JP7377789B2 - 金属部材接合構造及び金属部材の接合方法 - Google Patents

Description

本開示は、金属部材接合構造及び金属部材の接合方法に関する。

従来から、板状の第１の金属部材を第２の金属部材に開ループ状の摩擦撹拌接合部で接合した金属部材接合構造が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１８－１７６２０７（段落［００４２］～［００４６］、［００５５］、図７Ａ等）

上述した金属部材接合構造では、摩擦撹拌接合を一周行って始端部に戻ってくるところで第１の金属部材に摩擦撹拌接合によるひずみが集まり易く、接合不良が生じ易い。そのため、このような不具合を抑制可能な技術の開発が求められている。

上記課題を解決するためになされた請求項１の発明は、板状の第１の金属部材（２０）が第２の金属部材（３０）に閉ループ状の摩擦撹拌接合部（４０）で接合された金属部材接合構造（１０）であって、前記摩擦撹拌接合部（４０）には、その終端寄り位置で前記摩擦撹拌接合部（４０）の始端部に対して内側にそれる方向に曲がってからさらに外側に曲がって前記始端部まで延びる終端曲がり部（４１）が設けられている金属部材接合構造（１０）である。

請求項２の発明は、前記終端曲がり部（４１）のうち外側に曲がる部分（４３）は、湾曲形状をなしている、請求項１に記載の金属部材接合構造（１０）である。

請求項３の発明は、前記終端曲がり部（４１）は、前記摩擦撹拌接合部（４０）の前記終端寄り位置で鈍角に曲がり、前記終端寄り位置から内側に直線状に延びた直線部（４２）を有している、請求項１又は２に記載の金属部材接合構造（１０）である。

請求項４の発明は、前記終端曲がり部（４１）の終端部は、前記摩擦撹拌接合部（４０）の始端部における摩擦撹拌接合の開始方向に対して垂直な方向に延びているか、又は、前記垂直な方向に鋭角をなす方向に延びている、請求項１から３の何れか１の請求項に記載の金属部材接合構造（１０）である。

請求項５の金属部品接合構造（１０）は、前記終端曲がり部（４１）は、前記第１の金属部材（２０）の外縁から内側に遠ざかるように設けられている、請求項１から４の何れか１の請求項に記載の金属部材接合構造（１０）である。

請求項６の発明は、前記終端曲がり部（４１）の終端部から前記摩擦撹拌接合部（４０）の外側に延長され、前記第１と第２の金属部材（２０，３０）を摩擦撹拌接合する延長接合部（４８）を有する、請求項１から５の何れか１の請求項に記載の金属部材接合構造（１０）である。

請求項７の金属部品の接合方法は、板状の第１の金属部材（２０）を第２の金属部材（３０）に閉ループ状の摩擦撹拌接合部（４０）で接合する金属部材の接合方法であって、前記摩擦撹拌接合部（４０）を、その終端寄り位置で前記摩擦撹拌接合部（４０）の始端に対して前記摩擦撹拌接合部（４０）の内側にそれる方向に曲げてから、外側に曲げて前記始端まで到達させる金属部材の接合方法である。

請求項１の発明及び請求項７の発明では、摩擦撹拌接合部に設けられた終端曲がり部が、開ループ状の摩擦撹拌接合部の終端寄り位置で摩擦撹拌接合部の始端部に対して内側にそれる方向に曲がってからさらに外側に曲がって始端部まで延びている。即ち、摩擦撹拌接合が１周行われて始端部に到達する最後のところで、摩擦撹拌接合が外側に向かって行われることとなるので、摩擦撹拌接合により集まったひずみを、外側に逃がし易くすることができる。これにより、第１と第２の金属部材の接合不良を生じ難くすることが可能となる。

請求項２の発明では、終端曲がり部のうち外側に曲がる部分が、湾曲形状をなしているので、摩擦撹拌接合によるひずみを徐々に外側に逃がすことが可能となり、第１と第２の金属部材の接合不良をより抑制することができる。

請求項３の発明では、終端曲がり部に、摩擦撹拌接合部の終端寄り位置で鈍角に曲がってから内側に直線状に延びた直線部が設けられるので、摩擦撹拌接合部の周長を短くすることが可能となる。これにより、第１と第２の金属部材の接合不良を抑制しつつ接合の効率を向上することが可能となる。

請求項４の発明では、終端曲がり部の終端部が、摩擦撹拌接合部の始端部における摩擦撹拌接合の開始方向に対して垂直な方向に延びるか、又は、前記垂直な方向に鋭角をなす方向に延びて、摩擦撹拌接合部の始端部に到達する。これにより、摩擦撹拌接合によるひずみを外側により逃がし易くすることが可能となる。

第１の金属部材の外縁は、終端曲がり部を縁取るように形成されていてもよいし、終端曲がり部から遠ざかるように形成されていてもよい（請求項５の発明）。

第１と第２の金属部材が摩擦撹拌接合される部分は、摩擦撹拌接合部の始端部に到達した終端曲がり部で終わってもよいが、終端曲がり部からさらに閉ループ状の摩擦撹拌接合部の外側に延長された延長接合部を有していてもよい（請求項６の発明）。この延長接合部が設けられることで、閉ループ状の摩擦撹拌接合部のうち摩擦撹拌接合によってひずみが集まり易い終端部付近の接合を強化することができる。

本開示の一実施形態に係る金属部材接合構造の斜視図 金属接合部品の分解斜視図 摩擦撹拌接合部の断面図 第１金属部材及び摩擦撹拌接合部の平面図 （Ａ）接合用ツールの側面図、（Ｂ）第１金属部材及び第２金属部材へ圧入された接合用ツールの側面図 摩擦攪拌接合のルートを示す第１金属部材の平面図 （Ａ）摩擦撹拌接合を終端寄り位置まで行ったときの第１金属部材の平面図、（Ｂ）摩擦撹拌接合を終端寄り位置まで行ったときの第１金属部材の断面図 （Ａ）摩擦撹拌接合により傾斜部が形成されたときの第１金属部材の平面図、（Ｂ）摩擦撹拌接合により環状接合部が形成されたときの第１金属部材の平面図 摩擦撹拌接合により延長接合部が形成されたときの第１金属部材の平面図 （Ａ）他の実施形態に係る金属部材接合構造の終端曲がり部の平面図、（Ｂ）他の実施形態に係る金属部材接合構造の終端曲がり部の平面図

図１には、本開示の一本実施形態に係る金属部材接合構造１０を有する金属接合部品１００が示されている。図２及び図３に示すように、金属部材接合構造１０は、板状の第１金属部材２０が、第２金属部材３０に摩擦撹拌接合されてなる。本実施形態の例では、金属接合部品１００はケースになっていて、第２金属部材３０に形成された開口３２（図２参照）を、蓋体としての第１金属部材２０が閉塞している。

なお、本実施形態では、第１金属部材２０は、アルミ板であり、第２金属部材３０は、アルミのダイカスト成形品であるが、これに限定されるものではない。第１金属部材２０と第２金属部材３０は、互いに摩擦撹拌接合により接合されるものであればよく、同じ金属で構成されていてもよいし、互いに異なる金属で構成されてもよい。例えば、第１金属部材２０と第２金属部材３０は、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金、マグネシウム、マグネシウム合金、チタン、チタン合金等の摩擦攪拌可能な金属からそれぞれ適宜選択することができる。

図４に示すように、金属部材接合構造１０には、第１金属部材２０と第２金属部材３０とを接合する摩擦撹拌接合部として、閉ループ状をなした環状接合部４０が設けられている。具体的には、環状接合部４０は、第２金属部材３０の開口３２（図２参照）を取り巻くように配置され、開口３２の縁部を、第１金属部材２０に接合している。

なお、図１及び図２に示すように、本実施形態の例では、第２金属部材３０は直方体状をなし、開口３２は長四角形状をなして第２金属部材３０の上面に配置されている。第１金属部材２０は、開口３２の長手方向に長くなった矩形状をなし、環状接合部４０も開口３２の長手方向に長い略長四角形をなしている。

図４に示すように、環状接合部４０は、摩擦撹拌接合が、所定の始点Ｓから一周して（同図の例では右回りして）再び始点Ｓまで戻ってくるように行われることで形成される。本実施形態の例では、始点Ｓは、環状接合部４０のうち一短辺部の途中に設けられている。

ここで、本実施形態では、環状接合部４０の終端寄り位置Ｐ１から環状接合部４０の始端部（即ち終点Ｆ）までの間には、終端曲がり部４１が形成されている。具体的には、終端曲がり部４１は、環状接合部４０の終端寄り位置Ｐ１で環状接合部４０の始端部（詳細には始点Ｓ）に対して環状接合部４０の内側にそれる方向に曲がってからさらに外側に曲がって環状接合部４０の始端部まで延びている。本実施形態では、第１金属部材２０が矩形状になっているので、始端曲がり部４１は、第１金属部材２０の外縁（一短辺縁）から内側に遠ざかるように設けられている。なお、環状接合部４０の各長辺部は、第１金属部材２０の各長辺縁に沿った直線状になっていると共に、環状接合部４０の一短辺部のうち終端曲がり部４１以外の部分と環状接合部４０の他短辺部とは、第１金属部材２０の各短辺縁に沿った直線状になっている。

本実施形態の例では、終端曲がり部４１は、環状接合部４０の一短辺部の途中に位置した上述の終端寄り位置Ｐ１で、環状接合部４０の内側に鈍角に曲がっていて、終端寄り位置Ｐ１から直線状に延びた傾斜部４２を有している（言い換えれば、環状接合部４０のうち終端寄り位置Ｐ１で曲がる前の部分と曲がった後の部分のなす角が鈍角なっている）。また、終端曲がり部４１は、傾斜部４２の終端からさらに環状接合部４０の外側に曲がる湾曲部４３を経て、終端曲がり部４１の終端部が、第１金属部材２０の長手方向に延びて始端点Ｓに到達する。なお、終端曲がり部４１の終点（即ち、環状接合部４０の終点Ｆ）は、環状接合部４０の始端部に到達すればよく、始点Ｓと一致していなくてもよい。

本実施形態では、このように終端曲がり部４１の終端部が、第１金属部材２０の長手方向に延びると共に、環状接合部４０の始端部が、始点Ｓから第１金属部材２０の短手方向に延びているので、終端曲がり部４１の終端部が、環状接合部４０の始端部に対して垂直になっている。なお、本開示における垂直とは、厳密に９０度の角度をなして配置される場合だけでなく、８５度以上９５度以下の角度をなして配置されることをも含む意味である。

また、図４に示すように、第１金属部材２０と第２金属部材３０を摩擦撹拌接合する接合部としては、閉ループ状の環状接合部４０の他に、延長接合部４８も設けられている。延長接合部４８は、環状接合部４０の終点Ｆから環状接合部４０の外側に延長されてなり、第１金属部材２０の長手方向に、第１金属部材２０の一短辺縁に到達する手前まで延びている。

本実施形態では、金属部材接合構造１０及び金属接合部品１００は、以下のようにして形成される。まず、図２に示すように、第１金属部材２０と第２金属部材３０が用意され、第１金属部材２０が第２金属部材３０の開口３２を塞ぐように開口３２の縁部に重ねられる。第１金属部材２０は、第２金属部材３０に対してずれないように仮固定される。

次いで、図５に示す摩擦撹拌接合用ツール５０（以下、接合用ツール５０という。）を用いて、図６に示す様に、閉ループ状のルートＲ１を右回りに移動するように摩擦撹拌接合が行われ、第１金属部材２０が、第２金属部材３０の開口３２の縁部に接合される。なお、図６に示すルートＲ１を左右反転して、摩擦撹拌接合を左回りに行ってもよい。

詳細には、接合用ツール５０は、図５（Ａ）に示すように、ショルダー５１とプローブ５２を有する。ショルダー５１は、略円柱体である。プローブ５２は、ショルダー５１よりも小さな径を有する略円柱体である。プローブ５２は、ショルダー５１の先端面５１Ｋからショルダー５１の中心軸Ｃ上に突出している。接合用ツール５０は、摩擦攪拌接合装置（図示略）に装備されて使用される。

そして、図５（Ｂ）に示すように、プローブ５２を、回転させながら第１金属部材２０の上から第２金属部材３０に到達するまで圧入する。これにより、プローブ５２との接触部に発生する摩擦熱によって、第１金属部材２０及び第２金属部材３０の一部が軟化し、摩擦撹拌されることで第１金属部材２０と第２金属部材３０が接合される。そして、接合用ツール５０をルートＲ１（図６参照）の始点Ｓ（即ち、環状接合部４０の始点Ｓ）から終点Ｆ（即ち始点Ｓ）まで移動させることで、図８（Ｂ）に示すように環状接合部４０が形成される（なお、図７及び図８（Ａ）では、閉ループ状になる前の開ループ状の摩擦撹拌接合部４０Ａが示されている）。さらに、プローブ５２を、環状接合部４０の終点から環状接合部４０の外側に移動させることで、延長接合部４８が形成される（図９参照）。以上により、金属部材接合構造１０が形成されると共に、第１金属部材２０によって第２金属部材３０の開口３２が閉塞されて金属接合部品１００（図１参照）が形成される。

ここで、図７（Ａ）に示すように、接合用ツール５０が、ルートＲ１を一周してルートＲ１の始端部に戻ってくるところでは、板状の第１金属部材２０に摩擦撹拌接合によるひずみが集まり易い（なお、同図では、閉ループ状になる前の開ループ状の摩擦撹拌接合部４０Ａが示されている）。そのため、第１金属部材２０と第２金属部材３０の接合不良が生じ易くなるという問題が生じ得る。具体的には、例えば、図７（Ｂ）に示すように、第１金属部材２０に、第２金属部材３０から浮き上がるような変形が起きる場合があり（同図では変形が誇張して描かれている）、環状接合部４０の終端部で第１金属部材２０と第２金属部材３０との接合不良が生じ易い。

このような接合不良を抑制すべく、本実施形態の金属部材接合構造１０の接合方法では、環状接合部４０の終端寄り部分で、上述の終端曲がり部４１を形成するように接合用ツール５０を移動させる。具体的には、接合用ツール５０の軌道を、ルートＲ１上における環状接合部４０の終端寄り位置Ｐ１で、環状接合部４０の始端部に対して環状接合部４０の内側にそれる方向に曲げる（図８（Ａ）参照）。このとき、接合用ツール５０を、終端寄り位置Ｐ１から直線状に移動することで、傾斜部４２が形成される。その後、さらに接合用ツール５０を傾斜部４２の終端からルートＲ１の外側に曲げて湾曲部４３を形成してから、接合用ツール５０を第１金属部材２０の長手方向に移動して、環状接合部４０の始端部にまで到達させる（図８（Ｂ）参照）。

このように、本実施形態では、環状接合部４０を形成する際に、接合用ツール５０を、終端寄り位置Ｐ１で環状接合部４０の始端部に対して環状接合部４０の内側にそれる方向に曲がるように一旦移動し、摩擦撹拌接合が１周行われて始端部に到達する最後のところで、摩擦撹拌接合が外側に向かって行われるので、摩擦撹拌接合により集まったひずみを、外側に逃がし易くすることができる。これにより、第１と第２の金属部材の接合不良を生じ難くすることが可能となる。

また、本実施形態では、終端曲がり部４１のうち外側に曲がる部分（湾曲部４３）が、湾曲形状をなしているので、摩擦撹拌接合によるひずみを徐々に外側に逃がすことが可能となり、第１金属部材２０と第２金属部材３０の接合不良をより抑制することができる。

また、終端曲がり部４１に、環状接合部４０の終端寄り位置Ｐ１で鈍角に曲がってから内側に直線状に延びた傾斜部４２が設けられるので、環状接合部４０の周長を短くすることが可能となる。これにより、第１金属部材２０と第２金属部材３０の接合不良を抑制しつつ接合の効率を向上することが可能となる。

また、終端曲がり部４１の終端部が、環状接合部４０の始端部における摩擦撹拌接合の開始方向に対して垂直な方向に延びて、環状接合部４０合の始端部に到達する。これにより、摩擦撹拌接合によるひずみを外側により逃がし易くすることが可能となる。なお、終端曲がり部４１の終端部が、前記垂直な方向に鋭角をなす方向に延びて、環状接合部４０の始端部に到達してもよい。これによっても、摩擦撹拌接合によるひずみを外側により逃がし易くすることが可能となる。この場合、湾曲部４３は、環状接合部４０の始点Ｓに対して終端寄り位置Ｐ１側に配置されてもよいし、終端寄り位置Ｐ１とは反対側に配置されてもよい。

第１金属部材２０と第２金属部材３０の摩擦撹拌接合部は、終端曲がり部４１からさらに環状接合部４０の外側に延長された延長接合部４８を有していてもよい。この延長接合部４８が設けられることで、環状接合部４０のうち摩擦撹拌接合によってひずみが集まり易い終端部付近の接合を強化することができる。

［他の実施形態］
（１）第２金属部材３０は、上記実施形態の形状に限定されるものではなく、板状であってもよい。また、第２金属部材３０は、開口３２を有していなくてもよい。

（２）上記実施形態では、環状接合部４０の始端部が、第１金属部材２０の短辺部に配置されていたが、長辺部に配置されていてもよいし、第１金属部材２０の角部に配置されていてもよい。また、上記実施形態では、始端曲がり部４１が、第１金属部材２０の短辺部に設けられていたが、環状接合部４０の始端部の位置に応じて、第１金属部材２０の長辺部に設けられていてもよいし、第１金属部材２０の角部に設けられていてもよい。また、環状接合部４０は、略四角形状に限定されるものではなく、例えば、略円形状であってもよいし、略四角形状以外の略多角形状等であってもよい。

（３）第１金属部材２０と第２金属部材３０との摩擦撹拌接合部は、延長接合部４８（図４参照）を有さずに、環状接合部４０の始端部に到達した終端曲がり部４１で終わってもよいし（図８（Ｂ）に示す構成）、環状接合部４０の始端部をなぞるように重なって延びてもよい。また、第１金属部材２０と第２金属部材３０との摩擦撹拌接合部が、延長接合部４８の代わりに、環状接合部４０の終点Ｆから環状接合部４０の内側に延長されてなる内側延長接合部を有していてもよい。また、第１金属部材２０と第２金属部材３０との摩擦撹拌接合部が、環状接合部４０の内側又は外側となる位置から始点Ｓまで延びる開始接合部を有していてもよい。この場合、摩擦撹拌接合により、この開始接合部を形成してから、環状接合部４０を形成すればよい。

（４）上記実施形態では、第１金属部材２０の外縁が、終端曲がり部４１から遠ざかるように形成されていたが、終端曲がり部４１を縁取るように（例えば内側に凹むように）形成されていてもよい。

（５）図１０（Ａ）に示すように、終端曲がり部４１は、円弧状になっていてもよい。

（６）終端曲がり部４１のうち、終端寄り位置Ｐ１で内側に曲がってから外側に曲がる部分が、湾曲した湾曲部４３であったが、屈曲していてもよい（図１０（Ｂ）参照）。この屈曲部４３Ｖは、図１０（Ｂ）に示すように、環状接合部４０の周方向において、環状接合部４０の始点Ｓと終端寄り位置Ｐ１の間に配置されていてもよいし、始端Ｓと同じ位置に配置されていてもよいし、始端Ｓに対して終端寄り位置Ｐ１とは反対側に配置されていてもよい。また、上記のような屈曲部は、複数設けられていてもよい。

１０ 金属部材接合構造
２０ 第１金属部材
３０ 第２金属部材
４０ 環状接合部
４１ 終端曲がり部
４２ 傾斜部
４３ 湾曲部
４８ 延長接合部

Claims (7)

1. 板状の第１の金属部材（２０）が第２の金属部材（３０）に閉ループ状の摩擦撹拌接合部（４０）で接合された金属部材接合構造（１０）であって、
   前記摩擦撹拌接合部（４０）には、その終端寄り位置で前記摩擦撹拌接合部（４０）の始端部に対して内側にそれる方向に曲がってからさらに外側に曲がって前記始端部まで延びる終端曲がり部（４１）が設けられている金属部材接合構造（１０）。
2. 前記終端曲がり部（４１）のうち外側に曲がる部分（４３）は、湾曲形状をなしている、請求項１に記載の金属部材接合構造。
3. 前記終端曲がり部（４１）は、前記摩擦撹拌接合部（４０）の前記終端寄り位置で鈍角に曲がり、前記終端寄り位置から内側に直線状に延びた直線部（４２）を有している、請求項１又は２に記載の金属部材接合構造（１０）。
4. 前記終端曲がり部（４１）の終端部は、前記摩擦撹拌接合部（４０）の始端部における摩擦撹拌接合の開始方向に対して垂直な方向に延びているか、又は、前記垂直な方向に鋭角をなす方向に延びている、請求項１から３の何れか１の請求項に記載の金属部材接合構造（１０）。
5. 前記終端曲がり部（４１）は、前記第１の金属部材（２０）の外縁から内側に遠ざかるように設けられている、請求項１から４の何れか１の請求項に記載の金属部材接合構造（１０）。
6. 前記終端曲がり部（４１）の終端部から前記摩擦撹拌接合部（４０）の外側に延長され、前記第１と第２の金属部材（２０，３０）を摩擦撹拌接合する延長接合部（４８）を有する、請求項１から５の何れか１の請求項に記載の金属部材接合構造（１０）。
7. 板状の第１の金属部材（２０）を第２の金属部材（３０）に閉ループ状の摩擦撹拌接合部（４０）で接合する金属部材の接合方法であって、
   前記摩擦撹拌接合部（４０）を、その終端寄り位置で前記摩擦撹拌接合部（４０）の始端部に対して前記摩擦撹拌接合部（４０）の内側にそれる方向に曲げてから、外側に曲げて前記始端部まで到達させる金属部材の接合方法。

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