JP7070389B2

JP7070389B2 - 接合方法

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Publication number: JP7070389B2
Application number: JP2018236943A
Authority: JP
Inventors: 久司堀; 宏介山中; 岳士半田
Original assignee: Nippon Light Metal Co Ltd
Current assignee: Nippon Light Metal Co Ltd
Priority date: 2018-12-19
Filing date: 2018-12-19
Publication date: 2022-05-18
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Description

本発明は、接合方法に関する。

回転ツールを用いて厚さの異なる金属部材を摩擦攪拌接合する技術が知られている。特許文献１に記載の発明では、厚さの異なる金属部材同士の突合せ部に回転ツールを垂直に挿入し、突合せ部に沿って回転ツールを移動させて摩擦攪拌接合を行うというものである。

特開２０１２－２１８００１号公報

従来の技術であると、金属部材と回転ツールとの間に隙間が生じ、塑性流動材を十分に押さえることができなくなり、バリが多く発生するとともに所望の接合強度が得られないという問題がある。

このような観点から、本発明は、バリが少なく、かつ、接合強度を高めることができる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、第一金属部材の表面よりも第二金属部材の表面が低くなるように金属部材の端面同士を突き合わせて段差を備えた突合せ部を形成する突合せ工程と、回転ツールを用いて前記突合せ部を摩擦攪拌接合する接合工程と、を含み、前記回転ツールは、基端側ピンと、先端側ピンとを備え、前記基端側ピンのテーパー角度を前記先端側ピンのテーパー角度よりも大きく設定するとともに、前記基端側ピンの外周面に階段状のピン段差部を形成し、前記接合工程では、前記第二金属部材側がアドバンシング側となるように、前記回転ツールの回転方向と進行方向を設定し、接合後に、前記第二金属部材の表面に生成されるバリの厚みが０～１３０μｍとなるように、前記回転ツールの回転中心軸を前記第二金属部材側に傾かせる角度である狙い角を設定し、前記回転ツールの前記狙い角を維持した状態で、前記ピン段差部の段差底面で塑性流動材を押さえつつ、前記基端側ピンの外周面と前記第一金属部材の表面とが交わるとともに、前記基端側ピンの外周面と前記第二金属部材の表面とが交わる状態で摩擦攪拌接合を行い、前記回転ツールの回転中心軸を含み、前記回転ツールの進行方向に垂直な断面において、前記基端側ピンの外周面と前記第一金属部材の表面との交点を交点ｄとし、前記回転中心軸に対して前記交点ｄの回転対称となる点を交点ｅとした場合、交点ｅが前記第二金属部材の表面に位置するか、あるいは当該第二金属部材の表面よりも高い位置となるように前記狙い角を設定することを特徴とする。

かかる接合方法によれば、回転ツールを第二金属部材側に傾けるとともに、テーパー角度の大きい基端側ピンの外周面で第一金属部材及び第二金属部材の表面を押えることができるため、バリの発生を抑制することができるとともに接合強度を高めることができる。第二金属部材の表面に形成されるバリの厚みが０未満、つまり、アンダーカットが発生すると接合強度が低下する。また、バリの厚みが１３０μｍを超えるとバリが多く発生し接合部の金属が不足して接合強度が低下する。

また、前記第二金属部材と第一金属部材との厚さの比が１：１．３３～１：２の範囲である場合、前記狙い角をθ（°）とし、前記バリの厚みをｓ（ｍｍ）とすると、－０．０５θ＋０．１６≦ｓ≦－０．０５θ＋０．４０となるように前記狙い角を設定することを特徴とする。

かかる接合方法によれば、第二金属部材の表面にアンダーカットが発生したり、バリの厚みが大きくなったりするのを防ぐことができる。

本発明に係る接合方法によれば、バリが少なく、かつ、接合強度を高めることができる。

本発明の実施形態に係る接合方法に用いる接合用回転ツールを示す側面図である。接合用回転ツールの拡大断面図である。接合用回転ツールの第一変形例を示す断面図である。接合用回転ツールの第二変形例を示す断面図である。接合用回転ツールの第三変形例を示す断面図である。本発明の実施形態に係る接合方法の突合せ工程を示す断面図である。本実施形態に係る接合方法の接合工程を示す斜視図である。本実施形態に係る接合方法の接合工程を示す断面図である。接合工程の狙い角を説明するための断面図である。接合工程の狙い角を説明するための断面図である。接合工程の狙い角を説明するための断面図である。従来の回転ツールを示す断面図である。従来の回転ツールを示す断面図である。試験１に係るバリの厚みと疲労強度との関係を表すグラフである。試験１に係る試験体Ｐ１の第二金属部材の表面と塑性化領域の境界付近を示すマクロ組織図である。試験１に係る試験体Ｐ２の第二金属部材の表面と塑性化領域の境界付近を示すマクロ組織図である。試験１に係る試験体Ｐ３の第二金属部材の表面と塑性化領域の境界付近を示すマクロ組織図である。試験１に係る試験体Ｐ４の第二金属部材の表面と塑性化領域の境界付近を示すマクロ組織図である。試験２に係る狙い角とバリの厚みとの関係を示すグラフである。

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接合用回転ツール（回転ツール）について説明する。接合用回転ツールは、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、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、階段状のピン段差部Ｆ２１が高さ方向の全体に亘って形成されている。ピン段差部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、ピン段差部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、接合用回転ツールＦを右回転させるため、ピン段差部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、接合用回転ツールＦを左回転させる場合は、ピン段差部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、ピン段差部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。ピン段差部Ｆ２１は、段差底面Ｆ２１ａと、段差側面Ｆ２１ｂとで構成されている。隣り合うピン段差部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ピン段差部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、塑性流動材がピン段差部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の先端は平坦面になっている。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、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。

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、第一変形例に係る接合用回転ツールＦＡでは、ピン段差部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、摩擦攪拌中にピン段差部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、第二変形例に係る接合用回転ツールＦＢでは、ピン段差部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、ピン段差部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。

［第一実施形態］
次に、本実施形態の接合方法について説明する。本実施形態に係る接合方法では、突合せ工程と、接合工程と、を行う。以下の説明における「表面」とは、「裏面」の反対側の面を意味する。

突合せ工程は、図６に示すように、第一金属部材１と第二金属部材２とを突き合わせる工程である。第一金属部材１及び第二金属部材２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で形成されている。第一金属部材１及び第二金属部材２は、本実施形態では、いずれもアルミニウム合金で形成されている。第一金属部材１と第二金属部材２とは異なる種類の金属でもよい。

第一金属部材１は、第二金属部材２よりも板厚寸法が大きくなっている。第一金属部材１の裏面１ｃと第二金属部材２の裏面２ｃとは面一であるため、端面１ａ，２ａ同士が突き合わされた突合せ部Ｊには段差が形成されている。第一金属部材１と第二金属部材２との板厚寸法の比率は適宜設定すればよいが、例えば、第二金属部材２の板厚を１とすると、第一金属部材１の板厚を１．２～２．５、好ましくは１．３３～２．０の範囲で板厚を設定すればよい。なお、突合せ工程では、例えば、同じ板厚の金属部材同士を段差があるように突き合わせてもよい。

接合工程は、図７に示すように、接合用回転ツールＦを用いて突合せ部Ｊを摩擦攪拌接合する工程である。接合工程では、右回転させた接合用回転ツールＦを突合せ部Ｊに挿入し、突合せ部Ｊに沿って接合用回転ツールＦを移動させる。本実施形態では、接合用回転ツールＦの進行方向右側に第一金属部材１を配置して、接合用回転ツールＦを右回転するように設定する。これにより、第二金属部材２側がアドバンシング側となり、第一金属部材１がリトリーティング側となる。

なお、アドバンシング側（シアー側）とは、被接合部に対する接合用回転ツールＦの外周の相対速度が、接合用回転ツールＦ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を意味する。一方、リトリーティング側（フロー側）とは、接合用回転ツールＦの移動方向の反対方向に接合用回転ツールＦが回動することで、被接合部に対する接合用回転ツールＦの相対速度が低速になる側を言う。

図８に示すように、接合工程では、接合用回転ツールＦの回転中心軸Ｕを突合せ面（端面１ａ，２ａ）に対して第二金属部材２側に傾斜角度（狙い角）θで傾けた状態で摩擦攪拌を行う。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。

ここで、図９～１１は、接合工程の狙い角を説明するための断面図である。図９に示すように、基端側ピンＦ２の外周面と第一金属部材１の表面１ｂとの交点を交点ｄとし、回転中心軸Ｕに対して交点ｄの回転対称となる点を交点ｅとした場合、交点ｅが第二金属部材２の表面２ｂの位置となるように前記狙い角を設定する。

もしくは、図１０に示すように、基端側ピンＦ２の外周面と第一金属部材１の表面１ｂとの交点を交点ｄとし、回転中心軸Ｕに対して交点ｄの回転対称となる点を交点ｅとした場合、交点ｅが第二金属部材２の表面２ｂよりも高い位置となるように前記狙い角を設定する。ただし、第二金属部材２の表面２ｂと交点ｅとが大きく離れていると、塑性流動材を押さえることができなくなり第二金属部材２の表面２ｂに生成されるバリの厚みが大きくなる。

一方、図１１に示すように、基端側ピンＦ２の外周面と第一金属部材１の表面１ｂとの交点を交点ｄとし、回転中心軸Ｕに対して交点ｄの回転対称となる点を交点ｅとした場合、交点ｅが第二金属部材２の表面２ｂよりも下方に位置すると、接合用回転ツールＦの進行方向に沿ってアンダーカットが形成されるため好ましくない。

接合工程における傾斜角度（狙い角）θは、接合後に第二金属部材２の表面２ｂに生成されるバリの厚みが０～１３０μｍとなるように適宜設定する。詳しくは、第二金属部材２の表面２ｂに生成されるバリの厚みをｓ（ｍｍ）とすると、－０．０５θ＋０．１６≦ｓ≦－０．０５θ＋０．４０（式１）を満たすように設定することが好ましい。

以上説明した本実施形態に係る接合方法によれば、接合用回転ツールＦを第二金属部材２側に傾けるとともに、テーパー角度の大きい基端側ピンＦ２の外周面で第一金属部材１及び第二金属部材２の表面１ｂ，２ｂを押えることができるため、バリの発生を抑制することができるとともに接合強度を高めることができる。バリの厚みが０未満、つまり、アンダーカットが発生すると接合強度が低下する。また、バリの厚みが１３０μｍを超えるとバリが多く発生し、接合部の金属が不足して接合強度が低下する。

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（被接合金属部材の表面と塑性化領域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Ｊに接合用回転ツール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Ｊの深い位置まで接合用回転ツール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、階段状のピン段差部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ピン段差部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、バリの発生を抑え、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。

ここでは、バリの厚みと疲労強度との関係を確認するための試験１と、接合用回転ツールＦの傾斜角度（狙い角）θとバリの厚みとの関係を確認するための試験２を行った。試験１では、アルミニウム合金Ａ５０５２で形成された第一金属部材１及び第二金属部材２を準備して、接合用回転ツールＦを用いて摩擦攪拌接合を行った。母材の疲労強度は１２０ＭＰａである。試験体はＰ１～Ｐ５まで五体用意した。接合用回転ツールＦの傾斜角度（狙い角）θは、試験体Ｐ１が傾斜角度θ１とし、試験体Ｐ２が傾斜角度θ２とし、試験体Ｐ３が傾斜角度θ３とし、試験体Ｐ４が傾斜角度θ４とし、試験体Ｐ５が傾斜角度θ５とした。傾斜角度はθ１＞θ２＞θ３＞θ４＞θ５となるように設定した。

試験体Ｐ１は、図１１に示すように交点ｅが第二金属部材２の表面２ｂよりも下方に位置した状態で接合工程を行った。試験体Ｐ１は、図１４に示すように、第二金属部材２の表面２ｂにアンダーカットＫが形成されている。アンダーカットＫの深さは約６６μｍであった。説明の便宜上、当該アンダーカットを「バリの厚み＝－６６μｍ」としている。つまり、バリの厚みがマイナスになる場合は、第二金属部材２の表面２ｂにアンダーカットＫが発生していることを意味する。

図１３に示すように、試験体Ｐ１の疲労強度は約５２ＭＰａであり、閾値６０ＭＰａを下回った。つまり、試験体Ｐ１であると、第二金属部材２の表面２ｂにアンダーカットＫが形成されてしまい、疲労強度が弱いことがわかった。

試験体Ｐ２は、図１０に示すように交点ｅが第二金属部材２の表面２ｂよりも上方に位置した状態で接合工程を行った。試験体Ｐ２は、図１５に示すように、第二金属部材２の表面２ｂにバリＳが形成されている。バリＳの厚み（第二金属部材２の表面２ｂからバリＳの先端までの高さ）は２３μｍであった。図１３に示すように、試験体Ｐ２であると疲労強度は約１０９ＭＰａと最も高い数値であった。つまり、試験体Ｐ２であると、バリＳは最も少なく、疲労強度は最も高かった。

試験体Ｐ３は、図１０に示すように交点ｅが第二金属部材２の表面２ｂよりも上方に位置した状態で接合工程を行った。試験体Ｐ３の交点ｅは、試験体Ｐ２の交点ｅよりも上方に位置している。試験体Ｐ３は、図１６に示すように、第二金属部材２の表面２ｂにバリＳが形成されている。バリＳの厚みは５７μｍであった。図１３に示すように、試験体Ｐ３であると疲労強度は約８８ＭＰａと二番目に高い数値であった。

試験体Ｐ４は、図１０に示すように交点ｅが第二金属部材２の表面２ｂよりも上方に位置した状態で接合工程を行った。試験体４の交点ｅは、試験体Ｐ３の交点ｅよりも上方に位置している。試験体Ｐ４は、図１７に示すように、第二金属部材２の表面２ｂにバリＳが形成されている。バリＳの厚みは９３μｍであった。図１３に示すように、試験体Ｐ４であると疲労強度は約７０ＭＰａと三番目に高い数値であった。

試験体Ｐ５は図１０に示すように交点ｅが第二金属部材２の表面２ｂよりも上方に位置した状態で接合工程を行った。試験体Ｐ５の交点ｅは、試験体Ｐ４の交点ｅよりも上方に位置している。試験体Ｐ５は、図示は省略するが、試験体Ｐ４よりも大きなバリＳが形成されている。図１３に示すように、試験体Ｐ５であると疲労強度は約５８ＭＰａとなり閾値を下回った。つまり、試験体Ｐ５のように、バリＳが大きくなりすぎると、接合部の金属が不足するため、強度が低下することがわかった。

試験１についてまとめると、接合用回転ツールＦの傾斜角度（狙い角）θが大きすぎると試験体Ｐ１のようにアンダーカットになって疲労強度も低下して好ましくない。一方、接合用回転ツールＦの傾斜角度（狙い角）θが小さすぎると試験体Ｐ５のように塑性流動材を押さえることができずバリの厚みが大きくなり、疲労強度も低下して好ましくない。試験体Ｐ２～Ｐ４であるとバリの厚みを小さく抑えることができるとともに、疲労強度の低下も許容できる範囲に収まる。言い換えると、バリの厚みが０～１３０μｍとなるように、接合用回転ツールＦの傾斜角度（狙い角）θを調節することが好ましい。

試験２では、第二金属部材２と第一金属部材１との板厚の割合を「ケース１＝１：２．０」、「ケース２＝１：１．６７」、「ケース３＝１：１．３３」とし、それぞれ接合用回転ツールＦの傾斜角度（狙い角）θを設定し、接合工程を行った。ケース１では、傾斜角度（狙い角）θを０°、３°、６°に設定し、それぞれ接合工程を行った。ケース２では、傾斜角度（狙い角）θを０°、２°、４°、５°、６°、７°、８°に設定し、接合工程を行った。ケース３では、傾斜角度（狙い角）θを２°、３°に設定し、それぞれ接合工程を行った。

図１８に示すように、ケース１では、接合用回転ツールＦの傾斜角度（狙い角）θを０°にすると、第二金属部材２の表面２ｂに発生するバリＳの厚みが０．４ｍｍ（４００μｍ）と最も大きくなることがわかる。一方、ケース１において、接合用回転ツールＦの傾斜角度（狙い角）θを６°にすると、バリＳの厚みが０．１３ｍｍ（１３０μｍ）以下となり好ましい。

図１８に示すように、ケース２では、接合用回転ツールＦの傾斜角度（狙い角）θを０°にすると、第二金属部材２の表面２ｂに発生するバリＳの厚みが０．３５ｍｍ（３５０μｍ）と最も大きくなることがわかる。一方、接合用回転ツールＦの傾斜角度（狙い角）θを８°にすると、バリＳの厚みがマイナスになる（アンダーカットＫが発生する）ことがわかる。接合用回転ツールＦの傾斜角度（狙い角）θを４°～７°にするとバリの厚みが０～０．１３ｍｍ（０～１３０μｍ）となり好ましい。

図１８に示すように、ケース３では、接合用回転ツールＦの傾斜角度（狙い角）θを０．５°～３°にすると、第二金属部材２の表面２ｂに発生するバリＳの厚みが０～０．１３ｍｍ（０～１３０μｍ）となり好ましい。

ケース１，２，３を対比すると、ケース１のように第一金属部材１と第二金属部材２の板厚差が大きい場合は、ケース３よりも接合用回転ツールＦの傾斜角度（狙い角）θを大きくする必要がある。一方、ケース３のように第一金属部材１と第二金属部材２の板厚差が小さい場合は、ケース１よりも接合用回転ツールＦの傾斜角度（狙い角）θは小さくする必要がある。ケース３の場合に、傾斜角度（狙い角）θを４°以上にするとアンダーカットＫも大きくなる傾向があることがわかった。

ケース１の結果を最小二乗法で相関関係を求めるとＹａ＝－０．０５θ+０．４０となる。ケース２の結果を最小二乗法で相関関係を求めるとＹｂ＝－０．０５θ+０．３５となる。ケース３の結果を最小二乗法で相関関係を求めるとＹｃ＝－０．０５θ+０．１６となる。第二金属部材２と第一金属部材１との厚さの比が１：１．３３～１：２の範囲である場合、バリＳの厚みが０～１３０μｍとなるように、接合用回転ツールＦの回転中心軸Ｕを第二金属部材２側に傾かせ、かつ、接合用回転ツールＦの傾斜角度（狙い角）をθ（°）とし、バリＳの厚みをｓ（ｍｍ）とすると、－０．０５θ＋０．１６≦ｓ≦－０．０５θ＋０．４０を満たすように傾斜角度（狙い角）θを設定することが好ましい。

１第一金属部材
２第二金属部材
Ｆ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
Ｊ突合せ部
Ｓバリ
Ｗ塑性化領域

Claims

第一金属部材の表面よりも第二金属部材の表面が低くなるように金属部材の端面同士を突き合わせて段差を備えた突合せ部を形成する突合せ工程と、
回転ツールを用いて前記突合せ部を摩擦攪拌接合する接合工程と、を含み、
前記回転ツールは、
基端側ピンと、先端側ピンとを備え、
前記基端側ピンのテーパー角度を前記先端側ピンのテーパー角度よりも大きく設定するとともに、前記基端側ピンの外周面に階段状のピン段差部を形成し、
前記接合工程では、
前記第二金属部材側がアドバンシング側となるように、前記回転ツールの回転方向と進行方向を設定し、
接合後に、前記第二金属部材の表面に生成されるバリの厚みが０～１３０μｍとなるように、前記回転ツールの回転中心軸を前記第二金属部材側に傾かせる角度である狙い角を設定し、
前記回転ツールの前記狙い角を維持した状態で、前記ピン段差部の段差底面で塑性流動材を押さえつつ、前記基端側ピンの外周面と前記第一金属部材の表面とが交わるとともに、前記基端側ピンの外周面と前記第二金属部材の表面とが交わる状態で摩擦攪拌接合を行い、
前記回転ツールの回転中心軸を含み、前記回転ツールの進行方向に垂直な断面において、
前記基端側ピンの外周面と前記第一金属部材の表面との交点を交点ｄとし、前記回転中心軸に対して前記交点ｄの回転対称となる点を交点ｅとした場合、
交点ｅが前記第二金属部材の表面に位置するか、あるいは当該第二金属部材の表面よりも高い位置となるように前記狙い角を設定することを特徴とする接合方法。
前記第二金属部材と第一金属部材との厚さの比が１：１．３３～１：２の範囲である場合、
前記狙い角をθ（°）とし、前記バリの厚みをｓ（ｍｍ）とすると、
－０．０５θ＋０．１６≦ｓ≦－０．０５θ＋０．４０
となるように前記狙い角を設定することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の接合方法。