JP6750552B2 - 接合方法 - Google Patents

Description

本発明は、金属部材同士を摩擦攪拌で接合する接合方法に関する。

例えば、特許文献１には、第一金属部材と第二金属部材とを摩擦攪拌で接合する接合方法が開示されている。当該接合方法では、第一金属部材と第二金属部材とを突き合わせて突合せ部を形成した後、回転ツールの攪拌ピンのみを第一金属部材及び第二金属部材に接触させた状態で突合せ部に対して摩擦攪拌を行うというものである。

特開２０１３−３９６１３号公報

従来の接合方法であると、塑性流動化した金属を回転ツールのショルダ部で押さえないため、塑性流動化した金属が外部に溢れ出し接合部が金属不足になるという問題がある。

一方、平板形状の板材にて構成された第一金属部材と、断面Ｌ型形状の屈曲板材にて構成された第二金属部材とを摩擦攪拌接合する場合があるが、このような接合方法については、開示されていない。

そこで、本発明は、平板形状の板材にて構成された第一金属部材と、断面Ｌ型形状の屈曲板材にて構成された第二金属部材とを摩擦攪拌接合する際に、接合部の金属不足を防ぐことができる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の第一の本発明は、攪拌ピンを備えた本接合用回転ツールを用いて第一金属部材と第二金属部材とを摩擦攪拌で接合する接合方法であって、前記第一金属部材は、平板形状の板材にて構成されており、前記第二金属部材は、第一板部と、当該第一板部から折れ曲がる第二板部とを備え断面Ｌ型形状の屈曲板材にて構成されており、前記第一金属部材の一方の表面と、前記第二金属部材の外隅部とを重ね合せて重合部を形成する重ね合せ工程と、前記第二金属部材の内隅部に、当該内隅部を覆うように断面Ｌ字形状の補助部材の裏面を面接触させて、前記第二金属部材に前記補助部材を配置する補助部材配置工程と、前記攪拌ピンを前記補助部材の表面側から挿入し、前記攪拌ピンのみを前記補助部材、前記第一金属部材および前記第二金属部材、または前記補助部材および前記第二金属部材に接触させた状態で、前記重合部に沿って前記本接合用回転ツールを移動させて前記補助部材、前記第一金属部材および前記第二金属部材の摩擦攪拌接合を行う本接合工程と、バリが形成された前記補助部材を、前記第二金属部材から除去する除去工程と、を含むことを特徴とする接合方法である。

前記課題を解決するための第二の本発明は、攪拌ピンを備えた本接合用回転ツールを用いて第一金属部材と第二金属部材とを摩擦攪拌で接合する接合方法であって、前記第一金属部材は、平板形状の板材にて構成されており、前記第二金属部材は、第一板部と、当該第一板部から折れ曲がる第二板部とを備え断面Ｌ字形状の屈曲板材にて構成されており、前記第一金属部材の一方の表面と、前記第二金属部材の外隅部とを重ね合せて重合部を形成する重ね合せ工程と、前記第二金属部材の内隅部における前記第一板部および前記第二板部のいずれか一方の表面に平板形状の補助部材の裏面を面接触させるとともに、前記第一板部および前記第二板部のいずれか他方の表面に前記補助部材の端面を突き合わせて、前記第二金属部材に前記補助部材を配置する補助部材配置工程と、前記攪拌ピンを前記補助部材の表面側から挿入し、前記攪拌ピンのみを前記補助部材、前記第一金属部材および前記第二金属部材、または前記補助部材および前記第二金属部材に接触させた状態で、前記重合部に沿って前記本接合用回転ツールを移動させて前記補助部材、前記第一金属部材および前記第二金属部材の摩擦攪拌接合を行う本接合工程と、バリが形成された前記補助部材を、前記第二金属部材から除去する除去工程と、を含むことを特徴とする接合方法である。

第一および第二の本発明に係る接合方法によれば、平板形状の板材にて構成された第一金属部材と、断面Ｌ型形状の屈曲板材にて構成された第二金属部材とが接合されるとともに、第一金属部材及び第二金属部材に加え、補助部材も同時に摩擦攪拌接合することにより、接合部の金属不足を防ぐことができる。また、本接合工程において攪拌ピンのみを金属部材に接触させた状態で摩擦攪拌接合を行うことにより、摩擦攪拌装置に作用する負荷を軽減することができる。さらに、バリを補助部材ごと除去できるので除去工程が容易となる。

また、前記発明では、前記補助部材配置工程の前に、前記第二金属部材の前記内隅部に仮接合用回転ツールの攪拌ピンのみを挿入してスポットで前記第一金属部材と前記第二金属部材の摩擦攪拌接合を行う仮接合工程を、さらに含むことが好ましい。このような接合方法によれば、攪拌ピンのみを金属部材に挿入してスポットで仮接合を行うことにより、摩擦攪拌装置に作用する負荷を軽減することができる。また、重合部の全長に対して仮接合を行う場合に比べて工程時間を短くすることができる。

さらに、前記発明では、前記本接合用回転ツールと前記仮接合用回転ツールは、同一の回転ツールであることが好ましい。このような接合方法によれば、回転ツールの交換を行う必要が無いため作業効率を高めることができる。

また、前記発明では、前記補助部材配置工程の前に、前記第二金属部材の前記内隅部側からスポットで溶接を行い前記第一金属部材と前記第二金属部材とを接合する仮接合工程を、さらに含むことが好ましい。このような接合方法によれば、スポットで溶接して仮接合を行うことにより、仮接合を摩擦攪拌にて行う場合より、摩擦攪拌装置に作用する負担を軽減できる。さらに、重合部の全長に対して仮接合を行う場合に比べて工程時間を短くすることができる。

さらに、前記発明では、前記溶接は、ＭＩＧ溶接、ＴＩＧ溶接またはレーザー溶接であることが好ましい。

前記課題を解決するための第三の本発明は、攪拌ピンを備えた本接合用回転ツールを用いて第一金属部材と第二金属部材とを摩擦攪拌で接合する接合方法であって、前記第一金属部材は、平板形状の板材にて構成されており、前記第二金属部材は、第一板部と、当該第一板部から折れ曲がる第二板部とを備え断面Ｌ型形状の屈曲板材にて構成されており、前記第一金属部材の一方の表面と、前記第二金属部材の外隅部とを重ね合せて重合部を形成する重ね合せ工程と、前記第二金属部材の外隅部に対応する位置の前記第一金属部材の他方の表面を覆うように平板形状の補助部材の裏面を面接触させて、前記第一金属部材に前記補助部材を配置する補助部材配置工程と、前記攪拌ピンを前記補助部材の表面側から挿入し、前記攪拌ピンのみを前記補助部材、前記第一金属部材および前記第二金属部材、または前記補助部材および前記第一金属部材に接触させた状態で、前記重合部に沿って前記本接合用回転ツールを移動させて前記補助部材、前記第一金属部材および前記第二金属部材の摩擦攪拌接合を行う本接合工程と、バリが形成された前記補助部材を、前記第一金属部材から除去する除去工程と、を含むことを特徴とする接合方法である。

第三の本発明に係る接合方法によれば、平板形状の板材にて構成された第一金属部材と、断面Ｌ型形状の屈曲板材にて構成された第二金属部材とが接合されるとともに、第一金属部材及び第二金属部材に加え、補助部材も同時に摩擦攪拌接合することにより、接合部の金属不足を防ぐことができる。また、本接合工程において攪拌ピンのみを金属部材に接触させた状態で摩擦攪拌接合を行うことにより、摩擦攪拌装置に作用する負荷を軽減することができる。さらに、バリを補助部材ごと除去できるので除去工程が容易となる。

また、前記発明は、前記補助部材配置工程では、前記補助部材が前記重合部を中心に両側に広がるように前記補助部材を配置し、前記本接合工程では、前記補助部材の中央部に前記攪拌ピンを挿入することが好ましい。このような接合方法によれば、撹拌ピンの両側に補助部材が位置するので、より多くの金属を補給することができる。

さらに、前記発明は、前記補助部材の端面を通り前記第一金属部材に直交する線を基準線とした場合、前記補助部材配置工程では、前記基準線が前記第二金属部材の外隅部を通過するように前記補助部材を配置し、前記本接合工程では、前記本接合用回転ツールの回転中心軸と前記基準線とが重なるように前記攪拌ピンを移動させるとともに、バリが前記補助部材に形成されるように接合条件を設定することが好ましい。このような接合方法によれば、補助部材の材料ロスを小さくすることができる。

また、前記発明は、前記補助部材の端面を通り前記第一金属部材に直交する線を基準線とした場合、前記補助部材配置工程では、前記第一金属部材の他方の表面において前記第二金属部材の外隅部に対応する位置を挟んだ第一板部側および第二板部側のいずれか一方に前記補助部材を載置しつつ、前記補助部材の端部が前記外隅部に対応する位置を挟んで前記第一板部側および前記第二板部側のいずれか他方側に突出するように前記補助部材を配置し、前記本接合工程では、前記本接合工程を行った後に前記本接合用回転ツールの片側のみに前記補助部材が残存する程度に前記本接合用回転ツールの回転中心軸を前記基準線よりも前記補助部材の中央側に偏移させて前記攪拌ピンを移動させるとともに、残存する前記補助部材にバリが形成されるように接合条件を設定することが好ましい。このような接合方法によれば、より多くの金属を補給しつつ、補助部材の材料ロスを小さくすることができる。

また、前記発明は、前記補助部材配置工程の前に、前記第二金属部材の外隅部に対応する位置の前記第一金属部材の他方の表面に仮接合用回転ツールの攪拌ピンのみを挿入してスポットで前記第一金属部材と前記第二金属部材の摩擦攪拌接合を行う仮接合工程を、さらに含むことが好ましい。このような接合方法によれば、攪拌ピンのみを金属部材に挿入してスポットで仮接合を行うことにより、摩擦攪拌装置に作用する負荷を軽減することができる。また、重合部の全長に対して仮接合を行う場合に比べて工程時間を短くすることができる。

さらに、前記発明は、前記本接合用回転ツールと前記仮接合用回転ツールは、同一の回転ツールであることが好ましい。このような接合方法によれば、回転ツールの交換を行う必要が無いため作業効率を高めることができる。

また、前記発明では、前記補助部材配置工程の前に、前記第二金属部材の外隅部に対応する位置の前記第一金属部材の他方の表面にスポットで溶接を行い前記第一金属部材と前記第二金属部材とを接合する仮接合工程を、さらに含むことが好ましい。このような接合方法によれば、スポットで溶接して仮接合を行うことにより、仮接合を摩擦攪拌にて行う場合より、摩擦攪拌装置に作用する負担を軽減できる。さらに、重合部の全長に対して仮接合を行う場合に比べて工程時間を短くすることができる。

さらに、前記発明では、前記溶接は、ＭＩＧ溶接、ＴＩＧ溶接またはレーザー溶接であることが好ましい。

本発明に係る接合方法によれば、平板形状の板材にて構成された第一金属部材と、断面Ｌ型形状の屈曲板材にて構成された第二金属部材とを摩擦攪拌接合する際に、接合部の金属不足を防ぐことができる。

第一実施形態に係る接合方法の重ね合せ工程を示す斜視図である。 第一実施形態に係る接合方法の仮接合工程を示す斜視図である。 第一実施形態に係る接合方法の仮接合工程の変形例を示す斜視図である。 第一実施形態に係る接合方法の補助部材配置工程を示す斜視図である。 第一実施形態に係る接合方法の本接合工程を示す断面図である。 第一実施形態に係る接合方法の除去工程前を示す断面図である。 第一実施形態に係る接合方法の除去工程を示す断面図である。 第一実施形態に係る接合方法の除去工程後を示す断面図である。 第二実施形態に係る接合方法の補助部材配置工程を示す断面図である。 第二実施形態に係る接合方法の本接合工程を示す断面図である。 第二実施形態に係る接合方法の除去工程前を示す断面図である。 第二実施形態に係る接合方法の除去工程を示す断面図である。 第三実施形態に係る接合方法の重ね合せ工程を示す斜視図である。 第三実施形態に係る接合方法の仮接合工程を示す斜視図である。 第三実施形態に係る接合方法の補助部材配置工程を示す断面図である。 第三実施形態に係る接合方法の本接合工程を示す断面図である。 第三実施形態に係る接合方法の除去工程を示す断面図である。 第三実施形態に係る接合方法の除去工程後を示す断面図である。 第四実施形態に係る接合方法の補助部材配置工程を示す断面図である。 第四実施形態に係る接合方法の本接合工程を示す断面図である。 第四実施形態に係る接合方法の除去工程を示す断面図である。 第五実施形態に係る接合方法の補助部材配置工程を示す断面図である。 第五実施形態に係る接合方法の本接合工程後を示す断面図である。

［第一実施形態］
本発明の第一実施形態に係る接合方法について、図１〜図８を参照して詳細に説明する。本発明は、平板形状の板材にて構成された第一金属部材と、断面Ｌ型形状の屈曲板材にて構成された第二金属部材とを接合する方法である。第一金属部材に、第二金属部材の外隅部を接合すると断面が略Ｋ字状となる。第一実施形態では、第二金属部材側から攪拌ピンを挿入して摩擦攪拌接合を行う場合を例に挙げて説明する。第一実施形態に係る接合方法は、重ね合せ工程と、仮接合工程と、補助部材配置工程と、本接合工程と、除去工程と、を行う。

重ね合せ工程は、図１に示すように、平板形状の第一金属部材１０の一方の表面１１と、と断面Ｌ字形状の第二金属部材２０の外隅部２４とを重ね合せて重合部Ｊを形成する工程である。第一金属部材１０および第二金属部材２０は、金属製の板状部材からなる。第一金属部材１０および第二金属部材２０の材料は、例えば、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、マグネシウム合金等の摩擦攪拌可能な金属から適宜選択される。

第一金属部材１０は、長方形の平面形状に形成された板状形材である。第一金属部材１０の一方の表面１１には、第二金属部材２０が接合される。

第二金属部材２０は、軸断面がＬ字形状に形成された屈曲板状形材である。第二金属部材２０は、第一板部２１と、当該第一板部２１から折れ曲がる第二板部２２とを備えている。第二板部２２は、第一板部２１の端部に連続して直交している。なお、第一板部２１と第二板部２２の屈曲角度は、直角に限定されものではなく、鈍角であってもよいし、鋭角であってもよい。第一板部２１と第二板部２２とで構成される角部２３の外側である外隅部２４は、円弧状に湾曲した曲面が形成されている。

重ね合せ工程では、第一金属部材１０を水平に配置し、第一金属部材１０の一方（上側）の表面１１に、第二金属部材２０を配置する。第二金属部材２０の外隅部２４を下側にして、その外隅部２４を第一金属部材１０上に設置する。このとき、第一金属部材１０と第二金属部材２０の第一板部２１とが成す角度と、第一金属部材１０と第二金属部材２０の第二板部２２とが成す角度が、ともに４５度となるようにする。このように重ね合せ工程では、第一金属部材１０の表面１１に、第二金属部材２０の外隅部２４が重ね合わせられると、重合部Ｊが形成される。このとき、第一金属部材１０の表面１１と第二金属部材２０の外隅部２４との間には、隙間Ｓ，Ｓが形成される。第一金属部材１０と第二金属部材２０は、ともに図示しない固定治具で仮固定する。

仮接合工程は、図２に示すように、回転ツールＦ（仮接合用回転ツール）を用いて第一金属部材１０と第二金属部材２０との重合部Ｊに対して仮接合を行う工程である。回転ツールＦは、例えば工具鋼で形成されている。回転ツールＦは、連結部Ｆ１と攪拌ピンＦ２とを備えている。連結部Ｆ１は、摩擦攪拌装置の回転軸に連結される部位である。連結部Ｆ１は円柱状を呈する。回転ツールＦは、先端にスピンドルユニット等の回転駆動手段を備えたアームロボット（図示せず）に取り付けられることが好ましい。これにより、容易にスポットの仮接合を行うことができる。

攪拌ピンＦ２は、連結部Ｆ１から延在しており、連結部Ｆ１と同軸になっている。攪拌ピンＦ２は連結部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。第一実施形態では、回転ツールＦを右回転させるため、螺旋溝は、基端から先端に向かうにつれて左回りに形成されている。
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かうにつれて右回りに形成することが好ましい。

螺旋溝をこのように設定することで、摩擦攪拌の際に塑性流動化した金属が螺旋溝によって攪拌ピンＦ２の先端側に導かれる。これにより、被接合金属部材（第一金属部材１０、第二金属部材２０および補助部材３０）の外部に溢れ出る金属の量を少なくすることができる。なお、螺旋溝は省略してもよい。

仮接合工程では、回転させた回転ツールＦの攪拌ピンＦ２のみを第二金属部材２０の内隅部２５に挿入して、攪拌ピンＦ２の先端を重合部Ｊに接触させてスポットで仮接合を行う。仮接合工程では、所定の間隔をあけて攪拌ピンＦ２のみを重合部Ｊに浅く（攪拌ピンＦ２の先端が第一金属部材１０の表面１１に届く程度の深さ）押し込んでいく。攪拌ピンＦ２の押し込み跡には、塑性化領域Ｗ０が形成される。

本実施形態の仮接合工程では、回転ツールＦ（仮接合用回転ツール）を用いて摩擦攪拌接合を行うことで、仮接合を行っているが、これに限定されるものではない。図３に示すように、第二金属部材２０の内隅部２５側から溶接で仮接合を行うようにしてもよい。溶接の種類は特に制限されないが、例えば、ＭＩＧ溶接、ＴＩＧ溶接等のアーク溶接やレーザー溶接で行うことができる。図３では、レーザー溶接を例示している。この場合、溶接トーチＨを内隅部２５に近接させつつ、所定の間隔をあけてスポットで溶接を行う。このとき、溶接トーチＨの先端部が内隅部２５に対向するように、溶接トーチＨは、垂直に配置する。スポット溶接を行った部分には、溶接痕Ｗが形成される。

補助部材配置工程は、図４に示すように、第二金属部材２０の内隅部２５に、補助部材３０を配置する工程である。補助部材３０は、断面Ｌ字形状の溝型部材である。補助部材３０は金属製の板状部材である。補助部材３０は摩擦攪拌可能な金属であれば特に制限されないが、第一実施形態では、第一金属部材１０および第二金属部材２０と同じ材料になっている。補助部材３０の板厚は、後記する本接合工程後に、塑性化領域Ｗ１が金属不足ならないように適宜設定する。第一実施形態では、補助部材３０の板厚は第一金属部材１０および第二金属部材２０の板厚よりも薄く設定している。

補助部材配置工程では、第二金属部材２０の内隅部２５を覆うように補助部材３０の外隅側の面である裏面３１を面接触させる。このとき、補助部材３０は、第二金属部材２０の内隅部２５を中心にして、第一板部２１と第二板部２２の両方に跨っている。

本接合工程は、図５に示すように、回転ツールＦ（本接合用回転ツール）を用いて第一金属部材１０と第二金属部材２０の摩擦攪拌接合を行う工程である。本実施形態では、本接合用回転ツールと仮接合用回転ツールは、同一の回転ツールＦを用いている。本接合工程では、右回転させた回転ツールＦを補助部材３０の表面３２（裏面３１の逆側の面）側から挿入し、重合部Ｊに達するように、攪拌ピンＦ２の挿入深さを設定する。

本接合工程では、攪拌ピンＦ２のみを補助部材３０、第二金属部材２０および第一金属部材１０に接触させ、攪拌ピンＦ２の基端側は露出させた状態で摩擦攪拌接合を行う。そして、重合部Ｊに沿って回転ツールＦを移動させる。これにより、重合部Ｊにおいて、補助部材３０、第一金属部材１０および第二金属部材２０が摩擦攪拌接合される。回転ツールＦの移動軌跡には、塑性化領域Ｗ１が形成される。

本接合工程後には、図６に示すように、補助部材３０は、塑性化領域Ｗ１によって第一板部２１と第二板部２２側とに分断される。また、分断された補助部材３０，３０の端部にはバリＶ，Ｖが形成されている。

除去工程は、図７に示すように、バリＶを第二金属部材２０から除去する工程である。除去工程では、例えば手作業により、補助部材３０を第一板部２１および第二板部２２から離間する方向に折り曲げて、補助部材３０を第二金属部材２０から除去する。補助部材３０にはバリＶが一体化しているので、補助部材３０を除去することでバリＶも除去される。

以上説明した第一実施形態に係る接合方法によれば、図８に示すように、第一金属部材１０と第二金属部材２０とが接合されるとともに、第一金属部材１０および第二金属部材２０に加えて、補助部材３０も同時に摩擦攪拌接合することにより、接合部（塑性化領域Ｗ１）の金属不足を防ぐことができる。

また、回転ツールＦの攪拌ピンＦ２のみを補助部材３０、第一金属部材１０および第二金属部材２０に接触させた状態で摩擦攪拌接合を行うことにより、摩擦攪拌装置に作用する負荷を軽減することができる。

また、第一実施形態に係る接合方法では、図５に示すように、本接合工程および仮接合工程において、回転ツールＦの攪拌ピンＦ２のみを金属部材に接触させて摩擦攪拌しているため、入熱量を少なくすることができ、第一金属部材１０および第二金属部材２０の熱歪みを小さくすることができる。

また、第一実施形態に係る接合方法では、図４に示すように、内隅部２５に補助部材３０を配置し、補助部材３０、第一金属部材１０および第二金属部材２０を同時に摩擦攪拌接合しているため、内隅部２５の金属不足を補うことができる。

また、第一実施形態に係る接合方法では、図６に示すように、本接合工程によって補助部材３０にバリＶ，Ｖが形成されるが、図７に示すように、除去工程において、バリＶを補助部材３０ごと取り除くことができる。これにより、バリＶを除去する工程を容易に行うことができる。補助部材３０は、除去装置等を用いて除去してもよいが、第一実施形態では、手作業で容易に補助部材３０を取り除くことができる。

また、第一実施形態に係る接合方法では、仮接合工程を行うため、本接合工程を行う際の重合部Ｊの目開きを防ぐことができる。

また、第一実施形態に係る接合方法では、図２に示すように、回転ツールＦの攪拌ピンＦ２のみを金属部材に接触させた状態で重合部Ｊのスポット仮接合を行うことにより、摩擦攪拌装置に作用する負荷を軽減することができる。また、重合部の全長に対して仮接合を行う場合と比べて工程時間を短くすることができる。

また、第一実施形態では、仮接合工程を行う回転ツールＦ（仮接合用回転ツール）と、本接合工程を行う回転ツールＦ（本接合用回転ツール）は同一のものを用いているので、各工程で回転ツールの交換を行う必要が無いため作業効率を高めることができる。

以上本発明の第一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設計変更が可能である。例えば、仮接合用回転ツールまたは本接合用回転ツールに、ショルダ部および攪拌ピンを備えた回転ツールを用いてもよい。また、仮接合工程と、本接合工程とで異なる回転ツールを用いてもよい。仮接合工程は、必ずしも行わなくてもよく、省略してもよい。

また、第一実施形態の本接合工程では、回転ツールＦの攪拌ピンＦ２の先端部を補助部材３０から第二金属部材２０、第一金属部材１０まで到達させているが、これに限定されるものではない。塑性化領域が第一金属部材１０に所定深さで形成されるならば、攪拌ピンＦ２の先端が第一金属部材１０まで到達していなくてもよい。

また、第一実施形態では、図１に示すように、第一金属部材１０の外隅部２４が丸面取りされており、重合部Ｊに隙間Ｓ，Ｓを設ける構成としたが、これに限定されるものではない。たとえば、外隅部に平坦な傾斜部を形成する等して、隙間Ｓが無いように構成してもよい。

［第二実施形態］
次に、本発明の第二実施形態に係る接合方法の補助部材配置工程、本接合工程および除去工程について、図９〜図１２を参照して詳細に説明する。第二実施形態に係る接合方法は、図９に示すように、補助部材３５の形状と、補助部材配置工程において補助部材３５を第二金属部材２０に配置する位置が第一実施形態と相違する。第二実施形態に係る接合方法では、第一実施形態の接合方法と相違する点を中心に説明する。なお、第一金属部材１０や第二金属部材２０等は、第一実施形態と同一の構成であるので、同じ符号を付して説明を省略する。

第二実施形態の補助部材３５は、平板形状を呈している。第二実施形態の補助部材配置工程では、図９に示すように、補助部材３５の裏面３６を、第二金属部材２０の内隅部２５における第一板部２１および第二板部２２のいずれか一方（本実施形態では第二板部２２）の表面に面接触させる。これとともに、補助部材３５の端面３７を、内隅部２５における第一板部２１および第二板部２２のいずれか他方（本実施形態では第一板部２１）の表面に突き合わせる。

第二実施形態の本接合工程では、図１０に示すように、回転ツールＦ（本接合用回転ツール）を右回転させるため、螺旋溝は、基端から先端に向かうにつれて左回りに形成されている。また、本接合工程では、図１０の手前側から奥側に向けて回転ツールＦを相対移動させる。

第二実施形態の本接合工程では、攪拌ピンＦ２を補助部材３５の表面（裏面３６の逆の面）側から挿入する。右回転させた回転ツールＦの攪拌ピンＦ２のみを補助部材３５、第一金属部材１０および第二金属部材２０に接触させた状態で摩擦攪拌接合を行う。これにより、重合部Ｊにおいて、補助部材３５、第一金属部材１０および第二金属部材２０が摩擦攪拌接合されて塑性化領域Ｗ１が形成される。

第二実施形態では、回転ツールＦを右回転させているため、第二板部２２側は、回転ツールＦの外周における接線速度の大きさから送り速度の大きさが減算される側（Ｒｅ側（Retreating side））である。一方、第一板部２１側は、回転ツールＦの外周における接線速度の大きさから送り速度の大きさが加算される側（Ａｄ側（Advancing side））である。

回転ツールＦの回転速度が遅い場合では、塑性化領域Ｗ１の第二板部２２側（Ｒｅ側）に比べて、第一板部２１側（Ａｄ側）の方が塑性流動材の温度が上昇し易くなるため、第一板部２１側（Ａｄ側）にバリが多く発生する傾向にある。一方、回転ツールＦの回転速度が速い場合には、第一板部２１側（Ａｄ側）の方が塑性流動材の温度が上昇するものの、回転速度が速い分、第二板部２２側（Ｒｅ側）にバリが発生する傾向にある。

上記したように、本接合工程の際に、回転ツールＦの進行方向のどちら側にバリＶが発生するかは接合条件によって異なる。接合条件とは、回転ツールＦの回転速度、回転方向、移動速度（送り速度）、第一金属部材１０、第二金属部材２０および補助部材３５の材料、各部材の厚さ等の各要素と、これらの要素の組み合わせで決定される。本接合工程では、バリＶが補助部材３５に形成されるように接合条件を設定する。

第二実施形態の本接合工程では、回転ツールＦの回転速度を速く設定しているため、第二板部２２側（Ｒｅ側）にバリＶが形成される。バリＶは、補助部材３５の端部に繋がって形成される（図１１参照）。

第二実施形態の除去工程では、図１２に示すように、補助部材３５を第二金属部材２０の第二板部２２から除去することで、バリＶを片側に残存する補助部材３５ごと除去することができるため、バリＶを除去する工程を容易に行うことができる。また、回転ツールＦの回転速度を速く設定することにより、回転ツールＦの移動速度（送り速度）を高めることができる。これにより、接合サイクルを短くすることができる。

以上説明した第二実施形態に係る接合方法によれば、第一実施形態と同様の作用効果を得ることができる。なお、第二実施形態では、補助部材３５が第一実施形態より小さいので、補助部材３５の材料ロスを軽減することができる。

［第三実施形態］
次に、本発明の第三実施形態に係る接合方法について、図１３〜図１８を参照して詳細に説明する。第三実施形態に係る接合方法は、図１６に示すように、補助部材４０の形状と、第一金属部材側から攪拌ピンを挿入して摩擦攪拌接合を行う点が第一実施形態と相違する。第三実施形態に係る接合方法は、重ね合せ工程と、仮接合工程と、補助部材配置工程と、本接合工程と、除去工程と、を行う。なお、第一金属部材１０と第二金属部材２０の形状は、第一実施形態と同等であるので、同じ符号を付して説明を省略する。

第三実施形態の重ね合せ工程では、図１３に示すように、断面Ｌ字形状の第二金属部材２０の外隅部２４と、平板形状の第一金属部材１０の一方の表面１１（下側の表面）とを重ね合せて重合部Ｊを形成する。具体的には、第二金属部材２０の外隅部２４を上側にして、第二金属部材２０を設置し、その上に第一金属部材１０を設置する。このとき、第一金属部材１０と第二金属部材２０の第一板部２１とが成す角度と、第一金属部材１０と第二金属部材２０の第二板部２２とが成す角度が、ともに４５度となるようにする。このように重ね合せ工程では、第一金属部材１０の表面１１（下側の表面）に、第二金属部材２０の外隅部２４が重ね合わせられると、重合部Ｊが形成される。第一金属部材１０と第二金属部材２０は、ともに図示しない固定治具で仮固定する。

第三実施形態の仮接合工程では、図１４に示すように、回転ツールＦ（仮接合用回転ツール）を用いて第一金属部材１０と第二金属部材２０との重合部Ｊに対して仮接合を行う。仮接合工程では、回転させた回転ツールＦの攪拌ピンＦ２のみを第一金属部材１０の他方の表面１２（上側の表面）に挿入して、攪拌ピンＦ２の先端を重合部Ｊに接触させてスポットで仮接合を行う。仮接合工程では、所定の間隔をあけて攪拌ピンＦ２のみを重合部Ｊに浅く（攪拌ピンＦ２の先端が第二金属部材２０の外隅部２４の表面に届く程度の深さ）押し込んでいく。攪拌ピンＦ２の押し込み跡には、塑性化領域Ｗ０が形成される。

第三実施形態の仮接合工程では、回転ツールＦ（仮接合用回転ツール）を用いて摩擦攪拌接合を行うことで、仮接合を行っているが、これに限定されるものではない。第一金属部材１０の他方の表面１２側から溶接で仮接合を行うようにしてもよい。

第三実施形態の補助部材４０は、平板形状を呈している。第三実施形態の補助部材配置工程では、図１５に示すように、第二金属部材２０の外隅部２４に対応する位置の第一金属部材１０の他方の表面１２を覆うように補助部材４０を配置する。第一金属部材１０の他方の表面１２には、補助部材４０の裏面４１を面接触させる。補助部材４０は、重合部Ｊを中心に両側に広がるように配置する。つまり、補助部材４０の中央部４３が重合部Ｊに沿うように配置する。

第三実施形態の本接合工程では、図１６に示すように、回転させた回転ツールＦの攪拌ピンＦ２を、第一金属部材１０の他方の表面１２側（補助部材４０の表面側）から補助部材４０に挿入する。攪拌ピンＦ２は、補助部材４０の中央部４３に挿入する。攪拌ピンＦ２は、その先端部が重合部Ｊに達するところまで挿入する。このとき、攪拌ピンＦ２のみを補助部材４０、第一金属部材１０および第二金属部材２０に接触させて、摩擦攪拌接合を行う。攪拌ピンＦ２の基端側は露出させた状態で、回転ツールＦを重合部Ｊに沿って移動させる。これにより、重合部Ｊにおいて、補助部材４０、第一金属部材１０および第二金属部材２０が摩擦攪拌接合される。回転ツールＦの移動軌跡には、塑性化領域Ｗ１が形成される。

本接合工程後には、補助部材４０は、塑性化領域Ｗ１によって左右に分断される。分断された補助部材４０，４０の端部にはバリＶ，Ｖが形成されている。

第三実施形態の除去工程では、図１７に示すように、バリＶと一体化した補助部材４０を第一金属部材１０から除去する。除去工程では、例えば手作業により、補助部材４０を第一金属部材１０の他方の表面１２から離間する方向に折り曲げて、補助部材４０を第一金属部材１０から除去する。

以上説明した第三実施形態に係る接合方法によれば、第一実施形態と同様の作用効果を得ることができる。なお、接合部（塑性化領域Ｗ１）の金属不足を防ぐことができることより、第三実施形態では、図１８に示すように、第一金属部材１０の他方の表面１２と塑性化領域Ｗ１の表面を略面一とすることができる。

［第四実施形態］
次に、本発明の第四実施形態に係る接合方法の補助部材配置工程、本接合工程および除去工程について、図１９〜図２１を参照して詳細に説明する。第四実施形態に係る接合方法は、図１９に示すように、補助部材配置工程において補助部材４５を第一金属部材１０に配置する位置が第三実施形態と相違する。第四実施形態に係る接合方法では、第三実施形態の接合方法と相違する点を中心に説明する。なお、第一金属部材１０や第二金属部材２０等は、第三実施形態と同一の構成であるので、同じ符号を付して説明を省略する。

図１９に示すように、第四実施形態の補助部材４５は、平板形状を呈していて、第三実施形態の補助部材４５の幅寸法の略半分の幅寸法を備えている。ここで、補助部材４５の端面４７を通り第一金属部材１０の他方の表面１２に直交する線を基準線Ｌとする。

第四実施形態の補助部材配置工程では、第一金属部材１０の他方の表面１２において、第二金属部材２０の外隅部２４に対応する位置を挟んだ第一板部２１側および第二板部２２側のいずれか一方（本実施形態では第二板部２２側）に、補助部材４５を載置する。補助部材４５の端部を通過する基準線Ｌが第二金属部材２０の外隅部２４の中央部を通過するように、補助部材４５を配置する。

第四実施形態の本接合工程では、図２０に示すように、回転させた回転ツールＦの攪拌ピンＦ２を、第一金属部材１０の他方の表面１２側（補助部材４５の表面側）から補助部材４５に挿入する。回転ツールＦの回転中心軸が基準線Ｌと重なる位置に、攪拌ピンＦ２を挿入し、回転中心軸と基準線Ｌとが重なった状態を保持しつつ重合部Ｊに沿って攪拌ピンＦ２を移動させる。これにより、重合部Ｊにおいて、補助部材４５、第一金属部材１０および第二金属部材２０が摩擦攪拌接合されて塑性化領域Ｗ１が形成される。
図１０に示すように、

第四実施形態の本接合工程では、回転ツールＦ（本接合用回転ツール）を右回転させるため、螺旋溝は、基端から先端に向かうにつれて左回りに形成されている。また、本接合工程では、図２０の手前側から奥側に向けて回転ツールＦを相対移動させる。右回転させた回転ツールＦの攪拌ピンＦ２のみを補助部材４５、第一金属部材１０および第二金属部材２０に接触させた状態で摩擦攪拌接合を行う。

第四実施形態では、回転ツールＦを右回転させているため、第二板部２２側（図２０中、右側）は、回転ツールＦの外周における接線速度の大きさから送り速度の大きさが減算される側（Ｒｅ側）である。一方、第一板部２１側（図２０中、左側）は、回転ツールＦの外周における接線速度の大きさから送り速度の大きさが加算される側（Ａｄ側）である。

回転ツールＦの回転速度が遅い場合では、塑性化領域Ｗ１の第二板部２２側（Ｒｅ側）に比べて、第一板部２１側（Ａｄ側）の方が塑性流動材の温度が上昇し易くなるため、第一板部２１側（Ａｄ側）にバリが多く発生する傾向にある。一方、回転ツールＦの回転速度が速い場合には、第一板部２１側（Ａｄ側）の方が塑性流動材の温度が上昇するものの、回転速度が速い分、第二板部２２側（Ｒｅ側）にバリが発生する傾向にある。上記したように、本接合工程の際に、回転ツールＦの進行方向のどちら側にバリＶが発生するかは接合条件によって異なる。接合条件とは、回転ツールＦの回転速度、回転方向、移動速度（送り速度）、移動方向、第一金属部材１０、第二金属部材２０および補助部材４５の材料、各部材の厚さ等の各要素と、これらの要素の組み合わせで決定される。本接合工程では、バリＶが補助部材４５に形成されるように接合条件を設定する。

第四実施形態の本接合工程では、回転ツールＦの回転速度を速く設定しているため、補助部材４５の第二板部２２側（Ｒｅ側）にバリＶが形成される。バリＶは、補助部材４５の端部に繋がって形成される（図１１参照）。

第四実施形態の除去工程では、図２１に示すように、補助部材４５を第一金属部材１０の他方の表面１２から除去することで、残存する補助部材４５ごとバリＶを除去することができるため、バリＶを除去する工程を容易に行うことができる。また、回転ツールＦの回転速度を速く設定することにより、回転ツールＦの移動速度（送り速度）を高めることができる。これにより、接合サイクルを短くすることができる。

以上説明した第四実施形態に係る接合方法によれば、第三実施形態と同様の作用効果を得ることができる。なお、第四実施形態では、補助部材４５が第三実施形態より小さいので、補助部材４５の材料ロスを軽減することができる。

［第五実施形態］
次に、本発明の第五実施形態に係る接合方法の補助部材配置工程、本接合工程について、図２２および図２３を参照して説明する。第五実施形態に係る接合方法は、図２２に示すように、補助部材配置工程において、補助部材４５を第一金属部材１０に配置する位置が第四実施形態と相違する。

第五実施形態の補助部材配置工程では、第一金属部材１０の他方の表面１２において、第二金属部材２０の外隅部２４に対応する位置を挟んだ第一板部２１側および第二板部２２側のいずれか一方（本実施形態では第二板部２２側）に、補助部材４５を載置する。これとともに、補助部材４５の端部が外隅部２４に対応する位置を挟んで第一板部側および前記第二板部側のいずれか他方側（本実施形態では第一板部２１側）に突出するように補助部材４５を配置する。具体的には、補助部材４５の９割程度を、外隅部２４に対応する位置よりも第二板部２２側に配置し、補助部材４５の残りの１割程度を外隅部２４に対応する位置よりも第一板部２１側に配置する。つまり、第二板部２２側に配置された補助部材４５の端部が僅かに第一板部２１側に突出するように配置する。

第五実施形態の本接合工程では、本接合工程を行った後に回転ツールの片側のみに補助部材４５が残存する（図２３参照）程度に回転ツールの回転中心軸を基準線Ｌよりも補助部材４５の中央側に偏移させて攪拌ピンを移動させる。つまり、本接合工程を行った後に回転ツールの片側のみに補助部材４５が残存する程度に補助部材４５の端部が外隅部２４に対応する位置を挟んで第一板部側および前記第二板部側のいずれか他方側に突出するように補助部材４５を配置する。本実施形態では、回転ツールの回転中心軸が第二金属部材２０の外隅部２４の中心部に位置するように攪拌ピンを偏移させる。つまり、第二板部２２側に配置された補助部材４５の端部が僅かに第一板部２１側に突出するように配置する。

本接合工程の際に、回転ツールＦの進行方向のどちら側にバリＶが発生するかは接合条件によって異なる。本接合工程では、バリＶが残存する補助部材４５に形成されるように接合条件を設定する。

以上説明した第五実施形態に係る接合方法によれば、第三実施形態と同様の作用効果を得ることができる。なお、第五実施形態では、補助部材４５の材料ロスを軽減できるとともに、攪拌ピンの周囲に第四実施形態よりも多くの補助部材４５が位置するので、接合部に多くの金属を供給することができる。

１０ 第一金属部材
１１ 一方の表面
１２ 他方の表面
２０ 第二金属部材
２１ 第一板部
２２ 第二板部
２４ 外隅部
２５ 内隅部
３０ 補助部材
３１ 裏面
３５ 補助部材
３６ 裏面
３７ 端面
４０ 補助部材
４１ 裏面
４３ 中央部
４５ 補助部材
４７ 端面
Ｆ 回転ツール
Ｆ２ 攪拌ピン
Ｈ 溶接トーチ
Ｊ 重合部
Ｌ 基準線
Ｖ バリ
Ｗ０ 塑性化領域
Ｗ１ 塑性化領域

Claims (14)

1. 攪拌ピンを備えた本接合用回転ツールを用いて第一金属部材と第二金属部材とを摩擦攪拌で接合する接合方法であって、
   前記第一金属部材は、平板形状の板材にて構成されており、
   前記第二金属部材は、第一板部と、当該第一板部から折れ曲がる第二板部とを備え断面Ｌ型形状の屈曲板材にて構成されており、
   前記第一金属部材の一方の表面と、前記第二金属部材の外隅部とを重ね合せて重合部を形成する重ね合せ工程と、
   前記第二金属部材の内隅部に、当該内隅部を覆うように断面Ｌ字形状の補助部材の裏面を面接触させて、前記第二金属部材に前記補助部材を配置する補助部材配置工程と、
   前記攪拌ピンを前記補助部材の表面側から挿入し、前記攪拌ピンのみを前記補助部材、前記第一金属部材および前記第二金属部材、または前記補助部材および前記第二金属部材に接触させた状態で、前記重合部に沿って前記本接合用回転ツールを移動させて前記補助部材、前記第一金属部材および前記第二金属部材の摩擦攪拌接合を行う本接合工程と、
   バリが形成された前記補助部材を、前記第二金属部材から除去する除去工程と、を含むことを特徴とする接合方法。
2. 攪拌ピンを備えた本接合用回転ツールを用いて第一金属部材と第二金属部材とを摩擦攪拌で接合する接合方法であって、
   前記第一金属部材は、平板形状の板材にて構成されており、
   前記第二金属部材は、第一板部と、当該第一板部から折れ曲がる第二板部とを備え断面Ｌ字形状の屈曲板材にて構成されており、
   前記第一金属部材の一方の表面と、前記第二金属部材の外隅部とを重ね合せて重合部を形成する重ね合せ工程と、
   前記第二金属部材の内隅部における前記第一板部および前記第二板部のいずれか一方の表面に平板形状の補助部材の裏面を面接触させるとともに、前記第一板部および前記第二板部のいずれか他方の表面に前記補助部材の端面を突き合わせて、前記第二金属部材に前記補助部材を配置する補助部材配置工程と、
   前記攪拌ピンを前記補助部材の表面側から挿入し、前記攪拌ピンのみを前記補助部材、前記第一金属部材および前記第二金属部材、または前記補助部材および前記第二金属部材に接触させた状態で、前記重合部に沿って前記本接合用回転ツールを移動させて前記補助部材、前記第一金属部材および前記第二金属部材の摩擦攪拌接合を行う本接合工程と、
   バリが形成された前記補助部材を、前記第二金属部材から除去する除去工程と、を含むことを特徴とする接合方法。
3. 前記補助部材配置工程の前に、前記第二金属部材の前記内隅部に仮接合用回転ツールの攪拌ピンのみを挿入してスポットで前記第一金属部材と前記第二金属部材の摩擦攪拌接合を行う仮接合工程を、さらに含む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. 前記本接合用回転ツールと前記仮接合用回転ツールは、同一の回転ツールであることを特徴とする請求項３に記載の接合方法。
5. 前記補助部材配置工程の前に、前記第二金属部材の前記内隅部側からスポットで溶接を行い前記第一金属部材と前記第二金属部材とを接合する仮接合工程を、さらに含む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。
6. 前記溶接は、ＭＩＧ溶接、ＴＩＧ溶接またはレーザー溶接であることを特徴とする請求項５に記載の接合方法。
7. 攪拌ピンを備えた本接合用回転ツールを用いて第一金属部材と第二金属部材とを摩擦攪拌で接合する接合方法であって、
   前記第一金属部材は、平板形状の板材にて構成されており、
   前記第二金属部材は、第一板部と、当該第一板部から折れ曲がる第二板部とを備え断面Ｌ型形状の屈曲板材にて構成されており、
   前記第一金属部材の一方の表面と、前記第二金属部材の外隅部とを重ね合せて重合部を形成する重ね合せ工程と、
   前記第二金属部材の外隅部に対応する位置の前記第一金属部材の他方の表面を覆うように平板形状の補助部材の裏面を面接触させて、前記第一金属部材に前記補助部材を配置する補助部材配置工程と、
   前記攪拌ピンを前記補助部材の表面側から挿入し、前記攪拌ピンのみを前記補助部材、前記第一金属部材および前記第二金属部材、または前記補助部材および前記第一金属部材に接触させた状態で、前記重合部に沿って前記本接合用回転ツールを移動させて前記補助部材、前記第一金属部材および前記第二金属部材の摩擦攪拌接合を行う本接合工程と、
   バリが形成された前記補助部材を、前記第一金属部材から除去する除去工程と、を含むことを特徴とする接合方法。
8. 前記補助部材配置工程では、前記補助部材が前記重合部を中心に両側に広がるように前記補助部材を配置し、
   前記本接合工程では、前記補助部材の中央部に前記攪拌ピンを挿入することを特徴とする請求項７に記載の接合方法。
9. 前記補助部材の端面を通り前記第一金属部材に直交する線を基準線とした場合、
   前記補助部材配置工程では、前記基準線が前記第二金属部材の外隅部を通過するように前記補助部材を配置し、
   前記本接合工程では、前記本接合用回転ツールの回転中心軸と前記基準線とが重なるように前記攪拌ピンを移動させるとともに、バリが前記補助部材に形成されるように接合条件を設定することを特徴とする請求項７に記載の接合方法。
10. 前記補助部材の端面を通り前記第一金属部材に直交する線を基準線とした場合、
    前記補助部材配置工程では、前記第一金属部材の他方の表面において前記第二金属部材の外隅部に対応する位置を挟んだ第一板部側および第二板部側のいずれか一方に前記補助部材を載置しつつ、前記補助部材の端部が前記外隅部に対応する位置を挟んで前記第一板部側および前記第二板部側のいずれか他方側に突出するように前記補助部材を配置し、
    前記本接合工程では、前記本接合工程を行った後に前記本接合用回転ツールの片側のみに前記補助部材が残存する程度に前記本接合用回転ツールの回転中心軸を前記基準線よりも前記補助部材の中央側に偏移させて前記攪拌ピンを移動させるとともに、残存する前記補助部材にバリが形成されるように接合条件を設定することを特徴とする請求項７に記載の接合方法。
11. 前記補助部材配置工程の前に、前記第二金属部材の外隅部に対応する位置の前記第一金属部材の他方の表面に仮接合用回転ツールの攪拌ピンのみを挿入してスポットで前記第一金属部材と前記第二金属部材の摩擦攪拌接合を行う仮接合工程を、さらに含むことを特徴とする請求項７乃至請求項１０のいずれか１項に記載の接合方法。
12. 前記本接合用回転ツールと前記仮接合用回転ツールは、同一の回転ツールであることを特徴とする請求項１１に記載の接合方法。
13. 前記補助部材配置工程の前に、前記第二金属部材の外隅部に対応する位置の前記第一金属部材の他方の表面にスポットで溶接を行い前記第一金属部材と前記第二金属部材とを接合する仮接合工程を、さらに含むことを特徴とする請求項７乃至請求項１０のいずれか１項に記載の接合方法。
14. 前記溶接は、ＭＩＧ溶接、ＴＩＧ溶接またはレーザー溶接であることを特徴とする請求項１３に記載の接合方法。

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