JP7056348B2 - 摩擦攪拌接合方法 - Google Patents

Description

本発明は、摩擦攪拌接合方法に関する。

摩擦攪拌接合に用いられる回転ツールとして、ショルダ部と、ショルダ部から垂下する攪拌ピンとを備えたものが知られている。当該回転ツールは、ショルダ部の下端面を金属部材に押し込んだ状態で摩擦攪拌接合を行うというものである。ショルダ部を金属部材に押し込むことにより塑性流動材を押えてバリの発生を抑制することができる。しかし、接合の高さ位置が変化すると欠陥が発生しやすく、段差凹溝が大きくなるとともにバリが多く発生するという問題がある。

一方、攪拌ピンを備えた回転ツールを用いて二つの金属部材を接合する摩擦攪拌接合方法であって、金属部材同士の突合せ部に回転した攪拌ピンを挿入し、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本接合工程を含むことを特徴とする摩擦攪拌接合方法が知られている（特許文献１）。当該従来技術によれば、攪拌ピンの外周面には螺旋溝が刻設されており、攪拌ピンのみを被接合部材に接触させつつ基端部を露出させた状態で摩擦攪拌接合を行うため、接合の高さ位置が変化しても欠陥の発生を抑制することができるとともに、摩擦攪拌装置への負荷も軽減することができる。しかし、ショルダ部で塑性流動材を押えないため、金属部材の表面の段差凹溝が大きくなるとともに、接合表面粗さが大きくなるという問題がある。また、段差凹溝の脇に膨出部（接合前に比べて金属部材の表面が膨らむ部位）が形成されるという問題がある。

他方、特許文献２には、ショルダ部と、ショルダ部から垂下する攪拌ピンとを備えた回転ツールが記載されている。ショルダ部及び攪拌ピンの外周面にはそれぞれテーパー面が形成されている。ショルダ部のテーパー面には、平面視渦巻き状の溝が形成されている。当該溝の断面形状は半円状になっている。テーパー面を設けることにより、金属部材の厚さや接合の高さ位置が変化しても安定して接合することができる。また、当該溝に塑性流動材が入り込むことにより、塑性流動材の流れを制御して好適な塑性化領域を形成できるというものである。

特開２０１３－３９６１３号公報 特許第４２１０１４８号公報

しかし、特許文献２の従来技術であると、塑性流動材がテーパー面の溝の内部に入り込んでしまうため、溝が機能しなくなるという問題がある。また、当該溝に塑性流動材が入り込むと、塑性流動材が溝に付着した状態で摩擦攪拌されるため、被接合金属部材と付着物とが擦れ合って接合品質が低下するという問題がある。さらに、被接合金属部材の表面が粗くなり、バリが多くなるとともに、金属部材の表面の段差凹溝も大きくなるという問題がある。

このような観点から、本発明は、金属部材の表面の段差凹溝を小さくすることができるとともに、接合表面粗さを小さくすることができる摩擦攪拌接合方法を提供することを課題とする。

このような課題を解決するために本発明は、大径部の端部に小径部を備えた柱状の第一金属部材と、前記大径部と略同等の外径を有する筒状の第二金属部材とを端面同士で突き合わせて形成された被接合金属部材の突合せ部に対して基端側ピンと先端側ピンとを備える回転ツールを用いて摩擦攪拌を行う摩擦攪拌接合方法であって、前記基端側ピンのテーパー角度は、１３５～１６０°であって前記先端側ピンのテーパー角度よりも大きくなっており、前記基端側ピンの外周面には階段状の段差部が形成されており、前記先端側ピンの先端側には、前記回転ツールの回転軸に垂直な平坦面が形成されるとともに、前記平坦面に突出する突起部が形成されており、回転した前記回転ツールの前記先端側ピンを前記突合せ部に挿入しつつ、前記基端側ピンの外周面を前記第一金属部材及び前記第二金属部材の外周面に接触させ、前記基端側ピンと前記平坦面とを前記第一金属部材及び前記第二金属部材に接触させつつ、前記突起部の先端面を前記第一金属部材の前記小径部の外周面の位置よりも深く挿入した状態で、前記回転ツールを前記被接合金属部材の周囲で一周させることを特徴とする。

また、本発明は、円柱状の大径部の端部に円柱状の小径部を備えた第一金属部材と、前記大径部と略同等の外径を有する円筒状の第二金属部材とを端面同士で突き合わせて形成された被接合金属部材の突合せ部に対して基端側ピンと先端側ピンとを備える回転ツールを用いて摩擦攪拌を行う摩擦攪拌接合方法であって、前記基端側ピンのテーパー角度は、１３５～１６０°であって前記先端側ピンのテーパー角度よりも大きくなっており、前記基端側ピンの外周面には階段状の段差部が形成されており、前記先端側ピンの先端側には、前記回転ツールの回転軸に垂直な平坦面が形成されるとともに、前記平坦面に突出する突起部が形成されており、回転した前記回転ツールの前記先端側ピンを前記突合せ部に挿入しつつ、前記基端側ピンの外周面を前記第一金属部材及び前記第二金属部材の外周面に接触させ、前記基端側ピンと前記平坦面とを前記第一金属部材及び前記第二金属部材に接触させつつ、前記突起部の先端面を前記第一金属部材の前記小径部の外周面の位置よりも深く挿入した状態で、前記回転ツールを前記被接合金属部材の周囲で一周させることを特徴とする。

かかる接合方法によれば、テーパー角度の大きい基端側ピンの外周面で金属部材を押えることができるため、接合表面の段差凹溝を小さくすることができるとともに、段差凹溝の脇に形成される膨出部を無くすか若しくは小さくすることができる。階段状の段差部は浅く、かつ、出口が広いため、基端側ピンで金属部材を押えても基端側ピンの外周面に塑性流動材が付着し難い。このため、接合表面粗さを小さくすることができるとともに、接合品質を好適に安定させることができる。また、先端側ピンを備えることにより深い位置まで容易に挿入することができる。また、かかる接合方法によれば、突起部に沿って摩擦攪拌されて突起部に巻き上げられた塑性流動材は平坦面で押えられる。これにより、突起部周りをより確実に摩擦攪拌することができるとともに界面の酸化被膜が確実に分断されるので、接合強度を高めることができる。

また、前記突合せ部に形成される塑性化領域の始端と終端とがオーバーラップしており、前記塑性化領域の一部が重複していることが好ましい。かかる接合方法によれば、塑性化領域の一部が重複していることにより、接合部の水密性及び気密性を向上させることができる。

また、前記回転ツールの回転中心軸を前記突合せ部よりも前記第一金属部材側に位置させた状態で前記被接合金属部材の周囲で一周させることが好ましい。摩擦攪拌接合によって形成される塑性化領域には接合欠陥が形成されるおそれがあり、当該接合欠陥が中空部材である第二金属部材側に形成されると水密性及び気密性が低下するおそれがある。しかし、かかる接合方法によれば、接合欠陥が形成されたとしても、第二金属部材から離れた位置に形成されるため水密性及び気密性の低下を抑制することができる。

また、前記第一金属部材が前記回転ツールの進行方向左側に位置する場合、前記回転ツールを右回転させ、前記第一金属部材が前記回転ツールの進行方向右側に位置する場合、前記回転ツールを左回転させることが好ましい。摩擦攪拌接合においては、回転ツールを右回転させると進行方向左側、左回転させると進行方向右側に接合欠陥が発生する可能性があり、中空部材である第二金属部材に近い位置に当該接合欠陥が形成されると水密性及び気密性が低下するおそれがある。しかし、かかる接合方法によれば、接合欠陥が形成されたとしても、第二金属部材から離れた位置に形成されるため、水密性及び気密性の低下を抑制することができる。

また、前記突合せ部に形成される塑性化領域の終端から前記回転ツールを前記第一金属部材側に向けて移動させて、前記回転ツールの引抜位置を前記第一金属部材に設けることが好ましい。かかる接合方法によれば、被接合金属部材の内部に金属材料が流出するのを防ぐことができる。また、回転ツールの引抜跡が第二金属部材から離れた位置に形成されるため、水密性及び気密性の低下を抑制することができる。

また、前記回転ツールで摩擦攪拌接合する工程に先だって、前記突合せ部の一部を前記回転ツールよりも小型の仮接合用回転ツールを用いて仮接合することが好ましい。かかる接合方法によれば、前記回転ツールで摩擦攪拌を行う際の第一金属部材と第二金属部材の目開きを防ぐことができる。

また、前記段差部は、段差底面と、段差側面とで構成されており、前記段差部の段差底面と段差側面とでなす段差角度は８５～１２０°になっており、前記先端側ピンの外周面には螺旋溝が刻設されており、前記螺旋溝は、螺旋底面と、螺旋側面とで構成されており、前記螺旋底面と前記螺旋側面とで構成される螺旋角度が４５°～９０°であることが好ましい。
また、前記基端側ピンの外周面の高さ方向の中央部あたりが前記第一金属部材及び前記第二金属部材の外周面と接触するように挿入することが好ましい。

本発明に係る摩擦攪拌接合方法によれば、金属部材の表面の段差凹溝を小さくすることができるとともに、接合表面粗さを小さくすることができる。

本発明の実施形態に係る接合方法に用いる本接合用回転ツールを示す側面図である。 本接合用回転ツールの拡大断面図である。 本接合用回転ツールの第一変形例を示す断面図である。 本接合用回転ツールの第二変形例を示す断面図である。 本接合用回転ツールの第三変形例を示す断面図である。 本発明の第一実施形態に係る被接合金属部材を示す分解斜視図である。 本発明の第一実施形態に係る被接合金属部材の突き合わせ状態を示す断面図である。 第一実施形態に係る被接合金属部材を接合した状態を示す斜視図である。 第一実施形態に係る摩擦攪拌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摩擦攪拌接合方法の本接合工程の開始段階を示す斜視図である。 図９のＩ－Ｉ断面図である。 第一実施形態に係る摩擦攪拌接合方法の本接合工程の途中段階を示す斜視図である。 第一実施形態に係る摩擦攪拌接合方法の本接合工程の終了段階を示す斜視図である。 従来の回転ツールを示す概念図である。 従来の回転ツールを示す概念図である。 本接合工程の変形例を示す断面図である。 本接合工程の変形例を示す平面図である。

本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら説明する。まずは、本実施形態に係る接合方法で用いる本接合用回転ツール（回転ツール）Ｆについて説明する。本接合用回転ツールＦは、摩擦攪拌接合に用いられるツールである。図１に示すように、本接合用回転ツールＦは、例えば工具鋼で形成されており、基軸部Ｆ１と、基端側ピンＦ２と、先端側ピンＦ３とで主に構成されている。基軸部Ｆ１は、円柱状を呈し、摩擦攪拌装置の主軸に接続される部位である。

基端側ピンＦ２は、基軸部Ｆ１に連続し、先端に向けて先細りになっている。基端側ピンＦ２は、円錐台形状を呈する。基端側ピンＦ２のテーパー角度Ａは適宜設定すればよいが、例えば、１３５～１６０°になっている。テーパー角度Ａが１３５°未満であるか、又は、１６０°を超えると摩擦攪拌後の接合表面粗さが大きくなる。テーパー角度Ａは、後記する先端側ピンＦ３のテーパー角度Ｂよりも大きくなっている。図２に示すように、基端側ピンＦ２の外周面には、階段状の段差部Ｆ２１が高さ方向の全体に亘って形成されている。段差部Ｆ２１は、右回り又は左回りで螺旋状に形成されている。つまり、段差部Ｆ２１は、平面視して螺旋状であり、側面視すると階段状になっている。本実施形態では、本接合用回転ツールＦを右回転させるため、段差部Ｆ２１は基端側から先端側に向けて左回りに設定している。

なお、本接合用回転ツールＦを左回転させる場合は、段差部Ｆ２１を基端側から先端側に向けて右回りに設定することが好ましい。これにより、段差部Ｆ２１によって塑性流動材が先端側に導かれるため、被接合金属部材の外部に溢れ出る金属を低減することができる。段差部Ｆ２１は、段差底面Ｆ２１ａと、段差側面Ｆ２１ｂとで構成されている。隣り合う段差部Ｆ２１の各頂点Ｆ２１ｃ，Ｆ２１ｃの距離Ｘ１（水平方向距離）は、後記する段差角度Ｃ及び段差側面Ｆ２１ｂの高さＹ１に応じて適宜設定される。

段差側面Ｆ２１ｂの高さＹ１は適宜設定すればよいが、例えば、０．１～０．４ｍｍで設定されている。高さＹ１が０．１ｍｍ未満であると接合表面粗さが大きくなる。一方、高さＹ１が０．４ｍｍを超えると接合表面粗さが大きくなる傾向があるとともに、有効段差部数（被接合金属部材と接触している段差部Ｆ２１の数）も減少する。

段差底面Ｆ２１ａと段差側面Ｆ２１ｂとでなす段差角度Ｃは適宜設定すればよいが、例えば、８５～１２０°で設定されている。段差底面Ｆ２１ａは、本実施形態では水平面と平行になっている。段差底面Ｆ２１ａは、ツールの回転軸から外周方向に向かって水平面に対して－５°～１５°内の範囲で傾斜していてもよい（マイナスは水平面に対して下方、プラスは水平面に対して上方）。距離Ｘ１、段差側面Ｆ２１ｂの高さＹ１、段差角度Ｃ及び水平面に対する段差底面Ｆ２１ａの角度は、摩擦攪拌を行う際に、塑性流動材が段差部Ｆ２１の内部に滞留して付着することなく外部に抜けるとともに、段差底面Ｆ２１ａで塑性流動材を押えて接合表面粗さを小さくすることができるように適宜設定する。

図１に示すように、先端側ピンＦ３は、基端側ピンＦ２に連続して形成されている。先端側ピンＦ３は円錐台形状を呈する。先端側ピンＦ３の先端には、回転軸に対して垂直な平坦面Ｆ４が形成されている。また、先端側ピンＦ３には、平坦面Ｆ４に突出する突起部Ｆ５が形成されている。つまり、平坦面Ｆ４と突起部Ｆ５とで段差部が形成されている。突起部Ｆ５は、先端側ピンＦ３と同軸になっている。突起部Ｆ５の形状は特に制限されないが、本実施形態では円柱状を呈する。突起部Ｆ５の側面に螺旋溝を形成してもよい。

先端側ピンＦ３のテーパー角度Ｂは、基端側ピンＦ２のテーパー角度Ａよりも小さくなっている。図２に示すように、先端側ピンＦ３の外周面には、螺旋溝Ｆ３１が刻設されている。螺旋溝Ｆ３１は、右回り、左回りのどちらでもよいが、本実施形態では本接合用回転ツールＦを右回転させるため、基端側から先端側に向けて左回りに刻設されている。

なお、本接合用回転ツールＦを左回転させる場合は、螺旋溝Ｆ３１を基端側から先端側に向けて右回りに設定することが好ましい。これにより、螺旋溝Ｆ３１によって塑性流動材が先端側に導かれるため、被接合金属部材の外部に溢れ出る金属を低減することができる。螺旋溝Ｆ３１は、螺旋底面Ｆ３１ａと、螺旋側面Ｆ３１ｂとで構成されている。隣り合う螺旋溝Ｆ３１の頂点Ｆ３１ｃ，Ｆ３１ｃの距離（水平方向距離）を長さＸ２とする。螺旋側面Ｆ３１ｂの高さを高さＹ２とする。螺旋底面Ｆ３１ａと、螺旋側面Ｆ３１ｂとで構成される螺旋角度Ｄは例えば、４５～９０°で形成されている。螺旋溝Ｆ３１は、被接合金属部材と接触することにより摩擦熱を上昇させるとともに、塑性流動材を先端側に導く役割を備えている。

本接合用回転ツールＦは、適宜設計変更が可能である。図３は、本発明の回転ツールの第一変形例を示す側面図である。図３に示すように、第一変形例に係る本接合用回転ツールＦＡでは、段差部Ｆ２１の段差底面Ｆ２１ａと段差側面Ｆ２１ｂとのなす段差角度Ｃが８５°になっている。段差底面Ｆ２１ａは、水平面と平行である。このように、段差底面Ｆ２１ａは水平面と平行であるとともに、段差角度Ｃは、摩擦攪拌中に段差部Ｆ２１内に塑性流動材が滞留して付着することなく外部に抜ける範囲で鋭角としてもよい。

図４は、本発明の本接合用回転ツールの第二変形例を示す側面図である。図４に示すように、第二変形例に係る本接合用回転ツールＦＢでは、段差部Ｆ２１の段差角度Ｃが１１５°になっている。段差底面Ｆ２１ａは水平面と平行になっている。このように、段差底面Ｆ２１ａは水平面と平行であるとともに、段差部Ｆ２１として機能する範囲で段差角度Ｃが鈍角となってもよい。

図５は、本発明の本接合用回転ツールの第三変形例を示す側面図である。図５に示すように、第三変形例に係る本接合用回転ツールＦＣでは、段差底面Ｆ２１ａがツールの回転軸から外周方向に向かって水平面に対して１０°上方に傾斜している。段差側面Ｆ２１ｂは、鉛直面と平行になっている。このように、摩擦攪拌中に塑性流動材を押さえることができる範囲で、段差底面Ｆ２１ａがツールの回転軸から外周方向に向かって水平面よりも上方に傾斜するように形成されていてもよい。上記の本接合用回転ツールの第一～第三変形例によっても、下記の実施形態と同等の効果を奏することができる。

次に、本実施形態で接合される第一金属部材１ａ及び第二金属部材１ｂについて説明する。図６Ａ及び図６Ｂに示すように、本実施形態では、略円柱状の第一金属部材１ａと、円筒状の第二金属部材１ｂとを摩擦攪拌により接合する。

第一金属部材１ａは、図６Ａに示すように、略円柱状を呈する金属部材であって、大径部２と、大径部２の端面１１ａに凸設された円柱状を呈する小径部３とを有する。大径部２及び小径部３は、同心軸で形成されている。第二金属部材１ｂは、円筒状を呈する金属部材である。第一金属部材１ａ及び第二金属部材１ｂは、略同等の外径からなり、第一金属部材１ａの小径部３の外径と、第二金属部材１ｂの内径は、略同等に形成されている。

第一金属部材１ａ及び第二金属部材１ｂ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１ａ及び第二金属部材１ｂは、本実施形態では、同一の金属材料で形成されているが、異なる金属材料を用いてもよい。

図７に示すように、第一金属部材１ａと第二金属部材１ｂとを突き合わせて形成される被接合金属部材１は、外周面に亘って本接合用回転ツールＦ（図１参照）を相対移動させて、摩擦攪拌接合によって一体化される。本実施形態に係る摩擦攪拌接合方法によって、例えば、密閉容器やトルクロッド等を形成することができる。

次に、第一金属部材実施形態に係る摩擦攪拌接合方法について説明する。本実施形態に係る摩擦攪拌接合工程では、突合せ工程と、仮接合工程と、本接合工程とを行う。

図６Ａ及び図６Ｂに示すように、突合せ工程は、第一金属部材１ａと第二金属部材１ｂとを端面同士で突き合わせて被接合金属部材１を形成する工程である。即ち、第一金属部材１ａの端面１１ａと、第二金属部材１ｂの端面１１ｂとを密着させる。前記したように、第一金属部材１ａの外径（大径部２の外径）と、第二金属部材１ｂの外径は、略同一に形成されているため、両部材を突き合せると互いの外周面１２ａ，１２ｂが面一になる。また、第一金属部材１ａの小径部３の外径と、第二金属部材１ｂの内径は、略同等に形成されているため、両部材を突き合せると小径部３の外周面１３ａと、第二金属部材１ｂの内周面１３ｂとが面接触する。

図６Ｂに示すように、第一金属部材１ａの端面１１ａと、第二金属部材１ｂの端面１１ｂとが突き合わされることにより、突合せ部Ｊ１が形成される。突合せ部Ｊ１は、被接合金属部材１の外周面に亘って連続して一周形成される。小径部３の外周面１３ａと、第二金属部材１ｂの内周面１３ｂとが突き合わされることにより、突合せ部Ｊ２が形成される。被接合金属部材１は、軸周りに回転可能な固定治具に移動不能に固定される。

図８に示すように、仮接合工程は、突合せ部Ｊ１を仮接合する工程である。仮接合工程では、右回転させた仮接合用回転ツールＧを突合せ部Ｊ１に沿って相対移動させる。本実施形態では、仮接合用回転ツールＧを回転軸周りに回転駆動させつつ、被接合金属部材１を軸周りに回転させる。本実施形態では、被接合金属部材１に対して仮接合用回転ツールＧが相対移動した際に、進行方向左側に第一金属部材１ａが配置されるように設定する。仮接合工程は、突合せ部Ｊ１に沿って連続して行ってもよいし、本実施形態のように断続的に行ってもよい。

図９に示すように、本接合工程は、基端側ピンＦ２と先端側ピンＦ３とを備える本接合用回転ツールＦを用いて突合せ部Ｊ１に対して本格的に摩擦攪拌接合を行う工程である。本接合工程では、まず、第一金属部材１ａに設定した開始位置ｓ１に右回転させた本接合用回転ツールＦを挿入する。そして、突合せ部Ｊ１に設定された第一中間点ｓ２に向けて本接合用回転ツールＦを相対移動させる。第一中間点ｓ２における塑性化領域Ｗの端部（始端Ｗａ）が、特許請求の範囲の「突合せ部に形成される塑性化領域の始端」となる部分である。

本接合用回転ツールＦが第一中間点ｓ２に到達したら、被接合金属部材１を軸周りに回転させる。本実施形態では、本接合用回転ツールＦの進行方向に対して、左側に第一金属部材１ａが配置されるように被接合金属部材１を回転させる。なお、本接合用回転ツールＦを左回転させる場合は、本接合用回転ツールＦの進行方向に対して、右側に第一金属部材１ａが配置されるように被接合金属部材１を回転させる。

図１０に示すように、本接合工程では、基端側ピンＦ２と先端側ピンＦ３とを第一金属部材１ａ及び第二金属部材１ｂに接触させた状態で摩擦攪拌接合を行う。回転する本接合用回転ツールＦの先端側ピンＦ３を突合せ部Ｊ１に挿入しつつ、基端側ピンＦ２の外周面で第一金属部材１ａ及び第二金属部材１ｂを押さえながら摩擦攪拌接合を行う。つまり、基端側ピンＦ２の外周面を第一金属部材１ａの外周面１２ａ及び第二金属部材１ｂの外周面１２ｂに接触させた状態で摩擦攪拌接合を行う。基端側ピンＦ２及び先端側ピンＦ３の挿入深さは、基端側ピンＦ２の外周面が第一金属部材１ａ及び第二金属部材１ｂを押さえることが可能な範囲で適宜設定すればよい。例えば、基端側ピンＦ２及び先端側ピンＦ３の挿入深さは、基端側ピンＦ２の外周面が第一金属部材１ａ及び第二金属部材１ｂを押さえることが可能な範囲であり、かつ、先端側ピンＦ３が小径部３の外周面１３ａに達するように設定してもよい。本実施形態では、平坦面Ｆ４が第一金属部材１ａ及び第二金属部材１ｂに接触するとともに、突起部Ｆ５の先端面Ｆ６が第一金属部材１ａのみに接触するように設定している。つまり、突起部Ｆ５の先端面Ｆ６を第一金属部材１ａの小径部３の外周面１３ａの位置よりも深く挿入している。また、本実施形態では、基端側ピンＦ２の外周面の高さ方向の中央部あたりが第一金属部材１ａ及び第二金属部材１ｂに接触するように設定している。そして、図１１Ａに示すように、被接合金属部材１に対して本接合用回転ツールＦを一定の高さに保った状態で突合せ部Ｊ１に沿って相対移動させる。本接合用回転ツールＦの移動軌跡には塑性化領域Ｗが形成される。

本接合用回転ツールＦが突合せ部Ｊ１を一周したら、第一中間点ｓ２を通過させて第二中間点ｓ３まで相対移動させる。図１１Ｂに示すように、第二中間点ｓ３における塑性化領域Ｗの端部（終端Ｗｂ）が、特許請求の範囲の「突合せ部に形成される塑性化領域の終端」となる部分である。本接合用回転ツールＦが第二中間点ｓ３に達したら、被接合金属部材１の軸周りの回転を停止させる。そして、第一金属部材１ａ上に設定された終了位置（引抜位置）ｅ１まで本接合用回転ツールＦを相対移動させて、被接合金属部材１から本接合用回転ツールＦを離脱させる。

被接合金属部材１に本接合用回転ツールＦの引抜跡が残存する場合は、例えば、肉盛溶接を行って補修する補修工程を行ってもよい。

ここで、例えば、図１２Ａに示すように、従来の回転ツール２００であると、ショルダ部で被接合金属部材２１０の表面を押えないため段差凹溝（被接合金属部材１の表面と塑性化領域Ｗの表面とで構成される凹溝）が大きくなるとともに、接合表面粗さが大きくなるという問題がある。また、段差凹溝の脇に膨出部（接合前に比べて被接合金属部材１の表面が膨らむ部位）が形成されるという問題がある。一方、図１２Ｂの回転ツール２０１のように、回転ツール２０１のテーパー角度βを回転ツール２００のテーパー角度αよりも大きくすると、回転ツール２００に比べて被接合金属部材２１０の表面を押えることはできるため、段差凹溝は小さくなり、膨出部も小さくなる。しかし、下向きの塑性流動が強くなるため、塑性化領域Ｗの下部にキッシングボンドが形成されやすくなる。

これに対し、本実施形態の本接合用回転ツールＦは、基端側ピンＦ２と、基端側ピンＦ２のテーパー角度Ａよりもテーパー角度が小さい先端側ピンＦ３を備えた構成になっている。これにより、突合せ部Ｊ１に本接合用回転ツールＦを挿入しやすくなる。また、先端側ピンＦ３のテーパー角度Ｂが小さいため、突合せ部Ｊ１の深い位置まで本接合用回転ツールＦを容易に挿入することができる。また、先端側ピンＦ３のテーパー角度Ｂが小さいため、回転ツール２０１に比べて下向きの塑性流動を抑えることができる。このため、塑性化領域Ｗの下部にキッシングボンドが形成されるのを防ぐことができる。一方、基端側ピンＦ２のテーパー角度Ａは大きいため、従来の回転ツールに比べ、被接合金属部材１の厚さや接合の高さ位置が変化しても安定して接合することができる。

また、基端側ピンＦ２の外周面で塑性流動材を押えることができるため、接合表面に形成される段差凹溝を小さくすることができるとともに、段差凹溝の脇に形成される膨出部を無くすか若しくは小さくすることができる。また、階段状の段差部Ｆ２１は浅く、かつ、出口が広いため、塑性流動材を段差底面Ｆ２１ａで押さえつつ塑性流動材が段差部Ｆ２１の外部に抜けやすくなっている。そのため、基端側ピンＦ２で塑性流動材を押えても基端側ピンＦ２の外周面に塑性流動材が付着し難い。よって、接合表面粗さを小さくすることができるとともに、接合品質を好適に安定させることができる。

また、先端側ピンＦ３の先端側の平坦面Ｆ４に突起部Ｆ５が形成されているので、突起部Ｆ５に沿って摩擦攪拌されて突起部Ｆ５に巻き上げられた塑性流動材は平坦面Ｆ４で押えられる。これにより、突起部Ｆ５周りをより確実に摩擦攪拌することができるとともに突合せ部Ｊ１，Ｊ２の酸化被膜が確実に分断されるので、突合せ部Ｊ１，Ｊ２の接合強度を高めることができる。

また、本実施形態の本接合工程では、塑性化領域Ｗの始端Ｗａと終端Ｗｂとがオーバーラップして塑性化領域Ｗの一部が重複していることにより、接合部の水密性及び気密性を向上させることができる。

また、本実施形態のように本接合用回転ツールＦを右回転させると進行方向左側に接合欠陥が発生するおそれがあるが、本実施形態では本接合用回転ツールＦの進行方向左側に第一金属部材１ａが配置するように設定した。これにより、仮に、接合欠陥が形成されても中実部材である第一金属部材１ａ側に形成される。つまり、中空部材である第二金属部材１ｂからは離間した位置に接合欠陥が形成されるため、水密性及び気密性の低下を抑制することができる。

また、本実施形態によれば、本接合用回転ツールＦを塑性化領域Ｗに対して第一金属部材１ａ側に移動させ、第一金属部材１ａ上で本接合用回転ツールＦを引き抜くため、引抜跡を中空部材である第二金属部材１ｂから遠い位置に形成することができる。これにより、水密性及び気密性の低下を抑制することができる。また、本接合用回転ツールＦを塑性化領域Ｗよりも第二金属部材１ｂ側に移動させると被接合金属部材１の内部に金属材料が流出するおそれがあるが、本実施形態によればかかる問題を解消することができる。

また、本接合工程の前に仮接合工程を行うことで、本接合工程の際の第一金属部材１ａと第二金属部材１ｂとの目開きを防ぐことができる。

＜変形例＞
次に、本発明の変形例について説明する。前記した図１０に示す実施形態の本接合工程では、本接合用回転ツールＦの回転中心軸Ｃと突合せ部Ｊ１とが重なるように設定して摩擦攪拌接合を行った。変形例の本接合工程では、図１３Ａ及び図１３Ｂに示すように、本接合用回転ツールＦの回転中心軸Ｃが、突合せ部Ｊ１に対して第一金属部材１ａ側に位置させた状態で摩擦攪拌接合を行う。

図１３Ａ及び図１３Ｂに示すように、当該本接合工程においても、本接合用回転ツールＦを右回転させているため、本接合用回転ツールＦの進行方向に対して左側に第一金属部材１ａが配置されるように設定する。変形例に係る本接合工程によっても突合せ部Ｊ１が摩擦攪拌されて第一金属部材１ａと第二金属部材１ｂとが接合される。

変形例によれば、本接合用回転ツールＦの進行方向左側に接合欠陥が形成されるおそれがあるが、当該接合欠陥を中実部材である第一金属部材１ａ側に形成することができる。つまり、変形例における接合欠陥は、前記した実施形態よりも第二金属部材１ｂからさらに離間する位置に形成される。これにより、被接合金属部材１の水密性及び気密性の低下をより抑制することができる。

また、当該変形例では突合せ部Ｊ１の高さ方向全体が摩擦攪拌されるように設定したが、突合せ部Ｊ１の少なくとも一部が摩擦攪拌される程度に本接合用回転ツールＦの回転中心軸Ｃを第一金属部材１ａ側に位置させた状態で本接合用回転ツールＦを移動させてもよい。

以上本発明の実施形態及び変形例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、仮接合工程は、本接合用回転ツールＦを用いて行ってもよい。また、仮接合工程は、溶接で行ってもよい。

また、本実施形態では円柱状の部材と円筒状の部材とを接合したが、これに限定されるものではない。大径部及び当該大径部に小径部を備えた柱状の金属部材と円筒状部材とを接合するものであれば他の形状であってもよい。

また、本実施形態では、本接合用回転ツールＦを右回転させたが、左回転させてもよい。この場合は、本接合用回転ツールＦの進行方向右側に第一金属部材１ａがくるように配置する。このように設定することで実施形態と同等の効果を得ることができる。

また、本実施形態では、突合せ部Ｊ１に対して本接合用回転ツールＦを一周させたが、二周以上させてもよい。二周させることにより、一周目に発生した接合欠陥を再度摩擦攪拌できるため、水密性及び気密性を高めることができる。また、二周目以降は、第一金属部材１ａ側に本接合用回転ツールＦを偏移させながら摩擦攪拌を行ってもよい。このようにすることで、接合欠陥を確実に補修することができる。

また、本接合工程が終了したら、被接合金属部材１の表面に現れるバリを切除するバリ切除工程を行ってもよい。バリ切除工程を行うことで、第一金属部材１ａ及び第二金属部材１ｂの表面をきれいに仕上げることができる。

また、本実施形態では、先端側ピンＦ３の先端側に平坦面Ｆ４と突起部Ｆ５が形成された本接合用回転ツールＦを用いたが、先端側ピンＦ３の先端側に平坦面Ｆ４と突起部Ｆ５がない本接合用回転ツールＦを用いてもよい。

１ 被接合金属部材
１ａ 第一金属部材
１ｂ 第二金属部材
２ 大径部
３ 小径部
Ｃ 回転中心軸
Ｆ 本接合用回転ツール（回転ツール）
Ｆ２ 基端側ピン
Ｆ３ 先端側ピン
Ｆ４ 平坦面
Ｆ５ 突起部
Ｇ 仮接合用回転ツール
Ｊ１ 突合せ部
Ｊ２ 突合せ部
Ｗ 塑性化領域
Ｗａ 始端
Ｗｂ 終端

Claims (11)

1. 大径部の端部に小径部を備えた柱状の第一金属部材と、前記大径部と略同等の外径を有する筒状の第二金属部材とを端面同士で突き合わせて形成された被接合金属部材の突合せ部に対して基端側ピンと先端側ピンとを備える回転ツールを用いて摩擦攪拌を行う摩擦攪拌接合方法であって、
   前記基端側ピンのテーパー角度は、１３５～１６０°であって前記先端側ピンのテーパー角度よりも大きくなっており、
   前記基端側ピンの外周面には階段状の段差部が形成されており、
   前記先端側ピンの先端側には、前記回転ツールの回転軸に垂直な平坦面が形成されるとともに、前記平坦面に突出する突起部が形成されており、
   回転した前記回転ツールの前記先端側ピンを前記突合せ部に挿入しつつ、前記基端側ピンの外周面を前記第一金属部材及び前記第二金属部材の外周面に接触させ、
   前記基端側ピンと前記平坦面とを前記第一金属部材及び前記第二金属部材に接触させつつ、前記突起部の先端面を前記第一金属部材の前記小径部の外周面の位置よりも深く挿入した状態で、前記回転ツールを前記被接合金属部材の周囲で一周させることを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
2. 前記突合せ部に形成される塑性化領域の始端と終端とがオーバーラップしており、前記塑性化領域の一部が重複していることを特徴とする請求項１に記載の摩擦攪拌接合方法。
3. 前記回転ツールの回転中心軸を前記突合せ部よりも前記第一金属部材側に位置させた状態で前記被接合金属部材の周囲で一周させることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の摩擦攪拌接合方法。
4. 前記第一金属部材が前記回転ツールの進行方向左側に位置する場合、前記回転ツールを右回転させ、
   前記第一金属部材が前記回転ツールの進行方向右側に位置する場合、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摩擦攪拌接合方法。
5. 前記突合せ部に形成される塑性化領域の終端から前記回転ツールを前記第一金属部材側に向けて移動させて、前記回転ツールの引抜位置を前記第一金属部材に設ける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摩擦攪拌接合方法。
6. 前記回転ツールで摩擦攪拌接合する工程に先だって、前記突合せ部の一部を前記回転ツールよりも小型の仮接合用回転ツールを用いて仮接合する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摩擦攪拌接合方法。
7. 円柱状の大径部の端部に円柱状の小径部を備えた第一金属部材と、前記大径部と略同等の外径を有する円筒状の第二金属部材とを端面同士で突き合わせて形成された被接合金属部材の突合せ部に対して基端側ピンと先端側ピンとを備える回転ツールを用いて摩擦攪拌を行う摩擦攪拌接合方法であって、
   前記基端側ピンのテーパー角度は、１３５～１６０°であって前記先端側ピンのテーパー角度よりも大きくなっており、
   前記基端側ピンの外周面には階段状の段差部が形成されており、
   前記先端側ピンの先端側には、前記回転ツールの回転軸に垂直な平坦面が形成されるとともに、前記平坦面に突出する突起部が形成されており、
   回転した前記回転ツールの前記先端側ピンを前記突合せ部に挿入しつつ、前記基端側ピンの外周面を前記第一金属部材及び前記第二金属部材の外周面に接触させ、
   前記基端側ピンと前記平坦面とを前記第一金属部材及び前記第二金属部材に接触させつつ、前記突起部の先端面を前記第一金属部材の前記小径部の外周面の位置よりも深く挿入した状態で、前記回転ツールを前記被接合金属部材の周囲で一周させることを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
8. 前記段差部は、段差底面と、段差側面とで構成されており、前記段差部の段差底面と段差側面とでなす段差角度は８５～１２０°になっており、
   前記先端側ピンの外周面には螺旋溝が刻設されており、
   前記螺旋溝は、螺旋底面と、螺旋側面とで構成されており、前記螺旋底面と前記螺旋側面とで構成される螺旋角度が４５°～９０°であることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の摩擦攪拌接合方法。
9. 前記基端側ピンの外周面の高さ方向の中央部あたりが前記第一金属部材及び前記第二金属部材の外周面と接触するように挿入することを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の摩擦攪拌接合方法。
10. 大径部の端部に小径部を備えた柱状の第一金属部材と、前記大径部と略同等の外径を有する筒状の第二金属部材とを端面同士で突き合わせて形成された被接合金属部材の突合せ部に対して基端側ピンと先端側ピンとを備える回転ツールを用いて摩擦攪拌を行う摩擦攪拌接合方法であって、
    前記基端側ピンのテーパー角度は、前記先端側ピンのテーパー角度よりも大きくなっており、
    前記基端側ピンの外周面には階段状の段差部が形成されており、
    前記先端側ピンの先端側には、前記回転ツールの回転軸に垂直な平坦面が形成されるとともに、前記平坦面に突出する突起部が形成されており、
    回転した前記回転ツールの前記先端側ピンを前記突合せ部に挿入しつつ、
    前記基端側ピンと前記平坦面とを前記第一金属部材及び前記第二金属部材に接触させつつ、前記突起部の先端面を前記第一金属部材の前記小径部の外周面の位置よりも深く挿入し、
    前記基端側ピンの外周面を前記第一金属部材及び前記第二金属部材の外周面に接触させた状態で、前記回転ツールを前記被接合金属部材の周囲で一周させることを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
11. 円柱状の大径部の端部に円柱状の小径部を備えた第一金属部材と、前記大径部と略同等の外径を有する円筒状の第二金属部材とを端面同士で突き合わせて形成された被接合金属部材の突合せ部に対して基端側ピンと先端側ピンとを備える回転ツールを用いて摩擦攪拌を行う摩擦攪拌接合方法であって、
    前記基端側ピンのテーパー角度は、前記先端側ピンのテーパー角度よりも大きくなっており、
    前記基端側ピンの外周面には階段状の段差部が形成されており、
    前記先端側ピンの先端側には、前記回転ツールの回転軸に垂直な平坦面が形成されるとともに、前記平坦面に突出する突起部が形成されており、
    回転した前記回転ツールの前記先端側ピンを前記突合せ部に挿入しつつ、
    前記基端側ピンと前記平坦面とを前記第一金属部材及び前記第二金属部材に接触させつつ、前記突起部の先端面を前記第一金属部材の前記小径部の外周面の位置よりも深く挿入し、
    前記基端側ピンの外周面を前記第一金属部材及び前記第二金属部材の外周面に接触させた状態で、前記回転ツールを前記被接合金属部材の周囲で一周させることを特徴とする摩擦攪拌接合方法。

Images