JP4232339B2

JP4232339B2 - 摩擦撹拌接合による金属の突合せ接合方法

Info

Publication number: JP4232339B2
Application number: JP2001029627A
Authority: JP
Inventors: 和孝岡本; 昌之土井; 聡平野; 久宣岡村; 泰久青野; 學香川
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2001-02-06
Filing date: 2001-02-06
Publication date: 2009-03-04
Anticipated expiration: 2021-02-06
Also published as: JP2002224860A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属、例えば、銅，銅合金等の金属材料同士の突合せ接合に係り、特に、突合せ部に未接合部を生じさせない摩擦撹拌接合による突合せ接合方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の摩擦撹拌接合法は、部材の突合せ接合の際、回転するツールを突合せ部に挿入し、該ツールと部材との摩擦熱で加熱された突合せ部近傍の材料を、突合せ部に沿ってツールと共に移動させることにより、相対的にツールの後方へ移動させて固相接合を行うものがある（特公表７−５０５０９０号公報（ＦＰ０６１５４８０Ｂ１））。
【０００３】
このとき接合される部材は、例えば、鋼板等の強度の高い裏当て材を用いて支持される。また、突合せ部に未接合部を残さないためには、ツールの形状やツールと接合部材との相対的な位置関係が重要であり、接合部材の形状が変わる毎に経験的なノウハウに基づいて、それらを最適化することが必要である。
【０００４】
例えば、アルミ板の突合せ接合で、未接合部を残さないために、レーザー変位計等を用いたツールと、接合部材の相対的な距離の測定が知られている。未接合部を残さない方法として、特開平１０−２２５７８０号公報では、突合せ部近傍の裏面に余肉部を設ける手法が示されている。これは長尺アルミ合金の押出し材の摩擦撹拌接合に関するものであり、予め素材を成形する段階で余肉部を設け、未接合部を抑制するものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
発明者らは、予備試験により、摩擦撹拌接合法を用いてアルミ板の突合せ接合において、未接合部を残さないために、接合部材の形状が変わる毎に、ツール形状やツールと接合部材の相対的な距離を最適化する一連の試行錯誤を行うことで、健全な接合が可能なことを確認している。
【０００６】
しかし、摩擦撹拌接合法による銅板の突合せ接合においては、未接合部を残さないため上記のような一連の試行錯誤を行ったが、ツールと接合部材の摩擦熱により、接合部材と裏当て材も同時に接合されることが頻発した。
【０００７】
アルミの摩擦撹拌接合における接合部の最高温度が４５０℃程度であるのに対して、銅の場合は８００℃を超える高温となる。未接合部を残さないためにツールの長さを長くすると、ツールの先端部と撹拌されている接合部（銅）と裏当て材の鋼板の３者の摩擦が起こり、ツール温度は著しく上昇し、さらに、接合部材と裏当て材の鋼板が接合された。
【０００８】
またツールの長さを短くすると、撹拌不足に伴ない未接合部が残存し、接合部の強度低下を招く。
【０００９】
こうした突合せ接合法の適用例としては、例えば、アルミ合金や、無酸素銅、あるいはＳｎ、Ｚｒ、Ｃｒ等を微量含む銅合金製の圧延用大径コイルの製造装置がある。
【００１０】
一般に電子材料用の銅合金製薄板は連続的に圧延される。圧延工程の高効率化のため、被圧延材を長尺化し、大径コイルとして圧延に供することが求められている。コイルの長尺化のため、コイルに巻き取られた被圧延材の巻き終わり端部と、他のコイルから巻き出された被圧延材の巻き出し端部をＭＩＧにより接合する。しかし、こうした従来のＭＩＧ溶接は、溶融溶接であるため熱影響による接合部の組織変化や組成変化が起こり、接合部が脆弱化して圧延時に破断する場合があった。
【００１１】
これに対して摩擦撹拌接合を用いた接合方法が特開平１０−２３０３２０号公報等で知られているが、特に、前記のような未接合部の残存による接合部の強度低下や、鋼板製裏当て材と接合部の接着等の防止策については、記述されていない。
【００１２】
また、前記特開平１０−２２５７８０号公報のように、予め素材の成形段階から余肉部を設けることは困難である。上記の公報は、特に、アルミ合金の押出し材に関する技術で、押出し材の場合、成形時に突合せ部に相当する部分の形状を押出し型に凹部を設けることで、素材に凸部を設けることは容易である。
【００１３】
しかし前記圧延用コイルの場合には、圧延方向に対し直角方向に凸部を設けることは困難で適用し難い。また、該公報では余肉部の厚さを母材の厚さの０.０５〜０.３３倍としている。例えば、厚さ２.５ｍｍの銅合金の場合、余肉部厚さは０.１２５〜０.８２５ｍｍとなる。
【００１４】
発明者らの銅合金の突合せ接合に関する予備試験では、上記の場合の厚さは１ｍｍ以上必要で、これ未満の場合には、やはり接合部材と裏当て材とが接着してしまい、実効的な突合せ接合が不可能であった。
【００１５】
摩擦撹拌接合の場合、突合せ部は余肉部も含めて強固な裏当て材により支持され、ツールから受ける力に耐えなければならない。また、余肉部と形状が合致した裏当て材に素材をクランプする際、素材と裏当て材との僅かな隙間があると、ツールから受ける力により素材が変形，座屈し、接合時に欠陥を生じる。
【００１６】
しかし、素材に余肉部を設けることで、素材全体の剛性が平板の場合より上昇する。このため素材と裏当て材とをクランプする際、サブミクロンオーダの僅かな隙間が生じ、一部に接合中に僅かな欠陥が発生した。このため接合後に接合部を冷間圧延した際、この僅かな接合欠陥を起点として亀裂が生じ、圧延中に接合部が口開き（破断）を起こした。
【００１７】
本発明の目的は、前記に鑑み未接合部が残らない、アルミ合金や銅合金等の摩擦撹拌接合による突合せ接合方法を提供することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成する本発明の要旨は次のとおりである。摩擦攪拌接合法を用いた接合部材の突合せ接合方法において、
突合せ部の裏側は前記接合部材と同材質からなる第１の裏当て材と接触させ、さらに前記第１の裏当て材と異なる材質からなる第２の裏当て材を、前記第１の裏当て材の周辺に前記第１の裏当て材を覆うように設け、前記第１の裏当て材を当設した反対側に回転するツールを挿入し、該ツールと前記突合せ部の接触部を摩擦熱にて軟化させて攪拌しながら、前記ツールを挿入状態で突合せ部に沿って移動させ、接合部材の突合せ部と前記第１の裏当て材とを同時に接合することを特徴とする摩擦攪拌接合による接合方法である。
【００１９】
また、接合後、前記接合部材と同材質の前記第１の裏当て材は、必要に応じて機械加工により除去する。
【００２０】
即ち、図１の本発明の接合方法の一例を示す模式斜視図のように接合部材１，２の突合せ面３に、回転するツール４を挿入し、該ツール４を接合する突合せ面３に沿って矢印５の方向に移動すると、接合部材１，２は接合部６を形成して接合される。この時、接合部材１，２と、裏当て材７は、冶具（図示省略）によりクランプされており、ツール４から受ける力に耐える構造となっている。さらに突合せ部３の近傍の裏面には、接合部材１，２と同質の裏当て材８が配置されている。
【００２１】
図２は、上記による接合後の接合部６の近傍の構成を示す模式断面図である。接合部材１および／または２と同材質料で形成された裏当て材８は、摩擦撹拌接合により強固に接合されて接合部６を形成する。この場合、これまでのような経験的なノウハウに基づく試行錯誤によるツール形状や、ツール４と接合部材１，２の相対的な距離の最適化や、レーザー変位計を用いた複雑な制御が不要となる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
〔実施例１〕
本実施例を図面を用いて説明する。図３は銅合金製の圧延用大径コイルの製造装置における、コイルに巻き取られた２つの被圧延材を接合する接合部の模式斜視図である。
【００２３】
被圧延材９，１０は接合後は、図面の左方向に移動し、圧延機（図示省略）に通されて圧延される。なお、被圧延材１０はコイル（図示省略）に巻き取られたものである。これらの被圧延材９，１０は、摩擦撹拌接合後に冷間加工に供されるため、接合部６は強固に接合されていなければいけない。具体的な接合方法を次に説明する。
【００２４】
まず、被圧延材９の端部と、コイルから巻き出された被圧延材１０とを図３に示すように突合せる。突合せ面３の下側には、被圧延材９および／または１０と同じ材質の裏当て材８が配置されている。また、その周辺には鋼製の裏当て材７が配置され、冶具（図示省略）によりこれらをクランプする。
【００２５】
このとき被圧延材９および１０は平板状で、比較的剛性の低い形状であるためクランプ時に裏当て材７や８との隙間はほぼゼロであった。
【００２６】
次に、回転するツール４を突合せ面３に挿入後、矢印５の方向に移動させと、強固な接合部６が形成される。なお接合の始点と終点とは定常な接合部６とは入熱条件等が異なるため、図示されていないスターティングタブおよびエンディングタブを設けてその位置とする。
【００２７】
ここで被圧延材９，１０は、板幅５０ｍｍ×板厚２.５ｍｍの素条である。用いたツール４の形状は、ショルダー部１１の直径１３ｍｍ、ピン部１２の形状はＭ８ネジ、長さ２.３ｍｍまたは２.６ｍｍであり、その材質は一般的な工具鋼である。ツール４の回転数は１３００ｒｐｍ、移動速度は２００ｍｍ／ｍｉｎとした。
【００２８】
また、裏当て材８の形状は、板厚２ｍｍ、板幅はツール４のピン１２の直径よりもやや大きい１２ｍｍとした。これらの手法により接合部６は被圧延材９,１０と裏当て材８にわたって形成された。
【００２９】
〔実施例２〕
本実施例では、図３における裏当て材８の材質が、被圧延材９，１０とは異なり、裏当て材７と一体化した鋼板の場合、および、一般的なＭＩＧ溶接の場合について、銅合金の大径コイルを製造し、圧延試験に供して圧延後の接合部の健全性について調査した。
【００３０】
なお本発明により接合した被圧延材は、共に接合された裏当て材をグラインダーにより除去した後、圧延に供した。圧延試験は冷間圧延機を用いて圧延率６０％まで１パスで行った。表１に圧延後の接合部の健全性を示す。
【００３１】
【表１】

【００３２】
圧延により接合部にクラックが発生した割合を不良率（％）で示す。本発明によれば、いずれの場合も圧延後のクラックは見られなかった。一方、従来の摩擦撹拌接合法の場合、未接合部の残存は完全に防止できず、一部、圧延中に被圧延材の側面が口開きを起こしたり、接合部で破断したりする場合があり、不良率は３０％とＭＩＧ溶接の場合よりも高かった。
【００３３】
【発明の効果】
本発明によれば、摩擦撹拌接合により未接合部を残存させることなく接合部材を作製でき、その後の圧延においてもクラック等の発生を完全に抑制することができる。
【００３４】
また、接合する素材に予め凸形状の余肉部を形成する必要が無く、被接合部材と同質の裏当て材をその都度使用するだけでよく、生産性、並びに、コストの面からも優れた方法である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の接合方法の一例を示す模式斜視図である。
【図２】図１の接合後の接合部近傍の模式断面図である。
【図３】実施例１の被圧延材を接合する接合部の模式斜視図である。
【符号の説明】
１，２…接合部材、３…突合せ面、４…ツール、５…移動方向、６…接合部、７，８…裏当て材、９，１０…被圧延材、１１…ショルダー、１２…ピン。

Claims

摩擦攪拌接合法を用いた金属接合部材の突合せ接合方法において、突合せ部の裏側は前記接合部材と同材質の第１の裏当て材と接触させ、さらに前記第１の裏当て材と異なる材質からなる第２の裏当て材を、前記第１の裏当て材の周辺に前記第１の裏当て材を覆うように設け、前記第１の裏当て材を当設した反対側に回転するツールを挿入し、該ツールと前記突合せ部を摩擦熱により軟化，攪拌しながら、挿入した前記ツールを前記突合せ部に沿って移動させ、前記突合せ部と前記第１の裏当て材とを同時に接合することを特徴とする摩擦攪拌接合による金属の突合せ接合方法。
前記金属接合部材は、銅または銅合金の圧延用コイルである請求項１記載の摩擦攪拌接合による金属の突合せ接合方法。
前記突合せ部の接合後に前記第１の裏当て材を機械加工により除去する請求項１または２に記載の摩擦撹拌接合による金属の突合せ接合方法。