JP2006051527A

JP2006051527A - 金属材の接合方法

Info

Publication number: JP2006051527A
Application number: JP2004235533A
Authority: JP
Inventors: Hidetoshi Fujii; 英俊藤井; Shigeki Matsuoka; 茂樹松岡; Takeshi Ishikawa; 武石川
Original assignee: Tokyu Car Corp
Current assignee: Tokyu Car Corp
Priority date: 2004-08-12
Filing date: 2004-08-12
Publication date: 2006-02-23

Abstract

【課題】回転ツールを用いた金属材の接合方法において、回転ツールの磨耗を低減することができる接合方法を提供する。
【解決手段】接合する２つの複合材料１、１’の接合部２に、棒状の回転ツール１０の先端に設けられたピンを挿入し、これを接合部２の長手方向に沿って回転させつつ移動させることにより接合する。回転ツール１０は、幅広のショルダー１２とその先端にあり金属材内に挿入される細いピン１１から構成されている。ピン１１は直円柱形である。ピン１１の側面は滑らかな曲面であり、ネジ溝は設けられていない。接合部２における回転ツール１０との接触部位３は、回転ツール１０との摩擦により固液共存状態となっている。これにより、回転ツールの磨耗を低減することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は金属材の接合方法に関する。

従来の金属材の接合方法においては、摩擦攪拌接合（ＦＳＷ＝Friction Stir Welding）により接合する技術が開示されている。摩擦攪拌接合では、接合しようとする金属材を接合部において接触させ、回転ツールの先端に設けられたピンを接合部に挿入し、接合部の長手方向に沿って回転ツールを回転させつつ移動させ、２つの金属材を接合する（例えば、特許文献１参照）。

このような摩擦攪拌接合の利点は、金属材の接合部を固相の状態のまま接合することである。すなわち、Ａｌ等の金属材に外力が加わった場合は、転位（原子）の移動は結晶粒界により抑えられる。そのため、金属材の接合部の結晶粒径が小さい方が、金属材単位体積当たりの結晶粒界面積が大きくなるために強度が高くなる。ところが、アーク溶接等の溶融溶接は、金属材の接合部を液相の状態にして接合を行うため、結晶粒径は大きくなり、接合強度は低くなってしまう。一方、摩擦攪拌接合は、回転ツールとの摩擦により、固相のまま可塑性となった金属材料を攪拌して塑性流動させて接合するため、結晶粒径は小さくなる。そのため、大きな接合強度が得られると考えられていた。

このような摩擦攪拌接合においては、特許文献１の図２に記載されているように、ピンの側面にネジ溝が切られた回転ツールが用いられていた。このネジ溝は、接合部において摩擦により可塑性となった金属材料を攪拌して流動させ、接合強度を向上させることを意図して設けられている。
特許第２７９２２３３号明細書

しかし、摩擦攪拌接合では、回転ツールが磨耗しやすいという欠点があった。また、ピンにネジ溝が切られた回転ツールは、ピンのネジ溝が磨耗しやすく回転ツールの寿命が短いという欠点もあった。特に硬い金属材料に摩擦攪拌接合を行う場合や、長い接合長にわたって摩擦攪拌接合を行う場合には、この傾向が顕著であった。

本発明は、斯かる実状に鑑み、回転ツールを用いた金属材の接合方法において、回転ツールの磨耗を低減することができる接合方法を提供しようとするものである。

本発明は、２つの金属材を接合部において接触させ、接合部に棒状の回転ツールの先端に備えられたピンを挿入し、回転ツールを回転させて接合部における回転ツールとの接触部位を固液共存状態としつつ、回転ツールを接合部の長手方向に沿って移動させて２つの金属材を接合することを特徴とする。

上記の構成によれば、接合部と回転ツールとの接触部位を固液共存状態として接合するため、回転ツールと接触部位との摩擦が小さくなり、回転ツールの磨耗を低減することができる。なお、本発明で「固液共存状態」とは、金属材の回転ツールとの接触部位が、状態線図における固相線と液相線の間の状態にあることをいい、接触部位の温度が固相線温度（金属材が溶け始める温度）と液相線温度（金属材が溶け終わる温度）の中間の温度にあることをいう。また、本発明で「接触部位」とは、回転ツールのピンやショルダーを問わず、回転ツールと金属材とが接触している全ての面をいう。また、本発明で金属材を「接触」させるとは、金属材を接合部で突き合わる、あるいは金属材を接合部で一部重ね合わせたりする、一般的な溶接で金属材を接合する全ての態様を含むものである。また、本発明で金属材を「接触」させるとは、必ずしも金属材同士が完全に密着する必要はなく、接合に障害がない程度のギャップを空けて近接している態様も含むものとする。

この場合、２つの金属材は、複合材料であることが好適である。接合する材料が複合材料の場合は、接合強度が結晶粒径にあまり影響されないため、接触部位を固液共存状態として結晶粒径が大きくなっても、接合部の強度が低下することがない。むしろ、接合部と回転ツールとの接触部位を固液共存状態とすることにより接合部の複合材料の組成が均一となるため、接合部の強度を向上させることができる。なお、本発明で「複合材料」とは、異種材料の組合せによって構成された固体材料をいい、例えばＦｅ，Ａｌ等の金属中に、ＳｉＣ，Ｓｉ_３Ｎ_４等のセラミックスからなる強化相が均一に含まれている固体材料をいう。

また、ピンは直線母線からなる側面を有するピンであることが好適である。ネジ溝が切られていない直線母線からなる側面を有するピンであれば、従来のピンのようにネジ溝が磨耗することがない。また、ピンの長手方向に沿った材料の流動が生じにくくなるため、材料の偏析を防止でき、均一な接合部を得ることにより接合強度を向上させることができる。なお、本発明で「直線母線からなる側面を有するピン」とは、例えば、円柱形、円錐形、円錐台等の形状を有するピンを意味する。この「直線母線からなる側面を有するピン」には、ピンの先端の底面と側面との間にＲが設けてあるものが含まれる。また「直線母線からなる側面を有するピン」には、ピンの先端の底面自体がＲ形状のものも含まれる。

接合部と回転ツールとの接触部位を固液共存状態として接合するため、回転ツールの磨耗を低減することができる。

以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して説明する。

図１（ａ）は、本実施形態に係る接合方法の様子を示した図であり、図１（ｂ）は回転ツールの先端部を示した図である。本実施形態に係る接合方法は、図１（ａ）に示すように、まず接合する２つの板状の複合材料１、１’を突き合わせる。そうすると、突き合わせた２つの複合材料１、１’の間に細長い接合部２が形成される。そして接合部２に、棒状の回転ツール１０の先端に設けられたピンを挿入し、回転ツール１０を回転させる。そうすると、接合部２の回転ツール１０との接触部位３において摩擦熱が発生し、回転ツール１０の回転数が大きい場合や、接合速度が遅い場合には、接触部位３は固液共存状態となる。固液共存状態となった接触部位３の複合材料１、１’は、回転ツール１０の回転により攪拌される。そして、回転ツール１０を接合部２の長手方向に沿って回転させつつ移動させる。そうすると、回転ツール１０の移動に伴って回転ツール１０と新たに接触する接触部位３は固液共存状態となる。一方、回転ツールが移動した後の接触部位３は、固液共存状態から冷却されて凝固し、複合材料１、１’が均一に攪拌された接合部２が形成される。

図１（ｂ）に示すように、回転ツール１０は棒状の形状をなし、その棒状形状の先端部分にある幅広のショルダー１２と、そのさらに先端にあり金属材内に挿入される細いピン１１から構成されている。ピン１１は直円柱形である。ピン１１の側面は滑らかな曲面であり、ネジ溝は設けられていない。回転ツール１０は、ショルダー１２の面と、ピン１１の側面および上面で複合材料１、１’と接触する。回転ツール１０は、例えばタングステンカーバイト（ＷＣ）、コバルト（Ｃｏ）からなる超硬合金、またはＳｉ_３Ｎ_４等のセラミックスからなるものとすることができる。

本実施形態の接合方法では、接合部２における回転ツール１０との接触部位３は、回転ツール１０との摩擦により固液共存状態となっている。接触部位３を固液共存状態とするためには、例えば、従来の摩擦攪拌接合に比べて接合速度（回転ツールの接合部の長手方向への移動速度）を遅くしたり、回転ツール１０の回転速度を増加することにより、接触部位３を固液共存状態とすることができる。接触部位を固液共存状態に保つためには、例えば回転ツール１０に内蔵された温度センサ、回転ツール１０の近傍に配置された放射温度計、複合材料１、１’に配置された熱電対や放射温度計等により検出された温度により接合速度を制御することにより、接触部位３を固液共存状態に保つことができる。このような温度センサ等を用いて予め予備実験を行っておき、固液共存状態に保つことができる接合条件（接合速度、回転ツールの接合速度等）が得られているならば、その接合条件で再度接合を行うことにより、温度センサ等で接合速度等を制御しなくとも、固液共存状態で接合することが可能である。あるいは、目視により接触部位３の複合材料１、１’の色彩および光沢を確認することにより、接触部位３が固液共存状態にあるかどうかを確認することができる。

本実施形態の接合方法では、接触部位３が固液共存状態となっているため、回転ツール１０の磨耗を低減することができる。特に、セラミックス等の硬い強化粒子が含まれている複合材料の場合、接触部位３が固相状態であると回転ツール１０が磨耗しやすいが、本実施形態のように固液共存状態とすることにより、回転ツール１０の磨耗を低減できる。また複合材料１、１’を接合するため、接触部位３を固液共存状態としても接合強度を保つことができる。さらに、ピン１１はネジ溝が切られていない直円柱形であるため、ネジ溝が磨耗することがなく、回転ツール１０の寿命は長くなる。また、ネジ溝が切られていないため、ピンの長手方向に固液共存状態となった複合材料が大きく流動することがない。そのため、複合材料の組成物が偏析することなく均一となり、接合強度を向上させることができる。

前述したように従来の摩擦攪拌接合においては、摩擦攪拌接合の利点が接触部位を固相の状態で接合できることにあると考えられていた。そのため、摩擦攪拌接合において、接合する材料における回転ツールとの接触部位が固液共存状態になるように接合速度を遅くする等のことは全く試みられていなかった。

しかし、全ての材料が固相状態で接合した場合に大きな接合強度が得られるわけではない。例えば、アルミニウムにセラミックスを含有させた複合材料では、複合材料に外力が加わった場合の転位は、粒界ではなく、強化粒子であるセラミックスにより抑えられる。そのため、接合部の結晶粒径は接合強度とあまり関係がなく、固相の状態で接合した場合と液相の状態で接合した場合とでは、接合強度にそれほど相違がない。

しかし、複合材料を液相の状態で接合する溶融溶接では、セラミックス等の強化粒子とアルミニウム等の基材との密度差によって強化粒子が偏析してしまい、接合部が不均一となるため、接合部の強度が小さくなってしまう。一方、摩擦攪拌接合の形式で接合を行い、接合部における回転ツールとの接触部位が固液共存状態になるようにして接合を行えば、接合部を回転ツールで攪拌するため、均一な接合部を得ることでき、接合強度を向上させることが可能である。

摩擦攪拌接合においては、回転ツールの磨耗が問題であった。しかし、接合部の回転ツールとの接触部位を固液共存状態とすることにより、回転ツールの磨耗を防止することができる。この場合、従来のピンにネジ溝を設けた回転ツールの替わりに、ピンにネジ溝を設けていない回転ツールを用いることにより、回転ツールの磨耗をさらに低減させることができる。加えて、回転ツールのピンにネジ溝を設けない場合、ピンの長手方向に沿った材料の流動が生じにくくなるため、材料の偏析を防止できる。そのため、より均一な接合部を得ることができ、接合強度を向上させることができる。

次に、本発明者が本発明の接合方法により、実際に複合材料の接合を行った実験結果を、従来法により接合した場合と比較して説明する。

実験例１
図１（ａ）に示す接合方法により複合材料を接合した。複合材料は、ＡＣ４Ａ材に３０体積％のＳｉＣを加えたアルミニウム基複合材料で厚さ５ｍｍの板材を用いた。ＡＣ４Ａ材は、Ａｌに、Ｓｉ：８〜１０重量％、Ｆｅ：０．５５重量％、Ｍｎ：０．３〜０．６重量％、Ｍｇ：０．３〜０．６重量％、Ｃｕ：０．２５重量％、Ｚｎ：０．２５重量％、Ｔｉ：０．２０重量％、Ｃｒ：０．１５重量％、Ｎｉ：０．１０重量％、Ｐｂ：０．１０重量％、Ｓｎ：０．０５重量％、をそれぞれ含む鋳造合金である。

回転ツールには、ＷＣ−Ｃｏ超硬合金からなり、図１（ｂ）に示すようなピンにネジ溝を設けていない回転ツールを用いた。また、ＷＣ−Ｃｏ超硬合金からなり、ピンにネジ溝を設けてある回転ツールも用いた。ネジ溝無しの回転ツールとネジ溝有りの回転ツールのいずれも、ショルダー径は１５ｍｍ、ピンの長さは４．７ｍｍ、ピンの径は６ｍｍである。ショルダー部は面取りが施され、実際に試料に接するのは、幅１３．６ｍｍの領域となった。

回転ツールの回転速度は２０００ｒｐｍとし、接合速度を２５〜１５０ｍｍ／ｍｉｎの間で変化させて、上記複合材料の接合を行った。

図２は、本実験例における接合した複合材料の接合部引張試験結果を示す図である。本実験において、破線で示すように、接合速度が約６５ｍｍ／ｍｉｎ以下になると、接合部における回転ツールとの接触部位が、固相状態から固液共存状態となった。図２に示すように、ネジ溝有りの回転ツールを用いた場合、固液共存状態となる接合速度５０ｍｍ／ｍｉｎでは、固相状態となる接合速度１００ｍｍ／ｍｉｎ、１５０ｍｍ／ｍｉｎとほぼ同等の引張強度が得られることが判る。したがって、固液共存状態で接合を行うことにより、接合強度を保ちつつ、回転ツールの磨耗を低減できることが予想される。

また図２に示すように、ネジ溝無しの回転ツールを用いた場合には、固液共存状態となる接合速度２５ｍｍ／ｍｉｎ、５０ｍｍ／ｍｉｎの方が、固相状態となる接合速度１００ｍｍ／ｍｉｎ、１５０ｍｍ／ｍｉｎよりも大きい引張強度が得られることが判る。これは、ネジ溝無しの回転ツールを用いたことにより、複合材料の強化粒子であるＳｉＣの偏析が抑えられ、均一な接合部が得られたためと考えられる。この結果より、固液共存状態でネジ溝無しの回転ツールを用いて接合を行うことにより、大きな接合強度を得ることができ、回転ツールの磨耗を低減することができることが判る。

尚、本発明の金属材の接合方法は、上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

（ａ）は本実施形態に係る接合方法の様子を示した図であり、（ｂ）は回転ツールの先端部を示した図である。実験例１における接合した複合材料の接合部引張試験結果を示す図である。

符号の説明

１，１’…複合材料、２…接合部、３…接触部位、１０…回転ツール、１１…ピン、１２…ショルダー

Claims

２つの金属材を接合部において接触させ、前記接合部に棒状の回転ツールの先端に備えられたピンを挿入し、前記回転ツールを回転させて前記接合部における前記回転ツールとの接触部位を固液共存状態としつつ、前記回転ツールを前記接合部の長手方向に沿って移動させて前記２つの金属材を接合することを特徴とする金属材の接合方法。
前記２つの金属材は、複合材料であることを特徴とする請求項１に記載の金属材の接合方法。
前記ピンは、直線母線からなる側面を有するピンであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の金属材の接合方法。