JP2006175504A

JP2006175504A - 異種材料の接合方法

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Publication number: JP2006175504A
Application number: JP2004373414A
Authority: JP
Inventors: Kenji Miyamoto; 健二宮本; Nariyuki Nakagawa; 成幸中川; Minoru Kasukawa; 実粕川
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2004-12-24
Filing date: 2004-12-24
Publication date: 2006-07-06
Anticipated expiration: 2024-12-24
Also published as: JP4631429B2

Abstract

【課題】異なる２種類の材料を重ね合わせて接合するに際して、いずれかの材料の表面に酸化皮膜が形成されていたとしても、多くの熱量を投入することなく酸化皮膜を除去することができ、その結果、接合界面の金属間化合物の生成を少なく抑えて、継手強度の向上を実現する。
【解決手段】亜鉛めっき鋼板１と、この亜鉛めっき鋼板１とは種類の異なるアルミニウム合金２とを重ね合わせて接合するに際して、重ね合わせた亜鉛めっき鋼板１及びアルミニウム合金２を貫通する方向に沿って配置した加工プローブ３を回転させつつアルミニウム合金２側に接触させて塑性流動領域７を生じさせ、これに伴って発生する熱により亜鉛めっき鋼板１の亜鉛層５と、アルミニウム合金２及び亜鉛めっき鋼板１の双方との間の界面に共晶溶融８を生じさせて亜鉛めっき鋼板１とアルミニウム合金２とを接合する。
【選択図】図３

Description

本発明は、異なる２種類の材料を重ね合わせて接合するのに用いられる異種材料の接合方法に係わり、特に、重ね合わせた材料を貫通する方向に沿って配置した加工プローブを回転させながら、いずれかの材料側に接触させることで撹拌領域を生じさせて行う接合、いわゆる、摩擦撹拌接合を用いた異種材料の接合方法に関するものである。

異なる２種類の材料、例えば、アルミニウム合金と鋼とを接合する場合、両方の材料を溶融させてしまうと、接合界面に高硬度で脆弱なＦｅ_２Ａｌ_５やＦｅＡｌ_３などの金属間化合物が生成されてしまい、十分な継手強度を得ることができないばかりか、アルミニウム合金表面に形成された緻密で強固な酸化皮膜を除去するために、入熱量をより増加させてしまうと、金属間化合物の厚みが増して継手強度が逆に低下してしまう。

また、アルミニウム合金と鋼とを接合する場合において、ボルトやリベット等による機械的接合方法を用いると、重量やコストが増加するといった不具合があり、これとは別の接合方法として、摩擦圧接方法を用いると、対称性のよい回転体同士の接合に用途が限られ、爆着や熱間圧延方法を用いると、設備面や能率面の問題があった。

従来において、上記した不具合を解消すべく成された異種材料の接合方法としては、例えば、特許文献１に記載されたものや、特許文献２に記載されたものがある。

前者の接合方法では、異種材料同士の間に、これら２種類の材料と同じ材料からなるクラッド材をそれぞれ同じ種類の材料同士が接するようにして挟み込み、通電時間１０ｍｓ以下で抵抗溶接を行うようにしている。

一方、後者の接合方法では、アルミニウムと鋼との抵抗溶接において、アルミニウムと接する鋼の表面に、アルミニウム量が２０ｗｔ％以上のアルミニウム合金又は純アルミニウムを膜厚２μｍ以上でめっきし、そのめっき層をアルミニウムに重ねて通電して、鋼母材をほとんど溶融させることなくめっき層を優先的に溶融させて溶接を行うようにしている。
特開平４−１２７９７３号特開平６−３９５５８号

ところが、クラッド材を導入した前者の接合方法において、実際の施工の状況を考えると、クラッド材の挿入工程及び固定工程が必要となり、現状の溶接ラインに新たな設備を組み入れなければならない。加えて、例えば、アルミニウムと鋼との接合の場合、クラッド材自体もアルミニウムと鋼とを接合して製造しなくてはならないことから、製造条件が厳しく、安価で性能の安定した製品を入手することが困難であるという問題があった。

一方、アルミニウムと鋼とを抵抗溶接する後者の接合方法では、アルミニウム合金又は純アルミニウムのめっき層とアルミニウムとを接合する際の入熱によって、アルミニウム合金又は純アルミニウムのめっき層と鋼との界面に脆い金属間化合物が生成されてしまい、この部分から破壊が生じる可能性があるという問題を有しており、これらの問題を解決することが従来の課題となっていた。

本発明は、上記した従来の課題に着目してなされたものであり、異なる２種類の材料を重ね合わせて接合するに際して、いずれかの材料の表面に酸化皮膜が形成されていたとしても、多くの熱量を投入することなく酸化皮膜を除去することができ、その結果、接合界面の金属間化合物の生成を少なく抑えて、継手強度の向上を実現することが可能である異種材料の接合方法を提供することを目的としている。

本発明は、第１の材料と、この第１の材料とは種類の異なる第２の材料とを重ね合わせて接合するに際して、重ね合わせた第１の材料及び第２の材料の間にこれらの２種類の材料とは異なる第３の材料を介在させ、重ね合わせた第１の材料及び第２の材料を貫通する方向に沿って配置した加工プローブを回転させつつ第１の材料及び第２の材料のうちのいずれか一方の材料側に接触させて塑性流動を生じさせ、これに伴って発生する熱により第１の材料及び第２の材料のうちの少なくともいずれか一方の材料と第３の材料との間の界面に共晶溶融を生じさせて第１の材料と第２の材料とを接合する構成としたことを特徴としており、この異種材料の接合方法の構成を前述した従来の課題を解決するための手段としている。

本発明の異種材料の接合方法によれば、上記した構成としているので、異なる２種類の材料を重ね合わせて接合するに際して、いずれかの材料の表面に酸化皮膜が形成されていたとしても、低温状態で酸化皮膜を除去することができ、したがって、接合界面温度の制御が可能となって金属間化合物の生成を抑制することができ、その結果、異なる２種類の材料同士を強固に接合することが可能であるという非常に優れた効果がもたらされる。

加えて、本発明の異種材料の接合方法では、共晶溶融を利用していることから、加工プローブによる攪拌時の発熱によって共晶溶融が生じる程度まで加工プローブの先端を差し込むようにするだけでよく、したがって、加工プローブの長寿命化をも実現することが可能であるという非常に優れた効果がもたらされる。

本発明の異種材料の接合方法において、第１の材料及び第２の材料のうちの少なくともいずれか一方の材料にめっきされている材料を第３の材料とする構成を採用することができ、この場合には、第１の材料と第２の材料との間に第３の材料を挟み込む工程が省かれるので、その分だけ加工工数が減って作業効率が向上することとなる。

この際、第１の材料及び第２の材料のうちの少なくともいずれか一方の材料を亜鉛めっき鋼板とし、この亜鉛めっき鋼板の亜鉛を第３の材料とする構成とすることができ、この場合には、新たにめっき処理を施すことなく、通常の防錆鋼板をそのまま使用することが可能である。

また、本発明の異種材料の接合方法では、第１の材料及び第２の材料のうちの高熱伝導材料側に加工プローブを接触させて塑性流動を生じさせ、この高熱伝導材料からの熱伝導により第１の材料及び第２の材料のうちの少なくともいずれか一方の材料と第３の材料との間の界面に共晶溶融を生じさせる構成とすることができ、この構成を採用すると、効率的に接合界面の温度を上昇させ得ることとなる。

さらに、本発明の異種材料の接合方法において、材料と接触する端面が平坦状を成す加工プローブを用いる構成を採用することができ、この場合には、先端にピンを有する従来の加工プローブを用いた際に生じるピンの抜き穴が接合箇所に形成されないので、減肉による強度の低下を阻止し得ることとなる。加えて、この接合方法で接合した材料から成る製品の使用時において、上記ピンの抜き穴がない分だけ製品としての美観が保たれるうえ、接合部分に水分が溜まることによる腐食を回避し得ることとなる。

さらにまた、本発明の異種材料の接合方法において、材料と接触する端面の中心にピンを有する加工プローブを用いる構成とすることができ、この際、従来よりも十分小さなピンを有する加工プローブを用いれば、接合箇所に形成されるピンの抜き孔が小さくなって、減肉による強度の低下を阻止し得ることとなる。加えて、ピンを有する加工プローブを用いることで、この加工プローブを接触させる材料の板厚が大きい場合であったとしても、界面への入熱を助長し得ることとなる。

さらにまた、本発明の異種材料の接合方法において、材料と接触する端面の中心に湾曲状突起を有する加工プローブを用いる構成を採用することができ、この場合には、減肉による強度の低下を阻止し得ると共に、共晶液相の接合部分周囲への排出を促進し得るうえ、この接合方法で接合した材料から成る製品の使用時において、上記ピンの抜き穴がほとんどない分だけ製品としての美観が保たれるうえ、接合部分に水分が溜まることによる腐食を回避し得ることとなる。

さらにまた、本発明の異種材料の接合方法において、第１の材料と第２の材料とを点接合する構成を採用することができ、この場合には、設備改造を伴う大規模な固定治具を必要とすることなく、従来の自動車車体のスポット溶接に代わる接合手段として採用し得ることとなる。

以下、本発明を実施例により更に詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

この実施例では、亜鉛めっき鋼板（第１の材料）と高熱伝導材料であるアルミニウム合金（第２の材料）との接合を行うに際して、第３の材料として亜鉛めっき鋼板の亜鉛層を用い、図４のＡｌ−Ｚｎ２元系状態図における共晶点Ｐを利用して、アルミニウム合金と亜鉛との共晶反応を生じさせて接合させ、図２に示すせん断引張試験片１０を得た。

すなわち、図２に示すように、２０ｍｍ×７５ｍｍ角の大きさに切断した板厚が０．５５ｍｍの亜鉛めっき鋼板１と、これと同じく２０ｍｍ×７５ｍｍ角の大きさに切断した板厚が１．０ｍｍの高熱伝導材料としての６０００系アルミニウム合金２とを重ね寸法２０ｍｍ幅で重ね合わせて、図１に示すように、アルミニウム合金２が図示上側になるようにして重なり部分を支持治具１０上に固定した後、これらの重ね合わせた亜鉛めっき鋼板１及びアルミニウム合金２を貫通する方向に沿って配置した加工プローブ３を回転させながら、高熱伝導材料であるアルミニウム合金２側に接触させた。

この際、加工プローブ３の材料と接触する端面３ａは平坦状を成しており、この加工プローブ３の端面３ａをアルミニウム合金２側に接触させて塑性流動を生じさせ、これに伴って発生する熱により、亜鉛めっき鋼板１の鋼板４及びアルミニウム合金２の両材料と、亜鉛めっき鋼板の亜鉛層５との間の界面に共晶溶融を生じさせて、亜鉛めっき鋼板１とアルミニウム合金２との各新生面同士を点接合する。

次に、図３を用いて接合過程における接合界面の状態の変化を説明する。

対向させた亜鉛めっき鋼板１及びアルミニウム合金２を重ね合わせ、この状態で、加工プローブ３を回転させながら、その平坦状を成す端面３ａを高熱伝導材料であるアルミニウム合金２側に接触させる。（図３（ａ），（ｂ））

これにより、アルミニウム合金２側に塑性流動領域７が生じ、これに伴って発生する熱により、亜鉛めっき鋼板１の鋼板４及びアルミニウム合金２の両材料と、亜鉛めっき鋼板の亜鉛層５との間の界面に共晶溶融８が生じる。（図３（ｃ））

この状態で、加工プローブ３をアルミニウム合金２にさらに押し付けると、共晶溶融８とともにアルミニウム合金２の表面の酸化皮膜９及び接合界面の不純物が接合部分の周囲に排出される。（図３（ｄ））

そして、酸化皮膜９及び接合界面の不純物が接合部分の周囲に排出されたのを待って、加工プローブ３をアルミニウム合金２から遠ざけると、亜鉛めっき鋼板１とアルミニウム合金２との各新生面同士が点接合される。（図３（ｅ））

上記した異種材料の接合方法では、亜鉛めっき鋼板１と高熱伝導材料であるアルミニウム合金２との接合を行うに際して、亜鉛めっき鋼板１の鋼板４及びアルミニウム合金２の双方の材料と、亜鉛めっき鋼板１の亜鉛層５との共晶反応を生じさせて接合するようにしているので、アルミニウム合金２の表面の酸化皮膜９を低温状態で除去し得ることとなる。

したがって、接合界面温度を制御し得ることから、金属間化合物の生成を抑制して、亜鉛めっき鋼板１及びアルミニウム合金２を強固に接合させ得ることとなる。

加えて、上記した異種材料の接合方法では、共晶溶融８を利用していることから、加工プローブ３による攪拌時の発熱によって共晶溶融８が生じる程度まで加工プローブ３の先端を差し込むようにするだけでよく、したがって、加工プローブ３の長寿命化も図られることとなる。

また、上記した異種材料の接合方法では、亜鉛めっき鋼板１にめっきされている亜鉛層５を第３の材料としているので、例えば、鋼板とアルミニウム合金との間に第３の材料を挟み込むといった工程が省かれることとなり、その分だけ加工工数が減って作業効率が向上することとなるうえ、新たにめっき処理を施すことなく、通常の防錆鋼板をそのまま用い得ることとなる。

さらに、上記した異種材料の接合方法では、高熱伝導材料であるアルミニウム合金２側に加工プローブ３を接触させて塑性流動領域７を生じさせるようにしているので、効率的に接合界面の温度を上昇させ得ることとなる。

さらにまた、上記異種材料の接合方法において、加工プローブ３の材料と接触する端面３ａを平坦状としているので、先端にピンを有する従来の加工プローブを用いた際に生じるピンの抜き穴が接合箇所に形成されないので、減肉による強度の低下を阻止し得ることとなるのに加えて、この接合方法で接合した材料から成る製品の使用時において、上記ピンの抜き穴がない分だけ製品としての美観が保たれるうえ、接合部分に水分が溜まることによる腐食を回避し得ることとなる。

次に、本発明の他の実施例による異種材料の接合方法として、材料と接触する端面の中心に湾曲状突起（ピンとしてもよい）を有する加工プローブを用いる場合を説明する。

この実施例において、２０ｍｍ×７５ｍｍ角の大きさに切断した板厚が０．５５ｍｍの亜鉛めっき鋼板１と、これと同じく２０ｍｍ×７５ｍｍ角の大きさに切断した板厚が２．５ｍｍの高熱伝導材料としての６０００系アルミニウム合金２とを重ね合わせ寸法２０ｍｍで重ね合わせて、アルミニウム合金２が上側になるようにして固定した後、これらの重ね合わせた亜鉛めっき鋼板１及びアルミニウム合金２を貫通する方向に沿って配置した加工プローブを回転させながら、高熱伝導材料であるアルミニウム合金２側に接触させた（図１及び図２参照）。

そこで、図５を用いて接合過程における接合界面の状態の変化を説明する。

対向させた亜鉛めっき鋼板１及びアルミニウム合金２を重ね合わせ、この状態で、端面２３ａの中心に湾曲状突起２３ｂを有する加工プローブ２３を回転させながら、その湾曲状突起２３ｂを高熱伝導材料であるアルミニウム合金２側に接触させる。（図５（ａ），（ｂ））

これにより、アルミニウム合金２側に塑性流動領域７が生じ、これに伴って発生する熱により、亜鉛めっき鋼板１の鋼板４及びアルミニウム合金２の両材料と、亜鉛めっき鋼板の亜鉛層５との間の界面に共晶溶融８が生じる。（図５（ｃ））

この状態で、加工プローブ２３をアルミニウム合金２にさらに押し付けると、共晶溶融８とともにアルミニウム合金２の表面の酸化皮膜９及び接合界面の不純物が接合部分の周囲に排出される。（図５（ｄ））

このとき、加工プローブ２３の端面２３ａの中心には湾曲状突起２３ｂが位置しているので、共晶液相の接合部分周囲への排出を促進し得ることとなる。

そして、酸化皮膜９及び接合界面の不純物が接合部分の周囲に排出されたのを待って、加工プローブ２３をアルミニウム合金２から遠ざけると、亜鉛めっき鋼板１とアルミニウム合金２との各新生面同士が点接合される。（図５（ｅ））

上記した異種材料の接合方法においても、亜鉛めっき鋼板１と高熱伝導材料であるアルミニウム合金２との接合を行うに際して、亜鉛めっき鋼板１の鋼板４及びアルミニウム合金２の双方の材料と、亜鉛めっき鋼板１の亜鉛層５との共晶反応を生じさせて接合するようにしているので、アルミニウム合金２の表面の酸化皮膜９を低温状態で除去し得ることとなる。

また、上記した異種材料の接合方法では、加工プローブ２３の材料と接触する端面２３ａの中心に湾曲状突起２３ｂを設けているので、この接合方法で接合した材料から成る製品の使用時において、ピンの抜き穴がほとんどない分だけ製品としての美観が保たれるうえ、接合部分に水分が溜まることによる腐食を回避し得ることとなる。

加えて、湾曲状突起２３ｂを有する加工プローブ２３を用いることで、この実施例のように、この加工プローブ２３を接触させるアルミニウム合金２の板厚が大きい場合であったとしても、界面への入熱を助長し得ることとなる。

上記した実施例では、いずれの場合も亜鉛めっき鋼板１及びアルミニウム合金２を点接合するようにしており、これらの接合方法は、設備改造を伴う大規模な固定治具を必要とすることなく、従来の自動車車体のスポット溶接に代わる接合手段として採用し得ることとなる。

なお、上記した加工プローブ３，２３を用いて、例えば、亜鉛めっき鋼板１及びアルミニウム合金２を線接合することも可能であり、この場合も、亜鉛めっき鋼板１及びアルミニウム合金２を強固に接合させ得ると共に、この接合方法で接合した材料から成る製品の使用時において、ピンの抜き穴がほとんどない分だけ製品としての美観が保たれるうえ、接合部分に水分が溜まることによる腐食を回避し得ることとなる。

本発明の異種材料の接合方法における一実施例を示す重ね合わせた異なる２種類の材料を密着させている状態の斜視説明図である。（実施例１）図１における重ね合わせた異なる２種類の材料を接合して得たせん断引張試験片の平面説明図（ａ）及び側面説明図（ｂ）である。（実施例１）図１に示す異種材料の接合過程における接合界面の状態の変化を説明する図（ａ）〜（ｅ）である。（実施例１）Ａｌ−Ｚｎの２元系状態図である。他の実施例による異種材料の接合方法の接合過程における接合界面の状態の変化を説明する図（ａ）〜（ｅ）である。（実施例２）

符号の説明

１亜鉛めっき鋼板（第１の材料）
２アルミニウム合金（第２の材料）
３，２３加工プローブ
３ａ，２３ａ加工プローブの端面
５亜鉛層
７塑性流動領域
８共晶溶融
２３ｂ湾曲状突起

Claims

第１の材料と、この第１の材料とは種類の異なる第２の材料とを重ね合わせて接合するに際して、重ね合わせた第１の材料及び第２の材料の間にこれらの２種類の材料とは異なる第３の材料を介在させ、重ね合わせた第１の材料及び第２の材料を貫通する方向に沿って配置した加工プローブを回転させつつ第１の材料及び第２の材料のうちのいずれか一方の材料側に接触させて塑性流動を生じさせ、これに伴って発生する熱により第１の材料及び第２の材料のうちの少なくともいずれか一方の材料と第３の材料との間の界面に共晶溶融を生じさせて第１の材料と第２の材料とを接合することを特徴とする異種材料の接合方法。
第１の材料及び第２の材料のうちの少なくともいずれか一方の材料にめっきされている材料を第３の材料とする請求項１に記載の異種材料の接合方法。
第１の材料及び第２の材料のうちの少なくともいずれか一方の材料を亜鉛めっき鋼板とし、この亜鉛めっき鋼板の亜鉛を第３の材料とする請求項２に記載の異種材料の接合方法。
第１の材料及び第２の材料のうちの高熱伝導材料側に加工プローブを接触させて塑性流動を生じさせ、この高熱伝導材料からの熱伝導により第１の材料及び第２の材料のうちの少なくともいずれか一方の材料と第３の材料との間の界面に共晶溶融を生じさせる請求項１〜３のいずれか１つの項に記載の異種材料の接合方法。
材料と接触する端面が平坦状を成す加工プローブを用いる請求項１〜４のいずれか１つの項に記載の異種材料の接合方法。
材料と接触する端面の中心にピンを有する加工プローブを用いる請求項１〜４のいずれか１つの項に記載の異種材料の接合方法。
材料と接触する端面の中心に湾曲状突起を有する加工プローブを用いる請求項１〜４のいずれか１つの項に記載の異種材料の接合方法。
第１の材料と第２の材料とを点接合する請求項１〜７のいずれか１つの項に記載の異種材料の接合方法。