CN110214066B

CN110214066B - 金属薄板的接合方法及金属薄板的接合结构

Info

Publication number: CN110214066B
Application number: CN201880007524.XA
Authority: CN
Inventors: 高业飞; 閤师昭彦; 廖金孙
Original assignee: Kurimoto Ltd
Current assignee: Kurimoto Ltd
Priority date: 2017-03-28
Filing date: 2018-02-05
Publication date: 2020-12-11
Anticipated expiration: 2038-02-05
Also published as: EP3406390A1; CN110214066A; JP2018164913A; EP3406390A4; WO2018179840A1; JP6688755B2; US20200009682A1; EP3406390B1

Abstract

将第二金属薄板(2)的一端在载置于垫板(6)上的第一金属薄板(1)的一端上，以在侧视时两端之间的距离为给定长度的方式进行重叠配置，并从重叠后的第二金属薄板(2)的上方压贴旋转的旋转工具(4)，利用在旋转的工具与被接合材料之间产生的摩擦热量及按压，来接合第二金属薄板(2)的一端和第一金属薄板(1)的一端。

Description

金属薄板的接合方法及金属薄板的接合结构

技术领域

本发明涉及将板厚为2.0mm以下的金属薄板与板厚为2.0mm以下的金属薄板的至少一部分相互重叠，并对该重叠部进行加热及加压，由此形成如对接接头那样的接头的金属薄板的接合方法及金属薄板的接合结构。

背景技术

近年来，板厚为2.0mm以下的金属薄板被应用于各种领域。在这样的金属薄板彼此的接合中，如果进行利用现有的熔融接合法的金属薄板的对接，则存在熔穿或形变的产生、接合前的尺寸精度的制约多等许多问题。为了解决这些问题，金属薄板的简便的对接接合技术是不可或缺的。

另一方面，摩擦搅拌接合(Friction stir welding：FSW)作为代表性的固相接合而已知。FSW使用旋转工具，该旋转工具通常为圆柱形，并且在前端具有被称为针(pin)或探针(probe)的突起。被接合材料在使待接合的面彼此紧贴的状态下被固定，并在背面侧放置垫板。在接合中，首先使旋转工具以给定的转速旋转，并且将旋转工具压贴在接合线上的材料表面。由此，在旋转工具与被接合材料之间产生摩擦热量，被接合材料由于该热量而软化。旋转工具以给定的加压力压贴于材料，因此压入到软化后的被接合材料中，最终成为针完全埋没在材料中的状态。此时，针周边的材料以被接合工具的旋转拖拽的形式产生塑性流动。其后，在维持旋转工具的旋转和加压并且沿着接合线使旋转工具移动时，在旋转工具的后方，由于塑性流动而出现一体化的FSW。

摩擦搅拌接合由于在合金的固相线温度以下进行接合，因此作为具有能够一举解决由氧化皮膜的卷入或焊接变形等引起的现有熔融接合法的问题点的可能性的接合方法而受到关注。作为摩擦搅拌接合的特征，可举出：与现有的电弧焊相比，接合变形极小，因此能够期待产品品质的提高，还能够削减接合后的变形修正作业的成本；不需要填充材料(填料)且省电，所以节省成本且节省能源；以及不需要熟练，容易实现自动化、机器人化等。另外，由于不产生电弧、烟尘及粉尘，因此在作业环境方面也优异。目前，是应用于铁道车辆、船舶、飞机等，并且正在研究扩大应用于汽车、半导体设备等的接合法。

但是，现有的利用摩擦搅拌接合的金属薄板的对接接合尚存在有如下问题：接合前的尺寸精度的制约多，因工具的压入导致接合部厚度减少；以及接合面的高精度的位置对齐困难等问题。

例如，如专利文献1那样，已知一种提供将待对接的2张薄板被接合材料进行接合的接合部的板厚不会减少，从而接头强度提升的接合体的方法。在该方法中，将旋转的圆柱状的旋转工具压贴于厚度为0.1mm～0.6mm的被加工材料的表面，其中，被加工材料的幅宽与圆柱状的旋转工具的直径相同。然后，通过将被加工材料在从被加工材料的厚度-0.1mm以上到被加工材料的厚度的范围内，压入到对接配置在平面上的厚度为1.0mm以下和厚度为0.4mm以上的2张薄板被接合材料中，由此，通过在被加工材料及2张薄板被接合材料产生的摩擦热量，使得被加工材料与被接合材料的接合面及被接合材料与被接合材料的接触面相接合。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2011-240398号公报

发明内容

发明所要解决的问题

但是，在上述专利文献1中，仍然不能充分解决接合前的板厚的尺寸精度的制约多以及接合面的高精度的位置对齐困难等问题。

本发明是鉴于这一点而完成的，其目的在于，即使是板厚薄的金属薄板之间，也能够容易且质量良好地进行接合。

用于解决问题的手段

为了达成上述目的，在本发明中，通过在将第二金属薄板的一端以给定长度重叠在第一金属薄板的一端上的状态下，将旋转的工具压贴于重叠部，从而进行接合。

具体而言，在第一发明中，以将厚度为2.0mm以下的第一金属薄板与厚度为2.0mm以下的第二金属薄板进行接合的金属薄板的接合方法为前提，上述金属薄板的接合方法构成为包括：重叠工序，将上述第二金属薄板的一端在载置于垫板上的上述第一金属薄板的一端上，以在侧视时两端之间的距离为给定长度的方式进行重叠配置；以及接合工序，从重叠后的上述第二金属薄板的上方压贴旋转的工具，并利用在旋转的工具与被接合材料之间产生的摩擦热量及按压，来接合该第二金属薄板的一端和上述第一金属薄板的一端。

根据上述结构，由于通过在旋转的工具与被接合材料之间产生的摩擦热量及工具的旋转，仅产生塑性流动而不发生熔融，因此抑制了熔穿或形变的产生，从而即使是薄的金属材料之间也能够进行接合。另外，由于在预先使两张金属薄板的一端重叠的基础上利用旋转工具进行接合，所以能够使接合部的厚度比两张金属薄板各自的厚度更厚。因此，与母材相比时，可抑制拉伸强度的降低。

就第二发明而言，在第一发明中，上述旋转工具的抵接面的直径大于将上述第二金属薄板的一端重叠在上述第一金属薄板的一端上的上述给定长度，上述旋转工具的下降距离比上述第二金属薄板的厚度小。

根据上述结构，通过不使旋转工具过度下降地在包括重叠部分在内的宽范围内进行接合，从而能够尽可能防止金属薄板的形变，并且保持接合强度。另外，抑制了第一金属薄板的背面侧的外观的劣化。另外，“下降距离”是指旋转工具的抵接面从与第二金属薄板抵接的位置进一步压入的距离。

就第三发明而言，在第二发明中，上述第二金属薄板的厚度比上述第一金属薄板的厚度厚。

根据上述结构，通过在将较薄的金属薄板置于下方的状态下进行接合，从而防止两金属薄板的底面的成品的劣化，并且尽可能地提高旋转工具的下降距离，从而有效地进行接合。

就第四发明而言，在第一发明至第三发明中的任一个发明中，采用上述旋转工具的抵接面不具有针而为大致平坦的结构。

根据上述结构，避免了针被垫板排斥而不能顺利地接合的状况。

在第五发明中，以厚度为2.0mm以下的第一金属薄板与厚度为2.0mm以下的第二金属薄板接合所得的金属薄板的接合结构为前提。

并且，上述金属薄板的接合结构中，上述第二金属薄板的一端以塑性流动的状态重叠在上述第一金属薄板的一端上。

根据上述结构，由于通过在旋转的工具与被接合材料之间产生的摩擦热量及工具的旋转，仅产生塑性流动而不发生熔融，因此抑制了熔穿或形变的产生。另外，由于在预先使两张金属薄板的一端重叠的基础上利用旋转工具进行接合，所以能够使接合部的厚度比两张金属薄板各自的厚度更厚。因此，与母材相比时，可抑制拉伸强度的降低。

就第六发明而言，在第五发明中，采用上述第二金属薄板比上述第一金属薄板厚的结构。

根据上述结构，利用在将较薄的金属薄板置于下方的状态下在旋转的工具与被接合材料之间产生的摩擦热量及按压进行接合，从而防止两金属薄板的底面的成品的劣化，并且尽可能地提高旋转工具的下降距离，从而有效地进行接合。

就第七发明而言，在第五发明或第六发明中，采用上述第二金属薄板的拉伸强度为上述第一金属薄板的拉伸强度以下的结构。

根据上述结构，将拉伸强度高的第一金属薄板配置在与旋转工具相反的一侧，在拉伸强度低的第二金属薄板侧首先压贴旋转的工具，再将两者接合，由此能够不使底面侧的外观劣化地进行接合。另外，即使是由异种材料构成的金属薄板，也能够外观良好地进行接合。

发明效果

如以上所说明的那样，根据本发明，将第二金属薄板的一端在载置于垫板上的第一金属薄板的一端上，以在侧视时两端之间的距离为给定长度的方式进行重叠配置，并从重叠后的第二金属薄板的上方压贴旋转的工具，利用在旋转的工具与被接合材料之间产生的摩擦热量及按压，来接合第二金属薄板的一端和第一金属薄板的一端，由此，即使是板厚薄的金属薄板之间，也能够容易且质量良好地进行接合。

附图说明

图1为表示本发明的实施方式所涉及的金属薄板的接合方法的概要图。

图2为表示厚度为0.6mm的镀锌钢板的接头的截面及其周边的外观照片。

图3为表示图2所示的各位置的厚度的表。

图4A为表示进行了机械研磨精加工后的厚度为0.6mm的镀锌钢板彼此之间的接头的截面组织的照片。

图4B为表示进行了机械研磨和蚀刻后的厚度为0.6mm的镀锌钢板彼此之间的接头的截面组织的照片。

图5为表示厚度为0.6mm的镀锌钢板彼此之间的接合参数的范围的图表。

图6为根据图5所示的参数来表示厚度为0.6mm的镀锌钢板(SPCC)彼此之间的接头的拉伸强度的图表。

图7A为表示实施例1所涉及的厚度为2.0mm的铝合金彼此之间的接头的平面的外观照片。

图7B为表示实施例1所涉及的厚度为2.0mm的铝合金彼此之间的接头的截面的外观照片。

图8为表示实施例2所涉及的厚度为2.0mm的镁合金彼此之间的接头的平面的外观照片。

图9A为表示实施例3所涉及的厚度为2.0mm的镁合金与厚度为2.0mm的铝合金的接头的平面的外观照片。

图9B为表示实施例3所涉及的厚度为2.0mm的镁合金与厚度为2.0mm的铝合金的接头的截面的外观照片。

图10A为表示实施例4所涉及的厚度为0.6mm的镀锌钢板与厚度为1.0mm的镀锌钢板的接头的平面的外观照片。

图10B为表示实施例4所涉及的厚度为0.6mm的镀锌钢板与厚度为1.0mm的镀锌钢板的接头的底面的外观照片。

图10C为表示实施例4所涉及的厚度为0.6mm的镀锌钢板与厚度为1.0mm的镀锌钢板的接头的截面的外观照片。

图11A为表示实施例5所涉及的厚度为0.6mm的镀锌钢板与厚度为2.0mm的镁合金的接头的平面的外观照片。

图11B为表示实施例5所涉及的厚度为0.6mm的镀锌钢板与厚度为2.0mm的镁合金的接头的底面的外观照片。

图11C为表示实施例5所涉及的厚度为0.6mm的镀锌钢板与厚度为2.0mm的镁合金的接头的截面的外观照片。

图12A为表示实施例6所涉及的厚度为0.6mm的镀锌钢板与厚度为2.0mm的铝合金的接头的平面的外观照片。

图12B为表示实施例6所涉及的厚度为0.6mm的镀锌钢板与厚度为2.0mm的铝合金的接头的底面的外观照片。

具体实施方式

以下，基于附图对本发明的实施方式进行说明。

图1示出了本发明的实施方式的金属薄板的接合方法的概要。在本实施方式中，如图1所示，首先在重叠工序中，将第一金属薄板1的端部及第二金属薄板2的端部以在侧视时两端之间的距离为给定长度的方式，即，以彼此重叠宽度W为例如1～5mm左右的方式，重叠在垫板6上。

接着，在接合工序中，相对于第一金属薄板1及第二金属薄板2的端部彼此重叠所得的重叠部3，使用旋转工具4进行接合。在本实施方式中，使用不具有通常的接合所使用的从肩部的中心延伸的针，抵接面为平坦的旋转工具4。

在接合过程中，第一金属薄板1和第二金属薄板2例如被加热到其熔点的50～80％左右。由此，第一金属薄板1及第二金属薄板2的硬度降低，通过旋转工具4的旋转作用而容易产生塑性流动。由此，第二金属薄板2的一端通过塑性流动重叠在第一金属薄板1的一端上，由此形成具有如对接接合那样的接合部5的接头。

图2示出了表示实际进行的厚度为0.6mm的镀锌钢板(SPCC)彼此之间的接头的截面及其周边的外观照片的例子。该情况下的实验用旋转工具4的直径为15mm，旋转工具4的前进角度(倾斜角度)为1°，重叠的宽度为4mm，旋转工具4的插入深度H为0.5mm，旋转工具4的旋转速度为2000rpm，接合速度为60mm/min。

通过旋转工具4的压入，接合部5的厚度减少到作为被接合材料的第一金属薄板1及第二金属薄板2的厚度程度，形成了如对接那样的接头。具体而言，图3示出了图2所示的各位置的厚度。由此可知，接合部5的厚度与第一金属薄板1及第二金属薄板2的厚度0.6mm相比并未变薄。

图4A示出了仅进行机械研磨后的厚度为0.6mm的镀锌钢板(SPCC)彼此之间的接头的截面组织照片。图4B示出了进行机械研磨和蚀刻后的厚度为0.6mm的镀锌钢板(SPCC)彼此之间的接头的截面组织照片。可知这些只是接合后的精加工工序不同，在任何一种情况下，均通过第一金属薄板1及第二金属薄板2的塑性形变而形成了重叠接合界面结构。特别地，在图4B中，可看到在平面上存在界面7。

图5示出了厚度为0.6mm的镀锌钢板(SPCC)的接合参数的范围。实验用旋转工具4的直径为15mm，旋转工具4的前进角度为1°，重叠宽度W为4mm，旋转工具4的插入深度H＝0.5mm。“●”表示为良好的接头，“▲”表示背面有高低差，“×”表示不能良好地接合。即，可知通过保持适度的旋转速度来进行按压，并且在焊接速度不会过快的范围内使旋转工具4前进，由此可得到良好的接头。

图6根据图5所示的参数表示厚度为0.6mm的镀锌钢板(SPCC)彼此之间的接头的拉伸强度。在获得良好的接头的情况下，接合的接头的最大拉伸强度为母材强度的约95％。

下面，对本实施方式所涉及的金属薄板的接合方法的其他具体实施例1～6进行说明。

(实施例1)

如图7A和图7B所示，将厚度为2.0mm的铝合金(铝压铸件ADC12)彼此接合在一起。旋转工具4的旋转速度为1000rpm，接合速度为500mm/min，旋转工具4的插入深度为1.85mm。

即使在第一金属薄板1和第二金属薄板2为相同的轻金属合金即铝合金且厚度相同的接合中，接头部分也不会伴有板厚减少，可得到良好的结果。在图7B中，第一金属薄板1与第二金属薄板2之间的界面7也出现在横截面中。

(实施例2)

如图8所示，将厚度为2.0mm的镁合金(AM系合金)彼此接合在一起。旋转工具4的旋转速度为2000rpm，接合速度为100mm/min，旋转工具4的插入深度为1.85mm。

即使在第一金属薄板1和第二金属薄板2为相同的轻金属合金即镁合金且厚度相同的接合中，接头部分也不会伴有板厚减少，可得到良好的结果。虽然未图示，但在该情况下，第一金属薄板1与第二金属薄板2之间的界面7也出现在截面中。

(实施例3)

如图9A和图9B所示，将厚度为2.0mm的镁合金(AM系合金；第一金属薄板1)与厚度为2.0mm的铝合金(ADC12；第二金属薄板2)接合在一起。旋转工具4的旋转速度为2000rpm，接合速度为100mm/min，旋转工具4的插入深度为1.85mm。

即使在第一金属薄板1和第二金属薄板2为不同的轻金属合金且厚度相同的接合中，接头部分也不会伴有板厚减少，可得到良好的结果。在这种情况下，如图9B所示，第一金属薄板1与第二金属薄板2之间的界面7也出现在截面中。

(实施例4)

如图10A、图10B及图10C所示，将厚度为0.6mm的镀锌钢板(第一金属薄板1)与厚度为1.0mm的镀锌钢板(第二金属薄板2)接合在一起。旋转工具4的旋转速度为2000rpm，接合速度为100mm/min，旋转工具4的插入深度为0.95mm。

即，在第一金属薄板1和第二金属薄板2的厚度不同时，厚度较厚的一方为在重叠时成为上侧的第二金属薄板2，旋转工具4的插入深度H比较厚的第二金属薄板2的厚度浅。通过在将较薄的第一金属薄板1置于下方的状态下进行接合，从而防止两金属薄板1、2的底面的成品的劣化，并且尽可能地提高旋转工具4的插入深度H，从而有效地进行接合。

(实施例5)

如图11A、图11B和图11C所示，将厚度为0.6mm的镀锌钢板(第一金属薄板1)与厚度为2.0mm的镁合金(第二金属薄板2)接合在一起。旋转工具4的旋转速度为1000rpm，接合速度为50mm/min，旋转工具4的插入深度为1.0mm。

即，在第一金属薄板1和第二金属薄板2的厚度不同时，厚度较厚的一方为在重叠时成为上侧的第二金属薄板2，旋转工具4的插入深度H比较厚的第二金属薄板2的厚度浅，且比较薄的第一金属薄板1的厚度深。通过在将较薄的第一金属薄板1置于下方的状态下进行接合，从而防止两金属薄板1、2的底面的成品的劣化，并且尽可能地提高旋转工具4的插入深度H，从而有效地进行接合。

另外，在将旋转的工具压贴于由拉伸强度弱的镁合金构成的第二金属薄板2，然后与由拉伸强度强的镀锌钢板形成的第一金属薄板1接合，由此，如图11C所示，能够在清晰地产生了界面7的状态下牢固地接合。

(实施例6)

如图12A和图12B所示，将厚度为0.6mm的镀锌钢板(第一金属薄板1)与厚度为2.0mm的铝合金(第二金属薄板2)接合在一起。旋转工具4的旋转速度为1000rpm，接合速度为50mm/min，旋转工具4的插入深度为1.0mm。

在本实施例中，同样地，在第一金属薄板1和第二金属薄板2的厚度不同时，厚度较厚的一方为在重叠时成为上侧的第二金属薄板2，旋转工具4的插入深度H比较厚的第二金属薄板2的厚度浅，且比较薄的第一金属薄板1的厚度深。在将薄的第一金属薄板1置于下方的状态下利用在旋转的工具与被接合材料之间产生的摩擦热量及按压进行接合，从而防止两金属薄板1、2的底面的成品的劣化，并且尽可能地提高旋转工具4的插入深度H，从而有效地进行接合。

另外，将旋转的工具压贴于由拉伸强度弱的铝合金构成的第二金属薄板2，然后与由拉伸强度强的镀锌钢板构成的第一金属薄板1接合，由此，能够牢固地接合两者。

(比较例和汇总)

虽然未详细图示，但为了与实施例5和6进行比较，作为比较例，将第一金属薄板1和第二金属薄板2在镀锌钢板和镁合金之间，或者在镀锌钢板与铝合金之间进行调换，并首先使均由镀锌钢板构成的第二金属薄板2与旋转工具4抵接，对能否与由轻金属构成的第一薄板1接合进行了实验，但在接合部产生了较大的高低差。

但是，在上述任一实施例1～6的金属薄板的接合方法中，针对性地，接头部分不会伴有板厚减少，可得到良好的结果。另外，拉伸试验结果也良好。

如此，根据本实施方式，由于通过在旋转的工具与被接合材料之间产生的摩擦热量及工具的旋转，仅产生塑性流动而不发生熔融，因此抑制了熔穿或形变的产生。另外，由于利用旋转工具4从预先重叠两金属薄板1、2的一端所得的重叠部3的上方进行接合，所以能够使接合部5的厚度比两金属薄板1、2各自的厚度更厚。因此，与母材相比时，可抑制拉伸强度的降低。

另外，通过不使旋转工具4过度下降地在包括重叠的部分在内的宽范围内使被接合材料产生塑性流动，能够尽可能地防止金属薄板1、2的形变，并且保持接合强度。另外，抑制了背面侧的第一金属薄板1的背面侧的外观的劣化。

此外，通过以残留有平面上的界面7的程度进行接合，从而抑制形变的产生和外观的劣化。

(其他的实施方式)

本发明也可以针对上述实施方式采用如下的结构。

即，在上述实施方式中，示出了各种第一金属薄板1和第二金属薄板2的例子，但其厚度只要为2mm以下，则没有特别限制，材质也不特别限定于上述各实施例。

此外，以上的实施方式是本质上优选的示例，并不旨在限制本发明、其应用物和用途的范围。

符号说明

1 第一金属薄板

2 第二金属薄板

3 重叠部

4 旋转工具

5 接合部

6 垫板

7 界面

H 插入深度

W 重叠宽度(给定长度)

Claims

1.一种金属薄板的接合方法，将厚度为2.0mm以下的第一金属薄板与厚度为2.0mm以下的第二金属薄板进行接合，其特征在于，包括：

重叠工序，在载置于垫板上的上述第一金属薄板的一端上将上述第二金属薄板的一端以在侧视时两端之间的距离为给定长度的方式进行重叠配置；以及

接合工序，从重叠后的上述第二金属薄板的上方压贴旋转的旋转工具，并利用旋转工具与被接合材料之间产生的摩擦热量及按压，来接合上述第二金属薄板的一端和上述第一金属薄板的一端，

上述旋转工具的抵接面的直径大于将上述第二金属薄板的一端重叠在上述第一金属薄板的一端上的上述给定长度，

上述旋转工具的插入深度比上述第二金属薄板的厚度浅。

2.根据权利要求1所述的金属薄板的接合方法，其特征在于，

上述第二金属薄板的厚度比上述第一金属薄板的厚度厚。

3.根据权利要求1或2所述的金属薄板的接合方法，其特征在于，

上述旋转工具的抵接面不具有针而为大致平坦。