接合方法
【专利摘要】一种接合方法，在接合一对金属构件的摩擦搅拌接合中，提高金属构件的平坦性。该接合方法包括：使正式接合用旋转工具沿着金属构件彼此的对接部(J1)移动，从金属构件的表面A侧进行摩擦搅拌接合的第一正式接合工序；以及在第一正式接合工序之后，使正式接合用旋转工具(H)沿着对接部(J1)移动，从金属构件的背面(B)侧进行摩擦搅拌接合的第二正式接合工序，其中，将在第二正式接合工序中进入金属构件的热量设定成比在第一正式接合工序中进入金属构件的热量还少。
【专利说明】接合方法
[0001]本发明专利申请是国际申请号为PCT/JP2010/056775，国际申请日为2010年4月15日，进入中国国家阶段的申请号为201080025068.5，名称为“接合方法”的发明专利申请的分案申请。
【技术领域】
[0002]本发明涉及一种使金属构件彼此接合的接合方法。
【背景技术】
[0003]作为使金属构件彼此接合的方法，已知有摩擦搅拌接合(FSW = Friction StirWelding)。在摩擦搅拌接合中，使旋转工具边旋转边沿着金属构件彼此的对接部移动，利用旋转工具与金属构件的摩擦热使对接部的金属塑性流动，从而使金属构件彼此做固相接合。旋转工具一般在呈圆柱状的肩部的下端面突出设置有搅拌销(probe)。
[0004]例如，在专利文献I中公开了以下技术:对金属构件彼此对接而形成的被接合金属构件，从被接合金属构件的表面侧进行摩擦搅拌接合的第一正式接合工序以及从背面侧进行摩擦搅拌接合的第二正式接合工序。在该接合方法的第一正式接合工序与第二正式接合工序中，使用相同的旋转工具，以相同的条件(旋转工具的压入量、进给速度等)进行摩擦搅拌接合。根据该接合方法，由于可横越对接部的深度方向整体而进行摩擦搅拌，因此可提高接合部分的水密性及气密性。
[0005]在以往的接合方法的第一正式接合工序中，从被接合金属构件的表面侧压入旋转工具而进行摩擦搅拌接合时，在被接合金属构件的表面形成有塑性化区域。在第一正式接合工序中，利用高速旋转的旋转工具对被接合金属构件加热之后，被接合金属构件冷却，因此被接合金属构件的表面侧可能因为热收缩而变形成凹状。
[0006]但是，由于在以往的接合方法中，也从被接合金属构件的背面侧进行摩擦搅拌接合，若以与表面侧相同的条件进行摩擦搅拌接合，在背面侧也会产生与表面侧相同的热收缩，被接合金属构件变得平坦。
[0007]专利文献
[0008]专利文献1:日本专利特开2005-131666号公报
【发明内容】
[0009]发明所要解决的技术问题
[0010]在第一正式接合工序中，由于被接合金属构件与载置被接合金属构件的工作台面接触，旋转工具所施加的热的一部分从被接合金属构件的背面整体放出至工作台(散热)。但是，在第二正式接合工序中，由于第一正式接合工序使被接合金属构件因热收缩而弯曲，因此在被接合金属构件与工作台之间形成有间隙的状态下进行摩擦搅拌接合。藉此，在第二正式接合工序中，放出热的路径变少，因此与第一正式接合工序相比，散热量会变少。
[0011]与第一正式接合工序相比，在第二正式接合工序中，残留于被接合金属构件内的热量变多，因此弯曲被过度矫正，使得被接合金属构件的背面变形成凹状。即，即使在相同的条件下对被接合金属构件的表面与背面进行摩擦搅拌接合，在被接合金属构件中残留的热量也会不均衡，存在被接合金属构件变形的问题。
[0012]从该观点出发，本发明的技术问题在于提供一种接合方法，在接合一对金属构件的摩擦搅拌接合中，能提高金属构件的平坦性。
[0013]解决技术问题所采用的技术方案
[0014]解决上述技术问题的本发明的接合方法包括:第一正式接合工序，在该工序中，使正式接合用旋转工具沿着金属构件彼此的对接部移动，从上述金属构件的表面侧进行摩擦搅拌接合；以及第二正式接合工序，该工序在上述第一正式接合工序之后，使正式接合用旋转工具沿着上述对接部移动，从上述金属构件的背面侧进行摩擦搅拌接合，其中，将在上述第二正式接合工序中进入上述金属构件的热量设定成比在上述第一正式接合工序中进入上述金属构件的热量少。
[0015]主要是考虑到，残存于摩擦搅拌接合的热量表示为残存热量(J)=加热量-散热量，若使第一正式接合工序与第二正式接合工序的残存热量相等，则被接合金属构件会变得平坦。
[0016]根据该接合方法，由于第二正式接合工序的加热量比第一正式接合工序中的加热量少，可防止残留于接合后的金属构件内的热量的不均衡。藉此，可防止在第二正式接合工序中金属构件弯曲，从而可提高金属构件的平坦性。
[0017]此外，在上述第二正式接合工序中使用的正式接合用旋转工具最好比在上述第一正式接合工序中使用的正式接合用旋转工具小。此外，在上述第二正式接合工序中，最好以比上述第一正式接合工序中的上述正式接合用旋转工具的进给速度快的进给速度进行摩擦搅拌接合。根据该接合方法，能容易地将第二正式接合工序中的加热量设定得较少。
[0018]此外，最好在上述第二正式接合工序之后，进行矫正工序，以从上述金属构件的表面侧或背面侧进行摩擦搅拌。根据该接合方法，即使在第二正式接合工序中没有矫正弯曲的情况下，也能通过矫正工序进行矫正来提高金属构件的平坦性。
[0019]此外，在上述第二正式接合工序中，最好使上述正式接合用旋转工具的搅拌销进入在上述第一正式接合工序中所形成的塑性化区域，并进行摩擦搅拌接合。根据该接合方法，塑性化区域重叠，且塑性化区域的前端侧被再次摩擦搅拌，因此可提高接合部分的气密性及水密性。
[0020]此外，最好在利用固定夹具将上述金属构件固定于工作台的状态下，进行上述第一正式接合工序及上述第二正式接合工序。根据该接合方法，可提高摩擦搅拌接合的作业性。
[0021]此外，较为理想的是，上述正式接合用旋转工具包括:肩部，其由比上述金属构件硬的金属构成；搅拌销，其突出设置于上述肩部的下端面中央，形成前端细的圆锥台状；以及搅拌翼，其在上述搅拌销的外周面刻设成螺旋状，其中，上述搅拌销的长度与上述搅拌销的最大外径的比设定为1.33?2.03。
[0022]根据该接合方法，搅拌销不易折弯且能摩擦搅拌至金属构件的较深位置。当该比例小于1.33时，对摩擦搅拌装置的负载会变大，而变得不合适。此外，搅拌销变短，难以摩擦搅拌至金属构件的深处。另一方面，当该比例大于2.03时，搅拌销容易折弯。[0023]此外，较为理想的是，上述正式接合用旋转工具包括:肩部，其由比上述金属构件硬的金属构成；搅拌销，其突出设置于上述肩部的下端面中央，形成前端细的圆锥台状；以及搅拌翼，其在上述搅拌销的外周面刻设成螺旋状，其中，上述搅拌销的最大外径与上述搅拌销的最小外径的比设定为2.00?2.67。
[0024]根据该接合方法，能使搅拌销压入金属构件时的压入阻力变得更小，且可摩擦搅拌至金属构件的深处位置。当该比例小于2.00时，搅拌销的最大直径过小，使得搅拌销前端的加热量不足而产生接合缺陷。此外，压入金属构件时的阻力变大，不易将搅拌销压入金属构件。另一方面，当该比例超过2.67时，搅拌销的最大直径过大，使得金属溢出而产生表面缺陷。此外，不易将搅拌销压入深处位置。
[0025]此外，较为理想的是，上述正式接合用旋转工具包括:肩部，其由比上述金属构件硬的金属构成；搅拌销，其突出设置于上述肩部的下端面中央，形成前端细的圆锥台状；以及搅拌翼，其在上述搅拌销的外周面刻设成螺旋状，其中，上述肩部的外径与上述搅拌销的最大外径的比设定为1.56?2.14。
[0026]根据该接合方法，搅拌销更不易弯折，且能减少因摩擦搅拌所产生的毛边。当该比例小于1.56时，金属从肩部溢出而产生表面缺陷。另一方面，当该比例比2.14大时，对摩擦搅拌装置的负载会变大而变得不合适。
[0027]此外，最好在上述肩部的下端面，以围绕上述搅拌销的周围的方式，突出设置有俯视呈涡旋状的搅拌用突条体。根据该接合方法，可提高摩擦搅拌接合的搅拌效率。
[0028]此外，最好在进行上述第一正式接合工序之前进行初步接合工序，在该工序中，使用比上述第一正式接合工序中使用的上述正式接合用旋转工具还小型的初步接合用旋转工具，从上述金属构件的表面侧对上述对接部进行摩擦搅拌接合。
[0029]此外，最好在进行上述第二正式接合工序之前进行初步接合工序，在该工序中，使用比上述第二正式接合工序中使用的上述正式接合用旋转工具还小型的初步接合用旋转工具，从上述金属构件的背面侧对上述对接部进行摩擦搅拌接合。
[0030]根据该接合方法，能在使一对金属构件初步接合的状态下进行正式接合工序，因此可提高作业性。
[0031]此外，较为理想的是，在上述第一正式接合工序中，在配置于上述金属构件彼此的对接部的侧方的突出材上设置摩擦搅拌的开始位置或结束位置，在上述第一正式接合工序之后进行修补工序，在该工序中，使用比上述正式接合用旋转工具还小型的修补用旋转工具至少对上述第一正式接合工序所形成的塑性化区域中、与上述突出材邻接的部分进行摩擦搅拌。
[0032]此外，在上述第二正式接合工序中，在配置于上述金属构件彼此的对接部的侧方的突出材上设置摩擦搅拌的开始位置或结束位置，在上述第二正式接合工序之后进行修补工序，在该工序中，使用比上述正式接合用旋转工具还小型的修补用旋转工具，至少对上述第二正式接合工序中形成的塑性化区域中、与上述突出材邻接的部分进行摩擦搅拌。
[0033]根据该接合方法，即使在正式接合工序中形成的塑性化区域中存在接合缺陷，也可以修补该接合缺陷来提高接合部分的气密性及水密性。
[0034]发明效果
[0035]根据本发明的接合方法，能容易地形成平坦性高的金属构件。【专利附图】
【附图说明】
[0036]图1是用于说明第一实施方式的金属构件、第一突出材以及第二突出材的配置的图，其中图1(a)是立体图，图1(b)是俯视图，图1(c)是图1(b)的1-1线剖视图，图1(d)是图1(b)的I1-1I线剖视图。
[0037]图2(a)是用于说明初步接合用旋转工具的侧视图，图2(b)是用于说明正式接合用旋转工具的侧视图。
[0038]图3是表示第一实施方式的金属构件的固定状态的立体图。
[0039]图4是表示第一实施方式的第一初步接合工序的俯视图。
[0040]图5是表不第一实施方式的第一初步接合工序的剖视图。
[0041]图6是表不第一实施方式的第一正式接合工序的图，图6(a)表不开始位置，图6(b)表不中间位置，图6(c)表不结束位置。
[0042]图7是表示第一实施方式的第一正式接合工序后的立体图。
[0043]图8是表示第一实施方式的第二初步接合工序的剖视图。
[0044]图9是表不第一实施方式的第二正式接合工序的图，图9(a)表不开始位置，图9(b)表不中间位置，图9(c)表不结束位置。
[0045]图10是表示第一实施方式结束状态的剖视图。
[0046]图11是用于说明第二实施方式的第二修补工序的图，其中图11(a)是俯视图，图11(b)是剖视图。
[0047]图12是表示第二实施方式的第二修补工序的俯视图。
[0048]图13是第二实施方式的第二修补工序后的剖视图。
[0049]图14是用于说明第二实施方式的第一修补工序的俯视图。
[0050]图15是表示第二实施方式的第一修补工序的剖视图。
[0051]图16是表示旋转工具的变形例的图，图16(a)是侧剖视图，图16(b)是仰视图。
[0052]图17是用于说明实施例的图，图17(a)是立体图，图17(b)是俯视图。
【具体实施方式】
[0053][第一实施方式]
[0054]接着，说明本发明的实施方式。在本实施方式中，如图1所示，例示了将金属构件la、Ib直线状连接的情况。首先，详细地说明欲接合的金属构件la、lb，并详细地说明在接合该金属构件la、lb时所使用的第一突出材2、第二突出材3。
[0055]金属构件la、lb是截面呈矩形的板状构件，其由铝、铝合金、铜、铜合金、钛、钛合金、镁、镁合金等可摩擦搅拌的金属材料构成。在本实施方式中，一方的金属构件Ia及另一方的金属构件Ib由相同组成的金属材料构成。金属构件la、lb的形状、尺寸并无特别限制，但最好至少在对接部Jl的厚度尺寸是相同的。而且，金属构件Ia及金属构件Ib对接后的金属构件被称为被接合金属构件1，被接合金属构件I的表面被称为表面A，背面被称为背面B,—方的侧面被称为第一侧面C,而另一方的侧面被称为第二侧面D。
[0056]第一突出材2以及第二突出材3配置成夹持被接合金属构件I的对接部J1，分别添设于被接合金属构件1，覆盖隐藏住出现于被接合金属构件I的侧面的接缝(边界线)。第一突出材2以及第二突出材3的材质并无特别限制，但在本实施方式中，以与被接合金属构件I相同组成的金属材料形成。此外，第一突出材2以及第二突出材3的形状、尺寸也无特别限制，在本实施方式中，其厚度尺寸与对接部Jl处的被接合金属构件I的厚度尺寸相同。
[0057]接着，参照图2，详细说明在初步接合工序中所使用的旋转工具(以下称“初步接合用旋转工具F”)以及正式接合工序中所使用的旋转工具(以下称“正式接合用旋转工具G”)。
[0058]图2(a)中所示的初步接合用旋转工具F以工具钢等比被接合金属构件I还硬质的金属材料构成，具有呈圆柱状的肩部Fl以及突出设置于该肩部Fl的下端面Fll的搅拌销(probe)F2。初步接合用旋转工具F的尺寸、形状虽然只需对应于被接合金属构件I的材质及厚度等设定即可，但至少比在后述的第一正式接合工序中所使用的正式接合用旋转工具G(参照图2(b))还小型。这样，由于可用比正式接合小的负载进行初步接合，因此可减低在初步接合时施加于摩擦搅拌装置的负载，而且，初步接合用旋转工具F的移动速度(进给速度)可以比正式接合用旋转工具G的移动速度高，因此可减少初步接合所需的作业时间及成本。
[0059]肩部Fl的下端面Fll是推压塑性化流动的金属而防止朝周围飞散的部位，在本实施方式中，其形成凹面状。虽然肩部Fl的外径X1的大小并无特别限制，但在本实施方式中，其比正式接合用旋转工具G的肩部Gl的外径Y1还小。
[0060]搅拌销F2从肩部Fl的下端面Fll的中央垂下，在本实施方式中，其形成前端细的圆锥台状。此外，在搅拌销F2的周面上，形成有刻设成螺旋状的搅拌翼。虽然搅拌销F2的外径的大小并无特别限制，但在本实施方式中，其最大外径(上端直径)X2比正式接合用旋转工具G的搅拌销G2的最大外径(上端直径)Y2小，且其最小外径(下端直径)X3比搅拌销G2的最小外径(下端直径)Y3小。虽然搅拌销F2的长度La最好是对接部Jl (参照图1(a))的被接合金属构件I的厚度t (参照图1 (c))的3%?15%,但最好至少比正式接合用旋转工具G的搅拌销G2的长度Lb小。
[0061]图2(b)所示的正式接合用旋转工具G由工具钢等比被接合金属构件I还硬质的金属材料构成，具有呈圆柱状的肩部Gl以及突出设置于肩部Gl的下端面Gll的搅拌销(probe)G2。
[0062]肩部Gl的下端面Gll与初步接合用旋转工具F相同，形成凹面状。搅拌销G2从肩部Gl的下端面Gll的中央垂下，在本实施方式中，形成前端细的圆锥台状。此外，在搅拌销G2的周面上，形成有刻设成螺旋状的搅拌翼。搅拌销G2的长度Lb最好设定成对接部Jl (参照图1(c))处的被接合金属构件I的厚度t的1/2以上、3/4以下。
[0063]以下，详细说明本实施方式的接合方法。本实施方式的接合方法包括(I)第一准备工序、(2)第一预备工序、(3)第一正式接合工序、(4)第二准备工序、(5)第二预备工序、
(6)第二正式接合工序。而且，第一预备工序及第一正式接合工序是从被接合金属构件I的表面A侧实施的工序，第二预备工序及第二正式接合工序是从被接合金属构件I的背面B侧实施的工序。
[0064](I)第一准备工序
[0065]参照图1说明第一准备工序。第一准备工序是设置欲接合的被接合金属构件I的摩擦搅拌的开始位置及结束位置而准备抵接构件(第一突出材2以及第二突出材3)的工序，在本实施方式中，其包括:去除金属构件la、lb、第一突出材2及第二突出材3的油脂成分等污物的脱脂工序；对接金属构件la、lb的对接工序；在被接合金属构件I的对接部Jl的两侧配置第一突出材2、第二突出材3的突出材配置工序；通过焊接使第一突出材2、第二突出材3与被接合金属构件I初步接合的焊接工序；以及将被接合金属构件I固定于工作台上的固定工序。
[0066]在脱脂工序中，将面切削加工后的金属构件la、lb、第一突出材2及第二突出材3浸于脱脂处理液中，去除掉附着于各构件对接的面上的加工油等油脂成分及污物。具体而言，分别对金属构件Ia及金属构件Ib对接的端面11、11及被接合金属构件I与第一突出材2及第二突出材3对接的金属构件la、lb的侧面14、第一突出材2的抵接面21、第二突出材3的抵接面31进行脱脂处理。虽然脱脂工序只虚至少对各构件对接的面进行处理即可，但对相邻于对接面的面进行处理亦可。
[0067]在对接工序中，如图1(c)所示，使另一方的金属构件Ib的端面11紧贴于一方的金属构件Ia的端面11，并使一方的金属构件Ia的表面12与另一方的金属构件Ib的表面12齐平，此外，使一方的金属构件Ia的背面13与另一方的金属构件Ib的背面13齐平。此夕卜，使一方的金属构件Ia的侧面14、14与另一方的金属构件Ib的侧面14、14分别齐平。
[0068]在突出材配置工序中，如图1(b)所示，第一突出材2配置于被接合金属构件I的对接部Jl的一端侧，其抵接面21抵接于被接合金属构件I的第二侧面D，第二突出材3配置于对接部Jl的另一端侧，其抵接面31抵接于被接合金属构件I的第一侧面C。此时，如图1 (d)所示，第一突出材2的表面22和第二突出材3的表面32与被接合金属构件I的表面A齐平，且第一突出材2的背面23和第二突出材3的背面33与被接合金属构件I的背面B齐平。
[0069]在焊接工序中，如图1(a)及图1(b)所示，焊接由被接合金属构件I与第一突出材2形成的内侧角部2a、2a(即，金属构件la、lb的侧面14与第一突出材2的侧面24所形成的角部)，从而接合被接合金属构件I与第一突出材2，焊接由被接合金属构件I与第二突出材3形成的内侧角部3a、3a(即，金属构件la、lb的侧面14与第二突出材3的侧面34所形成的角部)，从而接合被接合金属构件I与第二突出材3。而且，可横越各内侧角部的全长连续地实施焊接，也可断续地实施焊接。
[0070]在固定工序中，如图3所示，将被接合金属构件I载置于摩擦搅拌装置的工作台(台架)10上，使用夹板等固定夹具15限制而使其不能移动。固定夹具15的方式并无特别限制，包括抵接于被接合金属构件I的表面A的配件15a、贯穿该配件15a的螺栓15b以及供螺栓15b旋入的螺孔15c。在本实施方式中，使用了四个固定夹具15，但其数量并无限定。
[0071](2)第一预备工序
[0072]第一预备工序是在第一正式接合工序之前进行的工序，在本实施方式中，包括:使被接合金属构件I与第一突出材2的对接部J2接合的第一突出材接合工序；使被接合金属构件I的对接部Jl初步接合的第一初步接合工序；使被接合金属构件I与第二突出材3的对接部J3接合的第二突出材接合工序；以及在第一正式接合工序中的摩擦搅拌的开始位置形成导孔的导孔形成工序。[0073]在第一预备工序中，如图4所示，使一个初步接合用旋转工具F以形成连续的移动轨迹(bead)的方式移动，对对接部J2、J1、J3连续地进行摩擦搅拌。即，插入摩擦搅拌的开始位置Sp的初步接合用旋转工具F的搅拌销F2 (参照图2 (a))在中途不脱离而移动至结束位置EP，连续地进行第一突出材接合工序、第一初步接合工序及第二突出材接合工序实施。而且，在本实施方式中，在第一突出材2上设置摩擦搅拌的开始位置SP，在第二突出材3上设置结束位置EP，但并不意味着限定了开始位置Sp与结束位置Ep的位置。
[0074]参照图4对第一预备工序中的摩擦搅拌的顺序做详细的说明。首先，如图4所示，使初步接合用旋转工具F位于设于第一突出材2的适当位置的开始位置Sp的正上方，接着，使初步接合用旋转工具F边右旋转边下降而将搅拌销F2推压至开始位置SP。初步接合用旋转工具F的旋转速度对应于搅拌销F2的尺寸、形状、被摩擦搅拌的被接合金属构件I等的材质及厚度等而设定，大多情况下，被设定在500?2000 (rpm)的范围内。
[0075]当搅拌销F2接触第一突出材2的表面22时，因摩擦热使搅拌销F2周围的金属塑性化流动，搅拌销F2插入第一突出材2。初步接合用旋转工具F的插入速度(下降速度)对应于搅拌销F2的尺寸、形状、设有开始位置Sp的构件的材质及厚度等而设定，大多情况下，被设定在30?60 (mm/分)的范围内。
[0076]在搅拌销F2整体进入第一突出材2且肩部Fl的下端面Fll的整个面与第一突出材2的表面22接触之后，使初步接合用旋转工具F边旋转边朝向第一突出材接合工序的起点s2相对移动。
[0077]初步接合用旋转工具F的移动速度(进给速度)对应于搅拌销F2的尺寸、形状、被摩擦搅拌的被接合金属构件I等的材质及厚度等而设定，在大多情况下，被设定在100?1000 (mm/分)的范围内。初步接合用旋转工具F在移动时的旋转速度与插入时的旋转速度相同或者是较低的速度。而且，在使初步接合用旋转工具F移动时，可使肩部Fl的轴线相对于铅垂线朝行进方向的后侧稍微倾斜，但若不倾斜而形成铅垂，则初步接合用旋转工具F的方向变换变得容易，可以做复杂的动作。当使初步接合用旋转工具F移动时，该搅拌销F2周围的金属依次塑性化流动，且在远离搅拌销F2的位置，塑性化流动的金属再次硬化。
[0078]在使初步接合用旋转工具F相对移动而连续进行摩擦搅拌至第一突出材接合工序的起点s2之后，在起点s2使初步接合用旋转工具F不脱离而依此状态转移至第一突出材接合工序。
[0079]在第一突出材接合工序中，对第一突出材2与被接合金属构件I的对接部J2进行摩擦搅拌。具体而言，在被接合金属构件I与第一突出材2的接缝(边界线)上设定摩擦搅拌的路径，使初步接合用旋转工具F沿着该路径做相对移动，对对接部J2进行摩擦搅拌。而且，在本实施方式中，初步接合用旋转工具F在中途不脱离地从第一突出材接合工序的起点s2连续进行摩擦搅拌至终点e2。
[0080]而且,在使初步接合用旋转工具F右旋转的情况下，由于可能在初步接合用旋转工具F的行进方向的左侧产生微细的接合缺陷，因此最好设定第一突出材接合工序的起点s2与终点e2的位置，使被接合金属构件I位于初步接合用旋转工具F的行进方向的右侧。藉此，由于在被接合金属构件I侧难以产生接合缺陷，因此可得到高品质的接合体。
[0081]另外，在使初步接合用旋转工具F左旋转的情况下，由于可能在初步接合用旋转工具F的行进方向的右侧产生微细的接合缺陷，因此最好设定第一突出材接合工序的起点与终点的位置，使被接合金属构件I位于初步接合用旋转工具F的行进方向的左侧。具体而言，虽然未图示，可将起点设于使初步接合用旋转工具F做右旋转时的终点e2的位置，而将终点设于使初步接合用旋转工具F做右旋转时的起点s2的位置。
[0082]而且，虽然当初步接合用旋转工具F的搅拌销F2进入对接部J2时，欲使被接合金属构件I与第一突出材2分离的力产生作用，但由于被接合金属构件I与第一突出材2所形成的一对内侧角部2a通过焊接而初步接合，因此可防止被接合金属构件I与第一突出材2之间产生开口。
[0083]在初步接合用旋转工具F到达第一突出材接合工序的终点e2之后，在终点e2使摩擦搅拌不结束而连续地进行摩擦搅拌直到第一初步接合工序的起点Si为止，并依此状态转移至第一初步接合工序。即，使初步接合用旋转工具F不脱离地从第一突出材接合工序的终点e2至第一初步接合工序的起点si持续地进行摩擦搅拌,而且,在起点si使初步接合用旋转工具F不脱离而转移至第一初步接合工序。这样，在第一突出材接合工序的终点e2的初步接合用旋转工具F的脱离作业是不需要的，而且，在第一初步接合工序的起点Si的初步接合用旋转工具F的插入作业是不需要的，因此可实现预备性的接合作业的效率化、迅速化。
[0084]在本实施方式中，将自第一突出材接合工序的终点e2至第一初步接合工序的起点Si的摩擦搅拌的路径设定于第一突出材2，使初步接合用旋转工具F从第一突出材接合工序的终点e2移动至第一初步接合工序的起点Si时的移动轨迹形成于第一突出材2。这样，在从第一突出材接合工序的终点e2至第一初步接合工序的起点Si的工序中，由于在被接合金属构件I上难以产生接合缺陷，因此可得到高品质的接合体。
[0085]在第一初步接合工序中，对被接合金属构件I的对接部Jl进行摩擦搅拌。具体而言，在被接合金属构件I的接缝(边界线)上设定摩擦搅拌的路径，使初步接合用旋转工具F沿着该路径做相对移动，横越对接部Jl的全长而连续地进行摩擦搅拌。通过第一初步接合工序，在对接部Jl形成表面侧塑性化区域W0。而且，在本实施方式中，初步接合用旋转工具F在中途不脱离而从第一初步接合工序的起点Si连续进行摩擦搅拌至终点el。这样，由于在第一初步接合工序中完全不需要初步接合用旋转工具F的脱离作业，因此可以使预备性的接合作业更效率化、迅速化。
[0086]在初步接合用旋转工具F到达第一初步接合工序的终点el之后，在终点el使摩擦搅拌不结束而连续地进行摩擦搅拌至第二突出材接合工序的起点s3，并依此状态转移至第二突出材接合工序。即，从第一初步接合工序的终点el至第二突出材接合工序的起点S3使初步接合用旋转工具F不脱离地连续进行摩擦搅拌，而且，在起点s3使初步接合用旋转工具不脱离地转移至第二突出材接合工序。这样，由于在第一初步接合工序的终点el不需要进行初步接合用旋转工具F的脱离作业，而且，在第二突出材接合工序的起点s3不需要初步接合用旋转工具F的插入作业，因此可更有效地、迅速地进行预备性的接合作业。
[0087]在本实施方式中，从第一初步接合工序的终点el至第二突出材接合工序的起点s3的摩擦搅拌的路径设定在第二突出材3上，初步接合用旋转工具F从第一初步接合工序的终点el移动至第二突出材接合工序的起点s3时的移动轨迹形成于第二突出材3上。这样，在从第一初步接合工序的终点el至第二突出材接合工序的起点S3的工序中，在被接合金属构件I上难以产生接合缺陷，因此可得到高品质的接合体。[0088]在第二突出材接合工序中，对被接合金属构件I与第二突出材3的对接部J3进行摩擦搅拌。具体而言，在被接合金属构件I与第二突出材3的接缝(边界线)上设定摩擦搅拌的路径，使初步接合用旋转工具F沿着该路径做相对移动，从而对对接部J3进行摩擦搅拌。而且，在本实施方式中，使初步接合用旋转工具F在中途不脱离地从第二突出材接合工序的起点s3至终点e3连续地进行摩擦搅拌。
[0089]而且，由于使初步接合用旋转工具F做右旋转，因此设定第二突出材接合工序的起点S3与终点e3的位置，使被接合金属构件I位于初步接合用旋转工具F的行进方向的右侧。这样，由于难以在被接合金属构件I侧产生接合缺陷，因此可得到高品质的接合体。附带说明，在使初步接合用旋转工具F做左旋转时，设定第二突出材接合工序的起点与终点的位置，使被接合金属构件I位于初步接合用旋转工具F的行进方向的左侧。具体而言，虽然未图示，将起点设于初步接合用旋转工具F右旋转时的终点e3的位置，将终点设于初步接合用旋转工具F右旋转时的起点s3的位置。
[0090]而且，虽然当初步接合用旋转工具F的搅拌销F2 (参照图2 (a))进入对接部J3时，欲使被接合金属构件I与第二突出材3分离的力作用，但由于被接合金属构件I与第二突出材3的一对内侧角部3a通过焊接而初步接合,因此可防止在被接合金属构件I与第二突出材3之间产生开口。
[0091]在初步接合用旋转工具F到达第二突出材接合工序的终点e3之后，在终点e3不结束摩擦搅拌而连续地进行摩擦搅拌至设于第二突出材3的结束位置EP。而且，在本实施方式中，在出现于被接合金属构件I的表面A侧的接缝(边界线)的延长线上设置结束位置EP。附带说明，结束位置Ep也是后述的第一正式接合工序中的摩擦搅拌的开始位置SM1。
[0092]在初步接合用旋转工具F到达结束位置Ep之后，使初步接合用旋转工具F边旋转边上升而使搅拌销F2从结束位置Ep脱离。如图5所示，当高速旋转的初步接合用旋转工具F插入被接合金属构件I时，摩擦热传递至被接合金属构件I内(加热)。由于被接合金属构件I与工作台10面接触，因此摩擦热的一部分如箭头N所示，从被接合金属构件I的背面B的整体朝工作台10侧放出(散热)。
[0093]而且，虽然初步接合用旋转工具F的脱离速度(上升速度)对应于搅拌销F2的尺寸、形状、设有结束位置Ep的构件的材质及厚度等而设定，但大多情况下，设定在30?60(mm/分)的范围内。此外，初步接合用旋转工具F脱离时的旋转速度与移动时的旋转速度相同或者是更高的速度。
[0094]接着，进行导孔形成工序。如图2(b)所示，导孔形成工序是在第一正式接合工序中的摩擦搅拌的开始位置Smi形成导孔Pl的工序。即，导孔形成工序是在正式接合用旋转工具G的搅拌销G2的插入预定位置形成导孔Pl的工序。
[0095]导孔Pl是为减低正式接合用旋转工具G的搅拌销G2的插入阻力(压入阻力)而设置的，在本实施方式中，是以未图示的钻头等对初步接合用旋转工具F的搅拌销F2 (参照图2(a))脱离时所形成拔孔hi进行扩径而形成的。若利用拔孔hl，则可简化导孔Pl的形成工序，因此可缩短作业时间。虽然导孔Pl的方式并无特别限制，但在本实施方式中，其形成圆筒状。此外，导孔Pl的宽度Z1及深度Z2对应于搅拌销G2的大小、形状而适当地设定即可。
[0096]而且，虽然在本实施方式中，在第二突出材3形成导孔P1，但导孔Pl的位置并无特别限定，可形成于第一突出材2，也可形成于对接部J2、J3，但最好如本实施方式所示，形成在被接合金属构件I的表面A侧所出现的被接合金属构件I的接缝(边界线)的延长线上。
[0097](3)第一正式接合工序
[0098]第一正式接合工序是从表面A侧正式地接合被接合金属构件I的对接部Jl的工序。在本实施方式的第一正式接合工序中，使用图2(b)所示的正式接合用旋转工具G，从被接合金属构件I的表面A侧对初步接合状态下的对接部Jl进行摩擦搅拌。
[0099]在第一正式接合工序中，如图6(a)?图6(c)所示，将正式接合用旋转工具G的搅拌销G2插入(压入)形成于开始位置Smi的导孔P1，使插入的搅拌销G2在中途不脱离而移动至结束位置EM1。即，在第一正式接合工序中，从导孔Pl开始摩擦搅拌，并连续地进行摩擦搅拌至结束位置EM1。而且，虽然在本实施方式中，在第二突出材3上设置摩擦搅拌的开始位置Smi，在第一突出材2上设置结束位置Emi，但并不意味着限定了开始位置Smi与结束位置Emi的位置。
[0100]参照图6(a)?图6(c)来更详细地说明第一正式接合工序。
[0101]首先，如图6(a)所示，使正式接合用旋转工具G位于导孔Pl (开始位置Smi)的正上方，接着，使正式接合用旋转工具G边右旋转边下降，将搅拌销G2的前端插入导孔Pl。当搅拌销G2进入导孔Pl时，搅拌销G2的周面(侧面)抵接于导孔Pl的孔壁，金属从孔壁开始塑性化流动。在此状态下，塑性化流动的金属被搅拌销G2的周面压退，同时搅拌销G2被压入，因此可减少压入初始阶段的压入阻力，此外，在正式接合用旋转工具G的肩部Gl抵接于第二突出材3的表面之前，搅拌销G2抵接于导孔Pl的孔壁而产生模擦热，因此可缩短塑性化流动的时间。即，可减少摩擦搅拌装置的负载，此外，可缩短正式接合所需要的作业时间。
[0102]正式接合用旋转工具G的搅拌销G2插入摩擦搅拌的开始位置Smi时的正式接合用旋转工具G的旋转速度(插入时的旋转速度)根据搅拌销G2的尺寸、形状、被摩擦搅拌的被接合金属构件I等的材质及厚度等而设定，大多情况下，设定在70?700 (rpm)的范围内，最好比正式接合用旋转工具G从开始位置Smi朝摩擦搅拌的结束位置Emi移动时的正式接合用旋转工具G的旋转速度(移动时的旋转速度)还高速。这样，与插入时的旋转速度和移动时的旋转速度相同的情况相比，由于缩短了使金属塑性化流动所需要的时间，因此可迅速地进行在开始位置Smi的搅拌销G2的插入作业。
[0103]在搅拌销G2整体进入第二突出材3且肩部Gl的下端面Gll的整个面接触于第二突出材3的表面之后，如图6 (b)所示，一边进行摩擦搅拌，一边使正式接合用旋转工具G朝被接合金属构件I的对接部Jl的一端相对移动，而且，穿过对接部J3而进入对接部J1。当使正式接合用旋转工具G移动时，搅拌销G2周围的金属依次塑性化流动，且在远离搅拌销G2的位置，塑性化流动的金属再次硬化而形成塑性化区域Wl(以下被称为“表面侧塑性化区域W1”)。
[0104]正式接合用旋转工具G的移动速度(进给速度)根据搅拌销G2的尺寸、形状、被摩擦搅拌的被接合金属构件I等的材质及厚度等而设定，但在大多情况下，设定在30?300(mm/分)的范围内。而且，在正式接合用旋转工具G移动时，可使肩部Gl的轴线相对于铅垂线朝行进方向的后侧稍微倾斜，但若不倾斜而形成铅垂，则正式接合用旋转工具G的方向变换变得容易，从而可做复杂的动作。
[0105]在进入被接合金属构件I的热量有可能过大的情况下，最好从表面A侧朝正式接合用旋转工具G的周围供给水等而冷却。而且，当冷却水进入被接合金属构件I的对接部Jl之间时，可能会在接合面产生氧化膜，但在本实施方式中，由于进行第一初步接合工序而封闭被接合金属构件I之间的开口，因此冷却水难以进入被接合金属构件I的对接部J1，因此接合部的品质无劣化的可能。
[0106]在被接合金属构件I的对接部Jl中，在被接合金属构件I的接缝上(第一初步接合工序的移动轨迹上)设定摩擦搅拌的路径，使正式接合用旋转工具G沿着该路径做相对移动，从对接部Jl的一端至另一端连续地进行摩擦搅拌。在正式接合用旋转工具G相对移动至对接部Jl的另一端之后，使其一边进行摩擦搅拌，一边穿过对接部J2，并依此状态朝向结束位置Emi做相对移动。
[0107]而且，在本实施方式中，由于在出现于被接合金属构件I的表面A侧的接缝(边界线)的延长线上设定摩擦搅拌的结束位置Emi，因此能使第一正式接合工序中的摩擦搅拌的路径形成一直线。当摩擦搅拌的路径形成一直线时，能将正式接合用旋转工具G的移动距离抑制到最小限度，因此可有效地进行第一正式接合工序，此外可减少正式接合用旋转工具G的磨损量。
[0108]在正式接合用旋转工具G到达结束位置Emi之后，如图6 (C)所示，使正式接合用旋转工具G边旋转边上升而使搅拌销G2从结束位置Emi (参照图6(b))脱离。而且，当在结束位置Emi使搅拌销G2脱离至上方时，不可避免地形成与搅拌销G2大略相同形状的拔孔Ql，但在本实施方式中，原样保留。
[0109]如图6(b)及图6(c)所示，当高速旋转的正式接合用旋转工具G插入被接合金属构件I时，摩擦热传递至被接合金属构件I内(加热)。由于被接合金属构件I与工作台10做面接触，摩擦热的一部分如箭头N所示，从被接合金属构件I的背面B朝工作台10侧放出(散热)。
[0110]而且，在本实施方式中，如图6(b)及图6(c)所示，由于使正式接合用旋转工具G右旋转而进行第一正式接合工序，因此可能在行进方向左侧、即金属构件Ib上形成隧道状的空洞缺陷(以下被称为隧道状空洞缺陷)。在进行摩擦搅拌时，由于行进方向左侧是剪切侧(相对于被接合部的旋转工具的外周的相对速度是移动速度的大小加上旋转工具的外周的切线速度的大小的值的一侧)，金属被强力搅拌而高温软化，变成毛边等而容易地排出。因此，由于行进方向左侧的金属不足，可能形成隧道状空洞缺陷。此外，行进方向右侧、即金属构件Ia侧是流动侧(相对于被接合部的旋转工具的外周的相对速度是从旋转工具的外周的切线速度的大小减去移动速度的大小的值的一侧)，因此金属的搅拌比较弱，不易变成毛边等而排出，能形成比较致密的塑性化区域。
[0111]附带说明，当正式接合用旋转工具G左旋转时，由于行进方向右侧是剪切侧，可能在行进方向右侧形成隧道状空洞缺陷。另一方面，由于行进方向左侧是流动侧，形成有比较致密的塑性化区域。当该隧道状空洞缺陷等接合缺陷形成于被接合金属构件I时，变为被接合金属构件I的气密性及水密性降低的原因。
[0112]在第一正式接合工序结束之后，除去在第一预备工序及第一正式接合工序中摩擦搅拌所产生的毛边。而且，从固定夹具15解除被接合金属构件I。[0113]图7是表示第一实施方式的第一正式接合工序后的立体图。如图7所示，当进行上述第一预备工序及第一正式接合工序时，传递至被接合金属构件I的热被冷却而产生热收缩，被接合金属构件I的表面A侧会变形成凹状。
[0114](4)第二准备工序
[0115]第二准备工序是在第二预备工序之前进行的工序，在本实施方式中，将被接合金属构件I的表面、背面翻转，并利用固定夹具15(参照图3)将被接合金属构件I固定于工作台10。如图8所示，当被接合金属构件I固定于工作台10时，由于被接合金属构件I弯曲(变形)，因此被接合金属构件I的边缘部U、U与工作台10抵接，在工作台10与被接合金属构件I的表面A之间形成有间隙P。
[0116](5)第二预备工序
[0117]第二预备工序是在第二正式接合工序之前所进行的工序，在本实施方式中，其包括:使被接合金属构件I与第一突出材2的对接部J2接合的第一突出材接合工序；使被接合金属构件I的对接部Jl初步接合的第二初步接合工序；使被接合金属构件I与第二突出材3的对接部J3接合的第二突出材接合工序；以及在第二正式接合工序中的摩擦搅拌的开始位置形成导孔的导孔形成工序。第二预备工序除了被接合金属构件I的表面与背面之夕卜，与上述第一预备工序大略相同，因此省略其详细说明。
[0118]如图8所示,通过第二初步接合工序,使高速旋转的初步接合用旋转工具F插入被接合金属构件I时，摩擦热传递至被接合金属构件I内(加热)。摩擦热的一部分如箭头N所示，从被接合金属构件I的边缘部U、U放出至工作台10(散热)。在第二初步接合工序中，由于使用与第一初步接合工序相同的初步接合用旋转工具F，因此加热量与表面A侧相同，但与第一初步接合工序相比，放出热的路径变少，因此散热量变少。通过第二初步接合工序，在被接合金属构件I的背面B形成了背面侧塑性化区域W2。
[0119](6)第二正式接合工序
[0120]第二正式接合工序是从背面B侧正式地接合被接合金属构件I的对接部Jl的工序。在本实施方式的第二正式接合工序中，如图9(a)?图9(c)所示，使用正式接合用旋转工具H，从被接合金属构件I的背面B侧对对接部Jl进行摩擦搅拌。
[0121]如图9(a)所示，正式接合用旋转工具H由工具钢等比被接合金属构件I还硬质的金属材料构成，具有呈圆柱状的肩部Hl以及突出设置于该肩部Hl的下端面Hll的搅拌销(probe) H2。正式接合用旋转工具H具有与第一正式接合工序中所使用的正式接合用旋转工具G大略相同的形状，形成正式接合用旋转工具G的大致80%的大小。第二正式接合工序中所使用的正式接合用旋转工具H也可形成与正式接合用旋转工具G相同的大小，但最好设定成比正式接合用旋转工具G还小。考虑在第一正式接合工序中所使用的正式接合用旋转工具G的大小以及被接合金属构件I的弯曲的大小等而适当地设定正式接合用旋转工具H。
[0122]在第二正式接合工序中，将正式接合用旋转工具H的搅拌销H2插入(压入)设于第二突出材3的导孔P2 (开始位置Sm2)，使插入的搅拌销H2在中途不脱离而移动至设于第一突出材2的结束位置Εκ。即，在第二正式接合工序中，从导孔P2开始摩擦搅拌，并连续地进行摩擦搅拌直到结束位置EM2。
[0123]参照图9(a)?图9(c)来更详细地说明第二正式接合工序。[0124]首先，如图9 (a)所示，使正式接合用旋转工具H位于导孔P2的正上方，接着，使正式接合用旋转工具H边右旋转边下降，从而将搅拌销H2的前端插入导孔P2中。
[0125]在搅拌销H2整体进入第二突出材3且肩部Hl的下端面Hll的整个面接触于第二突出材3的表面之后，如图9(b)所示，使正式接合用旋转工具H朝向被接合金属构件I的对接部Jl的一端做相对移动。虽然搅拌销H2的插入深度并无特别限制，但最好如本实施方式所示，设定成搅拌销H2接触于表面侧塑性化区域Wl的程度。藉此，由于能对表面侧塑性化区域Wl的前端侧再次进行摩擦搅拌，因此在表面侧塑性化区域Wl的前端侧形成有接合缺陷的情况下，可修补该缺陷。此外，能横越对接部Jl的深度方向整体进行摩擦搅拌，可提高接合部分的水密性及气密性。当正式接合用旋转工具H移动时，搅拌销H2周围的金属依次塑性化流动，且在远离搅拌销H2的位置，塑性化流动的金属再次硬化而形成塑性化区域W3 (以下称为“背面侧塑性化区域W3”)。
[0126]此外，如图9所示，由于在第二正式接合工序中，使正式接合用旋转工具H右旋转，从被接合金属构件I的第一侧面C侧朝向第二侧面D侧进行摩擦搅拌，因此在行进方向的右侧、即在金属构件Ib侧形成有比较致密的塑性化区域。因此，能可靠地封闭在第一正式接合工序中所形成的表面侧塑性化区域Wl的隧道状空洞缺陷。
[0127]如图9 (C)所示，在正式接合用旋转工具H到达结束位置Em2之后，使正式接合用旋转工具H边旋转边上升而使搅拌销H2从结束位置Em2脱离(参照图9 (C))。与上述第一正式接合工序的情况相同，最好使正式接合用旋转工具H脱离时的旋转速度比移动时的旋转速度还高速。
[0128]而且，当第一正式接合工序中残留的拔孔Ql与第二正式接合工序中的正式接合用旋转工具H的移动路径重叠时，塑性化流动的金属可能会流入拔孔Q1，从而可能产生接合缺陷，最好在远离拔孔Ql的位置上设置第二正式接合工序的摩擦搅拌的结束位置Em2 (拔孔Q2)，避开拔孔Ql而设定第二正式接合工序的摩擦搅拌路径，使正式接合用旋转工具H的搅拌销H2沿着该路径移动。
[0129]如图9(b)及图9(c)所示，当高速旋转的正式接合用旋转工具H插入被接合金属构件I时，摩擦热传递至被接合金属构件I内(加热)。此外，摩擦热的一部分如箭头N所示从被接合金属构件I的边缘部U、U放出至工作台10 (散热)。
[0130]在第二正式接合工序中，由于形成有间隙P，因此与第一正式接合工序相比，散热路径变少。因此，与第一正式接合工序相比，第二正式接合工序的散热量较少，但由于使用比正式接合用旋转工具G还小型的正式接合用旋转工具H，因此与第一正式接合工序相比，加热量变少。
[0131]在第二正式接合工序结束之后，切除突出材。而且，最好在各工序结束之后，除去形成于被接合金属构件I的毛边。
[0132]根据以上说明的第一实施方式，如图10所示，在第二正式接合工序后，从固定夹具15(参照图3)解除被接合金属构件I并放置时，在被接合金属构件I的背面B侧也产生热收缩，因此在第一正式接合工序所形成的弯曲被矫正而使被接合金属构件I变得平坦。
[0133]如前所述，通过产生间隙P，使得在第二正式接合工序中散热量变少，但由于在第二正式接合工序中所使用的正式接合用旋转工具H被设定成比在第一正式接合工序中所使用的正式接合用旋转工具G还小而使加热量变少，藉此第一正式接合工序与第二正式接合工序中残留于被接合金属构件I的热量可达到平衡。
[0134]被接合金属构件I的表面A侧的残存热量表示成(第一预备工序中的加热量+第一正式接合工序中的加热量)一(第一预备工序中的散热量+第一正式接合工序中的散热量)。另一方面，背面B侧的残存热量表示成(第二预备工序中的加热量+第二正式接合工序中的加热量)一(第二预备工序中的散热量+第二正式接合工序中的散热量)。在本实施方式中，通过改变第一正式接合工序与第二正式接合工序中的旋转工具的大小，使第一正式接合工序与第二正式接合工序的残存热量达到平衡，从而可使被接合金属构件I变得平坦。
[0135]此外，进入被接合金属构件I的加热量可通过改变正式接合用旋转工具G、H的大小而改变，因此可容易地进行加热量的调节。此外，在第二正式接合工序中，使正式接合用旋转工具H的前端进入在第一正式接合工序中所形成的表面侧塑性化区域W1，从而可再次摩擦搅拌表面侧塑性化区域Wl。藉此，可修补可能产生于塑性化区域的接合缺陷。
[0136]此外，在本实施方式中，在正式接合工序之前进行初步接合工序，因此金属构件IaUb可彼此不分离而进行摩擦搅拌接合。
[0137]而且，在第一实施方式中，通过改变旋转工具的大小来调节被接合金属构件I的表面侧及背面侧的加热量，但并不限定于此。例如，当在被接合金属构件I的表面及背面使用相同的旋转工具时，使背面B侧的旋转工具的移动速度比表面A侧的旋转工具的移动速度还快，藉此能减少背面B侧的旋转工具的加热量。此外，对于旋转工具移动的轨迹长度(摩擦搅拌的轨迹长度的和)，使被接合金属构件I的背面B侧的轨迹长度比表面A侧的轨迹长度短，藉此可减少背面B侧的加热量。对于在第二正式接合工序中进行的摩擦搅拌，考虑第一正式接合工序的加热量、散热量及间隙P的大小甚至被接合金属构件I的厚度而设定即可。
[0138]此外，在进行了第一正式接合工序及第二正式接合工序之后，在被接合金属构件I残留有弯曲的情况下，可从被接合金属构件I的表面A或背面B进行矫正工序。在矫正工序中，使用矫正用旋转工具(未图示)，从被接合金属构件I的表面A或背面B中形成凸状的面侧进行摩擦搅拌。矫正用旋转工具形成与正式接合用旋转工具G相同的形状，使用比正式接合用旋转工具G还小的矫正用旋转工具(未图示)。摩擦搅拌的移动轨迹并无特别限定，可对对接部进行，也可重点对弯曲大的部分进行。
[0139][第二实施方式]
[0140]接着，对本发明的第二实施方式进行说明。第二实施方式包括(I)第一准备工序、
(2)第一预备工序、(3)第一正式接合工序、(4)第二准备工序、(5)第二预备工序、(6)第二正式接合工序、(7)第二修补工序、(8)第一修补工序。从(I)第一准备工序至(6)第二正式接合工序与第一实施方式相同，因此省略详细的说明。
[0141](7)第二修补工序
[0142]在上述(6)第二正式接合工序结束之后，依此状态进行第二修补工序。第二修补工序是修补可能存在于被接合金属构件I的背面B的背面侧塑性化区域W3的接合缺陷的工序。
[0143]在本实施方式的第二修补工序中，如图11(a)及图11(b)所示，在背面侧塑性化区域W3中，至少对第一修补区域R1、第二修补区域R2以及第三修补区域R3进行摩擦搅拌。[0144]对第一修补区域Rl进行摩擦搅拌的目的在于，使在上述第二正式接合工序中可能沿着正式接合用旋转工具H的行进方向形成的隧道状缺陷断开。在使正式接合用旋转工具H右旋转时，在其行进方向的左侧可能产生隧道状缺陷，在使正式接合用旋转工具H左旋转时，在行进方向的右侧可能产生隧道状缺陷，因此在使正式接合用旋转工具H右旋转的本实施方式中，最好设定第一修补区域R1，使其至少包含俯视位于行进方向的左侧的表面侧塑性化区域Wl的上部。
[0145]对第二修补区域R2进行摩擦搅拌的目的在于，使在第二正式接合工序中，正式接合用旋转工具H穿过对接部J2时卷入背面侧塑性化区域W3的氧化膜断开。在本实施方式这样的将正式接合工序的摩擦搅拌的结束位置Em2设于第一突出材2，并使正式接合用旋转工具H右旋转的情况下，氧化膜卷入位于其行进方向右侧的背面侧塑性化区域W3的上部的可能性变高，在使正式接合用旋转工具H左旋转的情况下，氧化膜卷入位于行进方向左侧的背面侧塑性化区域W3的上部的可能性变高，因此在使正式接合用旋转工具H右旋转的本实施方式中，最好设定第二修补区域R2，使其至少包含与第一突出材2邻接的背面侧塑性化区域W3中、俯视位于行进方向右侧的背面侧塑性化区域W3的上部。而且，从被接合金属构件I与第一突出材2的接缝至第二修补区域R2的被接合金属构件I侧的边缘的距离d5最好比正式接合用旋转工具H的搅拌销H2的最大外径还大。
[0146]对第三修补区域R3进行摩擦搅拌的目的在于，使正式接合用旋转工具H穿过对接部J3时卷入背面侧塑性化区域W3的氧化膜断开。在本实施方式这样的将正式接合工序中的摩擦搅拌的开始位置Sm2设于第二突出材3的情况下，在使正式接合用旋转工具H右旋转时，氧化膜卷入位于行进方向左侧的背面侧塑性化区域W3的上部的可能性变高，在使正式接合用旋转工具H左旋转的情况下，氧化膜卷入位于行进方向右侧的背面侧塑性化区域W3的上部的可能性变高，因此，在使正式接合用旋转工具H右旋转的本实施方式中，最好设定第三修补区域R3，使其至少包含与第二突出材3邻接的背面侧塑性化区域W3中、俯视位于行进方向左侧的背面侧塑性化区域W3的上部。而且，从被接合金属构件I与第二突出材3的接缝至第三修补区域R3的被接合金属构件I侧的边缘的距离d4最好比正式接合用旋转工具H的搅拌销H2的最大外径还大。
[0147]在本实施方式的第二修补工序中，如图11(b)所示，使用比正式接合旋转工具H还小型的修补用旋转工具E进行摩擦搅拌。这样，可防止塑性化区域不必要地扩大。
[0148]与正式接合用旋转工具H相同，修补用旋转工具E由工具钢等比被接合金属构件I还硬质的金属材料构成，具有呈圆柱状的肩部E1、突出设置于该肩部El的下端面Ell的搅拌销(probe) E2。
[0149]搅拌销E2从肩部El的下端面垂下，在本实施方式中，形成前端细的圆锥台状。此夕卜，在搅拌销E2的周面形成有刻设成螺旋状的搅拌翼。而且，修补用旋转工具E形成得比正式接合用旋转工具H小，而比初步接合用旋转工具F大。
[0150]在第二修补工序中，可在每次对一修补区域的摩擦搅拌结束之后使修补用旋转工具E脱离，对每个修补区域使用方式不同的修补用旋转工具E，但在本实施方式中，如图12所示，使一个修补用旋转工具E形成连续的移动轨迹(bead)而移动，对第一修补区域R1、第二修补区域R2以及第三修补区域R3连续进行摩擦搅拌。即，在本实施方式的第二修补工序中，使插入摩擦搅拌的开始位置Sk的修补用旋转工具E的搅拌销E2(参照图11(b))在中途不脱离而移动至结束位置Εκ。而且，在本实施方式中，例示了将摩擦搅拌的开始位置Sk设于第一突出材2，将结束位置Ek设于第二突出材3，依照第二修补区域R2、第一修补区域Rl以及第三修补区域R3的顺序进行摩擦搅拌的情况，但并不意味着限定了开始位置Sk与结束位置Ek的位置及摩擦搅拌的顺序。
[0151]参照图12对第二修补工序中的摩擦搅拌的顺序做更详细的说明。
[0152]首先，将修补用旋转工具E的搅拌销E2插入(压入)设于第一突出材2的适当位置的开始位置Sk而开始摩擦搅拌，从而对第二修补区域R2进行摩擦搅拌。
[0153]此外，修补用旋转工具E的移动速度(进给速度)是根据搅拌销E2的尺寸、形状、被摩擦搅拌的被接合金属构件I等的材质及厚度等而设定的，但在大多情况下，设定在100?1000 (mm/分)的范围内。修补用旋转工具E移动时的旋转速度与插入时的旋转速度相同或比其还低速。
[0154]当对第二修补区域R2进行摩擦搅拌时，即使位于被接合金属构件I与第一突出材2之间的氧化膜被卷入背面侧塑性化区域W3，该氧化膜也会被断开，因此在与第一突出材2邻接的背面侧塑性化区域W3中也难以产生接合缺陷。而且，在与能用修补用旋转工具E进行摩擦搅拌的区域相比，第二修补区域R2较大的情况下，可使摩擦搅拌的路径错开并使修补用旋转工具E多次做U形回转。
[0155]在对第二修补区域R2进行的摩擦搅拌结束之后，使修补用旋转工具E不脱离而依此状态移动至第一修补区域R1，并沿着上述第二正式接合工序中的摩擦搅拌的路径连续地进行摩擦搅拌。这样，即便在沿着第二正式接合工序的摩擦搅拌路径连续地形成有隧道状缺陷的情况下，也能可靠地断开该隧道状缺陷，因此难以产生接合缺陷。
[0156]在对第一修补区域Rl进行的摩擦搅拌结束之后，使修补用旋转工具E不脱离而依此状态移动至第三修补区域R3，对第三修补区域R3进行摩擦搅拌。这样，即使在被接合金属构件I与第二突出材3之间的氧化膜卷入背面侧塑性化区域W3的情况下，也可断开该氧化膜，因此在与第二突出材3邻接的背面侧塑性化区域W3中也难以产生接合缺陷。而且，在与能用修补用旋转工具E进行摩擦搅拌的区域相比，第三修补区域R3较大的情况下，也可使摩擦搅拌的路径错开并使修补用旋转工具E多次做U形回转。
[0157]在对第三修补区域R3进行的摩擦搅拌结束之后，使修补用旋转工具E移动至结束位置Εκ，并使修补用旋转工具E边旋转边上升，从而使搅拌销E2脱离结束位置Εκ。通过第二修补工序，在被接合金属构件I的背面B形成有背面侧塑性化区域W4。
[0158]在第二修补工序中，如图11(b)所示，由于工作台10与被接合金属构件I的表面A接触，因此通过修补用旋转工具E而加热的热量的一部分从表面A放出至工作台10 (散热)。
[0159]如图13所示，在第二修补工序结束之后，当被接合金属构件I从固定夹具15 (参照图12)解除时，因热收缩而使被接合金属构件I的背面B侧变形成凹状。
[0160](8)第一修补工序
[0161]在第二修补工序结束之后，使被接合金属构件I的表面及背面翻转，对表面A进行第一修补工序。如图14所不,第一修补工序是对可能存在于被接合金属构件I的表面A的表面侧塑性化区域Wl的接合缺陷进行修补的工序。
[0162]在第一修补工序中，如图14所示，至少对表面侧塑性化区域Wl中的第一修补区域R1、第二修补区域R2及第三修补区域R3进行摩擦搅拌。第一修补区域R1、第二修补区域R2及第三修补区域R3的设定原理与第二修补工序中的设定原理相同，因此省略详细的说明。
[0163]在第一修补工序中，如图14及图15所示，使用修补用旋转工具E’，其比在第二修补工序中所使用的修补用旋转工具E还小，且比初步接合用旋转工具F还大。修补用旋转工具E’由工具钢等比被接合金属构件1还硬质的金属材料构成，具有呈圆柱状的肩部Ε1'以及突出设置于该肩部Ε1'的下端面Ε11'的搅拌销(probe)E2’。
[0164]在第一修补工序中，如图14及图15所示，将修补用旋转工具E’的搅拌销E2’插入(压入)设于第一突出材2的适当位置的开始位置Sk而开始摩擦搅拌，对第二修补区域R2进行摩擦搅拌。在第一修补工序中，与第二修补工序相同，对第一修补区域Rl及第三修补区域R3连续进行摩擦搅拌。
[0165]在第一修补工序中，如图15所示，当高速旋转的修补用旋转工具E’插入被接合金属构件1时，摩擦热被传递至被接合金属构件1内(加热)。此外，摩擦热的一部分如箭头N所示，从被接合金属构件1的边缘部U、U放出至工作台10 (散热)。
[0166]在第一修补工序中，由于形成有间隙P，因此与第二修补工序相比，放出热的路径变少。因此，与第二修补工序相比，第一修补工序的散热量较少，但由于使用比修补用旋转工具E还小的修补用旋转工具E’，因此与第二修补工序相比，加热量较少。
[0167]在第一修补工序结束之后，切除突出材。而且，最好在各工序结束之后，除去形成于被接合金属构件1的毛边。
[0168]根据以上说明的第二实施方式，在第一修补工序之后，将被接合金属构件1从固定夹具15 (参照图14)解除并放置时，因热收缩而在第二修补工序中所形成的弯曲被矫正，使得被接合金属构件1变得平坦。
[0169]如前所述，由于产生间隙P，因此散热量变少，但由于在第一修补工序中使用的修补用旋转工具E’被设定成比在第二修补工序中使用的修补用旋转工具E还小，使得加热量变少，因此在第二修补工序与第一修补工序中残留于被接合金属构件1的热量可达到平衡。藉此，可修补表面侧塑性化区域Wl及背面侧塑性化区域W3的接合缺陷，同时可矫正在修补工序中可能产生的弯曲。
[0170]而且，修补工序的旋转工具的轨迹并未限定于上述方式。例如，虽然未具体地图示，可以使旋转工具穿过对接部JI锯齿状地移动而进行修补。
[0171][变形例]
[0172]在变形例中，在进行第一正式接合工序及第二正式接合工序时，旋转工具可使用图16所示的正式接合用旋转工具K。而且，变形例除了使用正式接合用旋转工具K以外，与第一实施方式相同，因此对于重复部分省略其说明。
[0173]对在变形例中使用的正式接合用旋转工具K的结构做说明。图16是表示旋转工具的变形例的图，图16(a)是侧剖视图，图16(b)是仰视图。
[0174]如图16(a)所示，正式接合用旋转工具K由工具钢等比被接合金属构件1还硬质的金属材料构成，具有呈圆柱状的肩部K1、突出设置于该肩部Kl的下端面Kll的搅拌销(probe)Κ2、突出设 置于下端面Kll的搅拌用突条K3以及刻设于搅拌销K2的周面的搅拌翼K4。
[0175]搅拌销K2从肩部Kl的下端面Kll的中央垂下，在本实施方式中，形成前端细的圆锥台状。此外，在搅拌销K2的周面，为了提高搅拌效果，形成有刻设成螺旋状的搅拌翼K4。搅拌销K2的长度L1可对应于搅拌销K2的最大外径Y2、最小外径Y3以及肩部Kl的外径Y1而适当地设定。
[0176]在形成平坦状的肩部Kl的下端面Kll上突出设置有搅拌用突条体K3。如图16(b)所示，搅拌用突条体K3围绕搅拌销K2的周围而在下端面Kll上形成涡旋状。通过设置搅拌用突条体K3，塑性化流动的金属在搅拌销K2侧流动，可提高摩擦搅拌的效率。而且，搅拌用突条体K3的长度及卷绕数等可适当地设定。
[0177]变形例中的正式接合用旋转工具K在下端面Kll突出设置有搅拌用突条体K3，因此塑性化流动的金属聚集在搅拌销K2的中央部分而进行摩擦搅拌。藉此，提高摩擦搅拌的效率，并可抑制接合缺陷的产生。此外，正式接合用旋转工具K形成搅拌销K2的底端部分粗而前端侧细，因此可防止搅拌销K2折弯，且能减小搅拌销K2压入金属构件时的压入阻力。此外，由于在搅拌销K2的外周面刻设有搅拌翼K4，因此可更有效地进行摩擦搅拌。
[0178]实施例
[0179][实施例1]
[0180]接着，对本发明的实施例进行说明。如图17(a)及图17(b)所示，在本发明的实施例中，对俯视呈正方形的金属构件200的表面Za及背面Zb以分别绘出三个圆的方式进行摩擦搅拌，测定在表面Za侧产生的弯曲的变形量与在背面Zb侧产生的弯曲的变形量。在表面Za侧产生的变形量的值与在背面Zb侧产生的变形量的值愈接近，则表示金属构件200的平坦性愈高。
[0181]金属构件200是俯视形成500mmX 500mm的长方体,使用厚度为30mm、60mm两种构件分别进行测定。金属构件200的材料是JIS标准的5052铝合金。
[0182]摩擦搅拌的轨迹即三个圆以设定于金属构件200中心的地点j或地点j’为中心，在表面Za及背面Zb均设定成半径rl=100mm(以下称为小圆)、r2 = 150mm(以下称为中圆)、r3 = 200mm(以下称为大圆)。摩擦搅拌的顺序依照小圆、中圆、大圆进行。
[0183]在表面Za侧及背面Zb侧均使用相同大小的旋转工具。旋转工具的尺寸为:肩部的外径为20mm、搅拌销的长度为10mm、搅拌销的根部大小(最大直径)为9mm、搅拌销前端的大小(最小直径)为6mm。旋转工具的转速设定为600rpm,进给速度设定为300mm/min。此外，在表面Za侧及背面Zb侧，旋转工具的压入量设定成一定。如图17所示，在表面Za侧形成的塑性化区域从小圆朝向大圆分别是塑性化区域W21至塑性化区域W23。此外，在背面Zb侧形成的塑性化区域从小圆朝向大圆分别是塑性化区域W31至塑性化区域W33。该实施例中的各测定结果如表I?表4所示。
[0184]表I中，金属构件200的板厚为30mm，表示从表面Za侧进行摩擦搅拌时的测定值。“FSW前”表示在进行摩擦搅拌之前，中心地点j (基准j)与各地点(地点a?地点h)的高低差。“FSW后”表示以基准j作为0，在进行三个圆的摩擦搅拌之后，基准j与各地点的高低差。“表面侧变形量”表示各地点的(FSW后一 FSW前)的值。“表面侧变形量”的最下栏表示地点a?地点h的平均值。“FSW前”及“FSW后”的负值表示位于基准j的下方。
[0185][表 I]
[0186]板厚30mm 表面 (mm)
[0187]
【权利要求】
1.一种接合方法，其特征在于，包括: 第一正式接合工序，在该工序中，使正式接合用旋转工具沿着金属构件彼此的对接部移动，从所述金属构件的表面侧进行摩擦搅拌接合；以及 第二正式接合工序，该工序在所述第一正式接合工序之后，使正式接合用旋转工具沿着所述对接部移动，从所述金属构件的背面侧进行摩擦搅拌接合， 在所述第二正式接合工序之后还包括矫正工序，在该矫正工序中，从所述金属构件的表面侧或背面侧进行摩擦搅拌。
2.如权利要求1所述的接合方法，其特征在于， 在所述第二正式接合工序中使用的正式接合用旋转工具比在所述第一正式接合工序中使用的正式接合用旋转工具小。
3.如权利要求1所述的接合方法，其特征在于， 在所述第二正式接合工序中，以比所述第一正式接合工序中的所述正式接合用旋转工具的进给速度快的进给速度进行摩擦搅拌接合。
4.如权利要求1所述的接合方法，其特征在于， 所述正式接合用旋转工具包括: 肩部，该肩部由比所 述金属构件硬的金属构成； 搅拌销，该搅拌销突设于所述肩部的下端面中央，形成前端细的圆锥台状；以及 搅拌翼，该搅拌翼螺旋状刻设于所述搅拌销的外周面。
5.如权利要求1所述的接合方法，其特征在于， 在所述第二正式接合工序中，所述正式接合用旋转工具的搅拌销进入在所述第一正式接合工序中形成的塑性化区域，并进行摩擦搅拌接合。
6.如权利要求1所述的接合方法，其特征在于， 在利用固定夹具将所述金属构件固定于工作台的状态下，进行所述第一正式接合工序及所述第二正式接合工序。
7.如权利要求4所述的接合方法，其特征在于， 所述搅拌销的长度与所述搅拌销的最大外径的比设定为1.33~2.03。
8.如权利要求4所述的接合方法，其特征在于， 所述搅拌销的最大外径与所述搅拌销的最小外径的比设定为2.00~2.67。
9.如权利要求4所述的接合方法，其特征在于， 所述肩部的外径与所述搅拌销的最大外径的比设定为1.56~2.14。
10.如权利要求7至9中任一项所述的接合方法，其特征在于， 在所述肩部的下端面，以围绕所述搅拌销周围的方式，突出设置有俯视呈涡旋状的搅拌用突条体。
11.如权利要求1所述的接合方法，其特征在于， 在进行所述第一正式接合工序之前，进行初步接合工序，在该初步接合工序中，使用比在所述第一正式接合工序中使用的所述正式接合用旋转工具还小型的初步接合用旋转工具，从所述金属构件的表面侧对所述对接部进行摩擦搅拌接合。
12.如权利要求1所述的接合方法，其特征在于， 在进行所述第二正式接合工序之前，进行初步接合工序，在该初步接合工序中，使用比在所述第二正式接合工序中使用的所述正式接合用旋转工具还小型的初步接合用旋转工具，从所述金属构件的背面侧对所述对接部进行摩擦搅拌接合。
13.如权利要求1所述的接合方法，其特征在于， 在所述第一正式接合工序中，在配置于所述金属构件彼此的对接部的侧方的突出材上设置摩擦搅拌的开始位置或结束位置， 在所述第一正式接合工序之后进行修补工序，在该修补工序中，使用比所述正式接合用旋转工具还小型的修补用旋转工具，至少对在所述第一正式接合工序中形成的塑性化区域中与所述突出材邻接的部分进行摩擦搅拌。
14.如权利要求1所述的接合方法，其特征在于， 在所述第二正式接合工序中，在配置于所述金属构件彼此的对接部的侧方的突出材上设置摩擦搅拌的开始位置或结束位置， 在所述第二正式接合工序之后进行修补工序，在该修补工序中，使用比所述正式接合用旋转工具还小型的修补用旋转工具，至少对在所述第二正式接合工序中形成的塑性化区域中与所述突出材邻接的部分`进行摩擦搅拌。
【文档编号】B23K20/12GK103817428SQ201410050339
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2010年4月15日 优先权日:2009年6月1日
【发明者】堀久司, 濑尾伸城, 佐藤勇人, 河本知广 申请人:日本轻金属株式会社