特許 6794726 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】6794726

(24)【登録日】2020年11月16日

(45)【発行日】2020年12月2日

(54)【発明の名称】接合方法

(51)【国際特許分類】

   B23K 20/12 20060101AFI20201119BHJP

【ＦＩ】

   B23K20/12 330

   B23K20/12 360

   B23K20/12 310

【請求項の数】5

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2016-172437(P2016-172437)

(22)【出願日】2016年9月5日

(65)【公開番号】特開2018-39016(P2018-39016A)

(43)【公開日】2018年3月15日

【審査請求日】2019年2月1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】110001807

【氏名又は名称】特許業務法人磯野国際特許商標事務所

(72)【発明者】

【氏名】堀 久司

(72)【発明者】

【氏名】瀬尾 伸城

【審査官】 黒石 孝志

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１５−１９９１１９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１５−２１３９２８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１５／１１４９７５（ＷＯ，Ａ１）

(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】

攪拌ピンを備えた回転ツールを用いて第一金属部材と第二金属部材とを接合する接合方法であって、
表面の高さが変化する前記第一金属部材と表面の高さが変化する前記第二金属部材とを突き合わせて突合せ部を形成する突合せ工程と、
前記第一金属部材又は前記第二金属部材に面接触するように補助部材を配置する配置工程と、
回転する前記攪拌ピンを前記補助部材の表面側から高さが変化する前記突合せ部に対して挿入し、前記回転ツールの前記攪拌ピンのみを前記第一金属部材、前記第二金属部材及び前記補助部材に接触させた状態で前記突合せ部に沿って前記回転ツールを相対移動させて前記第一金属部材、前記第二金属部材及び前記補助部材を接合する摩擦攪拌工程と、を含むことを特徴とする接合方法。

【請求項2】

バリが形成された前記補助部材を前記第一金属部材又は前記第二金属部材から除去する除去工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の接合方法。

【請求項3】

前記摩擦攪拌工程では、摩擦攪拌接合で発生するバリが前記補助部材に形成されるように接合条件を設定することを特徴とする請求項２に記載の接合方法。

【請求項4】

攪拌ピンを備えた回転ツールを用いて第一金属部材と第二金属部材とを接合する接合方法であって、
表面の高さが変化する前記第一金属部材と表面の高さが変化する前記第二金属部材とを突き合わせて突合せ部を形成する突合せ工程と、
前記第一金属部材及び前記第二金属部材の両方に面接触するように補助部材を配置する配置工程と、
回転する前記攪拌ピンを前記補助部材の表面側から高さが変化する前記突合せ部に対して挿入し、前記回転ツールの前記攪拌ピンのみを前記第一金属部材、前記第二金属部材及び前記補助部材に接触させた状態で前記突合せ部に沿って前記回転ツールを相対移動させて前記第一金属部材、前記第二金属部材及び前記補助部材を接合する摩擦攪拌工程と、
バリが形成された前記補助部材を前記第一金属部材及び前記第二金属部材から除去する除去工程と、を含み、
前記配置工程では、前記補助部材を前記第一金属部材及び前記第二金属部材のいずれか一方に配置しつつ、前記突合せ部を挟んで他方側にわずかに突出するように配置し、
前記摩擦攪拌工程では、摩擦攪拌接合で発生するバリが、前記補助部材のうち前記第一金属部材及び前記第二金属部材のいずれか一方側に形成されるように接合条件を設定することを特徴とする接合方法。

【請求項5】

前記攪拌ピンの周面に螺旋溝が刻設されており、
前記回転ツールを右回転させる場合は、前記螺旋溝を前記攪拌ピンの基端側から先端側に向けて左回りに刻設し、
前記回転ツールを左回転させる場合は、前記螺旋溝を前記攪拌ピンの基端側から先端側に向けて右回りに刻設す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、金属部材同士を摩擦攪拌で接合する接合方法に関する。

【背景技術】

【0002】

例えば、特許文献１には、表面の高さが変化する金属部材同士の端面を突き合わせて高さが変化する突合せ部を形成し、回転ツールの攪拌ピンのみを金属部材同士の突合せ部に接触させた状態で摩擦攪拌を行って接合する接合方法が記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１５−１９９１１９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

従来の接合方法であると、塑性流動化した金属を回転ツールのショルダ部で押さえないため、塑性流動化した金属が外部に溢れ出し接合部が金属不足になり、金属部材同士の突合せ部の表面に凹溝が形成されるという問題がある。

【0005】

そこで、本発明は、接合部の金属不足を防ぐ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、攪拌ピンを備えた回転ツールを用いて第一金属部材と第二金属部材とを接合する接合方法であって、表面の高さが変化する前記第一金属部材と表面の高さが変化する前記第二金属部材とを突き合わせて突合せ部を形成する突合せ工程と、前記第一金属部材又は前記第二金属部材に面接触するように補助部材を配置する配置工程と、回転する前記攪拌ピンを前記補助部材の表面側から高さが変化する前記突合せ部に対して挿入し、前記回転ツールの前記攪拌ピンのみを前記第一金属部材、前記第二金属部材及び前記補助部材に接触させた状態で前記突合せ部に沿って前記回転ツールを相対移動させて前記第一金属部材、前記第二金属部材及び前記補助部材を接合する摩擦攪拌工程と、を含むことを特徴とする。

【0007】

かかる方法によれば、高さが変化する突合せ部が接合されるとともに、高さが変化する第一金属部材及び第二金属部材に加え、補助部材も同時に摩擦攪拌接合することにより、接合部の金属不足を防ぐことができる。これにより、第一金属部材及び第二金属部材の表面に凹溝ができるのを防ぐことができる。

【0008】

また、バリが形成された前記補助部材を前記第一金属部材又は前記第二金属部材から除去する除去工程を含むことを特徴とする。

【0009】

かかる方法によれば、バリを補助部材ごと除去することができる。

【0010】

また、前記摩擦攪拌工程では、摩擦攪拌接合で発生するバリが前記補助部材に形成されるように接合条件を設定することを特徴とする。

【0011】

かかる方法によれば、補助部材ごと全てのバリを除去することができる。

【0012】

また、本発明は、攪拌ピンを備えた回転ツールを用いて第一金属部材と第二金属部材とを接合する接合方法であって、表面の高さが変化する前記第一金属部材と表面の高さが変化する前記第二金属部材とを突き合わせて突合せ部を形成する突合せ工程と、前記第一金属部材及び前記第二金属部材の両方に面接触するように補助部材を配置する配置工程と、回転する前記攪拌ピンを前記補助部材の表面側から高さが変化する前記突合せ部に対して挿入し、前記回転ツールの前記攪拌ピンのみを前記第一金属部材、前記第二金属部材及び前記補助部材に接触させた状態で前記突合せ部に沿って前記回転ツールを相対移動させて前記第一金属部材、前記第二金属部材及び前記補助部材を接合する摩擦攪拌工程と、バリが形成された前記補助部材を前記第一金属部材及び前記第二金属部材から除去する除去工程と、を含み、前記配置工程では、前記補助部材を前記第一金属部材及び前記第二金属部材のいずれか一方に配置しつつ、前記突合せ部を挟んで他方側にわずかに突出するように配置し、前記摩擦攪拌工程では、摩擦攪拌接合で発生するバリが、前記補助部材のうち前記第一金属部材及び前記第二金属部材のいずれか一方側に形成されるように接合条件を設定することを特徴とする。

【0013】

かかる方法によれば、高さが変化する突合せ部が接合されるとともに、高さが変化する第一金属部材及び第二金属部材に加え、補助部材も同時に摩擦攪拌接合することにより、接合部の金属不足を防ぐことができる。これにより、第一金属部材及び第二金属部材の表面に凹溝ができるのを防ぐことができる。また、補助部材の中央付近から攪拌ピンを突合せ部まで挿入できるので、攪拌ピンを補助部材に容易に挿入することができる。
また、摩擦攪拌工程によって分断された補助部材にそれぞれバリが形成されるが、除去工程において、バリを補助部材ごと取り除くことができる。
更に、補助部材のわずかに突出した部分が攪拌ピンで摩擦攪拌されて接合部に補填されるので、接合部の金属不足をバランス良く、かつ、より確実に防ぐことができる。更には、突合せ部に挿入される回転中心軸が、補助部材の端面から中央側にわずかにずれた位置となるので、攪拌ピンを補助部材に容易に挿入することができる。

【0018】

また、前記攪拌ピンの周面に螺旋溝が刻設されており、前記回転ツールを右回転させる場合は、前記螺旋溝を前記攪拌ピンの基端側から先端側に向けて左回りに刻設し、前記回転ツールを左回転させる場合は、前記螺旋溝を前記攪拌ピンの基端側から先端側に向けて右回りに刻設することを特徴とする。

【0019】

かかる方法によれば、塑性流動化した金属材料が螺旋溝に導かれて攪拌ピンの先端側に移動するため、金属部材の外部に溢れ出る金属の量を少なくすることができる。

【発明の効果】

【0020】

本発明に係る接合方法によれば、接合部の金属不足を防ぐことができる。

【図面の簡単な説明】

【0021】

【図1】本発明の第一実施形態に係る接合方法の第一金属部材、第二金属部材を示す斜視図である。

【図2】第一実施形態に係る接合方法の突合せ工程を示す斜視図である。

【図3】第一実施形態に係る接合方法の第一金属部材、第二金属部材及び補助部材を示す斜視図である。

【図4】第一実施形態に係る接合方法の突合せ工程及び配置工程を示す側断面図である。

【図5】第一実施形態に係る接合方法の摩擦攪拌工程を示す斜視図である。

【図6】第一実施形態に係る接合方法の摩擦攪拌工程を示す断面図である。

【図7】第一実施形態に係る接合方法の摩擦攪拌工程を示す断面図である。

【図8】第一実施形態に係る接合方法の除去工程前を示す断面図である。

【図9】第一実施形態に係る接合方法の除去工程を示す断面図である。

【図10】第一実施形態に係る接合方法の除去工程後を示す断面図である。

【図11】第一実施形態に係る接合方法の摩擦攪拌工程（変形例）を示す断面図である。

【図12】本発明の第二実施形態の突合せ工程及び配置工程を示す断面図である。

【図13】第二実施形態に係る接合方法の摩擦攪拌工程を示す斜視図である。

【図14】第二実施形態に係る接合方法の摩擦攪拌工程を示す断面図である。

【図15】第二実施形態に係る接合方法の除去工程を示す断面図である。

【図16】本発明の第三実施形態の突合せ工程及び配置工程を示す断面図である。

【図17】第三実施形態に係る接合方法の摩擦攪拌工程を示す斜視図である。

【図18】第三実施形態に係る接合方法の摩擦攪拌工程を示す断面図である。

【図19】第三実施形態に係る接合方法の除去工程を示す断面図である。

【図20】他の実施形態に係る接合方法の突合せ工程を示す断面図である。

【図21】他の実施形態に係る接合方法の摩擦攪拌工程を示す側断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0022】

［第一実施形態］
本発明の第一実施形態に係る接合方法について図面を参照して詳細に説明する。本実施形態に係る接合方法では、突合せ工程と、配置工程と、摩擦攪拌工程と、除去工程と、を行う。なお、以下の説明における「表面」とは、「裏面」の反対側の面という意味である。

【0023】

第一実施形態に係る接合方法について説明する。本実施形態では、図１に示す第一金属部材１Ａと第二金属部材１Ｂとの端面１ａ，１ａ同士を、図２に示すように突き合わせて形成された突合せ部Ｊを摩擦攪拌によって接合する。第一金属部材１Ａ及び第二金属部材１Ｂ（第一及び第二金属部材１Ａ，１Ｂ）は、金属製の部材であって、突き合わされる端面１ａ，１ａが同等の形状になっている。また、第一及び第二金属部材１Ａ，１Ｂは同等の材料で形成されている。この材料は、摩擦攪拌可能な金属であれば特に制限されないが、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金、チタン、チタン合金、マグネシウム、マグネシウム合金等から適宜選択すればよい。

【0024】

図１に示すように、第一及び第二金属部材１Ａ，１Ｂは、直方体を呈する本体部２と、本体部２の上に形成され断面台形状を呈する凸部３とで構成されている。凸部３の表面３ａは、本体部２の表面２ａ，２ｂよりも上方に位置している。凸部３の第一表面３ｂは、傾斜しており本体部２の表面２ａと凸部３の表面３ａとを連結している。また、凸部３の第二表面３ｃは、傾斜しており本体部２の表面２ｂと凸部３の表面３ａとを連結している。

【0025】

本実施形態に係る接合方法では、突合せ工程と、接合工程を行う。図１に示すように、突合せ工程は、第一及び第二金属部材１Ａ，１Ｂの端面１ａ，１ａを突き合わせる工程である。突合せ工程では、第一及び第二金属部材１Ａ，１Ｂの各表面同士が面一になるように突き合わせる。

【0026】

図２に示すように、突合せ工程によって端面１ａ，１ａが面接触して突合せ部Ｊが形成される。突合せ部Ｊはその高さ位置が変化するように形成される。つまり、突合せ部Ｊは、摩擦攪拌の始点（挿入位置）の高さ（標高）を基準高さとすると、始点から終点に至るまでに基準高さと高さの異なる区間が存在している。本実施形態では、突合せ部Ｊは、第一平部Ｊａと、第一傾斜部Ｊｂと、第二平部Ｊｃと、第二傾斜部Ｊｄと、第三平部Ｊｅとで構成されている。

【0027】

配置工程は、図３に示す突合せ状態の第一及び第二金属部材１Ａ，１Ｂに補助部材１０を配置する工程である。補助部材１０は金属製の板状部材である。補助部材１０は摩擦攪拌可能な金属であれば特に制限されないが、本実施形態では第一及び第二金属部材１Ａ，１Ｂと同じ材料になっている。補助部材１０の板厚は、後記する摩擦攪拌工程後の塑性化領域Ｗが金属不足にならないように適宜設定する。

【0028】

補助部材１０は、一定の板厚で形成された高さの異なる板状部材である。補助部材１０は、基部１１，１１と、中央部１２と、傾斜部１３，１４とで構成されている。中央部１２は、基部１１，１１の中央において、基部１１，１１よりも高い位置に形成されている。傾斜部１３は、一方の基部１１と中央部１２とを斜めに連結している。傾斜部１４は、他方の基部１１と中央部１２とを斜めに連結している。また、基部１１，１１のそれぞれの端部の中央付近には、スリット１５，１５が設けられている。

【0029】

配置工程では、図３及び図４に示すように、突合せ状態の第一及び第二金属部材１Ａ，１Ｂの表面の中央部に沿って、補助部材１０の裏面を面接触させる。より詳しくは、突合せ状態の第一及び第二金属部材１Ａ，１Ｂの本体部２の表面２ａ，２ｂと、補助部材１０の基部１１，１１の裏面１１ｂ，１１ｂとを重ね合わせるとともに、凸部３の表面３ａと中央部１２の裏面１２ｂとを重ね合わせる。また、凸部３の傾斜した第一表面３ｂと傾斜部１３の裏面１３ｂとを重ね合わせるとともに、凸部３の傾斜した第二表面３ｃと傾斜部１４の裏面１４ｂとを重ね合わせる。

【0030】

また、突合せ状態の第一及び第二金属部材１Ａ，１Ｂと補助部材１０とを治具（図示省略）を用いて架台Ｔに移動不能に拘束する。なお、補助部材１０は本実施形態では高さの異なる板状としているが、第一及び第二金属部材１Ａ，１Ｂの表面に面接触すれば、他の形状であってもよい。

【0031】

摩擦攪拌工程は、図５に示すように、接合用回転ツールＦを用いて突合せ状態の第一及び第二金属部材１Ａ，１Ｂの突合せ部Ｊを摩擦攪拌によって接合する工程である。接合用回転ツールＦは、連結部Ｆ１と、攪拌ピンＦ２とで構成されている。接合用回転ツールＦは、特許請求の範囲の「回転ツール」に相当する。接合用回転ツールＦは、例えば工具鋼で形成されている。連結部Ｆ１は、摩擦攪拌装置の回転軸（図示省略）に連結される部位である。連結部Ｆ１は円柱状を呈している。

【0032】

攪拌ピンＦ２は、連結部Ｆ１から垂下しており、連結部Ｆ１と同軸になっている。攪拌ピンＦ２は連結部Ｆ１から離間するにつれて先細りになっている。攪拌ピンＦ２の外周面には螺旋溝が刻設されている。本実施形態では、接合用回転ツールＦを右回転させるため、螺旋溝は、基端から先端に向かうにつれて左回りに形成されている。言い換えると、螺旋溝は、螺旋溝を基端から先端に向けてなぞると上から見て左回りに形成されている。

【0033】

なお、接合用回転ツールＦを左回転させる場合は、螺旋溝を基端から先端に向かうにつれて右回りに形成することが好ましい。言い換えると、この場合の螺旋溝は、螺旋溝を基端から先端に向けてなぞると上から見て右回りに形成されている。螺旋溝をこのように設定することで、摩擦攪拌の際に塑性流動化した金属が螺旋溝によって攪拌ピンＦ２の先端側に導かれる。これにより、被接合金属部材（突合せ状態の第一及び第二金属部材１Ａ，１Ｂと補助部材１０）の外部に溢れ出る金属の量を少なくすることができる。

【0034】

接合用回転ツールＦは、マシニングセンタ等の摩擦攪拌装置に取り付けてもよいが、例えば、先端にスピンドルユニット等の回転手段を備えたアームロボットに取り付けてもよい。アームロボットに接合用回転ツールＦを取り付けることにより接合用回転ツールＦの回転中心軸Ｆｃを容易に傾斜させることができる。

【0035】

摩擦攪拌工程では、図５に示すように、補助部材１０の表面に設定した開始位置Ｓｐに、右回転させた接合用回転ツールＦの攪拌ピンＦ２を挿入する。攪拌ピンＦ２の挿入深さは、本実施形態では、攪拌ピンＦ２が第一及び第二金属部材１Ａ，１Ｂに接触する（達する）ように設定している。また、接合用回転ツールＦの回転中心軸が、常に鉛直軸と平行となる状態で摩擦攪拌を行う。摩擦攪拌工程によって攪拌ピンＦ２の周囲の第一及び第二金属部材１Ａ，１Ｂが摩擦攪拌され、第一及び第二金属部材１Ａ，１Ｂが接合される。接合用回転ツールＦの移動軌跡には、塑性化領域Ｗが形成される。

【0036】

つまり、摩擦攪拌工程では、図６に示すように、突合せ部Ｊに対する攪拌ピンＦ２の挿入深さをほぼ一定に保ちつつ、攪拌ピンＦ２のみを補助部材１０及び第一及び第二金属部材１Ａ，１Ｂに接触させた状態で摩擦攪拌を行う。本実施形態に係る摩擦攪拌工程では、補助部材１０、第一及び第二金属部材１Ａ，１Ｂが固定された架台Ｔに対して接合用回転ツールＦを、補助部材１０の上下に高さ（標高）が異なる表面を、上下動させることにより摩擦攪拌を行う。

【0037】

これにより、第一平部Ｊａの塑性化領域Ｗの深さＺａ、第一傾斜部Ｊｂの塑性化領域Ｗの深さＺｂ（傾斜部１３の表面１３ａと直交する線上における塑性化領域Ｗの深さ）及び第二平部Ｊｃの塑性化領域Ｗの深さＺｃをほぼ同等にすることができる。攪拌ピンＦ２の「挿入深さ」とは、接合用回転ツールＦの回転中心軸Ｆｃ上における補助部材１０の表面から攪拌ピンＦ２の先端までの距離を意味する。

【0038】

上記の摩擦攪拌工程によって攪拌ピンＦ２の周囲が摩擦攪拌され、第一及び第二金属部材１Ａ，１Ｂが接合される。この際、図７及び図８に示すように、補助部材１０の表面部にバリＶが形成される。なお、本実施形態では、接合用回転ツールＦを高速回転させているため、バリは後述するシアー側に比べてフロー側の方に多く発生する傾向にある。

【0039】

除去工程は、図９及び図１０に示すように、補助部材１０を第一及び第二金属部材１Ａ，１Ｂから除去する工程である。除去工程では、例えば手作業により、補助部材１０を第一及び第二金属部材１Ａ，１Ｂから離間する方向に両側から折り曲げて第一及び第二金属部材１Ａ，１Ｂから除去する。この際、補助部材１０のスリット１５，１５（図５参照）の一方を起点として端部をめくり上げつつ、折り曲げるようにして除去する。

【0040】

以上説明した本実施形態に係る接合方法によれば、第一金属部材１Ａ及び第二金属部材１Ｂが接合されるとともに、第一及び第二金属部材１Ａ，１Ｂに加え、補助部材１０も同時に摩擦攪拌接合されることにより、接合部（塑性化領域Ｗ）の金属不足を防ぐことができる。これにより、第一及び第二金属部材１Ａ，１Ｂの突合せ部Ｊの表面に凹溝が形成されるのを防ぐことができる。

【0041】

また、補助部材１０の中央部から突合せ部Ｊに向かって攪拌ピンＦ２を挿入することにより、接合部の金属不足をより確実に防ぐことができるとともに、金属をバランスよく補充することができる。また、補助部材１０の中央部から攪拌ピンＦ２を挿入することにより、攪拌ピンＦ２を補助部材１０に容易に挿入することができる。

【0042】

また、本実施形態によれば、摩擦攪拌工程によって分断された補助部材１０にそれぞれバリＶ，Ｖが形成されるが、除去工程において、バリＶ，Ｖを補助部材１０ごと取り除くことができる。これにより、バリＶ，Ｖを除去する作業を容易に行うことができる。補助部材１０は除去装置等を用いて除去してもよいが、本実施形態では手作業で補助部材１０を容易に取り除くことができる。

【0043】

ここで、本実施形態に係る接合方法では、補助部材１０を第一及び第二金属部材１Ａ，１Ｂよりも大幅に薄く設定しているため、従来のように回転ツールのショルダ部を金属部材に押し込みながら摩擦攪拌を行うと、ショルダ部と補助部材１０との接触により補助部材１０が外部に飛ばされてしまい突合せ部Ｊが接合される接合部の金属不足を補うことができない。しかし、本実施形態では、接合用回転ツールＦの攪拌ピンＦ２のみを補助部材１０と第一及び第二金属部材１Ａ，１Ｂに接触させつつ摩擦攪拌を行うため、補助部材１０が外部に飛ばされることなく接合部の金属不足を補うことができる。また、本実施形態によれば、回転ツールのショルダ部を接触させる場合に比べて摩擦攪拌装置に作用する負荷を低減した状態で、補助部材１０の下側にある突合せ部Ｊの深い位置を接合することができる。

【0044】

［変形例］
図１１は、第一実施形態に係る接合方法の変形例の摩擦攪拌工程を示す断面図である。図１１に示すように、変形例では、摩擦攪拌工程を行う際に、接合用回転ツールＦを突合せ部Ｊの上面に対して垂直に挿入しつつ摩擦攪拌を行う。変形例の摩擦攪拌工程では、第一平部Ｊａ、第二平部Ｊｃ及び第三平部Ｊｅにおいては、第一実施形態と同様に接合用回転ツールＦの回転中心軸Ｆｃを鉛直軸と平行にした状態で摩擦攪拌を行う。一方、第一傾斜部Ｊｂ及び第二傾斜部Ｊｄにおいては、接合用回転ツールＦを鉛直軸に対して傾斜させて、第一及び第二金属部材１Ａ，１Ｂの表面に対して接合用回転ツールＦの回転中心軸Ｆｃを垂直にした状態で摩擦攪拌を行う。

【0045】

変形例を行う場合は、例えば、先端にスピンドルユニット等の駆動手段を備えたロボットアームに接合用回転ツールＦを取り付けて摩擦攪拌を行うことが好ましい。このような摩擦攪拌装置によれば、接合用回転ツールＦの回転中心軸Ｆｃの角度を容易に変更することができる。これにより、突合せ部Ｊの高さが変化する場合においても、摩擦攪拌中に鉛直軸に対する接合用回転ツールＦの回転中心軸Ｆｃの角度を変更することで、第一及び第二金属部材１Ａ，１Ｂの表面に対して接合用回転ツールＦを常に垂直にした状態で連続して摩擦攪拌を行うことができる。

【0046】

前記した変形例であっても、第一実施形態と略同等の効果を奏することができる。また、接合用回転ツールＦを第一及び第二金属部材１Ａ，１Ｂの表面に対して垂直に挿入することができるため、傾斜面であっても突合せ部Ｊの深い位置まで摩擦攪拌を行うことができる。

【0047】

［第二実施形態］
次に、第二実施形態に係る接合方法について説明する。第二実施形態に係る接合方法は、図１２に示す補助部材１０Ａの端面１０ａから接合用回転ツールＦを挿入する点で第一実施形態と相違する。また、補助部材１０Ａには、スリット１５，１５が形成されていない点が相違する。第二実施形態に係る接合方法では、第一実施形態と相違する部分を中心に説明する。

【0048】

本実施形態に係る接合方法は、突合せ工程と、配置工程と、摩擦攪拌工程と、除去工程とを行う。突合せ工程は、第一実施形態と同じであるため説明を省略する。配置工程では、図１２及び図１３に示すように、第一金属部材１Ａの表面で且つ第一及び第二金属部材１Ａ，１Ｂの突合せ部Ｊの境界線Ｘ上に端面１０ａを合わせて補助部材１０Ａを配置する。第二実施形態の補助部材１０Ａは、第一実施形態の補助部材１０の半分程度の幅になっている。

【0049】

摩擦攪拌工程は、図１３及び図１４に示すように、接合用回転ツールＦを用いて第一金属部材１Ａ及び第二金属部材１Ｂの突合せ部Ｊを摩擦攪拌によって接合する工程である。本実施形態では、接合用回転ツールＦを左回転させるため、攪拌ピンＦ２の螺旋溝は、基端から先端に向かうにつれて右回りに形成されている。言い換えると、螺旋溝は、螺旋溝を基端から先端に向けてなぞると上から見て右回りに形成されている。

【0050】

摩擦攪拌工程では、左回転させた攪拌ピンＦ２のみを挿入し、被接合金属部材と連結部Ｆ１とは離間させつつ相対移動させる。言い換えると、攪拌ピンＦ２の基端部は露出させた状態で摩擦攪拌接合を行う。摩擦攪拌工程では、図１３に示すように、接合用回転ツールＦの回転中心軸Ｆｃを境界線Ｘに重ねた状態で、かつ、第一及び第二金属部材１Ａ，１Ｂ及び補助部材１０Ａと攪拌ピンＦ２とを接触させた状態で接合用回転ツールＦを相対移動させる。

【0051】

本実施形態では、接合用回転ツールＦのシアー側（advancing side：回転ツールの外周における接線速度に回転ツールの移動速度が加算される側）が進行方向右側となるように、接合用回転ツールＦの移動方向と回転方向を設定している。接合用回転ツールＦの回転方向及び進行方向は前記したものに限定されるものではなく適宜設定すればよい。

【0052】

例えば、接合用回転ツールＦの回転速度が遅い場合では、塑性化領域Ｗのフロー側（retreating side：回転ツールの外周における接線速度から回転ツールの移動速度が減算される側）に比べてシアー側の方が塑性流動材の温度が上昇しやすくなるため、塑性化領域Ｗ外のシアー側にバリＶが多く発生する傾向にある。一方、例えば、接合用回転ツールＦの回転速度が速い場合、シアー側の方が塑性流動材の温度が上昇するものの、回転速度が速い分、塑性化領域Ｗ外のフロー側にバリＶが多く発生する傾向にある。

【0053】

本実施形態では、接合用回転ツールＦの回転速度を速く設定しているため、図１４に示すように、塑性化領域Ｗ外のフロー側にバリＶが多く発生する傾向にある。また、接合用回転ツールＦの回転速度を速く設定することにより、接合用回転ツールＦの移動速度（送り速度）を高めることができる。これにより、接合サイクルを短くすることができる。

【0054】

摩擦攪拌工程の際に、接合用回転ツールＦの進行方向のどちら側にバリＶが多く発生するかは接合条件によって異なる。当該接合条件とは、接合用回転ツールＦの回転速度、回転方向、移動速度（送り速度）、攪拌ピンＦ２の傾斜角度（テーパー角度）、第一及び第二金属部材１Ａ，１Ｂ及び補助部材１０Ａの材質、厚さ等の各要素とこれらの要素の組み合わせで決定される。摩擦攪拌工程では、バリＶが補助部材１０Ａに形成されるように接合条件を設定することが好ましい。攪拌ピンＦ２の挿入深さは、本実施形態では、攪拌ピンＦ２が第一及び第二金属部材１Ａ，１Ｂに接触する（達する）ように設定している。

【0055】

除去工程は、図１５に示すように、補助部材１０Ａを第一金属部材１Ａから除去する工程である。除去工程では、例えば手作業により、補助部材１０Ａを矢印で示すように第一金属部材１Ａから離間する方向に折り曲げて第一金属部材１Ａから除去する。これにより、第一及び第二金属部材１Ａ，１Ｂが突合せ部Ｊで接合される。

【0056】

以上説明した本実施形態に係る接合方法によれば、第一金属部材１Ａ及び第二金属部材１Ｂが突合せ部Ｊで接合されるとともに、補助部材１０Ａも同時に摩擦攪拌接合されることにより、接合部（塑性化領域Ｗ）の金属不足を防ぐことができる。これにより、第一金属部材１Ａ及び第二金属部材１Ｂの表面に凹溝が形成されるのを防ぐことができる。

【0057】

また、本実施形態によれば、摩擦攪拌工程によって補助部材１０ＡにバリＶが形成されるが、除去工程において補助部材１０Ａごと取り除くことができる。これにより、バリＶを除去する作業を容易に行うことができる。補助部材１０Ａは除去装置等を用いて除去してもよいが、本実施形態では矢印で示す方向に、手作業で容易に補助部材１０Ａを取り除くことができる。

【0058】

［第三実施形態］
次に、本発明の第三実施形態に係る接合方法について説明する。図１６〜図１９に示すように、第三実施形態に係る接合方法では、補助部材１０Ｂの配置位置及び攪拌ピンＦ２の挿入位置が第二実施形態と主に相違する。第三実施形態に係る接合方法では、第二実施形態と相違する点を中心に説明する。第三実施形態に係る接合方法は、突合せ工程と、配置工程と、摩擦攪拌工程と、除去工程とを行う。

【0059】

突合せ工程は、第二実施形態と同じであるため説明を省略する。図１６に示すように、配置工程では、主に第二金属部材１Ｂの表面に補助部材１０Ｂを配置しつつ、境界線Ｘから第一金属部材１Ａの表面側に端面１０ａがわずかに突き出るように補助部材１０Ｂを配置する。境界線Ｘから端面１０ａまでの距離は、後記する摩擦攪拌工程後に接合部（塑性化領域Ｗ）に金属不足が発生せず、かつ、摩擦攪拌工程後に第一金属部材１Ａに補助部材１０Ｂが残存しない程度に設定する。

【0060】

摩擦攪拌工程は、図１７に示すように、接合用回転ツールＦを用いて第一及び第二金属部材１Ａ，１Ｂの突合せ部Ｊを摩擦攪拌によって接合する工程である。本実施形態では、接合用回転ツールＦを右回転させるため、攪拌ピンＦ２の螺旋溝は基端から先端に向かうにつれて左回りに形成されている。

【0061】

摩擦攪拌工程では、接合用回転ツールＦの回転中心軸Ｆｃを、境界線Ｘ（図１６参照）に合わせつつ、突合せ部Ｊに右回転させた攪拌ピンＦ２のみを挿入し、被接合金属部材と連結部Ｆ１とは離間させつつ相対移動させる。本実施形態では、図１７に示すように、接合用回転ツールＦの進行方向右側に補助部材１０Ｂが位置するように接合用回転ツールＦの進行方向を設定し、高速回転させる。これにより、本実施形態では、図１８に示すように、補助部材１０Ｂのフロー側にバリＶが発生する。

【0062】

除去工程は、図１９に示すように、補助部材１０Ｂを第二金属部材１Ｂから除去する工程である。除去工程では、例えば手作業により、補助部材１０Ｂを第二金属部材１Ｂから離間する方向（矢印方向）に折り曲げて第二金属部材１Ｂから除去する。

【0063】

以上説明した本実施形態に係る接合方法によれば、第一金属部材１Ａ及び第二金属部材１Ｂが接合されるとともに、第一金属部材１Ａ及び第二金属部材１Ｂに加え、補助部材１０Ｂも同時に摩擦攪拌接合されることにより、接合部（塑性化領域Ｗ）の金属不足を防ぐことができる。

【0064】

また、本実施形態の接合条件によれば、接合用回転ツールＦの回転速度を速く設定しているため、塑性化領域Ｗ外のフロー側にバリＶが多く発生する傾向にある。つまり、摩擦攪拌工程後に残存する補助部材１０ＢにバリＶが集約されるように接合用回転ツールＦの回転方向及び進行方向等（接合条件）を設定している。これにより、補助部材１０Ｂに形成されたバリＶは、補助部材１０Ｂごと除去されるため、バリ除去工程をより容易に行うことができる。補助部材１０Ｂは除去装置等を用いてもよいが、本実施形態では手作業で容易に補助部材１０Ｂを取り除くことができる。

【0065】

ここで、前記した第一実施形態の除去工程では、塑性化領域Ｗの中央を挟んで両側にある補助部材１０を除去する必要がある。しかし、本実施形態では摩擦攪拌工程後に境界線Ｘの他方側（第一及び第二金属部材１Ａ，１Ｂのうち補助部材１０Ｂとの接触面積割合が少ない側）に補助部材１０Ｂが残存しないように補助部材１０Ｂの配置位置を調節しているため、除去工程では境界線Ｘの一方側（第一及び第二金属部材１Ａ，１Ｂのうち補助部材１０Ｂとの接触面積割合が多い側）に残存する補助部材１０Ｂを除去するだけでよい。これにより除去工程の作業手間を少なくすることができる。

【0066】

また、補助部材１０Ｂの配置位置は、端面１０ａが境界線Ｘを超えて第一金属部材１Ａ側（他方側）にわずかに突き出た位置としている。このため、この突き出た補助部材１０Ｂの部分も攪拌ピンＦ２で摩擦攪拌されて接合部（塑性化領域Ｗ）に補填されるので、バランス良く、かつ、より確実に接合部の金属不足を防ぐことができる。また、回転中心軸Ｆｃが、補助部材１０Ｂの端面１０ａから中央側にわずかにずれた位置となるので、攪拌ピンＦ２を補助部材１０Ｂに容易に挿入することができる。

【0067】

［他の実施形態］
次に、本発明の他の実施形態について説明する。他の実施形態に係る接合方法では、突合せ工程と、配置工程と、摩擦攪拌工程と、除去工程とを行う。他の実施形態では、金属部材同士が上下に湾曲している点で第一実施形態〜第三実施形態と相違する。

【0068】

図２０及び図２１に示すように、突合せ工程では、上面が湾曲した第一金属部材３０Ａ及び第二金属部材３０Ｂを突き合わせるこの突き合わせにより突合せ部Ｊが形成される第一及び第二金属部材３０Ａ，３０Ｂは、摩擦攪拌可能な金属で形成されるとともに、表面３０ａ，３０ａ同士が面一となるように、それぞれ同等の曲率半径で湾曲形成されている。

【0069】

配置工程では、第一及び第二金属部材３０Ａ，３０Ｂと同形状に湾曲した板状の補助部材５０の裏面５０ｂを、突合せ状態の第一及び第二金属部材３０Ａ，３０Ｂの表面の中央部に沿って面接触させる。なお、第一及び第二金属部材３０Ａ，３０Ｂ及び補助部材５０は、治具（図示省略）を用いて架台Ｔに移動不能に拘束される。

【0070】

摩擦攪拌工程は、接合用回転ツールＦを用いて突合せ部Ｊを摩擦攪拌接合する工程である。摩擦攪拌工程では、接合用回転ツールＦの攪拌ピンＦ２を補助部材５０の表面５０ａから第一及び第二金属部材３０Ａ，３０Ｂの突合せ部Ｊまで挿入し、突合せ部Ｊに沿って接合用回転ツールＦを相対移動させる。摩擦攪拌工程では、接合用回転ツールＦの回転中心軸Ｆｃが補助部材５０及び第一及び第二金属部材３０Ａ，３０Ｂの法線と重なるように、接合用回転ツールＦの傾斜角度を漸次変更する。また、摩擦攪拌工程では、塑性化領域Ｗ１の深さが一定になるように攪拌ピンＦ２の挿入深さを設定する。除去工程は、第一実施形態と同等であるため説明を省略する。

【0071】

以上説明した他の実施形態に係る接合方法のように、突合せ部Ｊが上下方向に湾曲して高さが変化する場合であっても、第一実施形態〜第三実施形態と略同等の効果を奏することができる。

【0072】

以上本発明の実施形態について説明したが、本発明の趣旨に反しない範囲において適宜設計変更が可能である。例えば、本実施形態では除去工程を行ったが、補助部材を除去せずに、第一及び第二金属部材にそのまま存置してもよい。

【符号の説明】

【0073】

１Ａ，３０Ａ 第一金属部材
１Ｂ，３０Ｂ 第二金属部材
１０，１０Ａ，１０Ｂ，５０ 補助部材
Ｆ 接合用回転ツール（回転ツール）
Ｆ１ 連結部
Ｆ２ 攪拌ピン
Ｆｃ 回転中心軸
Ｊ 突合せ部
Ｖ バリ
Ｗ 塑性化領域
Ｘ 境界線

【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】

【図20】

【図21】