JP2007222899A - 異種金属部材の摩擦攪拌接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、異種金属部材同士を摩擦攪拌接合するにあたり、接合部の品質を向上できる摩擦攪拌接合方法を提供することを第１の目的とし、さらに、接合ツールの支持体の剛性をいたずらに高める必要のない摩擦攪拌接合方法を提供することを第２の目的としている。
【解決手段】本発明は、少なくとも一対の異種の金属部材を突合せ接合する摩擦攪拌接合方法において、接合ツールの相対的な移動方向に対し当該接合ツールの回転方向が同方向となる側に耐力の低い金属部材を配置することを特徴とする摩擦攪拌接合方法である。
【選択図】図１

Description

本発明は、異種金属部材の摩擦攪拌接合方法に関するものである。

従来、例えばアルミニウム合金やアルミニウム合金鋳物の接合は、ＴＩＧやＭＩＧ溶接などにより行なわれている。しかしながら、これら溶融溶接法を用いると、溶接部でブローホールが発生したり、脆弱な金属間化合物が形成されたりするので、接合部の強度が低下し易く、接合部の品質が保証し難いという問題があった。そこで、材料の溶融を伴わない摩擦攪拌接合の利用が広まっている。

摩擦攪拌接合（以下単に「接合」という場合がある。）を実施する装置の一例を図３に示す。接合装置３は、接合すべき端縁に沿って突合せされた金属部材１１，１２を載置・固定するとともに該金属部材１１，１２を平面方向に位置決め及び移動可能なテーブル部３８と、金属部材１１、１２を突合せ接合する接合ツール２と、接合ツール２を固定し所望の回転数で回転させる回転部３１１、回転部３１１が固定された摺動部３１２及び鉛直方向の位置を制御しつつ摺動部３１２を昇降可能に支持する支柱部３１３とから構成され接合ツール２を支持する支持体３１と、テーブル部３８と支持体３１が配置されるベース部３２とから構成されている。この接合装置３によれば、回転部３１１により接合ツール２を回転させつつ金属部材１１、１２の突合面１３に接合ツール２の先端を所定量押し込むため摺動部３１２を下降させ、接合ツール２の先端が押し込まれた後にテーブル部３８で突合面１３に沿い接合ツール２を移動させることにより、摩擦攪拌接合により金属部材１１、１２を突合せ接合することが可能となる。なお、上記接合ツール２の先端を突合面１３に押し込むためには軸心方向に沿う所定の荷重を接合ツール２に付与する必要があるが、以下この荷重のことを押込荷重という。

近年、構成部材の軽量化や高機能化のため異種金属部材を摩擦攪拌接合を用いて接合するというニーズがあり、係る技術の一例が下記特許文献１に開示されている。特許文献１の摩擦攪拌接合方法は、融点が異なる一対の金属部材を突合せ状態で摩擦攪拌接合するために、突合面に沿い移動する接合ツールの移動方向に対し接合ツールの回転方向が逆方向となる位置に、低融点側の金属部材を配置するというものである。この方法によれば、摩擦攪拌接合時に高融点側の金属部材付近に生じる空隙を低融点側の金属部材により埋め尽くすことができ、突合面付近に内部欠陥や表面欠陥を生じさせないという利点があるとされている。

しかしながら、本願発明者らが上記特許文献１の技術を確認した結果、上記のように金属部材の融点を基準として金属部材の配置を決定し摩擦攪拌接合をした場合でも、押込量を初期設定する方式の接合装置では、金属部材の接合部の品質低下、具体的には未接合部や内部欠陥が生じることがあることが判った。

すなわち、上記したように摩擦攪拌接合では、金属部材１１，１２の突合面１３に押付けられ高速で回転する接合ツール２と金属部材１１，１２間で生じる摩擦熱により金属部材１１、１２の接合が行なわれる。高い摩擦熱を発生させるためには、例えば切削等の機械加工法の場合に比べ大きな押付荷重で接合ツール２を突合面１３に押付ける必要がある。一方で、そのように大きな押込荷重を付与すると必然的にこの押込荷重に対する反力が生じ、図３（ａ）に示すように、その反力により接合ツール２を支持する支持体３１が変形するため、接合ツール２の押込量の不足が生じる。このように接合ツール２の押込量が不足すると、図３（ｂ）に示すように、接合部の裏面に未接合部１４が生じたり、接合ツールによる攪拌部１５に内部欠陥１６が発生する。

そして、本願発明者らの種々の試験により、異種金属部材を摩擦攪拌接合で接合する場合には、接合ツールに対する異種金属部材の配置により接合ツールに作用する押込荷重が変化することから、上記特許文献１で示される溶融温度以外の因子が接合部の品質の良否に影響を与えることが判明した。
特開２００２−６６７６５号公報

本発明は、上記従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、異種金属部材を摩擦攪拌接合するにあたり、接合部の品質を向上できる摩擦攪拌接合方法を提供することを第１の目的とし、さらに、接合ツールの支持体の剛性をいたずらに高める必要のない摩擦攪拌接合方法を提供することを第２の目的としている。

本発明者らは、係る課題を解決するため種々の検討をした結果、金属部材の耐力（物体に働く外力が増加して永久歪を生じるときの応力）により接合ツールの押込荷重が変化することを知見した。

同種の金属材料を接合する場合、例えば耐力が２１５ＭＰａの５０５２Ａｌ（ＪＩＳ規格：Ａｌ−Ｍｇ系合金）同士を摩擦攪拌接合する場合には押込荷重が約３６０ｋｇｆとなる。また、耐力が２８５ＭＰａのＡＤＣ１２（ＪＩＳ規格：Ａｌ−Ｓｉ系合金ダイカスト）同士の場合には押込荷重が約４７５ｋｇｆとなる。さらに、耐力が５０５ＭＰａである７０７５Ａｌ（ＪＩＳ規格：Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系合金）同士の場合には押込荷重が約５１０ｋｇｆとなる。これらは、金属材料の耐力と摩擦攪拌接合時の押込荷重とがほぼ比例関係にあることを意味している。そして、本願発明者らは、かかる知見に基づき異種金属を良好に接合できる本発明に係る接合方法を想起するに到ったものである。

すなわち、本発明は、少なくとも一対の異種の金属部材を突合せ接合する摩擦攪拌接合方法において、接合ツールの相対的な移動方向に対し当該接合ツールの回転方向が同方向となる側に耐力の低い金属部材を配置することを特徴とする摩擦攪拌接合方法である。ここで異種の金属部材同士とは、例えばアルミニウムと鉄、又は銅と鉄等明らかに材種の異なる金属同士の場合の他、同一材種の金属同士であっても例えば製法等に起因し特性の異なる金属同士も含むものである。なお、上記発明は、耐力が異なる一対の異種の金属部材を両者の端縁に沿って突合せる工程と、上記金属部材の突合面に回転する接合ツール本体およびその先端面から突設したプローブを押込みつつ該突合面に沿って相対的に少なくとも一方へ移動させることにより、上記一対の金属部材を摩擦攪拌接合する接合工程とを備え、前記接合工程において、上記接合ツールの移動方向に対し回転方向が同方向となる位置に上記一対の金属部材のうちで耐力の低い金属部材を配置する摩擦攪拌接合方法として、具体化することができる。

係る摩擦攪拌接合方法によれば、接合ツールの相対的な移動方向に対し当該接合ツールの回転方向が同方向となる側に耐力の低い金属部材を配置することにより、その位置に耐力の高い金属部材を配置する場合に比べて接合ツールの受ける負荷を小さくすることができる。

そして、接合ツールの受ける負荷を抑制することができるので、接合ツールの押込荷重を小さくすることができ、もって、それによる反力も減少し、支持体のたわみを抑えることができる。その結果、金属部材に対する接合ツールの所定の押込深さを維持しつつ接合ツールを移動させて摩擦攪拌接合を実施することができ、押込深さの不足による接合不良や内部欠陥のない良好な接合部を得ることが可能となる。

さらに、接合ツールの押込荷重を抑えそれによる反力も小さくなるので、支持体の剛性を必要以上に高める必要がなくなり、工業生産上接合装置がコスト高になることを防止できる。

本発明の摩擦攪拌接合は、他の金属に比べて比較的融点の低いアルミニウムおよびアルミニウム合金を接合する場合に好適である。本摩擦攪拌接合方法によれば、他の溶融溶接法ではブローホールの発生などにより接合困難なアルミニウムを主体とした異種金属部材の接合方法を提供できる。

上記説明のように本発明の摩擦攪拌接合方法によれば、接合ツールの相対的な移動方向に対し当該接合ツールの回転方向が同方向となる側に耐力の低い金属部材を配置することにより、接合ツールの押込荷重を低減し、それによる反力を抑制して接合ツールの支持体の変形を防止できるので、接合ツールの押込み深さ不足を解消し、接合部に接合不良や内部欠陥の少ない極めて良好な異種金属部材の摩擦攪拌接合方法を提供できる。

さらに、当該摩擦攪拌接合方法によれば、押込荷重を低減することができるので支持体の剛性をいたずらの高める必要がなく、設備を簡略化することで、支持体を含む摩擦攪拌接合装置のコスト高になることを抑制することができる。

以下、本発明について、その実施態様に基づき図面を参照しつつ説明する。ここで図１（Ａ）は、本発明の実施態様に係る接合ツールと金属部材の平面図である。図１（Ｂ）は、同図（Ａ）の断面図である。

本態様の接合方法を実施する接合装置４は、図２に示すように、図３を参照して説明した接合装置３と同様であり、接合すべき端縁に沿って突合せされた金属部材１１，１２を載置・固定するとともに該金属部材１１，１２を平面方向に位置決め及び移動可能なテーブル部３８と、金属部材１１、１２を突合せ接合する接合ツール２と、接合ツール２を傾斜した状態で固定し所望の回転数で回転させる回転部３１１、回転部３１１が固定された摺動部３１２及び鉛直方向の位置を制御しつつ摺動部３１２を昇降可能に支持する支柱部３１３とから構成され接合ツール２を支持する支持体３１と、テーブル部３８と支持体３１が配置されるベース部３２とから構成されている。なお、接合装置４には、金属部材１１、１２の接合時における接合ツール２に作用する押込荷重が計測可能なようにテーブル部３８の下方にロードセル４９が配置されている。また、接合ツール２の回転数、接合ツール２の金属部材１１、１２の表面に対する押込量（即ち回転部３１１の位置決め）及び接合ツール２の送り速度（即ちテーブル部３８の移動速度）は、予め設定しておいた回転数及び押込量に基づき接合装置３の制御部（図示せず。）により制御される構成となっている。

ここで接合ツール２について詳述する。接合ツール２は、図１（Ｂ）に示すように、例えば工具鋼からなる円柱形状の本体部２１と本体部２１の先端部に同軸で突設された螺子形状のプローブ２２で構成されている。なお、接合ツール２は例えば超硬やセラミックス等で構成されていてもよく、プローブ２２は螺子のない円柱形状であってもよい。

そして、接合ツール２は、テーブル部３８に載置・固定された金属部材１１、１２の表面に立てた垂線に対し回転軸芯が所定角度傾斜した状態で回転可能に回転部３１１に装着されている。この接合ツール２の傾斜角度θは、図１（Ｂ）の金属部材上面の垂線方向に対してプローブ２２が接合方向に先行する方向に傾斜させ、通常５°以下に設定される。また、接合ツール２は、金属部材１１、１２の突合面１３にプローブ２２と本体部２１の先端面２１１が圧接できるよう接合装置３に装着される。

上記接合装置による接合方法について説明する。図１に示すように、金属部材１１、１２を両者の端縁に沿い突合せる。金属部材１１、１２は各々耐力が異なっている材料であり、接合ツールの移動方向に対し回転方向が同方向となる位置ｂに耐力が低い金属部材１１、１２を、回転方向が逆となる位置ａに耐力が高い金属部材１１，１２を配置する。そして、図１（Ｂ）に示すように、金属部材１１、１２の突合面１３に回転する接合ツール２の本体部２１の先端面２１１およびプローブ２２を押込みつつ接合ツール２を突合面１３に沿って相対的に移動させ、金属部材１１、１２を摩擦攪拌接合する。

［実施例１］
以下本発明の実施例について説明する。なお、以下の実施例では、本発明の好ましい例としてアルミニウムを主体とした異種金属部材の接合について説明するが、本発明は実施例に限定されることなく、例えばアルミニウムと銅、アルミニウムと鉄、銅と鉄等の異種金属同士を接合する場合に適用することができる。
実施例１で対象とする金属部材１１、１２としては、金属部材１２がアルミニウム合金鋳物部材であるＡＤＣ１２、金属部材１１がアルミニウム合金展伸材である５０５２Ａｌであり、共に厚みが２．３ｍｍ、縦横が７５ｍｍ×１８５ｍｍの略平板状をなすものを使用した。そして、実施例１では、図１に示すように、金属部材１１、１２の１８５ｍｍ×２．３ｍｍの面を突合せ、高耐力のアルミニウム合金金属部材１１を図１（Ａ）のａの位置に、低耐力のアルミニウム合金金属部材１２を同図のｂの位置に配置した。

実施例１では、接合装置３として日立設備エンジニアリング製の接合装置を使用した。また、接合ツール２として、材質がＳＫＤ６１（ＪＩＳ規格）であり、その本体部２１の大きさは直径７ｍｍで、そのプローブ２２は長さが２ｍｍで、そのほぼ全長に渡りＭ３の螺子が外周面に形成された接合ツール２を使用した。これらの条件は以下の実施例及び比較例で共通とした。

接合ツール２の傾斜角度は、図１（Ｂ）に示すように、接合ツール２の移動方向と反対側に３°とした。そして、接合時における接合ツール２の回転数は２０００ｒｐｍとし、突合面１３に対する接合ツール２の押込量はプローブ２２の先端から２．２ｍｍとし、接合ツール２の送り速度は５００ｍｍ／分とした。また、接合ツール２の移動方向は図１（Ａ）の上方向、回転方向は接合部の上面（接合ツール側）から見て左回転とした。これらの条件は、以下の実施例及び比較例でも同様である。

上記条件において金属部材１１、１２を接合した。その結果を表１に示す。なお、表１には、位置ａ，ｂのそれぞれに配置した金属部材の耐力及び融点並びに接合中にロードセル３９で測定した押込荷重が示されている。

［比較例１］
比較例１は、上記実施例１と金属部材１１，１２の配置する位置を逆にした例である。すなわち接合ツール２の移動方向と回転方向が同じ側である位置ｂに体力の低い金属部材１２を、その反対側である位置ａに耐力の高い金属部材１１を配置し、上記実施例１と同一の条件で金属部材１１、１２の接合を行った。その結果を表1に示す。

［実施例２］
実施例２で対象とする金属部材１１、１２としては、金属部材１２をアルミニウム合金鋳物部材であるＡＤＣ１２、金属部材１１を７０７５Ａｌとした。そして、この金属部材１１、１２を上記実施例１に対して回転数のみ１５００ｒｐｍで接合した。その結果を表1に示す。

［比較例２］
比較例２は、上記実施例２と金属部材１１、１２の配置する位置を逆にし、その他は同一条件で接合した例である。その結果を表１に示す。

表１に示すように、接合ツールの移動方向と接合ツールの回転方向が同じ向きとなる側の位置ｂに相対的に耐力の低い金属部材を配置したとき（実施例１，２）は逆の配置（比較例１，２）に比べて押込加重が低下する。

実施例１における接合後の突合面の断面を図４に示す。内部欠陥が発生しない良好な接合を得ることができた。

本発明の接合方法を示す図である。 図１の接合方法を行うための装置の一例を示す図である。 図１の接合方法を行うための装置の一例を示す図である。 実施例１の接合部断面を示す図面代用写真である。

符号の説明

１１ 金属部材
１２ 金属部材
１３ 突合面
１４ 未接合部
１５ 攪拌部
１６ 内部欠陥
２ 接合ツール
２１ 本体部
２１１ 先端面
２２ プローブ
３ 接合装置
３１ 支持体
３１１ 回転部
３１２ 摺動部
３１３ 支柱部
３２ ベース部
３８ テーブル部
４ 接合装置
４９ ロードセル

Claims (2)

1. 少なくとも一対の異種の金属部材を突合せ接合する摩擦攪拌接合方法において、接合ツールの相対的な移動方向に対し当該接合ツールの回転方向が同方向となる側に耐力の低い金属部材を配置することを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
2. 前記金属部材は耐力の異なるアルミニウムを主体とした金属部材である請求項１に記載の摩擦攪拌接合方法。

Images