JP2003266182A - 異種金属材料の摩擦攪拌接合方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 変形抵抗（強度）が互いに異なる２種類の異
種金属ワークからなり、高い接合強度を有する継手を作
製する方法を提供する。 【解決手段】 高変形抵抗ワークの上に低変形抵抗ワー
クを重ね、低変形抵抗ワークの表面から円柱状回転子プ
ローブを挿入し、その後摩擦攪拌することによって両材
料を接合する方法において、低変形抵抗ワークの厚さを
ｔ１、高変形抵抗ワークの厚さをｔ２、円柱状回転子肩
部の直径をＤ、回転子プローブの長さをＬ、回転子プロ
ーブの直径をｄとしたとき、０．７≦Ｌ／ｔ１＜１．０
かつｄ／Ｌ＞１．０を満たす条件で接合することを特徴
とする。特に、０．７≦Ｌ／ｔ１≦０．８のとき、０．
４≦ｄ／Ｄ≦０．６、０．８＜Ｌ／ｔ１≦０．９５のと
き、０．２≦ｄ／Ｄ≦０．４であると、強固な接合継手
が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、異種金属材料の
接合方法に関するもので、詳しくは鉄道車両や自動車な
どの輸送機器、重電・弱電気機器などの各種分野におい
て用いられる異種金属材料の摩擦攪拌接合方法に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、地球環境を守るための意識が高ま
っており、産業界においては、製品の軽量化が最重要課
題となっている。特に自動車においては、排出ガス量の
低減、すなわち燃料消費率の向上が大きな課題となって
おり、従来鉄鋼材料が用いられてきた部品に、比強度の
高いアルミニウム、マグネシウム、チタンおよびこれら
の合金などの材料が用いられることが多くなってきた。
またそれに伴って、鉄鋼材料と上記軽量材料を、あるい
は軽量材料同士を接合する必要も増えてきた。

【０００３】しかし、多くの異種金属材料の接合に溶融
溶接法を適用すると、非常に脆弱な金属間化合物相から
なる異相が生成して割れを生じることが多く、そのた
め、工業的に広く使用されているアーク溶接を代表とす
る溶融溶接法を用いた接合は事実上不可能とされてい
る。そこで、拡散接合法などの溶融層を形成しない固相
接合法の適用が試みられているが、この固相接合法を利
用しても、ワークの組み合わせによっては接合困難なこ
とが多い。

【０００４】この解決の手段の一つとして、ワーク間に
インサート材を挿入したり、あるいはワーク表面に処理
を施して接合するなどの方法が取られているが、これら
の方法を用いると、接合工程が増えるためコストが著し
く高くなると言う問題が生じる。また、適切なインサー
ト材が存在しない場合も多く、たとえ適当なインサート
材が存在しても、接合可能な条件がせまく実用的でない
場合が多い。

【０００５】ところで、近年、摩擦攪拌接合法と呼ばれ
るワークを固相状態で接合することを可能ならしめる接
合法が注目されている。この摩擦攪拌接合法では、二つ
以上のワークを、図３に示すような円柱状回転子１を攪
拌ツールとして用いる。この円柱状回転子１は、円柱状
回転子本体２の先端に、これよりも小径のピン状の摩擦
攪拌用プローブ（回転子プローブ）３を同軸一体に突設
させたもので、硬質で耐熱性に優れた工具鋼などの材料
にて製作されている。

【０００６】接合は次の手順にて行われる。まず、この
回転子１を自軸回りで回転させながら、プローブ３をワ
ーク５および６の突き合わせ境界部７に押付け、その摩
擦熱で当該部分を軟化可塑化させる。次に、回転子１を
更にワーク５および６に押し付けて、プローブ３をワー
ク５および６の突き合わせ部の肉厚方向に挿入（穿孔）
させ、円柱状回転子本体２の先端の肩部４をワーク５お
よび６の表面に押付け状態にする。しかる後、その状態
を維持しながら、回転子１をワーク５および６の突き合
わせ境界部７に沿って矢印９（図３(b) ）の方向に移動
させる。

【０００７】回転子１が進行する突き合わせ部７では、
周辺の材料が、回転子１の回転による摩擦熱で軟化攪拌
され、かつ円柱状回転子本体２の肩４にて飛散を規制さ
れながらプローブ３の通過溝を埋めるように塑性流動し
たのち、熱を急速に失って冷却硬化される。こうして、
突き合わせ部７において、材料の軟化、密着変形、攪
拌、冷却硬化が回転子１の移動に伴って順次繰り返され
て、回転子の通過部では、ワーク５および６が互いに一
体化され、順次接合部８が形成されて接合されていく。

【０００８】この摩擦攪拌接合法は、比較的新しい接合
法であるが、板状のアルミニウムあるいはアルミニウム
合金系同種材料間の接合に多く利用されるようになって
おり、鉄道車両外板用の大型板材の製造にも実地適用さ
れて、高品質の確保および製造コストの多大な削減に成
果を挙げている。そのため、今後も工業的に威力を発揮
し得る接合法として大いに期待されている。

【０００９】最近では、上記の摩擦攪拌接合方法を、物
理的および機械的特性の大きく異なる二種類の異種金属
製ワークの接合に適用すべく努力も払われているが、両
材料の物性が大きく異なることから攪拌が十分に行われ
ず未接合部が発生しやすく、機械的特性の高い継手が得
難いという問題がある。さらに、変形抵抗（強度）の高
いワークでは、円柱状回転子の摩耗が激しく回転子の寿
命が短くなるという問題も生じる。そのため、異種金属
製ワークの接合への摩擦攪拌接合法の適用も困難とされ
ている。

【００１０】この対策として、特許第３０８１８１７号
（特開平１１−５８０４０号公報）に、ワークの融点や
再結晶温度に着目し、両ワークを同時に加熱／又は冷却
することで、高融点側ワークに加熱温度のピークを位置
させる一方、低融点ワークの再結晶温度以上で融点以下
の温度で接合する方法が開示されている。この方法で
は、確かに性質、特に変形抵抗の異なる異種金属ワーク
同士を接合しやすくなるが、温度ピーク位置や温度制御
が難しく、少しでも逸脱すると高融点ワークが変形し難
くなり、低融点ワークのみが変形し、攪拌が十分行われ
なくなり、結局健全な継手が得られないという問題があ
った。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】上記の背景に鑑み、本
発明は、アルミニウム系材料（低変形抵抗ワーク）と鉄
鋼系材料（高変形抵抗ワーク）のように物理的及び機械
的特性が互いに大きく異なる金属製ワークからなり、十
分な機械的特性を有する継手を高能率に得ることが可能
な、異種金属材料の摩擦攪拌接合方法を提供しようとす
るものである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、摩擦攪拌
接合方法を用いた異種金属ワーク（被接合材料）間の接
合方法について研究を重ねた結果、ワークの会合状態を
工夫し、さらに円柱状回転子の挿入（穿孔）条件を厳密
に規定することにより、物理的および機械的特性が大き
く異なるために従来困難とされてきた低変形抵抗ワーク
と高変形抵抗ワークからなる異種金属継手を、摩擦攪拌
接合法により作製可能とする方法に到達した。

【００１３】本発明はかかる知見に基づいて完成された
もので、その要旨とするところは以下の通りである。 （１）高変形抵抗ワークの上に低変形抵抗ワークを重
ね、低変形抵抗ワークの表面から円柱状回転子プローブ
を挿入し、その後摩擦攪拌することによって両材料を接
合する方法において、低変形抵抗ワークの厚さをｔ１、
高変形抵抗ワークの厚さをｔ２、円柱状回転子肩部の直
径をＤ、回転子プローブの長さをＬ、回転子プローブの
直径をｄとしたとき、０．７≦Ｌ／ｔ１＜１．０かつｄ
／Ｌ＞１．０を満たすことを特徴とする、異種金属材料
の摩擦攪拌接合方法。 （２）上記（１）記載の方法において、０．７≦Ｌ／ｔ
１≦０．８のとき、０．４≦ｄ／Ｄ≦０．６であること
を特徴とする、異種金属材料の摩擦攪拌接合方法。 （３）上記（１）記載の方法において、０．８＜Ｌ／ｔ
１≦０．９５のとき、０．２≦ｄ／Ｄ≦０．４であるこ
とを特徴とする、異種金属材料の摩擦攪拌接合方法。

【００１４】

【発明の実施の形態】まず、請求項１に係る発明（以
下、本発明１という。）では、図１に示すように、高変
形抵抗ワーク２２の上に低変形抵抗ワーク２１を置く。
このとき、両材料の重ねしろ２５は、円柱状回転子肩部
直径３０（Ｄ）と同程度以上であればよいが、より安定
な接合のためには、概ね２〜３倍以上を目安に取ること
が望ましい。

【００１５】次に、低変形抵抗ワーク２１の上表面から
円柱状回転子２６の回転子プローブ２７を低変形抵抗ワ
ーク２１中に回転させながら穿孔させる。この際、低変
形抵抗ワーク２１の厚さをｔ１、高変形抵抗ワーク２２
の厚さをｔ２、円柱状回転子肩部の直径３０をＤ、回転
子プローブ２７の長さ２８をＬ、回転子プローブ２７の
直径２９をｄとしたとき、０．７≦Ｌ／ｔ１＜１．０か
つｄ／Ｌ＞１．０を満たしながら接合することとした。

【００１６】この条件を満たすことにより、図２に示す
ように、回転子プローブの周囲に適度な攪拌領域３１が
発生し、脆弱な金属間化合物を生成させることなく、低
変形抵抗ワーク２１と高変形抵抗ワーク２２の両異種金
属からなる混合攪拌領域３２を発生させ、両金属を接合
させることが可能となる。

【００１７】Ｌ／ｔ１＜０．７の場合、あるいは０．７
≦Ｌ／ｔ１＜１．０であってもｄ／Ｌ＜１．０の場合、
低変形抵抗ワーク攪拌領域３１が十分発生しないため、
両金属にまたがる混合攪拌領域３２が発生しなかったり
狭くなり、接合できなかったり、接合されても十分な強
度が得られない。また、Ｌ／ｔ１≧１．０の場合、低変
形抵抗と高変形抵抗の二つのワークの混合攪拌領域３２
が大きくなりすぎる結果、脆弱な金属間化合物相が形成
し、接合部が硬化しすぎて割れが生じやすくなり、破断
しやすくなる。このとき、硬い金属間化合物相が生成す
ることで、円柱状回転子の寿命が著しく短くなるという
欠点も生じる。

【００１８】請求項２に係る発明（以下、本発明２とい
う。）では、本発明１にて０．７≦Ｌ／ｔ１≦０．８の
とき、０．４≦ｄ／Ｄ≦０．６であることとした。ま
た、請求項３に係る発明（以下、本発明３という。）で
は、本発明１にて０．８＜Ｌ／ｔ１≦０．９５のとき、
０．２≦ｄ／Ｄ≦０．４であることとした。これらの条
件を満たすことにより、両金属ワーク材料の混合攪拌領
域がさらに適切なものとなり、さらに機械的性質の高い
異種金属接合継手を作製することができる。

【００１９】０．７≦Ｌ／ｔ１≦０．８の場合、ｄ／Ｄ
＞０．４では、混合攪拌領域３２がやや狭く必ずしも最
適な接合状態には至らず、機械的性質の改善は小さい。
また、ｄ／Ｄ＞０．６では、低変形抵抗と高変形抵抗の
二つのワークの両材料混合攪拌領域３２がやや大きくな
り、こちらも最適な接合状態には至らず、機械的性質の
改善は小さい。

【００２０】また、０．８＜Ｌ／ｔ１≦０．９５の場
合、ｄ／Ｄ＜０．２では、混合攪拌領域３２がやや狭く
必ずしも最適な接合状態には至らず、機械的性質の改善
は小さい。また、ｄ／Ｄ＞０．４では、低変形抵抗と高
変形抵抗の二つのワークの両材料混合攪拌領域３２がや
や大きくなり、こちらも最適な接合状態には至らず、機
械的性質の改善は小さい。

【００２１】本発明は、上述のように、脆弱な金属間化
合物相の生成を防ぎつつ、低変形抵抗ワークと高変形抵
抗ワークを接合することを可能とするものである。そし
て、接合部に割れが発生し難いなど、高い機械的性質を
有する接合部を得ることを可能とするものである。ま
た、強度の高い、すなわち硬さの大きい高変形抵抗ワー
クの攪拌を直接行わないため、円柱状回転子の摩耗を大
きく抑制することもでき、工具寿命が長くなるという利
点も享受できる。

【００２２】

【実施例】次に、この発明による異種金属材料の摩擦攪
拌接合方法の具体的な実施の形態について、変形抵抗の
著しく異なるアルミニウムのワーク（低変形抵抗材料）
と炭素鋼ワーク（高変形抵抗材料）の接合を例に説明す
る。アルミニウム板は厚さ３ｍｍ（ｔ１）であり、室温
での引張強さは９５Ｎ／ｍｍ² 、降伏強さは５０Ｎ／ｍ
ｍ² である。炭素鋼板は厚さが４ｍｍ、室温最高引張強
さが４４０Ｎ／ｍｍ² 、降伏強さは２３２Ｎ／ｍｍ² で
ある。円柱状回転子はＪＩＳ Ｇ ４４０４ 合金工具
鋼ＳＫＤ６１を１０２５℃で加熱後空冷して焼入れた
後、２２５℃で焼戻した状態で作製したものを用いた。
また、円柱状回転子肩部の直径はＤ＝１５ｍｍとした。

【００２３】（試験１）図１に示すように、適当な作業
台２４の上に置いた炭素鋼ワーク２２の上にアルミニウ
ムワーク２１を置き、さらに、両ワークを適当な抑え治
具（図示せず）で固定した。重ねしろ２５は、この実験
例では使用した円柱状回転子２６の肩部直径３０が１５
ｍｍであるので、その２〜３倍の範囲の４０ｍｍとし
た。このとき、アルミニウムワーク２１を支えるため
に、炭素鋼ワーク２２と同じ厚さの適当な板２３を間隙
用支え板として挿入した。上部ワークは、他のいかなる
方法で支えてもよく、特に今回用いた方法、すなわち支
え板を使用する方法は本発明を制約するものではない。
円柱状回転子２６の回転速度は毎分１０００回転とし
た。

【００２４】次に、アルミニウムワークの上から円柱状
回転子を炭素鋼ワーク近傍まで上記回転速度で回転させ
ながら挿入（穿孔）し、所定の時間、回転後、重ね部に
沿って移動させた。このときの移動速度は毎分１５０ｍ
ｍとした。そして、円柱状回転子２６の回転子プローブ
２７の直径ｄと長さＬを種々変化させて、接合試験を行
った。

【００２５】接合継手の機械的性質は、接合方向に垂直
な方向に切り出した短冊状試験片の曲げ試験（側曲げ試
験）により評価した。すなわち、上部および下部ワーク
の板厚の合計ｔ１＋ｔ２をｔとしたときの、曲げ半径３
ｔでの９０度曲げ試験における接合部の割れ発生の有無
を判定した。

【００２６】表１に試験結果を示す。本発明１の実施例
である、試験番号４、５、７、８はいずれも接合可能で
あったばかりか、９０度曲げ試験においても割れは発生
しておらず、優れた機械的性質を有しており、本発明の
効果が十分に達成されていた。

【００２７】これに対し、Ｌ／ｔ１の値が０．６７で、
本発明の下限値０．７よりも小さかった試験番号１およ
び２は、ｄ／Ｌの値に関係無く、いずれの試験番号にお
いても攪拌が十分に行われないことから十分な接合状態
が得られなかった。つまり、健全な接合継手の作製は不
可能であった。

【００２８】また、試験番号３および６は、Ｌ／ｔ１の
値が各々０．７３、０．９７であり、本発明で規定され
ている範囲内であったが、ｄ／Ｌの値が各々０．９５、
０．９７で、本発明で規定されているｄ／Ｌ＞１．０の
条件を満たしていなかったため、接合されてはいるもの
の、混合攪拌領域が狭く接合部が僅かとなり、９０度曲
げ試験において破断してしまった。また、試験番号９お
よび１０は、Ｌ／ｔ１の値が１．０３で、本発明で規定
された範囲を超えてしまったため、接合は可能であった
ものの、９０度曲げ試験で、接合部が破断してしまっ
た。

【００２９】

【表１】

【００３０】（試験２）０．７≦Ｌ／ｔ１≦０．８の条
件を満たす範囲で、試験１と全く同じ要領で接合継手を
作製し、９０度曲げおよび１８０度曲げの２種類の曲げ
試験を行い、機械的性質を評価した。

【００３１】表２に試験結果を示す。本発明２の実施
例、すなわち０．４≦ｄ／Ｄ≦０．６を満たす、試験番
号１２、１３、１７、１８は、いずれも９０度曲げで割
れが発生しなかったばかりか、１８０度曲げにおいても
割れが発生せず、きわめて高い機械的性質を有してい
た。すなわち、本発明２の効果が如何なく発揮されてい
た。

【００３２】これに対し、試験番号１１、１４、１５、
１６、１９は、いずれも９０度曲げでは割れが発生せ
ず、本発明１の効果は達成されていたが、１８０度曲げ
においては割れを生じてしまった。これは、試験番号１
１、１６では、ｄ／Ｄの値が本発明２の下限値０．４を
下回ったため、混合攪拌領域がやや狭くなり、必ずしも
最適な接合状態には至らず、機械的性質の改善が小さく
なってしまったためである。また、試験番号１４、１
５、１９では、ｄ／Ｄの値が本発明２の上限値０．６を
上回ったため、低変形抵抗と高変形抵抗の二つのワーク
の両材料混合攪拌領域がやや大きくなり、こちらも最適
な接合状態には至らず、機械的性質の改善は小さくなっ
てしまった。

【００３３】

【表２】

【００３４】（試験３）０．８＜Ｌ／ｔ１≦０．９５の
条件を満たす範囲で、試験１と全く同じ要領で接合継手
を作製し、９０度曲げおよび１８０度曲げの２種類の曲
げ試験を行い、機械的性質を評価した。

【００３５】表３に試験結果を示す。本発明３の実施
例、すなわち０．２≦ｄ／Ｄ≦０．４を満たす、試験番
号２１、２２、２５、２６は、いずれも９０度曲げで割
れが発生しなかったばかりか、１８０度曲げにおいても
割れが発生せず、きわめて高い機械的性質を有してい
た。すなわち、本発明３の効果が如何無く発揮されてい
た。

【００３６】これに対し、試験番号２０、２３、２４、
２７は、いずれも９０度曲げでは割れが発生せず、本発
明１の効果は達成されていたが、１８０度曲げにおいて
は割れを生じてしまった。これは、試験番号２０、２４
では、ｄ／Ｄの値が本発明３の下限値０．２を下回った
ため、混合攪拌領域がやや狭くなり必ずしも最適な接合
状態には至らず、機械的性質の改善が小さくなってしま
ったためである。また、試験番号２３、２７は、ｄ／Ｄ
の値が本発明３の上限値０．４を上回ったため、低変形
抵抗と高変形抵抗の二つのワークの両材料混合攪拌領域
がやや大きくなり、こちらも最適な接合状態には至ら
ず、機械的性質の改善は小さくなってしまった。

【００３７】

【表３】

【００３８】以上、アルミニウムと炭素鋼の場合を例に
本発明について説明したが、このように極端に物理的お
よび機械的特性の大きく異なる異種金属の組み合せにお
いて、本発明は極めて有効であり、これら以外の異種材
料の接合に対しても広く適用が可能である。

【００３９】

【発明の効果】以上のように、本発明を適用することに
より、物理的性質や機械的性質が互いに大きく異なる金
属製ワークからなり、優れた機械的特性を有する継手
を、高能率に得ることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による異種金属製ワーク間の摩擦攪拌接
合方法における基本実施形態を示す断面図である。

【図２】本発明による異種金属製ワーク間の摩擦攪拌接
合部の拡大断面説明図である。

【図３】摩擦攪拌接合法の基本原理を示すもので、
（ａ）は断面図、（ｂ）は平面図である。

【符号の説明】

１：円柱状回転子（攪拌ツール） ２：円柱状回転子本体 ３：摩擦攪拌用ピン状プローブ ４：円柱状回転子本体先端の肩部 ５：ワーク ６：ワーク ７：突き合わせ部 ８：接合部 ９：円柱状回転子の移動方向 ２１：低変形抵抗ワーク ２２：高変形抵抗ワーク ２３：間隙用支え板 ２４：支持台 ２５：重ねしろ ２６：円柱状回転子（攪拌ツール） ２７：円柱状回転子のプローブ ２８：円柱状回転子の回転子プローブの長さ（Ｌ） ２９：円柱状回転子回転子プローブの直径（ｄ） ３０：円柱状回転子肩部の直径（Ｄ） ３１：ピン状プローブによる摩擦攪拌領域 ３２：両材料の混合攪拌領域

フロントページの続き (71)出願人 000002118 住友金属工業株式会社 大阪府大阪市中央区北浜４丁目５番33号 (71)出願人 591121915 財団法人宇宙環境利用推進センター 東京都新宿区西早稲田３丁目30番16号 (72)発明者 冨士 明良 北海道北見市東陵町167−38 (72)発明者 池内 建二 大阪府茨木市美穂ケ丘11−１ 大阪大学 接合科学研究所内 (72)発明者 藤井 秀樹 富津市新富20−１ 新日本製鐵株式会社技 術開発本部内 (72)発明者 浅井 知 横浜市鶴見区末広町２−４ 株式会社東芝 京浜事業所内 (72)発明者 土屋 和之 横浜市磯子区新中原町１ 石川島播磨重工 業株式会社生産技術開発センター内 (72)発明者 小溝 裕一 大阪市中央区北浜４−５−33 住友金属工 業株式会社内 Ｆターム(参考） 4E067 AA02 AA05 AA26 BG00 DA13 DA17 EA04 EA08

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 高変形抵抗ワークの上に低変形抵抗ワー
   クを重ね、低変形抵抗ワークの表面から円柱状回転子プ
   ローブを挿入し、その後摩擦攪拌することによって両材
   料を接合する方法において、低変形抵抗ワークの厚さを
   ｔ１、高変形抵抗ワークの厚さをｔ２、円柱状回転子肩
   部の直径をＤ、回転子プローブの長さをＬ、回転子プロ
   ーブの直径をｄとしたとき、０．７≦Ｌ／ｔ１＜１．０
   かつｄ／Ｌ＞１．０を満たすことを特徴とする、異種金
   属材料の摩擦攪拌接合方法。
2. 【請求項２】 請求項１記載の方法において、０．７≦
   Ｌ／ｔ１≦０．８のとき、０．４≦ｄ／Ｄ≦０．６であ
   ることを特徴とする、異種金属材料の摩擦攪拌接合方
   法。
3. 【請求項３】 請求項１記載の方法において、０．８＜
   Ｌ／ｔ１≦０．９５のとき、０．２≦ｄ／Ｄ≦０．４で
   あることを特徴とする、異種金属材料の摩擦攪拌接合方
   法。