JP2003126972A

JP2003126972A - 摩擦攪拌接合方法

Info

Publication number: JP2003126972A
Application number: JP2001321393A
Authority: JP
Inventors: Hisanobu Okamura; 久宣岡村; Kinya Aota; 欣也青田; Masao Funyu; 征夫舟生; Koji Sato; 晃二佐藤
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2001-10-19
Filing date: 2001-10-19
Publication date: 2003-05-08

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】複数の金属箔または金属線どうしまたは前記箔
と板材とを高品質かつ効率的に接合する摩擦攪拌接合方
法を提供する。【解決手段】複数の金属箔または金属線を予めそれらよ
りも厚い金属板の中に挟み込み一体化後、もしくは有機
または無機系の接着剤で固定して一体化後、金属板と共
に、もしくは接着剤と共に金属箔または金属線どうしを
摩擦攪拌接合することを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、複数の金属箔また
は金属線どうし、またはこれらと板材との摩擦攪拌接合
方法に関し、複数の金属箔または金属線どうしまたは前
記箔と板材とを高品質かつ効率的に接合する摩擦攪拌接
合方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、複数の金属箔または金属線どうし
または金属箔または金属線と金属板とを金属的に接合す
る方法として、下記（１）ないし（４）の方法が知られ
ている。

【０００３】（１）はんだ材，ろう材方法。（２）拡散
接合方法。（３）アーク，レーザ，電子ビームの熱源に
よる溶接方法。（４）かしめなど機械的な接合方法。

【０００４】一方、摩擦攪拌接合方法は、接合材をその
融点以下の温度で接合できるため、接合後の歪が少ない
など多くの特徴がある。しかし、摩擦攪拌接合方法を、
金属箔又は金属線の接合に適用する場合には、回転ツー
ルの回転作用に耐える強固な固定が必要である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来の接合方法には、
以下に述べる問題点がある。

【０００６】（１）のはんだ付の場合は、耐熱性の点で
問題がある。さらに、はんだ付け，ろう付けの場合は腐
食に悪影響があるフラックスなどを用いる必要があるた
め、長期的な信頼性の点で問題がある。また、ろう付け
の場合は接合部のみならず接合部に付随する全体を加熱
する必要があるため生産性に問題がある。

【０００７】（２）の拡散接合方法は、接合の際に接合
体全体を高い温度に加熱する必要があるため生産性に問
題がある。

【０００８】（３）のアーク，レーザ溶接は、接合する
金属線または箔が数mm以下の細い場合は熱容量との関係
で接合前に溶解が生じるため、安定に溶接することは困
難である。

【０００９】さらに、（１）〜（３）とも金属線の表面
に絶縁皮膜など非金属皮膜が形成された状態での接合は
困難である。このため、接合前に絶縁皮膜を剥離後、接
合している。なお、特に絶縁皮膜の耐熱性が高い場合は
剥離も困難であるため、剥離作業などが必要となり生産
性の点で問題がある。

【００１０】（４）のかしめなどの機械的接合方法は、
箔または金属線の場合は困難である。

【００１１】一方、従来の摩擦攪拌接合方法は、被接合
材どうしの間に隙間があると回転ツールの回転作用で破
断が生じ、安定かつ品質の高い接合ができない。このた
め、被接合材どうしを精密に密着して固定する必要があ
る。しかし、金属箔や細い金属線の場合は精密に密着し
て固定することは極めて困難である。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明の解決手段を以下
示す。

【００１３】第１は金属箔または金属線どうしの接合の
場合は、前記金属箔または金属線を上下両面またはいず
れか一方から前記金属箔よりも厚い金属板で挟み込み固
定して一体化し、前記金属板と共に摩擦攪拌接合するこ
とにより達成できる。

【００１４】第２は前記第１の手段において、前記金属
箔の機械的強度（引っ張り強度，変形抵抗，剛性などの
少なくとも１つ）を前記金属板の機械的強度よりも小さ
くすることにより達成できる。

【００１５】第３は前記金属箔または金属線を接合前に
有機または無機系の接着材で接着して一体化し、前記接
着剤とともに摩擦攪拌接合することにより達成できる。

【００１６】第４は金属箔または金属線を金属板に接合
する場合は、両者を予め接着剤で固定し、接着剤ととも
に摩擦攪拌接合することにより達成できる。

【００１７】第５は複数の金属線どうしを接合する場合
であり、接合する金属線より細い金属線を複数混合して
摩擦攪拌接合することにより安定に接合できる。

【００１８】本発明の作用を以下に述べる。

【００１９】金属箔または金属線を、接合前に予め前記
金属箔より厚い金属板で上下両面またはいずれか一方か
ら挟み込み固定して一体化し、金属板と共に摩擦攪拌接
合することにより前記箔または金属線の固定が容易にな
り、前記箔または線を破断することなく接合できるよう
になる。

【００２０】ここで、前記金属箔の機械的強度（引っ張
り強度，変形抵抗，剛性などの少なくとも１つ）が前記
金属板のそれより小さい場合に、より安定に接合でき
る。これは金属箔を剛性の高い金属板で強固に固定でき
るためである。

【００２１】一方、接合前に前記箔または線を有機また
は無機系の接着剤で固定して一体化し、接着剤とともに
摩擦攪拌接合することにより、前記箔または線の固定が
容易になり、かつ、安定に接合できる。この場合、接着
剤も同時に接合されるが、接合過程の摩擦攪拌作用と摩
擦熱で接着剤は熱的に分解または蒸発して接合部の特性
には悪い影響を及ぼさない。

【００２２】複数の金属線どうしを接合する場合、接合
する金属線よりも細い金属線を複数混合して摩擦攪拌接
合することにより、金属線と金属線との空隙が減少する
ため、より安定に接合できる。

【００２３】金属箔または金属線の表面が非金属性の物
質で皮膜されている状態でも、摩擦攪拌作用で前記皮膜
は接合の過程で機械的に破壊および粉砕され、かつ、熱
的にも分解されるため接合が可能となる。さらに、前記
皮膜は加熱によって分解されるため、電気的特性には問
題がない。

【００２４】

【発明の実施の形態】実施例１図１は、複数の金属箔どうしを重ねて摩擦攪拌接合する
実施例を示す斜視図、図２は第１図のＡ−Ａ方向の断面
図である。摩擦攪拌接合用の回転ツール１はピン部２と
前記ピン部２より太いショルダ部３からなっている。回
転ツール１は、回転軸を通じて回転駆動モータに連結さ
れている。金属箔４は厚さが０.０５mmのアルミニウム
箔（以下アルミ箔と記述）である。これを５０枚重ねて
摩擦攪拌接合する場合において、接合前に有機系の接着
剤５によって前記アルミニウム箔どうしを一体化する。

【００２５】この一体化されたアルミニウム箔よりなる
金属箔４全体を上下方向から簡単な拘束冶具で固定して
前記接着剤５とともに摩擦攪拌接合する。摩擦攪拌接合
は前記回転ツール１を矢印７方向に回転した状態で前記
アルミニウム箔の接合部に挿入し、前記回転ツール１が
回転した状態で矢印８方向に移動させることにより接合
できる。

【００２６】本実施例における回転ツール１のピン部２
の長さは２mm、直径は１.５mm 、ショルダ部の直径は３
mmである。ツールの回転数は１０００rpm、移動速度は1
00mm／min である。

【００２７】図３は、本発明の摩擦攪拌接合によって接
合した摩擦攪拌接合部の断面を示す。複数のアルミニウ
ム箔は摩擦攪拌接合部９によって金属的に接合されてい
る。なお、接合過程の接合部の温度は約５００℃であ
る。このため、接合部の有機系接着剤は接合の過程で熱
的及び機械的に分解されて接合部内には残存しない。従
って、前記方法によって接合された複数の金属箔どうし
の接合部の電気抵抗は、アルミニウムの電気抵抗と同じ
である。このため、前記方法によって接合された複数の
アルミニウム箔は二次電池用の電気信号入出力部に使用
可能である。

【００２８】実施例２図４は、前記実施例１と同様の方法で複数の銅箔どうし
を摩擦攪拌接合した接合部の断面を示す。本実施例にお
ける銅箔は厚さが０.２mm でこれが１０枚重ねられて接
合されている。図４に示すように接合部の表面側の一部
は前記ツールによって凹みになり、さらに裏面側の一部
の箔も接合が完全でない。このため、前記表面側１枚及
び裏面側の１枚の銅箔は接合後、除去する。これによっ
て、完全な接合部だけとなる。また、前記有機系接着剤
５は接合の過程で熱的及び機械的に分解されて接合部に
は残存していない。従って前記方法によって接合された
前記複数の銅箔どうしの接合部の電気抵抗は、銅の電気
抵抗と同じである。このため、前記方法によって接合さ
れた複数の銅線は自動車用の制御機器に使用できる。

【００２９】なお、金属箔が炭素鋼またはステンレスの
場合でも本発明の効果は同じである。

【００３０】実施例３図５は、複数の金属箔どうしを金属箔の面に対して直角
方向から摩擦攪拌接合する実施例を示す斜視図、図６は
図５のＡ−Ａ方向の断面図である。金属箔４は厚さが
０.２mmの電磁鋼板である。これを５０枚重ねて摩擦攪
拌接合する場合において、接合前に有機系の接着剤５に
よって前記電磁鋼板どうしを一体化する。

【００３１】この一体化された電磁鋼板よりなる金属箔
４全体を簡単な拘束冶具で固定して前記接着剤５ととも
に摩擦攪拌接合する。摩擦攪拌接合は回転ツール１を矢
印７方向に回転した状態で前記電磁鋼板の接合部に挿入
し、前記回転ツール１が回転した状態で矢印８方向に移
動させることにより接合できる。

【００３２】本実施例における前記回転ツール１のピン
部２の長さは３mm、直径は２mm、ショルダ部の直径は５
mmである。ツールの回転数は１５００rpm 、移動速度は
300mm／min である。

【００３３】図７は、本発明の摩擦攪拌接合によって接
合した摩擦攪拌接合部の断面を示す。複数の電磁鋼板は
摩擦攪拌接合部９によって金属的に接合されている。な
お、接合部の前記有機系接着剤は接合の過程で熱的及び
機械的に分解されて接合部には残存していない。従っ
て、前記方法によって接合された前記複数の電磁鋼板ど
うしの接合部の磁気特性は、接合前の磁気特性と同じで
ある。このため、前記方法によって接合された複数の電
磁鋼板は電気モータ用の回転子に使用し得る。

【００３４】なお、図５〜図７において、表裏両面方向
から接合することにより、少ない入熱量で接合できるた
め、接合後の歪を減少できる効果がある。

【００３５】実施例４図８は、図７と同様の金属箔４を接着剤なしで摩擦攪拌
接合する実施例を示す。金属箔４は厚さ０.２mm のアル
ミニウム箔よりなり、これが５０枚重ねられている。図
８に示すように、拘束冶具６の中に固定された金属箔の
上面に金属板１０を配置する。金属板１０は金属箔４と
同じ材質で厚さは０.５mm である。前記アルミニウム箔
は前記金属板とともに摩擦攪拌接合される。これによっ
て、金属箔と金属箔との空隙が大きい場合でも接合の過
程で前記金属板が空隙の間に攪拌侵入するため、欠陥な
く安定に接合できる。

【００３６】実施例５図９は、複数の金属線どうしを摩擦攪拌接合方法によっ
て接合する実施例を示す断面図である。金属線１１は径
が１mmの銅線である。本発明ではこの銅線を２０本束ね
て摩擦攪拌接合する。なお、前記銅線の表面には電気絶
縁性のエナメル絶縁皮膜が形成されている。前記エナメ
ル皮膜はポリアミド系で、この耐熱温度は７００℃であ
る。まず、前記銅線よりなる金属線１１を接合前に有機
系の接着剤５によって一体化する。この一体化された銅
線全体を簡単な拘束冶具で固定して前記接着剤５ととも
に摩擦攪拌接合する。本実施例における回転ツール１の
ピン部２の長さは３mm、直径は３mm、ショルダ部の直径
は６mmである。ツールの回転数は１５００rpm 、移動速
度は３００mm／min である。

【００３７】図１０は、本発明の摩擦攪拌接合によって
接合した摩擦攪拌接合部の断面を示す。複数の銅線より
なる金属線１１は、摩擦攪拌接合部９によって金属的に
接合されている。ただし、１回の接合では全ての金属線
が接合されない場合もあるが、これは複数回の接合で全
部の金属線が接合できる。なお、銅の接合の場合、接合
過程の温度は約８００℃である。このため、前記有機系
の接着剤５及びエナメル皮膜は接合の過程で熱的及び機
械的に分解されて接合部には残存していない。前記方法
によって接合された接合部の電気抵抗は、銅の電気抵抗
と同じである。このため、前記方法によって接合された
複数の銅線は二次電池用の電機信号入出力部に使用可能
である。

【００３８】実施例６図１１は、複数の金属線どうしを表と裏の両面から金属
板１０で挟み固定して板材と共に摩擦攪拌接合する実施
例を示す断面図である。前記金属線１１は径が１mmのニ
ッケル線である。前記金属板１０もニッケルで厚さも１
mmである。本発明ではこのニッケル線を２０本束ねて摩
擦攪拌接合する。まず、接合前に無機系の接着剤５によ
って前記金属線どうし及び前記金属板１０に固定して一
体化する。これを拘束冶具で固定して前記接着剤５及び
前記金属板１０と共に摩擦攪拌接合する。

【００３９】図１２は、本発明の摩擦攪拌接合によって
接合した摩擦攪拌接合部の断面を示す。複数のニッケル
線よりなる金属線１１は摩擦攪拌接合部９によって金属
的に接合されている。前記金属板１０は金属線の空隙の
中にも攪拌混合されるため、ニッケル線どうしの間は欠
陥なく接合できる。なお、ニッケルの接合の場合、接合
過程の温度は約１０００℃である。このため、前記無機
系の接着剤５は接合の過程で熱的及び機械的に分解され
て接合部には残存しない。

【００４０】実施例７図１３は、実施例１２と同様に複数の金属線１１どうし
を表と裏の両面から金属板１０で挟み固定して金属板１
０と共に摩擦攪拌接合する実施例を示す断面図である。
ただし、本実施例では接着剤は使用していない。前記金
属線１１は径が２mmの銅線で、これを２０本束ねて摩擦
攪拌接合する。前記金属板１０は前記金属線１１と同じ
銅で、厚さが１mmである。前記金属線１１及び前記金属
板１０に固定して一体化し、前記金属板１０と共に摩擦
攪拌接合する。金属線１１は金属板１０で固定されてい
るため、安定に接合できる。

【００４１】実施例８図１４は、金属線１１を密閉した拘束冶具６の中で摩擦
攪拌接合する実施例の断面図を示す。金属線は太い金属
線１１ａと細い金属線１１ｂが混合して、密閉した拘束
冶具６の中に詰め込まれている。これによって太い金属
線１１ａどうしの空隙がなくなるため、欠陥を生ずるこ
となく接合できる。本実施例の太い金属線の径は３mm、
細い金属線の直径は０.２mm で、いずれもアルミニウム
合金線である。さらに、前記金属線の最表面に金属板１
０を配置する。金属板１０は厚さが０.５mm のアルミニ
ウム材である。拘束冶具６によって密閉された状態で前
記金属線１１ａ，１１ｂと金属板１０は同時に摩擦攪拌
接合される。回転ツールの回転作用によって、太い金属
線どうしの空隙の間に細い金属線１２及び前記金属板１
０が攪拌侵入するため、欠陥を生ずることなく健全に接
合ができる。

【００４２】実施例９図１５は、アルミニウム合金からなる角型の容器１３に
蓋１４を摩擦攪拌する実施例の断面図を示す。前記容器
１３は厚さが０.３mm、蓋１４の厚さは０.２mmでいずれ
もアルミニウム合金である。容器１３と蓋１４との間は
接合前に有機系の接着剤５で固定する。さらに前記容器
の外周及びつば部は拘束冶具６で固定する。接合前に前
記接着剤５によって容器１３に蓋１４を固定することに
より、蓋１４側の固定冶具が不要となるため、容器１３
の端部の接合が可能となり、容器の小型かつ軽量化の効
果がある。前記方法によって接合されたアルミニウム容
器は二次電池缶に用いることができる。

【００４３】実施例１０図１６は、金属箔４どうしの突合せ接合において、予め
前記金属箔４を金属板１０に有機系の接着剤で接着して
一体化し、接着剤ととともに摩擦攪拌接合する実施例の
断面図を示す。前記金属箔４は厚さが０.１mm の銅箔、
金属板は厚さが５mmの銅材である。本実施例の方法によ
れば、金属箔４の固定が極めて簡易化される。接合後は
加熱して金属板１０から分離して、接合された金属箔だ
けで利用できる。

【００４４】実施例１１図１７は、複数の金属箔４を表裏両面から金属板１０で
固定して金属板と共に摩擦攪拌接合する実施例の断面図
を示す。複数の金属箔４は厚さが０.０５mm のアルミニ
ウム合金のＪＩＳ規格３００３、金属板は厚さが０.５m
m のアルミニウム合金のＪＩＳ規格５０５２である。つ
まり、金属箔の機械的強度は金属板のそれより小さい。
前記金属箔と金属板を簡単な拘束冶具で固定し、回転ツ
ールによって摩擦攪拌接合する。図１８は、摩擦攪拌接
合後の接合後の断面を示す。金属箔４は金属板１０とと
もに欠陥の無い摩擦攪拌接合部９が形成されている。本
実施例の接合は二次電池の電極に使用できる。

【００４５】実施例１２図１９は、リチウムイオン二次電池を構成する正極側の
電極の接合に本発明を適用した場合の実施例の断面図を
示す。前記二次電池は金属製のケース，前記ケースの中
に収納されている電池構成材(電解液，正極及び負極用
の活物質，電極)集電板から構成されている。電池ケー
ス１５は０.１mm のステンレス鋼から作られる直径が３
０mmの円筒である。正極側の電極１６は複数の金属箔か
ら構成されている。本実施例の電極１６はアルミニウム
合金からなる厚さが０.０３mm の箔で、電池ケースの外
部に出ている電極１６は１５０枚である。なお、前記電
極１６は渦巻き状の巻体から直角方向に取り出され、電
池ケース１５の全周にほぼ均一に分散されて配置されて
いる。

【００４６】前記集電板は電池ケースの外部に配置され
ているドーナツ状の金属リング１７，その上側に配置さ
れている円板状の金属板１８からなっている。前記金属
リング１７及び金属板１８はいずれも厚さが０.５mm の
アルミニウム合金である。

【００４７】前記電極１６は前記金属リング１７と金属
板１８の間にほぼ均一な枚数で配置された後、前記金属
製の電池ケースを囲むように前記金属リング１７，金属
板１８は拘束冶具６で固定される。拘束冶具６は金属リ
ング１７を下方向から支持するように配置され、前記回
転ツール１の荷重を受け構造になっていることが本発明
の特徴である。

【００４８】図２０は、電池の上側からの観察図を示
す。回転ツール１は前記金属板１８側から挿入されて金
属板１８，金属リング１７の全周が円周状に摩擦攪拌接
合される。ここで、接合の最終部は回転ツールを接合線
から外側方向に移動して引き抜く。これによって、接合
線上にツールの孔が残らないため、接合部は健全にな
る。回転ツールのピンの長さは０.７mm 、ピン径は１m
m、ショルダ部の径は３mmである。ツールの回転数は５
０００rpm 、接合速度は１０００mm／min である。

【００４９】図２１に接合部の断面を示す。アルミニウ
ム円板，アルミニウムリング，複数のアルミニウム電極
が健全に接合されている。

【００５０】

【発明の効果】本発明によれば、金属箔または金属線ど
うしまたは金属箔と容器または板材との摩擦攪拌接合が
安定かつ高い品質で効率的に接合できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例を示す斜視図である。

【図２】本発明の実施例を示す図１の断面図である。

【図３】本発明の実施例を示す接合部の断面図である。

【図４】本発明の実施例を示す接合部の断面図である。

【図５】本発明の実施例を示す斜視図である。

【図６】本発明の実施例を示す図５の断面図である。

【図７】本発明の実施例を示す接合部の断面図である。

【図８】本発明の実施例を示す断面図である。

【図９】本発明の実施例を示す断面図である。

【図１０】本発明の実施例を示す断面図である。

【図１１】本発明の実施例を示す断面図である。

【図１２】本発明の実施例を示す接合部の断面図であ
る。

【図１３】本発明の実施例を示す断面図である。

【図１４】本発明の実施例を示す断面図である。

【図１５】本発明の実施例を示す断面図である。

【図１６】本発明の実施例を示す断面図である。

【図１７】本発明の実施例を示す断面図である。

【図１８】本発明の実施例を示す接合部の断面図であ
る。

【図１９】本発明の実施例を示す断面図である。

【図２０】本発明の実施例を示す図１９の上面図であ
る。

【図２１】本発明の実施例を示す接合部の断面図であ
る。

【符号の説明】１…回転ツール、２…ピン部、３…ショルダ部、４…金
属箔、５…接着剤、６…拘束冶具、９…摩擦攪拌接合
部、１０，１８…金属板、１１…金属線、１３…容器、
１４…蓋、１５…電池ケース、１６…電極、１７…金属
リング。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者舟生征夫茨城県日立市大みか町七丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者佐藤晃二茨城県日立市大みか町七丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内Ｆターム(参考） 4E067 AA05 AB01 AD03 BG00 DA00 DA13 DA17 EA04 EB09 EC03 EC13

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ピン部と前記ピン部より太いショルダ部か
らなる回転ツールと被接合材との相対移動によって複数
の金属箔どうしまたは複数の金属線どうしを摩擦攪拌接
合する接合方法において、前記複数の金属箔または金属
線を予めそれらよりも厚い金属板の中に挟み込み一体化
後、前記金属板と共に金属箔または金属線どうしを摩擦
攪拌接合することを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
【請求項２】請求項１記載の方法において、前記金属箔
または金属線の機械的強度が前記金属板の機械的強度よ
りも小さいことを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
【請求項３】ピン部と前記ピン部より太いショルダ部か
らなる回転ツールと被接合材との相対移動によって複数
の金属箔どうしまたは複数の金属線どうしを摩擦攪拌接
合する接合方法において、前記複数の金属箔または金属
線を予め有機または無機系の接着剤で固定して一体化
後、前記接着剤と共に金属箔または金属線どうしを接合
することを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
【請求項４】ピン部と前記ピン部より太いショルダ部か
らなる回転ツールと被接合材との相対移動によって金属
箔または金属線を金属板に摩擦攪拌接合する接合方法に
おいて、前記金属箔または金属線を予め前記金属板に有
機または無機系の接着剤で固定して一体化後、前記接着
剤と共に金属箔または金属線を板材に接合することを特
徴とする摩擦攪拌接合方法。
【請求項５】ピン部と前記ピン部より太いショルダ部か
らなる回転ツールと被接合材との相対移動によって複数
の金属線どうしを摩擦攪拌接合する接合方法において、
接合する前記金属線よりも直径が小さい金属線を複数
本、混合して接合することを特徴とする摩擦攪拌接合方
法。
【請求項６】請求項１〜５のいずれか１つに記載の方法
において、前記金属箔または金属線の表面に非金属皮膜
が形成されていることを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
【請求項７】請求項６記載の方法において、前記非金属
皮膜がエナメル絶縁皮膜であることを特徴とする摩擦攪
拌接合方法。
【請求項８】請求項１〜５に記載のいずれか１つの接合
方法によって接合されていることを特徴とする部品。
【請求項９】集電用の金属板と金属リングとの間に複数
の金属電極を挟み込み、これら三者が重ねられて摩擦攪
拌接合されていることを特徴とする二次電池。