特許 6357566 アルミニウム構造部材の製造方法

(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】6357566

(24)【登録日】2018年6月22日

(45)【発行日】2018年7月11日

(54)【発明の名称】アルミニウム構造部材の製造方法

(51)【国際特許分類】

   B23K 26/346 20140101AFI20180702BHJP

   B23K 26/32 20140101ALI20180702BHJP

   B23K 26/21 20140101ALI20180702BHJP

   B23K 20/12 20060101ALI20180702BHJP

   B23K 28/02 20140101ALI20180702BHJP

   B23K 9/16 20060101ALI20180702BHJP

   B23K 9/173 20060101ALI20180702BHJP

【ＦＩ】

   B23K26/346

   B23K26/32

   B23K26/21 F

   B23K26/21 W

   B23K20/12 360

   B23K28/02

   B23K9/16 K

   B23K9/173 A

【請求項の数】14

【全頁数】29

(21)【出願番号】特願2017-114402(P2017-114402)

(22)【出願日】2017年6月9日

(65)【公開番号】特開2018-86678(P2018-86678A)

(43)【公開日】2018年6月7日

【審査請求日】2017年9月25日

(31)【優先権主張番号】特願2016-226883(P2016-226883)

(32)【優先日】2016年11月22日

(33)【優先権主張国】JP

(31)【優先権主張番号】特願2016-226884(P2016-226884)

(32)【優先日】2016年11月22日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000001199

【氏名又は名称】株式会社神戸製鋼所

(74)【代理人】

【識別番号】110002000

【氏名又は名称】特許業務法人栄光特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】青木 拓朗

(72)【発明者】

【氏名】松本 剛

(72)【発明者】

【氏名】今村 美速

【審査官】 柏原 郁昭

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１４−１０２８９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第０６８５４６３２（ＵＳ，Ｂ１）

【文献】 中国特許出願公開第１０３００８８９６（ＣＮ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１２／１４７２０４（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２０１２−１４８２９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−２００８４６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−０８６２６７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１１−００５１７９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ２３Ｋ ２６／３４６

Ｂ２３Ｋ ９／１６

Ｂ２３Ｋ ９／１７３

Ｂ２３Ｋ ２０／１２

Ｂ２３Ｋ ２６／２１

Ｂ２３Ｋ ２６／３２

Ｂ２３Ｋ ２８／０２

Ｂ２３Ｋ １０３／１０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１アルミニウム部材と第２アルミニウム部材とが接合されて成るアルミニウム構造部材の製造方法であって、
前記第１及び第２アルミニウム部材を互いに突き合わせて突き合わせ部を形成する工程と、
前記突き合わせ部を溶接し、前記突き合わせ部の表面から裏面に連なる溶接ビード部を形成する工程と、
回転する接合ツールによって前記溶接ビード部を攪拌する工程と、を含み、
前記攪拌工程は、前記溶接ビード部おけるアルミニウム合金の固相線温度から１００℃までの高い温度の状態で行われるアルミニウム構造部材の製造方法。

【請求項2】

前記攪拌工程は、板厚方向に前記溶接ビード部を残して摩擦攪拌部を形成する請求項１に記載のアルミニウム構造部材の製造方法。

【請求項3】

前記接合ツールは、ショルダーと、当該ショルダーの先端部に配設された攪拌ピンとを有し、前記攪拌工程は、前記溶接ビード部に前記接合ツールの攪拌ピンを差し込んで、前記ショルダー及び前記攪拌ピンによって、前記溶接ビード部を攪拌する請求項１に記載のアルミニウム構造部材の製造方法。

【請求項4】

前記攪拌ピンが、前記第１及び第２アルミニウム部材の板厚方向のいずれか一方の側から前記溶接ビード部に差し込まれる請求項３に記載のアルミニウム構造部材の製造方法。

【請求項5】

前記攪拌ピンが、前記第１及び第２アルミニウム部材の板厚方向の両側から前記溶接ビード部に差し込まれる請求項３に記載のアルミニウム構造部材の製造方法。

【請求項6】

板厚が異なる第１アルミニウム部材と第２アルミニウム部材とが接合されて成るアルミニウム構造部材の製造方法であって、
前記第１及び第２アルミニウム部材を互いに突き合わせて突き合わせ部を形成する工程と、
前記突き合わせ部を溶接し、前記突き合わせ部の表面から裏面に連なる溶接ビード部を形成する工程と、
回転する接合ツールによって前記溶接ビード部を攪拌する工程と、を含み、
前記攪拌工程は、前記溶接ビード部おけるアルミニウム合金の固相線温度から１００℃までの高い温度の状態で行われるアルミニウム構造部材の製造方法。

【請求項7】

第１アルミニウム部材と該第１アルミニウム部材よりも厚い第２アルミニウム部材とが突合せ接合されて成るアルミニウム構造部材の製造方法であって、
前記第１及び前記第２アルミニウム部材を互いに突き合わせて、段差のある突き合わせ部を形成する工程と、
前記段差のある側を表面としたときに、前記表面側に溶接熱源を配置して、前記突き合わせ部を溶接し、前記突き合わせ部の表面から裏面に連なる溶接ビード部を形成する工程と、
回転する接合ツールによって前記溶接ビード部を攪拌する工程と、を含み、
前記攪拌工程は、前記溶接ビード部おけるアルミニウム合金の固相線温度から１００℃までの高い温度の状態で行われ、
前記攪拌工程において、前記接合ツールの軸芯を、前記第１及び第２アルミニウム部材の前記表面に垂直な方向に対して前記第１アルミニウム部材側に傾斜させるアルミニウム構造部材の製造方法。

【請求項8】

第１アルミニウム部材と該第１アルミニウム部材よりも厚い第２アルミニウム部材とが突合せ接合されて成るアルミニウム構造部材の製造方法であって、
少なくとも前記第１アルミニウム部材を裏当て部材の上に配置した状態で、前記第１及び第２アルミニウム部材を突き合わせて、前記第１アルミニウム部材の表面と、前記第２アルミニウム部材の表面とが平坦な突き合わせ部を形成する工程と、
前記第１及び第２アルミニウム部材の表面側に溶接熱源を配置して、前記突き合わせ部を溶接し、前記突き合わせ部の表面から裏面に連なる溶接ビード部を形成する工程と、
回転する接合ツールによって前記溶接ビード部を前記表面側から攪拌する工程と、を含み、
前記攪拌工程は、前記溶接ビード部おけるアルミニウム合金の固相線温度から１００℃までの高い温度の状態で行われるアルミニウム構造部材の製造方法。

【請求項9】

前記溶接ビード部が攪拌された前記第１及び第２アルミニウム部材から前記裏当て部材を取り外す工程と、
回転する前記接合ツールによって前記溶接ビード部を前記裏面側から攪拌する工程と、をさらに含み、
前記裏面側からの攪拌工程において、前記接合ツールの軸芯を、前記第１及び第２アルミニウム部材の前記裏面に垂直な方向に対して前記第１アルミニウム部材側に傾斜させる請求項８に記載のアルミニウム構造部材の製造方法。

【請求項10】

前記溶接ビード部は、レーザ溶接により形成される請求項１〜９のいずれか１項に記載のアルミニウム構造部材の製造方法。

【請求項11】

前記溶接ビード部を形成する工程において、溶加材を供給しながらレーザビームを照射する請求項１０に記載のアルミニウム構造部材の製造方法。

【請求項12】

前記接合ツールのショルダーが凸形状である請求項１〜９のいずれか１項に記載のアルミニウム構造部材の製造方法。

【請求項13】

前記接合ツールのショルダーが凸形状である請求項１０に記載のアルミニウム構造部材の製造方法。

【請求項14】

前記接合ツールのショルダーが凸形状である請求項１１に記載のアルミニウム構造部材の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、アルミニウム構造部材の製造方法に関し、特に、自動車等の輸送機のパネル部材や構造部材等に適用されるアルミニウム構造部材の製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、自動車のパネルやピラー、フレーム等の構造部材においては、軽量化の観点から鋼板からアルミニウム合金板への移行が検討されている。アルミニウム合金板への適用にあたっては、単一（一枚物）のアルミニウム合金板を用いるだけではなく、厚みが異なるアルミニウム合金板や材質が異なるアルミニウム合金板を組み合わせて用いることがある。

【0003】

このような、二枚のアルミニウム合金板を接合する構造としては、例えば、特許文献１に記載されているように、二枚のアルミニウム合金板の端面を突き合わせて摩擦攪拌接合（ＦＳＷ）を行うことによって接合材を製造することが知られている。

【0004】

また、板厚や材質が異なるアルミニウム合金板をつき合わせて接合するテーラードブランクを作成する技術としては、例えば、二枚の板厚の異なる板材を突き合わせて、突合せの段差部の方から、回転ツールを傾けた状態で接合工具を差込み、攪拌しながら接合する方法が提案されている（特許文献２参照）。

【0005】

さらに、テーラードブランクを作成する技術としては、例えば、厚さの異なる二枚のアルミニウム合金板を硬質の裏当てに載せて突き合わせ、該突き合わせ部分に沿って回転工具を回転しながら移動させることより、上記アルミニウム合金板を摩擦攪拌接合する方法が提案されている（特許文献３参照）。この特許文献３では、アルミニウム合金板の上端面が揃わない場合、合金板の突合せ面に対して回転工具の挿入角度を斜めにすることも記載されている。

【0006】

摩擦攪拌接合は、接合時の入熱量が低いため、接合後の構造体の歪が少ないというメリットがある。一方、摩擦攪拌接合は、接合スピードがレーザビーム溶接等の溶融溶接に比べて著しく低い。このため、摩擦攪拌接合の生産性を上げるためには、複数の部分を同時に接合するような特殊な構造の摩擦攪拌接合の専用機が必要となる。また、生産性を向上させる他の手法としては、摩擦攪拌接合のツールを差し込む前の部分を加熱して予熱して材料を軟化させた上で、摩擦攪拌接合のピンを差し込んで接合する方法が提案されている（特許文献４及び５参照）。

【0007】

他にも、二枚の板厚の異なる板材をつき合わせてレーザ溶接により接合する方法も提案されている（特許文献６参照）。更に、レーザ等で溶接を行った後で、溶接部に押圧ローラを転動させ溶接部を整形する方法が提案されている（特許文献７参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【特許文献1】特開２００２−２２４８５８号公報

【特許文献2】特開２００２−３５９６１号公報

【特許文献3】特開２０００−１６７６７６号公報

【特許文献4】国際公開第１９９９/３９８６１号公報

【特許文献5】特表２００４−５２１７４７号公報

【特許文献6】特開２０１６−１９９８３号公報

【特許文献7】国際公開第２０１２／１１４９６２号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

特許文献４及び５に記載の方法であれば、アルミニウム材料が摩擦攪拌による加熱量を少なくすることができるため接合速度を向上させることができる。しかしながら、アルミニウム材料は熱伝導性が高く、熱が容易に拡散してしまうため、必要な熱量を安定して接合部に付与することができない。この結果、材料の軟化状態にバラツキが出て溶接部に乱れが生じ、所定の接合強度が得られないという課題がある。

【0010】

また、通常の摩擦攪拌接合よりも接合速度が向上しても、溶融接合（溶接）と比べるとスピードが依然として低いという問題がある。

【0011】

さらに、特許文献１〜５のいずれの方法においても、攪拌ピンの深さの設定やピンの磨耗度合いによっては、未接合部（いわゆるキッシングボンド）が生じる可能性があり、ツール（ピン）の管理などが煩雑であるという問題があった。特に、突き合わせの一方の部材の厚みが薄い場合は十分な攪拌ができないため、接合不良部ができやすくなる。

【0012】

また、特許文献６のレーザ溶接による接合方法では接合スピードが速く、上述したキッシングボンドのような接合不良部は生じにくいが、溶融ビード部分が鋳物となるため、自動車のＢピラー等の構造部材をプレス成形する際に、伸びが足りずに破断する可能性がある。又、溶融ビード部の表面に引けや凹凸部がある場合は外観不良となり、疲労破断の起点となる可能性もある。

【0013】

さらに、特許文献７では、溶接部をローラで押圧することで、溶接部の凹凸はある程度平滑化されるが、溶接部の鋳物構造部分が残るため、プレス成形時に破断発生の可能性がある。

【0014】

本発明は、上記事項に鑑みてなされたものであり、その目的は、接合速度が速く、接合部の品質や接合強度に優れたアルミニウム構造部材の製造方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0015】

本発明の第１アルミニウム部材と第２アルミニウム部材とが接合されて成るアルミニウム構造部材の製造方法は、前記第１及び第２アルミニウム部材を互いに突き合わせて突き合わせ部を形成する工程と、前記突き合わせ部を溶接し、前記突き合わせ部の表面から裏面に連なる溶接ビード部を形成する工程と、回転する接合ツールによって前記溶接ビード部を攪拌する工程と、を含み、前記攪拌工程は、前記溶接ビード部おけるアルミニウム合金の固相線温度から１００℃までの高い温度の状態で行われる。

【0016】

また、上記製造方法において、好ましくは、前記攪拌工程は、板厚方向に前記溶接ビード部を残して摩擦攪拌部を形成する。

【0017】

さらに、上記製造方法において、好ましくは、前記接合ツールは、ショルダーと、当該ショルダーの先端部に配設された攪拌ピンとを有し、前記攪拌工程は、前記溶接ビード部に前記接合ツールの攪拌ピンを差し込んで、前記ショルダー及び前記攪拌ピンによって、前記溶接ビード部を攪拌する。

【0018】

また、上記製造方法において、好ましくは、前記攪拌ピンが、前記第１及び第２アルミニウム部材の板厚方向のいずれか一方の側から前記溶接ビード部に差し込まれる。

【0019】

さらに、上記製造方法において、好ましくは、前記攪拌ピンが、前記第１及び第２アルミニウム部材の板厚方向の両側から前記溶接ビード部に差し込まれる。

【0020】

また、本発明の板厚が異なる第１アルミニウム部材と第２アルミニウム部材とが接合されて成るアルミニウム構造部材の製造方法は、前記第１及び第２アルミニウム部材を互いに突き合わせて突き合わせ部を形成する工程と、前記突き合わせ部を溶接し、前記突き合わせ部の表面から裏面に連なる溶接ビード部を形成する工程と、回転する接合ツールによって前記溶接ビード部を攪拌する工程と、を含み、前記攪拌工程は、前記溶接ビード部おけるアルミニウム合金の固相線温度から１００℃までの高い温度の状態で行われる。

【0021】

また、本発明の第１アルミニウム部材と該第１アルミニウム部材よりも厚い第２アルミニウム部材とが突合せ接合されて成るアルミニウム構造部材の製造方法は、前記第１及び前記第２アルミニウム部材を互いに突き合わせて、段差のある突き合わせ部を形成する工程と、前記段差のある側を表面としたときに、前記表面側に溶接熱源を配置して、前記突き合わせ部を溶接し、前記突き合わせ部の表面から裏面に連なる溶接ビード部を形成する工程と、回転する接合ツールによって前記溶接ビード部を攪拌する工程と、を含み、前記攪拌工程は、前記溶接ビード部おけるアルミニウム合金の固相線温度から１００℃までの高い温度の状態で行われ、前記攪拌工程において、前記接合ツールの軸芯を、前記第１及び第２アルミニウム部材の前記表面に垂直な方向に対して前記第１アルミニウム部材側に傾斜させるものである。

【0022】

また、本発明の第１アルミニウム部材と該第１アルミニウム部材よりも厚い第２アルミニウム部材とが突合せ接合されて成るアルミニウム構造部材の製造方法は、少なくとも前記第１アルミニウム部材を裏当て部材の上に配置した状態で、前記第１及び第２アルミニウム部材を突き合わせて、前記第１アルミニウム部材の表面と、前記第２アルミニウム部材の表面とが平坦な突き合わせ部を形成する工程と、前記第１及び第２アルミニウム部材の表面側に溶接熱源を配置して、前記突き合わせ部を溶接し、前記突き合わせ部の表面から裏面に連なる溶接ビード部を形成する工程と、回転する接合ツールによって前記溶接ビード部を前記表面側から攪拌する工程と、を含み、前記攪拌工程は、前記溶接ビード部おけるアルミニウム合金の固相線温度から１００℃までの高い温度の状態で行われる。

【0023】

また、上記製造方法において、好ましくは、前記溶接ビード部が攪拌された前記第１及び第２アルミニウム部材から前記裏当て部材を取り外す工程と、回転する前記接合ツールによって前記溶接ビード部を前記裏面側から攪拌する工程と、をさらに含み、前記裏面側からの攪拌工程において、前記接合ツールの軸芯を、前記第１及び第２アルミニウム部材の前記裏面に垂直な方向に対して前記第１アルミニウム部材側に傾斜させる。

【0024】

また、上記製造方法において、好ましくは、レーザ溶接により形成される。

【0025】

さらに、上記製造方法において、好ましくは、前記溶接ビード部を形成する工程において、溶加材を供給しながらレーザビームを照射する。

【0026】

また、上記製造方法において、好ましくは、前記接合ツールのショルダーが凸形状である。

【発明の効果】

【0027】

本発明のアルミニウム構造部材の製造方法によれば、第１及び第２アルミニウム部材を互いに突き合わせて突き合わせ部を形成する工程と、突き合わせ部を溶接し、突き合わせ部の表面から裏面に連なる溶接ビード部を形成する工程と、回転する接合ツールによって溶接ビード部を攪拌する工程と、を含み、前記攪拌工程は、前記溶接ビード部おけるアルミニウム合金の固相線温度から１００℃までの高い温度の状態で行われる。これにより、接合速度が速く、接合部の品質や接合強度に優れたアルミニウム構造部材の製造方法を提供することができる。

【0028】

また、本発明のアルミニウム構造部材の製造方法によれば、第１及び第２アルミニウム部材の板厚が異なる場合においても、第１及び第２アルミニウム部材を互いに突き合わせて突き合わせ部を形成する工程と、突き合わせ部を溶接し、突き合わせ部の表面から裏面に連なる溶接ビード部を形成する工程と、回転する接合ツールによって溶接ビード部を攪拌する工程と、を含み、前記攪拌工程は、前記溶接ビード部おけるアルミニウム合金の固相線温度から１００℃までの高い温度の状態で行われる。これにより、接合速度が速く、接合部の品質や接合強度に優れたアルミニウム構造部材の製造方法を提供することができる。

【0029】

また、本発明の第１アルミニウム部材と該第１アルミニウム部材よりも厚い第２アルミニウム部材とが突合せ接合されて成るアルミニウム構造部材の製造方法によれば、第１及び第２アルミニウム部材を互いに突き合わせて、段差のある突き合わせ部を形成する工程と、段差のある側を表面としたときに、表面側に溶接熱源を配置して、突き合わせ部を溶接し、突き合わせ部の表面から裏面に連なる溶接ビード部を形成する工程と、回転する接合ツールによって溶接ビード部を攪拌する工程と、を含む。そして、前記攪拌工程は、前記溶接ビード部おけるアルミニウム合金の固相線温度から１００℃までの高い温度の状態で行われ、攪拌工程において、接合ツールの軸芯を、第１及び第２アルミニウム部材の表面に垂直な方向に対して第１アルミニウム部材側に傾斜させる。これにより、接合速度が速く、接合部の品質・外観や接合強度に優れたアルミニウム構造部材の製造方法を提供することができる。

【0030】

さらに、本発明の第１アルミニウム部材と該第１アルミニウム部材よりも厚い第２アルミニウム部材とが突合せ接合されて成るアルミニウム構造部材の製造方法によれば、少なくとも第１アルミニウム部材を裏当て部材の上に配置した状態で、第１及び第２アルミニウム部材を突き合わせて、第１アルミニウム部材の表面と、第２アルミニウム部材の表面とが平坦な突き合わせ部を形成する工程と、第１及び第２アルミニウム部材の表面側に溶接熱源を配置して、突き合わせ部を溶接し、突き合わせ部の表面から裏面に連なる溶接ビード部を形成する工程と、回転する接合ツールによって溶接ビード部を表面側から攪拌する工程と、を含み、前記攪拌工程は、前記溶接ビード部おけるアルミニウム合金の固相線温度から１００℃までの高い温度の状態で行われる。これにより、接合速度が速く、接合部の品質・外観や接合強度に優れたアルミニウム構造部材の製造方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0031】

【図1】本発明の第１実施形態に係るアルミニウム構造部材の製造方法を実施するための製造装置の要部斜視図である。

【図2A】第１実施形態の製造方法を説明するためのアルミニウム構造部材の板厚方向断面図である。

【図2B】第１実施形態の製造方法を説明するためのアルミニウム構造部材の板厚方向断面図である。

【図2C】第１実施形態の製造方法を説明するためのアルミニウム構造部材の板厚方向断面図である。

【図2D】第１実施形態の製造方法を説明するためのアルミニウム構造部材の板厚方向断面図である。

【図3】第１実施形態の製造方法で製造されたアルミニウム構造部材の平面図（接合状態を示すため、摩擦攪拌を途中で止めたもの）である。

【図4A】第１実施形態の第１変形例の製造方法によって製造されたアルミニウム構造部材の板厚方向断面図である。

【図4B】第１実施形態の第２変形例の製造方法によって製造されたアルミニウム構造部材の板厚方向断面図である。

【図5】通常の摩擦攪拌接合されたアルミニウム構造部材の板厚方向断面図である。

【図6A】第１実施形態の第３変形例の製造方法を説明するためのアルミニウム構造部材の板厚方向断面図である。

【図6B】第１実施形態の第３変形例の製造方法によって製造されたアルミニウム構造部材の板厚方向断面図である。

【図7】本発明の第２実施形態に係るアルミニウム構造部材の製造方法を実施するための製造装置の要部斜視図である。

【図8A】第２実施形態の製造方法を説明するためのアルミニウム構造部材の板厚方向断面図である。

【図8B】第２実施形態の製造方法を説明するためのアルミニウム構造部材の板厚方向断面図である。

【図8C】第２実施形態の製造方法を説明するためのアルミニウム構造部材の板厚方向断面図である。

【図8D】第２実施形態の製造方法を説明するためのアルミニウム構造部材の板厚方向断面図である。

【図9】第２実施形態の変形例の製造方法によって製造されたアルミニウム構造部材の板厚方向断面図である。

【図10】通常の摩擦攪拌により接合されたアルミニウム構造部材の板厚方向断面図である。

【図11A】本発明の実施に用いる接合ツールの１例を示す軸方向断面図である。

【図11B】本発明の実施に用いる接合ツールの１例を示す軸方向断面図である。

【図11C】本発明の実施に用いる接合ツールの１例を示す軸方向断面図である。

【図12】本発明の第３実施形態に係るアルミニウム構造部材の製造方法を実施するための製造装置の要部斜視図である。

【図13A】第３実施形態の製造方法を説明するためのアルミニウム構造部材の板厚方向断面図である。

【図13B】第３実施形態の製造方法を説明するためのアルミニウム構造部材の板厚方向断面図である。

【図13C】第３実施形態の製造方法を説明するためのアルミニウム構造部材の板厚方向断面図である。

【図14】第３実施形態の製造方法によって製造されたアルミニウム構造部材の板厚方向断面図である。

【図15A】第３実施形態の変形例の製造方法を説明するためのアルミニウム構造部材の板厚方向断面図である。

【図15B】第３実施形態の変形例の製造方法を説明するためのアルミニウム構造部材の板厚方向断面図である。

【図15C】第３実施形態の変形例の製造方法によって製造されたアルミニウム構造部材の板厚方向断面図である。

【図16】通常の摩擦攪拌接合されたアルミニウム構造部材の板厚方向断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0032】

以下、本発明の各実施形態に係るアルミニウム構造部材の製造方法について、図面を参照して詳細に説明する。

【0033】

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態を実施するために使用される製造装置の要部斜視図である。製造装置１０は、互いに接合される第１及び第２アルミニウム部材１、２が載置される定盤１１と、レーザ装置２０と、摩擦攪拌装置３０と、を備える。

【0034】

＜レーザ装置２０＞
レーザ装置２０は、レーザヘッド２１からレーザビームＸを第１及び第２アルミニウム部材１、２の突き合わせ部３に向けて照射し、突き合わせ部３の板厚方向全体に亘って溶接ビード部４を形成する。

【0035】

レーザ装置２０のレーザ源は特に限定されないが、ＹＡＧレーザ、ＣＯ_２レーザ、ファイバーレーザ、ディスクレーザ、半導体レーザ等とすることができる。また、レーザビームＸの照射方向は、突き合わせ部３の面に沿った方向であればよく、鉛直方向でもよいし、或いは、図１に示すように、鉛直方向に対して傾斜した方向であってもよい。

【0036】

また、レーザ溶接に際して、必要に応じて、溶加材供給ノズル２２から溶加材２３を供給しながら溶接することが好ましい。溶加材２３を用いることにより、流動する材料の量を増やすことができ、攪拌後の滑らかな接合形状を容易に得やすくなる。

【0037】

溶加材２３としては、ＪＩＳ４０４３、４０４７、５５５４、５３５６、５１８３などのアルミニウム溶加材（ＪＩＳ Ｚ３２３２：２０００）を適宜用いることができる。第１アルミニウム部材１と第２アルミニウム部材２が５０００系、６０００系合金の場合には、ＪＩＳ５５５４を用いるようにすると高い継手強度を維持しつつ、溶接部へのスマット付着を抑制することができるため好ましい。

【0038】

＜摩擦攪拌装置３０＞
摩擦攪拌装置３０は、図２Ｃに示すように、攪拌ピン（又はプローブと称する）３１及びショルダー３２を有し、回転する接合ツール３３を備える。また、接合ツール３３は、レーザヘッド２１及び接合ツール３３の移動方向Ｙにおいて、レーザヘッド２１に対して下流側に位置し、溶接ビード部４の上方に配置される。摩擦攪拌装置３０は、レーザ溶接後に凝固した溶接ビード部４に攪拌ピン３１を回転させながら差し込んで溶接ビード部４をトレースするようにして攪拌を行う。これにより、溶接ビード部４の一部が鋳物組織から改質された組織に変化する。従って、レーザ溶接のみで接合するよりも接合後の曲げや引張り強度が高くなる。

【0039】

なお、攪拌ピン３１の高さは、以下に説明するように、互いに接合するアルミニウム部材の厚さに応じて、適宜設定することができる。

【0040】

攪拌ピン３１の差込深さは、通常の摩擦攪拌接合（ＦＳＷ）と異なり、摩擦攪拌で接合を行う必要がないため浅くすることができる。これにより、攪拌ピン３１にかかる負荷が小さくなるため、通常の摩擦攪拌接合よりも早い速度（突合せ線上の移動速度）で攪拌を行うことができる。また、摩擦攪拌接合では、攪拌ピン３１の差込深さに比例してバリが多くなるが、本実施形態の方法によれば、差込深さが浅いのでバリの発生を抑えることができる。なお、攪拌ピン３１はピンの表面（軸表面）が平滑なものでもよいが、ピンにねじを設けているものでもよい。ねじがある場合は攪拌性がより向上する。

【0041】

また、ショルダー３２の外径は、表面側に形成される溶接ビード部４全体を攪拌できるように、溶接ビード部４の幅よりも大きく設計される。

【0042】

なお、本実施形態の製造装置１０では、レーザヘッド２１と接合ツール３３とをユニット化してもよい。この場合、図示しない駆動装置によって、レーザヘッド２１と接合ツール３３とが、定盤１１に対して一体に相対移動する。したがって、摩擦攪拌は、レーザ溶接と一工程で行うことができる。

【0043】

また、本実施形態のように、レーザヘッド２１と接合ツール３３とを近い位置に配置し、摩擦攪拌は、溶接ビード部４におけるアルミニウム合金の固相線温度（５２０〜５８０℃）から１００℃までの高い温度の状態で行われることで、摩擦攪拌の速度を大幅に向上させることができる。

【0044】

ただし、レーザ溶接と摩擦攪拌とは、同時に行われる必要はなく、別々に行われてもよい。その場合、レーザ溶接により流動化した溶接ビード部に対して摩擦攪拌を行っても良いし、固化した溶接ビード部に対して摩擦攪拌を行ってもよい。また、摩擦攪拌装置３０は、レーザ装置２０と別途構成されてもよい。即ち、レーザ装置２０によって突き合わせ部３のレーザ溶接（第１工程）が完了した後、接合されたアルミニウム構造部材を別途設けられた摩擦攪拌装置３０に配置して、摩擦攪拌（第２工程）が行われてもよい。

【0045】

＜第１、第２アルミニウム部材１、２＞
互いに接合される第１、第２アルミニウム部材１、２は、板材に限らず、押出形材や鍛造材であってもよい。

【0046】

また、第１、第２アルミニウム部材１、２は、アルミニウム又はアルミニウム合金を含み、合金の材質としては、ＡＡ又はＪＩＳ６０００系合金、５０００系合金、７０００系合金、３０００系合金、２０００系合金等各種合金材を使用することができる。また、第１、第２アルミニウム部材１、２は、本実施形態による接合を行った後に必要に応じて、焼鈍、溶体化処理及び人工時効処理などを行ってもよい。
なお、図示の例では、第１、第２アルミニウム部材１、２は、略等しい板厚を有している。

【0047】

＜アルミニウム構造部材の製造方法＞
次に、アルミニウム構造部材の製造方法の各工程について、図２Ａ〜図２Ｄを用いて説明する。

【0048】

まず、図２Ａに示すように、定盤１１に第１及び第２アルミニウム部材１、２を載置し、第１アルミニウム部材１と第２アルミニウム部材２とを突き合わせて突き合わせ部３を形成する。そして、図２Ｂに示すように、その突き合わせ部３をレーザ溶接により接合して溶接ビード部４を形成する。この際、突き合わせ部３に未接合部が生じないように溶接ビード部４は、突き合わせ部３を表面から裏面に連なる、即ち、突き合わせ部３の板厚方向全体に亘って形成される。

【0049】

これにより、図５に示すような、摩擦攪拌接合で生じることがある、いわゆるキッシングボンド部６（突き合わせ部の未接合部又は接合が著しく弱い部分）を発生することが防止できる。

【0050】

次に、図２Ｃに示すように、その溶接ビード部４に回転する接合ツール３３（攪拌ピン３１）を差し込み、溶接ビード部４およびその周囲を摩擦攪拌する。溶接ビード部４は一旦溶融して凝固したものであるため鋳物組織となるが、摩擦攪拌により鋳物組織が改質され、図２Ｄ及び図３に示すように、改質部（摩擦攪拌部）５が形成される。この場合、改質部５は、板厚方向に溶接ビード部４を残して形成される。鋳物組織は脆性があるため、この部分に引張荷重や曲げ荷重がかかると破断しやすいが、摩擦攪拌による金属組織の改質部５を設けることにより、組織が微細化されて鋳物組織よりも接合強度を向上させることができる。

【0051】

また、本実施形態では、攪拌ピン３１を板厚方向に深く差し込む必要がない。これにより、攪拌ピン３１に係る荷重を下げることができ、接合速度を速くすることができる。
特に、自動車のフレーム部材等の被接合部材は厚いため、通常の摩擦攪拌接合の場合、非常に時間がかかるが、本実施形態の製造方法であれば、高い接合速度で被接合部材を接合することができる。

【0052】

なお、摩擦攪拌接合の直前に、レーザや誘導加熱などにより予備加熱を行い、その直後に摩擦攪拌接合を行う技術では、一定の接合速度の向上は得られるものの熱のアルミニウムの熱放散性により温度コントロールが難しく接合部のバラツキが出る。又、攪拌ピン３１の磨耗状態などの管理や差込深さの設定等が煩雑である。

【0053】

一方、本実施形態のように、一旦溶融溶接（貫通溶接）を行い、凝固した溶接ビード部４を形成して、その後に摩擦攪拌により溶接ビード部４を改質することにより、キッシングボンドの発生がなくなる。更には、攪拌ピン３１の管理や差込深さの設定が簡単になる。

【0054】

以上説明したように、第１アルミニウム部材１と第２アルミニウム部材２とが接合されて成るアルミニウム構造部材の製造方法によれば、第１及び第２アルミニウム部材１、２を互いに突き合わせて突き合わせ部３を形成する工程と、突き合わせ部３に向けてレーザビームＸを照射し、突き合わせ部３の表面から裏面に連なる溶接ビード部４を形成する工程と、溶接ビード部４に回転する攪拌ピン３１を差し込んで溶接ビード部４を攪拌する工程と、を含む。これにより、接合速度が速く、接合部の品質や接合強度に優れたアルミニウム構造部材の製造方法を提供することができる。

【0055】

なお、上記実施形態では、摩擦攪拌において、攪拌ピン３１が、第１及び第２アルミニウム部材１、２の板厚方向において、レーザビームＸの照射側から溶接ビード部４に差し込まれているが、本発明は、これに限定されない。

【0056】

即ち、第１変形例の製造方法として、摩擦攪拌において、攪拌ピン３１は、第１及び第２アルミニウム部材１、２の板厚方向において、レーザビームＸの照射側(表面側)と反対
側（裏面側）から溶接ビード部４に差し込まれてもよい。したがって、図４Ａに示すように、改質部５が、レーザビームＸが照射された側と反対側（裏面側）に形成される。

【0057】

また、第２変形例の製造方法として、摩擦攪拌において、攪拌ピン３１は、第１及び第２アルミニウム部材１、２の板厚方向の両側（表面側、裏面側）から溶接ビード部４に差し込まれてもよい。したがって、図４Ｂに示すように、改質部５が第１及び第２アルミニウム部材１、２の板厚方向の両側（表面側、裏面側）に形成される。このように、第１及び第２アルミニウム部材１、２の板厚方向の両側から攪拌ピン３１を差し込んで摩擦攪拌することにより、接合部の強度をより高くすることができる。

【0058】

また、第３変形例の製造方法では、図６Ａに示すように、ツール３３は、攪拌ピン３１を有さず、ショルダー３２のみから構成することができる。この場合は、ショルダー３２のみで溶接ビード部４を攪拌するようになるので、当該攪拌を早い速度で行うことができるようになる。

【0059】

なお、この場合に形成される改質部５は、図６Ｂに示すように、第１アルミニウム部材１及び第２アルミニウム部材２の表層部分にのみ形成されるようになる。

【0060】

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態に係るアルミニウム構造部材の製造方法について、図面を参照して詳細に説明する。第２実施形態は、互いに接合される第１、第２アルミニウム部材１、２の板厚が互いに異なる場合に適用される製造方法である。具体的に、図８Ａに示すように、第２アルミニウム部材２は、第１アルミニウム部材１よりも厚くなっている。第１、第２アルミニウム部材１、２は、板厚以外に関する点は、第１実施形態と同様である。
また、第２実施形態を実施するために使用される製造装置１０は、第１実施形態と同様に、定盤１１と、レーザ装置２０と、摩擦攪拌装置３０と、を備える構成であり、第１実施形態と同一又は同等部分については、説明を省略或いは簡略化する。

【0061】

以下、第２実施形態のアルミニウム構造部材の製造方法の各工程について、図７、図８Ａ〜図８Ｄを用いて説明する。

【0062】

まず、図８Ａに示すように、定盤１１に第１及び第２アルミニウム部材１、２を載置し、第１アルミニウム部材１と第２アルミニウム部材２とを突き合わせて段差のある突き合わせ部３を形成する。そして、図８Ｂに示すように、その突き合わせ部３を、段差のある側である表面側からレーザ溶接により接合して溶接ビード部４を形成する。この際、突き合わせ部３に未接合部が生じないように溶接ビード部４は、突き合わせ部３を表面から裏面に連なる、即ち、突き合わせ部３の板厚方向全体に亘って形成される。

【0063】

これにより、図１０に示すような、摩擦攪拌接合で生じることがある、いわゆるキッシングボンド部６（突き合わせ部の未接合部又は接合が著しく弱い部分）を発生することが防止できる。

【0064】

次に、図８Ｃに示すように、その溶接ビード部４に回転する接合ツール３３（攪拌ピン３１）を、接合ツール３３の軸芯Ｌが第１アルミニウム部材１および第２アルミニウム部材２の表面に対して垂直な方向（即ち、鉛直方向に延びるレーザ溶接前の突き合わせ部３の対向面に沿った方向）から第１アルミニウム部材１側に角度θで傾斜させて差し込み、溶接ビード部４およびその周囲を摩擦攪拌する。なお、接合ツール３３の軸芯Ｌの傾斜角度θは、第１及び第２アルミニウム部材１、２の板厚差などに応じて設定されるが、例えば、該垂直な方向に対して３０°以下の範囲内で傾けて設定される。

【0065】

溶接ビード部４は一旦溶融して凝固したものであるため鋳物組織となるが、摩擦攪拌により鋳物組織が改質される。更に改質の際、第１アルミニウム部材１と第２アルミニウム部材２を段差なく滑らかにつなぐ形状に形成され、図８Ｄに示すように、改質部（摩擦攪拌部）５が形成される。この場合、改質部５は、板厚方向に溶接ビード部４を残して形成される。鋳物組織は脆性があるため、この部分に引張荷重や曲げ荷重がかかると破断しやすいが、摩擦攪拌による金属組織の改質部５を設けることにより、組織が微細化されて鋳物組織よりも接合強度を向上させることができる。

【0066】

また、本実施形態では、攪拌ピン３１を板厚方向に深く差し込む必要がない。これにより、攪拌ピン３１に係る荷重を下げることができ、接合速度を速くすることができる。

【0067】

特に、自動車のフレーム部材等の被接合部材は厚いため、通常の摩擦攪拌接合の場合、非常に時間がかかるが、本実施形態の製造方法であれば、高い接合速度で被接合部材を接合することができる。

【0068】

一方、本実施形態のように、一旦溶融溶接（貫通溶接）を行い、凝固した溶接ビード部４を形成して、その後に摩擦攪拌により溶接ビード部４を改質することにより、キッシン
グボンドの発生がなくなる。更には、攪拌ピン３１の管理や差込深さの設定が簡単になる。

【0069】

又、溶接ビード部４に凹凸や引けがあっても、攪拌による接合部の流動で凹凸や引けが解消される。

【0070】

以上説明したように、第１アルミニウム部材１と第２アルミニウム部材２とが接合されて成るアルミニウム構造部材の製造方法によれば、第１及び第２アルミニウム部材１、２を互いに突き合わせて、段差のある突き合わせ部３を形成する工程と、段差のある側を表面としたときに、表面側から突き合わせ部３に向けてレーザビームを照射して突き合わせ部３を溶接し、突き合わせ部３の表面から裏面に連なる溶接ビード部４を形成する工程と、回転する接合ツール３３によって溶接ビード部４を攪拌する工程と、を含む。そして、攪拌工程において、接合ツール３３の軸芯Ｌを、第１及び第２アルミニウム部材１，２の表面に垂直な方向に対して第１アルミニウム部材側に傾斜させる。これにより、接合速度が速く、接合部の品質・外観や接合強度に優れたアルミニウム構造部材の製造方法を提供することができる。
その他の構成及び作用については、第１実施形態のものと同様である。

【0071】

なお、本実施形態においても、レーザ溶接に際して、必要に応じて、溶加材供給ノズル２２から溶加材２３を供給しながら溶接することが好ましい（図７参照）。

【0072】

また、摩擦攪拌は、本実施形態のように、レーザビームＸが照射される側（表面側）だけで行うものに限らず、表面側と、該表面側と反対側（裏面側）の両面から行うものでもよい。即ち、図９に示す変形例のように、改質部５が表面側と裏面側の両面に形成されてもよい。

【0073】

又、接合ツール３３は、図１１Ａ〜図１１Ｃに例示するものを適宜使用することができる。好ましくは、ショルダー３２が凸曲面形状を有する図１１Ａ、図１１Ｂのものが、溶融部を凹み状に滑らかにすることができるためプレス成形性が向上する。一方、図１１Ｃに示す接合ツール３３は、ショルダー３２が軸芯に向かうに従って深くなる凹状のテーパ面を有するので、摩擦攪拌時に軸芯側に溶接ビード部４の肉を集める効果がある。

【0074】

さらに、図１１Ｂに示すように、接合ツール３３は、攪拌ピン３１を有さず、ショルダー３２のみからなる構成であってもよい。この場合、ショルダー３２のみで溶接ビード部４を攪拌するようになるので、当該攪拌を早い速度で行うことができるようになる。
なお、図１１Ａ、図１１Ｂに示すショルダー３２は、凸曲面形状に限らず、凸形状であればよく、凸状のテーパ面であってもよい。

【0075】

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態に係るアルミニウム構造部材の製造方法について、図面を参照して詳細に説明する。第３実施形態も、第２実施形態と同様に、互いに接合される第１、第２アルミニウム部材１、２の板厚が互いに異なる場合に適用される製造方法である。具体的に、図１３Ａに示すように、第２アルミニウム部材２は、第１アルミニウム部材１よりも厚くなっている。第１、第２アルミニウム部材１、２は、板厚以外に関する点は、第１実施形態と同様である。
また、第３実施形態を実施するために使用される製造装置１０は、第１実施形態と同様に、定盤１１と、レーザ装置２０と、摩擦攪拌装置３０と、を備えると共に、定盤１１上に配置され、段付部を有する裏当て部材４０を、さらに備える。なお、製造装置１０の第１、第２実施形態と同一又は同等部分については、説明を省略或いは簡略化する。

【0076】

以下、第３実施形態のアルミニウム構造部材の製造方法の各工程について、図１２、図１３Ａ〜図１３Ｃ、図１４を用いて説明する。

【0077】

まず、図１３Ａに示すように、定盤１１に段付部を有する裏当て部材４０を配置し、その上に第１及び第２アルミニウム部材１、２とを突き合わせて、第１アルミニウム部材１の表面と、第２アルミニウム部材２の表面とが平坦な突き合わせ部３を形成する。これにより、第１及び第２アルミニウム部材１、２の裏面側に段差部が形成される。

【0078】

ここで、「平坦な突き合わせ部」とは、第１及び第２アルミニウム部材１、２の表面が、第１アルミニウム部材の板厚の３０％ｍｍ以内の寸法で上下にずれている場合を含む。
なお、平坦な定盤１１上に、第２アルミニウム部材２を配置すると共に、突き合わせ部３に隣接して第１及び第２アルミニウム部材１、２の板厚差に相当する裏当て部材を定盤１１上に配置し、該裏当て部材上に第１アルミニウム部材１を配置しても、平坦な突き合わせ部を得ることが出来る。また、裏当て部材は、突き合わせ部３において分割されて、各裏当て部材が第１及び第２アルミニウム部材１、２をそれぞれ載せるようにしてもよい。

【0079】

そして、図１３Ｂに示すように、その突き合わせ部３を平坦な表面側からレーザ溶接により接合して溶接ビード部４を形成する。この際、突き合わせ部３に未接合部が生じないように溶接ビード部４は、突き合わせ部３を表面から裏面に連なる、即ち、突き合わせ部３の板厚方向全体に亘って形成される。

【0080】

これにより、図１６に示すような、摩擦攪拌接合で生じることがある、いわゆるキッシングボンド部６（突き合わせ部の未接合部又は接合が著しく弱い部分）を発生することが防止できる。尚、裏当て部材４０の材質は、Ｃ１０２０等の銅やセラミック等、アルミニウム接合材と接合しにくい材料が好適に用いられる。

【0081】

次に、図１３Ｃに示すように、その溶接ビード部４に回転する接合ツール３３（攪拌ピン３１）を突き合わせ部３の軸線に沿って（第１及び第２アルミニウム部材１、２の表面に垂直）に差し込み、溶接ビード部４およびその周囲を摩擦攪拌する。

【0082】

溶接ビード部４は一旦溶融して凝固したものであるため鋳物組織となるが、摩擦攪拌により鋳物組織が改質され、図１４に示すように、改質部（摩擦攪拌部）５が形成される。この場合、改質部５は、板厚方向に溶接ビード部４を残して形成される。鋳物組織は脆性があるため、この部分に引張荷重や曲げ荷重がかかると破断しやすいが、摩擦攪拌による金属組織の改質部５を設けることにより、組織が微細化されて鋳物組織よりも接合強度を向上させることができる。

【0083】

また、本実施形態では、攪拌ピン３１を板厚方向に深く差し込む必要がない。これにより、攪拌ピン３１に係る荷重を下げることができ、接合速度を速くすることができる。

【0084】

特に、自動車のフレーム部材等の被接合部材は厚いため、通常の摩擦攪拌接合の場合、非常に時間がかかるが、本実施形態の製造方法であれば、高い接合速度で被接合部材を接合することができる。

【0085】

一方、本実施形態のように、一旦溶融溶接（貫通溶接）を行い、凝固した溶接ビード部４を形成して、その後に摩擦攪拌により溶接ビード部４を改質することにより、キッシングボンドの発生がなくなる。更には、攪拌ピン３１の管理や差込深さの設定が簡単になる。

【0086】

又、溶接ビード部４に凹凸や引けがあっても、攪拌による接合部の流動で凹凸や引けが解消される。

【0087】

以上説明したように、第１アルミニウム部材１と第２アルミニウム部材２とが接合されて成るアルミニウム構造部材の製造方法によれば、第１及び第２アルミニウム部材１、２を裏当て部材４０の上に配置した状態で、第１及び第２アルミニウム部材１，２を突き合わせて、第１アルミニウム部材１の表面と、第２アルミニウム部材２の表面とが平坦な突き合わせ部３を形成する工程と、突き合わせ部３に向けて第１及び第２アルミニウム部材１，２の表面側からレーザビームを照射して突き合わせ部３を溶接し、突き合わせ部３の表面から裏面に連なる溶接ビード部４を形成する工程と、回転する接合ツール３３によって溶接ビード部４を表面側から攪拌する工程と、を含む。これにより、接合速度が速く、接合部の品質・外観や接合強度に優れたアルミニウム構造部材の製造方法を提供することができる。
その他の構成及び作用については、第１または第２実施形態のものと同様である。

【0088】

なお、本実施形態においても、レーザ溶接に際して、必要に応じて、溶加材供給ノズル２２から溶加材２３を供給しながら溶接することが好ましい（図１２参照）。

【0089】

また、摩擦攪拌は、本実施形態のように、レーザビームＸが照射される側（表面側）だけで行うものに限らず、表面側と、該表面側と反対側（裏面側）の両面から行うものでもよい。即ち、図１５Ｃに示す変形例のように、改質部５が表面側と裏面側の両面に形成されてもよい。
この場合、上記実施形態と同様、図１３Ｃに示すように、第１及び第２アルミニウム部材１、２の表面側から溶接ビード部４を摩擦攪拌した後、該第１及び第２アルミニウム部材２を裏当て部材４０から取り外し、接合した第１及び第２アルミニウム部材１，２を上下反転させ、図１５Ａに示すように、定盤１１上に載置する。そして、図１５Ｂに示すように、裏面の段差部を摩擦攪拌接合により流動させながら溶接ビード部４も攪拌して改質する。

【0090】

その際、接合ツール３３の軸芯Ｌを、第１アルミニウム部材１および第２アルミニウム部材２の裏面(図１５Ｂにおける上面)に対して垂直な方向から第１アルミニウム部材１側に角度θで傾斜させて第１アルミニウム部材１と第２アルミニウム部材２の段差部に押し付ける。なお、接合ツール３３の傾斜角度θは、第１及び第２アルミニウム部材１、２の板厚差などに応じて設定されるが、例えば、該垂直な方向に対して３０°以下の範囲内で傾けて設定される。

【0091】

回転する接合ツール３３による攪拌と同時に、接合ツール３３のショルダー３２により第１アルミニウム部材１と第２アルミニウム部材２を段差なく滑らかにつなぐ形状が形成され、図１５Ｃに示すように、改質部（摩擦攪拌部）５が形成される。この加工により接合部表面に強度低下の原因となる凹凸がなくなり、接合強度がより高くなる。

【0092】

なお、反対面(裏面に相当)の段差部をテーパ状等の滑らかな形状に加工するものであれば、上記摩擦攪拌に限定されない。例えば、特許文献６で開示されているテーパのついた段付ロールによって滑らかな形状に加工されてもよい。

【0093】

又、第３実施形態においても、接合ツール３３は、第２実施形態で説明した図１１Ａ〜図１１Ｃに例示するものを適宜使用することができ、各接合ツール３３は、第２実施形態で説明したものと同様の効果を奏する。

【0094】

尚、本発明は、上述した実施形態に限定されるものでなく、適宜、変形、改良などが可能である。

【0095】

例えば、上記実施形態では、レーザ溶接によって溶接ビード部４を形成しているが、本発明は、ＭＩＧ溶接によって溶接ビード部４を形成してもよい。したがって、溶接ビード部４を形成する場合の溶接熱源は、レーザ溶接のレーザヘッド２１でもよいし、ＭＩＧ溶接の溶接トーチでもよい。
ただし、各実施形態において、ＭＩＧ溶接によって溶接ビード部４を形成する場合、溶接トーチの配置は、レーザ溶接のレーザヘッド２１が配置される側と同じとなる。
即ち、第２実施形態では、溶接熱源である溶接トーチは、段差のある表面側に配置される。また、第３実施形態では、溶接熱源である溶接トーチは、平坦な突き合わせ部を形成する第１及び第２アルミニウム部材の表面側に配置される。

【0096】

また、板厚が異なる第１アルミニウム部材と第２アルミニウム部材とが接合されて成るアルミニウム構造部材の製造方法については、第２及び第３実施形態のものに限定されない。即ち、板厚が異なる第１及第２アルミニウム部材を用いる場合の製造方法において、第１及び第２アルミニウム部材を互いに突き合わせて突き合わせ部を形成する工程と、突き合わせ部を溶接し、突き合わせ部の表面から裏面に連なる溶接ビード部を形成する工程と、回転する接合ツールによって溶接ビード部を攪拌する工程と、を含むものであればよい。

【実施例】

【0097】

（試験１）
まず、試験１では、本発明の第１実施形態に係る製造方法による効果を確認するため、以下の試験を行った。
表１に示すように、試験に用いた材料は、板厚３．０ｍｍのＡＡ６０２２-Ｔ４相当材（実施例１〜３、５、６、比較例１，３，４）と板厚３．０ｍｍのＪＩＳ Ａ７０７５-Ｔ６（実施例４、比較例２）である。試験片の大きさは１５０ｍｍ×３００ｍｍで、３００ｍｍの方の端部同士を突き合わせて接合した。接合長は２８０ｍｍである。

【0098】

次に、溶接にレーザ装置２０を用いた場合について説明する。レーザは、発振器がＩＰＧフォトニクス製ＹＬＳ-６０００とし、ヘッドや加工機は特注製で、集光レンズは焦点距離が４５０ｍｍ、集光径がφ０．３ｍｍとなる設定で溶接を実施した。
一方、ＭＩＧ溶接の場合の溶接機は、溶接電源をダイヘン社製ＷＢ−Ｐ３５０とした。
摩擦攪拌装置３０は、加工機が特注製で、接合ツール３３は、図１１Ｃに示すような攪拌ピン３１を有する通常型で、ＳＫＤ６１相当材で作成したものを用いた。接合ツール３３は、攪拌深さが１ｍｍの場合、ショルダー径１１ｍｍ、プローブ径（ピン径）φ４ｍｍ、高さ０．９ｍｍのものと、攪拌深さが２ｍｍの場合、ショルダー径１３ｍｍ、プローブ径（ピン径）φ５ｍｍ、高さ１．８ｍｍのものを用いた。

【0099】

また、実施例５では、接合ツール３３は、攪拌深さが０．５ｍｍの場合、ショルダー径１１ｍｍ（ピンなし）のものを用いた。
さらに、実施例６では、接合ツール３３は、ショルダー径１２〜１３ｍｍ程度、プローブ径（ピン径）φ４ｍｍ、高さ１.５ｍｍのものを用いた。

【0100】

【表1】

【0101】

実施例１〜４のレーザ溶接の施工条件としては、レーザ出力５５００Ｗ、溶接速度２００ｃｍ／分で行い、溶加材はＪＩＳ Ａ５３５６ＷＹ φ１．２ｍｍで供給速度は２００ｃｍ／分である。摩擦攪拌は、回転速度２０００ｒｐｍでレーザ照射位置から５０ｍｍ離れた場所においてレーザ溶接と同時に同じ速度で加工した。なお、実施例５の施工条件は、溶接速度を２４０ｃｍ／分とした以外は、実施例１〜５と同一とした。

【0102】

実施例６のＭＩＧ溶接の施工条件としては、直流パルス方式とし、電流１２０Ａ、電圧１８Ｖ、溶接速度１５０ｃｍ／分とし、溶接トーチの前進角を１０°とした。また、シールドガスとして、アルゴンガスを２５Ｌ／ｍｉｎで使用し、溶加材としては、直径１．２ｍｍのＪＩＳ Ａ５３５６−ＷＹを用いた。また、実施例６では、ＭＩＧ溶接と同じ速度で、摩擦攪拌を行った。

【0103】

また、実施例１、４及び６では、上記実施形態のように、摩擦攪拌はレーザビームＸが照射される側のみから行い、図２Ｄのような接合部を得た。実施例２では、第１変形例のように、摩擦攪拌はレーザビームＸが照射される側（表面側）と反対側（裏面側）のみから行い、図４Ａのような接合部を得た。実施例３では、第２変形例のように、摩擦攪拌は板厚方向の両側（表面側、裏面側）から行い、図４Ｂのような接合部を得た。実施例５では、第３変形例のように、接合ツール３３のショルダー３２のみで接合を行い、図６Ｂのような接合部を得た。

【0104】

また、比較例３のレーザのみの場合は、レーザ出力５５００Ｗ、溶接速度４００ｃｍ／分、溶加材はＪＩＳ Ａ５３５６ＷＹ φ１．２ｍｍで供給速度は４００ｃｍ／分で接合した。

【0105】

また、比較例１及び２の摩擦攪拌接合のみの場合は、ショルダー径１４ｍｍ、プローブはＭ５、高さ２．７ｍｍのＳＫＤ６１相当材で作成したツールを用いて、回転数２２００ｒｐｍ、接合速度５０ｃｍ／分で接合した。

【0106】

さらに、比較例４のレーザアシスト摩擦攪拌接合の場合は、レーザを先行させ摩擦攪拌接合を同時に行う方法で、接合速度は１５０ｃｍ／分、間隔は１０ｍｍとし、レーザはレーザ出力２０００Ｗ、摩擦攪拌接合はショルダー径１４ｍｍ、プローブはＭ５、高さ２．
７ｍｍのＳＫＤ６１相当材で作成したツールを用いて回転数２２００ｒｐｍとした。

【0107】

比較例５のＭＩＧ溶接のみの場合は、直流パルス方式とし、電流１２０Ａ、電圧１８Ｖ、溶接速度１５０ｃｍ／分、溶接トーチの前進角を１０°とし、シールドガスとして、アルゴンガスを２５Ｌ／ｍｉｎで使用し、溶加材としては、直径１．２ｍｍのＪＩＳ Ａ５３５６−ＷＹを用いた。

【0108】

接合された継手は、接合線に対して垂直方向に切断し、幅２５ｍｍの短冊片を３本、幅４０ｍｍの短冊片を３本の計６本を採取した。幅２５ｍｍの短冊片は引っ張り試験を行い、幅４０ｍｍの短冊片は裏曲げ試験を実施した。

【0109】

引っ張り試験は当該試験片の長さ方向に引張を行う引張試験（ｎ＝３）を行った。伸びはチャック間の伸びを計測し、その３回の測定結果の平均値を評価結果とした。
裏曲げ試験は、（ＪＩＳ Ｚ ３１２２：２０１３）の要領で型曲げ試験を行った。雄型の肩部の半径Ｒは２ｔ＝６ｍｍで実施した。いずれも裏曲げ試験を行った。

【0110】

評価は、引っ張り試験では、同じ材料組合せでの摩擦攪拌接合の継手の伸びとの比較で、◎は優れる、○は同等、△はやや劣る、×はかなり劣る、とした。裏曲げ試験では、接合部外観を評価し、○は良好、△は小さな亀裂が散見される、×は幅全長に渡り亀裂が見られる、とした。総合評価は、Ｓが優良、Ａが良で、Ｂはやや劣る、Ｃは劣る、とした。

【0111】

表１に示すように、本発明の範囲である実施例１〜６では良好な結果が得られたことがわかる。一方、比較例１、２、４である摩擦攪拌接合では、いずれも裏曲げ試験によりキッシングボンド部６で亀裂が生じた。また、比較例３のレーザ溶接及び比較例５のＭＩＧ溶接では、引張試験において、実施例１〜６や比較例１、２、４と比べて、低い評価となった。

【0112】

（試験２）
次に、試験２では、本発明の第２実施形態の製造方法による効果を確認するため、以下の試験を行った。表２に示すように、試験片は、板厚３．０ｍｍと板厚１．５ｍｍのＡＡ６０２２−Ｔ４相当材（実施例７〜１０、比較例６〜８）である。試験片のサイズは１５０ｍｍ×３００ｍｍで、３００ｍｍの方の端部同士を突き合わせて接合した。接合長は２８０ｍｍである。

【0113】

なお、溶接に用いたレーザ装置２０、ＭＩＧ溶接機、及び、摩擦攪拌装置３０は、試験１で使用したものと同一である。

【0114】

実施例７、９の接合ツール３３は、図１１Ａに示すような、ショルダー径が１１ｍｍの凸形状のショルダー３２を有し、プローブ径（ピン径）がφ４ｍｍの攪拌ピン３１を有するものを用いた。一方、実施例８では、接合ツール３３は、図１１Ｂに示すような、ショルダー径が１１ｍｍの凸形状のショルダー３２を有し、攪拌ピン３１がないものを用いた。

【0115】

【表2】

【0116】

実施例７〜９のレーザ溶接の施工条件としては、レーザ出力５５００Ｗ、溶接速度２００ｃｍ／分で行い、溶加材はＪＩＳ Ａ５５５４ＷＹ、φ１．２ｍｍで供給速度は２００ｃｍ／分で適用した。摩擦攪拌は、回転数２０００ｒｐｍでレーザ照射位置から５０ｍｍ離れた場所においてレーザ溶接と同時に同じ速度で加工した。なお、実施例８の施工条件は、溶接速度を２４０ｃｍ／分とした以外は、実施例７、９と同一とした。

【0117】

実施例１０のＭＩＧ溶接の施工条件としては、直流パルス方式とし、電流１２０Ａ、電圧１８Ｖ、溶接速度１５０ｃｍ／分とし、溶接トーチの前進角を１０°とした。また、シールドガスとして、アルゴンガスを２５Ｌ／ｍｉｎで使用し、溶加材としては、直径１．２ｍｍのＪＩＳ Ａ５３５６−ＷＹを用いた。また、実施例１０では、ＭＩＧ溶接と同じ速度で、摩擦攪拌を行った。

【0118】

また、実施例７、８及び１０では、上記実施形態のように、摩擦攪拌はレーザビームＸが照射される側のみから行い、図８Ｄのような接合部を得た。実施例９では、図９に示す変形例のように、摩擦攪拌は、レーザビームＸが照射される側（表面側）と、該表面側と反対側（裏面側）の両方から行なわれた。

【0119】

また、比較例６の摩擦攪拌接合のみの場合は、ショルダー径１４ｍｍ、プローブ（攪拌ピン）はＭ５、高さ２．７ｍｍのＳＫＤ６１相当材で作成した接合ツールを用いて、回転数２２００ｒｐｍ、接合速度８０ｃｍ／分で接合した。

【0120】

また、比較例７のレーザのみの場合は、レーザ出力５５００Ｗ、溶接速度４００ｃｍ／分、溶加材はＪＩＳ Ａ５５５４ＷＹ、φ１．２ｍｍで供給速度は４００ｃｍ／分で接合した。

【0121】

比較例８のＭＩＧ溶接のみの場合は、直流パルス方式とし、電流１２０Ａ、電圧１８Ｖ、溶接速度１５０ｃｍ／分、溶接トーチの前進角を１０°とし、シールドガスとして、アルゴンガスを２５Ｌ／ｍｉｎで使用し、溶加材としては、直径１．２ｍｍのＪＩＳ Ａ５３５６−ＷＹを用いた。

【0122】

なお、引張強度、外観評価及び総合評価の評価方法は、試験１と同様である。

【0123】

表２に示すように、本発明の範囲である実施例７〜１０では良好な結果が得られたことがわかる。一方、比較例６は接合を摩擦攪拌接合のみで行ったため、接合部の外観性に劣り、又、キッシングボンド部が生じたため引張強度が劣った。

【0124】

また、比較例７のレーザ溶接では、引張試験が若干劣り、接合部に若干の凹凸が見られたため実施例７〜１０に比べて低い評価となった。比較例８のＭＩＧ溶接では、引張試験、裏曲げ試験の両方において、実施例７〜１０と比べて、低い評価となった。

【0125】

（試験３）
次に、試験３では、本発明の第３実施形態の製造方法による効果を確認するため、以下の試験を行った。表３に示すように、試験片は、板厚３．０ｍｍと板厚１．５ｍｍのＡＡ６０２２−Ｔ４相当材（実施例１１〜１４、比較例９〜１１）である。試験片のサイズは１５０ｍｍ×３００ｍｍで、３００ｍｍの方の端部同士を突き合わせて接合した。接合長は２８０ｍｍである。

【0126】

なお、溶接に用いたレーザ装置２０、ＭＩＧ溶接機、及び、摩擦攪拌装置３０は、試験１で使用したものと同一である。

【0127】

実施例１１、１３及び１４の接合ツール３３は、図１１Ａに示すような、ショルダー径が１１ｍｍの凸形状のショルダー３２を有し、プローブ径（ピン径）がφ４ｍｍの攪拌ピン３１を有するものを用いた。一方、実施例１２では、接合ツール３３は、図１１Ｂに示すような、ショルダー径が１１ｍｍの凸形状のショルダー３２を有し、攪拌ピン３１がないものを用いた。

【0128】

【表3】

【0129】

実施例１１、１３の施工条件としては、レーザ溶接が、レーザ出力５５００Ｗ、溶接速度２００ｃｍ／分で行い、溶加材はＪＩＳ Ａ５５５４ＷＹ、φ１．２ｍｍで供給速度は２００ｃｍ／分で適用した。摩擦攪拌は、回転数２０００ｒｐｍでレーザ照射位置から５０ｍｍ離れた場所においてレーザ溶接と同時に同じ速度で加工した。なお、実施例１２の施工条件は、溶接速度を２４０ｃｍ／分とした以外は、実施例１１、１３と同一とした。

【0130】

実施例１４のＭＩＧ溶接の施工条件としては、直流パルス方式とし、電流１２０Ａ、電圧１８Ｖ、溶接速度１５０ｃｍ／分とし、溶接トーチの前進角を１０°とした。また、シールドガスとして、アルゴンガスを２５Ｌ／ｍｉｎで使用し、溶加材としては、直径１．２ｍｍのＪＩＳ Ａ５３５６−ＷＹを用いた。また、実施例１４では、ＭＩＧ溶接と同じ速度で、摩擦攪拌を行った。

【0131】

また、実施例１１、１２、１４では、上記実施形態のように、摩擦攪拌はレーザビームＸが照射される側のみから行い、図１４のような接合部を得た。実施例１３では、図１５Ｃに示す変形例のように、摩擦攪拌はレーザビームＸが照射される側（表面側）と、該表面側と反対側（裏面側）の両方から行なわれた。

【0132】

また、比較例９の摩擦攪拌接合のみの場合は、ショルダー径１４ｍｍ、プローブ（攪拌ピン）はＭ５、高さ２．７ｍｍのＳＫＤ６１相当材で作成した接合ツールを用いて、回転数２２００ｒｐｍ、接合速度５０ｃｍ／分で接合した。

【0133】

また、比較例１０のレーザのみの場合は、レーザ出力５５００Ｗ、溶接速度４００ｃｍ／分、溶加材はＪＩＳ Ａ５５５４ＷＹ、φ１．２ｍｍで供給速度は４００ｃｍ／分で接合した。

【0134】

比較例１１のＭＩＧ溶接のみの場合は、直流パルス方式とし、電流１２０Ａ、電圧１８Ｖ、溶接速度１５０ｃｍ／分、溶接トーチの前進角を１０°とし、シールドガスとして、アルゴンガスを２５Ｌ／ｍｉｎで使用し、溶加材としては、直径１．２ｍｍのＪＩＳ Ａ５３５６−ＷＹを用いた。

【0135】

なお、引張強度、外観評価及び総合評価の評価方法は、試験１と同様である。

【0136】

表３に示すように、本発明の範囲である実施例１１〜１４では良好な結果が得られたことがわかる。一方、比較例９は接合を摩擦攪拌接合のみで行ったため、接合部の外観性に劣り、又、キッシングボンド部が生じたため引張強度が劣った。

【0137】

また、比較例１０のレーザ溶接では、引張試験が若干劣り、接合部に若干の凹凸が見られたため実施例１１〜１４に比べて低い評価となった。比較例１１のＭＩＧ溶接では、引張試験、裏曲げ試験の両方において、実施例１１〜１４と比べて、低い評価となった。

【符号の説明】

【0138】

１ 第１アルミニウム部材
２ 第２アルミニウム部材
３ 突き合わせ部
４ 溶接ビード部
５ 改質部
１０ 製造装置
１１ 定盤
２０ レーザ装置
２１ レーザヘッド
３０ 摩擦攪拌装置
３１ 攪拌ピン
３２ ショルダー
３３ 接合ツール
４０ 裏当て部材

【図1】

【図2A】

【図2B】

【図2C】

【図2D】

【図3】

【図4A】

【図4B】

【図5】

【図6A】

【図6B】

【図7】

【図8A】

【図8B】

【図8C】

【図8D】

【図9】

【図10】

【図11A】

【図11B】

【図11C】

【図12】

【図13A】

【図13B】

【図13C】

【図14】

【図15A】

【図15B】

【図15C】

【図16】