JP2012050996A

JP2012050996A - 異種金属材料の接合方法及び異種金属材料接合体

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Publication number: JP2012050996A
Application number: JP2010194541A
Authority: JP
Inventors: Tomonobu Hatayama; 智信畑山; Yoshitaka Yotsuya; 剛毅四谷
Original assignee: Suzuki Motor Corp
Current assignee: Suzuki Motor Corp
Priority date: 2010-08-31
Filing date: 2010-08-31
Publication date: 2012-03-15
Anticipated expiration: 2030-08-31
Also published as: JP5740871B2; CN102380703B; CN102380703A; DE102011080252A1; DE102011080252B4; US20120052322A1

Abstract

【課題】異種金属材料の接合強度、特に剥離強度を向上できること。
【解決手段】融点が異なる異種金属材料における鋼材１１（高融点材料）とアルミニウム材１２（低融点材料）を接合予定位置に位置づけ、鋼材１１に回転ツール１３を回転させながら押し当てて挿入し、この回転ツール１３の挿入位置を鋼材１１が突き破られない位置に調整し、鋼材１１を回転ツール１３との摩擦熱により、アルミニウム材１２を前記摩擦熱の伝熱により、それぞれ部分的に軟化させて塑性流動化し、これらの鋼材１１とアルミニウム材１２を回転ツール１３により部分的に撹拌して摩擦撹拌点接合させるものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、異種金属材料を摩擦撹拌接合により接合する異種金属材料の接合方法、及びこの接合方法により得られる異種金属材料接合体に関する。

異種金属材料、特に鋼材とアルミニウム材の接合は、一般に溶融溶接や、リベットなどの機械的接合などによって行われている。

ところが、溶融溶接では入熱量が大きいため、鋼材とアルミニウム材の界面に脆弱な金属間化合物（Ｆｅ_２Ａｌ_５、ＦｅＡｌ_３など）が生成されてしまい、接合強度が低下するという課題がある。また、リベットやボルト等を用いた機械的接合では、接合のためにリベットなどの資材が必要になり、コストが上昇してしまう。

そこで、近年では、被接合材を溶融させずに軟化させ、塑性流動化して固相接合する摩擦撹拌接合（ＦＳＷ：ＦｒｉｃｔｉｏｎＳｔｉｒＷｅｌｄｉｎｇ）を用いて、鋼材とアルミニウム材を接合させる研究が進められている。この摩擦撹拌接合では、一般的な工具鋼で作製されたＦＳＷツールを用い、このＦＳＷツールをアルミニウム材のみに接触させて、鋼材とアルミニウム材とを摩擦撹拌接合している（例えば特許文献１、特許文献２など）。

例えば、特許文献１に記載の摩擦撹拌接合では、接合面に酸化防止膜（Ｚｎメッキ）が被覆された鋼材と、アルミニウム材とを重ね合わせ、ＦＳＷツールをアルミニウム材に回転させながら押し当てて挿入し、摩擦熱によりアルミニウム材及びＺｎメッキを軟化して塑性流動化し、Ｚｎメッキを取り除いて鋼材の表面に新生面を露出させ、塑性流動化したアルミニウム材と鋼材の新生面とを固相接合している。

特開２００５−３４８７９号公報特開２００６−２３９７２０号公報

ところが、ＦＳＷツールを鋼材に接触させず、アルミニウム材のみに接触させる摩擦撹拌接合では、鋼材とアルミニウム材とが十分に撹拌されないので、高い接合強度を得ることができない。つまり、ＦＳＷツールをアルミニウム材に接触させて挿入させた場合、アルミニウム材の融点直下まで温度上昇すると、このアルミニウム材が軟化して塑性流動化し、ＦＳＷツールとの摩擦が低下する。このため、これ以上の発熱（摩擦熱）が得られず、鋼材を塑性流動化させ得る温度まで温度上昇させることができないので、アルミニウム材のみが撹拌されることになる。このため、鋼材とアルミニウム材とが十分に撹拌されず、高い接合強度を得ることができないのである。

また、一般的な工具鋼で作製されたＦＳＷツールを、従来の手法で回転させながら鋼材に接触させた場合には、ＦＳＷツールが摩耗したり、摩擦熱により破損する恐れがある。

鋼材と接触させても摩耗や破損が生じにくいＰＣＢＮ（多結晶立方晶窒化ホウ素）などの特殊な材質によるツールを用いることも考えられるが、ツール自体が高価であり、摩擦撹拌接合のコストが上昇してしまう。

本発明の目的は、上述の事情を考慮してなされたものであり、異種金属材料の接合強度、特に剥離強度を向上できる異種金属材料の接合方法及び異種金属材料接合体を提供することにある。

また、本発明の他の目的は、摩擦撹拌接合用の回転ツールの損傷を防止できる異種金属材料の接合方法及び異種金属材料接合体を提供することにある。

本発明に係る異種金属材料の接合方法は、融点が異なる異種金属材料における高融点材料と低融点材料を接合予定位置に位置づけ、前記高融点材料に回転ツールを回転させながら押し当てて挿入し、この回転ツールの挿入位置を前記高融点材料が突き破られない位置に調整し、前記高融点材料を前記回転ツールとの摩擦熱により、前記低融点材料を前記摩擦熱の伝熱により、それぞれ部分的に軟化させて塑性流動化し、これらの高融点材料と低融点材料を前記回転ツールにより部分的に撹拌して摩擦撹拌接合させることを特徴とするものである。

また、本発明に係る異種金属材料接合体は、前述に記載の異種金属材料の接合方法により高融点材料と低融点材料とが接合されて得られたものである。

本発明に係る異種金属材料の接合方法及び異種金属材料接合体によれば、回転ツールを高融点材料側から挿入することにより、この高融点材料を軟化して塑性流動する温度まで発熱させ、この熱が伝熱することで、低融点材料が軟化して塑性流動する。このため、高融点材料及び低融点材料を回転ツールにより部分的に十分に撹拌できるので、これらの両材料を高い接合強度で接合できる。また、回転ツールの挿入位置を高融点材料が突き破られない位置に調整するので、高融点材料と低融点材料との接合面積を良好に確保でき、これら両材料の接合強度、特に剥離強度を向上させることができる。

本発明に係る異種金属材料の接合方法における一実施形態が適用された摩擦撹拌接合方法の実施状況を示す概略側面図。図１の摩擦撹拌接合方法により得られた摩擦撹拌接合体（軟鋼板とアルミニウム展伸板との接合体）の接合部の外観を示す写真。図２の接合部周囲の断面を示し、（Ａ）が断面写真、（Ｂ）が図３（Ａ）を模式的に示す断面図、（Ｃ）が図３（Ａ）のＩＩＩＣ部の拡大断面写真、（Ｄ）が図３（Ａ）のＩＩＩＤ部の拡大断面写真。図１の摩擦撹拌接合方法により得られた摩擦撹拌接合体（軟鋼板とアルミニウム鋳造板との接合体）の接合部周囲の断面を示し、（Ａ）が断面写真、（Ｂ）が図４（Ａ）のＩＶＢ部の拡大写真、（Ｃ）が図４（Ａ）のＩＶＣ部の拡大写真、（Ｄ）が図４（Ａ）のＩＶＤ部の拡大写真。図１の摩擦撹拌接合方法により得られた摩擦撹拌接合体（軟鋼板とアルミニウムダイカスト板との接合体）の接合部周囲の断面を示し、（Ａ）が断面写真、（Ｂ）が図５（Ａ）のＶＢ部の拡大写真、（Ｃ）が図５（Ａ）のＶＣ部の拡大写真、（Ｄ）が図５（Ａ）のＶＤ部の拡大写真。摩擦撹拌接合体の剥離強度と回転ツールの挿入深さとの関係を示すグラフ。摩擦撹拌接合体の剥離強度と回転ツールの直径との関係を示すグラフ。従来の摩擦撹拌接合方法の実施状況を示す概略側面図。図８の摩擦撹拌接合方法により得られた摩擦撹拌接合体の接合部周囲の断面を示し、（Ａ）が断面写真、（Ｂ）が図９（Ａ）を模式的に示す断面図。図２及び図３に示す摩擦撹拌接合体１５と図９に示す摩擦撹拌接合体１００に関し、剥離強度及び十字引張強度を比較して示すグラフ。強度試験を説明する図であり、（Ａ）が十字引張強度試験の説明図、（Ｂ）が剥離強度試験の説明図。

以下、本発明を実施するための最良の形態を、図面に基づき説明する。但し、本発明は、これらの実施の形態に限定されるものではない。

図１は、本発明に係る異種金属材料の接合方法における一実施形態が適用された摩擦撹拌接合方法の実施状況を示す概略側面図である。本実施の形態の摩擦撹拌接合方法は、融点が異なる異種金属材料（高融点材料と低融点材料）を、回転ツール１３を用いて重ね点接合させるものであり、高融点材料としては鉄材、特に融点が約１５００℃の鋼材１１が、低融点材料としては、融点が約５８０〜６５０℃のアルミニウム材（アルミニウム合金を含む）１２が用いられる。ここで、アルミニウム材１２は、Ａ６０６１などの展伸材に限らず、ＡＣ４ＣＨなどの鋳造材や、ＡＤＣ１２などのダイカスト材などであってもよい。

本実施の形態の摩擦撹拌接合方法では、まず鋼材１１とアルミニウム材１２とを重ね合せて接合予定位置に位置づける。このとき、鋼材１１が上側に、アルミニウム材１２が下側にそれぞれ位置づけられる。

次に、回転ツール１３を回転させながら鋼材１１に押し当てて挿入させる。ここで、回転ツール１３は、ＳＫＤ６１などの工具鋼や金型鋼製であり、直径が３ｍｍ〜１０ｍｍの丸棒形状に形成されたものである。また、回転ツール１３の回転数は、７５ｒｐｍ〜７５０ｒｐｍに設定されている。

回転ツール１３を鋼材１１に挿入させるときの挿入位置は、鋼材１１が突き破られない位置に調整される。具体的には、この回転ツール１３の挿入位置は、回転ツール１３の先端１３Ａが鋼材１１とアルミニウム材１２との合せ面１４から鋼材１１側に距離Ｌ（Ｌ＝０．０５ｍｍ〜０．６ｍｍ）の位置にあるように調整される。

上述のように摩擦撹拌点接合を行なうことで、鋼材１１を回転ツール１３との摩擦熱により、またアルミニウム材１２を前記摩擦熱の伝熱により、それぞれ回転ツール１３近傍で部分的に温度上昇させて軟化させ、塑性流動させる。そして、これらの塑性流動化された鋼材１１及びアルミニウム材１２の回転ツール１３近傍部分を、回転ツール１３の回転により撹拌し、鋼材１１とアルミニウム材１２とを摩擦撹拌点接合させる。

この摩擦撹拌点接合により得られる異種金属材料接合体としての摩擦撹拌接合体１５、１８、２１を、図２及び図３、図４並びに図５にそれぞれ示す。

図２及び図３に示す摩擦撹拌接合体１５は、鋼材１１としての板厚１ｍｍの裸軟鋼板（引張強度２７０ＭＰａ）と、アルミニウム材１２としての板厚１ｍｍのＡ６０６１アルミニウム展伸材（引張強度３００ＭＰａ）とを重ね合せて、下記の接合条件下で、鋼材１１（裸軟鋼板）とアルミニウム材１２（アルミニウム展伸板）とを摩擦撹拌点接合して得られたものである。上記接合条件は、ＳＫＤ６１製で直径６ｍｍの丸棒形状の回転ツール１３を用い、この回転ツール１３の回転数を５００ｒｐｍとし、回転ツール１３の挿入速度を２０ｍｍ／分とし、回転ツール１３の先端１３Ａが鋼材１１とアルミニウム材１２との合せ面１４から鋼材１１側に０．３ｍｍとなる位置まで回転ツール１３を鋼材１１に挿入し、回転ツール１３の挿入完了からこの回転ツール１３を引き抜くまでの保持時間を１秒としている。

この摩擦撹拌接合体１５では、回転ツール１３による鋼材１１（裸軟鋼板）側の撹拌部１６Ａと、アルミニウム材１２（アルミニウム展伸板）側の撹拌部１６Ｂとが接合されて接合部１７が形成される。このうち、図３（Ｃ）及び（Ｄ）に示すように、アルミニウム材１２側の撹拌部１６Ｂでは、組織が微細化されて強度が高められていることが分かる。

また、図４に示す摩擦撹拌接合体１８は、鋼材１１としての板厚１ｍｍの裸軟鋼板と、アルミニウム材１２としての板厚２ｍｍのＡＣ４ＣＨアルミニウム鋳造材とを重ね合せて、下記の接合条件下で、鋼材１１（裸軟鋼板）とアルミニウム材１２（アルミニウム部鋳造板）とを摩擦撹拌点接合して得られたものである。また、図５に示す摩擦撹拌接合体２１は、鋼材１１としての板厚１ｍｍの裸軟鋼板と、アルミニウム材１２としての板厚６ｍｍのＡＤＣ１２アルミニウムダイカスト板とを重ね合せ、下記の接合条件下で、鋼材１１（裸軟鋼板）とアルミニウム材１２（アルミニウムダイカスト板）とを摩擦撹拌点接合して得られたものである。

摩擦撹拌接合体１８及び摩擦撹拌接合体２１を得るための摩擦攪拌点接合時の前記接合条件は、ＳＫＤ６１製で直径６ｍｍの丸棒形状の回転ツール１３を用い、この回転ツール１３の回転数を５００ｒｐｍとし、回転ツール１３の挿入速度を２０ｍｍ／分とし、回転ツール１３の先端１３Ａが鋼材１１とアルミニウム材１２との合せ面１４から鋼材１１側に０．４ｍｍの位置になるように回転ツール１３を鋼材１１に挿入し、回転ツール１３の挿入完了からこの回転ツール１３を引き抜くまでの保持時間を１秒としたものである。

図４に示す摩擦撹拌接合体１８の場合も、回転ツール１３による鋼材１１（裸軟鋼板）側の撹拌部１９Ａとアルミニウム材１２（アルミニウム鋳造板）側の撹拌部１９Ｂとが接合されて接合部２０が形成される。このうち、特にアルミニウム材１２側の撹拌部１９Ｂでは、図４（Ｄ）に示すように、アルミニウム材１２の表面（図４（Ｂ）に表示）及びアルミニウム材１２の内部（図４（Ｃ）に表示）に比べて組織が微細化され、強度が高められていることが分かる。尚、図４（Ｂ）、（Ｃ）及び（Ｄ）におけるアルミニウム材１２内の黒色部分はシリコンを示す。

図５に示す摩擦撹拌接合体２１の場合も、回転ツール１３による鋼材１１（裸軟鋼板）側の撹拌部２２Ａと、アルミニウム材１２（アルミニウムダイカスト板）側の撹拌部２２Ｂとが接合されて接合部２３が形成される。このうち、特にアルミニウム材１２側の撹拌部２２Ｂでは、図５（Ｄ）に示すように、アルミニウム材１２の内部（図５（Ｂ）に表示）及びアルミニウム材１２の表面（図５（Ｃ）に表示）に比べて組織が微細化されて、強度が高められていることが分かる。

図１に示す前述の摩擦撹拌点接合において、回転ツール１３の挿入位置を、回転ツール１３の先端１３Ａが鋼材１１とアルミニウム材１２との合せ面１４から鋼材１１側に距離Ｌ（Ｌ＝０．０５ｍｍ〜０．６ｍｍ）の位置にあるように調整する理由は、回転ツール１３との摩擦熱により軟化した鋼材１１と、摩擦熱が伝熱されることで軟化したアルミニウム材１２とが、回転ツール１３により十分撹拌されて、高強度な接合が可能になるからである。つまり、前記距離Ｌが０．０５ｍｍ未満では、鋼材１１とアルミニウム材１２との接合中に鋼材１１が回転ツール１３に突き破られてしまい、接合部１７の接合面積が減少して剥離強度が著しく低下する。また、前記距離Ｌが０．６ｍｍを超えた場合には、摩擦熱がアルミニウム材１２へ十分に伝熱されず、回転ツール１３によるアルミニウム材１２の撹拌量が小さくなって、接合強度が低下してしまう。

例えば、鋼材１１としての板厚１ｍｍの裸軟鋼板と、アルミニウム材１２としての板厚１ｍｍのＡ６０６１アルミニウム展伸板とを重ね合せ、回転ツール１３の先端１３Ａと、鋼材１１とアルミニウム材１２の合せ面１４との距離Ｌを変化させて、鋼材１１とアルミニウム材１２とを摩擦撹拌点接合した。このときの接合条件は、ＳＫＤ６１製で直径６ｍｍの丸棒形状の回転ツール１３を用い、この回転ツール１３の回転数を５００ｒｐｍとし、回転ツール１３の挿入速度を２０ｍｍ／分とし、回転ツール１３の挿入完了からこの回転ツール１３を引き抜くまでの保持時間を１秒としている。得られた各摩擦撹拌接合体１５について、図１１（Ａ）に示す剥離強度試験を実施し、その結果を表１及び図６に示す。ここで、剥離強度試験片はＪＩＳＺ３１４４に準じたものとした。

表１及び図６に示すように、回転ツール１３の先端１３Ａを鋼材１１とアルミニウム材１２との合せ面１４よりも鋼材１１側に０ｍｍ、０．７ｍｍの各位置となるように回転ツール１３を鋼材１１に挿入した摩擦撹拌接合体１５では、剥離強度はそれぞれ０．１２ｋＮ、０．２０ｋＮと低い値であった。これに対し、回転ツール１３の先端１３Ａを、鋼材１１とアルミニウム材１２との接合面１４よりも鋼材１１側に０．０５ｍｍ〜０．６ｍｍの各位置になるように回転ツール１３を鋼材１１に挿入した摩擦撹拌接合体１５では、剥離強度が０．２５ｋＮ以上の高い値を示し、鋼材１１とアルミニウム材１２とが高い接合強度で接合されていることが分かる。

また、図１に示す摩擦撹拌点接合において、回転ツール１３を直径３ｍｍ〜１０ｍｍの丸棒形状とした理由は、回転ツール１３と鋼材１１との接触による過剰な発熱（摩擦熱）を抑制して回転ツール１３の摩耗や破損を防止し、且つ鋼材１１とアルミニウム材１２との接合強度を確保するためである。つまり、回転ツール１３の直径が１０ｍｍを超えた場合には、鋼材１１と回転ツール１３との接触による発熱が過大になって回転ツール１３が摩耗または破損する。また、回転ツール１３の直径が２ｍｍ以下では、鋼材１１とアルミニウム材１２との接合部１７の接合面積が小さくなり、強度が実用上低くなるため、回転ツール１３の直径を３ｍｍ以上としているのである。

例えば、鋼材１１としての板厚１ｍｍの裸軟鋼板と、アルミニウム材１２としての板厚１ｍｍのＡ６０６１アルミニウム展伸板とを重ね合せ、回転ツール１３の直径を変化させて、鋼材１１とアルミニウム材１２とを摩擦撹拌点接合した。このときの接合条件は、ＳＫＤ６１製で丸棒形状の回転ツール１３を用い、この回転ツール１３の回転数を５００ｒｐｍとし、回転ツール１３の挿入速度を２０ｍｍ／分とし、回転ツール１３の先端１３Ａが鋼材１１とアルミニウム材１２との合せ面１４から鋼材１１側に０．３ｍｍとなる位置まで回転ツール１３を鋼材１１に挿入し、回転ツール１３の挿入完了からこの回転ツール１３を引き抜くまでの保持時間を１秒としている。得られた各摩擦撹拌接合体１５について、図１１（Ａ）に示す剥離強度試験を行った結果を図７に示し、各摩擦撹拌点接合終了後における回転ツール１３の状態を表２に示す。この場合にも、剥離強度試験片はＪＩＳＺ３１４４に準じたものである。

表２に示すように、回転ツール１３の直径が１１ｍｍ以上の場合には、回転ツール１３と鋼材１１との発熱（摩擦熱）が過大になり、回転ツール１３に摩耗損傷が見られる。また、図７に示すように、回転ツール１３の直径が２ｍｍ以下の場合には、鋼材１１とアルミニウム材１２との接合部１７の接合面積が小さくなってしまい、接合強度（剥離強度）が低下していることが分かる。直径が３ｍｍ以上の回転ツール１３を用いることが、接合強度の観点から望ましいことが分かる。

更に、図１に示す摩擦撹拌点接合において、接合時における回転ツール１３の回転数を７５ｒｐｍ〜７５０ｒｐｍとした理由は、回転ツール１３と鋼材１１との接触による過大な発熱（摩擦熱）を抑制して、回転ツール１３の摩耗及び破損を抑制し、且つ鋼材１１とアルミニウム材１２との接合強度を確保するためである。つまり、回転ツール１３の回転数が７５０ｒｐｍを超えてしまう場合には、鋼材１１との接触による回転数ツール１３の発熱が過大になり、回転ツール１３に摩耗または破損が生じる。また、回転ツール１３の回転数が７５ｒｐｍ未満の場合には、回転ツール１３と鋼材１１との接触による発熱が過小になって、鋼材１１とアルミニウム材１２との接合強度が低下してしまうからである。

例えば、鋼材１１としての板厚１ｍｍの裸軟鋼板と、アルミニウム材１２としての板厚１ｍｍのＡ６０６１アルミニウム展伸板とを重ね合せ、接合時の回転ツール１３の回転数を変化させて、鋼材１１とアルミニウム材１２とを摩擦撹拌点接合した。このときの接合条件は、ＳＫＤ６１製で直径６ｍｍの丸棒形状の回転ツール１３を用い、この回転ツール１３の挿入速度を２０ｍｍ／分とし、回転ツール１３の先端１３Ａが鋼材１１とアルミニウム材１２との合せ面１４から鋼材１１側に０．３ｍｍとなる位置まで回転ツール１３を鋼材１１に挿入し、回転ツール１３の挿入完了からこの回転ツール１３を引き抜くまでの保持時間を１秒としている。回転ツール１３の回転数の変化により得られた各摩擦撹拌接合体１５について、接合状態を観察した結果を表３に示す。

表３に示すように、回転ツール１３の回転数が５０ｒｐｍでは、鋼材１１と回転ツール１３との接触による発熱（摩擦熱）が過小であって、鋼材１１とアルミニウム材１２との接合が不十分であった。これに対し、回転ツール１３の回転数が７５ｒｐｍ〜７５０ｒｐｍの場合には、鋼材１１とアルミニウム材１２との接合が良好であった。また、回転ツール１３の回転数が８００ｒｐｍ以上では、鋼材１１とアルミニウム材１２との接合が良好であったが、鋼材１１と回転ツール１３との接触による発熱が過大になって、回転ツール１３に摩耗が見られた。

次に、図２及び図３に示す摩擦撹拌接合体１５と、従来の摩擦撹拌接合方法（特許文献１）により得られる摩擦撹拌接合体１００（図９）とにおいて、剥離強度及び十字引張強度を比較する。

上述の従来の摩擦撹拌接合方法は、図８示すように、鋼材１０１としての板厚１ｍｍのＺｎメッキ鋼板１０１と、アルミニウム材１０２としての板厚４ｍｍのＡ６０６１アルミニウム展伸板とを重ね合せ、下記の接合条件下で、摩擦撹拌接合ツール（ＦＳＷツール）１０３をアルミニウム材１０２側から挿入し、摩擦撹拌点接合により接合したものである。尚、符号１０６は、Ｚｎ（亜鉛）メッキ層を示す。

上記接合条件は、ショルダ径Ｓが１２ｍｍで、プローブ径Ｐが５ｍｍ、プローブ長さＭが３．５ｍｍの摩擦撹拌接合ツール１０３を用い、この摩擦撹拌接合ツール１０３をアルミニウム材１０２側から挿入し、摩擦撹拌接合ツール１０３の回転数を１５００ｒｐｍとし、摩擦撹拌接合ツール１０３の挿入速度を２０ｍｍ／分とし、摩擦撹拌接合ツール１０３の挿入量を３．７ｍｍ（即ち摩擦撹拌接合ツール１０３の先端１０３Ａが鋼材１０１とアルミニウム材１０２との合せ面１０４からアルミニウム材１０２側に０．３ｍｍとなる位置）とし、摩擦撹拌接合ツール１０３の挿入完了からこの摩擦撹拌接合ツール１０３を引き抜くまでの保持時間を２秒としている。

上述の従来の摩擦撹拌点接合（図８）により得られた摩擦撹拌接合体１００（図９）では、符号１０５が接合部を示す。この摩擦撹拌接合体１００と、図２及び図３に示す摩擦撹拌接合体１５とのそれぞれについて、図１１に示す剥離強度試験及び十字引張強度試験を行った。このとき、剥離強度試験片はＪＩＳＺ３１４４に、十字引張強度試験片はＪＩＳＺ３１３７にそれぞれ準じたものを用いた。これらの強度試験結果を表４と図１０にそれぞれ示す。

本実施の形態の摩擦撹拌点接合により得られた摩擦撹拌接合体１５は、従来の摩擦撹拌点接合により得られた摩擦撹拌接合体１００に比べて、剥離強度が約３倍、十字引張強度が約１．５倍に向上している。

以上のように構成されたことから、本実施の形態によれば、次の効果（１）〜（５）を奏する。

（１）回転ツール１３を鋼材１１側から挿入することにより、この鋼材１１を軟化して塑性流動する温度まで発熱させ、この熱が伝熱することでアルミニウム材１２が軟化して塑性流動する。このため、これらの塑性流動化された鋼材１１及びアルミニウム材１２を回転ツール１３により、この回転ツール１３近傍において部分的に十分に撹拌できるので、これらの鋼材１１及びアルミニウム材１２を高い接合強度で接合できる。

（２）回転ツール１３の挿入位置を鋼材１１が突き破られない位置、つまり回転ツール１３の先端１３Ａを鋼材１１とアルミニウム材１２との合せ面１４から鋼材１１側に０．０５ｍｍ以上の位置に調整するので、鋼材１１とアルミニウム材１２との接合部１７の接合面積を良好に確保できる。この結果、これらの鋼材１１とアルミニウム材１２との接合強度、特に剥離強度を向上させることができる。

（３）回転ツール１３の挿入位置を、回転ツール１３の先端１３Ａが鋼材１１とアルミニウム材１２との合せ面１４から鋼材１１側に距離Ｌ（Ｌ＝０．０５ｍｍ〜０．６ｍｍ）の位置にあるように調整するので、鋼材１１とアルミニウム材１２とを共に、摩擦熱により軟化させ、回転ツール１３により十分撹拌させることができる。この結果、鋼材１１とアルミニウム材１２との接合強度を向上させることができる。

（４）回転ツール１３が直径３ｍｍ〜１０ｍｍの丸棒形状に形成されたので、特に回転ツール１３と鋼材１１の摩擦による発熱を抑制して、回転ツール１３の摩耗及び破損を防止できる。

（５）接合時における回転ツール１３の回転数が７５ｒｐｍ〜７５０ｒｐｍに設定されたので、特に回転ツール１３と鋼材１１との摩擦による発熱を抑制して、回転ツール１３の摩耗及び破損を防止できる。

以上、本発明を上記実施の形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、回転ツール１３として、図８に示すようなショルダ部を有する摩擦撹拌接合ツール（ＦＳＷツール）を用いてもよい。ただし、この場合には、ショルダ部が鋼材１１に接触すると発熱により早期に摩耗してしまうため、このショルダ部を鋼材１１に接触させないことが望ましい。

１１鋼材（高融点材料）
１２アルミニウム材（低融点材料）
１３回転ツール
１３Ａ先端
１４合せ面
１５摩擦撹拌接合体（異種金属材料接合体）
１６Ａ、１６Ｂ撹拌部
１７接合部
１８摩擦撹拌接合体（異種金属材料接合体）
１９Ａ、１９Ｂ撹拌部
２０接合部
２１摩擦撹拌接合体（異種金属材料接合体）
２２Ａ、２２Ｂ撹拌部
２３接合部

Claims

融点が異なる異種金属材料における高融点材料と低融点材料を接合予定位置に位置づけ、
前記高融点材料に回転ツールを回転させながら押し当てて挿入し、この回転ツールの挿入位置を前記高融点材料が突き破られない位置に調整し、
前記高融点材料を前記回転ツールとの摩擦熱により、前記低融点材料を前記摩擦熱の伝熱により、それぞれ部分的に軟化させて塑性流動化し、これらの高融点材料と低融点材料を前記回転ツールにより部分的に撹拌して摩擦撹拌接合させることを特徴とする異種金属材料の接合方法。
前記回転ツールの挿入位置は、前記回転ツールの先端が高融点材料と低融点材料との合せ面から前記高融点材料側に０．０５ｍｍ〜０．６ｍｍの位置にあるように調整することを特徴とする請求項１に記載の異種金属材料の接合方法。
前記回転ツールは、鋼製で丸棒形状に形成されており、直径が３ｍｍ〜１０ｍｍに設定されたことを特徴とする請求項１に記載の異種金属材料の接合方法。
前記回転ツールの回転数は、７５ｒｐｍ〜７５０ｒｐｍに設定されたことを特徴とする請求項１に記載の異種金属材料の接合方法。
前記高融点材料が鉄材であり、低融点材料がアルミニウム材であることを特徴とする請求項１に記載の異種金属材料の接合方法。
請求項１〜５のいずれか１項に記載の異種金属材料の接合方法により高融点材料と低融点材料とが接合されて得られた異種金属材料接合体。