JP4631429B2 - Dissimilar materials joining method - Google Patents
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Description
本発明は、異なる2種類の材料を重ね合わせて接合するのに用いられる異種材料の接合方法に係わり、特に、重ね合わせた材料を貫通する方向に沿って配置した加工プローブを回転させながら、いずれかの材料側に接触させることで撹拌領域を生じさせて行う接合、いわゆる、摩擦撹拌接合を用いた異種材料の接合方法に関するものである。 The present invention relates to a bonding method of different kinds of materials used to overlap and bond two different kinds of materials, and in particular, while rotating a processing probe arranged along a direction penetrating the stacked materials, The present invention relates to a joining method of different kinds of materials using a so-called friction stir welding, which is performed by bringing a stirring region into contact with the material side.
異なる2種類の材料、例えば、アルミニウム合金と鋼とを接合する場合、両方の材料を溶融させてしまうと、接合界面に高硬度で脆弱なFe2Al5やFeAl3などの金属間化合物が生成されてしまい、十分な継手強度を得ることができないばかりか、アルミニウム合金表面に形成された緻密で強固な酸化皮膜を除去するために、入熱量をより増加させてしまうと、金属間化合物の厚みが増して継手強度が逆に低下してしまう。 When joining two different types of materials, for example, an aluminum alloy and steel, if both materials are melted, an intermetallic compound such as Fe 2 Al 5 or FeAl 3 that is hard and brittle is formed at the joint interface. If the heat input is further increased to remove the dense and strong oxide film formed on the surface of the aluminum alloy, the thickness of the intermetallic compound is increased. Will increase and the joint strength will decrease.
また、アルミニウム合金と鋼とを接合する場合において、ボルトやリベット等による機械的接合方法を用いると、重量やコストが増加するといった不具合があり、これとは別の接合方法として、摩擦圧接方法を用いると、対称性のよい回転体同士の接合に用途が限られ、爆着や熱間圧延方法を用いると、設備面や能率面の問題があった。 In addition, when joining an aluminum alloy and steel, using a mechanical joining method such as bolts or rivets, there is a problem that the weight and cost increase. As another joining method, a friction welding method is used. If it is used, the application is limited to the joining of rotating bodies having good symmetry, and there has been a problem in terms of equipment and efficiency when using an explosion or hot rolling method.
従来において、上記した不具合を解消すべく成された異種材料の接合方法としては、例えば、特許文献1に記載されたものや、特許文献2に記載されたものがある。
Conventionally, as a joining method of different materials to solve the above-described problems, there are, for example, those described in
前者の接合方法では、異種材料同士の間に、これら2種類の材料と同じ材料からなるクラッド材をそれぞれ同じ種類の材料同士が接するようにして挟み込み、通電時間10ms以下で抵抗溶接を行うようにしている。 In the former joining method, a clad material made of the same material as these two kinds of materials is sandwiched between different kinds of materials so that the same kind of materials are in contact with each other, and resistance welding is performed with an energization time of 10 ms or less. ing.
一方、後者の接合方法では、アルミニウムと鋼との抵抗溶接において、アルミニウムと接する鋼の表面に、アルミニウム量が20wt%以上のアルミニウム合金又は純アルミニウムを膜厚2μm以上でめっきし、そのめっき層をアルミニウムに重ねて通電して、鋼母材をほとんど溶融させることなくめっき層を優先的に溶融させて溶接を行うようにしている。
ところが、クラッド材を導入した前者の接合方法において、実際の施工の状況を考えると、クラッド材の挿入工程及び固定工程が必要となり、現状の溶接ラインに新たな設備を組み入れなければならない。加えて、例えば、アルミニウムと鋼との接合の場合、クラッド材自体もアルミニウムと鋼とを接合して製造しなくてはならないことから、製造条件が厳しく、安価で性能の安定した製品を入手することが困難であるという問題があった。 However, in the former joining method in which the clad material is introduced, considering the actual construction situation, an insertion process and a fixing process of the clad material are required, and new equipment must be incorporated into the current welding line. In addition, for example, in the case of joining aluminum and steel, the clad material itself must be produced by joining aluminum and steel, so a product with strict manufacturing conditions, low cost and stable performance is obtained. There was a problem that it was difficult.
一方、アルミニウムと鋼とを抵抗溶接する後者の接合方法では、アルミニウム合金又は純アルミニウムのめっき層とアルミニウムとを接合する際の入熱によって、アルミニウム合金又は純アルミニウムのめっき層と鋼との界面に脆い金属間化合物が生成されてしまい、この部分から破壊が生じる可能性があるという問題を有しており、これらの問題を解決することが従来の課題となっていた。 On the other hand, in the latter joining method in which aluminum and steel are resistance-welded, heat input when joining an aluminum alloy or pure aluminum plating layer and aluminum causes an interface between the aluminum alloy or pure aluminum plating layer and steel. A brittle intermetallic compound is generated, and there is a problem that breakage may occur from this portion, and it has been a conventional problem to solve these problems.
本発明は、上記した従来の課題に着目してなされたものであり、異なる2種類の材料を重ね合わせて接合するに際して、いずれかの材料の表面に酸化皮膜が形成されていたとしても、多くの熱量を投入することなく酸化皮膜を除去することができ、その結果、接合界面の金属間化合物の生成を少なく抑えて、継手強度の向上を実現することが可能である異種材料の接合方法を提供することを目的としている。 The present invention has been made by paying attention to the above-described conventional problems. When two different kinds of materials are overlapped and joined, even if an oxide film is formed on the surface of one of the materials, A method for joining dissimilar materials that can improve the strength of joints by reducing the formation of intermetallic compounds at the joint interface and removing the oxide film without applying a large amount of heat. It is intended to provide.
本発明は、第1の材料と、この第1の材料とは種類の異なる第2の材料とを重ね合わせて接合するに際して、重ね合わせた第1の材料及び第2の材料の間にこれらの2種類の材料とは異なる第3の材料を介在させ、重ね合わせた第1の材料及び第2の材料を貫通する方向に沿って配置した加工プローブを回転させつつ第1の材料及び第2の材料のうちのいずれか一方の材料側に接触させて塑性流動を生じさせ、これに伴って発生する熱により第1の材料及び第2の材料のうちの少なくともいずれか一方の材料と第3の材料との間の界面に共晶溶融を生じさせ、上記材料の表面酸化皮膜を除去して共晶溶融物と共に接合部分の周囲に排出し、第1の材料と第2の材料の新生面同士を接合するに際し、材料と接触する端面が平坦状を成す加工プローブを用いることを特徴としており、この異種材料の接合方法の構成を前述した従来の課題を解決するための手段としている。
In the present invention, when a first material and a second material of a different type from the first material are overlapped and bonded, the first material and the second material are overlapped with each other. A third material different from the two kinds of materials is interposed, and the first material and the second material are rotated while rotating the processing probe arranged along the direction penetrating the superimposed first material and second material. Either one of the materials is brought into contact with the material side to cause plastic flow, and heat generated thereby causes at least one of the first material and the second material to be in contact with the third material. Eutectic melting is caused at the interface with the material, the surface oxide film of the material is removed and discharged together with the eutectic melt around the joint portion, and the new surfaces of the first material and the second material are connected to each other. upon joining, machining Pro end surface in contact with the material forms a flat And characterized by using the blanking, and a means for solving the conventional problems described above the configuration of the joining method of the dissimilar materials.
本発明の異種材料の接合方法によれば、上記した構成としているので、異なる2種類の材料を重ね合わせて接合するに際して、いずれかの材料の表面に酸化皮膜が形成されていたとしても、低温状態で酸化皮膜を除去することができ、したがって、接合界面温度の制御が可能となって金属間化合物の生成を抑制することができ、その結果、異なる2種類の材料同士を強固に接合することが可能であるという非常に優れた効果がもたらされる。 According to the bonding method of different materials of the present invention, since it has the above-described configuration, even when two different kinds of materials are overlapped and bonded, even if an oxide film is formed on the surface of one of the materials, In this state, the oxide film can be removed, and therefore, the interface temperature can be controlled and the formation of intermetallic compounds can be suppressed. As a result, two different kinds of materials can be strongly bonded to each other. This is a very good effect that is possible.
加えて、本発明の異種材料の接合方法では、共晶溶融を利用していることから、加工プローブによる攪拌時の発熱によって共晶溶融が生じる程度まで加工プローブの先端を差し込むようにするだけでよく、したがって、加工プローブの長寿命化をも実現することが可能であるという非常に優れた効果がもたらされる。
そして、本発明の異種材料の接合方法においては、材料と接触する端面が平坦状を成す加工プローブを用いるようにしていることから、先端にピンを有する従来の加工プローブを用いた際に生じるピンの抜き穴が接合箇所に形成されないので、減肉による強度の低下を阻止し得ることとなる。さらに、この接合方法で接合した材料から成る製品の使用時において、上記ピンの抜き穴がない分だけ製品としての美観が保たれるうえ、接合部分に水分が溜まることによる腐食を回避し得ることとなる。
In addition, since the bonding method of dissimilar materials of the present invention uses eutectic melting, it is only necessary to insert the tip of the processing probe to the extent that eutectic melting occurs due to heat generated during stirring by the processing probe. Therefore, it is possible to achieve a very excellent effect that it is possible to extend the life of the processing probe.
In the bonding method of different materials according to the present invention, since a processing probe having a flat end surface in contact with the material is used, a pin generated when a conventional processing probe having a pin at the tip is used. Since no punched hole is formed at the joint, it is possible to prevent a decrease in strength due to the thinning. Furthermore, when using products made of materials joined by this joining method, the appearance of the product can be maintained as much as there is no pin hole, and corrosion due to accumulation of moisture at the joint can be avoided. It becomes.
本発明の異種材料の接合方法において、第1の材料及び第2の材料のうちの少なくともいずれか一方の材料にめっきされている材料を第3の材料とする構成を採用することができ、この場合には、第1の材料と第2の材料との間に第3の材料を挟み込む工程が省かれるので、その分だけ加工工数が減って作業効率が向上することとなる。 In the bonding method of different materials of the present invention, a configuration in which the material plated on at least one of the first material and the second material is the third material can be adopted. In this case, the step of sandwiching the third material between the first material and the second material is omitted, so that the number of processing steps is reduced and the working efficiency is improved.
この際、第1の材料及び第2の材料のうちの少なくともいずれか一方の材料を亜鉛めっき鋼板とし、この亜鉛めっき鋼板の亜鉛を第3の材料とする構成とすることができ、この場合には、新たにめっき処理を施すことなく、通常の防錆鋼板をそのまま使用することが可能である。 At this time, at least one of the first material and the second material may be a galvanized steel sheet, and the zinc of the galvanized steel sheet may be a third material. In this case, It is possible to use a normal rust-proof steel plate as it is without performing a new plating treatment.
また、本発明の異種材料の接合方法では、第1の材料及び第2の材料のうちの高熱伝導材料側に加工プローブを接触させて塑性流動を生じさせ、この高熱伝導材料からの熱伝導により第1の材料及び第2の材料のうちの少なくともいずれか一方の材料と第3の材料との間の界面に共晶溶融を生じさせる構成とすることができ、この構成を採用すると、効率的に接合界面の温度を上昇させ得ることとなる。 Moreover, in the joining method of the dissimilar materials of this invention, a processing probe is made to contact the high heat conductive material side of the 1st material and the 2nd material, a plastic flow is produced, and the heat conduction from this high heat conductive material A configuration in which eutectic melting is caused at the interface between at least one of the first material and the second material and the third material can be achieved. In addition, the temperature at the bonding interface can be increased.
さらにまた、本発明の異種材料の接合方法において、第1の材料と第2の材料とを点接合する構成を採用することができ、この場合には、設備改造を伴う大規模な固定治具を必要とすることなく、従来の自動車車体のスポット溶接に代わる接合手段として採用し得ることとなる。 Furthermore, in the joining method of different materials of the present invention, a configuration in which the first material and the second material are spot-joined can be adopted, and in this case, a large-scale fixing jig accompanied by equipment modification Therefore, it can be employed as a joining means in place of spot welding of a conventional automobile body.
以下、本発明を実施例により更に詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention still in detail, this invention is not limited to a following example.
この実施例では、亜鉛めっき鋼板(第1の材料)と高熱伝導材料であるアルミニウム合金(第2の材料)との接合を行うに際して、第3の材料として亜鉛めっき鋼板の亜鉛層を用い、図4のAl−Zn2元系状態図における共晶点Pを利用して、アルミニウム合金と亜鉛との共晶反応を生じさせて接合させ、図2に示すせん断引張試験片10を得た。
In this embodiment, when the galvanized steel sheet (first material) and the aluminum alloy (second material), which is a high thermal conductivity material, are joined, the zinc layer of the galvanized steel sheet is used as the third material. Using the eutectic point P in the Al-Zn binary system phase diagram of No. 4, the eutectic reaction between the aluminum alloy and zinc was caused to join, and the shear
すなわち、図2に示すように、20mm×75mm角の大きさに切断した板厚が0.55mmの亜鉛めっき鋼板1と、これと同じく20mm×75mm角の大きさに切断した板厚が1.0mmの高熱伝導材料としての6000系アルミニウム合金2とを重ね寸法20mm幅で重ね合わせて、図1に示すように、アルミニウム合金2が図示上側になるようにして重なり部分を支持治具10上に固定した後、これらの重ね合わせた亜鉛めっき鋼板1及びアルミニウム合金2を貫通する方向に沿って配置した加工プローブ3を回転させながら、高熱伝導材料であるアルミニウム合金2側に接触させた。
That is, as shown in FIG. 2, a galvanized
この際、加工プローブ3の材料と接触する端面3aは平坦状を成しており、この加工プローブ3の端面3aをアルミニウム合金2側に接触させて塑性流動を生じさせ、これに伴って発生する熱により、亜鉛めっき鋼板1の鋼板4及びアルミニウム合金2の両材料と、亜鉛めっき鋼板の亜鉛層5との間の界面に共晶溶融を生じさせて、亜鉛めっき鋼板1とアルミニウム合金2との各新生面同士を点接合する。
At this time, the
次に、図3を用いて接合過程における接合界面の状態の変化を説明する。 Next, changes in the state of the bonding interface in the bonding process will be described with reference to FIG.
対向させた亜鉛めっき鋼板1及びアルミニウム合金2を重ね合わせ、この状態で、加工プローブ3を回転させながら、その平坦状を成す端面3aを高熱伝導材料であるアルミニウム合金2側に接触させる。(図3(a),(b))
The galvanized
これにより、アルミニウム合金2側に塑性流動領域7が生じ、これに伴って発生する熱により、亜鉛めっき鋼板1の鋼板4及びアルミニウム合金2の両材料と、亜鉛めっき鋼板の亜鉛層5との間の界面に共晶溶融8が生じる。(図3(c))
As a result, a plastic flow region 7 is generated on the
この状態で、加工プローブ3をアルミニウム合金2にさらに押し付けると、共晶溶融8とともにアルミニウム合金2の表面の酸化皮膜9及び接合界面の不純物が接合部分の周囲に排出される。(図3(d))
When the
そして、酸化皮膜9及び接合界面の不純物が接合部分の周囲に排出されたのを待って、加工プローブ3をアルミニウム合金2から遠ざけると、亜鉛めっき鋼板1とアルミニウム合金2との各新生面同士が点接合される。(図3(e))
Then, after waiting for the
上記した異種材料の接合方法では、亜鉛めっき鋼板1と高熱伝導材料であるアルミニウム合金2との接合を行うに際して、亜鉛めっき鋼板1の鋼板4及びアルミニウム合金2の双方の材料と、亜鉛めっき鋼板1の亜鉛層5との共晶反応を生じさせて接合するようにしているので、アルミニウム合金2の表面の酸化皮膜9を低温状態で除去し得ることとなる。
In the joining method of the different materials described above, when joining the galvanized
したがって、接合界面温度を制御し得ることから、金属間化合物の生成を抑制して、亜鉛めっき鋼板1及びアルミニウム合金2を強固に接合させ得ることとなる。
Accordingly, since the bonding interface temperature can be controlled, the formation of intermetallic compounds can be suppressed, and the galvanized
加えて、上記した異種材料の接合方法では、共晶溶融8を利用していることから、加工プローブ3による攪拌時の発熱によって共晶溶融8が生じる程度まで加工プローブ3の先端を差し込むようにするだけでよく、したがって、加工プローブ3の長寿命化も図られることとなる。
In addition, since the
また、上記した異種材料の接合方法では、亜鉛めっき鋼板1にめっきされている亜鉛層5を第3の材料としているので、例えば、鋼板とアルミニウム合金との間に第3の材料を挟み込むといった工程が省かれることとなり、その分だけ加工工数が減って作業効率が向上することとなるうえ、新たにめっき処理を施すことなく、通常の防錆鋼板をそのまま用い得ることとなる。
Moreover, in the above-mentioned joining method of different materials, since the
さらに、上記した異種材料の接合方法では、高熱伝導材料であるアルミニウム合金2側に加工プローブ3を接触させて塑性流動領域7を生じさせるようにしているので、効率的に接合界面の温度を上昇させ得ることとなる。
Further, in the above-described joining method of different materials, the
さらにまた、上記異種材料の接合方法において、加工プローブ3の材料と接触する端面3aを平坦状としているので、先端にピンを有する従来の加工プローブを用いた際に生じるピンの抜き穴が接合箇所に形成されないので、減肉による強度の低下を阻止し得ることとなるのに加えて、この接合方法で接合した材料から成る製品の使用時において、上記ピンの抜き穴がない分だけ製品としての美観が保たれるうえ、接合部分に水分が溜まることによる腐食を回避し得ることとなる。
Furthermore, in the joining method of different materials, since the
次に、本発明の異種材料の接合方法の参考例として、材料と接触する端面の中心に湾曲状突起を有する加工プローブを用いる場合を説明する。
Next, as a reference example of the method for joining different materials of the present invention, a case where a processing probe having a curved projection at the center of an end surface in contact with the material will be described.
この参考例において、20mm×75mm角の大きさに切断した板厚が0.55mmの亜鉛めっき鋼板1と、これと同じく20mm×75mm角の大きさに切断した板厚が2.5mmの高熱伝導材料としての6000系アルミニウム合金2とを重ね合わせ寸法20mmで重ね合わせて、アルミニウム合金2が上側になるようにして固定した後、これらの重ね合わせた亜鉛めっき鋼板1及びアルミニウム合金2を貫通する方向に沿って配置した加工プローブを回転させながら、高熱伝導材料であるアルミニウム合金2側に接触させた(図1及び図2参照)。
In this reference example, a galvanized
そこで、図5を用いて接合過程における接合界面の状態の変化を説明する。 Therefore, a change in the state of the bonding interface in the bonding process will be described with reference to FIG.
対向させた亜鉛めっき鋼板1及びアルミニウム合金2を重ね合わせ、この状態で、端面23aの中心に湾曲状突起23bを有する加工プローブ23を回転させながら、その湾曲状突起23bを高熱伝導材料であるアルミニウム合金2側に接触させる。(図5(a),(b))
The galvanized
これにより、アルミニウム合金2側に塑性流動領域7が生じ、これに伴って発生する熱により、亜鉛めっき鋼板1の鋼板4及びアルミニウム合金2の両材料と、亜鉛めっき鋼板の亜鉛層5との間の界面に共晶溶融8が生じる。(図5(c))
As a result, a plastic flow region 7 is generated on the
この状態で、加工プローブ23をアルミニウム合金2にさらに押し付けると、共晶溶融8とともにアルミニウム合金2の表面の酸化皮膜9及び接合界面の不純物が接合部分の周囲に排出される。(図5(d))
When the
このとき、加工プローブ23の端面23aの中心には湾曲状突起23bが位置しているので、共晶液相の接合部分周囲への排出を促進し得ることとなる。
At this time, since the
そして、酸化皮膜9及び接合界面の不純物が接合部分の周囲に排出されたのを待って、加工プローブ23をアルミニウム合金2から遠ざけると、亜鉛めっき鋼板1とアルミニウム合金2との各新生面同士が点接合される。(図5(e))
Then, after waiting for the
上記した異種材料の接合方法においても、亜鉛めっき鋼板1と高熱伝導材料であるアルミニウム合金2との接合を行うに際して、亜鉛めっき鋼板1の鋼板4及びアルミニウム合金2の双方の材料と、亜鉛めっき鋼板1の亜鉛層5との共晶反応を生じさせて接合するようにしているので、アルミニウム合金2の表面の酸化皮膜9を低温状態で除去し得ることとなる。
Also in the joining method of different materials described above, when joining the galvanized
したがって、接合界面温度を制御し得ることから、金属間化合物の生成を抑制して、亜鉛めっき鋼板1及びアルミニウム合金2を強固に接合させ得ることとなる。
Accordingly, since the bonding interface temperature can be controlled, the formation of intermetallic compounds can be suppressed, and the galvanized
また、上記した異種材料の接合方法では、加工プローブ23の材料と接触する端面23aの中心に湾曲状突起23bを設けているので、この接合方法で接合した材料から成る製品の使用時において、ピンの抜き穴がほとんどない分だけ製品としての美観が保たれるうえ、接合部分に水分が溜まることによる腐食を回避し得ることとなる。
Further, in the above-described bonding method of different materials, the
加えて、湾曲状突起23bを有する加工プローブ23を用いることで、この参考例のように、この加工プローブ23を接触させるアルミニウム合金2の板厚が大きい場合であったとしても、界面への入熱を助長し得ることとなる。
In addition, by using the
上記した参考例では、いずれの場合も亜鉛めっき鋼板1及びアルミニウム合金2を点接合するようにしており、これらの接合方法は、設備改造を伴う大規模な固定治具を必要とすることなく、従来の自動車車体のスポット溶接に代わる接合手段として採用し得ることとなる。
In the above-described reference examples, the galvanized
なお、上記した加工プローブ3,23を用いて、例えば、亜鉛めっき鋼板1及びアルミニウム合金2を線接合することも可能であり、この場合も、亜鉛めっき鋼板1及びアルミニウム合金2を強固に接合させ得ると共に、この接合方法で接合した材料から成る製品の使用時において、ピンの抜き穴がほとんどない分だけ製品としての美観が保たれるうえ、接合部分に水分が溜まることによる腐食を回避し得ることとなる。
Note that, for example, the galvanized
1 亜鉛めっき鋼板(第1の材料)
2 アルミニウム合金(第2の材料)
3,23 加工プローブ
3a,23a加工プローブの端面
5 亜鉛層
7 塑性流動領域
8 共晶溶融
23b 湾曲状突起
1 Galvanized steel sheet (first material)
2 Aluminum alloy (second material)
3,23
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