JP2006255749A - 異種材料接合体及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】接合作業の簡素化が図られると共に接合強度を確保することができる異種材料接合体及びその製造方法を提供する。
【解決手段】接合体Ｗは第２のワークＷ２が回転を伴って第１のワークＷ１に圧入されることにより得られる。第２のワークＷ２を第１のワークＷ１に圧入する際、第２のワークＷ２の回転により両ワーク間に摩擦熱が発生する。その摩擦熱により第２のワークＷ２と第１のワークＷ１との接合面を軟化させながら第２のワークＷ２を第１のワークＷ１に圧入することが可能となる。従って、第１のワークＷ１に例えば穴を形成する等の前処理は不要であり、接合作業の簡素化が図られる。また、第２のワークＷ２と第１のワークＷ１とは、摩擦圧接による固相接合力と熱膨張率の差による締め付け力との双方によって接合される。
【選択図】 図３

Description

本発明は、異種材料接合体及びその製造方法に関するものである。

従来、熱膨張係数等が異なる２つの異種材料を接合する手法として例えば特許文献１に示されるような接合方法が知られている。この接合方法は、被圧入体に所定の径及び深さを有する穴を予め形成し、その孔に圧入体を圧入するようにしたものである。圧入体を被圧入体の穴に圧入する際に当該被圧入体の圧入部近傍に塑性変形が発生し、その塑性変形による反力により圧入体と被圧入体との摩擦力の増大が図られ、ひいては両者の接合強度が確保されている。
特開２００１−２９３５７６号公報

ところが、前記従来の接合方法においては、次のような問題があった。即ち、圧入体を被圧入体に圧入する際に前記塑性変形を発生しやすくするために、被圧入体に予め穴を形成する必要があった。そしてその穴の寸法（内径及び深さ等）は圧入体の外径等により適宜設定する必要がある。このため、圧入体と被圧入体との接合作業が煩雑となっていた。また、圧入体と被圧入体との接合強度は被圧入体の圧入部近傍に発生した塑性変形の反力に基づく摩擦力に依存するところが大きい。しかし、近年では前述のような異種材料接合体の用途はますます多様化の傾向にあり、より接合強度の得られる異種材料接合体に対する要望もある。

本発明は上記問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、接合作業の簡素化が図られると共に接合強度を確保することができる異種材料接合体及びその製造方法を提供することにある。

請求項１に記載の発明は、融点及び熱膨張率の組合せが異なる一対の異種材料部材の接合体であって、前記一対の異種材料部材のうち一方の部材は回転を伴う圧入体とすると共に、他方の部材は当該圧入体が圧入される被圧入体とし、前記圧入体と被圧入体とは、摩擦圧接による固相接合力と熱膨張率の差による締め付け力とによる機械的結合力により接合されていることをその要旨とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１記載の異種材料接合体において、前記圧入体は被圧入体よりも融点が高く且つ被圧入体とは熱膨張率が異なるものとしたことをその要旨とする。

請求項３に記載の発明は、融点及び熱膨張率の組合せが異なる一対の異種材料部材の接合体の製造方法であって、前記一対の異種材料部材のうち一方の部材を圧入体とすると共に同じく他方の部材を前記圧入体が圧入される被圧入体とし、前記圧入体と被圧入体とを相対回転させることにより摩擦熱を発生させ、その摩擦熱により圧入体及び被圧入体の接合面を軟化させながら圧入体を被圧入体に圧入し、その後、圧入体及び被圧入体の全体を冷却させて被圧入体により圧入体を締め付けるようにしたことをその要旨とする。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の異種材料接合体の製造方法において、前記圧入体は被圧入体の所定の深さまで圧入するようにしたことをその要旨とする。
（作用）
請求項１に記載の発明によれば、異種材料接合体は圧入体が回転を伴って被圧入体に圧入されることにより得られる。圧入体を被圧入体に圧入する際、圧入体の回転により当該圧入体と被圧入体との間に摩擦熱が発生する。その摩擦熱により圧入体と被圧入体との接合面を軟化させながら圧入体を被圧入体に圧入することが可能となる（いわゆる摩擦圧接）。従って、被圧入体に例えば穴を形成する等の前処理は不要であり、接合作業の簡素化が図られる。また、圧入体と被圧入体とは、摩擦圧接による固相接合力と熱膨張率の差による締め付け力とによる機械的結合力により接合される。従って、例えば前記固相接合力及び前記締め付け力のいずれか一方によってのみ接合するようにした場合に比べて、圧入体と被圧入体との接合強度を確保することができる。

請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明の作用に加えて、摩擦圧接の完了後における冷却に伴って、圧入体と被圧入体との熱膨張率の差により当該圧入体に作用する被圧入体による締め付け力が効果的に得られる。

請求項３に記載の発明によれば、圧入体及び被圧入体を相対回転させることにより摩擦熱を発生させ、その摩擦熱により圧入体及び被圧入体の接合面を軟化させながら圧入体を被圧入体に圧入する。このため、被圧入体に例えば穴を形成する等の前処理は不要であり、接合作業の簡素化が図られる。また、圧入体と被圧入体との接合面には前記摩擦熱により固相接合状態が形成される。そしてさらに圧入作業後において、圧入体及び被圧入体の全体が冷却されることにより、圧入体には被圧入体による締め付け力が作用する。このように、圧入体と被圧入体とは前記固相接合力及び前記締め付け力の双方によって強固に接合される。

また、圧入体と被圧入体とを接合する際には、請求項４のように、前記圧入体は被圧入体に対して所定の深さまで圧入することが望ましい。例えば被圧入体を貫通するように圧入体を圧入するようにした場合には、当該圧入体と被圧入体との間において前記固相接合力が得られず、前記締め付け力のみによって接合されることとなる。本発明のように圧入体を被圧入体に対して所定の深さまで圧入することで、前記固相接合力及び前記締め付け力の双方が得られる。

本発明によれば、最適な加工条件を得るための制御の簡素化が図られる。

以下、本発明の摩擦圧接方法を実現する摩擦圧接装置に具体化した一実施形態を図１〜図４に基づいて説明する。
＜全体構成＞
図１に示すように、摩擦圧接装置１１の支持台１２にはコラム１３が上方へ延びるように設けられている。支持台１２の上面には図示しないクランプ手段により第１のワークＷ１を固定可能とされている。また、コラム１３には圧接駆動ユニット１４及び回転駆動ユニット１５が設けられている。

圧接駆動ユニット１４は圧接用モータ２１を備えており、当該圧接用モータ２１の駆動により圧接駆動ユニット１４はコラム１３に沿って上下に移動可能とされている。また、圧接駆動ユニット１４には主軸２２が回転可能に且つ下方に延びるように設けられている。主軸２２の先端（下端）にはチャック２３が設けられており、当該チャック２３により第２のワークＷ２が把持される。また、主軸２２には従動プーリ２４が固定されている。

回転駆動ユニット１５は回転用モータ３１を備えており、当該回転用モータ３１の出力軸３２には駆動プーリ３３が一体回転可能に固定されている。この駆動プーリ３３と前記主軸２２の従動プーリ２４との間には無端状のタイミングベルト３４が掛装されている。このため、回転用モータ３１の回転力は駆動プーリ３３、タイミングベルト３４及び従動プーリ２４を介して主軸２２に伝達され、その結果、当該主軸２２は回転する。

第１のワークＷ１は第２のワークＷ２よりも融点が低く且つ熱膨張率が大きい材料により所定の厚みを有する板状に形成されている。第２のワークＷ２は第１の第１のワークＷ１よりも融点が高く且つ熱膨張率が小さい材料により円柱状（棒状）に形成されている。本実施形態では、第１のワークＷ１は銅により形成され、第２のワークＷ２はセラミックスにより形成されている。

＜電気的構成＞
図２に示すように、摩擦圧接装置１１は制御装置４１、圧接用モータドライバ４２、回転用モータドライバ４３、圧接用モータ用の回転角センサ４４、回転用モータ用の回転角センサ４５、圧接用モータ用の電流検出センサ４６及び回転用モータ用の電流検出センサ４７を備えている。

圧接用モータドライバ４２及び回転用モータドライバ４３は制御装置４１からの電流指令値に基づいた所定の電流を圧接用モータ２１及び回転用モータ３１にそれぞれ供給する。

両回転角センサ４４，４５は圧接用モータ２１及び回転用モータ３１の回転角度（正確には、回転角センサ４４のロータの磁極位置を示す電気角）をそれぞれ検出し、それら検出信号を制御装置４１に送る。

両電流検出センサ４６，４７は圧接用モータドライバ４２及び回転用モータドライバ４３から圧接用モータ２１及び回転用モータ３１に供給される電流（モータ電流値）をそれぞれ検出し、それら検出信号を制御装置４１に送る。

制御装置は図示しないＣＰＵ（中央処理装置）、ＲＯＭ（読み取り専用メモリ）、ＲＡＭ（読み取り書き込み専用メモリ）等を備えている。ＲＯＭには摩擦圧接装置１１の各部を統括的に制御するための各種データ及び各種制御プログラム等が予め格納されている。ＲＡＭはＲＯＭの制御プログラムを展開してＣＰＵが各種処理を実行するためのデータ記憶領域、即ち作業領域である。

制御装置４１は回転角センサ４４からの検出信号に基づいて主軸２２の送り量を把握する。また、制御装置４１は電流検出センサ４６からの検出結果に基づいて圧接用モータ２１への指令電流値を設定し、その指令電流値に基づいた電流が圧接用モータ２１に供給されるように圧接用モータドライバ４２を駆動制御する。さらに、制御装置４１は圧接用モータ２１へのモータ電流値について単位時間当たりの変化量を所定の制御周期毎に求めて前記ＲＡＭに格納する。ここで、圧接用モータ２１へのモータ電流値は主軸２２の送り速度に対応していることから、制御装置４１は主軸２２の送り速度の微分値を求めているとも言える。さらに、主軸２２の送り速度は第２のワークＷ２の第１のワークＷ１に対する押し圧力に対応していることから、制御装置４１は第２のワークＷ２の第１のワークＷ１に対する押し圧力の微分値を求めているとも言える。

＜実施形態の作用＞
次に、前述のように構成した摩擦圧接装置の動作を図３（ａ）〜（ｄ）、図４及び図５に従って説明する。ワーク第１及び第２のワークＷ１，Ｗ２を摩擦圧接装置１１により接合する場合には、一方の第１のワークＷ１を支持台１２の上面にクランプ固定すると共に、他方の第２のワークＷ２をチャック２３に固定する。第２のワークＷ２の第１のワークＷ１に対する加工深さ（圧入深さ）及び圧接用モータ２１へ供給されるモータ電流の上限値はそれぞれ予め設定されている。前記加工深さは、第１及び第２のワークＷ１，Ｗ２の寸法（例えば長さ及び厚み）、材料等に基づいて主軸２２の最終的な送り量として設定される。また、第１のワークＷ１（正確には、回転用モータ３１）の回転数も予め設定されている。本実施形態では、回転用モータ３１の回転数は一定に保たれる。

まず本実施形態の摩擦圧接工程の概略について説明する。即ち、図３（ａ）〜（ｄ）に示すように、本実施形態の摩擦圧接工程は大きく準備工程、均し工程、圧入工程及びアプセット工程（圧接工程）を備えている。

準備工程では、まず第２のワークＷ２をチャック２３に固定した状態で支持台１２の上面にクランプ固定された第１のワークＷ１の上面に当接させ、その当接した位置を加工深さ（圧入深さ）の基準点（ゼロ点）として設定する。その後、図３（ａ）に示されるように第１のワークＷ１と第２のワークＷ２とを一旦上方向に離間させる。そして、回転用モータ３１を駆動し、当該回転用モータ３１の回転数を安定させる。

均し工程は、図３（ｂ）に示されるように回転用モータ３１の回転数が安定した状態で主軸２２の送りが開始され、設定された均し深さに達するまで主軸２２の送りを行い、微弱な圧接により生じる塑性流動層で第１のワークＷ１と第２のワークＷ２との接合面の均一性と予備的な軟化状態とを形成する工程である。

圧入工程は、図３（ｃ）に示されるように第１のワークＷ１の軟化に応じて不純物を取り除きながら所定の圧入深さまで第２のワークＷ２を回転させながら圧入する工程である。その際、圧接用モータ２１のモータ電流値の変化量に基づいて第１のワークＷ１と第２のワークＷ２との接合面の軟化状態を把握し、その軟化状態に応じて主軸２２の送り速度を増加させる。この主軸２２の送り制御、即ち第２のワークＷ２の圧入制御については後に詳述する。

アプセット工程は、図３（ｄ）に示されるように第２のワークＷ２の回転を停止し、所定の圧力を加えることにより第２のワークＷ２の底面（下端面）と第１のワークＷ１との固相接合を行う工程である。また、第１及び第２のワークＷ１，Ｗ２の熱膨張率の差により、それらの冷却に伴って第２のワークＷ２には第１のワークＷ１による側方からの締め付け力が発生する。第１及び第２のワークＷ１，Ｗ２は前述の固相接合力と熱膨張力の差による締め付け力とにより強固に接合される。このようにして第１のワークＷ１と第２のワークＷ２との接合体（異種材料接合体）Ｗは製造される。

＜ワークの圧入制御＞
次に、前述した摩擦圧接方法における圧入工程及びアップセット工程の詳細を図４に示すフローチャートに従って説明する。尚、本実施形態では制御装置４１のステップを「Ｓ」と略記する。

制御装置４１は、第２のワークＷ２の回転数が所定の回転数となるように回転用モータ３１を駆動制御する。そして、制御装置４１は回転用モータ３１の回転数が安定した後に第２のワークＷ２の送りを開始する。即ち、制御装置４１は第２のワークＷ２が所定の均し深さだけ下降するように圧接用モータ２１（正確には、圧接用モータドライバ４２）を駆動制御する（Ｓ１０１）。

次に、均し深さ到達後、制御装置４１は第２のワークＷ２が第１のワークＷ１に対して予め設定された所定の圧入深さに達したか否かを判断する（Ｓ１０２）。
制御装置４１は第２のワークＷ２が所定の圧入深さに達していないと判断した場合（Ｓ１０２でＮＯ）、Ｓ１０３へ処理を移行する。

Ｓ１０３において、制御装置４１は圧接用モータ２１の今回のモータ電流値の単位時間当たりの変化量である微分値（ｄｉ１／ｄｔ）と前記ＲＡＭに格納された前回のモータ電流値の単位時間当たりの変化量である微分値（ｄｉ２／ｄｔ）との大小を比較する。換言すると、制御装置４１は、主軸２２の今回の送り速度の微分値と、前記ＲＡＭに格納された前回の送り速度の微分値とを比較する。さらに言えば、制御装置４１は、第２のワークＷ２の第１のワークＷ１に対する押し圧力の今回の微分値と、前記ＲＡＭに格納された前回の押し圧力の微分値とを比較する。

制御装置４１は、今回の微分値が前回の微分値以下の場合（Ｓ１０３でＹＥＳ）、第２のワークＷ２の送り速度を所定の割合（例えば１０％一定）で増加させる（Ｓ１０４）。即ち、制御装置４１は、第１のワークＷ１と第２のワークＷ２との接合面の軟化を判断して、圧接用モータ２１へ供給するモータ電流値が所定の割合で増加するように圧接用モータドライバ４２を駆動制御する。その結果、第２のワークＷ２の第１のワークＷ１に対する押し圧力が増大する。

一方、制御装置４１は、今回の微分値が前回の微分値より大きい場合（Ｓ１０３でＮＯ）、第１のワークＷ１と第２のワークＷ２との接合面の軟化が不十分であるとして、第１のワークＷ１の送り速度を維持する。その維持した状態で制御装置４１は圧接用モータ２１へのモータ電流値が予め設定された上限値に達したか否かを判断する（Ｓ１０５）。

制御装置４１は圧接用モータ２１へのモータ電流値が予め設定された上限値に達していると判断した場合には（Ｓ１０５でＹＥＳ）、第２のワークＷ２の送り速度を所定の割合で減少させる（Ｓ１０６）。即ち、制御装置４１は圧接用モータ２１へ供給するモータ電流値が所定の割合で減少するように圧接用モータドライバ４２を駆動制御する。その結果、第２のワークＷ２の第１のワークＷ１に対する押し圧力が減少し、第２のワークＷ２が第１のワークＷ１に過度に押し付けられることが抑制される。

Ｓ１０５において、制御装置４１は圧接用モータ２１へのモータ電流値が予め設定された上限値に達していないと判断した場合には（Ｓ１０５でＮＯ）、Ｓ１０１へ処理を移行する。

以後、第２のワークＷ２の第１のワークＷ１に対する圧入深さが所定の圧入深さに達するまで前述の処理（Ｓ１０１〜Ｓ１０６）を繰り返す。
そして、制御装置４１は第２のワークＷ２が第１のワークＷ１に対する所定の圧入深さに達したと判断した場合（Ｓ１０２でＹＥＳ）にアプセット工程に移行する（Ｓ１０７）。即ち、回転用モータ３１を停止させ、第２のワークＷ２を第１のワークＷ１に対して所定の圧力で押し付ける。その結果、図３（ｄ）に示されるような第１のワークＷ１と第２のワークＷ２との接合体（異種材料接合体）Ｗが形成される。

このように、制御装置４１は圧接用モータ２１へのモータ電流値の単位時間当たりの変化量、即ち第２のワークＷ２の第１のワークＷ１に対する押し圧力の単位時間当たりの変化量に基づいて第１及び第２のワークＷ１，Ｗ２の当接面の軟化状態を判断し、最適な加工条件を得るようにしている。このため、圧接用モータ２１及び回転用モータ３１へのモータ電流値の変化をそれぞれ検出するようにした場合と異なり、最適な加工条件を得るための加工制御の簡素化が図られる。

＜モータ電流値の変動＞
次に、前記均し工程、圧入工程及びアプセット工程における第２のワークＷ２の圧入制御に係る圧接用モータ２１のモータ電流値の変動について説明する。

図５に示されるように、制御装置４１は、第２のワークＷ２と第１のワークＷ１とが当接を開始してから予め設定された均し深さに達するまで一定の送り速度で下降するように圧接用モータ２１を駆動制御する。均し深さに達すれば均し工程は完了となる（ΔＴ１）。

前述のように第１のワークＷ１と第２のワークＷ２との均し工程が完了すると、制御装置４１は所定の圧入深さに達するまで圧接用モータ２１への電流指令値を所定の割合で増加させる。図５に示す例では途中で圧接用モータ２１のモータ電流値が一旦減少するが、これは前記接合面の軟化速度が主軸２２の送り速度を上回ったことを示す。本実施形態では、モータ電流値の単位時間当たりの変化量が減少すると、送り速度を増加するように圧接用モータ２１（正確には、圧接用モータドライバ４２）が駆動制御されるので、圧接用モータ２１のモータ電流値は再び増加する。そして、第２のワークＷ２の第１のワークＷ１に対する圧入深さが所定値に達すると、圧入工程は完了となる（ΔＴ２）。

そして、制御装置４１はアプセットを行うために回転用モータ３１を停止させ、圧接用モータ２１への電流指令値を所定時間だけ増加させる。 回転用モータ３１は停止状態に保たれているため第１及び第２のワークＷ１，Ｗ２の冷却が始まり、それに伴って圧接用モータ２１のモータ電流値はさらに増大する（ΔＴ３）。

前述したように、制御装置４１は圧接用モータ２１のモータ電流値の単位時間当たりの変化量に基づいて、接合面の軟化状態を判断し、その検出結果に基づいて圧接用モータ２１への送り速度指令値（電流指令値）を設定する。このため、本実施形態の摩擦圧接工程は前記均し工程、圧入工程及びアプセット工程がそれぞれ連続して処理される。

＜接合体＞
次に、前述のようにして製造された接合体（異種材料接合体）Ｗについて説明する。この接合体Ｗにおいて、第２のワークＷ２の先端部は第１のワークＷ１に所定の圧入深さで圧入されており、当該第２のワークＷ２の先端面は第２のワークＷ２に対して固相接合されている。また、前記アプセット工程の終了後、接合体Ｗの冷却に伴って第１及び第２のワークＷ１，Ｗ２はそれぞれ熱収縮する。このとき、第１及び第２のワークＷ１，Ｗ２の熱膨張率の差により第１のワークＷ１の収縮量は第２のワークＷ２の収縮量よりも大きくなる。このため、第２のワークＷ２において第１のワークＷ１に埋設された部位には、第１のワークＷ１により締め付け力が発生して締め付けられる。この締め付け力及び前述の固相接合力により第１のワークＷ１と第２のワークＷ２との接合強度が確保されている。

従って、固相接合力だけでは弱く安定した接合力が得にくい部材を接合する場合にも、前述の固相接合力と締め付け力により安定した接合状態が得られる。例えば本実施形態のように、 セラミックスと金属（例えば銅）に代表される接合困難な異種材接合に対して特に有効である。

詳述すると、セラミックスと金属とを接合する際には、常温下における接触初期に発生し得る過度な押し圧力によるセラミックスの破壊、及び過剰な入熱によるセラミックスの熱応力破壊の問題がある。即ち、圧入工程における送り速度を増加させると初期にセラミックスの破壊が発生するおそれがあり、それを回避するために送り速度を減少させると今度は過剰入熱でセラミックスの破壊が発生するおそれがある。また、圧入進行させる中で金属部材の軟化が生じていないにもかかわらず過度な押し圧力を加える場合にもセラミックスの破壊が発生し得る。

これに対して、本実施形態では第２のワークＷ２の第１のワークＷ１に対する接触初期の送り速度を微小速度で開始して、徐々に当該送り速度を上げて金属部材である第１のワークＷ１の表面に軟化を発生させながら圧入を進めるようにしている。そして、金属部材である第１のワークＷ１の軟化が発生しない時は一旦押し圧力、即ち送り速度を低下させて第１のワークＷ１の軟化の発生を待ってから送り速度を増加させるようにしている。このため、金属部材である第１のワークＷ１が軟化していないにもかかわらず第２のワークＷ２が過度に圧入されることはない。これにより、過度な押し圧力によるセラミックス（第２のワークＷ２）の破壊が回避される。

また、本実施形態では、適切な送り速度（正確には、圧接用モータ２１のモータ電流値；押し圧力）の上限値を設定し、その値に達するまでは初期速度から所定の割合（例えば１０％一定）で順次送り速度を増加させ所定の圧入深さに達するまで圧入を進行させ続けるようにしている。このため、第２のワークＷ２が所定の圧入深さに達するまでの時間を極力短時間で行うことが可能となる。従って、圧入時間が短くなる分、第２のワークＷ２に対する入熱量も抑制され、ひいてはセラミックスである第２のワークＷ２の熱応力破壊も抑制される。また、第２のワークＷ２の前記送り速度（押し圧力）の上限値を設定するようにしたので、安全性も確保される。

＜ワークの組み合わせ＞
本実施形態では、第１のワークＷ１は第２のワークＷ２よりも融点が低く且つ熱膨張率が大きい材料とし、第２のワークＷ２は第１の第１のワークＷ１よりも融点が高く且つ熱膨張率が小さい材料とした。そして、第１のワークＷ１として銅を採用し、第２のワークＷ２としてセラミックスを採用するようにしたが、例えば第１及び第２のワークＷ１，Ｗ２として次のような異種金属材料を採用しても両ワークを接合可能である。即ち第１及び第２のワークＷ１，Ｗ２として、例えば「アルミニウムとステンレス」、「銅とアルミナ」及び「銅とモリブデン」の組み合わせであれば両ワークを本実施形態の摩擦圧接方法により接合可能である。

また、第１のワークＷ１は第２のワークＷ２よりも融点が低く且つ熱膨張率が小さい材料とし、第２のワークＷ２は第１の第１のワークＷ１よりも融点が高く且つ熱膨張率が大きい材料とした場合も両ワークを接合可能である。その場合、第１のワークＷ１及び第２のワークＷ２として、例えば「チタンと酸化ジルコニウム」、「インバーと炭化タングステン」及び「コバールとアルミナ（酸化アルミニウム）」の組み合わせであれば両ワークを本実施形態の摩擦圧接方法により接合可能である。

従って、第１のワークＷ１は第２のワークＷ２よりも融点が低く且つ熱膨張率が異なる材料とすれば両ワークを接合可能である。このような異種金属材料を採用した場合も固相接合力と締め付け力により安定した接合状態が得られる。特に、異種金属材料部材を摩擦圧接により接合しようとする場合に過剰な入熱を与えると金属間化合物などによる接合阻害現象が生じ易くなる。これに対して、本実施形態では金属間化合物などによる接合阻害現象は回避される。

＜実施形態の効果＞
従って、本実施形態によれば、以下の効果を得ることができる。
（１）接合体Ｗを構成する一対の異種材料部材のうち第２のワークＷ２は回転を伴う圧入体とすると共に、第１のワークＷ１は当該第２のワークＷ２が圧入される被圧入体とした。そして、第２のワークＷ２と第１のワークＷ１とは、摩擦圧接による固相接合力と熱膨張率の差による締め付け力とによる機械的結合力により接合するようにした。即ち、接合体Ｗは第２のワークＷ２が回転を伴って第１のワークＷ１に圧入されることにより得られる。第２のワークＷ２を第１のワークＷ１に圧入する際、第２のワークＷ２の回転により当該第２のワークＷ２と第１のワークＷ１との間に摩擦熱が発生する。その摩擦熱により第２のワークＷ２と第１のワークＷ１との接合面を軟化させながら第２のワークＷ２を第１のワークＷ１に圧入することが可能となる。従って、第１のワークＷ１に例えば穴を形成する等の前処理は不要であり、接合作業の簡素化が図られる。また、第２のワークＷ２と第１のワークＷ１とは、摩擦圧接による固相接合力と熱膨張率の差による締め付け力とによる機械的結合力により接合される。従って、例えば前記固相接合力及び前記締め付け力のいずれか一方によってのみ接合するようにした場合に比べて、両ワークの接合強度を確保することができる。

（２）前記締め付け力を確保する場合には、第２のワークＷ２は第１のワークＷ１よりも融点が高く且つ熱膨張率が低いものとすることが望ましい。このようにすれば、摩擦圧接の完了後における冷却に伴って、第２のワークＷ２と第１のワークＷ１との熱膨張率の差により当該第２のワークＷ２に作用する第１のワークＷ１による締め付け力が効果的に得られる。

（３）また、第２のワークＷ２は第１のワークＷ１よりも融点及び熱膨張率がそれぞれ高いものとすることもでき、加工後のワークを高温下で使用するときに熱膨張率差による締付け力を発生させることができる。すなわち、第１のワークＷ１は第２のワークＷ２よりも融点が低く且つ熱膨張率が異なる材料とすれば両ワークを接合することができる。

（４）第２のワークＷ２を円柱状（棒状）に形成するようにした。このため、第２のワークＷ２の断面形状とその回転軌跡は共に円形となり、第２のワークＷ２の回転中において、第１のワークＷ１における第２のワークＷ２との接合面に空気と接触する部位が形成されることはない。例えば第２のワークＷ２を角柱状（角棒状）に形成するようにした場合、当該第２のワークＷ２の断面形状（四角形）とその回転軌跡（円形）との違いにより、第２のワークＷ２の回転に伴って第１のワークＷ１における第２のワークＷ２との接合面に空気と触れる部位が発生する。そしてその空気に触れた部位には金属酸化膜（金属化合物）が形成され、接合強度が低下する。本実施形態のように、第２のワークＷ２を断面円形状にすることにより、第１のワークＷ１と第２のワークＷ２との間に金属酸化物が形成されることが回避され、その金属酸化物により両ワーク間の固相接合状態の形成が阻害されることはない。従って、第１のワークＷ１と第２のワークＷ２とのいっそう良好な接合状態が得られる。

（５）第２のワークＷ２及び第１のワークＷ１を相対回転させることにより摩擦熱を発生させ、その摩擦熱により第２のワークＷ２及び第１のワークＷ１の接合面を軟化させながら第２のワークＷ２を第１のワークＷ１に圧入する。このため、第１のワークＷ１に例えば穴を形成する等の前処理は不要であり、接合作業の簡素化が図られる。また、第２のワークＷ２と第１のワークＷ１との接合面には前記摩擦熱により固相接合状態が形成される。そしてさらに圧入作業後において、第２のワークＷ２及び第１のワークＷ１の全体が冷却されることにより、第２のワークＷ２には第１のワークＷ１による締め付け力が作用する。このように、第２のワークＷ２と第１のワークＷ１とは前記固相接合力及び前記締め付け力の双方による機械的結合力によって強固に接合される。

（６）また、第２のワークＷ２と第１のワークＷ１とを接合する際には、当該第２のワークＷ２の先端が第１のワークＷ１の板厚内に存在する深さまで圧入することが望ましい。例えば第１のワークＷ１を貫通するように第２のワークＷ２を圧入するようにした場合には、当該第２のワークＷ２と第１のワークＷ１との間において固相接合力が得られず、締め付け力のみによる接合とされるため強固に接合されない。本実施形態のように第２のワークＷ２を第１のワークＷ１に対して所定の圧入深さまで圧入することで、前記固相接合力及び前記締め付け力の双方が得られる。

（７）第２のワークＷ２の第１のワークＷ１に対する圧接方向への圧力の単位時間当たりの変化量である微分値について、今回の微分値が前回の微分値以下のときには前記圧力は増大するようにした。一方、今回の微分値が前回の微分値を超えるときには前記圧力を維持するようにした。即ち、第１及び第２のワークＷ１，Ｗ２の接合面の軟化が進行するにつれて第２のワークＷ２の第１のワークＷ１に対する圧力が増大される。また、第１のワークＷ１の軟化が不十分であるときは第２のワークＷ２の第１のワークＷ１に対する圧力は維持される。そして、前記接合面が軟化すると、前述のように第２のワークＷ２の圧力が再び増大される。

このため、第１及び第２のワークＷ１，Ｗ２の当接面の軟化状態を考慮することにより、第２のワークＷ２が第１のワークＷ１に対して過度に押し付けられることがなく好適に圧入される。また、第１及び第２のワークＷ１，Ｗ２の当接面の軟化状態を考慮に入れた最適な加工条件を得るために、第２のワークＷ２の送り速度、即ち圧接用モータ２１のモータ電流値だけを管理すればよいので、例えば第２のワークＷ２の回転速度、即ち主軸２２のモータ電流値をも考慮するようにした場合に比べて、加工制御の簡素化が図られる。

（８）今回の微分値が前回の微分値より小さいときには、第２のワークＷ２の圧力は予め設定された割合で増大させるようにした。即ち、第１及び第２のワークＷ１，Ｗ２の接合面の軟化が進行したときには、第２のワークＷ２の圧力を所定の割合で増大させる。これにより、第２のワークＷ２の第１のワークＷ１に対する圧入開始から圧入完了までの時間を短縮することができる。

（９）第２のワークＷ２の圧力が予め設定された上限値に達したときには、当該送り速度は予め設定された割合で減少させるようにした。このため、第２のワークＷ２が第１のワークＷ１に対して過度に押し付けられることをより確実に抑制することができる。

＜別の実施形態＞
尚、前記各実施形態は、次のように変更して実施してもよい。
・本実施形態では、制御装置４１から電流指令値（即ち、送り速度指令値）が出力された際の圧接用モータ２１へのモータ電流値（送り速度）を押し圧力とし、そのモータ電流値について単位時間当たりの変化量を求め、その変化量に基づいて圧接用モータ２１を制御するようにしたが次のようにしてもよい。即ち、主軸２２に第２のワークＷ２の第１のワークＷ１に対する実際の押し圧力を検出する装置（例えば圧力センサ）を設け、第１及び第２のワークＷ１，Ｗ２の材質に応じて予め設定した押し圧力が一定圧力となるよう圧接用モータ２１へのモータ電流値を変化させて圧接用モータ２１を制御するようにしてもよい。このようにしても本実施形態と同様の効果を得ることができる。

・本実施形態では、第１のワークＷ１を板状に、また第２のワークＷ２を円柱状に形成するようにしたが、第１のワークＷ１を円柱状に形成して第２のワークＷ２と突合せ状態で接合することも可能である。その場合、圧入側である第２のワークＷ２の径は固定側である第１のワークＷ１の径と同じ又は若干小径とする。そのようにすれば、第２のワークＷ２は第１のワークＷ１に食い込みやすくなる。ひいては第１のワークＷ１による締め付け力も得られやすくなる。

・本実施形態では、第１のワークＷ１を固定側とし、第２のワークＷ２を圧入側としたが、逆にしてもよい。即ち、第１のワークＷ１を圧入側とし、第２のワークＷ２を固定側とする。このようにしても、本実施形態と同様の効果を得ることができる。

＜別の技術的思想＞
次に、前記実施形態及び別の実施形態から把握できる技術的思想について以下に記載する。

（イ）請求項１記載の異種材料接合体において、前記圧入体は被圧入体よりも融点が高く且つ熱膨張率が小さいものとした異種材料接合体。前記締め付け力を確保する場合には、このように、圧入体は被圧入体よりも融点が高く且つ熱膨張率が低いものとすることが望ましい。このようにすれば、摩擦圧接の完了後における冷却に伴って、圧入体と被圧入体との熱膨張率の差により当該圧入体に作用する被圧入体による締め付け力が効果的に得られる。

（ロ）請求項１記載の異種材料接合体において、前記圧入体は被圧入体よりも融点が高く且つ熱膨張率が大きいものとした異種材料接合体。この構成によれば、圧入体は被圧入体よりも融点及び熱膨張率がそれぞれ高いものとすることにより、加工されたワークが高温状態で使用されるときに熱膨張率の差による締付け力が相乗的に加わる。

本実施形態における摩擦圧接装置の概略構成図。 同じく摩擦圧接装置の電気的構成を示すブロック図。 （ａ）〜（ｄ）は、同じく摩擦圧接工程における第１及び第２のワークの圧入状態を示す正面図。 同じく摩擦圧接装置による摩擦圧接の手順を示すフローチャート。 同じく摩擦圧接工程における圧接用モータの電流値変化を示すグラフ。

符号の説明

１１…摩擦圧接装置、Ｗ…接合体（異種材料接合体）、
Ｗ１…第１のワーク（被圧入体）、Ｗ２…第２のワーク（圧入体）。

Claims (4)

1. 融点及び熱膨張率の組合せが異なる一対の異種材料部材の接合体であって、
   前記一対の異種材料部材のうち一方の部材は回転を伴う圧入体とすると共に、他方の部材は当該圧入体が圧入される被圧入体とし、
   前記圧入体と被圧入体とは、摩擦圧接による固相接合力と熱膨張率の差による締め付け力とによる機械的結合力により接合されている異種材料接合体。
2. 請求項１記載の異種材料接合体において、
   前記圧入体は被圧入体よりも融点が高く、且つ被圧入体とは熱膨張率が異なるものとした異種材料接合体。
3. 融点及び熱膨張率の組合せが異なる一対の異種材料部材の接合体の製造方法であって、 前記一対の異種材料部材のうち一方の部材を圧入体とすると共に同じく他方の部材を前記圧入体が圧入される被圧入体とし、
   前記圧入体と被圧入体とを相対回転させることにより摩擦熱を発生させ、その摩擦熱により圧入体及び被圧入体の接合面を軟化させながら圧入体を被圧入体に圧入し、その後、圧入体及び被圧入体の全体を冷却させて被圧入体により圧入体を締め付けるようにした異種材料接合体の製造方法。
4. 請求項３に記載の異種材料接合体の製造方法において、
   前記圧入体は被圧入体の所定の深さまで圧入するようにした異種材料接合体の製造方法。

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