TWI405631B - Bonding method - Google Patents

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TWI405631B
TWI405631B TW099116960A TW99116960A TWI405631B TW I405631 B TWI405631 B TW I405631B TW 099116960 A TW099116960 A TW 099116960A TW 99116960 A TW99116960 A TW 99116960A TW I405631 B TWI405631 B TW I405631B
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Description

接合方法
本發明係有關於一種使金屬構件彼此接合的接合方法。
使金屬構件彼此接合的方法已知的有摩擦攪拌接合(FSW=Friction Stir Welding)。摩擦攪拌接合是使旋轉工具旋轉同時沿著金屬構件彼此的平接部移動，藉由旋轉工具與金屬構件的摩擦熱使平接部的金屬塑性流動，而使金屬構件彼此做固相接合。旋轉工具一般是在呈圓柱狀的肩部的下端面突設攪拌銷(probe)。
例如，在專利文獻1中揭露了以下的技術：對於金屬構件彼此平接而形成的被接合金屬構件，從被接合金屬構件的表面側進行摩擦攪拌接合的第一主接合工程以及從背面側進行摩擦攪拌接合的第二主接合工程。在此接合方法的第一主接合工程與第二主接合工程中，使用相同的旋轉工具，以相同的條件(旋轉工具的壓入量、輸送速度等)進行摩擦攪拌接合。根據該接合方法，由於可橫越平接部的深度方向全體而進行摩擦攪拌，可提高接合部分的水密性及氣密性。
在習知的接合方法的第一主接合工程中，從被接合金屬構件的表面側壓入旋轉工具而進行摩擦攪拌接合時，在被接合金屬構件的表面形成塑性化區域。在第一主接合工程中，由於藉由高速旋轉的旋轉工具對被接合金屬構件加熱後冷卻，被接合金屬構件的表面側可能由熱收縮而變形成凹狀。
但是，在習知的接合方法中，由於也從被接合金屬構件的背面側進行摩擦攪拌接合，若以與表面側相同的條件進行摩擦攪拌接合，背面側也會與表面側產生相同的熱收縮，被接合金屬構件變得平坦。
[專利文獻]
專利文獻1：特開2005-131666號公報
於此，在第一主接合工程中，由於被接合金屬構件與載置被接合金屬構件的檯座進行面接觸，由旋轉工具所施加的熱的一部份從被接合金屬構件的背面全體放出至檯座(放熱)。但是在第二主接合工程中，由於第一主接合工程使被接合金屬構件由於熱收縮而彎曲，在被接合金屬構件與檯座之間形成間隙的狀態下進行摩擦攪拌接合。藉此，在第二主接合工程中，由於熱放出的路徑變少，與第一主接合工程相比，放熱量會變少。
在第二主接合工程中，與第一主接合工程相比，由於殘留於被接合金屬構件內的熱量變多，彎曲會朝反方向，被接合金屬構件的背面變形而形成凹狀。即，即使相對於被接合金屬構件的表面與背面以相同的條件進行摩擦攪拌接合，由於在被接合金屬構件中殘留的熱量有不均衡的情況，被接合金屬構件有彎曲的問題。
從此觀點而言，本發明提供一種接合方法，在接合一對金屬構件的摩擦攪拌接合中，提高金屬構件的平坦性。
解決此問題的本發明的接合方法包括：第一主接合工程，使主接合用旋轉工具沿著金屬構件彼此的平接部，從上述金屬構件的表面側移動而進行摩擦攪拌接合；以及第二主接合工程，在上述第一主接合工程後，使主接合用旋轉工具沿著上述平接部，從上述金屬構件的背面側移動而進行摩擦攪拌接合，其中在上述第二主接合工程中的進入上述金屬構件的熱量設定成比在上述第一主接合工程中的進入上述金屬構件的熱量少。
主要是殘存於摩擦攪拌接合的熱量表示為殘存熱量(J)=入熱量-放熱量，若第一主接合工程與第二主接合工程的殘存熱量相等，則被接合金屬構件會變得平坦。
根據該接合方法，由於第二主接合工程的入熱量比第一主接合工程中的入熱量少，可防止殘留於接合後的金屬構件內的熱量的不均衡。藉此，可防止第二主接合工程中金屬構件的彎曲，而可提高金屬構件的平坦性。
又，在上述第二主接合工程中所使用的主接合用旋轉工具最好比在上述第一主接合工程中所使用的主接合用旋轉工具小。又，在上述第二主接合工程中，最好以比在上述第一主接合工程中的上述主接合用旋轉工具的輸送速度快的輸送速度進行摩擦攪拌接合。根據該接合方法，在第二主接合工程的入熱量容易地設定成較少。
又，在上述第二主接合工程之後，最好包括矯正工程，從上述金屬構件的表面側或背面側進行摩擦攪拌。根據該接合方法，即使在第二主接合工程中彎曲無法矯正的情況下，由矯正工程矯正而提高金屬構件的平坦性。
又，在上述第二主接合工程中，上述主接合用旋轉工具的攪拌銷最好進入在上述第一主接合工程中所形成的塑性化區域，並進行摩擦攪拌接合。根據該接合方法，塑性化區域重複之同時，由於塑性化區域的前端側再度進行摩擦攪拌，可提高接合部份的氣密性及水密性。
又，上述金屬構件最好由固定治具固定於膠帶的狀態下，進行上述第一主接合工程及上述第二主接合工程。根據該接合方法，可提高摩擦攪拌接合的作業性。
又，上述主接合用旋轉工具最好包括：肩部，由比上述金屬構件硬的金屬構成；攪拌銷，突設於上述肩部的下端面的中央，形成前端細的圓錐台狀；以及攪拌翼，在上述攪拌銷的外周面刻設成螺旋狀，其中上述攪拌銷的長度相對於上述攪拌銷的最大外徑的比係設定成1.33～2.03。
根據該接合方法，攪拌銷折彎且進行摩擦攪拌至金屬構件的深的位置。當該比例小於1.33時，對摩擦攪拌裝置的負荷會變大，而產生不適當。又，攪拌銷變短難以進行摩擦攪拌至金屬構件的深處。另一方面，當該比例大於2.03時，攪拌銷不易折彎。
又，上述主接合用旋轉工具包括：肩部，由比上述金屬構件硬的金屬構成；攪拌銷，突設於上述肩部的下端面的中央，形成前端細的圓錐台狀；以及攪拌翼，在上述攪拌銷的外周面刻設成螺旋狀，其中上述攪拌銷的最大外徑相對於上述攪拌銷的最小外徑的比係設定成2.00～2.67。
根據該接合方法，攪拌銷壓入金屬構件之際的壓入阻抗變小之同時，可進行摩擦攪拌至金屬構件的深處位置。當此比例小於2.00時，攪拌銷的最大直徑過小，攪拌銷的前端的入熱量不足而產生接合缺陷。又，壓入金屬構件之際的阻抗過大，攪拌銷壓入金屬構件是有困難的。另一方面，當此比例超過2.67時，攪拌銷的最大直徑過大，使金屬溢流出而產生表面缺陷。又，攪拌銷壓入深處位置是有困難的。
又，上述主接合用旋轉工具包括：肩部，由比上述金屬構件硬的金屬構成；攪拌銷，突設於上述肩部的下端面的中央，形成前端細的圓錐台狀；以及攪拌翼，在上述攪拌銷的外周面刻設成螺旋狀，其中上述肩部的外徑相對於上述攪拌銷的最大外徑的比設定成1.56～2.14。
根據該接合方法，攪拌銷更容易彎折，且由摩擦攪拌所產生的毛邊可變少。當該比例小於1.56時，金屬從肩部溢流出而產生表面缺陷。另一方面，當該比例比2.14大時，對摩擦攪拌裝置的負荷會變大而產生不適當。
又，在上述肩部的下端面，圍繞上述攪拌銷的周圍，最好形成平面觀看呈渦卷狀的攪拌用突條體。根據該接合方法，可提高摩擦攪拌接合的攪拌效率。
又，在進行上述第一主接合工程之前，最好使用比上述第一主接合工程所使用的上述主接合用旋轉工具還小型的初期接合用旋轉工具，而對於上述平接部從上述金屬構件的表面側進行摩擦攪拌接合的初期接合工程。
又，在進行上述第二主接合工程之前，使用比上述第二主接合工程所使用的上述主接合用旋轉工具還小型的初期接合用旋轉工具，而對於上述平接部從上述金屬構件的背面側進行摩擦攪拌接合的初期接合工程。
根據該接合方法，由於在一對金屬構件預先接合的狀態下進行本接合工程，可提高作業性。
又，在上述第一主接合工程中，在配置於上述金屬構件彼此的平接部的側邊的突出材上設置摩擦攪拌的開始或結束位置，在上述第一主接合工程之後進行修補工程，在上述第一主接合工程中所形成的塑性化區域中至少對於鄰接於上述突出材的部分使用比上述主接合用旋轉工具還小型的修補用旋轉工具進行摩擦攪拌。
又，在上述第二主接合工程中，在配置於上述金屬構件彼此的平接部的側邊的突出材上設置摩擦攪拌的開始或結束位置，在上述第二主接合工程之後進行修補工程，在上述第二主接合工程中所形成的塑性化區域中至少對於鄰接於上述突出材的部分使用比上述主接合用旋轉工具還小型的修補用旋轉工具進行摩擦攪拌。
根據該接合方法，即使在主接合工程中形成的塑性化區域中包含接合缺陷，也可以修補該接合缺陷而提高接合部份的氣密性及水密性。
根據本發明的接合方法，容易形成平板性高的金屬構件。
 [第一實施形態]
接著，說明本發明的實施形態。在本實施形態中，如第1圖所示，表示金屬構件1a、1b直線狀連接的情況。首先，詳細地說明欲接合的金屬構件1a、1b之同時，詳細地說明在接合該金屬構件1a、1b之際所使用的第一突出材2、第二突出材3。
金屬構件1a、1b為剖面觀看呈矩形的板狀構件，其由鋁、鋁合金、銅、銅合金、鈦、鈦合金、鎂、鎂合金等可摩擦攪拌的金屬材料構成。在本實施形態中，一邊的金屬構件1a及另一邊的金屬構件1b由相同組成的金屬材料構成。金屬構件1a、1b的形狀、尺寸並無特別限制，但最好至少在平接部J1的厚度尺寸是相同的。而且，使金屬構件1a及金屬構件1b平接後的金屬構件稱為被接合金屬構件1，被接合金屬構件1的表面稱為表面A，背面稱為背面B，一邊的側面稱為第一側面C，而另一邊的側面稱為第二側面D。
第一突出材2以及第二突出材3係配置成夾持被接合金屬構件1的平接部J1，分別添設於被接合金屬構件1，覆蓋隱藏住出現於被接合金屬構件1的側面的接縫(邊界線)。第一突出材2以及第二突出材3的材質並無特別限制，但在本實施形態中，以與被接合金屬構件1相同組成的金屬材料形成。又，第一突出材2以及第二突出材3的形狀、尺寸也無特別限制，在本實施形態中，其厚度尺寸與平接部J1中的被接合金屬構件1的厚度尺寸相同。
接著，參照第2圖，詳細說明在初期接合工程中所使用的旋轉工具(以下稱「初期接合用旋轉工具F」)以及主接合工程中所使用的旋轉工具(以下稱「主接合用旋轉工具G」)。
第2圖的(a)中所示的初期接合用旋轉工具F係以比被接合金屬構件1還硬質的金屬材料構成，具有呈圓柱狀的肩部F1以及突設於該肩部F1的下端面F11的攪拌銷(probe)F2。初期接合用旋轉工具F的尺寸、形狀雖然對應於被接合金屬構件1的材質及厚度等而設定，至少比在後述的第一主接合工程中所使用的主接合用旋轉工具G(參照第2b圖)還小型。如此，由於可用比主接合小的負荷進行初期接合，可減低在初期接合時施加於摩擦攪拌裝置的負荷，而且，初期接合用旋轉工具F的移動速度(輸送速度)可以比主接合用旋轉工具G的移動速度高，因此可減低初期接合所需的作業時間及成本。
肩部F1的下端面F11為推壓塑性化流動的金屬而防止朝周圍飛散的部位，在本實施形態中，其形成凹面狀。雖然肩部F1的外徑X1 的大小並無特別限制，但在本實施形態中，其比主接合用旋轉工具G的肩部G1的外徑Y1 還小。
攪拌銷F2從肩部F1的下端面F11的中央垂下，在本實施形態中，其形成前端小的圓錐台狀。又，在攪拌銷F2的周面上，形成刻設成螺旋狀的攪拌翼。雖然攪拌銷F2的外徑的大小並無特別限制，但在本實施形態中，最大外徑(上端徑)X2 比主接合用旋轉工具G的攪拌銷G2的最大外徑(上端徑)Y2 小，且最小外徑(下端徑)X3 比攪拌銷G2的最小外徑(下端徑)Y3 小。雖然攪拌銷F2的長度LA 最好是平接部J1(參照第1a圖)的被接合金屬構件1的厚度t(參照第1c圖)的3~15%，但至少最好比主接合用旋轉工具G2的長度LB 小。
如第2b圖所示，主接合用旋轉工具G係由工具鋼等比被接合金屬構件1還硬質的金屬材料構成，具有呈圓柱狀的肩部G1以及突設於肩部G1的下端面G11的攪拌銷(probe)G2。
肩部G1的下端面G11與初期接合用旋轉工具相同，其行程凹面狀。攪拌銷G2從肩部G1的下端面G11的中央垂下，在本實施形態中，形成前端小的圓錐台。又，在攪拌 銷G2的周面上，形成刻設成螺旋狀的攪拌翼。攪拌銷G2的長度LB 最好設定成平接部J1(參照第1c圖)中的被接合金屬構件1的厚度t的1/2以上、3/4以下。
以下，詳細說明本實施形態的接合方法。本實施形態的接合方法包括(1)第一準備工程、(2)第一預備工程、(3)第一主接合工程、(4)第二準備工程、(5)第二預備工程、(6)第二主接合工程。而且，第一預備工程及第一主接合工程為從被接合金屬構件1的表面A側實施的工程，第二預備工程及第二主接合工程為從被接合金屬構件1的背面B側實施的工程。
(1)第一準備工程
參照第1圖說明第一準備工程。第一準備工程為設置欲接合的被接合金屬構件1的摩擦攪拌的開始位置及結束位置而準備構件(第一突出材2以及第二突出材3)的工程，在本實施形態中，其具備了去除金屬構件1a、1b、第一突出材2及第二突出材3的油脂等的污物的脫脂工程、平接金屬構件1a、1b的平接工程、在被接合金屬構件1的平接部J1的兩側配置第一突出材2、第二突出材3的突出材配置工程、藉由熔接第一突出材2、第二突出材3而對被接合金屬構件1進行初期接合的熔接工程以及將被接合金屬構件1固定於膠帶上的固定工程。
在脫脂工程中，將面切削加工後的金屬構件1a、1b、第一突出材2及第二突出材3浸於脫脂處理液中，去除掉附著於各構件平接的面上的加工油等的油脂成分及污物。具體而言，分別對於金屬構件1a及金屬構件1b平接的端面11及被接合金屬構件1、第一突出材2及第二突出材3平接的金屬構件1a、1b的側面14、第一突出材2的抵接面21、第二突出材3的抵接面31進行脫脂處理。雖然脫脂工程只要是至少對於各構件平接的面進行處理即可，但對於相鄰於平接面的面進行處理亦可。
在平接工程中，如第1c圖所示，使另一邊的金屬構件1b的端面11密接於一邊的金屬構件1a的端面11之同時，一邊的金屬構件1a的表面12與另一邊的金屬構件1b的表面12齊平。而且，一邊的金屬構件1a的背面13與另一邊的金屬構件1b的背面13齊平。又，一邊的金屬構件1a的側面14、14與另一邊的金屬構件1b的側面14、14分別齊平。
在突出材配置工程中，如第1b圖所示，第一突出材2配置於被接合金屬構件1的平接部J1的一端側，其抵接面21抵接於被接合金屬構件1的第二側面D之同時，第二突出材3配置於平接部J1的另一端側，其抵接面31抵接於被接合金屬構件1的第一側面C。此時，如第1d圖所示，第一突出材2的表面22與第二突出材3的表面32與被接合金屬構件1的表面A齊平之同時，第一突出材2的背面23與第二突出材3的背面33與被接合金屬構件1的背面B齊平。
在熔接工程中，如第1a圖及第1b圖所示，熔接由被接合金屬構件1與第一突出材2形成的內側角部2a、2a(即，金屬構件1a、1b的側面14與第一突出材2的側面24所形成的角部)而接合被接合金屬構件1與第一突出材2，熔接由被接合金屬構件1與第二突出材3形成的內側角部3a、3a(即，金屬構件1a、1b的側面14與第二突出材3的側面34所形成的角部)而接合被接合金屬構件1與第二突出材3。而且，可橫越各內側角部的全長而連續地實施熔接，也可斷續地實施熔接。
在固定工程中，如第3圖所示，將被接合金屬構件1載置於摩擦攪拌裝置的檯座(台架)10上，使用夾具等固定治具15限制而使其不能移動。雖然固定治具15的形態並無特別限制，包括抵接於被接合金屬構件1的表面A的配件15a、貫穿該配件15a的螺栓15b以及供螺栓15b鎖入的螺孔15c。在本實施形態中，雖然使用四個固定治具15，但其數量並無限定。
(2)第一預備工程
第一預備工程為在第一主接合工程之前進行的工程，在本實施形態中，其包括接合被接合金屬構件1與第一突出材2的平接部J2的第一突出材接合工程、初期接合被接合金屬構件1的平接部J1的第一初期接合工程、接合被接合金屬構件1與第二突出材3的平接部J3的第二突出材接合工程、在第一主接合工程中的摩擦攪拌的開始位置形成導孔的導孔形成工程。
在第一預備工程中，如第4圖所示，將一初期接合用旋轉工具F形成連續的移動軌跡(bead)而移動，對於平接部J2、J1、J3而連續地進行摩擦攪拌。即，插入摩擦攪拌的開始位置SP 的初期接合用旋轉工具F的攪拌銷F2(參照第2a圖)在中途不脫離而移動至結束位置EP ，第一突出材接合工程、第一初期接合工程及第二初期接合工程連續地實施。而且，在本實施形態中，在第一突出材2上設置摩擦攪拌的開始位置SP ，在第二突出材3上設置結束位置EP ，但開始位置SP 與結束位置EP 的位置並無限定。
在第一預備工程中的摩擦攪拌的順序參照第4圖做詳細的說明。首先，如第4圖所示，使初期接合用旋轉工具F位於設於第一突出材2的適當位置的開始位置SP 的正上方，接著，使初期接合用旋轉工具F邊右旋轉邊下降而將攪拌銷推壓至開始位置SP 。初期接合用旋轉工具的旋轉速度由於對應於攪拌銷F2的旋轉速度係對應於攪拌銷F2的尺寸、形狀、摩擦攪拌的被接合金屬構件1等的材質及厚度而設定，大多的情況下，設定於500~2000(rpm)的範圍內。
當攪拌銷F2接觸於第一突出材2的表面22時，由摩擦熱使攪拌銷F2的周圍的金屬塑性流動化，攪拌銷F2插入第一突出材2。初期接合用旋轉工具F的插入速度(下降速度)雖然對應於攪拌銷F2的尺寸、形狀、開始位置SP 所設置的構件的材質及厚度而設定，大多的情況下，設定於30~60(mm/分)的範圍內。
攪拌銷F2的全體進入第一突出材2，而且肩部F1的下端面F11的全面接觸於第一突出材2的表面22之後，使 初期接合用旋轉工具F邊旋轉邊朝向第一突出材接合工程的開始點s2做相對移動。
初期接合用旋轉工具F的移動速度(輸送速度)係對應於攪拌銷F2的尺寸、形狀、摩擦攪拌的被接合金屬構件1等的材質及厚度而設定，在大多的情況下，設定在100~1000(mm/分)的範圍內。初期接合用旋轉工具F的移動時的旋轉速度與插入時的旋轉速度相同或者是較低速。而且，在使初期接合用旋轉工具F移動之際，肩雖然部F1的軸線相對於鉛直線而向行進方向的後側稍微傾斜，但不傾斜而成為鉛直時，初期接合用旋轉工具F的方向轉換變得容易，可以做複雜的動作。當使假接合用旋轉工具F移動時，在該攪拌銷F2的周圍的金屬依次塑性流動化之同時，在從攪拌銷F2偏離的位置上，做塑性化流動而再度硬化。
使初期接合用旋轉工具F做相對移動而連續進行摩擦攪拌至第一突出材接合工程的起點s2之後，在起點s2使初期接合用旋轉工具F不脫離而依此狀態移行至第一突出材接合工程。
在第一突出材接合工程中，對於第一突出材2與被接合金屬構件J的平接部J2進行摩擦攪拌。具體而言，被接合金屬構件1與第一突出材2的接縫(邊界線)上設定摩擦攪拌的路徑，沿著該路徑而使初期接合用旋轉工具F做相對移動，對於平接部J2進行摩擦攪拌。而且，在本實施形態中，初期接合用旋轉工具F在中途不脫離而從第一突出材接合工程的起點s2連續進行摩擦攪拌至終點e2。
而且，在初期接合用旋轉工具F右旋轉的情況下，由於可能在初期接合用旋轉工具F的行進方向的左側產生微細的接合缺陷，最好設定第一突出材接合工程的起點s2與終點e2的位置，使被接合金屬構件1位於初期接合用旋轉工具F的行進方向的右側。藉此，由於在被接合金屬構件1側難以產生接合缺陷，因此可得到高品質的接合體。
在初期接合用旋轉工具F左旋轉的情況下，由於可能在初期接合用旋轉工具F的行進方向的右側產生微細的接合缺陷，最好設定第一突出材接合工程的起點與終點的位置，使被接合金屬構件1位於初期接合用旋轉工具F的行進方向的左側。具體而言，雖然圖示省略，可將起點設於使初期接合用旋轉工具F做右旋轉時的終點e2的位置，而將終點設於使初期接合用旋轉工具F做右旋轉時的起點s2的位置。
而且，當初期接合用旋轉工具F的攪拌銷F2進入平接部J2時，使被接合金屬構件1與第一突出材2分離的力產生作用，但由於被接合金屬構件1與第一突出材2所形成的一對內側角部2a藉由熔接而做初期接合，可防止被接合金屬構件1與第一突出材2之間產生開口。
當初期接合用旋轉工具F到達第一突出材接合工程的終點e2時，在終點e2使摩擦攪拌不結束而連續地進行摩擦攪拌直到第一初期接合工程的起點s1為止，依此狀態移行至第一初期接合工程。即，使初期接合用旋轉工具F不脫離地從第一突出材接合工程的終點e2至第一初期接合工程的起點s1持續地進行摩擦攪拌接合，而且，在起點s1使初期接合用旋轉工具F不脫離而移行至第一初期接合工程。如此，在第一突出材接合工程的終點e2的初期接合用旋轉工具F的脫離作業是不需要的，而且，在第一初期接合工程s1的初期接合用旋轉工具F的插入作業是不需要的，因此可使預備性的接合作業達到效率化、迅速化。
在本實施形態中，將自第一突出材接合工程的終點e2至第一初期接合工程的起點s1的摩擦攪拌的路徑設定於第一突出材2，使初期接合用旋轉工具F從第一突出材接合工程的終點e2移動至第一初期接合工程的起點s1之際的移動軌跡形成於第一突出材2。如此，從第一突出材接合工程的終點e2至第一初期接合工程的起點s1的工程中，由於在被接合金屬構件1上難以產生接合缺陷，可得到高品質的接合體。
在第一初期接合工程中，對於被接合金屬構件1的平接部J1進行摩擦攪拌接合。具體而言，在被接合金屬構件1的接縫(邊界線)上設定摩擦攪拌的路徑，使初期接合用旋轉工具F沿著該路徑做相對移動，橫越平接部J1的全長而連續地進行摩擦攪拌。藉由第一初期接合工程，在平接部J1形成表面側塑性化區域W0。而且，在本實施形態中，初期接合用旋轉工具在中途不脫離而從第一初期接合工程的起點s1連續進行摩擦攪拌至終點e1。如此，由於在第一初期接合工程中完全不需要初期接合用旋轉工具F的脫離作業，因此可以使預備性的接合作業更效率化、迅速化。
在初期接合用旋轉工具F到達第一初期接合工程的終點e1之後，在終點e1使摩擦攪拌不結束而連續地進行摩擦攪拌至第二突出材接合工程的起點s3，依此狀態移行至第二突出材接合工程。即，從第一初期接合工程的終點e1至第二突出材接合工程的起點s3使初期接合用旋轉工具F不脫離地連續進行摩擦攪拌，而且，在起點s3使初期接合用旋轉工具不脫離地移行至第二突出材接合工程。如此，由於在第一初期接合工程的終點e1不需要進行初期接合用旋轉工具F的脫離作業，而且，在第二突出材接合工程的起點s3並不需要初期接合用旋轉工具F的插入作業，可更有效地、迅速地進行預備性的接合作業。
在本實施形態中，從第一初期接合工程的終點e1至第二突出材接合工程的起點s3的摩擦攪拌的路徑設定在第二突出材3上，初期接合用旋轉工具F從第一初期接合工程的終點e1移動至第二突出材接合工程的起點s3之際的移動軌跡形成於第二突出材3上。如此，從第一初期接合工程的終點e1至第二突出材接合工程的起點s3的工程中，由於在被接合金屬構件1上難以產生接合缺陷，可得到高品質的接合體。
在第二突出材接合工程中，對於被接合金屬構件1與第二突出材3的平接部J3進行摩擦攪拌。具體而言，將被接合金屬構件1與第二突出材3的接縫(邊界線)上設定摩擦攪拌的路徑，沿著該路徑使初期接合用旋轉工具F做相對移動，而對平接部J3進行摩擦攪拌。而且，在本實施形態中，使初期接合用旋轉工具在中途不脫離地從第二突出材接合工程的起點s3至終點e3連續地進行摩擦攪拌接合。
而且，由於使初期接合用旋轉工具F做右旋轉，設定第二突出材接合工程的起點s3與終點e3的位置，使被接合金屬構件1位於初期接合用旋轉工具F的右側。如此，由於難以在被接合金屬構件1側產生接合缺陷，可得到高品質的接合體。附帶說明，在初期接合用旋轉工具F左旋轉時，設定第二突出材接合工程的起點與終點的位置，使被接合金屬構件1位於初期接合用旋轉工具F的行進方向的左側。具體而言，雖然圖示省略，將起點設於初期接合用旋轉工具F右旋轉時的終點e3，將終點設於初期接合用旋轉工具F右旋轉時的起點s3。
而且，當初期接合用旋轉工具F的攪拌銷F2(參照第2a圖)進入平接部J3時，雖然被接合金屬構件1與第二突出材3拉離的力作用，由於被接合金屬構件1與第二突出材3的一對內側角部3a藉由熔接而接合，可防止被接合金屬構件1與第二突出材3之間產生開口。
在初期接合用旋轉工具F到達第二突出材接合工程的終點e3之後，在終點e3不結束摩擦攪拌而連續地進行摩擦攪拌至設於第二突出材3的結束位置EP 。而且，在本實施形態中，在出現於被接合金屬構件1的表面A側的接縫(邊界線)的延長線上設置結束位置EP 。附帶說明，結束位置EP 也可以是後述的第一主接合工程中的摩擦攪拌的開始位置SM1 。
在初期接合用旋轉工具F到達結束位置EP 之後，使初期接合用旋轉工具F邊旋轉邊上升而使攪拌銷F2從結束位置EP 脫離。如第5圖所示，當高速旋轉後的初期接合用旋轉工具F插入被接合金屬構件1時，摩擦熱傳遞至被接合金屬構件1內(入熱)。由於被接合金屬構件1與檯座10做面接觸，摩擦熱的一部份如箭號N所示，從被接合金屬構件1的背面B的全體放出至檯座10側(放熱)。
而且，初期接合用旋轉工具F的脫離速度(上升速度)雖然對應於攪拌銷F2的尺寸、形狀、設置結束位置EP 的部分的材質及厚度等，大多的情況下，設定於30~60(mm/分)的範圍內。又，初期接合用旋轉工具F脫離時的旋轉速度與移動時的旋轉速度相同或者是更高速。
接著，實施導孔形成工程。導孔形成工程，如第2b圖所示，其為在第一主接合工程中的摩擦攪拌的開始位置SM1 中形成導孔P1的工程。即，導孔形成工程為在主接合用旋轉工具G的攪拌銷G2的插入預定位置形成導孔P1的工程。
導孔P1為減低主接合用旋轉工具G的攪拌銷G2的插入阻抗(壓入阻抗)而設置的，在本實施形態中，初期接合用旋轉工具F的攪拌銷F2(參照第2a圖)脫離時所形成拔孔h1以未圖示的鑽頭進行擴徑而形成。若利用拔孔h1，由於可簡化導孔P1的形成工程，因此可縮短作業的時間。 雖然導孔P1的形態並無特別限制，但在本實施形態中，其成為圓筒狀。又，導孔P1的寬度Z1 及深度Z2 係對應於攪拌銷G2的大小、形狀而適當地設定。
而且，在本實施形態中，雖然在第二突出材3形成導孔P1，但導孔P1的位置並無特別限定，可形成於第一突出材2上，也可形成於平接部J2、J3上，但最好是形成於如本實施形態的被接合金屬構件1的表面A側所出現的被接合金屬構件1的接縫(邊界線)的延長線上。
(3)第一主接合工程
第一主接合工程為從表面A側真正地接合被接合金屬構件1的平接部J1的工程。在本實施形態的第一主接合工程中，使用第2b圖所示的主接合用旋轉工具G，對於初期接合狀態的平接部J1從被接合金屬構件1的表面側進行摩擦攪拌。
在第一主接合工程中，如第6a~6c圖所示，主接合用旋轉工具G的攪拌銷G2插入(壓入)形成於開始位置SM1 的導孔P1，插入的攪拌銷G2在中途不脫離而移動至結束位置EM1 。即，在第一主接合工程中，從導孔P1開始摩擦攪拌，連續地進行摩擦攪拌至結束位置EM1 。而且，在本實施形態中，雖然在第二突出材3上設置摩擦攪拌的開始位置SM1 ，在第一突出材2上設置結束位置EM1 ，但是開始位置SM1 與結束位置EM1 並未限定。
參照第6a圖~6c圖而詳細說明第一主接合工程。
首先，如第6a圖所示，使主接合用旋轉工具G位於導孔P1(開始位置SM1 )的正上方，接著，使主接合用旋轉工具G邊右旋轉邊下降，將攪拌銷G2的前端插入導孔P1。當攪拌銷G2進入導孔P1時，攪拌銷G2的周面(側面)抵接於導 孔P1的孔壁，從孔壁使金屬塑性流動化。在此狀態下，塑性流動化的金屬在攪拌銷G2的周面被壓退，由於攪拌銷G2被壓入，可減少在壓入初期階段的壓入阻抗，又，主接合用旋轉工具G的肩部G1在抵接於第二突出材3的表面之前，攪拌銷G2抵接於導孔P1的孔壁而產生模擦熱，因此可縮短塑性流動化的時間。即，可減低摩擦攪拌裝置的負荷，此外，可縮短主接合所需要的作業時間。
在主接合用旋轉工具G的攪拌銷G2插入摩擦攪拌的開始位置SM1 之際的主接合用旋轉工具G的旋轉速度(插入時的旋轉速度)係根據攪拌銷G2的尺寸、形狀、被摩擦攪拌的被接合金屬構件1等的材質及厚度而設定，大多的情況是設定於70~700(rpm)的範圍內，最好比從開始位置SM1 朝向結束位置EM1 使主接合用旋轉工具G移動之際的主接合用旋轉工具G的旋轉速度(移動時的旋轉速度)還高速。如此，與插入時的旋轉速度相同於移動時的旋轉速度的情況相比，由於縮短了使金屬塑性流動化所需要的時間，可迅速地進行在開始位置SM1 的攪拌銷G2的插入作業。
攪拌銷G2的全體進入第二突出材3且肩部G1的下端面G11的整面接觸於第二突出材3的表面之後，如第6b圖所示，一邊進行摩擦攪拌，一邊使主接合用旋轉工具G朝被接合金屬構件1的平接部J1的一端做相對移動，而且，橫切過平接部J3而突入平接部J1。當使主接合用旋轉工具G移動時，其攪拌銷G2周圍的金屬依次塑性流動化之同時，在從攪拌銷分離的位置上，塑性流動化的金屬再度硬 化而形成塑性化區域W1(以下稱為「表面側塑性化區域W1」)。
主接合用旋轉工具G的移動速度(輸送速度)雖然根據攪拌銷G2的尺寸、形狀、被摩擦攪拌的被接合金屬構件1等的材質及厚度等而設定，在大多的情況下，設定在30~300(mm/分)的範圍內。而且，在主接合用旋轉工具G移動之際，雖然肩部G1的軸線相對於鉛直線朝行進方向的後側稍微傾斜，但若不傾斜而呈鉛直，則主接合用旋轉工具G的方向變換變得容易，而可做複雜的動作。
在進入被接合金屬構件1的入熱量有過大之虞的情況下，最好在主接合用旋轉工具G的周圍從表面側A供給水而冷卻。而且，當冷卻水進入被接合金屬構件1的平接部J1之間時，雖然在接合面有產生氧化膜之虞，在本實施形態中，由於實施第一初期接合工程而關閉被接合金屬構件1之間的開口，冷卻水難以進入被接合金屬構件1的平接部J1，因此接合部的品質無劣化之虞。
在被接合金屬構件1的平接部J1中，在被接合金屬構件1的接縫上(第一初期接合工程的移動軌跡上)設定摩擦攪拌的路徑，藉由沿著該路徑使主接合用旋轉工具G做相對移動，從平接部J1的一端至另一端連續地進行摩擦攪拌接合。在主接合用旋轉工具G相對移動至平接部J1的另一端之後，邊進行摩擦攪拌接合邊橫切過平接部J2，依此狀態朝向結束位置EM1 做相對移動。
而且，在本實施形態中，由於出現於被接合金屬構件 1的表面A側的接縫(邊界線)的延長線上設定摩擦攪拌的結束位置EM1 ，在第一主接合工程中的摩擦攪拌的路徑可形成一直線。當摩擦攪拌的路徑成為一直線時，由於主接合用旋轉工具G的移動距離可抑制到最小，而且可減低主接合用旋轉工具G的磨耗量。
在主接合用旋轉工具G到達結束位置EM1 之後，如第6c圖所示，使主接合用旋轉工具G邊旋轉邊上升而使攪拌銷G2從結束位置EM1 (參照第6b圖)脫離。而且，當在結束位置EM1 中，攪拌銷G2脫離至上方時，不可避免地形成與攪拌銷G2大略相同形狀的拔孔Q1，但在本實施形態中，也可依此狀態保留。
如第6b圖及第6c圖所示，當高速旋轉的主接合用旋轉工具G插入被接合金屬構件1時，摩擦熱傳遞至被接合金屬構件1內(入熱)。由於被接合金屬構件1與檯座10做面接觸，摩擦熱的一部份如箭號N所示，從被接合金屬構件1的背面B放出至檯座10側(放熱)。
而且，在本實施形態中，如第6b圖及第6c圖所示，由於使主接合用旋轉工具G右旋轉而進行第一主接合工程，行進方向左側，即可能在金屬構件1b上形成隧道狀的空洞缺陷(以下稱為隧道狀空洞缺陷)。在進行摩擦攪拌之際，由於行進方向左側為剪切側(相對於被接合部的旋轉工具的外周的相對速度為移動速度的大小加上旋轉工具的外周的接線速度的大小的一側)，金屬由於強力攪拌而高溫軟化，毛邊等容易排出。因此，由於行進方向左側的金屬不 足，可能形成隧道狀空洞缺陷。又，行進方向右側，即金屬構件1a側為流動側(相對於被接合部的旋轉工具的外周的相對速度為從旋轉工具的外周的接線速度的大小檢去移動速度的大小的值的一側)，因此金屬的攪拌比較弱，毛邊等排出有困難，形成比較緻密的塑性化區域。
附帶說明，當主接合用旋轉工具G左旋轉時，由於行進方向右側成為剪切側，可能在行進方向右側形成隧道狀空洞缺陷。另一方面，行進方向左側由於是流動側，而形成比較緻密的塑性化區域。當該隧道狀空洞缺陷等的接合缺陷形成於被接合金屬構件1時，其成為被接合金屬構件1的氣密性及水密性降低的原因。
在第一主接合工程結束之後，除去了在第一預備工程及第一主接合工程中所產生的毛邊。而且，被接合金屬構件1從固定治具15被解除。
第7圖為第一實施形態的第一主接合工程後的立體圖。如第7圖所示，當進行上述的第一預備工程及第一主接合工程時，傳遞至被接合金屬構件1的熱，由於冷卻而產生熱收縮，被接合金屬構件1的表面A側會變形成凹狀。
(4)第二準備工程
第二準備工程為在第二預備工程之前進行的工程，在本實施形態中，被接合金屬構件1的表面與背面相反，被接合金屬構件1以固定治具15(參照第3圖)固定於檯座10。如第8圖所示，當被接合金屬構件1固定於檯座10時，由於被接合金屬構件1彎曲(歪)被接合金屬構件1的邊緣部U、U與檯座10抵接，檯座10與被接合金屬構件1的表面A之間形成間隙P。
(5)第二預備工程
第二預備工程為進行第二主接合工程之前所進行的工程，在本實施形態中，其包括接合被接合金屬構件1與第一突出材2的平接部J2的第一突出材接合工程、初期接合被接合金屬構件1的平接部J1的第一初期接合工程、接合被接合金屬構件1與第二突出材3的平接部J3的第二突出材接合工程、在第一主接合工程中的摩擦攪拌的開始位置形成導孔的導孔形成工程。第二預備工程除了被接合金屬構件1的表面與背面之外，由於與上述第一預備工程大略相同，因此省略其詳細說明。
如第8圖所示，藉由第二初期接合工程，高速旋轉後的初期接合用旋轉工具F插入被接合金屬構件1時，摩擦熱傳遞至被接合金屬構件1內(入熱)。摩擦熱的一部份，如箭號N所示，從被接合金屬構件1的邊緣部U、U放出至檯座10(放熱)。在第二初期接合工程中，由於使用與第一初期接合工程相同的初期接合用旋轉工具F，雖然入熱量與表面A側相同，但與第一初期接合工程相比，由於熱放出的路徑變少，因此放熱量變少。藉由第二初期接合工程，在被接合金屬構件1的背面B形成了背面側塑性化區域W2。
(6)第二主接合工程
第二主接合工程為從背面B側真正地接合被接合金屬構件1的平接部J1的工程。在本實施形態的第二主接合工程中，如第9a～9c圖所示，使用主接合用旋轉工具H，對於平接部J1從被接合金屬構件1的背面B側進行摩擦攪拌。
主接合用旋轉工具H，如第9a圖所示，其由工具鋼等比被接合金屬構件還硬質的金屬材料構成，具有成圓柱狀的肩部11以及突設於該肩部H1的下端面H11的攪拌銷(probe)H2。主接合用旋轉工具H具有與第一主接合工程中所使用的主接合用旋轉工具G大略相同的形狀，形成主接合用旋轉工具G的大約80%的大小。雖然在第二主接合工程中所使用的主接合用旋轉工具H與主接合用旋轉工具G具有相同的大小，但最好設定成比主接合用旋轉工具G還小。主接合用旋轉工具H係考慮在第一主接合工程中所使用的主接合用旋轉工具G的大小以及被接合用金屬構件1的彎曲的大小等而適當地設定。
在第二主接合工程中，主接合用旋轉工具H的攪拌銷H2插入(壓入)設於第二突出材3的導孔P2(開始位置SM2 )，插入的攪拌銷H2在中途不脫離而移動至設於第一突出材2的結束位置EM2 。即，在第二主接合工程中，從導孔P2開始摩擦攪拌，而連續地進行摩擦攪拌直到結束位置EM2 。
參照第9a～9c圖而更詳細地說明第二主接合工程。
首先，如第9a圖所示，主接合用旋轉工具H位於導孔P2的正上方，接著，主接合用旋轉工具H邊右旋轉邊下降，而將攪拌銷H2插入導孔P2中。
攪拌銷H2的全體進入第二突出材3且肩部H1的下端面H11的整面接觸於第二突出材3的表面之後，如第9b圖所示，主接合用旋轉工具H朝向被接合金屬構件1的平接部J1的一端做相對移動。雖然攪拌銷H2的插入深度並無特別限制，如本實施形態，最好設定成攪拌銷H2接觸於表面側塑性化區域W1的程度。藉此，由於表面側塑性化區域W1的前端側再度進行摩擦攪拌，在表面側塑性化區域W1的前端側形成接合缺陷的情況下，可修補該缺陷。又，橫越平接部J1的深度方向全體進行摩擦攪拌，可提高接合部份的水密性及氣密性。當主接合用旋轉工具H移動時，在攪拌銷H2的周圍的金屬依次塑性流動化之同時，再從攪拌銷H2分離的位置上，塑性流動化的金屬再次硬化而形成塑性化區域W3(以下稱「背面側塑性化區域W3」)。
又，如第9圖所示，在第二主接合工程中，由於使主接合用旋轉工具H右旋轉，從被接合金屬構件1的第一側面C朝向第二側面D進行摩擦攪拌，行進方向的右側，即在金屬構件1b側形成比較緻密的塑性化區域。因此，由第一主接合工程所形成的表面側塑性化區域W1的隧道狀空洞缺陷可確實地密閉。
如第9c圖所示，在主接合用旋轉工具H到達結束位置EM2 之後，使主接合用旋轉工具H邊旋轉邊上升而使攪拌銷H2從結束位置EM2 脫離(參照第9c圖)。主接合用旋轉工具H脫離時的旋轉速度與上述第一主接合工程的情況相同，最好是比移動時的旋轉速度還高速。
而且，當第一主接合工程中殘留的拔孔Q1與第二主接合工程中的主接合用旋轉工具H的移動路徑重疊時，塑性化流動的金屬流入拔孔Q1，由於有產生接合缺陷之虞，從拔孔Q1分離的位置上設置第二主接合工程的摩擦攪拌的結束位置EM2 (拔孔Q2)之同時，最好避開拔孔Q1而設定第二主接合工程的摩擦攪拌路徑，使主接合用旋轉工具H的攪拌銷H2沿著該路徑移動。
如第9b圖及第9c圖所示，當高速旋轉的主接合用旋轉工具H插入被接合金屬構件1時，摩擦熱傳遞至被接合金屬構件1內(入熱)。又，摩擦熱的一部份如箭號所示從被接合金屬構件1的邊緣部U、U放出至檯座10(放熱)。
在第二主接合工程中，由於形成間隙P，與第一主接合工程相比，放熱路徑變少。因此，雖然在第二主接合工程中，與第一主接合工程相比，放熱量變少，但由於使用比主接合用旋轉工具G還小型的主接合用旋轉工具H，與第一主接合工程相比，入熱量變少。
在第二主接合工程結束之後，切除突出材。而且，在各工程結束之後，最好除去形成於被接合金屬構件1的毛邊。
根據以上說明的第一實施形態，如第10圖所示，在第二主接合工程後，從固定治具15(參照第3圖)解除被接合金屬構件1而放置時，由於在被接合金屬構件1的背面B側也產生熱收縮，在第一主接合工程所形成的彎曲被矯正而使被接合金屬構件1變得平坦。
如前所述，藉由產生間隙P而在第二主接合工程中放熱量變少，在第二主接合工程中所使用的主接合用旋轉工具H設定成比第一主接合工程中所使用的主接合用旋轉工具G還小而使入熱量變少，藉此在第一主接合工程與第二主接合工程中殘留於被接合金屬構件1的熱量可達到平衡。
被接合金屬構件1的表面A側的殘存熱量係表示成(在第一預備工程的入熱量+在第一主接合工程的入熱量)－(在第一預備工程的放熱量+在第一主接合工程的放熱量)。另一方面，背面B側的殘存熱量係表示成(第二預備工程中的入熱量+第二主接合工程中的入熱量)－(第二預備工程中的放熱量+第二主接合工程中的放熱量)。在本實施形態中，藉由改變在第一主接合工程與第二主接合工程中旋轉工具的大小，使第一主接合工程與第二主接合工程的殘存熱量達到平衡，而可使被接合金屬構件1變得平坦。
又，進入被接合金屬構件1的入熱量由於變更本接合用旋轉工具G、H的大小而變更，可容易地進行入熱量的調節。又，在第二主接合工程中，就由將主接合用旋轉工具H的前端進入在第一主接合工程中所形成的表面側塑性化區域W1，而可再度摩擦攪拌表面側塑性化區域W1。藉此，可修補可能產生於塑性化區域的接合缺陷。
又，在本實施形態中，由於在主接合工程之前進行初期接合工程，金屬構件1a、1b可彼此不分離而進行摩擦攪拌接合。
而且，在第一實施形態中，藉由變更旋轉工具的大小而調節被接合金屬構件1的表面側及背面側的入熱量，但並不限定於此。例如，當在被接合金屬構件1的表面及背面使用相同的旋轉工具時，藉由背面B側的旋轉工具的移動速度比表面A側的旋轉工具的移動速度還快，背面B側的旋轉工具的入熱量變少。又，旋轉工具移動的軌跡的長度(摩擦攪拌的軌跡的長度的和)，被接合金屬構件1的背面B側比表面A側短，背面B側的入熱量可變少。對於在第二主接合工程進行的摩擦攪拌，考慮第一主接合工程的入熱量、放熱量及間隙P的大小甚至被接合金屬構件1的厚度而設定。
又，在第一主接合工程及第二主接合工程之後，在被接合金屬構件1殘留彎曲的情況下，可從被接合金屬構件1的表面A或背面B進行矯正工程。在矯正工程中，使用矯正用旋轉工具(圖示省略)，在被接合金屬構件1的表面A或背面B中，從形成凸狀的面側進行摩擦攪拌。矯正用工具形成與主接合用旋轉工具G相同的形狀，使用比主接合用旋轉工具G還小的矯正用旋轉工具(圖示省略)。摩擦攪拌的移動軌跡並無特別限定，可對於平接部進行，有可對於彎曲大的部分重點性地進行。
[第二實施形態]
接著，針對本發明的第二實施形態做說明。第二實施形態包括(1)第一準備工程、(2)第一預備工程、(3)第一主接合工程、(4)第二準備工程、(5)第二預備工程、(6)第二主接合工程、(7)第二修補工程、(8)第一修補工程。從(1)第一準備工程至(6)第二主接合工程由於與第一實施形態相同，因此省略詳細的說明。
(7)第二修補工程
上述(6)第二主接合工程結束之後，依此狀態進行第二修補工程。第二修補工程為修補可能包含於被接合金屬構件1的背面B的背面側塑性化區域W3的接合缺陷。
在本實施形態的第二修補工程中，如第11a及第11b圖所示，背面側塑性化區域W3中，至少對於第一修補區域R1、第二修補區域R2以及第三修補區域R3進行摩擦攪拌。
對於第一修補區域R1的摩擦攪拌的目的在於在上述第二主接合工程之際，斷開沿著主接合用旋轉工具H的行進方向可能形成的隧道型缺陷。在使主接合用旋轉工具H右旋轉時，在其行進方向的左側可能產生隧道缺陷，在左旋轉時，在行進方向的右側可能產生隧道型缺陷，因此在使主接合用旋轉工具H右旋轉的本實施形態中，設定第一修補區域R1，使其至少包含平面觀看位於行進方向的左側的表面側塑性化區域W1的上部。
對於第二修補區域R2的摩擦攪拌的目的在於在第二主接合工程之際，在主接合用旋轉工具H橫切過平接部J2之際捲入背面側塑性化區域W3的氧化膜得以被斷開。本實施形態的本接合工程中的摩擦攪拌的結束位置EM2 設於第一突出材2，在使主接合用旋轉工具H右旋轉的情況下，氧化膜捲入其行進方向的右側的背面側塑性化區域W3的 上部的可能性變高，在左旋轉的情況下，氧化膜捲入其行進方向的左側的背面側塑性化區域W3的上部的可能性變高，因此在使主接合用旋轉工具H右旋轉的本實施形態中，鄰接於第一突出材2的背面側塑性化區域W3中，設定第二修補區域R2，使其至少包含平面觀看位於行進方向的右側的表面側塑性化區域W3的上部。而且，從被接合金屬構件1與第一突出材2的接縫至第二修補區域R2的被接合金屬構件1側的邊緣的距離d5 最好比主接合用旋轉工具H的攪拌銷H2的最大外徑還大。
對於第三修補區域R3的摩擦攪拌的目的在於主接合用旋轉工具H橫切過平接部J3之際，將捲入背面側塑性化區域W3的氧化膜斷開而進行的。如本實施形態的主接合工程中的摩擦攪拌的開始位置SM2 設於第二突出材3的情況下，在使主接合用旋轉工具H右旋轉時，氧化膜捲入位於其行進方向左側的背面塑性化區域W3的上部的可能性變高，在左旋轉的情況下，氧化膜捲入位於其行進方向右側的背面塑性化區域W3的上部的可能性變高，因此，在主接合用旋轉工具H右旋轉的本實施形態中，鄰接於第二突出材3的背面側塑性化區域W3中，設定第三修補區域R3，使其至少包含平面觀看位於行進方向的左側的表面側塑性化區域W3的上部。而且，從被接合金屬構件1與第二突出材3的接縫至第三修補區域R3的被接合金屬構件1側的邊緣的距離d4 最好比主接合用旋轉工具H的攪拌銷H2的最大外徑還大。
在本實施形態的第二修補工程中，如第11b圖所示，使用比主接合旋轉工具H還小型的修補用旋轉工具E進行摩擦攪拌。如此，可防止塑性化區域擴大至必要以上。
修補用旋轉工具E與主接合用旋轉工具H相同，由工具鋼等比被接合金屬構件1還硬質的金屬材料構成，具有呈圓柱狀的肩部E1、突設於該肩部E1的下端面E11的攪拌銷(probe)E2。
攪拌銷E2係從肩部E1的下端面垂下，在本實施形態中，形成前端小的圓錐台。又，在攪拌銷E2的周面形成刻設成螺旋狀的攪拌翼。而且，修補用旋轉工具E形成比主接合用旋轉工具H小，而比初期接合用旋轉工具F大。
在第二修補工程中，每次對一修補區域的摩擦攪拌結束之後，不使修補用旋轉工具脫離，對每個修補區域使用形態不同的修補用旋轉工具E，但在本實施形態中，如第12圖所示，修補用旋轉工具E形成連續的移動軌跡(bead)而移動，對第一修補區域R1、第二修補區域R2以及第三修補區域R3進行連續的摩擦攪拌。即，在本實施形態的第二修補工程中，插入摩擦攪拌的開始位置SR 的修補用旋轉工具E的攪拌銷E2(參照第11b圖)在中途不脫離而移動至結束位置ER 。而且，在本實施形態中，摩擦攪拌的開始位置SR 設於第一突出材2之同時，將結束位置ER 設於第二突出材3，依照第二修補區域R2、第一修補區域R1以及第三修補區域R3的順序進行摩擦攪拌的情況為例，開始位置SR 與結束位置ER 的位置及摩擦攪拌的順序並無限定。
在第二修補工程中的摩擦攪拌的順序係參照第12圖做更詳細的說明。
首先，將修補用旋轉工具E的攪拌銷E2插入(壓入)設於第一突出材2的適當位置的開始位置SR 而開始摩擦攪拌，對第二修補區域R2進行摩擦攪拌。
又，修補用旋轉工具E的移動速度(輸送速度)係根據攪拌銷E2的尺寸、形狀、被摩擦攪拌的被接合金屬構件1等的材質及厚度等而設定，在大多的情況下，設定在100～1000(mm/分)的範圍內。修補用旋轉工具E的移動時的旋轉速度與插入時的旋轉速度相同或比此速度還低速。
當對第二修補區域R2進行摩擦攪拌時，即使位於被接合金屬構件1與第一突出材2之間的氧化膜被捲入背面側塑性化區域W3，由於該氧化膜會被斷開，即使在鄰接於第一突出材2的背面側塑性化區域W3也難以產生接合缺陷。而且，與以修補用旋轉工具E進行摩擦攪拌的區域相比，第二修補區域R2變大時，摩擦攪拌的工具錯開同時修補用旋轉工具E可做任意次的U形迴轉。
在對於第二修補區域R2的摩擦攪拌結束之後，使修補用旋轉工具E不脫離而依此狀態移動至第一修補區域R1，沿著上述的第二主接合工程中的摩擦攪拌路徑連續地進行摩擦攪拌。如此，沿著第二主接合工程中的摩擦攪拌路徑連續地形成隧道狀缺陷時，由於可確實地斷開，難以產生接合缺陷。
在對第一修補區域R1的摩擦攪拌結束之後，使修補用旋轉工具E不脫離而依此狀態移動至第三修補區域R3，對於第三修補區域R3進行摩擦攪拌。如此，即使在被接合金屬構件1與第二突出材3之間的氧化膜被捲入背面側塑性化區域W3的情況下，由於可斷開該氧化膜，即使在鄰接於第二突出材3的背面側塑性化區域W3中也難以產生接合缺陷。而且，與以修補用旋轉工具E摩擦攪拌的區域相比，在第三修補區域R3變大的情況下，摩擦攪拌的工具錯開同時修補用旋轉工具E可做任意次的U形迴轉。
在對第三修補區域R3的摩擦攪拌結束之後，修補用旋轉工具E移動至結束位置ER ，使修補用旋轉工具E邊旋轉邊上升，而使攪拌銷E2從結束位置ER 脫離。藉由第二修補工程，在被接合金屬構件1的背面B形成背面側塑性化區域W4。
在第二修補工程中，如第11b圖所示，由於檯座10與被接合金屬構件1的表面A接觸，藉由修補用旋轉工具E而入熱的熱量的一部份從表面A放出至檯座10(放熱)。
如第13圖所示，在第二修補工程結束之後，當被接合金屬構件1從固定治具15(參照第12圖)解除之後，由熱收縮而在被接合金屬構件1的背面B側變形成凹狀。
(8)第一修補工程
在第二修補工程結束之後，被接合金屬構件1的表面及背面反轉，對於表面A進行第一修補工程。第一修補工程，如第14圖所示，其為對可能包含於被接合金屬構件1的表面A的表面側塑性化區域W1的修補接合缺陷的工程。
在第一修補工程中，如第14圖所示，表面側塑性化區域W1中，至少對第一修補區域R1、第二修補區域R2及第三修補區域R3進行摩擦攪拌。第一修補區域R1、第二修補區域R2及第三修補區域R3的設定原理與第二修補工程相同，因此省略詳細的說明。
在第一修補工程中，如第14圖及第15圖所示，使用修補用旋轉工具E’，其比在第二修補工程中所使用的修補用旋轉工具E還小，且比初期接合用旋轉工具F還大。 修補用旋轉工具E’係由工具鋼等比被接合金屬構件1還硬質的金屬材料構成，具有成圓柱狀的肩部E1’以及突設於該肩部E1’的下端面E11的攪拌銷(probe)E2’。
在第一修補工程中，如第14圖及第15圖所示，將修補用旋轉工具E’的攪拌銷E2’插入(壓入)設於第一突出材2的適當位置的開始位置SR 而開始摩擦攪拌，對第二修補區域R2進行摩擦攪拌。在第一修補工程中，與第二修補工程相同，對第一修補區域R1及第三修補區域R3進行連續的摩擦攪拌。
在第一修補工程中，如第15圖所示，當高速旋轉的修補用旋轉工具E’插入被接合金屬構件1時，摩擦熱被傳遞至被接合金屬構件1內(入熱)。又，摩擦熱的一部份，如箭號所示，從被接合金屬構件1的邊緣部U、U放出至檯座10(放熱)。
在第一修補工程中，由於形成間隙P，與第二修補工程相比，熱放出的路徑變少。因此，在第一修補工程中， 與第二修補工程相比，放熱量變少，但由於使用比修補用旋轉工具E還小的修補用旋轉工具E’，與第二修補工程相比，熱量變少。
在第一修補工程結束之後，切除突出材。而且，在各工程結束之後，最好除去形成於被接合金屬構件1的毛邊。
根據以上說明的第二實施形態，在第一修補工程後，將被接合金屬構件1從固定治具15(參照第14圖)解除放置時，修正由熱收縮而在第二修補工程中所形成的彎曲，而使被接合金屬構件1變得平坦。
如前所述，藉由產生間隙P，放熱量變少，在第一修補工程所使用的修補用旋轉工具E’設定成比在第二修補工程所使用的修補旋轉工具E還小而使入熱量變少，在第二修補工程與第一修補工程中，可使殘留於被接合金屬構件1的熱量達到平衡。藉此，修補表面側塑性化區域W1及背面側塑性化區域W3的接合缺陷，同時可修正在修補工程中所可能產生的彎曲。
而且，修補工程的旋轉工具的軌跡並未限定於上述的形態。例如，雖然未具體地圖示，橫斷平接部J1地使旋轉工具鋸齒狀地移動而進行修補。
[變形例]
在變形例中，在進行第一主接合工程及第二主接合工程之際，旋轉工具可使用第16圖所示的主接合用旋轉工具K。而且，變形例除了使用主接合用旋轉工具K之外，由於與第一實施形態相同，對於重複部分省略其說明。
對於在變形例中所使用的主接合用旋轉工具K的構造做說明。第16圖表示旋轉工具的變形例，(a)為側剖視圖，(b)為底視圖。
主接合用旋轉工具K，如第16a圖所示，其由工具鋼等比被接合金屬構件1還硬質的金屬材料構成，具有成圓柱狀的肩部K1、突設於該肩部K1的下端面K11的攪拌銷(probe)K2、突設下端面K11的攪拌用突條K3以及刻設於攪拌銷K2的周面的攪拌翼K4。
攪拌銷K2係從肩部K1的下端面K11垂下，在本實施形態中，形成前端小的圓錐台。又，在攪拌銷K2的周面，為了提高攪拌效果，形成刻設成螺旋狀的攪拌翼K4。攪拌銷K2的長度L1 可對應於攪拌銷K2的最大外徑Y2 、最小外徑Y3 以及肩部K1的外徑Y1 而適當地設定。
在形成平坦狀的肩部K1的下端面K11上突設有攪拌用突條體K3。攪拌用突條體K3，如第16b圖所示，圍繞攪拌銷K2的周圍而在下端面K11上形成渦卷狀。藉由具備攪拌用突條體K3，由於塑性流動化的金屬在攪拌銷K2側流動，可提高摩擦攪拌的效率。而且，攪拌用突條體K3的長度及捲繞數可適當地設定。
變形例中的主接合用旋轉工具K由於在下端面K11突設有攪拌用突條體K3，塑性流動化的金屬聚集於攪拌銷K2的中央部分而進行摩擦攪拌。藉此，提高摩擦攪拌的效率之同時，可抑制接合缺陷的產生。又，主接合用旋轉工具K由於形成攪拌銷K2的底端部份粗而前端細，防止攪拌銷 K2折彎之同時，攪拌銷K2被壓入金屬構件之際的壓素阻抗變小。又，由於在攪拌銷K2的外周面上刻設有攪拌翼K4，可更有效地進行摩擦攪拌。
[實施例] [實施例1]
接著，針對本發明的實施例做說明。本發明的實施例，如第17a及17b圖所示，平面觀看正方形的金屬構件200的表面Za及背面Zb分別繪出三個圓而進行摩擦攪拌，測定在表面Za側所產生的彎曲的變形量與背面Zb側所產生的彎曲的變形量。在表面Za側所產生的變形量的值與在背面Zb側所產生的變形量的值愈接近，則表示金屬構件200的平坦性愈高。
金屬構件200為平面觀看500mm×500mm的立方體，使用厚度為30mm、60mm兩種構件分別進行測定。金屬構件200的素材為JIS規格的5052鋁合金。
摩擦攪拌的軌跡的三個圓係以設定於金屬構件200的中心的地點j或地點j為中心，表面Za及背面Zb一起，設定成半徑r1=100mm(以下稱為小圓)、r2=150mm(以下稱為中圓)、r3=200mm(以下稱為大圓)。摩擦攪拌的順序依照小圓、中圓、大圓進行。
旋轉工具係在表面Za側及背面Zb側使用相同大小的旋轉工具。旋轉工具的尺寸為：肩部的外徑為20mm、攪拌銷的長度為10mm、攪拌銷的根部的大小(最大徑)為9mm，攪拌銷前端的大小(最小徑)為6mm。旋轉工具的旋轉數為 600rpm，輸送速度設定為300mm/min。又，在表面Za側及背面Zb側，旋轉工具的壓入量設定成一定。如第17圖所示，在表面側Za形成的塑性化區域，從小圓往大圓分別成為塑性化區域W21至塑性化區域W23。又，在表面側Za形成的塑性化區域，從小圓往大圓分別成為塑性化區域W31至塑性化區域W33。該實施例中的各測定結果如表1~表4所示。
表1中，金屬構件200的板厚為30mm，表示從表面Za側進行摩擦攪拌時的測定值。「FSW前」表示在進行摩擦攪拌前，中心地點j(基準j)與各地點(地點a~地點h)的高低差。「FSW後」表示以0做為基準j，在進行三個圓的摩擦攪拌之後，基準j與各地點的高低差。「表面側變形量」為在各地點中(FSW後-FSW前)的值。「表面側變形量」的最下欄表示地點a~地點h的平均值。「FSW前」及「FSW後」的負值表示位於比基準j還下方的位置。
表2中，其表示金屬構件200的板厚為30mm，在從表面側進行小圓、中圓、大圓的摩擦攪拌之後，對於彎曲的金屬構件200，從背面側也分別進行小圓、中圓、大圓的摩擦攪拌時的金屬構件200的各位置的測定值。「FSW前」表示在進行摩擦攪拌之前，中心地點j’(基準j’)與各位置(a’～h’)的高低差。
「FSW1」，參照第17圖，其表示基準j’為0，進行小圓(半徑r1)的摩擦攪拌之後，基準j’與各位置的高低差。「背面側變形量1」表示在各地點(FSW1－FSW前)的值，「背面側變形量1」的最下欄表示位置a’～位置h’的平均值。
「FSW2」表示以基準j’為0，除了小圓(半徑r1)之外，更在進行中圓(半徑r2)的摩擦攪拌之後，基準j’與各位置的的高低差。「背面側變形量2」表示在各地點(FSW2－FSW前)的值，「背面側變形量2」的最下欄表示位置a’～位置h’的平均值。
「FSW3」表示以基準j’為0，除了小圓(半徑r1)與中圓(半徑r2)之外，更在進行大圓(半徑r3)的摩擦攪拌之後，基準j’與各位置的的高低差。「背面側變形量3」表示在各地點(FSW3－FSW前)的值，「背面側變形量3」的最下欄表示位置a’～位置h’的平均值。
表3表示金屬構件200板厚為60mm，從表面側進行小圓、中圓、大圓的摩擦攪拌時的測定值。表3的各項目與表1的各項目具有大略相同的意思。
表4表示金屬構件200的厚度為60mm，從表面側進行摩擦攪拌之後，從背面側進行摩擦攪拌時的的測定值。表4的各項目與表2的各項目具有大略相同的意思。
表1的「表面側變形量」的平均值(1.61)與表2的「背面側變形量1」的平均值(2.04)相比，「背面側變形量1」的值較大。同樣地，「背面側變形量2」的平均值(2.95)及「背面側變形量3」的平均值(3.53)也比「表面側變形量」的平均值(1.61)大。即，在金屬構件200的板厚為30mm時，即使從背面側只進行小圓的摩擦攪拌，也可以矯正金屬構件200的彎曲。因此，金屬構件200為30mm的情況下，使用小的旋轉工具而使背面側的入熱量比表面側少，可提高金屬構件200的平坦性。
表3的「表面側變形量」的平均值(0.98)與表4的「背面側變形量2」的平均值(0.91)做比較時，兩者的變形量相近。因此，金屬構件200的板厚為60mm時，從背面側進行小圓及中圓的摩擦攪拌時，確認可提高金屬構件200的平坦性。即，板厚為60mm的情況下，使用小的旋轉工具而使背面側的入熱量比表面側少，可提高金屬構件200的平坦性。
[實施例2]
上述變形例的主接合用旋轉工具K的各要素的條件(尺寸)在表5中表示。表5表示在與主接合用旋轉工具K具相同構造的工具I～工具IV中，銷(攪拌銷)的長度、銷的最大值、銷的最小直徑以及肩部直徑的各尺寸、各尺寸的比例以及轉速及接合速度。使用表5所記載的各工具I～工具IV，對於一對鋁合金(5052鋁合金)進行摩擦攪拌接合的各工具I～工具IV中的各工具的狀況作觀察。
當銷的長度/銷的最大直徑超過2.03時，銷會破損。另一方面當銷的長度/銷的最大直徑不到1.33時，由於對摩擦攪拌裝置的負荷變大而產生不適當之同時，無法進行摩擦攪拌至深的位置。
當銷的最大直徑/銷的最小直徑超過2.67時，銷的最大直徑過大，金屬會溢流出，產生表面缺陷。另一方面，銷的最大直徑/銷的最小直徑不足2.00時，由於銷的最大直徑相對於銷的最小直徑變小，銷前端的入熱量不足而產生接合缺陷。
當銷的最大直徑/銷的最小直徑超過2.14時，雖然防止表面缺陷的產生，對摩擦攪拌裝置的負荷變大而產生不適當。另一方面，當肩部直徑/銷最大直徑的值不足1.56時，金屬從肩部逸出而產生表面缺陷。
1．．．接合金屬構件
1a．．．金屬構件
1b．．．金屬構件
2．．．第一突出材
3．．．第二突出材
J1、J2、J3．．．平接部
A．．．表面
B．．．背面
C．．．第一側面
D．．．第二側面
F．．．初期接合用旋轉工具
F1．．．肩部
F2．．．攪拌銷
G．．．主接合用旋轉工具
G1．．．肩部
G2．．．攪拌銷
H．．．主接合用旋轉工具
H1．．．肩部
H2．．．攪拌銷
H11．．．下端面
E．．．修補用旋轉工具
E1．．．肩部
E2．．．攪拌銷
SM1 、SM2 ．．．開始位置
EM1 、EM2 ．．．結束位置
P．．．間隙
Q1．．．拔孔
U．．．邊緣部
W1、W2．．．塑性化區域
第1圖為說明第一實施形態的金屬構件、第一突出材以及第二突出材的配置的圖，其中(a)為立體圖，(b)為平面圖，(c)為(b)的I-I線剖視圖，(d)為(b)的II-II線剖視圖。
第2a圖為說明初期接合用旋轉工具的側視圖，第2b圖為說明主接合用旋轉工具的側視圖。
第3圖為第一實施形態的金屬構件的固定狀態的立體圖。
第4圖為第一實施形態的第一初期接合工程的平面圖。
第5圖為第一實施形態的第一初期接合工程的剖視圖。
第6圖為第一實施形態的第一主接合工程的圖，(a)表示開始位置，(b)表示中間位置，(c)表示結束位置。
第7圖為第一實施形態的第一主接合工程後的立體圖。
第8圖為第一實施形態的第二初期接合工程的剖視圖。
第9圖為第一實施形態的第二主接合工程的圖，(a)表示開始位置，(b)表示中間位置，(c)表示結束位置。
第10圖表示第一實施形態結束狀態的剖視圖。
第11圖為說明第二實施形態的第二修補工程的圖，其中(a)為平面圖，(b)為剖視圖。
第12圖為第二實施形態的第二修補工程的平面圖。
第13圖為第二實施形態的第二修補工程的剖視圖。
第14圖為說明第二實施形態的第一修補工程的平面圖。
第15圖為第二實施形態的第一修補工程的剖視圖。
第16圖為表示旋轉工具的變形例的圖，(a)為側剖視圖，(b)為底視圖。
第17圖為說明實施例的圖，(a)為立體圖，(b)為平面圖。
1．．．接合金屬構件
1a．．．金屬構件
2．．．第一突出材
3．．．第二突出材
10．．．檯座
A．．．表面
B．．．背面
C．．．第一側面
D．．．第二側面
EM2 ．．．結束位置
H．．．主接合用旋轉工具
H1．．．肩部
H2．．．攪拌銷
H11．．．下端面
J1、J2、J3．．．平接部
P．．．間隙
P2．．．導孔
Q1、Q2．．．拔孔
SM2 ．．．開始位置
U．．．邊緣部
W1、W2．．．塑性化區域
W3．．．背面側塑性化區域

Claims (14)

  1. 一種接合方法，包括：第一主接合工程，使主接合用旋轉工具沿著金屬構件彼此的平接部，從上述金屬構件的表面側移動而進行摩擦攪拌接合；以及第二主接合工程，在上述第一主接合工程後，使主接合用旋轉工具沿著上述平接部，從上述金屬構件的背面側移動而進行摩擦攪拌接合，其中在上述第二主接合工程中的進入上述金屬構件的熱量設定成比在上述第一主接合工程中的進入上述金屬構件的熱量少。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之接合方法，其中在上述第二主接合工程中所使用的主接合用旋轉工具比在上述第一主接合工程中所使用的主接合用旋轉工具小。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之接合方法，其中在上述第二主接合工程中，以比在上述第一主接合工程中的上述主接合用旋轉工具的輸送速度快的輸送速度進行摩擦攪拌接合。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之接合方法，其中在上述第二主接合工程之後更包括一矯正工程，從上述金屬構件的表面側或背面側進行摩擦攪拌。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之接合方法，其中在上述第二主接合工程中，上述主接合用旋轉工具的攪拌銷進入在上述第一主接合工程中所形成的塑性化區域，並進行摩擦攪拌接合。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之接合方法，其中上述金屬構件由固定治具固定於膠帶的狀態下，進行上述第一主接合工程及上述第二主接合工程。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之接合方法，其中上述主接合用旋轉工具包括：肩部，由比上述金屬構件硬的金屬構成；攪拌銷，突設於上述肩部的下端面的中央，形成前端細的圓錐台狀；以及攪拌翼，在上述攪拌銷的外周面刻設成螺旋狀，其中上述攪拌銷的長度相對於上述攪拌銷的最大外徑的比係設定成1.33～2.03。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之接合方法，其中上述主接合用旋轉工具包括：肩部，由比上述金屬構件硬的金屬構成；攪拌銷，突設於上述肩部的下端面的中央，形成前端細的圓錐台狀；以及攪拌翼，在上述攪拌銷的外周面刻設成螺旋狀，其中上述攪拌銷的最大外徑相對於上述攪拌銷的最小外徑的比係設定成2.00～2.67。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之接合方法，其中上述主接合用旋轉工具包括：肩部，由比上述金屬構件硬的金屬構成；攪拌銷，突設於上述肩部的下端面的中央，形成前端細的圓錐台狀；以及攪拌翼，在上述攪拌銷的外周面刻設成螺旋狀，其中上述肩部的外徑相對於上述攪拌銷的最大外徑的比設定成1.56～2.14。
  10. 如申請專利範圍第7至9項中任一項所述之接合方法，其中在上述肩部的下端面，圍繞上述攪拌銷的周圍，形成平面觀看呈渦卷狀的攪拌用突條體。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之接合方法，其中在進行上述第一主接合工程之前，使用比上述第一主接合工程所使用的上述主接合用旋轉工具還小型的初期接合用旋轉工具，而對於上述平接部從上述金屬構件的表面側進行摩擦攪拌接合的初期接合工程。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之接合方法，其中在進行上述第二主接合工程之前，使用比上述第二主接合工程所使用的上述主接合用旋轉工具還小型的初期接合用旋轉工具，而對於上述平接部從上述金屬構件的背面側進行摩擦攪拌接合的初期接合工程。
  13. 如申請專利範圍第1項所述之接合方法，其中在上述第一主接合工程中，在配置於上述金屬構件彼此的平接部的側邊的突出材上設置摩擦攪拌的開始或結束位置，在上述第一主接合工程之後進行修補工程，在上述第一主接合工程中所形成的塑性化區域中至少對於鄰接於上述突出材的部分使用比上述主接合用旋轉工具還小型的修補用旋轉工具進行摩擦攪拌。
  14. 如申請專利範圍第1項所述之接合方法，其中在上述第二主接合工程中，在配置於上述金屬構件彼此的平接部的側邊的突出材上設置摩擦攪拌的開始或結束位置，在上述第二主接合工程之後進行修補工程，在上述第二主接合工程中所形成的塑性化區域中至少對於鄰接於上述突出材的部分使用比上述主接合用旋轉工具還小型的修補用旋轉工具進行摩擦攪拌。
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