WO2004110692A1 - 摩擦攪拌接合方法 - Google Patents

Description

明 細 書

摩擦攪拌接合方法 技術分野

本発明は、 摩擦攪拌接合方法と、 摩擦攪拌接合装置に関する。 背景技術

摩擦攪拌接合技術によって重ね継手を接合する従来技術としては、 先 端面が平面状の接合ツールもしくは先端面に凹部を有する接合ツールを 用い、 その接合ツールを一方の部材側に圧入して一方の部材側を摩擦攪 拌させ、 それによる塑性流動を利用して他方の部材と接合する方法があ る （例えば、 特開 2 0 0 1 _ 3 1 4 9 8 1号公報）。

摩擦攪 接合による重ね継手の接合では、 重ね面の表面酸化皮膜を剥 離して界面を活性化することが重要になる。 このためには塑性流動圧力 を高くする必要がある。

本発明の目的は、 従来技術よりも更に接合部の強度を高めることがで きる、 重ね継手の摩擦攪拌接合方法を提供することにある。 また、 異種 金属を接合可能な摩擦攪拌接合方法を提供することにある。

摩擦攪拌接合による重ね接合において、 接合ッ一ルを上板と下板の両 方に圧入した場合には、 接合部に下板にまで達する大きな穴があく とい う外観上からも好ましくない問題が生ずる。 また、 融点が大きく異なる 材料例えばアルミニウムとニッケルを重ね接合する場合には、 アルミ二 ゥムの融点は 6 6 0 °C、 ニッゲルの融点は 1 4 5 5 °Cであり、 接合ツー ルがアルミニウムとニッケルの両方の金属に圧入されるため、 両者の変 形抵抗が大きく異なり、 キヤビティ欠陥が発生するという問題がある。 本発明はこれらの問題を解決するための接合方法である。 発明の開示

本発明の接合の機構は 2種類ある。

第一の接合機構は、 接合ツールを回転させながら一方の部材にのみ圧 入して、 接合ツールの外周に圧入された部材を塑性流動させて排出し、 この排出により接合界面を活性化させることにより接合する方法である, そのためには、 接合ツールの形状および塑性流動特性が重要である。

第一の接合機構に関する本発明では、 大径のショルダの先端に小径の 凸部を有する接合ツールを用いることで良好な結果を得た。この凸部は、 できれば半球形状のように滑らかな曲面をしていることが望ましい。. こ の凸部により塑性流動部の圧力を高くできるので、 接合界面を活性化さ せる作用が大きくなる。 また、 この半球形状の凸部の周囲に半球形状の 凹部を設けて、 これらの凹凸により接合ツールと接合部材との接触面積 を増加させることも塑性流動圧力の増加に有効である。 また、 ショルダ の先端外周面に丸みをつけておく ことが望ましい。 さらに、 先端がある 曲率半径を有した接合ツールを用いても塑性流動圧力を高くできるので. 接合界面を活性化させる作用が大きくなる。 接合界面を活性化させる作 用が大きくなると接合面積が増加して、 接合強度が高くなる。

第二の接合機構は、 接合ツールを回転させながら一方の部材にのみ圧 入して接合する場合、 接合ツールと上板表面との接触角を鋭角にして接 合する方法である。 この場合は、 塑性流動金属の排出がほとんどないた めに、 塑性流動圧力を非常に高くできる。 このため、 接合界面を活性化 させる作用が大きくなる。 この塑性流動は主として接合ツールの回転方 向に生じる。 第二の機構に関する本発明では、 先端が半球形状の接合ツールを一方 の部材のみに圧入させて摩擦攪拌させて接合することによって接触角を 鋭角にする。 これにより、 塑性流動の内部圧力が高くなるため、 接合界 面を活性化させる作用が大きくなる。

接合部材の重ね面に軟質金属をめつきしておく と、 接合界面の表面酸 化皮膜をより剥離し易くすることができる。 接合部材の材質が炭素鋼の ような場合には、 この方法は極めて有効である。 軟質金属としては、 二 ッケル， 亜鉛， 銅が特に有効である。 .

接合ツールの圧入側部材の表面に台形部材を設けるか或いは台形に加 ェしておく ことにより、 接合ツールの圧入によるくぼみが生じても接合 強度の低下を防止することができる。

また、 一方の部材の重ね面に溝部を設け、 もう一方の部材の重ね面に 突起部を設けて、 前記溝に他方の突起部を嵌合し、 その状態で接合する ようにすれば、 接合ツールと重ね面の距離を短くできる。 この方法は、 厚板を接合する場合に適する。

本発明は、 接合ツールを部材に圧入させながらそのまま引抜き、 これ を繰り返すスポッ ト接合にも適用できる。

本発明は接合ツールを圧入させたまま移動して連続的に接合すること も可能である。

本発明の接合ツールによる摩擦攪拌接合方法によれば、 重ね継手の接 合界面に塑性流動を積極的に生じさせることができ、 表面酸化皮膜を剥 離排出して界面を活性化できる。 これにより、 接合強度の高い接合が可 能である。 また、 異種金属の接合が可能である。 図面の簡単な説明 第 1図は第 1の実施例における断面図である。

第 2図は第 1の実施例における接合中の斜視図である。

第 3図は第 1の実施例における接合中の接合方向の断面図である。 第 4図は第 1の実施例における接合後の接合部の断面図である。

第 5図は第 1の実施例における接合部の塑性流動状態の模式図である 第 6図は第 1の実施例における接合部のせん断強度を示すグラフであ る。

第 7図は第 1の実施例における接合中の断面図である。

第 8図は従来法の接合中の断面図である。

第 9図は接合ツールの形状の一例を示す断面図である。

第 1 0図は接合ツール形状の他の例を示す断面図である。

第 1 1図は第 2の実施例における接合前の断面図である。

第 1 2図は第 2の実施例における接合部の断面図である。

第 1 3図は第 3の実施例における接合前の断面図である。

第 1 4図は第 3の実施例における接合部の断面図である。

第 1 5図は第 4の実施例における接合後の上面図である。

第 1 6図は第 5の実施例における接合中の断面図である。

第 1 7図は第 6の実施例における接合中の断面図である。

第 1 8図は第 7の実施例における接合中の断面図である。

第 1 9図は第 8の実施例における接合中の断面図である。

第 2 0図は第 9の実施例における接合中の断面図である。 発明を実施するための最良の形態

実施例 1

第 1図は第 1の実施例における断面図を示す。 接合ツール 1は大径の ショルダ 3の先端に小径の凸部 2を有している。 接合試験片は受け部材 2 4の上に、 上板 4と下板 5を重ねて配置されている。 第 2図は接合中 の斜視図を示す。 接合ツール 1を上板 4の側から回転させながら上板 4 にのみ圧入した状態で接合方向に移動することにより、 上板 4と下板 5 の接合界面 6を接合することができる。 上板 4には、 接合ツール 1の移 動にともないくぼみ 7が生ずる。 第 3図に接合中の接合方向の断面図を 示す。 接合中の接合ツール 1の回転軸は、 矢印で示した接合方向とは反 対側、 すなわち後進角側に傾斜させる。 第 4図に接合後の接合部の断面 図を示す。 接合部 9の中心には接合ツール 1の凸部 2に相当するくぼみ 7が生じ、 接合部表面の両端にはくぼんだ分に相当する排出金属 8が生 じる。 このとき、 上板 4と下板 5の重ね面における表面酸化皮膜が剥離 されて接合界面 6において金属的に接合される。

本実施例の上板 4の材質は J I S規格 A 1 0 5 0 - H 2 4の工業用純 アルミニウムであり、 下板 5の材質はニッケルである。 なお、 板厚はそ れぞれ 0 . 4 mm である。 また、 接合ツール 1の材質は工具鋼であり、 シ ョルダ 3の直径は 5 mmで、 高さ 0 . 1 mmの凸部 2を設けている。 この接 合ツール 1 を 1 8， 0 0 O rpmで回転させて上板 4に圧入した状態で、 接 合速度 4 0 O mm/m i n で移動させることにより接合する。 なお、 接合ッ ール 1の回転軸の後進角は 2 . 5 ° とした。

第 5図は接合部の塑性流動状態の模式図を示す。 接合ツール 1の圧入 により、 接合部には圧入方向に大きな荷重が作用する。 また、 接合部は 接合ツール 1 と上板 4との摩擦熱により高温になっている。 そのため、 高圧 · 高温の状態で接合部の両端に向かって塑性流動が起こる。 この塑 性流動により、 接合部の上板 4と下板 5の接合界面 6にはせん断応力が 働き、 接合界面の表面酸化皮膜が剥離されて、 両者が金属的に接合され る。 また、 くぼみ 7に相当する金属が排出金属 8となる。

上板 4および下板 5の材質であるが、 同種金属でも異種金属でも接合 可能である。 特に、 アルミニウム， 鉛， 錫， マグネシウムなどのように 融点が低い金属同士またはこれらを一方の部材とする異種金属の接合に 適する。 融点が大きく異なる金属を接合する場合には、 接合温度が高い と両者のあいだに厚い反応層が生じやすい。 このような場合には、 上板 を低融点金属にして接合することが好ましく、 これにより反応層の厚 さを最小限にできる。 アルミニウムとニッゲルの接合など融点が大きく 異なる金属の接合には、 この方法は特に有効である。 さらに、 上板 4が アルミニウムで下板 5が炭素鋼の場合には、 炭素鋼の表面にニッケルめ つきを施すことも有効である。ニッケルは軟質金属で塑性変形しゃすく、 表面の酸化皮膜が剥離しやすいからである。 他にも、 亜鉛めつき， 銅め つきも同様の効果が得られる。

また、 ショルダ 3の直径であるが、 上板 4の板厚および材質に依存す る。 本実施例では上板の板厚 0 . 4 mm に対して、 ショルダの直径が 5 mm であり、 板厚の 1 2 . 5 倍である。 このように板厚に対してショルダの 直径を大きくすることで、 接合ツール 1 を押圧する荷重が大きくなるた め、 塑性流動圧力も大きくなり、 接合面の表面酸化皮膜をより剥離しや すくできる。 ショルダの直径は、 接合ツールを挿入する側の板厚の 8〜 2 0倍とすることが望ましい。

第 6図に接合部のせん断強度を示す。接合部の試験片の幅は 5 mmとし た。 また、 くぼみ 7が生じるために、 せん断強度は破断荷重を上板 4も しくは下板 5の母材の板厚から算出した断面積で割った値を用いた。 本 発明のせん断強度は 1 5 5〜 1 6 5 N /im² であるのに対し、 従来法で は 1 2 0〜 1 3 0 N Z匪² である。 この理由を次に説明する。 第 7図に本発明の接合中の断面図を示す。 せん断強度は上板接合部厚 さ 1 2に依存する。 接合部の中央にはくぼみ 7が生じるがせん断強度の 低下の原因にはならない。

第 8図に従来法の接合中の断面図を示す。 接合ツール 1は円柱形状で ある。 この接合ツール 1では、 接合部の両端に向かって塑性流動を生じ させ、 その結果として排出金属 8を生じさせるためには、 接合ツール 1 を上板 4の表面より深く圧入しなければならない。 そのため、 接合部が 均一にくぼみ、 上板接合部厚さ 1 2が小さくなる。 そのため、 せん断強 度が本発明より低くなる。

第 9図及び第 1 0図に接合ツールの形状の例を示す。 第 9図の接合ッ —ル 1はツール端部 1 0が曲面になっており、 これにより排出金属 8が ばりとなってとれることを防止する効果がある。 さらに、 凸部 2の周囲 に凹部 2 0を設けることによって塑性流動圧力を高くすることができる, 第 1 0図は接合ツール 1のツール端部 1 0が傾斜し傾斜面になっている: このッ一ル形状は、排出金属 8の排出を抑制する効果があり、そのため、 塑性流動圧力を大きくする作用がある。

実施例 2

第 1 1図は第 2の実施例における接合前の断面図を示す。 実施例 1 と 異なる点は、 上板 4の接合部に台形部材 3 0を設けて、 上板 4を厚くし たことである。第 1 2図に第 2の実施例における接合部の断面図を示す。 接合部にはくぼみ 7が生じるが、 接合部を平滑に研削しても、 くぼみが 生じることなく平滑な表面が得られる。

実施例 3

第 1 3図は第 3の実施例における接合前の断面図を示す。 また、 第 1 4図に接合部の断面図を示す。 実施例 1 と異なる点は、 上板 4に溝部 3 2を設け、 下板 5に突起部 3 1を設けて、 溝部に突起部を嵌合させた ことである。 これにより、 上板 4の厚さより接合部の厚さを薄くできる ため、 より厚い板厚まで接合することができる。

実施例 4

第 1 5図は第 4の実施例における接合後の上面図を示す。 本実施例で は接合ツール 1を上板 4に圧入したのち引抜いてスポッ ト接合をした例 である。 スポッ ト接合に対しても本発明は適用可能である。

実施例 5

第 1 6図は第 5の実施例における接合中の断面図を示す。 上板 4は厚 さ 1 mmのアルミニウムであり、 下板 5は厚さ 1 mmの炭素鋼である。 これ らの試験片を重ねて、 上板 4側から接合ツール 1を回転させながら圧入 している。 なお、 接合ツール 1はショルダ 3が直径 1 2 mmであり、 接合 ツール 1の先端は曲率半径 2 0 mmの半球形状 1 3になっている。 この接 合ツール 1の圧入により、 上板 4とのあいだで生じる摩擦熱および押圧 により、 接合ツール 1の外周側に上板 1が塑性流動して排出金属 8が生 じる。 この排出の過程では下板 2である炭素鋼の融点が高いため、 塑性 流動はしない。 しかし、 炭素鋼の接合界面の酸化皮膜がアルミニウムの 塑性流動により除去されて、 接合界面 6が活性化して、 上板 1 と下板 2 とが金属的な接合をすることができる。 さらに、 接合ッ一ル 1は上板 4 であるアルミニウム側から圧入するので、 下板 5である炭素鋼側から接 合する場合に比べて接合温度を低くすることができる。 そのため、 接合 界面には接合部の疲労強度を低下させる脆い金属間化合物の生成を抑制 することができるので、 良好な接合特性を得ることができる。 また、 先 端が半球形状部 1 3になっているので、 押圧力が強く、 接合界面を活性 化させる作用が大きくなる。 そのため、 接合面積が大きくなり接合強度 が大きくなる。

実施例 6

第 1 7図は第 6の実施例における接合中の断面図を示す。 上板 4およ び下板 5の板厚， 材質は実施例 5 と同じである。 ただし、 接合ツール 1 の形状が異なる。 ショルダ 3の直径は 2 4匪であり、 先端は曲率半径 2 0 mm.の半球形状 1 3になっている。 この半球形状 1 3の一部のみを上 板に圧入して接合する。 これによつても、 同様に上板 4と下板 5を接合 することが可能である。 上板 4の表面と半球形状 1 3の接触角 0は非常 に小さく、.そのため、 塑性流動したアルミニウムがばりとなり排出する のを抑制できる。 このため、 接合ツール 1の塑性流動圧力を高くするこ とができ接合界面を活性化する作用が大きくなる。 '

従来形状の曲面を有していない接合ツールでは、 接触角は 9 0 ° であ るが、 上記本発明においてはおよそ 1 0 ° である。 この接触角を 5〜 2 0 ° とすることにより、 塑性流動圧力を高く し、 強度の高い接合が可 能となる。 '

実施例 7

第 1 8図は第 7の実施例における接合中の断面図を示す。 上板 4およ び下板 5の板厚， 材質は実施例 5 と同じである。 ただし、 接合ツール 1 の形状が異なる。 先端には平面部 1 4を有し、 その外周が曲率半径 2 0 mmの丸み部 1 5を設けている。 この丸み部 1 5の一部のみを上板 4に圧 入することによつても、 実施例 6 と同様の接合が可能である。

実施例 8

第 1 9図は第 8の実施例における接合中の断面図を示す。 上板 4は厚 さ 0 . 3 mmのアルミニウムであり、下板 5は厚さ 0 . 5 mmのアルミニウム である。 ただし、 上板 4は突合せ形状になっている。 なお、 接合ツール 1 は先端が曲率半径 1 0 mm の半球形状である。 この接合ツール 1 を 5，000rpmで回転させながら接合方向に移動する。 これにより、 上板 4ど うしの突合せ接合も可能である。なお、接合後は下板 5 とも接合される。 また、 下板 5にセラミックなどの表面が活性化されにくい部材を用いる ことにより、 上板 4どうしのみ接合して、 下板 5 とは接合しない施工可 能である。

実施例 9

第 2 0図は第 9の実施例における接合中の断面図を示す。 上板 4 , 中 板 1 7， 下板 5いずれも厚さ 0. 1 mm のアルミニウムである。 接合ッ一 ル 1はショルダ 3の直径が 5 mm、 先端が曲率半径 1 0 mmの半球形状 1 3 である。 この接合ツール 1 を 15， OOOrpmで押圧しながら接合方向に 1000 讓 Zmin の速度で移動することにより、 3枚の板の同時接合が可能であ る。

Claims

請 求 の 範 囲

1 . 複数の部材を重ね合せ、 接合ツールを回転させながら一方の部材側 に圧入して摩擦攪拌を生じさせて接合する重ね継手の摩擦攪拌接合方法 において、 前記接合ツールとしてショルダの先端に小径の凸部を有する 接合ツールを用い、 該接合ツールの凸部および前記ショルダを一方の部 材に圧入するようにしたことを特徴とする摩擦攪拌接合方法。

2 . 請求項 1において、 前記小径の凸部は半球形状であることを特徴と する摩擦攙拌接合方法。

3 . 請求項 2において、 前記凸部のまわりのショルダに凹部を設けたこ とを特徴とする摩擦攪拌接合方法。

4 . 請求項 1において、 前記接合ツールの前記ショルダの先端外周面を 傾斜させて傾斜面にしたことを特徴とする摩擦攪拌接合方法。

5 . 請求項 1 において、 前記接合ツールの前記ショルダの先端外周面に 丸みをつけたことを特徴とする摩擦攪拌接合方法。

6 . 請求項 1〜 5において、 前記接合ツールを一方の部材に圧入して、 この圧入により前記接合ツールの外周に部材を排出させる塑性流動によ り、 接合界面を活性化させて接合することを特徴とする摩擦攪拌接合方 法。

7 . 複数の部材を重ね合せ、 接合ツールを回転させながら一方の部材側 に圧入して摩擦攪拌を生じさせて接合する重ね継手の摩擦攪拌接合方法 において、 前記接合ツールの先端は半球形状であることを特徴とする摩 擦攪拌接合方法。

8 . 請求項 7において、 前記接合ツールの前記半球形状の一部のみを部 材に圧入して、 前記接合ッ一ルと部材表面との接触角を鋭角にすること を特徴とする摩擦攪拌接合方法。

9 . 請求項 7および請求項 8において、 前記部材を塑性流動させること により、 接合界面を活性化させて接合することを特徴とする摩擦攪拌接 合方法。

1 0 . 複数の部材を重ね合せ、 接合ツールを回転させながら一方の部材 側に圧入して摩擦攪拌を生じさせて接合する重ね継手の摩擦攪拌接合方 法において、 前記接合ツールの先端は平面であり、 かつ、 その外周面に は丸みをつけていることを特徴とする摩擦攪拌接合方法。

1 1 . 請求項 1 0において、 前記接合ツールの前記平面部のすべて、 お よび前記丸み部の一部のみを部材に圧入することを特徵とする摩擦攪拌 接合方法。

1 2 . 請求項 1 0および請求項 1 1において、 前記部材を塑性流動させ ることにより、 接合界面を活性化させて接合することを特徴とする摩擦 攪拌接合方法。

1 3 .請求項 1〜 1 2において、前記接合ツールを前記部材に圧入して、 部材を摩擦攪拌したのち引抜いてスポッ ト接合することを特徴とする摩 擦攪拌接合方法。

1 4 . 請求項 1〜 1 2において、 前記接合ツールを前記部材に圧入した 状態で、 前記接合ツールを接合方向に移動することを特徴とする摩擦攪 拌接合方法。

1 5 . 請求項 1〜 1 4において、 複数の部材の重ね面に軟質金属をめつ きしたことを特徴とする重ね継手の摩擦攪拌接合方法。

1 6 . 請求項 1 5において、 前記軟質金属はニッケル， 亜鉛， 銅のいず れかであることを特徴とする重ね継手の摩擦攪拌接合方法。

1 7 . 請求項 1〜 1 6のいずれかにおいて、 前記接合ツールを圧入する 部材側の表面に台形部材を設け、 接合ツールの圧入によるへこみを防止 したことを特徴とする重ね継手の摩擦攪拌接合方法。

1 8 . 請求項 1〜 1 7のいずれかにおいて、 一方の部材には重ね面に溝 を設け、 他方の部材には重ね面に前記溝に嵌合される突起部を設け、 前 記溝に前記突起部を嵌合して接合することを特徴とする重ね継手の摩擦 攪拌接合方法。

1 9 . 接合ツールを回転させ、 摩擦攪拌により複数の部材を接合する摩 擦攪拌接合装置において、

前記接合ツールは、 先端面が凸形状を有する曲面となっていることを 特徴とする摩擦攪拌接合装置。

2 0 . 接合ツールを回転させ、 摩擦攪拌により複数の部材を接合する摩 擦攪拌接合装置において、

前記接合ツールは、 先端の中央部に接合ツールの径ょり小さい径の凸 部を有し、 前記凸部の先端部は曲面となっていることを特徴とする摩擦 攪拌接合装置。

2 1 . 接合ツールを回転させ、 摩擦攪拌により複数の部材を接合する摩 擦攪拌接合装置において、

前記接合ツールは先端の中央部に凸部を有し、 前記凸部の周囲が凹部 となっていることを特徴とする摩擦攪拌接合装置。

2 2 . 接合ツールを回転させ、 摩擦攪拌により複数の部材を接合する摩 擦攪拌接合装置において、

前記接合ツールは、 ツールの先端部の軸方向に対する断面形状が台形 形状となっていることを特徴とする摩擦攪拌接合装置。