JP5422011B2 - 接合方法 - Google Patents

Description

本発明は、ボビンツールを用いて一対の金属板を接合する接合方法に関する。

従来、金属板の端面同士を摩擦攪拌接合するツールとしてボビンツールが知られている。ボビンツールは、一対のショルダとこのショルダの間に形成されたピンとを備えている。一対の金属板を接合する際には、金属板を移動不能に拘束した上で、金属板の一端側から高速回転させたボビンツールを挿入し、突き合せ部に沿ってピンを移動させる。これにより、端面同士の周囲の金属が摩擦攪拌されて金属板同士を接合することができる。

ボビンツールによれば、金属板の裏側にもショルダが配置されているため、通常、金属板の裏側に配置する裏当部材を省略することができる。特に、中空形材の端部同士を接合する際には、裏当部材を設置する作業が煩雑になるため、作業手間を大幅に省略することができる。また、ピンの外周面に例えば螺旋溝を設けることが知られており、この螺旋溝があることで摩擦攪拌の攪拌効率を向上させることができる。

ボビンツールを用いた摩擦攪拌接合においては、ピンの軸方向の中心と、金属板の板厚方向の中心とを合わせつつ接合することが好ましいが、金属板が摩擦熱によって変形すると、ピンの中心と金属板の中心とがずれる場合がある。そこで、摩擦攪拌中に、ピンの軸方向の中心と金属板の中心とが極力合うように、金属板の変形に追従してボビンツールを軸方向に移動させることができる摩擦攪拌装置を用いることが好ましい。

特許第２７１２８３８号公報

ここで、ボビンツールのショルダ間距離が金属板の板厚よりも大きいと、塑性流動化した金属の押さえつけが不十分になり、摩擦攪拌によって形成される塑性化領域の金属が不足し、接合欠陥が生じるおそれがある。そこで、ボビンツールのショルダ間距離を金属板の板厚以下に設定することによりかかる金属不足を補うことができると考えられる。

しかしながら、摩擦攪拌中にボビンツールを軸方向に移動可能となるように構成しつつ、ボビンツールのショルダ間距離を金属板の板厚以下に設定する場合、ピンの螺旋溝に導かれた金属の移動によってボビンツールのショルダが力を受けるため、このボビンツールが軸方向に移動する。これにより、金属板に対してショルダが深く押し込まれる場合があるため、金属板の表面に多くのバリが発生するという問題がある。バリ処理の関係上、金属板の化粧面側には、バリの発生を回避したいという要望がある。

このような観点から、本発明は、ボビンツールを用いて一対の金属板を接合する際に、金属板の化粧面側にバリが発生しにくい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、一対のショルダと前記両ショルダの間に形成されたピンとを備えたボビンツールと、一方の前記ショルダに連結されたスライド軸と、を備え、摩擦攪拌中において、一方のショルダ及び他方のショルダは、前記ピンに対して相対移動不能に固定されているとともに、摩擦攪拌によって金属板が変形して前記金属板の位置が前記ボビンツールの軸方向にずれた際に、そのずれに追従して前記ボビンツールが軸方向に移動するように構成された摩擦攪拌装置を用いて一対の金属板を接合する接合方法であって、前記金属板の端面同士を突き合わせる突き合せ工程と、一方の前記ショルダと前記金属板の化粧面とが対向するように配置し、前記ピンの軸方向の中心と前記金属板の板厚方向の中心を合わせた後、前記端面同士を突き合せて形成された突き合せ部に前記スライド軸側から見て右回転させた前記ボビンツールのピンを移動させて摩擦攪拌接合する接合工程と、を含み、ショルダ間の距離は前記金属板の板厚以下に設定されており、前記ピンの外周面には、前記ピンの軸方向の全長に亘って右ネジの螺旋溝が刻設されており、右ネジの螺旋溝による金属の移動によって前記化粧面に対向する一方のショルダが前記スライド軸側に押されることを特徴とする。

また、本発明は、一対のショルダと前記両ショルダの間に形成されたピンとを備えたボビンツールと、一方の前記ショルダに連結されたスライド軸と、を備え、摩擦攪拌中において、一方のショルダ及び他方のショルダは、前記ピンに対して相対移動不能に固定されているとともに、摩擦攪拌によって金属板が変形して前記金属板の位置が前記ボビンツールの軸方向にずれた際に、そのずれに追従して前記ボビンツールが軸方向に移動するように構成された摩擦攪拌装置を用いて一対の金属板を接合する接合方法であって、前記金属板の端面同士を突き合わせる突き合せ工程と、一方の前記ショルダと前記金属板の化粧面とが対向するように配置し、前記ピンの軸方向の中心と前記金属板の板厚方向の中心を合わせた後、前記端面同士を突き合せて形成された突き合せ部に前記スライド軸側から見て左回転させた前記ボビンツールのピンを移動させて摩擦攪拌接合する接合工程と、を含み、ショルダ間の距離は前記金属板の板厚以下に設定されており、前記ピンの外周面には、前記ピンの軸方向の全長に亘って左ネジの螺旋溝が刻設されており、左ネジの螺旋溝による金属の移動によって前記化粧面に対向する一方のショルダが前記スライド軸側に押されることを特徴とする。

かかる接合方法によれば、摩擦攪拌されて流動化された金属は、ピンの螺旋溝に導かれて一方のショルダ側に移動する。この金属の移動によって一方のショルダが力を受け、金属板に対してボビンツールがスライド軸側にわずかに移動するが、ショルダ間の距離は金属板の板厚以下に設定されているため、一対のショルダで金属板の表面及び裏面を押圧することができる。ボビンツールがスライド軸側に移動すると、他方のショルダは金属板を強く押圧することになり、金属板の他方のショルダに対向する面には凹溝が発生してしまうが、化粧面に対向する一方のショルダは好適な位置を維持することができるので、化粧面のバリの発生を抑制することができる。

また、本発明は、一対のショルダと前記両ショルダの間に形成されたピンとを備えたボビンツールと、一方の前記ショルダに連結されたスライド軸と、を備え、摩擦攪拌中において、一方のショルダ及び他方のショルダは、前記ピンに対して相対移動不能に固定されているとともに、摩擦攪拌によって金属板が変形して前記金属板の位置が前記ボビンツールの軸方向にずれた際に、そのずれに追従して前記ボビンツールが軸方向に移動するように構成された摩擦攪拌装置を用いて一対の金属板を接合する接合方法であって、前記金属板の端面同士を突き合わせる突き合せ工程と、他方の前記ショルダと前記金属板の化粧面とが対向するように配置し、前記ピンの軸方向の中心と前記金属板の板厚方向の中心を合わせた後、前記端面同士を突き合せて形成された突き合せ部に前記スライド軸側から見て左回転させた前記ボビンツールのピンを移動させて摩擦攪拌接合する接合工程と、を含み、ショルダ間の距離は前記金属板の板厚以下に設定されており、前記ピンの外周面には、前記ピンの軸方向の全長に亘って右ネジの螺旋溝が刻設されており、右ネジの螺旋溝による金属の移動によって前記化粧面に対向する他方のショルダが前記スライド軸とは反対側に押されることを特徴とする。

また、本発明は、一対のショルダと前記両ショルダの間に形成されたピンとを備えたボビンツールと、一方の前記ショルダに連結されたスライド軸と、を備え、摩擦攪拌中において、一方のショルダ及び他方のショルダは、前記ピンに対して相対移動不能に固定されているとともに、摩擦攪拌によって金属板が変形して前記金属板の位置が前記ボビンツールの軸方向にずれた際に、そのずれに追従して前記ボビンツールが軸方向に移動するように構成された摩擦攪拌装置を用いて一対の金属板を接合する接合方法であって、前記金属板の端面同士を突き合わせる突き合せ工程と、他方の前記ショルダと前記金属板の化粧面とが対向するように配置し、前記ピンの軸方向の中心と前記金属板の板厚方向の中心を合わせた後、前記端面同士を突き合せて形成された突き合せ部に前記スライド軸側から見て右回転させた前記ボビンツールのピンを移動させて摩擦攪拌接合する接合工程と、を含み、ショルダ間の距離は前記金属板の板厚以下に設定されており、前記ピンの外周面には、前記ピンの軸方向の全長に亘って左ネジの螺旋溝が刻設されており、左ネジの螺旋溝による金属の移動によって前記化粧面に対向する他方のショルダが前記スライド軸とは反対側に押されることを特徴とする。

かかる接合方法によれば、摩擦攪拌されて流動化された金属は、ピンの螺旋溝に導かれて他方のショルダ側に移動する。この金属の移動によって他方のショルダが力を受け、ボビンツールが金属板に対してスライド軸とは反対方向にわずかに移動するが、ショルダ間の距離は金属板の板厚以下に設定されているため、一対のショルダで金属板の表面及び裏面を押圧することができる。ボビンツールが軸方向に移動すると、一方のショルダは金属板を強く押圧することになり、金属板の一方のショルダに対向する面には凹溝が発生してしまうが、化粧面に対向する他方のショルダは好適な位置を維持することができるので、化粧面のバリの発生を抑制することができる。

また、前記接合工程では、前記金属板の化粧面側を冷却しながら接合することが好ましい。かかる接合方法によれば、流動化された金属の温度の上昇を抑えることにより、バリの発生を抑制することができる。

本発明に係る接合方法によれば、ボビンツールを用いて一対の金属板を接合する際に、金属板の化粧面側にバリが発生しにくい。

第一実施形態に係るボビンツールと中空形材を示す斜視図である。 金属部材の突き合せ状態を示す図であって（ａ）は突き合せ前、（ｂ）は突き合せ後を示す。 第一実施形態に係るボビンツールを示す一部透過斜視図である。 第一実施形態に係るボビンツールを示す斜視図である。 第一実施形態に係るボビンツールを示す側面図である。 第一実施形態に係る右回転での接合方法を示す図であって、（ａ）は側断面図、（ｂ）は（ａ）のＩ−Ｉ断面図である。 第一実施形態に係る左回転での接合方法を示す側断面図である。 第二実施形態に係るボビンツールを示す側面図を示す。 第二実施形態に係る右回転での接合方法を示す図であって、（ａ）は側断面図、（ｂ）は（ａ）のＩＩ−ＩＩ断面図である。 第二実施形態に係る左回転での接合方法を示す側断面図である。 実施例１に係る金属板の塑性化領域を、突き合せ部の隙間別に示す平面図である。 実施例１に係る金属板の塑性化領域を、突き合せ部の隙間別に示す断面図である。 実施例２に係る金属板の塑性化領域を、突き合せ部の隙間別に示す平面図である。 実施例２に係る金属板の塑性化領域を、突き合せ部の隙間別に示す断面図である。 本発明の概念を示した模式側面図である。

［第一実施形態］
本発明の第一実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。図１に示すように、本実施形態に係る摩擦攪拌装置１は、突き合わされた一対の金属板の突き合せ部Ｎを摩擦攪拌接合する装置である。摩擦攪拌装置１の先端にはボビンツール５が装着されている。まずは、接合する一対の金属板の説明をする。説明における上下前後左右は図１の矢印に従う。

＜中空形材＞
図２の（ａ）に示すように、本実施形態では中空形材１００Ａと中空形材１００Ｂとを接合する場合を例示する。中空形材１００Ａは、アルミニウム合金製の押出形材であって、断面視矩形の中空部１００ａを有する長尺部材である。中空形材１００Ａは、中空部１００ａを備えた本体部１０１と、本体部１０１の左側面の上下端からそれぞれ左側（中空形材１００Ｂ側）に張り出した板状端部材１０２，１０３とを有する。

本体部１０１は、４つの板状部材１０４，１０５，１０６，１０７で構成され、断面視矩形を呈するように形成されている。板状端部材１０２，１０３は、板状を呈し板状部材１０５に対して垂直になっている。板状端部材１０２，１０３の左右方向の長さは、板状部材１０４の半分程度になっている。また、板状端部材１０２，１０３は、板状部材１０４，１０５，１０６，１０７と同等の板厚になっている。板状端部材１０２，１０３は、特許請求の範囲の「金属板」に相当する部位である。

中空形材１００Ｂは、中空形材１００Ａと同等の形状を呈する金属部材である。中空形材１００Ｂは、中空形材１００Ａと同等の符号を付して詳細な説明は省略する。

中空形材１００Ａと中空形材１００Ｂとを突き合わせる際には、中空形材１００Ａの板状端部材１０２，１０３と中空形材１００Ｂの１０２，１０３とをそれぞれ突き合わせる。より詳しくは、中空形材１００Ａの板状端部材１０２の端面１０２ａと中空形材１００Ｂの板状端部材１０２の端面１０２ａとを突き合わせるとともに、中空形材１００Ａの板状端部材１０３の端面１０３ａと中空形材１００Ｂの板状端部材１０３の端面１０３ａとをそれぞれ突き合わせる。図２の（ｂ）に示すように、中空形材１００Ａと中空形材１００Ｂとを突き合わせると、端面１０２ａ，１０２ａの板厚方向の中心同士が重なるとともに、板状端部材１０２，１０２の上面と下面とがそれぞれ面一になる。

図２の（ｂ）に示すように、端面１０２ａ，１０２ａ、端面１０３ａ，１０３ａがそれぞれ突き合わされた部分を「突き合せ部Ｎ」とする。突き合せ部Ｎを接合する際には、端面１０２ａ，１０２ａが密接していることが好ましいが、中空形材１００Ａ，１００Ｂの公差や、接合時における摩擦熱によって板状端部材１０２，１０２が変形し、端面１０２ａ，１０２ａとの間に微細な隙間が生じる場合がある。突き合せ部Ｎとは、端面１０２ａ，１０２ａに微細な隙間が生じている場合も含む概念とする。

また、図２の（ｂ）に示すように、中空形材１００Ａ，１００Ｂを突き合わせた際に、表側に露出する面を表面Ｓａ、表面Ｓａと反対側の面を裏面Ｓｂとする。

なお、本実施形態では接合する対象として中空形材の板状端部材を例示しているが、接合する対象は、摩擦攪拌可能な金属で形成されており、板状を呈する部材であれば特に制限されるものではない。

＜摩擦攪拌装置＞
図３及び図４に示すように、摩擦攪拌装置１は、外部ホルダー２と、外部ホルダー２の内部に配設される内部ホルダー３と、内部ホルダー３内に挿通されるスライド軸４と、スライド軸４の先端に取り付けられたボビンツール５とを有する。

外部ホルダー２は、円筒状を呈する部材であって内側に内部ホルダー３を収容する。外部ホルダー２は、摩擦攪拌装置１のチャック部（図示省略）に固定される部位であって、摩擦攪拌装置１の回転駆動に伴って上下方向軸回りに回転する。図４に示すように、内部ホルダー３は、円筒状を呈する部材であって、その外周面には径方向に貫通する長孔３ａが形成されている。内部ホルダー３は、外部ホルダー２に固定されることにより外部ホルダー２と一体的に回転する。

スライド軸４は、内部ホルダー３の内部に挿通される軸部材である。スライド軸４の側面には、外側に向けて突出する突部４ａが形成されている。突部４ａと内部ホルダー３の長孔３ａとが係合することで、内部ホルダー３とスライド軸４とが一体的に回転する。スライド軸４は、内部ホルダー３に対して長孔３ａの範囲内において、上下方向に移動可能になっている。

ボビンツール５は、例えば工具鋼で形成されている。ボビンツール５は、スライド軸４の回転に伴って上下方向の軸周りに正逆回転する。ボビンツール５は、第一ショルダ１１と、第一ショルダ１１の下方に間をあけて配設された第二ショルダ１２と、第一ショルダ１１と第二ショルダ１２とを連結するピン１３とを有する。

図５に示すように、第一ショルダ１１及び第二ショルダ１２は、円柱状を呈し、同等の外径を備えている。第一ショルダ１１は、スライド軸４に連結されている。ピン１３は、円柱状を呈し、第一ショルダ１１と第二ショルダ１２とを連結する。第二ショルダ１２にはピン１３が貫通しており、ピン１３と第二ショルダ１２の下端とがナットで固定されている。

ピン１３の外周面には、軸方向の全長に亘って右ネジとなる螺旋溝１４が刻設されている。つまり、螺旋溝１４は、上から下に向けて右回りに巻回されるように刻設されている。

図５に示すように、ボビンツール５のショルダ間距離Ｚ（ピン１３の長さ）は、中空形材１００Ａの板状端部材１０２の板厚Ｔ以下になっていることが好ましい。例えば、本実施形態では、ショルダ間距離Ｚは、中空形材１００Ａの板状端部材１０２の板厚Ｔよりも０．４ｍｍ小さくなっている。螺旋溝１４の溝の深さや、ピッチ等は摩擦攪拌する金属板の材料や板厚Ｔ、ショルダ間距離Ｚ等に応じて適宜設定すればよい。

ここで、摩擦攪拌接合を行うと、摩擦熱によって板状端部材１０２，１０２の温度が上昇し、板状端部材１０２，１０２が上方又は下方に反ってしまい、ボビンツール５がその反りに応じて上向き又は下向きの力を受ける。また、摩擦攪拌によって塑性流動化した金属の移動に応じてボビンツール５が上向き又は下向きの力を受ける。

本実施形態に係る摩擦攪拌装置１は、スライド軸４が内部ホルダー３内を移動可能に形成されているため、板状端部材１０２が例えば上方に反った場合や塑性流動化された金属が上向きに移動する場合に、その反りや移動に追従してボビンツール５が所定の距離だけ上方に移動するように構成されている。一方、摩擦攪拌装置１は、板状端部材１０２が例えば下方に反った場合や塑性流動化された金属が下向きに移動する場合に、その反りや移動に追従してボビンツール５が所定の距離だけ下方に移動するように構成されている。

なお、螺旋溝に基づく上下方向への金属の移動は、ボビンツール５のピン１３の回転による周方向での金属の移動に比べて微量に止まるものである。したがって、塑性流動化された金属に基づくボビンツール５の軸方向の移動も微量に止まるものである。

次に、ボビンツール５を用いた接合方法１について説明する
接合方法１では、ボビンツール５（右ネジ）を右回転させて接合を行う。接合方法１では、中空形材同士を突き合わせる突き合せ工程と、突き合せ部Ｎにボビンツール５を挿入する接合工程と、を行う。ここでは、表面Ｓａを化粧面として設定する。

突き合せ工程では、図２に示すように、中空形材１００Ａと中空形材１００Ｂとを板状端部材１０２同士で対向させ、端面１０２ａ，１０２ａ同士及び端面１０３ａ，１０３ａ同士を面接触させる。より詳しくは、一方の端面１０２ａの中点と、他方の端面１０２ａの中点とが重なるように面接触させる。なお、突き合わせた後は、中空形材１００Ａ，１００Ｂが離間しないように、突き合せ部Ｎに沿って溶接などで仮付けを行ってもよい。中空形材１００Ａと中空形材１００Ｂとを突き合わせたら、両者を移動不能に拘束する。

接合工程では、突き合せ部Ｎの外部において、ピン１３の中心１３ｃが、突き合せ部Ｎの中心Ｎｃと重なるように位置させる。そして、図６の（ａ）に示すように、右回転させたボビンツール５を突き合せ部Ｎに沿って移動させる。ボビンツール５が突き合せ部Ｎに挿入されると、高速回転するピン１３によってピン１３の周囲の金属が摩擦攪拌され板状端部材１０２同士が一体化される。ピン１３の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係る接合方法１によれば、図６の（ａ）に示すように、高速回転するピン１３によって突き合せ部Ｎの周囲の金属が摩擦攪拌され塑性流動化する。摩擦攪拌されて流動化された金属は、ピン１３の螺旋溝１４に導かれて第一ショルダ１１方向に移動する。この金属の移動によってボビンツール５が力を受けて板状端部材１０２に対してボビンツール５が上方にわずかに移動する。これにより、第一ショルダ１１の下面は板状端部材１０２の表面（化粧面）Ｓａと略同等の高さ位置を維持することができるため、表面Ｓａに深く押し込まれることなく、かつ、塑性流動化した金属を第一ショルダ１１で押えることができる。これにより、表面Ｓａのバリの発生を抑制することができる。

一方、図６の（ａ）及び（ｂ）に示すように、裏面Ｓｂ側には、凹溝Ｖが形成される。これは、ボビンツール５が金属の移動に導かれて上方に移動することにより、第二ショルダ１２の上面が裏面Ｓｂに深く押し込まれることに起因している。

また、ピン１３の外周面に螺旋溝１４を設けることにより、摩擦攪拌の攪拌効率を向上させることができる。

板状端部材１０２の板厚Ｔ（ｍｍ）、ショルダ間距離Ｚ（ｍｍ）の関係は、板状端部材１０２同士の隙間、板厚、その他の各条件に基づいて下記の式（１）の範囲で適宜設定すればよい。
０≦（Ｔ−Ｚ）≦０．８・・・（式１）

Ｔ−Ｚの値が０より小さくなると、ボビンツール５の第一ショルダ１１の下面及び第二ショルダ１２の上面で塑性流動化した金属を十分に押圧することができなくなるため塑性化領域Ｗの金属が不足して接合欠陥が生じやすい。一方、Ｔ−Ｚの値が０．８を超えると摩擦攪拌装置１への負荷が大きくなるため不適切である。

なお、ボビンツール５が板状端部材１０２に対して上方に移動して第一ショルダ１１の下面の高さ位置が板状端部材１０２の摩擦攪拌前の表面Ｓａよりも上方に位置し、第一ショルダ１１の下面の高さ位置と板状端部材１０２の摩擦攪拌前の表面Ｓａとの隙間が大きい場合は金属の押さえが不十分になるが、第一ショルダ１１の下面の高さ位置と板状端部材１０２の摩擦攪拌前の表面Ｓａとの隙間が微小である場合は、金属を十分に押えることができる。

また、第一ショルダ１１の下面の高さ位置と板状端部材１０２の摩擦攪拌前の表面Ｓａとの隙間が微小である場合は、塑性化領域Ｗが摩擦攪拌前の表面Ｓａよりもわずかに突出することになる。しかし、板状端部材１０２の表面Ｓａを平滑にする処理は摩擦攪拌前の表面Ｓａの高さに合わせてその突出した部分を切削すればよいため仕上げ処理が容易になる。

接合工程を行う際には、板状端部材１０２の表面（化粧面）Ｓａに対して、例えば冷却された気体や液体等を供給可能な冷却装置によって、冷却しながら行うことが好ましい。これにより、板状端部材１０２の変形を抑制して接合精度を向上させることができる。なお、板状端部材１０２の裏面Ｓｂ側を冷却しながら接合を行ってもよい。

次に、ボビンツール５を用いた接合方法２について説明する。
接合方法２では、ボビンツール５（右ネジ）を左回転させて接合を行う。ここでは、例えば裏面Ｓｂを化粧面として設定する。接合方法２は、回転方向及び化粧面の設定以外は接合方法１と同等である。図７に示すように、接合方法２の接合工程では、高速回転するピン１３によってピン１３の周囲の金属が摩擦攪拌され、板状端部材１０２同士が一体化される。ピン１３の軌跡には塑性化領域Ｗが形成される。

本実施形態に係る接合方法２によれば、高速回転するピン１３によって突き合せ部Ｎの周囲の金属が摩擦攪拌され塑性流動化する。摩擦攪拌されて流動化された金属は、ピン１３の螺旋溝１４に導かれて第二ショルダ１２方向に移動する。この金属の移動によってボビンツール５が力を受けて板状端部材１０２に対してボビンツール５が下方にわずかに移動する。これにより、第二ショルダ１２の上面は裏面（化粧面）Ｓｂと略同等の高さ位置を維持することができるため、裏面Ｓｂに深く押し込まれることなく、かつ、塑性流動化した金属を第二ショルダ１２で押えることができる。これにより、裏面Ｓｂのバリの発生を抑制することができる。

一方、表面Ｓａ側には、凹溝Ｖが形成される。これは、ボビンツール５が金属の移動によって下方に移動することにより、第一ショルダ１１の下面が表面Ｓａを強く押圧することに起因している。

なお、ボビンツール５が板状端部材１０２に対して下方に移動して第二ショルダ１２の上面の高さ位置が板状端部材１０２の摩擦攪拌前の裏面Ｓｂよりも下方に位置し、第二ショルダ１２の上面の高さ位置と板状端部材１０２の摩擦攪拌前の裏面Ｓｂとの隙間が大きい場合は、金属の押さえが不十分になるが、第二ショルダ１２の上面の高さ位置と板状端部材１０２の摩擦攪拌前の裏面Ｓｂとの隙間が微小である場合は、金属を十分に押えることができる。

また、第二ショルダ１２の下面の高さ位置と板状端部材１０２の摩擦攪拌前の裏面Ｓｂとの隙間が微小である場合は、塑性化領域Ｗが摩擦攪拌前の裏面Ｓｂよりもわずかに突出することになる。しかし、板状端部材１０２の裏面Ｓｂを平滑にする処理は摩擦攪拌前の裏面Ｓｂの高さに合わせてその突出した部分を切削すればよいため仕上げ処理が容易になる。

［第二実施形態］
次に、本発明の第二実施形態について、説明する。図８に示すように、第二実施形態では、ピン１３の螺旋溝の巻回方向が第一実施形態と相違する。螺旋溝以外は第一実施形態と同等であるため、重複する部分については説明を省略する。

図８に示すように、ボビンツール５Ａのピン１３の外周面には、軸方向の全長に亘って左ネジとなる螺旋溝１５が刻設されている。つまり、螺旋溝１５は、上から下に向けて左回りに巻回されるように刻設されている。

次に、ボビンツール５Ａを用いた接合方法３について説明する
接合方法３では、図９に示すように、ボビンツール５Ａ（左ネジ）を右回転させて接合を行う。接合方法３では、中空形材同士を突き合わせる突き合せ工程と、突き合せ部Ｎにボビンツール５Ａを挿入する接合工程と、を行う。ここでは、例えば、裏面Ｓｂを化粧面として設定する。ボビンツール５Ａが突き合せ部Ｎに挿入されると、高速回転するピン１３によってピン１３の周囲の金属が摩擦攪拌され、板状端部材１０２同士が一体化される。ピン１３の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係る接合方法３によれば、高速回転するピン１３によって突き合せ部Ｎの周囲の金属が摩擦攪拌されて塑性流動化する。摩擦攪拌された流動化された金属は、ピン１３の螺旋溝１５に導かれて第二ショルダ１２方向に移動する。この金属の移動によってボビンツール５Ａが力を受けて板状端部材１０２に対してボビンツール５Ａが下方向にわずかに移動する。これにより、第二ショルダ１２の上面は裏面（化粧面）Ｓｂと略同等の高さ位置を維持することができるため、裏面Ｓｂに深く押し込まれることなく、かつ、塑性流動化した金属を第二ショルダ１２で押えることができる。これにより、裏面Ｓｂのバリの発生を抑制することができる。

なお、ボビンツール５が板状端部材１０２に対して下方に移動して第二ショルダ１２の上面の高さ位置が板状端部材１０２の摩擦攪拌前の裏面Ｓｂよりも下方に位置し、第二ショルダ１２の上面の高さ位置と板状端部材１０２の摩擦攪拌前の裏面Ｓｂとの隙間が大きい場合は、金属の押さえが不十分になるが、第二ショルダ１２の上面の高さ位置と板状端部材１０２の摩擦攪拌前の裏面Ｓｂとの隙間が微小である場合は、金属を十分に押えることができる。

また、第二ショルダ１２の下面の高さ位置と板状端部材１０２の摩擦攪拌前の裏面Ｓｂとの隙間が微小である場合は、塑性化領域Ｗが摩擦攪拌前の裏面Ｓｂよりもわずかに突出することになる。しかし、板状端部材１０２の裏面Ｓｂを平滑にする処理は摩擦攪拌前の裏面Ｓｂの高さに合わせてその突出した部分を切削すればよいため仕上げ処理が容易になる。

次に、ボビンツール５Ａを用いた接合方法４について説明する。
接合方法４では、ボビンツール５Ａ（左ネジ）を左回転させて接合を行う。ここでは、例えば、表面Ｓａを化粧面として設定する。接合方法４では回転方向及び化粧面の設定以外は接合方法３と同等である。図１０に示すように、接合方法４の接合工程では、高速回転するピン１３によってピン１３の周囲の金属が摩擦攪拌され、板状端部材１０２同士が一体化される。ピン１３の軌跡には塑性化領域Ｗが形成される。

本実施形態に係る接合方法４によれば、高速回転するピン１３によって突き合せ部Ｎの周囲の金属が摩擦攪拌され塑性流動化する。摩擦攪拌されて流動化された金属は、ピン１３の螺旋溝１５に導かれて第一ショルダ１１方向に移動する。この金属の移動によってボビンツール５Ａが力を受け、板状端部材１０２に対してボビンツール５Ａが上方にわずかに移動する。これにより、第一ショルダ１１の下面は表面（化粧面）Ｓａと略同等の高さ位置を維持することができるため、表面Ｓａに深く押し込まれることなく、かつ、塑性流動化した金属を第一ショルダ１１で押えることができる。これにより、表面Ｓａのバリの発生を抑制することができる。

なお、ボビンツール５が板状端部材１０２に対して上方に移動して第一ショルダ１１の下面の高さ位置が板状端部材１０２の摩擦攪拌前の表面Ｓａよりも上方に位置し、第一ショルダ１１の下面の高さ位置と板状端部材１０２の摩擦攪拌前の表面Ｓａとの隙間が大きい場合は、金属の押さえが不十分になるが、第一ショルダ１１の下面の高さ位置と板状端部材１０２の摩擦攪拌前の表面Ｓａとの隙間が微小である場合は、金属を十分に押えることができる。

また、第一ショルダ１１の下面の高さ位置と板状端部材１０２の摩擦攪拌前の表面Ｓａとの隙間が微小である場合は、塑性化領域Ｗが摩擦攪拌前の表面Ｓａよりもわずかに突出することになる。しかし、板状端部材１０２の表面Ｓａを平滑にする処理は摩擦攪拌前の表面Ｓａの高さに合わせてその突出した部分を切削すればよいため仕上げ処理が容易になる。

次に、本発明の実施例１について説明する。実施例１では、前記した接合方法１（右ネジ、右回転）で摩擦攪拌接合を行った。実施例１では、板厚が６．２ｍｍであって、アルミニウム合金の金属板（Ａ６０６３−Ｔ５）を一対用意して接合した。ボビンツール５の第一ショルダ１１及び第二ショルダ１２の外径は２０ｍｍ、ピン１３の外径は１２ｍｍ、ショルダ間距離は５．８ｍｍに設定した。ピン１３の外周面には、右ネジの螺旋溝１４が軸方向の全て（ピンに対して１００％の範囲）に刻設されている。螺旋溝１４のピッチ（ネジ山の頂点の間隔）は２ｍｍ、螺旋溝の深さは０．８１ｍｍに設定した。ボビンツール５は右回転とし、回転数は８００ｒｐｍ、接合速度は６００ｍｍ／ｍｉｎに設定した。また、突き合せ部Ｎの隙間との関係を調査するために、突き合せ部Ｎの隙間を０ｍｍ、１．２５ｍｍ、１．５０ｍｍ、１．７５ｍｍ、２．００ｍｍと変えて試験を行った。

図１１は、実施例１に係る金属板の塑性化領域を、突き合せ部の隙間別に示す平面図である。図１１の左側欄は表面（化粧面）側の塑性化領域Ｗの平面図を示し、右欄側は裏面側の塑性化領域の平面図である。「Ａｄ側」とは、ボビンツールの回転方向と進行方向が同一側＝右回転の場合進行方向左側、を意味する。「Ｒｅ側」とは、ボビンツールの回転方向と進行方向が相違する側＝右回転の場合進行方向右側を意味する。

図１１の右欄に示すように、裏面ＳｂにはバリＰが発生しているが、左側欄に示すように表面Ｓａにはバリが極わずかしか発生していない。特に、表面Ｓａにおいて、突き合せ部Ｎの隙間が０〜１．７５ｍｍの間ではバリＰの発生はほとんど見られない。裏面ＳｂのバリＰは、Ｒｅ側に多く発生している。また、裏面ＳｂのバリＰは、突き合せ部Ｎの隙間が大きくなるにつれて大量に発生している。

図１２は、実施例１に係る金属板の塑性化領域を、突き合せ部の隙間別に示す断面図である。断面図を見ても裏面ＳｂにはバリＰが多く発生しているが、表面ＳａにはバリＰが極わずかしか発生していない。表面Ｓａ側の塑性化領域Ｗは、摩擦攪拌前に比べてわずかに上方に突出しているが、裏面Ｓｂ側には凹溝Ｖが形成されている。塑性化領域Ｗのメタルフローは左右非対称になっており、突き合せ部Ｎの隙間が大きくなるにつれて縞模様が明確になっているのが確認できる。突き合せ部Ｎの隙間が１．７５ｍｍ、２．００ｍｍでは接合欠陥Ｑが発生している。接合方法１では、塑性流動化された金属が表面Ｓａ側に移動するため、裏面Ｓｂ側が金属不足となり裏面Ｓｂ側に接合欠陥Ｑが発生しやすくなると考えられる。

次に、本発明の実施例２について説明する。実施例２では、前記した接合方法３（左ネジ、右回転）で摩擦攪拌接合を行った。実施例２は、ピン１３の外周面に刻設された螺旋溝の巻回方向を除いては、実施例１と同等であるため、重複する部分の説明は省略する。ボビンツール５Ａのピン１３の外周面には、左ネジの螺旋溝１５が軸方向の全て（ピンに対して１００％）に刻設されている。

図１３は、実施例２に係る金属板の塑性化領域を、突き合せ部の隙間別に示す平面図である。図１３の左側欄は表面側の塑性化領域Ｗの平面図を示し、右欄側は裏面（化粧面）側の塑性化領域の平面図を示している。

左欄に示すように、表面ＳａにはバリＰが発生しているが、右欄に示すように裏面（化粧面）ＳｂにはバリＰが極わずかしか発生していない。特に、裏面Ｓｂでは、隙間が０〜１．７５ｍｍの間ではバリＰの発生はほとんど見られない。表面ＳａのバリＰは、Ｒｅ側に多く発生している。また、表面ＳａのバリＰは、突き合せ部Ｎの隙間が大きくなるにつれて大量に発生している。

図１４は、実施例２に係る金属板の塑性化領域を、突き合せ部の隙間別に示す断面図である。断面図を見ても表面ＳａにはバリＰが多く発生しているが、裏面ＳｂにはバリＰが極わずかしか発生していない。裏面Ｓｂ側の塑性化領域Ｗは、摩擦攪拌前に比べてわずかに下方に突出しているが、表面Ｓａ側には凹溝Ｖが形成されている。塑性化領域Ｗのメタルフローは左右非対称になっており、突き合せ部Ｎの隙間が大きくなるにつれて縞模様が明確になっているのが確認できる。突き合せ部Ｎの隙間が２．００ｍｍでは、接合欠陥Ｑが発生している。接合方法３では、塑性流動化された金属が裏面Ｓｂ側に移動するため、表面Ｓａ側が金属不足になり表面Ｓａ側に接合欠陥Ｑが発生し易くなると考えられる。

なお、接合方法２，４については、実施例を省略するが、接合方法４（左ネジ１００％、左回転）については、実施例１と略同等の挙動を示す。接合方法２（右ネジ１００％、左回転）については、実施例２と略同等の挙動を示す。図１５は、本発明の概念を示した模式側面図である。図１５に示すように、接合方法１〜４についてまとめると、化粧面を表面Ｓａに設定する場合は、接合方法１，４で行うことが好ましい。一方、化粧面を裏面Ｓｂに設定する場合は、接合方法２，３で行うことが好ましい。このように、ボビンツール５の回転方向、螺旋溝１４の巻回方向及び板状端部材１０２の化粧面を接合方法１〜４のように設定することで、化粧面側への凹溝Ｖの発生を回避できるとともに、化粧面側に発生するバリＰを少なくすることができるため、摩擦攪拌接合後の平滑処理やヘアライン加工等のバリ処理を簡単に行うことができる。

１ 摩擦攪拌装置
２ 外部ホルダー
３ 内部ホルダー
４ スライド軸
５ ボビンツール
１１ 第一ショルダ
１２ 第二ショルダ
１３ ピン
１４ 螺旋溝（右ネジ）
１５ 螺旋溝（左ネジ）
１００Ａ中空形材
１００Ｂ中空形材
Ｎ 突き合せ部
Ｔ 金属板の板厚
Ｐ バリ
Ｗ 塑性化領域
Ｘ ショルダの外径
Ｙ ピンの外径
Ｚ ショルダ間距離（ピンの長さ）

Claims (5)

1. 一対のショルダと前記両ショルダの間に形成されたピンとを備えたボビンツールと、一方の前記ショルダに連結されたスライド軸と、を備え、摩擦攪拌中において、一方のショルダ及び他方のショルダは、前記ピンに対して相対移動不能に固定されているとともに、摩擦攪拌によって金属板が変形して前記金属板の位置が前記ボビンツールの軸方向にずれた際に、そのずれに追従して前記ボビンツールが軸方向に移動するように構成された摩擦攪拌装置を用いて一対の金属板を接合する接合方法であって、
   前記金属板の端面同士を突き合わせる突き合せ工程と、
   一方の前記ショルダと前記金属板の化粧面とが対向するように配置し、前記ピンの軸方向の中心と前記金属板の板厚方向の中心を合わせた後、前記端面同士を突き合せて形成された突き合せ部に前記スライド軸側から見て右回転させた前記ボビンツールのピンを移動させて摩擦攪拌接合する接合工程と、を含み、
   ショルダ間の距離は前記金属板の板厚以下に設定されており、
   前記ピンの外周面には、前記ピンの軸方向の全長に亘って右ネジの螺旋溝が刻設されており、右ネジの螺旋溝による金属の移動によって前記化粧面に対向する一方のショルダが前記スライド軸側に押されることを特徴とする接合方法。
2. 一対のショルダと前記両ショルダの間に形成されたピンとを備えたボビンツールと、一方の前記ショルダに連結されたスライド軸と、を備え、摩擦攪拌中において、一方のショルダ及び他方のショルダは、前記ピンに対して相対移動不能に固定されているとともに、摩擦攪拌によって金属板が変形して前記金属板の位置が前記ボビンツールの軸方向にずれた際に、そのずれに追従して前記ボビンツールが軸方向に移動するように構成された摩擦攪拌装置を用いて一対の金属板を接合する接合方法であって、
   前記金属板の端面同士を突き合わせる突き合せ工程と、
   一方の前記ショルダと前記金属板の化粧面とが対向するように配置し、前記ピンの軸方向の中心と前記金属板の板厚方向の中心を合わせた後、前記端面同士を突き合せて形成された突き合せ部に前記スライド軸側から見て左回転させた前記ボビンツールのピンを移動させて摩擦攪拌接合する接合工程と、を含み、
   ショルダ間の距離は前記金属板の板厚以下に設定されており、
   前記ピンの外周面には、前記ピンの軸方向の全長に亘って左ネジの螺旋溝が刻設されており、左ネジの螺旋溝による金属の移動によって前記化粧面に対向する一方のショルダが前記スライド軸側に押されることを特徴とする接合方法。
3. 一対のショルダと前記両ショルダの間に形成されたピンとを備えたボビンツールと、一方の前記ショルダに連結されたスライド軸と、を備え、摩擦攪拌中において、一方のショルダ及び他方のショルダは、前記ピンに対して相対移動不能に固定されているとともに、摩擦攪拌によって金属板が変形して前記金属板の位置が前記ボビンツールの軸方向にずれた際に、そのずれに追従して前記ボビンツールが軸方向に移動するように構成された摩擦攪拌装置を用いて一対の金属板を接合する接合方法であって、
   前記金属板の端面同士を突き合わせる突き合せ工程と、
   他方の前記ショルダと前記金属板の化粧面とが対向するように配置し、前記ピンの軸方向の中心と前記金属板の板厚方向の中心を合わせた後、前記端面同士を突き合せて形成された突き合せ部に前記スライド軸側から見て左回転させた前記ボビンツールのピンを移動させて摩擦攪拌接合する接合工程と、を含み、
   ショルダ間の距離は前記金属板の板厚以下に設定されており、
   前記ピンの外周面には、前記ピンの軸方向の全長に亘って右ネジの螺旋溝が刻設されており、右ネジの螺旋溝による金属の移動によって前記化粧面に対向する他方のショルダが前記スライド軸とは反対側に押されることを特徴とする接合方法。
4. 一対のショルダと前記両ショルダの間に形成されたピンとを備えたボビンツールと、一方の前記ショルダに連結されたスライド軸と、を備え、摩擦攪拌中において、一方のショルダ及び他方のショルダは、前記ピンに対して相対移動不能に固定されているとともに、摩擦攪拌によって金属板が変形して前記金属板の位置が前記ボビンツールの軸方向にずれた際に、そのずれに追従して前記ボビンツールが軸方向に移動するように構成された摩擦攪拌装置を用いて一対の金属板を接合する接合方法であって、
   前記金属板の端面同士を突き合わせる突き合せ工程と、
   他方の前記ショルダと前記金属板の化粧面とが対向するように配置し、前記ピンの軸方向の中心と前記金属板の板厚方向の中心を合わせた後、前記端面同士を突き合せて形成された突き合せ部に前記スライド軸側から見て右回転させた前記ボビンツールのピンを移動させて摩擦攪拌接合する接合工程と、を含み、
   ショルダ間の距離は前記金属板の板厚以下に設定されており、
   前記ピンの外周面には、前記ピンの軸方向の全長に亘って左ネジの螺旋溝が刻設されており、左ネジの螺旋溝による金属の移動によって前記化粧面に対向する他方のショルダが前記スライド軸とは反対側に押されることを特徴とする接合方法。
5. 前記接合工程では、前記金属板の化粧面側を冷却しながら接合する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。