JP2013163208A - 摩擦攪拌接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】互いに硬度が異なる２つの金属板の接合方法であって、未接合部や空孔等の接合欠陥のない良好な継手を容易に得ることができる摩擦撹拌接合方法を提供する。
【解決手段】硬質金属板と軟質金属板を突合わせ、回転接合ツールを回転させつつ突合わせ面に沿って移動させて両金属板を接合する摩擦撹拌接合方法において、回転接合ツールが、基部と、ショルダーと、プローブとを有し、硬質金属板を回転接合ツールの回転方向と接合方向が一致する側に配置し、軟質金属板を回転接合ツールの回転方向と接合方向が対向する側に配置し、プローブを突合わせ面に対して軟質金属板側に傾斜して挿入し、かつ、ショルダーの軟質金属板との接触面積が硬質金属板との接触面積より大きくなるようにショルダーを両金属板に接触させた状態で回転接合ツールを回転させつつ突合わせ面に沿って移動させて両金属板を接合することを特徴とする摩擦撹拌接合方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、互いに硬度が異なる２つの金属板の接合方法であって、未接合部、空孔等の接合欠陥のない良好な継手を容易に得ることができる摩擦撹拌接合方法に関する。

融点が異なる２つの金属部材、例えばアルミニウム材と鋼材や、アルミニウム材と銅材等の異種金属接合としては、ＭＩＧ溶接、ＴＩＧ溶接、レーザ溶接等が挙げられる。しかしながら、溶融溶接による異種金属接合では異種金属間の界面に脆弱な金属間化合物が形成され、溶接部においてブローホールが発生する等のために接合強度が小さいといった問題があった。接合強度を低下させずに異種金属同士を接合する方法として、摩擦撹拌接合を適用することが提案され実用化が図られている。

摩擦撹拌接合方法による固相接合は、広く知られている技術である。摩擦撹拌接合方法は、接合部材の突合わせ面に、回転接合ツールのプローブを挿入して回転接合ツールを回転させながら移動させるものである。摩擦熱により接合部材を軟化させ、突合わせ面を塑性流動し撹拌混合することにより接合部材を接合するものである。摩擦撹拌接合は接合部材を融点以下の温度で接合するため、接合後の強度低下がなく、またひずみが小さいといった利点を有する。

摩擦撹拌接合方法はアルミニウム材を中心に適用され、多くの場合、同じ組成のアルミニウム合金同士等の同種材料の接合に用いられていた。近年になって、異種材料の接合に適用する試みがなされている。

非特許文献１には、異種金属である銅材とアルミニウム材との接合方法が記載されている。回転接合ツール先端に同軸に設けられたプローブを、硬度が小さいアルミニウム材側に挿入し、プローブに設けられたネジ部を銅材界面に接触させながら摩擦撹拌接合を行うものである。得られる接合体は、アルミニウムの母材と同等の引張強度を有している。

特許文献１には、硬度が異なる硬質金属板と軟質金属板をつき合わせて摩擦撹拌接合することが記載されている。回転接合ツール先端に同軸に設けられたプローブを、軟質金属板と硬質金属板の突合わせ線に対して硬質金属板側に０．０５ｍｍ以上入り込ませ、大部分を軟質金属板側に配置して接合するものである。硬質金属板側に僅かに入り込んだプローブが硬質金属板の端面を削って新生面を削り出し、軟質金属板を塑性流動させることにより接合することで接合強度が向上できるとしている。

特許文献２には、硬度が異なる硬質金属板と軟質金属板をつき合わせて摩擦撹拌接合することが記載されている。軟質金属板の肉厚を硬質金属板より大きくすることで突合わせ部に段差を設け、ショルダーと硬質金属板との間に隙間が形成されるようにし、回転接合ツールの回転により塑性流動した軟質金属板をこの隙間に侵入させながら接合するものである。これにより、接合部の空隙等の接合欠陥が防止できるとしている。

特許文献３には、板材表面側から回転接合ツールのプローブを挿入して軟質板材と硬質板材を接合した後に、板材の裏面側からも回転接合ツールのプローブを挿入して両板材を接合するものであり、ボビンツールを適用することも示されている。これにより、プローブ先端近傍で十分に撹拌されないことによる未接合部の発生を防止することができるとしている。

岡村久宣、青田欣也、青野泰久、「摩擦撹拌作用を利用した異種金属の摩擦撹拌接合（第１報）」、溶接学会全国大会講演概要、社団法人溶接学会、平成１４年９月３日、第７１集、ｐ．４４２−４４３

特開２００３−３９１８３号公報 特許第４３３６７４４号公報 特開２００９−２０２２１２号公報

しかしながら、非特許文献１と特許文献１に記載されるように軟質金属板側に回転工具のプローブを配置して摩擦撹拌接合を行う方法では、主に軟質金属板を塑性流動させて両材間の接合部を形成することになり、両材の突合わせ部に生じ得る微小な空隙を全て軟質金属板で補うことになる。そのため、接合部、或いは、回転接合ツールのショルダーと板材表面の間において空隙や密度低下等の接合欠陥が生じてしまい、接合強度の低下を引起こすことがあった。特許文献１には、異種金属接合が容易なメッキ層やろう材を突合わせ面にクラッドすることなどが示されており、回転接合ツールを突合わせ面に傾斜して挿入することでプローブをメッキ層に当接させて接合する方法や、突合わせ面を傾斜させてプローブ先端を硬質金属板に当接させる方法が示されている。しかしながら、メッキ層を形成するために製造工程が増えコスト増に繋がる問題もあった。

特許文献２のようにプローブを硬質金属板側に僅かに挿入させて、硬質金属板を削り取る方法は効果的である。しかしながら、通常の摩擦撹拌接合でもプローブ先端は接合温度が低く撹拌力が不足して、裏面側にキッシングボンドとよばれる未接合部が形成されることがある上に、プローブ中心を突合わせ面からオフセットして接合するために、非特許文献１及び特許文献１と同様に特許文献２の接合方法もまた接合部裏面に未接合部が発生し易いという問題があった。更に、先端部がＲ面取りされているプローブを使用してプローブ中心を突合わせ面から外すと、プローブ先端部と突合わせ面裏面の距離が大きくなり、裏面側に未接合部が益々発生し易いといった問題があった。

このような裏面側における未接合部の発生に対して特許文献３では、表面側と裏面側の両方からプローブを挿入して接合する方法や、ボビンツールを用いて接合する方法を用いることで問題を解決しようとしている。しかしながら、この方法では接合を２回行わなければならず工程数が増えてコスト増加に繋がると共に、両板材界面の脆弱な金属間化合物が成長し易いといった問題がある。また、ボビンツールは、通常のツールによる摩擦撹拌接合に比べて良好な接合を得るための条件範囲が狭く、接合安定性に問題があった。

本発明は、上述の異種金属接合において発生し易い裏面側の未接合部の形成を防止し、良好な異種金属接合材が簡便に得られる摩擦撹拌接合方法を提供することを目的とする。

本発明は請求項１において、硬質金属板とこれより硬度の小さな軟質金属板を突合わせ、回転接合ツールを回転させつつ突合わせ面に沿って移動させて両金属板を接合する摩擦撹拌接合方法において、
前記回転接合ツールが、略円柱状の基部と、当該基部の両金属板側に設けられたショルダーと、当該ショルダーの表面から前記基部と同心に垂下したプローブとを有し、
前記硬質金属板を回転接合ツールの回転方向と接合方向が一致する側に配置し、前記軟質金属板を回転接合ツールの回転方向と接合方向が対向する側に配置し、
前記プローブを突合わせ面に対して軟質金属板側に傾斜して挿入し、かつ、前記ショルダーの軟質金属板との接触面積が硬質金属板との接触面積より大きくなるようにショルダーを両金属板に接触させた状態で回転接合ツールを回転させつつ突合わせ面に沿って移動させて両金属板を接合することを特徴とする摩擦撹拌接合方法とした。

本発明は請求項２では請求項１において、前記プローブを突合わせ面に対して軟質金属板側に傾斜して挿入する際の傾斜角φ（°）が、下記式（１）及び（２）式で規定されるものとした。
ｓｉｎ^−１｛（０．０１＋Ｔ−ｔ）／Ｒ）｝≦φ≦ｓｉｎ^−１｛（０．０３＋Ｔ−ｔ）／Ｒ）｝ （１）
−０．５＜Ｔ−ｔ＜０．５ （２）
ここで、Ｔ：硬質金属板の板厚（ｍｍ）、ｔ：軟質金属板の板厚（ｍｍ）、Ｒ：ショルダーの半径（ｍｍ）である。

本発明は請求項３では請求項１又は２において、前記プローブの先端中心と突合わせ面の最小距離ｄ（ｍｍ）が、プローブの半径をｒ（ｍｍ）、ｄの正方向を軟質金属板側として下記式（３）を満たしながら接合するものとした。
０≦ｄ≦ｒ−０．１ （３）

本発明は請求項４では請求項１〜３のいずれか一項において、前記ショルダーの表面が、両金属板に向けて略球状の凸面又は先細りのテーパ面、或いは、角部がＲ１．０以上又はＣ１以上の面取りされた平面であり、当該ショルダー表面には、その外周側から軸心部に至る溝であって、回転接合ツールの回転によって塑性流動した両金属板が内部に流入してショルダーの軸心部に集められる溝が形成されているものとした。

上記請求項１によれば、硬度が大きく塑性流動し難い硬質金属板を塑性流動の作用が大きい回転接合ツールの回転方向と接合方向が一致する側に配置し、塑性流動し易い軟質金属板を塑性流動の作用が比較的小さい回転接合ツールの回転方向と接合方向が対向する側に配置させることで、両金属板における塑性流動の良好なバランスをとることができる。
更に、突合わせ面に対して軟質金属板側にプローブを傾斜して挿入することで、プローブを主に硬質金属板側に挿入した場合に比べて接合温度を低くすることができるので、両金属板の界面に存在する脆弱な金属間化合物の成長を抑制できる。更に、傾斜させながらプローブを挿入させることで、裏面側に近いプローブ先端が硬質材に多く挿入される為、突合わせ面の裏面側の塑性流動を活発にし、突合わせ面の裏面側において未接合部（キッシングボンド）の発生を防止することができる。
また、ショルダーの軟質金属板との接触面積が硬質金属板との接触面積より大きくなるようにショルダーを両金属板に接触させることにより、押付荷重が大きいことにより接合温度が高くなり易い硬質金属板の接合温度を低く抑制することができ、その結果、過剰な塑性流動によって発生する空孔やトンネル欠陥等の内部欠陥や、大きな減肉やバリなどの外観不良を防止することができる。

上記請求項２によれば、式（２）に規定するように、硬質金属板と軟質金属板の板厚差が０．５ｍｍ未満より小さければ、式（１）式で規定する傾斜角φを設けることで良好な継手を作製することができる。また、市場に流通している金属板は例えば板厚１．５ｍｍと称していても、実際には１．４８１ｍｍや１．５１０ｍｍといったバラツキを有しており全く同一の板厚ということは少ない。硬度が異なる金属板ではこのような僅かな板厚差も接合性に影響を与えるが、（１）式で得られる傾斜角φを設けることで良好な継手を得ることが可能となる。

上記請求項３によれば、式（３）を満たすようにプローブの先端中心と突合わせ面の最小距離ｄ（ｍｍ）が規定され、プローブ中心位置が突合せ線から軟質金属板側にオフセットされる。すなわち、プローブを硬質金属板よりも軟質金属板に多く挿入するものであり、これにより、融点及び硬度が大きく異なる金属板同士の接合においても、ショルダーの軟質金属板との接触面積を硬質金属板との接触面積より更に大きくすることができる。その結果、硬質金属板及び軟質金属板の接合温度と塑性流動量の適切化が図られ、空孔やトンネル欠陥のない良好な継手が得られる。

上記請求項４によれば、ショルダーの表面を、両金属板に向けて略球状の凸面又は先細りのテーパ面、或いは、角部がＲ１．０以上又はＣ１以上の面取りされた平面とし、ショルダー表面に、その外周側から軸心部に至る１つ以上の溝であって、回転接合ツールの回転によって、塑性流動した両金属板が内部に流入してショルダーの軸心部に集められる溝を形成したことにより、ショルダー端部が金属板に押込まれることによるバリの発生を有効に抑制することが可能となり、外観の良好な継手を得ることができる。また、傾斜角φの設定による接触面積の調整をより効果的に行うことができる。

以上のように、本発明に係る摩擦撹拌接合方法を用いることにより、突合わされた互いに硬度が異なる２つの金属板の良好な摩擦撹拌接合を可能にすると共に、未接合部、空孔等の接合欠陥のない継手を容易に得ることができる。

本発明の第１実施態様を示す平面図である。 本発明の第１実施態様を示す正面図である。 本発明の第２実施態様を示す平面図である。 本発明の第２実施態様を示す正面図である。 本発明の第３実施態様を示す正面図である。 本発明の実施例と比較例を示す正面図である。

以下、本発明の第１実施態様について図面を参照して具体的に説明する。図１及び２に、本発明の第１実施態様について平面図と正面図をそれぞれ示す。回転接合ツール１は、従来のものと同様の構成であり、略円柱状の基部２と、基部２の両金属板側に設けられたショルダー２ａと、ショルダー２ａの表面から基部２と同心に垂下したプローブ３とから構成される。両金属板は、一方が硬質金属板４ａであり、他方が軟質金属板４ｂである。プローブ３は、これら両金属板４ａ、４ｂに挿入される。金属板４ａ、４ｂは、上方からショルダー２ａによって押さえられる。硬質金属板４ａと軟質金属板４ｂは硬度が異なるものであり、異種金属同士としてもよく、同種金属同士であって組成や調質の異なるもの同士でもよい。本発明では、調質又は組成が相違するアルミニウム合金が好適に用いられる。例えば、硬質金属板４ａはＡＡ６１０１合金であり、軟質金属板４ｂはＡＡ１０５０合金である。これに代わって、両金属板をＡＡ６１０１合金とし、硬質金属板４ａはＡＡ６１０１−Ｔ６とし、軟質金属板４ｂはＡＡ６１０１−Ｔ４としてもよい。

硬質金属板４ａと軟質金属板４ｂを突合わせ面５で突合わせ、両金属板４ａ、４ｂを不図示のクランプ等の冶具を用いて固定する。硬質金属板４ａは回転接合ツール１の回転方向Ｒと接合方向Ｆが一致する側に（図１、２の左側であり「前進側」と記す）、軟質金属板４ｂは回転接合ツール１の回転方向Ｒと接合方向Ｆが対向する側に（図１、２の右側であり「後退側」と記す）配置される。図２に示す接合方向Ｆは、図中の表面から裏面に向かうものである。

硬度の異なる金属板同士４ａ、４ｂを欠陥が無く良好に摩擦撹拌接合するには、両金属板４ａ、４ｂの接合温度と両者の塑性流動量を適切にバランスさせる必要がある。すなわち、硬度が大きく塑性流動し難い硬質金属板４ａを塑性流動が活発な前進側に配置し、それより硬度が小さく塑性流動し易い軟質金属板４ｂを塑性流動が前進側より不活発な後退側に配置させることにより塑性流動量を適切にバランスさせることができる。

プローブ３は、突合わせ面５に対して軟質金属板４ｂ側に傾斜して挿入される。すなわち、図１において接合方向Ｆに直行する方向において、突合わせ面５（鉛直面）から軟質金属板４ｂ側に傾斜して挿入される。この際、硬質金属板４ａと軟質金属板４ｂが幅方向に動いて突合わせ面５に隙間が生じ易い。突合わせ面５に生じる隙間は欠陥の原因となるため、両金属板が動かないように十分に固定する必要がある。

硬質金属板４ａと軟質金属板４ｂの板厚がほぼ同一の場合、プローブ３を傾斜させる方向は硬度が小さい軟質金属板４ｂ側である。プローブ３が突合わせ面５に対して傾斜して挿入されているので、傾斜せずに挿入されている場合に比べてプローブ３の先端の裏面近傍において両金属板が活発に塑性流動される。その結果、この裏面側のキッシングボンドを防止できる。また、プローブを主に硬質金属板側に挿入した場合に比べて接合温度を低くすることができるので、両金属板の界面に存在する脆弱な金属間化合物の成長を抑制することができる。

このようにプローブ３を両金属板４ａ、４ｂに傾斜させて挿入すると、硬度が大きい硬質金属板４ａのショルダー２ａの端部側の間に空隙が生じ、軟質金属板４ｂとショルダー２ａとの接触面積を、硬質金属板４ａとショルダー２ａとの接触面積より大きくすることができる。これにより、硬質金属板の接合温度を低く抑制でき、内部欠陥を防止し、大きな減肉やバリなどの外観不良も防止できる。

以上のように、硬質金属板を前進側に軟質金属板を後退側に配置し、プローブを突合わせ面に対して軟質金属板側に傾斜して挿入し、かつ、ショルダーの軟質金属板との接触面積が硬質金属板との接触面積より大きくなるようにショルダーを両金属板に接触させた状態で回転接合ツールを回転させつつ突合わせ面に沿って移動させることによって、両金属板を撹拌することで良好な摩擦攪拌接合を可能とする。

本発明者らは、プローブを突合わせ面に対して軟質金属板側に傾斜させる角度φ（°）について詳細に検討した。その結果、傾斜角φ（°）を下記式（１）及び（２）式で規定することにより、両金属板の塑性流動量を適切にバランスさせることができることを見出した。
ｓｉｎ^−１｛（０．０１＋Ｔ−ｔ）／Ｒ）｝≦φ≦ｓｉｎ^−１｛（０．０３＋Ｔ−ｔ）／Ｒ）｝ （１）
−０．５＜Ｔ−ｔ＜０．５ （２）
ここで、Ｔ：硬質板の板厚（ｍｍ）、ｔ：軟質板の板厚（ｍｍ）、Ｒ：ショルダーの半径（ｍｍ）である。

両金属板４ａ、４ｂの板厚がほぼ同一の場合に、式（１）、（２）で規定される範囲のφ（°） とすることで、ショルダー２ａの端部と硬質金属板４ａとの間には０．０１〜０．０３ｍｍの隙間が設定できる。この隙間が０．０１ｍｍ未満の場合には、前述のように接合温度が高過ぎるために、軟質金属板４ｂが過剰に塑性流動して多量のバリと内部欠陥が発生してしまう。一方、この隙間が０．０３ｍｍを超える場合には、硬質金属板４ａの塑性流動が不足することにより軟質金属板４ｂの塑性流動が過剰となり、同じく多量のバリと内部欠陥が発生してしまう。

次に、本発明の第２実施態様について図面を参照して具体的に説明する。図３及び４に、本発明の第２実施態様について平面図と正面図をそれぞれ示す。この実施態様は、（１）硬質金属板４ａとこれより硬度の小さな軟質金属板４ｂを摩擦攪拌接合すること、（２）略円柱状の基部２と、ショルダー２ａと、プローブ３とから構成される回転接合ツール１を用いること、（３）硬質金属板４ａを前進側に配置し、軟質金属板４ｂを後退側に配置すること、（４）プローブ３を突合わせ面５に対して軟質金属板４ｂ側に傾斜して挿入し、かつ、ショルダー２ａの軟質金属板４ｂとの接触面積が硬質金属板４ａとの接触面積より大きくなるようにショルダー２ａを両金属板４ａ、４ｂに接触させた状態で回転接合ツール１を回転させつつ突合わせ面５に沿って移動させること、（５）プローブ３を突合わせ面５に対して軟質金属板４ｂ側に傾斜して挿入する際の傾斜角φ（°）を、上記式（１）及び（２）式で規定することは、第１実施態様と同じであり、これらの作用効果も第１実施態様で述べた通りである。

また、硬質金属板４ａと軟質金属板４ｂは硬度及び軟化温度が異なるものであり、第１実施態様と同様に、異種金属同士としてもよく、同種金属同士であって組成や調質の異なるもの同士でもよい。第２実施態様では、例えば、硬質金属板４ａとしてタフピッチ銅を用い、軟質金属板４ｂとしてＡＡ１０５０合金を用いる。

図４に示すように、この第２実施態様が第１実施態様と相違するのは、プローブ３の先端中心と突合わせ面の最小距離ｄ（ｍｍ）が、プローブの半径をｒ（ｍｍ）、ｄの正方向を軟質金属板４ｂ側として下記式（３）を満たしながら接合する点にある。
０≦ｄ≦ｒ−０．１ （３）

式（３）を満たすようにｄを設定することにより、ショルダーの硬質金属板４ａとの接触面積を更に小さくでき接合温度を低く抑制することが可能となる。その結果、内部欠陥や外観不良を防止する作用、ならびに、両金属板の界面に形成される脆弱な金属間化合物の成長を抑制する作用を一層高めることができる。更に、プローブ先端の大部分は軟質金属板４ｂに挿入されているので、突合わせ面の裏面側の塑性流動を活発にして、両金属板の界面を移動・湾曲させると共に、キッシングボンドを防止する作用を一層高めることができる。なお、この第２実施態様では、両金属板は硬度だけでなく軟化温度も異なるが、硬質金属板４ａとショルダー２ａとの接触面積を、軟質金属板４ｂとショルダー２ａとの接触面積より更に小さくできるので、内部欠陥や外観不良を防止する作用や金属間化合物の成長を抑制する作用に加えて、軟質金属板４ｂの溶融を防止する作用も発揮される。

次に、第１及び第２の実施態様の変更例について説明する。
ショルダーの表面形状については、図２及び図４に示す第１及び第２実施態様のような表面が平面状のショルダーに代えて、図５に示すような略球状の凸形状や、両金属板に向けて先細りのテーパ面、或いは、角部がＲ１．０以上又はＣ１以上の面取りされた平面としてもよい。このように、ショルダーの表面形状を略球状の凸形状等とすることにより、
ワーク角を設けた際、硬質金属板とショルダーの接触面積をより十分に抑えることができる。さらに、ショルダー端部により排出される軟質金属板（バリ）の量を小さく抑える効果が得られる。

また、図５に示すように、ショルダー表面に溝６を形成してもよい。このような溝６は、ショルダー２ａの外周側から軸心部に至るものであって、渦状、曲線状又は直線状のものが好適に用いられる。これらの溝は、溝内に流入した塑性流動した両金属板をショルダー軸心部に集める求心力を発生させ、塑性流動した両金属板をバリとして外部に飛散するのを防止する。このような溝は、ショルダー表面に１つ又は２つ以上形成される。

プローブ形状としては、図２及び図４に示す第１及び第２実施態様のような表面が滑らかな略円柱状に代えて、その表面に、加工時の回転方向に対して下降する方向の螺旋溝を設けるのが好ましい。螺旋溝に代えて、断続的な傾斜溝とすることもでき両方の溝を併存させてもよい。このような溝によって、塑性流動した金属板を効果的に攪拌することができる。また、円柱状のプローブに代えて、先端に向うほど径が小さくなるテーパ形状のプローブを用いてもよい。更に、中心線に直交する断面形状が略円形のプローブに代えて、側面を３〜６面程度に面取りした多平面としたプローブを用いてもよい。

最後に、接合時に回転接合ツールを接合方向Ｆに対して後方に傾斜させる前進角を設けてもよい。前進角を設定することで、入熱量を増加することができ接合速度の向上が狙える。ただし、過剰な前進角の設定は硬質金属板とショルダーの接触を増加させる。前進角の効果を有効に得るには、前進角の範囲を０〜１．０°とするのが好ましい。

次に、実施例と比較例に基づいて本発明を更に詳細に説明するが、本発明はこれらに制限されるものではない。

実施例１〜７及び比較例８〜９
図６に示すように、実施例及び比較例について検討した。硬質金属板４ａと軟質金属板４ｂの材質、それぞれの板厚Ｔとｔ、接合条件（傾斜角φ、プローブ先端中心と突合わせ面の距離ｄ、回転速度、接合速度、前進角）を表１に示す。なお、上記実施例と比較例で用いた回転接合ツール１はショルダー直径が１２ｍｍの円柱状であり、プローブにはＭ４ネジ（半径：２．０ｍｍ、長さ：Ｔとｔの小さい方より０．１ｍｍ短い）を用いた。また、ショルダー表面には、渦状の溝を２本設けた。それぞれの溝の周回数は１、溝幅０．５ｍｍ、溝深さ０．５ｍｍ、溝間隔０．５ｍｍとした。

実施例１〜６の傾斜角φは上記式（１）、（２）の範囲を満たし、プローブ先端中心と突合わせ面の距離ｄも上記式（３）を満たしている。一方、比較例８、９では傾斜角が設定されておらず、実施例７では距離ｄが上記式（３）を満たしておらず硬質金属板４ａにプローブが挿入されていない。

得られた接合材について下記の評価を行なった。まず、接合方向と試験方向が垂直になるようにＪＩＳ５号引張試験片を切り出し、引張試験を行った。その結果、実施例１〜７では全て、軟質金属板４ｂの母材で破断し良好な接合であることが確認できた。更に、曲げＲ＝１０ｍｍで裏曲げ試験を行い、接合部の裏面側における割れ（未接合部）の存在を観察した。その結果、実施例１〜６では、接合部の裏面側における割れがないことが確認できた。ただし、実施例７では一部割れが発生した。一方、比較例８、９の接合材では全て、引張試験によって接合部で破断し、裏曲げ試験では接合部の裏面側で割れが観察された。

以上のように、本発明に係る摩擦攪拌接合方法によって、硬度の異なる金属同士を、内部欠陥、未接合部の無い良好な異種合金接合又は異種金属接合継手が得られた。

本発明に係る摩擦攪拌接合方法によって、電池、電子デバイス、ワイヤーハーネスなどの電極、端子及び配線等に使用される異種金属同士、或いは、同種金属同士であって組成や調質の異なるもの同士の摩擦攪拌接合が可能となる。

１・・・回転接合ツール
２・・・基部
２ａ・・・ショルダー
３・・・プローブ
４ａ・・・硬質金属板
４ｂ・・・軟質金属板
５・・・突合わせ面
６・・・溝
φ・・・プローブを突合わせ面に対して軟質金属板側に傾斜して挿入する際の傾斜角
Ｔ・・・硬質金属板の板厚
ｔ・・・軟質金属板の板厚
ｄ・・・プローブの先端中心と突合わせ面の最小距離
Ｒ・・・回転接合ツールの回転方向
Ｆ・・・回転接合ツールの接合方向

Claims (4)

1. 硬質金属板とこれより硬度の小さな軟質金属板を突合わせ、回転接合ツールを回転させつつ突合わせ面に沿って移動させて両金属板を接合する摩擦撹拌接合方法において、
   前記回転接合ツールが、略円柱状の基部と、当該基部の両金属板側に設けられたショルダーと、当該ショルダーの表面から前記基部と同心に垂下したプローブとを有し、
   前記硬質金属板を回転接合ツールの回転方向と接合方向が一致する側に配置し、前記軟質金属板を回転接合ツールの回転方向と接合方向が対向する側に配置し、
   前記プローブを突合わせ面に対して軟質金属板側に傾斜して挿入し、かつ、前記ショルダーの軟質金属板との接触面積が硬質金属板との接触面積より大きくなるようにショルダーを両金属板に接触させた状態で回転接合ツールを回転させつつ突合わせ面に沿って移動させて両金属板を接合することを特徴とする摩擦撹拌接合方法。
2. 前記プローブを突合わせ面に対して軟質金属板側に傾斜して挿入する際の傾斜角φ（°）が、下記式（１）及び（２）式で規定される、請求項１に記載の摩擦撹拌接合方法。
   ｓｉｎ^−１｛（０．０１＋Ｔ−ｔ）／Ｒ）｝≦φ≦ｓｉｎ^−１｛（０．０３＋Ｔ−ｔ）／Ｒ）｝ （１）
   −０．５＜Ｔ−ｔ＜０．５ （２）
   ここで、Ｔ：硬質金属板の板厚（ｍｍ）、ｔ：軟質金属板の板厚（ｍｍ）、Ｒ：ショルダーの半径（ｍｍ）である。
3. 前記プローブの先端中心と突合わせ面の最小距離ｄ（ｍｍ）が、プローブの半径をｒ（ｍｍ）、ｄの正方向を軟質金属板側として下記式（３）を満たしながら接合する、請求項１又は２に記載の摩擦撹拌接合方法。
   ０≦ｄ≦ｒ−０．１ （３）
4. 前記ショルダーの表面が、両金属板に向けて略球状の凸面又は先細りのテーパ面、或いは、角部がＲ１．０以上又はＣ１以上の面取りされた平面であり、当該ショルダー表面には、その外周側から軸心部に至る溝であって、回転接合ツールの回転によって塑性流動した両金属板が内部に流入してショルダーの軸心部に集められる溝が形成されている、請求項１〜３のいずれか一項に記載の摩擦撹拌接合方法。

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