CN105358286B

CN105358286B - 摩擦压焊方法

Info

Publication number: CN105358286B
Application number: CN201480038875.9A
Authority: CN
Inventors: 冈田徹; 泰山正则; 西畑瞳
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2013-08-01
Filing date: 2014-07-31
Publication date: 2018-09-28
Anticipated expiration: 2034-07-31
Also published as: TWI560014B; CN105358286A; TW201515750A; JPWO2015016319A1; US20160158878A1; US10022816B2; KR20160022385A; JP6249019B2; MX2016000760A; KR101841371B1; WO2015016319A1

Abstract

本发明提供一种摩擦压焊方法，其特征在于：在金属构件的摩擦压焊中，以在一对金属构件的相对的面即接合面之间夹持下述嵌入件的状态开始摩擦压焊，使嵌入件熔化、挤出，其中所述嵌入件由具有金属构件的熔点(摄氏温度)的60～80％的熔点(摄氏温度)的金属形成。由此，可以去除以往那样由高温加热带来的弊病，同时能够以短时间得到与以往同等以上的接合品质。

Description

摩擦压焊方法

技术领域

本发明涉及适合对金属构件彼此进行接合的摩擦压焊方法。

背景技术

作为对金属构件彼此进行接合的方法之一，提出了摩擦压焊。摩擦压焊是使成为被接合材的金属构件的接合面彼此接触，一边对该接合面进行加压一边使其机械地相对运动，将产生的摩擦热作为加热源进行压焊的方法。

关于构件的相对运动，例如有以与接触面垂直的轴为中心的旋转运动及与接触面平行的方向的往复运动等。摩擦压焊由于不利用通电加热，所以不需要大型的电源设备，可用比较简单的设备得到尺寸精度高的制品。因此，适用于实施了精加工的部件的接合等。此外，与一般的焊接不同，还可进行异种金属材料间的接合，因而应用领域广。因此，已在汽车用的阀门等多种精密机械部件等中应用。

摩擦压焊中，加热到接近金属构件的熔点，利用接合面附近的塑性流动所产生的密合性是必要的。因此，在接合面附近容易产生变形，此外金属构件的热影响区扩大，在强度或材料特性方面产生不良影响。因此提出了作为控制金属构件的热影响的方法的多种方法。

专利文献1中公开了在摩擦压焊热容量不同的金属构件时，在金属构件之间插入作为旋转体的嵌入件，分别对两构件进行温度控制，同时使嵌入件旋转而进行摩擦接合的方法。在专利文献1的摩擦压焊方法中，可通过嵌入件来对一对金属构件进行接合。

专利文献2中为谋求接合温度的低温化，提出了通过摩擦压焊法将液相扩散接合中所用的非晶质合金箔(钎焊用钎料)预先与金属构件接合。也就是说，成为一次接合的摩擦压焊可在钎料(非晶质金属箔)的熔点以下的温度下进行，成为二次接合的液相扩散接合(钎焊)可在钎料(非晶质金属箔)的熔点左右的温度下进行。因此，与通常的摩擦压焊相比可低温化，因而变形量小，能够减小金属构件的热影响区。可是，专利文献2的方法本质上是对金属构件进行液相扩散接合，不是摩擦压焊。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2009-101374号公报

专利文献2：日本特开2006-159212号公报

非专利文献

非专利文献1：久曾神他“关于碳钢的摩擦压焊的研究”1976年4月1日日本机械学会论文集(C编)P1406～1414

发明内容

发明要解决的问题

在成为被接合材的金属构件的接合面中存在氧化物(包含自然氧化膜，起因于母材的金属氧化物。以下简称为氧化物。)。在进行摩擦压焊这样的固相接合时，从接合面除去氧化物是重要的。因为如果在接合界面中残留氧化物，则该部分成为缺陷，使接合强度下降。另外，因为还有氧化物成为裂纹的发生源，使断裂韧性显著劣化的顾虑。

在通常的摩擦压焊中，接合面附近因高温化而软化。因此，在进行压焊时，该软化区产生塑性流动，连氧化物一齐向构件的外部挤出。其成为毛刺。通过该塑性流动除去氧化物，使纯净的金属面彼此密合，可以得到无缺陷的接合材。

可是，为了挤出氧化物，有必要产生足够量的塑性流动。因此，需要增加热量输入量，尽量达到高温。由于金属构件的尺寸越大塑性流动量越增加，因此热量输入量增大。

例如在为钢时，为了确保足够量的塑性流动，提高接合强度，最高到达温度达到1300～1400℃(非专利文献1)。已知一般的低碳钢的熔点为1400℃～1500℃的范围，因此是非常高温的。在如此进行高温加热时，要产生充分的摩擦热则需要时间，难以缩短接合时间。

另外，因加热时间变长而通过热传导使金属构件的热影响区扩大，使该热影响区的材料特性发生变化。因此，出现不能确保如设计那样的强度及功能等问题。

例如，在对钢材进行摩擦压焊时，接合部的周边在宽的范围内温度上升，形成热影响区(以下称为HAZ(Heat Affected Zone)。)。接合界面一旦被加热到奥氏体区域并被骤冷，因而成为马氏体组织，有时产生显著的HAZ硬化。在为淬火钢等马氏体钢时，只有在HAZ区被加热到温度低于Ac1点的区域被回火，产生所谓的HAZ软化。因此在为淬火钢时，有在HAZ区的一部分中产生强度下降、接合构件整体的强度下降的顾虑。

另外，因高温加热而软质化的区域通过顶锻加压(压紧)而产生塑性流动，向外部排出，其成为毛刺。在为金属材料时，如果接合部的加热温度高则软化区域也扩展，因此在接合部周边的宽的范围产生塑性流动，不仅变形量增大，而且毛刺量也增大。因此最终制品的精度恶化，需要除去毛刺等加工(切削加工等)，多余地需要劳力和成本。此现象并不局限于钢，铝、钛、铜等金属材料也出现同样的情况。

本发明是为解决这样的问题而完成的，其目的是在金属构件的摩擦压焊中，去除以往那样由高温加热带来的弊病，同时以短时间得到足够的接合强度。

用于解决课题的手段

本发明人们进行了锐意的研究，结果得到以下的见识。

(a)发现了：在金属构件的摩擦压焊方法中，在将熔点比金属构件低的嵌入件配置在金属构件之间实施摩擦压焊时，能够与熔化的嵌入件的流动一同将接合面的氧化物(氧化皮膜)除去。由此，不用将金属构件加热至必要以上，只要使嵌入件熔化就能将存在于金属构件的接合面中的氧化物(包括氧化皮膜)除去。

(b)发现了：仅夹着嵌入件而进行加热、压紧，不能将接合面上的氧化物完全除去。

也就是说，认为通过接合面的相对的运动(例如旋转运动等)，将接合面上的氧化物剥离，或形成易剥离的状态，除此以外，通过熔化的嵌入件的流动，将该剥离的氧化物刮取，然后冲走。由此，能够显著提高接合面的纯净度，能够得到无缺陷的接合界面。

(c)发现了：为了最大限度地得到上述效果，优选使嵌入件的熔点比接合所需的加热温度(压焊温度)低50℃左右。这是因为：如果使嵌入件的熔点低至必要以上，则在氧化物的剥离未发展时将嵌入件向外部挤出。

这样一来，尽管与以往的摩擦压焊相比为低温，但能够将除去了氧化物的纯净接合面彼此进行压焊，确保金属构件的密合性，得到高的接合强度。另外，因加热温度低而能缩短接合时间。

而且，尽管金属材料因材质而使熔点变动，但发现能够以与金属构件的熔点(摄氏温度)的比率近似地表示嵌入件的熔点。也就是说，发现了最好以达到金属构件熔点(摄氏温度)的60％～80％的温度(摄氏温度)的方式选择嵌入件的熔点。

本发明是基于上述见识而完成的，作为其主旨如下所述。

(1)一种摩擦压焊方法，其是一对金属构件的摩擦压焊方法，其特征在于：以在所述金属构件的相对接合的面即接合面之间夹持下述嵌入件(也可以称为嵌入材料)的状态开始摩擦压焊，使所述嵌入件熔化，并将所述嵌入件从所述一对金属构件之间挤出，其中所述嵌入件由具有所述金属构件的熔点(摄氏温度)的60～80％的熔点(摄氏温度)的金属形成，也就是说将熔化的所述嵌入件从所述相对的接合面之间挤出。

(2)根据上述(1)所述的摩擦压焊方法，其特征在于：所述嵌入件的厚度为10～500μm。

(3)根据上述(1)或(2)所述的摩擦压焊方法，其特征在于：所述嵌入件覆盖至少一方的所述接合面。

(4)根据上述(1)～(3)中任一项所述的金属构件的摩擦压焊方法，其特征在于：压焊时的温度比所述嵌入件的熔点(摄氏)高50℃以上。

(5)根据上述(1)～(4)中任一项所述的金属构件的摩擦压焊方法，其特征在于：摩擦压焊后，在所述金属构件之间未残留有所述嵌入件。

(6)根据上述(1)～(5)中任一项所述的金属构件的摩擦压焊方法，其特征在于：所述金属构件为钢。

发明效果

根据本发明，在金属构件的摩擦压焊接合中，能去除以往那样由高温加热带来的弊病，以短时间进行接合，可得到与以往同等以上的接合强度。

附图说明

图1是用于说明本发明的一个实施方式所涉及的摩擦压焊方法的图。

具体实施方式

以下，对本发明所涉及的摩擦压焊方法进行说明。本发明所涉及的摩擦压焊方法是以在一对金属构件之间夹着嵌入件的状态进行摩擦压焊的方法。这里，将一对金属构件的相对地接合的面称为接合面。此外，将接合一对金属构件的材料称为接合材。此外，将接合材的接合界面附近称为接合部。另外，在本发明中，有关温度的用语(例如熔点等)，只要不特别说明，都表示摄氏温度(℃)。

图1是用于说明本发明的一个实施方式所涉及的摩擦压焊方法的图。再者，在图1中，示出接合圆柱状的金属构件1、2的情况，但本发明所涉及的摩擦压焊方法对金属构件的形状没有特别的限定，也能应用于具有其它形状(例如圆筒形状、方柱形状等)的钢材的接合。

如图1(a)所示，将金属构件1、2以其中间夹着圆板状的嵌入件3的状态相互对接。嵌入件3由其熔点以摄氏温度计为金属构件1、2的60％～80％的温度的金属形成。例如，在金属构件1、2为钢时，只要是相对于钢的熔点(1500℃左右)具有900℃～1200℃范围的熔点的金属即可。作为嵌入件3的材料，可列举出Cu、Fe、Ni、Au系合金等。嵌入件3的厚度例如优选为10～500μm。优选嵌入件覆盖至少一方的金属构件的接合面。

在本实施方式中，将金属构件1保持在摩擦压焊装置(未图示)的旋转保持部(未图示)中，将金属构件2固定在摩擦压焊装置(未图示)的固定部(未图示)上。将金属构件1经由嵌入件3轻轻地向金属构件2压紧，形成金属构件1、2夹持嵌入件3的状态。此时，从作业性的观点出发，也可以用通过粘接剂等将嵌入件3安装在被固定的金属构件2的接合面上。以此状态开始摩擦压焊。

再者，本发明的摩擦压焊方法能够采用公知的摩擦压焊装置或者采用在公知的摩擦压焊装置中加入了简单的设计变更的装置进行实施，因此将摩擦压焊装置的详细说明省略。

接着，如图1(b)所示，在本实施方式中，一边使金属构件1高速旋转一边延轴向移动，经由嵌入件3向钢材2压紧。嵌入件3通过从金属构件1、2接受压力而得到保持，同时与两构件相对地旋转。由此，在钢材1和嵌入件3的接触部及钢材2和嵌入件3的接触部分别产生摩擦热。通过该摩擦热，嵌入件3被加热熔化。再者，金属构件1的转速及压紧力可根据钢材1、2及嵌入件3的尺寸、材质、摩擦压焊装置的种类等来决定。例如，在金属构件为钢时，只要按旋转速度1000～4000rpm、压紧力30～300MPa的范围适宜设定即可。此外，本实施方式只使金属构件1旋转，但也可以使两构件旋转。在这种情况下，如果使金属构件1、2逆旋转，则相对的转速增加，因此是优选的。当然，相对的运动并不限定于旋转，也可以是直线的往复运动等。只要是产生摩擦热的运动方式，其形态没有限定。

接着，如图1(c)所示，通过进一步压紧金属构件1、2，从金属构件1、2之间挤出熔化的嵌入件3，使金属构件1和金属构件2直接接触而进行接合。此时，将金属构件1、2的接合面上的氧化物剥离，将其与熔化的嵌入件一同被排出到外部。

通常，金属构件的接合面上存在氧化物。例如，在金属构件为钢时，Fe₂O₃或钢中的Si及Mn的氧化物即SiO₂及MnO存在接合面上。在金属构件为铝时，Al₂O₃(所谓氧化铝)存在接合面上。该氧化物通过高温和旋转力(由相对运动所形成的力)从金属构件剥离或者容易剥离。在那里熔化的嵌入件以通过压紧而向外部挤出的方式流动，因此也以被其冲走的方式将接合面上的氧化物挤出到外部。

这样，由于在嵌入件及没有氧化物等杂质的纯净度高的接合面彼此接触，因此可得到接合强度高、良好的接合材。此时的接合部的温度由于比嵌入件的熔点高50℃左右，所以比以往的摩擦压焊的温度低，但对于得到密合性而言为足够的温度。

然后，将从接合面排出的嵌入件3除去，完成由金属构件1、2构成的接合件。尽管与以往的摩擦压焊相比为低的温度，但能够得到无缺陷、接合强度高的接合件。

在以往技术中，由于通过金属构件本身的塑性流动而将氧化物排出到外部，所以相当量的金属构件的塑性流动是必要的。可是，在本发明中，由于将氧化物的排出委托给熔化的嵌入件，所以不发生金属构件本身的流动量，即使有，也只要比较少量为好。因此，能够控制金属构件的变形，并能够提高完成的接合件的精加工精度。

此外，由此能够防止金属构件1、2的宽的范围达到高温，因此能够防止在接合部周边的宽的范围形成HAZ。其结果是，HAZ软化区也缩小，能够抑制作为接合件的强度下降。

[嵌入件]

以金属构件为钢时为例对本发明所涉及的嵌入件进行说明。

[嵌入件的熔点]

在为钢时，已知接合面温度为1000℃左右时，容易密合，结合力(接合强度)提高(非专利文献1)。这里将该压焊所需的温度称为压焊温度。已知压焊温度与熔点具有某种程度的相关关系。在本发明人们的研究中，确认以S15C钢(熔点：大约1500℃)、以嵌入件熔点900℃、压焊温度950℃，能够充分地进行接合。也就是说，嵌入件的熔点为钢的熔点的60％，压焊温度为63％。再者，压焊温度通过将热电偶埋入在固定夹头侧的接合体中心部的接合界面附近而进行测定。另一方面，在以往的摩擦压焊中，接合面的加热温度达到1300～1400℃(非专利文献1)。也就是说，达到钢的熔点的90％左右。已知以往的方法是相当的高温。

如本发明的课题那样，如果摩擦压焊时加热温度过高则HAZ扩展，产生强度下降等弊病。因而需要接合面的加热温度比以往的加热温度低，因此优选规定为低于1300℃。这样一来，能够缩短加热时间，抑制HAZ宽度，能够去除由高温化带来的弊病。

根据本发明人们的研究结果，发现了：在为钢时，优选将嵌入件的熔点规定为900℃～1200℃，最好使接合面的加热温度(压焊温度)比嵌入件的熔点高50℃左右。

一般来讲，钢等金属的熔点根据其成分组成而变化。如果熔点低，则压焊温度也降低，接合面的最高加热温度也非降低不可。如前所述压焊温度与熔点具有某种程度的相关关系，看作近似于具有比例关系。因而，在本发明中，按相对于金属构件的熔点的比率表示嵌入件的熔点。在上述的S15C钢时，熔点为大约1500℃，可以将嵌入件的熔点设定在为母材的金属构件的熔点的60％～80％。而且，可将压焊时的接合面温度(压焊温度)设定为比嵌入件的熔点高50℃左右的温度。如果是普通的钢，只要在该范围就能进行良好的压焊。

此外，例如在高碳钢(C：2％)时，熔点达到1150℃左右。通过使熔点低温化，压焊温度也低温化。即使在此种情况下，也可使用具有相当于成为母材的钢的熔点的60％的700℃的熔点的嵌入件，在750℃的压焊温度下进行摩擦压焊。

考虑到如果接合温度为高温则接合性提高，优选将压焊温度规定为嵌入件的熔点的70℃以上，更优选规定为嵌入件的熔点的80℃以上。压焊温度的上限没有特别的设定，高的话，也为与以往同样的金属构件的熔点的90％左右。

嵌入件的材质没有特别的限定，可从Cu、Fe、Ni、Au系合金等中通过调整熔点来得到。例如，能够使用钎焊材料等。例如，已知有Ni-3.5％Si-8％B-11％V合金(熔点：1073℃)、Fe-2.5％Si-12％B-8％V合金(熔点：1122℃)及Ni-0.8％Si-15％P-7％V合金(熔点：942℃)(都参照专利文献2)。

[嵌入件的厚度]

嵌入件如果加热到熔点左右则软化，通过压紧而产生塑性流动。所以，如果嵌入件的厚度过薄，则在达到嵌入件的熔点之前金属构件的接合面彼此就相接触，有在接合面之间不具有嵌入件的可能性。因此，优选将嵌入件的厚度规定为10μm以上。从操作性、可制造性等观点出发，优选规定为25μm以上，更优选规定为50μm以上。

另一方面，如果嵌入件过厚，则嵌入件的加热时间延长，而且从接合面之间排出嵌入件所需的时间延长。由此，热传导给金属构件的热量增加，结果有HAZ宽度扩大的可能性。因此，最好将嵌入件的厚度规定为500μm以下。因降低厚度带来的缩短加热时间的效果大，因而优选规定为300μm以下，更优选规定为150μm以下。

[嵌入件的形状]

嵌入件的形状没有特别的限定。在嵌入件熔化，从接合面挤出时，只要通过整个接合面就无问题。这是因为：即使是一部分，但只要有嵌入件不通过的部分，就有不能将该部分的氧化物除去的顾虑。因此，从提高金属构件的接合面上的氧化物的排出效果的观点出发，优选规定为能够覆盖至少一方的接合面的尺寸。这是因为：由此能够使嵌入件充满整个接合面，并能够确实地排出接合面上的氧化物。

确认以上的见识也能用于钢以外的金属，如果以熔点为基准，则为大致相同的数值范围。作为钢以外的金属，主要可列举出Al、Ti、Cu等的合金。

实施例

实验中，使用钢材作为金属构件。以下示出实验中使用的钢材及嵌入件。

钢材：Fe-0.45％C-0.2％Si-0.7％Mn

熔点：大约1440℃

直径20mm×长度100mm的圆柱形

两端面通过机械加工而精加工成平面

嵌入件：Cu-35％Zn合金

熔点：930℃

直径22mm×厚度100μm(0.1mm)的圆盘状

准备两根上述钢材，在同轴上将1根放置在固定夹头上，将另一根放置在旋转夹头上，使夹头沿轴向移动，放置成用两钢材夹持嵌入件(参照图1(a))。然后将旋转夹头旋转，以压紧两钢材的方式使夹头移动(参照图1(b))。将此时的转速规定为恒定1800rpm，以摩擦压力200MPa、摩擦时间3s(s表示秒(second)。以下相同。)、顶锻压力300MPa、顶锻时间3s进行接合。

关于接合的评价，采用接合件(两钢材被接合而成为1根钢材)进行拉伸试验，以断裂强度比(断裂强度/母材强度)及断裂部位进行评价。

此外，作为比较例，使用相同的钢材，不插入嵌入件地进行以往的摩擦压焊。比较例1中将摩擦时间规定为2s，比较例2中将摩擦时间规定为3s。其它条件与插入嵌入件时相同。

试验结果示于表1。

表1

实施例及比较例1因在接合界面以外发生断裂，所以认为接合本身良好。

此外，对接合部的硬度分布进行了测定，结果是：在实施例中从接合界面到HAZ最软化区的距离为大约1.5mm，而在比较例1中为大约3mm。也就是说，确认了实施例中的HAZ宽度变窄。

从实施例和比较例1的断裂强度比进行了考察，因比较例1的断裂强度比为0.95，所以认为尽管高温加热的影响微小但也仍然表现出来。由此确认了：利用本发明所涉及的摩擦压焊所形成的接合材尽管是比较低温下的接合，但仍具有与以往同等的接合强度，而且HAZ宽度变窄。

比较例2因在接合界面发生断裂，而认为接合本身不充分。作为原因，认为因接合时间短、低温而使塑性流动不充分，接合面上的氧化物残留，和因密合性差而在固相接合不充分时被冷却。接合体的外周部虽被加热至1000℃以上，但中心部因没有获得圆周速度而没有产生摩擦热，因此需要通过来自周围的热传导来进行加热。也就是说，认为如果接合时间过短，则中心部不能充分进行接合，因此接合强度下降。另一方面，在实施例中，从接合时间2s左右开始排出嵌入件。这意味着接合界面整体达到嵌入件的熔点以上。也就是说，认为通过夹着嵌入件，与以往方法相比中心部的接合界面温度更容易上升。

由以上确认了：根据本发明所涉及的摩擦压焊，即使在比以往方法低的温度下，也可得到与以往同等以上的接合品质。

再者，显然本发明所涉及的摩擦压焊方法的实施方式并不限定于上述的方式。

工业上的可利用性

根据本发明，即使在对钢等金属构件彼此进行接合时，也能够以低温进行接合，且可得到与以往同等以上的接合品质。因此，本发明可用于精密机械部件的制造等。

符号说明

1、2：金属构件

3：嵌入件

Claims

1.一种摩擦压焊方法，其是一对金属构件的摩擦压焊方法，其特征在于：以在所述金属构件的相对接合的面即接合面之间夹持下述嵌入件的状态开始摩擦压焊，压焊时的温度比所述嵌入件的以摄氏表示的熔点高50℃以上，使所述嵌入件熔化，并将所述嵌入件从所述一对金属构件之间挤出，其中所述嵌入件由以成为所述金属构件的熔点的60～80％的熔点的方式进行了调整的金属形成，所述熔点以摄氏温度表示。

2.根据权利要求1所述的摩擦压焊方法，其特征在于：所述嵌入件的厚度为10～500μm。

3.根据权利要求1或2所述的摩擦压焊方法，其特征在于：所述嵌入件覆盖至少一方的接合面。

4.根据权利要求1或2所述的摩擦压焊方法，其特征在于：摩擦压焊后，在所述金属构件之间未残留有所述嵌入件。

5.根据权利要求3所述的摩擦压焊方法，其特征在于：摩擦压焊后，在所述金属构件之间未残留有所述嵌入件。

6.根据权利要求1或2所述的摩擦压焊方法，其特征在于：所述金属构件为钢。

7.根据权利要求3所述的摩擦压焊方法，其特征在于：所述金属构件为钢。

8.根据权利要求4所述的摩擦压焊方法，其特征在于：所述金属构件为钢。

9.根据权利要求5所述的摩擦压焊方法，其特征在于：所述金属构件为钢。