JP2018008306A

JP2018008306A - 異種金属材料の接合方法

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Publication number: JP2018008306A
Application number: JP2016140537A
Authority: JP
Inventors: 裕貴小室; Hirotaka Komuro; 藤谷　泰之; Yasuyuki Fujitani; 泰之藤谷; 道下　幸雄; Yukio Doge; 幸雄道下; 杉村　忠士; Tadashi Sugimura; 忠士杉村; 雄三今川; Yuzo Imagawa; 周平吉津; Shuhei Yoshizu
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2016-07-15
Filing date: 2016-07-15
Publication date: 2018-01-18

Abstract

【課題】異種金属材料の接合方法において、十分な接合強度を確保することができる。
【解決手段】炭素鋼で構成される第１接合部材３１と炭素鋼より硬度の低い軟質材料（アルミニウム合金）で構成される第２接合部材３２とを突合せて接合する方法において、第１接合部材３１の接合面３１ａと第２接合部材３２の接合面３２ａとの間に炭素鋼よりクロム含有量及びニッケル含有量の多い接合介在部材３３を配置して互いに接触するように支持するステップと、摩擦攪拌接合用工具１０のピン部２２を回転しながら接合介在部材３３の近傍に位置する第２接合部材３２に押し込むステップと、第２接合部材３２に押し込まれたピン部２２を回転しながら接合方向Ｂに沿って移動するステップとを有する。
【選択図】図４

Description

本発明は、鉄系の金属材料とアルミニウム系やチタン系などの金属材料とを摩擦撹拌接合法により接合する異種金属材料の接合方法に関するものである。

摩擦撹拌接合法（Friction Stir Welding法）は、２つの金属部材の接合面が互いに接触するように突合わせて固定し、この突合せ部に回転ピン部を押し込み、回転しながらこれを移動することで、固相状態による塑性流動現象を生じさせて接合するものである。この摩擦撹拌接合法を用いて鉄系の金属材料とアルミニウム系などの軟質金属材料とを接合することが考えられている。この場合、鉄系の金属材料と軟質金属材料とを突合わせて固定し、この突合せ部における軟質金属材料側に回転ピン部を回転しながら押し込んで移動することで、軟質金属材料の固相状態による塑性流動現象を生じさせて接合する。

ところが、摩擦撹拌接合法を用いて鉄系の金属材料とアルミニウム系などの軟質金属材料とを接合すると、十分な接合強度を得ることが困難となる。この十分な接合強度を得ることができない要因としては、鉄系の金属材料とアルミニウム系などの軟質金属材料の接合面間に生じる金属間化合物が非常に脆いことが挙げられる。

このような問題を解決するものとして、例えば、下記特許文献１に記載されたものがある。特許文献１に記載された異種金属の接合方法は、異種金属である鋼材とアルミニウム合金材とを異材接合するに際し、両材料の間にこれら材料とは異なる第３の金属として、鋼材に亜鉛めっき層を形成した状態で重ね合わせ、接合界面にＡｌとＺｎの共晶溶融金属を生じさせて接合するものである。

特許第４６０１０５２号公報

上述した従来の異種金属の接合方法は、異種金属である鋼材とアルミニウム合金材との間に鋼材に亜鉛めっき層を形成した状態で重ね合わせて接合界面に共晶溶融金属を生じさせるものであり、鋼材とアルミニウム合金材とを突き合わせ状態で加熱する必要があり、作業が大掛かりなものとなり、設備コストが上昇してしまう。

本発明は上述した課題を解決するものであり、十分な接合強度を確保することができる異種金属材料の接合方法を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するための本発明の異種金属材料の接合方法は、炭素鋼と前記炭素鋼より硬度の低い軟質材料とを突合せて接合する異種金属材料の接合方法において、前記炭素鋼の接合面と前記軟質材料の接合面との間に前記炭素鋼よりクロム含有量及びニッケル含有量の多い接合介在部材を配置して互いに接触するように支持するステップと、摩擦攪拌接合用工具のピン部を回転しながら前記接合介在部材の近傍に位置する前記軟質材料に押し込むステップと、前記軟質材料に押し込まれた前記ピン部を回転しながら接合方向に沿って移動するステップと、を有することを特徴とするものである。

従って、炭素鋼の接合面と軟質材料の接合面との間にクロムとニッケルを含む接合介在部材を配置して突き合わせ支持し、回転するピン部を軟質材料に押し込んで接合方向に沿って移動することで、炭素鋼と軟質材料を摩擦攪拌接合法により接合する。このとき、回転するピン部により接合介在部材の近傍で軟質材料が摩擦攪拌されることで発熱して塑性流動が発生し、炭素鋼と接合介在部材と軟質材料が接合される。このとき、接合介在部材と軟質材料は、クロムの酸化膜とアルミニウムの非結晶酸化膜を介して接合することとなり、両者の接合面での金属間化合物の発生が抑制される。そのため、炭素鋼と軟質材料との間に十分な接合強度を確保することができる。

本発明の異種金属材料の接合方法では、前記ピン部を回転しながら前記軟質材料に押し込んだ後に前記接合介在部材側に移動するステップが設けられることを特徴としている。

従って、ピン部を回転しながら軟質材料に押し込んだ後に接合介在部材側に移動することで、接合介在部材を十分に加熱させ軟化してからツールを適正位置に移動するため、ピンの欠損を抑制できる。

本発明の異種金属材料の接合方法では、前記軟質材料に押し込まれた前記ピン部を回転状態のままで、前記接合介在部材側に移動しながら接合方向に沿って移動することを特徴としている。

従って、ピン部を回転しながら接合介在部材側に移動しながら接合方向に沿って移動することで、ピン部を徐々に接合介在部材側の適正位置に移動することができる。

本発明の異種金属材料の接合方法では、前記接合介在部材は、前記炭素鋼の接合面に肉盛り溶接により形成されたステンレスクラッド鋼であることを特徴としている。

従って、炭素鋼の接合面に事前に肉盛り溶接によりステンレスクラッド鋼を形成して接合介在部材を配置することで、摩擦撹拌接合法によりステンレスクラッド鋼と軟質部材を接合すればよく、安価で容易に炭素鋼と軟質部材を接合することができる。

本発明の異種金属材料の接合方法では、前記接合介在部材は、ステンレス鋼板であることを特徴としている。

従って、接合介在部材をステンレス鋼板とすることで、事前に肉盛り溶接などの作業が不要となり、摩擦撹拌接合法により炭素鋼とステンレス鋼板と軟質部材を接合すればよく、作業性を向上することができる。

本発明の異種金属材料の接合方法では、前記接合介在部材は、厚さが前記摩擦攪拌接合用工具のショルダ部の半径寸法から前記ピン部の半径寸法を減算した値の１／２以下に設定され、前記軟質材料に押し込まれた前記ピン部を回転状態のままで、前記接合介在部材の平面部を超えて前記炭素鋼の接合面の手前まで移動しながら接合方向に沿って移動することを特徴としている。

従って、接合介在部材の厚さを摩擦攪拌接合用工具のショルダ部やピン部の外径に応じた最適厚さに設定することで、回転するピン部により軟質材料と共に接合介在部材の一部を適正に摩擦攪拌することで発熱させ、塑性流動により混合させることができ、十分な強度を持って接合することができる。

本発明の異種金属材料の接合方法では、前記炭素鋼と前記軟質材料と前記接合介在部材の表面を冷却しながら前記ピン部を接合方向に移動することを特徴としている。

従って、炭素鋼と軟質材料と接合介在部材の表面を冷却しながら摩擦撹拌接合することで、炭素鋼と軟質材料と接合介在部材は、摩擦撹拌により発生する発熱が抑えられ、表面の温度上昇を抑制して厚さ方向の温度分布を小さくすることができ、板厚方向の金属間化合物の厚さのバラつきを抑制することができる。

本発明の異種金属材料の接合方法では、前記摩擦攪拌接合用工具のショルダ部の外方から前記炭素鋼と前記軟質材料と前記接合介在部材の表面に向けて冷却材を噴出しながら前記ピン部を接合方向に移動することを特徴としている。

従って、ショルダ部に冷却材の流路を設ける必要がなく、冷却設備の導入を容易として設備コストの増加を抑制することができる。

本発明の異種金属材料の接合方法では、前記摩擦攪拌接合用工具のショルダ部の先端面から前記炭素鋼と前記軟質材料と前記接合介在部材の表面に向けて冷却材を噴出しながら前記ピン部を接合方向に移動することを特徴としている。

従って、ショルダ部に対向する炭素鋼と軟質材料と接合介在部材の表面を冷却材により直接冷却することができ、冷却効率を向上することができる。

本発明の異種金属材料の接合方法では、前記ピン部を前記軟質材料の厚さ方向に貫通させ、前記ピン部における軸方向の両端部を支持して回転しながら接合方向に移動することを特徴としている。

従って、軟質材料の厚さ方向に貫通したピン部を軸方向の両端部で支持して回転することとなり、厚さの厚い炭素鋼と軟質材料の接合に対して適正な摩擦撹拌接合法を適用することができる。

本発明の異種金属材料の接合方法によれば、炭素鋼の接合面と軟質材料の接合面との間に炭素鋼よりクロム含有量及びニッケル含有量の多い接合介在部材を配置し、摩擦攪拌接合用工具のピン部を回転しながら接合介在部材の近傍に位置する軟質材料に押し込み、接合方向に沿って移動するので、接合介在部材と軟質材料は、クロムの酸化膜とアルミニウムの非結晶酸化膜を介して接合することとなり、両者の接合面での金属間化合物の発生が抑制され、炭素鋼と軟質材料との間に十分な接合強度を確保することができる。

図１は、第１実施形態の異種金属材料の接合方法を実施するための摩擦攪拌接合用工具を表す正面図である。図２は、異種金属材料の接合方法を表す２つの接合部材の断面図である。図３は、異種金属材料の接合方法を表す２つの接合部材及び接合介在部材の断面図である。図４は、異種金属材料の接合方法を表す概略断面図である。図５は、異種金属材料の接合方法を表す概略平面図である。図６は、異種金属材料の接合方法で接合された部材の引張強度試験の結果を表す表である。図７は、第２実施形態の異種金属材料の接合方法を表す２つの接合部材及び接合介在部材の断面図である。図８は、異種金属材料の接合方法を表す概略断面図である。図９は、異種金属材料の接合方法を表す概略平面図である。図１０は、第３実施形態の異種金属材料の接合装置を表す概略図である。図１１は、第４実施形態の異種金属材料の接合装置を表す概略図である。図１２は、第５実施形態の異種金属材料の接合装置を表す概略図である。

以下に添付図面を参照して、本発明に係る異種金属材料の接合方法の好適な実施形態を詳細に説明する。なお、この実施形態により本発明が限定されるものではなく、また、実施形態が複数ある場合には、各実施形態を組み合わせて構成するものも含むものである。

［第１実施形態］
図１は、第１実施形態の異種金属材料の接合方法を実施するための摩擦攪拌接合用工具を表す正面図である。

第１実施形態において、図１に示すように、摩擦攪拌接合用工具１０は、図示しない駆動装置の出力軸に保持される回転軸１１と、この回転軸１１の先端部に装着されるヘッド部１２とを有している。このヘッド部１２は、回転可能な回転体２１と、この回転体２１の回転軸心上を先端側に突出したピン部２２と、回転体２１の先端側で外径寸法がピン部２２より大きいショルダ部２３とを有している。そして、ピン部２２は、ショルダ部２３の先端面から所定長さだけ突出している。

回転体２１は、円柱形状をなし、回転軸１１の先端部に一体に固定されてなり、この回転軸１１と共に回転可能となっている。ピン部２２は、回転体２１と同心の円柱（または、円錐台形状）をなし、この回転体２１の先端部に突出するように一体に固定されてなり、回転体２１と共に回転可能となっている。ショルダ部２３は、回転体２１の先端側で外径寸法がピン部２２より大きい円柱形状をなしている。この場合、ショルダ部２３は、先端面が回転体２１の軸方向に直交する平面としたが、先端面が回転体２１の先端側で外周部からピン部２２に向かって先端側に突出するように傾斜した傾斜面としてもよい。

第１実施形態の異種金属材料の接合方法は、この摩擦攪拌接合用工具１０を用いて鉄系の金属材料からなる接合部材と、アルミニウム系（または、チタン系）の金属材料からなる接合部材とを摩擦撹拌接合法により接合するものである。

図２は、異種金属材料の接合方法を表す２つの接合部材の断面図、図３は、異種金属材料の接合方法を表す２つの接合部材及び接合介在部材の断面図、図４は、異種金属材料の接合方法を表す概略断面図、図５は、異種金属材料の接合方法を表す概略平面図である。

図２に示すように、第１接合部材３１は、炭素鋼（または、低合金鋼）であって、接合面３１ａが形成されている。第２接合部材３２は、炭素鋼（または、低合金鋼）より硬度の低い軟質材料であって、本実施形態では、アルミニウム合金であり、接合面３２ａが形成されている。本実施形態の異種金属材料の接合方法は、第１接合部材３１の接合面３１ａと第２接合部材３２の接合面３２ａとを突合せて摩擦攪拌接合法により接合するものである。

炭素鋼である第１接合部材３１とアルミニウム合金である第２接合部材３２を摩擦攪拌接合法により接合する場合、接合面３１ａ，３２ａ間に生じる金属間化合物により接合強度が低下する。そこで、本実施形態では、図３に示すように、炭素鋼である第１接合部材３１とアルミニウム合金である第２接合部材３２との接合面３１ａ，３２ａ間に、炭素鋼よりクロム含有量及びニッケル含有量の多い接合介在部材３３を介在させ、図４及び図５に示すように、摩擦攪拌接合法により接合する。

即ち、本実施形態の異種金属材料の接合方法は、炭素鋼である第１接合部材３１とアルミニウム合金である第２接合部材３２との接合面３１ａ，３２ａ間に炭素鋼よりクロム含有量及びニッケル含有量の多い接合介在部材３３を配置して互いに接触するように支持するステップと、摩擦攪拌接合用工具１０のピン部２２を回転しながら接合介在部材３３の近傍に位置する第２接合部材３２に押し込むステップと、第２接合部材３２に押し込まれたピン部２２を回転しながら接合方向に沿って移動するステップとを有している。

また、本実施形態の異種金属材料の接合方法は、ピン部２２を回転しながら第２接合部材３２に押し込んだ後に接合介在部材３３側に移動するステップが設けられる。即ち、第２接合部材３２に押し込まれたピン部２２を回転状態のままで、接合介在部材３３側に移動しながら接合方向に沿って移動する。

具体的に説明すると、本実施形態にて、図３に示すように、接合介在部材３３は、炭素鋼である第１接合部材３１の接合面３１ａに肉盛り溶接により形成されたステンレスクラッド鋼であり、接合面３３ａが形成されている。

そして、図４及び図５に示すように、炭素鋼である第１接合部材３１の接合面３１ａに形成されたステンレスクラッド鋼である接合介在部材３３の接合面３３ａと、アルミニウム合金である第２接合部材３２の接合面３２ａとが接触するように突き合わせて支持する。そして、まず、図示しない回転工具移動機構により摩擦攪拌接合用工具１０を移動し、ピン部２２を接合介在部材３３の近傍に位置する第２接合部材３２の上方に位置させる。次に、摩擦攪拌接合用工具１０の回転軸１１を矢印Ａ方向に回転し、ピン部２２を下降して先端部を第２接合部材３２の表面に押し付ける。

すると、回転するピン部２２と第２接合部材３２との摩擦により第２接合部材３２が発熱し、この第２接合部材３２が塑性流動し、ピン部２２が第２接合部材３２の深さ方向へ内部に入り込んでいき、ショルダ部２３の先端面が各部材３１，３２，３３の表面に当接する。このとき、ピン部２２は、外周面が接合介在部材３３の接合面３３ａと所定隙間を空けて、あるいは、外周面が接合介在部材３３の接合面３３ａにわずかに接触した状態にある。そこで、第２接合部材３２に押し込まれたピン部２２を回転状態のまま、接合介在部材３３側に移動しながら接合方向Ｂに沿って移動する。

このピン部２２の移動により第２接合部材３２だけでなく、接合介在部材３３の一部も塑性流動し、第２接合部材３２の一部と接合介在部材３３が混合する。なお、ピン部２２の接合介在部材３３への押し込み量は、接合介在部材３３の厚さより少ないものであり、第１接合部材３１には到達しない。そのため、ピン部２２は、接合介在部材３３側へ所定の押し込み量だけ移動し、接合方向Ｂに沿って各部材３１，３２，３３と平行に移動すると、接合介在部材３３の厚さが減少して新規な接合面が形成され、且つ、接合方向Ｂの後方に接合部３４が形成されることとなり、第２接合部材３２と接合介在部材３３とが摩擦攪拌接合法によって接合される。

この摩擦攪拌接合用工具１０を用いた摩擦攪拌接合法による第１接合部材３１（接合介在部材３３）と第２接合部材３２との接合方法にて、第１接合部材３２の接合面３１ａに形成された接合介在部材３３は、第１接合部材３１を構成する炭素鋼よりクロム含有量及びニッケル含有量の多いステンレスクラッド鋼である。第１接合部材３１を構成する炭素鋼は、クロムが１％前後、ニッケルが２%前後含有しているが、第２接合部材３２を構成するステンレスクラッド鋼は、オーステナイト系であって、クロムが１８％以上、ニッケルが８％以上含有している。そのため、第２接合部材３２を構成するアルミニウム合金と接合介在部材３３を構成するステンレスクラッド鋼は、各接合面３２ａ，３３ａが密着し、ピン部２２により摩擦撹拌されて塑性流動したとき、クロムの酸化膜とアルミニウムの非結晶酸化膜を介して接合することとなり、両者の接合面３２ａ，３３ａでの金属間化合物の発生が抑制される。そのため、第１接合部材３１（接合介在部材３３）と第２接合部材３２は、十分な接合強度をもって接合されることとなる。

ここで、従来の異種金属材料の接合方法と第１実施形態の異種金属材料の接合方法における引張強度の相違について説明する。図６は、異種金属材料の接合方法で接合された部材の引張強度試験の結果を表す表である。

図６に示すように、試料Ｎｏ，１が第１実施形態の異種金属材料の接合方法により接合した部材であり、試料Ｎｏ，２とＮｏ，３が従来の異種金属材料の接合方法により接合した部材であり、試料Ｎｏ，２とＮｏ，３とは、接合速度（ピン部２２の移動速度）が相違している。第１実施形態の異種金属材料の接合方法とは、接合介在部材３３を用いたものであり、従来の異種金属材料の接合方法により接合とは、接合介在部材３３を用いていないものである。また、引張強さは、異なる接合方向の３カ所で試験を行ったものである。

Ｎｏ，３の従来の異種金属材料の接合方法により接合した部材は、接合速度が速すぎて接合することができなかった。Ｎｏ，２の従来の異種金属材料の接合方法により接合した部材は、平均の引張強さが７Ｍｐａであり、最大の引張強さが９Ｍｐａであった。一方、第１実施形態の異種金属材料の接合方法により接合した部材は、平均の引張強さが１１０Ｍｐａであり、最大の引張強さが１６０Ｍｐａであった。

このように第１実施形態の異種金属材料の接合方法にあっては、炭素鋼で構成される第１接合部材３１と炭素鋼より硬度の低い軟質材料（アルミニウム合金）で構成される第２接合部材３２とを突合せて接合する方法において、第１接合部材３１の接合面３１ａと第２接合部材３２の接合面３２ａとの間に炭素鋼よりクロム含有量及びニッケル含有量の多い接合介在部材３３を配置して互いに接触するように支持するステップと、摩擦攪拌接合用工具１０のピン部２２を回転しながら接合介在部材３３の近傍に位置する第２接合部材３２に押し込むステップと、第２接合部材３２に押し込まれたピン部２２を回転しながら接合方向Ｂに沿って移動するステップとを有する。

従って、第１接合部材３１の接合面３１ａと第２接合部材３２の接合面３２ａとの間に接合介在部材３３を配置して突き合わせ支持し、回転するピン部２２を第２接合部材３２に押し込んで接合方向Ｂに沿って移動することで、第１接合部材３１と第２接合部材３２を摩擦攪拌接合法により接合する。このとき、回転するピン部２２により接合介在部材３３の近傍で第２接合部材３２が摩擦攪拌されることで発熱して塑性流動が発生し、第１接合部材３１と接合介在部材３３と第２接合部材３２が接合される。このとき、接合介在部材３３と第２接合部材３２は、クロムの酸化膜とアルミニウムの非結晶酸化膜を介して接合することとなり、両者の接合面３２ａ，３３ａでの金属間化合物の発生が抑制される。そのため、第１接合部材３１と第２接合部材３２を適正に接合して両者の間に十分な接合強度を確保することができる。

第１実施形態の異種金属材料の接合方法では、ピン部２２を回転しながら第２接合部材３２に押し込んだ後に接合介在部材３３側に移動するステップを設けている。従って、回転するピン部２２により第２接合部材３２と共に接合介在部材３３の一部が摩擦攪拌されることで発熱して塑性流動が発生し、接合介在部材３３を十分に加熱させ軟化してからツールを適正位置に移動するため、ピンの欠損を抑制できる。

第１実施形態の異種金属材料の接合方法では、第２接合部材３２に押し込まれたピン部２２を回転状態のままで、接合介在部材３３側に移動しながら接合方向Ｂに沿って移動する。従って、ピン部２２を徐々に接合介在部材３３側の適正位置に移動することができる。

第１実施形態の異種金属材料の接合方法では、接合介在部材３３を第１接合部材３１の接合面３１ａに肉盛り溶接により形成されたステンレスクラッド鋼としている。従って、第１接合部材３１の接合面３１ａに肉盛り溶接によりステンレスクラッド鋼を形成して接合介在部材３３を配置することで、摩擦撹拌接合法によりステンレスクラッド鋼を構成する接合介在部材３３と第２接合部材３２を接合すればよく、安価で容易に第１接合部材３１と第２接合部材３２を接合することができる。

［第２実施形態］
図７は、第２実施形態の異種金属材料の接合方法を表す２つの接合部材及び接合介在部材の断面図、図８は、異種金属材料の接合方法を表す概略断面図、図９は、異種金属材料の接合方法を表す概略平面図である。なお、上述した実施形態と同様の機能を有する部材には、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。

第２実施形態において、図７に示すように、第１接合部材３１は、炭素鋼（または、低合金鋼）であり、第２接合部材３２は、炭素鋼（または、低合金鋼）より硬度の低い軟質材料である。本実施形態では、図７に示すように、炭素鋼である第１接合部材３１とアルミニウム合金である第２接合部材３２との接合面３１ａ，３２ａ間に、炭素鋼よりクロム含有量及びニッケル含有量の多い接合介在部材３５を介在させ、図８及び図９に示すように、摩擦攪拌接合法により接合する。

即ち、本実施形態の異種金属材料の接合方法は、炭素鋼である第１接合部材３１とアルミニウム合金である第２接合部材３２との接合面３１ａ，３２ａ間に炭素鋼よりクロム含有量及びニッケル含有量の多い接合介在部材３５を配置して互いに接触するように支持するステップと、摩擦攪拌接合用工具１０のピン部２２を回転しながら接合介在部材３５の近傍に位置する第２接合部材３２に押し込むステップと、第２接合部材３２に押し込まれたピン部２２を回転しながら接合方向に沿って移動するステップとを有している。

また、本実施形態の異種金属材料の接合方法は、ピン部２２を回転しながら第２接合部材３２に押し込んだ後に接合介在部材３５側に移動するステップが設けられる。即ち、第２接合部材３２に押し込まれたピン部２２を回転状態のままで、接合介在部材３５側に移動しながら接合方向Ｂに沿って移動する。

具体的に説明すると、本実施形態にて、図７に示すように、接合介在部材３５は、ステンレス鋼板であり、炭素鋼である第１接合部材３１の接合面３１ａと、アルミニウム合金である第２接合部材３２の接合面３２ａとの間に介在される。

そして、図８及び図９に示すように、炭素鋼である第１接合部材３１の接合面３１ａとステンレス鋼板である接合介在部材３５の接合面３５ａが接触すると共に、接合介在部材３５の接合面３５ｂとアルミニウム合金である第２接合部材３２の接合面３２ａとが接触するように突き合わせて支持する。そして、まず、図示しない回転工具移動機構により摩擦攪拌接合用工具１０を移動し、ピン部２２を接合介在部材３５の近傍に位置する第２接合部材３２の上方に位置させる。次に、摩擦攪拌接合用工具１０の回転軸１１を矢印Ａ方向に回転し、ピン部２２を下降して先端部を第２接合部材３２の表面に押し付ける。

すると、回転するピン部２２と第２接合部材３２との摩擦により第２接合部材３２が発熱し、この第２接合部材３２が塑性流動し、ピン部２２が第２接合部材３２の深さ方向へ内部に入り込んでいき、ショルダ部２３の先端面が各部材３１，３２，３５の表面に当接する。このとき、ピン部２２は、外周面が接合介在部材３５の接合面３５ａと所定隙間を空けて、あるいは、外周面が接合介在部材３５の接合面３５ａにわずかに接触した状態にある。そこで、第２接合部材３２に押し込まれたピン部２２を回転状態のまま、接合介在部材３５側に移動しながら接合方向Ｂに沿って移動する。

このピン部２２の移動により第２接合部材３２だけでなく、接合介在部材３５の一部も塑性流動し、第２接合部材３２の一部と接合介在部材３５が混合する。なお、ピン部２２の接合介在部材３５への押し込み量は、接合介在部材３５の厚さより少ないものであり、第１接合部材３１には到達しない。即ち、ピン部２２の外径をＤ１、ショルダ部２３の外径をＤ２とし、接合介在部材３５の厚さをＴとするとき、接合介在部材３５の厚さＴをショルダ部２３の半径寸法Ｄ２／２からピン部２２の半径寸法Ｄ１／２を減算した値の１／２以下に設定する。
０＜Ｔ≦（Ｄ２−Ｄ１）／４

そして、第２接合部材３２に押し込まれたピン部２２を回転状態のままで、接合介在部材３５の一方の接合面（平面部）３５ｂを超えて他方の接合面（平面部）３５ａ、つまり、第１接合部材３１の接合面３１ａの手前まで移動しながら接合方向Ｂに沿って移動する。そのため、ピン部２２は、接合介在部材３５側へ所定の押し込み量だけ移動し、接合方向Ｂに沿って各部材３１，３２，３５と平行に移動すると、接合介在部材３５の厚さがＴ１まで減少して新規な接合面３５ｃが形成されることとなる。すると、接合介在部材３５と第２接合部材３２は、接合方向Ｂの後方に接合部３６が形成され、第１接合部材３１と接合介在部材３５は、圧着された接合面３１ａ，３５ａに伝熱されて接合される。その結果、第１接合部材３１と接合介在部材３５と第２接合部材３２が摩擦攪拌接合法によって接合される。

この摩擦攪拌接合用工具１０を用いた摩擦攪拌接合法による第１接合部材３１（接合介在部材３５）と第２接合部材３２との接合方法では、第２接合部材３２を構成するアルミニウム合金と接合介在部材３５を構成するステンレス鋼板は、各接合面３２ａ，３５ａが密着し、ピン部２２により摩擦撹拌されて塑性流動したとき、クロムの酸化膜とアルミニウムの非結晶酸化膜を介して接合することとなり、両者の接合面３２ａ，３５ａでの金属間化合物の発生が抑制される。そのため、第１接合部材３１（接合介在部材３５）と第２接合部材３２は、十分な接合強度をもって接合されることとなる。

このように第２実施形態の異種金属材料の接合方法にあっては、第１接合部材３１の接合面３１ａと第２接合部材３２の接合面３２ａとの間に炭素鋼よりクロム含有量及びニッケル含有量の多い接合介在部材３５を配置して互いに接触するように支持するステップと、摩擦攪拌接合用工具１０のピン部２２を回転しながら接合介在部材３５の近傍に位置する第２接合部材３２に押し込むステップと、第２接合部材３２に押し込まれたピン部２２を回転しながら接合方向Ｂに沿って移動するステップとを有する。

従って、回転するピン部２２により接合介在部材３５の近傍で第２接合部材３２が摩擦攪拌されることで発熱して塑性流動が発生し、第１接合部材３１と接合介在部材３５と第２接合部材３２が接合される。このとき、接合介在部材３５と第２接合部材３２は、クロムの酸化膜とアルミニウムの非結晶酸化膜を介して接合することとなり、両者の接合面３２ａ，３５ａでの金属間化合物の発生が抑制される。そのため、第１接合部材３１と第２接合部材３２を適正に接合して両者の間に十分な接合強度を確保することができる。

第２実施形態の異種金属材料の接合方法では、接合介在部材３５をステンレス鋼板としている。従って、事前に肉盛り溶接などの作業が不要となり、摩擦撹拌接合法により炭素鋼である第１接合部材３１とステンレス鋼板である接合介在部材３５とアルミニウム合金である第２接合部材３２を接合すればよく、作業性を向上することができる。

第２実施形態の異種金属材料の接合方法では、接合介在部材３５は、厚さＴが摩擦攪拌接合用工具１０のショルダ部２３の半径寸法Ｄ２／２からピン部２２の半径寸法Ｄ１／２を減算した値の１／２以下に設定され、第２接合部材３２に押し込まれたピン部２２を回転状態のままで、接合介在部材３５の接合部３５ａを超えて第１接合部材３１の接合面３１ａの手前まで移動しながら接合方向Ｂに沿って移動する。従って、接合介在部材３５の厚さＴをショルダ部２３やピン部２２の外径に応じた最適厚さに設定することで、回転するピン部２２により第２接合部材３２と共に接合介在部材３５の一部を適正に摩擦攪拌することで発熱させ、塑性流動により混合させることができ、十分な強度を持って接合することができる。

［第３実施形態］
図１０は、第３実施形態の異種金属材料の接合装置を表す概略図である。なお、上述した実施形態と同様の機能を有する部材には、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。

第３実施形態において、図１０に示すように、摩擦攪拌接合用工具１０は、図示しない駆動装置の出力軸に保持される回転軸１１と、この回転軸１１の先端部に装着されるヘッド部１２とを有している。回転軸１１は、装置フレーム４１に軸受４２を介して回転自在に支持されている。ヘッド部１２は、回転可能な回転体２１と、この回転体２１の回転軸心上を先端側に突出したピン部２２と、回転体２１の先端側で外径寸法がピン部２２より大きいショルダ部２３とを有している。

第３実施形態の異種金属材料の接合装置は、炭素鋼で構成される第１接合部材３１とアルミニウム合金で構成される第２接合部材３２とステンレスクラッド鋼で構成される接合介在部材３３の表面を冷却しながらピン部２２を接合方向Ｂに移動することで、第１接合部材３１と接合介在部材３３と第２接合部材３２を接合するものである。

装置フレーム４１は、その長手方向（回転軸１１の軸方向）に沿って冷却材供給路４３が形成され、この冷却材供給路４３は、基端部が冷却材供給源に連結され、先端部が装置フレーム４１の先端部に開口している。そのため、冷却材供給路４３によりショルダ部２３の外方から第１接合部材３１と接合介在部材３３と第２接合部材３２の表面に向けて冷却材を噴出することができる。

即ち、第１接合部材３１の接合面３１ａに形成された接合介在部材３３の接合面３３ａと、第２接合部材３２の接合面３２ａとが接触するように突き合わせて支持する。そして、摩擦攪拌接合用工具１０を移動し、ピン部２２を下降して先端部を第２接合部材３２の表面に押し付ける。すると、回転するピン部２２と第２接合部材３２との摩擦により第２接合部材３２が発熱し、この第２接合部材３２が塑性流動し、ピン部２２が第２接合部材３２の深さ方向へ内部に入り込んでいき、ショルダ部２３の先端面が各部材３１，３２，３３の表面に当接する。このとき、冷却材供給路４３からの冷却材をショルダ部２３の外方から第１接合部材３１と接合介在部材３３と第２接合部材３２の表面に向けて噴出する。すると、冷却材により第１接合部材３１と接合介在部材３３と第２接合部材３２の表面が冷却される。

そして、第２接合部材３２に押し込まれたピン部２２を回転状態のまま、接合介在部材３３側に移動しながら接合方向Ｂに沿って移動する。すると、ピン部２２の移動により第２接合部材３２だけでなく、接合介在部材３３の一部も塑性流動し、第２接合部材３２の一部と接合介在部材３３が混合する。そのため、ピン部２２は、接合介在部材３３側へ所定の押し込み量だけ移動し、接合方向Ｂに沿って各部材３１，３２，３３と平行に移動すると、接合介在部材３３の厚さが減少して新規な接合面が形成され、且つ、接合方向Ｂの後方に接合部３４が形成されることとなり、第２接合部材３２と接合介在部材３３とが摩擦攪拌接合法によって接合される。

この摩擦攪拌接合用工具１０を用いた摩擦攪拌接合法による第１接合部材３１（接合介在部材３３）と第２接合部材３２との接合方法では、第２接合部材３２を構成するアルミニウム合金と接合介在部材３３を構成するステンレスクラッド鋼は、各接合面３２ａ，３３ａが密着し、ピン部２２により摩擦撹拌されて塑性流動したとき、クロムの酸化膜とアルミニウムの非結晶酸化膜を介して接合することとなり、両者の接合面３２ａ，３３ａでの金属間化合物の発生が抑制される。また、冷却材により第１接合部材３１と接合介在部材３３と第２接合部材３２の表面が冷却されることで温度上昇が抑制されることでも、第２接合部材３２と接合介在部材３３の各接合面３２ａ，３３ａでの金属間化合物の発生が抑制される。そのため、第１接合部材３１（接合介在部材３３）と第２接合部材３２は、十分な接合強度をもって接合されることとなる。

このように第３実施形態の異種金属材料の接合方法にあっては、第１接合部材３１と接合介在部材３３と第２接合部材３２の表面を冷却しながらピン部２２を接合方向に移動している。

従って、炭第１接合部材３１と接合介在部材３３と第２接合部材３２は、冷却材により摩擦撹拌により発生する発熱が抑えられ、表面の温度上昇を抑制して厚さ方向の温度分布を小さくすることができ、板厚方向の金属間化合物の厚さのバラつきを抑制することができる。

第３実施形態の異種金属材料の接合方法では、ショルダ部２３の外方から第１接合部材３１と接合介在部材３３と第２接合部材３２の表面に向けて冷却材を噴出しながらピン部２２を接合方向に移動している。従って、ショルダ部２３に冷却材の流路を設ける必要がなく、冷却設備の導入を容易として設備コストの増加を抑制することができる。

［第４実施形態］
図１１は、第４実施形態の異種金属材料の接合装置を表す概略図である。なお、上述した実施形態と同様の機能を有する部材には、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。

第４実施形態において、図１１に示すように、摩擦攪拌接合用工具１０は、図示しない駆動装置の出力軸に保持される回転軸１１と、この回転軸１１の先端部に装着されるヘッド部１２とを有している。回転軸１１は、装置フレーム４１に軸受４２を介して回転自在に支持されている。ヘッド部１２は、回転可能な回転体２１と、この回転体２１の回転軸心上を先端側に突出したピン部２２と、回転体２１の先端側で外径寸法がピン部２２より大きいショルダ部２３とを有している。

第４実施形態の異種金属材料の接合装置は、炭素鋼で構成される第１接合部材３１とアルミニウム合金で構成される第２接合部材３２とステンレスクラッド鋼で構成される接合介在部材３３の表面を冷却しながらピン部２２を接合方向に移動することで、第１接合部材３１と接合介在部材３３と第２接合部材３２を接合するものである。

ショルダ部２３は、内部に冷却材供給路５１が形成され、この冷却材供給路５１は、基端部が装置フレーム４１の形成された連結路（図示略）を介して冷却材供給源に連結され、先端部がショルダ部２３の先端面に開口している。そのため、冷却材供給路５１によりショルダ部２３の先端面から第１接合部材３１と接合介在部材３３と第２接合部材３２の表面に向けて冷却材を噴出することができる。

即ち、第１接合部材３１の接合面３１ａに形成された接合介在部材３３の接合面３３ａと、第２接合部材３２の接合面３２ａとが接触するように突き合わせて支持する。そして、摩擦攪拌接合用工具１０を移動し、ピン部２２を下降して先端部を第２接合部材３２に表面に押し付ける。すると、回転するピン部２２と第２接合部材３２との摩擦により第２接合部材３２が発熱し、この第２接合部材３２が塑性流動し、ピン部２２が第２接合部材３２の深さ方向へ内部に入り込んでいき、ショルダ部２３の先端面が各部材３１，３２，３３の表面に当接する。このとき、冷却材供給路５１からの冷却材をショルダ部２３の先端面から第１接合部材３１と接合介在部材３３と第２接合部材３２の表面に向けて噴出する。すると、冷却材により第１接合部材３１と接合介在部材３３と第２接合部材３２の表面が冷却される。

このように第４実施形態の異種金属材料の接合方法にあっては、ショルダ部２３の先端面から第１接合部材３１と接合介在部材３３と第２接合部材３２の表面に向けて冷却材を噴出しながらピン部２２を接合方向に移動している。

従って、第１接合部材３１と接合介在部材３３と第２接合部材３２は、冷却材により摩擦撹拌により発生する発熱が抑えられ、表面の温度上昇を抑制して厚さ方向の温度分布を小さくすることができ、板厚方向の金属間化合物の厚さのバラつきを抑制することができる。また、ショルダ部２３に対向する第１接合部材３１と接合介在部材３３と第２接合部材３２の表面を冷却材により直接冷却することができ、冷却効率を向上することができる。

［第５実施形態］
図１２は、第５実施形態の異種金属材料の接合装置を表す概略図である。なお、上述した実施形態と同様の機能を有する部材には、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。

第５実施形態において、図１２に示すように、摩擦攪拌接合用工具６０は、図示しない駆動装置の出力軸に保持される一対の回転軸１１Ａ，１１Ｂと、この回転軸１１Ａ，１１Ｂの先端部に装着されるヘッド部１２Ａ，１２Ｂとを有している。ヘッド部１２Ａ，１２Ｂは、回転可能な回転体２１Ａ，２１Ｂと、この回転体２１Ａ，２１Ｂの回転軸心上を先端側に突出したピン部２２と、回転体２１Ａ，２１Ｂの先端側で外径寸法がピン部２２より大きいショルダ部２３Ａ，２３Ｂとを有している。

第５実施形態の異種金属材料の接合装置は、炭素鋼で構成される第１接合部材３１とアルミニウム合金で構成される第２接合部材３２とステンレスクラッド鋼で構成される接合介在部材３３における厚さ方向の両方からピン部２２を支持し、このピン部２２を接合方向に移動することで、第１接合部材３１と接合介在部材３３と第２接合部材３２を接合するものである。

即ち、第１接合部材３１の接合面３１ａに形成された接合介在部材３３の接合面３３ａと、第２接合部材３２の接合面３２ａとが接触するように突き合わせて支持する。そして、第２接合部材３２における接合介在部材３３の近傍の位置にピン部２２が挿通可能な貫通孔を形成する。ここで、ヘッド部２１Ａを下降し、ピン部２２を第２接合部材３２の貫通孔に挿通し、ピン部２２の下端部をヘッド部２１Ｂにより支持する。そして、ピン部２２の回転を開始し、接合介在部材３３側に移動しながら接合方向Ｂに沿って移動すると、回転するピン部２２と第２接合部材３２との摩擦により第２接合部材３２が発熱し、この第２接合部材３２が塑性流動する。

このとき、ピン部２２の移動により第２接合部材３２だけでなく、接合介在部材３３の一部も塑性流動し、第２接合部材３２の一部と接合介在部材３３が混合する。そのため、ピン部２２は、接合介在部材３３側へ所定の押し込み量だけ移動し、接合方向Ｂに沿って各部材３１，３２，３３と平行に移動すると、接合介在部材３３の厚さが減少して新規な接合面が形成され、且つ、接合方向Ｂの後方に接合部３４が形成されることとなり、第２接合部材３２と接合介在部材３３とが摩擦攪拌接合法によって接合される。

この摩擦攪拌接合用工具１０を用いた摩擦攪拌接合法による第１接合部材３１（接合介在部材３３）と第２接合部材３２との接合方法では、第２接合部材３２を構成するアルミニウム合金と接合介在部材３３を構成するステンレスクラッド鋼は、各接合面３２ａ，３３ａが密着し、ピン部２２により摩擦撹拌されて塑性流動したとき、クロムの酸化膜とアルミニウムの非結晶酸化膜を介して接合することとなり、両者の接合面３２ａ，３３ａでの金属間化合物の発生が抑制される。そのため、第１接合部材３１（接合介在部材３３）と第２接合部材３２は、十分な接合強度をもって接合されることとなる。

なお、この第５実施形態にて、上下のヘッド部１２ａ，１２ｂ側に第３実施形態や第４実施形態の冷却材供給路４３，５１を設けてもよい。すると、上下のヘッド部１２ａ，１２ｂ側から冷却材により第１接合部材３１と接合介在部材３３と第２接合部材３２の表面が冷却されることで温度上昇が抑制されることで、第２接合部材３２と接合介在部材３３の各接合面３２ａ，３３ａでの金属間化合物の発生が抑制される。

第５実施形態の異種金属材料の接合方法にあっては、ピン部２２を第２接合部材３２の厚さ方向に貫通させ、ピン部２２における軸方向の両端部をヘッド部２１Ａ，２１Ｂにより支持して回転しながら接合方向に移動する。

従って、厚さの厚い第１接合部材３１と第２接合部材３２の接合に対して適正な摩擦撹拌接合法を適用することができる。

１０，６０摩擦攪拌接合用工具
１１，１１Ａ，１１Ｂ回転軸
１２，１２Ａ，１２Ｂヘッド部
２１，２１Ａ，２２Ｂ回転体
２２ピン部
２３，２３Ａ，２３Ｂショルダ部
３１第１接合部材
３１ａ，３２ａ，３３ａ接合面
３２第２接合部材
３３接合介在部材（ステンレスクラッド鋼）
３４接合部
３５接合介在部材（ステンレス鋼板）
３６接合部
４１装置フレーム
４２軸受
４３，５１冷却材供給路

Claims

炭素鋼と前記炭素鋼より硬度の低い軟質材料とを突合せて接合する異種金属材料の接合方法において、
前記炭素鋼の接合面と前記軟質材料の接合面との間に前記炭素鋼よりクロム含有量及びニッケル含有量の多い接合介在部材を配置して互いに接触するように支持するステップと、
摩擦攪拌接合用工具のピン部を回転しながら前記接合介在部材の近傍に位置する前記軟質材料に押し込むステップと、
前記軟質材料に押し込まれた前記ピン部を回転しながら接合方向に沿って移動するステップと、
を有することを特徴とする異種金属材料の接合方法。
前記ピン部を回転しながら前記軟質材料に押し込んだ後に前記接合介在部材側に移動するステップが設けられ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。
前記軟質材料に押し込まれた前記ピン部を回転状態のままで、前記接合介在部材側に移動しながら接合方向に沿って移動することを特徴とする請求項２に記載の異種金属材料の接合方法。
前記接合介在部材は、前記炭素鋼の接合面に肉盛り溶接により形成されたステンレスクラッド鋼であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の異種金属材料の接合方法。
前記接合介在部材は、ステンレス鋼板であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の異種金属材料の接合方法。
前記接合介在部材は、厚さが前記摩擦攪拌接合用工具のショルダ部の半径寸法から前記ピン部の半径寸法を減算した値の１／２以下に設定され、前記軟質材料に押し込まれた前記ピン部を回転状態のままで、前記接合介在部材の平面部を超えて前記炭素鋼の接合面の手前まで移動しながら接合方向に沿って移動することを特徴とする請求項５に記載の異種金属材料の接合方法。
前記炭素鋼と前記軟質材料と前記接合介在部材の表面を冷却しながら前記ピン部を接合方向に移動することを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の異種金属材料の接合方法。
前記摩擦攪拌接合用工具のショルダ部の外方から前記炭素鋼と前記軟質材料と前記接合介在部材の表面に向けて冷却材を噴出しながら前記ピン部を接合方向に移動することを特徴とする請求項７に記載の異種金属材料の接合方法。
前記摩擦攪拌接合用工具のショルダ部の先端面から前記炭素鋼と前記軟質材料と前記接合介在部材の表面に向けて冷却材を噴出しながら前記ピン部を接合方向に移動することを特徴とする請求項７に記載の異種金属材料の接合方法。
前記ピン部を前記軟質材料の厚さ方向に貫通させ、前記ピン部における軸方向の両端部を支持して回転しながら接合方向に移動することを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の異種金属材料の接合方法。