JP4758807B2

JP4758807B2 - 金属接合体の接合方法

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Publication number: JP4758807B2
Application number: JP2006115266A
Authority: JP
Inventors: 真山口
Original assignee: Yazaki Corp
Current assignee: Yazaki Corp
Priority date: 2006-04-19
Filing date: 2006-04-19
Publication date: 2011-08-31
Anticipated expiration: 2026-04-19
Also published as: JP2007283376A

Description

本発明は、２つの金属部材同士が接合されて得られる金属接合体の接合方法に関し、特に、異種の金属部材同士を接合した金属接合体の接合方法に関する。

アルミニウム、アルミニウム合金等の金属部材同士の接合方法として、摩擦攪拌接合と称される接合方法（特許文献１を参照。）がある。この接合方法は、金属部材同士を溶融させることなく軟化状態で固相接合させるものであり、回転子を工具として用いる。この回転子は、円柱状に形成された回転子本体部とこの回転子本体部よりも小径の円柱状に形成されたプローブ（突起物）とを有して構成されかつ、前記プローブが前記回転子本体部の端面に該回転子本体部と同軸になるように設けられている。またこの回転子は、接合される金属部材よりも硬質の材料により形成されている。

このような回転子により上記摩擦攪拌接合を行う際には、上記回転子を高速回転させながら、厚さ方向に重ねた２枚の金属部材のうち一方の金属部材の表面に上記プローブの先端を突き立てて、接合部位に達するまで前記プローブを挿入する。そして、前記プローブと前記一方の金属部材との間に発生する摩擦熱によりプローブ挿入部分周辺の金属部材を軟化させるとともにプローブの回転により軟化部分を攪拌し、軟化した金属部材を再び冷却固化することにより金属部材同士を接合する。また、前記大径部の端面は、プローブにより軟化された金属部材が飛散するのを防止する。
特開２００５−１１１４８９号公報

しかしながら、例えばアルミニウムと鋼などの異種金属部材同士を接合する場合、上述した手法の摩擦攪拌接合では十分な接合強度が得られないという問題があった。この問題の解決策として特許文献１では、図８に示すように、アルミニウム材１０１と鋼材１０２との間に、アルミニウム材１０３ａ及び鋼材１０３ｂを圧延してなるクラッド材１０３を介在させ、該クラッド材１０３のアルミニウム材１０３ａ側と前記アルミニウム材１０１とを上述した摩擦攪拌接合により接合するとともに、クラッド材１０３の鋼材１０３ｂと前記鋼材１０２との間に熱硬化性の接着剤１０６を介在させかつ前記摩擦攪拌接合により発生する熱を利用してこれら鋼材１０３ｂと鋼材１０２とを接着する異種金属部材同士の接合方法を提案している。

しかしながら、図８に示した接着剤１０６を用いる接合方法では、この接着剤１０６の塗布工程が別途必要であるほか、接着剤１０６への異物混入を防止するための工程が必要になるなど、工程数が多くなってしまうという問題があった。また、摩擦攪拌接合により生じる熱の温度と接着剤１０６の硬化に適した温度が異なる場合は良好な接合ができないという問題があった。さらに、上記アルミニウム材１０１と鋼材１０２とを配電部材として用いる場合には、接着剤１０６が導電性に影響を及ぼす可能性があった。

したがって、本発明は、接合される部材が異種金属部材同士であっても高い接合信頼性を確保できる摩擦攪拌接合を用いた金属接合体の接合方法を提供することを目的とする。

前記課題を解決し目的を達成するために、請求項１に記載された発明は、２つの金属部材の接合面同士が重ねられ、かつ、前記接合面同士が摩擦攪拌接合により接合されているとともに、一方の金属部材に設けられたかしめ片により他方の金属部材がかしめられて前記接合面同士が機械的に接合された金属接合体の接合方法であって、先端に突起物を有した回転可能な摩擦攪拌用工具を、該摩擦攪拌用工具の対向位置に配されるとともに前記かしめ片を曲げるための凹部が設けられた受け台から離れた位置に位置付け、前記他方の金属部材を前記受け台に載置するとともにこの他方の金属部材の上に前記一方の金属部材を前記かしめ片の先端が前記凹部に向くようにして重ね、前記摩擦攪拌用工具を回転させるとともに前記受け台に向かって移動させかつ前記一方の金属部材に押し込むことにより、前記接合面同士を摩擦攪拌接合すると同時に前記かしめ片を前記凹部に押し付けて前記他方の金属部材をかしめることを特徴とする金属接合体の接合方法である。

請求項１に記載された発明によれば、摩擦攪拌用工具を一方の金属部材に押し込む際の押圧力でかしめ片を受け台の凹部に押し付けて曲げるようにしているので、簡素な接合装置によって摩擦攪拌接合工程とかしめ工程とを同時に行うことができる。

以下、本発明の一実施形態に係る金属接合体１Ａ及びその接合方法を、図１ないし図４を参照して説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る金属接合体を示す断面図である。図２は、図１に示された金属接合体の分解図である。図３は、図１に示された金属接合体の接合方法を示す断面図であり、金属部材同士が接合される前の状態を示す断面図である。図４は、図３に示された一方の金属部材のかしめ片が曲げられ、金属部材同士の接合面が摩擦攪拌接合されている状態を示す断面図である。

本発明において「金属接合体」とは、２つの金属部材同士が接合されて得られるものを言う。また、本実施形態の金属接合体１Ａは、図１に示すように、一方の金属部材としてのアルミニウム材２と他方の金属部材としての銅材３とがその厚み方向に重ねられるとともに摩擦攪拌接合部４とかしめ片２１とにより互いに接合されて得られたものである。また、これらアルミニウム材２と銅材３とは電気回路に用いられる端子をなしている。また、本発明で言う「摩擦攪拌接合」とは、２つの金属部材のうち少なくとも一方を攪拌することによりこれら２つの金属部材同士を接合することを言う。

上記アルミニウム材２は、図２に示すように、平らな帯状に形成されかつ銅材３の後述の接合面３０と重なることが可能に形成された接合面２０と、かしめ片２１と、を有している。このかしめ片２１は、接合面２０の中央部分にコ字状の切り欠きを形成するとともにこの切り欠きの内側部分を銅材３が当接する側に曲げ起こすことにより形成されたものである。このかしめ片２１は、銅材３をかしめることにより、接合面２０，３０同士を機械的に接合する。

上記銅材３は、図２に示すように、平らな帯状に形成されかつ前述したアルミニウム材２の接合面２０と重なることが可能に形成された接合面３０と、貫通穴３１と、を有している。この貫通穴３１は、接合面３０の中央部分を方形に打ち抜くことにより形成されたものである。また、この貫通穴３１は、上記かしめ片２１を通すことが可能でかつ貫通穴３１を通されたかしめ片２１ががたつかない程度の寸法に形成されている。このため、かしめ片２１が貫通穴３１を通されると、接合面２０，３０同士がその平面方向に沿ってずれることが規制される。このような銅材３は、貫通穴３１を通されたかしめ片２１の自由端側が接合面２０に近づく方向に曲げられることにより、接合面３０がかしめ片２１と接合面２０との間に挟まれて接合面２０，３０同士が当接した状態が維持される。即ち、接合面３０がかしめ片２１にかしめられることで接合面２０，３０同士が機械的に接合される。

また、上記金属接合体１Ａは、接合面２０，３０の双方に跨って摩擦攪拌接合部４が形成されてアルミニウム材２と銅材３とが固相接合されている。この摩擦攪拌接合部４により端子としてのアルミニウム材２と銅材３とが良好な電気特性により接続される。また、異種金属同士を接合した摩擦攪拌接合部４は、同種金属同士を接合した場合よりも接合強度が低くなってしまうが、この金属接合体１Ａはかしめ片２１により接合面２０，３０同士を機械的に接合することで摩擦攪拌接合部４の接合強度を補強している。したがって、端子としてのアルミニウム材２と銅材３との接続信頼性を十分に確保することができる。

続いて、上述した金属接合体１Ａの接合方法、即ちアルミニウム材２と銅材３とを接合する方法を説明する。

アルミニウム材２と銅材３とを接合する際には、図３に示す接合装置１０を用いる。この接合装置１０は、摩擦攪拌工具としての回転子６と、この回転子６の対向位置に配された受け台５と、を有している。

上記回転子６は、円柱状に形成された回転子本体部６１とこの回転子本体部６１よりも小径の円柱状に形成されたプローブ（突起物）６２とを有して構成されている。また、プローブ６２は、回転子本体部６１の受け台５寄りの端面に該回転子本体部６１と同軸になるように設けられている。またこの回転子６１は、接合するアルミニウム材２及び銅材３よりも硬質の材料により形成されている。また、このような回転子６は受け台５に対して昇降自在に設けられている。

上記受け台５は、回転子６のプローブ６２と相対しかつ水平に形成された載置面５０と、載置面５０から凹に形成された凹部５１と、を有している。この凹部５１は、その内表面がかしめ片２１を曲げることができるような曲面により形成されている。この凹部５１にかしめ片２１の自由端側が押し付けられることによりかしめ片２１が曲げられる。

上記接合装置１０によりアルミニウム材２と銅材３とを接合する際には、図３に示すように、回転子６を受け台５から離れた位置に位置付けておき、貫通穴３１が凹部５１上に重なるように位置を合わせて銅材３を載置面５０上に載置するとともに、貫通穴３１にかしめ片２１の先端を通してアルミニウム材２を銅材３と相対させる。そして、回転子６を高速回転させながら、受け台５に向かって下降させる。すると、プローブ６２の先端がアルミニウム材２の接合面２０に当接する。さらに回転子６を下降させ続けると、プローブ６２の先端がアルミニウム材２中に入っていくとともに接合面２０がプローブ６２に押されて接合面３０に向かって移動し始め、かしめ片２１が凹部５１に押し付けられて曲がり始める。このように、回転子６の押圧力によりアルミニウム材２が銅材３に近づくとともにかしめ片２１が曲げられる。即ち銅材３がかしめられる。

上記のように接合面２０，３０同士が当接してかしめ片２１が曲げられた後、図４に示すようにさらに回転子６を下降させ、プローブ６２を接合面２０と接合面３０との境界部分まで挿入する。そして、プローブ６２とアルミニウム材２との間に発生する摩擦熱によりプローブ６２の挿入部分周辺を軟化させるとともにプローブ６２の回転により軟化部分を攪拌し、この軟化部分を再び冷却固化する。これらのことにより図１及び図４に示すように接合面２０と接合面３０との間に摩擦攪拌接合部４が形成され、アルミニウム材２と銅材３とが接合される。

こうして、接合面２０，３０同士を摩擦攪拌接合部４により接合するとともに接合面３０をかしめ片２１でかしめることにより接合面２０，３０同士を機械的に接合して、アルミニウム材２と銅材３とを接合し、金属接合体１Ａを形成する。

本実施形態の金属接合体１Ａによれば、銅材３の接合面３０がアルミニウム材２のかしめ片２１にかしめられることにより、摩擦攪拌接合部４により接合された接合面２０，３０同士の接合強度を補強することができる。このことにより、接合される部材が異種金属部材同士であっても高い接合信頼性を確保することができる。また、端子としてのアルミニウム材２と銅材３とが機械的および電気的に強固に接合されることにより、これらは端子としての十分な接続信頼性を確保することができる。

また、本実施形態の接合方法によれば、プローブ６２をアルミニウム材２に押し込む際の押圧力でかしめ片２１を凹部５１に押し付けて曲げるようにしているので、簡素な接合装置１０によって摩擦攪拌接合工程とかしめ工程とを同時に行うことができる。

続いて、本発明ではないが、参考となる第１参考実施形態の金属接合体１Ｂ及びその接合方法を、図５を参照して説明する。図５は、第１参考実施形態の金属接合体とその接合方法を示す断面図である。また、同図において、前述した本発明の一実施形態と同一構成部分には同一符号を付して説明を省略する。

第１参考実施形態の金属接合体１Ｂは、摩擦攪拌接合部４’が接合面２０中の接合面３０との境界面に達する範囲に形成されている。また、このような金属接合体１Ｂを接合する接合装置１０’は、本発明の一実施形態で示した接合装置１０に加えて、かしめ片２１を凹部５１に向かって押圧するための押圧部材７をさらに有している。押圧部材７は、凹部５１の対向位置に配されているとともに、凹部５１に対して昇降自在に設けられている。

上記接合装置１０’によりアルミニウム材２と銅材３とを接合する際には、前述した本発明の一実施形態と同様に、回転子６及び押圧部材７を受け台５から離れた位置に位置付けた状態にしておき、貫通穴３１が凹部５１上に重なるように位置を合わせて銅材３を載置面５０上に載置するとともに、貫通穴３１にかしめ片２１の先端を通してアルミニウム材２を銅材３と相対させる。そして、押圧部材７を凹部５１に近づく方向に下降させることにより、かしめ片２１を曲げる。その後、回転子６を高速回転させながら、受け台５に向かって下降させ、図５に示すようにアルミニウム材２中に挿入する。

この際、第１参考実施形態では、プローブ６２の先端が接合面３０と接触することなくわずかに間隔をあけている。そして、プローブ６２とアルミニウム材２を攪拌することにより発生する摩擦熱と圧力により接合面２０，３０同士を接合する。

第１参考実施形態の金属接合体１Ｂによれば、プローブ６２が銅材３に直接触れることなく摩擦攪拌接合部４’が形成されているので、銅材３が硬質であってもプローブ６２を傷めることなく接合を行うことができる。

また、第１参考実施形態の接合方法によれば、かしめ工程の後に摩擦攪拌接合工程を行うことにより、摩擦攪拌接合を行う際にはすでに接合面２０，３０が機械的に接合された状態であるので、摩擦攪拌接合中にこれらが位置ずれすることがなく高精度な接合が可能となる。

また、第１参考実施形態においては、接合装置１０’によりアルミニウム材２と銅材３とを接合する際には、かしめ工程と摩擦攪拌接合工程とを同時に行っても良く、摩擦攪拌接合工程のあとにかしめ工程を行っても良い。

続いて、本発明ではないが、参考となる第２参考実施形態の金属接合体１Ｃを、図６及び図７を参照して説明する。図６は、第２参考実施形態の金属接合体を示す斜視図である。図７は、図６に示された金属接合体の分解図である。また、同図において、前述した本発明の一実施形態及び第１参考実施形態と同一構成部分には同一符号を付して説明を省略する。

第２参考実施形態の金属接合体１Ｃは、図６及び図７に示すように、他方の金属部材としてのアルミニウム材２’と一方の金属部材としての銅材３’とがその厚み方向に重ねられるとともに摩擦攪拌接合部４と一対のかしめ片３２とにより互いに接合されて得られたものである。また、これらアルミニウム材２’と銅材３’とは電気回路に用いられる端子をなしている。

上記アルミニウム材２’は、帯状に形成された接合面２０を有している。また、上記銅材３’は、帯状に形成された接合面３０とこの接合面３０の幅方向の両縁から立設した一対のかしめ片３２とを有している。これら一対のかしめ片３２は、該一対のかしめ片３２の間にアルミニウム材２’の接合面２０を位置付けるとともに、互いに内向きに曲げられることにより接合面２０を包み込む格好でかしめる。こうしてかしめ片３２は接合面２０，３０同士を機械的に接合する。

第２参考実施形態の金属接合体１Ｃを接合する際も、前述した本発明の一実施形態及び第１参考実施形態と同様にして接合する。また、この際、かしめ工程と摩擦攪拌接合工程とを同時に行っても良く、摩擦攪拌接合工程のあとにかしめ工程を行っても良いし、かしめ工程のあとに摩擦攪拌接合工程を行っても良い。

第２参考実施形態の金属接合体１Ｃによれば、アルミニウム材２’の接合面２０が銅材３’のかしめ片３２にかしめられることにより、摩擦攪拌接合部４により接合された接合面２０，３０同士の接合強度を補強することができる。このことにより、接合される部材が異種金属部材同士であっても高い接合信頼性を確保することができる。また、端子としてのアルミニウム材２’と銅材３’とが機械的および電気的に強固に接合されることにより、これらは端子としての十分な接続信頼性を確保することができる。

上述したように、本発明では、かしめ片が２つの金属部材のどちら側に設けられていても良い。また、かしめ片は、２つの金属部材の接合面同士を機械的に接合できるものであればその形状は問わない。さらに、上述した本発明の一実施形態及び第１，２参考実施形態では、異種の金属部材同士を接合していたが、本発明では、例えばアルミニウム材とアルミニウム材といった同種の金属部材同士を接合しても良い。

なお、前述した実施形態は本発明の代表的な形態を示したに過ぎず、本発明は、実施形態に限定されるものではない。即ち、本発明の骨子を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

本発明の一実施形態に係る金属接合体を示す断面図である。図１に示された金属接合体の分解図である。図１に示された金属接合体の接合方法を示す断面図であり、金属部材同士が接合される前の状態を示す断面図である。図３に示された一方の金属部材のかしめ片が曲げられ、金属部材同士の接合面が摩擦攪拌接合されている状態を示す断面図である。第１参考実施形態の金属接合体とその接合方法を示す断面図である。第２参考実施形態の金属接合体を示す斜視図である。図６に示された金属接合体の分解図である。従来の摩擦攪拌接合を用いた異種金属部材同士の接合方法を説明するための説明図である。

符号の説明

１Ａ，１Ｂ，１Ｃ金属接合体
２，２’ アルミニウム材（金属部材）
３，３’ 銅材（金属部材）
５受け台
６回転子（摩擦攪拌用工具）
７押圧部材
２０接合面
２１かしめ片
３０接合面
３１貫通穴
３２かしめ片
５１凹部
６２プローブ（突起物）

Claims

２つの金属部材の接合面同士が重ねられ、かつ、前記接合面同士が摩擦攪拌接合により接合されているとともに、一方の金属部材に設けられたかしめ片により他方の金属部材がかしめられて前記接合面同士が機械的に接合された金属接合体の接合方法であって、
先端に突起物を有した回転可能な摩擦攪拌用工具を、該摩擦攪拌用工具の対向位置に配されるとともに前記かしめ片を曲げるための凹部が設けられた受け台から離れた位置に位置付け、
前記他方の金属部材を前記受け台に載置するとともにこの他方の金属部材の上に前記一方の金属部材を前記かしめ片の先端が前記凹部に向くようにして重ね、
前記摩擦攪拌用工具を回転させるとともに前記受け台に向かって移動させかつ前記一方の金属部材に押し込むことにより、前記接合面同士を摩擦攪拌接合すると同時に前記かしめ片を前記凹部に押し付けて前記他方の金属部材をかしめることを特徴とする金属接合体の接合方法。