(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2022154727
(43)【公開日】2022-10-13
(54)【発明の名称】接合方法、接合体及び接合装置
(51)【国際特許分類】
B29C 65/60 20060101AFI20221005BHJP
B23K 20/12 20060101ALI20221005BHJP
B29C 65/06 20060101ALI20221005BHJP
【ＦＩ】
B29C65/60
B23K20/12 310
B29C65/06
【審査請求】未請求
【請求項の数】12
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2021057901
(22)【出願日】2021-03-30
(71)【出願人】
【識別番号】000000974
【氏名又は名称】川崎重工業株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100115381
【弁理士】
【氏名又は名称】小谷 昌崇
(74)【代理人】
【識別番号】100067828
【弁理士】
【氏名又は名称】小谷 悦司
(74)【代理人】
【識別番号】100127797
【弁理士】
【氏名又は名称】平田 晴洋
(72)【発明者】
【氏名】春名 俊祐
(72)【発明者】
【氏名】深田 慎太郎
(72)【発明者】
【氏名】大橋 良司
(72)【発明者】
【氏名】波多野 遼一
【テーマコード（参考）】
4E167
4F211
【Ｆターム（参考）】
4E167AA22
4E167BG08
4E167BG25
4F211AG03
4F211AR06
4F211TA06
4F211TC03
4F211TD11
4F211TN20
4F211TN74
4F211TQ06
4F211TQ10
(57)【要約】
【課題】二以上の部材の重なり部を強固に接合する。
【解決手段】摩擦攪拌接合用のツール１とリベット５とを用いて、ツール１側の第１部材３１と、第１部材３１の下層に配置される第２部材３２とを含んで形成される重なり部３０を接合する。接合方法は、ツール１を、第１部材３１側から重なり部３０へ圧入して摩擦攪拌を行うことで、重なり部３０に摩擦攪拌部４を形成する工程と、圧入方向から見たサイズが摩擦攪拌部４よりも小さいリベット５を用い、当該リベット５のヘッド部５１を押圧することで、下端部５２２を第１部材３１側から摩擦攪拌部４に圧入する工程と、ヘッド部５１を、摩擦攪拌部４及び第１部材３１の表面に接する部分を含むように変形させる工程とを備える。
【選択図】図７
【解決手段】摩擦攪拌接合用のツール１とリベット５とを用いて、ツール１側の第１部材３１と、第１部材３１の下層に配置される第２部材３２とを含んで形成される重なり部３０を接合する。接合方法は、ツール１を、第１部材３１側から重なり部３０へ圧入して摩擦攪拌を行うことで、重なり部３０に摩擦攪拌部４を形成する工程と、圧入方向から見たサイズが摩擦攪拌部４よりも小さいリベット５を用い、当該リベット５のヘッド部５１を押圧することで、下端部５２２を第１部材３１側から摩擦攪拌部４に圧入する工程と、ヘッド部５１を、摩擦攪拌部４及び第１部材３１の表面に接する部分を含むように変形させる工程とを備える。
【選択図】図７
【特許請求の範囲】
【請求項1】
摩擦攪拌接合用のツールと締結体とを用いて、前記ツール側の第１部材と、前記第１部材の下層に配置される第２部材とを含んで形成される重なり部を接合する接合方法であって、
前記ツールを、前記第１部材側から前記重なり部へ圧入して摩擦攪拌を行うことで、前記重なり部に摩擦攪拌部を形成し、
圧入方向から見たサイズが前記摩擦攪拌部よりも小さい締結体を用い、当該締結体の一端側を押圧することで、当該締結体の他端側を前記第１部材側から前記摩擦攪拌部に圧入し、
前記締結体の一端側に、前記摩擦攪拌部よりも大きいサイズを有するヘッド部を形成する、
接合方法。
前記ツールを、前記第１部材側から前記重なり部へ圧入して摩擦攪拌を行うことで、前記重なり部に摩擦攪拌部を形成し、
圧入方向から見たサイズが前記摩擦攪拌部よりも小さい締結体を用い、当該締結体の一端側を押圧することで、当該締結体の他端側を前記第１部材側から前記摩擦攪拌部に圧入し、
前記締結体の一端側に、前記摩擦攪拌部よりも大きいサイズを有するヘッド部を形成する、
接合方法。
【請求項2】
請求項１に記載の接合方法において、
前記締結体の圧入の後、前記第２部材に前記締結体の他端側を入り込ませてインターロック部を形成する、接合方法。
前記締結体の圧入の後、前記第２部材に前記締結体の他端側を入り込ませてインターロック部を形成する、接合方法。
【請求項3】
請求項１又は２に記載の接合方法において、
前記締結体の一端側を、前記摩擦攪拌部から前記第１部材の表面に至るように変形させることで、前記ヘッド部を形成する、接合方法。
前記締結体の一端側を、前記摩擦攪拌部から前記第１部材の表面に至るように変形させることで、前記ヘッド部を形成する、接合方法。
【請求項4】
請求項３に記載の接合方法において、
前記締結体の一端側を、加熱及び加圧することで変形させる、接合方法。
前記締結体の一端側を、加熱及び加圧することで変形させる、接合方法。
【請求項5】
請求項４に記載の接合方法において、
前記加熱及び加圧のうちの少なくとも加圧を、前記ツールによる前記締結体の一端側の押圧により行う、接合方法。
前記加熱及び加圧のうちの少なくとも加圧を、前記ツールによる前記締結体の一端側の押圧により行う、接合方法。
【請求項6】
請求項１又は２に記載の接合方法において、
前記締結体の一端側に、当該締結体とは別体の部材であって前記ヘッド部に対応するヘッド部用部材を接合する、接合方法。
前記締結体の一端側に、当該締結体とは別体の部材であって前記ヘッド部に対応するヘッド部用部材を接合する、接合方法。
【請求項7】
請求項６に記載の接合方法において、
前記締結体と前記ヘッド部用部材とを、相対的に回転させながら圧接させることで、両者を接合する、接合方法。
前記締結体と前記ヘッド部用部材とを、相対的に回転させながら圧接させることで、両者を接合する、接合方法。
【請求項8】
請求項１～７のいずれか１項に記載の接合方法において、
前記ツールとして、
軸線回りに回転し、当該軸線方向に進退移動可能な円柱状のピン部材と、
前記ピン部材の外周を覆うように位置し、当該ピン部材と同一の軸線回りに回転すると共に前記軸線方向に進退移動が可能な円筒状のショルダ部材と、を含む、複動式の摩擦攪拌点接合用のツールを用い、
前記ピン部材又は前記ショルダ部材の下降動作により、前記締結体を前記摩擦攪拌部に圧入する、接合方法。
前記ツールとして、
軸線回りに回転し、当該軸線方向に進退移動可能な円柱状のピン部材と、
前記ピン部材の外周を覆うように位置し、当該ピン部材と同一の軸線回りに回転すると共に前記軸線方向に進退移動が可能な円筒状のショルダ部材と、を含む、複動式の摩擦攪拌点接合用のツールを用い、
前記ピン部材又は前記ショルダ部材の下降動作により、前記締結体を前記摩擦攪拌部に圧入する、接合方法。
【請求項9】
請求項８に記載の接合方法において、
前記ピン部材を上昇させて前記ショルダ部材内に収容空間を創出すると共に、当該収容空間に予め前記締結体を装填し、
前記ショルダ部材を前記重なり部へ圧入させて前記摩擦攪拌を行い、
前記ピン部材を下降させて前記締結体の圧入を行う、接合方法。
前記ピン部材を上昇させて前記ショルダ部材内に収容空間を創出すると共に、当該収容空間に予め前記締結体を装填し、
前記ショルダ部材を前記重なり部へ圧入させて前記摩擦攪拌を行い、
前記ピン部材を下降させて前記締結体の圧入を行う、接合方法。
【請求項10】
第１部材及び第２部材を含んで形成される重なり部の接合体であって、
前記第１部材が重なり方向の一端側に、前記第２部材が重なり方向の他端側に配置されるように重なり合う重なり部と、
前記重なり部に設けられた摩擦攪拌部と、
前記摩擦攪拌部に圧入された締結体と、を備え、
前記締結体は、
前記第２部材に当該締結体の一部が入り込んだインターロック部と、
前記摩擦攪拌部の上面、及び、前記摩擦攪拌部の周縁の前記第１部材の上面に当接するフランジ部と、を備える接合体。
前記第１部材が重なり方向の一端側に、前記第２部材が重なり方向の他端側に配置されるように重なり合う重なり部と、
前記重なり部に設けられた摩擦攪拌部と、
前記摩擦攪拌部に圧入された締結体と、を備え、
前記締結体は、
前記第２部材に当該締結体の一部が入り込んだインターロック部と、
前記摩擦攪拌部の上面、及び、前記摩擦攪拌部の周縁の前記第１部材の上面に当接するフランジ部と、を備える接合体。
【請求項11】
請求項１０に記載の接合体において、
前記第２部材、又は、前記第１部材及び前記第２部材の双方が、繊維強化熱可塑性樹脂からなる、接合体。
前記第２部材、又は、前記第１部材及び前記第２部材の双方が、繊維強化熱可塑性樹脂からなる、接合体。
【請求項12】
第１部材及び第２部材を含んで形成される重なり部を、摩擦攪拌と締結体とを用いて接合する接合装置であって、
軸線方向に進退移動可能な円柱状のピン部材と、
前記ピン部材の外周を覆うように位置し、当該ピン部材と同一の軸線回りに回転すると共に前記軸線方向に進退移動が可能な円筒状のショルダ部材と、
前記ピン部材により押圧される一端側と、前記押圧によって前記重なり部に形成される摩擦攪拌部へ圧入される他端側とを有し、前記ピン部材の上昇により創出される収容空間に装填される締結体と、
前記締結体の一端側に、前記摩擦攪拌部よりも大きいサイズを有するヘッド部を形成する後処理部と、
を備える接合装置。
軸線方向に進退移動可能な円柱状のピン部材と、
前記ピン部材の外周を覆うように位置し、当該ピン部材と同一の軸線回りに回転すると共に前記軸線方向に進退移動が可能な円筒状のショルダ部材と、
前記ピン部材により押圧される一端側と、前記押圧によって前記重なり部に形成される摩擦攪拌部へ圧入される他端側とを有し、前記ピン部材の上昇により創出される収容空間に装填される締結体と、
前記締結体の一端側に、前記摩擦攪拌部よりも大きいサイズを有するヘッド部を形成する後処理部と、
を備える接合装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、二以上の部材の重なり部を、摩擦攪拌と締結体とを用いて接合する接合方法、及びこれを用いた接合体、並びに前記接合方法に用いる接合装置に関する。
【背景技術】
【0002】
航空機、鉄道車両又は自動車などの構造物の構成部材として、金属部材、樹脂部材、繊維強化材が混合された熱可塑性樹脂部材などが用いられている。前記構造物の製造に際しては、二以上の部材を重ね合わせての接合が必要となる場合がある。この接合の手法として、リベットのような締結体を用いた接合や、摩擦攪拌を用いた接合が知られている。
【0003】
特許文献１には、セルフピアスリベットを用いた繊維強化熱可塑性樹脂部材の接合方法が開示されている。この接合方法では、樹脂部材を加熱して軟化させることが可能な特殊な下型を使用し、軟化させた箇所にセルフピアスリベットを打設する。この打設は、セルフピアスリベットのヘッド部が接合体の表面と面一となるように行われる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特許第５３３３５８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかしながら、二以上の部材の重なり部を接合するに際し、セルフピアスリベットを単純に打設する手法では、層間剥離等が生じて十分な接合強度や継手品質を得られない場合があった。また、摩擦攪拌接合だけに依存した接合方法の場合、接合強度は樹脂の性質に依存しやすいことから、十分な引き剥がし強度が得られない場合があった。
【0006】
本発明は、二以上の部材の重なり部を従前以上に強固に接合することができる接合方法、及びこれを用いた接合体、並びに前記接合方法に用いる接合装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明の一の局面に係る接合方法は、摩擦攪拌接合用のツールと締結体とを用いて、前記ツール側の第１部材と、前記第１部材の下層に配置される第２部材とを含んで形成される重なり部を接合する接合方法であって、前記ツールを、前記第１部材側から前記重なり部へ圧入して摩擦攪拌を行うことで、前記重なり部に摩擦攪拌部を形成し、圧入方向から見たサイズが前記摩擦攪拌部よりも小さい締結体を用い、当該締結体の一端側を押圧することで、当該締結体の他端側を前記第１部材側から前記摩擦攪拌部に圧入し、前記締結体の一端側に、前記摩擦攪拌部よりも大きいサイズを有するヘッド部を形成することを特徴とする。
【0008】
この接合方法によれば、摩擦攪拌と締結体との併用により、優れた強度を有する接合体を得ることができる。すなわち、重なり部には、後に締結体が圧入される摩擦攪拌部が形成される。この摩擦攪拌部では、摩擦攪拌により前記重なり部の構成材が混練されると共に、前記構成材が軟化した状態となる。このような摩擦攪拌部に対して、前記締結体を容易に圧入させることができる。従って、前記締結体が備える締結効果を発揮させ易くなる。さらに、前記締結体の一端側には、前記摩擦攪拌部よりも大きいサイズを有するヘッド部が形成される。つまり、ヘッド部が、前記摩擦攪拌部と前記第１部材及び前記第２部材の母材との境界部分を覆う仕上がりとなる。このようなヘッド部の係止効果により、前記境界部分に沿った破断を抑制することができる。
【0009】
本発明の他の局面に係る接合体は、第１部材及び第２部材を含んで形成される重なり部の接合体であって、前記第１部材が重なり方向の一端側に、前記第２部材が重なり方向の他端側に配置されるように重なり合う重なり部と、前記重なり部に設けられた摩擦攪拌部と、前記摩擦攪拌部に圧入された締結体と、を備え、前記締結体は、前記第２部材に当該締結体の一部が入り込んだインターロック部と、前記摩擦攪拌部の上面、及び、前記摩擦攪拌部の周縁の前記第１部材の上面に当接するフランジ部と、を備える。
【0010】
この接合体によれば、重なり部に形成される前記摩擦攪拌部と、摩擦攪拌部に圧入される締結体とによって、重なり部に接合力が与えられる。すなわち、摩擦攪拌接合だけに依存せず、前記締結体の締結効果によって第１部材及び第２部材を強固に接合させることができる。さらに、前記締結体のインターロック部とフランジ部とにより、前記摩擦攪拌部が挟持される態様となる。従って、前記摩擦攪拌部と前記第１部材及び前記第２部材の母材との境界部分に沿った破断は抑制され、優れた接合強度を有する接合体を構築できる。
【0011】
本発明のさらに他の局面に係る接合装置は、第１部材及び第２部材を含んで形成される重なり部を、摩擦攪拌と締結体とを用いて接合する接合装置であって、軸線方向に進退移動可能な円柱状のピン部材と、前記ピン部材の外周を覆うように位置し、当該ピン部材と同一の軸線回りに回転すると共に前記軸線方向に進退移動が可能な円筒状のショルダ部材と、前記ピン部材により押圧される一端側と、前記押圧によって前記重なり部に形成される摩擦攪拌部へ圧入される他端側とを有し、前記ピン部材の上昇により創出される収容空間に装填される締結体と、前記締結体の一端側に、前記摩擦攪拌部よりも大きいサイズを有するヘッド部を形成する後処理部と、を備える。
【0012】
この接合装置を用いれば、前記重なり部に対する摩擦攪拌から締結体の圧入、並びにヘッド部の形成の工程を、流れ作業でスムースに実行させることができる。
【発明の効果】
【0013】
本発明によれば、二以上の部材の重なり部を、摩擦攪拌と締結体とを併用して強固に接合することができる。
【図面の簡単な説明】
【0014】
【発明を実施するための形態】
【0015】
以下、図面に基づいて、本発明の実施形態を詳細に説明する。本発明に係る接合方法は、金属、熱可塑性樹脂、熱可塑性複合材等からなるプレート、フレーム、外装材或いは柱状材等の構造部材を、二つ以上重ね合わせて点接合してなる各種接合体の製造に適用することができる。前記熱可塑性複合材は、例えば炭素繊維等の繊維補強体を含む複合材である。製造される接合体は、例えば、航空機、鉄道車両又は自動車などの構造物の構成部材となる。
【0016】
［複動式の摩擦攪拌点接合装置の構成］
先ず、図１を参照して、本発明の実施形態に係る接合方法を実行可能な、複動式の摩擦攪拌点接合装置Ｍの構成例を説明する。摩擦攪拌点接合装置Ｍは、複動式の摩擦攪拌点接合用のツール１と、ツール１を回転及び昇降駆動するツール駆動部２と、ツール駆動部２の動作を制御するコントローラＣと、所要の加熱動作を実行可能な加熱装置６１（後処理部）とを含む。なお、図１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、実際のツール１の使用方向を限定する意図ではない。
先ず、図１を参照して、本発明の実施形態に係る接合方法を実行可能な、複動式の摩擦攪拌点接合装置Ｍの構成例を説明する。摩擦攪拌点接合装置Ｍは、複動式の摩擦攪拌点接合用のツール１と、ツール１を回転及び昇降駆動するツール駆動部２と、ツール駆動部２の動作を制御するコントローラＣと、所要の加熱動作を実行可能な加熱装置６１（後処理部）とを含む。なお、図１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、実際のツール１の使用方向を限定する意図ではない。
【0017】
ツール１は、図略のツール支持部材によって支持される。前記ツール支持部材は、例えば多関節ロボットの先端部に取り付けられたＣ型フレーム等の支持フレームとすることができる。ツール１の下端面に対向して、裏当て材１５が配置されている。ツール１と裏当て材１５との間には、接合対象となる少なくとも二つの部材が配置される。図１では、平板プレートからなる第１部材３１の一部と、同じく平板プレートからなる第２部材３２の一部とが上下方向に重なり合った重なり部３０が、ツール１と裏当て材１５との間に配置されている例を示している。このような重なり部３０が、摩擦攪拌とリベット５（締結体）とを併用する接合法によって接合されることで、第１部材３１と第２部材３２との接合体３が形成される。重なり部３０は、第１部材３１と第２部材３２との間に、一つ又は複数の部材がさらに介在されたものであっても良い。
【0018】
ツール１は、ピン部材１１、ショルダ部材１２、クランプ部材１３及びスプリング１４を含む。ピン部材１１は円柱状に形成された部材であり、その軸線方向が上下方向に延びるように配置されている。ピン部材１１は、前記軸線を回転軸Ｒとして回転が可能であり、且つ、回転軸Ｒに沿って上下方向に昇降（進退移動）が可能である。なお、ツール１の使用時には、回転軸Ｒと重なり部３０における点接合位置Ｗとが位置合わせされる。
【0019】
ショルダ部材１２は、ピン部材１１の外周を覆うように位置している。ショルダ部材１２は、ピン部材１１が内挿される中空部を備え、円筒状に形成された部材である。ショルダ部材１２の軸心は、ピン部材１１の軸線（回転軸Ｒ）と同軸上にある。ショルダ部材１２は、ピン部材１１と同一の回転軸Ｒ回りに回転が可能であり、且つ、回転軸Ｒに沿って上下方向に昇降（進退移動）が可能である。ショルダ部材１２と、前記中空部に内挿されたピン部材１１とは、共に回転軸Ｒの軸回りに回転しつつ、回転軸Ｒ方向に相対移動が可能である。すなわち、ピン部材１１及びショルダ部材１２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。
【0020】
クランプ部材１３は、ショルダ部材１２が内挿される中空部を備え、円筒状に形成された部材である。クランプ部材１３の軸心も、回転軸Ｒと同軸上にある。クランプ部材１３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）可能である。クランプ部材１３は、ピン部材１１又はショルダ部材１２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１３の囲いによって、摩擦攪拌材料を四散させず、摩擦攪拌点接合部分を平滑に仕上げることができる。
【0021】
スプリング１４は、クランプ部材１３の上端側に取り付けられ、クランプ部材１３を重なり部３０に向かう方向（下方）に付勢している。クランプ部材１３は、スプリング１４を介して、前記ツール支持部に取り付けられている。裏当て材１５は、接合対象（重なり部３０）の下面側に当接する平面を備える。裏当て材１５は、ピン部材１１又はショルダ部材１２が重なり部３０に圧入される際に、当該重なり部３０を支持する裏当て部材である。スプリング１４で付勢されたクランプ部材１３は、重なり部３０を裏当て材１５に押し当てる。
【0022】
ツール駆動部２は、回転駆動部２１、ピン駆動部２２、ショルダ駆動部２３及びクランプ駆動部２４を含む。回転駆動部２１は、モーター及び駆動ギア等を含み、ピン部材１１及びショルダ部材１２を回転軸Ｒ回りに回転駆動する。ピン駆動部２２は、回転軸Ｒに沿ってピン部材１１を進退移動（昇降）させる機構である。ピン駆動部２２は、ピン部材１１の重なり部３０への圧入並びに重なり部３０からの退避を行うように、ピン部材１１を駆動する。ショルダ駆動部２３は、回転軸Ｒに沿ってショルダ部材１２を進退移動させる機構であって、ショルダ部材１２の重なり部３０への圧入並びに退避を行わせる。クランプ駆動部２４は、回転軸Ｒに沿ってクランプ部材１３を進退移動させる機構である。クランプ駆動部２４は、クランプ部材１３を重なり部３０に向けて移動させ、重なり部３０を裏当て材１５に押圧させる。この際、スプリング１４の付勢力が作用する。
【0023】
加熱装置６１は、リベット５を外部加熱する際に用いられる装置である。具体的には加熱装置６１は、リベット５のヘッド部５１（図６参照）を圧延加工する際に、当該ヘッド部５１を加熱して前記圧延加工を容易化する。加熱装置６１としては、輻射加熱装置、抵抗加熱装置、誘導加熱装置、レーザ加熱装置、加熱バーナ等を用いることができる。加熱装置６１は、例えばツール１と共に前記ツール支持部に支持させても良いし、別途の支持部材に支持させても良い。加熱制御部６２は、加熱装置６１の動作を制御することで、リベット５へ与える入熱量を制御する。
【0024】
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２の各部の動作を制御する。具体的にはコントローラＣは、回転駆動部２１を制御して、ピン部材１１及びショルダ部材１２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２２、ショルダ駆動部２３及びクランプ駆動部２４を制御して、ピン部材１１、ショルダ部材１２及びクランプ部材１３に、所要の進退移動動作を行わせる。また、コントローラＣは、加熱制御部６２に加熱指示を与え、加熱装置６１を企図する通りに動作させる。
【0025】
上述した複動式の摩擦攪拌点接合用ツール１の使用方法としては、ピン先行プロセスと、ショルダ先行プロセスとがある。ピン先行プロセスの摩擦攪拌工程では、ツール１のピン部材１１を先行して重なり部３０へ圧入させて摩擦攪拌を実行させる一方、ショルダ部材１２を上昇（退避）させる。その後の埋め戻し工程では、ピン部材１１を上昇させて退避させる一方で、ショルダ部材１２を下降させる。一方、ショルダ先行プロセスの摩擦攪拌工程では、ツール１のショルダ部材１２を先行して重なり部３０へ圧入させて摩擦攪拌を実行させる一方、ピン部材１１を上昇（退避）させる。その後の埋め戻し工程では、ショルダ部材１２を上昇させて退避させる一方で、ピン部材１１を下降させる。
【0026】
［接合対象の部材］
図２は、本実施形態の接合方法にて接合される重なり部３０の構成を示す図である。第１部材３１と第２部材３２とが上下方向に重ね合わされ、重なり部３０が形成されている。第１部材３１は、重ね合わせ方向に厚さｔ１を有している。第２部材３２は、厚さｔ１と同一の厚さｔ２（ｔ１＝ｔ２）を有している。ｔ１及びｔ２は、摩擦攪拌接合が可能な厚さであればよく、ｔ１とｔ２とが異なる厚さであっても良い。
図２は、本実施形態の接合方法にて接合される重なり部３０の構成を示す図である。第１部材３１と第２部材３２とが上下方向に重ね合わされ、重なり部３０が形成されている。第１部材３１は、重ね合わせ方向に厚さｔ１を有している。第２部材３２は、厚さｔ１と同一の厚さｔ２（ｔ１＝ｔ２）を有している。ｔ１及びｔ２は、摩擦攪拌接合が可能な厚さであればよく、ｔ１とｔ２とが異なる厚さであっても良い。
【0027】
既述の通り、本発明において接合対象となる部材には特に制限はなく、金属、熱可塑性樹脂、熱可塑性複合材等からなる部材を選択することができる。これらの中で、第１部材３１及び第２部材３２の双方が、繊維強化熱可塑性樹脂からなる成形体であることが望ましい。繊維強化熱可塑性樹脂の成形体としては、例えば繊維強化材としての短繊維又は長繊維を熱可塑性樹脂に混合した成形体、連続繊維を所定方向に配列した繊維配列体若しくは連続繊維の織布に熱可塑性樹脂を含浸してなる成形体を例示することができる。
【0028】
第１部材３１及び第２部材３２の構成材として用いることが可能な熱可塑性樹脂としては、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリアミド（ＰＡ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリアリールエーテルケトン（ＰＥＡＫ）、ポリアセタール（ＰＯＭ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ＡＢＳ樹脂、熱可塑性のエポキシ樹脂などを例示することができる。繊維強化材としては、例えば炭素繊維、ガラス繊維、セラミック繊維、金属繊維或いは有機繊維を用いることができる。
【0029】
第１部材３１及び第２部材３２は、それぞれ一つの繊維強化熱可塑性樹脂の成形体で構成されていても良いが、複数枚の薄層シートの積重体で構成されていることが望ましい。図２では、連続繊維の配列体に熱可塑性樹脂を含浸したシート（プリプレグ）を多層に積層してなる成形体が、第１部材３１及び第２部材３２として用いられる例を示す。
【0030】
図２には、第１部材３１を構成しているシート積重体３３の一部が示されている。シート積重体３３は、それぞれ連続繊維の配列体に熱可塑性樹脂を含浸したシートからなる第１シート層３３Ａ、第２シート層３３Ｂ及び第３シート層３３Ｃを含む。第１シート層３３Ａは、連続繊維３４の多数本が所定の配列方向に配列され、その配列体に熱可塑性樹脂を含浸して一体化した、厚さ０．１ｍｍ～０．５ｍｍ程度のシートである。第２シート層３３Ｂ及び第３シート層３３Ｃも上記と同様なシートであるが、連続繊維３４の配列方向が相互に異なる方向とされている。このように、例えば連続繊維３４の配列方向を互いに異なる３軸方向とした３種のシートを多層に積層することで、第１部材３１は疑似等方性を備えている。第２部材３２も、第１部材３１と同様なシートの多層積層体からなるプレートである。
【0031】
連続繊維３４としては、例えば炭素繊維、ガラス繊維、セラミック繊維、金属繊維或いは有機繊維を用いることができる。図２では、連続繊維３４を一方向に配列したシートを例示しているが、連続繊維を縦糸及び横糸として織布を形成した後に熱可塑性樹脂を含浸させるファブリック型のシートを用いても良い。また、連続繊維３４に代えて、長さが２ｍｍ～２０ｍｍ程度の長繊維、若しくは短繊維を熱可塑性樹脂に混合させたシート又はプレートを用いることもできる。
【0032】
第１部材３１と第２部材３２とは、上述の例の通り同一材質の部材であっても良いが、互いに異なるからなる部材であっても良い。例えば、第１部材３１及び第２部材３２の一方が熱可塑性樹脂の成形体で、他方が繊維強化熱可塑性樹脂の成形体であっても良い。この場合、ツール１のピン部材１１又はショルダ部材１２が最後に圧入される側に位置する第２部材３２として、繊維強化熱可塑性樹脂の成形体、乃至は、連続繊維に熱可塑性樹脂を含浸させた成形体を用いることが望ましい。或いは、第１部材３１及び第２部材３２の一方が特定の熱可塑性樹脂又は金属の成形体で、他方がこれとは異質の熱可塑性樹脂又は金属の成形体であっても良い。
【0033】
締結体の一例として図１に例示しているリベット５としては、例えばセルフピアスリベットを用いることができる。リベット５は、重なり部３０に対して打設されることで一部が変形し、第１部材３１と第２部材３２とを一体化する係合力を発生する。後記で詳述するが、本実施形態ではリベット５は、重なり部３０においてツール１で摩擦攪拌された領域に打設され、その一部が摩擦攪拌されていない母材部分に入り込むことによって前記係合力を発生する。リベット５の材質には特に制限は無く、チタンなどの金属、熱可塑性樹脂、熱可塑性複合材からなるリベットを用いることができる。セルフピアスリベットに代えて、例えば単純な円筒型リベット等、その一部が変形可能な各種の接合部材を前記締結体として用いても良い。
【0034】
［摩擦攪拌とリベットとを併用した接合方法］
図３は、本実施形態に係る接合方法の工程チャートを示す図である。本実施形態の接合方法は、第１部材３１と第２部材３２とを含む重なり部３０の接合方法であって、次の工程Ｓ１～Ｓ６を含む。
・工程Ｓ１：打設するリベット５を予めツール１に装填する準備工程。
・工程Ｓ２：第１部材３１及び第２部材３２を含む重なり部３０を形成する重なり部の形成工程。
・工程Ｓ３：ツール１のショルダ部材１２を重なり部３０へ圧入して摩擦攪拌を行う摩擦攪拌工程。
・工程Ｓ４：ツール１のピン部材１１で、第１部材３１側から摩擦攪拌部にリベット５を圧入するリベット打設工程。
・工程Ｓ５：打設したリベット５の一部を変形させてインターロック部を形成する工程。
・工程Ｓ６：リベット５のヘッド部５１の形成工程。
図３は、本実施形態に係る接合方法の工程チャートを示す図である。本実施形態の接合方法は、第１部材３１と第２部材３２とを含む重なり部３０の接合方法であって、次の工程Ｓ１～Ｓ６を含む。
・工程Ｓ１：打設するリベット５を予めツール１に装填する準備工程。
・工程Ｓ２：第１部材３１及び第２部材３２を含む重なり部３０を形成する重なり部の形成工程。
・工程Ｓ３：ツール１のショルダ部材１２を重なり部３０へ圧入して摩擦攪拌を行う摩擦攪拌工程。
・工程Ｓ４：ツール１のピン部材１１で、第１部材３１側から摩擦攪拌部にリベット５を圧入するリベット打設工程。
・工程Ｓ５：打設したリベット５の一部を変形させてインターロック部を形成する工程。
・工程Ｓ６：リベット５のヘッド部５１の形成工程。
【0035】
以下、上記の工程Ｓ１～Ｓ６の各々について具体的に説明する。図４（Ａ）は、上記工程Ｓ１の準備工程を示す断面図である。図４（Ａ）には、リベット５の縦断面が示されている。リベット５は、例えばＴｉ－６Ａｌ－４Ｖ等のチタン合金からなり、ヘッド部５１（一端側）と、このヘッド部５１の下方に連なる筒体部５２（他端側）とを含む。ヘッド部５１は円柱体からなり、ツール１から圧入力を受ける頂面５１Ｈを有する。筒体部５２は、ヘッド部５１よりもやや径小の円筒体からなる。筒体部５２は、ヘッド部５１に一体的に繋がる上端部５２１と、重なり部３０への打設時に先端部となる下端部５２２と、内部の中空領域５２３とを備えている。中空領域５２３を備えることで、筒体部５２は易変形性を有する。下端部５２２は、中空領域５２３の開口縁でもあり、環状の端縁形状を有している。
【0036】
ツール１側では、リベット５の装填のための動作が行われる。具体的には、コントローラＣ（図１）がピン駆動部２２を動作させてピン部材１１を上昇させ、ショルダ部材１２の中空部内にリベット５の収容空間Ｈを創出する。つまり、ピン部材１１の下端部１１Ｔをショルダ部材１２の下端部１２Ｔに対して、リベット５の高さ以上相対的に上昇させて、ショルダ部材１２の下端開口付近に収容空間Ｈを設ける。しかる後、リベット５が収容空間Ｈに装填される。なお、以上の準備工程は、ショルダ先行プロセスを適用して摩擦攪拌を行うことを前提としている。
【0037】
収容空間Ｈへの事前装填が必要となるので、リベット５としては、ショルダ部材１２の中空部の内径よりも小さい外径を有するものが選択される。このため、加工前のヘッド部５１は、リベット５の圧入方向から見たサイズが、ツール１により形成される摩擦攪拌部４（図６（Ａ）参照）よりも小さくならざるを得ない。このため、本実施形態では、後述の工程Ｓ６において、ヘッド部５１が摩擦攪拌部４よりも径大となるように加工を施す。
【0038】
図４（Ｂ）は、工程Ｓ２の重なり部３０の形成工程の実施状況を示す断面図である。工程Ｓ２では、第１部材３１と第２部材３２とを、両者の少なくとも一部が互いに当接した状態で重なり合う重なり部３０が形成される。図４（Ｂ）では、第１部材３１がツール側（上側）、第２部材３２が第１部材３１の下層側であって裏当て材１５側（下側）に配置される例を示している。第１部材３１はツール１が最初に圧入され、第２部材３２はツール１が最後に圧入されることになる。重なり部３０の下面３０Ｂは裏当て材１５で支持され、上面３０Ｕにはツール１の下端面が当接している。なお、第１部材３１と第２部材３２との間に、１以上の他の部材を介在させて形成される重なり部３０であっても良い。
【0039】
図２も参照して、重なり部３０には、第１部材３１の接合面３１Ａ（下面）と、第２部材３２の接合面３２Ａ（上面）とが直接接触した合わせ面ＢＤが形成されている。このような二層の重なり部３０において、ツール１によって、所要の点接合位置Ｗを軸心として摩擦攪拌が行われ、且つ、リベット５の圧入が行われる。クランプ部材１３は、ツール１の回転軸Ｒ（図１）が点接合位置Ｗに位置合わせされた状態で、ツール１の下端面が第１部材３１の上面に当接するよう、ツール１を重なり部３０へクランプする。図４（Ｂ）では、ショルダ部材１２の下端部１２Ｔ及びクランプ部材１３の下端部１３Ｔが、重なり部３０の上面３０Ｕに接面している状態を示している。クランプ部材１３は、スプリング１４の付勢力を伴って、重なり部３０を裏当て材１５に押圧している。
【0040】
図５（Ａ）～（Ｄ）は、リベット併用摩擦攪拌接合の実施状況を順次示す断面図である。図５（Ａ）は、ツール１のショルダ部材１２を第１部材３１側から重なり部３０へ圧入して摩擦攪拌を行う、工程Ｓ３の摩擦攪拌工程を示している。コントローラＣは、回転駆動部２１及びショルダ駆動部２３を制御して、ショルダ部材１２を軸回りに高速回転させながら下降させ、当該ショルダ部材１２の重なり部３０への圧入を開始する。一方、前記圧入で溢れた樹脂材料を逃がすように、コントローラＣはピン駆動部２２を制御して、ピン部材１１を上方へ退避させる。クランプ部材１３は不動である。これにより、点接合位置Ｗを中心とする摩擦攪拌が実行される。なお、リベット５の収容のためピン部材１１は上方に移動されているので、上記のピン部材１１の退避動作は省いても良い。
【0041】
高速回転しているショルダ部材１２が重なり部３０に圧入されると、当該ショルダ部材１２の圧入領域において重なり部３０の材料は摩擦攪拌される。ショルダ部材１２の圧入によって重なり部３０から溢れ出した材料は、ショルダ部材１２内の中空部に逃がされる。当該摩擦攪拌によって、前記圧入領域の材料は軟化し、重なり部３０に摩擦攪拌部４が形成される。例えば、プレプリグのシート積重体３３にて第１部材３１及び第２部材３２が形成されている場合、摩擦攪拌部４では各シート層３３Ａ、３３Ｂ、３３Ｃの連続繊維３４は分断され、粉砕された状態となる。このことは、後続するリベット５の打設並びに変形を容易とする。
【0042】
図５（Ｂ）は、工程Ｓ３の摩擦攪拌工程における溢れ出し材料の埋め戻し工程を示す図である。埋め戻し工程では、ショルダ駆動部２３がショルダ部材１２を上昇させる。ピン部材１１を上昇させていた場合は、これを下降させる。この動作により、摩擦攪拌部４において、ショルダ部材１２の下端部１２Ｔ付近が占有していた領域に、軟化している材料が流れ込む。従って、重なり部３０から溢れ出した材料も前記圧入領域に埋め戻される。以上の工程の実行により、重なり部３０には、深さｄの円筒型の側周面４１と、円板型の底面４２とを備える摩擦攪拌部４が形成される。一方、摩擦攪拌部４の周囲の母材部分では、第１部材３１及び第２部材３２の本来の硬度が維持され、連続繊維３４による補強構造も維持されている。
【0043】
図５（Ｃ）は、工程Ｓ４のリベット打設工程の実施状況を示す図である。打設工程では、第１部材３１側から摩擦攪拌部４にリベット５を圧入する。具体的には、ピン駆動部２２がピン部材１１を下降させてヘッド部５１（締結体の一端側）に押圧力を与え、リベット５を重なり部３０へ押し込む。リベット５は、予めピン部材１１の下端部１１Ｔにヘッド部５１の頂面５１Ｈが対向するように、前記収容空間に装填されている。従って、ピン部材１１が下降すると、リベット５も下降し、下端部５２２の側（締結体の他端側）から摩擦攪拌部４の内部へ進入してゆく。本実施形態では、リベット５を圧入する工具として摩擦攪拌点接合用のツール１を利用するので、リベット５を打設する圧入ツールを別途準備する必要がない。
【0044】
図５（Ｄ）は、工程Ｓ５のインターロック部５３の形成工程の実施状況を示す断面図である。この工程では、第２部材３２にリベット５が到達した後、当該リベット５を変形させることで、第２部材３２における摩擦攪拌部４の周囲の母材部分にリベット５の一部を入り込ませてインターロック部５３を形成する。本実施形態では、円筒型を呈している筒体部５２を、下端部５２２が拡径したベル型に変形させ、その拡径した下端部５２２を前記母材部分に圧入させることによって、インターロック部５３が形成される。
【0045】
図５（Ｃ）の状態からピン部材１１によるリベット５の押下が進行すると、やがてリベット５の下端部５２２が摩擦攪拌部４の底面４２に到達する。底面４２より下方は母材部分であって軟化されていない。また、裏当て材１５によって重なり部３０が、底面４２の真下の位置において支持されている。このため、底面４２に到達後に、さらにピン部材１１によるリベット５の押下が継続されると、図５（Ｄ）に示すように、筒体部５２がベル型に変形される。
【0046】
つまり、下端部５２２は、底面４２を越えて摩擦攪拌部４の下方の前記母材部分へ圧入されるだけでなく、径方向へ拡径して側周面４１を越えて摩擦攪拌部４の側方の前記母材部分へも圧入されるようになる。このうち、側周面４１を越えて前記母材部分へ圧入された部分が、第１部材３１と第２部材３２との引き剥がし方向（上下方向）に対してアンカー効果を発揮するインターロック部５３となる。なお、リベット５の筒体部５２の変形は、第２部材３２に到達する前に生じていても良い。例えば、摩擦攪拌部４に圧入後に第１部材３１の領域で徐々に筒体部５２の拡開変形が始まり、底面４２に到達後にさらに拡開変形するという変形態様であっても良い。
【0047】
図６（Ａ）は、工程Ｓ５が完了した接合体３を示す断面図である。工程Ｓ１～Ｓ５の間、ヘッド部５１はショルダ部材１２内の中空部内に収容され、その外周面が拘束された状態にある。このため、ヘッド部５１は拡径変形せず、打設前の形状を維持している。一方、摩擦攪拌部４はショルダ部材１２の重なり部３０への圧入によって形成される。従って、ヘッド部５１の径は摩擦攪拌部４よりも径小である。ヘッド部５１は、摩擦攪拌部４の上面と係合する鍔部５４（フランジ部）を有しているが、重なり部３０の上面３０Ｕとは係合していない。このような接合体３であると、摩擦攪拌部４の側周面４１において破断が生じる懸念がある。このため、続いて工程Ｓ６のヘッド部５１の形成工程が行われる。
【0048】
工程Ｓ６では、リベット５の上端側に、摩擦攪拌部４よりも大きいサイズを有するヘッド部５を形成する。換言すると、リベット５の上端側に、摩擦攪拌部４及び第１部材３１の表面（上面３０Ｕ）に接する部分を含むヘッド部５１を形成する。なお、前記の「表面に接する」とは、実際にヘッド部５１が前記表面に接触している状態だけでなく、両者間に僅かな隙間が介在しているものの実質的に接触しているに等しいと扱える場合も含む。図６（Ｂ）は、工程Ｓ６が完了した接合体３を示す断面図である。ここに示すヘッド部５１は、図６（Ａ）に示したものよりも径大に加工されている。ヘッド部５１が備える鍔部５４Ａは、摩擦攪拌部４の上面に当接すると共に、当該摩擦攪拌部４の周縁の第１部材３１の上面にも当接するサイズを有している。このような鍔部５４Ａを有する接合体３によれば、第２部材３２の母材部分に入り込んだインターロック部５３と、第１部材３１の母材部分の上面と係合する鍔部５４Ａとで、摩擦攪拌部４が挟み込まれる態様となる。従って、摩擦攪拌部４の重なり部３０への定着性を高め、安定性に優れた接合体３とすることができる。以下、ヘッド部５１の形成工程の具体例を説明する。
【0049】
［第１実施形態に係るヘッド部の形成工程］
図７（Ａ）及び（Ｂ）は、第１実施形態に係るヘッド部５１の形成工程（工程Ｓ６）を示す断面図である。第１実施形態では、上述の工程Ｓ５が完了した後、ヘッド部５１（締結体の一端側）を、摩擦攪拌部４から第１部材３１の表面（上面３０Ｕ）に至るように変形させる例を示す。具体的には、後処理部としての加熱装置６１とツール１とを用いて、ヘッド部５１を加熱及び加圧する。
図７（Ａ）及び（Ｂ）は、第１実施形態に係るヘッド部５１の形成工程（工程Ｓ６）を示す断面図である。第１実施形態では、上述の工程Ｓ５が完了した後、ヘッド部５１（締結体の一端側）を、摩擦攪拌部４から第１部材３１の表面（上面３０Ｕ）に至るように変形させる例を示す。具体的には、後処理部としての加熱装置６１とツール１とを用いて、ヘッド部５１を加熱及び加圧する。
【0050】
図５（Ｄ）に示す工程Ｓ５の実行後、コントローラＣは、図７（Ａ）に示すように、クランプ部材１３を含めてツール１を重なり部３０の上面３０Ｕから一旦離間させる。さらに、コントローラＣは、ピン部材１１、ショルダ部材１２及びクランプ部材１３の各下端部１１Ｔ、１２Ｔ、１３Ｔが面一となるように、ピン駆動部２２、ショルダ駆動部２３及びクランプ駆動部２４を動作させる。この動作により、ヘッド部５１が上面３０Ｕにおいて露出する。加熱装置６１は、ターゲットとするヘッド部５１へ熱ＨＥを放射可能な位置に配置される。加熱装置６１が誘導加熱装置である場合は、ヘッド部５１との間で磁気回路が形成される位置に、ＩＨコイルが配置される。
【0051】
次にコントローラＣは、加熱制御部６２にターゲットのヘッド部５１の加熱温度及び加熱時間を含む加熱の設定情報を与える。加熱制御部６２は、前記設定情報に基づいて、加熱装置６１を動作させる。加熱装置６１は、外部からヘッド部５１に熱ＨＥを与えて軟化させる。同時にコントローラＣは、ツール１を全体的に下降させ、ヘッド部５１の頂面５１Ｈに加圧力Ｐを加える。なお、図示は省略しているが、接合体３の裏面は裏当て材１５にて支持されている。
【0052】
図７（Ｂ）は、加熱軟化されたヘッド部５１がツール１によって加圧され、当該ヘッド部５１が圧延されている状態を示している。面一とされたピン部材１１、ショルダ部材１２及びクランプ部材１３の各下端部１１Ｔ、１２Ｔ、１３Ｔが、ヘッド部５１の頂面５１Ｈを押圧している。この押圧により、ヘッド部５１は摩擦攪拌部４よりも径大に圧延されている。圧延後の鍔部５４Ａは、摩擦攪拌部４の側周面４１を超えて径方向外側に延出し、摩擦攪拌されていない第１部材３１の上面を覆っている。
【0053】
クランプ部材１３は必ずしも下降させなくても良い。しかし、ピン部材１１及びショルダ部材１２の下端部１１Ｔ、１２Ｔで押圧できる範囲は、摩擦攪拌部４の上面に相当する範囲に止まる。クランプ部材１３も併せて下降させた場合、押圧範囲を拡大することができる。すなわち、クランプ部材１３の下端部１３Ｔにて、鍔部５４Ａを第１部材３１の上面に押し付け、両者を密着状態とすることができる。インターロック部５３と鍔部５４Ａとによる摩擦攪拌部４の挟持効果を一層高めることができる。
【0054】
なお、上記実施形態ではツール１の加圧だけを行わせる例を示したが、ヘッド部５１の加熱もツール１に行わせるようにしても良い。この場合、面一とされたピン部材１１、ショルダ部材１２及びクランプ部材１３の各下端部１１Ｔ、１２Ｔ、１３Ｔを、ヘッド部５１の頂面５１Ｈに接面させた状態で、ツール１を回転軸Ｒ回りに高速回転させる。これにより、摩擦熱によってヘッド部５１を加熱軟化させる。同時に、ツール１を下降させることで、ヘッド部５１を圧延する。
【0055】
以上説明した第１実施形態によれば、複動式の摩擦攪拌点接合用のツール１のピン部材１１で打設する故、摩擦攪拌部４よりも径大とはできないヘッド部５１自体を、摩擦攪拌部４から第１部材３１の表面に至るように変形させる。このため、他の係止部材等を追加的に用いることなく、リベット５による接合強度を高めることができる。また、ヘッド部５１を加熱すると共に加圧するので、ヘッド部５１を容易に変形させることができる。さらに、少なくともヘッド部５１の加圧には、摩擦攪拌部４を形成するツール１を用いるので、ヘッド部５１の加圧用のツールを別途準備する必要がない。
【0056】
［第２実施形態に係るヘッド部の形成工程］
第２実施形態では、上述の工程Ｓ５が完了した後、ヘッド部５１（締結体の一端側）に、リベット５とは別体の部材であって、摩擦攪拌部４よりも径大のヘッド部を形成するためのヘッド片５５（ヘッド部用部材）を接合させる例を示す。図８（Ａ）は、第２実施形態に係るヘッド部の形成工程で用いられるリベット５Ａ及びヘッド片５５を示す図である。図８（Ｂ）は、リベット５Ａとヘッド片５５とが接合された状態を示す側面図である。
第２実施形態では、上述の工程Ｓ５が完了した後、ヘッド部５１（締結体の一端側）に、リベット５とは別体の部材であって、摩擦攪拌部４よりも径大のヘッド部を形成するためのヘッド片５５（ヘッド部用部材）を接合させる例を示す。図８（Ａ）は、第２実施形態に係るヘッド部の形成工程で用いられるリベット５Ａ及びヘッド片５５を示す図である。図８（Ｂ）は、リベット５Ａとヘッド片５５とが接合された状態を示す側面図である。
【0057】
リベット５Ａは、第１実施形態のリベット５と同様に、ヘッド部５１Ａ及び筒体部５２を備えているが、ヘッド部５１Ａは比較的薄肉である。ヘッド片５５は、リベット５Ａと同種の金属、若しくはリベット５Ａと接合可能な異種金属からなる円板状の部材である。ヘッド片５５の外径は、ヘッド部５１Ａよりも大きく、且つ、摩擦攪拌部４の口径よりも大きい。ヘッド片５５の上面には、回転トルク伝達のための一対の係合孔５５１が備えられている。係合孔５５１に代えて、突起部をヘッド片５５の上面に突設しても良い。ヘッド片５５は、リベット５Ａに対して相対的に回転させながらヘッド部５１Ａに圧接する摩擦圧接接合によって、図８（Ｂ）に示す通り接合一体化される。
【0058】
図９（Ａ）及び（Ｂ）は、第２実施形態に係るヘッド部の形成工程を示す断面図である。図９（Ａ）は、リベット５Ａの摩擦攪拌部４への打設が完了した状態、すなわち、上述した工程Ｓ５のインターロック部５３の形成工程を終えた状態を示している。インターロック部５３は、摩擦攪拌部４の側周面４１を越えて、第２部材３２へ進入している。一方、ヘッド部５１Ａは、摩擦攪拌部４よりも径小の状態である。
【0059】
図９（Ｂ）は、ヘッド片５５の摩擦圧接接合の状況を示す。本実施形態では、前記摩擦圧接接合のための摩擦圧接ツール６３が後処理部として用いられ、図１に例示した加熱装置６１は用いない。摩擦圧接ツール６３は、円柱状のツールであて、図略の回転駆動機構により回転軸Ｒ回りに回転可能であると共に、図略の昇降駆動機構により回転軸Ｒに沿って昇降が可能である。摩擦圧接ツール６３の下端面には、ヘッド片５５の係合孔５５１に嵌合する突起が備えられている。
【0060】
ヘッド片５５は、摩擦圧接ツール６３の前記突起に係合孔５５１が嵌合された状態で、リベット５Ａのヘッド部５１Ａの上にセッティングされる。その後、摩擦圧接ツール６３は、前記回転駆動機構により高速回転されると共に、前記昇降駆動機構により下降される。この動作により、ヘッド片５５の下面５５Ａとヘッド部５１Ａの頂面５１Ｈは当接すると共に、ヘッド片５５が高速回転する。ヘッド片５５の前記高速回転による摩擦熱と、ヘッド片５５の下降による加圧力とがヘッド部５１に与えられる。これら摩擦熱及び加圧力により、ヘッド部５１Ａとヘッド片５５とは摩擦圧接接合される。
【0061】
図１０は、第２実施形態に係る接合方法で接合された接合体３の断面図である。図９（Ａ）と比較して明らかな通り、ヘッド片５５の接合によってヘッド部５１Ａは径大化している。ヘッド片５５の下面５５Ａは、摩擦攪拌部４の上面に当接すると共に、当該摩擦攪拌部４の周縁の第１部材３１の上面にも当接している。このような下面５５Ａを有する接合体３によれば、インターロック部５３と第１部材３１の上面と係合するヘッド片５５とで、摩擦攪拌部４が挟み込まれる態様となる。従って、摩擦攪拌部４の重なり部３０への定着性を高め、安定性に優れた接合体３とすることができる。
【0062】
以上説明した第２実施形態によれば、ヘッド片５５のサイズや厚み、材質を選択することで、多様なヘッド部をリベット５Ａに後付けすることができる。また、リベット５Ａの加熱等を要しないので、施工設備を簡素化することができる。なお、摩擦圧接ツール６３に代えて、摩擦攪拌点接合用のツール１のピン部材１１を用いるようにしても良い。
【0063】
［第３実施形態に係るヘッド部の形成工程］
第３実施形態では、上述の工程Ｓ５が完了した後、ヘッド部５１Ａに、リベット５とは別体の部材であって、摩擦攪拌部４よりも径大のヘッド部を形成するためのハット型ヘッド片５６（ヘッド部用部材）を、抵抗溶接する例を示す。
第３実施形態では、上述の工程Ｓ５が完了した後、ヘッド部５１Ａに、リベット５とは別体の部材であって、摩擦攪拌部４よりも径大のヘッド部を形成するためのハット型ヘッド片５６（ヘッド部用部材）を、抵抗溶接する例を示す。
【0064】
図１１（Ａ）は、ハット型ヘッド片５６の下面視の平面図、図１１（Ｂ）は、ハット型ヘッド片５６の側面図である。ハット型ヘッド片５６は、リベット５Ａと同種の金属、若しくはリベット５Ａとの溶接が可能な異種金属からなる部材である。ハット型ヘッド片５６は、本体部５６１、キャビティ５６２及び側面開口５６３を備える。本体部５６１は、上面視で円弧状の短辺と、直線状の長辺とを備えた略四角形状の部材である。前記短辺はリベット５Ａのヘッド部５１Ａの径よりも短く、前記長辺は摩擦攪拌部４の口径よりも長いサイズを有している。
【0065】
キャビティ５６２は、本体部５６１の下面を凹没させた空間であり、ヘッド部５１Ａを収容できる容積を備える。側面開口５６３は、本体部５６１の前記長辺の側面に設けられた開口である。図１１（Ａ）に点線で示すように、ヘッド部５１Ａがキャビティ５６２に収容された状態で、当該ヘッド部５１Ａの側周面の一部が側面開口５６３から突出する。
【0066】
図１１（Ｃ）は、第３実施形態に係るヘッド部の形成工程を示す断面図である。当該工程の実行に際し、ハット型ヘッド片５６はヘッド部５１Ａに嵌め込まれる。本実施形態では、ヘッド部５１Ａとハット型ヘッド片５６とを抵抗溶接して一体化する抵抗溶接装置６４が後処理部として用いられる。抵抗溶接装置６４は、第１電極６４１、第２電極６４２、加圧片６４３、トランス６４４及び電源６４５を含む。第１電極６４１は、ヘッド部５１Ａと同程度の径を有する円板電極であり、ハット型ヘッド片５６の上面に接触している。第２電極６４２は、側面開口５６３から露呈しているヘッド部５１Ａの側周面に接触している。加圧片６４３は、ハット型ヘッド片５６をヘッド部５１Ａに押し付ける押圧力を発生する。トランス６４４及び電源６４５は、第１電極６４１及び第２電極６４２に対し、前記抵抗溶接に必要な電圧を供給する。
【0067】
図１２は、第３実施形態に係る接合方法で接合された接合体３の断面図である。リベット５Ａとハット型ヘッド片５６とは、キャビティ５６２にヘッド部５１Ａに収容される態様で、溶着部５６Ａにより一体化している。ハット型ヘッド片５６の溶接によってヘッド部５１Ａは径大化している。ハット型ヘッド片５６は、摩擦攪拌部４の上面及び当該摩擦攪拌部４の周縁の第１部材３１の上面に当接している。従って、インターロック部５３と第１部材３１の上面と係合するハット型ヘッド片５６とで、摩擦攪拌部４が挟み込まれる態様の接合体３を形成することができる。
【0068】
第３実施形態において、第２部材３２の内部にリベット５Ａへの導電経路を確保できる導電層が存在する場合は、その導電層を利用して抵抗溶接のための通電を行っても良い。図１３は、第３実施形態の変形例に係る接合方法を示す断面図である。第２部材３２の下端付近には導電層３２Ｂが備えられている。導電層３２Ｂは、リベット５Ａのインターロック部５３と接触している。ヘッド部５１Ａには、ハット型ヘッド片５６が嵌め込まれている。なお、本変形例ではハット型ヘッド片５６として、側面開口５６３を具備しない、上面視で円形の部材を用いることができる。
【0069】
ハット型ヘッド片５６には、第１電極６４１が当接されると共に、加圧片６４３にて加圧力が与えられる。導電層３２Ｂは、上述の例における第２電極６４２として利用される。抵抗溶接装置６４は、トランス６４４を介して電源６４５から、第１電極６４１及び導電層３２Ｂに対し、抵抗溶接に必要な電圧を供給する。これにより、リベット５Ａとハット型ヘッド片５６とは、溶着部５６Ａにより一体化される。
【0070】
［その他の変形例］
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、次に示すような変形実施形態を取ることができる。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、次に示すような変形実施形態を取ることができる。
【0071】
（１）上記実施形態では、摩擦攪拌部４を形成するツールとして、複動式の摩擦攪拌点接合用のツール１が用いられる例を示した。これに代えて、前記ツールとして、単動式の摩擦攪拌点接合用のツール、その他の摩擦攪拌接合用のツールを用いても良い。この場合、リベット５を摩擦攪拌部４へ圧入するツールとして、単動式の摩擦攪拌点接合用ツール自体、若しくは、別途の圧入ツールを用いることができる。
【0072】
（２）上記実施形態では、複動式の摩擦攪拌点接合用のツール１を、ショルダ先行プロセスで用いて摩擦攪拌部４を形成する例を示した。これに代えて、ツール１を、ピン先行プロセスで用いて摩擦攪拌部４を形成しても良い。
【0073】
（３）上記実施形態では、リベット５の筒体部５２にインターロック部５３が形成される例を示した。このインターロック部５３を積極的に形成しない態様の接合体３としても良い。また、インターロック部５３が摩擦攪拌部４よりも径大である例を示した。つまり、筒体部５２の下端部５２２が、摩擦攪拌部４の側周面４１よりも径方向外側へ拡開される例を示した。インターロック部５３は、第２部材３２の母材部分に対するアンカー効果を発揮していれば良く、底面４２の下方の母材部分へ進入する態様でも良い。
【0074】
以上説明した本発明に係る接合方法によれば、摩擦攪拌とリベット５との併用により、優れた強度を有する接合体３を得ることができる。重なり部３０には、後にリベット５が圧入される摩擦攪拌部４が形成される。この摩擦攪拌部４では、摩擦攪拌により重なり部３０を構成する第１部材３１及び第２部材３２が混練され、これらが軟化した状態となる。このような摩擦攪拌部４であるので、リベット５を容易に圧入させることができる。従って、リベット５が備える締結効果を発揮させ易くなる。さらに、リベット５の上端側には、摩擦攪拌部４よりも大きいサイズを有するヘッド部５１、すなわち摩擦攪拌部４及び第１部材３１の表面に接する部分を含むヘッド部５１が形成される。つまり、ヘッド部５１が、摩擦攪拌部４と第１部材３１及び第２部材３２の母材との境界部分である側周面４１上を覆う仕上がりとなる。このようなヘッド部５１の係止効果により、側周面４１に沿った破断を抑制することができる。
【0075】
また、本発明に係る接合体３によれば、重なり部３０に形成される摩擦攪拌部４と、摩擦攪拌部４に圧入されるリベット５とによって、重なり部３０に接合力が与えられる。すなわち、摩擦攪拌接合だけに依存せず、リベット５の締結効果によって第１部材３１及び第２部材３２を強固に接合させることができる。さらに、リベット５のインターロック部５３とヘッド部５１の鍔部５４とにより、摩擦攪拌部４が挟持される態様となる。従って、側周面４１に沿った破断は一層抑制され、優れた接合強度を有する接合体３を構築できる。
【符号の説明】
【0076】
１ ツール
１１ ピン部材
１２ ショルダ部材
３ 接合体
３０ 重なり部
３１ 第１部材
３２ 第２部材
４ 摩擦攪拌部
５、５Ａ リベット（締結体）
５１、５１Ａ ヘッド部（一端側）
５２ 筒体部（他端側）
５３ インターロック部（締結体の一部）
５４、５４Ａ 鍔部（フランジ部）
５５ ヘッド片（ヘッド部用部材）
６１ 加熱装置（後処理部）
６３ 摩擦圧接ツール（後処理部）
６４ 抵抗溶接装置（後処理部）
Ｍ 摩擦攪拌点接合装置
Ｈ 収容空間
１１ ピン部材
１２ ショルダ部材
３ 接合体
３０ 重なり部
３１ 第１部材
３２ 第２部材
４ 摩擦攪拌部
５、５Ａ リベット（締結体）
５１、５１Ａ ヘッド部（一端側）
５２ 筒体部（他端側）
５３ インターロック部（締結体の一部）
５４、５４Ａ 鍔部（フランジ部）
５５ ヘッド片（ヘッド部用部材）
６１ 加熱装置（後処理部）
６３ 摩擦圧接ツール（後処理部）
６４ 抵抗溶接装置（後処理部）
Ｍ 摩擦攪拌点接合装置
Ｈ 収容空間
【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】
