JP2005081427A

JP2005081427A - 接合方法

Info

Publication number: JP2005081427A
Application number: JP2003319236A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Kato; 豪士加藤
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 2003-09-11
Filing date: 2003-09-11
Publication date: 2005-03-31

Abstract

【課題】摩擦攪拌接合により簡易かつ効率的に接合することができ、しかも、突き合わせ部にギャップがあっても十分な強度を確保することのできる接合方法を提供すること。
【解決手段】接合工具１の回転本体部２に傾斜面５を形成し、プローブ３を突き合わせ部１０に進入させ、回転本体部２の傾斜面５と被摺接面１１との間の隙間に強化粉末材料１３を供給しつつ、接合工具１を回転させながら突き合わせ部１０に沿って移動させることにより、摩擦攪拌接合する。これによって、摩擦攪拌接合時には、その傾斜面５と被摺接面１１との間の隙間に、強化粉末材１３が巻き込まれるようにして効率よく供給されるので、これら接合板８、９の端面の間のギャップ１２に強化粉末材１３を十分に充填することができる。また、セラミックス粉末の供給による突き合わせ部１０の複合材料化により、これら接合板８、９を高い接合強度で接合することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、接合方法、詳しくは、摩擦攪拌接合による接合方法に関する。

近年、アルミニウム合金などからなる部材間を接合する方法として、摩擦攪拌接合が提案されている。この摩擦攪拌接合は、先端部に突起が形成されている円柱体からなる金属製の回転ツールを用いて、アルミニウム合金などからなる２つの部材を突き合わせて、その突き合わせ部に、突起を進入させながら、回転ツールを摺接させ、突き合わせ部に沿って回転させながら移動させ、これにより発生する摩擦熱と圧力とによって、摺接部分の部材を塑性流動させ、これら部材間を接合する方法であって、簡易かつ効率のよい接合方法として、開発が進められている。

例えば、被接合材の突き合わせ部に生じるギャップに粉末状接合材料を充填し、先端部にプローブを備えるツールからなる接合工具を用いて、そのプローブを被接合材の突き合わせ部に挿入させて、回転させつつ突き合わせ部に沿って移動させることにより、被接合材を摩擦攪拌接合する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

この方法によれば、たとえ被接合材の突き合わせ部に一定しないギャップがあっても、高い接合強度を得ることができる。
特開２００３−１２６９７０号公報

しかし、特許文献１に記載される方法では、突き合わせ部にプローブを挿入すると、ツールが突き合わせ部を塞いで、粉末状接合材料がギャップに効率よく充填されず、その結果、突き合わせ部の接合強度が十分に得られないという不具合がある。

本発明の目的は、摩擦攪拌接合により、簡易かつ効率的に接合することができ、しかも、突き合わせ部にギャップがあっても、十分な強度を確保することのできる、接合方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明は、２つの被接合材を突き合わせ、接合工具を、回転させながら前記突き合わせ部に沿って移動させることにより、摩擦攪拌接合する接合方法において、前記接合工具は、前記突き合わせ部に進入される小径部と、前記突き合わせ部に摺接され前記小径部より大径であり前記小径部と同心円上に設けられる大径部とを備え、前記大径部の少なくとも一部には、前記小径部から前記大径部の外周端部に向かうに従って、前記大径部の軸方向における前記小径部の反対側に向かって傾斜する傾斜面が設けられており、前記摩擦攪拌接合時において、前記傾斜面と前記被接合材との間の隙間に、強化粉末材を供給することを特徴としている。

また、本発明では、前記傾斜面は、前記軸方向の直交方向に対して、前記大径部の外周端部に向かう角度が５°以下で形成されていることが好適である。

本発明の接合方法では、大径部の少なくとも一部に、大径部の外周端部に向かうに従って軸方向における小径部の反対側に向かって傾斜する傾斜面が設けられているので、摩擦攪拌接合時に、傾斜面と被接合材との間の隙間から、突き合わせ部に効率よく強化粉末材を供給することができる。そのため、突き合わせ部にギャップがあっても、十分な強度で接合することができる。また、強化材粉末として、例えば、セラミックスなどの異種材料からなる粉末を供給することで、突き合わせ部をより強固に接合することができる。その結果、簡易かつ効率的に接合することができ、しかも、突き合わせ部における十分な強度を確保することができる。

図１は、本発明の接合方法に用いられる接合工具の一実施形態を示す概略構成図、図２は、摩擦攪拌接合を説明するための概略説明図である。

図１（ａ）および（ｂ）において、この接合工具１は、２つの接合板８、９（図２参照）の突き合わせ部１０（図２参照）に進入される小径部としてのプローブ３と、突き合わせ部１０を挟む各接合板８、９の被摺接面１１（図２参照）に摺接され、プローブ３より大径でありプローブ３と同心円上に設けられる大径部としての回転本体部２とを備えている。

回転本体部２は、円柱体からなり、図１（ｃ）および（ｄ）に示すように、プローブ３が突出される摺接面４には、傾斜面５が形成されている。傾斜面５は、摺接面４において、プローブ３との接線Ｔにおけるプローブ３との接点から回転本体部２の外周端部に向かう一方側部分を内方端部６とし、その接線Ｔの長手方向途中（図１では、プローブ３との接点、つまり、接線Ｔの長手方向中央）から接線Ｔと直交する直交線Ｐにおけるプローブ３から回転本体部２の外周端部に向かう部分を側方端部７とする、内方端部６、側方端部７および回転本体部２の外周端部によって囲まれる部分に形成されており、プローブ３から回転本体部２の外周端部に向かうに従って、回転本体部２の軸方向（プローブ３が延びる方向）におけるプローブ３の突出方向と反対側方向に向かって傾斜するように形成されている。

この傾斜面５は、図１（ｂ）に示すように、回転本体部２の軸方向に直交する方向（摺接面４が延びる方向）に対して、回転本体部２の外周端部に向かう傾斜角度θが、好ましくは、５°以下、さらに好ましくは、１〜５°として形成されている。傾斜角度θを５°以下とすることによって、回転本体部２の摺接面４の被摺接面１１に対する密着性を確保しつつ、２つの接合板８、９の突き合わせ部１０に生じるギャップ１２（図２参照）への強化粉末材料１３（図２参照）の十分な供給を図ることができる。なお、傾斜角度θが１０°を超えると、回転本体部２の摺接面４の被摺接面１１に対する密着性の低下により、２つの接合板８、９の突き合わせ部１０を十分に接合することができない場合がある。

プローブ３は、円柱体からなり、回転本体部２の中心（軸心）において、回転本体部２と同心円上に配置され、摺接面４から回転本体部２の軸方向に沿って突出するように設けられている。なお、プローブ３は、回転本体部２の外径に対して、約１／１０〜１／２程度小径に形成されている。

次に、本発明の接合方法を、上記した接合工具１を用いて、被接合材としての、アルミニウム、銅、チタンまたはそれらの合金などからなる２つの接合板８、９を、突き合わせて接合する態様を例示して説明する。

この接合方法では、図２（ａ）に示すように、まず、２つの接合板８、９を突き合わせて図示しない治具により固定する。なお、２つの接合板８、９が対向する端面の境界である突き合わせ部１０においては、２つの接合板８、９の端面の精度などに起因して、突き合わせ部１０の長手方向に沿って間隔が一定しないギャップ１２が生じる。

そして、接合工具１のプローブ３を突き合わせ部１０に進入させ、回転本体部２の傾斜面５と被摺接面１１との間の隙間に強化粉末材料１３を供給しつつ、接合工具１を回転させながら突き合わせ部１０に沿って移動させることにより、摩擦攪拌接合する。

強化粉末材料１３は、摩擦攪拌接合により軟化して塑性流動する金属粉末であれば、特に制限されないが、例えば、接合板８、９と同一の金属粉末が用いられる。なお、強化粉末材料１３の平均粒子径は、特に制限されないが、例えば、０．５〜２０μｍ程度である。また、強化粉末材料１３の供給量は、特に制限されず、例えば、回転本体部２の傾斜面５と被摺接面１１との間の隙間に対して、適宜の供給量で供給する。

この摩擦攪拌接合においては、接合工具１の回転本体部２は、図示しないホルダによって軸線回りに回転自在に支持されており、このホルダをモータなどの駆動手段（図示せず。）によって回転駆動することにより、接合工具１がその軸線回りに回転する。また、接合工具１は、駆動機構（図示せず。）によって、突き合わせ部１０に沿って移動するように設定されている。

そして、駆動手段を駆動することにより、接合工具１を高速回転させて、プローブ３を突き合わせ部１０の深さ方向に進入させるとともに、回転本体部２の摺接面４を被摺接面１１に摺接させながら、駆動機構によって、突き合わせ部１０の表面に沿って接合工具１を移動させる。また、これと同時に、移動する接合工具１の回転本体部２と被摺接面１１との間に、強化粉末材料１３を供給する。強化粉末材料１３は、例えば、公知の供給装置（図示せず。）を用いて、その供給装置に設けられた供給ノズルを回転本体部２の傾斜面５と被摺接面１１との間の隙間に位置させて、その供給ノズルから供給する。

なお、このような摩擦攪拌接合のための機構は、特に制限されず、公知の機構を採用することができる。

そして、この摩擦攪拌接合では、図２（ｂ）に示すように、回転本体部２の摺接面４を被摺接面１１に摺接させて、押圧しながらプローブ３を被摺接面１１の界面から突き合わせ部１０へ所定深さ進入させると、その接触部分（プローブ３の進入部分および回転本体部２の摺接部分）において発生する摩擦熱Ｈと接合工具１の撹拌作用により、被摺接面１１および突き合わせ部１０の表面における接合工具１の接触部分およびその近傍部分が、軟化して塑性流動を生ずる。そして、塑性流動した部分が、非溶融状態で撹拌された後、冷却凝固するために、この突き合わせ部１０において、２つの接合板８、９が接合される。

また、この方法では、移動する接合工具１の回転本体部２と被摺接面１１との間に、強化粉末材料１３が供給されるので、突き合わせ部１０において、２つの接合板８、９の端面の間に、間隔が一定しないギャップ１２があっても、そのギャップ１２には、回転本体部２と被摺接面１１との間から、強化粉末材料１３が充填されるので、その強化粉末材料１３によって、これら接合板８、９の端面の間の隙間が欠陥なく充填され、その結果、突き合わせ部１０において、これら接合板８、９が高い接合強度で接合される。

すなわち、この方法では、回転本体部２には傾斜面５が形成されているので、摩擦攪拌接合時には、その傾斜面５と被摺接面１１との間の隙間に、強化粉末材１３が巻き込まれるようにして効率よく供給される。そのため、回転本体部２の摺接面４が突き合わせ部１０を塞いで強化粉末材料１３をギャップ１２に充填しにくいという不具合を解消することができ、これら接合板８、９の端面の間のギャップ１２に、強化粉末材１３を十分に充填することができる。これによって、突き合わせ部１０において、これら接合板８、９が高い接合強度で接合され、その結果、簡易かつ効率的に接合することができ、しかも、突き合わせ部１０における十分な強度を確保することができる。

また、この方法では、傾斜面５から、強化粉末材料１３を、供給量を調整しつつ供給することができる。図３には、傾斜面５の傾斜角度θが５°の回転本体部２を用いて、強化粉末材料１３として、平均粒子径４μｍのアルミナ粉末を、供給量を調整しながら供給した場合において、突き合わせ部１０におけるアルミナ粉末の含有率と、突き合わせ部１０の引張強度との関係をプロットした相関図が示されている。

図３から、この場合には、アルミナ粉末の含有率が５重量％を超えると、接合板（母材）８、９の引張強度を超える引張強度が得られることがわかる。このことから、この場合には、アルミナ粉末の含有率が５重量％となるように、アルミナ粉末を供給することが最適であることがわかる。

なお、アルミナ粉末の含有率は、断面組織観察における粒子の存在割合を画像処理で２値化して算出することができる。また、突き合わせ部１０の引張強度は、突き合わせ部１０を、突き合わせ部１０の長手方向に沿って、互いに反対方向に引っ張ることにより、求めることができる。

また、アルミナ粉末のようなセラミックスを供給および攪拌することで、突き合わせ部１０が複合材料化され、接合強度がより強化される。また、強化粉末材料１３としては、一般的に知られているその他のセラミックス（Ｓｉ_３Ｎ_４、ＢＮなど）を用いることができ、これらを用いても同様に突き合わせ部１０の強化を図ることができる。

なお、この摩擦攪拌接合は、より具体的には、図２（ａ）に示すように、まず、突き合わせ部１０における接合する開始点Ｂに、接合工具１を配置する。そして、その開始点Ｂにおいて突き合わせ部１０にプローブ３を押し当てて進入させながら、接合工具１を高速回転させることにより、摩擦攪拌接合を開始する。

次いで、突き合わせ部１０の長手方向に沿って接合工具１を移動させ、終了点Ｅに至ったときに、接合工具１の高速回転を停止して、摩擦攪拌接合を終了する。これによって、接合板８、９の端面の間が接合される。

このような接合方法は、特に制限されず、アルミニウム、銅、チタンまたはそれらの合金などの金属部材を接合するために、広く適用することができ、例えば、鉄鋼、自動車鋼板、自動車部品など、各種の産業分野において有効に用いられる。

また、上記の説明では、回転本体部２の傾斜面５を、摺接面４における一部分に形成したが、その形状などは特に制限されず、例えば、摺接面４の円周方向全体にわたって形成してもよく、また、複数部分に形成してもよい。

また、接合工具１の回転本体部２およびプローブ３は、円形に限らず、その目的および用途などにより、適宜の形状を選択することができる。

本発明の接合方法に用いられる接合工具の一実施形態を示す概略構成図であって、（ａ）は、接合工具の斜視図（プローブ下向き状態）、（ｂ）は、接合工具の側面図、（ｃ）は、接合工具の斜視図（プローブ上向き状態）、（ｄ）は、接合工具の底面図である。摩擦攪拌接合を説明するための概略説明図であって、（ａ）は、接合途中の状態を示す斜視図、（ｂ）は、（ａ）の断面図を示す。突き合わせ部におけるアルミナ粉末の含有率と、突き合わせ部の引張強度との関係をプロットした相関図である。

符号の説明

１接合工具
２回転本体部
３プローブ
５傾斜面
８接合板
９接合板
１０突き合わせ部
１２ギャップ
１３強化粉末材

Claims

２つの被接合材を突き合わせ、接合工具を、回転させながら前記突き合わせ部に沿って移動させることにより、摩擦攪拌接合する接合方法において、
前記接合工具は、前記突き合わせ部に進入される小径部と、前記突き合わせ部に摺接され前記小径部より大径であり前記小径部と同心円上に設けられる大径部とを備え、
前記大径部の少なくとも一部には、前記小径部から前記大径部の外周端部に向かうに従って、前記大径部の軸方向における前記小径部の反対側に向かって傾斜する傾斜面が設けられており、
前記摩擦攪拌接合時において、前記傾斜面と前記被接合材との間の隙間に、強化粉末材を供給することを特徴とする、接合方法。
前記傾斜面は、前記軸方向の直交方向に対して、前記大径部の外周端部に向かう角度が５°以下で形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の接合方法。