WO2022239795A1 - 接合方法および接合体 - Google Patents

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WO2022239795A1
WO2022239795A1 PCT/JP2022/019908 JP2022019908W WO2022239795A1 WO 2022239795 A1 WO2022239795 A1 WO 2022239795A1 JP 2022019908 W JP2022019908 W JP 2022019908W WO 2022239795 A1 WO2022239795 A1 WO 2022239795A1
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WO
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point
welding
friction stir
points
hitting
Prior art date
Application number
PCT/JP2022/019908
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English (en)
French (fr)
Inventor
拓也 福田
正樹 武岡
良司 大橋
脩平 吉川
Original Assignee
川崎重工業株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 川崎重工業株式会社 filed Critical 川崎重工業株式会社
Priority to CN202280033835.XA priority Critical patent/CN117279729A/zh
Priority to JP2023521219A priority patent/JPWO2022239795A1/ja
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K20/00—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating
    • B23K20/12—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating the heat being generated by friction; Friction welding

Definitions

  • the present disclosure relates to technology for joining a plurality of members by friction stir.
  • a rotary tool (rotary tool) is press-fitted into a plurality of welding points (point joint portions) in an overlapping portion where two plate materials (metal plates) are overlapped, and is formed by the press-fitting.
  • the two plate materials are joined together via a plurality of friction stir parts.
  • Patent Document 1 when the plate material on the rotating tool side is the upper plate and the plate material on the opposite side to the rotating tool is the lower plate, the rotating tool is press-fitted from the surface of the upper plate and is press-fitted at least until it penetrates the upper plate. be. Therefore, the temperature rise at the press-fitting of the rotating tool is greater in the upper plate than in the lower plate.
  • the temperature of the upper plate becomes higher than that of the lower plate, both the amount of deformation due to thermal expansion (the amount of thermal expansion) and the amount of deformation due to thermal contraction caused by subsequent cooling (the amount of thermal contraction) tend to increase in the upper plate.
  • the amount of heat shrinkage of the upper plate is greater than that of the lower plate, the joined body, which is a combination of the upper plate and the lower plate, is warped in a downwardly convex arch shape.
  • Patent Document 1 since friction stir welding is performed on each of a plurality of welding points arranged in a line in the overlapped portion of the upper plate and the lower plate, warping due to the difference in the amount of thermal contraction described above As a result of accumulated deformation, the amount of warpage of the joined body may increase significantly.
  • the present disclosure has been made in view of the circumstances as described above, and an object of the present disclosure is to suppress warpage deformation of a joined body in which a plurality of welding points are friction stir welded.
  • a joining method provides a plurality of welding points set between one end and the other end of an overlapping portion where a first member and a second member are overlapped.
  • a welding method for joining the first member and the second member at the overlapping portion by forming a friction stir portion by press-fitting each rotating tool, wherein the welding point is the most one end side of the overlapping portion.
  • a joined body includes a first member, a second member arranged so as to overlap with the first member, one end of an overlapping portion between the first member and the second member, and the other end of the overlapping portion. and a welded portion in which a plurality of welding points set between the ends are welded by friction stir, wherein the heat input of a welding point on the one end side, which is the welding point closest to the one end in the overlapping portion, and the one end The amount of heat input to the other end side impact point away from the side impact point to the other end side is smaller than the heat input amount to the intermediate impact point located between the one end impact point and the other end impact impact point.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a structure of a joined body manufactured by a joining method according to a first embodiment of the present disclosure
  • FIG. FIG. 4 is a plan view of the joined body
  • 3 is a cross-sectional view taken along line III-III of FIG. 2
  • FIG. 4 is a table showing examples of combinations of materials that can be applied to the first member and the second member that constitute the joined body.
  • 1 is a system diagram showing the overall configuration of a friction stir welding apparatus used when manufacturing the joined body;
  • FIG. It is a flow chart which shows a concrete procedure of the above-mentioned joining method.
  • FIG. 7 is a schematic diagram for explaining the contents of a preforming step performed in S2 of FIG. 6;
  • FIG. 7 is a schematic diagram for explaining the contents of a bonding step performed in S3 of FIG. 6;
  • FIG. 4 is a cross-sectional view showing how thermal expansion occurs due to friction stir welding;
  • FIG. 4 is a cross-sectional view showing how a joined body warps and deforms due to thermal contraction after friction stir welding. It is sectional drawing which shows the 1st procedure in the case of performing friction stir welding in order to join first from the center. It is sectional drawing which shows the 2nd procedure in the case of performing friction stir welding in order to join first from the center. It is sectional drawing which shows the 3rd procedure in the case of performing friction stir welding in order to join first from the center.
  • FIG. 4 is a perspective view showing the structure of a test piece used in experiments for confirming the effects of the first embodiment; It is a schematic diagram expressing the warpage deformation
  • FIG. 14 is a graph showing experimental results when the material of the test piece is different from that in FIG. 13.
  • FIG. 15 is a graph showing experimental results when the material of the test piece is different from that in FIGS. 13 and 14.
  • FIG. 10 is a diagram for explaining a joining method according to a second embodiment of the present disclosure, and is a table illustrating a method of making the amount of heat input to both end hitting points smaller than the heat input to an intermediate hitting point.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view for explaining the effect of the above-described difference in heat input;
  • FIG. 11 is a perspective view showing the structure of a joined body manufactured by a joining method according to a third embodiment of the present disclosure;
  • FIG. 10 is a schematic plan view for explaining a first sequence pattern for joining each hitting point of the joined body
  • FIG. 10 is a schematic plan view for explaining a second order pattern for joining the hitting points of the joined body
  • FIG. 11 is a perspective view showing the structure of a joined body manufactured by a joining method according to a third embodiment of the present disclosure
  • FIG. 4 is a plan view of the joined body
  • [Joint] 1 and 2 are a perspective view and a plan view showing the structure of a joined body 1 manufactured by the joining method according to the first embodiment of the present disclosure.
  • the joined body 1 includes a first member 11, a second member 12, and a joining portion 13 that joins the members 11 and 12 to each other.
  • the joint 1 can be used, for example, in structures such as aircraft, rail vehicles, or automobiles.
  • the front, rear, left, right, up, and down directions of the joined body 1 are defined as shown in the drawings, but this is for convenience of explanation and is intended to limit the orientation of the joined body 1. is not.
  • Both the first member 11 and the second member 12 are plate-shaped members having a constant thickness in the vertical direction.
  • the rear end portion of the first member 11 and the front end portion of the second member 12 overlap each other in the vertical direction (thickness direction) to form a strip-shaped overlapping portion 15 elongated in the horizontal direction.
  • the first member 11 and the second member 12 are stacked with the first member 11 on the upper side of the second member 12 . That is, at the overlapping portion 15, the front end portion of the upper surface 12a of the second member 12 and the rear end portion of the lower surface 11b of the first member 11 are in contact with each other.
  • the joint portion 13 is formed in the overlapping portion 15 and joins the rear end portion of the first member 11 and the front end portion of the second member 12 at the overlapping portion 15 .
  • the joint section 13 is composed of a plurality of independent friction stir sections 20 arranged in the left-right direction.
  • the number of friction stirrers 20 is five in this embodiment.
  • Each friction stir portion 20 is a spot weld formed by a friction stir process using a friction stir welding apparatus M, which will be described later.
  • the friction stirrers 20 are formed at five hitting points P1 to P5 set in the overlapping portion 15, respectively.
  • the overlapping portion 15 is defined as a first hitting point P1, a second hitting point P2, . That is, the first hit point P1 is the leftmost hit point in the overlapping portion 15, the second hit point P2 is the hit point adjacent to the right side of the first hit point P1, and the third hit point P3 is on the right side of the second hit point P2.
  • the fourth point P4 is adjacent to the right of the third point P3, and the fifth point P5 is adjacent to the right of the fourth point P4 and is located on the rightmost side of the overlapping portion 15. It is an RBI to do.
  • the first to fifth hitting points P1 to P5 are arranged in the overlapping portion 15 so as to be aligned in the horizontal direction at regular intervals.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing the structure of the friction stir portion 20 formed at each hitting point P1 to P5.
  • the friction stir parts 20 at the hitting points P1 to P5 are formed in a columnar shape having substantially the same height as the thickness of the first member 11, in other words, in a columnar shape penetrating the first member 11. It is The area of such a cylindrical friction stir portion 20 corresponds to a press-fit area of a rotating tool 101 which is press-fitted from the upper surface 11a of the first member 11 and will be described later. In this press-fit region, the friction-stirred material is softened (plastically flowed) and then solidified to form the cylindrical friction-stirred portion 20 .
  • the materials of the first member 11 and the second member 12 are selected so that the coefficient of linear expansion of the first member 11 is greater than or equal to the coefficient of linear expansion of the second member 12.
  • various combinations of materials that satisfy such a relationship are conceivable, but for example, various metals including aluminum alloys, magnesium alloys, stainless steels, carbon steels, titanium alloys, and copper, and thermoplastic resins are appropriately selected. can be selected.
  • the thermoplastic resin may include a fiber-reinforced resin in which reinforcing fibers are impregnated in a matrix resin made of a thermoplastic resin.
  • FIG. 4 exemplifies suitable combinations of the material of the first member 11 (upper plate) and the material of the second member 12 (lower plate) in the form of a table.
  • the material of the first member 11 when the material of the first member 11 is aluminum alloy, the material of the second member 12 can be aluminum alloy, carbon steel, stainless steel, copper, or titanium alloy.
  • the material of the first member 11 when the material of the first member 11 is a magnesium alloy, the material of the second member 12 can be magnesium alloy, aluminum alloy, carbon steel, stainless steel, copper, or titanium alloy.
  • the material of the first member 11 is carbon steel, the material of the second member 12 can be carbon steel or a titanium alloy.
  • the material of the first member 11 is metal, the material of the second member 12 can be thermoplastic resin (including fiber-reinforced resin).
  • the material of the first member 11 is thermoplastic resin
  • the material of the second member 12 can be thermoplastic resin.
  • the materials of the first member 11 and the second member 12 may be the same or different.
  • the linear expansion coefficients of the first member 11 and the second member 12 are the same.
  • the coefficient of linear expansion of the first member 11 becomes larger than the coefficient of linear expansion of the second member 12 .
  • the coefficient of linear expansion of the first member 11 is the same as that of the second member 12 is greater than the linear expansion coefficient of This means that when the material of the first member 11 is a magnesium alloy and the material of the second member is an aluminum alloy, carbon steel, stainless steel, copper, or titanium alloy, the material of the first member 11 is carbon.
  • the material of the second member 12 is steel and the material of the second member 12 is a titanium alloy, the same applies when the material of the first member 11 is metal and the material of the second member 12 is thermoplastic resin.
  • the friction stir welding apparatus M includes a double-acting rotating tool 101, a tool driving unit 102 that rotates and vertically drives the rotating tool 101, and a controller C that controls the operation of the tool driving unit 102.
  • FIG. 5 shows directions of “up” and “down”, but this is for convenience of explanation, and is not meant to limit the actual usage posture of the rotating tool 101 .
  • the rotating tool 101 is supported by an unillustrated tool fixing portion.
  • This tool fixing part can be, for example, the tip part of an articulated robot.
  • a backing member 115 is arranged facing the lower end surface of the rotary tool 101 . Between the rotary tool 101 and the backing member 115, the first member 11 and the second member 12 to be joined are arranged.
  • the rotary tool 101 includes a pin member 111, a shoulder member 112, a clamp member 113 and a spring 114.
  • the pin member 111 is a columnar member, and is arranged so that its axis extends in the vertical direction.
  • the pin member 111 can rotate about the axis R as the rotation axis R, and can move up and down (advance and retreat) along the rotation axis R in the vertical direction.
  • the shoulder member 112 is arranged so as to cover the outer periphery of the pin member 111 . That is, the shoulder member 112 is a cylindrical member having a hollow portion into which the pin member 111 is inserted.
  • the axis of the shoulder member 112 is coaxial with the axis of the pin member 111 (rotational axis R).
  • the shoulder member 112 rotates around the same rotation axis R as the pin member 111 and can move vertically along the rotation axis R (movement back and forth).
  • both the shoulder member 112 and the pin member 111 inserted in the hollow portion thereof can rotate about the rotation axis R and relatively move along the rotation axis R. That is, the pin member 111 and the shoulder member 112 can move not only up and down simultaneously along the rotation axis R, but also move independently such that one moves down and the other moves up.
  • the clamp member 113 is arranged so as to cover the outer circumference of the shoulder member 112 . That is, the clamp member 113 is a cylindrical member having a hollow portion into which the shoulder member 112 is inserted. The axis of the clamp member 113 is also coaxial with the rotation axis R. The clamp member 113 does not rotate about its axis, but can move up and down (advance and retreat) along the rotation axis R. As shown in FIG. The clamp member 113 serves to surround the outer periphery of the pin member 111 or the shoulder member 112 when performing friction stir. The enclosure of the clamp member 113 prevents the friction stir material from scattering and allows the friction stir portion to be smoothly finished.
  • the spring 114 is attached to the upper end side of the clamp member 113 and biases the clamp member 113 in the direction (downward) toward the object to be joined.
  • a clamp member 113 is attached to the tool fixing portion via a spring 114 .
  • the backing member 115 has an upper surface as a support surface that contacts the lower surface of the object to be joined. That is, the backing member 115 is a backing member that supports the object to be welded when the pin member 111 or the shoulder member 112 is press-fitted into the object to be welded. A clamp member 113 biased by a spring 114 presses the object to be joined against a backing member 115 .
  • the tool drive section 102 includes a rotation drive section 121 , a pin drive section 122 and a shoulder drive section 123 .
  • Rotation drive unit 121 includes a motor, a drive gear, and the like, and drives pin member 111 and shoulder member 112 to rotate about rotation axis R.
  • the pin drive unit 122 is a mechanism that advances and retreats (lifts) the pin member 111 along the rotation axis R. As shown in FIG.
  • the pin drive unit 122 drives the pin member 111 so as to press-fit the pin member 111 into the object to be joined and retract from the object to be joined.
  • the shoulder drive unit 123 is a mechanism that advances and retreats the shoulder member 112 along the rotation axis R, and causes the shoulder member 112 to be press-fitted into and retracted from the object to be joined.
  • the shoulder drive 123 also moves the clamp member 113 together with the shoulder member 112 toward the object to be joined, causing the clamp member 113 to press against the backing member 115 .
  • the biasing force of the spring 114 acts.
  • the controller C consists of a microcomputer or the like, and controls the operation of each part of the tool driving section 102 by executing a predetermined control program. Specifically, the controller C controls the rotation driving section 121 to cause the pin member 111 and the shoulder member 112 to perform required rotation operations. Further, the controller C controls the pin driving section 122 and the shoulder driving section 123 to cause the pin member 111, the shoulder member 112, and the clamp member 113 to move forward and backward as required.
  • the friction stir welding apparatus M having the above structure is usually used to join two or more members by friction stir welding.
  • Friction stir welding using this friction stir welding apparatus M can be broadly classified into a welding method by a shoulder preceding process and a welding method by a pin preceding process.
  • the shoulder member 112 of the rotary tool 101 is first press-fitted into the overlapped portion of the two or more members to perform friction stir, and the pin member 111 is retracted from the overlapped portion. Thereafter, the pin member 111 is lowered while retracting (raising) the shoulder member 112, thereby smoothing the upper surface of the overlapping portion.
  • the pin member 111 of the rotating tool 101 is first press-fitted into the overlapping portion to perform friction stir, and the shoulder member 112 is retracted from the overlapping portion. After that, the shoulder member 112 is lowered while the pin member 111 is retracted (raised), thereby smoothing the upper surface of the overlapping portion.
  • Step S1 is a stacking step of stacking the first member 11 on the second member 12 to form the overlapping portion 15 .
  • the first member 11 and the second member 12 are arranged such that the front end portion of the second member 12 is stacked above the rear end portion of the first member 11, thereby The 1st member 11 and the 2nd member 12 form an overlapping portion 15 in which the 1st member 11 and the 2nd member 12 overlap in order from above.
  • the step S2 is a preforming step of warping and deforming the first member 11 and the second member 12 that are overlapped at the overlapping portion 15 .
  • this preforming step S2 as shown in FIG. 7, the left and right ends of the overlapping portion 15 are fixed, and then the backing member 115 is pushed up against the center portion of the overlapping portion 15 from below.
  • the first member 11 and the second member 12 are curved (warped) into an upwardly convex arcuate shape. This is a measure in consideration of the fact that the first member 11 and the second member 12 are curved in a bow shape convex downward due to friction stir welding in the joining steps S3 to S5 described later.
  • the first member 11 and the second member 12 are preliminarily warped in a direction opposite to the warp deformation assumed during friction stir welding (S3 to S5) to be performed later. This is a measure to reduce the amount of warpage of the first member 11 and the second member 12 after joining, that is, the joined body 1 .
  • the warp deformation due to the preforming step S2 is shown in an exaggerated manner.
  • the step S3 is a joining step of press-fitting the rotating tool 101 into the first hitting point P1 to friction stir weld the first hitting point P1.
  • the first welding point P ⁇ b>1 located on the leftmost side of the overlapping portion 15 is the object to which friction stir welding is first performed.
  • the first hit point P1 corresponds to the "one end side hit point” in the present disclosure.
  • the joining step S3, which is the step of joining the first hitting point P1 corresponds to the "first joining step” in the present disclosure.
  • the rotating tool 101 is press-fitted from the side of the first member 11, that is, from above, to a position corresponding to the first hitting point P1 in the overlapped portion 15, so that the friction stir portion 20 to form
  • the welding (friction stir welding) using the rotating tool 101 includes the already-described shoulder-preceding process and pin-preceding process, and the friction stir part 20 can be formed by either method.
  • Embodiments employ a shoulder-first process.
  • the bonding step S3 includes four sub-steps S31-S34 shown in FIG.
  • the sub-step S31 is a positioning step of positioning the rotary tool 101 at the first hitting point P1 of the overlapping portion 15.
  • the controller C (FIG. 5) positions the rotation axis R (FIG. 5) of the rotary tool 101 at the position corresponding to the first hitting point P1 in the overlapping portion 15 supported on the backing member 115.
  • the tool driving section 102 is controlled so that the tips 111a to 113a of the pin member 111, the shoulder member 112, and the clamp member 113 come into contact with the upper surface 11a of the first member 11.
  • the sub-step S32 is a press-fitting step of press-fitting the shoulder member 112 .
  • the controller C controls the rotation drive section 121 to rotate the pin member 111 and the shoulder member 112 at high speed, controls the shoulder drive section 123 to lower the shoulder member 112, is press-fitted into the first impact point P1 of the overlapping portion 15 . Further, the controller C controls the pin drive section 122 to raise the pin member 111 .
  • the overlapping portion 15 is friction-stirred, softening and plastic flow of the material occur, and the softened material Q1 overflows the press-fit region of the shoulder member 112 .
  • the overflowed softened material Q1 is released into a hollow space within the shoulder member 112 created by the upward movement (retraction) of the pin member 111, as indicated by an arrow b1.
  • the press-fitting depth of the shoulder member 112 is set such that the shoulder member 112 substantially penetrates the upper first member 11 .
  • FIG. 8 shows an example in which the shoulder member 112 is press-fitted until it completely penetrates the first member 11 in the thickness direction.
  • the friction stir portion 20 formed after the smoothing step S34 which will be described later, has a cylindrical shape that penetrates the first member 11 in the thickness direction and reaches the upper surface 12a of the second member 12 or a depth below it. It is formed.
  • the shoulder member 112 itself does not necessarily have to penetrate the first member 11 completely, since the friction stir portion 20 is actually formed slightly beyond the tip 112 a of the shoulder member 112 . That is, even if the shoulder member 112 is not press-fitted until it completely penetrates the first member 11, the friction stir portion 20 reaches the upper surface 12a of the second member 12. In other words, the friction stir portion 20 penetrates the first member 11. It is possible to form
  • the sub-process S33 is a backfilling process for filling back the overflowed softened material Q1.
  • the controller C rotates the pin member 111 and the shoulder member 112 at a high speed while rotating the shoulder driving section 123 and the pin driving section so that the shoulder member 112 rises (retracts) and the pin member 111 descends. 122.
  • the softened material Q1 released into the hollow space moves to the region where the shoulder member 112 was press-fitted, as indicated by the arrow b2, and the material is backfilled.
  • the backfilled material forms the friction stir portion 20 at the first hit point P1 of the overlapping portion 15 together with the material that was present in the hollow space (see the diagram of the next step S34).
  • the friction stir portion 20 is made of a material that has experienced friction stir at the first hitting point P1, and has an outer diameter that substantially matches the outer diameter ds of the shoulder member 112 and a height that substantially matches the press-fit depth of the shoulder member 112. It is formed in a cylindrical shape with
  • the sub-step S34 is a smoothing step for shaping the friction stir portion 20.
  • the controller C drives the rotation driving section 121 in a state in which the tips 111a and 112a of the pin member 111 and the shoulder member 112 are returned to the height positions of the upper surface 11a of the first member 11. to rotate the pin member 111 and the shoulder member 112 at a predetermined number of revolutions.
  • the upper surface of the friction stirrer 20 is shaped and smoothed to the extent that unevenness hardly occurs.
  • the friction stir portion 20 having a smooth upper surface is formed at the first hitting point P1 of the overlapping portion 15. That is, the first member 11 and the second member 12 are joined to each other at the first hit point P1 by forming the friction stir portion 20 at the first hit point P1.
  • a fifth welding point P5 located at the end opposite to the first welding point P1 is welded in the subsequent welding step S4.
  • the second target to be friction stir welded is the fifth welding point P ⁇ b>5 positioned on the rightmost side of the overlapping portion 15 .
  • the fifth hit point P5 corresponds to the "other end side hit point” in the present disclosure.
  • the joining step S4, which is the step of joining the fifth hitting point P5 corresponds to the "second joining step" in the present disclosure.
  • the method of joining the fifth spot P5 in the joining step S4 is the same as the method of joining the first spot P1 in the above-described joining step S3 (Fig. 8). That is, in the joining step S4, the friction stir portion 20 is formed at the fifth hitting point P5 by press-fitting the rotary tool 101 from above to a position corresponding to the fifth hitting point P5 in the overlapping portion 15 .
  • the second to fourth welding points P2 to P4 are successively welded in the subsequent welding step S5.
  • the third and subsequent friction stir welding targets are the second to fourth welding points P2 to P5 located in the intermediate region of the overlapping portion 15.
  • any one of the second to fourth hit points P2 to P4 corresponds to the "intermediate hit point" in the present disclosure.
  • the joining step S5, which is the step of joining the second to fourth welding points P2 to P4 corresponds to the "third joining step" in the present disclosure.
  • the method of joining the second to fourth points P2 to P4 in the joining step S5 is also the same as the method of joining the first point P1 in the above-described joining step S3 (FIG. 8). That is, in the joining step S5, the rotary tool 101 is press-fitted from above to positions corresponding to the second to fourth hitting points P2 to P4 in the overlapped portion 15, respectively, so that the second to fourth hitting points P2 to P4 are rubbed. A stirring section 20 is formed.
  • the order of joining the second to fourth points P2 to P4 does not matter.
  • joining may be performed in the order of second hitting point P2 ⁇ fourth hitting point P4 ⁇ third hitting point P3, or in the order of third hitting point P3 ⁇ second hitting point P2 ⁇ fourth hitting point P4.
  • the friction stirrers 20 at the hitting points P1 to P5 formed by the method described above construct the joints 13 that join the first member 11 and the second member 12 at the overlapping portions 15 . That is, the joined body 1 in which the first member 11 and the second member 12 are joined via the joining portion 13 is manufactured by the method based on steps S1 to S5 of FIG.
  • Friction stir welding is performed in order of priority to the welding points on both ends of the direction, that is, the welding points P1 and P5 on the leftmost and rightmost sides. That is, after the first welding point P1 on the leftmost side and the fifth welding point P5 on the rightmost side are friction stir welded first, the second to fourth welding points P2 to P4 between the two welding points P1 and P5 are then friction stir welded. be done. According to such a configuration, it is possible to suppress the warp deformation of the joined body 1 obtained as a result of the friction stir welding of the welding points P1 to P5.
  • FIGS. 9A and 9B are for explaining warpage deformation that occurs when the upper plate T1 corresponding to the first member 11 of the present embodiment and the lower plate T2 corresponding to the second member 12 of the present embodiment are friction stir welded. It is a schematic diagram of. As shown in FIG. 9A, a case is assumed in which a rotary tool 101 is press-fitted from above into a center impact point p in an overlapping portion W where an upper plate T1 and a lower plate T2 overlap to form a friction stir portion X.
  • friction stir welding is a joining method that inherently tends to cause warp deformation of the joined body.
  • a plurality of welding points P1 to P5 arranged in one direction are set in the overlapping portion 15 between the first member 11 and the second member 12, and friction stir welding is performed on each of the welding points P1 to P5. Therefore, as a result of accumulating the warp deformation caused by the friction stir welding of the welding points P1 to P5, the final warp amount of the welded body 1 as a whole tends to increase.
  • the combination of materials of the first member 11 (upper plate) and the second member 12 (lower plate) is a combination of different materials in which the coefficient of linear expansion of the first member 11 is greater than the coefficient of linear expansion of the second member 12. , the difference in the amount of thermal contraction described above tends to increase, and warpage deformation tends to become apparent.
  • friction stir welding is first performed on the first welding point P1 and the fifth welding point P5 located at both ends in the direction of the welding points (left-right direction). Since the friction stir welding for the four welding points P2 to P4 is postponed, it is possible to suppress an increase in the amount of warpage as described above. The reason will be described with reference to FIGS. 10A to 11C.
  • FIGS. 10A to 10C show a case where friction stir welding is performed first from the center of the overlapping portion W of the overlapping portion W between the upper plate T1 and the lower plate T2 shown in FIGS. 9A and 9B.
  • the points set in the overlapping portion W are three points p1 to p3. Warpage deformation caused by friction stir welding of the welding points p1 to p3 is omitted from the illustration. This also applies to FIGS. 11A to 11C, which will be described later.
  • FIGS. 11A to 11C which will be described later.
  • FIGS. 10A-C assuming that the leftmost hit point is the left hit point p1, the rightmost hit point is the right hit point p3, and the hit point between the two hit points p1 and p3 is the center hit point p2, in this case, the center hit point p2 is the first hit point.
  • FIG. 10A the left hit point p1 is joined second (FIG. 10B), and the right hit point p3 is joined third (FIG. 10C).
  • the material expands outward each time the rotating tool 101 is press-fitted into each of the welding points p1 to p3.
  • the colored areas and arrows above them in FIGS. 10A-C represent the outward expansion of the material.
  • FIGS. 11A to 11C show a case in which friction stir welding is performed in the reverse order of the cases in FIGS. That is, in the case of FIGS. 11A to 11C, the left hit point p1 is joined first (FIG. 11A), the right hit point p3 is joined second (FIG. 11B), and the center hit point p2 is joined third (FIG. 11C).
  • the material expands outward when the left and right welding points p1 and p3 are welded, but the outward expansion of the material is suppressed when the central welding point p2 is welded.
  • step S2 the amount of warp of the joined body 1 can be sufficiently reduced in combination with the effect of suppressing warp deformation by setting the order of joining as described above. That is, the preforming causes the first member 11 and the second member 12 to be bent in advance in the opposite direction to the warp deformation caused by the friction stir welding, that is, the deformation to bend into a downwardly convex arcuate shape. Warp deformation caused by friction stir welding is deformation in the direction of canceling the curvature due to preforming. As a result, the final warp amount of the joined body 1 can be reduced as much as possible, and the shape quality of the joined body 1 can be favorably secured.
  • FIG. 12A is a perspective view showing the structure of the test piece TP used in this experiment.
  • the test piece TP is obtained by stacking a flat plate-like first member TP1 and a flat plate-like second member TP2 each having a length L and a width W.
  • the first member TP1 and the second member TP2 respectively correspond to the first member 11 and the second member 12 in the joined body 1 of this embodiment (FIGS. 1 to 8).
  • the test piece TP has a length L of 300 mm and a width W of 30 mm.
  • the test piece TP was joined under three conditions in which the materials of the first member TP1 and the second member TP2 were different, and the amount of warpage caused in the test piece TP by the joining was measured. As shown in FIG. 12B, the amount of warpage here was obtained by averaging the values of the amounts of warp ⁇ 1 and ⁇ 2 measured at both ends in the length direction of the test piece TP with a clearance gauge.
  • FIG. 13 is a graph showing measurement results of the amount of warpage obtained when the material of both the first member TP1 and the second member TP2 is an aluminum alloy.
  • the vertical axis in this graph represents the amount of warpage of the test piece TP, that is, the average amount of left and right warpage, and the horizontal axis represents the number of hit points where friction stir welding was performed.
  • the graph of FIG. 13 is a graph showing the relationship between the number of times of friction stir welding and the warp amount of the test piece TP.
  • Pattern 1 in this graph is a welding pattern in which friction stir welding is performed in order from the third welding point P3 in the center to the outside thereof.
  • pattern 1 friction stir welding is performed in the order of the third welding point P3 ⁇ second welding point P2 ⁇ fourth welding point P4 ⁇ first welding point P1 ⁇ fifth welding point P5, whereby the first member TP1 and the second member TP1 are welded together.
  • the two members TP2 are joined together.
  • Pattern 2 is a welding pattern in which friction stir welding is performed in order from the first welding point P1 and the fifth welding point P5 at both ends toward the inner side.
  • the first member TP1 and the third member TP1 are joined by friction stir welding in the order of the first welding point P1, the fifth welding point P5, the second welding point P2, the fourth welding point P4, and the third welding point P3.
  • the two members TP2 are joined together.
  • the first member TP1 and the second member TP2 were not preformed to be curved in advance into an upwardly convex arcuate shape.
  • the amount of warpage increases approximately proportionally as the number of hit points subjected to friction stir welding increases.
  • the amount of warpage is reduced until the first and second welding, that is, the welding at the first welding point P1 and the fifth welding point P5. Although an increase is observed, no noticeable increase in the amount of warpage is observed in the third and subsequent welding, that is, in the welding of the second to fourth welding points P2 to P4.
  • the final amount of warp of the test piece TP that is, the amount of warp of the test piece TP at the time of the fifth bonding is only slightly increased compared to the amount of warp at the time of the second bonding. not.
  • the final amount of warp for pattern 2 is greatly reduced compared to the final amount of warp for pattern 1 .
  • FIG. 14 is a graph showing measurement results of the amount of warp obtained when the material of the first member TP1 is an aluminum alloy and the material of the second member TP2 is carbon steel.
  • the coefficient of linear expansion of the first member TP1 is larger than the coefficient of linear expansion of the second member TP2. Therefore, compared to the case of FIG. 13 in which the linear expansion coefficients of the first member TP1 and the second member TP2 are the same, in the case of FIG. is increasing.
  • the amount of warpage in pattern 2 in which bonding is performed from the outside to the inside is greater than that in pattern 1, in which bonding is performed from the inside to the outside. It is suppressed to be smaller than the amount of warpage.
  • FIG. 15 is a graph showing measurement results of the amount of warpage obtained when the material of the first member TP1 is an aluminum alloy and the material of the second member TP2 is stainless steel.
  • the pattern 3 which joined in order from the outer side to the inner side after performing the said preforming was prepared. That is, in the pattern 3, the first member TP1 and the second member TP2 are pre-formed to curve upwardly convex arcuately, and then the first hitting point P1 ⁇ fifth hitting point P5 ⁇ second hitting point P2 ⁇ In this pattern, friction stir welding is performed in the order of the fourth welding point P4 ⁇ the third welding point P3.
  • the amount of warpage when the number of impact points is 0 is negative because of the preforming.
  • the coefficient of linear expansion of the first member TP1 is also larger than the coefficient of linear expansion of the second member TP2, compared to the case of FIG. At least the final amount of warpage is increased.
  • the amount of warp each time is suppressed to be even smaller than in pattern 2.
  • FIG. As a result, the final amount of warp in pattern 3 of FIG. 15 is smaller than the final amount of warp in pattern 2 of FIG.
  • the heat input to the first welding point P1 and the fifth welding point P5 at both ends is smaller than the heat input to the intermediate second to fourth welding points P2 to P4.
  • Set welding conditions for the welding point In the following, the first hitting point P1 and the fifth hitting point P5 where the heat input is relatively small are collectively referred to as both end hitting points P1 and P5, and the second to fourth hitting points P2 where the heat input is relatively large.
  • ⁇ P4 are collectively referred to as intermediate hitting points P2 ⁇ P4.
  • the joining order of the points P1 to P5 is assumed to be the same as in the first embodiment. That is, also in the second embodiment, the both end welding points P1 and P5 are friction stir welded before the intermediate welding points P2 to P4.
  • the first method is to change the tool diameter, which is the outer diameter of the rotating tool 101 . That is, the outer diameter of the rotating tool 101 used for joining the two end welding points P1 and P5 is made smaller than the outer diameter of the rotating tool 101 used for joining the intermediate welding points P2 to P4.
  • the tool diameter means the outer diameter of the shoulder member 112 press-fitted in the press-fitting step S32.
  • a second method is to change the rotation speed of the rotating tool 101 . That is, the rotational speed when the rotary tool 101 is press-fitted into the both end hitting points P1 and P5 is made slower than the rotational speed when the rotary tool 101 is press-fitted into the intermediate hitting points P2 to P4.
  • friction stir welding is performed by the shoulder preceding process shown in FIG. means speed.
  • a third method is to change the pressing force of the rotating tool 101 . That is, the axial pressure when the rotary tool 101 is press-fitted into the both end hitting points P1 and P5 is made smaller than the axial pressure when the rotary tool 101 is press-fitted into the intermediate hitting points P2 to P4.
  • the pressurizing force of the rotating tool 101 means the pressurizing force of the shoulder member 112 press-fitted in the press-fitting step S32.
  • the fourth method is to change the bonding time. That is, the welding time for friction stir welding the both end welding points P1 and P5 is made shorter than the welding time for friction stir welding the intermediate welding points P2 to P4.
  • the bonding time is the total time of the press-fitting step S32, the backfilling step S33, and the smoothing step S34 shown in FIG.
  • the fifth method is to change the amount of external cooling. For example, when each welding point P1 to P5 is externally cooled by a method such as air cooling in combination with friction stir welding, the external cooling capacity (cooling amount) is changed for each welding point. That is, the amount of external cooling to the end hitting points P1, P5 is made larger than the amount of external cooling to the intermediate hitting points P2 to P4.
  • the heat input when friction stir welding is performed on both end welding points P1 and P5 can be made smaller than the heat input when friction stir welding is performed on intermediate welding points P2 to P4. can.
  • the amount of heat input is varied in this manner, the amount of warpage of the joined body 1 can be further reduced.
  • the amount of heat input to both end impact points P1 and P5 is made smaller than the heat input amount to intermediate impact points P2 to P4, so thermal expansion itself at both end impact points P1 and P5 is suppressed. As a result, the amount of warpage of the joined body 1 can be sufficiently reduced.
  • FIG. 17 is a cross-sectional view for explaining the effect of the above-described difference in heat input.
  • the friction stir diameter Rf shown in this figure is the outer diameter of the friction stir part 20 and is a dimension corresponding to the tool diameter, which is the outer diameter of the rotating tool 101 .
  • the difference in the amount of heat input for each hitting point can be confirmed from this friction stir diameter Rf.
  • the friction stir radius Rf of the both end impact points P1 and P5 is smaller than the friction stir radius Rf of the intermediate impact points P2 to P4
  • this fact indicates that the amount of heat input to the both end impact points P1 and P5 is less than the intermediate impact point P2. This is the basis for the fact that the amount of heat input was smaller than that to P4.
  • the friction stir depth Hf which is the depth of the friction stir portion 20 corresponding to the press-fit depth (push amount) of the rotary tool 101, is the same.
  • the heat input amount can be measured by the volume of the friction stir portion 20 determined by the product of the friction stir diameter Rf and the friction stir depth Hf. That is, when there are impact points where the volume of the friction stir part 20 is large and impact points where the volume of the friction stir part 20 is small, the amount of heat input to the impact point where the volume of the friction stir part 20 is large is greater than the amount of heat input to the impact point where the volume of the friction stir part 20 is small. It can be said.
  • a heat-affected zone 30 in which the crystal grain size of the material is enlarged can be confirmed around the friction stir zone 20 . That is, the heat-affected zone 30 is heated by heat transfer from the friction stir zone 20 whose temperature is increased during welding, and the crystal grain size of the material expands. The grain size of the heat affected zone 30 increases as the amount of heat input increases. From this, the amount of heat input to each hitting point can be measured by the crystal grain size of the heat affected zone 30 .
  • the crystal grain size is correlated with the hardness of the material. That is, in the same metal material, there is a tendency that the larger the crystal grain size, the lower the hardness. Therefore, it is also possible to measure the amount of heat input based on the hardness of the material. For example, if it is confirmed that the hardness of the heat affected zone 30 at both end impact points P1, P5 is higher than the hardness of the heat affected zone 30 at intermediate impact points P2 to P4, this fact indicates that the hardness of the heat affected zone 30 at both end impact points P1, P5 is higher. This is the basis for the fact that the amount of heat was smaller than the amount of heat input to the intermediate hitting points P2 to P4.
  • the difference in the amount of heat input can be confirmed by whether or not there is a structural change in the second member 12, which is the lower plate. That is, when the second member 12 is steel, if the second member 12 is heated to exceed its transformation point, a phenomenon occurs in which the structure of the second member 12 changes to an austenitic structure. On the other hand, when the second member 12 is not heated to the transformation point, no such structural change is observed. From this, it is possible to determine the difference in the amount of heat input based on the presence or absence of structural change in the second member 12 .
  • a relatively wide first member 31 and a second member 32 overlap each other to form an overlapping portion 35 elongated in the left-right direction.
  • a total of 10 hitting points P11 to P20 are set.
  • the points are defined as a first hitting point P11, a second hitting point P12, . . . a tenth hitting point P20.
  • the first to tenth welding points P11 to P20 are divided into two groups, and friction stir welding is performed on the welding points of each group in the same order as in the first embodiment.
  • the friction stir portion 20 is formed at each of the hit points P11 to P20, the first member 31 and the second member 32 are joined, and the joined body 1A is constructed.
  • a group of hitting points P11 to P15 is a first group PG1
  • a group of hitting points P16 to P20 is a second group PG2
  • the joining order is adopted in which the hitting points P11 and P15 on both ends of the five hitting points (first to fifth hitting points P11 to P15) belonging to the first group PG1 are preferentially joined
  • a joining order is adopted in which the hit points P16 and P20 on both ends are preferentially joined.
  • Friction stir welding can be performed in the order of P17 ⁇ third welding point P13 ⁇ eighth welding point P18.
  • the hit points at both ends are joined first. That is, among the five hitting points belonging to the first group PG1, the first hitting point P11 and the fifth hitting point P15 at both ends are joined first. The 6th hit point P16 and the 10th hit point P20 are joined first. Therefore, in the third embodiment, the left half of the overlapping portion 15 corresponding to the first group PG1 and the right half of the overlapping portion 15 corresponding to the second group PG2 warp for the same reason as in the first embodiment. A deformation suppression effect is obtained. As a result, also in this third embodiment, the final amount of warp of the joined body 1A can be reduced.
  • the first hit point P1 having the earliest joining order in the first group PG1 corresponds to the "one end side hitting point” in the present disclosure, and the next joining order in the first group PG1.
  • the early fifth hit point P15 corresponds to the "other end side hit point” in the present disclosure.
  • the tenth hit point P20 having the earliest joining order in the second group PG2 corresponds to the "one end side hitting point” in the present disclosure
  • the sixth hitting point P16 having the next earliest joining order in the second group PG2. corresponds to the “other end side hitting point” in the present disclosure.
  • the second welding point to be welded may be a welding point located at a certain distance on the other end side from the welding point on the one end side.
  • the five hitting points (first to fifth hitting points P1 to P5) set in the overlapping portion 15 are By adopting the welding order in which the fifth welding points P1 and P5 are welded first, thermal expansion of the material to the outside during welding at the second to fourth welding points P2 to P4, which are intermediate welding points, is regulated. reduces the amount of warpage of the joined body 1.
  • thermal expansion at intermediate points is limited to the left-right direction, which is the direction in which the points are arranged, and thermal expansion in the front-rear direction perpendicular to the left-right direction is not particularly restricted. Therefore, there is a possibility that the thermal expansion in the front-rear direction will rather increase at the intermediate impact point.
  • 20 and 21 are a perspective view and a plan view for explaining the joining method of the fourth embodiment.
  • rear end portions of a flat plate-shaped first member 41 and a flat plate-shaped second member 42 having the same width are overlapped to form an overlapping portion 45, and this overlapping portion
  • a rotating tool 101 is press-fitted from the side of the first member 41, that is, the upper side, to the first to fifth hitting points P21 to P25 set at 45.
  • the friction stir portions 20 are formed at the hitting points P21 to P25, the first member 41 and the second member 42 are joined, and the joined body 1B is constructed.
  • a characteristic feature of the fourth embodiment is that friction stir welding is performed on the welding points P21 to P25 in a state where the jig 50 having a shape along the overlapping portion 45 is arranged.
  • the jig 50 is a U-shaped member that can surround the overlapping portion 45 from both the left and right sides and from the rear.
  • Friction stir welding is performed on the first to fifth welding points P21 to P25 in a state in which the jig 50 surrounds the overlapping portion 45, that is, in a state in which the inner surface of the jig 50 is in close contact with the outer periphery of the overlapping portion 45.
  • the joining order as in the first embodiment, a joining order that prioritizes the hit points on both ends is adopted. That is, after the first hit point P21 and the fifth hit point P25 at both ends are welded first, the middle second to fourth hit points P22 to P24 are welded.
  • friction stir welding is performed on the welding points P21 to P25 while the overlapping portion 45 of the first member 41 and the second member 42 is surrounded by the jig 50. It is possible to suppress the above-described undulating deformation that may occur due to the thermal expansion of the steel. That is, it is possible to prevent the edge Rx, which is the rearmost side of the first member 41 (upper plate), from being deformed in a wavy manner after joining. Thereby, the shape quality of the joined body 1 can be further improved.
  • the materials of the first member 11 and the second member 12 are selected so that the coefficient of linear expansion of the first member 11 is greater than or equal to the coefficient of linear expansion of the second member 12 (see FIG. 4).
  • the materials of both members may be selected so that the coefficient of linear expansion of the first member 11 is smaller than the coefficient of linear expansion of the second member 12 .
  • a specific combination of materials in this case for example, a combination in which the material of the first member 11 is an aluminum alloy and the material of the second member 12 is a magnesium alloy, the material of the first member 11 is carbon steel, and the material of the second member is carbon steel.
  • a combination in which the material of 12 is stainless steel and a combination in which the material of first member 11 is thermoplastic resin (including fiber reinforced resin) and second member 12 is metal.
  • the overlapping portion 15 in which the two members consisting of the first member 11 and the second member 12 are overlapped is joined by friction stir welding. These members may be joined while another member is further overlapped. That is, the welding method of the present disclosure is applicable when friction stir welding is performed on an overlapping portion where at least two members overlap, and when friction stir welding is performed on an overlapping portion where three or more members overlap. is applicable.
  • friction stir welding was performed in a state in which the first member 11 and the second member 12 were directly overlapped. Friction stir welding may be performed in the applied state. Moreover, friction stir welding may be performed in a state in which at least one of the first member 11 and the second member 12 is subjected to surface treatment such as plating.
  • the plurality of hitting points (first to fifth hitting points P1 to P5) into which the rotary tool 101 is press-fitted are aligned linearly at the overlapping portion 15 between the first member 11 and the second member 12.
  • a plurality of hit points may be arranged in a specific direction as a whole, and for example, a plurality of hit points may be arranged in a zigzag pattern along a specific direction.
  • the rotating tool 101 when the overlapping portion 15 of the first member 11 and the second member 12 is friction stir welded, the rotating tool 101 (shoulder member 112) is inserted so as to penetrate the first member 11 just enough.
  • the press-fit depth (push amount) of the rotary tool 101 may be set to a depth at which a friction stir portion that penetrates at least the first member 11 can be formed.
  • the rotary tool 101 may be press-fitted so as to penetrate the member 12 halfway.
  • the temperature of the second member rises more than when the rotary tool does not reach the second member. Since this reduces the temperature difference between the first member and the second member during bonding, it is expected that an effect of suppressing warp deformation of the bonded body can be obtained.
  • a method of forming the backing member from a material having poor thermal conductivity, such as ceramics, or heating the second member with a heater may be employed.
  • friction stir welding is performed using a double-acting rotary tool 101 including a pin member 111 and a shoulder member 112 that are individually movable forward and backward and rotatable has been described, but the present disclosure
  • This welding method can be realized without using a friction stir welding apparatus including such a double-acting rotary tool.
  • friction stir welding may be performed using a single-acting rotary tool that includes a single pin member that can rotate and move back and forth and does not include a shoulder member.
  • a joining method is a friction stir section by press-fitting a rotating tool into a plurality of impact points set between one end and the other end of an overlapping portion where a first member and a second member are overlapped.
  • a joining method for joining the first member and the second member at the overlapping portion by forming a A first welding step of forming the friction stir portion at the one end side welding point by press-fitting the rotating tool, and a second end side welding point separated from the one end side welding point to the other end side after the first welding step.
  • the first member into which the rotating tool is press-fitted is heated to a higher temperature than the second member, thermal expansion of the material during bonding and subsequent thermal contraction tend to be relatively large.
  • a plurality of welding points are set in a row in the overlapping portion of the first member and the second member, and friction stir welding is performed on each welding point, so that friction stir welding at each welding point is performed. Warpage deformation accumulates, and there is a risk that the final amount of warpage of the joint as a whole will increase to an unacceptable level.
  • friction stir welding is first performed on one end side welding point on the most one end side in the overlapping portion, and then friction stir welding is performed on the other end side welding point away from the one end side welding point to the other end side. Since bonding is performed, it is possible to suppress an increase in the amount of warpage as described above.
  • friction stir welding is performed on one end side and the other end side welding points before friction stir welding is performed on an intermediate welding point located between the two welding points.
  • the expansion to the outside is regulated by the friction stir parts already existing at the one end side and the other end side impact points at that time. In this way, in the present disclosure, the welding points on one end and the other end are joined first, thereby regulating the thermal expansion at the intermediate welding point. can be done.
  • the hit point on the other end is typically the hit point located farthest to the other end in the overlapping portion.
  • the intermediate hit point may be any one of a plurality of hit points positioned between the one end hit point and the other end hit point.
  • a preforming step of curving the first member and the second member into a convex arcuate shape toward the rotating tool is further included.
  • the first member and the second member are curved in advance on the opposite side of the warp deformation resulting from friction stir welding, that is, the deformation of bending into a convex arc on the side opposite to the rotating tool, Warp deformation caused by subsequent friction stir welding is deformation in the direction of canceling the curvature due to preforming.
  • the final amount of warp of the joined body can be reduced as much as possible, and the shape quality of the joined body can be satisfactorily secured.
  • the heat input to the one end side welding point in the first bonding step and the heat input to the other end side welding point in the second bonding step are larger than the heat input to the intermediate welding point in the third bonding step.
  • the rotating tool is press-fitted into each of the hitting points so that
  • the thermal expansion at the intermediate welding points where the welding order is late is regulated by the friction stir parts formed earlier at the one end side and the other end side welding points, but the one end side and the other end side welding points where the welding order is earlier.
  • suppressing the thermal expansion itself at the impact points on the one end side and the other end side leads to a further reduction in the amount of warpage of the joined body.
  • the amount of heat input to the impact points on the one end side and the other end side is made smaller than the amount of heat input to the intermediate impact points, so the thermal expansion itself at the impact points on the one end side and the other end side can be suppressed. , and as a result, the amount of warpage of the joined body can be sufficiently reduced.
  • a preferable example is a method of reducing the outer diameter of the rotating tool. That is, in the first joining step and the second joining step, it is preferable to use the rotary tool having a smaller diameter than that used in the third joining step.
  • the material of the first member may be a material having a coefficient of linear expansion larger than that of the second member.
  • a joined body includes a first member, a second member arranged so as to overlap with the first member, one end of an overlapping portion between the first member and the second member, and the other end of the overlapping portion. and a welded portion in which a plurality of welding points set between the ends are welded by friction stir, wherein the heat input of a welding point on the one end side, which is the welding point closest to the one end in the overlapping portion, and the one end The amount of heat input to the other end side impact point away from the side impact point to the other end side is smaller than the heat input amount to the intermediate impact point located between the one end impact point and the other end impact impact point.
  • the outer diameter of the friction stir portion is different, it can be said that the heat input amount is different. That is, it is preferable that the outer diameter of the friction stir portion at the one end side impact point and the other end side impact point is smaller than the outer diameter of the friction stir portion at the intermediate impact point.

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Abstract

第１部材（１１）と第２部材（１２）とが重なり合った重なり部（１５）を接合する接合方法であって、重なり部（１５）における最も一端側の打点である一端側打点（Ｐ１）に回転ツールを圧入して摩擦攪拌部（２０）を形成する第１接合ステップと、一端側打点（１１）から他端側に離れた他端側打点（Ｐ５）に回転ツールを圧入して摩擦攪拌部（２０）を形成する第２接合ステップと、一端側打点（Ｐ１）と他端側打点（Ｐ５）との間に位置する中間打点（Ｐ２～Ｐ４）に回転ツールを圧入して摩擦攪拌部（２０）を形成する第３接合ステップとを含む。

Description

接合方法および接合体
　本開示は、複数の部材を摩擦攪拌により接合する技術に関する。
　従来、下記特許文献１に示されるように、２枚の板材（金属板）が重なり合った重なり部における複数の打点（点接合部位）に回転ツール（回転工具）を圧入し、当該圧入により形成された複数の摩擦攪拌部を介して前記両板材を接合することが行われている。
　前記特許文献１において、回転ツール側の板材を上板、回転ツールと反対側の板材を下板とすると、回転ツールは、上板の表面から圧入されて少なくとも当該上板を貫通するまで圧入される。このため、回転ツールの圧入時の温度上昇は、上板の方が下板よりも大きくなる。上板が下板よりも高温になることは、熱膨張による変形量（熱膨張量）、およびその後の冷却がもたらす熱収縮による変形量（熱収縮量）が、共に上板において大きくなり易いことを意味する。上板の熱収縮量が下板の熱収縮量よりも大きくなった場合、上板と下板との組合せである接合体が下側に凸の弓型に湾曲する反り変形が生じてしまう。
　特に、前記特許文献１では、上板と下板との重なり部に列状に並ぶように設定された複数の打点に対しそれぞれ摩擦攪拌接合が行われるので、上述した熱収縮量の相違による反り変形が積み重なる結果、接合体の反り量が有意に増大するおそれがある。
特開２００７－９８４３９号公報
　本開示は、前記のような事情に鑑みてなされたものであり、複数の打点が摩擦攪拌接合された接合体の反り変形を抑制することを目的とする。
　前記課題を解決するためのものとして、本開示の一局面に係る接合方法は、第１部材と第２部材とが重なり合った重なり部における一端と他端との間に設定された複数の打点に回転ツールをそれぞれ圧入して摩擦攪拌部を形成することにより、前記第１部材と前記第２部材とを前記重なり部において接合する接合方法であって、前記重なり部における最も一端側の打点である一端側打点に前記第１部材側から前記回転ツールを圧入することにより、当該一端側打点に前記摩擦攪拌部を形成する第１接合ステップと、前記第１接合ステップの後、前記一端側打点から他端側に離れた他端側打点に前記第１部材側から前記回転ツールを圧入することにより、当該他端側打点に前記摩擦攪拌部を形成する第２接合ステップと、前記第２接合ステップの後、前記一端側打点と前記他端側打点との間に位置する中間打点に前記第１部材側から前記回転ツールを圧入することにより、当該中間打点に前記摩擦攪拌部を形成する第３接合ステップとを含むものである。
　本開示の他の局面に係る接合体は、第１部材と、当該第１部材と重なるように配置された第２部材と、前記第１部材と前記第２部材との重なり部における一端と他端との間に設定された複数の打点を摩擦攪拌により接合した接合部とを備えた接合体であって、前記重なり部における最も一端側の打点である一端側打点の入熱量、および前記一端側打点から他端側に離れた他端側打点の入熱量が、前記一端側打点と前記他端側打点との間に位置する中間打点の入熱量よりも小さいものである。
　本開示によれば、複数の打点が摩擦攪拌接合された接合体の反り変形を抑制することができる。
本開示の第１実施形態に係る接合方法により製造された接合体の構造を示す斜視図である。 前記接合体の平面図である。 図２のIII－III線に沿った断面図である。 前記接合体を構成する第１部材および第２部材に適用し得る材質の組合せ例を示す表である。 前記接合体の製造時に使用される摩擦攪拌接合装置の全体構成を示すシステム図である。 前記接合方法の具体的な手順を示すフローチャートである。 図６のＳ２で行われる予成形工程の内容を説明するための概略図である。 図６のＳ３で行われる接合工程の内容を説明するための概略図である。 摩擦攪拌接合により熱膨張が起きる様子を示す断面図である。 摩擦攪拌接合後の熱収縮により接合体が反り変形する様子を示す断面図である。 中央から先に接合する順序で摩擦攪拌接合を行う場合の第１手順を示す断面図である。 中央から先に接合する順序で摩擦攪拌接合を行う場合の第２手順を示す断面図である。 中央から先に接合する順序で摩擦攪拌接合を行う場合の第３手順を示す断面図である。 両端から先に接合する順序で摩擦攪拌接合を行う場合の第１手順を示す断面図である。 両端から先に接合する順序で摩擦攪拌接合を行う場合の第２手順を示す断面図である。 両端から先に接合する順序で摩擦攪拌接合を行う場合の第３手順を示す断面図である。 前記第１実施形態による作用効果を確認するための実験で用いられる試験片の構造を示す斜視図である。 前記試験片を摩擦攪拌接合することで生じる反り変形を表現した模式図である。 前記実験において試験片の反り量を測定した結果を示すグラフである。 試験片の材質を図１３とは異ならせた場合の実験結果を示すグラフである。 試験片の材質を図１３および図１４とは異ならせた場合の実験結果を示すグラフである。 本開示の第２実施形態に係る接合方法を説明するための図であり、両端打点への入熱量を中間打点への入熱量よりも小さくする方法を例示する表である。 上述した入熱量の相違による影響を説明するための断面図である。 本開示の第３実施形態に係る接合方法により製造された接合体の構造を示す斜視図である。 前記接合体の各打点を接合する第１の順序パターンを説明するための概略平面図である。 前記接合体の各打点を接合する第２の順序パターンを説明するための概略平面図である。 本開示の第３実施形態に係る接合方法により製造された接合体の構造を示す斜視図である。 前記接合体の平面図である。
　（１）第１実施形態
　以下、図面を参照しつつ本開示の第１実施形態について説明する。
　［接合体］
　図１および図２は、本開示の第１実施形態に係る接合方法により製造された接合体１の構造を示す斜視図および平面図である。本図に示すように、接合体１は、第１部材１１と、第２部材１２と、両部材１１，１２を互いに接合する接合部１３とを備える。接合体１は、例えば、航空機、鉄道車両、または自動車などの構造物に使用され得る。なお、以下では、接合体１における前、後、左、右、上、下の各方向を図示のとおり定義するが、これは説明の便宜のためであり、接合体１の姿勢を限定する趣旨ではない。
　第１部材１１および第２部材１２は、いずれも上下方向に一定の厚さを有する平板状の部材である。第１部材１１の後端部と第２部材１２の前端部とが上下方向（厚さ方向）に互いに重なり合うことにより、左右方向に長尺な帯状の重なり部１５が形成されている。当該重なり部１５において、第１部材１１および第２部材１２は、第１部材１１が第２部材１２の上側になる状態で積層されている。すなわち、重なり部１５では、第２部材１２の上面１２ａの前端部と第１部材１１の下面１１ｂの後端部とが互いに当接している。
　接合部１３は、重なり部１５に形成されており、当該重なり部１５において第１部材１１の後端部と第２部材１２の前端部とを互いに接合している。接合部１３は、左右方向に並ぶ複数の独立した摩擦攪拌部２０から構成される。摩擦攪拌部２０の数は、本実施形態では５つである。各摩擦攪拌部２０は、後述する摩擦攪拌接合装置Ｍを用いた摩擦攪拌プロセスにより形成される点接合部である。
　摩擦攪拌部２０は、重なり部１５に設定された５つの打点Ｐ１～Ｐ５にそれぞれ形成される。以下では、重なり部１５における左端から右端にかけて順に、第１打点Ｐ１、第２打点Ｐ２、‥‥第５打点Ｐ５と定義する。すなわち、第１打点Ｐ１は重なり部１５における最も左側に位置する打点であり、第２打点Ｐ２は第１打点Ｐ１の右側に隣接する打点であり、第３打点Ｐ３は第２打点Ｐ２の右側に隣接する打点であり、第４打点Ｐ４は第３打点Ｐ３の右側に隣接する打点であり、第５打点Ｐ５は第４打点Ｐ４の右側に隣接する打点であって重なり部１５における最も右側に位置する打点である。第１～第５打点Ｐ１～Ｐ５は、重なり部１５において左右方向に等間隔に並ぶように配置されている。
　図３は、各打点Ｐ１～Ｐ５に形成された摩擦攪拌部２０の構造を示す断面図である。本図に示すように、各打点Ｐ１～Ｐ５の摩擦攪拌部２０は、第１部材１１の厚さと略同一の高さを有する円柱状、換言すれば第１部材１１を貫通する円柱状に形成されている。このような円柱状の摩擦攪拌部２０の領域は、第１部材１１の上面１１ａから圧入される後述する回転ツール１０１の圧入領域に対応している。この圧入領域において、摩擦攪拌された材料が軟化（塑性流動）した後に固化することにより、円柱状の摩擦攪拌部２０が形成されている。
　第１部材１１および第２部材１２の材質は、第１部材１１の線膨張係数が第２部材１２の線膨張係数以上になるように選定される。このような関係を満足する材質の組合せは種々想定されるが、例えば、アルミニウム合金、マグネシウム合金、ステンレス鋼、炭素鋼、チタン合金、および銅を含む各種金属と、熱可塑性樹脂との中から適宜の組合せが選定され得る。なお、熱可塑性樹脂には、熱可塑性樹脂からなるマトリックス樹脂に強化繊維が含浸された繊維強化樹脂が含まれ得る。
　図４には、第１部材１１（上板）の材質と第２部材１２（下板）の材質との好適な組合せが表形式で例示される。この図４に示すように、第１部材１１の材質がアルミニウム合金である場合、第２部材１２の材質はアルミニウム合金、炭素鋼、ステンレス鋼、銅、チタン合金のいずれかとすることができる。第１部材１１の材質がマグネシウム合金である場合、第２部材１２の材質はマグネシウム合金、アルミニウム合金、炭素鋼、ステンレス鋼、銅、チタン合金のいずれかとすることができる。第１部材１１の材質が炭素鋼である場合、第２部材１２の材質は炭素鋼またはチタン合金とすることができる。第１部材１１の材質が金属である場合、第２部材１２の材質は熱可塑性樹脂（繊維強化樹脂を含む）とすることができる。第１部材１１の材質が熱可塑性樹脂である場合、第２部材１２の材質は熱可塑性樹脂とすることができる。
　図４に示したとおり、第１部材１１および第２部材１２の材質は、同一でも異なっていてもよい。同一の材質が用いられる場合、第１部材１１および第２部材１２の線膨張係数は同一となる。異なる材質が用いられる場合、第１部材１１の線膨張係数は第２部材１２の線膨張係数よりも大きくなる。例えば、第１部材１１の材質がアルミニウム合金で、かつ第２部材の材質が炭素鋼、ステンレス鋼、銅、チタン合金のいずれかである場合、第１部材１１の線膨張係数は第２部材１２の線膨張係数よりも大きくなる。このことは、第１部材１１の材質がマグネシウム合金で、かつ第２部材の材質がアルミニウム合金、炭素鋼、ステンレス鋼、銅、チタン合金のいずれかである場合、第１部材１１の材質が炭素鋼で第２部材１２の材質がチタン合金である場合、第１部材１１の材質が金属で第２部材１２の材質が熱可塑性樹脂である場合でも同様である。
　［摩擦攪拌接合装置］
　上述した接合体１は、図５に示される摩擦攪拌接合装置Ｍを用いて製造される。本図に示すように、摩擦攪拌接合装置Ｍは、複動式の回転ツール１０１と、回転ツール１０１を回転および昇降駆動するツール駆動部１０２と、ツール駆動部１０２の動作を制御するコントローラＣとを備える。なお、図５には「上」「下」の方向表示を付しているが、これは説明の便宜のためであり、実際の回転ツール１０１の使用姿勢を限定する趣旨ではない。
　回転ツール１０１は、図略のツール固定部によって支持される。このツール固定部は、例えば多関節ロボットの先端部とすることができる。回転ツール１０１の下端面に対向して、裏当て部材１１５が配置されている。回転ツール１０１と裏当て部材１１５との間には、接合対象である第１部材１１および第２部材１２が配置される。
　回転ツール１０１は、ピン部材１１１と、ショルダ部材１１２と、クランプ部材１１３と、スプリング１１４とを備える。ピン部材１１１は円柱状に形成された部材であり、その軸線が上下方向に延びるように配置されている。ピン部材１１１は、前記軸線を回転軸Ｒとして回転することが可能であり、かつ、回転軸Ｒに沿って上下方向に昇降（進退移動）することが可能である。
　ショルダ部材１１２は、ピン部材１１１の外周を覆うように配置されている。すなわち、ショルダ部材１１２は、ピン部材１１１が内挿される中空部を備えた円筒状の部材である。ショルダ部材１１２の軸線は、ピン部材１１１の軸線（回転軸Ｒ）と同軸上にある。ショルダ部材１１２は、ピン部材１１１と同一の回転軸Ｒ回りに回転し、かつ回転軸Ｒに沿って上下方向に昇降（進退移動）することが可能である。このように、ショルダ部材１１２とその中空部に内挿されたピン部材１１１とは、いずれも回転軸Ｒ回りに回転しかつ当該回転軸Ｒに沿って相対移動することが可能である。すなわち、ピン部材１１１およびショルダ部材１１２は、回転軸Ｒに沿って同時に昇降するだけでなく、一方が下降し他方が上昇するという独立移動が可能である。
　クランプ部材１１３は、ショルダ部材１１２の外周を覆うように配置されている。すなわち、クランプ部材１１３は、ショルダ部材１１２が内挿される中空部を備えた円筒状の部材である。クランプ部材１１３の軸線も、回転軸Ｒと同軸上にある。クランプ部材１１３は、軸回りに回転はしないが、回転軸Ｒに沿って上下方向に昇降（進退）することが可能である。クランプ部材１１３は、ピン部材１１１またはショルダ部材１１２が摩擦攪拌を行う際に、これらの外周を囲う役目を果たす。クランプ部材１１３の囲いによって、摩擦攪拌材料を四散させず、摩擦攪拌部を平滑に仕上げることができる。
　スプリング１１４は、クランプ部材１１３の上端側に取り付けられ、クランプ部材１１３を接合対象に向かう方向（下方）に付勢している。クランプ部材１１３は、スプリング１１４を介して、前記ツール固定部に取り付けられている。
　裏当て部材１１５は、接合対象の下面に当接する支持面としての上面を備える。すなわち、裏当て部材１１５は、ピン部材１１１またはショルダ部材１１２が接合対象に圧入される際に、当該接合対象を支持する裏当て部材である。スプリング１１４で付勢されたクランプ部材１１３は、接合対象を裏当て部材１１５に押し当てる。
　ツール駆動部１０２は、回転駆動部１２１、ピン駆動部１２２、およびショルダ駆動部１２３を含む。回転駆動部１２１は、モーターおよび駆動ギア等を含み、ピン部材１１１およびショルダ部材１１２を回転軸Ｒ回りに回転駆動する。ピン駆動部１２２は、回転軸Ｒに沿ってピン部材１１１を進退移動（昇降）させる機構である。ピン駆動部１２２は、ピン部材１１１の接合対象への圧入並びに接合対象からの退避を行うように、ピン部材１１１を駆動する。ショルダ駆動部１２３は、回転軸Ｒに沿ってショルダ部材１１２を進退移動させる機構であって、ショルダ部材１１２の接合対象への圧入並びに退避を行わせる。ショルダ駆動部１２３はまた、クランプ部材１１３をショルダ部材１１２と共に接合対象に向けて移動させ、クランプ部材１１３を裏当て部材１１５に押圧させる。この際、スプリング１１４の付勢力が作用する。
　コントローラＣは、マイクロコンピュータ等からなり、所定の制御プログラムを実行することでツール駆動部１０２の各部の動作を制御する。具体的に、コントローラＣは、回転駆動部１２１を制御して、ピン部材１１１およびショルダ部材１１２に所要の回転動作を行わせる。また、コントローラＣは、ピン駆動部１２２およびショルダ駆動部１２３を制御して、ピン部材１１１、ショルダ部材１１２、およびクランプ部材１１３に所要の進退移動動作を行わせる。
　以上のような構造の摩擦攪拌接合装置Ｍは、通常、二以上の部材を摩擦攪拌接合により接合するために使用される。この摩擦攪拌接合装置Ｍを用いた摩擦攪拌接合は、ショルダ先行プロセスによる接合方法と、ピン先行プロセスによる接合方法とに大別することができる。
　ショルダ先行プロセスによる接合方法では、前記二以上の部材の重なり部に対し回転ツール１０１のショルダ部材１１２を先行して圧入させて摩擦攪拌を行うとともに、ピン部材１１１を前記重なり部から退避させる。その後、ショルダ部材１１２を退避（上昇）させつつピン部材１１１を下降させることにより、前記重なり部の上面を平滑化する。これに対し、ピン先行プロセスによる接合方法では、前記重なり部に対し回転ツール１０１のピン部材１１１を先行して圧入させて摩擦攪拌を行うとともに、ショルダ部材１１２を前記重なり部から退避させる。その後、ピン部材１１１を退避（上昇）させつつショルダ部材１１２を下降させることにより、前記重なり部の上面を平滑化する。
　［接合方法］
　次に、上述した摩擦攪拌接合装置Ｍ（図５）を用いて接合体１（図１～図３）を製造する方法について説明する。接合体１は、図６に示す工程Ｓ１～Ｓ５を順に経ることで製造される。
　工程Ｓ１は、第２部材１２の上に第１部材１１を積層して重なり部１５を形成する積層工程である。具体的に、この積層工程Ｓ１では、第１部材１１の後端部の上側に第２部材１２の前端部が積層されるように第１部材１１および第２部材１２を配置することにより、第１部材１１と第２部材１２とが上から順に重なり合った重なり部１５を形成する。
　工程Ｓ２は、重なり部１５において重なり合った第１部材１１および第２部材１２を反り変形させる予成形工程である。具体的に、この予成形工程Ｓ２では、図７に示すように、重なり部１５の左右両端部を固定した上で、重なり部１５の中央部に対し裏当て部材１１５を下から押し上げることにより、第１部材１１および第２部材１２を上側に凸の弓型に湾曲（反り変形）させる。これは、後述する接合工程Ｓ３～Ｓ５での摩擦攪拌接合により第１部材１１および第２部材１２が下側に凸の弓型に湾曲することを考慮した措置である。すなわち、予成形工程Ｓ２は、後に行われる摩擦攪拌接合（Ｓ３～Ｓ５）の際に想定される反り変形とは反対の方向に第１部材１１および第２部材１２を予め反り変形させることにより、接合後の第１部材１１および第２部材１２、つまり接合体１の反り量を低減させる措置である。なお、図７では理解の容易のため、予成形工程Ｓ２による反り変形を実際よりも誇張して示している。
　工程Ｓ３は、第１打点Ｐ１に回転ツール１０１を圧入して当該第１打点Ｐ１を摩擦攪拌接合する接合工程である。言い換えると、本実施形態では、最初に摩擦攪拌接合を行う対象が、重なり部１５において最も左側に位置する第１打点Ｐ１とされる。この場合、第１打点Ｐ１は、本開示における「一端側打点」に相当する。また、第１打点Ｐ１を接合する工程である接合工程Ｓ３は、本開示における「第１接合ステップ」に相当する。
　具体的に、接合工程Ｓ３では、重なり部１５における第１打点Ｐ１に対応する位置に回転ツール１０１を第１部材１１の側つまり上側から圧入することにより、当該第１打点Ｐ１に摩擦攪拌部２０を形成する。この回転ツール１０１を用いた接合（摩擦攪拌接合）には、既に説明したショルダ先行プロセスとピン先行プロセスとがあり、いずれの方法によっても摩擦攪拌部２０を形成することが可能であるが、本実施形態ではショルダ先行プロセスを採用する。この場合、接合工程Ｓ３は、図８に示す４つのサブ工程Ｓ３１～Ｓ３４を含む。
　サブ工程Ｓ３１は、回転ツール１０１を重なり部１５の第１打点Ｐ１に位置決めする位置決め工程である。この位置決め工程Ｓ３１において、コントローラＣ（図５）は、裏当て部材１１５上に支持された重なり部１５における第１打点Ｐ１に対応する位置に回転ツール１０１の回転軸Ｒ（図５）を位置決めした上で、ピン部材１１１、ショルダ部材１１２、およびクランプ部材１１３の各先端１１１ａ～１１３ａが第１部材１１の上面１１ａに当接するようにツール駆動部１０２を制御する。
　サブ工程Ｓ３２は、ショルダ部材１１２を圧入する圧入工程である。この圧入工程Ｓ３２において、コントローラＣは、回転駆動部１２１を制御してピン部材１１１およびショルダ部材１１２を高速回転させつつ、ショルダ駆動部１２３を制御してショルダ部材１１２を下降させ、当該ショルダ部材１１２を重なり部１５の第１打点Ｐ１に圧入する。また、コントローラＣは、ピン駆動部１２２を制御してピン部材１１１を上昇させる。この動作により、重なり部１５が摩擦攪拌されて、材料の軟化および塑性流動が生じ、軟化した材料Ｑ１がショルダ部材１１２の圧入領域から溢れ出す。溢れ出した軟化材料Ｑ１は、矢印ｂ１で示すように、ピン部材１１１の上昇（退避）により生じたショルダ部材１１２内の中空空間に逃がされる。ショルダ部材１１２の圧入深さは、ショルダ部材１１２が上側の第１部材１１をほぼ貫通するような深さに設定される。図８には、第１部材１１を厚さ方向に過不足なく貫通するまでショルダ部材１１２が圧入される例が示されている。この場合、後述するならし工程Ｓ３４後に形成される摩擦攪拌部２０は、第１部材１１を厚さ方向に貫通して第２部材１２の上面１２ａもしくはそれ以下の深さまで達するような円柱状に形成される。なお、実際にはショルダ部材１１２の先端１１２ａよりわずかに先まで摩擦攪拌部２０が形成されるため、ショルダ部材１１２自体は必ずしも第１部材１１を完全に貫通しなくてもよい。すなわち、第１部材１１を完全に貫通するまでショルダ部材１１２を圧入しなくても、第２部材１２の上面１２ａに達する摩擦攪拌部２０、換言すれば第１部材１１を貫通する摩擦攪拌部２０を形成することは可能である。
　サブ工程Ｓ３３は、溢れ出した軟化材料Ｑ１を埋め戻す埋め戻し工程である。この埋め戻し工程Ｓ３３において、コントローラＣは、ピン部材１１１およびショルダ部材１１２を高速回転させつつ、ショルダ部材１１２が上昇（退避）しかつピン部材１１１が下降するようにショルダ駆動部１２３およびピン駆動部１２２を制御する。この動作により、矢印ｂ２で示すように、前記中空空間に逃がされていた軟化材料Ｑ１が、ショルダ部材１１２が圧入されていた領域へと移動し、材料の埋め戻しが行われる。埋め戻された材料は、前記中空空間に存在していた材料と共に、重なり部１５の第１打点Ｐ１に摩擦攪拌部２０を形成する（次の工程Ｓ３４の図参照）。摩擦攪拌部２０は、第１打点Ｐ１において摩擦攪拌を経験した材料により構成され、ショルダ部材１１２の外径ｄｓに略一致する外径と、ショルダ部材１１２の圧入深さに略一致する高さとを有した円柱状に形成される。
　サブ工程Ｓ３４は、摩擦攪拌部２０を整形するならし工程である。このならし工程Ｓ３４において、コントローラＣは、ピン部材１１１およびショルダ部材１１２の各先端１１１ａ，１１２ａを第１部材１１の上面１１ａの高さ位置に復帰させた状態で、回転駆動部１２１を駆動してピン部材１１１およびショルダ部材１１２を所定の回転数で回転させる。この動作により、摩擦攪拌部２０の上面が整形され、ほとんど凹凸が生じない程度に平滑化される。
　以上のサブ工程Ｓ３１～Ｓ３４を含む接合工程Ｓ３により、上面が平滑な摩擦攪拌部２０が重なり部１５の第１打点Ｐ１に形成される。すなわち、摩擦攪拌部２０が第１打点Ｐ１に形成されることにより、この第１打点Ｐ１において第１部材１１と第２部材１２とが互いに接合される。
　図６に戻って接合体１の製造方法の続きについて説明する。上述した方法（図８）により第１打点Ｐ１を接合した後は、続く接合工程Ｓ４において、第１打点Ｐ１と反対側の端部に位置する第５打点Ｐ５を接合する。言い換えると、本実施形態では、２番目に摩擦攪拌接合を行う対象が、重なり部１５において最も右側に位置する第５打点Ｐ５とされる。この場合、第５打点Ｐ５は、本開示における「他端側打点」に相当する。また、第５打点Ｐ５を接合する工程である接合工程Ｓ４は、本開示における「第２接合ステップ」に相当する。
　接合工程Ｓ４により第５打点Ｐ５を接合する方法は、上述した接合工程Ｓ３により第１打点Ｐ１を接合する方法（図８）と同じである。すなわち、接合工程Ｓ４では、重なり部１５における第５打点Ｐ５に対応する位置に回転ツール１０１を上側から圧入することにより、当該第５打点Ｐ５に摩擦攪拌部２０を形成する。
　前記のようにして第５打点Ｐ５を接合した後は、続く接合工程Ｓ５において、第２～第４打点Ｐ２～Ｐ４を順次接合する。言い換えると、本実施形態では、３番目以降に摩擦攪拌接合を行う対象が、重なり部１５の中間領域に位置する第２～第４打点Ｐ２～Ｐ５とされる。この場合、第２～第４打点Ｐ２～Ｐ４の任意の一つは、本開示における「中間打点」に相当する。また、第２～第４打点Ｐ２～Ｐ４を接合する工程である接合工程Ｓ５は、本開示における「第３接合ステップ」に相当する。
　接合工程Ｓ５により第２～第４打点Ｐ２～Ｐ４を接合する方法も、上述した接合工程Ｓ３により第１打点Ｐ１を接合する方法（図８）と同様である。すなわち、接合工程Ｓ５では、重なり部１５における第２～第４打点Ｐ２～Ｐ４に対応する位置にそれぞれ回転ツール１０１を上側から圧入することにより、当該第２～第４打点Ｐ２～Ｐ４にそれぞれ摩擦攪拌部２０を形成する。
　接合工程Ｓ５において、第２～第４打点Ｐ２～Ｐ４を接合する順番は特に問わない。例えば、第２打点Ｐ２→第４打点Ｐ４→第３打点Ｐ３の順に接合を行ってもよいし、第３打点Ｐ３→第２打点Ｐ２→第４打点Ｐ４の順に接合を行ってもよい。
　以上のような方法で形成された各打点Ｐ１～Ｐ５の摩擦攪拌部２０は、第１部材１１と第２部材１２とを重なり部１５において接合する接合部１３を構築する。すなわち、図６の工程Ｓ１～Ｓ５に基づく方法により、第１部材１１と第２部材１２とが接合部１３を介して接合された接合体１が製造される。
　［作用効果］
　以上説明したように、本開示の第１実施形態では、第１部材１１と第２部材１２との接合時に、両者の重なり部１５に並設された５つの打点Ｐ１～Ｐ５に対し、その並び方向の両端の打点つまり最も左側および右側の打点Ｐ１，Ｐ５を優先する順番で摩擦攪拌接合が行われる。すなわち、最も左側の第１打点Ｐ１および最も右側の第５打点Ｐ５が先に摩擦攪拌接合された後、両打点Ｐ１，Ｐ５の間の第２～第４打点Ｐ２～Ｐ４が次に摩擦攪拌接合される。このような構成によれば、各打点Ｐ１～Ｐ５の摩擦攪拌接合の結果得られる接合体１の反り変形を抑制することができる。
　前記の作用効果を理解するために、まず、摩擦攪拌接合により反り変形が生じる理由について説明する。図９Ａ，Ｂは、本実施形態の第１部材１１に相当する上板Ｔ１と本実施形態の第２部材１２に相当する下板Ｔ２とを摩擦攪拌接合する際に生じる反り変形を説明するための模式図である。図９Ａに示すように、上板Ｔ１と下板Ｔ２とが重なり合った重なり部Ｗにおける中央の打点ｐに回転ツール１０１を上側から圧入して摩擦攪拌部Ｘを形成する場合を想定する。打点ｐに回転ツール１０１が圧入されると、上板Ｔ１における打点ｐの近傍部が加熱されて、当該加熱により高温化した材料が熱膨張により変形する。図９Ａには当該加熱による熱膨張が起き易い領域を着色して表示している。一方、下板Ｔ２は、上板Ｔ１に比べれば温度上昇幅が小さいので、下板Ｔ２の熱膨張量は上板Ｔ１に比べれば小さくなる。このことは、摩擦攪拌後の冷却（温度低下）により生じる熱収縮に伴う変形量（熱収縮量）が、下板Ｔ２よりも上板Ｔ１の方が大きくなることを意味する。このような熱収縮量の差は、図９Ｂに示すように、接合後の上板Ｔ１および下板Ｔ２の組合せである接合体ＪＴを反り変形させる作用をもたらす。すなわち、下板Ｔ２を中央側に引っ張るような残留応力が生じることにより、接合体ＪＴが下側に凸の弓型になるように湾曲する。
　このように、摩擦攪拌接合は、接合体の反り変形が本来的に生じ易い接合法であるといえる。しかも、本実施形態では、第１部材１１と第２部材１２との重なり部１５に一方向に並ぶ複数の打点Ｐ１～Ｐ５が設定され、各打点Ｐ１～Ｐ５に対しそれぞれ摩擦攪拌接合が行われるので、各打点Ｐ１～Ｐ５の摩擦攪拌接合がもたらす反り変形が積み重なる結果、接合体１全体としての最終的な反り量が大きくなり易い。特に、第１部材１１（上板）および第２部材１２（下板）の材質の組合せが、第１部材１１の線膨張係数が第２部材１２の線膨張係数よりも大きくなる異材質の組合せとされた場合には、上述した熱収縮量の差が拡大し易く、反り変形が顕在化し易い。
　これに対し、本実施形態では、打点並び方向（左右方向）の両端に位置する第１打点Ｐ１および第５打点Ｐ５に対し先に摩擦攪拌接合が行われる、換言すれば中間の第２～第４打点Ｐ２～Ｐ４に対する摩擦攪拌接合が後回しにされるので、前記のような反り量の増大を抑制することができる。その理由を図１０Ａ～図１１Ｃを用いて説明する。
　図１０Ａ～Ｃには、図９Ａ，Ｂに示した上板Ｔ１と下板Ｔ２との重なり部Ｗに対し、重なり部Ｗの中央から先に摩擦攪拌接合を行ったケースが示される。なお、ここでは単純化のため、重なり部Ｗに設定される打点は３つの打点ｐ１～ｐ３であるものとする。また、各打点ｐ１～ｐ３の摩擦攪拌接合により生じる反り変形についてはその図示を省略する。このことは、後述の図１１Ａ～Ｃでも同様である。図１０Ａ～Ｃにおいて、最も左側の打点を左打点ｐ１、最も右側の打点を右打点ｐ３、両打点ｐ１，ｐ３の間の打点を中央打点ｐ２とすると、本ケースでは、中央打点ｐ２が１番目に接合され（図１０Ａ）、左打点ｐ１が２番目に接合され（図１０Ｂ）、右打点ｐ３が３番目に接合される（図１０Ｃ）。このような順番で摩擦攪拌接合が行われた場合、各打点ｐ１～ｐ３に回転ツール１０１が圧入されるごとに材料が外側に膨張する。図１０Ａ～Ｃにおける着色領域およびその上の矢印は、材料の外側への膨張を表している。いずれの打点ｐ１～ｐ３においても、摩擦攪拌に伴う熱膨張、およびその後の冷却に伴う熱収縮を抑制することができない。この結果、各打点ｐ１～ｐ３での熱収縮がもたらす反り変形が全て積み重なって、接合体ＪＴの最終的な反り量が不可避的に増大する。
　一方、図１１Ａ～Ｃには、図１０Ａ～Ｃのケースと逆の順番、つまり重なり部Ｗの両端部から先に摩擦攪拌接合を行ったケースが示される。すなわち、図１１Ａ～Ｃのケースでは、左打点ｐ１が１番目に接合され（図１１Ａ）、右打点ｐ３が２番目に接合され（図１１Ｂ）、中央打点ｐ２が３番目に接合される（図１１Ｃ）。このような順番で摩擦攪拌接合が行われた場合、左右の打点ｐ１，ｐ３の接合時には材料が外側に膨張するものの、中央打点ｐ２の接合時には材料の外側への膨張が抑止される。これは、中央打点ｐ２の接合時に既にその両側の左打点ｐ１および右打点ｐ３に固化した摩擦攪拌部Ｘが形成されており、この固化した摩擦攪拌部Ｘが材料の外側への膨張を規制（ブロック）する機能を果たすからである。言い換えると、先行して形成された左打点ｐ１および右打点ｐ３の各摩擦攪拌部Ｘは、両者の間の中央打点ｐ２の接合時に材料が外側に膨張するのを規制する楔として機能する。このように、両端から先に接合した図１１Ａ～Ｃのケースでは、中央打点ｐ２での熱膨張が規制されるので、接合体ＪＴの最終的な反り量を低減することができる。
　本実施形態の方法により第１部材１１（上板）と第２部材１２（下板）との重なり部１５を接合した場合も、上述した図１１Ａ～Ｃのケースと同様のことが言える。すなわち、本実施形態では、重なり部１５に設定された５つの打点（第１～第５打点Ｐ１～Ｐ５）に対し、最も左側の第１打点Ｐ１および最も右側の第５打点Ｐ５が先に、中間の第２～第４打点Ｐ２～Ｐ４が後に摩擦攪拌接合されるので、第２～第４打点Ｐ２～Ｐ４の接合時に生じ得る材料の外側への膨張が、その時点で既に存在する第１打点Ｐ１および第５打点Ｐ５の各摩擦攪拌部２０によって規制される。このように、本実施形態では、両端の第１・第５打点Ｐ１，Ｐ５が先に接合されることにより、第２～第４打点Ｐ２～Ｐ４での熱膨張が規制されるので、接合体１の最終的な反り量を低減することができる。
　また、本実施形態では、重なり部１５（第１～第５打点Ｐ１～Ｐ５）を摩擦攪拌接合する前に、第１部材１１および第２部材１２を上側に凸の弓型に湾曲させる予成形（工程Ｓ２）が行われるので、上述した接合順の設定による反り変形の抑制効果と相俟って、接合体１の反り量を十分に低減することができる。すなわち、前記予成形により、摩擦攪拌接合がもたらす反り変形、つまり下側に凸の弓型に湾曲する変形とは反対側に予め第１部材１１および第２部材１２が湾曲させられるので、その後の摩擦攪拌接合により生じる反り変形が、予成形による湾曲をキャンセルする方向の変形となる。これにより、接合体１の最終的な反り量を可及的に低減することができ、接合体１の形状品質を良好に確保することができる。
　ここで、上述した本実施形態の接合方法による作用効果を確認するために行った実験の結果について説明する。図１２Ａは、本実験に用いた試験片ＴＰの構造を示す斜視図である。本図に示すように、試験片ＴＰは、長さＬおよび幅Ｗを有する平板状の第１部材ＴＰ１および第２部材ＴＰ２を重ね合わせたものである。第１部材ＴＰ１および第２部材ＴＰ２は、本実施形態（図１～図８）の接合体１における第１部材１１および第２部材１２にそれぞれ相当する。試験片ＴＰの長さＬは３００ｍｍであり、幅Ｗは３０ｍｍである。実験では、このような試験片ＴＰの中央部に、長さ方向に並ぶ５つの打点Ｐ１～Ｐ５を設定し、各打点を摩擦攪拌接合した。隣接する打点間のピッチは２０ｍｍに設定した。そして、第１部材ＴＰ１および第２部材ＴＰ２の材質が異なる３つの条件で試験片ＴＰを接合し、当該接合によって試験片ＴＰに生じた反り量を測定した。図１２Ｂに示すように、ここでの反り量は、試験片ＴＰの長さ方向の両端の反り量δ１，δ２を隙間ゲージで計測した値を平均化することで求めた。
　図１３は、第１部材ＴＰ１および第２部材ＴＰ２の材質を共にアルミニウム合金とした場合に得られた反り量の測定結果を示すグラフである。本グラフにおける縦軸は、上述した試験片ＴＰの反り量、つまり左右の反り量の平均を表し、横軸は、摩擦攪拌接合が行われた打点の数を表している。言い換えると、図１３のグラフは、摩擦攪拌接合の回数と試験片ＴＰの反り量との関係を示すグラフである。また、本グラフにおけるパターン１は、中央の第３打点Ｐ３からその外側へと順番に摩擦攪拌接合を行う接合パターンである。具体的に、パターン１では、第３打点Ｐ３→第２打点Ｐ２→第４打点Ｐ４→第１打点Ｐ１→第５打点Ｐ５の順で摩擦攪拌接合が行われることにより、第１部材ＴＰ１と第２部材ＴＰ２とを接合される。パターン２は、両端の第１打点Ｐ１および第５打点Ｐ５からその内側へと順番に摩擦攪拌接合を行う接合パターンである。具体的に、パターン２では、第１打点Ｐ１→第５打点Ｐ５→第２打点Ｐ２→第４打点Ｐ４→第３打点Ｐ３の順で摩擦攪拌接合が行われることにより、第１部材ＴＰ１と第２部材ＴＰ２とが接合される。なお、パターン１およびパターン２のいずれの場合でも、第１部材ＴＰ１および第２部材ＴＰ２を予め上側に凸の弓型に湾曲させる予成形は行わなかった。
　図１３のグラフに示すように、内側から外側へと順に摩擦攪拌接合を行うパターン１では、摩擦攪拌接合が行われた打点の数が増えるごとに反り量が略比例的に増大する。これに対し、本実施形態と同様に外側から内側へと順に摩擦攪拌接合を行うパターン２では、１回目および２回目の接合、つまり第１打点Ｐ１および第５打点Ｐ５の接合までは反り量の増大が見られるものの、３回目以降の接合、つまり第２～第４打点Ｐ２～Ｐ４の接合時には目立った反り量の増大が見られない。このため、最終的な試験片ＴＰの反り量、つまり５回目の接合が行われた時点の試験片ＴＰの反り量は、２回目の接合が行われた時点の反り量に対し小幅にしか増大していない。その結果、パターン２のときの最終的な反り量は、パターン１のときの最終的な反り量に比べて大幅に低減されている。
　図１４は、第１部材ＴＰ１の材質をアルミニウム合金としかつ第２部材ＴＰ２の材質を炭素鋼とした場合に得られた反り量の測定結果を示すグラフである。このような材質の組合せの場合、第１部材ＴＰ１の線膨張係数は第２部材ＴＰ２の線膨張係数よりも大きくなる。このため、第１部材ＴＰ１および第２部材ＴＰ２の線膨張係数が同一である図１３のケースと比べて、図１４のケースでは、パターン１およびパターン２ともに、２回目以降の接合時の反り量が増大している。また、図１４のケースでは、図１３のケースと同様に、外側から内側へと順に接合を行うパターン２のときの反り量の方が、内側から外側へと順に接合を行うパターン１のときの反り量よりも小さく抑えられている。
　図１５は、第１部材ＴＰ１の材質をアルミニウム合金としかつ第２部材ＴＰ２の材質をステンレス鋼とした場合に得られた反り量の測定結果を示すグラフである。また、図１５では、上述したパターン１およびパターン２に加えて、前記予成形を行った上で外側から内側へと順に接合を行うパターン３も用意した。すなわち、パターン３は、第１部材ＴＰ１および第２部材ＴＰ２を予め上側に凸の弓型に湾曲させる前記予成形を行った上で、第１打点Ｐ１→第５打点Ｐ５→第２打点Ｐ２→第４打点Ｐ４→第３打点Ｐ３の順に摩擦攪拌接合を行うパターンである。パターン３において、打点数０のときの反り量がマイナスなのは、前記予成形によるものである。図１５のケースでは、やはり第１部材ＴＰ１の線膨張係数が第２部材ＴＰ２の線膨張係数よりも大きいため、線膨張係数が同一の図１３のケースと比べて、パターン１およびパターン２ともに、少なくとも最終的な反り量は増大している。一方、パターン３では、最初に予成形によるマイナスの反り量が付与されているため、各回の反り量がパターン２よりもさらに小さく抑えられている。結果的に、図１５のパターン３での最終的な反り量は、図１３のパターン２での最終的な反り量よりも小さい。
　以上のことから、本実施形態のように第１打点Ｐ１および第５打点Ｐ５から先に摩擦攪拌接合を行うことの有効性、並びに、第１部材１１および第２部材１２を予め反対向きに湾曲させる予成形を行うことの有効性がそれぞれ確認された。
　（２）第２実施形態
　上述した第１実施形態では、第１～第５打点Ｐ１～Ｐ５に対する摩擦攪拌接合をいずれも同一の条件で行ったが、打点によって摩擦攪拌接合の条件を変えてもよい。その一例を第２実施形態として説明する。
　第２実施形態では、両端の第１打点Ｐ１および第５打点Ｐ５に対する接合時の入熱量が、中間の第２～第４打点Ｐ２～Ｐ４に対する接合時の入熱量よりも小さくなるように、各打点の接合条件を設定する。以下では、入熱量が相対的に小さくされる第１打点Ｐ１および第５打点Ｐ５のことをまとめて両端打点Ｐ１，Ｐ５といい、入熱量が相対的に大きくされる第２～第４打点Ｐ２～Ｐ４のことをまとめて中間打点Ｐ２～Ｐ４という。なお、第２実施形態においても、各打点Ｐ１～Ｐ５の接合順は第１実施形態と同様であるものとする。すなわち、第２実施形態においても、両端打点Ｐ１，Ｐ５が中間打点Ｐ２～Ｐ４よりも先に摩擦攪拌接合される。
　両端打点Ｐ１，Ｐ５への入熱量を相対的に小さくする方法は種々考えられるが、例えば図１６に示される５つの方法が有効である。
　第１の方法は、回転ツール１０１の外径であるツール径を変えることである。すなわち、両端打点Ｐ１，Ｐ５の接合時に用いる回転ツール１０１の外径を、中間打点Ｐ２～Ｐ４の接合時に用いる回転ツール１０１の外径よりも小さくする。なお、図８に示したショルダ先行プロセスにより摩擦攪拌接合を行う場合、ツール径とは、圧入工程Ｓ３２で圧入されるショルダ部材１１２の外径のことを意味する。
　第２の方法は、回転ツール１０１の回転速度を変えることである。すなわち、両端打点Ｐ１，Ｐ５に回転ツール１０１を圧入するときの回転速度を、中間打点Ｐ２～Ｐ４に回転ツール１０１を圧入するときの回転速度よりも遅くする。なお、図８に示したショルダ先行プロセスにより摩擦攪拌接合を行う場合、回転ツール１０１の回転速度とは、圧入工程Ｓ３２からならし工程Ｓ３４にかけて回転駆動されるピン部材１１１およびショルダ部材１１２の各回転速度のことを意味する。
　第３の方法は、回転ツール１０１の加圧力を変えることである。すなわち、両端打点Ｐ１，Ｐ５に回転ツール１０１を圧入するときの軸方向の加圧力を、中間打点Ｐ２～Ｐ４に回転ツール１０１を圧入するときの軸方向の加圧力よりも小さくする。なお、図８に示したショルダ先行プロセスにより摩擦攪拌接合を行う場合、回転ツール１０１の加圧力とは、圧入工程Ｓ３２で圧入されるショルダ部材１１２の加圧力のことを意味する。
　第４の方法は、接合時間を変えることである。すなわち、両端打点Ｐ１，Ｐ５を摩擦攪拌接合する際の接合時間を、中間打点Ｐ２～Ｐ４を摩擦攪拌接合する際の接合時間よりも短くする。なお、接合時間とは、図８に示した圧入工程Ｓ３２、埋め戻し工程Ｓ３３、およびならし工程Ｓ３４の各時間の合計のことである。
　第５の方法は、外部冷却量を変えることである。例えば、摩擦攪拌接合と併せて空冷等の方法で各打点Ｐ１～Ｐ５を外部冷却する場合に、その外部冷却の能力（冷却量）を打点ごとに変更する。すなわち、両端打点Ｐ１，Ｐ５への外部冷却量を、中間打点Ｐ２～Ｐ４への外部冷却量よりも大きくする。
　上述した第１～第５の方法のいずれによっても、両端打点Ｐ１，Ｐ５を摩擦攪拌接合する際の入熱量を、中間打点Ｐ２～Ｐ４を摩擦攪拌接合する際の入熱量よりも小さくすることができる。このように入熱量に差をもたせた第２実施形態によれば、接合体１の反り量をより低減することができる。
　両端打点Ｐ１，Ｐ５は中間打点Ｐ２～Ｐ４よりも先に接合される打点であるから、当該両端打点Ｐ１，Ｐ５で生じる熱膨張を他の打点の摩擦攪拌部２０により規制することは期待できない。すなわち、接合順序が遅い中間打点Ｐ２～Ｐ４での熱膨張は、先に形成された両端打点Ｐ１，Ｐ５の摩擦攪拌部２０により規制されるものの、接合順序が早い両端打点Ｐ１，Ｐ５についてこのような効果を期待することはできない。このため、当該両端打点Ｐ１，Ｐ５での熱膨張自体を少しでも抑制することが、接合体１の反り量をより低減することにつながる。上述した第２実施形態によれば、両端打点Ｐ１，Ｐ５への入熱量が中間打点Ｐ２～Ｐ４への入熱量よりも小さくされるので、当該両端打点Ｐ１，Ｐ５での熱膨張自体を抑制することができ、その結果接合体１の反り量を十分に低減することができる。
　ここで、両端打点Ｐ１，Ｐ５への入熱量が中間打点Ｐ２～Ｐ４への入熱量よりも小さいことは、完成した接合体１の断面構造からも確認することができる。以下、各打点への入熱量の相違が断面構造にもたらす影響について説明する。
　図１７は、上述した入熱量の相違による影響を説明するための断面図である。本図に示される摩擦攪拌径Ｒｆは、摩擦攪拌部２０の外径のことであって、回転ツール１０１の外径であるツール径に相当する寸法である。打点ごとの入熱量の相違は、この摩擦攪拌径Ｒｆから確認することができる。例えば、両端打点Ｐ１，Ｐ５の摩擦攪拌径Ｒｆが中間打点Ｐ２～Ｐ４の摩擦攪拌径Ｒｆよりも小さいことが確認された場合、この事実は、両端打点Ｐ１，Ｐ５への入熱量が中間打点Ｐ２～Ｐ４への入熱量よりも小さかったことの根拠となる。ただし、これは回転ツール１０１の圧入深さ（押込量）に相当する摩擦攪拌部２０の深さである摩擦攪拌深さＨｆが同一という条件でのことである。摩擦攪拌深さＨｆも変更され得る場合は、摩擦攪拌径Ｒｆと摩擦攪拌深さＨｆとの積から定まる摩擦攪拌部２０の体積によって入熱量を計ることができる。すなわち、摩擦攪拌部２０の体積が大きい打点と小さい打点があった場合、摩擦攪拌部２０の体積が大きい打点に対する入熱量の方が、摩擦攪拌部２０の体積が小さい打点に対する入熱量よりも大きいといえる。
　第１部材１１および第２部材１２が金属である場合は、図１７に示すように、摩擦攪拌部２０の周囲に、材料の結晶粒径が拡大した熱影響部３０を確認することができる。すなわち、熱影響部３０では、接合時に高温化した摩擦攪拌部２０からの伝熱による加熱を受けて材料の結晶粒径が拡大する。この熱影響部３０の結晶粒径は、入熱量が大きいほど拡大する。このことから、各打点への入熱量は、熱影響部３０の結晶粒径によって計ることができる。例えば、両端打点Ｐ１，Ｐ５における熱影響部３０の結晶粒径が中間打点Ｐ２～Ｐ４における熱影響部３０の結晶粒径よりも小さいことが確認された場合、この事実は、両端打点Ｐ１，Ｐ５への入熱量が中間打点Ｐ２～Ｐ４への入熱量よりも小さかったことの根拠となる。
　なお、結晶粒径は材料の硬さと相関がある。すなわち、同一の金属材料においては、結晶粒径が大きくなるほど硬さが低くなる傾向が見られる。そこで、材料の硬さによって入熱量を計ることも可能である。例えば、両端打点Ｐ１，Ｐ５における熱影響部３０の硬さが中間打点Ｐ２～Ｐ４における熱影響部３０の硬さよりも高いことが確認された場合、この事実は、両端打点Ｐ１，Ｐ５への入熱量が中間打点Ｐ２～Ｐ４への入熱量よりも小さかったことの根拠となる。
　また、入熱量の相違は、下板である第２部材１２に組織変化が見られたか否かによっても確認することができる。すなわち、第２部材１２が鋼であった場合において、この第２部材１２がその変態点を超えるまで加熱されたとすると、第２部材１２の組織がオーステナイト組織に変化するといった現象が見られる。一方、第２部材１２が変態点まで加熱されなかった場合には、このような組織変化は見られない。このことから、第２部材１２での組織変化の有無に基づき入熱量の相違を判断することができる。例えば、第２部材１２の組織変化が中間打点Ｐ２～Ｐ４で確認されかつ両端打点Ｐ１，Ｐ５で確認されなかった場合、この事実は、両端打点Ｐ１，Ｐ５への入熱量が中間打点Ｐ２～Ｐ４への入熱量よりも小さかったことの根拠となる。なお、上板である第１部材１１については、塑性流動が起きる温度まで加熱されるため、必然的に組織変化が生じる。このため、組織変化の有無による入熱量の判断を行う対象は、第１部材１１ではなく第２部材１２とすることが必要である。
　（３）第３実施形態
　前記第１実施形態では、第１部材１１と第２部材１２とが重なり合った帯状の重なり部１５に列状に並ぶ合計５つの打点Ｐ１～Ｐ５を設定した例について説明したが、重なり部１５に設定される打点は３つ以上あればよく、その数は適宜変更可能である。そして、打点の数もしくは重なり部１５の左右方向（打点並び方向）の長さによっては、前記第１実施形態とは異なる順番で摩擦攪拌接合を行うこともあり得る。その一例を第３実施形態として説明する。
　図１８に示すように、第３実施形態では、比較的幅広の第１部材３１と第２部材３２とが重なり合うことにより、左右方向に長尺な重なり部３５が形成され、かつこの重なり部３５に合計１０個の打点Ｐ１１～Ｐ２０が設定された場合を例示する。以下では、重なり部３５における左端から右端にかけて順に、第１打点Ｐ１１、第２打点Ｐ１２、‥‥第１０打点Ｐ２０と定義する。第３実施形態では、これら第１～第１０打点Ｐ１１～Ｐ２０を２つのグループに分けて、各グループの打点に対し前記第１実施形態と同様の順番で摩擦攪拌接合を行う。これにより、各打点Ｐ１１～Ｐ２０に摩擦攪拌部２０が形成されて第１部材３１と第２部材３２とが接合され、接合体１Ａが構築される。
　すなわち、図１９Ａ，Ｂに示すように、第１打点Ｐ１１から第５打点Ｐ１５までの打点群を第１グループＰＧ１、第６打点Ｐ１６から第１０打点Ｐ２０までの打点群を第２グループＰＧ２とすると、第３実施形態では、第１グループＰＧ１に属する５つの打点（第１～第５打点Ｐ１１～Ｐ１５）に対し、両端の打点Ｐ１１，Ｐ１５を優先して接合する接合順が採用されるとともに、第２グループＰＧ２に属する５つの打点（第６～第１０打点Ｐ１６～Ｐ２０）に対し、両端の打点Ｐ１６，Ｐ２０を優先して接合する接合順が採用される。具体例としては、図１９Ａに示すように、第１打点Ｐ１１→第５打点Ｐ１５→第１０打点Ｐ２０→第６打点Ｐ１６→第２打点Ｐ１２→第４打点Ｐ１４→第９打点Ｐ１９→第７打点Ｐ１７→第３打点Ｐ１３→第８打点Ｐ１８の順で摩擦攪拌接合が行われ得る。あるいは、図１９Ｂに示すように、第１打点Ｐ１１→第５打点Ｐ１５→第２打点Ｐ１２→第４打点Ｐ１４→第３打点Ｐ１３→第１０打点Ｐ２０→第６打点Ｐ１６→第９打点Ｐ１９→第７打点Ｐ１７→第８打点Ｐ１８の順で摩擦攪拌接合を行ってもよい。
　図１９Ａ，Ｂのいずれの接合順を採用した場合でも、各グループＰＧ１，ＰＧ２を個別に見たときには、両端の打点が先に接合されたことになる。すなわち、第１グループＰＧ１に属する５つの打点の中では、両端の第１打点Ｐ１１および第５打点Ｐ１５が先に接合されており、第２グループＰＧ２に属する５つの打点の中では、両端の第６打点Ｐ１６および第１０打点Ｐ２０が先に接合されている。このため、第３実施形態では、第１グループＰＧ１に対応する重なり部１５の左半分、および第２グループＰＧ２に対応する重なり部１５の右半分において、前記第１実施形態と同様の理由による反り変形の抑制効果が得られる。その結果、この第３実施形態においても、接合体１Ａの最終的な反り量を低減することができる。
　なお、第３実施形態において、第１グループＰＧ１の中で接合順が最も早い第１打点Ｐ１は、本開示における「一端側打点」に相当し、第１グループＰＧ１の中で次に接合順が早い第５打点Ｐ１５は、本開示における「他端側打点」に相当する。同様に、第２グループＰＧ２の中で接合順が最も早い第１０打点Ｐ２０は、本開示における「一端側打点」に相当し、第２グループＰＧ２の中で次に接合順が早い第６打点Ｐ１６は、本開示における「他端側打点」に相当する。
　以上、第３実施形態として例示したとおり、打点数もしくは重なり部１５の打点並び方向の長さによっては、重なり部１５の両端の打点を先に接合することは必須でない。言い換えると、本開示では、重なり部における最も一端側の打点を最初に接合すればよく、重なり部における最も他端側の打点をその次に接合することは必須ではない。２番目に接合される打点は、最も一端側の打点から他端側にある程度離れた位置にある打点であればよい。
　（４）第４実施形態
　既述のとおり、前記第１実施形態では、重なり部１５に設定された５つの打点（第１～第５打点Ｐ１～Ｐ５）に対し、両端打点である第１・第５打点Ｐ１，Ｐ５を先に接合する接合順が採用されることにより、中間打点である第２～第４打点Ｐ２～Ｐ４での接合時に材料が外側へ熱膨張することが規制され、これによって接合体１の反り量が低減される。ただし、このような中間打点での熱膨張の規制は、打点並び方向である左右方向に限られ、左右方向と直交する前後方向の熱膨張は特に規制されない。このため、中間打点では、前後方向の熱膨張がかえって大きくなる可能性がある。前後方向の熱膨張は反り変形には直結しないものの、重なり部１５の接合後の形状に影響が及ぶことが懸念される。例えば、図１および図２において、第１部材１１（上板）の後端の形状が、図２の二点鎖線のラインＺに示すように、平面視で波打つように変形することが懸念される。第４実施形態では、このような波打ち変形を抑制するための対策を講じた例について説明する。
　図２０および図２１は、第４実施形態の接合方法を説明するための斜視図および平面図である。本図に示すように、第４実施形態では、同一の幅を有する平板状の第１部材４１および第２部材４２の各後端部が重ね合わせられて重なり部４５が形成され、この重なり部４５に設定された第１～第５打点Ｐ２１～Ｐ２５に第１部材４１の側つまり上側から回転ツール１０１が圧入される。これにより、各打点Ｐ２１～Ｐ２５に摩擦攪拌部２０が形成されて第１部材４１と第２部材４２とが接合され、接合体１Ｂが構築される。第４実施形態において特徴的なのは、各打点Ｐ２１～Ｐ２５に対する摩擦攪拌接合が、重なり部４５に沿った形状の治具５０が配置された状態で行われることである。治具５０は、重なり部４５を左右両側および後方から取り囲むことが可能な平面視コ字状の部材である。この治具５０によって重なり部４５を取り囲んだ状態、つまり治具５０の内面を重なり部４５の外周に密着させた状態で、第１～第５打点Ｐ２１～Ｐ２５に対し摩擦攪拌接合が行われる。接合順としては、前記第１実施形態と同様に、両端の打点を優先する接合順が採用される。すなわち、両端の第１打点Ｐ２１および第５打点Ｐ２５を先に接合した後、中間の第２～第４打点Ｐ２２～Ｐ２４が接合される。
　以上のとおり、第４実施形態では、第１部材４１と第２部材４２との重なり部４５が治具５０により取り囲まれた状態で各打点Ｐ２１～Ｐ２５に対する摩擦攪拌接合が行われるので、接合時の熱膨張により生じ得る上述した波打ち変形を抑制することができる。すなわち、第１部材４１（上板）における最も後側の辺である端辺Ｒｘが接合後に波打つように変形するのを抑制することができる。これにより、接合体１の形状品質をより向上させることができる。
　なお、図２０および図２１には、重なり部４５を構成する第１部材４１および第２部材４２の各後端部を共に治具５０で取り囲んだ例を示したが、第１部材４１の後端部のみを治具５０で取り囲むようにしてもよい。このようにした場合でも、第１部材４１の端辺Ｒｘの波打ちを抑制することができる。
　（５）その他の変形例
　上述した各実施形態の変形例についてまとめて説明する。なお、以下では、第１実施形態をベースに種々の変形を加えた例について説明するが、他の実施形態（第２～第４実施形態）に対し同様の変形が可能であることは言うまでもない。
　前記第１実施形態では、第１部材１１および第２部材１２の材質を、第１部材１１の線膨張係数が第２部材１２の線膨張係数以上になるように選定したが（図４参照）、第１部材１１の線膨張係数が第２部材１２の線膨張係数よりも小さくなるように両部材の材質を選定してもよい。この場合の具体的な材質の組合せとしては、例えば、第１部材１１の材質がアルミニウム合金で第２部材１２の材質がマグネシウム合金である組合せ、第１部材１１の材質が炭素鋼で第２部材１２の材質がステンレス鋼である組合せ、および第１部材１１の材質が熱可塑性樹脂（繊維強化樹脂を含む）で第２部材１２が金属である組合せを挙げることができる。
　前記第１実施形態では、第１部材１１および第２部材１２からなる２つの部材が重なり合った重なり部１５を摩擦攪拌接合により接合したが、第１部材１１および第２部材１２に対し一以上の他の部材をさらに重ね合わせた状態でこれらの部材を接合してもよい。すなわち、本開示の接合方法は、少なくとも２つの部材が重なり合った重なり部を摩擦攪拌接合する場合に適用可能であり、３つ以上の部材が重なり合った重なり部を摩擦攪拌接合する場合にも本開示を適用可能である。
　前記第１実施形態では、第１部材１１と第２部材１２とを直接重ね合わせた状態で摩擦攪拌接合を行ったが、第１部材１１と第２部材１２との間にシーラントもしくは接着剤を塗布した状態で摩擦攪拌接合を行ってもよい。また、第１部材１１および第２部材１２の少なくとも一方にメッキ等の表面処理を施した状態で摩擦攪拌接合を行ってもよい。
　前記第１実施形態では、回転ツール１０１が圧入される複数の打点（第１～第５打点Ｐ１～Ｐ５）を、第１部材１１と第２部材１２との重なり部１５において直線状に並ぶように配置したが、複数の打点は全体として特定の方向に沿って並んでいればよく、例えば複数の打点を特定の方向に沿って千鳥状に並ぶように配置してもよい。
　前記第１実施形態では、第１部材１１と第２部材１２との重なり部１５を摩擦攪拌接合する際に、第１部材１１を過不足なく貫通するように回転ツール１０１（ショルダ部材１１２）を圧入したが、回転ツール１０１の圧入深さ（押込量）は、少なくとも第１部材１１を貫通する摩擦攪拌部が形成され得る深さに設定されればよく、第１部材１１を過ぎて第２部材１２の途中まで貫通するように回転ツール１０１を圧入してもよい。
　前記のように回転ツールを第２部材の途中に達するまで圧入した場合には、回転ツールが第２部材に達しない場合と比べて、第２部材の温度がより上昇する。このことは、接合中の第１部材と第２部材との温度差を縮小させるので、接合体の反り変形を抑制する効果が得られるものと期待される。なお、第２部材を高温化する別の方法として、裏当て部材を熱伝導性の悪い材質、例えばセラミックス等で構成する、あるいは第２部材をヒータで温めるといった方法を採用してもよい。
　前記第１実施形態では、個別に進退移動可能でかつ回転可能なピン部材１１１およびショルダ部材１１２を備えた複動式の回転ツール１０１を用いて摩擦攪拌接合を行う例について説明したが、本開示の接合方法は、このような複動式の回転ツールを含む摩擦攪拌接合装置でなくても実現可能である。例えば、回転および進退移動が可能な単一のピン部材を含みかつショルダ部材を含まない単動式の回転ツールを用いて摩擦攪拌接合を行ってもよい。
　（６）まとめ
　上述した実施形態およびその変形例には主に以下の開示が含まれている。
　本開示の一局面に係る接合方法は、第１部材と第２部材とが重なり合った重なり部における一端と他端との間に設定された複数の打点に回転ツールをそれぞれ圧入して摩擦攪拌部を形成することにより、前記第１部材と前記第２部材とを前記重なり部において接合する接合方法であって、前記重なり部における最も一端側の打点である一端側打点に前記第１部材側から前記回転ツールを圧入することにより、当該一端側打点に前記摩擦攪拌部を形成する第１接合ステップと、前記第１接合ステップの後、前記一端側打点から他端側に離れた他端側打点に前記第１部材側から前記回転ツールを圧入することにより、当該他端側打点に前記摩擦攪拌部を形成する第２接合ステップと、前記第２接合ステップの後、前記一端側打点と前記他端側打点との間に位置する中間打点に前記第１部材側から前記回転ツールを圧入することにより、当該中間打点に前記摩擦攪拌部を形成する第３接合ステップとを含むものである。
　回転ツールが圧入される第１部材は第２部材よりも高温化するので、接合時の材料の熱膨張およびその後の熱収縮が相対的に大きくなり易い。このことは、接合後の第１部材と第２部材との組合せである接合体の反り変形を誘発する。すなわち、第１部材に生じる相対的に大きな熱収縮が、第２部材を中央側に引っ張るような残留応力を生じさせ、これによって接合体が回転ツールとは反対側に凸の弓型になるように湾曲（反り変形）する。特に、本開示では、第１部材と第２部材との重なり部に列状に並ぶ複数の打点が設定され、各打点に対しそれぞれ摩擦攪拌接合が行われるので、各打点の摩擦攪拌接合がもたらす反り変形が積み重なり、接合体全体としての最終的な反り量が許容できないレベルまで増大するおそれがある。
　これに対し、本開示では、重なり部の中で最も一端側の一端側打点に対しまず摩擦攪拌接合が行われ、当該一端打点から他端側に離れた他端側打点に対し次に摩擦攪拌接合が行われるので、前記のような反り量の増大を抑制することができる。言い換えると、本開示では、一端側および他端側打点に対する摩擦攪拌接合が、両打点の間に位置する中間打点に対する摩擦攪拌部よりも先に行われるので、中間打点の接合時に生じ得る材料の外側への膨張が、その時点で既に存在する一端側および他端側打点の各摩擦攪拌部によって規制される。このように、本開示では、一端側および他端側打点が先に接合されることにより、中間打点での熱膨張が規制されるので、接合体に生じ得る最終的な反り量を低減することができる。
　前記他端側打点は、典型的には、前記重なり部における最も他端側に位置する打点である。この場合、前記中間打点は、前記一端側打点と前記他端側打点との間に位置する複数の打点のうちの任意の一つとすることができる。
　この構成によれば、重なり部に４つ以上の打点が設定される場合に、両端の打点が先に接合され、かつその間の複数の打点が後に接合されることになる。これにより、上述した反り変形の抑制効果を的確に得ることができる。
　好ましくは、前記第１接合ステップの前に、前記第１部材および前記第２部材を、前記回転ツール側に凸の弓型に湾曲させる予成形ステップをさらに含む。
　この構成によれば、上述した接合順の設定による反り変形の抑制効果と相俟って、接合体の反り量を十分に低減することができる。すなわち、前記予成形により、摩擦攪拌接合に由来する反り変形、つまり回転ツールと反対側に凸の弓型に湾曲する変形とは反対側に予め第１部材および第２部材が湾曲させられるので、その後の摩擦攪拌接合により生じる反り変形が、予成形による湾曲をキャンセルする方向の変形となる。これにより、接合体の最終的な反り量を可及的に低減することができ、接合体の形状品質を良好に確保することができる。
　好ましくは、前記第１接合ステップによる前記一端側打点への入熱量、および前記第２接合ステップによる前記他端側打点への入熱量が、前記第３接合ステップによる前記中間打点への入熱量よりも小さくなるように、前記各打点への前記回転ツールの圧入を行う。
　上述したように、接合順序が遅い中間打点での熱膨張は、先に形成された一端側および他端側打点の摩擦攪拌部により規制されるものの、接合順序が早い一端側および他端側打点についてこのような効果を期待することはできない。このため、当該一端側および他端側打点での熱膨張自体を少しでも抑制することが、接合体の反り量をより低減することにつながる。この構成によれば、一端側および他端側打点への入熱量が中間打点への入熱量よりも小さくされるので、当該一端側および他端側打点での熱膨張自体を抑制することができ、その結果接合体の反り量を十分に低減することができる。
　前記一端側および他端側打点への入熱量を小さくする方法は種々考えられるが、好ましい一例として、回転ツールの外径を小さくする方法を挙げることができる。すなわち、前記第１接合ステップおよび前記第２接合ステップでは、前記第３接合ステップのときよりも小径の前記回転ツールを用いることが好ましい。
　前記第１部材の材質は、前記第２部材よりも線膨張係数の大きい材質であってもよい。
　第１部材の線膨張係数が第２部材の線膨張係数よりも大きいことは、上述した接合体の反り変形がより起き易くなることを意味する。したがって、このような場合に本開示の接合方法を適用すれば、懸念される反り変形を抑制しつつ異材質どうしを接合することができる。
　本開示の他の局面に係る接合体は、第１部材と、当該第１部材と重なるように配置された第２部材と、前記第１部材と前記第２部材との重なり部における一端と他端との間に設定された複数の打点を摩擦攪拌により接合した接合部とを備えた接合体であって、前記重なり部における最も一端側の打点である一端側打点の入熱量、および前記一端側打点から他端側に離れた他端側打点の入熱量が、前記一端側打点と前記他端側打点との間に位置する中間打点の入熱量よりも小さいものである。
　本開示によれば、反り量が比較的小さい接合体を得ることができる。
　ここで、摩擦攪拌部の外径が相違すれば、前記入熱量が相違するといえる。すなわち、前記一端側打点および前記他端側打点における摩擦攪拌部の外径が、前記中間打点における摩擦攪拌部の外径よりも小さいことが好ましい。

Claims (8)

  1. 　第１部材と第２部材とが重なり合った重なり部における一端と他端との間に設定された複数の打点に回転ツールをそれぞれ圧入して摩擦攪拌部を形成することにより、前記第１部材と前記第２部材とを前記重なり部において接合する接合方法であって、
    　前記重なり部における最も一端側の打点である一端側打点に前記第１部材側から前記回転ツールを圧入することにより、当該一端側打点に前記摩擦攪拌部を形成する第１接合ステップと、
    　前記第１接合ステップの後、前記一端側打点から他端側に離れた他端側打点に前記第１部材側から前記回転ツールを圧入することにより、当該他端側打点に前記摩擦攪拌部を形成する第２接合ステップと、
    　前記第２接合ステップの後、前記一端側打点と前記他端側打点との間に位置する中間打点に前記第１部材側から前記回転ツールを圧入することにより、当該中間打点に前記摩擦攪拌部を形成する第３接合ステップとを含む、接合方法。
  2. 　請求項１に記載の接合方法において、
    　前記他端側打点は、前記重なり部における最も他端側に位置する打点であり、
    　前記中間打点は、前記一端側打点と前記他端側打点との間に位置する複数の打点のうちの任意の一つである、接合方法。
  3. 　請求項１または２に記載の接合方法において、
    　前記第１接合ステップの前に、前記第１部材および前記第２部材を、前記回転ツール側に凸の弓型に湾曲させる予成形ステップをさらに含む、接合方法。
  4. 　請求項１～３のいずれか１項に記載の接合方法において、
    　前記第１接合ステップによる前記一端側打点への入熱量、および前記第２接合ステップによる前記他端側打点への入熱量が、前記第３接合ステップによる前記中間打点への入熱量よりも小さくなるように、前記各打点への前記回転ツールの圧入を行う、接合方法。
  5. 　請求項４に記載の接合方法において、
    　前記第１接合ステップおよび前記第２接合ステップでは、前記第３接合ステップのときよりも小径の前記回転ツールを用いる、接合方法。
  6. 　請求項１～５のいずれか１項に記載の接合方法において、
    　前記第１部材の材質として、前記第２部材よりも線膨張係数の大きい材質を用いる、接合方法。
  7. 　第１部材と、当該第１部材と重なるように配置された第２部材と、前記第１部材と前記第２部材との重なり部における一端と他端との間に設定された複数の打点を摩擦攪拌により接合した接合部とを備えた接合体であって、
    　前記重なり部における最も一端側の打点である一端側打点の入熱量、および前記一端側打点から他端側に離れた他端側打点の入熱量が、前記一端側打点と前記他端側打点との間に位置する中間打点の入熱量よりも小さい、接合体。
  8. 　請求項７に記載の接合体において、
    　前記一端側打点および前記他端側打点における摩擦攪拌部の外径が、前記中間打点における摩擦攪拌部の外径よりも小さい、接合体。
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