特許 7322748 複合構造体の製造方法

(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】

(24)【登録日】2023-07-31

(45)【発行日】2023-08-08

(54)【発明の名称】複合構造体の製造方法

(51)【国際特許分類】

   B23K 20/12 20060101AFI20230801BHJP

【ＦＩ】

B23K20/12 310

B23K20/12 344

B23K20/12 360

【請求項の数】 10

(21)【出願番号】P 2020030244

(22)【出願日】2020-02-26

(65)【公開番号】P2021133386

(43)【公開日】2021-09-13

【審査請求日】2022-09-29

(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】弁理士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】河本 知広

【審査官】岩見 勤

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１０－１３７２６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－２９７７６１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－６６６２７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－２８８５２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－１８８６５４（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】

摩擦攪拌を行って複合構造体を製造する複合構造体の製造方法であって、
底部と前記底部の周縁部から立ち上がる枠状の周壁部とで構成される凹部を有し、前記周壁部の端部から外側に張り出すフランジ部を備える第一金属部材と、前記第一金属部材の前記凹部に配置される第二金属部材と、を準備する準備工程と、
前記第一金属部材の凹部に前記第二金属部材を載置して前記第一金属部材の周壁部の内周面と、前記第二金属部材の外周面とを突き合わせて第一突合せ部を形成する載置工程と、
回転する回転ツールを用いて前記第一突合せ部を摩擦攪拌接合する第一突合せ部接合工程と、
前記第二金属部材の表面から回転する回転ツールを挿入しつつ前記第一突合せ部に沿って当該回転ツールを相対移動させ、前記第一金属部材の裏側に配置された成形型の成形面に前記第一金属部材の周壁部を押し付けて賦形する摩擦成形工程と、を含み、
前記摩擦成形工程では、前記成形型の成形面の底面と内周面とのなす角度を直角又は鋭角に形成することを特徴とする複合構造体の製造方法。

【請求項2】

前記摩擦成形工程では、回転ツールの攪拌ピンの外周面を前記成形面の前記内周面と平行にすることを特徴とする請求項１に記載の複合構造体の製造方法。

【請求項3】

前記準備工程では、前記第一金属部材の硬度を、前記第二金属部材の硬度よりも高く設定し、
前記第一突合せ部接合工程では、前記第二金属部材の表面から回転する回転ツールを挿入し、当該回転ツールの攪拌ピンを前記第一金属部材にわずかに接触させた状態で摩擦攪拌を行うことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の複合構造体の製造方法。

【請求項4】

前記載置工程では、前記第一金属部材の底部の表面と、前記第二金属部材の裏面とを重ね合わせて重合部を形成し、
前記第一突合せ部接合工程を行う前に、前記第二金属部材の表面から回転する回転ツールを挿入し、当該回転ツールの攪拌ピンのみを前記第二金属部材のみ、又は前記第一金属部材及び前記第二金属部材に接触させた状態で摩擦攪拌によって前記重合部を接合する重合部接合工程を含む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複合構造体の製造方法。

【請求項5】

前記重合部接合工程では、前記第二金属部材の表面の中央部に回転ツールを挿入し、前記中央部から外側に向けて平面視で螺旋状の連続的な軌跡を描くように相対移動させて前記重合部の全体を摩擦攪拌することを特徴とする請求項４に記載の複合構造体の製造方法。

【請求項6】

前記重合部接合工程及び前記第一突合せ部接合工程は、一の回転ツールを用いて連続して行うことを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の複合構造体の製造方法。

【請求項7】

前記第一突合せ部接合工程では、基端側ピンと、先端側ピンとを備え、前記基端側ピンのテーパー角度を前記先端側ピンのテーパー角度よりも大きく設定するとともに、前記基端側ピンの外周面に階段状の段差部を形成した回転ツールを使用し、前記基端側ピンの外周面を前記第二金属部材の表面に接触させた状態で摩擦攪拌を行うことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の複合構造体の製造方法。

【請求項8】

前記第一突合せ部接合工程では、ショルダ部と前記ショルダ部の底面から垂下する攪拌ピンとを備えた回転ツールを使用し、前記ショルダ部の底面を前記第二金属部材の表面に接触させた状態で摩擦攪拌を行うことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の複合構造体の製造方法。

【請求項9】

前記載置工程では、前記第一金属部材に前記第二金属部材を載置した際に、前記第二金属部材の表面が、前記第一金属部材の前記フランジ部の表面と同一か、若しくは前記フランジ部の表面よりも高い位置となるように前記第二金属部材の厚みを設定することを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の複合構造体の製造方法。

【請求項10】

前記第一突合せ部接合工程及び前記摩擦成形工程は、一の回転ツールで同時に行うことを特徴とする請求項１に記載の複合構造体の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、複合構造体の製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、複合スラブ（複合構造体）の製造方法が開示されている。当該複合構造体の製造方法では、箱型の第一金属部材の凹部に第二金属部材を配置して、両者を摩擦攪拌接合することで複合構造体を形成している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１９－２１４１９３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

板厚が数ミリ程度の第一金属部材を用いて比較的薄い複合構造体を形成する場合がある。このような場合には、成形性を考慮すると金属板をプレス成形して箱型の第一金属部材を成形することが好ましい。しかし、プレス成形であるとスプリングバックが発生するため、第一金属部材ひいては複合構造体を所望の形状に形成することが困難となっている。

【0005】

例えば、複合構造体を構成する第一金属部材の底部と周壁部とのなす角度を直角にしたい場合、プレス成形後にスプリングバックによって周壁部が外側に傾倒してしまう。また、摩擦攪拌接合中の摩擦熱による軟化や回転ツールの押圧力に起因して、周壁部が外側に傾倒することも起こり得る。特に、プレス成形であると、底部と周壁部との角部は厳密には丸く屈曲するため、第一金属部材の底部の裏面と周壁部の外周面との角部を面同士で直角にすることは極めて難しい。

【0006】

また、例えば、複合構造体を構成する第一金属部材の底部と周壁部とのなす角度を鋭角にしたい場合、型抜きの関係上プレス成形で第一金属部材を成形することができない。これにより、第一金属部材の底部と周壁部とのなす角度が鋭角（アンダーカット）となる複合構造体を形成することは困難となっている。

【0007】

このような観点から、本発明は複合構造体を構成する第一金属部材の底部と周壁部とのなす角度を容易に直角又は鋭角にすることができる複合構造体の製造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】

【0008】

このような課題を解決するために本発明は、摩擦攪拌を行って複合構造体を製造する複合構造体の製造方法であって、底部と前記底部の周縁部から立ち上がる枠状の周壁部とで構成される凹部を有し、前記周壁部の端部から外側に張り出すフランジ部を備える第一金属部材と、前記第一金属部材の前記凹部に配置される第二金属部材と、を準備する準備工程と、前記第一金属部材の凹部に前記第二金属部材を載置して前記第一金属部材の周壁部の内周面と、前記第二金属部材の外周面とを突き合わせて第一突合せ部を形成する載置工程と、回転する回転ツールを用いて前記第一突合せ部を摩擦攪拌接合する第一突合せ部接合工程と、前記第二金属部材の表面から回転する回転ツールを挿入しつつ前記第一突合せ部に沿って当該回転ツールを相対移動させ、前記第一金属部材の裏側に配置された成形型の成形面に前記第一金属部材の周壁部を押し付けて賦形する摩擦成形工程と、を含み、前記摩擦成形工程では、前記成形型の成形面の底面と内周面とのなす角度を直角又は鋭角に形成することを特徴とする。

【0009】

かかる製造方法によれば、直角又は鋭角となっている成形型の成形面に第一金属部材の周壁部を押し付けて賦形する摩擦成形工程を行うことで、複合構造体を構成する第一金属部材の底部と周壁部とのなす角度を容易に直角又は鋭角にすることができる。また、摩擦攪拌の摩擦熱によって第一金属部材及び第二金属部材が軟化するため、容易に賦形することができる。

【0010】

また、前記摩擦成形工程では、回転ツールの攪拌ピンの外周面を前記成形面の前記内周面と平行にすることが好ましい。

【0011】

かかる製造方法によれば、成形面の内周面に周壁部を高さ方向に均一に押圧することができるため、より的確に賦形することができる。

【0012】

また、前記準備工程では、前記第一金属部材の硬度を、前記第二金属部材の硬度よりも高く設定し、前記第一突合せ部接合工程では、第二金属部材の表面から回転する回転ツールを挿入し、当該回転ツールの攪拌ピンを前記第一金属部材にわずかに接触させた状態で摩擦攪拌を行うことが好ましい。

【0013】

かかる製造方法によれば、主として第二金属部材と回転ツールとの摩擦攪拌によって第一突合せ部を接合することができる。これにより、硬度の大きい第一金属部材の金属が、第二金属部材に混入し難くなるため、材種の異なる金属同士の摩擦攪拌に起因する接合不良を防ぐことができる。

【0014】

また、前記載置工程では、前記第一金属部材の底部の表面と、前記第二金属部材の裏面とを重ね合わせて重合部を形成し、前記第一突合せ部接合工程を行う前に、前記第二金属部材の表面から回転する回転ツールを挿入し、当該回転ツールの攪拌ピンのみを前記第二金属部材のみ、又は前記第一金属部材及び前記第二金属部材に接触させた状態で摩擦攪拌によって前記重合部を接合する重合部接合工程を含むことが好ましい。

【0015】

かかる製造方法によれば、重合部を接合することができるため複合構造体の強度を高めることができる。また、第一突合せ部接合工程において、第一金属部材と第二金属部材の位置ずれを防ぐことができる。

【0016】

また、前記重合部接合工程では、前記第二金属部材の表面の中央部に回転ツールを挿入し、前記中央部から外側に向けて平面視で螺旋状の連続的な軌跡を描くように相対移動させて前記重合部の全体を摩擦攪拌することが好ましい。

【0017】

かかる製造方法によれば、重合部の全体を容易に接合することができる。また、中央部から外側に回転ツールを螺旋状に移動させることで、第一金属部材及び第二金属部材にシワが発生するのを防ぐことができる。

【0018】

また、前記重合部接合工程及び前記第一突合せ部接合工程は、一の回転ツールを用いて連続して行うことが好ましい。

【0019】

かかる製造方法によれば、回転ツールを工程ごとに交換する必要がなくなるため、接合サイクルを早くすることができる。

【0020】

また、前記第一突合せ部接合工程では、基端側ピンと、先端側ピンとを備え、前記基端側ピンのテーパー角度を前記先端側ピンのテーパー角度よりも大きく設定するとともに、前記基端側ピンの外周面に階段状の段差部を形成した回転ツールを使用し、前記基端側ピンの外周面を前記第二金属部材の表面に接触させた状態で摩擦攪拌を行うことが好ましい。

【0021】

かかる製造方法によれば、第一突合せ部接合工程において基端側ピンの外周面で塑性流動材を押さえることができるため、バリの発生を抑制することができる。

【0022】

また、前記第一突合せ部接合工程では、ショルダ部と前記ショルダ部の底面から垂下する攪拌ピンとを備えた回転ツールを使用し、前記ショルダ部の底面を前記第二金属部材の表面に接触させた状態で摩擦攪拌を行うことが好ましい。

【0023】

かかる製造方法によれば、第一突合せ部接合工程においてショルダ部の底面で塑性流動材を押さえることができるため、バリの発生を抑制することができる。

【0024】

また、前記載置工程では、前記第一金属部材に前記第二金属部材を載置した際に、前記第二金属部材の表面が、前記第一金属部材の前記フランジ部の表面と同一か、若しくは前記フランジ部の表面よりも高い位置となるように前記第二金属部材の厚みを設定することが好ましい。

【0025】

かかる製造方法によれば、第一突合せ部の接合部が金属不足となるのを防ぐことができる。

【0026】

また、前記第一突合せ部接合工程及び前記摩擦成形工程は、一の回転ツールで同時に行うことが好ましい。

【0027】

かかる製造方法によれば、各工程を同時に行うことができるため、接合サイクルを早くすることができる。また、回転ツールを工程ごとに交換する必要がなくなるため、接合サイクルを早くすることができる。

【発明の効果】

【0028】

本発明に係る複合構造体の製造方法によれば、第一金属部材の底部と周壁部とのなす角度を容易に直角又は鋭角にすることができる。

【図面の簡単な説明】

【0029】

【図1】本発明の実施形態に係る第一回転ツールを示す側面図である。

【図2】第一回転ツールの拡大断面図である。

【図3】第一回転ツールの第一変形例を示す断面図である。

【図4】第一回転ツールの第二変形例を示す断面図である。

【図5】第一回転ツールの第三変形例を示す断面図である。

【図6】本発明の第一実施形態に係る複合構造体を示す斜視図である。

【図7】第一実施形態に係る複合構造体を示す断面図である。

【図8】第一実施形態に係る複合構造体の製造方法の準備工程及び載置工程を示す断面図である。

【図9】第一実施形態に係る複合構造体の製造方法の重合部接合工程を示す平面図である。

【図10】第一実施形態に係る複合構造体の製造方法の重合部接合工程を示す断面図である。

【図11】第一実施形態に係る複合構造体の製造方法の第一突合せ部接合工程を示す平面図である。

【図12】第一実施形態に係る複合構造体の製造方法の第一突合せ部接合工程を示す断面図である。

【図13】第一実施形態に係る複合構造体の製造方法の摩擦成形工程を示す平面図である。

【図14】第一実施形態に係る複合構造体の製造方法の摩擦成形工程を示す断面図である。

【図15】本発明の第二実施形態に係る複合構造体の製造方法の準備工程及び載置工程を示す断面図である。

【図16】第二実施形態に係る複合構造体の製造方法の重合部接合工程を示す平面図である。

【図17】第二実施形態に係る複合構造体の製造方法の重合部接合工程を示す断面図である。

【図18】第二実施形態に係る複合構造体の製造方法の第一突合せ部接合工程を示す平面図である。

【図19】第二実施形態に係る複合構造体の製造方法の第一突合せ部接合工程を示す断面図である。

【図20】第二実施形態に係る複合構造体の製造方法の摩擦成形工程を示す平面図である。

【図21】第二実施形態に係る複合構造体の製造方法の摩擦成形工程を示す断面図である。

【図22】変形例１に係る複合構造体の製造方法の準備工程及び載置工程を示す断面図である。

【図23】変形例１に係る複合構造体の製造方法の重合部接合工程を示す断面図である。

【図24】変形例１に係る複合構造体の製造方法の第一突合せ部接合工程を示す断面図である。

【図25】変形例２に係る複合構造体の製造方法の摩擦成形工程を示す断面図である。

【図26】変形例２に係る複合構造体の製造方法の摩擦成形工程後を示す断面図である。

【図27】本発明の第三実施形態に係る複合構造体を示す断面図である。

【図28】第三実施形態に係る複合構造体の製造方法の準備工程及び載置工程を示す断面図である。

【図29】第三実施形態に係る複合構造体の製造方法の重合部接合工程を示す断面図である。

【図30】第三実施形態に係る複合構造体の製造方法の第一突合せ部接合工程を示す断面図である。

【図31】第三実施形態に係る複合構造体の製造方法の摩擦成形工程を示す断面図である。

【図32】本発明の第四実施形態に係る複合構造体の製造方法の準備工程及び載置工程を示す断面図である。

【図33】第四実施形態に係る複合構造体の製造方法の重合部接合工程を示す断面図である。

【図34】第四実施形態に係る複合構造体の製造方法の第一突合せ部接合工程を示す断面図である。

【図35】第四実施形態に係る複合構造体の製造方法の摩擦成形工程を示す断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0030】

本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら説明する。本発明は以下の実施形態及び変形例のみに限定されるものではない。また、実施形態及び変形例における各構成要素は、一部又は全部を他の実施形態、変形例と適宜組み合わせることができる。

【0031】

まずは、本実施形態に係る複合構造体の製造方法で用いる第一回転ツールについて説明する。図１に示すように、第一回転ツールＦは、例えば工具鋼で形成されており、基軸部Ｆ１と、基端側ピンＦ２と、先端側ピンＦ３とを備えている。基端側ピンＦ２及び先端側ピンＦ３で「攪拌ピン」を構成している。基軸部Ｆ１は、円柱状を呈し、摩擦攪拌装置の主軸に接続される部位である。

【0032】

基端側ピンＦ２は、基軸部Ｆ１に連続し、先端に向けて先細りになっている。基端側ピンＦ２は、円錐台形状を呈する。基端側ピンＦ２のテーパー角度Ａは適宜設定すればよいが、例えば、１３５～１６０°になっている。テーパー角度Ａが１３５°未満であるか、又は、１６０°を超えると摩擦攪拌後の接合表面粗さが大きくなる。テーパー角度Ａは、後記する先端側ピンＦ３のテーパー角度Ｂよりも大きくなっている。図２に示すように、基端側ピンＦ２の外周面Ｆ５には、階段状のピン段差部Ｆ２１が高さ方向の全体に亘って形成されている。ピン段差部Ｆ２１は、右回り又は左回りで螺旋状に形成されている。つまり、ピン段差部Ｆ２１は、平面視して螺旋状であり、側面視すると階段状になっている。例えば、第一回転ツールＦを右回転させる場合、ピン段差部Ｆ２１は基端側から先端側に向けて左回りに設定する。

【0033】

なお、第一回転ツールＦを左回転させる場合は、ピン段差部Ｆ２１を基端側から先端側に向けて右回りに設定することが好ましい。これにより、ピン段差部Ｆ２１によって塑性流動材が先端側に導かれるため、被接合金属部材の外部に溢れ出る金属を低減することができる。ピン段差部Ｆ２１は、段差底面Ｆ２１ａと、段差側面Ｆ２１ｂとで構成されている。隣り合うピン段差部Ｆ２１の各頂点Ｆ２１ｃ，Ｆ２１ｃの距離Ｘ１（水平方向距離）は、後記する段差角度Ｃ及び段差側面Ｆ２１ｂの高さＹ１に応じて適宜設定される。

【0034】

段差側面Ｆ２１ｂの高さＹ１は適宜設定すればよいが、例えば、０．１～０．４ｍｍで設定されている。高さＹ１が０．１ｍｍ未満であると接合表面粗さが大きくなる。一方、高さＹ１が０．４ｍｍを超えると接合表面粗さが大きくなる傾向があるとともに、有効段差部数（被接合金属部材と接触しているピン段差部Ｆ２１の数）も減少する。

【0035】

段差底面Ｆ２１ａと段差側面Ｆ２１ｂとでなす段差角度Ｃは適宜設定すればよいが、例えば、８５～１２０°で設定されている。段差底面Ｆ２１ａは、本実施形態では水平面と平行になっている。段差底面Ｆ２１ａは、ツールの回転軸から外周方向に向かって水平面に対して－５°～１５°内の範囲で傾斜していてもよい（マイナスは水平面に対して下方、プラスは水平面に対して上方）。距離Ｘ１、段差側面Ｆ２１ｂの高さＹ１、段差角度Ｃ及び水平面に対する段差底面Ｆ２１ａの角度は、摩擦攪拌を行う際に、塑性流動材がピン段差部Ｆ２１の内部に滞留して付着することなく外部に抜けるとともに、段差底面Ｆ２１ａで塑性流動材を押えて接合表面粗さを小さくすることができるように適宜設定する。

【0036】

図１に示すように、先端側ピンＦ３は、基端側ピンＦ２に連続して形成されている。先端側ピンＦ３は円錐台形状を呈する。先端側ピンＦ３の先端は回転軸に対して垂直な先端面Ｆ４になっている。先端側ピンＦ３のテーパー角度Ｂは、基端側ピンＦ２のテーパー角度Ａよりも小さくなっている。図２に示すように、先端側ピンＦ３の外周面Ｆ６には、螺旋溝Ｆ３１が刻設されている。螺旋溝Ｆ３１は、右回り、左回りのどちらでもよいが、第一回転ツールＦを右回転させる場合、基端側から先端側に向けて左回りに設定する。

【0037】

なお、第一回転ツールＦを左回転させる場合は、螺旋溝Ｆ３１を基端側から先端側に向けて右回りに設定することが好ましい。これにより、螺旋溝Ｆ３１によって塑性流動材が先端側に導かれるため、被接合金属部材の外部に溢れ出る金属を低減することができる。螺旋溝Ｆ３１は、螺旋底面Ｆ３１ａと、螺旋側面Ｆ３１ｂとで構成されている。隣り合う螺旋溝Ｆ３１の頂点Ｆ３１ｃ，Ｆ３１ｃの距離（水平方向距離）を長さＸ２とする。螺旋側面Ｆ３１ｂの高さを高さＹ２とする。螺旋底面Ｆ３１ａと、螺旋側面Ｆ３１ｂとで構成される螺旋角度Ｄは例えば、４５～９０°で形成されている。螺旋溝Ｆ３１は、被接合金属部材と接触することにより摩擦熱を上昇させるとともに、塑性流動材を先端側に導く役割を備えている。また、第一回転ツールＦは、先端にスピンドルユニット等の回転駆動手段を備えたロボットアームに取り付けてもよい。

【0038】

第一回転ツールＦは、適宜設計変更が可能である。図３は、本発明の第一回転ツールの第一変形例を示す側面図である。図３に示すように、第一変形例に係る第一回転ツールＦＡでは、ピン段差部Ｆ２１の段差底面Ｆ２１ａと段差側面Ｆ２１ｂとのなす段差角度Ｃが８５°になっている。段差底面Ｆ２１ａは、水平面と平行である。このように、段差底面Ｆ２１ａは水平面と平行であるとともに、段差角度Ｃは、摩擦攪拌中にピン段差部Ｆ２１内に塑性流動材が滞留して付着することなく外部に抜ける範囲で鋭角としてもよい。

【0039】

図４は、本発明の第一回転ツールの第二変形例を示す側面図である。図４に示すように、第二変形例に係る第一回転ツールＦＢでは、ピン段差部Ｆ２１の段差角度Ｃが１１５°になっている。段差底面Ｆ２１ａは水平面と平行になっている。このように、段差底面Ｆ２１ａは水平面と平行であるとともに、ピン段差部Ｆ２１として機能する範囲で段差角度Ｃが鈍角となってもよい。

【0040】

図５は、本発明の第一回転ツールの第三変形例を示す側面図である。図５に示すように、第三変形例に係る第一回転ツールＦＣでは、段差底面Ｆ２１ａがツールの回転軸から外周方向に向かって水平面に対して１０°上方に傾斜している。段差側面Ｆ２１ｂは、鉛直面と平行になっている。このように、摩擦攪拌中に塑性流動材を押さえることができる範囲で、段差底面Ｆ２１ａがツールの回転軸から外周方向に向かって水平面よりも上方に傾斜するように形成されていてもよい。上記の第一回転ツールの第一～第三変形例によっても、下記の実施形態と同等の効果を奏することができる。

【0041】

第一回転ツールＦは、本実施形態では、水平方向及び上下方向に移動可能な摩擦攪拌装置に取り付けられている。なお、第一回転ツールＦは、先端にスピンドルユニット等の回転駆動手段を備えたロボットアームに取り付けてもよい。

【0042】

［第一実施形態］
本発明の実施形態に係る複合構造体及び複合構造体の製造方法について、図面を参照して詳細に説明する。図６に示すように、本発明の実施形態に係る複合構造体の製造方法は、第一金属部材２と第二金属部材３とを摩擦攪拌で接合して複合構造体１を製造するものである。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。

【0043】

第一金属部材２は、図６及び図７に示すように、底部１０と、周壁部１１と、フランジ部１２とを備え箱状を呈する。第一金属部材２の板厚は概ね一定になっており、本実施形態では数ミリ程度である。底部１０は平面視矩形の板状部である。周壁部１１は、底部１０の周縁部から立ち上がる矩形枠状の壁である。フランジ部１２は、周壁部１１の先端部から外側に向けて張り出している。底部１０と周壁部１１とで凹部１３が形成されている。底部１０と周壁部１１とでなす角度は垂直になっている。より詳しくは、底部１０の裏面１０ｂと周壁部１１の外周面１１ｂとでなす角度も垂直になっている。

【0044】

第二金属部材３は、第一金属部材２の凹部１３に配置される板状部材である。第二金属部材３は、凹部１３と略同等の形状を呈する。第二金属部材３の表面３ａとフランジ部１２の表面１２ａとは面一になっている。周壁部１１の内周面１１ａと第二金属部材３の外周面３ｃとが突き合わされた第一突合せ部Ｊ１は、摩擦攪拌で接合され塑性化領域Ｗ２が形成されている。塑性化領域Ｗ２は、第一突合せ部Ｊ１に沿って、周方向全体に亘って形成されている。

【0045】

底部１０の表面１０ａと第二金属部材３の裏面３ｂとが重ね合わされた重合部Ｊ２は、摩擦攪拌で接合され塑性化領域Ｗ１が形成されている。塑性化領域Ｗ１は、重合部Ｊ２の全体に亘って形成されている。なお、塑性化領域Ｗ３は、後記する摩擦成形工程で形成された塑性化領域である。

【0046】

第一金属部材２と第二金属部材３とは同種の金属で形成されてもよいが、本実施形態では、異なる材種で形成されている。また、第一金属部材２と第二金属部材３とは同一の硬度となるようにしてもよいが、本実施形態では第一金属部材２の硬度を第二金属部材３の硬度よりも高くしている。例えば、本実施形態では第一金属部材２をＡｌ－Ｍｇ合金（Ａ５０５２等）で形成している。また、例えば、本実施形態では第二金属部材３をＡｌ（Ａ１０５０等）で形成している。なお、本明細書において硬度はブリネル硬さをいい、ＪＩＳ Ｚ ２２４３に準じた方法によって測定することができる。

【0047】

次に、本実施形態に係る複合構造体の製造方法について説明する。複合構造体の製造方法では、準備工程と、載置工程と、重合部接合工程と、第一突合せ部接合工程と、摩擦成形工程とを行う。

【0048】

準備工程は、第一金属部材２及び第二金属部材３を準備する工程である。第一金属部材２は、板状の素形材をプレス成形で形成する。第二金属部材３は、例えば、押出成形で形成する。第一金属部材２は、図８に示すように、プレス成形によって底部１０と周壁部１１とは概ね垂直になっているが、角部は丸く屈曲して形成されている。

【0049】

載置工程は、図８に示すように、第一金属部材２に第二金属部材３を載置する工程である。載置工程では、まず、成形型３０に第二金属部材３を設置する。成形型３０は、底面３１ａと内周面３１ｂとで構成される凹状の成形面３１を有している。内周面３１ｂは、底面３１ａに対して垂直になっている。つまり、成形型３０の成形面３１は直方体の中空部となるように形成されている。成形型３０の表面には、複数のクランプ４０が設けられている。クランプ４０はフランジ部１２を押さえて第一金属部材２を成形型３０に移動不能に拘束する部材である。

【0050】

載置工程において、第一金属部材２を成形型３０に固定したら、第一金属部材２の凹部１３に第二金属部材３を嵌め込んで載置する。載置工程によって、周壁部１１の内周面１１ａと、第二金属部材３の外周面３ｃとが突き合わされて第一突合せ部Ｊ１が形成される。また、底部１０の表面１０ａと第二金属部材３の裏面３ｂとが重ね合されて重合部Ｊ２が形成される。成形型３０の角部と第二金属部材３の角部との間には空隙Ｐが形成されている。第二金属部材３の表面３ａと、フランジ部１２の表面１２ａとは面一になっている。なお、成形型３０は、プレス成形工程及び載置工程で同じものを用いてもよい。これにより、作業手間を省くことができる。

【0051】

重合部接合工程は、図９及び図１０に示すように、重合部Ｊ２を摩擦攪拌接合する工程である。重合部接合工程では、図１０に示すように、第二回転ツールＧを使用する。第二回転ツールＧは、工具鋼で形成されており、連結部Ｇ１と、攪拌ピンＧ２とを有する。連結部Ｇ１は、摩擦攪拌装置の回転軸に装着される部位である。攪拌ピンＧ２は、連結部Ｇ１から同軸で垂下しており先細りになっている。攪拌ピンＧ２の先端面Ｇ３は平坦であり、回転中心軸線Ｚに対して垂直になっている。攪拌ピンＧ２の外周面Ｇ４には螺旋溝が形成されている。例えば、第二回転ツールＧを右回転させる場合、螺旋溝は基端側から先端側に向けて左回りに設定する。

【0052】

なお、第二回転ツールＧを左回転させる場合は、螺旋溝を基端側から先端側に向けて右回りに設定することが好ましい。これにより、攪拌ピンＧ２によって塑性流動材が先端側に導かれるため、被接合金属部材（第一金属部材２及び第二金属部材３）の外部に溢れ出る金属を低減することができる。

【0053】

重合部接合工程では、図９に示すように、右回転する第二回転ツールＧの攪拌ピンＧ２を表面３ａに対して垂直にし、第二金属部材３の表面３ａの中央部に設定した開始位置ＳＰ１に挿入する。そして、中央部から外側に向けて連続的に第二回転ツールＧを相対移動させて重合部Ｊ２を摩擦攪拌接合する。第二回転ツールＧの移動軌跡には塑性化領域Ｗ１が形成される。重合部接合工程では、塑性化領域Ｗ１の幅方向の端部を重複させつつ、中央部から外側に向けて螺旋状の移動軌跡となるように第二回転ツールＧを相対移動させる。

【0054】

図１０に示すように、重合部接合工程では、攪拌ピンＧ２の先端面Ｇ３が第一金属部材２の底部１０にわずかに接触するように挿入深さを設定している。また、重合部接合工程では、攪拌ピンＧ２のみが第一金属部材２及び第二金属部材３に接触するようにしている。つまり、攪拌ピンＧ２の基端側は露出させた状態で摩擦攪拌を行っている。攪拌ピンＧ２を、第二金属部材３のみに接触させて重合部接合工程を行ってもよい。この場合は、攪拌ピンＧ２と第二金属部材３との摩擦熱によって塑性流動化され重合部Ｊ２が接合される。

【0055】

重合部接合工程では、図１０に示すように、第二金属部材３の外周縁においては周壁部１１と第二回転ツールＧとが接触しないようにすることが好ましい。これにより、重合部接合工程において、第一金属部材２の金属が第二金属部材３に混入するのを防ぐことができる。第二金属部材３の角部に設定した終了位置ＥＰ１に達したら、第二金属部材３から第二回転ツールＧを離脱させる。

【0056】

なお、本実施形態では、重合部接合工程を第二回転ツールＧで行ったが、第一回転ツールＦ、後記する第三回転ツールＨ又は第四回転ツールＫ、若しくは他の回転ツールを用いてもよい。また、重合部接合工程では、他の移動軌跡となるように回転ツールのルートを設定してもよい。

【0057】

第一突合せ部接合工程は、図１１及び図１２に示すように、第一突合せ部Ｊ１を摩擦攪拌接合する工程である。第一突合せ部接合工程では、第一回転ツールＦを用いる。第一突合せ部接合工程では、第二金属部材３の表面３ａにおいて第一突合せ部Ｊ１の近傍に設定された開始位置ＳＰ２に先端側ピンＦ３を表面３ａに対して垂直に挿入する。そして、第一回転ツールＦを第一突合せ部Ｊ１に沿って相対移動させ、第一突合せ部Ｊ１を摩擦攪拌接合する。

【0058】

図１２に示すように、第一突合せ部接合工程では、基端側ピンＦ２を第一金属部材２にわずかに接触させて摩擦攪拌接合を行う。また、第一突合せ部接合工程では、第一回転ツールＦの基端側ピンＦ２の外周面Ｆ５を第二金属部材３の表面３ａ及びフランジ部１２の表面１２ａに接触させた状態で摩擦攪拌接合を行う。第一回転ツールＦの移動軌跡には塑性化領域Ｗ２が形成される。第一回転ツールＦを第一突合せ部Ｊ１に沿って一周させて、塑性化領域Ｗ２をオーバーラップさせたら、終了位置ＥＰ２で第二金属部材３の表面３ａから第一回転ツールＦを離脱させる。なお、本実施形態では第一突合せ部接合工程を第一回転ツールＦで行ったが、第二回転ツールＧ、後記する第三回転ツールＨ又は第四回転ツールＫ、若しくは他の回転ツールを用いてもよい。

【0059】

摩擦成形工程は、図１３及び図１４に示すように、第三回転ツールＨを用いて成形型３０に第一金属部材２を押し付けて第一金属部材２を賦形する工程である。第三回転ツールＨは、工具鋼で形成されており、連結部Ｈ１と攪拌ピンＨ２とを有する。

【0060】

連結部Ｈ１は、摩擦攪拌装置の回転軸に装着される部位である。攪拌ピンＨ２は、連結部Ｈ１から同軸で垂下しており円柱状を呈する。つまり、攪拌ピンＨ２の外径は一定になっている。攪拌ピンＨ２の先端面Ｈ３は平坦であり、回転中心軸線Ｚに対して垂直になっている。攪拌ピンＨ２の外周面Ｈ４には螺旋溝が形成されている。例えば、第三回転ツールＨを右回転させる場合、螺旋溝は基端側から先端側に向けて左回りに設定する。

【0061】

なお、第三回転ツールＨを左回転させる場合は、螺旋溝を基端側から先端側に向けて右回りに設定することが好ましい。これにより、攪拌ピンＨ２によって塑性流動材が先端側に導かれるため、第二金属部材３の外部に溢れ出る金属を低減することができる。

【0062】

摩擦成形工程では、第二金属部材３の表面３ａにおいて第一突合せ部Ｊ１の近傍に設定された開始位置ＳＰ３に攪拌ピンＨ２を表面３ａに対して垂直に挿入する。そして、第三回転ツールＨを第一突合せ部Ｊ１に沿って相対移動させる。

【0063】

図１４に示すように、摩擦成形工程では、第三回転ツールＨの攪拌ピンＨ２を底部１０及び周壁部１１からわずかに離間させた状態で摩擦攪拌を行い、攪拌ピンＨ２及び摩擦攪拌された塑性流動材で底部１０及び周壁部１１を成形面３１の底面３１ａ及び内周面３１ｂにそれぞれ押し付けて第一金属部材２を賦形する。攪拌ピンＨ２の外周面Ｈ４と成形面３１の内周面３１ｂとは平行又は概ね平行になっている。また、攪拌ピンＨ２の先端面Ｈ３と成形面３１の底面３１ａとは平行又は概ね平行になっている。摩擦成形工程では、隙間Ｐ（図１２参照）が無くなるように、成形面３１に第一金属部材２を押し付けることが好ましい。第三回転ツールＨの移動軌跡には、塑性化領域Ｗ３が形成される。第三回転ツールＨを第一突合せ部Ｊ１に沿って一周させて、塑性化領域Ｗ３をオーバーラップさせたら、終了位置ＥＰ３で第二金属部材３の表面３ａから第三回転ツールＨを離脱させる。以上の工程によって複合構造体１（図６参照）が形成される。

【0064】

なお、本実施形態では摩擦成形工程を第三回転ツールＨで行ったが、第一回転ツールＦ、第二回転ツールＧ、後記する第四回転ツールＫ、若しくは他の回転ツールを用いてもよい。
この際、各回転ツールの回転中心軸を適宜傾斜させて、各回転ツールの攪拌ピンと成形面の内周面とを平行にしてもよい。また、摩擦成形工程では、回転ツールの攪拌ピンと周壁部１１とは離間していることが好ましいが、わずかであれば接触させてもよい。

【0065】

本実施形態に係る複合構造体の製造方法によれば、直角となっている成形型３０の成形面３１（底面３１ａ及び内周面３１ｂ）に第一金属部材２の底部１０及び周壁部１１をそれぞれ押し付けて賦形する摩擦成形工程を行うことで、複合構造体１を構成する第一金属部材２の底部１０と周壁部１１とのなす角度を容易に直角にすることができる。また、摩擦成形工程では、摩擦攪拌の摩擦熱によって第一金属部材２及び第二金属部材３が軟化するため、容易に賦形することができる。

【0066】

特に、図１２に示すように、プレス成形では第一金属部材２の底部１０と周壁部１１とで構成される角部の外側は丸く屈曲してしまう。これにより、底部１０の裏面１０ｂと周壁部１１の外周面１１ｂとの角部を直角にする（平面同士で角部を形成する）ことは困難であった。しかし、本実施形態によれば、摩擦成形工程を行うことで第一金属部材２の角部の外側を直角にする（平面同士で角部を形成する）、若しくは限りなく直角に近づけることができる。

【0067】

また、本実施形態に係る摩擦成形工程では、第三回転ツールＨの攪拌ピンＨ２の外周面Ｈ４を成形面３１の内周面３１ｂに沿う形状（平行）にすることで、攪拌ピンＨ２と周壁部１１とを離間させた状態で、周壁部１１に攪拌ピンＨ２を極力近接させることができる。これにより、成形型３０の成形面３１の内周面３１ｂに周壁部１１を高さ方向に均一に押圧することができるため、より的確に賦形することができる。

【0068】

特に、本実施形態では、攪拌ピンＨ２の外周面Ｈ４を成形面３１の内周面３１ｂに沿う形状にするとともに、先端面Ｈ３を成形面３１の底面３１ａに沿う形状（平行）にしているため、攪拌ピンＨ２と底部１０及び周壁部１１とを離間させた状態で、底部１０及び周壁部１１に極力近接させることができる。これにより、さらにより的確に賦形することができる。

【0069】

また、本実施形態では、準備工程では、第一金属部材２の硬度を、第二金属部材３の硬度よりも高く設定し、第一突合せ部接合工程では、第二金属部材３の表面３ａから回転する第一回転ツールＦを挿入し、第一回転ツールＦの攪拌ピン（基端側ピンＦ２）を第一金属部材２にわずかに接触させた状態で摩擦攪拌を行う。これにより、主として第二金属部材３と第一回転ツールＦとの摩擦攪拌によって第一突合せ部Ｊ１を接合することができる。よって、硬度の大きい第一金属部材２の金属が、第二金属部材３に混入し難くなるため、材種の異なる金属同士の摩擦攪拌に起因する接合不良を防ぐことができる。また、第一回転ツールＦの攪拌ピンと第一金属部材２とをわずかに接触させることで接合部の接合強度を高めることができる。また、第一金属部材２の硬度を高くすることで、複合構造体１の強度を高めることができる。

【0070】

また、本実施形態に係る第一突合せ部接合工程では、第一回転ツールＦを用い、基端側ピンＦ２の外周面Ｆ５を第二金属部材３の表面３ａ及びフランジ部１２の表面１２ａに接触させた状態で摩擦攪拌接合を行うため、バリの発生を抑制することができる。また、第一回転ツールＦによれば、基端側ピンＦ２の階段状のピン段差部Ｆ２１は浅く、かつ、出口が広いため、塑性流動材を段差底面Ｆ２１ａで押えつつ塑性流動材がピン段差部Ｆ２１の外部に抜けやすくなっている。そのため、基端側ピンＦ２で塑性流動材を押えても基端側ピンＦ２の外周面Ｆ５に塑性流動材が付着し難い。よって、接合表面粗さを小さくすることができるとともに、接合品質を好適に安定させることができる。

【0071】

また、重合部接合工程を行うことにより、重合部Ｊ２を接合することができるため複合構造体１の強度を高めることができる。また、第一突合せ部接合工程の前に重合部接合工程を行うことにより、第一突合せ部接合工程において、第一金属部材２と第二金属部材３の位置ずれを防ぐことができる。

【0072】

また、本実施形態に係る重合部接合工程では、第二金属部材３の中央部から外側に向けて平面視で螺旋状の連続的な軌跡を描くように相対移動させて重合部Ｊ２の全体を摩擦攪拌するため、重合部Ｊ２の全体を容易に接合することができる。また、重合部接合工程では第二回転ツールＧをどのように移動させてもよいが、中央部から外側に第二回転ツールＧを螺旋状に移動させることで、第一金属部材２及び第二金属部材３にシワが発生するのを防ぐことができる。

【0073】

また、重合部接合工程では、攪拌ピンＧ２のみを第一金属部材２、又は、第一金属部材２及び第二金属部材３に接触させた状態で摩擦攪拌接合を行うため摩擦攪拌装置に作用する荷重を低減することができる。

【0074】

以上本発明の実施形態について説明したが、適宜設計変更が可能である。例えば、本実施形態では、第一突合せ部接合工程と摩擦成形工程とを別の回転ツールを用いて別々に行ったが、同一の回転ツールを用いて同時に行ってもよい。これにより、接合サイクルを早めることができる。また、回転ツールを交換する手間を省くことができる。また、重合部接合工程及び第一突合せ部接合工程は、一の回転ツールを用いて連続して行ってもよい。これにより、回転ツールを交換する手間が省けるため、接合サイクルを早めることができる。

【0075】

［第二実施形態］
次に、本発明の第二実施形態に係る複合構造体の製造方法について説明する。本実施形態に係る複合構造体の製造方法では、図１５に示すように、第一金属部材２Ａの周壁部１１が成形段階で外側に傾倒している点で第一実施形態と相違する。本実施形態では、相違する部分を重点的に説明する。

【0076】

本実施形態に係る複合構造体の製造方法では、準備工程と、載置工程と、重合部接合工程と、第一突合せ部接合工程と、摩擦成形工程とを行う。

【0077】

準備工程では、第一金属部材２Ａ及び第二金属部材３Ａを準備する工程である。第一金属部材２Ａは、板状の素形材をプレス成形で形成する。第二金属部材３Ａは、例えば、押出成形で形成する。図１５に示すように、第一金属部材２Ａは、底部１０に対して周壁部１１がスプリングバック等によって外側に傾倒している。また、底部１０の裏面１０ｂと周壁部１１の外周面１１ｂとで構成される角部は丸く屈曲している。

【0078】

載置工程では、第一金属部材２Ａを成形型３０に固定しつつ、第一金属部材２Ａの凹部１３に第二金属部材３Ａを載置する。第二金属部材３Ａは、直方体を呈する。第二金属部材３Ａの板厚寸法は、周壁部１１の高さ寸法よりも大きくなっている。つまり、第一金属部材２Ａの凹部１３に第二金属部材３Ａを載置すると、第二金属部材３Ａの表面３ａは、フランジ部１２の表面１２ａよりも高い位置となる。

【0079】

図１５に示すように、載置工程によって第一突合せ部Ｊ１及び重合部Ｊ２が形成される。第一突合せ部Ｊ１は、本実施形態のように第二金属部材３Ａの外周面３ｃと周壁部１１の内周面１１ａとの間に断面Ｖ字状の隙間がある場合も含み得る。また、成形面３１の角部と第一金属部材２Ａの角部との間には隙間Ｑが形成されている。

【0080】

重合部接合工程では、図１６及び図１７に示すように、第一実施形態と同じ要領で重合部Ｊ２を摩擦攪拌接合する。図１７に示すように、重合部接合工程では、第二金属部材３Ａの外周縁においては塑性流動材が第二金属部材３Ａの外側に流出しないように摩擦攪拌接合を行う。

【0081】

第一突合せ部接合工程では、図１８及び図１９に示すように、第一実施形態と同じ要領で第一突合せ部Ｊ１を摩擦攪拌接合する。図１９に示すように、第一突合せ部接合工程では、第一回転ツールＦを用い、攪拌ピン（基端側ピンＦ２及び先端側ピンＦ３）を第一金属部材２にわずかに接触させつつ、基端側ピンＦ２の外周面Ｆ５を第二金属部材３Ａの表面３ａ及びフランジ部１２の表面１２ａに接触させた状態で第一突合せ部Ｊ１に沿って相対移動させる。第一突合せ部接合工程では、第一突合せ部Ｊ１に形成された隙間に塑性流動材を流入させながら摩擦攪拌接合を行う。

【0082】

摩擦成形工程では、図２０及び図２１に示すように、第一実施形態と同じ要領で第三回転ツールＨを用いて成形型３０に第一金属部材２Ａを押し付けて第一金属部材２Ａを賦形する。図２１に示すように、摩擦成形工程では、第三回転ツールＨを底部１０及び周壁部１１からわずかに離間させた状態で摩擦攪拌を行い、攪拌ピンＨ２及び摩擦攪拌された塑性流動材で底部１０及び周壁部１１を成形面３１の底面３１ａ及び内周面３１ｂにそれぞれ押し付けて第一金属部材２を賦形する。つまり、攪拌ピンＨ２の外周面Ｈ４と周壁部１１の内周面１１ａとは平行又は概ね平行になっている。また、攪拌ピンＨ２の先端面Ｈ３と底部１０の表面１０ａとは平行又は概ね平行になっている。摩擦成形工程では、隙間Ｑ（図１９参照）が無くなるように、成形面３１に第一金属部材２Ａを押し付けることが好ましい。第三回転ツールＨの移動軌跡には、塑性化領域Ｗ３が形成される。第三回転ツールＨを第一突合せ部Ｊ１に沿って一周させて、塑性化領域Ｗ３をオーバーラップさせたら、終了位置ＥＰ３で第二金属部材３Ａの表面３ａから第三回転ツールＨを離脱させる。以上の工程によって複合構造体が形成される。

【0083】

以上説明した本実施形態に係る複合構造体の製造方法によっても、第一実施形態と略同等の効果を得ることができる。図１９に示すように、第一金属部材２Ａをプレス成形した後、第一金属部材２Ａにスプリングバックが発生するため、載置工程を行うと成形型３０と第一金属部材２Ａとの間に隙間Ｑが形成されてしまう場合がある。このような場合であっても、摩擦成形工程を行うことで、第三回転ツールＨで第一金属部材２Ａを賦形することができるため、複合構造体を構成する第一金属部材２Ａの底部１０と周壁部１１とのなす角度を容易に直角にすることができる。特に、本実施形態に係る摩擦成形工程を行うことで第一金属部材２Ａの角部の外側を直角にする（平面同士で角部を形成する）、若しくは限りなく直角に近づけることができる。

【0084】

また、本実施形態のように、第二金属部材３Ａの形状は第一金属部材２Ａの凹部１３と必ずしも同一である必要はない。つまり、第一突合せ部Ｊ１に隙間があってもよい。これにより、第二金属部材３Ａを簡易に成形することができる。また、第二金属部材３Ａの高さ寸法を、周壁部１１の高さ寸法よりも大きくすることで接合部の金属不足を防ぐことができる。

【0085】

［変形例１］
次に、本発明の変形例１について説明する。変形例１では、成形型３０及び成形型３５を使い分ける点で前記した実施形態と相違する。

【0086】

成形型３５は、図２２に示すように、逆推台形状の中空部を有する成形面３６が形成されている。成形面３６は、底面３６ａと、底面３６ａから外側に斜めに立ち上がる内周面３６ｂとで構成されている。底面３６ａと内周面３６ｂとでなす角度は鈍角になっている。

【0087】

第一金属部材２Ａを成形型３５に固定すると、底部１０の裏面１０ｂと、成形面３６の底面３６ａとが面接触する。また、周壁部１１の外周面１１ｂと成形面３６の内周面３６ｂとが面接触する。また、成形面３６の角部と第一金属部材２Ａの角部との間には隙間Ｑが形成されている。

【0088】

重合部接合工程では、図２３に示すように、第二実施形態と同じ要領で重合部Ｊ２を摩擦攪拌接合する。

【0089】

第一突合せ部接合工程では、図２４に示すように、第四回転ツールＫを用いて第一実施形態と概ね同じ要領で第一突合せ部Ｊ１に対して摩擦攪拌接合を行う。第四回転ツールＫは、工具鋼からなり、円柱状のショルダ部Ｋ１と、ショルダ部Ｋ１の底面から垂下する攪拌ピンＫ２とで構成されている。攪拌ピンＫ２の外周面Ｋ３には螺旋溝が形成されている。例えば、第四回転ツールＫを右回転させる場合、螺旋溝は基端側から先端側に向けて左回りに設定する。

【0090】

なお、第四回転ツールＫを左回転させる場合は、螺旋溝を基端側から先端側に向けて右回りに設定することが好ましい。これにより、攪拌ピンＫ２によって塑性流動材が先端側に導かれるため、被接合金属部材（第一金属部材２Ａ及び第二金属部材３Ａ）の外部に溢れ出る金属を低減することができる。

【0091】

第一突合せ部接合工程では、ショルダ部Ｋ１の底面を第二金属部材３Ａの表面３ａに接触させた状態で第一突合せ部Ｊ１に沿って第四回転ツールＫを相対移動させる。また、第一突合せ部接合工程では、第一突合せ部Ｊ１の隙間に塑性流動材を流入させつつ摩擦攪拌接合を行う。第一突合せ部接合工程を終えたら、成形型３５から第一金属部材２Ａを取り外し、第一金属部材２Ａを成形型３０に固定する。

【0092】

摩擦成形工程では、具体的な図示は省略するが、図２１を参照するように、第二実施形態と同じ要領で摩擦成形を行う。つまり、当該摩擦成形工程では、外側に傾倒している第一金属部材２Ａの周壁部１１を成形面３１に押し付けて第一金属部材２Ａを賦形する。これにより、第一金属部材２Ａの底部１０と周壁部１１とのなす角度を垂直にすることができる。

【0093】

以上説明した変形例１に係る複合構造体の製造方法によっても、第一実施形態と略同等の効果を得ることができる。また、成形型３０，３５を工程毎に使い分けて使用してもよい。また、変形例１では、図２２に示すように、成形型３５の成形面３６の内周面３６ｂが傾斜しているため、周壁部１１が外側に傾倒した第一金属部材２Ａを安定して固定することができる。また、図２４に示すように、第一突合せ部接合工程において、周壁部１１の外周面１１ｂを成形面３６の内周面３６ｂに面接触させることができるため、安定して摩擦攪拌接合を行うことができる。

【0094】

［変形例２］
次に、本発明の変形例２について説明する。変形例２では、成形型３７を用いて第一金属部材２の底部１０と周壁部１１とで構成される角部を鋭角（アンダーカット）にする点で他の実施形態及び変形例と相違する。変形例２では、他の実施形態及び変形例１と相違する部分を中心に説明する。

【0095】

変形例に係る複合構造体の製造方法では、第一実施形態と同じ要領で準備工程、載置工程、第一突合せ部接合工程を行う。図２５に示すように、変形例２の摩擦成形工程では、成形型３７を用いる。成形型３７は、推台形状の中空部を有する成形面３８が形成されている。成形面３８は、底面３８ａと、底面３８ａから内側に斜めに立ち上がる内周面３８ｂとで構成されている。底面３８ａと内周面３８ｂとでなす角度は鋭角になっている。

【0096】

摩擦成形工程では、第二金属部材３の表面３ａにおいて第一突合せ部Ｊ１の近傍に回転する第三回転ツールＨを挿入し、第一突合せ部Ｊ１に沿って相対移動させる。摩擦成形工程では、第三回転ツールＨの攪拌ピンＨ２を底部１０及び周壁部１１からわずかに離間させた状態で摩擦攪拌を行い、攪拌ピンＨ２及び摩擦攪拌された塑性流動材で底部１０及び周壁部１１を成形面３８の底面３８ａ及び内周面３８ｂにそれぞれ押し付けて第一金属部材２を賦形する。攪拌ピンＨ２の外周面Ｈ４と周壁部１１の内周面１１ａとは平行又は概ね平行になっている。また、攪拌ピンＨ２の先端面Ｈ３と底部１０の表面１０ａとは平行又は概ね平行になっている。図２５及び図２６に示すように、摩擦成形工程では、隙間Ｑが無くなるように、成形面３８に第一金属部材２を押し付けて賦形することが好ましい。

【0097】

以上説明したように変形例２に係る複合構造体の製造方法によっても、第一実施形態と略同等の効果を得ることができる。ここで、第一金属部材２の底部１０と周壁部１１とでなす角度を鋭角にすることは困難である。第一金属部材２をプレス成形する場合、型抜きの関係上、第一金属部材２の底部１０と周壁部１１とを鋭角にすることができない。

【0098】

しかし、本実施形態によれば、鋭角となっている成形面３８の内周面３８ｂに第一金属部材２の周壁部１１を押し付けて賦形する摩擦成形工程を行うことで、複合構造体を構成する第一金属部材２の底部１０と周壁部１１とのなす角度を容易に鋭角にすることができる。つまり、アンダーカットを備えた複合構造体を形成することができる。また、摩擦攪拌の摩擦熱によって第一金属部材２及び第二金属部材３が軟化するため、容易に賦形することができる。

【0099】

［第三実施形態］
次に、本発明の第三実施形態について説明する。図２７に示すように、第三実施形態に係る複合構造体１Ｂは、底部１０と周壁部１１とのなす角度が鈍角になっている点で、第一実施形態と相違する。第三実施形態では、第一実施形態と相違する部分を中心に説明する。

【0100】

第三実施形態に係る複合構造体１Ｂは、第一金属部材２Ｂと第二金属部材３Ｂとで構成されている。第一金属部材２Ｂは、底部１０と、底部１０の周縁部から外側に斜めに立ち上がる周壁部１１と、周壁部１１の端部から外側に張り出すフランジ部１２とを備えている。底部１０と周壁部１１とのなす角度は鈍角になっている。より詳しくは、底部１０の裏面１０ｂと周壁部１１の外周面１１ｂとのなす角度も鈍角になっている。

【0101】

第二金属部材３Ｂは、第一金属部材２Ｂの凹部１３に配置される板状部材である。第二金属部材３Ｂは凹部１３と略同等の形状を呈する。第二金属部材３Ｂの表面３ａと、フランジ部１２の表面１２ａとは面一になっている。

【0102】

周壁部１１の内周面１１ａと第二金属部材３の外周面３ｃとが突き合わされた第一突合せ部Ｊ１は、摩擦攪拌で接合され塑性化領域Ｗ２が形成されている。塑性化領域Ｗ２は、第一突合せ部Ｊ１に沿って、周方向全体に亘って形成されている。

【0103】

底部１０の表面１０ａと第二金属部材３の裏面３ｂとが突き合わされた重合部Ｊ２は、摩擦攪拌で接合され塑性化領域Ｗ１が形成されている。塑性化領域Ｗ１は、重合部Ｊ２の全体に亘って形成されている。なお、塑性化領域Ｗ３は、後記する摩擦成形工程で形成された塑性化領域である。

【0104】

第一金属部材２Ｂと第二金属部材３Ｂとは同種の金属で形成してもよいが、本実施形態では、異なる材種で形成されている。また、第一金属部材２Ｂと第二金属部材３Ｂとは同一の硬度となるようにしてもよいが、本実施形態では第一金属部材２Ｂの硬度を第二金属部材３Ｂの硬度よりも高くしている。例えば、本実施形態では第一金属部材２ＢをＡｌ－Ｍｇ合金（Ａ５０５２等）で形成している。また、例えば、本実施形態では第二金属部材３ＢをＡｌ（Ａ１０５０等）で形成している。

【0105】

次に、本実施形態に係る複合構造体の製造方法について説明する。複合構造体の製造方法では、準備工程と、載置工程と、重合部接合工程と、第一突合せ部接合工程と、摩擦成形工程とを行う。

【0106】

準備工程は、第一金属部材２Ｂ及び第二金属部材３Ｂを準備する工程である。第一金属部材２Ｂは、板状の素形材をプレス成形で形成する。第二金属部材３Ｂは、例えば、押出成形で形成する。図２８に示すように、第一金属部材２Ｂは、プレス成形によって底部１０と周壁部１１とのなす角度は鈍角になっているが、角部は丸く湾曲して形成されている。

【0107】

載置工程は、図２８に示すように、第一金属部材２Ｂに第二金属部材３Ｂを載置する工程である。載置工程では、まず、成形型３５に第二金属部材３Ｂを設置する。成形型３５は、変形例１で用いたものと同じである。

【0108】

載置工程では、第一金属部材２Ｂを成形型３５に固定したら、第一金属部材２Ｂの凹部１３に第二金属部材３Ｂを嵌め込んで載置する。載置工程によって、周壁部１１の内周面１１ａと、第二金属部材３Ｂの外周面３ｃとが突き合わされて第一突合せ部Ｊ１が形成される。また、底部１０の表面１０ａと第二金属部材３の裏面３ｂとが重ね合されて重合部Ｊ２が形成される。成形型３５の角部と第二金属部材３Ｂの角部との間には隙間Ｐが形成されている。第二金属部材３Ｂの表面３ａと、フランジ部１２の表面１２ａとは面一になっている。なお、成形型３５は、プレス成形工程及び載置工程で同じものを用いてもよい。これにより、作業手間を省くことができる。

【0109】

重合部接合工程では、図２９に示すように、第一実施形態と同じ要領で重合部Ｊ２を摩擦攪拌接合する。重合部接合工程では、第二金属部材３Ｂの外周縁においては第二回転ツールＧと周壁部１１とが接触しないように摩擦攪拌接合を行う。

【0110】

第一突合せ部接合工程では、図３０に示すように、第一実施形態と同じ要領で第一突合せ部Ｊ１を摩擦攪拌接合する。第一突合せ部接合工程では、第一回転ツールＦを用い、攪拌ピン（基端側ピンＦ２及び先端側ピンＦ３）を第一金属部材２Ｂにわずかに接触させつつ、基端側ピンＦ２の外周面Ｆ５を第二金属部材３Ｂの表面３ａ及びフランジ部１２の表面１２ａに接触させた状態で第一突合せ部Ｊ１に沿って相対移動させる。

【0111】

摩擦成形工程では、図３１に示すように、第一実施形態と同じ要領で第二回転ツールＧを用いて成形型３５に第一金属部材２Ｂを押し付けて第一金属部材２Ｂを賦形する。摩擦成形工程では、第二回転ツールＧを用いる。第二回転ツールＧの攪拌ピンＧ２の外周面Ｇ４の傾斜角度は、成形面３６の内周面３６ｂの傾斜角度と同じになっている。

【0112】

摩擦成形工程では、第二回転ツールＧを底部１０及び周壁部１１からわずかに離間させた状態で摩擦攪拌を行い、攪拌ピンＧ２及び摩擦攪拌された塑性流動材で底部１０及び周壁部１１を成形面３６の底面３６ａ及び内周面３６ｂにそれぞれ押し付けて第一金属部材２Ｂを賦形する。攪拌ピンＧ２の外周面Ｇ４と周壁部１１の内周面１１ａとは平行又は概ね平行になっている。また、攪拌ピンＧ２の先端面Ｇ３と底部１０の表面１０ａとは平行又は概ね平行になっている。摩擦成形工程では、隙間Ｐ（図３０参照）が無くなるように、成形面３６に第一金属部材２Ｂを押し付けることが好ましい。第二回転ツールＧの移動軌跡には、塑性化領域Ｗ３が形成される。第二回転ツールＧを第一突合せ部Ｊ１に沿って一周させて、塑性化領域Ｗ３をオーバーラップさせたら、終了位置ＥＰ３で第二金属部材３Ｂの表面３ａから第二回転ツールＧを離脱させる。以上の工程によって複合構造体１Ｂ（図２７参照）が形成される。

【0113】

以上説明した本実施形態に係る複合構造体の製造方法によっても、第一実施形態と略同等の効果を得ることができる。ここで、第一金属部材２Ｂの底部１０と周壁部１１とのなす角度を鈍角にして複合構造体を形成したい場合がある。しかし、プレス成形によって第一金属部材２Ｂを形成してもスプリングバック等が発生するため、所望の角度よりも周壁部１１が外側に倒れてしまうおそれがある。

【0114】

しかし、本実施形態によれば、摩擦成形工程を行うことで、第二回転ツールＧで第一金属部材２Ｂを賦形することができるため、複合構造体１Ｂを構成する第一金属部材２Ｂの底部１０と周壁部１１とのなす角度を容易に鈍角（所望の角度）にすることができる。特に、本実施形態に係る摩擦成形工程を行うことで第一金属部材２Ｂの角部の外側を構成する裏面１０ｂと外周面１１ｂとを所望の鈍角にする（平面同士で鈍角の角部を形成する）ことができる。

【0115】

また、摩擦成形工程では、攪拌ピンＧ２の外周面Ｇ４と成形型３５の内周面３６ｂとを平行にすることで、より的確に賦形することができる。

【0116】

［第四実施形態］
次に、本発明の第四実施形態に係る複合構造体の製造方法について説明する。本実施形態に係る複合構造体は底部１０と周壁部１１とのなす角度が鈍角である点で第三実施形態と同一である。一方、載置工程を行った際に周壁部１１と第二金属部材３Ｃとの間に隙間が形成される点で第三実施形態と相違する。本実施形態では、第三実施形態と相違する部分を中心に説明する。

【0117】

複合構造体の製造方法では、準備工程と、載置工程と、重合部接合工程と、第一突合せ部接合工程と、摩擦成形工程とを行う。準備工程では、第一金属部材２Ｃ及び第二金属部材３Ｃを準備する。第二金属部材３Ｃは、板状を呈する。第二金属部材３Ｃの板厚寸法は、周壁部１１の高さ寸法よりも大きくなっている。

【0118】

載置工程では、図３２に示すように、第一金属部材２Ｃに第二金属部材３Ｃを載置する。第一金属部材２Ｃの周壁部１１の内周面１１ａと第二金属部材３Ｃの外周面３ｃとが突き合わされて第一突合せ部Ｊ１が形成される。第一突合せ部Ｊ１には断面Ｖ字状の隙間が形成される。また、成形型３５の角部と第一金属部材２Ｃの角部との間には隙間Ｐが形成される。

【0119】

重合部接合工程では、図３３に示すように、第一実施形態と同じ要領で重合部Ｊ２を摩擦攪拌接合する。重合部接合工程では、第二金属部材３Ｃの外周縁においては塑性流動材が第二金属部材３Ｃの外側に流出しないように摩擦攪拌接合を行う。

【0120】

第一突合せ部接合工程では、図３４に示すように、第一実施形態と同じ要領で第一突合せ部Ｊ１を摩擦攪拌接合する。第一突合せ部接合工程では、第一回転ツールＦを用い、攪拌ピン（基端側ピンＦ２及び先端側ピンＦ３）を第一金属部材２Ｂにわずかに接触させつつ、基端側ピンＦ２の外周面Ｆ５を第二金属部材３Ｃの表面３ａ及びフランジ部１２の表面１２ａに接触させた状態で第一突合せ部Ｊ１に沿って相対移動させる。

【0121】

摩擦成形工程では、図３５に示すように、第三実施形態と同じ要領で第二回転ツールＧを用いて成形型３５に第一金属部材２Ｃを押し付けて第一金属部材２Ｃを賦形する。摩擦成形工程では、第二回転ツールＧを用いる。第二回転ツールＧの攪拌ピンＧ２の外周面Ｇ４の傾斜角度は、成形面３６の内周面３６ｂの傾斜角度と同じになっている。

【0122】

以上説明した本実施形態に係る複合構造体の製造方法によっても、第三実施形態と略同等の効果を得ることができる。また、図３２に示すように、載置工程の段階で第一突合せ部Ｊ１に隙間があったとしても、第一突合せ部接合工程において、当該隙間に塑性流動材を流入させながら第一突合せ部Ｊ１を摩擦攪拌接合することができる。また、第二金属部材３Ｃの板厚寸法を周壁部１１の高さ寸法よりも大きくしているため、接合部が金属不足になるのを防ぐことができる。

【0123】

以上本発明の実施形態及び変形例について説明したが、本発明の趣旨に反しない範囲で適宜設計変更が可能である。例えば、重合部接合工程は省略してもよい。また、摩擦成形工程では、回転ツールの攪拌ピンの外周面及び先端面が、成形型の底面及び内周面とそれぞれ平行又は概ね平行になるようにしたが、回転ツールの外周面と成形型の内周面とのみを平行又は概ね平行となるようにしてもよい。

【符号の説明】

【0124】

１ 複合構造体
２ 第一金属部材
３ 第二金属部材
Ｆ 回転ツール（第一回転ツール）
Ｆ１ 基軸部
Ｆ２ 基端側ピン
Ｆ３ 先端側ピン
Ｆ４ 先端面
Ｆ５ 外周面
Ｇ 回転ツール（第二回転ツール）
Ｇ２ 攪拌ピン
Ｇ３ 先端面
Ｇ４ 外周面
Ｈ 回転ツール（第三回転ツール）
Ｈ２ 攪拌ピン
Ｈ３ 先端面
Ｈ４ 外周面
Ｋ 回転ツール（第四回転ツール）
Ｋ１ ショルダ部
Ｋ２ 攪拌ピン
Ｋ３ 先端面
Ｊ１ 第一突合せ部
Ｊ２ 重合部

【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】

【図22】

【図23】

【図24】

【図25】

【図26】

【図27】

【図28】

【図29】

【図30】

【図31】

【図32】

【図33】

【図34】

【図35】