JP2007209986A

JP2007209986A - 摩擦攪拌接合方法

Info

Publication number: JP2007209986A
Application number: JP2006029109A
Authority: JP
Inventors: Kinya Aota; 欣也青田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2006-02-07
Filing date: 2006-02-07
Publication date: 2007-08-23
Also published as: CN101015878A; US20070181646A1; KR20070080558A

Abstract

【課題】重ね継手の摩擦攪拌接合において、接合部中心の未接合を防止でできる方法を提供する。
【解決手段】本発明は、複数の部材を重ね合せ、接合ツールを回転させながら一方の部材側に圧入して摩擦攪拌を生じさせて接合する摩擦攪拌接合方法であって、接合ツール１のショルダ３の先端に位置する小径の凸部２は、接合ツールの回転軸より外周側に配置されていることを特徴とする。特に、スポット接合に好適であり、重ね面の接合界面の表面酸化被膜を除去して、２つの部材を接合するものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の部材を重ね合せる重ね継手を接合する摩擦攪拌接合技術に関するものである。

摩擦攪拌接合技術によって、複数の部材を重ね合せる重ね継手を接合する従来技術としては、例えば、特許文献１に記載のように、先端面が平面状の接合ツールもしくは先端面に凹部を有する接合ツールを用い、その接合ツールを一方の部材側に圧入して、一方の部材側を摩擦攪拌させ、それによる塑性流動を利用して他方の部材と接合する方法がある。

一方、摩擦撹拌接合技術において、例えば、特許文献２に記載のように、接合ツール先端のピンを接合ツールの回転軸に偏芯させて形成するものがある。

特開２００５−１６１３８２号公報特許第３４５２０４４号公報

摩擦攪拌接合技術において、特許文献１では、複数の部材を重ね合せて接合する際に、接合ツールを回転させながら一方の部材側に圧入して摩擦攪拌を生じさせて接合する方法が記載されている。この接合は、接合部材の塑性流動により、重ね合せ面の表面酸化被膜を除去して界面を活性化して接合する方法である。しかし、接合部の中心は周速度０であるため、接合中心の重ね面の表面酸化被膜を塑性流動により除去することができない。そのため、未接合が発生する問題点があった。

また、特許文献２に開示されている技術であっても、接合部の中心では十分な周速度が得られず、接合中心の重ね面の表面酸化被膜を塑性流動により除去することができない。そのため、未接合が発生する問題点があった。

そこで、本発明の目的は、接合部中心の未接合を防止できる摩擦攪拌接合方法を提供することにある。

本発明の摩擦攪拌接合方法は、複数の部材を重ね合せ、接合ツールを回転させながら一方の部材側に圧入して摩擦攪拌を生じさせて接合する方法に関するものであって、接合ツールのショルダの先端に位置する小径の凸部は、接合ツールの回転軸より外周側に配置されていることを特徴とするものである。

また、本発明の摩擦攪拌接合ツールは、ショルダの先端に位置する小径の凸部を有し、凸部は接合ツールの回転軸より外周側に配置されていることを特徴とする。

さらに、本発明の摩擦攪拌接合装置は、接合ツールのショルダの先端に位置する小径の凸部は、接合ツールの回転軸より外周側に配置されていることを特徴とする。

これらにおいて、凸部は、半球形状であることが好ましく、凸部の接線が、接合ツールの回転軸に対して４５〜９０°の角度をなすことが好ましい。

また、凸部が、接合ツールのショルダの先端に複数有してもよい。また、凸部は、楕円形状であってもよい。

また、本発明では、複数の部材を重ね合せ、接合ツールを回転させながら一方の部材側に圧入して摩擦攪拌を生じさせて接合する場合、スポット接合に用いることが好ましい。

本発明の接合ツールによる摩擦攪拌接合方法によれば、接合ツールの回転中心にも塑性流動させることができ、未接合のない良好な接合をすることができる。

本形態における摩擦攪拌接合方法は、接合ツールのショルダの先端位置に、小径の凸部を設け、この凸部を接合ツールの回転軸より外周側に配置する。

すなわち、接合ツールの回転により、例えば、θ°回転したとすると、θ°回転した後の凸部に位置した接合部材が、θ°回転する前の位置に塑性流動して充填される。

このとき、塑性流動は凸部の周囲に沿って塑性流動する。このため、接合ツールの回転により、接合部中心の接合界面を塑性流動させることが可能になる。

また、この凸部は半球形状が望ましい。これは、θ°回転する前の凸部の位置に充填しやすくするためである。

また、凸部の接線が、接合ツールの回転軸に対して４５〜９０°の角度をなす形状が望ましい。これもθ°回転する前の凸部の位置に充填しやすくするためである。

なお、接合ツールの回転中心にもピンが配置されているように、単に、接合ツールに設けたピンを偏芯させているだけでは、中心に十分な塑性流動がなく、未接合部が形成される恐れがあるが、本形態であれば、ピンに沿って回り込みがおこり、中心に塑性流動し、こうした問題が解消される。

図１は、第１の実施例における接合方法を示す。接合ツール１は、大径のショルダ３の先端に小径の凸部２を有している。凸部２は、接合ツール１の回転軸より外周側に配置されている。

また、接合試験片は、受け部材６の上に、上板４と下板５とを重ねて配置されている。

本実施例の上板４の材質は工業用純アルミニウムであり、下板５の材質はニッケルである。ここでは、上板４と下板５とが異なる材質のものを接合している。本実施例では、こうした異なる材質のものも容易に接合することが可能となり、特に、スポット接合に好適である。なお、受け部材６は工具鋼である。上板４及び下板５の板厚はそれぞれ０.４mmである。

なお、上板４及び下板５の材質であるが、同種金属でも異種金属でも接合可能である。特に、上板４の材質は、アルミニウム，鉛，錫，マグネシウムなどのように融点が低い金属同士が好ましい。

融点が大きく異なる金属を接合する場合には、接合温度が高いと両者の間の接合界面７に厚い反応層が生じやすい。このような場合には、上板４を低融点金属にして接合することが好ましく、これにより接合温度を低くして、反応層の厚さを最小限にできる。

アルミニウムとニッケルとの接合など融点が大きく異なる金属の接合には、この方法は特に有効である。

さらに、上板４がアルミニウムで下板５が炭素鋼の場合には、炭素鋼の表面にニッケルめっきを施すことも有効である。ニッケルは軟質金属で塑性変形しやすく、表面の酸化被膜が剥離しやすいからである。他にも、亜鉛めっき，銅めっきも同様の効果が得られる。

また、接合ツール１の材質は工具鋼であり、ショルダ３の直径は５mmであり、凸部２は直径１mm，高さ０.３mm であり、凸部２の中心は接合ツール１の回転中心から１mm離れている。この形状により、接合ツール１の回転中心には、凸部２は配置されていない構成になる。この接合ツール１を１８０００rpm で回転させて、上板４に６０mm／min で圧入した状態で、１００ｍｓ保持した後、引く抜き速度１２０mm／min で引き抜いてスポット接合した。

この場合、上板４を塑性流動させて、重ね面の接合界面７の表面酸化被膜を除去して、上板４と下板５との２つの部材を接合している。

なお、凸部２の先端は、凸部は半球形状を有している。

本実施例の場合、凸部２は接合ツール１の回転中心から１mm離れているが、接していてもよい。しかしながら、本実施例に限らず、好ましくは、凸部２は接合ツール１の回転中心から０.１mm 〜１mm程度外周側に離れている必要がある。

また、凸部２は接合ツール１の外周端より０.１mm 〜１mm程度内周側に形成されている必要がある。

つまり、凸部２の直径は、接合ツール１の半径より小さく形成する必要がある。

図２は、図１のＡＢ断面の塑性流動模式図を示す。ショルダ３および凸部２に該当する位置を点線で示した。接合ツール１がθ°回転した時に、凸部２は、位置１０から位置
１１に変化したとする。

このとき、凸部２がない領域は、接合ツール１の回転方向に塑性流動するが、凸部２の初期の回転前の位置１０から回転後の位置１１に移動することにより、凸部２の外周にそって、塑性流動することから、接合ツール１の回転中心９においても塑性流動させることが可能である。これにより、回転中心９においても、接合界面の表面酸化被膜が除去されて、信頼性の高い接合が可能になる。

なお、比較例として、接合ツールの先端に形成されるピンの中心が、接合ツールの回転中心にある場合には、接合部中心は周速度０になるため、塑性流動されず、接合はされない。

また、別の比較例として、接合ツールの先端に形成されるピンが、接合ツールの回転中心とは異なった位置に配置されるが、接合ツールの回転中心にはピンの一部が配置されている場合には、やはり、接合部中心は塑性流動されず、接合はされない。

図３は、本実施例の接合ツールの側面図と正面図とを示すものである。

接合ツール１に形成される凸部２の形状としては、半円形状であることが好ましいが、特に、その接線が、接合ツール１の回転軸との角度θが、４５〜９０°であることが望ましい。

角度θが小さくなると、凸部２の体積が大きくなり、接合中に、凸部２の通過した領域が十分に塑性流動で充填されなくなり、キャビティ欠陥が発生する恐れがあることが分かった。

また、ショルダ３の外周先端のコーナ部１５は、曲率を有した形状にすることが望ましい。

図４に、接線角度(θ)と欠陥と関係をその欠陥の発生状況の観点から示す。角度４５°〜９０°では欠陥が発生せず、良好な接合をすることが可能であることが分かった。

接線角度（θ）が、０°〜３０°では、欠陥が発生し、良好な接合ができなかった。

図５は、第２の実施例における接合ツールの形状を示す。実施例１と異なる点は、接合ツール１に、凹部１６部が設けられている点である。凹部１６があっても本発明の効果は得られる。

図６は、第３の実施例における接合ツールの形状を示す。実施例１と異なる点は、接合ツール１に、凸部２が２つある点である。凸部２が複数あっても本発明の効果は得られる。

図７は、第４の実施例における接合ツール１の形状を示す。実施例１と異なる点は、接合ツール１に形成される凸部２の形状が、楕円である点である。楕円であっても本発明の効果は得られる。

本発明は、摩擦攪拌接合方法に関するものであり、特に、スポット接合を利用する摩擦攪拌接合の技術分野に有益であり、特に、こうした分野に利用可能性が大きい。

第１の実施例における接合方法を示す。第１の実施例におけるＡＢ断面の塑性流動模式図を示す。第１の実施例における接合ツールの正面図と側面図を示す。接線角度と欠陥の発生状況を示す。第２の実施例における接合ツール１の形状を示す。第３の実施例における接合ツールの形状を示す。第４の実施例における接合ツール１の形状を示す。

符号の説明

１…接合ツール、２…凸部、３…ショルダ、４…上板、５…下板、６…受け部材、７…接合界面、９…回転中心、１０…初期の位置、１１…回転後の位置、１２…ピン、１５…コーナ部、１６…凹部。

Claims

複数の部材を重ね合せ、接合ツールを回転させながら一方の部材側に圧入して摩擦攪拌を生じさせて接合する摩擦攪拌接合方法において、
前記接合ツールのショルダの先端に位置する小径の凸部は、前記接合ツールの回転軸より外周側に配置されていることを特徴とする摩擦撹拌接合方法。
請求項１において、前記凸部は、半球形状であること特徴とする摩擦撹拌接合方法。
請求項１において、前記凸部の接線が、前記接合ツールの回転軸に対して４５〜９０°の角度をなすことを特徴とする摩擦撹拌接合方法。
請求項１において、前記凸部が、前記接合ツールのショルダの先端に複数有することを特徴とする摩擦撹拌接合方法。
請求項１において、前記凸部は、楕円形状であることを特徴とする摩擦撹拌接合方法。
複数の部材を重ね合せ、一方の部材側に回転させながら圧入して摩擦攪拌を生じさせて接合する摩擦攪拌接合ツールにおいて、
前記接合ツールはショルダの先端に位置する小径の凸部を有し、前記凸部は前記接合ツールの回転軸より外周側に配置されていることを特徴とする摩擦攪拌接合ツール。
請求項６において、前記凸部は、半球形状であること特徴とする摩擦撹拌接合ツール。
請求項６において、前記凸部の接線が、前記接合ツールの回転軸に対して４５〜９０°の角度をなすことを特徴とする摩擦撹拌接合ツール。
請求項６において、前記凸部が、前記接合ツールのショルダの先端に複数有することを特徴とする摩擦撹拌接合ツール。
請求項６において、前記凸部は、楕円形状であることを特徴とする摩擦撹拌接合ツール。
複数の部材を重ね合せ、接合ツールを回転させながら一方の部材側に圧入して摩擦攪拌を生じさせて接合する摩擦攪拌接合装置において、
前記接合ツールのショルダの先端に位置する小径の凸部は、前記接合ツールの回転軸より外周側に配置されていることを特徴とする摩擦撹拌接合装置。
請求項１１において、前記凸部は、半球形状であること特徴とする摩擦撹拌接合装置。
請求項１１において、前記凸部の接線が、前記接合ツールの回転軸に対して４５〜90°の角度をなすことを特徴とする摩擦撹拌接合装置。
請求項１１において、前記凸部が、前記接合ツールのショルダの先端に複数有することを特徴とする摩擦撹拌接合装置。
請求項１１において、前記凸部は、楕円形状であることを特徴とする摩擦撹拌接合装置。