JP5458684B2 - 構造体の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、摩擦攪拌接合を利用した構造体の製造方法に関する。

金属部材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。摩擦攪拌接合とは、回転ツールを回転させつつ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。

この摩擦攪拌接合を用いて、金属部材同士を接合する発明が数多く提案されている。特許文献１には、金属製の枠状を呈する枠部材の上端に蓋板を配置して、蓋板の上面側から回転ツールを押し込んで枠部材と蓋板との一部を塑性流動化させて一体化する技術が開示されている。

図１５は、従来の構造体の製造方法を段階的に示した要部断面図であって、対向する枠部材及び蓋板の端部を示す。図１５の（ａ）に示すように、従来の構造体の製造方法は、まず、枠部材１０１ａの端部及び蓋板１０１ｂの端部に段部１０２，１０２を形成し、段部１０２，１０２同士を突き合わせて、図１５の（ｂ）に示すように、突合部Ｊ１を形成する。そして、回転ツールを蓋板１０１ｂ側から押し込んで突合部Ｊ１に対して摩擦攪拌接合を行うことで一体化することができる。突合部Ｊ１には、塑性流動した金属部材が硬化して塑性化領域Ｗが形成される。

特開平１１−３００４８１号公報（図１）

従来の構造体の製造方法によると、摩擦攪拌接合によって塑性化領域Ｗが熱収縮するため、蓋板１０１ｂが反ってしまうという問題があった。また、熱収縮に起因して、枠部材１０１ａの内面及び蓋板１０１ｂの内面で構成された内隅部に欠損（Kissing Bond）Ｅが形成される可能性があった。従来の製造方法で形成された構造体は、構造上の問題はないが、接合部の水密性及び気密性を高めるための対策が必要になる場合がある。

ここで、例えば、枠部材１０１ａの内面及び蓋板１０１ｂの内面で形成された内隅部から摩擦攪拌接合を行えば、水密性及び気密性を高めることができると考えられる。しかし、前記内隅部から摩擦攪拌接合をする場合など、接合する金属部材同士の突き合わせの形態によっては、摩擦攪拌装置の取り合い等により回転ツールを適切に可動させることが困難となり接合作業が煩雑になるという問題があった。

このような観点から、本発明は、枠部材と蓋板とを摩擦攪拌接合により一体化し、接合部分の気密性及び水密性を高めることが可能な構造体の製造方法を提供することを課題とする。

前記した課題を解決するために本発明は、枠状を呈する金属製の枠部材に金属製の蓋板を固定して形成された構造体の製造方法であって、前記枠部材の裏面側に開口する開口の内周縁に、段部底面とこの段部底面から立ち上がる段部側面とを備えた段部を形成する段部形成工程と、前記枠部材の裏面側の開口を覆うように前記段部に前記蓋板を配置する蓋板配置工程と、前記段部の段部側面と前記蓋板の側面とを突き合わせて形成された突合部に対して前記枠部材の裏面側及び前記蓋板の外面側から回転ツールを挿入し前記開口周りに前記回転ツールを一周させて摩擦攪拌接合によって前記枠部材に前記蓋板を固定する蓋板固定工程と、前記枠部材の内面と前記蓋板の内面とによって構成される内隅部を溶接金属で覆う内隅部溶接工程と、を含むことを特徴とする。

かかる製造方法によれば、構造体の内隅部側及び外側から蓋板に入熱され、蓋板の外面側及び内面側のそれぞれにおいて熱収縮が発生するため、蓋板の反りを是正することができる。また、内隅部を溶接金属で覆うことにより、構造体の内側に現れる突合部を密閉することができるため気密性及び水密性を高めることができる。また、内隅部溶接工程によれば、構造体の内隅部に摩擦攪拌接合を施す場合と比べて、容易に作業を行うことができるため、作業効率を高めることができる。内隅部溶接工程及び蓋板固定工程は、どちらを先に行ってもよいが、内隅部溶接工程を先に行うと、枠部材と蓋板とを仮付けした状態で蓋板固定工程を行うことができるため、作業効率を高めることができる。一方、蓋板固定工程を先に行うと、構造体の内隅部に欠損が形成された場合であっても、内隅部溶接工程によって当該欠損を補修することができる。

また、かかる製造方法によれば、蓋板の位置決めを容易に行うことができる。

また、前記内隅部に対して予め凹溝を形成し、前記内隅部溶接工程では、前記凹溝に溶接金属を充填することが好ましい。かかる製造方法によれば、凹溝に溶接金属を充填することで溶接作業を容易に行うことができる。

また、前記蓋板固定工程では、前記回転ツールを前記突合部に沿って一周させて塑性化領域を形成した後、一周目の前記塑性化領域の始端部に沿って前記回転ツールを移動させて、塑性化領域の一部を重複させることが好ましい。かかる製造方法によれば、接合部分の気密性及び水密性をより高めることができる。

また、前記蓋板固定工程では、前記回転ツールを前記開口に対して右回りに移動させるときは前記回転ツールを右回転させ、前記回転ツールを前記開口に対して左回りに移動させるときは前記回転ツールを左回転させることが好ましい。

ここで、摩擦攪拌接合によって形成された塑性化領域のうち、シアー側（被接合部に対する回転ツールの外周の相対速さが、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）は、メタルが強く攪拌されて高温軟化し、バリとなって排出され易いと考えられる。このため、シアー側はメタルが不足するので、トンネル状空洞欠陥が形成される可能性がある。しかし、本発明によれば、仮に塑性化領域内に接合欠陥が形成されたとしても構造体の中空部から離間した部位に形成されるため好ましい。

また、前記蓋板固定工程では、前記回転ツールよりも小型の回転ツールを用いて前記突合部に対して摩擦攪拌接合を行って前記枠部材に前記蓋板を予め仮付けする仮接合工程を行うことが好ましい。かかる製造方法によれば、蓋板が移動しないため摩擦攪拌作業を容易に行うことができる。

また、前記枠部材を摩擦攪拌接合によって形成する枠部材形成工程をさらに含み、前記枠部材形成工程では、枠状を呈するように複数の金属部材を突き合わせる突合工程と、前記突合工程で形成された金属部材同士の突き合わせ部に対して前記金属部材の表面側及び裏面側からそれぞれ回転ツールを挿入して摩擦攪拌接合を行う接合工程と、前記金属部材の外周面に現れる前記突き合わせ部に対して前記金属部材の外周面側から回転ツールを挿入して摩擦攪拌接合を行う接合工程と、を含むことが好ましい。
また、前記枠部材を摩擦攪拌接合によって形成する枠部材形成工程をさらに含み、前記枠部材形成工程では、枠状を呈するように複数の金属部材を突き合わせる突合工程と、前記突合工程で形成された金属部材同士の突き合わせ部に対して前記金属部材の表面側及び裏面側からそれぞれ回転ツールを挿入して摩擦攪拌接合を行う接合工程と、前記金属部材の外周面に現れる前記突き合わせ部を溶接金属で覆う外面溶接工程と、を含むことが好ましい。
かかる製造方法によれば、枠部材の突合部が塑性化領域又は溶接金属で密閉されるため気密性及び水密性の高い枠部材を形成することができる。

また、前記外面溶接工程を行う前に、前記金属部材の外周面に現れる前記突き合わせ部に対して予め凹溝を形成し、前記外面溶接工程では、前記凹溝に対して溶接金属を充填することが好ましい。かかる製造方法によれば、溶接作業を容易に行うことができる。

また、前記枠部材の隣り合う内面同士によって構成される内隅部を溶接金属で覆うことが好ましい。また、この内隅部に予め凹溝を形成することが好ましい。かかる製造方法によれば、枠部材の気密性及び水密性をさらに高めることができるとともに、溶接作業を容易に行うことができる。

本発明に係る構造体の製造方法は、作業が容易であるとともに接合部分の気密性および水密性を高めることができるといった優れた効果を発揮する。

第一実施形態に係る構造体を示した斜視図であって、（ａ）は表面側、（ｂ）は裏面側から見た図である。 （ａ）は、仮接合用回転ツールを示した側面図、（ｂ）は、本接合用回転ツールを示した側面図である。 第一実施形態に係る構造体の製造方法を示した図であって、（ａ）は、突合工程を示した斜視図、（ｂ）は、タブ材配置工程を示した平面図である。 第一実施形態に係る構造体の製造方法を示した図であって、（ａ）は、表面接合工程を示した平面図、（ｂ）は、表面接合工程及び裏面接合工程後を示した斜視図である。 第一実施形態に係る構造体の製造方法の外面接合工程を示した平面図である。 図５のＩ−Ｉ断面図であって、（ａ）は、接合前、（ｂ）は接合後を示す。 第一実施形態に係る構造体の製造方法の抜け穴補修工程を示した平面図である。 第一実施形態に係る構造体の製造方法の抜け穴補修工程を示した断面図である。 第一実施形態に係る構造体の製造方法の段部形成工程及び蓋板配置工程を示した斜視図である。 第一実施形態に係る構造体の製造方法の蓋板固定工程を段階的に示した平面図である。 第一実施形態に係る構造体の製造方法の蓋板固定工程を示した断面図である。 第一変形例を示した図であって、（ａ）は、斜視図、（ｂ）は断面図である。 第二変形例を示した平面図であって、（ａ）は、切欠き部を形成した図、（ｂ）は、溶接を行った図である。 第三変形例を示した斜視図であって、（ａ）は、凹溝形成工程、（ｂ）は、外面溶接工程を示す。 従来の構造体の製造方法を段階的に示した要部断面図であって、対向する枠部材及び蓋板の端部を示す。

［第一実施形態］
本発明の第一実施形態について、添付図面を参照しながら詳細に説明する。まず、本発明に係る構造体の製造方法によって製造された構造体の構成を説明する。

図１の（ａ）及び（ｂ）に示すように、本実施形態に係る構造体１は、枠状を呈する枠部材２と、枠部材２の裏面１６側の開口を覆う蓋板３とを有する。枠部材２の一方側の開口が蓋板３によって塞がれている。枠部材２は、四つの金属部材２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄの端部同士がそれぞれ突き合わされており、摩擦攪拌接合によって一体形成されている。蓋板３は、板状を呈する金属部材である。図１の（ｂ）に示すように、蓋板３の外面３２は、枠部材２の裏面１６と面一に形成されている。枠部材２と蓋板３は、枠部材２と蓋板３との突合部Ｊ５に形成された塑性化領域Ｗ５によって接合されている。

次に、構造体の製造方法について詳細に説明する。本実形態に係る構造体の製造方法は、（１）枠部材形成工程、（２）段部形成工程、（３）蓋板配置工程、（４）蓋板固定工程、（５）内隅部溶接工程を行う。

まず、図を参照して、仮接合工程で用いる小型の回転ツール（以下、「仮接合用回転ツールＦ」という。）及び本接合工程で用いる大型の回転ツール（以下、「本接合用回転ツールＧ」という。）を詳細に説明する。

図２の（ａ）に示す仮接合用回転ツールＦは、工具鋼など枠部材２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Ｆ１と、このショルダ部Ｆ１の下端面Ｆ１１に突設された攪拌ピン（プローブ）Ｆ２とを備えて構成されている。仮接合用回転ツールＦの寸法・形状は、枠部材２の材質や厚さ等に応じて設定すればよいが、少なくとも、後記する本接合用回転ツールＧ（図２の（ｂ）参照）よりも小型にする。このようにすると、本接合よりも小さな負荷で仮接合を行うことが可能となるので、仮接合時に摩擦攪拌装置に掛かる負荷を低減することが可能となり、さらには、仮接合用回転ツールＦの移動速度（送り速度）を本接合用回転ツールＧの移動速度よりも高速にすることも可能になるので、仮接合に要する作業時間やコストを低減することが可能となる。

ショルダ部Ｆ１の下端面Ｆ１１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Ｆ１の外径Ｘ_１の大きさに特に制限はないが、本実施形態では、本接合用回転ツールＧのショルダ部Ｇ１の外径Ｙ_１よりも小さくなっている。

攪拌ピンＦ２は、ショルダ部Ｆ１の下端面Ｆ１１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Ｆ２の周面には、螺旋状に刻設された攪拌翼が形成されている。攪拌ピンＦ２の外径の大きさに特に制限はないが、本実施形態では、最大外径（上端径）Ｘ_２が本接合用回転ツールＧの攪拌ピンＧ２の最大外径（上端径）Ｙ_２よりも小さく、かつ、最小外径（下端径）Ｘ_３が攪拌ピンＧ２の最小外径（下端径）Ｙ_３よりも小さい。攪拌ピンＦ２の長さＬ_Ａは、枠部材２の厚さに応じて適宜設定すればよいが、少なくとも、本接合用回転ツールＧの攪拌ピンＧ２の長さＬ_Ｂよりも小さくすることが望ましい。

図２の（ｂ）に示す本接合用回転ツールＧは、工具鋼など枠部材２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Ｇ１と、このショルダ部Ｇ１の下端面Ｇ１１に突設された攪拌ピン（プローブ）Ｇ２とを備えて構成されている。

ショルダ部Ｇ１の下端面Ｇ１１は、仮接合用回転ツールＦと同様に、凹面状に成形されている。攪拌ピンＧ２は、ショルダ部Ｇ１の下端面Ｇ１１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Ｇ２の周面には、螺旋状に刻設された攪拌翼が形成されている。攪拌ピンＧ２の長さＬ_Ｂは、枠部材２の厚さに応じて適宜設定すればよい。

（１）枠部材形成工程
枠部材形成工程では、図３及び図４に示すように、枠状を呈する枠部材を形成する。枠部材形成工程では、突合工程、タブ材配置工程、本接合工程を行う。

突合工程では、図３の（ａ）及び（ｂ）に示すように、金属部材２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄの端部同士を突き合わせる。金属部材２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄは、直方体を呈する部材であって、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、各金属部材を、同一組成の金属材料で形成している。各金属部材の板厚は、同一の厚さとなっている。

突合工程では、図３の（ａ）及び（ｂ）に示すように、金属部材２ａの内面１２ａの両端に金属部材２ｃの端面１５ｃ及び金属部材２ｄの端面１４ｄをそれぞれ突き合わせる。各突き合わせ部分には、それぞれ突合部Ｊ１、突合部Ｊ４が形成される。金属部材２ａの端面１４ａと金属部材２ｃの外面１３ｃとを面一に形成する。また、金属部材２ａの端面１５ａと金属部材２ｄの外面１３ｄとを面一に形成する。

また、突合工程では、金属部材２ｂの内面１２ｂの両端に金属部材２ｃの端面１４ｃ及び金属部材２ｄの端面１５ｄをそれぞれ突き合わせる。各突き合わせ部分には、それぞれ突合部Ｊ２、突合部Ｊ３が形成される。金属部材２ｂの端面１５ｂと金属部材２ｃの外面１３ｃとを面一に形成する。また、金属部材２ｄの端面１４ｂと金属部材２ｄの外面１３ｄとを面一に形成する。

また、突合工程では、金属部材２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄの表面１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄを面一に形成する。また、金属部材２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄの裏面１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄを面一に形成する。内面１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄのうち隣り合う二面で構成される角部を内隅部とする。突合工程によって枠状に形成された部材を被接合金属部材１０とする。

被接合金属部材１０のうち、四つの表面（１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ）で構成される面を表面１１、四つの内面（１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ）で構成される面を内周面１２、四つの外面（１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ）及び４つの端面（１４ａ，１５ａ，１４ｂ，１５ｂ）で構成される面を外周面１３、四つの裏面（１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄ）で構成される面を裏面１６とする。被接合金属部材１０は、表面１１側及び裏面１６側にそれぞれ開口している。

タブ材配置工程では、図３の（ｂ）に示すように、被接合金属部材１０に現れる突合部Ｊ１乃至Ｊ４にそれぞれ一対のタブ材を配置する。突合部Ｊ１の両脇には、タブ材２１，２２を添設する。タブ材２１，２２は、直方体を呈し被接合金属部材１０と同等の組成からなる。タブ材２１，２２の表面及び裏面は、被接合金属部材１０の表面１１及び裏面１６と面一に形成されている。タブ材２２は、金属部材２ａの内面１２ａと金属部材２ｃの内面１２ｃとにそれぞれ当接されている。被接合金属部材１０とタブ材２１，２２は溶接により接合されている。タブ材は、後記する摩擦攪拌作業において、その開始位置及び終了位置が設定される部材である。なお、タブ材の形状や個数は本実施形態に限定されるものではない。

本接合工程では、図４乃至図８に示すように、被接合金属部材１０の各突合部に対して摩擦攪拌接合を行う。本接合工程では、被接合金属部材１０の表面１１側から摩擦攪拌接合を行う表面接合工程と、被接合金属部材１０の裏面１６側から摩擦攪拌接合を行う裏面接合工程と、被接合金属部材１０の外周面１３側から摩擦攪拌接合を行う外面接合工程とを行う。また、外面接合工程は、抜け穴補修工程を具備している。

表面接合工程では、図４の（ａ）に示すように、被接合金属部材１０の表面１１側から本接合用回転ツールＧを挿入して、各突合部に対して摩擦攪拌接合を行う。例えば、突合部Ｊ１については、タブ材２１の表面に開始位置ＳＭ１を設定し、タブ材２２の表面に終了位置ＥＭ１を設定する。開始位置ＳＭ１に右回転させた本接合用回転ツールＧを挿入した後、突合部Ｊ１に沿って本接合用回転ツールＧを移動させ、終了位置ＥＭ１で本接合用回転ツールＧを離脱させる。これにより、突合部Ｊ１には塑性化領域Ｗ１ａが形成される。塑性化領域とは、回転ツールの摩擦熱によって加熱されて現に塑性化している状態と、回転ツールが通り過ぎて常温に戻った状態の両方を含むこととする。

同様に、突合部Ｊ２，Ｊ３，Ｊ４に対しても摩擦攪拌接合を行う。突合部Ｊ２，Ｊ３，Ｊ４にはそれぞれ塑性化領域Ｗ２ａ，Ｗ３ａ，Ｗ４ａが形成される。

裏面接合工程では、図４の（ｂ）に示すように、被接合金属部材１０の表裏を反転させた後に、被接合金属部材１０の裏面１６側から本接合用回転ツールＧ（図２の（ｂ）参照）を挿入して、各突合部Ｊ１乃至Ｊ４に対して摩擦攪拌接合を行う。裏面接合工程においては、被接合金属部材１０の表裏を除いては表面接合工程と同等であるため詳細な説明は省略する。裏面接合工程によって、被接合金属部材１０の裏面１６に現れる各突合部Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３，Ｊ４には塑性化領域Ｗ１ｂ，Ｗ２ｂ，Ｗ３ｂ，Ｗ４ｂがそれぞれ形成される。

裏面接合工程が終了したら、被接合金属部材１０からタブ材を除去する。図４の（ｂ）に示すように、裏面接合工程が終了すると、突合部Ｊ１に形成された塑性化領域Ｗ１ａと塑性化領域Ｗ１ｂの間には、摩擦攪拌されていない未塑性化領域が残存する。同様に、突合部Ｊ２乃至Ｊ４にも摩擦攪拌されない未塑性化領域がそれぞれ残存する。

外面接合工程では、被接合金属部材１０の外周面１３に現れる各突合部Ｊ１乃至Ｊ４に対して摩擦攪拌接合を行う。つまり、外周面１３に残存する未塑性化領域に対して摩擦攪拌接合を行う。例えば、図５に示すように、突合部Ｊ１では、塑性化領域Ｗ１ａと塑性化領域Ｗ１ｂの間に摩擦攪拌されていない未塑性化領域が残存している。つまり、突合部Ｊ１において、被接合金属部材１０の内周面１２から外周面１３に連続する微細な隙間が存在する。外面接合工程では、当該隙間を摩擦攪拌接合で形成された塑性化領域で覆う。

図５に示すように、突合部Ｊ１から所定の距離離間した位置であって、外周面１３上に開始位置ＳＭ２及び終了位置ＥＭ２をそれぞれ設定する。本実施形態では、開始位置ＳＭ２を塑性化領域Ｗ１ｂ側、終了位置ＥＭ２を塑性化領域Ｗ１ａ側に設定したが、これに限定されるものではない。開始位置ＳＭ２に本接合用回転ツールＧを挿入し、突合部Ｊ１方向に本接合用回転ツールＧを移動させた後、塑性化領域Ｗ１ｂと本接合用回転ツールＧとを接触させる。そして、突合部Ｊ１に沿って移動させて未塑性化領域を摩擦攪拌した後、塑性化領域Ｗ１ａと本接合用回転ツールＧとを接触させる。そして、終了位置ＥＭ２で本接合用回転ツールＧを離脱させる。外面接合工程によって、外周面１３には、塑性化領域Ｗ１ｃが形成される。

ここで、図６は、図５のＩ−Ｉ断面図であって、（ａ）は、接合前、（ｂ）は接合後を示す。図６の（ａ）及び（ｂ）に示すように、外面接合工程では、被接合金属部材１０の外周面１３上に終了位置ＥＭ２を設定しているので、摩擦攪拌終了後、終了位置ＥＭ２には抜け穴Ｑ１が形成される。したがって、当該抜け穴Ｑ１を塞ぐために本実施形態では、抜け穴補修工程を行う。

抜け穴補修工程は、外周接合工程で不可避的に形成される抜け穴Ｑ１を塞ぐ工程である。抜け穴補修工程では、被接合金属部材１０の外周面１３に形成された抜き穴Ｑ１に充填用金属部材Ｈを充填する充填用金属部材挿入工程（図６の（ｂ）参照）と、被接合金属部材１０と充填用金属部材Ｈの突合部Ｊ６に対して摩擦攪拌を行う補修接合工程と（図７参照）、補修接合工程において充填用金属部材Ｈの表面に形成された抜き穴Ｑ２に溶接金属Ｋを充填する補修溶接工程と（図８参照）、を含むものである。

充填用金属部材挿入工程は、図６の（ｂ）に示すように、外面接合工程において本接合用回転ツールＧを離脱したときに、被接合金属部材１０の外周面１３に形成された抜き穴Ｑ１に、抜き穴Ｑ１と同形の充填用金属部材Ｈを挿入して、抜き穴Ｑ１を埋める工程である。本実施形態では、被接合金属部材１０と同一組成の金属材料で充填用金属部材Ｈを形成しているが、摩擦攪拌可能な金属材料であればよい。

補修接合工程は、図７に示すように、被接合金属部材１０と充填用金属部材Ｈとの突合部Ｊ６に対して、仮接合用回転ツールＦ（図２（ａ）参照）を用いて摩擦攪拌接合を行うものである。補修接合工程では、被接合金属部材１０と充填用金属部材Ｈとの継ぎ目上に設定された摩擦攪拌の開始位置ｓ１に、仮接合用回転ツールＦ（図２（ａ）参照）の攪拌ピンＦ２を入り込ませ、被接合金属部材１０と充填用金属部材Ｈとの継ぎ目に沿って、仮接合用回転ツールＦを移動させることで、突合部Ｊ６の全周に亘って摩擦攪拌を行う。補修接合工程によって、塑性化領域ｗ１が形成される。

本実施形態では、突合部Ｊ６の全周に亘って摩擦攪拌を行った後に、仮接合用回転ツールＦを、充填用金属部材Ｈの表面の中心位置に設定された摩擦攪拌の終了位置ｅ１（外面接合工程における摩擦攪拌の終了位置ＥＭ２）まで移動させ、仮接合用回転ツールＦを終了位置ｅ１から離脱させる。このように、終了位置ｅ１で攪拌ピンＦ２を上方に離脱させると、終了位置ｅ１に攪拌ピンＦ２と略同形の抜き穴Ｑ２が形成される（図８参照）。

ここで、本実施形態では、被接合金属部材１０と充填用金属部材Ｈとの突合部Ｊ６を摩擦攪拌するために、仮接合工程で用いる仮接合用回転ツールＦを用いているが、被接合金属部材１０と充填用金属部材Ｈとの継ぎ目に沿って、円周状に攪拌ピンを移動させることができる大きさであれば、他の回転ツールを用いてもよい。

補修溶接工程では、図８に示すように、充填用金属部材Ｈの表面に形成された抜き穴Ｑ２内にＭＩＧ溶接等の肉盛溶接を行うことで、抜き穴Ｑ２内に溶接金属Ｋを充填する。

なお、補修溶接工程は、ＭＩＧ溶接に限定するものではなく、他の公知の溶接を行ってもよい。また、溶接材料は、被接合金属部材１０と異なっていてもよいが、本実施形態では同一の材料を用いている。補修溶接工程では、抜き穴Ｑ２に溶接金属Ｋを充填した後に、被接合金属部材１０の外周面１３よりも盛り上がっている部分の溶接金属Ｋを切除することが望ましい。

前記した外面接合工程を、突合部Ｊ２，Ｊ３，Ｊ４に対しても行って、被接合金属部材１０の外周面１３に残存する未塑性化領域を密閉する。以上の工程によって、枠部材２が形成される。

本接合工程は、本実施形態では前記したように構成したが、他の形態であってもよい。例えば、なお、各摩擦攪拌接合の開始位置には、本接合用回転ツールＧの挿入時の摩擦抵抗を軽減するために下穴Ｐ１（図２の（ｂ）参照）を形成してもよい。また、本接合用回転ツールＧを用いて摩擦攪拌接合を行う前に、仮接合用回転ツールＦ（図２の（ａ）参照）を用いて各突合部に対して仮接合（仮接合工程）を行ってもよい。これにより、各金属部材を仮付けした状態で本接合工程を行うことができる。

また、表面接合工程で形成された塑性化領域と、裏面接合工程で形成された塑性化領域とが互いに重複する場合は、枠部材２の外周面１３に未塑性化領域が残存しないため、外面接合工程を省略してもよい。

また、外面接合工程を行う前に、被接合金属部材１０の表面１１及び裏面１６に一対のタブ材を添設して当該タブ材に摩擦攪拌の開始位置及び終了位置を設定してもよい。これによれば、抜け穴補修工程を省略することができる。

（２）段部形成工程
段部形成工程では、図９に示すように、枠部材２の裏面１６側に開口する開口の内周縁に段部４０を形成する。段部４０は、蓋板３が隙間なく載置される形状で形成する。段部４０は、段部底面４１と段部底面４１に対して垂直に立設する四つの段部側面４２とを有する。段部底面４１の幅は、本接合用回転ツールＧの大きさを考慮して適宜設定すればよい。段部側面４２の高さは、蓋板３の板厚と同等に形成する。

（３）蓋板配置工程
蓋板配置工程では、段部４０に蓋板３を配置する。図９及び図１０の（ａ）に示すように、段部４０に蓋板３を配置すると、蓋板３の内面３１と、段部４０の段部底面４１とが突き合わされるとともに、蓋板３の四つの側面３３と、段部４０の四つの段部側面４２とが突き合わされて突合部Ｊ５が形成される。突合部Ｊ５は、断面視Ｌ字状、平面視矩形を呈するように形成される。蓋板３の外面３２と枠部材２の裏面１６とは面一となる。段部４０に蓋板３を配置した際に、蓋板３の内面３１と、枠部材２の内周面１２とで構成される角部を内隅部とする。

なお、本実施形態では段部４０を形成したが、段部４０は必ずしも形成する必要はない。例えば、枠部材２の内周面１２と、蓋板３の四つの側面３３とを突き合わせて突合部を形成してもよい。

（４）蓋板固定工程
蓋板固定工程では、突合部Ｊ５に対して摩擦攪拌接合を行う本接合工程と、抜け穴の補修を行う抜け穴補修工程を行う。

本接合工程では、図１０及び図１１に示すように、蓋板３の外面３２側から突合部Ｊ５に対して摩擦攪拌接合を行う。本接合工程では、図１０の（ａ）に示すように、枠部材２の裏面１６において、突合部Ｊ５の外側に、摩擦攪拌接合の開始位置ＳＭ３を設定する。本接合工程では、開始位置ＳＭ３に、右回転させた本接合用回転ツールＧを挿入して、突合部Ｊ５に向けて本接合用回転ツールＧを移動させた後、図１０の（ｂ）に示すように突合部Ｊ５に沿って移動させる。本接合工程では、図１１に示すように、本接合用回転ツールＧの軸心と裏面１６に現れる突合部Ｊ５とが重なるように突合部Ｊ５に沿って移動させる。

本接合工程によって、突合部Ｊ５に沿って塑性化領域Ｗ５が形成される。本接合用回転ツールＧを突合部Ｊ５に沿って一周させたら、摩擦攪拌の一週目の始端部５１（図１０の（ａ）参照）に沿ってさらに本接合用回転ツールＧを移動させた後、図１０の（ｂ）に示すように、枠部材２の裏面１６において、突合部Ｊ５の外側に設定された終了位置ＥＭ３で本接合用回転ツールＧを離脱させる。

ここで、摩擦攪拌接合によって形成された塑性化領域のうち、シアー側（被接合部に対する回転ツールの外周の相対速さが、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）は、メタルが強く攪拌されて高温軟化し、バリとなって排出され易いと考えられる。このため、シアー側はメタルが不足するので、トンネル状の空洞欠陥が形成される可能性がある。本接合工程では、本接合用回転ツールＧを右回転させつつ、蓋板３を進行方向右側に位置した状態で、即ち、枠部材２の開口に対して右回りに移動させている。したがって、仮に空洞欠陥が発生したとしても枠部材２の中空部から離間した位置に形成される。

ちなみに、本接合用回転ツールＧを左回転させる場合は、枠部材２の開口に対して左回りに移動させることが好ましい。

抜け穴補修工程では、終了位置ＥＭ３に残存する抜け穴（図示省略）を塞ぐ補修を行う。抜け穴補修工程は、前記した形態と同等であるため、詳細な説明は省略する。

なお、枠部材２の外周面１３に当接するタブ材を用いて、当該タブ材に摩擦攪拌の開始位置及び終了位置を設定し、抜け穴が枠部材２に残存しないようにしてもよい。

また、図１１を参照するように、本接合工程では、蓋板３の内面３１と、段部底面４１とが突き合わされた部分（重ね合わせ部分）に本接合用回転ツールＧの軸心が位置するようにして摩擦攪拌接合を行ってもよい。また、本接合用回転ツールＧを用いて本接合工程を行う前に、仮接合用回転ツールＦを用いて突合部Ｊ５に対して仮接合工程を行ってもよい。

（５）内隅部溶接工程
内隅部溶接工程では、図１の（ａ）を参照するように、枠部材の内隅部に対して溶接を行う枠部材内隅部溶接工程と、枠部材と蓋板とで構成される内隅部に対して溶接を行う蓋板内隅部溶接工程とを実行する。

枠部材内隅部溶接工程では、枠部材２の内周面１２の角部に形成された内隅部に溶接を行う。例えば、図１の（ａ）を参照するように、金属部材２ａの内面１２ａと金属部材２ｃの内面１２ｃとで構成された内隅部には、突合部Ｊ１が現れる。つまり、当該内隅部には、塑性化領域Ｗ１ａと塑性化領域Ｗ１ｂの間に未塑性化領域が残存する。枠部材内隅部溶接工程では、未塑性化領域に対してＭＩＧ溶接等の肉盛溶接を行って溶接金属Ｔによって未塑性化領域を密閉する。溶接金属Ｔは、塑性化領域Ｗ１ａ，Ｗ１ｂに重複するように形成することが好ましい。同様に、突合部Ｊ２，Ｊ３，Ｊ４に係る内隅部に対しても肉盛溶接を行って未塑性化領域を溶接金属Ｔで覆う。

なお、枠部材内隅部溶接工程は、前記した枠部材形成工程の中で行ってもよい。また、前記した表面接合工程及び裏面接合工程で形成された塑性化領域によって内隅部が密閉されているような場合は枠部材内隅部溶接工程を省略してもよい。

蓋板内隅部溶接工程では、図１の（ａ）を参照するように、枠部材２の内周面１２と蓋板３の内面３１とで構成される内隅部に溶接を行う。本実施形態では、ＭＩＧ溶接等の肉盛溶接を行って当該内隅部を溶接金属Ｔで覆う。蓋板内隅部溶接工程では、内周面１２に沿って全周に亘って溶接を行う。

以上の工程を行うことで、図１の（ａ）及び（ｂ）に示すように、構造体１が形成される。

以上説明した本実施形態に係る構造体の製造方法によれば、構造体１の内隅部（表面１１側）から溶接工程、外側（裏面１６側）から蓋板固定工程を行うことで、構造体１の内隅部及び外側で入熱され、蓋板３の外面３２側及び内面３１側のそれぞれにおいて熱収縮が発生するため、蓋板３の反りを是正することができる。また、内隅部を溶接金属で覆うことにより、構造体１の内側に現れる各突合部を密閉することができるため気密性及び水密性を高めることができる。

また、内隅部溶接工程によれば、構造体１の内隅部に摩擦攪拌接合を施す場合に比べて、比較的容易に作業を行うことができるため、作業効率を高めることができる。また、内隅部溶接工程及び蓋板固定工程は、どちらを先に行ってもよいが、本実施形態のように先に蓋板固定工程を行うことで、仮に枠部材２と蓋板３との内隅部に欠損が形成されたとしても内隅部溶接工程で当該欠損を補修することができる。一方、先に内隅部溶接工程を行えば、枠部材２に蓋板３を仮付けした状態で蓋板固定工程を行うことができる。

また、枠部材形成工程では、枠部材２の外周面１３に現れる突合部Ｊ１乃至Ｊ４に対して外面接合工程を行うとともに、内周面１２に現れる突合部Ｊ１乃至Ｊ４に対して枠部材内隅溶接工程を行うことで、各突合部Ｊ１乃至Ｊ４を確実に密閉することができる。これにより、構造体１の気密性及び水密性をより高めることができる。また、抜け穴補修工程を行うことで、構造体１に抜け穴が残存するのを防ぐことができる。

［第一変形例］
次に、本発明の第一変形例について説明する。第一変形例では、図１２の（ａ）に示すように、枠部材２の段部底面４１の内周縁に切欠き部６０を形成する。切欠き部６０は、断面視矩形を呈する切り欠きであって、溶接金属が充填される部位である。切欠き部６０は、本実施形態では、断面視矩形を呈するが他の形状であってもよい。図１２の（ｂ）に示すように、枠部材２に蓋板３を配置することによって、切欠き部６０と蓋板３の内面３１とで凹溝６１が形成される。凹溝６１は、内周面１２に沿って枠状に形成される。

前記した蓋板内隅部溶接工程では、凹溝６１に対して肉盛溶接を行って溶接金属を充填させる。凹溝６１から突出した溶接金属は、内周面１２と面一になるように切削することが好ましい。第一変形例のように、凹溝６１を形成することにより、凹溝６１に溶接金属を充填することができるため溶接作業を容易に行うことができる。

［第二変形例］
次に、本発明の第二変形例について説明する。第二変形例では、図１３の（ａ）に示すように、金属部材２ｃの内面１２ｃ，金属部材２ｄの内面１２ｄの両端に切欠き部７０，７０をそれぞれ形成する。切欠き部７０は、断面視矩形を呈する切り欠きであって、溶接金属が充填される部位である。切欠き部７０は、本実施形態では、断面視矩形を呈するが他の形状であってもよい。金属部材２ａの内面１２ａに、金属部材２ｃ，２ｄの端部を突き合わせることにより、金属部材２ａの内面１２ａと切欠き部７０とで凹溝７１，７１が形成される。同様に、金属部材２ｂの内面１２ｂに、金属部材２ｃ，２ｄの端部を突き合わせることにより、金属部材２ｂの内面１２ｂと切欠き部７０とで凹溝７１，７１が形成される。つまり、枠部材２（被接合金属部材１０）の内周面１２の四つの内隅部にそれぞれ凹溝７１が形成される。

枠部材内隅部溶接工程では、枠部材２の内周面１２に形成された四つの凹溝７１に対して肉盛溶接を行って、凹溝７１に溶接金属Ｔを充填する。内周面１２から突出した溶接金属Ｔは、内周面１２と面一になるように切削することが好ましい。第二変形例のように、凹溝７１に溶接金属Ｔを充填させることができるため溶接作業を容易に行うことができる。

［第三変形例］
次に、本発明の第三変形例について説明する。前記した第一実施形態では、被接合金属部材１０（枠部材２）の外周面１３に現れる未塑性化領域に対して摩擦攪拌接合による外面接合工程を行ったが、外面接合工程に代えて溶接による外面溶接工程を行ってもよい。

第三変形例に示す外面溶接工程では、図１４の（ａ）及び（ｂ）に示すように、凹溝形成工程と外面溶接工程を行う。凹溝形成工程では、枠部材２の外周面１３において、突合部Ｊ１及びＪ２に沿って裏面１６から表面１１に連続する凹溝８０を形成する。凹溝８０は、断面視矩形に形成しているが、他の形状であってもよい。凹溝８０は、その両端が少なくとも塑性化領域Ｗ１ｂ及び塑性化領域Ｗ１ａに重複するように形成するのが好ましい。

外面溶接工程では、凹溝８０に対して肉盛溶接を行って溶接金属Ｔを充填させる。枠部材２の表面１１、裏面１６及び外周面１３から突出する溶接金属Ｔはそれぞれの面と平滑になるように切削するのが好ましい。このように、外周面１３においては、摩擦攪拌接合に代えて、溶接を行って未塑性化領域を密閉してもよい。また、凹溝８０を形成しつつ、当該凹溝８０に溶接金属Ｔを充填させることで溶接作業を容易に行うことができる。なお、第三変形例においては、凹溝８０を形成せずに各突合部に対して直接溶接を行ってもよい。

以上本発明の実施形態について説明したが本発明の趣旨に反しない範囲において適宜変更が可能である。例えば、本実施形態では、金属部材２ａ乃至２ｄを突き合わせて摩擦攪拌接合によって枠部材２を形成したが、枠部材２の製造方法を限定するものではない。例えば、枠部材２を鋳造により形成してもよい。また、本実施形態では、構造体１の外形及び開口が平面視矩形を呈するように形成したが、円、楕円、他の多角形状であってもよい。

１ 構造体
２ 枠部材
２ａ 金属部材
２ｂ 金属部材
２ｃ 金属部材
２ｄ 金属部材
３ 蓋板
１０ 被接合金属部材
４０ 段部
４１ 段部底面
４２ 段部側面
５１ 始端部
６１ 凹溝
７１ 凹溝
８０ 凹溝
Ｊ１ 突合部
Ｊ２ 突合部
Ｊ３ 突合部
Ｊ４ 突合部
Ｊ５ 突合部
Ｆ 仮接合用回転ツール
Ｇ 本接合用回転ツール

Claims (10)

1. 枠状を呈する金属製の枠部材に金属製の蓋板を固定して形成された構造体の製造方法であって、
   前記枠部材の裏面側に開口する開口の内周縁に、段部底面とこの段部底面から立ち上がる段部側面とを備えた段部を形成する段部形成工程と、
   前記枠部材の裏面側の開口を覆うように前記段部に前記蓋板を配置する蓋板配置工程と、
   前記段部の段部側面と前記蓋板の側面とを突き合わせて形成された突合部に対して前記枠部材の裏面側及び前記蓋板の外面側から回転ツールを挿入し前記開口周りに前記回転ツールを一周させて摩擦攪拌接合によって前記枠部材に前記蓋板を固定する蓋板固定工程と、
   前記枠部材の内面と前記蓋板の内面とによって構成される内隅部を溶接金属で覆う内隅部溶接工程と、を含むことを特徴とする構造体の製造方法。
2. 前記内隅部に対して予め凹溝を形成し、
   前記内隅部溶接工程では、前記凹溝に溶接金属を充填することを特徴とする請求項１に記載の構造体の製造方法。
3. 前記蓋板固定工程では、前記回転ツールを前記突合部に沿って一周させて塑性化領域を形成した後、一周目の前記塑性化領域の始端部に沿って前記回転ツールを移動させて、塑性化領域の一部を重複させることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の構造体の製造方法。
4. 前記蓋板固定工程では、
   前記回転ツールを前記開口に対して右回りに移動させるときは前記回転ツールを右回転させ、
   前記回転ツールを前記開口に対して左回りに移動させるときは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構造体の製造方法。
5. 前記蓋板固定工程では、前記回転ツールよりも小型の回転ツールを用いて前記突合部に対して摩擦攪拌接合を行って前記枠部材に前記蓋板を予め仮付けする仮接合工程を行う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構造体の製造方法。
6. 前記枠部材を摩擦攪拌接合によって形成する枠部材形成工程をさらに含み、
   前記枠部材形成工程では、
   枠状を呈するように複数の金属部材を突き合わせる突合工程と、
   前記突合工程で形成された金属部材同士の突き合わせ部に対して前記金属部材の表面側及び裏面側からそれぞれ回転ツールを挿入して摩擦攪拌接合を行う接合工程と、
   前記金属部材の外周面に現れる前記突き合わせ部に対して前記金属部材の外周面側から回転ツールを挿入して摩擦攪拌接合を行う接合工程と、を含むことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の構造体の製造方法。
7. 前記枠部材を摩擦攪拌接合によって形成する枠部材形成工程をさらに含み、
   前記枠部材形成工程では、
   枠状を呈するように複数の金属部材を突き合わせる突合工程と、
   前記突合工程で形成された金属部材同士の突き合わせ部に対して前記金属部材の表面側及び裏面側からそれぞれ回転ツールを挿入して摩擦攪拌接合を行う接合工程と、
   前記金属部材の外周面に現れる前記突き合わせ部を溶接金属で覆う外面溶接工程と、を含むことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の構造体の製造方法。
8. 前記外面溶接工程を行う前に、前記金属部材の外周面に現れる前記突き合わせ部に対して予め凹溝を形成し、前記外面溶接工程では、前記凹溝に対して溶接金属を充填することを特徴とする請求項７に記載の構造体の製造方法。
9. 前記枠部材の隣り合う内面同士によって構成される内隅部を溶接金属で覆うことを特徴とする請求項６乃至請求項８のいずれか一項に記載の構造体の製造方法。
10. 前記枠部材の隣り合う内面同士によって構成される内隅部に対して予め凹溝を形成し、この凹溝に対して溶接金属を充填することを特徴とする請求項６乃至請求項８のいずれか一項に記載の構造体の製造方法。

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