WO2019049894A1

WO2019049894A1 - 複動式摩擦攪拌点接合方法

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Publication number: WO2019049894A1
Application number: PCT/JP2018/032886
Authority: WO
Inventors: 雅昭平野; 悦子山田
Original assignee: 川崎重工業株式会社
Priority date: 2017-09-08
Filing date: 2018-09-05
Publication date: 2019-03-14
Also published as: US20200206839A1; JP2019048307A; EP3680054A1; EP3680054B1; EP3680054A4; US11084121B2; JP6796565B2

Abstract

摩擦攪拌点接合方法は、クランプ部材の端面により被接合物の表面を押圧した状態において、ピン部材とショルダ部材とにより被接合物を摩擦攪拌し、ピン部材又はショルダ部材の少なくともいずれかを被接合物の塑性流動部に圧入することでクランプ部材のチャンバ部内に軟化した被接合物の一部を充填して被接合物に肉盛部を形成する接合ステップと、ピン部材とショルダ部材とをクランプ部材の収容空間内に退避させた状態において、肉盛部のうちショルダ部材によって摩擦攪拌された領域、又は、肉盛部のうち摩擦攪拌された領域の隣接領域の少なくともいずれかの表面を、クランプ部材の端面により押圧する押圧ステップと、を備える。

Description

複動式摩擦攪拌点接合方法

　本発明は、複動式摩擦攪拌点接合方法に関し、特に接合により形成された継手部分の疲労強度を向上させる技術に関する。

　例えば特許文献１に開示されるように、互いに独立して予め定められた軸線周りに回転可能且つ前記軸線方向に進退可能なピン部材及びショルダ部材と、ショルダ部材の外周を囲み且つ前記軸線方向に進退可能にクランプ部材とが設けられた複動式摩擦攪拌点接合装置が知られている。

特開２０１２－１９６６８２号公報

　摩擦攪拌点接合により被接合物を接合する場合、接合により形成される継手部分の疲労強度を向上させることが求められている。この対策としては、例えば、摩擦攪拌接合界面を増大させることが考えられるが、被接合物の重量が大幅に増大したり、継手部分の疲労強度を向上させるための工程を追加することで接合体の製造効率が低下したりするおそれがある。

　本発明はこの課題に鑑みてなされたものであって、複動式摩擦攪拌点接合により被接合物を接合する場合において、被接合物の重量増加を抑制しながら被接合物の継手部分における疲労強度の向上を効率よく図れるようにすることを目的とする。

　上記課題を解決するために、本発明の一態様に係る摩擦攪拌点接合方法は、被接合物を部分的に攪拌するための回転工具と、前記被接合物が支持された状態で前記被接合物の表面を押圧するクランプ部材とを用いて前記被接合物を摩擦攪拌点接合する摩擦攪拌点接合方法であって、前記回転工具は、予め定められた軸線周りに回転し且つ前記軸線方向に進退可能に設けられたピン部材と、前記ピン部材の外周を囲んだ状態で前記軸線周りに回転し且つ前記ピン部材とは独立して前記軸線方向に進退可能に設けられたショルダ部材とを有し、前記クランプ部材は、円筒状の部材であって、前記ショルダ部材の外周を囲むようにして前記ショルダ部材の収容空間を形成する内周面と、前記被接合物の前記表面と面接触して該表面を押圧する円環状の端面と、前記内周面と前記端面との間に介在して前記内周面よりも拡径方向に窪むと共に前記被接合物側に開口するチャンバ部とを有し、前記クランプ部材の前記端面により前記被接合物の前記表面を押圧した状態において、前記ピン部材と前記ショルダ部材とにより前記被接合物を摩擦攪拌し、前記ピン部材又は前記ショルダ部材の少なくともいずれかを前記被接合物の塑性流動部に圧入することで前記チャンバ部内に軟化した前記被接合物の一部を充填して前記被接合物に肉盛部を形成する接合ステップと、前記ピン部材と前記ショルダ部材とを前記クランプ部材の前記収容空間内に退避させた状態において、前記肉盛部のうち前記ショルダ部材によって摩擦攪拌された領域、又は、前記肉盛部のうち前記摩擦攪拌された領域と隣接する隣接領域の少なくともいずれかの表面を、前記クランプ部材の前記端面により押圧する押圧ステップと、を備える。

　上記方法によれば、接合ステップにおいて、被接合物に肉盛部を形成すると共に肉盛部において被接合物を摩擦攪拌点接合し、押圧ステップにおいて、肉盛部の摩擦攪拌された領域、又は、肉盛部のうち摩擦攪拌された領域と隣接する隣接領域の少なくともいずれかの表面を、クランプ部材の端面により押圧することで、肉盛部に圧縮部を形成できる。

　これにより、被接合物の継手部分に局所的に残留応力を付与して、被接合物の継手部分の疲労強度を向上できると共に、被接合物の重量増加を抑制しながら、摩擦攪拌された領域とその隣接領域との間に位置する接合界面を増大でき、被接合物の継手部分の剛性を向上できる。

　また、被接合物の肉盛部をクランプ部材の端面により押圧するので、押圧面積を小さくできる分、比較的小さい押圧力で適切な位置において被接合物を良好に押圧できる。このため、被接合物を押圧するための専用装置を別途用意しなくてもよく、また、一連の摩擦攪拌点接合動作の間に被接合物を迅速に押圧できる。従って、継手部分の疲労強度を向上させるためのコストや作業負担を軽減できると共に、継手部分の疲労強度を効率よく向上させることができる。

　前記被接合物の前記回転工具側とは反対側において前記被接合物を支持するように配置され、前記被接合物との対向面に凹部が形成された裏当部を用い、前記接合ステップでは、前記凹部内に前記被接合物と摩擦攪拌混合可能な付加材料を供給した状態で、前記付加材料を前記被接合物と摩擦攪拌点接合してもよい。

　上記方法によれば、裏当部の凹部に供給した付加材料を用いて、肉盛部の厚み寸法を更に増大させることができる。よって、被接合物の重量増加を抑制しながら、摩擦攪拌された領域とその隣接領域との間に位置する接合界面を一層増大させることができる。

　前記接合ステップでは、正面視において円形状に前記肉盛部を形成し、前記押圧ステップでは、前記摩擦攪拌された領域と前記隣接領域とにわたって前記肉盛部の周方向に延びる前記被接合物の前記表面の領域を、前記クランプ部材の前記端面により押圧してもよい。上記方法によれば、被接合物の摩擦攪拌された領域と隣接領域とにわたる肉盛部の広い領域に残留応力を付与できる。

　前記押圧ステップでは、前記被接合物の前記肉盛部を囲む領域と前記クランプ部材の前記端面との接触を回避しながら、前記被接合物の前記表面を前記クランプ部材の前記端面により押圧してもよい。上記方法によれば、押圧力を肉盛部に集中して付与できるので、押圧面積が小さい分、比較的小さい押圧力で被接合物を適切に押圧できる。

　前記チャンバ部の内表面が、前記クランプ部材の前記端面の径方向内側の周縁から前記クランプ部材の前記軸線方向内部に向けて前記クランプ部材の内径が漸減するように傾斜する傾斜面である前記クランプ部材を用いてもよい。上記方法によれば、チャンバ部に形成された傾斜面を抜き勾配として利用して、接合ステップ後に肉盛部をチャンバ部から容易に抜くことができ、効率よく接合ステップと押圧ステップとを行える。

　本発明の各態様によれば、複動式摩擦攪拌点接合により被接合物を接合する場合において、被接合物の重量増加を抑制しながら被接合物の継手部分における疲労強度の向上を効率よく図れる。

第１実施形態に係る複動式摩擦攪拌点接合装置の要部構成図である。図１のクランプ部材の端面側から見た斜視図である。第１実施形態に係る摩擦攪拌点接合方法を示すステップ図である。（ａ）～（ｆ）は、第１実施形態に係る摩擦攪拌点接合方法を説明するための断面図である。第１実施形態の摩擦攪拌点接合方法により形成された被接合物の継手部分の正面図である。第１実施形態の摩擦攪拌点接合方法により形成された被接合物の継手部分に被接合物の両端から引張荷重を加えたときの様子を示す断面図である。第２実施形態に係る複動式摩擦攪拌点接合装置の要部構成図である。

　以下、図面を参照して各実施形態を説明する。

　（第１実施形態）
　図１は、第１実施形態に係る複動式摩擦攪拌点接合装置１（以下、単に装置１と称する。）の要部構成図である。図１では、回転工具２を断面で示すと共に、回転工具２と工具駆動部３との繋がりを破線により模式的に示している。

　装置１は、被接合物Ｗ（一例として一対の板材（第１板材Ｗ１及び第２板材Ｗ２））を摩擦攪拌点接合する。装置１は、回転工具２、工具駆動部３、制御部４、裏当部５、及びクランプ部材８を備える。

　工具駆動部３は、回転工具２を予め定められた複数の位置に移動させると共に、回転工具２を回転駆動させる。制御部４は、回転工具２が有する各部材６～８を駆動させるように、工具駆動部３を制御する。工具駆動部３の具体的な構造は限定されず、例えば公知の構造を利用できる。

　制御部４は、一例として、ＣＰＵ、ＲＯＭ、及びＲＡＭ等を備えたコンピュータであり、工具駆動部３の動作を制御する。ＲＯＭには、所定の制御プログラムが格納され、ＲＡＭには、オペレータにより入力された設定情報が記憶される。この設定情報には、例えば、板材Ｗ１，Ｗ２の各板厚値の情報と、各接合位置の情報とが含まれる。裏当部５は支持部であり、被接合物Ｗを挟んで回転工具２とは反対側に配置されて被接合物Ｗを支持する。裏当部５の一部は、被接合物Ｗを挟んで回転工具２と対向する。

　回転工具２は、被接合物Ｗを部分的に攪拌する。回転工具２は、ピン部材６とショルダ部材７とを有する。回転工具２は、ピン部材６の外側にショルダ部材７が配置され、ショルダ部材７の外側にクランプ部材８が配置された入れ子構造を有する。

　ピン部材６は、予め定められた軸線Ｐ周りに回転し且つ軸線Ｐ方向に進退可能に設けられている。本実施形態のピン部材６は、軸線Ｐ方向に延びる円柱状に形成されている。ピン部材６の軸線Ｐ方向後端部（ピン部材６の被接合物Ｗ側とは反対側の端部）は、工具駆動部３の固定部（不図示）に支持されている。

　ショルダ部材７は、ピン部材６の外周を囲んだ状態で軸線Ｐ周りに回転し且つピン部材６とは独立して軸線Ｐ方向に進退可能に設けられている。ショルダ部材７は中空部７ａを有し、ピン部材６はショルダ部材７の中空部７ａに内挿されている。

　本実施形態の回転工具２では、ショルダ部材７の中空部７ａにピン部材６が内挿された状態で、ピン部材６とショルダ部材７とが、それぞれ独立して軸線Ｐ周りに回転し且つ軸線Ｐ方向に進退可能に設けられている。またショルダ部材７は、軸線Ｐ方向に延びる円筒状に形成されている。

　クランプ部材８は、ショルダ部材７の外周を囲むように設けられている。またクランプ部材８は、ピン部材６とショルダ部材７とは独立して、軸線Ｐ方向に進退可能に設けられている。

　クランプ部材８の軸線Ｐ方向後端部には、軸線Ｐ方向に被接合物Ｗに向けてクランプ部材８に付勢力を付与するためのスプリング９が配置されている。クランプ部材８は、スプリング９からの付勢力により、裏当部５に支持された被接合物Ｗを軸線Ｐ方向に押圧する。クランプ部材８が被接合物Ｗから後退させられる際、クランプ部材８は、工具駆動部３により引き上げられ、被接合物Ｗから後退させられる。

　図２は、図１のクランプ部材８の端面８ａ側から見た斜視図である。クランプ部材８は、通常の摩擦攪拌点接合装置の接合ステップに要する荷重出力範囲内において、被接合物Ｗの荷重伝達部位である接合界面に圧縮塑性歪を与えるための形状を有する。このように装置１は、被接合物Ｗに対する圧縮加工機構を備えている。

　具体的には図１及び２に示すように、クランプ部材８は、円筒状の部材であって、内周面８ｃと端面８ａとチャンバ部８ｂとを有する。内周面８ｃは、ショルダ部材７の外周を囲むようにしてショルダ部材７の収容空間（以下、単に収容空間と称する。）を形成する。端面（当接面）８ａは円環状であり、被接合物Ｗの表面（ここでは第１板材Ｗ１の板面）と面接触して該表面を押圧する。端面８ａは、軸線Ｐ方向に対して垂直な面に平行に延びている。

　チャンバ部８ｂは、内周面８ｃと端面８ａとの間に介在して、内周面８ｃよりも拡径方向に窪むと共に、被接合物Ｗ側に開口している。チャンバ部８ｂは、クランプ部材８の被接合物Ｗ側の端部（軸線Ｐ方向先端部）に設けられ、被接合物Ｗ側に開口している。即ちチャンバ部８ｂは、クランプ部材８の軸線Ｐ方向先端側で開口すると共に、クランプ部材８の軸線Ｐ方向内側に窪んでいる。チャンバ部８ｂは、被接合物Ｗに肉盛部Ｗ４（図４（ｄ）参照）を形成するために用いられる。

　本実施形態のチャンバ部８ｂの内表面は、端面８ａの径方向内側の周縁からクランプ部材８の軸線Ｐ方向内部に向けてクランプ部材８の内径が漸減するように傾斜する傾斜面として形成されている。この内表面の端面８ａの径方向中央には、収容空間の開口が形成されている。

　本実施形態のチャンバ部８ｂの傾斜面（内表面）は、クランプ部材８の軸線Ｐ方向に垂直な方向から見て曲線状に延びている。一例として傾斜面は、軸線Ｐ方向に垂直な方向から見て、端面８ａの径方向内側の周縁から円弧状に延びた後、軸線Ｐに向けて、軸線Ｐ方向に垂直に延びている。なお傾斜面は、軸線Ｐ方向に垂直な方向から見て、端面８ａの径方向内側の周縁から軸線Ｐ方向に向けて、直線状に延びていてもよい。

　また、軸線Ｐ方向に垂直な方向から見て、軸線Ｐの両側に位置する一対の傾斜面の形状は、本実施形態ではクランプ部材８の軸線Ｐ周りの全周において対称形状であるが、これに限定されない。

　前記一対の傾斜面の形状は、軸線Ｐ方向に垂直な一方向から見て、非対称形状であってもよい。この場合、例えば、前記一対の傾斜面のうちの一方の傾斜面の形状が、他方の傾斜面に比べて軸線Ｐに垂直な方向に長く延びる形状であってもよい。

　またこの場合、前記一対の傾斜面のうち、後述する圧縮部Ｑ（図４（ｆ）参照）の形成予定側における傾斜面の形状は、他方の傾斜面に比べて軸線Ｐに垂直な方向に長く延びる形状であってもよい。これにより、圧縮部Ｑを肉盛部Ｗ４の比較的広い領域に形成できる。

　収容空間は、クランプ部材８のチャンバ部８ｂよりも軸線Ｐ方向内側に設けられている。被接合物Ｗを摩擦攪拌点接合しない場合、収容空間には、ショルダ部材７の外周を囲むようにショルダ部材７が収容される。収容空間を形成する内周面８ｃは、クランプ部材８の内部において軸線Ｐ方向に延びている。収容空間には、ショルダ部材７とは独立してピン部材６も収容される。収容空間にピン部材６とショルダ部材７とが収容された場合、収容空間の開口は、ピン部材６とショルダ部材７とにより塞がれる。被接合物Ｗを摩擦攪拌点接合する際、ピン部材６とショルダ部材７とは、収容空間からチャンバ部８ｂを介して被接合物Ｗ側に延びる。

　ここで、チャンバ部８ｂの開口の内径は、収容空間の開口の内径（ショルダ部材７の外径）よりも大きい。従って、クランプ部材８を用いて被接合物Ｗを摩擦攪拌点接合した場合、チャンバ部８ｂによって形成される肉盛部Ｗ４に対して、ピン部材６とショルダ部材７とによる摩擦攪拌により生じる摩擦攪拌された領域Ｊと、これに隣接する隣接領域との接合界面が形成される。

　なお装置１は、例えば、Ｃ型フレーム構造を有していてもよい。この場合、回転工具２、工具駆動部３、制御部４、及びクランプ部材８は、装置１の上部に配置され、裏当部５は、装置１の下部に配置されていてもよい。また装置１は、例えば、多関節ロボットに取り付けられていてもよい。また装置１は、回転工具２、工具駆動部３、制御部４、及びクランプ部材８が多関節ロボットに取り付けられ、裏当部５が前記多関節ロボットとは別の構成（ポジショナー等）に取り付けられていてもよい。

　図３は、第１実施形態に係る摩擦攪拌点接合方法を示すステップ図である。図３に示すように、当該方法では、複数のステップＳ１～Ｓ４を順に含むシークエンスを行う。

　具体的には、所定の接合位置において摩擦攪拌点接合を行うために被接合物Ｗに対して回転工具２の位置合わせを行う第１位置合わせステップＳ１と、第１位置合わせステップＳ１後に、前記接合位置においてピン部材６とショルダ部材７とを回転させながら被接合物Ｗに押し込んで（圧入して）被接合物Ｗを摩擦攪拌点接合すると共に、チャンバ部８ｂ内に被接合物Ｗの一部を充填することで被接合物Ｗに肉盛部Ｗ４を形成する接合ステップＳ２とを行う。

　また接合ステップＳ２後、ピン部材６とショルダ部材７とを被接合物Ｗから後退させ、且つ、肉盛部Ｗ４の表面の所定の押圧位置において被接合物Ｗを押圧するために被接合物Ｗに対してクランプ部材８の位置合わせを行う第２位置合わせステップＳ３と、第２位置合わせステップＳ３後に、押圧位置においてクランプ部材８の端面８ａにより肉盛部Ｗ４を押圧する押圧ステップＳ４とを行う。この押圧ステップＳ４により、被接合物Ｗの肉盛部Ｗ４を圧縮して肉盛部Ｗ４に残留応力を付与し、被接合物Ｗの疲労強度を向上させる。

　図４の（ａ）～（ｆ）は、第１実施形態に係る摩擦攪拌点接合方法を説明するための断面図である。最初にオペレータは、前記設定情報を装置１に入力し、板材Ｗ１，Ｗ２を重ねた状態で裏当部５に支持させる。

　制御部４は、チャンバ部８ｂの傾斜面の内周縁にショルダ部材７の被接合物Ｗ側端面の外周縁を一致させると共に、ショルダ部材７の被接合物Ｗ側端面の内周縁にピン部材６の被接合物Ｗ側端面の外周縁が一致するように、工具駆動部３を制御する。

　また制御部４は、回転工具２が予め定められた接合位置まで移動されるように、工具駆動部３を制御する（図４（ａ））。これにより第１位置合わせステップＳ１が行われ、回転工具２が被接合物Ｗに対して位置合わせされる。

　次に制御部４は、ピン部材６とショルダ部材７とが回転駆動されるように工具駆動部３を制御すると共に、ショルダ部材７とクランプ部材８とを被接合物Ｗの表面に当接するように、工具駆動部３を制御する。その後、制御部４は、ショルダ部材７を被接合物７に押圧するように、工具駆動部３を制御する。

　これにより、端面８ａにより被接合物Ｗの表面が押圧された状態において、ピン部材６とショルダ部材７とにより被接合物Ｗが摩擦攪拌され、ピン部材６又はショルダ部材７の少なくともいずれか（ここでは図４（ｃ）の状態も含めて両方）が被接合物Ｗの塑性流動部Ｗ３に圧入されることで、チャンバ部８ｂ内に軟化した被接合物Ｗの一部が充填されて被接合物Ｗに肉盛部Ｗ４が形成される（図４（ｂ），（ｃ））。

　肉盛部Ｗ４は、ピン部材６とショルダ部材７とによる摩擦攪拌により生じた被接合物Ｗの塑性流動部Ｗ３と、塑性流動部Ｗ３の生成に伴って軟化した被接合物Ｗの軟化部とを含んでいる。

　このとき制御部４は、ピン部材６の被接合物Ｗ側端面を、ショルダ部材７の被接合物Ｗ側端面よりも押し込み方向とは反対側に移動させるように、工具駆動部３を制御する。これにより、被接合物Ｗの塑性流動部Ｗ３をショルダ部材７の中空部７ａに入り込ませる（図４（ｂ））。

　次に制御部４は、クランプ部材８の端面８ａを被接合物Ｗの表面に面接触させた状態で、ピン部材６とショルダ部材７との被接合物Ｗ側端面を、ピン部材６とショルダ部材７とが被接合物Ｗの表面に接触する前の被接合物Ｗの表面位置に向けて移動させるように、工具駆動部３を制御する。

　これにより、ショルダ部材７の内部に入り込んだ被接合物Ｗの塑性流動部Ｗ３をピン部材６により埋戻しながら、ショルダ部材７を収容空間内に退避させる。第１実施形態では、制御部４は、肉盛部Ｗ４の体積を考慮して、ピン部材６の被接合物Ｗ側端面が肉盛部Ｗ４の表面（頂面）よりも被接合物Ｗの内側に位置されるように、工具駆動部３を制御する（図４（ｃ））。

　以上により接合ステップＳ２が行われ、被接合物Ｗが摩擦攪拌点接合されて、肉盛部Ｗ４に摩擦攪拌された領域Ｊが形成される。摩擦攪拌された領域Ｊの中央には、ピン部材６によって凹部Ｒが形成される（図４（ｄ）参照）。

　次に制御部４は、ピン部材６、ショルダ部材７、及びクランプ部材８を被接合物Ｗから離隔（後退）させるように、工具駆動部３を制御する（図４（ｄ））。その後、制御部４は、ピン部材６の被接合物Ｗに対する軸線Ｐ位置を、被接合物Ｗの表面に沿って、摩擦攪拌点接合時の位置Ｘ１から所定距離ずれた位置Ｘ２へ移動して回転工具２を位置合わせするように、工具駆動部３を制御する（図４（ｅ））。以上により第２位置合わせステップＳ３が行われ、端面８ａが肉盛部Ｗ４の頂面と対向するように位置合わせされる。

　位置Ｘ２は、本実施形態では軸線Ｐ方向から見て端面８ａが摩擦攪拌された領域Ｊと重なる位置に設定される。また端面８ａは、位置Ｘ２において肉盛部Ｗ４の頂面と接する際、摩擦攪拌された領域Ｊとこれに隣接する隣接領域との各周縁と面接触し、且つ、摩擦攪拌された領域Ｊの周方向に延びる領域に面接触するように設定される。

　言い換えると、肉盛部Ｗ４の頂部において、摩擦攪拌された領域Ｊとこれに隣接する隣接領域とにわたって後述する圧縮部Ｑを形成するように、端面８ａが被接合物Ｗの表面を押圧可能に設定される。

　なお、ピン部材６、ショルダ部材７、及びクランプ部材８を被接合物Ｗから後退させる動作と、第２位置合わせステップＳ３における回転工具２の位置合わせ動作とは、同時に行ってもよい。

　次に、ピン部材６とショルダ部材７とをクランプ部材８の収容空間内に退避させた状態において、肉盛部Ｗ４のうちショルダ部材７により摩擦攪拌された領域Ｊ、又は、肉盛部Ｗ４のうち摩擦攪拌された領域Ｊと隣接する領域の少なくともいずれか（ここでは両方）の表面を、端面８ａにより押圧する。

　本実施形態では、第２位置合わせステップＳ３後、制御部４は、ピン部材６の被接合物Ｗに対する軸線Ｐ位置を位置Ｘ２に合わせた状態で、肉盛部Ｗ４の摩擦攪拌された領域Ｊと、これに隣接する隣接領域との表面を、クランプ部材８の端面８ａにより押圧するように、工具駆動部３を制御する（図４（ｆ））。

　以上により押圧ステップＳ４が行われ、被接合物Ｗの肉盛部Ｗ４に圧縮部（圧縮塑性歪部）Ｑが形成されて、被接合物Ｗに残留応力が付与される。押圧ステップＳ４では、被接合物Ｗの肉盛部Ｗ４を囲む領域と端面８ａとの接触を回避しながら、被接合物Ｗの表面が端面８ａにより押圧される。

　摩擦攪拌された領域Ｊの温度が摩擦攪拌温度よりも低下した状態で押圧ステップＳ４を行うことにより、被接合物Ｗは冷間圧縮される。その後、制御部４は、クランプ部材８による押圧を解除するように、工具駆動部３を制御する。

　図５は、第１実施形態の摩擦攪拌点接合方法により形成された被接合物Ｗの継手部分の正面図である。図６は、第１実施形態の摩擦攪拌点接合方法により形成された被接合物Ｗの継手部分に被接合物Ｗの両端から引張荷重を加えたときの様子を示す断面図である。

　図５に示すように、摩擦攪拌点接合後の被接合物Ｗには、正面視において（軸線Ｐ方向から見て）、肉盛部Ｗ４が円形状に形成されている。一例として肉盛部Ｗ４は、その裾部から頂部に向けて直径が漸減する円錐台状に形成されている。摩擦攪拌された領域Ｊは、肉盛部Ｗ４の頂部に円形状に形成されている。

　摩擦攪拌された領域Ｊの中央には、ピン部材６によって凹部Ｒが形成されている。摩擦攪拌された領域Ｊと凹部Ｒとの径方向中心は一致している。圧縮部Ｑは、肉盛部Ｗ４の頂部において、摩擦攪拌された領域Ｊとこれに隣接する隣接領域との各周縁に沿って円弧状に形成されている。圧縮部Ｑと凹部Ｒとは、離隔して配置されている。被接合物Ｗは、圧縮部Ｑが形成されたことで残留応力（圧縮残留応力）が付与され、疲労強度が向上されている。

　このため、例えば図６に示すように、被接合物Ｗの第１板材Ｗ１と第２板材Ｗ２とに、各板材Ｗ１，Ｗ２が延びる方向に引張力Ｄ１を繰り返し負荷する疲労荷重が及び、摩擦攪拌領域Ｊの境界（接合境界）等が疲労破壊の起点及び進展経路となる場合、被接合物Ｗは、圧縮部Ｋに残留応力が付与されたことにより、疲労寿命が延長される。

　また、摩擦攪拌された領域Ｊが肉盛部Ｗ４に形成されたことにより、摩擦攪拌された領域Ｊとこれに隣接する隣接領域との間の接合界面が増大され、継手強度が向上されている。また、被接合物Ｗに部分的に肉盛部Ｗ４を形成することで、継手強度を向上させながら、被接合物Ｗの重量増加が抑制されている。

　また、肉盛部Ｗ４に接合継手を設けたことで、被接合物Ｗの接合継手周辺の厚み寸法を部分的に増加させられるので、被接合物Ｗの剛性を向上させることができ、破断荷重や曲げ荷重等の荷重に対して良好な強度を発揮できる。

　なお、圧縮部Ｑの長さは、摩擦攪拌された領域Ｊの全周長より短くてもよい。また、被接合物Ｗの継手部分に求められる強度や負荷される荷重レベル、組合せ荷重に応じて、圧縮部Ｋの長さは適宜設定してもよい。

　本発明者らの検討により、圧縮部Ｋの長さは、例えば、図６に示す単軸引張荷重が負荷された場合、摩擦攪拌領域Ｊの全周長の１／２以下の範囲の値に設定してもよいことが分かっている。また、肉盛部Ｗ４の頂部において、１つの摩擦攪拌された領域Ｊの複数の位置に圧縮部Ｑを形成してもよい。複数の圧縮部Ｑは、肉盛部Ｗ４の正面視において、摩擦攪拌された領域Ｊの径方向に並んでいてもよいし、摩擦攪拌された領域Ｊの周方向に並んでいてもよい。

　以上説明したように、本実施形態の摩擦攪拌点接合方法によれば、接合ステップＳ２において、被接合物Ｗに肉盛部Ｗ４を形成すると共に肉盛部Ｗ４において被接合物Ｗを摩擦攪拌点接合し、押圧ステップＳ４において、肉盛部Ｗ４の摩擦攪拌された領域Ｊ、又は、摩擦攪拌された領域Ｊと隣接する隣接領域の少なくともいずれかの表面を、クランプ部材８の端面８ａにより押圧することで、肉盛部Ｗ４に圧縮部Ｑを形成できる。

　これにより、被接合物Ｗの継手部分に局所的に残留応力を付与して、被接合物Ｗの継手部分の疲労強度を向上できると共に、被接合物Ｗの重量増加を抑制しながら、摩擦攪拌された領域Ｊとこれに隣接する隣接領域との間に位置する接合界面を増大でき、被接合物Ｗの継手部分の剛性を向上できる。

　また、被接合物Ｗの肉盛部Ｗ４をクランプ部材８の端面８ａにより押圧するので、押圧面積を小さくできる分、比較的小さい押圧力で適切な位置において被接合物Ｗを良好に押圧できる。このため、被接合物Ｗを押圧するための専用装置を別途用意しなくてもよく、また、一連の摩擦攪拌点接合動作の間に被接合物Ｗを迅速に押圧できる。従って、継手部分の疲労強度を向上させるためのコストや作業負担を軽減できると共に、継手部分の疲労強度を効率よく向上させることができる。

　また接合ステップＳ２では、正面視において肉盛部Ｗ４を円形状に形成し、押圧ステップＳ４では、摩擦攪拌された領域Ｊとこれに隣接する隣接領域とにわたって肉盛部Ｗ４の周方向に延びる表面の領域を、端面８ａにより押圧するので、被接合物Ｗの摩擦攪拌された領域Ｊとこれに隣接する隣接領域とにわたる肉盛部Ｗ４の広い領域に残留応力を付与できる。

　また押圧ステップＳ４では、被接合物Ｗの肉盛部Ｗ４を囲む領域と端面８ａとの接触を回避しながら、被接合物Ｗの表面を端面８ａにより押圧するため、押圧力を肉盛部Ｗ４に集中して付与できるので、押圧面積が小さい分、比較的小さい押圧力で被接合物Ｗを適切に押圧できる。

　またクランプ部材として、チャンバ部８ｂの内表面が、端面８ａの径方向内側の周縁からクランプ部材８の軸線Ｐ方向内部に向けてクランプ部材８の内径が漸減するように傾斜する傾斜面であるクランプ部材８が用いられる。このため、チャンバ部８ｂに形成された傾斜面を抜き勾配として利用して、接合ステップＳ２後に肉盛部Ｗ４をチャンバ部８ｂから容易に抜くことができ、効率よく接合ステップＳ２と押圧ステップＳ４とを行える。次に第２実施形態について、第１実施形態との差異を中心に説明する。

　（第２実施形態）
　図７は、第２実施形態に係る複動式摩擦攪拌点接合装置の要部構成図である。第１実施形態と異なる点として、裏当部１５には、被接合物Ｗとの対向面に軸線Ｐ方向に窪む凹部１５ａが形成されている。凹部１５ａは、被接合物Ｗを挟んでチャンバ部８ｂと対応する位置に設けられ、被接合物Ｗの表面に沿って延びている。

　一例として凹部１５ａは、正面視（軸線Ｐ方向から見て）円形状の周縁を有する。また凹部１５ａは、その周縁から裏当部１５の軸線Ｐ方向内部に向けて内径が漸減する傾斜面と、傾斜面に囲まれた底面とを有する。凹部１５ａの周縁の内径は、適宜設定可能であり、ここではショルダ部材７の外径よりも大きく設定されている。

　第２実施形態に係る摩擦攪拌点接合方法では、被接合物Ｗの回転工具２側とは反対側において被接合物Ｗを支持するように配置されて凹部１５ａが形成された裏当部１５を用いる。接合ステップＳ２では、凹部１５ａ内に被接合物Ｗと摩擦攪拌混合可能な付加材料Ｗ５を供給した状態で、付加材料Ｗ５を被接合物Ｗと摩擦攪拌点接合する。ここでは一例として、被接合物Ｗの板材Ｗ１，Ｗ２と付加材料Ｗ５との摩擦撹拌点接合を同時に行う。

　これにより付加材料Ｗ５は、凹部１５ａを型として成形されながら、被接合物Ｗと一体化される。従って、第２実施形態において形成される肉盛部Ｗ４の厚み寸法は、第１実施形態において形成される肉盛部Ｗ４の厚み寸法よりも増大される。

　このように、第２実施形態の摩擦攪拌点接合方法によれば、裏当部１５の凹部１５ａに供給した付加材料Ｗ５を用いて、肉盛部Ｗ４の厚み寸法を更に増大させることができる。よって、被接合物Ｗの重量増加を抑制しながら、摩擦攪拌された領域Ｊとこれに隣接する隣接領域との間に位置する接合界面を一層増大させることができる。

　また、摩擦撹拌混合前の被接合物Ｗと付加材料Ｗ５とを異なる材質に設定することで、被接合物Ｗに付加材料Ｗ５の材料特性を付加することもできる。よって、肉盛部Ｗ４の疲労強度を向上できると共に、摩擦攪拌点接合後の被接合物Ｗが有する特性の設計自由度を高めることができる。

　なお、付加材料Ｗ５の形状は適宜設定できる。付加材料Ｗ５は板状に限定されず、例えばブロック状や粉末状であってもよい。また第２実施形態の接合ステップＳ２では、被接合物Ｗの板材Ｗ１，Ｗ２と付加材料Ｗ５との摩擦撹拌点接合を同時に行う必要はなく、例えば、被接合物Ｗの板材Ｗ１，Ｗ２とを摩擦攪拌点接合した後、被接合物Ｗに付加材料Ｗ５を摩擦攪拌点接合してもよい。

　本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、その構成又は方法を変更、追加、又は削除できる。当然ながら、被接合物Ｗは、一対の板材Ｗ１，Ｗ２に限定されない。被接合物Ｗは、航空機、自動車、及び鉄道車両等の乗物の部品でもよいし、建築物の部品でもよい。

　また上記各実施形態では、単一の工具駆動部３によりピン部材６、ショルダ部材７、及びクランプ部材８を駆動する構成を示したが、この各部材のうちの１つ又は２つを別の駆動部により駆動してもよいし、この各部材を個別の駆動部により駆動してもよい。

　本発明は、複動式摩擦攪拌点接合により被接合物を接合する場合において、被接合物の重量増加を抑制しながら被接合物の継手部分における疲労強度の向上を効率よく図れる。このため、複動式摩擦攪拌点接合を利用した各分野に広く好適に利用可能である。

　Ｊ　　摩擦攪拌された領域
　Ｐ　　軸線
　Ｗ　　被接合物
　Ｗ３　　塑性流動部
　Ｗ４　　肉盛部
　Ｗ５　　追加材料
　２　　回転工具
　５，１５　　裏当部
　６　　ピン部材
　７　　ショルダ部材
　８　　クランプ部材
　８ａ　　端面
　８ｂ　　チャンバ部
　８ｃ　　内周面
　１５ａ　　凹部

Claims

　被接合物を部分的に攪拌するための回転工具と、前記被接合物が支持された状態で前記被接合物の表面を押圧するクランプ部材とを用いて前記被接合物を摩擦攪拌点接合する摩擦攪拌点接合方法であって、
　前記回転工具は、予め定められた軸線周りに回転し且つ前記軸線方向に進退可能に設けられたピン部材と、前記ピン部材の外周を囲んだ状態で前記軸線周りに回転し且つ前記ピン部材とは独立して前記軸線方向に進退可能に設けられたショルダ部材とを有し、
　前記クランプ部材は、円筒状の部材であって、前記ショルダ部材の外周を囲むようにして前記ショルダ部材の収容空間を形成する内周面と、前記被接合物の前記表面と面接触して該表面を押圧する円環状の端面と、前記内周面と前記端面との間に介在して前記内周面よりも拡径方向に窪むと共に前記被接合物側に開口するチャンバ部とを有し、
　前記クランプ部材の前記端面により前記被接合物の前記表面を押圧した状態において、前記ピン部材と前記ショルダ部材とにより前記被接合物を摩擦攪拌し、前記ピン部材又は前記ショルダ部材の少なくともいずれかを前記被接合物の塑性流動部に圧入することで前記チャンバ部内に軟化した前記被接合物の一部を充填して前記被接合物に肉盛部を形成する接合ステップと、
　前記ピン部材と前記ショルダ部材とを前記クランプ部材の前記収容空間内に退避させた状態において、前記肉盛部のうち前記ショルダ部材によって摩擦攪拌された領域、又は、前記肉盛部のうち前記摩擦攪拌された領域と隣接する隣接領域の少なくともいずれかの表面を、前記クランプ部材の前記端面により押圧する押圧ステップと、を備える、摩擦攪拌点接合方法。
　前記被接合物の前記回転工具側とは反対側において前記被接合物を支持するように配置され、前記被接合物との対向面に凹部が形成された裏当部を用い、
　前記接合ステップでは、前記凹部内に前記被接合物と摩擦攪拌混合可能な付加材料を供給した状態で、前記付加材料を前記被接合物と摩擦攪拌点接合する、請求項１に記載の摩擦攪拌点接合方法。
　前記接合ステップでは、正面視において円形状に前記肉盛部を形成し、
　前記押圧ステップでは、前記摩擦攪拌された領域と前記隣接領域とにわたって前記肉盛部の周方向に延びる前記被接合物の前記表面の領域を、前記クランプ部材の前記端面により押圧する、請求項１又は２に記載の摩擦攪拌点接合方法。
　前記押圧ステップでは、前記被接合物の前記肉盛部を囲む領域と前記クランプ部材の前記端面との接触を回避しながら、前記被接合物の前記表面を前記クランプ部材の前記端面により押圧する、請求項１～３のいずれか１項に記載の摩擦攪拌点接合方法。
　前記チャンバ部の内表面が、前記クランプ部材の前記端面の径方向内側の周縁から前記クランプ部材の前記軸線方向内部に向けて前記クランプ部材の内径が漸減するように傾斜する傾斜面である前記クランプ部材を用いる、請求項１～４のいずれか１項に記載の摩擦攪拌点接合方法。