摩擦点接合方法
【課題】回転ツールとの摩擦熱により生じる金属の塑性流動を簡単な構成で促進させ、より低コストで接合強度を向上させる。
【解決手段】第１金属部材（１１）および第２金属部材（１２）の各接合面間に潤滑剤Ｚを介在させた状態で両金属部材（１１，１２）を重ね合わせた後に、上記第１金属部材（１１）の側に回転ツール１６を当接させ、この回転ツール１６の回転動作および加圧動作により発生する摩擦熱で上記第１金属部材（１１）を軟化および塑性流動させることにより、上記両金属部材（１１，１２）を固相状態で接合する。さらに、このときに生じる上記摩擦熱によって上記潤滑剤Ｚを消失させる。
【解決手段】第１金属部材（１１）および第２金属部材（１２）の各接合面間に潤滑剤Ｚを介在させた状態で両金属部材（１１，１２）を重ね合わせた後に、上記第１金属部材（１１）の側に回転ツール１６を当接させ、この回転ツール１６の回転動作および加圧動作により発生する摩擦熱で上記第１金属部材（１１）を軟化および塑性流動させることにより、上記両金属部材（１１，１２）を固相状態で接合する。さらに、このときに生じる上記摩擦熱によって上記潤滑剤Ｚを消失させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、重ね合わされた複数の金属部材のうちの一方側から回転ツールを押し込み、それによって発生する摩擦熱で上記金属部材どうしを点接合する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、自動車の燃費改善等の目的で軽量化を図るため、自動車等のボディ材料としてアルミニウム合金材料が多用されつつある。それに伴い、例えばアルミニウム合金等からなる部材と鉄材料等からなる部材とを接合する機会が多くなってきている。
【０００３】
しかしながら、このような異種金属材料からなる部材同士をアーク溶接などの溶融溶接で接合すると、脆弱な金属間化合物が生成されて接合強度が低下する等の問題点があった。このため、従来からリベット等を用いた機械的接合法が多く用いられてきたが、このような方法では、リベット等の副資材が必要なことなどからコスト高になるという問題がある。
【０００４】
そこで、異種金属材料からなる部材同士を低コストで接合可能な方法として、摩擦点接合と呼ばれる接合方法が注目されている。この接合方法は、例えば下記特許文献１に示されているように、アルミニウム合金板と鋼板とを重ね合わせて、このうちのアルミニウム合金板の側から回転ツールの先端部を押し込み、この回転ツールの回転動作および加圧動作により発生する摩擦熱で上記アルミニウム合金板を軟化および塑性流動させることにより、当該アルミニウム合金板と上記鋼板とを融点以下の温度で固相溶接（固相接合）するものである。
【特許文献１】特開２００５−３４８７９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上記特許文献１では、接合強度の向上や防錆等を目的として、あらかじめ鋼板の表面に亜鉛メッキ等の防錆用メッキを施しておき、このメッキ鋼板とアルミニウム合金板とを接合することが行われている。しかしながら、製品の使用環境等によっては、本来、鋼板の表面にこのような防錆用メッキを施す必要のないものがあり、このような場合には、当該防錆用メッキが施されていない状態の鋼板を用いて摩擦点接合を行うことが望まれる。
【０００６】
そこで、本発明者等は、防錆用メッキが施されていない鋼板（非メッキ鋼板）とアルミニウム合金板とを摩擦点接合法で接合する実験を行なった。すると、防錆用メッキが施された鋼板を用いる従来の方法と異なり、回転ツールをアルミニウム合金板に対し十分な深さまで押し込むことができず、接合強度が十分に得られないことが判明した。これは、回転ツールとの摩擦熱により生じるアルミニウム合金板の塑性流動が十分に起きなくなることが原因と考えられる。もちろん、回転ツールの加圧力を増大させて十分な深さまで回転ツールを押し込むようにすれば上記接合強度を向上させることができるが、このようにすると、回転ツールを駆動するモータ等の駆動源を増強する必要等が生じてコストアップを招くことになる。
【０００７】
本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、重ね合わされた複数の金属部材の一方側から回転ツールを押し込むことにより上記金属部材どうしを接合する摩擦点接合方法において、上記回転ツールとの摩擦熱により生じる金属の塑性流動を簡単な構成で促進させ、より低コストで上記金属部材どうしの接合強度を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するためのものとして、本発明は、第１金属部材とこれよりも融点が高い第２金属部材とを重ね合わせて両金属部材を固相状態で接合する方法であって、上記第１金属部材および第２金属部材の各接合面間に潤滑剤を介在させた状態で両金属部材を重ね合わせる準備工程と、この準備工程の後、上記第１金属部材の側に回転ツールを当接させ、この回転ツールの回転動作および加圧動作により発生する摩擦熱で上記第１金属部材を軟化および塑性流動させることにより、上記両金属部材を固相状態で接合する接合工程とを含み、上記接合工程では、その過程で発生する上記摩擦熱によって上記潤滑剤を消失させながら接合を行うことを特徴とするものである（請求項１）。
【０００９】
本発明によれば、第１および第２の金属部材を重ね合わせてこのうちの第１金属部材側に回転ツールを押し込む前に、上記両金属部材の各接合面間にあらかじめ潤滑剤を介在させるようにしたため、上記回転ツールの押し込みによって生じる第１金属部材の塑性流動を上記潤滑剤の潤滑作用によって効果的に促進させることができる。このため、上記回転ツールの押し込み力を高める等の措置をとることなく、簡単な構成で十分な塑性流動を生じさせることができ、上記両金属部材の摩擦点接合を円滑に行うことが可能になる。しかも、接合時に生じる摩擦熱によって上記潤滑剤を消失させるようにしたため、接合が完了したときに潤滑剤の成分が残って上記両金属部材どうしの接合が阻害されるという事態を有効に回避でき、その接合強度を効果的に向上させることができるという利点がある。
【００１０】
上記潤滑剤としては、例えば、グリースや高粘性オイルを好適に使用することができる（請求項２，３）。
【００１１】
このように、潤滑剤としてグリースや高粘性オイルを用いた場合には、上記第１金属部材の塑性流動を促進しながら、接合完了時にはこれら潤滑剤の成分を十分に消失させることができ、上記両金属部材どうしの接合強度を効果的に向上させることができる。
【００１２】
本発明の摩擦点接合方法は、例えば、上記第１金属部材がアルミニウム合金板であり、上記第２金属部材が鋼板である場合に好適に適用することができる（請求項４）。
【００１３】
この場合、上記準備工程を行う前に、上記第２金属部材としての鋼板の接合面に形成されている酸化被膜をあらかじめ除去しておくことが好ましい（請求項５）。
【００１４】
このようにすれば、上記アルミニウム合金板と鋼板との間に酸化被膜が介在しない状態でこれらを接合することができるため、これら両金属部材の間に強固な固相接合状態をつくり出すことができ、その接合強度を効果的に向上させることができる。
【発明の効果】
【００１５】
以上説明したように、本発明によれば、重ね合わされた複数の金属部材の一方側から回転ツールを押し込むことにより上記金属部材どうしを接合する摩擦点接合方法において、上記回転ツールとの摩擦熱により生じる金属の塑性流動を簡単な構成で促進させ、より低コストで上記金属部材どうしの接合強度を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の好ましい実施の形態を図面を参照しながら説明する。まず、本発明にかかる摩擦点接合方法を実施するために用いられる装置（摩擦点接合装置）について概略的について説明する。
【００１７】
図１は、上記摩擦点接合装置の一例を模式的に示す図である。本図に示される摩擦点接合装置は、アルミニウム合金板１１（本発明にかかる第１金属部材に相当）と鋼板１２（本発明にかかる第２金属部材に相当）とを接合するための装置として構成されており、その一構成要素として、当該アルミニウム合金板１１と鋼板１２とが図示のように重ね合わされた状態でその接合部Ｐ（接合予定箇所）に押し付けられる回転ツール１６を具備している。そして、このように回転ツール１６を高速で回転させながら接合部Ｐに押し込むことによって摩擦熱を生じさせ、この摩擦熱で上記両金属部材１１，１２を互いに接合するように構成されている。なお、以下では、アルミニウム合金板１１のことを単にアルミ板１１と略称するとともに、このアルミ板１１と上記鋼板１２とを総称してワーク１０ということがある。
【００１８】
上記回転ツール１６は、中心軸線Ｘ回りに回転駆動される略円筒状の部材からなり、上記ワーク１０のうち融点の低いアルミ板１１の側から上記接合部Ｐに押し付けられる。図２はこの回転ツール１６の先端部を拡大して示す図である。なお、図２において、左半分は回転ツール１６の断面、右半分は外形を示している。本図に示すように、この回転ツール１６の先端部（図では下端部）は、その中心部に突設された小径円筒状のピン部１６ａと、このピン部１６ａよりも径方向外側の部分を構成するとともに、外側に至るほど底面の高さが低くなるように形成されたショルダ部１６ｂとを有している。上記ピン部１６ａは、その下端部が上記ショルダ部１６ｂの周縁部の高さよりも所定距離下方に突出するように形成されている。
【００１９】
このような回転ツール１６の具体的寸法は、ワーク１０の厚さ等によって適宜の値に決定されるが、その好適な値の一例として、ショルダ部１６ｂの直径Ｄ１が１０ｍｍ、ピン部１６ａの直径Ｄ２が２ｍｍ、ショルダ部１６ｂの周縁部に対するピン部１６ａの突出長さｈが０．３〜０．３５ｍｍ、ショルダ部１６ｂの底面の傾斜角θ（ショルダ傾斜角）が５°〜７°とされる。
【００２０】
上記ワーク１０を挟んで回転ツール１６の反対側には、この回転ツール１６と略同径ないしはそれより大径の受け具１７が同軸配置で設けられている。この受け具１７は、ワーク１０を挟んで回転ツール１６に接近する方向に移動し、少なくとも回転ツール１６による押圧が開始されるまでにその先端が鋼板１２に当接する。そして回転ツール１６による押圧時に、その押圧力に抗してワーク１０を支持するように構成されている。
【００２１】
以上のような回転ツール１６や受け具１７は、多関節ロボット等からなる図外の駆動制御装置に装着され、その回転速度、押圧位置、加圧力、加圧時間等が適宜制御されるように構成されている。なお図１では省略しているが、予めワーク１０を固定し、また回転ツール１６を押圧したときのアルミ板１１の浮き上がりを防止するため、スペーサや浮き上がり防止板等の治具が適宜用いられる。
【００２２】
次に、以上のような摩擦点接合装置を用いて行われる当実施形態の摩擦点接合方法の具体的内容について説明する。この実施の形態では、上記鋼板１２として、非メッキ鋼板、すなわち、亜鉛メッキ等の防錆用メッキが表面に施されていない鋼板を用いる。このため、図３（ａ）に示すように、鋼板１２の表面には、その初期状態において、薄層状の酸化被膜Ｓが形成されている。
【００２３】
このような鋼板１２とアルミ板１１とを接合するには、まず、図３（ｂ）に示すように、上記鋼板１２の表面に形成された酸化被膜Ｓのうち、上記アルミ板１１と接合される部分（アルミ板１１との重ね合わせ面のうち図１の接合部Ｐに対応する部分）にあたる酸化被膜Ｓを、表面研磨等によって除去する。そして、この酸化被膜Ｓが除去された部分に、図３（ｃ）に示される潤滑剤Ｚを塗布する。この潤滑剤Ｚとしては、後述するアルミ板１１の塑性流動を促進できる程度の粘度を有するもので、かつ、接合時に発生する摩擦熱により消失するといった性質を有するものが用いられる。詳細は後述するが、このような潤滑剤Ｚの好適な例としては、例えば高粘性オイルやグリースを挙げることができる。
【００２４】
次いで、図４に示すように、上記アルミ板１１と鋼板１２とを重ね合わせる。これにより、上記アルミ板１１および鋼板１２の各接合面間に上記潤滑剤Ｚが介在した状態となる。そして、図１に示すように、軸回りに回転する回転ツール１６（矢印Ａ１参照）をワーク１０に対して矢印Ａ２のように接近させ、この回転ツール１６の下端部を、低融点金属であるアルミ板１１の側から接合部Ｐに当接させる。また、これに合わせて、受け具１７を鋼板１２の側から矢印Ａ３のように接近させ、上記接合部Ｐを上記回転ツール１６との間で挟むようにしてワーク１０を支持する。
【００２５】
そして、上記のように回転ツール１６と受け具１７との間でワーク１０を挟んだ状態で回転ツール１６を高速で回転させつつアルミ板１１に対し所定深さまで押し込み、これに応じて発生する摩擦熱によって上記アルミ板１１と鋼板１２とを点接合させる。この接合工程は、より詳しくは、以下に説明する第１押圧工程、第２押圧工程、第３押圧工程の３つの工程に分けられる。
【００２６】
まず、第１押圧工程では、図５に示すように、回転ツール１６を、あらかじめ設定された第１回転速度で回転させながら、第１加圧時間の間、第１加圧力でアルミ板１１に対し押圧接触させる。これら第１回転速度、第１加圧時間、および第１加圧力の各値は、アルミ板１１に対する回転ツール１６の押し込み深さが、そのピン部１６ａの先端部およびショルダ部１６ｂの周縁部がアルミ板１１に接触する一方でショルダ部１６ｂの径方向内側領域がアルミ板１１に接触しない程度の深さとなるように決定される。具体的には、例えば第１回転速度が１５００ｒｐｍ以上３５００ｒｐｍ以下、第１加圧時間が０．２秒以上２．０秒以下、第１加圧力が２．４５ｋＮ以上３．４３ｋＮ以下にそれぞれ設定されることが好ましい。
【００２７】
そして、上記のように回転ツール１６が中心軸線Ｘ回りに回転しながらアルミ板１１に対し押圧接触することで、この回転ツール１６におけるピン部１６ａの下端部およびショルダ部１６ｂの周縁部の２箇所の接触部位で摩擦熱が生じ、この摩擦熱は、アルミ板１１における該２箇所の接触部位の間の部分（ショルダ部１６ｂの底面が接触していない部分）を含んだ接合部Ｐ全体に速やかに拡散され、この接合部Ｐ全体を速やかに軟化させることになる。このとき、上記第１回転速度、第１加圧時間、および第１加圧力を上記のような値に設定することで、アルミ板１１をせん断破壊することなく良好に軟化させることができる。
【００２８】
また、この第１押圧工程の初期段階において、ショルダ部１６ｂの周縁部よりも所定長さｈだけ突出した細径のピン部１６ａが、ショルダ部１６ｂよりも先にアルミ板１１に当接することにより、小さな摩擦抵抗で回転ツール１６の位置決めがなされ、中心軸線Ｘに垂直な方向の回転振れが抑制される（アンカー機能）。
【００２９】
続く第２押圧工程では、図６に示すように、回転ツール１６を、第２回転速度で回転させながら、第２加圧時間の間、上記第１加圧力よりも大きい第２加圧力でアルミ板１１に押し込む。この第２押圧工程では、上記第１押圧工程のときよりも加圧力が増大されることで、回転ツール１６のピン部１６ａおよびショルダ部１６ｂがアルミ板１１に対し徐々に深く入り込み、これらピン部１６ａやショルダ部１６ｂの面全体がアルミ板１１に接触する。そしてこれに伴い、アルミ板１１の軟化に加えて塑性流動が生じる（図では模式的にこの塑性流動を破線Ｑで示している）。
【００３０】
この塑性流動Ｑの発生中においては、上記アルミ板１１と鋼板１２との各接合面間に介在する上記潤滑剤Ｚの存在により、軟化したアルミ板１１の流動が促進される。すなわち、上記潤滑剤Ｚは、アルミ板１１の塑性流動Ｑを促進する機能を有するように構成されている。このとき、径方向外側に至るほど高さが低くなるように傾斜したショルダ部１６ｂの底面により、軟化したアルミ板１１が回転ツール１６の直下部分（接合部Ｐ）から外側へ流出することが抑制されるため、上記塑性流動Ｑはこの接合部Ｐにおいて集中的に発生することになる。なお、アルミ板１１の表面には不図示の酸化膜が形成されているが、この酸化膜は上記塑性流動Ｑが生じる部分（接合部Ｐ）において破壊されるため、当該接合部Ｐではアルミ板１１の新生面が露出する。
【００３１】
上記第２回転速度、第２加圧時間、および第２加圧力の各値は、アルミ板１１に対する回転ツール１６の押し込み深さが、そのピン部１６ａおよびショルダ部１６ｂの面全体がアルミ板１１に接触し得る程度でかつアルミ板１１が過度に薄くなって引きちぎられることがない程度の深さとなるように決定される。具体的には、例えば第２回転速度が２０００ｒｐｍ以上３０００ｒｐｍ以下、第２加圧時間が１．０秒以上２．０秒以下、第２加圧力が３．９２ｋＮ以上５．８８ｋＮ以下にそれぞれ設定されることが好ましい。
【００３２】
続く第３押圧工程では、図７に示すように、回転ツール１６を、第３回転速度で回転させながら、第３加圧時間の間、上記第２加圧力よりも小さい第３加圧力でアルミ板１１に対し押圧接触させる。この第３押圧工程では、上記第２押圧工程のときよりも加圧力が低減されることで、回転ツール１６が上記第２押圧工程完了時の深さよりも深く押し込まれず、そのときと同じ位置でアルミ板１１を押圧し続けることとなる。これにより、アルミ板１１が過度に薄くなって引きちぎられることが回避されるとともに、接合部Ｐの温度が上記第２押圧工程のときと同程度に維持され、良好な塑性流動が長時間に亘って行われる。
【００３３】
上記第３回転速度、第３加圧時間、および第３加圧力の各値の具体例としては、第３回転速度が１５００ｒｐｍ以上３５００ｒｐｍ以下、第３加圧時間が０．５秒以上２．５秒以下、第３加圧力が０．４９ｋＮ以上１．４７ｋＮ以下にそれぞれ設定されることが好ましい。
【００３４】
上記第２押圧工程および第３押圧工程でアルミ板１１の塑性流動が起きている間、上記アルミ板１１と鋼板１２との間に介在していた潤滑剤Ｚ（図６）は、塑性流動時の摩擦熱で気化する等によって徐々に消失し、最終的に上記第３押圧工程が終了する時点において、図７に示すようにその大部分が消失することになる。そして、この潤滑剤Ｚが消失した部分に鋼板１２の新生面が露出し、この露出した新生面が、軟化したアルミ板１１側の新生面（塑性流動時に酸化被膜が破壊されることにより形成された新生面）と接触することにより、これらアルミ板１１と鋼板１２との合わせ面どうしが強固に固相接合される。
【００３５】
上記第３押圧工程が完了して１つの接合部Ｐでの接合が終了すると、回転ツール１６と受け具１７とがワーク１０から離される。そして、このような摩擦点接合が完了した後の接合部Ｐにおいては、図８に示すように、アルミ板１１の表面に、ショルダ部１６ｂおよびピン部１６ａの痕が残るとともに、ショルダ部１６ｂの周囲において上方に突出するバリＲが形成される。適正な接合が行われたとき、このバリＲは適度な径方向厚みをもって全周に亘り略均一に形成されることになる。
【００３６】
上記のようにアルミ板１１と鋼板１２とを重ね合わせ、このうち融点が低いアルミ板１１の側から回転ツール１６を押し込んでそのときに発生する摩擦熱で上記アルミ板１１を軟化および塑性流動させることにより、上記両金属部材１１，１２を固相状態で接合する摩擦点接合方法において、上記回転ツール１６を押し込む前にアルミ板１１および鋼板１２の各接合面間にあらかじめ潤滑剤Ｚを介在させておくことで、接合時に生じる上記アルミ板１１の塑性流動をこの潤滑剤Ｚの存在により促進させるようにしたため、上記回転ツール１６の押し込み力を高める等の措置をとることなく、簡単な構成で十分な塑性流動を生じさせることができ、両金属部材１１，１２の摩擦点接合を円滑に行うことができるという利点がある。しかも、上記潤滑剤Ｚとして、接合時の摩擦熱によって消失するような性質の潤滑剤を用いたことにより、接合が完了したときに潤滑剤Ｚの成分が残って上記両金属部材１１，１２どうしの接合が阻害されるという事態を有効に回避できるため、上記両金属部材１１，１２どうしの接合強度を効果的に向上させることができる。
【００３７】
また、上記実施形態のように、鋼板１２の接合面に形成された酸化被膜Ｓ（鋼板１２の表面のうちアルミ板１１と接合される部分に形成された酸化被膜Ｓ）をあらかじめ除去してから摩擦点接合を行うようにした場合には、この酸化被膜Ｓが介在しない状態でアルミ板１１と鋼板１２とを接合して両者の間に強固な固相接合状態をつくり出することができ、これら両金属部材１１，１２どうしの接合強度をより効果的に向上させることができるという利点がある。
【００３８】
次に、上記のようにアルミ板１１と鋼板１２との間に潤滑剤Ｚを介在させた状態で両金属部材１１，１２どうしを摩擦点接合することによる効果を確認するために行なった実験例について以下に説明する。
【００３９】
この実験では、所定厚さのアルミ板１１と、表面にメッキが施されていない所定厚さの鋼板（非メッキ鋼板）１２とを用い、これらアルミ板１１と非メッキ鋼板１２との接合面間に種々の潤滑剤Ｚを介在させた状態でそれぞれ摩擦点接合を行なった。そして、このようにして得られた各種試験片に対して引張せん断強度の測定等の確認試験を行なった。また、比較例として、アルミ板１１と非メッキ鋼板１２とを潤滑剤Ｚを使用せずに接合した試験片と、アルミ板１１とメッキ鋼板（表面に亜鉛メッキが施された鋼板）とを潤滑剤Ｚを使用せずに接合した試験片とを用意し、これらに対してもそれぞれ引張せん断強度の測定等を行なった。
【００４０】
図９は、この実験のために用意した試験片の一覧を示している。この図９において、試験片Ｎｏ．３〜Ｎｏ．７は、回転ツール１６が押し込まれる側の上板として厚さ１．４ｍｍのアルミ板１１を、この上板の下側に重ね合わされる下板として厚さ１．０ｍｍの非メッキ鋼板１２をそれぞれ用い、これら両金属部材１１，１２の間に各種の潤滑剤Ｚを介在させた状態で摩擦点接合を行うことにより成形したものである。これに対し、試験片Ｎｏ．２は、上記試験片Ｎｏ．３〜Ｎｏ．７と同じ上板と下板とを用いながら、これら両部材を潤滑剤Ｚを使用せずに接合した比較例である。さらに、試験片Ｎｏ．１は、下板として亜鉛メッキが施された厚さ１．０ｍｍのメッキ鋼板を用いるとともに、上記潤滑剤Ｚを使用せずに接合を行なった比較例である。なお、下板として非メッキ鋼板１２を用いる場合（試験片Ｎｏ．２〜Ｎｏ．７）には、その接合面の酸化被膜Ｓを除去してから接合を行うようにした。
【００４１】
上記試験片Ｎｏ．３に使用される潤滑剤Ｚの材質としては、動粘度が５．７ｍｍ2／ｓ（４０℃）の高粘性オイルを使用した。また、試験片Ｎｏ．４にはシリコーン系グリースを、試験片Ｎｏ．５にはグラファイト粉末を含有したグラファイトスプレーを、試験片Ｎｏ．６にはホウ素やその化合物（窒化ホウ素等）の粉末を含有したＢＮスプレーを、試験片Ｎｏ．７にはモリブデン粉末を含有したモリブデンスプレーを、それぞれ上記潤滑剤Ｚとして使用した。
【００４２】
以上のような各試験片Ｎｏ．１〜Ｎｏ．７は、同一の接合条件によって摩擦点接合されて成形される。その接合条件を図１０の表に示す。
【００４３】
そして、このようにして得られた各試験片Ｎｏ．１〜Ｎｏ．７に対し、上板としてのアルミ板１１の残り板厚（回転ツール１６の押し込み痕が残っている部分の板厚）の平均値を測定する試験、および、上板と下板との接合部の引張せん断強度を測定する試験をそれぞれ行なった。その結果を図１１および図１２に示す。なお、引張せん断強度の測定は、上板と下板とを厚み方向と直交する方向に互いに引っ張り、これら上板と下板との接合部が破断するときの荷重を測定することによって行なった。
【００４４】
図１２によれば、下板としてメッキ鋼板（表面に亜鉛メッキが施された鋼板）を用いた試験片Ｎｏ．１が最も引張せん断強度に優れていることが分かる。これは、摩擦熱により軟化または溶融した亜鉛メッキ層のほとんどが、上記アルミ板１１の塑性流動によって接合部Ｐの外側に押し出されるとともに、上記亜鉛メッキ層の一部が上記アルミ板１１に混入し、この状態でアルミ板１１とメッキ鋼板とが固相接合されるためと考えられる。これに対し、上記のようなメッキが存在しない非メッキ鋼板を下板として用いた試験片Ｎｏ．２は、上記試験片Ｎｏ．１に比べて大幅に接合強度（引張せん断強度）が低下している。これは、回転ツール１６をアルミ板１１に押し込むときの押込み抵抗が増大してアルミ板１１の塑性流動が十分に生じなかったためと考えられる。すなわち、図１１によれば、試験片Ｎｏ．２におけるアルミ板１１の残り板厚が、試験片Ｎｏ．１のそれと比較して大幅に増加しており、その分だけ回転ツール１６をアルミ板１１に対し深く押し込むことができなかった（つまり回転ツール１６の押込み抵抗が増大した）ということが分かる。そしてこのことが原因で、アルミ板１１の塑性流動が十分に生じず、接合強度が低下したものと考えられる。
【００４５】
一方、接合時に潤滑剤Ｚを用いた試験片Ｎｏ．３〜Ｎｏ．７については、上記試験片Ｎｏ．２よりも引張せん断強度が向上していることが図１２から分かる。これは、潤滑剤Ｚの存在によって上記アルミ板１１の塑性流動が促進され、これに応じて上記回転ツール１６の押込み抵抗が低下したことが主な原因と考えられる。このことは、図１１に示すように、試験片Ｎｏ．３〜Ｎｏ．７のほとんどにおいてアルミ板１１の残り板厚が上記試験片Ｎｏ．２に比べてかなり小さくなっている（つまり回転ツール１６をより深く押し込み得るようになっている）ことからも推定される。
【００４６】
そして、上記試験片Ｎｏ．３〜Ｎｏ．７の中で引張せん断強度を比較すると、潤滑剤Ｚとして高粘性オイルやグリースを用いた試験片Ｎｏ．３，Ｎｏ．４に比べて、他の試験片Ｎｏ．５〜Ｎｏ．７の引張せん断強度が大きく低下していることが分かる。このように、他の試験片Ｎｏ．５〜Ｎｏ．７の引張せん断強度が相対的に低いのは、これらの試験片に使用されている潤滑剤Ｚに、グラファイト、窒化ホウ素、モリブデン等の無機性成分が含有されており、これらの無機性成分は接合時の摩擦熱が加わっても気化等によって消失せずに残り続けることから、この残存成分が上記アルミ板１１と鋼板１２（非メッキ鋼板）との接合強度を低下させているためと考えられる。
【００４７】
これに対し、潤滑剤Ｚとして高粘性オイルやグリースのような有機性潤滑剤を用いた試験片Ｎｏ．３，Ｎｏ．４では、接合時の摩擦熱で潤滑剤Ｚが気化等によって十分に消失するため、上記のような残存成分が生じて上記アルミ板１１と鋼板１２との接合が阻害されるようなことがない。このため、上記試験片Ｎｏ．３，Ｎｏ．４では、上記アルミ板１１と鋼板１２とが強固に接合され、他のＮｏ．５〜Ｎｏ．７の試験片に比べてその接合強度が大きく向上することになる。もちろん、これら試験片Ｎｏ．３，Ｎｏ．４であっても、メッキ鋼板（亜鉛メッキが施された鋼板）を使用した試験片Ｎｏ．１に比べれば接合強度は低くなるが、その強度は製品の使用条件等によっては十分に満足できる値であり、しかも亜鉛メッキ等の防錆用メッキを施さなくてもこのような強度が得られることから、上記試験片Ｎｏ．３，Ｎｏ．４に対応する接合法（潤滑剤Ｚとして高粘性オイルやグリースを使用して接合を行う方法）は、低コストで必要な接合強度を得るための方法として大きなメリットがある。
【００４８】
なお、上記試験片Ｎｏ．３に使用されている高粘性オイルの動粘度を５．７ｍｍ2／ｓ（４０℃）としたが、この高粘性オイルとしては、上記アルミ板１１の塑性流動を良好に促進できる程度の動粘度を有するオイルであれば、上記のような動粘度のオイルに限らず好適に使用することができる。ただし、２．５ｍｍ2／ｓ（４０℃）の動粘度のオイルを用いて同様の実験を行なったところ、あまり有意な効果を得ることができなかった。このことから、上記高粘性オイルとしては、少なくとも２．５ｍｍ2／ｓ（４０℃）よりは大きい動粘度のオイルを用いる必要があると言える。ただし、この値に対して実際にどの程度大きい動粘度のオイルを用いるかについては、要求される接合強度等に応じて適宜決定されるべきものである。一方、高粘性オイルとして、動粘度が４４０ｍｍ2／ｓ（４０℃）のオイルを用いた場合にも、上記塑性流動を促進する効果が十分に得られることが分かっている。このことから、上記高粘性オイルとしては、少なくとも５．７〜４４０ｍｍ2／ｓ（４０℃）の範囲を含んだ幅広い範囲の動粘度のオイルを用いることが可能である。
【００４９】
また、上記実施形態では、アルミ板１１と鋼板１２とを接合する例を示したが、本発明の摩擦点接合方法は、融点の異なる２つの金属部材どうしであれば上記のような金属部材の組み合わせに限らず適用可能である。例えば、回転ツール１６が押し込まれる側の金属部材（第１金属部材）としてマグネシウム合金を使用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の一実施形態にかかる摩擦点接合方法に好適な装置の一例を模式的に示す図である。
【図２】回転ツールの先端部を拡大して示す図である。
【図３】摩擦点接合の準備工程として、鋼板の表面の酸化被膜を除去し、当該面に潤滑剤を塗布する状況を説明するための図である。
【図４】鋼板とアルミ板とを重ね合わせた状況を示す図である。
【図５】摩擦点接合における第１押圧工程を説明するための図である。
【図６】摩擦点接合における第２押圧工程を説明するための図である。
【図７】摩擦点接合における第３押圧工程を説明するための図である。
【図８】摩擦点接合が完了したときの状況を説明するための図である。
【図９】本発明の効果を確認するための実験に使用される試験片の種類を示す表である。
【図１０】上記各試験片を成形する際の接合条件を示す表である。
【図１１】各試験片に対してアルミ板の残り板厚を測定した結果を示す表である。
【図１２】各試験片に対して引張せん断強度を測定した結果を示すグラフである。
【符号の説明】
【００５１】
１１ アルミニウム合金板（第１金属部材）
１２ 鋼板（第２金属部材）
１６ 回転ツール
Ｓ 酸化被膜
Ｚ 潤滑剤
【技術分野】
【０００１】
本発明は、重ね合わされた複数の金属部材のうちの一方側から回転ツールを押し込み、それによって発生する摩擦熱で上記金属部材どうしを点接合する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、自動車の燃費改善等の目的で軽量化を図るため、自動車等のボディ材料としてアルミニウム合金材料が多用されつつある。それに伴い、例えばアルミニウム合金等からなる部材と鉄材料等からなる部材とを接合する機会が多くなってきている。
【０００３】
しかしながら、このような異種金属材料からなる部材同士をアーク溶接などの溶融溶接で接合すると、脆弱な金属間化合物が生成されて接合強度が低下する等の問題点があった。このため、従来からリベット等を用いた機械的接合法が多く用いられてきたが、このような方法では、リベット等の副資材が必要なことなどからコスト高になるという問題がある。
【０００４】
そこで、異種金属材料からなる部材同士を低コストで接合可能な方法として、摩擦点接合と呼ばれる接合方法が注目されている。この接合方法は、例えば下記特許文献１に示されているように、アルミニウム合金板と鋼板とを重ね合わせて、このうちのアルミニウム合金板の側から回転ツールの先端部を押し込み、この回転ツールの回転動作および加圧動作により発生する摩擦熱で上記アルミニウム合金板を軟化および塑性流動させることにより、当該アルミニウム合金板と上記鋼板とを融点以下の温度で固相溶接（固相接合）するものである。
【特許文献１】特開２００５−３４８７９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上記特許文献１では、接合強度の向上や防錆等を目的として、あらかじめ鋼板の表面に亜鉛メッキ等の防錆用メッキを施しておき、このメッキ鋼板とアルミニウム合金板とを接合することが行われている。しかしながら、製品の使用環境等によっては、本来、鋼板の表面にこのような防錆用メッキを施す必要のないものがあり、このような場合には、当該防錆用メッキが施されていない状態の鋼板を用いて摩擦点接合を行うことが望まれる。
【０００６】
そこで、本発明者等は、防錆用メッキが施されていない鋼板（非メッキ鋼板）とアルミニウム合金板とを摩擦点接合法で接合する実験を行なった。すると、防錆用メッキが施された鋼板を用いる従来の方法と異なり、回転ツールをアルミニウム合金板に対し十分な深さまで押し込むことができず、接合強度が十分に得られないことが判明した。これは、回転ツールとの摩擦熱により生じるアルミニウム合金板の塑性流動が十分に起きなくなることが原因と考えられる。もちろん、回転ツールの加圧力を増大させて十分な深さまで回転ツールを押し込むようにすれば上記接合強度を向上させることができるが、このようにすると、回転ツールを駆動するモータ等の駆動源を増強する必要等が生じてコストアップを招くことになる。
【０００７】
本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、重ね合わされた複数の金属部材の一方側から回転ツールを押し込むことにより上記金属部材どうしを接合する摩擦点接合方法において、上記回転ツールとの摩擦熱により生じる金属の塑性流動を簡単な構成で促進させ、より低コストで上記金属部材どうしの接合強度を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するためのものとして、本発明は、第１金属部材とこれよりも融点が高い第２金属部材とを重ね合わせて両金属部材を固相状態で接合する方法であって、上記第１金属部材および第２金属部材の各接合面間に潤滑剤を介在させた状態で両金属部材を重ね合わせる準備工程と、この準備工程の後、上記第１金属部材の側に回転ツールを当接させ、この回転ツールの回転動作および加圧動作により発生する摩擦熱で上記第１金属部材を軟化および塑性流動させることにより、上記両金属部材を固相状態で接合する接合工程とを含み、上記接合工程では、その過程で発生する上記摩擦熱によって上記潤滑剤を消失させながら接合を行うことを特徴とするものである（請求項１）。
【０００９】
本発明によれば、第１および第２の金属部材を重ね合わせてこのうちの第１金属部材側に回転ツールを押し込む前に、上記両金属部材の各接合面間にあらかじめ潤滑剤を介在させるようにしたため、上記回転ツールの押し込みによって生じる第１金属部材の塑性流動を上記潤滑剤の潤滑作用によって効果的に促進させることができる。このため、上記回転ツールの押し込み力を高める等の措置をとることなく、簡単な構成で十分な塑性流動を生じさせることができ、上記両金属部材の摩擦点接合を円滑に行うことが可能になる。しかも、接合時に生じる摩擦熱によって上記潤滑剤を消失させるようにしたため、接合が完了したときに潤滑剤の成分が残って上記両金属部材どうしの接合が阻害されるという事態を有効に回避でき、その接合強度を効果的に向上させることができるという利点がある。
【００１０】
上記潤滑剤としては、例えば、グリースや高粘性オイルを好適に使用することができる（請求項２，３）。
【００１１】
このように、潤滑剤としてグリースや高粘性オイルを用いた場合には、上記第１金属部材の塑性流動を促進しながら、接合完了時にはこれら潤滑剤の成分を十分に消失させることができ、上記両金属部材どうしの接合強度を効果的に向上させることができる。
【００１２】
本発明の摩擦点接合方法は、例えば、上記第１金属部材がアルミニウム合金板であり、上記第２金属部材が鋼板である場合に好適に適用することができる（請求項４）。
【００１３】
この場合、上記準備工程を行う前に、上記第２金属部材としての鋼板の接合面に形成されている酸化被膜をあらかじめ除去しておくことが好ましい（請求項５）。
【００１４】
このようにすれば、上記アルミニウム合金板と鋼板との間に酸化被膜が介在しない状態でこれらを接合することができるため、これら両金属部材の間に強固な固相接合状態をつくり出すことができ、その接合強度を効果的に向上させることができる。
【発明の効果】
【００１５】
以上説明したように、本発明によれば、重ね合わされた複数の金属部材の一方側から回転ツールを押し込むことにより上記金属部材どうしを接合する摩擦点接合方法において、上記回転ツールとの摩擦熱により生じる金属の塑性流動を簡単な構成で促進させ、より低コストで上記金属部材どうしの接合強度を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の好ましい実施の形態を図面を参照しながら説明する。まず、本発明にかかる摩擦点接合方法を実施するために用いられる装置（摩擦点接合装置）について概略的について説明する。
【００１７】
図１は、上記摩擦点接合装置の一例を模式的に示す図である。本図に示される摩擦点接合装置は、アルミニウム合金板１１（本発明にかかる第１金属部材に相当）と鋼板１２（本発明にかかる第２金属部材に相当）とを接合するための装置として構成されており、その一構成要素として、当該アルミニウム合金板１１と鋼板１２とが図示のように重ね合わされた状態でその接合部Ｐ（接合予定箇所）に押し付けられる回転ツール１６を具備している。そして、このように回転ツール１６を高速で回転させながら接合部Ｐに押し込むことによって摩擦熱を生じさせ、この摩擦熱で上記両金属部材１１，１２を互いに接合するように構成されている。なお、以下では、アルミニウム合金板１１のことを単にアルミ板１１と略称するとともに、このアルミ板１１と上記鋼板１２とを総称してワーク１０ということがある。
【００１８】
上記回転ツール１６は、中心軸線Ｘ回りに回転駆動される略円筒状の部材からなり、上記ワーク１０のうち融点の低いアルミ板１１の側から上記接合部Ｐに押し付けられる。図２はこの回転ツール１６の先端部を拡大して示す図である。なお、図２において、左半分は回転ツール１６の断面、右半分は外形を示している。本図に示すように、この回転ツール１６の先端部（図では下端部）は、その中心部に突設された小径円筒状のピン部１６ａと、このピン部１６ａよりも径方向外側の部分を構成するとともに、外側に至るほど底面の高さが低くなるように形成されたショルダ部１６ｂとを有している。上記ピン部１６ａは、その下端部が上記ショルダ部１６ｂの周縁部の高さよりも所定距離下方に突出するように形成されている。
【００１９】
このような回転ツール１６の具体的寸法は、ワーク１０の厚さ等によって適宜の値に決定されるが、その好適な値の一例として、ショルダ部１６ｂの直径Ｄ１が１０ｍｍ、ピン部１６ａの直径Ｄ２が２ｍｍ、ショルダ部１６ｂの周縁部に対するピン部１６ａの突出長さｈが０．３〜０．３５ｍｍ、ショルダ部１６ｂの底面の傾斜角θ（ショルダ傾斜角）が５°〜７°とされる。
【００２０】
上記ワーク１０を挟んで回転ツール１６の反対側には、この回転ツール１６と略同径ないしはそれより大径の受け具１７が同軸配置で設けられている。この受け具１７は、ワーク１０を挟んで回転ツール１６に接近する方向に移動し、少なくとも回転ツール１６による押圧が開始されるまでにその先端が鋼板１２に当接する。そして回転ツール１６による押圧時に、その押圧力に抗してワーク１０を支持するように構成されている。
【００２１】
以上のような回転ツール１６や受け具１７は、多関節ロボット等からなる図外の駆動制御装置に装着され、その回転速度、押圧位置、加圧力、加圧時間等が適宜制御されるように構成されている。なお図１では省略しているが、予めワーク１０を固定し、また回転ツール１６を押圧したときのアルミ板１１の浮き上がりを防止するため、スペーサや浮き上がり防止板等の治具が適宜用いられる。
【００２２】
次に、以上のような摩擦点接合装置を用いて行われる当実施形態の摩擦点接合方法の具体的内容について説明する。この実施の形態では、上記鋼板１２として、非メッキ鋼板、すなわち、亜鉛メッキ等の防錆用メッキが表面に施されていない鋼板を用いる。このため、図３（ａ）に示すように、鋼板１２の表面には、その初期状態において、薄層状の酸化被膜Ｓが形成されている。
【００２３】
このような鋼板１２とアルミ板１１とを接合するには、まず、図３（ｂ）に示すように、上記鋼板１２の表面に形成された酸化被膜Ｓのうち、上記アルミ板１１と接合される部分（アルミ板１１との重ね合わせ面のうち図１の接合部Ｐに対応する部分）にあたる酸化被膜Ｓを、表面研磨等によって除去する。そして、この酸化被膜Ｓが除去された部分に、図３（ｃ）に示される潤滑剤Ｚを塗布する。この潤滑剤Ｚとしては、後述するアルミ板１１の塑性流動を促進できる程度の粘度を有するもので、かつ、接合時に発生する摩擦熱により消失するといった性質を有するものが用いられる。詳細は後述するが、このような潤滑剤Ｚの好適な例としては、例えば高粘性オイルやグリースを挙げることができる。
【００２４】
次いで、図４に示すように、上記アルミ板１１と鋼板１２とを重ね合わせる。これにより、上記アルミ板１１および鋼板１２の各接合面間に上記潤滑剤Ｚが介在した状態となる。そして、図１に示すように、軸回りに回転する回転ツール１６（矢印Ａ１参照）をワーク１０に対して矢印Ａ２のように接近させ、この回転ツール１６の下端部を、低融点金属であるアルミ板１１の側から接合部Ｐに当接させる。また、これに合わせて、受け具１７を鋼板１２の側から矢印Ａ３のように接近させ、上記接合部Ｐを上記回転ツール１６との間で挟むようにしてワーク１０を支持する。
【００２５】
そして、上記のように回転ツール１６と受け具１７との間でワーク１０を挟んだ状態で回転ツール１６を高速で回転させつつアルミ板１１に対し所定深さまで押し込み、これに応じて発生する摩擦熱によって上記アルミ板１１と鋼板１２とを点接合させる。この接合工程は、より詳しくは、以下に説明する第１押圧工程、第２押圧工程、第３押圧工程の３つの工程に分けられる。
【００２６】
まず、第１押圧工程では、図５に示すように、回転ツール１６を、あらかじめ設定された第１回転速度で回転させながら、第１加圧時間の間、第１加圧力でアルミ板１１に対し押圧接触させる。これら第１回転速度、第１加圧時間、および第１加圧力の各値は、アルミ板１１に対する回転ツール１６の押し込み深さが、そのピン部１６ａの先端部およびショルダ部１６ｂの周縁部がアルミ板１１に接触する一方でショルダ部１６ｂの径方向内側領域がアルミ板１１に接触しない程度の深さとなるように決定される。具体的には、例えば第１回転速度が１５００ｒｐｍ以上３５００ｒｐｍ以下、第１加圧時間が０．２秒以上２．０秒以下、第１加圧力が２．４５ｋＮ以上３．４３ｋＮ以下にそれぞれ設定されることが好ましい。
【００２７】
そして、上記のように回転ツール１６が中心軸線Ｘ回りに回転しながらアルミ板１１に対し押圧接触することで、この回転ツール１６におけるピン部１６ａの下端部およびショルダ部１６ｂの周縁部の２箇所の接触部位で摩擦熱が生じ、この摩擦熱は、アルミ板１１における該２箇所の接触部位の間の部分（ショルダ部１６ｂの底面が接触していない部分）を含んだ接合部Ｐ全体に速やかに拡散され、この接合部Ｐ全体を速やかに軟化させることになる。このとき、上記第１回転速度、第１加圧時間、および第１加圧力を上記のような値に設定することで、アルミ板１１をせん断破壊することなく良好に軟化させることができる。
【００２８】
また、この第１押圧工程の初期段階において、ショルダ部１６ｂの周縁部よりも所定長さｈだけ突出した細径のピン部１６ａが、ショルダ部１６ｂよりも先にアルミ板１１に当接することにより、小さな摩擦抵抗で回転ツール１６の位置決めがなされ、中心軸線Ｘに垂直な方向の回転振れが抑制される（アンカー機能）。
【００２９】
続く第２押圧工程では、図６に示すように、回転ツール１６を、第２回転速度で回転させながら、第２加圧時間の間、上記第１加圧力よりも大きい第２加圧力でアルミ板１１に押し込む。この第２押圧工程では、上記第１押圧工程のときよりも加圧力が増大されることで、回転ツール１６のピン部１６ａおよびショルダ部１６ｂがアルミ板１１に対し徐々に深く入り込み、これらピン部１６ａやショルダ部１６ｂの面全体がアルミ板１１に接触する。そしてこれに伴い、アルミ板１１の軟化に加えて塑性流動が生じる（図では模式的にこの塑性流動を破線Ｑで示している）。
【００３０】
この塑性流動Ｑの発生中においては、上記アルミ板１１と鋼板１２との各接合面間に介在する上記潤滑剤Ｚの存在により、軟化したアルミ板１１の流動が促進される。すなわち、上記潤滑剤Ｚは、アルミ板１１の塑性流動Ｑを促進する機能を有するように構成されている。このとき、径方向外側に至るほど高さが低くなるように傾斜したショルダ部１６ｂの底面により、軟化したアルミ板１１が回転ツール１６の直下部分（接合部Ｐ）から外側へ流出することが抑制されるため、上記塑性流動Ｑはこの接合部Ｐにおいて集中的に発生することになる。なお、アルミ板１１の表面には不図示の酸化膜が形成されているが、この酸化膜は上記塑性流動Ｑが生じる部分（接合部Ｐ）において破壊されるため、当該接合部Ｐではアルミ板１１の新生面が露出する。
【００３１】
上記第２回転速度、第２加圧時間、および第２加圧力の各値は、アルミ板１１に対する回転ツール１６の押し込み深さが、そのピン部１６ａおよびショルダ部１６ｂの面全体がアルミ板１１に接触し得る程度でかつアルミ板１１が過度に薄くなって引きちぎられることがない程度の深さとなるように決定される。具体的には、例えば第２回転速度が２０００ｒｐｍ以上３０００ｒｐｍ以下、第２加圧時間が１．０秒以上２．０秒以下、第２加圧力が３．９２ｋＮ以上５．８８ｋＮ以下にそれぞれ設定されることが好ましい。
【００３２】
続く第３押圧工程では、図７に示すように、回転ツール１６を、第３回転速度で回転させながら、第３加圧時間の間、上記第２加圧力よりも小さい第３加圧力でアルミ板１１に対し押圧接触させる。この第３押圧工程では、上記第２押圧工程のときよりも加圧力が低減されることで、回転ツール１６が上記第２押圧工程完了時の深さよりも深く押し込まれず、そのときと同じ位置でアルミ板１１を押圧し続けることとなる。これにより、アルミ板１１が過度に薄くなって引きちぎられることが回避されるとともに、接合部Ｐの温度が上記第２押圧工程のときと同程度に維持され、良好な塑性流動が長時間に亘って行われる。
【００３３】
上記第３回転速度、第３加圧時間、および第３加圧力の各値の具体例としては、第３回転速度が１５００ｒｐｍ以上３５００ｒｐｍ以下、第３加圧時間が０．５秒以上２．５秒以下、第３加圧力が０．４９ｋＮ以上１．４７ｋＮ以下にそれぞれ設定されることが好ましい。
【００３４】
上記第２押圧工程および第３押圧工程でアルミ板１１の塑性流動が起きている間、上記アルミ板１１と鋼板１２との間に介在していた潤滑剤Ｚ（図６）は、塑性流動時の摩擦熱で気化する等によって徐々に消失し、最終的に上記第３押圧工程が終了する時点において、図７に示すようにその大部分が消失することになる。そして、この潤滑剤Ｚが消失した部分に鋼板１２の新生面が露出し、この露出した新生面が、軟化したアルミ板１１側の新生面（塑性流動時に酸化被膜が破壊されることにより形成された新生面）と接触することにより、これらアルミ板１１と鋼板１２との合わせ面どうしが強固に固相接合される。
【００３５】
上記第３押圧工程が完了して１つの接合部Ｐでの接合が終了すると、回転ツール１６と受け具１７とがワーク１０から離される。そして、このような摩擦点接合が完了した後の接合部Ｐにおいては、図８に示すように、アルミ板１１の表面に、ショルダ部１６ｂおよびピン部１６ａの痕が残るとともに、ショルダ部１６ｂの周囲において上方に突出するバリＲが形成される。適正な接合が行われたとき、このバリＲは適度な径方向厚みをもって全周に亘り略均一に形成されることになる。
【００３６】
上記のようにアルミ板１１と鋼板１２とを重ね合わせ、このうち融点が低いアルミ板１１の側から回転ツール１６を押し込んでそのときに発生する摩擦熱で上記アルミ板１１を軟化および塑性流動させることにより、上記両金属部材１１，１２を固相状態で接合する摩擦点接合方法において、上記回転ツール１６を押し込む前にアルミ板１１および鋼板１２の各接合面間にあらかじめ潤滑剤Ｚを介在させておくことで、接合時に生じる上記アルミ板１１の塑性流動をこの潤滑剤Ｚの存在により促進させるようにしたため、上記回転ツール１６の押し込み力を高める等の措置をとることなく、簡単な構成で十分な塑性流動を生じさせることができ、両金属部材１１，１２の摩擦点接合を円滑に行うことができるという利点がある。しかも、上記潤滑剤Ｚとして、接合時の摩擦熱によって消失するような性質の潤滑剤を用いたことにより、接合が完了したときに潤滑剤Ｚの成分が残って上記両金属部材１１，１２どうしの接合が阻害されるという事態を有効に回避できるため、上記両金属部材１１，１２どうしの接合強度を効果的に向上させることができる。
【００３７】
また、上記実施形態のように、鋼板１２の接合面に形成された酸化被膜Ｓ（鋼板１２の表面のうちアルミ板１１と接合される部分に形成された酸化被膜Ｓ）をあらかじめ除去してから摩擦点接合を行うようにした場合には、この酸化被膜Ｓが介在しない状態でアルミ板１１と鋼板１２とを接合して両者の間に強固な固相接合状態をつくり出することができ、これら両金属部材１１，１２どうしの接合強度をより効果的に向上させることができるという利点がある。
【００３８】
次に、上記のようにアルミ板１１と鋼板１２との間に潤滑剤Ｚを介在させた状態で両金属部材１１，１２どうしを摩擦点接合することによる効果を確認するために行なった実験例について以下に説明する。
【００３９】
この実験では、所定厚さのアルミ板１１と、表面にメッキが施されていない所定厚さの鋼板（非メッキ鋼板）１２とを用い、これらアルミ板１１と非メッキ鋼板１２との接合面間に種々の潤滑剤Ｚを介在させた状態でそれぞれ摩擦点接合を行なった。そして、このようにして得られた各種試験片に対して引張せん断強度の測定等の確認試験を行なった。また、比較例として、アルミ板１１と非メッキ鋼板１２とを潤滑剤Ｚを使用せずに接合した試験片と、アルミ板１１とメッキ鋼板（表面に亜鉛メッキが施された鋼板）とを潤滑剤Ｚを使用せずに接合した試験片とを用意し、これらに対してもそれぞれ引張せん断強度の測定等を行なった。
【００４０】
図９は、この実験のために用意した試験片の一覧を示している。この図９において、試験片Ｎｏ．３〜Ｎｏ．７は、回転ツール１６が押し込まれる側の上板として厚さ１．４ｍｍのアルミ板１１を、この上板の下側に重ね合わされる下板として厚さ１．０ｍｍの非メッキ鋼板１２をそれぞれ用い、これら両金属部材１１，１２の間に各種の潤滑剤Ｚを介在させた状態で摩擦点接合を行うことにより成形したものである。これに対し、試験片Ｎｏ．２は、上記試験片Ｎｏ．３〜Ｎｏ．７と同じ上板と下板とを用いながら、これら両部材を潤滑剤Ｚを使用せずに接合した比較例である。さらに、試験片Ｎｏ．１は、下板として亜鉛メッキが施された厚さ１．０ｍｍのメッキ鋼板を用いるとともに、上記潤滑剤Ｚを使用せずに接合を行なった比較例である。なお、下板として非メッキ鋼板１２を用いる場合（試験片Ｎｏ．２〜Ｎｏ．７）には、その接合面の酸化被膜Ｓを除去してから接合を行うようにした。
【００４１】
上記試験片Ｎｏ．３に使用される潤滑剤Ｚの材質としては、動粘度が５．７ｍｍ2／ｓ（４０℃）の高粘性オイルを使用した。また、試験片Ｎｏ．４にはシリコーン系グリースを、試験片Ｎｏ．５にはグラファイト粉末を含有したグラファイトスプレーを、試験片Ｎｏ．６にはホウ素やその化合物（窒化ホウ素等）の粉末を含有したＢＮスプレーを、試験片Ｎｏ．７にはモリブデン粉末を含有したモリブデンスプレーを、それぞれ上記潤滑剤Ｚとして使用した。
【００４２】
以上のような各試験片Ｎｏ．１〜Ｎｏ．７は、同一の接合条件によって摩擦点接合されて成形される。その接合条件を図１０の表に示す。
【００４３】
そして、このようにして得られた各試験片Ｎｏ．１〜Ｎｏ．７に対し、上板としてのアルミ板１１の残り板厚（回転ツール１６の押し込み痕が残っている部分の板厚）の平均値を測定する試験、および、上板と下板との接合部の引張せん断強度を測定する試験をそれぞれ行なった。その結果を図１１および図１２に示す。なお、引張せん断強度の測定は、上板と下板とを厚み方向と直交する方向に互いに引っ張り、これら上板と下板との接合部が破断するときの荷重を測定することによって行なった。
【００４４】
図１２によれば、下板としてメッキ鋼板（表面に亜鉛メッキが施された鋼板）を用いた試験片Ｎｏ．１が最も引張せん断強度に優れていることが分かる。これは、摩擦熱により軟化または溶融した亜鉛メッキ層のほとんどが、上記アルミ板１１の塑性流動によって接合部Ｐの外側に押し出されるとともに、上記亜鉛メッキ層の一部が上記アルミ板１１に混入し、この状態でアルミ板１１とメッキ鋼板とが固相接合されるためと考えられる。これに対し、上記のようなメッキが存在しない非メッキ鋼板を下板として用いた試験片Ｎｏ．２は、上記試験片Ｎｏ．１に比べて大幅に接合強度（引張せん断強度）が低下している。これは、回転ツール１６をアルミ板１１に押し込むときの押込み抵抗が増大してアルミ板１１の塑性流動が十分に生じなかったためと考えられる。すなわち、図１１によれば、試験片Ｎｏ．２におけるアルミ板１１の残り板厚が、試験片Ｎｏ．１のそれと比較して大幅に増加しており、その分だけ回転ツール１６をアルミ板１１に対し深く押し込むことができなかった（つまり回転ツール１６の押込み抵抗が増大した）ということが分かる。そしてこのことが原因で、アルミ板１１の塑性流動が十分に生じず、接合強度が低下したものと考えられる。
【００４５】
一方、接合時に潤滑剤Ｚを用いた試験片Ｎｏ．３〜Ｎｏ．７については、上記試験片Ｎｏ．２よりも引張せん断強度が向上していることが図１２から分かる。これは、潤滑剤Ｚの存在によって上記アルミ板１１の塑性流動が促進され、これに応じて上記回転ツール１６の押込み抵抗が低下したことが主な原因と考えられる。このことは、図１１に示すように、試験片Ｎｏ．３〜Ｎｏ．７のほとんどにおいてアルミ板１１の残り板厚が上記試験片Ｎｏ．２に比べてかなり小さくなっている（つまり回転ツール１６をより深く押し込み得るようになっている）ことからも推定される。
【００４６】
そして、上記試験片Ｎｏ．３〜Ｎｏ．７の中で引張せん断強度を比較すると、潤滑剤Ｚとして高粘性オイルやグリースを用いた試験片Ｎｏ．３，Ｎｏ．４に比べて、他の試験片Ｎｏ．５〜Ｎｏ．７の引張せん断強度が大きく低下していることが分かる。このように、他の試験片Ｎｏ．５〜Ｎｏ．７の引張せん断強度が相対的に低いのは、これらの試験片に使用されている潤滑剤Ｚに、グラファイト、窒化ホウ素、モリブデン等の無機性成分が含有されており、これらの無機性成分は接合時の摩擦熱が加わっても気化等によって消失せずに残り続けることから、この残存成分が上記アルミ板１１と鋼板１２（非メッキ鋼板）との接合強度を低下させているためと考えられる。
【００４７】
これに対し、潤滑剤Ｚとして高粘性オイルやグリースのような有機性潤滑剤を用いた試験片Ｎｏ．３，Ｎｏ．４では、接合時の摩擦熱で潤滑剤Ｚが気化等によって十分に消失するため、上記のような残存成分が生じて上記アルミ板１１と鋼板１２との接合が阻害されるようなことがない。このため、上記試験片Ｎｏ．３，Ｎｏ．４では、上記アルミ板１１と鋼板１２とが強固に接合され、他のＮｏ．５〜Ｎｏ．７の試験片に比べてその接合強度が大きく向上することになる。もちろん、これら試験片Ｎｏ．３，Ｎｏ．４であっても、メッキ鋼板（亜鉛メッキが施された鋼板）を使用した試験片Ｎｏ．１に比べれば接合強度は低くなるが、その強度は製品の使用条件等によっては十分に満足できる値であり、しかも亜鉛メッキ等の防錆用メッキを施さなくてもこのような強度が得られることから、上記試験片Ｎｏ．３，Ｎｏ．４に対応する接合法（潤滑剤Ｚとして高粘性オイルやグリースを使用して接合を行う方法）は、低コストで必要な接合強度を得るための方法として大きなメリットがある。
【００４８】
なお、上記試験片Ｎｏ．３に使用されている高粘性オイルの動粘度を５．７ｍｍ2／ｓ（４０℃）としたが、この高粘性オイルとしては、上記アルミ板１１の塑性流動を良好に促進できる程度の動粘度を有するオイルであれば、上記のような動粘度のオイルに限らず好適に使用することができる。ただし、２．５ｍｍ2／ｓ（４０℃）の動粘度のオイルを用いて同様の実験を行なったところ、あまり有意な効果を得ることができなかった。このことから、上記高粘性オイルとしては、少なくとも２．５ｍｍ2／ｓ（４０℃）よりは大きい動粘度のオイルを用いる必要があると言える。ただし、この値に対して実際にどの程度大きい動粘度のオイルを用いるかについては、要求される接合強度等に応じて適宜決定されるべきものである。一方、高粘性オイルとして、動粘度が４４０ｍｍ2／ｓ（４０℃）のオイルを用いた場合にも、上記塑性流動を促進する効果が十分に得られることが分かっている。このことから、上記高粘性オイルとしては、少なくとも５．７〜４４０ｍｍ2／ｓ（４０℃）の範囲を含んだ幅広い範囲の動粘度のオイルを用いることが可能である。
【００４９】
また、上記実施形態では、アルミ板１１と鋼板１２とを接合する例を示したが、本発明の摩擦点接合方法は、融点の異なる２つの金属部材どうしであれば上記のような金属部材の組み合わせに限らず適用可能である。例えば、回転ツール１６が押し込まれる側の金属部材（第１金属部材）としてマグネシウム合金を使用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の一実施形態にかかる摩擦点接合方法に好適な装置の一例を模式的に示す図である。
【図２】回転ツールの先端部を拡大して示す図である。
【図３】摩擦点接合の準備工程として、鋼板の表面の酸化被膜を除去し、当該面に潤滑剤を塗布する状況を説明するための図である。
【図４】鋼板とアルミ板とを重ね合わせた状況を示す図である。
【図５】摩擦点接合における第１押圧工程を説明するための図である。
【図６】摩擦点接合における第２押圧工程を説明するための図である。
【図７】摩擦点接合における第３押圧工程を説明するための図である。
【図８】摩擦点接合が完了したときの状況を説明するための図である。
【図９】本発明の効果を確認するための実験に使用される試験片の種類を示す表である。
【図１０】上記各試験片を成形する際の接合条件を示す表である。
【図１１】各試験片に対してアルミ板の残り板厚を測定した結果を示す表である。
【図１２】各試験片に対して引張せん断強度を測定した結果を示すグラフである。
【符号の説明】
【００５１】
１１ アルミニウム合金板（第１金属部材）
１２ 鋼板（第２金属部材）
１６ 回転ツール
Ｓ 酸化被膜
Ｚ 潤滑剤
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１金属部材とこれよりも融点が高い第２金属部材とを重ね合わせて両金属部材を固相状態で接合する方法であって、
上記第１金属部材および第２金属部材の各接合面間に潤滑剤を介在させた状態で両金属部材を重ね合わせる準備工程と、
この準備工程の後、上記第１金属部材の側に回転ツールを当接させ、この回転ツールの回転動作および加圧動作により発生する摩擦熱で上記第１金属部材を軟化および塑性流動させることにより、上記両金属部材を固相状態で接合する接合工程とを含み、
上記接合工程では、その過程で発生する上記摩擦熱によって上記潤滑剤を消失させながら接合を行うことを特徴とする摩擦点接合方法。
【請求項２】
請求項１記載の摩擦点接合方法において、
上記潤滑剤としてグリースを用いることを特徴とする摩擦点接合方法。
【請求項３】
請求項１記載の摩擦点接合方法において、
上記潤滑剤として高粘性オイルを用いることを特徴とする摩擦点接合方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の摩擦点接合方法において、
上記第１金属部材がアルミニウム合金板であり、上記第２金属部材が鋼板であることを特徴とする摩擦点接合方法。
【請求項５】
請求項４記載の摩擦点接合方法において、
上記準備工程を行う前に、上記第２金属部材としての鋼板の接合面に形成されている酸化被膜をあらかじめ除去しておくことを特徴とする摩擦点接合方法。
【請求項１】
第１金属部材とこれよりも融点が高い第２金属部材とを重ね合わせて両金属部材を固相状態で接合する方法であって、
上記第１金属部材および第２金属部材の各接合面間に潤滑剤を介在させた状態で両金属部材を重ね合わせる準備工程と、
この準備工程の後、上記第１金属部材の側に回転ツールを当接させ、この回転ツールの回転動作および加圧動作により発生する摩擦熱で上記第１金属部材を軟化および塑性流動させることにより、上記両金属部材を固相状態で接合する接合工程とを含み、
上記接合工程では、その過程で発生する上記摩擦熱によって上記潤滑剤を消失させながら接合を行うことを特徴とする摩擦点接合方法。
【請求項２】
請求項１記載の摩擦点接合方法において、
上記潤滑剤としてグリースを用いることを特徴とする摩擦点接合方法。
【請求項３】
請求項１記載の摩擦点接合方法において、
上記潤滑剤として高粘性オイルを用いることを特徴とする摩擦点接合方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の摩擦点接合方法において、
上記第１金属部材がアルミニウム合金板であり、上記第２金属部材が鋼板であることを特徴とする摩擦点接合方法。
【請求項５】
請求項４記載の摩擦点接合方法において、
上記準備工程を行う前に、上記第２金属部材としての鋼板の接合面に形成されている酸化被膜をあらかじめ除去しておくことを特徴とする摩擦点接合方法。
【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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２００８−１３７０４８（Ｐ２００８−１３７０４８Ａ）
【公開日】平成２０年６月１９日（２００８．６．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−３２６９３７（Ｐ２００６−３２６９３７）
【出願日】平成１８年１２月４日（２００６．１２．４）
【出願人】（０００００３１３７）マツダ株式会社 (6,115)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年６月１９日（２００８．６．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１２月４日（２００６．１２．４）
【出願人】（０００００３１３７）マツダ株式会社 (6,115)
【Ｆターム（参考）】
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