JP2015089550A

JP2015089550A - 異材接合方法

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Publication number: JP2015089550A
Application number: JP2013229082A
Authority: JP
Inventors: 智行藤田; Satoyuki Fujita; 藤田　　智行; 利明安井; Toshiaki Yasui
Original assignee: Toyohashi University of Technology NUC; Musashi Seimitsu Industry Co Ltd
Current assignee: Toyohashi University of Technology NUC; Musashi Seimitsu Industry Co Ltd
Priority date: 2013-11-05
Filing date: 2013-11-05
Publication date: 2015-05-11
Also published as: WO2015068463A1

Abstract

【課題】接合ツールの寿命を延ばすことができると共に接合部の健全化を図ることができる異材接合方法を提供することを課題とする。
【解決手段】ショルダー部１３及びこのショルダー部１３から突出するプローブ１２を備える接合ツール１０を用い、硬質材２１に軟質材２２を突合わせて接合する異材接合方法において、前記ショルダー部１３と前記硬質材２１とに隙間を保つと共に前記ショルダー部１３と前記軟質材２２とに隙間を保った状態で接合する。
【効果】ショルダー部は流動材料（軟質材）とは接触するものの、流動前の材料には接触しないので、接合ツールに加わる負荷トルクは小さくなり、接合ツールの寿命を大幅に延ばすことができる。また、ショルダー部と硬質材との間に隙間があり、ショルダー部直下で硬質材に遮られることなく軟質材が流動できるので撹拌量が大きくなり、健全な接合部が得られる。
【選択図】図１

Description

本発明は、摩擦撹拌接合法による異材接合方法に関する。

２つの部材を接合する接合法として、溶接法、ろう付け法、拡散接合法など多種多様の技術が実用に供されている。多様な技術に、摩擦撹拌接合法と呼ばれる特殊な接合法が含まれる。

また、例えば銅にアルミニウムを接合する接合法は異材接合法と呼ばれる。この異材接合法に摩擦撹拌接合法を適用することが知られている（例えば、特許文献１（図２（Ｃ）、（Ｄ））参照。）。

特許文献１を次図に基づいて説明する。
図６に示すように、高融点材料１０１に低融点材料１０２を突合わせる。合わせ面１０３を接合ツール１１０で接合する。

図７に示すように、接合ツール１１０は、本体１１１と、この本体１１１から軸方向に突出するプローブ１１２を備えている。このプローブ１１２は本体１１１より小径であり、本体１１１のプローブ１１２側端面が環状面となる。この環状面はショルダー部１１３と呼ばれる。

本体１１１及びプローブ１１２を高速で回すと、静止している高融点材料１０１及び低融点材料１０２との間で摩擦熱が発生する。この摩擦熱で高融点材料１０１及び低融点材料１０２の一部が軟化し、活性化することで接合が行われる。軟化した流動材料１０４に、空気などのガスが巻き込まれることがある。このガスは放置すると気泡の形態で残留し、接合欠陥が生じる。
しかし、ショルダー部１１３が前上がり、後下がりの形態で前進し、流動材料１０４を押し潰す。この押し潰しにより、ガスを追い出しつつ接合部の緻密化を図ることができる。

ところで、高融点材料１０１や低融点材料１０２に、プローブ１１２の他、ショルダー部１１３が接触する。高融点材料１０１が鉄系材料であれば、鉄系材料は硬いため接合ツール１１０に大きな負荷トルクが加わると共に多量の摩擦熱が発生する。
結果、接合ツール１１０の寿命が著しく短くなり、工具の調達費用及び交換工事費用が嵩む。

特開２００２−６６７６５公報

本発明は、接合ツールの寿命を延ばすことができると共に接合部の健全化を図ることができる異材接合方法を提供することを課題とする。

請求項１に係る発明は、ショルダー部及びこのショルダー部から突出するプローブを備える接合ツールを用い、硬質材に該硬質材よりも融点が低い軟質材を突合わせて、摩擦撹拌接合法により接合する異材接合方法において、
前記ショルダー部と前記硬質材の間に隙間を保つと共に前記ショルダー部と前記軟質材の間に隙間を保った状態で前記摩擦撹拌接合法を実施することを特徴とする。

請求項２に係る発明では、隙間は、０．０５〜１．０ｍｍの範囲に設定することを特徴とする。

請求項３に係る発明では、隙間に介在する流動材料を回転中心に集める溝が、ショルダー部に形成されていることを特徴とする。

請求項４に係る発明では、硬質材は鉄系材料であり、軟質材はアルミニウム系材料であることを特徴とする。

請求項１に係る発明では、ショルダー部と軟・硬質材の間に隙間を保った状態で摩擦撹拌接合法を実施する。ショルダー部は流動材料（軟質材）とは接触するものの、流動前の材料には接触しないので、接合ツールに加わる負荷トルクは小さくなり、接合ツールの寿命を大幅に延ばすことができる。また、ショルダー部と硬質材との間に隙間があり、ショルダー部直下で硬質材に遮られることなく軟質材が流動できるので撹拌量が大きくなり、健全な接合部が得られる。

請求項２に係る発明では、隙間は、０．０５〜１．０ｍｍとした。
隙間が０．０５ｍｍ未満では流動材料の流れる場所が過小になり、接合ツールに加わる負荷トルクが増大する。また、隙間が１．０ｍｍを超えると、流動材料がショルダー部に当たりにくくなり、ショルダー部による撹拌作用が低下し、ガスの排出も不十分になる。よって、隙間は、０．０５〜１．０ｍｍとする。

請求項３に係る発明では、ショルダー部に、流動材料を回転中心に集める溝を設けた。流動材料を中央に集める形状にすることで、攪拌作用が増加し、ガスの排出が促される。加えて接合界面及びその付近に大きな流動を造りだし、接合界面の酸化膜を破壊することができる。酸化膜が破壊されると新生面が現れる。結果、酸化物が含まれない健全な接合状態が得られる。

請求項４に係る発明では、硬質材は鉄系材料であり、軟質材はアルミニウム系材料である。強度が要求される部位に鉄系材料を配置し、強度が要求されない部位にアルミニウム系材料を配置した異材部品を本発明で製造することができる。この異材部品は自動車部品に好適である。

本発明に係る接合ツールの形状を説明する図である。図１の２−２矢視図である。図２の３−３線断面図である。図１の４−４矢視図である。ショルダー部の変更例を示す図である。従来の摩擦撹拌接合法を説明する平面図である。従来の摩擦撹拌接合法を説明する断面図である。

本発明の実施の形態を添付図に基づいて以下に説明する。

図１に示すように、接合ツール１０は、円柱状の本体１１と、この本体１１から突出しているプローブ１２とを備える。プローブ１２は本体１１より十分に小径である。本体１１のプローブ１２側端面が、円環状のショルダー部１３となる。よって、見かけ上、ショルダー部１３からプローブ１２が突出している。

本発明では、硬質材２１に軟質材２２を突合わせる。合わせ面２３から硬質材２１へ距離δだけ食い込むように、プローブ１２の水平位置を定める。また、硬質材２１及び軟質材２２の上面とショルダー部１３との間に隙間ｃが確保できるように、接合ツール１０の高さ位置を定める。距離δは例えば０．０５ｍｍであり、隙間ｃは例えば０．５ｍｍである。

硬質材２１は、例えば、鉄系材料である。鉄系材料は、主成分がＦｅであればよく、組成は任意である。鉄系材料の一例として、Ｓ４５Ｃ（ＪＩＳＧ４０５１で規定される機械構造用炭素鋼鋼材）が挙げられる。
軟質材２２は、硬質材２１より融点が低い材料であれば、種類は問わない。軟質材２２は、例えば、アルミニウム系材料であり、主成分がＡｌであればよく、組成は任意である。アルミニウム系材料の例として、ＡＤＣ１２（ＪＩＳＨ５３０２で規定されるアルミニウム合金ダイカスト１２種）、Ａ６０６１（ＪＩＳＨ４０４０アルミニウム合金棒）が挙げられる。

車両部品は、路面反力や車体の変形に耐えるような剛性（強度など）が要求される。一方、省エネルギーの観点から車両の軽量化が求められ、車両部品の軽量化が求められる。
そこで、車両部品において、強度が要求される部位に鉄系材料を配置し、比較的強度が要求されない部位に軽量なアルミニウム系材料を配置する。これにより、強度確保と軽量化とが達成できる。よって、本発明は、車両部品の接合方法に好適である。

硬質材２１がＳ４５Ｃで、軟質材２２がＡ６０６１又はＡＤＣ１２の場合、ＷＣ−Ｃｏ製のプローブ１２が推奨される。接合ツール１０の寸法は、対象材料により決定されるが、例えば本体１１の外径が２０ｍｍで、プローブ１２の外径が５ｍｍに設定される。

図２に示すように、プローブ１２を高速で回しながら、白抜き矢印のように、合わせ面２３に沿って前進させる。結果、プローブ１２の後方にビード２４が生成される。
図３にて、プローブ１２を、例えば毎分１５００回の速度で回転させつつ、毎分２２０ｍｍの速度で前進させる。プローブ１２と軟質材２２との間で摩擦熱が発生し、この摩擦熱で軟質材２２は融点未満の温度まで加熱される。

すると、軟質材２２が軟らかくなり、流動し易くなる。すなわち軟質材２２の一部が流動材料２５となる。この流動材料２５がプローブ１２で押されるなどしてショルダー部１３側へ盛り上がる。流動材料２５の上端がショルダー部１３に接触し、流動撹拌される。仮に、流動材料２５にガス（周囲の空気など）が混入されたとしてもこのガスは流動撹拌により排出される。流動材料２５はプローブ１２が通過した後は、冷却されてビード２４となる。

ここで隙間ｃの大きさを検討する。
隙間ｃを０．０５ｍｍ未満にすると、流動材料の流れる場所が過小になり、接合ツールに加わる負荷トルクが増大する。
また、隙間ｃを１．０ｍｍ超にすると、流動材料２５が隙間ｃに十分に収まるものの、流動材料２５が十分にショルダー部１３に接触しなくなる。すると、流動撹拌が不十分となり、ガスの排出が不十分になる心配がある。
よって、隙間ｃは、０．０５ｍｍ以上で１．０ｍｍ以下に設定することが推奨される。

ショルダー部１３は平坦面であっても差し支えないが、次に説明する溝を設けることが推奨される。
すなわち、図４に示すように、ショルダー部１３に、スクロース溝やスパイラル溝とも呼ばれる渦巻き溝２７を設ける。ショルダー部１３を、図面で反時計回りに回転させると、流動材料が渦巻き溝２７に案内されて中央に集まる。流動材料を中央に集める形状にすることで、接合界面及びその付近に大きな流動を造りだし、接合界面の酸化膜を破壊することができる。酸化膜が破壊されると新生面が現れる。結果、酸化物が含まれない健全な接合状態が得られる。

ただし、渦巻き溝２７の形成には高度な加工技術が要求され、加工費が嵩む。加工が比較的容易な別の例を図５で説明する。
図５（ａ）に示すように、複数（この例では８本）の湾曲溝２９をショルダー部１３に形成する。図４よりは加工が容易になり、加工費用の低減が図れる。
また、図５（ｂ）に示すように、複数（この例では４本）の斜め溝２９をショルダー部１３に形成する。図５（ａ）よりは加工が容易になり、加工費用のさらなる低減が図れる。

尚、本発明に係る接合方法は、車両部品の製造に好適であるが、車両部品以外の異材部品に適用することは差し支えない。

また、ショルダー部１３が硬質材２１や軟質材２２の上面に平行になるように、接合ツール１０を鉛直に配置することを原則とするが、隙間が０．０５ｍｍ〜１．０ｍｍに収まることを条件に接合ツール１０の軸を若干傾けることは差し支えない。

本発明は、異材からなる車両部品の製造に好適である。

１０…接合ツール、１１…本体、１２…プローブ、１３…ショルダー部、２１…硬質材、２２…軟質材、２３…合わせ面、２４…ビード、２５…流動材料、２７…中心に集める溝（渦巻き溝）、２８…中心に集める溝（湾曲溝）、２９…中心に集める溝（斜め溝）、ｃ…隙間、δ…距離。

Claims

ショルダー部及びこのショルダー部から突出するプローブを備える接合ツールを用い、硬質材に該硬質材よりも融点が低い軟質材を突合わせて、摩擦撹拌接合法により接合する異材接合方法において、
前記ショルダー部と前記硬質材の間に隙間を保つと共に前記ショルダー部と前記軟質材の間に隙間を保った状態で前記摩擦撹拌接合法を実施することを特徴とする異材接合方法。
前記隙間は、０．０５〜１．０ｍｍの範囲に設定することを特徴とする請求項１記載の異材接合方法。
前記隙間に介在する流動材料を回転中心に集める溝が、前記ショルダー部に形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２項記載の異材接合方法。
前記硬質材は鉄系材料であり、前記軟質材はアルミニウム系材料であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の異材接合方法。