JP2003181655A - 摩擦撹拌接合方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 回転治具のピンの引抜跡からなる突起を形成
せしめることなく、２つのアルミニウム材を有利に接合
可能な摩擦撹拌接合方法を提供する。 【解決手段】 軸心方向の一方の先端面１７が平面とさ
れると共に、該先端面に凹所１８が設けられてなる円柱
状のロッド状治具、或いは該先端面が凹状球面とされた
円柱状のロッド治具を、接合されるべき二つのアルミニ
ウム材１０，１２の突合せ部や重合せ部に対する相対的
な移動方向に対して後傾する姿勢で、或いは重ね合わさ
れる二つのアルミニウム材の重合せ方向に対して傾斜せ
しめた姿勢で、軸心回りに回転させつつ、先端部におい
て突合せ部や重合せ部２２、或いは隅肉部に差し込み、
相対的に移動させると共に、二つのアルミニウム材の厚
さや径と、ロッド状治具の差込み深さとが特定の関係を
満たすような条件で、摩擦撹拌接合操作を行なうように
した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【技術分野】本発明は、摩擦撹拌接合方法に係り、特
に、二つのアルミニウム材の突合せ接合や重合せ接合、
更には重ね隅肉接合を、摩擦撹拌接合操作によって実施
する摩擦撹拌接合方法に関するものである。

【０００２】

【背景技術】近年、摩擦熱を利用してアルミニウム材を
接合する方法の一つとして、米国特許第５４６０３１７
号明細書や特表平７−５０５０９０号公報等に明らかに
される如き摩擦撹拌接合法（Friction Stir Welding）
が、注目を受けている。そして、アルミニウム材の加工
分野等において、この摩擦撹拌接合手法によるアルミニ
ウム材の突合せ接合や重合せ接合、或いは重合せ隅肉接
合接合が、一般に、接合されるべき二つのアルミニウム
材よりも硬い材質のピンを先端中心部に設けてなるロッ
ド状治具状の回転治具を用いて、実施されているのであ
る。

【０００３】すなわち、例えば、摩擦撹拌接合方法を利
用して、板形状や棒形状、或いはパイプ形状を呈する二
つのアルミニウム材を突合せ接合せしめる場合には、先
端中心部にピンが設けられた回転治具を高速回転せしめ
つつ、その先端のピンを、二つのアルミニウム材の突合
せ部に対して差し込み、相対的に移動させることによ
り、それら回転せしめられるピンや回転治具と二つのア
ルミニウム材の突合せ部との間に摩擦熱を発生せしめ、
そしてその摩擦熱にて、突合せ部の周辺部位を塑性加工
可能な状態と為し、更に、ピンの高速回転による撹拌作
用により、突合せ部の組織を入り交わらせ、以て溶融せ
しめることなく、二つのアルミニウム材を接合している
のである。

【０００４】また、摩擦撹拌接合方法による、上述の如
き形状を呈するアルミニウム材の重合せ接合では、二つ
のアルミニウム材のうちの一方を他方に重ね合わせる一
方、高速回転せしめられる回転治具の先端のピンを、そ
れら二つのアルミニウム材の重合せ部に対して、該一方
のアルミニウム材を貫通せしめて差し込み、相対的に移
動させることにより、前記突合せ接合と同様に、二つの
アルミニウム材を、溶融せしめることなく、重合せ部に
おいて接合するのである。

【０００５】さらに、摩擦撹拌接合方法による、上述の
如き形状を呈するアルミニウム材の重合せ隅肉接合を行
なう際には、二つのアルミニウム材のうちの一方を他方
に重ね合わせた状態下で、一方のアルミニウム材が重ね
合わされる他方のアルミニウム材の重合せ面と該一方の
アルミニウム材の側面との間で形成される隅肉部に対し
て、高速回転せしめられる回転治具の先端のピンを差し
込み、相対的に移動させることにより、前記突合せ接合
や重合せ接合と同様に、二つのアルミニウム材を、溶融
せしめることなく、隅肉部において、一体的に接合する
のである。

【０００６】このような摩擦撹拌接合手法を利用したア
ルミニウム材の突合せ接合や重合せ接合、或いは重合せ
隅肉接合においては、アルミニウム材に対する入熱が少
なく、接合部の強度低下や歪みの発生を可及的に小さく
為し得るといった利点が得られるのである。

【０００７】ところが、かかる従来のアルミニウム材の
摩擦撹拌接合方法を実施した場合、接合されたアルミニ
ウム材の突合せ部や重合せ部、或いは隅肉部に沿って形
成される接合部に、回転治具のピンの引抜跡からなる突
起が不可避的に形成されることとなり、それによって、
種々の問題が生じていたのである。

【０００８】すなわち、そのようなピンの引抜跡からな
る突起をそのままにした状態で、接合されたアルミニウ
ム材を、例えば、プレス成形した場合、かかる突起にお
いて応力集中が惹起されて、そのプレス成形時に、該突
起を起点とした亀裂が生じる恐れがあったのであり、ま
た自動車外板として使用した場合には、突起形成部位に
おいて強度低下が惹起される危惧もあったのである。そ
のため、このような従来の摩擦撹拌接合方法によるアル
ミニウム材の接合を行なった際には、摩擦撹拌接合操作
の終了後に、ピンの引抜跡からなる突起を除去するとい
った余分な作業を、行なわなければならなかったのであ
る。

【０００９】

【解決課題】ここにおいて、本発明は、上述せる如き事
情を背景にして為されたものであって、その解決課題と
するところは、アルミニウム材を摩擦撹拌接合するに際
して、回転治具のピンの引抜跡からなる突起の形成を有
利に解消せしめ得、以て、摩擦撹拌接合操作終了後にお
ける突起の除去作業を効果的に省略し得るようにした手
法を提供することにある。

【００１０】

【解決手段】そして、本発明にあっては、かかる課題の
解決のために、接合されるべき二つのアルミニウム材を
突き合わせ、その突合せ部に対して、回転治具を回転さ
せつつ、その先端部において差し込み、相対的に移動さ
せることにより、かかる突合せ部を摩擦撹拌接合せしめ
るに際し、前記回転治具として、円柱形状を呈し、軸心
方向の一方の先端面に凹所が設けられ、且つ該先端面に
おける該凹所の形成部位以外の部位が平面とされたロッ
ド状治具を用い、かかるロッド状治具を、前記突合せ部
に対する相対的な移動方向に対して後傾する姿勢で軸心
回りに回転させつつ、該凹所が先端面に設けられる一方
の先端部において、該突合せ部に差し込み、相対的に移
動させると共に、次式： （ｔ₁＋ｔ₂）／２−ｒ・ｓｉｎθ＜１ ｒ≦１５、θ≦５ ［但し、ｔ₁、ｔ₂：接合されるべき二つのアルミニウム
材のそれぞれの厚さ乃至は径（ｍｍ）、ｒ：ロッド状治
具の半径（ｍｍ）、θ：ロッド状治具の後傾角度
（°）］を満足するような条件で、摩擦撹拌接合操作を
行なうことを特徴とする摩擦撹拌接合方法を、その要旨
とするものである。

【００１１】すなわち、この本発明に従う摩擦撹拌接合
方法にあっては、接合されるべき二つのアルミニウム材
の突合せ部に差し込まれるロッド状治具の先端面に凹所
が設けられているところから、アルミニウム材に対する
ロッド状治具の接触面積が有利に増大せしめられ得ると
共に、ロッド状治具の先端面が、全体として粗面化され
た形態と為され得、それによって、回転せしめられるロ
ッド状治具と二つのアルミニウム材の突合せ部との間に
発生する摩擦熱にて塑性加工可能な状態とされた突合せ
部周辺部位が、かかるロッド状治具先端面により、ロッ
ド状治具の回転に伴って、十分に撹拌せしめられ得るの
であり、その結果として、突合せ部周辺部位の組織も十
分に入り交わらされて、二つのアルミニウム材が、溶融
することなく、確実に接合され得ることとなるのであ
る。

【００１２】また、本発明に係る摩擦撹拌接合方法にお
いては、先端中心部にピンが設けられた回転治具を用い
る従来手法とは異なって、回転治具として用いられるロ
ッド状治具の、突合せ部に差し込まれる側の先端面の凹
所形成部位以外が平面とされていることにより、かかる
先端面にピンが何等設けられていないため、突合せ部に
沿って形成される接合部に、かかるピンの引抜跡からな
る突起が形成されるようなことが、有利に解消され得る
のである。

【００１３】しかも、かかる本発明手法は、上述せる如
き三つの式を全て満足するような条件で、摩擦撹拌接合
操作を行なうようにしたものであるところから、従来の
回転治具に設けられていたピンではなく、それよりも大
径のロッド状治具の先端部を突合せ部に差し込むように
したものであるにも拘わらず、摩擦撹拌接合操作がスム
ーズに行なわれ得ると共に、突合せ部に沿って、良好な
接合部が形成され得るのである。

【００１４】従って、かくの如き本発明に従う摩擦撹拌
接合方法によれば、互いに突き合わされる二つのアルミ
ニウム材を、その接合部に、回転治具のピンの引抜跡か
らなる突起を何等形成せしめることなく、確実に且つス
ムーズに接合することが出来るのであり、そして、その
結果として、摩擦撹拌接合操作終了後に、ピンの引抜跡
からなる突起を除去するための余分な作業から有利に解
放され得て、アルミニウム材の摩擦撹拌接合時における
作業性の向上が、極めて有利に図られ得ることとなるの
である。

【００１５】また、本発明にあっては、前記技術的課題
を解決するために、接合されるべき二つのアルミニウム
材のうちの一方を他方に重ね合せる一方、その重合せ部
に対して、回転治具を回転させつつ、その先端部におい
て、該一方のアルミニウム材を貫通せしめて差し込み、
相対的に移動させることにより、かかる重合せ部を摩擦
撹拌接合せしめるのに際し、前記回転治具として、円柱
形状を呈し、軸心方向の一方の先端面に凹所が設けら
れ、且つ該先端面における該凹所の形成部位以外の部位
が平面とされたロッド状治具を用い、かかるロッド状治
具を、前記重合せ部に対する相対的な移動方向に対して
後傾する姿勢で軸心回りに回転させつつ、該凹所が先端
面に設けられる一方の先端部において、該重合せ部に差
し込み、相対的に移動させると共に、次式： ｔ₁−ｒ・ｓｉｎθ＜１ ｒ≦１５、θ≦５ ［但し、ｔ₁：接合されるべき二つのアルミニウム材の
うち、重ね合わされた状態下で上側に位置するアルミニ
ウム材の厚さ乃至は径（ｍｍ）、ｒ：ロッド状治具の半
径（ｍｍ）、θ：ロッド状治具の後傾角度（°）］を満
足するような条件で、摩擦撹拌接合操作を行なうことを
特徴とする摩擦撹拌接合方法をも、その要旨とするもの
である。

【００１６】このような本発明に従う摩擦撹拌接合方法
にあっても、接合されるべき二つのアルミニウム材の重
合せ部に差し込まれるロッド状治具の先端面に凹所が設
けられて、かかるロッド状治具先端面のアルミニウム材
に対する接触面積が増大せしめられていると共に、その
ようなロッド状治具先端面が粗面化された形態とされて
おり、更に、ロッド状治具先端面における凹所形成部位
以外の部位が平面とされて、該先端面にピンが何等設け
られていないところから、先端中心部にピンが設けられ
た回転治具を用いる従来手法とは異なって、重合せ部に
沿って形成される接合部に、ピンの引抜跡からなる突起
が形成されるようなことが有利に解消され得るのであ
り、また、ピンが設けられていないにも拘わらず、ロッ
ド状治具の回転に伴って、ロッド状治具先端面との接触
により可塑化された重合せ部周辺部位が十分に撹拌せし
められ得て、二つのアルミニウム材が、溶融することな
く、確実に接合され得るのである。

【００１７】しかも、この本発明手法は、上述の如き三
つの式を全て満足するような条件で、摩擦撹拌接合操作
を行なうようにしたものであるところから、従来の回転
治具に設けられていたピンではなく、それよりも大径の
ロッド状治具の先端部を突合せ部に差し込むようにした
ものであるにも拘わらず、摩擦撹拌接合操作がスムーズ
に行なわれ得ると共に、重合せ部に沿って、良好な接合
部が形成され得るのである。

【００１８】従って、このような本発明に従う摩擦撹拌
接合方法によっても、互いに重ね合わされる二つのアル
ミニウム材を、その接合部に、回転治具のピンの引抜跡
からなる突起を何等形成せしめることなく、確実に且つ
スムーズに接合することが出来、またその結果として、
摩擦撹拌接合操作終了後でのかかる突起の除去作業が有
利に省略され得て、アルミニウム材の摩擦撹拌接合の作
業性が、効果的に高められ得ることとなるのである。

【００１９】なお、本発明に従う摩擦撹拌接合方法にお
いて、軸方向の一方の先端面に凹所を有するロッド状治
具を回転治具として用いる場合には、有利には、かかる
凹所が、２ｍｍ以下の深さを有して、ロッド状治具の一
方の先端面に設けられる。これによって、回転せしめら
れるロッド状治具の先端面と接触して、塑性加工可能な
状態とされた二つのアルミニウム材の可塑化部分（突合
せ部の周辺部分や重合せ部の周辺部分）に対するロッド
状治具先端面による撹拌作用が、より有利に高められ
得、以て、二つのアルミニウム材の接合部において、よ
り優れた接合品質が、効果的に確保され得るのである。

【００２０】また、本発明に従う摩擦撹拌接合方法にお
いて、軸方向の一方の先端面に凹所を有するロッド状治
具を回転治具として用いる場合には、望ましくは、かか
る凹所が、ロッド状治具の周方向に延びる側壁を有し
て、該ロッド状治具の一方の先端面に設けられることと
なる。

【００２１】このような構成を採用すれば、ロッド状治
具の回転により可塑化状態で撹拌される突合せ部周辺部
分のメタルが、ロッド状治具先端面の凹所内に入り込
み、更に、該凹所内に入り込んだメタルが、ロッド状治
具の周方向に延びる、凹所の側壁にて堰き止められる如
き状態となって、ロッド状治具先端面の外周縁部から外
方に洩れ出すようなことが、有利に防止され得るのであ
る。

【００２２】それ故、かかる本発明手法では、接合され
るべきアルミニウム材における突合せ部の接合開始側の
端縁に、回転せしめられるロッド状治具先端部を差し込
んで、摩擦撹拌接合操作を開始し、かかる突合せ部に対
して、ロッド状治具先端部を相対的に移動させた後、突
合せ部の接合終了側の端縁において、ロッド状治具先端
部を突合せ部から引き抜くようにしても、回転せしめら
れるロッド状治具先端部により撹拌されたメタルが、接
合されるべきアルミニウム材の接合開始側及び接合終了
側のそれぞれの端面から洩れ出すようなことが、効果的
に阻止され得るのである。

【００２３】従って、かくの如き本発明に従う摩擦撹拌
接合方法によれば、接合されるべき二つのアルミニウム
材における接合開始側及び接合終了側のそれぞれの端面
からのメタルの洩れ出しによって惹起される接合欠陥の
発生が、極めて効果的に防止され得るのであり、またそ
れによって、そのような接合欠陥の発生を未然に防ぐた
めに従来行なわれていた、接合されるべき二つのアルミ
ニウム材の突合せ部や重合せ部の接合開始端側部分と接
合終了端側部分に所定の長さに亘って形成される未接合
部を、摩擦撹拌接合操作終了後に、切断したり、溶融溶
接したりする後処理が、効果的に省略され得ることとな
るのである。

【００２４】さらに、前記せる技術的課題の解決のため
に、本発明にあっては、接合されるべき二つのアルミニ
ウム材のうちの一方を他方に重ね合せる一方、それら二
つのアルミニウム材の間で形成される隅肉部に対して、
回転治具を回転させつつ、その先端部において差し込
み、相対的に移動させることにより、かかる隅肉部を摩
擦撹拌接合せしめるのに際し、前記回転治具として、円
柱形状を呈し、軸心方向の一方の先端面が凹状球面とさ
れたロッド状治具を用い、かかるロッド状治具を、該凹
状球面が前記隅肉部に対向せしめられるように、前記二
つのアルミニウム材の重合せ方向に対して傾斜せしめた
状態で軸心回りに回転させつつ、先端面が凹状球面とさ
れた一方の先端部において、前記隅肉部に差し込み、相
対的に移動させると共に、次式： ｔ₁＋ｔ₂−２ｒ・ｓｉｎθ＜１ ｒ≦２０、θ≦３０ ［但し、ｔ₁、ｔ₂：接合されるべき二つのアルミニウム
材のそれぞれの厚さ乃至は径（ｍｍ）、ｒ：ロッド状治
具の半径（ｍｍ）、θ：二つのアルミニウム材の重合せ
方向に対するロッド状治具の傾斜角度（°）］を満足す
るような条件で、摩擦撹拌接合操作を行なうことを特徴
とする摩擦撹拌接合方法をもまた、その要旨とするもの
である。

【００２５】すなわち、この本発明に従う摩擦撹拌接合
方法においては、接合されるべき二つのアルミニウム材
の隅肉部に差し込まれるロッド状治具の先端面が、凹状
球面とされていることによって、かかるロッド状治具先
端面のアルミニウム材に対する接触面積が増大せしめら
れていると共に、該先端面にピンが何等設けられておら
ず、そのため、隅肉部に沿って形成される接合部に、ピ
ンの引抜跡からなる突起が形成されるようなことが有利
に解消され得るのであり、また、ピンが設けられていな
いにも拘わらず、ロッド状治具の回転に伴って、ロッド
状治具先端面との接触により可塑化された隅肉部周辺部
位が十分に撹拌せしめられ得て、二つのアルミニウム材
が、溶融することなく、確実に接合され得るのである。

【００２６】また、このような本発明手法にあっては、
ロッド状治具先端面が凹状球面とされることで、ロッド
状治具先端面の外周縁部に、周方向に延びる側壁が形成
されることとなり、それによって、ロッド状治具先端面
との接触により可塑化された隅肉部周辺部位のメタル
が、かかる側壁にて堰き止められる如き状態となって、
ロッド状治具先端面の外周縁部から外方に洩れ出すよう
なことが、有利に防止され得て、接合されるべきアルミ
ニウム材の接合開始側及び接合終了側のそれぞれの端面
からのメタルの洩れ出しも、効果的に阻止され得るので
あり、その結果として、そのようなメタルの洩れ出しに
起因する接合欠陥の発生が、未然に防ぎ得ることとなる
のである。

【００２７】しかも、本発明に係る摩擦撹拌接合方法
も、上述せる如き三つの式を全て満足するような条件
で、摩擦撹拌接合操作を行なうようにしたものであると
ころから、従来の回転治具に設けられていたピンではな
く、それよりも大径のロッド状治具の先端部を突合せ部
に差し込むようにしたものであるにも拘わらず、摩擦撹
拌接合操作がスムーズに行なわれ得ると共に、重合せ部
に沿って、良好な接合部が形成され得るのである。

【００２８】従って、かくの如き本発明に従う摩擦撹拌
接合方法によれば、互いに重ね合わされる二つのアルミ
ニウム材を、その接合部に、回転治具のピンの引抜跡か
らなる突起を何等形成せしめることなく、更にはメタル
の洩れ出しに起因する接合欠陥を防止しつつ、確実に且
つスムーズに、接合することが出来、またその結果とし
て、摩擦撹拌接合操作終了後におけるかかる突起の除去
作業や未接合部に対する後処理が有利に省略され得て、
アルミニウム材の摩擦撹拌接合の作業性が、より一層効
果的に高められ得ることとなるのである。

【００２９】なお、この本発明に従う摩擦撹拌接合方法
において、軸方向の一方の先端面が凹状球面とされたロ
ッド状治具を回転治具として用いる場合には、好ましく
は、かかる凹状球面が、１５ｍｍ以上の半径を有して構
成される。これによって、回転せしめられるロッド状治
具の先端面と接触して、可塑化状態とされた二つのアル
ミニウム材の可塑化部分（隅肉部の周辺部分）に対する
ロッド状治具先端面による撹拌作用が有利に高められ
得、以て、二つのアルミニウム材の接合部において、更
に優れた接合品質が、効果的に確保され得るのである。

【００３０】

【発明の実施の形態】ところで、かくの如き本発明に従
う摩擦撹拌接合方法において用いられるアルミニウム材
としては、通常のアルミニウム若しくはアルミニウム合
金からなる、板形状や、棒形状、或いはパイプ形状を呈
する展伸材や鋳物材、押出材等の何れもが対象とされ、
それらの中から、目的に応じて適宜に選択されて、用い
られることとなる。なお、そのようなアルミニウム材の
材質も、特に限定されるものではなく、最終的に得よう
とする製品の用途や要求品質等に応じて、適宜に決定さ
れるものである。

【００３１】そして、かかるアルミニウムからなる板材
の二つを用いて、それらを互いに突き合わせた状態で、
その突合せ部において摩擦撹拌接合するに際しては、例
えば、図１に示される如く、先ず、二つのアルミニウム
板材１０，１２を、それぞれの端面が当接するように、
突き合わせて、位置せしめる。このとき、これら二つの
アルミニウム板材１０，１２の突合せ部１４が離間しな
いように、好ましくは、適当な拘束治具（図示せず）に
より、二つのアルミニウム板材１０，１２が、取外し可
能な状態で、変位不能に拘束される。

【００３２】次いで、二つのアルミニウム板材１０，１
２の突合せ部１４に対する摩擦撹拌接合操作を、回転治
具を用いて実施するのであるが、ここでは、かかる回転
治具として、図２に示される如く、全体として、円柱形
状を呈するロッド状治具１６が、用いられることとな
る。このロッド状治具１６は、特に、軸心方向の一方側
の先端面１７が、円形平面とされていると共に、かかる
先端面１７の外周部に、比較的に浅い深さを有する、凹
所としての円形の周溝１８が、同心的に位置するように
設けられている。これによって、かかるロッド状治具１
６においては、軸心方向の一方の先端面１７の外周縁部
に、円形の周溝１８の外側壁部からなる、周方向に連続
して延びる側壁２０が形成されており、また、その先端
面１７に、従来の摩擦撹拌接合操作に使用される回転治
具に設けられるようなピンが何等設けられることなく、
構成されているのである。

【００３３】なお、このロッド状治具１６の周溝１８の
深さは、特に限定されるものではないものの、好ましく
は２ｍｍ以下とされる。何故なら、ここでは、周溝１８
を設けることによって、ロッド状治具１６の先端面１７
の突合せ部１４の周辺部位に対する接触面積を増大せし
めると共に、かかる先端面１７を粗面化し、以て、後述
する如く、二つのアルミニウム板材１０，１２の突合せ
部１４に対する摩擦撹拌接合操作時において、高速回転
せしめられたロッド状治具１６の先端部を突合せ部１４
に差し込んで、相対的に移動させた際に、突合せ部１４
の周辺部位が、ロッド状治具１６の先端部の平面形態と
された先端面にて確実に撹拌せしめられるようになって
いるのであるが、そのような周溝１８が２ｍｍを越える
深さとされる場合には、二つのアルミニウム板材１０，
１２の突合せ部１４の周辺部位に対する撹拌作用に、そ
れが却って悪影響を及ぼすこととなるからである。

【００３４】また、周溝１８の深さの下限値も、何等限
定されるものではない。しかしながら、周溝１８は、ロ
ッド状治具１６の回転に伴う、可塑化状態とされた突合
せ部１４の周辺部位の撹拌時に、かかる突合せ部１４の
周辺部位のメタルが、ロッド状治具１６の先端面１７の
外周縁部から外方に洩れ出すことのないように為す上
で、周溝１８の外側壁部が、周方向に連続して延びる側
壁２０として構成されものであるところから、そのよう
な周溝１８が余りに浅いと、その外側壁部にて構成され
る側壁２０が低くなり過ぎて、突合せ部１４の周辺部位
の撹拌時に、該周辺部位のメタルが、ロッド状治具１６
の先端面１７の外周縁部から外方に洩れ出すことを阻止
する機能が著しく損なわれることとなるため、そのよう
な機能を確保可能な程度において、周溝１８の深さの下
限値が決定されるのである。

【００３５】さらに、ここで用いられる円柱状のロッド
状治具１６にあっては、その半径：ｒが１５ｍｍ以下と
されていなければならない。何故なら、半径が１５ｍｍ
を越えるようなロッド状治具１６は、その太さが過大と
なって、高速回転下でも、二つのアルミニウム板材１
０，１２の突合せ部１４に差し込むことが極めて難しく
なり、スムーズな摩擦撹拌接合操作の実施が困難乃至は
不能となるからである。

【００３６】そして、図３に示されるように、かくの如
き構造とされたロッド状治具１６を、周溝１８が形成さ
れる側の先端面１７の中心において、二つのアルミニウ
ム板材１０，１２の突合せ部１４における接合開始端に
対応させ、且つその突合せ部１４に対する相対的な移動
方向（図３中、矢印方向）、換言すれば、突合せ部１４
の接合方向に対して後傾せしめた姿勢で、高速回転さ
せ、更に、そのような高速回転下で、図３に二点鎖線で
示される如く、ロッド状治具１６の先端部を、突合せ部
１４に差し込むのである。

【００３７】これによって、高速回転せしめられるロッ
ド状治具１６の先端部と突合せ部１４の接合開始端との
間に摩擦熱を発生せしめ、そしてその摩擦熱にて、突合
せ部１４の接合開始端の周辺部位を塑性加工可能な状態
と為し、更にロッド状治具１６の高速回転により、かか
る突合せ部１４の接合開始端の周辺部位を撹拌しつつ、
それらの組織を入り交じわらせ、以て突合せ部１４の接
合開始端を溶融させることなく、接合するのである。ま
た、ここでは、ロッド状治具１６の先端面１７に、外側
壁部が周方向に連続して延びる側壁２０とされた周溝１
８が設けられているため、ロッド状治具１６の先端部
を、突合せ部１４の接合開始端に差し込んで、その接合
開始端周辺部位を撹拌せしめる際に、可塑化状態とされ
た接合開始端周辺部位のメタルが、周溝１８内に入り込
み、更に側壁２０にて堰き止められる如き状態とされ、
以て、ロッド状治具１６の先端面１７の外周縁部から外
方に洩れ出して、突合せ部１４の接合開始端の端面から
側方に洩れ出すようなことが阻止されるようになってい
るのである。

【００３８】なお、かくして、突合せ部１４の接合開始
端にロッド状治具１６の先端部を差し込む際には、突合
せ部１４の接合方向に対するロッド状治具１６の後傾角
度：θが、５°以下とされる。何故なら、本工程では、
ロッド状治具１６を後傾せしめた状態で、その先端部に
おいて、突合せ部１４に差し込むことにより、かかるロ
ッド状治具１６の先端部が、差し込まれた突合せ部１４
に対してスムーズに相対移動せしめられるようになって
いるのであるが、突合せ部１４の接合方向に対するロッ
ド状治具１６の後傾角度：θが５°よりも大きいと、ロ
ッド状治具１６の相対移動時に、先端面１７に加わる抵
抗が大きくなり過ぎて、ロッド状治具１６のスムーズな
相対移動、ひいては摩擦撹拌接合操作の円滑な進行が妨
げられることとなるからである。

【００３９】また、本実施形態では、回転治具の先端中
心部に設けられたピンを突合せ部１４に差し込んで摩擦
撹拌接合操作を行なう従来手法とは異なって、かかるピ
ンよりも大径のロッド状治具１６先端部を突合せ部１４
に差し込んで摩擦撹拌接合操作を行なうものであるた
め、そのようなロッド状治具１６先端部の突合せ部１４
への差込み深さが浅いと、該先端部による突合せ部１４
の周辺部位の撹拌が十分に行なわれ得なくなる。それ
故、ここでは、突合せ部１４を十分に撹拌して、摩擦撹
拌接合操作をスムーズに進めつつ、良好な接合部を得る
上で、二つのアルミニウム板材１０，１２の板厚（図１
においてｔ₁とｔ₂にて示される寸法）の平均値：（ｔ₁
＋ｔ₂）／２から、ロッド状治具１６先端部の突合せ部
１４への差込み深さ：ｒ・ｓｉｎθ（図３中、ｍにて示
される寸法）を差し引いた値が１ｍｍ未満となるよう
に、ロッド状治具１６の先端部を、突合せ部１４に、十
分な深さで差し込む必要があるのである。つまり、ここ
では、次式： （ｔ₁＋ｔ₂）／２−ｒ・ｓｉｎθ＜１ を満たす条件で、ロッド状治具１６の先端部を、二つの
アルミニウム板材１０，１２の突合せ部１４に差し込み
つつ、摩擦撹拌接合操作を行なわなければならないので
ある。

【００４０】そして、上述の如き状態で突合せ部１４の
接合開始端に差し込まれたロッド状治具１６を、高速回
転させつつ、突合せ部１４に沿って、接合開始端とは反
対側に接合終了端に向かって移動させる。その後、ロッ
ド状治具１６の先端面１７の中心が、突合せ部１４の接
合終了端に対応する位置に達したら、その時点で、ロッ
ド状治具１６の先端部を、突合せ部１４から引き抜く。

【００４１】かくして、ロッド状治具１６を、二つのア
ルミニウム板材１０，１２の突合せ部１４に沿って相対
的に移動させながら、突合せ部１４に差し込まれた状態
で、高速回転せしめられるロッド状治具１６の先端部と
突合せ部１４との間に摩擦熱を発生せしめ、そしてその
摩擦熱にて、突合せ部１４の周辺部位を塑性加工可能な
状態と為し、更に、ロッド状治具１６の高速回転による
撹拌作用により、突合せ部１４の周辺部位の組織を入り
交わらせ、以て溶融せしめることなく、二つのアルミニ
ウム材１０，１２の間に、突合せ部１４に沿って、その
接合開始端から接合終了端の全長亘って連続して延びる
接合部を形成して、それら二つのアルミニウム材１０，
１２を一体的に接合するのである。

【００４２】また、本工程では、突合せ部１４に差し込
まれて、相対移動せしめられたロッド状治具１６の先端
部を、突合せ部１４の接合終了端に、先端面１７の中心
が対応位置した時点で、突合せ部１４から引き抜くよう
にしているため、突合せ部１４の接合開始端へのロッド
状治具１６の差し込み時と同様に、接合終了端が確実に
接合されると共に、可塑化状態とされた接合終了端周辺
部位のメタルが、先端面１７の周溝１８内に入り込み、
更に側壁２０にて堰き止められる如き状態とされ、それ
により、ロッド状治具１６の先端面１７の外周縁部から
外方に洩れ出して、突合せ部１４の接合終了端の端面か
ら側方に洩れ出すようなことも、阻止されるようになっ
ているのである。

【００４３】さらに、ここでは、前述の如く、ロッド状
治具１６の先端面１７が平面形態とされて、そこには従
来の回転治具に見られるようなピンが何等設けられてい
ないため、ロッド状治具１６を突合せ部１４の接合終了
端から引き抜いた際に、突合せ部１４の接合終了端にお
いて形成される接合部に、かかるピンの引抜跡からなる
突起が、何等形成されることがないのである。

【００４４】このように、本実施形態では、先端面１７
に周溝１８が設けられたロッド状治具１６を、二つのア
ルミニウム板材１０，１２の突合せ部１４に対して、高
速回転させつつ、その先端部において差し込んで、相対
的に移動せしめることにより、可塑化状態とされた突合
せ部１４の周辺部位が、かかる先端面１７にて、大きな
撹拌力をもって十分に撹拌され得るようになっていると
ころから、ロッド状治具１６の先端面１７に、従来の回
転治具に設けられるピンが何等形成されていないにも拘
わらず、二つのアルミニウム板材１０，１２が、突合せ
部１４において、確実に接合され得るのである。

【００４５】また、本実施形態においては、ロッド状治
具１６の先端面１７にピンが設けられていないことによ
って、突合せ部１４の接合終了端に形成される接合部
に、ピンの引抜跡からなる突起が、何等形成されないよ
うになっているところから、摩擦撹拌接合操作の終了後
に、そのような突起を除去するための作業を行なう必要
が皆無ならしめられ得、それによって、二つのアルミニ
ウム板材１０，１２の摩擦撹拌接合時における作業性
が、効果的に高められ得るのである。

【００４６】さらに、本実施形態では、突合せ部１４の
接合開始端と接合終了端とが、何れも確実に接合され得
るようになっているため、それら接合開始端と接合終了
端に形成された未接合部を切断したり、溶融溶接したり
する後処理を行なう必要も、効果的に解消され得て、二
つのアルミニウム板材１０，１２の摩擦撹拌接合時にお
ける作業性が、更に一層有利に高められ得るのである。

【００４７】更にまた、本実施形態においては、二つの
アルミニウム板材１０，１２の平均板厚から、ロッド状
治具１６の先端部の突合せ部１４への差込み深さを差し
引いた値が１ｍｍ未満とされて、ロッド状治具１６の先
端部が突合せ部１４に対して十分な深さで差し込まれつ
つ、摩擦撹拌接合操作が進められるようになっていると
ころから、高速回転せしめられるロッド状治具１６の先
端部による突合せ部１４の周辺部位の撹拌を、より一層
十分に行ないつつ、摩擦撹拌接合操作をスムーズに進め
ることが出来、以て、良好な接合部が形成されて、二つ
のアルミニウム板材１０，１２が、より優れた接合品質
をもって接合され得ることとなるのである。

【００４８】次ぎに、アルミニウムからなる板材の二つ
を用いて、それらを互いに重ね合わせた状態で、その重
合せ部において摩擦撹拌接合する手法について、説明す
る。

【００４９】すなわち、この摩擦撹拌接合手法による二
つのアルミニウム板材１０，１２の重合せ接合を行なう
に際しては、例えば、図４に示される如く、先ず、互い
に厚さの異なる二つのアルミニウム板材１０，１２う
ち、厚さの薄いアルミニウム板材１０の上面上に、厚さ
の厚いアルミニウム板材１２を載置する状態で、重ね合
わせる。このとき、これら二つのアルミニウム板材１
０，１２が位置ずれして、重合せ部２２が変わってしま
うことのないように、好ましくは、適当な拘束治具（図
示せず）により、二つのアルミニウム板材１０，１２
が、取外し可能な状態で、拘束される。

【００５０】次いで、二つのアルミニウム板材１０，１
２の重合せ部２２に対する摩擦撹拌接合操作を、回転治
具を用いて実施するのであるが、ここでは、かかる回転
治具として、二つのアルミニウム板材１０，１２を摩擦
撹拌接合操作により突合せ接合する際に使用されるロッ
ド状治具１６、つまり、図２に示される如く、全体とし
て、円柱形状を呈し、軸心方向の一方側の先端面１７
が、円形平面とされていると共に、かかる先端面１７の
外周部に、外側壁部が周方向に延びる側壁２０とされ
た、所としての円形の周溝１８が同心的に設けられてな
る構造のものが、用いられるのである。

【００５１】なお、ここで用いられる円柱状のロッド状
治具１６にあっても、その半径：ｒが１５ｍｍ以下とさ
れていなければならない。何故なら、半径が１５ｍｍを
越えるようなロッド状治具１６は、その太さが過大とな
って、高速回転下でも、上側に位置するアルミニウム板
材１２を貫通して、重合せ部２２に差し込むことが極め
て難しくなり、スムーズな摩擦撹拌接合操作の実施が困
難乃至は不能となるからである。

【００５２】そして、図５に示されるように、かくの如
き構造とされたロッド状治具１６を、周溝１８が形成さ
れる側の先端面１７の中心において、アルミニウム板材
１０の上面に重ね合わされて配置されたアルミニウム板
材１２の複数の辺縁部のうち、接合されるべき重合せ部
２２の接合開始端に対応位置する辺縁部に対応させ、且
つ重合せ部２２に対する相対的な移動方向（図５中、矢
印方向）、換言すれば、重合せ部２２の接合方向に対し
て後傾せしめた姿勢で、高速回転させ、更に、そのよう
な高速回転下で、図５に二点鎖線で示される如く、ロッ
ド状治具１６の先端部を、その少なくとも一部がアルミ
ニウム板材１２を貫通するようにして、重合せ部２２に
差し込むのである。これによって、重合せ部２２の接合
開始端を溶融させることなく、接合するのである。ま
た、このとき、ロッド状治具１６の先端面１７に周溝１
８と周方向に延びる側壁２０とが形成されているため、
前記第一の実施形態と同様に、かかる接合開始端周辺部
位が十分に撹拌されて、確実に接合されると共に、その
接合開始端の端面から、可塑化状態とされた接合開始端
周辺部位のメタルが洩れ出すようなことが阻止されるこ
ととなる。

【００５３】なお、ここでも、重合せ部２２の接合開始
端にロッド状治具１６の先端部を差し込む際には、重合
せ部２２の接合方向に対するロッド状治具１６の後傾角
度：θが、５°以下とされる。かかる後傾角度：θが５
°よりも大きいと、前記実施形態と同様に、ロッド状治
具１６の重合せ部２２に対するスムーズな相対移動、ひ
いては摩擦撹拌接合操作の円滑な進行が妨げられること
となるからである。

【００５４】また、本実施形態においても、従来の回転
治具に設けられるピンよりも大径のロッド状治具１６の
先端部を、二つのアルミニウム板材１０，１２の重合せ
部２２に差し込んで摩擦撹拌接合操作を行なうものであ
るため、そのようなロッド状治具１６先端部の重合せ部
２２への差込み深さが浅いと、該先端部による重合せ部
２２の周辺部位の撹拌が十分に行なわれ得なくなる。そ
れ故、ここでは、重合せ部２２を十分に撹拌して、摩擦
撹拌接合操作をスムーズに進めつつ、良好な接合部を得
る上で、重ね合わされる二つのアルミニウム板材１０，
１２のうち、上側に位置して、ロッド状治具１６の先端
部の一部が貫通するアルミニウム板材１２の板厚（図５
においてｔ₁にて示される寸法）から、二つのアルミニ
ウム板材１０，１２へのロッド状治具１６先端部の差込
み深さ：ｒ・ｓｉｎθ（図５中、ｍにて示される寸法）
を差し引いた値が１ｍｍ未満となるように、ロッド状治
具１６の先端部を、重合せ部２２に、十分な深さで差し
込む必要があるのである。つまり、ここでは、次式： ｔ₁−ｒ・ｓｉｎθ＜１ を満たす条件で、ロッド状治具１６の先端部を、上側に
位置するアルミニウム板材１２を貫通せしめて、重合せ
部２２に差し込みつつ、摩擦撹拌接合操作を行なわなけ
ればならないのである。

【００５５】そして、上述の如き状態で重合せ部２２の
接合開始端に差し込まれたロッド状治具１６を、高速回
転させつつ、重合せ部２２に沿って、接合開始端とは反
対側に接合終了端に向かって移動させる。その後、かか
る移動により、ロッド状治具１６の先端面１７の中心
が、重合せ部２２の接合終了端に対応する位置に達した
ら、その時点で、ロッド状治具１６の先端部を、重合せ
部２２と上側に位置するアルミニウム板材１２から引き
抜く。

【００５６】かくして、ロッド状治具１６を、互いに重
ね合わされた二つのアルミニウム板材１０，１２の間
に、重合せ部２２に沿って、その接合開始端から接合終
了端の全長に亘って連続して延びる接合部を形成し、以
てそれら二つのアルミニウム板材１０，１２を一体的に
接合するのである。

【００５７】なお、このような摩擦撹拌接合操作にて、
二つのアルミニウム板材１０，１２を重合せ接合する際
には、それら二つのアルミニウム板材１０，１２の接合
深さ、換言すれば、重合せ部２２に沿って形成される接
合部の厚さが、二つのアルミニウム板材１０，１２のう
ち、上側に位置せしめられるアルミニウム板材１２の板
厚：ｔ₁に対して１０５％以上の寸法とされていること
が、望ましいのである。それによって、十分な接合強度
が得られるのである。

【００５８】また、この本実施形態では、ロッド状治具
１６の先端部が、重合せ部２２の接合終了端に位置せし
められた時点で、そこから引き抜かれるようになってい
るため、重合せ部２２の接合終了端が確実に接合される
と共に、可塑化状態とされた接合終了端周辺部位のメタ
ルが、ロッド状治具１６の先端面１７の外周縁部から外
方に洩れ出して、重合せ部２２の接合終了端の端面から
側方に洩れ出すようなことが阻止されることとなる。

【００５９】さらに、ここでは、ロッド状治具１６の先
端面１７が平面形態とされて、そこには従来の回転治具
に見られるようなピンが何等設けられていないため、ロ
ッド状治具１６を重合せ部２２の接合終了端から引き抜
いた際に、かかるピンの引抜跡からなる突起が、何処に
も、何等形成されることがないのである。

【００６０】このように、本実施形態によれば、円形平
面とされた先端面１７に、単に周溝１８のみが設けられ
てなるロッド状治具１６を用いることにより、接合部
に、ピンの引抜跡からなる突起や未接合部分を何等形成
せしめることなく、二つのアルミニウム板材１０，１２
を、重合せ部１４において、確実に接合することが可能
となっているのであり、その結果として、高度な接合品
質を確保し得る、二つのアルミニウム板材１０，１２に
対する重合せ接合が、優れた作業性をもって、極めて有
利に実施され得ることとなるのである。

【００６１】また、本実施形態では、重ね合わされる二
つのアルミニウム板材１０，１２のうち、上側に位置し
て、ロッド状治具１６の先端部の少なくとも一部が貫通
するアルミニウム板材１２の板厚から、ロッド状治具１
６の先端部の重合せ部２２へのアルミニウム板材１２を
貫通した差込み深さを差し引いた値が１ｍｍ未満とされ
て、ロッド状治具１６の先端部が重合せ部２２に対して
十分な深さで差し込まれつつ、摩擦撹拌接合操作が進め
られるようになっているところから、二つのアルミニウ
ム板材１０，１２が、より優れた接合品質をもって接合
され得ることとなるのである。

【００６２】次ぎに、アルミニウムからなる板材の二つ
を用いて、それらを互いに重ね合わせた状態で、その隅
肉部において摩擦撹拌接合する手法について、説明す
る。

【００６３】すなわち、この摩擦撹拌接合手法による二
つのアルミニウム板材１０，１２の重ね隅肉接合を行な
うに際しては、例えば、前記重合せ接合を実施する際と
同様に、図４に示される如く、先ず、二つのアルミニウ
ム板材１０，１２うち、一方のアルミニウム板材１０の
上面上に、他方のアルミニウム板材１２を載置する状態
で、重ね合わせる。このとき、これら二つのアルミニウ
ム板材１０，１２の位置ずれして、隅肉部２４の位置が
変化してしまわないように、好ましくは、適当な拘束治
具（図示せず）により、二つのアルミニウム板材１０，
１２が、取外し可能な状態で、拘束される。

【００６４】次いで、二つのアルミニウム板材１０，１
２の隅肉部２４に対する摩擦撹拌接合操作を、回転治具
を用いて実施するのであるが、ここでは、かかる回転治
具として、図６に示される如く、全体として、円柱形状
を呈し、軸心方向の一方側の先端面が、凹状球面２６と
されたロッド状治具２８が、用いられることとなる。こ
れによって、かかるロッド状治具２８においては、軸方
向の一方の先端面に、凹状球面２６の外周縁部を与える
側壁３０が、周方向に連続して延びるように形成されて
おり、また、そのような軸方向一方の先端面からなる凹
状球面２６に、従来の摩擦撹拌接合操作に使用される回
転治具に設けられるようなピンが何等設けられることな
く、構成されているのである。

【００６５】なお、このロッド状治具２８における凹状
球面２６の半径：Ｒは、特に限定されるものではないも
のの、好ましくは１５ｍｍ以上とされる。何故なら、こ
こでは、ロッド状治具２８の軸方向一方の先端面を凹状
球面２６と為すことによって、かかる先端面からなる凹
状球面２６の隅肉部２４の周辺部位に対する接触面積を
増大せしめて、二つのアルミニウム板材１０，１２の隅
肉部２４に対する摩擦撹拌接合操作時において、高速回
転せしめられたロッド状治具２８の先端部を隅肉部２４
に差し込んで、相対的に移動させた際に、隅肉部２４の
周辺部位が、ロッド状治具２８の先端部の凹状球面２６
にて確実に撹拌せしめられるようになっているのである
が、そのような凹状球面２６が１５ｍｍ未満の半径：Ｒ
を有する形態とされる場合には、凹状球面２６の深さが
深くなり過ぎて、二つのアルミニウム板材１０，１２の
隅肉部２４の周辺部位に対する撹拌作用に、悪影響が及
ぼされることとなるからである。また、この凹状球面２
６の半径の上限値も、何等限定されるものではなく、凹
状球面形態としたことによる隅肉部２４の周辺部位への
接触面積の増大効果が損なわれない程度において、適宜
に決定されるところである。

【００６６】さらに、ここで用いられる円柱状のロッド
状治具２８にあっては、その半径：ｒが２０ｍｍ以下と
されていなければならない。何故なら、半径が２０ｍｍ
を越えるようなロッド状治具２８は、その太さが過大と
なって、高速回転下でも、隅肉部２４にへの差込みがが
極めて難しくなり、スムーズな摩擦撹拌接合操作の実施
が困難乃至は不能となるからである。

【００６７】そして、図７に示されるように、かくの如
き構造とされたロッド状治具２８を、凹状球面２６の中
心において、互いに重ね合わされて配置された二つのア
ルミニウム板材１０，１２における隅肉部２４の接合開
始端に対応させ、且つかかる隅肉部２４に対して、凹状
球面２６が対向せしめられるように、二つのアルミニウ
ム板材１０，１２の重合せ方向に対して傾斜せしめた姿
勢で、高速回転させ、更に、そのような高速回転下で、
図７に二点鎖線で示される如く、ロッド状治具２８の先
端部を、隅肉部２４に差し込むのである。これによっ
て、隅肉部２４の接合開始端を溶融させることなく、接
合するのである。また、このとき、ロッド状治具２８の
先端面が凹状球面２６とされ、且つその先端面に周方向
に延びる側壁３０が形成されているため、前記第一及び
第二の実施形態と同様に、かかる接合開始端周辺部位が
十分に撹拌されて、確実に接合されると共に、その接合
開始端の端面から、可塑化状態とされた接合開始端周辺
部位のメタルが洩れ出すようなことが阻止されることと
なる。

【００６８】なお、かくして、隅肉部２４の接合開始端
にロッド状治具２８の先端部を差し込む際には、二つの
アルミニウム板材１０，１２の重合せ方向に対するロッ
ド状治具２８の傾斜角度：αが、３０°以下とされる。
何故なら、本工程では、ロッド状治具２８を傾斜せしめ
た状態で、その先端部において、隅肉部２４に差し込む
ことにより、かかるロッド状治具２８の先端部が、下側
に位置するアルミニウム板材１０側の隅肉部２４の周辺
部位と上側に位置するアルミニウム板材１２の隅肉部２
４の周辺部位とを偏りなく撹拌せしめるようになってい
るのであるが、前記傾斜角度が３０°を越える場合に
は、下側に位置するアルミニウム板材１０側の隅肉部２
４の周辺部位に対して、上側に位置するアルミニウム板
材１２の隅肉部２４の周辺部位よりも大きな撹拌作用が
発揮せしめられることとなり、それによって、接合不良
の発生が懸念されるからである。

【００６９】また、前記第一及び第二の実施形態と同様
に、ロッド状治具２８を、隅肉部２４の接合方向に対し
て後傾せしめた状態で、その先端部において、隅肉部２
４に差し込むようにしても良い。それによって、摩擦撹
拌接合操作が、よりスムーズに実施され得ることとな
る。

【００７０】さらに、本実施形態においても、従来の回
転治具に設けられるピンよりも大径のロッド状治具２８
の先端部を、二つのアルミニウム板材１０，１２の隅肉
部２４に差し込んで摩擦撹拌接合操作を行なうものであ
るため、そのようなロッド状治具２８先端部の隅肉部２
４への差込み深さが浅いと、該先端部による隅肉部２４
の周辺部位の撹拌が十分に行なわれ得なくなる。それ
故、ここでは、隅肉部２４を十分に撹拌して、摩擦撹拌
接合操作をスムーズに進めつつ、良好な接合部を得る上
で、二つのアルミニウム板材１０，１２の板厚（図７に
おいてｔ₁とｔ₂にて示される寸法）の合計値：ｔ₁＋ｔ₂
から、二つのアルミニウム板材１０，１２へのロッド状
治具２８先端部の差込み深さの２倍の寸法：２ｒ・ｓｉ
ｎα（図７中、ｍにて示される寸法の２倍の値）を差し
引いた値が１ｍｍ未満となるように、ロッド状治具２８
の先端部を、隅肉部２４に、十分な深さで差し込む必要
があるのである。つまり、ここでは、次式： ｔ₁＋ｔ₂−２ｒ・ｓｉｎα＜１ を満たす条件で、ロッド状治具２８の先端部を、隅肉部
２４に差し込みつつ、摩擦撹拌接合操作を行なわなけれ
ばならないのである。

【００７１】そして、上述の如き状態で隅肉部２４の接
合開始端に差し込まれたロッド状治具２８を、高速回転
させつつ、隅肉部２４に沿って、接合開始端とは反対側
に接合終了端に向かって（図７中、紙面に垂直な方向）
移動させる。その後、かかる移動により、ロッド状治具
２８の凹状球面２６の中心が、隅肉部２４の接合終了端
に対応する位置に達したら、その時点で、ロッド状治具
２８の先端部を、隅肉部２４から引き抜く。

【００７２】かくして、ロッド状治具２８を、互いに重
ね合わされた二つのアルミニウム板材１０，１２の間
に、隅肉部２４に沿って、その接合開始端から接合終了
端の全長に亘って連続して延びる接合部を形成し、以て
それら二つのアルミニウム板材１０，１２を一体的に接
合するのである。

【００７３】なお、このような摩擦撹拌接合操作にて、
二つのアルミニウム板材１０，１２を重ね隅肉接合する
際には、それら二つのアルミニウム板材１０，１２の接
合深さ、換言すれば、隅肉部２４に沿って形成される接
合部の厚さが、二つのアルミニウム板材１０，１２のう
ち、上側に位置せしめられるアルミニウム板材１２の板
厚：ｔ₁に対して１０５％以上の寸法とされていること
が、望ましいのである。それによって、十分な接合強度
が得られるのである。

【００７４】また、ここでは、ロッド状治具２８の先端
部が、隅肉部２４の接合終了端に位置せしめられた時点
で、そこから引き抜かれるようになっているため、隅肉
部２４の接合終了端が確実に接合されると共に、可塑化
状態とされた接合終了端周辺部位のメタルが、ロッド状
治具２８の凹状球面２６の外周縁部から外方に洩れ出し
て、隅肉部２４の接合終了端の端面から側方に洩れ出す
ようなことが阻止されることとなる。

【００７５】さらに、本実施形態においては、隅肉部２
４に差し込まれるロッド状治具２８の先端面が凹状球面
２６とされて、そこには従来の回転治具におけるピンが
何等設けられていないため、ロッド状治具２８を隅肉部
２４の接合終了端から引き抜いた際に、かかるピンの引
抜跡からなる突起が、隅肉部２４の接合終了端にて形成
される接合部に、何等形成されることがないのである。

【００７６】このように、本実施形態によれば、先端面
が凹状球面２６とされたロッド状治具２８を用いること
により、接合部に、ピンの引抜跡からなる突起や未接合
部分を何等形成せしめることなく、互いに重ね合わされ
た二つのアルミニウム板材１０，１２を、隅肉部２４に
おいて、確実に接合することが可能となっているのであ
り、その結果として、高度な接合品質を確保し得る、二
つのアルミニウム板材１０，１２に対する重合せ接合
が、優れた作業性をもって、極めて有利に実施され得る
こととなるのである。

【００７７】また、本実施形態では、二つのアルミニウ
ム板材１０，１２の合計板厚から、ロッド状治具２８の
先端部の隅肉部２４への差込み深さの２倍の寸法を差し
引いた値が１ｍｍ未満とされて、ロッド状治具２８の先
端部が隅肉部２４に対して十分な深さで差し込まれつ
つ、摩擦撹拌接合操作が進められるようになっていると
ころから、二つのアルミニウム板材１０，１２が、より
優れた接合品質をもって接合され得ることとなるのであ
る。

【００７８】ところで、前記三つの実施形態では、摩擦
撹拌接合されるべきアルミニウム材として、二つのアル
ミニウム板材１０，１２が用いられていたが、その他、
棒状形態やパイプ状形態を呈するアルミニウム材を用
い、それらを互いに突き合わせた状態で、或いは互いに
重ね合わせた状態で、本発明に従う摩擦撹拌接合方法に
より、突合せ部や重合せ部、隅肉部を、それぞれ摩擦撹
拌接合することも、勿論可能である。

【００７９】また、前記第一及び第二の実施形態では、
ロッド状治具１６の先端面１７に設けられる周溝１８に
て、凹所が形成されていたが、この凹所の形状、配設形
態、及び配設個数も、何等これに限定されるものではな
いのである。従って、例えば、図８に示されるように、
ロッド状治具１６の先端面１７に、互いに径の異なる複
数の周溝３２を、それぞれ径方向に所定の距離を隔て
て、同心的に位置させた状態で設け、それらの周溝３２
の一つ一つにて、凹所を構成するようにしても良く、ま
た、図９に示される如く、径方向に真っ直ぐに延びる直
線状の溝３４の複数を、先端面１７の中心から外周部に
向かって放射状に延びるように形成し、それらの各溝３
４を凹所と為すことも可能である。また、図１０に示さ
れるように、円弧状の軌跡を描きつつ延びる溝３６の複
数を、先端面１７の中心から外周部に向かって放射状に
延びるように形成し、それらの各溝３６を凹所として構
成したり、更には、図１１及び図１２に示される如く、
先端面１７の全面乃至は一部に、互いに独立した穴部３
８の多数乃至は複数を、規則的に並べた状態で、或いは
不規則に位置させた状態で、設けて、それらの穴部３８
の一つ一つを、凹所と為したりしても、何等差し支えな
いのである。

【００８０】

【実施例】以下に、本発明の幾つかの実施例を示し、本
発明を更に具体的に明らかにすることとするが、本発明
が、そのような実施例の記載によって、何等の制約をも
受けるものでないことは、言うまでもないところであ
る。また、本発明には、以下の実施例の他にも、更に
は、上記した発明の実施の形態以外にも、本発明の趣旨
を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に基づいて、
種々なる変更、修正、改良等を加え得るものであること
が、理解されるべきである。

【００８１】＜実施例１＞先ず、厚さ：１．２ｍｍ、
幅：７００ｍｍ、長さ：１２００ｍｍの矩形の６０００
系アルミニウム合金板材と、厚さ：０．８ｍｍ、幅：７
００ｍｍ、長さ：１２００ｍｍの矩形の６０００系アル
ミニウム合金板材のそれぞれ１枚ずつを供試材として準
備する一方、回転治具として、直径：１６ｍｍの鋼製の
丸棒からなり、軸方向の一方の先端面が円形平面とされ
ると共に、かかる先端面に、直径：１５ｍｍ、深さ０．
６ｍｍの周溝が設けられたロッド状治具を準備した。

【００８２】そして、準備された２枚の供試材を、その
端面同士において互いに突き合わせて配置して、公知の
拘束治具により拘束した後、準備されたロッド状治具
を、周溝の形成側先端面の中心において、２枚の供試材
の突合せ部における接合開始端に対応し、且つその突合
せ部の接合方向に対して３°の傾斜角度で後傾させた姿
勢で、突合せ部の接合開始端に接触させた。その後、ロ
ッド状治具を、２０００ｒｐｍで高速回転させつつ、そ
の先端部において突合せ部の接合開始端に差し込み、更
に、突合せ部に沿って、接合終了端側に向かって、５０
０ｍｍ／分の送り速度で移動させ、そして、ロッド状治
具の先端面の中心が、突合せ部の接合終了端に対応する
位置に達した時点で、ロッド状治具の先端部を突合せ部
から引き抜いた。これにより、２枚の供試材を、突合せ
部において摩擦撹拌接合し、以てそれら２枚の供試材が
一体的に突合せ接合されてなる接合体を得た。なお、こ
こでの摩擦撹拌接合操作では、２枚の供試材の平均板厚
から、ロッド状治具の差込み深さを差し引いた値が約
０．５８ｍｍで、本発明において規定されるところの１
ｍｍよりも小さな値となっている。

【００８３】そして、かくして得られた接合体を用い、
この接合体の接合部の裏部に対する浸透探傷検査を公知
の手法により実施したところ、発色がなく、健全な接合
部であることが、確認された。また、かかる接合体の接
合部の断面マクロ組織を観察した結果、接合開始端と接
合終了端の何れにおいても、何等の亀裂が認められず、
これによっても、健全な接合部であることが、確認され
た。更に、この接合体の接合部に対する公知の三点曲げ
試験を実施した結果、接合部に亀裂を何等発生せしめる
ことなく、曲げることが出来た。そして、このような接
合体に対して所定のプレス成形を行なったところ、接合
部において割れ等の成形不良が発生せず、例えば、自動
車の外板用として十分に使用出来るものであることが、
確認された。

【００８４】＜実施例２＞先ず、厚さ：１．２ｍｍ、
幅：６００ｍｍ、長さ：１６００ｍｍの矩形の６０００
系アルミニウム合金板材と、厚さ：０．８ｍｍ、幅：６
００ｍｍ、長さ：１６００ｍｍの矩形の６０００系アル
ミニウム合金板材のそれぞれ１枚ずつを供試材として準
備する一方、回転治具として、実施例１で使用されたも
のと同一のロッド状治具を準備した。

【００８５】次ぎに、準備された２枚の供試材のうち、
厚さの薄い供試材の上面に、厚さの厚い供試材を重ね合
わせて配置して、公知の拘束治具により拘束した後、準
備されたロッド状治具を、周溝の形成側先端面の中心に
おいて、上側に位置する供試材の四つの辺縁部のうち、
接合されるべき重合せ部の接合開始端に対応位置する辺
縁部に対応し、且つその重合せ部の接合方向に対して３
°の傾斜角度で後傾させた姿勢で、該辺縁部に接触させ
た。その後、ロッド状治具を、２０００ｒｐｍで高速回
転させつつ、その先端部において、上側に位置する供試
材を貫通せしめて、重合せ部に差し込み、更に、重合せ
部に沿って、接合終了端側に向かって、５００ｍｍ／分
の送り速度で移動させ、そして、ロッド状治具の先端面
の中心が、重合せ部の接合終了端に対応する位置に達し
た時点で、ロッド状治具の先端部を重合せ部と上側に位
置する供試材から引き抜いた。これにより、２枚の供試
材を、重合せ部において摩擦撹拌接合し、以てそれら２
枚の供試材が一体的に重合せ接合されてなる接合体を得
た。なお、ここでの摩擦撹拌接合操作では、重ね合わさ
れる２枚の供試材のうち、上側に位置する供試材の板厚
から、ロッド状治具の差込み深さを差し引いた値が約
０．７８ｍｍで、本発明において規定されるところの１
ｍｍよりも小さな値となっている。

【００８６】そして、かくして得られた接合体を用い、
前記実施例１と同様にして、接合体の接合部の裏部に対
する浸透探傷検査と、接合部の断面マクロ組織の観察と
を行なった結果、発色がなく、また、接合開始端と接合
終了端の何れにおいても、何等の亀裂が認められず、こ
れによって、健全な接合部であることが、確認された。
また、前記実施例１と同様にして、接合体の接合部に対
する公知の三点曲げ試験を実施した結果、接合部に亀裂
を何等発生せしめることなく、曲げることが出来た。そ
して、このような接合体に対して所定のプレス成形を行
なったところ、接合部において割れ等の成形不良が発生
せず、例えば、自動車のインナーパネル用として十分に
使用出来るものであることが、確認された。

【００８７】＜実施例３＞先ず、厚さ：１．２ｍｍ、
幅：６００ｍｍ、長さ：１６００ｍｍの矩形の６０００
系アルミニウム合金板材と、厚さ：０．８ｍｍ、幅：６
００ｍｍ、長さ：１６００ｍｍの矩形の６０００系アル
ミニウム合金板材のそれぞれ１枚ずつを供試材として準
備する一方、回転治具として、直径：１６ｍｍの鋼製の
丸棒からなり、軸方向の一方の先端面が凹状球面とされ
たロッド状治具を準備した。

【００８８】次ぎに、準備された２枚の供試材のうち、
厚さの薄い供試材の上面に、厚さの厚い供試材を重ね合
わせて配置して、公知の拘束治具により拘束した後、準
備されたロッド状治具を、凹状球面形態を呈する先端面
の中心において、互いに重ね合わされた２枚の供試材に
おける隅肉部の接合開始端に対応し、且つその隅肉部の
接合方向に対して３°の傾斜角度で後傾させると共に、
隅肉部に対して凹状球面が対向せしめられるように、二
つの供試材の重合せ方向に対して、５°の傾斜角度で傾
斜せしめた姿勢で、２枚の供試材の辺縁部に接触させ
た。その後、ロッド状治具を、２０００ｒｐｍで高速回
転させつつ、その先端部において、隅肉部に差し込み、
更に、隅肉部に沿って、接合終了端側に向かって、５０
０ｍｍ／分の送り速度で移動させ、そして、ロッド状治
具の先端面の中心が、隅肉部の接合終了端に対応する位
置に達した時点で、ロッド状治具の先端部を隅肉部から
引き抜いた。これにより、２枚の供試材を、隅肉部にお
いて摩擦撹拌接合し、以てそれら２枚の供試材が一体的
に重ね隅肉接合されてなる接合体を得た。なお、ここで
の摩擦撹拌接合操作では、２枚の供試材の合計板厚か
ら、ロッド状治具の差込み深さの２倍の値を差し引いた
値が約０．６１ｍｍで、本発明において規定されるとこ
ろの１ｍｍよりも小さな値となっている。

【００８９】そして、かくして得られた接合体を用い、
前記実施例１及び２と同様にして、接合体の接合部の裏
部に対する浸透探傷検査と、接合部の断面マクロ組織の
観察とを行なった結果、発色がなく、また、接合開始端
と接合終了端の何れにおいても、何等の亀裂が認められ
ず、これによって、健全な接合部であることが、確認さ
れた。また、前記実施例１及び２と同様にして、接合体
の接合部に対する公知の三点曲げ試験を実施した結果、
接合部に亀裂を何等発生せしめることなく、曲げること
が出来た。そして、このような接合体に対して所定のプ
レス成形を行なったところ、接合部において割れ等の成
形不良が発生せず、例えば、自動車のインナーパネル用
として十分に使用出来るものであることが、確認され
た。

【００９０】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
に従う摩擦撹拌接合方法によれば、互いに突き合わさ
れ、或いは互いに重ね合わされる二つのアルミニウム材
を、その接合部に、回転治具のピンの引抜跡からなる突
起を何等形成せしめることなく、確実に且つスムーズ
に、突合せ接合や重合せ接合、或いは重ね隅肉接合する
ことが出来るのであり、そして、その結果として、摩擦
撹拌接合操作終了後に、ピンの引抜跡からなる突起を除
去するための余分な作業から有利に解放され得て、アル
ミニウム材の摩擦撹拌接合時における作業性の向上が、
極めて有利に図られ得ることとなるのである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明手法に従って、二つのアルミニウム材を
摩擦撹拌接合操作により突合せ接合する工程の一例を示
す説明図であって、接合されるべき二つのアルミニウム
材を互いに突き合わせた状態を示している。

【図２】本発明手法に従って、二つのアルミニウム材を
摩擦撹拌接合操作により突合せ接合する際に用いられる
回転治具の一例を示す斜視要部説明図である。

【図３】本発明手法に従って、二つのアルミニウム材を
摩擦撹拌接合操作により突合せ接合する工程の別の例を
示す説明図であって、二つのアルミニウム材の突合せ部
に、回転治具を差し込む状態を示している。

【図４】本発明手法に従って、二つのアルミニウム材を
摩擦撹拌接合操作により重合せ接合する工程の一例を示
す説明図であって、接合されるべき二つのアルミニウム
材を互いに重ね合わせた状態を示している。

【図５】本発明手法に従って、二つのアルミニウム材を
摩擦撹拌接合操作により重合せ接合する工程の別の例を
示す説明図であって、重ね合わされた二つのアルミニウ
ム材の重合せ部に、回転治具を差し込む状態を示してい
る。

【図６】本発明手法に従って、二つのアルミニウム材を
摩擦撹拌接合操作により重ね隅肉接合する際に用いられ
る回転治具の一例を示す縦断面要部説明図である。

【図７】本発明手法に従って、二つのアルミニウム材を
摩擦撹拌接合操作により重ね隅肉接合する工程の一例を
示す説明図であって、重ね合わされた二つのアルミニウ
ム材の隅肉部に、回転治具を差し込む状態を示してい
る。

【図８】本発明手法に従って、二つのアルミニウム材を
摩擦撹拌接合操作により突合せ接合及び重合せ接合する
際に用いられる回転治具の別の例を示す下面説明図であ
る。

【図９】本発明手法に従って、二つのアルミニウム材を
摩擦撹拌接合操作により突合せ接合及び重合せ接合する
際に用いられる回転治具の更に別の例を示す下面説明図
である。

【図１０】本発明手法に従って、二つのアルミニウム材
を摩擦撹拌接合操作により突合せ接合及び重合せ接合す
る際に用いられる回転治具の他の例を示す下面説明図で
ある。

【図１１】本発明手法に従って、二つのアルミニウム材
を摩擦撹拌接合操作により突合せ接合及び重合せ接合す
る際に用いられる回転治具の更に他の例を示す下面説明
図である。

【図１２】本発明手法に従って、二つのアルミニウム材
を摩擦撹拌接合操作により突合せ接合及び重合せ接合す
る際に用いられる回転治具の別の例を示す下面説明図で
ある。

【符号の説明】

１０，１２ アルミニウム板材 １４ 突合せ
部 １６，２８ ロッド状治具 １７ 先端面 １８，３２ 周溝 ２０，３０
側壁 ２２ 重合せ部 ２４ 隅肉部 ２６ 凹状球面 ３４，３６
溝 ３８ 穴部

フロントページの続き (72)発明者 田中 晃二 東京都港区新橋五丁目11番３号 住友軽金 属工業株式会社内 Ｆターム(参考） 4E067 AA05 BG00 CA04

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 接合されるべき二つのアルミニウム材を
   突き合わせ、その突合せ部に対して、回転治具を回転さ
   せつつ、その先端部において差し込み、相対的に移動さ
   せることにより、かかる突合せ部を摩擦撹拌接合せしめ
   るに際し、 前記回転治具として、円柱形状を呈し、軸心方向の一方
   の先端面に凹所が設けられ、且つ該先端面における該凹
   所の形成部位以外の部位が平面とされたロッド状治具を
   用い、かかるロッド状治具を、前記突合せ部に対する相
   対的な移動方向に対して後傾する姿勢で軸心回りに回転
   させつつ、該凹所が先端面に設けられる一方の先端部に
   おいて、該突合せ部に差し込み、相対的に移動させると
   共に、次式： （ｔ₁＋ｔ₂）／２−ｒ・ｓｉｎθ＜１ ｒ≦１５、θ≦５ ［但し、ｔ₁、ｔ₂：接合されるべき二つのアルミニウム
   材のそれぞれの厚さ乃至は径（ｍｍ）、ｒ：ロッド状治
   具の半径（ｍｍ）、θ：ロッド状治具の後傾角度
   （°）］を満足するような条件で、摩擦撹拌接合操作を
   行なうことを特徴とする摩擦撹拌接合方法。
2. 【請求項２】 接合されるべき二つのアルミニウム材の
   うちの一方を他方に重ね合せる一方、その重合せ部に対
   して、回転治具を回転させつつ、その先端部において、
   該一方のアルミニウム材を貫通せしめて差し込み、相対
   的に移動させることにより、かかる重合せ部を摩擦撹拌
   接合せしめるのに際し、 前記回転治具として、円柱形状を呈し、軸心方向の一方
   の先端面に凹所が設けられ、且つ該先端面における該凹
   所の形成部位以外の部位が平面とされたロッド状治具を
   用い、かかるロッド状治具を、前記重合せ部に対する相
   対的な移動方向に対して後傾する姿勢で軸心回りに回転
   させつつ、該凹所が先端面に設けられる一方の先端部に
   おいて、該重合せ部に差し込み、相対的に移動させると
   共に、次式： ｔ₁−ｒ・ｓｉｎθ＜１ ｒ≦１５、θ≦５ ［但し、ｔ₁：接合されるべき二つのアルミニウム材の
   うち、重ね合わされた状態下で上側に位置するアルミニ
   ウム材の厚さ乃至は径（ｍｍ）、ｒ：ロッド状治具の半
   径（ｍｍ）、θ：ロッド状治具の後傾角度（°）］を満
   足するような条件で、摩擦撹拌接合操作を行なうことを
   特徴とする摩擦撹拌接合方法。
3. 【請求項３】 前記凹所が、２ｍｍ以下の深さを有し
   て、前記ロッド状治具の一方の先端面に設けられている
   請求項１又は請求項２に記載の摩擦撹拌接合方法。
4. 【請求項４】 前記凹所が、前記ロッド状治具の周方向
   に延びる側壁を有して、該ロッド状治具の一方の先端面
   に設けられている請求項１乃至請求項３の何れかに記載
   の摩擦撹拌接合方法。
5. 【請求項５】 接合されるべき二つのアルミニウム材の
   うちの一方を他方に重ね合せる一方、それら二つのアル
   ミニウム材の間で形成される隅肉部に対して、回転治具
   を回転させつつ、その先端部において差し込み、相対的
   に移動させることにより、かかる隅肉部を摩擦撹拌接合
   せしめるのに際し、 前記回転治具として、円柱形状を呈し、軸心方向の一方
   の先端面が凹状球面とされたロッド状治具を用い、かか
   るロッド状治具を、該凹状球面が前記隅肉部に対向せし
   められるように、前記二つのアルミニウム材の重合せ方
   向に対して傾斜せしめた状態で軸心回りに回転させつ
   つ、先端面が凹状球面とされた一方の先端部において、
   前記隅肉部に差し込み、相対的に移動させると共に、次
   式： ｔ₁＋ｔ₂−２ｒ・ｓｉｎθ＜１ ｒ≦２０、θ≦３０ ［但し、ｔ₁、ｔ₂：接合されるべき二つのアルミニウム
   材のそれぞれの厚さ乃至は径（ｍｍ）、ｒ：ロッド状治
   具の半径（ｍｍ）、θ：二つのアルミニウム材の重合せ
   方向に対するロッド状治具の傾斜角度（°）］を満足す
   るような条件で、摩擦撹拌接合操作を行なうことを特徴
   とする摩擦撹拌接合方法。
6. 【請求項６】 前記凹状球面が、１５ｍｍ以上の半径を
   有して構成されている請求項５に記載の摩擦撹拌接合方
   法。