異種材料接合部の摩擦攪拌処理方法および異種材料の摩擦攪拌接合方法
【課題】接合部材における接合部の形状を単純な形状とし、接合部材の形状や寸法などが限定されることなく、異種材料を接合または異種材料の接合部を摩擦攪拌処理することができる異種材料接合部の摩擦攪拌処理方法および異種材料の摩擦攪拌接合方法を提供することを目的とする。
【解決手段】異種材料接合部の摩擦攪拌処理方法では、端面が平面の摩擦攪拌用ツール４０、および摩擦攪拌用ツール４０の端面に設けられ、この端面と、異種材料の接合界面端部の応力特異性解析から得られる応力特異性消失範囲に基づいて定められた所定のなす角を有して先端に向かって徐々に断面積が減少する円錐台で構成されたテーパピン５０を備える摩擦攪拌用部材を用いる。そして摩擦攪拌用部材を回転させ、異種材料の接合界面３０の少なくとも一方の接合端縁に沿って摩擦攪拌処理を行う。
【解決手段】異種材料接合部の摩擦攪拌処理方法では、端面が平面の摩擦攪拌用ツール４０、および摩擦攪拌用ツール４０の端面に設けられ、この端面と、異種材料の接合界面端部の応力特異性解析から得られる応力特異性消失範囲に基づいて定められた所定のなす角を有して先端に向かって徐々に断面積が減少する円錐台で構成されたテーパピン５０を備える摩擦攪拌用部材を用いる。そして摩擦攪拌用部材を回転させ、異種材料の接合界面３０の少なくとも一方の接合端縁に沿って摩擦攪拌処理を行う。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、異種材料接合部を摩擦攪拌により処理する異種材料接合部の摩擦攪拌処理方法、および異種材料を摩擦攪拌接合によって連結する異種材料の摩擦攪拌接合方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、異種材料の接合は、ろう付、拡散接合、摩擦圧接などにより広範囲に行われている。異種材料の接合部は、材料特性が不連続であるため、接合体の接合強度が低下することが多い。
【０００３】
この接合強度の低下を改善するために、摩擦圧接法において、部材の熱膨張係数の相違に対応して部材の直径を変えて接合界面に発生する残留応力を緩和させる技術が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。また、アルミニウム材に凸状の銅材を熱間圧接して引張強度を向上させる技術が開示されている（例えば、特許文献２参照。）。また、異種材接合縁の角度を適当な範囲に限定することで接合部の衝撃強度を向上させる技術が開示されている（例えば、特許文献３参照。）。さらに、スカーフ継手の接合縁での応力特異性解析と最適化解析により、接合縁部の応力集中を緩和する技術が開示されている（例えば、特許文献４参照。）。
【特許文献１】特開平６−４７５７０号公報
【特許文献２】特開平４−１４３０８５号公報
【特許文献３】特開２００３−５３５５７号公報
【特許文献４】特開２００４−２５５３８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記した従来の接合方法において、異種材料の接合部の接合強度を向上させるために、接合部材の接合部を、種々の屈曲や湾曲した形状としているが、これらの複雑な形状の接合部材を接合するには次のような問題点があった。
【０００５】
まず、複雑な形状の接合部材を加工するための加工工程が必要となる。また、複雑な形状の接合部材どうしを隙間やずれを生じることなく組み合わせるためには、高い加工精度が必要となる。そのため、接合部材の材質、形状、寸法などが限定されたり、加工費が高くなり、製造コストが増加する。
【０００６】
また、複雑な形状の接合部材を接合する場合、例えばろう付では、ボイド欠陥の閉じ込めや、隙間が不均一となるために生じるろう回り不良などの欠陥が発生しやすい。拡散接合の場合には、接合部材の密着不良や、加圧軸方向に対する接合面角度が大きいために生じる加圧力不足による未接合部の発生などを生じる。ここで、熱間等方圧加圧処理（ＨＩＰ処理）を採用することで拡散接合時のこれらの問題を解決することができるが、このＨＩＰ処理を採用した場合には、ＨＩＰ処理のためのキャニングとその除去が必要となり、さらに処理する部材の大きさがＨＩＰ炉の容量に制限されるなどの欠点を有している。
【０００７】
摩擦圧接法においては、一方の接合部材のみを所望の形状とし、これを他方の接合部材に食い込ませて接合することで、目的とする継手形状を得ることができる。しかしながらこの方法では、回転摩擦接合およびリニアフリクション接合ともに、接合部材の形状、寸法が限定されるといった欠点を有している。
【０００８】
そこで、本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、接合部材における接合部の形状を単純な形状とし、接合部材の形状や寸法などが限定されることなく、異種材料を接合または異種材料の接合部を摩擦攪拌処理することができる異種材料接合部の摩擦攪拌処理方法および異種材料の摩擦攪拌接合方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明の一態様によれば、軟化温度が異なる異種材料の接合部を摩擦攪拌により処理する異種材料接合部の摩擦攪拌処理方法であって、端面が平面の摩擦攪拌用ツール、および前記摩擦攪拌用ツールの端面に設けられ、前記端面と、前記異種材料の接合界面端部の応力特異性解析から得られる応力特異性消失範囲に基づいて定められた所定のなす角度を有して先端に向かって徐々に断面積が減少する円錐台状に構成された攪拌部を備える摩擦攪拌用部材を回転させ、前記異種材料の接合部の少なくとも一方の接合端縁に沿って前記異種材料を塑性流動させながら前記異種材料に対して前記攪拌部を相対的に移動させ、接合部の接合端縁における接合面と、前記異種材料の表面とのなす角度を、前記応力特異性消失範囲に基づいて定められた所定のなす角度とすることを特徴とする異種材料接合部の摩擦攪拌処理方法が提供される。
【００１０】
また、本発明の一態様によれば、軟化温度が異なる異種材料を摩擦攪拌により接合する異種材料の摩擦攪拌接合方法であって、端面が平面の摩擦攪拌用ツール、および前記摩擦攪拌用ツールの端面に設けられ、前記端面と、前記異種材料の接合界面端部の応力特異性解析から得られる応力特異性消失範囲に基づいて定められた所定のなす角度を有して先端に向かって徐々に断面積が減少する円錐台状に構成された攪拌部とを備える摩擦攪拌用部材を回転させ、前記異種材料どうしを接触させた接合すべく少なくとも一方の界面端縁に沿って前記異種材料を塑性流動させながら前記異種材料に対して前記攪拌部を相対的に移動させ、前記攪拌部を移動させ、前記異種材料を接合させるとともに、接合された接合端縁における接合面と、前記異種材料の表面とのなす角度を、前記応力特異性消失範囲に基づいて定められた所定のなす角度とすることを特徴とする異種材料の摩擦攪拌接合方法が提供される。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の異種材料接合部の摩擦攪拌処理方法および異種材料の摩擦攪拌接合方法によれば、接合部材における接合部の形状を単純な形状とし、接合部材の形状や寸法などが限定されることなく、異種材料を接合または異種材料の接合部を摩擦攪拌処理することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の一実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１３】
（第１の実施の形態）
図１Ａ〜図１Ｇは、本発明の第１の実施の形態の異種材料の接合部の摩擦攪拌処理方法を説明するための、異種材料の接合部の断面を模式的に示す図である。
【００１４】
ここでは、第１の接合材料１０をチタン合金で形成し、第２の接合材料２０を第１の接合材料１０とは軟化温度が異なるアルミニウム合金で形成した一例を示す。なお、双方の接合材料の厚さは同じである。
【００１５】
図１Ａに示すように、第１の接合材料１０の接合面１１は、第１の接合材料１０の表面１２、１３と垂直に交わるように形成されている。また、第２の接合材料２０の接合面２１も、第１の接合材料１０の接合面１１と同様に、第２の接合材料２０の表面２２、２３と垂直に交わるように形成されている。
【００１６】
まず、図１Ｂに示すように、第１の接合材料１０の接合面１１と第２の接合材料２０の接合面２１とを突き合わせ、これらの第１の接合材料１０の接合面１１と第２の接合材料２０の接合面２１とを拡散接合する。拡散接合は、第１の接合材料１０の接合面１１と第２の接合材料２０の接合面２１とを接触させる方向に所定の圧力を負荷し、この状態で、所定の温度の真空雰囲気中に所定の時間保持することで行う。なお、所定の温度は、第１の接合材料１０および第２の接合材料２０を構成する材料の融点以下の温度に設定される。ここで、接合界面３０と、第１の接合材料１０の表面１２とのなす角度θ１は、９０度である。なお、第１の接合材料１０と第２の接合材料２０の接合方法は、拡散接合に限られるものではなく、例えば、ろう付、ＨＩＰ接合、摩擦攪拌接合など他の方法であってもよい。
【００１７】
図１Ｃに示すように、摩擦攪拌処理を行う摩擦攪拌用ツール４０の平面からなる端部には、攪拌部として機能する、先端に向かって徐々に断面積が減少する円錐台状のテーパピン５０が設けられている。また、テーパピン５０が形成された摩擦攪拌用ツール４０の端面は、その端面に接触するテーパピン５０の端面よりも面積が大きく構成され、摩擦攪拌処理を行う際、第１の接合材料１０の表面１２および第２の接合材料２０の表面２２と接触するショルダ部４１を構成している。なお、ショルダ部４１は、第１の接合材料１０の表面１２および第２の接合材料２０の表面２２と基本的には平行な面となるように構成されているが、これに限られるものではない。ショルダ部４１は、例えば、通常の摩擦攪拌接合用ツールと同様に周縁からツール中心部に向かって凹部を形成するように傾斜する形状であっても、周縁からツール中心部に向かって渦巻き状の突起部を複数備える渦巻き状の凹凸構造であってもよい。また、テーパピン５０の高さ、すなわち円錐台の高さは、使用する用途によって適宜に設定され、好ましくは、接合部材の厚さの５％以上とすることが好ましい。テーパピン５０の高さを上記した範囲とすることが好ましいのは、異種材の接合界面３０に発生する引張応力が大きくなるのは表層であるが、これ以下の極表層のみの処理では強度向上への寄与が小さいからである。
【００１８】
また、図１Ｃに示すように、接合界面３０のよりも、テーパピン５０の中心軸が第２の接合材料２０側に位置するようにテーパピン５０を配置する。なお、テーパピン５０の中心軸が第１の接合材料１０側に位置するようにテーパピン５０を配置してもよい。すなわち、接合界面３０のよりも、テーパピン５０の中心軸が、第１の接合材料１０側および第２の接合材料２０側のいずれか一方の側に位置するようにテーパピン５０を配置すればよい。
【００１９】
ここで、接合界面３０のよりも、テーパピン５０の中心軸が第２の接合材料２０側に位置するようにテーパピン５０を配置する場合には、テーパピン５０の付け根部の第１の接合材料１０側となる一方の端縁５０ａが、接合界面３０のよりも第１の接合材料１０側に０．１〜１．５ｍｍ程度に位置するようにテーパピン５０を配置することが好ましい。この場合には、主としてアルミニウム合金を摩擦攪拌するので、摩擦拡散処理がなされる部分（後述する摩擦拡散処理部６０に相当する部分）へのチタン合金の混合を最小量に抑えることができ、接合部の機械的特性が向上する。また、軟質のアルミニウム合金を主に摩擦攪拌するので、摩擦攪拌が容易で、テーパピン５０の消耗を抑制することができる。
【００２０】
一方、テーパピン５０の中心軸が第１の接合材料１０側に位置するようにテーパピン５０を配置する場合には、テーパピン５０の付け根部の第２の接合材料２０側となる他方の端縁５０ｂが、接合界面３０のよりも第２の接合材料２０側に０．１〜１．５ｍｍ程度に位置するようにテーパピン５０を配置することが好ましい。
【００２１】
上記したように、接合界面３０のよりも、テーパピン５０の中心軸が、第１の接合材料１０側および第２の接合材料２０側のいずれか一方の側に位置するようにテーパピン５０を配置するのは、摩擦拡散処理がなされる部分（後述する摩擦拡散処理部６０に相当する部分）において、第１の接合材料１０および第２の接合材料２０のいずれか一方の接合材料が５０体積％より多くなるようにするためである。
【００２２】
なお、接合界面３０のよりも、テーパピン５０の中心軸が、第１の接合材料１０側および第２の接合材料２０側のいずれか一方の側に位置するようにテーパピン５０を配置する際、摩擦拡散処理がなされる部分における、第１の接合材料１０と第２の接合材料２０との混合割合や接合された異種材料の使用環境などに基づいて、テーパピン５０を配置する位置は適宜設定される。また、テーパピン５０は、摩擦攪拌接合に一般的に用いられるねじ付のものでもよいが、軟質のアルミニウム合金を主に摩擦攪拌する場合には、ねじ無しピンを使用することができる。
【００２３】
また、図１Ｃおよび図１Ｄに示すように、テーパピン５０の中心軸がアルミニウム合金からなる第２の接合材料２０側に位置する状態でテーパピン５０を接合部材に接触させて摩擦攪拌処理を行う場合、テーパピン５０の側面５１とショルダ部４１とがなす角度θ２は、１２０〜１７８度とすることが好ましい。一方、テーパピン５０の中心軸がチタン合金からなる第１の接合材料１０側に位置する状態でテーパピン５０を接合部材に接触させて摩擦攪拌処理を行う場合、テーパピン５０の側面５１とショルダ部４１とがなす角度θ２は、９２〜１３５度とすることが好ましい。なお、テーパピン５０の側面５１とショルダ部４１とがなす角度θ２が、上記した範囲が好ましい理由は、後述する。
【００２４】
そして、摩擦攪拌用ツール４０を所定の回転速度（例えば、１０００〜５０００ｒｐｍ）で回転させる。続いて、上記配置された位置から摩擦攪拌用ツール４０を下方に移動し、テーパピン５０を、接合界面３０の一端側の端縁３１を含む第１の接合材料１０の表面１２および第２の接合材料２０の表面２２に接触させる。この状態で摩擦攪拌が良好に行われる温度に達するまで数秒から数十秒間保持した後、図１Ｄに示すように、接合界面３０の一端側の端縁３１に沿って所定の移動速度（例えば、３００〜２０００ｍｍ／ｍｉｎ）で摩擦攪拌用ツール４０を移動する。なお、テーパピン５０は、所定の圧力で接合材料側へ押し付けられている。摩擦攪拌用ツール４０、すなわちテーパピン５０を処理を行う終端まで移動させた後、摩擦攪拌用ツール４０を上昇させ、テーパピン５０を引き抜く。また、図１Ｄに示すように、摩擦攪拌処理を行う際、摩擦攪拌用ツール４０のショルダ部４１は、所定の圧力で、第１の接合材料１０の表面１２および第２の接合材料２０の表面２２に押し付けられているため、塑性流動した材料が外部に流出することはない。
【００２５】
上記したようにテーパピン５０が移動した部分には、図１Ｅに示すように、摩擦拡散処理部６０が形成される。テーパピン５０の中心軸が第２の接合材料２０側に位置する状態でテーパピン５０を接合部材に接触させて摩擦攪拌処理を行う場合、摩擦拡散処理部６０は、第２の接合材料２０を構成するアルミニウム合金を主とした、第１の接合材料１０を構成するチタン合金を含む合金で構成される。一方、テーパピン５０の中心軸が第１の接合材料１０側に位置する状態でテーパピン５０を接合部材に接触させて摩擦攪拌処理を行う場合、摩擦拡散処理部６０は、第１の接合材料１０を構成するチタン合金を主とした、第２の接合材料２０を構成するアルミニウム合金を含む合金で構成される。
【００２６】
また、テーパピン５０の中心軸が第２の接合材料２０側に位置する状態でテーパピン５０を接合部材に接触させて摩擦攪拌処理を行う場合、摩擦拡散処理部６０における第１の接合材料１０側の側面６１と、接合材料の表面とによる第１の接合材料１０側のなす角度θ３は、テーパピン５０の側面５１とショルダ部４１とがなす角度θ２とほぼ同じである。一方、テーパピン５０の中心軸が第１の接合材料１０側に位置する状態でテーパピン５０を接合部材に接触させて摩擦攪拌処理を行う場合、摩擦拡散処理部６０における第２の接合材料２０側の側面６２と、接合材料の表面とによる第１の接合材料１０側のなす角度（図示しない）は、１８０度からテーパピン５０の側面５１とショルダ部４１とがなす角度θ２を減じた値とほぼ同じである。
【００２７】
ここで、上記したように、摩擦拡散処理部６０における第１の接合材料１０側の側面６１と、接合材料の表面とによる第１の接合材料１０側のなす角度θ３、および摩擦拡散処理部６０における第２の接合材料２０側の側面６２と、接合材料の表面とによる第１の接合材料１０側のなす角度（図示しない）は、テーパピン５０の側面５１とショルダ部４１とのなす角度θ２によって決まる。
【００２８】
ここで、テーパピン５０の側面５１とショルダ部４１とがなす角度θ２を前述した１２０〜１７８度にすることが好ましいのは、摩擦拡散処理部６０における第１の接合材料１０側の側面６１と、接合材料の表面とによる第１の接合材料１０側のなす角度θ３を１２０〜１７８度にすることが好ましいからである。また、テーパピン５０の側面５１とショルダ部４１とがなす角度θ２を前述した９２〜１３５度にすることが好ましいのは、摩擦拡散処理部６０における第２の接合材料２０側の側面６２と、接合材料の表面とによる第１の接合材料１０側のなす角度（図示しない）を４５〜８８度にすることが好ましいからである。
【００２９】
次に、摩擦拡散処理部６０における第１の接合材料１０側の側面６１と、接合材料の表面とによる第１の接合材料１０側のなす角度θ３を９２〜１３５度に、または摩擦拡散処理部６０における第２の接合材料２０側の側面６２と、接合材料の表面とによる第１の接合材料１０側のなす角度（図示しない）を４５〜８８度にすることが好ましい理由について説明する。
【００３０】
二次元異種材料の接合界面端部における平面問題に関しては応力特異性を決める特性方程式が既に導かれている（例えば、特開２００４−２５５３８８、特開２００３−５３５５７参照）。この特性方程式を用いて図１Ｂに示す、第１の接合材料１０のチタン合金と第２の接合材料２０のアルミニウム合金との組合せによる接合部材の接合界面３０の端部の応力特異性を解析したところ、接合界面３０の両端縁３１、３２における自由縁の応力特異性は平板のこれらの両端縁３１、３２の２個所で生じていることが分かった。すなわち、接合界面３０と、第１の接合材料１０の表面１２とのなす角度θ１が、０〜１８０度まで変化した場合の平板の両端縁３１、３２における応力特異性を解析した。ここでは、２個所の接合界面３０の端部における応力特異性を示す指数を摂動法により計算し、応力特異性を求めた。
【００３１】
上記解析の結果、接合界面３０と、第１の接合材料１０の表面１２とのなす角度θ１が、４５〜８８度、１２０〜１７８度の範囲において、接合界面３０の端部における自由縁の応力特異性の消失が認められた。そこで、摩擦拡散処理部６０における第１の接合材料１０側の側面６１と、接合材料の表面とによる第１の接合材料１０側のなす角度θ３を９２〜１３５度に、または摩擦拡散処理部６０における第２の接合材料２０側の側面６２と、接合材料の表面とによる第１の接合材料１０側のなす角度（図示しない）を４５〜８８度にすることが好ましいとした。
【００３２】
また、上記した角度θ３に基づいて、テーパピン５０の側面５１とショルダ部４１とがなす角度θ２を１２０〜１７８度または９２〜１３５度にすることが好ましいとした。
【００３３】
続いて、図１Ｆに示すように、上記した摩擦攪拌処理を、裏面側（第１の接合材料１０の表面１３側および第２の接合材料２０の表面２３側）となる接合界面３０の端縁３２側に対しても行う。なお、すでに摩擦攪拌処理を施した表面側のみ引張力が掛かるような環境で使用する場合には、図１Ｆに示す裏面側の摩擦攪拌処理を省略してもよい。
【００３４】
そして、図１Ｇに示すように、両面に摩擦拡散処理部６０を形成し、第１の接合材料１０と第２の接合材料２０との接合部に対して摩擦攪拌処理が完了する。
【００３５】
なお、図１Ｇに示すように、接合界面３０の中央部に、摩擦攪拌処理がなされていない部分があるが、この部分は事前に拡散接合等で接合されているので、機械的強度上の問題を生じることはない。
【００３６】
ここでは、第１の接合材料１０としてチタン合金を、第２の接合材料２０としてアルミニウム合金を使用した一例を示した。チタン合金として、例えば、純チタン、α型合金のＴｉ−２．５Ｃｕ合金、α＋β型合金のＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金、β型合金のＴｉ−１５Ｍｏ−５Ｚｒ合金などが挙げられる。また、アルミニウム合金として、例えば、純アルミニウム、Ａｌ−Ｍｇ合金、Ａｌ−Ｓｉ合金、Ａｌ−Ｃｕ合金、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ合金、Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ合金の展伸材、および鋳造材などが挙げられる。また、異種材料の組み合わせは、上記したチタン合金とアルミニウム合金に限られるものではなく、摩擦攪拌処理が可能な材料の組み合わせであればよい。例えば、組み合わせの一例として銅−タングステン、銅−モリブデン、銅−アルミニウム、銅−鉄鋼材料、チタン−鉄鋼材料などが挙げられる。なお、組み合わせる材料によって、前述した接合界面端部における応力特異性は異なるため、組み合わせる材料ごとに前述した応力特異性の解析を行い、応力特異性の消失範囲を算出し、それに基づいて、テーパピン５０の形状等を決定する。
【００３７】
上記したように、本発明の第１の実施の形態の異種材料の接合部の摩擦攪拌処理方法によれば、すでに接合された異種材料の接合部に対して、接合界面３０の端縁３１、３２における自由縁を応力特異性が消失する角度に摩擦攪拌処理することで、接合部における欠陥等の発生を抑制し、接合強度の向上を図ることができる。これによって、接合端縁の強度の低下が抑制された接合部を有する異種材料の接合材料を得ることができる。また、接合材料の接合面の形状を平面等の簡単な形状とすることができるので、接合材料の加工が容易となり、さらには加工時間を短縮することができるので、製造コストを抑えることができる。
【００３８】
（第２の実施の形態）
第２の実施の形態では、事前の接合を摩擦攪拌接合によって行い、その後接合界面３０の自由縁を摩擦攪拌接合する方法について説明する。
【００３９】
図２Ａ〜図２Ｈは、本発明の第２の実施の形態の異種材料の摩擦攪拌接合方法を説明するための、異種材料の接合部の断面を模式的に示す図である。図３は、摩擦攪拌用ツールの他の形態の断面を模式的に示す図である。
【００４０】
ここでは、接合材料として、図２Ａに示すように、凸状の両縁に接合材料の厚さ方向に傾斜する傾斜部８１を有する第１の接合材料８０と、凹状の両縁に接合材料の厚さ方向に傾斜する傾斜部９１を有する第２の接合材料９０を用いた。第１の接合材料８０における傾斜部８１と、第１の接合材料８０の表面８３とのなす角度θ１は、１１０〜１２５度である。なお、この第１の接合材料８０の表面８３とのなす角度θ１は、第１の実施の形態で説明した応力特異性の解析による、接合界面の端部における自由縁を応力特異性が消失する角度としている。また、第１の接合材料８０の接合面８２の直線部８４の長さは、第１の接合材料８０の厚さの０．０５〜０．５倍になっている。第１の接合材料８０の厚さの０．０５倍以上のときは、前述したテーパピン５０の高さが接合部材の厚さの５％以上に相当し、０．５倍のときは、直線部８４がなく上下の傾斜部８１、９１のみとなる。また、第２の接合材料９０の接合面９２の形状は、第１の接合材料８０の接合面８２の形状に対応して構成されている。
【００４１】
また、ここでは、第１の接合材料８０を銅で形成し、第２の接合材料９０を第１の接合材料１０とは軟化温度が異なるアルミニウムで形成した一例を示す。なお、双方の接合材料の厚さは同じである。
【００４２】
まず、第１の接合材料８０の接合面８２と第２の接合材料９０の接合面９２とを突き合わせる。そして、攪拌部として機能する円柱状のストレートピン１００およびショルダ部１０１を有する摩擦攪拌用ツール１１０を用い、摩擦攪拌接合の際、ストレートピン１００の第１の接合材料８０側の側面が、第１の接合材料８０の接合面８２の直線部８４よりも０．１〜１．５ｍｍ程度、第１の接合材料８０側に位置する位置に摩擦攪拌用ツール１１０を配置する。
【００４３】
続いて、摩擦攪拌用ツール４０を所定の回転速度（例えば、１０００〜５０００ｒｐｍ）で回転させ、上記配置された位置から摩擦攪拌用ツール１１０を下方に移動し、ストレートピン１００を、第２の接合材料９０の表面９３に接触させる。この状態で摩擦攪拌が良好に行われる温度に達するまで数秒から数十秒間保持した後、図２Ｂに示すように、接合界面１２０に沿って所定の移動速度（例えば、３００〜２０００ｍｍ／ｍｉｎ）で摩擦攪拌用ツール１１０を移動する。なお、ストレートピン１００は、所定の圧力で接合材料側へ押し付けられている。摩擦攪拌用ツール１１０、すなわちストレートピン１００を処理を行う終端まで移動させた後、摩擦攪拌用ツール１１０を上昇させ、ストレートピン１００を引き抜く。また、図２Ｂに示すように、摩擦攪拌接合を行う際、摩擦攪拌用ツール１１０のショルダ部１０１は、所定の圧力で、第１の接合材料８０の表面８３および第２の接合材料９０の表面９３に押し付けられているため、塑性流動した材料が外部に流出することはない。
【００４４】
上記したようにストレートピン１００が移動した部分は、図２Ｃに示すように、摩擦拡散処理部１３０が形成される。この摩擦拡散処理部１３０は、第２の接合材料９０を構成するアルミニウムを主とした、第１の接合材料８０を構成する銅を含む合金で構成される。このようにして、第１の接合材料８０の接合面８２の直線部８４と、それに対応する第２の接合材料９０の接合面９２の直線部９４は、摩擦攪拌接合される。なお、この状態では、両縁の傾斜部８１、９１はほとんど接合されていない。
【００４５】
続いて、両縁の傾斜部８１、９１を摩擦攪拌接合する。図２Ｄに示すように、この両縁の傾斜部８１、９１の摩擦攪拌接合に使用される摩擦攪拌用ツール１４０の平面からなる端部には、攪拌部として機能する、先端に向かって徐々に断面積が減少する円錐台状のテーパピン１５０が設けられている。また、摩擦攪拌用ツール１４０のテーパピン１５０が形成された側の端面は、その端面に接触するテーパピン１５０の端面よりも面積が大きく構成され、摩擦攪拌接合を行う際、第１の接合材料８０の表面８３および第２の接合材料９０の表面９３と接触するショルダ部１４１を構成している。なお、ショルダ部１４１は、基本的には第１の接合材料８０の表面８３および第２の接合材料９０の表面９３と平行な面となるように構成されているが、これに限られるものではない。ショルダ部１４１は、例えば、通常の摩擦攪拌接合用ツールと同様に周縁からツール中心部に向かって凹部を形成するように傾斜する形状であっても、周縁からツール中心部に向かって渦巻き状の突起部を複数備える渦巻き状の凹凸構造であってもよい。
【００４６】
また、図２Ｄに示すように、テーパピン１５０の側面１５１とショルダ部１４１とがなす角度θ２は、第１の接合材料８０における傾斜部８１と第１の接合材料８０の表面８３とのなす角度θ１と同じ１１０〜１２５度とすることが好ましい。また、テーパピン１５０の高さ、すなわち円錐台の高さは、使用する用途によって適宜に設定される。好ましくは、接合部材の厚さの５％以上とすることが好ましい。テーパピン１５０の高さを上記した範囲とすることが好ましいのは、異種材の接合界面１２０に発生する引張応力が大きくなるのは表層であるが、これ以下の極表層のみの処理では強度向上への寄与が小さいからである。
【００４７】
また、テーパピン１５０の付け根部の第１の接合材料８０側となる一方の端縁１５０ａが、傾斜部８１、９１の接合界面１２０の端縁１２１よりも第１の接合材料８０側に０．１〜１．５ｍｍ程度に位置するようにテーパピン１５０を配置することが好ましい。この範囲にテーパピン１５０を配置することが好ましいのは、０．１未満の場合（例えば、端縁１５０ａが接合界面に位置する場合（０ｍｍの場合））、接合不良が発生する可能性が高く、１．５ｍｍ程度までの配置で接合不良の発生はなくなり、１．５ｍｍを超えると第２の接合材料９０への第１の接合材料８０の混合割合が大きくなるからである。
【００４８】
続いて、摩擦攪拌用ツール１１０を所定の回転速度（例えば、１０００〜５０００ｒｐｍ）で回転させ、上記配置された位置から摩擦攪拌用ツール１１０を下方に移動し、テーパピン１５０を、接合界面１２０の端縁１２１を含む第１の接合材料８０の表面８３および第２の接合材料９０の表面９３に接触させる。この状態で摩擦攪拌が良好に行われる温度に達するまで数秒から数十秒間保持した後、図２Ｅに示すように、接合界面１２０の一端側の端縁１２１に沿って所定の移動速度（例えば、３００〜２０００ｍｍ／ｍｉｎ）で摩擦攪拌用ツール１１０を移動する。なお、テーパピン１５０は、所定の圧力で接合材料側へ押し付けられている。摩擦攪拌用ツール１１０、すなわちテーパピン１５０を処理を行う終端まで移動させた後、摩擦攪拌用ツール１１０を上昇させ、テーパピン１５０を引き抜く。また、図２Ｅに示すように、摩擦攪拌接合を行う際、摩擦攪拌用ツール１１０のショルダ部１４１は、所定の圧力で、第１の接合材料８０の表面８３および第２の接合材料９０の表面９３に押し付けられているため、塑性流動した材料が外部に流出することはない。
【００４９】
上記したようにテーパピン１５０が移動した部分は、図２Ｆに示すように、摩擦拡散処理部１６０が形成される。この摩擦拡散処理部１６０は、第２の接合材料９０を構成するアルミニウムを主とした、第１の接合材料１０を構成する銅を含む合金で構成される。このようにして、一端縁側の、第１の接合材料８０の傾斜部８１と、それに対応する第２の接合材料９０の傾斜部９１は、摩擦攪拌接合される。
【００５０】
また、摩擦拡散処理部１６０における第１の接合材料８０側の側面１６１と、接合材料の表面とによる第１の接合材料８０側のなす角度θ３は、テーパピン１５０の側面１５１とショルダ部１４１とがなす角度θ２とほぼ同じである。
【００５１】
続いて、図２Ｇに示すように、上記した摩擦攪拌用ツール１４０を用いて、上記した方法と同じ方法で、裏面側となる他端縁側の傾斜部８１、９１を摩擦攪拌接合する。
【００５２】
そして、図２Ｈに示すように、両面に摩擦拡散処理部１６０を形成し、第１の接合材料１０と第２の接合材料２０とが摩擦攪拌接合される。
【００５３】
ここでは、第１の接合材料８０として銅を、第２の接合材料９０としてアルミニウムを使用した一例を示した。また、異種材料の組み合わせは、この銅とアルミニウムに限られるものではなく、摩擦攪拌処理が可能な材料の組み合わせであればよい。例えば、組み合わせの一例として、銅−チタン、銅−タングステン、銅−モリブデン、銅−鉄鋼材料、チタン−鉄鋼材料などが挙げられる。なお、組み合わせる材料によって、前述した接合界面端部における応力特異性は異なるため、組み合わせる材料ごとに前述した応力特異性の解析を行い、応力特異性の消失範囲を算出し、その算出結果に基づいて、第１の接合材料８０における傾斜部８１と、第１の接合材料８０の表面８３とのなす角度θ１が決定される。また、この第１の接合材料８０の接合面８２の形状に対応して第２の接合材料９０の接合面９２の形状が決定される。また、第１の接合材料８０における傾斜部８１と、第１の接合材料８０の表面８３とのなす角度θ１に対応させてテーパピン１５０の形状等を決定する。
【００５４】
ここで、上記した摩擦攪拌用ツール１１０のピンにおいて、先端部を円柱状のストレート形状とし、摩擦攪拌用ツール１１０側、すなわちピンの根元部側を図２Ｄに示す円錐台状のテーパ形状としてもよい。この複合形状にすることで、図２Ｂ〜図２Ｅに示した摩擦攪拌処理を同時に行うことができる。すなわち摩擦拡散処理部１３０および摩擦拡散処理部１６０を同時に形成することができる。
【００５５】
また、他端縁側の傾斜部をなくす場合は、突き合わせ部の傾斜を上部のみとし、直線部を下部まで伸ばすとともに、摩擦攪拌用ツール１１０のピンのストレート形状部を、接合材料の裏面側となる他端縁まで延長して構成してもよい。また、このように他端縁側に傾斜部を設けない場合は、両接合材料の厚さが異なっていてもよい。この場合、摩擦攪拌用ツールを挿入する表面側を同一の高さとし、薄い材料の裏側には厚さの差分のスペーサ等を挿入すればよい。
【００５６】
さらに、図３に示すように、接合材料の両面側に、摩擦攪拌用ツール１１０を設け、それぞれの摩擦攪拌用ツール１１０の平面からなる端部に、先端に向かって徐々に断面積が減少する円錐台状のテーパピン１５０を設け、さらに、テーパピン１５０間に円柱状のストレートピン１００を設けてそれぞれを一体的に構成してもよい。また、摩擦攪拌用ツール１１０のテーパピン１５０が形成された側の端面は、その端面に接触するテーパピン１５０の端面よりも面積が大きく構成され、摩擦攪拌処理を行う際、第１の接合材料８０の表面および第２の接合材料９０の表面と接触するショルダ部１４１を構成している。なお、ショルダ部１４１は、第１の接合材料８０の表面および第２の接合材料９０の表面と平行な面となるように構成されている。このように、摩擦攪拌用ツールおよびピンを、いわゆるボビンツール形状とすることで、接合材料の両面を同時に摩擦攪拌処理することができる。また、ボビンツール形状とすることで、接合材料の片側から摩擦攪拌処理した場合に発生しやすい欠陥の発生を抑えることができる。
【００５７】
上記したように、本発明の第２の実施の形態の異種材料の接合部の摩擦攪拌処理方法によれば、すべての接合界面を摩擦攪拌接合によって接合しているので、容易にかつ信頼性のある接合を行うことができる。また、傾斜部８１、９１等の接合界面の形状に対応したピンを使用して摩擦攪拌接合しているので、摩擦拡散処理部に混合する異種材料を最小限とすることができる。これによって、接合部に金属間化合物が生成されるのを防止することができ、接合強度の向上を図ることができる。
【００５８】
（第３の実施の形態）
第３の実施の形態では、接合処理と接合端縁の傾斜付与処理を同時に行う場合について説明する。
【００５９】
図４Ａ〜図４Ｄは、本発明の第３の実施の形態の異種材料の接合部の摩擦攪拌処理方法を説明するための、異種材料の接合部の断面を模式的に示す図である。
【００６０】
ここでは、第１の接合材料１８０をチタン合金で形成し、第２の接合材料１９０を第１の接合材料１８０とは軟化温度が異なるアルミニウム合金で形成した一例を示す。なお、ここでは双方の接合材料の厚さは同じであるとしたが、厚さが異なっていてもよい。厚さが異なる場合は、摩擦攪拌用ツールを挿入する表面側を同一面とし、厚さの薄い材料の裏側には厚さの相違分に当たるスペーサ等を挿入し、薄い材料側の厚さに合わせた摩擦攪拌用ツールを用いればよい。また、チタン合金およびアルミニウム合金の具体例としては、第１の実施の形態で例示したものが挙げられる。
【００６１】
図４Ａに示すように、第１の接合材料１８０の接合面１８１は、第１の接合材料１８０の表面１８２、１８３と垂直に交わるように形成されている。また、第２の接合材料１９０の接合面１９１も、第１の接合材料１８０の接合面１８１と同様に、第２の接合材料１９０の表面１９２、１９３と垂直に交わるように形成されている。
【００６２】
まず、図４Ｂに示すように、第１の接合材料１８０の接合面１８１と第２の接合材料１９０の接合面１９１とを突き合わせる。なお、この際、第１の接合材料１８０の接合面１８１と第２の接合材料１９０の接合面１９１とを接触させる方向に所定の圧力が負荷される。
【００６３】
また、図４Ｂに示すように、摩擦攪拌処理を行う摩擦攪拌用ツール２００の平面からなる端部には、攪拌部として機能する、先端に向かって徐々に断面積が減少する円錐台状のテーパピン２１０が設けられている。また、摩擦攪拌用ツール２００のテーパピン２１０が形成された側の端面は、その端面に接触するテーパピン２１０の端面よりも面積が大きく構成され、摩擦攪拌処理を行う際、第１の接合材料１８０の表面１８２および第２の接合材料１９０の表面１９２と接触するショルダ部２０１を構成している。なお、ショルダ部２０１は、基本的には第１の接合材料１８０の表面１８２および第２の接合材料１９０の表面１９２と平行な面となるように構成されているが、これに限られるものではない。ショルダ部２０１は、例えば、通常の摩擦攪拌接合用ツールと同様に周縁からツール中心部に向かって凹部を形成するように傾斜する形状であっても、周縁からツール中心部に向かって渦巻き状の突起部を複数備える渦巻き状の凹凸構造であってもよい。また、テーパピン２１０の高さ、すなわち円錐台の高さは、接合部材の厚さとほぼ同じに構成されている。
【００６４】
また、テーパピン２１０の側面２１１とショルダ部２０１とがなす角度θ２は、前述したように、応力特異性の解析による、接合界面の端部における自由縁を応力特異性が消失する角度に基づいて設定されている。ここでは、前述したように、応力特異性の解析結果に基づいて、テーパピン２１０の側面２１１とショルダ部２０１とがなす角度θ２を１２０〜１３５度の範囲で設定する。
【００６５】
また、第１の接合材料１８０と第２の接合材料１９０の接合界面２２０のよりも、テーパピン２１０の中心軸が第２の接合材料１９０側に位置するようにテーパピン２１０を配置する。なお、テーパピン２１０の中心軸が第１の接合材料１８０側に位置するようにテーパピン２１０を配置してもよい。すなわち、接合界面２２０のよりも、テーパピン２１０の中心軸が、第１の接合材料１８０側および第２の接合材料１９０側のいずれか一方の側に位置するようにテーパピン２１０を配置すればよい。
【００６６】
例えば、第１の接合材料１８０と第２の接合材料１９０の接合界面２２０のよりも、テーパピン２１０の中心軸が第２の接合材料１９０側に位置するようにテーパピン２１０を配置する場合には、図４Ｂに示すように、テーパピン２１０の先端部の第１の接合材料１８０側となる一方の端縁２１０ａが、接合界面２２０上または接合界面２２０よりも第１の接合材料１８０側に０．１〜１．５ｍｍ程度に位置するようにテーパピン２１０を配置することが好ましい。この場合には、主としてアルミニウム合金を摩擦攪拌するので、摩擦拡散処理がなされる部分（後述する摩擦拡散処理部２３０に相当する部分）へのチタン合金の混合を最小量に抑えることができ、接合部の機械的特性が向上する。また、軟質のアルミニウム合金を主に摩擦攪拌するので、摩擦攪拌が容易で、テーパピン２１０の消耗を抑制することができる。また、テーパピン２１０は、摩擦攪拌接合に一般的に用いられるねじ付のものでもよいが、軟質のアルミニウム合金を主に摩擦攪拌するため、ねじ無しピンを使用することができる。
【００６７】
一方、テーパピン２１０の中心軸が第１の接合材料１８０側に位置するようにテーパピン２１０を配置する場合には、テーパピン２１０の先端部の第２の接合材料１９０側となる他方の端縁２１０ｂが、接合界面２２０上または接合界面２２０よりも第２の接合材料１９０側に０．１〜１．５ｍｍ程度に位置するようにテーパピン２１０を配置することが好ましい。
【００６８】
上記したように、接合界面２２０のよりも、テーパピン２１０の中心軸が、第１の接合材料１８０側および第２の接合材料１９０側のいずれか一方の側に位置するようにテーパピン５０を配置するのは、摩擦拡散処理がなされる部分（後述する摩擦拡散処理部２３０に相当する部分）において、第１の接合材料１８０および第２の接合材料１９０のいずれか一方の接合材料が５０体積％より多くなるようにするためである。
【００６９】
そして、摩擦攪拌用ツール２００を所定の回転速度（例えば、１０００〜５０００ｒｐｍ）で回転させる。続いて、上記配置された位置から摩擦攪拌用ツール２００を下方に移動し、テーパピン２１０を、接合界面２２０の一端側の端縁２２１を含む第１の接合材料１８０の表面１８２および第２の接合材料１９０の表面１９２に接触させる。この状態で摩擦攪拌が良好に行われる温度に達するまで数秒から数十秒間保持した後、図４Ｃに示すように、接合界面２２０の一端側の端縁２２１に沿って所定の移動速度（例えば、３００〜２０００ｍｍ／ｍｉｎ）で摩擦攪拌用ツール２００を移動する。なお、テーパピン２１０は、所定の圧力で接合材料側へ押し付けられている。摩擦攪拌用ツール２００、すなわちテーパピン２１０を処理を行う終端まで移動させた後、摩擦攪拌用ツール２００を上昇させ、テーパピン２１０を引き抜く。また、図４Ｃに示すように、摩擦攪拌処理を行う際、摩擦攪拌用ツール２００のショルダ部２０１は、所定の圧力で、第１の接合材料１８０の表面１８２および第２の接合材料１９０の表面１９２に押し付けられているため、塑性流動した材料が外部に流出することはない。
【００７０】
上記したようにテーパピン２１０が移動した部分は、図４Ｄに示すように、摩擦拡散処理部２３０が形成される。この摩擦拡散処理部２３０は、テーパピン２１０の中心軸が第２の接合材料１９０側に位置する状態でテーパピン２１０を接合部材に接触させて摩擦攪拌処理を行う場合、第２の接合材料１９０を構成するアルミニウム合金を主とした、第１の接合材料１８０を構成するチタン合金を含む合金で構成される。一方、テーパピン２１０の中心軸が第１の接合材料１８０側に位置する状態でテーパピン２１０を接合部材に接触させて摩擦攪拌処理を行う場合、摩擦拡散処理部２３０は、第１の接合材料１８０を構成するチタン合金を主とした、第２の接合材料１９０を構成するアルミニウム合金を含む合金で構成される。
【００７１】
このように、接合部材の厚さ方向に亘って接合界面２２０を含むように摩擦拡散処理を行うことができるので、接合処理と接合端縁の傾斜付与処理を同時に行うことができる。
【００７２】
ここでは、第１の接合材料１８０の接合面１８１と第１の接合材料１８０の表面１８２、１８３とが垂直に交わり、かつ第２の接合材料１９０の接合面１９１と第２の接合材料１９０の表面１９２、１９３とが垂直に交わる、接合材料を使用した一例を示したが、上記した摩擦拡散処理は、これらの構成以外の接合材料の接合にも適用することができる。
【００７３】
図５Ａ〜図５Ｄは、他の構成の異種材料の接合部の摩擦攪拌処理方法を説明するための、異種材料の接合部の断面を模式的に示す図である。
【００７４】
図５Ａに示すように、第１の接合材料１８０の接合面１８１は、第１の接合材料１８０の表面１８２となす角度θ１を有して構成されている。このなす角度θ１は、第１の実施の形態で説明した応力特異性の解析による、接合界面の端部における自由縁を応力特異性が消失する角度としている。また、第２の接合材料１９０の接合面１９１は、第１の接合材料１８０の接合面１８１に対応する傾斜面で構成されている。なお、ここでは、上述した異種材料の組み合わせと同様に、第１の接合材料１８０をチタン合金で形成し、第２の接合材料１９０を第１の接合材料１８０とは軟化温度が異なるアルミニウム合金で形成した一例を示す。なお、双方の接合材料の厚さは同じである。
【００７５】
まず、図５Ｂに示すように、第１の接合材料１８０の接合面１８１と第２の接合材料１９０の接合面１９１とを突き合わせる。なお、この際、第１の接合材料１８０の接合面１８１と第２の接合材料１９０の接合面１９１とを接触させる方向に所定の圧力が負荷される。
【００７６】
摩擦攪拌接合に使用される摩擦攪拌用ツールおよびピンは、上記した摩擦攪拌用ツール２００およびテーパピン２１０と同様の構成を備え、テーパピン２１０の側面２１１とショルダ部２０１とがなす角度θ２は、上記した、第１の接合材料１８０の接合面１８１と第１の接合材料１８０の表面１８２とのなす角度θ１と同じ角度で構成されている。
【００７７】
また、図５Ｂに示すように、テーパピン２１０の付け根部の第１の接合材料１８０側となる一方の端縁２１０ｃが、第１の接合材料１８０と第２の接合材料１９０の接合界面２２０の端縁２２１よりも第１の接合材料１８０側に０．１〜１．５ｍｍ程度に位置するようにテーパピン２１０を配置することが好ましい。この範囲に配置することが好ましいのは、０．１未満の場合（例えば、端縁２１０ｃが接合界面に位置する場合（０ｍｍの場合））、接合不良が発生する可能性が高く、１．５ｍｍ程度までの配置で接合不良の発生はなくなり、１．５ｍｍを超えると第２の接合材料１９０への第１の接合材料１８０の混合割合が大きくなるからである。この場合には、主としてアルミニウム合金を摩擦攪拌するので、摩擦拡散処理部２３０へのチタン合金の混合を最小量に抑えることができ、接合部の機械的特性が向上する。また、軟質のアルミニウム合金を主に摩擦攪拌するので、摩擦攪拌が容易で、テーパピン２１０の消耗を抑制することができる。また、テーパピン２１０は、摩擦攪拌接合に一般的に用いられるねじ付のものでもよいが、軟質のアルミニウム合金を主に摩擦攪拌するため、ねじ無しピンを使用することができる。
【００７８】
続いて、摩擦攪拌用ツール２００を所定の回転速度（例えば、１０００〜５０００ｒｐｍ）で回転させ、上記配置された位置から摩擦攪拌用ツール２００を下方に移動し、テーパピン２１０を、接合界面２２０の一端側の端縁２２１を含む第１の接合材料１８０の表面１８２および第２の接合材料１９０の表面１９２に接触させる。この状態で摩擦攪拌が良好に行われる温度に達するまで数秒から数十秒間保持した後、図５Ｃに示すように、接合界面２２０の一端側の端縁２２１に沿って所定の移動速度（例えば、３００〜２０００ｍｍ／ｍｉｎ）で摩擦攪拌用ツール２００を移動する。なお、テーパピン２１０は、所定の圧力で接合材料側へ押し付けられている。摩擦攪拌用ツール２００、すなわちテーパピン２１０を処理を行う終端まで移動させた後、摩擦攪拌用ツール２００を上昇させ、テーパピン２１０を引き抜く。また、図５Ｃに示すように、摩擦攪拌処理を行う際、摩擦攪拌用ツール２００のショルダ部２０１は、所定の圧力で、第１の接合材料１８０の表面１８２および第２の接合材料１９０の表面１９２に押し付けられているため、塑性流動した材料が外部に流出することはない。
【００７９】
上記したようにテーパピン２１０が移動した部分は、図５Ｄに示すように、摩擦拡散処理部２３０が形成される。この摩擦拡散処理部２３０は、第２の接合材料１９０を構成するアルミニウム合金を主とした、第１の接合材料１８０を構成するチタン合金を含む合金で構成される。
【００８０】
このように、接合部材の厚さ方向に亘って接合界面２２０を含むように摩擦拡散処理を行うことができるので、厚さ方向に亘って接合処理を同時に行うことができる。
【００８１】
上記したように、本発明の第３の実施の形態の異種材料の接合部の摩擦攪拌処理方法によれば、すべての接合界面を摩擦攪拌接合によって接合しているので、容易にかつ信頼性のある接合を行うことができる。また、接合部材の厚さ方向に亘って接合界面２２０を含むように摩擦拡散処理を行うことができるので、接合処理や接合端縁の傾斜付与処理を同時に行うことができる。
【００８２】
また、接合材料の接合部を、ストレートの突合せ構成などの単純な構成とすることができるので、接合材料の接合を容易に行うことができ、接合材料の製作時間や製作コストを削減することができる。
【００８３】
以上、本発明を一実施の形態により具体的に説明したが、本発明はこれらの実施の形態にのみ限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。例えば、上記した実施の形態では、摩擦攪拌用ツールを移動させて異種材料を接合する一例を示したが、摩擦攪拌用ツールを移動せずに、異種材料を移動してもよい。この場合においても上記した摩擦攪拌用ツールを移動させる場合と同様の作用効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００８４】
【図１Ａ】本発明の第１の実施の形態の異種材料の接合部の摩擦攪拌処理方法を説明するための、異種材料の接合部の断面を模式的に示す図。
【図１Ｂ】本発明の第１の実施の形態の異種材料の接合部の摩擦攪拌処理方法を説明するための、異種材料の接合部の断面を模式的に示す図。
【図１Ｃ】本発明の第１の実施の形態の異種材料の接合部の摩擦攪拌処理方法を説明するための、異種材料の接合部の断面を模式的に示す図。
【図１Ｄ】本発明の第１の実施の形態の異種材料の接合部の摩擦攪拌処理方法を説明するための、異種材料の接合部の断面を模式的に示す図。
【図１Ｅ】本発明の第１の実施の形態の異種材料の接合部の摩擦攪拌処理方法を説明するための、異種材料の接合部の断面を模式的に示す図。
【図１Ｆ】本発明の第１の実施の形態の異種材料の接合部の摩擦攪拌処理方法を説明するための、異種材料の接合部の断面を模式的に示す図。
【図１Ｇ】本発明の第１の実施の形態の異種材料の接合部の摩擦攪拌処理方法を説明するための、異種材料の接合部の断面を模式的に示す図。
【図２Ａ】本発明の第２の実施の形態の異種材料の摩擦攪拌接合方法を説明するための、異種材料の接合部の断面を模式的に示す図。
【図２Ｂ】本発明の第２の実施の形態の異種材料の摩擦攪拌接合方法を説明するための、異種材料の接合部の断面を模式的に示す図。
【図２Ｃ】本発明の第２の実施の形態の異種材料の摩擦攪拌接合方法を説明するための、異種材料の接合部の断面を模式的に示す図。
【図２Ｄ】本発明の第２の実施の形態の異種材料の摩擦攪拌接合方法を説明するための、異種材料の接合部の断面を模式的に示す図。
【図２Ｅ】本発明の第２の実施の形態の異種材料の摩擦攪拌接合方法を説明するための、異種材料の接合部の断面を模式的に示す図。
【図２Ｆ】本発明の第２の実施の形態の異種材料の摩擦攪拌接合方法を説明するための、異種材料の接合部の断面を模式的に示す図。
【図２Ｇ】本発明の第２の実施の形態の異種材料の摩擦攪拌接合方法を説明するための、異種材料の接合部の断面を模式的に示す図。
【図２Ｈ】本発明の第２の実施の形態の異種材料の摩擦攪拌接合方法を説明するための、異種材料の接合部の断面を模式的に示す図。
【図３】摩擦攪拌用ツールの他の形態の断面を模式的に示す図。
【図４Ａ】本発明の第３の実施の形態の異種材料の接合部の摩擦攪拌処理方法を説明するための、異種材料の接合部の断面を模式的に示す図。
【図４Ｂ】本発明の第３の実施の形態の異種材料の接合部の摩擦攪拌処理方法を説明するための、異種材料の接合部の断面を模式的に示す図。
【図４Ｃ】本発明の第３の実施の形態の異種材料の接合部の摩擦攪拌処理方法を説明するための、異種材料の接合部の断面を模式的に示す図。
【図４Ｄ】本発明の第３の実施の形態の異種材料の接合部の摩擦攪拌処理方法を説明するための、異種材料の接合部の断面を模式的に示す図。
【図５Ａ】他の構成の異種材料の接合部の摩擦攪拌処理方法を説明するための、異種材料の接合部の断面を模式的に示す図。
【図５Ｂ】他の構成の異種材料の接合部の摩擦攪拌処理方法を説明するための、異種材料の接合部の断面を模式的に示す図。
【図５Ｃ】他の構成の異種材料の接合部の摩擦攪拌処理方法を説明するための、異種材料の接合部の断面を模式的に示す図。
【図５Ｄ】他の構成の異種材料の接合部の摩擦攪拌処理方法を説明するための、異種材料の接合部の断面を模式的に示す図。
【符号の説明】
【００８５】
１０…第１の接合材料、１１、２１…接合面、１２、１３、２２、２３…表面、２０…第２の接合材料、３０…接合界面、３１、３２、５０ａ、５０ｂ…端縁、４０…摩擦攪拌用ツール、４１…ショルダ部、５０…テーパピン、５１、６１、６２…側面、６０…摩擦拡散処理部。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、異種材料接合部を摩擦攪拌により処理する異種材料接合部の摩擦攪拌処理方法、および異種材料を摩擦攪拌接合によって連結する異種材料の摩擦攪拌接合方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、異種材料の接合は、ろう付、拡散接合、摩擦圧接などにより広範囲に行われている。異種材料の接合部は、材料特性が不連続であるため、接合体の接合強度が低下することが多い。
【０００３】
この接合強度の低下を改善するために、摩擦圧接法において、部材の熱膨張係数の相違に対応して部材の直径を変えて接合界面に発生する残留応力を緩和させる技術が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。また、アルミニウム材に凸状の銅材を熱間圧接して引張強度を向上させる技術が開示されている（例えば、特許文献２参照。）。また、異種材接合縁の角度を適当な範囲に限定することで接合部の衝撃強度を向上させる技術が開示されている（例えば、特許文献３参照。）。さらに、スカーフ継手の接合縁での応力特異性解析と最適化解析により、接合縁部の応力集中を緩和する技術が開示されている（例えば、特許文献４参照。）。
【特許文献１】特開平６−４７５７０号公報
【特許文献２】特開平４−１４３０８５号公報
【特許文献３】特開２００３−５３５５７号公報
【特許文献４】特開２００４−２５５３８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記した従来の接合方法において、異種材料の接合部の接合強度を向上させるために、接合部材の接合部を、種々の屈曲や湾曲した形状としているが、これらの複雑な形状の接合部材を接合するには次のような問題点があった。
【０００５】
まず、複雑な形状の接合部材を加工するための加工工程が必要となる。また、複雑な形状の接合部材どうしを隙間やずれを生じることなく組み合わせるためには、高い加工精度が必要となる。そのため、接合部材の材質、形状、寸法などが限定されたり、加工費が高くなり、製造コストが増加する。
【０００６】
また、複雑な形状の接合部材を接合する場合、例えばろう付では、ボイド欠陥の閉じ込めや、隙間が不均一となるために生じるろう回り不良などの欠陥が発生しやすい。拡散接合の場合には、接合部材の密着不良や、加圧軸方向に対する接合面角度が大きいために生じる加圧力不足による未接合部の発生などを生じる。ここで、熱間等方圧加圧処理（ＨＩＰ処理）を採用することで拡散接合時のこれらの問題を解決することができるが、このＨＩＰ処理を採用した場合には、ＨＩＰ処理のためのキャニングとその除去が必要となり、さらに処理する部材の大きさがＨＩＰ炉の容量に制限されるなどの欠点を有している。
【０００７】
摩擦圧接法においては、一方の接合部材のみを所望の形状とし、これを他方の接合部材に食い込ませて接合することで、目的とする継手形状を得ることができる。しかしながらこの方法では、回転摩擦接合およびリニアフリクション接合ともに、接合部材の形状、寸法が限定されるといった欠点を有している。
【０００８】
そこで、本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、接合部材における接合部の形状を単純な形状とし、接合部材の形状や寸法などが限定されることなく、異種材料を接合または異種材料の接合部を摩擦攪拌処理することができる異種材料接合部の摩擦攪拌処理方法および異種材料の摩擦攪拌接合方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明の一態様によれば、軟化温度が異なる異種材料の接合部を摩擦攪拌により処理する異種材料接合部の摩擦攪拌処理方法であって、端面が平面の摩擦攪拌用ツール、および前記摩擦攪拌用ツールの端面に設けられ、前記端面と、前記異種材料の接合界面端部の応力特異性解析から得られる応力特異性消失範囲に基づいて定められた所定のなす角度を有して先端に向かって徐々に断面積が減少する円錐台状に構成された攪拌部を備える摩擦攪拌用部材を回転させ、前記異種材料の接合部の少なくとも一方の接合端縁に沿って前記異種材料を塑性流動させながら前記異種材料に対して前記攪拌部を相対的に移動させ、接合部の接合端縁における接合面と、前記異種材料の表面とのなす角度を、前記応力特異性消失範囲に基づいて定められた所定のなす角度とすることを特徴とする異種材料接合部の摩擦攪拌処理方法が提供される。
【００１０】
また、本発明の一態様によれば、軟化温度が異なる異種材料を摩擦攪拌により接合する異種材料の摩擦攪拌接合方法であって、端面が平面の摩擦攪拌用ツール、および前記摩擦攪拌用ツールの端面に設けられ、前記端面と、前記異種材料の接合界面端部の応力特異性解析から得られる応力特異性消失範囲に基づいて定められた所定のなす角度を有して先端に向かって徐々に断面積が減少する円錐台状に構成された攪拌部とを備える摩擦攪拌用部材を回転させ、前記異種材料どうしを接触させた接合すべく少なくとも一方の界面端縁に沿って前記異種材料を塑性流動させながら前記異種材料に対して前記攪拌部を相対的に移動させ、前記攪拌部を移動させ、前記異種材料を接合させるとともに、接合された接合端縁における接合面と、前記異種材料の表面とのなす角度を、前記応力特異性消失範囲に基づいて定められた所定のなす角度とすることを特徴とする異種材料の摩擦攪拌接合方法が提供される。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の異種材料接合部の摩擦攪拌処理方法および異種材料の摩擦攪拌接合方法によれば、接合部材における接合部の形状を単純な形状とし、接合部材の形状や寸法などが限定されることなく、異種材料を接合または異種材料の接合部を摩擦攪拌処理することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の一実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１３】
（第１の実施の形態）
図１Ａ〜図１Ｇは、本発明の第１の実施の形態の異種材料の接合部の摩擦攪拌処理方法を説明するための、異種材料の接合部の断面を模式的に示す図である。
【００１４】
ここでは、第１の接合材料１０をチタン合金で形成し、第２の接合材料２０を第１の接合材料１０とは軟化温度が異なるアルミニウム合金で形成した一例を示す。なお、双方の接合材料の厚さは同じである。
【００１５】
図１Ａに示すように、第１の接合材料１０の接合面１１は、第１の接合材料１０の表面１２、１３と垂直に交わるように形成されている。また、第２の接合材料２０の接合面２１も、第１の接合材料１０の接合面１１と同様に、第２の接合材料２０の表面２２、２３と垂直に交わるように形成されている。
【００１６】
まず、図１Ｂに示すように、第１の接合材料１０の接合面１１と第２の接合材料２０の接合面２１とを突き合わせ、これらの第１の接合材料１０の接合面１１と第２の接合材料２０の接合面２１とを拡散接合する。拡散接合は、第１の接合材料１０の接合面１１と第２の接合材料２０の接合面２１とを接触させる方向に所定の圧力を負荷し、この状態で、所定の温度の真空雰囲気中に所定の時間保持することで行う。なお、所定の温度は、第１の接合材料１０および第２の接合材料２０を構成する材料の融点以下の温度に設定される。ここで、接合界面３０と、第１の接合材料１０の表面１２とのなす角度θ１は、９０度である。なお、第１の接合材料１０と第２の接合材料２０の接合方法は、拡散接合に限られるものではなく、例えば、ろう付、ＨＩＰ接合、摩擦攪拌接合など他の方法であってもよい。
【００１７】
図１Ｃに示すように、摩擦攪拌処理を行う摩擦攪拌用ツール４０の平面からなる端部には、攪拌部として機能する、先端に向かって徐々に断面積が減少する円錐台状のテーパピン５０が設けられている。また、テーパピン５０が形成された摩擦攪拌用ツール４０の端面は、その端面に接触するテーパピン５０の端面よりも面積が大きく構成され、摩擦攪拌処理を行う際、第１の接合材料１０の表面１２および第２の接合材料２０の表面２２と接触するショルダ部４１を構成している。なお、ショルダ部４１は、第１の接合材料１０の表面１２および第２の接合材料２０の表面２２と基本的には平行な面となるように構成されているが、これに限られるものではない。ショルダ部４１は、例えば、通常の摩擦攪拌接合用ツールと同様に周縁からツール中心部に向かって凹部を形成するように傾斜する形状であっても、周縁からツール中心部に向かって渦巻き状の突起部を複数備える渦巻き状の凹凸構造であってもよい。また、テーパピン５０の高さ、すなわち円錐台の高さは、使用する用途によって適宜に設定され、好ましくは、接合部材の厚さの５％以上とすることが好ましい。テーパピン５０の高さを上記した範囲とすることが好ましいのは、異種材の接合界面３０に発生する引張応力が大きくなるのは表層であるが、これ以下の極表層のみの処理では強度向上への寄与が小さいからである。
【００１８】
また、図１Ｃに示すように、接合界面３０のよりも、テーパピン５０の中心軸が第２の接合材料２０側に位置するようにテーパピン５０を配置する。なお、テーパピン５０の中心軸が第１の接合材料１０側に位置するようにテーパピン５０を配置してもよい。すなわち、接合界面３０のよりも、テーパピン５０の中心軸が、第１の接合材料１０側および第２の接合材料２０側のいずれか一方の側に位置するようにテーパピン５０を配置すればよい。
【００１９】
ここで、接合界面３０のよりも、テーパピン５０の中心軸が第２の接合材料２０側に位置するようにテーパピン５０を配置する場合には、テーパピン５０の付け根部の第１の接合材料１０側となる一方の端縁５０ａが、接合界面３０のよりも第１の接合材料１０側に０．１〜１．５ｍｍ程度に位置するようにテーパピン５０を配置することが好ましい。この場合には、主としてアルミニウム合金を摩擦攪拌するので、摩擦拡散処理がなされる部分（後述する摩擦拡散処理部６０に相当する部分）へのチタン合金の混合を最小量に抑えることができ、接合部の機械的特性が向上する。また、軟質のアルミニウム合金を主に摩擦攪拌するので、摩擦攪拌が容易で、テーパピン５０の消耗を抑制することができる。
【００２０】
一方、テーパピン５０の中心軸が第１の接合材料１０側に位置するようにテーパピン５０を配置する場合には、テーパピン５０の付け根部の第２の接合材料２０側となる他方の端縁５０ｂが、接合界面３０のよりも第２の接合材料２０側に０．１〜１．５ｍｍ程度に位置するようにテーパピン５０を配置することが好ましい。
【００２１】
上記したように、接合界面３０のよりも、テーパピン５０の中心軸が、第１の接合材料１０側および第２の接合材料２０側のいずれか一方の側に位置するようにテーパピン５０を配置するのは、摩擦拡散処理がなされる部分（後述する摩擦拡散処理部６０に相当する部分）において、第１の接合材料１０および第２の接合材料２０のいずれか一方の接合材料が５０体積％より多くなるようにするためである。
【００２２】
なお、接合界面３０のよりも、テーパピン５０の中心軸が、第１の接合材料１０側および第２の接合材料２０側のいずれか一方の側に位置するようにテーパピン５０を配置する際、摩擦拡散処理がなされる部分における、第１の接合材料１０と第２の接合材料２０との混合割合や接合された異種材料の使用環境などに基づいて、テーパピン５０を配置する位置は適宜設定される。また、テーパピン５０は、摩擦攪拌接合に一般的に用いられるねじ付のものでもよいが、軟質のアルミニウム合金を主に摩擦攪拌する場合には、ねじ無しピンを使用することができる。
【００２３】
また、図１Ｃおよび図１Ｄに示すように、テーパピン５０の中心軸がアルミニウム合金からなる第２の接合材料２０側に位置する状態でテーパピン５０を接合部材に接触させて摩擦攪拌処理を行う場合、テーパピン５０の側面５１とショルダ部４１とがなす角度θ２は、１２０〜１７８度とすることが好ましい。一方、テーパピン５０の中心軸がチタン合金からなる第１の接合材料１０側に位置する状態でテーパピン５０を接合部材に接触させて摩擦攪拌処理を行う場合、テーパピン５０の側面５１とショルダ部４１とがなす角度θ２は、９２〜１３５度とすることが好ましい。なお、テーパピン５０の側面５１とショルダ部４１とがなす角度θ２が、上記した範囲が好ましい理由は、後述する。
【００２４】
そして、摩擦攪拌用ツール４０を所定の回転速度（例えば、１０００〜５０００ｒｐｍ）で回転させる。続いて、上記配置された位置から摩擦攪拌用ツール４０を下方に移動し、テーパピン５０を、接合界面３０の一端側の端縁３１を含む第１の接合材料１０の表面１２および第２の接合材料２０の表面２２に接触させる。この状態で摩擦攪拌が良好に行われる温度に達するまで数秒から数十秒間保持した後、図１Ｄに示すように、接合界面３０の一端側の端縁３１に沿って所定の移動速度（例えば、３００〜２０００ｍｍ／ｍｉｎ）で摩擦攪拌用ツール４０を移動する。なお、テーパピン５０は、所定の圧力で接合材料側へ押し付けられている。摩擦攪拌用ツール４０、すなわちテーパピン５０を処理を行う終端まで移動させた後、摩擦攪拌用ツール４０を上昇させ、テーパピン５０を引き抜く。また、図１Ｄに示すように、摩擦攪拌処理を行う際、摩擦攪拌用ツール４０のショルダ部４１は、所定の圧力で、第１の接合材料１０の表面１２および第２の接合材料２０の表面２２に押し付けられているため、塑性流動した材料が外部に流出することはない。
【００２５】
上記したようにテーパピン５０が移動した部分には、図１Ｅに示すように、摩擦拡散処理部６０が形成される。テーパピン５０の中心軸が第２の接合材料２０側に位置する状態でテーパピン５０を接合部材に接触させて摩擦攪拌処理を行う場合、摩擦拡散処理部６０は、第２の接合材料２０を構成するアルミニウム合金を主とした、第１の接合材料１０を構成するチタン合金を含む合金で構成される。一方、テーパピン５０の中心軸が第１の接合材料１０側に位置する状態でテーパピン５０を接合部材に接触させて摩擦攪拌処理を行う場合、摩擦拡散処理部６０は、第１の接合材料１０を構成するチタン合金を主とした、第２の接合材料２０を構成するアルミニウム合金を含む合金で構成される。
【００２６】
また、テーパピン５０の中心軸が第２の接合材料２０側に位置する状態でテーパピン５０を接合部材に接触させて摩擦攪拌処理を行う場合、摩擦拡散処理部６０における第１の接合材料１０側の側面６１と、接合材料の表面とによる第１の接合材料１０側のなす角度θ３は、テーパピン５０の側面５１とショルダ部４１とがなす角度θ２とほぼ同じである。一方、テーパピン５０の中心軸が第１の接合材料１０側に位置する状態でテーパピン５０を接合部材に接触させて摩擦攪拌処理を行う場合、摩擦拡散処理部６０における第２の接合材料２０側の側面６２と、接合材料の表面とによる第１の接合材料１０側のなす角度（図示しない）は、１８０度からテーパピン５０の側面５１とショルダ部４１とがなす角度θ２を減じた値とほぼ同じである。
【００２７】
ここで、上記したように、摩擦拡散処理部６０における第１の接合材料１０側の側面６１と、接合材料の表面とによる第１の接合材料１０側のなす角度θ３、および摩擦拡散処理部６０における第２の接合材料２０側の側面６２と、接合材料の表面とによる第１の接合材料１０側のなす角度（図示しない）は、テーパピン５０の側面５１とショルダ部４１とのなす角度θ２によって決まる。
【００２８】
ここで、テーパピン５０の側面５１とショルダ部４１とがなす角度θ２を前述した１２０〜１７８度にすることが好ましいのは、摩擦拡散処理部６０における第１の接合材料１０側の側面６１と、接合材料の表面とによる第１の接合材料１０側のなす角度θ３を１２０〜１７８度にすることが好ましいからである。また、テーパピン５０の側面５１とショルダ部４１とがなす角度θ２を前述した９２〜１３５度にすることが好ましいのは、摩擦拡散処理部６０における第２の接合材料２０側の側面６２と、接合材料の表面とによる第１の接合材料１０側のなす角度（図示しない）を４５〜８８度にすることが好ましいからである。
【００２９】
次に、摩擦拡散処理部６０における第１の接合材料１０側の側面６１と、接合材料の表面とによる第１の接合材料１０側のなす角度θ３を９２〜１３５度に、または摩擦拡散処理部６０における第２の接合材料２０側の側面６２と、接合材料の表面とによる第１の接合材料１０側のなす角度（図示しない）を４５〜８８度にすることが好ましい理由について説明する。
【００３０】
二次元異種材料の接合界面端部における平面問題に関しては応力特異性を決める特性方程式が既に導かれている（例えば、特開２００４−２５５３８８、特開２００３−５３５５７参照）。この特性方程式を用いて図１Ｂに示す、第１の接合材料１０のチタン合金と第２の接合材料２０のアルミニウム合金との組合せによる接合部材の接合界面３０の端部の応力特異性を解析したところ、接合界面３０の両端縁３１、３２における自由縁の応力特異性は平板のこれらの両端縁３１、３２の２個所で生じていることが分かった。すなわち、接合界面３０と、第１の接合材料１０の表面１２とのなす角度θ１が、０〜１８０度まで変化した場合の平板の両端縁３１、３２における応力特異性を解析した。ここでは、２個所の接合界面３０の端部における応力特異性を示す指数を摂動法により計算し、応力特異性を求めた。
【００３１】
上記解析の結果、接合界面３０と、第１の接合材料１０の表面１２とのなす角度θ１が、４５〜８８度、１２０〜１７８度の範囲において、接合界面３０の端部における自由縁の応力特異性の消失が認められた。そこで、摩擦拡散処理部６０における第１の接合材料１０側の側面６１と、接合材料の表面とによる第１の接合材料１０側のなす角度θ３を９２〜１３５度に、または摩擦拡散処理部６０における第２の接合材料２０側の側面６２と、接合材料の表面とによる第１の接合材料１０側のなす角度（図示しない）を４５〜８８度にすることが好ましいとした。
【００３２】
また、上記した角度θ３に基づいて、テーパピン５０の側面５１とショルダ部４１とがなす角度θ２を１２０〜１７８度または９２〜１３５度にすることが好ましいとした。
【００３３】
続いて、図１Ｆに示すように、上記した摩擦攪拌処理を、裏面側（第１の接合材料１０の表面１３側および第２の接合材料２０の表面２３側）となる接合界面３０の端縁３２側に対しても行う。なお、すでに摩擦攪拌処理を施した表面側のみ引張力が掛かるような環境で使用する場合には、図１Ｆに示す裏面側の摩擦攪拌処理を省略してもよい。
【００３４】
そして、図１Ｇに示すように、両面に摩擦拡散処理部６０を形成し、第１の接合材料１０と第２の接合材料２０との接合部に対して摩擦攪拌処理が完了する。
【００３５】
なお、図１Ｇに示すように、接合界面３０の中央部に、摩擦攪拌処理がなされていない部分があるが、この部分は事前に拡散接合等で接合されているので、機械的強度上の問題を生じることはない。
【００３６】
ここでは、第１の接合材料１０としてチタン合金を、第２の接合材料２０としてアルミニウム合金を使用した一例を示した。チタン合金として、例えば、純チタン、α型合金のＴｉ−２．５Ｃｕ合金、α＋β型合金のＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金、β型合金のＴｉ−１５Ｍｏ−５Ｚｒ合金などが挙げられる。また、アルミニウム合金として、例えば、純アルミニウム、Ａｌ−Ｍｇ合金、Ａｌ−Ｓｉ合金、Ａｌ−Ｃｕ合金、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ合金、Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ合金の展伸材、および鋳造材などが挙げられる。また、異種材料の組み合わせは、上記したチタン合金とアルミニウム合金に限られるものではなく、摩擦攪拌処理が可能な材料の組み合わせであればよい。例えば、組み合わせの一例として銅−タングステン、銅−モリブデン、銅−アルミニウム、銅−鉄鋼材料、チタン−鉄鋼材料などが挙げられる。なお、組み合わせる材料によって、前述した接合界面端部における応力特異性は異なるため、組み合わせる材料ごとに前述した応力特異性の解析を行い、応力特異性の消失範囲を算出し、それに基づいて、テーパピン５０の形状等を決定する。
【００３７】
上記したように、本発明の第１の実施の形態の異種材料の接合部の摩擦攪拌処理方法によれば、すでに接合された異種材料の接合部に対して、接合界面３０の端縁３１、３２における自由縁を応力特異性が消失する角度に摩擦攪拌処理することで、接合部における欠陥等の発生を抑制し、接合強度の向上を図ることができる。これによって、接合端縁の強度の低下が抑制された接合部を有する異種材料の接合材料を得ることができる。また、接合材料の接合面の形状を平面等の簡単な形状とすることができるので、接合材料の加工が容易となり、さらには加工時間を短縮することができるので、製造コストを抑えることができる。
【００３８】
（第２の実施の形態）
第２の実施の形態では、事前の接合を摩擦攪拌接合によって行い、その後接合界面３０の自由縁を摩擦攪拌接合する方法について説明する。
【００３９】
図２Ａ〜図２Ｈは、本発明の第２の実施の形態の異種材料の摩擦攪拌接合方法を説明するための、異種材料の接合部の断面を模式的に示す図である。図３は、摩擦攪拌用ツールの他の形態の断面を模式的に示す図である。
【００４０】
ここでは、接合材料として、図２Ａに示すように、凸状の両縁に接合材料の厚さ方向に傾斜する傾斜部８１を有する第１の接合材料８０と、凹状の両縁に接合材料の厚さ方向に傾斜する傾斜部９１を有する第２の接合材料９０を用いた。第１の接合材料８０における傾斜部８１と、第１の接合材料８０の表面８３とのなす角度θ１は、１１０〜１２５度である。なお、この第１の接合材料８０の表面８３とのなす角度θ１は、第１の実施の形態で説明した応力特異性の解析による、接合界面の端部における自由縁を応力特異性が消失する角度としている。また、第１の接合材料８０の接合面８２の直線部８４の長さは、第１の接合材料８０の厚さの０．０５〜０．５倍になっている。第１の接合材料８０の厚さの０．０５倍以上のときは、前述したテーパピン５０の高さが接合部材の厚さの５％以上に相当し、０．５倍のときは、直線部８４がなく上下の傾斜部８１、９１のみとなる。また、第２の接合材料９０の接合面９２の形状は、第１の接合材料８０の接合面８２の形状に対応して構成されている。
【００４１】
また、ここでは、第１の接合材料８０を銅で形成し、第２の接合材料９０を第１の接合材料１０とは軟化温度が異なるアルミニウムで形成した一例を示す。なお、双方の接合材料の厚さは同じである。
【００４２】
まず、第１の接合材料８０の接合面８２と第２の接合材料９０の接合面９２とを突き合わせる。そして、攪拌部として機能する円柱状のストレートピン１００およびショルダ部１０１を有する摩擦攪拌用ツール１１０を用い、摩擦攪拌接合の際、ストレートピン１００の第１の接合材料８０側の側面が、第１の接合材料８０の接合面８２の直線部８４よりも０．１〜１．５ｍｍ程度、第１の接合材料８０側に位置する位置に摩擦攪拌用ツール１１０を配置する。
【００４３】
続いて、摩擦攪拌用ツール４０を所定の回転速度（例えば、１０００〜５０００ｒｐｍ）で回転させ、上記配置された位置から摩擦攪拌用ツール１１０を下方に移動し、ストレートピン１００を、第２の接合材料９０の表面９３に接触させる。この状態で摩擦攪拌が良好に行われる温度に達するまで数秒から数十秒間保持した後、図２Ｂに示すように、接合界面１２０に沿って所定の移動速度（例えば、３００〜２０００ｍｍ／ｍｉｎ）で摩擦攪拌用ツール１１０を移動する。なお、ストレートピン１００は、所定の圧力で接合材料側へ押し付けられている。摩擦攪拌用ツール１１０、すなわちストレートピン１００を処理を行う終端まで移動させた後、摩擦攪拌用ツール１１０を上昇させ、ストレートピン１００を引き抜く。また、図２Ｂに示すように、摩擦攪拌接合を行う際、摩擦攪拌用ツール１１０のショルダ部１０１は、所定の圧力で、第１の接合材料８０の表面８３および第２の接合材料９０の表面９３に押し付けられているため、塑性流動した材料が外部に流出することはない。
【００４４】
上記したようにストレートピン１００が移動した部分は、図２Ｃに示すように、摩擦拡散処理部１３０が形成される。この摩擦拡散処理部１３０は、第２の接合材料９０を構成するアルミニウムを主とした、第１の接合材料８０を構成する銅を含む合金で構成される。このようにして、第１の接合材料８０の接合面８２の直線部８４と、それに対応する第２の接合材料９０の接合面９２の直線部９４は、摩擦攪拌接合される。なお、この状態では、両縁の傾斜部８１、９１はほとんど接合されていない。
【００４５】
続いて、両縁の傾斜部８１、９１を摩擦攪拌接合する。図２Ｄに示すように、この両縁の傾斜部８１、９１の摩擦攪拌接合に使用される摩擦攪拌用ツール１４０の平面からなる端部には、攪拌部として機能する、先端に向かって徐々に断面積が減少する円錐台状のテーパピン１５０が設けられている。また、摩擦攪拌用ツール１４０のテーパピン１５０が形成された側の端面は、その端面に接触するテーパピン１５０の端面よりも面積が大きく構成され、摩擦攪拌接合を行う際、第１の接合材料８０の表面８３および第２の接合材料９０の表面９３と接触するショルダ部１４１を構成している。なお、ショルダ部１４１は、基本的には第１の接合材料８０の表面８３および第２の接合材料９０の表面９３と平行な面となるように構成されているが、これに限られるものではない。ショルダ部１４１は、例えば、通常の摩擦攪拌接合用ツールと同様に周縁からツール中心部に向かって凹部を形成するように傾斜する形状であっても、周縁からツール中心部に向かって渦巻き状の突起部を複数備える渦巻き状の凹凸構造であってもよい。
【００４６】
また、図２Ｄに示すように、テーパピン１５０の側面１５１とショルダ部１４１とがなす角度θ２は、第１の接合材料８０における傾斜部８１と第１の接合材料８０の表面８３とのなす角度θ１と同じ１１０〜１２５度とすることが好ましい。また、テーパピン１５０の高さ、すなわち円錐台の高さは、使用する用途によって適宜に設定される。好ましくは、接合部材の厚さの５％以上とすることが好ましい。テーパピン１５０の高さを上記した範囲とすることが好ましいのは、異種材の接合界面１２０に発生する引張応力が大きくなるのは表層であるが、これ以下の極表層のみの処理では強度向上への寄与が小さいからである。
【００４７】
また、テーパピン１５０の付け根部の第１の接合材料８０側となる一方の端縁１５０ａが、傾斜部８１、９１の接合界面１２０の端縁１２１よりも第１の接合材料８０側に０．１〜１．５ｍｍ程度に位置するようにテーパピン１５０を配置することが好ましい。この範囲にテーパピン１５０を配置することが好ましいのは、０．１未満の場合（例えば、端縁１５０ａが接合界面に位置する場合（０ｍｍの場合））、接合不良が発生する可能性が高く、１．５ｍｍ程度までの配置で接合不良の発生はなくなり、１．５ｍｍを超えると第２の接合材料９０への第１の接合材料８０の混合割合が大きくなるからである。
【００４８】
続いて、摩擦攪拌用ツール１１０を所定の回転速度（例えば、１０００〜５０００ｒｐｍ）で回転させ、上記配置された位置から摩擦攪拌用ツール１１０を下方に移動し、テーパピン１５０を、接合界面１２０の端縁１２１を含む第１の接合材料８０の表面８３および第２の接合材料９０の表面９３に接触させる。この状態で摩擦攪拌が良好に行われる温度に達するまで数秒から数十秒間保持した後、図２Ｅに示すように、接合界面１２０の一端側の端縁１２１に沿って所定の移動速度（例えば、３００〜２０００ｍｍ／ｍｉｎ）で摩擦攪拌用ツール１１０を移動する。なお、テーパピン１５０は、所定の圧力で接合材料側へ押し付けられている。摩擦攪拌用ツール１１０、すなわちテーパピン１５０を処理を行う終端まで移動させた後、摩擦攪拌用ツール１１０を上昇させ、テーパピン１５０を引き抜く。また、図２Ｅに示すように、摩擦攪拌接合を行う際、摩擦攪拌用ツール１１０のショルダ部１４１は、所定の圧力で、第１の接合材料８０の表面８３および第２の接合材料９０の表面９３に押し付けられているため、塑性流動した材料が外部に流出することはない。
【００４９】
上記したようにテーパピン１５０が移動した部分は、図２Ｆに示すように、摩擦拡散処理部１６０が形成される。この摩擦拡散処理部１６０は、第２の接合材料９０を構成するアルミニウムを主とした、第１の接合材料１０を構成する銅を含む合金で構成される。このようにして、一端縁側の、第１の接合材料８０の傾斜部８１と、それに対応する第２の接合材料９０の傾斜部９１は、摩擦攪拌接合される。
【００５０】
また、摩擦拡散処理部１６０における第１の接合材料８０側の側面１６１と、接合材料の表面とによる第１の接合材料８０側のなす角度θ３は、テーパピン１５０の側面１５１とショルダ部１４１とがなす角度θ２とほぼ同じである。
【００５１】
続いて、図２Ｇに示すように、上記した摩擦攪拌用ツール１４０を用いて、上記した方法と同じ方法で、裏面側となる他端縁側の傾斜部８１、９１を摩擦攪拌接合する。
【００５２】
そして、図２Ｈに示すように、両面に摩擦拡散処理部１６０を形成し、第１の接合材料１０と第２の接合材料２０とが摩擦攪拌接合される。
【００５３】
ここでは、第１の接合材料８０として銅を、第２の接合材料９０としてアルミニウムを使用した一例を示した。また、異種材料の組み合わせは、この銅とアルミニウムに限られるものではなく、摩擦攪拌処理が可能な材料の組み合わせであればよい。例えば、組み合わせの一例として、銅−チタン、銅−タングステン、銅−モリブデン、銅−鉄鋼材料、チタン−鉄鋼材料などが挙げられる。なお、組み合わせる材料によって、前述した接合界面端部における応力特異性は異なるため、組み合わせる材料ごとに前述した応力特異性の解析を行い、応力特異性の消失範囲を算出し、その算出結果に基づいて、第１の接合材料８０における傾斜部８１と、第１の接合材料８０の表面８３とのなす角度θ１が決定される。また、この第１の接合材料８０の接合面８２の形状に対応して第２の接合材料９０の接合面９２の形状が決定される。また、第１の接合材料８０における傾斜部８１と、第１の接合材料８０の表面８３とのなす角度θ１に対応させてテーパピン１５０の形状等を決定する。
【００５４】
ここで、上記した摩擦攪拌用ツール１１０のピンにおいて、先端部を円柱状のストレート形状とし、摩擦攪拌用ツール１１０側、すなわちピンの根元部側を図２Ｄに示す円錐台状のテーパ形状としてもよい。この複合形状にすることで、図２Ｂ〜図２Ｅに示した摩擦攪拌処理を同時に行うことができる。すなわち摩擦拡散処理部１３０および摩擦拡散処理部１６０を同時に形成することができる。
【００５５】
また、他端縁側の傾斜部をなくす場合は、突き合わせ部の傾斜を上部のみとし、直線部を下部まで伸ばすとともに、摩擦攪拌用ツール１１０のピンのストレート形状部を、接合材料の裏面側となる他端縁まで延長して構成してもよい。また、このように他端縁側に傾斜部を設けない場合は、両接合材料の厚さが異なっていてもよい。この場合、摩擦攪拌用ツールを挿入する表面側を同一の高さとし、薄い材料の裏側には厚さの差分のスペーサ等を挿入すればよい。
【００５６】
さらに、図３に示すように、接合材料の両面側に、摩擦攪拌用ツール１１０を設け、それぞれの摩擦攪拌用ツール１１０の平面からなる端部に、先端に向かって徐々に断面積が減少する円錐台状のテーパピン１５０を設け、さらに、テーパピン１５０間に円柱状のストレートピン１００を設けてそれぞれを一体的に構成してもよい。また、摩擦攪拌用ツール１１０のテーパピン１５０が形成された側の端面は、その端面に接触するテーパピン１５０の端面よりも面積が大きく構成され、摩擦攪拌処理を行う際、第１の接合材料８０の表面および第２の接合材料９０の表面と接触するショルダ部１４１を構成している。なお、ショルダ部１４１は、第１の接合材料８０の表面および第２の接合材料９０の表面と平行な面となるように構成されている。このように、摩擦攪拌用ツールおよびピンを、いわゆるボビンツール形状とすることで、接合材料の両面を同時に摩擦攪拌処理することができる。また、ボビンツール形状とすることで、接合材料の片側から摩擦攪拌処理した場合に発生しやすい欠陥の発生を抑えることができる。
【００５７】
上記したように、本発明の第２の実施の形態の異種材料の接合部の摩擦攪拌処理方法によれば、すべての接合界面を摩擦攪拌接合によって接合しているので、容易にかつ信頼性のある接合を行うことができる。また、傾斜部８１、９１等の接合界面の形状に対応したピンを使用して摩擦攪拌接合しているので、摩擦拡散処理部に混合する異種材料を最小限とすることができる。これによって、接合部に金属間化合物が生成されるのを防止することができ、接合強度の向上を図ることができる。
【００５８】
（第３の実施の形態）
第３の実施の形態では、接合処理と接合端縁の傾斜付与処理を同時に行う場合について説明する。
【００５９】
図４Ａ〜図４Ｄは、本発明の第３の実施の形態の異種材料の接合部の摩擦攪拌処理方法を説明するための、異種材料の接合部の断面を模式的に示す図である。
【００６０】
ここでは、第１の接合材料１８０をチタン合金で形成し、第２の接合材料１９０を第１の接合材料１８０とは軟化温度が異なるアルミニウム合金で形成した一例を示す。なお、ここでは双方の接合材料の厚さは同じであるとしたが、厚さが異なっていてもよい。厚さが異なる場合は、摩擦攪拌用ツールを挿入する表面側を同一面とし、厚さの薄い材料の裏側には厚さの相違分に当たるスペーサ等を挿入し、薄い材料側の厚さに合わせた摩擦攪拌用ツールを用いればよい。また、チタン合金およびアルミニウム合金の具体例としては、第１の実施の形態で例示したものが挙げられる。
【００６１】
図４Ａに示すように、第１の接合材料１８０の接合面１８１は、第１の接合材料１８０の表面１８２、１８３と垂直に交わるように形成されている。また、第２の接合材料１９０の接合面１９１も、第１の接合材料１８０の接合面１８１と同様に、第２の接合材料１９０の表面１９２、１９３と垂直に交わるように形成されている。
【００６２】
まず、図４Ｂに示すように、第１の接合材料１８０の接合面１８１と第２の接合材料１９０の接合面１９１とを突き合わせる。なお、この際、第１の接合材料１８０の接合面１８１と第２の接合材料１９０の接合面１９１とを接触させる方向に所定の圧力が負荷される。
【００６３】
また、図４Ｂに示すように、摩擦攪拌処理を行う摩擦攪拌用ツール２００の平面からなる端部には、攪拌部として機能する、先端に向かって徐々に断面積が減少する円錐台状のテーパピン２１０が設けられている。また、摩擦攪拌用ツール２００のテーパピン２１０が形成された側の端面は、その端面に接触するテーパピン２１０の端面よりも面積が大きく構成され、摩擦攪拌処理を行う際、第１の接合材料１８０の表面１８２および第２の接合材料１９０の表面１９２と接触するショルダ部２０１を構成している。なお、ショルダ部２０１は、基本的には第１の接合材料１８０の表面１８２および第２の接合材料１９０の表面１９２と平行な面となるように構成されているが、これに限られるものではない。ショルダ部２０１は、例えば、通常の摩擦攪拌接合用ツールと同様に周縁からツール中心部に向かって凹部を形成するように傾斜する形状であっても、周縁からツール中心部に向かって渦巻き状の突起部を複数備える渦巻き状の凹凸構造であってもよい。また、テーパピン２１０の高さ、すなわち円錐台の高さは、接合部材の厚さとほぼ同じに構成されている。
【００６４】
また、テーパピン２１０の側面２１１とショルダ部２０１とがなす角度θ２は、前述したように、応力特異性の解析による、接合界面の端部における自由縁を応力特異性が消失する角度に基づいて設定されている。ここでは、前述したように、応力特異性の解析結果に基づいて、テーパピン２１０の側面２１１とショルダ部２０１とがなす角度θ２を１２０〜１３５度の範囲で設定する。
【００６５】
また、第１の接合材料１８０と第２の接合材料１９０の接合界面２２０のよりも、テーパピン２１０の中心軸が第２の接合材料１９０側に位置するようにテーパピン２１０を配置する。なお、テーパピン２１０の中心軸が第１の接合材料１８０側に位置するようにテーパピン２１０を配置してもよい。すなわち、接合界面２２０のよりも、テーパピン２１０の中心軸が、第１の接合材料１８０側および第２の接合材料１９０側のいずれか一方の側に位置するようにテーパピン２１０を配置すればよい。
【００６６】
例えば、第１の接合材料１８０と第２の接合材料１９０の接合界面２２０のよりも、テーパピン２１０の中心軸が第２の接合材料１９０側に位置するようにテーパピン２１０を配置する場合には、図４Ｂに示すように、テーパピン２１０の先端部の第１の接合材料１８０側となる一方の端縁２１０ａが、接合界面２２０上または接合界面２２０よりも第１の接合材料１８０側に０．１〜１．５ｍｍ程度に位置するようにテーパピン２１０を配置することが好ましい。この場合には、主としてアルミニウム合金を摩擦攪拌するので、摩擦拡散処理がなされる部分（後述する摩擦拡散処理部２３０に相当する部分）へのチタン合金の混合を最小量に抑えることができ、接合部の機械的特性が向上する。また、軟質のアルミニウム合金を主に摩擦攪拌するので、摩擦攪拌が容易で、テーパピン２１０の消耗を抑制することができる。また、テーパピン２１０は、摩擦攪拌接合に一般的に用いられるねじ付のものでもよいが、軟質のアルミニウム合金を主に摩擦攪拌するため、ねじ無しピンを使用することができる。
【００６７】
一方、テーパピン２１０の中心軸が第１の接合材料１８０側に位置するようにテーパピン２１０を配置する場合には、テーパピン２１０の先端部の第２の接合材料１９０側となる他方の端縁２１０ｂが、接合界面２２０上または接合界面２２０よりも第２の接合材料１９０側に０．１〜１．５ｍｍ程度に位置するようにテーパピン２１０を配置することが好ましい。
【００６８】
上記したように、接合界面２２０のよりも、テーパピン２１０の中心軸が、第１の接合材料１８０側および第２の接合材料１９０側のいずれか一方の側に位置するようにテーパピン５０を配置するのは、摩擦拡散処理がなされる部分（後述する摩擦拡散処理部２３０に相当する部分）において、第１の接合材料１８０および第２の接合材料１９０のいずれか一方の接合材料が５０体積％より多くなるようにするためである。
【００６９】
そして、摩擦攪拌用ツール２００を所定の回転速度（例えば、１０００〜５０００ｒｐｍ）で回転させる。続いて、上記配置された位置から摩擦攪拌用ツール２００を下方に移動し、テーパピン２１０を、接合界面２２０の一端側の端縁２２１を含む第１の接合材料１８０の表面１８２および第２の接合材料１９０の表面１９２に接触させる。この状態で摩擦攪拌が良好に行われる温度に達するまで数秒から数十秒間保持した後、図４Ｃに示すように、接合界面２２０の一端側の端縁２２１に沿って所定の移動速度（例えば、３００〜２０００ｍｍ／ｍｉｎ）で摩擦攪拌用ツール２００を移動する。なお、テーパピン２１０は、所定の圧力で接合材料側へ押し付けられている。摩擦攪拌用ツール２００、すなわちテーパピン２１０を処理を行う終端まで移動させた後、摩擦攪拌用ツール２００を上昇させ、テーパピン２１０を引き抜く。また、図４Ｃに示すように、摩擦攪拌処理を行う際、摩擦攪拌用ツール２００のショルダ部２０１は、所定の圧力で、第１の接合材料１８０の表面１８２および第２の接合材料１９０の表面１９２に押し付けられているため、塑性流動した材料が外部に流出することはない。
【００７０】
上記したようにテーパピン２１０が移動した部分は、図４Ｄに示すように、摩擦拡散処理部２３０が形成される。この摩擦拡散処理部２３０は、テーパピン２１０の中心軸が第２の接合材料１９０側に位置する状態でテーパピン２１０を接合部材に接触させて摩擦攪拌処理を行う場合、第２の接合材料１９０を構成するアルミニウム合金を主とした、第１の接合材料１８０を構成するチタン合金を含む合金で構成される。一方、テーパピン２１０の中心軸が第１の接合材料１８０側に位置する状態でテーパピン２１０を接合部材に接触させて摩擦攪拌処理を行う場合、摩擦拡散処理部２３０は、第１の接合材料１８０を構成するチタン合金を主とした、第２の接合材料１９０を構成するアルミニウム合金を含む合金で構成される。
【００７１】
このように、接合部材の厚さ方向に亘って接合界面２２０を含むように摩擦拡散処理を行うことができるので、接合処理と接合端縁の傾斜付与処理を同時に行うことができる。
【００７２】
ここでは、第１の接合材料１８０の接合面１８１と第１の接合材料１８０の表面１８２、１８３とが垂直に交わり、かつ第２の接合材料１９０の接合面１９１と第２の接合材料１９０の表面１９２、１９３とが垂直に交わる、接合材料を使用した一例を示したが、上記した摩擦拡散処理は、これらの構成以外の接合材料の接合にも適用することができる。
【００７３】
図５Ａ〜図５Ｄは、他の構成の異種材料の接合部の摩擦攪拌処理方法を説明するための、異種材料の接合部の断面を模式的に示す図である。
【００７４】
図５Ａに示すように、第１の接合材料１８０の接合面１８１は、第１の接合材料１８０の表面１８２となす角度θ１を有して構成されている。このなす角度θ１は、第１の実施の形態で説明した応力特異性の解析による、接合界面の端部における自由縁を応力特異性が消失する角度としている。また、第２の接合材料１９０の接合面１９１は、第１の接合材料１８０の接合面１８１に対応する傾斜面で構成されている。なお、ここでは、上述した異種材料の組み合わせと同様に、第１の接合材料１８０をチタン合金で形成し、第２の接合材料１９０を第１の接合材料１８０とは軟化温度が異なるアルミニウム合金で形成した一例を示す。なお、双方の接合材料の厚さは同じである。
【００７５】
まず、図５Ｂに示すように、第１の接合材料１８０の接合面１８１と第２の接合材料１９０の接合面１９１とを突き合わせる。なお、この際、第１の接合材料１８０の接合面１８１と第２の接合材料１９０の接合面１９１とを接触させる方向に所定の圧力が負荷される。
【００７６】
摩擦攪拌接合に使用される摩擦攪拌用ツールおよびピンは、上記した摩擦攪拌用ツール２００およびテーパピン２１０と同様の構成を備え、テーパピン２１０の側面２１１とショルダ部２０１とがなす角度θ２は、上記した、第１の接合材料１８０の接合面１８１と第１の接合材料１８０の表面１８２とのなす角度θ１と同じ角度で構成されている。
【００７７】
また、図５Ｂに示すように、テーパピン２１０の付け根部の第１の接合材料１８０側となる一方の端縁２１０ｃが、第１の接合材料１８０と第２の接合材料１９０の接合界面２２０の端縁２２１よりも第１の接合材料１８０側に０．１〜１．５ｍｍ程度に位置するようにテーパピン２１０を配置することが好ましい。この範囲に配置することが好ましいのは、０．１未満の場合（例えば、端縁２１０ｃが接合界面に位置する場合（０ｍｍの場合））、接合不良が発生する可能性が高く、１．５ｍｍ程度までの配置で接合不良の発生はなくなり、１．５ｍｍを超えると第２の接合材料１９０への第１の接合材料１８０の混合割合が大きくなるからである。この場合には、主としてアルミニウム合金を摩擦攪拌するので、摩擦拡散処理部２３０へのチタン合金の混合を最小量に抑えることができ、接合部の機械的特性が向上する。また、軟質のアルミニウム合金を主に摩擦攪拌するので、摩擦攪拌が容易で、テーパピン２１０の消耗を抑制することができる。また、テーパピン２１０は、摩擦攪拌接合に一般的に用いられるねじ付のものでもよいが、軟質のアルミニウム合金を主に摩擦攪拌するため、ねじ無しピンを使用することができる。
【００７８】
続いて、摩擦攪拌用ツール２００を所定の回転速度（例えば、１０００〜５０００ｒｐｍ）で回転させ、上記配置された位置から摩擦攪拌用ツール２００を下方に移動し、テーパピン２１０を、接合界面２２０の一端側の端縁２２１を含む第１の接合材料１８０の表面１８２および第２の接合材料１９０の表面１９２に接触させる。この状態で摩擦攪拌が良好に行われる温度に達するまで数秒から数十秒間保持した後、図５Ｃに示すように、接合界面２２０の一端側の端縁２２１に沿って所定の移動速度（例えば、３００〜２０００ｍｍ／ｍｉｎ）で摩擦攪拌用ツール２００を移動する。なお、テーパピン２１０は、所定の圧力で接合材料側へ押し付けられている。摩擦攪拌用ツール２００、すなわちテーパピン２１０を処理を行う終端まで移動させた後、摩擦攪拌用ツール２００を上昇させ、テーパピン２１０を引き抜く。また、図５Ｃに示すように、摩擦攪拌処理を行う際、摩擦攪拌用ツール２００のショルダ部２０１は、所定の圧力で、第１の接合材料１８０の表面１８２および第２の接合材料１９０の表面１９２に押し付けられているため、塑性流動した材料が外部に流出することはない。
【００７９】
上記したようにテーパピン２１０が移動した部分は、図５Ｄに示すように、摩擦拡散処理部２３０が形成される。この摩擦拡散処理部２３０は、第２の接合材料１９０を構成するアルミニウム合金を主とした、第１の接合材料１８０を構成するチタン合金を含む合金で構成される。
【００８０】
このように、接合部材の厚さ方向に亘って接合界面２２０を含むように摩擦拡散処理を行うことができるので、厚さ方向に亘って接合処理を同時に行うことができる。
【００８１】
上記したように、本発明の第３の実施の形態の異種材料の接合部の摩擦攪拌処理方法によれば、すべての接合界面を摩擦攪拌接合によって接合しているので、容易にかつ信頼性のある接合を行うことができる。また、接合部材の厚さ方向に亘って接合界面２２０を含むように摩擦拡散処理を行うことができるので、接合処理や接合端縁の傾斜付与処理を同時に行うことができる。
【００８２】
また、接合材料の接合部を、ストレートの突合せ構成などの単純な構成とすることができるので、接合材料の接合を容易に行うことができ、接合材料の製作時間や製作コストを削減することができる。
【００８３】
以上、本発明を一実施の形態により具体的に説明したが、本発明はこれらの実施の形態にのみ限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。例えば、上記した実施の形態では、摩擦攪拌用ツールを移動させて異種材料を接合する一例を示したが、摩擦攪拌用ツールを移動せずに、異種材料を移動してもよい。この場合においても上記した摩擦攪拌用ツールを移動させる場合と同様の作用効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００８４】
【図１Ａ】本発明の第１の実施の形態の異種材料の接合部の摩擦攪拌処理方法を説明するための、異種材料の接合部の断面を模式的に示す図。
【図１Ｂ】本発明の第１の実施の形態の異種材料の接合部の摩擦攪拌処理方法を説明するための、異種材料の接合部の断面を模式的に示す図。
【図１Ｃ】本発明の第１の実施の形態の異種材料の接合部の摩擦攪拌処理方法を説明するための、異種材料の接合部の断面を模式的に示す図。
【図１Ｄ】本発明の第１の実施の形態の異種材料の接合部の摩擦攪拌処理方法を説明するための、異種材料の接合部の断面を模式的に示す図。
【図１Ｅ】本発明の第１の実施の形態の異種材料の接合部の摩擦攪拌処理方法を説明するための、異種材料の接合部の断面を模式的に示す図。
【図１Ｆ】本発明の第１の実施の形態の異種材料の接合部の摩擦攪拌処理方法を説明するための、異種材料の接合部の断面を模式的に示す図。
【図１Ｇ】本発明の第１の実施の形態の異種材料の接合部の摩擦攪拌処理方法を説明するための、異種材料の接合部の断面を模式的に示す図。
【図２Ａ】本発明の第２の実施の形態の異種材料の摩擦攪拌接合方法を説明するための、異種材料の接合部の断面を模式的に示す図。
【図２Ｂ】本発明の第２の実施の形態の異種材料の摩擦攪拌接合方法を説明するための、異種材料の接合部の断面を模式的に示す図。
【図２Ｃ】本発明の第２の実施の形態の異種材料の摩擦攪拌接合方法を説明するための、異種材料の接合部の断面を模式的に示す図。
【図２Ｄ】本発明の第２の実施の形態の異種材料の摩擦攪拌接合方法を説明するための、異種材料の接合部の断面を模式的に示す図。
【図２Ｅ】本発明の第２の実施の形態の異種材料の摩擦攪拌接合方法を説明するための、異種材料の接合部の断面を模式的に示す図。
【図２Ｆ】本発明の第２の実施の形態の異種材料の摩擦攪拌接合方法を説明するための、異種材料の接合部の断面を模式的に示す図。
【図２Ｇ】本発明の第２の実施の形態の異種材料の摩擦攪拌接合方法を説明するための、異種材料の接合部の断面を模式的に示す図。
【図２Ｈ】本発明の第２の実施の形態の異種材料の摩擦攪拌接合方法を説明するための、異種材料の接合部の断面を模式的に示す図。
【図３】摩擦攪拌用ツールの他の形態の断面を模式的に示す図。
【図４Ａ】本発明の第３の実施の形態の異種材料の接合部の摩擦攪拌処理方法を説明するための、異種材料の接合部の断面を模式的に示す図。
【図４Ｂ】本発明の第３の実施の形態の異種材料の接合部の摩擦攪拌処理方法を説明するための、異種材料の接合部の断面を模式的に示す図。
【図４Ｃ】本発明の第３の実施の形態の異種材料の接合部の摩擦攪拌処理方法を説明するための、異種材料の接合部の断面を模式的に示す図。
【図４Ｄ】本発明の第３の実施の形態の異種材料の接合部の摩擦攪拌処理方法を説明するための、異種材料の接合部の断面を模式的に示す図。
【図５Ａ】他の構成の異種材料の接合部の摩擦攪拌処理方法を説明するための、異種材料の接合部の断面を模式的に示す図。
【図５Ｂ】他の構成の異種材料の接合部の摩擦攪拌処理方法を説明するための、異種材料の接合部の断面を模式的に示す図。
【図５Ｃ】他の構成の異種材料の接合部の摩擦攪拌処理方法を説明するための、異種材料の接合部の断面を模式的に示す図。
【図５Ｄ】他の構成の異種材料の接合部の摩擦攪拌処理方法を説明するための、異種材料の接合部の断面を模式的に示す図。
【符号の説明】
【００８５】
１０…第１の接合材料、１１、２１…接合面、１２、１３、２２、２３…表面、２０…第２の接合材料、３０…接合界面、３１、３２、５０ａ、５０ｂ…端縁、４０…摩擦攪拌用ツール、４１…ショルダ部、５０…テーパピン、５１、６１、６２…側面、６０…摩擦拡散処理部。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
軟化温度が異なる異種材料の接合部を摩擦攪拌により処理する異種材料接合部の摩擦攪拌処理方法であって、
端面が平面の摩擦攪拌用ツール、および前記摩擦攪拌用ツールの端面に設けられ、前記端面と、前記異種材料の接合界面端部の応力特異性解析から得られる応力特異性消失範囲に基づいて定められた所定のなす角度を有して先端に向かって徐々に断面積が減少する円錐台状に構成された攪拌部を備える摩擦攪拌用部材を回転させ、前記異種材料の接合部の少なくとも一方の接合端縁に沿って前記異種材料を塑性流動させながら前記異種材料に対して前記攪拌部を相対的に移動させ、接合部の接合端縁における接合面と、前記異種材料の表面とのなす角度を、前記応力特異性消失範囲に基づいて定められた所定のなす角度とすることを特徴とする異種材料接合部の摩擦攪拌処理方法。
【請求項２】
前記攪拌部を相対的に移動する際、前記攪拌部の中心軸が、前記接合端縁よりも、いずれか一方の異種材料側に位置することを特徴とする請求項１記載の異種材料接合部の摩擦攪拌処理方法。
【請求項３】
軟化温度が異なる異種材料を摩擦攪拌により接合する異種材料の摩擦攪拌接合方法であって、
端面が平面の摩擦攪拌用ツール、および前記摩擦攪拌用ツールの端面に設けられ、前記端面と、前記異種材料の接合界面端部の応力特異性解析から得られる応力特異性消失範囲に基づいて定められた所定のなす角度を有して先端に向かって徐々に断面積が減少する円錐台状に構成された攪拌部とを備える摩擦攪拌用部材を回転させ、前記異種材料どうしを接触させた接合すべく少なくとも一方の界面端縁に沿って前記異種材料を塑性流動させながら前記異種材料に対して前記攪拌部を相対的に移動させ、前記攪拌部を移動させ、前記異種材料を接合させるとともに、接合された接合端縁における接合面と、前記異種材料の表面とのなす角度を、前記応力特異性消失範囲に基づいて定められた所定のなす角度とすることを特徴とする異種材料の摩擦攪拌接合方法。
【請求項４】
前記攪拌部を相対的に移動する際、前記攪拌部の中心軸が、前記界面端縁よりも、いずれか一方の異種材料側に位置することを特徴とする請求項３記載の異種材料の摩擦攪拌接合方法。
【請求項５】
前記異種材料の接触面が、ストレートの突合わせ形状であることを特徴とする請求項３または４記載の異種材料の摩擦攪拌接合方法。
【請求項６】
前記異種材料の接触面の端縁が、前記応力特異性消失範囲に基づいて定められた所定のなす角度に応じて前記異種材料の厚さ方向に傾斜する傾斜面で構成された突合わせ形状であることを特徴とする請求項３または４記載の異種材料の摩擦攪拌接合方法。
【請求項１】
軟化温度が異なる異種材料の接合部を摩擦攪拌により処理する異種材料接合部の摩擦攪拌処理方法であって、
端面が平面の摩擦攪拌用ツール、および前記摩擦攪拌用ツールの端面に設けられ、前記端面と、前記異種材料の接合界面端部の応力特異性解析から得られる応力特異性消失範囲に基づいて定められた所定のなす角度を有して先端に向かって徐々に断面積が減少する円錐台状に構成された攪拌部を備える摩擦攪拌用部材を回転させ、前記異種材料の接合部の少なくとも一方の接合端縁に沿って前記異種材料を塑性流動させながら前記異種材料に対して前記攪拌部を相対的に移動させ、接合部の接合端縁における接合面と、前記異種材料の表面とのなす角度を、前記応力特異性消失範囲に基づいて定められた所定のなす角度とすることを特徴とする異種材料接合部の摩擦攪拌処理方法。
【請求項２】
前記攪拌部を相対的に移動する際、前記攪拌部の中心軸が、前記接合端縁よりも、いずれか一方の異種材料側に位置することを特徴とする請求項１記載の異種材料接合部の摩擦攪拌処理方法。
【請求項３】
軟化温度が異なる異種材料を摩擦攪拌により接合する異種材料の摩擦攪拌接合方法であって、
端面が平面の摩擦攪拌用ツール、および前記摩擦攪拌用ツールの端面に設けられ、前記端面と、前記異種材料の接合界面端部の応力特異性解析から得られる応力特異性消失範囲に基づいて定められた所定のなす角度を有して先端に向かって徐々に断面積が減少する円錐台状に構成された攪拌部とを備える摩擦攪拌用部材を回転させ、前記異種材料どうしを接触させた接合すべく少なくとも一方の界面端縁に沿って前記異種材料を塑性流動させながら前記異種材料に対して前記攪拌部を相対的に移動させ、前記攪拌部を移動させ、前記異種材料を接合させるとともに、接合された接合端縁における接合面と、前記異種材料の表面とのなす角度を、前記応力特異性消失範囲に基づいて定められた所定のなす角度とすることを特徴とする異種材料の摩擦攪拌接合方法。
【請求項４】
前記攪拌部を相対的に移動する際、前記攪拌部の中心軸が、前記界面端縁よりも、いずれか一方の異種材料側に位置することを特徴とする請求項３記載の異種材料の摩擦攪拌接合方法。
【請求項５】
前記異種材料の接触面が、ストレートの突合わせ形状であることを特徴とする請求項３または４記載の異種材料の摩擦攪拌接合方法。
【請求項６】
前記異種材料の接触面の端縁が、前記応力特異性消失範囲に基づいて定められた所定のなす角度に応じて前記異種材料の厚さ方向に傾斜する傾斜面で構成された突合わせ形状であることを特徴とする請求項３または４記載の異種材料の摩擦攪拌接合方法。
【図１Ａ】
【図１Ｂ】
【図１Ｃ】
【図１Ｄ】
【図１Ｅ】
【図１Ｆ】
【図１Ｇ】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図２Ｃ】
【図２Ｄ】
【図２Ｅ】
【図２Ｆ】
【図２Ｇ】
【図２Ｈ】
【図３】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図４Ｃ】
【図４Ｄ】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図５Ｃ】
【図５Ｄ】
【図１Ｂ】
【図１Ｃ】
【図１Ｄ】
【図１Ｅ】
【図１Ｆ】
【図１Ｇ】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図２Ｃ】
【図２Ｄ】
【図２Ｅ】
【図２Ｆ】
【図２Ｇ】
【図２Ｈ】
【図３】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図４Ｃ】
【図４Ｄ】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図５Ｃ】
【図５Ｄ】
【公開番号】特開２０１０−３６２３０（Ｐ２０１０−３６２３０Ａ）
【公開日】平成２２年２月１８日（２０１０．２．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２０３４７０（Ｐ２００８−２０３４７０）
【出願日】平成２０年８月６日（２００８．８．６）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年２月１８日（２０１０．２．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年８月６日（２００８．８．６）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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