JP2006150409A

JP2006150409A - 摩擦撹拌点接合用アルミニウム又はアルミニウム合金材及び摩擦撹拌点接合方法

Info

Publication number: JP2006150409A
Application number: JP2004344965A
Authority: JP
Inventors: Noritaka Eguchi; 法孝江口; Tetsuya Masuda; 哲也増田
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2004-11-29
Filing date: 2004-11-29
Publication date: 2006-06-15

Abstract

【課題】接合時の押付荷重を低減することができると共に、接合強度が高い継手が得られる摩擦撹拌点接合用アルミニウム又はアルミニウム合金材及び摩擦撹拌点接合方法を提供する。
【解決手段】摩擦撹拌点接合の被接合材であるアルミニウム合金材１及び２の表面及び裏面における平均粗さを板厚の０．０５％以上にすると共に、一方向の平均粗さがＲａ_１、この一方向に直交する方向の平均粗さがＲａ_２であり、Ｒａ_１≧Ｒａ_２であるとき、一方向の平均粗さＲａ_１と一方向に直交する方向の平均粗さＲａ_２との差（Ｒａ_１−Ｒａ_２）を、一方向の平均粗さ平均粗さＲａ_１の１０％以下にする。
【選択図】図１

Description

本発明は、摩擦撹拌点接合する際の被接合材として好適な摩擦撹拌点接合用アルミニウム又はアルミニウム合金材及び摩擦撹拌点接合方法に関する。

摩擦撹拌接合は、部材より硬質な材料で形成されたピン部が設けられている接合工具を使用し、このピン部を回転させながら相互に突き合わされた１対の部材に押し込み、接合線に沿って接合工具を回転しながら移動させることにより、部材同士を接合する非溶融接合方法である（例えば、特許文献１及び２参照）。このとき、部材に押し込まれたピン部の周囲には摩擦熱による加熱され、接合工具の回転による塑性流動が生じる。このため、接合工具を突き合わせ面に沿って移動させると、ピン部の前面の金属が塑性流動しながらピン後方に移動して接合組織が形成される。前記摩擦撹拌接合方法は、継手強度が大きく、歪みが小さいため残留応力が少なく、溶接割れを生じやすい材料、鋳物、複合材料及び異種材質等の接合が可能であるため、種々の材料の接合に使用されている。

近時、この摩擦撹拌接合を点接合に応用する技術が開発されている（例えば、特許文献３及び４参照）。摩擦撹拌点接合を適用することにより、スポット溶接等の従来の接合方法に比べて、複雑な形状の被接合部材を、小型の設備で、局所的に接合することができる。

特開平１０−３２８８５５号公報特開２０００−２２５４７６号公報特開２００１−３１４９８３号公報特開２０００−１３５５７５号公報

しかしながら、前述の従来の技術には以下に示す問題点がある。従来、摩擦撹拌点接合に関しては、特許文献３及び４に記載されているような接合装置の検討は進められているが、被接合材については検討されておらず、このため、接合強度不足等の接合不良が発生しやすいという問題点がある。また、被接合材によっては、押付荷重を高くしないと接合できないといった問題点もある。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、接合時の押付荷重を低減することができると共に、接合強度が高い継手が得られる摩擦撹拌点接合用アルミニウム又はアルミニウム合金材及び摩擦撹拌点接合方法を提供することを目的とする。

本願第１発明に係る摩擦撹拌点接合用アルミニウム又はアルミニウム合金材は、摩擦撹拌点接合により接合されるアルミニウム又はアルミニウム合金材において、表面の平均粗さが板厚の０．０５％以上であることを特徴とする。

本発明においては、摩擦撹拌点接合により接合されるアルミニウム又はアルミニウム合金材において、表面の平均粗さを板厚の０．０５％以上にしているため、接合ツールとの接触面積が少なくなり、接合時の押付荷重を低減することができる。また、重ね合わせ面における回転力の伝達が増加して撹拌効率が向上するため、接合強度が向上する。なお、本発明における平均粗さとは、ＪＩＳ規格Ｂ０６０１に規定されている算術平均粗さＲａである。

この摩擦撹拌点接合用アルミニウム又はアルミニウム合金材は、表面の一方向の平均粗さとこの一方向に直交する方向の平均粗さとの差を、その大きい方の平均粗さの１０％以下にしてもよい。これにより、接合部の撹拌効率が向上する。

本願第２発明に係る摩擦撹拌点接合方法は、表面及び裏面の平均粗さが板厚の０．０５％以上である複数枚のアルミニウム又はアルミニウム合金材を重ね合わせる工程と、その重ね合わせた部分に回転駆動された接合ツールのピン部を進入させることにより、前記複数枚のアルミニウム又はアルミニウム合金材を相互に接合する工程と、を有することを特徴とする。

本発明においては、表面及び裏面の平均粗さが板厚の０．０５％以上であるアルミニウム又はアルミニウム合金材を使用しているため、接合ツール進入面においては、接合ツールとアルミニウム又はアルミニウム合金材との接触面積が少なくなり、重ね合わせ面においては回転力の伝達が増加して撹拌効率が向上する。その結果、低い押付荷重で、接合強度が高い継手が得られる。

前記アルミニウム又はアルミニウム合金材は、表面及び裏面の一方向の平均粗さとこの一方向に直交する方向の平均粗さとの差が、その大きい方の平均粗さの１０％以下であってもよい。これにより、接合部の撹拌効率が向上し、継手の接合強度を高めることができる。

本発明によれば、表面粗さを摩擦撹拌点接合に最適な範囲にしているため、接合時の押付荷重が低減すると共に撹拌効率が向上し、従来の被接合材に比べて、低い押付荷重で、接合強度が高い継手を得ることができる。

以下、本発明の実施の形態に係るアルミニウム合金材について添付の図面を参照して具体的に説明する。本発明者等は前述の課題を解決するために、鋭意実験研究を行った結果、摩擦撹拌点接合は接合に要する時間が短いため、接合初期における被接合材の変形挙動が接合強度に影響し、被接合材の表面状態がこの変形挙動に大きな影響を与えることを見出した。

そこで、本実施形態のアルミニウム合金材は、表面の平均粗さを板厚の０．０５％以上としている。また、このアルミニウム合金材においては、表面の一方向の平均粗さとこの一方向に直交する方向の平均粗さとの差が、その大きい方の平均粗さの１０％以下になっていることが好ましい。例えば、表面の一方向の平均粗さをＲａ_１、この一方向に直交する方向の平均粗さをＲａ_２とし、Ｒａ_１≧Ｒａ_２であるときは、一方向の平均粗さＲａ_１とこの一方向に直交する方向の平均粗さＲａ_２との差（Ｒａ_１−Ｒａ_２）が、一方向の平均粗さＲａ_１の１０％以下、即ち、下記数式１を満たすことが好ましい。

以下、本実施形態のアルミニウム合金材における表面粗さの数値限定理由について説明する。

平均粗さ（Ｒａ）：板厚の０．０５％以上
接合ツールが挿入される側の表面の粗さは、接合ツールを挿入する際の押付荷重に影響を及ぼす。例えば、接合ツールが挿入される側の表面の粗さが粗いと、凸部先端においては接合ツールとの面圧が増加するが、接合部全体では接合ツールとの接触面積が減少するため、より少ない押付荷重で、接合部を変形させることができる。しかしながら、接合ツールが挿入される側の表面の平均粗さＲａが板厚の０．０５％未満であると、押付荷重を低減する効果が得られない。

また、接合界面側の表面、即ち、重ね合わせ面の粗さを粗くすると、重ね合わされている被接合材間の回転力の伝達が増加し、撹拌効率が向上する。これは、表面に存在する凹凸によって物理的にせん断力が生じ、被接合部材間の摩擦伝達が良好になるためである。また、油等の摩擦阻害因子が存在した場合にも、摩擦阻害因子が表面の凹部に速やかに排除されるため、凸部において摩擦に及ぼす悪影響を低減することができる。その結果、継手の接合強度が向上する。しかしながら、接合面界面側の表面の平均粗さＲａが厚さの０．０５％未満であると、撹拌効率が低く、接合強度は向上しない。よって、本実施形態のアルミニウム合金材においては、表面の平均粗さを厚さの０．０５％以上とする。

一方向の平均粗さとこの一方向に直交する方向の平均粗さとの差：大きい方の平均粗さの１０％以下
摩擦撹拌点接合の摩擦面は円形であるため、アルミニウム合金材の表面の平均粗さＲａに方向性があり、例えば重ね合わせ面の一方向の平均粗さとこの一方向に直交する方向の平均粗さとの差が、その大きい方の平均粗さの１０％を超えていると、被接合材間の回転力の伝達が減少し、接合部の撹拌不良が生じたりすることがある。このため、表面の一方向の平均粗さとこの一方向に直交する方向の平均粗さとの差は、その大きい方の平均粗さの１０％以下であることが好ましい。

なお、本実施形態のアルミニウム合金材の表面粗さを上述の範囲にする方法としては、例えば、研磨、化学処理及びブラスト処理等により粗さを調節したロールによる圧延等を適用することができる。

本実施形態のアルミニウム合金材は、摩擦撹拌点接合の被接合材として使用される。次に、本実施形態のアルミニウム合金材を摩擦撹拌点接合する方法について説明する。図１は本実施形態のアルミニウム合金材の摩擦撹拌点接合方法を模式的に示す斜視図である。図１に示すように、本実施形態の摩擦撹拌点接合方法においては、表面及び裏面の平均粗さが板厚の０．０５％以上である板状のアルミニウム合金材１とアルミニウム合金材２とを、円柱状のショルダー部３ｂの端面に、ショルダー部３ｂよりも小径で、アルミニウム合金材１及び２よりも硬い材料により形成されたピン部３ａが、ショルダー部３ｂと同軸的に設けられている接合ツール３を使用して接合する。なお、このアルミニウム合金材１及び２は、表面及び裏面の一方向の平均粗さとこの一方向に直交する方向の平均粗さとの差が、その大きい方の平均粗さの１０％以下であることが好ましい。

本実施形態の摩擦撹拌接合方法においては、先ず、アルミニウム合金材１及び２の接合予定部を相互に重ね合わせる。その後、アルミニウム合金材２側の接合予定部に受け部材４を配置し、接合ツール３を回転させながら、そのピン部３ａをアルミニウム合金板１側の表面から進入させる。このとき、アルミニウム合金材１及び２に進入しているピン部３ａ及びショルダー部３ｂの周囲は、摩擦熱により加熱されて塑性流動が生じる。これにより、重ね合わせ面が撹拌されアルミニウム合金板１とアルミニウム合金板２とが接合する。

図２（ａ）は接合前のアルミニウム合金板２の重ね合わせ面を示す図であり、図２（ｂ）は接合後のアルミニウム合金板２の重ね合わせ面を示す図である。例えば、アルミニウム合金材２の表面の接合予定領域に、図２（ａ）に示すような扇状の４個の印５ａ乃至５ｄを形成し、この印５ａ乃至５ｄが形成されている面を重ね合わせ面にして、アルミニウム合金材１とアルミニウム合金材２とを摩擦撹拌接合すると、図２（ｂ）に示すように、扇状の４個の印５ａ乃至５ｄは接合ツールと同じ方向に回転し、更に相互に結合して印６となる。このことから、アルミニウム合金材１及び２の表面の摩擦により、回転が下側に配置されているアルミニウム合金材２の重ね合わせ面にも伝達されていることがわかる。

本実施形態のアルミニウム合金材は、接合ツール挿入面及び重ね合わせ面の表面粗さを摩擦撹拌点接合に最適な範囲にしているため、摩擦撹拌点接合した際の継手の接合強度を向上させることができると共に、接合時の押付荷重を低減することができる。これにより、厚板材等のように従来摩擦撹拌点接合が困難であるとされていた部材にも適用可能になるため、摩擦撹拌点接合の適用範囲を拡大することができ、また、既存の接合装置の適用範囲を広げることもできる。

なお、本実施形態においては、アルミニウム合金材について述べたが、本発明はこれに限定されるものではなく、アルミニウム材であっても同様の効果が得られる。

以下、本発明の実施例の効果について、本発明の範囲から外れる比較例と比較して説明する。本実施例においては、６０１６アルミニウム合金からなり、板厚が１．０ｍｍであるアルミニウム合金板の両面に圧延のダル仕上げを施し、圧延方向（Ｌ）方向における平均粗さＲａ_Ｌ及び圧延方向に垂直な（ＬＴ）方向における平均粗さＲａ_ＬＴがいずれも板厚の０．０５％（０．５００μｍ）以上である実施例１及び２のアルミニウム合金板を作製した。また、同様の方法で、圧延方向（Ｌ）方向における平均粗さＲａ_Ｌ及び／又は圧延方向に垂直な（ＬＴ）方向における平均粗さＲａ_ＬＴが板厚の０．０５％（０．５００μｍ）未満である比較例１乃至３のアルミニウム合金板を作製した。なお、各アルミニウム合金板の表面の平均粗さ（算術平均粗さＲａ）は、表面粗さ測定器により測定長さを１５ｍｍとして測定した。

そして、実施例１及び比較例１乃至４のアルミニウム合金板を夫々２枚ずつ重ね合わせて摩擦撹拌点接合し、接合時の押付荷重から接合施工における優位性を評価した。図３は本実施例の摩擦撹拌点接合方法を模式的に示す断面図である。図３に示すように、本実施例においては、ショルダー部１３ｂの直径が１２．５ｍｍであり、ピン部１３ａの直径が３．０ｍｍである接合ツール１３を使用し、ピン部１３ａの先端とアルミニウム合金板１２の裏面との距離を０．３ｍｍに保ち、ツール１３の回転数を２５００回転／分、接合時間を５乃至１０秒として、板厚が１．０ｍｍである２枚アルミニウム合金板１１及び１２を摩擦撹拌点接合した。その際、設置台１５上にロードセル１６を配置し、このロードセル１６上に受け部材１４を配置して、接合時の押付荷重を測定した。

また、得られた継手は、引張試験機にて引張せん断試験を行い、接合部の引張せん断強さを測定した。図４（ａ）は引張せん断試験片の形状を示す平面図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）に示すＡ−Ａ線による断面図である。引張せん断試験は、各継手から図４（ａ）及び（ｂ）に示す試験片を切り出し、この試験片の長さ方向に対する引張せん断強さを測定した。試験片の幅は２５ｍｍとし、接合部が中央に位置するようにした。これらの結果を、下記表１にまとめて示す。

上記表１に示すように、ＬＴ方向の平均表面粗さＲａ_ＬＴは厚さの０．０５％以上であるが、Ｌ方向の平均表面粗さＲａ_Ｌが厚さの０．０５％未満である比較例１のアルミニウム合金板は、押付荷重が高く、引張せん断強さが低かった。また、Ｌ方向及びＬＴ方向共に平均表面粗さが厚さの０．０５％未満である比較例２のアルミニウム合金板も、押付荷重が高く、引張せん断強さが低かった。更に、Ｌ方向の平均表面粗さＲａ_ＬとＬ方向の平均表面粗さＲａ_ＬＴとの差はＬＴ方向の平均表面粗さＲａ_ＬＴの１０％以下であるが、平均表面粗さが厚さの０．０５％未満である比較例３のアルミニウム合金板は、押し付け荷重が最も高く、また引張せん断強さが低く、特性が最も低かった。

一方、表面粗さが本発明の範囲内である実施例１及び２のアルミニウム合金板は、前述の比較例１乃至３のアルミニウム合金板に比べて、押付荷重が減少すると共に、引張せん断強さが増加した。これにより、被接合材であるアルミニウム合金板の表面粗さを最適化することにより、接合施工性が改善し、継手の強度が向上することを確認できた。特に、Ｌ方向の平均表面粗さＲａ_ＬとＬ方向の平均表面粗さＲａ_ＬＴとの差がＬＴ方向の平均表面粗さＲａ_ＬＴの１０％以下である実施例１のアルミニウム合金板は、比較例３のアルミニウム合金に比べて、押付荷重が１５％程度減少すると共に、引張せん断強さが１０％程度増加しており、接合施工性の改善及び継手の強度向上の効果が高かった。

本発明の実施形態のアルミニウム合金材の摩擦撹拌点接合方法を模式的に示す斜視図である。（ａ）は接合前のアルミニウム合金板２の重ね合わせ面を示す図であり、（ｂ）は接合後のアルミニウム合金板２の重ね合わせ面を示す図である。本発明の実施例の摩擦撹拌点接合方法を模式的に示す断面図である。（ａ）は引張せん断試験片の形状を示す平面図であり、（ｂ）は（ａ）に示すＡ−Ａ線による断面図である。

符号の説明

１、２；アルミニウム合金材
３、１３；接合ツール
３ａ、１３ａ；ピン部
３ｂ、１３ｂ；ショルダー部
４，１４；受け部材
５ａ〜５ｄ、６；印
１１、１２；アルミニウム合金板
１５；設置台

Claims

摩擦撹拌点接合により接合されるアルミニウム又はアルミニウム合金材において、表面の平均粗さが板厚の０．０５％以上であることを特徴とする摩擦撹拌点接合用アルミニウム又はアルミニウム合金材。
表面の一方向の平均粗さとこの一方向に直交する方向の平均粗さとの差がその大きい方の平均粗さの１０％以下であることを特徴とする請求項１に記載の摩擦撹拌点接合用アルミニウム又はアルミニウム合金材。
表面及び裏面の平均粗さが板厚の０．０５％以上である複数枚のアルミニウム又はアルミニウム合金材を重ね合わせる工程と、その重ね合わせた部分に回転駆動された接合ツールのピン部を進入させることにより、前記複数枚のアルミニウム又はアルミニウム合金材を相互に接合する工程と、を有することを特徴とする摩擦撹拌点接合方法。
前記アルミニウム又はアルミニウム合金材は、表面及び裏面の一方向の平均粗さとこの一方向に直交する方向の平均粗さとの差がその大きい方の平均粗さの１０％以下であることを特徴とする請求項３に記載の摩擦撹拌点接合方法。