JP2013049092A

JP2013049092A - 金属材の接合方法

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Publication number: JP2013049092A
Application number: JP2012244635A
Authority: JP
Inventors: Hidetoshi Fujii; 英俊藤井; Shunichi Iwaki; 俊一岩木; Takeshi Ishikawa; 武石川
Original assignee: Osaka University NUC; Japan Transport Engineering Co
Current assignee: Osaka University NUC; Japan Transport Engineering Co
Priority date: 2012-11-06
Filing date: 2012-11-06
Publication date: 2013-03-14
Anticipated expiration: 2026-12-26
Also published as: JP5540256B2

Abstract

【課題】高硬度及び高融点を有する被接合材を接合する場合であっても、より良好に摩擦攪拌接合を行うことができる金属材の接合方法を提供する。
【解決手段】板状の金属材１，２の端部同士を接合部３において突き合わせ、接合部３の裏面側を板状の裏当材４で覆い、接合部３の表面側から回転ツール５のプローブ６を挿入して金属材１，２同士を接合する。裏当材４はＳｉ_３Ｎ_４からなり、金属材１，２はＦｅを含む厚さ１３ｍｍ以下の板材である。熱伝導率が低いＳｉ_３Ｎ_４の裏当材４を適用するため、回転ツール５からの熱が接合部３から拡散しにくく、接合部３の表面側から裏面側まで熱の分布が均一になり、より安定した接合が得られ、接合強度が向上する。接合時の温度における強度に優れるＳｉ_３Ｎ_４の裏当材４を適用するため、裏当材４の強度不足を招くことがない。
【選択図】図１

Description

本発明は金属材の接合方法に関し、接合部を裏当材で覆って摩擦攪拌接合を行う金属材の接合方法に関する。

従来の金属材の接合方法においては、摩擦攪拌接合（ＦＳＷ＝Friction Stir Welding）により金属材を接合する技術が知られている。摩擦攪拌接合では、接合しようとする金属材を接合部において対向させ、回転ツールの先端に設けられたプローブを接合部に挿入し、接合部の長手方向に沿って回転ツールを回転させつつ移動させて、摩擦熱により金属材を塑性流動させることによって２つの金属材を接合する。摩擦攪拌接合は原則として良好な接合強度を得ることができるが、接合部のプローブを挿入した側（表面側）と反対側（裏面側）の部分は、入熱が不足して接合不良となり接合強度が不足するおそれがある。そこで、特許文献１では、熱伝導率が低いセラミックス等からなる熱遮蔽部材（裏当材）を接合部の裏面側に配置して摩擦攪拌接合を行う技術が記載されている。また、特許文献２では、接合部の裏面側に金属及び窒化物を含むアンビルを配置し、摩擦攪拌接合を行う技術が記載されている。

特開２００１−１２１２７４号公報特表２００４−５２８９９０号公報

しかしながら、上記の技術のように接合部の裏面側に裏当材を配置しても、接合部の接合強度が不足する場合がある。また、接合部の裏面側には、接合部に挿入した回転ツールから被接合材を介して大きな荷重が加わるため、裏当材の強度が不足する場合もある。特に、被接合材がステンレス鋼等の高硬度及び高融点を有する材料の場合、接合部の裏面側において接合強度が不足しやすく、大きな荷重が加わるため、裏当材の強度も不足しやすい。

本発明は、斯かる実情に鑑み、高硬度及び高融点を有する被接合材を接合する場合であっても、より良好に摩擦攪拌接合を行うことができる金属材の接合方法を提供しようとするものである。

本発明は、２つ金属材を接合部において対向させ、熱伝導率が１５Ｗ／ｍＫ以下であり且つ９００℃における曲げ強度が５００ＭＰａ以上である裏当材で接合部の一方の側を覆い、接合部の他方の側から棒状の回転ツールを挿入し、回転ツールを回転させて、２つの金属材を接合する金属材の接合方法である。

この構成によれば、熱伝導率が１５Ｗ／ｍＫ以下と熱伝導率が低い裏当材によって接合部を覆うため、接合部の裏面側からの熱の拡散を一層防止することができ、接合部全体に均一に熱を与え、接合部の表面側から裏面側までの全域において良好な接合を得ることができる。また、裏当材は９００℃における曲げ強度が５００ＭＰａ以上であるため、摩擦攪拌接合時に回転ツールから被接合材を介して大きな荷重が加わる場合であっても十分な強度を有する。このため、上記構成によれば、高硬度及び高融点を有する被接合材であっても、より良好に摩擦攪拌接合を行うことができる。

なお、本発明の金属材の接合方法においては、（１）板状の金属材の端部同士を突き合わせて接合部とし、回転ツールをその接合部の長手方向に沿って回転させつつ移動させて金属材同士を接合する摩擦攪拌接合、（２）板状の金属材の端部同士を突き合わせて接合部とし、回転ツールをその接合部で移動させずに回転させて接合するスポット摩擦攪拌接合（スポットＦＳＷ）、（３）金属材同士を接合部において重ね合わせ、接合部に回転ツールを挿入し、回転ツールをその箇所で移動させずに回転させて金属材同士を接合するスポット摩擦攪拌接合、（４）金属材同士を接合部において重ね合わせ、接合部に回転ツールを挿入し、回転ツールをその接合部の長手方向に沿って回転させつつ移動させて金属材同士を接合する摩擦攪拌接合の（１）〜（４）の４つの態様およびこれらの組み合わせを含む。

この場合、裏当材は、９００℃における曲げ強度が５００ＭＰａ以上である基材に熱伝導率が１５Ｗ／ｍＫ以下である被覆材が被覆されてなるものとすることができる。

あるいは、裏当材はＳｉ_３Ｎ_４を含む物とすることが好適である。

このように裏当材がＳｉ_３Ｎ_４を含む物とした場合、Ｓｉ_３Ｎ_４は熱伝導率が１３Ｗ／ｍＫ程度と低く、かつ１０００℃での曲げ強度にも８００ＭＰａ以上であるため、高硬度及び高融点を有する被接合材を接合する場合であっても、より良好に摩擦攪拌接合を行うことができる。

この場合、金属材は融点が１０００℃以上であることが好適である。

本発明では、裏当材の熱伝導率が低く、裏当材の強度が高いため、融点が１０００℃以上であって、接合温度が高い金属材を接合する場合に特により効力を発揮する。

この場合、金属材はＦｅを含むことが好適である。

本発明では、裏当材の熱伝導率が低く曲げ強度が高いため、Ｆｅのように融点が高く且つ摩擦攪拌接合時に回転ツールから大きな荷重を加える必要がある被接合物を接合する場合に特に効力を発揮する。

この場合、金属材は、厚さ１３ｍｍ以下の板状材であることが好適である。

薄い板状材を摩擦攪拌接合する場合、回転ツールから与えられた熱が接合部から逃げやすいため、接合部の裏面側の接合強度が低下しやすい。しかし、本発明では、接合部の表面側から裏面側までより均一に熱が与えられるため、厚さ１３ｍｍ以下の薄い板状材を接合する場合でも、接合部の裏面側の接合強度が低下しにくい。

本発明の金属材の接合方法によれば、高硬度及び高融点を有する被接合材を接合する場合であっても、一層良好に摩擦攪拌接合を行うことができる。

本発明に係る金属材の接合方法の一実施形態を示す斜視図である。本発明に係る金属材の接合方法の別の実施形態を示す斜視図である。本実施形態の方法でＳＵＳ３０４材を接合した場合の接合結果を示すグラフ図である。本実施形態の方法でＳＵＳ３０１Ｌ−ＤＬＴ材を接合した場合の接合結果を示すグラフ図である。ステンレス鋼の裏当材を用いてＳＵＳ３０４材を接合した場合の接合結果を示すグラフ図である。ステンレス鋼の裏当材を用いてＳＵＳ３０１Ｌ−ＤＬＴ材を接合した場合の接合結果を示すグラフ図である。実験例１において接合部３の裏面の温度を測定したグラフ図である。実験例１において回転ツールが磨耗する度合を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して説明する。

図１は、本発明に係る金属材の接合方法の一実施形態を示す斜視図である。本実施形態では、図１に示すように、板状の金属材１，２の端部同士を接合部３において突き合わせ、接合部３の裏面側を板状の裏当材４で覆い、接合部３の表面側から回転ツール５のプローブ６を挿入して金属材１，２同士を接合する。

本実施形態において、金属材１，２としては、Ａｌ等を含む軽合金系材料を適用することができるが、本実施形態では接合部の表面側から裏面側まで、より均一に熱を与えることが可能になるため、１０００℃以上の融点を有する高融点材料や、Ｆｅ等を含む鉄鋼系材料を適用することが好適である。具体的には、例えば、炭素鋼、合金鋼、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３０１Ｌ、ＳＵＳ３１６Ｌ等のオーステナイト系ステンレス鋼、ＳＵＳ４３０等のフェライト系ステンレス鋼あるいは２相ステンレス鋼を適用することができる。あるいは、金属材１，２として、同種の材料ではなく、異種材料を適用することもできる。具体的には、例えば、ＳＳ４００とＳ４５Ｃとの接合等の炭素鋼同士の接合、ＳＳ４００とＳＵＳ３０４との接合等の炭素鋼とステンレス鋼との接合、Ａ５０８３とＡＺ４１との接合等の軽合金同士の接合、板厚が厚いＡ５０８３等の非熱処理材料であるアルミニウム合金同士の接合、及びＡ５０８３とＡ６Ｎ０１との接合等の非熱処理材料と熱処理材料との接合を本実施形態の接合方法では行うことができる。

また、本実施形態においては、接合部の表面側から裏面側まで均一に熱を与えることが可能であり、熱が逃げ易い薄い板状材を接合する場合であっても接合部の表面側と裏面側との間で温度勾配が生じにくいため、金属材１，２には、厚さ１３ｍｍ以下の板状材を適用することが好適である。金属材１，２がアルミニウム合金の６Ｎ０１や７Ｎ０１等の押出形材の場合には、厚さ１３．０ｍｍ以下の板状材を適用することが好適である。また、金属材１，２がステンレス鋼である場合には、厚さ４．５ｍｍ以下の板状材を適用することが好適であり、より好適には厚さ１．５ｍｍ以下の板状材を適用することがより好適である。

裏当材４としては、熱伝導率が１５Ｗ／ｍＫ以下であり且つ９００℃（より好ましくは１０００℃）における曲げ強度が５００ＭＰａ以上、特に好ましくは８００ＭＰａ以上である物質からなる物を適用することができ、本実施形態ではＳｉ_３Ｎ_４からなる裏当材４を適用する。裏当材４としては、熱伝導率が１５Ｗ／ｍＫ以下であり且つ９００℃（より好ましくは１０００℃）における曲げ強度が５００ＭＰａ以上、特に好ましくは８００ＭＰａ以上である物質であれば適用することができ、例えば、ジルコニア、炭化珪素、ハフニア（ＨｆＯ_２）等を適用することもできる。なお、裏当材４は、９００℃における曲げ強度が５００ＭＰａ以上である基材に、熱伝導率が１５Ｗ／ｍＫ以下である被覆材が被覆されてなるものとすることができ、例えば、炭素鋼の基材の上にハフニア、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｓｉ_３Ｎ_４、ジルコニア等の被覆材をコーティングしたものを適用することができる。

回転ツール５は、図１に示すように略円筒状をなし、先端に本体より小径の略円柱状のプローブ６を備えている。なお、プローブは必ず必要なものではなく、場合によってはプローブを有しない略円筒状の回転ツールを用いても良い。回転ツール５の材質は、例えば、ＪＩＳに規格されているＳＫＤ６１鋼等の工具鋼や、タングステンカーバイト（ＷＣ）、コバルト（Ｃｏ）からなる超硬合金、またはＳｉ_３Ｎ_４等のセラミックス、またはＷ、Ｍｏ等の高融点金属からなるものとすることができる。裏当材４と、接合部３に挿入される回転ツール５のプローブ６の先端との距離は、未接合部を生じないために可能な限り短いことが好ましく、０．３〜０．０５ｍｍとすることが好ましく、０．０１ｍｍ未満とすることがより好ましく、理想的には０ｍｍとする。

図１に示すように、本実施形態では、接合部３に回転ツール５のプローブ６を挿入し、回転ツール５を回転させつつ接合部３の長手方向に沿って移動させることによって、金属材１，２を接合することができる。本実施形態においては、熱伝導率が低いＳｉ_３Ｎ_４からなる裏当材４を適用するため、高融点を有するステンレス鋼を接合する場合であっても、回転ツール５からの熱が接合部３から拡散しにくく、接合部３の表面側から裏面側まで熱の分布が均一になり、均一な攪拌が得られるため、より安定した接合が得られ、接合強度が向上する。

また、本実施形態においては、接合時の温度における強度に優れるＳｉ_３Ｎ_４からなる裏当材４を適用するため、高硬度を有するために接合時に回転ツール５から裏当材４に１０００ｋｇ以上の荷重がかかるステンレス鋼を接合する場合であっても、裏当材４の強度不足を招くことなく、接合を行うことができる。

また、本実施形態においては、裏当材４の働きにより接合部４により効率良く熱を与えることができるため、接合速度を従来の方法より速くしても十分な入熱量を与えることができ、結果として接合速度を向上させることができる。

また、本実施形態においては、裏当材４の働きにより接合部の温度が一層高温になり、接合部３の表面側から裏面側まで熱の分布が均一になるため、接合部３における温度勾配が少なくなり、回転ツール５への負担が少なくなるため、回転ツール５の寿命を向上させることができる。

また、本実施形態では、金属材１，２が厚さ１３ｍｍ以下の板状材であっても、裏当材４の働きによって、接合部の表面側から裏面側までより均一に熱が与えられるため、熱が拡散しやすい厚さ１３ｍｍ以下の薄い板状材を接合する場合でも、接合部の裏面側の接合強度が低下しにくい。また、本実施形態では、厚さ１３ｍｍ以下の薄い板状材を接合する場合でも、接合部３における温度勾配が少なくなるため、回転ツール５の寿命を向上させることができる。

さらに本実施形態では、ステンレス鋼のように摩擦攪拌接合を行うと接合部の歪や金属間化合物のために腐食が生じやすい金属材を接合する場合であっても、裏当材４の働きにより接合部３の攪拌の度合いが大きくなり、接合部３の歪が低減されるため、接合部３の腐食を防止することができる。

加えて本実施形態では、裏当材４の働きにより金属材１，２が軟化しやすくなり金属材１，２の塑性流動が促進されるため、金属材１，２が異種材料であっても欠陥が少ない良好な異材継手を得ることができる。

図２は、本発明の別の実施形態に係る金属材の接合方法を示す図である。図２に示すように、本実施形態では、金属材１，２同士を接合部３において重ね合わせ、一方の金属材１を通して接合部３に回転ツール５を挿入し、回転ツール５を回転させて金属材１，２同士を接合する。同様にして、他の箇所にも順次回転ツール１８を挿入して回転させることにより、広い接合部３においても摩擦攪拌接合を行うことができる。

尚、本発明の金属材の接合方法は、上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

次に、本発明者が本発明の金属材の接合方法により、実際に金属材を接合した実験結果を説明する。

実験例１
厚さ１．５ｍｍのＳＵＳ３０４板材とＳＵＳ３０１Ｌ−ＤＬＴ板材とを用意した。用意したＳＵＳ３０４板材とＳＵＳ３０１Ｌ−ＤＬＴ板材とを、図１に示す方法で接合して試験片を作成した。裏当材４にはＳｉ_３Ｎ_４からなる板材を用い、回転ツール５としてもＳｉ_３Ｎ_４からなる回転ツールを用いた。回転ツール５の回転速度は６００ｒｐｍとし、接合速度を変化させて試験片を作成した。各々の接合速度について３本の試験片を作成し、それぞれについて引張強さ試験を行った。また、比較のため、裏当材４としてステンレス鋼からなる板材を適用して、同様に試験片を作成し、引張強さ試験を行った。

図３及び４は、それぞれ上記の方法でＳＵＳ３０４材とＳＵＳ３０１Ｌ−ＤＬＴ材とを接合した場合の接合結果を示すグラフ図である。なお、図３及び４における回転ピッチとは、接合速度（ｍｍ／ｍｉｎ）／回転速度（ｒｐｍ）を意味する。図３及び４より、裏当材４にＳｉ_３Ｎ_４からなる板材を用いた場合、いずれの接合速度であっても高い引張強さが得られることが判る。また、図３及び４より、裏当材４にＳｉ_３Ｎ_４からなる板材を用いた場合、ほとんどの接合速度において、３本の試験片についてほぼ同程度の安定した引張強さが得られ、値も高いことが判る。

図５及び６は、ステンレス鋼の裏当材を用いてＳＵＳ３０４材とＳＵＳ３０１Ｌ−ＤＬＴ材とを接合した場合の接合結果を示すグラフ図である。図５及び６より、裏当材４にステンレス鋼からなる板材を用いた場合、いずれの接合速度であっても、裏当材にＳｉ_３Ｎ_４からなる板材を用いた場合に比べて引張強さが劣り、３本の試験片における引張強さのばらつきが大きいことが判る。また、ステンレス鋼の裏当材を用いた場合、ＳＵＳ３０４材では接合速度６００ｍｍ／ｍｉｎで、ＳＵＳ３０１Ｌ−ＤＬＴ材では接合速度５４０ｍｍ／ｍｉｎで接合部にそれぞれ欠陥が生じ、試験片を作成することが不可能であった。

裏当材４の効果を確認するため、接合部３に熱電対を下から挟んで挿入し、金属材１，２の裏面側の温度を測定した。図７は、実験例１において接合部３の裏面の温度を測定したグラフ図である。図７は横軸に時間、縦軸に温度をとり、回転ツールが熱電対を配置した部分を追加するとともに、測定される温度が上昇してから下降する様子を示す。図７に示すように、Ｓｉ_３Ｎ_４の裏当材４を用いた場合とステンレス鋼の裏当材を用いた場合では、接合速度が６０ｍｍ／ｍｉｎおよび４２０ｍｍ／ｍｉｎのいずれの接合速度であっても、Ｓｉ_３Ｎ_４の裏当材４を用いた場合の方が、高温に保たれることが判る。

また、上述した裏当材４にＳｉ_３Ｎ_４からなる板材を用いた場合とステンレス鋼の板材を用いた場合とにおいて、１本の回転ツール５を用いてＳＵＳ３０４材を各々９回ずつ接合を行い、回転ツールの磨耗の度合を測定した。各々の場合において、回転ツール５の回転速度は６００ｒｐｍとし、接合速度は４２０ｍｍ／ｍｉｎとした。また各々の場合において、回転ツールの本体（ショルダー）の直径は１５ｍｍであり、プローブ６の直径は５ｍｍのものを用いた。図８に示すように、裏当材４にステンレス鋼の板材を用いた場合は、９回の接合後、プローブ径は５．００ｍｍから４．８０ｍｍまで磨耗した。一方、裏当材４にＳｉ_３Ｎ_４からなる板材を用いた場合は、９回の接合後もプローブ５の磨耗はプローブ径が４．９５ｍｍとわずかに減少しただけだった。

さらに、上述したＳｉ_３Ｎ_４からなる裏当材を用いた場合とステンレス鋼の裏当材を用いた場合とにおいて、それぞれの場合において接合された試験片に１０００時間の塩水噴霧試験を実施した結果、ステンレス鋼の裏当材による試験片に生じた錆の量に比べ、Ｓｉ_３Ｎ_４の裏当材による試験片に生じた錆の量は少なくとも１／１０以下に激減していた。

１，２…ステンレス材、３…接合部、４…裏当材、５…回転ツール、６…プローブ。

Claims

２つの金属材を接合部において対向させ、熱伝導率が１５Ｗ／ｍＫ以下であり且つ９００℃における曲げ強度が５００ＭＰａ以上である裏当材で前記接合部の一方の側を覆い、前記接合部の他方の側から棒状の回転ツールを挿入し、前記回転ツールを回転させて、２つの前記金属材を接合する金属材の接合方法。
前記裏当材は、９００℃における曲げ強度が５００ＭＰａ以上である基材に熱伝導率が１５Ｗ／ｍＫ以下である被覆材が被覆されてなる、請求項１に記載の金属材の接合方法。
前記裏当材はＳｉ_３Ｎ_４を含む、請求項１又は２に記載の金属材の接合方法。
２つの金属材を接合部において対向させ、Ｓｉ _３Ｎ _４、ジルコニア、炭化珪素及びＨｆＯ _２のいずれかからなる裏当材で前記接合部の一方の側を覆い、前記接合部の他方の側から棒状の回転ツールを挿入し、前記回転ツールを回転させて、２つの前記金属材を接合する金属材の接合方法。
２つの金属材を接合部において対向させ、炭素鋼からなる基材の上にＨｆＯ _２、Ａｌ _２Ｏ _３、Ｓｉ _３Ｎ _４及びジルコニアのいずれかからなる被覆材が被覆してなる裏当材で前記接合部の一方の側を覆い、前記接合部の他方の側から棒状の回転ツールを挿入し、前記回転ツールを回転させて、２つの前記金属材を接合する金属材の接合方法。
前記金属材は融点が１０００℃以上である、請求項１〜５のいずれか１項に記載の金属材の接合方法。
前記金属材はＦｅを含む、請求項１〜６のいずれか１項に記載の金属材の接合方法。
前記金属材は、厚さ１３ｍｍ以下の板状材である請求項１〜７のいずれか１項に記載の金属材の接合方法。