JP2007237281A - 金属材の加工方法および構造物 - Google Patents

Abstract

【課題】摩擦攪拌接合と溶融加工とを組み合わせて金属材を加工する場合において、接合強度を向上させることができる金属材料の加工方法およびこの加工方法によって形成された構造体を提供する。
【解決手段】第１ステップにおいて、後の溶融加工に伴う金属材の結晶粒の粗大化を防止するため、添加材を接合部に供給しつつ摩擦攪拌接合を行う（Ｓ０１）。その後、ＭＩＧ溶接等の溶融加工を行う（Ｓ０２）。接合部に添加する添加材は、金属材と化学反応を起こさず且つ金属材の融点より高い融点を有する物質と、金属材に対してミスフィットが±１５％以内である物質とを含む物質とする。これにより、溶融加工による結晶粒の粗大化が抑制され、接合強度を向上させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は金属材の加工方法およびこの加工方法によって形成された構造物に関する。

従来の金属材の加工方法においては、摩擦攪拌接合（ＦＳＷ＝Friction Stir Welding）により金属材を接合する技術が知られている。摩擦攪拌接合では、接合しようとする金属材を接合部において対向させ、回転ツールの先端に設けられたプローブを接合部に挿入し、接合部の長手方向に沿って回転ツールを回転させて２つの金属材を接合する。摩擦攪拌接合は良好な接合強度を得ることができるが、接合部が曲面を有する場合および回転ツールを挿入しにくい場合には適用することが難しいため、実際に鉄道車両構体等の構造物を摩擦攪拌接合によって製造する際には、摩擦攪拌接合だけではなく、摩擦攪拌接合とＭＩＧ溶接等の溶融加工とを組み合わせて金属材を加工し、曲面を有する構造物を製造している（例えば、特許文献１参照）。
特許第３２２４０９２号明細書

しかし、鉄道車両構体等の製造においては性能向上の観点からさらなる高強度化の要請があり、上記のような摩擦攪拌接合と溶融加工とを組み合わせた加工方法においても、さらに接合強度を向上させることが望まれている。

本発明は、斯かる実情に鑑み、摩擦攪拌接合と溶融加工とを組み合わせて金属材を加工する場合において、接合強度を向上させることができる金属材料の加工方法およびこの加工方法によって形成された構造体を提供しようとするものである。

本発明は、２つの金属材を接合部において対向させ、金属材と化学反応を起こさず且つ金属材の融点より高い融点を有する添加材を接合部に供給しつつ、接合部に棒状の回転ツールを挿入し、回転ツールを回転させ、２つの金属材を接合する第１ステップと、接合部にさらに溶融加工を施す第２ステップと、を含む金属材の加工方法である。

本発明者らが鋭意研究した結果、摩擦攪拌接合の接合部に溶接等の溶融加工を施した場合、摩擦攪拌接合により歪を有していた接合部の結晶粒が溶融加工の熱により再結晶が生じて粗大化し、接合強度が低下することが判明した。しかし、上記構成によれば、第１ステップにおいて、金属材と化学反応を起こさず且つ金属材の融点より高い融点を有する添加材を接合部に供給しつつ摩擦攪拌接合を行うため、接合部に当該添加材の粒子を混入させることができる。そのため、第２ステップにおいて接合部にさらに溶融加工を施しても、溶融加工における溶融部と特にその周囲の熱影響部（ＨＡＺ＝Heat Affected Zone）において、添加材の粒子は、金属材と化学反応を生じず且つ溶融せずに残留し、粗大化しようとする結晶粒を押え込むため、溶融加工による金属材の結晶粒の粗大化を低減することができる。その結果、溶融加工による摩擦攪拌接合の接合部の強度低下を低減することができ、接合強度を向上させることができる。

なお、本発明の金属材の加工方法の第１ステップにおいては、回転ツールを回転させつつ接合部の長手方向に沿って移動させる場合と、接合部において回転させた回転ツールを移動させずにその箇所で回転させ続ける場合とを含む。また、本明細書で「摩擦攪拌接合」とは、（１）板状の金属材の端部同士を突き合わせて接合部とし、回転ツールをその接合部の長手方向に沿って回転させつつ移動させて金属材同士を接合する摩擦攪拌接合、（２）板状の金属材の端部同士を突き合わせて接合部とし、回転ツールをその接合部で移動させずに回転させて接合するスポット摩擦攪拌接合（スポットＦＳＷ）、（３）金属材同士を接合部において重ね合わせ、少なくとも一方の金属材を貫通する孔を通して接合部に回転ツールを挿入し、回転ツールをその箇所で移動させずに回転させて金属材同士を接合するスポット摩擦攪拌接合、（４）金属材同士を接合部において重ね合わせ、少なくとも一方の金属材を貫通する孔を通して接合部に回転ツールを挿入し、回転ツールをその接合部の長手方向に沿って回転させつつ移動させて金属材同士を接合する摩擦攪拌接合の（１）〜（４）の４つの態様およびこれらの組み合わせを含む。

また本発明は、２つの金属材を接合部において対向させ、金属材の単位結晶格子の稜の長さａに対して当該単位結晶格子の稜の長さａ’の整数倍および整数倍分の１のいずれかが±１５％以内である添加材を接合部に供給しつつ、接合部に棒状の回転ツールを挿入し、回転ツールを回転させ、２つの金属材を接合する第１ステップと、接合部にさらに溶融加工を施す第２ステップと、を含む金属材の加工方法である。

上記構成によれば、第１ステップにおいて、金属材の単位結晶格子の稜の長さａに対して当該結晶格子の稜の長さａ’の整数倍および整数倍分の１のいずれかが±１５％以内である添加材を接合部に供給しつつ摩擦攪拌接合を行うため、接合部の金属材の結晶に対してミスフィット（Miss Fit）が小さい添加材の粒子を混入させることができる。そのため、第２ステップにおいて接合部にさらに溶融加工を施すと、溶融部において金属材が再凝固する際に、金属材の結晶に対してミスフィットの小さい添加材の粒子が凝固核となり、添加材の粒子ごとに結晶粒が生成される。このため、添加材の粒子ごとに凝固する金属材の結晶粒のそれぞれの大きさが小さなものとなり、それぞれの小さな結晶粒が粗大化しようとしても互いにぶつかり合いそれ以上に大きくなることができないため、金属材の結晶粒の粗大化を低減することができる。その結果、溶融加工による摩擦攪拌接合の接合部の強度低下を低減することができ、接合強度を向上させることができる。

また本発明は、２つの金属材を接合部において対向させ、金属材と化学反応を起こさず且つ金属材の融点より高い融点を有する添加材と、金属材の単位結晶格子の稜の長さａに対して当該単位結晶格子の稜の長さａ’の整数倍および整数倍分の１のいずれかが±１５％以内である添加材と、を接合部に供給しつつ、接合部に棒状の回転ツールを挿入し、回転ツールを回転させ、２つの金属材を接合する第１ステップと、接合部にさらに溶融加工を施す第２ステップと、を含む金属材の加工方法である。

この構成によれば、第１ステップにおいて、金属材と化学反応を起こさず且つ金属材の融点より高い融点を有する添加材と、金属材の結晶に対してミスフィットが小さい添加材とを接合部に供給しつつ摩擦攪拌接合を行うため、各々の添加材の粒子を接合部の金属材に混入させることができる。そのため、第２ステップにおいて接合部にさらに溶融加工を施しても、金属材の融点より高い融点の添加材の粒子が熱により粗大化しようとする結晶粒を押え込み、さらに金属材の結晶に対してミスフィットが小さい添加材の粒子が凝固核となり、再凝固する金属材の個々の結晶粒の大きさが小さくなるため、金属材の結晶粒の粗大化を低減することができる。その結果、溶融加工による摩擦攪拌接合の接合部の強度低下を低減することができ、接合強度を向上させることができる。

なお、本発明においては、金属材と化学反応を起こさず且つ金属材の融点より高い融点を有する添加材と、金属材の単位結晶格子の稜の長さａに対して当該単位結晶格子の稜の長さａ’の整数倍および整数倍分の１のいずれかが±１５％以内である添加材との２種類の添加材を接合部に供給する場合と、金属材と化学反応を起こさず、金属材の融点より高い融点を有し、且つ金属材の単位結晶格子の稜の長さａに対して当該単位結晶格子の稜の長さａ’の整数倍および整数倍分の１のいずれかが±１５％以内である１種類の添加材を接合部に供給する場合との両方を含むものとする。

この場合、第１ステップにおいて、接合部の長手方向に沿って回転ツールを回転させつつ移動させ、２つの金属材を接合することができる。この構成によれば、接合部の長手方向に沿って回転ツールを回転させつつ移動させて２つの金属材を接合するため、２つの金属材の間にある接合部が長い場合でも、２つの金属材を接合することができる。

一方、第１ステップにおいて、接合部への添加材の供給は、接合部に回転ツールを挿入する前に、接合部に添加材を配置することによって行うことができる。この構成によれば、予め接合部に添加材を配置するため、容易かつ確実に接合部に添加材を供給することができる。

また、第１ステップにおいて、接合部への添加材の供給は、回転ツールの移動に伴い、接合部における回転ツールの移動先の部位に添加材を放出することによって行うことができる。この構成によれば、回転ツールの移動先の部位に添加材を放出するため、実際の加工作業現場で接合部の位置が変動する場合や、接合部の回転ツールを挿入する向きが垂直下向き方向以外の方向である場合でも対応することができる。

この場合、第１ステップにおいて、接合部において回転ツールを移動させる前に、接合部を回転ツールと対向する方向に開いた開先に加工することができる。この構成によれば、接合部を回転ツールと対向する方向に開いた開先に加工し、当該開先に添加材を放出するため、開先に添加材が一時的に滞留し、接合部に添加材を一層供給しやすくすることができる。

一方、第１ステップにおいて、接合部への添加材の供給は、回転ツール内部から接合部へ添加材を放出することによって行うことができる。この構成によれば、回転ツール内部から接合部へ添加材を放出するため、確実に接合部へ添加材を供給することができ、接合部の位置が変動する場合や、接合部の回転ツールを挿入する向きが垂直下向き方向以外の方向である場合でも対応することができる。

また、第１ステップにおいて、接合部への添加材の供給は、予め回転ツールの材料に添加材を含有させておき、回転ツールを回転させることにより、回転ツールを磨耗させつつ接合部に添加材を供給することができる。この構成によれば、添加材を含有する回転ツールの磨耗に伴い接合部に添加材を供給するため、接合部にむらなく添加材を供給することができ、添加材の分散性を一層向上させることができる。

一方、本発明の別の態様は、本発明の金属材の加工方法によって、２つ以上の金属材を加工して形成された構造物である。この構成によれば、本発明の加工方法によって、摩擦攪拌接合と溶融加工とを組み合わせて形成されているため、溶融加工による摩擦攪拌接合部の接合強度の低下が少なく、一層高強度の構造物とすることができる。

本発明の金属材の加工方法によれば、溶融加工による摩擦攪拌接合の接合部の強度低下を低減することができ、接合強度を向上させることができる。また本発明の構造物は、溶融加工による摩擦攪拌接合部の接合強度の低下が少なく、一層高強度の構造物とすることができる。

以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して説明する。なお、同一の構成要素は同一の符号で示し、重複する説明は省略する。

まず、本実施形態に係る金属材の加工方法の大まかな流れを説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係る金属材の加工方法の流れを示すフロー図である。図１に示すように、本実施形態においては、第１ステップにおいて、後の溶融加工に伴う金属材の結晶粒の粗大化を防止するため、添加材を接合部に供給しつつ摩擦攪拌接合を行う（Ｓ０１）。一般的な曲面や回転ツールを挿入しにくい部位を有する構造物は、摩擦攪拌接合のみでは形成することが難しいため、その後、ＭＩＧ溶接等の溶融加工を行う（Ｓ０２）。

以下、本実施形態の加工方法の各ステップについて詳細に説明する。図２は、本発明の第１実施形態に係る回転ツールを示す斜視図である。図２に示すように、回転ツール１０は、略円柱状の回転ツール本体１６からなる。回転ツール１０は、回転ツール本体１６の先端に、ショルダー１４と金属材同士の接合部に挿入されるプローブ１２とを備えている。プローブ１２は、ショルダー１４より小径の略円柱形をなしている。本実施形態において、回転ツール１０の材質は、例えば、ＪＩＳに規格されているＳＫＤ６１鋼等の工具鋼や、タングステンカーバイト（ＷＣ）、コバルト（Ｃｏ）からなる超硬合金、またはＳｉ_３Ｎ_４等のセラミックスからなるものとすることができる。

図３は、本発明の第１実施形態に係る摩擦攪拌接合の様子を示す斜視図である。図３に示すように、本実施形態の摩擦攪拌接合では、２つの金属材１００，１０２を接合部１０４において突き合わせる。金属材１００，１０２としては、例えば、Ａｌ材、Ｆｅ材、Ｍｇ材を適用することができる。あるいは、これらの金属材に繰り返し重ね接合圧延（ＡＲＢ＝AccumulativeRoll-Bonding）等の組織制御を行い、金属材の平均結晶粒径を１０μｍ以下に微細化した超微粒子材を適用することができる。

本実施形態の摩擦攪拌接合においては、接合部１０４には、回転ツール１０を挿入する前に、金属材１００，１０２と化学反応を起こさず且つ金属材１００，１０２の融点より高い融点を有する物質と、金属材１００，１０２の単位結晶格子の稜の長さａに対して当該単位結晶格子の稜の長さａ’の整数倍および整数倍分の１のいずれかが±１５％以内である物質とを含む添加材１８を充填する。

金属材１００，１０２と化学反応を起こさず且つ金属材１００，１０２の融点より高い融点を有する物質は、後に行う溶融加工の際に溶融せずに残留し、金属材１００，１０２の結晶粒の粗大化を防ぐための物である。金属材１００，１０２がＡｌ材、Ｆｅ材、Ｍｇ材およびこれらの超微粒子材である場合において、これらと化学反応を起こさず且つこれらの融点より高い融点を有する物質としては、Ｔｉ，Ｗ等の高融点の金属、およびＳｉＣ，ＴｉＣ，Ｓｉ_３Ｎ_４，ＢＮ，ＡｌＮ，Ａｌ_２Ｏ_３，ＺｒＯ_２，ＭｇＯ等の炭化物、窒化物、酸化物のいずれかを適用することができ、特にはＳｉＣを適用することができる。これらの物質は、摩擦攪拌接合の際に接合部１０４で分散しやすいように、平均粒径０．５〜５μｍの粒状にされる。

金属材１００，１０２の単位結晶格子の稜の長さａに対して当該単位結晶格子の稜の長さａ’の整数倍および整数倍分の１のいずれかが±１５％以内である物質、すなわちミスフィットが±１５％以内である物質は、後に行う溶融加工後の金属材が再凝固する際に、凝固核となり、金属材の結晶粒の大きさを小さくするための物である。金属材１００，１０２がＡｌ材である場合には、ミスフィットが±１５％以内である物質としては、ＶＣ（ミスフィット１．４％）、ＴｉＣ（ミスフィット６．８％）、ＴｉＢ_２（ミスフィット４．８％）、ＡｌＢ_２（ミスフィット３．８％）、ＺｒＣ（ミスフィット１４．５％）、ＮｂＣ（ミスフィット８．６％）およびＷ_２Ｃ（ミスフィット３．５％）等を適用することができる。金属材１００，１０２がＦｅ材である場合には、ミスフィットが±１５％以内である物質としては、ＴｉＮ（ミスフィット３．８％）、ＴｉＣ（ミスフィット５．８％）、ＳｉＣ（ミスフィット６．０％）、ＺｒＮ（ミスフィット１１．２％）、ＷＣ（ミスフィット１２．６％）およびＺｒＣ（ミスフィット１４．４％）等を適用することができる。金属材１００，１０２がＭｇ材である場合には、合金成分にＡｌを含まないＭｇ材については、Ｚｒ粒子を添加することにより、Ｚｒ粒子を凝固核とすることができる。また合金成分にＡｌを含むＭｇ材については、Ｃ粒子を添加すると反応生成物のＡｌ_４Ｃ_３が凝固核となる。これらの物質は、摩擦攪拌接合の際に接合部１０４で分散しやすいように、平均粒径０．５〜５μｍの粒状にされる。

上記の金属材１００，１０２と化学反応を起こさず且つ金属材１００，１０２の融点より高い融点を有する物質と、金属材１００，１０２とのミスフィットが±１５％以内である物質とは、それぞれ異なる物質を適用して、各々を混合して添加材１８とすることができる。あるいは、上記の金属材１００，１０２に対して、化学反応を起こさず且つ金属材１００，１０２の融点より高い融点を有し、且つミスフィットが±１５％以内である一種類の物質を適用して、添加材１８としても良い。

接合部１０４に添加材１８を充填した後、接合部１０４に回転ツール１０を挿入する。接合部１０４の長手方向に沿って回転ツールを回転させつつ移動させて、金属材１００，１０２を接合する。接合部１０４に充填した添加材１８の粒子は、回転ツール１０によって攪拌され、金属材１００，１０２と混合される。なお、接合部１０４において回転ツール１０を移動させずにその場所で回転させるスポット摩擦攪拌接合によっても金属材１００，１０２同士を接合することができる。

図４は、本発明の第１実施形態に係る金属材の加工方法によって形成された鉄道車両構体を示す斜視図である。図４に示すように、鉄道車両構体２００は、金属材である屋根構２０２，２０４、側構２０６，２０８、台枠２１０、妻構２１２および軒部材２１４，２１６からなる。図４の例では、摩擦攪拌接合部２１８において、側構２０６と軒部材２１４との間、側構２０８と軒部材２１６との間が摩擦攪拌接合によって接合される。その後、溶融接合部２２０において、一部に曲線部分を含む側構２０６，２０８同士および軒部材２１４，２１６同士が溶融接合によって接合される。摩擦攪拌接合部２１８と溶融接合部２２０との交点において、金属材に摩擦攪拌接合が施された後に、さらに溶融接合が行われた重複加工部２２２が形成される。なお、本実施形態においては、図４に示すような摩擦攪拌接合部２１８と溶融接合部２２０とが一部交わるようにすること以外にも、摩擦攪拌接合部２１８の上から重ねて溶融加工を行い、摩擦攪拌接合部２１８と溶融接合部２２０とを完全に重複させることもできる。また、摩擦攪拌接合を行った直後に溶融接合を行う以外にも、摩擦攪拌接合部２１８の部分的な空洞や溝状欠陥を補修する場合や、摩擦攪拌接合部２１８が時間の経過により劣化した部分を補修する場合に、摩擦攪拌接合部２１８に溶融加工を施すこともできる。溶融加工としては、ガス溶接、プラズマ溶接を適用することができる。あるいは、サブマージ溶接、ＭＩＧ溶接、ＴＩＧ溶接、ＣＯ₂溶接、被覆アーク溶接等のアーク溶接や、スポット溶接等を適用することができる。

以下、本実施形態の金属材の加工方法の作用効果について説明する。本発明者らの研究の結果、摩擦攪拌接合の接合部に溶接等の溶融加工を施した場合、摩擦攪拌接合により歪を有していた接合部の結晶粒が、溶融加工の熱により再結晶が生じて粗大化し、接合強度が低下することが判明した。そこで本実施形態においては、接合部１０４に、金属材１００，１０２と化学反応を起こさず、且つ金属材１００，１０２の融点より高い融点を有する添加材１８の粒子を混入させる。この添加材１８の粒子は、その後に接合部１０４に溶融加工を施しても、金属材１００，１０２と化学反応を起こさず、溶融加工の熱により溶融せずに残留する。そして、添加材１８の粒子が、溶融加工の熱により粗大化しようとする金属材１００，１０２の結晶粒を押え込むため、金属材１００，１０２の結晶粒の粗大化を低減することができる。この作用は、溶融加工による溶融部の周囲の熱影響部において特に顕著である。その結果、その後の溶融加工による摩擦攪拌接合の接合部１０４の強度低下を低減することができ、接合強度を向上させることができる。

なお、金属材１００，１０２に超微粒子材を適用した場合には、超微粒子材と化学反応を起こさず且つ超微粒子材の融点より高い融点を有する添加材１８を接合部１０４に混入させて摩擦攪拌接合を行うと、摩擦攪拌接合直後の接合強度を著しく向上させることができる。

一方、本実施形態においては、接合部１０４に、金属材１００，１０２の単位結晶格子の稜の長さａに対して当該単位結晶格子の稜の長さａ’の整数倍および整数倍分の１のいずれか（ミスフィット）が±１５％以下である添加材１８の粒子を混入させる。その後に接合部１０４に溶融加工を施すと、溶融加工による溶融部において金属材１００，１０２が再凝固する際に、金属材１００，１０２の結晶に対するミスフィットの小さい添加材１８の粒子が凝固核となり、添加材１８の粒子ごとに結晶粒が生成される。このため、添加材１８の粒子ごとに凝固する金属材１００，１０２の結晶粒のそれぞれの大きさは小さなものとなり、それぞれの小さな結晶粒が粗大化しようとしても互いにぶつかり合いそれ以上に大きくなることができないため、金属材１００，１０２の結晶粒の粗大化を低減することができる。その結果、その後の溶融加工による摩擦攪拌接合の接合部１０４の強度低下を低減することができ、接合強度を向上させることができる。

特に本実施形態においては、回転ツール１０を接合部１０４に挿入する前に、接合部１０４に添加材１８を充填するため、容易かつ確実に接合部１０４に添加材１８を供給することができる。

以下、本発明の第２実施形態について説明する。図５は、本発明の第２実施形態に係る摩擦攪拌接合の様子を示す斜視図である。図５に示すように本実施形態では、添加材放出ノズル２０から添加材１８を回転ツール１０の移動先の部位に放出することによって、接合部１０４に添加材１８を供給する点が、上記第１実施形態と異なっている。本実施形態では、添加材放出ノズル２０は、回転ツール１０の移動に対応して移動するようにされており、回転ツール１０の移動する先の部位に添加材１８を放出することができるようにされている。また本実施形態では、回転ツール１０を移動させる前に、接合部１０４を回転ツール１０と対向する方向に開いた開先１０６に加工してもよい。

本実施形態においては、回転ツール１０を移動させる部位に添加材１８を放出するため、実際の加工作業現場で接合部１０４の位置が変動する場合や、接合部１０４の回転ツールを挿入する向きが垂直下向き方向以外の方向である場合でも対応することができる。また、開先１０６に添加材１８が一時的に滞留するため、接合部１０４に添加材１８を一層供給しやすくすることができる。

以下、本発明の第３実施形態について説明する。図６は本発明の第３実施形態に係る回転ツールを示す斜視図であり、図７は本発明の第３実施形態に係る摩擦攪拌接合の様子を示す断面図である。本実施形態では、回転ツール１０の移動の移動に伴い、回転ツール１０内部から接合部１０４へ添加材１８を放出する点が、上記第１実施形態と異なっている。図６に示すように本実施形態の回転ツール１０には、プローブ１２の先端と側面、ショルダー１４の先端に添加材放出孔２２が設けられ、回転ツール本体１６の内部には添加材放出孔２２に通じる添加材供給路２４が設けられている。図７に示すように、摩擦攪拌接合の際には、回転ツール１０を回転させながら移動させると同時に、添加材供給路２４を介して添加材１８を供給し、添加材放出孔２２から添加材１８を放出させる。添加材１８は開先１０６に一時的に滞留し、回転ツール１０の回転に伴い、金属材１００，１０２の粒子と混合される。

本実施形態においては、回転ツール１０内部から接合部１０４へ添加材１８を放出するため、確実に接合部１０４へ添加材１８を供給することができ、接合部１０４の位置が変動する場合や、接合部１０４の回転ツール１０を挿入する向きが垂直下向き方向以外の方向である場合でも対応することができる。

以下、本発明の第４実施形態について説明する。図８は、本発明の第４実施形態に係る摩擦攪拌接合の様子を示す斜視図である。本実施形態では、予め回転ツール１０の材料に添加材を含有させておき、接合部１０４の長手方向に沿って回転ツール１０を回転させつつ移動させることにより、回転ツール１０を磨耗させつつ接合部１０４に添加材を供給する点が、上記第１実施形態と異なっている。本実施形態において金属材１００，１０２はＡｌ材であり、回転ツール１０は多孔質ＴｉＣからなる。金属材１００，１０２がＡｌ材である場合、ＴｉＣは、Ａｌ材と化学反応を起こさず、Ａｌ材の融点より高い融点を有し、且つＡｌ材とのミスフィットが±１５％以下である物質である。図８に示すように、回転ツール１０が接合部１０４において回転しつつ移動することにより、回転ツール１０が磨耗し、接合部１０４に添加材であるＴｉＣを供給することができる。なお、金属材１００，１０２の材質により、回転ツール１０の磨耗量が大きい場合には、図４に示すような重複加工部２２２にのみ、添加材を含有させた回転ツールを用いて摩擦攪拌接合を行うことにより、回転ツール１０の磨耗量を低減させ、回転ツール１０の寿命を長くすることができる。

本実施形態においては、添加材を含有する回転ツール１０の磨耗に伴い接合部１０４に添加材を供給するため、接合部１０４にむらなく添加材を供給することができ、添加材の分散性を一層向上させることができる。

以下、本発明の第５実施形態について説明する。図９は、本発明の第５実施形態に係る摩擦攪拌接合の様子を示す斜視図である。本実施形態においては、回転ツール１０を移動させずに接合するスポット摩擦攪拌接合を行う点が上記第１〜４実施形態と異なっている。図９に示すように、本実施形態においては、金属材１００，１０２同士を接合部１０４にて重ね合わせ、少なくとも金属材１０２を貫通する挿入孔１１６を穿設し、回転ツール１０を挿入する前に挿入孔１１６に添加材１８が充填する。次に、回転ツール１０のプローブ１２を挿入孔１１６を通して接合部１０４に挿入して回転させ、金属材１００，１０２を接合する。接合後は、図９に示すような接合済み部１１８が形成される。

本実施形態においては、重ね合わせた金属材１００，１０２同士を接合することができる。また、回転ツール１０を挿入孔１１６を介して接合部１０４に挿入する前に、挿入孔１１６に添加材１８を充填するため、容易かつ確実に接合部１０４に添加材１８を供給することができる。なお、挿入孔１１６に挿入した回転ツール１０を回転させつつ接合部１０４の長手方向に沿って移動させて金属材１００，１０２を接合する摩擦攪拌接合によっても、重ね合わせた金属材１００，１０２同士を接合することができる。また、本実施形態においては、接合部１０４への添加材１８の供給は、上記第２実施形態のようにノズル２０より添加材１８を放出して供給する方法、上記第３実施形態のように回転ツール１０内部から添加材１８を放出して供給する方法、上記第４実施形態のように添加材１８を含有する回転ツール１０の磨耗に伴い接合部１０４に添加材を供給する方法のいずれの方法もとることができる。

次に、本発明者が本発明の金属材の加工方法により、実際に金属材の加工を行った実験結果を、従来法により接合した場合と比較して説明する。

実験例１
厚さ６ｍｍのＡＺ３１材（Ａｌを３％、Ｚｎを１％含有するＭｇ合金）を用意した。用意したＡＺ３１材の表面に、摩擦攪拌接合による接合部を想定して、幅１ｍｍ、深さ２ｍｍの溝を形成した。形成した溝に、図１０に示す粒径０．５〜５μｍ、平均粒径１μｍのＳｉＣ粉末１０８を充填した。図３に示すような摩擦攪拌接合を想定して、ＡＺ３１材表面のＳｉＣ粉末を充填した溝に回転ツール１０のプローブ１２を挿入し、回転ツール１０を回転させつつ移動させる摩擦攪拌処理を行った。

図１１は本実験例の摩擦攪拌処理を行った部位の状態を示す図であり、図１２は母材と攪拌部との境界を拡大した図である。図１１に示すように、ＡＺ３１材である母材１１０に対して、回転ツール１０により摩擦攪拌処理を施した攪拌部１１２は結晶粒の状態が変化していることが判る。また、図１２に拡大して示すように、攪拌部１１２内にはＳｉＣ粉末１０８が混入されていることが判る。

一方、比較のため、ＳｉＣ粉末を溝に充填せずに同様の摩擦攪拌処理を施したＡＺ３１材と、摩擦攪拌処理を施していないＡＺ３１材とを用意した。以下、３種類のＡＺ３１材に対してそれぞれ測定および観察を行った。

図１３は、本実験例におけるＡＺ３１材の微小硬度を示すグラフ図である。図１３に示すように、摩擦攪拌処理を行っていないＡＺ３１材の微小硬度が４０〜５０Ｈｖであるに対し、摩擦攪拌処理を行ったＡＺ３１材の微小硬度は、表面から深さ２ｍｍまでの攪拌された部位において５２〜５７Ｈｖに増大していることが判る。さらに図１３に示すように、溝にＳｉＣ粉末を充填して摩擦攪拌処理を行ったＡＺ３１材の微小硬度は、ＳｉＣが添加された表面から深さ２ｍｍまでの部位において最大で７７Ｈｖまで増大していることが判る。

次に、３種類のＡＺ３１材の各々に対し、溶融加工を想定して、２００℃，１時間の熱処理、３００℃，１時間の熱処理、および４００℃，１時間の熱処理をそれぞれ施し、熱処理を施したＡＺ３１材の各々に対して観察および測定を行った。

図１４〜１７はそれぞれ、熱処理を施していないＡＺ３１材、２００℃，１時間の熱処理を施したＡＺ３１材、３００℃，１時間の熱処理を施したＡＺ３１材、および４００℃，１時間の熱処理を施したＡＺ３１材の結晶粒を示す図である。図１４〜１７に示すように、ＡＺ３１材に対する熱処理の温度が高くなった場合でも、結晶粒の大きさの変動は少ないことが判る。

図１８〜２１はそれぞれ、摩擦攪拌処理後のＡＺ３１材、摩擦攪拌処理後に２００℃，１時間の熱処理を施したＡＺ３１材、摩擦攪拌処理後に３００℃，１時間の熱処理を施したＡＺ３１材、および摩擦攪拌処理後に４００℃，１時間の熱処理を施したＡＺ３１材の結晶粒を示す図である。図１８〜２１に示すように、摩擦攪拌処理を施したＡＺ３１材に対する熱処理の温度が高くなるほど、母材以上に結晶粒が粗大化していることが判る。これは、摩擦攪拌処理により歪を有していた結晶粒が、熱処理の熱により再結晶が生じて粗大化したためと考えられる。

一方、図２２〜２５はそれぞれ、ＳｉＣを添加した摩擦攪拌処理後のＡＺ３１材、ＳｉＣを添加した摩擦攪拌処理後に２００℃，１時間の熱処理を施したＡＺ３１材、ＳｉＣを添加した摩擦攪拌処理後に３００℃，１時間の熱処理を施したＡＺ３１材、およびＳｉＣを添加した摩擦攪拌処理後に４００℃，１時間の熱処理を施したＡＺ３１材の結晶粒を示す図である。図２２〜２５に示すように、熱処理の温度が高くなった場合でも、結晶粒の粗大化は生じていないことが判る。図２６は、ＳｉＣを添加した摩擦攪拌処理後に熱処理を施したＡＺ３１材の結晶粒の界面を拡大した図である。図２６に示すように、ＳｉＣ粉末１０８が結晶粒界面１１４に留まり、熱により粗大化しようとする結晶粒を押さえ込んだため、結晶粒の粗大化が抑制されたものと考えられる。

図２７〜２９はそれぞれ、ＡＺ３１材、摩擦攪拌処理後のＡＺ３１材、およびＳｉＣを添加した摩擦攪拌処理後のＡＺ３１材について、それぞれの熱処理前後の微小硬度を示したグラフ図である。図２７に示すように、摩擦攪拌処理を行っていないＡＺ３１材は、熱処理前後で微小硬度の変動が少ないことが判る。しかし、図２８に示すように、摩擦攪拌処理後のＡＺ３１材は、熱処理温度が上がるにつれ、微小硬度が減少することが判る。一方、図２９に示すように、ＳｉＣを添加した摩擦攪拌処理後のＡＺ３１材は、ＳｉＣが添加された表面から深さ２ｍｍまでの部位において、微小硬度が減少していないことが判る。

さらに、表面に幅１ｍｍ、深さ２ｍｍの溝を形成した厚さ６ｍｍのＡＺ３１材を用意し、溝にそれぞれ粉末状のＳｉＣ、ＷＣ、Ｓｉを充填し、上記と同様に摩擦攪拌処理を行い、その微小硬度を測定した。図３０は、種々の添加材を添加した摩擦攪拌処理後のＡＺ３１材の微小硬度を示すグラフ図である。図３０に示すように、それぞれの添加材を添加して摩擦攪拌処理を行ったＡＺ３１材は、その微小硬度が増加していることが判る。さらに、ＷＣ，Ｓｉは、ＳｉＣと同様にＡＺ３１材と化学反応を起こさず且つＡＺ３１材よりも高融点を有する物質であるため、これらのＡＺ３１材に溶融加工を施したとしても、結晶粒の粗大化が抑制され、微小硬度の低下が抑制されるものと考えられる。

実験例２
厚さ６ｍｍのＪＩＳ Ｈ ４０００に規定のアルミニウム材であるＡ１０５０材を用意した。上記実験例１と同様に、表面に幅１ｍｍ、深さ２ｍｍの溝を形成し、溝にＳｉＣ粉末を充填して摩擦攪拌処理を行った。摩擦攪拌処理後のＡ１０５０材に対し、３００℃，１時間の熱処理を施した。また、比較のため、ＳｉＣ粉末を添加せずに摩擦攪拌処理を行ったＡ１０５０材と、摩擦攪拌処理を行っていないＡ１０５０材とに対しても、３００℃，１時間の熱処理を施した。熱処理の前後において、それぞれのＡ１０５０材の微小硬度を測定した。

図３１は、本実験例におけるＡ１０５０材の微小硬度を示すグラフ図である。図３１に示すように、摩擦攪拌処理を施していないＡ１０５０材は熱処理の前後で微小硬度の変動が少ないが、摩擦攪拌処理を施したＡ１０５０材は熱処理後に微小硬度が大きく低下していることが判る。一方、ＳｉＣを添加して摩擦攪拌処理を施したＡ１０５０材は、熱処理の前後で微小硬度の変動が少ないことが判る。

実験例３
厚さ５ｍｍのＪＩＳ Ｈ ４０００に規定のアルミニウム材であるＡ１０５０材を２枚用意した。図３に示すように、互いのＡ１０５０材を接合部で突き合わせ、接合部に平均粒径１μｍのＴｉＣ粉末を充填し、回転ツールの回転速度５００ｒｐｍ、接合速度５００ｍｍ／ｍｉｎで摩擦攪拌接合を行った。摩擦攪拌接合による接合部の幅は、Ａ１０５０材の表面で１０ｍｍである。次に、摩擦攪拌接合による接合部の真上から当該接合部に平行に、１８０Ａで２００ｍｍ／ｍｉｎの接合速度でＴＩＧ溶接によるメルトラン溶接を行った。溶融した範囲の幅は、Ａ１０５０材の板の厚みの中心で６ｍｍ程度となった。その後、当該接合部の横断面における板の厚みの中心部分の硬度を０．３ｍｍピッチで測定した。

図３２は、実験例３におけるＡ１０５０材の接合部の硬度を示すグラフ図である。図３２に示すように、摩擦攪拌接合による接合部に重ねてＴＩＧ溶接を行った接合部から±２．５ｍｍの範囲では、その周辺の母材よりも高い硬度となっていることが判る。これは、ＴｉＣ粒子が分散していた領域と一致する。

また、Ａ１０５０材に上記と同様の摩擦攪拌接合を行った後、摩擦攪拌接合による接合部の垂直方向に横断するように、１８０ＡでＴＩＧ溶接によるメルトラン溶接を行った。図３３は、実験例３におけるＡ１０５０材の溶融接合部と摩擦攪拌接合部との境界における硬度分布を示すグラフ図であり、摩擦攪拌接合の長手方向に平行で、溶融接合部の長手方向に垂直な断面における硬度分布を示す図である。図３３に示すように、溶融接合部においては、微細な結晶粒からなる凝固組織となり、硬さの低下がほとんどなく、溶融接合の熱影響部においても、粒成長が抑制され、全く硬度の変化がないことがないことが判る。このように、摩擦攪拌接合による接合部に溶融溶接を行っても、近傍部を含む接合部全体において硬度（強度）の低下が生じていないことが判る。

尚、本発明の金属材の加工方法は、上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

本発明の第１実施形態に係る金属材の加工方法の流れを示すフロー図である。 本発明の第１実施形態に係る回転ツールを示す斜視図である。 本発明の第１実施形態に係る摩擦攪拌接合の様子を示す斜視図である。 本発明の第１実施形態に係る金属材の加工方法によって形成された鉄道車両構体を示す斜視図である。 本発明の第２実施形態に係る摩擦攪拌接合の様子を示す斜視図である。 本発明の第３実施形態に係る回転ツールを示す斜視図である。 本発明の第３実施形態に係る摩擦攪拌接合の様子を示す断面図である。 本発明の第４実施形態に係る摩擦攪拌接合の様子を示す斜視図である。 本発明の第５実施形態に係る摩擦攪拌接合の様子を示す斜視図である。 本発明の第１実験例に係るＳｉＣ粉末を示す図である。 実験例１の摩擦攪拌処理を行った部位の状態を示す図である。 実験例１の母材と攪拌部との境界を拡大した図である。 実験例１におけるＡＺ３１材の微小硬度を示すグラフ図である。 ＡＺ３１材の結晶粒を示す図である。 ２００℃、１時間の熱処理を施したＡＺ３１材の結晶粒を示す図である。 ３００℃、１時間の熱処理を施したＡＺ３１材の結晶粒を示す図である。 ４００℃、１時間の熱処理を施したＡＺ３１材の結晶粒を示す図である。 摩擦攪拌処理後のＡＺ３１材の結晶粒を示す図である。 摩擦攪拌処理後、２００℃、１時間の熱処理を施したＡＺ３１材の結晶粒を示す図である。 摩擦攪拌処理後、３００℃、１時間の熱処理を施したＡＺ３１材の結晶粒を示す図である。 摩擦攪拌処理後、４００℃、１時間の熱処理を施したＡＺ３１材の結晶粒を示す図である。 ＳｉＣを添加した摩擦攪拌処理後のＡＺ３１材の結晶粒を示す図である。 ＳｉＣを添加した摩擦攪拌処理後、２００℃、１時間の熱処理を施したＡＺ３１材の結晶粒を示す図である。 ＳｉＣを添加した摩擦攪拌処理後、３００℃、１時間の熱処理を施したＡＺ３１材の結晶粒を示す図である。 ＳｉＣを添加した摩擦攪拌処理後、４００℃、１時間の熱処理を施したＡＺ３１材の結晶粒を示す図である。 ＳｉＣを添加した摩擦攪拌処理後に熱処理を施したＡＺ３１材の結晶粒の界面を拡大した図である。 ＡＺ３１材の熱処理前後の微小硬度を示すグラフ図である。 摩擦攪拌処理後のＡＺ３１材の熱処理前後の微小硬度を示すグラフ図である。 ＳｉＣを添加した摩擦攪拌処理後のＡＺ３１材の熱処理前後の微小硬度を示すグラフ図である。 種々の添加材を添加した摩擦攪拌処理後のＡＺ３１材の微小硬度を示すグラフ図である。 実験例２におけるＡ１０５０材の微小硬度を示すグラフ図である。 実験例３におけるＡ１０５０材の接合部の硬度を示すグラフ図である。 実験例３におけるＡ１０５０材の溶融接合部と摩擦攪拌接合部との境界における硬度分布を示すグラフ図である。

符号の説明

１０…回転ツール、１２…プローブ、１４…ショルダー、１６…回転ツール本体、１８…添加材、２０…添加材放出ノズル、２２…添加材放出孔、２４…添加材供給路、１００，１０２…金属材、１０４…接合部、１０６…開先、１０８…ＳｉＣ粉末、１１０…母材、１１２…攪拌部、１１４…結晶粒界面、１１６…挿入孔、１１８…接合済み部、２００…車両構体、２０２，２０４…屋根構、２０６，２０８…側構、２１０…台枠、２１２…妻構、２１４，２１６…軒部材、２１８…摩擦攪拌接合部、２２０…溶融接合部、２２２…重複加工部。

Claims (10)

1. ２つの金属材を接合部において対向させ、前記金属材と化学反応を起こさず且つ前記金属材の融点より高い融点を有する添加材を前記接合部に供給しつつ、前記接合部に棒状の回転ツールを挿入し、前記回転ツールを回転させ、前記２つの金属材を接合する第１ステップと、
   前記接合部にさらに溶融加工を施す第２ステップと、
   を含む金属材の加工方法。
2. ２つの金属材を接合部において対向させ、前記金属材の単位結晶格子の稜の長さａに対して当該単位結晶格子の稜の長さａ’の整数倍および整数倍分の１のいずれかが±１５％以内である添加材を前記接合部に供給しつつ、前記接合部に棒状の回転ツールを挿入し、前記回転ツールを回転させ、前記２つの金属材を接合する第１ステップと、
   前記接合部にさらに溶融加工を施す第２ステップと、
   を含む金属材の加工方法。
3. ２つの金属材を接合部において対向させ、前記金属材と化学反応を起こさず且つ前記金属材の融点より高い融点を有する添加材と、前記金属材の単位結晶格子の稜の長さａに対して当該単位結晶格子の稜の長さａ’の整数倍および整数倍分の１のいずれかが±１５％以内である添加材と、を前記接合部に供給しつつ、前記接合部に棒状の回転ツールを挿入し、前記回転ツールを回転させ、前記２つの金属材を接合する第１ステップと、
   前記接合部にさらに溶融加工を施す第２ステップと、
   を含む金属材の加工方法。
4. 前記第１ステップにおいて、前記接合部の長手方向に沿って前記回転ツールを回転させつつ移動させ、前記２つの金属材を接合する請求項１〜３のいずれか１項に記載の金属材の接合方法。
5. 前記第１ステップにおいて、前記接合部への前記添加材の供給は、前記接合部に回転ツールを挿入する前に、前記接合部に前記添加材を配置することによって行う、
   請求項１〜４のいずれか１項に記載の金属材の加工方法。
6. 前記第１ステップにおいて、前記接合部への前記添加材の供給は、前記回転ツールの移動に伴い、前記接合部における前記回転ツールの移動先の部位に前記添加材を放出することによって行う、
   請求項２〜４のいずれか１項に記載の金属材の加工方法。
7. 前記第１ステップにおいて、前記接合部において回転ツールを移動させる前に、前記接合部を前記回転ツールと対向する方向に開いた開先に加工する、
   請求項６に記載の金属材の加工方法。
8. 前記第１ステップにおいて、前記接合部への前記添加材の供給は、前記回転ツール内部から前記接合部へ前記添加材を放出することによって行う、
   請求項１〜４のいずれか１項に記載の金属材の加工方法。
9. 前記第１ステップにおいて、前記接合部への前記添加材の供給は、予め前記回転ツールの材料に前記添加材を含有させておき、前記回転ツールを回転させることにより、前記回転ツールを磨耗させつつ前記接合部に前記添加材を供給する、
   請求項１〜４のいずれか１項に記載の金属材の加工方法。
10. 請求項１〜９のいずれか１項に記載の金属材の加工方法によって、２つ以上の金属材を加工して形成された構造物。
    

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