JPWO2005105361A1 - 金属材の接合方法 - Google Patents

Abstract

金属部材１の端部と金属部材１’の端部の間に、金属の棒状の回転ツール１０の先端に設けられたピンを挿入し、これを端部の長手方向に沿って回転させつつ移動させる。これによって、金属部材１、１’と回転ツール１０の間に摩擦熱を発生させて、金属部材１と金属部材１’を接合する。回転ツール１０は、幅広のショルダー１２とその先端にあり金属部材の端部間に挿入される細いピン１１から構成されている。ここで、ピン１１は直円柱形のピンである。ピン１１の側面は滑らかな曲面であり、ねじ溝等は設けられていない。

Description

本発明は金属材の接合方法に関する。

金属材の接合方法には種々の方法がある。その一種として、摩擦攪拌接合（ＦＳＷ＝Friction Stir Welding）が、特許文献１：特許第２７１２８３８号日本国特許公報、及び特許文献２：特許第２７９２２３３号日本国特許公報に開示されている。摩擦攪拌接合は、接合しようとする二つの金属部材それぞれの端部を突き合わせ、回転ツールの先端に設けられたピンを両者の端部の間に挿入し、これら端部の長手方向に沿って回転ツールを回転させつつ移動させることによって、二つの金属部材を接合する方法である。

このような摩擦攪拌接合に用いられる回転ツールのピンの側面には、ねじ溝が設けられている。例えば特許文献１の図１，２，１２および１３には、これらの図が模式的な図であるため、ピンのねじ溝が詳細に記載されていない。しかし、実際には、これらの回転ツールのピンの側面には、特許文献２の図２に記載されているように、ねじ溝が切られている。このねじ溝は、摩擦により可塑性となった金属材料をピンの長手方向に沿って攪拌して流動させ、接合強度を向上させることを意図して設けられている。

しかし、ピンにねじ溝が切られた回転ツールでは、ねじ溝が磨耗しやすい。したがって、回転ツールの寿命が短いという欠点があった。特に硬い金属材料からなる金属部材に摩擦攪拌接合を行う場合や、長い接合長にわたって摩擦攪拌接合を行う場合には、この傾向が顕著であった。また、回転ツールのピンにねじ溝を形成する加工には、手間がかかる。そのため、回転ツールの製造コストが高かった。

本発明は、斯かる実情に鑑み、回転ツールの寿命を向上させ、回転ツールを製造する手間や製造コストを抑えることのできる金属材の接合方法を提供する。

本発明は、（ａ）二つの金属部材それぞれの端部を突き合わせるステップと、（ｂ）二つの金属材それぞれの端部の間に、棒状の回転ツールの先端に備えられた直円柱形のピンを挿入し、回転ツールを回転させつつ上記端部の長手方向に沿って移動させるステップと、を含んでいる。

本発明によれば、摩耗しやすいねじ溝がピンに設けられていないので、回転ツールの寿命が向上される。また、ピンにねじ溝を形成する必要がないので、製造コストが低減される。

なお、本発明における「直円柱形」とは、側面、即ち円柱面にねじ加工が施されていない円柱形を意味する。この「直円柱形」には、円柱の側面が底面に垂直な直線母線によってなる円柱形が含まれる。この「直円柱形」のピンには、ピンの先端の底面と側面との間にＲが設けてあるものが含まれる。また「直円柱形」のピンには、ピンの先端の底面自体がＲ形状のものも含まれる。

なお、回転ツールのピンは、直線母線からなる側面を有するピンであっても良い。「直線母線からなる側面を有するピン」とは、例えば、円柱形、円錐形、円錐台等の形状を有するピンを意味する。

本発明の第１の実施の形態に係る金属材の接合方法を説明するための図である。 三角柱状のピンを有する回転ツールの先端部を示す図である。 六角柱状のピンを有する回転ツールの先端部を示す図である。 ねじ溝有りのピンを有する回転ツールの先端部を示す図である。 接合したＡ１０５０材の引張強さを示す図である。 接合したＡ１０５０材の０．２％耐力を示す図である。 接合したＡ１０５０材の伸びを示す図である。 Ａ６Ｎ０１材の接合部引張試験結果を示す図である。 回転速度１５００ｒｐｍで接合したＡ５０８３材の引張強さを示す図である。 回転速度８００ｒｐｍで接合したＡ５０８３材の引張強さを示す図である。 回転速度８００ｒｐｍで接合したＡ５０８３材の０．２％耐力を示す図である。 回転速度８００ｒｐｍで接合したＡ５０８３材の伸びを示す図である。 回転速度６００ｒｐｍで接合したＡ５０８３材の引張強さを示す図である。 回転速度６００ｒｐｍで接合したＡ５０８３材の０．２％耐力を示す図である。 回転速度６００ｒｐｍで接合したＡ５０８３材の伸びを示す図である。 Ａ５０８３材の接合部断面を示す図である。 Ａ２０１７材の接合部引張試験結果を示す図である。 ねじ溝有りの回転ツールとねじ溝無しの回転ツールにより、回転速度を変えて接合したＡ２０１７材の接合部引張試験結果を示す図である。 接合したＡ６０６１材の引張強さを示す図である。 接合したＡ６０６１材の０．２％耐力を示す図である。 接合したＡ６０６１材の伸びを示す図である。 実験例６に係る複合材の組成を示す表である。 実験例６に係る回転ツールの接合前の元サイズを示す表である。 実験例６におけるねじ溝有りの回転ツールによる各回の接合の条件を示す表である。 実験例６におけるねじ溝無しの回転ツールによる各回の接合の条件を示す表である。 実験例６におけるねじ溝有りの回転ツールの外観の変化を示す図である。 実験例６におけるねじ溝有りの回転ツールの変化を示すグラフである。 実験例６におけるねじ溝有りの回転ツールの変化を示すグラフである。 実験例６におけるねじ溝無しの回転ツールの外観の変化を示す図である。 実験例６におけるねじ溝無しの回転ツールの変化を示すグラフである。 実験例６におけるねじ溝無しの回転ツールの変化を示すグラフである。 実験例７で使用したピンの頂部が円錐状の回転ツールを示す図である。 実験例７で使用したピンの頂部が球状の回転ツールを示す図である。 実験例７で使用したピンが多角柱状の回転ツールを示す図である。 ピンの頂部が円錐状の回転ツールにより接合したＳＵＳ３０４材の接合部引張試験結果を示す図である。 ピンの頂部が円錐状の回転ツールにより接合したＳＵＳ３０４材の接合部伸び試験結果を示す図である。 ピンの頂部が球面状の回転ツールにより接合したＳＵＳ３０４材の接合部引張試験結果を示す図である。 ピンの頂部が球面状の回転ツールにより接合したＳＵＳ３０４材の接合部伸び試験結果を示す図である。 ピンが角柱状の回転ツールにより接合したＳＵＳ３０４材の接合部引張試験結果を示す図である。 ピンが角柱状の回転ツールにより接合したＳＵＳ３０４材の接合部伸び試験結果を示す図である。 ピンの頂部が円錐状の回転ツールにより接合したＳＵＳ３０１Ｌ−ＤＬＴ材の接合部引張試験結果を示す図である。 ピンの頂部が球面状の回転ツールにより接合したＳＵＳ３０１Ｌ−ＤＬＴ材の接合部引張試験結果を示す図である。 ピンの頂部が球面状の回転ツールにより接合したＳＵＳ３０１Ｌ−ＤＬＴ材の接合部伸び試験結果を示す図である。 ピンが角柱状の回転ツールにより接合したＳＵＳ３０１Ｌ−ＤＬＴ材の接合部引張試験結果を示す図である。 ピンが角柱状の回転ツールにより接合したＳＵＳ３０１Ｌ−ＤＬＴ材の接合部伸び試験結果を示す図である。 実験例７における各々の接合速度、回転数および回転ピッチでの接合部断面を示す図である。 実験例１〜５の結果をまとめた対比表である。 実験例６の結果をまとめた対比表である。 実験例７の結果をまとめた対比表である。 本発明の第２の実施の形態に係る金属材の接合方法を説明するための図である。

以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して説明する。

［第１の実施の形態］

図１は、本発明の第１の実施の形態に係る金属材の接合方法を説明するための図である。図１において（ａ）には、本発明の第１の実施の形態に係る金属材の接合方法における摩擦攪拌接合の様子が示されており、（ｂ）には、本発明の第１の実施の形態に係る金属材の接合方法に用いられる回転ツールの側面図が示されている。

第１の実施の形態に係る金属材の接合方法は、摩擦攪拌接合法に基づくものである。摩擦攪拌接合は、図１における（ａ）に示すように、金属部材１の端部３と金属部材１’の端部３’とを突き合わせ、棒状の回転ツール１０の先端に設けられたピン１１を端部３と端部３’の間に挿入し、ピン１１を回転させつつ端部３及び３’の長手方向に沿って移動させる方法である。摩擦攪拌接合は、金属部材１及び１’と回転ツール１０の間に発生する摩擦熱を利用して金属部材１と金属部材１’とを接合する。

従来方法は、金属材料の攪拌を促進するためにピンにねじ溝を有する回転ツールを用いる摩擦攪拌接合である。一方、第１の実施の形態に係る金属材の接合方法は、図１における（ｂ）に示す回転ツール１０を用いる点において従来方法の摩擦攪拌接合法と異なる。

この回転ツール１０は、幅広のショルダー１２とその先端にあり金属部材の端部間に挿入される細いピン１１から構成されている。ピン１１は直円柱形である。ピン１１の側面は滑らかな曲面であり、ねじ溝は設けられていない。なお、ショルダー１２は、ピン１１より大径の円柱形をなしており、ピン１１の軸線方向に延びている。このショルダー１２の先端、即ち一端面にピン１１が設けられている。

本発明者は、ピンにねじ溝が無い回転ツールを用いる第１の実施の形態の接合方法によっても、従来方法と同等またはそれ以上の接合部の接合強度を得ることができることを見出した。なお、「接合部」とは、接合後の金属部材における接合線近傍の部分である。

第１の実施の形態に係る接合方法に用いるピンには、ねじ溝が切られていないため、ねじ溝が磨耗することがない。したがって、ピンの寿命は向上する。また、ピンにねじ溝を切る必要がないため、回転ツールを製造するための加工も容易である。さらに、回転ツールを製造する工程が少なくなるため、回転ツールを安価なものとすることができる。

第１の実施の形態の接合方法によっても、従来方法と同等の接合強度を得ることができる理由は、ピンにねじ溝を設けない場合、ピンの長手方向に沿った金属材料の塑性流動よりも、ピンの回転方向に沿った金属材料の塑性流動が大きくなり、それが接合強度を強める原因となっていると考えられる。また、従来は、ピンにねじ溝を設けたほうが金属材料の攪拌が促進されると考えられていたが、実際には本実施の形態に係るピンのように滑らかな側面を持つ直円柱形のピンの方が、金属材料の攪拌が促進されている可能性も考えられる。

次に、第１の実施の形態の接合方法によって得られた実験結果を説明する。

実験例１

図１における（ｂ）に示す回転ツールを用い、図１における（ａ）に示す摩擦攪拌接合によりＪＩＳ Ｈ ４０００に規定のＡ１０５０材を接合した。本実験例１に用いたＡ１０５０材は、厚さ５ｍｍの板材である。回転ツールの回転速度は１５００ｒｐｍとした。接合速度、即ち回転ツールの移動速度は２５〜８００ｍｍ／ｍｉｎの間で変化させた。ショルダーの直径１５ｍｍ、ピンの長さ４．７ｍｍ、ピンの直径６ｍｍの回転ツールを使用した。

また、図２に示したようなピンが正三角柱状の回転ツール、及び、図３に示したようなピンが正六角柱状の回転ツールを用いて、上記条件でＡ１０５０材の接合を行った。

比較のために、図４に示すようにピン１１０にねじ溝が切られた回転ツール１００を用いる従来方法によって、同条件でＡ１０５０材の接合を行った。

なお、Ａ１０５０材は、純度９９．５０％以上のＡｌ材料である。強度は低いが、成形性、溶接性、耐食性が良い。引張強さは１０６ＭＰａであり、０．２％耐力は６８ＭＰａである。

図５は、接合したＡ１０５０材の引張強さを示す図である。図５に示すように、軟らかく強度が弱いＡｌ材料であるＡ１０５０材を、ピンにねじ溝が無い回転ツールを用いて接合することによって得た接合部の引張強さは、従来方法に係るねじ溝が切られた回転ツールを用いて得た接合部の引張強さに比べ、回転ピッチ〔ｍｍ／ｒ〕、即ち（接合速度〔ｍｍ／ｍｉｎ〕／回転ツールの回転数〔ｒｐｍ〕）が０．０７〜０．４７において、約１０％増加した（８０ＭＰａ→９０ＭＰａ）。また、図６に示すように、第１の実施の形態の接合方法によれば、０．２％耐力も増加した。さらに、図７に示すように、伸びも同等であった。

また、図５に示すように、第１の実施の形態の接合方法によれば、回転ピッチが０．２８［ｍｍ／ｒ］以上で特に好適にＡ１０５０材が接合された。

以上の結果から、第１の実施の形態の接合方法によれば、｛（回転ツールの回転速度〔ｒｐｍ〕×ショルダーの径［ｍｍ］^３）／回転ツールの移動速度〔ｍｍ／ｍｉｎ〕／板材の厚さ［ｍｍ］｝が、２．４１×１０^３以上の場合に、Ａ１０５０材が好適に接合されることが判った。

このように、第１の実施の形態の接合方法は、Ａ１０５０材等の軟らかく強度が弱い金属材を接合する場合に特に有効である。このような軟らかく強度が弱い金属材としては、摩擦攪拌接合部の０．２％耐力が２００ＭＰａ以下、より好ましくは１５０ＭＰａ以下、さらに好ましくは７０ＭＰａ以下の比較的に軟らかく強度が弱い金属材を接合する場合に有効である。

実験例２

図１における（ｂ）に示す回転ツールを用い、図１における（ａ）に示す摩擦攪拌接合によりＪＩＳ Ｈ ４１００に規定のＡ６Ｎ０１材を接合した。本実験例２に用いたＡ６Ｎ０１材は、厚さ３．１ｍｍの板材である。回転ツールの回転速度を１０００ｒｐｍとした。接合速度を２００〜１０００ｍｍ／ｍｉｎの間で変化させた。ショルダーの直径１２ｍｍ、ピンの長さ２．９ｍｍ、ピンの直径４ｍｍの回転ツールを使用した。

また、ピンにねじ溝が切られた回転ツール（図４を参照）を用いる従来方法によって、同条件でＡ６Ｎ０１材の接合を行った。

なお、Ａ６Ｎ０１材は、ＭｇとＳｉが化合したものが合金要素になっている熱処理合金で相当の強さが得られ、押出性、成形性、耐食性が良い。引張強さは２６７ＭＰａであり、０．２％耐力は２３５ＭＰａである。

図８は、Ａ６Ｎ０１材の接合部引張試験結果を示す図である。図８において（ａ）は、第１の実施の形態の方法により接合したＡ６Ｎ０１材の接合部引張試験結果を示す図である。図８において（ｂ）は、従来の方法により接合したＡ６Ｎ０１材の接合部引張試験結果を示す図である。

図８に示すように、回転ピッチ０．２〔ｍｍ／ｒ〕（２００ｍｍ／ｍｉｎ，１０００ｒｐｍ）以上、特に回転ピッチ０．３〔ｍｍ／ｒ〕（３００ｍｍ／ｍｉｎ，１０００ｒｐｍ）以上で、第１の実施の形態の接合方法によるＡ６Ｎ０１材の接合部の引張強さは、従来方法によるＡ６Ｎ０１材の接合部の引張強さと同等であった。

また、第１の実施の形態に係る接合方法によれば、回転ピッチ０．２〜１．０〔ｍｍ／ｒ〕で、特に０．３〔ｍｍ／ｒ〕以上で、従来方法による接合部とほぼ同等の０．２％耐力と伸びを有するＡ６Ｎ０１材の接合部が得られた。

以上の結果より、Ａ６Ｎ０１材のような中程度の硬さと強度を有する金属材を接合する場合であっても、０．２〔ｍｍ／ｒ〕以上の回転ピッチ、すなわち、接合速度を２００ｍｍ／ｍｉｎ以下、特には０．３〔ｍｍ／ｒ〕以上の回転ピッチ、すなわち、接合速度を３００ｍｍ／ｍｉｎ以上にすることにより、従来のねじ溝付きの回転ツールを用いた場合と同等の接合強度を得ることができる。

ここで、金属部材への入熱は、回転ツールの回転速度と、回転ツールのショルダー径の３乗とに比例し、接合速度に反比例することが知られている。したがって、｛（回転ツールの回転速度〔ｒｐｍ〕×ショルダーの径［ｍｍ］^３）／回転ツールの移動速度〔ｍｍ／ｍｉｎ〕／板材の厚さ［ｍｍ］｝が、１．８６×１０^３以上の場合に、Ａ６Ｎ０１材が好適に接合されることが判った。

また、第1の実施の形態の接合方法では、後述の実験例３のように、回転ツールの回転数を低くすることにより、従来方法と同様の接合強度が得られることが予想される。

このように、第1の実施の形態の接合方法によれば、Ａ６Ｎ０１材を従来方法と同等の接合強度で接合することができる。そのため、Ａ６Ｎ０１材を用いる、例えば鉄道車両の車輛構体を製造する場合に適用することができる。

実験例３

図１における（ｂ）に示す回転ツールを用い、図１における（ａ）に示す摩擦攪拌接合によりＪＩＳ Ｈ ４０００に規定のＡ５０８３材を接合した。本実験例１に用いたＡ５０８３材は、厚さ５ｍｍの板材である。回転ツールの回転速度を１５００ｒｐｍとした。接合速度を２５〜８００ｍｍ／ｍｉｎの間で変化させた。ショルダーの直径１５ｍｍ、ピンの長さ４．７ｍｍ、ピンの直径６ｍｍの回転ツールを使用した。

また、図２に示したようなピンが正三角柱状の回転ツール、図３に示したようなピンが正六角柱状の回転ツールを用いて、同条件でＡ５０８３材の接合を行なった。

また、従来方法に係るピンにねじ溝が切られた回転ツール（図４を参照）を用いて、同条件でＡ５０８３材の接合を行った。

なお、Ａ５０８３材は、ＡｌにＭｇのみを多く添加した非熱処理合金で、非熱処理合金では最も優れた強度を持ち、溶接性も良好な部材である。引張強さは３５５ＭＰａであり、０．２％耐力は１９５ＭＰａである。

図９は、回転速度１５００ｒｐｍで接合したＡ５０８３材の引張強さを示す図である。図９に示すように、従来の方法による接合部と比較すると、第１の実施の形態の接合方法によるＡ５０８３材の接合部には、回転ピッチ０．０２〜０．３〔ｍｍ／ｒ〕で、引張強さの向上は見られなかった。

なお、図９より、回転速度１５００ｒｐｍで三角柱状のピンを有する回転ツールにより接合した接合部の接合強度は、他の形状の回転ツールよりも優れていることが判る。

一方、回転ツールの回転速度を５００ｒｐｍまで低くして、その他は上記の条件で、第１の実施の形態の接合方法によるＡ５０８３材の接合を行った。その結果、引張強さが３００ＭＰａと、従来のねじ溝有りの回転ツールを用いた場合と同等の強度が得られた。

接合強度と回転ツールの回転速度との関係をさらに詳細に調べるために、回転ツールの回転速度を変化させて、Ａ５０８３材を接合した。回転ツールの回転速度を６００ｒｐｍおよび８００ｒｐｍとし、接合速度を２５〜２１６ｍｍ／ｍｉｎの間で変化させた。

図１０は、回転速度８００ｒｐｍで接合したＡ５０８３材の引張強さ、図１１は０．２％耐力、図１２は伸びをそれぞれ示す図である。また、図１３は回転速度６００ｒｐｍで接合したＡ５０８３材の引張強さ、図１４は０．２％耐力、図１５は伸びをそれぞれ示す図である。

図１０〜図１５に示すように、ねじ溝有りの回転ツールを用いる従来方法では、回転速度６００ｒｐｍおよび８００ｒｐｍのいずれにおいても一定の引張強度のＡ５０８３材の接合部が得られる。即ち、従来方法では、回転速度に関係なくほぼ一定の引張強度のＡ５０８３材の接合部が得られる。

一方、ねじ溝無しの回転ツールを用いる第１の実施の形態の接合方法によれば、回転速度８００ｒｐｍでは、従来方法に比べて接合部の接合強度が減少する。しかし、第１の実施の形態に係る接合方法によれば、回転速度を６００ｒｐｍに下げると、従来方法とほぼ同様の接合強度が得られることが判る。この接合強度は、回転ピッチが０．０５［ｍｍ／ｒ］以上０．２０［ｍｍ／ｒ］以下の条件において、得られた。

なお、回転速度６００ｒｐｍ，８００ｒｐｍにおいて、三角柱状のピンを有する回転ツールにより接合したＡ５０８３材の接合部の接合強度は、他の形状のピンを有する回転ツールにより接合したＡ５０８３材の接合部の接合強度と同等であることが判る。

図１６は、Ａ５０８３材の接合部断面を示す図である。図１６において（ａ）は、ねじ溝有りの回転ツールにより回転速度８００ｒｐｍで接合した接合部断面を示し、（ｂ）は、ねじ溝無しの回転ツールにより回転速度８００ｒｐｍで接合した接合部断面を示し、（ｃ）は、ねじ溝無しの回転ツールにより回転速度６００ｒｐｍで接合した接合部断面を示す。

図１６における（ａ）に示すように、回転速度が８００ｒｐｍの場合、ねじ溝有りの回転ツールによって、良好な接合部が得られることが判る。一方、図１６における（ｂ）に示すように、ねじ溝無しの回転ツールでは、回転速度８００ｒｐｍで、矢印に示すように前進側に大きなトンネル状欠陥が発生した。このため接合強度が減少したものと思われる。しかし、図１６における（ｃ）に示すように、回転速度６００ｒｐｍでは、この欠陥が非常に小さくなる。このため、ねじ有りツールで接合した場合と同様の接合強度となったと考えられる。

以上の結果から、第１の実施の形態の接合方法によれば、｛（回転ツールの回転速度〔ｒｐｍ〕×ショルダーの径［ｍｍ］^３）／回転ツールの移動速度〔ｍｍ／ｍｉｎ〕／板材の厚さ［ｍｍ］｝が、３．３８×１０^３以上１３．５×１０^３以下の場合に、Ａ５０８３材が好適に接合されることが判った。

このように、Ａ５０８３材のような比較的に硬く強度が強い金属材であっても、回転ツールの回転速度を下げることにより、従来の方法と同等の接合強度が得られる。

実験例４

図１における（ｂ）に示す回転ツールを用い、図１における（ａ）に示す摩擦攪拌接合によりＪＩＳ Ｈ ４０００に規定のＡ２０１７材を接合した。本実験例４に用いたＡ２０１７材は、厚さ５ｍｍの板材である。回転ツールの回転速度を１５００ｒｐｍとした。接合速度を２５〜８００ｍｍ／ｍｉｎの間で変化させた。ショルダーの直径１５ｍｍ、ピンの長さ４．７ｍｍ、ピンの直径６ｍｍの回転ツールを使用した。また、比較として従来方法によって、同条件でＡ２０１７材の接合を行った。

なお、Ａ２０１７材は、Ｃｕ、Ｍｇ、Ｍｎなどを含む合金で、ジュラルミンと呼ばれる非熱処理合金である。Ａ２０１７材は、高い強度を持ち、多くのＣｕを含むため、耐食性が劣り腐食環境にさらされる場合は、防食処理を必要とする。引張強さは４２８ＭＰａであり、０．２％耐力は３１９ＭＰａである。

図１７は、Ａ２０１７材の接合部引張試験結果を示す図である。図１７における（ａ）は、本実施の形態の方法により接合したＡ２０１７材の接合部引張試験結果を示す図であり、図１７における（ｂ）は、従来方法により接合したＡ２０１７材の接合部引張試験結果を示す図である。図１７に示すように、従来方法による接合部と比較すると、回転ピッチ０．０２〜０．３〔ｍｍ／ｒ〕で、第１の実施の形態の接合方法によるＡ２０１７材の接合部には、引張強さや伸びの向上が見られなかった。

しかし、このＡ２０１７材についても、実験例３のように回転ツールの回転速度を低くすることにより、接合強度を向上させることができることが予想される。そこで、接合強度と回転ツールの回転速度との関係をさらに詳細に調べるために、上記のねじ溝有りの回転ツールとねじ溝無しの回転ツールを用いてＡ２０１７材を接合した。回転ツールの回転速度は６００ｒｐｍとし、接合速度は２５〜３００ｍｍ／ｍｉｎの間で変化させて、前述の回転速度１５００ｒｐｍにより接合した場合と比較した。

図１８は、ねじ溝有りの回転ツールとねじ溝無しの回転ツールにより、回転速度を変えて接合したＡ２０１７材の接合部引張試験結果を示す図である。比較のために、図１８には、前述の回転速度１５００ｒｐｍにより接合した結果も併記されている。

図１８を参照すれば、ねじ溝有りの回転ツールを用いる従来方法、及びねじ溝無しの回転ツールを用いる第１実施の形態の接合方法のいずれの場合にも、回転速度が１５００ｒｐｍでは、回転ピッチ（接合速度）が大きくなるほど接合部の引張強度が低下することが判る。

一方、第１の実施の形態の接合方法によれば、回転速度が６００ｒｐｍの場合に、いずれの回転ピッチ（接合速度）であっても、ねじ溝有りの回転ツールにより回転速度６００ｒｐｍで接合した接合部と同様の引張強度を有するＡ２０１７材の接合部が得られることが判る。この結果は、回転ピッチが０．０４［ｍｍ／ｒ］以上０．５０［ｍｍ／ｒ］以下において、得られた。

以上より、Ａ２０１７材をねじ溝無しの回転ツールで接合する場合でも、回転ツールの回転速度を６００ｒｐｍ以下として接合することにより、従来方法と同様のＡ２０１７材の接合部の接合強度が得られることが判る。また、Ａ２０２４材やＡ７０７５材のような高強度材も、回転ツールの回転速度を低くすることにより、接合強度を向上させることができることが予想される。

以上の結果から、第１の実施の形態の接合方法によれば、｛（回転ツールの回転速度〔ｒｐｍ〕×ショルダーの径［ｍｍ］^３）／回転ツールの移動速度〔ｍｍ／ｍｉｎ〕／板材の厚さ［ｍｍ］｝が、１．３５×１０^３以上１６．９×１０^３以下の場合に、Ａ２０１７材が好適に接合されることが判った。

以上の実験例１〜４の結果をまとめると、０．２％耐力が２００ＭＰａ以下、より好ましくは１５０ＭＰａ以下、さらに好ましくは７０ＭＰａ以下の比較的軟らかく強度が弱いＡｌを第１の実施の形態の方法によって接合すると、従来方法に比べて、高い接合強度を有する接合部を得ることができる。

また、第１の実施の形態の接合方法において、上記実験例２〜４のような比較的硬く強度が強い金属材の接合部の接合強度を向上させるためには、２つの方法が考えられる。

一つは、溶接速度を低くする方法である。図９，図１７における（ａ）に示すように、回転数一定で接合速度を減少させていくほど、第１の実施の形態の接合方法による接合部の引張強さは大きくなることが判る。この場合、例えば、回転数が１５００ｒｐｍで、接合速度は、２００ｍｍ／ｍｉｎ以下が好ましく、より好ましくは接合速度が１００ｍｍ／ｍｉｎ以下であり、さらに好ましくは接合速度が２５ｍｍ／ｍｉｎ以下である。

接合部の接合強度を向上させるためのもう一つの方法は、回転ツールの回転速度を低くする方法である。回転速度を低くすることにより、ねじ溝無しのピンによって金属材料が攪拌されやすくなる。その結果、硬く強度が強い金属材の場合においても、接合部の接合強度を向上させることができる。例えば、回転ツールの回転速度を６００ｒｐｍ以下にすることにより、Ａ５０８３材及びＡ２０１７材の接合部の接合強度を向上させることができる。

上記の２つの方法は、摩擦攪拌接合部の０．２％耐力が３２０ＭＰａ未満、より好ましくは２００ＭＰａ以下の比較的に硬く強度が強い金属材を接合する場合に有効である。

実験例５

図１における（ｂ）に示す回転ツールを用い、図１における（ａ）に示す摩擦攪拌接合によりＪＩＳ Ｈ ４０００に規定のＡ６０６１材を接合した。本実験例５に用いたＡ６０６１材は、厚さ５ｍｍの板材である。回転ツールの回転速度を１５００ｒｐｍとした。接合速度を１００〜１０００ｍｍ／ｍｉｎの間で変化させた。ショルダーの直径１５ｍｍ、ピンの長さ４．７ｍｍ、ピンの直径６ｍｍの回転ツールを使用した。

また、図２に示したようなピンが正三角柱状の回転ツール、図３に示したようなピンが正六角柱状の回転ツールを用いて、同条件でＡ６０６１材の接合を行った。

また、比較のために、従来方法に係るピンにねじ溝が切られた回転ツール（図４を参照）を用いて、同条件でＡ６０６１材の接合を行った。

なお、Ａ６０６１材は、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｆｅ、Ｃｕを含む合金で、強度および耐食性に優れる。引張強さは３０９ＭＰａであり、０．２％耐力は２７８ＭＰａである。

図１９は、接合したＡ６０６１材の引張強さを示す図であり、図２０は０．２％耐力を示す図であり、図２１は伸びを示す図である。

図１９〜２１に示すように、第１の実施の形態の接合方法によれば、回転ピッチ０．０７〜０．６７〔ｍｍ／ｒ〕で、従来方法に係るねじ溝が切られた回転ツールを用いて接合した接合部とほぼ同等のＡ６０６１材の接合部の接合強度および伸びが得られた。

また、図１９〜２１より、第１の実施の形態の接合方法によれば、回転ピッチ０．２〔ｍｍ／ｒ〕以上で、Ａ６０６１材が特に好適に接合されることが判った。したがって、第１の実施の形態の接合方法によれば、｛（回転ツールの回転速度〔ｒｐｍ〕×ショルダーの径［ｍｍ］^３）／回転ツールの移動速度〔ｍｍ／ｍｉｎ〕／板材の厚さ［ｍｍ］｝が、３．３８×１０^３以上の場合に、Ａ６０６１材が特に好適に接合されることが判った。

以上の結果より、Ａ６０６１材のような硬さと強度を有する金属材を接合する場合であっても、第１の実施の形態の接合方法によれば、従来方法よりも強い接合強度を有する接合部が得られることが判る。Ａ６０６１材は、通常時は、引張強さが３０９ＭＰａであり、０．２％耐力が２７８ＭＰａと比較的に硬く、強度が強い材料である。しかし、摩擦攪拌接合時の３７０℃の温度では、Ａ６０６１材の０．２％耐力は、約１３ＭＰａまで低下する。これは、３７０℃の温度における、Ａ１０５０材と同等の耐力となる。そのため、実験例１のＡ１０５０材と同様に接合部の強度が向上するものと考えられる。

実験例６

従来のピンにねじ溝を切った回転ツールと、図１における（ｂ）に示すピンにねじ溝を切っていない回転ツールを用いて、図１における（ａ）に示す方法でＡＣ４Ａ材にＳｉＣを３０体積％含ませた複合材料の接合を行った。複合材の組成の詳細は図２２に示す通りである。本実験では、厚さ５ｍｍの２枚の板状複合材の接合を行った。

ねじ溝有りの回転ツールとしては、図２６における（ａ）に示すような回転ツール１００であって、ピン１１０とショルダー１２０を備え、ピン１１０の側面にねじ溝１３０が切られたものを用いた。ねじ溝無しの回転ツールとしては、図２９における（ａ）に示すような回転ツール１０であって、ピン１１とショルダー１２を備え、ピン１１の側面は滑らかな曲面のものを用いた。それぞれの回転ツールのサイズは、図２３に示す通りである。なお、図２３中のショルダー高さについては、計算の便宜上、ピンの高さと同じものと仮定して示した。また、それぞれの回転ツールは、ＷＣ−Ｃｏ超硬合金からなるものとした。

上記のねじ溝有りの回転ツールを用いて、図２４に示す接合条件で複合材の接合を５回行った。また、上記のねじ溝無しの回転ツールを用いて、図２５に示す接合条件で複合材の接合を５回行った。

図２６は、実験例６におけるねじ溝有りの回転ツールの外観の変化を示す図である。図２６における（ａ）〜（ｆ）には、接合前の回転ツールの外観から本実験例における各回の接合後におけるねじ溝有りの回転ツールの外観が示されている。

図２６を参照すると、接合前の原型の状態では回転ツールのねじ溝１３は明瞭であるが（図２６における（ａ）を参照）、各回の接合毎にねじ溝が磨耗していき（図２６（ｂ）〜（ｅ）を参照）、５回目の接合後にはねじ溝が完全に磨耗して平坦になってしまうことが判る（図２６（ｆ））。このような摩耗は、ネジ溝が設けられたピンの側面の周囲において、当該ピンの中心軸線に交差する方向と同方向に延びる軸線周りの金属材の流れに起因するものと考えられる。

図２７は、実験例６におけるねじ溝有りの回転ツールの変化を示すグラフである。図２７における（ａ）は本実験例におけるねじ溝有りの回転ツールのショルダーのサイズの変化を示し、図２７における（ｂ）はピンの長さの変化を示している。図２７より、回転ツールのショルダーのサイズやピンの長さの変化は僅かであることが判る。

図２８は、実験例６におけるねじ溝有りの回転ツールの変化を示すグラフである。図２８における（ａ）は本実験例におけるねじ溝有りの回転ツールのピンの径の変化を示し、図２８における（ｂ）は磨耗箇所の変化を示している。図２８における（ａ）に示すように、ピンの径方向の磨耗は長手方向に比べて極めて大きいことが判る。また、図２８における（ｂ）に示すように、接合回数が進むにつれて最も磨耗が小さい位置はピンの根元から遠くなり、当該位置はピンの根元から３．２ｍｍの位置に近づくことが判る。一方、接合回数が進むにつれて最も磨耗が大きい位置は、ピンの根元から１．５ｍｍの位置となることが判る。

図２９は、実験例６におけるねじ溝無しの回転ツールの外観の変化を示す図である。図２９における（ａ）〜（ｆ）には、接合前の回転ツールの外観から本実験例における各回の接合後におけるねじ溝無しの回転ツールの外観が示されている。図２９より、ねじ溝無しの回転ツールにおいては、接合回数が進んでも回転ツール１０の形状がほとんど変化しないことが判る。

図３０は、実験例６におけるねじ溝無しの回転ツールの変化を示す図である。図３０における（ａ）には、本実験例におけるねじ溝無しの回転ツールのショルダーのサイズの変化が示されており、図３０における（ｂ）には、ピンの長さの変化が示されている。図３０に示すように、ねじ溝無しの回転ツールにおいても、回転ツールのショルダーのサイズやピンの長さの変化は僅かであることが判る。

図３１は、実験例６におけるねじ溝無しの回転ツールの変化を示すグラフである。図３１における（ａ）には、本実験例におけるねじ溝無しの回転ツールのピンの径の変化が示されており、図３１における（ｂ）には、磨耗箇所の変化が示されている。図３１における（ａ）より、ねじ溝無しの回転ツールのピン径の変化は、ねじ溝有りの回転ツールのピン径の変化に比べて極めて小さいことが判る。図３１における（ｂ）より、ねじ溝無しの回転ツールでは、最大磨耗位置がねじ溝有りの回転ツールとは逆に、ピンの根元から遠い位置となることが判る。最小磨耗位置もねじ溝有りの回転ツールとは逆に、ピンの根元付近の位置となることが判る。

以上の実験例１〜６の結果を図４７および図４８に対比表としてまとめた。

なお、上記実験例１〜６では、Ａｌ材を接合する場合を中心に説明したが、本実施の形態の接合方法は、例えば、Ｆｅ、ステンレス鋼を接合する場合にも有効である。例えば、本実施の形態の接合方法は、自動車等に用いられるＩＦ鋼を接合する場合に適用することができる。従来、これらの金属を摩擦攪拌接合する場合には、セラミックスまたはＷ等の高融点金属からなる多角柱形状ピン又はねじ溝有りピンを備えた回転ツールが用いられていた。しかし、これらの回転ツールの寿命は短く、回転ツールの製造が難しいという欠点がある。一方、第１の実施の形態の方法に用いる回転ツールは円柱状のものであり、その側面にねじ溝がなく、多角柱形状にする必要がない。したがって、回転ツールの寿命は長くなり、回転ツールの製造も容易なものとなる。例えば、Ｆｅ，Ｔｉ，Ｎｉ等の金属材を接合する場合には、本実施の形態の接合方法に、タングステンカーバイト等の超硬合金、Ｓｉ_３Ｎ_４等のセラミックス等からなる本実施の形態のねじ溝無しのピンを備えた回転ツールを用いることができる。そして、Ａｒガス等のシールドガスを用いて回転ツールの酸化を防ぎつつ金属部材を接合することで、ツールの強度と靭性を保ちつつ長距離・長時間の接合が可能になる。

［第２の実施の形態］

図５０は、本発明の第２の実施の形態に係る金属材の接合方法を説明するための図である。図５０において（ａ）には、本発明の第２の実施の形態に係る金属材の接合方法における摩擦攪拌接合の様子が示されており、（ｂ）には、本発明の第２の実施の形態に係る金属材の接合方法に用いられる回転ツールの側面図が示されている。なお、図５０における（ｂ）には、ノズルの断面も示されている。

本発明の第２の実施の形態に係る金属材の接合方法は、摩擦攪拌接合法に基づくものであり、ステンレス材の接合に好適な接合方法である。以下、図５０に示す接合方法について、図１に示す接合方法と異なる点について説明する。

図５０に示す接合方法においては、図５０における（ｂ）に示すように、Ｓｉ_３Ｎ_４を含む材料からなる回転ツール１０が用いられる。この回転ツール１０も、幅広のショルダー１２とその先端にあり金属部材の端部間に挿入される細いピン１１から構成されている。ピン１１は直円柱形である。ピン１１の側面は滑らかな曲面であり、ねじ溝は設けられていない。なお、ショルダー１２は、ピン１１より大径の円柱形をなしており、ピン１１の軸線方向に延びている。このショルダー１２の先端、即ち一端面にピン１１が設けられている。

図５０における（ｂ）に示す回転ツール１０は、Ｓｉ_３Ｎ_４の他にバインダを含むことが好ましい。回転ツール１０にバインダを含めることによって、回転ツール１０の割れを抑制することが可能となる。例えば、回転ツール１０には、９０重量％のＳｉ_３Ｎ_４が含まれており、残部にＡｌ_２Ｏ_３及びＹ_２Ｏ_３がバインダとして含まれている。この場合の回転ツール１０の硬度（ＨＲＡ）は、９２（ダイアモンド円錐圧子による試験荷重６０ｋｇでのロックウェル硬さが１２０°）である。

また、図５０に示すように、この接合方法においては、回転ツール１０の側面を覆うように設けられたノズル１６を用い、このノズル１６からＡｒを含むガスＧを供給することが好適である。Ａｒを含むガスによれば、ステンレス材の硬化を防止しつつ回転ツールの冷却が可能になる。これによって、回転ツール１０の割れを抑制することが可能となる。

実験例７

回転ツール形状とステンレス鋼の接合部の接合強度との関係を調査するため、ピンの頂部が円錐状の回転ツール（図３２を参照）と、ピンの頂部が球面状の回転ツール（図３３を参照）と、ピンが多角柱状の回転ツール（図３４を参照）を用いて、図５０（ａ）に示す方法で、ＪＩＳ Ｇ ４３０５に規定のＳＵＳ３０４材およびＪＩＳ Ｅ ４０４９に規定のＳＵＳ３０１Ｌ−ＤＬＴ材の接合を行った。ＳＵＳ３０４材及びＳＵＳ３０１Ｌ−ＤＬＴ材の板厚は、厚さ１．５ｍｍとした。

図３２に示す回転ツール１０は先端に円柱形状のピン１１を備える。ピン１１の直径は５ｍｍであり、ショルダー１２の直径は１５ｍｍである。ピン１１は、ショルダー１２から１．４ｍｍ突出しており、その頂部から０．７ｍｍの部分は図３２に示すように円錐状をなしている。

図３３に示す回転ツール１０は先端に円柱形状のピン１１を備える。ピン１１の直径は５ｍｍであり、ショルダー１２の直径は１５ｍｍである。ピン１１は、ショルダー１２から１．４ｍｍ突出しており、その頂部はＳＲ５．４となるように球面取りがされている。

図３４に示す回転ツール１０は先端に角柱形状のピン１１を備える。ピン１１の直径は６ｍｍであり、ショルダー１２の直径は１５ｍｍである。ピン１１は、ショルダー１２から１．４ｍｍ突出している。ピン１１は図３４に示すように円柱の側面の３箇所でＣ面取りをされた形状であり、略多角柱形状をなしている。

以上の図３２〜３４に示す回転ツールは、いずれもＳｉ_３Ｎ_４が９０％、残部がＡｌ_２Ｏ_３およびＹ_２Ｏ_３の組成からなる。本実験例７においては、各々の回転ツールについて、同じ試料で接合部引張試験と接合部伸び試験を行った。

図３５はピンの頂部が円錐状の回転ツールにより接合したＳＵＳ３０４材の接合部引張試験結果を示す図であり、図３６はピンの頂部が円錐状の回転ツールにより接合したＳＵＳ３０４材の接合部伸び試験結果を示す図である。以下の図３５，３７，３９，４１，４２，４４において、横軸上の‘１．０ｔｏｎ’，‘１．０→０．９ｔｏｎ’は、回転ツールの母材に対する押圧を示す。

図３５より、第２の実施の形態に係る接合方法によれば、接合速度３００ｍｍ／ｍｉｎ以下、回転速度６００ｒｐｍ、回転ピッチ０．５以下で、ＳＵＳ３０４材の接合部の接合強度が、ほぼ良好であることが判る。また、図３６に示すように、ＳＵＳ３０４材の接合部の伸びにおいても、接合速度３００ｍｍ／ｍｉｎ以下、回転速度６００ｒｐｍ、回転ピッチ０．５以下で、適当な値が得られた。

接合速度３００ｍｍ／ｍｉｎ以下、回転ピッチ０．５以下の場合に良好なＳＵＳ３０４材の接合部が得られるのは、接合部に欠陥が生じにくいためである。すなわち、このような接合条件では、金属部材（ＳＵＳ３０４材）への入熱が大きく、金属材料の塑性流動が十分なために、良好な接合が得られる。金属材への入熱は、回転ツールの回転速度と、回転ツールのショルダー径の３乗とに比例し、接合速度に反比例することが知られている。以上のことを考慮すると、ピンの頂部が円錐状の回転ツールによりＳＵＳ３０４材を接合した場合に、｛（回転ツールの回転速度〔rpm〕×ショルダーの径〔mm〕^３）／回転ツールの移動速度〔mm/min〕／板材の厚さ〔ｍｍ〕｝が４．５×１０^３以上であれば、ＳＵＳ３０４材の接合部の接合強度がほぼ良好であることが予想される。

図３７はピンの頂部が球面状の回転ツールにより接合したＳＵＳ３０４材の接合部引張試験結果を示す図であり、図３８はピンの頂部が球面状の回転ツールにより接合したＳＵＳ３０４材の接合部の伸びの試験結果を示す図である。

図３７より、接合速度４２０ｍｍ／ｍｉｎ以下、回転速度６００ｒｐｍ、回転ピッチ０．７以下で、特に接合速度３００ｍｍ／ｍｉｎ以下、回転速度６００ｒｐｍ、回転ピッチ０．５以下で、ＳＵＳ３０４材の接合部の接合強度が良好であることが判る。また、図３８に示すように、ＳＵＳ３０４材の接合部の伸びにすいても、接合速度３００ｍｍ／ｍｉｎ以下、回転速度６００ｒｐｍ、回転ピッチ０．５以下で、適当な値が得られた。これらの結果より、ピンの頂部が球面状の回転ツールを用いてＳＵＳ３０４材を接合した場合に、｛（回転ツールの回転速度〔rpm〕×ショルダーの径〔mm〕^３）／回転ツールの移動速度〔mm/min〕／板厚〔ｍｍ〕｝が３．２×１０^３以上であれば、ＵＳ３０４材の接合部の接合強度が良好であることが予想される。

図３９は、ピンが多角柱状の回転ツールにより接合したＳＵＳ３０４材の接合部引張試験結果を示す図であり、図４０は、ピンが多角柱状の回転ツールにより接合したＳＵＳ３０４材の接合部伸び試験結果を示す図である。図３９より、接合速度３００ｍｍ／ｍｉｎ以下、回転速度６００ｒｐｍ、回転ピッチ０．５以下で、ほぼ良好な接合強度のＳＵＳ３０４材の接合部が、得られていることが判る。また、図４０に示すように、ＳＵＳ３０４材の接合部の伸びにおいても接合速度３００ｍｍ／ｍｉｎ以下、回転速度６００ｒｐｍ、回転ピッチ０．５以下で、適当な値が得られた。

以上の結果をまとめると、ピンの頂部が球面状の回転ツールでは、接合速度４２０ｍｍ／ｍｉｎ以下、回転ピッチ０．７以下、｛（回転ツールの回転速度〔rpm〕×ショルダーの径〔mm〕^３）／回転ツールの移動速度〔mm/min〕／板厚〔ｍｍ〕｝が３．２×１０^３以上であれば、ほぼ良好なＳＵＳ３０４材の接合継手が得られる。また、ピンの頂部が円錐状の回転ツールおよび多角柱状の回転ツールでは、接合速度３００ｍｍ／ｍｉｎ以下、回転ピッチ０．５以下、｛（回転ツールの回転速度〔rpm〕×ショルダーの径〔mm〕^３）／回転ツールの移動速度〔mm/min〕／板厚〔ｍｍ〕｝が４．５×１０^３以上であれば、良好なＳＵＳ３０４材の接合継手が得られる。したがって、第２の実施の形態に係る接合方法によれば、ショルダー径が１５［ｍｍ］の回転ツールを用いて、回転数６００［ｒｐｍ］、且つ、回転ピッチ０．１［ｍｍ／ｒ］以上０．７［ｍｍ／ｒ］以下において、厚さ１．５ｍｍのＳＵＳ３０４材を好適に接合可能であることが判った。また、第２の実施の形態に係る接合方法によれば、｛（回転ツールの回転速度〔rpm〕×ショルダーの径〔mm〕^３）／回転ツールの移動速度〔mm/min〕／板厚〔ｍｍ〕｝が３．２×１０^３以上２２．５×１０^３以下において、ＳＵＳ３０４材を好適に接合可能であることが判った。このように、ピンの頂部が円錐状の回転ツールおよびピンの頂部が球面状の回転ツールでも、従来のピンが多角柱状の回転ツールで接合した場合と比較して、より良いＳＵＳ３０４材の接合部の接合強度を得ることができる。また、ピンが多角柱状でないので、回転ツールの寿命は長くなり、回転ツールの製造も容易なものとなる。

図４１は、ピンの頂部が円錐状の回転ツールにより接合したＳＵＳ３０１Ｌ−ＤＬＴ材の接合部引張試験結果を示す図である。図４１に示すように、接合速度３００ｍｍ／ｍｉｎ以下、回転速度６００ｒｐｍ、回転ピッチ０．５以下で、ＳＵＳ３０１Ｌ−ＤＬＴ材の接合部の接合強度はほぼ良好であることが判る。この結果から、ピンの頂部が円錐状の回転ツールを用いる場合には、｛（回転ツールの回転速度〔ｒｐｍ〕×ショルダーの径［ｍｍ］^３）／回転ツールの移動速度〔ｍｍ／ｍｉｎ〕／板材の厚さ［ｍｍ］｝が、４．５×１０^３以上であれば、ＳＵＳ３０１Ｌ−ＤＬＴ材の接合部の接合強度が、ほぼ良好になることが予想される。

図４２は、ピンの頂部が球面状の回転ツールにより接合したＳＵＳ３０１Ｌ−ＤＬＴ材の接合部引張試験結果を示す図であり、図４３は、ピンの頂部が球面状の回転ツールにより接合したＳＵＳ３０１Ｌ−ＤＬＴ材の接合部伸び試験結果を示す図である。図４２から、接合速度１８０ｍｍ／ｍｉｎ以上３００ｍｍ／ｍｉｎ以下、回転速度６００ｒｐｍ、回転ピッチ０．３以上０．５以下で、ほぼ良好なＳＵＳ３０１Ｌ−ＤＬＴ材の接合部の接合強度が得られていることが判る。また、図４３に示すように、接合部の伸びにおいても接合速度１８０ｍｍ／ｍｉｎ以上３００ｍｍ／ｍｉｎ以下、回転速度６００ｒｐｍ、回転ピッチ０．３以上０．５以下で、適当な値が得られた。これらの結果から、ピンの頂部が球面状の回転ツールを用いた場合に、｛（回転ツールの回転速度〔ｒｐｍ〕×ショルダーの径［ｍｍ］^３）／回転ツールの移動速度〔ｍｍ／ｍｉｎ〕／板材の厚さ［ｍｍ］｝が４．５×１０^３以上７．５×１０^３以下であれば、ＳＵＳ３０１Ｌ−ＤＬＴ材の接合部の接合強度は、ほぼ良好となることが予想される。

図４４は、ピンが多角柱状の回転ツールにより接合したＳＵＳ３０１Ｌ−ＤＬＴ材の接合部引張試験結果を示す図であり、図４５は、ピンが多角柱状の回転ツールにより接合したＳＵＳ３０１Ｌ−ＤＬＴ材の接合部伸び試験結果を示す図である。図４４から、接合速度３００ｍｍ／ｍｉｎ以下、回転速度６００ｒｐｍ、回転ピッチ０．５以下で、ほぼ良好なＳＵＳ３０１Ｌ−ＤＬＴ材の接合部の接合強度が得られていることが判る。また、図４５から、接合部の伸びにおいても接合速度３００ｍｍ／ｍｉｎ以下、回転速度６００ｒｐｍ、回転ピッチ０．５以下で、適当な値が得られた。

以上の結果をまとめると、ピンの頂部が円錐状の回転ツール、ピンの頂部が球面状の回転ツール、ピンが多角柱状の回転ツールのいずれを用いても、接合速度１８０ｍｍ／ｍｉｎ以上３００ｍｍ／ｍｉｎ以下、回転ピッチ０．３以上０．５以下、｛（回転ツールの回転速度〔ｒｐｍ〕×ショルダーの径［ｍｍ］^３）／回転ツールの移動速度〔ｍｍ／ｍｉｎ〕／板材の厚さ［ｍｍ］｝が４．５×１０^３以上７．５×１０^３以下で、ほぼ良好なＳＵＳ３０１Ｌ−ＤＬＴ材の接合継手が得られる。このように、ピンの頂部が円錐状の回転ツールおよびピンの頂部が球面状の回転ツールの何れを用いても、従来のピンが多角柱状の回転ツールで接合した場合と同等の接合強度を得ることができる。また、ピンが多角柱状でないので、回転ツールの寿命は長くなり、回転ツールの製造も容易なものとなる。

以上の結果をまとめると、ＳＵＳ３０４材とＳＵＳ３０１Ｌ−ＤＬＴ材における接合の傾向として、少なくとも、接合速度１８０ｍｍ／ｍｉｎ以上３００ｍｍ／ｍｉｎ以下、回転ピッチ０．３以上０．５以下、｛（回転ツールの回転速度〔ｒｐｍ〕×ショルダーの径［ｍｍ］^３）／回転ツールの移動速度〔ｍｍ／ｍｉｎ〕／板材の厚さ［ｍｍ］｝が４．５×１０^３以上７．５×１０^３以下で、良好な接合継手が得られる。

図４６における（ａ）（ｂ）は実験例７における各々の接合速度、回転数および回転ピッチでの接合部断面を示す図である。図４６は、ピンの頂部が円錐状の回転ツールによる接合部の断面写真であり、（ａ）には回転数６００ｒｐｍ−接合速度２００ｍｍ／ｍｉｎ，回転ピッチ０．３３３の場合の断面写真が示されており、（ｂ）には回転数６００ｒｐｍ−接合速度３００ｍｍ／ｍｉｎ，回転ピッチ０．５の場合の断面写真が示されている

図４６における（ａ）に示すように、いずれの接合部にも欠陥が生じていない。このため、前述の図３５に示したように良好な接合強度が得られたと考えられる。

以上の実験例７の結果を図４９に対比表としてまとめた。

尚、本発明の金属材の接合方法は、上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

本発明によれば、回転ツールの寿命を向上させ、回転ツールを製造する手間や製造コストを抑えた金属材料の接合方法が提供される。

Claims (11)

1. 二つの金属部材それぞれの端部を突き合わせるステップと、
   前記二つの金属部材それぞれの端部の間に、棒状の回転ツールの先端に設けられた直円柱形のピンを挿入し、該回転ツールを回転させつつ該端部の長手方向に沿って移動させるステップと、
   を含む、金属材の接合方法。
2. 前記回転ツールは、前記ピンより大径の円柱形をなすショルダーを有しており、
   前記ピンは、前記ショルダーの一端面に設けられており、
   前記二つの金属部材は、ＪＩＳ Ｈ ４０００に規定のＡ１０５０の板材であって、５．０ｍｍの厚さを有しており、
   前記ショルダーの径が、１５ｍｍであり、
   前記回転ツールの回転数が、１５００ｒｐｍであり、
   （回転ツールの移動速度〔ｍｍ／ｍｉｎ〕／回転ツールの回転速度〔ｒｐｍ〕）が、０．２８以上である、
   請求項１記載の金属材の接合方法。
3. 前記回転ツールは、前記ピンより大径の円柱形をなすショルダーを有しており、
   前記ピンは、前記ショルダーの一端面に設けられており、
   前記二つの金属部材は、ＪＩＳ Ｈ ４０００に規定のＡ１０５０の板材であって、
   ｛（回転ツールの回転速度〔ｒｐｍ〕×ショルダーの径［ｍｍ］^３）／回転ツールの移動速度〔ｍｍ／ｍｉｎ〕／板材の厚さ［ｍｍ］｝が、２．４１×１０^３以上である、
   請求項１記載の金属材の接合方法。
4. 前記回転ツールは、前記ピンより大径の円柱形をなすショルダーを有しており、
   前記ピンは、前記ショルダーの一端面に設けられており、
   前記二つの金属部材は、ＪＩＳ Ｈ ４１００に規定のＡ６Ｎ０１の板材であって、３．１ｍｍの厚さを有しており、
   前記ショルダーの径が、１２ｍｍであり、
   前記回転ツールの回転数が、１０００ｒｐｍであり、
   （回転ツールの移動速度〔ｍｍ／ｍｉｎ〕／回転ツールの回転数〔ｒｐｍ〕）が、０．３以上である、
   請求項１記載の金属材の接合方法。
5. 前記回転ツールは、前記ピンより大径の円柱形をなすショルダーを有しており、
   前記ピンは、前記ショルダーの一端面に設けられており、
   前記二つの金属部材は、ＪＩＳ Ｈ ４１００に規定のＡ６Ｎ０１の板材であって、
   ｛（回転ツールの回転速度〔ｒｐｍ〕×ショルダーの径［ｍｍ］^３）／回転ツールの移動速度〔ｍｍ／ｍｉｎ〕／板材の厚さ［ｍｍ］｝が、１．８６×１０^３以上である、
   請求項１記載の金属材の接合方法。
6. 前記回転ツールは、前記ピンより大径の円柱形をなすショルダーを有しており、
   前記ピンは、前記ショルダーの一端面に設けられており、
   前記二つの金属部材は、ＪＩＳ Ｈ ４０００に規定のＡ６０６１の板材であって、５．０ｍｍの厚さを有しており、
   前記ショルダーの径が、１５ｍｍであり、
   前記回転ツールの回転数が、１５００ｒｐｍであり、
   （回転ツールの移動速度〔ｍｍ／ｍｉｎ〕／回転ツールの回転数〔ｒｐｍ〕）が、０．２以上である、
   請求項１記載の金属材の接合方法。
7. 前記回転ツールは、前記ピンより大径の円柱形をなすショルダーを有しており、
   前記ピンは、前記ショルダーの一端面に設けられており、
   前記二つの金属部材は、ＪＩＳ Ｈ ４０００に規定のＡ６０６１の板材であって、
   ｛（回転ツールの回転速度〔ｒｐｍ〕×ショルダーの径［ｍｍ］^３）／回転ツールの移動速度〔ｍｍ／ｍｉｎ〕／板材の厚さ［ｍｍ］｝が、３．３８×１０^３以上である、
   請求項１記載の金属材の接合方法。
8. 前記回転ツールは、前記ピンより大径の円柱形をなすショルダーを有しており、
   前記ピンは、前記ショルダーの一端面に設けられており、
   前記二つの金属部材は、ＪＩＳ Ｈ ４０００に規定のＡ５０８３の板材であって、５．０ｍｍの厚さを有しており、
   前記ショルダーの径が、１５ｍｍであり、
   前記回転ツールの回転数が、６００ｒｐｍ以下であり、
   （回転ツールの移動速度〔ｍｍ／ｍｉｎ〕／回転ツールの回転数〔ｒｐｍ〕）が、０．０５以上０．２０以下である、
   請求項１記載の金属材の接合方法。
9. 前記回転ツールは、前記ピンより大径の円柱形をなすショルダーを有しており、
   前記ピンは、前記ショルダーの一端面に設けられており、
   前記二つの金属部材は、ＪＩＳ Ｈ ４０００に規定のＡ５０８３の板材であって、
   ｛（回転ツールの回転速度〔ｒｐｍ〕×ショルダーの径［ｍｍ］^３）／回転ツールの移動速度〔ｍｍ／ｍｉｎ〕／板材の厚さ［ｍｍ］｝が、３．３８×１０^３以上１３．５×１０^３以下である、
   請求項１記載の金属材の接合方法。
10. 前記回転ツールは、前記ピンより大径の円柱形をなすショルダーを有しており、
    前記ピンは、前記ショルダーの一端面に設けられており、
    前記二つの金属部材は、ＪＩＳ Ｈ ４０００に規定のＡ２０１７の板材であって、５．０ｍｍの厚さを有しており、
    前記ショルダーの径が、１５ｍｍであり、
    前記回転ツールの回転数が、６００ｒｐｍ以下であり、
    （回転ツールの移動速度〔ｍｍ／ｍｉｎ〕／前記回転ツールの回転数〔ｒｐｍ〕）が、０．０４以上０．５０以下である、
    請求項１記載の金属材の接合方法。
11. 前記回転ツールは、前記ピンより大径の円柱形をなすショルダーを有しており、
    前記ピンは、前記ショルダーの一端面に設けられており、
    前記二つの金属部材は、ＪＩＳ Ｈ ４０００に規定のＡ２０１７の板材であって、
    ｛（回転ツールの回転速度〔ｒｐｍ〕×ショルダーの径［ｍｍ］^３）／回転ツールの移動速度〔ｍｍ／ｍｉｎ〕／板材の厚さ［ｍｍ］｝が、１．３５×１０^３以上１６．９×１０^３以下である、
    請求項１記載の金属材の接合方法。

Images