JP2004209522A

JP2004209522A - 金属間の摩擦攪拌接合方法

Info

Publication number: JP2004209522A
Application number: JP2003000005A
Authority: JP
Inventors: Masatoshi Aritoshi; 雅敏有年; Koji Kitazawa; 孝次北沢
Original assignee: Hyogo Prefectural Government; Kitazawa Sangyo Co Ltd
Current assignee: Hyogo Prefectural Government; Kitazawa Sangyo Co Ltd
Priority date: 2003-01-06
Filing date: 2003-01-06
Publication date: 2004-07-29
Anticipated expiration: 2023-01-06
Also published as: JP3673819B2

Abstract

【課題】カルシウムを含有させることで難燃性の効果を持つマグネシウム合金同士、あるいは難燃性マグネシウム合金と異種金属との接合を、難燃性マグネシウム合金の特性を損なうことなく、強度低下や熱変形を抑制して行える金属間の摩擦攪拌接合方法を提供する。
【解決手段】工具１０は、小径部１１と、小径部１１と同軸の大径部１２を有し、小径部１１の外面に回転方向Ａに対して逆方向の螺子１１ａを形成した。接合しようとする複数の金属のうち、少なくとも１つの金属はカルシウムを含有した難燃性マグネシウム合金１，２からなる。被接合部３の開始位置３Ａにマグネシウム薄板４を挿入したのち、開始位置３Ａに小径部１１を回転しながら圧入した状態で接合方向Ｂに相対移動させて、螺子１１ａにより圧入方向とは逆向きに攪拌しながら摩擦攪拌接合する。マグネシウム薄板によって摩擦熱の発生を促進でき、螺子により、底部で生じる塑性流動を、圧入方向とは逆向きに攪拌させながら表面（上面）まで押し上げることができる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の金属の被接合部に対して、工具を、回転しながら圧入した状態で接合方向に移動させることで、金属間を摩擦攪拌接合する接合方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
通常のマグネシウム（Ｍｇ）合金（例えば、ＡＺ６１、ＡＺ９１等）を溶融させてカルシウム（Ｃａ）を含有したマグネシウム合金は、表面に酸化カルシウム被膜を形成させるため、カルシウムを含まないマグネシウム合金に比べて機械的強度（引張強さ、硬さ等）が低下しないだけでなく、燃焼試験において発火温度を上昇させる効果、すなわち難燃性を有する。これらの特性を持つマグネシウム合金、すなわち難燃性マグネシウム合金は、表面に酸化カルシウム被膜を形成しており、この被膜が酸化に対してきわめて有効な保護被膜として作用するため、難燃性効果を持っている（たとえば、特許文献１や非特許文献１参照。）。
【０００３】
また、アルミニウム合金プレート同士を接合（突き合わせ、重ね合わせ、隅肉形状等）する方法として、非磨耗プローブを回転させながら、その先端部の小さな中央シリンダー部分を結合線に圧入する。結合線は、中央シリンダー部分の側面との摩擦により加熱されて高温に上昇すると、塑性変形抵抗を失い、中央シリンダー部分の回転に引きずられるようにして塑性流動を生じる。このような塑性流動を保持しながら結合線の方向に非磨耗プローブを移動させると、結合線の付近は逐次摩擦により攪拌・一体化されて接合が行われる（たとえば、特許文献２参照。）。
【０００４】
そして、カルシウムを含まない通常のマグネシウム合金の接合には、これまでＴＩＧ（タングステン・イナート・ガス）溶接やＭＩＧ（メタル・イナート・ガス）などが用いられている。
【０００５】
上述したアルミニウム合金の摩擦攪拌接合では、板厚が２．０ｍｍの場合、工具が高速回転（例えば、３０００ｒｐｍ）、接合速度が高速（例えば、５００ｍｍ／分）で接合できる。このようなアルミニウム合金の摩擦攪拌接合は、アルミニウム合金製の鉄道車両をはじめ、自動車部品等に実用化されている。
【０００６】
これに対して、カルシウムを含まない通常のマグネシウム合金（例えば、ＡＺ３１板厚２．０ｍｍ）では、アルミニウム合金と同様に高温変形抵抗が小さく、塑性流動しやすいため、板厚が２．０ｍｍの場合には工具を６０００ｒｐｍのような高速回転、１２５０ｍｍ／分の高速度で接合しても良好な接合効果が得られる。通常のマグネシウム合金（ＡＺ３１）の摩擦攪拌接合については、溶接学会平成１３年度秋季全国大会講演概要（第６９集）１３２頁から１３３頁に示されている。
【０００７】
しかしながら、難燃性マグネシウム合金は、アルミニウム合金に比べて硬いだけでなく、高温変形抵抗が大きい。このため、難燃性マグネシウム合金の摩擦攪拌接合では、たとえば非磨耗プローブを高速回転、高速度で接合すると、高温中で塑性流動しにくいため、金属組織の塑性流動が不連続になり、その結果として接合部に空隙（あるいは割れなどの欠陥）が形成される。接合部で連続的な塑性流動を起こすことによって、割れの発生を防止する接合方法が必要となる。
【０００８】
さらに難燃性マグネシウム合金は、硬いだけでなく、熱伝導性が悪い。このため、摩擦攪拌接合を開始する位置で、非磨耗プローブを回転させながら接合部に圧入して時間が経過しても、難燃性マグネシウム合金と非磨耗プローブとの間に摩擦熱が発生しない。摩擦熱が発生しない状況では、摩擦攪拌接合ができないだけでなく、非磨耗プローブが硬い難燃性マグネシウム合金との間で生じる摩擦によって摩耗することになる。摩擦熱の発生を促進するために非磨耗プローブの回転数を早くすると、非磨耗プローブの摩耗が顕著になるため、高速回転は不適である。このような状況を防止するとともに、摩擦攪拌接合を可能にするためには、摩擦攪拌接合を開始する位置で非磨耗プローブを圧入して摩擦熱を発生させる方法が必要となる。
【０００９】
【特許文献１】
特開２０００−１０９９６３（第２−３頁、図１）
【００１０】
【特許文献２】
特許第２７１２８３８号公報（第２−３頁、第１図）
【００１１】
【非特許文献１】
坂本満、秋山茂、荻尾剛、大城桂作著「鋳造工学第６９巻第３号」（社）日本鋳造工学会出版、１９９７年３月２５日、Ｐ．２２７−２３３
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、難燃性マグネシウム合金は、難燃性だけでなく軽量やリサイクル性を生かして鉄道車両、自動車、エレベーター用の筐体などの電機製品など、広範な産業分野で応用が期待されている。この難燃性マグネシウム合金は、上記種々の製品の構造体や部品を製作する上で、接合することが不可欠となっている。
【００１３】
その際に、難燃性マグネシウム合金の接合にＴＩＧ溶接方法やＭＩＧ溶接方法を採用したときには、難燃性マグネシウム合金を溶かして接合するため、入熱が過大になり、熱変形が大きくなるだけでなく、接合部にブローホールなどの欠陥が発生して、強度を大きく低下させることが指摘されている。
【００１４】
さらに難燃性マグネシウム合金は、本合金中に酸化カルシウム被膜を形成する複合材料となって酸化に対する保護作用を持っている。このような難燃性マグネシウム合金の接合に、上述のＴＩＧ溶接、ＭＩＧ溶接や電子ビーム溶接などの溶融接合を用いると、酸化カルシウム被膜が溶融するため、難燃性の効果が損なわれることになる。
【００１５】
そこで本発明の請求項１記載の発明は、通常のマグネシウム合金を溶融してカルシウムを含有させることによって難燃性の効果を持つマグネシウム合金同士、あるいは難燃性マグネシウム合金と異種金属との接合を、難燃性マグネシウム合金の特性を損なうことなく、強度低下や熱変形を抑制して行える金属間の摩擦攪拌接合方法を提供することを目的としたものである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
前述した目的を達成するために、本発明の請求項１記載の金属間の摩擦攪拌接合方法は、複数の金属の被接合部に対して、工具を、回転しながら圧入した状態で接合方向に移動させることで、金属間を摩擦攪拌接合する接合方法であって、前記工具は、被接合部に圧入する小径部と、この小径部と同軸の大径部とを有するとともに、小径部の外面には回転方向に対して逆方向の螺子が形成されており、接合しようとする複数の金属のうち、少なくとも１つの金属はカルシウムを含有した難燃性マグネシウム合金からなり、これら金属の被接合部の開始位置にマグネシウム薄板を挿入したのち、被接合部の開始位置に工具の小径部を回転しながら圧入した状態で接合方向に相対移動させて、逆方向の螺子により圧入方向とは逆向きに攪拌しながら摩擦攪拌接合することを特徴としたものである。
【００１７】
したがって請求項１の発明によると、工具を回転しながら、その小径部を被接合部に圧入させるとともに、工具を接合方向に移動させることによって、被接合部に生じる摩擦熱により接合部の変形抵抗を減少させ、塑性流動させて、金属間に接合部を形成しながら固相接合し得る。
【００１８】
このようにして、少なくとも１つが難燃性マグネシウム合金からなる複数の金属間の摩擦攪拌接合を行えるのであり、その際に開始位置に挿入しているマグネシウム薄板によって摩擦熱の発生を促進し得、以て接合を好適に行える。また小径部に形成した逆方向の螺子により、底部で生じる塑性流動を、圧入方向とは逆向きに攪拌させながら表面（上面）まで押し上げ得るとともに、大径部の面による押え込み作用によって、塑性流出を規制し得、以て充分な攪拌を行えることになる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を、金属の突き合わせ溶接に採用した状態として、図１、図２に基づいて説明する。
【００２０】
接合しようとする２枚の金属は、カルシウムを含有した難燃性マグネシウム合金１，２であって、これら難燃性マグネシウム合金１，２の被接合部（たとえば、突き合わせ溶接の場合は２枚の難燃性マグネシウム合金１，２の界面）３で、摩擦攪拌接合の開始位置３Ａには、マグネシウム薄板（純マグネシウム、あるいは通常のマグネシウム合金）４が板厚方向に挿入される。そして２枚の難燃性マグネシウム合金１，２は、クランプ手段（図示せず。）によって相対位置が定着されている。
【００２１】
円筒状の工具１０は、接合部に圧入する下端の小径部１１と、この小径部１１と同軸で中間の大径部１２と、上部の本体部１３とを有し、回転駆動装置（図示せず。）に保持された状態で、縦方向軸心１４の回りに回転自在に構成される。前記小径部１１の外面には回転方向Ａに対して逆方向の螺子１１ａが形成されており、また大径部１２の下面によって流出阻止面１２ａが形成されている。なお工具１０は、その前進角度θを［３°］として傾斜させた縦方向軸心１４の回りに回転自在に構成されている。
【００２２】
摩擦攪拌接合を行うに、まず図１（ａ）（ｂ）の実線に示すように、被接合部３の開始位置３Ａに小径部１１を対向させた状態から、工具１０を縦方向軸心１４の回りに回転させながら、小径部１１を開始位置３Ａに接近移動させ、図１（ａ）（ｂ）の仮想線に示すように、小径部１１を開始位置３Ａに当接させる。そして小径部１１をさらに移動させて、図１（ｃ）に示すように、小径部１１を開始位置３Ａに圧入させるとともに、流出阻止面１２ａを難燃性マグネシウム合金１，２の表面に部分的に押し付け（圧接させ）る。
【００２３】
これにより被接合部３は、小径部１１の側面および大径部１２の下面との摩擦熱により加熱されて高温に上昇することになり、以て塑性変形抵抗を失い（減少させ）、小径部１１の回転に引きずられるようにして塑性流動を生じる。このような塑性流動を保持しながら接合方向Ｂに工具１０を移動させることで、図１（ｄ）や図２、図４（ａ）に示すように、被接合部３の付近は逐次摩擦により攪拌・一体化され、以て接合部５を形成しながらの固相接合が行われる。
【００２４】
このようにして２枚の難燃性マグネシウム合金１，２間の摩擦攪拌接合が行われるのであり、その際に開始位置３Ａには、マグネシウム薄板４が挿入されていることで、摩擦熱の発生を促進し得、以て接合を好適に行える。また小径部１１に逆方向の螺子１１ａが形成されていることで、底部で生じる塑性流動を、圧入方向とは逆向きに攪拌させながら表面（上面）まで押し上げ得るとともに、流出阻止面１２ａによる押え込み作用によって、塑性流出を規制し得、以て充分な攪拌を行えることになる。
【００２５】
上記した実施の形態に示すように、摩擦攪拌接合を開始する位置３Ａで工具１０の小径部１１を圧入して、難燃性マグネシウム合金１，２との間で摩擦熱の発生を促進させ方法によると、摩擦攪拌接合を開始する位置３Ａの付近にだけマグネシウム薄板４を板厚方向に挿入するだけで、摩擦熱が発生し接合ができるようになる。しかも、小径部１１における逆方向の螺子１１ａや大径部１２における流出阻止面１２ａの摩耗が減少することが明らかになった。被接合部３に挿入するマグネシウム薄板４の板厚は、２．０ｍｍ以上あれば、摩擦熱を発生させる効果があることが確認された。摩擦熱の発生を促進するマグネシウム薄板４は、開始位置３Ａの近傍の難燃性マグネシウム合金中１，２に固溶しており、難燃性の効果を損なうことない。
【００２６】
難燃性マグネシウム合金１，２の摩擦攪拌接合では、工具１０を低速（たとえば、１５００ｒｐｍ）で回転させながら、接合速度を低速（たとえば、１００ｍｍ／分）で接合することが必要である。また、接合部５に広い範囲で高温領域を形成させるための専用工具が必要となる。難燃性マグネシウム合金１，２用の工具１０は、小径部１１と大径部１２との形状・寸法が重要な要素なる。表１は、難燃性マグネシウム合金１，２の板厚が２．０ｍｍの場合の小径部１１と大径部１２との径寸法（直径寸法）を示したものであり、ここで小径部１１の長さは板厚と同じ２ｍｍである。
【００２７】
【表１】

表１に示すように、難燃性マグネシウム合金１，２用の工具１０においては、その小径部１１と大径部１２との径は、アルミニウム合金や通常のマグネシウム合金の場合よりも大きい。すなわち、板厚２．０ｍｍのアルミニウム合金や通常のマグネシウム合金では、小径部の径は３．０ｍｍ、大径部の径は１０ｍｍ以下である。これに対して、難燃性マグネシウム合金１，２における小径部１１の径は４．０ｍｍ、大径部１２の径は１４ｍｍ以上である。
【００２８】
すなわち、難燃性マグネシウム合金１，２の摩擦攪拌接合に用いる工具１０の小径部１１および大径部１２の径は、アルミニウム合金やカルシウムを含まない通常のマグネシウム合金の場合における小径部や大径部の径よりも大きくしている。この理由は、摩擦攪拌によって塑性流動を生じる領域を大きくして高温領域を拡大することによって、連続的な塑性流動が形成されるようにするためである。なお、難燃性マグネシウム合金１，２の摩擦攪拌接合方法は、たとえばアルミニウム合金の摩擦攪拌接合（特許第３０７０７３５号）とは異なるものである。
【００２９】
さらに難燃性マグネシウム合金１，２の摩擦攪拌接合に際しては、小径部１１に逆方向の螺子１１ａを切っており、これにより、底部で生じる塑性流動を攪拌させながら板表面まで押し上げる構造にしている。なお、小径部に回転方向と同方向の螺子を切った場合は、欠陥が生じやすい底面付近の塑性流動が生じにくいことになる。また、小径部に螺子を切らない工具もあるが、この場合、螺子を切った工具に比べて摩擦による発熱効果が小さい。
【００３０】
以下に、本発明の一実施例を説明する。
難燃性マグネシウム合金として、（ＡＺ６０＋Ｃａ）同士を摩擦攪拌接合した。ここで、ＡＺ６０とは、Ａ（アルミニウムの略称）が６％、Ｚ（亜鉛の略称）が０％、残りがマグネシウムというマグネシウム合金の化学成分を表示する方法である。難燃性マグネシウム合金（たとえば、ＡＺ６０＋Ｃａ）は、カルシウムを含まない通常のマグネシウム合金（ＡＺ６０）を溶融させてカルシウム（Ｃａ）を含有させたものである。
【００３１】
板厚が２．０ｍｍの難燃性マグネシウム合金板を、突き合わせ形状にして摩擦攪拌接合した。主な接合条件は、工具の回転数１５００ｒｐｍ、接合速度１００ｍｍ／分である。接合を開始する位置付近の突き合わせ部のみに板厚０．２ｍｍの純マグネシウム板を挿入した。
【００３２】
接合した継手性能は、図３に示すように、平行部を持つ引張試験片に加工して引張試験における引張強さや伸びを調べ、難燃性マグネシウム合金母材と比較した（単位はｍｍ）。これに対して、難燃性マグネシウム合金を突き合わせ形状でＴＩＧ溶接を行い、接合部の組織観察や継手の引張強さを調べ、摩擦攪拌接合の結果と比較した。
【００３３】
（ＡＺ６０＋Ｃａ）同士を摩擦攪拌接合した接合部の金属組織を観察した結果、接合表面のビードは連続的に形成されており、欠陥は観察されなかった。また、接合部の底面付近を組織観察した結果、接合不良時に形成されやすいキッシング・ボンドと言われる微小な未密着部は検出されなかった。これに対して、ＴＩＧ溶接では、接合部の裏面付近で明瞭な割れが数多く観察され、欠陥が発生することが明らかになった。また、酸化カルシウムは、摩擦攪拌によって寸断されて微細化し、ほぼ均一に分布していた。
【００３４】
なお、工具を高速回転（例えば、３０００ｒｐｍ）、高速度（例えば、５００ｍｍ／分）で摩擦攪拌接合した接合部を組織観察した結果、酸化カルシウムは微細化するものの、不均一に分布していた。このような酸化カルシウムの不均一な分布は、接合部において難燃性を低下させることを示唆している。
【００３５】
摩擦攪拌接合継手とＴＩＧ溶接継手の引張強さを調べた結果は、表２に示すとおりである。
【００３６】
【表２】

表２において、ＴＩＧ溶接の場合、継手の引張強さは２４７ＭＰａで、継手は接合部で破断した。これに対して、摩擦攪拌接合継手の引張強さは２７３ＭＰａであり、継手は難燃性マグネシウム合金の母材部で破断した。摩擦攪拌接合継手の伸びは、６．０％で母材と同等であるのに対して、ＴＩＧ溶接継手の伸びは僅か１．２％であった。以上の接合結果より、固相接合の摩擦攪拌接合は、ＴＩＧ溶接に代表される溶融接合に比べて難燃性マグネシウム合金の接合方法として適している。
【００３７】
上述した本発明における摩擦攪拌接合（難燃性マグネシウム合金同士あるいは難燃性マグネシウム合金と異種金属との組み合わせの場合）方法は、図４（ａ〜ｆ）に示すように、板材の突き合わせ接合、板材の重ね合わせ接合、板材の隅肉の継手形状の接合などに適用し得るものである。なお、本発明における難燃性マグネシウム合金は、通常のマグネシウム合金を溶融させてカルシウムを含有させたものであり、１％〜３％のカルシウムを含有させるものが好適であるが、カルシウム含有量に制限はない。
【００３８】
上記した実施の形態では、摩擦攪拌接合方法として、板材の突き合わせ接合、板材の重ね合わせ接合、板材の隅肉の継手形状の接合などに適用しているが、これはパイプ材を対象とした、突き合わせ接合、重ね合わせ接合、隅肉の継手形状の接合にも適用し得るものである。
【００３９】
上記した実施の形態では、難燃性マグネシウム合金１，２同士の摩擦攪拌接合が示されているが、これは難燃性マグネシウム合金と異種金属、たとえば通常のマグネシウム合金、アルミニウム合金、銅合金などとの摩擦攪拌接合も同様である。
【００４０】
上記した実施の形態では、工具１０が、その前進角度θを［３°］として傾斜させた縦方向軸心１４の回りに回転自在に構成されているが、この傾斜角度や傾斜方向は、板厚や金属材質によって任意に変更可能であり、場合によっては、傾斜がなく垂直状であってもよい。
【００４１】
【発明の効果】
上記した本発明の請求項１によると、工具を回転しながら、その小径部を被接合部に圧入させるとともに、工具を接合方向に移動させることによって、被接合部に生じる摩擦熱により接合部の変形抵抗を減少させ、塑性流動させて、金属間に接合部を形成しながら固相接合できる。このようにして、通常のマグネシウム合金を溶融してカルシウムを含有させることによって難燃性の効果を持つマグネシウム合金同士、あるいは難燃性マグネシウム合金と異種金属との接合を、難燃性マグネシウム合金の特性を損なうことなく、強度低下や熱変形を抑制して行うことができる。
【００４２】
その際に開始位置に挿入しているマグネシウム薄板によって摩擦熱の発生を促進でき、以て接合を好適に行うことができる。また小径部に形成した逆方向の螺子により、底部で生じる塑性流動を、圧入方向とは逆向きに攪拌させながら表面（上面）まで押し上げることができるとともに、大径部の面による押え込み作用によって、塑性流出を規制でき、以て充分な攪拌を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態を示し、金属間の摩擦攪拌接合方法の工程であって、（ａ）は接合開始前の正面図、（ｂ）は接合開始前の側面図、（ｃ）は接合開始時の側面図、（ｄ）は接合中の側面図である。
【図２】同接合中の一部切り欠き斜視図である。
【図３】本発明の摩擦攪拌接合方法で得た継手と、ＴＩＧ溶接方法で得た継手の引張試験片形状・寸法の説明図である。
【図４】本発明の摩擦攪拌接合方法が可能な継手形状例を示した概略斜視図である。
【符号の説明】
１難燃性マグネシウム合金（金属）
２難燃性マグネシウム合金（金属）
３被接合部
３Ａ摩擦攪拌接合の開始位置
４マグネシウム薄板
５接合部
１０工具
１１小径部
１１ａ逆方向の螺子
１２大径部
１２ａ流出阻止面
１３本体部
１４縦方向軸心
Ａ回転方向
Ｂ接合方向
θ 前進角度

Claims

複数の金属の被接合部に対して、工具を、回転しながら圧入した状態で接合方向に移動させることで、金属間を摩擦攪拌接合する接合方法であって、
前記工具は、被接合部に圧入する小径部と、この小径部と同軸の大径部とを有するとともに、小径部の外面には回転方向に対して逆方向の螺子が形成されており、接合しようとする複数の金属のうち、少なくとも１つの金属はカルシウムを含有した難燃性マグネシウム合金からなり、これら金属の被接合部の開始位置にマグネシウム薄板を挿入したのち、被接合部の開始位置に工具の小径部を回転しながら圧入した状態で接合方向に相対移動させて、逆方向の螺子により圧入方向とは逆向きに攪拌しながら摩擦攪拌接合することを特徴とする金属間の摩擦攪拌接合方法。