JP2005271016A - 鋼管とアルミニウム合金中空部材の摩擦圧接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】低い領域のＰ２の負荷で高い接合強度が得られ、接合時におけるアルミニウム合金管の変形も抑制でき、とくに、直径５０ｍｍ以上、肉厚５ｍｍ未満の炭素鋼管または合金鋼管とアルミニウム合金中空部材の摩擦圧接に好適な鋼管とアルミニウム合金中空部材の摩擦圧接方法を提供する。
【解決手段】鋼管とアルミニウム合金中空部材の接合面を突き合わせ、加圧しながら相対的に回転させることによって摩擦圧接する方法において、鋼管の接合面が表面粗さＲａ（中心線平均粗さ）１．５μｍ〜２０μｍに旋削されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、鋼管とアルミニウム合金中空部材の摩擦圧接方法、とくに、直径５０ｍｍ以上、肉厚５ｍｍ未満の鋼管（炭素鋼管、合金鋼管、ステンレス鋼管を含む）と、アルミニウム合金の管、中空押出材、中空鋳物などからなるアルミニウム合金中空部材とを摩擦圧接するに好適な摩擦圧接方法に関する。

鋼材とアルミニウム合金材との接合においては、ＭＩＧ溶接、ＴＩＧ溶接や電子ビーム溶接のような溶融溶接は、溶接の際、鉄とアルミニウムの脆い金属間化合物が形成されるために困難であり、接合時に液相を形成しない摩擦圧接が試みられているが、両者の摩擦圧接も容易ではなく、アルミニウム合金母材強度に近い継ぎ手強度が得られていないのが現状である。

このような背景から、鋼材とアルミニウム合金材との摩擦圧接において改善された接合強度を得るために、例えば、摩擦圧接の条件を調整する方法、圧接性に優れたアルミニウム合金を用いる方法など、種々の技法が提案されている。これらの方法のうち、突き合わせる接合面の形状を工夫して接合強度の向上を図る手法がいくつか提案されている。

例えば、鋼材の接合面に回転軸を中心とするリング状の溝を設け、少ないアプセット量で安定して高強度を得る手法（特許文献１参照）、熱膨張係数の大きい側の材料の接合面の直径を、これと接合すべき材料の接合面の直径より大きくし、大径側の接合面に円錐状の凹みを設け、小径側の先端にはこの凹みと同じ形状の凸部を設け、摩擦圧接後の冷却過程で接合面の斜面に圧縮応力を負荷し、また接合面積を増加させて接合強度を高める手法が提案されている（特許文献２参照）。

しかしながら、これらの手法においては、接合面の形状がアプセット圧力の負荷方向と垂直でない部位ではアプセット圧力が十分に負荷されない、アプセット時に生じるアルミニウム合金のバリの流れが不均一となって接合面内に局部的なメタルの渋滞や局部的なせん断応力がかかる、接合面の加工にコストと時間を要するなどの難点があり、自動車のプロペラシャフト、アクスルハウジング、トーションバーなど、直径５０ｍｍ以上の大寸法の鋼製中空部材で構成されている自動車部材について部分的にアルミニウム合金中空部材で置換した構造を実現するために、鋼管とアルミニウム合金中空部材とを摩擦圧接する量産方法とした場合に適用するには、必ずしも満足すべきものではない。

また、接合面に予めサンドブラスト処理、ショットブラスト処理などのブラスト処理を施して細密で均一な粗面とする手法も提案されているが（特許文献３参照）、これらのブラスト処理により接合面に加工層が生じて摩擦圧接により形成される継ぎ手の特性を損なうという問題点がある。
特開平８−１４１７５５号公報 特開平６−４７５７０号公報 特公昭４１−１４８９１号公報

摩擦圧接は、図１〜２に示すように、接合すべき２つの材料Ａ、Ｂを突き合わせ、摩擦圧力（Ｐ１）を負荷しながら設定された摩擦寄り代（Ｕ１）が達成される（設定された寄り代（Ｕ１）が０になる）まで相対的に回転させる摩擦過程と、摩擦過程終了後、アプセット圧力（Ｐ２）を負荷しながら回転にブレーキをかけ回転を停止させるアプセット過程からなる接合方法である。アプセット過程ではアプセット寄り代（Ｕ２）が生じ、摩擦寄り代とアプセット寄り代との合計寄り代、全寄り代（Ｕ）の結果としてバリを発生させ、接合界面に生成した金属間化合物や酸化物がバリとして排除される。図１は摩擦圧接前に材料Ａ、Ｂを突き合わせた状態、図２は摩擦過程終了後の状態で摩擦過程でのバリ発生を示す図である。

鋼材とアルミニウム合金材を摩擦圧接すると、Ａｌ−Ｆｅ化合物などの金属間化合物および酸化物が生成し易く接合が阻害される。界面の金属間化合物や酸化物を排除して金属結合を確保するために、従来はアプセット圧力Ｐ２をできるだけ高くすることが必要と考えられていたが、高いＰ２で圧接しても鋼材が変形しないため、接合界面にアルミニウム合金の渋滞領域（デッドメタルゾーン）が形成され、金属間化合物や酸化物をバリとして排除することが容易ではなく、また、管同士、とくに直径５０ｍｍ以上、肉厚５ｍｍ未満の大寸法の薄肉管同士を圧接する場合には、Ｐ２が材料の耐力以下であっても、アルミニウム合金管の界面近傍が半径方向に変形して、アルミニウム合金のバリの流れが内径側と外径側で不均一となり界面にせん断力が発生するため良好な継ぎ手を得ることが困難である。また、バリの流れが不均一となる要因としては、管の内周長と外周長の違いからくるバリ成長の拘束力が大きく、鋼管およびアルミニウム合金管の真円度の乱れ、摩擦過程における加熱温度の不均一性、アルミニウム合金材料の不均一性なども要因となる。

発明者らは、接合面の形状を工夫して接合強度を向上させる手法についてさらに改善を図るために、鋼管とアルミニウム管の摩擦圧接における上記の問題点を解消し得る接合面の形状について、種々試験、検討を加えた結果として、旋削加工による粗面の形成が効果的であることを知見した。

本発明は、上記の知見に基づいてなされたものであり、その目的は、低い領域のＰ２の負荷で高い接合強度が得られ、接合時におけるアルミニウム合金管の変形も抑制でき、とくに、直径５０ｍｍ以上、肉厚５ｍｍ未満の炭素鋼管または合金鋼管とアルミニウム合金中空部材の摩擦圧接に好適な鋼管とアルミニウム合金中空部材の摩擦圧接方法を提供することにある。

上記の目的を達成するための請求項１による鋼管とアルミニウム合金中空部材の摩擦圧接方法は、鋼管とアルミニウム合金中空部材の接合面を突き合わせ、加圧しながら相対的に回転させることによって摩擦圧接する方法において、鋼管の接合面が表面粗さＲａ（中心線平均粗さ）１．５μｍ〜２０μｍに旋削されていることを特徴とする。

請求項２による鋼管とアルミニウム合金中空部材の摩擦圧接方法は、請求項１において、前記鋼管の接合面が鋼管の中心軸と垂直に截断されていることを特徴とする。

請求項３による鋼管とアルミニウム合金中空部材の摩擦圧接方法は、請求項１において、前記鋼管の接合面が、管肉厚部の中心部を頂部とし該頂部から管肉厚部の内径側および外径側にかけて平坦斜面を有する山形に形成されていることを特徴とする。

請求項４による鋼管とアルミニウム合金中空部材の摩擦圧接方法は、請求項２または３において、前記管肉厚部の外径側および／または内径側の角部が面取りされ、面取りにより角部が角部から管の半径方向および／または長さ方向に０．４ｍｍ以下の範囲で除去されていることを特徴とする。

本発明によれば、低い領域のＰ２の負荷で高い接合強度が得られ、接合時におけるアルミニウム合金管の変形も抑制でき、また複雑な加工を要しないためコスト上の問題もなく、とくに、直径５０ｍｍ以上、肉厚５ｍｍ未満の炭素鋼管または合金鋼管とアルミニウム合金中空部材の摩擦圧接に好適な鋼管とアルミニウム合金中空部材の摩擦圧接方法が提供される。当該摩擦圧接方法は、従来は鋼製中空部材で構成されていた部材、例えば、自動車のプロペラシャフト、アクスルハウジング、トーションバーなどの部材を部分的にアルミニウム合金に置換した構造とする場合に好適に適用することができる。

本発明においては、鋼管とアルミニウム合金中空部材の接合面を突き合わせ、加圧しながら相対的に回転させることによって摩擦圧接するに際し、鋼管の接合面を表面粗さＲａ（中心線平均粗さ）１．５μｍ≦Ｒａ≦２０μｍに旋削する。Ｒａは、ＪＩＳ Ｂ０６０１に規定される表面粗さの表示で、算術平均粗さとも言われる。

粗面の形成を旋削加工により行えば、加工面に加工層が形成されることがなく、摩擦圧接により形成される継ぎ手の特性が損なわれることはない。Ｒａの好ましい範囲は１．５〜２０μｍであり、この範囲の表面粗度とすることによって、せん断摩擦係数が増大して鋼管とアルミニウム合金中空部材との接合面が固着し易くなり、界面を剥離させようとするせん断力が発生した場合にも界面近傍のアルミニウム合金内で局部変形が生じるため、界面を剥離させようとするせん断力が緩和され、接合強度のばらつきを少なくして接合強度を向上させる。

Ｒａが１．５μｍ未満では、鋼管とアルミニウム合金管の接合面同士のせん断摩擦係数が小さく、バリの流れが管内面側および管外面側で不均一となって、界面を剥離させようとするせん断力が発生したとき、局部的に界面のずれや剥離、応力集中が生じて接合強度が低下し、接合強度のばらつきも大きくなる。Ｒａが２０μｍを越えると、切り込み代が大きくなるため加工層が生じ易くなり好ましくない。

本発明の好ましい実施形態について説明すると、第１の実施形態は、図３〜４に示すように、アルミニウム合金中空部材と摩擦圧接すべき鋼管１の接合面３が鋼管１の中心軸Ｘ−Ｘと垂直に截断されている態様である。図３は鋼管１の接合面近傍を示す一部断面図であり、図４は図３のＡ部拡大図である。図４において、鋼管１の管肉厚部２の接合面３は鋼管１の中心軸Ｘ−Ｘと垂直に截断されており、Ｒａ１．５μｍ≦Ｒａ≦２０μｍの表面粗さに旋削されている。

この形態においては、図４に示すように、管肉厚部２の外径側および／または内径側の角部Ｃ１、Ｃ２が面取りされていないものでもよいが、図５〜７に示すように、角部Ｃ１、Ｃ２を面取りされたものを適用することもできる。但し、面取りする場合には、図８に示すように、面取りにより角部Ｃ１、Ｃ２が角部から管１の半径方向にｄ１、長さ方向にｄ２の長さ除去されるが、ｄ１およびｄ２をいずれも０．４ｍｍ以下とすることが必要である。

第２の実施形態は、図９に示すように、鋼管１の接合面３が、管肉厚部２の中心部を頂部とし頂部Ｃ３から管肉厚部２の内径側および外径側にかけて平坦斜面４、４を有する山形に形成されている態様であり、頂部Ｃ３から内径側または外径側までの距離ｔ１、高さｔ２の山形断面形状を呈する。

頂部Ｃ３には若干のＲが付けられてもよく、また、角部Ｃ１、Ｃ２には、第１の実施形態と同様、ｄ１≦０．４ｍｍ、ｄ２≦０．４ｍｍの面取りが行われてもよい。

本発明における摩擦圧接条件は、鋼材とアルミニウム合金材との摩擦圧接の場合と同様の条件が適用できるが、好ましい条件としては、摩擦過程おける摩擦力（Ｐ１）は１０〜８０ＭＰａ、さらに好ましくは２０〜６０ＭＰａ、摩擦寄り代（Ｕ１）は０．１〜２．０ｍｍ、さらに好ましくは０．２〜１．５ｍｍ、アプセット過程におけるアプセット圧は６０〜１３０ＭＰａ、さらに好ましくは６０〜１１５ＭＰａが適用される。

その他、摩擦圧接の作業条件における機械的因子として、回転数Ｎ、ブレーキタイミング、アプセット時間Ｔ２があるが、ブレーキタイミング、アプセット時間Ｔ２については、鋼あるいは鋳鉄同士、アルミニウム合金同士の摩擦圧接において通常実施されている範囲、例えば、ブレーキタイミングの遅れ（Ｐ２Ｌ）は０〜０．５秒、すなわち回転ブレーキをかけた後、０〜０．５秒経過後にＰ１をＰ２に切り換え、アプセット時間Ｔ２は２〜３０秒が適用される。回転数Ｎについては、通常８００〜３０００ｒｐｍの範囲が適用されるが、本発明においては、全寄り代（Ｕ）を小さくしてバリの流れを均一にするために、上限値を１２６０ｒｐｍ（４．０ｍ／ｓ）、より好ましくは１２００ｒｐｍ（３．８ｍ／ｓ）に限定するのがよい。

以下、本発明の実施例を比較例と対比して説明し、本発明の効果を実証する。これらに実施例は、本発明の一実施態様であり、本発明はこれに限定されるものではない。

接合端面を中心軸と垂直に截断された図３に示す形状とし、旋削により接合端面の表面粗さを変えた鋼管（ＳＴＫＭ１３Ａ、外径６０．５ｍｍ、厚さ３．１ｍｍ）と、Ｓｉ：０．６１％、Ｆｅ：０．１１％、Ｃｕ：０．２７％、Ｍｎ：０．０２％、Ｍｇ：１．０７％、Ｃｒ：０．０６％、Ｔｉ：０．０３％、残部Ａｌおよび不純物からなる組成を有する６０６１アルミニウム合金管（調質：Ｔ６、外径６０．５ｍｍ、厚さ３．１ｍｍ）、Ｓｉ：０．０６％、Ｆｅ：０．１７％、Ｃｕ：０．０３％、Ｍｎ：０．０５％、Ｍｇ：３．８％、Ｃｒ：０．１９％、Ｔｉ：０．０３％、残部Ａｌおよび不純物からなる組成を有する５１５４アルミニウム合金管（調質：Ｈ３４、外径６０．５ｍｍ、厚さ３．１ｍｍ）、およびＳｉ：１．０５％、Ｆｅ：０．１８％、Ｃｕ：４．４２％、Ｍｎ：０．８５％、Ｍｇ：０．６５％、Ｔｉ：０．０２％、残部Ａｌおよび不純物からなる組成を有する２０１４アルミニウム合金管（調質：Ｔ６、外径６０．５ｍｍ、厚さ３．１ｍｍ）の端部同士を接触させて、ブレーキ式回転摩擦圧接機を使用し、鋼管を回転（回転数：１２００ｒｐｍ）させて摩擦圧接した。

圧接条件を表１に示す。ブレーキタイミングの遅れは０秒とし、摩擦過程終了後、直ちに回転にブレーキをかけ、同時にアプセット圧力（Ｐ２）の負荷を行った。アプセット時間は８秒とした。接合後、外径側のバリを旋削除去し縦に切断して短冊形の引張試験片を成形し、継ぎ手部の引張試験を行った。試験結果を表１に示す。なお、表１において、本発明の条件を外れたものには下線を付した。

表１に示すように、本発明の条件に従う試験材Ｎｏ．１〜７はいずれも、継ぎ手部の引張強度が優れており、継手効率が７０％を越えている。これに対して、鋼管の接合端面の表面粗さが１．５μｍ未満の試験材Ｎｏ．８〜１２はいずれも、継ぎ手部の引張強度が低く、継手効率も劣っている。

旋削により接合端面の表面粗さＲａを４．０２μｍに仕上げた鋼管（ＳＴＫＭ１３Ａ、外径７０．０ｍｍ、厚さ３．４ｍｍ）と、Ｓｉ：０．６１％、Ｆｅ：０．１１％、Ｃｕ：０．２７％、Ｍｎ：０．０２％、Ｍｇ：１．０７％、Ｃｒ：０．０６％、Ｔｉ：０．０３％、残部Ａｌおよび不純物からなる組成を有する６０６１アルミニウム合金管（調質：Ｔ６、外径７０．０ｍｍ、厚さ３．４ｍｍ）の端部同士を接触させて、ブレーキ式回転摩擦圧接機を使用し、鋼管を回転（回転数：１２００ｒｐｍ）させて摩擦圧接した。

鋼管の接合端面の形状および圧接条件を表２に示す。ブレーキタイミングの遅れは０秒とし、摩擦過程終了後、直ちに回転にブレーキをかけ、同時にアプセット圧力（Ｐ２）の負荷を行った。アプセット時間は８秒とした。接合後、外径側のバリを旋削除去し縦に切断して短冊形の引張試験片を成形し、継ぎ手部の引張試験を行った。試験結果を表２に示す。なお、表２において、本発明の条件を外れたものには下線を付した。

表２に示すように、本発明に従う試験材Ｎｏ．１３〜１７はいずれも、継ぎ手部の引張強さが２１０ＭＰａを越える高い接合強度をそなえており、継手効率も７０％を越えている。これに対して、面取りの大きい試験材Ｎｏ．１８〜２０は接合強度および継手効率が劣っている。鋼管の接合端面を図９に示す形状に成形した試験材Ｎｏ．１６〜１７は、中心軸に対して垂直に截断した接合端面（図４〜７）に成形した試験材Ｎｏ．１３〜１５に比べて引張強さが大きくなっている。

旋削により接合端面の表面粗さＲａを７．０μｍに仕上げた鋼管（ＳＴＫＭ１５Ａ、外径５０ｍｍ、厚さ２．４ｍｍ）を回転側とし、該鋼管と端面が同形状の中空部位を有する６０８２鍛造材（組成：Ｓｉ１．１％、Ｍｎ０．５５％、Ｍｇ１．０％、調質：Ｔ６、断面：図１１）を摩擦圧接した。条件は、Ｐ１：２５ＭＰａ、Ｐ２：１１０ＭＰａ、Ｕ１：０．４ｍｍ、周速：２．０９ｍ／ｓ（回転数（Ｎ）：８００ｒｐｍ）、ブレーキタイミングの遅れ（Ｐ２Ｌ）：０．２ｓ、Ｔ２：１０ｓとした。圧接後、接合部から短冊形の試験片を採取して引張試験を行ったところ引張強さは２７４ＭＰａと高い値を示した。また、ねじり試験を行ったところ、５０００Ｎ・ｍのトルク負荷でも接合部は破断しなかった。なお、ねじり試験は、接合材実体で鍛造材を固定し、鋼管にねじりトルクをかけて行った。

本発明の摩擦圧接において、圧接前に２つの中空部材を突き合わせた状態を示す一部断面図である。 本発明の摩擦圧接において、摩擦過程終了後、２つの中空部材が摩擦寄り代分互いに移動してバリが形成された状態を示す一部断面図である。 本発明の鋼管接合端面を示す一部断面図である。 本発明の鋼管接合端面の実施例を示す図３のＡ部拡大図である。 本発明の鋼管接合端面の実施例を示す図３のＡ部拡大図である。 本発明の鋼管接合端面の実施例を示す図３のＡ部拡大図である。 本発明の鋼管接合端面の実施例を示す図３のＡ部拡大図である。 本発明の鋼管接合端面の実施例を示す図３のＡ部拡大図で、角部の面取り代を示す図である。 本発明の鋼管接合端面の実施例を示す図３のＡ部拡大図である。 本発明の鋼管接合端面の実施例を示す図３のＡ部拡大図で、山形部の寸法を示す図である。 鋼管とアルミニウム合金中空部材（鍛造材）の摩擦圧接後の状態を示す一部断面図である。

Claims (4)

1. 鋼管とアルミニウム合金中空部材の接合面を突き合わせ、加圧しながら相対的に回転させることによって摩擦圧接する方法において、鋼管の接合面が表面粗さＲａ（中心線平均粗さ）１．５〜２０μｍに旋削されていることを特徴とする鋼管とアルミニウム合金中空部材の摩擦圧接方法。
2. 前記鋼管の接合面が鋼管の中心軸と垂直に截断されていることを特徴とする請求項１記載の鋼管とアルミニウム合金中空部材の摩擦圧接方法。
3. 前記鋼管の接合面が、管肉厚部の中心部を頂部とし該頂部から管肉厚部の内径側および外径側にかけて平坦斜面を有する山形に形成されていることを特徴とする請求項１記載の鋼管とアルミニウム合金中空部材の摩擦圧接方法。
4. 前記管肉厚部の外径側および／または内径側の角部が面取りされ、面取りにより角部が角部から管の半径方向および／または長さ方向に０．４ｍｍ以下の範囲で除去されていることを特徴とする請求項２または３記載の鋼管とアルミニウム合金中空部材の摩擦圧接方法。
   

Images