JP2008221227A - 摩擦点接合構造 - Google Patents

Abstract

【課題】摩擦点接合構造におけるＡｌ−Ｆｅ系化合物やＺｎＡｌ化合物が接合強度に及ぼす影響を解明し、Ａｌ−Ｆｅ系化合物層やＺｎＡｌ化合物を含む組織の構成を接合強度との関連で特定した摩擦点接合構造を提供する。
【解決手段】接合部側に亜鉛メッキ層を形成した鋼板とアルミ合金板とを重ね合せ、回転ツールを回転させながらアルミ合金板に押し込み、摩擦熱でアルミ合金板を軟化させ、塑性流動を生じさせてアルミ合金板と鋼板とを固相状態で接合した摩擦点接合構造において、回転ツールを回転させながらアルミ合金板に押し込み、軟化した亜鉛メッキ層の大部分を接合部から排出し、アルミ合金板と鋼板との接合部に、鋼板側からＡｌ−Ｆｅ系化合物層と、Ｚｎが固溶したＡｌマトリックスにＺｎＡｌ化合物とＡｌ，Ｚｎ酸化物を含む組織層を層状に形成した。
【選択図】 図２２

Description

本発明は、摩擦点接合構造に関し、特に亜鉛メッキ層を形成した鋼板とアルミ合金部材との摩擦接合部にＡｌ−Ｆｅ系化合物層と、Ｚｎが固溶したＡｌマトリックスにＺｎＡｌ化合物を含む組織層を層状に形成したものに関する。

近年、自動車の車体の軽量化の為に、車体の構造部材としてアルミニウム合金板を使用するケースが増加し、アルミニウム合金板と鋼板とを摩擦点接合した摩擦点接合構造が採用されつつある。摩擦点接合を行う装置としては、多関節ロボットのアームの先端のハンドに装備した回転ツールと、これに対向する受け具とを有する摩擦点接合装置が採用される。アルミニウム合金板と鋼板とを摩擦点接合する際には、アルミニウム合金板を鋼板上に重ね合せ、鋼板の下面側を受け具で受け止めた状態で、回転ツールを回転させながらアルミニウム合金板に加圧しつつ所定深さまで押し込むことで接合する。このとき、その接合部において、アルミニウム合金板が摩擦熱で塑性流動し、アルミニウム合金板と鋼板とが固相接合にて接合される。

ところで、特許文献１には、亜鉛メッキ層が形成された鋼板にアルミニウム合金板を摩擦点接合装置により上記のようにして摩擦点接合し、その接合部において亜鉛メッキ層をアルミ合金板と鋼板の両方に拡散させ、アルミニウム合金板と鋼板の接合部にＡｌ−Ｚｎ−Ｆｅ合金層を形成する摩擦接合技術が開示されている。
特開２００２−６６７５９号公報

上記のように亜鉛メッキ鋼板にアルミニウム合金板を接合するケースが多く、摩擦点接合の際に亜鉛の大部分は回転ツールによる加圧力により接合部よりも外周側へ排除される。しかし、亜鉛の一部は接合部に残存してＺｎＡｌ化合物（β相）が形成され、このＺｎＡｌ化合物の生成量や結晶粒子の大きさが接合部の強度に影響を及ぼすものと推定される。そして、このＺｎＡｌ化合物の生成量や結晶粒子の大きさ等は、塑性流動状態のアルミニウム合金の再結晶の進行程度の影響を受けるものと予想されるが、これらについては未だ解明されていない。

特許文献１の技術では、摩擦点接合構造に脆弱なＡｌ−Ｆｅ系化合物層が生成されるのを抑制し、脆弱でないＡｌ−Ｚｎ−Ｆｅ合金層を形成することで接合強度を確保しようとするものの、Ａｌ−Ｆｅ系化合物層やＡｌ−Ｚｎ−Ｆｅ合金層の実体や、Ａｌ−Ｚｎ−Ｆｅ合金層の厚みが接合強度に及ぼす影響については十分に解明されていない。

本発明の目的は、摩擦点接合構造の強度を高め得るようにＡｌ−Ｆｅ系化合物層やＺｎＡｌ化合物を含む組織の構成を特定した摩擦点接合構造を提供することである。

請求項１の摩擦点接合構造は、接合部側に亜鉛メッキ層を形成した鋼部材とアルミニウム合金部材とを重ね合せ、回転ツールを回転させながらアルミニウム合金部材に押し込み、摩擦熱でアルミニウム合金部材を軟化させ、塑性流動を生じさせてアルミニウム合金部材と鋼部材とを固相状態で接合した摩擦点接合構造において、回転ツールを回転させながらアルミニウム合金部材に押し込み、軟化した亜鉛メッキ層の大部分を接合部から排出し、アルミニウム合金部材と鋼部材との接合部に、鋼部材側からＡｌ−Ｆｅ系化合物層と、Ｚｎが固溶したＡｌマトリックスにＺｎＡｌ化合物を含む組織層を層状に形成したことを特徴とするものである。

請求項２の摩擦点接合構造は、請求項１の発明において、前記Ｚｎが固溶したＡｌマトリックスにＺｎＡｌ化合物を含む組織層は、ＺｎＡｌ化合物粒子が微細に分散した組織層であることを特徴とするものである。尚、ＺｎＡｌ化合物粒子は２０ｎｍ以下の大きさであることが望ましい。

請求項３の摩擦点接合構造は、請求項１又は２の発明において、前記Ａｌ−Ｆｅ系化合物層の厚みが０．２μｍ以下、前記Ｚｎが固溶したＡｌマトリックスにＺｎＡｌ化合物を含む組織層の厚みは１０μｍ以下であることを特徴とするものである。

請求項１の摩擦点接合構造によれば、アルミニウム合金部材と鋼部材との接合部には、鋼部材側からＡｌ−Ｆｅ系化合物層とＺｎが固溶したＡｌマトリックスにＺｎＡｌ化合物を含む組織層とが生成されるが、このＡｌ−Ｆｅ系化合物層とＺｎＡｌ化合物を含む組織層を層状に形成するため、アルミニウム合金部材と鋼部材との接合部の接合強度を高めることができる。

請求項２の摩擦点接合構造によれば、前記Ｚｎが固溶したＡｌマトリックスにＺｎＡｌ化合物を含む組織層は、ＺｎＡｌ化合物粒子が微細に分散した組織層であるため、ＺｎＡｌ化合物粒子の粒界に沿ってクラックが発生しにくくなるから、接合部の接合強度を高めることができる。

請求項３の摩擦点接合構造によれば、前記Ａｌ−Ｆｅ系化合物層の厚みが０．２μｍ以下、前記Ｚｎが固溶したＡｌマトリックスにＺｎＡｌ化合物を含む組織層の厚みは１０μｍ以下であるため、脆弱なＡｌ−Ｆｅ系化合物層による強度低下を抑制しつつ、ＺｎＡｌ化合物を含む組織層による強度低下を抑制することができる。

以下、本発明の摩擦点接合構造は、接合部側に亜鉛メッキ層を形成した鋼部材とアルミニウム合金部材とを重ね合せ、回転ツールを回転させながらアルミニウム合金部材に押し込み、摩擦熱でアルミニウム合金部材を軟化させ、塑性流動を生じさせてアルミニウム合金部材と鋼部材とを固相状態で接合した摩擦点接合構造において、回転ツールを回転させながらアルミニウム合金部材に押し込み、軟化した亜鉛メッキ層の大部分を接合部から排出し、アルミニウム合金部材と鋼部材との接合部に、鋼部材側からＡｌ−Ｆｅ系化合物層と、Ｚｎが固溶したＡｌマトリックスにＺｎＡｌ化合物を含む組織層を層状に形成したことを特徴とするものである。

以下、本発明の実施例について図面に基づいて説明する。
図１に示すように、摩擦点接合装置１は、例えば自動車のボディ等に採用されるアルミ部材同士の接合、アルミ部材と鋼部材との接合に用いられるもので、主な構成要素として、接合ガン１０と、この接合ガン１０をハンドに装備したロボット４０とを含む。ロボット４０としては、例えば汎用型の６軸垂直多関節ロボットが使用可能である。尚、上記のアルミ部材とは、アルミニウム部材又はアルミ合金部材を意味する。

図２、図３に示すように、接合ガン１０は、ロボット４０への取付ボックス１１と、この取付ボックス１１の下面から下方へ延びるＬ字状のアーム１２と、このアーム１２の上方で取付ボックス１１の側面に取り付けられた本体ケース１３と、加圧用モータ１４と、回転用モータ１５とを備え、これらモータ１４，１５の出力軸の上端部は、上蓋部材２１を貫通して上部カバー２２内へ延びている。本体ケース１３内に鉛直姿勢に配設された駆動軸（図示略）の下端部は本体ケース１３の下端部の下方まで延び、この駆動軸の下端部材に固着された取付部材３６に、接合用工具１８の一方である回転ツール１６が設けられている。尚、取付部材３６の下端部の露出部は蛇腹部材３４で覆われている。

この回転ツール１６の直下で回転ツール１６に対向してアーム１２の先端に接合用工具１８の他方である受け具１７が設けられている。本体ケース１３の内部の機構を介して、加圧用モータ１４の回転駆動力により回転ツール１６が昇降駆動されると共に、回転モータ１５の回転駆動力で回転ツール１６が回転駆動される。加圧用モータ１４としては回転角の制御と検知が容易なサーボモータを適用するのが望ましく、回転モータ１５としては回転角の制御と検知が容易なサーボモータ又は回転速度の制御が容易なインダクションモータを適用するのが望ましい。

図３は回転ツール１６の先端部を拡大図示したものである。この回転ツール１６は、特に異種の金属部材（例えば、アルミ部材と鋼部材）の接合に好適なように設計されており、円柱状の胴体部１６ａの下端部（その輪郭は円形である）に、金属部材と当接してその金属部材を加圧するショルダ部１６ｂが形成されている。このショルダ部１６ｂは、平坦ではなく、所定の角度θ傾斜して、回転軸心Ｘを中心として円錐形状に窪んだ形状に形成されている。

上記のショルダ部１６ｂの中心に円柱状ピン部１６ｃが形成され、このピン部１６ｃはショルダ部１６ｂの下端部（つまり、ショルダ部１６ｂの周縁部）より所定長さｈだけ下方へ突出している。ここで、回転ツール１６の具体的寸法としては、例えば、ショルダ部１６ｂの直径が１０ｍｍ、ピン部１６ｃの直径が２ｍｍ、ショルダ部１６ｂの傾斜角θが７度、ピン部１６ｃの突き出し長さｈが０．３５ｍｍである。

図１に示すように、ロボット４０はハーネス５１を介して制御盤５０に接続され、接合ガン１０は、ハーネス５２，５４，５５及び中継器５３を介して制御盤５０に接続されている。加圧用モータ１４と回転用モータ１５の回転駆動が、制御盤５０に内蔵された図示外の制御ユニットにより開始、制御、停止される。

図４に示すように、相対的に融点の低いアルミ合金板Ｗ１を上板とし、相対的に融点の高い鋼板Ｗ２（表面に亜鉛メッキが施されている）を下板として重ね合せたワークを、図示外の適宜手段により把持して固定する。次に、このワークに向かって接合ガン１０がロボット４０により近接されて、回転ツール１６がワークの上方に、受け具１７がワークの下方に位置して接合ガン１０が停止する。次に、接合ガン１０全体が上動することにより、受け具１７が鋼板Ｗ２の下面に当接する。

次に、この状態で、ワークに向かって上方（つまり、アルミ合金板Ｗ１側）から回転ツール１６を回転させながら下降させて押し込み、この回転ツール１６の回転動作と加圧動作とによって発生する摩擦熱でアルミ合金板Ｗ１を軟化させ、そののち塑性流動させてアルミ合金板Ｗ１と鋼板Ｗ２を固相接合する。この接合の際、回転ツール１６の加圧力と加圧時間を３段階に切換えて接合する。

この摩擦点接合においては、回転ツール１６の回転動作と加圧動作によって発生する摩擦熱でアルミ合金板Ｗ１を軟化させ、そののち塑性流動させて、相対的に融点の低いアルミ合金板Ｗ１と相対的に融点の高い鋼板Ｗ２とを接合するようにしたから、相対的に融点の低いアルミ合金板Ｗ１に塑性流動を生じさせ、アルミ合金板Ｗ１と鋼板Ｗ２を接合する為に必要なエネルギーを少なくし、接合に要する時間を短縮することができる。

このとき、１つの接合部Ｐで接合が終了すると、回転ツール１６を上昇させ、接合ガン１０全体を下動させ、且つ所定距離だけ水平移動させた後、再び接合ガン１０全体を上動させ、且つ回転ツール１６を下降させて接合を行うことにより、アルミ合金板Ｗ１と鋼板Ｗ２を複数の接合部Ｐで摩擦点接合することができる。

さらに詳細に説明すると、図５に示すように、回転ツール１６が下降してピン部１６ｃの先端のみがアルミ合金板Ｗ１に接触する第１段目の加圧のときは、その接触部位で摩擦熱Ｈが発生し、周囲に拡散していく。アルミ合金板Ｗ１と鋼板Ｗ２の表面の亜鉛メッキ層Ｚは、上記の摩擦熱Ｈによって接合部において軟化し始める。このとき、相対的に低い加圧力で回転ツール１６をアルミ合金板Ｗ１に押し込むため、ピン部１６ｃの先端部の位置ズレの発生を防止することができる。

次に、図６に示すように、回転ツール１６が更に下降してショルダ部１６ｂの先端がアルミ合金板Ｗ１に突入する２段目の加圧のときは、ピン部１６ｃの回転及び加圧に加えて、大径のショルダ部１６ｂの回転及び加圧により、より大量の摩擦熱Ｈが発生し、アルミ合金板Ｗ１が十分に軟化して塑性流動し始める（符号Ａ）。しかも、回転ツール１６のショルダ部１６ｂが回転軸心Ｘを中心とする円錐形状に窪んだ形状になっているため、塑性流動するアルミ合金板Ｗ１は、回転ツール１６の直下から外方へ流出するのが抑制され、その結果、回転ツール１６による加圧力が回転ツール１６の直下に集中して、アルミ合金板Ｗ１の塑性流動が促進されることになる。

このとき、１段目の加圧力よりも強い加圧力で回転ツール１６をアルミ合金板Ｗ１に押し込む。１段目の加圧力で加圧し、発生した摩擦熱でアルミ合金板Ｗ１をある程度軟化させた上で、さらに高い加圧力（２段目の加圧力）で加圧するため、アルミ合金板Ｗ１を回転ツール１６の回転動作と加圧動作により確実に塑性流動させることが可能となる。

そして、回転ツール１６による加圧とアルミ合金板Ｗ１の塑性流動によって、軟化した亜鉛メッキ層Ｚが接合部Ｐから押し出され、アルミ合金板Ｗ１と鋼板Ｗ２の接合境界面（鋼板Ｗ２の上面）において鋼板Ｗ２の新生面が露出すると共に、アルミ合金板Ｗ１の表面に酸化被膜が接合部Ｐにおいて破壊され、上記の接合境界面においてアルミ合金板Ｗ１の新生面が露出する。

次に、回転ツール１６が更に下降してショルダ部１６ｂがアルミ合金板Ｗ１に深く突入する３段目の加圧のとき、回転ツール１６で押し出されたアルミ合金材料が回転ツール１６の外周付近にバリ（図示略）となって表面に隆起し、亜鉛メッキ層Ｚの大部分が接合部Ｐから押し出され、上記の酸化被膜が一層破壊されて接合境界面におけるアルミ合金板Ｗ１と鋼板Ｗ２の新生面の露出範囲が拡大する。こうして、アルミ合金板Ｗ１と鋼板Ｗ２の摩擦点接合（固相接合）の接合強度の向上が図られる。

このとき、２段目の加圧の加圧時間が長すぎると、回転ツール１６のアルミ合金板Ｗ１への突入深さが過大になるので、それを防止するため、３段目の加圧では、２段目の加圧力よりも低い加圧力で加圧を行って回転ツール１６のアルミ合金板Ｗ１への突入を抑制すしながら、回転ツール１６の回転により塑性流動を促進する。

以下、アルミ合金板Ｗ１（６０００系アルミニウム合金板、板厚１．４ｍｍ）と、亜鉛メッキ鋼板Ｗ２（板厚１．０ｍｍ、亜鉛メッキ：Ｚｎ−１１％Ａｌ−３％Ｍｇメッキ、メッキ目付け量９０ｇ／ｍ² ）の試験片を用いて、異なる２通りの第１，第２接合条件で摩擦点接合した摩擦点接合構造を製作し、その摩擦点接合構造について接合強度試験を行なうと共に、接合部の金属組織についての分析を行った評価試験について説明する。各摩擦点接合（１つの接合部Ｐの接合）は、回転ツールの回転数を一定とし、加圧力と加圧時間を３段階に異ならせて行う３段加圧方式で行った。上記の第１，第２接合条件は、次のとおりである。

第１接合条件：
１段目：２．４５ｋＮ×２５００ｒｐｍ×０．２ｓ
２段目：４．４１ｋＮ×２５００ｒｐｍ×１．５ｓ
３段目：０．９８ｋＮ×２５００ｒｐｍ×２．５ｓ
第２接合条件（比較例）：
１段目：２．４５ｋＮ×２５００ｒｐｍ×０．２ｓ
２段目：３．４３ｋＮ×２５００ｒｐｍ×１．５ｓ
３段目：０．９８ｋＮ×２５００ｒｐｍ×２．５ｓ

摩擦点接合構造の接合強度を試験する接合強度試験には、図７に示す引っ張り剪断試験を採用した。アルミ合金板Ｗ１と鋼板Ｗ２との一端部同士を所定の重ね代で重ね合せてクランプした状態で、アルミ合金板Ｗ１の上側から接合部Ｐの位置に摩擦点接合を行った後、アルミ合金板Ｗ１を矢印Ｎ１の方へ引っ張ると共に鋼板Ｗ２を矢印Ｎ２の方へ引っ張って接合部Ｐに剪断剥離を発生させた。

図８は、アルミ合金板Ｗ１と鋼板Ｗ２とを摩擦点接合した接合部Ｐの拡大断面図であり、アルミ合金板Ｗ１には、回転ツール１６のピン部１６ｃにより形成される凹部３０と、ショルダ部１６ｂにより形成される凹部３１と、バリ３２とが形成されている。図８−１は第１接合条件（接合強度大の接合条件）で接合した引っ張り剪断試験片の破断部を示す拡大断面図であり、図８−２は第２接合条件（接合強度小の接合条件）で接合した引っ張り剪断試験片の破断部を示す断面である。尚、第１接合条件で接合した図８−１の接合部Ｐの破断荷重は５．１６ｋＮであり、第２接合条件で接合した図８−２の接合部Ｐの破断荷重は３．９０ｋＮであった。

図８−１の接合強度大の接合部Ｐの接合境界部の各部ＩＸ，Ｘ，ＸＩの金属組織の電子後方散乱回折像は、夫々図９，図１０，図１１に示されている。図８−２の接合強度小の接合部Ｐ（比較例）の接合境界部の各部ＸＩＩ，ＸＩＩＩの金属組織の電子後方散乱回折像が、夫々図１２，図１３に示されている。尚、電子後方散乱回折像（ＥＢＳＰ：Electron Backscatter Diffraction Pattern）は、金属組織の結晶方位やその分布状態を表す。

図９，図１０において、接合境界部の下部に暗い横縞状部分が薄く形成され、この横縞状部分よりも上方の金属組織はアルミ合金であり、横縞状部分よりも下方の金属組織は鋼である。横縞状部分に関して、最下層には薄膜状のＡｌ−Ｆｅ系化合物層が形成され、その上方にはＺｎが固溶したＡｌマトリックスにＺｎＡｌ化合物（β相）とＡｌ，Ｚｎの酸化物を含む組織層が形成されている。図１１は、回転ツール１６のピン部１６ｃによる凹部３０が形成される部位の金属組織を示すものであり、中心部にあって塑性流動が少ない部位であるため、暗い横縞状部分が厚く形成されている。この横縞状部分の金属組織も、図９，図１０の横縞状部分の金属組織と同様のものであると推定される。

図８−２に示すように、第２接合条件で接合した接合部については、アルミ合金板Ｗ１側だけの金属組織の電子後方散乱回折像が、図１２、図１３に示されている。図１２、図１３の最下部に示す横縞状部分は図８−２に示すように引っ張り剪断試験により剥離した空間部分である。

次に、破断部分でない各例の接合境界部の金属組織の拡大写真（透過型電子顕微鏡写真）を図１４〜図１７に示し、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）で観察した部分をエネルギー分散型蛍光Ｘ線分析装置（ＥＤＸ）を用いて組成分析した元素分析結果を図１８〜図２１に示す。図１４は、第１接合条件による摩擦点接合の接合境界部の金属組織を示し、図１５は、図１４の写真中の矩形枠の領域を拡大した金属組織を示す。図１６は、第２接合条件による摩擦点接合の接合境界部の金属組織を示し、図１７は、図１６の写真中の矩形枠の領域を拡大した金属組織を示す。

図１８は図１４の「１」の部位の元素分析結果、図１９は図１５の「２」の部位の元素分析結果、図２０は図１６の「３」の部位の元素分析結果、図２１は図１７の「４」の部位の元素分析結果を夫々示すものである。

図１４、図１８から分かるように、図１４に示す層「１」は、鋼板Ｗ２の表面側に薄膜層状に形成されたＡｌ−Ｆｅ系化合物層である。このＡｌ−Ｆｅ系化合物層よりも上方は、Ｚｎが固溶したＡｌマトリックスであるが、このマトリックスには、微量のＡｌ酸化物やＺｎ酸化物も含む。そして、図１５、図１９から分かるように、図１５に「２」で示す粒子は、２５％のＺｎを含むＺｎＡｌ化合物（再結晶したβ相）である。

それ故、アルミ合金板Ｗ１と亜鉛メッキ鋼板Ｗ２を摩擦点接合した接合境界部には、鋼部材側から薄膜層状のＡｌ−Ｆｅ系化合物層と、Ｚｎが固溶したＡｌマトリックスにＺｎＡｌ化合物とＡｌ，Ｚｎ酸化物を含む組織層とが層状に形成されている。図１５から分かるように、ＺｎＡｌ化合物粒子は、Ｚｎが固溶したＡｌマトリックス中に微細に分散している。

ここで、Ａｌ−Ｆｅ系化合物層の厚さは０．１μｍ以下になるが、接合条件によっては０．１μｍ超０．２μｍ以下になる場合もある。また、Ｚｎが固溶したＡｌマトリックスにＺｎＡｌ化合物とＡｌ，Ｚｎ酸化物を含む組織層の厚みは１０μｍ以下であり、この厚みが１０μｍ超になると接合強度が低下するため好ましくない。

次に、図１６、図１７、図２０、図２１に示す比較例について説明する。
図１６、図２０から分かるように、鋼板Ｗ２の表面側に形成されたＡｌ−Ｆｅ系化合物層は、均質な層状ではなく偏平な粒子の集合として図１４のＡｌ−Ｆｅ系化合物層よりも厚く形成されている。また、図１７、図２１から分かるように、Ｚｎが固溶したＡｌマトリックスに形成されるＺｎＡｌ化合物は粗大な粒子状に形成されているため、そのＺｎＡｌ化合物粒子の粒界からクラックが伝搬しやすく、接合強度の低下要因となる。

以上の分析結果を要約すると、図２２に示すようになる。
本実施例の摩擦点接合構造において、アルミ合金板Ｗ１と鋼板Ｗ２とを摩擦点接合した摩擦点接合構造の接合境界部には、鋼板Ｗ２の表面側に脆弱なＡｌ−Ｆｅ系化合物層（厚さ０．２μｍ以下）が層状に形成され、このＡｌ−Ｆｅ系化合物層とアルミ合金板Ｗ１の間には、Ｚｎが固溶したＡｌマトリックスにＺｎＡｌ化合物（β相）とＡｌ，Ｚｎ酸化物とが分散した組織層が層状に形成されている。

ここで、第１接合条件と比較して、第２接合条件では２段目の加圧力が低く設定されただけであるが、接合部の接合強度が２５％も低下している。その理由について考察すると、図１９に示すように、図１４、図１５のものでは、β相のＺｎＡｌ化合物中のＺｎの比率が２５％であるのに対して、図１６、図１７のものでは、β相のＺｎＡｌ化合物中のＺｎの比率が４０％である。

即ち、２段目の加圧力が低い場合には、接合部の外周側へ押し出すＺｎ量やＡｌ中へ取り込むＺｎ量が少なくなるため、接合境界部に存在するＺｎ量、つまりＺｎＡｌ化合物の生成量が多くなり、そのＺｎＡｌ化合物粒子が凝集してＺｎＡｌ結晶が粗大化し、接合強度が低下する。そして、上記ＴＥＭ−ＥＤＸによる元素分析結果より、第２接合条件で接合した比較例の方が、アルミ合金の再結晶が進行していないことが判明している。再結晶を生じるには、再結晶温度以上に加熱されることが必要であるが、２段目の加圧力が低かったため、摩擦熱の発生が不足気味となり、再結晶が不十分となっただけでなく、塑性流動の拡散量も低下した結果、上記のように接合強度が低くなったものと推定される。

以上説明した摩擦点接合構造の作用、効果について説明する。
図１４、図１５に示すように、本発明に係るアルミ合金板Ｗ１と亜鉛メッキ鋼板Ｗ２とを摩擦点接合した接合部には、脆弱なＡｌ−Ｆｅ系化合物層が鋼板Ｗ２側に０．２μｍ以下の薄膜の層状に形成されているため、接合強度低下を招くことがない。また、そのＡｌ−Ｆｅ系化合物層のアルミ合金板Ｗ１側に、Ｚｎが固溶したＡｌマトリックスにＺｎＡｌ化合物を含む組織層が１０μｍ以下の厚さの層状に形成され、ＺｎＡｌ化合物粒子が微細に分散した組織層になっているため、ＺｎＡｌ化合物粒子の粒界に沿ってクラックが伝搬するおそれがないから、摩擦点接合の接合強度を高めることができる。

この摩擦点接合構造を形成する際には、３段加圧方式にて加圧し、２段目の加圧力を十分に大きくし、加圧時間も十分とっているため、摩擦熱の発生量も多く、再結晶も促進され、軟化したＺｎの大部分が接合部から排出されるため、ＺｎＡｌ化合物粒子が粗大化することもなく、Ｚｎが固溶したＡｌマトリックスにＺｎＡｌ化合物粒子が微細に分散した組織層になる。

前記実施例における、回転ツールの形状やサイズ、第１接合条件、アルミ合金板Ｗ１の板厚などは、一例であるから前記の値に限定されるものではない。また、亜鉛メッキにおいても、亜鉛のみのメッキ、又はＺｎ−５％Ａｌの亜鉛メッキなども利用できる。
そして、当業者ならば、前記実施例に種々の変更を付加した形態で本発明を実施可能であり、本発明はそのような変更形態も包含するものである。

本発明の実施例に係る摩擦点接合装置の正面図である。 摩擦点接合装置の接合ガンの正面図である。 接合ガンの回転ツールの要部の一部切欠き縦断拡大図である。 摩擦点接合装置の回転ツールとワークの斜視図である。 回転ツールの要部とワークの拡大断面図である。 回転ツールの要部とワークの拡大断面図である。 引っ張り剪断試験の説明図である。 ワークの接合部の拡大断面図である。 第１接合条件で接合した試験片（破断状態）の拡大断面図である。 第２接合条件で接合した試験片（破断状態）の拡大断面図である。 図８−１のＩＸ部の金属組織の電子後方散乱回折像である。 図８−１のＸ部の金属組織の電子後方散乱回折像である。 図８−１のＸＩ部の金属組織の電子後方散乱回折像である。 図８−２のＸＩＩ部の金属組織の電子後方散乱回折像である。 図８−２のＸＩＩＩ部の金属組織の電子後方散乱回折像である。 摩擦点接合の接合境界部の金属組織の顕微鏡写真である。 図１４に示す矩形枠の部位の金属組織の顕微鏡写真である。 比較例に係る摩擦点接合の接合境界部の金属組織の顕微鏡写真である。 図１６の矩形枠の部位の金属組織の顕微鏡写真である。 図１４の「１」で図示の部位のＴＥＭ−ＥＤＸ元素分析スペクトル図である。 図１５の「２」で図示の部位のＴＥＭ−ＥＤＸ元素分析スペクトル図である。 図１６の「３」で図示の部位のＴＥＭ−ＥＤＸ元素分析スペクトル図である。 図１７の「４」で図示の部位のＴＥＭ−ＥＤＸ元素分析スペクトル図である。 摩擦点接合構造の金属組織を説明する説明図である。

符号の説明

１ 摩擦点接合装置
１０ 接合ガン
１６ 回転ツール
Ｗ１ アルミ合金板
Ｗ２ 亜鉛メッキ鋼板
Ｐ 接合部

Claims (3)

1. 接合部側に亜鉛メッキ層を形成した鋼部材とアルミニウム合金部材とを重ね合せ、回転ツールを回転させながらアルミニウム合金部材に押し込み、摩擦熱でアルミニウム合金部材を軟化させ、塑性流動を生じさせてアルミニウム合金部材と鋼部材とを固相状態で接合した摩擦点接合構造において、
   回転ツールを回転させながらアルミニウム合金部材に押し込み、軟化した亜鉛メッキ層の大部分を接合部から排出し、アルミニウム合金部材と鋼部材との接合部に、鋼部材側からＡｌ−Ｆｅ系化合物層と、Ｚｎが固溶したＡｌマトリックスにＺｎＡｌ化合物を含む組織層を層状に形成したことを特徴とする摩擦点接合構造。
2. 前記Ｚｎが固溶したＡｌマトリックスにＺｎＡｌ化合物を含む組織層は、ＺｎＡｌ化合物粒子が微細に分散した組織層であることを特徴とする請求項１に記載の摩擦点接合構造。
3. 前記Ａｌ−Ｆｅ系化合物層の厚みが０．２μｍ以下、前記Ｚｎが固溶したＡｌマトリックスにＺｎＡｌ化合物を含む組織層の厚みは１０μｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の摩擦点接合構造。