JP4413677B2 - Point joining method for dissimilar metal parts - Google Patents
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Description
本発明は、異種金属部材の点接合方法に係り、特に、材質が異なり且つ硬度の異なる複数の金属部材の板状部を重ね合わせて、その重合せ部分を点接合する際に、接合部の接合強度を効果的に向上せしめ得る技術に関するものである。 The present invention relates to a point joining method for dissimilar metal members, and in particular, when a plurality of metal members having different materials and different hardnesses are overlapped and the overlapped portions are spot joined. The present invention relates to a technique that can effectively improve the bonding strength.
近年、地球環境の保護や省エネルギーの観点から、自動車の排出する有害ガスや二酸化炭素の発生の抑止、燃費の向上等が、要求されている。そして、このような要求を満たすためには、自動車の軽量化が最も有効であり、ボディ部材や各種部品において、鋼材からアルミニウム合金材への転換が盛んに検討されている。しかしながら、自動車を構成するボディ部材や各種部品の材料全てを、アルミニウム合金にすることは、コスト的にも困難であり、このため、アルミニウム合金材を用いる場合においては、鋼とアルミニウム合金との異種金属間の接合、所謂ハイブリッド接合が避けられず、この異種金属接合が、重要な課題となっているのである。 In recent years, from the viewpoint of protecting the global environment and saving energy, it has been required to suppress the generation of harmful gases and carbon dioxide emitted from automobiles, improve fuel efficiency, and the like. And in order to satisfy such a demand, weight reduction of the automobile is the most effective, and in body members and various parts, conversion from steel materials to aluminum alloy materials is actively studied. However, it is difficult in terms of cost to make all the materials of body members and various parts constituting an automobile into an aluminum alloy. For this reason, when using an aluminum alloy material, different types of steel and aluminum alloy are used. Bonding between metals, so-called hybrid bonding, is unavoidable, and this dissimilar metal bonding is an important issue.
また、かかるアルミニウム合金と鋼との異種金属接合は、上述せる如き自動車に代表される輸送機分野のみならず、家電製品、建材等の構造物等、各種の分野においても、その強固な接合が求められている。更に、アルミニウム合金だけでなく、マグネシウム合金或いは銅合金と、鋼との異種金属接合においても、その強固な接合が求められている。 In addition, the dissimilar metal bonding between the aluminum alloy and the steel is not limited to the transportation field represented by the automobile as described above, but also in various fields such as home appliances and building materials. It has been demanded. Furthermore, not only aluminum alloys but also magnesium alloys or copper alloys, and different types of metal joining steel are required to be firmly joined.
しかしながら、従来より金属材の接合において一般的に用いられている溶融溶接法にて、アルミニウム(合金)材と鋼等の鉄材とを接合すると、接合時に各金属が溶融して、それらの接合界面に、脆くて硬い金属間化合物(Fe2Al5、FeAl3 等)が生成され、これによって、接合強度が弱くなるといった問題があった。 However, when an aluminum (alloy) material and an iron material such as steel are joined by a fusion welding method generally used for joining metal materials, each metal melts at the time of joining, and the joining interface between them. In addition, brittle and hard intermetallic compounds (Fe 2 Al 5 , FeAl 3, etc.) are produced, which causes a problem that the bonding strength is weakened.
このため、異種金属接合において、充分な接合強度を確保するために、かしめやリベット接合、ボルト接合等の機械的接合、曝着、接着、回転摩擦圧接等、各種の接合法が検討されてきているのであるが、何れの手法も、実用化するには、多かれ少なかれ、何等かの問題を内在している。 For this reason, in dissimilar metal bonding, various bonding methods such as caulking, rivet bonding, mechanical bonding such as bolt bonding, exposure, bonding, and rotary friction welding have been studied in order to ensure sufficient bonding strength. However, any of these methods has some inherent problems to be put into practical use.
例えば、機械的接合である、トックス(R)方式やトグロック方式等のメカニカルクリンチング(非特許文献1)では、雄型及び雌型治具にて重ね継手を挟んで加圧することにより、雄型側の板材を雌型側の板材でかしめるのであるが、そのような接合法にて異種金属を接合すると、上述せる如き金属間化合物の問題はないものの、延性や熱膨張率等の特性の異なる金属同士を機械的に接合するところから、加圧時に、異種金属の重合せ面が密接した状態で、雌型内に押し込まれず、強固な接合が出来なかったり、或いは、接合後の気温の上昇等の環境負荷により、緩みが発生する恐れがあったのである。また、同様に、機械的接合であるリベット接合やボルト接合にあっても、気温の上昇等の環境負荷により、緩みが発生する恐れがあると共に、リベットやボルト等の第三の部材が必要となって、接合コストが上昇するといった問題がある。さらに、曝着は、大掛かりな設備と、爆発音が問題にならないような場所の確保が必要となる等の問題があり、接着では、劣化等が生じ易く、長期に亘る接合力の信頼性が低く、また、養生に時間が掛かるといった問題がある。更に、回転摩擦圧接にあっても、継手の信頼性が低く、また、継手形状がパイプや棒等に限定されるといった制約がある等の問題を内在している。 For example, in mechanical clinching (Non-Patent Document 1) such as Tox (R) method and Toglock method, which are mechanical joints, male and female jigs are pressed with a lap joint sandwiched between them. The plate material on the side is caulked with the plate material on the female mold side, but when dissimilar metals are joined by such a joining method, there is no problem of intermetallic compounds as described above, but characteristics such as ductility and thermal expansion coefficient are obtained. Since different metals are mechanically joined together, when pressed, the superposed surfaces of dissimilar metals are in close contact and are not pushed into the female mold, making it impossible to join firmly, or the temperature after joining There was a risk of loosening due to environmental load such as rising. Similarly, in the case of rivet joining and bolt joining, which are mechanical joints, there is a risk that loosening may occur due to an environmental load such as a rise in temperature, and a third member such as a rivet or bolt is necessary. Thus, there is a problem that the joining cost increases. Furthermore, there are problems such as the need to secure large-scale equipment and a place where explosion sound does not become a problem. Adhesion tends to cause deterioration and long-term reliability of bonding strength. There is a problem that it is low and takes time for curing. Further, even in the rotary friction welding, there are problems such as a low reliability of the joint and a restriction that the shape of the joint is limited to a pipe or a rod.
このため、本発明者らは、他の発明者と共に、先に、特許文献1において、接合時の入熱が少なく、被接合材を溶融させずに塑性流動化せしめた状態で固相接合する摩擦攪拌接合にて、軟質のアルミニウム合金材と硬質の鋼部材とを接合する方法を提案した。より具体的には、図1に示されるように、硬質の裏当て部材1の上に、接合対象である軟質のアルミニウム合金材2と鋼材3とを、アルミニウム合金材2が上になるように重ね合わせて拘束し、かかる重合せ部に、軸回りに高速回転せしめたロッド状の回転治具4のショルダ面5から突出するピン状の硬質プローブ6を、ショルダ面5がアルミニウム合金材2の表面に接するまで、且つ、プローブ6の先端が硬質の鋼材3に接しないように差し込んで、摩擦熱を発生せしめ、そしてその摩擦熱にて塑性流動化したアルミニウム合金材2を硬質プローブ6で攪拌して、アルミニウム合金材2と鋼材3とを接合する方法を提案した。そして、それによって、金属間化合物の発生を有利に抑制乃至は防止して、アルミニウム合金−鋼間の確実な接合を図り、引張剪断による接合強度(継手強度)を向上し得ることを明らかにしたのであるが、そのような摩擦攪拌接合法にて接合された接合材(継手)にあっても、接合強度、特に十字剥離強度が、今だ充分であるとは言い難く、接合部に加えられる変形によっては、実用上において、問題を内在するものであったのであり、このため、接合強度の更なる向上が望まれているのである。
For this reason, the present inventors, together with the other inventors, previously solid-state bonded in Patent Document 1 in a state where the heat input at the time of bonding is small and the material to be bonded is plastic fluidized without melting. A method of joining a soft aluminum alloy material and a hard steel member by friction stir welding was proposed. More specifically, as shown in FIG. 1, a soft
また、特許文献2においても、異種金属材料を摩擦攪拌接合する手法が提案され、そこでは、低融点の材料側から接合界面を突き抜けて高融点側の材料まで、摩擦攪拌治具のプローブの先端を挿入する手法が明らかにされているが、プローブの材質としては、通常、鋼製のものが用いられているところから、この手法を、アルミニウム合金材と鋼材の接合に適用すると、プローブが鋼材によって損耗され、治具の寿命が極めて短くなるといった問題がある。
ここにおいて、本発明は、かかる事情を背景にして為されたものであって、その解決課題とするところは、材質が異なり且つ硬度の異なる複数の金属部材の板状部を重ね合わせて、その重合せ部分を点接合する際に、治具の寿命を顧慮することなく、接合強度を改善することが出来る異種金属部材の接合方法を提供することにある。 Here, the present invention has been made in the background of such circumstances, the problem to be solved is to superimpose the plate-like portions of a plurality of metal members of different materials and different hardness, An object of the present invention is to provide a method for joining dissimilar metal members capable of improving the joining strength without considering the life of the jig when spot-joining the superposed portions.
そして、本発明にあっては、上記した課題の解決のために、材質が異なり且つ硬度の異なる第一及び第二の金属部材の板状部を重ね合わせ、その重合せ部を点接合する方法にして、該第一の金属部材の板状部を、該第一の金属部材よりも硬質である前記第二の金属部材の板状部に対して重ね合わせ、それら重ね合わされた板状部の点接合されるべき部位において、該第二の金属部材側に、それら金属部材の材料が押し込まれる押込み凹所が設けられた凹型治具を配置する一方、該第一の金属部材側に、該凹型治具の押込み凹所内に該第一及び第二の金属部材の材料を押し込むための凸部がロッド状の治具本体の先端面に同心的に設けられてなる構造の、軸周りに回転可能な凸型治具を配置して、かかる点接合されるべき部位に対して、該凸型治具の凸部を該第一の金属部材の板状部の表面側から差し込むことにより、前記凹型治具の押込み凹所内に該第一及び第二の金属部材の材料を押し込んだ後、かかる差込状態下において、該凸型治具の回転を開始せしめて、少なくとも該押込み凹所に対して押し込まれた該第一の金属部材の材料の摩擦攪拌作用による塑性流動を行なうことにより、該第一の金属部材と該第二の金属部材とを密接させて点接合せしめるようにしたことを特徴とする異種金属部材の点接合方法を、その第一の態様とするものである。 In the present invention, in order to solve the above-described problem, a method of overlapping the plate-like portions of the first and second metal members having different materials and different hardnesses, and spot-joining the overlapped portions. Then, the plate-like portion of the first metal member is overlapped with the plate-like portion of the second metal member that is harder than the first metal member, and In the part to be point-joined, a concave jig provided with a depression recess into which the material of the metal member is pushed is arranged on the second metal member side, while on the first metal member side, the concave jig is provided. Rotating around the axis with a structure in which a convex part for pushing the material of the first and second metal members into the concave depression of the concave jig is provided concentrically on the tip surface of the rod-shaped jig body By arranging a possible convex jig, the convex mold for the part to be point-joined After inserting the material of the first and second metal members into the depression recess of the concave jig by inserting the convex part of the tool from the surface side of the plate-like part of the first metal member, the difference Under the inserted state, the rotation of the convex jig is started, and at least the first metal member pushed into the pushing recess is plastically flowed by the friction stir action. A point joining method for dissimilar metal members, characterized in that one metal member and the second metal member are intimately joined to each other, is a first aspect thereof.
また、本発明に従う異種金属部材の点接合方法における望ましい第二の態様においては、前記差し込まれた凸型治具の凸部の先端が、前記第一の金属部材の板状部と前記第二の金属部材の板状部との重合せ面よりも、該第二の金属部材側に入り込んだ位置において、前記凸型治具の回転が開始されることとなる。 Moreover, in a desirable second aspect of the method for point joining of dissimilar metal members according to the present invention, the tip of the convex part of the inserted convex jig is connected to the plate-like part of the first metal member and the second part. The rotation of the convex jig is started at a position entering the second metal member side rather than the overlapping surface with the plate-like portion of the metal member.
さらに、本発明に従う異種金属部材の点接合方法の第三の態様においては、前記凸型治具の凸部を差し込み、前記凹型治具の押込み凹所に、前記第一及び第二の金属部材の材料を押し込んで充填せしめることにより、前記第一の金属部材の材料が、該凸型治具の凸部の差込方向前方側の先端部位において、径方向外方に拡がり、かかる部位において、該第一の金属部材が、前記第二の金属部材に対して機械的な係合状態とされる構成が、有利に採用される。 Furthermore, in the third aspect of the point joining method for dissimilar metal members according to the present invention, the convex portions of the convex jig are inserted, and the first and second metal members are inserted into the depressions of the concave jig. By pushing and filling the material, the material of the first metal member spreads radially outward at the front end portion of the convex portion of the convex jig in the insertion direction. A configuration in which the first metal member is mechanically engaged with the second metal member is advantageously employed.
加えて、本発明の第四の態様においては、前記凹型治具として、前記押込み凹所の側面が円筒面である一方、かかる押込み凹所の底面が、外周部に形成された円環状の溝部によって、該外周部の深さが中央部の深さよりも深くされた段付面とされているものが用いられる。 In addition, in the fourth aspect of the present invention, as the concave jig, the side surface of the indentation recess is a cylindrical surface, and the bottom surface of the indentation recess is an annular groove formed in the outer peripheral portion. Therefore, a stepped surface in which the depth of the outer peripheral portion is deeper than the depth of the central portion is used.
また、本発明の第五の態様においては、前記凹型治具として、前記押込み凹所の側面が、底面から所定高さに至る部位において径方向外方に向かって膨出する段付円筒面とされているものが用いられる。 Further, in the fifth aspect of the present invention, as the concave jig, a stepped cylindrical surface in which a side surface of the indentation recess bulges radially outward at a portion reaching a predetermined height from the bottom surface; What is being used is used.
そして、本発明に従う異種金属部材の点接合方法における、先述した第一の態様によれば、先ず、材質が異なり且つ硬度の異なる複数の金属部材の板状部を重ね合わせた後、点接合されるべき部位を、重合せ方向において、一対の凸型治具と凹型治具にて挟み込んで、押圧することにより、二つの金属部材の板状部に凹型治具の凹所に応じた凹陥部を形成する。その際、凸型治具として、ロッド状の治具本体の先端面に同心的に配された凸部を有し、且つ軸回りに回転可能なものを用いる一方、凹型治具として、押込み凹所が設けられたものを用いる。そして、凸型治具が、軟質の金属部材(第一の金属部材)側に、また、凹型治具が、硬質の金属部材(第二の金属部材)側に、位置するように、それら一対の治具を、二つの金属部材を介在せしめた状態で、対向配置し、無回転状態の凸型治具の凸部を、軟質の金属部材の板状部の表面側から、凹型治具の押込み凹所内に向かって差し込むことにより、凹型治具の押込み凹所内に、二つの金属部材の材料を押し込んで、凹陥部を形成するのである。その後、凸型治具の凸部を凹陥部に差し込んだままの状態で、凸型治具の回転を開始することにより、少なくとも該凸型治具の治具本体と凸部に接触している軟質の金属部材(第一の金属部材)の材料を、摩擦熱にて塑性流動化せしめて攪拌することにより、軟質の金属部材(第一の金属部材)と硬質の金属部材(第二の金属部材)とが密接されて接合せしめられることとなる。 Then, according to the first aspect described above in the point joining method of dissimilar metal members according to the present invention, first, the plate-like portions of a plurality of metal members having different materials and different hardnesses are overlapped and then point joined. The part to be overlapped in the overlapping direction is sandwiched between a pair of convex jigs and concave jigs and pressed, so that the concave parts corresponding to the concave parts of the concave jigs are formed on the plate-like parts of the two metal members. Form. At that time, a convex jig having a convex portion arranged concentrically on the tip surface of the rod-shaped jig main body and rotatable about the axis is used, while a concave concave jig is used as the concave jig. Use the one provided with a place. The pair of the convex jig is positioned on the soft metal member (first metal member) side, and the pair of the concave jig is positioned on the hard metal member (second metal member) side. Are placed opposite each other with two metal members interposed therebetween, and the convex portion of the non-rotating convex jig is moved from the surface side of the plate-like portion of the soft metal member to the concave jig. By inserting into the indentation recess, the material of the two metal members is indented into the indentation recess of the concave jig to form the recess. After that, with the convex portion of the convex jig inserted into the concave portion, the convex jig starts to rotate so that at least the jig main body and the convex portion of the convex jig are in contact with each other. The soft metal member (first metal member) is plastically fluidized with frictional heat and stirred, so that the soft metal member (first metal member) and the hard metal member (second metal) are stirred. Member) will be brought into close contact with each other.
このように、第一の実施形態においては、摩擦攪拌接合に先立って、凹型治具の押込み凹所内に、材質が異なり且つ硬度の異なる二つの金属部材に押し込んで、軟質の金属部材(第一の金属部材)の板状部の表面側が凹むような凹陥部を形成した後、摩擦攪拌接合を行なうようにしているところから、従来の摩擦攪拌接合法による単なる点接合に比して、接合面積が有利に増大せしめられ、以て、接合強度が効果的に向上せしめられるようになっているのである。 As described above, in the first embodiment, prior to the friction stir welding, the soft metal member (the first metal member) is pushed into the pressing recesses of the concave jig by being pushed into the two metal members having different materials and different hardnesses. Since the friction stir welding is performed after forming the concave portion where the surface side of the plate-like portion of the metal member of the metal member) is recessed, the joint area is smaller than that of the simple point welding by the conventional friction stir welding method. Is advantageously increased, so that the bonding strength can be effectively improved.
しかも、少なくとも軟質の金属部材の材料を、摩擦攪拌作用によって塑性流動させているところから、凹陥部の重合せ面(接合部位)における硬質の金属部材(第二の金属部材)の表面に対して、塑性流動化された軟質の金属部材(第一の金属部材)の材料が馴染むように行き渡って、微少な隙間が形成されるようなことがなく、以て金属同士が結合し、強固な接合が実現されるのである。 In addition, since at least the material of the soft metal member is plastically flowed by the friction stir action, the surface of the hard metal member (second metal member) on the superposed surface (joined part) of the concave portion is used. The plastic fluidized soft metal member (first metal member) is spread so that the material does not fit into it, so that a minute gap is not formed. Is realized.
また、本発明に従う異種金属部材の点接合方法の第二の態様に従って、凸型治具の凸部の先端が、二つの金属部材の板状部の、凸部が差し込まれた部位の周りにおける重合せ面よりも、硬質の金属部材(第二の金属部材)側に入り込んだ時点から、a)凸型治具の治具本体の先端面が軟質の金属部材(第一の金属部材)の表面に接する時点までか、或いは、b)凸型治具の治具本体の先端面が軟質の金属部材(第一の金属部材)の表面より僅かに凹型治具側に入り込む時点までの位置で、凸型治具の回転を開始するようにすれば、上記した効果が、より有利に得られるのである。特に、凸型治具の凸部の先端が、重合せ面よりも、硬質の金属部材(第二の金属部材)側に入り込んだ時点で、凸型治具の回転を開始するようにすれば、より一層早く塑性流動が惹起され、短時間で点接合を行なうことが出来るようになる。 Further, according to the second aspect of the method for point joining of dissimilar metal members according to the present invention, the tip of the convex portion of the convex jig is around the portion where the convex portions of the plate-like portions of the two metal members are inserted. From the time when the hard metal member (second metal member) side enters the side of the superposed surface, a) the tip surface of the jig body of the convex jig is a soft metal member (first metal member). Until the point of contact with the surface, or b) the position until the tip of the jig body of the convex jig slightly enters the concave jig side from the surface of the soft metal member (first metal member). If the rotation of the convex jig is started, the above-described effect can be obtained more advantageously. In particular, when the tip of the convex part of the convex jig enters the hard metal member (second metal member) side from the superposed surface, the rotation of the convex jig is started. Thus, the plastic flow is induced more quickly, and the point joining can be performed in a short time.
さらに、本発明に従う異種金属部材の点接合方法の第三〜第五の態様によれば、二つの金属部材が、機械的な係合状態とされた後、つまり機械的に接合された後、摩擦攪拌接合が行なわれるようになっているところから、機械的接合と摩擦攪拌接合による効果が相俟って、接合強度が極めて効果的に向上し、これにて、継手の信頼性が格段に向上する。 Furthermore, according to the third to fifth aspects of the point joining method of dissimilar metal members according to the present invention, after the two metal members are brought into a mechanical engagement state, that is, after being mechanically joined, Since the friction stir welding is now performed, the effects of mechanical joining and friction stir welding are combined to improve the joint strength extremely effectively, which greatly improves the reliability of the joint. improves.
以下、本発明を更に具体的に明らかにするために、本発明の実施の形態について、図面を参照しつつ、詳細に説明することとする。 Hereinafter, in order to clarify the present invention more specifically, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
先ず、図2には、本発明に従って点接合される、材質が異なり且つ硬度の異なる二枚の金属板14,16が、上下方向に重ね合わされた状態で、対向する一対の凸型治具10と凹型治具12との間に配置されている。
First, FIG. 2 shows a pair of
より具体的には、それら二枚の金属板のうち、上方に位置せしめられた凸型治具10の側に配置された上板14は、第一の金属部材であって、例えば、アルミニウムやアルミニウム合金、マグネシウム、マグネシウム合金、銅、銅合金等、各種金属材料の中でも、比較的に軟質の材料からなる金属板である一方、下方に位置する凹型治具12の上面に接するように配置された下板16は、第二の金属部材であって、例えば、鋼、鉄等の、硬質材料からなる金属板である。そして、それら軟質金属板14と硬質金属板16は、上下方向や水平方向等に相対的に移動することがないように、図示しない固定治具によって、固定、拘束されているのである。
More specifically, of these two metal plates, the
また、凸型治具10は、図示しない駆動装置により軸周りに高速回転せしめられると共に、凹型治具12に近接及び離間する方向(上下方向)に移動可能とされた治具本体18を有して、構成されている。かかる治具本体18は、全体として、ロッド形状を呈しており、その円形状の先端面(ショルダ面)20の中心部には、所定長さにおいて下方に突出する円柱形状の凸部22が同心的に設けられている。そして、かかる凸部22とそれが設けられる先端面20とが、少なくとも、軟質金属板14よりも硬質の材料にて形成されており、それらの損耗が防止されるようになっている。
The
一方、上記二つの金属板14,16を介在せしめた状態において凸型治具10に対向する凹型治具12は、硬質の材料から形成されていると共に、図2及び図3からも明らかな如く、全体として、円柱形状を呈しており、その上面23には、所定深さの押込み凹所24が形成されている。より具体的には、かかる押込み凹所24は、その側面26が寸胴な円筒面とされている一方、その底面28は、断面が円弧状の、外周部に形成された円環状の溝部30によって、かかる溝部30の形成された外周部における深さが、中央部の深さよりも深くされた段付面とされている。また、かかる押込み凹所24の中央部の深さは、上記した凸型治具10の凸部22の突出長さよりも大きくされていると共に、押込み凹所24の開口部の直径の大きさは、上記した凸型治具10の凸部22の直径よりも大きく、且つ、凸型治具10の先端面22の直径よりも小さなものとされている。
On the other hand, the
かくして、材質が異なり且つ硬度の異なる、軟質金属板14と硬質金属板16とを、上述せる如き一対の凸型治具10と凹型治具12とを用いて、点接合するに際しては、例えば、以下の手順に従って、その操作が進められることとなる。
Thus, when performing point joining of the
すなわち、先ず、上述せるように、軟質金属板14が凸型治具10側に配置され、硬質金属板16が凹型治具12側に配置されるように、それら二つの金属板14,16を上下方向に重ね合わせる一方、重ね合わされた金属板14,16の点接合されるべき部位が、凹型治具12の押込み凹所24を覆蓋するように、それらの金属板14,16が、凹型治具12の上面23上に配置され、それらが水平方向や鉛直方向に相対的に移動しないように固定、拘束せしめられるのである。このように、軟質金属板14が、凸型治具10側(上側)に配置されているところから、凸型治具10の寿命の低下が有利に防止され得るのである。けだし、硬質金属板16が、凸型治具10側(上側)に配置されると、後述する摩擦攪拌接合時に、凸型治具10の先端面20や凸部22が、同様な材質や硬度の材料にて形成される硬質金属板16によって損耗や損傷され、凸型治具10の寿命が短くなるといった不具合が生じるようになるからである。
That is, first, as described above, the two
その後、凸型治具10を、対向配置された凹型治具12に向かって下方に移動せしめて、凸型治具10の凸部22を、軟質金属板14の上面側から差し込んで、押し付けるのである。そして、凸型治具10の凸部22を差し込むことによって、金属板14,16の点接合されるべき部位の材料が押圧されて、図4に示されるように、凹型治具12の押込み凹所24内に、金属板14,16の点接合されるべき部位の材料が押し込まれるようになる。この際、凸型治具10は、軸周りに何等回転せしめられることなく、無回転状態で、そのまま二つの金属板14,16の点接合されるべき部位を押圧するようになっている。このため、かかる部位において、凸型治具10の凸部22が、軟質金属板14を板厚方向に貫通するようなことはなく、つまり、凸型治具10の凸部22の先端が硬質金属板16に接するようなことはなく、金属板14,16の材料が、所謂絞り加工によって延伸して減肉されつつ、凹型治具12の押込み凹所24に押し込まれるようになる。
Thereafter, the
そして、金属板14,16の重合せ部が押し込まれて、かかる重合せ部の下面が、凹型治具12の押込み凹所24の底面28に到達した状態(図4)から、更に、凸型治具10の凸部22を、押込み凹所24の底面28側に向かって、凸型治具10の治具本体18の先端面20が軟質金属板14の上面に当接するまで、或いは、軟質金属板14の上面より下方に僅かに入り込む位置まで、差し込むと、図5に示されるように、金属板14,16の材料が、押込み凹所24の底面28側の部位において、それぞれ座屈して、押込み凹所24の底面28の外周部に形成された溝部30まで、それら金属板14,16の材料が押し込まれて、押込み凹所24を充填することとなるのである。
Then, the overlapping portion of the
これにより、上側に位置する軟質金属板14が、凸型治具10の凸部22の差込方向前方側の先端部位(図5中、A部)において、径方向外方に拡がって張り出し、この部位において、軟質金属板14が硬質金属板16に噛み込むように、機械的に係合(機械的接合)されるのである。また、金属板14,16の重合せ部には、凸型治具10の凸部22の外面に対応した形状の内面を有する凹陥部32が形成されることとなる。
Thereby, the
そして、本実施形態においては、上述せるように、凸型治具10の凸部22を差し込んで、機械的接合を行なった後、金属板14,16の凹陥部32に差し込んだままの状態において、図示しない駆動装置を作動して、凸型治具10を軸回りに高速回転させることにより、治具本体18と凸部22を一体的に回転せしめるのである。
In the present embodiment, as described above, after the
これにより、図6に示されるように、高速回転せしめられる治具本体18の先端面20によって押圧される軟質金属板14との間、及び、高速回転せしめられる凸部22と軟質金属板14との間に、摩擦熱を発生せしめ、そしてその摩擦熱にて、その周りを加熱して、少なくとも凹陥部32の軟質金属板14の材料を、塑性流動が可能な状態と為す一方、凸部22の高速回転にて、かかる塑性流動化された材料を攪拌することにより、軟質金属板14を硬質金属板16に密着させて、それら板材を、接合するのである。この際、凹陥部32の硬質金属板16の材料も、軟質金属板14側から伝導される熱によって、界面から加熱されることとなるものの、一般には、塑性流動化されるまでには至らないことが多い。
Thereby, as shown in FIG. 6, between the
そして、かくの如き点接合の後、図7に示されるように、凸型治具10を、回転させたまま、上方に移動せしめて、金属板14,16の重合せ部の凹陥部32から、凸型治具10の凸部22を引き抜くと共に、凹型治具12を下方に移動せしめて、凹型治具12の押込み凹所24から、金属板14,16の重合せ部に形成された凹陥部32を脱型することによって、一回の点接合操作が終了するのである。なお、本実施形態においては、凸型治具10の凸部22を、回転せしめた状態で引き抜いているところから、凹陥部32の内面が、無回転状態で引き抜く場合に比べて、滑らかな面とされるのである。しかしながら、凸型治具10の凸部22を、無回転状態で引き抜くことも可能であり、また、凹陥部32を、公知の手法で埋めることも、勿論、可能である。
Then, after such point joining, as shown in FIG. 7, the
このように、本実施形態においては、一対の凸型治具10と凹型治具12とを用いて、材質及び硬度の異なる二つの金属板14,16の重合せ部に凹陥部32を形成した後、その凹陥部32に、凸型治具10の凸部22を差し込んだままの状態で、かかる凸型治具10の回転を開始して、摩擦攪拌接合を行なうようにしているところから、図1に示される如き従来の摩擦攪拌接合法による単なる点接合に比べて、接合面積が有利に増大化せしめられるのである。つまり、本実施形態においては、金属板14,16の界面における、凸型治具10の凸部22の先端側の部位だけではなく、凸部22の側面側の部位においても、金属板14,16が密接に接合されるところから、接合強度が、従来の摩擦攪拌接合による点接合に比して、効果的に高められ得ることとなるのである。
Thus, in this embodiment, the recessed
また、凹陥部32において、少なくとも軟質金属板14の材料を、凸型治具10による摩擦攪拌作用によって塑性流動させているところから、凸型治具10の凸部22によって攪拌された軟質金属板14の材料が、硬質金属板16の表面(界面)に馴染むように行き渡って、それらが密接すると共に、加熱された軟質金属板14の材料と硬質金属板16の材料とが結合し、強固な接合が実現され得るようになるのである。また、比較的に低融点である軟質金属板14を溶融せしめることなく、接合を実施しているところから、軟質金属板14と硬質金属板16との重合せ面(界面)に、脆弱な金属間化合物が生成するようなことも極めて効果的に抑制乃至は防止され得て、接合品質が安定的に確保され得るようになっているのである。
In addition, since at least the material of the
しかも、本実施形態においては、上述せるように、摩擦攪拌接合にて、二つの金属板14,16が接合されていると共に、かかる軟質金属板14と硬質金属板16とが、凹陥部32の底部側の部位(図5中、A部)において、機械的に係合されているところから、摩擦攪拌接合による接合強度が、機械的接合によって、更に補強され、以て摩擦攪拌接合と機械的接合よる効果が相俟って、従来に比して、接合強度の大幅な向上を図ることが出来るのである。その結果、継手の信頼性が格段に向上するようになっている。
Moreover, in the present embodiment, as described above, the two
また、本実施形態においては、無回転状態の凸型治具10の凸部22を差し込んで、金属板14,16の重ね合せ部に凹陥部32を形成した後、差し込んだ凸部22を、一旦引き抜くことなく、その差込状態下において、そのまま凸型治具10の回転を開始するようにしているところから、凹陥部32の形成と摩擦攪拌接合とが連続した一連の操作で行なわれることとなり、良好な作業性をもって、迅速に且つ効果的に、点接合を行なうことが出来るのである。更に、凸型治具10と凹型治具12が、それぞれ、プレス加工(絞り加工)におけるポンチとダイスの如く用いられた後、更にそれらが、通常の摩擦攪拌接合における摩擦攪拌工具と裏当て治具の如くして使用されているところから、治具や工具の点数の増加も、有利に防止され得ている。このため、接合コストの上昇も有利に抑制乃至は回避され得ているのである。
Moreover, in this embodiment, after inserting the
従って、このような本発明に従う異種金属部材の点接合方法によれば、良好な作業性をもって、接合材の接合強度を高めることが出来、これにより、輸送機、建材、家電機器等の、材質及び硬度の異なるワークを点接合する製造ライン等において、異種金属部材の接合が、有利に実施されるようになるのである。 Therefore, according to such a point joining method of dissimilar metal members according to the present invention, it is possible to increase the joining strength of the joining material with good workability, thereby making it possible to use materials such as transportation equipment, building materials, and home appliances. In addition, in a production line that joints workpieces having different hardnesses, joining of dissimilar metal members is advantageously performed.
以上、本発明の代表的な実施形態について詳述してきたが、それは、あくまでも例示に過ぎないものであって、本発明は、そのような実施形態に係る具体的な記述によって、何等限定的に解釈されるものではないことが、理解されるべきである。 The exemplary embodiments of the present invention have been described in detail above. However, the embodiments are merely examples, and the present invention is limited in any way by specific descriptions according to such embodiments. It should be understood that it is not interpreted.
例えば、上記の実施形態では、接合されるべき部材(被接合材)として、板材である金属板14,16が用いられていたが、被接合材の形状としては、板材に何等限定されるものではなく、点接合が施される重合せ部が、それぞれ、板状乃至は面板状である限りにおいて、何れも採用可能である。
For example, in the above embodiment, the
また、上例では、凸型治具10の治具本体18の先端面20が、軟質金属板14の上面に当接するまで、或いは、軟質金属板14の上面より下方に僅かに入り込む位置まで、つまり、下死点乃至は最下点(図5中、X)まで、差し込んで、凹型治具12の押込み凹所24内に、金属板14,16の材料を充填した後において、凸型治具10の回転を開始するようにしていたが、凸型治具10の凸部22の先端が、金属板14,16の重合せ面(図4及び図5中、Y)よりも硬質金属板16側に入り込んだ位置から、下死点(X)までの位置で、凸型治具10の回転を開始するようにすれば、上述せるように、接合強度を有利に向上することが出来る。特に、金属板14,16の重合せ部を凹型治具12の押込み凹所24内に押し込んでいる最中、凸型治具10の凸部22の先端が、重合せ面(Y)よりも硬質金属板16側(下方側)に入り込んだ時点で、凸型治具10の回転を開始するようにすれば、下死点(X)に到達した時点で開始する場合に比べて、金属材料の塑性流動化がより一層早く起こって、変形抵抗が低くなり、より短時間で、点接合を行なうことが出来るようになる。
Further, in the above example, until the
なお、凸型治具10の回転を、重合せ面(Y)よりも上方側の位置で開始すると、凹型治具12の押込み凹所24内への金属材料の充填が不十分となって、軟質金属板14と硬質金属板16とが、機械的に係合され得なくなる恐れがあると共に、凸型治具10の凸部22が、軟質金属板14の上面からその厚さ方向に貫入して、硬質金属板16と接触せしめられたり、接合面積を充分に大きくすることが困難となる。
When the rotation of the
さらに、上例では、図2〜7に示されるように、凹型治具12として、押込み凹所24の底面28が、外周部の深さより中央部の深さが浅い段付面とされたトックス(R)方式の金型(ダイス)が採用され、これによって、金属板14,16が、機械的に接合されるようになっていたのであるが、かかる構造の凹型治具12以外にも、例えば、図8(a),(b)及び図9において凹型治具34として示されているトグロック方式の金型(ダイス)等、機械的接合に用いられる公知の金型(ダイス)が、何れも有利に採用され得る。具体的には、凹型治具34は、径方向外方に向かって分割される、硬質材料からなる3つの分割型34a,34b,34cを組付けることによって形成され、全体として、円柱形状を呈している。また、その上面には、所定深さの押込み凹所36が設けられている。そして、その押込み凹所36は、その側面38が、底面40から略2分の1の高さに至る部位において、径方向外方に向かって、断面円弧状に膨出する段付円筒面とされている。また、かかる押込み凹所36の深さは、上記した凸型治具の凸部の突出長さよりも大きくされていると共に、押込み凹所36の開口部の直径の大きさは、凸型治具の凸部の直径よりも大きなものとされている。そして、図9に示されるように、その側面38の膨出部42に、座屈した金属板44,46が押し込まれることによって、凸型治具側に位置する軟質金属板44が、凸型治具の凸部の差込方向前方側の先端部位において、径方向外方に拡がって張り出し、この部位において、軟質金属板44が硬質金属板46に機械的に係合されるようになっているのである。
Furthermore, in the above example, as shown in FIGS. 2 to 7, as the
このように、上例では、摩擦攪拌接合に先立って実施される、凹型治具12の押込み凹所24内への金属材料の押込み操作によって、凹陥部32が形成される一方で、軟質金属板14と硬質金属板16とが機械的に係合されるようになっていたが、本発明においては、凹陥部32の形成することによって、接合面積の増大化を図り、接合強度を改善することが出来るところから、上述せるように、軟質金属板14と硬質金属板16とが、必ずしも、機械的に係合される必要は無い。従って、凹型治具12の押込み凹所24の形状は、円柱形状であっても、円錐台形状であっても、勿論、良い。
Thus, in the above example, the recessed
また、上例においては、金属板14,16が上下方向に重ね合わされ、そのような重合せ部の上面に対して、凸型治具10が垂直方向下方に向かって移動せしめられていたが、かかる重合せ部の下面に向かって、凸型治具10を上方に移動せしめることも、可能であり、更には、金属板14,16を水平方向に重ね合わせて、水平方向に凸型治具10を移動せしめることも、可能である。但し、これらの場合、凸型治具10と対を為す凹型治具12は、金属板14,16を間に介在せしめた状態で、凸型治具10に対向配置されると共に、軟質金属板14は、凸型治具10側に、硬質金属板16は、凹型治具12側に位置するように配置されることとなる。
In the above example, the
さらに、前記実施形態では、凸型治具10の凸部22が、円柱形状とされ、これにて、凸部22側に位置する金属材料が、効率的に攪拌されるようになっていたが、本発明において、凸型治具10の凸部22の形状は、上例の形状に何等限定されるものではなく、凸部の径が先端に向かって先細りする円錐形状や円錐台形状等、公知の各種の形状が何れも採用され得る。また、凸型治具10の先端面20の形状にあっても、特に限定されるものではなく、平坦面であっても、中央に向かって湾曲する凹面形状であっても良く、従来から公知の形状が、適宜に採用され得る。
Furthermore, in the said embodiment, although the
その他、一々列挙はしないが、本発明が、当業者の知識に基づいて、種々なる変更、修正、改良等を加えた態様において実施され得るものであり、また、そのような実施態様が、本発明の趣旨を逸脱しない限り、何れも、本発明の範囲内に含まれるものであることは、言うまでもないところである。 In addition, although not listed one by one, the present invention can be implemented in a mode with various changes, modifications, improvements, and the like based on the knowledge of those skilled in the art. It goes without saying that all are included in the scope of the present invention without departing from the spirit of the invention.
以下に、本発明の代表的な実施例を示し、本発明を更に具体的に明らかにすることとするが、本発明が、そのような実施例の記載によって、何等の制約をも受けるものでないことは、言うまでもないところである。 Hereinafter, representative examples of the present invention will be shown to clarify the present invention more specifically, but the present invention is not limited by the description of such examples. It goes without saying.
先ず、図2に示される如き構造を有する、鋼製の凸型治具(i)と凹型治具とを準備した。なお、凸型治具(i)の先端面の直径:12mm、凸型治具の凸部の直径:5mm、凸型治具の突出長さ:2.5mm、凹型治具の押込み凹所の直径:6.5mm、押込み凹所の中央部の深さ:1.3mmであった。また、比較のために、従来の摩擦攪拌接合を行なうべく、上記凸型治具(i)とは異なる凸型治具(ii)と、鋼製の板状裏当て治具を準備した。なお、この凸型治具(ii)は、ショルダ直径:13mm、プローブの直径:4.5mm、プローブの突出長さ:0.8mmであった。 First, a steel convex jig (i) and a concave jig having a structure as shown in FIG. 2 were prepared. Note that the diameter of the tip surface of the convex jig (i) is 12 mm, the diameter of the convex part of the convex jig: 5 mm, the protruding length of the convex jig: 2.5 mm, and the depression of the concave jig. The diameter was 6.5 mm, and the depth of the center of the indentation was 1.3 mm. For comparison, a convex jig (ii) different from the convex jig (i) and a steel plate-like backing jig were prepared for conventional friction stir welding. The convex jig (ii) had a shoulder diameter of 13 mm, a probe diameter of 4.5 mm, and a probe protrusion length of 0.8 mm.
一方、軟質金属部材としては、厚さ:1mmの6000系アルミニウム合金(6000系Al)板材と厚さ:1mmの5000系アルミニウム合金(5000系Al)板材とを準備し、また、硬質金属部材としては、厚さ:0.7mmの冷間圧延鋼板(SPCC)と厚さ:0.7mmの合金化溶融亜鉛めっき鋼板(SCGA)を準備した。 On the other hand, as a soft metal member, a 6000 series aluminum alloy (6000 series Al) plate material having a thickness of 1 mm and a 5000 series aluminum alloy (5000 series Al) plate material having a thickness of 1 mm are prepared. Prepared a cold rolled steel sheet (SPCC) having a thickness of 0.7 mm and an alloyed hot-dip galvanized steel sheet (SCGA) having a thickness of 0.7 mm.
そして、下記表1に示されるように、実施例1及び比較例1,2では、6000系Al板材とSPCC材とを組合せ、また、実施例2では、5000系Al板材とSPCC材とを組合せ、更に、実施例3及び比較例3では、6000系Al板材とSCGA材とを組合せて、それら二枚の板材をそれぞれ重ね合わせて、図2に示されるように配置した。但し、比較例2においては、凸型治具(i)及び凹型治具の代わりに、上記した寸法の凸型治具(ii)と裏当て治具を配置した。 As shown in Table 1 below, in Example 1 and Comparative Examples 1 and 2, a 6000 series Al plate material and an SPCC material are combined, and in Example 2, a 5000 series Al plate material and an SPCC material are combined. Furthermore, in Example 3 and Comparative Example 3, a 6000 series Al plate material and an SCGA material were combined, and the two plate materials were superposed and arranged as shown in FIG. However, in Comparative Example 2, instead of the convex jig (i) and the concave jig, the convex jig (ii) and the backing jig having the dimensions described above were arranged.
そして、実施例1〜3及び比較例1,3の被接合材に対して、無回転状態の凸型治具を差し込むことにより、金属材料を、凹型治具の押込み凹所内に押し込んで充填した。これにより、実施例1〜3及び比較例1,3の被接合材は、その凹陥部の下端側の部位において、機械的に接合された。 And by inserting the non-rotating convex jig into the materials to be joined in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 and 3, the metal material was pushed into the depression recess of the concave jig and filled. . Thereby, the to-be-joined material of Examples 1-3 and Comparative Examples 1 and 3 was mechanically joined in the site | part of the lower end side of the recessed part.
その後、実施例1〜3の被接合材に対しては、凸型治具を高速回転せしめることにより、摩擦攪拌接合を行なった。なお、かかる摩擦攪拌接合の条件は、回転数:1500rpm、接合時間:2秒とした。 Then, friction stir welding was performed on the workpieces of Examples 1 to 3 by rotating the convex jig at a high speed. The friction stir welding conditions were a rotational speed of 1500 rpm and a welding time of 2 seconds.
一方、比較例2の被接合材に対しては、従来の摩擦攪拌接合手法による点接合を、回転数:1500rpm、接合時間:2秒の条件で行なった。 On the other hand, spot welding by the conventional friction stir welding method was performed on the materials to be joined of Comparative Example 2 under the conditions of a rotation speed of 1500 rpm and a joining time of 2 seconds.
そして、上述せる如くして、点接合の施された接合材を用いて、引張剪断試験と十字剥離試験とを実施し、各試験で得られた接合強度を、「○」、「△」、「×」の3段階で評価し、その結果を下記表1に示した。なお、評価基準は、以下の通りである。
[引張剪断荷重]○:2.5kN以上、△:1.5〜2.5kN、×:1.5kN未満
[十字剥離荷重]○:1.5kN以上、△:1.0〜1.5kN、×:1.0kN未満
Then, as described above, using the bonding material subjected to point bonding, a tensile shear test and a cross peel test were performed, and the bonding strength obtained in each test was determined as “◯”, “Δ”, Evaluation was made in three stages of “x”, and the results are shown in Table 1 below. The evaluation criteria are as follows.
[Tensile shear load] ○: 2.5 kN or more, Δ: 1.5 to 2.5 kN, ×: Less than 1.5 kN [Cross peeling load] ○: 1.5 kN or more, Δ: 1.0 to 1.5 kN, X: Less than 1.0 kN
かかる表1の結果からも明らかなように、同じ組合せの金属板を接合した実施例1と比較例1,2とを比較すると、実施例1は、引張剪断強度と十字剥離強度がどちらも○であったのに対して、比較例1では、引張剪断強度が△、比較例2では、引張剪断強度が△、十字剥離強度が×となっていることが分かる。また同様に、実施例3と比較例3とを比較すると、引張剪断強度が、比較例3では×であったが、実施例3では△となっている。それ故、本発明に従って異種金属部材を点接合するようにすれば、引張剪断強度や十字剥離強度等の接合強度が、何れも有利に改善され得ることが分かる。 As is apparent from the results of Table 1, when Example 1 in which the same combination of metal plates are joined is compared with Comparative Examples 1 and 2, Example 1 has both a tensile shear strength and a cross peel strength. In contrast, in Comparative Example 1, the tensile shear strength is Δ, and in Comparative Example 2, the tensile shear strength is Δ and the cross peel strength is x. Similarly, when Example 3 and Comparative Example 3 are compared, the tensile shear strength is x in Comparative Example 3, but is Δ in Example 3. Therefore, it can be seen that if different kinds of metal members are spot-bonded according to the present invention, joint strength such as tensile shear strength and cross peel strength can be improved advantageously.
10 凸型治具 12,34 凹型治具
14,44 軟質金属板 16,46 硬質金属板
18 治具本体 20 先端面
22 凸部 24,36 押込み凹所
26,38 側面 28,40 底面
30 溝部 32 凹陥部
42 膨出部
DESCRIPTION OF
Claims (5)
該第一の金属部材の板状部を、該第一の金属部材よりも硬質である前記第二の金属部材の板状部に対して重ね合わせ、それら重ね合わされた板状部の点接合されるべき部位において、該第二の金属部材側に、それら金属部材の材料が押し込まれる押込み凹所が設けられた凹型治具を配置する一方、該第一の金属部材側に、該凹型治具の押込み凹所内に該第一及び第二の金属部材の材料を押し込むための凸部がロッド状の治具本体の先端面に同心的に設けられてなる構造の、軸周りに回転可能な凸型治具を配置して、かかる点接合されるべき部位に対して、該凸型治具の凸部を該第一の金属部材の板状部の表面側から差し込むことにより、前記凹型治具の押込み凹所内に該第一及び第二の金属部材の材料を押し込んだ後、かかる差込状態下において、該凸型治具の回転を開始せしめて、少なくとも該押込み凹所に対して押し込まれた該第一の金属部材の材料の摩擦攪拌作用による塑性流動を行なうことにより、該第一の金属部材と該第二の金属部材とを密接させて点接合せしめるようにしたことを特徴とする異種金属部材の点接合方法。 A method in which the plate-like portions of the first and second metal members having different materials and different hardnesses are overlapped, and the superposed portion is spot-joined,
The plate-like portion of the first metal member is overlapped with the plate-like portion of the second metal member, which is harder than the first metal member, and the joined plate-like portions are spot-joined. In a portion to be provided, a concave jig provided with a pressing recess into which the material of the metal member is pushed is disposed on the second metal member side, while the concave jig is disposed on the first metal member side. Convex part that is concentrically provided on the front end surface of the rod-shaped jig body, and that can be rotated around the axis. The concave jig is arranged by inserting the convex part of the convex jig from the surface side of the plate-like part of the first metal member into the part to be spot-bonded by arranging the mold jig. After pushing the material of the first and second metal members into the indentation recess of Then, by starting the rotation of the convex jig and performing plastic flow by friction stir action of at least the material of the first metal member pushed into the pushing recess, the first metal A point joining method for dissimilar metal members, characterized in that a member and the second metal member are brought into close contact with each other for point joining.
The said recessed jig | tool is what uses the side surface of the said depression recess as the stepped cylindrical surface which bulges radially outward in the site | part which reaches a predetermined height from a bottom face. Point joining method of different metal members.
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