接合方法
【課題】摩擦攪拌によって形成され平坦性の高い伝熱板を製造することができる伝熱板の製造方法を提供することを課題とする。
【解決手段】金属部材１ａ，１ｂ同士の突合部Ｊ１に対して金属部材１ａ，１ｂの表面側から摩擦攪拌を行う第一本接合工程と、突合部Ｊ１に対して金属部材１ａ，１ｂの裏面側から摩擦攪拌を行う第二本接合工程と、を含む接合方法であって、タブ材配置工程と、一方のタブ材２と金属部材との突合部Ｊ１及び他方のタブ材３と金属部材との突合部Ｊ１に対して仮接合を行う仮接合工程と、第一本接合工程を行う前に、予め金属部材１ａ，１ｂ同士の突合せ面及び金属部材１ａ，１ｂとタブ材２，３との突合せ面を脱脂する脱脂工程と、を含み、第二本接合工程において、第一本接合工程で形成された塑性化領域に回転ツールの攪拌ピンを入り込ませつつ摩擦攪拌を行う。
【解決手段】金属部材１ａ，１ｂ同士の突合部Ｊ１に対して金属部材１ａ，１ｂの表面側から摩擦攪拌を行う第一本接合工程と、突合部Ｊ１に対して金属部材１ａ，１ｂの裏面側から摩擦攪拌を行う第二本接合工程と、を含む接合方法であって、タブ材配置工程と、一方のタブ材２と金属部材との突合部Ｊ１及び他方のタブ材３と金属部材との突合部Ｊ１に対して仮接合を行う仮接合工程と、第一本接合工程を行う前に、予め金属部材１ａ，１ｂ同士の突合せ面及び金属部材１ａ，１ｂとタブ材２，３との突合せ面を脱脂する脱脂工程と、を含み、第二本接合工程において、第一本接合工程で形成された塑性化領域に回転ツールの攪拌ピンを入り込ませつつ摩擦攪拌を行う。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、摩擦攪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、摩擦攪拌接合（ＦＳＷ＝Friction Stir Welding）が知られている。摩擦攪拌接合は、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攪拌ピン（プローブ）を突設してなるものが一般的である。
【０００３】
ところで、接合すべき金属部材の肉厚が回転ツールの攪拌ピンの長さよりも大きい場合には、金属部材の表面側から摩擦攪拌接合を行った後に、裏面側から摩擦攪拌接合を行う場合がある（例えば、特許文献１参照）。なお、攪拌ピンの長さを大きくすれば、表面側だけから摩擦攪拌接合を行うことで金属部材同士を接合することも可能ではあるが、摩擦攪拌装置の駆動手段に掛かる負荷が増大するため、現有の摩擦攪拌装置で対応できない場合には、摩擦攪拌装置を改修するか、あるいは、大型の摩擦攪拌装置を導入する必要がある。
【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）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１の接合方法では、表面側からの摩擦攪拌により塑性化した領域（以下、「表面側塑性化領域」ということがある。）と裏面側からの摩擦攪拌により塑性化した領域（以下、「裏面側塑性化領域」ということがある。）には、金属部材の一方の側面側から他方の側面側に連続的又は断続的に空洞欠陥などの接合欠陥が形成される可能性がある。このような接合欠陥が残存していると、接合部における気密性や水密性を低下させる虞があるので、望ましくない。なお、特許文献１においては、表面側塑性化領域と裏面側塑性化領域とを金属部材の厚さ方向の中央部において接触させるか、あるいは僅かに重複させることで、金属部材の厚さ方向の全体を接合しているので、接合強度が不足することはない。
【０００６】
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攪拌を行って金属部材同士を接合する方法であって、接合部における気密性や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】
【０００７】
このような課題を解決する本発明に係る接合方法は、金属部材同士の突合部に対して前記金属部材の表面側から摩擦攪拌を行う第一本接合工程と、前記突合部に対して前記金属部材の裏面側から摩擦攪拌を行う第二本接合工程と、を含む接合方法であって、前記第一本接合工程を行う前に、前記金属部材の両側面に現れる前記突合部に沿って一対のタブ材を配置するタブ材配置工程と、一方の前記タブ材と前記金属部材との突合部及び他方の前記タブ材と前記金属部材との突合部に対して仮接合を行う仮接合工程と、前記第一本接合工程を行う前に、予め前記金属部材同士の突合せ面及び前記金属部材と前記タブ材との突合せ面を脱脂する脱脂工程と、を含み、前記第二本接合工程において、前記第一本接合工程で形成された塑性化領域に回転ツールの攪拌ピンを入り込ませつつ摩擦攪拌を行うことを特徴とする。
【０００８】
かかる接合方法によれば、前記第二本接合工程において、前記第一本接合工程で形成された塑性化領域に回転ツールの攪拌ピンを入り込ませつつ摩擦攪拌を行うため、第一本接合工程で形成される塑性化領域を広範囲に亘って再び摩擦攪拌することができ、第一本接合工程で形成される塑性化領域の接合欠陥を補修することができる。また、前記第一本接合工程又は前記第二本接合工程を行う前に仮接合工程を行うことで、突合部の目開きを防止することができる。また、予め前記金属部材同士の突合わせ面及び前記金属部材と前記タブ材との突合せ面を脱脂することによって、接合面から油等の有機物や水分を取り除くことができるため、摩擦攪拌時に有機物の残渣や分解ガスによるポロシティなどの接合欠陥の生成を防止することができ、塑性化領域の気密性及び水密性を高めることができる。
【０００９】
また、前記第一本接合工程を行う前に、一方の金属部材の表面と他方の金属部材の表面とを面一にし、さらに、一方の金属部材の裏面と他方の金属部材の裏面とを面一にすることが好ましい。また、前記第一本接合工程の終了後に、前記本接合工程における摩擦攪拌で発生したバリを除去し、被接合金属部材を裏返し、裏面を上にすることが好ましい。また、前記第一本接合工程を行う前に、第一本接合工程における摩擦攪拌の開始位置に下穴を形成する下穴形成工程を含むことが好ましい。また、前記第二本接合工程を行う前に、第二本接合工程における摩擦攪拌の開始位置に下穴を形成する下穴形成工程を含むことが好ましい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係る接合方法によれば、金属部材同士を摩擦攪拌する際に、接合部における気密性や水密性を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本実施形態に係る金属部材、第一タブ材、第二タブ材及び裏当部材の配置を説明するための図であって、（ａ）は斜視図、（ｂ）は平面図、（ｃ）は（ｂ）のＩ−Ｉ線断面図、（ｄ）は（ｂ）のII−II線断面図である。
【図２】（ａ）は仮接合用回転ツールを説明するための側面図、（ｂ）は本接合用回転ツールを説明するための側面図である。
【図３】本実施形態に係る第一タブ材接合工程、仮接合工程、第二タブ材接合工程を説明するための平面図である。
【図４】（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は、本実施形態に係る第一本接合工程を説明するための図３のIII−III線断面図である。
【図５】（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は、本実施形態に係る第二本接合工程を説明するための断面図である。
【図６】本実施形態に係る第二本接合工程を示した一部透視斜視図である。
【図７】第一本接合工程と第二本接合工程とで異なる形態の本接合用回転ツールを用いる場合を示した側面図であって、（ａ）は、第一本接合工程で用いる本接合用回転ツール、（ｂ）は、第二本接合工程で用いる本接合用回転ツールを示す。
【図８】本発明の他の実施形態を示した斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
次に、本発明の実施形態について説明する。本実施形態では、図１に示すように、金属部材１ａ，１ｂを直線状に繋ぎ合せる場合を例示する。まず、接合すべき金属部材１ａ，１ｂを詳細に説明するとともに、この金属部材１ａ，１ｂを接合する際に用いられる第一タブ材２、第二タブ材３及び裏当部材１０を詳細に説明する。
【００１３】
金属部材１ａ，１ｂは、断面視矩形を呈する板状部材であって、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攪拌可能な金属材料からなる。本実施形態では、一方の金属部材１ａ及び他方の金属部材１ｂを、同一組成の金属材料で形成している。金属部材１ａ，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、金属部材１ａ及び金属部材１ｂを突き合わせた金属部材を被接合金属部材１といい、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及び他方の側面を第二側面Ｄともいう。
【００１４】
第一タブ材２及び第二タブ材３は、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、被接合金属部材１の側面に現れる継ぎ目（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。
【００１５】
裏当部材１０は、被接合金属部材１の裏面Ｂに当接される部材であって、突合部Ｊ１を摩擦攪拌する際の裏当て部材である。裏当部材１０は、本実施形態では直方体を呈し、平滑な表面を有する特殊鋼からなる。裏当部材１０の長さは、図１の（ｄ）に示すように、第一タブ材２の外側面から、第二タブ材３の外側面までの距離と略同等に形成されている。
【００１６】
次に、図２を参照して、仮接合に用いる回転ツール（以下、「仮接合用回転ツールＦ」という。）及び本接合に用いる回転ツール（以下、「本接合用回転ツールＧ」という。）を詳細に説明する。
【００１７】
図２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に突設された攪拌ピン（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、後記する第一本接合工程で用いる本接合用回転ツールＧ（図２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、仮接合時に摩擦攪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。
【００１８】
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。
【００１９】
攪拌ピン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、攪拌ピンＦ２の周面には、螺旋状に刻設された攪拌翼が形成されている。攪拌ピン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の攪拌ピン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が攪拌ピンＧ２の最小外径（下端径）Ｙ３よりも小さい。攪拌ピンＦ２の長さＬＡは、突合部Ｊ１（図１の（ａ）参照）における被接合金属部材１の厚さｔ（図１の（ｃ）参照）の３〜１５％とすることが望ましいが、少なくとも、本接合用回転ツールＧの攪拌ピンＧ２の長さＬＢよりも小さくすることが望ましい。
【００２０】
図２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に突設された攪拌ピン（プローブ）Ｇ２とを備えて構成されている。
【００２１】
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。攪拌ピン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、攪拌ピンＧ２の周面には、螺旋状に刻設された攪拌翼が形成されている。攪拌ピンＧ２の長さＬＢは、突合部Ｊ１（図１の（ａ）参照）における被接合金属部材１の肉厚ｔの１／２以上３／４以下となるように設定することが望ましく、より好適には、１．０１≦２ＬＢ／ｔ≦１．１０という関係を満たすように設定することが望ましい。
【００２２】
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）準備工程、（２）第一予備工程、（３）第一本接合工程、（４）第二予備工程、（５）第二本接合工程、を含むものである。なお、第一予備工程、第一本接合工程は、被接合金属部材１の表面Ａ側から実行される工程であり、第二予備工程、第二本接合工程は、被接合金属部材１の裏面Ｂ側から実行される工程である。
【００２３】
（１）準備工程
図１を参照して準備工程を説明する。準備工程は、接合すべき被接合金属部材１の摩擦攪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り、本実施形態では、金属部材１ａ，１ｂ、第一タブ材２及び第二タブ材３の油脂分等の汚れを取り除く脱脂工程と、金属部材１ａ，１ｂを突き合せる突合工程と、被接合金属部材１の突合部Ｊ１の両側に第一タブ材２、第二タブ材３及び裏当部材１０を配置するタブ材配置工程と、第一タブ材２、第二タブ材３及び裏当部材１０を溶接により被接合金属部材１に仮接合する溶接工程とを具備している。
【００２４】
脱脂工程では、面削加工された金属部材１ａ，１ｂ、第一タブ材２及び第二タブ材３を脱脂処理液内に浸けて、各部材が突き合わされる面に付着した加工油等の油脂分や汚れを取り除く。具体的には、金属部材１ａと金属部材１ｂとが突き合わされる端面１１，１１や、被接合金属部材１と第一タブ材２及び第二タブ材３とが突き合わされる第一金属部材１ａ，１ｂの側面１４、第一タブ材２の当接面２１、第二タブ材３の当接面３１に対してそれぞれ脱脂処理を行う。脱脂工程は、少なくとも各部材が突き合わされる面に対して処理を行えばよいが、突合せ面に隣接する面に対して脱脂処理を行ってもよい。
【００２５】
脱脂工程は、前記した処理に限定されるものではなく、例えば、突合せ面に直接アルコールやアセトン等を適量散布した後に、ウエス布によって、突合せ面に付着した加工油等の油脂分や汚れとともに拭き取るようにしてもよい。アルコールとしては、遺伝子組み換えによる品種改良がされたトウモロコシ、大豆等の穀物を発酵させて得られたエチルアルコールを抽出、精製したいわゆるバイオエタノールを使用すれば、経済面及び環境面からみて好ましい。
【００２６】
突合工程では、図１の（ｃ）に示すように、一方の金属部材１ａの端面１１に他方の金属部材１ｂの端面１１を密着させるとともに、一方の金属部材１ａの表面１２と他方の金属部材１ｂの表面１２を面一にし、さらに、一方の金属部材１ａの裏面１３と他方の金属部材１ｂの裏面１３を面一にする。また、一方の金属部材１ａの側面１４，１４と他方の金属部材１ｂの側面１４，１４をそれぞれ面一にする。
【００２７】
タブ材配置工程では、図１の（ｂ）に示すように、被接合金属部材１の突合部Ｊ１の一端側に第一タブ材２を配置してその当接面２１を被接合金属部材１の第二側面Ｄに当接させるとともに、突合部Ｊ１の他端側に第二タブ材３を配置してその当接面３１を被接合金属部材１の第一側面Ｃに当接させる。このとき、図１の（ｄ）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。また、図１の（ｃ）及び（ｄ）に示すように、裏当部材１０を被接合金属部材１の裏面Ｂに現れる突合部Ｊ１を覆うようにして配置させる。
【００２８】
溶接工程では、図１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，２ａ（即ち、金属部材１ａ，１ｂの側面１４と第一タブ材２の側面２４とにより形成された角部）を溶接して被接合金属部材１と第一タブ材２とを接合し、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，３ａ（即ち、金属部材１ａ，１ｂの側面１４と第二タブ材３の側面３４とにより形成された角部）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。
また、溶接工程では、被接合金属部材１の裏面Ｂと裏当部材１０の側面とにより形成された入隅部を溶接して被接合金属部材１と裏当部材１０とを接合する。
なお、各入隅部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。
【００２９】
準備工程が終了したら、被接合金属部材１を図示せぬ摩擦攪拌装置の架台に載置し、クランプ等の図示せぬ治具を用いて移動不能に拘束する。なお、溶接工程を省略する場合には、図示せぬ摩擦攪拌装置の架台上で、突合工程とタブ材配置工程を実行する。
【００３０】
（２）第一予備工程
第一予備工程は、第一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、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を接合する第二タブ材接合工程と、第一本接合工程における摩擦攪拌の開始位置に下穴を形成する下穴形成工程とを具備している。
【００３１】
本実施形態の第一予備工程では、図３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Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３に対して連続して摩擦攪拌を行う。即ち、摩擦攪拌の開始位置ＳＰに挿入した仮接合用回転ツールＦの攪拌ピンＦ２（図２の（ａ）参照）を途中で離脱させることなく終了位置ＥＰまで移動させ、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連続して実行する。なお、本実施形態では、第一タブ材２に摩擦攪拌の開始位置ＳＰを設け、第二タブ材３に終了位置ＥＰを設けているが、開始位置ＳＰと終了位置ＥＰの位置を限定する趣旨ではない。
【００３２】
本実施形態の第一予備工程における摩擦攪拌の手順を図３を参照してより詳細に説明する。
まず、図３に示すように、第一タブ材２の適所に設けた開始位置ＳＰ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攪拌ピンＦ２を開始位置ＳＰに押し付ける。仮接合用回転ツールＦの回転速度は、攪拌ピンＦ２の寸法・形状、摩擦攪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。
【００３３】
攪拌ピンＦ２が第一タブ材２の表面２２に接触すると、摩擦熱によって攪拌ピンＦ２の周囲にある金属が塑性流動化し、攪拌ピンＦ２が第一タブ材２に挿入される。仮接合用回転ツールＦの挿入速度（下降速度）は、攪拌ピンＦ２の寸法・形状、開始位置ＳＰが設けられる部材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、３０〜６０（ｍｍ／分）の範囲内において設定される。
【００３４】
攪拌ピンＦ２の全体が第一タブ材２に入り込み、かつ、ショルダ部Ｆ１の下端面Ｆ１１の全面が第一タブ材２の表面２２に接触したら、仮接合用回転ツールＦを回転させつつ第一タブ材接合工程の始点ｓ２に向けて相対移動させる。
【００３５】
仮接合用回転ツールＦの移動速度（送り速度）は、攪拌ピンＦ２の寸法・形状、摩擦攪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、その攪拌ピンＦ２の周囲にある金属が順次塑性流動化するとともに、攪拌ピン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。
【００３６】
仮接合用回転ツールＦを相対移動させて第一タブ材接合工程の始点ｓ２まで連続して摩擦攪拌を行ったら、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一タブ材接合工程に移行する。
【００３７】
第一タブ材接合工程では、第一タブ材２と被接合金属部材１との突合部Ｊ２に対して摩擦攪拌を行う。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）上に摩擦攪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に対して摩擦攪拌を行う。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まで連続して摩擦攪拌を行う。
【００３８】
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接合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一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側に接合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。
【００３９】
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接合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。
【００４０】
なお、仮接合用回転ツールＦの攪拌ピン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により形成された入隅部２ａ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。
【００４１】
仮接合用回転ツールＦが第一タブ材接合工程の終点ｅ２に達したら、終点ｅ２で摩擦攪拌を終了させずに仮接合工程の始点ｓ１まで連続して摩擦攪拌を行い、そのまま仮接合工程に移行する。即ち、第一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攪拌を継続し、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、第一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。
【００４２】
本実施形態では、第一タブ材接合工程の終点ｅ２から仮接合工程の始点ｓ１に至る摩擦攪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を第一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一タブ材２に形成する。このようにすると、第一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に接合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。
【００４３】
仮接合工程では、被接合金属部材１の突合部Ｊ１に対して摩擦攪拌を行う。具体的には、被接合金属部材１の継ぎ目（境界線）上に摩擦攪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攪拌を行う。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まで連続して摩擦攪拌を行う。このようにすると、仮接合工程中における仮接合用回転ツールＦの離脱作業が一切不要となることから、予備的な接合作業のより一層の効率化・迅速化を図ることが可能となる。
【００４４】
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で摩擦攪拌を終了させずに第二タブ材接合工程の始点ｓ３まで連続して摩擦攪拌を行い、そのまま第二タブ材接合工程に移行する。即ち、仮接合工程の終点ｅ１から第二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攪拌を継続し、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二タブ材接合工程に移行する。このようにすると、仮接合工程の終点ｅ１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、第二タブ材接合工程の始点ｓ３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より一層の効率化・迅速化を図ることが可能となる。
【００４５】
本実施形態では、仮接合工程の終点ｅ１から第二タブ材接合工程の始点ｓ３に至る摩擦攪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を仮接合工程の終点ｅ１から第二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二タブ材３に形成する。このようにすると、仮接合工程の終点ｅ１から第二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に接合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。
【００４６】
第二タブ材接合工程では、被接合金属部材１と第二タブ材３との突合部Ｊ３に対して摩擦攪拌を行う。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）上に摩擦攪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に対して摩擦攪拌を行う。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二タブ材接合工程の始点ｓ３から終点ｅ３まで連続して摩擦攪拌を行う。
【００４７】
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二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側に接合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。
【００４８】
なお、仮接合用回転ツールＦの攪拌ピンＦ２（図２の（ａ）参照）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の入隅部３ａ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。
【００４９】
仮接合用回転ツールＦが第二タブ材接合工程の終点ｅ３に達したら、終点ｅ３で摩擦攪拌を終了させずに、第二タブ材３に設けた終了位置ＥＰまで連続して摩擦攪拌を行う。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ＥＰを設けている。ちなみに、終了位置ＥＰは、後記する第一本接合工程における摩擦攪拌の開始位置ＳＭ１でもある。
【００５０】
仮接合用回転ツールＦが終了位置ＥＰ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攪拌ピンＦ２を終了位置ＥＰから離脱させる。
【００５１】
なお、仮接合用回転ツールＦの離脱速度（上昇速度）は、攪拌ピンＦ２の寸法・形状、終了位置ＥＰが設けられる部材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、３０〜６０（ｍｍ／分）の範囲内において設定される。また、仮接合用回転ツールＦの離脱時の回転速度は、移動時の回転速度と同じか、それよりも高速にする。
【００５２】
続いて、下穴形成工程を実行する。下穴形成工程は、図２の（ｂ）に示すように、第一本接合工程における摩擦攪拌の開始位置ＳＭ１に下穴Ｐ１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の攪拌ピンＧ２の挿入予定位置に下穴Ｐ１を形成する工程である。
【００５３】
下穴Ｐ１は、本接合用回転ツールＧの攪拌ピン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の攪拌ピンＦ２（図２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、第二タブ材３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、第一タブ材２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。
【００５４】
下穴Ｐ１の最大穴径Ｚ１は、本接合用回転ツールＧの攪拌ピンＧ２の最大外径（上端径）Ｙ２よりも小さくなっているが、好適には、攪拌ピンＧ２の最大外径Ｙ２の５０〜９０％とすることが望ましい。なお、下穴Ｐ１の最大穴径Ｚ１が攪拌ピンＧ２の最大外径Ｙ２の５０％を下回ると、攪拌ピンＧ２の圧入抵抗の低減度合いが低下する虞があり、また、下穴Ｐの最大穴径Ｚ１が攪拌ピンＧ２の最大外径Ｙ２の９０％を上回ると、攪拌ピンＧ２による摩擦熱の発生量が少なくなって塑性流動化する領域が小さくなり、入熱量が減少するので、本接合用回転ツールＧを移動させる際の負荷が大きくなり、欠陥が発生し易くなる。
【００５５】
なお、本実施形態では、仮接合用回転ツールＦの攪拌ピンＦ２（図２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、攪拌ピンＦ２の最大外径Ｘ２が本接合用回転ツールＧの攪拌ピンＧ２の最小外径Ｙ３よりも大きく、かつ、攪拌ピンＦ２の最大外径Ｘ２が攪拌ピン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、攪拌ピンＦ２の抜き穴Ｈ１をそのまま下穴Ｐ１としてもよい。
【００５６】
（３）第一本接合工程
第一本接合工程は、被接合金属部材１の突合部Ｊ１を表面Ａ側から本格的に接合する工程である。本実施形態に係る第一本接合工程では、図２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側から摩擦攪拌を行う。
【００５７】
第一本接合工程では、図４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の攪拌ピンＧ２を挿入（圧入）し、挿入した攪拌ピン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、第一本接合工程では、下穴Ｐ１から摩擦攪拌を開始し、終了位置ＥＭ１まで連続して摩擦攪拌を行う。なお、本実施形態では、第二タブ材３に摩擦攪拌の開始位置ＳＭ１を設け、第一タブ材２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。
【００５８】
図４の（ａ）〜（ｃ）を参照して第一本接合工程をより詳細に説明する。
まず、図４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を左回転させつつ下降させて攪拌ピンＧ２の先端を下穴Ｐ１に挿入する。攪拌ピンＧ２を下穴Ｐ１に入り込ませると、攪拌ピン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攪拌ピンＧ２の周面で押し退けながら、攪拌ピン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が第二タブ材３の表面３２に当接する前に攪拌ピン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、摩擦攪拌装置の負荷を低減することが可能となり、加えて、本接合に要する作業時間を短縮することが可能となる。
【００５９】
摩擦攪拌の開始位置ＳＭ１に本接合用回転ツールＧの攪拌ピンＧ２を挿入する際の本接合用回転ツールＧの回転速度（挿入時の回転速度）は、攪拌ピンＧ２の寸法・形状、摩擦攪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り、多くの場合、７０〜７００（ｒｐｍ）の範囲内において設定されるが、開始位置ＳＭ１から摩擦攪拌の終了位置ＥＭ１に向かって本接合用回転ツールＧを移動させる際の本接合用回転ツールＧの回転速度（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、挿入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、金属を塑性流動化させるまでに要する時間が短くなるので、開始位置ＳＭ１における攪拌ピンＧ２の挿入作業を迅速に行うことが可能となる。
【００６０】
攪拌ピンＧ２の全体が第二タブ材３に入り込み、かつ、ショルダ部Ｇ１の下端面Ｇ１１の全面が第二タブ材３の表面３２に接触したら、図４の（ｂ）に示すように、摩擦攪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Ｊ３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、その攪拌ピンＧ２の周囲にある金属が順次塑性流動化するとともに、攪拌ピン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Ｗ１（以下、「表面側塑性化領域Ｗ１」という。）が形成される。
【００６１】
本接合用回転ツールＧの移動速度（送り速度）は、攪拌ピンＧ２の寸法・形状、摩擦攪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。なお、本接合用回転ツールＧを移動させる際には、ショルダ部Ｇ１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、本接合用回転ツールＧの方向転換が容易となり、複雑な動きが可能となる。
【００６２】
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、被接合金属部材１の突合部Ｊ１間に冷却水が入り込むと、接合面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の突合部Ｊ１に冷却水が入り込み難く、したがって、接合部の品質を劣化させる虞がない。
【００６３】
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）に摩擦攪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攪拌を行う。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、摩擦攪拌を行いながら突合部Ｊ２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。
【００６４】
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）の延長線上に摩擦攪拌の終了位置ＥＭ１を設定しているので、第一本接合工程における摩擦攪拌のルートが一直線にすることができる。摩擦攪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。
【００６５】
本接合用回転ツールＧが終了位置ＥＭ１に達したら、図４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攪拌ピンＧ２を終了位置ＥＭ１（図４の（ｂ）参照）から離脱させる。なお、終了位置ＥＭ１において攪拌ピンＧ２を上方に離脱させると、攪拌ピン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。
【００６６】
なお、本実施形態では、図４の（ｂ）及び（ｃ）に示すように、本接合用回転ツールＧを左回転させて第一本接合工程を行ったため、進行方向右側、即ち、金属部材１ａにトンネル状の空洞欠陥（以下、トンネル状空洞欠陥Ｒとする）が形成される可能性がある。摩擦攪拌を行う際に、進行方向右側はシアー側（回転ツールの回転速度に回転ツールの移動速度が加算される側）であるため、メタルが強く攪拌されて高温軟化し、バリとなって排出され易いと考えられる。このため、進行方向右側はメタルが不足するので、トンネル状空洞欠陥Ｒが形成される可能性がある。また、進行方向左側、即ち、金属部材１ｂ側は、フロー側（回転ツールの回転速度に回転ツールの移動速度が減算される側）であるため、メタルの攪拌が比較的弱く、バリとなって排出され難いと考えられ、比較的緻密な塑性化領域が形成される。
【００６７】
ちなみに、本接合用回転ツールＧを右回転させると、進行方向左側は、シアー側となるため進行方向左側にトンネル状空洞欠陥Ｒが形成される可能性がある。一方、進行方向右側は、フロー側となるため、比較的緻密な塑性化領域が形成される。
かかるトンネル状空洞欠陥Ｒなどの接合欠陥が被接合金属部材１に形成されると、被接合金属部材１の気密性及び水密性を低下させる原因となる。
【００６８】
なお、本実施形態では裏当部材１０を用いたが、本接合用回転ツールＧの大きさ、押込み量の設定によっては裏当部材１０を設けなくてもよい。
【００６９】
第一本接合工程が終了したら、裏当部材１０を被接合金属部材１から切削除去するとともに、第一予備工程、第一本接合工程における摩擦攪拌で発生したバリを除去し、図１の（ａ）に示す前後軸回りに被接合金属部材１を裏返し、裏面Ｂを上にする。
【００７０】
（４）第二予備工程
第二予備工程は、第二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、被接合金属部材１の表面Ａに裏当部材１０を配置させるタブ材配置工程と、第二本接合工程における摩擦攪拌の開始位置ＳＭ２に下穴Ｐ２を形成する下穴形成工程を具備している。なお、第二予備工程の中に、前記した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含ませてもよい。
【００７１】
（５）第二本接合工程
第二本接合工程は、被接合金属部材１の突合部Ｊ１を裏面Ｂ側から本格的に接合する工程である。本実施形態に係る第二本接合工程では、図５の（ａ）〜（ｃ）に示すように、第一本接合工程で使用した本接合用回転ツールＧを使用して、突合部Ｊ１に対して被接合金属部材１の裏面Ｂ側から摩擦攪拌を行う。
【００７２】
第二本接合工程では、第二タブ材３に設けた下穴Ｐ２（開始位置ＳＭ２）に本接合用回転ツールＧの攪拌ピンＧ２を挿入（圧入）し、挿入した攪拌ピンＧ２を途中で離脱させることなく第一タブ材２に設けた終了位置ＥＭ２まで移動させる。即ち、第二本接合工程では、下穴Ｐ２から摩擦攪拌を開始し、終了位置ＥＭ２まで連続して摩擦攪拌を行う。
【００７３】
図５の（ａ）〜（ｃ）及び図６を参照して第二本接合工程をより詳細に説明する。
まず、図５の（ａ）に示すように、下穴Ｐ２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を左回転させつつ下降させて攪拌ピンＧ２の先端を下穴Ｐ２に挿入する。なお、本接合用回転ツールＧの挿入時の回転速度は、前記した第一本接合工程の場合と同様に、本接合用回転ツールＧの移動時の回転速度よりも高速にすることが望ましい。
【００７４】
攪拌ピンＧ２の全体が第二タブ材３に入り込み、かつ、ショルダ部Ｇ１の下端面Ｇ１１の全面が第二タブ材３の表面に接触したら、図５の（ｂ）に示すように、摩擦攪拌を行い本接合用回転ツールＧを被接合金属部材１の突合部Ｊの一端に向けて相対移動させる。本接合用回転ツールＧを移動させると、その攪拌ピンＧ２の周囲にある金属が順次塑性流動化するとともに、攪拌ピン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Ｗ２（以下、「裏面側塑性化領域Ｗ２」という。）が形成される。
【００７５】
また、図６に示すように、第二本接合工程においては、本接合用回転ツールＧを左回転させて、被接合金属部材１の第一側面Ｃ側から第二側面Ｄ側に向けて摩擦攪拌を行うため、進行方向左側、即ち、金属部材１ａ側では、比較的緻密な塑性化領域が形成される。したがって、第一本接合工程によって形成された表面側塑性化領域Ｗ１のトンネル状空洞欠陥Ｒを確実に密閉することができる。
【００７６】
なお、第一本接合工程の場合と同様に、本接合用回転ツールＧを移動させる際には、ショルダ部Ｇ１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、本接合用回転ツールＧの方向転換が容易となり、複雑な動きが可能となる。また、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の周囲に裏面Ｂ側から水を供給するなどして冷却することが望ましい。
【００７７】
図５の（ｃ）に示すように、本接合用回転ツールＧが終了位置ＥＭ２に達したら、本接合用回転ツールＧを回転させつつ上昇させて攪拌ピンＧ２を終了位置ＥＭ２から離脱させる（図５の（ｃ）参照）。本接合用回転ツールＧの離脱時の回転速度は、前記した第一本接合工程の場合と同様に、移動時の回転速度よりも高速にすることが望ましい。
【００７８】
なお、第一本接合工程で残置された抜き穴Ｑ１と第二本接合工程における本接合用回転ツールＧの移動ルートとが重なると、塑性流動化した金属が抜き穴Ｑ１に流れ込み、接合欠陥が発生する虞があるので、抜き穴Ｑ１から離れた位置に第二本接合工程における摩擦攪拌の終了位置ＥＭ２（抜き穴Ｑ２）を設けるとともに、抜き穴Ｑ１を避けるように第二本接合工程における摩擦攪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の攪拌ピンＧ２を移動させることが望ましい。
【００７９】
また、第二本接合工程で用いる本接合用回転ツールＧの攪拌ピンＧ２が第一本接合工程の抜き穴Ｑ１を通過しない場合であっても、その離隔距離が小さい場合には、塑性流動化した金属が抜き穴Ｑ１に押し出され、接合欠陥が発生する虞があるので、より好適には、第一本接合工程における摩擦攪拌の終了位置ＥＭ１と、第二本接合工程における本接合用回転ツールＧの移動軌跡（本実施形態では終了位置ＥＭ２）との平面視での最短距離ｄ１を、本接合用回転ツールＧのショルダ部Ｇ１の外径Ｙ１以上にすることが望ましい。
【００８０】
なお、本実施形態の如く第一本接合工程で使用した本接合用回転ツールＧを使用して第二本接合工程を行えば、作業効率が向上してコストの削減を図ることが可能になり、さらには、表面側塑性化領域Ｗ１の断面積と裏面側塑性化領域Ｗ２の断面積とが同等になるので、接合部の品質が均質になるが、第一本接合工程と第二本接合工程とで異なる形態の本接合用回転ツールを用いても差し支えない。
【００８１】
第一本接合工程と第二本接合工程とで異なる形態の本接合用回転ツールを用いる場合には、例えば図７の（ａ）及び（ｂ）に示すように、第一本接合工程で用いる本接合用回転ツールＧの攪拌ピンＧ２の長さＬＢと第二本接合工程で用いる本接合用回転ツールＧ’の攪拌ピンＧ２’の長さＬＣの和を、突合部Ｊ１における被接合金属部材１の肉厚ｔ以上に設定することが望ましい。なお、攪拌ピンＧ２，Ｇ２’の長さＬＢ，ＬＣが、それぞれ肉厚ｔ未満であることは言うまでもない。このようにすれば、第一本接合工程で形成された表面側塑性化領域Ｗ１が、第二本接合工程で使用する本接合用回転ツールＧ’の攪拌ピンＧ２’によって再び摩擦攪拌されることになるので、表面側塑性化領域Ｗ１に空洞欠陥が形成されていたとしても、当該空洞欠陥を密閉することが可能となり、ひいては、接合部における気密性や水密性を向上させることが可能となる。
【００８２】
なお、より好適には、図７の（ａ）及び（ｂ）に示すように、本接合用回転ツールＧ，Ｇ’の攪拌ピンＧ２，Ｇ２’の長さＬＢ，ＬＣを、それぞれ、突合部Ｊ１における被接合金属部材１の肉厚ｔの１／２以上に設定することが望ましく、さらには、肉厚ｔの３／４以下に設定することが望ましい。攪拌ピンＧ２，Ｇ２’の長さＬＢ，ＬＣを、肉厚ｔの１／２以上に設定すると、表面側塑性化領域Ｗ１と裏面側塑性化領域Ｗ２とが被接合金属部材１の肉厚方向の中央部において重複するとともに、表面側塑性化領域Ｗ１の断面積と裏面側塑性化領域Ｗ２の断面積との差が小さくなるので、接合部の品質が均質になり、攪拌ピンＧ２，Ｇ２’の長さＬＢ，ＬＣを、肉厚ｔの３／４以下に設定すると、摩擦攪拌を行う際に裏当部材が不要となるので、作業効率を向上させることが可能となる。
【００８３】
より好適には、攪拌ピンＧ２，Ｇ２’の長さＬＢ，ＬＣを、１．０１≦（ＬＢ＋ＬＣ）／ｔ≦１．１０という関係を満たすように設定するとよい。（ＬＢ＋ＬＣ）／ｔを１．０１以上にしておけば、被接合金属部材１に寸法公差等があったとしても、第二本接合工程において、攪拌ピンＧ２’を確実に表面側塑性化領域Ｗ１に入り込ませることが可能となる。また、（ＬＢ＋ＬＣ）／ｔを１．１０よりも大きくすると、各回転ツールが必要以上に大きくなって摩擦攪拌装置に掛かる負荷が大きくなるが、（ＬＢ＋ＬＣ）／ｔを１．１０以下にしておけば、摩擦攪拌装置に掛かる負荷が小さいものとなる。
【００８４】
以上説明した第一実施形態によれば、前記第二本接合工程において、第一本接合工程で形成された表面側塑性化領域Ｗ１に本接合用回転ツールＧの攪拌ピンＧ２を入り込ませつつ摩擦攪拌を行うため、第一本接合工程で形成される表面側塑性化領域Ｗ１を広範囲に亘って再度摩擦攪拌することができる。これにより、第一本接合工程で形成される表面側塑性化領域Ｗ１の空洞欠陥Ｒを密閉することができる。また、図６に示すように、本実施形態においては、第一本接合工程及び第二本接合工程において、本接合用回転ツールＧを左回転させるとともに、被接合金属部材１の第一側面Ｃ側に摩擦攪拌の開始位置を設定し、第二側面Ｄ側に向けて摩擦攪拌を行うため、表面側塑性化領域Ｗ１に形成されたトンネル状空洞欠陥Ｒを確実に密閉することができる。
【００８５】
また、本実施形態においては、第一本接合工程と第二本接合工程において同一の本接合用回転ツールＧを用いているので、裏面側塑性化領域Ｗ２の断面積は、表面側塑性化領域Ｗ１の断面積と同等になる。したがって、接合部の品質を均質に成形することができる。
【００８６】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の趣旨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、第一本接合工程及び第二本接合工程における本接合用回転ツールＧの進行方向及び回転方向を他の形態で設定してもよい。
【００８７】
図８に示すように、第一本接合工程の開始位置を第一側面Ｃ側に設定するとともに、本接合用回転ツールＧを右回転に設定し、第二本接合工程の開始位置を第二側面Ｄ側設定するとともに、本接合用回転ツールＧを左回転に設定してもよい。
即ち、第一本接合工程の開始位置を第二タブ材３（第一側面Ｃ側）に設けて、本接合用回転ツールＧを右回転させて摩擦攪拌を行うと、金属部材１ｂ側にトンネル状空洞欠陥Ｒが形成される。したがって、第二本接合工程の摩擦攪拌の開始位置を第一タブ材２（第二側面Ｄ側）に設定し、本接合用回転ツールＧを左回転させて摩擦攪拌を行うと、進行方向左側に比較的緻密な塑性化領域が形成されるため、より確実にトンネル状空洞欠陥Ｒを密閉することができる。
【００８８】
即ち、第一本接合工程の開始位置を被接合金属部材１の第一側面Ｃ側に設定し、第二本接合工程の開始位置を被接合金属部材１の第二側面Ｄ側に設定した場合、第一本接合工程における本接合用回転ツールＧの回転方向と、第二本接合工程における本接合用回転ツールＧの回転方向が異なるように設定することが好ましい。
一方、第一本接合工程の開始位置を被接合金属部材１の第一側面Ｃ側に設定し、第二本接合工程の開始位置も被接合金属部材１の第一側面Ｃ側に設定した場合、第一本接合工程における本接合用回転ツールＧの回転方向と、第二本接合工程における本接合用回転ツールＧの回転方向を同一に設定することが好ましい。
このように、摩擦攪拌の特性に基づいて回転ツールの開始位置及び進行方向を適宜設定することで、より確実に接合欠陥を密閉することができる。
【００８９】
なお、図８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の深さが突合部の深さよりも大きくなるように塑性化領域を形成してもよい。これにより、より多くの領域を重複させることができる。
また、本実施形態では、一対の金属部材１ａ，１ｂを直線状に突き合わせた場合を例にして説明したが、Ｌ字状など他の形態で突き合わせた場合においても適用することができる。
【符号の説明】
【００９０】
１ 接合金属部材
１ａ 金属部材
１ｂ 金属部材
２ 第一タブ材
３ 第二タブ材
Ｊ１〜Ｊ３ 突合部
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
Ｆ１ ショルダ部
Ｆ２ 攪拌ピン
Ｇ 本接合用回転ツール
Ｇ１ ショルダ部
Ｇ２ 攪拌ピン
Ｒ 空洞欠陥
Ｗ１，Ｗ２ 塑性化領域
【技術分野】
【０００１】
本発明は、摩擦攪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、摩擦攪拌接合（ＦＳＷ＝Friction Stir Welding）が知られている。摩擦攪拌接合は、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攪拌ピン（プローブ）を突設してなるものが一般的である。
【０００３】
ところで、接合すべき金属部材の肉厚が回転ツールの攪拌ピンの長さよりも大きい場合には、金属部材の表面側から摩擦攪拌接合を行った後に、裏面側から摩擦攪拌接合を行う場合がある（例えば、特許文献１参照）。なお、攪拌ピンの長さを大きくすれば、表面側だけから摩擦攪拌接合を行うことで金属部材同士を接合することも可能ではあるが、摩擦攪拌装置の駆動手段に掛かる負荷が増大するため、現有の摩擦攪拌装置で対応できない場合には、摩擦攪拌装置を改修するか、あるいは、大型の摩擦攪拌装置を導入する必要がある。
【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）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１の接合方法では、表面側からの摩擦攪拌により塑性化した領域（以下、「表面側塑性化領域」ということがある。）と裏面側からの摩擦攪拌により塑性化した領域（以下、「裏面側塑性化領域」ということがある。）には、金属部材の一方の側面側から他方の側面側に連続的又は断続的に空洞欠陥などの接合欠陥が形成される可能性がある。このような接合欠陥が残存していると、接合部における気密性や水密性を低下させる虞があるので、望ましくない。なお、特許文献１においては、表面側塑性化領域と裏面側塑性化領域とを金属部材の厚さ方向の中央部において接触させるか、あるいは僅かに重複させることで、金属部材の厚さ方向の全体を接合しているので、接合強度が不足することはない。
【０００６】
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攪拌を行って金属部材同士を接合する方法であって、接合部における気密性や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】
【０００７】
このような課題を解決する本発明に係る接合方法は、金属部材同士の突合部に対して前記金属部材の表面側から摩擦攪拌を行う第一本接合工程と、前記突合部に対して前記金属部材の裏面側から摩擦攪拌を行う第二本接合工程と、を含む接合方法であって、前記第一本接合工程を行う前に、前記金属部材の両側面に現れる前記突合部に沿って一対のタブ材を配置するタブ材配置工程と、一方の前記タブ材と前記金属部材との突合部及び他方の前記タブ材と前記金属部材との突合部に対して仮接合を行う仮接合工程と、前記第一本接合工程を行う前に、予め前記金属部材同士の突合せ面及び前記金属部材と前記タブ材との突合せ面を脱脂する脱脂工程と、を含み、前記第二本接合工程において、前記第一本接合工程で形成された塑性化領域に回転ツールの攪拌ピンを入り込ませつつ摩擦攪拌を行うことを特徴とする。
【０００８】
かかる接合方法によれば、前記第二本接合工程において、前記第一本接合工程で形成された塑性化領域に回転ツールの攪拌ピンを入り込ませつつ摩擦攪拌を行うため、第一本接合工程で形成される塑性化領域を広範囲に亘って再び摩擦攪拌することができ、第一本接合工程で形成される塑性化領域の接合欠陥を補修することができる。また、前記第一本接合工程又は前記第二本接合工程を行う前に仮接合工程を行うことで、突合部の目開きを防止することができる。また、予め前記金属部材同士の突合わせ面及び前記金属部材と前記タブ材との突合せ面を脱脂することによって、接合面から油等の有機物や水分を取り除くことができるため、摩擦攪拌時に有機物の残渣や分解ガスによるポロシティなどの接合欠陥の生成を防止することができ、塑性化領域の気密性及び水密性を高めることができる。
【０００９】
また、前記第一本接合工程を行う前に、一方の金属部材の表面と他方の金属部材の表面とを面一にし、さらに、一方の金属部材の裏面と他方の金属部材の裏面とを面一にすることが好ましい。また、前記第一本接合工程の終了後に、前記本接合工程における摩擦攪拌で発生したバリを除去し、被接合金属部材を裏返し、裏面を上にすることが好ましい。また、前記第一本接合工程を行う前に、第一本接合工程における摩擦攪拌の開始位置に下穴を形成する下穴形成工程を含むことが好ましい。また、前記第二本接合工程を行う前に、第二本接合工程における摩擦攪拌の開始位置に下穴を形成する下穴形成工程を含むことが好ましい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係る接合方法によれば、金属部材同士を摩擦攪拌する際に、接合部における気密性や水密性を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本実施形態に係る金属部材、第一タブ材、第二タブ材及び裏当部材の配置を説明するための図であって、（ａ）は斜視図、（ｂ）は平面図、（ｃ）は（ｂ）のＩ−Ｉ線断面図、（ｄ）は（ｂ）のII−II線断面図である。
【図２】（ａ）は仮接合用回転ツールを説明するための側面図、（ｂ）は本接合用回転ツールを説明するための側面図である。
【図３】本実施形態に係る第一タブ材接合工程、仮接合工程、第二タブ材接合工程を説明するための平面図である。
【図４】（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は、本実施形態に係る第一本接合工程を説明するための図３のIII−III線断面図である。
【図５】（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は、本実施形態に係る第二本接合工程を説明するための断面図である。
【図６】本実施形態に係る第二本接合工程を示した一部透視斜視図である。
【図７】第一本接合工程と第二本接合工程とで異なる形態の本接合用回転ツールを用いる場合を示した側面図であって、（ａ）は、第一本接合工程で用いる本接合用回転ツール、（ｂ）は、第二本接合工程で用いる本接合用回転ツールを示す。
【図８】本発明の他の実施形態を示した斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
次に、本発明の実施形態について説明する。本実施形態では、図１に示すように、金属部材１ａ，１ｂを直線状に繋ぎ合せる場合を例示する。まず、接合すべき金属部材１ａ，１ｂを詳細に説明するとともに、この金属部材１ａ，１ｂを接合する際に用いられる第一タブ材２、第二タブ材３及び裏当部材１０を詳細に説明する。
【００１３】
金属部材１ａ，１ｂは、断面視矩形を呈する板状部材であって、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攪拌可能な金属材料からなる。本実施形態では、一方の金属部材１ａ及び他方の金属部材１ｂを、同一組成の金属材料で形成している。金属部材１ａ，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、金属部材１ａ及び金属部材１ｂを突き合わせた金属部材を被接合金属部材１といい、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及び他方の側面を第二側面Ｄともいう。
【００１４】
第一タブ材２及び第二タブ材３は、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、被接合金属部材１の側面に現れる継ぎ目（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。
【００１５】
裏当部材１０は、被接合金属部材１の裏面Ｂに当接される部材であって、突合部Ｊ１を摩擦攪拌する際の裏当て部材である。裏当部材１０は、本実施形態では直方体を呈し、平滑な表面を有する特殊鋼からなる。裏当部材１０の長さは、図１の（ｄ）に示すように、第一タブ材２の外側面から、第二タブ材３の外側面までの距離と略同等に形成されている。
【００１６】
次に、図２を参照して、仮接合に用いる回転ツール（以下、「仮接合用回転ツールＦ」という。）及び本接合に用いる回転ツール（以下、「本接合用回転ツールＧ」という。）を詳細に説明する。
【００１７】
図２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に突設された攪拌ピン（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、後記する第一本接合工程で用いる本接合用回転ツールＧ（図２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、仮接合時に摩擦攪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。
【００１８】
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。
【００１９】
攪拌ピン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、攪拌ピンＦ２の周面には、螺旋状に刻設された攪拌翼が形成されている。攪拌ピン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の攪拌ピン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が攪拌ピンＧ２の最小外径（下端径）Ｙ３よりも小さい。攪拌ピンＦ２の長さＬＡは、突合部Ｊ１（図１の（ａ）参照）における被接合金属部材１の厚さｔ（図１の（ｃ）参照）の３〜１５％とすることが望ましいが、少なくとも、本接合用回転ツールＧの攪拌ピンＧ２の長さＬＢよりも小さくすることが望ましい。
【００２０】
図２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に突設された攪拌ピン（プローブ）Ｇ２とを備えて構成されている。
【００２１】
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。攪拌ピン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、攪拌ピンＧ２の周面には、螺旋状に刻設された攪拌翼が形成されている。攪拌ピンＧ２の長さＬＢは、突合部Ｊ１（図１の（ａ）参照）における被接合金属部材１の肉厚ｔの１／２以上３／４以下となるように設定することが望ましく、より好適には、１．０１≦２ＬＢ／ｔ≦１．１０という関係を満たすように設定することが望ましい。
【００２２】
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）準備工程、（２）第一予備工程、（３）第一本接合工程、（４）第二予備工程、（５）第二本接合工程、を含むものである。なお、第一予備工程、第一本接合工程は、被接合金属部材１の表面Ａ側から実行される工程であり、第二予備工程、第二本接合工程は、被接合金属部材１の裏面Ｂ側から実行される工程である。
【００２３】
（１）準備工程
図１を参照して準備工程を説明する。準備工程は、接合すべき被接合金属部材１の摩擦攪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り、本実施形態では、金属部材１ａ，１ｂ、第一タブ材２及び第二タブ材３の油脂分等の汚れを取り除く脱脂工程と、金属部材１ａ，１ｂを突き合せる突合工程と、被接合金属部材１の突合部Ｊ１の両側に第一タブ材２、第二タブ材３及び裏当部材１０を配置するタブ材配置工程と、第一タブ材２、第二タブ材３及び裏当部材１０を溶接により被接合金属部材１に仮接合する溶接工程とを具備している。
【００２４】
脱脂工程では、面削加工された金属部材１ａ，１ｂ、第一タブ材２及び第二タブ材３を脱脂処理液内に浸けて、各部材が突き合わされる面に付着した加工油等の油脂分や汚れを取り除く。具体的には、金属部材１ａと金属部材１ｂとが突き合わされる端面１１，１１や、被接合金属部材１と第一タブ材２及び第二タブ材３とが突き合わされる第一金属部材１ａ，１ｂの側面１４、第一タブ材２の当接面２１、第二タブ材３の当接面３１に対してそれぞれ脱脂処理を行う。脱脂工程は、少なくとも各部材が突き合わされる面に対して処理を行えばよいが、突合せ面に隣接する面に対して脱脂処理を行ってもよい。
【００２５】
脱脂工程は、前記した処理に限定されるものではなく、例えば、突合せ面に直接アルコールやアセトン等を適量散布した後に、ウエス布によって、突合せ面に付着した加工油等の油脂分や汚れとともに拭き取るようにしてもよい。アルコールとしては、遺伝子組み換えによる品種改良がされたトウモロコシ、大豆等の穀物を発酵させて得られたエチルアルコールを抽出、精製したいわゆるバイオエタノールを使用すれば、経済面及び環境面からみて好ましい。
【００２６】
突合工程では、図１の（ｃ）に示すように、一方の金属部材１ａの端面１１に他方の金属部材１ｂの端面１１を密着させるとともに、一方の金属部材１ａの表面１２と他方の金属部材１ｂの表面１２を面一にし、さらに、一方の金属部材１ａの裏面１３と他方の金属部材１ｂの裏面１３を面一にする。また、一方の金属部材１ａの側面１４，１４と他方の金属部材１ｂの側面１４，１４をそれぞれ面一にする。
【００２７】
タブ材配置工程では、図１の（ｂ）に示すように、被接合金属部材１の突合部Ｊ１の一端側に第一タブ材２を配置してその当接面２１を被接合金属部材１の第二側面Ｄに当接させるとともに、突合部Ｊ１の他端側に第二タブ材３を配置してその当接面３１を被接合金属部材１の第一側面Ｃに当接させる。このとき、図１の（ｄ）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。また、図１の（ｃ）及び（ｄ）に示すように、裏当部材１０を被接合金属部材１の裏面Ｂに現れる突合部Ｊ１を覆うようにして配置させる。
【００２８】
溶接工程では、図１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，２ａ（即ち、金属部材１ａ，１ｂの側面１４と第一タブ材２の側面２４とにより形成された角部）を溶接して被接合金属部材１と第一タブ材２とを接合し、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，３ａ（即ち、金属部材１ａ，１ｂの側面１４と第二タブ材３の側面３４とにより形成された角部）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。
また、溶接工程では、被接合金属部材１の裏面Ｂと裏当部材１０の側面とにより形成された入隅部を溶接して被接合金属部材１と裏当部材１０とを接合する。
なお、各入隅部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。
【００２９】
準備工程が終了したら、被接合金属部材１を図示せぬ摩擦攪拌装置の架台に載置し、クランプ等の図示せぬ治具を用いて移動不能に拘束する。なお、溶接工程を省略する場合には、図示せぬ摩擦攪拌装置の架台上で、突合工程とタブ材配置工程を実行する。
【００３０】
（２）第一予備工程
第一予備工程は、第一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、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を接合する第二タブ材接合工程と、第一本接合工程における摩擦攪拌の開始位置に下穴を形成する下穴形成工程とを具備している。
【００３１】
本実施形態の第一予備工程では、図３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Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３に対して連続して摩擦攪拌を行う。即ち、摩擦攪拌の開始位置ＳＰに挿入した仮接合用回転ツールＦの攪拌ピンＦ２（図２の（ａ）参照）を途中で離脱させることなく終了位置ＥＰまで移動させ、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連続して実行する。なお、本実施形態では、第一タブ材２に摩擦攪拌の開始位置ＳＰを設け、第二タブ材３に終了位置ＥＰを設けているが、開始位置ＳＰと終了位置ＥＰの位置を限定する趣旨ではない。
【００３２】
本実施形態の第一予備工程における摩擦攪拌の手順を図３を参照してより詳細に説明する。
まず、図３に示すように、第一タブ材２の適所に設けた開始位置ＳＰ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攪拌ピンＦ２を開始位置ＳＰに押し付ける。仮接合用回転ツールＦの回転速度は、攪拌ピンＦ２の寸法・形状、摩擦攪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。
【００３３】
攪拌ピンＦ２が第一タブ材２の表面２２に接触すると、摩擦熱によって攪拌ピンＦ２の周囲にある金属が塑性流動化し、攪拌ピンＦ２が第一タブ材２に挿入される。仮接合用回転ツールＦの挿入速度（下降速度）は、攪拌ピンＦ２の寸法・形状、開始位置ＳＰが設けられる部材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、３０〜６０（ｍｍ／分）の範囲内において設定される。
【００３４】
攪拌ピンＦ２の全体が第一タブ材２に入り込み、かつ、ショルダ部Ｆ１の下端面Ｆ１１の全面が第一タブ材２の表面２２に接触したら、仮接合用回転ツールＦを回転させつつ第一タブ材接合工程の始点ｓ２に向けて相対移動させる。
【００３５】
仮接合用回転ツールＦの移動速度（送り速度）は、攪拌ピンＦ２の寸法・形状、摩擦攪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、その攪拌ピンＦ２の周囲にある金属が順次塑性流動化するとともに、攪拌ピン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。
【００３６】
仮接合用回転ツールＦを相対移動させて第一タブ材接合工程の始点ｓ２まで連続して摩擦攪拌を行ったら、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一タブ材接合工程に移行する。
【００３７】
第一タブ材接合工程では、第一タブ材２と被接合金属部材１との突合部Ｊ２に対して摩擦攪拌を行う。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）上に摩擦攪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に対して摩擦攪拌を行う。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まで連続して摩擦攪拌を行う。
【００３８】
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接合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一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側に接合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。
【００３９】
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接合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。
【００４０】
なお、仮接合用回転ツールＦの攪拌ピン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により形成された入隅部２ａ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。
【００４１】
仮接合用回転ツールＦが第一タブ材接合工程の終点ｅ２に達したら、終点ｅ２で摩擦攪拌を終了させずに仮接合工程の始点ｓ１まで連続して摩擦攪拌を行い、そのまま仮接合工程に移行する。即ち、第一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攪拌を継続し、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、第一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。
【００４２】
本実施形態では、第一タブ材接合工程の終点ｅ２から仮接合工程の始点ｓ１に至る摩擦攪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を第一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一タブ材２に形成する。このようにすると、第一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に接合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。
【００４３】
仮接合工程では、被接合金属部材１の突合部Ｊ１に対して摩擦攪拌を行う。具体的には、被接合金属部材１の継ぎ目（境界線）上に摩擦攪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攪拌を行う。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まで連続して摩擦攪拌を行う。このようにすると、仮接合工程中における仮接合用回転ツールＦの離脱作業が一切不要となることから、予備的な接合作業のより一層の効率化・迅速化を図ることが可能となる。
【００４４】
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で摩擦攪拌を終了させずに第二タブ材接合工程の始点ｓ３まで連続して摩擦攪拌を行い、そのまま第二タブ材接合工程に移行する。即ち、仮接合工程の終点ｅ１から第二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攪拌を継続し、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二タブ材接合工程に移行する。このようにすると、仮接合工程の終点ｅ１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、第二タブ材接合工程の始点ｓ３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より一層の効率化・迅速化を図ることが可能となる。
【００４５】
本実施形態では、仮接合工程の終点ｅ１から第二タブ材接合工程の始点ｓ３に至る摩擦攪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を仮接合工程の終点ｅ１から第二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二タブ材３に形成する。このようにすると、仮接合工程の終点ｅ１から第二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に接合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。
【００４６】
第二タブ材接合工程では、被接合金属部材１と第二タブ材３との突合部Ｊ３に対して摩擦攪拌を行う。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）上に摩擦攪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に対して摩擦攪拌を行う。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二タブ材接合工程の始点ｓ３から終点ｅ３まで連続して摩擦攪拌を行う。
【００４７】
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二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側に接合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。
【００４８】
なお、仮接合用回転ツールＦの攪拌ピンＦ２（図２の（ａ）参照）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の入隅部３ａ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。
【００４９】
仮接合用回転ツールＦが第二タブ材接合工程の終点ｅ３に達したら、終点ｅ３で摩擦攪拌を終了させずに、第二タブ材３に設けた終了位置ＥＰまで連続して摩擦攪拌を行う。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ＥＰを設けている。ちなみに、終了位置ＥＰは、後記する第一本接合工程における摩擦攪拌の開始位置ＳＭ１でもある。
【００５０】
仮接合用回転ツールＦが終了位置ＥＰ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攪拌ピンＦ２を終了位置ＥＰから離脱させる。
【００５１】
なお、仮接合用回転ツールＦの離脱速度（上昇速度）は、攪拌ピンＦ２の寸法・形状、終了位置ＥＰが設けられる部材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、３０〜６０（ｍｍ／分）の範囲内において設定される。また、仮接合用回転ツールＦの離脱時の回転速度は、移動時の回転速度と同じか、それよりも高速にする。
【００５２】
続いて、下穴形成工程を実行する。下穴形成工程は、図２の（ｂ）に示すように、第一本接合工程における摩擦攪拌の開始位置ＳＭ１に下穴Ｐ１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の攪拌ピンＧ２の挿入予定位置に下穴Ｐ１を形成する工程である。
【００５３】
下穴Ｐ１は、本接合用回転ツールＧの攪拌ピン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の攪拌ピンＦ２（図２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、第二タブ材３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、第一タブ材２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。
【００５４】
下穴Ｐ１の最大穴径Ｚ１は、本接合用回転ツールＧの攪拌ピンＧ２の最大外径（上端径）Ｙ２よりも小さくなっているが、好適には、攪拌ピンＧ２の最大外径Ｙ２の５０〜９０％とすることが望ましい。なお、下穴Ｐ１の最大穴径Ｚ１が攪拌ピンＧ２の最大外径Ｙ２の５０％を下回ると、攪拌ピンＧ２の圧入抵抗の低減度合いが低下する虞があり、また、下穴Ｐの最大穴径Ｚ１が攪拌ピンＧ２の最大外径Ｙ２の９０％を上回ると、攪拌ピンＧ２による摩擦熱の発生量が少なくなって塑性流動化する領域が小さくなり、入熱量が減少するので、本接合用回転ツールＧを移動させる際の負荷が大きくなり、欠陥が発生し易くなる。
【００５５】
なお、本実施形態では、仮接合用回転ツールＦの攪拌ピンＦ２（図２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、攪拌ピンＦ２の最大外径Ｘ２が本接合用回転ツールＧの攪拌ピンＧ２の最小外径Ｙ３よりも大きく、かつ、攪拌ピンＦ２の最大外径Ｘ２が攪拌ピン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、攪拌ピンＦ２の抜き穴Ｈ１をそのまま下穴Ｐ１としてもよい。
【００５６】
（３）第一本接合工程
第一本接合工程は、被接合金属部材１の突合部Ｊ１を表面Ａ側から本格的に接合する工程である。本実施形態に係る第一本接合工程では、図２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側から摩擦攪拌を行う。
【００５７】
第一本接合工程では、図４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の攪拌ピンＧ２を挿入（圧入）し、挿入した攪拌ピン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、第一本接合工程では、下穴Ｐ１から摩擦攪拌を開始し、終了位置ＥＭ１まで連続して摩擦攪拌を行う。なお、本実施形態では、第二タブ材３に摩擦攪拌の開始位置ＳＭ１を設け、第一タブ材２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。
【００５８】
図４の（ａ）〜（ｃ）を参照して第一本接合工程をより詳細に説明する。
まず、図４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を左回転させつつ下降させて攪拌ピンＧ２の先端を下穴Ｐ１に挿入する。攪拌ピンＧ２を下穴Ｐ１に入り込ませると、攪拌ピン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攪拌ピンＧ２の周面で押し退けながら、攪拌ピン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が第二タブ材３の表面３２に当接する前に攪拌ピン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、摩擦攪拌装置の負荷を低減することが可能となり、加えて、本接合に要する作業時間を短縮することが可能となる。
【００５９】
摩擦攪拌の開始位置ＳＭ１に本接合用回転ツールＧの攪拌ピンＧ２を挿入する際の本接合用回転ツールＧの回転速度（挿入時の回転速度）は、攪拌ピンＧ２の寸法・形状、摩擦攪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り、多くの場合、７０〜７００（ｒｐｍ）の範囲内において設定されるが、開始位置ＳＭ１から摩擦攪拌の終了位置ＥＭ１に向かって本接合用回転ツールＧを移動させる際の本接合用回転ツールＧの回転速度（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、挿入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、金属を塑性流動化させるまでに要する時間が短くなるので、開始位置ＳＭ１における攪拌ピンＧ２の挿入作業を迅速に行うことが可能となる。
【００６０】
攪拌ピンＧ２の全体が第二タブ材３に入り込み、かつ、ショルダ部Ｇ１の下端面Ｇ１１の全面が第二タブ材３の表面３２に接触したら、図４の（ｂ）に示すように、摩擦攪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Ｊ３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、その攪拌ピンＧ２の周囲にある金属が順次塑性流動化するとともに、攪拌ピン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Ｗ１（以下、「表面側塑性化領域Ｗ１」という。）が形成される。
【００６１】
本接合用回転ツールＧの移動速度（送り速度）は、攪拌ピンＧ２の寸法・形状、摩擦攪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。なお、本接合用回転ツールＧを移動させる際には、ショルダ部Ｇ１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、本接合用回転ツールＧの方向転換が容易となり、複雑な動きが可能となる。
【００６２】
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、被接合金属部材１の突合部Ｊ１間に冷却水が入り込むと、接合面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の突合部Ｊ１に冷却水が入り込み難く、したがって、接合部の品質を劣化させる虞がない。
【００６３】
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）に摩擦攪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攪拌を行う。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、摩擦攪拌を行いながら突合部Ｊ２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。
【００６４】
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）の延長線上に摩擦攪拌の終了位置ＥＭ１を設定しているので、第一本接合工程における摩擦攪拌のルートが一直線にすることができる。摩擦攪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。
【００６５】
本接合用回転ツールＧが終了位置ＥＭ１に達したら、図４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攪拌ピンＧ２を終了位置ＥＭ１（図４の（ｂ）参照）から離脱させる。なお、終了位置ＥＭ１において攪拌ピンＧ２を上方に離脱させると、攪拌ピン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。
【００６６】
なお、本実施形態では、図４の（ｂ）及び（ｃ）に示すように、本接合用回転ツールＧを左回転させて第一本接合工程を行ったため、進行方向右側、即ち、金属部材１ａにトンネル状の空洞欠陥（以下、トンネル状空洞欠陥Ｒとする）が形成される可能性がある。摩擦攪拌を行う際に、進行方向右側はシアー側（回転ツールの回転速度に回転ツールの移動速度が加算される側）であるため、メタルが強く攪拌されて高温軟化し、バリとなって排出され易いと考えられる。このため、進行方向右側はメタルが不足するので、トンネル状空洞欠陥Ｒが形成される可能性がある。また、進行方向左側、即ち、金属部材１ｂ側は、フロー側（回転ツールの回転速度に回転ツールの移動速度が減算される側）であるため、メタルの攪拌が比較的弱く、バリとなって排出され難いと考えられ、比較的緻密な塑性化領域が形成される。
【００６７】
ちなみに、本接合用回転ツールＧを右回転させると、進行方向左側は、シアー側となるため進行方向左側にトンネル状空洞欠陥Ｒが形成される可能性がある。一方、進行方向右側は、フロー側となるため、比較的緻密な塑性化領域が形成される。
かかるトンネル状空洞欠陥Ｒなどの接合欠陥が被接合金属部材１に形成されると、被接合金属部材１の気密性及び水密性を低下させる原因となる。
【００６８】
なお、本実施形態では裏当部材１０を用いたが、本接合用回転ツールＧの大きさ、押込み量の設定によっては裏当部材１０を設けなくてもよい。
【００６９】
第一本接合工程が終了したら、裏当部材１０を被接合金属部材１から切削除去するとともに、第一予備工程、第一本接合工程における摩擦攪拌で発生したバリを除去し、図１の（ａ）に示す前後軸回りに被接合金属部材１を裏返し、裏面Ｂを上にする。
【００７０】
（４）第二予備工程
第二予備工程は、第二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、被接合金属部材１の表面Ａに裏当部材１０を配置させるタブ材配置工程と、第二本接合工程における摩擦攪拌の開始位置ＳＭ２に下穴Ｐ２を形成する下穴形成工程を具備している。なお、第二予備工程の中に、前記した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含ませてもよい。
【００７１】
（５）第二本接合工程
第二本接合工程は、被接合金属部材１の突合部Ｊ１を裏面Ｂ側から本格的に接合する工程である。本実施形態に係る第二本接合工程では、図５の（ａ）〜（ｃ）に示すように、第一本接合工程で使用した本接合用回転ツールＧを使用して、突合部Ｊ１に対して被接合金属部材１の裏面Ｂ側から摩擦攪拌を行う。
【００７２】
第二本接合工程では、第二タブ材３に設けた下穴Ｐ２（開始位置ＳＭ２）に本接合用回転ツールＧの攪拌ピンＧ２を挿入（圧入）し、挿入した攪拌ピンＧ２を途中で離脱させることなく第一タブ材２に設けた終了位置ＥＭ２まで移動させる。即ち、第二本接合工程では、下穴Ｐ２から摩擦攪拌を開始し、終了位置ＥＭ２まで連続して摩擦攪拌を行う。
【００７３】
図５の（ａ）〜（ｃ）及び図６を参照して第二本接合工程をより詳細に説明する。
まず、図５の（ａ）に示すように、下穴Ｐ２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を左回転させつつ下降させて攪拌ピンＧ２の先端を下穴Ｐ２に挿入する。なお、本接合用回転ツールＧの挿入時の回転速度は、前記した第一本接合工程の場合と同様に、本接合用回転ツールＧの移動時の回転速度よりも高速にすることが望ましい。
【００７４】
攪拌ピンＧ２の全体が第二タブ材３に入り込み、かつ、ショルダ部Ｇ１の下端面Ｇ１１の全面が第二タブ材３の表面に接触したら、図５の（ｂ）に示すように、摩擦攪拌を行い本接合用回転ツールＧを被接合金属部材１の突合部Ｊの一端に向けて相対移動させる。本接合用回転ツールＧを移動させると、その攪拌ピンＧ２の周囲にある金属が順次塑性流動化するとともに、攪拌ピン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Ｗ２（以下、「裏面側塑性化領域Ｗ２」という。）が形成される。
【００７５】
また、図６に示すように、第二本接合工程においては、本接合用回転ツールＧを左回転させて、被接合金属部材１の第一側面Ｃ側から第二側面Ｄ側に向けて摩擦攪拌を行うため、進行方向左側、即ち、金属部材１ａ側では、比較的緻密な塑性化領域が形成される。したがって、第一本接合工程によって形成された表面側塑性化領域Ｗ１のトンネル状空洞欠陥Ｒを確実に密閉することができる。
【００７６】
なお、第一本接合工程の場合と同様に、本接合用回転ツールＧを移動させる際には、ショルダ部Ｇ１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、本接合用回転ツールＧの方向転換が容易となり、複雑な動きが可能となる。また、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の周囲に裏面Ｂ側から水を供給するなどして冷却することが望ましい。
【００７７】
図５の（ｃ）に示すように、本接合用回転ツールＧが終了位置ＥＭ２に達したら、本接合用回転ツールＧを回転させつつ上昇させて攪拌ピンＧ２を終了位置ＥＭ２から離脱させる（図５の（ｃ）参照）。本接合用回転ツールＧの離脱時の回転速度は、前記した第一本接合工程の場合と同様に、移動時の回転速度よりも高速にすることが望ましい。
【００７８】
なお、第一本接合工程で残置された抜き穴Ｑ１と第二本接合工程における本接合用回転ツールＧの移動ルートとが重なると、塑性流動化した金属が抜き穴Ｑ１に流れ込み、接合欠陥が発生する虞があるので、抜き穴Ｑ１から離れた位置に第二本接合工程における摩擦攪拌の終了位置ＥＭ２（抜き穴Ｑ２）を設けるとともに、抜き穴Ｑ１を避けるように第二本接合工程における摩擦攪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の攪拌ピンＧ２を移動させることが望ましい。
【００７９】
また、第二本接合工程で用いる本接合用回転ツールＧの攪拌ピンＧ２が第一本接合工程の抜き穴Ｑ１を通過しない場合であっても、その離隔距離が小さい場合には、塑性流動化した金属が抜き穴Ｑ１に押し出され、接合欠陥が発生する虞があるので、より好適には、第一本接合工程における摩擦攪拌の終了位置ＥＭ１と、第二本接合工程における本接合用回転ツールＧの移動軌跡（本実施形態では終了位置ＥＭ２）との平面視での最短距離ｄ１を、本接合用回転ツールＧのショルダ部Ｇ１の外径Ｙ１以上にすることが望ましい。
【００８０】
なお、本実施形態の如く第一本接合工程で使用した本接合用回転ツールＧを使用して第二本接合工程を行えば、作業効率が向上してコストの削減を図ることが可能になり、さらには、表面側塑性化領域Ｗ１の断面積と裏面側塑性化領域Ｗ２の断面積とが同等になるので、接合部の品質が均質になるが、第一本接合工程と第二本接合工程とで異なる形態の本接合用回転ツールを用いても差し支えない。
【００８１】
第一本接合工程と第二本接合工程とで異なる形態の本接合用回転ツールを用いる場合には、例えば図７の（ａ）及び（ｂ）に示すように、第一本接合工程で用いる本接合用回転ツールＧの攪拌ピンＧ２の長さＬＢと第二本接合工程で用いる本接合用回転ツールＧ’の攪拌ピンＧ２’の長さＬＣの和を、突合部Ｊ１における被接合金属部材１の肉厚ｔ以上に設定することが望ましい。なお、攪拌ピンＧ２，Ｇ２’の長さＬＢ，ＬＣが、それぞれ肉厚ｔ未満であることは言うまでもない。このようにすれば、第一本接合工程で形成された表面側塑性化領域Ｗ１が、第二本接合工程で使用する本接合用回転ツールＧ’の攪拌ピンＧ２’によって再び摩擦攪拌されることになるので、表面側塑性化領域Ｗ１に空洞欠陥が形成されていたとしても、当該空洞欠陥を密閉することが可能となり、ひいては、接合部における気密性や水密性を向上させることが可能となる。
【００８２】
なお、より好適には、図７の（ａ）及び（ｂ）に示すように、本接合用回転ツールＧ，Ｇ’の攪拌ピンＧ２，Ｇ２’の長さＬＢ，ＬＣを、それぞれ、突合部Ｊ１における被接合金属部材１の肉厚ｔの１／２以上に設定することが望ましく、さらには、肉厚ｔの３／４以下に設定することが望ましい。攪拌ピンＧ２，Ｇ２’の長さＬＢ，ＬＣを、肉厚ｔの１／２以上に設定すると、表面側塑性化領域Ｗ１と裏面側塑性化領域Ｗ２とが被接合金属部材１の肉厚方向の中央部において重複するとともに、表面側塑性化領域Ｗ１の断面積と裏面側塑性化領域Ｗ２の断面積との差が小さくなるので、接合部の品質が均質になり、攪拌ピンＧ２，Ｇ２’の長さＬＢ，ＬＣを、肉厚ｔの３／４以下に設定すると、摩擦攪拌を行う際に裏当部材が不要となるので、作業効率を向上させることが可能となる。
【００８３】
より好適には、攪拌ピンＧ２，Ｇ２’の長さＬＢ，ＬＣを、１．０１≦（ＬＢ＋ＬＣ）／ｔ≦１．１０という関係を満たすように設定するとよい。（ＬＢ＋ＬＣ）／ｔを１．０１以上にしておけば、被接合金属部材１に寸法公差等があったとしても、第二本接合工程において、攪拌ピンＧ２’を確実に表面側塑性化領域Ｗ１に入り込ませることが可能となる。また、（ＬＢ＋ＬＣ）／ｔを１．１０よりも大きくすると、各回転ツールが必要以上に大きくなって摩擦攪拌装置に掛かる負荷が大きくなるが、（ＬＢ＋ＬＣ）／ｔを１．１０以下にしておけば、摩擦攪拌装置に掛かる負荷が小さいものとなる。
【００８４】
以上説明した第一実施形態によれば、前記第二本接合工程において、第一本接合工程で形成された表面側塑性化領域Ｗ１に本接合用回転ツールＧの攪拌ピンＧ２を入り込ませつつ摩擦攪拌を行うため、第一本接合工程で形成される表面側塑性化領域Ｗ１を広範囲に亘って再度摩擦攪拌することができる。これにより、第一本接合工程で形成される表面側塑性化領域Ｗ１の空洞欠陥Ｒを密閉することができる。また、図６に示すように、本実施形態においては、第一本接合工程及び第二本接合工程において、本接合用回転ツールＧを左回転させるとともに、被接合金属部材１の第一側面Ｃ側に摩擦攪拌の開始位置を設定し、第二側面Ｄ側に向けて摩擦攪拌を行うため、表面側塑性化領域Ｗ１に形成されたトンネル状空洞欠陥Ｒを確実に密閉することができる。
【００８５】
また、本実施形態においては、第一本接合工程と第二本接合工程において同一の本接合用回転ツールＧを用いているので、裏面側塑性化領域Ｗ２の断面積は、表面側塑性化領域Ｗ１の断面積と同等になる。したがって、接合部の品質を均質に成形することができる。
【００８６】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の趣旨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、第一本接合工程及び第二本接合工程における本接合用回転ツールＧの進行方向及び回転方向を他の形態で設定してもよい。
【００８７】
図８に示すように、第一本接合工程の開始位置を第一側面Ｃ側に設定するとともに、本接合用回転ツールＧを右回転に設定し、第二本接合工程の開始位置を第二側面Ｄ側設定するとともに、本接合用回転ツールＧを左回転に設定してもよい。
即ち、第一本接合工程の開始位置を第二タブ材３（第一側面Ｃ側）に設けて、本接合用回転ツールＧを右回転させて摩擦攪拌を行うと、金属部材１ｂ側にトンネル状空洞欠陥Ｒが形成される。したがって、第二本接合工程の摩擦攪拌の開始位置を第一タブ材２（第二側面Ｄ側）に設定し、本接合用回転ツールＧを左回転させて摩擦攪拌を行うと、進行方向左側に比較的緻密な塑性化領域が形成されるため、より確実にトンネル状空洞欠陥Ｒを密閉することができる。
【００８８】
即ち、第一本接合工程の開始位置を被接合金属部材１の第一側面Ｃ側に設定し、第二本接合工程の開始位置を被接合金属部材１の第二側面Ｄ側に設定した場合、第一本接合工程における本接合用回転ツールＧの回転方向と、第二本接合工程における本接合用回転ツールＧの回転方向が異なるように設定することが好ましい。
一方、第一本接合工程の開始位置を被接合金属部材１の第一側面Ｃ側に設定し、第二本接合工程の開始位置も被接合金属部材１の第一側面Ｃ側に設定した場合、第一本接合工程における本接合用回転ツールＧの回転方向と、第二本接合工程における本接合用回転ツールＧの回転方向を同一に設定することが好ましい。
このように、摩擦攪拌の特性に基づいて回転ツールの開始位置及び進行方向を適宜設定することで、より確実に接合欠陥を密閉することができる。
【００８９】
なお、図８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の深さが突合部の深さよりも大きくなるように塑性化領域を形成してもよい。これにより、より多くの領域を重複させることができる。
また、本実施形態では、一対の金属部材１ａ，１ｂを直線状に突き合わせた場合を例にして説明したが、Ｌ字状など他の形態で突き合わせた場合においても適用することができる。
【符号の説明】
【００９０】
１ 接合金属部材
１ａ 金属部材
１ｂ 金属部材
２ 第一タブ材
３ 第二タブ材
Ｊ１〜Ｊ３ 突合部
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
Ｆ１ ショルダ部
Ｆ２ 攪拌ピン
Ｇ 本接合用回転ツール
Ｇ１ ショルダ部
Ｇ２ 攪拌ピン
Ｒ 空洞欠陥
Ｗ１，Ｗ２ 塑性化領域
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属部材同士の突合部に対して前記金属部材の表面側から摩擦攪拌を行う第一本接合工程と、
前記突合部に対して前記金属部材の裏面側から摩擦攪拌を行う第二本接合工程と、を含む接合方法であって、
前記第一本接合工程を行う前に、
前記金属部材の両側面に現れる前記突合部に沿って一対のタブ材を配置するタブ材配置工程と、
一方の前記タブ材と前記金属部材との突合部及び他方の前記タブ材と前記金属部材との突合部に対して仮接合を行う仮接合工程と、
前記第一本接合工程を行う前に、予め前記金属部材同士の突合せ面及び前記金属部材と前記タブ材との突合せ面を脱脂する脱脂工程と、を含み、
前記第二本接合工程において、前記第一本接合工程で形成された塑性化領域に回転ツールの攪拌ピンを入り込ませつつ摩擦攪拌を行うことを特徴とする接合方法。
【請求項２】
前記第一本接合工程を行う前に、
一方の金属部材の表面と他方の金属部材の表面とを面一にし、さらに、一方の金属部材の裏面と他方の金属部材の裏面とを面一に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】
前記第一本接合工程の終了後に、
前記本接合工程における摩擦攪拌で発生したバリを除去し、被接合金属部材を裏返し、裏面を上にすることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の接合方法。
【請求項４】
前記第一本接合工程を行う前に、第一本接合工程における摩擦攪拌の開始位置に下穴を形成する下穴形成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接合方法。
【請求項５】
前記第二本接合工程を行う前に、第二本接合工程における摩擦攪拌の開始位置に下穴を形成する下穴形成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１】
金属部材同士の突合部に対して前記金属部材の表面側から摩擦攪拌を行う第一本接合工程と、
前記突合部に対して前記金属部材の裏面側から摩擦攪拌を行う第二本接合工程と、を含む接合方法であって、
前記第一本接合工程を行う前に、
前記金属部材の両側面に現れる前記突合部に沿って一対のタブ材を配置するタブ材配置工程と、
一方の前記タブ材と前記金属部材との突合部及び他方の前記タブ材と前記金属部材との突合部に対して仮接合を行う仮接合工程と、
前記第一本接合工程を行う前に、予め前記金属部材同士の突合せ面及び前記金属部材と前記タブ材との突合せ面を脱脂する脱脂工程と、を含み、
前記第二本接合工程において、前記第一本接合工程で形成された塑性化領域に回転ツールの攪拌ピンを入り込ませつつ摩擦攪拌を行うことを特徴とする接合方法。
【請求項２】
前記第一本接合工程を行う前に、
一方の金属部材の表面と他方の金属部材の表面とを面一にし、さらに、一方の金属部材の裏面と他方の金属部材の裏面とを面一に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】
前記第一本接合工程の終了後に、
前記本接合工程における摩擦攪拌で発生したバリを除去し、被接合金属部材を裏返し、裏面を上にすることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の接合方法。
【請求項４】
前記第一本接合工程を行う前に、第一本接合工程における摩擦攪拌の開始位置に下穴を形成する下穴形成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接合方法。
【請求項５】
前記第二本接合工程を行う前に、第二本接合工程における摩擦攪拌の開始位置に下穴を形成する下穴形成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。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１３−８２０１０（Ｐ２０１３−８２０１０Ａ）
【公開日】平成２５年５月９日（２０１３．５．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１３−１２１８（Ｐ２０１３−１２１８）
【出願日】平成２５年１月８日（２０１３．１．８）
【分割の表示】特願２００９−２４９６５（Ｐ２００９−２４９６５）の分割
【原出願日】平成２１年２月５日（２００９．２．５）
【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２５年５月９日（２０１３．５．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２５年１月８日（２０１３．１．８）
【分割の表示】特願２００９−２４９６５（Ｐ２００９−２４９６５）の分割
【原出願日】平成２１年２月５日（２００９．２．５）
【出願人】（０００００４７４３）日本軽金属株式会社 (627)
【Ｆターム（参考）】
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