JP2023089462A - 異種金属の接合方法、接合体、および接合装置 - Google Patents

異種金属の接合方法、接合体、および接合装置 Download PDF

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Abstract

【課題】融点が異なる金属で構成された薄板同士を良好に突合せ接合できる異種金属の接合方法、接合体、および接合装置を提供することである。【解決手段】実施形態に係る異種金属の接合方法は、板状を呈し、第１の金属を含む第１の部材と、板状を呈し、前記第１の金属よりも融点が高い第２の金属を含む第２の部材と、を摩擦熱を用いて突き合わせ接合する異種金属の接合方法である。前記異種金属の接合方法は、前記第１の部材の端部の上に、前記第２の部材の端部を重ね合わせる工程と、先端に凸部を有し、回転させた接合工具を、前記第２の部材の、前記第１の部材との重ね部へ当接させて、前記第２の部材を前記第１の部材へ向かって加圧する工程と、を備えている。前記第２の部材を前記第１の部材へ向かって加圧する際に、前記回転させた接合工具の先端を前記第１の部材には接触させない。【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、異種金属の接合方法、接合体、および接合装置に関する。
自動車や２次電池モジュールなどに用いる部品の製造工程において、厚みが薄く、且つ材料の融点が異なる板状の部材同士を突き合わせ接合する場合がある。この様な部材同士を突き合わせ接合する方法として、溶接、ろう付け、摩擦撹拌接合が知られている。しかしながら、板状部材の金属組成の組合せによっては、溶接あるいはろう付では接合界面に低強度な金属間化合物が厚く生成され、必要な接合強度が得られないという課題がある。
一方、固相接合である摩擦攪拌接合では、接合界面に生成される金属間化合物層の厚さを抑えることができる。融点が大きく異なる板状の部材同士を突合せ接合する、摩擦攪拌接合方法としては、接合する２つの板状部材の融点が低い金属で構成される部材の方へ、回転させた接合工具を挿入し、もう一方の板状部材の突合せ端面を接合工具の攪拌ピンで削りながら接合する方法が提案されている（例えば、非特許文献１を参照）。しかし、この方法では、融点が高い金属の小片が低融点金属内へ分散してしまい、接合部分の接合強度および電気抵抗が変動するおそれがある。
また、接合工具の攪拌ピンを低融点金属で構成される板状部材へ挿入し、高融点金属で構成される板状部材の突合せ端面へ０．１ｍｍの距離まで近接させて接合する方法が提案されている。この方法では高融点金属の小片が低融点金属内へ分散することは無く、良好な接合が得られる。しかし、接合工具の攪拌ピンと高融点金属で構成される板状部材の突合せ端面の高い平坦度が必要であり、薄板部材への適用が難しい課題がある（例えば、非特許文献２を参照）。
一方、薄板同士の接合方法として、薄板の端面近傍を重ね合わせ、回転させた接合工具で重ね合わせ部を加圧して突合せ接合部を得る技術が提案されている（例えば、特許文献１を参照）。この方法では、接合する薄板を構成する金属が異なる場合、高融点金属で構成される薄板を下側に、低融点金属で構成される薄板を上側にして端部を重ね合わせ、回転させた接合工具で、低融点金属薄板の端部を加圧する。この様にすれば、接合工具と低融点金属薄板との間に生じた摩擦熱により、低融点金属薄板が軟化して変形し、低融点金属薄板と接合相手である高融点金属薄板とを突合せ接合できるとされている。
ところが、摩擦熱により、低融点金属薄板と高融点金属薄板はそれぞれ軟化するが、同じ温度における変形応力は高融点金属の方が低融点金属より大きい。したがって、接合工具で低融点金属薄板を介して高融点金属薄板を加圧しても高融点金属を十分に変形させることは難しい。そのため、接合部分においては、高融点金属薄板の端部の近傍の上に、低融点金属板材の一部が薄く接合される。したがって、この様な技術を用いたとしても、十分な接合強度を有する良好な突合せ接合部を得ることは困難である。
そこで、融点が異なる金属で構成された薄板同士を良好に突合せ接合できる技術の開発が望まれていた。
特開２０２０－２２９７３号公報
小松、藤井:"異種金属の摩擦攪拌接合"、長野県工技センター研報２(２００７),pp.２１－２４ 冨士端子工業株式会社、大阪産業技術研究所：令和元年度 戦略的基盤技術高度化・連携支援事業"アルミ・銅バイメタル端子の製造に資する異形・異種金属の摩擦攪拌接合技術の開発"研究開発成果等報告書
本発明が解決しようとする課題は、融点が異なる金属で構成された薄板同士を良好に突合せ接合できる異種金属の接合方法、接合体、および接合装置を提供することである。
実施形態に係る異種金属の接合方法は、板状を呈し、第１の金属を含む第１の部材と、板状を呈し、前記第１の金属よりも融点が高い第２の金属を含む第２の部材と、を摩擦熱を用いて突き合わせ接合する異種金属の接合方法である。前記異種金属の接合方法は、前記第１の部材の端部の上に、前記第２の部材の端部を重ね合わせる工程と、先端に凸部を有し、回転させた接合工具を、前記第２の部材の、前記第１の部材との重ね部へ当接させて、前記第２の部材を前記第１の部材へ向かって加圧する工程と、を備えている。前記第２の部材を前記第１の部材へ向かって加圧する際に、前記回転させた接合工具の先端を前記第１の部材には接触させない。
（ａ）～（ｃ）は、本実施の形態に係る異種金属の接合方法を例示するための模式工程断面図である。 （ａ）は、第１の部材をアルミニウム、第２の部材を銅にした場合の接合体の接合部分の断面の顕微鏡写真である。（ｂ）は、（ａ）におけるＡ部の拡大写真である。 本実施の形態に係る接合装置を例示するための模式図である。 工具を例示するための模式斜視図である。
以下、図面を参照しつつ、実施の形態について例示をする。なお、各図面中、同様の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
（異種金属の接合方法および接合体）
図１（ａ）～（ｃ）は、本実施の形態に係る異種金属の接合方法を例示するための模式工程断面図である。
まず、図１（ａ）に示すように、裏当て２００の上に、第１の部材１０１と第２の部材１０２を載置する。この際、第１の部材１０１の端部の近傍の上に、第２の部材１０２の端部の近傍を重ね合わせる。
第１の部材１０１と第２の部材１０２は、例えば、厚みの薄い板材とすることができる。第１の部材１０１の厚みと、第２の部材１０２の厚みには特に限定はない。例えば、これらの厚みは、２ｍｍ以下とすることができる。また、第２の部材１０２の厚みは、第１の部材１０１の厚みと同じであってもよいし、異なっていてもよい。
第１の部材１０１と第２の部材１０２は、金属で構成される。この場合、第２の部材１０２の金属の融点は、第１の部材１０１の金属の融点よりも高い。第１の部材１０１の材料（第１の金属の一例に相当する）は、例えば、アルミニウムやアルミニウム合金などとすることができる。第２の部材１０２の材料（第２の金属の一例に相当する）は、例えば、銅や銅合金などとすることができる。
接合工具３０１（以下、単に、工具３０１と称する）の中心軸３０１ａに直交する方向において、工具３０１の中心軸３０１ａの位置は、第１の部材１０１の端面１０１ｂの位置に合わせるか、あるいは、第２の部材１０２の方へ移動した位置とする。このとき、中心軸３０１ａと第１の部材１０１の端面１０１ｂとの間の距離Ｌ１は、接合工具の先端の凸部の半径Ｒよりも短くする。
例えば、第１の部材１０１の厚みと、第２の部材１０２の厚みが、１ｍｍ程度の場合には、第２の部材１０２の、第１の部材１０１と重なる部分の長さ（重なり代）Ｌ２は、０．５ｍｍ～３ｍｍ程度とすることができる。なお、Ｌ２が、「Ｌ２＜Ｒ－Ｌ１」の範囲にある場合には、接合界面にノッチができやすくなる。この場合、第２の部材１０２の端面の少なくとも下側（第１の部材１０１）を斜面１０２ｂあるいは曲面形状とすれば、接合界面にノッチが生ずるのを抑制することができる。
また、工具３０１の、第２の部材１０２と接触する部分の直径は、６ｍｍ～８ｍｍ程度とすることができる。
工具３０１の、第２の部材１０２の側の端部は、略円錐台状あるいは略円錐状を呈している。また、工具３０１の中心軸３０１ａに沿った方向から見た場合に、工具３０１の、第２の部材１０２の側の端部は、中心軸３０１ａの周りを渦巻き状に旋回する帯状の面、または、中心軸３０１ａの周りを渦巻き状に旋回する帯状の溝を有している。
次に、図１（ｂ）に示すように、回転させた工具３０１を、上方から下方へ下降させて、第２の部材１０２の端部の近傍に押し付ける。工具３０１の回転数は、例えば、４０００ｒｐｍ～１００００ｒｐｍ程度とすることができる。工具３０１の中心軸３０１ａに直交する方向における工具３０１の移動速度は、例えば、１００ｍｍ／分～５００ｍｍ／分程度とすることができる。
また、工具３０１の中心軸３０１ａに直交する方向において、工具３０１の中心軸３０１ａは、第１の部材１０１の端部よりも第２の部材１０２の側に位置するようにする。すなわち、工具３０１の中心軸３０１ａを、第２の部材１０２の側にオフセットさせる。この様にすれば、工具３０１の先端の外周領域と第２の部材１０２の端部の接触面積が増加する。このようにすることで、工具３０１の先端と第２の部材１０２の端部の時間当たりのすべり面積が増加し、効率良く摩擦熱を発生させることができる。なお、図１（ａ）、（ｂ）に例示をした工具３０１の中心軸３０１ａは、第１の部材１０１の端部の位置に設定されている。
次に、図１（ｃ）に示すように、回転させた工具３０１を、第１の部材１０１の側（裏当て２００側）へ下降させて、第２の部材１０２と第１の部材１０１が重なる部分を加圧する。工具３０１の先端の回転中心位置の高さは、第１の部材１０１の上面と等しくするか、あるいは、第１の部材１０１の上面より、例えば、０．１ｍｍ、第２の部材１０２側となる位置とする。回転させた工具３０１を押し込むと、回転させた工具３０１と第２の部材１０２との間に摩擦熱が発生する。発生した摩擦熱により、第２の部材１０２の端部が加熱され、第２の部材１０２の端部の温度が上昇する。また、第２の部材１０２の端部の熱が、第２の部材１０２と接触している第１の部材１０１へ伝わり、第１の部材１０１の端部の温度が上昇する。
ここで、本実施の形態に係る異種金属の接合方法と同様に、回転させた接合工具を金属部材へ当て生じた摩擦熱より前記金属部材を昇温する摩擦攪拌接合では、前記接合工具が接触した付近の金属部材の温度は、融点の７０％～８０％程度まで昇温するといわれている。すなわち、本実施の形態に係る異種金属の接合方法でも、回転させた工具３０１を金属部材に接触させて発生する摩擦熱により、その金属部材の温度を融点の７０％～８０％程度の温度まで昇温できると推測される。例えば、銅の融点は約１０８５℃であり、回転させた工具３０１により工具３０１が接触している部分の銅の温度を約７６０℃～８７０℃程度まで昇温できると考えられる。アルミニウムの融点は約６６０℃である。したがって、第２の部材１０２が銅で、第１の部材１０１がアルミニウムの場合、第２の部材１０２で発生した熱により第１の部材１０１の第２の部材１０２と接する部分を溶融できる。ここで、第１の部材１０１は裏当て２００の上に搭載されており、第１の部材１０１に伝わった熱は裏当て２００へ放出される。このため、第１の部材１０１の端部では厚さ方向に温度勾配が生じる。銅やアルミニウムなどの金属では変形応力に温度依存性があり、温度が高くなると変形応力は低下する。工具３０１の回転数を適正範囲に設定することで、第１の部材１０１の端部を、裏当てに接する側は比較的硬く、第２の部材１０２に近づくに従って柔らかくなり、第２の部材１０２と接する部分は溶融するという状態を作り出すことができる。
先端が略円錐台形状の接合ツールを用いた場合、第１の部材へ加わる下向きの力は、工具３０１の回転中心位置が最も大きく、工具３０１の外周へ向かうに従い小さくなる。その結果、第１の部材の端部は斜めに変形し、第２の部材の端部と斜面状の接合界面を形成する。第１の部材の溶融部分および軟化部分はこの端部の大きな塑性変形に伴い接合界面外へ排出され、一部は第１の部材の上面へ、他は裏当てに設けた凹部２００ａに溜まる。裏当てに凹部２００ａを設けない場合、第１の部材１０１の溶融部分が第２の部材１０２と裏当て２００との間へ入ってしまい、第２の部材１０２が持ち上げられ、第２の部材１０２の厚さが大きく減少する。第２の部材の厚さが減少すると接合部近傍の強度が低下すると共に、電気抵抗が増加してしまう。
そこで、本実施の形態に係る異種金属の接合方法においては、接合部の塑性変形に伴い接合部外へ排出された第１の部材１０１の材料の一部を、裏当て２００の表面に設けた凹部２００ａへ貯蔵している。凹部２００ａが設けられていれば、第２の部材１０２と裏当て２００との間に第１の部材１０１の材料が入り込むことを防げるので、第２の部材１０２の端部の近傍の厚みが減少することを抑制できる。
凹部２００ａの端は、例えば、第１の部材１０１を裏当て２００に載置した際に、第１の部材１０１の端面と同じ位置か、あるいは、第２の部材１０２の方に位置している。この様な位置に凹部２００ａが設けられていれば、第２の部材１０２と裏当て２００との間に第１の部材１０１の材料が入ることを効果的に抑制することができる。
以上に述べた方法により、第１の部材１０１と第２の部材１０２を突き合わせ接合して、接合体１０４を製造することができる。
なお、製造された接合体１０４には、凹部２００ａの内部に排出された第１の部材１０１の材料が付着しているが、付着している材料は機械加工などにより除去すれば良い。
以上に説明した様に、本実施の形態に係る異種金属の接合方法は、板状を呈し、第１の金属を含む第１の部材１０１と、板状を呈し、第１の金属よりも融点が高い第２の金属を含む第２の部材１０２と、を摩擦熱を用いて突き合わせ接合する異種金属の接合方法である。
この異種金属の接合方法は、以下の工程を備えることができる。
第１の部材１０１の端部の上に、第２の部材１０２の端部を重ね合わせる工程。
先端に凸部を有し、回転させた工具３０１を、第２の部材１０２の、第１の部材１０１との重ね部へ当接させて、第２の部材１０２を第１の部材１０１へ向かって加圧する工程。
第２の部材１０２を第１の部材１０１へ向かって加圧する際に、回転させた工具３０１の先端を第１の部材１０１には接触させない様にする。
また、第２の部材１０２を第１の部材１０１へ向かって加圧する、回転させた工具３０１を、重ね部に沿って第１の部材１０１の上面に略平行な向きに移動する工程をさらに備えることができる。
回転させた工具３０１を移動する際に、回転させた工具３０１の先端を第１の部材１０１には接触させない様にする。
第１の部材１０１の端部の上に、第２の部材１０２の端部を重ね合わせる工程において、第１の部材１０１と、第２の部材１０２とが、裏当て２００の上に載置される。
回転させた工具３０１を、第２の部材１０２の、第１の部材１０１との重ね部へ当接させて第２の部材１０２を第１の部材１０１へ向かって加圧する工程において、第１の部材１０１と第２の部材１０２の接合面から排出された第１の金属の一部を、裏当て２００の表面に設けられた凹部２００ａへ排出する。
接合３０１の中心軸３０１ａに直交する方向において、工具３０１の中心軸３０１ａは、第１の部材１０１の端面近傍あるいは第１の部材１０１の端面から第２の部材１０２側へ離隔した位置にあり、工具３０１の中心軸３０１ａと第２の部材１０２の端面との間の距離Ｌ１は、工具３０１の先端の凸部の半径Ｒよりも短い。
図２（ａ）は、第１の部材１０１をアルミニウム、第２の部材１０２を銅にした場合の接合体１０４の接合部分の断面の顕微鏡写真である。
図２（ｂ）は、図２（ａ）におけるＡ部の拡大写真である。
前述した様に、本実施の形態に係る異種金属の接合方法によれば、第１の部材１０１および第２の部材１０２のそれぞれの端部を軟化させ、かつ、第１の部材１０１の一部を溶融させる。先端が円錐台形状の工具３０１を使用することにより、図２（ａ）に示すように、接合体１０４の第１の部分１１１（第１の部材１０１）の、第２の部分１１２（第２の部材１０２）と接合される領域１１１ａは、第１の部分１１１の厚み方向に直交する方向に対して傾斜している。第２の部分１１２の、第１の部分１１１と接合される領域１１２ａは、第２の部分１１２の厚み方向に直交する方向に対して傾斜している。そして、互いに逆方向に傾斜する領域１０１ａと領域１０２ａとにより、第１の部分１１１（第１の部材１０１）と第２の部分１１２（第２の部材１０２）が突き合わせ接合されている。
一般的に、板状の金属部材同士を突き合わせ接合する場合には、部材の表面に垂直な端面同士を接合する。そのため、接合界面の強度が元の部材よりも低強度になる場合には、必要な接合部強度を得るのが難しいことがある。これに対し、本実施の形態に係る異種金属の接合方法によれば、部材の端部の近傍に形成された傾斜領域同士を接合するので、一般的な接合方法に比べて、接合面積を大きくすることができる。そのため、接合面積当たりの強度が低い場合でも十分な接合部強度を得ることが可能である。
例えば、本実施の形態に係る異種金属の接合方法によれば、傾斜領域の長さを部材の厚みの３倍程度にすることができる。すなわち、一般的な接合方法に比べて、接合面積を３倍以上にすることができる。
また、金属部材を突き合わせ接合する場合に、接合部分の電気抵抗の変化が問題となる場合がある。一般的な接合方法によれば、部材の表面に垂直な端面同士が接合されるため、接合部分の電気抵抗が急激に変化する。これに対し、本実施の形態に係る異種金属の接合方法によれば、接合部分における部材の厚みが徐々に変化する。そのため、接合部分の電気抵抗が急激に変化するのを抑制することができる。
接合界面には図２（ｂ）に示すように、厚み１μｍ以下で膜状の銅とアルミニウムの金属間化合物層１０３が生成された。この金属間化合物層１０３は、１種類ではなく、例えばＣｕＡｌ、Ｃｕ２Ａｌ３、ＣｕＡｌ２の３種類が存在することが分析によりわかった。銅とアルミニウムの接合では、接合界面に生成されるＣｕ－Ａｌ金属間化合物層の厚みが約２μｍを超えると接合強度が急激に低下することが、以下の文献に記載されている。
「Wei Xie, Tomiko Yamaguchi, Kazumasa Nishio. Formation of Intermetallic Phases on the Bond Interface of Aluminum-Clad Copper. Journal of the Japan Institute of Metals and Materials. 2011, Vol.75, No.3, p.166. 」
溶接では金属間化合物が厚く生成されやすく、銅とアルミニウムの接合には溶接は用いられない。
図２（ｂ）に示すように、本実施の形態に係る異種金属の接合方法によれば、金属間化合物層１０３の厚みを１μｍ以下にすることができる。また、接合面積を接合する板状部材の端面積の３倍以上にできる。そのため、金属間化合物を含む層が形成されたとしても、十分な接合強度を得ることが可能である。
すなわち、本実施の形態に係る接合体１０４は、板状を呈し、第１の金属を含む第１の部分１１１と、第１の部分の一方の端部側に接合され、板状を呈し、第１の金属よりも融点が高い第２の金属を含む第２の部分１１２と、第１の部分１１１の、第２の部分１１２と接合される領域１１１ａと、第２の部分１１２の、第１の部分１１１と接合される領域１１２ａと、の間に設けられ、第１の金属の元素と、第２の金属の元素と、を含む化合物を含む金属間化合物層１０３と、を備えている。第１の部分１１１の、第２の部分１１２と接合される領域１１１ａは、第１の部分１１１の厚み方向に直交する方向に対して傾斜している。第２の部分１１２の、第１の部分１１１と接合される領域１１２ａは、第２の部分１１２の厚み方向に直交する方向に対して傾斜している。
金属間化合物層１０３の厚みは、１μｍ以下である。
（接合装置）
次に、本実施の形態に係る接合装置３００について例示をする。
接合装置３００は、板状を呈し、第１の金属を含む第１の部材１０１と、板状を呈し、第１の金属よりも融点が高い第２の金属を含む第２の部材１０２と、を摩擦熱を用いて突き合わせ接合する接合装置である。
図３は、本実施の形態に係る接合装置３００を例示するための模式図である。
なお、図３中の矢印Ｘ、Ｙ、Ｚは、互いに直交する三方向を表している。例えば、矢印Ｚは鉛直上方向を表し、矢印Ｘと矢印Ｙは水平方向を表している。
図４は、工具３０１を例示するための模式斜視図である。
図３に示すように、接合装置３００には、例えば、工具３０１、ステージ３０２、加工部３０３、移動部３０４、架台３０５、および、制御装置３０６が設けられている。
図４に示すように、工具３０１は、基部３０１ｂ、および凸部３０１ｃを有する。基部３０１ｂ、および凸部３０１ｃは、一体に形成されている。例えば、円柱状の基部３０１ｂの一方の端部を加工することで凸部３０１ｃを形成することができる。基部３０１ｂ、および凸部３０１ｃの材料には特に限定はないが、接合する第１の部材１０１および第２の部材１０２よりも硬い材料が用いられる。基部３０１ｂ、および凸部３０１ｃの材料は、例えば、工具鋼、タングステン合金、セラミックなどとすることができる。
凸部３０１ｃは、円柱状を呈する基部３０１ｂの一方の端部に設けられている。
凸部３０１ｃは、略円錐台状あるいは略円錐状とすることができる。
この場合、図４に示すように、凸部３０１ｃの側面に、渦巻き状に旋回する帯状の面３０１ｃ１、または、渦巻き状に旋回する帯状の溝を設けることもできる。
例えば、中心軸３０１ａに沿った方向から見た場合に、凸部３０１ｃの表面には、帯状の面３０１ｃ１が設けられている。中心軸３０１ａに沿った方向から見た場合に、帯状の面３０１ｃ１は、中心軸３０１ａの周りを渦巻き状に巻き回され、中心軸３０１ａの周りを旋回するにつれて中心軸３０１ａから離れる。この場合、渦巻きの方向は、工具３０１の回転方向と逆となっている。
また、中心軸３０１ａに沿った方向から見た場合に、帯状の面３０１ｃ１と、隣接する帯状の面３０１ｃ１とは接している。また、帯状の面３０１ｃ１は平坦な面とすることもできるし、帯状の面３０１ｃ１に溝を設けることもできる。
すなわち、工具３０１の中心軸３０１ａに沿った方向から見た場合に、工具３０１の、第２の部材１０２の側の端部は、中心軸３０１ａの周りを渦巻き状に旋回する帯状の面３０１ｃ１、または、中心軸３０１ａの周りを渦巻き状に旋回する帯状の溝を有している。
また、帯状の面３０１ｃ１の、中心軸３０１ａの方向における位置は、中心軸３０１ａの周りを旋回するにつれて、基部３０１ｂの端部から離れる。すなわち、帯状の面３０１ｃ１の一方の端部は、基部３０１ｂの端部に接続されている。帯状の面３０１ｃ１の他方の端部は、凸部３０１ｃの、基部３０１ｂの側とは反対の頂面３０１ｃ２に接続されている。帯状の面３０１ｃ１は、中心軸３０１ａの周りを旋回するにつれて、中心軸３０１ａの方向において、基部３０１ｂの端部から離れるように凸部３０１ｃの頂面３０１ｃ２の側へ移動する。すなわち、帯状の面３０１ｃ１は、中心軸３０１ａの周りを渦巻き状に旋回する連続したスロープとなっている。例えば、帯状の面３０１ｃ１は、中心軸３０１ａの周りを旋回するアルキメデスの螺旋とすることができる。
この様な渦巻き状の面３０１ｃ１、または面３０１ｃ１に設けられた溝を有する工具３０１を、渦巻きの方向と逆の方向に回転させて第２の部材１０２に押し付けると、軟化した第２の部材１０２の材料が工具３０１の中心側に引き込まれる。そのため、接合部分にボイドなどの欠陥が生じるのを抑制することができる。
ステージ３０２は、裏当て２００、および保持部２０１を有する。
裏当て２００には、第１の部材１０１の端部の近傍の上に、第２の部材１０２の端部の近傍を重ね合わせた状態で、第１の部材１０１と、第２の部材１０２と、が載置される。裏当て２００は、例えば、金属板とすることができる。例えば、裏当て２００は、工具鋼や炭素鋼などから形成される。ただし、裏当て２００の材料は例示をしたものに限定されるわけではない。
また、裏当て２００は、流動した第１の部材１０１の材料の一部を収納可能な凹部２００ａを有する。凹部２００ａは、裏当て２００の表面に設けられている。
保持部２０１は、例えば、裏当て２００の表面に設けられる。保持部２０１は、裏当て２００の表面に載置された第１の部材１０１と第２の部材１０２とを保持する。保持部２０１は、例えば、保持爪などとすることができる。
加工部３０３は、工具３０１を保持する。加工部３０３は、工具３０１を回転させる。また、加工部３０３は、回転させた工具３０１の位置を変化させる。例えば、加工部３０３は、回転させた工具３０１のＺ方向における位置を変化させて、工具３０１の凸部３０１ｃを第２の部材１０２に接触させる。加工部３０３は、例えば、サーボモータなどの制御モータを備えている。
すなわち、加工部３０３は、第２の部材１０２の、第１の部材１０１と重ね合わされた部分に、回転させた工具３０１を押し付ける。
移動部３０４の上には、ステージ３０２が取り付けられる。移動部３０４は、ステージ３０２のＸ方向における位置を変化させる。また、移動部３０４は、ステージ３０２のＸ方向およびＹ方向における位置を変化させるようにしてもよい。移動部３０４は、例えば、一軸テーブルや二軸テーブル（ＸＹテーブル）などである。
架台３０５には、加工部３０３および移動部３０４が取り付けられる。例えば、加工部３０３は、移動部３０４の上方に取り付けられる。
制御装置３０６は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）などの演算部と、メモリなどの記憶部とを備えている。制御装置３０６は、例えば、コンピュータである。制御装置３０６は、記憶部に格納されている制御プログラムに基づいて、接合装置３００に設けられた各要素の動作を制御する。
例えば、制御装置３０６は、接合装置３００に設けられた各要素の動作を制御して、前述した異種金属の接合方法を実行し、第１の部材１０１と第２の部材１０２とを突き合わせ接合することで接合体１０４を製造する。
以上、本発明のいくつかの実施形態を例示したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更などを行うことができる。
実施形態例として第１の部材１０１をアルミニウム、第２の部材１０２を銅としたが、第２の部材１０２の融点の２／３の温度が、第１の部材１０１の融点より高ければ、他の金属でも同様の接合が実現可能である。例えば、第１の部材１０１をアルミニウム、第２の部材１０２をベリリウムとする組合せや、第１の部材１０１を銅、第２の部材１０２をチタンあるいはクロムとする組合せ、第１の部材１０１をマグネシウム、第２の部材１０２を銅とする組合せなどが挙げられる。
これら実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。
１０１ 第１の部材、１０２ 第２の部材、１０３ 金属間化合物層、１０４ 接合体、１１１ 第１の部分、１１１ａ 領域、１１２ 第２の部分、１１２ａ 領域、２００ 裏当て、２００ａ 凹部、３００ 接合装置、３０１ 接合工具、３０１ａ 中心軸、３０１ｃ 凸部、３０１ｃ１ 面、３０３ 加工部

Claims (10)

  1. 板状を呈し、第１の金属を含む第１の部材と、板状を呈し、前記第１の金属よりも融点が高い第２の金属を含む第２の部材と、を摩擦熱を用いて突き合わせ接合する異種金属の接合方法であって、
    前記第１の部材の端部の上に、前記第２の部材の端部を重ね合わせる工程と、
    先端に凸部を有し、回転させた接合工具を、前記第２の部材の、前記第１の部材との重ね部へ当接させて、前記第２の部材を前記第１の部材へ向かって加圧する工程と、
    を備え、
    前記第２の部材を前記第１の部材へ向かって加圧する際に、前記回転させた接合工具の先端を前記第１の部材には接触させない異種金属の接合方法。
  2. 前記第２の部材を前記第１の部材へ向かって加圧する、前記回転させた接合工具を、前記重ね部に沿って前記第１の部材の上面に略平行な向きに移動する工程をさらに備え、
    前記回転させた接合工具を移動する際に、前記回転させた接合工具の先端を前記第１の部材には接触させない請求項１記載の異種金属の接合方法。
  3. 前記第１の部材の端部の上に、前記第２の部材の端部を重ね合わせる工程において、前記第１の部材と、前記第２の部材とが、裏当ての上に載置され、
    前記回転させた接合工具を、前記第２の部材の、前記第１の部材との重ね部へ当接させて前記第２の部材を前記第１の部材へ向かって加圧する工程において、前記第１の部材と前記第２の部材の接合面から排出された前記第１の金属の一部を、前記裏当ての表面に設けられた凹部へ排出する請求項１または請求項２記載の異種金属の接合方法。
  4. 前記接合工具の中心軸に直交する方向において、前記接合工具の中心軸は、前記第１の部材の端面近傍あるいは前記第１の部材の端面から前記第２の部材側へ離隔した位置にあり、前記接合工具の中心軸と前記第１の部材の端面との間の距離は、前記接合工具の先端の前記凸部の半径よりも短い請求項１～３のいずれか１つに記載の異種金属の接合方法。
  5. 前記第２の部材の端面あるいは端面の一部が斜面あるいは曲面になっている請求項１～４のいずれか１つに記載の異種金属の接合方法。
  6. 前記接合工具の、前記第２の部材側の端部は、略円錐台状あるいは略円錐状を呈している請求項１～５のいずれか１つに記載の異種金属の接合方法。
  7. 前記接合工具を前記接合工具の中心軸に沿った方向から見た場合に、前記工具の、前記第２の部材側の端部は、前記中心軸の周りを渦巻き状に旋回する帯状の面、または、前記中心軸の周りを渦巻き状に旋回する帯状の溝を有している請求項１～６のいずれか１つに記載の異種金属の接合方法。
  8. 板状を呈し、第１の金属を含む第１の部分と、
    前記第１の部分の一方の端部側に接合され、板状を呈し、前記第１の金属よりも融点が高い第２の金属を含む第２の部分と、
    前記第１の部分の、前記第２の部分と接合される領域と、前記第２の部分の、前記第１の部分と接合される領域と、の間に設けられ、前記第１の金属の元素と、前記第２の金属の元素と、を含む金属間化合物を含む層と、
    を備え、
    前記第１の部分の、前記第２の部分と接合される領域は、前記第１の部分の厚み方向に直交する方向に対して傾斜し、
    前記第２の部分の、前記第１の部分と接合される領域は、前記第２の部分の厚み方向に直交する方向に対して傾斜している接合体。
  9. 板状を呈し、第１の金属を含む第１の部材と、板状を呈し、前記第１の金属よりも融点が高い第２の金属を含む第２の部材と、を摩擦熱を用いて突き合わせ接合する接合装置であって、
    前記第１の部材の端部の上に、前記第２の部材の端部を重ね合わせた状態で、前記第１の部材と、前記第２の部材と、が載置可能な裏当てと、
    前記第２の部材の、前記第１の部材との重ね部へ、回転させた工具を押し付け可能な加工部と、
    を備えた接合装置。
  10. 前記裏当ては、前記第１の部材と前記第２の部材の接合面から排出された前記第１の金属の一部を収納可能な凹部を有する請求項９記載の接合装置。
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