JPWO2018150891A1 - 摩擦攪拌接合方法および接合構造体の製造方法 - Google Patents

Abstract

摩擦攪拌接合方法は、金属または樹脂からなる第１の被接合部材（１）と、金属または樹脂からなり第１の段差部（１０）を有する第２の被接合部材（２）とを重ね合せて配置し、接合ツール（５）により摩擦攪拌接合する摩擦攪拌接合方法であって、第１の段差部（１０）の段差支持面（１２）に、第１の段差部（１０）の側面（１１）との間に隙間（４）をあけて第１の被接合部材（１）を配置する工程と、段差支持面（１２）と接する第１の被接合部材（１）の裏面とは反対側の表面から第１の被接合部材（１）に接合ツール（５）を回転させながら押し込み、第２の被接合部材（２）の段差支持面（１２）に達するまで挿入する接合ツール挿入工程と、接合ツール（５）を回転させることにより、第１の被接合部材（１）と第２の被接合部材（２）とを攪拌して接合部（３）を形成する攪拌工程と、を備えたものである。

Description

本願は、摩擦攪拌接合方法および接合構造体の製造方法に関するものである。

摩擦攪拌接合（ＦＳＷ：Ｆｒｉｃｔｉｏｎ Ｓｔｉｒ Ｗｅｌｄｉｎｇ）は、金属接合技術の一つであり、被接合部材の接合部にツールと呼ばれる回転工具を挿入し、ツールを回転させながら接合線に沿って移動させ、接合部を攪拌することにより固相接合する方法である。また、摩擦攪拌接合は、溶融温度以下で被接合部材の接合が可能であるため、金属組織の変態による接合部の強度低下や、変形が小さいなど多くの利点がある。
摩擦攪拌接合の接合部の形状は、ツールの形状に依存する。一般的なツールは、ショルダーと言われる太径の部分と、その先端に設置されたプローブと言われる部位で構成されている。

従来の摩擦攪拌接合は、プローブを被接合部材である金属の内部に挿入し、その際にかき出された金属をショルダーで抑えて接合しており、接合幅はショルダー径に依存している。そのため、接合幅を狭くするには、使用するツールのショルダー径を細くする必要がある。しかし、ショルダー径を細くすると、攪拌した際にかき出された金属を抑えきれず、被接合部材上面から攪拌した際にかき出された金属がバリとして多量に発生し、欠陥が発生してしまう。
従来の摩擦攪拌用回転工具では、プローブにねじ溝を設け、ねじ谷の面積がねじ山の面積以上にされた特殊な形状のツールを用いることにより、ショルダーを接合金属に押し付けることなく、小さい接合幅での接合を可能にしている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００３−１３６２５９号公報

しかしながら、従来の摩擦攪拌用回転工具及びそれを用いた処理方法では、欠陥のない接合が可能な条件の範囲が狭く、接合速度が遅いという問題点がある。また、プローブに設けるネジ溝形状の影響により、プローブの強度が下がってしまうという問題点がある。
本願は、前述のような課題を解決するためになされたものであり、特別な形状の接合ツールを使用することなく、接合幅の狭い接合部を形成することが可能な摩擦攪拌接合方法および接合構造体の製造方法を得ることを目的とするものである。

本願に開示される摩擦攪拌接合方法は、金属または樹脂からなる第１の被接合部材と、金属または樹脂からなり第１の段差部を有する第２の被接合部材とを重ね合せて配置し、接合ツールにより摩擦攪拌接合する摩擦攪拌接合方法であって、前記第１の段差部の段差支持面に、前記第１の段差部の側面との間に隙間をあけて前記第１の被接合部材を配置する工程と、前記段差支持面と接する前記第１の被接合部材の裏面とは反対側の表面から前記第１の被接合部材に前記接合ツールを回転させながら押し込み、前記第２の被接合部材の前記段差支持面に達するまで挿入する接合ツール挿入工程と、前記接合ツールを回転させることにより、前記第１の被接合部材と前記第２の被接合部材とを攪拌して接合部を形成する攪拌工程と、を備えたものである。

本願に開示される摩擦攪拌接合方法によれば、第１の被接合部材を、第１の段差部を有する第２の被接合部材に配置し、第１の段差部の側面と第１の被接合部材との間に隙間を設けることにより、第１の被接合部材上面方向に攪拌される金属等が少なくなり、ショルダー径の細い接合ツールでも、攪拌された金属等を十分に抑えられるようになる。よって、特別な形状の接合ツールを用いることなく、接合幅の狭い接合部を形成することが可能になる。

実施の形態１による摩擦攪拌接合方法を説明するための断面図である。 実施の形態２による摩擦攪拌接合方法を説明するための断面図である。 一般的な摩擦攪拌接合方法に使用する接合ツールを示す断面図である。 一般的な摩擦攪拌接合方法に使用する接合ツールを示す断面図である。 実施の形態２による摩擦攪拌接合方法を説明するための断面図である。 実施の形態３による摩擦攪拌接合方法を説明するための断面図である。 実施の形態４による摩擦攪拌接合方法を説明するための断面図である。 実施の形態５による摩擦攪拌接合方法を説明するための断面図である。 実施の形態５による摩擦攪拌接合方法を説明するための断面図である。 実施の形態５による摩擦攪拌接合方法を説明するための断面図である。 実施の形態５による摩擦攪拌接合方法を説明するための断面図である。 実施の形態６による摩擦攪拌接合方法を説明するための断面図である。 実施の形態６による摩擦攪拌接合方法に使用する接合ツールを示す断面図である。 実施の形態７による摩擦攪拌接合方法を説明するための断面図である。 実施の形態８による摩擦攪拌接合方法を説明するための平面模式図である。 実施の形態８による摩擦攪拌接合方法を説明するための断面模式図である。 実施の形態８による摩擦攪拌接合方法を説明するための断面模式図である。 実施の形態９による摩擦攪拌接合方法を説明するための平面模式図である。 実施の形態９による摩擦攪拌接合方法を説明するための断面模式図である。

実施の形態１．
以下、図面に基づいて実施の形態１について説明する。
図１は、実施の形態１による摩擦攪拌接合方法を説明するための断面図である。図１に示すように、実施の形態１による接合構造体５０は、金属または樹脂からなる第１の被接合部材１と、金属または樹脂からなり第１の段差部１０を有する第２の被接合部材２とを備えている。第１の被接合部材１は、第２の被接合部材２の第１の段差部１０における段差支持面１２上に配置されている。また、第２の被接合部材２の第１の段差部１０の側面１１と第１の被接合部材１の外形側面１３との間には、隙間４が形成されている。また、第１の被接合部材１と第２の被接合部材２との重ね合わせ部には、接合ツール５により攪拌されて形成された摩擦攪拌接合部３が設けられている。隙間４には、後述するように、摩擦攪拌接合部３の形成により接合金属が流入する場合もある。

図１に示すように、実施の形態１による摩擦攪拌接合方法は、第１の段差部１０の段差支持面１２に、第１の段差部１０の側面１１との間に隙間４をあけて第１の被接合部材１を配置する工程と、段差支持面１２と接する第１の被接合部材１の裏面とは反対側の表面から第１の被接合部材１に接合ツール５を回転させながら押し込み、第２の被接合部材２の段差支持面１２に達するまで挿入する接合ツール挿入工程と、接合ツール５を回転させることにより、第１の被接合部材１と第２の被接合部材２とを攪拌して摩擦攪拌接合部３を形成する攪拌工程と、を有している。
第２の被接合部材２に設けた第１の段差部１０の側面１１と、第１の被接合部材１の外形側面１３との間に隙間４を設けることにより、その部位に断熱層が形成される。断熱層の部分で第１の被接合部材１の熱が篭りやすくなるため、温度が上昇して隙間４の方向に軟化された接合金属等が流動しやすくなる。その結果、第１の被接合部材上面方向に攪拌される金属等が少なくなり、ショルダー径の細い接合ツール５を用いた場合であっても、攪拌された金属等を十分に抑えられるようになる。よって、特別な形状の接合ツール５を用いることなく、接合幅の狭い摩擦攪拌接合部３を形成することが可能となる。

特に、実施の形態１による摩擦攪拌接合方法は、第１の被接合部材１または第２の被接合部材２が、アルミ合金や銅などである場合に好適である。また、第２の被接合部材２は、例えば箱型の冷却器のジャケットであり、第１の被接合部材１は、例えばヒートシンクなどの板状部品である。
ここで、以下に実際の摩擦攪拌接合方法による接合実験例を示す。
被接合材料:A6063-A6063、板厚３ｍｍ、重ね継手
ツール：ショルダー径５ｍｍ、プローブ長さ３．２ｍｍ
回転数：1,500〜3,000rpm
接合速度：200〜800mm/min

実施の形態１による摩擦攪拌接合方法においては、前述の材料および接合条件により、接合欠陥のない摩擦攪拌接合部３が形成される。また、攪拌された接合金属が隙間４に流動しやすくなるため、バリの発生も抑制できる。なお、前述の接合実験例のプローブ７の形状は、円錐台形状になっており、プローブ７の付け根の直径がφ３ｍｍ、プローブ７の先端の直径がφ２ｍｍである。また、攪拌力を上げるため、プローブ７にＭ３ねじ相当のらせん状の溝を設けた接合ツール５を使用し、接合ツール５の回転方向は、プローブ７に設けたらせん状の溝と反対（逆ねじ）方向にしている。

図３Ａおよび図３Ｂは、一般的な摩擦攪拌接合方法に使用する接合ツールを示す断面図である。
図３Ａに示すように、摩擦攪拌接合方法に使用する接合ツール５は、ショルダー６といわれる太い径の部分と、その先端に設置されたプローブ７と言われる細径の部分で構成されている。プローブ７を接合する金属の内部に挿入し、その際に接合金属上面からかき出されようとする接合金属をショルダー６で抑えて接合している。また、図３Ａでは、ショルダー６が円筒形状、プローブ７が円錐台形状で図示されているが、その他の形状のものでも問題ない。例えば、ショルダー６は上凸形状の曲面がある形状や、先細りのテーパ形状になっているもの、プローブ７は円筒形状、先端が曲面形状になっているものなどがある。

摩擦攪拌接合の接合形状は、接合ツール５の形状に依存する。接合幅はショルダー６の直径Ｌ１、接合深さはプローブ７の長さＬ２によって決まる。一般的な接合ツール５では、ショルダー６の直径Ｌ１がプローブ７の長さＬ２の３〜６倍程度になっている。そのため、摩擦攪拌接合は、接合深さに対し、接合幅が広くなることがほとんどである。これにより、一般的な摩擦攪拌接合では、接合幅が広くなるため、変形が大きくなる、接合部の範囲が狭いところに適用できないなどの欠点がある。
そのため、接合範囲の狭い部位に摩擦攪拌接合を適用するには、高アスペクト比（接合深さ/接合幅）の接合ツール５による摩擦攪拌接合方法が必要になる。つまり、プローブ７の長さＬ２を変化させないまま、ショルダー６の直径Ｌ１を細くする必要がある。しかし、ショルダー６の直径Ｌ１をプローブ７の長さＬ２に対し細くする、例えば、ショルダー６の直径Ｌ１をプローブ７の長さＬ２の１〜２倍程度にすると、攪拌された金属を抑えきれず、第１の被接合部材１の上面方向から攪拌した金属がバリとして多量に発生し、内部に欠陥（空隙）が発生してしまう。

接合範囲の狭い部位を接合する摩擦攪拌接合方法として、図３Ｂに示すような接合ツール５を使用する方法が提案されている。これは、プローブ７に設置されているねじ溝形状を工夫することにより、被接合部材にショルダー６を接触させることなく摩擦攪拌接合する方法である。ショルダー６が被接合部材に接触しないため、幅の狭い接合が可能になっている。
しかし、このような接合ツール５を使用する方法では、欠陥のない接合が狭く、接合速度が速くできないという欠点がある。また、ショルダー６による入熱がないため、摩擦攪拌接合に必要な摩擦熱を得るために、高速回転の条件が必要である。高速回転の摩擦攪拌接合では、接合ツール５の磨耗が激しくなるため、接合ツール５の寿命が短くなるという欠点があった。
前述したように、実施の形態１による摩擦攪拌接合方法においては、これらの欠点を補うため、第２の被接合部材２に設けた第１の段差部１０の側面１１と、第１の被接合部材１の外形側面１３との間に隙間４を設けた。よって、第１の被接合部材１の上面方向に攪拌される金属等が少なくなり、接合ツール５の形状の制約なしで、狭い接合幅の摩擦攪拌接合部３を形成することが可能である。

実施の形態２．
図２は、実施の形態２による摩擦攪拌接合方法を説明するための断面図である。また、図４は、実施の形態２による摩擦攪拌接合方法を説明するための断面図である。実施の形態２において、実施の形態１と同一の符号については、実施の形態１と同一の構成であるので説明を省略する。図２に示すように、実施の形態２による接合構造体５０は、隙間４の幅Ｗ１を第１の被接合部材１の板厚ｔ１の０．０３倍以上から０．２倍以下、接合幅Ｗ２を第１の被接合部材１の板厚ｔ１の０．５倍以上から２倍以下の範囲で制限している。これらの寸法の指定は、摩擦攪拌接合部３の板厚ｔ１に影響を与える。

また、実施の形態２による摩擦攪拌接合方法は、隙間４に攪拌された接合金属等を逃がすことにより、第１の被接合部材１の上面に攪拌される金属を少なくし、ショルダー６の直径Ｌ１が細い接合ツール５を使用した場合であっても、欠陥なく摩擦攪拌接合部３を形成することができる。そのため、隙間４が第１の被接合部材１の板厚ｔ１の０．２倍より広くなると、隙間４に流入する接合金属が多くなり、摩擦攪拌接合部３の板厚ｔ１が薄くなる。その結果、所定の接合強度が得られなくなる。反対に、隙間４が第１の被接合部材１の板厚ｔ１の０．０３倍より狭くなると、隙間４に流入できる接合金属の量が少なくなり、実施の形態２の構成の効果が薄れ、欠陥が生じることが確認されている。

接合幅Ｗ２は、接合金属の量に大きく影響し、接合幅Ｗ２を第１の被接合部材１の板厚ｔ１の２倍より大きくすると、隙間４内に接合金属が収まらず、第１の被接合部材１の上面から接合金属が流出し、欠陥が生じるようになる。また、接合幅Ｗ２が第１の被接合部材１の板厚ｔ１の０．５倍より小さくなった場合、隙間４に流入する接合金属が少なくなり、隙間４がほとんど埋まらない状態になる。このような状態になると、接合金属が自由に攪拌され、内部欠陥を生じることがある。
以上の観点より、実施の形態２による摩擦攪拌接合方法では、隙間４の幅Ｗ１を第１の被接合部材１の板厚ｔ１の０．０３倍以上から０．２倍以下、接合幅Ｗ２を第１の被接合部材１の板厚ｔ１の０．５倍以上から２倍以下の範囲に設定することが好適である。

図４は、実施の形態２における摩擦攪拌接合方法を説明するための断面図であり、接合ツール５の挿入する位置を示した断面図である。図４のように、実施の形態２では、接合ツール５の挿入位置である接合ツール５の中心軸２０から第１の被接合部材１の外形側面１３までの長さＬ３を、第１の被接合部材１の板厚ｔ１の０．５倍以上１倍以下の範囲にすることが好適である。接合ツール５の挿入位置が、第１の被接合部材１の板厚ｔ１の１倍より大きくなり隙間４から離れると、攪拌された接合金属と隙間４が遠くなるため、隙間４に接合金属が流入せず、第１の被接合部材１の上面から接合金属がバリとして流出することがある。その結果、内部欠陥が発生し、良好な摩擦攪拌接合部３が形成できない場合がある。

また、接合ツール５の挿入位置が、第１の被接合部材１の板厚ｔ１の０．５倍より小さくなり隙間４に近づくと、第２の被接合部材２の側面１１まで攪拌されることがある。第２の被接合部材２まで攪拌されると、第１の段差部１０の側面１１が軟化し、攪拌された接合金属を抑えられなくなる。
したがって、実施の形態２においては、攪拌工程において接合ツール５は、接合ツール５の中心軸２０から第１の被接合部材１の外形側面１３までの長さＬ３が、第１の被接合部材１の板厚の０．５倍以上１．０倍以下の範囲内の位置に挿入されており、この挿入位置を保ちながら第１の被接合部材の外形に沿って接合ツール５を移動させることにより摩擦攪拌接合部３を形成する。また、実施の形態２は、第２の被接合部材２の第１の段差部１０の側面１１が接合金属を抑える効果があり、第２の被接合部材２への入熱を抑制することが可能である。実施の形態２においては、摩擦攪拌接合する領域と隙間４との関係、また、接合ツール５を挿入する位置が接合品質に影響し、この関係が高アスペクト比（接合深さ/接合幅）の摩擦攪拌接合部３を形成する上で重要となる。

実施の形態３．
図５は、実施の形態３による摩擦攪拌接合方法を説明するための断面図である。図５に示すように、実施の形態３においては、段差支持面１２と接する第１の被接合部材１の裏面側に第１の被接合部材１の外形に沿って空間８が設けられている。空間８は、幅Ｗ３が第１の被接合部材１の板厚ｔ１の０．５倍以上１倍以下、深さＤ１が０．３倍以上０．８倍以下で構成されている。第１の被接合部材１と第２の被接合部材２とを重ね合わせ、空間８に沿って摩擦攪拌接合することにより摩擦攪拌接合部３が形成される。
これにより、第１の被接合部材１の外形側面１３と第２の被接合部材２の第１の段差部１０の側面１１にある隙間４の反対側に断熱層をつくることができる。空間８に接合金属が流入しやすくなるため、第１の被接合部材１の上面側に攪拌される接合金属が少なくなり、ショルダー６の細い接合ツール５を使用した場合でも欠陥なく摩擦攪拌接合部３の形成が可能になる。また、図５においては、空間８が設けられているので、隙間４がほとんどなくてもよい。なお、第１の被接合部材１と第２の被接合部材２との重ね合わせ部における第２の被接合部材２側に同様のスペースを作っても同様の効果を発揮する。

実施の形態４．
図６は、実施の形態４による摩擦攪拌接合方法を説明するための断面図である。図６に示すように、実施の形態４においては、図１に示した接合構造体５０と同じ構成になっており、図１に示した接合構造体５０から摩擦攪拌接合部３の上面側を摩擦攪拌接合部３に沿って取り除き、溝部２１を形成したことを特徴としている。
摩擦攪拌接合部３では、接合ツール５のショルダー６と接触している部位でバリが発生する場合がある。実施の形態４においては、ショルダー６の直径Ｌ１を細くして、高アスペクト比（接合深さ/接合幅）の摩擦攪拌接合をすることを特徴としているため、攪拌された接合金属をショルダー６で抑えきれずに、特にバリの発生が多くなる。また、ショルダー６の直径Ｌ１が細いと、接合面が粗くなりやすい。そのため、摩擦攪拌接合部３の上面を取り除き、バリを除去することが望ましい。また、取り除く量は、第１の被接合部材の板厚ｔ１の６０〜９５％を残すように取り除くことが好適である。それ以上の量を取り除くと、摩擦攪拌接合部３の板厚が薄くなり、接合強度が低下する。実施の形態４では、第１の被接合部材１と第２の被接合部材の段差支持面１２とを重ね合せて摩擦攪拌接合した後、摩擦攪拌接合部３に沿って第１の被接合部材１の板厚の６０％から９５％を残して接合部の上面を取り除き、第１の被接合部材１の接合部に沿って溝部２１を設けるものである。また、実施の形態４の摩擦攪拌接合方法を水密性、気密性が必要な製品に適用する場合、摩擦攪拌接合部３の上面を取り除いたことにより形成される溝部２１をシールする方法も有用である。

実施の形態５．
図７、図８、図９、図１０は、実施の形態５による摩擦攪拌接合方法を説明するための断面図である。図７は、基本的には図１と同じ構成になっており、第２の被接合部材２は、第１の段差部１０の段差支持面１２の端部に設けられた第２の段差部２３を備えている。また、第２の段差部２３は、段差壁面２４と段差底面２２とを備えている。第１の段差部１０の段差支持面１２と第２の段差部２３の段差底面２２との間には、前述の段差壁面２４があり、第１の段差部１０の端部に段差壁面２４が繋がり、さらに段差壁面２４の端部に段差底面２２が繋がっている構成となっている。
また、第２の被接合部材２は、段差支持面１２とは独立した段差底面２２上に第１のリブ構造９を備えている。また、この第１のリブ構造９の高さＨ１は、第１の段差部１０の段差支持面１２と同等の高さであることが望ましい。
実施の形態５による摩擦攪拌接合方法では、第１のリブ構造９の上面である第１のリブ段差支持面２８および段差支持面１２に第１の被接合部材１を配置した後、まず、第１の被接合部材１と第１のリブ構造９の上面である第１のリブ段差支持面２８を重ね合せて摩擦攪拌接合し、その後、第２の被接合部材２の段差支持面１２と第１の被接合部材とを第１の被接合部材の外形に沿って摩擦攪拌接合する。
先に、第１のリブ構造９の上面である第１のリブ段差支持面２８と第１の被接合部材とを摩擦攪拌接合することにより、第１の被接合部材１が拘束され、第１の被接合部材１と第２の被接合部材２の側面１１との隙間４の位置が固定される。これにより、隙間４が適切な位置に保たれる効果がある。

実施の形態５による摩擦攪拌接合方法は、例えば、第１の被接合部材１の４辺を封止接合して内圧が加わる密封容器などに適切である。例えば、冷却器等の箱型の第２の被接合部材２では、第１のリブ構造９を中心に左右対称になっており、摩擦攪拌接合部３と隙間４が第１のリブ構造９の反対側（図中の右側）にもある（図示なし）。そのため、第１のリブ構造９を先に摩擦攪拌接合することで、第１のリブ構造９を中心として左右にある第１の段差部１０の摩擦攪拌接合部３の隙間４を左右ともに適切な位置に保つことができる。どちらか一方の第１の段差部１０の摩擦攪拌接合部３を先に形成すると、先に摩擦攪拌接合部３を形成した方に第１の被接合部材１が引き寄せられ、もう一方の隙間４が大きくなってしまう。

第１のリブ構造９がない場合、第１の被接合部材１を接合した際に、最初に接合した方向に第１の被接合部材１が収縮し、反対側の面の隙間４が大きくなる。一方、第１のリブ構造９を設け、第１のリブ構造９を先に接合することで、第１の被接合部材１が固定され、隙間４が適切に保たれる。そのため、安定して高アスペクト比の摩擦攪拌接合が可能になる。
また、第１の被接合部材１の裏面側である圧力がかかる面１４の中央部に第１のリブ構造９を設置することで、耐圧性も向上する。さらに、第１の被接合部材１の裏面から第２の被接合部材２の段差底面２２までの高さＨ１を０．５ｍｍ以内に収めることで、第２の被接合部材２を冷却器に使用する場合、冷却能力を保つことができる。さらに、高さＨ１を一定に保つことで、例えば、第２の被接合部材２を冷却器に使用した場合に冷却効果を保つことができる。また、中央部の接合では、接合ツール５の抜く位置を接合界面から遠い部分にすることが望ましい。例えば、第１のリブ構造９が円柱形状である場合、第１のリブ構造９の中心を接合ツール５の抜く位置にするとより耐圧性が向上する。

図８は、基本的には図１と同じ構成になっており、第２の被接合部材２における第１の段差部１０と独立した位置に第１のリブ構造９を備える構造になっている。また、第１のリブ構造９の上面である第１のリブ段差支持面２８上に第１の被接合部材１の板厚ｔ１と同等の厚さ分の高さを有する突起１５が設けられており、第１の被接合部材１には突起１５に嵌合できるように開口部１６が設けられている。この開口部１６は、貫通穴でなくてもよい。図８に示すように、まず、第１のリブ構造９の突起１５を第１の被接合部材１の開口部１６と嵌合させて摩擦攪拌接合する。その後、第２の被接合部材２の第１の段差部１０の段差支持面１２と第１の被接合部材を第１の被接合部材１の外形に沿って摩擦攪拌接合する。図８に示す摩擦攪拌接合方法においては、上述した効果に加えて、第１のリブ構造９に突起１５を設け第１の被接合部材１と嵌合させることにより、第１のリブ構造９が位置決めピンの役割を果たし、位置決めが容易になるさらなる効果を有している。

図９は、図７と同様の効果を有する接合構造体５０に対する摩擦攪拌接合方法であり、第１の被接合部材１側に第２のリブ構造１７を設けた構成となっている。第２のリブ構造１７は、例えば、第２の被接合部材２の段差底面２２から段差支持面１２までの高さと同じ高さとなっている。第２のリブ構造１７の上面である第２のリブ段差支持面２９と第２の被接合部材２の段差底面２２とを重ね合せて、第２の被接合部材２の段差底面２２の反対側から摩擦攪拌接合した後、第２の被接合部材２の段差支持面１２と第１の被接合部材１とを重ね合せて、第１の被接合部材１の外形に沿って摩擦攪拌接合している。
また、図１０に示すように接合構造体５０において、第１の被接合部材１の第２のリブ構造１７の上面である第２のリブ段差支持面２９上には、第２の被接合部材２の段差底面２２の板厚の厚さ分の高さを有する凸部１８が設けられており、第２の被接合部材２の段差底面２２には、第２のリブ構造１７の凸部１８が嵌合する凹部１９が設けられている。図１０に示すように、第２のリブ構造１７の凸部１８を第２の被接合部材２の凹部１９と嵌合させて、第２の被接合部材２の段差底面２２の反対側から摩擦攪拌接合した後、第２の被接合部材２の段差支持面１２と第１の被接合部材１とを重ね合せて、第１の被接合部材１の外形に沿って摩擦攪拌接合している。

実施の形態６．
図１１は、実施の形態６による摩擦攪拌接合方法を説明するための断面図である。
図１１は、図１と同じ構成をしており、接合ツール５と第１の被接合部材１とのツール接触面積Ａ１が、第２の被接合部材２に設けた第１の段差部１０の段差支持面１２の段差幅Ｗ４以下にすることを示している。ツール接触面積Ａ１が段差支持面１２の段差幅Ｗ４より広くなると、摩擦攪拌接合時に加わる荷重により、第１の段差部１０の形状が保てなくなり、異常な変形が生じてしまう。そのため、接合ツール５と第１の被接合部材１との接触しているツール接触面積Ａ１が、第２の被接合部材２に設けた第１の段差部１０の段差幅Ｗ４より小さくなっていることが望ましい。

図１２は、実施の形態６による摩擦攪拌接合方法に使用する接合ツールを示す断面図である。図１２は、接合ツール５と第１の被接合部材１との接触しているツール接触面積Ａ１を第２の被接合部材２に設けた段差幅Ｗ４より小さくするのに好適な接合ツール５の形状を示している。これは、プローブ７の先端からショルダー６に向かってプローブの直径がテーパ状に大きくなるとともに、このプローブ７とショルダー６を滑らかな曲線で繋いだ逆フィレット型ツールである。この形状の接合ツール５は、ツール接触面積Ａ１を小さくするだけでなく、応力集中がほとんどないため、接合ツール５の強度が向上し、折損しにくくなっている。また、テーパ形状部、滑らかな曲線部のいずれの挿入位置でも摩擦攪拌接合ができるため、接合ツール５の挿入深さの裕度が高く、様々な板厚の被接合部材に対応可能である。また、テーパ形状部には、ねじ状の溝を設けることが好適である。例えば、逆フィレット型ツールの先端曲面にピッチ０．３ｍｍ以上１．５ｍｍ以下のねじ形状を加工することが望ましい。また、溝形状は、溝の谷部分の応力集中を小さくするため、台形ねじ形状などを用いるほうが望ましい。

実施の形態７．
図１３は、実施の形態７による摩擦攪拌接合方法を説明するための断面図である。図１３は、図１と同様の構成になっており、第２の被接合部材２の段差支持面１２に対して、プローブ７の先端を第１の被接合部材１の板厚ｔ１の０．０１倍以上０．３倍以下の深さＤ２に制御して挿入し、第２の被接合部材２の段差支持面１２と第１の被接合部材１とを重ね合せて、第１の被接合部材１の外形に沿って摩擦攪拌接合している。プローブ７を第１の被接合部材１の板厚ｔ１の０．３倍より深く第２の被接合部材２に挿入すると、攪拌される接合金属量が多くなり、ショルダー６の直径Ｌ１が細い接合ツール５では、接合金属が抑え切れなくなる。そのため、高アスペクト比の摩擦攪拌接合ができない。また、第２の被接合部材２への挿入深さが第１の被接合部材１の板厚ｔ１の０．０１倍以下になると、接合ツール５の磨耗などにより、接合ができなくなり強度が得られなくなることがある。
以上の観点より、第２の被接合部材２の段差支持面１２と第１の被接合部材１との重ね合わせ部において、第２の被接合部材２における接合ツール５の挿入深さは、第１の被接合部材１の板厚ｔ１の０．０１倍以上０．３倍以下とすることによって、高アスペクト比の摩擦攪拌接合が可能となる。

実施の形態８．
図１４は、実施の形態８による摩擦攪拌接合方法を説明するための平面模式図である。また、図１５および図１６は、実施の形態８による摩擦攪拌接合方法を説明するための断面模式図である。また、図１５は、接合ツール５の挿入前の状態を示し、図１６は図１４のＡ‐Ａ線の切断面であり、接合中の状態を示す。実施の形態８において、第１の被接合部材１は、例えばヒートシンクなどの板状部品であり、第２の被接合部材２は、例えば箱型の冷却器のジャケットである。

前述のとおり、第１の被接合部材１と第２の被接合部材２とを摩擦攪拌接合する際には、第１の被接合部材１の外形に沿って接合ツール５を回転させながら移動することにより摩擦攪拌接合させるものであるが、接合ツール５の回転の中心軸２０が通る接合線に対して、接合ツール５のツール回転方向とツール移動方向が一致する側と一致しない側ができ、接合線の内側領域と外側領域において接合状態が非対称となってしまう。
特に、接合ツール５の移動時において、接合ツール５の近傍では、接合ツール５と第１の被接合部材１との摩擦によるせん断流動と同時に摩擦発熱による熱変形が発生し、ツール回転方向とツール移動方向が一致する側がせん断流動の起点となり摩擦攪拌が支配的に起こり、ツール回転方向とツール移動方向が異なる側はせん断流動に比して摩擦発熱による熱変形の割合が多くなる。

前述の接合状態の非対称性を、例えば、第１の被接合部材１の外形側面１３と第２の被接合部材２の側面１１のような突き合わせ構造に適用した場合、ツール回転方向とツール移動方向が一致する側の第１の被接合部材１がせん断流動の起点となり摩擦攪拌が支配的に起こり、ツール回転方向とツール移動方向が一致しない側の第１の被接合部材１では熱変形にとどまる割合が多くなる。
その結果として、接合ツール５のツール回転方向とツール移動方向が一致しない側の第１の被接合部材１に対して、ツール回転方向とツール移動方向が一致する側の第１の被接合部材１が攪拌され混合される状態が形成され、摩擦攪拌接合部３は、ツール回転方向とツール移動方向が一致する側の第１の被接合部材１の割合が多くなると同時に、ツール回転方向とツール移動方向が一致しない側に接合界面が形成されやすくなる。

また、前述の接合状態の非対称性を、例えば、第１の段差部１０の段差支持面１２とその上に配置された板状の第１の被接合部材１のような重ね合わせ部の接合に適用した場合、ツール回転方向とツール移動方向が一致しない側で熱変形の割合が多くなり、重ね合せた下側の第２の被接合部材２が攪拌されずに熱変形による盛り上がる巻上げが発生しやすく、それによる未接合部が長くなり、接合品質の低下を招きやすい。

そこで、実施の形態８においては、図１４から図１６に示すように、第２の被接合部材２の第１の段差部１０に板状の第１の被接合部材１を重ね合せて、第１の被接合部材１の外形に沿って摩擦攪拌接合する際には、接合線の内側領域３０で接合ツール５のツール回転方向２５とツール移動方向２７ａが同じ方向となるようにする。これにより、接合後の負荷が大きい接合線の内側領域３０に対して亀裂の起点となりやすい未接合部が少なく、接合強度が大きい接合構造体５０とすることができる。なお、実施の形態８においては、実施の形態１と同様に、第２の被接合部材２に設けた第１の段差部１０の側面１１と、第１の被接合部材１の外形側面１３との間に隙間４が設けられている。

具体的には、図１４から図１６に示すように、第１の被接合部材１と第２の被接合部材２とを重ね合せて、接合ツール５をツール回転方向２５（反時計回り）に回転させながら、第１の被接合部材１に対してツール挿入方向２６に挿入する。そして、接合ツール５をツール回転方向２５（反時計回り）に回転させながら、第１の被接合部材１の外形に沿ってツール移動方向２７ａ（紙面手前側から奥側方向へ）へ移動させることにより、第１の被接合部材１と第２の被接合部材２とを摩擦攪拌接合して摩擦攪拌接合部３を形成するものである。実施の形態８では、接合線の内側領域３０で接合ツール５のツール回転方向２５とツール移動方向２７ａが同じ方向となるので、接合後の負荷が大きい接合線の内側領域３０に対して亀裂の起点となりやすい未接合部が少なく、接合強度が大きい接合構造体５０とすることができる。

さらに、回転する接合ツール５の中心軸２０を第１の被接合部材１の外形側面１３の近傍に配置し、第２の被接合部材２の第１の段差部１０の側面１１と第１の被接合部材１の外形側面１３を部分的な突き合わせ構造に含めた重ね合わせ接合構造とすることにより、段差重ね合わせ接合面から段差側面にかけて欠陥や未接合部がなく接合界面の長い強固な接合構造体５０とすることができる。
具体的には、攪拌工程において、接合ツール５は、第１の被接合部材１または第２の被接合部材２に対して、接合ツール５の回転の中心軸２０から第１の被接合部材１の外形側面１３までの長さが接合ツール５の外径Ｌ４の０倍以上、内側領域３０方向に１．０倍以下の範囲に挿入される。つまり、接合ツール５は、第１の被接合部材１または第２の被接合部材２に対して、接合ツール５の回転の中心軸２０が第１の被接合部材１の外形側面１３と同軸となる位置から、内側領域３０側に接合ツール５の外径Ｌ４の１倍以下の範囲内に挿入される。

また、第２の被接合部材２の段差支持面１２からの挿入深さＤ３を第１の被接合部材１の板厚ｔ１の０．０１倍以上０．３倍以下に制御して挿入される。そして、その位置を保ちながらツール移動方向２７ａとツール回転方向２５が第１の被接合部材１の内側領域３０で一致するように第１の被接合部材１の外形に沿って移動させ、第１の被接合部材１と第２の被接合部材２とを摩擦攪拌接合するものである。
また、実施の形態８における摩擦攪拌接合方法においては、接合ツール５にツール回転方向２５と逆方向のねじ、つまり、接合ツール５が反時計回りのときには正ねじ、接合ツール５が時計回りのときには逆ねじを設けるとさらに高い効果が得られるものである。

実施の形態９．
図１７は、実施の形態９による摩擦攪拌接合方法を説明するための平面模式図である。また、図１８は図１７のＢ‐Ｂ線切断面を示す断面図である。実施の形態９においては、図７、図８、図９、図１０に示したように、第１の被接合部材１または第２の被接合部材２にそれぞれ第１のリブ構造９または第２のリブ構造１７を設けた接合構造体５０についての摩擦攪拌接合方法を示す。
図１７は、図８に示す第１の被接合部材１に第１のリブ構造９を設けた接合構造体５０についての摩擦攪拌接合方法を示している。前述のとおり、摩擦攪拌接合は、接合ツール５を回転させながら移動させることで被接合部材同士の接合をするため、ツール移動方向に対する接合ツール５のツール回転方向によって、接合線に沿って接合状態の非対称性が形成される。

そこで、図１７および図１８に示すように、第１のリブ構造９を有する第２の被接合部材２の摩擦攪拌接合に際し、第１のリブ段差支持面２８より深く接合ツール５の先端を挿入する重ね合わせ接合構造とし、第１のリブ構造９のリブ外周側３１に接合ツール５のツール回転方向（反時計回り）２５とツール移動方向２７ｂ（紙面奥側から手前方向へ）が同じ方向になるように摩擦攪拌接合を行う。
具体的には、第１のリブ構造９の第１のリブ段差支持面２８と第１の被接合部材１との摩擦攪拌接合において、接合ツール５は、第１のリブ段差支持面２８からの挿入深さＤ４を板状部品である第１の被接合部材１の板厚ｔ１の０．０１倍以上０．３倍以下に保ちながら、ツール移動方向２７ｂ（紙面奥側から手前方向へ）とツール回転方向２５（反時計回り）がリブ外周側３１で一致するように摩擦攪拌接合する。第１のリブ構造９では、リブ外周側３１に大きな負荷がかかるため、前述したような摩擦攪拌接合方法を使用することで強度が大幅に向上する。なお、第１のリブ構造９以外の部分でも、負荷が高くなる側の接合ツール５のツール回転方向とツール移動方向を同じ方向にすることで接合強度の向上が見込まれる。

実施の形態９においては、第１の被接合部材１または第２の被接合部材２にそれぞれ第１のリブ構造９または第２のリブ構造１７を設けた接合構造体５０の摩擦攪拌接合方法を代表して、図８に基づいて説明をおこなったが、図１０についても図８と同様に、第２のリブ構造１７を有する第１の被接合部材１の摩擦攪拌接合に際し、第２のリブ段差支持面２９より深く接合ツール５の先端を挿入する重ね合わせ接合構造とし、第２のリブ構造１７のリブ外周側３１に接合ツール５のツール回転方向とツール移動方向が同じ方向になるように摩擦攪拌接合を行う。図１０に示す接合構造体５０に対する摩擦攪拌接合方法においても、第２のリブ構造１７の第２のリブ段差支持面２９と第２の被接合部材２との摩擦攪拌接合において、接合ツール５は、第２のリブ段差支持面２９からの挿入深さを第１の被接合部材１の板厚ｔ１の０．０１倍以上０．３倍以下の深さに保ちながら、ツール回転方向とツール移動方向がリブ外周側３１で一致するように接合されるものである。
以上のとおり、実施の形態１から実施の形態９による摩擦攪拌接合方法を用いて、接合構造体５０は摩擦攪拌接合され製造されるものである。
なお、各実施の形態を組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１ 第１の被接合部材、２ 第２の被接合部材、３ 摩擦攪拌接合部、４ 隙間、５ 接合ツール、６ ショルダー、７ プローブ、８ 空間、９ 第１のリブ構造、１０ 第１の段差部、１１ 側面、１２ 段差支持面、１３ 外形側面、１４ 圧力がかかる面、１５ 突起、１６ 開口部、１７ 第２のリブ構造、１８ 凸部、１９ 凹部、２０ 中心軸、２１ 溝部、２２ 段差底面、２３ 第２の段差部、２４ 段差壁面、２５ ツール回転方向、２６ ツール挿入方向、２７ａ ツール移動方向、２７ｂ ツール移動方向、２８ 第１のリブ段差支持面、２９ 第２のリブ段差支持面、３０ 内側領域、３１ リブ外周側、５０ 接合構造体

本願に開示される摩擦攪拌接合方法は、金属または樹脂からなる第１の被接合部材と、金属または樹脂からなり第１の段差部を有する第２の被接合部材とを重ね合せて配置し、接合ツールにより摩擦攪拌接合する摩擦攪拌接合方法であって、前記第１の段差部の段差支持面に、前記第１の段差部の側面との間に隙間をあけて前記第１の被接合部材を配置する工程と、前記段差支持面と接する前記第１の被接合部材の裏面とは反対側の表面から前記第１の被接合部材に前記接合ツールを回転させながら押し込み、前記第２の被接合部材の前記段差支持面に達するまで挿入する接合ツール挿入工程と、前記接合ツールを回転させることにより、前記第１の被接合部材と前記第２の被接合部材とを攪拌して接合部を形成する攪拌工程と、を備え、前記第１の被接合部材は板状部品であり、前記隙間の幅は、前記第１の被接合部材の板厚の０．０３倍以上０．２倍以下であり、前記第１の被接合部材の前記表面に形成された前記接合部の接合幅は、前記第１の被接合部材の板厚の０．５倍以上２倍以下であることを特徴とするものである。

Claims (15)

1. 金属または樹脂からなる第１の被接合部材と、金属または樹脂からなり第１の段差部を有する第２の被接合部材とを重ね合せて配置し、接合ツールにより摩擦攪拌接合する摩擦攪拌接合方法であって、
   前記第１の段差部の段差支持面に、前記第１の段差部の側面との間に隙間をあけて前記第１の被接合部材を配置する工程と、
   前記段差支持面と接する前記第１の被接合部材の裏面とは反対側の表面から前記第１の被接合部材に前記接合ツールを回転させながら押し込み、前記第２の被接合部材の前記段差支持面に達するまで挿入する接合ツール挿入工程と、
   前記接合ツールを回転させることにより、前記第１の被接合部材と前記第２の被接合部材とを攪拌して接合部を形成する攪拌工程と、を備えたことを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
2. 前記第１の被接合部材は板状部材であり、
   前記隙間の幅は、前記第１の被接合部材の板厚の０．０３倍以上０．２倍以下であり、
   前記第１の被接合部材の前記表面に形成された前記接合部の接合幅は、前記第１の被接合部材の板厚の０．５倍以上２倍以下であり、
   前記攪拌工程において前記接合ツールは、前記接合ツールの中心軸から前記第１の被接合部材の外形側面までの長さが、前記第１の被接合部材の板厚の０．５倍以上１．０倍以下の範囲内の位置に挿入されており、前記位置を保ちながら前記第１の被接合部材の外形に沿って移動す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. 前記第１の被接合部材の前記裏面には、幅が前記第１の被接合部材の板厚の０．５倍以上１．０倍以下であり、深さが前記第１の被接合部材の板厚の０．３倍以上０．８倍以下である空間が前記第１の被接合部材の外形に沿って設けられており、
   前記第１の被接合部材と前記第２の被接合部材とを重ね合せて前記空間に沿って接合することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の摩擦攪拌接合方法。
4. 前記第１の被接合部材と前記第２の被接合部材の前記段差支持面とを重ね合せて接合した後、前記接合部に沿って前記第１の被接合部材の板厚の６０％から９５％を残して前記接合部の上面を取り除き、前記第１の被接合部材の前記接合部に沿って溝部を設けることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の摩擦攪拌接合方法を使用した接合構造体の製造方法。
5. 前記第２の被接合部材は、前記段差支持面の端部に設けられ、段差壁面と段差底面を有する第２の段差部を備えており、
   前記第２の被接合部材は、前記段差底面に前記段差支持面とは独立した第１のリブ構造を備えており、
   前記第１のリブ構造の上面である第１のリブ段差支持面および前記段差支持面に前記第１の被接合部材を配置する工程と、
   前記第１のリブ構造の前記第１のリブ段差支持面と前記第１の被接合部材とを重ね合せて接合した後、前記第２の被接合部材の前記段差支持面と前記第１の被接合部材とを前記第１の被接合部材の外形に沿って接合することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の摩擦攪拌接合方法を使用した接合構造体の製造方法。
6. 前記第２の被接合部材の前記第１のリブ段差支持面の上面には、前記第１の被接合部材の板厚の厚さ分の高さを有する突起が設けられており、
   前記第１の被接合部材には、前記突起が嵌合する開口部が設けられており、
   前記突起を前記第１の被接合部材の前記開口部と嵌合させて接合した後、前記第２の被接合部材の前記段差支持面と前記第１の被接合部材とを重ね合せて、前記第１の被接合部材の外形に沿って接合することを特徴とする請求項５に記載の接合構造体の製造方法。
7. 前記第２の被接合部材は、前記段差支持面の端部に設けられ、段差壁面と段差底面を有する第２の段差部を備えており、
   前記第１の被接合部材は、前記第２の被接合部材の前記段差底面から前記段差支持面までの高さと同じ高さの第２のリブ構造を備えており、
   前記第２のリブ構造の上面である第２のリブ段差支持面と前記第２の被接合部材の前記段差底面とを重ね合せて前記段差底面の反対側から接合した後、前記第２の被接合部材の前記段差支持面と前記第１の被接合部材とを前記第１の被接合部材の外形に沿って接合することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の摩擦攪拌接合方法を使用した接合構造体の製造方法。
8. 前記第１の被接合部材の前記第２のリブ段差支持面の上面には、前記第２の被接合部材の前記段差底面の板厚の厚さ分の高さを有する凸部が設けられており、
   前記第２の被接合部材の前記段差底面には、前記凸部が嵌合する凹部が設けられており、前記凸部を前記第２の被接合部材の前記凹部と嵌合させて接合した後、前記第２の被接合部材の前記段差支持面と前記第１の被接合部材とを前記第１の被接合部材の外形に沿って接合することを特徴とする請求項７に記載の接合構造体の製造方法。
9. 前記第１の被接合部材と接触している前記接合ツールのツール接触面積が、前記第２の被接合部材の外形に沿って設けられた前記段差支持面の幅より小さいことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の摩擦攪拌接合方法を使用した接合構造体の製造方法。
10. 前記接合ツールのプローブの先端からショルダーに向かって前記プローブの直径がテーパ状に大きくなるとともに、前記プローブと前記ショルダーとを滑らかな曲線で繋いだ逆フィレット型ツールを使用することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の摩擦攪拌接合方法を使用した接合構造体の製造方法。
11. 前記逆フィレット型ツールの先端曲面にピッチ０．３ｍｍ以上１．５ｍｍ以下のねじ形状を加工したことを特徴とする請求項１０に記載の接合構造体の製造方法。
12. 前記第２の被接合部材の前記段差支持面に対して、前記プローブの先端を前記第１の被接合部材の板厚の０．０１倍以上０．３倍以下の深さに制御して挿入し、前記第２の被接合部材と前記第１の被接合部材の外形を重ね合せて接合することを特徴とする請求項１０または請求項１１に記載の接合構造体の製造方法。
13. 前記攪拌工程において、前記接合ツールのツール回転方向とツール移動方向が前記第１の被接合部材の内側領域で一致するように、前記接合ツールを前記第１の被接合部材の外形に沿って移動す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を使用した接合構造体の製造方法。
14. 前記第１のリブ構造の前記第１のリブ段差支持面と前記第１の被接合部材との摩擦攪拌接合において、前記接合ツールは、前記第１のリブ段差支持面からの挿入深さを前記第１の被接合部材の板厚の０．０１倍以上０．３倍以下の深さに保ちながら、ツール回転方向とツール移動方向がリブ外周側で一致するように移動することを特徴とする請求項５または請求項６に記載の接合構造体の製造方法。
15. 前記第２のリブ構造の前記第２のリブ段差支持面と前記第２の被接合部材との摩擦攪拌接合において、前記接合ツールは、前記第２のリブ段差支持面からの挿入深さを前記第１の被接合部材の板厚の０．０１倍以上０．３倍以下の深さに保ちながら、ツール回転方向とツール移動方向がリブ外周側で一致するように移動することを特徴とする請求項７または請求項８に記載の接合構造体の製造方法。

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