JP7648065B2 - 鍛接装置 - Google Patents
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Description
本発明は、同種又は異種の金属材料を接合するのに用いる鍛接装置に関する。
モビリティの電動化が急速に進む中、軽量で耐食性があり、電気・熱伝導性など機能性にも優れるアルミニウム（Ａｌ）及びアルミニウム合金の活用ニーズが高まっている。
車体においては、アルミニウム合金の同種材接合（Ａｌ／Ａｌ）やアルミニウム合金と鉄鋼（Ｆｅ））材料の異材接合（Ｆｅ／Ａｌ）が特に必要とされる重要な組み合わせであり、また電池やモーターなど電装分野においては、主に電極（ターミナル）用途として、Ａｌ／Ａｌ，Ａｌ／銅（Ｃｕ），Ｆｅ／Ａｌ，チタン（Ｔｉ）／Ａｌ, ニッケル（Ｎｉ）/Ａｌ等の接合が必要になる。
例えば出力が高く電気自動車に用いられているリチウムイオン二次電池（ＬＩＢ）は大量のセルから構成されるが、パウチ型のセルにおいては、Ａｌ（正極）とＣｕ（負極）のフィルム状のタブリードを、多数重ねて接合することが求められている（並列では同種材接合、直列では異材接合）。
金属材料の接合技術としては、これまでも各種工法が用いられている。
例えば、レーザ光を用いて溶融接合するレーザ溶接，金属材料の重ね部の電気抵抗を利用して通電加熱により溶融接合する抵抗スポット溶接等は、接合部が溶融する温度まで高温に加熱されるので、多くの異種金属溶接においては、接合部に脆弱な金属間化合物（ＩＭＣ）が容易に生成してしまい、実用的な接合強度を得ることが難しい材料学的にクリティカルな問題を抱えている。
またこれら溶融溶接法では溶接部周囲の非溶融部も高温に加熱されるため熱影響も大きくなり、部材強度が低下、継手強度は安定しにくかった。
さらにこれら溶融溶接ではスパッタによる溶接部表面の清浄度の低下のほか、溶融時の金属蒸気や大気、シールドガス等によるポロシティも接合部の強度、電気的性能などの機能性を低下させる懸念がある。
例えば、溶融溶接法であるレーザ溶接や抵抗スポット溶接を箔が積層された積層電極（タブリード）の接続等に用いると、同種材の接合であってもスパッタによる回路短絡やブローホールによる接続欠陥の恐れがある。
また異種材料からなる車両構造材・パネル材の接合においては、前述のとおりＩＭＣにより実用的強度を有する接合が困難である。
車体においては、アルミニウム合金の同種材接合（Ａｌ／Ａｌ）やアルミニウム合金と鉄鋼（Ｆｅ））材料の異材接合（Ｆｅ／Ａｌ）が特に必要とされる重要な組み合わせであり、また電池やモーターなど電装分野においては、主に電極（ターミナル）用途として、Ａｌ／Ａｌ，Ａｌ／銅（Ｃｕ），Ｆｅ／Ａｌ，チタン（Ｔｉ）／Ａｌ, ニッケル（Ｎｉ）/Ａｌ等の接合が必要になる。
例えば出力が高く電気自動車に用いられているリチウムイオン二次電池（ＬＩＢ）は大量のセルから構成されるが、パウチ型のセルにおいては、Ａｌ（正極）とＣｕ（負極）のフィルム状のタブリードを、多数重ねて接合することが求められている（並列では同種材接合、直列では異材接合）。
金属材料の接合技術としては、これまでも各種工法が用いられている。
例えば、レーザ光を用いて溶融接合するレーザ溶接，金属材料の重ね部の電気抵抗を利用して通電加熱により溶融接合する抵抗スポット溶接等は、接合部が溶融する温度まで高温に加熱されるので、多くの異種金属溶接においては、接合部に脆弱な金属間化合物（ＩＭＣ）が容易に生成してしまい、実用的な接合強度を得ることが難しい材料学的にクリティカルな問題を抱えている。
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さらにこれら溶融溶接ではスパッタによる溶接部表面の清浄度の低下のほか、溶融時の金属蒸気や大気、シールドガス等によるポロシティも接合部の強度、電気的性能などの機能性を低下させる懸念がある。
例えば、溶融溶接法であるレーザ溶接や抵抗スポット溶接を箔が積層された積層電極（タブリード）の接続等に用いると、同種材の接合であってもスパッタによる回路短絡やブローホールによる接続欠陥の恐れがある。
また異種材料からなる車両構造材・パネル材の接合においては、前述のとおりＩＭＣにより実用的強度を有する接合が困難である。
他方、固相接合においては、超音波接合は消耗品であるホーンが高く、接合部にバリやコンタミが発生しやすく、また摩擦熱を利用した摩擦撹拌接合（ＦＳＷ）においては、接合部の始端部や終端部の処理が大変である。
例えば、特許文献１，２には、積層電極を挟持板や板部材で圧着するカシメ接合を開示するが、カシメ接合は冶金的な接合ではないため充分な接合品質を確保するのが難しく、またパネル材の接合には適さない。
本発明は、上記技術課題を解決すべく、接合界面に塑性流動を伴いながら比較的低温かつ短時間での固相接合を可能にした新規の鍛接装置の提供を目的とする。
複数の被接合材の接合部を重ねた状態で、前記接合部の下面側から支持する支持手段と、前記接合部の上面側から加圧する加圧手段と、前記支持手段と加圧手段との間隔を制御するストローク制御手段と、前記被接合材に直接又は間接的に接触し、前記接合部を所定の温度範囲に昇温する加熱手段を有し、前記ストローク制御手段は前記接合前の接合部の厚みＴ０と接合後の接合部の厚みＴ１との比である圧下比Ｒ（Ｔ０／Ｔ１）を制御するものであることを特徴とする。
本明細書では便宜上、接合部の下面側を支持手段、上面側を加圧手段と表現したが、複数の被接合材の接合部を重ねた状態で上下あるいは左右方向から挟持し、一方からあるいは両方から加圧できればよい。
本明細書では便宜上、接合部の下面側を支持手段、上面側を加圧手段と表現したが、複数の被接合材の接合部を重ねた状態で上下あるいは左右方向から挟持し、一方からあるいは両方から加圧できればよい。
従来の抵抗スポット溶接のように、被接合材の電気抵抗を利用した通電による加熱では、接合温度が不安定であることから、本発明は熱伝導による被接合材への間接的な加熱手段を用いた点、及び接合部の加圧力（加圧条件）を圧下比Ｒで管理できるようにした点に特徴がある。
本接合装置において、接合界面の接合原理は拡散である。
拡散では、拡散経路の状態がその反応進行に強く影響する。
本装置は接合部を加圧することにより、拡散を阻害する要因である被接合材表面の酸化被膜などの汚染層を接合面内方向に塑性流動で引き延ばし分断、あるいは非常に薄くすることで（言い換えれば、新生面あるいはそれに近い清浄度の高い接合面を創成することで）、拡散経路（接合界面）の状態を整え効率的な拡散を実現する。
また、拡散反応に支配的な影響を及ぼす接合温度を上記のとおり同時に安定して管理できることで、健全な継手を得るために必要な接合条件が保証される（圧下比と接合温度が継手強度を管理する基本パラメータ）。
本接合装置において、接合界面の接合原理は拡散である。
拡散では、拡散経路の状態がその反応進行に強く影響する。
本装置は接合部を加圧することにより、拡散を阻害する要因である被接合材表面の酸化被膜などの汚染層を接合面内方向に塑性流動で引き延ばし分断、あるいは非常に薄くすることで（言い換えれば、新生面あるいはそれに近い清浄度の高い接合面を創成することで）、拡散経路（接合界面）の状態を整え効率的な拡散を実現する。
また、拡散反応に支配的な影響を及ぼす接合温度を上記のとおり同時に安定して管理できることで、健全な継手を得るために必要な接合条件が保証される（圧下比と接合温度が継手強度を管理する基本パラメータ）。
本発明においては、加熱手段は前記接合部の外周部に接触する昇温体であってよく、さらには支持手段又は／及び加圧手段は前記接合部に向けてストローク制御されたロッドであり、ストローク制御されたロッドは前記昇温体に設けた挿通孔に配置されているようにすると、構造が簡単で生産性の高い鍛接装置となる。
本発明において最適接合条件は金属材料によって異なるが、接合部の強度が引張せん断試験で母材破断モードになれば問題がない。
また、圧下比の条件については、接合界面の酸化被膜の状態を電子線マイクロアナライザー（ＥＰＭＡ）等による線分析や面分析で評価して決定してもよい。
概ね接合温度は、約３３０～４５０℃，圧下比Ｒは２．０以上が好ましい。
また、本発明において、昇温体は接合時に被接合材を逃すための穴（凹部）を有してもよく、ロッド側に接合時の被接合材を逃すための段差を設けてもよい。
本発明において最適接合条件は金属材料によって異なるが、接合部の強度が引張せん断試験で母材破断モードになれば問題がない。
また、圧下比の条件については、接合界面の酸化被膜の状態を電子線マイクロアナライザー（ＥＰＭＡ）等による線分析や面分析で評価して決定してもよい。
概ね接合温度は、約３３０～４５０℃，圧下比Ｒは２．０以上が好ましい。
また、本発明において、昇温体は接合時に被接合材を逃すための穴（凹部）を有してもよく、ロッド側に接合時の被接合材を逃すための段差を設けてもよい。
本発明に係る鍛接装置は、従来の溶融溶接よりも低い温度にて固相接合ができ、圧下比を制御することで接合強度を管理することができるので、接合品質が安定し、生産性が高い。
本発明に係る鍛接装置の構成例及び本装置により得られた接合部を材料評価した例を以下、図に基づいて説明する。
図１に複動プレスタイプの鍛接装置の例を模式的に示す（今回の試験評価に用いた例を示す）。
被接合材（金属材料Ｍ１）の上方に上下動する上昇温体１０が配置され、この上昇温体１０に設けた挿通孔を介して上下動するアッパーロッド１１を有する。
被接合材（金属材料Ｍ２）の下方に上下動する下昇温体２０を配置し、その中心部の挿通孔を介してアンダーロッド２１を有する。
被接合材（金属材料Ｍ１）の上方に上下動する上昇温体１０が配置され、この上昇温体１０に設けた挿通孔を介して上下動するアッパーロッド１１を有する。
被接合材（金属材料Ｍ２）の下方に上下動する下昇温体２０を配置し、その中心部の挿通孔を介してアンダーロッド２１を有する。
アッパーロッド１１は、直接的に上下方向に移動制御されていてもよいが本実施例は加圧パンチ３１にてアッパーロッド１１を上側から押圧する例になっていて、押圧ストロークはストッパー３０にて管理できるようにした例になっている。
このようにストッパー３０にて隙間寸法ｄを調節することで容易に加圧ストローク量を制御でき、接合部の圧下比Ｒの管理が容易になる。
また、アッパーロッドに負荷される荷重を検出し、その値にて圧下比Ｒを管理することもできる。
もしくはACサーボモータなどによるロッドの駆動においては、変位計（エンコーダ等）によりそのストロークを制御することができる。
このようにストッパー３０にて隙間寸法ｄを調節することで容易に加圧ストローク量を制御でき、接合部の圧下比Ｒの管理が容易になる。
また、アッパーロッドに負荷される荷重を検出し、その値にて圧下比Ｒを管理することもできる。
もしくはACサーボモータなどによるロッドの駆動においては、変位計（エンコーダ等）によりそのストロークを制御することができる。
アンダーロッド２１側もアッパーロッド１１側と同様の構造を持ち、アッパーロッド１１側からの加圧或いはアンダーロッド２１側からの加圧とそれぞれ片側のみの加圧動作と両側からの同時加圧動作が行えるようにした例となっている。
このようにすると被接合材の板厚違い或いは材質違いの上下組合せに応じた最適な加圧動作を選択することができる。
このようにすると被接合材の板厚違い或いは材質違いの上下組合せに応じた最適な加圧動作を選択することができる。
図１（ｂ）に二枚の金属材料Ｍ１とＭ２とを重ね、接合した状態を模式的に示す。
なお、図１（ｂ）は、下方のアンダーロッド２１側を動作させずにアッパーロッド１１のみが加圧する接合動作の状態を示す。
アッパーロッド１１が下降し、接合部が加圧されると同時に接合界面に塑性流動が生じる。
本実施例では、この塑性流動を促進させる目的で図１（ａ）に示した上昇温体１０の下端側であって、アッパーロッド１１との間に所定の大きさの上逃げ部１２を形成し、同様に下昇温体２０の上端側であって、アンダーロッド２１との間に所定の大きさの下逃げ部２２を形成した例になっている。
なお、図１（ｃ）に示すように逃げ部（１２ａ，２２ａ）をロッド側に設けてもよい。
なお、図１（ｂ）は、下方のアンダーロッド２１側を動作させずにアッパーロッド１１のみが加圧する接合動作の状態を示す。
アッパーロッド１１が下降し、接合部が加圧されると同時に接合界面に塑性流動が生じる。
本実施例では、この塑性流動を促進させる目的で図１（ａ）に示した上昇温体１０の下端側であって、アッパーロッド１１との間に所定の大きさの上逃げ部１２を形成し、同様に下昇温体２０の上端側であって、アンダーロッド２１との間に所定の大きさの下逃げ部２２を形成した例になっている。
なお、図１（ｃ）に示すように逃げ部（１２ａ，２２ａ）をロッド側に設けてもよい。
図１は本発明に係る鍛接装置の基本的機能を模式的に説明したものであって、上昇温体１０，下昇温体２０及びアッパーロッド１１，アンダーロッド２１の駆動機構は公知の複動プレスに合せて設計することができる。
本発明による接合法では、必ずしも両側から押圧する必要は無く一方の昇温体とロッドを固定した構造にすることで装置を簡易化することもできる。
一方の昇温体とロッドを固定した場合、昇温体とロッドを一体成型とすることもできる。
また、上昇温体１０，下昇温体２０の加熱方法や温度制御も熱間プレスに用いられている公知の方法を採用することができる。
なお、被接合材の加熱を効率よく行うためにロッドに加熱機能を設けてもよい。
以上に示した構造のように、昇温体及びロッドを上下独立で配置することで、特に異材接合においては、接合温度をねらいの低温としながら、強度の高い部材（難塑性変形材）をより積極的に加熱することが可能になる。すなわち、接合時の両部材の塑性変形能差を縮小し、各部材に適切な圧下比（界面の塑性流動）を導入することが可能となる（上下独立温調の効果）。当該機構及び制御は、ねらいとする接合温度において強度差があり、また板厚が大きい部材において、より効果がある。
本発明による接合法では、必ずしも両側から押圧する必要は無く一方の昇温体とロッドを固定した構造にすることで装置を簡易化することもできる。
一方の昇温体とロッドを固定した場合、昇温体とロッドを一体成型とすることもできる。
また、上昇温体１０，下昇温体２０の加熱方法や温度制御も熱間プレスに用いられている公知の方法を採用することができる。
なお、被接合材の加熱を効率よく行うためにロッドに加熱機能を設けてもよい。
以上に示した構造のように、昇温体及びロッドを上下独立で配置することで、特に異材接合においては、接合温度をねらいの低温としながら、強度の高い部材（難塑性変形材）をより積極的に加熱することが可能になる。すなわち、接合時の両部材の塑性変形能差を縮小し、各部材に適切な圧下比（界面の塑性流動）を導入することが可能となる（上下独立温調の効果）。当該機構及び制御は、ねらいとする接合温度において強度差があり、また板厚が大きい部材において、より効果がある。
次にパネル材の接合実験及び評価を実施したので以下、説明する。
アルミニウム合金ＪＩＳ Ａ５０５２からなるパネル材同士の鍛接を行った。
サンプル片は、板厚ｔ：０．８ｍｍ，幅Ｗ：２５ｍｍ，長さＬ：１００ｍｍの大きさのものを２枚接合した。
接合温度に関して、予備調査を行った。
昇温体及びパネル材に温度センサーを取り付けて、上昇実験を実施した結果、昇温体の温度上昇とパネル材の接合部の温度上昇に所定の時間的ズレや温度差が生じるものの、その差を補間することで金属材料の接合部の温度を管理できることが分かった。
以下、接合温度とは、接合界面の温度を意味する。
アルミニウム合金ＪＩＳ Ａ５０５２からなるパネル材同士の鍛接を行った。
サンプル片は、板厚ｔ：０．８ｍｍ，幅Ｗ：２５ｍｍ，長さＬ：１００ｍｍの大きさのものを２枚接合した。
接合温度に関して、予備調査を行った。
昇温体及びパネル材に温度センサーを取り付けて、上昇実験を実施した結果、昇温体の温度上昇とパネル材の接合部の温度上昇に所定の時間的ズレや温度差が生じるものの、その差を補間することで金属材料の接合部の温度を管理できることが分かった。
以下、接合温度とは、接合界面の温度を意味する。
図２に、アルミニウム合金ＪＩＳ Ａ５０５２材のパネル材（板材）同士の接合の例を示す。
接合条件は、ロッド径（鍛接径）６ｍｍ，逃げ部径９ｍｍ，接合温度３９０℃，圧下比Ｒ２．４の例である。
図２（ａ）はアッパーロッド１１側の加圧パンチ側から見た外観写真を示し、図２（ｂ）は当該接合断面におけるＥＢＳＤのＩＱ＋ＩＰＦ ｍａｐである。
接合界面にワレやボイドなどの欠陥が無く、また結晶性が高く良好に固相接合されていることが分かる。
接合条件は、ロッド径（鍛接径）６ｍｍ，逃げ部径９ｍｍ，接合温度３９０℃，圧下比Ｒ２．４の例である。
図２（ａ）はアッパーロッド１１側の加圧パンチ側から見た外観写真を示し、図２（ｂ）は当該接合断面におけるＥＢＳＤのＩＱ＋ＩＰＦ ｍａｐである。
接合界面にワレやボイドなどの欠陥が無く、また結晶性が高く良好に固相接合されていることが分かる。
図３，図４にアルミニウム合金ＪＩＳ Ａ５０５２材の接合実験をまとめたグラフを示す。
図３は、各接合温度にて圧下比Ｒを変化させた際の接合部の引張せん断荷重を示す。
引張せん断荷重は、接合した２枚の板材の両端部をチャックし引張り荷重を加え測定した。
グラフ中、ＢＭは母材破断であることを示し、ＢＩは接合界面破断を示す。
本実験では、接合温度よりも圧下比Ｒの方が、接合強度への影響が大きいことが分かる。
接合温度が３６０～４５０℃範囲では、圧下比Ｒ２．４以上に制御すれば、母材破断となる健全な接合強度が得られることが分かる。
図４は、ＥＰＭＡ線分析による接合界面の酸素強度（ピーク強度）の測定結果を示す。
接合部の接合品質の安定（低温における短時間での良好な拡散）には、前述のとおり、拡散の障害となる界面の汚染層が少ないことが重要である。
そこで各接合温度に対して圧下比Ｒを変化させ、汚染層（拡散障害層）のモニターとして接合界面における酸素ピーク強度を測定した。
その結果、接合温度が高くなると予熱時の酸化により酸素ピーク強度が高くなる傾向が見られるが、いずれの接合温度でも圧下比Ｒを大きくすると接合界面で生じる塑性流動（表面の膨張に伴う汚染層の分断及び薄層化）により酸素ピーク強度が低下していることが分かった（接合界面清浄性に及ぼす圧下比の効果）。
鍛接では、圧下比が大きいほど接合界面の清浄度が増し、より低温度での接合が可能になる傾向があるが、図３ではＢＩからＢＭに破壊形態が移行する圧下比Ｒがこれら接合温度間でおおよそＲ２．４と同程度であり、接合温度の影響は大きくなかった。
図４の酸素ピーク強度の結果（高温ほど酸素ピークが強い）を合わせてみると、本実験（本材）においては、拡散の障害となる汚染層と拡散の駆動力となる接合温度の影響がおおよそバランスしていたものと理解ができる。
図５に接合温度３９０℃にて、（ａ）：圧下比Ｒ１．９、（ｂ）：圧下比Ｒ３．４における接合界面のＥＰＭＡ面分析結果を示す。
ＣＰは反射電子像で、ほかのマップはそれぞれの元素の面分析結果を示す。
引張せん断試験の結果、（ａ）のＲ１．９では界面破断であったが、（ｂ）のＲ３．４では母材破断を示した。
ＥＰＭＡ分析の結果より、圧下比Ｒを高くすると、接合界面の汚染層が分断、見かけ上極めて薄くなることで、拡散障害層としての影響が低下（汚染層の無害化）、低温であっても効率的に拡散できる高品質の接合界面が得られることが分かる。
これらの基本原理、挙動を踏まえ、接合条件（圧下比、接合温度）を調整すると、本接合装置において適切な接合条件を確立することができる。
図３は、各接合温度にて圧下比Ｒを変化させた際の接合部の引張せん断荷重を示す。
引張せん断荷重は、接合した２枚の板材の両端部をチャックし引張り荷重を加え測定した。
グラフ中、ＢＭは母材破断であることを示し、ＢＩは接合界面破断を示す。
本実験では、接合温度よりも圧下比Ｒの方が、接合強度への影響が大きいことが分かる。
接合温度が３６０～４５０℃範囲では、圧下比Ｒ２．４以上に制御すれば、母材破断となる健全な接合強度が得られることが分かる。
図４は、ＥＰＭＡ線分析による接合界面の酸素強度（ピーク強度）の測定結果を示す。
接合部の接合品質の安定（低温における短時間での良好な拡散）には、前述のとおり、拡散の障害となる界面の汚染層が少ないことが重要である。
そこで各接合温度に対して圧下比Ｒを変化させ、汚染層（拡散障害層）のモニターとして接合界面における酸素ピーク強度を測定した。
その結果、接合温度が高くなると予熱時の酸化により酸素ピーク強度が高くなる傾向が見られるが、いずれの接合温度でも圧下比Ｒを大きくすると接合界面で生じる塑性流動（表面の膨張に伴う汚染層の分断及び薄層化）により酸素ピーク強度が低下していることが分かった（接合界面清浄性に及ぼす圧下比の効果）。
鍛接では、圧下比が大きいほど接合界面の清浄度が増し、より低温度での接合が可能になる傾向があるが、図３ではＢＩからＢＭに破壊形態が移行する圧下比Ｒがこれら接合温度間でおおよそＲ２．４と同程度であり、接合温度の影響は大きくなかった。
図４の酸素ピーク強度の結果（高温ほど酸素ピークが強い）を合わせてみると、本実験（本材）においては、拡散の障害となる汚染層と拡散の駆動力となる接合温度の影響がおおよそバランスしていたものと理解ができる。
図５に接合温度３９０℃にて、（ａ）：圧下比Ｒ１．９、（ｂ）：圧下比Ｒ３．４における接合界面のＥＰＭＡ面分析結果を示す。
ＣＰは反射電子像で、ほかのマップはそれぞれの元素の面分析結果を示す。
引張せん断試験の結果、（ａ）のＲ１．９では界面破断であったが、（ｂ）のＲ３．４では母材破断を示した。
ＥＰＭＡ分析の結果より、圧下比Ｒを高くすると、接合界面の汚染層が分断、見かけ上極めて薄くなることで、拡散障害層としての影響が低下（汚染層の無害化）、低温であっても効率的に拡散できる高品質の接合界面が得られることが分かる。
これらの基本原理、挙動を踏まえ、接合条件（圧下比、接合温度）を調整すると、本接合装置において適切な接合条件を確立することができる。
次に、アルミニウムＪＩＳ Ａ１Ｎ３０Ｈについて、厚みｔ０．０１２ｍｍの箔を５０枚重ね、上側、アルミニウム板材ＪＩＳ Ａ１０５０，厚みｔ０．５ｍｍ，下側、同ＪＩＳ Ａ１０５０，厚みｔ０．８ｍｍでサンドイッチ構造に重ねた状態で接合した実験結果を説明する。
試験片の幅Ｗ３０ｍｍ、長さＬ１００ｍｍとした。
図６（ａ）に接合温度４２０℃，圧下比Ｒ２．４，ロッド径６ｍｍ，逃げ部径９ｍｍの条件で接合した場合のデジタルマイクロスコープによる接合部の外観写真を示し、（ｂ）に接合部の光学顕微鏡におる断面マクロ写真（エッチング後）、（ｃ）にその拡大図を示す。
図７に、図６（c）のＥＢＳＤのＩＱ＋ＩＰＦ ｍａｐを示す（エッチング前に解析）。
これらから５０枚のアルミ箔が破断することなく、各材が適切な圧下比となり、良好に固相接合されていることが分かる（拡大図中で黒く点在しているものはボイドではなく素材の介在物である）。
試験片の幅Ｗ３０ｍｍ、長さＬ１００ｍｍとした。
図６（ａ）に接合温度４２０℃，圧下比Ｒ２．４，ロッド径６ｍｍ，逃げ部径９ｍｍの条件で接合した場合のデジタルマイクロスコープによる接合部の外観写真を示し、（ｂ）に接合部の光学顕微鏡におる断面マクロ写真（エッチング後）、（ｃ）にその拡大図を示す。
図７に、図６（c）のＥＢＳＤのＩＱ＋ＩＰＦ ｍａｐを示す（エッチング前に解析）。
これらから５０枚のアルミ箔が破断することなく、各材が適切な圧下比となり、良好に固相接合されていることが分かる（拡大図中で黒く点在しているものはボイドではなく素材の介在物である）。
図８に、各接合温度における圧下比Ｒに対する継手の引張せん断荷重を示す。
グラフ中、ＢＭ＿Ｕは上側のアルミニウム板材での母材破断，ＢＭ＿Ｌは下側のアルミニウム板材での母材破断であったことを示し、ＢＩ＿Ｕ，ＢＩ＿Ｌはそれぞれ、上側のアルミニウム板材での界面破断、下側のアルミニウム板材での界面破断であったことを示す。
なお、本実験ではいずれの条件においても、箔間で剥離したものは無かった。
このことから、接合温度の増加とともに母材破断に移行する圧下比は低下し、また接合強度も向上することが分かる。言い換えれば、高い圧下比を導入するほど、より低温でも健全な接合ができるようになることが分かる。
なお、いずれの接合温度においても概ね圧下比２．０以上で母材破断になることが分かる。
接合強度が概ね安定する加工条件を考慮すると、この積層アルミニウム箔の接合の場合には、接合温度３３０℃以上，圧下比Ｒ２．０以上が好ましい範囲であることが分かる。
グラフ中、ＢＭ＿Ｕは上側のアルミニウム板材での母材破断，ＢＭ＿Ｌは下側のアルミニウム板材での母材破断であったことを示し、ＢＩ＿Ｕ，ＢＩ＿Ｌはそれぞれ、上側のアルミニウム板材での界面破断、下側のアルミニウム板材での界面破断であったことを示す。
なお、本実験ではいずれの条件においても、箔間で剥離したものは無かった。
このことから、接合温度の増加とともに母材破断に移行する圧下比は低下し、また接合強度も向上することが分かる。言い換えれば、高い圧下比を導入するほど、より低温でも健全な接合ができるようになることが分かる。
なお、いずれの接合温度においても概ね圧下比２．０以上で母材破断になることが分かる。
接合強度が概ね安定する加工条件を考慮すると、この積層アルミニウム箔の接合の場合には、接合温度３３０℃以上，圧下比Ｒ２．０以上が好ましい範囲であることが分かる。
次に、冷間圧延鋼板ＪＩＳ ＳＰＣＣ，厚みｔ０．４ｍｍと、アルミニウム合金ＪＩＳ Ａ ５０５２，厚みｔ０．８ｍｍ（いずれも幅Ｗ３０ｍｍ，長さｌ００ｍｍ）を重ね、鍛接した結果を示す。
接合温度４２０℃，圧下比Ｒ３．３，ロッド径３ｍｍ，逃げ部径１０ｍｍの例である。
図９（ａ）は継手外観、（ｂ）は光学顕微鏡による接合部断面マクロ、（ｃ）は接合部断面の軸心近傍におけるＥＢＳＤ解析結果（上: ＩＱ map, 下：IPF map），（ｄ）はその接合界面のＴＥＭ明視野像を示す。本継手の引張せん断荷重は１,４５４Nであり、またその破壊形態は母材破断（プラグ破断）と健全であった。（ｄ）から分かるとおり、本接合界面に生じてた反応層（ＲＬ）の厚みは２０～５０ nm程度で、Ｆｅ／ＡｌなどのＩＭＣの厚みとして一般に脆弱性が指摘される目安は1 μm程度であることからも、実質ＩＭＣフリーと言える。
本接合装置は、界面での冶金的接合機構をＩＭＣを含めたＲＬとしながらも、その脆弱性を無害化できるものであり、本実施例で示したように高強度異材接合を実現する。
接合温度４２０℃，圧下比Ｒ３．３，ロッド径３ｍｍ，逃げ部径１０ｍｍの例である。
図９（ａ）は継手外観、（ｂ）は光学顕微鏡による接合部断面マクロ、（ｃ）は接合部断面の軸心近傍におけるＥＢＳＤ解析結果（上: ＩＱ map, 下：IPF map），（ｄ）はその接合界面のＴＥＭ明視野像を示す。本継手の引張せん断荷重は１,４５４Nであり、またその破壊形態は母材破断（プラグ破断）と健全であった。（ｄ）から分かるとおり、本接合界面に生じてた反応層（ＲＬ）の厚みは２０～５０ nm程度で、Ｆｅ／ＡｌなどのＩＭＣの厚みとして一般に脆弱性が指摘される目安は1 μm程度であることからも、実質ＩＭＣフリーと言える。
本接合装置は、界面での冶金的接合機構をＩＭＣを含めたＲＬとしながらも、その脆弱性を無害化できるものであり、本実施例で示したように高強度異材接合を実現する。
本発明に係る鍛接装置は、低温で固相接合が可能であり、接合温度と圧下比で品質管理が可能であることから、各種金属材料の接合に利用できる。
１０ 上昇温体
１１ アッパーロッド
１２ 上逃げ部
２０ 下昇温体
２１ アンダーロッド
２２ 下逃げ部
３０ ストッパー
３１ 加圧パンチ
１１ アッパーロッド
１２ 上逃げ部
２０ 下昇温体
２１ アンダーロッド
２２ 下逃げ部
３０ ストッパー
３１ 加圧パンチ
Claims (4)
- 複数の被接合材の接合部を重ねた状態で、
前記接合部の下面側から支持する支持手段と、
前記接合部の上面側から加圧する加圧手段と、
前記支持手段と加圧手段との間隔を制御するストローク制御手段と、
前記被接合材に直接又は間接的に接触し、前記接合部を所定の温度範囲に昇温する加熱手段を有し、
前記ストローク制御手段は前記接合前の接合部の厚みＴ０と接合後の接合部の厚みＴ１との比である圧下比Ｒ（Ｔ０／Ｔ１）を制御するものであり、
前記支持手段又は／及び加圧手段は前記接合部に向けて変位計又はストッパーによりストローク量が制御されたロッドであることを特徴とする鍛接装置。 - 前記加熱手段は前記接合部の外周部に接触する昇温体であり、
前記ストローク量が制御されたロッドは前記昇温体に設けた挿通孔に配置されていることを特徴とする請求項１記載の鍛接装置。 - 前記昇温体は前記接合時の被接合材を逃すための穴を有することを特徴とする請求項２記載の鍛接装置。
- 前記ロッドは前記接合時の被接合材を逃すための段差を有することを特徴とする請求項２記載の鍛接装置。
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|---|---|---|---|
| JP2022108674 | 2022-07-05 | ||
| JP2022108674 | 2022-07-05 | ||
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|---|---|
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|---|---|---|---|
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|---|---|
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2000511470A (ja) | 1997-04-05 | 2000-09-05 | エツコルト、ゲーエムベーハー、ウント、コンパニー、カーゲー | 金属シート部品を結合するためのプレス接合方法及び装置 |
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|---|---|---|---|---|
| JPH08332533A (ja) * | 1995-06-08 | 1996-12-17 | Araco Corp | 金属板の結合方法および結合装置 |
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-
2024
- 2024-12-13 US US18/979,849 patent/US20250108454A1/en active Pending
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2000511470A (ja) | 1997-04-05 | 2000-09-05 | エツコルト、ゲーエムベーハー、ウント、コンパニー、カーゲー | 金属シート部品を結合するためのプレス接合方法及び装置 |
| WO2021192595A1 (ja) | 2020-03-27 | 2021-09-30 | 富山県 | 金属材料の接合方法 |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
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