JP2015139789A - 異質部材の摩擦攪拌接合方法及び接合継手 - Google Patents

Abstract

【課題】特性（塑性流動性）が異なる二つの部材、例えば、鋼板とアルミニウム合金板を、摩擦攪拌接合で、強固に接合する摩擦攪拌接合方法を提供する。【解決手段】金属部材と、金属部材の融点より低い融点を有する接合部材を摩擦攪拌接合で接合する方法において、（ｉ）接合面の穴径が反対側の穴径よりも小さい形状の孔を備える金属部材に、接合部材を重ね、（ii）上記孔の上部の接合部材に、接合工具を回転しつつ押し当て、接合部材を上記孔に圧入して接合継手を形成することを特徴とする異質部材の摩擦攪拌接合方法。【選択図】図２

Description

本発明は、機械的特性が異なる二つの部材、例えば、鋼板とアルミニウム合金板を摩擦攪拌接合で接合する方法と、該方法で形成する接合継手に関するものである。

摩擦攪拌接合は、接合工具と呼ばれる工具を回転させながら被接合材料に押し当てて摩擦熱により、材料を溶融させることなく塑性流動させて接合する技術である。摩擦攪拌接合は、溶接と比較して、接合後の歪と残留応力が小さく、スパッタ等による汚れがなく、溶接割れを起こし易い材料や異種材料間であっても適用できることなどから、種々の材料間の接合に適用されている。

しかし、例えば、亜鉛めっき鋼板に代表される鉄鋼材料とアルミニウム合金材料などの異種材料間に適用しようとすると、下記のような不具合がある。

（１）亜鉛めっき鋼板とアルミニウム合金材料などの異種材料を摩擦攪拌接合で接合する場合には、接合部の剥離の原因となるめっき層を除去するため、接合工具の直下に材料に強いせん断力を加えると同時に、めっき層の亜鉛をアルミ合金材内に固溶させ、アルミ合金材と鋼板との界面に新生鉄面を露出させる必要があり、接合工具を、めっき鋼板の表面から０．１ｍｍ程度にまで近づける必要がある。

（２）接合工具を０．１ｍｍ程度まで近づけると、接合工具直下の材料が薄くなり、その部分が破断箇所となって、剥離方向の接合強度が極端に弱い継手部となる。

（３）接合強度の向上には、接合工具の直径、特に、接合工具先端の直径を大きくして、接合面積を増大することで対処するが、材料や接合部の大きさに制限があるので、使用できる工具の直径の拡大には限界がある。

（４）接合工具先端と鋼板との距離を０．１ｍｍ程度に接近させるには、高精度の位置制御が必要であるが、通常の位置制御では、制御精度が十分でなく、接合継手強度のばらつきが大きくなってしまう。そのため、継手部強度の見積もりを安全側に十分な余裕を持たせて設計する必要がある。

なお、鉄鋼材料とアルミニウム合金材料という異種材料間の接合においては、両材料間で形成される金属間化合物層の厚さが１〜２μｍ程度のときに、最も高い強度が得られるとされている。

しかし、摩擦攪拌接合の代替手段として、異種材料間の接合に適用されることがあるアーク溶接やレーザ溶接では、必要最低限度の入熱を確保する必要があることから、界面に広範囲に分布する金属間化合物層の厚さを上記１〜２μｍ程度の薄さに維持して溶接を行うことは困難である。

特許文献１には、摩擦攪拌成型方法に関する技術が記載されており、その一例として、特許文献１の図８及び図１２には、溝７ａを設けた第２のワーク７に圧入する第１のワーク６を重ね、ＦＳＦ、即ち、摩擦攪拌成型する技術が開示されている。

この技術は、第２のワーク表面に幅方向の溝を両端が端部に開口するように形成し、ワーク接触面にプローブを具備する摩擦攪拌工具を、溝と直交する方向に移動して、ワーク同士をクラッドしているが、プローブや、溝の形状について、詳細は不明であって、大面積の材料同士の接合方法が不明である等、適用範囲に限界がある。

また、特許文献２には、点接合に使用する摩擦攪拌接合工具として、円柱状の本体軸部の端部に形成されるショルダー面とこのショルダー面に突設され、ショルダー面よりも小径のピン部とを供えた工具が開示されている。この工具も、小径突出状のピン部が被接合材に圧入されて、ピン部端面に相当する円盤状の薄肉部を形成する点で、剥離方向の接合強度が極端に弱い継手を形成する恐れがある。

特開２００２−２５６４５３号公報 特開２０１０−２３０６８号公報

本発明は、特性（融点）が異なる二つの部材、例えば、鋼板とアルミニウム合金板を摩擦攪拌接合で、強固に接合することを課題とし、該課題を解決する摩擦攪拌接合方法と、該方法で形成した高強度の接合継手を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記課題を解決する手法について鋭意研究した。その結果、一方の金属部材に、接合面の穴径が反対側の穴径よりも小さい形状の孔を形成し、その孔の内部に、接合しようとする他方の部材を圧入して充填すれば、二つの部材を強固に接合できることを見いだした。
本発明は、上記知見に基づいてなされたもので、その要旨は以下の通りである。

（１）金属部材と、該金属部材の融点より低い融点を有する接合部材を摩擦攪拌接合で接合する方法において、
（ｉ）接合面の穴径が反対側の穴径よりも小さい形状の孔を備える金属部材に、接合部材を重ね、
（ii）上記孔の上部の接合部材に、接合工具を回転しつつ押し当て、該接合部材を上記孔に圧入して接合継手を形成する
ことを特徴とする異質部材の摩擦攪拌接合方法。

（２）前記接合面の穴径が反対側の穴径よりも小さい形状の孔は、孔径が、接合面と反対側に向かい、連続的に増大する孔であることを特徴とする前記（１）に記載の異質部材の摩擦攪拌接合方法。

（３）前記接合面の穴径が反対側の穴径よりも小さい形状の孔は、接合面での孔径が、接合面と反対側での孔径より小さく、途中に段差を有する孔であることを特徴とする前記（１）に記載の異質部材の摩擦攪拌接合方法。

（４）前記接合面の穴径が反対側の穴径よりも小さい形状の孔は、内面に螺旋溝を備える孔であることを特徴とする前記（１）〜（３）のいずれかに記載の異質部材の摩擦攪拌接合方法。

（５）前記螺旋溝が、右回りの螺旋溝及び／又は左回りの螺旋溝であることを特徴とする前記（４）に記載の異質部材の摩擦攪拌接合方法。

（６）前記金属部材が、鉄又はチタンの板材であり、前記接合部材が、アルミニウム、アルミニウム合金、マグネシウム、マグネシウム合金、又は、樹脂の板材であることを特徴とする前記（１）〜（５）のいずれかに記載の異質部材の摩擦攪拌接合方法。

（７）前記金属部材がめっき鋼板であり、前記接合部材が、アルミニウム、マグネシウム、アルミニウム合金、又は、マグネシウム合金の板材であることを特徴とする前記（１）〜（５）のいずれかに記載の異質部材の摩擦攪拌接合方法。

（８）前記（１）〜（７）のいずれかに記載の異質部材の摩擦攪拌接合方法で形成したことを特徴とする異質部材の接合継手。

本発明によれば、特性（融点）が異なる二つの部材、例えば、めっき鋼板などの鉄系部材やチタン（合金）部材と、アルミニウム、マグネシウム又はそれらの合金、又は、樹脂等からなる部材を、摩擦攪拌接合で強固に接合することができる。

接合面の穴径が反対側の穴径よりも小さい形状の孔を備える金属部材と、金属部材の塑性流動性より高い塑性流動性を有する接合部材との接合態様を示す図である。（ａ）は、孔径が、接合面と反対側に向かい連続的に増大する孔の場合の接合態様を示し、（ｂ）は、接合面での孔径が、接合面と反対側での孔径より小さく、途中に段差を有する孔の場合の接合態様を示す。 図１（ｂ）に示す接合態様における摩擦攪拌接合の態様を示す図である。 一対の螺旋溝を備える孔の態様を示す図である。

本発明の異質部材の摩擦攪拌接合方法（以下「本発明方法」ということがある。）は、金属部材と、該金属部材の融点より低い融点を有する接合部材を、接合部材の高い塑性流動性を利用して、摩擦攪拌接合で、強固に接合することを基本思想とするものである。

そして、本発明方法は、具体的には、
（ｉ）接合面の穴径が反対側の穴径よりも小さい形状の孔を備える金属部材に、接合部材を重ね、
（ii）上記孔の上部の接合部材に、接合工具を回転しつつ押し当て、該接合部材を上記孔に圧入して接合継手を形成する
ことを特徴とする。

以下、本発明方法について、図面に基づいて説明する。

図１に、接合面の穴径が反対側の穴径よりも小さい形状の孔を備える金属部材１と、該金属部材の融点より低い融点を有する接合部材２との接合態様を示す。図１（ａ）に、孔径が、接合面と反対側に向かい連続的に増大する孔（図中、３）の場合の接合態様を示し、図１（ｂ）に、接合面での孔径が、接合面と反対側での孔径より小さく、途中に段差を有する孔（図中、４）の場合の接合態様を示す。

本発明では、接合強度を確保するため、上記孔の接合面側の直径（孔径）は、接合工具の直径（外径）よりも小さい必要がある。

図２に、図１（ｂ）に示す接合態様における摩擦攪拌接合の態様を示す。図２に示すように、孔４を備える金属部材１（例えば、鋼板）と、金属部材の塑性流動性より高い塑性流動性を有する接合部材２（例：アルミニウム合金板）を重ねて、加工台５の上に置く。超硬合金等の硬質材からなる接合工具６を、高速で回転させながら、孔４の上部の接合部材２に、所定の圧力で押し付ける。

接合工具の高速回転（通常の摩擦攪拌接合と同じ、例えば、５００〜３０００ｒｐｍ程度）により、接合工具６と接合部材２の接触面で摩擦熱が発生し、接合部材２が軟化するので、接合工具６が接合部材２に侵入する。通常、接合工具の高速回転による摩擦熱で、接合工具直下の接合部材２は、接合部材２の融点（℃）×０．７程度の温度になるとされる。

この時、接合部材２は、塑性流動する。本発明では、金属部材１は塑性流動せず、接合部材２のみが塑性流動する必要があるので、金属部材１の融点よりも接合部材２の融点が低い必要がある。金属部材１の融点よりも接合部材２の融点が５０℃以上低いことが好ましい。１００℃以上低いとさらに好ましい。

接合工具６が接合部材２に侵入すると、金属部材１の孔４の上部に位置し、軟化した接合部材２は、接合面８を越えて下方に押し出されて、孔４の内部に進出する。接合工具が、さらに、接合部材２の中に侵入していくと、軟化した接合部材２が、孔４の下部大径部に達し、最終的に孔４の全体を埋めることになる。

接合工具が上方へ上がると、孔４の内部に充填された接合部材２は、温度が下がり、孔４の内部で硬化するので、強固な接合継手が形成される。

図３に、一対の螺旋溝を備える孔の態様を示す。図３に示す孔７の内面には、二つの螺旋溝９が形成されている。二つの螺旋溝は、同じ方向の螺旋溝でもよいし、右回りと左回りの一対の螺旋溝でもよい。また、螺旋溝は１本でもよい。

接合部材と螺旋溝の係合により、孔の内部の接合部材が回転しても、孔から抜け出ないので、接合強度をより高めることができる。螺旋溝が二つあり、両者が右回りと左回りであると、左右どちらにも回転しにくいので、さらに接合強度を高めることができる。

本発明方法は、金属部材と、該金属部材の融点より低い融点を有する接合部材を摩擦攪拌接合で接合することを基本思想とし、金属部材と接合部材は、融点に差があればよく、特定の部材に限定されないが、金属部材として、鉄又はチタンの板材を用いる場合、接合部材としては、鉄又はチタンの融点より融点が低いアルミニウム、アルミニウム合金、マグネシウム、マグネシウム合金、又は、樹脂の板材が好ましい。

また、本発明方法おいて、金属部材として、めっき鋼板を用いる場合、接合部材としては、めっき鋼板の融点より融点が低いアルミニウム、マグネシウム、アルミニウム合金、又は、マグネシウム合金の板材が好ましい。

次に、本発明の実施例について説明するが、実施例での条件は、本発明の実施可能性及び効果を確認するために採用した一条件例であり、本発明は、この一条件例に限定されるものではない。本発明は、本発明の要旨を逸脱せず、本発明の目的を達成する限りにおいて、種々の条件を採用し得るものである。

（実施例１）
表１に示す金属部材と接合部材を、ＳＫＤ６１工具鋼製で、ピン部を持たず、ショルダー部の外径が１５ｍｍφの円柱状の接合工具を用い、回転数１０００ｒｐｍ、押圧力３００ｋｇｆで接合し、接合継手の強度を測定した。接合部材には、５０００系アルミニウム合金に５０８３−Ｏ材、６０００系アルミニウム合金に６０６１−Ｔ６材を用いた。

接合継手の強度は、ＪＩＳ Ｚ３１３６（１９９９年）に従い、ＴＳＳせん断力を測定した。また、ＪＩＳ Ｚ３１３７（１９９９年）に従い、ＣＴＳ十字引張力も測定した。結果を、表１に併せて示す。

実施例Ｎｏ．１〜Ｎｏ．８は発明例である。いずれの発明例も、ＣＴＳ、ＴＳＳの両方とも高く、優れた接合強度を示した。一方、実施例Ｎｏ．１１〜Ｎｏ．１５は比較例である。孔の無い従来の接合方法の場合、ＣＴＳ，ＴＳＳとも低い。孔があっても、穴径に変化のない（ずん胴の）円筒状の孔の場合は、ＴＳＳは高いがＣＴＳが低い結果であった。

前述したように、本発明によれば、特性（融点）が異なる二つの部材、例えば、めっき鋼板などの鉄系部材やチタン（合金）部材と、アルミニウム、マグネシウム又はそれらの合金、又は、樹脂等からなる部材を、摩擦攪拌接合で強固に接合することができる。

よって、本発明は、大面積の異質部材を積層したドア、自動車のルーフ、トランクリッド、エンジンフードなどの製造に好適であり、産業上の利用可能性が大きいものである。

１ 金属部材
２ 接合部材
３、４、７ 孔
５ 加工台
６ 接合工具
８ 接合面
９ 螺旋溝

Claims (8)

1. 金属部材と、該金属部材の融点より低い融点を有する接合部材を摩擦攪拌接合で接合する方法において、
   （ｉ）接合面の穴径が反対側の穴径よりも小さい形状の孔を備える金属部材に、接合部材を重ね、
   （ii）上記孔の上部の接合部材に、接合工具を回転しつつ押し当て、該接合部材を上記孔に圧入して接合継手を形成する
   ことを特徴とする異質部材の摩擦攪拌接合方法。
2. 前記接合面の穴径が反対側の穴径よりも小さい形状の孔は、孔径が、接合面と反対側に向かい、連続的に増大する孔であることを特徴とする請求項１に記載の異質部材の摩擦攪拌接合方法。
3. 前記接合面の穴径が反対側の穴径よりも小さい形状の孔は、接合面での孔径が、接合面と反対側での孔径より小さく、途中に段差を有する孔であることを特徴とする請求項１に記載の異質部材の摩擦攪拌接合方法。
4. 前記接合面の穴径が反対側の穴径よりも小さい形状の孔は、内面に螺旋溝を備える孔であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の異質部材の摩擦攪拌接合方法。
5. 前記螺旋溝が、右回りの螺旋溝及び／又は左回りの螺旋溝であることを特徴とする請求項４に記載の異質部材の摩擦攪拌接合方法。
6. 前記金属部材が、鉄又はチタンの板材であり、前記接合部材が、アルミニウム、アルミニウム合金、マグネシウム、マグネシウム合金、又は、樹脂の板材であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の異質部材の摩擦攪拌接合方法。
7. 前記金属部材がめっき鋼板であり、前記接合部材が、アルミニウム、マグネシウム、アルミニウム合金、又は、マグネシウム合金の板材であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の異質部材の摩擦攪拌接合方法。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の異質部材の摩擦攪拌接合方法で形成したことを特徴とする異質部材の接合継手。

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