WO2020261610A1

WO2020261610A1 - 摩擦攪拌接合方法

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Publication number: WO2020261610A1
Application number: PCT/JP2019/050044
Authority: WO
Inventors: 堀　久司; 伸城瀬尾; 宏介山中
Original assignee: Nippon Light Metal Co Ltd
Current assignee: Nippon Light Metal Co Ltd
Priority date: 2019-06-28
Filing date: 2019-12-20
Publication date: 2020-12-30
Anticipated expiration: 2021-12-28
Also published as: JP7140062B2; CN114007799A; JP2021006351A

Abstract

回転する回転ツール（Ｆ）の先端側ピン（Ｆ３）を第二金属部材（２）の外周面（２１ｂ）に挿入し、先端側ピン（Ｆ３）の外周面を第一金属部材（１）の段差傾斜面（１３ａ）にわずかに接触させつつ、基端側ピン（Ｆ２）の外周面を第二金属部材（２）の外周面（２１ｂ）に接触させた状態で、隙間に第二アルミニウム合金を流入させながら、突合せ部（Ｊ１）よりも第二金属部材（２）側に設定された設定移動ルート（Ｌ１）に沿って所定の深さで第二金属部材（２）の外周面（２１ｂ）の廻りに一周させて突合せ部（Ｊ１）を摩擦攪拌する本接合工程と、を含むことを特徴とする。

Description

摩擦攪拌接合方法

　本発明は、摩擦攪拌接合方法に関する。

　例えば、特許文献１には、円柱状の第一金属部材と、円筒状の第二金属部材とを回転ツールを用いて摩擦攪拌接合する発明が開示されている。図１４は、従来の摩擦攪拌接合方法を示す断面図である。

　図１４に示すように、従来の摩擦攪拌接合方法では、第一金属部材１０１と、第二金属部材１０２とを突き合わせて形成された突合せ部Ｊ１０を摩擦攪拌接合する。回転ツールＧは、円柱状のショルダ部Ｇ１と、攪拌ピンＧ２とを備えている。第一金属部材１には、段差側面１０１ａと、段差底面１０１ｂとが形成されている。突合せ部Ｊ１０は、第一金属部材１０１の段差底面１０１ｂと、第二金属部材１０２の端面１０２ａとを突き合わせて形成されている。

特開２００９－２６９０５８号公報

　ここで、第一金属部材１０１を例えば、４０００系アルミニウム合金の鋳造材で形成し、第二金属部材１０２を１０００系アルミニウム合金の展伸材で形成するというような場合がある。つまり、アルミニウム合金の材種の異なる部材同士を摩擦攪拌接合する場合がある。

　例えば、第一金属部材１０１を鋳造材で形成し、第二金属部材１０２を展伸材で形成する場合、攪拌ピンＧ２が第二金属部材１０２側から受ける材料抵抗に比べて、第一金属部材１０１側から受ける材料抵抗が大きくなる。そのため、回転ツールＧの攪拌ピンＧ２によって異なる材種をバランスよく攪拌することが困難となり、接合後の塑性化領域に空洞欠陥が発生し接合強度が低下するという問題がある。

　このような観点から、本発明は、材種の異なるアルミニウム合金を好適に接合する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。

　前記課題を解決するために、本発明は、大径部の端部に小径部を備えた柱状の第一金属部材と、前記小径部と略同等の内径を有する筒状の第二金属部材とを端部同士で突き合わせて形成された被接合金属部材の突合せ部に対して、基端側ピンと先端側ピンとを備える回転ツールを用いて摩擦攪拌を行う摩擦攪拌接合方法であって、前記第一金属部材は第一アルミニウム合金で形成されており、前記第二金属部材は第二アルミニウム合金で形成されており、前記第一アルミニウム合金は前記第二アルミニウム合金よりも硬度が高い材種であり、前記基端側ピンのテーパー角度は、前記先端側ピンのテーパー角度よりも大きくなっており、前記基端側ピンの外周面には階段状のピン段差部が形成されており、前記第二金属部材の開口部に前記第一金属部材の前記小径部を挿入することにより、前記第二金属部材の内周面と前記第一金属部材の段差側面とを重ね合わせるとともに、前記第二金属部材の端面と前記第一金属部材の段差傾斜面とを突き合わせて突合せ部に断面Ｖ字状の隙間を形成する突合せ工程と、回転する前記回転ツールの前記先端側ピンを前記第二金属部材の外周面に挿入し、前記先端側ピンの外周面を前記第一金属部材の前記段差傾斜面にわずかに接触させつつ、前記基端側ピンの外周面を前記第二金属部材の外周面に接触させた状態で、前記隙間に前記第二アルミニウム合金を流入させながら、前記突合せ部よりも前記第二金属部材側に設定された設定移動ルートに沿って所定の深さで前記第二金属部材の外周面の廻りに一周させて前記突合せ部を摩擦攪拌する本接合工程と、を含むことを特徴とする。

　また、本発明は、大径部の端部に小径部を備えた円柱状の第一金属部材と、前記小径部と略同等の内径を有する円筒状の第二金属部材とを端面同士で突き合わせて形成された被接合金属部材の突合せ部に対して基端側ピンと先端側ピンとを備える回転ツールを用いて摩擦攪拌を行う摩擦攪拌接合方法であって、前記第一金属部材は第一アルミニウム合金で形成されており、前記第二金属部材は第二アルミニウム合金で形成されており、前記第一アルミニウム合金は前記第二アルミニウム合金よりも硬度が高い材種であり、前記基端側ピンのテーパー角度は、前記先端側ピンのテーパー角度よりも大きくなっており、前記基端側ピンの外周面には階段状のピン段差部が形成されており、前記第二金属部材の開口部に前記第一金属部材の前記小径部を挿入することにより、前記第二金属部材の内周面と前記第一金属部材の段差側面とを重ね合わせるとともに、前記第二金属部材の端面と前記第一金属部材の前記段差傾斜面とを突き合わせて突合せ部に断面Ｖ字状の隙間を形成する突合せ工程と、回転する前記回転ツールの前記先端側ピンを前記第二金属部材の外周面に挿入し、前記先端側ピンの外周面を前記第一金属部材の前記段差傾斜面にわずかに接触させつつ、前記基端側ピンの外周面を前記第二金属部材の外周面に接触させた状態で、前記隙間に前記第二アルミニウム合金を流入させながら、前記突合せ部よりも前記第二金属部材側に設定された設定移動ルートに沿って所定の深さで前記第二金属部材の外周面の廻りに一周させて前記突合せ部を摩擦攪拌する本接合工程と、を含むことを特徴とする。

　かかる接合方法によれば、第二金属部材と先端側ピンとの摩擦熱によって突合せ部の主として第二金属部材側の第二アルミニウム合金が攪拌されて塑性流動化され、突合せ部において第一金属部材と第二金属部材とを接合することができる。また、先端側ピンの外周面を第一金属部材の段差傾斜面にわずかに接触させるに留めるため、第一金属部材から第二金属部材への第一アルミニウム合金の混入を極力少なくすることができる。これにより、突合せ部においては主として第二金属部材側の第二アルミニウム合金が摩擦攪拌されるため、接合強度の低下を抑制することができる。また、基端側ピンの外周面を第二金属部材の外周面に接触させた状態で摩擦攪拌を行うため、バリの発生を抑制することができる。

　また、前記突合せ部に形成される塑性化領域の始端と終端とがオーバーラップしており、前記塑性化領域の一部が重複していることが好ましい。

　かかる接合方法によれば、被接合金属部材の水密性及び気密性を高めることができる。

　また、前記第二金属部材の外径は、前記第一金属部材の大径部の外径よりも大きいことが好ましい。

　かかる接合方法によれば、接合部が金属不足になるのを防ぐことができる。

　また、前記第一金属部材が前記回転ツールの進行方向左側に位置する場合、前記回転ツールを右回転させ、前記第一金属部材が前記回転ツールの進行方向右側に位置する場合、前記回転ツールを左回転させることが好ましい。

　かかる接合方法によれば、塑性化領域のうち突合せ部側の摩擦攪拌が促進され、より好適に接合することができる。

　また、前記本接合工程において、前記設定移動ルート上に設定した開始位置から回転する前記先端側ピンを挿入し、進行方向に移動させつつ所定の深さとなるまで徐々に前記先端側ピンを押入することが好ましい。
　また、前記本接合工程において、回転する前記先端側ピンを前記設定移動ルートよりもさらに前記第一金属部材から離間した側に設定した開始位置に挿入した後、前記回転ツールの回転中心軸を前記設定移動ルートと重複する位置まで移動させつつ前記所定の深さとなるまで前記先端側ピンを徐々に押入することが好ましい。

　かかる接合方法によれば、回転ツールを挿入する際に、設定移動ルート上で摩擦熱が過大になるのを防ぐことができ、第一金属部材側から第二金属部材側への第一アルミニウム合金の混入を防ぐことができる。

　また、前記本接合工程において、前記設定移動ルート上に終了位置を設定し、前記突合せ部に対する摩擦攪拌の後、前記回転ツールを前記終了位置に移動させつつ前記先端側ピンを徐々に引き抜いて前記終了位置で前記第二金属部材から前記回転ツールを離脱させることが好ましい。
　また、前記本接合工程において、前記設定移動ルートよりもさらに前記第一金属部材から離間した側に終了位置を設定し、前記突合せ部に対する摩擦攪拌の後、前記回転ツールを前記終了位置に移動させつつ前記先端側ピンを徐々に引き抜いて前記終了位置で前記第二金属部材から前記回転ツールを離脱させることが好ましい。

　かかる接合方法によれば、回転ツールを離脱させる際に、設定移動ルート上で摩擦熱が過大になるのを防ぐことができ、第一金属部材側から第二金属部材側への第一アルミニウム合金の混入を防ぐことができる。

　また、前記本接合工程において、前記先端側ピンの先端が、前記第一金属部材の段差側面を突き抜けた状態で前記突合せ部の摩擦攪拌を行うことが好ましい。

　かかる接合方法によれば、第一金属部材と第二金属部材との接合強度をより高めることができる。

　本発明に係る摩擦攪拌接合方法によれば、材種の異なるアルミニウム合金を好適に接合することができる。

本発明の実施形態に係る回転ツールを示す側面図である。回転ツールの拡大断面図である。回転ツールの第一変形例を示す断面図である。回転ツールの第二変形例を示す断面図である。回転ツールの第三変形例を示す断面図である。本発明の第一実施形態に係る摩擦攪拌接合方法を示す斜視図である。第一実施形態に係る摩擦攪拌接合方法の第一金属部材及び第二金属部材を示す斜視図である。第一実施形態に係る摩擦攪拌接合方法の突合せ工程を示す断面図である。第一実施形態に係る摩擦攪拌接合方法の突合せ工程を示す斜視図である。第一実施形態に係る摩擦攪拌接合方法の本接合工程を示す斜視図である。第一実施形態に係る摩擦攪拌接合方法の本接合工程を示す断面図である。本発明の第二実施形態に係る摩擦攪拌接合方法の本接合工程を示す斜視図である。本発明の第二実施形態に係る摩擦攪拌接合方法の本接合工程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、適宜図面を参照しながら説明する。まずは、本実施形態に係る接合方法で用いる回転ツールについて説明する。回転ツールは、摩擦攪拌接合に用いられるツールである。図１に示すように、回転ツールＦは、例えば工具鋼で形成されており、基軸部Ｆ１と、基端側ピンＦ２と、先端側ピンＦ３とで主に構成されている。基軸部Ｆ１は、円柱状を呈し、摩擦攪拌装置の主軸に接続される部位である。

　基端側ピンＦ２は、基軸部Ｆ１に連続し、先端に向けて先細りになっている。基端側ピンＦ２は、円錐台形状を呈する。基端側ピンＦ２のテーパー角度Ａは適宜設定すればよいが、例えば、１３５～１６０°になっている。テーパー角度Ａが１３５°未満であるか、又は、１６０°を超えると摩擦攪拌後の接合表面粗さが大きくなる。テーパー角度Ａは、後記する先端側ピンＦ３のテーパー角度Ｂよりも大きくなっている。図２に示すように、基端側ピンＦ２の外周面には、階段状のピン段差部Ｆ２１が高さ方向の全体に亘って形成されている。ピン段差部Ｆ２１は、右回り又は左回りで螺旋状に形成されている。つまり、ピン段差部Ｆ２１は、平面視して螺旋状であり、側面視すると階段状になっている。本第一実施形態では、回転ツールＦを右回転させるため、ピン段差部Ｆ２１は基端側から先端側に向けて左回りに設定している。

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

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

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

　図１に示すように、先端側ピンＦ３は、基端側ピンＦ２に連続して形成されている。先端側ピンＦ３は円錐台形状を呈する。先端側ピンＦ３の先端は回転軸に対して垂直な平坦面Ｆ４になっている。先端側ピンＦ３のテーパー角度Ｂは、基端側ピンＦ２のテーパー角度Ａよりも小さくなっている。図２に示すように、先端側ピンＦ３の外周面には、螺旋溝Ｆ３１が刻設されている。螺旋溝Ｆ３１は、右回り、左回りのどちらでもよいが、本第一実施形態では回転ツールＦを右回転させるため、基端側から先端側に向けて左回りに刻設されている。

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

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

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

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

［第一実施形態］
　本発明の第一実施形態について、適宜図面を参照しながら説明する。本実施形態に係る摩擦攪拌接合方法では、図６に示すように、第一金属部材１と、第二金属部材２を摩擦攪拌接合するというものである。第一金属部材１と第二金属部材２とを合わせて被接合金属部材Ｈとも言う。本実施形態に係る摩擦攪拌接合方法では、準備工程と、突合せ工程と、本接合工程と、を行う。

　準備工程は、第一金属部材１及び第二金属部材２を準備する工程である。図７に示すように、第一金属部材１は、大径部１１と、小径部１２を備えた中実の金属部材である。第一金属部材１は、摩擦攪拌可能な金属であれば特に制限されないが、本実施形態では第一アルミニウム合金を主に含んで形成されている。第一アルミニウム合金は、例えば、ＪＩＳＨ５３０２　ＡＤＣ１２（Ａｌ-Ｓｉ-Ｃｕ系）等のアルミニウム合金鋳造材を用いている。

　大径部１１は、円柱状を呈する。小径部１２は、円柱状を呈し、大径部１１の先端側に同心で形成されている。大径部１１と小径部１２とで段差部１３が形成されている。段差部１３は、段差傾斜面１３ａと、段差側面１３ｂとで構成されている。図８に示すように、段差傾斜面１３ａは、径外方向に向かうにつれて第二金属部材２から離間する方向に傾斜している。段差傾斜面１３ａの傾斜角度βは、先端側ピンＦ３の傾斜角度α（図１参照）と同一になっている。段差側面１３ｂは、小径部１２の端面１２ａに対して垂直になっている。つまり、段差側面１３ｂは、第一金属部材１の軸方向と平行になっている。

　第二金属部材２は、円筒状を呈する金属部材である。摩擦攪拌可能な金属であれば特に制限されないが、本実施形態では第二アルミニウム合金を主に含んで形成されている。第二アルミニウム合金は、第一アルミニウム合金よりも硬度の低い材料である。第二アルミニウム合金は、例えば、ＪＩＳ　Ａ１０５０，Ａ１１００，Ａ６０６３等のアルミニウム合金展伸材で形成されている。第二金属部材２の端面２１ａは、外周面２１ｂ及び内周面２１ｃに対して垂直になっている。第一金属部材１の外径と第二金属部材２の外径は同一でもよいが、本実施形態では、第二金属部材２の外径を第一金属部材１の外径よりも大きく形成している。また、第二金属部材２の内周面２１ｃの外径は、第一金属部材１の小径部１２の外径と同一又は略同一になっている。

　突合せ工程は、図８に示すように、第一金属部材１の端部と、第二金属部材２の端部とを突き合わせる工程である。突合せ工程では、第一金属部材１の小径部１２を、第二金属部材２の開口部に挿入する。これにより、第一金属部材１の段差傾斜面１３ａと、第二金属部材２の端面２１ａとが突き合わされて突合せ部Ｊ１が形成される。突合せ部Ｊ１には、周方向にわたって断面Ｖ字状の隙間が形成される。また、第一金属部材１の段差側面１３ｂと、第二金属部材２の内周面２１ｃとが重ね合わされて突合せ部Ｊ２が形成される。

　図９に示すように、第二金属部材２の外周面２１ｂには、設定移動ルートＬ１を設定する。設定移動ルートＬ１は、突合せ部Ｊ１よりも第二金属部材２側に設定されており、突合せ部Ｊ１と平行になっている。設定移動ルートＬ１は、後記する本接合工程において、突合せ部Ｊ１を接合するために必要な回転ツールＦの移動ルートである。設定移動ルートＬ１については追って詳述する。

　本接合工程は、図１０及び図１１に示すように、回転ツールＦを用いて突合せ部Ｊ１を摩擦攪拌接合する工程である。本接合工程では、回転ツールＦを固定して、被接合金属部材Ｈを周方向に回転させてもよいし、被接合金属部材Ｈを固定して被接合金属部材Ｈの周りに回転ツールＦを移動させてもよい。

　図１０に示すように、本接合工程では、開始位置ＳＰ１から中間点Ｓ１までの押入区間と、設定移動ルートＬ１上の中間点Ｓ１から一周廻って中間点Ｓ２までの本区間と、中間点Ｓ２から終了位置ＥＰ１までの離脱区間の三つの区間を連続して摩擦攪拌接合する。中間点Ｓ１，Ｓ２は、設定移動ルートＬ１上に設定されている。開始位置ＳＰ１は、第二金属部材２の外周面２１ｂにおいて、設定移動ルートＬ１よりも第一金属部材１から離間する側に設定されている。本実施形態では、開始位置ＳＰ１と中間点Ｓ１とを結ぶ線分と、設定移動ルートＬ１とのなす角度が鈍角となる位置に設定している。

　本接合工程の押入区間では、図１０及び図１１に示すように、開始位置ＳＰ１から中間点Ｓ１までの摩擦攪拌を行う。押入区間では、外周面２１ｂに対して回転中心軸Ｚを垂直にしつつ、右回転させた先端側ピンＦ３を開始位置ＳＰ１に挿入し、中間点Ｓ１まで移動させる。つまり、回転ツールＦが相対移動する間、回転中心軸Ｚが第二金属部材２の外周面２１ｂの法線と重なるように設定する。この際、図１０に示すように、少なくとも中間点Ｓ１に到達するまでに予め設定された「所定の深さ」に達するように先端側ピンＦ３を徐々に押し入れていく。つまり、回転ツールＦを一ヶ所に留まらせることなく、回転ツールＦを設定移動ルートＬ１に移動させながら徐々に下降させていく。

　また、中間点Ｓ１に達した際に、先端側ピンＦ３の外周面と第一金属部材１の段差傾斜面１３ａとがわずかに接触するように設定する。さらに、基端側ピンＦ２の外周面と第二金属部材２の外周面２１ｂとが接触するように設定しつつ先端側ピンＦ３の平坦面Ｆ４が段差側面１３ｂを突き抜けるように設定する。そして、そのまま本区間の摩擦攪拌接合に移行する。

　先端側ピンＦ３の外周面と第一金属部材１の段差傾斜面１３ａとの接触代（オフセット量）Ｎは、例えば、０＜Ｎ≦１．０ｍｍの間で設定し、好ましくは０＜Ｎ≦０．８５ｍｍの間で設定し、より好ましくは０＜Ｎ≦０．６５ｍｍの間で設定する。

　設定移動ルートＬ１は、図１１に示すように、先端側ピンＦ３の平坦面Ｆ４の中心が通過する軌跡を示している。つまり、設定移動ルートＬ１は、突合せ部Ｊ１の周方向において、第一金属部材１の段差傾斜面１３ａと先端側ピンＦ３の外周面とを平行にしつつ両者がわずかに接触するように設定されている。

　本区間においては、上方から見た場合（外周面２１ｂ側から見た場合）に、平坦面Ｆ４の中心が、設定移動ルートＬ１と重なるように回転ツールＦを相対移動させる。本区間においては、第二金属部材２の第二アルミニウム合金を突合せ部Ｊ１の隙間に流入させながら摩擦攪拌接合を行う。先端側ピンＦ３の外周面と段差傾斜面１３ａとが接触しないように設定すると、突合せ部Ｊ１の接合強度が低くなる。一方、先端側ピンＦ３の外周面と段差傾斜面１３ａとの接触代Ｎが１．０ｍｍを超えると第一金属部材１の第一アルミニウム合金が、第二金属部材２側に大量に混入して接合不良となるおそれがある。

　本区間では、図６に示すように、回転ツールＦを一周させて先端側ピンＦ３が中間点Ｓ２に到達したら、そのまま離脱区間に移行する。離脱区間では、中間点Ｓ２から終了位置ＥＰ１に向かうまでの間に先端側ピンＦ３を徐々に上方に移動させて、終了位置ＥＰ１で第二金属部材２から先端側ピンＦ３を離脱させる。つまり、回転ツールＦを一ヶ所に留まらせることなく、回転ツールＦを終了位置ＥＰ１に移動させながら第二金属部材２から離間する方向に徐々に引抜いていく。終了位置ＥＰ１は、終了位置ＥＰ１と中間点Ｓ２とが結ぶ線分と設定移動ルートＬ１とでなす角度が鈍角となる位置に設定する。回転ツールＦの移動軌跡には塑性化領域Ｗが形成される。

　以上説明した本実施形態における摩擦攪拌接合方法によれば、第二金属部材２と先端側ピンＦ３との摩擦熱によって突合せ部Ｊ１の主として第二金属部材２側の第二アルミニウム合金が攪拌されて塑性流動化され、突合せ部Ｊ１において第一金属部材１の段差傾斜面１３ａと、第二金属部材２の端面２１ａとを接合することができる。

　また、先端側ピンＦ３の先端側ピンＦ３の外周面を第一金属部材１の段差傾斜面１３ａにわずかに接触させるに留めるため、第一金属部材１から第二金属部材２への第一アルミニウム合金の混入を極力少なくすることができる。これにより、突合せ部Ｊ１においては主として第二金属部材２側の第二アルミニウム合金が摩擦攪拌されるため、接合強度の低下を抑制することができる。つまり、本接合工程では、先端側ピンＦ３の回転中心軸Ｚに対して一方側と他方側で、先端側ピンＦ３が受ける材料抵抗の不均衡を極力少なくすることができる。これにより、塑性流動材がバランス良く摩擦攪拌されるため、接合強度の低下を抑制することができる。

　また、本接合工程において、先端側ピンＦ３の外周面と第一金属部材１の段差傾斜面１３ａとが平行となるように回転ツールＦの位置を設定することで、先端側ピンＦ３と第一金属部材１とをバランスよく接触させることができる。また、第二金属部材２の外径を、第一金属部材１の外径よりも大きく設定することにより、接合部が金属不足になるのを防ぐことができる。また、先端側ピンＦ３の先端を、第一金属部材１の段差側面１３ｂに達するように設定することで、突合せ部Ｊ２も確実に摩擦攪拌できるため、接合強度を高めることができる。

　また、本実施形態では、本接合工程において、基端側ピンＦ２の外周面と第二金属部材２の外周面２１ｂとを接触させ、塑性流動材を押さえながら摩擦攪拌を行うため、バリの発生を抑制することができる。また、基端側ピンＦ２の外周面で塑性流動材を押えることができるため、接合表面（第一金属部材１の外周面１１ｂ及び第二金属部材２の外周面２１ｂ）に形成される段差凹溝を小さくすることができるとともに、段差凹溝の脇に形成される膨出部を無くすか若しくは小さくすることができる。また、基端側ピンＦ２の階段状のピン段差部Ｆ２１は浅く、かつ、出口が広いため、塑性流動材を段差底面Ｆ２１ａで押えつつ塑性流動材がピン段差部Ｆ２１の外部に抜けやすくなっている。そのため、基端側ピンＦ２で塑性流動材を押えても基端側ピンＦ２の外周面に塑性流動材が付着し難い。よって、接合表面粗さを小さくすることができるとともに、接合品質を好適に安定させることができる。

　ここで、先端側ピンＦ３を設定移動ルートＬ１に挿入する際、所定の深さとなるまで鉛直方向に先端側ピンＦ３を押入すると、摩擦攪拌の開始位置における摩擦熱が過大となる。これにより、当該開始位置において、第一金属部材１側の金属が第二金属部材２側に混入しやすくなり、接合不良の一因となるという問題がある。

　これに対し、本実施形態の本接合工程の押入区間では、開始位置ＳＰ１から設定移動ルートＬ１と重複する位置まで回転ツールＦを移動させつつ所定の深さとなるまで先端側ピンＦ３を徐々に押入することにより、設定移動ルートＬ１上で回転ツールＦが停止して摩擦熱が局所的に過大になるのを防ぐことができる。
　同様に、本接合工程の離脱区間では、設定移動ルートＬ１から終了位置ＥＰ１まで回転ツールＦを移動させつつ所定の深さから先端側ピンＦ３を徐々に引き抜いて離脱させることにより、設定移動ルートＬ１上で回転ツールＦが停止して摩擦熱が局所的に過大になるのを防ぐことができる。

　これらにより、設定移動ルートＬ１上で摩擦熱が過大となり、第一金属部材１から第二金属部材２へ第一アルミニウム合金が過剰に混入して接合不良となるのを防ぐことができる。

　また、本接合工程において、開始位置ＳＰ１及び終了位置ＥＰ１の位置は適宜設定すればよいが、開始位置ＳＰ１と設定移動ルートＬ１とのなす角度、終了位置ＥＰ１と設定移動ルートＬ１とのなす角度が鈍角となるように設定することにより、中間点Ｓ１，Ｓ２で回転ツールＦの移動速度が低下することなくスムーズに本区間又は離脱区間に移行することができる。これにより、設定移動ルートＬ１上で回転ツールＦが停止又は移動速度が低下することにより、摩擦熱が過大となることを防ぐことができる。なお、上方から見て回転ツールＦの軌跡が円弧を描くように開始位置ＳＰ１から設定移動ルートＬ１に回転ツールＦを移動させてもよい。同様に、上方から見て回転ツールＦの軌跡が円弧を描くように設定移動ルートＬ１から終了位置ＥＰ１に回転ツールＦを移動させてもよい。

　また、本実施形態の本接合工程では、回転ツールＦの回転方向及び進行方向は適宜設定すればよいが、回転ツールＦの移動軌跡に形成される塑性化領域Ｗのうち、第一金属部材１（突合せ部Ｊ１側）がシアー側となり、第二金属部材２側がフロー側となるように回転ツールＦの回転方向及び進行方向を設定した。第一金属部材１側がシアー側となるように設定することで、突合せ部Ｊ１の周囲における先端側ピンＦ３による攪拌作用が高まり、突合せ部Ｊ１における温度上昇が期待でき、突合せ部Ｊ１において第一金属部材１の段差傾斜面１３ａと、第二金属部材２の端面２１ａとをより確実に接合することができる。

　なお、シアー側（Advancing side）とは、被接合部に対する回転ツールの外周の相対速度が、回転ツールの外周における接線速度の大きさに移動速度の大きさを加算した値となる側を意味する。一方、フロー側（Retreating side）とは、回転ツールの移動方向の反対方向に回転ツールが回動することで、被接合部に対する回転ツールの相対速度が低速になる側を言う。

　また、第一金属部材１の第一アルミニウム合金は、第二金属部材２の第二アルミニウム合金よりも硬度の高い材料になっている。これにより、被接合金属部材Ｈの耐久性を高めることができる。また、第一金属部材１の第一アルミニウム合金をアルミニウム合金鋳造材とし、第二金属部材２の第二アルミニウム合金をアルミニウム合金展伸材とすることが好ましい。第一アルミニウム合金を例えば、ＪＩＳＨ５３０２　ＡＤＣ１２等のＡｌ－Ｓｉ－Ｃｕ系アルミニウム合金鋳造材とすることにより、第一金属部材１の鋳造性、強度、被削性等を高めることができる。また、第二アルミニウム合金を例えば、ＪＩＳ　Ａ１０００系又はＡ６０００系とすることにより、加工性、熱伝導性を高めることができる。

　また、本接合工程においては、突合せ部Ｊ１の全周を摩擦攪拌接合するため、被接合金属部材Ｈの気密性及び水密性を高めることができる。また、本接合工程の終端部分において、回転ツールＦが中間点Ｓ１を完全に通過してから終了位置ＥＰ１に向かうようにする。つまり、本接合工程によって形成された塑性化領域Ｗの各端部同士をオーバーラップさせることにより、より気密性及び水密性を高めることができる。

　なお、本接合工程では、回転ツールＦの回転速度を一定としてもよいが、可変させてもよい。本接合工程の押入区間において、開始位置ＳＰ１における回転ツールＦの回転速度をＶ１とし、本区間における回転ツールＦの回転速度をＶ２とすると、Ｖ１＞Ｖ２としてもよい。回転速度のＶ２は、設定移動ルートＬ１における予め設定された一定の回転速度である。つまり、開始位置ＳＰ１では、回転速度を高く設定しておき、押入区間内で徐々に回転速度を低減させながら本区間に移行してもよい。

　また、本接合工程の離脱区間において、本区間における回転ツールＦの回転速度をＶ２、終了位置ＥＰ１において離脱させるときの回転ツールＦの回転速度をＶ３とすると、Ｖ３＞Ｖ２としてもよい。つまり、離脱区間に移行したら、終了位置ＥＰ１に向けて徐々に回転速度を上げながら第二金属部材２から回転ツールＦを離脱させてもよい。回転ツールＦを第二金属部材２に押し入れる際又は第二金属部材２から離脱させる際に、前記のように設定することで、押入区間又は離脱区間時における少ない押圧力を、回転速度で補うことができるため、摩擦攪拌を好適に行うことができる。

［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、図１２及び図１３に示すように、本接合工程における開始位置ＳＰ１及び終了位置ＥＰ１の位置をいずれも設定移動ルートＬ１上に設定する点で第一実施形態と相違する。第二実施形態では、第一実施形態と相違する部分を中心に説明する。

　第二実施形態に係る液冷ジャケットの製造では、準備工程と、突合せ工程と、本接合工程とを行う。準備工程及び突合せ工程は、第一実施形態と同一である。

　本接合工程では、図１２に示すように、開始位置ＳＰ１を設定移動ルートＬ１上に設定する。本接合工程では、開始位置ＳＰ１から中間点Ｓ１までの押入区間と、設定移動ルートＬ１上の中間点Ｓ１から一周廻って中間点Ｓ２までの本区間と、中間点Ｓ２から終了位置ＥＰ１（図１３参照）までの離脱区間の三つの区間を連続して摩擦攪拌する。

　押入区間では、図１２に示すように、開始位置ＳＰ１から中間点Ｓ１までの摩擦攪拌を行う。押入区間では、回転中心軸Ｚを垂直となるようにしつつ、右回転させた先端側ピンＦ３を開始位置ＳＰ１に挿入し、中間点Ｓ１まで移動させる。この際、少なくとも中間点Ｓ１に到達するまでに予め設定された「所定の深さ」に達するように先端側ピンＦ３を徐々に押し入れていく。つまり、回転ツールＦを一ヶ所に留まらせることなく、回転ツールＦを設定移動ルートＬ１に移動させながら徐々に下降させていく。

　また、押入区間においては、中間点Ｓ１に達した際に、先端側ピンＦ３の外周面と第一金属部材１の段差傾斜面１３ａとがわずかに接触するように設定する。さらに、基端側ピンＦ２の外周面と第二金属部材２の外周面２１ｂとが接触するように設定するとともに、基端側ピンＦ２の平坦面Ｆ４が第一金属部材１の段差側面１３ｂを突き抜けるように設定する。この回転ツールＦの姿勢を維持した状態で、そのまま本区間の摩擦攪拌接合に移行する。先端側ピンＦ３の外周面と第一金属部材１の段差傾斜面１３ａとの接触代（オフセット量）Ｎ及び設定移動ルートＬ１の設定は第一実施形態と同一である。

　本区間では、図１３のように設定移動ルートＬ１に沿って回転ツールＦを一周させる。回転ツールＦを一周させて先端側ピンＦ３が中間点Ｓ２に到達したら、そのまま離脱区間に移行する。終了位置ＥＰ１は、設定移動ルートＬ１上に設定されている。離脱区間では、中間点Ｓ２から終了位置ＥＰ１に向かうまでの間に先端側ピンＦ３を徐々に引き抜いて、終了位置ＥＰ１で第二金属部材２から先端側ピンＦ３を離脱させる。つまり、回転ツールＦを一ヶ所に留まらせることなく、回転ツールＦを終了位置ＥＰ１に移動させながら徐々に引抜いていく。

　以上説明した第二実施形態に係る摩擦攪拌接合方法によっても第一実施形態と略同等の効果を奏することができる。第二実施形態のように本接合工程における開始位置ＳＰ１及び終了位置ＥＰ１は、設定移動ルートＬ１上に設定してもよい。

　以上、本発明の実施形態について説明したが、適宜設計変更が可能である。例えば、第一金属部材１及び第二金属部材２は、矩形、多角形、楕円形等他の断面形状の柱状部材でもよい。また、両方とも中実部材でもよいし、両方とも筒状部材でもよい。

　１　　　　第一金属部材
　２　　　　第二金属部材
　Ｆ　　　　回転ツール
　Ｆ２　　　基端側ピン
　Ｆ３　　　先端側ピン
　Ｆ４　　　平坦面
　Ｊ１　　　突合せ部
　ＳＰ１　　開始位置
　ＥＰ１　　終了位置
　Ｗ　　　　塑性化領域

Claims

　大径部の端部に小径部を備えた柱状の第一金属部材と、前記小径部と略同等の内径を有する筒状の第二金属部材とを端部同士で突き合わせて形成された被接合金属部材の突合せ部に対して、基端側ピンと先端側ピンとを備える回転ツールを用いて摩擦攪拌を行う摩擦攪拌接合方法であって、
　前記第一金属部材は第一アルミニウム合金で形成されており、前記第二金属部材は第二アルミニウム合金で形成されており、前記第一アルミニウム合金は前記第二アルミニウム合金よりも硬度が高い材種であり、
　前記基端側ピンのテーパー角度は、前記先端側ピンのテーパー角度よりも大きくなっており、前記基端側ピンの外周面には階段状のピン段差部が形成されており、
　前記第二金属部材の開口部に前記第一金属部材の前記小径部を挿入することにより、前記第二金属部材の内周面と前記第一金属部材の段差側面とを重ね合わせるとともに、前記第二金属部材の端面と前記第一金属部材の段差傾斜面とを突き合わせて突合せ部に断面Ｖ字状の隙間を形成する突合せ工程と、
　回転する前記回転ツールの前記先端側ピンを前記第二金属部材の外周面に挿入し、前記先端側ピンの外周面を前記第一金属部材の前記段差傾斜面にわずかに接触させつつ、前記基端側ピンの外周面を前記第二金属部材の外周面に接触させた状態で、前記隙間に前記第二アルミニウム合金を流入させながら、前記突合せ部よりも前記第二金属部材側に設定された設定移動ルートに沿って所定の深さで前記第二金属部材の外周面の廻りに一周させて前記突合せ部を摩擦攪拌する本接合工程と、を含むことを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
　前記突合せ部に形成される塑性化領域の始端と終端とがオーバーラップしており、前記塑性化領域の一部が重複していることを特徴とする請求項１に記載の摩擦攪拌接合方法。
　前記第二金属部材の外径は、前記第一金属部材の大径部の外径よりも大きい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。
　前記第一金属部材が前記回転ツールの進行方向左側に位置する場合、前記回転ツールを右回転させ、
　前記第一金属部材が前記回転ツールの進行方向右側に位置する場合、前記回転ツールを左回転させることを特徴とする請求項１に記載の摩擦攪拌接合方法。
　前記本接合工程において、前記設定移動ルート上に設定した開始位置から回転する前記先端側ピンを挿入し、進行方向に移動させつつ所定の深さとなるまで徐々に前記先端側ピンを押入することを特徴とする請求項１に記載の摩擦攪拌接合方法。
　前記本接合工程において、回転する前記先端側ピンを前記設定移動ルートよりもさらに前記第一金属部材から離間した側に設定した開始位置に挿入した後、前記回転ツールの回転中心軸を前記設定移動ルートと重複する位置まで移動させつつ前記所定の深さとなるまで前記先端側ピンを徐々に押入することを特徴とする請求項１に記載の摩擦攪拌接合方法。
　前記本接合工程において、前記設定移動ルート上に終了位置を設定し、前記突合せ部に対する摩擦攪拌の後、前記回転ツールを前記終了位置に移動させつつ前記先端側ピンを徐々に引き抜いて前記終了位置で前記第二金属部材から前記回転ツールを離脱させることを特徴とする請求項１に記載の摩擦攪拌接合方法。
　前記本接合工程において、前記設定移動ルートよりもさらに前記第一金属部材から離間した側に終了位置を設定し、前記突合せ部に対する摩擦攪拌の後、前記回転ツールを前記終了位置に移動させつつ前記先端側ピンを徐々に引き抜いて前記終了位置で前記第二金属部材から前記回転ツールを離脱させることを特徴とする請求項１に記載の摩擦攪拌接合方法。
　前記本接合工程において、前記先端側ピンの先端が、前記第一金属部材の前記段差側面を突き抜けた状態で前記突合せ部の摩擦攪拌を行うことを特徴とする請求項１に記載の摩擦攪拌接合方法。
　大径部の端部に小径部を備えた円柱状の第一金属部材と、前記小径部と略同等の内径を有する円筒状の第二金属部材とを端面同士で突き合わせて形成された被接合金属部材の突合せ部に対して基端側ピンと先端側ピンとを備える回転ツールを用いて摩擦攪拌を行う摩擦攪拌接合方法であって、
　前記第一金属部材は第一アルミニウム合金で形成されており、前記第二金属部材は第二アルミニウム合金で形成されており、前記第一アルミニウム合金は前記第二アルミニウム合金よりも硬度が高い材種であり、
　前記基端側ピンのテーパー角度は、前記先端側ピンのテーパー角度よりも大きくなっており、前記基端側ピンの外周面には階段状のピン段差部が形成されており、
　前記第二金属部材の開口部に前記第一金属部材の前記小径部を挿入することにより、前記第二金属部材の内周面と前記第一金属部材の段差側面とを重ね合わせるとともに、前記第二金属部材の端面と前記第一金属部材の段差傾斜面とを突き合わせて突合せ部に断面Ｖ字状の隙間を形成する突合せ工程と、
　回転する前記回転ツールの前記先端側ピンを前記第二金属部材の外周面に挿入し、前記先端側ピンの外周面を前記第一金属部材の前記段差傾斜面にわずかに接触させつつ、前記基端側ピンの外周面を前記第二金属部材の外周面に接触させた状態で、前記隙間に前記第二アルミニウム合金を流入させながら、前記突合せ部よりも前記第二金属部材側に設定された設定移動ルートに沿って所定の深さで前記第二金属部材の外周面の廻りに一周させて前記突合せ部を摩擦攪拌する本接合工程と、を含むことを特徴とする摩擦攪拌接合方法。