CN107378227B - 金属复合材料及金属接合方法 - Google Patents

金属复合材料及金属接合方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种金属复合材料及金属接合方法，在将两种金属加以摩擦搅拌接合时，能够最小限度地抑制抽出工具时所形成的工具孔对摩擦搅拌接合部的接合强度所造成的影响。在第1轴与第2轴沿轴方向重叠的轴方向重叠部，分别形成第1轴与第2轴相接的内接部、以及第1轴与第2轴未相接的非内接部。在非内接部，使第2轴的板厚变薄，相对于第1轴的内周面形成深度(＝工具的插入深度‑第1轴的板厚)以上的间隙。并且，摩擦搅拌接合部的起点部形成于内接部，摩擦搅拌接合部的终点部形成于非内接部。根据需要，从第1轴切下包含工具孔的非内接部。

Description

金属复合材料及金属接合方法
技术领域
本发明涉及一种将两个金属构件加以摩擦搅拌接合的金属复合材料及金属接合方法。
背景技术
作为将两个金属构件加以接合的接合方法，已经知道了所谓摩擦搅拌接合，即，通过使工具一边旋转，一边从上方对两金属构件所重合的接合部(重叠部)加压，同时在水平方向上移动，来将基材(base material)加以软化并且搅拌，由此将两金属构件的接合界面部加以固相接合，所述工具包含设置于前端中央部的销(pin)(探针(probe))、以及被称为肩状物(shoulder)的圆柱状的旋转体(例如，参照专利文献1及专利文献2)。
然而，当工具一边旋转，一边在水平方向(或圆周方向)上移动时，经工具软化或搅拌的金属材料(搅拌材料)会被逼到与工具的移动方向相反的后方。因此，在工具插入至金属构件的起点，此后经搅拌的搅拌材料会填补过来，与此相对，在工具从金属构件抽出的终点，此后没有搅拌材料，所以搅拌材料不会填补过来。其结果使得在终点必然产生凹部(工具孔(tool hole))。当产生工具孔时，载荷作用至构件时应力会集中于工具孔附近，因此摩擦搅拌接合部的接合强度降低。特别是当摩擦搅拌接合部的轨迹叠覆(overlap)时，叠覆部成为第一次凹陷的部位的再次施工，因此在此处材料不足而会产生通道状缺陷(空洞缺陷)。
为了在叠覆部不产生空洞缺陷，已经知道了使工具在水平方向上移动时，使工具在叠覆部的塞入量比在未叠覆的其它部位增加的摩擦搅拌接合方法(例如，参照专利文献2)。
并且，为了使工具孔中所集中的应力不会对载荷条件严格的接合中心线造成影响，已经知道了在与接合中心线偏离的横方向上形成从金属构件抽出工具的终点(工具孔)的摩擦搅拌接合方法(例如，参照专利文献1)。
[现有技术文献]
[专利文献]
[专利文献1]日本专利特开2005-95951号公报
[专利文献2]日本专利特开2009-248167号公报
发明内容
[发明所欲解决的问题]
在所述专利文献1所述的摩擦搅拌接合方法中，工具的移动方向切换时的角度变化(从变化前的移动方向算起的弯曲角)设为90°以上。一般而言，当工具在规定方向上移动时，工具的移动方向与旋转方向成为相同方向的区域(AS侧)和工具的移动方向与旋转方向成为彼此相反方向的区域(RS侧)关于工具的移动方向分别形成于两侧。在AS侧，材料的流速大，与此相对，在RS侧，材料的流速减小。
因此，当工具的移动方向切换时的角度变化为90°以上时，存在产生角度变化时的材料的流动变化变得过大，容易引起空洞缺陷的问题。
另一方面，在所述专利文献2所述的摩擦搅拌接合方法中，为了使塞入量增加，位于被软化及搅拌的金属构件(第1金属)的下方的金属构件(第2金属)的切削量增加。如果第2金属的切削量增加，则当第2金属的硬度高时，工具的磨损量会增加。而且，由工具及第2金属生成的发热量增加，由此存在导致接合强度下降的问题。
因此，本发明是鉴于所述现有技术的问题而完成，其目的在于提供一种金属复合材料及金属接合方法，当将两个金属加以摩擦搅拌接合时，能够最小限度地抑制抽出工具时所形成的工具孔对摩擦搅拌接合部的接合强度所造成的影响。
[解决问题的手段]
在用于达成所述目的的本发明的金属复合材料中，具有在第1金属(11)的下方摩擦搅拌接合有第2金属(12)的摩擦搅拌接合部(40FSW)，所述金属复合材料的特征在于：所述第1金属(11)包括与所述第2金属(12)内接的内接部(41)、以及与所述第2金属(12)隔开的非内接部(42)，所述摩擦搅拌接合部(40FSW)的起点部(43)形成于所述内接部(41)，并且所述摩擦搅拌接合部(40FSW)的终点部(44)形成于所述非内接部(42)。
在所述构成中，摩擦搅拌接合部的终点部(44)形成于第1金属(11)与第2金属(12)隔开的非内接部(42)。因此，在终点部(44)，是第1金属(11)与第2金属(12)未摩擦搅拌接合的状态。即，终点部(44)是无助于第1金属(11)与第2金属(12)的摩擦搅拌接合部(40FSW)的接合强度的状态。因此，即使在去除了包含工具孔(44a)的终点部(44)的情况下，摩擦搅拌接合部(40FSW)的接合强度也维持着原有的状态。即，在本发明的金属复合材料中，可以不对摩擦搅拌接合部(40FSW)的接合强度造成影响地去除(切下)工具孔(44a)。
本发明的金属复合材料的第2特征在于：所述第1金属(11)与所述第2金属(12)均为圆筒形状，所述摩擦搅拌接合部(40FSW)是沿所述第1金属(11)的外周面的周方向而形成。
在所述构成中，将圆筒状的第1金属(11)与圆筒状的第2金属(12)在同轴上接合，而形成为沿第1金属(11)的周方向而摩擦搅拌接合的圆筒状的金属复合材料。在所述圆筒状的金属复合材料中，是摩擦搅拌接合部(40FSW)的终点部(44)无助于接合强度的状态。因此，在所述圆筒状的金属复合材料中，能够不对摩擦搅拌接合部(40FSW)的接合强度造成影响地切下(去除)工具孔(44a)。因此，所述圆筒状的金属复合材料可以适当地应用于对整体中的一部分要求强度及硬度的圆筒状的金属构件，例如定子轴(stator shaft)等。
本发明的金属复合材料的第3特征在于：所述摩擦搅拌接合部(40FSW)包括：第1直线部(40L1)，从所述起点部(43)沿所述第1金属(11)外周面延伸；以及第2直线部(40L2)，相对于所述第1直线部(40L1)在与所述起点部(43)相离的方向上以45°以下的弯曲角度(δ)弯曲，并且沿所述第1金属(11)外周面直至所述终点部(44)。
在所述构成中，从起点部(43)延伸的摩擦搅拌接合部(40FSW)上的第1直线部(40L1)在终点部(44)的近前变为以45°以下的规定的弯曲角度(δ)弯曲直至终点部(44)的第2直线部(40L2)。此时，轨迹的角度变化缓和而为45°以下，因此伴随着轨迹的角度变化而产生的材料流动变化减小，难以在角度变化后的摩擦搅拌接合部(40FSW)产生空洞缺陷。并且，第一次摩擦搅拌接合部(40FSW)与其后的摩擦搅拌接合部(40FSW)不相互叠覆，所以同样地难以产生空洞缺陷。
本发明的金属接合方法的第4特征在于：在所述非内接部(42)在所述第1金属(11)或所述第2金属(12)中的任一者上形成有板厚减少部(12a)。
在所述构成中，可以利用板厚减少部(12a)，形成第1金属(11)与第2金属(12)不相互连接的状态(隔开的状态)。由此，非内接部(42)成为第2金属(12)与工具不相接的区域，所以能够形成摩擦搅拌接合部(40FSW)的接合强度不依存于终点部(44)的状态。
本发明的金属复合材料的第5特征在于：所述板厚减少部(12a)形成于所述第2金属(12)。
在所述构成中，在位于第1金属(11)的下方的第2金属(12)上形成有板厚减少部(12a)。其结果为，在摩擦搅拌接合时，不需要改变工具的深度，因此操作变得容易。
在用于达成所述目的的本发明的金属接合方法中，通过相对于第1金属(11)与第2金属(12)重合的重叠部(40)，使工具(20)一边加压及旋转，一边插入至所述第1金属(11)，并使所述工具(20)在规定的切线方向上移动之后从所述第1金属(11)抽出所述工具(20)，来将所述重叠部(40)加以摩擦搅拌接合，所述金属接合方法的特征在于：
在所述重叠部(40)的所述第1金属(11)与所述第2金属(12)之间形成间隙(d)，对未形成所述间隙(d)的内接部(41)上的所述第1金属(11)插入所述工具(20)，并且从形成有所述间隙(d)的非内接部(42)上的所述第1金属(11)抽出所述工具(20)。
在所述构成中，可以将所述第1特征的第1金属(11)及第2金属(12)适当地加以摩擦搅拌接合。
本发明的金属接合方法的第2特征在于：在圆筒状的所述第1金属(11)的内侧，呈同轴状地插入圆筒状的所述第2金属(12)，使所述工具(20)沿所述第1金属(11)的外周面的周方向移动。
在所述构成中，可以将所述第2特征的第1金属(11)及第2金属(12)适当地加以摩擦搅拌接合。
本发明的金属接合方法的第3特征在于：在使所述工具(20)沿所述第1金属(11)的外周面的周方向移动时，在抽出所述工具(20)之前，所述工具(20)的移动在与插入有所述工具(20)的起点部(43)相离的方向上以45°以下的弯曲角度(δ)弯曲。
在所述构成中，可以将所述第3特征的第1金属(11)及第2金属(12)适当地加以摩擦搅拌接合。
本发明的金属接合方法的第4特征在于：使所述第1金属(11)或所述第2金属(12)中任一者的板厚局部地变薄。
在所述构成中，可以将所述第4特征的第1金属(11)及第2金属(12)适当地加以摩擦搅拌接合。
本发明的金属接合方法的第5特征在于：使所述第2金属(12)的板厚局部地变薄。
在所述构成中，可以将所述第5特征的第1金属(11)及第2金属(12)适当地加以摩擦搅拌接合。
本发明的金属接合方法的第6特征在于：从所述第1金属(11)去除所述非内接部(42)的全部或一部分。
在所述构成中，由于工具孔(44a)被去除，所以摩擦搅拌接合部(40FSW)的接合强度得到适当地维持。
[发明的效果]
根据本发明的金属复合材料(100)，可以对第1金属(11)与第2金属(12)的摩擦搅拌接合部(40FSW)的接合强度不造成影响地去除(切下)工具孔(44a)。
根据本发明的另一金属复合材料(200)，摩擦搅拌接合部(40FSW)的接合强度不依存于工具孔(44a)。
并且，根据本发明的金属接合方法，可以将第1金属(11)及第2金属(12)适当地加以摩擦搅拌接合，以使得摩擦搅拌接合部(40FSW)的接合强度不依存于工具孔(44a)。
附图说明
图1(a)～图1(c)是表示应用有本发明的摩擦搅拌接合方法的异种金属轴的说明图。
图2(a)～图2(c)是表示应用有本发明的摩擦搅拌接合方法的另一异种金属轴的说明图。
图3(a)～图3(f)是表示本发明的摩擦搅拌接合方法的说明图。
图4是表示应用有本发明的摩擦搅拌接合方法的变形例1的异种金属轴的说明图。
图5是表示应用有本发明的摩擦搅拌接合方法的变形例2的异种金属轴的说明图。
图6是表示应用有本发明的摩擦搅拌接合方法的变形例3的异种金属轴的说明图。
图7是表示应用有本发明的摩擦搅拌接合方法的变形例4的异种金属轴的说明图。
[符号的说明]
11：第1轴
12：第2轴
12a：板厚减少部
20：摩擦搅拌接合工具
21：销
40：轴方向重叠部
40FSW：摩擦搅拌接合部
40L1：第1直线部
40L2：第2直线部
41：内接部
42：非内接部
43：摩擦搅拌接合部的起点部
44：摩擦搅拌接合部的终点部
44a：工具孔
50：切断工具
100、200、300、400、500、600：异种金属轴
d：间隙
D：插入深度
t1：内接部的板厚
t2：非内接部的板厚
t11：第1轴的板厚
θ：倾斜度
δ：弯曲角度
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式进行详细说明。
图1(a)～图1(c)是表示应用有本发明的摩擦搅拌接合方法的异种金属轴100的说明图。再者，图1(a)是异种金属轴100的俯视图，图1(b)是所述图1(a)的A-A截面图。并且，图1(c)是所述图1(b)的B部放大图。
所述异种金属轴100包括第1轴11、以及压入接合于第1轴11的内周面的第2轴12。第1轴11是全部由轻金属例如铝或其合金构成的圆筒状的空心轴。相对的第2轴12是由铁系金属例如不锈钢构成并且与第1轴11为同心的圆筒状的空心轴。
如图1(a)所示，对第1轴11的内周面与第2轴12的外周面沿轴方向重叠的轴方向重叠部40，一边利用摩擦搅拌接合工具20(以下称为“工具”)(图3(a)～图3(f))从上方进行加压及旋转，一边例如呈螺旋状经两圈摩擦搅拌接合第1轴11及第2轴12。因此，在第1轴11的外周面上，呈螺旋状地形成有将第1轴11与第2轴12加以结合的摩擦搅拌接合部40FSW。
并且，如图1(b)所示，轴方向重叠部40包括第1轴11的内周面与第2轴12的外周面相接的内接部41、以及第1轴11的内周面与第2轴12的外周面不相接的非内接部42。并且，第2轴12包含板厚减少部12a，非内接部42的板厚t2薄于内接部41的板厚t1。因此，在非内接部42在第1轴11与第2轴12之间形成有间隙d。
在本异种金属轴100上，摩擦搅拌接合部40FSW的起点部(以下也简称为“起点部”)43形成于内接部41，摩擦搅拌接合部40FSW的终点部(以下也简称为“终点部”)44形成于非内接部42。
因此，在非内接部42，第1轴11与第2轴12没有摩擦搅拌接合，只是在间隙d内填充有经工具20软化及搅拌的第1轴11的搅拌构件。包含终点部44的非内接部42是无助于摩擦搅拌接合部40FSW的接合强度的状态。因此，包含工具孔44a的非内接部42能够从第1轴11切下，后文将一边参照图2(a)～图2(c)及图3(a)～图3(f)一边对其详细情况进行说明。
并且，如图1(c)所示，内接部41与非内接部42的分界处设置有倾斜度θ(例如，30°以下)的阶差。
图2(a)～图2(c)是表示应用有本发明的摩擦搅拌接合方法的另一异种金属轴200的说明图。再者，图2(a)是异种金属轴200的俯视图，图2(b)是所述图2(a)的A-A截面图。并且，图2(c)是所述图2(b)的B部放大图。
所述异种金属轴200相当于从所述异种金属轴100去除(切下)与包含工具孔44a的非内接部42相关的第1轴11的部位的构件。因此，在形成于第1轴11的外周面上的摩擦搅拌接合部40FSW不存在终点部44。与非内接部42相关的摩擦搅拌接合部40FSW不是将第1轴11与第2轴12加以摩擦搅拌接合的构件，所以即使在经去除的情况下，摩擦搅拌接合部40FSW的接合强度也不会下降。以下，对利用所述异种金属轴100制造异种金属轴200的本发明的摩擦搅拌接合方法进行说明。
图3(a)～图3(f)是表示本发明的摩擦搅拌接合方法的说明图。再者，各工序是通过俯视图及截面图来表示。并且，图3(a)至图3(c)是所述异种金属轴100的相关工序，图3(d)至图3(f)是所述异种金属轴200的相关工序。
如图3(a)所示，相对于第1轴11的内周面与第2轴12的外周面沿轴方向重叠的轴方向重叠部40，工具20一边进行加压及旋转，一边插入至第1轴11，在维持着插入深度D(从第1轴11的外周面到工具20的销前端21为止的距离)的状态下以规定的接合条件(工具20的旋转速度、工具移动速度)沿螺旋方向在内接部41移动。再者，为了去除在第1轴11与第2轴12之间存在的杂质(氧化膜)，工具20将第2轴12的外周面挖去规定的深度K(＝插入深度D-第1轴板厚t11)。
如图3(b)所示，工具20在非内接部42移动时，将经工具20软化及搅拌的铝材填充于间隙d中。此时，在非内接部42中形成于第1轴11与第2轴12之间的间隙d(图1(b))的深度(距离)设定为所述K以上。因此，在非内接部42，工具20不会挖去第2轴12的表面。其结果为，在非内接部42中第1轴11及第2轴12是没有摩擦搅拌接合的状态。
如图3(c)所示，从第1轴11抽出工具20时，在终点部44形成工具孔44a。在终点部44，第1轴11与第2轴12没有摩擦搅拌接合。即，包含终点部44的非内接部42是无助于摩擦搅拌接合部40FSW的接合强度的状态。因此，优选的是包含工具孔44a的非内接部42经去除(经切下)。
在非内接部42，第1轴11及第2轴12是没有摩擦搅拌接合的状态。此外，在间隙d是填充有经工具20软化及搅拌的铝材的状态。因此，如图3(d)及图3(e)所示，包含工具孔44a的非内接部42可以利用切断工具(cut-off tool)50容易地从第1轴11切下。
如图3(f)所示，通过从第1轴11切下非内接部42，而获得本发明的所述异种金属轴200。
图4是表示应用有本发明的摩擦搅拌接合方法的变形例1的异种金属轴300的说明图。
所述异种金属轴300是以摩擦搅拌接合部40FSW不叠覆的方式，以第1直线40L1为特征的工具20的移动方向(切线方向)在终点部44的近前在与起点部43相离的方向上以弯曲角度δ弯曲，在以第2直线40L2为特征的移动方向上发生变化。再者，弯曲角度δ是变化前的第1直线40L1与变化后的第2直线40L2所成的角度，定义为从第1直线40L1绕逆时针方向所测量的角度。因此，关于其它构成，与所述异种金属轴200相同。
图5是表示应用有本发明的摩擦搅拌接合方法的变形例2的异种金属轴400的说明图。
所述异种金属轴400是从所述异种金属轴300切下包含工具孔44a的非内接部42的构件。因此，关于其它构成，与所述异种金属轴300相同。
图6是表示应用有本发明的摩擦搅拌接合方法的变形例3的异种金属轴500的说明图。
所述异种金属轴500与所述异种金属轴300不同，沿圆周方向而形成有摩擦搅拌接合部40FSW。因此，关于其它构成，与所述异种金属轴300相同。因此，所述异种金属轴500也与所述异种金属轴300同样地，以摩擦搅拌接合部40FSW不叠覆的方式，以第1直线40L1为特征的工具20的移动方向(切线方向)在终点部44的近前在与起点部43相离的方向上以弯曲角度δ弯曲，在以第2直线40L2为特征的移动方向上发生变化。
图7是表示应用有本发明的摩擦搅拌接合方法的变形例4的异种金属轴600的说明图。
所述异种金属轴600是从所述异种金属轴500切下包含工具孔44a的非内接部42的构件。因此，关于其它构成，与所述异种金属轴500相同。
以上，一边参照附图，一边对本实施方式的异种金属轴及金属接合方法进行了说明。但是，本发明的实施方式并不只限定于所述实施方式，在不变更本发明的技术特征的主旨的范围内可以施加各种变更及修正。例如，第1轴11与第2轴12也可以是同种金属。并且，关于与摩擦搅拌接合部40FSW相关的工具20的移动方向，除了螺旋状及圆周状以外，还可以是之字状或这些形状的组合。此外，关于工具20的圈数，也可以是两圈以上。

Claims (11)

1.一种金属复合材料，具有在第1金属的下方摩擦搅拌接合有第2金属的摩擦搅拌接合部，所述金属复合材料的特征在于：
所述第1金属包括所述第1金属的内周面与所述第2金属的外周面内接的内接部、以及与所述第2金属隔开的非内接部，
所述摩擦搅拌接合部的起点部形成于所述内接部，且所述摩擦搅拌接合部的终点部形成于所述非内接部且是无助于接合强度的状态。
2.根据权利要求1所述的金属复合材料，其特征在于：所述第1金属及所述第2金属均为圆筒形状，所述摩擦搅拌接合部是沿所述第1金属的外周面的周方向而形成。
3.根据权利要求1或2所述的金属复合材料，其特征在于：所述摩擦搅拌接合部包括从所述起点部沿所述第1金属外周面延伸的第1直线部，以及相对于所述第1直线部在与所述起点部相离的方向上以45°以下的弯曲角度弯曲、沿所述第1金属外周面直至所述终点部的第2直线部。
4.根据权利要求1或2所述的金属复合材料，其特征在于：在所述非内接部，在所述第1金属或所述第2金属中的任一者上形成有板厚减少部。
5.根据权利要求4所述的金属复合材料，其特征在于：所述板厚减少部形成于所述第2金属上。
6.一种金属接合方法，相对于第1金属与第2金属重合的重叠部，使工具一边加压及旋转，一边插入至所述第1金属，使所述工具在规定的切线方向上移动之后从所述第1金属抽出所述工具，借此将所述重叠部加以摩擦搅拌接合，所述金属接合方法的特征在于：
在所述重叠部的所述第1金属与所述第2金属之间形成间隙，将所述工具插入至所述第1金属的内周面与所述第2金属的外周面内接而未形成间隙的内接部的所述第1金属，并且从形成有所述间隙的非内接部的所述第1金属抽出所述工具，所述非内接部是无助于接合强度的状态。
7.根据权利要求6所述的金属接合方法，其特征在于：在圆筒状的所述第1金属的内侧，插入圆筒状的所述第2金属，使所述工具沿所述第1金属的外周面的周方向移动。
8.根据权利要求6或7所述的金属接合方法，其特征在于：在使所述工具沿所述第1金属的外周面的周方向移动时，在抽出所述工具之前，所述工具的移动在与插入有所述工具的起点部相离的方向上以45°以下的弯曲角度弯曲。
9.根据权利要求6或7所述的金属接合方法，其特征在于：使所述第1金属或所述第2金属中任一者的板厚局部地变薄。
10.根据权利要求9所述的金属接合方法，其特征在于：使所述第2金属的板厚局部地变薄。
11.根据权利要求6或7所述的金属接合方法，其特征在于：从所述第1金属去除所述非内接部的全部或一部分。
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