JP2016078114A - チタン材と鉄鋼材料の接合方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】ショルダーの先端にプローブを有する摩擦攪拌接合工具を高速回転させて被接合材に接触・挿入して接合する方法であって、被接合材としてチタン材と鉄鋼材料を重ねた位置に配置したのち、プローブ長さが上側に重ねた被接合材の厚さより0.1〜1.5mm長いプローブを高速回転させて上側の被接合材に接触・挿入し、かつ、ショルダーの押し込み深さを下記(1)式のA値より小さくし、プローブ長さと押し込み深さの合計が上側板材の厚さより1.5mmを超えないように、摩擦熱にて軟化・塑性流動させて接合する摩擦攪拌接合法により、チタン材と鉄鋼材料を重ね接合することを特徴とするチタン材と鉄鋼材料との接合方法。A=TU-{(Dp×STL×Lp)/(Dp×STL + Ds×STU)}・・・(1)
【選択図】図2
Description
(1)ショルダーの先端にプローブを有する摩擦攪拌接合工具を高速回転させて被接合材に接触・挿入して接合する方法であって、被接合材としてチタン材と鉄鋼材料を重ねた位置に配置したのち、プローブ長さが上側に重ねた被接合材の厚さより0.1〜1.5mm長いプローブを高速回転させて上側の被接合材に接触・挿入し、かつ、ショルダーの押し込み深さを下記(1)式のA値より小さくし、プローブ長さと押し込み深さの合計が上側板材の厚さより1.5mmを超えないように、摩擦熱にて軟化・塑性流動させて接合する摩擦攪拌接合法により、チタン材と鉄鋼材料を重ね接合することを特徴とするチタン材と鉄鋼材料との接合方法。
A=TU−{(Dp×STL×Lp)/(Dp×STL + Ds×STU)} ・・・(1)
ここで、TU:上側板材の板厚(mm)、Dp:プローブ径(mm)、Lp:プローブ長さ(mm)、Ds:ショルダー径(mm)、STL:下側板材の引張強さ(MPa)、STu:上側板材の引張強さ(MPa)を示す。
チタン材の種類は限定されることはなく、純チタン系、アルファ系チタン合金、ベータ系チタン合金、アルファ+ベータ系チタン合金の中から、用途と特性との関係で適宜選択使用すれば良い。
また、鉄鋼材料もその種類、成分系、強度レベルは特に限定されることはなく、炭素鋼、低合金鋼、高合金鋼、ステンレス鋼、耐熱鋼などの中から、用途と特性との関係で適宜選択使用すれば良い。
なお、本発明の接合法において、「チタン材」は、純チタン及びその合金を含む意味で用い、また、「鉄鋼材料」は、炭素鋼及びステンレス鋼などの鉄系材料を含む意味で用いる。
摩擦攪拌接合法は、高速回転するプローブを用いて行うものである。図1に、摩擦攪拌接合法による重ね接合の概略を示す。図1(a)のように、摩擦攪拌接合工具は、円筒形支持体の端部軸線上のショルダー4に円柱状プローブ5が突出したものであり、これらが高速回転するようになっている。
本発明者らは、摩擦攪拌接合した継手を多数、せん断引張試験し、破断形態と破断強度の関係を解析した。プラグ破断した継手のうち、破断面の直径がプローブ径Dpに近いものは、破断強度が高く、破断面の直径がショルダー径Dsに近いものは、破断強度が低いことを知見した。そして、この現象は、ショルダーによる押し込み深さ6に関連することを見出した。すなわち、図2において、ショルダーによる押し込み深さ6が浅い場合は、破断面直径がプローブ径Dpに近く、良好な接合が得られるが、押し込み深さ6がある値を境に深くなると、破断面直径がショルダー径Dsに近くなって、急激に接合強度が低下することが判明した。これは、上側板材1の強度を支える板厚が小さくなったためである。
2×π×Dp×(Lp―t2)×STL
と表せる。
2×π×Ds×t2×STU
と表せる。
また、破断面直径がプローブ径Dpに近く、破断荷重が大きいということは、
2×π×Dp×(Lp―t2)×STL<2×π×Ds×t2×STU
で表される。
A=TU−{(Dp×STL×Lp)/(Dp×STL + Ds×STU)} ・・・(1)
ここで、TU:上側板材の板厚(mm)、Dp:プローブ径(mm)、Lp:プローブ長さ(mm)、Ds:ショルダー径(mm)、STL:下側板材の引張強さ(MPa)、STu:上側板材の引張強さ(MPa)である。
図1(a)に示すように、各種チタン材、及び、鉄鋼材料を重ねた位置に配置し、図1(b)に示す摩擦攪拌接合、TIG溶接、及び、MIG溶接の溶融溶接を行った。なお、TIG溶接及びMIG溶接は、上に重ねた板のエッジ部に重ねすみ肉溶接を行った。表1に各接合方法の接合条件を示す。
また、上側板材をチタン材とし、Co基合金製のプローブで摩擦攪拌接合したNo.1、5及び9は、接合部の外観も他の接合部に比べて優っている。
No.14、15及び16は、プローブ長さが本発明の範囲より短い、あるいは、長い場合であり、接合部に十分な強度が得られず、せん断引張り試験では、接合界面で剥離破断を起こした。
No.17及び18は、プローブ長さは本発明範囲であるが、押し込み深さがA値より大きくなった場合で、接合部に十分な強度が得られず、せん断引張り試験では、接合界面で剥離破断を起こしている。
No.19は、プローブ長さと押し込み深さは本発明範囲であるが、プローブ長さと押し込み深さの合計が上側板材の厚さより1.5mmを超えているため、接合部に十分な強度が得られず、せん断引張り試験では、接合界面で剥離破断を起こした。
次に、図1(a)に示すように、チタン材および鉄鋼材料を重ねた位置に配置し、図1(c)に示す摩擦攪拌点接合を行った。
No.20〜28は、いずれも1点あたりの破断荷重が5kN以上であり、これは、鉄鋼材料同士をプローブ径とほぼ同じ6mmのナゲット径で抵抗スポット溶接した場合の破断荷重と同等であることから、十分な接合強度を有していることが確認された。
また、上側板材をチタン材とし、Co基合金製のプローブを用いて摩擦攪拌点接合したNo.20〜24及び28は、接合部の外観も他の接合部に比べて優っていた。
No.31は、プローブ長さは本発明範囲であるが、押し込み深さがA値より大きくなった場合で、接合部に十分な強度が得られず、せん断引張り試験では、1点あたりの破断荷重が低くなっている。
No.32の比較例は、プローブ長さと押し込み深さがは本発明範囲であるが、プローブ長さと押し込み深さの合計が上側板材の厚さより1.5mmを超えているため、接合部に十分な強度が得られず、せん断引張り試験では、1点あたりの破断荷重が低く、接合界面で剥離破断を起こしている。
2 下側板材
3 接合部
4 ショルダー
5 プローブ
6 押し込み深さ
Lp プローブ長さ
TU 上側板材の厚さ
Dp プローブ径
Ds ショルダー径
Claims (1)
- ショルダーの先端にプローブを有する摩擦攪拌接合工具を高速回転させて被接合材に接触・挿入して接合する方法であって、被接合材としてチタン材と鉄鋼材料を重ねた位置に配置したのち、プローブ長さが上側に重ねた被接合材の厚さより0.1〜1.5mm長いプローブを高速回転させて上側の被接合材に接触・挿入し、かつ、ショルダーの押し込み深さを下記(1)式のA値より小さくし、プローブ長さと押し込み深さの合計が上側板材の厚さより1.5mmを超えないように、摩擦熱にて軟化・塑性流動させて接合する摩擦攪拌接合法により、チタン材と鉄鋼材料を重ね接合することを特徴とするチタン材と鉄鋼材料との接合方法。
A=TU−{(Dp×STL×Lp)/(Dp×STL + Ds×STU)} ・・・(1)
ここで、TU:上側板材の板厚(mm)、Dp:プローブ径(mm)、Lp:プローブ長さ(mm)、Ds:ショルダー径(mm)、STL:下側板材の引張強さ(MPa)、STu:上側板材の引張強さ(MPa)を示す。
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH10286682A (ja) * | 1997-04-15 | 1998-10-27 | Sumitomo Light Metal Ind Ltd | リブ付きアルミニウム製品の製造法 |
JP2003170280A (ja) * | 2001-12-04 | 2003-06-17 | Nippon Steel Corp | 異種金属材料の接合方法 |
JP2005288465A (ja) * | 2004-03-31 | 2005-10-20 | Sumitomo Light Metal Ind Ltd | 摩擦攪拌点接合方法及び摩擦攪拌点接合装置 |
JP2014094409A (ja) * | 2012-10-10 | 2014-05-22 | Nippon Light Metal Co Ltd | 伝熱板の製造方法及び摩擦攪拌接合方法 |
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2014
- 2014-10-22 JP JP2014215686A patent/JP6432277B2/ja active Active
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