WO2015068428A1

WO2015068428A1 - 摩擦撹拌接合方法

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Publication number: WO2015068428A1
Application number: PCT/JP2014/068803
Authority: WO
Inventors: 加藤　慶訓
Original assignee: 三菱重工業株式会社
Priority date: 2013-11-07
Filing date: 2014-07-15
Publication date: 2015-05-14
Also published as: GB2535895B; GB201604718D0; US20160221116A1; KR20160046842A; JP6226184B2; CN105555462A; CN105555462B; GB2535895A; US10155282B2; KR101799218B1; JP2015089568A

Abstract

本発明は、強固な接合部を形成しつつ、凹みが残って外観を損なうという不都合を解消することを目的とし、摩擦撹拌接合方法において、一対の板材（３、４）の端部（３ａ、４ａ）同士を互いに突き合わせるように対向配置し摩擦撹拌接合する方法であって、一対の板材（３、４）の端部（３ａ、４ａ）同士を摩擦撹拌して接合する接合部（Ｓ）を挟み込むように、板材（３、４）の一面（７）側に第一ショルダ（５）を、板材（３、４）の他面（８）側に第二ショルダ（６）をそれぞれ配置し、第一ショルダ（５）と第二ショルダ（６）を回転させて一対の板材（３、４）の接合部（Ｓ）を摩擦撹拌し、接合部（Ｓ）を摩擦撹拌するとともに第一ショルダ（５）及び第二ショルダ（６）を板材（３、４）の他面（８）から一面（７）に向かう方向に移動させ、板材（３、４）の一面（７）から突出する凸部（３１）を接合部（Ｓ）に形成しながら摩擦撹拌接合する構成とした。

Description

摩擦撹拌接合方法

　本発明は、一対の板材の端部同士を摩擦撹拌して接合する摩擦撹拌接合方法に関する。
　本発明は、２０１３年１１月７日に出願された特願２０１３－２３１３７５号に基づき、優先権を主張し、その内容をここに援用する。

　従来、軽量で高剛性、優れた平滑性を実現できるため、車両や航空機等の側面構体や床構体、建物の屋根構体等に、アルミニウム合金製などのダブルスキン構造（二面構造）の中空形材が用いられている。そして、このような中空形材など、金属製の板材（板状の部材・部位）を突き合わせ接合する方法として、アーク溶接（ＴＩＧ、ＭＩＧ等）等と比較し、ブローホールや凝固割れ等の接合欠陥が発生しにくいなどの多くの利点を有することから、摩擦撹拌接合と称する方法が多用されている。

　また、摩擦撹拌接合を行う方法には、ボビンツール式と称する方法があり、このボビンツール式の摩擦接合方法では、図４に示すように、回転軸１の先端にピン状のプローブ２を互いの軸線Ｏ１を同軸上に配して一体に設け、一対の板材３、４の端部３ａ、４ａ同士を突き合わせるように配置した接合部（突き合わせ部）Ｓを挟み込むように上ショルダ（第一ショルダ）５と下ショルダ（第二ショルダ）６を配置する。そして、回転軸１及びプローブ２を軸線Ｏ１周りに回転させるとともに、上下のショルダ５、６を所定の加圧力で板材３、４の接合部Ｓに押圧させつつ高速回転させる。

　これにより、一対の板材３、４の接合部Ｓとショルダ５、６の接触面で摩擦熱が発生し、その周囲が可塑化する。これとともに、プローブ２の高速回転に伴う撹拌作用で一対の板材３、４の端部３ａ、４ａ側（接合部Ｓ）の組織が入り交じり、一対の板材３、４の端部３ａ、４ａ同士を強固に接合することができる（例えば、特許文献１参照）。

特開２００６－８８１７３号公報

　しかしながら、上記従来の摩擦撹拌接合方法においては、一対の板材３、４の接合部Ｓを挟み込むように配置した上ショルダ５と下ショルダ６を所定の加圧力で押圧させつつ高速回転させるため、図５に示すように、板材３、４の外面（一面７：及び内面（他面８））が凹んでしまう。例えば、ダブルスキン構造の中空形材を接合して形成される車両には無塗装で用いるものもあり、板材３、４の外面７に凹み９が生じることにより、車両の外観を損なうという不都合が生じる。

　本発明の第一の態様における摩擦撹拌接合方法は、一対の板材の端部同士を互いに突き合わせるように対向配置し摩擦撹拌接合する方法であって、前記一対の板材の端部同士を摩擦撹拌して接合する接合部を挟み込むように、前記板材の一面側に第一ショルダを、前記板材の他面側に第二ショルダをそれぞれ配置し、前記第一ショルダと前記第二ショルダを回転させて前記一対の板材の前記接合部を摩擦撹拌し、前記接合部を摩擦撹拌するとともに前記第一ショルダ及び前記第二ショルダを前記板材の他面から一面に向かう方向に移動させ、前記板材の一面から突出する凸部を前記接合部に形成しながら摩擦撹拌接合する。

　また、本発明の第二の態様において、上記第一の態様における摩擦撹拌接合方法においては、前記凸部を除去して前記接合部と前記板材の他の部分の一面とを面一にすることが望ましい。

　さらに、本発明の第三の態様において、上記第二の態様における摩擦撹拌接合方法においては、前記凸部を除去した状態で前記接合部の板厚が所定の厚さになるように前記板材が予め形成されていることがより望ましい。

　また、本発明の第四の態様において、上記の各態様における摩擦撹拌接合方法においては、前記第一ショルダの前記板材の一面に接触する接触面積を、前記第二ショルダが前記板材の他面に接触する接触面積よりも小さくすることが望ましい。

　さらに、本発明の第五の態様において、上記の第一から第三の各態様における摩擦撹拌接合方法においては、前記第二ショルダが前記板材の他面に接触する接触面積を、前記第一ショルダの前記板材の一面に接触する接触面積よりも小さくしてもよい。

　また、本発明の第六の態様において、上記の各態様における摩擦撹拌接合方法においては、前記接合部を挟んで両側の一方の板材と他方の板材の一面を押え部材で押さえながら前記第一ショルダ及び前記第二ショルダを前記板材の他面から一面に向かう方向に移動させ、前記凸部を前記接合部に形成することが望ましい。

　本発明の摩擦撹拌接合方法においては、一対の板材の端部同士を突き合わせるように配置してなる接合部（突き合わせ部）を挟み込むように第一ショルダと第二ショルダを配置し、これら第一ショルダと第二ショルダを回転させ、摩擦熱で可塑化した一対の板材の接合部を摩擦撹拌するとともに、第一ショルダ及び第二ショルダを板材の他面から一面に向かう方向に移動させることで、板材の一面から突出する凸部を接合部に形成しながら摩擦撹拌接合することができる。

　これにより、従来のように板材の外面（一面）に凹みが生じるのではなく、凸部が形成されるため、必要に応じてこの凸部を切削／研削除去し、板材の他の部分の一面と面一になるように（滑らかに繋がるように）することで、強固な接合部を形成しつつ、従来の摩擦撹拌接合方法のように凹みが残って外観を損なうという不都合を解消することが可能になる。

　また、本発明の摩擦撹拌接合方法においては、凸部を除去した状態で接合部の板厚が所定の厚さになるように板材を予め形成しておくことにより、例えば凸部を除去することで接合部が板材の板厚が他の部分よりも薄肉になることを防止できる。これにより、板材の一面から突出する凸部を接合部に形成しながら摩擦撹拌接合するようにし、この凸部を除去する場合であっても、所望の板材の接合部の強度・耐力を確保することが可能になる。

　さらに、本発明の摩擦撹拌接合方法においては、第一ショルダの板材の一面に接触する接触面積を、第二ショルダが板材の他面に接触する接触面積よりも小さくすると、接触面積の違いに応じた小さな凸部を形成することができる。これにより、凸部を切削除去して板材の他の部分の一面と面一になるように加工する際に、その切削加工量・領域を少なくすることができる。

　また、本発明の摩擦撹拌接合方法においては、第二ショルダが板材の他面に接触する接触面積を、第一ショルダの板材の一面に接触する接触面積よりも小さくすると、第一ショルダ及び第二ショルダを板材の他面から一面に向かう方向に移動させ、板材の一面から突出する凸部を接合部に形成する際に、第二ショルダから集中的に一対の板材の接合部に力を作用させることが可能になる。これにより、凸部を形成しやすくなり、小さな力で好適に凸部を形成することが可能になる。

　さらに、本発明の摩擦撹拌接合方法においては、接合部を挟んで両側の一方の板材と他方の板材の一面を押え部材で押さえておき、この状態で第一ショルダ及び第二ショルダを板材の他面から一面に向かう方向に移動させることにより、押え部材で反力を確保し一対の板材の接合部に集中的に力を作用させることができ、好適に凸部を形成することが可能になる。

本発明の一実施形態に係るボビンツール式の摩擦撹拌接合装置を示す図である。本発明の一実施形態に係るボビンツール式の摩擦撹拌接合方法を示す図であり、（ａ）が上下のショルダ固定式、（ｂ）が上下のショルダ間隔可変式の摩擦撹拌接合装置をそれぞれ用いた場合の図である。本発明の一実施形態に係る摩擦撹拌接合方法で形成された凸部を除去した状態を示す図である。従来のボビンツール式の摩擦撹拌接合方法を示す図である。従来のボビンツール式の摩擦撹拌接合方法の接合部（突き合わせ部）を示す図である。

　以下、図１から図３を参照し、本発明の一実施形態に係る摩擦撹拌接合方法について説明する。ここで、本実施形態は、本発明に係る板材が車両や航空機等の側面構体や床構体、建物の屋根構体等に用いられるアルミニウム合金製などのダブルスキン構造の中空形材とし、一対の中空形材を形成する金属製の板材（板状の部材・部位）を突き合わせるように摩擦撹拌接合するものとして説明を行う。なお、本発明の摩擦撹拌接合方法は、勿論、中空形材の接合に限定して用いる必要はなく、従来周知の摩擦撹拌接合方法で接合可能な板材であれば、あらゆる板材の接合に適用可能である。

　はじめに、本実施形態の摩擦撹拌接合方法で用いる摩擦撹拌接合装置の一例について説明する。本実施形態の摩擦撹拌接合装置１０は、図１に示すように、一方の板材（中空形材を形成する板状部位）３と他方の板材４の端部３ａ、４ａ同士を突き合わせるように配置し、これら一対の板材３、４の接合部（突き合わせ部）Ｓを摩擦撹拌接合によって接合する装置である。

　また、この摩擦撹拌接合装置１０は、各板材３、４が配置されるワーク配置部１１と、ワーク配置部１１に配置されるワークである一対の板材３、４に対し、これら板材３、４の外面（一面）７側の上方に配設された本体部１２と、本体部１２に設けられ、工具であるボビンツール１３を保持する工具保持部１４とを備えて構成されている。

　さらに、本実施形態の摩擦撹拌接合装置１０においては、板材３、４上で工具保持部１４を支持するとともに、板材３、４の外面７を押圧して板材３、４を安定的に押さえて保持する押え部材１５と、ワーク配置部１１に配置される板材３、４に向かって、押え部材１５に予め設定された荷重を与える荷重付与手段１６とを備えている。

　ボビンツール１３は、図１及び図２（図２（ａ）：上下のショルダ固定式のボビンツール、図２（ｂ）：上下のショルダ間隔可変式のボビンツール）に示すように、板材３、４の外面７側に配置され、外面７を押圧する第一ショルダ面５ａを備えた上ショルダ（第一ショルダ）５と、板材３、４の内面８側に配置され、内面８を押圧する第二ショルダ面６ａを備えた下ショルダ（第二ショルダ）６と、上ショルダ５の第一ショルダ面５ａから突出し、下ショルダ６に繋がるプローブ２とを備えて構成されている。

　また、ボビンツール１３の上ショルダ５には、第一ショルダ面５ａに開口する貫通孔が形成されており、この貫通孔にプローブ２が挿通されている。これにより、プローブ２を貫通孔に沿って上下方向Ｔ１に進退させることによって第一ショルダ面５ａに対して第二ショルダ面６ａを近接離間させることができる。すなわち、本実施形態の摩擦撹拌接合装置１０は上下のショルダ間隔可変式の装置となっている。

　次に、工具保持部１４は、図１に示すように、端面にボビンツール１３の上ショルダ５が取り付けられる略筒状の上ショルダ取付部材２０と、先端にプローブ２が取り付けられる下ショルダ取付軸（回転軸）１と、略筒状に形成され、上ショルダ取付部材２０及び下ショルダ取付軸１を支持する支持筒２１とを備えて構成されている。また、上ショルダ取付部材２０と下ショルダ取付軸１と支持筒２１は、互いの中心軸線Ｏ１を同軸上に配置しつつ、中心軸線Ｏ１方向がワークである板材３、４に対向する上下方向Ｔ１に沿うように設けられている。

　上ショルダ取付部材２０は略筒状に形成されており、この上ショルダ取付部材２０の内孔に下ショルダ取付軸１が挿通され、その基端を上ショルダ取付部材２０から突出させて設けられている。また、下ショルダ取付軸１には、上ショルダ取付部材２０に挿通された部分に、軸線Ｏ１方向に沿って延びるキー１ａが形成されており、上ショルダ取付部材２０から突出した部分に、平板状のピストン１ｂが径方向に張り出して設けられている。

　一方、上ショルダ取付部材２０には、下ショルダ取付軸１に設けられたキー１ａが噛合するキー溝２０ａが中心軸線Ｏ１に沿って形成されており、これにより、下ショルダ取付軸１は、上ショルダ取付部材２０に対して中心軸線Ｏ１周りに回転不能で、且つ中心軸線Ｏ１に進退可能に配設されている。

　支持筒２１は、下方に開口して上ショルダ取付部材２０を中心軸線Ｏ１周りに回転可能に収容する取付部材収容部２１ａと、下ショルダ取付軸１を中心軸線Ｏ１に沿って進退させるシリンダ部２１ｂと、本体部１２に支持され、中心軸線Ｏ１上でシリンダ部２１ｂから突出する軸状の被支持部２１ｃとを備えて構成されている。

　取付部材収容部２１ａには、上ショルダ取付部材２０のフランジ２０ｂを収容するとともに、中心軸線Ｏ１周りに回転可能に支持する軸受部２１ｄが設けられている。また、取付部材収容部２１ａの内周面には、上ショルダ取付部材２０を中心軸線Ｏ１周りに回転駆動するモータ２２が内蔵されている。これにより、キー１ａ及びキー溝２０ａが噛合して繋がる上ショルダ取付部材２０と下ショルダ取付軸１とが、モータ２２の駆動により中心軸線Ｏ１周りに回転可能とされている。

　シリンダ部２１ｂは、ピストン１ｂを支持する略筒状のピストン支持部２１ｅと、ピストン支持部２１ｅの先端側及び基端側の開口に設けられ、下ショルダ取付軸１を支持する先端側支持部２１ｆ及び基端側支持部２１ｇとを備えて構成されている。

　また、ピストン１ｂの外周面には軸受２１ｈが設けられており、この軸受２１ｈにより、ピストン１ｂがピストン支持部２１ｅに対し、中心軸線Ｏ１に沿って進退可能且つ中心軸線Ｏ１周りに回転可能に支持されている。さらに、先端側支持部２１ｆ及び基端側支持部２１ｇにも軸受２１ｉ、２１ｊが設けられており、これら軸受２１ｉ、２１ｊにより、下ショルダ取付軸１がピストン支持部２１ｅに対し、中心軸線Ｏ１に沿って進退可能且つ中心軸線Ｏ１周りに回転可能に支持されている。

　そして、ピストン１ｂと、先端側支持部２１ｆ及び基端側支持部２１ｇとの間には、作動油が供給される第一油圧室２１ｍ及び第二油圧室２１ｎが形成されている。また、シリンダ部２１ｂには、本体部１２に貫通して外部まで接続されるとともに、それぞれ第一油圧室２１ｍまたは第二油圧室２１ｎまで連通する作動油供給管路２１ｐ、２１ｑが形成されている。

　これにより、外部に設けられた油圧制御装置（不図示）から、作動油供給管路２１ｐ、２１ｑを経由して第一油圧室２１ｍまたは第二油圧室２１ｎに選択的に油圧を入力することにより、下ショルダ取付軸１を先端側または基端側へと中心軸線Ｏ１に沿ってスライド移動させることができる。そして、油圧制御装置、シリンダ部２１ｂ及びピストン１ｂにより加圧手段２３が構成され、ワーク配置部１１に配置された板材３、４に対し、中心軸線Ｏ１に沿う方向に力を与え、下ショルダ６の第二ショルダ面６ａを板材３、４に押圧させ、ワーク配置部１１に配置された板材３、４を加圧することができる。

　本体部１２は、加工機主軸１０ａに取り付けられている。また、本体部１２は、略筒状に形成され、ワーク配置部１１に配置される板材３、４の外面７側となる下方に向けて開口し工具保持部１４が収容された収容部２５と、収容部２５に収容された工具保持部１４を板材３、４に対して近接離間する上下方向Ｔ１に進退可能に支持する本体支持部２６とを備えて構成されている。本体支持部２６は、軸受２６ａ、２６ｂを備え、軸受２６ａ、２６ｂによって被支持部２１ｃを中心軸線Ｏ１に沿って進退可能に支持している。

　押え部材１５は、工具保持部１４の取付部材収容部２１ａの下端面から突出する支持部材２７と、支持部材２７に回転可能に支持されて板材３、４の外面に当接するローラ２８と、支持部材２７から径方向に張り出すように設けられた張出部材２９とを備えている。
また、押え部材１５は、工具保持部１４に保持されたボビンツール１３を走査する走査方向（図１において紙面奥行方向）Ｔ２に直交する横方向Ｔ３に、ボビンツール１３を挟むようにして両側に対をなして配置されている。そして、ローラ２８は、走査方向に直交する横方向Ｔ３に沿うように配された回転軸周りに回転可能に設けられ、すなわち、ボビンツール１３の走査に伴って板材３、４の外面７上を走査方向Ｔ２に転動可能に設けられている。

　荷重付与手段１６は、押え部材１５が接続されて下向きとなる自重及び保持するボビンツール１３の重量分の力Ｐ１を作用させる工具保持部１４と、張出部材２９と本体部１２の下端面との間に設けられ、中心軸線Ｏ１に沿う方向に補助力Ｐ２を作用させる引き上げ力付与部３０とを備えて構成されている。

　引き上げ力付与部３０は、例えばエアシリンダであり、その駆動によってローラ２８から板材３、４に作用する力（Ｐ１）を調整することができる。また、本実施形態の押え部材１５は、支持部材２７が引き上げ力付与部３０の伸縮に応じて伸縮可能に構成されており、引き上げ力付与部３０を伸長させると、本体部１２及び工具保持部１４、ひいては上ショルダ５及び下ショルダ６を、板材３、４の内面８から外面７に向かう方向に移動させることができる。すなわち、引き上げ力付与部３０を伸長させると、上ショルダ５及び下ショルダ６を板材３、４に対して上方に引き上げることができる。

　そして、上記構成からなる本実施形態の摩擦撹拌接合装置１０を用いて一対の板材３、４の端部３ａ、４ａ同士を接合する際には、一対の板材３、４の端部３ａ、４ａ同士を摩擦撹拌して接合する接合部Ｓを挟み込むように、板材３、４の外面（一面）７側に上ショルダ５を、板材３、４の内面（他面）８側に下ショルダ６をそれぞれ配置する。また、板材３、４の外面７上に押え部材１５のローラ２８を配置させる。この状態で、引き上げ力付与部３０によって所定の大きさの上向きの補助力Ｐ２を作用させ、また、押え部材１５から荷重Ｐ１が一対の板材３、４に作用する。

　そして、モータ２２を駆動させて工具保持部１４全体を回転させるとともに、加圧手段２３によって下ショルダ６に上向きの加圧力を作用させる。これにより、一対の板材３、４は、第二ショルダ面６ａから内面８に加圧力を受けるとともに、第一ショルダ面５ａから外面７にも上記加圧力相当の力が同様に作用する。これにより、第一ショルダ面５ａ及び第二ショルダ面６ａと、一対の板材３、４の外面７及び内面８との間には、例えば４００～５００℃程度の摩擦熱が生じ、これに伴い、板材３、４の接合部Ｓが軟化し、さらにこの軟化部分が撹拌され、一対の板材３、４の端部３ａ、４ａ同士が摩擦撹拌接合される。

　一方、本実施形態の摩擦撹拌接合方法においては、図２に示すように、上ショルダ５と下ショルダ６を回転させて一対の板材３、４の接合部Ｓを摩擦撹拌するとともに、引き上げ力付与部３０を駆動して上ショルダ５及び下ショルダ６を板材３、４の内面８から外面７に向かう方向に移動させる。すなわち、上ショルダ５及び下ショルダ６を上方に引き上げる。これにより、板材３、４の外面７から上方に突出する凸部３１を接合部Ｓが形成されることで、摩擦撹拌接合が行われる。

　また、このとき、例えば、１０～５０ｋｇｆ程度の引き上げ力で上ショルダ５及び下ショルダ６の引き上げを行い、突出高さが０．３±０．２ｍｍ、好ましくは０．１～０．５ｍｍ程度となるように凸部３１を形成する。

　そして、本実施形態では、図３に示すように、凸部３１を切削／研削除去し、接合部Ｓと板材３、４の他の部分の外面７とを面一に（滑らかに繋がるように）する。これにより、従来のように板材３、４の接合部Ｓの外面７に凹みが生じることがなく、外観を良好な状態にして接合作業が行なえる。

　ここで、本実施形態の摩擦撹拌接合方法においては、図２及び図３に示すように、予め接合部Ｓの板厚ｔ２を、板材３、４の他の部分の板厚ｔ１よりも大きくして板材３、４を形成しておき、例えば凸部３１を除去した状態で接合部Ｓの板厚ｔ２が他の部分の板厚ｔ１以上になるようにしておく。すなわち、本実施形態では、凸部３１を除去した状態で接合部Ｓの板厚ｔ２が所定の厚さになるように板材３、４が予め形成されている。

これにより、摩擦撹拌接合時に上ショルダ５及び下ショルダ６を上方に引き上げて凸部３１を形成し、この凸部３１を除去するようにしても、接合部Ｓの板厚ｔ２を他の部分の板厚ｔ１以上にすることができ、接合部Ｓの耐力等が低下するおそれがない。

　また、本実施形態では、接合部Ｓを挟んで両側の一方の板材３と他方の板材４の外面７を押え部材１５で押さえながら上ショルダ５及び下ショルダ６を引き上げて、凸部３１を接合部Ｓに形成する。これにより、引き上げ時に押え部材１５で反力が確保され、一対の板材３、４の接合部Ｓに集中的に力が作用する。よって、確実且つ好適に所望の高さ、大きさの凸部３１を形成することができる。

　さらに、上ショルダ５の板材３、４の外面に接触する接触面積を、下ショルダ６が板材３、４の内面８に接触する接触面積よりも小さくしてもよい。すなわち、上ショルダの第一ショルダ面５ａの面積を下ショルダ６の第二ショルダ面６ａの面積よりも小さくしてもよい。この場合には、形成される凸部３１が相対的に小さくなり、凸部３１を切削／研削除去する際の作業手間が少なくて済む。

　また、逆に、下ショルダ６が板材３、４の内面８に接触する接触面積を、上ショルダ５の板材３、４の外面７に接触する接触面積よりも小さくしてもよい。すなわち、下ショルダ６の第二ショルダ面６ａの面積を上ショルダの第一ショルダ面５ａの面積よりも小さくしてもよい。この場合には、上ショルダ５及び下ショルダ６を引き上げる際に、小さな下ショルダ６から集中的に一対の板材３、４の接合部Ｓに力が作用する。このため、凸部３１が形成しやすくなり、小さな力で好適に凸部３１が形成される。

　したがって、本実施形態の摩擦撹拌接合方法においては、一対の板材３、４の端部３ａ、４ａ同士を突き合わせるように配置した接合部Ｓを挟み込むように上ショルダ（第一ショルダ）５と下ショルダ（第二ショルダ）６を配置し、これら上ショルダ５と下ショルダ６を回転させ、摩擦熱で可塑化した一対の板材３、４の接合部Ｓを摩擦撹拌するとともに、上ショルダ５及び下ショルダ６を引き上げることで、板材３、４の外面（一面）７から突出する凸部３１を接合部Ｓに形成しながら摩擦撹拌接合することができる。

　これにより、従来のように板材３、４の外面７に凹みが生じるのではなく、凸部３１が形成されるため、必要に応じてこの凸部３１を切削／研削除去し、板材３、４の他の部分の外面７と面一になるようにすることで、強固な接合部Ｓを形成しつつ、従来の摩擦撹拌接合方法のように凹みが残って外観を損なうという不都合を解消することが可能になる。

　また、凸部３１を除去した状態で接合部Ｓの板厚ｔ２が所定の厚さ（ｔ１）以上になるように板材３、４を予め形成しておくことにより、例えば凸部３１を除去することで接合部Ｓが板材３、４の板厚ｔ２が他の部分よりも薄肉になることを防止できる。これにより、板材３、４の外面７から突出する凸部３１を接合部Ｓに形成しながら摩擦撹拌接合するようにし、この凸部３１を除去する場合であっても、所望の板材３、４の接合部Ｓの強度・耐力を確保することが可能になる。

　さらに、上ショルダ５の板材３、４の外面７に接触する接触面積を、下ショルダ６が板材３、４の内面８に接触する接触面積よりも小さくすると、接触面積の違いに応じた小さな凸部３１を形成することができる。これにより、凸部３１を切削除去して板材３、４の他の部分の外面７と面一になるように加工する際に、その切削加工量・領域を少なくすることができる。

　また、下ショルダ６が板材３、４の内面８に接触する接触面積を、上ショルダ５の板材３、４の外面７に接触する接触面積よりも小さくすると、上ショルダ５及び下ショルダ６を引き上げて凸部３１を接合部Ｓに形成する際に、下ショルダ６から集中的に一対の板材３、４の接合部Ｓに力を作用させることが可能になる。これにより、凸部３１を形成しやすくなり、小さな力で好適に凸部３１を形成することが可能になる。

　さらに、接合部Ｓを挟んで両側の一方の板材３と他方の板材４の外面７を押え部材１５で押さえておき、この状態で上ショルダ５及び下ショルダ６を引き上げることにより、押え部材１５で反力を確保し一対の板材３、４の接合部Ｓに集中的に力を作用させることができ、好適に凸部３１を形成することが可能になる。

　以上、本発明に係る摩擦撹拌接合方法の一実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

　本発明に係る摩擦攪拌接合方法によれば、車両や航空機等の側面構体や床構体、建物の屋根構体等に用いられるアルミニウム合金製などのダブルスキン構造の中空形材や、一対の中空形材を形成する金属製の板材（板状の部材・部位）を突き合わせるように摩擦撹拌接合することができる。なお、本発明の摩擦撹拌接合方法は、中空形材の接合に限定して用いる必要はなく、従来周知の摩擦撹拌接合方法で接合可能な板材であれば、あらゆる板材の接合に適用可能である。

　１　下ショルダ取付軸（回転軸）
　１ａ　　キー
　１ｂ　　ピストン
　２　　プローブ
　３　　板材（一方の板材）
　３ａ　　端部
　４　　板材（他方の板材）
　４ａ　　端部
　５　　上ショルダ（第一ショルダ）
　５ａ　　第一ショルダ面
　６　　下ショルダ（第二ショルダ）
　６ａ　　第二ショルダ面
　７　　外面（一面）
　８　　内面（他面）
　９　　凹み
　１０　　摩擦撹拌接合装置
　１０ａ　　加工機主軸
　１１ワーク　　配置部
　１２　　本体部
　１３　　ボビンツール
　１４　　工具保持部
　１５　　押え部材
　１６　　荷重付与手段
　２０　　上ショルダ取付部材
　２０ａ　　キー溝
　２０ｂ　　フランジ
　２１　　支持筒
　２１ａ　　取付部材収容部
　２１ｂ　　シリンダ部
　２１ｃ　　被支持部
　２１ｄ　　軸受部
　２１ｅ　　ピストン支持部
　２１ｆ　　先端側支持部
　２１ｇ　　基端側支持部
　２１ｈ　　軸受
　２１ｉ　　軸受
　２１ｊ　　軸受
　２１ｍ　　第一油圧室
　２１ｎ　　第二油圧室
　２１ｐ　　作動油供給管路
　２１ｑ　　作動油供給管路
　２２　　モータ
　２３　　加圧手段
　２５　　収容部
　２６　　本体支持部
　２６ａ　　軸受
　２６ｂ　　軸受
　２７　　支持部材
　２８　　ローラ
　２９　　張出部材
　３０　　引き上げ力付与部
　３１　　凸部
　Ｏ１　　軸線（中心軸線）
　Ｓ　　接合部（突き合わせ部）
　Ｔ１　　上下方向
　Ｔ２　　走査方向
　Ｔ３　　横方向
　ｔ１　　板厚
　ｔ２　　板厚

Claims

　一対の板材の端部同士を互いに突き合わせるように対向配置し摩擦撹拌接合する方法であって、
　前記一対の板材の端部同士を摩擦撹拌して接合する接合部を挟み込むように、前記板材の一面側に第一ショルダを、前記板材の他面側に第二ショルダをそれぞれ配置し、
　前記第一ショルダと前記第二ショルダを回転させて前記一対の板材の前記接合部を摩擦撹拌し、
　前記接合部を摩擦撹拌するとともに前記第一ショルダ及び前記第二ショルダを前記板材の他面から一面に向かう方向に移動させ、前記板材の一面から突出する凸部を前記接合部に形成しながら摩擦撹拌接合する摩擦撹拌接合方法。
　前記凸部を除去して前記接合部と前記板材の他の部分の一面とを面一にする請求項１に記載の摩擦撹拌接合方法。
　前記凸部を除去した状態で前記接合部の板厚が所定の厚さになるように前記板材が予め形成されている請求項２に記載の摩擦撹拌接合方法。
　前記第一ショルダの前記板材の一面に接触する接触面積を、前記第二ショルダが前記板材の他面に接触する接触面積よりも小さくする請求項１から３のいずれか一項に記載の摩擦撹拌接合方法。
　前記第二ショルダが前記板材の他面に接触する接触面積を、前記第一ショルダの前記板材の一面に接触する接触面積よりも小さくする請求項１から３のいずれか一項に記載の摩擦撹拌接合方法。
　前記接合部を挟んで両側の一方の板材と他方の板材の一面を押え部材で押さえながら前記第一ショルダ及び前記第二ショルダを前記板材の他面から一面に向かう方向に移動させ、前記凸部を前記接合部に形成する請求項１から５のいずれか一項に記載の摩擦撹拌接合方法。