JP2018020359A - 異種材接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】異なる材質の金属材同士の接合において、融点が高いほうの金属材の塑性変形を利用することができる異種材接合方法を得る。【解決手段】回転ツール１６のショルダ部１８Ａと板材１２との摩擦熱で形成された軟化部２２をショルダ部１８Ａで押圧しつつプローブ部２０を板材１２に貫通させて、その先端部に設けられたドリル部２０Ａを板材１０に進入させる。次いで、ドリル部２０Ａで板材１０が切削されて板材１０に板材１２側に突出する塑性変形部２４が形成される。そして、軟化部２２が形成された状態の板材１２と塑性変形部２４が形成された状態の板材１０とを回転ツール１６で板材１２側から押圧することで、塑性変形部２４を軟化部２２に食い込ませている。【選択図】図２

Description

本発明は、異種材接合方法に関する。

下記特許文献１には、接合方法及び接合装置に関する発明が開示されている。この接合方法及び接合装置では、第１金属部材（鋼板）と第１金属部材よりも融点が低い第２金属部材（アルミニウム合金板）とが重ね合わされた状態で、第２金属部材に回転状態の回転ツールが押し込まれるようになっている。そして、第２金属部材に回転ツールが押し付けられると、この第２金属部材は回転ツールとの摩擦による摩擦熱で軟化し、第１金属部材と第２金属部材との界面付近において塑性流動が生じる。また、第１金属部材と第２金属部材との界面では、第１金属部材及び第２金属部材の新生面同士が接触した状態で第２金属部材が回転ツールで押圧されることで、第１金属部材と第２金属部材とが固相接合されるようになっている。このため、下記特許文献１に記載された先行技術では、鋼製とアルミニウム合金製という異なる材質の金属材同士を接合することができる。

特開２００７−２８３３２４号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載された先行技術による場合、第２金属部材は新生面及び塑性流動によって第１金属部材と第２金属部材との接合に寄与しているものの、第１金属部材はその新生面のみによって、これらの部材の接合に寄与しているに過ぎない。このため、異なる材質の金属材同士の接合において、融点が高いほうの金属材の塑性変形を利用するという点においては改善の余地がある。

本発明は上記事実を考慮し、異なる材質の金属材同士の接合において、融点が高いほうの金属材の塑性変形を利用することができる異種材接合方法を得ることが目的である。

請求項１に記載の本発明に係る異種材接合方法は、第１金属材と当該第１金属材を構成する金属よりも融点の低い金属で構成された第２金属材とを重ね合わせ、ショルダ部と当該ショルダ部から突出されて先端部に切削部が設けられたプローブ部とを含んで構成された回転ツールを回転状態で前記第２金属材側から当該第２金属材に押し込み、前記第２金属材を前記ショルダ部との摩擦熱で軟化させて軟化部を形成し、前記プローブ部を前記第２金属材に貫通させて前記切削部で前記第１金属材に当該第２金属材側に突出する塑性変形部を形成し、前記軟化部を前記塑性変形部に食い込ませている。

請求項１に記載の本発明によれば、第１金属材と第２金属材とが重ね合わされた状態で、当該第２金属材側から当該第２金属材に回転ツールが回転状態で押し込まれる。この回転ツールは、ショルダ部と当該ショルダ部から突出されていると共にその先端部に切削部が設けられたプローブ部とを含んで構成されており、当該回転ツールは、切削部で第２金属材を切削しつつ第１金属材側に進入していく。そして、回転ツールが、そのショルダ部が第２金属材に接触するまで押し込まれると、当該ショルダ部と当該第２金属材との摩擦熱で当該第２金属材が軟化し、軟化部が形成される。このため、第２金属部材の軟化部と第１金属部材との界面付近において塑性流動が生じ、第１金属材と第２金属材とを接合させることが可能となる。

ところで、第２金属材を構成する金属は、第１金属材を構成する金属よりも融点が低く、当該第２金属材は当該第１金属材よりも軟化しやすいため、塑性流動による第１金属材と第２金属材との接合に対する寄与は、第２金属材の方が第１金属材よりも大きくなることが考えられる。しかしながら、第１金属材と第２金属材との接合において、融点が高い方の金属で構成された第１金属材の塑性変形も利用できることが好ましい。

ここで、本発明では、プローブ部を第２金属材に貫通させて、その先端部に設けられた切削部で第１金属材に当該第２金属材側に突出する塑性変形部を形成している。そして、軟化部が形成された状態の第２金属材と塑性変形部が形成された状態の第１金属材とを回転ツールで第２金属材側から押圧することで、当該塑性変形部を当該軟化部に食い込ませている。

以上説明したように、請求項１に記載の本発明に係る異種材接合方法は、異なる材質の金属材同士の接合において、融点が高いほうの金属材の塑性変形を利用することができるという優れた効果を有する。

本実施形態に係る異種材接合方法に用いられる回転ツールの構成を示す斜視図である。 本実施形態に係る異種材接合方法の工程を示しており、（Ａ）は第１の工程を示しており、（Ｂ）は第２の工程を示しており、（Ｃ）は第３の工程を示しており、（Ｄ）は第４の工程を示している。 本実施形態に係る異種材接合方法によって第１金属材と第２金属材とが接合された状態を示す斜視図である。 本実施形態に係る異種接合方法によって接合された第１金属材と第２金属材との接合部の断面を示す写真である。 本実施形態に係る異種接合方法で接合された試験片の接合強度を測定するＬ字剥離試験の説明図である。

以下、図１〜図５を用いて、本発明に係る異種材接合方法の実施形態の一例について説明する。この異種材接合方法は、図２及び図３に示されるように第１金属材としての鋼製の「板材１０」と鋼（鉄）よりも融点の低いアルミニウム製の第２金属材としての「板材１２」との接合に用いられている。なお、接合する金属材の組み合わせは上記に限らず、鋼とマグネシウム等一方の融点と他方の融点との間に一定の開きがあれば適用可能である。また、本実施形態に係る異種材接合方法は、板材同士の接合のみでなく板状の部分が設けられている種々の部材同士の接合にも適用可能である。

まず、図１を用いて、本実施形態に係る異種材接合方法に用いられる接合装置１４の構成について説明する。接合装置１４は、「回転ツール１６」と、回転ツール１６を支持する図示しない支持部と、支持部を介して回転ツール１６をその軸線Ｌ回りに回転させる図示しない駆動部と、回転ツール１６をその軸線Ｌ方向に昇降させる図示しない昇降部とを含んで構成されている。また、駆動部及び昇降部は、図示しない制御部によって制御されており、回転ツール１６の回転数及び昇降速度を調整可能とされている。

回転ツール１６は、鋼製とされており、円柱状の本体部１８と、当該本体部１８の先端部側を構成する「ショルダ部１８Ａ」から突出されていると共に本体部１８と一体に設けられた「プローブ部２０」とを含んで構成されている。

より詳しくは、ショルダ部１８Ａは、本体部１８の基端部側（図示せず）に凸となる円錐状に凹んだ形状とされており、当該ショルダ部１８Ａの先端部１８Ａ１は、回転ツール１６の軸線Ｌ方向から見て円環状に形成されている。そして、プローブ部２０は、ショルダ部１８Ａに形成されている円錐面部１８Ｂの頂部に設けられている。

プローブ部２０は、基本的に本体部１８よりも径が小さい円柱状とされており、その先端部には、切削部としての「ドリル部２０Ａ」が設けられている。このドリル部２０Ａは、一対の切れ刃２０Ａ１と、それぞれの切れ刃２０Ａ１に対応する一対の溝部２０Ａ２とを含んで構成されている。なお、溝部２０Ａ２は、プローブ部２０の先端部側に局部的に設けられているため、ドリル部２０Ａで切削対象を切削しても当該切削対象の切り屑の排出が抑制されることとなる。なお、回転ツール１６の長手方向一方側をプローブ部２０が設けられている側とすると、ドリル部２０Ａは、ショルダ部１８Ａの先端部１８Ａ１よりも回転ツール１６の長手方向一方側に位置した状態となっている。

（本実施形態の作用及び効果）
次に、本実施形態の作用及び効果を説明する。

本実施形態では、図２（Ａ）に示されるように、第１の工程において、板材１０と板材１２とが重ね合わされた状態で、当該板材１２側から当該板材１２に回転ツール１６が回転状態で押し込まれる。この回転ツール１６は、ショルダ部１８Ａと当該ショルダ部１８Ａから突出されていると共にその先端部にドリル部２０Ａが設けられたプローブ部２０とを含んで構成されており、回転ツール１６は、ドリル部２０Ａで板材１２を切削しつつ板材１０側に進入していく。そして、回転ツール１６が、ショルダ部１８Ａの先端部１８Ａ１が板材１２に接触するまで押し込まれると、ショルダ部１８Ａと板材１２との摩擦熱で板材１２が軟化し、「軟化部２２」が形成される。このため、板材１２の軟化部２２と板材１０との界面付近において塑性流動が生じ、板材１０と板材１２とを固相接合させることが可能となる。

ところで、板材１２を構成するアルミニウムは、板材１０を構成する鋼よりも融点が低く、板材１２は板材１０よりも軟化しやすいため、塑性流動による板材１０と板材１２との接合に対する寄与は、板材１２の方が板材１０よりも大きくなることが考えられる。しかしながら、板材１０と板材１２との接合において、鋼で構成された板材１０の塑性変形も利用できることが好ましい。

ここで、本実施形態では、図２（Ｂ）に示されるように、第２の工程において、ショルダ部１８Ａで軟化部２２を押圧しつつプローブ部２０を板材１２に貫通させて、その先端部に設けられたドリル部２０Ａを板材１０に進入させる。次いで、図２（Ｃ）に示されるように、第３の工程において、ドリル部２０Ａで板材１０が切削される。このとき、ドリル部２０Ａの溝部２０Ａ２がプローブ部２０の先端部側に局部的に設けられているため、板材１０の切り屑は排出されることなくその位置に留まり、板材１０に板材１２側に突出する「塑性変形部２４」が形成される。そして、軟化部２２が形成された状態の板材１２と塑性変形部２４が形成された状態の板材１０とを回転ツール１６で板材１２側から押圧することで、塑性変形部２４を軟化部２２に食い込ませている。最後に、図２（Ｄ）に示されるように、第４の工程において、回転ツール１６によって軟化部２２の新生面と塑性変形部２４の新生面とを押圧して接触させることで、これらの界面において金属原子を拡散させ、拡散層２６を形成する。なお、上述した第１の工程〜第４の工程は、回転ツール１６が昇降部で降ろされる過程において連続的に行われている。

そして、図３及び図４に示されるように、上記工程を経た後には、板材１０と板材１２とを接合する接合部２８が形成されることとなる。より詳しくは、接合部２８が形成されている箇所において、板材１２には、ショルダ部１８Ａの形状に対応した凹部３０が形成されていると共に、プローブ部２０で貫通された貫通部３２の近傍部分は、軟化部２２が形成された影響で板材１０側に延びた状態となっている。一方、接合部２８が形成されている箇所において、板材１０には、板材１２側に凸となると共に平面視で円環状の塑性変形部２４が形成された状態となっている。また、板材１０と板材１２との界面には、拡散層２６が形成された状態となっている。したがって、本実施形態では、異なる材質の金属材同士の接合において、融点が高いほうの金属材の塑性変形を利用することができる。

また、本実施形態では、板材１０に塑性変形部２４を形成して、板材１２の一部を塑性変形部２４に食い込ませることで、板材１０に塑性変形部２４を形成しない場合と比し、板材１０と板材１２との剥離強度を向上させることができる。

なお、この剥離強度は、図５に示されるＬ字剥離試験によって求められている。具体的には、板材１０と同じ材質でかつ所定の形状の２枚の板材３４を用意し、これらをその長手方向一端部から所定の間隔を隔てた箇所でＬ字状に折り曲げる。また、板材１２と同じ材質でかつ板材３４と同形状の板材３６を用意し、板材３４と同様に折り曲げる。さらに、板材３４と板材３６とがＴ字状に組み合わされた状態で板材３４の短片部３４Ａと板材３６の短片部３６Ａとを接合部２８で接合する。そして、板材３４の長片部３４Ｂ同士を当接させると共に、板材３６の長片部３６Ｂ同士を当接させて、これらの部材を側面視で十字状に配置する。

この状態で板材３４の長片部３４Ｂと板材３６の長片部３６Ｂとを図示しない試験機で互いに反対となる方向に引っ張り、短片部３４Ａと短片部３６Ａとが剥離されたときの荷重Ｆ[Ｎ]を測定する。そして、本実施形態では、上記剥離強度は、このとき測定された荷重Ｆの値を意味している。

１０ 板材（第１金属材）
１２ 板材（第２金属材）
１６ 回転ツール
１８Ａ ショルダ部
２０ プローブ部
２０Ａ ドリル部（切削部）
２２ 軟化部
２４ 塑性変形部

Claims (1)

1. 第１金属材と当該第１金属材を構成する金属よりも融点の低い金属で構成された第２金属材とを重ね合わせ、
   ショルダ部と当該ショルダ部から突出されて先端部に切削部が設けられたプローブ部とを含んで構成された回転ツールを回転状態で前記第２金属材側から当該第２金属材に押し込み、
   前記第２金属材を前記ショルダ部との摩擦熱で軟化させて軟化部を形成し、
   前記プローブ部を前記第２金属材に貫通させて前記切削部で前記第１金属材に当該第２金属材側に突出する塑性変形部を形成し、
   前記軟化部を前記塑性変形部に食い込ませる、
   異種材接合方法。