JP2020059035A - 固相接合体及び固相接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】融点の異なる２つの部品の接合部における未接合の部分の生成を抑制する。【解決手段】互いに異なる融点を有する金属材料により形成された第１の部品１１と第２の部品とが接合されている。第１の部品１１は、円形端面を有し、円形端面の外周縁には、第１のテーパ面１１ａが形成され、第２の部品は、円形の貫通孔１３を有する柱状で、貫通孔１３の軸方向端には、第２のテーパ面１２ａが形成されている。第１のテーパ面１１ａと第２のテーパ面１２ａが当接している状態で通電され、軸方向に加圧され且つ軸中心に回転することにより接合されている。【選択図】図２

Description

本発明は、固相接合体及び固相接合方法に関する。

異なる融点を有する２つの部品を接合する方法として、例えば、特許文献１に開示されている固相接合が知られている。当該方法は、例えば、第１の部材の被接合部の外径を第２の部材の穴部の被接合部の内径よりも幾分大きくして重ね合わせ代とし、第１の部材の被接合部を第２の部材の穴部の被接合部に僅かに重なるように位置合わせし、その状態で第１の被接合部と第２の被接合部とを加圧しながら通電することによって、それら被接合部を塑性流動させ、第１の部材を第２の部材の穴部に押し込んで、固相接合する。

特許第５９９８３０８号公報

上記方法では、必要な接合強度を得るためには、所定の接合面積を確保する必要がある。ここで、接合面積は、「２つの部品の接触長さ×接合長さ」で特定されるものであり、接合長さは、加圧及び通電による押込み量によって特定される。

しかし、２つの部品が、互いに異なる金属である場合、上記押込み量を大きくしても、接合強度に寄与しない未接合部が生じてしまう可能性がある。そのため、上記固相接合方法には、接合強度を高める上で、改善の余地があった。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであって、その目的は、融点の異なる２つの部品が接合される接合面における未接合部分の生成が抑制された固相接合体、及び接合方法を提供することである。

上記目的を達成するための本発明に係る固相接合体は、第１の部品と第２の部品とが接合されている固相接合体において、前記第１の部品と前記第２の部品は、互いに異なる融点を有する金属材料により形成されており、前記第１の部品は、円形端面を有し、該円形端面の外周縁には、第１のテーパ面が形成され、前記第２の部品は、軸方向に貫通する円形の貫通孔を有する柱状で、前記貫通孔の軸方向端には、第２のテーパ面が形成されており、前記第１のテーパ面と前記第２のテーパ面が当接している状態で通電され、軸方向に加圧され且つ軸中心に回転することにより接合されている。

本発明によれば、融点の異なる２つの部品が接合される接合部に未接合の部分の生成が抑制された固相接合体を得ることができる。

本発明に係る固相接合体の斜視図である。 図１のＡ−Ａ断面を示す断面図である。 図２のＢ部を拡大して示す拡大断面図であり、第１のテーパ面と第２のテーパ面が固相接合された状態を模式的に示している。 図２の第１の部品と第２の部品とを従来の固相接合方法により固相接合されたＣ部の拡大断面図で、第１のテーパ面と第２のテーパ面が固相接合された状態を模式的に示している。 図２の第１の部品と第２の部品とを従来の固相接合方法により固相接合されたＢ部の拡大断面図で、第１のテーパ面と第２のテーパ面が固相接合された状態を模式的に示している。

以下、本発明に係る固相接合体１及び固相接合方法に係る実施形態について、図面（図１〜図５）を参照しながら説明する。

本実施形態の固相接合体１は、第１の部品１１と第２の部品１２が固相接合されることにより構成されている。第１の部品１１は、金属材料により形成され、中実の円板状の部材である。第１の部品１１は、図１に示すように、円板状で、上下に円形端面を有している。また、図２における下側の円形端面の外周縁には、第１のテーパ面１１ａが設けられている。第１のテーパ面１１ａは、径方向外側に向かうに従い、円形端面から離れる方向に傾斜している。

第２の部品１２は、第１の部品１１よりも融点が高い金属材料により形成され、図１及び図２に示すように、軸方向に貫通する円形の貫通孔１３を有する円柱状（中空円筒）である。貫通孔１３の軸方向端には、第２のテーパ面１２ａが設けられている。第２のテーパ面１２ａは、径方向外側に向かうに従い、軸方向端に向かうように傾斜している。

第１の部品１１の外径（直径）は、第２の部品１２の貫通孔１３の内径よりもやや大きい。また、第１の部品１１の軸中心と第２の部品１２の貫通孔１３の軸中心とを一直線になるように、第１の部品１１と第２の部品１２を並べて、第１の部品１１と第２の部品１２とを接続させると、第１のテーパ面１１ａと第２のテーパ面１２ａが当接する。

本実施形態では、第１の部品１１は、鋳鉄により形成され、第２部品は、鋳鉄よりも融点が高い例えば炭素鋼等の鋼材により形成されている。

続いて、第１の部品１１と第２の部品１２とを接合する方法について説明する。先ず、第１の部品１１と第２の部品１２を電極装置（図示せず）に設置し、第１の部品１１及び第２の部品１２を通電可能な状態にする。このとき、第１の部品１１の軸中心と、第２の部品１２の貫通孔１３の軸中心を一直線上に配置し、第１のテーパ面１１ａと第２のテーパ面１２ａとを当接させる。

この状態で、第１の部品１１と第２の部品１２を通電させ（通電工程）、第１の部品１１を第２の部品１２に向かって加圧し（加圧工程）、第１の部品１１と第２の部品１２とを軸中心に回転させる（回転工程）。すなわち、第１の部品１１と第２の部品１２は、通電され、互いに加圧されている状態で、第１のテーパ面１１ａが、第２のテーパ面１２ａの上を摺動する。このとき、第１の部品１１を例えば時計回りに回転させ、第２の部品１２は、反時計回りに回転させる。

通電させることにより、第１の部品１１と第２の部品１２が昇温される。さらに通電と同時に加圧及び回転させることにより、第１のテーパ面１１ａ及び第２のテーパ面１２ａのそれぞれが塑性流動しながら接合面積を増やし、図３に示すようにバリ１６が発生し、所定の接合幅で、第１のテーパ面１１ａと第２のテーパ面１２ａとが、未接合の部分１５の発生が抑制された状態で、固相接合される。

図４及び図５は、第１の部品１１と第２の部品１２とを、通電及び加圧によって固相接合させたときの、図２におけるＣ部の拡大断面及びＢ部の拡大断面を示している。

例えば、融点の低い第１の部品１１と、融点の高い第２の部品１２とを、通電及び加圧によって接合する場合、融点が異なるため、融点が低い第１の部品１１の第１のテーパ面１１ａは、融点の高い第２の部品１２の第２のテーパ面１２ａに比べて、塑性流動し易い。このため、第２のテーパ面１２ａの塑性流動が未だ不十分な状態で、第１のテーパ面１１ａが先行して塑性流動してしまう。

塑性流動に差異が生じている状態で、第１のテーパ面１１ａと第２のテーパ面１２ａの塑性流動に伴う押込みが深まると、未接合の部分１５が発生し、当該未接合の部分１５が大きくなる可能性がある。未接合の部分１５は、第１のテーパ面１１ａと第２のテーパ面１２ａのうちの特に下側の部分で、塑性流動がなされていない第２のテーパ面１２ａの方に、発生する可能性がある。

電及び加圧によって固相接合させる場合には、図４及び図５に示すように、通電及び下方への加圧に伴い発生する塑性流動によって、第１のテーパ面１１ａと第２のテーパ面１２ａには、破線で示された接合界面となる接合部１４を形成する。また、当該接合部１４を形成する過程で、バリ１６が発生する。当該バリ１６は、接合部１４から、第１のテーパ面１１ａ及び第２のテーパ面１２ａの端から外側に向かって突出している。

第１のテーパ面１１ａ及び第２のテーパ面１２ａは、融点が互いに異なるため、塑性流動の差異が生じ、その結果、バリ１６の発生に差が生じる。特に、図５に示すように、第１及び第２のテーパ面１１ａ，１２ａの下側では、融点の大きい第２のテーパ面１２ａから発生するバリ１６は、二点鎖線で示すように、上下方向に亀裂状に発生する可能性がある。当該二点鎖線で示される部分が、亀裂状に発生する未接合の部分１５となる。

これに対して、本実施形態では、通電及び加圧している間に、第１の部品１１と第２の部品１２を互いに逆方向に回転させて固相接合している。例えば、融点が高い一方の部品の被接合部（第２の部品１２の第２のテーパ面１２ａ）における塑性流動が、未だ不十分であっても、回転によるせん断力が加えられることによって、融点が低い他方の部品の被接合部（第１の部品１１の第１のテーパ面１１ａ）の塑性流動が促進される。さらに、通電に加えて回転による摩擦により、融点が高い第２のテーパ面１２ａと、融点が低い第１のテーパ面１１ａとの接触部位について、特に局所的に固相のまま塑性流動を促進させることができる。このように、通電、加圧及び回転の相乗効果により、部品重量を増加させずに、図３に示すように、未接合の部分１５（図５参照）の発生が抑制された固相接合体１を得ることができる。

また、被接合部となる当接面（第１のテーパ面１１ａ及び第２のテーパ面１２ａ）において、回転方向に塑性流動されたるため、回転方向においても全体的に金属組織の結晶粒が微細化され、接合強度が向上する。

また、本実施形態では、第１の部品１１及び第２の部品１２の双方を回転させているが、これに限らない。例えば、第１の部品１１を回転させ、第２の部品１２を固定しておいてもよい。第１の部品１１と第２の部品１２との間の相対速度を調整する場合、第１の部品１１の回転数のみを調整すればよいため、制御が容易である。

第１の部品１１及び第２の部品１２を回転させるためには、回転を安定させるために、各部品の外周面を把持（チャッキング）する必要がある。第２の部品１２は、第１の部品１１に比べて外径が大きい。そのためチャッキング治具も大きい。その結果、固相接合するための装置が大型化する。

これに対して、第２の部品１２を固定させ、第１の部品１１を回転させる場合には、第２の部品１２の固定は、貫通孔１３に治具を挿入して、第２の部品１２を固定することが可能となる。その結果、チャッキング治具の全体の寸法を小さくすることが可能となる。チャッキング装置の小型化によって、固相接合の作業が容易になる。

通電、加圧及び回転は、同時に実行される、回転については、通電及び加圧によって第１のテーパ面１１ａ及び第２のテーパ面１２ａが所定の昇温がなされた後に、塑性流動を促進させるために、第１の部品１１等を回転させてもよい。

本実施形態の説明は、本発明を説明するための例示であって、特許請求の範囲に記載の発明を限定するものではない。また、本発明の各部構成は上記実施形態に限らず、特許請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能である。

本実施形態は、第１の部品１１が鋳鉄によって形成され、第２の部品１２が炭素鋼等の鋼材によって形成されているが、これに限らない。第２の部品１２を鋼材によって形成し、第２の部品１２を鋳鉄によって形成してもよい。

また、第１の部品１１と第２の部品１２との組み合わせとして、上記例の他に、例えば、鋼材とアルミニウム合金、銅合金と鋼材、及びマグネシウム合金とチタン合金、等でもよい。

１ 固相接合体
１１ 第１の部品
１１ａ 第１のテーパ面
１２ 第２の部品
１２ａ 第２のテーパ面
１３ 貫通孔
１４ 接合部
１５ 未接合の部分
１６ バリ

Claims (5)

1. 第１の部品と第２の部品とが接合されることにより構成されている固相接合体において、
   前記第１の部品と前記第２の部品は、互いに異なる融点を有する金属材料により形成されており、
   前記第１の部品は、円形端面を有し、該円形端面の外周縁には、第１のテーパ面が形成され、
   前記第２の部品は、軸方向に貫通する円形の貫通孔を有する柱状で、前記貫通孔の軸方向端には、第２のテーパ面が形成されており、
   前記第１のテーパ面と前記第２のテーパ面が当接している状態で通電され、軸方向に加圧され且つ軸中心に回転することにより接合されていることを特徴とする固相接合体。
2. 第１の部品と第２の部品とを接合する固相接合方法において、
   前記第１の部品と前記第２の部品は、互いに異なる融点を有する金属材料により形成されており、
   前記第１の部品は、円形端面を有し、該円形端面の外周縁には、第１のテーパ面が形成され、
   前記第２の部品は、軸方向に貫通する円形の貫通孔を有する柱状で、前記貫通孔の軸方向端には、第２のテーパ面が形成されており、
   前記第１のテーパ面と第２のテーパ面とを当接して通電する通電工程と、
   第１の部品が第２の部品に向かって軸方向に加圧する加圧工程と、
   前記第１の部品と前記第２の部品少なくとも一方が、軸中心に回転する回転工程と、
   を有することを特徴とする固相接合方法。
3. 前記通電工程、前記加圧工程、及び前記回転工程を同時に実行することを特徴とする請求項２に記載の固相接合方法。
4. 前記回転工程は、前記第１の部品が回転し、前記第２の部品は固定されていることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の固相接合方法。
5. 前記回転工程は、前記第２の部品が、前記第１の部品と回転方向に対して、反対方向に回転することを特徴とする請求項２または請求項３に記載の固相接合方法。