DE102022212028A1

DE102022212028A1 - Verfahren zum Verbinden unterschiedlicher Metalle, verbundener Körper und Fügeeinrichtung

Info

Publication number: DE102022212028A1
Application number: DE102022212028.0A
Authority: DE
Inventors: Taizo Tomioka
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2021-12-16
Filing date: 2022-11-14
Publication date: 2023-06-22
Also published as: JP2023089462A; CN116265163A; US11897050B1; JP7425781B2

Abstract

Ein Verfahren zum Verbinden ungleicher Metalle gemäß dieser Ausführungsform ist ein Verfahren zum stumpfen Verbinden unter Verwendung von Reibungswärme eines ersten Bauteils, das eine Plattenform aufweist und ein erstes Metall enthält, und eines zweiten Bauteils, das eine Plattenform aufweist und ein zweites Metall mit einem höheren Schmelzpunkt als dem des ersten Metalls enthält. Das Verfahren zum Verbinden ungleicher Metalle umfasst: Überlappen eines Endabschnitts des zweiten Bauteils auf einem Endabschnitt des ersten Bauteils; und Unterdrucksetzen des zweiten Bauteils in Richtung des ersten Bauteils, indem ein rotierendes Fügewerkzeug mit einem vorstehenden Abschnitt an einem Spitzenende in Kontakt mit einem Überlappungsabschnitt des zweiten Bauteils mit dem ersten Bauteil gebracht wird. Wenn das zweite Bauteil in Richtung des ersten Bauteils unter Druck gesetzt wird, ist das Spitzenende des rotierenden Fügewerkzeugs nicht in Kontakt mit dem ersten Bauteil.

Description

GEBIET
Ausführungsformen der Erfindung beziehen sich auf ein Verfahren zum Verbinden unterschiedlicher/unähnlicher Metalle, einen verbundenen Körper und eine Fügevorrichtung.
HINTERGRUND
Bei der Herstellung eines Bauteils für ein Automobil, eines Sekundärbatteriemoduls oder Ähnlichem können plattenförmige Teile mit geringer Dicke aus Materialien mit unterschiedlichen Schmelzpunkten stumpf miteinander verbunden werden. Schweißen, Hartlöten und Reibrührfügen sind als Verfahren zum stumpfen Verbinden solcher Teile bekannt. Abhängig von der Kombination der Metallzusammensetzungen der plattenförmigen Teile kann jedoch durch Schweißen oder Hartlöten eine Schicht aus intermetallischen Verbindungen oder eine Legierungsschicht mit geringer Festigkeit an einer Verbindungsschnittstelle entstehen, und die erforderliche Verbindungsfestigkeit wird möglicherweise nicht erreicht.
Andererseits kann beim Rührreibfügen, das ein Festphasenfügen ist, die Dicke der an der Verbindungsgrenzfläche erzeugten Schicht aus intermetallischen Verbindungen reduziert werden. Als Reibrührfügeverfahren, bei dem plattenförmige Teile mit deutlich unterschiedlichen Schmelzpunkten stumpf miteinander verbunden werden, wird ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem ein rotierendes Fügewerkzeug in ein Teil aus niedrigschmelzendem Metall von zwei zu verbindenden plattenförmigen Teilen eingeführt wird und eine stumpfe Endfläche des anderen plattenförmigen Teils durch einen Rührstift des Fügewerkzeugs geschnitten und verbunden wird (siehe z.B. Literatur 1-4 (Nicht-Patent), Patentliteratur 5). Bei diesem Verfahren sind jedoch kleine Stücke hochschmelzenden Metalls in dem niedrigschmelzenden Metall dispergiert, und die Verbindungsfestigkeit und der elektrische Widerstand eines Verbindungsabschnitts können variieren.
Darüber hinaus wird ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem ein Rührstift eines Verbindungswerkzeugs in ein plattenförmiges Bauteil aus niedrigschmelzendem Metall eingeführt wird und der Rührstift in engen Kontakt mit einer Stoßfläche eines plattenförmigen Bauteils aus hochschmelzendem Metall mit einem Abstand von 0,1 mm gebracht wird, um die plattenförmigen Bauteile zu verbinden. Bei diesem Verfahren werden kleine Stücke des hochschmelzenden Metalls nicht in dem niedrigschmelzenden Metall verteilt, und es kann eine zufriedenstellende Verbindung erzielt werden. Allerdings ist ein hoher Grad an Ebenheit für die stumpfe Endfläche des plattenförmigen Bauteils aus hochschmelzendem Metall erforderlich, und eine hohe Genauigkeit ist für die Positionierung des Rührstifts des Verbindungswerkzeugs an der stumpfen Endfläche des plattenförmigen Bauteils erforderlich. Daher kann das Verfahren bei dünnen Platten schwierig anzuwenden sein (siehe zum Beispiel Literatur 6 (Nicht-Patent)) .
Andererseits wird als Verfahren zum Verbinden dünner Platten eine Technik vorgeschlagen, bei der die Nähe der Endflächen der dünnen Platten überlappt wird und der überlappende Teil durch ein rotierendes Verbindungswerkzeug unter Druck gesetzt wird, um eine Stoßverbindung zu erhalten (siehe z.B. Patentliteratur 7) . Bei diesem Verfahren werden, wenn die Metalle, aus denen die zu verbindenden dünnen Platten bestehen, unterschiedlich sind, Endabschnitte überlappt, in denen sich eine dünne Platte aus einem Metall mit hohem Schmelzpunkt auf einer unteren Seite und eine dünne Platte aus einem Metall mit niedrigem Schmelzpunkt auf einer oberen Seite befindet, und der Endabschnitt der dünnen Platte aus dem Metall mit niedrigem Schmelzpunkt wird durch das rotierende Fügewerkzeug unter Druck gesetzt. Auf diese Weise wird die dünne Platte aus dem niedrigschmelzenden Metall durch Reibungswärme, die zwischen dem Verbindungswerkzeug und der dünnen Platte aus dem niedrigschmelzenden Metall erzeugt wird, erweicht und verformt, und die dünne Platte aus dem niedrigschmelzenden Metall und die dünne Platte aus dem hochschmelzenden Metall, die verbunden werden sollen, können stumpf miteinander verbunden werden.
Obwohl jedoch die dünne Platte aus dem niedrigschmelzenden Metall und die dünne Platte aus dem hochschmelzenden Metall durch die Reibungswärme erweicht werden, ist die Verformungsspannung des hochschmelzenden Metalls bei gleicher Temperatur größer als die des niedrigschmelzenden Metalls. Daher ist es schwierig, das hochschmelzende Metall ausreichend zu verformen, auch wenn die dünne Platte aus dem hochschmelzenden Metall durch das Verbindungswerkzeug über die dünne Platte aus dem niedrigschmelzenden Metall unter Druck gesetzt wird. Daher wird in einem Verbindungsabschnitt ein Teil eines Plattenmaterials, das aus dem niedrigschmelzenden Metall besteht, in der Nähe des Endabschnitts der dünnen Platte, die aus dem hochschmelzenden Metall besteht, dünn verbunden. Daher ist es selbst bei Anwendung einer solchen Technik schwierig, einen zufriedenstellenden stumpf gefügten Abschnitt mit einer ausreichenden Verbindungsfestigkeit zu erhalten.
Offenbart wird auch ein Verfahren zum Einführen des Fügewerkzeugs in das hochschmelzende Metall beim stumpfen Verbinden des hochschmelzenden Metalls mit dem niedrigschmelzenden Metall durch Drehen des Fügewerkzeugs (siehe z.B. Patentliteratur 8).
Diese Verbindungsmethode weist jedoch die folgenden Probleme auf.
Wenn das Metall mit hohem Schmelzpunkt Kupfer und das Metall mit niedrigem Schmelzpunkt Aluminium ist, steigt die Temperatur an der Stoßfuge auf das gleiche Niveau oder höher als der Schmelzpunkt von Aluminium. Daher nehmen die Dicke der intermetallischen Cu-Al-Verbindungsschicht und die Dicke der eutektischen Legierungsschicht, die sich auf der Verbindungsfläche bildet, zu.
Aus diesem Grund ist die Verbindungsfestigkeit gering.
Daher soll eine Technik entwickelt werden, mit der dünne Bleche aus Metallen mit unterschiedlichen Schmelzpunkten zufriedenstellend stumpf verbunden werden können.
Figurenliste

1A bis 1C sind schematische Prozessquerschnitte, die ein Verfahren zum Verbinden unterschiedlicher Metalle gemäß dieser Ausführungsform veranschaulichen.
2A ist eine Mikroskopaufnahme eines Querschnitts eines Verbindungsabschnitts eines verbundenen Körpers, wenn ein erstes Bauteil aus Aluminium und ein zweites Bauteil aus Kupfer hergestellt ist, und 2B ist eine vergrößerte Aufnahme eines Abschnitts A in 2A.
3 ist eine schematische Ansicht, die eine Verbindungsvorrichtung gemäß der Ausführungsform zeigt.
4 ist eine schematische perspektivische Ansicht, die ein Werkzeug zeigt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Ein Verfahren zum Verbinden unterschiedlicher Metalle gemäß dieser Ausführungsform ist ein Verfahren zum stumpfen Verbinden eines ersten Bauteils, das eine Plattenform hat und ein erstes Metall enthält, und eines zweiten Bauteils, das eine Plattenform hat und ein zweites Metall enthält, das einen höheren Schmelzpunkt als das erste Metall hat, unter Verwendung von Reibungswärme. Das Verfahren zum Verbinden ungleicher Metalle umfasst folgende Prozesse: Überlappen eines Endabschnitts des zweiten Bauteils auf einem Endabschnitt des ersten Bauteils; und Druckbeaufschlagung des zweiten Bauteils in Richtung des ersten Bauteils, indem ein rotierendes Verbindungswerkzeug mit einem vorstehenden Abschnitt an einem Spitzenende in Kontakt mit einem Überlappungsabschnitt des zweiten Bauteils mit dem ersten Bauteil gebracht wird. Wenn das zweite Bauteil in Richtung des ersten Bauteils mit Druck beaufschlagt wird, ist das Spitzenende des rotierenden Verbindungswerkzeugs nicht in Kontakt mit dem ersten Bauteil.
Die Ausführungsform wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen dargestellt. In den Zeichnungen sind die gleichen Bauteile mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet, und detaillierte Beschreibungen werden entsprechend weggelassen.
(Verfahren zum Verbinden ungleicher Metalle und verbundener Körper)
1A bis 1C sind schematische Prozessquerschnitte, die ein Verfahren zum Verbinden unterschiedlicher Metalle gemäß dieser Ausführungsform veranschaulichen.
Zunächst werden, wie in 1A dargestellt, ein erstes Bauteil 101 und ein zweites Bauteil 102 auf eine Grundplatte 200 gelegt. Zu diesem Zeitpunkt überlappt der Bereich eines Endabschnitts des zweiten Bauteils 102 mit dem Bereich eines Endabschnitts des ersten Bauteils 101.
Das erste Bauteil 101 und das zweite Bauteil 102 können z.B. aus Plattenmaterial mit geringer Dicke bestehen. Die Dicke des ersten Bauteils 101 und die Dicke des zweiten Bauteils 102 sind nicht besonders begrenzt. Diese Dicken können beispielsweise 2 mm oder weniger betragen. Die Dicke des zweiten Bauteils 102 kann gleich oder verschieden von der Dicke des ersten Bauteils 101 sein.
Das erste Bauteil 101 und das zweite Bauteil 102 sind aus Metall gefertigt. In diesem Fall ist der Schmelzpunkt des Metalls des zweiten Bauteils 102 höher als der Schmelzpunkt des Metalls des ersten Bauteils 101. Das Material des ersten Bauteils 101 (entsprechend einem Beispiel für das erste Metall) kann beispielsweise Aluminium, eine Aluminiumlegierung oder ähnliches sein. Das Material des zweiten Bauteils 102 (das einem Beispiel für das zweite Metall entspricht) kann z.B. Kupfer, eine Kupferlegierung oder Ähnliches sein.
In einer Richtung orthogonal zu einer Mittelachse 301a eines Verbindungswerkzeugs 301 (im Folgenden einfach als Werkzeug 301 bezeichnet) passt eine Position der Mittelachse 301a des Werkzeugs 301 zu einer Position einer Endfläche 101b des ersten Bauteils 101 oder ist eine Position, die so eingestellt ist, dass sie sich in Richtung des zweiten Bauteils 102 bewegt. Zu diesem Zeitpunkt ist ein Abstand L1 zwischen der Mittelachse 301a und der Endfläche 101b des ersten Bauteils 101 so eingestellt, dass er kürzer ist als ein Radius R des vorstehenden Abschnitts am Spitzenende des Verbindungswerkzeugs.
Wenn zum Beispiel die Dicke des ersten Bauteils 101 und die Dicke des zweiten Bauteils 102 ungefähr 1 mm betragen, kann die Länge (Überlappungsrand) L2 des Abschnitts (Überlappungsabschnitt) des zweiten Bauteils 102, der das erste Bauteil 101 überlappt, ungefähr 0,5 mm bis 3 mm betragen. Wenn L2 in einem Bereich von „L2 < R - L1“ liegt, lässt sich an einer Verbindungsschnittstelle leicht eine Kerbe bilden. In diesem Fall, wenn zumindest eine untere Seite (das erste Bauteil 101) einer Endfläche des zweiten Bauteils 102 eine Schräge 102b ist oder eine gekrümmte Flächenform hat, ist es möglich, das Auftreten der Kerbe an der Verbindungsschnittstelle zu verhindern.
Der Durchmesser eines Teils des Werkzeugs 301, der mit dem zweiten Bauteil 102 in Kontakt kommt, kann etwa 6 mm bis 8 mm betragen.
Ein Endabschnitt des Werkzeugs 301 auf der Seite des zweiten Bauteils 102 hat eine im Wesentlichen kegelstumpfförmige Form oder eine im Wesentlichen konische Form. Darüber hinaus hat der Endabschnitt des Werkzeugs 301 auf der Seite des zweiten Bauteils 102 eine streifenförmige Fläche, die spiralförmig um die Mittelsachse 301a kreist, oder eine streifenförmige Nut, die spiralförmig um die Mittelsachse 301a kreist, wenn man sie aus einer Richtung entlang der Mittelsachse 301a des Werkzeugs 301 betrachtet.
Als nächstes wird, wie in 1B gezeigt, das rotierende Werkzeug 301 von einer Oberseite zu einer Unterseite abgesenkt, um gegen die Nähe des Endabschnitts des zweiten Bauteils 102 gedrückt zu werden. Eine Drehzahl des Werkzeugs 301 kann z.B. etwa 4000 U/min oder mehr betragen. Eine Bewegungsgeschwindigkeit des Werkzeugs 301 in der Richtung orthogonal zur Mittelachse 301a des Werkzeugs 301 kann beispielsweise etwa 60 mm/min oder mehr betragen.
Darüber hinaus ist die Mittelachse 301a des Werkzeugs 301 in der Richtung orthogonal zur Mittelachse 301a des Werkzeugs 301 näher am zweiten Bauteil 102 positioniert als der Endabschnitt des ersten Bauteils 101. Das heißt, dass die Mittelachse 301a des Werkzeugs 301 in Richtung der Seite des zweiten Bauteils 102 versetzt angeordnet ist. Auf diese Weise kann der Abschnitt des zweiten Bauteils 102, der durch den zentralen Abschnitt des Verbindungswerkzeugs 301 unter Druck gesetzt wird, leicht abgesenkt werden, und der Höhenunterschied zwischen der Bodenfläche des ersten Bauteils 101 und der Bodenfläche des zweiten Bauteils 102 nach dem Verbinden kann verringert werden. Die Mittelachse 301a des in den 1A und 1B dargestellten Werkzeugs 301 ist auf die Position des Endabschnitts des ersten Bauteils 101 eingestellt.
Als nächstes wird, wie in 1C gezeigt, das rotierende Werkzeug 301 in Richtung der Seite des ersten Bauteils 101 (der Seite der Grundplatte 200) abgesenkt, um den Bereich, in dem das zweite Bauteil 102 das erste Bauteil 101 überlappt, unter Druck zu setzen. Eine Höhe der Rotationsmittelpunktsposition des Spitzenendes des Werkzeugs 301 ist die gleiche wie die einer oberen Fläche des ersten Bauteils 101, oder die Rotationsmittelpunktsposition ist an einer Position auf der Seite des zweiten Bauteils 102 um beispielsweise 0,1 mm von der oberen Fläche des ersten Bauteils 101 eingestellt. Wenn das rotierende Werkzeug 301 hineingeschoben wird, entsteht Reibungswärme zwischen dem rotierenden Werkzeug 301 und dem zweiten Bauteil 102. Der Endabschnitt des zweiten Bauteils 102 wird durch die erzeugte Reibungswärme erhitzt, und die Temperatur des Endabschnitts des zweiten Bauteils 102 steigt. Darüber hinaus wird Wärme des Endabschnitts des zweiten Bauteils 102 auf das erste Bauteil 101 übertragen, das mit dem zweiten Bauteil 102 in Kontakt steht, und die Temperatur des Endabschnitts des ersten Bauteils 101 steigt.
Ähnlich wie bei dem Verfahren zum Verbinden unähnlicher Metalle gemäß der Ausführungsform wird hier gesagt, dass beim Reibrührfügen, bei dem die Temperatur eines MetallBauteils aufgrund der Reibungswärme ansteigt, die dadurch erzeugt wird, dass das rotierende Verbindungswerkzeug mit dem MetallBauteil in Kontakt gebracht wird, die Temperatur des MetallBauteils in der Nähe eines Abschnitts, der mit dem Verbindungswerkzeug in Kontakt ist, auf etwa 70% bis 80% eines Schmelzpunkts ansteigt.
Wenn beispielsweise das zweite Bauteil 102 aus Kupfer und das erste Bauteil 101 aus Aluminium besteht, liegt der Schmelzpunkt von Kupfer bei etwa 1085° C. In diesem Fall wird davon ausgegangen, dass die Temperatur des Kupfers in dem Bereich, der mit dem Werkzeug 301 in Kontakt ist, durch das rotierende Werkzeug 301 auf etwa 760° C bis 870° C erhöht werden kann. Ein Teil der im zweiten Bauteil 102 erzeugten Wärme wird auf den Teil des ersten Bauteils 101 übertragen, der das zweite Bauteil 102 kontaktiert. Wenn die Temperatur dieses Kontaktbereichs 548°C, den eutektischen Punkt von Kupfer und Aluminium, überschreitet, kommt es zu einer eutektischen Reaktion. Die eutektische Reaktion erzeugt eine Schmelze, die eine Mischung aus Aluminium und Kupfer enthält. Die Schmelze enthält auch Aluminium- und Kupferoxide und Verunreinigungen. Die Schmelze wird durch den Druck des Werkzeugs 301 auf die Oberseite und die Unterseite der Verbindungsfläche extrudiert. Das Volumen des Aluminiums bzw. Kupfers nimmt aufgrund der Schmelzenbildung und der Extrusion von der Verbindungsfläche ab, und die Verbindung verformt sich von einer Überlappungsform zu einer Stumpfform. Bei Verwendung des Werkzeugs 301 mit einer im Wesentlichen kegelstumpfförmigen Spitze wird die Verbindungsfläche von Kupfer und Aluminium entsprechend der Form der Spitze des Werkzeugs 301 verformt, so dass der Druck auf die Verbindungsfläche im Wesentlichen gleichmäßig wird. Dadurch wird eine schräge Verbindungsfläche gebildet. Nach der Extrusion der Schmelze werden saubere Oberflächen von Aluminium und Kupfer freigelegt. Wenn die sauberen Oberflächen miteinander in Berührung kommen, entsteht eine dünne intermetallische Verbindungsschicht, und die beiden werden miteinander verbunden. Außerdem sammelt sich die Schmelze, die während des Fügevorgangs auf die Unterseite der Verbindungsfläche extrudiert wird, in dem vertieften Bereich 200a der Grundplatte 200. Wenn die Grundplatte 200 nicht mit dem vertieften Bereich 200a versehen ist, gelangt der geschmolzene Teil des ersten Bauteils 101 zwischen das zweite Bauteil 102 und die Grundplatte 200. Daher wird das zweite Bauteil 102 angehoben, und die Dicke des zweiten Bauteils 102 wird stark verringert. Wenn die Dicke des zweiten Bauteils abnimmt, verringert sich die Festigkeit in der Nähe der Verbindung und der elektrische Widerstand nimmt zu.
Daher wird bei dem Verfahren zum Verbinden ungleicher Metalle gemäß dieser Ausführungsform ein Teil des Materials des ersten Bauteils 101, das zur Außenseite des Verbindungsabschnitts abgegeben wird, in dem vertieften Bereich 200a auf einer Oberfläche der Grundplatte 200 gespeichert. Wenn der vertiefte Bereich 200a vorgesehen ist, kann verhindert werden, dass das Material des ersten Bauteils 101 zwischen das zweite Bauteil 102 und die Grundplatte 200 eindringt, und somit kann eine Abnahme der Dicke in der Nähe des Endabschnitts des zweiten Bauteils 102 verhindert werden.
Wenn beispielsweise das erste Bauteil 101 auf die Grundplatte 200 gelegt wird, befindet sich ein Ende des vertieften Bereichs 200a an derselben Position wie die Endfläche des ersten Bauteils 101 oder näher an der Seite des zweiten Bauteils 102 als die Position der Endfläche des ersten Bauteils 101. Wenn der vertiefte Bereich 200a an einer solchen Position vorgesehen ist, ist es möglich, das Material des ersten Bauteils 101 wirksam daran zu hindern, zwischen das zweite Bauteil 102 und die Grundplatte 200 einzudringen.
Durch das oben beschriebene Verfahren können das erste Bauteil 101 und das zweite Bauteil 102 stumpf miteinander verbunden werden, um einen verbundenen Körper 104 herzustellen.
Obwohl das Material des ersten Bauteils 101, das in den vertieften Bereich 200a eingeleitet wird, an dem hergestellten Verbundkörper 104 haftet, kann das anhaftende Material durch Bearbeitung oder ähnliches entfernt werden.
Wie oben beschrieben, ist das Verfahren zum Verbinden unterschiedlicher Metalle gemäß der Ausführungsform ein Verfahren zum stumpfen Verbinden unter Verwendung von Reibungswärme, wobei das erste Bauteil 101 eine Plattenform aufweist und das erste Metall enthält und das zweite Bauteil 102 eine Plattenform aufweist und das zweite Metall enthält, das einen höheren Schmelzpunkt als das erste Metall hat.
Das Verfahren zum Verbinden ungleicher Metalle kann folgende Prozesse umfassen
Überlappen des Endabschnitts des zweiten Bauteils 102 auf dem Endabschnitt des ersten Bauteils 101; und
Druckbeaufschlagung des zweiten Bauteils 102 in Richtung des ersten Bauteils 101, indem das rotierende Werkzeug 301 mit dem vorstehenden Abschnitt am Spitzenende in Kontakt mit dem überlappenden Abschnitt des zweiten Bauteils 102 mit dem ersten Bauteil 101 gebracht wird.
Wenn das zweite Bauteil 102 mit Druck auf das erste Bauteil 101 gedrückt wird, wird das Spitzenende des rotierenden Werkzeugs 301 nicht in Kontakt mit dem ersten Bauteil 101 gebracht.
Das Verfahren kann ferner das Bewegen des rotierenden Werkzeugs 301, das das zweite Bauteil 102 in Richtung des ersten Bauteils 101 mit Druck beaufschlagt, entlang des überlappenden Abschnitts in einer Richtung im Wesentlichen parallel zur oberen Fläche des ersten Bauteils 101 umfassen.
Wenn das rotierende Werkzeug 301 bewegt wird, wird das Spitzenende des rotierenden Werkzeugs 301 nicht in Kontakt mit dem ersten Bauteil 101 gebracht.
Beim Überlappen des Endabschnitt des zweiten Bauteils 102 auf den Endabschnitt des ersten Bauteils 101 werden das erste Bauteil 101 und das zweite Bauteil 102 auf der Grundplatte 200 platziert.
Wenn das zweite Bauteil 102 in Richtung des ersten Bauteils 101 unter Druck gesetzt wird, indem das rotierende Werkzeug 301 in Kontakt mit dem überlappenden Abschnitt des zweiten Bauteils 102 mit dem ersten Bauteil 101 gebracht wird, wird eine geschmolzene Legierung, die das erste Metall enthält, das von der Verbindungsschnittstelle zwischen dem ersten Bauteil 101 und dem zweiten Bauteil 102 abgegeben wird, in den vertieften Bereich 200a abgegeben , der auf der Oberfläche der Grundplatte 200 vorgesehen ist.
In der Richtung orthogonal zur Mittelachse 301a des Werkzeugs 301 befindet sich die Mittelachse 301a des Werkzeugs 301 in der Nähe der Endfläche des ersten Bauteils 101 oder an einer Position, die von der Endfläche des ersten Bauteils 101 in Richtung der Seite des zweiten Bauteils 102 beabstandet ist, und der Abstand L1 zwischen der Mittelachse 301a des Werkzeugs 301 und der Endfläche des ersten Bauteils 101 ist kürzer als der Radius R des vorstehenden Teils am Spitzenende des Werkzeugs 301.
2A ist ein Mikroskopfotografie eines Querschnitts eines Verbindungsabschnitts des verbundenen Körpers 104, wenn das erste Bauteil 101 aus Aluminium besteht und das zweite Bauteil 102 aus Kupfer besteht.
2B ist eine vergrößerte Fotografie eines Teils A in 2A.
Wie oben beschrieben, werden gemäß dem Verfahren zum Verbinden unterschiedlicher Metalle der Ausführungsform die Endabschnitte des ersten Bauteils 101 und des zweiten Bauteils 102 erweicht und ein Teil des ersten Bauteils 101 und ein Teil des zweiten Bauteils 102 werden geschmolzen. Durch Verwendung des Werkzeugs 301 mit einer Kegelstumpfform am Spitzenende, wie in 2A gezeigt, wird ein Bereich 111a eines ersten Abschnitts 111 (das erste Bauteil 101) des mit einem zweiten Abschnitt 112 (das zweite Bauteil 102) verbundenen Körpers 104 in Bezug auf eine Richtung orthogonal zu einer Dickenrichtung des ersten Abschnitts 111 geneigt. Ein Bereich 112a des zweiten Abschnitts 112, der mit dem ersten Abschnitt 111 verbunden ist, ist in Bezug auf eine Richtung geneigt, die orthogonal zu einer Dickenrichtung des zweiten Abschnitts 112 ist. Der erste Abschnitt 111 (das erste Bauteil 101) und der zweite Abschnitt 112 (das zweite Bauteil 102) sind durch den Bereich 111a und den Bereich 112a, die in entgegengesetzten Richtungen geneigt sind, stumpf miteinander verbunden.
Wenn plattenförmige Metallteile stumpf miteinander verbunden werden, werden im Allgemeinen die Endflächen, die senkrecht zu den Oberflächen der Teile stehen, miteinander verbunden. Wenn die Festigkeit der Verbindungsstelle geringer ist als die des ursprünglichen Bauteils, kann es daher schwierig sein, die erforderliche Festigkeit des Verbindungsabschnitts zu erreichen. Andererseits kann gemäß dem Verfahren zum Verbinden ungleicher Metalle gemäß dieser Ausführungsform die Verbindungsfläche im Vergleich zu einem allgemeinen Verbindungsverfahren vergrößert werden, da die in der Nähe der Endabschnitte der Bauteile gebildeten schrägen Bereiche miteinander verbunden werden. Daher ist es möglich, selbst wenn die Festigkeit pro Verbindungsfläche gering ist, eine ausreichende Festigkeit des Verbindungsabschnitts zu erreichen.
Bei dem Verfahren zum Verbinden unterschiedlicher Metalle kann beispielsweise die Länge eines schrägen Bereichs auf etwa das Dreifache der Dicke des Bauteils festgelegt werden. Das heißt, dass der Verbindungsbereich im Vergleich zum allgemeinen Verbindungsverfahren um das Dreifache oder mehr vergrößert werden kann.
Wenn die Metallteile stumpf miteinander verbunden werden, kann außerdem eine Änderung des elektrischen Widerstands des Verbindungsabschnitts zu einem Problem werden. Bei der allgemeinen Verbindungsmethode werden die Endflächen, die senkrecht zu den Oberflächen der Bauteile stehen, miteinander verbunden, wodurch sich der elektrische Widerstand des Verbindungsabschnitts stark ändert. Bei dem Verfahren zum Verbinden ungleicher Metalle der vorliegenden Ausführungsform hingegen ändert sich die Dicke des Bauteils am Verbindungsabschnitt allmählich. Daher ist es möglich, eine starke Änderung des elektrischen Widerstands des Verbindungsabschnitts zu verhindern.
Wie in 2B gezeigt, bildet sich an der Verbindungsschnittstelle eine filmartige intermetallische Verbindungsschicht 103 aus Kupfer und Aluminium mit einer Dicke von 2 um oder weniger. Es wird durch Analyse beispielsweise gezeigt, dass die intermetallische Verbindungsschicht 103 nicht nur eine Art, sondern drei Arten von CuAl und CuAl₂ enthält. Bei der Verbindung von Kupfer und Aluminium wird in der folgenden Literatur beschrieben, dass die Verbindungsfestigkeit stark abnimmt, wenn die Dicke der an der Verbindungsschnittstelle gebildeten Schicht aus einer intermetallischen Verbindung Cu-Al etwa 4 um überschreitet.
Wei Xie, Tomiko Yamaguchi, Kazumasa Nishio. „Formation of Intermetallic Phases on the Bond Interface of Aluminum-Clad Copper.“ Journal of the Japan Institute of Metals and Materials. 2011, Bd.75, Nr.3, S. 166.
Die intermetallischen Verbindungen können sich beim Schweißen stark verdichten, und zum Verbinden von Kupfer und Aluminium wird Schweißen nicht verwendet.
Wie in 2B gezeigt, kann die Dicke der intermetallischen Verbindungsschicht 103 gemäß dem Verfahren zum Verbinden unterschiedlicher Metalle der Ausführungsform 1 um oder weniger betragen. Darüber hinaus kann die Verbindungsfläche das Dreifache oder mehr der Endfläche eines zu verbindenden plattenförmigen Bauteils betragen. Selbst wenn eine Schicht mit intermetallischen Verbindungen gebildet wird, kann daher eine ausreichende Verbindungsfestigkeit erzielt werden.
Das heißt, dass der verbundene Körper 104 gemäß der Ausführungsform umfasst: den ersten Abschnitt 111, der eine Plattenform aufweist und das erste Metall enthält; den zweiten Abschnitt 112, der eine Plattenform aufweist und das zweite Metall mit einem höheren Schmelzpunkt als dem des ersten Metalls enthält, wobei der zweite Abschnitt 112 mit einer Endabschnittsseite des ersten Abschnitts verbunden ist; und die intermetallische Verbindungsschicht 103, die intermetallische Verbindungen enthält, die ein Bauteil des ersten Metalls und ein Bauteil des zweiten Metalls enthalten, wobei die intermetallische Verbindungsschicht 103 zwischen dem Bereich 111a des ersten Abschnitts 111, der mit dem zweiten Abschnitt 112 verbunden ist, und dem Bereich 112a des zweiten Abschnitts 112, der mit dem ersten Abschnitt 111 verbunden ist, vorgesehen ist. Der Bereich 111a des ersten Abschnitts 111, der mit dem zweiten Abschnitt 112 verbunden ist, ist in Bezug auf die Richtung orthogonal zur Dickenrichtung des ersten Abschnitts 111 geneigt. Der Bereich 112a des zweiten Abschnitts 112, der mit dem ersten Abschnitt 111 verbunden ist, ist in Bezug auf die Richtung, die orthogonal zur Dickenrichtung des zweiten Abschnitts 112 verläuft, geneigt.
Die Dicke der intermetallischen Verbindungsschicht 103 beträgt 2 um oder weniger.
(Fügeeinrichtung)
Als nächstes wird eine Fügeeinrichtung 300 gemäß der Ausführungsform dargestellt.
Die Fügeeinrichtung 300 verbindet durch Reibungswärme das erste Bauteil 101, das eine Plattenform hat und das erste Metall enthält, und das zweite Bauteil 102, das eine Plattenform hat und das zweite Metall enthält, das einen höheren Schmelzpunkt als das erste Metall hat, stumpf miteinander.
3 ist eine schematische Ansicht, die die Fügeeinrichtung 300 gemäß der Ausführungsform zeigt.
Die Pfeile X, Y und Z in 3 zeigen drei zueinander orthogonale Richtungen an. Beispielsweise zeigt der Pfeil Z eine vertikal nach oben gerichtete Richtung an, und der Pfeil X und der Pfeil Y zeigen horizontale Richtungen an.
4 ist eine schematische perspektivische Ansicht, die das Werkzeug 301 zeigt.
Wie in 3 gezeigt, ist die Fügeeinrichtung 300 beispielsweise mit dem Werkzeug 301, einem Tisch 302, einer Bearbeitungseinheit 303, einer Bewegungseinheit 304, einem Ständer 305 und einer Steuervorrichtung 306 ausgestattet.
Wie in 4 gezeigt, umfasst das Werkzeug 301 einen Basisabschnitt 301b und einen vorstehenden Abschnitt 301c. Der Basisabschnitt 301b und der vorstehende Abschnitt 301c sind einteilig ausgebildet. Der vorstehende Abschnitt 301c kann beispielsweise durch Bearbeitung eines säulenförmigen Endabschnitts des Basisabschnitts 301b gebildet werden. Das Material des Basisabschnitts 301b und des vorstehenden Abschnitts 301c ist nicht besonders begrenzt, und es wird ein Material verwendet, das härter ist als das erste Bauteil 101 und das zweite Bauteil 102, die verbunden werden sollen. Das Material des Basisteils 301b und des vorstehenden Abschnitts 301c kann beispielsweise Werkzeugstahl, eine Wolframlegierung, Keramik oder Ähnliches sein.
Der vorstehende Abschnitt 301c ist an einem Endabschnitt des säulenförmigen Basisabschnitts 301b vorgesehen.
Der vorstehende Abschnitt 301c kann eine im Wesentlichen kegelstumpfförmige oder eine im Wesentlichen konische Form haben.
In diesem Fall kann, wie in 4 gezeigt, eine streifenförmige Fläche 301c1, die spiralförmig kreist, oder eine streifenförmige Nut, die spiralförmig kreist, auch auf einer Seitenfläche des vorstehenden Abschnitts 301c vorgesehen werden.
Beispielsweise ist die streifenförmige Fläche 301c1 aus der Richtung entlang der Mittelachse 301a gesehen auf einer Oberfläche des vorstehenden Abschnitts 301c vorgesehen. Aus der Richtung entlang der Mittelachse 301a betrachtet, ist die streifenförmige Fläche 301c1 spiralförmig um die Mittelachse 301a gewickelt und wird von der Mittelachse 301a getrennt, wenn die streifenförmige Fläche 301c1 um die Mittelachse 301a kreist. In diesem Fall ist die Spiralrichtung entgegengesetzt zu einer Drehrichtung des Werkzeugs 301.
Aus der Richtung entlang der Mittelachse 301a gesehen, sind die streifenförmige Fläche 301c1 und die angrenzende streifenförmige Fläche 301c1 in Kontakt miteinander. Die streifenförmige Fläche 301c1 kann auch eine flache Fläche sein, oder es kann auch eine Nut in der streifenförmigen Fläche 301c1 vorgesehen sein.
Das heißt, aus der Richtung entlang der Mittelachse 301a des Werkzeugs 301 betrachtet, umfasst der Endabschnitt des Werkzeugs 301 auf der Seite des zweiten Bauteils 102 die streifenförmige Fläche 301c1, die spiralförmig um die Mittelachse 301a kreist, oder die streifenförmige Nut, die spiralförmig um die Mittelachse 301a kreist.
Darüber hinaus ist eine Position der streifenförmigen Fläche 301c1 in Richtung der Mittelachse 301a von einem Endabschnitt des Basisabschnitts 301b getrennt, wenn die streifenförmige Fläche 301c1 um die Mittelachse 301a kreist. Das heißt, ein Endabschnitt der streifenförmigen Fläche 301c1 ist mit dem Endabschnitt des Basisabschnitts 301b verbunden. Der andere Endabschnitt der streifenförmigen Fläche 301c1 ist mit einer oberen Fläche 301c2 des vorstehenden Abschnitts 301c gegenüber der Seite des Basisabschnitts 301b verbunden. Wenn die streifenförmige Fläche 301c1 um die Mittelsachse 301a kreist, bewegt sich die streifenförmige Fläche 301c1 in Richtung der oberen Oberfläche 301c2 des vorstehenden Abschnitts 301c, um von dem Endabschnitt des Basisabschnitts 301b in Richtung der Mittelsachse 301a getrennt zu werden. Das heißt, dass die streifenförmige Fläche 301c1 eine kontinuierliche Steigung ist, die spiralförmig um die Mittelachse 301a kreist. Zum Beispiel kann die streifenförmige Fläche 301c1 eine archimedische Spirale sein, die um die Mittelachse 301a kreist.
Wenn das Werkzeug 301, das eine solche spiralförmige Fläche 301c1 oder eine in der Fläche 301c1 vorgesehene Nut aufweist, in einer Richtung entgegengesetzt zur Spiralrichtung gedreht und gegen das zweite Bauteil 102 gedrückt wird, wird das erweichte Material des zweiten Bauteils 102 zur Mitte des Werkzeugs 301 gezogen. Daher ist es möglich, das Auftreten von Defekten, wie z.B. Hohlräumen, im Verbindungsabschnitt zu verhindern.
Der Tisch 302 umfasst die Grundplatte 200 und eine Halteeinheit 201.
Das erste Bauteil 101 und das zweite Bauteil 102 werden so auf der Grundplatte 200 platziert, dass der Bereich des Endteils des zweiten Bauteils 102 den Bereich des Endteils des ersten Bauteils 101 überlappt. Die Grundplatte 200 kann zum Beispiel eine Metallplatte sein. Die Grundplatte 200 ist beispielsweise aus Werkzeugstahl, Kohlenstoffstahl oder ähnlichem geformt. Das Material der Grundplatte 200 ist nicht auf die dargestellten Materialien beschränkt.
Die Grundplatte 200 enthält einen vertieften Bereich 200a, der einen Teil des fließenden Materials des ersten Bauteils 101 aufnehmen kann. Der vertiefte Bereich 200a ist auf der Oberfläche der Grundplatte 200 vorgesehen.
Die Halteeinheit 201 ist zum Beispiel auf der Oberfläche der Grundplatte 200 vorgesehen. Die Halteeinheit 201 hält das erste Bauteil 101 und das zweite Bauteil 102, die auf der Oberfläche der Grundplatte 200 angeordnet sind. Die Halteeinheit 201 kann z.B. eine Halteklaue oder ähnliches sein.
Die Bearbeitungseinheit 303 hält das Werkzeug 301. Die Bearbeitungseinheit 303 rotiert das Werkzeug 301. Darüber hinaus ändert die Bearbeitungseinheit 303 eine Position des rotierenden Werkzeugs 301. Beispielsweise ändert die Bearbeitungseinheit 303 die Position des rotierenden Werkzeugs 301 in der Z-Richtung, um den vorstehenden Abschnitt 301c des Werkzeugs 301 in Kontakt mit dem zweiten Bauteil 102 zu bringen. Die Bearbeitungseinheit 303 umfasst z.B. einen Steuermotor wie einen Servomotor.
Das heißt, dass die Bearbeitungseinheit 303 das rotierende Werkzeug 301 gegen den Teil des zweiten Bauteils 102 drückt, der das erste Bauteil 101 überlappt.
Der Tisch 302 ist an der Bewegungseinheit 304 befestigt. Die Bewegungseinheit 304 verändert die Position des Tisches 302 in X-Richtung. Die Bewegungseinheit 304 kann die Position des Tisches 302 in X- und Y-Richtung verändern. Die Bewegungseinheit 304 ist zum Beispiel ein einachsiger Tisch, ein zweiachsiger Tisch (XY-Tisch) oder ähnliches.
Die Bearbeitungseinheit 303 und die Bewegungseinheit 304 sind auf dem Ständer 305 montiert. Beispielsweise ist die Bearbeitungseinheit 303 über der Bewegungseinheit 304 angebracht.
Die Steuervorrichtung 306 umfasst beispielsweise eine Recheneinheit, wie eine Zentraleinheit (CPU), und eine Speichereinheit, wie einen Speicher. Bei der Steuervorrichtung 306 handelt es sich zum Beispiel um einen Computer. Die Steuervorrichtung 306 steuert Operationen von Bauteilen, die in der Fügeeinrichtung 300 vorgesehen sind, basierend auf einem Steuerprogramm, das in der Speichereinheit gespeichert ist.
Beispielsweise steuert die Steuervorrichtung 306 den Betrieb der in der Fügeeinrichtung 300 vorgesehenen Bauteile, führt das oben beschriebene Verfahren zum Verbinden unterschiedlicher Metalle aus und verbindet das erste Bauteil 101 und das zweite Bauteil 102 stumpf miteinander, um den verbundenen Körper 104 herzustellen.
Weiter ist das erste Bauteil 101 aus Aluminium hergestellt und ist das zweite Bauteil 102 aus Kupfer hergestellt, wie in der Ausführungsform, aber wenn eine Temperatur von 2/3 des Schmelzpunkts des zweiten Bauteils 102 höher ist als der Schmelzpunkt des ersten Bauteils 101 oder höher ist als der eutektische Punkt des ersten Bauteils 101 und des zweiten Bauteils 102, kann die gleiche Verbindung auch durch andere Metalle realisiert werden. Beispiele dafür sind eine Kombination, bei der das erste Bauteil 101 aus Magnesium und das zweite Bauteil 102 aus Aluminium besteht, eine Kombination, bei der das erste Bauteil 101 aus Silber und das zweite Bauteil 102 aus Kupfer besteht, und eine Kombination, bei der das erste Bauteil 101 aus Aluminium und das zweite Bauteil 102 aus Stahl besteht.
Obwohl bestimmte Ausführungsformen beschrieben wurden, sind diese Ausführungsformen nur beispielhaft dargestellt worden und sollen den Umfang der Erfindungen nicht einschränken. In der Tat können die hier beschriebenen neuen Ausführungsformen in einer Vielzahl anderer Formen verkörpert werden; darüber hinaus können verschiedene Auslassungen, Ersetzungen und Änderungen in der Form der hier beschriebenen Ausführungsformen vorgenommen werden, ohne vom Geist der Erfindungen abzuweichen. Die beigefügten Ansprüche und ihre Äquivalente sollen solche Formen oder Modifikationen abdecken, die in den Anwendungsbereich und den Geist der Erfindung fallen würden. Darüber hinaus können die oben erwähnten Ausführungsformen miteinander kombiniert und ausgeführt werden.

Claims

Verfahren zum Verbinden unähnlicher Metalle, bei dem ein erstes Bauteil, das eine Plattenform hat und ein erstes Metall enthält, mit einem zweiten Bauteil, das eine Plattenform hat und ein zweites Metall enthält, das einen höheren Schmelzpunkt als das erste Metall hat, unter Verwendung von Reibungswärme stumpf verbunden wird, wobei das Verfahren umfasst: Überlappen eines Endabschnitts des zweiten Bauteils mit einem Endabschnitt des ersten Bauteils; und Druckbeaufschlagung des zweiten Bauteils in Richtung des ersten Bauteils, indem ein rotierendes Fügewerkzeug mit einem vorstehenden Abschnitt an einem Spitzenende in Kontakt mit einem überlappenden Abschnitt des zweiten Bauteils mit dem ersten Bauteil gebracht wird, wobei, wenn das zweite Bauteil mit Druck auf das erste Bauteil gedrückt wird, das Spitzenende des rotierenden Fügewerkzeugs nicht in Kontakt mit dem ersten Bauteil ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, weiter umfassend: Bewegen des rotierenden Fügewerkzeugs, das das zweite Bauteil in Richtung des ersten Bauteils unter Druck setzt, entlang des überlappenden Abschnitts in einer Richtung, die im Wesentlichen parallel zu einer oberen Fläche des ersten Bauteils verläuft, wenn das rotierende Fügewerkzeug bewegt wird, wobei das Spitzenende des rotierenden Fügewerkzeugs nicht in Kontakt mit dem ersten Bauteil ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei beim Überlappen des Endabschnitts des zweiten Bauteils auf dem Endabschnitt des ersten Bauteils das erste Bauteil und das zweite Bauteil auf eine Unterlage gelegt werden, und wenn das zweite Bauteil in Richtung des ersten Bauteils unter Druck gesetzt wird, indem das rotierende Fügewerkzeug in Kontakt mit dem überlappenden Abschnitt des zweiten Bauteils mit dem ersten Bauteil gebracht wird, ein Teil des ersten Metalls, das von einer Verbindungsfläche zwischen dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil abgegeben wird, zu einem vertieften Abschnitt abgegeben wird, der auf einer Oberfläche der Unterlage vorgesehen ist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei in einer Richtung orthogonal zu einer Mittelsachse des Fügewerkzeugs, wobei sich die Mittelsachse des Fügewerkzeugs in der Nähe einer Endfläche des ersten Bauteils oder an einer Position befindet, die von der Endfläche des ersten Bauteils in Richtung der Seite des zweiten Bauteils beabstandet ist, und ein Abstand zwischen der Mittelsachse des Fügewerkzeugs und der Endfläche des ersten Bauteils kürzer ist als ein Radius des vorstehenden Abschnitts am Spitzenende des Fügewerkzeugs.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei eine Endfläche oder ein Teil der Endfläche des zweiten Bauteils eine Schräge oder eine gekrümmte Fläche ist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei ein Endabschnitt des Fügewerkzeugs auf der Seite des zweiten Bauteils eine im Wesentlichen kegelstumpfförmige Form oder eine im Wesentlichen konische Form aufweist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei wenn das Fügewerkzeug aus einer Richtung entlang einer Mittelsachse des Fügewerkzeugs betrachtet wird, ein Endabschnitt des Fügewerkzeugs auf der Seite des zweiten Bauteils eine streifenförmige Fläche hat, die so konfiguriert ist, dass sie in einer Spiralform um die Mittelsachse kreist, oder eine streifenförmige Nut, die so konfiguriert ist, dass sie in einer Spiralform um die Mittelsachse kreist.
Verbundener Körper, bestehend aus: einen ersten Abschnitt, der die Form einer Platte hat und ein erstes Metall enthält; einen zweiten Abschnitt, der die Form einer Platte hat und ein zweites Metall enthält, dessen Schmelzpunkt höher ist als der des ersten Metalls, wobei der zweite Abschnitt mit einer Seite des Endabschnitts des ersten Abschnitts zu verbinden ist; und eine Schicht, die eine intermetallische Verbindung enthält, die ein Bauteil des ersten Metalls und ein Bauteil des zweiten Metalls enthält, wobei die Schicht zwischen einem Bereich des ersten Abschnitts, der mit dem zweiten Abschnitt verbunden ist, und einem Bereich des zweiten Abschnitts, der mit dem ersten Abschnitt verbunden ist, vorgesehen ist, der Bereich des ersten Abschnitts, der mit dem zweiten Abschnitt verbunden ist, in Bezug auf eine Richtung orthogonal zu einer Dickenrichtung des ersten Abschnitts geneigt ist, und der Bereich des zweiten Abschnitts, der mit dem ersten Abschnitt verbunden ist, in Bezug auf eine Richtung geneigt ist, die orthogonal zu einer Dickenrichtung des zweiten Abschnitts ist.
Fügeeinrichtung, die so konfiguriert ist, dass sie unter Verwendung von Reibungswärme ein erstes Bauteil, das eine Plattenform aufweist und ein erstes Metall enthält, und ein zweites Bauteil, das eine Plattenform aufweist und ein zweites Metall mit einem höheren Schmelzpunkt als dem des ersten Metalls enthält, stumpf verbindet, wobei die Einrichtung umfasst: eine Grundplatte, auf der das erste Bauteil und das zweite Bauteil in einem Zustand angeordnet sind, in dem ein Endabschnitt des zweiten Bauteils einen Endabschnitt des ersten Bauteils überlappt; und eine Bearbeitungseinheit, die so konfiguriert ist, dass sie ein rotierendes Werkzeug gegen einen sich mit dem ersten Bauteil überlappenden Abschnitt des zweiten Bauteils drückt.
Einrichtung gemäß Anspruch 9, wobei die Grundplatte einen vertieften Abschnitt aufweist, der so gestaltet ist, dass er einen Teil des ersten Metalls aufnimmt, das von einer Verbindungsfläche zwischen dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil abgegeben wird.