摩擦攪拌接合方法
【課題】重ね継手の接合強度が高くなる摩擦攪拌接合方法を提供する。
【解決手段】接合ツール(1)は、ショルダ(3)の先端に小径の凸部(2)を有する。この接合ツールを回転させながら、重ね継手の上板(4)にのみ圧入する。摩擦攪拌作用により、上板側の接合界面(6)は塑性流動し、重ね面の表面酸化膜が剥離し界面が活性化されて良好な接合部を得られる。また接合ツールは、先端に小径で半球形状の凸部(2)を有する形状により、上板接合部厚さ(12)が大きくなり、接合強度の高い重ね継手部が得られる。
【解決手段】接合ツール(1)は、ショルダ(3)の先端に小径の凸部(2)を有する。この接合ツールを回転させながら、重ね継手の上板(4)にのみ圧入する。摩擦攪拌作用により、上板側の接合界面(6)は塑性流動し、重ね面の表面酸化膜が剥離し界面が活性化されて良好な接合部を得られる。また接合ツールは、先端に小径で半球形状の凸部(2)を有する形状により、上板接合部厚さ(12)が大きくなり、接合強度の高い重ね継手部が得られる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
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】
【0002】
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2001−314981号公報)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開2001−314981号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
摩擦攪拌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。
【0005】
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。
【0006】
摩擦攪拌接合による重ね接合において、接合ツー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、アルミニウムの融点は660℃、ニッケルの融点は1455℃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、キャ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。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明の接合の機構は2種類ある。
【0008】
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。
【0009】
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。
【0010】
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。
【0011】
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。
【0012】
接合部材の重ね面に軟質金属をめっきしておくと、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、ニッケル,亜鉛,銅が特に有効である。
【0013】
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工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。
【0014】
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。
【0015】
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。
【0016】
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。
【発明の効果】
【0017】
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】
【0018】
【図1】第1の実施例における断面図である。
【図2】第1の実施例における接合中の斜視図である。
【図3】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。
【図4】第1の実施例における接合後の接合部の断面図である。
【図5】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。
【図6】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。
【図7】第1の実施例における接合中の断面図である。
【図8】従来法の接合中の断面図である。
【図9】接合ツールの形状の一例を示す断面図である。
【図10】接合ツール形状の他の例を示す断面図である。
【図11】第2の実施例における接合前の断面図である。
【図12】第2の実施例における接合部の断面図である。
【図13】第3の実施例における接合前の断面図である。
【図14】第3の実施例における接合部の断面図である。
【図15】第4の実施例における接合後の上面図である。
【図16】第5の実施例における接合中の断面図である。
【図17】第6の実施例における接合中の断面図である。
【図18】第7の実施例における接合中の断面図である。
【図19】第8の実施例における接合中の断面図である。
【図20】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形態】
【0019】
以下、実施例を用いて本発明を説明する。
【実施例1】
【0020】
図1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24の上に、上板4と下板5を重ねて配置されている。図2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。図3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。図4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。
【0021】
本実施例の上板4の材質はJIS規格A1050−H24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0.4mm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5mmで、高さ0.1mmの凸部2を設けている。この接合ツール1を18,000rpmで回転させて上板4に圧入した状態で、接合速度400mm/minで移動させることにより接合する。なお、接合ツール1の回転軸の後進角は2.5°とした。
【0022】
図5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。
【0023】
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4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ケ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っ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やすく、表面の酸化皮膜が剥離しやすいからである。他にも、亜鉛めっき,銅めっきも同様の効果が得られる。
【0024】
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0.4mmに対して、ショルダの直径が5mmであり、板厚の12.5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8〜20倍とすることが望ましい。
【0025】
図6に接合部のせん断強度を示す。接合部の試験片の幅は5mm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155〜165N/mm2であるのに対し、従来法では120〜130N/mm2である。この理由を次に説明する。
【0026】
図7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12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。
【0027】
図8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12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。
【0028】
図9及び図10に接合ツールの形状の例を示す。図9の接合ツール1はツール端部10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20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。図10は接合ツール1のツール端部10が傾斜し傾斜面になっている。このツール形状は、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】
【0029】
図11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30を設けて、上板4を厚くしたことである。図12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】
【0030】
図13は第3の実施例における接合前の断面図を示す。また、図14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32を設け、下板5に突起部31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】
【0031】
図15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】
【0032】
図16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1mmのアルミニウムであり、下板5は厚さ1mm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12mmであり、接合ツール1の先端は曲率半径20mmの半球形状13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、接合ツール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13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】
【0033】
図17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24mmであり、先端は曲率半径20mmの半球形状13になっている。この半球形状13の一部のみを上板に圧入して接合する。これによっても、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13の接触角θ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。
【0034】
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90°であるが、上記本発明においてはおよそ10°である。この接触角を5〜20°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】
【0035】
図18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14を有し、その外周が曲率半径20mmの丸み部15を設けている。この丸み部15の一部のみを上板4に圧入することによっても、実施例6と同様の接合が可能である。
【実施例8】
【0036】
図19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0.3mmのアルミニウムであり、下板5は厚さ0.5mm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10mm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同士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同士のみ接合して、下板5とは接合しない施工可能である。
【実施例9】
【0037】
図20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17,下板5いずれも厚さ0.1mmのアルミニウムである。接合ツール1はショルダ3の直径が5mm、先端が曲率半径10mmの半球形状13である。この接合ツール1を15,000rpmで押圧しながら接合方向に1000mm/min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。
【符号の説明】
【0038】
1 接合ツール
2 凸部
3 ショルダ
4 上板
5 下板
6 接合界面
7 くぼみ
8 排出金属
9 接合部
10 ツール端部
12 上板接合部厚さ
13 半球形状部
14 平面部
15 丸み部
17 中板
20 凹部
24 受け部材
30 台形部材
31 突起部
32 溝部
【技術分野】
【0001】
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】
【0002】
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2001−314981号公報)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開2001−314981号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
摩擦攪拌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。
【0005】
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。
【0006】
摩擦攪拌接合による重ね接合において、接合ツー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、アルミニウムの融点は660℃、ニッケルの融点は1455℃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、キャ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。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明の接合の機構は2種類ある。
【0008】
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。
【0009】
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。
【0010】
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。
【0011】
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。
【0012】
接合部材の重ね面に軟質金属をめっきしておくと、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、ニッケル,亜鉛,銅が特に有効である。
【0013】
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工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。
【0014】
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。
【0015】
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。
【0016】
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。
【発明の効果】
【0017】
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】
【0018】
【図1】第1の実施例における断面図である。
【図2】第1の実施例における接合中の斜視図である。
【図3】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。
【図4】第1の実施例における接合後の接合部の断面図である。
【図5】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。
【図6】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。
【図7】第1の実施例における接合中の断面図である。
【図8】従来法の接合中の断面図である。
【図9】接合ツールの形状の一例を示す断面図である。
【図10】接合ツール形状の他の例を示す断面図である。
【図11】第2の実施例における接合前の断面図である。
【図12】第2の実施例における接合部の断面図である。
【図13】第3の実施例における接合前の断面図である。
【図14】第3の実施例における接合部の断面図である。
【図15】第4の実施例における接合後の上面図である。
【図16】第5の実施例における接合中の断面図である。
【図17】第6の実施例における接合中の断面図である。
【図18】第7の実施例における接合中の断面図である。
【図19】第8の実施例における接合中の断面図である。
【図20】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形態】
【0019】
以下、実施例を用いて本発明を説明する。
【実施例1】
【0020】
図1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24の上に、上板4と下板5を重ねて配置されている。図2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。図3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。図4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。
【0021】
本実施例の上板4の材質はJIS規格A1050−H24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0.4mm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5mmで、高さ0.1mmの凸部2を設けている。この接合ツール1を18,000rpmで回転させて上板4に圧入した状態で、接合速度400mm/minで移動させることにより接合する。なお、接合ツール1の回転軸の後進角は2.5°とした。
【0022】
図5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。
【0023】
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4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ケ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っ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やすく、表面の酸化皮膜が剥離しやすいからである。他にも、亜鉛めっき,銅めっきも同様の効果が得られる。
【0024】
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0.4mmに対して、ショルダの直径が5mmであり、板厚の12.5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8〜20倍とすることが望ましい。
【0025】
図6に接合部のせん断強度を示す。接合部の試験片の幅は5mm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155〜165N/mm2であるのに対し、従来法では120〜130N/mm2である。この理由を次に説明する。
【0026】
図7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12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。
【0027】
図8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12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。
【0028】
図9及び図10に接合ツールの形状の例を示す。図9の接合ツール1はツール端部10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20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。図10は接合ツール1のツール端部10が傾斜し傾斜面になっている。このツール形状は、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】
【0029】
図11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30を設けて、上板4を厚くしたことである。図12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】
【0030】
図13は第3の実施例における接合前の断面図を示す。また、図14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32を設け、下板5に突起部31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】
【0031】
図15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】
【0032】
図16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1mmのアルミニウムであり、下板5は厚さ1mm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12mmであり、接合ツール1の先端は曲率半径20mmの半球形状13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、接合ツール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13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】
【0033】
図17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24mmであり、先端は曲率半径20mmの半球形状13になっている。この半球形状13の一部のみを上板に圧入して接合する。これによっても、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13の接触角θ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。
【0034】
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90°であるが、上記本発明においてはおよそ10°である。この接触角を5〜20°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】
【0035】
図18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14を有し、その外周が曲率半径20mmの丸み部15を設けている。この丸み部15の一部のみを上板4に圧入することによっても、実施例6と同様の接合が可能である。
【実施例8】
【0036】
図19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0.3mmのアルミニウムであり、下板5は厚さ0.5mm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10mm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同士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同士のみ接合して、下板5とは接合しない施工可能である。
【実施例9】
【0037】
図20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17,下板5いずれも厚さ0.1mmのアルミニウムである。接合ツール1はショルダ3の直径が5mm、先端が曲率半径10mmの半球形状13である。この接合ツール1を15,000rpmで押圧しながら接合方向に1000mm/min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。
【符号の説明】
【0038】
1 接合ツール
2 凸部
3 ショルダ
4 上板
5 下板
6 接合界面
7 くぼみ
8 排出金属
9 接合部
10 ツール端部
12 上板接合部厚さ
13 半球形状部
14 平面部
15 丸み部
17 中板
20 凹部
24 受け部材
30 台形部材
31 突起部
32 溝部
【特許請求の範囲】
【請求項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のみ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重ね継手の摩擦攪拌接合方法。
【請求項2】
請求項1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、前記接合ツー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重ね継手の摩擦攪拌接合方法。
【請求項3】
請求項1および請求項2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重ね継手の摩擦攪拌接合方法。
【請求項4】
請求項1〜3のいずれかにおいて、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重ね継手の摩擦攪拌接合方法。
【請求項5】
請求項1〜4のいずれかにおいて、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重ね継手の摩擦攪拌接合方法。
【請求項6】
請求項1〜5のいずれかにおいて、複数の部材の重ね面に軟質金属をめっきしたことを特徴とする重ね継手の摩擦攪拌接合方法。
【請求項7】
請求項1〜6のいずれかににおいて、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。
【請求項8】
請求項1〜7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。
【請求項9】
請求項1〜8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。
【請求項10】
請求項1〜9のいずれかにおいて、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重ね継手の摩擦攪拌接合方法。
【請求項11】
請求項1〜10のいずれかにおいて、前記複数の部材は異種金属よりなることを特徴とする重ね継手の摩擦攪拌接合方法。
【請求項12】
請求項11において、前記接合ツールを低融点側の部材に圧入することを特徴とする重ね継手の摩擦攪拌接合方法。
【請求項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のみ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重ね継手の摩擦攪拌接合方法。
【請求項2】
請求項1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、前記接合ツー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重ね継手の摩擦攪拌接合方法。
【請求項3】
請求項1および請求項2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重ね継手の摩擦攪拌接合方法。
【請求項4】
請求項1〜3のいずれかにおいて、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重ね継手の摩擦攪拌接合方法。
【請求項5】
請求項1〜4のいずれかにおいて、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重ね継手の摩擦攪拌接合方法。
【請求項6】
請求項1〜5のいずれかにおいて、複数の部材の重ね面に軟質金属をめっきしたことを特徴とする重ね継手の摩擦攪拌接合方法。
【請求項7】
請求項1〜6のいずれかににおいて、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。
【請求項8】
請求項1〜7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。
【請求項9】
請求項1〜8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。
【請求項10】
請求項1〜9のいずれかにおいて、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重ね継手の摩擦攪拌接合方法。
【請求項11】
請求項1〜10のいずれかにおいて、前記複数の部材は異種金属よりなることを特徴とする重ね継手の摩擦攪拌接合方法。
【請求項12】
請求項11において、前記接合ツールを低融点側の部材に圧入することを特徴とする重ね継手の摩擦攪拌接合方法。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【公開番号】特開2009−154209(P2009−154209A)
【公開日】平成21年7月16日(2009.7.16)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2009−97570(P2009−97570)
【出願日】平成21年4月14日(2009.4.14)
【分割の表示】特願2005−507006(P2005−507006)の分割
【原出願日】平成16年6月11日(2004.6.11)
【出願人】(000005108)株式会社日立製作所 (27,607)
【Fターム(参考)】
【公開日】平成21年7月16日(2009.7.16)
【国際特許分類】
【出願日】平成21年4月14日(2009.4.14)
【分割の表示】特願2005−507006(P2005−507006)の分割
【原出願日】平成16年6月11日(2004.6.11)
【出願人】(000005108)株式会社日立製作所 (27,607)
【Fターム(参考)】
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