CN107150086A - 金属接合体及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种促进金属接合面彼此黏附来提高铆接接合强度的金属接合体及其制造方法。金属结合体的制造方法包括：将脉冲激光照射至金属板(1)的表面的至少实施铆接的表面部，使所述表面部熔融及凝固而形成表面改性薄膜(4)，并以使表面改性薄膜(4)彼此相向的方式，使多块金属板(1)重叠而形成层叠金属板(5)，通过冲头(7)与模具(6)对层叠金属板(5)进行加压成形而实施铆接。本发明能够不扩大接合部的面积或接合深度而提高接合强度。

Description

金属接合体及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种金属接合体及其制造方法，特别涉及一种提高接合强度的技术，所述金属接合体是对多个金属部件实施铆接，使这些金属部件彼此接合而成。
背景技术
作为对多个金属部件进行接合的技术，例如已知有如下技术：如专利文献1的背景技术所公开，利用钢丝刷(wire brush)等，将存在于接合的各金属部件的接合面上的金属氧化被膜除去，使未氧化的金属(新生面)露出后，通过加压使所述金属部件变形，将存在于金属部件之间的微小的空隙压扁，使露出的新生面彼此接近至原子力起作用的距离为止而进行结合。同样的技术也已公开在专利文献2中。
另外，在专利文献3中公开了如下技术：在通过模具对彼此重叠的金属板材实施铆接时，将模具的表面加工为镜面，由此，减少模具与金属板材之间的摩擦阻力，顺利地进行金属板材的流动等变形。
[现有技术文献]
[专利文献]
[专利文献1]日本专利特开2006-150416号公报
[专利文献2]日本专利特开平2-25287号公报
[专利文献3]日本专利特开2006-15387号公报
[专利文献4]日本专利特开平1-294850号公报
发明内容
[发明要解决的问题]
但是，如专利文献1及专利文献2所公开，在利用钢丝刷除去了氧化被膜的情况下，会产生呈不规则的槽状的除去部，对于此种局部性的槽来说，在铆接时的金属部件变形时，越到达槽的深处，则越难以引起充分的塑性流动(plastic flow)，材料彼此的黏附变得不充分，因此，接合强度不足。
另外，专利文献3所记载的技术的课题在于避免金属接合体的形状或大小产生偏差，而并无助于提高接合强度。
一般在金属板彼此的铆接接合过程中，在多数情况下无法充分地确保接合部的面积或接合深度，由于布局的限制，难以实现更高的接合强度。因此，需要一种不扩大接合部的面积或接合深度而提高接合强度的技术。
因此，本发明的目的在于提供一种促进金属接合面彼此黏附来提高铆接接合强度的金属接合体及其制造方法。
[解决问题的技术手段]
本发明人等反复地对用以促进接合的金属部件的金属接合面彼此黏附的表面改性进行了仔细研究，结果想到使金属接合面熔融及凝固来使晶体粗大化，形成脆的表面改性层。而且发现若表面改性层足够薄，则表面改性层会因铆接所引起的变形而产生细微的裂纹，各个分割片会以裂纹为起点而剥离。由此获得了如下见解：极平滑且未氧化的金属(新生面)露出，因为新生面彼此黏附，所以接合强度提高。
本发明的金属接合体的制造方法是基于所述见解而成，将高能束照射至金属板的表面的至少实施铆接的表面部，使所述表面部熔融及凝固而形成表面改性薄膜，并以使所述表面改性薄膜彼此相向的方式，使多块所述金属板重叠而形成层叠金属板，通过工具对所述层叠金属板进行加压成形而实施铆接。
根据本发明，将高能束照射至金属板的表面的实施铆接的表面部，使所述表面部熔融及凝固，由此，表面部的组织粗大化而形成脆的表面改性薄膜。接着，若通过工具对以使表面改性薄膜彼此相向的方式使多块金属板重叠而成的层叠金属板实施铆接，则表面改性薄膜会随着材料的变形而细微地裂开，各个分割片以此裂纹为起点而剥离，极平滑的新生面在大范围内露出。因为此新生面彼此黏附，所以能够获得强接合强度。另外，因为对金属板的极浅深度的层进行改性，所以不会对基材的强度产生影响。
为了切实地获得如上所述的作用及效果，金属板的厚度理想为3mm以下，表面改性薄膜的厚度理想为板厚的1/10以下。更具体来说，表面改性薄膜的厚度理想为5μm～100μm。通过将表面改性薄膜的厚度设为5μm以上，在材料为铝等的情况下，能够切实地改性(脆化)为金属氧化被膜，在材料为不锈钢的情况下，能够切实地改性(脆化)为钝化被膜。
另一方面，若表面改性薄膜的厚度超过100μm，则表面改性薄膜难以通过铆接而裂开，另外，即使裂开，也会粗大地被分割，因此难以剥离，从而无法使新生面充分地露出。换句话说，通过将表面改性薄膜的厚度设为100μm以下，在铆接时，表面改性薄膜会细微地裂开，各个分割片以此裂纹为起点而剥离，由此，能够获得大片新生面。由此，因为以大面积进行黏附，所以能够提高接合强度。
再者，在专利文献4中，公开了将高能密度束照射至高温的铝连续铸造块的表面来进行表面改性的技术。此技术是利用铝连续铸造块表面的快速凝固(rapidsolidification)来产生化合物二次相或实现晶粒的细微化，对蚀刻性、耐腐蚀性、耐冲击性、耐疲劳性等表面特性进行改良的技术，因此，是与形成脆化后的表面改性薄膜的本发明不同的技术。在后述的实施例中，详细地对本发明与专利文献4的不同点进行说明。
再者，理想为使用脉冲激光作为高能束。通过使用脉冲激光，能够对输入至金属表面的热量进行控制，仅使极薄的表面熔融及凝固，成形为非常薄且脆的表面改性薄膜。由此，即使由铆接产生的塑性变形量小，表面改性薄膜也会切实地裂开，分割片以此裂纹为起点而剥离，从而能够使新生面在大范围内露出。而且，因为新生面彼此黏附，所以能够提高接合强度。
另外，能够使用例如铝、铁、铜、钛、镁等所有金属材料与这些金属材料的合金作为金属板的材料。
其次，本发明的金属接合体包括使多块金属板彼此层叠而成的层叠金属板，在所述层叠金属板的一个面形成有凹部，在另一个面形成有使所述凹部的凹陷部突出而成的凸部，在所述金属板彼此相向的面形成有比其他部分更脆的表面改性薄膜，在所述凹部中，因所述表面改性薄膜的一部分剥离而露出的新生面彼此相互黏附。
根据本发明的金属接合体，因为表面改性薄膜的一部分剥离而成的新生面彼此相互黏附，所以能够获得强接合强度。
[发明的效果]
根据本发明，通过在金属板彼此的接合面形成脆的表面改性薄膜，利用加工来将表面改性薄膜剥离而促进新生面彼此黏附，由此，能够获得能够不扩大接合部的面积或接合深度而提高接合强度等效果。
附图说明
图1是表示通过脉冲激光来对金属板的表面进行表面改性的状态的剖视图。
图2是表示对将表面改性后的金属板层叠而成的层叠金属板实施铆接的状态的剖视图。
图3(A)是以100倍的倍率来对轧制材的表面进行拍摄所得的照片，图3(B)是以500倍的倍率来对轧制材的表面进行拍摄所得的照片。
图4(A)是以100倍的倍率来对表面改性后的金属板的表面进行拍摄所得的照片，图4(B)是以500倍的倍率来对金属板的表面进行拍摄所得的照片。
图5(A)是表示V字弯曲试验前的轧制材的表面的照片，图5(B)是表示V字弯曲试验后的轧制材的弯曲部的表面的照片。
图6(A)是表示V字弯曲试验前的表面改性后的金属板的表面的照片，图6(B)是表示V字弯曲试验后的金属板的弯曲部的表面的照片。
图7是表示在实施例中进行加工后的层叠金属板的剖视图。
[符号的说明]
1：金属板
2：金属氧化被膜
3：脉冲激光
4：表面改性薄膜
5：层叠金属板
6：模具
6a：凹部
7：冲头
t：板厚
具体实施方式
1.表面改性处理
以下，参照附图来对本发明的一实施方式进行说明。图1表示对铝等的金属板1实施表面改性处理的状态。在金属板1的表背面形成有金属氧化被膜2。一边将脉冲激光3照射至金属板1的一个面，一边扫描所述脉冲激光3，由此，使金属氧化被膜2熔融并凝固，对金属氧化被膜2进行表面改性而形成表面改性薄膜4。此时，对之后实施铆接的部分的整个面无间隙地进行表面改性。表面改性薄膜4是包含粗大晶体的脆组织。
2.铆接接合
其次，如图2所示，以使表面改性薄膜4相向的方式，使两块金属板1重叠而形成层叠金属板5，通过剖面为圆形且具有凹部6a的模具6与剖面为圆形的冲头7(punch)，对层叠金属板5进行加压成形。冲头7能够通过未图示的驱动机构而接近或远离模具6，冲头7的前端部的直径为比模具6的凹部6a的直径更小的直径。
若使冲头7向模具6侧移动，则层叠金属板5会以向下方凸出的方式进行塑性变形。此时，表面改性薄膜4因为脆，所以会因层叠金属板5的变形而细微地裂开，各个分割片以此裂纹为起点而剥离，金属板1的新生面在大范围内露出。接着，由于施加至新生面的压力，新生面彼此黏附。因此，与利用钢丝刷等将表面的金属氧化被膜除去的专利文献1及专利文献2所公开的现有技术相比，能够在更大的范围内引起黏附，从而获得更强的接合强度。
特别是在所述实施方式中，使用脉冲激光3作为高热能束，因此，能够对输入至金属板1的表面的热量进行控制，仅使极薄的表面熔融及凝固，成形为非常薄且脆的表面改性薄膜。由此，即使由铆接产生的塑性变形量小，表面改性薄膜4也会切实地裂开，分割片以此裂纹为起点而剥离，从而能够使新生面在大范围内露出。而且，因为新生面彼此黏附，所以能够提高接合强度。
再者，在所述实施方式中，对包含两块金属板1的层叠金属板5进行铆接接合，但也能够对包含3块以上的金属板1的层叠金属板5进行铆接接合。在此情况下，通过脉冲激光3来对金属板1彼此相向的全部的表面进行表面改性。
[实施例]
1.实施例1(表面改性处理)
以下，参照实施例来更详细地对本发明进行说明。
图3(A)与图3(B)是表示厚度为1mm的铝(神户制钢所股份有限公司制造的铝合金：6K21)轧制材的表面的照片，图3(A)是将倍率设为100倍进行拍摄所得的照片，图3(B)是将倍率设为500倍进行拍摄所得的照片。如这些图所示，在轧制材的表面残留有细微的轧制辊的痕迹。
其次，使用脉冲激光装置(激光清洗系统(Clean Laser System)公司制造，功率：120W，焦点距离：150mm，脉冲频率：10kHz，扫描频率：50Hz)对所述轧制材进行表面改性。无间隙地对轧制材的局部部分的整个面进行脉冲激光扫描。
图4(A)与图4(B)是表示在所述条件下进行表面改性后的金属板的表面的照片，图4(A)是将倍率设为100倍进行拍摄所得的照片，图4(B)是将倍率设为500倍进行拍摄所得的照片。根据图4(A)，可知利用脉冲激光无间隙地进行了扫描。另外，根据图4(B)，可知轧制材的表面熔融及凝固，轧制辊的痕迹消失，表面变得光滑。即，已确认到形成了表面改性薄膜。所述表面改性薄膜的厚度平均为7μm。
2.实施例2(V字弯曲试验)
依照日本工业标准(Japanese Industrial Standards，JIS)Z2248对所述轧制材及表面改性后的金属板进行V字弯曲试验。V字弯曲试验为如下试验，即，使具有以规定角度弯曲成V字状的按压面的阳模及阴模夹隔试样而使试样弯曲。在金属板的V字弯曲试验中，表面改性后的部分处于V字的角侧。
图5(A)是表示V字弯曲试验前的轧制材的表面的照片，图5(B)是表示V字弯曲试验后的轧制材的弯曲部的表面的照片。如图5(B)所示，在轧制材的弯曲部的表面，看到了金属氧化被膜的较大的裂纹。
另一方面，图6(A)是表示V字弯曲试验前的表面改性后的金属板的表面的照片，图6(B)是表示V字弯曲试验后的金属板的弯曲部的表面的照片。如图6(B)所示，在金属板的弯曲部的表面，看到了表面改性薄膜的大量的细微的裂纹。因此，推测若对如上所述的金属板实施铆接，则表面改性薄膜会细微地裂开，各个分割片以此裂纹为起点而剥离，新生面在大范围内露出。相对于此，对于未经过表面改性的轧制板，推测因为金属氧化被膜的裂纹大，所以难以剥离。此情况也适用于专利文献4所公开的技术。
而且，在专利文献4中，使用钨极惰性气体(Tungsten Inert Gas，TIG)电弧来对铝锭进行表面改性。此技术是在铸造出厚度为300mm以上的铸锭后，冷却至200℃，并通过TIG电弧来使整个表面熔融。接着，使微量的合金元素溶入至熔融后的表面，由此，使熔融后的组织细微化。或者，使熔融时的保护气体(shield gas)含有氧气或氮气，由此，产生氧化物或氮化物来提高耐磨性。此技术中的表面改性层的厚度设为铸锭厚度的1/10～1/100左右。因此，对于专利文献4的技术，不仅表面改性层的组织细微且坚固，而且厚度厚，所以在V字弯曲试验中，表面改性层不易裂开，因此推测在实施了铆接时，表面改性层难以剥离。
再者，对于本发明来说，若在表面改性过程中，多次重复地扫描脉冲激光，则表面改性薄膜的厚度会变厚，从而也会产生与专利文献4同样的问题。因此，理想的是以无间隙且不会变厚的方式扫描脉冲激光，由此，将表面改性薄膜的厚度设为100μm以下。
3.实施例3(铆接接合)
使用钢丝刷将实施例1中所使用的轧制材的单面的金属氧化被膜除去，并以使此面相向的方式，使两块轧制材重叠而形成层叠金属板。另外，以使在实施例1中进行了表面改性的面相向的方式，使两块金属板重叠而形成层叠金属板。在此情况下，将轧制材与金属板设为短条状，并使所述轧制材与金属板在长边方向上彼此错开而形成层叠金属板。使用图7所示的铆接装置(TOX公司制造)，使这些层叠金属板成形为如图7所示的形状，并进行铆接接合。铆接装置是如下构造的装置，即，包括具有凹部6a的模具6与冲头7，并使冲头7接近或远离模具6。在凹部6a底部的周缘形成有更低的低洼部位，以使成形后的层叠金属板的材料进入至低洼部位并在材料的边界部彼此咬合的方式进行铆接成形。
用于铆接接合的冲头7的直径设为5.6mm，模具6的直径设为8mm，模具6的凹部6a的深度设为1.0mm。而且，对冲头7的下死点的位置进行调整，使冲头7压入至层叠金属板后的板厚t达到0.9mm～1.4mm。将各个压入后的板厚t的各层叠金属板的剪切强度表示在表1中。再者，在铆接成形后的层叠金属板的两端部的分离方向上进行拉伸试验，测定出剪切强度。
[表1]
若冲头7的压入量增大，则加压量增加，压入后的板厚减小。相反地，若压入后的板厚增大，则由冲头进行的加压不充分，铆接成形部无法完全成形。本发明例与现有例相比，压入深度及剪切强度均更高。当压入后的板厚为1.4mm时，对于现有例来说，铆接成形不充分，且层叠金属板彼此未黏附，因此，未表现出剪切强度，而对于本发明例来说，在由冲头7与模具6包夹的底面区域中，新生面黏附，因此，表现出了剪切强度。
这样，在利用钢丝刷将氧化被膜除去的现有例中，在受到加工时，越到达由钢丝刷形成的槽的深处，则越难以引起充分的塑性流动，因此，材料彼此的黏附变得不充分，接合强度不足。相对于此，在本发明例中，如实施例2所示，表面改性薄膜细微地裂开，各个分割片以此裂纹为起点而剥离，使平坦的新生面在大范围内露出。因此，在变形时容易黏附，结果是能够确保大黏附面积而提高接合强度。
再者，对于专利文献4所公开的技术，因为表面改性层的厚度厚，所以不认为会通过铆接接合而像本发明例这样使表面改性层细微地裂开，因此，推测所获得的剪切强度与现有例同等或为现有例以下。
[产业上的可利用性]
本发明能够利用于对多块金属板进行铆接而使这些金属板接合的技术，特别适合利用于接合部的面积或深度受到限制的用途。

Claims (3)

1.一种金属接合体，其特征在于：包括使多块金属板彼此层叠而成的层叠金属板，在所述层叠金属板的一个面形成有凹部，在另一个面形成有使所述凹部的凹陷部突出而成的凸部，在所述多块金属板彼此相向的面形成有比其他部分更脆的表面改性薄膜，在所述凹部中，因所述表面改性薄膜的一部分剥离而露出的新生面彼此相互黏附。
2.一种金属接合体的制造方法，其特征在于：将高能束照射至金属板的表面的至少实施铆接的表面部，使所述表面部熔融及凝固而形成表面改性薄膜，并以使所述表面改性薄膜彼此相向的方式，使多块所述金属板重叠而形成层叠金属板，
通过工具对所述层叠金属板进行加压成形而实施铆接。
3.根据权利要求2所述的金属接合体的制造方法，其中：所述高能束为脉冲激光。
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