異種金属材料のスポット摩擦攪拌接合方法
【課題】スポット摩擦攪拌接合方法を用いて、金属材料を変形させることなく、安定した高い接合強度で異種金属材料を接合することができる異種金属材料のスポット摩擦攪拌接合方法を提供することを課題とする。
【解決手段】裏当て材３上に、融点が高い金属材料１から順に下から重ね合わせて、その上方から回転する摩擦ツール５を用いてスポット摩擦攪拌接合するにあたり、裏当て材３と融点の高い金属材料１との間に、上面から見て摩擦ツール５の平面視と同心円状をなす空気層４ａを設け、その空気層４ａの径を摩擦ツール５のツール径の０．６〜１．４倍、厚みを０．２０ｍｍ以上とする。
【解決手段】裏当て材３上に、融点が高い金属材料１から順に下から重ね合わせて、その上方から回転する摩擦ツール５を用いてスポット摩擦攪拌接合するにあたり、裏当て材３と融点の高い金属材料１との間に、上面から見て摩擦ツール５の平面視と同心円状をなす空気層４ａを設け、その空気層４ａの径を摩擦ツール５のツール径の０．６〜１．４倍、厚みを０．２０ｍｍ以上とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、融点の異なる異種金属材料を重ね合わせてスポット摩擦攪拌接合で接合する異種金属材料のスポット摩擦攪拌接合方法、より詳しくは、鉄系材料とアルミニウム系材料を重ね合わせてスポット摩擦攪拌接合で接合する異種金属材料のスポット摩擦攪拌接合方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
鉄系材料とアルミニウム系材料といった融点の異なる異種金属材料同士を重ね合わせて接合してなる溶接継手は、自動車、鉄道車両などの輸送分野、機械部品、建築物等の広い分野で採用されている。特に一方にアルミニウム系材料を用いた溶接継手は、アルミニウム系材料が軽量であることから、自動車、鉄道車両などの輸送分野に好適に用いられている。
【０００３】
しかしながら、鉄系材料とアルミニウム系材料といった融点の異なる異種金属材料を、従来から広く採用されてきた抵抗スポット溶接で接合する場合、高い電力エネルギーを必要とし、しかも溶接時にチリが飛散することから問題になっており、この抵抗スポット溶接に代えて、高い電力エネルギーを必要とせず、しかも作業環境も害することがない新規な溶接方法の採用が検討されていた。
【０００４】
そこで、近年採用され始めているのがスポット摩擦攪拌接合による溶接方法である。この溶接方法は、異種金属材料を接合する場合、抵抗スポット溶接のように高い電力エネルギーを必要としなく、しかも溶接時にチリが飛散することもない優れた溶接方法である。
【０００５】
しかしながら、このスポット摩擦攪拌接合方法は、アルミニウム系材料同士の接合といった同種の金属の接合には全く問題なく採用することができるのであるが、鉄系材料とアルミニウム系材料といった融点の異なる異種金属材料の接合に採用した場合、安定した高い接合強度を得ることができない。そこで、融点の異なる異種金属材料の接合にあたって、実際の溶接現場では種々の改善や工夫を加えて検討を行っているが、安定して高い接合強度を得ることができる方法の確立に至っていないのが現状である。
【０００６】
鉄系材料とアルミニウム系材料といった異種金属材料同士をスポット摩擦攪拌接合による溶接方法によって接合した場合に、安定した高い接合強度を得ることができない原因は、接合する金属材料の融点が異なることにある。
【０００７】
例えば、鉄系材料とアルミニウム系材料を、スポット摩擦攪拌接合によって溶接する場合の重要な要件は、回転する摩擦ツールの先端のプローブをアルミニウム系材料に押し込んでアルミニウム系材料を塑性流動させながら、アルミニウム系材料と鉄系材料の摩擦及び塑性流動による発熱により鉄系材料の表面（界面）温度を拡散接合できる状態の温度にまで上昇させることである。
【０００８】
しかしながら、従来から行われているスポット摩擦攪拌接合による溶接方法では、融点が低いアルミニウム系材料は直ぐに軟化塑性流動するが、融点が高い鉄系材料は摩擦時間が不足すると、接合界面における温度が安定して接合可能となる温度領域には達しないため、良好な接合部を得ることができない。一方、摩擦時間を長くして、且つ摩擦ツールを回転させてその先端のプローブを鉄系材料の直上まで押し込んだ場合は、鉄系材料の温度は適当な温度まで上昇するが、アルミニウム系材料が軟化しすぎてしまい、接合界面に対する圧力が負荷されず、結果として、安定した接合部を得ることはできない。
【０００９】
鉄系材料とアルミニウム系材料等の異種金属材料を重ね合わせて溶接接合する方法は、近年、特許文献１〜４等により提案されている。これらの提案のうち、特許文献１と特許文献２が、スポット摩擦攪拌接合によって溶接する方法に関係する提案である。尚、特許文献３と特許文献４はアーク溶接で鉄系材料とアルミニウム系材料を接合する技術に関する提案である。
【００１０】
特許文献１には、融点が異なる複数の部材を重ね合わせ、回転する接合ツール(摩擦ツール)で融点が低い上側の部材を押圧し、摩擦攪拌により接合する重ね継手の摩擦攪拌接合方法において、接合ツールで押圧する部材の表面近傍を摩擦熱により攪拌させ、その摩擦熱により重ね合わせ面の温度を上昇させ、対向する部材同士の拡散接合により接合する重ね継手の摩擦攪拌接合方法が記載されている。
【００１１】
また、特許文献２には、先端にピン部（プローブ）を有する回転工具(摩擦ツール)を用いて異種金属板同士を摩擦点接合するに際して、融点が高い金属板材を受承する受承面にピン部先端よりも外径寸法が大きい凹部を備えた受け具で、融点が低い金属板材を重ね合わせた融点が高い金属板材を受けると共に、回転工具を回転させながら融点が低い金属板材から押し込むことにより、融点が高い金属板材の前記凹部に対応する部分をその凹部側に変位させた状態で、発生した摩擦熱で融点が低い金属板材を軟化させて塑性流動させ、金属板材同士を接合することで、ピン部に対応した凹部を融点が高い金属板材に形成する方法が記載されている。
【００１２】
これらの方法は、鉄系材料とアルミニウム系材料といった異種金属材料同士をスポット摩擦攪拌接合によって溶接する技術の提案であって、異種金属材料同士を溶接するスポット摩擦攪拌接合方法に関する有効な提案であるとは考えられる。しかしながら、特許文献１に記載の方法は、回転する接合ツールで融点が低い上側の部材を押圧して上板と下板の間の接合界面を拡散接合により密着させるもので、従来のスポット摩擦攪拌接合を具体的に明示しているだけで、従来技術と大きな変わりはなく、安定した高い接合強度を得ることができるとはいえない。また、特許文献２に記載の方法は、融点が高い金属板材にピン部（プローブ）に対応した小さな径の凹部を形成するだけであって、必ずしも安定した接合強度を得ることができるとはいえない。また、金属材料に凹部を形成しなければならず、その点でも問題が残る技術である。
【００１３】
すなわち、これら特許文献１〜４には、スポット摩擦攪拌接合方法を用いて、金属材料を変形させることなく、しかも安定した高い接合強度で異種金属材料を接合することができるスポット摩擦攪拌接合方法は記載されていない。尚、特許文献３と特許文献４にはアーク溶接による異種材料の接合に関する技術が記載されており、本発明とは異なる技術に関する提案である。
【００１４】
【特許文献１】特開２００５−２８３７８号公報
【特許文献２】特開２００６−９５５８５号公報
【特許文献３】特開２００６−２１２４９号公報
【特許文献４】特開２００６−１５０４３９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明は、上記従来の問題を解決せんとしてなされたもので、融点の異なる異種金属材料を、高い電力エネルギーを使用する必要はなく、しかも溶接時にチリが飛散することはなく作業環境も害することはないという優れた溶接方法であるスポット摩擦攪拌接合方法を用いて、金属材料を変形させることなく、安定した高い接合強度で異種金属材料を接合することができる異種金属材料のスポット摩擦攪拌接合方法を提供することを課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
請求項１記載の発明は、融点の異なる異種金属材料を重ね合わせて接合してなる異種金属材料のスポット摩擦攪拌接合方法において、裏当て材上に、融点が高い金属材料から順に下から重ね合わせて、その上方から回転する摩擦ツールを用いてスポット摩擦攪拌接合するにあたり、前記裏当て材と前記融点の高い金属材料との間に断熱層を形成し、前記断熱層を、上面から見て前記摩擦ツールの平面視と同心円状をなす空気層とし、その空気層の径を前記摩擦ツールのツール径の０．６〜１．４倍、厚みを０．２０ｍｍ以上とすることを特徴とする異種金属材料のスポット摩擦攪拌接合方法である。
【００１７】
請求項２記載の発明は、前記裏当て材を円柱状とし、その裏当て材の径を、前記摩擦ツールのツール径以上であって、且つ前記空気層の径の１．１〜２．２倍としてなる請求項１記載の異種金属材料のスポット摩擦攪拌接合方法である。
【００１８】
請求項３記載の発明は、融点の異なる異種金属材料を重ね合わせて接合してなる異種金属材料のスポット摩擦攪拌接合方法において、裏当て材上に、融点が高い金属材料から順に下から重ね合わせて、上方から回転する摩擦ツールを用いてスポット摩擦攪拌接合するにあたり、前記裏当て材と前記融点の高い金属材料との間の前記裏当て材上に断熱層を形成し、前記断熱層を、セラミックス系の材料で形成したセラミックス層としてなることを特徴とする異種金属材料のスポット摩擦攪拌接合方法である。
【００１９】
請求項４記載の発明は、前記融点の異なる異種金属材料のうち、融点が高い金属材料は鉄系材料、融点が低い金属材料はアルミニウム系材料である請求項１乃至３のいずれかに記載の異種金属材料のスポット摩擦攪拌接合方法である。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の異種金属材料のスポット摩擦攪拌接合方法によると、鉄系材料とアルミニウム系材料といった融点の異なる異種金属材料を、高い電力エネルギーを使用する必要はなく、しかも溶接時にチリが飛散することはなく作業環境も害することはないという優れた溶接方法であるスポット摩擦攪拌接合方法を用いて、金属材料を変形させることなく、安定した高い接合強度で接合することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明者らは、鉄系材料とアルミニウム系材料といった融点の異なる異種金属材料を、高い電力エネルギーを使用する必要はなく、しかも溶接時にチリが飛散することはなく作業環境も害することはないという優れた溶接方法であるスポット摩擦攪拌接合方法を用いて、金属材料を変形させることなく、安定した高い接合強度で接合することができる方法を見出すために研究開発を進めた。
【００２２】
その結果、従来のスポット摩擦攪拌接合方法では、溶接接合位置で金属製の裏当て材に融点が高い金属材料が接触するため、融点が低い金属材料を攪拌塑性流動させながら、融点が低い金属材料と融点が高い金属材料を摩擦させることと、塑性流動による発熱により、融点が高い金属材料の表面温度を上昇させる際に、発生した熱エネルギーの多くが裏当て材に流れてしまうことが分かった。すなわち、融点が低い金属材料が接合するための適正な温度状態になったときに、融点が高い金属材料の表面温度が、接合するための十分な温度に上昇しておらず、その結果、金属材料同士を安定した高い接合強度で接合することができなかったのである。
【００２３】
以下、本発明を添付図面に示す実施形態に基づいて更に詳細に説明する。尚、以下の説明では、融点が高い金属材料を鉄系材料、融点が低い金属材料をアルミニウム系材料として説明する。尚、アルミニウム系材料とは、純アルミニウム、或いはアルミニウム合金のことを示す。また、金属材料としては、鉄系材料、アルミニウム系材料のほか、ニッケル系材料、銅系材料、その他各種金属材料を用いても良いことは勿論である。
【００２４】
図１には鉄系材料とアルミニウム系材料の溶接継手を示し、(ａ)はその平面図、（ｂ）はその側面図である。尚、図に示す数値は後述する実施例で用いた溶接継手の各部寸法を示す。図２は本発明の異種金属材料のスポット摩擦攪拌接合方法に用いる摩擦ツールを示し、図３は本発明の異種金属材料のスポット摩擦攪拌接合方法に用いる裏当て材の一実施形態を示す。また、図４は従来のスポット摩擦攪拌接合方法に用いる裏当て材を示す。
【００２５】
図５は本発明の一実施形態で鉄系材料とアルミニウム系材料をスポット摩擦攪拌接合方法により溶接接合している状態を示す。また、図６は後述する実施例で鉄系材料とアルミニウム系材料の溶接継手の接合強度を確認している状態を示し、図７は摩擦ツール先端のプローブをアルミニウム系材料に押し込んでいる状態を示す。また、図８は本発明の異なる実施形態で鉄系材料とアルミニウム系材料をスポット摩擦攪拌接合方法により溶接接合している状態を示す。
【００２６】
本発明者らは、鉄系材料１の表面温度を上昇させる際に、発生した熱エネルギーの多くが裏当て材３に流れてしまうという問題を解消するために、円柱状の裏当て材３の上部の、従来のスポット摩擦攪拌接合による方法では鉄系材料１と接触していた位置に、断熱層４を形成した。図４および図５に示す断熱層４は空気層４ａであって、図８に示す断熱層４はセラミックス系の材料を用いて形成したセラミックス層４ｂである。断熱層４をセラミックス層４ｂとした場合はセラミックス層４ｂが鉄系材料１と接触するが、セラミックス層４ｂは断熱性が高いため、熱エネルギーが裏当て材３に流れてしまうことを防止することができる。
【００２７】
断熱層４が空気層４ａの場合はその空気層４ａの平面視は円形であり、その径を、図２および図５に示す回転する摩擦ツール５のツール径の０．６〜１．４倍の範囲とする。また、空気層４ａの厚みは０．２０ｍｍ以上とする。
【００２８】
空気層４ａの径を摩擦ツール５のツール径の０．６倍未満とした場合、空気層４ａの周囲の裏当て材３が鉄系材料１に接触する面積が過大となってしまうため、十分な断熱効果を得ることができない。一方、空気層４ａの径を摩擦ツール５のツール径の１．４倍超とした場合、摩擦ツール５で押し込まれてたわんだ鉄系材料１が裏当て材３に接触してしまうため、十分な断熱効果を得ることができない。尚、空気層４ａの径と摩擦ツール５のツール径は同一であることがより望ましい。
【００２９】
また、空気層４ａの厚みを０．２０ｍｍ未満とした場合も摩擦ツール５で押し込まれてたわんだ鉄系材料１が裏当て材３に接触してしまうため、十分な断熱効果を得ることができない。尚、空気層４ａの厚みの上限はないが、当然のことではあるが厚くても円柱状の裏当て材３の長さを超えることはない。
【００３０】
また、円柱状の裏当て材３の径は、摩擦ツール５のツール径以上とすることが望ましい。これは、摩擦ツール５を押し込んだ際に、確実に裏当て材３でその押し込み力を受けるためである。
【００３１】
更には、その裏当て材３の径を、空気層４ａの径の１．１〜２．２倍とすることが望ましい。裏当て材３の径が空気層４ａの径の１．１倍未満であれば、裏当て材３と鉄系材料１との接触面積が小さくなりすぎ、摩擦ツール５で押し込まれた鉄系材料１を十分に支持することができなくなる。一方、裏当て材３の径が空気層４ａの径の２．２倍超であれば、鉄系材料１との接触面積が大きくなりすぎ、十分な断熱効果を得ることができない。尚、この場合の鉄系材料１と裏当て材３の接触位置は、溶接接合位置とは離れた位置であり、断熱効果の低下に与える影響は小さいため、本発明の必須要件とはしない。
【００３２】
断熱層４がセラミックス系の材料を用いて形成したセラミックス層４ｂである場合は、図８に示すように、裏当て材３の上部を全てセラミックス系の材料を用いて形成したセラミックス層４ｂとする。尚、セラミックス層４ｂに鉄系材料１が接触するため、空気層４ａを断熱層４とした場合のように、鉄系材料１がたわむことはない。従って、断熱性が確保できればそのセラミックス層４ｂの厚みはいくらであっても良い。
【００３３】
次に、断熱層４を上部に形成した裏当て材３を用いて、本発明の異種金属材料のスポット摩擦攪拌接合方法により、鉄系材料１とアルミニウム系材料２を接合する方法を、断熱層４が空気層４ａの場合の実施形態である図５に基づいて説明する。
【００３４】
まず、裏当て材３上に、鉄系材料１とアルミニウム系材料２を、鉄系材料１、アルミニウム系材料２の順で下から重ね合わす。次に、アルミニウム系材料２の表面に、その上方から摩擦ツール５を回転させながらその先端のプローブ５ａから押し込んで、アルミニウム系材料２を塑性流動させる。この状態でアルミニウム系材料２と鉄系材料１を摩擦させることと、塑性流動による発熱により鉄系材料１の表面（界面）温度を上昇させるが、鉄系材料１が接触する裏当て材３の上部には空気層４ａが形成されているため、熱エネルギーの大部分は裏当て材３には流れない。鉄系材料１と裏当て材３は溶接接合位置の周囲では接触するが、溶接接合位置からは直接熱エネルギーが裏当て材３に流れ出ることはないため、溶接接合位置で、鉄系材料２の表面（界面）温度を拡散接合できる適性温度に維持することができる。
【００３５】
この状態で鉄系材料１とアルミニウム系材料２は摩擦攪拌接合されるので、融点の異なる異種金属材料である鉄系材料１とアルミニウム系材料２は、安定した高い接合強度で溶接接合される。
【実施例】
【００３６】
（実施例１）
スポット摩擦攪拌接合装置（川崎重工製：ＦＳＪ定置式システム）を用いて、鉄系材料１とアルミニウム系材料２のスポット摩擦攪拌接合試験を行った。試験体として、鉄系材料１は、５９０ＭＰａ級溶融亜鉛メッキ高張力鋼板（板厚：１．２ｍｍ）、アルミニウム系材料２は、ＡＡ６０２２相当アルミニウム合金板（板厚：１．０ｍｍ）を用いた。これら鉄系材料１とアルミニウム系材料２を溶接接合した溶接継手の形状を図１の（ａ），（ｂ）に示す。溶接継手各部の具体的な寸法は図１の（ａ），（ｂ）に示す通りである。尚、数値の単位はｍｍである。
【００３７】
発明例と比較例の試験に用いたスポット摩擦攪拌接合装置の摩擦ツール５を図２に、発明例の試験に用いたスポット摩擦攪拌接合装置の、鉄系材料１との間に断熱層４(空気層４ａ)を形成した裏当て材３を図３に、比較例の試験に用いたスポット摩擦攪拌接合装置の、鉄系材料１との間に断熱層４(空気層４ａ)を形成しない裏当て材３を図４に夫々示す。
【００３８】
図２中、Ｄｓは摩擦ツール５のツール径であってφ１０ｍｍ、Ｄｐは摩擦ツール５先端のプローブ５ａの径であってφ２ｍｍ、Ｈｐはプローブ５ａの長さであって０．５ｍｍである。また、図３中、Ｄｕは裏当て材３の径であってφ１６ｍｍ、Ｄｋは空気層４ａの径であってφ８ｍｍ、Ｈｋは空気層４ａの厚みであって０．２５ｍｍ、図４中、Ｄｕは裏当て材３の径であってφ１６ｍｍである。尚、図７に示すＤｔは摩擦ツール５先端のプローブ５ａの押込み深さを示す。
【００３９】
すなわち、発明例は、請求項１に示す条件のうち、空気層４ａの径（Ｄｋ）／摩擦ツール５のツール径（Ｄｓ）＝０．８倍、空気層４ａの厚み（Ｈｋ）は０．２５ｍｍであって、請求項１に示す条件を満足する。また、請求項２に示す条件のうち、裏当て材３の径（Ｄｕ）≧摩擦ツール５のツール径（Ｄｓ）、裏当て材３の径（Ｄｕ）／空気層４ａの径（Ｄｋ）＝２．０倍であって、請求項２に示す条件も満足する。
【００４０】
図５に、鉄系材料１とアルミニウム系材料２を発明例のスポット摩擦攪拌接合方法によって溶接接合している状態を示す。このスポット摩擦攪拌接合方法によって鉄系材料１とアルミニウム系材料２を溶接接合した溶接継手を用い、図６に示す方法によって、ＪＩＳ Ｚ３１３６に準拠したせん断引張試験を実施した。また、比較例についても同様にスポット摩擦攪拌接合方法によって、鉄系材料１とアルミニウム系材料２を溶接接合して溶接継手を作製し、図６に示す方法によって、ＪＩＳ Ｚ３１３６に準拠したせん断引張試験を実施した。
【００４１】
せん断引張試験は、発明例、比較例共に、摩擦ツール５の加圧力、回転数、加圧時間、押込み深さを夫々変えて、サンプル数をＮ＝３とし、実施した。合格判定基準は、各サンプルによって得られたせん断力が全て３２００Ｎ以上で、平均せん断力が３５００Ｎ以上のものを合格とした。その試験結果を表１と表２に示す。
【００４２】
【表１】
【００４３】
【表２】
【００４４】
表１に示す比較例では、一部にせん断力が３２００Ｎ或いは３５００Ｎを超えるサンプルが確認できるが、裏当て材３と鉄系材料１との間に断熱層４（空気層４ａ）を形成しない比較例では、安定して高い強度（せん断力）が得られる条件は確認できなかった。一方、表２に示す発明例では、各サンプル共に合格判定基準を全て満たし、請求項１に記載の条件で裏当て材３と鉄系材料１との間に断熱層４（空気層４ａ）を形成すれば、バラツキなく、安定して高い強度（せん断力）が得られることが確認できた。
【００４５】
（実施例２）
実施例１と同様に、スポット摩擦攪拌接合装置（川崎重工製：ＦＳＪ定置式システム）を用いて、鉄系材料１とアルミニウム系材料２のスポット摩擦攪拌接合試験を行った。試験体も実施例１と同様に、鉄系材料１は、５９０ＭＰａ級溶融亜鉛メッキ高張力鋼板（板厚：１．２ｍｍ）、アルミニウム系材料２は、ＡＡ６０２２相当アルミニウム合金板（板厚：１．０ｍｍ）を用いた。
【００４６】
実施例２では、摩擦ツール５の加圧力を２．０ｋＮ 、回転数を２０００ｒｐｍ、加圧時間を５ｓ、押込み深さを０．７ｍｍと固定し、空気層４ａの径（Ｄｋ）、空気層４ａの厚み（Ｈｋ）を夫々変えることにより、適正な空気層４ａの寸法を確認するためのせん断引張試験を実施した。また、空気層４ａの径（Ｄｋ）に応じて一部の裏当て材３の径（Ｄｕ）も変更した。尚、合格判定基準は実施例１と同様とする。
【００４７】
各比較例は、請求項１に示す条件のいずれかを満足しないものであって、Ｎｏ．１８は空気層４ａの径（Ｄｋ）／摩擦ツール５のツール径（Ｄｓ）が０．４倍であって、Ｎｏ．１９は空気層４ａの径（Ｄｋ）／摩擦ツール５のツール径（Ｄｓ）が０．５倍である。一方、Ｎｏ．２０は空気層４ａの径（Ｄｋ）／摩擦ツール５のツール径（Ｄｓ）が１．６倍である。また、Ｎｏ．２１は空気層４ａの厚み（Ｈｋ）が０．１０ｍｍであり、Ｎｏ．２２は空気層４ａの厚み（Ｈｋ）が０．１５ｍｍである。
【００４８】
これに対し、各発明例は、空気層４ａの径（Ｄｋ）／摩擦ツール５のツール径（Ｄｓ）が０．６〜１．４倍、空気層４ａの厚み（Ｈｋ）が０．２０ｍｍ以上という条件を満足する。そのＪＩＳ Ｚ３１３６に準拠したせん断引張試験による試験結果を表３に示す。
【００４９】
【表３】
【００５０】
Ｎｏ．１８とＮｏ．１９は、空気層４ａの径（Ｄｋ）／摩擦ツール５のツール径（Ｄｓ）が０．６倍未満の比較例である。これら比較例では、空気層４ａの周囲の裏当て材３が鉄系材料１に接触する面積が過大となったことで、空気層４ａによる十分な断熱効果を得られず、合格判定基準を満足できなかったと考えられる。
【００５１】
一方、Ｎｏ．２０は、空気層４ａの径（Ｄｋ）／摩擦ツール５のツール径（Ｄｓ）が１．４倍超の比較例である。この比較例では、摩擦ツール５で押し込まれてたわんだ鉄系材料１が裏当て材３に接触してしまったため、空気層４ａによる十分な断熱効果を得られず、合格判定基準を満足できなかったと考えられる。
【００５２】
また、Ｎｏ．２１とＮｏ．２２は、空気層４ａの厚み（Ｈｋ）が０．２０ｍｍ以上という条件を満足しない比較例である。これら比較例では、空気層４ａが薄過ぎ、摩擦ツール５で押し込まれてたわんだ鉄系材料１が裏当て材３に接触してしまったため、十分な断熱効果を得られず、合格判定基準を満足できなかったと考えられる。
【００５３】
これら比較例に対し、Ｎｏ．２３〜２８の発明例は、空気層４ａの径（Ｄｋ）／摩擦ツール５のツール径（Ｄｓ）が０．６〜１．４倍、空気層４ａの厚み（Ｈｋ）が０．２０ｍｍ以上という条件を満足するため、空気層４ａによって十分な断熱効果を得ることができ、合格判定基準を満足したと考えられる。すなわち、以上の試験により、適正な空気層４ａの寸法を確認することができた。
【００５４】
（実施例３）
実施例１と同様に、スポット摩擦攪拌接合装置（川崎重工製：ＦＳＪ定置式システム）を用いて、鉄系材料１とアルミニウム系材料２のスポット摩擦攪拌接合試験を行った。試験体も実施例１と同様に、鉄系材料１は、５９０ＭＰａ級溶融亜鉛メッキ高張力鋼板（板厚：１．２ｍｍ）、アルミニウム系材料２は、ＡＡ６０２２相当アルミニウム合金板（板厚：１．０ｍｍ）を用いた。実施例１と異なるのは、図８に示すように、断熱層４をアルミナ系セラミックスを用いて形成したセラミックス層４ｂとしたことである。
【００５５】
実施例３では、ＪＩＳ Ｚ３１３６に準拠したせん断引張試験は、摩擦ツール５の加圧力、回転数、加圧時間、押込み深さを夫々変えて実施した。合格判定基準は実施例１と同様とする。その試験結果を表４に示す。
【００５６】
【表４】
【００５７】
表４の試験結果によると、全て合格判定基準を満足した。この結果から、断熱層をセラミックス系の材料で形成したセラミックス層とすることでも、十分な断熱効果を得ることができ、バラツキなく、安定して高い強度（せん断力）が得られることができることが確認できた。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明の異種金属材料のスポット摩擦攪拌接合方法で作製した鉄系材料とアルミニウム系材料の溶接継手を示し、(ａ)はその平面図、（ｂ）はその側面図である。
【図２】本発明の異種金属材料のスポット摩擦攪拌接合方法に用いる摩擦ツールを示す縦断面図である。
【図３】本発明の異種金属材料のスポット摩擦攪拌接合方法に用いる裏当て材の一実施形態を示す縦断面図である。
【図４】従来のスポット摩擦攪拌接合方法に用いる裏当て材を示す縦断面図である。
【図５】本発明の一実施形態で、鉄系材料とアルミニウム系材料をスポット摩擦攪拌接合方法により溶接接合している状態を示す縦断面図である。
【図６】せん断引張試験で鉄系材料とアルミニウム系材料の溶接継手の接合強度を確認している状態を示す平面図である。
【図７】摩擦ツール先端のプローブをアルミニウム系材料に押し込んでいる状態を示す縦断面図である。
【図８】本発明の異なる実施形態で、鉄系材料とアルミニウム系材料をスポット摩擦攪拌接合方法により溶接接合している状態を示す縦断面図である。
【符号の説明】
【００５９】
１…鉄系材料（融点の高い金属材料）
２…アルミニウム系材料（融点の低い金属材料）
３…裏当て材
４…断熱層
４ａ…空気層
４ｂ…セラミックス層
５…摩擦ツール
５ａ…プローブ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、融点の異なる異種金属材料を重ね合わせてスポット摩擦攪拌接合で接合する異種金属材料のスポット摩擦攪拌接合方法、より詳しくは、鉄系材料とアルミニウム系材料を重ね合わせてスポット摩擦攪拌接合で接合する異種金属材料のスポット摩擦攪拌接合方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
鉄系材料とアルミニウム系材料といった融点の異なる異種金属材料同士を重ね合わせて接合してなる溶接継手は、自動車、鉄道車両などの輸送分野、機械部品、建築物等の広い分野で採用されている。特に一方にアルミニウム系材料を用いた溶接継手は、アルミニウム系材料が軽量であることから、自動車、鉄道車両などの輸送分野に好適に用いられている。
【０００３】
しかしながら、鉄系材料とアルミニウム系材料といった融点の異なる異種金属材料を、従来から広く採用されてきた抵抗スポット溶接で接合する場合、高い電力エネルギーを必要とし、しかも溶接時にチリが飛散することから問題になっており、この抵抗スポット溶接に代えて、高い電力エネルギーを必要とせず、しかも作業環境も害することがない新規な溶接方法の採用が検討されていた。
【０００４】
そこで、近年採用され始めているのがスポット摩擦攪拌接合による溶接方法である。この溶接方法は、異種金属材料を接合する場合、抵抗スポット溶接のように高い電力エネルギーを必要としなく、しかも溶接時にチリが飛散することもない優れた溶接方法である。
【０００５】
しかしながら、このスポット摩擦攪拌接合方法は、アルミニウム系材料同士の接合といった同種の金属の接合には全く問題なく採用することができるのであるが、鉄系材料とアルミニウム系材料といった融点の異なる異種金属材料の接合に採用した場合、安定した高い接合強度を得ることができない。そこで、融点の異なる異種金属材料の接合にあたって、実際の溶接現場では種々の改善や工夫を加えて検討を行っているが、安定して高い接合強度を得ることができる方法の確立に至っていないのが現状である。
【０００６】
鉄系材料とアルミニウム系材料といった異種金属材料同士をスポット摩擦攪拌接合による溶接方法によって接合した場合に、安定した高い接合強度を得ることができない原因は、接合する金属材料の融点が異なることにある。
【０００７】
例えば、鉄系材料とアルミニウム系材料を、スポット摩擦攪拌接合によって溶接する場合の重要な要件は、回転する摩擦ツールの先端のプローブをアルミニウム系材料に押し込んでアルミニウム系材料を塑性流動させながら、アルミニウム系材料と鉄系材料の摩擦及び塑性流動による発熱により鉄系材料の表面（界面）温度を拡散接合できる状態の温度にまで上昇させることである。
【０００８】
しかしながら、従来から行われているスポット摩擦攪拌接合による溶接方法では、融点が低いアルミニウム系材料は直ぐに軟化塑性流動するが、融点が高い鉄系材料は摩擦時間が不足すると、接合界面における温度が安定して接合可能となる温度領域には達しないため、良好な接合部を得ることができない。一方、摩擦時間を長くして、且つ摩擦ツールを回転させてその先端のプローブを鉄系材料の直上まで押し込んだ場合は、鉄系材料の温度は適当な温度まで上昇するが、アルミニウム系材料が軟化しすぎてしまい、接合界面に対する圧力が負荷されず、結果として、安定した接合部を得ることはできない。
【０００９】
鉄系材料とアルミニウム系材料等の異種金属材料を重ね合わせて溶接接合する方法は、近年、特許文献１〜４等により提案されている。これらの提案のうち、特許文献１と特許文献２が、スポット摩擦攪拌接合によって溶接する方法に関係する提案である。尚、特許文献３と特許文献４はアーク溶接で鉄系材料とアルミニウム系材料を接合する技術に関する提案である。
【００１０】
特許文献１には、融点が異なる複数の部材を重ね合わせ、回転する接合ツール(摩擦ツール)で融点が低い上側の部材を押圧し、摩擦攪拌により接合する重ね継手の摩擦攪拌接合方法において、接合ツールで押圧する部材の表面近傍を摩擦熱により攪拌させ、その摩擦熱により重ね合わせ面の温度を上昇させ、対向する部材同士の拡散接合により接合する重ね継手の摩擦攪拌接合方法が記載されている。
【００１１】
また、特許文献２には、先端にピン部（プローブ）を有する回転工具(摩擦ツール)を用いて異種金属板同士を摩擦点接合するに際して、融点が高い金属板材を受承する受承面にピン部先端よりも外径寸法が大きい凹部を備えた受け具で、融点が低い金属板材を重ね合わせた融点が高い金属板材を受けると共に、回転工具を回転させながら融点が低い金属板材から押し込むことにより、融点が高い金属板材の前記凹部に対応する部分をその凹部側に変位させた状態で、発生した摩擦熱で融点が低い金属板材を軟化させて塑性流動させ、金属板材同士を接合することで、ピン部に対応した凹部を融点が高い金属板材に形成する方法が記載されている。
【００１２】
これらの方法は、鉄系材料とアルミニウム系材料といった異種金属材料同士をスポット摩擦攪拌接合によって溶接する技術の提案であって、異種金属材料同士を溶接するスポット摩擦攪拌接合方法に関する有効な提案であるとは考えられる。しかしながら、特許文献１に記載の方法は、回転する接合ツールで融点が低い上側の部材を押圧して上板と下板の間の接合界面を拡散接合により密着させるもので、従来のスポット摩擦攪拌接合を具体的に明示しているだけで、従来技術と大きな変わりはなく、安定した高い接合強度を得ることができるとはいえない。また、特許文献２に記載の方法は、融点が高い金属板材にピン部（プローブ）に対応した小さな径の凹部を形成するだけであって、必ずしも安定した接合強度を得ることができるとはいえない。また、金属材料に凹部を形成しなければならず、その点でも問題が残る技術である。
【００１３】
すなわち、これら特許文献１〜４には、スポット摩擦攪拌接合方法を用いて、金属材料を変形させることなく、しかも安定した高い接合強度で異種金属材料を接合することができるスポット摩擦攪拌接合方法は記載されていない。尚、特許文献３と特許文献４にはアーク溶接による異種材料の接合に関する技術が記載されており、本発明とは異なる技術に関する提案である。
【００１４】
【特許文献１】特開２００５−２８３７８号公報
【特許文献２】特開２００６−９５５８５号公報
【特許文献３】特開２００６−２１２４９号公報
【特許文献４】特開２００６−１５０４３９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明は、上記従来の問題を解決せんとしてなされたもので、融点の異なる異種金属材料を、高い電力エネルギーを使用する必要はなく、しかも溶接時にチリが飛散することはなく作業環境も害することはないという優れた溶接方法であるスポット摩擦攪拌接合方法を用いて、金属材料を変形させることなく、安定した高い接合強度で異種金属材料を接合することができる異種金属材料のスポット摩擦攪拌接合方法を提供することを課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
請求項１記載の発明は、融点の異なる異種金属材料を重ね合わせて接合してなる異種金属材料のスポット摩擦攪拌接合方法において、裏当て材上に、融点が高い金属材料から順に下から重ね合わせて、その上方から回転する摩擦ツールを用いてスポット摩擦攪拌接合するにあたり、前記裏当て材と前記融点の高い金属材料との間に断熱層を形成し、前記断熱層を、上面から見て前記摩擦ツールの平面視と同心円状をなす空気層とし、その空気層の径を前記摩擦ツールのツール径の０．６〜１．４倍、厚みを０．２０ｍｍ以上とすることを特徴とする異種金属材料のスポット摩擦攪拌接合方法である。
【００１７】
請求項２記載の発明は、前記裏当て材を円柱状とし、その裏当て材の径を、前記摩擦ツールのツール径以上であって、且つ前記空気層の径の１．１〜２．２倍としてなる請求項１記載の異種金属材料のスポット摩擦攪拌接合方法である。
【００１８】
請求項３記載の発明は、融点の異なる異種金属材料を重ね合わせて接合してなる異種金属材料のスポット摩擦攪拌接合方法において、裏当て材上に、融点が高い金属材料から順に下から重ね合わせて、上方から回転する摩擦ツールを用いてスポット摩擦攪拌接合するにあたり、前記裏当て材と前記融点の高い金属材料との間の前記裏当て材上に断熱層を形成し、前記断熱層を、セラミックス系の材料で形成したセラミックス層としてなることを特徴とする異種金属材料のスポット摩擦攪拌接合方法である。
【００１９】
請求項４記載の発明は、前記融点の異なる異種金属材料のうち、融点が高い金属材料は鉄系材料、融点が低い金属材料はアルミニウム系材料である請求項１乃至３のいずれかに記載の異種金属材料のスポット摩擦攪拌接合方法である。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の異種金属材料のスポット摩擦攪拌接合方法によると、鉄系材料とアルミニウム系材料といった融点の異なる異種金属材料を、高い電力エネルギーを使用する必要はなく、しかも溶接時にチリが飛散することはなく作業環境も害することはないという優れた溶接方法であるスポット摩擦攪拌接合方法を用いて、金属材料を変形させることなく、安定した高い接合強度で接合することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明者らは、鉄系材料とアルミニウム系材料といった融点の異なる異種金属材料を、高い電力エネルギーを使用する必要はなく、しかも溶接時にチリが飛散することはなく作業環境も害することはないという優れた溶接方法であるスポット摩擦攪拌接合方法を用いて、金属材料を変形させることなく、安定した高い接合強度で接合することができる方法を見出すために研究開発を進めた。
【００２２】
その結果、従来のスポット摩擦攪拌接合方法では、溶接接合位置で金属製の裏当て材に融点が高い金属材料が接触するため、融点が低い金属材料を攪拌塑性流動させながら、融点が低い金属材料と融点が高い金属材料を摩擦させることと、塑性流動による発熱により、融点が高い金属材料の表面温度を上昇させる際に、発生した熱エネルギーの多くが裏当て材に流れてしまうことが分かった。すなわち、融点が低い金属材料が接合するための適正な温度状態になったときに、融点が高い金属材料の表面温度が、接合するための十分な温度に上昇しておらず、その結果、金属材料同士を安定した高い接合強度で接合することができなかったのである。
【００２３】
以下、本発明を添付図面に示す実施形態に基づいて更に詳細に説明する。尚、以下の説明では、融点が高い金属材料を鉄系材料、融点が低い金属材料をアルミニウム系材料として説明する。尚、アルミニウム系材料とは、純アルミニウム、或いはアルミニウム合金のことを示す。また、金属材料としては、鉄系材料、アルミニウム系材料のほか、ニッケル系材料、銅系材料、その他各種金属材料を用いても良いことは勿論である。
【００２４】
図１には鉄系材料とアルミニウム系材料の溶接継手を示し、(ａ)はその平面図、（ｂ）はその側面図である。尚、図に示す数値は後述する実施例で用いた溶接継手の各部寸法を示す。図２は本発明の異種金属材料のスポット摩擦攪拌接合方法に用いる摩擦ツールを示し、図３は本発明の異種金属材料のスポット摩擦攪拌接合方法に用いる裏当て材の一実施形態を示す。また、図４は従来のスポット摩擦攪拌接合方法に用いる裏当て材を示す。
【００２５】
図５は本発明の一実施形態で鉄系材料とアルミニウム系材料をスポット摩擦攪拌接合方法により溶接接合している状態を示す。また、図６は後述する実施例で鉄系材料とアルミニウム系材料の溶接継手の接合強度を確認している状態を示し、図７は摩擦ツール先端のプローブをアルミニウム系材料に押し込んでいる状態を示す。また、図８は本発明の異なる実施形態で鉄系材料とアルミニウム系材料をスポット摩擦攪拌接合方法により溶接接合している状態を示す。
【００２６】
本発明者らは、鉄系材料１の表面温度を上昇させる際に、発生した熱エネルギーの多くが裏当て材３に流れてしまうという問題を解消するために、円柱状の裏当て材３の上部の、従来のスポット摩擦攪拌接合による方法では鉄系材料１と接触していた位置に、断熱層４を形成した。図４および図５に示す断熱層４は空気層４ａであって、図８に示す断熱層４はセラミックス系の材料を用いて形成したセラミックス層４ｂである。断熱層４をセラミックス層４ｂとした場合はセラミックス層４ｂが鉄系材料１と接触するが、セラミックス層４ｂは断熱性が高いため、熱エネルギーが裏当て材３に流れてしまうことを防止することができる。
【００２７】
断熱層４が空気層４ａの場合はその空気層４ａの平面視は円形であり、その径を、図２および図５に示す回転する摩擦ツール５のツール径の０．６〜１．４倍の範囲とする。また、空気層４ａの厚みは０．２０ｍｍ以上とする。
【００２８】
空気層４ａの径を摩擦ツール５のツール径の０．６倍未満とした場合、空気層４ａの周囲の裏当て材３が鉄系材料１に接触する面積が過大となってしまうため、十分な断熱効果を得ることができない。一方、空気層４ａの径を摩擦ツール５のツール径の１．４倍超とした場合、摩擦ツール５で押し込まれてたわんだ鉄系材料１が裏当て材３に接触してしまうため、十分な断熱効果を得ることができない。尚、空気層４ａの径と摩擦ツール５のツール径は同一であることがより望ましい。
【００２９】
また、空気層４ａの厚みを０．２０ｍｍ未満とした場合も摩擦ツール５で押し込まれてたわんだ鉄系材料１が裏当て材３に接触してしまうため、十分な断熱効果を得ることができない。尚、空気層４ａの厚みの上限はないが、当然のことではあるが厚くても円柱状の裏当て材３の長さを超えることはない。
【００３０】
また、円柱状の裏当て材３の径は、摩擦ツール５のツール径以上とすることが望ましい。これは、摩擦ツール５を押し込んだ際に、確実に裏当て材３でその押し込み力を受けるためである。
【００３１】
更には、その裏当て材３の径を、空気層４ａの径の１．１〜２．２倍とすることが望ましい。裏当て材３の径が空気層４ａの径の１．１倍未満であれば、裏当て材３と鉄系材料１との接触面積が小さくなりすぎ、摩擦ツール５で押し込まれた鉄系材料１を十分に支持することができなくなる。一方、裏当て材３の径が空気層４ａの径の２．２倍超であれば、鉄系材料１との接触面積が大きくなりすぎ、十分な断熱効果を得ることができない。尚、この場合の鉄系材料１と裏当て材３の接触位置は、溶接接合位置とは離れた位置であり、断熱効果の低下に与える影響は小さいため、本発明の必須要件とはしない。
【００３２】
断熱層４がセラミックス系の材料を用いて形成したセラミックス層４ｂである場合は、図８に示すように、裏当て材３の上部を全てセラミックス系の材料を用いて形成したセラミックス層４ｂとする。尚、セラミックス層４ｂに鉄系材料１が接触するため、空気層４ａを断熱層４とした場合のように、鉄系材料１がたわむことはない。従って、断熱性が確保できればそのセラミックス層４ｂの厚みはいくらであっても良い。
【００３３】
次に、断熱層４を上部に形成した裏当て材３を用いて、本発明の異種金属材料のスポット摩擦攪拌接合方法により、鉄系材料１とアルミニウム系材料２を接合する方法を、断熱層４が空気層４ａの場合の実施形態である図５に基づいて説明する。
【００３４】
まず、裏当て材３上に、鉄系材料１とアルミニウム系材料２を、鉄系材料１、アルミニウム系材料２の順で下から重ね合わす。次に、アルミニウム系材料２の表面に、その上方から摩擦ツール５を回転させながらその先端のプローブ５ａから押し込んで、アルミニウム系材料２を塑性流動させる。この状態でアルミニウム系材料２と鉄系材料１を摩擦させることと、塑性流動による発熱により鉄系材料１の表面（界面）温度を上昇させるが、鉄系材料１が接触する裏当て材３の上部には空気層４ａが形成されているため、熱エネルギーの大部分は裏当て材３には流れない。鉄系材料１と裏当て材３は溶接接合位置の周囲では接触するが、溶接接合位置からは直接熱エネルギーが裏当て材３に流れ出ることはないため、溶接接合位置で、鉄系材料２の表面（界面）温度を拡散接合できる適性温度に維持することができる。
【００３５】
この状態で鉄系材料１とアルミニウム系材料２は摩擦攪拌接合されるので、融点の異なる異種金属材料である鉄系材料１とアルミニウム系材料２は、安定した高い接合強度で溶接接合される。
【実施例】
【００３６】
（実施例１）
スポット摩擦攪拌接合装置（川崎重工製：ＦＳＪ定置式システム）を用いて、鉄系材料１とアルミニウム系材料２のスポット摩擦攪拌接合試験を行った。試験体として、鉄系材料１は、５９０ＭＰａ級溶融亜鉛メッキ高張力鋼板（板厚：１．２ｍｍ）、アルミニウム系材料２は、ＡＡ６０２２相当アルミニウム合金板（板厚：１．０ｍｍ）を用いた。これら鉄系材料１とアルミニウム系材料２を溶接接合した溶接継手の形状を図１の（ａ），（ｂ）に示す。溶接継手各部の具体的な寸法は図１の（ａ），（ｂ）に示す通りである。尚、数値の単位はｍｍである。
【００３７】
発明例と比較例の試験に用いたスポット摩擦攪拌接合装置の摩擦ツール５を図２に、発明例の試験に用いたスポット摩擦攪拌接合装置の、鉄系材料１との間に断熱層４(空気層４ａ)を形成した裏当て材３を図３に、比較例の試験に用いたスポット摩擦攪拌接合装置の、鉄系材料１との間に断熱層４(空気層４ａ)を形成しない裏当て材３を図４に夫々示す。
【００３８】
図２中、Ｄｓは摩擦ツール５のツール径であってφ１０ｍｍ、Ｄｐは摩擦ツール５先端のプローブ５ａの径であってφ２ｍｍ、Ｈｐはプローブ５ａの長さであって０．５ｍｍである。また、図３中、Ｄｕは裏当て材３の径であってφ１６ｍｍ、Ｄｋは空気層４ａの径であってφ８ｍｍ、Ｈｋは空気層４ａの厚みであって０．２５ｍｍ、図４中、Ｄｕは裏当て材３の径であってφ１６ｍｍである。尚、図７に示すＤｔは摩擦ツール５先端のプローブ５ａの押込み深さを示す。
【００３９】
すなわち、発明例は、請求項１に示す条件のうち、空気層４ａの径（Ｄｋ）／摩擦ツール５のツール径（Ｄｓ）＝０．８倍、空気層４ａの厚み（Ｈｋ）は０．２５ｍｍであって、請求項１に示す条件を満足する。また、請求項２に示す条件のうち、裏当て材３の径（Ｄｕ）≧摩擦ツール５のツール径（Ｄｓ）、裏当て材３の径（Ｄｕ）／空気層４ａの径（Ｄｋ）＝２．０倍であって、請求項２に示す条件も満足する。
【００４０】
図５に、鉄系材料１とアルミニウム系材料２を発明例のスポット摩擦攪拌接合方法によって溶接接合している状態を示す。このスポット摩擦攪拌接合方法によって鉄系材料１とアルミニウム系材料２を溶接接合した溶接継手を用い、図６に示す方法によって、ＪＩＳ Ｚ３１３６に準拠したせん断引張試験を実施した。また、比較例についても同様にスポット摩擦攪拌接合方法によって、鉄系材料１とアルミニウム系材料２を溶接接合して溶接継手を作製し、図６に示す方法によって、ＪＩＳ Ｚ３１３６に準拠したせん断引張試験を実施した。
【００４１】
せん断引張試験は、発明例、比較例共に、摩擦ツール５の加圧力、回転数、加圧時間、押込み深さを夫々変えて、サンプル数をＮ＝３とし、実施した。合格判定基準は、各サンプルによって得られたせん断力が全て３２００Ｎ以上で、平均せん断力が３５００Ｎ以上のものを合格とした。その試験結果を表１と表２に示す。
【００４２】
【表１】
【００４３】
【表２】
【００４４】
表１に示す比較例では、一部にせん断力が３２００Ｎ或いは３５００Ｎを超えるサンプルが確認できるが、裏当て材３と鉄系材料１との間に断熱層４（空気層４ａ）を形成しない比較例では、安定して高い強度（せん断力）が得られる条件は確認できなかった。一方、表２に示す発明例では、各サンプル共に合格判定基準を全て満たし、請求項１に記載の条件で裏当て材３と鉄系材料１との間に断熱層４（空気層４ａ）を形成すれば、バラツキなく、安定して高い強度（せん断力）が得られることが確認できた。
【００４５】
（実施例２）
実施例１と同様に、スポット摩擦攪拌接合装置（川崎重工製：ＦＳＪ定置式システム）を用いて、鉄系材料１とアルミニウム系材料２のスポット摩擦攪拌接合試験を行った。試験体も実施例１と同様に、鉄系材料１は、５９０ＭＰａ級溶融亜鉛メッキ高張力鋼板（板厚：１．２ｍｍ）、アルミニウム系材料２は、ＡＡ６０２２相当アルミニウム合金板（板厚：１．０ｍｍ）を用いた。
【００４６】
実施例２では、摩擦ツール５の加圧力を２．０ｋＮ 、回転数を２０００ｒｐｍ、加圧時間を５ｓ、押込み深さを０．７ｍｍと固定し、空気層４ａの径（Ｄｋ）、空気層４ａの厚み（Ｈｋ）を夫々変えることにより、適正な空気層４ａの寸法を確認するためのせん断引張試験を実施した。また、空気層４ａの径（Ｄｋ）に応じて一部の裏当て材３の径（Ｄｕ）も変更した。尚、合格判定基準は実施例１と同様とする。
【００４７】
各比較例は、請求項１に示す条件のいずれかを満足しないものであって、Ｎｏ．１８は空気層４ａの径（Ｄｋ）／摩擦ツール５のツール径（Ｄｓ）が０．４倍であって、Ｎｏ．１９は空気層４ａの径（Ｄｋ）／摩擦ツール５のツール径（Ｄｓ）が０．５倍である。一方、Ｎｏ．２０は空気層４ａの径（Ｄｋ）／摩擦ツール５のツール径（Ｄｓ）が１．６倍である。また、Ｎｏ．２１は空気層４ａの厚み（Ｈｋ）が０．１０ｍｍであり、Ｎｏ．２２は空気層４ａの厚み（Ｈｋ）が０．１５ｍｍである。
【００４８】
これに対し、各発明例は、空気層４ａの径（Ｄｋ）／摩擦ツール５のツール径（Ｄｓ）が０．６〜１．４倍、空気層４ａの厚み（Ｈｋ）が０．２０ｍｍ以上という条件を満足する。そのＪＩＳ Ｚ３１３６に準拠したせん断引張試験による試験結果を表３に示す。
【００４９】
【表３】
【００５０】
Ｎｏ．１８とＮｏ．１９は、空気層４ａの径（Ｄｋ）／摩擦ツール５のツール径（Ｄｓ）が０．６倍未満の比較例である。これら比較例では、空気層４ａの周囲の裏当て材３が鉄系材料１に接触する面積が過大となったことで、空気層４ａによる十分な断熱効果を得られず、合格判定基準を満足できなかったと考えられる。
【００５１】
一方、Ｎｏ．２０は、空気層４ａの径（Ｄｋ）／摩擦ツール５のツール径（Ｄｓ）が１．４倍超の比較例である。この比較例では、摩擦ツール５で押し込まれてたわんだ鉄系材料１が裏当て材３に接触してしまったため、空気層４ａによる十分な断熱効果を得られず、合格判定基準を満足できなかったと考えられる。
【００５２】
また、Ｎｏ．２１とＮｏ．２２は、空気層４ａの厚み（Ｈｋ）が０．２０ｍｍ以上という条件を満足しない比較例である。これら比較例では、空気層４ａが薄過ぎ、摩擦ツール５で押し込まれてたわんだ鉄系材料１が裏当て材３に接触してしまったため、十分な断熱効果を得られず、合格判定基準を満足できなかったと考えられる。
【００５３】
これら比較例に対し、Ｎｏ．２３〜２８の発明例は、空気層４ａの径（Ｄｋ）／摩擦ツール５のツール径（Ｄｓ）が０．６〜１．４倍、空気層４ａの厚み（Ｈｋ）が０．２０ｍｍ以上という条件を満足するため、空気層４ａによって十分な断熱効果を得ることができ、合格判定基準を満足したと考えられる。すなわち、以上の試験により、適正な空気層４ａの寸法を確認することができた。
【００５４】
（実施例３）
実施例１と同様に、スポット摩擦攪拌接合装置（川崎重工製：ＦＳＪ定置式システム）を用いて、鉄系材料１とアルミニウム系材料２のスポット摩擦攪拌接合試験を行った。試験体も実施例１と同様に、鉄系材料１は、５９０ＭＰａ級溶融亜鉛メッキ高張力鋼板（板厚：１．２ｍｍ）、アルミニウム系材料２は、ＡＡ６０２２相当アルミニウム合金板（板厚：１．０ｍｍ）を用いた。実施例１と異なるのは、図８に示すように、断熱層４をアルミナ系セラミックスを用いて形成したセラミックス層４ｂとしたことである。
【００５５】
実施例３では、ＪＩＳ Ｚ３１３６に準拠したせん断引張試験は、摩擦ツール５の加圧力、回転数、加圧時間、押込み深さを夫々変えて実施した。合格判定基準は実施例１と同様とする。その試験結果を表４に示す。
【００５６】
【表４】
【００５７】
表４の試験結果によると、全て合格判定基準を満足した。この結果から、断熱層をセラミックス系の材料で形成したセラミックス層とすることでも、十分な断熱効果を得ることができ、バラツキなく、安定して高い強度（せん断力）が得られることができることが確認できた。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明の異種金属材料のスポット摩擦攪拌接合方法で作製した鉄系材料とアルミニウム系材料の溶接継手を示し、(ａ)はその平面図、（ｂ）はその側面図である。
【図２】本発明の異種金属材料のスポット摩擦攪拌接合方法に用いる摩擦ツールを示す縦断面図である。
【図３】本発明の異種金属材料のスポット摩擦攪拌接合方法に用いる裏当て材の一実施形態を示す縦断面図である。
【図４】従来のスポット摩擦攪拌接合方法に用いる裏当て材を示す縦断面図である。
【図５】本発明の一実施形態で、鉄系材料とアルミニウム系材料をスポット摩擦攪拌接合方法により溶接接合している状態を示す縦断面図である。
【図６】せん断引張試験で鉄系材料とアルミニウム系材料の溶接継手の接合強度を確認している状態を示す平面図である。
【図７】摩擦ツール先端のプローブをアルミニウム系材料に押し込んでいる状態を示す縦断面図である。
【図８】本発明の異なる実施形態で、鉄系材料とアルミニウム系材料をスポット摩擦攪拌接合方法により溶接接合している状態を示す縦断面図である。
【符号の説明】
【００５９】
１…鉄系材料（融点の高い金属材料）
２…アルミニウム系材料（融点の低い金属材料）
３…裏当て材
４…断熱層
４ａ…空気層
４ｂ…セラミックス層
５…摩擦ツール
５ａ…プローブ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
融点の異なる異種金属材料を重ね合わせて接合してなる異種金属材料のスポット摩擦攪拌接合方法において、
裏当て材上に、融点が高い金属材料から順に下から重ね合わせて、その上方から回転する摩擦ツールを用いてスポット摩擦攪拌接合するにあたり、
前記裏当て材と前記融点の高い金属材料との間に断熱層を形成し、
前記断熱層を、上面から見て前記摩擦ツールの平面視と同心円状をなす空気層とし、
その空気層の径を前記摩擦ツールのツール径の０．６〜１．４倍、厚みを０．２０ｍｍ以上とすることを特徴とする異種金属材料のスポット摩擦攪拌接合方法。
【請求項２】
前記裏当て材を円柱状とし、その裏当て材の径を、前記摩擦ツールのツール径以上であって、且つ前記空気層の径の１．１〜２．２倍としてなる請求項１記載の異種金属材料のスポット摩擦攪拌接合方法。
【請求項３】
融点の異なる異種金属材料を重ね合わせて接合してなる異種金属材料のスポット摩擦攪拌接合方法において、
裏当て材上に、融点が高い金属材料から順に下から重ね合わせて、上方から回転する摩擦ツールを用いてスポット摩擦攪拌接合するにあたり、
前記裏当て材と前記融点の高い金属材料との間の前記裏当て材上に断熱層を形成し、
前記断熱層を、セラミックス系の材料で形成したセラミックス層としてなることを特徴とする異種金属材料のスポット摩擦攪拌接合方法。
【請求項４】
前記融点の異なる異種金属材料のうち、融点が高い金属材料は鉄系材料、融点が低い金属材料はアルミニウム系材料である請求項１乃至３のいずれかに記載の異種金属材料のスポット摩擦攪拌接合方法。
【請求項１】
融点の異なる異種金属材料を重ね合わせて接合してなる異種金属材料のスポット摩擦攪拌接合方法において、
裏当て材上に、融点が高い金属材料から順に下から重ね合わせて、その上方から回転する摩擦ツールを用いてスポット摩擦攪拌接合するにあたり、
前記裏当て材と前記融点の高い金属材料との間に断熱層を形成し、
前記断熱層を、上面から見て前記摩擦ツールの平面視と同心円状をなす空気層とし、
その空気層の径を前記摩擦ツールのツール径の０．６〜１．４倍、厚みを０．２０ｍｍ以上とすることを特徴とする異種金属材料のスポット摩擦攪拌接合方法。
【請求項２】
前記裏当て材を円柱状とし、その裏当て材の径を、前記摩擦ツールのツール径以上であって、且つ前記空気層の径の１．１〜２．２倍としてなる請求項１記載の異種金属材料のスポット摩擦攪拌接合方法。
【請求項３】
融点の異なる異種金属材料を重ね合わせて接合してなる異種金属材料のスポット摩擦攪拌接合方法において、
裏当て材上に、融点が高い金属材料から順に下から重ね合わせて、上方から回転する摩擦ツールを用いてスポット摩擦攪拌接合するにあたり、
前記裏当て材と前記融点の高い金属材料との間の前記裏当て材上に断熱層を形成し、
前記断熱層を、セラミックス系の材料で形成したセラミックス層としてなることを特徴とする異種金属材料のスポット摩擦攪拌接合方法。
【請求項４】
前記融点の異なる異種金属材料のうち、融点が高い金属材料は鉄系材料、融点が低い金属材料はアルミニウム系材料である請求項１乃至３のいずれかに記載の異種金属材料のスポット摩擦攪拌接合方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１０−１２００５６（Ｐ２０１０−１２００５６Ａ）
【公開日】平成２２年６月３日（２０１０．６．３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２９６８５０（Ｐ２００８−２９６８５０）
【出願日】平成２０年１１月２０日（２００８．１１．２０）
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【出願人】（５０４２２６７３３）神鋼溶接サービス株式会社 (6)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年６月３日（２０１０．６．３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１１月２０日（２００８．１１．２０）
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【出願人】（５０４２２６７３３）神鋼溶接サービス株式会社 (6)
【Ｆターム（参考）】
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