JP2009082977A - Friction point welding method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、軽金属板と、これよりも融点が高い鋼板とを重ね合わせて固相状態で接合する摩擦点接合方法に関する。 The present invention relates to a friction point joining method in which a light metal plate and a steel plate having a higher melting point are overlapped and joined in a solid state.
従来、例えば下記特許文献１に示されるように、鋼板とアルミニウム合金板とを重ね合わせてこのうちのアルミニウム合金板に接合ツールを回転させつつ押し込み、そのときの摩擦熱で上記アルミニウム合金板を軟化および塑性流動させることにより、上記鋼板とアルミニウム合金板とを固相状態で接合する摩擦スポット接合方法（摩擦点接合方法）において、表面にあらかじめ接着剤が塗布された鋼板に対しアルミニウム合金板を重ね合わせて接合することにより、これら鋼板とアルミニウム合金板との間に接着剤を介在させることが行われている。 Conventionally, for example, as shown in Patent Document 1 below, a steel plate and an aluminum alloy plate are overlapped and pushed into the aluminum alloy plate while rotating the joining tool, and the aluminum alloy plate is softened by frictional heat at that time. In the friction spot joining method (friction spot joining method) in which the steel plate and the aluminum alloy plate are joined in a solid state by plastic flow, the aluminum alloy plate is overlapped on the steel plate whose surface has been previously coated with an adhesive. By bonding together, an adhesive is interposed between the steel plate and the aluminum alloy plate.
この方法によれば、鋼板とアルミニウム合金板との間に介在する接着剤により、これら鋼板とアルミニウム合金板との隙間に水分が浸入するのを防止できるため、異種金属部材間に水分が介在することに起因した電位差腐食（電蝕）の発生を効果的に防止できる等の利点がある。
上記特許文献１に開示された方法において、上記鋼板とアルミニウム合金板との間のうち、両者が固相接合される部分（接合部）に接着剤が存在すると、この接着剤の存在に起因して上記鋼板とアルミニウム合金板との接合強度が低下するおそれがある。すなわち、鋼板とアルミニウム合金板という異種金属部材どうしを固相接合する場合において、その接合部に上記接着剤のような異物が存在すると、上記鋼板とアルミニウム合金板との間の界面構造が上記接着剤の存在により影響を受け、その接合強度が十分に確保されなくなるおそれがある。 In the method disclosed in Patent Document 1, when an adhesive is present in a portion (joined portion) between the steel plate and the aluminum alloy plate where both are solid-phase joined, this is due to the presence of the adhesive. Therefore, the bonding strength between the steel plate and the aluminum alloy plate may be reduced. That is, in the case of solid-phase bonding of dissimilar metal members such as a steel plate and an aluminum alloy plate, if there is a foreign substance such as the adhesive at the joint, the interface structure between the steel plate and the aluminum alloy plate is bonded. Due to the presence of the agent, the bonding strength may not be sufficiently secured.
そこで、上記特許文献１では、鋼板の表面のうち、上記接合部に対応する箇所には接着剤を塗布せず（つまり接合部の周囲にのみ接着剤を塗布し）、その状態で上記鋼板とアルミニウム合金板とを重ね合わせて接合することが提案されている。しかしながら、このようにした場合でも、例えば上記鋼板とアルミニウム合金板との間で上記接着剤が圧縮されて拡がること等により、上記接合部に接着剤の一部が入り込み、両者の接合強度が低下するおそれがある。 So, in the said patent document 1, an adhesive agent is not apply | coated to the location corresponding to the said junction part among the surfaces of a steel plate (that is, an adhesive agent is apply | coated only to the circumference | surroundings of a junction part). It has been proposed to overlap and join an aluminum alloy plate. However, even in this case, for example, the adhesive is compressed and expanded between the steel plate and the aluminum alloy plate, so that a part of the adhesive enters the joint and the joint strength between the two decreases. There is a risk.
もちろん、上記構成において、鋼板とアルミニウム合金板との接合部の面積に対し、接着剤を塗布しない部分（非塗布部）の面積を十分に広く設定すれば、上記のような接合強度の低下を回避できるが、上記非塗布部の面積を広くし過ぎると、上記鋼板とアルミニウム合金板との間に水分が浸入するのを十分に防止することができなくなり、当該水分に起因した電位差腐食が生じ易くなるという問題が生じる。 Of course, in the above configuration, if the area of the part where the adhesive is not applied (non-applied part) is set sufficiently large relative to the area of the joint part between the steel plate and the aluminum alloy plate, the above-described reduction in the joint strength can be achieved. Although it can be avoided, if the area of the non-coated part is too large, it will not be possible to sufficiently prevent moisture from entering between the steel plate and the aluminum alloy plate, resulting in potential difference corrosion due to the moisture. The problem that it becomes easy arises.
なお、このような問題は、上記アルミニウム合金板に代えて、他の種類の軽金属板（例えばマグネシウム合金板）を用いた場合にも、同様に生じ得るものである。 Such a problem can also occur when another type of light metal plate (for example, a magnesium alloy plate) is used instead of the aluminum alloy plate.
本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、軽金属板と鋼板との接合強度を十分に確保しつつ、その耐食性を効果的に向上させることが可能な摩擦点接合方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and a friction point joining method capable of effectively improving the corrosion resistance while sufficiently securing the joining strength between the light metal plate and the steel plate. The purpose is to provide.
上記課題を解決するためのものとして、本発明は、軽金属板と、これよりも融点が高い鋼板とを重ね合わせて固相状態で接合する方法であって、上記軽金属板および鋼板のいずれか一方の被接合部に凸部を形成する工程と、上記軽金属板と鋼板との間のうち上記凸部を除いた領域に接着剤を塗布した状態で上記両金属板を重ね合わせる工程と、上記軽金属板の被接合部に回転ツールを回転させながら押し込み、このときに発生する摩擦熱で上記軽金属板の被接合部を軟化および塑性流動させることにより、上記軽金属板と鋼板とを固相状態で接合する工程とを含むことを特徴とするものである（請求項１）。 In order to solve the above-mentioned problem, the present invention is a method of superposing a light metal plate and a steel plate having a higher melting point and joining them in a solid state, and any one of the light metal plate and the steel plate A step of forming a convex portion in the bonded portion, a step of superimposing the two metal plates in a state where an adhesive is applied to a region excluding the convex portion between the light metal plate and the steel plate, and the light metal. The light metal plate and the steel plate are joined in a solid state by pushing the rotating tool into the joint portion of the plate while rotating it and softening and plastically flowing the welded portion of the light metal plate with the frictional heat generated at this time. (Step 1).
本発明によれば、軽金属板または鋼板の被接合部に凸部を設けるとともに、この凸部以外の部分に塗布された接着剤を介して上記軽金属板と鋼板を重ね合わせ、その状態で両者を固相接合するようにしたため、上記軽金属板と鋼板との隙間を上記接着剤でシールして当該隙間への水分の浸入およびこれに起因した電位差腐食等の発生を効果的に防止しつつ、接着剤が塗布されない上記凸部を直接相手側の金属板に接触させて両者を接合することにより、上記軽金属板と、これと異なる金属材料からなる上記鋼板との接合が上記接着剤により阻害されてその接合強度が低下するのを効果的に防止できる等の利点がある。 According to the present invention, the light metal plate or the steel plate is provided with a convex portion on the joined portion, and the light metal plate and the steel plate are overlapped via an adhesive applied to a portion other than the convex portion, and both are put in that state. Since solid-phase bonding is used, the gap between the light metal plate and the steel plate is sealed with the adhesive to effectively prevent moisture intrusion into the gap and the occurrence of potential difference corrosion due to this, while bonding. By joining the convex part, which is not coated with the agent, directly to the metal plate on the other side and joining the two, the bonding between the light metal plate and the steel plate made of a metal material different from this is inhibited by the adhesive. There is an advantage that the joint strength can be effectively prevented from decreasing.
上記方法において、上記鋼板の被接合部に上記凸部を設けることが好ましい（請求項２）。 In the above method, it is preferable that the convex portion is provided at a bonded portion of the steel sheet.
このように、回転ツールとの摩擦熱で軟化する軽金属板に対し下側に配置されるのが一般的な鋼板に上記凸部を設けた場合には、この凸部を上側にしてその周囲の鋼板の上面に接着剤を塗布し、その上から上記軽金属板を重ね合わせて両者を接合することにより、これら軽金属板と鋼板との接合作業を合理的な手順で円滑に行えるという利点がある。 Thus, when the above-mentioned convex part is provided on the general steel plate that is arranged on the lower side with respect to the light metal plate that is softened by frictional heat with the rotary tool, the convex part is set on the upper side and the surrounding By applying an adhesive on the upper surface of the steel plate and then superimposing the light metal plates on top of each other to join them together, there is an advantage that the light metal plate and the steel plate can be smoothly joined in a reasonable procedure.
また、本発明は、軽金属板と、これよりも融点が高い鋼板とを重ね合わせて固相状態で接合する方法であって、上記鋼板の被接合部に、上記軽金属板と同種の金属材料からなる軽金属片を載置する工程と、上記軽金属片が載置された鋼板と上記軽金属板との間に接着剤を塗布した状態で上記両金属板を重ね合わせる工程と、上記軽金属板の被接合部に回転ツールを回転させながら押し込み、このときに発生する摩擦熱で上記軽金属板の被接合部および軽金属片を軟化および塑性流動させることにより、上記軽金属板と鋼板とを上記軽金属片を介して固相状態で接合する工程とを含むことを特徴とするものである（請求項３）。 Further, the present invention is a method of superimposing a light metal plate and a steel plate having a higher melting point and joining them in a solid phase state, and the joined portion of the steel plate is made of the same metal material as the light metal plate. A step of placing the light metal piece, a step of superimposing the two metal plates in a state where an adhesive is applied between the steel plate on which the light metal piece is placed and the light metal plate, and joining of the light metal plates The rotating tool is pushed into the part while rotating, and the joined part of the light metal plate and the light metal piece are softened and plastically flowed by the frictional heat generated at this time, whereby the light metal plate and the steel plate are passed through the light metal piece. And a step of joining in a solid phase state (claim 3).
本発明によれば、被接合部に軽金属片が載置された鋼板に対し、軽金属板を接着剤を介して重ね合わせ、その状態で上記軽金属板と鋼板とを固相接合するようにしたため、上記軽金属板と鋼板との隙間を上記接着剤でシールして当該隙間への水分の浸入およびこれに起因した電位差腐食等の発生を効果的に防止しつつ、上記接着剤が塗布される前に上記鋼板に載置された軽金属片を上記軽金属板とともに軟化させて上記鋼板と接合することにより、上記軽金属板および軽金属片と、これらと異なる金属材料からなる上記鋼板との接合が上記接着剤により阻害されてその接合強度が低下するのを効果的に防止できる等の利点がある。 According to the present invention, the light metal plate is superposed on the steel plate on which the light metal piece is placed on the joined portion via the adhesive, and the light metal plate and the steel plate are solid-phase bonded in that state. Before the adhesive is applied, the gap between the light metal plate and the steel plate is sealed with the adhesive to effectively prevent the intrusion of moisture into the gap and the occurrence of potential difference corrosion due to this, and the like. The light metal piece placed on the steel plate is softened together with the light metal plate and joined to the steel plate, whereby the light metal plate and the light metal piece are joined to the steel plate made of a metal material different from these by the adhesive. There is an advantage that the joint strength can be effectively prevented from being hindered by the inhibition.
上記方法において、上記軽金属板または鋼板の被接合部に平面視多角形状の凹部を設け、上記軽金属片として、この凹部に収容される平面視多角形状の板状体からなる金属片を用いることが好ましい（請求項４）。 In the above method, a concave portion having a polygonal shape in a plan view is provided in a joined portion of the light metal plate or the steel plate, and a metal piece made of a plate-like body having a polygonal shape in a plan view accommodated in the concave portion is used as the light metal piece. Preferred (claim 4).
このようにすれば、上記軽金属片が鋼板に対し回転するのを防止できるため、上記軽金属板の被接合部に回転ツールを回転させながら押し込んだときに、この回転ツールの回転に伴い上記軽金属片が不用意に回転してその位置がずれるのを効果的に防止でき、上記軽金属片と鋼板との接合時の位置関係を適正に維持できるという利点がある。 If it does in this way, since it can prevent that the said light metal piece rotates with respect to a steel plate, when it pushes in rotating the rotating tool in the to-be-joined part of the said light metal plate, the said light metal piece is accompanied with rotation of this rotating tool. Can be effectively prevented from inadvertently rotating and shifting its position, and there is an advantage that the positional relationship at the time of joining the light metal piece and the steel plate can be properly maintained.
また、本発明においては、上記鋼板として、上記軽金属板と接合される側の面にＺｎ−Ｆｅ合金層が形成された合金化亜鉛メッキ鋼板を用い、上記軽金属板として、アルミニウム合金板を用いることが好ましい（請求項５）。 In the present invention, an alloyed galvanized steel sheet having a Zn-Fe alloy layer formed on the surface to be joined to the light metal sheet is used as the steel sheet, and an aluminum alloy sheet is used as the light metal sheet. (Claim 5).
このようにすれば、上記軽金属板等の塑性流動時にＡｌ−Ｆｅ中間層およびＺｎ拡散層を形成することができ、これら各層を介して、上記軽金属板と鋼板とを高強度に接合できるという利点がある。 In this way, an Al-Fe intermediate layer and a Zn diffusion layer can be formed during plastic flow of the light metal plate or the like, and the light metal plate and the steel plate can be bonded with high strength via these layers. There is.
以上説明したように、本発明の摩擦点接合方法によれば、軽金属板と鋼板との接合強度を十分に確保しつつ、その耐食性を効果的に向上させることができる。 As described above, according to the friction point joining method of the present invention, the corrosion resistance can be effectively improved while sufficiently securing the joining strength between the light metal plate and the steel plate.
以下、本発明の好ましい実施の形態について図面を参照しながら説明する。まず、本発明にかかる摩擦点接合方法を実施するために用いられる摩擦点接合装置１の概略構成について説明する。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. First, a schematic configuration of a friction spot welding apparatus 1 used for carrying out the friction spot welding method according to the present invention will be described.
図１は、上記摩擦点接合装置１の一例を模式的に示す図である。この図１に示される摩擦点接合装置１は、アルミニウム合金板２０（本発明にかかる軽金属板に相当）と鋼板３０（本発明にかかる鋼板に相当）とを接合するための装置として構成されており、中心軸Ｘ回りに回転駆動される略円筒状の回転ツール１６を有している。この回転ツール１６は、上記アルミニウム合金板２０と鋼板３０とが図示のように重ね合わされた状態で、より融点が低いアルミニウム合金板２０の被接合部Ｐ１、つまり、アルミニウム合金板２０のうち上記鋼板３０との接合予定箇所である被接合部Ｐ１に対し高速で回転しながら押圧接触することにより、上記アルミニウム合金板２０との間で摩擦熱を発生させるように構成されている。そして、この摩擦熱に応じ上記アルミニウム合金板２０が軟化して塑性流動することにより、上記両金属板２０，３０が固相状態で接合されるように構成されている。なお、以下では、アルミニウム合金板２０のことを単にアルミ板２０と略称する。
FIG. 1 is a diagram schematically showing an example of the friction point welding apparatus 1. 1 is configured as a device for joining an aluminum alloy plate 20 (corresponding to a light metal plate according to the present invention) and a steel plate 30 (corresponding to a steel plate according to the present invention). And a substantially cylindrical
図２は、上記回転ツール１６の先端部を拡大して示す図である。なお、この図２において、左半分は回転ツール１６の断面、右半分はその外形を示している。本図に示すように、回転ツール１６の先端部（図では下端部）は、その中心部に突設された小径円筒状のピン部１６ａと、このピン部１６ａよりも径方向外側の部分を構成するショルダ部１６ｂとを有している。ショルダ部１６ｂは、径方向外側に至るほど底面の高さが低くなるように形成されており、ピン部１６ａは、その下端部が上記ショルダ部１６ｂの周縁部の高さよりも所定距離下方に突出するように形成されている。
FIG. 2 is an enlarged view showing the tip of the
このような回転ツール１６の具体的寸法は、上記アルミ板２０や鋼板３０の厚さ等によって適宜決定されるが、その好適な値の一例として、ショルダ部１６ｂの直径Ｄ１が１０ｍｍ、ピン部１６ａの直径Ｄ２が２ｍｍ、ショルダ部１６ｂの周縁部に対するピン部１６ａの突出長さｈが０．３〜０．３５ｍｍ、ショルダ部１６ｂの底面の傾斜角θ（ショルダ傾斜角）が５°〜７°とされる。
The specific dimensions of such a
上記回転ツール１６に対し上記アルミ板２０および鋼板３０を挟んだ反対側には、上記回転ツール１６と略同径ないしはそれより大径の受け具１７が同軸状態で配置されている。この受け具１７は、少なくとも上記回転ツール１６による押圧動作が開始される前に、この回転ツール１６に接近する方向（矢印Ａ３の方向）に移動して上記鋼板３０に当接することにより、上記回転ツール１６による押圧時に、その押圧力に抗して上記アルミ板２０および鋼板３０を下から支持するように構成されている。
On the opposite side of the
以上のような回転ツール１６や受け具１７は、多関節ロボット等からなる図外の駆動制御装置に装着され、その回転速度、押圧位置、加圧力、加圧時間等が適宜制御されるように構成されている。なお、図１ではその図示を省略しているが、摩擦点接合装置１には、上記アルミ板２０および鋼板３０を固定するためのクランプ装置や、回転ツール１６による押圧動作時に上記アルミ板２０の浮き上がりを防止するための治具等が設けられている。
The rotating
次に、以上のような摩擦点接合装置１を用いて行われる本発明の摩擦点接合方法の第１実施形態について説明する。この第１実施形態では、図３に示すように、上記鋼板３０として、その被接合部Ｐ２（つまりアルミ板２０との接合予定箇所）に、他の部位よりもアルミ板２０側（図例では上側）に所定量突出する凸部３２が形成された板材を用いる。このような凸部３２は、例えば溶着や鍛造等の金属成形加工を用いて上記被接合部Ｐ２を上方に膨出させることにより、形成することが可能である。なお、鋼板３０の被接合部Ｐ２をプレス成形により上側に凸のコ字状に折り曲げることで、上記凸部３２を形成するようにしてもよい。
Next, a first embodiment of the friction point joining method of the present invention performed using the friction point joining apparatus 1 as described above will be described. In this 1st Embodiment, as shown in FIG. 3, as the said
また、当実施形態で用いられる鋼板３０は、その表面に耐食性を高めるための溶融亜鉛メッキ処理を施すとともに、その後再加熱して亜鉛層と鉄成分とを合金化する処理を施したいわゆる合金化亜鉛メッキ鋼板（ＧＡ鋼板）からなり、上記凸部３２の表面を含む鋼板３０の上面部には、図４に示すように、上記のような処理を経て合金化された所定厚みの層からなるＺｎ−Ｆｅ合金層Ｗａが形成されている。なお、図示を省略しているが、鋼板３０の下面部にも同様のＺｎ−Ｆｅ合金層Ｗａが形成されている。
Further, the
このような鋼板３０と上記アルミ板２０とを接合するには、まず、図５に示すように、上記鋼板３０の上面（つまりアルミ板２０と接合される側の面）のうち、上記凸部３２の上面を除いた領域に、絶縁性の接着剤４０を塗布する。このときの接着剤４０の厚みは、その上面が上記凸部３２と略面一となるように、この凸部３２の突出高さと略同一の値とされる。なお、上記接着剤４０としては、鋼板３０に容易に塗布できる程度の流動性を有するもので、かつ常温より高い温度で硬化するものを用いることが好ましく、その具体例としては、熱硬化性のエポキシ樹脂系接着剤等が挙げられる。
In order to join such a
次いで、図５の白抜き矢印に示すように、接着剤４０が上面に塗布された上記鋼板３０に、上記アルミ板２０を上から載置する。これにより、図６に示すように、上記アルミ板２０と鋼板３０との間のうち上記凸部３２を除いた領域に上記接着剤４０が介在する状態で、上記アルミ板２０と鋼板３０とが重ね合わせられる。一方、上記凸部３２とアルミ板２０との間には接着剤４０が介在せず、上記凸部３２上面のＺｎ−Ｆｅ合金層Ｗａは、上記接着剤４０を介することなく直接上記アルミ板２０と接触することになる。
Next, as shown by the white arrow in FIG. 5, the
次いで、図１に示すように、上記回転ツール１６を中心軸Ｘ周りに回転させつつアルミ板２０に接近させ（矢印Ａ１およびＡ２参照）、この回転ツール１６の下端部を上記アルミ板２０の被接合部Ｐ１に当接させる。また、これに合わせて、上記受け具１７を矢印Ａ３のように鋼板３０に接近させ、上記アルミ板２０および鋼板３０を上記回転ツール１６との間で挟むようにして支持する。
Next, as shown in FIG. 1, the rotating
そして、上記のように回転ツール１６と受け具１７との間でアルミ板２０および鋼板３０を挟んだ状態で、高速で回転する回転ツール１６を上記アルミ板２０に対し所定深さまで押し込み、このときに発生する摩擦熱によって上記アルミ板２０と鋼板３０とを接合する。このようにアルミ板２０と鋼板３０とを接合する工程は、より詳しくは、以下に説明する第１押圧工程、第２押圧工程、第３押圧工程の３つの工程に分けられる。
Then, with the
まず、第１押圧工程では、回転ツール１６を、あらかじめ設定された第１回転速度で回転させながら、第１加圧時間の間、第１加圧力でアルミ板２０の被接合部Ｐ１に押圧接触させることにより、上記回転ツール１６の先端部をアルミ板２０に対し図７に示すような深さまで押し込む。すなわち、この第１押圧工程では、回転ツール１６が図７に示される深さまで押し込まれることで、回転ツール１６のピン部１６ａの先端部およびショルダ部１６ｂの周縁部がアルミ板２０に接触する一方、ショルダ部１６ｂの径方向内側領域はアルミ板２０に接触せず、このアルミ板２０に対し所定の隙間を保ったまま維持される。なお、このような深さまで上記回転ツール１６を押し込むには、例えば第１回転速度が１５００ｒｐｍ以上３５００ｒｐｍ以下、第１加圧時間が０．２秒以上２．０秒以下、第１加圧力が２．４５ｋＮ以上３．４３ｋＮ以下にそれぞれ設定されることが好ましい。
First, in the first pressing step, the rotating
上記のような条件で回転ツール１６をアルミ板２０に押し込むと、この回転ツール１６におけるピン部１６ａの下端部およびショルダ部１６ｂの周縁部の２箇所が、上記アルミ板２０の被接合部Ｐ１と接触して両者の間で摩擦熱が発生する。そして、この摩擦熱は、上記２箇所の接触部位の間に位置する部分（つまりアルミ板２０のうちショルダ部１６ｂと接触していない部分）を含んだ被接合部Ｐ１全体に速やかに拡散され、この被接合部Ｐ１全体を速やかに軟化させる。このとき、上記第１回転速度、第１加圧時間、および第１加圧力を上記のような値に設定することにより、アルミ板２０をせん断破壊することなく良好に軟化させることができる。
When the
さらに、この第１押圧工程の初期段階において、ショルダ部１６ｂの周縁部よりも所定長さｈだけ突出した細径のピン部１６ａが、ショルダ部１６ｂよりも先にアルミ板２０に当接することにより、小さな摩擦抵抗で回転ツール１６の位置決めがなされ、中心軸Ｘに垂直な方向の回転振れが抑制される。
Furthermore, in the initial stage of the first pressing step, the narrow-
続く第２押圧工程では、回転ツール１６を、第２回転速度で回転させながら、第２加圧時間の間、上記第１加圧力よりも大きい第２加圧力でアルミ板２０の被接合部Ｐ１に押圧接触させることにより、上記回転ツール１６の先端部をアルミ板２０に対し図８に示すような深さまで押し込む。すなわち、この第２押圧工程では、上記第１押圧工程のときよりも加圧力が増大されることで、回転ツール１６のピン部１６ａおよびショルダ部１６ｂがアルミ板２０の被接合部Ｐ１に対し徐々に深く入り込み、これらピン部１６ａやショルダ部１６ｂの面全体が上記被接合部Ｐ１に接触する。ただし、このときの回転ツール１６の押し込み深さは、アルミ板２０が過度に薄くなって引きちぎられることがない程度の深さに留められる。なお、このような深さまで上記回転ツール１６を押し込むには、例えば第２回転速度が２０００ｒｐｍ以上３０００ｒｐｍ以下、第２加圧時間が１．０秒以上２．０秒以下、第２加圧力が３．９２ｋＮ以上５．８８ｋＮ以下にそれぞれ設定されることが好ましい。
In the subsequent second pressing step, the portion P1 to be joined of the
上記のような条件で回転ツール１６をアルミ板２０に押し込むと、このアルミ板２０の被接合部Ｐ１において、アルミニウム合金の軟化および塑性流動が生じる（図では模式的にこの塑性流動を破線Ｑで示している）。一方、このように摩擦熱で軟化するアルミ板２０に対し、鋼板３０およびその表面のＺｎ−Ｆｅ合金層Ｗａでは、融点が高いために上記のような軟化が生じることはない。
When the
このとき、径方向外側に至るほど高さが低くなるように傾斜したショルダ部１６ｂの底面部により、上記軟化したアルミニウム合金が回転ツール１６の直下部分（つまり被接合部Ｐ１）から外側へ流出することが抑制されるため、上記塑性流動Ｑはこの被接合部Ｐ１において集中的に発生する。なお、アルミ板２０の表面には不図示の酸化膜が形成されているが、この酸化膜は上記塑性流動Ｑが生じることにより破壊されるため、上記被接合部Ｐ１ではアルミニウム合金の新生面が露出し、この新生面が上記鋼板３０の表面（凸部３２上面のＺｎ−Ｆｅ合金層Ｗａ）と接触することになる。
At this time, the softened aluminum alloy flows out from the portion immediately below the rotating tool 16 (that is, the bonded portion P1) to the outside by the bottom surface portion of the
続く第３押圧工程では、回転ツール１６を、第３回転速度で回転させながら、第３加圧時間の間、上記第２加圧力よりも小さい第３加圧力でアルミ板２０の被接合部Ｐ１に押圧接触させる。すなわち、この第３押圧工程では、上記第２押圧工程のときよりも加圧力が低減されることで、回転ツール１６が上記第２押圧工程完了時の深さよりも深く押し込まれず、同一高さ位置で上記アルミ板２０を押圧し続けることとなる。これにより、アルミ板２０が過度に薄くなって引きちぎられることが回避されるとともに、回転ツール１６から押圧力を受ける上記被接合部Ｐ１の温度が上記第２押圧工程のときと同程度に維持され、良好な塑性流動が長時間に亘って行われる。
In the subsequent third pressing step, the portion P1 to be joined of the
上記のようにして塑性流動が継続されると、上記鋼板３０の表面に形成されたＺｎ−Ｆｅ合金層Ｗａのうち、上記アルミ板２０の被接合部Ｐ１と接触している部分（つまり上記凸部３２の上面に位置する部分）から、上記アルミ板２０側に亜鉛成分が拡散し、図９に示すように、上記アルミ板２０の被接合部Ｐ１にＺｎ拡散層Ｗｃが形成される。一方、上記アルミ板２０の被接合部Ｐ１からは、上記Ｚｎ−Ｆｅ合金層Ｗａ側にアルミニウム成分が拡散し、上記凸部３２の上面にＡｌ−Ｆｅ中間層Ｗｂが形成される。このとき、上記凸部３２上面のＺｎ−Ｆｅ合金層Ｗａからは、内部の亜鉛成分がほとんど全て上記アルミ板２０側に拡散するため、上記Ａｌ−Ｆｅ中間層Ｗｂは、亜鉛成分が少なく、アルミニウムおよび鉄を主成分とした合金層として形成される。
When the plastic flow is continued as described above, a portion of the Zn—Fe alloy layer Wa formed on the surface of the
なお、以上のような第３押圧工程において、上記第３回転速度、第３加圧時間、および第３加圧力の各値の具体例としては、第３回転速度が１５００ｒｐｍ以上３５００ｒｐｍ以下、第３加圧時間が０．５秒以上２．５秒以下、第３加圧力が０．４９ｋＮ以上１．４７ｋＮ以下にそれぞれ設定されることが好ましい。 In the third pressing step as described above, as specific examples of the third rotation speed, the third pressurizing time, and the third pressurizing value, the third rotation speed is 1500 rpm to 3500 rpm, It is preferable that the pressurization time is set to 0.5 second to 2.5 seconds and the third pressure is set to 0.49 kN to 1.47 kN, respectively.
上記第３押圧工程が終了すると、回転ツール１６と受け具１７とがアルミ板２０および鋼板３０から離される。そして、上記軟化したアルミ板２０がその後の時間経過に応じ冷却されて硬化することにより、上記アルミ板２０と鋼板３０との固相接合が完了する。このとき、アルミ板２０の被接合部Ｐ１には、図１０に示すように、上記回転ツール１６のショルダ部１６ｂおよびピン部１６ａの痕が残るとともに、上方に突出するバリＲが形成される。このバリＲは、アルミ板２０と鋼板３０との間で適正な接合が行われたとき、適度な径方向厚みをもって全周に亘り略均一に形成される。
When the third pressing step is completed, the
次に、上記アルミ板２０および鋼板３０を、加熱炉等の内部に搬入して加熱し、上記アルミ板２０と鋼板３０との間に介在する接着剤４０を硬化させることにより、先の工程で固相接合された箇所（被接合部Ｐ１，Ｐ２）以外の部分のアルミ板２０と鋼板３０とを、上記接着剤４０を介して接着する。
Next, the
以上説明したように、本発明の第１実施形態によれば、アルミ板２０と、これよりも融点が高い鋼板３０とを重ね合わせて固相状態で接合する方法において、上記鋼板３０の被接合部Ｐ２に凸部３２を形成する工程と、上記アルミ板２０と鋼板３０との間のうち上記凸部３２を除いた領域に接着剤４０を塗布した状態で上記両金属板２０，３０を重ね合わせる工程と、上記アルミ板２０の被接合部Ｐ１に回転ツール１６を回転させながら押し込み、このときに発生する摩擦熱で上記アルミ板２０の被接合部Ｐ１を軟化および塑性流動させることにより、上記アルミ板２０と鋼板３０とを固相状態で接合する工程とを行うようにしたため、アルミ板２０と鋼板３０との接合強度を十分に確保しつつ、その耐食性を効果的に向上させることができるという利点がある。
As described above, according to the first embodiment of the present invention, in the method of superposing the
すなわち、上記方法によれば、鋼板３０の被接合部Ｐ２に凸部３２を設けるとともに、この凸部３２以外の部分に塗布された接着剤４０を介して上記鋼板３０とアルミ板２０とを重ね合わせ、その状態で両者を固相接合するようにしたため、上記アルミ板２０と鋼板３０との隙間を上記接着剤４０でシールして当該隙間への水分の浸入およびこれに起因した電位差腐食等の発生を効果的に防止しつつ、接着剤４０が塗布されない上記鋼板３０の凸部３２を直接上記アルミ板２０に接触させて両者を接合することにより、上記アルミ板２０と、これと異なる金属材料からなる上記鋼板３０との接合が上記接着剤４０により阻害されてその接合強度が低下するのを効果的に防止できるという利点がある。
That is, according to the method described above, the
また、上記アルミ板２０と鋼板３０とを回転ツール１６による摩擦熱を利用して固相接合するとともに、その接合部以外の箇所を上記アルミ板２０と鋼板３０との間に介在する接着剤４０で接着するようにしたため、上記アルミ板２０と鋼板３０との接合強度をより効果的に向上させることができる。
Further, the
特に、上記方法のように、鋼板３０の被接合部Ｐ２に凸部３２を設け、この凸部３２以外の部分に接着剤４０を塗布するようにした場合には、上記凸部３２の上面に接着剤４０が付着するのを容易に回避しながらその周囲の必要箇所に精度よく上記接着剤４０を塗布することができるため、上記鋼板３０の被接合部Ｐ２とアルミ板２０の被接合部Ｐ１との間に接着剤４０が介在して両者の接合強度が低下するのを容易かつ効果的に防止しつつ、上記アルミ板２０と鋼板３０との隙間をより確実にシールできるという利点がある。
In particular, when the
さらに、上記第１実施形態に示したように、鋼板３０として、上記アルミ板２０と接合される側の面にＺｎ−Ｆｅ合金層Ｗａが形成された合金化亜鉛メッキ鋼板（ＧＡ鋼板）を用いた場合には、上記アルミ板２０の被接合部Ｐ１を回転ツール１６との摩擦熱で軟化および塑性流動させたときに、上記Ｚｎ−Ｆｅ合金層Ｗａからアルミ板２０側に亜鉛成分を拡散させてＺｎ拡散層Ｗｃを形成し、かつアルミ板２０から上記Ｚｎ−Ｆｅ合金層Ｗａ側にアルミニウム成分を拡散させてＡｌ−Ｆｅ中間層Ｗｂを形成することができるため、これら各層Ｗｂ，Ｗｃを介して上記アルミ板２０と鋼板３０とを接合することにより、その接合強度をより効果的に向上させることができるという利点がある。
Further, as shown in the first embodiment, as the
なお、上記第１実施形態では、鋼板３０の上面に凸部３２を設けたが、これと同様の凸部をアルミ板２０の下面に設けることも可能である。しかしながら、図３〜図５等に示した上記第１実施形態のように、回転ツール１６との摩擦熱で軟化するアルミ板２０に対し下側に配置されるのが一般的な鋼板３０に上記凸部３２を設けた場合には、この凸部３２を上側にしてその周囲の鋼板３０の上面に接着剤４０を塗布し、その上から上記アルミ板２０を重ね合わせて両者を接合することにより、これらアルミ板２０と鋼板３０との接合作業を合理的な手順で円滑に行えるという利点がある。
In the first embodiment, the
次に、本発明の摩擦点接合方法の第２実施形態について説明する。この第２実施形態では、図１１に示すように、鋼板５０として、その被接合部Ｐ２に平面視矩形状の凹部５２が形成された板材を用いる。この凹部５２には、上記アルミ板２０と同一材料のアルミニウム合金からなるアルミブロック６０（本発明にかかる軽金属片に相当）が収容されるようになっており、上記アルミ板２０および鋼板５０は、この凹部５２に収容されたアルミブロック６０を介して互いに接合される。上記アルミブロック６０は、上記凹部５２の形状に対応した平面視矩形状の板状体からなり、上記凹部５２に略隙間なく収容されるようになっている。
Next, a second embodiment of the friction point joining method of the present invention will be described. In this 2nd Embodiment, as shown in FIG. 11, the board | plate material in which the planar view rectangular recessed
また、当実施形態で用いられる鋼板５０は、上記第１実施形態で用いられる鋼板３０と同様の合金化亜鉛メッキ鋼板（ＧＡ鋼板）からなり、図１２に示すように、上記凹部５２の形成面を含む鋼板５０の上面部には、Ｚｎ−Ｆｅ合金層Ｗａが形成されている。
Moreover, the
このような鋼板５０と上記アルミ板２０とを接合するには、まず、図１２に示すように、上記鋼板５０の凹部５２の底面に上記アルミブロック６０を載置することにより、上記凹部５２にアルミブロック６０の下部を収容するとともに、このようにアルミブロック６０が載置された状態の鋼板３０の上面に、絶縁性の接着剤４０を塗布する。なお、図例では、接着剤４０の厚みが、上記アルミブロック６０の凹部５２に対する突出高さよりも若干厚くされており、上記接着剤４０は、アルミブロック６０の上面と、その周囲の鋼板５０の上面とに亘って塗布されている。
In order to join the
次いで、図１２の白抜き矢印に示すように、接着剤４０が上面に塗布された上記鋼板５０に、上記アルミ板２０を上から載置する。これにより、図１３に示すように、上記鋼板５０とアルミ板２０とが、その間に接着剤４０が介在する状態で重ね合わせられる。ただし、上記鋼板５０と、その上面の凹部５２内にあらかじめ載置されていた上記アルミブロック６０との間には接着剤４０が介在せず、上記凹部５２底面のＺｎ−Ｆｅ合金層Ｗａは、上記接着剤４０を介することなく直接上記アルミブロック６０と接触することになる。また、上記のようにアルミ板２０と鋼板３０とを重ね合わせる際に、アルミ板２０が下方に押し付けられることにより、このアルミ板２０と上記アルミブロック６０との間の接着剤４０の大部分が外側に押し出されるため、上記アルミ板２０およびアルミブロック６０は、極薄い層の接着剤４０を介して互いに接触することになる（図１３ではこの部分の接着剤を省略して示している）。
Next, as shown by the white arrow in FIG. 12, the
次いで、図１４に示すように、回転ツール１６を上記アルミ板２０の被接合部Ｐ１に押圧接触させ、このときに発生する摩擦熱により、上記アルミ板２０と鋼板５０とをアルミブロック６０を介して固相接合する。すなわち、回転ツール１６を押し込んで摩擦熱を発生させ、この摩擦熱によりアルミ板２０の被接合部Ｐ１およびアルミブロック６０を軟化および塑性流動させてこれらを略一体化するとともに、この一体化されたアルミ板２０およびアルミブロック６０を、その下面に接触している鋼板３０と接合する。
Next, as shown in FIG. 14, the
ところで、アルミ板２０と鋼板３０とを重ね合わせた先の図１３の状態において、アルミ板２０とアルミブロック６０との間には、接着剤４０が僅かに残っていると考えられるが、このように接着剤４０が僅かに残っていたとしても、当該接着剤４０は、上記接合時の摩擦熱および塑性流動によりそのほとんどが消失する。また、上記接着剤４０が完全に消失しなかった場合でも、アルミ板２０とアルミブロック６０との接合は同種金属どうしの接合であるため、その接合強度は、上記接着剤４０の影響をほとんど受けることなく良好に確保される。
By the way, in the state of FIG. 13 where the
図１５は、上記回転ツール１６と受け具１７とがアルミ板２０および鋼板３０から離され、これらアルミ板２０および鋼板３０の接合が完了した状態を示している。本図に示すように、接合完了時において、アルミ板２０の被接合部Ｐ１およびこれと一体化した上記アルミブロック６０（図１４）の設置部には、上記第１実施形態の場合と同様にＺｎ拡散層Ｗｃが形成されるとともに、上記鋼板５０表面のＺｎ−Ｆｅ合金層Ｗａのうち上記アルミブロック６０と接触していた部分（つまり上記凹部５２の底部に位置する部分）には、Ａｌ−Ｆｅ中間層Ｗｂが形成される。
FIG. 15 shows a state where the
以上説明したように、本発明の第２実施形態によれば、アルミ板２０と、これよりも融点が高い鋼板５０とを重ね合わせて固相状態で接合する方法において、上記鋼板５０の被接合部Ｐ２に、上記アルミ板２０と同種の金属材料からなるアルミブロック６０を載置する工程と、上記アルミブロック６０が載置された鋼板５０と上記アルミ板２０との間に接着剤４０を塗布した状態で上記両金属板２０，５０を重ね合わせる工程と、上記アルミ板２０の被接合部Ｐ１に回転ツール１６を回転させながら押し込み、このときに発生する摩擦熱で上記アルミ板２０の被接合部Ｐ１およびアルミブロック６０を軟化および塑性流動させることにより、上記アルミ板２０と鋼板５０とを上記アルミブロック６０を介して固相状態で接合する工程とを行うようにしたため、上記第１形態の場合と同様に、アルミ板２０と鋼板５０との接合強度を十分に確保しつつ、その耐食性を効果的に向上させることができるという利点がある。
As described above, according to the second embodiment of the present invention, in the method of joining the
すなわち、上記構成によれば、被接合部Ｐ２にアルミブロック６０が載置された鋼板５０に対し、アルミ板２０を接着剤４０を介して重ね合わせ、その状態で上記アルミ板２０と鋼板５０とを固相接合するようにしたため、上記アルミ板２０と鋼板５０との隙間を上記接着剤４０でシールして当該隙間への水分の浸入およびこれに起因した電位差腐食等の発生を効果的に防止しつつ、上記接着剤４０が塗布される前に上記鋼板５０に載置されたアルミブロック６０を上記アルミ板２０とともに軟化させて上記鋼板５０と接合することにより、上記アルミ板２０およびアルミブロック６０と、これらと異なる金属材料からなる上記鋼板５０との接合が上記接着剤４０により阻害されてその接合強度が低下するのを効果的に防止できるという利点がある。
That is, according to the said structure, with respect to the
また、回転ツール１６の摩擦熱により上記アルミ板２０と鋼板５０とをアルミブロック６０を介して固相接合するとともに、その接合部以外の箇所を上記アルミ板２０と鋼板５０との間に介在する接着剤４０で接着するようにしたため、上記アルミ板２０と鋼板５０との接合強度をより効果的に向上させることができる。
The
特に、上記方法では、鋼板５０にアルミブロック６０を載置した後に接着剤４０を塗布し、その上からアルミ板２０を重ね合わせて接合するようにしたため、上記鋼板５０とアルミブロック６０との間に接着剤４０が介在するのを効果的に防止しながら、上記アルミ板２０と鋼板５０との隙間を上記接着剤４０で隙間なく充填して確実にシールできるという利点がある。
In particular, in the above method, since the adhesive 40 is applied after the
また、上記第２実施形態に示したように、鋼板５０の被接合部Ｐ２に平面視矩形状の凹部５２を設け、上記アルミブロック６０として、この凹部５２に収容される平面視矩形状の板状体からなる金属片を用いた場合には、上記アルミブロック６０が鋼板５０に対し回転するのを防止できるため、アルミ板２０の被接合部Ｐ１に回転ツール１６を回転させながら押し込んだときに、この回転ツール１６の回転に伴い上記アルミブロック６０が不用意に回転してその位置がずれるのを効果的に防止でき、上記アルミブロック６０と鋼板５０との接合時の位置関係を適正に維持できるという利点がある。
Further, as shown in the second embodiment, a
また、上記第２実施形態では、鋼板５０として、上面にＺｎ−Ｆｅ合金層Ｗａが形成された合金化亜鉛メッキ鋼板（ＧＡ鋼板）を用いたため、上記第１実施形態と同様に、上記アルミ板２０等の塑性流動時に形成されるＡｌ−Ｆｅ中間層ＷｂおよびＺｎ拡散層Ｗｃを介して、上記アルミ板２０と鋼板５０とを高強度に接合できるという利点がある。
In the second embodiment, since the alloyed galvanized steel sheet (GA steel sheet) having the Zn-Fe alloy layer Wa formed on the upper surface is used as the
なお、上記第２実施形態では、鋼板５０の被接合部Ｐ２に平面視矩形状の凹部５２を設け、この凹部５２に、同じく平面視矩形状のアルミブロック６０を収容することにより、上記アルミブロック６０が鋼板５０に対し回転するのを防止するようにしたが、上記凹部６０およびアルミブロック６０の平面形状は、アルミブロック６０の回転を防止できる形状であればよく、例えば５角形や６角形など、矩形以外の多角形であってもよい。もちろん、回転ツール１６の駆動条件等により、アルミブロック６０が回転する心配が特にない場合には、上記凹部５２を省略して鋼板５０の上面を平面状に形成し、その上に上記アルミブロック６０を載置するようにしてもよい。
In addition, in the said 2nd Embodiment, the planar view rectangular recessed
また、上記第２実施形態では、鋼板５０に凹部５２を設けたが、図１６に示すように、アルミ板７０の下面に凹部７２を設け、略平坦面からなる鋼板８０の上面に載置されたアルミブロック６０の上部を、上記凹部７２に収容することにより、上記アルミブロック６０の回転を防止するようにしてもよい。なお、アルミ板７０の凹部７２、および上記鋼板５０の凹部５２は、例えばプレス成形による曲げ加工により形成することが可能である。
Moreover, in the said 2nd Embodiment, although the recessed
また、以上説明した第１および第２の実施形態では、本発明の摩擦点接合方法を、アルミニウム合金板２０（７０）と鋼板３０（５０，８０）とを固相接合する場合に適用した例について説明したが、本発明の摩擦点接合方法は、このような例に限らず、例えば、マグネシウム合金板と鋼板とを接合する場合にも好適に適用することができる。 In the first and second embodiments described above, the friction point joining method of the present invention is applied to the case where the aluminum alloy plate 20 (70) and the steel plate 30 (50, 80) are solid-phase joined. However, the friction point joining method of the present invention is not limited to such an example, and can be suitably applied to, for example, joining a magnesium alloy plate and a steel plate.
１６ 回転ツール
２０，７０ アルミニウム合金板（軽金属板）
３０，５０，８０ 鋼板
３２ 凸部
４０ 接着剤
５２ 凹部
６０ アルミブロック（軽金属片）
Ｐ１ （アルミニウム合金板の）被接合部
Ｐ２ （鋼板の）被接合部
Ｗａ Ｚｎ−Ｆｅ合金層
16
30, 50, 80
P1 Joined part (of aluminum alloy plate) P2 Joined part (of steel plate) Wa Zn-Fe alloy layer
Claims (5)
上記軽金属板および鋼板のいずれか一方の被接合部に凸部を形成する工程と、
上記軽金属板と鋼板との間のうち上記凸部を除いた領域に接着剤を塗布した状態で上記両金属板を重ね合わせる工程と、
上記軽金属板の被接合部に回転ツールを回転させながら押し込み、このときに発生する摩擦熱で上記軽金属板の被接合部を軟化および塑性流動させることにより、上記軽金属板と鋼板とを固相状態で接合する工程とを含むことを特徴とする摩擦点接合方法。 It is a method of joining a light metal plate and a steel plate having a higher melting point than this and joining them in a solid state,
A step of forming a convex portion in one of the light metal plate and the steel plate,
A step of superimposing the two metal plates in a state where an adhesive is applied to a region except the convex portion between the light metal plate and the steel plate;
The light metal plate and the steel plate are solid-phased by pushing the rotating tool into the light metal plate to be joined while rotating and softening and plastically flowing the light metal plate to be joined by the frictional heat generated at this time. And a step of joining at a friction point joining method.
上記鋼板の被接合部に上記凸部を設けることを特徴とする摩擦点接合方法。 In the friction point joining method according to claim 1,
The friction point joining method characterized by providing the said convex part in the to-be-joined part of the said steel plate.
上記鋼板の被接合部に、上記軽金属板と同種の金属材料からなる軽金属片を載置する工程と、
上記軽金属片が載置された鋼板と上記軽金属板との間に接着剤を塗布した状態で上記両金属板を重ね合わせる工程と、
上記軽金属板の被接合部に回転ツールを回転させながら押し込み、このときに発生する摩擦熱で上記軽金属板の被接合部および軽金属片を軟化および塑性流動させることにより、上記軽金属板と鋼板とを上記軽金属片を介して固相状態で接合する工程とを含むことを特徴とする摩擦点接合方法。 It is a method of joining a light metal plate and a steel plate having a higher melting point than this and joining them in a solid state,
A step of placing a light metal piece made of the same metal material as the light metal plate on the bonded portion of the steel plate;
A step of superimposing the two metal plates in a state where an adhesive is applied between the steel plate on which the light metal piece is placed and the light metal plate;
The light metal plate and the steel plate are pushed by rotating and rotating the rotating tool into the light metal plate to be joined, and softening and plastically flowing the light metal plate to be joined and the light metal piece by the frictional heat generated at this time. And a step of joining in a solid phase through the light metal piece.
上記軽金属板または鋼板の被接合部に平面視多角形状の凹部を設け、上記軽金属片として、この凹部に収容される平面視多角形状の板状体からなる金属片を用いることを特徴とする摩擦点接合方法。 In the friction point joining method according to claim 3,
The light metal plate or the steel plate is provided with a concave portion having a polygonal shape in plan view, and the light metal piece is a metal piece made of a plate-like body having a polygonal shape in plan view accommodated in the concave portion. Point joining method.
上記鋼板として、上記軽金属板と接合される側の面にＺｎ−Ｆｅ合金層が形成された合金化亜鉛メッキ鋼板を用い、
上記軽金属板として、アルミニウム合金板を用いることを特徴とする摩擦点接合方法。 In the friction point joining method according to any one of claims 1 to 4,
As the steel sheet, using an alloyed galvanized steel sheet in which a Zn-Fe alloy layer is formed on the surface to be joined to the light metal plate,
An aluminum alloy plate is used as the light metal plate.
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