JP3437005B2 - 異種金属材料の摩擦圧接方法および異種金属接合材 - Google Patents
異種金属材料の摩擦圧接方法および異種金属接合材Info
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、Ａｌ合金材と鉄系材
とを接合する異種金属材料の摩擦圧接方法、およびこの
方法により接合された異種金属接合材に関するものであ
る。
とを接合する異種金属材料の摩擦圧接方法、およびこの
方法により接合された異種金属接合材に関するものであ
る。
【０００２】
【従来の技術】自動車、車両等の輸送機器部品、ＦＡ機
器部品、船舶トランジションジョイントには、Ａｌ合金
材と鉄系材とを接合一体化した複合材が多く用いられて
いる。このような異種金属材料を接合する方法として
は、２つの金属材料を突合わせ方向に加圧しながら相対
的に回転させ、突合わせ面およびその近傍に発生する摩
擦熱により金属を軟化させて圧接する摩擦圧接方法が知
られている。
器部品、船舶トランジションジョイントには、Ａｌ合金
材と鉄系材とを接合一体化した複合材が多く用いられて
いる。このような異種金属材料を接合する方法として
は、２つの金属材料を突合わせ方向に加圧しながら相対
的に回転させ、突合わせ面およびその近傍に発生する摩
擦熱により金属を軟化させて圧接する摩擦圧接方法が知
られている。
【０００３】Ａｌ系材と鉄系材との摩擦圧接において、
Ａｌ系材が純Ａｌの場合は適正な圧接条件を設定するこ
とにより良好な接合性が得られるが、Ａｌ系材がＡｌ−
Ｍｇ系等のＡｌ合金の場合は、鉄系材との接合界面に脆
い金属間化合物が形成しやすく、接合性が低下する傾向
がある。そこで、特にＡｌ合金材と鉄系材との接合にお
いては、継手強度の向上を目的として、これらの異種金
属材料の接合界面にＡ１０５０等の純Ａｌ材をインサー
ト材として介在させ、圧接後にも純Ａｌ層を残存させる
圧接方法が報告されている（軽金属溶接 vol.32,No.1
(1994),3 ）。
Ａｌ系材が純Ａｌの場合は適正な圧接条件を設定するこ
とにより良好な接合性が得られるが、Ａｌ系材がＡｌ−
Ｍｇ系等のＡｌ合金の場合は、鉄系材との接合界面に脆
い金属間化合物が形成しやすく、接合性が低下する傾向
がある。そこで、特にＡｌ合金材と鉄系材との接合にお
いては、継手強度の向上を目的として、これらの異種金
属材料の接合界面にＡ１０５０等の純Ａｌ材をインサー
ト材として介在させ、圧接後にも純Ａｌ層を残存させる
圧接方法が報告されている（軽金属溶接 vol.32,No.1
(1994),3 ）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかし、インサート材
として純Ａｌを用いると、接合部に引張応力や剪断応力
が加わった場合純Ａｌ相当の継手強度しか得られず、複
合材の用途によっては強度が不足するという問題点があ
った。
として純Ａｌを用いると、接合部に引張応力や剪断応力
が加わった場合純Ａｌ相当の継手強度しか得られず、複
合材の用途によっては強度が不足するという問題点があ
った。
【０００５】この発明は、前記問題点を解消することを
目的として、Ａｌ合金材と鉄系材との接合において、良
好な接合強度が得られる異種金属材料の摩擦圧接方法、
および異種金属接合材を提供しようとするものである。
目的として、Ａｌ合金材と鉄系材との接合において、良
好な接合強度が得られる異種金属材料の摩擦圧接方法、
および異種金属接合材を提供しようとするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】この発明の異種金属材料
の摩擦圧接方法は、前記目的を達成するために、Ａｌ合
金材（１）と鉄系材（２）との接合面をインサート材
（３）を介して突合わせ、突合わせ方向に加圧しながら
相対的に回転させることによりこれらの金属材料（１）
（２）を接合する摩擦圧接方法において、前記インサー
ト材（３）が、Ｓｉ；０．５〜２０wt％、Ｚｎ；３〜１
５wt％、Ｍｇ；０．５〜３wt％、Ｍｎ；０．１〜２wt
％、Ｃｕ；３〜６wt％のうちの１種または２種以上を含
有し、あるいはさらにＴｉ；０．００５〜０．２wt％、
Ｂ；０．００１〜０．１wt％の少なくともいずれかを含
有し、残部がＡｌおよび不純物であるＡｌ合金からなる
ことを特徴とするものである。
の摩擦圧接方法は、前記目的を達成するために、Ａｌ合
金材（１）と鉄系材（２）との接合面をインサート材
（３）を介して突合わせ、突合わせ方向に加圧しながら
相対的に回転させることによりこれらの金属材料（１）
（２）を接合する摩擦圧接方法において、前記インサー
ト材（３）が、Ｓｉ；０．５〜２０wt％、Ｚｎ；３〜１
５wt％、Ｍｇ；０．５〜３wt％、Ｍｎ；０．１〜２wt
％、Ｃｕ；３〜６wt％のうちの１種または２種以上を含
有し、あるいはさらにＴｉ；０．００５〜０．２wt％、
Ｂ；０．００１〜０．１wt％の少なくともいずれかを含
有し、残部がＡｌおよび不純物であるＡｌ合金からなる
ことを特徴とするものである。
【０００７】前記インサート材（３）におけるＳｉ含有
量が１０〜１５wt％であることが好ましい。
量が１０〜１５wt％であることが好ましい。
【０００８】前記インサート材（３）におけるＣｕ含有
量が４〜５wt％であることが好ましい。
量が４〜５wt％であることが好ましい。
【０００９】前記インサート材（３）におけるＴｉ含有
量が０．０１〜０．１wt％であることが好ましい。
量が０．０１〜０．１wt％であることが好ましい。
【００１０】前記インサート材（３）におけるＢ含有量
が０．００５〜０．０５wt％であるであることが好まし
い。
が０．００５〜０．０５wt％であるであることが好まし
い。
【００１１】前記金属材料（１）（２）の接合後におけ
る前記インサート材（３）の厚さが１〜１０mmであるこ
とが好ましい。さらに、前記インサート材（３）の厚さ
が４〜６mmであるがことが好ましい。
る前記インサート材（３）の厚さが１〜１０mmであるこ
とが好ましい。さらに、前記インサート材（３）の厚さ
が４〜６mmであるがことが好ましい。
【００１２】この発明の異種金属接合材は、Ａｌ合金材
（１）と鉄系材（２）とが、これら の金属材料（１）
（２）の接合面をインサート材（３）を介して突合わせ
て接合された異種金属接合材であって、請求項１〜７の
いずれかに記載の摩擦圧接方法により接合されてなるこ
とを特徴とするものである。
（１）と鉄系材（２）とが、これら の金属材料（１）
（２）の接合面をインサート材（３）を介して突合わせ
て接合された異種金属接合材であって、請求項１〜７の
いずれかに記載の摩擦圧接方法により接合されてなるこ
とを特徴とするものである。
【００１３】この発明の方法において、Ａｌ合金材
（１）とは、純Ａｌを除く２０００系、３０００系、４
０００系、５０００系、６０００系、７０００系の各種
Ａｌ合金材であり、鉄系材（２）とは、純鉄材あるい
は、炭素鋼、合金鋼等の各種鉄合金材である。
（１）とは、純Ａｌを除く２０００系、３０００系、４
０００系、５０００系、６０００系、７０００系の各種
Ａｌ合金材であり、鉄系材（２）とは、純鉄材あるい
は、炭素鋼、合金鋼等の各種鉄合金材である。
【００１４】また、インサート材（３）としてＡｌ合金
を使用するのは、被接合材との濡れ性を良くして、高い
接合強度を得るためである。また、被接合材となるＡｌ
合金材の組成によって、高い接合強度を得られるインサ
ート材のＡｌ合金の種類が異なり、最も高い接合強度の
得られる添加元素は表１に示すとおりである。
を使用するのは、被接合材との濡れ性を良くして、高い
接合強度を得るためである。また、被接合材となるＡｌ
合金材の組成によって、高い接合強度を得られるインサ
ート材のＡｌ合金の種類が異なり、最も高い接合強度の
得られる添加元素は表１に示すとおりである。
【００１５】
【表１】
【００１６】これらの添加元素は、Ｓｉ、Ｚｎ、Ｍｇ、
Ｍｎ、Ｃｕについては１種または２種以上を含有してい
れば接合強度を高めることができ、特にＣｕの場合はＴ
ｉ、Ｂの併用によって金属組織が微細化されて接合強度
を高めることができる。前記各添加元素の含有量は、少
量過ぎても多量過ぎても上記効果に乏しくなる。従っ
て、インサート材（３）として使用するＡｌ合金中のＳ
ｉ含有量は０．５〜２０wt％、Ｚｎ含有量は３〜１５wt
％、Ｍｇ含有量は０．５〜３wt％、Ｍｎ含有量は０．１
〜２wt％、Ｃｕ含有量は３〜６wt％、Ｔｉ含有量は０．
００５〜０．２wt％、Ｂ含有量は０．００１〜０．１wt
％とする必要がある。Ｓｉ含有量の好ましい下限値は１
０wt％、上限値は１５wt％である。Ｚｎ含有量の好まし
い下限値は８wt％、上限値は１０wt％である。Ｍｇ含有
量の好ましい下限値は１．５wt％、上限値は２wt％であ
る。Ｍｎ含有量の好ましい下限値は０．３wt％、上限値
は１wt％である。Ｃｕ含有量の好ましい下限値は４wt
％、上限値は５wt％である。Ｔｉ含有量の好ましい下限
値は０．０１wt％、上限値は０．１wt％である。Ｂ含有
量の好ましい下限値は０．００５wt％、上限値は０．０
５wt％である。
Ｍｎ、Ｃｕについては１種または２種以上を含有してい
れば接合強度を高めることができ、特にＣｕの場合はＴ
ｉ、Ｂの併用によって金属組織が微細化されて接合強度
を高めることができる。前記各添加元素の含有量は、少
量過ぎても多量過ぎても上記効果に乏しくなる。従っ
て、インサート材（３）として使用するＡｌ合金中のＳ
ｉ含有量は０．５〜２０wt％、Ｚｎ含有量は３〜１５wt
％、Ｍｇ含有量は０．５〜３wt％、Ｍｎ含有量は０．１
〜２wt％、Ｃｕ含有量は３〜６wt％、Ｔｉ含有量は０．
００５〜０．２wt％、Ｂ含有量は０．００１〜０．１wt
％とする必要がある。Ｓｉ含有量の好ましい下限値は１
０wt％、上限値は１５wt％である。Ｚｎ含有量の好まし
い下限値は８wt％、上限値は１０wt％である。Ｍｇ含有
量の好ましい下限値は１．５wt％、上限値は２wt％であ
る。Ｍｎ含有量の好ましい下限値は０．３wt％、上限値
は１wt％である。Ｃｕ含有量の好ましい下限値は４wt
％、上限値は５wt％である。Ｔｉ含有量の好ましい下限
値は０．０１wt％、上限値は０．１wt％である。Ｂ含有
量の好ましい下限値は０．００５wt％、上限値は０．０
５wt％である。
【００１７】また、前記インサート材（３）の厚さは、
圧接後の厚さを基準として設定することが好ましい。即
ち、インサート材（３）を圧接後に厚さ１〜８mmの範囲
に残存させることにより、最も良好な接合強度が得られ
る。これは、１mm未満ではインサート材（３）が接合界
面全体に一様に残存しないためであり、一方８mmを超え
るとインサート材（３）が押し出されずに界面に残留す
るためにインサート材（３）そのものの強度に支配され
るためであって、いずれも接合強度が低下するからであ
る。特に４〜６mmとなるように設定するのが良い。この
ような圧接後のインサート材（３）の厚さの制御は、圧
接前の厚さやアプセット圧力の調整によって行う。
圧接後の厚さを基準として設定することが好ましい。即
ち、インサート材（３）を圧接後に厚さ１〜８mmの範囲
に残存させることにより、最も良好な接合強度が得られ
る。これは、１mm未満ではインサート材（３）が接合界
面全体に一様に残存しないためであり、一方８mmを超え
るとインサート材（３）が押し出されずに界面に残留す
るためにインサート材（３）そのものの強度に支配され
るためであって、いずれも接合強度が低下するからであ
る。特に４〜６mmとなるように設定するのが良い。この
ような圧接後のインサート材（３）の厚さの制御は、圧
接前の厚さやアプセット圧力の調整によって行う。
【００１８】
【作用】この発明の摩擦圧接方法においては、インサー
ト材（３）として所定量の元素を添加したＡｌ合金を使
用しているため、Ａｌ合金材（１）と鉄系材（２）とが
高い接合強度が圧接される。
ト材（３）として所定量の元素を添加したＡｌ合金を使
用しているため、Ａｌ合金材（１）と鉄系材（２）とが
高い接合強度が圧接される。
【００１９】また、圧接後のインサート材（３）を厚さ
１〜１０mmの範囲に残存させることにより、最も高い接
合強度が得られる。
１〜１０mmの範囲に残存させることにより、最も高い接
合強度が得られる。
【００２０】
【実施例】次に、この発明の異種金属材料の摩擦圧接方
法の具体的実施例について説明する。
法の具体的実施例について説明する。
【００２１】接合に供するＡｌ合金材としてＡ２０１７
Ａｌ合金、Ａ３００３Ａｌ合金、Ａ４３４３Ａｌ合金、
Ａ５０５６Ａｌ合金、Ａ６０６１Ａｌ合金、Ａ７００３
Ａｌ合金からなる直径１０mm×長さ１００mmの６種類の
丸棒と、鉄系材としてＳ４５Ｃ炭素鋼からなる直径１０
mm×長さ１００mmの丸棒とを使用した。また、実施例の
インサート材として後掲の表２に示す合金組成で直径１
０mm×厚さ５mmまたは９mmのものを用意した。また、比
較例のインサート材としてＡ１０５０純Ａｌからなる同
寸法のものを用意した。
Ａｌ合金、Ａ３００３Ａｌ合金、Ａ４３４３Ａｌ合金、
Ａ５０５６Ａｌ合金、Ａ６０６１Ａｌ合金、Ａ７００３
Ａｌ合金からなる直径１０mm×長さ１００mmの６種類の
丸棒と、鉄系材としてＳ４５Ｃ炭素鋼からなる直径１０
mm×長さ１００mmの丸棒とを使用した。また、実施例の
インサート材として後掲の表２に示す合金組成で直径１
０mm×厚さ５mmまたは９mmのものを用意した。また、比
較例のインサート材としてＡ１０５０純Ａｌからなる同
寸法のものを用意した。
【００２２】図１に示すように、Ａｌ合金材（１）と鉄
系材（２）との接合界面に後掲の表２に示す組成および
厚さのインサート材（３）を挟み、摩擦圧力７０ＭＰ
ａ，アプセット圧力１８０ＭＰａ、摩擦時間０．５秒、
回転数２０００ｒｐｍ、ブレーキ時間０．８秒の条件で
摩擦圧接した。
系材（２）との接合界面に後掲の表２に示す組成および
厚さのインサート材（３）を挟み、摩擦圧力７０ＭＰ
ａ，アプセット圧力１８０ＭＰａ、摩擦時間０．５秒、
回転数２０００ｒｐｍ、ブレーキ時間０．８秒の条件で
摩擦圧接した。
【００２３】そして、圧接した各継手について、インサ
ート材（３）の厚さを測定するとともに、ＪＩＳ Ｚ３
１２１（突合せ溶接部の試験方法）およびＪＩＳ Ｚ２
２０１（金属材料引張試験片）に基づき引張強さを測定
した。これらの結果を表２に示す。
ート材（３）の厚さを測定するとともに、ＪＩＳ Ｚ３
１２１（突合せ溶接部の試験方法）およびＪＩＳ Ｚ２
２０１（金属材料引張試験片）に基づき引張強さを測定
した。これらの結果を表２に示す。
【００２４】
【表２】
【００２５】表２の結果から明らかなように、インサー
ト材として各種Ａｌ合金を使用した各実施例は、純Ａｌ
を使用した比較例よりも引張強さに優れていることを確
認しえた。
ト材として各種Ａｌ合金を使用した各実施例は、純Ａｌ
を使用した比較例よりも引張強さに優れていることを確
認しえた。
【００２６】
【発明の効果】以上のように、この発明にかかる異種金
属材料の摩擦圧接方法は、Ａｌ合金材と鉄系材との接合
面をインサート材を介して突合わせ、突合わせ方向に加
圧しながら相対的に回転させることによりこれらの金属
材料を接合する摩擦圧接方法において、前記インサート
材が、Ｓｉ；０．５〜２０wt％、Ｚｎ；３〜１５wt％、
Ｍｇ；０．５〜３wt％、Ｍｎ；０．１〜２wt％、Ｃｕ；
３〜６wt％のうちの１種または２種以上を含有し、ある
いはさらにＴｉ；０．００５〜０．２wt％、Ｂ；０．０
０１〜０．１wt％の少なくともいずれかを含有し、残部
がＡｌおよび不純物であるＡｌ合金からなるから、接合
強度に優れた複合材が得られる。
属材料の摩擦圧接方法は、Ａｌ合金材と鉄系材との接合
面をインサート材を介して突合わせ、突合わせ方向に加
圧しながら相対的に回転させることによりこれらの金属
材料を接合する摩擦圧接方法において、前記インサート
材が、Ｓｉ；０．５〜２０wt％、Ｚｎ；３〜１５wt％、
Ｍｇ；０．５〜３wt％、Ｍｎ；０．１〜２wt％、Ｃｕ；
３〜６wt％のうちの１種または２種以上を含有し、ある
いはさらにＴｉ；０．００５〜０．２wt％、Ｂ；０．０
０１〜０．１wt％の少なくともいずれかを含有し、残部
がＡｌおよび不純物であるＡｌ合金からなるから、接合
強度に優れた複合材が得られる。
【００２７】前記摩擦圧接方法において、特に、前記金
属材料の接合後に前記インサート材の厚さを１〜１０mm
とすることにより、最も接合強度に優れた複合材が得ら
れる。
属材料の接合後に前記インサート材の厚さを１〜１０mm
とすることにより、最も接合強度に優れた複合材が得ら
れる。
【図１】この発明の実施例において、摩擦圧接方法を示
す正面図である。
す正面図である。
１…Ａｌ合金材
２…鉄系材
３…インサート材
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(56)参考文献 特開 平７−32137（ＪＰ，Ａ)
特開 平６−198460（ＪＰ，Ａ)
特開 平６−658（ＪＰ，Ａ)
特開 平５−138371（ＪＰ，Ａ)
特開 昭54−64052（ＪＰ，Ａ)
特表 平５−509261（ＪＰ，Ａ)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
B23K 20/12
Claims (8)
- 【請求項１】 Ａｌ合金材（１）と鉄系材（２）との接
合面をインサート材（３）を介して突合わせ、突合わせ
方向に加圧しながら相対的に回転させることによりこれ
らの金属材料（１）（２）を接合する摩擦圧接方法にお
いて、前記インサート材（３）が、Ｓｉ；０．５〜２０
wt％、Ｚｎ；３〜１５wt％、Ｍｇ；０．５〜３wt％、Ｍ
ｎ；０．１〜２wt％、Ｃｕ；３〜６wt％のうちの１種ま
たは２種以上を含有し、あるいはさらにＴｉ；０．００
５〜０．２wt％、Ｂ；０．００１〜０．１wt％の少なく
ともいずれかを含有し、残部がＡｌおよび不純物である
Ａｌ合金からなることを特徴とする異種金属材料の摩擦
圧接方法。 - 【請求項２】 前記インサート材（３）におけるＳｉ含
有量が１０〜１５wt％である請求項１に記載の異種金属
材料の摩擦圧接方法。 - 【請求項３】 前記インサート材（３）におけるＣｕ含
有量が４〜５wt％である請求項１または２に記載の異種
金属材料の摩擦圧接方法。 - 【請求項４】 前記インサート材（３）におけるＴｉ含
有量が０．０１〜０．１wt％である請求項１〜３のいず
れかに記載の異種金属材料の摩擦圧接方法。 - 【請求項５】 前記インサート材（３）におけるＢ含有
量が０．００５〜０．０５wt％である請求項１〜４のい
ずれかに記載の異種金属材料の摩擦圧接方法。 - 【請求項６】 前記金属材料（１）（２）の接合後にお
ける前記インサート材（３）の厚さが１〜１０mmである
請求項１〜５のいずれかに記載の異種金属材料の摩擦圧
接方法。 - 【請求項７】 前記インサート材（３）の厚さが４〜６
mmである請求項６に記載の異種金属材料の摩擦圧接方
法。 - 【請求項８】 Ａｌ合金材（１）と鉄系材（２）とが、
これらの金属材料（１）（２）の接合面をインサート材
（３）を介して突合わせて接合された異種金属接合材で
あって、請求項１〜７のいずれかに記載の摩擦圧接方法
により接合されてなることを特徴とする異種金属接合
材。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8273495A JP3437005B2 (ja) | 1995-04-07 | 1995-04-07 | 異種金属材料の摩擦圧接方法および異種金属接合材 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8273495A JP3437005B2 (ja) | 1995-04-07 | 1995-04-07 | 異種金属材料の摩擦圧接方法および異種金属接合材 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08281455A JPH08281455A (ja) | 1996-10-29 |
| JP3437005B2 true JP3437005B2 (ja) | 2003-08-18 |
Family
ID=13782654
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP8273495A Expired - Fee Related JP3437005B2 (ja) | 1995-04-07 | 1995-04-07 | 異種金属材料の摩擦圧接方法および異種金属接合材 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3437005B2 (ja) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101153531B1 (ko) * | 2007-03-29 | 2012-06-11 | 가와사키 쥬코교 가부시키가이샤 | 접합방법 및 접합장치 |
| CN106346128B (zh) * | 2016-10-20 | 2019-01-01 | 西北工业大学 | 添加中间层的铝铜异种金属旋转摩擦焊接方法 |
| CN108544077A (zh) * | 2018-04-17 | 2018-09-18 | 哈尔滨工业大学（威海） | 一种摩擦预堆中间层辅助异质材料回填式搅拌摩擦点焊方法 |
| CN108869515A (zh) * | 2018-06-25 | 2018-11-23 | 苏州鑫金茂金属科技有限公司 | 一种具有螺帽的304钣金件 |
-
1995
- 1995-04-07 JP JP8273495A patent/JP3437005B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH08281455A (ja) | 1996-10-29 |
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