接合方法
【課題】金属部材同士の突合部を金属部材の表面側及び裏面側から摩擦撹拌を行うとともに金属部材の両側面間の気密性及び水密性を向上させることが可能な接合方法を提供することを課題とする。
【解決手段】突合部J1に対して被接合金属部材1の表面A側から摩擦撹拌を行う第一の本接合工程と、裏面B側から摩擦撹拌を行う第二の本接合工程と、一方の側面側Cから摩擦撹拌を行う第三の本接合工程と、他方の側面側Dから摩擦撹拌を行う第四の本接合工程と、前記第一乃至第四の各本接合工程のうち少なくとも一の本接合工程を行う前に、突合部J1の両側に一対のタブ材を配置し、前記タブ材と被接合金属部材1とにより形成された入隅部を溶接して仮接合する溶接工程と、を含み、表面側塑性化領域W1及び裏面側塑性化領域W2と、第一側面側塑性化領域W3及び第二側面側塑性化領域W4とを重複させることを特徴とする。
【解決手段】突合部J1に対して被接合金属部材1の表面A側から摩擦撹拌を行う第一の本接合工程と、裏面B側から摩擦撹拌を行う第二の本接合工程と、一方の側面側Cから摩擦撹拌を行う第三の本接合工程と、他方の側面側Dから摩擦撹拌を行う第四の本接合工程と、前記第一乃至第四の各本接合工程のうち少なくとも一の本接合工程を行う前に、突合部J1の両側に一対のタブ材を配置し、前記タブ材と被接合金属部材1とにより形成された入隅部を溶接して仮接合する溶接工程と、を含み、表面側塑性化領域W1及び裏面側塑性化領域W2と、第一側面側塑性化領域W3及び第二側面側塑性化領域W4とを重複させることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、摩擦撹拌を利用した金属部材の接合方法に関する。
【背景技術】
【0002】
金属部材同士を接合する方法として、摩擦撹拌接合(FSW=Friction Stir Welding)が知られている。摩擦撹拌接合は、回転ツールを回転させつつ金属部材同士の突合部に沿って移動させ、回転ツールと金属部材との摩擦熱により突合部の金属を塑性流動させることで、金属部材同士を固相接合させるものである。なお、回転ツールは、円柱状を呈するショルダ部の下端面に撹拌ピン(プローブ)を突設してなるものが一般的である。
【0003】
ここで図17及び図18は、一対の金属部材に摩擦撹拌接合を施した従来の接合方法を示した斜視図である。図17に示すように、接合すべき金属部材101,101の肉厚が図示しない回転ツールの撹拌ピンの長さよりも大きい場合には、金属部材101の表面102側から摩擦撹拌接合を行った後に、裏面103側からも摩擦撹拌接合を行う場合がある。
即ち、従来の接合方法100は、金属部材101,101の突合部104(二点鎖線)に沿って表面102及び裏面103の両側から摩擦撹拌接合を行い、摩擦撹拌接合によって形成された塑性化領域105,106の厚さ方向の中央部分が接触するように接合するものである。これにより、突合部104においては、隙間なく接合することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開2005−131666号公報(図7参照)
【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、図18に示すように、接合すべき金属部材111,111の肉厚が大きい場合、表面102及び裏面103から摩擦撹拌接合を行っても突合部104(二点鎖線)の中央部に未接合部が生じてしまう可能性がある。即ち、図示しない回転ツールの撹拌ピンの長さに対して、金属部材111の肉厚が非常に大きい場合、金属部材111の表面102及び裏面103から摩擦撹拌を行ったとしても、塑性化領域105,106の厚さ方向の中央部分を接触させることができないため、突合部104の中央部に隙間(未接合部)119が生じてしまう。このように、一方の側面107から他方の側面108に連続する隙間119が生じてしまうと、側面107及び側面108間における水密性及び気密性が低下するという問題があった。
【0006】
ここで、金属部材111の厚みに応じて回転ツールの撹拌ピンの長さを大きくすれば、表面102及び裏面103から摩擦撹拌接合を行うことで金属部材111同士を隙間なく接合することは可能である。しかし、回転ツールは、金属部材111内に撹拌ピンを埋没させて高速で回転しながら移動するため、撹拌ピンの長さを大きくすると、摩擦撹拌装置の駆動手段及び撹拌ピンに作用する負荷が増大し、装置の短寿命化を招来するという問題があった。
【0007】
また、図17及び図18に示すように、塑性化領域105,106において、一方の側面107から他方の側面108に連続する空洞欠陥109が生じる可能性がある。かかる空洞欠陥109は、金属部材101,111の側面107及び側面108間における水密性及び気密性を低下させる一因となっていた。
【0008】
このような観点から、本発明は、金属部材同士の突合部を金属部材の表面側及び裏面側から摩擦撹拌を行うとともに金属部材の両側面間の気密性及び水密性を向上させることが可能な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】
【0009】
このような課題を解決する本発明に係る接合方法は、第一金属部材と第二金属部材とを突き合わせてなる被接合金属部材に対して回転ツールを移動させて摩擦撹拌を行う接合方法であって、前記第一金属部材と前記第二金属部材との突合部に対して前記被接合金属部材の表面側から摩擦撹拌を行う第一の本接合工程と、前記突合部に対して前記被接合金属部材の裏面側から摩擦撹拌を行う第二の本接合工程と、前記突合部に対して前記被接合金属部材の一方の側面側から摩擦撹拌を行う第三の本接合工程と、前記突合部に対して前記被接合金属部材の他方の側面側から摩擦撹拌を行う第四の本接合工程と、前記第一乃至第四の各本接合工程のうち少なくとも一の本接合工程を行う前に、前記突合部の両側に一対のタブ材を配置し、前記タブ材と前記被接合金属部材とにより形成された入隅部を溶接して仮接合する溶接工程と、を含み、前記第一の本接合工程及び第二の本接合工程で形成された塑性化領域と、前記第三の本接合工程及び第四の本接合工程で形成される塑性化領域とを重複させることを特徴とする。
【0010】
かかる接合方法によれば、突合部に対して被接合金属部材の表面側及び裏面側から摩擦撹拌接合を行った後、突合部に対して被接合金属部材の側面側から摩擦撹拌接合を行い塑性化領域を重複させるため、側面間に連続する隙間が生じることがない。これにより、両側面間の気密性及び水密性を向上させることができる。また、溶接工程を含むことで、被接合金属部材とタブ材との間の目開きを防ぐことができる。
【0011】
また、前記第一の本接合工程において、前記回転ツールを右回転させるとともに、前記回転ツールの進行方向右側に前記第一金属部材が位置するように摩擦撹拌の開始位置及び終了位置を設定し、前記第二の本接合工程において、前記回転ツールを左回転させるとともに、前記回転ツールの進行方向左側に前記第一金属部材が位置するように摩擦撹拌の開始位置及び終了位置を設定した場合、前記第三の本接合工程及び第四の本接合工程は、前記回転ツールが右回転であれば、前記回転ツールの進行方向左側に前記第一金属部材が位置するように摩擦撹拌の開始位置及び終了位置を設定し、前記回転ツールが左回転であれば、前記回転ツールの進行方向右側に前記第一金属部材が位置するように摩擦撹拌の開始位置及び終了位置を設定することが好ましい。
また、前記第一の本接合工程において、前記回転ツールを左回転させるとともに、前記回転ツールの進行方向右側に前記第一金属部材が位置するように摩擦撹拌の開始位置及び終了位置を設定し、前記第二の本接合工程において、前記回転ツールを右回転させるとともに、前記回転ツールの進行方向左側に前記第一金属部材が位置するように摩擦撹拌の開始位置及び終了位置を設定した場合、前記第三の本接合工程及び第四の本接合工程は、前記回転ツールが右回転であれば、前記回転ツールの進行方向右側に前記第一金属部材が位置するように摩擦撹拌の開始位置及び終了位置を設定し、前記回転ツールが左回転であれば、前記回転ツールの進行方向左側に前記第一金属部材が位置するように摩擦撹拌の開始位置及び終了位置を設定することが好ましい。
【0012】
ここで、摩擦撹拌接合を行った際に生じる可能性のある空洞欠陥は、回転ツールが右回転の場合、進行方向左側に形成され、左回転の場合、進行方向右側に形成される可能性が高い。かかる接合方法によれば、第一の本接合工程及び第二の本接合工程で形成された塑性化領域に、仮に、側面間に連続する空洞欠陥が生じたとしても、当該空洞欠陥を分断することができる。これにより、両側面間の気密性及び水密性を向上させることができる。
【0013】
また、前記第一乃至第四の各本接合工程のうち少なくとも一の本接合工程を行う前に、前記突合部を仮接合する仮接合工程を行うことが好ましい。
【0014】
第一乃至第四の本接合工程を行う際、第一金属部材及び第二金属部材の突合部に回転ツールを押し込むため、第一金属部材及び第二金属部材を引き離そうとする力が作用し、突合部に目開きが発生する場合がある。しかし、かかる接合方法によれば、第一乃至第四の本接合工程を行う前に、突合部を仮接合することで、第一乃至第四の本接合工程を好適に行うことができる。
【0015】
また、本発明は、前記突合部の両側に一対のタブ材を配置し、前記タブ材と前記被接合金属部材との突合部に予備的に摩擦撹拌を行う予備工程を行ってもよい。かかる接合工程によれば、タブ材を用いることで、仮接合工程及び本接合工程を迅速にかつ仕上がり面もきれいに接合することができる。
【0016】
また、本発明は、前記回転ツールの挿入予定位置に予め下穴を形成してもよい。かかる接合方法によれば、回転ツールを挿入予定位置に押し込む際に生じる挿入抵抗を低減することができるともに、回転ツールが下穴に案内されるため、精度よく迅速に摩擦撹拌接合を行うことができる。
【発明の効果】
【0017】
本発明に係る接合方法によれば、金属部材同士の突合部を金属部材の表面側及び裏面側から摩擦撹拌を行うとともに金属部材の両側面間の気密性や水密性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【0018】
【図1】第一実施形態に係る接合方法を示した図であって、(a)は斜視図、(b)は(a)のN部分における拡大斜視図である。
【図2】第一実施形態に係る第一の準備工程を示した図であって(a)は、斜視図、(b)は、平面図である。
【図3】第一実施形態に係る(2)第一の準備工程を示した図であって(a)は、図2の(b)のI−I線断面図、(b)は、図2の(b)のII−II線断面図である。
【図4】第一実施形態に係る回転ツールを示した図であって、(a)は、仮接合用回転ツールの側面図、(b)は、本接合用回転ツールの側面図である。
【図5】第一実施形態に係る仮接合用回転ツールの使用状態を示した図であって、(a)は、仮接合用回転ツールを第二タブ材に当接させた図であって、(b)は、仮接合用回転ツールを第二タブ材に押し込んだ図である。
【図6】第一実施形態に係る第一の予備工程の第二タブ材接合工程、仮接合工程及び第一タブ材接合工程を示した平面図である。
【図7】第一実施形態に係る第一の本接合工程を図6のIII−III矢視方向で示した断面図であって、(a)は開始位置、(b)は中間部分、(c)は終了位置の摩擦撹拌接合を示した図である。
【図8】(a)は、第一実施形態に係る第二の準備工程の再設置工程後において、突合部J1から第一金属部材1a側を臨む断面図である。(b)は、第一実施形態に係る第二の準備工程の第一タブ材接合工程、仮接合工程及び第二タブ材接合工程を示した平面図である。
【図9】第一実施形態に係る第二の本接合工程を示した図8の(b)のIV−IV線断面図であって、(a)は開始位置、(b)は中間部分の摩擦撹拌接合を示した図である。
【図10】第一実施形態に係るタブ材切除工程後の被接合金属部材を示した斜視図である。
【図11】第一実施形態に係る第三の準備工程を示した斜視図である。
【図12】第一実施形態に係る第三の本接合工程を示した斜視図である。
【図13】第一実施形態に係る第三の本接合工程後を示した図12のV−V線断面図である。
【図14】(a)は、第一実施形態に係る第四の準備工程の再設置工程後において、突合部J1から第二金属部材1b側を臨む断面図である。(b)は、第一実施形態に係る第四の本接合工程を示した図であって、突合部J1から第二金属部材1b側を臨む断面図である。
【図15】第二実施形態に係る接合方法を示した図であって、(a)は、斜視図、(b)は、H部分における拡大斜視図である。
【図16】第三実施形態に係る接合方法を示した図であって、(a)は、斜視図、(b)は、I部分における拡大斜視図である。
【図17】従来の接合方法を示した斜視図である。
【図18】従来の接合方法を示した斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【0019】
[第一実施形態]
本発明に係る接合方法は、図1に示すように、第一金属部材1a及び第二金属部材1bを突き合わせてなる被接合金属部材1の外周4辺を摩擦撹拌により接合する際に、本接合用回転ツールGの回転方向及び進行方向のそれぞれを好適に設定することを特徴とするものである。
まず、本実施形態に係る接合方法の被接合金属部材1を詳細に説明するとともに、この被接合金属部材1を接合する際に用いられる第一タブ材と第二タブ材を詳細に説明する。
【0020】
被接合金属部材1は、図2に示すように、本実施形態では、断面視矩形の第一金属部材1a及び第二金属部材1bからなり、それぞれの端面を突き合わせることで突合部J1が形成されている。第一金属部材1a及び第二金属部材1bは、本実施形態では、同一組成の金属材料であって、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、マグネシウム合金など摩擦撹拌可能な金属材料からなる。第一金属部材1a及び第二金属部材1bの形状・寸法に特に制限はないが、少なくとも突合部J1における厚さ寸法を同一にすることが望ましい。
なお、図1に示すように、被接合金属部材1の表面を表面A、裏面を裏面B、一方の側面を第一側面C、他方の側面を第二側面Dとする。また、本実施形態における上下左右前後は、図1の矢印に従う。
【0021】
第一タブ材2および第二タブ材3は、図2の(a)及び(b)に示すように、被接合金属部材1の突合部J1を挟むように配置されるものであって、それぞれ被接合金属部材1に添設され、第一側面C及び第二側面Dに現れる第一金属部材1aと第二金属部材1bの継ぎ目(境界線)を覆い隠す。第一タブ材2及び第二タブ材3の材質に特に制限はないが、本実施形態では、被接合金属部材1と同一組成の金属材料で形成している。また、第一タブ材2及び第二タブ材3の形状・寸法にも特に制限はないが、本実施形態では、その厚さ寸法を突合部J1における被接合金属部材1の厚さ寸法と同一にしている。
【0022】
次に、図4を参照して、仮接合工程に用いる回転ツールF(以下、「仮接合用回転ツールF」という。)及び本接合工程に用いる回転ツールG(以下、「本接合用回転ツールG」という。)を詳細に説明する。
【0023】
図4の(a)に示す仮接合用回転ツールFは、工具鋼など被接合金属部材1よりも硬質の金属材料からなり、円柱状を呈するショルダ部F1と、このショルダ部F1の下端面F11に突設された撹拌ピン(プローブ)F2とを備えて構成されている。仮接合用回転ツールFの寸法・形状は、被接合金属部材1の材質や厚さ等に応じて設定すればよいが、少なくとも、後記する第一の本接合工程で用いる本接合用回転ツールG(図4の(b)参照)よりも小型にする。このようにすると、本接合よりも小さな負荷で仮接合を行うことが可能となるので、仮接合時に摩擦撹拌装置に掛かる負荷を低減することが可能となり、さらには、仮接合用回転ツールFの移動速度(送り速度)を本接合用回転ツールGの移動速度よりも高速にすることも可能になるので、仮接合に要する作業時間やコストを低減することが可能となる。
【0024】
ショルダ部F1の下端面F11は、塑性流動化した金属を押えて周囲への飛散を防止する役割を担う部位であり、本実施形態では、凹面状に成形されている。ショルダ部F1の外径X1の大きさに特に制限はないが、本実施形態では、本接合用回転ツールGのショルダ部G1の外径Y1よりも小さくなっている。
【0025】
撹拌ピンF2は、ショルダ部F1の下端面F11の中央から垂下しており、本実施形態では、先細りの円錐台状に成形されている。また、撹拌ピンF2の周面には、螺旋状に刻設された撹拌翼が形成されている。撹拌ピンF2の外径の大きさに特に制限はないが、本実施形態では、最大外径(上端径)X2が本接合用回転ツールGの撹拌ピンG2の最大外径(上端径)Y2よりも小さく、かつ、最小外径(下端径)X3が撹拌ピンG2の最小外径(下端径)Y3よりも小さい。撹拌ピンF2の長さL2は、本接合用回転ツールGの撹拌ピンG2の長さL1(図4の(b)参照)よりも小さくすることが望ましい。
【0026】
図4の(b)に示す本接合用回転ツールGは、工具鋼など被接合金属部材1よりも硬質の金属材料からなり、円柱状を呈するショルダ部G1と、このショルダ部G1の下端面G11に突設された撹拌ピン(プローブ)G2とを備えて構成されている。
【0027】
ショルダ部G1の下端面G11は、仮接合用回転ツールFと同様に、凹面状に成形されている。撹拌ピンG2は、ショルダ部G1の下端面G11の中央から垂下しており、本実施形態では、先細りの円錐台状に成形されている。また、撹拌ピンG2の周面には、螺旋状に刻設された撹拌翼が形成されている。
【0028】
以下、本実施形態に係る接合方法を詳細に説明する。本実施形態に係る接合方法は、(1)第一の準備工程、(2)第一の予備工程、(3)第一の本接合工程、(4)第二の準備工程、(5)第二の予備工程、(6)第二の本接合工程、(7)タブ材切除工程、(8)第三の準備工程、(9)第三の予備工程、(10)第三の本接合工程、(11)第四の準備工程、(12)第四の予備工程、(13)第四の本接合工程、(14)タブ材切除工程を含むものである。
【0029】
なお、図1に示すように、(2)第一の予備工程及び(3)第一の本接合工程は、表面A側から実行される工程であり、(5)第二の予備工程及び(6)第二の本接合工程は、裏面B側から実行される工程であり、(9)第三の予備工程及び(10)第三の本接合工程は、第一側面C側から実行される工程であり、(12)第四の予備工程及び(13)第四の本接合工程は、第二側面D側から実行される工程である。本実施形態では、仮接合用回転ツールF及び本接合用回転ツールGの回転方向は、全て右回転で行うものとする。このように、仮接合用回転ツールF及び本接合用回転ツールGの回転方向を統一することで、作業手間を省略することができる。
【0030】
(1)第一の準備工程
図2及び図3を参照して第一の準備工程を説明する。第一の準備工程は、第一及び第二の本接合工程における摩擦撹拌の開始位置や終了位置が設けられる当て部材(第一タブ材2及び第二タブ材3)を準備する工程である。第一の準備工程は、本実施形態では、第一金属部材1a及び第二金属部材1bを突き合せる(1-1)突合工程と、被接合金属部材1の突合部J1の両側に第一タブ材2と第二タブ材3を配置する(1-2)タブ材配置工程と、第一タブ材2と第二タブ材3を溶接により被接合金属部材1に仮接合する(1-3)溶接工程と、被接合金属部材1を図示せぬ摩擦撹拌装置の架台に設置する(1-4)設置工程と、を具備している。
【0031】
(1-1)突合工程
突合工程では、図2及び図3に示すように、第一金属部材1aの端面11aに第二金属部材1bの端面11bを密着させる。また、第一金属部材1aの表面12aと第二金属部材1bの表面12bを面一にし、さらに、第一金属部材1aの裏面13aと第二金属部材1bの裏面13bを面一にする。また、同様に、第一金属部材1aの第一側面14aと第二金属部材1bの第一側面14bを面一にし、第一金属部材1aの第二側面15aと第二金属部材1bの第二側面15bを面一にする。
【0032】
なお、表面Aは、第一金属部材1aの表面12aと第二金属部材1bの表面12bで形成され、裏面Bは、第一金属部材1aの裏面13aと第二金属部材1bの裏面13bで形成され、第一側面Cは、第一金属部材1aの第一側面14aと第二金属部材1bの第一側面14bで形成され、第二側面Dは、第一金属部材1aの第二側面15aと第二金属部材1bの第二側面15bで形成される。
【0033】
(1-2)タブ材配置工程
タブ材配置工程では、図2の(b)に示すように、突合部J1の第一側面C側に第一タブ材2を配置して、その当接面21を第一側面Cに当接させる。さらに、突合部J1の第二側面Dに第二タブ材3を配置して、その当接面31を第二側面Dに当接させる。このとき、図3の(b)に示すように、第一タブ材2の表面22と第二タブ材3の表面32を被接合金属部材1の表面Aと面一にするとともに、第一タブ材2の裏面23と第二タブ材3の裏面33を被接合金属部材1の裏面Bと面一にする。
【0034】
(1-3)溶接工程
溶接工程では、図2の(a)及び(b)に示すように、被接合金属部材1と第一タブ材2とにより形成された入隅部2a,2bを溶接して被接合金属部材1と第一タブ材2とを仮接合する。さらに、被接合金属部材1と第二タブ材3とにより形成された入隅部3a,3bを溶接して被接合金属部材1と第二タブ材3とを仮接合する。なお、入隅部2a,2b及び3a,3bの全長に亘って連続して溶接を施してもよいし、断続して溶接を施してもよい。
【0035】
(1-4)設置工程
設置工程では、第一タブ材2及び第二タブ材3が仮溶接された被接合金属部材1を図示せぬ摩擦撹拌装置の架台に載置し、例えばクランプを用いて移動不能に拘束する。本実施形態に係る前記摩擦撹拌装置は、被接合金属部材1の上方から摩擦撹拌を行うように設定される装置とする。
なお、第一の準備工程において、溶接工程を省略する場合には、図示せぬ摩擦撹拌装置の架台上で、突合工程とタブ材配置工程を実行してもよい。
【0036】
(2)第一の予備工程
第一の予備工程は、第一の本接合工程に先立って行われる工程であり、本実施形態では、表面A側において、被接合金属部材1と第二タブ材3との突合部J3を接合する(2-1)第二タブ材接合工程と、被接合金属部材1の突合部J1を仮接合する(2-2)仮接合工程と、被接合金属部材1と第一タブ材2との突合部J2を接合する(2-3)第一タブ材接合工程と、第一の本接合工程における摩擦撹拌の開始位置に下穴を形成する(2-4)下穴形成工程とを具備している。
【0037】
第一の予備工程では、図6に示すように、一の仮接合用回転ツールFを一筆書きの移動軌跡(ビード)を形成するように移動させて、突合部J3,J1,J2に対して連続して摩擦撹拌を行う。即ち、摩擦撹拌の開始位置SP1に挿入した仮接合用回転ツールFの撹拌ピンF2(図4の(a)参照)を途中で離脱させることなく終了位置EP1まで移動させる。なお、本実施形態では、第二タブ材3に摩擦撹拌の開始位置SP1を設け、第一タブ材2に終了位置EP1を設けているが、開始位置SP1と終了位置EP1の位置を限定する趣旨ではない。
【0038】
本実施形態の第一の予備工程における摩擦撹拌の手順を図5及び図6を参照してより詳細に説明する。
まず、図5の(a)に示すように、第二タブ材3の適所に設けた開始位置SP1の直上に仮接合用回転ツールFを位置させ、続いて、仮接合用回転ツールFを右回転させつつ下降させて撹拌ピンF2を開始位置SP1に押し付ける。仮接合用回転ツールFの回転速度は、撹拌ピンF2の寸法・形状、摩擦撹拌される被接合金属部材1等の材質や肉厚等に応じて設定されるものであるが、多くの場合、500〜2000(rpm)の範囲内において設定される。
【0039】
撹拌ピンF2が第二タブ材3の表面32に接触すると、摩擦熱によって撹拌ピンF2の周囲にある金属が塑性流動化し、図5の(b)に示すように、撹拌ピンF2が第二タブ材3に挿入される。
【0040】
撹拌ピンF2の全体が第二タブ材3に入り込み、かつ、ショルダ部F1の下端面F11の全面が第二タブ材3の表面32に接触したら、図6に示すように、仮接合用回転ツールFを回転させつつ第二タブ材接合工程の始点s2に向けて相対移動させる。
【0041】
仮接合用回転ツールFの移動速度(送り速度)は、撹拌ピンF2の寸法・形状、摩擦撹拌される被接合金属部材1等の材質や肉厚等に応じて設定されるものであるが、多くの場合、100〜1000(mm/分)の範囲内において設定される。仮接合用回転ツールFの移動時の回転速度は、挿入時の回転速度と同じか、それよりも低速にする。なお、仮接合用回転ツールFを移動させる際には、ショルダ部F1の軸線を鉛直線に対して進行方向の後ろ側へ僅かに傾斜させてもよいが、傾斜させずに鉛直にすると、仮接合用回転ツールFの方向転換が容易となり、複雑な動きが可能となる。仮接合用回転ツールFを移動させると、その撹拌ピンF2の周囲にある金属が順次塑性流動化するとともに、撹拌ピンF2から離れた位置では、塑性流動化していた金属が再び硬化する。
【0042】
仮接合用回転ツールFを相対移動させて第二タブ材接合工程の始点s2まで連続して摩擦撹拌を行ったら、始点s2で仮接合用回転ツールFを離脱させずにそのまま第二タブ材接合工程に移行する。
【0043】
(2-1)第二タブ材接合工程
第二タブ材接合工程では、第二タブ材3と被接合金属部材1との突合部J3に対して摩擦撹拌を行う。具体的には、被接合金属部材1と第二タブ材3の継ぎ目(境界線)上に摩擦撹拌のルートを設定し、当該ルートに沿って仮接合用回転ツールFを相対移動させることで、突合部J3に対して摩擦撹拌を行う。なお、本実施形態では、仮接合用回転ツールFを途中で離脱させることなく第一タブ材接合工程の始点s2から終点e2まで連続して摩擦撹拌を行う。
【0044】
なお、仮接合用回転ツールFを右回転させた場合には、仮接合用回転ツールFの進行方向の左側に微細な空洞欠陥が発生する虞があるので、仮接合用回転ツールFの進行方向の右側に被接合金属部材1が位置するように第二タブ材接合工程の始点s2と終点e2の位置を設定することが望ましい。このようにすると、被接合金属部材1側に空洞欠陥が発生し難くなるので、高品質の接合体を得ることが可能となる。
【0045】
ちなみに、仮接合用回転ツールFを左回転させた場合には、仮接合用回転ツールFの進行方向の右側に微細な空洞欠陥が発生する虞があるので、仮接合用回転ツールFの進行方向の左側に被接合金属部材1が位置するように第二タブ材接合工程の始点と終点の位置を設定することが望ましい。具体的には、図示は省略するが、仮接合用回転ツールFを右回転させた場合の終点e2の位置に始点を設け、仮接合用回転ツールFを右回転させた場合の始点s2の位置に終点を設ければよい。
【0046】
なお、仮接合用回転ツールFの撹拌ピンF2が突合部J3に入り込むと、被接合金属部材1と第二タブ材3を引き離そうとする力が作用するが、被接合金属部材1と第二タブ材3により形成された入隅部3a,3b(図2参照)を溶接により仮接合しているので、被接合金属部材1と第二タブ材3との間に目開きが発生することがない。
【0047】
(2-2)仮接合工程
仮接合用回転ツールFが第二タブ材接合工程の終点e2に達したら、終点e2で摩擦撹拌を終了させずに仮接合工程の始点s1まで連続して摩擦撹拌を行い、そのまま仮接合工程に移行する。即ち、第二タブ材接合工程の終点e2から仮接合工程の始点s1まで仮接合用回転ツールFを離脱させずに摩擦撹拌を継続し、さらに、始点s1で仮接合用回転ツールFを離脱させることなく仮接合工程に移行する。このようにすると、第二タブ材接合工程の終点e2での仮接合用回転ツールFの離脱作業が不要となり、さらに、仮接合工程の始点s1での仮接合用回転ツールFの挿入作業が不要となることから、予備的な接合作業の効率化・迅速化を図ることが可能となる。
【0048】
本実施形態では、第二タブ材接合工程の終点e2から仮接合工程の始点s1に至る摩擦撹拌のルートを第二タブ材3に設定し、仮接合用回転ツールFを第二タブ材接合工程の終点e2から仮接合工程の始点s1に移動させる際の移動軌跡を第二タブ材3に形成する。このようにすると、第二タブ材接合工程の終点e2から仮接合工程の始点s1に至る工程中において、被接合金属部材1に空洞欠陥が発生し難くなるので、高品質の接合体を得ることが可能となる。
【0049】
仮接合工程では、被接合金属部材1の突合部J1(図6参照)に対して摩擦撹拌を行う。具体的には、被接合金属部材1の継ぎ目(境界線)上に摩擦撹拌のルートを設定し、当該ルートに沿って仮接合用回転ツールFを相対移動させることで、突合部J1の全長に亘って連続して摩擦撹拌を行う。なお、本実施形態では、仮接合用回転ツールFを途中で離脱させることなく仮接合工程の始点s1から終点e1まで連続して摩擦撹拌を行う。
【0050】
仮接合用回転ツールFが仮接合工程の終点e1に達したら、終点e1で摩擦撹拌を終了させずに第一タブ材接合工程の始点s3まで連続して摩擦撹拌を行い、そのまま第一タブ材接合工程に移行する。即ち、仮接合工程の終点e1から第一タブ材接合工程の始点s3まで仮接合用回転ツールFを離脱させずに摩擦撹拌を継続し、さらに、始点s3で仮接合用回転ツールFを離脱させることなく第一タブ材接合工程に移行する。
【0051】
本実施形態では、仮接合工程の終点e1から第一タブ材接合工程の始点s3に至る摩擦撹拌のルートを第一タブ材2に設定し、仮接合用回転ツールFを仮接合工程の終点e1から第一タブ材接合工程の始点s3に移動させる際の移動軌跡を第一タブ材2に形成する。このようにすると、仮接合工程の終点e1から第一タブ材接合工程の始点s3に至る工程中において、被接合金属部材1に空洞欠陥が発生し難くなるので、高品質の接合体を得ることが可能となる。
【0052】
(2-3)第一タブ材接合工程
第一タブ材接合工程では、被接合金属部材1と第一タブ材2との突合部J2に対して摩擦撹拌を行う。具体的には、被接合金属部材1と第一タブ材2の継ぎ目(境界線)上に摩擦撹拌のルートを設定し、当該ルートに沿って仮接合用回転ツールFを相対移動させることで、突合部J2に対して摩擦撹拌を行う。なお、本実施形態では、仮接合用回転ツールFを途中で離脱させることなく第一タブ材接合工程の始点s3から終点e3まで連続して摩擦撹拌を行う。
【0053】
なお、仮接合用回転ツールFを右回転させているので、仮接合用回転ツールFの進行方向の右側に被接合金属部材1が位置するように第一タブ材接合工程の始点s3と終点e3の位置を設定する。このようにすると、被接合金属部材1側に空洞欠陥が発生し難くなるので、高品質の接合体を得ることが可能となる。ちなみに、仮接合用回転ツールFを左回転させた場合には、仮接合用回転ツールFの進行方向の左側に被接合金属部材1が位置するように第一タブ材接合工程の始点と終点の位置を設定することが望ましい。具体的には、図示は省略するが、仮接合用回転ツールFを右回転させた場合の終点e3の位置に始点を設け、仮接合用回転ツールFを右回転させた場合の始点s3の位置に終点を設ければよい。
【0054】
なお、仮接合用回転ツールFの撹拌ピンF2が突合部J2に入り込むと、被接合金属部材1と第一タブ材2を引き離そうとする力が作用するが、被接合金属部材1と第一タブ材2の入隅部2a,2b(図2参照)を溶接により仮接合しているので、被接合金属部材1と第一タブ材2との間に目開きが発生することがない。
【0055】
仮接合用回転ツールFが第一タブ材接合工程の終点e3に達したら、終点e3で摩擦撹拌を終了させずに、第一タブ材2に設けた終了位置EP1まで連続して摩擦撹拌を行う。なお、本実施形態では、被接合金属部材1の表面A側に現れる継ぎ目(境界線)の延長線上に終了位置EP1を設けている。ちなみに、終了位置EP1は、後記する第一の本接合工程における摩擦撹拌の開始位置SM1でもある。
【0056】
仮接合用回転ツールFが終了位置EP1に達したら、仮接合用回転ツールFを回転させつつ上昇させて撹拌ピンF2を終了位置EP1から離脱させる。
【0057】
(2-4)下穴形成工程
続いて、下穴形成工程を実行する。下穴形成工程は、図4の(b)に示すように、第一の本接合工程における摩擦撹拌の開始位置に下穴P1を形成する工程である。第一の予備工程に係る下穴形成工程においては、第一タブ材2の表面22に設定された開始位置SM1に下穴P1を形成する。
【0058】
下穴P1は、本接合用回転ツールGの撹拌ピンG2の挿入抵抗(圧入抵抗)を低減する目的で設けられるものであり、本実施形態では、仮接合用回転ツールFの撹拌ピンF2(図4の(a)参照)を離脱させたときに形成される抜き穴H1を図示せぬドリルなどで拡径することで形成される。抜き穴H1を利用すれば、下穴P1の形成工程を簡略化することが可能となるので、作業時間を短縮することが可能となる。下穴P1の形態に特に制限はないが、本実施形態では、円筒状としている。なお、本実施形態では、第一タブ材2に下穴P1を形成しているが、下穴P1の位置に特に制限はなく、第二タブ材3に形成してもよいし、突合部J2,J3に形成してもよいが、好適には、本実施形態の如く被接合金属部材1の表面A側に現れる被接合金属部材1の継ぎ目(境界線)の延長線上に形成することが望ましい。
【0059】
なお、本実施形態では、仮接合用回転ツールFの撹拌ピンF2(図4の(a)参照)の抜き穴H1を拡径して下穴P1とする場合を例示したが、撹拌ピンF2の最大外径X2が本接合用回転ツールGの撹拌ピンG2の最小外径Y3よりも大きく、かつ、撹拌ピンF2の最大外径X2が撹拌ピンG2の最大外径Y2よりも小さい(Y3<X2<Y2)場合などにおいては、撹拌ピンF2の抜き穴H1をそのまま下穴P1としてもよい。
【0060】
(3)第一の本接合工程
第一の本接合工程は、被接合金属部材1の表面A側における突合部J1を本格的に接合する工程である。本実施形態に係る第一の本接合工程では、図4の(b)に示す本接合用回転ツールGを使用し、仮接合された状態の突合部J1に対して被接合金属部材1の表面A側から摩擦撹拌を行う。
【0061】
第一の本接合工程では、図7の(a)〜(c)に示すように、開始位置SM1に形成した下穴P1に本接合用回転ツールGの撹拌ピンG2を挿入(圧入)し、挿入した撹拌ピンG2を途中で離脱させることなく終了位置EM1まで移動させる。即ち、第一の本接合工程では、下穴P1から摩擦撹拌を開始し、終了位置EM1まで連続して摩擦撹拌を行う。
【0062】
ここで、第一の予備工程を終了した時点では、仮接合用回転ツールFを備えた摩擦撹拌装置は、第一タブ材2の終了位置EP1の直上(図6参照)に位置しているため、第一の本接合工程の開始位置をSM1にすると、本接合用回転ツールGを備えた摩擦撹拌装置を移動させることなく第一の本接合工程を行うことができ、作業を省略できる。
なお、本実施形態では、第一タブ材2に摩擦撹拌の開始位置SM1を設け、第二タブ材3に終了位置EM1を設けているが、開始位置SM1と終了位置EM1の位置を限定する趣旨ではない。
【0063】
図7の(a)〜(c)を参照して第一の本接合工程をより詳細に説明する。
まず、図7の(a)に示すように、下穴P1(開始位置SM1)の直上に本接合用回転ツールGを位置させ、続いて、本接合用回転ツールGを右回転させつつ下降させて撹拌ピンG2の先端を下穴P1に挿入する。撹拌ピンG2を下穴P1に入り込ませると、撹拌ピンG2の周面(側面)が下穴P1の穴壁に当接し、穴壁から金属が塑性流動化する。このような状態になると、塑性流動化した金属を撹拌ピンG2の周面で押し退けながら、撹拌ピンG2が圧入されることになるので、圧入初期段階における圧入抵抗を低減することが可能となり、また、本接合用回転ツールGのショルダ部G1が第一タブ材2の表面22に当接する前に撹拌ピンG2が下穴P1の穴壁に当接して摩擦熱が発生するので、塑性流動化するまでの時間を短縮することが可能となる。つまり、摩擦撹拌装置の負荷を低減することが可能となり、加えて、本接合工程に要する作業時間を短縮することが可能となる。
【0064】
撹拌ピンG2の全体が第一タブ材2に入り込み、かつ、ショルダ部G1の下端面G11の全面が第一タブ材2の表面22に接触したら、図7の(b)に示すように、摩擦撹拌を行いながら被接合金属部材1の突合部J1の一端に向けて本接合用回転ツールGを相対移動させ、さらに、突合部J2を横切らせて突合部J1に突入させる。本接合用回転ツールGを移動させると、その撹拌ピンG2の周囲にある金属が順次塑性流動化するとともに、撹拌ピンG2から離れた位置では、塑性流動化していた金属が再び硬化して塑性化領域(以下、「表面側塑性化領域W1」という。)が形成される。
【0065】
本接合用回転ツールGの移動速度(送り速度)は、撹拌ピンG2の寸法・形状、摩擦撹拌される被接合金属部材1等の材質や肉厚等に応じて設定されるものであるが、多くの場合、30〜300(mm/分)の範囲内において設定される。
【0066】
被接合金属部材1への入熱量が過大になる虞がある場合には、本接合用回転ツールGの周囲に表面A側から水を供給するなどして冷却することが望ましい。なお、第一金属部材1a及び第二金属部材1b間に冷却水が入り込むと、接合面(端面11a,11b、図2の(b)参照)に酸化皮膜を発生させる虞があるが、本実施形態においては、仮接合工程を実行して被接合金属部材1間の目地を閉塞しているので、被接合金属部材1間に冷却水が入り込み難く、接合部の品質を劣化させる虞がない。
【0067】
被接合金属部材1の突合部J1では、被接合金属部材1の継ぎ目上(仮接合工程における移動軌跡上)に摩擦撹拌のルートを設定し、当該ルートに沿って本接合用回転ツールGを相対移動させることで、突合部J1の一端から他端まで連続して摩擦撹拌を行う。突合部J1の他端まで本接合用回転ツールGを相対移動させたら、摩擦撹拌を行いながら突合部J3を横切らせ、そのまま終了位置EM1に向けて相対移動させる。
【0068】
なお、本実施形態では、被接合金属部材1の表面A側に現れる被接合金属部材1の継ぎ目(境界線)の延長線上に摩擦撹拌の開始位置SM1を設定しているので、第一の本接合工程における摩擦撹拌のルートが一直線にすることができる。摩擦撹拌のルートを一直線にすると、本接合用回転ツールGの移動距離を最小限に抑えることができるので、第一の本接合工程を効率よく行うことが可能となり、さらには、本接合用回転ツールGの磨耗量を低減することが可能となる。
【0069】
本接合用回転ツールGが終了位置EM1に達したら、図7の(c)に示すように、本接合用回転ツールGを回転させつつ上昇させて撹拌ピンG2を終了位置EM1(図7の(b)参照)から離脱させる。なお、終了位置EM1において撹拌ピンG2を上方に離脱させると、撹拌ピンG2と略同形の抜き穴Q1が不可避的に形成されることになるが、本実施形態では、そのまま残置する。
【0070】
本接合用回転ツールGの撹拌ピンG2を終了位置EM1から離脱させる際の本接合用回転ツールGの回転速度(離脱時の回転速度)は、移動時の回転速度よりも高速にすることが望ましい。このようにすると、離脱時の回転速度を移動時の回転速度と同じにした場合に比べて、撹拌ピンG2の離脱抵抗が小さくなるので、終了位置EM1における撹拌ピンG2の離脱作業を迅速に行うことが可能となる。
【0071】
なお、本実施形態においては、第一の本接合工程の前に、第一の予備工程を行ったが、第一の予備工程を省略して、第一の準備工程の直後に第一の本接合工程を行ってもよい。
【0072】
(4)第二の準備工程
第二の準備工程は、第二の予備工程に先だって行われる準備工程である。本実施形態では、被接合金属部材1の裏面B側を上方に向けて、図示しない摩擦撹拌装置に再度設置する再設置工程を具備するものである。
【0073】
(4-1)再設置工程
再設置工程では、第一の本接合工程を終えた被接合金属部材1の拘束を解いた後、被接合金属部材1の表裏を逆にして、裏面B側を上方に向け、摩擦撹拌装置の架台に再度設置する。本実施形態では、図1に示す前後軸回りに被接合金属部材1を半回転させて、被接合金属部材1の表裏を逆にする。
ここで、図8の(a)は、第一実施形態に係る第二の準備工程の再設置工程後において、突合部J1から第一金属部材1a側を臨む断面図である。図8の(a)に示すように、再設置工程では、被接合金属部材1の上面が裏面Bとなるとともに、突合部J1側から第一金属部材1aを臨むと、被接合金属部材1の左側に第一タブ材2、右側に第二タブ材3が位置する。
なお、摩擦撹拌装置の形態によっては、被接合金属部材1の拘束を解かずに表裏を回転させてもよい。
【0074】
(5)第二の予備工程
第二の予備工程は、第二の本接合工程に先だって行われる工程であり、裏面B側において、被接合金属部材1と第一タブ材2との突合部J2を接合する(5-1)第一タブ材接合工程と、被接合金属部材1の突合部J1を仮接合する(5-2)仮接合工程と、被接合金属部材1と第二タブ材3との突合部J3を接合する(5-3)第二タブ材接合工程と、第二の本接合工程における摩擦撹拌の開始位置に下穴を形成する(5-4)下穴形成工程とを具備している。なお、(5-1)第一タブ材接合工程、(5-2)仮接合工程及び(5-3)第二タブ材接合工程においては、仮接合用回転ツールFを用いる。
【0075】
(5-1)第一タブ材接合工程、(5-2)仮接合工程及び(5-3)第二タブ材接合工程
(5-1)第一タブ材接合工程、(5-2)仮接合工程及び(5-3)第二タブ材接合工程は、前記した第一の予備工程に係る(2-3)第一タブ材接合工程、(2-2)仮接合工程及び(2-1)第二タブ材接合工程と略同等の工程である。図8の(b)に示すように、一の仮接合用回転ツールFを一筆書きの移動軌跡(ビード)を形成するように移動させて、突合部J2,J1,J3の順で連続して摩擦撹拌を行う。即ち、摩擦撹拌の開始位置SP2に挿入した仮接合用回転ツールFの撹拌ピンF2(図4の(a)参照)を途中で離脱させることなく終了位置EP2まで移動させ、(5-1)第一タブ材接合工程、(5-2)仮接合工程及び(5-3)第二タブ材接合工程、を連続して実行する。なお、終了位置EP2は、後に行う第二の本接合工程の開始位置SM2となる。
【0076】
ここで、第一の予備工程では、図6に示すように、第二タブ材3側から、(2-1)第二タブ材接合工程、(2-2)仮接合工程及び(2-3)第一タブ材接合工程を順次行った。一方、第二の予備工程では、突合部J1から金属部材1a側を臨むと、第一タブ材2が被接合金属部材1の左側に位置するとともに、第一の本接合工程を終えた時点で、本接合用回転ツールGを備えた摩擦撹拌装置が第一タブ材2の上方に位置しているため、第一タブ材2側から(5-1)第一タブ材接合工程、(5-2)仮接合工程及び(5-3)第二タブ材接合工程を順次行う。このようにすると、仮接合用回転ツールFを備えた摩擦撹拌装置の移動距離が小さくて済むため、作業を省力できる。
なお、(5-1)第一タブ材接合工程、(5-2)仮接合工程及び(5-3)第二タブ材接合工程の詳細な説明は、第一予備工程と略同等であるため省略する。
【0077】
(5-4)下穴形成工程
下穴形成工程は、図9の(a)に示すように、第二の本接合工程における摩擦撹拌の開始位置SM2に下穴P2を形成する工程である。即ち、下穴形成工程は、本接合用回転ツールGの撹拌ピンG2の挿入予定位置に下穴P2を形成する工程である。これにより、本接合用回転ツールGの撹拌ピンG2の挿入抵抗(圧入抵抗)を低減することができる。
なお、(5-4)下穴形成工程は、第一の予備工程に係る(2-4)下穴形成工程と略同等であるため、詳細な説明は省略する。
【0078】
(6)第二の本接合工程
第二の本接合工程は、被接合金属部材1の裏面B側における突合部J1を本格的に接合する工程である。本実施形態に係る第二の本接合工程では、本接合用回転ツールGを使用し、仮接合された状態の突合部J2に対して被接合金属部材1の裏面B側から摩擦撹拌を行う。
【0079】
第二の本接合工程は、図9の(a)及び(b)に示すように、第二タブ材3の裏面33に設定された開始位置SM2に本接合用回転ツールGの撹拌ピンG2を挿入(圧入)し、挿入した撹拌ピンG2を途中で離脱させることなく終了位置EM2まで移動させる。第二の本接合工程では、下穴P2から摩擦撹拌を開始し、終了位置EM2まで連続して摩擦撹拌を行う。即ち、第二の本接合工程の開始位置SM2は、第一の本接合工程の終了位置EM1側の上方に位置する。本接合用回転ツールGを移動させると、その撹拌ピンG2の周囲にある金属が順次塑性流動化するとともに、撹拌ピンG2から離れた位置では、塑性流動化していた金属が再び硬化して塑性化領域(以下、「裏面側塑性化領域W2」という。)が形成される。
【0080】
ここで、第二の予備工程を終了した時点では、仮接合用回転ツールFを備えた摩擦撹拌装置は、第二タブ材3の終了位置EP2の直上(図8の(b)参照)に位置しているため、第二の本接合工程の開始位置SM2を第二タブ材3の上方に設定すると、本接合用回転ツールGを備えた摩擦撹拌装置を移動させることなく第一の本接合工程を行うことができ、作業を省略できる。
第二の本接合工程については、第一の本接合工程と略同等であるため、詳細な説明は省略する。なお、本実施形態においては、第二の予備工程を行ったが、第二の予備工程を省略して、第一の本接合工程の直後に第二の本接合工程を行ってもよい。
【0081】
(7)タブ材切除工程
タブ材切除工程では、第一タブ材2及び第二タブ材3を被接合金属部材1から切除する。本実施形態では、第二の本接合工程を終えた被接合金属部材1を摩擦撹拌装置の架台から一旦外し、図示しない切削器具を用いて突合部J2,J3に沿って第一タブ材2及び第二タブ材3を切除する。この際、被接合金属部材1の表面A及び裏面Bに形成されているバリを除去することが好ましい。これにより、後記する(8-1)タブ材配置工程を行う際に、被接合金属部材1に第一タブ材2及び第二タブ材3を密着させることができる。
【0082】
図10は、タブ材切除工程を行った後の被接合金属部材1を示した斜視図である。図10に示すように、表面側塑性化領域W1及び裏面側塑性化領域W2は、第一側面C側から第二側面D側に亘って連続して形成されている。一方、表面側塑性化領域W1と裏面側塑性化領域W2との間には、第一側面C側から第二側面D側に亘って連続する微細な隙間(未接合部)が形成されている。
ここで、表面側塑性化領域W1及び裏面側塑性化領域W2には、本接合用回転ツールGの進行方向(矢印V1,V2参照)左側、即ち、第二金属部材1bに、第一側面C側から第二側面D側に亘って連続する空洞欠陥R1,R2が発生しているものとする。
【0083】
(8)第三の準備工程
第三の準備工程は、第一側面C側の摩擦撹拌接合を行う際に、被接合金属部材1の摩擦撹拌の開始位置や終了位置が設けられる当て部材(第一タブ材2’及び第二タブ材3’)を準備する工程である。第三の準備工程は、本実施形態では、被接合金属部材1の突合部J1の両側に第一タブ材2’と第二タブ材3’を配置する(8-1)タブ材配置工程と、第一タブ材2’と第二タブ材3’を溶接により被接合金属部材1に仮接合する(8-2)溶接工程と、被接合金属部材1の第一側面Cが上面を向くように図示せぬ摩擦撹拌装置の架台に設置する(8-3)再設置工程と、を具備するものである。
【0084】
(8-1)タブ材配置工程
タブ材配置工程では、図11に示すように、第二の本接合工程を終えた被接合金属部材1において、突合部J1を覆うように表面Aに第二タブ材3’を配置して、その当接面31’を表面Aに当接させる。さらに、突合部J1を覆うように裏面B側に第一タブ材2’を配置して、その当接面21’を裏面Bに当接させる。このとき、(1-2)タブ材配置工程と同様に、第一タブ材2’と第二タブ材3’の表面及び裏面と第一側面C及び第二側面Dとを面一にする。
【0085】
(8-2)溶接工程
溶接工程では、図11に示すように、被接合金属部材1と第一タブ材2’とにより形成された入隅部2a’,2b’を溶接して被接合金属部材1と第一タブ材2’とを接合する。さらに、被接合金属部材1と第二タブ材3’とにより形成された入隅部3a’,3b’を溶接して被接合金属部材1と第二タブ材3’とを接合する。
【0086】
(8-3)再設置工程
再設置工程では、図11に示すように、溶接工程を終えた被接合金属部材1の第一側面Cを上面に向けるとともに、突合部J1から第一金属部材1aを臨むと左側に第二タブ材3’が位置するように、被接合金属部材1を図示せぬ摩擦撹拌装置の架台に拘束させて再度設置する。
(9)第三の予備工程
第三の予備工程は、第三の本接合工程に先だって、摩擦撹拌接合の開始位置に下穴を形成する(9-1)下穴形成工程を具備している。
【0087】
(9-1)下穴形成工程
下穴形成工程は、図11に示すように、第三の本接合工程における摩擦撹拌の開始位置SM3に下穴P3を形成する工程である。即ち、下穴形成工程は、前記した下穴形成工程と同様に、本接合用回転ツールGの撹拌ピンG2の挿入予定位置に下穴P3を形成する工程である。これにより、本接合用回転ツールGの撹拌ピンG2の挿入抵抗(圧入抵抗)を低減することができる。(9-1)下穴形成工程は、第一の予備工程に係る(2-4)下穴形成工程と略同等であるため、詳細な説明は省略する。
【0088】
(10)第三の本接合工程
第三の本接合工程は、被接合金属部材1の第一側面C側における突合部J1を接合する工程である。本実施形態に係る第三の本接合工程では、図12に示すように、本接合用回転ツールGを使用し、第二タブ材3’の表面32’に形成された下穴P3に本接合用回転ツールGの撹拌ピンG2を挿入(圧入)し、挿入した撹拌ピンG2を途中で離脱させることなく終了位置EM3まで移動させる(進行方向V3参照)。即ち、第三の本接合工程の開始位置SM3は、第一の本接合工程の開始位置側(進行方向V1参照)に位置する。
【0089】
本接合用回転ツールGを移動させると、その撹拌ピンG2の周囲にある金属が順次塑性流動化するとともに、撹拌ピンG2から離れた位置では、塑性流動化していた金属が再び硬化して塑性化領域(以下、「第一側面側塑性化領域W3」という。)が形成される。終了位置EM3まで摩擦撹拌を行うと、図13に示すように、第一タブ材2’の表面には抜き穴Q3が形成されるが、本実施形態では存置する。
【0090】
ここで、第二の本接合工程を終了した時点では、図9の(b)に示すように、仮接合用回転ツールFを備えた摩擦撹拌装置は、第一タブ材2の上方に位置している。そのため、図12に示すように、第三の本接合工程の開始位置を第二タブ材3’の上方に設定すると、本接合用回転ツールGを備えた摩擦撹拌装置を移動させることなく第三の本接合工程を行うことができ、作業を省略できる。第三の本接合工程の詳細な説明は、第一の本接合工程と略同等であるため省略する。
【0091】
図13に示すように、第三の本接合工程を行うと、表面側塑性化領域W1及び裏面側塑性化領域W2の第一側面C側の一部と、第一側面側塑性化領域W3とが重複する。即ち、表面側塑性化領域W1及び裏面側塑性化領域W2の一部が再度摩擦撹拌されることにより、第一側面C側の空洞欠陥R1及び空洞欠陥R2の少なくとも一部が第一側面側塑性化領域W3によって分断される。これにより、空洞欠陥R1及び空洞欠陥R2に、充填部S1,S2がそれぞれ形成される。
【0092】
なお、本実施形態においては、第三の本接合工程を行う前に、第三の準備工程及び第三の予備工程を行ったが、第三の準備工程及び第三の予備工程(但し、再設置工程を除く)を省略して、第二の本接合工程の直後に第三の本接合工程を行ってもよい。
また、第三の本接合工程の前に、前記した第一タブ材接合工程、仮接合工程、第二タブ材接合工程を行ってもよい。
【0093】
(11)第四の準備工程
第四の準備工程は、第四の本接合工程に先だって行われる工程であり、本実施形態では、被接合金属部材1の第二側面D側を上方に向けて、図示しないクランプに再度設置する(11-1)再設置工程を具備するものである。
【0094】
(11-1)再設置工程
再設置工程では、第三の本接合工程を終えた被接合金属部材1の拘束を解いた後、被接合金属部材1の表裏を逆にして、第二側面D側を上方に向け、図示せぬ摩擦撹拌装置の架台に再度設置する。本実施形態では、図12に示す左右軸回りに被接合金属部材1を半回転させて被接合金属部材1の表裏を逆にする。これにより図14に示すように、被接合金属部材1の上面が第二側面Dとなるとともに、突合部J1から第二金属部材1bを臨むと右側に第一タブ材2’が位置する。
なお、摩擦撹拌装置によっては、被接合金属部材1の拘束を解かずに表裏を回転させてもよい。
(12)第四の予備工程
第二の予備工程は、第四の本接合工程に先だって行われる工程であり、第二側面D側において、第四の本接合工程における摩擦撹拌の開始位置に下穴を形成する(12-1)下穴形成工程を具備している。
【0095】
(12-1)下穴形成工程
下穴形成工程は、図14(a)に示すように、第四の本接合工程における摩擦撹拌の開始位置SM4に下穴P4を形成する工程である。これにより、本接合用回転ツールGの撹拌ピンG2の挿入抵抗(圧入抵抗)を低減することができる。
なお、(12-1)下穴形成工程は、第一の予備工程に係る(2-4)下穴形成工程と略同等であるため、詳細な説明は省略する。
【0096】
(13)第四の本接合工程
第四の本接合工程は、被接合金属部材1の第二側面Dにおける突合部J1を接合する工程である。本実施形態に係る第四の本接合工程では、本接合用回転ツールGを使用し、被接合金属部材1の第二側面D側から摩擦撹拌接合を行う。
【0097】
第四の本接合工程は、図14の(a)に示すように、第一タブ材2’に設けられた開始位置SM4に本接合用回転ツールGの撹拌ピンG2を挿入(圧入)し、挿入した撹拌ピンG2を途中で離脱させることなく終了位置EM4まで移動させる。第四の本接合工程では、下穴P4から摩擦撹拌を開始し、終了位置EM4まで連続して摩擦撹拌を行う。即ち、第四の本接合工程の開始位置SM4は、第二の本接合工程の開始位置側(進行方向V2参照)に位置する。本接合用回転ツールGを移動させると、図14の(b)に示すように、その撹拌ピンG2の周囲にある金属が順次塑性流動化するとともに、撹拌ピンG2から離れた位置では、塑性流動化していた金属が再び硬化して塑性化領域(以下、「第二側面側塑性化領域W4」という。)が形成される。
【0098】
第三の本接合工程を終了した時点では、図13に示すように、本接合用回転ツールGを備えた摩擦撹拌装置は、第一タブ材2’の上方に位置する。そして、(11-1)再設置工程後において左右軸で半回転させたことにより、当該摩擦撹拌装置はなお、第一タブ材2’の上方に位置する。そのため、第四の本接合工程の開始位置を第一タブ材2’の上方に設定すると、本接合用回転ツールGを備えた摩擦撹拌装置を移動させることなく第四の本接合工程を行うことができ、作業を省略化できる。
【0099】
ここで、第四の本接合工程を行うと、図14の(b)に示すように、表面側塑性化領域W1及び裏面側塑性化領域W2の第二側面D側の一部と、第二側面側塑性化領域W4とが重複する。即ち、表面側塑性化領域W1及び裏面側塑性化領域W2の一部が再度摩擦撹拌されることにより、第二側面D側の空洞欠陥R1及び空洞欠陥R2の少なくとも一部が第二側面側塑性化領域W4によって分断される。これにより、空洞欠陥R1及び空洞欠陥R2に、充填部S3,S4がそれぞれ形成される。
【0100】
なお、第四の本接合工程を行う前に、(12-1)下穴形成工程を省略して、第三の本接合工程の直後に第四の本接合工程を行ってもよい。また、第四の本接合工程の前に、前記した第一タブ材接合工程、仮接合工程、第二タブ材接合工程を行ってもよい。
【0101】
(14)タブ材切除工程
タブ材切除工程では、第四の本接合工程を終了した後に、第一タブ材2’及び第二タブ材3’を被接合金属部材1から切除する(図1参照)。この際、被接合金属部材1の第一側面C及び第二側面Dで発生したバリを除去することが好ましい。
【0102】
以上説明した本実施形態に係る接合方法によれば、図1に示すように、第一金属部材1a及び第二金属部材1bが肉厚であったとしても、第一側面C及び第二側面Dに摩擦撹拌接合を行うことで、第一側面Cから第二側面Dに連続する隙間(図18の隙間119参照)を埋めることができる。
【0103】
また、本接合用回転ツールGの回転方向及び進行方向を前記したように設定した場合、表面側塑性化領域W1及び裏面側塑性化領域W2に、第一側面Cから第二側面Dに亘って連続する空洞欠陥R1,R2が形成されたとしても、第三の本接合工程における開始位置SM3を第一の本接合工程の開始位置SM1側、第四の本接合工程における開始位置SM4を第二の本接合工程における開始位置SM2側に設定して摩擦撹拌接合をすることで、空洞欠陥R1,R2をそれぞれ分断する充填部S1乃至S4を形成することができる。
【0104】
即ち、本実施形態では、本接合用回転ツールGの回転方向は全て右回転に設定しているため、空洞欠陥Rは表面側塑性化領域W1及び裏面側塑性化領域W2の進行方向左側にできる可能性が高く、進行方向右側は比較的高密度の塑性化領域が形成される。このような摩擦撹拌接合の特性を利用して、図1の(a)及び(b)に示すように、空洞欠陥R1,R2が第二金属部材1bに形成される可能性が高い場合は、第三の本接合工程及び第四の本接合工程の本接合用回転ツールGの開始位置を前記したように設定することで、空洞欠陥R1,R2の両端を比較的密度の高い塑性化領域で分断することができる。これにより、第一側面Cと第二側面D間における水密性及び気密性がより高い被接合金属部材1を製造することができる。
【0105】
ここで、本接合用回転ツールGが突合部J2,J3を横切る際に、塑性化領域W1乃至W4に酸化皮膜が形成される可能性がある。例えば、図7の(b)を参照するように、被接合金属部材1から第二タブ材3に向かって摩擦撹拌接合を行う際、突合部J3を横切る際に、被接合金属部材1と第一タブ材2との間に形成されていた酸化皮膜が表面側塑性化領域W1側に巻き込まれる。酸化皮膜は、本接合用回転ツールGが右回転であれば、表面側塑性化領域W1の進行方向右側に、左回転であれば、表面側塑性化領域W1の進行方向左側に形成される可能性が高い。
しかし、本実施形態によれば、塑性化領域W1乃至W4の両端部を重複させているため、酸化皮膜を分断し、高品質な製品を製造することができる。
【0106】
なお、本実施形態では前記したように第二タブ材接合工程、仮接合工程、第一タブ材接合工程を行ったが、これに限定するものではない。例えば、必ずしも一筆書きの要領でなく、各工程ごと断続的に摩擦撹拌を行ってもよい。また、本実施形態では、一対のタブ材を用いて仮接合工程及び本接合工程を行ったが、タブ材を用いずに摩擦撹拌接合を行ってもよい。また、本実施形態では、第一の予備工程の直後に第一の本接合工程を行ったが、第一の予備工程の直後に、第二の予備工程を行った後、第一の本接合工程及び第二の本接合工程を連続して行ってもよい。
【0107】
前記したように本発明は、被接合金属部材1の外周4辺を摩擦撹拌により接合する際に、本接合用回転ツールGの回転方向及び進行方向のそれぞれを好適に設定することを特徴とするものである。即ち、摩擦撹拌接合を行う際に、空洞欠陥Rの発生する可能性の高い位置を勘案して本接合用回転ツールGの回転方向及び進行方向を設定するのが好ましい。第一実施形態においては、本接合用回転ツールGを全て右回転させた場合について説明したが、これに限定されるものではなく、本接合用回転ツールGの回転方向及び進行方向によって様々な接合のバリエーションが考えられる。
【0108】
[第二実施形態]
例えば、第一実施形態においては、本接合用回転ツールGの回転方向は、全て右回転で設定したが、第二実施形態のように全て左回転で設定してもよい。
図15に示すように、本接合用回転ツールGの回転方向を左方向に設定し、被接合金属部材1の表面Aを進行方向V1で第一の本接合工程を行った場合、第二の本接合工程は、第一の本接合工程の終了位置側から開始位置側(進行方向V2)に向かって摩擦撹拌接合を行う。この際、本接合用回転ツールGは左回転であるため、空洞欠陥Rは、表面側塑性化領域W1及び裏面側塑性化領域W2の進行方向右側にできる可能性が高く、進行方向左側は比較的高密度の塑性化領域が形成される。即ち、この場合、第一金属部材1aに空洞欠陥R1,R2が形成されやすい。
【0109】
したがって、第三の本接合工程は、第一の接合工程の開始位置側から進行方向V3で摩擦撹拌接合を行う。そして、第四の本接合工程は、第二の接合工程の開始位置側から進行方向V4で摩擦撹拌接合を行う。かかる第三の本接合工程及び第四の本接合工程によれば、空洞欠陥R1,R2の両端が再度摩擦撹拌され、比較的密度の高い塑性化領域で分断される。これにより、充填部S1乃至S4が形成されるため、第一側面Cと第二側面D間の気密性及び水密性をより高めることができる。
【0110】
即ち、第一実施形態及び第二実施形態に示すように、本接合用回転ツールGの回転方向が全て同方向の場合、第二の本接合工程における摩擦撹拌の開始位置は、第一の本接合工程における摩擦撹拌の終了位置側に設定するとともに、第三の本接合工程における摩擦撹拌の開始位置は、第一の本接合工程における摩擦撹拌の開始位置側及び第二の本接合工程における摩擦撹拌の開始位置側のいずれか一方に設定し、第四の本接合工程における摩擦撹拌の開始位置は、第一の本接合工程における摩擦撹拌の開始位置側及び第二の本接合工程における摩擦撹拌の開始位置側のいずれか他方に設定すればよい。
【0111】
[第三実施形態]
また、例えば、図16に示す第三実施形態に係る接合方法は、本接合用回転ツールGの回転方向が同方向ではない点で第一実施形態と相違する。
【0112】
第三の実施形態に係る接合方法は、第一の本接合工程において、本接合用回転ツールGの回転方向を左回転に設定し、第一側面C側から第二側面D側(進行方向V1’参照)に向けて摩擦撹拌接合を行う。
一方、第二の本接合工程は、本接合用回転ツールGの回転方向を右回転に設定するとともに、摩擦撹拌接合の開始位置を第一の本接合工程の開始位置側に設定し、第一側面C側から第二側面D側に向けて(進行方向V2’参照)摩擦撹拌接合を行う。この際、表面側塑性化領域W1に形成される空洞欠陥R1及び裏面側塑性化領域W2に形成される空洞欠陥R2は、共に第一金属部材1aに形成されやすい。
【0113】
したがって、第三の本接合工程は、本接合用回転ツールGの回転方向を図16に示すように、左回転に設定した場合、摩擦撹拌接合の開始位置を第一の本接合工程の開始位置側に設定し、表面A側から裏面B側に向けて(進行方向V3’参照)摩擦撹拌接合を行う。一方、第四の本接合工程は、本接合用回転ツールGの回転方向を右回転に設定した場合、摩擦撹拌接合の開始位置を第一の本接合工程の終了位置側に設定し、表面A側から裏面B側に向けて(進行方向V4’参照)摩擦撹拌接合を行う。かかる第三の本接合工程及び第四の本接合工程によれば、空洞欠陥R1,R2の両端が再度摩擦撹拌され、比較的密度の高い塑性化領域で分断される。これにより、充填部S1乃至S4が形成されるため、第一側面Cと第二側面D側の気密性及び水密性をより高めることができる。
【0114】
即ち、図16に示すように、第一の本接合工程において、本接合用回転ツールGを左回転させ、本接合用回転ツールGの進行方向右側に第一金属部材1aが位置するように設定し、一方、第二の本接合工程において、本接合用回転ツールGを右回転させ、本接合用回転ツールGの進行方向左側に第一金属部材1aが位置するように設定した場合、第三の本接合工程及び第四の本接合工程は、本接合用回転ツールGが右回転であれば、進行方向右側に第一金属部材1aが位置するように本接合用回転ツールGを設定し、本接合用回転ツールGが左回転であれば、進行方向左側に第一金属部材1aが位置するように本接合用回転ツールGの進行方向を設定すると、第一側面Cと第二側面D側の気密性及び水密性をより高めることができる。
【0115】
また、具体的な図示はしないが、第一の本接合工程において、本接合用回転ツールGを右回転させ、本接合用回転ツールGの進行方向右側に第一金属部材1aが位置するように設定し、一方、第二の本接合工程において、本接合用回転ツールGを左回転させ、本接合用回転ツールGの進行方向左側に第一金属部材1aが位置するように設定した場合、第三の本接合工程及び第四の本接合工程は、本接合用回転ツールGが右回転であれば、進行方向左側に第一金属部材1aが位置するように本接合用回転ツールGの進行方向を設定し、本接合用回転ツールGが左回転であれば、進行方向右側に第一金属部材1aが位置するように本接合用回転ツールGの進行方向を設定すると、第一側面Cと第二側面D側の気密性及び水密性をより高めることができる。
【0116】
以上説明したように、本発明に係る接合方法は、本接合用回転ツールGの回転方向と進行方向によって、様々な摩擦撹拌接合の組合せが考えられる。
【0117】
なお、本発明は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において適宜変更が可能である。例えば、本実施形態にかかる摩擦撹拌装置は、被接合金属部材の上方から摩擦撹拌を行うものであったが、これに限定されるものではなく、被接合金属部材の周囲を本接合用回転ツールが移動しながら摩擦撹拌を行ってもよい。また、第一金属部材1a及び第二金属部材1bは、中空の部材であってもよい。
【符号の説明】
【0118】
1 被接合金属部材
1a 第一金属部材
1b 第二金属部材
2 第一タブ材
3 第二タブ材
A 表面
B 裏面
C 第一側面
D 第二側面
F 仮接合用回転ツール
G 本接合用回転ツール
J1〜J3 突合部
P1〜P4 下穴
V1〜V4 回転ツールの進行方向
W1〜W4 塑性化領域
SM 本接合工程の開始位置
EM 本接合工程の終了位置
【技術分野】
【0001】
本発明は、摩擦撹拌を利用した金属部材の接合方法に関する。
【背景技術】
【0002】
金属部材同士を接合する方法として、摩擦撹拌接合(FSW=Friction Stir Welding)が知られている。摩擦撹拌接合は、回転ツールを回転させつつ金属部材同士の突合部に沿って移動させ、回転ツールと金属部材との摩擦熱により突合部の金属を塑性流動させることで、金属部材同士を固相接合させるものである。なお、回転ツールは、円柱状を呈するショルダ部の下端面に撹拌ピン(プローブ)を突設してなるものが一般的である。
【0003】
ここで図17及び図18は、一対の金属部材に摩擦撹拌接合を施した従来の接合方法を示した斜視図である。図17に示すように、接合すべき金属部材101,101の肉厚が図示しない回転ツールの撹拌ピンの長さよりも大きい場合には、金属部材101の表面102側から摩擦撹拌接合を行った後に、裏面103側からも摩擦撹拌接合を行う場合がある。
即ち、従来の接合方法100は、金属部材101,101の突合部104(二点鎖線)に沿って表面102及び裏面103の両側から摩擦撹拌接合を行い、摩擦撹拌接合によって形成された塑性化領域105,106の厚さ方向の中央部分が接触するように接合するものである。これにより、突合部104においては、隙間なく接合することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開2005−131666号公報(図7参照)
【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、図18に示すように、接合すべき金属部材111,111の肉厚が大きい場合、表面102及び裏面103から摩擦撹拌接合を行っても突合部104(二点鎖線)の中央部に未接合部が生じてしまう可能性がある。即ち、図示しない回転ツールの撹拌ピンの長さに対して、金属部材111の肉厚が非常に大きい場合、金属部材111の表面102及び裏面103から摩擦撹拌を行ったとしても、塑性化領域105,106の厚さ方向の中央部分を接触させることができないため、突合部104の中央部に隙間(未接合部)119が生じてしまう。このように、一方の側面107から他方の側面108に連続する隙間119が生じてしまうと、側面107及び側面108間における水密性及び気密性が低下するという問題があった。
【0006】
ここで、金属部材111の厚みに応じて回転ツールの撹拌ピンの長さを大きくすれば、表面102及び裏面103から摩擦撹拌接合を行うことで金属部材111同士を隙間なく接合することは可能である。しかし、回転ツールは、金属部材111内に撹拌ピンを埋没させて高速で回転しながら移動するため、撹拌ピンの長さを大きくすると、摩擦撹拌装置の駆動手段及び撹拌ピンに作用する負荷が増大し、装置の短寿命化を招来するという問題があった。
【0007】
また、図17及び図18に示すように、塑性化領域105,106において、一方の側面107から他方の側面108に連続する空洞欠陥109が生じる可能性がある。かかる空洞欠陥109は、金属部材101,111の側面107及び側面108間における水密性及び気密性を低下させる一因となっていた。
【0008】
このような観点から、本発明は、金属部材同士の突合部を金属部材の表面側及び裏面側から摩擦撹拌を行うとともに金属部材の両側面間の気密性及び水密性を向上させることが可能な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】
【0009】
このような課題を解決する本発明に係る接合方法は、第一金属部材と第二金属部材とを突き合わせてなる被接合金属部材に対して回転ツールを移動させて摩擦撹拌を行う接合方法であって、前記第一金属部材と前記第二金属部材との突合部に対して前記被接合金属部材の表面側から摩擦撹拌を行う第一の本接合工程と、前記突合部に対して前記被接合金属部材の裏面側から摩擦撹拌を行う第二の本接合工程と、前記突合部に対して前記被接合金属部材の一方の側面側から摩擦撹拌を行う第三の本接合工程と、前記突合部に対して前記被接合金属部材の他方の側面側から摩擦撹拌を行う第四の本接合工程と、前記第一乃至第四の各本接合工程のうち少なくとも一の本接合工程を行う前に、前記突合部の両側に一対のタブ材を配置し、前記タブ材と前記被接合金属部材とにより形成された入隅部を溶接して仮接合する溶接工程と、を含み、前記第一の本接合工程及び第二の本接合工程で形成された塑性化領域と、前記第三の本接合工程及び第四の本接合工程で形成される塑性化領域とを重複させることを特徴とする。
【0010】
かかる接合方法によれば、突合部に対して被接合金属部材の表面側及び裏面側から摩擦撹拌接合を行った後、突合部に対して被接合金属部材の側面側から摩擦撹拌接合を行い塑性化領域を重複させるため、側面間に連続する隙間が生じることがない。これにより、両側面間の気密性及び水密性を向上させることができる。また、溶接工程を含むことで、被接合金属部材とタブ材との間の目開きを防ぐことができる。
【0011】
また、前記第一の本接合工程において、前記回転ツールを右回転させるとともに、前記回転ツールの進行方向右側に前記第一金属部材が位置するように摩擦撹拌の開始位置及び終了位置を設定し、前記第二の本接合工程において、前記回転ツールを左回転させるとともに、前記回転ツールの進行方向左側に前記第一金属部材が位置するように摩擦撹拌の開始位置及び終了位置を設定した場合、前記第三の本接合工程及び第四の本接合工程は、前記回転ツールが右回転であれば、前記回転ツールの進行方向左側に前記第一金属部材が位置するように摩擦撹拌の開始位置及び終了位置を設定し、前記回転ツールが左回転であれば、前記回転ツールの進行方向右側に前記第一金属部材が位置するように摩擦撹拌の開始位置及び終了位置を設定することが好ましい。
また、前記第一の本接合工程において、前記回転ツールを左回転させるとともに、前記回転ツールの進行方向右側に前記第一金属部材が位置するように摩擦撹拌の開始位置及び終了位置を設定し、前記第二の本接合工程において、前記回転ツールを右回転させるとともに、前記回転ツールの進行方向左側に前記第一金属部材が位置するように摩擦撹拌の開始位置及び終了位置を設定した場合、前記第三の本接合工程及び第四の本接合工程は、前記回転ツールが右回転であれば、前記回転ツールの進行方向右側に前記第一金属部材が位置するように摩擦撹拌の開始位置及び終了位置を設定し、前記回転ツールが左回転であれば、前記回転ツールの進行方向左側に前記第一金属部材が位置するように摩擦撹拌の開始位置及び終了位置を設定することが好ましい。
【0012】
ここで、摩擦撹拌接合を行った際に生じる可能性のある空洞欠陥は、回転ツールが右回転の場合、進行方向左側に形成され、左回転の場合、進行方向右側に形成される可能性が高い。かかる接合方法によれば、第一の本接合工程及び第二の本接合工程で形成された塑性化領域に、仮に、側面間に連続する空洞欠陥が生じたとしても、当該空洞欠陥を分断することができる。これにより、両側面間の気密性及び水密性を向上させることができる。
【0013】
また、前記第一乃至第四の各本接合工程のうち少なくとも一の本接合工程を行う前に、前記突合部を仮接合する仮接合工程を行うことが好ましい。
【0014】
第一乃至第四の本接合工程を行う際、第一金属部材及び第二金属部材の突合部に回転ツールを押し込むため、第一金属部材及び第二金属部材を引き離そうとする力が作用し、突合部に目開きが発生する場合がある。しかし、かかる接合方法によれば、第一乃至第四の本接合工程を行う前に、突合部を仮接合することで、第一乃至第四の本接合工程を好適に行うことができる。
【0015】
また、本発明は、前記突合部の両側に一対のタブ材を配置し、前記タブ材と前記被接合金属部材との突合部に予備的に摩擦撹拌を行う予備工程を行ってもよい。かかる接合工程によれば、タブ材を用いることで、仮接合工程及び本接合工程を迅速にかつ仕上がり面もきれいに接合することができる。
【0016】
また、本発明は、前記回転ツールの挿入予定位置に予め下穴を形成してもよい。かかる接合方法によれば、回転ツールを挿入予定位置に押し込む際に生じる挿入抵抗を低減することができるともに、回転ツールが下穴に案内されるため、精度よく迅速に摩擦撹拌接合を行うことができる。
【発明の効果】
【0017】
本発明に係る接合方法によれば、金属部材同士の突合部を金属部材の表面側及び裏面側から摩擦撹拌を行うとともに金属部材の両側面間の気密性や水密性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【0018】
【図1】第一実施形態に係る接合方法を示した図であって、(a)は斜視図、(b)は(a)のN部分における拡大斜視図である。
【図2】第一実施形態に係る第一の準備工程を示した図であって(a)は、斜視図、(b)は、平面図である。
【図3】第一実施形態に係る(2)第一の準備工程を示した図であって(a)は、図2の(b)のI−I線断面図、(b)は、図2の(b)のII−II線断面図である。
【図4】第一実施形態に係る回転ツールを示した図であって、(a)は、仮接合用回転ツールの側面図、(b)は、本接合用回転ツールの側面図である。
【図5】第一実施形態に係る仮接合用回転ツールの使用状態を示した図であって、(a)は、仮接合用回転ツールを第二タブ材に当接させた図であって、(b)は、仮接合用回転ツールを第二タブ材に押し込んだ図である。
【図6】第一実施形態に係る第一の予備工程の第二タブ材接合工程、仮接合工程及び第一タブ材接合工程を示した平面図である。
【図7】第一実施形態に係る第一の本接合工程を図6のIII−III矢視方向で示した断面図であって、(a)は開始位置、(b)は中間部分、(c)は終了位置の摩擦撹拌接合を示した図である。
【図8】(a)は、第一実施形態に係る第二の準備工程の再設置工程後において、突合部J1から第一金属部材1a側を臨む断面図である。(b)は、第一実施形態に係る第二の準備工程の第一タブ材接合工程、仮接合工程及び第二タブ材接合工程を示した平面図である。
【図9】第一実施形態に係る第二の本接合工程を示した図8の(b)のIV−IV線断面図であって、(a)は開始位置、(b)は中間部分の摩擦撹拌接合を示した図である。
【図10】第一実施形態に係るタブ材切除工程後の被接合金属部材を示した斜視図である。
【図11】第一実施形態に係る第三の準備工程を示した斜視図である。
【図12】第一実施形態に係る第三の本接合工程を示した斜視図である。
【図13】第一実施形態に係る第三の本接合工程後を示した図12のV−V線断面図である。
【図14】(a)は、第一実施形態に係る第四の準備工程の再設置工程後において、突合部J1から第二金属部材1b側を臨む断面図である。(b)は、第一実施形態に係る第四の本接合工程を示した図であって、突合部J1から第二金属部材1b側を臨む断面図である。
【図15】第二実施形態に係る接合方法を示した図であって、(a)は、斜視図、(b)は、H部分における拡大斜視図である。
【図16】第三実施形態に係る接合方法を示した図であって、(a)は、斜視図、(b)は、I部分における拡大斜視図である。
【図17】従来の接合方法を示した斜視図である。
【図18】従来の接合方法を示した斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【0019】
[第一実施形態]
本発明に係る接合方法は、図1に示すように、第一金属部材1a及び第二金属部材1bを突き合わせてなる被接合金属部材1の外周4辺を摩擦撹拌により接合する際に、本接合用回転ツールGの回転方向及び進行方向のそれぞれを好適に設定することを特徴とするものである。
まず、本実施形態に係る接合方法の被接合金属部材1を詳細に説明するとともに、この被接合金属部材1を接合する際に用いられる第一タブ材と第二タブ材を詳細に説明する。
【0020】
被接合金属部材1は、図2に示すように、本実施形態では、断面視矩形の第一金属部材1a及び第二金属部材1bからなり、それぞれの端面を突き合わせることで突合部J1が形成されている。第一金属部材1a及び第二金属部材1bは、本実施形態では、同一組成の金属材料であって、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、マグネシウム合金など摩擦撹拌可能な金属材料からなる。第一金属部材1a及び第二金属部材1bの形状・寸法に特に制限はないが、少なくとも突合部J1における厚さ寸法を同一にすることが望ましい。
なお、図1に示すように、被接合金属部材1の表面を表面A、裏面を裏面B、一方の側面を第一側面C、他方の側面を第二側面Dとする。また、本実施形態における上下左右前後は、図1の矢印に従う。
【0021】
第一タブ材2および第二タブ材3は、図2の(a)及び(b)に示すように、被接合金属部材1の突合部J1を挟むように配置されるものであって、それぞれ被接合金属部材1に添設され、第一側面C及び第二側面Dに現れる第一金属部材1aと第二金属部材1bの継ぎ目(境界線)を覆い隠す。第一タブ材2及び第二タブ材3の材質に特に制限はないが、本実施形態では、被接合金属部材1と同一組成の金属材料で形成している。また、第一タブ材2及び第二タブ材3の形状・寸法にも特に制限はないが、本実施形態では、その厚さ寸法を突合部J1における被接合金属部材1の厚さ寸法と同一にしている。
【0022】
次に、図4を参照して、仮接合工程に用いる回転ツールF(以下、「仮接合用回転ツールF」という。)及び本接合工程に用いる回転ツールG(以下、「本接合用回転ツールG」という。)を詳細に説明する。
【0023】
図4の(a)に示す仮接合用回転ツールFは、工具鋼など被接合金属部材1よりも硬質の金属材料からなり、円柱状を呈するショルダ部F1と、このショルダ部F1の下端面F11に突設された撹拌ピン(プローブ)F2とを備えて構成されている。仮接合用回転ツールFの寸法・形状は、被接合金属部材1の材質や厚さ等に応じて設定すればよいが、少なくとも、後記する第一の本接合工程で用いる本接合用回転ツールG(図4の(b)参照)よりも小型にする。このようにすると、本接合よりも小さな負荷で仮接合を行うことが可能となるので、仮接合時に摩擦撹拌装置に掛かる負荷を低減することが可能となり、さらには、仮接合用回転ツールFの移動速度(送り速度)を本接合用回転ツールGの移動速度よりも高速にすることも可能になるので、仮接合に要する作業時間やコストを低減することが可能となる。
【0024】
ショルダ部F1の下端面F11は、塑性流動化した金属を押えて周囲への飛散を防止する役割を担う部位であり、本実施形態では、凹面状に成形されている。ショルダ部F1の外径X1の大きさに特に制限はないが、本実施形態では、本接合用回転ツールGのショルダ部G1の外径Y1よりも小さくなっている。
【0025】
撹拌ピンF2は、ショルダ部F1の下端面F11の中央から垂下しており、本実施形態では、先細りの円錐台状に成形されている。また、撹拌ピンF2の周面には、螺旋状に刻設された撹拌翼が形成されている。撹拌ピンF2の外径の大きさに特に制限はないが、本実施形態では、最大外径(上端径)X2が本接合用回転ツールGの撹拌ピンG2の最大外径(上端径)Y2よりも小さく、かつ、最小外径(下端径)X3が撹拌ピンG2の最小外径(下端径)Y3よりも小さい。撹拌ピンF2の長さL2は、本接合用回転ツールGの撹拌ピンG2の長さL1(図4の(b)参照)よりも小さくすることが望ましい。
【0026】
図4の(b)に示す本接合用回転ツールGは、工具鋼など被接合金属部材1よりも硬質の金属材料からなり、円柱状を呈するショルダ部G1と、このショルダ部G1の下端面G11に突設された撹拌ピン(プローブ)G2とを備えて構成されている。
【0027】
ショルダ部G1の下端面G11は、仮接合用回転ツールFと同様に、凹面状に成形されている。撹拌ピンG2は、ショルダ部G1の下端面G11の中央から垂下しており、本実施形態では、先細りの円錐台状に成形されている。また、撹拌ピンG2の周面には、螺旋状に刻設された撹拌翼が形成されている。
【0028】
以下、本実施形態に係る接合方法を詳細に説明する。本実施形態に係る接合方法は、(1)第一の準備工程、(2)第一の予備工程、(3)第一の本接合工程、(4)第二の準備工程、(5)第二の予備工程、(6)第二の本接合工程、(7)タブ材切除工程、(8)第三の準備工程、(9)第三の予備工程、(10)第三の本接合工程、(11)第四の準備工程、(12)第四の予備工程、(13)第四の本接合工程、(14)タブ材切除工程を含むものである。
【0029】
なお、図1に示すように、(2)第一の予備工程及び(3)第一の本接合工程は、表面A側から実行される工程であり、(5)第二の予備工程及び(6)第二の本接合工程は、裏面B側から実行される工程であり、(9)第三の予備工程及び(10)第三の本接合工程は、第一側面C側から実行される工程であり、(12)第四の予備工程及び(13)第四の本接合工程は、第二側面D側から実行される工程である。本実施形態では、仮接合用回転ツールF及び本接合用回転ツールGの回転方向は、全て右回転で行うものとする。このように、仮接合用回転ツールF及び本接合用回転ツールGの回転方向を統一することで、作業手間を省略することができる。
【0030】
(1)第一の準備工程
図2及び図3を参照して第一の準備工程を説明する。第一の準備工程は、第一及び第二の本接合工程における摩擦撹拌の開始位置や終了位置が設けられる当て部材(第一タブ材2及び第二タブ材3)を準備する工程である。第一の準備工程は、本実施形態では、第一金属部材1a及び第二金属部材1bを突き合せる(1-1)突合工程と、被接合金属部材1の突合部J1の両側に第一タブ材2と第二タブ材3を配置する(1-2)タブ材配置工程と、第一タブ材2と第二タブ材3を溶接により被接合金属部材1に仮接合する(1-3)溶接工程と、被接合金属部材1を図示せぬ摩擦撹拌装置の架台に設置する(1-4)設置工程と、を具備している。
【0031】
(1-1)突合工程
突合工程では、図2及び図3に示すように、第一金属部材1aの端面11aに第二金属部材1bの端面11bを密着させる。また、第一金属部材1aの表面12aと第二金属部材1bの表面12bを面一にし、さらに、第一金属部材1aの裏面13aと第二金属部材1bの裏面13bを面一にする。また、同様に、第一金属部材1aの第一側面14aと第二金属部材1bの第一側面14bを面一にし、第一金属部材1aの第二側面15aと第二金属部材1bの第二側面15bを面一にする。
【0032】
なお、表面Aは、第一金属部材1aの表面12aと第二金属部材1bの表面12bで形成され、裏面Bは、第一金属部材1aの裏面13aと第二金属部材1bの裏面13bで形成され、第一側面Cは、第一金属部材1aの第一側面14aと第二金属部材1bの第一側面14bで形成され、第二側面Dは、第一金属部材1aの第二側面15aと第二金属部材1bの第二側面15bで形成される。
【0033】
(1-2)タブ材配置工程
タブ材配置工程では、図2の(b)に示すように、突合部J1の第一側面C側に第一タブ材2を配置して、その当接面21を第一側面Cに当接させる。さらに、突合部J1の第二側面Dに第二タブ材3を配置して、その当接面31を第二側面Dに当接させる。このとき、図3の(b)に示すように、第一タブ材2の表面22と第二タブ材3の表面32を被接合金属部材1の表面Aと面一にするとともに、第一タブ材2の裏面23と第二タブ材3の裏面33を被接合金属部材1の裏面Bと面一にする。
【0034】
(1-3)溶接工程
溶接工程では、図2の(a)及び(b)に示すように、被接合金属部材1と第一タブ材2とにより形成された入隅部2a,2bを溶接して被接合金属部材1と第一タブ材2とを仮接合する。さらに、被接合金属部材1と第二タブ材3とにより形成された入隅部3a,3bを溶接して被接合金属部材1と第二タブ材3とを仮接合する。なお、入隅部2a,2b及び3a,3bの全長に亘って連続して溶接を施してもよいし、断続して溶接を施してもよい。
【0035】
(1-4)設置工程
設置工程では、第一タブ材2及び第二タブ材3が仮溶接された被接合金属部材1を図示せぬ摩擦撹拌装置の架台に載置し、例えばクランプを用いて移動不能に拘束する。本実施形態に係る前記摩擦撹拌装置は、被接合金属部材1の上方から摩擦撹拌を行うように設定される装置とする。
なお、第一の準備工程において、溶接工程を省略する場合には、図示せぬ摩擦撹拌装置の架台上で、突合工程とタブ材配置工程を実行してもよい。
【0036】
(2)第一の予備工程
第一の予備工程は、第一の本接合工程に先立って行われる工程であり、本実施形態では、表面A側において、被接合金属部材1と第二タブ材3との突合部J3を接合する(2-1)第二タブ材接合工程と、被接合金属部材1の突合部J1を仮接合する(2-2)仮接合工程と、被接合金属部材1と第一タブ材2との突合部J2を接合する(2-3)第一タブ材接合工程と、第一の本接合工程における摩擦撹拌の開始位置に下穴を形成する(2-4)下穴形成工程とを具備している。
【0037】
第一の予備工程では、図6に示すように、一の仮接合用回転ツールFを一筆書きの移動軌跡(ビード)を形成するように移動させて、突合部J3,J1,J2に対して連続して摩擦撹拌を行う。即ち、摩擦撹拌の開始位置SP1に挿入した仮接合用回転ツールFの撹拌ピンF2(図4の(a)参照)を途中で離脱させることなく終了位置EP1まで移動させる。なお、本実施形態では、第二タブ材3に摩擦撹拌の開始位置SP1を設け、第一タブ材2に終了位置EP1を設けているが、開始位置SP1と終了位置EP1の位置を限定する趣旨ではない。
【0038】
本実施形態の第一の予備工程における摩擦撹拌の手順を図5及び図6を参照してより詳細に説明する。
まず、図5の(a)に示すように、第二タブ材3の適所に設けた開始位置SP1の直上に仮接合用回転ツールFを位置させ、続いて、仮接合用回転ツールFを右回転させつつ下降させて撹拌ピンF2を開始位置SP1に押し付ける。仮接合用回転ツールFの回転速度は、撹拌ピンF2の寸法・形状、摩擦撹拌される被接合金属部材1等の材質や肉厚等に応じて設定されるものであるが、多くの場合、500〜2000(rpm)の範囲内において設定される。
【0039】
撹拌ピンF2が第二タブ材3の表面32に接触すると、摩擦熱によって撹拌ピンF2の周囲にある金属が塑性流動化し、図5の(b)に示すように、撹拌ピンF2が第二タブ材3に挿入される。
【0040】
撹拌ピンF2の全体が第二タブ材3に入り込み、かつ、ショルダ部F1の下端面F11の全面が第二タブ材3の表面32に接触したら、図6に示すように、仮接合用回転ツールFを回転させつつ第二タブ材接合工程の始点s2に向けて相対移動させる。
【0041】
仮接合用回転ツールFの移動速度(送り速度)は、撹拌ピンF2の寸法・形状、摩擦撹拌される被接合金属部材1等の材質や肉厚等に応じて設定されるものであるが、多くの場合、100〜1000(mm/分)の範囲内において設定される。仮接合用回転ツールFの移動時の回転速度は、挿入時の回転速度と同じか、それよりも低速にする。なお、仮接合用回転ツールFを移動させる際には、ショルダ部F1の軸線を鉛直線に対して進行方向の後ろ側へ僅かに傾斜させてもよいが、傾斜させずに鉛直にすると、仮接合用回転ツールFの方向転換が容易となり、複雑な動きが可能となる。仮接合用回転ツールFを移動させると、その撹拌ピンF2の周囲にある金属が順次塑性流動化するとともに、撹拌ピンF2から離れた位置では、塑性流動化していた金属が再び硬化する。
【0042】
仮接合用回転ツールFを相対移動させて第二タブ材接合工程の始点s2まで連続して摩擦撹拌を行ったら、始点s2で仮接合用回転ツールFを離脱させずにそのまま第二タブ材接合工程に移行する。
【0043】
(2-1)第二タブ材接合工程
第二タブ材接合工程では、第二タブ材3と被接合金属部材1との突合部J3に対して摩擦撹拌を行う。具体的には、被接合金属部材1と第二タブ材3の継ぎ目(境界線)上に摩擦撹拌のルートを設定し、当該ルートに沿って仮接合用回転ツールFを相対移動させることで、突合部J3に対して摩擦撹拌を行う。なお、本実施形態では、仮接合用回転ツールFを途中で離脱させることなく第一タブ材接合工程の始点s2から終点e2まで連続して摩擦撹拌を行う。
【0044】
なお、仮接合用回転ツールFを右回転させた場合には、仮接合用回転ツールFの進行方向の左側に微細な空洞欠陥が発生する虞があるので、仮接合用回転ツールFの進行方向の右側に被接合金属部材1が位置するように第二タブ材接合工程の始点s2と終点e2の位置を設定することが望ましい。このようにすると、被接合金属部材1側に空洞欠陥が発生し難くなるので、高品質の接合体を得ることが可能となる。
【0045】
ちなみに、仮接合用回転ツールFを左回転させた場合には、仮接合用回転ツールFの進行方向の右側に微細な空洞欠陥が発生する虞があるので、仮接合用回転ツールFの進行方向の左側に被接合金属部材1が位置するように第二タブ材接合工程の始点と終点の位置を設定することが望ましい。具体的には、図示は省略するが、仮接合用回転ツールFを右回転させた場合の終点e2の位置に始点を設け、仮接合用回転ツールFを右回転させた場合の始点s2の位置に終点を設ければよい。
【0046】
なお、仮接合用回転ツールFの撹拌ピンF2が突合部J3に入り込むと、被接合金属部材1と第二タブ材3を引き離そうとする力が作用するが、被接合金属部材1と第二タブ材3により形成された入隅部3a,3b(図2参照)を溶接により仮接合しているので、被接合金属部材1と第二タブ材3との間に目開きが発生することがない。
【0047】
(2-2)仮接合工程
仮接合用回転ツールFが第二タブ材接合工程の終点e2に達したら、終点e2で摩擦撹拌を終了させずに仮接合工程の始点s1まで連続して摩擦撹拌を行い、そのまま仮接合工程に移行する。即ち、第二タブ材接合工程の終点e2から仮接合工程の始点s1まで仮接合用回転ツールFを離脱させずに摩擦撹拌を継続し、さらに、始点s1で仮接合用回転ツールFを離脱させることなく仮接合工程に移行する。このようにすると、第二タブ材接合工程の終点e2での仮接合用回転ツールFの離脱作業が不要となり、さらに、仮接合工程の始点s1での仮接合用回転ツールFの挿入作業が不要となることから、予備的な接合作業の効率化・迅速化を図ることが可能となる。
【0048】
本実施形態では、第二タブ材接合工程の終点e2から仮接合工程の始点s1に至る摩擦撹拌のルートを第二タブ材3に設定し、仮接合用回転ツールFを第二タブ材接合工程の終点e2から仮接合工程の始点s1に移動させる際の移動軌跡を第二タブ材3に形成する。このようにすると、第二タブ材接合工程の終点e2から仮接合工程の始点s1に至る工程中において、被接合金属部材1に空洞欠陥が発生し難くなるので、高品質の接合体を得ることが可能となる。
【0049】
仮接合工程では、被接合金属部材1の突合部J1(図6参照)に対して摩擦撹拌を行う。具体的には、被接合金属部材1の継ぎ目(境界線)上に摩擦撹拌のルートを設定し、当該ルートに沿って仮接合用回転ツールFを相対移動させることで、突合部J1の全長に亘って連続して摩擦撹拌を行う。なお、本実施形態では、仮接合用回転ツールFを途中で離脱させることなく仮接合工程の始点s1から終点e1まで連続して摩擦撹拌を行う。
【0050】
仮接合用回転ツールFが仮接合工程の終点e1に達したら、終点e1で摩擦撹拌を終了させずに第一タブ材接合工程の始点s3まで連続して摩擦撹拌を行い、そのまま第一タブ材接合工程に移行する。即ち、仮接合工程の終点e1から第一タブ材接合工程の始点s3まで仮接合用回転ツールFを離脱させずに摩擦撹拌を継続し、さらに、始点s3で仮接合用回転ツールFを離脱させることなく第一タブ材接合工程に移行する。
【0051】
本実施形態では、仮接合工程の終点e1から第一タブ材接合工程の始点s3に至る摩擦撹拌のルートを第一タブ材2に設定し、仮接合用回転ツールFを仮接合工程の終点e1から第一タブ材接合工程の始点s3に移動させる際の移動軌跡を第一タブ材2に形成する。このようにすると、仮接合工程の終点e1から第一タブ材接合工程の始点s3に至る工程中において、被接合金属部材1に空洞欠陥が発生し難くなるので、高品質の接合体を得ることが可能となる。
【0052】
(2-3)第一タブ材接合工程
第一タブ材接合工程では、被接合金属部材1と第一タブ材2との突合部J2に対して摩擦撹拌を行う。具体的には、被接合金属部材1と第一タブ材2の継ぎ目(境界線)上に摩擦撹拌のルートを設定し、当該ルートに沿って仮接合用回転ツールFを相対移動させることで、突合部J2に対して摩擦撹拌を行う。なお、本実施形態では、仮接合用回転ツールFを途中で離脱させることなく第一タブ材接合工程の始点s3から終点e3まで連続して摩擦撹拌を行う。
【0053】
なお、仮接合用回転ツールFを右回転させているので、仮接合用回転ツールFの進行方向の右側に被接合金属部材1が位置するように第一タブ材接合工程の始点s3と終点e3の位置を設定する。このようにすると、被接合金属部材1側に空洞欠陥が発生し難くなるので、高品質の接合体を得ることが可能となる。ちなみに、仮接合用回転ツールFを左回転させた場合には、仮接合用回転ツールFの進行方向の左側に被接合金属部材1が位置するように第一タブ材接合工程の始点と終点の位置を設定することが望ましい。具体的には、図示は省略するが、仮接合用回転ツールFを右回転させた場合の終点e3の位置に始点を設け、仮接合用回転ツールFを右回転させた場合の始点s3の位置に終点を設ければよい。
【0054】
なお、仮接合用回転ツールFの撹拌ピンF2が突合部J2に入り込むと、被接合金属部材1と第一タブ材2を引き離そうとする力が作用するが、被接合金属部材1と第一タブ材2の入隅部2a,2b(図2参照)を溶接により仮接合しているので、被接合金属部材1と第一タブ材2との間に目開きが発生することがない。
【0055】
仮接合用回転ツールFが第一タブ材接合工程の終点e3に達したら、終点e3で摩擦撹拌を終了させずに、第一タブ材2に設けた終了位置EP1まで連続して摩擦撹拌を行う。なお、本実施形態では、被接合金属部材1の表面A側に現れる継ぎ目(境界線)の延長線上に終了位置EP1を設けている。ちなみに、終了位置EP1は、後記する第一の本接合工程における摩擦撹拌の開始位置SM1でもある。
【0056】
仮接合用回転ツールFが終了位置EP1に達したら、仮接合用回転ツールFを回転させつつ上昇させて撹拌ピンF2を終了位置EP1から離脱させる。
【0057】
(2-4)下穴形成工程
続いて、下穴形成工程を実行する。下穴形成工程は、図4の(b)に示すように、第一の本接合工程における摩擦撹拌の開始位置に下穴P1を形成する工程である。第一の予備工程に係る下穴形成工程においては、第一タブ材2の表面22に設定された開始位置SM1に下穴P1を形成する。
【0058】
下穴P1は、本接合用回転ツールGの撹拌ピンG2の挿入抵抗(圧入抵抗)を低減する目的で設けられるものであり、本実施形態では、仮接合用回転ツールFの撹拌ピンF2(図4の(a)参照)を離脱させたときに形成される抜き穴H1を図示せぬドリルなどで拡径することで形成される。抜き穴H1を利用すれば、下穴P1の形成工程を簡略化することが可能となるので、作業時間を短縮することが可能となる。下穴P1の形態に特に制限はないが、本実施形態では、円筒状としている。なお、本実施形態では、第一タブ材2に下穴P1を形成しているが、下穴P1の位置に特に制限はなく、第二タブ材3に形成してもよいし、突合部J2,J3に形成してもよいが、好適には、本実施形態の如く被接合金属部材1の表面A側に現れる被接合金属部材1の継ぎ目(境界線)の延長線上に形成することが望ましい。
【0059】
なお、本実施形態では、仮接合用回転ツールFの撹拌ピンF2(図4の(a)参照)の抜き穴H1を拡径して下穴P1とする場合を例示したが、撹拌ピンF2の最大外径X2が本接合用回転ツールGの撹拌ピンG2の最小外径Y3よりも大きく、かつ、撹拌ピンF2の最大外径X2が撹拌ピンG2の最大外径Y2よりも小さい(Y3<X2<Y2)場合などにおいては、撹拌ピンF2の抜き穴H1をそのまま下穴P1としてもよい。
【0060】
(3)第一の本接合工程
第一の本接合工程は、被接合金属部材1の表面A側における突合部J1を本格的に接合する工程である。本実施形態に係る第一の本接合工程では、図4の(b)に示す本接合用回転ツールGを使用し、仮接合された状態の突合部J1に対して被接合金属部材1の表面A側から摩擦撹拌を行う。
【0061】
第一の本接合工程では、図7の(a)〜(c)に示すように、開始位置SM1に形成した下穴P1に本接合用回転ツールGの撹拌ピンG2を挿入(圧入)し、挿入した撹拌ピンG2を途中で離脱させることなく終了位置EM1まで移動させる。即ち、第一の本接合工程では、下穴P1から摩擦撹拌を開始し、終了位置EM1まで連続して摩擦撹拌を行う。
【0062】
ここで、第一の予備工程を終了した時点では、仮接合用回転ツールFを備えた摩擦撹拌装置は、第一タブ材2の終了位置EP1の直上(図6参照)に位置しているため、第一の本接合工程の開始位置をSM1にすると、本接合用回転ツールGを備えた摩擦撹拌装置を移動させることなく第一の本接合工程を行うことができ、作業を省略できる。
なお、本実施形態では、第一タブ材2に摩擦撹拌の開始位置SM1を設け、第二タブ材3に終了位置EM1を設けているが、開始位置SM1と終了位置EM1の位置を限定する趣旨ではない。
【0063】
図7の(a)〜(c)を参照して第一の本接合工程をより詳細に説明する。
まず、図7の(a)に示すように、下穴P1(開始位置SM1)の直上に本接合用回転ツールGを位置させ、続いて、本接合用回転ツールGを右回転させつつ下降させて撹拌ピンG2の先端を下穴P1に挿入する。撹拌ピンG2を下穴P1に入り込ませると、撹拌ピンG2の周面(側面)が下穴P1の穴壁に当接し、穴壁から金属が塑性流動化する。このような状態になると、塑性流動化した金属を撹拌ピンG2の周面で押し退けながら、撹拌ピンG2が圧入されることになるので、圧入初期段階における圧入抵抗を低減することが可能となり、また、本接合用回転ツールGのショルダ部G1が第一タブ材2の表面22に当接する前に撹拌ピンG2が下穴P1の穴壁に当接して摩擦熱が発生するので、塑性流動化するまでの時間を短縮することが可能となる。つまり、摩擦撹拌装置の負荷を低減することが可能となり、加えて、本接合工程に要する作業時間を短縮することが可能となる。
【0064】
撹拌ピンG2の全体が第一タブ材2に入り込み、かつ、ショルダ部G1の下端面G11の全面が第一タブ材2の表面22に接触したら、図7の(b)に示すように、摩擦撹拌を行いながら被接合金属部材1の突合部J1の一端に向けて本接合用回転ツールGを相対移動させ、さらに、突合部J2を横切らせて突合部J1に突入させる。本接合用回転ツールGを移動させると、その撹拌ピンG2の周囲にある金属が順次塑性流動化するとともに、撹拌ピンG2から離れた位置では、塑性流動化していた金属が再び硬化して塑性化領域(以下、「表面側塑性化領域W1」という。)が形成される。
【0065】
本接合用回転ツールGの移動速度(送り速度)は、撹拌ピンG2の寸法・形状、摩擦撹拌される被接合金属部材1等の材質や肉厚等に応じて設定されるものであるが、多くの場合、30〜300(mm/分)の範囲内において設定される。
【0066】
被接合金属部材1への入熱量が過大になる虞がある場合には、本接合用回転ツールGの周囲に表面A側から水を供給するなどして冷却することが望ましい。なお、第一金属部材1a及び第二金属部材1b間に冷却水が入り込むと、接合面(端面11a,11b、図2の(b)参照)に酸化皮膜を発生させる虞があるが、本実施形態においては、仮接合工程を実行して被接合金属部材1間の目地を閉塞しているので、被接合金属部材1間に冷却水が入り込み難く、接合部の品質を劣化させる虞がない。
【0067】
被接合金属部材1の突合部J1では、被接合金属部材1の継ぎ目上(仮接合工程における移動軌跡上)に摩擦撹拌のルートを設定し、当該ルートに沿って本接合用回転ツールGを相対移動させることで、突合部J1の一端から他端まで連続して摩擦撹拌を行う。突合部J1の他端まで本接合用回転ツールGを相対移動させたら、摩擦撹拌を行いながら突合部J3を横切らせ、そのまま終了位置EM1に向けて相対移動させる。
【0068】
なお、本実施形態では、被接合金属部材1の表面A側に現れる被接合金属部材1の継ぎ目(境界線)の延長線上に摩擦撹拌の開始位置SM1を設定しているので、第一の本接合工程における摩擦撹拌のルートが一直線にすることができる。摩擦撹拌のルートを一直線にすると、本接合用回転ツールGの移動距離を最小限に抑えることができるので、第一の本接合工程を効率よく行うことが可能となり、さらには、本接合用回転ツールGの磨耗量を低減することが可能となる。
【0069】
本接合用回転ツールGが終了位置EM1に達したら、図7の(c)に示すように、本接合用回転ツールGを回転させつつ上昇させて撹拌ピンG2を終了位置EM1(図7の(b)参照)から離脱させる。なお、終了位置EM1において撹拌ピンG2を上方に離脱させると、撹拌ピンG2と略同形の抜き穴Q1が不可避的に形成されることになるが、本実施形態では、そのまま残置する。
【0070】
本接合用回転ツールGの撹拌ピンG2を終了位置EM1から離脱させる際の本接合用回転ツールGの回転速度(離脱時の回転速度)は、移動時の回転速度よりも高速にすることが望ましい。このようにすると、離脱時の回転速度を移動時の回転速度と同じにした場合に比べて、撹拌ピンG2の離脱抵抗が小さくなるので、終了位置EM1における撹拌ピンG2の離脱作業を迅速に行うことが可能となる。
【0071】
なお、本実施形態においては、第一の本接合工程の前に、第一の予備工程を行ったが、第一の予備工程を省略して、第一の準備工程の直後に第一の本接合工程を行ってもよい。
【0072】
(4)第二の準備工程
第二の準備工程は、第二の予備工程に先だって行われる準備工程である。本実施形態では、被接合金属部材1の裏面B側を上方に向けて、図示しない摩擦撹拌装置に再度設置する再設置工程を具備するものである。
【0073】
(4-1)再設置工程
再設置工程では、第一の本接合工程を終えた被接合金属部材1の拘束を解いた後、被接合金属部材1の表裏を逆にして、裏面B側を上方に向け、摩擦撹拌装置の架台に再度設置する。本実施形態では、図1に示す前後軸回りに被接合金属部材1を半回転させて、被接合金属部材1の表裏を逆にする。
ここで、図8の(a)は、第一実施形態に係る第二の準備工程の再設置工程後において、突合部J1から第一金属部材1a側を臨む断面図である。図8の(a)に示すように、再設置工程では、被接合金属部材1の上面が裏面Bとなるとともに、突合部J1側から第一金属部材1aを臨むと、被接合金属部材1の左側に第一タブ材2、右側に第二タブ材3が位置する。
なお、摩擦撹拌装置の形態によっては、被接合金属部材1の拘束を解かずに表裏を回転させてもよい。
【0074】
(5)第二の予備工程
第二の予備工程は、第二の本接合工程に先だって行われる工程であり、裏面B側において、被接合金属部材1と第一タブ材2との突合部J2を接合する(5-1)第一タブ材接合工程と、被接合金属部材1の突合部J1を仮接合する(5-2)仮接合工程と、被接合金属部材1と第二タブ材3との突合部J3を接合する(5-3)第二タブ材接合工程と、第二の本接合工程における摩擦撹拌の開始位置に下穴を形成する(5-4)下穴形成工程とを具備している。なお、(5-1)第一タブ材接合工程、(5-2)仮接合工程及び(5-3)第二タブ材接合工程においては、仮接合用回転ツールFを用いる。
【0075】
(5-1)第一タブ材接合工程、(5-2)仮接合工程及び(5-3)第二タブ材接合工程
(5-1)第一タブ材接合工程、(5-2)仮接合工程及び(5-3)第二タブ材接合工程は、前記した第一の予備工程に係る(2-3)第一タブ材接合工程、(2-2)仮接合工程及び(2-1)第二タブ材接合工程と略同等の工程である。図8の(b)に示すように、一の仮接合用回転ツールFを一筆書きの移動軌跡(ビード)を形成するように移動させて、突合部J2,J1,J3の順で連続して摩擦撹拌を行う。即ち、摩擦撹拌の開始位置SP2に挿入した仮接合用回転ツールFの撹拌ピンF2(図4の(a)参照)を途中で離脱させることなく終了位置EP2まで移動させ、(5-1)第一タブ材接合工程、(5-2)仮接合工程及び(5-3)第二タブ材接合工程、を連続して実行する。なお、終了位置EP2は、後に行う第二の本接合工程の開始位置SM2となる。
【0076】
ここで、第一の予備工程では、図6に示すように、第二タブ材3側から、(2-1)第二タブ材接合工程、(2-2)仮接合工程及び(2-3)第一タブ材接合工程を順次行った。一方、第二の予備工程では、突合部J1から金属部材1a側を臨むと、第一タブ材2が被接合金属部材1の左側に位置するとともに、第一の本接合工程を終えた時点で、本接合用回転ツールGを備えた摩擦撹拌装置が第一タブ材2の上方に位置しているため、第一タブ材2側から(5-1)第一タブ材接合工程、(5-2)仮接合工程及び(5-3)第二タブ材接合工程を順次行う。このようにすると、仮接合用回転ツールFを備えた摩擦撹拌装置の移動距離が小さくて済むため、作業を省力できる。
なお、(5-1)第一タブ材接合工程、(5-2)仮接合工程及び(5-3)第二タブ材接合工程の詳細な説明は、第一予備工程と略同等であるため省略する。
【0077】
(5-4)下穴形成工程
下穴形成工程は、図9の(a)に示すように、第二の本接合工程における摩擦撹拌の開始位置SM2に下穴P2を形成する工程である。即ち、下穴形成工程は、本接合用回転ツールGの撹拌ピンG2の挿入予定位置に下穴P2を形成する工程である。これにより、本接合用回転ツールGの撹拌ピンG2の挿入抵抗(圧入抵抗)を低減することができる。
なお、(5-4)下穴形成工程は、第一の予備工程に係る(2-4)下穴形成工程と略同等であるため、詳細な説明は省略する。
【0078】
(6)第二の本接合工程
第二の本接合工程は、被接合金属部材1の裏面B側における突合部J1を本格的に接合する工程である。本実施形態に係る第二の本接合工程では、本接合用回転ツールGを使用し、仮接合された状態の突合部J2に対して被接合金属部材1の裏面B側から摩擦撹拌を行う。
【0079】
第二の本接合工程は、図9の(a)及び(b)に示すように、第二タブ材3の裏面33に設定された開始位置SM2に本接合用回転ツールGの撹拌ピンG2を挿入(圧入)し、挿入した撹拌ピンG2を途中で離脱させることなく終了位置EM2まで移動させる。第二の本接合工程では、下穴P2から摩擦撹拌を開始し、終了位置EM2まで連続して摩擦撹拌を行う。即ち、第二の本接合工程の開始位置SM2は、第一の本接合工程の終了位置EM1側の上方に位置する。本接合用回転ツールGを移動させると、その撹拌ピンG2の周囲にある金属が順次塑性流動化するとともに、撹拌ピンG2から離れた位置では、塑性流動化していた金属が再び硬化して塑性化領域(以下、「裏面側塑性化領域W2」という。)が形成される。
【0080】
ここで、第二の予備工程を終了した時点では、仮接合用回転ツールFを備えた摩擦撹拌装置は、第二タブ材3の終了位置EP2の直上(図8の(b)参照)に位置しているため、第二の本接合工程の開始位置SM2を第二タブ材3の上方に設定すると、本接合用回転ツールGを備えた摩擦撹拌装置を移動させることなく第一の本接合工程を行うことができ、作業を省略できる。
第二の本接合工程については、第一の本接合工程と略同等であるため、詳細な説明は省略する。なお、本実施形態においては、第二の予備工程を行ったが、第二の予備工程を省略して、第一の本接合工程の直後に第二の本接合工程を行ってもよい。
【0081】
(7)タブ材切除工程
タブ材切除工程では、第一タブ材2及び第二タブ材3を被接合金属部材1から切除する。本実施形態では、第二の本接合工程を終えた被接合金属部材1を摩擦撹拌装置の架台から一旦外し、図示しない切削器具を用いて突合部J2,J3に沿って第一タブ材2及び第二タブ材3を切除する。この際、被接合金属部材1の表面A及び裏面Bに形成されているバリを除去することが好ましい。これにより、後記する(8-1)タブ材配置工程を行う際に、被接合金属部材1に第一タブ材2及び第二タブ材3を密着させることができる。
【0082】
図10は、タブ材切除工程を行った後の被接合金属部材1を示した斜視図である。図10に示すように、表面側塑性化領域W1及び裏面側塑性化領域W2は、第一側面C側から第二側面D側に亘って連続して形成されている。一方、表面側塑性化領域W1と裏面側塑性化領域W2との間には、第一側面C側から第二側面D側に亘って連続する微細な隙間(未接合部)が形成されている。
ここで、表面側塑性化領域W1及び裏面側塑性化領域W2には、本接合用回転ツールGの進行方向(矢印V1,V2参照)左側、即ち、第二金属部材1bに、第一側面C側から第二側面D側に亘って連続する空洞欠陥R1,R2が発生しているものとする。
【0083】
(8)第三の準備工程
第三の準備工程は、第一側面C側の摩擦撹拌接合を行う際に、被接合金属部材1の摩擦撹拌の開始位置や終了位置が設けられる当て部材(第一タブ材2’及び第二タブ材3’)を準備する工程である。第三の準備工程は、本実施形態では、被接合金属部材1の突合部J1の両側に第一タブ材2’と第二タブ材3’を配置する(8-1)タブ材配置工程と、第一タブ材2’と第二タブ材3’を溶接により被接合金属部材1に仮接合する(8-2)溶接工程と、被接合金属部材1の第一側面Cが上面を向くように図示せぬ摩擦撹拌装置の架台に設置する(8-3)再設置工程と、を具備するものである。
【0084】
(8-1)タブ材配置工程
タブ材配置工程では、図11に示すように、第二の本接合工程を終えた被接合金属部材1において、突合部J1を覆うように表面Aに第二タブ材3’を配置して、その当接面31’を表面Aに当接させる。さらに、突合部J1を覆うように裏面B側に第一タブ材2’を配置して、その当接面21’を裏面Bに当接させる。このとき、(1-2)タブ材配置工程と同様に、第一タブ材2’と第二タブ材3’の表面及び裏面と第一側面C及び第二側面Dとを面一にする。
【0085】
(8-2)溶接工程
溶接工程では、図11に示すように、被接合金属部材1と第一タブ材2’とにより形成された入隅部2a’,2b’を溶接して被接合金属部材1と第一タブ材2’とを接合する。さらに、被接合金属部材1と第二タブ材3’とにより形成された入隅部3a’,3b’を溶接して被接合金属部材1と第二タブ材3’とを接合する。
【0086】
(8-3)再設置工程
再設置工程では、図11に示すように、溶接工程を終えた被接合金属部材1の第一側面Cを上面に向けるとともに、突合部J1から第一金属部材1aを臨むと左側に第二タブ材3’が位置するように、被接合金属部材1を図示せぬ摩擦撹拌装置の架台に拘束させて再度設置する。
(9)第三の予備工程
第三の予備工程は、第三の本接合工程に先だって、摩擦撹拌接合の開始位置に下穴を形成する(9-1)下穴形成工程を具備している。
【0087】
(9-1)下穴形成工程
下穴形成工程は、図11に示すように、第三の本接合工程における摩擦撹拌の開始位置SM3に下穴P3を形成する工程である。即ち、下穴形成工程は、前記した下穴形成工程と同様に、本接合用回転ツールGの撹拌ピンG2の挿入予定位置に下穴P3を形成する工程である。これにより、本接合用回転ツールGの撹拌ピンG2の挿入抵抗(圧入抵抗)を低減することができる。(9-1)下穴形成工程は、第一の予備工程に係る(2-4)下穴形成工程と略同等であるため、詳細な説明は省略する。
【0088】
(10)第三の本接合工程
第三の本接合工程は、被接合金属部材1の第一側面C側における突合部J1を接合する工程である。本実施形態に係る第三の本接合工程では、図12に示すように、本接合用回転ツールGを使用し、第二タブ材3’の表面32’に形成された下穴P3に本接合用回転ツールGの撹拌ピンG2を挿入(圧入)し、挿入した撹拌ピンG2を途中で離脱させることなく終了位置EM3まで移動させる(進行方向V3参照)。即ち、第三の本接合工程の開始位置SM3は、第一の本接合工程の開始位置側(進行方向V1参照)に位置する。
【0089】
本接合用回転ツールGを移動させると、その撹拌ピンG2の周囲にある金属が順次塑性流動化するとともに、撹拌ピンG2から離れた位置では、塑性流動化していた金属が再び硬化して塑性化領域(以下、「第一側面側塑性化領域W3」という。)が形成される。終了位置EM3まで摩擦撹拌を行うと、図13に示すように、第一タブ材2’の表面には抜き穴Q3が形成されるが、本実施形態では存置する。
【0090】
ここで、第二の本接合工程を終了した時点では、図9の(b)に示すように、仮接合用回転ツールFを備えた摩擦撹拌装置は、第一タブ材2の上方に位置している。そのため、図12に示すように、第三の本接合工程の開始位置を第二タブ材3’の上方に設定すると、本接合用回転ツールGを備えた摩擦撹拌装置を移動させることなく第三の本接合工程を行うことができ、作業を省略できる。第三の本接合工程の詳細な説明は、第一の本接合工程と略同等であるため省略する。
【0091】
図13に示すように、第三の本接合工程を行うと、表面側塑性化領域W1及び裏面側塑性化領域W2の第一側面C側の一部と、第一側面側塑性化領域W3とが重複する。即ち、表面側塑性化領域W1及び裏面側塑性化領域W2の一部が再度摩擦撹拌されることにより、第一側面C側の空洞欠陥R1及び空洞欠陥R2の少なくとも一部が第一側面側塑性化領域W3によって分断される。これにより、空洞欠陥R1及び空洞欠陥R2に、充填部S1,S2がそれぞれ形成される。
【0092】
なお、本実施形態においては、第三の本接合工程を行う前に、第三の準備工程及び第三の予備工程を行ったが、第三の準備工程及び第三の予備工程(但し、再設置工程を除く)を省略して、第二の本接合工程の直後に第三の本接合工程を行ってもよい。
また、第三の本接合工程の前に、前記した第一タブ材接合工程、仮接合工程、第二タブ材接合工程を行ってもよい。
【0093】
(11)第四の準備工程
第四の準備工程は、第四の本接合工程に先だって行われる工程であり、本実施形態では、被接合金属部材1の第二側面D側を上方に向けて、図示しないクランプに再度設置する(11-1)再設置工程を具備するものである。
【0094】
(11-1)再設置工程
再設置工程では、第三の本接合工程を終えた被接合金属部材1の拘束を解いた後、被接合金属部材1の表裏を逆にして、第二側面D側を上方に向け、図示せぬ摩擦撹拌装置の架台に再度設置する。本実施形態では、図12に示す左右軸回りに被接合金属部材1を半回転させて被接合金属部材1の表裏を逆にする。これにより図14に示すように、被接合金属部材1の上面が第二側面Dとなるとともに、突合部J1から第二金属部材1bを臨むと右側に第一タブ材2’が位置する。
なお、摩擦撹拌装置によっては、被接合金属部材1の拘束を解かずに表裏を回転させてもよい。
(12)第四の予備工程
第二の予備工程は、第四の本接合工程に先だって行われる工程であり、第二側面D側において、第四の本接合工程における摩擦撹拌の開始位置に下穴を形成する(12-1)下穴形成工程を具備している。
【0095】
(12-1)下穴形成工程
下穴形成工程は、図14(a)に示すように、第四の本接合工程における摩擦撹拌の開始位置SM4に下穴P4を形成する工程である。これにより、本接合用回転ツールGの撹拌ピンG2の挿入抵抗(圧入抵抗)を低減することができる。
なお、(12-1)下穴形成工程は、第一の予備工程に係る(2-4)下穴形成工程と略同等であるため、詳細な説明は省略する。
【0096】
(13)第四の本接合工程
第四の本接合工程は、被接合金属部材1の第二側面Dにおける突合部J1を接合する工程である。本実施形態に係る第四の本接合工程では、本接合用回転ツールGを使用し、被接合金属部材1の第二側面D側から摩擦撹拌接合を行う。
【0097】
第四の本接合工程は、図14の(a)に示すように、第一タブ材2’に設けられた開始位置SM4に本接合用回転ツールGの撹拌ピンG2を挿入(圧入)し、挿入した撹拌ピンG2を途中で離脱させることなく終了位置EM4まで移動させる。第四の本接合工程では、下穴P4から摩擦撹拌を開始し、終了位置EM4まで連続して摩擦撹拌を行う。即ち、第四の本接合工程の開始位置SM4は、第二の本接合工程の開始位置側(進行方向V2参照)に位置する。本接合用回転ツールGを移動させると、図14の(b)に示すように、その撹拌ピンG2の周囲にある金属が順次塑性流動化するとともに、撹拌ピンG2から離れた位置では、塑性流動化していた金属が再び硬化して塑性化領域(以下、「第二側面側塑性化領域W4」という。)が形成される。
【0098】
第三の本接合工程を終了した時点では、図13に示すように、本接合用回転ツールGを備えた摩擦撹拌装置は、第一タブ材2’の上方に位置する。そして、(11-1)再設置工程後において左右軸で半回転させたことにより、当該摩擦撹拌装置はなお、第一タブ材2’の上方に位置する。そのため、第四の本接合工程の開始位置を第一タブ材2’の上方に設定すると、本接合用回転ツールGを備えた摩擦撹拌装置を移動させることなく第四の本接合工程を行うことができ、作業を省略化できる。
【0099】
ここで、第四の本接合工程を行うと、図14の(b)に示すように、表面側塑性化領域W1及び裏面側塑性化領域W2の第二側面D側の一部と、第二側面側塑性化領域W4とが重複する。即ち、表面側塑性化領域W1及び裏面側塑性化領域W2の一部が再度摩擦撹拌されることにより、第二側面D側の空洞欠陥R1及び空洞欠陥R2の少なくとも一部が第二側面側塑性化領域W4によって分断される。これにより、空洞欠陥R1及び空洞欠陥R2に、充填部S3,S4がそれぞれ形成される。
【0100】
なお、第四の本接合工程を行う前に、(12-1)下穴形成工程を省略して、第三の本接合工程の直後に第四の本接合工程を行ってもよい。また、第四の本接合工程の前に、前記した第一タブ材接合工程、仮接合工程、第二タブ材接合工程を行ってもよい。
【0101】
(14)タブ材切除工程
タブ材切除工程では、第四の本接合工程を終了した後に、第一タブ材2’及び第二タブ材3’を被接合金属部材1から切除する(図1参照)。この際、被接合金属部材1の第一側面C及び第二側面Dで発生したバリを除去することが好ましい。
【0102】
以上説明した本実施形態に係る接合方法によれば、図1に示すように、第一金属部材1a及び第二金属部材1bが肉厚であったとしても、第一側面C及び第二側面Dに摩擦撹拌接合を行うことで、第一側面Cから第二側面Dに連続する隙間(図18の隙間119参照)を埋めることができる。
【0103】
また、本接合用回転ツールGの回転方向及び進行方向を前記したように設定した場合、表面側塑性化領域W1及び裏面側塑性化領域W2に、第一側面Cから第二側面Dに亘って連続する空洞欠陥R1,R2が形成されたとしても、第三の本接合工程における開始位置SM3を第一の本接合工程の開始位置SM1側、第四の本接合工程における開始位置SM4を第二の本接合工程における開始位置SM2側に設定して摩擦撹拌接合をすることで、空洞欠陥R1,R2をそれぞれ分断する充填部S1乃至S4を形成することができる。
【0104】
即ち、本実施形態では、本接合用回転ツールGの回転方向は全て右回転に設定しているため、空洞欠陥Rは表面側塑性化領域W1及び裏面側塑性化領域W2の進行方向左側にできる可能性が高く、進行方向右側は比較的高密度の塑性化領域が形成される。このような摩擦撹拌接合の特性を利用して、図1の(a)及び(b)に示すように、空洞欠陥R1,R2が第二金属部材1bに形成される可能性が高い場合は、第三の本接合工程及び第四の本接合工程の本接合用回転ツールGの開始位置を前記したように設定することで、空洞欠陥R1,R2の両端を比較的密度の高い塑性化領域で分断することができる。これにより、第一側面Cと第二側面D間における水密性及び気密性がより高い被接合金属部材1を製造することができる。
【0105】
ここで、本接合用回転ツールGが突合部J2,J3を横切る際に、塑性化領域W1乃至W4に酸化皮膜が形成される可能性がある。例えば、図7の(b)を参照するように、被接合金属部材1から第二タブ材3に向かって摩擦撹拌接合を行う際、突合部J3を横切る際に、被接合金属部材1と第一タブ材2との間に形成されていた酸化皮膜が表面側塑性化領域W1側に巻き込まれる。酸化皮膜は、本接合用回転ツールGが右回転であれば、表面側塑性化領域W1の進行方向右側に、左回転であれば、表面側塑性化領域W1の進行方向左側に形成される可能性が高い。
しかし、本実施形態によれば、塑性化領域W1乃至W4の両端部を重複させているため、酸化皮膜を分断し、高品質な製品を製造することができる。
【0106】
なお、本実施形態では前記したように第二タブ材接合工程、仮接合工程、第一タブ材接合工程を行ったが、これに限定するものではない。例えば、必ずしも一筆書きの要領でなく、各工程ごと断続的に摩擦撹拌を行ってもよい。また、本実施形態では、一対のタブ材を用いて仮接合工程及び本接合工程を行ったが、タブ材を用いずに摩擦撹拌接合を行ってもよい。また、本実施形態では、第一の予備工程の直後に第一の本接合工程を行ったが、第一の予備工程の直後に、第二の予備工程を行った後、第一の本接合工程及び第二の本接合工程を連続して行ってもよい。
【0107】
前記したように本発明は、被接合金属部材1の外周4辺を摩擦撹拌により接合する際に、本接合用回転ツールGの回転方向及び進行方向のそれぞれを好適に設定することを特徴とするものである。即ち、摩擦撹拌接合を行う際に、空洞欠陥Rの発生する可能性の高い位置を勘案して本接合用回転ツールGの回転方向及び進行方向を設定するのが好ましい。第一実施形態においては、本接合用回転ツールGを全て右回転させた場合について説明したが、これに限定されるものではなく、本接合用回転ツールGの回転方向及び進行方向によって様々な接合のバリエーションが考えられる。
【0108】
[第二実施形態]
例えば、第一実施形態においては、本接合用回転ツールGの回転方向は、全て右回転で設定したが、第二実施形態のように全て左回転で設定してもよい。
図15に示すように、本接合用回転ツールGの回転方向を左方向に設定し、被接合金属部材1の表面Aを進行方向V1で第一の本接合工程を行った場合、第二の本接合工程は、第一の本接合工程の終了位置側から開始位置側(進行方向V2)に向かって摩擦撹拌接合を行う。この際、本接合用回転ツールGは左回転であるため、空洞欠陥Rは、表面側塑性化領域W1及び裏面側塑性化領域W2の進行方向右側にできる可能性が高く、進行方向左側は比較的高密度の塑性化領域が形成される。即ち、この場合、第一金属部材1aに空洞欠陥R1,R2が形成されやすい。
【0109】
したがって、第三の本接合工程は、第一の接合工程の開始位置側から進行方向V3で摩擦撹拌接合を行う。そして、第四の本接合工程は、第二の接合工程の開始位置側から進行方向V4で摩擦撹拌接合を行う。かかる第三の本接合工程及び第四の本接合工程によれば、空洞欠陥R1,R2の両端が再度摩擦撹拌され、比較的密度の高い塑性化領域で分断される。これにより、充填部S1乃至S4が形成されるため、第一側面Cと第二側面D間の気密性及び水密性をより高めることができる。
【0110】
即ち、第一実施形態及び第二実施形態に示すように、本接合用回転ツールGの回転方向が全て同方向の場合、第二の本接合工程における摩擦撹拌の開始位置は、第一の本接合工程における摩擦撹拌の終了位置側に設定するとともに、第三の本接合工程における摩擦撹拌の開始位置は、第一の本接合工程における摩擦撹拌の開始位置側及び第二の本接合工程における摩擦撹拌の開始位置側のいずれか一方に設定し、第四の本接合工程における摩擦撹拌の開始位置は、第一の本接合工程における摩擦撹拌の開始位置側及び第二の本接合工程における摩擦撹拌の開始位置側のいずれか他方に設定すればよい。
【0111】
[第三実施形態]
また、例えば、図16に示す第三実施形態に係る接合方法は、本接合用回転ツールGの回転方向が同方向ではない点で第一実施形態と相違する。
【0112】
第三の実施形態に係る接合方法は、第一の本接合工程において、本接合用回転ツールGの回転方向を左回転に設定し、第一側面C側から第二側面D側(進行方向V1’参照)に向けて摩擦撹拌接合を行う。
一方、第二の本接合工程は、本接合用回転ツールGの回転方向を右回転に設定するとともに、摩擦撹拌接合の開始位置を第一の本接合工程の開始位置側に設定し、第一側面C側から第二側面D側に向けて(進行方向V2’参照)摩擦撹拌接合を行う。この際、表面側塑性化領域W1に形成される空洞欠陥R1及び裏面側塑性化領域W2に形成される空洞欠陥R2は、共に第一金属部材1aに形成されやすい。
【0113】
したがって、第三の本接合工程は、本接合用回転ツールGの回転方向を図16に示すように、左回転に設定した場合、摩擦撹拌接合の開始位置を第一の本接合工程の開始位置側に設定し、表面A側から裏面B側に向けて(進行方向V3’参照)摩擦撹拌接合を行う。一方、第四の本接合工程は、本接合用回転ツールGの回転方向を右回転に設定した場合、摩擦撹拌接合の開始位置を第一の本接合工程の終了位置側に設定し、表面A側から裏面B側に向けて(進行方向V4’参照)摩擦撹拌接合を行う。かかる第三の本接合工程及び第四の本接合工程によれば、空洞欠陥R1,R2の両端が再度摩擦撹拌され、比較的密度の高い塑性化領域で分断される。これにより、充填部S1乃至S4が形成されるため、第一側面Cと第二側面D側の気密性及び水密性をより高めることができる。
【0114】
即ち、図16に示すように、第一の本接合工程において、本接合用回転ツールGを左回転させ、本接合用回転ツールGの進行方向右側に第一金属部材1aが位置するように設定し、一方、第二の本接合工程において、本接合用回転ツールGを右回転させ、本接合用回転ツールGの進行方向左側に第一金属部材1aが位置するように設定した場合、第三の本接合工程及び第四の本接合工程は、本接合用回転ツールGが右回転であれば、進行方向右側に第一金属部材1aが位置するように本接合用回転ツールGを設定し、本接合用回転ツールGが左回転であれば、進行方向左側に第一金属部材1aが位置するように本接合用回転ツールGの進行方向を設定すると、第一側面Cと第二側面D側の気密性及び水密性をより高めることができる。
【0115】
また、具体的な図示はしないが、第一の本接合工程において、本接合用回転ツールGを右回転させ、本接合用回転ツールGの進行方向右側に第一金属部材1aが位置するように設定し、一方、第二の本接合工程において、本接合用回転ツールGを左回転させ、本接合用回転ツールGの進行方向左側に第一金属部材1aが位置するように設定した場合、第三の本接合工程及び第四の本接合工程は、本接合用回転ツールGが右回転であれば、進行方向左側に第一金属部材1aが位置するように本接合用回転ツールGの進行方向を設定し、本接合用回転ツールGが左回転であれば、進行方向右側に第一金属部材1aが位置するように本接合用回転ツールGの進行方向を設定すると、第一側面Cと第二側面D側の気密性及び水密性をより高めることができる。
【0116】
以上説明したように、本発明に係る接合方法は、本接合用回転ツールGの回転方向と進行方向によって、様々な摩擦撹拌接合の組合せが考えられる。
【0117】
なお、本発明は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において適宜変更が可能である。例えば、本実施形態にかかる摩擦撹拌装置は、被接合金属部材の上方から摩擦撹拌を行うものであったが、これに限定されるものではなく、被接合金属部材の周囲を本接合用回転ツールが移動しながら摩擦撹拌を行ってもよい。また、第一金属部材1a及び第二金属部材1bは、中空の部材であってもよい。
【符号の説明】
【0118】
1 被接合金属部材
1a 第一金属部材
1b 第二金属部材
2 第一タブ材
3 第二タブ材
A 表面
B 裏面
C 第一側面
D 第二側面
F 仮接合用回転ツール
G 本接合用回転ツール
J1〜J3 突合部
P1〜P4 下穴
V1〜V4 回転ツールの進行方向
W1〜W4 塑性化領域
SM 本接合工程の開始位置
EM 本接合工程の終了位置
【特許請求の範囲】
【請求項1】
第一金属部材と第二金属部材とを突き合わせてなる被接合金属部材に対して回転ツールを移動させて摩擦撹拌を行う接合方法であって、
前記第一金属部材と前記第二金属部材との突合部に対して前記被接合金属部材の表面側から摩擦撹拌を行う第一の本接合工程と、
前記突合部に対して前記被接合金属部材の裏面側から摩擦撹拌を行う第二の本接合工程と、
前記突合部に対して前記被接合金属部材の一方の側面側から摩擦撹拌を行う第三の本接合工程と、
前記突合部に対して前記被接合金属部材の他方の側面側から摩擦撹拌を行う第四の本接合工程と、
前記第一乃至第四の各本接合工程のうち少なくとも一の本接合工程を行う前に、前記突合部の両側に一対のタブ材を配置し、前記タブ材と前記被接合金属部材とにより形成された入隅部を溶接して仮接合する溶接工程と、を含み、
前記第一の本接合工程及び第二の本接合工程で形成された塑性化領域と、
前記第三の本接合工程及び第四の本接合工程で形成される塑性化領域とを重複させることを特徴とする接合方法。
【請求項2】
前記第一の本接合工程において、前記回転ツールを右回転させるとともに、前記回転ツールの進行方向右側に前記第一金属部材が位置するように摩擦撹拌の開始位置及び終了位置を設定し、
前記第二の本接合工程において、前記回転ツールを左回転させるとともに、前記回転ツールの進行方向左側に前記第一金属部材が位置するように摩擦撹拌の開始位置及び終了位置を設定した場合、
前記第三の本接合工程及び第四の本接合工程は、
前記回転ツールが右回転であれば、前記回転ツールの進行方向左側に前記第一金属部材が位置するように摩擦撹拌の開始位置及び終了位置を設定し、
前記回転ツールが左回転であれば、前記回転ツールの進行方向右側に前記第一金属部材が位置するように摩擦撹拌の開始位置及び終了位置を設定することを特徴とする請求項1に記載の接合方法。
【請求項3】
前記第一の本接合工程において、前記回転ツールを左回転させるとともに、前記回転ツールの進行方向右側に前記第一金属部材が位置するように摩擦撹拌の開始位置及び終了位置を設定し、
前記第二の本接合工程において、前記回転ツールを右回転させるとともに、前記回転ツールの進行方向左側に前記第一金属部材が位置するように摩擦撹拌の開始位置及び終了位置を設定した場合、
前記第三の本接合工程及び第四の本接合工程は、
前記回転ツールが右回転であれば、前記回転ツールの進行方向右側に前記第一金属部材が位置するように摩擦撹拌の開始位置及び終了位置を設定し、
前記回転ツールが左回転であれば、前記回転ツールの進行方向左側に前記第一金属部材が位置するように摩擦撹拌の開始位置及び終了位置を設定することを特徴とする請求項1に記載の接合方法。
【請求項4】
前記第一乃至第四の各本接合工程のうち少なくとも一の本接合工程を行う前に、
前記突合部を仮接合する仮接合工程を行う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接合方法。
【請求項5】
前記突合部の両側に一対のタブ材を配置し、前記タブ材と前記被接合金属部材との突合部に予備的に摩擦撹拌を行う予備工程、を含む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。
【請求項6】
前記回転ツールの挿入予定位置に予め下穴を形成する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接合方法。
【請求項1】
第一金属部材と第二金属部材とを突き合わせてなる被接合金属部材に対して回転ツールを移動させて摩擦撹拌を行う接合方法であって、
前記第一金属部材と前記第二金属部材との突合部に対して前記被接合金属部材の表面側から摩擦撹拌を行う第一の本接合工程と、
前記突合部に対して前記被接合金属部材の裏面側から摩擦撹拌を行う第二の本接合工程と、
前記突合部に対して前記被接合金属部材の一方の側面側から摩擦撹拌を行う第三の本接合工程と、
前記突合部に対して前記被接合金属部材の他方の側面側から摩擦撹拌を行う第四の本接合工程と、
前記第一乃至第四の各本接合工程のうち少なくとも一の本接合工程を行う前に、前記突合部の両側に一対のタブ材を配置し、前記タブ材と前記被接合金属部材とにより形成された入隅部を溶接して仮接合する溶接工程と、を含み、
前記第一の本接合工程及び第二の本接合工程で形成された塑性化領域と、
前記第三の本接合工程及び第四の本接合工程で形成される塑性化領域とを重複させることを特徴とする接合方法。
【請求項2】
前記第一の本接合工程において、前記回転ツールを右回転させるとともに、前記回転ツールの進行方向右側に前記第一金属部材が位置するように摩擦撹拌の開始位置及び終了位置を設定し、
前記第二の本接合工程において、前記回転ツールを左回転させるとともに、前記回転ツールの進行方向左側に前記第一金属部材が位置するように摩擦撹拌の開始位置及び終了位置を設定した場合、
前記第三の本接合工程及び第四の本接合工程は、
前記回転ツールが右回転であれば、前記回転ツールの進行方向左側に前記第一金属部材が位置するように摩擦撹拌の開始位置及び終了位置を設定し、
前記回転ツールが左回転であれば、前記回転ツールの進行方向右側に前記第一金属部材が位置するように摩擦撹拌の開始位置及び終了位置を設定することを特徴とする請求項1に記載の接合方法。
【請求項3】
前記第一の本接合工程において、前記回転ツールを左回転させるとともに、前記回転ツールの進行方向右側に前記第一金属部材が位置するように摩擦撹拌の開始位置及び終了位置を設定し、
前記第二の本接合工程において、前記回転ツールを右回転させるとともに、前記回転ツールの進行方向左側に前記第一金属部材が位置するように摩擦撹拌の開始位置及び終了位置を設定した場合、
前記第三の本接合工程及び第四の本接合工程は、
前記回転ツールが右回転であれば、前記回転ツールの進行方向右側に前記第一金属部材が位置するように摩擦撹拌の開始位置及び終了位置を設定し、
前記回転ツールが左回転であれば、前記回転ツールの進行方向左側に前記第一金属部材が位置するように摩擦撹拌の開始位置及び終了位置を設定することを特徴とする請求項1に記載の接合方法。
【請求項4】
前記第一乃至第四の各本接合工程のうち少なくとも一の本接合工程を行う前に、
前記突合部を仮接合する仮接合工程を行う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接合方法。
【請求項5】
前記突合部の両側に一対のタブ材を配置し、前記タブ材と前記被接合金属部材との突合部に予備的に摩擦撹拌を行う予備工程、を含む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。
【請求項6】
前記回転ツールの挿入予定位置に予め下穴を形成する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接合方法。
【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】
【公開番号】特開2012−166269(P2012−166269A)
【公開日】平成24年9月6日(2012.9.6)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2012−105666(P2012−105666)
【出願日】平成24年5月7日(2012.5.7)
【分割の表示】特願2007−157471(P2007−157471)の分割
【原出願日】平成19年6月14日(2007.6.14)
【出願人】(000004743)日本軽金属株式会社 (627)
【Fターム(参考)】
【公開日】平成24年9月6日(2012.9.6)
【国際特許分類】
【出願日】平成24年5月7日(2012.5.7)
【分割の表示】特願2007−157471(P2007−157471)の分割
【原出願日】平成19年6月14日(2007.6.14)
【出願人】(000004743)日本軽金属株式会社 (627)
【Fターム(参考)】
[ Back to top ]