特許 5725110 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】5725110

(24)【登録日】2015年4月10日

(45)【発行日】2015年5月27日

(54)【発明の名称】接合方法

(51)【国際特許分類】

   B23K 20/12 20060101AFI20150507BHJP

【ＦＩ】

   B23K20/12 310

   B23K20/12 330

   B23K20/12 346

   B23K20/12 366

【請求項の数】6

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2013-184732(P2013-184732)

(22)【出願日】2013年9月6日

(62)【分割の表示】特願2012-64844(P2012-64844)の分割

【原出願日】2007年6月11日

(65)【公開番号】特開2014-610(P2014-610A)

(43)【公開日】2014年1月9日

【審査請求日】2013年9月6日

(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

(72)【発明者】

【氏名】野上 一彦

(72)【発明者】

【氏名】熊井 雅章

【審査官】 山崎 孔徳

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００２−２１０５７０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−１８７８０９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１１−３３３５７３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−０４２７８１（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】

金属要素同士の突合部を回転ツールで摩擦攪拌を行う接合方法であって、
一対の台座を有する支持台に治具を介して前記金属要素を移動不能に拘束する拘束工程と、
前記突合部の一端側から前記突合部の途中までに設けた第一の点までの第一接合範囲に摩擦攪拌を行う第一の摩擦攪拌接合工程と、
前記第一の摩擦攪拌接合工程により生じた第一接合範囲に属する塑性化領域内に設けた第二の点から前記突合部の他端側までの第二接合範囲に摩擦攪拌を行う第二の摩擦攪拌接合工程と、を含み、
前記第一の摩擦攪拌接合工程では、前記第一接合範囲に対する摩擦攪拌のスタート位置が前記金属要素同士の前記突合部の一端側に設定され、前記第一接合範囲のエンド位置が前記突合部の途中に設けた前記第一の点として設定され、かつ、前記回転ツールの攪拌ピンが前記エンド位置において前記金属要素の表面に対して垂直上方に引き抜かれ、
前記第二の摩擦攪拌接合工程では、前記第二接合範囲に対する摩擦攪拌のスタート位置が前記第一接合範囲に属する塑性化領域内に設けた前記第二の点として設定され、かつ、前記第二接合範囲のエンド位置が前記一端側とは反対の前記突合部の他端側に設定されているとともに、
前記第一の摩擦攪拌接合工程では、前記突合部の一端側の側方に配置された第一タブ部上に前記第一接合範囲に対する摩擦攪拌のスタート位置が設定され、
前記第二の摩擦攪拌接合工程では、前記一端側とは反対の前記突合部の他端側の側方に配置された第二タブ部上に前記第二接合範囲に対する摩擦攪拌のエンド位置が設定されており、
前記拘束工程では、前記金属要素の水平方向の押え付けを、一方の前記台座に固定された万力と、他方の前記台座に固定された受部材により、把持することにより行うことを特徴とする接合方法。

【請求項2】

前記拘束工程では、さらに、前記万力と一方の前記金属要素の間および前記受部材と他方の前記金属要素の間にそれぞれ補助板を介在させ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】

さらに、前記回転ツールの攪拌ピンを前記金属要素の塑性化領域から抜き出した際に生じた抜き穴に金属部材を充填する充填工程を含むことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の接合方法。

【請求項4】

さらに、前記充填工程でした前記金属部材と塑性化領域を跨ぐように接合して前記金属部材を抜け穴に仮止めする仮止め工程を含むことを特徴とする請求項３に記載の接合方法。

【請求項5】

請求項１乃至４のいずれか一項に記載の接合方法において、前記金属要素を中空部材としたことを特徴とする接合方法。

【請求項6】

請求項５に記載の接合方法において、
前記中空部材の突合面に凹部を成形し、前記中空部材同士の突合部に前記凹部による隙間を形成することを特徴とする接合方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、摩擦攪拌を利用した金属部材の接合方法に関する。

【背景技術】

【0002】

金属部材（金属要素）同士を接合する方法として、摩擦攪拌接合（ＦＳＷ＝Friction Stir Welding）が知られている。摩擦攪拌接合は、回転させた回転ツールを金属部材同士の突合部に沿って移動させ、回転ツールと金属部材との摩擦熱により突合部の金属を塑性流動させることで、金属部材同士を固相接合させるものである（例えば、特許文献１参照）。なお、回転ツールは、円柱状を呈するショルダ部の下端面に攪拌ピン（プローブ）を突設してなるものが一般的である。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００３−１６４９８０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

従来、特許文献１に示されているように、金属要素同士の突合部の全長に渡って連続して摩擦攪拌接合を行って金属要素同士を接合している。そのため、長尺な金属要素同士の突合部に摩擦攪拌接合を行うためには、金属要素や回転ツールを相対移動させて、回転ツールが金属要素の突合部の端から端まで移動するようにしなければならず、大型の装置が必要になってしまう。

【0005】

一般に、長尺な金属要素同士の突合部に摩擦攪拌接合を行う場合には、所定長さまで摩擦攪拌接合を行った後に、その際に生じた塑性化領域の末端から残りの摩擦攪拌接合を行うようにしている。ところが、この場合、攪拌ピンの挿抜の際には十分に攪拌されないため、金属要素の表面に存在していた酸化皮膜が、その周辺の塑性化領域に巻き込んで残したり、接合欠陥等を生じたりしてしまう虞がある。

【0006】

そこで、本発明は、高品質の摩擦攪拌接合を行えるようにすることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

このような課題を解決する本発明の請求項１に係る接合方法は、金属要素同士の突合部を回転ツールで摩擦攪拌を行う接合方法であって、一対の台座を有する支持台に治具を介して前記金属要素を移動不能に拘束する拘束工程と、前記突合部の一端側から前記突合部の途中までに設けた第一の点までの第一接合範囲に摩擦攪拌を行う第一の摩擦攪拌接合工程と、前記第一の摩擦攪拌接合工程により生じた第一接合範囲に属する塑性化領域内に設けた第二の点から前記突合部の他端側までの第二接合範囲に摩擦攪拌を行う第二の摩擦攪拌接合工程と、を含み、前記第一の摩擦攪拌接合工程では、前記第一接合範囲に対する摩擦攪拌のスタート位置が前記金属要素同士の前記突合部の一端側に設定され、前記第一接合範囲のエンド位置が前記突合部の途中に設けた前記第一の点として設定され、かつ、前記回転ツールの攪拌ピンが前記エンド位置において前記金属要素の表面に対して垂直上方に引き抜かれ、前記第二の摩擦攪拌接合工程では、前記第二接合範囲に対する摩擦攪拌のスタート位置が前記第一接合範囲に属する塑性化領域内に設けた前記第二の点として設定され、かつ、前記第二接合範囲のエンド位置が前記一端側とは反対の前記突合部の他端側に設定されているとともに、前記第一の摩擦攪拌接合工程では、前記突合部の一端側の側方に配置された第一タブ部上に前記第一接合範囲に対する摩擦攪拌のスタート位置が設定され、前記第二の摩擦攪拌接合工程では、前記一端側とは反対の前記突合部の他端側の側方に配置された第二タブ部上に前記第二接合範囲に対する摩擦攪拌のエンド位置が設定されており、前記拘束工程では、前記金属要素の水平方向の押え付けを、一方の前記台座に固定された万力と、他方の前記台座に固定された受部材により、把持することにより行うことを特徴とする。

【0008】

この構成では、第一接合範囲の端部が第二接合範囲にも含まれ、第二接合範囲の端部が第一接合範囲に含まれている。そのため、第一の摩擦攪拌接合工程により第一接合範囲の端部に酸化皮膜が巻き込まれていたり、接合欠陥等が発生していたりしたとしても、第二の摩擦攪拌接合工程では第二接合範囲に含まれる第一接合範囲の端部も再度摩擦攪拌を行うから、その端部に巻き込まれて残っている酸化皮膜が分断され、接合欠陥等が修復される。したがって、摩擦攪拌接合の品質が向上する。また、一度の摩擦攪拌工程で摩擦攪拌できない程長い突合部の場合にも、摩擦攪拌を分けて行うことにより、酸化皮膜を分断し接合欠陥等を修復するため、種々の長さの突合部に対して高品質な摩擦攪拌を行うことができるようになる。

【0009】

また、本発明の請求項２に係る接合方法では、前記拘束工程では、さらに、前記万力と一方の前記金属要素の間および前記受部材と他方の前記金属要素の間にそれぞれ補助板を介在させることが好ましい。

【0010】

さらに、前記回転ツールの攪拌ピンを前記金属要素の塑性化領域から抜き出した際に生じた抜き穴に金属部材を充填する充填工程を含むことが好ましい。先の摩擦攪拌のエンド位置が金属要素の突合部上に設定されているときに、そのエンド位置に生じた抜け穴を埋めた後に摩擦攪拌を行えば、金属部材をも含めて塑性流動化するため、摩擦攪拌接合の品質が向上する。また、最後の摩擦攪拌のエンド位置が突合部上に設定されているときには、その位置に生じた抜け穴を塞ぐことができるため、摩擦攪拌接合の品質が向上する。

【0011】

また、本発明の請求項４に係る接合方法では、さらに、前記充填工程でした前記金属部材と塑性化領域を跨ぐように接合して前記金属部材を抜け穴に仮止めする仮止め工程を含むことが好ましい。

【0012】

この構成によれば、金属部材を抜け穴に仮止めして、抜け穴内での攪拌ピンの空回りを防ぐため、抜け穴に充填された金属部材を塑性流動化させることができる。

【0013】

また、本発明の請求項５に係る接合方法では、請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載において、前記金属要素を中空部材とすることが好ましい。また、本発明の請求項６に係る接合方法では、請求項５において、前記中空部材の突合面に凹部を成形し、前記中空部材同士の突合部に前記凹部による隙間を形成することが好ましい。

【0014】

したがって、本発明によれば、金属要素同士の突合部であった塑性化領域内に残存する酸化皮膜を分断し、接合欠陥等を修復することができるため、摩擦攪拌接合の品質が向上する。そのため、一度の摩擦攪拌工程で摩擦攪拌できない程長い突合部の場合にも、摩擦攪拌を分けて行うことにより、種々の長さの突合部に対して高品質な摩擦攪拌を行うことができる。

【発明の効果】

【0015】

本発明に係る接合方法によれば、高品質な摩擦攪拌接合を行うことができるようになる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】本発明の好適な実施形態の接合方法に係る金属部材の固定状況を示す斜視図である。

【図2】図１に示す金属部材の固定状況の正面図である。

【図3】（ａ）および（ｂ）は、接合工程を説明するための断面図である。

【図4】接合工程の工程例１を説明する図である。（ａ）は第一工程を説明するための平面図、（ｂ）は第二工程を説明するための平面図である。

【図5】工程例１での突合部Ｊにおける断面図を示す。（ａ）は第一工程における回転ツールの攪拌ピンを挿入する直前の様子を示す図、（ｂ）は第一工程の終了時の攪拌ピンを抜き出す前の様子を示す図、（ｃ）は第一工程での攪拌ピンの抜き出し後および第二工程の攪拌ピンの挿入直前の様子を示す図、（ｄ）は第二工程の終了時の攪拌ピンを抜き出したときの様子を示す図である。

【図6】接合工程の工程例２を説明する図である。（ａ）は第一工程の様子を説明するための平面図、（ｂ）は第二工程の様子を説明するための平面図である。

【図7】接合工程の工程例３を説明する図である。（ａ）は第一工程の様子を説明するための平面図、（ｂ）は第二工程の前半の様子を説明するための平面図、（ｃ）は第二工程の後半の様子を説明するための平面図である。

【図8】接合工程の工程例４を説明する図である。（ａ）は第一工程の様子を説明するための平面図、（ｂ）は第二工程の様子を説明するための平面図である。

【図9】図８のII-II断面相当図である。（ａ）は第一工程における回転ツールの攪拌ピンを挿入する直前の様子を示す図、（ｂ）は第一工程の終了時の攪拌ピンを抜き出した後の様子を示す図、（ｃ）は第一工程での攪拌ピンの抜き出し後に生じた抜き穴を充填する充填工程を示す図、（ｄ）は第二工程の攪拌ピンの挿入直前の様子を示す図、（ｅ）は第二工程の終了時の攪拌ピンを抜き出したときの様子を示す図である。

【図10】接合工程の工程例５を説明する図である。（ａ）は第一工程の様子を説明するための平面図、（ｂ）は第二工程の前半の様子を説明するための平面図、（ｃ）は第二工程の後半の様子を説明するための平面図である。

【図11】接合工程の工程例６を説明する図である。（ａ）は第一工程の様子を説明するための平面図、（ｂ）は第二工程の様子を説明するための平面図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

本実施形態では、図１に示すように、３つの金属部材１０（第一金属部材１１、第二金属部材１２、第三金属部材１３）を摩擦攪拌接合により接合する場合について説明する。なお、説明における各方向は、図１に示す方向に統一するものとする。

【0018】

各金属部材１０の形状寸法は限定されるものではなく、適宜設定することが可能である。本実施形態では、断面矩形の中空押出形材からなる第一金属部材１１と、外形断面略Ｔ字の中空押出形材からなる第二金属部材１２および第三金属部材１３を使用する。そして、本実施形態では、第一金属部材１１の左右に、断面略Ｔ字の第二金属部材１２および第三金属部材１３を接合する場合について説明する。

【0019】

なお、金属部材１０を構成する材料は限定されるものではなく、適宜公知の材料から選定して使用すればよいが、本実施形態では、アルミニウム合金製の金属部材１０を使用する。

【0020】

また、図１および図２に示すように、各金属部材１０同士の突合部Ｊに対応する個所には、上下に突出する凸部１１ｂ，１２ｂ，１３ｂがそれぞれ形成されている。凸部１１ｂ，１２ｂ，１３ｂの断面形状は限定されるものではないが、摩擦攪拌接合により接合されることで、完成部材として必要な強度を発現することが可能な高さと厚みを有している。
なお、各凸部１１ｂ，１２ｂ，１３ｂは、凸部１１ｂと凸部１２ｂおよび凸部１１ｂと凸部１３ｂを付き合わせた際の幅寸法が、回転ツールＡのショルダ径（ショルダ部Ａ１の外径）よりも大きくなるようになっている（図３（ａ）および（ｂ）参照）。

【0021】

第一金属部材１１の突合面１１ａ，１１ａは、図２に示すように、平面を呈している。一方、第二金属部材１２と第三金属部材１３の突合面１２ａ，１３ａは、第一金属部材１１の突合面１１ａと突き合せたときに隙間が形成されるように、中間部分に予め凹み（凹部）が形成されている。このように、第二金属部材１２と第三金属部材１３の突合面１２ａ，１３ａの中間部分に凹みが形成されていることで、突合面１２ａ，１３ａの上下（凸部１２ｂ，１３ｂも含む）が第一金属部材１１の突合面１１ａ，１１ａに密着する。平面からなる突合面同士を突き合わせると、突合面の不陸により密着せずに、高品質な摩擦攪拌接合ができない場合があるが、本実施形態に係る金属部材１０は、互いの突合部Ｊに隙間が形成されていることで、この隙間が突合面の不陸を吸収し、隙間の上方の摩擦攪拌接合を行う接合部分に関しては金属部材１０同士が隙間なく密着し、高品質に摩擦攪拌接合を行うことを可能としている。

【0022】

なお、本実施形態では、第二金属部材１２と第三金属部材１３の突合面１２ａ，１３ａに凹みを形成するものとしたが、第一金属部材１１の突合面１１ａに凹みを形成してもよい。また、金属部材１０同士の突合面１１ａ，１２ａ，１３ａの形状は前記の形状に限定されないことはいうまでもない。また、各金属部材１０の突合面１１ａ，１２ａ，１３ａの厚さ寸法も限定されるものではないが、本実施形態では、全て同一である。また、突合面１２ａ，１３ａに形成された凹みの深さ（隙間の幅）は、限定されるものではなく適宜設定すればよい。なお、図面上（図１、図２および図３）では、突合面１２ａ，１３ａに形成された凹みの深さが大きく表示されているが、凹みの深さはわずかな隙間が形成される程度であればよい。

【0023】

本実施形態に係る接合方法は、金属部材１０同士を突き合せる突合工程と、これらの金属部材１０，１０，１０を支持台２０に拘束する拘束工程と、金属部材１０同士の突合部Ｊに対して連続して熱加工としての摩擦攪拌接合を施す接合工程と、を含んでいる。

【0024】

突合工程では、図１に示すように、接合される金属部材１０同士の突合面１１ａ，１２ａ，１３ａを突き合わせた状態で、これらの金属部材１０，１０，１０を支持台２０に載置する。具体的には、左右の第二金属部材１２および第三金属部材１３の間に、中央の第一金属部材１１を配置して、互いの突合面１１ａ，１２ａ，１３ａを突き合せた状態で支持台２０に載置する。

【0025】

なお、支持台２０は、図１および図２に示すように、中央に間隔を有した状態で、左右に配置された台座２２，２３と、台座２２，２３の間隔において、左右の台座２２，２３に挟持された支持板２４と、これらの台座２２，２３、支持板２４を下方から支持する支持台本体２１により構成されている。

【0026】

図２に示すように、支持板２４の上面の両端には、支持台２０に載置された金属部材１１，１２，１３同士の突合部Ｊを、下面から支持するための接合ライン支持部材２５，２５が配設されている。また、支持板２４の上面の中央には、第一金属部材１１を支持するための支持部材２６が配設されている。

【0027】

拘束工程では、図１および図２に示すように、金属部材１０，１０，１０をボルト３０、治具４０、万力５０等を介して、支持台２０に移動不能に拘束する。このとき、ボルト３０の頭部３０ａと、第一金属部材１１との間には、押え板３１が介在されており、ボルト３０による押え付け力を押え板３１により分散させることで、第一金属部材１１を面的に押え付けるように構成されている。

【0028】

金属部材１０の横方向の押え付けは、左側の台座２２に固定された万力５０と、右側の台座２３に固定された受部材５１により、把持することにより行う。なお、万力５０と第二金属部材１２および受部材５１と第三金属部材１３の間には、それぞれ補助板５２，５２が介在されており、万力５０による押え付け力を分散させて、突合部Ｊ，Ｊの全面が、密着するように構成されている。

【0029】

接合工程では、突合部Ｊに対して２回の工程（後記「第一工程」および「第二工程」）で摩擦攪拌を行う。具体的には、図３の（ａ）に示すように、１回の工程ごとに、回転させた回転ツールＡの攪拌ピンＡ２を、凸部１１ｂ，１３ｂ（１２ｂ）の上から凸部１１ｂ，１３ｂ（１２ｂ）の上面に設けた開始位置Ｓに挿入（圧入）するとともに、挿入した攪拌ピンＡ２を途中で離脱させることなく突合部Ｊを含むように設定した摩擦攪拌のルートに沿って相対移動させることで摩擦攪拌を行ったうえで、終了位置で攪拌ピンＡ２を上方に離脱させればよい。
回転ツールＡを回転させつつ突合部Ｊに沿って移動させると、図３の（ｂ）に示すように、回転ツールＡと金属との摩擦熱により突合部Ｊの金属が塑性流動化し、突合部Ｊが固相接合される。本実施形態では、突合面１１ａ，１３ａ（１２ａ）同士の間に形成された隙間の上方において、接合後も各金属部材１０の凸部１１ｂ，１２ｂ，１３ｂが残るように摩擦攪拌接合がなされる。

【0030】

回転ツールＡの形態等に特に制限はないが、本実施形態では、図３の（ａ）に示すものを使用している。図３の（ａ）に示す回転ツールＡは、工具鋼など接合対象よりも硬質の金属材料からなり、円柱状を呈するショルダ部Ａ１と、このショルダ部Ａ１の下端面Ａ１１に突設された攪拌ピン（プローブ）Ａ２とを備えて構成されている。ショルダ部Ａ１の下端面Ａ１１は、塑性流動化した金属を押えて周囲への飛散を防止する役割を担う部位であり、本実施形態では、凹面状に成形されている。攪拌ピンＡ２は、ショルダ部Ａ１の下端面Ａ１１の中央から垂下しており、本実施形態では、先細りの円錐台状に成形されている。また、攪拌ピンＡ２の周面には、螺旋状に刻設された攪拌翼が形成されている。

【0031】

回転ツールＡの移動速度（送り速度）は、攪拌ピンＡ２の寸法・形状、摩擦攪拌される金属部材１０等の材質や肉厚等に応じて設定される。回転ツールＡを移動させると、その攪拌ピンＡ２の周囲にある金属が順次塑性流動化するとともに、攪拌ピンＡ２から離れた位置では、塑性流動化していた金属が再び硬化する。

【0032】

この接合工程は、各金属部材１０が長尺体であることから、各突合部Ｊを摩擦攪拌する手順に特徴があり、第一の摩擦攪拌接合工程（以下「第一工程」と称する）と第二の摩擦攪拌接合工程（以下「第二工程」と称する）との二つの特徴的な工程を含んでいる。第一工程は、突合部Ｊの一端側から突合部Ｊの途中までに設けた第一の点までの第一接合範囲に摩擦攪拌を行う手順である。第二工程は、第一工程により生じた第一接合範囲に属する塑性化領域内に設けた第二の点から突合部Ｊの他端側までの第二接合範囲に摩擦攪拌を行う手順である。以下、第一工程および第二工程についての工程例について説明する。

【0033】

［工程例１］
図４は、実施形態における接合工程の工程例１を説明する図である。なお、この図４は図１の凸部１１ｂ，１３ｂの突合部Ｊのところを主に示す平面図であり、タブ部２，３を突合部Ｊの側方に配置した場合を示している。図４の（ａ）に第一工程の様子を説明するための平面図を示す。図４の（ｂ）に第二工程の様子を説明するための平面図を示す。

【0034】

図４の（ａ）に示すように、第一工程では、第一接合範囲Ｒ_１１に対する摩擦攪拌のスタート位置Ｓ_１１が突合部Ｊの途中に第一の点として設定され、かつ、第一接合範囲Ｒ_１１に対する摩擦攪拌のエンド位置Ｅ_１１が突合部Ｊの一端側に配置されたタブ部３上に設定されている。つまり、第一工程では、回転ツールＡの攪拌ピンＡ２（図３参照）がスタート位置Ｓ_１１に回転しつつ挿入され、金属を塑性流動化しつつタブ部３のエンド位置Ｅ_１１に向かって、金属材料１０に対して相対的に移動し、タブ部３から抜き出される。この第一工程によって、突合部Ｊに塑性化領域Ｗ_１１が形成され、第一接合範囲Ｒ_１１において、第一金属部材１１と第三金属部材１３とが接合される。

【0035】

また、図４の（ｂ）に示すように、第二工程では、第二接合範囲Ｒ_１２に対する摩擦攪拌のスタート位置Ｓ_１２が第一接合範囲Ｓ_１１に属する塑性化領域Ｗ_１１内の第二の点として設定され、かつ、第二接合範囲Ｒ_１２に対する摩擦攪拌のエンド位置Ｅ_１２が突合部Ｊの一端側に配置されたタブ部３とは反対の突合部Ｊの他端側に配置されたタブ部２上に設定されている。

【0036】

つまり、第二工程では、回転ツールＡの攪拌ピンＡ２（図３参照）が、塑性化領域Ｗ_１１内に設定されたスタート位置Ｓ_１２に回転しつつ挿入され、塑性化領域Ｗ_１１の金属を再び塑性流動化して塑性化領域Ｗ_１２を形成しつつスタート位置Ｓ_１１に向かって、金属材料１０に対して相対的に移動する。さらに、その回転ツールＡの攪拌ピンＡ２は、スタート位置Ｓ_１１を過ぎると、突合部Ｊの金属を塑性流動化して塑性化領域Ｗ_１２を形成しつつタブ部２のエンド位置Ｅ_１２に向かって、金属材料１０に対して相対的に移動する。そして、その回転ツールＡの攪拌ピンＡ２は、タブ部２で抜き出される。この第二工程によって、突合部Ｊには塑性化領域Ｗ_１２が形成され、第二接合範囲Ｒ_１２において、第一金属部材１１と第三金属部材１３とが接合される。

【0037】

図５に、工程例１での突合部Ｊにおける断面図を示す。なお、この図５は図１の凸部１１ｂ，１３ｂの突合部Ｊのところを主に示す断面図であり、タブ部２，３を突合部Ｊの側方に配置した場合を示している。（ａ）には、第一工程における回転ツールの攪拌ピンを挿入する直前の様子が示されている。（ｂ）には、第一工程の終了時の攪拌ピンを抜き出す前の様子が示されている。（ｃ）には、第一工程での攪拌ピンの抜き出し後、および、第二工程の攪拌ピンの挿入直前の様子が示されている。（ｄ）には、第二工程の終了時の攪拌ピンを抜き出したときの様子が示されている。

【0038】

図５の（ａ）に示すように、回転ツールＡは突合部Ｊ上のスタート位置Ｓ_１１の上方に相対移動され、回転する攪拌ピンＡ２がスタート位置Ｓ_１１に挿入される。
次に、図５の（ｂ）に示すように、回転ツールＡは、攪拌ピンＡ２を回転させたままエンド位置Ｅ_１１に向かって相対移動され、金属を塑性流動化させて塑性化領域Ｗ_１１を形成して、各凸部１１ｂ，１３ｂ同士、つまり、第一金属部材１１（図１等参照）と第二金属部材１３（図１等参照）を接合する。

【0039】

続いて、図５の（ｃ）に示すように、回転ツールＡは、エンド位置Ｅ_１１から引き抜かれ、スタート位置Ｓ_１２の上方に相対移動され、回転する攪拌ピンＡ２がスタート位置Ｓ_１２に挿入され、エンド位置Ｅ_１２に向かって第二接合範囲Ｒ_１２を相対移動される。
そして、図５の（ｄ）に示すように、回転ツールＡは、突合部Ｊに塑性化領域Ｗ_１２を形成してエンド位置Ｅ_１２から引き抜かれて摩擦攪拌を終了する。

【0040】

このように、工程例１においては、第一工程のスタート位置Ｓ_１１は、第二工程で再度塑性流動化され、塑性化領域Ｗ_１２に含まれることになる。そのため、第一工程の際にスタート位置Ｓ_１１の塑性化領域Ｗ_１１に酸化皮膜が残っていたとしても、第二工程により酸化皮膜を分断することができるようになる。また、スタート位置Ｓ_１１に接合欠陥等が生じていたとしても、第二工程により再び塑性流動化するため、接合欠陥等を修復することができる。

【0041】

［工程例２］
図６は、実施形態における接合工程の工程例２を説明する図である。なお、この図６は図１の凸部１１ｂ，１３ｂの突合部Ｊのところを主に示す平面図であり、タブ部２，３を突合部Ｊの側方に配置した場合を示している。図６の（ａ）に第一工程の様子を説明するための平面図を示す。図６の（ｂ）に第二工程の様子を説明するための平面図を示す。

【0042】

図６の（ａ）に示すように、第一工程では、第一接合範囲Ｒ_２１に対する摩擦攪拌のスタート位置Ｓ_２１が突合部Ｊの途中に第一の点として設定され、かつ、第一接合範囲Ｒ_２１のエンド位置Ｅ_２１が突合部Ｊの一端側のタブ部３に設定されている。つまり、第一工程は、工程例１の第一工程と同じである。そのため、この第一工程によって、突合部Ｊには、塑性化領域Ｗ_２１が形成され、第一金属部材１１と第三金属部材１３とが第一接合範囲Ｒ_２１で接合される。

【0043】

また、図６の（ｂ）に示すように、第二工程では、第二接合範囲Ｒ_２２のスタート位置Ｓ_２２がタブ３（一端側）とは反対のタブ２（他端側）に設定され、かつ、第二接合範囲Ｒ_２２のエンド位置Ｅ_２２が第一接合範囲Ｒ_２１に属する塑性化領域Ｗ_２１内の第二の点として設定されている。

【0044】

つまり、第二工程では、工程例１の場合とは異なるスタート位置Ｓ_２２およびエンド位置Ｅ_２２が設定されている。この第二工程では、回転ツールＡの攪拌ピンＡ２（図３参照）が、タブ部２に設定されたスタート位置Ｓ_２２に回転しつつ挿入され、突合部Ｊの金属を塑性流動化して塑性化領域Ｗ_２２を形成しつつ塑性化領域Ｗ_２１に向かって、金属材料１０に対して相対的に移動する。さらに、その回転ツールＡの攪拌ピンＡ２は、塑性化領域Ｗ_２１に設定されたエンド位置Ｅ_２２に向かって、金属材料１０に対して相対的に移動し、塑性化領域Ｗ_２１を再び塑性流動化して塑性化領域Ｗ_２２を形成する。そして、その回転ツールＡの攪拌ピンＡ２は、エンド位置Ｅ_２２で抜き出される。この第二工程によって、突合部Ｊには塑性化領域Ｗ_２２が形成され、第二接合範囲Ｓ_２２において、第一金属部材１１と第三金属部材１３とが接合される。

【0045】

なお、突合部Ｊの深さ方向の様子は、工程例１の場合と略同一であるため、図示を省略するが、第二工程の回転ツールＡと金属部材１０との相対移動方向が異なっている。そのため、回転ツールＡの攪拌ピンＡ２（図３参照）の最終の引き抜き箇所が、塑性化領域Ｗ_２２の端部であるため、抜き穴（図示省略）が形成されている。そこで、この抜き穴には、肉盛り溶接などを行うことが好ましい。

【0046】

このように、工程例２においては、第一工程のスタート位置Ｓ_２１は、第二工程で再度塑性流動化され、塑性化領域Ｗ_２２に含まれることになる。そのため、第一工程の際にスタート位置Ｓ_２１に酸化皮膜が残っていたとしても、第二工程により酸化皮膜を分断することができるようになる。また、スタート位置Ｓ_２１に接合欠陥等が生じていたとしても、第二工程により再び塑性流動化するため、第一工程での接合欠陥等を修復することができる。

【0047】

［工程例３］
図７は、実施形態における接合工程の工程例３を説明する図である。なお、この図７は図１の凸部１１ｂ，１３ｂの突合部Ｊのところを主に示す平面図であり、タブ部２，３を突合部Ｊの側方に配置した場合を示している。図７の（ａ）に第一工程の様子を説明するための平面図を示す。図７の（ｂ）に第二工程の前半の様子を説明するための平面図を示す。図７の（ｃ）に第二工程の後半の様子を説明するための平面図である。

【0048】

図７の（ａ）に示すように、第一接合範囲Ｒ_３１に対する摩擦攪拌のスタート位置Ｓ_３１が突合部Ｊの途中に第一の点として設定され、かつ、第一接合範囲Ｒ_３１のエンド位置Ｅ_３１が突合部Ｊの一端側のタブ部３に設定されている。つまり、第一工程は、工程例１，２の第一工程の場合と同じであり、塑性化領域Ｗ_３１が突合部Ｊの第一接合範囲Ｒ_３１に形成される。

【0049】

次に、図７の（ｂ）に示すように、第二工程では、まず、第二接合範囲Ｒ_３２に対する摩擦攪拌のスタート位置Ｓ_３２が、第一接合範囲Ｒ_３１に属する塑性化領域Ｗ_３１の端部に第二の点（スタート位置Ｓ_３１）として設定されている。また、第二接合範囲Ｒ_３２のエンド位置Ｅ_３３がタブ部２に設定されている。さらに、スタート位置Ｓ_３２からタブ部３（突合部Ｊの一端側）に向かって第一接合範囲Ｒ_３１に属する塑性化領域Ｗ_３１に折り返し位置Ｔ_３２が設定されている。

【0050】

そして、第二工程では、回転ツールＡの攪拌ピンＡ２（図３参照）が、スタート位置Ｓ_３２に回転しつつ挿入され、塑性化領域Ｗ_３１の金属を再び塑性流動化して塑性化領域Ｗ_３２を形成しつつ折り返し位置Ｔ_３２に向かって、金属部材１０に対して相対的に移動する。その回転ツールＡの攪拌ピンＡ２は、折り返し位置Ｔ_３２に達すると、再び塑性化領域Ｗ_３２を塑性流動化して塑性化領域Ｗ_３３を形成しつつ折り返して、スタート位置Ｓ_３２に向かって金属部材１０に対して相対的に移動する。さらに、その回転ツールＡの攪拌ピンＡ２は、スタート位置Ｓ_３２を通過して、突合部Ｊに沿ってタブ部２まで移動し、金属を塑性流動化して塑性化領域Ｗ_３３を形成しつつエンド位置Ｅ_３３に到達し、引き抜かれる。そのため、この第二工程によって、突合部Ｊには塑性化領域Ｗ_３３が形成され、第二接合範囲Ｒ_３２において、第一金属部材１１と第三金属部材１３とが接合される。

【0051】

このように、工程例３においては、第一工程のスタート位置Ｓ_３１は、第二工程で再度塑性流動化され、塑性化領域Ｗ_３３に含まれることになる。そのため、第一工程の際にスタート位置Ｓ_３１に酸化皮膜が残っていたとしても、第二工程により酸化皮膜を分断することができるようになる。また、スタート位置Ｓ_３１に接合欠陥等が生じていたとしても、第二工程により再び塑性流動化するため、接合欠陥等を修復することができる。

【0052】

［工程例４］
図８は、実施形態における接合工程の工程例４を説明する図である。なお、この図８は図１の凸部１１ｂ，１３ｂの突合部Ｊのところを主に示す平面図であり、タブ部２，３を突合部Ｊの側方に配置した場合を示している。図８の（ａ）に第一工程の様子を説明するための平面図を示す。図８の（ｂ）に第二工程の様子を説明するための平面図を示す。

【0053】

図８の（ａ）に示すように、第一工程では、第一接合範囲Ｒ_４１に対する摩擦攪拌のスタート位置Ｓ_４１がタブ部３に設定され、かつ、第一接合範囲Ｒ_４１のエンド位置Ｅ_４１が突合部Ｊの途中に第一の点として設定されている。この第一工程は、工程例１の場合と相対移動方向が逆である。つまり、第一工程では、回転ツールＡの攪拌ピンＡ２（図３参照）が、タブ部３のスタート位置Ｓ_４１に回転しつつ挿入され、金属を塑性流動化しつつ金属部材１０に対して相対的に移動し、エンド位置Ｅ_４１で引き抜かれる。この第一工程によって、突合部Ｊには塑性化領域Ｗ_４１が形成され、第一接合範囲Ｒ_４１において、第一金属部材１１と第三金属部材１３とが接合される。

【0054】

図８の（ｂ）に示すように、第二工程では、第二接合範囲Ｒ_４２に対する摩擦攪拌のスタート位置Ｓ_４２が第一接合範囲Ｒ_４１に属する塑性化領域Ｗ_４１内の第二の点として設定され、かつ、第二接合範囲Ｒ_４２に対する摩擦攪拌のエンド位置Ｅ_４２がタブ部２に設定されている。つまり、第二工程では、回転ツールＡの攪拌ピンＡ２（図３参照）が、スタート位置Ｓ_４２に回転しつつ挿入され、塑性化領域Ｗ_４１の金属を再び塑性流動化しつつスタート位置Ｓ_４１に向かって、金属材料１０に対して相対的に移動する。さらに、その回転ツールＡの攪拌ピンＡ２は、スタート位置Ｓ_４１を通過すると、突合部Ｊの金属を塑性流動化しつつタブ部２に向かって、金属材料１０に対して相対的に移動し、エンド位置Ｅ_４２から引き抜かれる。この第二工程によって、突合部Ｊには塑性化領域Ｗ_４２が形成され、第二接合範囲Ｒ_４２において、第一金属部材１１と第三金属部材１３とが接合される。

【0055】

ところで、第一工程の終了後、回転ツールＡの攪拌ピンＡ２（図３参照）は突合部Ｊから引き抜かれるため、引き抜かれた後の塑性化領域Ｗ_４１の端部には、引き抜き穴が形成されている。そこで、第二工程を行う前に、その引き抜き穴に金属部材を充填する充填工程を経て、金属を補うようにすることが好ましい。以下、この工程例４の変形例として充填工程を実施する場合について説明する。

【0056】

図９は、工程例４の接合方法を説明するための断面を示す、図８のII-II断面相当図である。（ａ）には、第一工程における回転ツールの攪拌ピンを挿入する直前の様子が示されている。（ｂ）には、第一工程の終了時の攪拌ピンを抜き出した後の様子が示されている。（ｃ）には、第一工程での攪拌ピンの抜き出し後に生じた抜き穴を充填する充填工程が示されている。（ｄ）には、第二工程の攪拌ピンの挿入直前の様子が示されている。（ｅ）には、第二工程の終了時の攪拌ピンを抜き出したときの様子が示されている。

【0057】

図９の（ａ）に示すように、工程例４では、まず、回転ツールＡはタブ３に設定されたスタート位置Ｓ_４１に挿入される。
次に、図９の（ｂ）に示すように、回転ツールＡは、攪拌ピンＡ２を回転させたままエンド位置Ｅ_４１に向かって相対移動され、金属を塑性流動化させて塑性化領域Ｗ_４１を形成して、各金属部材１０同士を接合する。このとき、攪拌ピンＡ２がエンド位置Ｅ_４１から引き抜かれると、塑性流動化していた金属は直ぐに塑性化領域Ｗ_４１に変化し、抜け穴Ｈ_１が形成される。

【0058】

図９の（ｃ）に示すように、抜け穴Ｈ_１には、金属部材Ｚが充填される。この金属部材Ｚは、例えば、肉盛り溶接によって充填してもよい。また、攪拌ピンＡ２と略同一の金属部材を用意しておき、その金属部材を抜け穴Ｈ_１に充填するようにしてもよい。この場合、金属部材が動かないように、周囲の塑性化領域Ｗ_４１に仮接合することが好ましい。この接合は、溶接によっても、摩擦攪拌接合を行ってもよい。なお、摩擦攪拌接合の場合には、攪拌ピンＡ２の径よりも細い径の攪拌ピン（不図示）を備えた回転ツール（不図示）によって、周囲の塑性化領域Ｗ_４１に仮止めすればよい。

【0059】

続いて、図９の（ｄ）に示すように、回転ツールＡは、第二工程のスタート位置Ｓ_４２の上方に相対移動され、回転する攪拌ピンＡ２がスタート位置Ｓ_４２に挿入され、エンド位置Ｅ_４２に向かって相対移動される。
そして、図９の（ｅ）に示すように、回転ツールＡは、エンド位置Ｅ_４２から引き抜かれて摩擦攪拌を終了する。これによって、第二接合範囲Ｒ_４２では、塑性化領域Ｗ_４２が形成されることで、凸部１１ｂと凸部１３ｂとを接合する。つまり、第一金属部材１１（図１等参照）と第二金属部材１３（図１等参照）とが接合される。

【0060】

このように、工程例４においては、第一工程のエンド位置Ｅ_４１は、第二工程で再度塑性流動化され、塑性化領域Ｗ_４２に含まれることになる。そのため、第一工程の際にエンド位置Ｅ_４１に酸化皮膜が残っていたとしても、第二工程により酸化皮膜を分断することができるようになる。また、エンド位置Ｅ_４１に接合欠陥等が生じていたとしても、第二工程により再び塑性流動化するため、接合欠陥等を修復することができる。

【0061】

［工程例５］
図１０は、実施形態における接合工程の工程例５を説明する図である。なお、この図１０は図１の凸部１１ｂ，１３ｂの突合部Ｊのところを主に示す平面図であり、タブ部２，３を突合部Ｊの側方に配置した場合を示している。図１０の（ａ）に第一工程の様子を説明するための平面図を示す。図１０の（ｂ）に第二工程の前半の様子を説明するための平面図を示す。図１０の（ｃ）に第二工程の後半の様子を説明するための平面図である。

【0062】

この工程例５は、工程例３（図７参照）の変形例に相当する。工程例３では、第一工程が、突合部Ｊの途中にスタート位置Ｓ_３１を設定し、タブ部３にエンド位置Ｅ_３１を設定した場合を説明したが、この工程例５は、工程例３とは反対に、タブ部３にスタート位置Ｓ_５１を設定し、突合部Ｊの途中にエンド位置Ｅ_５１を設定した場合である。なお、（ａ）に示す第一工程以外（（ｂ）（ｃ）の第二工程）は、工程例３と同じであるため、同一符号を付し、説明を省略する。

【0063】

このように、工程例５においては、第一工程のエンド位置Ｅ_５１は、第二工程で再度塑性流動化され、塑性化領域Ｗ_３３に含まれることになる。そのため、第一工程の際にエンド位置Ｅ_５１の酸化皮膜が残っていたとしても、第二工程により酸化皮膜を分断することができるようになる。また、エンド位置Ｅ_５１に接合欠陥等が生じていたとしても、第二工程により再び塑性流動化するため、接合欠陥等を修復することができるようになる。

【0064】

［工程例６］
図１１は、実施形態における接合工程の工程例６を説明する図である。なお、この図１１は図１の凸部１１ｂ，１３ｂの突合部Ｊのところを主に示す平面図であり、タブ部２，３を突合部Ｊの側方に配置した場合を示している。図１１の（ａ）に第一工程の様子を説明するための平面図を示す。図１１の（ｂ）に第二工程の様子を説明するための平面図を示す。

【0065】

図１１の（ａ）に示すように、第一工程は、工程例４の第一工程と同じである。つまり、攪拌ピンＡ２が、タブ部３に設定されたスタート位置Ｓ_６１から突合部Ｊに設定されたエンド位置Ｅ_６１までの第一接合範囲Ｒ_６１の摩擦攪拌を行って、塑性化領域Ｗ_６１を形成して第一金属部材１１と第三金属部材１３とを接合する。

【0066】

図１１の（ｂ）に示すように、第二工程は、工程例２の第二工程と同じである。
つまり、回転ツールＡの攪拌ピンＡ２（図３参照）は、タブ部２に設定されたスタート位置Ｓ_６２から塑性化領域Ｗ_６１内に設定されたエンド位置Ｅ_６２までの第二接合範囲Ｒ_６２の摩擦攪拌を行って、塑性化領域Ｗ_６２を形成して第一金属部材１１と第三金属部材１３とを接合する。このとき、工程例２と同様に、その回転ツールＡの攪拌ピンＡ２の最終の引き抜き箇所が、塑性化領域Ｗ_６２の端部であるため、抜き穴（図示省略）が形成されている。そこで、この抜き穴には、肉盛り溶接などを行うことが好ましい。

【0067】

以上説明した各工程例のように回転ツールを移動させれば、高品質な摩擦攪拌接合を行うことができるようになる。特に、大型な装置を用いなくても、長尺な金属要素同士の高品質な摩擦攪拌接合を行うことができるようになる。

【0068】

以上、本発明について、好適な実施形態について説明したが、本発明は前記の各実施形態に限られず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜設計変更が可能である。
例えば、前記実施形態では、３つの金属部材を接合する場合について説明したが、本発明の接合方法において接合される金属部材の数量は限定されるものではない。

【0069】

この実施形態では、第一接合範囲を各図中右側とし、第二接合範囲を各図中左側として説明したが、反対に、第一接合範囲を図中左側とし、第二接合範囲を図中右側としてもよい。

【0070】

この実施形態では、突合部Ｊの側方にタブ材２，３を配置したものとして説明したが、タブ材２，３を配置しなくてもよい。

【0071】

この実施形態では、金属要素が、第一金属部材１１、第二金属部材１２、第三金属部材１３の中空部材の場合を説明したが、板材であってもよい。

【符号の説明】

【0072】

１０ 金属部材
１１ 第一金属部材
１２ 第二金属部材
１３ 第三金属部材
Ｊ 突合部
Ｓ スタート位置
Ｅ エンド位置
Ｒ 接合範囲（第一接合範囲、第二接合範囲）
Ｗ 塑性化領域

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】