CN107107255A - 接合方法及复合轧制件的制造方法 - Google Patents

接合方法及复合轧制件的制造方法 Download PDF

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Abstract

一种接合方法，能将不同种类的金属构件理想地接合。所述接合方法的特征在于，包括：准备第一金属构件(1)和第二金属构件(2)的准备工序，其中，所述第一金属构件具有第一上表面(1b)、第一下表面(1c)和将第一上表面(1b)与第一下表面(1c)连接的第一倾斜面(1a)，所述第二金属构件具有第二上表面(2b)、第二下表面(2c)和将第二上表面(2b)和第二下表面(2c)连接的第二倾斜面(2a)，第二金属构件(2)的熔点比第一金属构件(1)的熔点高；使第一倾斜面(1a)与第二倾斜面(2a)对接来形成对接部(J)的对接工序；仅从第一上表面(1b)插入旋转的旋转工具(F)，并且在使仅搅拌销(F2)与至少第一金属构件(1)接触的状态下，使旋转工具(F)沿着对接部(J)相对移动，从而将第一金属构件(1)和第二金属构件(2)接合的接合工序。

Description

接合方法及复合轧制件的制造方法
技术领域
本发明涉及一种接合方法及复合轧制件的制造方法。
背景技术
例如，在专利文献1中公开了一种通过旋转工具将材料不同的金属构件彼此摩擦搅拌接合的技术。在现有的摩擦搅拌接合中，将旋转工具的搅拌销插入对接部并将轴肩部的下端面插入两个金属构件数毫米左右，使旋转工具沿对接部相对移动。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开2002－66765号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
在现有的摩擦搅拌接合中，通过旋转工具的搅拌销和轴肩部，对金属构件彼此的对接部进行摩擦搅拌，但是在金属构件彼此的软化温度差较大的情况下，很难将金属构件彼此的对接部理想地接合。
一般来说，在将软化温度不同的金属构件彼此的对接部摩擦搅拌接合的情况下，需要调节接合条件以增大进热量，来使软化温度较高的金属构件软化。例如，在将铝合金构件与铜合金构件的对接部摩擦搅拌接合的情况下，由于铜合金构件的软化温度比铝合金构件的软化温度高，因此，需要调节接合条件以增大进热量，来使铜合金构件软化。当在这样使进热量变大的接合条件下，将铝合金构件与铜合金构件搅拌混合时，Al/Cu的界面的面积增加，并且在Al/Cu的界面之间发生相互扩散，使得Al-Cu相成为液相，从接合部产生大量的毛边，从而导致接合不良。此外，在进热量变小的接合条件下，由于铜合金构件没有充分软化，因此，旋转工具与铜合金构件间的摩擦阻力过度变大，而使施加于旋转工具及摩擦搅拌装置的载荷增大，从而使接合变得困难。
此外，当在进热量变大的接合条件下进行摩擦搅拌接合时，若旋转工具的轴肩部与不同的金属构件彼此接触，则由于进热量进一步变大，因此，这些构件的温度会进一步上升，存在从接合部产生大量的毛边而导致接合不良的可能性。此外，当在进热量变小的接合条件下进行摩擦搅拌接合时，若旋转工具的轴肩部与不同的金属构件彼此接触，则由于摩擦阻力进一步变大，因此，存在如上所述那样施加于摩擦搅拌装置的载荷增大而导致接合变得困难的可能性。
顺便提一下，由于假设金属构件的软化温度(K)与金属构件的熔点(K)大致成正比也可认为没有问题，因此，在本说明书中，将软化温度较高的金属构件按熔点较高的金属构件对待，并将软化温度较低的金属构件按熔点较低的金属构件对待。
从这种观点出发，本发明的技术问题在于提供一种能使不同种类的金属构件理想地接合的接合方法及复合轧制件的制造方法。
解决技术问题所采用的技术方案
为了解决上述技术问题，本发明是一种接合方法，在所述接合方法中，使用具有前端细的搅拌销的旋转工具，对材料不同的一对金属构件进行接合，所述接合方法的特征是，包括：准备工序，在所述准备工序中，准备第一金属构件和第二金属构件，其中，所述第一金属构件具有第一上表面、第一下表面和将所述第一上表面与所述第一下表面连接的第一倾斜面，所述第二金属构件具有第二上表面、第二下表面和将所述第二上表面和所述第二下表面连接的第二倾斜面，所述第二金属构件的熔点比所述第一金属构件的熔点高；对接工序，在所述对接工序中，以如下方式使所述第一倾斜面与所述第二倾斜面对接来形成对接部，其中，由所述第一上表面和所述第一倾斜面构成的第一上交线与由所述第一下表面和所述第一倾斜面构成的第一下交线相比更位于所述第二金属构件一侧，由所述第二下表面和所述第二倾斜面构成的第二下交线与由所述第二上表面和所述第二倾斜面构成的第二上交线相比更位于所述第一金属构件一侧；以及接合工序，在所述接合工序中，仅从所述第一上表面插入旋转的所述旋转工具，并且在使仅所述搅拌销与至少所述第一金属构件接触的状态下，使所述旋转工具沿着所述对接部相对移动，从而将所述第一金属构件和所述第二金属构件接合。
此外，本发明是一种复合轧制件的制造方法，所述复合轧制件由材料不同的一对金属构件形成，所述复合轧制件的制造方法的特征是，包括：准备工序，在所述准备工序中，准备第一金属构件、第二金属构件和旋转工具，其中，所述第一金属构件具有第一上表面、第一下表面和将所述第一上表面与所述第一下表面连接的第一倾斜面，所述第二金属构件具有第二上表面、第二下表面和将所述第二上表面与所述第二下表面连接的第二倾斜面，并且所述第二金属构件的熔点比所述第一金属构件的熔点高，所述旋转工具具有前端细的搅拌销；对接工序，在所述对接工序中，以如下方式将所述第一倾斜面与所述第二倾斜面对接来形成对接部，其中，由所述第一上表面和所述第一倾斜面构成的第一上交线与由所述第一下表面和所述第一倾斜面构成的第一下交线相比更位于所述第二金属构件一侧，由所述第二下表面和所述第二倾斜面构成的第二下交线与由所述第二上表面和所述第二倾斜面构成的第二上交线相比更位于所述第一金属构件一侧；接合工序，在所述接合工序中，仅从所述第一上表面插入旋转的所述旋转工具，并且在使仅所述搅拌销与至少所述第一金属构件接触的状态下，使所述旋转工具沿着所述对接部相对移动，从而将所述第一金属构件和所述第二金属构件接合；以及轧制工序，在所述轧制工序中，将通过所述接合工序接合的所述金属构件彼此以接合线为轧制方向进行轧制。
根据该制造方法，由于使旋转工具的轴肩部不与第一金属构件及第二金属构件接触，因此，能抑制向第一金属构件及第二金属构件的进热量。此外，例如，只要以与仅第一金属构件接触的方式插入旋转工具，便能与软化温度较低的第一金属构件相应地调节接合条件，并能抑制进热量。因而，能抑制第一金属构件大幅度地软化从而过度地产生毛边的情况，并能防止因金属不足引起的接合不良。
此外，由于使旋转工具的轴肩部不与第一金属构件及第二金属构件接触，因此，能减小摩擦阻力，并能减小施加于旋转工具及摩擦搅拌装置的载荷。此外，由于使旋转工具的轴肩部不与第一金属构件1及第二金属构件2接触，因此，能防止旋转工具处于高温。藉此，旋转工具的材料选择变得容易，并且能延长旋转工具的寿命。
此外，较为理想的是，在所述接合工序中，将所述旋转工具的旋转方向和前进方向设定成使形成于所述旋转工具的移动轨迹的塑性化区域中的、靠所述第二金属构件一侧成为剪切侧，而靠所述第一金属构件一侧成为流动侧。
若塑性化区域中的、熔点较高的第二金属构件一侧成为流动侧，则第一金属构件在对接部处的温度降低，而无法促进不同的金属彼此的界面处的相互扩散，从而存在导致接合不良的可能性。但是，根据上述制造方法，通过设定成使熔点较高的第二金属构件一侧成为剪切侧，从而能将第一金属构件在对接部处的温度保持成相对较高的温度，能促进不同的金属彼此的界面处的相互扩散，并能防止接合不良。
另外，剪切侧是旋转工具的外周相对于接合部的相对速度成为旋转工具的外周处的切线速度的大小加上移动速度的大小后的值所在的一侧。流动侧是旋转工具的外周相对于接合部的相对速度成为旋转工具的外周处的切线速度的大小减去移动速度的大小后的值所在的一侧。
此外，较为理想的是，所述第一金属构件由铝或铝合金形成，所述第二金属构件由铜或铜合金形成，并且在所述接合工序中，仅从所述第一上表面插入旋转的所述旋转工具，并且在使仅所述搅拌销与仅所述第一金属构件接触的状态下，使所述旋转工具沿着所述对接部相对移动，从而将所述第一金属构件和所述第二金属构件接合。根据上述制造方法，能够将铜或铜合金制的金属构件与铝或铝合金制的金属构件理想地接合。
此外，较为理想的是，在所述旋转工具的外周面随着从基端朝向前端刻设有朝左旋转的螺旋槽的情况下，使所述旋转工具朝右旋转，在所述旋转工具的外周面随着从基端朝向前端刻设有朝右旋转的螺旋槽的情况下，使所述旋转工具朝左旋转。
根据上述制造方法，由于塑性流动化的金属被螺旋槽引导而朝旋转工具的前端侧流动，因此，能抑制毛边的产生。
发明效果
根据本发明的接合方法及复合轧制件的制造方法，能将不同种类的金属构件理想地接合。
附图说明
图1的(a)是表示本实施方式的旋转工具的侧视图，图1的(b)是表示旋转工具的接合形态的示意剖视图。
图2的(a)是表示本实施方式的准备工序的侧视图，图2的(b)是表示本实施方式的对接工序的侧视图，图2的(c)是表示本实施方式的接合工序的立体图。
图3是表示本实施方式的接合工序的剖视图。
图4是表示本实施方式的接合工序后的剖视图。
图5是表示本实施方式的轧制工序的立体图。
图6是表示本实施方式的复合轧制件的剖视图。
图7是表示变形例的接合工序的图，其中，图7的(a)是立体图，图7的(b)是图7的(a)的I-I剖视图。
图8的(a)是表示试验1的结果的表，图8的(b)是试验体1-1、1-3、1-4的俯视图像，图8的(c)是试验体1-5、1-7、1-8的俯视图像。
图9是试验1的接合工序后的剖视图，其中，图9的(a)表示试验体1-7，图9的(b)表示试验体1-11。
图10的(a)是表示试验2的结果的表，图10的(b)是表示试验体2-1、2-2、2-3的俯视图像。
图11的(a)是表示试验3的结果的表，图11的(b)是表示试验体3-1、3-2、3-3的俯视图像。
图12是试验4的轧制工序后的各试验体的俯视图，其中，图12的(a)表示试验体1-5、1-6、1-7，图12的(b)表示试验体1-9、1-10、1-11。
图13是表示试验4的结果的表。
具体实施方式
参照附图，对本发明实施方式的复合轧制件的制造方法进行详细说明。首先，对在本实施方式中使用的旋转工具进行说明。
如图1的(a)所示，旋转工具F由连接部F1和搅拌销F2构成。旋转工具F例如由工具钢形成。连接部F1是与图1的(b)所示的摩擦搅拌装置的转轴D连接的部位。连接部F1呈圆柱状，形成有供螺栓紧固的螺纹孔(未图示)。
搅拌销F2从连接部F1下垂，并与连接部F1同轴。搅拌销F2越是远离连接部F1，其前端变得越细。在侧视的情况下，铅垂轴C与搅拌销F2的外周面所成的倾斜角度α在本实施方式中设定为20°。倾斜角度α适当设定在10～60°的范围内。当倾斜角度小于10°时，由于在接合时毛边会从搅拌销F2的外周面排出而可能产生接合缺陷，因此，不甚理想。当倾斜角度α大于60°时，由于旋转工具F的直径过度变大，而使对旋转工具F及摩擦搅拌装置的载荷变大，因此，不甚理想。
在搅拌销F2的外周面刻设有螺旋槽F3。在本实施方式中，由于使旋转工具F朝右旋转，因此，螺旋槽F3形成为随着从基端朝向前端而朝左旋转。换言之，若将螺旋槽F3从基端朝向前端描画，则螺旋槽F3形成为从上方观察朝左旋转。
另外，较为理想的是，当使旋转工具F朝左旋转时，将螺旋槽F3形成为随着从基端朝向前端而朝右旋转。换言之，若将螺旋槽F3从基端朝向前端描画，则这种情况下的螺旋槽F3从上方观察形成为朝右旋转。通过上述方式设定螺旋槽F3，从而在进行摩擦搅拌时，利用螺旋槽F3将塑性流动化后的金属朝搅拌销F2的前端侧引导。藉此，能减少溢出到被接合金属构件(后述的第一金属构件1、第二金属构件2)外部的金属的量。
如图1的(b)所示，当使用旋转工具F进行摩擦搅拌接合时，将仅旋转的搅拌销F2插入被接合金属构件，使被接合金属构件与连接部F1一边分开，一边移动。换言之，以搅拌销F2的基端部露出的状态进行摩擦搅拌。在旋转工具F的移动轨迹上，因摩擦搅拌后的金属硬化而形成有塑性化区域W。
接着，对本实施方式的复合轧制件的制造方法进行说明。本实施方式的复合轧制件的制造方法是通过旋转工具F将一对金属构件彼此接合之后进行轧制，来获得复合轧制件的方法。
如图2的(a)所示，第一金属构件1呈板状。第一金属构件1具有第一上表面1b、第一下表面1c和将第一上表面1b与第一下表面1c连接的第一倾斜面1a。虽然第一金属构件1在本实施方式中由铝合金形成，但是也可以由铝、铜、铜合金、钛、钛合金、镁、镁合金等能够进行摩擦搅拌的金属材料形成。
第二金属构件2呈板状。第二金属构件2具有第二上表面2b、第二下表面2c和将第二上表面2b与第二下表面2c连接的第二倾斜面2a。第二倾斜面2a与第一倾斜面1a平行。第二金属构件2的熔点比第一金属构件1的熔点高，且由能够进行摩擦搅拌的材料形成。第二金属构件2在本实施方式中由铜(Cu1020)形成。
本实施方式的复合轧制件的制造方法进行准备工序、对接工序、接合工序和轧制工序。另外，权利要求书中的接合方法是进行准备工序、对接工序和接合工序的工序。
准备工序是准备前述的第一金属构件1、第二金属构件2及旋转工具F的工序。
如图2的(b)所示，对接工序是将第一金属构件1和第二金属构件2的端部彼此对接的工序。在对接工序中，使第一金属构件1的第一倾斜面1a与第二金属构件2的第二倾斜面2a面接触来形成对接部J。此外，使第一金属构件1的第一上表面1b与第二金属构件2的第二上表面2b共面，并且使第一金属构件1的第一下表面1c与第二金属构件2的第二下表面2c共面。
更详细来说，在对接工序中，以如下方式使第一倾斜面1a与第二倾斜面2a对接来形成对接部J，即，在侧视观察时，由第一上表面1b和第一倾斜面1a构成的第一上交线1d与由第一下表面1c和第一倾斜面1a构成的第一下交线1e相比更位于相对的第二金属构件2一侧，由第二下表面2c和第二倾斜面2a构成的第二下交线2e与由第二上表面2b和第二倾斜面2a构成的第二上交线2d相比更位于相对的第一金属构件1一侧。
对接部J的倾斜角度(铅垂轴C与对接面所成的角度)β在本实施方式中设定为20°。搅拌销F2的外周面的倾斜角度α(参照图1的(a))与对接部J的倾斜角度β为相同的角度。若将第一金属构件1与第二金属构件2对接，则通过设于架台的夹具(未图示)将各构件限制成无法移动。
接合工序是使用旋转工具F将第一金属构件1与第二金属构件2接合的工序。如图2的(c)所示，在接合工序中，一边使旋转工具F的搅拌销F2旋转，一边将旋转工具F插入位于第一金属构件1的第一上表面1b且设定于对接部J附近的开始位置Sp。此外，使旋转工具F与对接部J的延长方向平行地相对移动。在旋转工具F的移动轨迹上形成有塑性化区域W。
在接合工序中，设定为塑性化区域W中的、靠第二金属构件2一侧(靠近第二金属构件2的一侧)成为剪切侧，靠第一金属构件1一侧(远离第二金属构件2的一侧)成为流动侧。也就是说，在本实施方式的接合工序中，以使第一金属构件1位于前进方向右侧的方式进行配置，并使旋转工具F朝右旋转。另外，在以使第二金属构件2位于前进方向右侧的方式配置的情况下，通过使旋转工具F朝左旋转，从而使靠第一金属构件1一侧成为流动侧。
如图3所示，搅拌销F2的插入深度只要适当设定即可，但在本实施方式中，设定为第一金属构件1的板厚的90％左右的深度。此外，在本实施方式的接合工序中，以使旋转工具F与第二金属构件2不接触且通过摩擦搅拌使第一金属构件1与第二金属构件2扩散接合的方式设定开始位置Sp的位置。
在此，若旋转工具F的外周面与第二金属构件2相隔很远，则第一金属和第二金属在对接部J处不会相互扩散，从而无法将第一金属构件1与第二金属构件2牢固地接合。另一方面，若使旋转工具F与第二金属构件2接触，并在增大两者的重叠量的状态下进行摩擦搅拌，则为了使第二金属构件2软化，需要调节接合条件以增大进热量，从而存在导致接合不良的可能性。因而，为了使第一金属和第二金属在对接部J处相互扩散，较为理想的是，以使旋转工具F的外周面与第二金属构件2稍许接触的状态进行接合，或是以使旋转工具F的外周面与第二金属构件2不接触但尽可能靠近的状态进行接合
此外，如本实施方式那样，在第一金属构件1是铝合金构件，第二金属构件2是铜构件的情况下，较为理想的是，在接合工序中，以使旋转工具F的外周面与第二金属构件2(铜构件)不接触但尽可能靠近的状态进行接合。顺便提一下，在进热量变大的接合条件下，假设使旋转工具F的外周面与第二金属构件2(铜构件)发生接触，则铝合金构件中会被搅拌而混入少量的铜构件，从而促进Al/Cu的相互扩散，在铝合金构件中分散的Al-Cu相成为液相，从而从铝合金构件一侧产生大量的毛边而导致接合不良。
如图4所示，在塑性化区域W的上表面形成有毛边V，并且沿对接部J形成有凹部Q。塑性化区域W的倾斜角度γ与对接部J的倾斜角度β大致相同。塑性化区域W与第二金属构件2邻接。也就是说，塑性化区域W并未越过对接部J而形成于第二金属构件2一侧。凹部Q是通过金属因摩擦搅拌溢出到外部而形成的凹槽。较为理想的是，在接合工序结束后，进行对毛边V进行切除的毛边切除工序。此外，也可以进行将第一金属构件1的第一上表面1b及第二金属构件2的第二上表面2b切削得较薄来将凹部Q去除的切削工序。
轧制工序是将接合后的第一金属构件1及第二金属构件2进行轧制的工序。如图5所示，在轧制工序中，使用包括轧辊R、R的轧制装置来进行冷轧。在轧制工序中，将接合工序中的接合线(塑性化区域W)设为轧制方向进行轧制。通过上述工序，形成图6所示的复合轧制件10。轧制工序中的压下率只要根据第一金属构件1及第二金属构件2的材料或是复合轧制件10的用途来适当设定即可。
根据以上说明的复合轧制件的制造方法及接合方法，由于在接合工序中，轴肩部与第一金属构件1及第二金属构件2不接触，因此，能尽可能地减小进热量，并能减小摩擦阻力，由此能减小对旋转工具F及摩擦搅拌装置的载荷。此外，像本实施方式那样，在第一金属构件1是铝合金构件，第二金属构件2是铜构件的情况下，较为理想的是，在接合工序中，以使旋转工具F的外周面与第二金属构件2(铜构件)不接触但尽可能靠近的状态进行接合。这样，不会从铝合金构件一侧过度产生毛边V，第一金属构件1与第二金属构件2在对接部J的相互扩散得到促进，从而牢固地进行接合。因而，与现有技术相比，能抑制向第一金属构件1及第二金属构件2的进热量，能减小对旋转工具F及摩擦搅拌装置的载荷，并且能抑制从第一金属构件1一侧过度地产生毛边V。此外，由于使轴肩部与第一金属构件1及第二金属构件2不接触，因此，能防止旋转工具F温度变高。藉此，旋转工具F的材料选择变得容易，并且能延长旋转工具F的寿命。
若塑性化区域W中的、熔点较高的第二金属构件2一侧成为流动侧，则第一金属构件1在对接部J处的温度会降低，从而不同的金属彼此的界面处的相互扩散不会被促进，从而存在导致接合不良的可能性。因而，若调节接合条件以增大进热量，则会从成为剪切侧的第一金属构件1一侧过度地产生毛边，从而导致接合缺陷。但是，像本实施方式那样，通过设定为使塑性化区域W中的、熔点较高的第二金属构件2一侧成为剪切侧，从而能将第一金属构件1在对接部J处的温度保持成相对较高的温度，不同的金属彼此的界面处的相互扩散得到促进，从而能防止接合不良的情况。
虽然也可以使旋转工具F的外周面与第二金属构件2稍许接触，但在本实施方式中，由于设定为使旋转工具F与第二金属构件2不接触，因此，能防止第一金属构件1与第二金属构件2被混合搅拌，并能更可靠地防止过度地产生毛边V而导致接合不良的情况。
此外，由于像本实施方式那样，在第一金属构件1及第二金属构件2的端部分别包括第一倾斜面1a及第二倾斜面2a，因此，与对接部(对接面)平行于铅垂轴C的情况相比，能增大对接部J的接触面积。藉此，能提高接合强度。
此外，在本实施方式中，搅拌销F2的外周面的倾斜角度α(参照图1的(a))与对接部J的倾斜角度β(参照图2的(b))成为相同的角度。虽然倾斜角度α与倾斜角度β也可以设定为不同，但是通过将两者设为相同，从而使旋转工具F与第二金属构件2间的距离的设定变得容易。也就是说，在旋转工具F的外周面与第二金属构件2不接触的状态下使两者尽可能接近的操作变得容易。
接着，对本发明的变形例进行说明。图7的(a)和图7的(b)是表示变形例的接合工序的图，其中，图7的(a)是立体图，图7的(b)是图7的(a)的I-I剖视图。如图7的(a)所示，在变形例的对接工序中，并排设置多组(在图7中为三组)由第一金属构件1和第二金属构件2组成的组，并通过设于架台的夹具将其限制成无法移动。
在本变形例中，将由第一金属构件1A和第二金属构件2A组成的第一组、由第一金属构件1B和第二金属构件2B组成的第二组、由第一金属构件1C和第二金属构件2C组成的第三组并排设置。第一组、第二组及第三组的对接部J分别平行地进行对接。
此外，在本变形例中，相邻的组彼此的对接部也以倾斜的方式对接。也就是说，使由第一金属构件1A与第二金属构件2B对接而形成的对接部J1和由第一金属构件1B与第二金属构件2C对接而形成的对接部J2以倾斜的方式进行对接。对接部J1及对接部J2的倾斜角度(相对于铅垂轴的倾斜角度)均设定为－20°。对接部J1及对接部J2的倾斜方向与对接部J的倾斜方向相反。对接部J1及对接部J2彼此平行。
在接合工序中，以与前述的实施方式相同的要领，使用旋转工具F进行摩擦搅拌，并将各对接部J接合。此外，在接合工序中，以与前述的实施方式相同的要领，使用旋转工具F对对接部J1及对接部J2进行摩擦搅拌。
也就是说，在变形例的接合工序中，将朝右旋转的旋转工具F插入位于对接部J1附近且位于第一金属构件1A的上表面的里侧(图7的(a)中的里侧)，并使旋转工具F沿对接部J1朝第一金属构件1A的近前侧移动。也就是说，在对接部J1中，以使第二金属构件2B一侧成为剪切侧的方式对旋转工具F的旋转方向及移动方向进行设定。在对接部J2中，也以与对接部J1相同的要领进行摩擦搅拌。如图7的(a)和(b)所示，在本变形例中，在第二金属构件2(2A、2B、2C)上没有形成塑性化区域W，而仅在第一金属构件1(1A、1B、1C)上形成有塑性化区域W。
由于第一金属构件1和第二金属构件2由不同的材料形成，因此，硬度也不同。在像本实施方式那样，对由铝合金形成的第一金属构件1和由铜形成的第二金属构件2进行轧制的情况下，由于铝合金构件的硬度比铜构件的硬度小，因此，第一金属构件1会发生更大程度地变形。因而，轧制后得到的复合轧制件以第一金属构件1成为外侧、第二金属构件2成为内侧的方式俯视观察时弯曲成弓形(参照图12的(a)和(b))。
但是，根据变形例的接合工序，由于使相邻的金属构件的组彼此在并排设置的状态下限制成无法移动，因此，能抑制各金属构件在俯视观察时呈弓形发生变形。此外，由于能通过一次操作，连续地进行针对多个对接部J、J1、J2的摩擦搅拌，因此，能加速制造周期。
实施例
接着，对本发明的实施例进行说明。在实施例中，第一金属构件1由于Al050(JIS)形成，第二金属构件2由Cu1020(JIS)形成。第一金属构件1及第二金属构件2均设定成厚度为10mm，宽度为60mm。旋转工具F的前端直径的外径设定成4mm。搅拌销F2的外周面的倾斜角度α(参照图1的(a))与对接部J的倾斜角度β(参照图2的(b))均设定为20°。
另外，铝合金A1050的成分是0.25％以下的Si、0.40％以下的Fe、0.05％以下的Cu、0.05％以下的Mn、0.05％以下的Mg、0.05％以下的Zn、0.05％以下的V、0.03％以下的Ti、各自0.03％以下的其它成分、以及99.50％以上的Al。
铜Cu1020的成分是99.96％以上的Cu。
(试验1)
如图8的(a)所示，在试验1中，进行用于对接合工序中的旋转工具F的行进速度及旋转速度的影响进行确认的试验。
在试验1中，设定成使将旋转工具F的插入深度为9.0mm，使旋转工具F与第二金属构件2间的距离为0mm，并使第二金属构件2一侧成为剪切侧(Ad侧)，将行进速度及旋转速度作为参数。旋转工具F设定为朝右旋转。另外，“旋转工具F与第二金属构件2间的距离”是指从搅拌销F2的外周面至第二金属构件2的第二倾斜面2a的距离，但在本实施方式中，当旋转工具F与第二金属构件2间的距离为0mm的情况下，旋转工具F的外周面与第二金属构件2的第二倾斜面不发生接触。
旋转工具F的行进速度设定为100mm/min、150mm/min、200mm/min、300mm/min。此外，旋转工具F的旋转速度设定为750rpm、900rpm、1050rpm。如图8的(b)和(c)所示，在接合工序中，在开始位置Sp处将旋转工具F插入，并使旋转工具F相对移动后，在结束位置Ep处使旋转工具F脱离。此外，在接合工序中，对于一对的第一金属构件1及第二金属构件2，使旋旋转速度度恒定，并使行进速度在一次行程(一パス)中适当变化，从而制作各试验体。
关于制作的试验体1-1～试验体1-12，在平面及宏观金相截面中对接合状态进行观察。在观察时，在凹部Q的深度尺寸为1.5mm(金属构件的板厚的15％以下)的情况下，判断为“○”，在凹部Q的深度尺寸超过1.5mm的情况下，判断为“×”。
如图8的(b)所示，在试验体1-1中，凹部Q很小，且几乎不会产生毛边，因而接合状态为“○”。另一方面，在试验体1-3、1-4中，凹部Q变大，也产生大量的毛边V，因而接合状态为“×”。试验体1-3、1-4的毛边V产生在第一金属构件1一侧，在第二金属构件2一侧几乎没有产生。
如图8的(c)所示，在试验体1-5、1-7中，几乎没有产生凹部Q，且毛边V也少量，因而接合状态为“○”。另一方面，在试验体1-8中，凹部Q变大，且产生大量的毛边V，因而接合状态为“×”。可知在旋转工具F的旋转速度恒定的情况下，行进速度越慢，则接合状态越好。另外，试验体1-5、1-7、1-8的毛边V产生在第一金属构件1一侧，在第二金属构件2一侧几乎没有产生。
图9的(a)和图9的(b)是试验1的接合工序后的剖视图，其中，图9的(a)表示试验体1-7，图9的(b)表示试验体1-11。图9的(b)的旋转工具F的旋转速度为1050rpm的试验体1-11的凹部Q比图9的(a)的旋转工具F的旋转速度为900rpm的试验体1-7的凹部Q小。可知在旋转工具F的行进速度恒定的情况下，旋转工具F的旋转速度越快，则接合状态越好。
此外，将各试验体沿与接合方向(塑性化区域W)成直角的方向切下，以制作出拉伸试验体(尺寸：长度100mm×宽度20mm)，并对该各试验体的拉伸强度进行测量。旋转工具F的行进速度为100mm/min的试验体1-5的拉伸强度是79MPa。旋转工具F的行进速度为200mm/min的试验体1-7的拉伸强度是45MPa。可知在旋转工具F的旋转速度恒定的情况下，旋转工具F的行进速度越慢，则拉伸强度越大。
此外，虽然省略了具体的图示，但对测量拉伸强度后的第一金属构件1及第二金属构件2的断裂面中的、靠第二金属构件2一侧(铜构件一侧)的断裂面的铝合金的附着量进行观察。从该观察的结果可知，试验体1-5的断裂面比试验体1-7的断裂面附着有更多的铝合金。可知在旋转工具F的行进速度较慢的试验体1-5中，在第二金属构件2一侧附着有较多的铝合金，接合时的进热量变大，从而促进对接部J处的Al/Cu的相互扩散。
对以上情况进行汇总后可知，在试验1中，只要旋转工具F处于与第二金属构件2不接触的状态，则旋转工具F的行进速度越慢、且旋转工具F的旋转速度越快，接合状态就越好。换言之，可知向各金属构件的进热量越大，接合状态就越好。
(试验2)
如图10的(a)所示，在试验2中，进行用于对接合工序中的旋转工具F与第二金属构件2间的距离的影响进行确认的试验。
在试验2中，制作出试验体2-1、2-2、2-3。在上述试验中，设定成使旋转工具F的插入深度为9.0mm，使旋转速度为750rpm，并使剪切侧(Ad侧)成为第二金属构件2一侧，并且将行进速度、旋转工具F与第二金属构件2间的距离作为参数。旋转工具F设定为朝右旋转。
在试验2中，将旋转工具F的行进速度设为100mm/min、150mm/min、200mm/min，并将旋转工具F与第二金属构件2间的距离设为0mm、-1mm。旋转工具F与第二金属构件2间的距离为－1mm是指，第二金属构件2与旋转工具F的外周面的重叠量为1mm。
如图10的(a)所示，可知当旋转工具F与第二金属构件2间的距离是0mm时，在旋转工具F的行进速度为100mm/min的试验体1-1中，接合状态是“○”。另一方面，当旋转工具F与第二金属构件2间的距离为－1mm时，在旋转工具F的行进速度为100～200mm/min的范围内，接合状态为“×”。在图8的(b)的试验体1-1中，没有确认在塑性化区域W的表面存在明显的槽，但在图10的(b)的试验体2-1中，在试验体2-1的塑性化区域W的中央产生较大的槽，并且在塑性化区域W的两侧产生大量的毛边V。也就是说，可知若使旋转工具F的外周面进入第二金属构件2一侧1mm，则接合状态会变差。此外，如图10的(b)所示，可知旋转工具F的行进速度越慢(＝进热量越大)，槽变得越大。
若使旋转工具F侵入第二金属构件2达1mm，则在第一金属构件1(铝合金构件)中会搅拌而混入有第二金属构件2(铜构件)，从而使Al/Cu界面的面积增加，并且促进Al/Cu的相互扩散，分散后的Al-Cu相的熔点降低而成为液相，从而从铝合金构件一侧产生大量的毛边，导致接合不良。
(试验3)
如图11的(a)所示，在试验3中，进行用于对接合工序中的旋转工具F的剪切侧及流动侧的影响进行确认的试验。
在试验3中，制作出试验体3-1、3-2、3-3。在上述试验中，将旋转工具F的插入深度设为9.0mm，将旋转速度设为900rpm，将旋转工具F与第二金属构件2间的距离设为0mm，并将旋转工具F的行进速度作为参数。旋转工具F设定为朝右旋转。
在试验3中，将旋转工具F的行进速度设定为100mm/min、150mm/min、200mm/min。如图11的(b)所示，设定为在试验体3-1、3-2、3-3中，设定成使第二金属构件2一侧为旋转工具F的流动(Re)侧(使第一金属构件1一侧为旋转工具的剪切(Ad)侧)。在试验体3-1、3-2、3-3中，配置成一边使旋转工具F朝右旋转，一边使第二金属构件2位于前进方向右侧，并以与前述的实施方式相同的要领进行摩擦搅拌。
如图11的(a)的试验体1-5、1-6、1-7所示，当设定成使第二金属构件2一侧为旋转工具F的剪切(Ad)侧时，在旋转工具F的行进速度为100～200mm/min的范围内，接合状态为“○”。即使观察图8的(c)的试验体1-5、1-7，在塑性化区域W中也没有形成凹槽。这样，通过设定成使塑性化区域W中的、熔点较高的第二金属构件2一侧成为剪切侧，从而能使第一金属构件与第二金属构件的界面处的温度保持成相对较高的温度，并能防止接合不良。
另一方面，如图11的(b)的试验体3-1、3-2、3-3所示，当设定成使第二金属构件2一侧为旋转工具F的流动(Re)侧(使第一金属构件1一侧为旋转工具的剪切(Ad)侧)时，接合状态为“×”。如图11的(b)所示，可知在试验体3-1、3-2、3-3的塑性化区域W的对接部J一侧形成有较大的凹槽。这样，若塑性化区域W中的、熔点较高的第二金属构件2一侧成为流动侧，则第一金属构件1与第二金属构件2的界面处的温度会降低，从而无法促进界面处的不同的金属彼此的相互扩散，存在导致接合不良的可能性。另一方面，若熔点较低的第一金属构件1一侧成为剪切侧，则由于不与比流动侧的进热量大且导热性较好的第二金属构件2(Cu)接触，因此，无法将摩擦热释放，使得毛边过度地产生，而导致接合缺陷。
(试验4)
如图12的(a)和(b)及图13所示，在试验4中，进行用于确认在轧制工序中形成的复合轧制件10的接合状态及拉伸强度的试验。
在试验4中，对试验体1-5、1-6、1-7、试验体1-9、1-10、1-11进行冷轧，对各试验体的平面的接合状态进行观察，并且对各试验体的拉伸强度进行测量。在轧制工序中，分多次使接合后的第一金属构件1及第二金属构件2经过轧制装置，使其逐渐变薄。在进行轧制工序时，在对接部J中产生了裂纹的情况下判断为“×”，在没有产生裂纹的情况下判断为“○”。
如图12的(a)所示，在试验体1-5、1-6、1-7中，当试验体的厚度为5.4mm(压下率为46％)时，在试验体1-7的部分产生了裂纹U。另一方面，如图13的(b)所示，在试验体1-9、1-10、1-11中，即使试验体的厚度为3.0mm(压下率为70％)，在各试验体中也没有产生裂纹。此外，如图12的(a)和(b)所示，由于第一金属构件1及第二金属构件2是不同的金属，因此，两者的硬度不同。在本实施方式中，由于第一金属构件1(铝合金构件)的硬度比第二金属构件2(铜构件)的硬度低，因此，第一金属构件1(铝合金构件)发生较大的变形。因而，复合轧制件10以第二金属构件2为内侧、第一金属构件1为外侧的方式在俯视观察时呈弓形。
此外，将各试验体沿与接合方向(塑性化区域W)成直角的方向切下，制作出拉伸试验体(尺寸：长度100mm×宽度20mm)，并对各试验体的拉伸强度进行测量。如图13所示，试验体1-6的拉伸强度为112MPa，试验体1-9的拉伸强度为147MPa，试验体1-10的拉伸强度是134MPa。上述结果示出了与仅进行接合工序的试验1的结果相同的趋势。可知即使在经过了轧制工序的复合轧制件10中，接合工序时的进热量越大，拉伸强度变得越大。
虽然省略了具体的图示，但对测量了拉伸强度后的第一金属构件1及第二金属构件2的断裂面进行观察时，关于试验体1-9、1-10、1-11中的、附着在第二金属构件2(铜构件)一侧的断裂面上的铝合金，试验体1-9是最多的，而试验体1-11是最少的。可以认为接合时的进热量大的试验体，其附着在第二金属构件2一侧的铝合金越多，从而越是促进对接部J处的Al/Cu的相互扩散。
(符号说明)
1…第一金属构件；
2…第二金属构件；
10…复合轧制件；
F…旋转工具；
F1…连接部；
F2…搅拌销；
F3…螺旋槽；
W…塑性化区域。

Claims (5)

1.一种接合方法，在所述接合方法中，使用具有前端细的搅拌销的旋转工具，对材料不同的一对金属构件进行接合，
所述接合方法的特征在于，包括：
准备工序，在所述准备工序中，准备第一金属构件和第二金属构件，其中，所述第一金属构件具有第一上表面、第一下表面和将所述第一上表面与所述第一下表面连接的第一倾斜面，所述第二金属构件具有第二上表面、第二下表面和将所述第二上表面和所述第二下表面连接的第二倾斜面，所述第二金属构件的熔点比所述第一金属构件的熔点高；
对接工序，在所述对接工序中，以如下方式使所述第一倾斜面与所述第二倾斜面对接来形成对接部，其中，由所述第一上表面和所述第一倾斜面构成的第一上交线与由所述第一下表面和所述第一倾斜面构成的第一下交线相比更位于所述第二金属构件一侧，由所述第二下表面和所述第二倾斜面构成的第二下交线与由所述第二上表面和所述第二倾斜面构成的第二上交线相比更位于所述第一金属构件一侧；以及
接合工序，在所述接合工序中，仅从所述第一上表面插入旋转的所述旋转工具，并且在使仅所述搅拌销与至少所述第一金属构件接触的状态下，使所述旋转工具沿着所述对接部相对移动，从而将所述第一金属构件和所述第二金属构件接合。
2.如权利要求1所述的接合方法，其特征在于，
在所述接合工序中，将所述旋转工具的旋转方向和前进方向设定成使形成于所述旋转工具的移动轨迹的塑性化区域中的、所述第二金属构件一侧成为剪切侧，而所述第一金属构件一侧成为流动侧。
3.如权利要求1所述的接合方法，其特征在于，
所述第一金属构件由铝或铝合金形成，所述第二金属构件由铜或铜合金形成，
在所述接合工序中，仅从所述第一上表面插入旋转的所述旋转工具，并且在使仅所述搅拌销与仅所述第一金属构件接触的状态下，使所述旋转工具沿着所述对接部相对移动，从而将所述第一金属构件和所述第二金属构件接合。
4.如权利要求1所述的接合方法，其特征在于，
在所述旋转工具的外周面随着从基端朝向前端刻设有朝左旋转的螺旋槽的情况下，使所述旋转工具朝右旋转，
在所述旋转工具的外周面随着从基端朝向前端刻设有朝右旋转的螺旋槽的情况下，使所述旋转工具朝左旋转。
5.一种复合轧制件的制造方法，所述复合轧制件由材料不同的一对金属构件形成，
所述复合轧制件的制造方法的特征在于，包括：
准备工序，在所述准备工序中，准备第一金属构件、第二金属构件和旋转工具，其中，所述第一金属构件具有第一上表面、第一下表面和将所述第一上表面与所述第一下表面连接的第一倾斜面，所述第二金属构件具有第二上表面、第二下表面和将所述第二上表面与所述第二下表面连接的第二倾斜面，并且所述第二金属构件的熔点比所述第一金属构件的熔点高，所述旋转工具具有前端细的搅拌销；
对接工序，在所述对接工序中，以如下方式将所述第一倾斜面与所述第二倾斜面对接来形成对接部，其中，由所述第一上表面和所述第一倾斜面构成的第一上交线与由所述第一下表面和所述第一倾斜面构成的第一下交线相比更位于所述第二金属构件一侧，由所述第二下表面和所述第二倾斜面构成的第二下交线与由所述第二上表面和所述第二倾斜面构成的第二上交线相比更位于所述第一金属构件一侧；
接合工序，在所述接合工序中，仅从所述第一上表面插入旋转的所述旋转工具，并且在使仅所述搅拌销与至少所述第一金属构件接触的状态下，使所述旋转工具沿着所述对接部相对移动，从而将所述第一金属构件和所述第二金属构件接合；以及
轧制工序，在所述轧制工序中，将通过所述接合工序接合的所述金属构件彼此以接合线为轧制方向进行轧制。
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