【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、異種金属の継手形状として用いられるスカーフ継手及びその設計方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
異種金属の接合は、単一材料の高機能化、高性能化を図る上で有効な技術であり、既に多くの金属材料の組合せに関する研究が行なわれ、実用化も進められてきた。
【０００３】
従来、異種金属の継手としては、重ね継手（特許文献１）や自在継手（特許文献２）など種々があるが、最近では継手形状として接合面積の大きなスカーフ継手が多く用いられ、これら異種金属の接合部形状の最適化に関しては、一般的な有限要素法による解析的検討が主体で行なわれている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平５−１５６２１３号公報
【０００５】
【特許文献２】
特開平９−４２３０３号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
異種金属の組合せに関しては、接合界面に脆弱な金属化合物が形成され、高い信頼性の継手を得ることが困難で、必ずしも実用化が十分に図られているとは言えない。
【０００７】
ところで、異種金属の接合法として摩擦圧接法がある。この摩擦圧接法は塑性流動と固相接合に基づくプロセスであり、低い温度での接合が可能で金属間化合物層の制御が比較的容易なことから、異種金属接合には有効なプロセスである。既に、チタンとアルミニウムの接合、アルミニウムとステンレス鋼の接合、銅とアルミニウムの接合などについて、摩擦圧接条件の最適化、接合界面の組織、継手強度などに関して多くの研究がなされている。
【０００８】
一方、ろう付け法や拡散接合法による異種金属の継手形状としては、従来からスカーフ継手に対する応力特異性解析により、自由縁応力特異性が消失するスカーフ角度の存在が知られている。このスカーフ角度は異種金属材料、即ち弾性定数の組合せは勿論、応力状態によって異なると考えられている。
【０００９】
しかし、スカーフ継手の異種金属材料の組合せに関しては、スカーフ角度の定量的な最適化検討は行なわれていないため、継手強度を保持したスカーフ継手が得られていないのが現状である。
【００１０】
本発明は上記のような事情に鑑みてなされたもので、接合界面に金属間化合物層が形成される各種異種金属材料の組合せを対象に、スカーフ継手の接合界面端部の応力集中低減条件について解明し、継手設計指針を示すことにより、継手強度を保持した信頼性の高い異種金属スカーフ継手及びその設計方法を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記の目的を達成するため、次のような方法により異種金属スカーフ継手形状を設計する。
【００１２】
請求項１に対応する発明は、異種金属の継手材料をスカーフ形状に接合してなるスカーフ継手において、継手の接合界面の応力集中低減条件として、継手の接合界面両端部の自由縁と接合界面を直線とし、これらが交差する点のスカーフ角度を異種金属接合界面端部の応力特異性解析により求めて応力特異性消失スカーフ角度範囲を限定し、その範囲内で継手設計を行なうことを特徴とする。
【００１３】
請求項２に対応する発明は、請求項１に対応する発明の異種金属スカーフ継手の設計方法において、応力特異性解析によって求めた応力特異性消失範囲内のスカーフ角度から、最適化手法を用いて、異種金属接合界面端部の応力が最小となる角度を求めることを特徴とする。
【００１４】
請求項３に対応する発明は、請求項１に対応する発明の異種金属スカーフ継手の設計方法において、前記異種金属の薄板継手材料のヤング率比Ｅ１／Ｅ２（Ｅ１：低ヤング率材料のヤング率、Ｅ２：高ヤング率材料のヤング率）を０．７未満とした場合のスカーフ角度θ１を５５°≦θ１≦６５°として設計することを特徴とする。
【００１５】
請求項４に対応する発明は、請求項１に対応する発明の異種金属スカーフ継手の設計方法において、前記異種金属の薄板継手材料のヤング率比Ｅ１／Ｅ２（Ｅ１：低ヤング率材料のヤング率、Ｅ２：高ヤング率材料のヤング率）を０．７以上とした場合のスカーフ角度θ１を３°≦θ１≦２５°、４４°≦θ１≦９０°として設計することを特徴とする。
【００１６】
請求項５に対応する発明は、請求項１に対応する発明の異種金属スカーフ継手の設計方法において、前記異種金属の肉厚継手材料のヤング率比Ｅ１／Ｅ２（Ｅ１：低ヤング率材料のヤング率、Ｅ２：高ヤング率材料のヤング率）を０．７未満とした場合のスカーフ角度θ１を５５°≦θ１≦７０°として設計することを特徴とする。
【００１７】
請求項６に対応する発明は、請求項１に対応する発明の異種金属スカーフ継手の設計方法において、前記異種金属の肉厚継手材料のヤング率比Ｅ１／Ｅ２（Ｅ１：低ヤング率材料のヤング率、Ｅ２：高ヤング率材料のヤング率）を０．７以上とした場合のスカーフ角度θ１を３°≦θ１≦１５°、５３°≦θ１≦９０°として設計することを特徴とする。
【００１８】
請求項７に対応する発明は、請求項１乃至請求項６のいずれかに対応する発明の異種金属スカーフ継手の設計方法において、前記異種金属の継手材料は、ろう付け、拡散接合、レーザ溶接、電子ビーム溶接、狭開先アーク溶接の何れかにより接合されることを特徴とする。
【００１９】
請求項８に対応する発明は、請求項３又は請求項５に対応する発明の異種金属スカーフ継手の設計方法において、前記異種金属の継手材料は、アルミニウムを第１の金属材料とし、タングステン、モリブデン、炭素鋼、銅、ニオブのいずれかを第２の金属材料として組合せるか、又はニッケルを第１の金属材料とし、タングステン又はチタンを第２の金属材料として組合せたことを特徴とする。
【００２０】
請求項９に対応する発明は、請求項４又は請求項６に対応する発明の異種金属スカーフ継手の設計方法において、前記異種金属の継手材料は、コバルトを第１の金属材料とし、モリブデンを第２の金属材料として組合せるか、又はチタンを第１の金属材料とし、銅を第２の金属材料として組合せたことを特徴とする。
【００２１】
請求項１０に対応する発明は、請求項１乃至請求項９の何れかに対応する発明の設計方法により異種金属スカーフ継手を得ることを特徴とする。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【００２３】
図１は、本発明による異種金属スカーフ継手及びその設計方法を説明するための第１の実施形態を示すスカーフ継手形状の斜視図である。
【００２４】
まず、異種金属の継手材料として例えばアルミニウム（Ａｌ）からなる平板状の継手材料１と、例えばニオブ（Ｎｂ）からなる継手材料２のスカーフ継手について検討する。
【００２５】
二次元異種材料の接合界面端部における平面問題に関しては応力特異性を決める特性方程式が既に導かれている。そこで、本発明者等がこの特性方程式を用いて図１に示すＡｌとＮｂとの組合せによるスカーフ継手の接合界面端部の応力特異性を解析したところ、スカーフ継手の接合界面両端部Ａ，Ｂにおける自由縁応力特異性は平板の両端部２ヶ所で生じていることが分かった。
【００２６】
すなわち、図１において、スカーフ継手の接合界面両端部Ａ，Ｂの自由縁３と接合界面４を直線とし、これらが交差する点のスカーフ角度θ１が０°から１８０°まで変化した場合の平板の両端部における応力特異性を解析した。ここでは、２ヶ所の接合界面端部における応力特異性を示す指数ｐを摂動法により計算し、応力特異性を求めた。
【００２７】
図２は、その解析結果について縦軸を応力特異性指数、横軸をスカーフ角度として示すグラフである。
【００２８】
このグラフから明らかなように、ＡｌとＮｂの接合面端部に関して、Ａ点に注目するとスカーフ角度θ１がθ１≦７２°、８８°≦θ１≦１２２°の範囲において、接合界面端部における自由縁応力特異性の消失が認められる。また、Ｂ点に注目するとスカーフ角度θ１が５８°≦θ１≦９２°、θ１≧１０８°の範囲において、接合界面端部における自由縁応力特異性の消失が認められる。
【００２９】
これらのことから、接合界面両端部Ａ，Ｂ点共に自由縁応力特異性の消失が認められる範囲は、スカーフ角度θ１が５８°≦θ１≦ら７２°、８８°≦θ１≦９２°及び１０８°≦θ１≦１２２°であることが分かる。
【００３０】
このように本発明の第１の実施形態によれば、異種金属の継手材料（本例ではＡｌとＮｂ）１，２をスカーフ形状に接合するに際して、その自由縁３と接合界面４を直線とし、これらが交差する点のスカーフ角度θ１を０°〜１８０°まで変化したときの平板の両縁部における応力特異性を解析して応力特異性消失範囲を上記範囲のいずれかに特定し、そのスカーフ角度θ１で異種金属スカーフ継手を設計するものである。
【００３１】
そして、このような設計にもとづく異種金属の継手材料１，２を接合に適しているろう付け、拡散接合レーザ溶接、電子ビーム溶接、狭開先溶接等で接合することにより、応力集中を低減させた信頼性の高いスカーフ継手を得ることが可能となる。
【００３２】
上記では異種金属スカーフ継手として、ＡｌとＮｂの接合界面端部の解析結果であるが、ＡｌとＣｕ、Ａｌと炭素鋼、ＡｌとＭｏ、ＡｌとＷ、Ａｌと炭素鋼、ＮｉとＷ、ＮｉとＴｉ、ＣｏとＭｏ等異種金属の組合せによってスカーフ継手の接合界面端部における自由縁応力特異性の消失範囲も異なるが、何れにしても上述同様にスカーフ角度θ１が０°から１８０°まで変化した場合の平板の両端部における応力特異性を解析により求め、その解析結果から接合界面端部における自由縁応力特異性の消失範囲を特定し、これをもとにしてスカーフ継手を設計すれば、応力集中を低減させた信頼性の高いスカーフ継手を得ることができる。
【００３３】
図３は、本発明による異種金属スカーフ継手及びその設計方法を説明するための第２の実施形態を示すベーシスベクトル解析モデル図である。
【００３４】
このベーシスベクトル解析は、図３に示すように異種金属として例えばアルミニウム（Ａｌ）からなる継手材料５と、例えば銅（Ｃｕ）からなる継手材料６を接合するスカーフ継手を対象とし、前述同様に応力特異性解析によって求めた応力特異性消失範囲内において、以下述べるような最適化手法を用いて、継手端部の応力が最小となる角度を求めるものである。因みに、このスカーフ継手の板幅がＷ＝５ｍｍ、全長が１５ｍｍである。
【００３５】
前述した応力特異性解析では、応力特異性が消失する範囲を特定可能であるが、応力集中の低減度合い等の定量的な特定はできない。
【００３６】
そこで、まず応力特異性解析により、前述同様に応力特異性が消失する範囲を特定した後、例えば節点をグルーピング化して一つの変数として設定し、最適化を実施するベーシスベクトル法を用いることによって、最小応力となる角度を特定する。
【００３７】
以下その詳細について述べる。
【００３８】
図３は、異種金属としてＣｕとＡｌの継手材料５，６を用いたスカーフ継手のＡ点とＢ点での破壊発生に大きな影響を及ぼす引張り軸方向成分σｘが、自由縁と接合界面のなすＡｌ側の角度θ１によって受ける影響を示している。図３におけるベーシスベクトル解析は、有限要素法モデルの接合面の節点をグルーピング化して（例えば変数１と定義し）、その変数（端部角度）を変えて解析している。
【００３９】
但し、引張軸方向応力成分は一様引張応力σｎにより無次元化して示す。
【００４０】
また、図４は各角度における応力分布を求めた結果を示すグラフで、黒丸が銅側、白丸がアルミ側を示し、黒三角は銅側の両端部、白三角はアルミ側の両端部を示している。
【００４１】
このグラフから明らかなように、Ｃｕ側もＡｌ側もスカーフ角度θ１の範囲でほぼ同じ応力低下傾向を示すことが確認され、また図４からはθ１＝６３°，１１７°においてσｘ／σｎ＝１．０でＡ点、Ｂ点の応力が一致していることが確認される。このことから、異種金属としてＣｕとＡｌを継手材料とするスカーフ継手において、Ａ点とＢ点で最大の引張応力を示す引張軸方向応力成分σｘに注目し、これを最小とする継手端部の最適形状はθ１＝６３°，１１７°であることが分かる。
【００４２】
そこで、本発明の第２の実施形態では、異種金属としてＣｕとＡｌを継手材料５，６とするスカーフ継手を対象に、応力特異性解析により応力特異性消失範囲を限定して、その範囲内で前述したベーシスベクトル解析（最適化解析）を実施し、応力が最小となるスカーフ角度角度θ１を上記角度に特定してスカーフ継手を設計するものである。
【００４３】
そして、このような異種金属の継手材料５，６を接合に適しているろう付け、拡散接合レーザ溶接、電子ビーム溶接、狭開先溶接等で接合することにより、信頼性の高いスカーフ継手を得ることが可能となる。
【００４４】
図５は、本発明による異種金属スカーフ継手及びその設計方法を説明するための第３の実施形態において、異種金属のヤング率比と応力特異性が消失する角度との関係を示すグラフである。
【００４５】
図５に示すように、異種金属のヤング率比Ｅ１／Ｅ２（Ｅ１：低ヤング率材料のヤング率、Ｅ２：高ヤング率材料のヤング率）として、ＡｌとＮｂのヤング率比が０．６５、ＮｉとＷのヤング率比が０．４９５、ＡｌとＷのヤング率比が０．１８２をそれぞれ継手材料とする異種金属スカーフ継手について前述した応力特異性を解析し、その結果をもとに応力特異性が消失するスカーフ角度範囲を示すとスカーフ角度がそれぞれ黒塗り部分のように５５°≦θ１≦６５°であることが分かる。
【００４６】
また、上記とは異なる異種金属継手材料の組合せの場合には、例えばＡｌとＭｏではヤング率比が０．２２４、ＡｌとＷではヤング率比が０．１８２、ＡｌとＦｅではヤング率比が０．３５４、ＡｌとＣｕではヤング率比が０．５６６、ＴｉとＮｉではヤング率比が０．６１８と異なるが、本解析では何れの組合せにおいても自由縁応力特異性の消失領域が存在することが確認された。
【００４７】
そこで、本発明の第３ｋ実施形態では、異種金属のヤング率比Ｅ１／Ｅ２が０．７未満の薄板継手材料からなる異種金属スカーフ継手の応力最適スカーフ角度θ１の応力特異性が消失する角度範囲を５５°≦θ１≦６５°に設計するものである。
【００４８】
ここで、異種金属のヤング率比Ｅ１／Ｅ２が０．７としているのは、異種金属スカーフ継手において、異種金属の組合せとして種々あるが、解析結果からそのほとんどのヤング率比Ｅ１／Ｅ２が０．７前後にあるためである。
【００４９】
このように本発明の第３の実施形態によれば、異種金属の薄板継手材料のヤング率比と応力特異性消失範囲を関連付けることによって、応力低減角度を用いた異種金属スカーフ継手の設計が可能となり、信頼性の高いスカーフ継手を得ることができる。
【００５０】
図６は、本発明による異種金属スカーフ継手及びその設計方法を説明するための第４の実施形態において、ヤング率比と応力特異性が消失する角度との関係を示すグラフである。
【００５１】
図６に示すように、異種金属のヤング率比Ｅ１／Ｅ２（Ｅ１：低ヤング率材料のヤング率、Ｅ２：高ヤング率材料のヤング率）として、ＴｉとＣｕのヤング率比が０．９５を継手材料とする異種金属スカーフ継手について前述した応力特異性を解析し、その結果をもとに応力特異性が消失するスカーフ角度範囲を示すとスカーフ角度がそれぞれ黒塗り部分のように３°≦θ１≦２５°、４４°≦θ１≦９０°であることが分かる。
【００５２】
また、上記とは異なる異種金属継手材料の組合せの場合には、例えばＣｏとＭｏではヤング率比０．７４８と異なるが、本解析ではこの組合せにおいても自由縁応力特異性の消失領域が存在することが確認された。
【００５３】
そこで、本発明の第４の実施形態では、異種金属の継手材料のヤング率比Ｅ１／Ｅ２を０．７以上とした場合の薄板異種金属スカーフ継手の応力最適スカーフ角度θ１の特異性が消失する角度範囲を３°≦θ１≦２５°、４４°≦θ１≦９０°に設計するものである。
【００５４】
このように本発明の第４の実施形態によれば、継手材料のヤング率比と応力特異性消失範囲を関連付けることによって、応力低減角度を用いた異種金属スカーフ継手の設計が可能となり、信頼性の高いスカーフ継手を得ることができる。
【００５５】
図７は、本発明による異種金属スカーフ継手及びその設計方法を説明するための第５の実施形態において、ヤング率比と応力特異性が消失する角度との関係を示すグラフである。
【００５６】
図７に示すように、異種金属のヤング率比Ｅ１／Ｅ２（Ｅ１：低ヤング率材料のヤング率、Ｅ２：高ヤング率材料のヤング率）として、ＡｌとＮｂのヤング率比が０．６５、ＮｉとＷのヤング率比が０．４９５、ＡｌとＷのヤング率比が０．１８２をそれぞれ異種金属の肉厚の継手材料とする異種金属スカーフ継手について前述した応力特異性を解析し、その結果をもとに応力特異性が消失するスカーフ角度範囲を示すとスカーフ角度がそれぞれ黒塗り部分のように５５°≦θ１≦７０°であることが分かる。
【００５７】
また、上記とは異なる異種金属継手材料の組合せの場合には、例えばＡｌとＭｏではヤング率比が０．２２４、ＡｌとＷではヤング率比が０．１８２、ＡｌとＦｅではヤング率比が０．３５４、ＡｌとＣｕではヤング率比が０．５６６、ＴｉとＮｉではヤング率比が０．６１８と異なるが、本解析では何れの組合せにおいても自由縁応力特異性の消失領域が存在することが確認された。
【００５８】
そこで、本発明の第５の実施形態では、異種金属の肉厚継手材料のヤング率比Ｅ１／Ｅ２を０．７未満とした場合の板厚異種金属スカーフ継手の応力特異性が消失するスカーフ角度範囲を５５°≦θ１≦７０°に設計するものである。
【００５９】
このように本発明の第５の実施形態によれば、肉厚の継手材料のヤング率比と応力特異性消失範囲を関連付けることによって、応力低減角度を用いた異種金属スカーフ継手の設計が可能となり、信頼性の高いスカーフ継手を得ることができる。
【００６０】
図８は、本発明による異種金属スカーフ継手及びその設計方法を説明するための第６の実施形態において、ヤング率比と応力特異性が消失する角度との関係を示すグラフである。
【００６１】
図８に示すように、異種金属のヤング率比Ｅ１／Ｅ２（Ｅ１：低ヤング率材料のヤング率、Ｅ２：高ヤング率材料のヤング率）として、ＴｉとＣｕのヤング率比が０．９５を異種金属の肉厚の継手材料とする異種金属スカーフ継手について前述同様に応力特異性を解析し、その結果をもとに応力特異性が消失するスカーフ角度範囲を示すとスカーフ角度がそれぞれ黒塗り部分のように３°≦θ１≦１５°、５３°≦θ１≦９０°であることが分かる。
【００６２】
また、上記とは異なる異種金属継手材料の組合せの場合には、例えばＣｏとＭｏではヤング率比０．７４８と異なるが、本解析ではこの組合せにおいても自由縁応力特異性の消失領域が存在することが確認された。
【００６３】
そこで、本発明の第６の実施形態では、異種金属のヤング率比Ｅ１／Ｅ２が０．７以上の肉厚継手材料からなる異種金属スカーフ継手の応力最適スカーフ角度θ１の特異性が消失する角度範囲を３°≦θ１≦１５°、５３°≦θ１≦９０°に設計するものである。
【００６４】
このように本発明の第６の実施形態によれば、継手材料のヤング率比と応力特異性消失範囲を関連付けることによって、応力低減角度を用いた異種金属スカーフ継手の設計が可能となり、信頼性の高いスカーフ継手を得ることができる。
【００６５】
なお、薄肉、厚肉の定義として、部材の縦（Ｌ１）、横（Ｌ２）、板厚（ｔ）とした場合、有限要素法で区別する一つの目安として、Ｌ１／ｔ≧２０、かつＬ２／ｔ≦２０を肉厚とした。
【００６６】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、異種金属スカーフ継手の角度を応力特異性解析及び最適化解析によって求め、その角度から応力集中が緩和する角度を選定して継手設計することにより、強度上信頼性の高い異種金属スカーフ継手及びその設計方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態を説明するためのスカーフ継手形状を示す斜視図。
【図２】同実施形態において、応力特異性解析結果を示すグラフ。
【図３】本発明の第２の実施形態を説明するためのスカーフ継手を示すベーシスベクトル解析モデル図。
【図４】同実施形態において、最適化解析結果を示すグラフ。
【図５】本発明の第３の実施形態を説明するためのヤング率比と応力特異性が消失する角度との関係を示すグラフ。
【図６】本発明の第４の実施形態を説明するためのヤング率比と応力特異性が消失する角度との関係を示すグラフ。
【図７】本発明の第５の実施形態を説明するためのヤング率比と応力特異性が消失する角度との関係を示すグラフ。
【図８】本発明の第６の実施形態を説明するためのヤング率比と応力特異性が消失する角度との関係を示すグラフ。
【符号の説明】
１…Ａｌからなる継手材料
２…Ｎｂからなる継手材料
３…自由縁
４…接合界面
５…Ａｌからなる継手材料
６…Ｃｕからなる継手材料
Ａ，Ｂ…スカーフ継手の接合界面端部[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a scarf joint used as a joint shape of dissimilar metals and a design method thereof.
[0002]
[Prior art]
Joining of dissimilar metals is an effective technique for enhancing the functionality and performance of a single material, and research on combinations of many metallic materials has already been carried out and practical use has been promoted.
[0003]
Conventionally, there are various types of dissimilar metal joints such as a lap joint (Patent Literature 1) and a universal joint (Patent Literature 2). Recently, a scarf joint having a large joint area has been frequently used as a joint shape. With respect to the optimization of the joint shape, an analytical study using a general finite element method is mainly performed.
[0004]
[Patent Document 1]
JP-A-5-156213
[Patent Document 2]
JP-A-9-42303
[Problems to be solved by the invention]
Regarding the combination of different metals, a fragile metal compound is formed at the joint interface, and it is difficult to obtain a highly reliable joint, and it cannot be said that practical use has always been sufficiently achieved.
[0007]
Incidentally, there is a friction welding method as a joining method of dissimilar metals. This friction welding method is a process based on plastic flow and solid-state welding, and is an effective process for dissimilar metal joining because it can be joined at a low temperature and the control of the intermetallic compound layer is relatively easy. Many studies have already been made on the joining of titanium and aluminum, the joining of aluminum and stainless steel, the joining of copper and aluminum, etc. on the optimization of friction welding conditions, the structure of the joining interface, the joint strength, and the like.
[0008]
On the other hand, as a joint shape of dissimilar metals by a brazing method or a diffusion bonding method, it has been known that there is a scarf angle at which the free edge stress singularity disappears by stress singularity analysis for a scarf joint. It is considered that the scarf angle varies depending on the stress state as well as the combination of different metal materials, that is, the elastic constants.
[0009]
However, regarding the combination of different kinds of metal materials of the scarf joint, no quantitative optimization study of the scarf angle has been carried out, so that a scarf joint maintaining the joint strength has not been obtained at present.
[0010]
The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and is intended for a combination of various dissimilar metal materials in which an intermetallic compound layer is formed at a bonding interface, with respect to a stress concentration reducing condition at a bonding interface end of a scarf joint. An object of the present invention is to provide a highly reliable dissimilar metal scarf joint that maintains joint strength and that provides a design method by elucidating the joint design guidelines.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention designs a dissimilar metal scarf joint shape by the following method.
[0012]
According to the invention corresponding to claim 1, in a scarf joint formed by joining joint materials of dissimilar metals in a scarf shape, as a condition for reducing stress concentration at a joint interface of the joint, a free edge and a joint interface at both ends of the joint interface of the joint are used. It is a straight line, the scarf angle at the point where they intersect is determined by stress singularity analysis at the interface of the dissimilar metal joint, the range of the stress singularity disappearing scarf angle is limited, and joint design is performed within that range .
[0013]
A second aspect of the present invention provides a method for designing a dissimilar metal scarf joint according to the first aspect of the present invention, wherein an optimization technique is used based on a scarf angle within a stress singularity disappearing range obtained by stress singularity analysis. An angle at which the stress at the end of the interface between the dissimilar metal joints is minimized is determined.
[0014]
A third aspect of the present invention is the method for designing a dissimilar metal scarf joint according to the first aspect, wherein the dissimilar metal thin plate joint material has a Young's modulus ratio E 1 / E 2 (E 1 : low Young's modulus material). Young's modulus of, E 2: characterized by designing the scarf angle theta 1 in the case of a high Young's modulus Young's modulus material) of less than 0.7 as 55 ° ≦ θ 1 ≦ 65 ° .
[0015]
According to a fourth aspect of the present invention, in the method for designing a dissimilar metal scarf joint according to the first aspect of the present invention, a Young's modulus ratio E 1 / E 2 (E 1 : low Young's modulus material) of the thin metal joint material of the dissimilar metal is used. And the E 2 : Young's modulus of a high Young's modulus material is set to 0.7 or more, and the scarf angle θ 1 is designed to be 3 ° ≦ θ 1 ≦ 25 ° and 44 ° ≦ θ 1 ≦ 90 °. It is characterized by.
[0016]
According to a fifth aspect of the present invention, in the method for designing a dissimilar metal scarf joint according to the first aspect of the present invention, a Young's modulus ratio E 1 / E 2 (E 1 : low Young's modulus) of the thick joint material of the dissimilar metal is used. Young's modulus of the material, E 2: characterized by designing the scarf angle theta 1 in the case of a high Young's modulus Young's modulus material) of less than 0.7 as 55 ° ≦ θ1 ≦ 70 °.
[0017]
An invention corresponding to claim 6 is the method of designing a dissimilar metal scarf joint according to claim 1, wherein the dissimilar metal thick joint material has a Young's modulus ratio E 1 / E 2 (E 1 : low Young's modulus). When the Young's modulus of the material, E 2 : Young's modulus of the high Young's modulus material, is 0.7 or more, the scarf angle θ 1 is designed to be 3 ° ≦ θ 1 ≦ 15 ° and 53 ° ≦ θ 1 ≦ 90 °. It is characterized by the following.
[0018]
According to a seventh aspect of the present invention, in the method for designing a dissimilar metal scarf joint according to any one of the first to sixth aspects, the joint material of the dissimilar metal includes brazing, diffusion bonding, laser welding, It is characterized by being joined by one of electron beam welding and narrow gap arc welding.
[0019]
An eighth aspect of the present invention is the method for designing a dissimilar metal scarf joint according to the third or fifth aspect, wherein the dissimilar metal joint material is aluminum as the first metal material, and tungsten, molybdenum. , Carbon steel, copper, or niobium as the second metal material, or nickel as the first metal material and tungsten or titanium as the second metal material.
[0020]
According to a ninth aspect of the present invention, in the method of designing a dissimilar metal scarf joint according to the fourth or sixth aspect, the dissimilar metal joint material is cobalt as the first metal material and molybdenum is the second metal material. 2 or a combination of titanium as a first metal material and copper as a second metal material.
[0021]
According to a tenth aspect of the present invention, a dissimilar metal scarf joint is obtained by the designing method according to the first aspect of the invention.
[0022]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0023]
FIG. 1 is a perspective view of a shape of a scarf joint showing a first embodiment for describing a dissimilar metal scarf joint and a design method thereof according to the present invention.
[0024]
First, a scarf joint of a joint material 1 of a flat plate made of, for example, aluminum (Al) and a joint material 2 made of, for example, niobium (Nb) will be examined as joint materials of different metals.
[0025]
Regarding the plane problem at the edge of the interface between two-dimensional dissimilar materials, a characteristic equation that determines the stress singularity has already been derived. Then, the present inventors analyzed the stress singularity of the joining interface end of the scarf joint by the combination of Al and Nb shown in FIG. 1 using this characteristic equation, and found that the joining interface both ends A and B of the scarf joint. It was found that the free edge stress singularity of the sample occurred at two places at both ends of the flat plate.
[0026]
That is, in FIG. 1, the free edge 3 and the joining interface 4 of both ends A and B of the joining interface of the scarf joint are straight lines, and the flat plate when the scarf angle θ 1 at the point where they intersect changes from 0 ° to 180 °. The stress singularities at both ends were analyzed. Here, the index p indicating the stress singularity at the two end portions of the joint interface was calculated by the perturbation method to determine the stress singularity.
[0027]
FIG. 2 is a graph showing the stress singularity index on the vertical axis and the scarf angle on the horizontal axis for the analysis results.
[0028]
As is clear from this graph, regarding the end of the joining surface of Al and Nb, when focusing on point A, when the scarf angle θ 1 is in the range of θ 1 ≦ 72 ° and 88 ° ≦ θ 1 ≦ 122 °, the joining interface end is obtained. Loss of the free edge stress singularity is observed. At the point B, when the scarf angle θ 1 is in the range of 58 ° ≦ θ 1 ≦ 92 ° and θ 1 ≧ 108 °, disappearance of the free edge stress singularity at the end of the bonding interface is recognized.
[0029]
For these reasons, the range of the bonding interface both ends A, the point B both disappearance of the free edge stress specificity is observed, scarf angle theta 1 is 58 ° ≦ θ 1 ≦ et 72 °, 88 ° ≦ θ 1 ≦ 92 ° And 108 ° ≦ θ 1 ≦ 122 °.
[0030]
As described above, according to the first embodiment of the present invention, when joining dissimilar metal joint materials (Al and Nb in this example) 1 and 2 in a scarf shape, the free edge 3 and the joint interface 4 are linear. , stress specificity loss ranges by analyzing the stress singularity at the edges of the plate when they changed to scarf angle theta 1 to 0 ° to 180 ° of the point of intersection identified in any of the above-mentioned range, in the scarf angle theta 1 is intended to design a dissimilar metal scarf joint.
[0031]
Then, by joining the joint materials 1 and 2 of dissimilar metals based on such a design by brazing, diffusion welding laser welding, electron beam welding, narrow groove welding, etc., stress concentration is reduced. It is possible to obtain a highly reliable scarf joint.
[0032]
The above is an analysis result of the joint interface end of Al and Nb as a dissimilar metal scarf joint. Al and Cu, Al and carbon steel, Al and Mo, Al and W, Al and carbon steel, Ni and W, Ni and Ti, loss range of the free edge stress singularity at the bonding interface end of the scarf joint by a combination of Co and Mo such dissimilar metals different, up to above likewise 180 ° scarf angle theta 1 is from 0 ° Anyway If the stress singularity at both ends of the flat plate is changed by analysis, the range of disappearance of the free edge stress singularity at the end of the joint interface is specified from the analysis results, and based on this, a scarf joint is designed. A highly reliable scarf joint with reduced stress concentration can be obtained.
[0033]
FIG. 3 is a basis vector analysis model diagram showing a second embodiment for describing a dissimilar metal scarf joint and a design method thereof according to the present invention.
[0034]
As shown in FIG. 3, the basis vector analysis is performed on a scarf joint for joining a joint material 5 made of, for example, aluminum (Al) as a dissimilar metal and a joint material 6 made of, for example, copper (Cu). Within the stress singularity disappearance range obtained by the singularity analysis, an angle at which the stress at the joint end is minimized is obtained by using an optimization method described below. Incidentally, the plate width of this scarf joint is W = 5 mm and the total length is 15 mm.
[0035]
In the above-described stress singularity analysis, a range in which the stress singularity disappears can be specified, but a quantitative specification such as a degree of reduction in stress concentration cannot be performed.
[0036]
Therefore, first by stress singularity analysis, after specifying the range in which the stress singularity disappears as described above, for example, by grouping the nodes and setting them as one variable, by using the basis vector method of performing optimization, Identify the minimum stress angle.
[0037]
The details are described below.
[0038]
FIG. 3 shows that the tensile axial component σx, which greatly affects the occurrence of fracture at points A and B of a scarf joint using joint materials 5 and 6 of Cu and Al as dissimilar metals, forms a free edge and a joint interface. shows the impact of any angle theta 1 of the Al side. In the basis vector analysis in FIG. 3, the nodes of the joint surface of the finite element method model are grouped (for example, defined as a variable 1), and the analysis is performed by changing the variable (end angle).
[0039]
However, the stress component in the tensile axial direction is shown dimensionlessly by the uniform tensile stress σn.
[0040]
FIG. 4 is a graph showing the results of the stress distribution at each angle. The black circle indicates the copper side, the white circle indicates the aluminum side, the black triangle indicates both ends of the copper side, and the white triangle indicates both ends of the aluminum side. ing.
[0041]
As is apparent from this graph, Cu side Al side to exhibit approximately the same stress decline ranging scarf angle theta 1 was confirmed, θ 1 = 63 ° from FIG. 4, sigma] x / .sigma.n at 117 ° = 1.0, it is confirmed that the stresses at the points A and B coincide. From this fact, in a scarf joint using Cu and Al as joint materials as dissimilar metals, attention is paid to the tensile axial stress component σx showing the maximum tensile stress at points A and B, and the joint end at which this is minimized. It can be seen that the optimal shape is θ 1 = 63 °, 117 °.
[0042]
Thus, in the second embodiment of the present invention, the scarcity joint is limited by stress singularity analysis to a scarf joint using Cu and Al as joint metals 5 and 6 as dissimilar metals. in implementing the basis vector analysis described above (optimization analysis), the scarf angle angle theta 1 which the stress is minimized is to design a scarf joint to specified above angle.
[0043]
By joining such dissimilar metal joint materials 5 and 6 by brazing, diffusion bonding laser welding, electron beam welding, narrow groove welding, or the like suitable for joining, a highly reliable scarf joint is obtained. It becomes possible.
[0044]
FIG. 5 is a graph showing the relationship between the Young's modulus ratio of dissimilar metals and the angle at which the stress singularity disappears in the third embodiment for explaining the dissimilar metal scarf joint and the design method thereof according to the present invention.
[0045]
As shown in FIG. 5, the Young's modulus ratio E 1 / E 2 (E 1 : Young's modulus of low Young's modulus material, E 2 : Young's modulus of high Young's modulus material) of Young's modulus of different metals The stress singularity described above was analyzed for a dissimilar metal scarf joint using 0.65, a Young's modulus ratio of Ni and W of 0.495, and a Young's modulus ratio of Al and W of 0.182, respectively. The range of the scarf angle at which the stress singularity disappears is shown based on the above, and it can be seen that the scarf angle is 55 ° ≦ θ 1 ≦ 65 ° as in the black-painted portion.
[0046]
In the case of a combination of different metal joint materials different from the above, for example, the Young's modulus ratio is 0.224 for Al and Mo, the Young's modulus ratio is 0.182 for Al and W, and the Young's modulus ratio is Al for Fe. 0.354, the Young's modulus ratio is 0.566 between Al and Cu, and the Young's modulus ratio is 0.618 between Ti and Ni. In this analysis, there is a region where the free edge stress singularity disappears in any combination. It was confirmed that.
[0047]
Thus, in the 3k embodiment of the present invention, the stress singularity of the stress optimum scarf angle θ 1 of the dissimilar metal scarf joint made of a thin sheet joint material having a Young's modulus ratio E 1 / E 2 of less than 0.7 is dissipated. The angle range is designed to be 55 ° ≦ θ 1 ≦ 65 °.
[0048]
Here, the Young's modulus ratio E 1 / E 2 of the dissimilar metal is set to 0.7 in various kinds of combinations of dissimilar metals in a dissimilar metal scarf joint. From analysis results, most of the Young's modulus ratios E 1 / E 2 are used . E 2 is because there in the front and rear 0.7.
[0049]
As described above, according to the third embodiment of the present invention, it is possible to design a dissimilar metal scarf joint using the stress reduction angle by associating the Young's modulus ratio of the dissimilar metal sheet joint material with the stress singularity disappearance range. And a highly reliable scarf joint can be obtained.
[0050]
FIG. 6 is a graph showing the relationship between the Young's modulus ratio and the angle at which the stress singularity disappears in the fourth embodiment for describing the dissimilar metal scarf joint and the design method thereof according to the present invention.
[0051]
As shown in FIG. 6, the Young's modulus ratio of different metals E 1 / E 2 (E 1 : Young's modulus of low Young's modulus material, E 2 : Young's modulus of high Young's modulus material) When the stress singularity described above was analyzed for a dissimilar metal scarf joint using 0.95 as a joint material, and based on the results, the range of the scarf angle where the stress singularity disappeared was shown, the scarf angles were each as indicated by the black painted part. It can be seen that 3 ° ≦ θ 1 ≦ 25 ° and 44 ° ≦ θ 1 ≦ 90 °.
[0052]
In the case of a combination of different metal joint materials different from the above, for example, the Young's modulus ratio of Co and Mo is different from 0.748, but in this analysis, there is a region where the free edge stress singularity disappears even in this combination. It was confirmed that.
[0053]
Therefore, in the fourth embodiment of the present invention, the specificity of the stress optimum scarf angle θ 1 of the thin sheet dissimilar metal scarf joint when the Young's modulus ratio E 1 / E 2 of the dissimilar metal joint material is set to 0.7 or more. Are designed so that 3 ° ≦ θ 1 ≦ 25 ° and 44 ° ≦ θ 1 ≦ 90 °.
[0054]
As described above, according to the fourth embodiment of the present invention, it is possible to design a dissimilar metal scarf joint using the stress reduction angle by associating the Young's modulus ratio of the joint material with the stress singularity disappearance range. High scarf joint can be obtained.
[0055]
FIG. 7 is a graph showing the relationship between the Young's modulus ratio and the angle at which the stress singularity disappears in a fifth embodiment for describing a dissimilar metal scarf joint and a design method thereof according to the present invention.
[0056]
As shown in FIG. 7, the Young's modulus ratio E 1 / E 2 (E 1 : Young's modulus of a low Young's modulus material, E 2 : Young's modulus of a high Young's modulus material) of the dissimilar metals is the Young's modulus ratio of Al and Nb. The stress singularity described above for a dissimilar metal scarf joint using 0.65, a Young's modulus ratio of Ni and W of 0.495, and a Young's modulus ratio of Al and W of 0.182, respectively. Is analyzed, and based on the result, the range of the scarf angle at which the stress singularity disappears is shown, and it can be seen that the scarf angle is 55 ° ≦ θ 1 ≦ 70 ° like the black-painted portion.
[0057]
In the case of a combination of different metal joint materials different from the above, for example, the Young's modulus ratio is 0.224 for Al and Mo, the Young's modulus ratio is 0.182 for Al and W, and the Young's modulus ratio is Al for Fe. 0.354, the Young's modulus ratio is 0.566 between Al and Cu, and the Young's modulus ratio is 0.618 between Ti and Ni. In this analysis, there is a region where the free edge stress singularity disappears in any combination. It was confirmed that.
[0058]
Therefore, in the fifth embodiment of the present invention, the stress specificity of the sheet thickness dissimilar metal scarf joint when the Young's modulus ratio E 1 / E 2 of the dissimilar metal thick joint material is less than 0.7 disappears. The scarf angle range is designed to be 55 ° ≦ θ 1 ≦ 70 °.
[0059]
As described above, according to the fifth embodiment of the present invention, it is possible to design a dissimilar metal scarf joint using a stress reduction angle by associating the Young's modulus ratio of the thick joint material with the stress singularity disappearance range. A highly reliable scarf joint can be obtained.
[0060]
FIG. 8 is a graph showing the relationship between the Young's modulus ratio and the angle at which the stress singularity disappears in the sixth embodiment for describing the dissimilar metal scarf joint and the design method thereof according to the present invention.
[0061]
As shown in FIG. 8, the Young's modulus ratio E 1 / E 2 (E 1 : Young's modulus of a low Young's modulus material, E 2 : Young's modulus of a high Young's modulus material) of the dissimilar metals is defined as the Young's modulus ratio of Ti and Cu. The stress singularity was analyzed in the same manner as described above for a dissimilar metal scarf joint using 0.95 as a joint material of a dissimilar metal thickness, and based on the results, a scarf angle range in which the stress singularity disappeared was shown as the scarf angle. Are 3 ° ≦ θ 1 ≦ 15 ° and 53 ° ≦ θ 1 ≦ 90 °, respectively, as in the blacked portion.
[0062]
In the case of a combination of different metal joint materials different from the above, for example, the Young's modulus ratio of Co and Mo is different from 0.748, but in this analysis, there is a region where the free edge stress singularity disappears even in this combination. It was confirmed that.
[0063]
Therefore, in the sixth embodiment of the present invention, the uniqueness of the stress optimum scarf angle θ 1 of the dissimilar metal scarf joint made of the thick joint material having a Young's modulus ratio E 1 / E 2 of 0.7 or more of different metals is obtained. The vanishing angle range is designed to be 3 ° ≦ θ 1 ≦ 15 ° and 53 ° ≦ θ 1 ≦ 90 °.
[0064]
As described above, according to the sixth embodiment of the present invention, it is possible to design a dissimilar metal scarf joint using a stress reduction angle by associating the Young's modulus ratio of the joint material with the stress singularity disappearance range, High scarf joint can be obtained.
[0065]
When the thickness (t1), the width (t2), and the thickness (t) of a member are defined as thin and thick, one standard to be distinguished by the finite element method is L1 / t ≧ 20 and L2 / T ≦ 20 was defined as the wall thickness.
[0066]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the angle of a dissimilar metal scarf joint is determined by stress singularity analysis and optimization analysis, and an angle at which stress concentration is relaxed is selected from the angle to design a joint. A highly reliable dissimilar metal scarf joint and a design method thereof can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing a scarf joint shape for explaining a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a graph showing a result of a stress singularity analysis in the embodiment.
FIG. 3 is a basis vector analysis model diagram showing a scarf joint for explaining a second embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a graph showing an optimization analysis result in the embodiment.
FIG. 5 is a graph illustrating a relationship between a Young's modulus ratio and an angle at which stress singularity disappears, for explaining a third embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a graph illustrating a relationship between a Young's modulus ratio and an angle at which stress singularity disappears, for describing a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a graph illustrating a relationship between a Young's modulus ratio and an angle at which stress singularity disappears, for describing a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a graph illustrating a relationship between a Young's modulus ratio and an angle at which stress singularity disappears, for explaining a sixth embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Joint material made of Al 2 ... Joint material made of Nb 3 ... Free edge 4 ... Joint interface 5 ... Joint material made of Al 6 ... Joint material A and B made of Cu ... End of joining interface of scarf joint
