溶接を施してもよいし、断続して溶接を施してもよい。

（1-4）溝形成工程は、図２に示すように、突合部Ｊ１とタブ突合部Ｊ２，Ｊ３とのそれぞれに沿って溝４（溝４１，４２，４３）を形成する工程である。溶接工程の後に、タブ突合部Ｊ２およびタブ突合部Ｊ３のそれぞれに沿って、例えばエンドミルによって溝４２および溝４３を形成する。また、突合部Ｊ１に沿ってタブ突合部Ｊ２およびタブ突合部Ｊ３を横切らせて、突合部Ｊ１に沿った溝４１を形成する。なお、溝４１，４２，４３の幅αは、図４に示すように、回転ツールＡのショルダ部Ａ１の径βの２６％〜９０％の幅で形成されることが望ましい。また、溝４１と溝４２，４３とは、タブ突合部Ｊ２，Ｊ３でそれぞれ交差している。また、この溝形成工程で形成される溝４は、図４に示すように、突合部Ｊ１を頂点にした断面略Ｖ字形状に形成されている。

（1-5）仮接合工程は、図３に示すように、溝形成工程で形成された溝４１，４２，４３（図２参照）に肉盛溶接を行って、金属部材１、第一タブ材２および第二タブ材３の表面１２，２２，３２よりも盛り上がった肉盛部５を形成し、これによって突合部Ｊ１とタブ突合部Ｊ２，Ｊ３とを接合する工程である。

ここで、溝４１に肉盛して形成される肉盛部５において、突合部Ｊ１の部分を突合肉盛部５１ａと表し、この突合肉盛部５１ａに連続するように第一タブ材２に形成された部分をタブ肉盛部５１ｂと表し、同様に、突合肉盛部５１ａに連続するように第二タブ材３に形成された部分をタブ肉盛部５１ｃと表す。さらに、タブ突合部Ｊ２に形成した溝４２を肉盛した部分を接合肉盛部５２ａ，５２ｂと表し、タブ突合部Ｊ３に形成した溝４３を肉盛した部分を接合肉盛部５３ａ，５３ｂと表すこととする。

この肉盛部５は、図４、図５の（ａ）に示すように、溝４を埋める体積と、塑性流動化された金属の一部が回転ツール外周部からバリとなって排出される分を少なくとも補う体積とを含む厚みを有している。即ち、肉盛部５の体積は、溝４の体積と、塑性流動化された金属の一部が回転ツール外周部からバリとなって排出される体積との和よりも大きくなることが好ましい。また、塑性流動化した金属は、肉盛部５の脇の表面１２上にも移動するため、その分を考慮して肉盛部５を厚く形成しておくことが望ましい。また、肉盛部５の幅αはショルダ部Ａ１の径βの２６％〜９０％の幅で形成されることが望ましい。なお、肉盛溶接は、例えば、ＴＩＧ（Tungsten Inert Gas Arc Welding）溶接やＭＩＧ（Metal Inert Gas Arc Welding）溶接によって行えばよい。また、肉盛部５の溶接材料は、金属部材１と異なっていてもよいが、ここでは同一であるとして説明する。

（1-6）下穴形成工程は、図３および図４に示すように、第一タブ材２に形成した肉盛部５の端部に下穴６を形成する工程である。この下穴６は、第一タブ材２に設定した摩擦攪拌の開始位置Ｓに回転ツールＡの攪拌ピンＡ２を挿入するための穴であり、回転ツールＡの攪拌ピンＡ２の挿入抵抗（圧入抵抗）を低減する目的で設けられるものである。この下穴６は、図示せぬドリルなどで穿孔することで形成される。この下穴６の形態に特に制限はないが、本実施形態では、円筒状としている。また、下穴６の深さγを攪拌ピンＡ２の長さδよりも短くなるように形成することが望ましい。

なお、本実施形態では、第一タブ材２側に位置する突合部Ｊ１に摩擦攪拌の開始位置Ｓを設け、第二タブ材３に終了位置Ｅを設けているが、開始位置Ｓと終了位置Ｅの位置を限定する趣旨ではない。例えば、開始位置Ｓや終了位置Ｅを突合部Ｊ１の適所に設けてもよい。この場合、第一タブ材２や第二タブ材３を省略してもよい。また同様に、本実施形態では、第一タブ材２に下穴６を形成しているが、下穴６の位置に特に制限はなく、第二タブ材３に形成してもよいし、タブ突合部Ｊ２，Ｊ３に形成してもよく、好適には、本実施形態の如く金属部材１の表面１２側に現れる金属部材１，１の継ぎ目（境界線）の延長線上に形成することが望ましい。また、下穴６の内径は、回転ツールＡの攪拌ピンＡ２の最大外径（上端径）よりも小さくなっている。

準備工程が終了したら、金属部材１，１、第一タブ材２および第二タブ材３を図示せぬ摩擦攪拌装置の架台に載置し、クランプ等の図示せぬ治具を用いて移動不能に拘束する。なお、溶接工程を省略する場合には、図示せぬ摩擦攪拌装置の架台上で、突合工程とタブ材配置工程を実行する。

（２）摩擦攪拌接合工程（本接合工程） ：
次に、本実施形態に係る摩擦攪拌接合工程を詳細に説明する。摩擦攪拌接合工程は、突合部Ｊ１を回転ツールＡによって摩擦攪拌を行って、金属部材１，１同士を突合部Ｊ１で接合する工程である。そこで、まず、図４および図５を参照して、摩擦攪拌を行うための攪拌ピンＡ２を備える回転ツールＡについて詳細に説明する。

図４に示す回転ツールＡは、工具鋼など金属部材１よりも硬質の金属材料からなり、円柱状を呈するショルダ部Ａ１と、このショルダ部Ａ１の下端面Ａ１１（図５の（ｂ））に突設された攪拌ピンＡ２とを備えて構成されている。回転ツールＡの寸法・形状は、金属部材１の材質や厚さ等に応じて設定すればよい。

ショルダ部Ａ１の下端面Ａ１１は、塑性流動化した金属を押えて周囲への飛散を防止する役割を担う部位であり、本実施形態では、凹面状に成形されている。ショルダ部Ａ１の外径の大きさに特に制限はない。

攪拌ピンＡ２は、ショルダ部Ａ１の下端面Ａ１１の中央から垂下しており、本実施形態では、先細りの円錐台状に成形されている。また、攪拌ピンＡ２の周面には、螺旋状に刻設された図示せぬ攪拌翼が形成されている。

続いて、回転ツールＡの攪拌ピンＡ２による摩擦攪拌の原理について説明する。まず、図４に示すように、第一タブ材２側に形成した下穴６（開始位置Ｓ）の直上に回転ツールＡを位置させ、続いて、回転ツールＡを回転させつつ下降させて攪拌ピンＡ２を開始位置Ｓに押し付ける。そして、攪拌ピンＡ２が突合部Ｊ１の下穴６の内周面に接触すると、摩擦熱によって攪拌ピンＡ２の周囲にある金属が塑性流動化し、第一タブ材２に挿入される。

そして、回転ツールＡは、突合部Ｊ１に沿って移動し、図５の（ｂ）に示すように、摩擦熱によって攪拌ピンＡ２の周囲にある金属Ｗが塑性流動化する。なお、回転ツールＡの回転速度は、攪拌ピンＡ２の寸法・形状、摩擦攪拌される金属部材１等の材質や肉厚等に応じて設定される。回転ツールＡが通過したところに生じた塑性流動化した金属Ｗ（図５の（ｂ））は、再び硬化して元に戻る。ここでは便宜上、塑性化領域Ｗ１（図６及び図７参照）と呼ぶ。

次に、この摩擦攪拌接合工程での突合部Ｊ１の深さ方向の状態について説明する。まず、図７の（ａ）に示すように、開始位置Ｓ（下穴６）の直上に回転ツールＡを位置させ、続いて、回転ツールＡを右回転させつつ下降させて攪拌ピンＡ２を開始位置Ｓに位置決めさせる。そして、回転ツールＡの攪拌ピンＡ２の先端側が、回転しながら下穴６内に挿入され（図４参照）、下穴６の内周面から金属が塑性流動化する。そして、このような状態になると、さらに下降する力が加えられている塑性流動化した金属を攪拌ピンＡ２の周面で押し退けながら、攪拌ピンＡ２が圧入される。

さらに、攪拌ピンＡ２の全体が第一タブ材２のタブ肉盛部５１ｂに入り込み、かつ、ショルダ部Ａ１の下端面Ａ１１の全面が第一タブ材２の表面２２と同じ高さになったら（図４参照）、摩擦攪拌を行いながら金属部材１，１の突合部Ｊ１に向けて回転ツールＡ（攪拌ピンＡ２）を相対移動させ、さらに、図７の（ｂ）に示すように、タブ突合部Ｊ２を横切って突合部Ｊ１側の突合肉盛部５１ａを摩擦攪拌する（図６参照）。そのため、前記したように、回転ツールＡを移動させると、その攪拌ピンＡ２の周囲にある金属が順次塑性流動化した金属Ｗに変化するとともに、攪拌ピンＡ２から離れた位置では、塑性流動化された金属Ｗが再び硬化して元に戻る。ここでは便宜上、塑性化領域Ｗ１（図６及び図７参照）と呼ぶ。

続いて、図７の（ｃ）に示すように、回転ツールＡは、金属部材１と第二タブ材３と突合部Ｊ１とのタブ突合部Ｊ３を横切って第二タブ材３の金属を塑性化領域Ｗ１に変化させつつ移動され、終了位置Ｅに到達すると、回転されたまま上昇されて攪拌ピンＡ２を終了位置Ｅから離脱される。なお、終了位置Ｅにおいて攪拌ピンＡ２を上方に離脱させると、攪拌ピンＡ２と略同形の抜き穴８が不可避的に形成される。また、攪拌ピンＡ２は摩擦攪拌途中で一度も離脱されないので、塑性化領域の表面は、一筆書きの移動軌跡（ビード）になっている。

したがって、本実施形態によれば、摩擦攪拌接合工程において塑性流動化された金属の一部が回転ツールＡの外周部からバリとなって排出されたとしても、肉盛部５の塑性流動化した金属がその分を補うため、金属の不足を招くことがなくなる。そのため、塑性化領域Ｗ１内の空乏の形成や塑性化領域表面の凹み等の接合欠陥を防いで、高品質な摩擦攪拌接合を行うことができるようになる。

［変形例１］
この実施形態では、特に図４に示したように、溝４が断面略Ｖ字形状の場合を説明したが、その形状はどのようであってもよい。例えば、図８の（ａ）に示すように、金属部材１，１同士の突合部Ｊ１に断面略Ｕ字形状の溝４ａを形成し、この溝４ａに肉盛部５ａが形成されるようにしてもよい。なお、タブ突合部Ｊ２，Ｊ３も同様である。また、図８の（ｂ）に示すように、金属部材１，１の突合部Ｊ１に断面略矩形状の溝４ｂを形成し、この溝４ｂに肉盛部５ｂが形成されるようにしてもよい。

［変形例２］
この実施形態では、金属部材１，１の表面１２の片面のみを摩擦攪拌接合するものとして説明したが、両面を順に摩擦攪拌接合するようにしてもよい。この場合、図９に示すように、表面１２には、突合部Ｊ１やタブ突合部Ｊ２，Ｊ３に溝を形成して肉盛部５を形成し（第１の仮接合工程）、摩擦攪拌を行う（第１の摩擦攪拌工程）。そして、図９の（ａ）に示すように、裏面側にも、突合部Ｊ１やタブ突合部Ｊ２，Ｊ３に溝を形成して、表面２２Ｒ，３２Ｒよりも盛り上がった肉盛部５Ｒを形成（第２の仮接合工程）した上で、開始位置ＳＲから終了位置ＥＲまで回転ツールＡで摩擦攪拌を行う（第２の摩擦攪拌工程）。ここで、第２の摩擦攪拌工程における構成には、第１の摩擦攪拌工程における同じ構成に相当するものに「Ｒ」を付して区別して表している。

この第２の摩擦攪拌工程でも、図９の（ｂ）に示すように、塑性流動化した金属ＷＲが硬化して塑性化領域Ｗ１Ｒが形成され、突合部Ｊ１を裏面から接合する。このとき、第１の摩擦攪拌工程で生じる塑性化領域Ｗ１と、第２の摩擦攪拌工程で生じる塑性化領域Ｗ１Ｒとが金属部材１の厚さ方向の中央部において重なるように、摩擦攪拌を行って、図９の（ｃ）に示すように、突合部Ｊ１を表裏から完全に接合する。そして、第二タブ材３の終了位置ＥＲから回転ツールＡを取り出して接合が終了する。このとき、攪拌ピンＡ２の抜き跡として穴８Ｒが形成される。

なお、図９の（ａ）に示すように、第２の摩擦攪拌工程の開始位置ＳＲ（下穴６Ｒ）が第１の摩擦攪拌工程で残存した回転ツールＡの抜け穴８の上方に位置していないのは、第２の摩擦攪拌工程で塑性流動化した金属が抜け穴８から移動してしまうのを防ぐためである。

［変形例３］
また、第１の形成工程と第２の形成工程とを含む仮接合工程と、第１の摩擦攪拌工程と第２の摩擦攪拌工程とを含む本接合工程とを、この順番で行うようにしてもよい。この場合、第２の形成工程では、第１の形成工程において肉盛部５が形成されているため、肉盛部５の両脇に図示せぬ補助部材を配置し、肉盛部５が邪魔にならないようにする必要がある。

［変形例４］
この実施形態では、溝形成工程が、溶接工程と仮接合工程との間で実行するものとして説明したが、金属部材１，１の形を成型する際に、金属部材１，１の端部を全長に渡って削っておき、金属要素同士を突き合わせたときに、削り取っておいた面によって溝が形成されるようにしてもよい。例えば、その端部を斜めにカットしておけば、二つの金属材料を突合させれば、斜めの平面同士で断面Ｖ字形状の溝を形成することができる。また、突合工程の前に溝形成工程が含まれるようにしてもよい。この場合、突合工程では、溝が形成されている押出形材を金属部材１，１として用いる。

［変形例５］
この実施形態では、突合肉盛部５１ａおよびタブ肉盛部５１ｂ，５１ｃと、接合肉盛部５２ａ，５２ｂ，５３ａ，５３ｂとが交差して連続的に繋がっている構造を説明したが、それぞれが不連続的に離間している構造としてもよい。この場合、肉盛溶接に用いる金属の量が少なくて済む。

［変形例６］
この実施形態では、板状の金属部材１同士の接合について説明したが、中空部材同士を接合する場合も同様に行うことができる。また、摩擦攪拌接合において、回転ツールＡの回転方向は、右回転としても左回転としてもよい。

１ 金属部材（金属要素）
２ 第一タブ材
３ 第二タブ材
４ 溝
５ 肉盛部
５１ａ 突合肉盛部（肉盛部）
５１ｂ タブ肉盛部
５１ｃ タブ肉盛部
５２ａ 接合肉盛部
５２ｂ 接合肉盛部
５３ａ 接合肉盛部
５３ｂ 接合肉盛部
６ 下穴
Ｊ１ 突合部
Ｊ２ タブ突合部
Ｊ３ タブ突合部
Ａ 回転ツール
Ａ１ ショルダ部
Ａ２ 攪拌ピン
Ｐ１ 下穴
Ｗ 塑性流動化した金属
Ｗ１ 塑性化領域

Claims (8)

1. 金属要素同士の突合部の両側に第一タブ材と第二タブ材を配置するタブ配置工程と、
   前記第一タブ材と前記第二タブ材を溶接により前記金属要素に仮接合する溶接工程と、
   前記金属要素の表面よりも盛り上がった肉盛部を肉盛溶接によって前記突合部に形成して前記突合部を接合する仮接合工程と、
   前記第一タブ材または前記第二タブ材の表面に本接合工程で使用する回転ツールの攪拌ピンを挿入するための下穴を形成する下穴形成工程と、
   前記金属要素同士の突合部を前記回転ツールによって摩擦攪拌を行って前記金属要素同士を前記突合部で接合する本接合工程と、を含み、
   前記肉盛部の幅は、前記回転ツールのショルダ部の径の２６％〜９０％の幅で形成され、
   前記回転ツールの攪拌ピンは、前記ショルダ部の下端面の中央から垂下するともとに、先細りの円錐台状に成形されており、
   前記下穴の内径は、前記回転ツールの前記攪拌ピンの最大外径よりも小さくなっており、
   前記本接合工程では、回転した前記回転ツールの前記攪拌ピンの先端側を、前記下穴内に挿入した後、前記突合せ部及び前記肉盛部に摩擦攪拌を行うことを特徴とする接合方法。
2. さらに、前記仮接合工程前に、前記突合部に沿って溝を形成する溝形成工程を含み、
   前記仮接合工程では、肉盛溶接によって前記溝を埋めて前記肉盛部を形成することを特徴とする請求項１に記載の接合方法。
3. 前記仮接合工程では、前記突合部に沿って連続した前記肉盛部を形成することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の接合方法。
4. 前記仮接合工程では、前記突合部に沿って不連続に前記肉盛部を形成することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の接合方法。
5. 前記仮接合工程では、前記突合部に形成した肉盛部から連続するように、前記金属要素および前記タブ材の表面から盛り上がったタブ肉盛部を前記タブ材に形成し、
   前記本接合工程では、前記タブ肉盛部の一方に設定した本接合工程の開始位置から前記タブ肉盛部の他方に設定した本接合工程の終了位置まで前記突合部に沿って摩擦攪拌を行うことを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の接合方法。
6. 前記溶接工程では、前記金属要素と前記第一タブ材とにより形成された入隅部を溶接して前記金属要素と前記第一タブ材とを仮接合し、
   前記金属要素と前記第二タブ材とにより形成された入隅部を溶接して前記金属要素と前記第二タブ材とを仮接合することを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の接合方法。
7. 前記仮接合工程には、前記金属要素の一方の面に前記肉盛部を形成する第１の形成工程と、前記金属要素の他方の面に前記肉盛部を形成する第２の形成工程とが含まれ、
   前記本接合工程には、前記第１の形成工程で形成した前記肉盛部に摩擦接合を行う第１の摩擦攪拌工程と、前記第２の形成工程で形成した前記肉盛部に摩擦接合を行う第２の摩擦攪拌工程とが含まれ、
   前記第１の摩擦攪拌工程によって形成される塑性化領域と第２の摩擦攪拌工程によって形成される塑性化領域とが金属要素の厚さ方向の中央部において重なるように摩擦攪拌を行うことを特徴とする請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の接合方法。
8. 金属要素同士の突合部を回転ツールによって摩擦攪拌を行って前記金属要素同士を前記突合部で接合する接合方法であって、
   前記金属要素同士の突合部の両側に第一タブ材と第二タブ材を配置するタブ配置工程と、
   前記第一タブ材と前記第二タブ材を溶接により前記金属要素に仮接合する溶接工程と、
   前記第一タブ材または前記第二タブ材の表面に前記回転ツールの攪拌ピンを挿入するための下穴を形成する下穴形成工程と、
   前記金属要素の一方の面の前記突合部に、当該一方の面よりも盛り上がった第１の肉盛部を肉盛溶接によって形成して、前記突合部を前記一方の面から接合する第１の仮接合工程と、
   前記第１の仮接合工程で形成された前記第１の肉盛部に摩擦攪拌を行って前記金属要素同士を前記突合部で前記一方の面から接合する第１の摩擦攪拌工程と、
   前記金属要素の前記一方の面の裏側の他方の面の前記突合部に、当該他方の面よりも盛り上がった第２の肉盛部を肉盛溶接によって形成して、前記突合部を前記他方の面から接合する第２の仮接合工程と、
   前記第２の仮接合工程で形成された前記第２の肉盛部に摩擦攪拌を行って前記金属要素同士を前記突合部で前記他方の面から接合する第２の摩擦攪拌工程と、を含み、
   前記肉盛部の幅は、前記回転ツールのショルダ部の径の２６％〜９０％の幅で形成され、
   前記回転ツールの攪拌ピンは、前記ショルダ部の下端面の中央から垂下するとともに、先細りの円錐台状に成形されており、
   前記下穴の内径は、前記回転ツールの前記攪拌ピンの最大外径よりも小さくなっており、
   前記摩擦攪拌工程では、回転した前記回転ツールの前記攪拌ピンの先端側を、前記下穴内に挿入した後、前記第１の摩擦攪拌工程で形成される塑性化領域と前記第２の摩擦攪拌工程で形成される塑性化領域とが金属要素の厚さ方向の中央部において重なるように摩擦攪拌を行うことを特徴とする接合方法。

Images