WO2015022894A1

WO2015022894A1 - 摩擦撹拌接合方法

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Publication number: WO2015022894A1
Application number: PCT/JP2014/070733
Authority: WO
Inventors: 福田　敏彦; 悟宮▲崎▼
Original assignee: 株式会社Uacj
Priority date: 2013-08-13
Filing date: 2014-08-06
Publication date: 2015-02-19
Also published as: US9937588B2; CN105473269B; CA2921220A1; US9931711B2; US20160151855A1; CA2921320A1; CA2921320C; CN105531069B; CN105473269A; US20160167162A1; MX2016001819A; WO2015022893A1; CA2921220C; CN105531069A; MX2016001820A

Abstract

　摩擦撹拌接合に際して難接合材とされる、アルミニウム合金製鋳物や２０００系、４０００系、５０００系及び７０００系のアルミニウム合金材のうちの同種又は異種材質の二つの材料において、接合欠陥のない健全な接合部を有する接合製品を有利に得ることの出来る摩擦撹拌接合方法を提供すること。　第一の部材２と第二の部材４の被接合部位（突合せ部６）における接合終了端側の端面に、１０００系アルミニウム合金、３０００系アルミニウム合金、６０００系アルミニウム合金又は８０００系アルミニウム合金からなる終了タブ材２０を当接せしめ、回転工具１０のプローブ１６が、それら２つの部材２，４の接合部位から開始タブ材２０に導かれた後、第一の部材２と第二の部材４との摩擦撹拌接合操作を終了するようにした。

Description

摩擦撹拌接合方法

　本発明は、摩擦撹拌接合方法に係り、特に、摩擦撹拌接合においては難接合材と称されている、アルミニウム合金製鋳物、２０００系アルミニウム合金材、４０００系アルミニウム合金材、５０００系アルミニウム合金材、或いは７０００系アルミニウム合金材を、ボビンツールやセルフリアクティングツールの如き、二つのショルダ部材にて挟圧しつつ摩擦撹拌接合するタイプの回転工具を用いて、有利に摩擦撹拌接合する方法に関するものである。

　近年、二つの部材の接合されるべき部位に回転工具（具体的には、プローブ乃至はピン）を回転させながら差し込み、摩擦熱を利用して材料を撹拌流動せしめることにより、それら被接合部材を溶融させることなく固相接合する摩擦撹拌接合方法（ＦＳＷ）が、特表平７－５０５０９０号公報等において提案されて以来、接合部における熱の発生が通常の溶融溶接手法より少ないために、熱歪みが発生し難く、且つ溶融してから凝固するという溶融溶接手法特有の相変化を伴わず、固体状態で接合することが出来ることによる、接合部の健全性の点から、注目を受け、特にアルミニウム材料の接合において、かかる摩擦撹拌接合方法が採用される分野は、年々拡大してきている。例えば、自動車や鉄道車両等の輸送用車両構体の接合やＩＴ機器筐体等の接合に、そのような摩擦撹拌接合手法を利用することにより、軽量化のフロントランナーであるアルミニウム材料の用途拡大に、多大な貢献が為されている。

　ところで、上記した摩擦撹拌接合方法に用いられる回転工具には、一般に、円柱状のショルダ部材の先端中心部に、プローブと称される所定長さの突起を配設してなる構造が採用されており、そこでは、回転工具のショルダ部材を軸心回りに回転させながら、そのプローブ先端を接合部位に差し込み、そしてショルダ部材のショルダ面による圧力を加えながら、線接合或いは点接合することからなる手法が採用され、先の特表平７－５０５０９０号公報にも、その手法が、明らかにされている。しかしながら、そのような構造を有する回転工具を用いた摩擦撹拌接合方式では、回転工具のプローブが差し込まれる接合部位の背面側に、定盤等の裏当てを配置して、かかる回転工具の押圧力を受け止めつつ、接合操作を進行させる必要があり、そうしないと、接合されるべき材料が回転工具の圧力にて変形して、接合出来なくなるという問題がある。それ故に、裏当ての配設が難しい中空部材の接合に、そのような摩擦撹拌接合手法を採用することは、困難であった。

　このため、そのような裏当てを必要としないツールとして、円柱状のショルダ部材（第一）から突設されたプローブの先端にも、かかるショルダ部材（第一）に対向する第二のショルダ部材を設けて、それら二つのショルダ部材にて、被接合部材の接合部位の表裏両面に、同時に、それらショルダ部材による圧力がそれぞれ作用するようにして、摩擦撹拌接合を進行せしめる回転工具が、提案されるに至っている。例えば、特開２００３－１５４４７１号公報等においては、二つのショルダ部材がプローブにて固定的に連結せしめられてなる構造のツール、所謂ボビンツールを用いた摩擦撹拌接合方法が明らかにされており、また特開２００３－１８１６５４号公報や特開２００９－１８３１２号公報等においては、二つのショルダ部材の何れか一方を、プローブに対して、その軸方向に移動可能に設けて、それら二つのショルダ部材間の間隔を変更し得るようにしたツール、所謂セルフリアクティングツールが提案されているのである。そして、この種の回転工具を用いることによって、裏当てなしで、中空材等を接合することが出来ることとなったことにより、摩擦撹拌接合手法の適用範囲が、更に拡大するに至っている。

　ところで、接合されるべき部材として用いられるアルミニウム材料の中でも、何れもメタルの摩擦撹拌が困難である、アルミニウム合金製鋳物や、それぞれＪＩＳ規格のアルミニウム合金名称である、２０００系、４０００系、５０００系及び７０００系のアルミニウム合金材は、摩擦撹拌作用によるメタルの流動性が充分でないところから、摩擦撹拌接合が容易ではない難接合材とされている。そして、そのようなアルミニウム材料を、上記したボビンツールやセルフリアクティングツールの如き、二つのショルダ部材を備えた回転工具を用いて摩擦撹拌接合を行うと、回転工具におけるプローブの周りにメタルがこびり付きやすく、摩擦撹拌接合操作の終了により、接合部位から離脱せしめられる回転工具のプローブの周りには、メタルが付着乃至は凝着して、その除去に手間がかかり、そのような回転工具を、直ちに、次の摩擦撹拌接合操作に用いることが出来ないという問題があった。また、アルミニウム材料の接合部位から回転工具が離脱する部位においても、メタルが回転工具に付着して取り去られるようになるところから、当該部位に、接合欠如部が大きく形成されることとなり、そのために、接合された部材における接合終端部を大きく切除する必要があり、材料の損失ともなっている。

特表平７－５０５０９０号公報特開２００３－１５４４７１号公報特開２００３－１８１６５４号公報特開２００９－１８３１２号公報

　ここにおいて、本発明は、かかる事情を背景にして為されたものであって、その解決課題とするところは、摩擦撹拌接合に際して難接合材とされる、アルミニウム合金製鋳物、２０００系アルミニウム合金材、４０００系アルミニウム合金材、５０００系アルミニウム合金材、及び７０００系アルミニウム合金材のうちの同種又は異種材質の二つの材料を用い、それらを、二つのショルダ部材を有する回転工具にて、摩擦撹拌接合せしめるに際して、摩擦撹拌接合終了時における回転工具へのメタルの凝着を有利に回避して、回転工具の使用効率を効果的に高め得る手法を提供することにある。

　そして、本発明にあっては、そのような課題を解決するために、アルミニウム合金製鋳物、２０００系アルミニウム合金材、４０００系アルミニウム合金材、５０００系アルミニウム合金材及び７０００系アルミニウム合金材からなる群より選ばれた同種又は異種材質の第一の部材と第二の部材との接合部位を、回転工具におけるロッド状のプローブの軸方向に所定の間隔をおいて配した二つのショルダ部材にて挟圧しつつ、かかる回転工具の回転によって、それら二つのショルダ部材と共に回転せしめられる前記プローブを、該接合部位の延びる方向に移動させることにより、前記第一の部材と前記第二の部材との接合部位を摩擦撹拌接合するに際し、前記第一及び第二の部材の接合部位における接合終了端側の端面に対して、１０００系アルミニウム合金、３０００系アルミニウム合金、６０００系アルミニウム合金又は８０００系アルミニウム合金からなる終了タブ材を当接せしめ、前記回転工具のプローブが、前記第一及び第二の部材の接合部位から該終了タブ材に導かれて、前記摩擦撹拌接合が終了せしめられるようにしたことを特徴とする摩擦撹拌接合方法を、その要旨とするものである。

　なお、かかる本発明に従う摩擦撹拌接合方法の望ましい態様の一つによれば、前記終了タブ材は、前記回転工具による前記第一及び第二の部材の接合方向において前記ショルダ部材の直径の４倍以上の長さを有していると共に、該接合方向に直角な方向において該ショルダ部材の直径の２倍以上の幅を有している板材である。

　また、本発明に従う摩擦撹拌接合方法の望ましい態様の他の一つによれば、終了タブ材は、前記回転工具におけるプローブの直径の１／２以下の厚さを有している。

　さらに、本発明に従う摩擦撹拌接合方法は、例えば、前記第一の部材と前記第二の部材とを突き合わせ、その突合せ部位に対して実施される他、前記第一の部材と前記第二の部材とを重ね合わせ、その重合せ部位に対して実施されることとなる。

　更にまた、本発明において好適に用いられる回転工具としては、一般に、前記プローブに対して、前記二つのショルダ部材を所定の間隔をおいて固定的に取り付けてなるボビンツールがあり、或いは、前記プローブに対して、前記二つのショルダ部材のうちの一方を固定し、他方を該プローブの軸方向に移動可能として、それら二つのショルダ部材の間隔が変更され得るようにしたセルフリアクティングツールがある。

　このように、本発明にあっては、二つのショルダ部材を備えた回転工具を用いて、摩擦撹拌接合の容易でない所定のアルミニウム材料の接合部位を、摩擦撹拌接合するに際し、かかる接合部位における接合終了端側の端面に、メタルの摩擦撹拌が容易な、ＪＩＳ規格の１０００系アルミニウム合金、３０００系アルミニウム合金、６０００系アルミニウム合金、又は８０００系アルミニウム合金からなる終了タブ材を当接した状態において、前記接合部位に対する摩擦撹拌接合操作の終了した回転工具を、回転させつつ、かかる接合部位から終了タブ材に進入せしめ、そしてそのような終了タブ材を摩擦撹拌しつつ移動せしめるようになっているところから、前記接合部位における摩擦撹拌接合操作にて回転工具のプローブの周りに凝着したメタルは、終了タブ材におけるメタルの摩擦撹拌により、効果的に取り去られることとなるのであって、これにより、終了タブ材から離脱して外方に取り出される回転工具には、付着したメタルが殆ど存在せず、そのために、回転工具からのメタルの除去操作を実施する必要がなく、また、そのような回転工具を、そのまま、次の摩擦撹拌接合操作に用いることが可能となったのである。

　しかも、かかる本発明に従う終了タブ材の存在により、第一の部材と第二の部材との接合部位における回転工具によるメタルの摩擦撹拌から、終了タブ材における回転工具によるメタルの摩擦撹拌への移行が、かかる終了タブ材におけるメタルの摩擦撹拌が容易であることによって、スムーズに行われ得ることとなるのであって、これにより、第一の部材と第二の部材との接合部位における摩擦撹拌接合終了部位へのメタルの供給が、効果的に行われ得ることとなるところから、当該部位における空隙や欠損部等が生じることも効果的に回避され得ることとなるのであり、以て、そのような接合部位における接合終了端側部分を大きく切除する必要もなく、材料の損失も有利に軽減せしめ得ることとなるのである。

本発明に従う摩擦撹拌接合方法における接合終了端側の一例に係る形態を示す斜視説明図である。図１に示される接合終了端側における摩擦撹拌接合のための回転工具の一つの移動形態を示す平面説明図である。本発明において用いられる回転工具の一例を示す縦断面説明図であって、（ａ）は、ボビンツールの一例に係る縦断面説明図であり、（ｂ）は、セルフリアクティングツールの一例に係る縦断面説明図である。本発明が適用され得る摩擦撹拌接合方法の他の一つの例を示す斜視説明図である。

　以下、本発明を更に具体的に明らかにするために、本発明に係る摩擦撹拌接合方法の構成について、図面を参照しつつ、詳細に説明することとする。

　先ず、図１には、本発明に従う摩擦撹拌接合方法を実施する際における接合終了端側の一つの形態が、示されている。そこでは、第一の部材２と第二の部材４とが、それらの板状部において突き合わされて、その突合せ部６に対して、摩擦撹拌接合操作が施されるようにすることにより、それら第一及び第二の部材２，４を線接合せしめて、一体の接合製品が得られるようになっている。

　そこにおいて、被接合材たる第一及び第二の部材２，４は、それぞれ、難接合材たる、アルミニウム合金製鋳物や、ＪＩＳにおけるアルミニウム合金呼称が２０００系（Ａｌ－Ｃｕ系）、４０００系（Ａｌ－Ｓｉ系）、５０００系（Ａｌ－Ｍｇ系）、及び７０００系（Ａｌ－Ｚｎ－Ｍｇ系）であるアルミニウム合金材のうちの何れかからなるものであって、それら第一及び第二の部材２，４は、それぞれ、同種の材質であっても或いは異種材質であっても、何等差支えない。なお、アルミニウム合金製鋳物としては、ＪＩＳ呼称でＡＣの次に１桁の数字とアルファベットの１字乃至は２字が付されてなる記号にて示されるアルミニウム合金を、通常の鋳造法にて鋳造して得られた、板状部を有する鋳物や、ＪＩＳ呼称でＡＤＣの次に１桁乃至２桁の数字が付されてなる記号にて表示されるアルミニウム合金を用いて、ダイカスト鋳造して得られる、板状部を有する鋳物等が用いられることとなる。また、上記の２０００系、４０００系、５０００系乃至７０００系のアルミニウム合金材は、それぞれ、対応するアルミニウム合金の圧延板材や押出材等の、板状部を有する各種の展伸材の形態において用いられることとなる。

　そして、かかる第一の部材２と第二の部材４の接合部位となる突合せ部６を摩擦撹拌接合するために、図１に示されるような回転工具１０が、用いられることとなるのである。即ち、回転工具１０は、ここでは、従来と同様な構造を有するボビンタイプのツールであって、同一の直径（Ｄ）を有する上側ショルダ部材１２と下側ショルダ部材１４とが、所定距離を隔てて同軸的に相対向する形態において、ロッド状のプローブ１６にて連結されて、軸心回りに一体的に回転可能とされてなるものである。従って、摩擦撹拌接合に際しては、それら上側ショルダ部材１２の上側ショルダ面１２ａと下側ショルダ部材１４の下側ショルダ面１４ａとによって、第一及び第二の部材２，４の突合せ部６を上下方向から挟圧せしめつつ、回転するプローブ１６が突合せ部６内に入り込むようにすることにより、かかる突合せ部６のメタルを摩擦撹拌流動せしめて、それら二つの部材２，４が相互に接合せしめられ得るようになっているのである。

　ところで、このようなボビンタイプの回転工具１０を用いて、それらメタルの摩擦撹拌流動が容易でない第一及び第二の部材２，４の突合せ部６内に、そのプローブ１６を進入せしめて、かかる突合せ部６の延びる方向（接合方向）に移動させ、摩擦撹拌線接合しようとしたとき、回転工具１０におけるプローブ１６の周りには、メタルがこびり付きやすく、そのため、摩擦撹拌接合操作の終了により突合せ部６から離脱せしめられる回転工具１０のプローブ１６の周りにはメタルが凝着して、その除去に手間がかかる問題があり、また、そのような突合せ部６における摩擦撹拌接合終了端部位にメタルが供給されずに、欠損部を発生せしめ、そのために、そのような欠損部を切り落として接合製品とする必要があるところから、材料の大きな損失を招く等の問題が惹起されるようになる。

　そこで、本発明にあっては、そのような摩擦撹拌接合操作における、接合終了時の問題の解消を図るべく、図１に示される如く、摩擦撹拌によりメタルが流動し易い特定のアルミニウム合金材質からなる材料を終了タブ材２０として用い、それを、第一及び第二の部材２，４の被接合部位（突合せ部６）における接合終了端側の端面に当接配置せしめて、かかる突合せ部６から、ボビンタイプの回転工具１０のプローブ１６が終了タブ材２０に導かれて、摩擦撹拌接合操作が終了せしめられるようにしたのである。

　ここにおいて、そのような接合終了端側の端面に当接せしめられる終了タブ材２０としては、ＪＩＳ呼称のアルミニウム合金である、１０００系（純アルミニウム系）アルミニウム合金、３０００系（Ａｌ－Ｍｎ系）アルミニウム合金、６０００系（Ａｌ－Ｍｇ－Ｓｉ系）アルミニウム合金、又は８０００系アルミニウム合金からなる部材が、適宜の形状及び寸法において用いられるのであるが、一般に、図示の如き矩形の板状形状を呈する部材が、好適に用いられることとなる。また、この終了タブ材２０を与える、上記した特定のアルミニウム合金は、何れも、摩擦撹拌に際して、メタルの良好な流動性を示すものであるところから、そのような材質の終了タブ材２０内へ、回転工具１０のプローブ１６を、第一及び第二の部材２，４の突合せ部６から入り込ませ、そして移動せしめるようにすることによって、かかる回転工具１０のプローブ１６の周りに凝着せるメタルが、終了タブ材２０を移動する間に、効果的に取り除かれることになる。

　要するに、図２に示される如く、回転工具１０が、その軸心回りの回転状態下、その上側ショルダ部材１２と下側ショルダ部材１４との間で、第一及び第二の部材２，４の突合せ部６を挟圧しつつ、第一及び第二の部材２，４に対して、相対的に、突合せ部６に沿って移動せしめられることにより、かかる突合せ部６を摩擦撹拌接合した後、突合せ部６の終了端から終了タブ材２０に入り込み、そのまま回転工具１０が回転せしめられて、終了タブ材２０のメタルを摩擦撹拌しつつ、かかる終了タブ材２０を通過せしめられることによって、第一及び第二の部材２，４の突合せ部６の摩擦撹拌接合操作にて、回転工具１０のプローブ１６の周り等に凝着したメタルは、終了タブ材２０を通過する際のメタルの摩擦撹拌により効果的に除去されることとなるのである。そして、これによって、終了タブ材２０から離脱して外方に取り出される回転工具１０には、付着したメタルが殆ど存在せず、そのために、回転工具１０からの面倒なメタルの除去操作を実施する必要がなくなったのであり、またそのような回転工具１０を、そのまま、次の摩擦撹拌接合操作に用いるという、繰り返しの使用が可能となるのであって、以て、回転工具１０の使用効率が、有利に高められ得るのである。

　しかも、回転工具１０のプローブ１６が、第一、第二の部材２，４の突合せ部６から、終了タブ材２０に進入せしめられても、かかる終了タブ材２０は、メタルの流動性の良好な所定のアルミニウム合金材質とされているところから、回転工具１０による摩擦撹拌作用によって、終了タブ材２０側から、メタルが、第一、第二の部材２，４の突合せ部６の終了端側に有効に流動せしめられ得ることとなるのであり、これによって、そのような突合せ部６の終了端部位において、欠損部が発生するようなことが、効果的に阻止され得ることとなるのであり、以て、良好な接合端が形成され得て、その接合端部位における切除量も、効果的に低減され得ることとなって、材料のロスが、有利に軽減され得るという利点も享受することが出来るのである。

　なお、かかる摩擦撹拌接合操作の施される第一の部材２と第二の部材４とは、一般に、その板状部の同様な板厚（ｔ）の部位において突き合わされて、突合せ部６が形成され、そしてそのような突合せ部６における接合終了端側となる、第一及び第二の部材２，４の端面に対して当接せしめられる終了タブ材２０の厚さ（Ｔｅ）にあっても、かかる突合せ部６における板厚（ｔ）と略等しくなるように構成されている。また、かかる終了タブ材２０の寸法は、本発明の目的が達成され得るように適宜に選定されることとなるが、図１に示される如く、第一及び第二の部材２、４の接合方向である、突合せ部６の延びる方向における長さ（Ｌｅ）は、一般に、回転工具１０におけるショルダ部材１２，１４の直径（Ｄ）、換言すればそれぞれのショルダ面１２ａ，１４ａの直径の４倍以上の長さとされていることが望ましく、更に、そのような接合方向の長さ（Ｌｅ）に対して直角な方向における長さとなる幅（Ｗｅ）は、回転工具１０のショルダ部材１２，１４の直径（Ｄ）の２倍以上の寸法とされていることが望ましい。これら長さ（Ｌｅ）と幅（Ｗｅ）の条件を満たすように、終了タブ材２０の大きさや形状が適宜に選定されることとなるのである。そして、終了タブ材２０の厚さ（Ｔｅ）は、回転工具１０におけるプローブ１６の直径（ｄ）の１／２以下となるような寸法とされていることが望ましく、これによって、本発明に従う摩擦撹拌接合操作がより有利に進行せしめられ得るのである。

　また、ここでは、回転工具１０のショルダ部材１２，１４は、同一径を有するものとなっているが、それらの直径を或る程度異ならしめることも可能であって、その場合において、上側ショルダ部材１２の直径を下側ショルダ部材１４の直径よりも大きくすることが望ましく、そして前記したショルダ部材１２，１４の直径（Ｄ）には、ショルダ面の直径が大きい方の直径が採用されることとなる。なお、かかるショルダ部材１２，１４の直径（Ｄ）は、一般に、プローブ１６の直径（ｄ）よりも少なくとも４ｍｍ以上大きな寸法とされている。そして、上述の如く、ショルダ部材１２，１４の直径を異ならしめた場合においては、その小さな方のショルダ部材（１４）の直径は、プローブ１６の直径（ｄ）に２ｍｍを加えた値よりも小さくならないように設定される。

　ところで、かくの如き摩擦撹拌接合操作に用いられる回転工具１０としては、ロッド状のプローブの軸方向に所定の間隔をおいて配した二つのショルダ部材１２，１４にて、第一の部材２と第二の部材４との突合せ部（被接合部位）６を挟圧しつつ、かかる回転工具１０の回転によって摩擦撹拌接合せしめ得るようにした、公知の各種の回転工具を、適宜に用いることが出来、例えば、図３（ａ）に示される如く、上側ショルダ部材１２と下側ショルダ部材１４とが所定の間隔を隔てて対向せる形態において、プローブ１６にて同軸的に連結固定せしめられてなる構造のツール、所謂ボビンツール１０が用いられ得るのである。そこでは、下側ショルダ部材１４がプローブ１６に螺合されて、プローブ１６の２つのショルダ部材１２，１４間の長さが規定されるようになっていると共に、更に螺合せしめられた止めナット１８にて、下側ショルダ部材１４が移動しないように固定せしめられるようになっている。また、その他、図３（ｂ）に示される如く、二つのショルダ部材のうちの下側ショルダ部材１５に対して、同軸的にプローブ１７を固定せしめ、そして、上側ショルダ部材１３を軸方向に貫通するようにプローブ１７を挿通せしめて、上側ショルダ部材１３に対して、プローブ１７が、その軸方向に移動可能として、それら上側ショルダ部材１３と下側ショルダ部材１５との間の間隔が変更可能な構造としたツール、所謂セルフリアクティングツール１１を用いることも可能である。

　なお、それら二つのショルダ部材１２，１４；１３，１５間の間隙（プローブ１６，１７の長さ）は、接合部位となる突合せ部６に対して適切な挟圧作用を加え得るように、かかる突合せ部６（終了タブ材２０）の厚さよりも或る程度小さくなるように構成されることとなる。また、セルフリアクティングツール１１においては、上側ショルダ部材１３と下側ショルダ部材１５とが同一方向に回転せしめられる他、異なる方向に回転せしめられるようになっていても、何等差支えない。更に、それらボビンツール１０やセルフリアクティングツール１１の如き本発明に従う回転工具１０を用いた摩擦撹拌接合操作は、接合部位の厚さ、例えば第一及び第二の部材２，４の厚さ（ｔ）が、一般に２ｍｍ以上の場合において、有利に採用されるものである。なお、本発明において、それら第一及び第二の部材２，４の厚さ（ｔ）の上限は、一般に、１０ｍｍ程度とされることとなる。

　また、上述した実施形態においては、第一の部材２と第二の部材４との突合せ部６に対して、摩擦撹拌接合操作を施して、それら部材２，４が線接合せしめられるようになっているが、図４に示される如く、中空構造体３０を与えるハット状断面形状の上側部材３２（第一の部材）の板状のフランジ部３２ａと、ハット状断面形状の下側部材３４（第二の部材）の板状のフランジ部３４ａとを重ね合わせて、その重合せ部位３６に対して摩擦撹拌接合操作を施す方式に対しても、本発明を適用することは可能である。そして、そこでは、重合せ部３６と同程度の厚さを有する終了タブ材２４が、それら板状フランジ部３２ａ，３４ａの重合せ部３６の長手方向の端面に当接保持されてなる状態において、回転工具１０が、板状フランジ部３２ａ，３４ａの重合せ部３６から終了タブ材２４に導かれた後、摩擦撹拌接合操作が終了せしめられるようになっている。従って、回転工具１０は、その軸心回りに回転せしめられつつ、重合せ部３６から終了タブ材２４に進入し、そして、摩擦撹拌接合が終了せしめられることとなるのであるが、その際、本発明に従って終了タブ材２４上を所定長さに亘って移動せしめられることによって、回転工具１０のプローブ１６に凝着せるメタルも、効果的に除去せしめられることとなるのであって、以て、先の実施形態の場合と同様な特徴が発揮され得るのである。

　ところで、かかる図４に示される実施形態においては、フランジ部３２ａ，３４ａの重合せ部３６の長手方向の端面に対して、終了タブ材２４が当接せしめられているが、かかる重合せ部３６の幅方向の端面に対して終了タブ材（２４）を当接せしめ、重合せ部３６の終了端側部位から終了タブ材（２４）側に直角方向に導かれるようにして、回転工具１０による摩擦撹拌接合操作を進行せしめるようにすることも可能であり、この場合においても、同様な効果を享受することが可能である。

　また、上述の如くして摩擦撹拌接合操作を終了せしめることにより、回転工具１０のプローブ１６へのメタルの凝着を解消しつつ、摩擦撹拌接合部８，３８における良好な終了端を実現した接合製品を得ることが出来ることとなるのであるが、また、そのような接合製品には、その接合終了端側に、終了タブ材２０が、摩擦撹拌せしめられたメタルにより固着することとなる。しかし、そのような終了タブ材２０は、機械的に簡単に折り取ることが可能であり、以て健全な接合部８，３８を有する接合製品が容易に実現され得るのであるが、更に必要に応じて、そのような終了タブ材２０を取り除いた後、第一及び第二の部材２，４の端面に固着するメタルをグラインダ等の切削機にて切削除去せしめ、端面を仕上げるようにすることも、本発明においては有利に採用されるところである。

　そして、かくの如き摩擦撹拌接合手法にて得られる接合製品における接合部の改善によって、本発明は、例えば、板材や押出材等の展伸材や鋳物を接合し、大型材を製造する技術に有利に適用され得ることとなったのであり、また、そのようにして得られた接合製品は、鉄道車両構体や自動車のサブフレーム等の構造部材等として有利に採用され得て、その特徴を発揮するものである。

　以下に、本発明の実施例を示し、本発明を更に具体的に明らかにすることとするが、本発明が、そのような実施例の記載によって、何等の制約をも受けるものでないことは、言うまでもないところである。また、本発明には、以下の実施例の他にも、更には上記した具体的構成以外にも、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に基づいて種々なる変更、修正、改良等を加え得るものであることが、理解されるべきである。

－実施例１－
　板厚（ｔ）：２．８～９．２ｍｍ、板幅：３００ｍｍ、長さ：５０００ｍｍの寸法を有する、下記表１～２に示される各種アルミニウム材質の板状の第一の部材（２）及び第二の部材（４）を用い、それらの板幅方向に対向する側面を突き合わせて、その突合せ部（６）の下方に位置するように間隙を設けてなるテーブル上に、それら２つの部材（２，４）をそれぞれ固定、保持せしめた。また、それら突き合わされた２つの部材（２，４）の突合せ部（６）の接合終了端側の端部には、板厚（Ｔｅ）、接合方向長さ（Ｌｅ）及び接合方向に直角な方向の幅（Ｗｅ）が各種寸法とされた、下記表１～２に示される各種アルミニウム材質の板状の終了タブ材（２０）を用いて、図１に示される如く突き合わせ、先の２つの部材（２，４）と同様にテーブル上に固定、保持せしめた。

　一方、回転治具（１０）としては、下記表１～２に示される、２つのショルダ部材（１２，１４）の直径（Ｄ）、２つのショルダ面（１２ａ，１４ａ）間のプローブ（１６）の長さ及びプローブ（１６）の直径（ｄ）を備えた、図３（ａ）に示される如きボビンツールを用い、下記表１～２に示される回転数及び接合速度の条件下において、図２に示される如く、第一及び第二の部材（２，４）の突合せ部（６）を上下から挟圧しつつ、かかる突合せ部（６）に沿ってボビンツール（１０）を移動させることにより、それら第一及び第二の部材（２，４）の突合せ部（６）を摩擦撹拌接合した後、その終了端から終了タブ材（２０）に進入せしめ、更に、終了タブ材（２０）の長手方向にボビンツール（１０）を移動させて、通過せしめることにより、摩擦撹拌接合操作を終了した。

　そして、そのような摩擦撹拌接合の終了に際してのボビンツール（１０）におけるメタルの付着の程度を観察する一方、そのような摩擦撹拌接合操作の終了したボビンツール（１０）をそのまま用い、再度同様な摩擦撹拌接合操作を実施して、その２回目の摩擦撹拌接合操作の成功率を求め、その結果を、下記表１～２に併せ示した。なお、メタルの付着の程度の評価に際しては、○：メタルの付着が殆ど認められない、△：メタルの付着が認められる、×：メタルの付着が著しい、との基準を採用した。

　かかる表１及び表２の結果から明らかなように、ＦＳＷ試験例１～１１の如く、終了タブ材（２０）の材質として、１０００系アルミニウム合金、３０００系アルミニウム合金、６０００系アルミニウム合金又は８０００系アルミニウム合金を用いることによって、ボビンツール（１０）に対するメタルの凝着が、効果的に抑制乃至は阻止され得るのであって、以て、摩擦撹拌接合操作が終了したボビンツール（１０）を、引き続き、次の２つの部材（２，４）の摩擦撹拌接合操作に用いることが可能となることを確認した。

－実施例２－
　前記実施例１におけるＦＳＷ試験例１に係る摩擦撹拌接合操作において、第一及び第二の部材（２，４）の板厚及び終了タブ材（２０）の板厚を変化させると共に、終了タブ材（２０）の接合方向長さ（Ｌｅ）と、それに直角な方向の幅（Ｗｅ）の寸法を、下記表３に示されるように変えたこと以外は、実施例１と同様にして、摩擦撹拌接合操作を実施した。また、その際、ボビンツール（１０）が終了タブ材（２０）を通過した後、摩擦撹拌接合操作が終了せしめられるようにした。更に、その摩擦撹拌接合（ＦＳＷ）操作の終了したボビンツール（１０）をそのまま用いて、実施例１と同様にして、２回目の摩擦撹拌接合操作を実施した。そして、そのような１回目の摩擦撹拌接合操作が終了した後におけるボビンツール（１０）のメタル凝着状況を観察して、実施例１と同様に評価し、その結果を、２回目のＦＳＷ試験結果と共に、下記表３に併せ示した。

　かかる表３の結果から明らかな如く、終了タブ材（２０）の接合方向長さ（Ｌｅ）を、ボビンツール（１０）におけるショルダ部材（１２，１４）の直径（Ｄ）の４倍以上の長さを有すると共に、かかる接合方向に直角な方向における幅（Ｗｅ）を、ショルダ部材（１２，１４）の直径（Ｄ）の２倍以上とすることによって、ボビンツール（１０）に対するメタルの凝着が、効果的に抑制乃至は阻止され得ることを認めることが出来る。

　　２　第一の部材　　　　　　　　　　　４　第二の部材
　　６　突合せ部　　　　　　　　　　　　８　摩擦撹拌接合部
　１０　回転工具（ボビンツール）　　　１１　セルフリアクティングツール
　１２，１３　上側ショルダ部材　　　　１４，１５　下側ショルダ部材
　１２ａ　上側ショルダ面　　　　　　　１４ａ　下側ショルダ面
　１６，１７　プローブ　　　　　　　　１８　止めナット
　２０，２４　終了タブ材　　　　　　　３０　中空構造体
　３２　上側部材　　　　　　　　　　　３２ａ，３４ａ　フランジ部
　３４　下側部材　　　　　　　　　　　３６　重合せ部

Claims

　アルミニウム合金製鋳物、２０００系アルミニウム合金材、４０００系アルミニウム合金材、５０００系アルミニウム合金材及び７０００系アルミニウム合金材からなる群より選ばれた同種又は異種材質の第一の部材と第二の部材との接合部位を、回転工具におけるロッド状のプローブの軸方向に所定の間隔をおいて配した二つのショルダ部材にて挟圧しつつ、かかる回転工具の回転によって、それら二つのショルダ部材と共に回転せしめられる前記プローブを、該接合部位の延びる方向に移動させることにより、前記第一の部材と前記第二の部材との接合部位を摩擦撹拌接合するに際し、
　前記第一及び第二の部材の接合部位における接合終了端側の端面に対して、１０００系アルミニウム合金、３０００系アルミニウム合金、６０００系アルミニウム合金又は８０００系アルミニウム合金からなる終了タブ材を当接せしめ、前記回転工具のプローブが、前記第一及び第二の部材の接合部位から該終了タブ材に導かれて、前記摩擦撹拌接合が終了せしめられるようにしたことを特徴とする摩擦撹拌接合方法。
　前記終了タブ材が、前記回転工具による前記第一及び第二の部材の接合方向において前記ショルダ部材の直径の４倍以上の長さを有していると共に、該接合方向に直角な方向において該ショルダ部材の直径の２倍以上の幅を有している板材である請求項１に記載の摩擦撹拌接合方法。
　前記終了タブ材が、前記回転工具におけるプローブの直径の１／２以下の厚さを有している請求項１又は請求項２に記載の摩擦撹拌接合方法。
　前記第一の部材と前記第二の部材とを突き合わせ、その突合わせ部位に対して、前記摩擦撹拌接合が実施される請求項１乃至請求項３の何れか一つに記載の摩擦撹拌接合方法。
　前記第一の部材と前記第二の部材とを重ね合わせ、その重合わせ部位に対して、前記摩擦撹拌接合が実施される請求項１乃至請求項３の何れか一つに記載の摩擦撹拌接合方法。
　前記回転工具が、前記プローブに対して、前記二つのショルダ部材を所定の間隔をおいて固定的に取り付けてなるボビンツールである請求項１乃至請求項５の何れか一つに記載の摩擦撹拌接合方法。
　前記回転工具が、前記プローブに対して、前記二つのショルダ部材のうちの一方を固定し、他方を該プローブの軸方向に移動可能として、それら二つのショルダ部材の間隔が変更され得るようにしたセルフリアクティングツールである請求項１乃至請求項５の何れか一つに記載の摩擦撹拌接合方法。