JPH0699290A

JPH0699290A - 銅部材とアルミニウム部材との摩擦圧接方法

Info

Publication number: JPH0699290A
Application number: JP4221212A
Authority: JP
Inventors: Keiji Taguchi; 啓二田口; Kazuaki Yokoi; 和明横井; Akiomi Kono; 顕臣河野; Osamu Isshiki; 治一色; Masayoshi Hashiura; 雅義橋浦
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1992-08-20
Filing date: 1992-08-20
Publication date: 1994-04-12

Abstract

(57)【要約】【構成】設定加圧力は１段であり、摩擦圧接中の送り速
度をｖ₁ ，ｖ₂ と２段に変えることで、見掛けの加圧力
をＰ₁ ，Ｐ₂ の２段とした。第１段目の送り速度ｖ₁ か
ら第２段目の送り速度ｖ₂ へ移行する間に０.１〜１.０
秒の遅延時間を設けること及び第２段目の送り速度ｖ₂
は第１段目の送り速度ｖ₁ より１.５倍以上の大きな値
であり、その開始位置ｔ₂ はフライホィール回転中であ
り、回転停止と同時に設定した荷重が負荷される。【効果】Ｃｕ合金及びアルミニウム合金を用いた電気，
電子部品機器への用途が拡大する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はアルミニウム及びその合
金と銅及びその合金の摩擦圧接方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】アルミニウムと銅の摩擦圧接は圧接不可
能と記載（特開昭52−59053 号公報）される場合もある
ように簡単には接合されないため多くの発明が特許申請
されている。例えば、アルミニウムと銅のまさつ圧接接
続法(特開昭51−86045 号公報)では、金属間化合物を減
少させるために第２段階の加圧工程であるアップセット
工程に入ると接合部に水，油，液化ガス等の冷媒体を封
入して急冷し、冷却時に生成する金属間化合物を減少さ
せている。これは、接合条件で適切ではないために薄い
金属間化合物を被接合面へ均一に生成できず、均一性を
厚くすることで得ようとしているために摩擦温度を高く
するためであり、無駄な冷媒を用いて作業性を悪くする
と共に接合部強度の不安定性が避けられない欠点があ
る。

【０００３】まと、特開昭54−52648 号公報の記載では
溶融点の高い銅を予熱してから摩擦圧接をおこなってい
るが、熱伝導性の良好な銅を加熱するため一定温度で接
合することが困難であり、さらに熱いものを扱うので生
産性を阻害するとともに接合部強度の不安定性が避けら
れない欠点がある。

【０００４】さらに、特開昭52−59053 号公報ではアル
ミニウムと銅の各圧接境界面に溶射皮膜或いは溶射材料
の粉末を接着し、これを媒体として摩擦熱により、従
来、摩擦接着が不可能視されていた異種金属の摩擦圧着
を可能としたと記しているように媒体を介しての接合と
なり、生産性を阻害するとともに接合部の強度の低下が
避けられない欠点がある。

【０００５】従来技術による摩擦圧接では、アルミニウ
ムと銅の異種金属を直接に接合することが困難なため摩
擦圧接後に急冷を行ったり、溶融点の高い銅側を予熱し
たり、さらに媒体を介しての接合となり、それぞれ作業
工程が増加することからコスト高となる。また、余分な
作業工程の増加で生産性を阻害するとともに、接合部強
度の不安定性と低下が生じる難点がある。

【０００６】特開昭51−86045号，特開平2−30386 号の
各公報ではブレーキ方式であるが、実施例として摩擦圧
接条件を図３に示すようにグラフ化して表示している。
図３ではアップセット圧力Ｐ２の加圧は回転停止と同時
に負荷を開始している。図３に示すアップセット圧力Ｐ
２の開始時期は文献（最新接合技術総覧，Ｐ３０６，産
業技術サービスセンター発行、Ｓ５９年）でも示されて
いるように一般的である。しかし、本発明では第２段目
の送り速度を図３に示すように回転停止と同時に早くし
たのでは充分に接合されない難点がある。

【０００７】上記、各公報で示す接合面は銅材側及びア
ルミ合金材側とも平面である。一般的に接合面の形状
（継手形状）は、文献（摩擦圧接、Ｐ１０９，コロン社
発行、Ｓ５４年）でも平面或いはパイプを主とした円錐
形とした斜め継手の２種類を示すだけである。一般に接
合面の形状として平面が多く適用されているが、平面状
態で摩擦圧接をすると被圧接品の外径側は接合され易
く、内径側は接合され難い傾向にあるので一段加圧方式
では多くの場合、内径側は接合されない難点がある。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】アルミニウムと銅の異
種金属を摩擦圧接法で直接に接合することは上記の従来
技術で示したように困難である。この原因として次の５
項目が指摘できる。

【０００９】(ア)全接合面に対し実際に接合している面
積の比率を接合率と呼称する。一般に接合率１００％が
得難い。

【００１０】(イ)接合状態は摩擦圧接をすると被圧接品
の外径側は接合され易く、内径側は接合され難い傾向に
ある。

【００１１】(ウ)接合するのは接合界面にＣｕＡｌ₂ 等
の金属間化合物を生成するためである。接合率１００％
であっても、接合界面の金属間化合物が厚くなると接合
部の強度は低下するので薄い方が良いのに、一般には適
正な厚さが判っていない。

【００１２】(エ)被接合面へ金属間化合物を均一に生成
させることが困難である。特に、金属間化合物を薄くす
ると通常の摩擦圧接条件では均一性が得られ難い。

【００１３】(オ)適正な摩擦圧接条件で接合界面にＣｕ
Ａｌ₂ 等の金属間化合物を薄く均一に生成した場合でも
毎回、安定して得られる摩擦圧接装置の精度が得られ難
い。

【００１４】本発明は上記にかんがみ摩擦圧接法の内か
ら摩擦圧接装置の精度面からフライホィール方式を選択
した。さらに、精度の向上を図るため加圧方式として２
段加圧の方が良く接合されるので限定したが、従来のよ
うな加圧力を２段に変更するのでは加圧力パターンが安
定しない。そこで、図１に本発明の摩擦圧接条件を示し
たが、設定加圧力は１段加圧でありながら摩擦圧接中に
おける送り速度を２段に変えることで、見掛けの加圧力
を２段としたものである。しかも、第１段目の送り速度
ｖ₁ から第２段目の送り速度ｖ₂ へ移行する間に０.１
〜１.０秒の遅延時間を設けること及び第２段目の送り
速度ｖ₂ は第１段目の送り速度ｖ₁ より１.５倍以上の
大きな値であり、その開始位置ｔ₂ はフライホィール回
転中であり、フライホィール回転停止と同時に設定した
荷重が負荷されることにより、合理的な摩擦圧接を行っ
てアルミニウムと銅における被接合体の強度，信頼性及
び生産性を向上させることを目的とするものである。

【００１５】また、比較的、接合性の良い材料同士の接
合では、２段加圧方式を適用せずとも銅の接合面を平面
ではなしに、図２に示すように円弧状の凹曲面を設ける
ことで、１段加圧方式でも上記と同様の効果をねらうも
のである。

【００１６】

【課題を解決するための手段】摩擦圧接法には大別する
とブレーキ方式とフライホィール方式の２方法がある。
接合強度として引張強さ２０kgｆ／mm² の高い値を得る
ための条件は接合率１００％で接合界面にＣｕＡｌ₂ 等
の金属間化合物を薄く生成させることである。そのため
に、適切な回転数の下で摩擦圧接時間として０.５〜２.
５秒程度の短時間で接合する必要がある。このような短
時間を安定して得られるのはフライホィール方式である
からである。また、摩擦圧接法における加圧方式として
１段加圧と２段加圧の２通りがある。各加圧方式をクラ
フ化して図３及び図４に示す。一般に、ブレーキ方式で
は２段加圧方式が、フライホィール方式では１段加圧方
式が、それぞれ、主として用いられている。

【００１７】図３に示す一般のブレーキ方式による２段
加圧では、加圧力を２段階に変化させるもので、初め
（第１段目）に比較的低い圧力Ｐ₁ （加熱圧力と呼称す
る）で押し付ける。両金属が接触すると短時間で所定圧
力に達し、以後、ブレーキを掛けて回転が停止する直前
まで同一の加熱圧力を保持し、回転が停止すると同時に
加熱圧力より高い圧力Ｐ₂ （第２段目でアップセット圧
力と呼称する）で加圧する。しかし、このように加圧力
を２段に変化させることは、制御機構として位置と加圧
力の２要因を制御する必要があり、精度的に劣ることに
なる。その結果は接合部材強度のばらつく原因となる。
また、図４に示す１段加圧は初めの加圧力Ｐ₁ を回転が
停止以降まで持続させるものである。しかし、このよう
に加圧力を１段にしたのでは接合が困難な組合わせでは
充分に接合されない欠点がある。

【００１８】そこで、本発明では加圧力を一定として、
回転している銅部材に非回転のアルミ合金部材を送り押
し付ける速度を２段に変化させることで見掛けの加圧力
を２段に変化させることを特徴とした。即ち、第１段目
の送り速度を遅く設定することによりアルミ合金の塑性
流動に対して送りが追従しないため摩擦面で所定の加圧
力を維持できないことから低くなる。引き続き第２段目
は第１段目より早い送り速度とすることで送りが追従す
るので所定の加圧力を維持するようになる。

【００１９】金属間化合物を薄く均一に分布させるに
は、単に２段加圧としただけでは不可能であり、１段目
から２段目に送り速度を変更する際に、送り速度をある
時間の間はゼロと停止させることが必要である。この送
り速度停止の間は、ばりの発生がないため接合温度の均
一化と接合面の軟化が行われ銅とアルミ合金の金属間化
合物が均一に生成される条件が整えられる。

【００２０】銅とアルミ合金の摩擦圧接ではＡｌ部材と
してＡ６０６３−Ｔ６処理材、Ｃｕ部材としてＣ１０２
０−質別Ｈをそれぞれ用いた場合に、最も接合状態が困
難であり、上記の手段を必要とする。しかし、Ａｌ部材
としてＡ１０８０−０材、Ｃｕ部材にＣ１０２０−質別
１／４Ｈをそれぞれ用いて接合する場合には、Ｃｕ部材
側の接合面を円弧状の凹曲面とすることで、接合率１０
０％を１段加圧で得られる。

【００２１】

【作用】本発明の摩擦圧接法では、フライホィールの回
転が停止したと同時に設定加圧力になるよう第２段目の
送り速度の開始位置を調節している。これは加圧が接合
部に対し、最大の効果を表わすためである。この結果、
接合面全面が密着するので、接合率１００％を得るのに
効果がある。さらに、１段目から２段目に送り速度を変
更する際に、送り速度をある時間はゼロと停止させるこ
とを規定したのは強い接合部を得るためである。

【００２２】アルミニウム合金と銅合金の異種金属が摩
擦圧接によって接合強度２０kgｆ／mm²の高い引張強さ
を得るには、接合率１００％で、しかも接合界面にＣｕ
Ａｌ₂等の金属間化合物を薄く生成させる必要がある。
しかし、接合界面の金属間化合物は厚く成ると接合部の
強度を低下させるので薄い方が良いが、金属間化合物を
薄くすると、被接合面へ均一に生成させることが困難と
なる。このため適正な摩擦圧接条件はごく限定された狭
い範囲となり作業を不安定なものとしている。本発明の
摩擦圧接法ではフライホィール方式と限定しているのは
銅とアルミ合金の金属間化合物の厚さを摩擦圧接時間で
調節するためであり、銅とアルミ合金の金属間化合物を
薄く生成させるために０.５〜２.５秒程度の短時間で接
合する必要がある。このような短時間を安定して精度高
く得られる方式としてフライホィール方式が優れている
ため選定した。また、２段加圧方式に限定したのは、１
段加圧方式に比較して高い接合率が安定して得られるた
めである。特に、２段加圧を得る方法として、加圧力は
一定として、回転している銅部材に非回転のアルミ合金
部材を送り押し付ける速度を２段に変化させることで見
掛けの加圧力を２段に変化させている。これは第１段目
の送り速度を遅く設定することによりアルミ合金の塑性
流動に対して送りが追従しないため摩擦面で所定の加圧
力を維持できないために低くなる。第２段目は第１段目
より早い送り速度（通常、第１段目の送り速度の１.５
倍以上とする）とすることで送りが追従するので所定の
加圧力を維持できるためである。この結果、送り速度１
因子だけであることから制御の精度を高くできるのでプ
ログラムが簡単になる。

【００２３】接合部の強度を最も高く、しかも安定して
得るため第２段目の送り速度は第１段目の送り速度より
１.５倍以上の大きな値であり、その開始位置はフライ
ホィール回転中であり、フライホィール回転停止と同時
に設定した荷重が負荷されることにより接合率１００％
を安定して得られる効果がある。回転停止と負荷が合致
しない場合に引張強さがばらつく原因となる。

【００２４】銅とアルミ合金の摩擦圧接の場合ではＡｌ
部材としてＡ６０６３−Ｔ６処理材、Ｃｕ部材にＣ１０
２０−質別Ｈのように、それぞれ硬い方に属する材料を
用いた場合に、最も接合率１００％を得ることが困難で
あり、上記の発明条件を必要とする。しかし、Ａｌ部材
としてＡ１０８０−０材、Ｃｕ部材にＣ１０２０−質別
１／４Ｈのようにそれぞれ比較的軟い方に属する材料を
用いた場合には、上記の本発明で請求項１，２及び３を
適用するまでもなくＣｕ部材側の接合面を請求項４の円
弧状の凹曲面とすることで接合率１００％は得られる。

【００２５】

【実施例】

（実施例１）以下、本発明の実施例を図面に基づいて説
明する。図５はフライホィール方式の摩擦圧接中のフラ
イホィール回転数，加圧力，寄り代および銅材表面の温
度について測定した結果を示す。摩擦圧接は回転側に銅
材を、非回転側にＡｌ合金材をそれぞれチャックで締付
け固定した後、主軸モータを回転させフライホィールに
回転エネルギを蓄え、所定の回転数に到達した時点で油
圧シリンダを動作させることにより非回転側のＡｌ合金
材を回転側の銅材へ比較的遅い送り速度で押しつけると
摩擦熱が発生すると同時に回転数は急激に低下する。両
金属が接触すると０.２秒程度の時間で加圧力はゼロよ
り急激に増加するが、その後は若干、低下する傾向を示
す。引き続き１段目より早い送り速度で加圧する。この
際、油圧シリンダの送りは１段目から２段目に切り換え
る際に０.４秒程度を停止させる。加圧力はこの結果、
低下するが、第２段目の送りが開始すると再び圧力は上
昇し、回転が停止する際に設定した加圧力を示す。

【００２６】寄り代は第１段目の加圧とともに増加し、
第２段目の加圧へ切り換え時の圧力が低下する間は０と
なり、再度、第２段目の加圧とともに増加し、カットオ
フ回転数に達するとフライホィールと主軸モータとの締
結部を外すことで回転は一気に停止するので、それ以降
は寄り代がゼロとなる２段の傾向を示す。銅材表面の温
度はフライホィールの回転停止付近で極大値を示し、そ
の後、急速に冷却する。

【００２７】この接合結果は、接合率９８％，引張強さ
１９.６kgｆ／mm²である。

【００２８】（実施例２）フライホィール方式の摩擦圧
接で１段加圧による実施例を図６で説明する。油圧シリ
ンダを動作させ非回転側のＡｌ合金材を所定の送り速度
で回転側の銅材へ押し付ける。両接合材が接触すると圧
接面の圧力は所定加圧力まで短時間で増加し、所定加圧
力に達すると以後は変化しない。他方、回転数は時間と
ともに直線的に低下する。寄り代は一元的に増加する
が、フライホィールの回転が停止すると以後は変化しな
い１段の傾向を示す。この接合結果は、接合率４６％，
引張強さ９.２kgｆ／mm²である。

【００２９】（実施例３）銅とアルミ合金の摩擦圧接で
はＡｌ部材としてＡ６０６３−Ｔ６処理材、Ｃｕ部材の
Ｃ１０２０−質別Ｈをそれぞれ用いた場合に、最も接合
状態が困難である。そこで、それぞれの部材を用いてフ
ライホィール方式で摩擦圧接を行い本発明の２段加圧と
一般の１段加圧による接合状態を比較した結果を図７に
示す。同図では接合率に及ぼす回転エネルギ密度の影響
として比較したものである。同図から各加圧方式は適正
な回転エネルギ密度を有するが、その場合でも１段加圧
では接合率６０％以下であるのに対し、本発明の２段加
圧では９５％〜１００％の値を示し、２段加圧の方がば
らつきの少ない安定した接合率を示していることが判
る。

【００３０】

【発明の効果】本発明によれば、次に列記する効果があ
る。

【００３１】(１)摩擦圧接後に急冷を行ったり、溶融点
の高い銅側を予熱したり、さらに媒体を介する等の余分
な作業をせず、銅とアルミ合金を直接に接合できる。

【００３２】(２)加圧力は１段の設定で押し付け速度を
２段に変化させる方法で、制御は１因子のみと簡素にな
った結果、摩擦圧接精度が高くなる。

【００３３】(３)１段目から２段目に押し付け速度が変
化する際に、停止時間を設けることにより、接合界面の
金属間化合物を適正な厚さで均一に生成できる。

【００３４】(４)２段目の押し付け速度を１段目の１.
５倍以上とし、回転停止と同時に設定加圧力が負荷さ
れるようにタイミングをあわせることで、接合率１００
％が安定して得られる。

【００３５】(５)以上の(１)〜(４)までの発明により接
合部の引張強さ２０kgｆ／mm² が安定して得られる。

【００３６】(６)銅部材側の接合面を凹曲面とすること
で、摩擦圧接の接合性を著しく改善することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の摩擦圧接条件をグラフ化して示す特性
図。

【図２】本発明の銅側継手形状を示す断面図。

【図３】ブレーキ方式で用いられる２段加圧摩擦圧接条
件をグラフ化して示す説明図。

【図４】フライホィール方式で用いられる１段加圧摩擦
圧接条件をグラフ化して示す説明図。

【図５】実施例１に用いた本発明の摩擦圧接条件の各条
件推移を示す特性図。

【図６】実施例２に用いた１段加圧摩擦圧接の各条件推
移を示す特性図。

【図７】接合率に及ぼす回転エネルギ密度の影響を本発
明による２段加圧と一般の１段加圧と比較して示した説
明図。

【符号の説明】

１…円弧形状、２…本発明による２段加圧、３…１段加
圧。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者一色治茨城県日立市国分町一丁目１番１号株式会社日立製作所国分工場内 (72)発明者橋浦雅義茨城県日立市国分町一丁目１番１号株式会社日立製作所国分工場内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】設定加圧力は一定のままで、被接合部材の
摩擦圧接中における送り速度を２段に変えることで見掛
けの加圧力を２段に変化させ、その場合の送り速度とし
て第１段目は１.０mm／秒〜３０mm／秒の条件下で行な
い、第２段目は５.０mm〜６０mm／秒の条件範囲で行
い、第２段目の送り速度は第１段目の送り速度より１.
５倍以上の大きな値で設定することを特徴とする銅部材
とアルミニウム部材との摩擦圧接法。
【請求項２】請求項１において、前記第１段目の送り速
度から前記第２段目の送り速度へ移行する間に０.０５
〜１.０秒の遅延時間を設ける銅部材とアルミニウム部
材との摩擦圧接法。
【請求項３】請求項１において、前記第２段目の送り速
度開始位置はフライホィール回転中であり、しかも、フ
ライホィール回転停止と同時に設定した荷重が負荷され
る銅部材とアルミニウム部材との摩擦圧接法。
【請求項４】請求項１において、前記銅部材側の接合面
を平面ではなしに、凹曲面を設けて接合面とし、凹曲面
の形状は接合面距離の１／２長さ以上を半径とする円弧
状とする銅部材とアルミニウム部材との摩擦圧接法。