JP2003305586A - 異種金属材料からなる接合継手およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 異種金属材料からなり、高い接合強度と端部
の耐食性を有する重ね継手およびその製造方法を提供す
る。 【解決手段】 母材４と、母材とは異なる合わせ材３を
重ね合わせた異種金属材料からなる重ね接合継手におい
て、接合部が、摩擦攪拌接合法による部分６と、その周
辺のろう付け法による部分８とからなることを特徴とす
る、異種金属材料からなる接合継手。特に、ろう付け部
が合わせ材端部にまで及ぶとその効果がさらに顕著であ
り、また、鉄鋼材料にチタンを合わせた継手で有効であ
る。また、母材と合わせ材の間の界面全部または一部に
ろう材を挿入し、摩擦攪拌接合を行うと同時に、その際
発生する熱によりろう付けを行うことにより製造するこ
とができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、異種金属材料から
なる接合継手およびその製造方法に関するものである。
さらに詳しくは、摩擦攪拌接合により接合した異種金属
接合継手およびその製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】炭素鋼、合金鋼、ステンレス鋼、耐熱鋼
などの各種鉄鋼材料、Ｎｉ、Ｎｉ合金、Ｃｏ、Ｃｏ合
金、Ａｌ、Ａｌ合金、Ｔｉ、Ｔｉ合金、Ｃｕ、Ｃｕ合
金、Ｍｇ、Ｍｇ合金など、今までに様々な金属材料が構
造材料として開発され、様々な構造物や機械備品などに
適用されてきた。特に近年では、これら諸金属材料が有
する個々の機能を十分に活用すべく、これら多種金属材
料を複雑に組み合わせた構造物や機械部品などが多数開
発されている。

【０００３】このような異種金属材料を組み合わせた製
品では異種金属材料を適宜接合する必要があるが、工業
的に広く使用されているアーク溶接法などの溶融溶接法
では、異種材料を構成する主要元素からなる脆弱な金属
間化合物が接合界面に連続的に生じる場合が多く、また
一般に粗大な凝固組織を呈するため、接合強度が弱くな
るという問題点があった。

【０００４】そこで、異種金属材料を接合するために、
摩擦接合や拡散接合など、溶融相を形成しない固相接合
法が開発されてきたが、前者は小型部品にしか適用でき
ないこと、また後者は長時間の熱処理を要するなどの課
題もあり、一部の用途には適用されているものの、工業
的に広く用いられるまでには至っていない。

【０００５】ところで近年、摩擦攪拌接合法と呼ばれる
新たな接合方法が開発され、同種あるいは類似金属材料
の接合を中心に広く使用され始めている。この摩擦攪拌
接合は固相接合法であるが、従来の固相接合法と比べて
著しく効率的で、溶融溶接法と同等もしくはそれ以上の
接合効率を有しており、しかも接合欠陥が少なく、また
接合部の金属組織が再結晶により微細化し、機械的性質
の向上も期待できるなどの利点を有しており、さらに大
型部品・構造物への適用も可能であり、特にＡｌやその
合金同士の接合に適用され、鉄道用車両外板などの製造
に用いられるようになった。さらに最近では鉄鋼材料や
チタン材料などでもその適用が進められている。

【０００６】この方法は基本的に固相接合であることか
ら、異種金属間の接合にも適用できることが考えられ
る。すなわち、図１（ａ），（ｂ），（ｃ）に示すよう
な、ディスク２とピン１からなる円柱状回転子を接合工
具として使用し、この接合工具を、母材４上に置かれた
被接合体（合わせ材）３に挿入し、これをディスク２で
押さえながら回転させ、摩擦熱を発生させ材料を軟化さ
せると共に、ピン１周辺の金属材料を、接合界面を若干
越えて攪拌して両側の金属を接合６させる。そして、こ
の接合工具を矢印７方向に移動させることにより、その
通過部の母材３と合わせ材４が接合されるというもので
ある。

【０００７】しかし、このような方法で接合した異種金
属からなる接合継手は、接合部の面積が必ずしも大きく
なく、十分な接合強度を得るためには、接合部に近接す
る未接合部を順次複数回の接合施工を行い、接合面積を
増大させるなどの方策を施す必要があった。また、接合
部と合わせ材端部の間は、隙間状態となっており、これ
が切り欠きとして作用し接合強度を十分に高めることが
できなかったり、また水滴などが浸入すると乾燥し難い
ため、材料によっては腐蝕が進行する恐れもあった。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、このような
状況に鑑み、母材と合わせ材の接合部を１パスないし少
数パスの摩擦攪拌接合で作製可能にすると共に、十分な
接合強度を有する、異種金属材料からなる重ね接合継
手、およびその製造方法を提供するものであり、特に耐
食性が重視される金属材料については、異種金属間の隙
間の腐蝕の進行を抑制した、重ね接合継手およびその製
造方法を提供するものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、異種金属
材料の接合に摩擦撹拌接合を適用すべく鋭意検討を重ね
た結果、異種金属間に形成される隙間にろう材を用いる
ことに着目し、摩擦攪拌接合における発熱は、ろう材を
適宜選択すれば、当該異種金属材料をろう付けする際に
必要な加熱温度よりも高く、摩擦攪拌接合とろう付けを
同時に行うことが可能であることを見いだした。

【００１０】本発明はかかる知見を応用し、さらにその
接合状態を詳細に研究した結果に基づいて完成されたも
ので、その要旨とするところは以下の通りである。 （１）母材と、母材とは異種の金属材料からなる合わせ
材とを重ね合わせてなる重ね接合継手において、接合部
が、摩擦攪拌接合法による部分と、その周辺のろう付け
法による部分とからなることを特徴とする、異種金属材
料からなる接合継手。 （２）ろう付け部が、摩擦攪拌接合部端部から合わせ材
端部までであることを特徴とする、前記（１）に記載の
異種金属材料からなる接合継手。 （３）母材が鉄鋼材料、合わせ材がチタンからなること
を特徴とする、前記（１）または（２）に記載の異種金
属材料からなる接合継手。 （４）前記（１）〜（３）のいずれか１項に記載の接合
継手を製造する方法であって、重ね合わせた母材と合わ
せ材の間の界面全部または一部に、ろう材を挿入し、摩
擦攪拌接合を行うと同時に、その再発生する熱によりろ
う付けを行うことを特徴とする、異種金属材料からなる
接合継手の製造方法。

【００１１】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態について、以
下に詳細に説明する。まず、本発明（１）では、母材
と、母材とは異種の金属材料からなる合わせ材とを重ね
合わせた、異種金属材料からなる重ね接合継手におい
て、接合部が、摩擦攪拌接合法による部分と、ろう付け
法による部分からなることとした。このような接合継手
では、ろう付け部が継手の接合強度を補うため、接合面
積が狭い摩擦攪拌接合部のみからなる継手に比べ、接合
強度が高くなる。

【００１２】また、摩擦攪拌接合のみによる接合では、
図２（ｂ）に示すように、接合部端部は鋭角で切り欠き
状になっているが、本発明では図３（ｂ）に示すよう
に、摩擦攪拌接合部端部に隣接する部分では、一旦溶融
したろう材８が、その端部が円弧状になるように凝固す
るため、切り欠き状の隙間は解消され、接合部の亀裂発
生が抑制され、ろう付けによる接合面積の増加分以上に
接合強度が向上する。ここで、ろう付け部は摩擦攪拌接
合部の両側でもよいし、一方のみでもよい。両側がろう
付けされている方が接合強度は高くなることが予想され
るが、一方の側のみでも、本発明の効果は達成される。

【００１３】本発明（１）において、図３（ｃ）に示す
ように、特にろう付け部が重ね材の端部にまで及ぶ場合
が本発明（２）であり、この場合、本発明（１）の効
果、すなわち接合面積の増大および切り欠き状の隙間発
生の防止の二つの効果が達成されているため、接合強度
の高い異種金属接合継手が得られることはもちろんであ
るが、さらにこの継手では、異種金属間の隙間が完全に
埋められているため、この部分への応力集中も緩和さ
れ、継手強度はさら向上する。また、この隙間への水分
などの浸入が抑制され、腐蝕による継手の劣化をも抑制
することができるという利点を有している。

【００１４】本発明（３）は、本発明（１）あるいは
（２）において、母材を鉄鋼材料、合わせ材をチタンで
あることとした。チタンは極めて高い耐食性を有する材
料であり、鉄鋼材料に接合することにより、鉄鋼材料を
腐蝕環境から長期に亘って守ることが期待できる。その
ため、安心して長期に亘って使用するには、より高い接
合強度を有することが好ましい。したがって本発明
（３）は、本発明の効果が特に発揮できる材料の組み合
わせである。特に本発明（２）を適用し、チタン（合わ
せ材）の端部にまでろう材を充填すると、隙間が完全に
埋められるため、水分などの浸入が抑制され、チタンに
よる高い防食効果が益々発揮できるようになる。

【００１５】以上説明したような、高い接合強度を有
し、また耐食性にも優れる異種金属の重ね接合継手は、
例えば本発明（４）に記載の方法により作製できる。す
なわち、重ね合わせた母材と合わせ材の間の界面全部ま
たは一部に、ろう材を挿入し、摩擦攪拌接合を行うと同
時に、その際発生する熱によりろう付けを行う。ここ
で、摩擦攪拌接合の工具（図１の１，２）は、基本的に
合わせ材に挿入され、摩擦熱を発生させており、この熱
により溶融するようなろう材を適宜選択すれば、本発明
の効果は十分に達成される。

【００１６】例えば、摩擦攪拌接合時の温度が６００℃
前後のＡｌ合金が合わせ材の場合、これより低融点のＡ
ｌ−１２質量％Ｓｉなどをろう材として使用すると、鋼
などと接合でき、本発明の効果が発揮できる。あるい
は、軟ろう（はんだ）として知られるＳｎ−Ｚｎ合金は
融点がさらに低く、Ａｌと異種金属の接合には便利であ
る。また、チタンを摩擦攪拌接合する際の温度は約９０
０℃であり、これより低融点の銀ろうや銅系のろう材を
使用すると、鋼などの母材に接合でき、本発明の効果が
得られる。また、Ｓｎなどの比較的低融点の純金属もろ
う材として適している。

【００１７】ここで、合わせ材端部にまでろう付けしよ
うとする場合、摩擦攪拌接合による熱が端部にまで到達
し、端部においてもろう材が溶融するように、合わせ材
端部からの工具の挿入位置を適宜調節することが必要で
ある。

【００１８】なお、本法を適用する場合、フラックスは
使用してもしなくてもよく、合わせ材や母材の濡れ性に
よって適宜判断すればよく、本発明はこれを規定するも
のではない。また、不活性ガスなどによるシールドも材
料の特性などの応じて適宜判断すれば良く、本発明はこ
れを規定するものではない。ただし、Ｔｉなど活性金属
を接合する場合やフラックスを使用しない場合は、シー
ルドする方が望ましい。

【００１９】

【実施例】本発明の効果を実施例に基づいてさらに詳し
く説明する。 （実験１）厚さ５ｍｍの母材（板）に、厚さ１．５ｍｍ
の合わせ材（板）を重ね、その間に、合わせ材端部から
測定して１５〜１８ｍｍの位置に、幅３ｍｍで厚さ０．
０５ｍｍのろう材を挿入し、合わせ材端部から２２ｍｍ
の位置に、合わせ材と母材の界面近傍の深さまで摩擦攪
拌接合工具を挿入し、摩擦攪拌接合を行った。試験番号
１〜５においてはフラックスを使用し、それ以外はフラ
ックスは用いなかった。また、一部の試料は比較のため
ろう材を挿入せず摩擦攪拌接合を行った。

【００２０】この試料から幅３０ｍｍの試験片を切り出
し、図４に示すように、母材をボルト１０で固定した上
で、非接合部側の合わせ材を上部にやや持ち上げながら
矢印９方向に引張り、接合部の剥離強度を測定し、これ
を接合強度と定義した。母材、合わせ材、ろう材の種類
ならびに測定した接合強度を表１に示す。

【００２１】表１において、試験番号２，３，５，７，
８，９，１０，１２は、本発明（１）ないし（３）の実
施例であり、本発明（４）に記載の方法により製造した
継手である。これらはいずれも同じ母材、合わせ材の組
み合わせで、全く同じ摩擦攪拌接合条件にて製造し、摩
擦攪拌接合部のみで接合が達成されている比較例に比
べ、接合強度が高くなっている。

【００２２】すなわち、試験番号２，３は試験番号１に
比べ、試験番号５は試験番号４に比べ、試験番号７〜１
０は試験番号６に比べ、試験番号１２は試験番号１１に
比べ、いずれも接合強度が高くなっており、本発明の効
果が十分に発揮されている。これは、摩擦攪拌接合部に
加えてろう付け部を有するため、接合面積が増加してお
り、かつ、ろう付けにより切り欠き状の隙間が円弧状に
鈍化され、接合部の亀裂発生が抑制されたためである。

【００２３】

【表１】

【００２４】（実験２）厚さ５ｍｍの母材（板）に、厚
さ１．５ｍｍの合わせ材（板）を重ね、その間に、合わ
せ材端部から測定して０〜５ｍｍの位置に、幅５ｍｍで
厚さ０．０７ｍｍのろう材を挿入し、合わせ材端部から
１０ｍｍの位置に、合わせ材と母材の界面近傍の深さま
で摩擦攪拌接合工具を挿入し、摩擦攪拌接合を行った。
試験番号１３〜１４においてはフラックスを使用し、そ
れ以外はフラックスは用いなかった。

【００２５】この試料から幅３０ｍｍの試験片を切り出
し、図４に示すように、母材を固定した上で、非接合部
側の合わせ材を上部にやや持ち上げながら矢印９方向に
引張り、接合部の剥離強度を測定し、これを接合強度と
定義した。母材、合わせ材、ろう材の種類ならびに測定
した接合強度を表２に示す。

【００２６】表２に示すように、全ての試験番号は、同
じ母材、合わせ材の組み合わせで全く同じ摩擦攪拌接合
条件にて製造し、摩擦攪拌接合部のみで接合が達成され
ている表１記載の比較例に比べ、接合強度が高くなって
いる。すなわち、試験番号１３は試験番号１に比べ、試
験番号１４は試験番号４に比べ、試験番号１５〜１７は
試験番号６に比べ、いずれも接合強度が高くなってお
り、本発明の効果が十分に発揮されている。これは、摩
擦攪拌接合部に加えてろう付け部を有するため、接合面
積が増加しており、かつ、ろう付けにより切り欠き状の
隙間が円弧状に鈍化され、接合部の亀裂発生が抑制され
たためである。

【００２７】また表２記載の実施例は、特にろう付け部
が摩擦攪拌接合部から合わせ材端部にまで至っており、
この部分への応力集中も緩和されているため、隙間を完
全にろう材で充填しなかった場合に比べても、継手強度
は向上している。すなわち、試験番号１３は試験番号２
に比べ、試験番号１４は試験番号５に比べ、試験番号１
５、１６は各々試験番号９、１０に比べ、いずれも接合
強度が向上している。

【００２８】

【表２】

【００２９】（実験３）実験１および実験２で作製した
試料番号１，１３，６，１０，１６，１７から切り出し
た試料の合わせ材端部近傍に１０％ＮａＣｌ水溶液を噴
霧し、２週間後の界面近傍における母材の腐蝕状況を断
面観察により調査した。その結果を表３に示す。表３に
おいて、本発明の実施例である試験番号１３，１０，１
６，１７は、いずれも同じ母材、合わせ材の組み合わせ
で、全く同じ摩擦攪拌接合条件にて製造し、摩擦攪拌接
合部のみで接合が達成されている比較例に比べ、腐蝕進
行深さが小さくなっており、合わせ材端部における防食
効果が現れている。

【００３０】すなわち、試験番号１３は試験番号１に比
べ、試験番号１０，１６、１７は試験番号６に比べ、い
ずれも腐蝕進行深さが小さくなっている。これは、本発
明では隙間への水分などの浸入が抑制され、腐蝕による
継手の劣化が抑制されたためである。特に試験番号１
３、１６，１７では、隙間は完全にろう材で埋められて
いるため、水溶液の浸入は完全に防止されている。本効
果は、高耐食性のチタンが合わせ材の場合、特に著しい
効果を示している。すなわち、隙間を完全に充填した試
験番号１６，１７では、本試験条件下で腐蝕の進行はま
ったく認められなかった。

【００３１】

【表３】

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明は、摩擦攪
拌接合法による接合部の周辺に、ろう付け法による接合
部を配することにより、高い接合強度を有し、耐食性に
も優れた、異種金属材料からなる重ね接合継手、ならび
にその製造方法を提供することができる。特に、鉄鋼材
料の防食のため、高耐食性のチタン材を合わせ材として
用いた異材接合継手では、強固な接合と合わせ材端部近
傍の防食に高い効果を発揮することが可能で、本発明の
産業上の価値は極めて高いものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】摩擦撹拌接合による重ね接合の実施形態の一例
を模式的に示す図であり、（ａ）は接合工具の断面図、
（ｂ）は接合時の状況を示す断面図、（ｃ）はその平面
図である。

【図２】ろう材を用いることなく摩擦撹拌接合による重
ね接合を行った場合の、実施形態を模式的に示す図であ
り、（ａ）は断面図、（ｂ）は（ａ）の枠内部を拡大表
示した図である。

【図３】本発明の実施形態の一例を模式的に示す図であ
り、（ａ）は摩擦攪拌接合部に隣接する部分にろう材を
挿入した場合の断面図、（ｂ）は（ａ）の枠内部を拡大
表示した図である。また（ｃ）は、ろう付け部が合わせ
材端部にまでわたる場合の拡大表示図である。

【図４】接合強度を評価するための剥離試験法を示す図
である。

【符号の説明】

１：接合工具のピン ２：接合工具のディスク ３：被接合金属材料（合わせ材） ４：被接合金属材料（母材） ５：攪拌領域 ６：摩擦攪拌接合部 ７：接合方向 ８：ろう付け接合部 ９：剥離試験の荷重方向 １０：試験片固定ボルト

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 母材と、母材とは異種の金属材料からな
   る合わせ材とを重ね合わせてなる重ね接合継手におい
   て、接合部が、摩擦攪拌接合法による部分と、その周辺
   のろう付け法による部分とからなることを特徴とする、
   異種金属材料からなる接合継手。
2. 【請求項２】 ろう付け部が、摩擦攪拌接合部端部から
   合わせ材端部までであることを特徴とする、請求項１に
   記載の異種金属材料からなる接合継手。
3. 【請求項３】 母材が鉄鋼材料、合わせ材がチタンから
   なることを特徴とする、請求項１または２に記載の異種
   金属材料からなる接合継手。
4. 【請求項４】 請求項１〜３いずれか１項に記載の接合
   継手を製造する方法であって、重ね合わせた母材と合わ
   せ材の間の界面全部または一部に、ろう材を挿入し、摩
   擦攪拌接合を行うと同時に、その際発生する熱によりろ
   う付けを行うことを特徴とする、異種金属材料からなる
   接合継手の製造方法。