JP2005028378A

JP2005028378A - 重ね継手の摩擦攪拌接合方法

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Publication number: JP2005028378A
Application number: JP2003193994A
Authority: JP
Inventors: Kinya Aota; 欣也青田; Masatoshi Inagaki; 正寿稲垣
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2003-07-09
Filing date: 2003-07-09
Publication date: 2005-02-03

Abstract

【課題】重ね継手の摩擦攪拌接合において、融点が異なる金属を接合する場合には、金属の変形抵抗が異なるため、良好な接合を行うことが困難である。本発明は、この問題を解決する。
【解決手段】複数の部材を重ね合わせ、重ね合わせ部の上方から、回転している接合ツール６で表面側の部材を押圧し、押圧した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、重ね合わせ面を挟んで対向する部材同士の拡散反応により接合する。
この方法によれば、上板１の上面が接合ツール６で押圧され摩擦攪拌層５が形成される。このときの押圧により接合界面３が密着し、摩擦熱により上板１と下板２との金属同士を拡散反応させて反応層４を形成させることができる。これにより金属的に上板１と下板２とを接合することができる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、接合ツールを用いる摩擦攪拌接合方法により、重ね継手を接合する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
摩擦攪拌接合技術によって重ね継手を接合する従来技術としては、先端面が平面状もしくは先端面に凹部を有する接合ツールを用い、その接合ツールを一方の部材側に圧入して摩擦攪拌させ、かつ、他の部材も摩擦攪拌することにより両者を接合する方法がある（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−３１４９８１号公報（特許請求の範囲）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
融点が異なる金属は、それぞれの金属の変形抵抗が異なるために、両方の部材を摩擦攪拌させて重ね接合することは困難である。例えばアルミニウムとニッケルを重ね接合する場合には、アルミニウムの融点は６６０℃、ニッケルの融点は１４５５℃である。そのため、上板がアルミニウムの場合に、下板であるニッケルが高融点で変形抵抗も大きいため塑性流動せず、接合できない問題がある。また、接合ツールを圧入する部材の板厚が厚い場合には、摩擦攪拌する深さには限界があるため接合できない問題がある。
【０００５】
本発明の目的は、融点が異なる金属の摩擦攪拌接合による重ね接合を可能にすることにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、複数の部材の重ね接合において、上板側にのみ接合ツールを押圧し、上板の表面近傍のみ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反応により接合することにある。
【０００７】
摩擦攪拌接合による重ね継手において、接合ツールを上板と下板の両方に圧入した場合には、接合部に下板まで達する大きな穴があくという外観上からも好ましくない問題が生じる。このため、本発明では、上板側にのみ接合ツールを圧入する。
【０００８】
一方の部材側にのみ接合ツールを圧入して重ね接合する方法においては、摩擦攪拌により重ね面に押圧力が作用して、重ね面が密着される。さらに、摩擦熱により、重ね面において上板の金属と下板の金属とが拡散反応により反応層が形成される。これにより上板と下板とが接合される。この方法によれば、異種金属の接合も可能になる。また、同種材の接合では、接合面に反応層は形成されず、部材間の相互拡散により接合が行われる。
【０００９】
本発明で用いる接合ツールは、円柱状をしており、先端には小径のピンがついていないものが望ましい。また、接合される部材に圧入されるツール先端の外周面には、丸みがついていることが望ましい。
【００１０】
本発明では、接合ツールを上板側の部材の内部深くまで押し込む必要はない。むしろ、それは避けて、表面のみを押圧する程度に留めるべきである。
【００１１】
接合部材の重ね面に軟質金属をめっきしておくと、重ね面をより密着しやすくすることができる。このため、反応層が形成されやすくなる。軟質金属としては、ニッケル，亜鉛，銅，錫などが特に有効である。
【００１２】
また、一方の部材の重ね面に溝部を設け、もう一方の部材の重ね面に突起部を設けて、前記溝に他方の突起部を嵌合し、その状態で接合するようにすれば、接合ツールと重ね面の距離を短くすることができる。この方法は、より厚板を接合する場合に適する。
【００１３】
また、本発明は、接合ツールを押圧し、一定時間押圧したまま保持したのち引上げて、いわゆるスポット接合を行うのにも適用できる。
【００１４】
また、本発明は、接合ツールを押圧したままで接合方向に移動することにより、連続的に接合する連続接合にも適用できる。この場合、接合ツールの回転軸を接合方向と反対側に傾斜させておき、その状態で移動させることが望ましい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
実施例１
第１の実施例を図１及び図２により説明する。図１は接合後の断面図を示し、図２は接合中の断面図を示す。本実施例において、上板１と下板２の接合界面３には最大厚さ約０．２μｍの反応層４が形成されており、金属的に上板１と下板２とが接合されている。また、上板１の上面側には摩擦攪拌層５が最大０．１ｍｍの厚さで形成されている。以下、接合プロセスを詳細に示す。
【００１６】
上板１の材質はＪＩＳ規格Ｃ１０２０−１／２Ｈの無酸素銅であり、下板２はＪＩＳ規格ＳＰＣＣの冷間圧延鋼板である。板厚はいずれも１ｍｍである。これらの試験片を治具９の上に配置した。接合ツール６の材質はサイアロンセラミックであり、直径は１０ｍｍである。さらに、接合ツール６の先端外周面８には曲率半径１ｍｍの丸みを設けた。この接合ツール６を５，０００ｒｐｍで回転させながら、降下速度１０ｍｍ／ｍｉｎで上板１を押圧する。この押圧により接合界面３で上板１と下板２とが密着する。その後、押圧した状態で１秒間保持した後、上昇速度１０ｍｍ／ｍｉｎで接合ツール６を引上げて接合は完了する。また、この接合ツール保持により、接合ツール６と上板１との接触面７において発生した摩擦熱が接合界面３の温度を上昇させる。そのため、上板１と下板２とのあいだの金属が拡散反応して反応層を形成して両者を金属的に接合することができる。反応層４の厚さは最大で０．２μｍである。この反応層の厚さは接合ツール６の回転数が大きいほど厚くなり、接合ツール６の保持時間が長いほど厚くなる。しかしながら、この反応層は脆い金属間化合物であるため厚すぎると疲労強度が低下するので、できるだけ薄い方が望ましいが、まったくないと接合されないため、厚さを最小限にする接合条件を選定することが望ましい。
【００１７】
上板１および下板２の材質であるが、本実施例では、異種金属を用いているが、同種の金属の接合にも適用できる。
【００１８】
また、融点が異なる金属の接合の場合には低融点の金属を上板１にした方がよい。なぜならば、接触面７で発生する摩擦熱は上板１の融点に比例するため、接合界面３での温度を低くできるからである。これにより、反応層４の厚さを最小限にすることができる。そのため、本実施例では上板１に無酸素銅、下板２に冷間圧延鋼板を選定した。ただし、上板１の板厚が厚くて、接合界面３の温度が低すぎる場合には高融点金属を上板１に用いた方がよい。
【００１９】
また、下板２がステンレス鋼の場合には、その表面にクロム酸化皮膜が生成しており、この皮膜は熱力学的に安定で、他の金属と反応層を形成しにくい性質がある。そのため、ステンレス鋼にニッケルめっきを施すことが有効である。ニッケルは無酸素銅と反応しやすいため、ステンレス鋼と無酸素銅の接合に有効である。このように、めっき層を適切に選定することにより反応層の形成を制御することが可能である。
【００２０】
表１は、接合部のせん断破断荷重を示したものである。いずれの試験片も板厚１ｍｍの重ね接合であり、試験片の幅は２０ｍｍとした。無酸素銅／ニッケルめっきステンレス鋼，無酸素銅／冷間圧延鋼板，無酸素銅／無酸素銅の重ね接合において、ともに破断位置は無酸素銅側であり、摩擦攪拌層５と熱影響部との境界で破断しており、良好な接合が可能である。
【００２１】
【表１】

【００２２】
実施例２
図３は、第２の実施例における接合前の断面図を示す。また、図４は、接合後の断面図を示す。実施例１と異なる点は、上板１に溝部２０を設け、下板２に突起部２１を設けて、溝部に突起部を嵌合させたことである。これにより、上板１の厚さよりも接合部の厚さを薄くできるため、より厚い板厚まで接合することができる。
【００２３】
実施例３
図５は、第３の実施例における接合中の斜視図を示す。本実施例では接合ツール６を回転させながら接合方向に移動することにより連続的に上板１と下板２とを接合する例である。連続接合に対しても本発明は適用可能である。図６に接合中の断面図を示す。連続接合の場合には接合ツール６の回転軸を接合方向とは反対側、すなわち後進角側に傾斜させることが望ましい。本実施例では傾斜角を２°とし、接合ツール６の移動速度を１２０ｍｍ／ｍｉｎで接合して、接合可能であることを確認できた。
【００２４】
【発明の効果】
本発明によれば、同種金属または異種金属を摩擦攪拌接合技術により重ね接合することが可能である。また、厚板の接合が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施例における接合後の断面図。
【図２】第１の実施例における接合中の断面図。
【図３】第２の実施例における接合前の断面図。
【図４】第２の実施例における接合後の断面図。
【図５】第３の実施例における接合中の斜視図。
【図６】第３の実施例における接合中の断面図。
【符号の説明】
１…上板、２…下板、３…接合界面、４…反応層、５…摩擦攪拌層、６…接合ツール、７…接触面、８…先端外周面、９…治具、２０…溝部、２１…突起部。

Claims

複数の部材を重ね合わせ、回転している接合ツールで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、前記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反応により接合することを特徴とする重ね継手の摩擦攪拌接合方法。
請求項１において、前記対向する部材同士の拡散反応により、接合界面に金属の反応層を形成させることを特徴とする重ね継手の摩擦攪拌接合方法。
請求項１または２において、前記接合ツールとして円柱状の形をし、且つ先端外周面に丸みがあるツールを用いることを特徴とする重ね継手の摩擦攪拌接合方法。
請求項１または２において、前記部材の重ね面に軟質金属をめっきしたことを特徴とする重ね継手の摩擦攪拌接合方法。
請求項４において、前記軟質金属はニッケル，亜鉛，銅，錫のいずれかであることを特徴とする重ね継手の摩擦攪拌接合方法。
請求項１〜５のいずれかにおいて、重ね合わせ面を挟んで対向する２つの部材の一方には重ね面に溝を設け、他方の部材には重ね面に前記溝に嵌合される突起部を設け、前記溝に前記突起部を嵌合して接合することを特徴とする重ね継手の摩擦攪拌接合方法。
請求項１〜６のいずれかにおいて、前記接合ツールの押圧と引き上げを繰り返して、スポット接合を行うことを特徴とする重ね継手の摩擦攪拌接合方法。
請求項１〜６のいずれかにおいて、前記接合ツールで押圧したまま該ツールを接合方向に移動させて連続的に接合することを特徴とする重ね継手の摩擦攪拌接合方法。
請求項８において、前記接合ツールの回転軸を接合方向と反対側に傾斜させながら移動することを特徴とする重ね継手の摩擦攪拌接合方法。