JP2022127105A - Joining method of heterogeneous metal - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、互いに種類が異なる2つの金属部材を重ね合わせ、摩擦攪拌により接合する異種金属の接合方法に関するものである。
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a method for joining dissimilar metals, in which two metal members of different types are superimposed and joined by friction stir.
摩擦攪拌接合は、部材の接合技術のひとつである。円筒状の回転工具を用い、上記回転工具を回転させながら、部材同士の接合部に押し付けることによって接合する。上記回転工具を押し付ける際に発生する摩擦熱で部材を軟化させ、上記回転工具の回転力で接合部の周辺を塑性流動させることにより、複数の部材を一体化する。 Friction stir welding is one of the techniques for joining members. A cylindrical rotary tool is used, and the members are joined by pressing against the joining portion while rotating the rotary tool. The members are softened by frictional heat generated when the rotating tool is pressed, and the rotating force of the rotating tool causes plastic flow around the joint, thereby integrating the plurality of members.
例えば、2枚の金属板を重ね合わせて摩擦攪拌接合で接合する先行技術文献として、出願人は下記の特許文献1を把握している。
For example, the applicant recognizes
上記特許文献1は、重ね継手の摩擦攪拌接合方法に関するものであり、下記の記載がある。
[0005]
本発明の目的は、融点が異なる金属の摩擦攪拌接合による重ね接合を可能にすることにある。
[0006]
[課題を解決するための手段]
本発明は、複数の部材の重ね接合において、上板側にのみ接合ツールを押圧し、上板の表面近傍のみを摩擦熱により攪拌させ、その摩擦熱により重ね合わせ面の温度を上昇させ、対向する部材同士の拡散反応により接合することにある。
[0008]
一方の部材側にのみ接合ツールを圧入して重ね接合する方法においては、摩擦攪拌により重ね面に押圧力が作用して、重ね面が密着される。さらに、摩擦熱により、重ね面において上板の金属と下板の金属とが拡散反応により反応層が形成される。これにより上板と下板とが接合される。この方法によれば、異種金属の接合も可能になる。また、同種材の接合では、接合面に反応層は形成されず、部材間の相互拡散により接合が行われる。
[0011]
接合部材の重ね面に軟質金属をめっきしておくと、重ね面をより密着しやすくすることができる。このため、反応層が形成されやすくなる。軟質金属としては、ニッケル,亜鉛,銅,錫などが特に有効である。
The
[0005]
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to enable lap welding of metals having different melting points by friction stir welding.
[0006]
[Means to solve the problem]
In the lap welding of a plurality of members, the present invention presses a welding tool only toward the upper plate side, stirs only the vicinity of the surface of the upper plate by frictional heat, and raises the temperature of the overlapping surfaces by the frictional heat. It is to join by diffusion reaction between the members to be joined.
[0008]
In the method of lap-joining by press-fitting a welding tool only to one member side, a pressing force is applied to the lapped surfaces by friction stir, and the lapped surfaces are brought into close contact with each other. Furthermore, due to frictional heat, a reaction layer is formed by a diffusion reaction between the metal of the upper plate and the metal of the lower plate on the overlapping surfaces. Thereby, the upper plate and the lower plate are joined. According to this method, it is also possible to join dissimilar metals. Also, in the joining of similar materials, a reaction layer is not formed on the joining surface, and the joining is performed by mutual diffusion between the members.
[0011]
By plating the overlapping surfaces of the joining member with a soft metal, the overlapping surfaces can be more easily brought into close contact with each other. Therefore, a reaction layer is easily formed. Nickel, zinc, copper, tin, etc. are particularly effective as soft metals.
上記特許文献1は、融点が異なる複数の金属を重ね合わせて摩擦攪拌によって接合するときに、接合部材の重ね面に軟質金属をめっきしておくことを開示する。
しかしながら、上記特許文献1の技術では、接合された全領域が、上板側の金属と下板側の金属に、めっきされた軟質金属が混じった状態となる。つまり第3成分が存在することになり、求める特性によっては好ましくない。
一方、上記軟質金属によるめっきをしないでは、接合ツールが押圧された領域の輪郭部の接合状態が不安定になり、信頼性を低下させる。
The
However, in the technique of
On the other hand, if the soft metal is not plated, the bonding state of the contour portion of the region where the bonding tool is pressed becomes unstable, reducing reliability.
本発明は、上記課題を解決するため、つぎの目的をもってなされたものである。
互いに種類が異なる2つの金属部材を重ね合わせ、摩擦攪拌を利用して良好に接合できる異種金属の接合方法を提供するものである。
The present invention has been made with the following objects in order to solve the above problems.
To provide a method for joining dissimilar metals capable of superimposing two metal members of different types and joining them well by utilizing friction stir.
請求項1記載の異種金属の接合方法は、上記目的を達成するため、下記の構成を採用した。
互いに種類が異なる第1の金属部材と第2の金属部材を準備し、
上記第1の金属部材と上記第2の金属部材を重ね、
軸回転する回転工具を上記第1の金属部材の側から押し付ける加工を行うことにより、上記第1の金属部材と上記第2の金属部材との境界面のうち、上記回転工具による加工領域を接合する際に、
上記第1の金属部材と上記第2の金属部材との境界面のうち、上記回転工具による加工が予定された加工予定領域の輪郭に沿った部分に、上記第1の金属部材と上記第2の金属部材の接合を促進するための第3金属層を介在させ、上記輪郭に沿った部分より内側には上記第3金属層を介在させない。
In order to achieve the above object, the method for joining dissimilar metals according to
preparing a first metal member and a second metal member of different types,
Overlapping the first metal member and the second metal member,
By pressing an axially rotating rotary tool from the side of the first metal member, a region of the boundary surface between the first metal member and the second metal member to be processed by the rotary tool is joined. When doing
The first metal member and the second metal member are formed on the boundary surface between the first metal member and the second metal member along the contour of the planned processing area scheduled to be processed by the rotary tool. A third metal layer is interposed for promoting the bonding of the metal members, and the third metal layer is not interposed inside the portion along the contour.
請求項2記載の異種金属の接合方法は、請求項1記載の構成に加え、下記の構成を採用した。
上記回転工具を押し付ける第1の金属部材を、第2の金属部材よりも硬度が低い金属とする。
In addition to the configuration described in
The first metal member against which the rotary tool is pressed is made of a metal having a hardness lower than that of the second metal member.
請求項3記載の異種金属の接合方法は、請求項2記載の構成に加え、下記の構成を採用した。
上記第3金属層を構成する金属を、上記第2の金属部材よりも硬度が低く、上記第1の金属部材よりも硬度が高い金属とする。
The dissimilar metal joining method described in
The metal forming the third metal layer is lower in hardness than the second metal member and higher in hardness than the first metal member.
請求項4記載の異種金属の接合方法は、請求項1記載の構成に加え、下記の構成を採用した。
上記回転工具を押し付ける第1の金属部材を、第2の金属部材よりも融点が低い金属とする。
The method for joining dissimilar metals according to claim 4 employs the following configuration in addition to the configuration described in
The first metal member against which the rotary tool is pressed is made of a metal having a lower melting point than the second metal member.
請求項5記載の異種金属の接合方法は、請求項4記載の構成に加え、下記の構成を採用した。
上記第3金属層を構成する金属を、上記第2の金属部材よりも融点が低く、上記第1の金属部材よりも融点が高い金属とする。
The dissimilar metal joining method described in
The metal forming the third metal layer has a lower melting point than the second metal member and a higher melting point than the first metal member.
請求項1記載の異種金属の接合方法は、互いに種類が異なる第1の金属部材と第2の金属部材を準備し、まず、上記第1の金属部材と上記第2の金属部材を重ねる。ついで、軸回転する回転工具を上記第1の金属部材の側から押し付ける加工を行い、上記第1の金属部材と上記第2の金属部材との境界面のうち、上記回転工具による加工領域を接合する。
このとき、上記第1の金属部材と上記第2の金属部材との境界面のうち、上記回転工具による加工が予定された加工予定領域の輪郭に沿った部分に、上記第1の金属部材と上記第2の金属部材の接合を促進するための第3金属層を介在させる。さらに、上記輪郭に沿った部分より内側には上記第3金属層を介在させない。
このようにすることにより、加工領域の輪郭部の接合状態を改善して信頼性を向上させる一方、上記加工領域の輪郭より内側の部分は、第3成分が存在せず、求める特性が得られる。互いに種類が異なる2つの金属部材を重ね合わせ、摩擦攪拌を利用して良好に接合できる。
In the method of joining dissimilar metals according to
At this time, of the boundary surface between the first metal member and the second metal member, the first metal member and the A third metal layer is interposed to promote bonding of the second metal member. Furthermore, the third metal layer is not interposed inside the portion along the contour.
By doing so, the bonding state of the contour portion of the processing region is improved and the reliability is improved, while the third component does not exist in the portion inside the contour of the processing region, and the desired characteristics can be obtained. . Two metal members of different types can be superimposed on each other and joined well by using friction stir.
請求項2記載の異種金属の接合方法は、上記回転工具を押し付ける第1の金属部材を、第2の金属部材よりも硬度が低い金属とする。
塑性流動時の粘性が小さい第1の金属部材だけに回転工具を押し付けるため、回転工具への金属の付着が抑制され、回転工具のメンテナンスの頻度を減らすことができる。また、塑性流動を生じさせるために必要なエネルギーが小さくて済むため、動力の節減に有利である。
In the method for joining dissimilar metals according to claim 2, the first metal member against which the rotary tool is pressed is made of a metal having a hardness lower than that of the second metal member.
Since the rotary tool is pressed against only the first metal member having a low viscosity during plastic flow, adhesion of metal to the rotary tool is suppressed, and the frequency of maintenance of the rotary tool can be reduced. In addition, since the energy required to generate plastic flow is small, it is advantageous in saving power.
請求項3記載の異種金属の接合方法は、上記第3金属層を構成する金属を、上記第2の金属部材よりも硬度が低く、上記第1の金属部材よりも硬度が高い金属とする。
このようにすることにより、加工領域の輪郭部の接合状態を改善して信頼性を向上させる。
In the method of joining dissimilar metals according to
By doing so, the bonding state of the contour portion of the processing area is improved to improve the reliability.
請求項4記載の異種金属の接合方法は、上記回転工具を押し付ける第1の金属部材を、第2の金属部材よりも融点が低い金属とする。
仮に、回転工具を押し付ける第1の金属部材のほうが融点が高ければ、第1の金属部材が塑性流動するまで高温になったころに相手材である第2の金属部材が溶融しはじめ、接合不良や欠陥が生じるおそれがある。上記回転工具を押し付ける第1の金属部材を、第2の金属部材よりも融点が低い金属とすることにより、上記のような不都合の発生を防止できる。
In the method for joining dissimilar metals according to claim 4, the first metal member against which the rotary tool is pressed is made of a metal having a melting point lower than that of the second metal member.
If the first metal member against which the rotary tool is pressed has a higher melting point, the second metal member, which is the mating member, begins to melt when the temperature of the first metal member reaches a point where the first metal member plastically flows, resulting in defective joining. or defects may occur. By using a metal having a melting point lower than that of the second metal member for the first metal member against which the rotary tool is pressed, it is possible to prevent the occurrence of the above inconveniences.
請求項5記載の異種金属の接合方法は、上記第3金属層を構成する金属を、上記第2の金属部材よりも融点が低く、上記第1の金属部材よりも融点が高い金属とする。
このようにすることにより、加工領域の輪郭部の接合状態を改善して信頼性を向上させる。
In the method of joining dissimilar metals according to
By doing so, the bonding state of the contour portion of the processing area is improved to improve the reliability.
つぎに、本発明を実施するための形態を説明する。 Next, a mode for carrying out the present invention will be described.
〔基本工程〕
図1は、本発明の異種金属の接合方法の実施形態を説明する図である。
[Basic process]
FIG. 1 is a diagram illustrating an embodiment of a method for joining dissimilar metals according to the present invention.
本発明では、互いに種類が異なる第1の金属部材10と第2の金属部材20を準備する。上記第1の金属部材10と上記第2の金属部材20は、互いに種類が異なる異種金属である。上記第1の金属部材10と第2の金属部材20は、純金属でもよいし合金でもよい。上記第1の金属部材10は板状に形成するのが好ましい。図示した例は、上記第1の金属部材10と第2の金属部材20をいずれも長方形の板材とし、上記第1の金属部材10の厚みを上記第2の金属部材10よりも薄く設定している。上記第2の金属部材20は、板状に限らずブロック状等でもよい。図において符号1は金床である。
In the present invention, the
上記第1の金属部材10を上記第2の金属部材20の上に重ねる。この状態で、軸回転する回転工具30を上記第1の金属部材10の側から押し付ける加工を行う。この例では、上記回転工具30の端部により上記第1の金属部材10の表面に対して垂直に圧力をかけ、その状態で、上記回転工具30を上記第1の金属部材10の表面に対して平行に移動させる。これにより、上記第1の金属部材10と上記第2金属部材20との境界面3のうち、上記回転工具30による加工領域5を接合する。
The
図示した例では、上記加工領域5は、上記回転工具30の先端が移動した軌跡で、帯状の領域である。上記加工領域5において、上記第1の金属部材10に塑性流動が生じ、上記第1の金属部材10と第2の金属部材20の上記境界3が摩擦攪拌接合により接合される。あるいは、上記第1の金属部材10と第2の金属部材20の上記境界面3は、固相拡散によっても接合される。
In the illustrated example, the
上記回転工具10は、第1の金属部材10の表面から厚み方向に侵入させることができる。このときの侵入深さは、最大、第1の金属部材10の厚み寸法までとする。
The rotating
〔第3金属層40〕
図2は、第3金属層40を説明する図である。
本発明では、上述した基本工程において、上記第1の金属部材10と上記第2の金属部材20とのあいだに、第3金属層40を介在させる。上記第3金属層40は、上記第1の金属部材10と上記第2の金属部材20の接合を促進するためのものである。
[Third metal layer 40]
FIG. 2 is a diagram for explaining the
In the present invention, the
上記第3金属層40は、上記第1の金属部材10と上記第2の金属部材20との境界面3のうち、上記回転工具30による加工が予定された加工予定領域5Aの輪郭に沿った部分に介在させる。図示した例では、上記加工予定領域5Aは、上述した工程によって上記加工領域5となることが予定された領域であり、上記第1の金属部材10の表面に対して上記回転工具30の先端が移動した軌跡になる帯状の領域である。
The
また、本発明では、上記輪郭に沿った部分より内側には上記第3金属層40を介在させていない。したがって、上記輪郭に沿った部分より内側の上記第3金属層40が介在しない領域では、上記第1の金属部材10と第2の金属部材20との境界面3は、上記第1の金属部材10と第2の金属部材20が直接に接合される。
Further, in the present invention, the
〔金属材料〕
上記回転工具30を押し付ける第1の金属部材10を、第2の金属部材20よりも硬度が低い金属とするのが好ましい。このようにすることにより、塑性流動時の粘性が小さい第1の金属部材10だけに回転工具30を挿入するため、回転工具30への金属の付着が抑制される。また、塑性流動を生じさせるために必要なエネルギーが小さくて済む。
〔Metal material〕
It is preferable that the
上記第3金属層を構成する金属を、上記第2の金属部材よりも硬度が低く、上記第1の金属部材よりも硬度が高い金属とするのが好ましい。このようにすることにより、塑性流動時の粘性が第2の金属部材20よりも小さく第1の金属部材10よりも大きな第3金属層の塑性流動により、加工領域5の輪郭部の接合状態を改善して信頼性を向上させる。
It is preferable that the metal constituting the third metal layer has a lower hardness than that of the second metal member and a higher hardness than that of the first metal member. By doing so, the plastic flow of the third metal layer, which has a viscosity lower than that of the
上記回転工具30を押し付ける第1の金属部材10を、第2の金属部材20よりも融点が低い金属とするのが好ましい。このようにすることにより、接合不良や欠陥の発生を防止できる。仮に、回転工具30を挿入する第1の金属部材10のほうが融点が高ければ、第1の金属部材10が塑性流動するまで高温になったころに相手材である第2の金属部材20が溶融しはじめ、接合不良や欠陥が生じるおそれがある。上記回転工具30を挿入する第1の金属部材10を、第2の金属部材20よりも融点が低い金属とすることにより、上記のような不都合の発生を防止できるのである。
It is preferable that the
上記第3金属層を構成する金属を、上記第2の金属部材よりも融点が低く、上記第1の金属部材よりも融点が高い金属とするのが好ましい。このようにすることにより、塑性流動時の流動性が第2の金属部材20よりも小さく第1の金属部材10よりも大きな第3金属層40の塑性流動により、加工領域5の輪郭部の接合状態を改善して信頼性を向上させる。
It is preferable that the metal forming the third metal layer has a lower melting point than that of the second metal member and a higher melting point than that of the first metal member. By doing so, the plastic flow of the
たとえば、上記第1の金属部材10としてアルミニウム系の材料を使用し、上記第2の金属部材20として銅系の材料を使用することができる。また、上記第3金属層40を構成する材料として、亜鉛、錫等を使用することができる。
For example, an aluminum-based material can be used as the
もちろん、本発明を上記の組み合わせに限定する趣旨ではない。 Of course, the present invention is not intended to be limited to the above combinations.
〔実施形態の効果〕
上記実施形態の異種金属の接合方法は、互いに種類が異なる第1の金属部材10と第2の金属部材20を準備し、まず、上記第1の金属部材10と上記第2の金属部材20を重ねる。ついで、軸回転する回転工具30を上記第1の金属部材10の側から押し付ける加工を行い、上記第1の金属部材10と上記第2金属部材20との境界面のうち、上記回転工具30による加工領域5を接合する。
このとき、上記第1の金属部材10と上記第2金属部材20との境界面のうち、上記回転工具30による加工が予定された加工予定領域5の輪郭に沿った部分に、上記第1の金属部材10と上記第2の金属部材20の接合を促進するための第3金属層40を介在させる。さらに、上記輪郭に沿った部分より内側には上記第3金属層40を介在させない。
このようにすることにより、加工領域5の輪郭部の接合状態を改善して信頼性を向上させる一方、上記加工領域5の輪郭より内側の部分は、第3成分が存在せず、求める特性が得られる。互いに種類が異なる2つの金属部材を重ね合わせ、摩擦攪拌を利用して良好に接合できる。
[Effects of Embodiment]
In the method of joining dissimilar metals according to the above embodiment, the
At this time, of the boundary surface between the
By doing so, the bonding state of the contour portion of the
上記実施形態の異種金属の接合方法は、上記回転工具30を押し付ける第1の金属部材10を、第2の金属部材20よりも硬度が低い金属とする。
塑性流動時の粘性が小さい第1の金属部材10だけに回転工具を押し付けるため、回転工具30への金属の付着が抑制され、回転工具30のメンテナンスの頻度を減らすことができる。また、塑性流動を生じさせるために必要なエネルギーが小さくて済むため、動力の節減に有利である。
In the method of joining dissimilar metals according to the above-described embodiment, the
Since the rotary tool is pressed only against the
上記実施形態の異種金属の接合方法は、上記第3金属層40を構成する金属を、上記第2の金属部材20よりも硬度が低く、上記第1の金属部材10よりも硬度が高い金属とする。
このようにすることにより、加工領域5の輪郭部の接合状態を改善して信頼性を向上させる。
In the method for joining dissimilar metals according to the above embodiment, the metal constituting the
By doing so, the bonding state of the contour portion of the
上記実施形態の異種金属の接合方法は、上記回転工具30を押し付ける第1の金属部材10を、第2の金属部材20よりも融点が低い金属とする。
仮に、回転工具30を押し付ける第1の金属部材10のほうが融点が高ければ、第1の金属部材10が塑性流動するまで高温になったころに相手材である第2の金属部材20が溶融しはじめ、接合不良や欠陥が生じるおそれがある。上記回転工具30を押し付ける第1の金属部材10を、第2の金属部材20よりも融点が低い金属とすることにより、上記のような不都合の発生を防止できる。
In the method of joining dissimilar metals according to the above embodiment, the
If the melting point of the
上記実施形態の異種金属の接合方法は、上記第3金属層40を構成する金属を、上記第2の金属部材20よりも融点が低く、上記第1の金属部材10よりも融点が高い金属とする。
このようにすることにより、加工領域5の輪郭部の接合状態を改善して信頼性を向上させる。
In the method of joining dissimilar metals according to the above-described embodiment, the metal forming the
By doing so, the bonding state of the contour portion of the
〔変形例〕
以上は本発明の特に好ましい実施形態について説明したが、本発明は図示した実施形態に限定する趣旨ではなく、各種の態様に変形して実施することができ、本発明は各種の変形例を包含する趣旨である。
[Modification]
Although particularly preferred embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not intended to be limited to the illustrated embodiments, and can be implemented in various ways, and the present invention includes various modifications. It is the intention to
1:金床
3:境界面
5:加工領域
5A:加工予定領域
10:第1の金属部材
20:第2の金属部材
30:回転工具
40:第3金属層
1: anvil 3: boundary surface 5:
Claims (5)
上記第1の金属部材と上記第2の金属部材を重ね、
軸回転する回転工具を上記第1の金属部材の側から押し付ける加工を行うことにより、上記第1の金属部材と上記第2の金属部材との境界面のうち、上記回転工具による加工領域を接合する際に、
上記第1の金属部材と上記第2の金属部材との境界面のうち、上記回転工具による加工が予定された加工予定領域の輪郭に沿った部分に、上記第1の金属部材と上記第2の金属部材の接合を促進するための第3金属層を介在させ、上記輪郭に沿った部分より内側には上記第3金属層を介在させない
ことを特徴とする異種金属の接合方法。 preparing a first metal member and a second metal member of different types,
Overlapping the first metal member and the second metal member,
By pressing an axially rotating rotary tool from the side of the first metal member, a region of the boundary surface between the first metal member and the second metal member to be processed by the rotary tool is joined. When doing
The first metal member and the second metal member are formed on the boundary surface between the first metal member and the second metal member along the contour of the planned processing area scheduled to be processed by the rotary tool. A method for joining dissimilar metals, wherein a third metal layer is interposed to promote joining of the metal members, and the third metal layer is not interposed inside a portion along the contour.
請求項1記載の異種金属の接合方法。 2. The method of joining dissimilar metals according to claim 1, wherein the first metal member against which the rotary tool is pressed is made of a metal having a hardness lower than that of the second metal member.
請求項2記載の異種金属の接合方法。 3. The method of joining dissimilar metals according to claim 2, wherein the metal constituting the third metal layer is a metal having a hardness lower than that of the second metal member and higher than that of the first metal member.
請求項1記載の異種金属の接合方法。 2. The method of joining dissimilar metals according to claim 1, wherein the first metal member against which the rotary tool is pressed is made of a metal having a melting point lower than that of the second metal member.
請求項4記載の異種金属の接合方法。 5. The method of joining dissimilar metals according to claim 4, wherein the metal forming the third metal layer has a melting point lower than that of the second metal member and higher than that of the first metal member.
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