JP6090186B2

JP6090186B2 - 摩擦攪拌接合方法

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Publication number: JP6090186B2
Application number: JP2014013543A
Authority: JP
Inventors: 伸城瀬尾; 堀　久司; 久司堀
Original assignee: Nippon Light Metal Co Ltd
Current assignee: Nippon Light Metal Co Ltd
Priority date: 2014-01-28
Filing date: 2014-01-28
Publication date: 2017-03-08
Anticipated expiration: 2034-01-28
Also published as: JP2015139799A

Description

本発明は、摩擦攪拌接合方法に関する。

特許文献１には、直角に突き合わせた二つの金属部材の内隅に、内隅摩擦攪拌接合用回転ツールを挿入して摩擦攪拌接合する技術が開示されている。図１３は、従来の摩擦攪拌接合方法を示す断面図である。従来の摩擦攪拌接合方法では、金属部材１０１の端面と、金属部材１０２の側面とを突き合わせて形成した突合せ部Ｊを内隅摩擦攪拌接合用回転ツール１１０によって摩擦攪拌接合を行っている。

内隅摩擦攪拌接合用回転ツール１１０は、三角柱を呈する押さえブロック１１１と、押さえブロック１１１を貫通した状態でこの押さえブロック１１１に対して回転可能な攪拌ピン１１２と、を備えている。接合する際には、押さえブロック１１１を金属部材１０１，１０２の各側面に当接させた状態で、攪拌ピン１１２を回転させる。

特開平１１−３２０１２８号公報

従来の摩擦攪拌接合では、押さえブロック１１１を金属部材１０１，１０２に押圧しながら接合するため、押さえブロック１１１によって金属部材１０１，１０２が削れてしまうおそれがある。仮に、押さえブロック１１１を省略した状態で摩擦攪拌接合を行うと、塑性流動化した金属が外部に溢れ出てしまい接合不良となるおそれがある。

このような観点から、本発明は、接合する際の金属部材の損傷を抑えるとともに、金属不足による接合不良を防ぐことができる摩擦攪拌接合方法を提供することを課題とする。

このような課題を解決するために本発明は、攪拌ピンを備えた回転ツールを用いて二つの金属部材を接合する摩擦攪拌接合方法であって、前記金属部材同士を角度をつけて突き合わせて突合せ部を形成する突合工程と、前記突合せ部の両側にタブ材をぞれぞれ配置するタブ材配置工程と、前記突合工程で形成された前記金属部材同士の内隅に肉盛溶接を施して溶接金属で前記内隅を覆う肉盛溶接工程と、回転した前記攪拌ピンのみを前記溶接金属及び前記内隅に挿入し、前記溶接金属及び前記金属部材同士を塑性流動化させて前記突合せ部の摩擦攪拌接合を行う内隅接合工程と、を含み、第一傾斜面と第二傾斜面とで構成される凹部を備える内隅接合用架台を準備し、前記突合工程では、二つの前記金属部材を前記凹部に沿って配置し、前記タブ材配置工程では、前記突合せ部の両側に前記凹部に沿って三角柱状の前記タブ材をそれぞれ配置することを特徴とする。

また、本発明は、攪拌ピンを備えた回転ツールを用いて二つの金属部材を接合する摩擦攪拌接合方法であって、前記金属部材同士を角度をつけて突き合わせて突合せ部を形成する突合工程と、前記突合せ部の両側にタブ材をぞれぞれ配置するタブ材配置工程と、前記突合工程で形成された前記金属部材同士の内隅に補助部材を配置する補助部材配置工程と、回転した前記攪拌ピンのみを前記補助部材及び前記内隅に挿入し、前記補助部材及び前記金属部材同士を塑性流動化させて前記突合せ部の摩擦攪拌接合を行う内隅接合工程と、を含み、第一傾斜面と第二傾斜面とで構成される凹部を備える内隅接合用架台を準備し、前記突合工程では、二つの前記金属部材を前記凹部に沿って配置し、前記タブ材配置工程では、前記突合せ部の両側に前記凹部に沿って三角柱状の前記タブ材をそれぞれ配置することを特徴とする。

かかる接合方法によれば、従来のように回転ツールに押さえブロックを用いず攪拌ピンのみを金属部材に接触させるため、接合する際の金属部材の側面の損傷を抑えることができる。また、金属部材同士の内隅に予め溶接を行って溶接金属を施すか、又は、補助部材を設けた状態で内隅接合工程を行うことで金属不足を補うことできるため、金属不足による接合不良を防ぐことができる。また、肉盛溶接工程を行う場合は、内隅接合工程を行う際の金属部材同士の目開きを防ぐことができる。さらに、内隅接合用架台を用いることで、金属部材及びタブ材を凹部に配置するだけでよいため、突合工程及びタブ材配置工程を容易に行うことができる。また、内隅接合用架台を用いて肉盛溶接工程、補助部材配置工程又は内隅接合工程等を安定して行うことができる。

また、前記突合せ部に対して前記金属部材同士の外隅側から摩擦攪拌接合を行う外隅接合工程を含むことが好ましい。

かかる接合方法によれば、突合せ部の接合強度を高めることができる。

また、前記外隅接合工程で形成された塑性化領域と、前記内隅接合工程で形成される塑性化領域とを重複させることが好ましい。

かかる接合方法によれば、突合せ部の深さ方向の全体が摩擦攪拌されるため、気密性及び水密性を高めることができるとともに接合強度を高めるこができる。

また、前記突合せ部に対して前記金属部材同士の外隅側から溶接を行う外隅接合工程を含むことが好ましい。

また、前記外隅接合工程で形成された溶接金属と前記内隅接合工程で形成される塑性化領域とを重複させることが好ましい。

また、前記突合工程では、一方の前記金属部材の側面と、他方の前記金属部材の端面とを突き合わせ、一方の前記金属部材の側面と他方の前記金属部材の側面とでなす内隅の角度がαである場合に、前記内隅接合工程では、前記側面同士の交線に挿入された前記回転ツールの回転中心軸が、前記交線を通り前記側面とのなす角度がα／２となる仮想基準面と前記一方の前記金属部材の側面との間に位置することが好ましい。

かかる接合方法によれば、一方の前記金属部材側に回転ツールを傾かせることで、突合せ部の深い位置まで攪拌ピンを挿入することができるため、突合せ部の深い位置まで接合することができる。

本発明に係る摩擦攪拌接合方法によれば、接合する際の金属部材の損傷を抑えるとともに、金属不足による接合不良を防ぐことができる。

（ａ）は本実施形態の本接合用回転ツールを示した側面図であり、（ｂ）は本接合用回転ツールの接合形態を示した断面図である。（ａ）は本実施形態の大型回転ツールを示した側面図であり、（ｂ）は小型回転ツールを示した側面図である。（ａ）は本発明の第一実施形態に係る突合工程を示した斜視図、（ｂ）は第一実施形態に係る外隅接合工程を示した斜視図である。第一実施形態に係る肉盛溶接工程を示す斜視図である。第一実施形態に係る内隅接合工程を示す図であって、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は断面図である。（ａ）は本発明の第二実施形態に係る外隅接合工程を示す斜視図であり、（ｂ）は第二実施形態に係る内隅接合工程を示す断面図である。（ａ）は本発明の第三実施形態に係る突合工程及びタブ材配置工程を示す斜視図であり、（ｂ）は第三実施形態に係る外隅接合工程を示す斜視図である。第三実施形態に係る補助部材配置工程を示す図であって、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は（ａ）のＩ−Ｉ断面図である。第三実施形態に係る内隅接合工程を示す図であって、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は断面図である。（ａ）は本発明の第四実施形態に係る外隅接合工程を示す斜視図であり、（ｂ）は第四実施形態に係る内隅接合工程を示す断面図である。（ａ）は本発明の第五実施形態に係る内隅接合工程を示す断面図であり、（ｂ）は、第五実施形態に係る再外隅接合工程を示す断面図である。本発明の変形例に係る内隅接合用架台を示す斜視図である。従来の摩擦攪拌接合方法を示す断面図である。

本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。まずは、本実施形態で用いる本接合用回転ツール、大型回転ツール及び小型回転ツールについて説明する。

本接合用回転ツールＦは、図１の（ａ）に示すように、連結部Ｆ１と、攪拌ピンＦ２とで構成されている。本接合用回転ツールＦは、例えば工具鋼で形成されている。連結部Ｆ１は、図１の（ｂ）に示す摩擦攪拌装置の回転軸Ｄに連結される部位である。連結部Ｆ１は円柱状を呈し、ボルトが締結されるネジ孔Ｂ，Ｂが形成されている。

攪拌ピンＦ２は、連結部Ｆ１から垂下しており、連結部Ｆ１と同軸になっている。攪拌ピンＦ２は連結部Ｆ１から離間するにつれて先細りになっている。攪拌ピンＦ２の外周面には螺旋溝Ｆ３が刻設されている。

図１の（ｂ）に示すように、本接合用回転ツールＦを用いて摩擦攪拌接合をする際には、金属部材１，２に回転した攪拌ピンＦ２のみを挿入し、金属部材１，２と連結部Ｆ１とは離間させつつ移動させる。言い換えると、攪拌ピンＦ２の基端部は露出させた状態で摩擦攪拌接合を行う。本接合用回転ツールＦの移動軌跡には摩擦攪拌された金属が硬化することにより塑性化領域Ｗ２が形成される。

大型回転ツールＧは、図２の（ａ）に示すように、ショルダ部Ｇ１と、攪拌ピンＧ２とで構成されている。大型回転ツールＧは、例えば工具鋼で形成されている。ショルダ部Ｇ１は、摩擦攪拌装置の回転軸に連結される部位であるとともに、塑性流動化した金属を押える部位である。ショルダ部Ｇ１は円柱状を呈する。ショルダ部Ｇ１の下端面は、流動化した金属が外部へ流出するのを防ぐために凹状になっている。

攪拌ピンＧ２は、ショルダ部Ｇ１から垂下しており、ショルダ部Ｇ１と同軸になっている。攪拌ピンＧ２はショルダ部Ｇ１から離間するにつれて先細りになっている。攪拌ピンＧ２の外周面には螺旋溝Ｇ３が刻設されている。大型回転ツールＧを用いて摩擦攪拌接合をする際には、回転した攪拌ピンＧ２及びショルダ部Ｇ１の下端面を金属部材１，２に挿入しつつ相対移動させる。

小型回転ツールＨは、図２の（ｂ）に示すように、ショルダ部Ｈ１と、攪拌ピンＨ２とで構成されている。小型回転ツールＨは、本接合用回転ツールＦ及び大型回転ツールＧよりも小型になっている。小型回転ツールＨは、例えば工具鋼で形成されている。ショルダ部Ｈ１は、摩擦攪拌装置の回転軸に連結される部位であるとともに、塑性流動化した金属を押える部位である。ショルダ部Ｈ１は円柱状を呈する。ショルダ部Ｈ１の下端面は、流動化した金属が外部へ流出するのを防ぐために凹状になっている。

攪拌ピンＨ２は、ショルダ部Ｈ１から垂下しており、ショルダ部Ｈ１と同軸になっている。攪拌ピンＨ２はショルダ部Ｈ１から離間するにつれて先細りになっている。攪拌ピンＨ２の外周面には螺旋溝Ｈ３が刻設されている。小型回転ツールＨを用いて摩擦攪拌接合をする際には、回転した攪拌ピンＨ２及びショルダ部Ｈ１の下端面を金属部材１，２に挿入しつつ相対移動させる。

＜第一実施形態＞
次に、本発明の第一実施形態に係る摩擦攪拌接合方法について説明する。第一実施形態では、突合工程と、タブ材配置工程と、外隅接合工程と、肉盛溶接工程と、内隅接合工程とを含んでいる。

図３の（ａ）に示すように、突合工程は、金属部材１，２を突き合わせる工程である。突合工程では、接合すべき金属部材１の側面１ｂと金属部材２の端面２ａとを突き合わせるとともに、金属部材１の端面１ａと金属部材２の側面２ｃとが面一になるようにする。つまり、突合工程では、金属部材１，２を垂直に突き合わせ、側面視してＬ字状になるようにする。金属部材１，２が突き合わされた部位には、突合せ部Ｊ１が形成される。金属部材１，２は、摩擦攪拌可能な金属であればよいが、本実施形態ではアルミニウム合金を用いている。

図３の（ｂ）に示すように、タブ材配置工程は、金属部材１，２にタブ材３を配置する工程である。タブ材３は、本実施形態では直方体を呈し、金属部材１，２と同じ材料で形成されている。タブ材配置工程では、金属部材１，２の突合せ部Ｊ１の一端側にタブ材３を配置してタブ材３の側面を金属部材１の側面１ｄ及び金属部材２の側面２ｄに当接させる。そして、タブ材３の表面３ａと、金属部材１の端面１ａ及び金属部材２の側面２ｃとを面一にしつつ溶接により仮接合する。

タブ材配置工程が終了したら、金属部材１，２及びタブ材３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。

外隅接合工程は、金属部材１，２の突合せ部Ｊ１を金属部材１，２の外隅側から摩擦攪拌接合する工程である。外隅接合工程では、大型回転ツールＧを用いる。図３の（ｂ）に示すように、外隅接合工程では、タブ材３の表面３ａに大型回転ツールＧを挿入して金属部材１，２側へ相対移動させてそのまま突合せ部Ｊ１に進入し、金属部材１，２の外隅側（外隅を構成する面側）から突合せ部Ｊ１に対して摩擦攪拌接合を行う。

外隅接合工程では、ショルダ部Ｇ１の下端面を金属部材１，２に押し込んだ状態で、大型回転ツールＧを相対移動させる。大型回転ツールＧの移動軌跡には、塑性化領域Ｗ１が形成される。突合せ部Ｊ１を接合したら、金属部材１，２からタブ材３を切削する。

図４に示すように、肉盛溶接工程は、金属部材１，２の内隅に肉盛り溶接を施す工程である。肉盛溶接工程では、金属部材１，２の内隅（側面１ｂと側面２ｂとで構成される隅部）において、突合せ部Ｊ１を覆うように肉盛溶接を行う。肉盛溶接工程によって、突合せ部Ｊに沿って溶接金属Ｍが形成される。溶接金属Ｍは、本実施形態では金属部材１，２と同等の材料で形成されている。

図５に示すように、内隅接合工程は、本接合用回転ツールＦを用いて金属部材１，２の内隅を接合する工程である。本実施形態に係る内隅接合工程では、まず、図５の（ａ）に示すように、金属部材１，２の外隅を構成する面に裏当材Ｔを配置する。

裏当材Ｔは、断面Ｌ字状を呈する金属製の部材であって、金属部材１の側面１ｃ、端面１ａ及び金属部材２の側面２ｃに接触させる。そして、金属部材１，２及び裏当材Ｔ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。

次に、内隅接合工程では、金属部材１，２の内隅に回転した本接合用回転ツールＦを挿入し、突合せ部Ｊ１に対して摩擦攪拌接合を行う。内隅接合工程では、図５の（ａ）及び（ｂ）に示すように、本接合用回転ツールＦの連結部Ｆ１と金属部材１，２とを離間させて、攪拌ピンＦ２のみを溶接金属Ｍから突合せ部Ｊ１に挿入する。本接合用回転ツールＦの移動軌跡には塑性化領域Ｗ２が形成される。

内隅接合工程では、図５の（ｂ）に示すように、本接合用回転ツールＦの回転中心軸Ｆｃを傾けて摩擦攪拌接合を行う。つまり、内隅接合工程では、側面１ｂと側面２ｂとの交線Ｃ１に挿入された本接合用回転ツールＦの回転中心軸Ｆｃが、交線Ｃ１を通り側面１ｂと側面２ｂとのなす角度がα／２（本実施形態ではα＝９０°）となる仮想基準面Ｃと金属部材１の側面１ｂとの間に位置するように設定する。また、内隅接合工程では、内隅接合工程で形成された塑性化領域Ｗ２と、外隅接合工程で形成された塑性化領域Ｗ１とが突合せ部Ｊ１上で重複するように設定する。なお、回転中心軸Ｆｃの位置は、側面１ｂ及び仮想基準面Ｃに重なる位置は含まない。

以上説明した本実施形態に係る摩擦攪拌接合によれば、金属部材１，２の内隅を接合する内隅接合工程において、従来のように押さえブロックを用いずに、攪拌ピンＦ２のみを金属部材１，２に接触させるため、接合する際の金属部材１の側面１ｂ及び金属部材２の側面２ｂの損傷を抑えることができる。また、従来のように押さえブロックを用いないため、接合部分を視認することができる。これにより、接合状況等を把握することができるため作業性を高めることができる。

また、本実施形態では肉盛溶接を施した後に、肉盛溶接で形成された溶接金属Ｍを介して内隅接合工程を行うことで、金属部材１，２に加えて溶接金属Ｍも塑性流動化されるため、金属不足を補うことができる。これにより、金属不足による接合不良を防ぐことができる。また、内隅接合工程の前に肉盛溶接を行うことで、内隅接合工程を行う際の金属部材１，２の目開きを防ぐことができる。

また、本実施形態では金属部材１，２の外隅からも突合せ部Ｊ１に対して摩擦攪拌接合を行うため、接合強度を高めることができる。また、本実施形態では、突合せ部Ｊ１上において、外隅接合工程で形成された塑性化領域Ｗ１と内隅接合工程で形成された塑性化領域Ｗ２を重複させているため、突合せ部Ｊ１の深さ方向の全体が摩擦攪拌される。これにより、接合部の気密性及び水密性が向上するとともに、接合強度をより高めることができる。

また、本実施形態では、肉盛溶接工程に先だって、外隅接合工程で金属部材１，２の外隅側を接合しているため、肉盛溶接工程を行う際の金属部材１，２の目開きを防ぐことができる。

また、内隅接合工程では、一方の金属部材１側に本接合用回転ツールＦを傾かせることで、例えば、図５の（ｂ）に示す仮想基準面Ｃに沿って攪拌ピンＦ２を挿入する場合、つまり、垂直である金属部材１，２に対して側面１ｂ，２ｂと回転中心軸Ｆｃとのなす角度が４５°となるように挿入する場合に比べて、突合せ部Ｊ１の深い位置まで攪拌ピンＦ２を挿入することができる。これにより、突合せ部Ｊ１の深い位置まで接合することができる。

以上本発明の第一実施形態について説明したが、適宜設計変更が可能である。例えば、本実施形態では、外隅接合工程を行った後に内隅接合工程を行ったが、内隅接合工程を行った後に外隅接合工程を行ってもよい。

また、外隅接合工程を行う前に、小型回転ツールＨを用いて、金属部材１，２の外隅から突合せ部Ｊ１に対して摩擦攪拌により仮接合を行ってもよい。又は、外隅接合工程を行う前に、金属部材１，２の外隅から突合せ部Ｊ１に対して溶接により仮接合を行ってもよい。これにより、外隅接合工程を行う際に金属部材１，２の目開きを防ぐことができる。

また、外隅接合工程は、本実施形態では大型回転ツールＧを用いたが、本接合用回転ツールＦを用いて行ってもよい。これにより、摩擦攪拌装置に大きな負荷がかからない状態で、突合せ部Ｊ１の深い位置まで摩擦攪拌を行うことができる。

＜第二実施形態＞
次に、本発明の第二実施形態に係る摩擦攪拌接合方法について説明する。第二実施形態では、突合工程、外隅接合工程、肉盛溶接工程、内隅接合工程を含むものである。第二実施形態では、溶接により外隅接合工程を行う点で第一実施形態と相違する。

突合工程は、第一実施形態と略同等であるため説明を省略する。外隅接合工程は、図６の（ａ）に示すように、金属部材１，２の外隅側から突合せ部Ｊ１に対して溶接を行う工程である。外隅接合工程によって、突合せ部Ｊ１には溶接金属Ｍ１が形成される。

図６の（ｂ）に示すように、肉盛溶接工程及び内隅接合工程は、第一実施形態と略同等であるため説明を省略する。第二実施形態に係る摩擦攪拌接合方法では、突合せ部Ｊ１に隙間Ｓが形成されることを除いては、第一実施形態と略同等の効果を奏することができる。また、肉盛溶接工程を行う前に金属部材１，２の外隅を溶接で接合するため、肉盛溶接工程の際の金属部材１，２の目開きを防ぐことができる。

なお、本実施形態では、溶接によって外隅接合工程を行ったが、小型回転ツールＨを用いて金属部材１，２の外隅側から突合せ部Ｊ１に対して摩擦攪拌によって外隅接合工程を行ってもよい。

また、図６の（ｂ）に示すように、第二実施形態では、溶接金属Ｍ１と塑性化領域Ｗ２との間に隙間Ｓが生じているが、外隅接合工程で金属部材１，２の外隅に形成される溶接金属Ｍ１又は小型回転ツールＨの移動軌跡に形成される塑性化領域（図示省略）と、内隅接合工程で形成される塑性化領域Ｗ２とを重複させることが好ましい。これにより、突合せ部Ｊ１の隙間Ｓを埋めることができるため、水密性及び気密性を高めることができるとともに、接合強度を高めることができる。

＜第三実施形態＞
次に、本発明の第三実施形態に係る摩擦攪拌接合方法について説明する。第三実施形態では、突合工程と、タブ材配置工程と、外隅接合工程と、補助部材配置工程と、内隅接合工程とを含んでいる。

図７の（ａ）に示すように、突合工程は、第一実施形態と略同等であるため、説明を省略する。タブ材配置工程は、金属部材１，２にタブ材４を配置する工程である。タブ材４は、本実施形態では三角柱状を呈し、金属部材１，２と同じ材料で形成されている。タブ材４の断面は、直角二等辺三角形になっている。

タブ材配置工程では、金属部材１，２の突合せ部Ｊ１の一端側にタブ材４を配置してタブ材４の側面４ｃ（三角形を呈する面）を金属部材１の側面１ｄ及び金属部材２の側面２ｄに当接させる。そして、タブ材４の表面４ａと、金属部材１の端面１ａ及び金属部材２の側面２ｃとを面一にしつつ溶接で仮接合する。

タブ材配置工程が終了したら、金属部材１，２及びタブ材４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。

図７の（ｂ）に示すように、外隅接合工程は、金属部材１，２の突合せ部Ｊ１を金属部材１，２の外隅側から摩擦攪拌接合する工程である。外隅接合工程は、タブ材４を用いていることを除いては第一実施形態と略同等であるため、詳細な説明は省略する。

図８に示すように、補助部材配置工程は、金属部材１，２の内隅に補助部材１０を配置する工程である。補助部材１０は、三角柱状を呈し、金属部材１，２と同等の材料で形成されている。補助部材１０の断面は、直角二等辺三角形になっている。補助部材１０は、突合せ部Ｊ１の延長方向を覆う長さで形成されている。

補助部材配置工程では、補助部材１０の側面１０ａを金属部材１の側面１ｂに当接させるとともに、側面１０ｂを金属部材２の側面２ｂに当接させる。また、補助部材１０の傾斜面１０ｃとタブ材４の傾斜面４ｂとが面一になるように配置する。補助部材１０の断面形状は、金属部材１，２の突き合わせ角度（内角）に応じて、側面１ｂ，２ｂと側面１０ａ，１０ｂとがそれぞれ面接触するように適宜設定すればよい。また、補助部材１０の大きさは、後記する内隅接合工程の際に金属不足にならず、かつ、摩擦攪拌によって溢れ出る金属が極力少なくなる程度に適宜設定すればよい。

図９に示すように、内隅接合工程は、本接合用回転ツールＦを用いて金属部材１，２の内隅を接合する工程である。本実施形態に係る内隅接合工程では、まず、図９の（ａ）に示すように、金属部材１，２の外隅を構成する面に裏当材Ｔを配置する。

次に、内隅接合工程では、回転した本接合用回転ツールＦをタブ材４の傾斜面４ｂに挿入し、金属部材１，２に向けて本接合用回転ツールＦを相対移動させる。そして、補助部材１０に達したら、そのまま補助部材１０及び突合せ部Ｊ１に対して摩擦攪拌接合を行う。内隅接合工程では、図９の（ａ）及び（ｂ）に示すように、本接合用回転ツールＦの連結部Ｆ１と金属部材１，２とを離間させて、攪拌ピンＦ２のみを補助部材１０を介して突合せ部Ｊ１に挿入する。本接合用回転ツールＦの移動軌跡には塑性化領域Ｗ２が形成される。本接合用回転ツールＦの挿入角度は第一実施形態と同等であるため、説明を省略する。

以上説明した本実施形態に係る摩擦攪拌接合によれば、金属部材１，２の内隅を接合する内隅接合工程において、攪拌ピンＦ２のみを金属部材１，２に接触させるため、接合する際の金属部材１の側面１ｂ及び金属部材２の側面２ｂの損傷を抑えることができる。

また、本実施形態では補助部材１０を金属部材１，２の内隅に配置し、補助部材１０及び金属部材１，２に摩擦攪拌を行うことで、金属部材１，２に加えて補助部材１０も塑性流動化されるため、金属不足を補うことができる。これにより、金属部材による接合不良を防ぐことができる。

本実施形態では金属部材１，２の外隅側からも突合せ部Ｊ１に対して摩擦攪拌接合を行うため、接合強度を高めることができる。また、本実施形態では、突合せ部Ｊ１上において、外隅接合工程で形成された塑性化領域Ｗ１と内隅接合工程で形成された塑性化領域Ｗ２とを重複させているため、突合せ部Ｊ１の深さ方向の全体が摩擦攪拌される。これにより、接合部の気密性及び水密性が向上するとともに、接合強度をより高めることができる。

また、内隅接合工程に先だって外隅接合工程を行うため、補助部材配置工程及び内隅接合工程における金属部材１，２の目開きを防ぐことができる。

また、内隅接合工程では、一方の金属部材１側に本接合用回転ツールＦを傾かせることで、例えば、図９の（ｂ）に示す仮想基準面Ｃに沿って攪拌ピンＦ２を挿入する場合、つまり、垂直である金属部材１，２に対して側面１ｂ，２ｂと回転中心軸Ｆｃとのなす角度が４５°となるように挿入する場合に比べて、突合せ部Ｊ１の深い位置まで攪拌ピンＦ２を挿入することができる。これにより、突合せ部Ｊ１の深い位置まで接合することができる。

また、タブ材４の傾斜面４ｂと補助部材１０の傾斜面１０ｃとを面一にしているため、内隅接合工程を容易に行うことができる。また、内隅接合工程後にタブ材４を切除することで、突合せ部Ｊ１の端部を確実に接合しつつ、金属部材１の側面１ｄ及び金属部材２の側面２ｄをきれいに仕上げることができる。

以上第三実施形態について説明したが、適宜設計変更が可能である。例えば、本実施形態では、外隅接合工程を行った後に内隅接合工程を行ったが、内隅接合工程を行った後に外隅接合工程を行ってもよい。

＜第四実施形態＞
次に、本発明の第四実施形態に係る摩擦攪拌接合方法について説明する。第四実施形態では、突合工程と、タブ材配置工程と、外隅接合工程と、補助部材配置工程と、内隅接合工程とを含むものである。第四実施形態の外隅接合工程では、小型回転ツールＨを用いる点で第三実施形態と相違する。

突合工程及びタブ材配置工程は、第三実施形態と略同等であるため説明を省略する。外隅接合工程は、図１０の（ａ）に示すように、金属部材１，２の外隅側から突合せ部Ｊ１に対して摩擦攪拌接合を行う工程である。

外隅接合工程では、タブ材４の表面４ａに小型回転ツールＨを挿入して金属部材１，２側に相対移動させつつ、そのまま突合せ部Ｊ１に沿って小型回転ツールＨを相対移動せる。小型回転ツールＨの移動軌跡には塑性化領域Ｗ３が形成される。

図１０の（ｂ）に示すように、補助部材配置工程及び内隅接合工程は、第三実施形態と略同等であるため説明を省略する。第四実施形態に係る摩擦攪拌接合方法では、突合せ部Ｊ１に隙間Ｓが形成されることを除いては、第三実施形態と略同等の効果を奏することができる。また、補助部材配置工程を行う前に金属部材１，２の外隅を摩擦攪拌で接合するため、補助部材配置工程の際に金属部材１，２の目開きを防ぐことができる。

なお、本実施形態では小型回転ツールＨを用いて摩擦攪拌接合によって外隅接合工程を行ったが、金属部材１，２の外隅側から突合せ部Ｊ１に対して溶接によって外隅接合工程を行ってもよい。

また、図１０の（ｂ）に示すように、第四実施形態では、塑性化領域Ｗ２と塑性化領域Ｗ３の間に隙間Ｓが生じているが、外隅接合工程で金属部材１，２の外隅側に形成される塑性化領域Ｗ３又は溶接金属（図示省略）と、内隅接合工程で形成される塑性化領域Ｗ２とを重複させることが好ましい。これにより、突合せ部Ｊ１の隙間Ｓを埋めることができるため、水密性及び気密性を高めることができるとともに、接合強度を高めることができる。

＜第五実施形態＞
次に、本発明の第五実施形態に係る摩擦攪拌接合について説明する。第五実施形態では再外隅接合工程を行う点で、上記した実施形態と相違する。第五実施形態では、上記した実施形態と相違する部分を中心に説明する。

図１１の（ａ）は、第五実施形態に係る内隅接合工程を示す断面図である。第五実施形態では、内隅接合工程に先だって、外隅接合工程を行っており、突合せ部Ｊ１の外隅側には塑性化領域Ｗ１が形成されている。図１１の（ａ）に示すように、例えば、板厚の大きな金属部材１，２を接合する場合、外隅接合工程及び内隅接合工程を行っても突合せ部Ｊ１の全体を摩擦攪拌接合できない場合がある。

つまり、外隅接合工程で形成された塑性化領域Ｗ１と、内隅接合工程で形成された塑性化領域Ｗ２とを突合せ部Ｊ１上で重複させることができず、隙間Ｓが生じてしまう場合がある。図６及び図１０の場合も同様に突合せ部Ｊ１内に隙間Ｓが生じている。

このように突合せ部Ｊ１上に隙間Ｓが発生した場合は、図１１の（ｂ）に示すように、金属部材１，２の外隅側から突合せ部Ｊ１に対して本接合用回転ツールＦを用いて再外隅接合工程を行うことが好ましい。再外隅接合工程では、本接合用回転ツールＦの攪拌ピンＦ２のみを金属部材１，２に接触させた状態で摩擦攪拌を行う。再外隅接合工程における本接合用回転ツールＦの移動軌跡には、塑性化領域Ｗ４が形成される。

再外隅接合工程では、本接合用回転ツールＦを用いているため、摩擦攪拌装置に大きな負荷がかからない状態で、突合せ部Ｊ１の深い位置を摩擦攪拌することができる。これにより、突合せ部Ｊ１に発生した隙間Ｓが摩擦攪拌されるため、突合せ部Ｊ１の水密性及び気密性を高めることができるとともに、接合強度をより向上させることができる。

＜変形例＞
次に、本発明の摩擦攪拌接合の変形例について説明する。前記した実施形態では、内隅接合工程を行う際に、金属部材１，２の裏側に裏当材Ｔを用いたが、図１２に示すように内隅接合用架台Ｕを用いてもよい。

内隅接合用架台Ｕは、直方体を呈する金属部材の表面に凹部Ｕ１を備えている。凹部Ｕ１は、第一傾斜面Ｕ１ａと第二傾斜面Ｕ１ｂとで構成されている。第一傾斜面Ｕ１ａと第二傾斜面Ｕ１ｂとの内角は、例えば、９０度になっている。

変形例における突合工程では、金属部材１，２を凹部Ｕ１に沿って配置する。また、タブ材配置工程では、金属部材１，２の突合せ部Ｊ１の両側にタブ材４，４を配置する。タブ材４は、傾斜面４ｂが上方を向くように配置する。タブ材４，４を配置したら、固定治具Ｕ２，Ｕ２（片方のみ描画）で金属部材１，２及びタブ材４，４を挟持して移動不能に固定する。

変形例の内隅接合用架台Ｕを用いることで、金属部材１，２及びタブ材４を凹部Ｕ１に配置するだけでよいため、突合工程及びタブ材配置工程を容易に行うことができる。また、内隅接合用架台Ｕを用いて肉盛溶接工程、補助部材配置工程又は内隅接合工程等を安定して行うことができる。

また、本実施形態では金属部材１，２の内角を９０°に設定したが、他の角度に設定してもよい。このような場合は、第一傾斜面Ｕ１ａと第二傾斜面Ｕ１ｂとの内角を適宜変更することで、様々な角度で金属部材１，２を突き合わせることができる。

１金属部材
１ａ端面
１ｂ側面
１ｃ側面
１ｄ側面
２金属部材
２ａ端面
２ｂ側面
２ｃ側面
２ｄ側面
３タブ材
４タブ材
Ｃ仮想基準面
Ｃ１交線
Ｆ本接合用回転ツール
Ｆ１連結部
Ｆ２攪拌ピン
Ｇ大型回転ツール
Ｈ小型回転ツール
Ｊ１突合せ部
Ｗ１〜Ｗ４塑性化領域

Claims

攪拌ピンを備えた回転ツールを用いて二つの金属部材を接合する摩擦攪拌接合方法であって、
前記金属部材同士を角度をつけて突き合わせて突合せ部を形成する突合工程と、
前記突合せ部の両側にタブ材をぞれぞれ配置するタブ材配置工程と、
前記突合工程で形成された前記金属部材同士の内隅に肉盛溶接を施して溶接金属で前記内隅を覆う肉盛溶接工程と、
回転した前記攪拌ピンのみを前記溶接金属及び前記内隅に挿入し、前記溶接金属及び前記金属部材同士を塑性流動化させて前記突合せ部の摩擦攪拌接合を行う内隅接合工程と、を含み、
第一傾斜面と第二傾斜面とで構成される凹部を備える内隅接合用架台を準備し、
前記突合工程では、二つの前記金属部材を前記凹部に沿って配置し、
前記タブ材配置工程では、前記突合せ部の両側に前記凹部に沿って三角柱状の前記タブ材をそれぞれ配置することを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
攪拌ピンを備えた回転ツールを用いて二つの金属部材を接合する摩擦攪拌接合方法であって、
前記金属部材同士を角度をつけて突き合わせて突合せ部を形成する突合工程と、
前記突合せ部の両側にタブ材をぞれぞれ配置するタブ材配置工程と、
前記突合工程で形成された前記金属部材同士の内隅に補助部材を配置する補助部材配置工程と、
回転した前記攪拌ピンのみを前記補助部材及び前記内隅に挿入し、前記補助部材及び前記金属部材同士を塑性流動化させて前記突合せ部の摩擦攪拌接合を行う内隅接合工程と、を含み、
第一傾斜面と第二傾斜面とで構成される凹部を備える内隅接合用架台を準備し、
前記突合工程では、二つの前記金属部材を前記凹部に沿って配置し、
前記タブ材配置工程では、前記突合せ部の両側に前記凹部に沿って三角柱状の前記タブ材をそれぞれ配置することを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
前記突合せ部に対して前記金属部材同士の外隅側から摩擦攪拌接合を行う外隅接合工程を含むことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の摩擦攪拌接合方法。
前記外隅接合工程で形成された塑性化領域と、前記内隅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請求項３に記載の摩擦攪拌接合方法。
前記突合せ部に対して前記金属部材同士の外隅側から溶接を行う外隅接合工程を含むことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の摩擦攪拌接合方法。
前記外隅接合工程で形成された溶接金属と前記内隅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請求項５に記載の摩擦攪拌接合方法。
前記突合工程では、一方の前記金属部材の側面と、他方の前記金属部材の端面とを突き合わせ、一方の前記金属部材の側面と他方の前記金属部材の側面とでなす内隅の角度がαである場合に、
前記内隅接合工程では、前記側面同士の交線に挿入された前記回転ツールの回転中心軸が、前記交線を通り前記側面とのなす角度がα／２となる仮想基準面と前記一方の前記金属部材の側面との間に位置することを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の摩擦攪拌接合方法。