JP2008114258A - 摩擦攪拌接合用ツール及び摩擦攪拌接合装置 - Google Patents

Abstract

【課題】アルミニウム等の低融点金属材料から鉄鋼材料等の高融点金属材料に至るまで、広範囲にわたって摩擦攪拌接合を行うことができる摩擦攪拌接合用ツールを提供する。
【解決手段】摩擦攪拌接合用ツールの全体或いはピン部を含む先端部分を、Ｍｏと金属間化合物Ｍｏ_５ＳｉＢ_２の二相混合組織を有するＭｏ合金により形成する。Ｍｏ合金はＳｉ量が６．０〜１０．０ｍｏｌ％、Ｂ量が１０．０〜２０．０ｍｏｌ％、Ｍｏ相の体積含有量が２０〜６０％の組成とすることが望ましい。このＭｏ合金製ツールは、高温強度及び耐摩耗性に優れ、鉄系材料の接合に用いても変形及び磨耗が少ない。
【選択図】図１

Description

本発明は、摩擦攪拌接合に用いるツール及び摩擦攪拌接合装置に関する。

被接合材を溶融しないで接合する接合方法の一つとして、摩擦攪拌接合方法がある。摩擦攪拌接合方法は、被接合材よりも実質的に硬い材質の円柱状部材よりなる攪拌ツールを回転させながら、被接合材の接合部に挿入し、この攪拌ツールを回転させながら移動することによって、攪拌ツールと被接合材との間で発生する摩擦熱により接合する方法である。摩擦攪拌接合は、攪拌ツールと被接合材との摩擦熱により被接合材を軟化させ、攪拌ツールの回転に伴う塑性流動現象を利用したものであり、被接合材を溶かして溶接するアーク溶接方法などとは異なる原理に基づいている。

摩擦攪拌接合に用いるツール材料に関しては、セラッミクスであるＰＣＢＮで作製したもの（例えば、特許文献１参照）、Ｒｅのような固溶強化材料を含むＷ基材料で作製したもの(例えば、特許文献２参照)、Ｃｏを含有するＷＣ系の超硬合金で作製したもの(特許文献３参照)などが知られている。

特表２００３−５３２５４３号公報 特開２００４−３５８５５６号公報 特開２００５−１９９２８１号公報

摩擦攪拌接合は、アルミニウム合金のような比較的融点の低い金属材料の接合においては既に実用化に至っており、鉄鋼材料のように融点の高い金属材料の接合においても比較的多くの報告がなされている。しかし、鉄鋼材料における摩擦攪拌接合の研究報告例はアルミニウム合金などに比べるとかなり少ない。その大きな理由の一つに適切な攪拌ツールがないことが挙げられる。

高融点金属材料の摩擦攪拌接合における攪拌ツール材には、高温強度，耐摩耗性，非反応性などが要求されるが、従来の攪拌ツール材料は、高融点金属材料の接合に用いた場合に摩耗および変形が生じやすく、良好な接合ができない。

本発明の目的は、アルミニウム等の低融点金属材料から鉄鋼材料等の高融点金属材料に至るまで、広範囲にわたって摩擦攪拌接合を行うことができるようにした摩擦攪拌接合用ツール並びにそのツールを備えた摩擦攪拌接合装置を提供することにある。

本発明は、円柱状部材の端面にピン部が突出するように設けられている摩擦攪拌接合用ツールにおいて、少なくとも前記ピン部がＭｏと金属間化合物Ｍｏ_５ＳｉＢ_２の二相混合組織を有するＭｏ合金により形成されていることを特徴とする。

また、本発明は、円柱状部材の端面にピン部が突出するように設けられているツールとツール回転機構を具備し、前記ツールの前記ピン部を被接合材の接合部に回転させた状態で挿入して接合を行う摩擦攪拌接合装置において、前記ツールの少なくとも前記ピン部がＭｏと金属間化合物Ｍｏ_５ＳｉＢ_２の二相混合組織を有するＭｏ合金により形成されていることを特徴とする。

前記Ｍｏ合金は、Ｓｉ量が６．０〜１０．０ｍｏｌ％、Ｂ量が１０．０〜２０．０ｍｏｌ％、Ｍｏ相の体積含有量が２０〜６０％の組成よりなるものが望ましい。

本発明の摩擦攪拌接合用ツールは、高温強度及び耐摩耗性に優れ、アルミニウム等の低融点金属材料から鉄鋼材料等の高融点金属材料に至るまで、広範囲にわたって適用することができる。

摩擦攪拌接合用ツールを、ＭｏとＭｏ_５ＳｉＢ_２の二相混合組織からなるＭｏ合金で形成することによって、０.２％耐力及び破壊応力が高くなり、鉄系材料の摩擦攪拌接合における接合温度約１２００℃においても優れた高温強度及び耐摩耗性を示すようになる。この結果、鉄鋼材料のような融点の高い材料を摩擦攪拌接合した場合に、攪拌ツールの摩耗を少なくできる。

ＭｏとＭｏ_５ＳｉＢ_２の二相混合組織からなるＭｏ合金は、Ｓｉ量が６．０〜１０．０ｍｏｌ％、Ｂ量が１０．０〜２０．０ｍｏｌ％、Ｍｏ相の体積含有量が２０〜６０％の組成範囲にあるものが望ましい。これにより、０．２％耐力と破壊応力が著しく高くなり、高温強度と耐摩耗性向上の効果が顕著に発揮されるようになる。

本発明の摩擦攪拌接合用ツールは、アルミニウム合金、マグネシウム合金、銅合金、鉄鋼材料、チタン合金、Ｎｉ合金、Ｎｉ基超合金等の被接合材の接合に適する。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明に係る摩擦攪拌接合用ツール１０１の一例を示したものである。本実施例の摩擦攪拌接合用ツール１０１は、接合装置の主軸と連結されるシャンク１０２と、接合時に被接合材の表面と接触するショルダー部１０３と、接合時に被接合材に挿入されるピン部１０４とから構成されている。シャンク１０２とショルダー部１０３とピン部１０４は、ＭｏとＭｏ_５ＳｉＢ_２の二相混合組織を有するＭｏ合金により一体に形成されている。Ｍｏ合金はＭｏ−８．７Ｓｉ−１７．４Ｂの組成であり、単位はすべてｍｏｌ％である。Ｍｏ合金の結晶組織は、図６に示す模式図のとおりであり、島状のＭｏ相６０１と金属間化合物であるＭｏ_５ＳｉＢ_２相６０２マトリックスとから構成されている。

ショルダー部１０３の直径が１５ｍｍ、ピン部１０４がショルダー部１０３に連結している部分１０５でのピン部１０４の直径が５ｍｍ、ピン部１０４の先端部分１０６の直径が３ｍｍ、ピン部１０４の長さ、すなわちショルダー部から突出している部分の高さが２．５ｍｍの寸法を有する摩擦攪拌接合用ツールを作製し、鉄系材料ＳＳ４００の摩擦攪拌接合を行った。被接合材の厚みは３ｍｍとした。接合条件は、摩擦攪拌接合用ツール１０１の回転速度が８００回転／分、接合速度が２００ｍｍ／分とした。

また、本発明の摩擦攪拌接合用ツールとの性能を比較評価するために、従来公知の様々な材質からなる攪拌ツールを用いて、本発明と同様の条件で鉄系材料ＳＳ４００の摩擦攪拌接合を行った。用いたツール材は工具鋼、ＰＣＢＮ、Ｗ−０．００２％Ｋ、ＷＣ−Ｃｏの４種である。

工具鋼ツールの場合、被接合材ＳＳ４００と接触し摩擦熱が発生すると同時に、直ぐピン部が変形してツールの挿入すら不可能であった。

ＰＣＢＮ（米国ＭｅｇａＳｔｉｒ製のｐｏｌｙｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｃｕｂｉｃ ｂｏｒｏｎ ｎｉｔｒｉｄｅ）ツールの場合には、ツールの挿入及び抜き出しを繰り返すことにより、ＰＣＢＮツールの表面やピン部にクラックが発生し、ＰＣＢＮが欠けることが多かった。これは、このＰＣＢＮ材料がセラミックスであり、熱衝撃に弱いためと考えられる。

Ｗ−０．００２％Ｋツールの場合には、ツールを挿入することにより、ピン部が大きく変形した。ピンの長さは短く、ピン径は太くなり、狙った深さまで接合することができなかった。これはＷ−０．００２％Ｋ材料の接合温度における降伏応力が低いためと考えられる。

ＷＣ−Ｃｏツールの場合には、ＷＣ−Ｃｏツールのショルダー部が大きく摩耗することが判った。

これに対して、本発明のＭｏ合金ツールを使用した場合には、摩擦攪拌接合後に変形や摩耗は殆ど起こらなかった。

以上の結果より、本発明のＭｏ合金ツールは、鉄系材料ＳＳ４００の摩擦攪拌接合に対して極めて好適であることがわかった。この結果より、ＳＳ４００以外の鉄鋼材料の摩擦攪拌接合にも効果的であることが示唆される。

次に、前記の組成を有する本発明の摩擦攪拌接合用ツールを用いて、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖよりなるチタン合金及びＴｉ−１５Ｖ−３Ｃｒ−３Ｓｎ−３Ａｌよりなるチタン合金の接合を行った。比較のために、ＰＣＢＮツールとＷ−０．００２％Ｋツールに用いての接合も行った。

ＰＣＢＮツールを用いた接合試験では、ＰＣＢＮツールが大きく摩耗し、ツールの形状が著しく変化していることが観察された。これはＰＣＢＮがＴｉと反応したためと考えられる。また、Ｗ−０．００２％Ｋツールの場合には、ＳＳ４００材を接合したときと同様に、ツールの挿入直後にピン部が変形し、走行することにより摩耗が急激に進行することがわかった。これに対して、本発明のＭｏ合金ツールを用いた場合には、接合後にも殆ど形状の変化が見られなかった。

この結果から、本発明のＭｏ合金製ツールは、純チタンやチタン合金の摩擦攪拌接合にも有効であることが確認された。

本発明の摩擦攪拌接合用ツールは、ピン部を含む一部分だけをＭｏ合金で作るようにすることも可能である。

図２は、ピン部２０４とショルダー部を含むツール先端部分２０１をＭｏ合金により形成して、シャンク２０２と固定具２０３を用いて固定した摩擦攪拌接合用ツールを示している。シャンク２０２の材質には、高温強度の高いインコネル６００などのＮｉ基超合金或いはＳＫＤ６１等の工具鋼を用いることが望ましい。

図２ではピン部２０４の形状がストレート形状であるが、これに限定されるものではなく、図１のような形状にしても良い。

図３は、ピン部３０６を含むツール先端部分３０１をＭｏ合金で形成し、シャンク３０２とネジで固定した摩擦攪拌接合用ツール３０５を示している。ツール先端部分３０１がシャンク３０２と連結される部分３０３及びシャンク３０２がツール先端部分３０１と連結される部分３０４には、それぞれネジ加工が施してあり、ツール先端部分３０１とシャンク３０２をネジで固定している。ネジ加工は、摩擦攪拌接合用ツール３０５の回転方向とネジの方向が逆になるように施してある。この場合のシャンク３０２の材質としては、図２の場合と同様に、高温強度の高いＮｉ基超合金或いはＳＫＤ６１等の工具鋼が適する。

以上述べた構成を有する本発明のＭｏ合金製ツールを用いて、高融点材料を摩擦攪拌接合することにより、溶融溶接に比べて溶接変形、スパッタ及び残留応力も少なくなることが判った。本発明のツールは、自動車パネル部材やパイプなどの構造物の摩擦攪拌接合に適用することができる。また、接合に限らず、材料の改質、例えば欠陥や傷の修復のために用いることもできる。

この実施例では、図２及び図３に示したように、ツール先端部分をＭｏ合金で作製し、これをシャンクとネジ固定または固定具を用いて固定した構造を有する摩擦攪拌接合用ツールにおいて、ツール先端部分をＭｏ合金で作る方法を説明する。

図４は、アーク溶解によりツール先端部分を作製する方法を示した説明図である。溶解炉４０１にＭｏ素材４０２とＳｉ素材４０３及びＢ素材４０４を入れ、これらの素材をアーク４０５で溶解する。溶解した各素材は溶解炉４０１の内部で混合される。混合された溶解素材４０６は、ツール先端部分の形をした複数の型４０７に投入される。このような流れで、ツール先端部分を作製する。型４０７は溶解素材４０６の融点以上の温度に加熱しておくことが望ましい。これにより、溶解素材４０６を型４０７に投入した直後に、急激に凝固が進み、巣などの欠陥が発生するのを防止することができる。アーク溶解に代えて、電子ビーム溶解を行うことも可能である。

図５は、アーク溶解や電子ビーム溶解等の溶解による方法ではなく、粉末焼結によりツール先端部分を作製する方法を示している。図５に示すように、ツール先端部分とほぼ同一の形状をした型５０１にＭｏ粉末素材とＳｉ粉末素材及びＢ粉末素材からなる原料粉末素材５０２を入れる。その後、圧力５０３を加えて焼結を行う。原料粉末素材５０２と一緒にバインダ材を混合して焼結を行うと、より効果的である。バインダ材にはＡｌ、Ｔｉなどを用いることができる。

図７は、本発明の摩擦攪拌接合用ツールを具備する摩擦攪拌接合装置の一例を示したものである。この接合装置は、ツールと被接合材の相対距離を補正する補正機構を組み込んだ３次元接合装置であり、コラム型の５軸マシニングセンタを改造して作製したコラム型装置である。本接合装置は直交３軸（Ｘ，Ｙ，Ｚ）とＺ軸回りの回転Ｃ軸及び先端部の手首Ａ軸の５軸を有する。摩擦攪拌接合では、被接合材にかなり強引にツールを挿入して接合するため、接合装置はこの反力に耐えるために高い剛性が必要となる。接合荷重は被接合材の材質、板厚、ツール形状、ツール回転数、接合速度など多くの因子により決まるが、およそ板厚が大きい場合ほど荷重は高い。したがって、本接合装置はコラム５０がＹ方向に、被接合材を設置する加工テーブル５２がＸ方向に、それぞれ台５１上を移動する。また、ヘッド５３はＺ方向に移動する。更にヘッド５３の下部には回転Ｃ軸及び手首Ａ軸を担うギヤボックス５５を具備している。ツール５６は、ツール回転機構である主軸モータ５４により駆動される。ツール５６とギヤボックス５５の間にはツール及び被接合材の相対的距離を補正する補正機構が組み込まれている。

以上の構成を具備する摩擦攪拌接合装置の加工テーブル上に被接合材を設置し、ヘッド５３を下降させて被接合材の接合部に挿入し、ツール５６を移動させることによって、摩擦攪拌接合を行うことができる。なお、この接合装置はあくまでも一例であって、これに限定されるものではない。

本発明の一実施例による摩擦攪拌接合用ツールを示した概略図。 本発明の他の実施例による摩擦攪拌接合用ツールを示した概略図。 本発明の摩擦攪拌接合用ツールの更に他の実施例を示す概略図。 ツール先端部分をアーク溶解により作製する方法を示す説明図。 ツール先端部分を粉末焼結により作製する方法を示す概略図。 Ｍｏ合金の結晶組織を示した模式図。 摩擦攪拌接合装置の一例を示す装置構成図。

符号の説明

５２…加工テーブル、５３…ヘッド、５４…主軸モータ、５６…ツール、１０１…摩擦攪拌接合用ツール、１０２…シャンク、１０３…ショルダー部、１０４…ピン部、２０１…ツール先端部分、２０２…シャンク、２０３…固定具、２０４…ピン部、３０１…ツール先端部分、３０２…シャンク、３０５…摩擦攪拌接合用ツール、３０６…ピン部、４０１…溶解炉、４０２…Ｍｏ素材、４０３…Ｓｉ素材、４０４…Ｂ素材、４０５…アーク、４０６…溶解素材、４０７…型、５０１…型、５０２…原料粉末素材、５０３…圧力。

Claims (6)

1. 円柱状部材の端面にピン部が突出するように設けられている摩擦攪拌接合用ツールにおいて、少なくとも前記ピン部がＭｏと金属間化合物Ｍｏ_５ＳｉＢ_２の二相混合組織を有するＭｏ合金により形成されていることを特徴とする摩擦攪拌接合用ツール。
2. 前記Ｍｏ合金は、Ｓｉ量が６．０〜１０．０ｍｏｌ％、Ｂ量が１０．０〜２０．０ｍｏｌ％、Ｍｏ相の体積含有量が２０〜６０％よりなることを特徴とする請求項１記載の摩擦攪拌接合用ツール。
3. 前記ツールがＭｏと金属間化合物Ｍｏ_５ＳｉＢ_２の二相混合組織を有するＭｏ合金により一体に形成されていることを特徴とする請求項１記載の摩擦攪拌接合用ツール。
4. 前記ツールが円柱状をしたシャンクとショルダー部及び前記ピン部により構成され、前記ピン部と前記ショルダー部が前記Ｍｏ合金により一体に形成され、前記シャンクにネジまたは固定具で固定されていることを特徴とする請求項１記載の摩擦攪拌接合用ツール。
5. 円柱状部材の端面にピン部が突出するように設けられているツールとツール回転機構を具備し、前記ツールにおける前記ピン部を被接合材の接合部に回転させた状態で挿入して接合を行う摩擦攪拌接合装置において、前記ツールの少なくとも前記ピン部がＭｏと金属間化合物Ｍｏ_５ＳｉＢ_２の二相混合組織を有するＭｏ合金により形成されていることを特徴とする擦攪拌接合装置。
6. 前記Ｍｏ合金は、Ｓｉ量が６．０〜１０．０ｍｏｌ％、Ｂ量が１０．０〜２０．０ｍｏｌ％、Ｍｏ相の体積含有量が２０〜６０％よりなることを特徴とする請求項５記載の摩擦攪拌接合装置。

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