特許 5662953 接合方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5662953

(24)【登録日】2014年12月12日

(45)【発行日】2015年2月4日

(54)【発明の名称】接合方法

(51)【国際特許分類】

   B23K 20/12 20060101AFI20150115BHJP

【ＦＩ】

   B23K20/12 310

   B23K20/12 344

   B23K20/12 366

【請求項の数】6

【全頁数】21

(21)【出願番号】特願2012-4069(P2012-4069)

(22)【出願日】2012年1月12日

(65)【公開番号】特開2012-161840(P2012-161840A)

(43)【公開日】2012年8月30日

【審査請求日】2012年1月12日

(31)【優先権主張番号】特願2011-8547(P2011-8547)

(32)【優先日】2011年1月19日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000004743

【氏名又は名称】日本軽金属株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100064414

【弁理士】

【氏名又は名称】磯野 道造

(74)【代理人】

【識別番号】100111545

【弁理士】

【氏名又は名称】多田 悦夫

(74)【代理人】

【識別番号】100129067

【弁理士】

【氏名又は名称】町田 能章

(73)【特許権者】

【識別番号】500031504

【氏名又は名称】ザ ウェルディング インスティテュート

(74)【代理人】

【識別番号】100064414

【弁理士】

【氏名又は名称】磯野 道造

(72)【発明者】

【氏名】堀 久司

(72)【発明者】

【氏名】瀬尾 伸城

【審査官】 山崎 孔徳

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００２−０１８５８０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−０１８３１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−１３０３２６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−１５４４６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２００６／０８１８１９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００４−１１４１３８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ２３Ｋ ２０／１２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

円筒状を呈する内部ホルダーの内部に挿通され前記内部ホルダーと一体的に回転するスライド軸と、円柱状を呈し、同等の外径からなる一対のショルダと前記ショルダの間に形成されたピンとを備えたボビンツールと、を有し、前記スライド軸に前記ボビンツールが連結されており、前記内部ホルダーに対して前記スライド軸が回転軸方向に移動可能になっている摩擦撹拌装置を用いて、
一対の金属板を接合する接合方法であって、
前記金属板の端面同士を突き合わせる突き合せ工程と、
前記端面同士を突き合せて形成された突き合せ部に回転させた前記ボビンツールのピンを移動させて前記端面同士を摩擦攪拌接合する接合工程と、を含み、
前記ショルダの外径をＸとし、前記ピンの外径の外径をＹとすると、次式を満たし、
Ｙ^２／（Ｘ^２−Ｙ^２）＞０．２・・・・（１）
前記接合工程では、ショルダ間の距離を前記金属板の厚さ以下に設定しておき、摩擦攪拌によって前記金属板が変形して前記端面の位置が前記ボビンツールの回転軸方向にずれた際に、前記ボビンツールがそのずれに追従して回転軸方向に移動することを特徴とする接合方法。

【請求項2】

前記端面同士の隙間を１．００ｍｍ以下に設定する場合、
前記金属板の厚さと前記ショルダ間の距離とを、０．２ｍｍ≦｛（金属板の厚さ）−（ショルダ間の距離）｝≦０．８ｍｍとなるように設定することを特徴とする請求項１に記載の接合方法。

【請求項3】

円筒状を呈する内部ホルダーの内部に挿通され前記内部ホルダーと一体的に回転するスライド軸と、一対のショルダと前記ショルダの間に形成されたピンとを備えたボビンツールと、を有し、前記スライド軸に前記ボビンツールが連結されており、前記内部ホルダーに対して前記スライド軸が回転軸方向に移動可能になっている摩擦撹拌装置を用いて、
一対の金属板を接合する接合方法であって、
前記金属板の端面同士を突き合わせる突き合せ工程と、
前記端面同士を突き合せて形成された突き合せ部に回転させた前記ボビンツールのピンを移動させて前記端面同士を摩擦攪拌接合する接合工程と、を含み、
前記端面同士の隙間を１．００ｍｍより大きく１．７５ｍｍ以下に設定する場合、
前記金属板の厚さと前記ショルダ間の距離とを、０．４ｍｍ≦｛（金属板の厚さ）−（ショルダ間の距離）｝≦０．８ｍｍとなるように設定し、
前記ショルダの外径をＸとし、前記ピンの外径の外径をＹとすると、次式を満たし、
Ｙ^２／（Ｘ^２−Ｙ^２）＞０．２・・・・（１）
前記接合工程では、ショルダ間の距離を前記金属板の厚さ以下に設定しておき、摩擦攪拌によって前記金属板が変形して前記端面の位置が前記ボビンツールの回転軸方向にずれた際に、前記ボビンツールをそのずれに追従して回転軸方向に移動させることを特徴とする接合方法。

【請求項4】

前記ショルダの外径を二乗した値を、前記ピンの外径を二乗した値で除した値が２．０より大きくなるように設定されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の接合方法。

【請求項5】

前記接合工程において、突き合わされた部分の前記金属板の厚さが異なる場合に、前記金属板の厚さが大きい方の前記金属板を前記ボビンツールの進行方向に対して左側に配置した場合には、前記ボビンツールを右回転させることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の接合方法。

【請求項6】

前記接合工程において、突き合わされた部分の前記金属板の厚さが異なる場合に、前記金属板の厚さが大きい方の前記金属板を前記ボビンツールの進行方向に対して右側に配置した場合には、前記ボビンツールを左回転させることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の接合方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ボビンツールを用いて一対の金属板を接合する接合方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、金属板の端面同士を摩擦攪拌接合するツールとしてボビンツールが知られている。ボビンツールは、一対のショルダとこのショルダの間に形成されたピンとを備えている。一対の金属板を接合する際には、金属板を移動不能に拘束した上で、金属板の一端側から高速回転させたボビンツールを挿入し、突き合せ部に沿ってピンを移動させる。これにより、端面同士の周囲の金属が摩擦攪拌されて金属板同士を接合することができる。ボビンツールによれば、金属板の裏面側にもショルダを備えているため、通常、金属板の裏側に配置する裏当部材を省略することができる。特に、中空形材の端部同士を接合する際には、裏当部材を設置する作業が煩雑になるため、作業手間を大幅に省略することができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特許第２７１２８３８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

従来の接合方法では、摩擦攪拌の摩擦熱によって金属板が膨張すると、突き合せ部に隙間が生じたり金属板が撓んで端面の高さ位置がずれたりする。このような隙間や位置ずれは接合欠陥が発生する原因となる。また、ショルダ間の距離が、金属板の厚さよりも大きいと、摩擦攪拌によって塑性流動化された金属がショルダの外部に溢れやすくなるため接合欠陥が発生しやすいという問題があった。

【0005】

このような観点から、本発明は、ボビンツールを用いて一対の金属板を接合する際に、接合欠陥の発生を抑制し好適に接合することができる接合方法を提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

このような課題を解決するために本発明は、円筒状を呈する内部ホルダーの内部に挿通され前記内部ホルダーと一体的に回転するスライド軸と、円柱状を呈し、同等の外径からなる一対のショルダと前記ショルダの間に形成されたピンとを備えたボビンツールと、を有し、前記スライド軸に前記ボビンツールが連結されており、前記内部ホルダーに対して前記スライド軸が回転軸方向に移動可能になっている摩擦撹拌装置を用いて、一対の金属板を接合する接合方法であって、前記金属板の端面同士を突き合わせる突き合せ工程と、前記端面同士を突き合せて形成された突き合せ部に回転させた前記ボビンツールのピンを移動させて前記端面同士を摩擦攪拌接合する接合工程と、を含み、前記ショルダの外径をＸとし、前記ピンの外径の外径をＹとすると、次式を満たし、Ｙ^２／（Ｘ^２−Ｙ^２）＞０．２・・・・（１）前記接合工程では、ショルダ間の距離を前記金属板の厚さ以下に設定しておき、摩擦攪拌によって前記金属板が変形して前記端面の位置が前記ボビンツールの回転軸方向にずれた際に、前記ボビンツールがそのずれに追従して回転軸方向に移動することを特徴とする。

【0007】

かかる接合方法によれば、摩擦攪拌の摩擦熱によって金属板が変形しても、端面の位置ずれに追従してボビンツールが回転軸方向に移動するため、接合する位置がずれるのを防ぐことができる。また、ショルダ間の距離を金属板の厚さ以下に設定することで、摩擦攪拌して塑性流動化した金属がショルダの外部に溢れるのを防ぐことができる。これにより、接合欠陥の発生を抑制することができる。また、ピンが比較的太くなるため折れにくい。

【0008】

また、前記端面同士の隙間を１．００ｍｍ以下に設定する場合、前記金属板の厚さと前記ショルダ間の距離とを、０．２ｍｍ≦｛（金属板の厚さ）−（ショルダ間の距離）｝≦０．８ｍｍとなるように設定することが好ましい。

【0009】

かかる接合方法によれば、端面同士に隙間があっても接合欠陥の発生を抑制することができる。
また、本発明は、円筒状を呈する内部ホルダーの内部に挿通され前記内部ホルダーと一体的に回転するスライド軸と、一対のショルダと前記ショルダの間に形成されたピンとを備えたボビンツールと、を有し、前記スライド軸に前記ボビンツールが連結されており、前記内部ホルダーに対して前記スライド軸が回転軸方向に移動可能になっている摩擦撹拌装置を用いて、一対の金属板を接合する接合方法であって、前記金属板の端面同士を突き合わせる突き合せ工程と、前記端面同士を突き合せて形成された突き合せ部に回転させた前記ボビンツールのピンを移動させて前記端面同士を摩擦攪拌接合する接合工程と、を含み、前記端面同士の隙間を１．００ｍｍより大きく１．７５ｍｍ以下に設定する場合、
前記金属板の厚さと前記ショルダ間の距離とを、０．４ｍｍ≦｛（金属板の厚さ）−（ショルダ間の距離）｝≦０．８ｍｍとなるように設定し、前記ショルダの外径をＸとし、前記ピンの外径の外径をＹとすると、次式を満たし、Ｙ^２／（Ｘ^２−Ｙ^２）＞０．２・・・・（１）前記接合工程では、ショルダ間の距離を前記金属板の厚さ以下に設定しておき、摩擦攪拌によって前記金属板が変形して前記端面の位置が前記ボビンツールの回転軸方向にずれた際に、前記ボビンツールをそのずれに追従して回転軸方向に移動させることを特徴とする。
かかる接合方法によれば、摩擦攪拌の摩擦熱によって金属板が変形しても、端面の位置ずれに追従してボビンツールが回転軸方向に移動するため、接合する位置がずれるのを防ぐことができる。また、ショルダ間の距離を金属板の厚さ以下に設定することで、摩擦攪拌して塑性流動化した金属がショルダの外部に溢れるのを防ぐことができる。これにより、接合欠陥の発生を抑制することができる。また、ピンが比較的太くなるため折れにくい。また、かかる接合方法によれば、端面同士に隙間があっても接合欠陥の発生を抑制することができる。

【0010】

また、前記ショルダの外径を二乗した値を、前記ピンの外径を二乗した値で除した値が２．０より大きくなるように設定されていることが好ましい。かかる接合方法によれば、ピンの外径に対するショルダの外径を大きく確保できるため、ショルダ間で塑性流動化した金属を確実に押えることができる。これにより、接合欠陥の発生をより抑制することができる。ショルダの外径を二乗した値を、ピンの外径を二乗した値で除した値が２．０以下であると金属が溢れやすくなり接合欠陥が発生しやすい。

【0011】

また、前記ピンの外径を二乗した値を、前記ピンの外径と前記ショルダ間の距離との積で除した値が１．２よりも大きくなるように設定されていることが好ましい。この値が１．２以下になると、ピンが細くなるため抗折力が不足して折れやすくなるが、１．２よりも大きいとピンが比較的太くなるため折れにくい。

【0012】

また、前記接合工程において、突き合わされた部分の前記金属板の厚さが異なる場合に、前記金属板の厚さが大きい方の前記金属板を前記ボビンツールの進行方向に対して左側に配置した場合には、前記ボビンツールを右回転させることが好ましい。
また、前記接合工程において、突き合わされた部分の前記金属板の厚さが異なる場合に、前記金属板の厚さが大きい方の前記金属板を前記ボビンツールの進行方向に対して右側に配置した場合には、前記ボビンツールを左回転させることが好ましい。

【0013】

摩擦攪拌においては、回転ツールを右回転させた場合、ツールの進行方向左側（シアー側：回転ツールの回転速度に回転ツールの移動速度が加算される側）からツールの進行方向右側（フロー側：回転ツールの回転速度に回転ツールの移動速度が減算される側）に塑性流動化された金属が流れる傾向があるため、仮に、金属板同士の間に隙間がある場合には、シアー側の金属でその隙間が埋められると考えられる。したがって、金属板の厚さが小さい金属板をシアー側に配置すると、金属が不足して接合後の塑性化領域の中央部の厚さが小さくなる傾向がある。
しかし、金属板の端面同士の厚さが異なる場合は、金属板の厚さが大きい金属板をシアー側に配置することで金属不足を補うことができるため、より好適に接合することができる。

【発明の効果】

【0014】

本発明に係る接合方法によれば、接合欠陥の発生を抑制し、好適に接合することができる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】本実施形態に係るボビンツールと中空形材を示す斜視図である。

【図2】金属部材の突き合せ状態を示す図であって（ａ）は突き合せ前、（ｂ）は突き合せ後を示す。

【図3】本実施形態に係るボビンツールを示す一部透過斜視図である。

【図4】本実施形態に係るボビンツールを示す斜視図である。

【図5】本実施形態に係るボビンツールを示す側面図であって（ａ）は右回転用、（ｂ）は左回転用を示す。

【図6】本実施形態に係る接合方法を示す図であって、（ａ）は側断面図、（ｂ）は（ａ）のＩ−Ｉ端面図である。

【図7】（ａ）は接合方法の第一変形例を示し、（ｂ）は接合方法の第二変形例を示す。

【図8】第一実施例における試験体の組み合わせを示した表である。

【図9】第一実施例において、試験体Ｈ１の隙間と接合部の厚さとの関係を示したグラフである。

【図10】第一実施例において、試験体Ｈ３の隙間と接合部の厚さとの関係を示したグラフである。

【図11】第一実施例において、接合品質に及ぼす金属板の厚さと隙間の関係を示す表であって、Ａｄ側の厚さ＝Ｒｅ側の厚さの場合を示す。

【図12】接合品質に及ぼす金属板の厚さと隙間の関係を示す表であって、Ａｄ側の厚さを変化させ、Ｒｅ側の厚さを固定した場合を示す。

【図13】接合品質に及ぼす金属板の厚さと隙間の関係を示す表であって、Ａｄ側の厚さを固定し、Ｒｅ側の厚さを変化させた場合を示す。

【図14】第一実施例において、（ａ）は隙間と中央部の厚さとの関係を示したグラフであり、（ｂ）は隙間とＡｄ部の厚さとの関係を示したグラフである。

【図15】第一実施例において、（ａ）は隙間とＲｅ部の厚さとの関係を示したグラフであり、（ｂ）は隙間と平均厚さとの関係を示したグラフである。

【図16】第二実施例において、接合品質に及ぼす金属板の厚さと隙間の関係を示す表であって、Ａｄ側の厚さ＝Ｒｅ側の厚さの場合を示す。

【図17】第一実施例において、ショルダ間距離を５．８ｍｍに固定した場合の各ボビンツールの寸法と接合状況を示した表である。

【図18】第二実施例において、ショルダ間距離を２．８ｍｍに固定した場合の各ボビンツールの寸法と接合状況を示した表である。

【図19】ショルダ間距離を１１．５ｍｍに固定した場合の各ボビンツールの寸法と接合状況を示した表である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。図１に示すように、本実施形態に係る摩擦攪拌装置１は、突き合わされた一対の金属板の突き合せ部Ｎを摩擦攪拌接合する装置である。摩擦攪拌装置１の先端にはボビンツール５が装着されている。まずは、接合する一対の金属板の説明をする。説明における上下前後左右は図１の矢印に従う。

【0017】

＜中空形材＞
図２の（ａ）に示すように、本実施形態では中空形材１００Ａと中空形材１００Ｂとを接合する場合を例示する。中空形材１００Ａは、アルミニウム合金製の押出形材であって、断面視矩形の中空部１００ａを有する長尺部材である。中空形材１００Ａは、中空部１００ａを備えた本体部１０１と、本体部１０１の左側面の上下端からそれぞれ左側（中空形材１００Ｂ側）に張り出した板状端部１０２，１０３とを有する。

【0018】

本体部１０１は、４つの面材１０４，１０５，１０６，１０７で構成され、断面視矩形に形成されている。板状端部１０２，１０３は、板状を呈し面材１０５に対して垂直になっている。板状端部１０２，１０３の左右方向の長さは、面材１０４の半分程度になっている。また、板状端部１０２，１０３は、面材１０４，１０５，１０６，１０７と同等の厚さになっている。板状端部１０２，１０３は、特許請求の範囲の「金属板」に相当する部位である。

【0019】

中空形材１００Ｂは、中空形材１００Ａと同等の形状を呈する金属部材である。中空形材１００Ｂは、中空形材１００Ａと同等の符号を付して詳細な説明は省略する。

【0020】

中空形材１００Ａと中空形材１００Ｂとを突き合わせる際には、中空形材１００Ａの板状端部１０２，１０３と中空形材１００Ｂの１０２，１０３とをそれぞれ突き合わせる。より詳しくは、中空形材１００Ａの板状端部１０２の端面１０２ａと中空形材１００Ｂの板状端部１０２の端面１０２ａとを突き合わせるとともに、中空形材１００Ａの板状端部１０３の端面１０３ａと中空形材１００Ｂの板状端部１０３の端面１０３ａとをそれぞれ突き合わせる。図２の（ｂ）に示すように、中空形材１００Ａと中空形材１００Ｂとを突き合わせると、端面１０２ａ，１０２ａの高さ方向の中心同士が重なるとともに、板状端部１０２，１０２の上面と下面とがそれぞれ面一になる。

【0021】

図２の（ｂ）に示すように、端面１０２ａ，１０２ａ、端面１０３ａ，１０３ａがそれぞれ突き合わされた部分を「突き合せ部Ｎ」とする。突き合せ部Ｎを接合する際には、端面１０２ａ，１０２ａが密接していることが好ましいが、中空形材１００Ａ，１００Ｂの公差や、接合時における摩擦熱によって板状端部１０２，１０２が変形し、端面１０２ａ，１０２ａとの間に微細な隙間が生じる場合がある。突き合せ部Ｎとは、端面１０２ａ，１０２ａに微細な隙間が生じている場合も含む概念とする。

【0022】

なお、本実施形態では接合する対象として中空形材の板状端部を例示しているが、接合する対象は、摩擦攪拌可能な金属で形成されており、板状を呈する部材であれば特に制限されるものではない。

【0023】

＜摩擦攪拌装置＞
図３及び図４に示すように、摩擦攪拌装置１は、外部ホルダー２と、外部ホルダー２の内部に配設される内部ホルダー３と、内部ホルダー３内に挿通されるスライド軸４と、スライド軸４の先端に取り付けられたボビンツール５とを有する。

【0024】

外部ホルダー２は、円筒状を呈する部材であって内側に内部ホルダー３を収容する。外部ホルダー２は、摩擦攪拌装置１のチャック部（図示省略）に固定される部位であって、摩擦攪拌装置１の回転駆動に伴って上下方向軸回りに回転する。図４に示すように、内部ホルダー３は、円筒状を呈する部材であって、その外周面には径方向に貫通する長孔３ａが形成されている。内部ホルダー３は、外部ホルダー２に固定されることにより外部ホルダー２と一体的に回転する。

【0025】

スライド軸４は、内部ホルダー３の内部に挿通される軸部材である。スライド軸４の側面には、外側に向けて突出する突部４ａが形成されている。突部４ａと内部ホルダー３の長孔３ａとが係合することで、内部ホルダー３とスライド軸４とが一体的に回転する。スライド軸４は、内部ホルダー３に対して長孔３ａの範囲内において、上下方向に移動可能になっている。

【0026】

ボビンツール５は、例えば工具鋼で形成されておりスライド軸４に連結されている。ボビンツール５は、スライド軸４の回転に伴って上下方向軸周りに正逆回転する。ボビンツール５は、第一ショルダ１１と、第一ショルダ１１の下方に間をあけて配設された第二ショルダ１２と、第一ショルダ１１と第二ショルダ１２とを連結するピン１３とを有する。

【0027】

図５の（ａ）に示すように、第一ショルダ１１及び第二ショルダ１２は、円柱状を呈し、同等の外径を備えている。ピン１３は、円柱状を呈し、第一ショルダ１１と第二ショルダ１２とを連結する。第二ショルダ１２の下端は、第二ショルダ１２を貫通したピン１３がナットで締結されている。ピン１３の外周面には、上部螺旋溝１３ａと下部螺旋溝１３ｂとが刻設されている。上部螺旋溝１３ａ及び下部螺旋溝１３ｂの溝の向きはそれぞれ反対方向に巻回されるように刻設されている。

【0028】

上部螺旋溝１３ａは、第一ショルダ１１の下端からピン１３の高さ方向の中間位置まで刻設されている。本実施形態ではボビンツール５を右回転させるため、上部螺旋溝１３ａは右ねじで形成されている。つまり、上部螺旋溝１３ａは、上から下に向けて右回りに巻回されるように刻設されている。

【0029】

一方、下部螺旋溝１３ｂは、第二ショルダ１２の上端からピン１３の高さ方向の中間位置まで刻設されている。本実施形態ではボビンツール５を右回転させるため、下部螺旋溝１３ｂは左ねじで形成されている。つまり、下部螺旋溝１３ｂは、上から下に向けて左回りに巻回されるように刻設されている。上部螺旋溝１３ａ及び下部螺旋溝１３ｂをこのように形成することで、摩擦攪拌されて塑性流動化した金属が、板状端部１０２の高さの中央部分から上端方向又は下端方向に向かって若干移動するようになっている。なお、これら上下方向への金属の移動は、ボビンツール５のピン１３の回転による周方向での金属の移動に比べて微量に止まるものである。

【0030】

ちなみに、図５の（ｂ）に示すボビンツール５Ａは、ボビンツール５Ａを左回転させる場合に用いるツールである。ボビンツール５Ａの上部螺旋溝１３ｄと下部螺旋溝１３ｅは、前記した右回転用のボビンツール５と螺旋溝の巻き方向が異なる。ボビンツール５Ａの上部螺旋溝１３ｄは、左ねじで形成されている。つまり、ボビンツール５Ａの上部螺旋溝１３ｄは、上から下に向けて左回りに巻回されるように刻設されている。一方、ボビンツール５Ａの下部螺旋溝１３ｅは、右ねじで形成されている。つまり、ボビンツール５Ａの下部螺旋溝１３ｅは、上から下に向けて右回りに巻回されるように刻設されている。

【0031】

図５の（ａ）に示すように、ボビンツール５のショルダ間距離Ｚ（ピン１３の長さ）は、中空形材１００Ａの板状端部１０２の厚さＴと同等か、それよりも小さくなっていることが好ましい。例えば、本実施形態では、ショルダ間距離Ｚは、中空形材１００Ａの板状端部１０２の厚さＴよりも０．２ｍｍ小さくなっている。

【0032】

なお、突き合せ部Ｎ（図２の（ｂ）参照）の端面１０２ａ，１０２ａの隙間を０．７５ｍｍ以下に設定できる場合、板状端部１０２の厚さＴとショルダ間距離Ｚとを同等、つまり、Ｔ−Ｚ＝０と設定しても接合状態を良好にすることができる。

【0033】

また、突き合せ部Ｎの端面１０２ａ，１０２ａの隙間を１．００ｍｍ以下に設定できる場合、板状端部１０２の厚さＴとショルダ間距離Ｚとを、０．２ｍｍ≦Ｔ−Ｚ≦０．８ｍｍとなるように設定することが好ましい。

【0034】

また、突き合せ部Ｎの端面１０２ａ，１０２ａの隙間を１．００より大きく、１．７５ｍｍ以下に設定できる場合、板状端部１０２の厚さＴとショルダ間距離Ｚとを、０．４ｍｍ≦Ｔ−Ｚ≦０．８ｍｍとなるように設定することが好ましい。

【0035】

また、ボビンツール５は、第一ショルダ１１及び第二ショルダ１２の外径Ｘを二乗した値をピン１３の外径Ｙを二乗した値で除した値が２．０より大きくなるように設定することが好ましい。かかるボビンツール５によれば、バリとして排出される材料の量を第一ショルダ１１及び第二ショルダ１２によって抑制できるため、接合欠陥の発生を低減することができる。

【0036】

また、ボビンツール５は、ピン１３の外径Ｙを二乗した値を、第一ショルダ１１及び第二ショルダ１２の外径Ｘを二乗した値からピン１３の外径Ｙを二乗した値を引いた値で除した値が０．２よりも大きくなるように設定されていることが好ましい。かかるボビンツール５によれば、接合時にツール軸方向に発生する材料抵抗に対するピンの抗張力は十分であるため、ピン１３の破損を防ぐことができる。
また、ボビンツール５は、ピン１３の外径Ｙを二乗した値をピン１３の外径Ｙとショルダ間距離Ｚとの積で除した値が１．２よりも大きくなるように設定することが好ましい。かかるボビンツール５によれば、接合時にツール進行方向とは逆向きに流れる材料抵抗に対するピンの抗折力は十分であるため、ピン１３の破損を防ぐことができる。これらの根拠については実施例で記載する。

【0037】

ここで、摩擦攪拌接合を行うと、摩擦熱によって板状端部１０２，１０２の温度が上昇し、板状端部１０２，１０２が上方又は下方に反ってしまう場合がある。ボビンツール５の回転軸方向の位置が不動で、かつ、板状端部１０２が反った状態で摩擦攪拌接合を続行すると、ピン１３の中心１３ｃ（図６の（ａ）参照）と突き合せ部Ｎの中心Ｎｃの高さ位置がずれてしまう。接合位置がずれると接合欠陥が発生する可能性が高くなるので、是正する必要がある。

【0038】

そこで、本実施形態に係る摩擦攪拌装置１は、スライド軸４が内部ホルダー３内を移動可能に形成されているため、板状端部１０２が例えば上方に反った際に、その反りに追従してボビンツール５が所定の距離だけ上方に移動するように構成されている。一方、摩擦攪拌装置１は、板状端部１０２が例えば下方に反った際に、その反りに追従してボビンツール５が所定の距離だけ下方に移動するように構成されている。つまり、板状端部１０２が反ったとしても、その反りに応じてボビンツール５（ピン１３）が板状端部１０２の反りに追従して移動することにより、ピン１３の中心１３ｃと突き合せ部Ｎの中心Ｎｃの高さ位置がずれるのを抑制できるようになっている。

【0039】

次に、本発明の接合方法について説明する。
本発明に係る接合方法では、中空形材同士を突き合わせる突き合せ工程と、突き合せ部Ｎにボビンツール５を挿入する接合工程と、を行う。

【0040】

突き合せ工程では、図２に示すように、中空形材１００Ａと中空形材１００Ｂとを板状端部１０２同士で対向させ、端面１０２ａ，１０２ａ同士及び端面１０３ａ，１０３ａ同士を面接触させる。より詳しくは、一方の端面１０２ａの中点と、他方の端面１０２ａの中点とが重なるように面接触させる。なお、突き合わせた後は、中空形材１００Ａ，１００Ｂが離間しないように、突き合せ部Ｎに沿って溶接などで仮付けを行ってもよい。中空形材１００Ａと中空形材１００Ｂとを突き合わせたら、両者を移動不能に拘束する。

【0041】

接合工程では、突き合せ部Ｎの外部において、ピン１３の中心１３ｃが、突き合せ部Ｎの中心Ｎｃと重なるように位置させる。そして、図６の（ａ）に示すように、右回転させたボビンツール５を突き合せ部Ｎに沿って移動させる。

【0042】

ボビンツール５が突き合せ部Ｎに挿入されると、高速回転するピン１３によってピン１３の周囲の金属が摩擦攪拌され、ピン１３の軌跡には塑性化領域Ｗが形成される。図６の（ａ）に示すように、ボビンツール５によって形成された塑性化領域Ｗは、前記したように上部螺旋溝１３ａと下部螺旋溝１３ｂの螺旋溝の巻回方向が異なるため、塑性流動した金属が突き合せ部Ｎの中心Ｎｃから板状端部１０２の各表面側に向かって移動するようになる。これにより、図６の（ａ）及び（ｂ）に示すように、塑性化領域Ｗは、中心Ｎｃ方向に向けて凸となる円弧状であって、金属の縞模様が上下に略対称となるように形成される。

【0043】

以上説明した本実施形態に係る接合方法によれば、摩擦攪拌接合の摩擦熱によって板状端部（金属板）１０２，１０２が反ったとしても、その反りに追従してボビンツール５が上下方向に移動可能になっている。これにより、ピン１３の中心１３ｃと突き合せ部Ｎの中心Ｎｃとの高さ位置がずれるのを抑制できる。よって、接合位置がずれるのを防ぐことができる。また、本実施形態のように、ボビンツール５のショルダ間距離Ｚを板状端部１０２の厚さＴ以下に設定することで、塑性流動化した金属を押えることができ、摩擦攪拌によって塑性流動化した金属が第一ショルダ１１及び第二ショルダ１２の外部に溢れるのを防ぐことができる。これにより、接合欠陥の発生を抑制することができる。

【0044】

＜第一変形例＞
第一変形例では、図７の（ａ）に示すように、板状端部１０２Ａと板状端部１０２Ｂとの厚さが異なる点で前記した実施形態と相違する。板状端部１０２Ｂの厚さＴ１は、板状端部１０２Ａの厚さＴ２よりも大きくなっている。第一変形例では、板状端部１０２Ａの高さ方向の中点と、板状端部１０２Ｂの高さ方向の中点とが重なるように突き合わされている。

【0045】

第一変形例に係る接合工程では、ボビンツール５を右回転させて、板状端部１０２Ｂの突き合せ部Ｎの厚さが大きい方の板状端部１０２Ｂ（金属板）を進行方向に対して左側に配置する。

【0046】

摩擦攪拌においては、回転ツールを右回転させた場合、ツールの進行方向左側（シアー側：回転ツールの回転速度に回転ツールの移動速度が加算される側）からツールの進行方向右側（フロー側：回転ツールの回転速度に回転ツールの移動速度が減算される側）に塑性流動化された金属が流れる傾向があるため、仮に、金属板同士の間に隙間がある場合には、シアー側の金属でその隙間が埋められると考えられる。したがって、シアー側の金属板の厚さが小さいと、金属が不足して接合後の塑性化領域の中央部の厚さが小さくなる傾向がある。ちなみに、回転ツールを左回転させた場合、ツールの進行方向右側がシアー側、左側がフロー側となる。

【0047】

第一変形例では、シアー側にあたる板状端部１０２Ｂの厚さＴ１を板状端部１０２Ａの厚さＴ２よりも大きくすることで、塑性化領域Ｗの中央部の金属の不足を解消してより好適に接合することができる。

【0048】

＜第二変形例＞
第二変形例では、図７の（ｂ）に示すように、板状端部１０２Ｃと板状端部１０２Ｄとの厚さが異なる点で前記した実施形態と相違する。板状端部１０２Ｃの厚さＴ１は、板状端部１０２Ｄの厚さＴ２よりも大きくなっている。第二変形例では、板状端部１０２Ｃの高さ方向の中点と、板状端部１０２Ｄの高さ方向の中点とが重なるように突き合わされている。

【0049】

第二変形例に係る接合工程では、ボビンツール５を左回転させて、板状端部１０２Ｃの突き合せ部Ｎの厚さが大きい方の板状端部１０２Ｃ（金属板）を進行方向に対して右側に配置する。

【0050】

第二変形例では、第一変形例と同様の原理により、シアー側にあたる板状端部１０２Ｃの厚さＴ１を板状端部１０２Ｄの厚さＴ２よりも大きくすることで、塑性化領域Ｗの中央部の金属の不足を解消してより好適に接合することができる。

【実施例】

【0051】

＜実施例１：基本厚さ６．０ｍｍの試験＞
摩擦攪拌接合される金属板（板状端部）の厚さと金属板同士の隙間との関係を調査するための試験を行った。摩擦攪拌接合される一対の金属板の試験体（Ａ６０６３−Ｔ５材）については、基本厚さを６．０ｍｍとし、図８に示すとおり試験体Ｈ１〜Ｈ１９まで用意した。「Ａｄ側」とは、ボビンツールの回転方向と進行方向が一致する側＝右回転の場合進行方向左側、を意味する。「Ｒｅ側」とは、ボビンツールの回転方向と進行方向が相違する側＝右回転の場合進行方向右側を意味する。

【0052】

試験体Ｈ１〜Ｈ７は、金属板の厚さがＡｄ側とＲｅ側が同一の場合においてその厚さを変化させている。試験体Ｈ８〜Ｈ１３は、Ａｄ側の金属板を６．０ｍｍに固定し、Ｒｅ側の金属板の厚さを変化させている。試験体Ｈ１４〜Ｈ１９は、Ｒｅ側の金属板を６．０ｍｍに固定し、Ｒｅ側の金属板の厚さを変化させている。

【0053】

金属板同士の隙間は０〜２．０ｍｍまで０．２５ｍｍずつ変化させた。試験に使用したボビンツールは、ショルダ外径２０ｍｍ、ピン外径１２ｍｍ、ショルダ間距離５．８ｍｍに設定した。ボビンツールの回転数は８００ｒｐｍ、移動速度は６００／ｍｉｎ、回転方向は右回転に設定した。また、このボビンツールは、実施形態で記載したように、金属板の反りに追従してボビンツールの高さ位置が変化する形態である。摩擦攪拌接合後、Ｘ線透過試験と断面ミクロ組織から品質を判定した。

【0054】

図９は、第一実施例において、試験体Ｈ１の隙間と接合部の厚さとの関係を示したグラフである。図１０は、第一実施例において、試験体Ｈ３の隙間と接合部の厚さとの関係を示したグラフである。第一実施例の接合部とは、実施形態における塑性化領域Ｗと同義である。また、第一実施例の接合部の「Ａｄ部」、「中央部」、「Ｒｅ部」とは、図６の（ｂ）に示すように、接合部（塑性化領域Ｗ）のＡｄ側、中央、Ｒｅ側における厚さ（厚さ寸法）を示している。

【0055】

図９に示すように、金属板の厚さを６．０ｍｍ同士に設定して接合した場合、隙間０．７５ｍｍ未満ではＡｄ部、中央部、Ｒｅ部ともに厚さの減少は小さいが、隙間０．７５以上では隙間が増加するに従いＡｄ部、中央部、Ｒｅ部の厚さが減少した。隙間が１．２ｍｍを超えると接合部の厚さは５．８ｍｍ未満になり接合欠陥が発生した。

【0056】

図１０に示すように、金属板の厚さが６．４ｍｍ同士に設定して接合した場合、隙間０．７５ｍｍ未満ではＡｄ部、中央部、Ｒｅ部ともに厚さの減少は小さかった。隙間０．７５〜１．７５までは、Ａｄ部、中央部、Ｒｅ部ともに厚さの減少はするが、接合欠陥は発生しなかった。隙間２．０となると著しく接合部の厚さが減少し接合欠陥が発生した。

【0057】

図９及び図１０からは、接合部の中央部の厚さが５．８ｍｍ以下になると接合欠陥が発生することがわかった。つまり、金属板同士の間に隙間があっても、塑性流動によって金属が供給されて、接合部の中央部の厚さが、ショルダ間距離と同等の５．８ｍｍ未満にならなければ健全に接合されることがわかった。以上のことから、接合部の厚さがショルダ間距離以上となるように接合条件を設定する必要がある。

【0058】

図１１は、第一実施例において、接合品質に及ぼす金属板の厚さと隙間の関係を示す表であって、Ａｄ側の厚さ＝Ｒｅ側の厚さの場合を示す。図中、「○」は接合状況が良好、「×」は接合状況が不良である場合を示す。

【0059】

図１１によれば、隙間が大きくなったとしても、金属板の厚さが大きくなれば、接合状況が良好になる場合があることがわかった。ただし、金属板の厚さとショルダ間距離との差が０．８ｍｍを越える（本実施例では金属板の厚さを６．６ｍｍより大きくする）と、ショルダ間に発生する内圧が大きくなり、ツール寿命が著しく低下することがわかった。

【0060】

また、図１１によれば、ショルダ間距離５．８ｍｍであり、金属板同士の隙間が０〜０．７５ｍｍ以下である場合、金属板の厚さが５．８〜６．６ｍｍであれば接合状況は良好であることがわかった。つまり、金属板の厚さＴとショルダ間距離Ｚとを０≦Ｔ−Ｚ≦０．８ｍｍとなるように設定すれば接合状況は良好であることがわかった。

【0061】

Ｔ−Ｚの値が０よりも小さくなる、つまり、板状端部１０２の厚さＴよりもショルダ間距離Ｚが大きくなると、塑性流動化された金属が第一ショルダ１１及び第二ショルダ１２から溢れやすくなるため、接合部（塑性化領域Ｗ）の密度が低下する。これにより接合欠陥が生じる可能性が高くなる。金属板同士の隙間が０〜０．７５ｍｍ以下であると、摩擦攪拌接合の摩擦熱によって金属板の温度が上昇し、金属板が膨張することによって隙間が無くなるため、接合状況が概ね良好であると考えられる。

【0062】

また、図１１によれば、ショルダ間距離５．８ｍｍであり、金属板同士の隙間が０〜１．０ｍｍ以下である場合、金属板の厚さが６．０〜６．６ｍｍであれば接合状況は良好であることがわかった。つまり、金属板の厚さＴとショルダ間距離Ｚとを０．２≦Ｔ−Ｚ≦０．８ｍｍとなるように設定すれば接合状況は良好であることがわかった。Ｔ−Ｚの値が０．２ｍｍよりも小さくなると、塑性流動化された金属が第一ショルダ１１及び第二ショルダ１２から溢れやすくなるため、接合部の密度が低下する。これにより接合欠陥が生じる可能性が高くなる。

【0063】

また、図１１によれば、ショルダ間距離５．８ｍｍであり、金属板同士の隙間が１．０ｍｍより大きく１．７５ｍｍ以下である場合、金属板の厚さが６．２ｍｍ〜６．６ｍｍであれば接合状況は良好であることがわかった。つまり、金属板の厚さＴとショルダ間距離Ｚとを０．４≦Ｔ−Ｚ≦０．８ｍｍとなるように設定すれば接合状況は良好であることがわかった。Ｔ−Ｚの値が０．４ｍｍよりも小さくなると、塑性流動化された金属が第一ショルダ１１及び第二ショルダ１２から溢れやすくなるため、接合部の密度が低下する。これにより接合欠陥が生じる可能性が高くなる。

【0064】

また、図１１によれば、ショルダ間距離５．８ｍｍであり、金属板同士の隙間が１．７５ｍｍより大きく２．００ｍｍ以下である場合、金属板の厚さが６．６ｍｍであれば接合状況は良好であることがわかった。つまり、金属板の厚さＴとショルダ間距離ＺとをＴ−Ｚ＝０．８ｍｍとなるように設定すれば接合状況は良好であることがわかった。Ｔ−Ｚの値が０．８ｍｍよりも小さくなると、塑性流動化された金属が第一ショルダ１１及び第二ショルダ１２から溢れやすくなるため、接合部の密度が低下する。これにより接合欠陥が生じる可能性が高くなる。

【0065】

図１２は、接合品質に及ぼす金属板の厚さと隙間の関係を示す表であって、Ａｄ側の厚さを変化させ、Ｒｅ側の厚さを固定した場合を示す。図１３は、接合品質に及ぼす金属板の厚さと隙間の関係を示す表であって、Ａｄ側の厚さを固定し、Ｒｅ側の厚さを変化させた場合を示す。

【0066】

図１２に係る試験ではＲｅ側の厚さを６．０ｍｍに固定し、Ａｄ側の厚さを適宜変化させて摩擦攪拌接合を行った。図１３に係る試験ではＡｄ側の厚さを６．０ｍｍに固定し、Ｒｅ側の厚さを適宜変化させて摩擦攪拌接合を行った。つまり、図１２及び図１３に係る試験では、突き合わせる金属板の左右の厚さを変化させつつ、隙間ごとの接合品質について観察した。

【0067】

図１２及び図１３を対比すると、図１２の方が良好である条件が多い。言い換えると、図１２に示すように、Ｒｅ側の金属板を６．０ｍｍに固定し、Ａｄ側の金属板を６．２ｍｍ以上に変化させた場合に接合状況が良好になる場合が多い。これは、第一実施例ではボビンツールを右回転させているため、塑性流動化した金属は、進行方向左側（Ａｄ側）から右側（Ｒｅ側）に移動しやすくなり、金属板同士の間に隙間がある場合には、Ａｄ側の金属でその隙間が埋められると考えられる。したがって、図１３の条件のように、進行方向左側の金属板の厚さが進行方向右側の金属板の厚さよりも小さいと、接合部の中央の金属が不足して接合不良となる可能性が高い。しかし、図１２の条件のように、進行方向左側の金属板の厚さが進行方向右側の金属板の厚さよりも大きいと、接合部の中央の金属不足を補うことができるため、接合状態を良好にすることができる。

【0068】

このことは、図１４，１５のグラフからも確認できる。プロット点「◆」は、試験体Ｈ４（Ａｄ側の厚さ＝６．６ｍｍ、Ｒｅ側の厚さ＝６．６ｍｍ）を示している。プロット点「■」は試験体Ｈ１０（Ａｄ側の厚さ＝６．０ｍｍ、Ｒｅ側の厚さ＝６．６ｍｍ）を示し、プロット点「●」は試験体Ｈ１６（Ａｄ側の厚さ＝６．６ｍｍ、Ｒｅ側の厚さ＝６．０ｍｍ）を示している。

【0069】

図１４の（ａ）に示すように、接合部の中央部の厚さにおいては、試験体Ｈ４，Ｈ１６，Ｈ１０の順に小さくなるころがわかる。つまり、Ａｄ側の金属板がＲｅ側よりも薄いと、接合部の中央部の厚さが小さくなることがわかった。

【0070】

図１４の（ｂ）に示すように、接合部のＡｄ部の厚さにおいては、試験体Ｈ４，Ｈ１０，Ｈ１６とも５．８ｍｍ前後になっており、接合前の厚さよりも減少していることがわかった。特に、試験体Ｈ４，Ｈ１６を見ると厚さがかなり減少していることがわかった。

【0071】

図１５の（ａ）に示すように、接合部のＲｅ部の厚さにおいては、試験体Ｈ１０，Ｈ１６の厚さはさほど相違ないが、Ｈ４の厚さは総じて大きいことがわかった。また、図１４の（ｂ）と図１５の（ａ）を全体的に対比すると、Ａｄ部よりもＲｅ部の厚さの方が総じて大きいことがわかった。

【0072】

図１５の（ｂ）に示すように、接合部の平均厚さは、試験体Ｈ１０，Ｈ１６，Ｈ４の順に大きくなることがわかった。

【0073】

図１４，１５に示すように、試験体Ｈ４，Ｈ１６によれば、試験体Ｈ１０よりも中央部の厚さを大きくすることができる。ただし、試験体Ｈ４によると、接合部の厚さを大きくすることができるが、その分ショルダ間の内圧が大きくなってツールの寿命が低下する可能性が高い。したがって、試験体Ｈ１６のように、Ｒｅ側よりもＡｄ側の金属板の厚さを大きくなるように設定することにより、ショルダ間の内圧を低下させつつ、接合部の中央部の厚さを大きくすることができる。

【0074】

＜実施例２：基本厚さ３．０ｍｍの試験＞
摩擦攪拌接合される金属板（板状端部）の厚さと金属板同士の隙間との関係を調査するための試験を行った。金属板同士の隙間は０〜２．０ｍｍまで０．２５ｍｍずつ変化させた。試験に使用したボビンツールは、ショルダ外径１０ｍｍ、ピン外径６ｍｍ、ショルダ間距離２．８ｍｍに設定した。ボビンツールの回転数は２０００ｒｐｍ、移動速度は１０００ｍｍ／ｍｉｎ、回転方向は右回転に設定した。また、このボビンツールは、実施形態で記載したように、金属板の反りに追従してボビンツールの高さ位置が変化する形態である。摩擦攪拌接合後、Ｘ線透過試験と断面ミクロ組織から品質を判定した。

【0075】

摩擦攪拌接合される金属板の試験体（Ａ６０６３−Ｔ５材）については、Ａｄ側とＲｅ側の金属板の厚さを同等とし、３．０ｍｍ、３．２ｍｍ、３．４ｍｍで試験体を作成した。

【0076】

図１６は、第二実施例において、接合品質に及ぼす金属板の厚さと隙間の関係を示す表であって、Ａｄ側＝Ｒｅ側の場合を示す。図中、「○」は接合状況が良好、「×」は接合状況が不良である場合を示す。

【0077】

図１６によれば、隙間が大きくなったとしても、ショルダ間距離Ｚに対する金属板の厚さが大きくなれば、接合状況が良好になる場合があることがわかった。ただし、金属板の厚さとショルダ間距離Ｚとの差が０．６ｍｍを越える（本実施例では金属板の厚さを３．４ｍｍより大きくする）と、ショルダ間に発生する内圧が大きくなり、ツール寿命が著しく低下することがわかった。

【0078】

また、図１６によれば、ショルダ間距離Ｚが２．８ｍｍであり、金属板同士の隙間が０．７５ｍｍ以下である場合、金属板の厚さが３．０ｍｍ〜３．４ｍｍであれば接合状況は良好であることがわかった。つまり、金属板の厚さＴとショルダ間距離Ｚとを０．２≦Ｔ−Ｚ≦０．６ｍｍとなるように設定すれば接合状況は良好であることがわかった。Ｔ−Ｚの値が０．２ｍｍよりも小さくなると、塑性流動化された金属が第一ショルダ１１及び第二ショルダ１２から溢れやすくなるため、接合部の密度が低下する。これにより接合欠陥が生じる可能性が高くなる。金属板同士の隙間が０．７５ｍｍ以下であると、摩擦攪拌接合の摩擦熱によって金属板の温度が上昇し、金属板が膨張することによって隙間が無くなるため、接合状況が概ね良好であると考えられる。

【0079】

また、図１６によれば、ショルダ間距離２．８ｍｍであり、金属板同士の隙間が０．７５ｍｍより大きく１．５０ｍｍ以下である場合、金属板の厚さが３．２〜３．４ｍｍであれば接合状況は良好であることがわかった。つまり、金属板の厚さＴとショルダ間距離Ｚとを０．４≦Ｔ−Ｚ≦０．６ｍｍとなるように設定すれば接合状況は良好であることがわかった。Ｔ−Ｚの値が０．４ｍｍよりも小さくなると、塑性流動化された金属が第一ショルダ１１及び第二ショルダ１２から溢れやすくなるため、接合部の密度が低下する。これにより接合欠陥が生じる可能性が高くなる。

【0080】

また、図１６によれば、ショルダ間距離２．８ｍｍであり、金属板同士の隙間が１．５０ｍｍより大きく１．７５ｍｍ以下である場合、金属板の厚さが３．４ｍｍであれば接合状況は良好であることがわかった。つまり、金属板の厚さＴとショルダ間距離ＺとをＴ−Ｚ＝０．６ｍｍとなるように設定すれば接合状況は良好であることがわかった。

【0081】

また、図１６によれば、隙間が２．０ｍｍであると、金属板の厚さを３．４ｍｍとしても接合不良になることがわかった。

【0082】

＜ツール形状＞
図１７は、第一実施例において、ショルダ間距離を５．８ｍｍに固定した場合の各ボビンツールの寸法と接合状況を示した表である。図１８は、第二実施例において、ショルダ間距離を２．８ｍｍに固定した場合の各ボビンツールの寸法と接合状況を示した表である。図１９は、ショルダ間距離を１１．５ｍｍに固定した場合の各ボビンツールの寸法と接合状況を示した表である。図１７，１８，１９には、抗張力／材料抵抗、抗折力／材料抵抗、材料保持傾向を示した。

【0083】

抗張力／材料抵抗は、Ｙ^２／（Ｘ^２−Ｙ^２）で表される。つまり、第一ショルダ１１の下面及び第二ショルダ１２の上面は、摩擦攪拌の際に塑性流動化された金属によって押圧さるため、ピン１３には引張応力が作用する。そこで、抗張力／材料抵抗は、ピン１３の外径Ｙを二乗した値を、第一ショルダ１１の下面の面積（第二ショルダ１２の上面）で除した値で表される。

【0084】

抗折力／材料抵抗は、Ｙ^２／ＹＺで表される。つまり、ボビンツール５が突き合せ部Ｎを移動する際には、ピン１３の軸方向に対して垂直方向の力が作用する。そこで、抗折力／材料抵抗は、ピン１３の外径Ｙを二乗した値を、ピン１３の軸を含む断面の断面積で除した値で表される。

【0085】

材料保持傾向は、Ｘ^２／Ｙ^２で表される。つまり、摩擦攪拌の際に塑性流動化された金属は第一ショルダ１１の下面及び第二ショルダ１２の上面によって保持される。そこで、材料保持傾向は、第一ショルダ１１（第二ショルダ１２）の外径Ｘを二乗した値を、ピン１３の外径Ｙを二乗した値で除して表される。

【0086】

図１７，１８，１９を勘案すると、材料保持傾向（Ｘ^２／Ｙ^２）が２．０以下であると接合欠陥が発生し易く、２．０よりも大きくなると接合欠陥が発生しないことがわかった。材料保持傾向（Ｘ^２／Ｙ^２）が２．０以下であると、第一ショルダ１１（第二ショルダ１２）の外径Ｘに対するピン１３の外径Ｙが太いため、金属を押えるショルダの面積が小さくなり、摩擦攪拌された金属を十分に押えることができず、金属がバリとなってショルダの外部から溢れ出てしまうためであると考えられる。一方、材料保持傾向（Ｘ^２／Ｙ^２）が２．０より大きいと、ピン１３の外径Ｙに対して、第一ショルダ１１（第二ショルダ１２）の外径Ｘが大きいため、塑性流動化した金属を両ショルダで十分に押えることができる。これにより、接合欠陥が発生しにくいと考えられる。

【0087】

また、図１７，１８，１９を勘案すると、抗張力／材料抵抗（Ｙ^２／（Ｘ^２−Ｙ^２））が０．２以下であるとピンが破損し易いことがわかった。これは、抗張力／材料抵抗（Ｙ^２／（Ｘ^２−Ｙ^２））が０．２以下であると、ショルダ外径Ｘに対するピン外径Ｙが小さくなるため、接合時にツール軸方向に発生する材料抵抗に対するピンの抗張力が不十分となり、ピン１３が折れ易くなると考えられる。抗張力／材料抵抗（Ｙ^２／（Ｘ^２−Ｙ^２））が０．２より大きいと、ショルダ外径Ｘに対するピン外径Ｙが大きくなるため、ピン１３が折れにくくなると考えられる。

【0088】

また、図１７，１８，１９を勘案すると、抗折力／材料抵抗（Ｙ^２／ＹＺ）が１．２以下であるとピン１３が破損し易いことがわかった。これは、抗折力／材料抵抗（Ｙ^２／ＹＺ）が１．２以下であると、ショルダ間距離（ピンの長さ）Ｚに対するピン外径Ｙが小さくなるため、接合時にツール進行方向とは逆向きに流れる材料の抵抗に対するピンの抗折力が不十分となり、ピン１３が折れ易くなると考えられる。抗折力／材料抵抗（Ｙ^２／ＹＺ）が１．２より大きいと、ショルダ間距離（ピンの長さ）Ｚに対するピン外径Ｙが大きくなるため、ピン１３が折れにくくなると考えられる。

【0089】

また、図１７，１８，１９を勘案すると、抗張力／材料抵抗（Ｙ^２／（Ｘ^２−Ｙ^２））が０．２以下であるか、又は抗折力／材料抵抗（Ｙ^２／ＹＺ）が１．２以下である場合、ピンの破損が起こった。しかしながら、抗張力／材料抵抗（Ｙ^２／（Ｘ^２−Ｙ^２））が０．２より大きく、かつ、抗折力／材料抵抗（Ｙ^２／ＹＺ）が１．２より大きい場合、ピンの破損は起こらなかった。よって、接合時のボビンツールのピンの破損を防止するためには、ショルダ外径Ｘ、ピン外径Ｙ及びショルダ間距離（ピンの長さ）Ｚについて、以下の式（１）、（２）の両方を満たすようにボビンルーツの形状を設計することが好ましいと結論づけられる。
Ｙ^２／（Ｘ^２−Ｙ^２）＞０．２・・・・（１）
Ｙ^２／ＹＺ＞１．２・・・・・・・・（２）

【符号の説明】

【0090】

１ 摩擦攪拌装置
２ 外部ホルダー
３ 内部ホルダー
４ スライド軸
５ ボビンツール
１１ 第一ショルダ
１２ 第二ショルダ
１３ ピン
１３ａ 上部螺旋溝
１３ｂ 下部螺旋溝
１００Ａ中空形材
１００Ｂ中空形材
Ｎ 突き合せ部
Ｔ 金属板の厚さ
Ｗ 塑性化領域（接合部）
Ｘ ショルダの外径
Ｙ ピンの外径
Ｚ ショルダ間距離（ピンの長さ）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】