JP2004174546A - 金属部材の接合方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】スパッタを発生させず、また、多点で接合を行う場合であっても十分な接合強度を得ることができる金属部材の接合方法を提供すること。
【解決手段】金属部材１０，１１を重ね合わせて電極２０，２１間に加圧状態で狭持する。次いで、その状態で電極２０，２１間に電流を流すことにより、金属部材１０と１１との接合界面１２の近傍に金属軟化域１２を形成する。続いて、ホーン２２により電極２０を超音波振動させて、金属軟化域１３に振動を付与することにより、金属部材１０と１１との接合界面１２に存在する金属酸化物１５を破壊する。そして、接合界面１２において清浄な金属面同士を密着させて固相接合させる。
【選択図】 図１
【解決手段】金属部材１０，１１を重ね合わせて電極２０，２１間に加圧状態で狭持する。次いで、その状態で電極２０，２１間に電流を流すことにより、金属部材１０と１１との接合界面１２の近傍に金属軟化域１２を形成する。続いて、ホーン２２により電極２０を超音波振動させて、金属軟化域１３に振動を付与することにより、金属部材１０と１１との接合界面１２に存在する金属酸化物１５を破壊する。そして、接合界面１２において清浄な金属面同士を密着させて固相接合させる。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属部材の接合方法に関する。さらに詳細には、金属部材同士を多点において接合する場合や、異種金属同士を接合する場合にも、十分な接合強度を得ることができる金属部材の接合方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、金属部材の接合方法として、超音波溶接法、抵抗溶接法、あるいは摩擦攪拌接合法が広く使用されている。そこで、これらの接合方法について簡単に説明する。
【０００３】
まず、超音波溶接法について説明する。超音波溶接法は、図８に示すように、重ね合わせた金属部材１００，１０１を、固定されたアンビル１０２とチップ１０３との間に加圧状態で狭持し、ホーン１０４によりチップ１０３を超音波振動させ、金属部材１００，１０１の接合界面１０５に超音波振動を与えることにより接合界面１０５をこすり合わせ、清浄な金属同士の密着面を得て、圧接する方法である。すなわち、超音波振動（２０ｋＨｚ程度）に伴う両金属部材１００，１０１の界面における摩擦現象によって、金属表面の酸化膜を破壊するとともに、塑性変形を生じさせて酸化物層のない新たな金属面同士を密着させ、摩擦熱に伴う局部的な温度上昇に起因する原子の拡散および再結晶を促進させることにより、金属部材１００と１０１とを接合するようになっている（非特許文献１のｐ１５２−１５５参照）。なお、図８は、従来の超音波溶接法を説明するための図である。
【０００４】
次に、抵抗溶接法について説明する。抵抗溶接法は、図９に示すように、重ね合わせた金属部材１００，１０１を、電極１１０ａ，１１０ｂ間に加圧状態で狭持し、電極１１０ａ，１１０ｂ間に短時間の大電流を流して、電流の集中する電極直下における金属部材１００，１０１の抵抗発熱と、電極１１０ａ，１１０ｂおよび金属部材１００，１０１への熱伝導を利用することにより、金属部材１００と１０１の接触部に碁石状の安定した溶融部１１１を形成させて、金属部材１００と１０１とを接合するようになっている（非特許文献１のｐ１１０−１１２参照）。なお、図９は、従来の抵抗溶接法を説明するための図である。
【０００５】
最後に、摩擦攪拌接合法について説明する。摩擦攪拌接合方法は、図１０に示すように、重ね合わせた金属部材１００，１０１に対して、これらより硬質な摩擦接合工具１２４のプローブピン１２５を圧入して攪拌し、攪拌部１２６を軟化させ、プローブピン１２５の基部を形成する肩部１２７にて押圧することによって、プローブピン１２５による圧入穴１２８を形成し、その圧入穴１２８の近傍において金属部材１００と１０１とを接合するようになっている（特許文献１参照）。なお、図１０は、従来の摩擦攪拌接合法を説明するための図である。
【０００６】
【非特許文献１】
荒田吉明・西口公之共著「溶接法の基礎」産報出版、ｐ１１０−１１２、ｐ１５２−１５５
【特許文献１】
特開２００１−３２１９６７号公報（第３−４頁、第１図）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した超音波溶接法では、金属部材１００，１０１が自動車のボデーのような大型構造物の場合、金属部材１００，１０１との接合界面１０５での発熱が不十分となり、十分な接合強度を得ることができないという問題があった。チップ１０３に超音波振動を与えても金属部材１００，１０１がほとんど振動しないからである。また、超音波溶接法では、多点で接合を行う場合には２点目以降の接合において十分な接合強度を得ることができないという問題もあった。金属部材１００と１０１とが接合されると、金属部材１００，１０１が互いに拘束されてしまうので振動し難くなるからである。さらに、超音波溶接法では、チップ１０３が金属部材１００に溶着しやすいという問題もあった。金属部材１００，１０１の接合界面１０５よりもチップ１０３と金属部材１００との接触部が最も昇温するからである。
【０００８】
このようなことから、自動車のボデー等の大型構造物の接合には、一般的に、抵抗溶接法あるいは摩擦攪拌接合法が用いられている。しかしながら、抵抗溶接法を用いれば、金属部材１００，１０１の接触部を溶融させるため接合強度は強いが、スパッタが発生するため溶融金属が飛散して自動車のボデー等に付着するという問題があった。また、異種金属を接合する場合には、接合界面に合金が生成されるため、安定して良好な接合状態を得ることができないという問題もあった。
【０００９】
一方、摩擦攪拌接合法では、十分な接合強度を得ることができないという問題があった。プローブピン１２５の回転により攪拌部１２６に金属軟化域が形成されるが金属軟化域の温度が再結晶温度まで上昇しないため、および金属部材１００と１０１との接触部に酸化物層が残存するためである。
【００１０】
そこで、本発明は上記した問題点を解決するためになされたものであり、スパッタを発生させず、また、多点で接合を行う場合であっても十分な接合強度を得ることができる金属部材の接合方法を提供することを課題とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するためになされた本発明に係る金属部材の接合方法は、金属部材を重ね合わせて電極間に加圧状態で狭持し、その状態で電極間に電流を流すことにより金属部材の接合界面近傍に金属軟化域を形成し、電極を超音波振動させて金属軟化域に振動を付与することを特徴とする。
【００１２】
この接合方法では、まず、接合する金属部材同士を重ね合わせて電極間に加圧した状態で狭持する。そして、電極間に電流を流すことにより、電極直下における金属部材の接合界面近傍を軟化させる。つまり、金属部材の接合界面近傍を溶融させることなく、接合界面に金属軟化域を形成するのである。
【００１３】
そのため、本発明に係る金属部材の接合方法においては、電極間に流す電流の値は、金属部材の接合界面における温度が金属部材の融点以下となるように設定すればよい。例えば、３ｋＡ程度の電流を電極間に流せばよい。
【００１４】
このように電流値を設定することにより、金属部材が溶融することがないのでスパッタが発生しない。このため、溶融金属が飛散して自動車のボデー等に付着することがない。また、異種金属（例えば、鉄とアルミニウム）を接合させる場合などにおいて、接合界面に合金が生じない、言い換えると固相接合されるので、良好な接合状態を安定して得ることができる。
【００１５】
その後、この接合方法では、金属部材の接合界面近傍に形成した金属軟化域に対して振動を与える。具体的には、電極を超音波振動させて金属軟化域に対し振動を付与する。ここで、電極に振動を与える前においては、金属部材の接合界面における温度が最も高い（図４（ａ）参照）。そして、金属軟化域に電極から振動を与えると、金属軟化域での振幅が大きくなるから金属軟化域において発熱する。したがって、電極と接触する金属部材表面における温度よりも、接合界面における温度の方が高くなる（図４（ｃ）参照）。このため、電極と金属部材とが溶着し難い。そして、金属軟化域に振動を与えることにより、接合界面に存在する各金属部材の酸化物層が破壊される。そのため、接合界面においては酸化物層のない新たな金属同士が圧接されて固相接合される。
【００１６】
ここで、電極の振動を、縦振動あるいはねじれ振動としてもよい。従来の超音波振動のような横振動ではなく、縦振動あるいはねじれ振動とすることにより、電極と金属部材との間で発生する摩擦熱を低減することができるため、電極と金属部材との溶着を確実に防止することができるからである。
【００１７】
そして、この接合方法では、あらかじめ接合界面近傍に金属軟化域を形成しているので、多点接合を行う場合に２点目以降の接合において、金属部材同士が拘束されていても、金属軟化域には電極からの振動が伝わる。このため、接合界面において十分に発熱するので、接合界面における温度を再結晶温度まで昇温させることができる。したがって、単点接合の場合はもちろん、多点接合を行う場合であっても、十分な接合強度を得ることができる。さらに、あらかじめ接合界面近傍に金属軟化域を形成しているので、従来の超音波振動に比べて低い周波数の振動を与えればよいので、設備面でも有利である。
【００１８】
また、上記問題点を解決するためになされた本発明に係る金属部材の接合方法は、金属部材を重ね合わせて加圧状態で保持し、一方の金属部材に対し、回転するプローブピンを挿入して摩擦攪拌することにより金属軟化域を形成し、プローブピンを超音波振動させることにより金属軟化域に振動を付与することを特徴とする。
【００１９】
この接合方法では、まず、接合する金属部材同士を重ね合わせて加圧状態で保持する。そして、一方の金属部材に対し、回転するプローブピンを挿入して摩擦攪拌することにより金属軟化域を形成する。
【００２０】
ここで、プローブピンの先端は、一方の金属部材に対してのみ挿入する、言い換えると他方の金属部材まで挿入しないことが望ましい。こうすることにより、一方の金属部材と他方の金属部材とが摩擦攪拌されることがない。したがって、異種金属を接合する場合においても、接合界面において異種金属が攪拌されることがないので合金が生成されない。このため、接合界面では良好な接合状態を安定して得ることができる。また、あらかじめ接合界面近傍に金属軟化域を形成しているので、従来の超音波振動に比べて低い周波数の振動を与えればよいので、設備面でも有利である。
【００２１】
ここで、本発明に係る金属部材の接合方法において、金属部材が互いに異なる種類の金属である場合には、融点が低い方の金属部材をプローブピンが挿入される側に配置することが望ましい。こうすることにより、プローブピンの摩耗を低減することができるので、プローブピンの寿命を長くすることができるからである。
【００２２】
次いで、この接合方法では、金属軟化域に対して振動を与える。具体的には、プローブピンを超音波振動させて金属軟化域に対し振動を与える。これにより、接合界面に存在する各金属部材の酸化物層が破壊される。また、摩擦攪拌により接合界面における温度がある程度昇温している状態で、さらに超音波振動を与えるため、接合界面における温度を再結晶温度まで昇温させることができる。したがって、十分な接合強度を得ることができる。ただし、従来の超音波溶接法と同様にプローブピンを横振動させると、プローブピンと金属部材とが溶着するおそれがある。
【００２３】
そこで、プローブピンの振動は、縦振動あるいはねじれ振動であることが望ましい。こうすることにより、プローブピンと金属部材との接触部における摩擦熱の発生を抑制することができるため、プローブピンと金属部材との溶着を確実に防止することができるからである。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の金属部材の接合方法を具体化した最も好適な実施の形態について、図面に基づき詳細に説明する。本実施の形態は、自動車のボデーの接合に本発明を適用したものである。
【００２５】
（第１の実施の形態）
まず、第１の実施の形態について説明する。第１の実施の形態に係る接合方法は、図１に示すように、金属部材１０，１１を重ね合わせて電極２０，２１との間に加圧状態で狭持し、その状態で電極２０，２１間に電流を流すことにより金属部材１０，１１の接合界面１２の近傍に金属軟化域１３を形成し、電極２０をホーン２２により超音波振動させて金属軟化域１３に振動を付与するものである。なお、図１は、第１の実施に係る接合方法を説明するための図である。
【００２６】
ここで、本実施の形態における金属部材１０，１１としては、鉄あるいはアルミニウムが使用される。そして、本実施の形態に係る接合方法は、鉄同士の接合、アルミニウム同士の接合（以上、同種金属の接合）、あるいは鉄とアルミニウムの接合（異種金属の接合）を行うことができる。つまり、本実施の形態に係る接合方法は、同種金属の接合と異種金属の接合に適用することができる。
【００２７】
次に、本実施の形態に係る接合方法を用いて、金属部材１０と１１とを点接合する方法について説明する。まず、２つの金属部材１０，１１を所定位置に配置する。そして、金属部材１０と１１との接合界面１２を挟んで両側から電極２０，２１を金属部材１０，１１に接触させ、加圧した状態で金属部材１０，１１を電極２０，２１との間に狭持する。このとき、電極２０が金属部材１０に接触し、電極２１が金属部材１１に接触する。
【００２８】
ここで、電極２０には、ホーン２２が接続されている。ホーン２２は、図示しない振動子に直結されている。振動子は、図示しない発振器（電源）からの供給電力を機械的な振動に変換するものである。そして、ホーン２２は、振動子の振幅をほとんどエネルギーの損失なく増大させるようになっている。
【００２９】
次いで、電極２０，２１間に３ｋＡ程度の電流を流す。これにより、電極直下に位置する金属部材１０と１１に電流が流れる。このため、金属部材１０，１１の抵抗発熱と、電極２０，２１および金属部材１０，１１への熱伝導とにより、金属部材１０と１１との接合界面１２の近傍に金属軟化域１３が形成される。このとき、金属部材１０と１１との接合界面１２には、図２に示すように、金属酸化物１５が層状に存在している。したがって、このままの状態では、良好な接合状態を得ることができない。なお、図２は、金属軟化域の状態を示す拡大断面図である。
【００３０】
このように、本実施の形態に係る接合方法では、従来の抵抗溶接法とは異なり、金属部材１０と１１との接合界面１２において、金属を溶融させることはない。したがって、スパッタが発生することにより溶融金属が飛散して金属部材１０，１１の表面に付着することがない。
【００３１】
その後、ホーン２２を超音波振動させる。このとき、金属部材１０と１１との接合界面１２の近傍に金属軟化域１３が形成されている。そして、ホーン２２の超音波振動が電極２０を介して、金属軟化域１３に伝わる。そうすると、金属軟化域１３において振幅が増幅される。金属軟化域１３は他の箇所に比べて流動性が高いからである。これにより、金属部材１０と１１の接合界面１２とがこすれ合う。つまり、摩擦現象が生じる。そのため、図３に示すように、接合界面１２に層状に残存していた金属酸化物１５が破壊され、清浄な金属面同士を密着させることができる。なお、図３は、金属軟化域の状態を示す拡大断面図である。
【００３２】
そして、清浄な金属面同士が密着した状態で、金属部材１０と１１の接合界面１２に摩擦現象が生じるので、そこで発生する摩擦熱に伴い接合界面１２の温度が上昇する。これにより、金属部材１０，１１の原子の拡散および再結晶が促進される。したがって、良好な固相接合が実現されるので、十分な接合強度を確保することができる。
【００３３】
ここで、電極２０の振動は、図１に示すように、従来の超音波溶接法と同様、横振動である。このため、金属部材１０と電極２０とが溶着するおそれがある。なぜなら、図４（ｂ）に示すように、金属部材１０，１１内での最高温になる箇所が金属部材１０と電極２０との接触部であり、この部分の温度が接合界面１２の温度よりも高くなるからである。
【００３４】
そこで、本出願人は、金属部材１０と電極２０との溶着防止を図るために、金属部材１０，１１における温度分布に着目した。抵抗溶接法では、図４（ａ）に示すように、接合界面１２の温度が最も高くなる。接合界面１２付近での抵抗発熱量が最も多くなるからである。一方、超音波溶接法では、図４（ｂ）に示すように、金属部材１０と電極２０との接触部、接合界面１２、および金属部材１１と電極２１との接触部において温度が高くなっている。これらの箇所で摩擦熱が発生するからである。そして、その中で最も高温になるのが、金属部材１０と電極２０との接触部である。これは、電極２０をホーン２２によって振動させているので、金属部材１０と電極２０との接触部における摩擦熱の発生が最も多いからである。
【００３５】
そして、本出願人は、図４（ａ）と（ｂ）とに示すグラフを合成すれば、接合界面１２における温度の方が、金属部材１０と電極２０との接触部における温度よりも高くなると考えた。そこで、上記したような接合方法を考え出した。すなわち、抵抗溶接法と超音波溶接法を組み合わせた接合方法である。この考えに基づき本出願人が、本実施の形態の接合方法を実施したときの温度分布の測定を行った結果、図４（ｃ）に示すように、電極２０と金属部材１０との接触部の温度よりも、接合界面１２の温度の方が高くなることが実証された。このことから、電極２０を従来の超音波溶接法と同様に横振動させても、金属部材１０と電極２０とが溶着し難くなったのである。
【００３６】
なお、図４は、金属部材１０，１１内での温度分布を示す図であり、（ａ）が抵抗溶接法における温度分布を示し、（ｂ）が超音波溶接法における温度分布を示し、（ｃ）が本実施の形態に係る接合方法における温度分布を示している。
【００３７】
ここで、本実施の形態に係る接合方法では、電極２０を横振動させているが、図５に示すように、ホーン２２ａを用いて電極２０を縦振動させてもよい。これにより、金属部材１０と電極２０との接触部で発生する摩擦熱が低減されるので、金属部材１０と電極２０との溶着を確実に防止することができる。また、電極２０を縦振動させる代わりにねじり振動、つまり交互に回転方向を切換ながら電極２０を回転させてもよい。なお、図５は、電極を縦振動させる場合の接合方法を説明するための図である。
【００３８】
続いて、金属部材１０と１１とを多点において接合する多点接合の方法について説明する。金属部材１０，１１とを多点接合する場合には、まず、上記した方法により１点目の接合を行う。次いで、接合された金属部材１０，１１を移動させるか、あるいは、電極２０，２１を移動させて、次の接合点にて電極２０，２１間に金属部材１０，１１を狭持する。その後、上記した単点接合を行う手順で接合を行う。このとき、金属部材１０，１１は他の箇所で点接合されているため、従来の超音波溶接法では、新たな接合界面で金属部材１０と１１との摩擦を生じさせることが難くなっている。なぜなら、金属部材１０と１１とが互いに拘束さているため、接合界面付近における振動がほとんど発生しないからである。その結果、接合界面の温度上昇が不十分、つまり再結晶温度まで達しないため、十分な接合強度を得ることができなかった。
【００３９】
しかしながら、本実施の形態に係る接合方法では、電極２０を超音波振動させる前に、電極２０，２１間に電流を流すことにより、接合界面１２の近傍に金属軟化域１３を形成させている。このため、金属部材１０と１１とが他の箇所で既に点接合され拘束されていたとしても、電極２０を超音波振動させると、金属軟化域１３に振動が伝わりその部分が振動する。金属軟化域１３は他の箇所に比べ流動性が高いからである。そのため、接合界面１２において金属部材１０と１１とがこすれ合い摩擦熱が発生するので、この部分の温度を再結晶温度まで上昇させることができる。これにより、多点接合を行った場合においても、十分な接合強度を得ることができる。
【００４０】
以上、詳細に説明したように第１の実施の形態に係る接合方法によれば、まず、金属部材１０，１１を重ね合わせて電極２０，２１間に加圧状態で狭持し、その状態で電極２０，２１間に３ｋＡ程度の電流を流すことにより、接合界面１２の近傍に金属軟化域１３を形成する。その後、電極２０をホーン２２により超音波振動させて金属軟化域１３に振動を付与することにより、金属部材１０と１１とを接合する。
【００４１】
したがって、抵抗溶接法のように、金属部材が溶融することがないので、スパッタが発生しないため、溶融金属が飛散して自動車のボデー等に付着することがない。また、異種金属（本実施の形態では、鉄とアルミニウム）を接合させる場合などにおいて、接合界面１２に合金が生じることなく、固相接合させることができる。さらに、接合界面１２における温度が、金属部材１０と電極２０との接触部における温度よりも高くなるので、金属部材１０と電極２０とが溶着することを防止することができる。これらのことから、良好な接合状態を安定して得ることができるので、十分な接合強度を得ることができる。
【００４２】
また、この接合方法では、あらかじめ接合界面１２に金属軟化域１３を形成しているので、多点接合を行う場合に２点目以降の接合において、金属部材同士が拘束されていても、金属軟化域１３には電極２０からの振動が伝わるため、接合界面１２において十分に発熱するので、接合界面１２の温度を再結晶温度まで昇温させることができる。したがって、単点接合の場合はもちろん、多点接合を行う場合であっても、十分な接合強度を得ることができる。
【００４３】
（第２の実施の形態）
次に、第２の実施の形態について説明する。第２の実施の形態に係る接合方法は、まず、図６に示すように、金属部材１０，１１を重ね合わせて加圧状態で受け部材３２と摩擦攪拌用回転工具３０とによって保持する。そして、上方に位置する金属部材１０に対し、回転するプローブピン３１を挿入して摩擦攪拌することにより金属軟化域３３を形成する。その後、図７に示すように、プローブピン３１を縦方向に超音波振動させることにより金属軟化域３３に振動を付与するようになっている。なお、図６は、第２の実施の形態に係る接合方法における金属軟化域の形成方法を説明するための図である。図７は、第２の実施の形態に係る接合方法における金属軟化域の振動方法を説明するための図である。
【００４４】
ここで、本実施の形態における金属部材１０，１１としては、第１の実施の形態と同様に、鉄あるいはアルミニウムが使用される。そして、本実施の形態に係る接合方法は、鉄同士の接合、アルミニウム同士の接合（以上、同種金属の接合）、あるいは鉄とアルミニウムの接合（異種金属の接合）を行うことができる。つまり、本実施の形態に係る接合方法でも、同種金属の接合と異種金属の接合に適用することができる。
【００４５】
次に、本実施の形態に係る接合方法を用いて、金属部材１０と１１とを点接合する方法について説明する。まず、２つの金属部材１０、１１を所定位置に配置する。このとき、摩擦攪拌用回転工具３０が金属部材１０に接触し、受け部材３２が金属部材１１に接触する。
【００４６】
なお、金属部材１０と１１とが異種金属である場合、すなわち本実施の形態では、鉄とアルミニウムの場合には、上方にアルミニウム材（金属部材１０）を配置し、下方に鉄材（金属部材１１）を配置する。つまり、融点が低い金属部材を上方、言い換えるとプローブピン３１が挿入される側に配置する。こうすることにより、プローブピン３１の摩耗が低減するため、プローブピン３１の寿命を長くすることができる。
【００４７】
次いで、摩擦攪拌用回転工具を３０を回転させて、金属部材１０に挿入されているプローブピン３１の回転により、金属部材１０に金属軟化域３３を形成する。このとき、金属部材１０と１１との接合界面には、金属酸化物が層状に存在している（図２参照）。したがって、このままの状態では、良好な接合状態を得ることができない。
【００４８】
そこで、摩擦攪拌用回転工具３０を超音波振動させて、金属軟化域３３を振動させる。そうすると、金属軟化域３３において振幅が増幅される。金属軟化域３３は他の箇所よりも流動性が高いからである。これにより、金属部材１０と１１の接合界面とがこすれ合う。つまり、摩擦現象が生じる。そのため、接合界面に層状に残存していた金属酸化物が破壊され、清浄な金属面同士を密着させることができる（図３参照）。
【００４９】
そして、清浄な金属面同士が密着した状態で、金属部材１０と１１の接合界面に摩擦現象が生じるので、そこで発生する摩擦熱に伴い接合界面の温度が上昇する。これにより、金属部材１０，１１の原子の拡散および再結晶が促進される。したがって、良好な固相接合が実現されるので、十分な接合強度を確保することができる。
【００５０】
ここで、摩擦攪拌用回転工具３０を縦方向に振動させているので、金属部材１０とプローブピン３１との接触部で発生する摩擦熱が低減されるため、金属部材１０とプローブピン３１との溶着を確実に防止することができる。なお、摩擦攪拌用回転工具３０を縦振動させる代わりにねじり振動、つまり交互に回転方向を切換ながら摩擦攪拌用回転工具３０を回転させてもよい。
【００５１】
続いて、金属部材１０と１１とを多点において接合する多点接合の方法について説明する。金属部材１０，１１とを多点接合する場合には、まず、上記した方法により１点目の接合を行う。次いで、接合された金属部材１０，１１を移動させるか、あるいは、摩擦攪拌用工具３０および受け部材３２を移動させて、次の接合点にて摩擦攪拌用工具３０および受け部材３２で金属部材１０，１１を狭持する。その後、上記した単点接合を行う手順で接合を行う。このとき、金属部材１０，１１は他の箇所で点接合されているため、従来の超音波溶接法では、新たな接合界面で金属部材１０と１１との摩擦を生じさせ難くなっている。なぜなら、金属部材１０と１１とが互いに拘束さているため、接合界面付近における振動がほとんど発生しないからである。その結果、接合界面の温度上昇が不十分、つまり再結晶温度まで達しないので、十分な接合強度を得ることができなかった。
【００５２】
しかしながら、本実施の形態に係る接合方法では、摩擦攪拌用工具３０を超音波振動させる前に、プローブピン３１により金属部材１０に金属軟化域３３を形成させている。このため、金属部材１０と１１とが他の箇所で既に点接合され拘束されていたとしても、摩擦攪拌用回転工具３０を超音波振動させると、金属軟化域３３に振動が伝わりその部分が振動する。金属軟化域３３は他の部分よりも流動性が高いからである。そのため、金属部材１０と１１との接合界面において再結晶温度まで上昇させることができる。これにより、多点接合を行った場合においても、十分な接合強度を得ることができる。
【００５３】
以上、詳細に説明したように第２の実施の形態に係る接合方法によれば、まず、金属部材１０，１１を重ね合わせて摩擦攪拌用回転工具３０と受け部材３２との間に加圧状態で狭持し、その状態で摩擦攪拌用回転工具３０を回転させてプローブピン３１の回転により、金属部材１０に金属軟化域３３を形成する。その後、摩擦攪拌用回転工具３０を縦方向に超音波振動させて金属軟化域３３に振動を付与することにより、金属部材１０と１１とを接合する。
【００５４】
したがって、抵抗溶接法のように金属部材１０，１１を溶融させないので、スパッタが発生しないため、溶融金属が飛散して自動車のボデー等に付着することがない。また、プローブピン３１の先端を金属部材１１まで挿入しないので、異種金属（本実施の形態では、鉄とアルミニウム）を接合させる場合において、金属部材１０と１１との接合界面に合金が生じることなく、固相接合させることができる。さらに、摩擦攪拌接合用回転工具３０を縦方向に振動させているので、接合界面に存在する金属酸化物を破壊するとともに、金属部材１０とプローブピン３１とが溶着することを防止することができる。これらのことから、清浄な金属面同士を固相接合することができるため、良好な接合状態を安定して得ることができるので、十分な接合強度を得ることができる。
【００５５】
また、この接合方法では、あらかじめ接合界面近傍に金属軟化域３３を形成しているので、多点接合を行う場合に２点目以降の接合において、金属部材１０，１１同士が拘束されていても、金属軟化域３３には電極からの振動が伝わるため、接合界面において十分に発熱するので、接合界面の温度を再結晶温度まで昇温させることができる。したがって、単点接合の場合はもちろん、多点接合を行う場合であっても、十分な接合強度を得ることができる。
【００５６】
なお、上記した実施の形態は単なる例示にすぎず、本発明を何ら限定するものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形が可能であることはもちろんである。例えば、上記実施の形態では、本発明に係る接合方法を自動車のボデーの接合に適用した場合を説明したが、本発明に係る接合方法は、これ以外の金属部材の接合にも適用することができる。また、接合可能な金属も、鉄とアルミニウムに限られることなく、銅やマグネシウム等であってもよい。
【００５７】
【発明の効果】
以上説明した通り本発明に係る金属部材の接合方法によれば、金属部材を重ね合わせて電極間に加圧状態で狭持し、その状態で電極間に電流を流すことにより金属部材の接合界面近傍に金属軟化域を形成し、電極を超音波振動させて金属軟化域に振動を付与するので、スパッタを発生させず、また、多点で接合を行う場合であっても十分な接合強度を得ることができる。
【００５８】
また、本発明に係る別の形態に係る金属部材の接合方法によれば、金属部材を重ね合わせて加圧状態で保持し、一方の金属部材に対し、回転するプローブピンを挿入して摩擦攪拌することにより金属軟化域を形成し、プローブピンを超音波振動させることにより金属軟化域に振動を付与するので、スパッタを発生させず、また、多点で接合を行う場合であっても十分な接合強度を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施に係る接合方法を説明するための図である。
【図２】振動を与える前の金属軟化域の状態を示す拡大断面図である。
【図３】振動を与えた後の金属軟化域の状態を示す拡大断面図である。
【図４】金属部材内での温度分布を示す図であり、（ａ）は抵抗溶接法における温度分布を示し、（ｂ）は超音波溶接法における温度分布を示し、（ｃ）は第１の実施の形態に係る接合方法における温度分布を示している。
【図５】電極を縦振動させる場合の接合方法を説明するための図である。
【図６】第２の実施の形態に係る接合方法における金属軟化域の形成方法を説明するための図である。
【図７】第２の実施の形態に係る接合方法における金属軟化域の振動方法を説明するための図である。
【図８】従来の超音波溶接法を説明するための図である。
【図９】従来の抵抗溶接法を説明するための図である。
【図１０】従来の摩擦攪拌接合法を説明するための図である。
【符号の説明】
１０，１１ 金属部材
１２ 接合界面
１３ 金属軟化域
１５ 金属酸化物
２０，２１ 電極
２２ ホーン
３０ 摩擦攪拌用回転工具
３１ プローブピン
３３ 金属軟化域
３２ 受け部材
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属部材の接合方法に関する。さらに詳細には、金属部材同士を多点において接合する場合や、異種金属同士を接合する場合にも、十分な接合強度を得ることができる金属部材の接合方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、金属部材の接合方法として、超音波溶接法、抵抗溶接法、あるいは摩擦攪拌接合法が広く使用されている。そこで、これらの接合方法について簡単に説明する。
【０００３】
まず、超音波溶接法について説明する。超音波溶接法は、図８に示すように、重ね合わせた金属部材１００，１０１を、固定されたアンビル１０２とチップ１０３との間に加圧状態で狭持し、ホーン１０４によりチップ１０３を超音波振動させ、金属部材１００，１０１の接合界面１０５に超音波振動を与えることにより接合界面１０５をこすり合わせ、清浄な金属同士の密着面を得て、圧接する方法である。すなわち、超音波振動（２０ｋＨｚ程度）に伴う両金属部材１００，１０１の界面における摩擦現象によって、金属表面の酸化膜を破壊するとともに、塑性変形を生じさせて酸化物層のない新たな金属面同士を密着させ、摩擦熱に伴う局部的な温度上昇に起因する原子の拡散および再結晶を促進させることにより、金属部材１００と１０１とを接合するようになっている（非特許文献１のｐ１５２−１５５参照）。なお、図８は、従来の超音波溶接法を説明するための図である。
【０００４】
次に、抵抗溶接法について説明する。抵抗溶接法は、図９に示すように、重ね合わせた金属部材１００，１０１を、電極１１０ａ，１１０ｂ間に加圧状態で狭持し、電極１１０ａ，１１０ｂ間に短時間の大電流を流して、電流の集中する電極直下における金属部材１００，１０１の抵抗発熱と、電極１１０ａ，１１０ｂおよび金属部材１００，１０１への熱伝導を利用することにより、金属部材１００と１０１の接触部に碁石状の安定した溶融部１１１を形成させて、金属部材１００と１０１とを接合するようになっている（非特許文献１のｐ１１０−１１２参照）。なお、図９は、従来の抵抗溶接法を説明するための図である。
【０００５】
最後に、摩擦攪拌接合法について説明する。摩擦攪拌接合方法は、図１０に示すように、重ね合わせた金属部材１００，１０１に対して、これらより硬質な摩擦接合工具１２４のプローブピン１２５を圧入して攪拌し、攪拌部１２６を軟化させ、プローブピン１２５の基部を形成する肩部１２７にて押圧することによって、プローブピン１２５による圧入穴１２８を形成し、その圧入穴１２８の近傍において金属部材１００と１０１とを接合するようになっている（特許文献１参照）。なお、図１０は、従来の摩擦攪拌接合法を説明するための図である。
【０００６】
【非特許文献１】
荒田吉明・西口公之共著「溶接法の基礎」産報出版、ｐ１１０−１１２、ｐ１５２−１５５
【特許文献１】
特開２００１−３２１９６７号公報（第３−４頁、第１図）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した超音波溶接法では、金属部材１００，１０１が自動車のボデーのような大型構造物の場合、金属部材１００，１０１との接合界面１０５での発熱が不十分となり、十分な接合強度を得ることができないという問題があった。チップ１０３に超音波振動を与えても金属部材１００，１０１がほとんど振動しないからである。また、超音波溶接法では、多点で接合を行う場合には２点目以降の接合において十分な接合強度を得ることができないという問題もあった。金属部材１００と１０１とが接合されると、金属部材１００，１０１が互いに拘束されてしまうので振動し難くなるからである。さらに、超音波溶接法では、チップ１０３が金属部材１００に溶着しやすいという問題もあった。金属部材１００，１０１の接合界面１０５よりもチップ１０３と金属部材１００との接触部が最も昇温するからである。
【０００８】
このようなことから、自動車のボデー等の大型構造物の接合には、一般的に、抵抗溶接法あるいは摩擦攪拌接合法が用いられている。しかしながら、抵抗溶接法を用いれば、金属部材１００，１０１の接触部を溶融させるため接合強度は強いが、スパッタが発生するため溶融金属が飛散して自動車のボデー等に付着するという問題があった。また、異種金属を接合する場合には、接合界面に合金が生成されるため、安定して良好な接合状態を得ることができないという問題もあった。
【０００９】
一方、摩擦攪拌接合法では、十分な接合強度を得ることができないという問題があった。プローブピン１２５の回転により攪拌部１２６に金属軟化域が形成されるが金属軟化域の温度が再結晶温度まで上昇しないため、および金属部材１００と１０１との接触部に酸化物層が残存するためである。
【００１０】
そこで、本発明は上記した問題点を解決するためになされたものであり、スパッタを発生させず、また、多点で接合を行う場合であっても十分な接合強度を得ることができる金属部材の接合方法を提供することを課題とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するためになされた本発明に係る金属部材の接合方法は、金属部材を重ね合わせて電極間に加圧状態で狭持し、その状態で電極間に電流を流すことにより金属部材の接合界面近傍に金属軟化域を形成し、電極を超音波振動させて金属軟化域に振動を付与することを特徴とする。
【００１２】
この接合方法では、まず、接合する金属部材同士を重ね合わせて電極間に加圧した状態で狭持する。そして、電極間に電流を流すことにより、電極直下における金属部材の接合界面近傍を軟化させる。つまり、金属部材の接合界面近傍を溶融させることなく、接合界面に金属軟化域を形成するのである。
【００１３】
そのため、本発明に係る金属部材の接合方法においては、電極間に流す電流の値は、金属部材の接合界面における温度が金属部材の融点以下となるように設定すればよい。例えば、３ｋＡ程度の電流を電極間に流せばよい。
【００１４】
このように電流値を設定することにより、金属部材が溶融することがないのでスパッタが発生しない。このため、溶融金属が飛散して自動車のボデー等に付着することがない。また、異種金属（例えば、鉄とアルミニウム）を接合させる場合などにおいて、接合界面に合金が生じない、言い換えると固相接合されるので、良好な接合状態を安定して得ることができる。
【００１５】
その後、この接合方法では、金属部材の接合界面近傍に形成した金属軟化域に対して振動を与える。具体的には、電極を超音波振動させて金属軟化域に対し振動を付与する。ここで、電極に振動を与える前においては、金属部材の接合界面における温度が最も高い（図４（ａ）参照）。そして、金属軟化域に電極から振動を与えると、金属軟化域での振幅が大きくなるから金属軟化域において発熱する。したがって、電極と接触する金属部材表面における温度よりも、接合界面における温度の方が高くなる（図４（ｃ）参照）。このため、電極と金属部材とが溶着し難い。そして、金属軟化域に振動を与えることにより、接合界面に存在する各金属部材の酸化物層が破壊される。そのため、接合界面においては酸化物層のない新たな金属同士が圧接されて固相接合される。
【００１６】
ここで、電極の振動を、縦振動あるいはねじれ振動としてもよい。従来の超音波振動のような横振動ではなく、縦振動あるいはねじれ振動とすることにより、電極と金属部材との間で発生する摩擦熱を低減することができるため、電極と金属部材との溶着を確実に防止することができるからである。
【００１７】
そして、この接合方法では、あらかじめ接合界面近傍に金属軟化域を形成しているので、多点接合を行う場合に２点目以降の接合において、金属部材同士が拘束されていても、金属軟化域には電極からの振動が伝わる。このため、接合界面において十分に発熱するので、接合界面における温度を再結晶温度まで昇温させることができる。したがって、単点接合の場合はもちろん、多点接合を行う場合であっても、十分な接合強度を得ることができる。さらに、あらかじめ接合界面近傍に金属軟化域を形成しているので、従来の超音波振動に比べて低い周波数の振動を与えればよいので、設備面でも有利である。
【００１８】
また、上記問題点を解決するためになされた本発明に係る金属部材の接合方法は、金属部材を重ね合わせて加圧状態で保持し、一方の金属部材に対し、回転するプローブピンを挿入して摩擦攪拌することにより金属軟化域を形成し、プローブピンを超音波振動させることにより金属軟化域に振動を付与することを特徴とする。
【００１９】
この接合方法では、まず、接合する金属部材同士を重ね合わせて加圧状態で保持する。そして、一方の金属部材に対し、回転するプローブピンを挿入して摩擦攪拌することにより金属軟化域を形成する。
【００２０】
ここで、プローブピンの先端は、一方の金属部材に対してのみ挿入する、言い換えると他方の金属部材まで挿入しないことが望ましい。こうすることにより、一方の金属部材と他方の金属部材とが摩擦攪拌されることがない。したがって、異種金属を接合する場合においても、接合界面において異種金属が攪拌されることがないので合金が生成されない。このため、接合界面では良好な接合状態を安定して得ることができる。また、あらかじめ接合界面近傍に金属軟化域を形成しているので、従来の超音波振動に比べて低い周波数の振動を与えればよいので、設備面でも有利である。
【００２１】
ここで、本発明に係る金属部材の接合方法において、金属部材が互いに異なる種類の金属である場合には、融点が低い方の金属部材をプローブピンが挿入される側に配置することが望ましい。こうすることにより、プローブピンの摩耗を低減することができるので、プローブピンの寿命を長くすることができるからである。
【００２２】
次いで、この接合方法では、金属軟化域に対して振動を与える。具体的には、プローブピンを超音波振動させて金属軟化域に対し振動を与える。これにより、接合界面に存在する各金属部材の酸化物層が破壊される。また、摩擦攪拌により接合界面における温度がある程度昇温している状態で、さらに超音波振動を与えるため、接合界面における温度を再結晶温度まで昇温させることができる。したがって、十分な接合強度を得ることができる。ただし、従来の超音波溶接法と同様にプローブピンを横振動させると、プローブピンと金属部材とが溶着するおそれがある。
【００２３】
そこで、プローブピンの振動は、縦振動あるいはねじれ振動であることが望ましい。こうすることにより、プローブピンと金属部材との接触部における摩擦熱の発生を抑制することができるため、プローブピンと金属部材との溶着を確実に防止することができるからである。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の金属部材の接合方法を具体化した最も好適な実施の形態について、図面に基づき詳細に説明する。本実施の形態は、自動車のボデーの接合に本発明を適用したものである。
【００２５】
（第１の実施の形態）
まず、第１の実施の形態について説明する。第１の実施の形態に係る接合方法は、図１に示すように、金属部材１０，１１を重ね合わせて電極２０，２１との間に加圧状態で狭持し、その状態で電極２０，２１間に電流を流すことにより金属部材１０，１１の接合界面１２の近傍に金属軟化域１３を形成し、電極２０をホーン２２により超音波振動させて金属軟化域１３に振動を付与するものである。なお、図１は、第１の実施に係る接合方法を説明するための図である。
【００２６】
ここで、本実施の形態における金属部材１０，１１としては、鉄あるいはアルミニウムが使用される。そして、本実施の形態に係る接合方法は、鉄同士の接合、アルミニウム同士の接合（以上、同種金属の接合）、あるいは鉄とアルミニウムの接合（異種金属の接合）を行うことができる。つまり、本実施の形態に係る接合方法は、同種金属の接合と異種金属の接合に適用することができる。
【００２７】
次に、本実施の形態に係る接合方法を用いて、金属部材１０と１１とを点接合する方法について説明する。まず、２つの金属部材１０，１１を所定位置に配置する。そして、金属部材１０と１１との接合界面１２を挟んで両側から電極２０，２１を金属部材１０，１１に接触させ、加圧した状態で金属部材１０，１１を電極２０，２１との間に狭持する。このとき、電極２０が金属部材１０に接触し、電極２１が金属部材１１に接触する。
【００２８】
ここで、電極２０には、ホーン２２が接続されている。ホーン２２は、図示しない振動子に直結されている。振動子は、図示しない発振器（電源）からの供給電力を機械的な振動に変換するものである。そして、ホーン２２は、振動子の振幅をほとんどエネルギーの損失なく増大させるようになっている。
【００２９】
次いで、電極２０，２１間に３ｋＡ程度の電流を流す。これにより、電極直下に位置する金属部材１０と１１に電流が流れる。このため、金属部材１０，１１の抵抗発熱と、電極２０，２１および金属部材１０，１１への熱伝導とにより、金属部材１０と１１との接合界面１２の近傍に金属軟化域１３が形成される。このとき、金属部材１０と１１との接合界面１２には、図２に示すように、金属酸化物１５が層状に存在している。したがって、このままの状態では、良好な接合状態を得ることができない。なお、図２は、金属軟化域の状態を示す拡大断面図である。
【００３０】
このように、本実施の形態に係る接合方法では、従来の抵抗溶接法とは異なり、金属部材１０と１１との接合界面１２において、金属を溶融させることはない。したがって、スパッタが発生することにより溶融金属が飛散して金属部材１０，１１の表面に付着することがない。
【００３１】
その後、ホーン２２を超音波振動させる。このとき、金属部材１０と１１との接合界面１２の近傍に金属軟化域１３が形成されている。そして、ホーン２２の超音波振動が電極２０を介して、金属軟化域１３に伝わる。そうすると、金属軟化域１３において振幅が増幅される。金属軟化域１３は他の箇所に比べて流動性が高いからである。これにより、金属部材１０と１１の接合界面１２とがこすれ合う。つまり、摩擦現象が生じる。そのため、図３に示すように、接合界面１２に層状に残存していた金属酸化物１５が破壊され、清浄な金属面同士を密着させることができる。なお、図３は、金属軟化域の状態を示す拡大断面図である。
【００３２】
そして、清浄な金属面同士が密着した状態で、金属部材１０と１１の接合界面１２に摩擦現象が生じるので、そこで発生する摩擦熱に伴い接合界面１２の温度が上昇する。これにより、金属部材１０，１１の原子の拡散および再結晶が促進される。したがって、良好な固相接合が実現されるので、十分な接合強度を確保することができる。
【００３３】
ここで、電極２０の振動は、図１に示すように、従来の超音波溶接法と同様、横振動である。このため、金属部材１０と電極２０とが溶着するおそれがある。なぜなら、図４（ｂ）に示すように、金属部材１０，１１内での最高温になる箇所が金属部材１０と電極２０との接触部であり、この部分の温度が接合界面１２の温度よりも高くなるからである。
【００３４】
そこで、本出願人は、金属部材１０と電極２０との溶着防止を図るために、金属部材１０，１１における温度分布に着目した。抵抗溶接法では、図４（ａ）に示すように、接合界面１２の温度が最も高くなる。接合界面１２付近での抵抗発熱量が最も多くなるからである。一方、超音波溶接法では、図４（ｂ）に示すように、金属部材１０と電極２０との接触部、接合界面１２、および金属部材１１と電極２１との接触部において温度が高くなっている。これらの箇所で摩擦熱が発生するからである。そして、その中で最も高温になるのが、金属部材１０と電極２０との接触部である。これは、電極２０をホーン２２によって振動させているので、金属部材１０と電極２０との接触部における摩擦熱の発生が最も多いからである。
【００３５】
そして、本出願人は、図４（ａ）と（ｂ）とに示すグラフを合成すれば、接合界面１２における温度の方が、金属部材１０と電極２０との接触部における温度よりも高くなると考えた。そこで、上記したような接合方法を考え出した。すなわち、抵抗溶接法と超音波溶接法を組み合わせた接合方法である。この考えに基づき本出願人が、本実施の形態の接合方法を実施したときの温度分布の測定を行った結果、図４（ｃ）に示すように、電極２０と金属部材１０との接触部の温度よりも、接合界面１２の温度の方が高くなることが実証された。このことから、電極２０を従来の超音波溶接法と同様に横振動させても、金属部材１０と電極２０とが溶着し難くなったのである。
【００３６】
なお、図４は、金属部材１０，１１内での温度分布を示す図であり、（ａ）が抵抗溶接法における温度分布を示し、（ｂ）が超音波溶接法における温度分布を示し、（ｃ）が本実施の形態に係る接合方法における温度分布を示している。
【００３７】
ここで、本実施の形態に係る接合方法では、電極２０を横振動させているが、図５に示すように、ホーン２２ａを用いて電極２０を縦振動させてもよい。これにより、金属部材１０と電極２０との接触部で発生する摩擦熱が低減されるので、金属部材１０と電極２０との溶着を確実に防止することができる。また、電極２０を縦振動させる代わりにねじり振動、つまり交互に回転方向を切換ながら電極２０を回転させてもよい。なお、図５は、電極を縦振動させる場合の接合方法を説明するための図である。
【００３８】
続いて、金属部材１０と１１とを多点において接合する多点接合の方法について説明する。金属部材１０，１１とを多点接合する場合には、まず、上記した方法により１点目の接合を行う。次いで、接合された金属部材１０，１１を移動させるか、あるいは、電極２０，２１を移動させて、次の接合点にて電極２０，２１間に金属部材１０，１１を狭持する。その後、上記した単点接合を行う手順で接合を行う。このとき、金属部材１０，１１は他の箇所で点接合されているため、従来の超音波溶接法では、新たな接合界面で金属部材１０と１１との摩擦を生じさせることが難くなっている。なぜなら、金属部材１０と１１とが互いに拘束さているため、接合界面付近における振動がほとんど発生しないからである。その結果、接合界面の温度上昇が不十分、つまり再結晶温度まで達しないため、十分な接合強度を得ることができなかった。
【００３９】
しかしながら、本実施の形態に係る接合方法では、電極２０を超音波振動させる前に、電極２０，２１間に電流を流すことにより、接合界面１２の近傍に金属軟化域１３を形成させている。このため、金属部材１０と１１とが他の箇所で既に点接合され拘束されていたとしても、電極２０を超音波振動させると、金属軟化域１３に振動が伝わりその部分が振動する。金属軟化域１３は他の箇所に比べ流動性が高いからである。そのため、接合界面１２において金属部材１０と１１とがこすれ合い摩擦熱が発生するので、この部分の温度を再結晶温度まで上昇させることができる。これにより、多点接合を行った場合においても、十分な接合強度を得ることができる。
【００４０】
以上、詳細に説明したように第１の実施の形態に係る接合方法によれば、まず、金属部材１０，１１を重ね合わせて電極２０，２１間に加圧状態で狭持し、その状態で電極２０，２１間に３ｋＡ程度の電流を流すことにより、接合界面１２の近傍に金属軟化域１３を形成する。その後、電極２０をホーン２２により超音波振動させて金属軟化域１３に振動を付与することにより、金属部材１０と１１とを接合する。
【００４１】
したがって、抵抗溶接法のように、金属部材が溶融することがないので、スパッタが発生しないため、溶融金属が飛散して自動車のボデー等に付着することがない。また、異種金属（本実施の形態では、鉄とアルミニウム）を接合させる場合などにおいて、接合界面１２に合金が生じることなく、固相接合させることができる。さらに、接合界面１２における温度が、金属部材１０と電極２０との接触部における温度よりも高くなるので、金属部材１０と電極２０とが溶着することを防止することができる。これらのことから、良好な接合状態を安定して得ることができるので、十分な接合強度を得ることができる。
【００４２】
また、この接合方法では、あらかじめ接合界面１２に金属軟化域１３を形成しているので、多点接合を行う場合に２点目以降の接合において、金属部材同士が拘束されていても、金属軟化域１３には電極２０からの振動が伝わるため、接合界面１２において十分に発熱するので、接合界面１２の温度を再結晶温度まで昇温させることができる。したがって、単点接合の場合はもちろん、多点接合を行う場合であっても、十分な接合強度を得ることができる。
【００４３】
（第２の実施の形態）
次に、第２の実施の形態について説明する。第２の実施の形態に係る接合方法は、まず、図６に示すように、金属部材１０，１１を重ね合わせて加圧状態で受け部材３２と摩擦攪拌用回転工具３０とによって保持する。そして、上方に位置する金属部材１０に対し、回転するプローブピン３１を挿入して摩擦攪拌することにより金属軟化域３３を形成する。その後、図７に示すように、プローブピン３１を縦方向に超音波振動させることにより金属軟化域３３に振動を付与するようになっている。なお、図６は、第２の実施の形態に係る接合方法における金属軟化域の形成方法を説明するための図である。図７は、第２の実施の形態に係る接合方法における金属軟化域の振動方法を説明するための図である。
【００４４】
ここで、本実施の形態における金属部材１０，１１としては、第１の実施の形態と同様に、鉄あるいはアルミニウムが使用される。そして、本実施の形態に係る接合方法は、鉄同士の接合、アルミニウム同士の接合（以上、同種金属の接合）、あるいは鉄とアルミニウムの接合（異種金属の接合）を行うことができる。つまり、本実施の形態に係る接合方法でも、同種金属の接合と異種金属の接合に適用することができる。
【００４５】
次に、本実施の形態に係る接合方法を用いて、金属部材１０と１１とを点接合する方法について説明する。まず、２つの金属部材１０、１１を所定位置に配置する。このとき、摩擦攪拌用回転工具３０が金属部材１０に接触し、受け部材３２が金属部材１１に接触する。
【００４６】
なお、金属部材１０と１１とが異種金属である場合、すなわち本実施の形態では、鉄とアルミニウムの場合には、上方にアルミニウム材（金属部材１０）を配置し、下方に鉄材（金属部材１１）を配置する。つまり、融点が低い金属部材を上方、言い換えるとプローブピン３１が挿入される側に配置する。こうすることにより、プローブピン３１の摩耗が低減するため、プローブピン３１の寿命を長くすることができる。
【００４７】
次いで、摩擦攪拌用回転工具を３０を回転させて、金属部材１０に挿入されているプローブピン３１の回転により、金属部材１０に金属軟化域３３を形成する。このとき、金属部材１０と１１との接合界面には、金属酸化物が層状に存在している（図２参照）。したがって、このままの状態では、良好な接合状態を得ることができない。
【００４８】
そこで、摩擦攪拌用回転工具３０を超音波振動させて、金属軟化域３３を振動させる。そうすると、金属軟化域３３において振幅が増幅される。金属軟化域３３は他の箇所よりも流動性が高いからである。これにより、金属部材１０と１１の接合界面とがこすれ合う。つまり、摩擦現象が生じる。そのため、接合界面に層状に残存していた金属酸化物が破壊され、清浄な金属面同士を密着させることができる（図３参照）。
【００４９】
そして、清浄な金属面同士が密着した状態で、金属部材１０と１１の接合界面に摩擦現象が生じるので、そこで発生する摩擦熱に伴い接合界面の温度が上昇する。これにより、金属部材１０，１１の原子の拡散および再結晶が促進される。したがって、良好な固相接合が実現されるので、十分な接合強度を確保することができる。
【００５０】
ここで、摩擦攪拌用回転工具３０を縦方向に振動させているので、金属部材１０とプローブピン３１との接触部で発生する摩擦熱が低減されるため、金属部材１０とプローブピン３１との溶着を確実に防止することができる。なお、摩擦攪拌用回転工具３０を縦振動させる代わりにねじり振動、つまり交互に回転方向を切換ながら摩擦攪拌用回転工具３０を回転させてもよい。
【００５１】
続いて、金属部材１０と１１とを多点において接合する多点接合の方法について説明する。金属部材１０，１１とを多点接合する場合には、まず、上記した方法により１点目の接合を行う。次いで、接合された金属部材１０，１１を移動させるか、あるいは、摩擦攪拌用工具３０および受け部材３２を移動させて、次の接合点にて摩擦攪拌用工具３０および受け部材３２で金属部材１０，１１を狭持する。その後、上記した単点接合を行う手順で接合を行う。このとき、金属部材１０，１１は他の箇所で点接合されているため、従来の超音波溶接法では、新たな接合界面で金属部材１０と１１との摩擦を生じさせ難くなっている。なぜなら、金属部材１０と１１とが互いに拘束さているため、接合界面付近における振動がほとんど発生しないからである。その結果、接合界面の温度上昇が不十分、つまり再結晶温度まで達しないので、十分な接合強度を得ることができなかった。
【００５２】
しかしながら、本実施の形態に係る接合方法では、摩擦攪拌用工具３０を超音波振動させる前に、プローブピン３１により金属部材１０に金属軟化域３３を形成させている。このため、金属部材１０と１１とが他の箇所で既に点接合され拘束されていたとしても、摩擦攪拌用回転工具３０を超音波振動させると、金属軟化域３３に振動が伝わりその部分が振動する。金属軟化域３３は他の部分よりも流動性が高いからである。そのため、金属部材１０と１１との接合界面において再結晶温度まで上昇させることができる。これにより、多点接合を行った場合においても、十分な接合強度を得ることができる。
【００５３】
以上、詳細に説明したように第２の実施の形態に係る接合方法によれば、まず、金属部材１０，１１を重ね合わせて摩擦攪拌用回転工具３０と受け部材３２との間に加圧状態で狭持し、その状態で摩擦攪拌用回転工具３０を回転させてプローブピン３１の回転により、金属部材１０に金属軟化域３３を形成する。その後、摩擦攪拌用回転工具３０を縦方向に超音波振動させて金属軟化域３３に振動を付与することにより、金属部材１０と１１とを接合する。
【００５４】
したがって、抵抗溶接法のように金属部材１０，１１を溶融させないので、スパッタが発生しないため、溶融金属が飛散して自動車のボデー等に付着することがない。また、プローブピン３１の先端を金属部材１１まで挿入しないので、異種金属（本実施の形態では、鉄とアルミニウム）を接合させる場合において、金属部材１０と１１との接合界面に合金が生じることなく、固相接合させることができる。さらに、摩擦攪拌接合用回転工具３０を縦方向に振動させているので、接合界面に存在する金属酸化物を破壊するとともに、金属部材１０とプローブピン３１とが溶着することを防止することができる。これらのことから、清浄な金属面同士を固相接合することができるため、良好な接合状態を安定して得ることができるので、十分な接合強度を得ることができる。
【００５５】
また、この接合方法では、あらかじめ接合界面近傍に金属軟化域３３を形成しているので、多点接合を行う場合に２点目以降の接合において、金属部材１０，１１同士が拘束されていても、金属軟化域３３には電極からの振動が伝わるため、接合界面において十分に発熱するので、接合界面の温度を再結晶温度まで昇温させることができる。したがって、単点接合の場合はもちろん、多点接合を行う場合であっても、十分な接合強度を得ることができる。
【００５６】
なお、上記した実施の形態は単なる例示にすぎず、本発明を何ら限定するものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形が可能であることはもちろんである。例えば、上記実施の形態では、本発明に係る接合方法を自動車のボデーの接合に適用した場合を説明したが、本発明に係る接合方法は、これ以外の金属部材の接合にも適用することができる。また、接合可能な金属も、鉄とアルミニウムに限られることなく、銅やマグネシウム等であってもよい。
【００５７】
【発明の効果】
以上説明した通り本発明に係る金属部材の接合方法によれば、金属部材を重ね合わせて電極間に加圧状態で狭持し、その状態で電極間に電流を流すことにより金属部材の接合界面近傍に金属軟化域を形成し、電極を超音波振動させて金属軟化域に振動を付与するので、スパッタを発生させず、また、多点で接合を行う場合であっても十分な接合強度を得ることができる。
【００５８】
また、本発明に係る別の形態に係る金属部材の接合方法によれば、金属部材を重ね合わせて加圧状態で保持し、一方の金属部材に対し、回転するプローブピンを挿入して摩擦攪拌することにより金属軟化域を形成し、プローブピンを超音波振動させることにより金属軟化域に振動を付与するので、スパッタを発生させず、また、多点で接合を行う場合であっても十分な接合強度を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施に係る接合方法を説明するための図である。
【図２】振動を与える前の金属軟化域の状態を示す拡大断面図である。
【図３】振動を与えた後の金属軟化域の状態を示す拡大断面図である。
【図４】金属部材内での温度分布を示す図であり、（ａ）は抵抗溶接法における温度分布を示し、（ｂ）は超音波溶接法における温度分布を示し、（ｃ）は第１の実施の形態に係る接合方法における温度分布を示している。
【図５】電極を縦振動させる場合の接合方法を説明するための図である。
【図６】第２の実施の形態に係る接合方法における金属軟化域の形成方法を説明するための図である。
【図７】第２の実施の形態に係る接合方法における金属軟化域の振動方法を説明するための図である。
【図８】従来の超音波溶接法を説明するための図である。
【図９】従来の抵抗溶接法を説明するための図である。
【図１０】従来の摩擦攪拌接合法を説明するための図である。
【符号の説明】
１０，１１ 金属部材
１２ 接合界面
１３ 金属軟化域
１５ 金属酸化物
２０，２１ 電極
２２ ホーン
３０ 摩擦攪拌用回転工具
３１ プローブピン
３３ 金属軟化域
３２ 受け部材
Claims (7)
- 金属部材を重ね合わせて電極間に加圧状態で狭持し、
その状態で前記電極間に電流を流すことにより前記金属部材の接合界面近傍に金属軟化域を形成し、
前記電極を超音波振動させて前記金属軟化域に振動を付与することを特徴とする金属部材の接合方法。 - 請求項１に記載する金属部材の接合方法において、
前記電極間に流す電流の値は、前記金属部材の接合界面における温度が前記金属部材の融点以下となるように設定されることを特徴とする金属部材の接合方法。 - 請求項１または請求項２に記載する金属部材の接合方法において、
前記電極の振動は、縦振動あるいはねじれ振動であることを特徴とする金属部材の接合方法。 - 金属部材を重ね合わせて加圧状態で保持し、
一方の金属部材に対し、回転するプローブピンを挿入して摩擦攪拌することにより金属軟化域を形成し、
前記プローブピンを超音波振動させることにより前記金属軟化域に振動を付与することを特徴とする金属部材の接合方法。 - 請求項４に記載する金属部材の接合方法において、
前記プローブピンの振動は、縦振動あるいはねじれ振動であることを特徴とする金属部材の接合方法。 - 請求項４または請求項５に記載する金属部材の接合方法において、
前記プローブピンの先端は、前記一方の金属部材に対してのみ挿入することを特徴する金属部材の接合方法。 - 請求項４から請求項６に記載するいずれか１つの金属部材の接合方法において、
前記金属部材が互いに異なる種類の金属である場合には、融点が低い方の金属部材を前記プローブピンが挿入される側に配置することを特徴する金属部材の接合方法。
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