JP2001314981A - 金属部材の処理方法 - Google Patents

金属部材の処理方法

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JP2001314981A JP2000130039A JP2000130039A JP2001314981A JP 2001314981 A JP2001314981 A JP 2001314981A JP 2000130039 A JP2000130039 A JP 2000130039A JP 2000130039 A JP2000130039 A JP 2000130039A JP 2001314981 A JP2001314981 A JP 2001314981A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】熱歪みや溶接跡を発生させずに、金属部材同士
を強固に接合する。 【解決手段】少なくとも２枚の金属部材を重ね合わせ
て、最外表面の第１金属部材Ｗ１に回転工具１を押圧す
ることにより、重ね合わされた第１及び第２金属部材Ｗ
１、Ｗ２間の金属組織を摩擦熱により非溶融で撹拌して
接合する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、アルミニウム合金
製鋳物や板材等の金属部材の処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来の接合技術は、板材や予め３次元形
状にプレス成形された金属部材を重ね合わせ、電気抵抗
溶接やアーク溶接、接着剤、ボルト締結、リベット等に
よって接合している。
【０００３】そして、金属部材が複雑な３次元形状の場
合、複数点在する接合部分に対して局所的に接合できる
スポット溶接が用いられる。
【０００４】また、他の接合技術として、非溶融の状態
で摩擦撹拌する接合方法が特許第２７１２８３８号公報
に開示されている。この接合技術は、２つの部材を突き
合わせた接合面にプローブと呼ばれる突起部を回転させ
ながら挿入及び並進させ、接合面近傍の金属組織を摩擦
熱により可塑化させて結合するものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記公
報に記載の接合技術では、金属部材の表面にプローブを
差し込んで移動させるため、プローブの移動軌跡におけ
る始点及び終点にプローブを抜き差した溶接跡（穴）が
残ってしまう。このため、溶接跡が見える部位には用い
ることができないという外観上の問題や、後処理で溶接
跡を取り除けるように予め余肉部を形成し、この余肉部
にプローブの移動始点及び終点を持ってくるという工夫
が必要であったり、溶接跡が残る場合には金属部材の疲
労強度が低下するという問題がある。
【０００６】本発明は、上記課題に鑑みてなされ、その
目的は、熱歪みや溶接跡を発生させずに、金属部材同士
を強固に接合できる金属部材の処理方法を提供すること
である。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上述の課題を解決し、目
的を達成するために、本発明の金属部材の処理方法は、
少なくとも２枚の金属部材を重ね合わせ、平面状の回転
子の先端を第１金属部材の表面に押圧し、前記回転子を
回転させ、前記第１金属部材の接合部分を非溶融の状態
で摩擦により撹拌させて非溶融撹拌層を形成すると共
に、第２金属部材にまで非溶融撹拌層を拡大して、該第
１及び第２金属部材を接合する。
【０００８】また、好ましくは、前記回転子の先端に凹
部を形成した。
【０００９】また、好ましくは、前記第１及び第２金属
部材を介して前記回転子の先端に対向するよう配置され
る受け部材を備え、該受け部材の先端に凹部を形成し
た。
【００１０】また、好ましくは、前記第１及び第２金属
部材を介して前記回転子の先端に対向するよう配置され
る回転子を更に設け、２つの回転子の先端で前記第１及
び第２金属部材を挟み込みながら各回転子を逆回転させ
る。
【００１１】また、好ましくは、前記回転子を移動させ
て連続的に接合させる。
【００１２】また、好ましくは、前記回転子の先端は、
薄肉側の金属部材から押圧する。
【００１３】また、本発明の金属部材の処理方法は、平
面状の回転子の先端を金属部材の表面に押圧し、前記回
転子を回転させ、前記金属部材を非溶融状態で摩擦によ
り撹拌させて、該金属部材の表面を改質する。
【００１４】
【発明の効果】以上説明のように、請求項１の発明によ
れば、少なくとも２枚の金属部材を重ね合わせ、平面状
の回転子の先端を第１金属部材の表面に押圧し、回転子
を回転させ、第１金属部材の接合部分を非溶融の状態で
摩擦により撹拌させて非溶融撹拌層を形成すると共に、
第２金属部材にまで非溶融撹拌層を拡大して、第１及び
第２金属部材を接合することにより、熱歪みや溶接跡を
発生させずに、金属部材同士を強固に接合できる。
【００１５】請求項２の発明によれば、回転子の先端に
凹部を形成したことにより、第１及び第２金属部材の撹
拌性を高めることができる。
【００１６】請求項３の発明によれば、第１及び第２金
属部材を介して回転子の先端に対向するよう配置される
受け部材を備え、受け部材の先端に凹部を形成したこと
により、第１及び第２金属部材の撹拌性を高めることが
できる。
【００１７】請求項４の発明によれば、第１及び第２金
属部材を介して回転子の先端に対向するよう配置される
回転子を更に設け、２つの回転子の先端で第１及び第２
金属部材を挟み込みながら各回転子を逆回転させること
により、接合時間を短縮化できると共に、総板厚が大き
い場合や重ね合わせ枚数が多い場合でも良好に接合でき
る。
【００１８】請求項５の発明によれば、回転子を移動さ
せて連続的に接合させることにより、熱歪みや溶接跡を
発生させずに、金属部材同士を強固に接合できる。
【００１９】請求項６の発明によれば、回転子の先端
は、薄肉側の金属部材から押圧することにより、第１金
属部材から第２金属部材への非溶融撹拌層の拡大を早め
ることができる。
【００２０】請求項７の発明によれば、平面状の回転子
の先端を金属部材の表面に押圧し、回転子を回転させ、
金属部材を非溶融状態で摩擦により撹拌させて、金属部
材の表面を改質することにより、金属組織の微細化や鋳
造欠陥の減少を図り、熱疲労（低サイクル疲労）寿命や
伸び、耐衝撃性等の材料特性を向上することができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施の形態につ
いて、添付図面を参照して詳細に説明する。
【００２２】図１は、本発明に係る実施形態の重ね合わ
せ接合方法を説明する回転工具付近の拡大図である。
【００２３】本実施形態の接合方法は、アルミニウム合
金製の板材や予め３次元形状にプレス成形された金属部
材の接合に適用され、少なくとも２枚の金属部材を重ね
合わせて、最外表面の第１金属部材Ｗ１に回転工具１を
押圧することにより、重ね合わされた第１及び第２金属
部材Ｗ１、Ｗ２間の金属組織を摩擦熱により非溶融で撹
拌して接合するものである。
【００２４】そして、非溶融で撹拌するので、電気抵抗
溶接等で発生する熱歪み等の問題を解消することができ
る。
【００２５】ここで、非溶融で攪拌する状態とは、母材
に含有される各成分或いは共晶化合物の中で最も融点が
低いものよりもさらに低い温度下で摩擦熱により金属組
織を軟化させて攪拌することを意味する。
【００２６】図１に示すように、摩擦撹拌による接合方
法は、少なくとも２枚の金属部材Ｗ１、Ｗ２を重ね合わ
せ、先端部３が平面状の円筒状の回転工具１を、その軸
心周りに回転させながら、先端部３を最外表面の第１金
属部材Ｗ１に押し付けて、第１金属部材Ｗ１、Ｗ２を非
溶融の状態で摩擦により撹拌させて非溶融撹拌層を形成
すると共に、第２金属部材Ｗ２にまで非溶融摩擦撹拌層
を拡大して第１及び第２金属部材Ｗ１、Ｗ２を接合す
る。
【００２７】また、第１及び第２金属部材Ｗ１、Ｗ２を
挟むように回転工具１の先端部３に対向するよう受け部
材４が配置されている。受け部材４の外径は、回転工具
１の外径以上に設計されている。
【００２８】回転工具１は直径φ１が１０〜１５ｍｍ程
度である。回転工具１及び受け部材４は、金属部材より
も硬度の高い鋼材（超硬合金等）で形成された非摩耗型
工具であるが、金属部材は回転工具１より軟質の材質で
あれば、アルミニウム合金に限定されない。
【００２９】また、図３にも示すように、回転工具１
は、先端部３の略中央に凹部３ａが形成されている。ま
た、受け部材４の先端部５の略中央にも凹部５ａが形成
されている。
【００３０】尚、回転工具１の凹部３ａと受け部材４の
凹部５ａとは、いずれか一方又は両方に設けることがで
きる。
【００３１】回転工具１は、後述する多関節ロボット１
０のアームに回転可能に取り付られ、接合される金属部
材が複雑な３次元形状の場合、複数点在する接合部分に
対してスポット的に（局所的に）接合できるよう構成さ
れている。
【００３２】図２は、回転工具を保持及び駆動する多関
節ロボットの概略図である。
【００３３】図２に示すように、多関節ロボット１０
は、ベース１１に設けられた関節１２に連結されてｙ軸
中心に揺動すると共に、関節１３でｚ軸中心に回転する
第１アーム１４と、関節１５を介して第１アーム１４に
連結されてｙ軸中心に揺動すると共に、関節１６でｘ軸
中心に回転する第２アーム１７と、関節１８を介して第
２アーム１７に連結されてｙ軸中心に揺動する第３アー
ム１９とを有する。
【００３４】第３アーム１９は、回転工具１が回転可能
に取り付けられると共に、回転工具１を回転駆動するモ
ータ２０と、回転工具１の先端部３に対向するよう配置
される受け部材４とを備える。回転工具１の先端部３と
受け部材４の先端部との間隔はアクチュエータ２２によ
り可変となっており、接合時の金属部材に対する押圧力
や３枚以上重ね合わせた金属部材でも対応できるよう設
計されている。
【００３５】多関節ロボット１０の各アーム、モータ、
アクチュエータの動作は、予めティーチングされて制御
部３０がコントロールする。
【００３６】回転工具１の金属部材に対する押圧力は、
金属部材の総板厚や重ね合わせ枚数等に基づいて接合部
分ごとに設定され、個々の金属部材の板厚が異なる場合
にも適用できる。
【００３７】また、図４に示すように、３枚以上の第１
乃至第３金属部材Ｗ１〜Ｗ３を接合する場合には、同一
外径を有する一対の回転工具１Ａ，１Ｂで金属部材を挟
み込んで接合する。この場合、図２の受け部材４に代え
て回転工具１Ｂを回転可能に多関節ロボット１０に取り
付けて、互いに対向する回転工具１Ａ，１Ｂの先端部３
Ａ，３Ｂで第１乃至第３金属部材Ｗ１〜Ｗ３を挟み込み
ながら、各回転工具１Ａ，１Ｂを逆回転させる。
【００３８】また、第１及び第２金属部材Ｗ１、Ｗ２の
板厚が異なる場合でも接合可能であるが、特に、薄肉側
から回転工具１を押圧させるとより撹拌しやすくなり、
均一な接合処理が実現できる。［接合時の金属組織の塑
性流動］図５は、回転工具の先端部が平滑な場合の金属
部材内部の塑性流動状態を示す図である。図６は、回転
工具の先端部に凹部を形成した場合の金属部材内部の塑
性流動状態を示す図である。
【００３９】図５に示すように、先端部３が平滑な回転
工具１を用いた場合（受け部材４の先端部５は、説明の
便宜上平滑とする）、所定回転数で回転する回転工具１
を第１金属部材Ｗ１に略垂直に押し当てていくと、回転
工具１と第１金属部材Ｗ１との間に摩擦が生じて、その
表面が軟化して第１及び第２金属部材Ｗ１、Ｗ２間の金
属組織が非溶融の状態で回転方向に撹拌されていく。そ
して、更に回転工具１による第１金属部材Ｗ１に対する
押圧力を高めていくと、回転工具１に非接触の金属部材
Ｗ２にまで非溶融の摩擦撹拌層が拡大して、最終的に重
ね合わされた第１及び第２金属部材Ｗ１、Ｗ２が溶融さ
れることなく接合される。
【００４０】図６に示すように、先端部３に凹部３ａが
形成された回転工具１を用いた場合（受け部材４の先端
部５は、説明の便宜上平滑とする）、所定回転数で回転
する回転工具１を第１金属部材Ｗ１に略垂直に押し当て
ていくと、回転工具１と第１金属部材Ｗ１との間に摩擦
が生じて、その表面が軟化して第１及び第２金属部材Ｗ
１、Ｗ２間の金属組織が非溶融の状態で回転方向に撹拌
されていく。そして、更に回転工具１による第１金属部
材Ｗ１に対する押圧力を高めていくと、回転工具１に非
接触の第２金属部材Ｗ２にまで非溶融の摩擦撹拌層が拡
大し始める。このとき、金属組織は工具１の回転方向に
撹拌されると共に、凹部３ａ内で肉厚方向（金属部材の
接合面と交差する方向）に撹拌されて、最終的に重ね合
わされた第１及び第２金属部材Ｗ１、Ｗ２が溶融される
ことなく接合される。
【００４１】また、回転工具１の凹部３ａは撹拌される
金属組織の周速が略ゼロとなる凹部内での塑性流動を促
進し、受け部材４の凹部５ａを設けた場合には回転工具
１に接触しない金属部材の塑性流動を促進する。
【００４２】上述のように、回転工具１の先端部３に凹
部３ａを設けた場合には、接合すべき金属組織の全てが
十分に撹拌されて、接合強度が高まるのに対して、凹部
３ａを設けないで平滑な場合には、金属部材の接合面と
交差する方向への撹拌が不十分なため、接合強度は弱い
ものとなる。 ［試験結果］本実施形態の接合処理では、金属部材とし
てＪＩＳで規格化された６０００系鋼板（Al-Mg-Si鋼
板）を一例として用いるが、５０００系鋼板（Al-Mg鋼
板）や他の金属材料でも適用可能である。
【００４３】図７は、本実施形態の非溶融摩擦撹拌によ
る接合強度試験方法を示す図である。図８は、図７の接
合強度試験方法による結果を示す図である。
【００４４】図７の接合強度試験は、接合された第１及
び第２金属部材Ｗ１、Ｗ２を互いに相反する方向に引張
って、接合面が剥がれた時点での引張力を接合強度とし
て測定している。
【００４５】また、接合条件は、工具回転数が２０００
ｒｐｍ、回転工具１の先端部３の直径がφ１０ｍｍ、押
圧保持時間は０．２ｍｍ押し込み後の時間、金属部材は
６０００系、板厚が１ｍｍのものを用いた。
【００４６】図８に示すように、先端部３に凹部３ａが
形成された回転工具１を用いた方が、先端部３が平滑な
工具の場合に比べて、接合強度が高くなって要求強度を
満たす。
【００４７】また、先端部３が平滑な工具の場合では、
図１５に示すように、破壊時に金属部材の接合面から剥
がれる剥離破断となるのに対して、先端部３に凹部３ａ
が形成された工具を用いた場合には、図１３及び図１４
に示すように、破壊時に接合面は剥がれずに、回転工具
１の周囲に対応する部分Ｗａから破断するボタン破断と
なるため、接合強度が高いことがわかる。
【００４８】更に、図１６乃至図１９に示すように、先
端部３に凹部３ａが形成された工具を用いて接合した場
合には、金属組織の接合界面が均一になるよう十分撹拌
されて接合されるため、接合強度が高くなる。
【００４９】また、回転工具１の金属部材に対する押圧
保持時間が長いほど接合強度は高くなるが、約１０秒以
上押圧保持すると、先端部３に凹部３ａが形成された回
転工具１を用いた場合でも、先端部３が平滑な工具の場
合でも接合強度は略同じとなる。 ［金属部材形状］本実施形態では、予め３次元形状にプ
レス成形された金属部材の接合に適している。即ち、図
９に示す自動車の車体フレームＷ１と補強部材Ｗ２の接
合のように、プレス成形により金属部材が複雑な３次元
形状を有し、回転工具１を連続して移動できないような
複数点在する接合部分Ｐに対して、本実施形態の接合方
法を用いることにより局所的に溶接でき、プレス成形後
であっても接合可能となる。 ［連続接合］上記実施形態では、回転工具１を接合部分
に押圧して移動させないスポット接合の例を説明した
が、図１０に示すように、回転工具１を前進又は揺動さ
せながら連続的に接合してもよい。
【００５０】図１０で回転工具１を前進させる場合に
は、図１１に示すように、前進方向に対して後方に約１
°傾斜させて移動させると、金属部材Ｗ１に垂直に押し
当てる場合に比べて傾斜した分だけ撹拌性が向上する。 ［変形例］本実施形態の変形例として、金属部材の歪み
を抑制するために、金属部材の接合部分を冷却しながら
接合することもできる。冷却方法としては、冷却水中で
接合したり、接合部分に冷却水を供給すればよい。
【００５１】また、接合時に金属部材に発生するばりＷ
ｂ（図１３参照）を取り除くために、図１２に示すよう
に、回転工具１の先端近傍の側面に拡径部１ａを形成し
てもよい。拡径部１ａの軸心方向の位置は、金属部材に
押し込まれる先端部３の押し込み量だけ上方に形成され
る。また、拡径部１ａを金属部材を抑えるために用いて
もよい。 ［表面処理］本実施形態の接合技術は、金属部材の表面
処理にも応用できる。
【００５２】表面処理ではアルミニウム合金製鋳物を対
象とし、特に自動車のシリンダヘッドに形成される隣り
合うポート間（弁間部）やピストン、ブレーキディスク
等の表面改質処理に用いられ、アルミニウム合金製鋳物
の表面改質領域を摩擦熱により溶融させることなく撹拌
させることにより、金属組織の微細化や共晶シリコン
（Ｓｉ）粒子の均一分散化、鋳造欠陥の減少を図り、熱
疲労（低サイクル疲労）寿命や伸び、耐衝撃性等の材料
特性において従来のリメルト処理以上のものを得ること
ができる。
【００５３】また、本実施形態の表面処理では、図２０
に示すように、ＪＩＳで規格化されたアルミニウム合金
であるＡＣ４Ｄを一例として用いるが、アルミニウム合
金鋳物としては、アルミニウム合金のマグネシウム（Ｍ
ｇ）含有率として０．２〜１．５重量％、シリコン（Ｓ
ｉ）含有率として１〜２４重量％、好ましくは４〜１３
重量％の範囲で組成比率を変更可能である。他にＡＣ４
Ｂ，ＡＣ２Ｂ、ピストンに用いるＡＣ８Ａ等も利用でき
る。シリコン含有率の上限を２４％に設定する理由は、
それ以上シリコンを増加しても材料特性や鋳造性が飽和
すると共に、攪拌性が悪化するからである。
【００５４】マグネシウムを含有するアルミニウム合金
鋳物は、熱処理によりＭｇ2Ｓｉを析出させて強度が高
まる。ところが、リメルト処理のように溶融させて金属
組織を微細化させる場合には、低融点（６５０℃）のマ
グネシウムが蒸発して含有量が低下することがある。そ
して、マグネシウム含有量が低下すると熱処理を施して
も硬さや強度が低下して所望の材料特性が得られないこ
とになる。
【００５５】一方、摩擦撹拌による表面処理では、金属
組織を溶融させないのでマグネシウムが蒸発することも
ないため、アルミニウム合金鋳物は熱処理によりＭｇ2
Ｓｉを析出させて強度が高められるのである。
【００５６】アルミニウム合金にシリコンを添加するこ
とにより、鋳造性（溶湯の流動性、引け特性、耐熱間割
れ性）は向上するが、共晶シリコンが一種の欠陥として
作用して機械的特性（伸び）が低下する。
【００５７】共晶シリコンは硬くて脆く、亀裂発生の起
点や伝播経路となるため伸びが低下する。また、弁間部
のように繰り返し熱応力を受ける部位ではその疲労寿命
が低下する。そして、金属組織ではデンドライトに沿っ
て共晶シリコンが連なった形態を呈しているが、共晶シ
リコンを微細化し、均一に分散させることによって応力
集中による亀裂の発生と、発生した亀裂の伝播を抑制す
ることが可能となる。
【００５８】図２１は、表面処理への適用例として、自
動車のシリンダヘッドに形成される隣り合うポート間
（弁間部）の表面改質処理方法を説明する図である。
【００５９】図２１に示すように、表面改質処理は、回
転工具１を隣り合うポートの弁間部において、処理軌跡
Ｆ１〜Ｆ３に沿って弁間部を縦断するよう摩擦により撹
拌しながら移動させる。
【００６０】尚、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲
で上記実施形態を修正又は変形したものに適用可能であ
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る実施形態の重ね合わせ接合方法を
説明する回転工具付近の拡大図である。
【図２】回転工具を保持及び駆動する多関節ロボットの
概略図である。
【図３】金属部材の接合方法を説明する図である。
【図４】３枚以上の金属部材の接合方法を説明する図で
ある。
【図５】回転工具の先端部が平滑な場合の金属部材内部
の塑性流動状態を示す図である。
【図６】回転工具の先端部に凹部を形成した場合の金属
部材内部の塑性流動状態を示す図である。
【図７】本実施形態の非溶融摩擦撹拌による接合強度試
験方法を示す図である。
【図８】図７の接合強度試験方法による結果を示す図で
ある。
【図９】予め３次元形状にプレス成形された金属部材と
して、自動車の車体フレームを接合する場合について示
す図である。
【図１０】回転工具を前進させながら連続的に接合する
場合を説明する回転工具付近の拡大図である。
【図１１】回転工具を前進させながら連続的に接合する
場合の金属部材の接合方法を説明する図である。
【図１２】本実施形態の回転工具の変形例として、工具
の外周に拡径部を形成した回転工具を示す図である。
【図１３】本実施形態により接合された金属部材の接合
部分の金属組織を示す断面図である。
【図１４】接合強度試験によるボタン破断時の金属部材
の状態を示す図である。
【図１５】接合強度試験による剥離破断時の金属部材の
状態を示す図である。
【図１６】図１３に対応し、本実施形態により接合され
た金属部材の接合部分の金属組織の断面写真を示す図で
ある。
【図１７】図１６のＩ部の拡大写真を示す図である。
【図１８】図１７のＩＩ部の金属部材の金属組織の断面
写真を示す図である。
【図１９】図１８の拡大写真を示す図である。
【図２０】表面処理に用いるアルミニウム合金鋳物の成
分比率を示す図である。
【図２１】表面処理への適用例として、自動車のシリン
ダヘッドに形成される隣り合うポート間（弁間部）の表
面改質処理方法を説明する図である。
【符号の説明】
１ 回転工具 ２ 突出部 ３ 先端部 ４ 受け部材 １０ 多関節ロボット Ｗ１〜Ｗ３ 金属部材

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 少なくとも２枚の金属部材を重ね合わ
    せ、 平面状の回転子の先端を第１金属部材の表面に押圧し、 前記回転子を回転させ、前記第１金属部材の接合部分を
    非溶融の状態で摩擦により撹拌させて非溶融撹拌層を形
    成すると共に、第２金属部材にまで非溶融撹拌層を拡大
    して、該第１及び第２金属部材を接合することを特徴と
    する金属部材の処理方法。
  2. 【請求項２】 前記回転子の先端に凹部を形成したこと
    を特徴とする請求項１に記載の金属部材の処理方法。
  3. 【請求項３】 前記第１及び第２金属部材を介して前記
    回転子の先端に対向するよう配置される受け部材を備
    え、該受け部材の先端に凹部を形成したことを特徴とす
    る請求項１又は２に記載の金属部材の処理方法。
  4. 【請求項４】 前記第１及び第２金属部材を介して前記
    回転子の先端に対向するよう配置される回転子を更に設
    け、２つの回転子の先端で前記第１及び第２金属部材を
    挟み込みながら各回転子を逆回転させることを特徴とす
    る請求項１乃至３のいずれか１項に記載の金属部材の処
    理方法。
  5. 【請求項５】 前記回転子を移動させて連続的に接合さ
    せることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に
    記載の金属部材の処理方法。
  6. 【請求項６】 前記回転子の先端は、薄肉側の金属部材
    から押圧することを特徴とする請求項１乃至５のいずれ
    か１項に記載の金属部材の処理方法。
  7. 【請求項７】 平面状の回転子の先端を金属部材の表面
    に押圧し、 前記回転子を回転させ、前記金属部材を非溶融状態で摩
    擦により撹拌させて、該金属部材の表面を改質すること
    を特徴とする金属部材の処理方法。
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