JP2011005507A - Method and device for joining metallic members and structure in joined part of metallic members - Google Patents
Method and device for joining metallic members and structure in joined part of metallic members Download PDFInfo
- Publication number
- JP2011005507A JP2011005507A JP2009149123A JP2009149123A JP2011005507A JP 2011005507 A JP2011005507 A JP 2011005507A JP 2009149123 A JP2009149123 A JP 2009149123A JP 2009149123 A JP2009149123 A JP 2009149123A JP 2011005507 A JP2011005507 A JP 2011005507A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- metal member
- opening
- metal
- processing means
- flat surface
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
- B21K—MAKING FORGED OR PRESSED METAL PRODUCTS, e.g. HORSE-SHOES, RIVETS, BOLTS OR WHEELS
- B21K25/00—Uniting components to form integral members, e.g. turbine wheels and shafts, caulks with inserts, with or without shaping of the components
- B21K25/005—Uniting components to form integral members, e.g. turbine wheels and shafts, caulks with inserts, with or without shaping of the components by friction heat forging
Abstract
Description
本発明は金属部材相互を摩擦攪拌プロセス技術により結合する方法及び結合装置並びに金属部材の結合部構造に関する。 The present invention relates to a method and a bonding apparatus for bonding metal members to each other by a friction stir process technique, and a metal member connection structure.
金属部材相互を結合する方法として、結合部を解離する必要がない場合には溶接やリベット締めが、結合部を必要に応じて解離する必要がある場合にはボルト・ナットによる締結が広く使用されている。結合部を解離する必要がない場合に使用する溶接やリベット締めには長い歴史のある結合方法で信頼性の高い結合構造が獲られるが、次の問題がある。即ち、溶接には結合する金属部材の他に溶接棒を必要とし、結合部の質が作業者の技術に左右され、かつ結合に時間を要するという問題がある。また、リベット締めには結合する金属部材の他にリベットを必要とし、リベットの一端または両端を機械力によってかしめる必要があるため作業時に騒音を発生するという問題がある。 As a method of joining metal members, welding and riveting are widely used when it is not necessary to disengage the joint, and fastening with bolts and nuts is widely used when it is necessary to disengage the joint as necessary. ing. Welding and riveting that are used when it is not necessary to disengage the joint can obtain a highly reliable joint structure with a joint method with a long history, but has the following problems. That is, welding requires a welding rod in addition to the metal member to be joined, and there is a problem that the quality of the joined portion depends on the skill of the operator and that joining takes time. In addition, rivet tightening requires a rivet in addition to the metal member to be joined, and one end or both ends of the rivet must be caulked by mechanical force.
結合する一対の金属部材を利用して両者を結合する方法として、結合する一方の金属部材として摩擦攪拌によって変形抵抗が低下する性質の金属を使用し、この一方の金属部材を中央に突出したピンを備えるプローブを回転させながら押圧することにより摩擦熱を発生させ、この熱により一方の金属部材を他方の金属部材に形成した深さ方向に断面積が大きくなる形状の凹部内に塑性流動させて両金属部材を結合する方法(特許文献1)が提案されている。この結合方法は、結合する金属部材以外に部品を必要とせず、かつ極く短時間で結合ができるという利点があり、従来技術に比較して画期的な結合方法である。しかしながら、特許文献1に開示されている結合方法には次のような解決するべき技術課題が残されており、実用化が遅れている。第1の課題は、一方の金属部材を摩擦攪拌によって変形抵抗を低下するために使用するプローブが中央に突出したピンを備え、ピンの根元に一方の金属部材に向かって凹んだ球面状部分を有する形状になっているため、他方の金属部材の凹部内に塑性流動した一方の金属部材の中央部にピンによる穴が残り、凹部内の一方の金属部材の断面積が小さくなり、結合強度が低くなるという点である。第2の課題はプローブが上記した形状であるため結合部近傍の一方の金属部材表面はプローブのピン及び球面状部分で定まる形状になり、美的感覚を損なうものとなり、また塵埃、水分が付着して腐食の原因になる等の課題があり、これらを防止するために更なる仕上げ加工を必要とする問題がある。第3の課題は、一方の金属部材と他方の金属部材を異種金属とする場合には、使用環境によっては結合部で腐食が発生する可能性が高く、これを如何にして防止するかという点である。
As a method of joining the two metal members by using a pair of metal members, a metal having a property that deformation resistance is reduced by friction stirring is used as one of the metal members to be joined, and the one metal member protrudes in the center. Friction heat is generated by pressing while rotating the probe provided with, and by this heat, one metal member is plastically flowed into a recess having a cross-sectional area that increases in the depth direction formed on the other metal member. A method of joining both metal members (Patent Document 1) has been proposed. This joining method has the advantage that it requires no parts other than the metal members to be joined and can be joined in a very short time, and is an epoch-making joining method compared to the prior art. However, the coupling method disclosed in
本発明の目的は結合する金属部材以外の部品を使用せずに機械的強度の高い結合部を提供する金属部材の結合方法、結合装置及び結合部構造を提供することにある。
本発明の他の目的は美的外観を有する結合部を提供する金属部材の結合方法、結合装置及び結合部構造を提供することにある。
本発明の別の目的は異種金属部材を結合しても腐食の問題が生じない金属部材の結合方法、結合装置及び結合部構造を提供することにある。
本発明の更に異なる目的は実施例の説明から明らかになろう。
An object of the present invention is to provide a metal member coupling method, a coupling device, and a coupling unit structure that provide a coupling portion having high mechanical strength without using parts other than the metal members to be coupled.
Another object of the present invention is to provide a method of joining metal members, a joining device, and a joining portion structure that provide a joining portion having an aesthetic appearance.
Another object of the present invention is to provide a metal member bonding method, a bonding apparatus, and a bonding portion structure in which corrosion problems do not occur even when different metal members are bonded.
Further objects of the present invention will become apparent from the description of the embodiments.
本発明金属部材を結合する方法の特徴とするところは、第1の金属部材と開孔を有する第2の金属部材を重ね合わせる工程、第1の金属部材の表面に、先端に開孔より大きい平坦面を有する加工手段の先端部を押圧して加工手段を回転させる工程、回転による摩擦熱で第1の金属部材の変形抵抗を低下させて第2の金属部材の開孔内に塑性流動させる工程を備える点にある。先端に第1の金属部材の開孔より大きい平坦面を有する加工手段を押し当てて加工手段を回転させると摩擦熱が発生し、この摩擦熱によって加工手段に当接する第1の金属部材の部分の温度が上昇することにより低応力下で塑性流動が発現し、第1の金属部材の塑性流動が発現していない周囲の領域がストッパーとなり、第2の金属部材の開孔内に第1の金属部材が流れ込むことになる。この時、加工手段の先端が第1の金属部材の開孔より大きい平坦面を有することにより、塑性流動によって第1の金属部材の表面の低下寸法を少なく出来き、機械的強度の大きい結合部を実現でき、かつ美的外観を有する結合部構造を得ることができる。第2の金属部材の開孔は第1の金属部材から遠い側が近い側より加工手段の押圧方向と直角をなす方向の断面積が大きい形状を有することが結合強度を高くする上で好ましい。第1の金属部材の表面に加える押圧力及び加工手段の回転数は、それによって第1の金属部材の加工手段に当接する領域に塑性流動が生じさせるために十分な値にする必要がある。 A feature of the method of joining the metal members of the present invention is that the step of superimposing the first metal member and the second metal member having an opening, the surface of the first metal member is larger than the opening at the tip. The step of rotating the processing means by pressing the front end of the processing means having a flat surface, the deformation resistance of the first metal member is lowered by the frictional heat caused by the rotation, and the plastic flow is made in the opening of the second metal member. It is in the point provided with a process. When the processing means having a flat surface larger than the opening of the first metal member is pressed to the tip and the processing means is rotated, frictional heat is generated, and the portion of the first metal member that contacts the processing means by this frictional heat. When the temperature of the first metal member rises, plastic flow develops under low stress, and the surrounding area where the plastic flow of the first metal member does not appear serves as a stopper, and the first metal member opens in the opening of the second metal member. A metal member will flow in. At this time, since the tip of the processing means has a flat surface larger than the opening of the first metal member, the dimension of the surface of the first metal member can be reduced by plastic flow, and the joint portion having high mechanical strength can be obtained. And a joint structure having an aesthetic appearance can be obtained. The opening of the second metal member preferably has a shape having a larger cross-sectional area in a direction perpendicular to the pressing direction of the processing means than the side closer to the first metal member in order to increase the bonding strength. The pressing force applied to the surface of the first metal member and the rotational speed of the processing means need to be set to values sufficient to cause plastic flow in the region in contact with the processing means of the first metal member.
本発明金属部材を結合する方法に使用する第1の金属部材としては、これらに限定されるものではないがマグネシウム合金及びアルミニウム合金が好ましい。マグネシウム合金としては、アルミニウムAl、亜鉛Zn、ジルコニウムZr、マンガンMn、リチウムLi、鉄Fe、珪素Si、銅Cu、ニッケルNi、カルシウムCa,希土類元素を少なくとも1種類含むマグネシウム合金が挙げられる。また、アルミニウム合金としては、銅Cu、マンガンMn、珪素Si、マグネシウムMg、亜鉛Zn、ニッケルNi、クロムCr、チタンTiを少なくとも1種類含むアルミニウム合金が挙げられる。 The first metal member used in the method for bonding the metal members of the present invention is not limited to these, but magnesium alloys and aluminum alloys are preferred. Examples of magnesium alloys include magnesium alloys containing at least one kind of aluminum Al, zinc Zn, zirconium Zr, manganese Mn, lithium Li, iron Fe, silicon Si, copper Cu, nickel Ni, calcium Ca, and rare earth elements. Examples of the aluminum alloy include an aluminum alloy containing at least one kind of copper Cu, manganese Mn, silicon Si, magnesium Mg, zinc Zn, nickel Ni, chromium Cr, and titanium Ti.
本発明金属部材を結合する方法の他の特徴とするところは、第1の金属部材と開孔を有し第1の金属部材とは異なる材料の第2の金属部材とを絶縁膜を介して重ね合わせる工程、第1の金属部材の表面に、先端に開孔より大きい平坦面を有する加工手段の先端部を押圧して加工手段を回転させる工程、回転による摩擦熱で第1の金属部材の変形抵抗を低下させて第2の金属部材の開孔内に塑性流動させる工程を備える点にある。絶縁膜として摩擦熱に耐える耐熱性、塑性流動時に破損しない剛性及び靭性を有する絶縁材料を使用することにより、第1の金属部材と第2の金属部材とを電気的に絶縁された状態で結合、換言すれば異種金属をエレクトロマイグレーションを生じることなく結合を可能にすることができる。 Another feature of the method for joining the metal members of the present invention is that the first metal member and the second metal member having an opening and a material different from the first metal member are interposed via the insulating film. A step of superimposing, a step of rotating the processing means by pressing the front end portion of the processing means having a flat surface larger than the opening at the front end on the surface of the first metal member, frictional heat generated by the rotation of the first metal member It is in the point provided with the process of reducing a deformation resistance and carrying out plastic flow in the opening of the 2nd metal member. Bonding the first metal member and the second metal member in an electrically insulated state by using an insulating material having heat resistance that can withstand frictional heat and rigidity and toughness that does not break during plastic flow. In other words, dissimilar metals can be bonded without causing electromigration.
本発明金属部材を結合する装置の特徴とするところは、第1の金属部材と開孔を有する第2の金属部材を重ね合わせて保持する手段と、先端に第2の金属部材の開孔より大きい平坦面を有する加工手段と、加工手段を回転駆動する手段と、保持手段及び加工手段の少なくとも一方を両手段を結ぶ線上に沿って移動させる手段と、加工手段を第1の金属部材の表面に押圧する手段とを具備する点にある。この構成により、外部から熱エネルギーを付与することなく、結合する金属部材以外の部品を使用することなく金属部材相互を一方の金属部材の塑性流動を利用して結合することが出来る。 The feature of the apparatus for joining the metal members of the present invention is that the first metal member and the second metal member having an opening are superposed and held, and the tip of the second metal member is opened at the tip. A processing means having a large flat surface, a means for rotationally driving the processing means, a means for moving at least one of the holding means and the processing means along a line connecting the two means, and a processing means for the surface of the first metal member And a means for pressing. With this configuration, the metal members can be coupled to each other by using the plastic flow of one metal member without applying heat energy from the outside and without using components other than the metal members to be coupled.
本発明金属部材を結合する装置に使用する加工手段としては、耐熱性、耐摩耗性、濡れ性が低い(被加工材と接着しない)ことが要求され、具体的材料としてはステンレス(例えばSUS鋼)、工具鋼(例えばSK鋼)、超合金(Ni系、Fe系、Co系)、セラミックス(CBN(立方晶ボロンナイトライド)、ZrO2、SiC、Si3N4、SiALON、Al2O3、Y2O3及びこれらの複合材料)、金属とセラミックスの複合材(例えばサーメット)が使用できる。 The processing means used in the apparatus for joining the metal members of the present invention is required to have low heat resistance, wear resistance, and wettability (does not adhere to the workpiece), and a specific material is stainless steel (for example, SUS steel). ), Tool steel (for example, SK steel), superalloy (Ni-based, Fe-based, Co-based), ceramics (CBN (cubic boron nitride), ZrO 2 , SiC, Si 3 N 4 , SiALON, Al 2 O 3 Y 2 O 3 and composite materials thereof), and composite materials of metals and ceramics (for example, cermet) can be used.
本発明金属部材の結合部構造の特徴とするところは、第1の金属部材と開孔を有する第2の金属部材とが、第1の金属部材の一部が第2の金属部材の開孔を充填した状態で結合され、開孔に対応する第1の金属部材の第2の金属部材とは反対側の面が平坦面で、この平坦面に隣接する領域が他に比較して微細組織になっている点にある。このように、開孔に対応する第1の金属部材の第2の金属部材とは反対側の面を平坦面としているため、美観が優れ腐食の問題が生じない結合部を実現できる。更に、この平坦面に隣接する領域を他に比較して微細組織になっているため、機械的特性の優れた結合部を実現できる。この結合部は、携帯型情報端末、家電製品、自動車部品、鉄道用車両等に使用される金属部材を結合する場合に適している。 The feature of the coupling part structure of the metal member of the present invention is that the first metal member and the second metal member having the opening are partially opened by the second metal member. The surface opposite to the second metal member of the first metal member corresponding to the opening is a flat surface, and the region adjacent to the flat surface is a fine structure as compared with the other. It is in the point. Thus, since the surface opposite to the second metal member of the first metal member corresponding to the opening is a flat surface, it is possible to realize a joint portion that is excellent in aesthetics and does not cause a corrosion problem. Furthermore, since the region adjacent to the flat surface has a fine structure as compared with other regions, a joint having excellent mechanical properties can be realized. This connecting portion is suitable for connecting metal members used in portable information terminals, home appliances, automobile parts, railway vehicles, and the like.
本発明金属部材の結合部構造の他の特徴とするところは、第1の金属部材と開孔を有し
第1の金属部材とは異なる材料の第2の金属部材とが、第1の金属部材と第2の金属部材とが接触する個所には絶縁膜が介在し、第1の金属部材の一部が第2の金属部材の開孔を充填した状態で結合され、前記開孔に対応する第1の金属部材の第2の金属部材とは反対側の面が平坦面になっており、この平坦面に隣接する領域が他の領域に比較して微細組織になっている点にある。これによって、機械的特性が優れ、エレクトロマイグレーションの生じる心配のない結合部構造を実現できる。
Another feature of the metal member coupling portion structure of the present invention is that the first metal member and the second metal member having an opening and a material different from the first metal member are the first metal. An insulating film is interposed at the place where the member and the second metal member are in contact with each other, and a part of the first metal member is coupled in a state of filling the opening of the second metal member, and corresponds to the opening. The surface of the first metal member opposite to the second metal member is a flat surface, and a region adjacent to the flat surface has a fine structure as compared with other regions. . As a result, it is possible to realize a joint structure that has excellent mechanical properties and does not cause electromigration.
本発明金属部材を結合する方法によれば、摩擦熱を利用して第1の金属部材が塑性流動を発現して第2の金属部材の開孔に流れ込み、一瞬のうちに第1の金属部材と第2の金属部材を結合することが出来る。また、本発明金属部材の結合部構造は、開孔に対応する第1の金属部材の第2の金属部材とは反対側の面が平坦面で、この平坦面に隣接する領域が他に比較して微細組織になっているため、美観に優れ機械強度の大きい結合部構造を提供できる。更に、本発明金属部材を結合する装置は、先端に第2の金属部材の開孔より大きい平坦面を有する加工手段を備えているため加工手段の平坦面に接触する第1の金属部材の表面領域を平坦に出来、かつ加工手段の平坦面に接触する第1の金属部材の表面領域が他の領域より微細化された組織になっているため、機械的特性の優れた結合部を実現できる。 According to the method for joining metal members of the present invention, the first metal member develops plastic flow using frictional heat and flows into the opening of the second metal member, and the first metal member instantly And the second metal member can be combined. Further, in the connecting structure of the metal member of the present invention, the surface opposite to the second metal member of the first metal member corresponding to the opening is a flat surface, and the region adjacent to the flat surface is compared with other regions. In addition, since it has a fine structure, it is possible to provide a joint structure with excellent aesthetics and high mechanical strength. Furthermore, since the apparatus for joining the metal members of the present invention has the processing means having a flat surface larger than the opening of the second metal member at the tip, the surface of the first metal member that contacts the flat surface of the processing means. Since the region can be flattened and the surface region of the first metal member that is in contact with the flat surface of the processing means has a finer structure than the other regions, a joint having excellent mechanical properties can be realized. .
本発明金属部材を結合する方法の最良の実施形態は、一方面から反対側の面に向かって
形成され、一方の面と平行をなすその断面積が一方面より反対側の面が大きい形状を有する開孔を有する第2の金属部材上に第1の金属部材を重ね合わせ、第1の金属部材の表面に先端に平坦面を有するステンレス製の加工治具を押圧・回転させて、第1の金属部材を摩擦攪拌を利用して変形抵抗を低下させ、塑性流動により第2の金属部材の開口を充填することにより、第1の金属部材と第2の金属部材を結合するものである。マグネシウム及びマグネシウム系合金は軽量金属材で携帯型情報端末、家電製品、自動車部品、鉄道用車両等の金属部材として広く使用される傾向にある反面、溶接、ろう付けによる結合する方法が適用できない問題点があり、普及には解決する課題が残されている。本発明はこの問題を解決することが出来る。
The best embodiment of the method for joining metal members of the present invention is formed from one surface to the opposite surface, and the cross-sectional area parallel to one surface is larger on the opposite surface than the one surface. The first metal member is superposed on the second metal member having the opening and the stainless steel processing jig having a flat surface at the tip is pressed and rotated on the surface of the first metal member. The first metal member and the second metal member are joined by lowering the deformation resistance of the metal member by frictional stirring and filling the opening of the second metal member by plastic flow. Magnesium and magnesium-based alloys are lightweight metal materials and tend to be widely used as metal parts for portable information terminals, home appliances, automobile parts, railway vehicles, etc., but the method of joining by welding or brazing is not applicable There are points, and the problem to be solved remains in the spread. The present invention can solve this problem.
図1及び図2は本発明金属部材を結合する方法の一実施例を示す工程図で、図1において、11は板状の第1の金属部材、12は一方面から他方面に向かって厚さ方向と直角をなす方向の断面積が大きくなる形状の開孔12aを有し、第1の金属部材11と結合する板状の第2の金属部材、13は先端部に第2の金属部材12の開孔12aより大きい面積の平坦部13aを有する外形断面が円形の加工治具、14は加工治具13を回転可能に支承する保持治具である。加工治具13は回転駆動源で回転され、かつ先端の平坦部13aを矢印方向に所定圧力で押圧する手段を有している。第1の金属部材11と第2の金属部材12を結合する際には、第1の金属部材11を第2の金属部材12の開孔12aの断面積の小さい側の上方に載置して図示しない保持台上に置く(図2の工程A)と共に、先端に第2の金属部材12の開孔12aより大きい面積の平坦部を有する加工治具13を準備し、第2の金属部材12の開孔12aに対応する第1の金属部材11の表面に対向させる(図1のa)。次に加工治具13を回転しながら先端の平坦部13aを第1の金属部材11の表面に所定の圧力で押圧する(図2の工程B)。加工治具13を回転しながらその先端の平坦部13aを第1の金属部材11の表面に押圧すると、加工治具13の先端の平坦部13aに当接している第1の金属部材11の表面領域の組織が摩擦熱により温度上昇して第1の金属部材11が軟化し、押圧下での加工治具13の回転により容易に攪拌され、強ひずみ加工状態になり、動的再結晶等により微細化する。このように微細化された組織は高温で塑性変形が容易となる超塑性的現象を発現する。超塑性的現象の発現により、塑性流動が生じ、更に、微細化していない領域でも高温状態下で、軟化して塑性流動する。塑性流動は後述するように、第2の金属部材12の開孔12aに向かって流れ(図2の工程C)、図1の(b)に示すように第2の金属部材12の開孔12a内の空間を充填する。しかる後、加工治具13の押圧・回転を止めて、加工治具13を第1の金属部材11の表面から離す(図2の工程D)。これによって、図1(c)に示すような第1の金属部材11の一部が第2の金属部材12の開孔12a内に流入し、開孔12aに対応する第1の金属部材11の表面に加工治具13の先端の平坦部13aによって形成された少し凹んだ平坦面11aが形成された結合構造が実現できる。
1 and 2 are process diagrams showing an embodiment of a method for joining metal members of the present invention. In FIG. 1, 11 is a plate-like first metal member, and 12 is a thickness from one surface to the other surface. A plate-like second metal member having an opening 12a having a shape in which a cross-sectional area in a direction perpendicular to the vertical direction is increased and coupled to the
塑性流動によって第1の金属部材11と第2の金属部材12が結合される理由を図3により説明する。図3は図1(b)を拡大して示したもので、加工治具13の先端の平坦部13aに当接している第1の金属部材11の領域111の表面近傍部分が超塑性的現象を発現し、領域111の表面から遠い部分は摩擦熱による温度上昇により軟化して変形抵抗が低下しており、領域内に黒矢印示すY11方向の塑性流動が生じている状態を示している。領域111の変形抵抗が低下した部分は、その上方が加工治具13及び保持治具14によって矢印Y13及びY14方向に押圧され、その側方が超塑性的現象を発現していない周囲領域112によって包囲されてY12方向に押圧され、第2の金属部材12の開孔12a方向が唯一の流動方向になる。加工治具13による摩擦攪拌が継続されている間、開孔12aの全空間が充填されるまで塑性流動が継続して行われる。
The reason why the
本発明金属部材を結合する方法において重要な事項は、加工条件の設定である。マグネシウム、マグネシウム系合金、アルミニウム、アルミニウム系合金を被加工金属部材とし室温で加工する場合、加工治具の回転数は200〜20000rpm、好ましくは500〜5000rpm、押し込み圧力は50kg/cm2以上が好ましい。 An important matter in the method for joining the metal members of the present invention is the setting of processing conditions. When processing magnesium, magnesium-based alloy, aluminum, and aluminum-based alloy as a workpiece metal member at room temperature, the rotation speed of the processing jig is 200 to 20000 rpm, preferably 500 to 5000 rpm, and the indentation pressure is preferably 50 kg / cm 2 or more. .
図4及び図5を用いて本発明金属部材を結合する方法によって形成した結合部の機械的特性が優れている点を説明する。第1の金属部材11の加工治具13によって摩擦攪拌された領域、即ち、図4にハッチングで示した第1の金属部材11の表面に加工治具13の先端の平坦部13aによって形成された少し凹んだ平坦面11a及び側面は図5に示すように他の領域より微細化(動的再結晶等の発現)されている。図5は図4の○印で示した部分の第1の金属部材11の組織状態を示す顕微鏡写真である。組織が微細化されると一般に機械的特性が向上する。第1の金属部材11の12の開孔12aに対応する領域は結合部としての応力集中が起こり、この領域で機械的破損が生じることが多い。本発明の方法で金属部材を結合すると、応力集中が起こる領域の上面部分が微細化された組織になるため、結合部の機械的強度の向上が図れる。結合部の引張り強度を測定したところ、特許文献1に示された結合部の1.5倍の強度を有することを確認した。
The point that the mechanical property of the joint formed by the method of joining the metal members of the present invention is excellent with reference to FIGS. 4 and 5 will be described. The region of the
図6は回転可能な結合部を得るために第2の金属部材12の開孔12aを円形にした実施例を示す正面図及び平面図である。第2の金属部材12の上面又は下面と平行をなす開孔12aの断面形状が深さ方向全体で真円形状になっている。このため、第1の金属部材11と第2の金属部材12が開孔12aに第1の金属部材11が流れ込むことによって結合されても、開孔12aが真円であるため開孔12aの軸心を中心にして回転が可能になる。結合部の回転を期待する場合には、開孔12a面を鏡面仕上げするか、第1の金属部材11の熱膨張係数を第2の金属部材12のそれより大きくして摩擦熱を利用した結合工程の後で両者間に隙間ができるようにするのが望ましい。
FIG. 6 is a front view and a plan view showing an embodiment in which the opening 12a of the
図7は回転しない結合部を得るために第2の金属部材12の開孔12aを楕円形にした実施例を示す正面図及び平面図である。第2の金属部材12の上面又は下面と平行をなす開孔12aの断面形状が楕円形状になっている。このため、第1の金属部材11と第2の金属部材12が開孔12aに第1の金属部材11が流れ込むことによって結合されると、開孔12aが楕円であるため開孔12aの軸心を中心にして回転が出来なくなる。楕円形は一例であって、真円以外の形状であればよく、真円の一部に凸部、凹部又は平坦部等を設けること、三角形、四角形又は多角形にすることが考えられる。また、真円でない個所は開孔12aの深さ方向全体に形成するのが望ましいが、その一部に形成されていれば回転を防止することができる。
FIGS. 7A and 7B are a front view and a plan view showing an embodiment in which the opening 12a of the
図8は第2の金属部材12の開孔12aを矩形にした実施例を示す正面図及び平面図である。矩形の開孔12aの2対の対辺の一方が第2の金属部材12の幅方向と平行をなし、他方が幅方向と直角を成すように形成されている。開孔12aを矩形にすることは、第1の金属部材11を塑性流動によって開孔12a内全域に充填するために円形に次ぐ好ましい形状であり、結合強度を高くできる効果がある。この実施例において、開孔12aを長方形にしてその長手方向を第2の金属部材12の幅方向に配置すれば、幅方向と直角をなす方向に第1の金属部材11と第2の金属部材12を引張る場合の強度を高く出来る利点がある。
FIG. 8 is a front view and a plan view showing an embodiment in which the opening 12a of the
図9は第2の金属部材12の開孔12a形状の変形例を示す概略断面図である。(a)は開孔12aの第1の金属部材11側の○印で示す端部に曲率を付与して、第1の金属部材11が塑性流動によって開孔12a内に流入し易くしている。高強度の結合部を実現するために第1の金属部材11が開孔12a内に隙間なく充填されることが望ましく、この変形例は高強度の結合部を実現するものである。(b)は開孔12aを貫通孔にせず、有底開孔にしたものである。
FIG. 9 is a schematic sectional view showing a modification of the shape of the opening 12a of the
図10は本発明金属部材を結合する方法を用いて異種金属を結合する場合の実施例を示す概略正面図及び側面図である。異種金属を接触させるとエレクトロマイグレーション現象によって接触部で腐食が生し、それが全体に進行するという問題があり、本発明金属部材を結合する方法を用いて異種金属を結合する場合にはエレクトロマイグレーション対策が必要になる。この実施例では、例えば鉄からなる第2の金属部材12と例えばアルミニウムからなる第1の金属部材11を間に例えばポリテトラフルオロエチレンのような弗化炭素樹脂膜15を介在して重ね合わせ(a)、第1の金属部材11側から加工治具13を押圧・回転して、第2の金属部材12と第1の金属部材11との間に弗化炭素樹脂膜15を介在した状態を維持しながら、第1の金属部材11を塑性流動によって第2の金属部材12の開孔12aに案内充填して、第1の金属部材11と第2の金属部材12が弗化炭素樹脂膜15によって電気的に絶縁された結合部構造を実現している(b)。この実施例では第1の金属部材11と第2の金属部材12との電気的絶縁に弗化炭素樹脂膜15を使用しているが、これは摩擦熱に耐える耐熱性、塑性流動時に破損しない剛性及び靭性を有する絶縁材料として好ましい材料であるためで、本発明はこれに限定されるものでなく、他の有機材料を使用することも可能である。また、弗化炭素樹脂膜15は少なくとも第1の金属部材11と第2の金属部材12とが重なりあっている個所に配置されていれば十分である。また、この場合、第2の金属部材12の開孔12aの第1の金属部材11側の端部に曲率を付与することが弗化炭素樹脂膜15の破損を防止する上で好ましい。
FIG. 10 is a schematic front view and a side view showing an embodiment in the case where different metals are bonded using the method for bonding metal members of the present invention. When dissimilar metals are brought into contact, there is a problem that corrosion occurs at the contact portion due to the electromigration phenomenon and it progresses to the whole, and when dissimilar metals are bonded using the method for bonding metal members of the present invention, electromigration is caused. Countermeasures are required. In this embodiment, the
図11は本発明金属部材を結合する方法を用いて異種金属を結合する場合の異なる実施例を示す概略断面図である。第2の金属部材12の開孔12aを含む全面に予め絶縁膜16を形成しておき、第1の金属部材11を重ね合わせて塑性流動を利用して結合をすることにより、第1の金属部材11と第2の金属部材12を電気的に絶縁された状態で結合している。絶縁膜16としては耐熱性を有する有機絶縁物、無機絶縁物から選ばれた材料が使用できる。絶縁膜16の形成方法としては、例えば有機絶縁物の場合には有機絶縁物液に浸漬すること、有機絶縁物液を吹付けることにより、無機絶縁物の場合には酸化雰囲気に置くこと、例えばCVD法で成膜すること、液状の無機混合物を塗布すること等が考えられる。
FIG. 11 is a schematic cross-sectional view showing a different embodiment when different metals are bonded using the method for bonding metal members of the present invention. An insulating film 16 is formed in advance on the entire surface including the opening 12a of the
図12は本発明金属部材を結合する方法を実行するために使用する結合装置の一例を示す概略正面図及び側面図である。図において、51は装置を設置する基台、52は基台51に固定されたフレーム、53はフレーム52に水平面でXY方向に移動可能に支持されたワーク保持ヘッド、531はワーク保持ヘッド53の表面付近に埋設された温度・圧力センサー、54はワーク保持ヘッド53を上下方向に移動する駆動軸で図示せぬ駆動モータで駆動される。55はワーク保持ヘッド53に支持されたワークホルダー、56は図1に示す先端に平坦部13aを有する加工治具13と保持具14からなる回転ツール、57は回転ツール56を保持するツールホルダー、58はツールホルダー57を支持すると共にツールホルダー57を上下方向に移動するツールホルダー駆動モータ、581はツールホルダー駆動モータに支持された定速度・低荷重制御装置、59はフレーム52に支持され、ツールホルダー駆動モータ58を支持し、回転ツール56を回転駆動するツール回転モータである。回転ツール56は図1の加工治具13のみであってもよい。
FIG. 12 is a schematic front view and a side view showing an example of a connecting device used for executing the method for connecting the metal members of the present invention. In the figure, 51 is a base on which the apparatus is installed, 52 is a frame fixed to the
かかる構成の結合装置を用いて第1の金属部材11と第2の金属部材12を結合する場合には、ワークホルダー55上に第1の金属部材11を上にして第2の金属部材12を重ね合わせて載置固定し、ワーク保持ヘッド53に先端の平坦部13aを有する加工治具13を取り付けて、XY方向に移動して第2の金属部材12の開孔12aに対応する第1の金属部材11の表面位置に回転ツール56に対向させる。次にツール回転モータ59によって回転ツール56を回転しながらツールホルダー駆動モータ58によってツールホルダー57を下方に移動して、回転ツール56を第1の金属部材表面に所定圧力で接触させる。これによって摩擦熱により第1の金属部材11の表面に超塑性現象の発現により、塑性流動が生じ、表面から離れた個所でも高温状態下で、軟化して塑性流動を生じる。塑性流動は第1の金属部材11から開孔12aに向かって生じ、開孔12aが第1の金属部材11によって充填される。開孔12aが第1の金属部材11で充填されるとツールホルダー駆動モータ58によってツールホルダー57を上方に移動させて回転ツール56を第1の金属部材11から離間し、ツール回転モータ59を停止して回転ツール56を停止する。
When the
回転ツール56を所定圧力で第1の金属部材表面に接触させるための制御方法として圧力制御と位置制御が利用できる。圧力制御は一定荷重負荷により安定したボス高さ制御が可能になる利点があるが、システム構成が複雑になる欠点がある。具体的には、ひずみゲージ及びロードセルをステージ及び回転軸に装着することによって実現する。また、熱影響によりボス成形時の負荷荷重の変化が考えられ、この対策が必要である。位置制御はステージ及び回転軸をサーボモーター等で制御することで実現でき、制御が比較的容易である利点を持っている。
Pressure control and position control can be used as a control method for bringing the
図13は本発明金属部材を結合する方法に使用する加工治具13の変形例を示す概略断面図である。加工治具13の先端の平坦部13a周辺に環状の突起部分13a1を形成している。環状の突起部分13a1は、摩擦熱によって第1の金属部材11の加工治具13の先端の平坦部13aに接触する部分に超塑性が発現した際に、変形抵抗の低下した部分が周辺方向に流れようとするのを防止するものである。これによって、変形抵抗の低下した部分が全て第2の金属部材12の開孔12aを充填するために利用できるので、第1の金属部材11の平坦部13aによって形成される少し凹んだ平坦面11aの凹み量を小さくなり、結合部外観が美しくなり、結合部の機械的強度向上を測ること等の効果を奏する。突起部分13a1の高さは、大きいと結合部の強度を低下するので、0.1〜0.2mm程度が望ましい。
FIG. 13 is a schematic cross-sectional view showing a modified example of the
本発明金属部材を結合する方法及び結合装置並びにそれによって製造された金属部材の結合部構造は、実施例で説明された方法及び構成に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で種々の変形が可能である。 The method and apparatus for joining the metal members of the present invention and the joint structure of the metal members manufactured thereby are not limited to the methods and configurations described in the embodiments, but are within the scope of the technical idea of the present invention. Various modifications are possible.
11…第1の金属部材、11a…平坦部、12…第2の金属部材、12a…開孔、13…加工治具、13a…平坦部、14…保持治具。
DESCRIPTION OF
Claims (7)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2009149123A JP2011005507A (en) | 2009-06-23 | 2009-06-23 | Method and device for joining metallic members and structure in joined part of metallic members |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2009149123A JP2011005507A (en) | 2009-06-23 | 2009-06-23 | Method and device for joining metallic members and structure in joined part of metallic members |
Related Child Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2013218178A Division JP2014054672A (en) | 2013-10-21 | 2013-10-21 | Method for joining metal member |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2011005507A true JP2011005507A (en) | 2011-01-13 |
Family
ID=43562791
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2009149123A Pending JP2011005507A (en) | 2009-06-23 | 2009-06-23 | Method and device for joining metallic members and structure in joined part of metallic members |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2011005507A (en) |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2015078722A (en) * | 2013-10-15 | 2015-04-23 | スズキ株式会社 | Joining method of dissimilar metallic plates and automobile components prepared by the method |
TWI601625B (en) * | 2014-03-26 | 2017-10-11 | 豐田自動車股份有限公司 | Joining method |
JP2019126839A (en) * | 2018-01-26 | 2019-08-01 | フタバ産業株式会社 | Joining method and manufacturing method of joining member |
JP7385194B2 (en) | 2019-11-05 | 2023-11-22 | 学校法人国士舘 | Dissimilar materials joining methods and composite members |
US11925998B2 (en) | 2022-04-20 | 2024-03-12 | Ford Global Technologies, Llc | Mechanical metal joint for vehicle component |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2006297434A (en) * | 2005-04-19 | 2006-11-02 | Sumitomo Light Metal Ind Ltd | Rotating tool for friction stir spot welding and friction stir spot welding method using the same |
JP2007136505A (en) * | 2005-11-17 | 2007-06-07 | Hino Motors Ltd | Material joining method |
JP2007167938A (en) * | 2005-12-26 | 2007-07-05 | Hino Motors Ltd | Method for fitting member |
WO2008023760A1 (en) * | 2006-08-25 | 2008-02-28 | Osaka University | Method for welding metal material |
JP2008221321A (en) * | 2007-03-15 | 2008-09-25 | Mazda Motor Corp | Method of friction spot welding |
-
2009
- 2009-06-23 JP JP2009149123A patent/JP2011005507A/en active Pending
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2006297434A (en) * | 2005-04-19 | 2006-11-02 | Sumitomo Light Metal Ind Ltd | Rotating tool for friction stir spot welding and friction stir spot welding method using the same |
JP2007136505A (en) * | 2005-11-17 | 2007-06-07 | Hino Motors Ltd | Material joining method |
JP2007167938A (en) * | 2005-12-26 | 2007-07-05 | Hino Motors Ltd | Method for fitting member |
WO2008023760A1 (en) * | 2006-08-25 | 2008-02-28 | Osaka University | Method for welding metal material |
JP2008221321A (en) * | 2007-03-15 | 2008-09-25 | Mazda Motor Corp | Method of friction spot welding |
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2015078722A (en) * | 2013-10-15 | 2015-04-23 | スズキ株式会社 | Joining method of dissimilar metallic plates and automobile components prepared by the method |
TWI601625B (en) * | 2014-03-26 | 2017-10-11 | 豐田自動車股份有限公司 | Joining method |
US10173370B2 (en) | 2014-03-26 | 2019-01-08 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Joining method |
JP2019126839A (en) * | 2018-01-26 | 2019-08-01 | フタバ産業株式会社 | Joining method and manufacturing method of joining member |
JP7385194B2 (en) | 2019-11-05 | 2023-11-22 | 学校法人国士舘 | Dissimilar materials joining methods and composite members |
US11925998B2 (en) | 2022-04-20 | 2024-03-12 | Ford Global Technologies, Llc | Mechanical metal joint for vehicle component |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Kaushik et al. | Effect of tool geometry in dissimilar Al-steel friction stir welding | |
Dhara et al. | Impact of ultrasonic welding on multi-layered Al–Cu joint for electric vehicle battery applications: A layer-wise microstructural analysis | |
JP3400409B2 (en) | Joining method and joining device | |
JP2001314981A (en) | Treatment method for metal member | |
US20120052322A1 (en) | Method of bonding dissimilar metal materials and bonded body of dissimilar metal materials | |
EP1291115A2 (en) | Interface preparation for weld joints | |
Klobčar et al. | Parametric study of FSSW of aluminium alloy 5754 using a pinless tool | |
JP2003039183A (en) | Friction stir welding method and welded body | |
CN101020275A (en) | Linear friction welding process between aluminium part and steel part | |
JP2011005507A (en) | Method and device for joining metallic members and structure in joined part of metallic members | |
EP1902810A1 (en) | Friction stir spot welding method | |
US9120139B2 (en) | Method of and a device for forming a projection on a metal member and a metal part processed by the method of forming a projection | |
CN107414279B (en) | A kind of connection method for slab TiNi alloy and titanium alloy dissimilar materials | |
Dai et al. | Microstructure and properties of Mg/Al joint welded by gas tungsten arc welding-assisted hybrid ultrasonic seam welding | |
JP3516913B2 (en) | Spot joining apparatus and spot joining method | |
CN105234555A (en) | Ultrasonic-assisted transitional liquid phase bonding method | |
Lyu et al. | Double-sided friction stir spot welding of steel and aluminum alloy sheets | |
Lei et al. | Microstructure and mechanical performance of cold metal transfer spot joints of AA6061-T6 to galvanized DP590 using edge plug welding mode | |
JP5261984B2 (en) | Resistance spot welding method | |
JP4413677B2 (en) | Point joining method for dissimilar metal parts | |
JP7350369B2 (en) | Method of joining metal materials | |
JP2014054672A (en) | Method for joining metal member | |
KR101593405B1 (en) | Friction stir spot welding of dissimilar materials method | |
Lin et al. | Friction stir clinching of alclad AA2024-T3 sheets | |
JP2002066760A (en) | Joining method of metal and joining device |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20120607 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A821 Effective date: 20120607 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20130815 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20130820 |
|
A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20131224 |