JP7445007B2 - 摩擦攪拌点接合方法及びこれを用いた接合体 - Google Patents

Description

本開示は、複動式の摩擦攪拌点接合用のツールを用いて、複数の熱可塑性樹脂部材の重なり部を接合する摩擦攪拌点接合方法、及びこれを用いた接合体に関する。

航空機、鉄道車両又は自動車などの構造物の構成部材として、金属製の部材だけでなく、熱可塑性の樹脂部材が用いられることがある。剛性が必要な構造物の場合には、繊維強化材が混合された熱可塑性の樹脂成形体が用いられる。前記構造物の製造に際しては、２つの部材の接合が必要となる場合がある。この接合の手法の一つとして、摩擦攪拌点接合が知られている。摩擦攪拌点接合は、点接合される２つの部材の重なり部に、回転するツールを圧入して摩擦攪拌し、両部材を点接合する攪拌接合部を形成する。

点接合される部材がアルミニウム等の金属部材である場合、前記ツールの前記重なり部への圧入深さは、部材同士の接合面付近に設定される。例えば、金属からなる上板及び下板を摩擦攪拌点接合する場合、前記上板側から圧入されるツールの圧入深さは、前記上板と前記下板との接合面、若しくは前記接合面よりもやや下板側に入り込む程度に設定される。なお、特許文献１には、表面保護層を有するアルミニウム板を接合する場合に、前記表面保護層の成分を攪拌接合部の中央に集中させるため、ツールを下板側に１ｍｍ以上圧入する摩擦攪拌点接合方法が開示されている。

しかしながら、摩擦攪拌点接合される部材が熱可塑性樹脂部材である場合、上述の金属部材の接合と同様に、ツールの圧入深さを上板と下板との接合面付近とする方法では、接合強度が十分に得られない場合があることが判明した。その原因は、攪拌接合部とその周囲の樹脂部材との融着強度にあることが判明した。

特許第６６５０８０１号公報

本開示は、複数の熱可塑性樹脂部材の重なり部を摩擦攪拌点接合するに際し、その接合強度を十分に確保することができる摩擦攪拌点接合方法、及びこれを用いた接合体を提供することを目的とする。

本開示の一の局面に係る摩擦攪拌点接合方法は、ピンと、前記ピンが内挿される中空部を備えたショルダとを含む、複動式の摩擦攪拌点接合用のツールを用いて、第１部材及び第２部材を含む熱可塑性樹脂部材の重なり部を接合する摩擦攪拌点接合方法であって、第１厚さを有する前記第１部材を前記ツールが最初に圧入される側に、第２厚さを有する前記第２部材を前記ツールが最後に圧入される側に各々配置して、前記重なり部を形成し、少なくとも前記ピン又は前記ショルダを軸回りに回転させながら、前記ピン又は前記ショルダの一方を前記重なり部へ圧入すると共に、前記圧入で溢れた樹脂材料を逃がすように他方を前記重なり部から退避させ、前記圧入を、前記ピン又は前記ショルダが前記第１部材を貫通し、且つ、前記第２部材を貫通若しくは前記第２部材の前記第１厚さ以上に相当する深さに到達するまで継続し、前記ピン又は前記ショルダのうち、前記圧入を行った前記一方を前記重なり部から退避させると共に、退避させた前記他方を前記重なり部に接近させることで、逃がした前記樹脂材料を前記圧入の領域に埋め戻す。

この摩擦攪拌点接合方法によれば、摩擦攪拌により形成される攪拌接合部が、第１部材に対して厚さ方向の全長（第１厚さ）に亘って接するだけでなく、第２部材に対しても全長（第２厚さ）若しくは第１厚さ以上に亘って接するように形成される。つまり、ツールが最後に圧入される前記第２部材において、その厚さ方向の全長若しくは前記第１厚さ以上の接合幅をもって、円柱状の攪拌接合部の側周面と当該第２部材とが厚さ方向に融着接合される。

熱可塑性樹脂部材同士を摩擦攪拌点接合させた場合、前記攪拌接合部のうち前記ツールの圧入先端面が攪拌する先端領域の接合強度が低くなることを、本開示者らは知見した。また、前記攪拌接合部においては、前記第２部材と前記第１部材（又は他の中間部材）との重ね合わせ面付近が応力集中部となり、破壊の起点部となり易い。本開示によれば、この破壊の起点部から、前記第２部材と前記先端領域との境界を離間させ、且つ、前記攪拌接合部の側周面と前記第１部材及び前記第２部材とを融着させることができる。従って、前記第１部材と前記第２部材との接合強度を向上させることができる。

本開示の他の局面に係る接合体は、熱可塑性樹脂成形体からなる第１部材と第２部材とを含む接合体であって、第１厚さを有する前記第１部材が重なり方向に一端側に、第２厚さを有する前記第２部材が重なり方向の他端側に配置されるように重なり合う重なり部と、前記重なり部に設けられ、前記第１部材と前記第２部材とを摩擦攪拌点接合によって接合する攪拌接合部と、を備え、前記攪拌接合部は、前記第１部材を貫通し、且つ、前記第２部材を貫通若しくは前記第２部材の前記第１厚さ以上に相当する深さに到達する構成を備える。

この接合体によれば、摩擦攪拌点接合によって形成された攪拌接合部が、第１部材に対して厚さ方向の全長（第１厚さ）に亘って接し、且つ、第２部材に対しても全長（第２厚さ）若しくは第１厚さ以上に亘って接する。このため、前記第２部材と前記第１部材（又は他の中間部材）との重ね合わせ面から、低接合強度となり易い攪拌接合部の深さ方向の先端領域が離間された構造とすることができる。従って、前記第１部材と前記第２部材との接合強度を向上させることができる。

本開示によれば、複数の熱可塑性樹脂部材の重なり部を摩擦攪拌点接合するに際し、その接合強度を十分に確保することができる摩擦攪拌点接合方法、及びこれを用いた接合体を提供することができる。

図１は、本開示に係る接合方法を実行可能な、複動式の摩擦攪拌点接合装置の構成を示す模式図である。 図２は、同ツールを用いた場合において、ショルダを先行して接合部材の重なり部に圧入させるショルダ先行プロセスを示す図である。 図３は、複動式の摩擦攪拌点接合用ツールを用いた場合において、ピンを先行して接合部材の重なり部に圧入させるピン先行プロセスを示す図である。 図４は、攪拌接合部と母材との接合強度を説明するための断面図である。 図５Ａは、アルミニウム接合部材を摩擦攪拌点接合してなる接合体の断面図である。 図５Ｂは、図５Ａの接合体の引っ張り試験後の断面図である。 図６Ａは、熱可塑性樹脂接合部材を、アルミニウム接合部材と同等のツール圧入深さで摩擦攪拌点接合してなる接合体の断面図である。 図６Ｂは、図６Ａの接合体の引っ張り試験後の断面図である。 図７は、本開示の実施形態に係る摩擦攪拌点接合方法の工程チャートを示す図である。 図８は、摩擦攪拌点接合される第１部材及び第２部材の構成及び両者の重なり部の形成工程を示す図である。 図９は、前記重なり部に対するツールの配置工程を示す断面図である。 図１０は、前記重なり部へのショルダの圧入工程の第１例を示す断面図である。 図１１は、前記重なり部へのショルダの圧入工程の第２例を示す断面図である。 図１２は、前記重なり部へのショルダの圧入工程の第３例を示す断面図である。 図１３Ａは、３層の接合部材で構成される重なり部への、ショルダの圧入工程を示す断面図である。 図１３Ｂは、３層の接合部材で構成される重なり部への、ショルダの圧入工程を示す断面図である。 図１４Ａは、本実施形態の摩擦攪拌点接合方法により形成された第１部材と第２部材との接合体を示す断面図である。 図１４Ｂは、本実施形態の摩擦攪拌点接合方法により形成された第１部材と第２部材との接合体を示す断面図である。 図１５Ａは、比較例１の摩擦攪拌点接合方法により形成された接合体の断面図である。 図１５Ｂは、図１５Ａの接合体の引っ張り試験後の断面図である。 図１６Ａは、比較例２の摩擦攪拌点接合方法により形成された接合体の断面図である。 図１６Ｂは、図１６Ａの接合体の引っ張り試験後の断面図である。 図１７Ａは、本開示の実施例の摩擦攪拌点接合方法により形成された接合体の断面図である。 図１７Ｂは、図１７Ａの接合体の引っ張り試験後の断面図である。 図１８は、上記比較例１、２及び実施例に係る接合体の接合強度を示すグラフである。 図１９Ａは、３層の接合部材で構成された接合体と、この接合体に対する荷重方向の一例を示す断面図である。 図１９Ｂは、図１９Ａの接合体を作成する際のツールの圧入深さを説明するための断面図である。 図２０Ａは、３層の接合部材で構成された接合体と、この接合体に対する荷重方向の他の例を示す断面図である。 図２０Ｂは、図２０Ａの接合体を作成する際のツールの圧入深さを説明するための断面図である。

以下、図面に基づいて、本開示の実施形態を詳細に説明する。本開示に係る摩擦攪拌点接合方法は、熱可塑性の樹脂成形体からなるプレート、フレーム、外装材或いは柱状材等の構造材を、二つ以上重ね合わせて点接合してなる各種接合体の製造に適用することができる。前記樹脂成形体は、炭素繊維等の繊維補強体を含んでいても良い。製造される接合体は、例えば、航空機、鉄道車両又は自動車などの構造物の構成部材となる。

［複動式の摩擦攪拌点接合装置の構成］
先ず、図１を参照して、本開示に係る摩擦攪拌点接合方法を実行可能な、複動式の摩擦攪拌点接合装置Ｍの構成例を説明する。摩擦攪拌点接合装置Ｍは、複動式の摩擦攪拌点接合用のツール１と、ツール１を回転及び昇降駆動するツール駆動部２と、ツール駆動部２の動作を制御するコントローラＣとを含む。なお、図１には「上」「下」の方向表示を付しているが、これは説明の便宜のためであり、実際のツール１の使用方向を限定する意図ではない。

ツール１は、ツール固定部によって支持される。前記ツール固定部は、例えば多関節ロボットの先端部とすることができる。ツール１の下端面に対向して、バックアップ１５が配置されている。ツール１とバックアップ１５との間には、接合対象となる少なくとも二つの熱可塑性樹脂成形体が配置される。図１では、平板プレートからなる第１部材３１の一部と、同じく平板プレートからなる第２部材３２の一部とが上下方向に重なり合った重なり部３０が、ツール１とバックアップ１５との間に配置されている例を示している。重なり部３０は、第１部材３１と第２部材３２との間に、一つ又は複数の熱可塑性樹脂成形体がさらに介在されたものであっても良い。

ツール１は、ピン１１、ショルダ１２、クランプ１３及びスプリング１４を含む。ピン１１は円柱状に形成されており、その軸心が上下方向に延びるように配置されている。ピン１１は、前記軸心を回転軸Ｒとして回転が可能であり、且つ、回転軸Ｒに沿って上下方向に昇降、つまり進退可能である。なお、ツール１の使用時には、回転軸Ｒと重なり部３０における点接合位置Ｗとが位置合わせされる。

ショルダ１２は、ピン１１が内挿される中空部を備え、円筒状に形成された部材である。ショルダ１２の軸心は、回転軸Ｒであるピン１１の軸心と同軸上にある。ショルダ１２は、回転軸Ｒ回りに回転し、且つ、回転軸Ｒに沿って上下方向に昇降、つまり進退する。ショルダ１２と、前記中空部に内挿されたピン１１とは、共に回転軸Ｒの軸回りに回転しつつ、回転軸Ｒ方向に相対移動する。すなわち、ピン１１及びショルダ１２は、回転軸Ｒに沿って同時に昇降するだけでなく、一方が下降し他方が上昇するという独立移動を行う。

クランプ１３は、ショルダ１２が内挿される中空部を備え、円筒状に形成された部材である。クランプ１３の軸心も、回転軸Ｒと同軸上にある。クランプ１３は、軸回りに回転はしないが、回転軸Ｒに沿って上下方向に昇降、つまり進退可能である。クランプ１３は、ピン１１又はショルダ１２が摩擦攪拌を行う際に、これらの外周を囲う役目を果たす。クランプ１３の囲いによって、摩擦攪拌材料を四散させず、摩擦攪拌点接合部分を平滑に仕上げることができる。

スプリング１４は、クランプ１３の上端側に取り付けられ、クランプ１３を重なり部３０に向かう方向である下方に付勢している。クランプ１３は、スプリング１４を介して、前記ツール固定部に取り付けられている。バックアップ１５は、接合対象の重なり部３０の下面側に当接する平面を備える。バックアップ１５は、ピン１１又はショルダ１２が重なり部３０に圧入される際に、当該重なり部３０を支持する裏当て部材である。スプリング１４で付勢されたクランプ１３は、重なり部３０をバックアップ１５に押し当てる。

ツール駆動部２は、回転駆動部２１、ピン駆動部２２、ショルダ駆動部２３及びクランプ駆動部２４を含む。回転駆動部２１は、モーター及び駆動ギア等を含み、ピン１１及びショルダ１２を回転軸Ｒ回りに回転駆動する。ピン駆動部２２は、回転軸Ｒに沿ってピン１１を進退移動、つまり昇降させる機構である。ピン駆動部２２は、ピン１１の重なり部３０への圧入並びに重なり部３０からの退避を行うように、ピン１１を駆動する。ショルダ駆動部２３は、回転軸Ｒに沿ってショルダ１２を進退移動させる機構であって、ショルダ１２の重なり部３０への圧入並びに退避を行わせる。クランプ駆動部２４は、回転軸Ｒに沿ってクランプ１３を進退移動させる機構である。クランプ駆動部２４は、クランプ１３を重なり部３０に向けて移動させ、重なり部３０をバックアップ１５に押圧させる。この際、スプリング１４の付勢力が作用する。

コントローラＣは、マイクロコンピュータ等からなり、所定の制御プログラムを実行することで、ツール駆動部２の各部の動作を制御する。具体的にはコントローラＣは、回転駆動部２１を制御して、ピン１１及びショルダ１２に所要の回転動作を行わせる。また、コントローラＣは、ピン駆動部２２、ショルダ駆動部２３及びクランプ駆動部２４を制御して、ピン１１、ショルダ１２及びクランプ１３に、所要の進退移動動作を行わせる。

［複動式ツールの使用方法］
続いて、本実施形態で例示しているツール１のような、複動式の摩擦攪拌点接合用ツールの一般的な使用方法について説明しておく。前記使用方法としては、大略的に、ツール１のピン１１を先行して接合部材の重なり部へ圧入させるピン先行プロセスと、ショルダ１２を先行して接合部材の重なり部へ圧入させるショルダ先行プロセスとがある。なお、後述する本開示の実施形態では、ショルダ先行プロセスが採用される例を示している。もちろん、本開示ではピン先行プロセスも採用可能である。

図２は、前記ショルダ先行プロセスによる摩擦攪拌点接合方法のプロセスＰ１１～Ｐ１４を示す図である。ここでは、第１部材３１と第２部材３２との二層からなる重なり部３０を、摩擦攪拌点接合する場合のプロセスを簡略的に示している。プロセスＰ１１は、重なり部３０の予熱工程を示している。第１部材３１の表面にツール１の下端を当接させた状態で、ピン１１及びショルダ１２を軸回りに所定の回転数で回転させる。

プロセスＰ１２は、ショルダ１２の圧入工程を示している。図中に白抜き矢印にて示すように、ショルダ１２を下降させて重なり部３０へ圧入させる一方、ピン１１を上昇、つまり退避させる。この動作により、ショルダ１２の圧入領域の材料が攪拌される。また、矢印ａ１で示すように、前記圧入によって重なり部３０から溢れ出した溢れ出し材料ＯＦが、ピン１１の退避によって生じた、ショルダ１２内の中空空間に逃がされる。

プロセスＰ１３は、溢れ出し材料ＯＦの埋め戻し工程を示している。埋め戻し工程では、ショルダ１２を上昇させて退避させる一方で、ピン１１を下降させる。ピン１１の下降により、矢印ａ２で示すように、ショルダ１２の中空空間に逃がされた溢れ出し材料ＯＦが、重なり部３０におけるショルダ１２の圧入領域に埋め戻される。

プロセスＰ１４は、ならし工程を示している。ピン１１及びクランプ１３の下端面を第１部材３１の表面の高さ位置に復帰させた状態で両者を回転させ、点接合部分を平滑化する。以上のプロセスにより、攪拌接合部４ａが形成され、第１部材３１及び第２部材３２が重なり部３０において点接合される。

図３は、前記ピン先行プロセスによる摩擦攪拌点接合方法のプロセスＰ２１～Ｐ２４を示す図である。プロセスＰ２１は、先述のプロセスＰ１１と同様な、重なり部３０の予熱工程である。プロセスＰ２２は、ピン１１の圧入工程を示している。この圧入工程では、ピン１１を下降させて重なり部３０へ圧入させる一方、ショルダ１２を上昇、つまり退避させる。この動作により、ピン１１の圧入領域の材料が攪拌される。また、矢印ｂ１で示すように、前記圧入によって重なり部３０から溢れ出した溢れ出し材料ＯＦが、ショルダ１２の退避によって生じた、ピン１１とクランプ１３との間の環状領域に逃がされる。

プロセスＰ２３は、溢れ出し材料ＯＦの埋め戻し工程を示している。埋め戻し工程では、ピン１１を上昇させて退避させる一方で、ショルダ１２を下降させる。ショルダ１２の下降により、矢印ｂ２で示すように、前記環状領域に逃がされた溢れ出し材料ＯＦが、ピン１１の圧入領域に埋め戻される。プロセスＰ２４は、先述のプロセスＰ１４と同様な、ならし工程を示している。以上のプロセスにより、攪拌接合部４ｂが形成される。

［樹脂成形体を摩擦攪拌点接合する場合の問題点］
摩擦攪拌点接合は、アルミニウム合金のような金属部材同士の接合に汎用されている。接合対象が金属部材である場合、その重なり部３０へのツール１の圧入深さは、比較的浅く設定される。図４は、第１部材３１及び第２部材３２がアルミニウム合金である場合の摩擦攪拌点接合において、一般的に形成される攪拌接合部４Ａを示す断面図である。図４では、第１部材３１をツール１が対向する上側部材、第２部材３２を下側部材とする二層の重なり部３０において、図２に示すショルダ先行プロセスによって形成された攪拌接合部４Ａを例示している。

金属同士の接合の場合、ショルダ１２の下端部１２Ｔの重なり部３０への進入位置は、第１部材３１と第２部材３２との合わせ面ＢＤの位置（第２部材３２への圧入深さｄ＝０）、乃至は、合わせ面ＢＤから下側の第２部材３２に僅かに入り込む位置に設定される。図４では、合わせ面ＢＤの位置を基準として、第２部材３２に圧入深さｄだけ入り込んだ態様の攪拌接合部４Ａを示している。例えば、第１部材３１が１．６ｍｍ厚、第２部材３２が３．０ｍｍ厚の２０００系アルミニウム合金の場合の摩擦攪拌点接合では、圧入深さｄ＝０．６ｍｍとしたときに高い接合強度が得られることが確認されている。

図５Ａは、上記で例示したアルミニウム合金からなる第１部材３１及び第２部材３２を摩擦攪拌点接合してなる接合体３Ａの断面図である。攪拌接合部４Ａは、第１部材３１を貫通し、第２部材３２の上部付近に少々入り込んでいる。攪拌接合部４Ａの底部は、ツール１の圧入先端面であるショルダ１２の下端部１２Ｔが到達した先端領域ＴＡとなる。攪拌接合部４Ａと第２部材３２とは、専ら先端領域ＴＡにおいて接合されている。

図５Ｂは、接合体３Ａの引張せん断試験後の断面図である。当該試験では、接合体３Ａを形成している第１部材３１と第２部材３２とを、重なり方向に互いに引き離すように引張り力が加えられた。図示する通り、接合体３Ａを破壊した２つの亀裂Ｃｒは、第１部材３１及び第２部材３２の厚さ方向に各々進展している。すなわち、接合体３Ａには、前記引張り力によってプラグ破断が生じたことが判る。先端領域ＴＡと第２部材３２とは、互いに接合した状態を維持している。

接合体３Ａに引っ張り荷重が加えられた場合、図４に示す位置に応力集中部ＳＣが発生する。応力集中部ＳＣは、第１部材３１の下面と第２部材３２の上面との合わせ面ＢＤと、攪拌接合部４Ａの側周面との交点付近に生じる。図５Ｂに示す亀裂Ｃｒは、この応力集中部ＳＣを起点として延伸したことが明白である。このような亀裂Ｃｒが発生したことの裏返しとして、攪拌接合部４Ａの先端領域ＴＡは第２部材３２に強固に接合されていることが判る。

本開示者らは、上述の金属部材の摩擦攪拌点接合におけるツール１の圧入深さに関する知見を適用して、熱可塑性樹脂成形体同士を摩擦攪拌点接合することを試みた。しかしながら、十分な接合強度を備える樹脂成形体の接合体を製作することはできなかった。

図６Ａは、熱可塑性樹脂部材からなる第１部材３１及び第２部材３２を摩擦攪拌点接合してなる接合体３Ｂの断面図である。ここでは、補強繊維を含む熱可塑性樹脂シートの積層体によって構成された第１部材３１及び第２部材３２を用いた接合体３Ｂを示している。攪拌接合部４Ｂは、ショルダ１２を、第１部材３１を貫通し、且つ、金属部材の場合と同様に第２部材３２へ０．６ｍｍ程度進入するように下降させて形成されたものである。攪拌接合部４Ｂの側周面４１と第１部材３１との融着接合、並びに、先端領域ＴＡと第２部材３２との融着接合によって、接合体３Ｂが形成されている。

図６Ｂは、接合体３Ｂの引っ張り剪断試験後の断面図である。当該試験では、接合体３Ｂを形成している第１部材３１と第２部材３２とを、重なり方向に互いに引き離すように引張り力が加えられた。接合体３Ｂを破壊した亀裂Ｃｒは、先端領域ＴＡと第２部材３２との境界に生じている。つまり、接合体３Ｂでは、図５Ｂで示したようなプラグ破壊ではなく、先端領域ＴＡから第２部材３２が剥がれる境界破断が発生している。換言すると、先端領域ＴＡ付近の接合強度が低いため、応力集中部ＳＣから亀裂Ｃｒが、厚さ方向ではなく前記境界方向に延伸したと言える。このことから、熱可塑性樹脂部材を摩擦攪拌点接合させる場合、ツール１の圧入深さを金属部材の接合の場合に倣って設定したのでは、先端領域ＴＡ付近の接合強度が低くなることが判る。なお、接合体３Ｂを、補強繊維を含まない熱可塑性樹脂部材で形成した場合も同様である。

上記の通り、先端領域ＴＡ付近の接合強度が低くなる理由は、次の通りであると推定される。一般に、アルミニウムなどの金属材料は樹脂材料に比べて熱伝導率が高い。金属部材の重なり部３０に回転するツール１を圧入すると、当該ツール１によって摩擦攪拌される領域が摩擦熱で高温化するだけでなく、その周辺領域の母材も伝熱作用によって高温化する。図５Ａの接合体３Ａならば、攪拌接合部４Ａに加えて、第２部材３２の先端領域ＴＡに隣接する周辺領域も高温化する。摩擦攪拌の処理後、攪拌接合部４Ａ並びに前記周辺領域は一様に冷却される。このため、攪拌接合部４Ａ（先端領域ＴＡ）と第２部材３２との境界部分に残存する熱応力は小さいものとなる。このことが、接合体３Ａの接合強度を高くしていると言える。

これに対し、樹脂部材の重なり部３０の場合には、熱伝導率の低さに起因して、摩擦攪拌領域と、その周辺領域の母材との温度勾配が金属部材の場合に比べて大きくなる。図６Ａに例示する接合体３Ｂならば、攪拌接合部４Ｂの先端領域ＴＡの周辺に位置する第２部材３２の母材部分は、攪拌接合部４Ｂと同レベルまで高温化し難い。このため、攪拌接合部４Ｂの先端領域ＴＡとその周辺領域の母材との間には比較的大きな温度勾配が発生する。従って、両者は一様には冷却されず、熱収縮差が生じてしまう。この熱収縮差は、大きな熱応力を発生させる。図６Ｂに示した先端領域ＴＡと第２部材３２との境界に生じた亀裂Ｃｒは、前記熱応力によって促進されたものと推定される。

以上の検討結果に鑑みて本開示者らは、熱可塑性樹脂部材の重なり部３０の接合強度を向上させる手段として、接合体３Ｂの破壊の起点部となる応力集中部ＳＣと、第２部材３２と先端領域ＴＡとの境界とを、可及的に離間させることが有効であることを知見した。以下、かかる知見に基づいた、接合対象を熱可塑性樹脂成形体とする、本開示の実施形態に係る摩擦攪拌点接合方法の具体例を説明する。

［実施形態に係る摩擦攪拌点接合方法］
図７は、本開示の実施形態に係る摩擦攪拌点接合方法の工程チャートを示す図である。本実施形態の摩擦攪拌点接合方法は、熱可塑性樹脂成形体からなる第１部材３１及び第２部材３２を含む重なり部３０の接合方法であって、次の工程Ｓ１～Ｓ５を含む。
・工程Ｓ１：第１部材３１及び第２部材３２を含む重なり部３０を形成する。
・工程Ｓ２：ツール１を重なり部３０の点接合位置Ｗに配置および回転させる。
・工程Ｓ３：ショルダ１２の重なり部３０への圧入を開始させる。
・工程Ｓ４：ショルダ１２を所要の圧入深さだけ圧入して摩擦攪拌を行う。
・工程Ｓ５：ピン１１を下降させて、材料の埋め戻しを行う。
・工程Ｓ６：摩擦攪拌部のならしを行う。

上記工程Ｓ２は、図２に示したプロセスＰ１１の「予熱工程」に、工程Ｓ３及びＳ４はプロセスＰ１２の「圧入工程」に、工程Ｓ５はプロセスＰ１３の「埋め戻し工程」に、工程Ｓ６はプロセスＰ１４の「ならし工程」に各々相当する。しかしながら、本実施形態では、接合対象が熱可塑性樹脂成形体であることに伴い、工程Ｓ４の圧入実行段階において、ツール１の重なり部３０への圧入深さが、従前の金属部材の接合とは異なる圧入深さとされる。以下、各工程について具体的に説明する。

図８は、上記工程Ｓ１の重なり部３０の形成工程を示す図である。工程Ｓ１では、第１部材３１と第２部材３２とを、両者の少なくとも一部が互いに当接した状態で重なり合う重なり部３０が形成されるように配置する。本実施形態では、プレート状の第１部材３１の一部を上側部材、プレート状の第２部材３２の一部を下側部材として、両者が上下に重ね合わされた重なり部３０を例示している。第１部材３１は、重ね合わせ方向に所定の第１厚さｔ１を有している。第２部材３２は、第１厚さｔ１と同一の第２厚さｔ２（ｔ１＝ｔ２）を有している。本実施形態では、ツール１は重なり部３０の上側に配置される。すなわち、第１部材３１はツール１が最初に圧入される側に、第２部材３２はツール１が最後に圧入される側に各々配置されることで、重なり部３０が形成されている。

重なり部３０には、第１部材３１の下面である接合面３１Ａと、第２部材３２の上面である接合面３２Ａとが直接接触した合わせ面ＢＤが形成されている。このような二層の重なり部３０において、ツール１によって、所要の点接合位置Ｗで第１部材３１と第２部材３２とが摩擦攪拌点接合されるものとする。重なり部３０は、プレートとフレーム（又は柱状材）との重なり部、或いはフレーム同士の重なり部等であっても良い。

既述の通り、第１部材３１及び第２部材３２としては、熱可塑性樹脂成形体が用いられる。熱可塑性樹脂としては、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリアミド（ＰＡ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリアリールエーテルケトン（ＰＡＥＫ）、ポリアセタール（ＰＯＭ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ＡＢＳ樹脂、熱可塑性のエポキシ樹脂などを例示することができる。

第１部材３１及び第２部材３２は、上掲の熱可塑性樹脂のみからなる成形体であっても良いし、繊維強化熱可塑性樹脂成形体であっても良い。後者の成形体としては、例えば繊維強化材としての短繊維又は長繊維を熱可塑性樹脂に混合した成形体、連続繊維を所定方向に配列した繊維配列体若しくは連続繊維の織布に熱可塑性樹脂を含浸してなる成形体を例示することができる。本実施形態では、連続繊維の配列体に熱可塑性樹脂を含浸したシートであるプリプレグを多層に積層してなる成形体が、第１部材３１及び第２部材３２として用いられる例を示す。

図８には、第１部材３１を構成しているシート積重体３３の一部が示されている。シート積重体３３は、それぞれ連続繊維の配列体に熱可塑性樹脂を含浸したシートからなる第１シート層３３Ａ、第２シート層３３Ｂ及び第３シート層３３Ｃを含む。第１シート層３３Ａは、連続繊維３４の多数本が所定の配列方向に配列され、その配列体に熱可塑性樹脂を含浸して一体化した、厚さ０．１ｍｍ～０．５ｍｍ程度のシートである。第２シート層３３Ｂ及び第３シート層３３Ｃも上記と同様なシートであるが、連続繊維３４の配列方向が相互に異なる方向とされている。このように、例えば連続繊維３４の配列方向を互いに異なる３軸方向とした３種のシートを多層に積層することで、第１部材３１は疑似等方性を備えている。第２部材３２も、第１部材３１と同様なシートの多層積層体からなるプレートである。

連続繊維３４としては、例えば炭素繊維、ガラス繊維、セラミック繊維、金属繊維或いは有機繊維を用いることができる。図８では、連続繊維３４を一方向に配列したシートを例示しているが、連続繊維を縦糸及び横糸として織布を形成した後に熱可塑性樹脂を含浸させるファブリック型のシートを用いても良い。また、連続繊維３４に代えて、長さが２ｍｍ～２０ｍｍ程度の長繊維、若しくは短繊維を熱可塑性樹脂に混合させたシート又はプレートを用いることもできる。

図９は、上記工程Ｓ２のツールの配置工程を示す断面図である。工程Ｓ２では、第１部材３１及び第２部材３２の重なり方向である上下方向にツール１の回転軸Ｒが沿うように、重なり部３０に対してツール１が配置される。この際、回転軸Ｒが、予め定められた点接合位置Ｗに位置合わせされた状態で、ツール１の下端面が第１部材３１の上面に当接される。また、クランプ１３は、スプリング１４の付勢力を伴って、重なり部３０をバックアップ１５に押圧する。位置決めが完了したら、図１に示す回転駆動部２１がピン１１及びショルダ１２を回転軸Ｒ回りに回転させる。この回転により、重なり部３０におけるピン１１及びショルダ１２が当接している領域が予熱される。

図９は、上記工程Ｓ３に示すツール１の圧入開始の状態を示す図でもある。本実施形態では、図２に示した「ショルダ先行プロセス」を採用するので、少なくともショルダ１２を軸回りに回転させながら、当該ショルダ１２の重なり部３０への圧入を開始する。一方、前記圧入で溢れた樹脂材料を逃がすように、ピン１１を重なり部３０から退避させる。これにより、点接合位置Ｗにおける摩擦攪拌が開始される。なお、図３に示した「ピン先行プロセス」を採用する場合は、少なくともピン１１を軸回りに回転させながら、当該ピン１１の重なり部３０への圧入を開始する。一方、前記圧入で溢れた樹脂材料を逃がすように、ショルダ１２を重なり部３０から退避させる。

続く工程Ｓ４では、実際にショルダ１２の重なり部３０への圧入が実行される。本実施形態では、第１部材３１を上側部材、第２部材３２を下側部材として、二層の重なり部３０が形成されている。ショルダ１２は、第１部材３１の上面側から圧入される。ショルダ１２の圧入深さ（下降量）は、第１部材３１の第１厚さｔ１と、第２部材３２の第２厚さｔ２との関係に応じて設定される。

上記工程Ｓ４の圧入は、ショルダ１２が第１部材３１を貫通し、且つ、第２部材３２を貫通する、若しくは、第２部材３２の第１厚さｔ１以上に相当する深さに到達するまで継続される。具体的には、図７で示すように、第１厚さｔ１と第２厚さｔ２との関係が、次のケース（１）～（３）の何れであるかが判定され（工程Ｓ４１）、各ケースに応じてショルダ１２の圧入深さが設定される。なお、図３に示した「ピン先行プロセス」を採用する場合、上記工程Ｓ４の圧入は、ピン１１が第１部材３１を貫通し、且つ、第２部材３２を貫通する、若しくは、第２部材３２の第１厚さｔ１以上に相当する深さに到達するまで継続される。
・ケース（１）；第１厚さｔ１＝第２厚さｔ２
・ケース（２）；第１厚さｔ１＜第２厚さｔ２
・ケース（３）；第１厚さｔ１＞第２厚さｔ２

上記ケース（１）の場合、つまり、第１厚さｔ１と第２厚さｔ２とが同一厚さであるとき、ショルダ１２の重なり部３０への圧入深さは、第１厚さｔ１の２倍（ｔ１×２）に設定される（工程Ｓ４２）。この場合、ショルダ１２は、第１部材３１及び第２部材３２の双方を貫通する。ケース（２）の場合、つまり、第２厚さｔ２が第１厚さｔ１よりも厚いとき、ショルダ１２の圧入深さは、第１厚さｔ１の２倍以上に設定される（工程Ｓ４３）。この場合、ショルダ１２は、が第１部材３１を貫通し、且つ、少なくとも第２部材３２の第１厚さｔ１に相当する深さに到達する。なお、設定され得る最も深い圧入深さは、ｔ１＋ｔ２である。ケース（３）の場合、つまり、第２厚さｔ２が第１厚さｔ１よりも薄いとき、ショルダ１２の圧入深さは、第１厚さｔ１と第２厚さｔ２との加算値（ｔ１＋ｔ２）に設定される（工程Ｓ４４）。この場合も、ショルダ１２は、第１部材３１及び第２部材３２の双方を貫通することになる。

図８及び図９は、上記ケース（１）を例示している。図１０は、ケース（１）における工程Ｓ４２の、ショルダ１２の圧入工程を示す断面図である。工程Ｓ４２では、ショルダ駆動部２３がショルダ１２を回転軸Ｒに沿って下降させ、当該ショルダ１２を重なり部３０へ圧入させる。一方、ピン駆動部２２は、ピン１１を上昇させ、当該ピン１１を重なり部３０に対して回転軸Ｒ方向に退避させる。クランプ１３は不動である。回転しているショルダ１２が重なり部３０に圧入されると、当該ショルダ１２の圧入領域において重なり部３０は摩擦攪拌され、その部分の樹脂成形体材料は軟化する。もちろん、前記圧入領域内に含まれる連続繊維３４も粉砕される。

ピン１１の前記退避によって、ショルダ１２の中空部には退避空間が形成される。つまり、ピン１１の下端部１１Ｔがショルダ１２の下端部１２Ｔに対して上昇することで、ショルダ１２の内部にキャビティが生じる。ショルダ１２の圧入によって重なり部３０から溢れた樹脂成形体材料である溢れ出し材料ＯＦは、ショルダ１２の前記中空部に逃がされる。

既述の通り、ショルダ１２の重なり部３０への圧入深さは、第１厚さｔ１×２である。ｔ１＝ｔ２であるので、ツールが最後に圧入される下側の第２部材３２へのショルダ１２の圧入深さｄ＝ｔ１＝ｔ２となる。従って、ショルダ駆動部２３は、ショルダ１２の下端部１２Ｔが、第１部材３１を貫通し、さらに第２部材３２の下面に至るまで、つまり第２部材３２を貫通するまで、ショルダ１２の圧入を継続させる。このような圧入深さｄは、重なり部３０における第２部材３２に、第１部材３１の第１厚さｔ１と同等の厚みを有する攪拌接合部４を形成することを企図したものである。

図１１は、ケース（２）における工程Ｓ４３（ｔ１＜ｔ２）の、ショルダ１２の圧入工程を示す断面図である。ショルダ駆動部２３によるショルダ１２の下降、並びに、ピン駆動部２２によるピン１１の上昇の動作は、上述の工程Ｓ４２と同様である。但し、工程Ｓ４３では、ショルダ１２の重なり部３０への圧入深さは、第１厚さｔ１の２倍以上に設定される。つまり、第２部材３２へのショルダ１２の圧入深さｄが、ｔ２≧ｄ≧ｔ１の範囲内となるように、ショルダ駆動部２３はショルダ１２の圧入を継続させる。このような圧入深さｄは、重なり部３０における第２部材３２に、少なくとも第１厚さｔ１と同等以上の厚みを有する攪拌接合部４を形成することを企図したものである。

工程Ｓ４３において圧入深さｄを、ｔ２＞ｄ≧ｔ１の範囲で選択した場合、ショルダ１２の下端部１２Ｔは、第２部材３２を貫通しないことになる。しかし、ショルダ１２は、第２部材３２を第１厚さｔ１以上に相当する深さ分だけ摩擦攪拌する。一方、圧入深さｄ＝ｔ２に設定した場合、ショルダ１２の下端部１２Ｔは、第２部材３２を貫通することになる。

図１２は、ケース（３）における工程Ｓ４４（ｔ１＞ｔ２）の、ショルダ１２の圧入工程を示す断面図である。工程Ｓ４４では、ショルダ１２の重なり部３０への圧入深さは、第１厚さｔ１と第２厚さｔ２との加算値に設定される。つまり、第２部材３２へのショルダ１２の圧入深さｄ＝ｔ２となる。従って、ショルダ駆動部２３は、ショルダ１２の下端部１２Ｔが、第１部材３１を貫通し、さらに第２部材３２を貫通するまで、ショルダ１２の圧入を継続させる。このような圧入深さｄは、重なり部３０における第２部材３２に、当該第２部材３２の全厚さに相当する攪拌接合部４を形成することを企図したものである。

上掲の例では、重なり部３０が第１部材３１及び第２部材３２の二層の接合部材で構成されている例を示したが、本開示は三層以上の接合部材の重なり部３０の摩擦攪拌点接合にも適用することができる。すなわち、上述の第１部材３１と第２部材３２との間に、１以上の熱可塑性樹脂部材を介在させて形成された重なり部３０であっても良い。このような重なり部３０であっても、上掲のケース（１）～（３）で示したツール１（実施例ではショルダ１２）の第２部材３２への圧入深さｄの考え方を適用することができる。

図１３Ａ及び図１３Ｂは、三層の接合部材で構成される重なり部３０への、ショルダ１２の圧入工程を示す断面図である。ここに例示している重なり部３０は、第１部材３１及び第２部材３２と、これら部材の間に介在される熱可塑性樹脂からなる第３部材３５とが、上下方向に重ね合わされてなる。当該重なり部３０において、第１部材３１はツール１を最初に圧入される側、第２部材３２はツール１を最後に圧入される側に配置されている。なお、図１３Ａ及び図１３Ｂの例では、第３部材３５に荷重が加わらないケースを想定している。

図１３Ａは、第１部材３１の第１厚さｔ１と第２部材３２の第２厚さｔ２とが等しい場合（ｔ１＝ｔ２）を例示している。つまり、上記のケース（１）に相当する例である。第３部材３５は、ｔ１と同等の厚さｔ３を有する例を示している。なお、第３部材３５の厚さｔ３は、特に第２部材３２へのツール１の圧入深さに影響を与えない。この例の場合、重なり部３０へのショルダ１２の圧入深さは、ｔ１＋ｔ２＋ｔ３となる。第２部材３２へのショルダ１２の圧入深さｄで言うと、ｔ１となる。ｔ１＝ｔ２であるため、圧入深さｄはｔ２とも言える。これにより、ショルダ１２の下端部１２Ｔが、第１部材３１及び第３部材３５を貫通し、さらに第２部材３２を貫通するまで、ショルダ１２の圧入が行われることになる。

図１３Ｂは、第２部材３２の第２厚さｔ２が第１部材３１の第１厚さｔ１よりも厚い場合（ｔ１＜ｔ２）を例示している。つまり、上記のケース（２）に相当する例である。第３部材３５は、ｔ１とｔ２の中間に相当する厚さｔ３を有する例を示している。なお、第３部材３５の厚さｔ３は、特に第２部材３２へのツール１の圧入深さに影響を与えない。この例の場合、重なり部３０へのショルダ１２の圧入深さは、第１厚さｔ１の２倍に第３部材３５の厚さｔ３を加えた値（ｔ１×２＋ｔ３）以上に設定される。第２部材３２へのショルダ１２の圧入深さｄで言うと、ｄ≧ｔ１となる。これにより、ショルダ１２の下端部１２Ｔが、少なくとも第１部材３１及び第３部材３５を貫通し、さらに第２部材３２のｔ１に相当する深さに到達するまで、ショルダ１２の圧入が行われる。

以上は、第３部材３５に荷重が加わらない場合におけるツール１の圧入例である。これに対し、第３部材３５に荷重が加わる場合は、その荷重方向に応じて第１部材３１又は第２部材３２と第３部材３５とが一体の部材であると扱って、ツール１の圧入態様が設定される。すなわち、少なくとも第１部材３１及び第２部材３２の一方が、荷重の加わる方向が同一であってツール１の圧入方向に重ねられた複数枚のプレートからなると扱うことができる。

図１９Ａは、第１部材３１、第２部材３２及び第３部材３５の三層が攪拌接合部４で接合された接合体であって、第３部材３５に第２部材３２と同方向の荷重が加わる接合体を示している。荷重パターンＡ１では、第１部材３１には右方向への荷重が、第２部材３２及び第３部材３５には左方向への荷重が加わる例を示している。荷重パターンＡ２では、第１部材３１には上方向への荷重が、第２部材３２及び第３部材３５には下方向への荷重が加わる例を示している。

図１９Ｂは、図１９Ａの接合体の攪拌接合部４を作成する際のツールの圧入深さを説明するための断面図である。図１９Ａに示す荷重方向である場合、荷重方向が同一である第２部材３２と第３部材３５とを、一つの部材と扱うことができる。すなわち、荷重の加わる方向の異なる部材間の合わせ面を境界とし、上側を「第１部材３１０」、下側を「第２部材３２０」として、ツール１の圧入深さｄが設定される。この例では前記境界が第１部材３１と第３部材３５との合わせ面であり、第１部材３１がそのまま「第１部材３１０」となり、第２部材３２及び第３部材３５の積層体が「第２部材３２０」となる。「第１部材３１０」の第１厚さＴ１＝ｔ１、「第２部材３２０」の第２厚さＴ２＝ｔ２＋ｔ３である。この場合の「第２部材３２０」への圧入深さｄは、上記ケース（２）の図１１の例と同様に、Ｔ２≧ｄ≧Ｔ１の範囲で設定すれば良い。つまり、このケースでは、第２部材３２に対してｔ１以上の圧入深さが確保されなくとも良い。

図２０Ａは、第１部材３１、第２部材３２及び第３部材３５の三層が攪拌接合部４で接合された接合体であって、第３部材３５に第１部材３１と同方向の荷重が加わる接合体を示している。荷重パターンＢ１では、第２部材３２には左方向への荷重が、第１部材３１及び第３部材３５には右方向への荷重が加わる例を示している。荷重パターンＢ２では、第１部材３１及び第３部材３５には上方向への荷重が、第２部材３２には下方向への荷重が加わる例を示している。

図２０Ｂは、図２０Ａの接合体の攪拌接合部４を作成する際のツールの圧入深さを説明するための断面図である。図２０Ａに示す荷重方向である場合、荷重方向が同一である第１部材３１と第３部材３５とを、一つの部材と扱うことができる。この例では荷重方向の境界が第３部材３５と第２部材３２との合わせ面であり、第１部材３１及び第３部材３５の積層体が「第１部材３１０」となり、第２部材３２がそのまま「第２部材３２０」となる。「第１部材３１０」の第１厚さＴ１＝ｔ１＋ｔ３、「第２部材３２０」の第２厚さＴ２＝ｔ２である。この場合の「第２部材３２０」への圧入深さｄは、上記ケース（３）の図１２の例と同様に、ｄ＝Ｔ２となる。このように、ｄ＝Ｔ２の圧入によって重なり部３０を貫通する攪拌接合部４が形成されるのは、上記ケース（３）に相当するＴ１＞Ｔ２の場合、若しくは上記ケース（１）に相当するＴ１＝Ｔ２の場合である。上記ケース（２）に相当するＴ１＜Ｔ２の場合には、圧入深さｄは「第１部材３１０」の第１厚さＴ１と同等、つまりｄ＝Ｔ１に設定することができる。

図７に戻って、以上のようなショルダ１２の圧入工程Ｓ４が完了したら、当該圧入による溢れ出し材料ＯＦの埋め戻しの工程Ｓ５が実行される。工程Ｓ５では、ショルダ駆動部２３が、図１０に示す通り下端部１２Ｔが第２部材３２を貫通しているショルダ１２を、回転軸Ｒに沿って上昇、つまり退避させる。一方、ピン駆動部２２は、ピン１１が重なり部３０に接近するように下降させる。最終的には、下端部１２Ｔが第１部材３１の上面に至るまでショルダ１２が上昇され、下端部１１Ｔが第１部材３１の上面に至るまでピン１１が下降される。これにより、ショルダ１２の中空部内に逃がした樹脂材料、つまり溢れ出し材料ＯＦが、ショルダ１２の圧入領域に埋め戻される。

その後、上記工程Ｓ６のならし工程が行われる。ならし工程では、ピン１１の下端部１１Ｔ及びショルダ１２の下端部１２Ｔを面一として、摩擦攪拌された部分の表面を平滑化する作業が行われる。ショルダ１２の圧入領域に埋め戻された溢れ出し材料ＯＦが冷却固化することで、第１部材３１と第２部材３２とを接合する攪拌接合部４が形成される。

［接合体の構造］
図１４Ａは、本実施形態の摩擦攪拌点接合方法により形成された第１部材３１と第２部材３２との接合体３ａを示す断面図である。接合体３は、重なり方向、つまり上下方向の一端側に第１部材３１が、他端側に第２部材３２が配置されるように重なり合う重なり部３０と、重なり部３０に設けられた攪拌接合部４ａとを備えている。重なり部３０において、第１部材３１の一部と第２部材３２との一部とが、合わせ面ＢＤで互いに当接した状態で重なり合っている。攪拌接合部４ａは、第１部材３１と第２部材３２とが、摩擦攪拌点接合により接合された部分である。

図１４Ａでは、第１部材３１の第１厚さｔ１と第２部材３２の第２厚さｔ２とが等しい（ｔ１＝ｔ２）、図１０に示す上記ケース（１）について得られた接合体３ａを例示している。攪拌接合部４ａは、円柱状のツール１の圧入領域を埋めているので、略円柱状の形状を有している。攪拌接合部４ａは、ショルダ１２の下端部１２Ｔの到達位置に相当する先端領域ＴＡと、重なり部３０の攪拌されていない第１部材３１及び第２部材３２である母材部分との境界となる側周面４１とを備えている。

攪拌接合部４ａは、第１部材３１を貫通し、且つ、第２部材３２を貫通している。すなわち、先端領域ＴＡは第２部材３２の下面に到達する位置にある。また、側周面４１は、上面のならし部分の凹部を除いて、第１部材３１に対して厚さ方向の全長である第１厚さｔ１に亘って接合し、且つ、第２部材３２に対しても全長である第２厚さｔ２に亘って接合している。つまり、図６Ａに示した比較例とは異なり、ツール１が最後に圧入される第２部材３２において、その厚さ方向の全長の接合幅をもって、攪拌接合部４ａの側周面４１と当該第２部材３２とが厚さ方向に融着接合された縦接合部Ｄを有している。

既述の通り、熱可塑性樹脂からなる接合部材を摩擦攪拌点接合させた場合、先端領域ＴＡの接合強度が低くなる。また、攪拌接合部４ａにおいては、第１部材３１と第２部材３２との合わせ面ＢＤと側周面４１との交差部付近が応力集中部ＳＣとなり、接合体３ａの破壊の起点部となり易い。本実施形態の接合体３ａによれば、合わせ面ＢＤの応力集中部ＳＣから、低接合強度となり易い先端領域ＴＡを離間させた構造とすることができる。そして、応力集中部ＳＣと先端領域ＴＡとの間には、攪拌接合部４ａの側周面４１と第２部材３２とが融着した縦接合部Ｄが、第２厚さｔ２に相当する長さで延在している。従って、攪拌接合部４ａにより、第１部材３１と第２部材３２とを高い接合強度で接合させることができる。なお、図１２に示す上記ケース（３）について得られる接合体も、図１４Ａと同様である。

図１４Ｂは、第１部材３１の第１厚さｔ１より第２部材３２の第２厚さｔ２の方が厚肉である（ｔ１＜ｔ２）、図１１に示す上記ケース（２）について得られた接合体３ｂを例示している。接合体３ｂの攪拌接合部４ｂも、先端領域ＴＡ及び側周面４１を備えている。但し、上掲の接合体３ａとは異なり、接合体３ｂの先端領域ＴＡは、第２部材３２の下面に到達しておらず、合わせ面ＢＤから圧入深さｄだけ第２部材３２に進入した位置にある。圧入深さｄは、第１厚さｔ１よりも長い（ｄ＞ｔ１）。

図１４Ｂの攪拌接合部４ｂにおいては、先端領域ＴＡが第２部材３２と接する部分が形成される。当該部分は低接合強度となり易い。しかし、この先端領域ＴＡは、応力集中部ＳＣから第１厚さｔ１よりも長い圧入深さｄだけ離間した位置に存在しており、両者間には圧入深さｄに相当する長さの縦接合部Ｄが存在している。従って、攪拌接合部４ｂにより、第１部材３１と第２部材３２とを高い接合強度で接合させることができる。

先に説明した通り、圧入深さｄは、第１厚さｔ１と同一（ｄ＝ｔ１）としても良いし、第２厚さｔ２と同一（ｄ＝ｔ２）としても良い。後者の場合は、先端領域ＴＡは、第２部材３２を貫通する位置に到達する。但し、ｔ１＜ｔ２の関係の場合、ｄ≧ｔ１の関係が満たされていれば、応力集中部ＳＣから先端領域ＴＡが十分に離間された状態となるので、必ずしも第２部材３２を貫通する攪拌接合部４ｂとせずとも、高い接合強度を得ることができる。

なお、３層又はそれ以上の多層のプレートにて接合体３が構成される場合は、最上層の第１部材３１と最下層の第２部材３２との間に、１以上の熱可塑性樹脂部材からなる中間プレートが介在された態様の接合体となる。図１３Ａ及び図１３Ｂに例示したように、前記中間プレートが荷重の加わらないと想定された第３部材３５である場合には、当該第３部材３５は、第１部材３１及び第２部材３２とは別個の層と扱われ、圧入深さｄの設定に関与しない層となる。一方、図１９Ａ～図２０Ｂに例示したように、第１部材３１又は第２部材３２と同方向の荷重の加わることが想定された第３部材３５の場合は、圧入深さｄの設定に関与する層、つまり攪拌接合部４の形態に関与する層となる。この場合、第３部材３５は荷重の加わる方向により第１部材３１又は第２部材３２として扱われ、第１部材３１又は第２部材３２の少なくとも一方が、複数枚のプレートで構成された接合体３となる。図１９Ａ～図２０Ｂの例では、ツール１の圧入方向に重ねられた第１部材３１及び第３部材３５の２枚の積層体が「第１部材３１０」、若しくは、第３部材３５及び第２部材３２の２枚の積層体が「第２部材３２０」である構造を有する接合体３となる。

［接合体の引張せん断試験］
接合強度の比較のため、本開示に係る摩擦攪拌点接合方法が適用された接合体（実施例１）と、非適用の接合体（比較例１、２）とを製作し、引張せん断試験を行った。実施例及び比較例１、２において接合材となる第１部材３１及び第２部材３２としては、厚さ３．３ｍｍの疑似等方積層型の連続繊維ＣＦＲＴＰ（Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｔｈｅｒｍｏｐｌａｓｔｉｃｓ）材を用いた。各接合体の重なり部３０は、第１部材３１をツール１が最初に圧入される側に、第２部材３２をツール１が最後に圧入される側に配置してなる二層構造とした。重なり部３０の摩擦攪拌は、図２に示すショルダ先行プロセスにて行った。

図１５Ａは、比較例１の摩擦攪拌点接合方法により形成された接合体３－１の断面図である。比較例１では、接合体３－１の重なり部３０へのショルダ１２の圧入深さを３．７ｍｍとして摩擦攪拌を行った。つまり、下側部材である第２部材３２へのショルダ１２の圧入深さｄ＝０．４ｍｍとした。この摩擦攪拌で得られた攪拌接合部４－１は、その先端領域ＴＡが、合わせ面ＢＤから第２部材３２側へ０．４ｍｍ程度進入した位置に存在することになる。つまり、応力集中部ＳＣから先端領域ＴＡまでは僅かな距離しか離れていない。図１５Ｂは、比較例１の接合体３－１の引張せん断試験後の断面図である。亀裂Ｃｒは、先端領域ＴＡと第２部材３２との接合面において発生している。

図１６Ａは、比較例２の摩擦攪拌点接合方法により形成された接合体３－２の断面図である。比較例２では、接合体３－２の重なり部３０へのショルダ１２の圧入深さを５．１ｍｍとして摩擦攪拌を行った。つまり、第２部材３２へのショルダ１２の圧入深さｄ＝１．８ｍｍとした。この摩擦攪拌で得られた攪拌接合部４－２は、その先端領域ＴＡが、合わせ面ＢＤから第２部材３２側へ１．８ｍｍ程度進入した位置に存在することになる。つまり、応力集中部ＳＣから先端領域ＴＡまでは、第２部材３２の半分程度の厚み分の距離しか離れていない。図１６Ｂは、比較例２の接合体３－２の引張せん断試験後の断面図である。比較例１と同様に、比較例２においても亀裂Ｃｒは、先端領域ＴＡと第２部材３２との接合面において発生している。

図１７Ａは、実施例の摩擦攪拌点接合方法により形成された接合体３－３の断面図である。実施例では、接合体３－３の重なり部３０へのショルダ１２の圧入深さを６．６ｍｍとして摩擦攪拌を行った。つまり、第２部材３２へのショルダ１２の圧入深さｄ＝３．３ｍｍであって、第２部材３２を貫通する圧入深さとした。この摩擦攪拌で得られた攪拌接合部４－３は、その先端領域ＴＡが、第２部材３２の下面に相当する位置に存在している。すなわち、応力集中部ＳＣから先端領域ＴＡまでは、第２部材３２の厚みに相当する３．３ｍｍだけ離間している。

図１７Ｂは、実施例の接合体３－３の引張せん断試験後の断面図である。比較例１、２とは異なり、亀裂Ｃｒは、攪拌接合部４－３の側周面４１と母材部分との境界部において発生している。つまり、比較例１、２のような境界破断ではなく、プラグ破断によって接合体３－３は破損している。

図１８は、比較例１、比較例２及び実施例に係る接合体３－１、３－２、３－３の接合強度を示すグラフである。引張せん断試験によって確認された接合体３－１、３－２、３－３の接合強度は、それぞれ２．４ｋＮ、２．８ｋＮ、３．２ｋＮであった。すなわち、第２部材３２に対するショルダ１２の圧入深さｄが深くなるほど、接合強度が高くなることが確認された。また、実施例の接合体３－３は、比較例１の接合体３－１に比べて３０％程度、比較例２の接合体３－２に比べて１５％程度、接合強度が向上することが確認された。

［作用効果］
以上説明した、本実施形態に係る摩擦攪拌点接合方法によれば、攪拌接合部４が、第１部材３１に対して厚さ方向の全長である第１厚さｔ１に亘って接するだけでなく、第２部材３２に対しても厚さ方向の全長である第２厚さｔ２若しくは第１厚さｔ１以上に亘って接するように形成される。つまり、ツール１が最後に圧入される第２部材３２において、その厚さ方向の全長若しくは第１厚さｔ１以上の接合幅をもって、攪拌接合部４の側周面４１と第２部材３２とが厚さ方向に融着接合される。攪拌接合部４の先端領域ＴＡは、熱可塑性樹脂部材同士を摩擦攪拌点接合させた場合に低接合強度となる。また、攪拌接合部４においては、第１部材３１と第２部材３２との合わせ面ＢＤ付近が応力集中部ＳＣとなり、破壊の起点部となり易い。しかし、本実施形態によれば、応力集中部ＳＣから先端領域ＴＡを十分に離間させ、且つ、攪拌接合部４の側周面４１と母材部分とを融着させることができる。従って、第１部材３１と第２部材３２との接合強度を向上させることができる。

重なり部３０が第１部材３１及び第２部材３２の二層で構成される場合において、第１厚さｔ１と第２厚さｔ２とが同一の厚さであるとき、重なり部３０への圧入深さを第１厚さｔ１の２倍に設定することができる。これにより、ピン１１又はショルダ１２が第１部材３１及び第２部材３２の双方を貫通するまで、圧入を継続させる。この摩擦攪拌で形成される攪拌接合部４は、その先端領域ＴＡが第２部材３２を貫通する位置まで到達する。従って、応力集中部ＳＣと先端領域ＴＡとを最も離間させることができ、接合強度の向上を達成することができる。

重なり部３０が第１部材３１及び第２部材３２の二層で構成される場合において、第２厚さｔ２が第１厚さｔ１よりも厚いとき、重なり部３０への圧入の深さを第１厚さｔ１の２倍以上に設定することができる。これにより、ピン１１又はショルダ１２が第１部材３１を貫通し、且つ、少なくとも第２部材３２の第１厚さｔ１以上に相当する深さに到達するまで、圧入を継続させる。この摩擦攪拌で形成される攪拌接合部４は、その先端領域ＴＡが、少なくとも第２部材３２の第１厚さｔ１に相当する深さまで到達する。従って、応力集中部ＳＣと先端領域ＴＡとを、少なくとも第１厚さｔ１だけ離間させることができる。このため、先端領域ＴＡと第２部材３２との境界部での境界破断よりも、プラグ破断を生じ易くすることができ、接合強度を向上させることができる。

重なり部３０が第１部材３１及び第２部材３２の二層で構成される場合において、第２厚さｔ２が第１厚さｔ１よりも薄いとき、重なり部３０への圧入の深さを第１厚さｔ１と第２厚さｔ２の加算値に設定することができる。ピン１１又はショルダ１２が第１部材３１及び第２部材３２の双方を貫通するまで、圧入を継続させる。この摩擦攪拌で形成される攪拌接合部４は、その先端領域ＴＡが第２部材３２を貫通する位置まで到達する。従って、応力集中部ＳＣと先端領域ＴＡとを最も離間させることができ、接合強度の向上を達成することができる。

重なり部３０が、第１部材３１と第２部材３２との間に、１以上の熱可塑性樹脂部材を介在させて形成されるものであっても良い。例えば図１３Ａ、図１３Ｂに示したように、第３部材３５を含む三層の重なり部３０であっても、ツール１が最後に圧入される第２部材３２への圧入深さｄについて、二層の場合と同様に扱うことができる。すなわち、仮に第３部材３５が荷重を負担するような重なり部３０を有する接合体であっても、当該接合体の破断に最も影響を与えるのは、第２部材３２への圧入深さｄである。従って、三層以上の重なり部３０においても、ツール１の圧入を、ピン１１又はショルダ１２が第１部材３１を貫通し、且つ、第２部材３２を貫通若しくは第１厚さｔ１以上に相当する深さに到達するまで行わせることで、高い接合強度を有する接合体３を作製することができる。

本実施形態により形成される接合体３によれば、摩擦攪拌点接合によって形成された攪拌接合部４が、第１部材３１に対して厚さ方向の全長である第１厚さｔ１に亘って接し、且つ、第２部材３２に対しても厚さ方向の全長である第２厚さｔ２若しくは第１厚さｔ１以上に亘って接する。このため、第２部材３２と第１部材３１、又は第３部材３５などの他の中間部材との合わせ面ＢＤから、低接合強度となり易い攪拌接合部４の先端領域ＴＡが離間された構造とすることができる。従って、第１部材３１と第２部材３２との接合強度を向上させることができる。

Claims (9)

1. ピンと、前記ピンが内挿される中空部を備えたショルダとを含む、複動式の摩擦攪拌点接合用のツールを用いて、第１部材及び第２部材を含む熱可塑性樹脂部材の重なり部を接合する摩擦攪拌点接合方法であって、
   第１厚さを有する前記第１部材を前記ツールが最初に圧入される側に、第２厚さを有する前記第２部材を前記ツールが最後に圧入される側に各々配置して、前記重なり部を形成し、
   少なくとも前記ピン又は前記ショルダを軸回りに回転させながら、前記ピン又は前記ショルダの一方を前記重なり部へ圧入すると共に、前記圧入で溢れた樹脂材料を逃がすように他方を前記重なり部から退避させ、
   前記圧入を、前記ピン又は前記ショルダが前記第１部材を貫通し、且つ、前記第２部材を貫通若しくは前記第２部材の前記第１厚さ以上に相当する深さに到達するまで継続し、
   前記ピン又は前記ショルダのうち、前記圧入を行った前記一方を前記重なり部から退避させると共に、退避させた前記他方を前記重なり部に接近させることで、逃がした前記樹脂材料を前記圧入の領域に埋め戻すことで、前記第１部材と前記第２部材とを摩擦攪拌点接合によって接合した部分であって、摩擦攪拌接合されていない前記第１部材および前記第２部材である母材部分に対する境界となる側周面を有する攪拌接合部と、前記側周面と前記第２部材とが融着した縦接合部と、を形成する、
   摩擦攪拌点接合方法。
2. 請求項１に記載の摩擦攪拌点接合方法において、
   前記重なり部が前記第１部材及び前記第２部材の二層で構成され、且つ、前記第１厚さと前記第２厚さとが同一の厚さであるとき、
   前記圧入の深さを前記第１厚さの２倍に設定することで、ピン又は前記ショルダが前記第１部材及び前記第２部材の双方を貫通するまで、前記圧入を継続させる、摩擦攪拌点接合方法。
3. 請求項１に記載の摩擦攪拌点接合方法において、
   前記重なり部が前記第１部材及び前記第２部材の二層で構成され、且つ、前記第２厚さが前記第１厚さよりも厚いとき、
   前記圧入の深さを前記第１厚さの２倍以上に設定することで、ピン又は前記ショルダが前記第１部材を貫通し、且つ、少なくとも前記第２部材の前記第１厚さ以上に相当する深さに到達するまで、前記圧入を継続させる、摩擦攪拌点接合方法。
4. 請求項１に記載の摩擦攪拌点接合方法において、
   前記重なり部が前記第１部材及び前記第２部材の二層で構成され、且つ、前記第２厚さが前記第１厚さよりも薄いとき、
   前記圧入の深さを前記第１厚さと前記第２厚さの加算値に設定することで、ピン又は前記ショルダが前記第１部材及び前記第２部材の双方を貫通するまで、前記圧入を継続させる、摩擦攪拌点接合方法。
5. 請求項１に記載の摩擦攪拌点接合方法において、
   前記重なり部が、前記第１部材と前記第２部材との間に、１以上の熱可塑性樹脂部材を介在させて形成される重なり部である、摩擦攪拌点接合方法。
6. 請求項１～５のいずれか１項に記載の摩擦攪拌点接合方法において、
   少なくとも前記第１部材及び前記第２部材の一方が、前記ツールの圧入方向に重ねられた複数枚のプレートからなる、摩擦攪拌点接合方法。
7. 熱可塑性樹脂成形体からなる第１部材と第２部材とを含む接合体であって、
   第１厚さを有する前記第１部材が重なり方向の一端側に、第２厚さを有する前記第２部材が重なり方向の他端側に配置されるように重なり合う重なり部と、
   前記重なり部に設けられ、前記第１部材と前記第２部材とを摩擦攪拌点接合によって接合する部分であって、摩擦攪拌接合されていない前記第１部材および前記第２部材である母材部分に対する境界となる側周面を有する攪拌接合部と、
   前記側周面と前記第２部材とが融着した縦接合部と、を備え、
   前記攪拌接合部は、前記第１部材を貫通し、且つ、前記第２部材を貫通若しくは前記第２部材の前記第１厚さ以上に相当する深さに到達している、接合体。
8. 請求項７に記載の接合体において、
   前記重なり部が、前記第１部材と前記第２部材との間に、１以上の熱可塑性樹脂部材を介在させて形成される重なり部である、接合体。
9. 請求項７又は８に記載の接合体において、
   少なくとも前記第１部材及び前記第２部材の一方が、前記重なり方向に重ねられた複数枚のプレートからなる、接合体。

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