JP3940984B2 - 金属の接合方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アルミニウム合金製鋳物や板材等の金属の接合方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の接合技術は、板材や予め３次元形状にプレス成形された金属部材を重ね合わせ、電気抵抗溶接やアーク溶接、接着剤、ボルト締結、リベット等によって接合している。
【０００３】
そして、金属部材が複雑な３次元形状の場合、複数点在する接合部分に対して局所的に接合できるスポット溶接が用いられる。
【０００４】
また、他の接合技術として、非溶融の状態で摩擦撹拌する接合方法が特許第２７１２８３８号公報に開示されている。この接合技術は、２つの部材を突き合わせた接合面にプローブと呼ばれる突出部を回転させながら挿入及び並進させ、接合面近傍の金属組織を摩擦熱により可塑化させて結合するものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記公報記載の接合技術を金属部材の重ね合わせ接合に適用する場合、同種の金属部材同士では高い強度が得られるものの、異種の金属部材を接合する場合には、特に、アルミニウム合金と鉄との場合は、非常に脆い拡散合金を作ってしまうため、十分な接合強度が得られないという課題がある。
【０００６】
本発明は、上記課題に鑑みてなされ、その目的は、高い接合強度が得られる金属の接合方法を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上述の課題を解決し、目的を達成するために、本発明の金属の接合方法は、第１金属部材と第２金属部材とを重ね合わせて、非溶融の状態で摩擦により撹拌させて接合する金属の接合方法において、前記第１金属部材と第２金属部材との接合部分に、該第１及び第２金属部材と拡散可能な合金材料を介在させ、前記第１金属部材における前記第２金属部材との接合部分に相当する表面部位に回転部材を押圧し、前記回転部材の回転により、前記第１及び第２金属部材の接合部分を非溶融の状態で摩擦により撹拌させて非溶融撹拌層を形成すると共に、前記合金材料を該非溶融撹拌層に拡散させて、該第１及び第２金属部材を接合する。
【０００８】
また、好ましくは、前記回転部材の先端が平面状に形成されている。
【０００９】
また、好ましくは、前記第１金属部材と第２金属部材のうち、融点の低い方から前記回転工具を押圧して摩擦により撹拌させる。
【００１０】
また、好ましくは、前記第１金属部材はアルミニウム、前記第２金属部材は鉄、前記合金材料は亜鉛を夫々主成分とする材料であり、該合金材料を該第１及び第２金属部材の非溶融撹拌層に拡散させ、該第１、第２金属部材並びに合金材料からなる拡散層を形成して、前記アルミニウムと鉄とを接合する。
【００１２】
【発明の効果】
以上説明のように、請求項１の発明によれば、第１金属部材と第２金属部材との接合部分に、第１及び第２金属部材と拡散可能な合金材料を介在させ、第１金属部材における第２金属部材との接合部分に相当する表面部位に回転部材を押圧し、回転部材の回転により、第１及び第２金属部材の接合部分を非溶融の状態で摩擦により撹拌させて非溶融撹拌層を形成すると共に、合金材料を非溶融撹拌層に拡散させて、第１及び第２金属部材を接合することにより、合金材料を用いて高い接合強度が得られ、異種部材同士の接合も可能となる。
【００１３】
請求項２の発明によれば、回転部材の先端が平面状に形成されていることにより、接合跡として穴が残らず、工具の加工も容易で安価にできる。
【００１４】
請求項３の発明によれば、第１金属部材と第２金属部材のうち、融点の低い方から回転工具を押圧して摩擦により撹拌させることにより、短時間で接合でき、回転部材への熱的、機械的負荷が低減できて工具寿命を延長できる。
【００１５】
請求項４の発明によれば、第１金属部材はアルミニウム、第２金属部材は鉄、合金材料は亜鉛を夫々主成分とする材料であり、合金材料を第１及び第２金属部材の非溶融撹拌層に拡散させ、第１、第２金属部材並びに合金材料からなる拡散層を形成して、アルミニウムと鉄とを接合することにより、異種のアルミニウムと鉄とを高い接合強度で接合可能となる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。
【００１７】
尚、以下に説明する実施の形態は、本発明の実現手段としての一例であり、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で下記実施形態を修正又は変形したものに適用可能である。
【００１８】
図１は、本発明に係る実施形態の重ね合わせ接合方法を説明する回転工具付近の拡大図である。
【００１９】
本実施形態の接合方法は、アルミニウム合金製の板材や予め３次元形状にプレス成形された金属部材の接合に適用され、少なくとも２枚の金属部材を重ね合わせて、最外表面の第１金属部材Ｗ１に回転工具１を押圧することにより、重ね合わされた第１及び第２金属部材Ｗ１、Ｗ２間の金属組織を摩擦熱により非溶融で撹拌して接合するものである。
【００２０】
そして、非溶融で撹拌するので、電気抵抗溶接等で発生する熱歪み等の問題を解消することができる。
【００２１】
ここで、非溶融で攪拌する状態とは、母材に含有される各成分或いは共晶化合物の中で最も融点が低いものよりもさらに低い温度下で摩擦熱により金属組織を軟化させて攪拌することを意味する。
【００２２】
図１に示すように、摩擦撹拌による接合方法は、少なくとも２枚の金属部材Ｗ１、Ｗ２を重ね合わせ、先端部３が平面状の円筒状の回転工具１を、その軸心周りに回転させながら、先端部３を最外表面の第１金属部材Ｗ１に押し付けて、第１金属部材Ｗ１、Ｗ２を非溶融の状態で摩擦により撹拌させて非溶融撹拌層を形成すると共に、第２金属部材Ｗ２にまで非溶融摩擦撹拌層を拡大して第１及び第２金属部材Ｗ１、Ｗ２を接合する。
【００２３】
従来の突き合わせ接合では、プローブにより金属組織を軟化させ、軟化した金属組織をショルダで抑えるのに対して、本実施形態の重ね合わせ接合では先端部３が金属組織を軟化させ、塑性流動させる機能を有している。
【００２４】
また、第１及び第２金属部材Ｗ１、Ｗ２を挟むように回転工具１の先端部３に対向するよう受け部材４が配置されている。受け部材４の外径は、回転工具１の外径以上に設計されている。
【００２５】
回転工具１は直径φ１が１０〜１５ｍｍ程度である。回転工具１及び受け部材４は、金属部材よりも硬度の高い鋼材（超硬合金等）で形成された非摩耗型工具であるが、金属部材は回転工具１より軟質の材質であれば、アルミニウム合金に限定されない。
【００２６】
また、図２に示すように、回転工具１は、先端部３の略中央に凹部３ａが形成されている。また、受け部材４の先端部５の略中央にも凹部５ａが形成されている。
【００２７】
尚、回転工具１の凹部３ａと受け部材４の凹部５ａとは、いずれか一方又は両方に設けることができる。また、凹部３ａの代わりにピン状の凸部を設けることもできる。
【００２８】
図３乃至図５は、回転工具１の先端部３の他の形状を例示する図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は先端部の正面図である。
【００２９】
図３に示す回転工具１は、先端部３が金属部材との接触面に対して傾斜して形成され、接触面からの高さが変化するよう構成されている。また、図４に示す回転工具１は、先端部３の高さが周方向で相異するように、平面状の先端部３に対して、その先端中心から外周に向けて放射状に複数の突出部（又は溝部）３ｂが形成されている。また、図５に示す回転工具１は、先端部３の高さが周方向で相異するように、平面状の先端部３に対して、その先端中心から外周に向けて少なくとも１つの溝部（又は突出部）３ｃが形成されている。
【００３０】
尚、回転工具１は、先端部の周方向に凹凸や波状が形成できればよく、例えば、図２に示す凹部３ａと図３乃至図５に示す先端部３の形状とを組み合わせて構成したり、図４及び図５に示す形状では、突出部と溝部とを組み合わせて構成することもできる。突出部の高さや溝部の深さが大きすぎる場合には、金属組織の撹拌性が悪化するため不適である。
【００３１】
回転工具１は、以下に説明する多関節ロボット１０のアームに回転可能に取り付られ、接合される金属部材が複雑な３次元形状の場合、複数点在する接合部分に対してスポット的に（局所的に）接合できるよう構成されている。
【００３２】
図６は、回転工具を保持及び駆動する多関節ロボットの概略図である。
【００３３】
図６に示すように、多関節ロボット１０は、ベース１１に設けられた関節１２に連結されてｙ軸中心に揺動すると共に、関節１３でｚ軸中心に回転する第１アーム１４と、関節１５を介して第１アーム１４に連結されてｙ軸中心に揺動すると共に、関節１６でｘ軸中心に回転する第２アーム１７と、関節１８を介して第２アーム１７に連結されてｙ軸中心に揺動する第３アーム１９とを有する。
【００３４】
第３アーム１９は、回転工具１が回転可能に取り付けられると共に、回転工具１を回転駆動するモータ２０と、回転工具１の先端部３に対向するよう配置される受け部材４とを備える。回転工具１の先端部３と受け部材４の先端部との間隔はアクチュエータ２２により可変となっており、接合時の金属部材に対する押圧力や３枚以上重ね合わせた金属部材でも対応できるよう設計されている。
【００３５】
多関節ロボット１０の各アーム、モータ、アクチュエータの動作は、予めティーチングされて制御部３０がコントロールする。
【００３６】
回転工具１の金属部材に対する押圧力は、金属部材の総板厚や重ね合わせ枚数等に基づいて接合部分ごとに設定され、個々の金属部材の板厚が異なる場合にも適用できる。
【００３７】
また、図７に示すように、３枚以上の第１乃至第３金属部材Ｗ１〜Ｗ３を接合する場合には、同一外径を有する一対の回転工具１Ａ，１Ｂで金属部材を挟み込んで接合する。この場合、図２の受け部材４に代えて回転工具１Ｂを回転可能に多関節ロボット１０に取り付けて、互いに対向する回転工具１Ａ，１Ｂの先端部３Ａ，３Ｂで第１乃至第３金属部材Ｗ１〜Ｗ３を挟み込みながら、各回転工具１Ａ，１Ｂを逆回転させる。
【００３８】
また、第１及び第２金属部材Ｗ１、Ｗ２の板厚が異なる場合でも接合可能であるが、特に、薄肉側から回転工具１を押圧させるとより撹拌しやすくなり、均一な接合処理が実現できる。
［接合時の金属組織の塑性流動］
図８は、回転工具の先端部が平滑な場合の金属部材内部の塑性流動状態を示す図である。図９は、回転工具の先端部に凹部を形成した場合の金属部材内部の塑性流動状態を示す図である。図１０は、回転工具の先端部に突出部又は溝部を形成した場合の金属部材内部の塑性流動状態を示す図である。
【００３９】
図８に示すように、先端部３が平滑な回転工具１を用いた場合（受け部材４の先端部５は、説明の便宜上平滑とする）、所定回転数で回転する回転工具１を第１金属部材Ｗ１に略垂直に押し当てていくと、回転工具１と第１金属部材Ｗ１との間に摩擦が生じて、その表面が軟化して第１及び第２金属部材Ｗ１、Ｗ２間の金属組織が非溶融の状態で回転方向に撹拌されていく。そして、更に回転工具１による第１金属部材Ｗ１に対する押圧力を高めていくと、回転工具１に非接触の金属部材Ｗ２にまで非溶融の摩擦撹拌層が拡大して、最終的に重ね合わされた第１及び第２金属部材Ｗ１、Ｗ２が溶融されることなく接合される。
【００４０】
図９に示すように、先端部３に凹部３ａが形成された回転工具１を用いた場合（受け部材４の先端部５は、説明の便宜上平滑とする）には、金属組織は工具１の回転方向に撹拌されると共に、凹部３ａの直下及び周辺で上下方向（金属部材の接合面と交差する方向）に３次元的な縦渦の塑性流動が発生して撹拌されて、最終的に重ね合わされた第１及び第２金属部材Ｗ１、Ｗ２が溶融されることなく接合される。
【００４１】
また、回転工具１の凹部３ａは撹拌される金属組織の周速が略ゼロとなる凹部内での塑性流動を促進し、受け部材４の凹部５ａを設けた場合には回転工具１に接触しない金属部材の塑性流動を促進する。
【００４２】
更に、図１０に示すように、先端部３に突出部（又は溝部）３ｂが形成された回転工具１を用いた場合（受け部材４の先端部５は、説明の便宜上平滑とする）には、先端部３の放射状の凹凸により、金属組織は工具１の回転方向に撹拌されると共に、第１金属部材Ｗ１と第２金属部材Ｗ２との界面にて回転応じて周期的変化する上下方向（金属部材の接合面と交差する方向）に塑性流動が加えられ、この周期的な上下方向の流動により、両金属部材の界面の拡散が促進され、最終的に重ね合わされた第１及び第２金属部材Ｗ１、Ｗ２が溶融されることなく接合される。
【００４３】
上述のように、回転工具１の先端部３に凹部３ａを設けた場合には、接合すべき金属組織の全てが十分に撹拌されて、接合強度が高まるのに対して、凹部３ａを設けないで平滑な場合には、金属部材の接合面と交差する方向への撹拌が不十分なため、接合強度は弱いものとなる。
【００４４】
また、回転工具１に放射状に凹凸を形成した場合、凹部３ａを形成した場合と比較して、回転工具１の先端部の金属組織に対する当接状態が異なり、中央部で撹拌される金属組織の角速度が周辺部の角速度より小さくなるよう設定できるため、撹拌性が高いと共に、先端部の広い範囲で回転方向及び上下方向への三次元的な塑性流動を発生させやすいという利点がある。
［試験結果］
本実施形態の接合処理では、金属部材としてＪＩＳで規格化された６０００系鋼板（Al-Mg-Si鋼板）を一例として用いるが、５０００系鋼板（Al-Mg鋼板）や他の金属部材でも適用可能である。
【００４５】
図１１は、本実施形態の非溶融摩擦撹拌による接合強度試験方法を示す図である。図１２は、図１１の接合強度試験方法による結果を示す図である。
【００４６】
図１１の接合強度試験は、接合された第１及び第２金属部材Ｗ１、Ｗ２を互いに相反する方向に引張って、接合面が剥がれた時点での引張力を接合強度として測定している。
【００４７】
また、接合条件は、工具回転数が２０００ｒｐｍ、回転工具１の先端部３の直径がφ１０ｍｍ、押圧保持時間は０．２ｍｍ押し込み後の時間、金属部材は６０００系、板厚が１ｍｍのものを用いた。
【００４８】
図１２に示すように、先端部３に凹部３ａが形成された回転工具１を用いた方が、先端部３が平滑な工具の場合に比べて、接合強度が高くなって要求強度を満たす。
【００４９】
また、先端部３が平滑な工具の場合では、図１５に示すように、破壊時に金属部材の接合面から剥がれる剥離破断となるのに対して、先端部３に凹部３ａが形成された工具を用いた場合には、図１３及び図１４に示すように、破壊時に接合面は剥がれずに、回転工具１の周囲に対応する部分Ｗａから破断するボタン破断となるため、接合強度が高いことがわかる。
【００５０】
更に、図１６乃至図１９に示すように、先端部３に凹部３ａが形成された工具を用いて接合した場合には、金属組織の接合界面が均一になるよう十分撹拌されて接合されるため、接合強度が高くなる。
【００５１】
また、回転工具１の金属部材に対する押圧保持時間が長いほど接合強度は高くなるが、約１０秒以上押圧保持すると、先端部３に凹部３ａが形成された回転工具１を用いた場合でも、先端部３が平滑な工具の場合でも接合強度は略同じとなる。
［合金材料を介在させた接合］
第１及び第２金属部材は、両金属部材の間に合金材料を介在させて接合することもできる。
【００５２】
図２０は、合金材料を介在させた第１及び第２金属部材の接合方法を説明する図である。図２１は、第１及び第２金属部材の接合部分Ｐにおいて合金材料が拡散していく様子を説明する図である。
【００５３】
図２０及び図２１に示すように、例えば、第１金属部材Ｗ１はアルミニウム合金板で、第２金属部材Ｗ２は、合金材料としてＺｎ−５Ａｌ層又はＺｎ溶融メッキ層ＷｃがＺｎ−Ｆｅ−Ａｌ又はＺｎ−Ｆｅ合金層Ｗｄを介して形成されたＦｅ鋼板である。Ｚｎ−５Ａｌ層は、約９５重量％のＺｎ成分と約５重量％のＡｌ成分との共晶組成からなる。また、好ましくは、アルミニウム合金にＺｎ−５Ａｌ合金材料を被覆したものが最適である。Ｚｎ溶融メッキ層は、一般に防錆のために金属部材に被覆された状態で市販されている。
【００５４】
第１及び第２金属部材Ｗ１、Ｗ２を合金材料としてのＺｎ−５Ａｌ層又はＺｎ溶融メッキ層Ｗｃを介して重ね合わせ、第１金属部材Ｗ１における第２金属部材Ｗ２との接合部分Ｐに相当する表面部位に回転工具１を押圧していくと、アルミニウム合金が摩擦により撹拌されて塑性流動を開始する。塑性流動が促進されると、アルミニウム合金表面の酸化被膜が破壊されて、Ｚｎ−５Ａｌ層又はＺｎ溶融メッキ層Ｗｃとアルミニウム合金とが相互に拡散してＡｌ，Ａｌ−Ｚｎ，Ｚｎ−Ａｌ，Ｆｅ−Ｚｎ，Ｆｅとからなる拡散層を形成し、更に塑性流動が促進されてＡｌ−Ｚｎ−Ｆｅ合金層Ｗｅとなってアルミニウム合金板Ｗ１と鋼板Ｗ２とがＡｌ−Ｚｎ−Ｆｅ合金層Ｗｅを介して接合される。
【００５５】
尚、Ｚｎ−５Ａｌ層又はＺｎ溶融メッキ層Ｗｃが被覆されていない鋼板とアルミニウム合金板とを接合する場合には、両部材の接合部分ＰにＺｎ−５Ａｌ層又はＺｎ合金箔等の合金材料を別途介在させてもよい。また、合金材料としてＺｎ−Ａｌの他に、Ｍｇ−Ａｌ合金材料を形成してもよい。
【００５６】
回転工具１は、その先端部が平面状の他、上述した様々な形状の工具を用いることができる。また、先端部にプローブと呼ばれる突出部２を設けた回転工具を用いてもよい。
【００５７】
また、回転工具１は、第１金属部材Ｗ１と第２金属部材Ｗ２のうち、融点の低い方から押圧して摩擦により撹拌させる。
【００５８】
このように、アルミニウム合金と比較して融点及び高温強度が高い鋼板よりも、少ない入熱で軟化するアルミニウム合金側から回転工具を押圧することにより、短時間で接合でき、工具への熱的・機械的負荷が低減できるため、工具寿命を延長できるという利点がある。
【００５９】
また、図２２乃至図２５に示すように、回転工具１の金属部材への回転数は、１０００ｒｐｍ程度で一定（図２２、２３）又はアルミニウム合金の酸化被膜の破壊を促進させるために周期的に変化させてもよい（図２４、２５）。回転数を減少させていくと接合に時間を要するため好ましくない。
【００６０】
また、回転工具１の金属部材への押圧力は一定（図２２、２４）又は漸増させる（図２３、２５）。押圧力を減少させていくと塑性流動が不十分となり、十分な接合強度は得られなくなる。
【００６１】
回転数と押圧力との関係は、金属組織が軟化しただけ、押圧力を高くしていくことが必要となる。
［合金材料の拡散接合］
図２６（ａ）〜（ｄ）は、Ｚｎ−５Ａｌ層とアルミニウム合金とが相互に拡散してＡｌ，Ａｌ−Ｚｎ，Ｚｎ−Ａｌ，Ｆｅ−Ｚｎ，Ｆｅとからなる拡散層を形成し、更に塑性流動が促進されてＡｌ−Ｚｎ−Ｆｅ合金層Ｗｅとなってアルミニウム合金板Ｗ１と鋼板Ｗ２とがＡｌ−Ｚｎ−Ｆｅ合金層Ｗｅを介して接合される様子を示す図である。
【００６２】
図２６（ａ）に示すアルミニウム合金板とＦｅ鋼板とをＺｎ−５Ａｌ層を介在させて重ね合わせた状態から回転工具１により非溶融で摩擦撹拌されると、図２６（ｂ）に示すようにアルミニウム合金の下層には、Ａｌ及びＺｎ−５Ａｌ層からなる拡散層が形成されＦｅ鋼板の上層には、Ｆｅ及びＺｎ−５Ａｌ層からなる拡散層が形成される。
【００６３】
更に、撹拌により塑性流動が進んでいくと、図２６（ｃ）に示すようにＺｎ−５Ａｌ層のＺｎ成分がアルミニウム合金及びＦｅ鋼にさらに拡散し、この拡散反応により、Ｚｎ−５Ａｌ層のＺｎ成分の割合は低下（Ａｌ成分の割合が増加）していく。
【００６４】
次に、図２６（ｃ）に示す状態から、更に塑性流動が進むことにより、アルミニウム合金側の拡散層とＦｅ鋼板側の拡散層同士の拡散反応が行われ、結果として図２６（ｄ）に示すＡｌ−Ｚｎ−Ｆｅ合金層が形成される。
【００６５】
以上のように、第１及び第２金属部材Ｗ１、Ｗ２は、Ａｌ−Ｚｎ−Ｆｅの３元素系の合金層を介して接合される。これにより、第１及び第２金属部材Ｗ１、Ｗ２は、その接合面にＦｅ−Ａｌという脆い金属間化合物が生成されるのを防止することができ、Ｆｅ−Ａｌ−Ｚｎの３元素系合金層により接合強度を非常に高くすることができる。
［金属部材形状］
本実施形態では、予め３次元形状にプレス成形された金属部材の接合に適している。即ち、図２７に示す自動車の車体フレームＷ１と補強部材Ｗ２の接合のように、プレス成形により金属部材が複雑な３次元形状を有し、回転工具１を連続して移動できないような複数点在する接合部分Ｐに対して、本実施形態の接合方法を用いることにより局所的に溶接でき、プレス成形後であっても接合可能となる。
［バリ除去構造］
図２８は、回転工具に切削用チップを設けた回転工具の先端部を示す図である。図２９は、回転工具にバリ抑制用段差を設けた回転工具の先端部を示す図である。
【００６６】
接合時に金属部材に発生するばりＷｂ（図１３参照）を取り除くために、図２８及び図２９に示すように、回転工具１の先端近傍の外周面に拡径する切削用チップ１ａ又はバリ抑制用段差１ｂを一体的又は後付けで形成してもよい。
【００６７】
切削用チップ１ｂは先端部３に平行な平面状で、回転工具１の先端近傍の外周面に９０°ごとに等間隔で４つ設けられている。尚、切削用チップ１ｂは、平面状ではなく、例えば、らせん状の切り刃状にもでき、また、チップ数は金属部材の成分や押し込み量に応じて任意に設定できる。
【００６８】
また、バリ抑制用段差１ｃは先端部３に平行な平面状で回転工具１の先端近傍の外周面に全周に亘って形成されている。
【００６９】
図３１は、回転工具に切削用チップを設けた場合のバリ取り方法を説明する図である。図３２は、回転工具にバリ抑制用段差を設けた場合のバリ取り方法を説明する図である。
【００７０】
切削用チップ１ｂによりバリＷｂを除去する場合、図３１に示すように、回転工具１の回転及び押圧により第１金属部材Ｗ１における回転工具１の周囲に発生するバリＷｂを切削して除去する。
【００７１】
バリ抑制用段差１ｃによりバリＷｂを除去する場合、図３２示すように、回転工具１の回転及び押圧により第１金属部材Ｗ１における回転工具１の周囲に発生するバリＷｂを押し潰して除去する。
【００７２】
これら切削用チップ１ｂ又はバリ抑制用段差１ｃの軸心方向の位置は、図３０に示すように、金属部材Ｗ１に押し込まれる先端部３の押し込み量ｔだけ上方に形成される。
【００７３】
切削用チップ１ｂでは、バリを完全に除去できる反面、切り屑Ｗｂが発生し、硬質の切削用チップ１ｂを用いるため回転工具１が高価となる。それに対して、バリ抑制用段差１ｃでは、押し潰されたバリＷｂが残るために外観が若干劣るが、回転工具１が安価で切り屑が発生しないという利点がある。
【００７４】
また、切削用チップ１ｂ又はバリ抑制用段差１ｃを回転工具１に対して固定しないで、回転工具１の回転軸と同軸に昇降可能に構成してもよい。
【００７５】
図３３は、切削用チップ１ｂ又はバリ抑制用段差１ｃを回転工具に対して昇降可能に設けた例及びバリ除去方法を示す図である。
【００７６】
図３３に示すように、切削用チップ１ｂ又はバリ抑制用段差１ｃは、回転工具１の回転軸と同軸に、その外周面に対して昇降可能（回転可能としてもよい）な中空軸４１の先端部に設けられている。
【００７７】
この昇降式の切削用チップ１ｂ又はバリ抑制用段差１ｃによりバリＷｂを除去する場合、図３３（ａ）、（ｂ）に示す接合時には上昇させて接合部分から離間させ、図３３（ｃ）、（ｄ）に示すように、接合完了後に、切削用チップ１ｂ又はバリ抑制用段差１ｃを下降してバリＷｂを切削又は押し潰して除去する。
【００７８】
切削用チップ１ｂ又はバリ抑制用段差１ｃを可動式にすることにより、固定式と比較して設備が複雑で高価となるが、金属部材に応じて回転工具の押し込み量を変える場合でも同一の工具で対応できるという利点がある。
［連続接合］
上記実施形態では、回転工具１を接合部分に押圧して移動させないスポット接合の例を説明したが、図３４に示すように、回転工具１を前進又は揺動させながら連続的に接合してもよい。
【００７９】
図３４で回転工具１を前進させる場合には、図３５に示すように、前進方向に対して後方に約１°傾斜させて移動させると、金属部材Ｗ１に垂直に押し当てる場合に比べて傾斜した分だけ撹拌性が向上する。
【００８８】
尚、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で上記実施形態を修正又は変形したものに適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る実施形態の重ね合わせ接合方法を説明する回転工具付近の拡大図である。
【図２】 金属部材の接合方法を説明する図である。
【図３】 回転工具の先端部の他の形状を例示する図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は先端部の正面図である。
【図４】 回転工具の先端部の他の形状を例示する図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は先端部の正面図である。
【図５】 回転工具の先端部の他の形状を例示する図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は先端部の正面図である。
【図６】 回転工具を保持及び駆動する多関節ロボットの概略図である。
【図７】 ３枚以上の金属部材の接合方法を説明する図である。
【図８】 回転工具の先端部が平滑な場合の金属部材内部の塑性流動状態を示す図である。
【図９】 回転工具の先端部に凹部を形成した場合の金属部材内部の塑性流動状態を示す図である。
【図１０】 回転工具の先端部に突出部又は溝部を形成した場合の金属部材内部の塑性流動状態を示す図である。
【図１１】 本実施形態の非溶融摩擦撹拌による接合強度試験方法を示す図である。
【図１２】 図１１の接合強度試験方法による結果を示す図である。
【図１３】 本実施形態により接合された金属部材の接合部分の金属組織を示す断面図である。
【図１４】 接合強度試験によるボタン破断時の金属部材の状態を示す図である。
【図１５】 接合強度試験による剥離破断時の金属部材の状態を示す図である。
【図１６】 図１３に対応し、本実施形態により接合された金属部材の接合部分の金属組織の断面写真を示す図である。
【図１７】 図１６のＩ部の拡大写真を示す図である。
【図１８】 図１７のＩＩ部の金属部材の金属組織の断面写真を示す図である。
【図１９】 図１８の拡大写真を示す図である。
【図２０】 合金材料を介在させた第１及び第２金属部材の接合方法を説明する図である。
【図２１】 第１及び第２金属部材の接合部分Ｐにおいて合金材料が拡散していく様子を説明する図である。
【図２２】 金属部材の接合における回転工具の回転数及び押圧力の制御例を示す図である。
【図２３】 金属部材の接合における回転工具の回転数及び押圧力の制御例を示す図である。
【図２４】 金属部材の接合における回転工具の回転数及び押圧力の制御例を示す図である。
【図２５】 金属部材の接合における回転工具の回転数及び押圧力の制御例を示す図である。
【図２６】 Ｚｎ−５Ａｌ層とアルミニウム合金とが相互に拡散してＡｌ，Ａｌ−Ｚｎ，Ｚｎ−Ａｌ，Ｆｅ−Ｚｎ，Ｆｅとからなる拡散層を形成し、Ａｌ−Ｚｎ−Ｆｅ合金層となって金属部材同士が接合される様子を示す図である。
【図２７】 予め３次元形状にプレス成形された金属部材として、自動車の車体フレームを接合する場合について示す図である。
【図２８】 回転工具に切削用チップを設けた回転工具の先端部を示す図である。
【図２９】 回転工具にバリ抑制用段差を設けた回転工具の先端部を示す図である。
【図３０】 切削用チップ又はバリ抑制用段差の回転工具に対する取り付け位置を説明する図である。
【図３１】 回転工具に切削用チップを設けた場合のバリ取り方法を説明する図である。
【図３２】 回転工具にバリ抑制用段差を設けた場合のバリ取り方法を説明する図である。
【図３３】 切削用チップ又はバリ抑制用段差を回転工具に対して昇降可能に設けた例及びバリ取り方法を示す図である。
【図３４】 回転工具を前進させながら連続的に接合する場合を説明する回転工具付近の拡大図である。
【図３５】 回転工具を前進させながら連続的に接合する場合の金属部材の接合方法を説明する図である。
【符号の説明】
１ 回転工具
２ 突出部
３ 先端部
４ 受け部材
１０ 多関節ロボット
Ｗ１〜Ｗ３ 金属部材
【発明の属する技術分野】
本発明は、アルミニウム合金製鋳物や板材等の金属の接合方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の接合技術は、板材や予め３次元形状にプレス成形された金属部材を重ね合わせ、電気抵抗溶接やアーク溶接、接着剤、ボルト締結、リベット等によって接合している。
【０００３】
そして、金属部材が複雑な３次元形状の場合、複数点在する接合部分に対して局所的に接合できるスポット溶接が用いられる。
【０００４】
また、他の接合技術として、非溶融の状態で摩擦撹拌する接合方法が特許第２７１２８３８号公報に開示されている。この接合技術は、２つの部材を突き合わせた接合面にプローブと呼ばれる突出部を回転させながら挿入及び並進させ、接合面近傍の金属組織を摩擦熱により可塑化させて結合するものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記公報記載の接合技術を金属部材の重ね合わせ接合に適用する場合、同種の金属部材同士では高い強度が得られるものの、異種の金属部材を接合する場合には、特に、アルミニウム合金と鉄との場合は、非常に脆い拡散合金を作ってしまうため、十分な接合強度が得られないという課題がある。
【０００６】
本発明は、上記課題に鑑みてなされ、その目的は、高い接合強度が得られる金属の接合方法を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上述の課題を解決し、目的を達成するために、本発明の金属の接合方法は、第１金属部材と第２金属部材とを重ね合わせて、非溶融の状態で摩擦により撹拌させて接合する金属の接合方法において、前記第１金属部材と第２金属部材との接合部分に、該第１及び第２金属部材と拡散可能な合金材料を介在させ、前記第１金属部材における前記第２金属部材との接合部分に相当する表面部位に回転部材を押圧し、前記回転部材の回転により、前記第１及び第２金属部材の接合部分を非溶融の状態で摩擦により撹拌させて非溶融撹拌層を形成すると共に、前記合金材料を該非溶融撹拌層に拡散させて、該第１及び第２金属部材を接合する。
【０００８】
また、好ましくは、前記回転部材の先端が平面状に形成されている。
【０００９】
また、好ましくは、前記第１金属部材と第２金属部材のうち、融点の低い方から前記回転工具を押圧して摩擦により撹拌させる。
【００１０】
また、好ましくは、前記第１金属部材はアルミニウム、前記第２金属部材は鉄、前記合金材料は亜鉛を夫々主成分とする材料であり、該合金材料を該第１及び第２金属部材の非溶融撹拌層に拡散させ、該第１、第２金属部材並びに合金材料からなる拡散層を形成して、前記アルミニウムと鉄とを接合する。
【００１２】
【発明の効果】
以上説明のように、請求項１の発明によれば、第１金属部材と第２金属部材との接合部分に、第１及び第２金属部材と拡散可能な合金材料を介在させ、第１金属部材における第２金属部材との接合部分に相当する表面部位に回転部材を押圧し、回転部材の回転により、第１及び第２金属部材の接合部分を非溶融の状態で摩擦により撹拌させて非溶融撹拌層を形成すると共に、合金材料を非溶融撹拌層に拡散させて、第１及び第２金属部材を接合することにより、合金材料を用いて高い接合強度が得られ、異種部材同士の接合も可能となる。
【００１３】
請求項２の発明によれば、回転部材の先端が平面状に形成されていることにより、接合跡として穴が残らず、工具の加工も容易で安価にできる。
【００１４】
請求項３の発明によれば、第１金属部材と第２金属部材のうち、融点の低い方から回転工具を押圧して摩擦により撹拌させることにより、短時間で接合でき、回転部材への熱的、機械的負荷が低減できて工具寿命を延長できる。
【００１５】
請求項４の発明によれば、第１金属部材はアルミニウム、第２金属部材は鉄、合金材料は亜鉛を夫々主成分とする材料であり、合金材料を第１及び第２金属部材の非溶融撹拌層に拡散させ、第１、第２金属部材並びに合金材料からなる拡散層を形成して、アルミニウムと鉄とを接合することにより、異種のアルミニウムと鉄とを高い接合強度で接合可能となる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。
【００１７】
尚、以下に説明する実施の形態は、本発明の実現手段としての一例であり、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で下記実施形態を修正又は変形したものに適用可能である。
【００１８】
図１は、本発明に係る実施形態の重ね合わせ接合方法を説明する回転工具付近の拡大図である。
【００１９】
本実施形態の接合方法は、アルミニウム合金製の板材や予め３次元形状にプレス成形された金属部材の接合に適用され、少なくとも２枚の金属部材を重ね合わせて、最外表面の第１金属部材Ｗ１に回転工具１を押圧することにより、重ね合わされた第１及び第２金属部材Ｗ１、Ｗ２間の金属組織を摩擦熱により非溶融で撹拌して接合するものである。
【００２０】
そして、非溶融で撹拌するので、電気抵抗溶接等で発生する熱歪み等の問題を解消することができる。
【００２１】
ここで、非溶融で攪拌する状態とは、母材に含有される各成分或いは共晶化合物の中で最も融点が低いものよりもさらに低い温度下で摩擦熱により金属組織を軟化させて攪拌することを意味する。
【００２２】
図１に示すように、摩擦撹拌による接合方法は、少なくとも２枚の金属部材Ｗ１、Ｗ２を重ね合わせ、先端部３が平面状の円筒状の回転工具１を、その軸心周りに回転させながら、先端部３を最外表面の第１金属部材Ｗ１に押し付けて、第１金属部材Ｗ１、Ｗ２を非溶融の状態で摩擦により撹拌させて非溶融撹拌層を形成すると共に、第２金属部材Ｗ２にまで非溶融摩擦撹拌層を拡大して第１及び第２金属部材Ｗ１、Ｗ２を接合する。
【００２３】
従来の突き合わせ接合では、プローブにより金属組織を軟化させ、軟化した金属組織をショルダで抑えるのに対して、本実施形態の重ね合わせ接合では先端部３が金属組織を軟化させ、塑性流動させる機能を有している。
【００２４】
また、第１及び第２金属部材Ｗ１、Ｗ２を挟むように回転工具１の先端部３に対向するよう受け部材４が配置されている。受け部材４の外径は、回転工具１の外径以上に設計されている。
【００２５】
回転工具１は直径φ１が１０〜１５ｍｍ程度である。回転工具１及び受け部材４は、金属部材よりも硬度の高い鋼材（超硬合金等）で形成された非摩耗型工具であるが、金属部材は回転工具１より軟質の材質であれば、アルミニウム合金に限定されない。
【００２６】
また、図２に示すように、回転工具１は、先端部３の略中央に凹部３ａが形成されている。また、受け部材４の先端部５の略中央にも凹部５ａが形成されている。
【００２７】
尚、回転工具１の凹部３ａと受け部材４の凹部５ａとは、いずれか一方又は両方に設けることができる。また、凹部３ａの代わりにピン状の凸部を設けることもできる。
【００２８】
図３乃至図５は、回転工具１の先端部３の他の形状を例示する図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は先端部の正面図である。
【００２９】
図３に示す回転工具１は、先端部３が金属部材との接触面に対して傾斜して形成され、接触面からの高さが変化するよう構成されている。また、図４に示す回転工具１は、先端部３の高さが周方向で相異するように、平面状の先端部３に対して、その先端中心から外周に向けて放射状に複数の突出部（又は溝部）３ｂが形成されている。また、図５に示す回転工具１は、先端部３の高さが周方向で相異するように、平面状の先端部３に対して、その先端中心から外周に向けて少なくとも１つの溝部（又は突出部）３ｃが形成されている。
【００３０】
尚、回転工具１は、先端部の周方向に凹凸や波状が形成できればよく、例えば、図２に示す凹部３ａと図３乃至図５に示す先端部３の形状とを組み合わせて構成したり、図４及び図５に示す形状では、突出部と溝部とを組み合わせて構成することもできる。突出部の高さや溝部の深さが大きすぎる場合には、金属組織の撹拌性が悪化するため不適である。
【００３１】
回転工具１は、以下に説明する多関節ロボット１０のアームに回転可能に取り付られ、接合される金属部材が複雑な３次元形状の場合、複数点在する接合部分に対してスポット的に（局所的に）接合できるよう構成されている。
【００３２】
図６は、回転工具を保持及び駆動する多関節ロボットの概略図である。
【００３３】
図６に示すように、多関節ロボット１０は、ベース１１に設けられた関節１２に連結されてｙ軸中心に揺動すると共に、関節１３でｚ軸中心に回転する第１アーム１４と、関節１５を介して第１アーム１４に連結されてｙ軸中心に揺動すると共に、関節１６でｘ軸中心に回転する第２アーム１７と、関節１８を介して第２アーム１７に連結されてｙ軸中心に揺動する第３アーム１９とを有する。
【００３４】
第３アーム１９は、回転工具１が回転可能に取り付けられると共に、回転工具１を回転駆動するモータ２０と、回転工具１の先端部３に対向するよう配置される受け部材４とを備える。回転工具１の先端部３と受け部材４の先端部との間隔はアクチュエータ２２により可変となっており、接合時の金属部材に対する押圧力や３枚以上重ね合わせた金属部材でも対応できるよう設計されている。
【００３５】
多関節ロボット１０の各アーム、モータ、アクチュエータの動作は、予めティーチングされて制御部３０がコントロールする。
【００３６】
回転工具１の金属部材に対する押圧力は、金属部材の総板厚や重ね合わせ枚数等に基づいて接合部分ごとに設定され、個々の金属部材の板厚が異なる場合にも適用できる。
【００３７】
また、図７に示すように、３枚以上の第１乃至第３金属部材Ｗ１〜Ｗ３を接合する場合には、同一外径を有する一対の回転工具１Ａ，１Ｂで金属部材を挟み込んで接合する。この場合、図２の受け部材４に代えて回転工具１Ｂを回転可能に多関節ロボット１０に取り付けて、互いに対向する回転工具１Ａ，１Ｂの先端部３Ａ，３Ｂで第１乃至第３金属部材Ｗ１〜Ｗ３を挟み込みながら、各回転工具１Ａ，１Ｂを逆回転させる。
【００３８】
また、第１及び第２金属部材Ｗ１、Ｗ２の板厚が異なる場合でも接合可能であるが、特に、薄肉側から回転工具１を押圧させるとより撹拌しやすくなり、均一な接合処理が実現できる。
［接合時の金属組織の塑性流動］
図８は、回転工具の先端部が平滑な場合の金属部材内部の塑性流動状態を示す図である。図９は、回転工具の先端部に凹部を形成した場合の金属部材内部の塑性流動状態を示す図である。図１０は、回転工具の先端部に突出部又は溝部を形成した場合の金属部材内部の塑性流動状態を示す図である。
【００３９】
図８に示すように、先端部３が平滑な回転工具１を用いた場合（受け部材４の先端部５は、説明の便宜上平滑とする）、所定回転数で回転する回転工具１を第１金属部材Ｗ１に略垂直に押し当てていくと、回転工具１と第１金属部材Ｗ１との間に摩擦が生じて、その表面が軟化して第１及び第２金属部材Ｗ１、Ｗ２間の金属組織が非溶融の状態で回転方向に撹拌されていく。そして、更に回転工具１による第１金属部材Ｗ１に対する押圧力を高めていくと、回転工具１に非接触の金属部材Ｗ２にまで非溶融の摩擦撹拌層が拡大して、最終的に重ね合わされた第１及び第２金属部材Ｗ１、Ｗ２が溶融されることなく接合される。
【００４０】
図９に示すように、先端部３に凹部３ａが形成された回転工具１を用いた場合（受け部材４の先端部５は、説明の便宜上平滑とする）には、金属組織は工具１の回転方向に撹拌されると共に、凹部３ａの直下及び周辺で上下方向（金属部材の接合面と交差する方向）に３次元的な縦渦の塑性流動が発生して撹拌されて、最終的に重ね合わされた第１及び第２金属部材Ｗ１、Ｗ２が溶融されることなく接合される。
【００４１】
また、回転工具１の凹部３ａは撹拌される金属組織の周速が略ゼロとなる凹部内での塑性流動を促進し、受け部材４の凹部５ａを設けた場合には回転工具１に接触しない金属部材の塑性流動を促進する。
【００４２】
更に、図１０に示すように、先端部３に突出部（又は溝部）３ｂが形成された回転工具１を用いた場合（受け部材４の先端部５は、説明の便宜上平滑とする）には、先端部３の放射状の凹凸により、金属組織は工具１の回転方向に撹拌されると共に、第１金属部材Ｗ１と第２金属部材Ｗ２との界面にて回転応じて周期的変化する上下方向（金属部材の接合面と交差する方向）に塑性流動が加えられ、この周期的な上下方向の流動により、両金属部材の界面の拡散が促進され、最終的に重ね合わされた第１及び第２金属部材Ｗ１、Ｗ２が溶融されることなく接合される。
【００４３】
上述のように、回転工具１の先端部３に凹部３ａを設けた場合には、接合すべき金属組織の全てが十分に撹拌されて、接合強度が高まるのに対して、凹部３ａを設けないで平滑な場合には、金属部材の接合面と交差する方向への撹拌が不十分なため、接合強度は弱いものとなる。
【００４４】
また、回転工具１に放射状に凹凸を形成した場合、凹部３ａを形成した場合と比較して、回転工具１の先端部の金属組織に対する当接状態が異なり、中央部で撹拌される金属組織の角速度が周辺部の角速度より小さくなるよう設定できるため、撹拌性が高いと共に、先端部の広い範囲で回転方向及び上下方向への三次元的な塑性流動を発生させやすいという利点がある。
［試験結果］
本実施形態の接合処理では、金属部材としてＪＩＳで規格化された６０００系鋼板（Al-Mg-Si鋼板）を一例として用いるが、５０００系鋼板（Al-Mg鋼板）や他の金属部材でも適用可能である。
【００４５】
図１１は、本実施形態の非溶融摩擦撹拌による接合強度試験方法を示す図である。図１２は、図１１の接合強度試験方法による結果を示す図である。
【００４６】
図１１の接合強度試験は、接合された第１及び第２金属部材Ｗ１、Ｗ２を互いに相反する方向に引張って、接合面が剥がれた時点での引張力を接合強度として測定している。
【００４７】
また、接合条件は、工具回転数が２０００ｒｐｍ、回転工具１の先端部３の直径がφ１０ｍｍ、押圧保持時間は０．２ｍｍ押し込み後の時間、金属部材は６０００系、板厚が１ｍｍのものを用いた。
【００４８】
図１２に示すように、先端部３に凹部３ａが形成された回転工具１を用いた方が、先端部３が平滑な工具の場合に比べて、接合強度が高くなって要求強度を満たす。
【００４９】
また、先端部３が平滑な工具の場合では、図１５に示すように、破壊時に金属部材の接合面から剥がれる剥離破断となるのに対して、先端部３に凹部３ａが形成された工具を用いた場合には、図１３及び図１４に示すように、破壊時に接合面は剥がれずに、回転工具１の周囲に対応する部分Ｗａから破断するボタン破断となるため、接合強度が高いことがわかる。
【００５０】
更に、図１６乃至図１９に示すように、先端部３に凹部３ａが形成された工具を用いて接合した場合には、金属組織の接合界面が均一になるよう十分撹拌されて接合されるため、接合強度が高くなる。
【００５１】
また、回転工具１の金属部材に対する押圧保持時間が長いほど接合強度は高くなるが、約１０秒以上押圧保持すると、先端部３に凹部３ａが形成された回転工具１を用いた場合でも、先端部３が平滑な工具の場合でも接合強度は略同じとなる。
［合金材料を介在させた接合］
第１及び第２金属部材は、両金属部材の間に合金材料を介在させて接合することもできる。
【００５２】
図２０は、合金材料を介在させた第１及び第２金属部材の接合方法を説明する図である。図２１は、第１及び第２金属部材の接合部分Ｐにおいて合金材料が拡散していく様子を説明する図である。
【００５３】
図２０及び図２１に示すように、例えば、第１金属部材Ｗ１はアルミニウム合金板で、第２金属部材Ｗ２は、合金材料としてＺｎ−５Ａｌ層又はＺｎ溶融メッキ層ＷｃがＺｎ−Ｆｅ−Ａｌ又はＺｎ−Ｆｅ合金層Ｗｄを介して形成されたＦｅ鋼板である。Ｚｎ−５Ａｌ層は、約９５重量％のＺｎ成分と約５重量％のＡｌ成分との共晶組成からなる。また、好ましくは、アルミニウム合金にＺｎ−５Ａｌ合金材料を被覆したものが最適である。Ｚｎ溶融メッキ層は、一般に防錆のために金属部材に被覆された状態で市販されている。
【００５４】
第１及び第２金属部材Ｗ１、Ｗ２を合金材料としてのＺｎ−５Ａｌ層又はＺｎ溶融メッキ層Ｗｃを介して重ね合わせ、第１金属部材Ｗ１における第２金属部材Ｗ２との接合部分Ｐに相当する表面部位に回転工具１を押圧していくと、アルミニウム合金が摩擦により撹拌されて塑性流動を開始する。塑性流動が促進されると、アルミニウム合金表面の酸化被膜が破壊されて、Ｚｎ−５Ａｌ層又はＺｎ溶融メッキ層Ｗｃとアルミニウム合金とが相互に拡散してＡｌ，Ａｌ−Ｚｎ，Ｚｎ−Ａｌ，Ｆｅ−Ｚｎ，Ｆｅとからなる拡散層を形成し、更に塑性流動が促進されてＡｌ−Ｚｎ−Ｆｅ合金層Ｗｅとなってアルミニウム合金板Ｗ１と鋼板Ｗ２とがＡｌ−Ｚｎ−Ｆｅ合金層Ｗｅを介して接合される。
【００５５】
尚、Ｚｎ−５Ａｌ層又はＺｎ溶融メッキ層Ｗｃが被覆されていない鋼板とアルミニウム合金板とを接合する場合には、両部材の接合部分ＰにＺｎ−５Ａｌ層又はＺｎ合金箔等の合金材料を別途介在させてもよい。また、合金材料としてＺｎ−Ａｌの他に、Ｍｇ−Ａｌ合金材料を形成してもよい。
【００５６】
回転工具１は、その先端部が平面状の他、上述した様々な形状の工具を用いることができる。また、先端部にプローブと呼ばれる突出部２を設けた回転工具を用いてもよい。
【００５７】
また、回転工具１は、第１金属部材Ｗ１と第２金属部材Ｗ２のうち、融点の低い方から押圧して摩擦により撹拌させる。
【００５８】
このように、アルミニウム合金と比較して融点及び高温強度が高い鋼板よりも、少ない入熱で軟化するアルミニウム合金側から回転工具を押圧することにより、短時間で接合でき、工具への熱的・機械的負荷が低減できるため、工具寿命を延長できるという利点がある。
【００５９】
また、図２２乃至図２５に示すように、回転工具１の金属部材への回転数は、１０００ｒｐｍ程度で一定（図２２、２３）又はアルミニウム合金の酸化被膜の破壊を促進させるために周期的に変化させてもよい（図２４、２５）。回転数を減少させていくと接合に時間を要するため好ましくない。
【００６０】
また、回転工具１の金属部材への押圧力は一定（図２２、２４）又は漸増させる（図２３、２５）。押圧力を減少させていくと塑性流動が不十分となり、十分な接合強度は得られなくなる。
【００６１】
回転数と押圧力との関係は、金属組織が軟化しただけ、押圧力を高くしていくことが必要となる。
［合金材料の拡散接合］
図２６（ａ）〜（ｄ）は、Ｚｎ−５Ａｌ層とアルミニウム合金とが相互に拡散してＡｌ，Ａｌ−Ｚｎ，Ｚｎ−Ａｌ，Ｆｅ−Ｚｎ，Ｆｅとからなる拡散層を形成し、更に塑性流動が促進されてＡｌ−Ｚｎ−Ｆｅ合金層Ｗｅとなってアルミニウム合金板Ｗ１と鋼板Ｗ２とがＡｌ−Ｚｎ−Ｆｅ合金層Ｗｅを介して接合される様子を示す図である。
【００６２】
図２６（ａ）に示すアルミニウム合金板とＦｅ鋼板とをＺｎ−５Ａｌ層を介在させて重ね合わせた状態から回転工具１により非溶融で摩擦撹拌されると、図２６（ｂ）に示すようにアルミニウム合金の下層には、Ａｌ及びＺｎ−５Ａｌ層からなる拡散層が形成されＦｅ鋼板の上層には、Ｆｅ及びＺｎ−５Ａｌ層からなる拡散層が形成される。
【００６３】
更に、撹拌により塑性流動が進んでいくと、図２６（ｃ）に示すようにＺｎ−５Ａｌ層のＺｎ成分がアルミニウム合金及びＦｅ鋼にさらに拡散し、この拡散反応により、Ｚｎ−５Ａｌ層のＺｎ成分の割合は低下（Ａｌ成分の割合が増加）していく。
【００６４】
次に、図２６（ｃ）に示す状態から、更に塑性流動が進むことにより、アルミニウム合金側の拡散層とＦｅ鋼板側の拡散層同士の拡散反応が行われ、結果として図２６（ｄ）に示すＡｌ−Ｚｎ−Ｆｅ合金層が形成される。
【００６５】
以上のように、第１及び第２金属部材Ｗ１、Ｗ２は、Ａｌ−Ｚｎ−Ｆｅの３元素系の合金層を介して接合される。これにより、第１及び第２金属部材Ｗ１、Ｗ２は、その接合面にＦｅ−Ａｌという脆い金属間化合物が生成されるのを防止することができ、Ｆｅ−Ａｌ−Ｚｎの３元素系合金層により接合強度を非常に高くすることができる。
［金属部材形状］
本実施形態では、予め３次元形状にプレス成形された金属部材の接合に適している。即ち、図２７に示す自動車の車体フレームＷ１と補強部材Ｗ２の接合のように、プレス成形により金属部材が複雑な３次元形状を有し、回転工具１を連続して移動できないような複数点在する接合部分Ｐに対して、本実施形態の接合方法を用いることにより局所的に溶接でき、プレス成形後であっても接合可能となる。
［バリ除去構造］
図２８は、回転工具に切削用チップを設けた回転工具の先端部を示す図である。図２９は、回転工具にバリ抑制用段差を設けた回転工具の先端部を示す図である。
【００６６】
接合時に金属部材に発生するばりＷｂ（図１３参照）を取り除くために、図２８及び図２９に示すように、回転工具１の先端近傍の外周面に拡径する切削用チップ１ａ又はバリ抑制用段差１ｂを一体的又は後付けで形成してもよい。
【００６７】
切削用チップ１ｂは先端部３に平行な平面状で、回転工具１の先端近傍の外周面に９０°ごとに等間隔で４つ設けられている。尚、切削用チップ１ｂは、平面状ではなく、例えば、らせん状の切り刃状にもでき、また、チップ数は金属部材の成分や押し込み量に応じて任意に設定できる。
【００６８】
また、バリ抑制用段差１ｃは先端部３に平行な平面状で回転工具１の先端近傍の外周面に全周に亘って形成されている。
【００６９】
図３１は、回転工具に切削用チップを設けた場合のバリ取り方法を説明する図である。図３２は、回転工具にバリ抑制用段差を設けた場合のバリ取り方法を説明する図である。
【００７０】
切削用チップ１ｂによりバリＷｂを除去する場合、図３１に示すように、回転工具１の回転及び押圧により第１金属部材Ｗ１における回転工具１の周囲に発生するバリＷｂを切削して除去する。
【００７１】
バリ抑制用段差１ｃによりバリＷｂを除去する場合、図３２示すように、回転工具１の回転及び押圧により第１金属部材Ｗ１における回転工具１の周囲に発生するバリＷｂを押し潰して除去する。
【００７２】
これら切削用チップ１ｂ又はバリ抑制用段差１ｃの軸心方向の位置は、図３０に示すように、金属部材Ｗ１に押し込まれる先端部３の押し込み量ｔだけ上方に形成される。
【００７３】
切削用チップ１ｂでは、バリを完全に除去できる反面、切り屑Ｗｂが発生し、硬質の切削用チップ１ｂを用いるため回転工具１が高価となる。それに対して、バリ抑制用段差１ｃでは、押し潰されたバリＷｂが残るために外観が若干劣るが、回転工具１が安価で切り屑が発生しないという利点がある。
【００７４】
また、切削用チップ１ｂ又はバリ抑制用段差１ｃを回転工具１に対して固定しないで、回転工具１の回転軸と同軸に昇降可能に構成してもよい。
【００７５】
図３３は、切削用チップ１ｂ又はバリ抑制用段差１ｃを回転工具に対して昇降可能に設けた例及びバリ除去方法を示す図である。
【００７６】
図３３に示すように、切削用チップ１ｂ又はバリ抑制用段差１ｃは、回転工具１の回転軸と同軸に、その外周面に対して昇降可能（回転可能としてもよい）な中空軸４１の先端部に設けられている。
【００７７】
この昇降式の切削用チップ１ｂ又はバリ抑制用段差１ｃによりバリＷｂを除去する場合、図３３（ａ）、（ｂ）に示す接合時には上昇させて接合部分から離間させ、図３３（ｃ）、（ｄ）に示すように、接合完了後に、切削用チップ１ｂ又はバリ抑制用段差１ｃを下降してバリＷｂを切削又は押し潰して除去する。
【００７８】
切削用チップ１ｂ又はバリ抑制用段差１ｃを可動式にすることにより、固定式と比較して設備が複雑で高価となるが、金属部材に応じて回転工具の押し込み量を変える場合でも同一の工具で対応できるという利点がある。
［連続接合］
上記実施形態では、回転工具１を接合部分に押圧して移動させないスポット接合の例を説明したが、図３４に示すように、回転工具１を前進又は揺動させながら連続的に接合してもよい。
【００７９】
図３４で回転工具１を前進させる場合には、図３５に示すように、前進方向に対して後方に約１°傾斜させて移動させると、金属部材Ｗ１に垂直に押し当てる場合に比べて傾斜した分だけ撹拌性が向上する。
【００８８】
尚、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で上記実施形態を修正又は変形したものに適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る実施形態の重ね合わせ接合方法を説明する回転工具付近の拡大図である。
【図２】 金属部材の接合方法を説明する図である。
【図３】 回転工具の先端部の他の形状を例示する図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は先端部の正面図である。
【図４】 回転工具の先端部の他の形状を例示する図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は先端部の正面図である。
【図５】 回転工具の先端部の他の形状を例示する図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は先端部の正面図である。
【図６】 回転工具を保持及び駆動する多関節ロボットの概略図である。
【図７】 ３枚以上の金属部材の接合方法を説明する図である。
【図８】 回転工具の先端部が平滑な場合の金属部材内部の塑性流動状態を示す図である。
【図９】 回転工具の先端部に凹部を形成した場合の金属部材内部の塑性流動状態を示す図である。
【図１０】 回転工具の先端部に突出部又は溝部を形成した場合の金属部材内部の塑性流動状態を示す図である。
【図１１】 本実施形態の非溶融摩擦撹拌による接合強度試験方法を示す図である。
【図１２】 図１１の接合強度試験方法による結果を示す図である。
【図１３】 本実施形態により接合された金属部材の接合部分の金属組織を示す断面図である。
【図１４】 接合強度試験によるボタン破断時の金属部材の状態を示す図である。
【図１５】 接合強度試験による剥離破断時の金属部材の状態を示す図である。
【図１６】 図１３に対応し、本実施形態により接合された金属部材の接合部分の金属組織の断面写真を示す図である。
【図１７】 図１６のＩ部の拡大写真を示す図である。
【図１８】 図１７のＩＩ部の金属部材の金属組織の断面写真を示す図である。
【図１９】 図１８の拡大写真を示す図である。
【図２０】 合金材料を介在させた第１及び第２金属部材の接合方法を説明する図である。
【図２１】 第１及び第２金属部材の接合部分Ｐにおいて合金材料が拡散していく様子を説明する図である。
【図２２】 金属部材の接合における回転工具の回転数及び押圧力の制御例を示す図である。
【図２３】 金属部材の接合における回転工具の回転数及び押圧力の制御例を示す図である。
【図２４】 金属部材の接合における回転工具の回転数及び押圧力の制御例を示す図である。
【図２５】 金属部材の接合における回転工具の回転数及び押圧力の制御例を示す図である。
【図２６】 Ｚｎ−５Ａｌ層とアルミニウム合金とが相互に拡散してＡｌ，Ａｌ−Ｚｎ，Ｚｎ−Ａｌ，Ｆｅ−Ｚｎ，Ｆｅとからなる拡散層を形成し、Ａｌ−Ｚｎ−Ｆｅ合金層となって金属部材同士が接合される様子を示す図である。
【図２７】 予め３次元形状にプレス成形された金属部材として、自動車の車体フレームを接合する場合について示す図である。
【図２８】 回転工具に切削用チップを設けた回転工具の先端部を示す図である。
【図２９】 回転工具にバリ抑制用段差を設けた回転工具の先端部を示す図である。
【図３０】 切削用チップ又はバリ抑制用段差の回転工具に対する取り付け位置を説明する図である。
【図３１】 回転工具に切削用チップを設けた場合のバリ取り方法を説明する図である。
【図３２】 回転工具にバリ抑制用段差を設けた場合のバリ取り方法を説明する図である。
【図３３】 切削用チップ又はバリ抑制用段差を回転工具に対して昇降可能に設けた例及びバリ取り方法を示す図である。
【図３４】 回転工具を前進させながら連続的に接合する場合を説明する回転工具付近の拡大図である。
【図３５】 回転工具を前進させながら連続的に接合する場合の金属部材の接合方法を説明する図である。
【符号の説明】
１ 回転工具
２ 突出部
３ 先端部
４ 受け部材
１０ 多関節ロボット
Ｗ１〜Ｗ３ 金属部材
Claims (4)
- 第１金属部材と第２金属部材とを重ね合わせて、非溶融の状態で摩擦により撹拌させて接合する金属の接合方法において、
前記第１金属部材と第２金属部材との接合部分に、該第１及び第２金属部材と拡散可能な合金材料を介在させ、
前記第１金属部材における前記第２金属部材との接合部分に相当する表面部位に回転部材を押圧し、
前記回転部材の回転により、前記第１及び第２金属部材の接合部分を非溶融の状態で摩擦により撹拌させて非溶融撹拌層を形成すると共に、前記合金材料を該非溶融撹拌層に拡散させて、該第１及び第２金属部材を接合することを特徴とする金属の接合方法。 - 前記回転部材の先端が平面状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の金属の接合方法。
- 前記第１金属部材と第２金属部材のうち、融点の低い方から前記回転工具を押圧して摩擦により撹拌させることを特徴とする請求項１又は２に記載の金属の接合方法。
- 前記第１金属部材はアルミニウム、前記第２金属部材は鉄、前記合金材料は亜鉛を夫々主成分とする材料であり、該合金材料を該第１及び第２金属部材の非溶融撹拌層に拡散させ、該第１、第２金属部材並びに合金材料からなる拡散層を形成して、前記アルミニウムと鉄とを接合することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の金属の接合方法。
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