JP6216764B2 - 異種金属接合方法及び異種金属接合部材 - Google Patents

Description

本発明は摩擦攪拌接合を用いた異種金属接合方法及び異種金属接合部材に関するものである。

２つの異種金属部材を接合する接合方法として、先端中央部に設けられたピン（プローブ）と、ショルダと呼ばれる円柱状の回転体とから構成される回転ツールを回転させながら、両金属部材が重なる接合部（重複部）に対し上方より加圧すると同時に水平方向に移動させることによって、母材を溶融させることなく両金属部材を固相接合する、いわゆる摩擦攪拌接合が知られている（例えば、特許文献１及び２を参照。）。

図５は、従来の摩擦攪拌接合による鉄部材とアルミニウム部材との金属接合を示す説明図である。
図５（ａ）に示されるように、従来の摩擦攪拌接合では、回転ツールを回転させながら鉄部材（Steel部材）とアルミニウム部材（ＡＬ部材）が重なる重複部に対し上方から垂直に押し付けることによって、ショルダとアルミニウム部材との間に摩擦熱を発生させ、その摩擦熱によってアルミニウム部材を軟化させると共に、先端中央部に設けられたピンによって軟化したアルミニウム部材を攪拌している。それと同時に、ショルダ下面によって軟化・攪拌されたアルミニウム部材を加圧している。これにより、両金属部材の接合界面近傍が安定に固相接合されるようになる。

図５（ｂ）に示されるように、回転ツールが通過した後の部位は、攪拌部、その外側に塑性流動部、塑性流動部の外側に熱影響部がそれぞれ形成された結晶構造となる。

特開２０１５−１５０６１０号公報 特許第５６４５３９５号

従来の上記摩擦攪拌接合では、鉄部材表面に生成された不純物を取り除き、鉄部材の真生面を露出させるため、ピンを鉄部材表面から深さ数ｍｍ（＝ｔ０）程度、内部に挿入させ、鉄部材表面の一部を削り取る場合がある。従って、回転ツールが水平方向へ移動する場合、削り取られた後の部位には鉄バリ（Steelバリ）が発生する。そして、鉄バリは攪拌部・塑性流動部（アルミニウム部材）内部に残留する。

鉄バリが攪拌部・塑性流動部内に残留する場合、攪拌部・塑性流動部は実質的な板厚がｔ２からｔ３へ減少する。従って、両金属部材の重複部に引張り又は曲げ荷重が作用する場合、攪拌部・塑性流動部に応力が集中し、これにより両金属部材が重なる接合界面近傍の強度（接合強度）が低下するという問題がある。

更に、接合条件（回転ツールの回転速度、移動速度、ショルダーのアルミニウム部材への挿入量）によってはアルミニウムがバリ（ＡＬバリ）として排出される場合がある。ＡＬバリが排出される場合、回転ツールが通過した後の母材の板厚（＝ｔ２）は、母材原質部の板厚（＝ｔ１）よりも薄くなる。これにより、アルミニウム部材表面に凹部が生じ、鉄バリと同様に、応力集中が発生して接合界面近傍の接合強度を低下させるという問題がある。

また、ピンが鉄部材表面を削り取る際に発生する熱によって、回転ツールが通過した部位に軟化層（熱影響部）が発生しやすくなる。その結果、摩擦攪拌接合部における熱影響部の占める割合が大きくなる。熱影響部は強度的に弱い部位であるため、鉄バリの発生と同様に接合部の接合強度を低下させるという問題がある。

なお、上記特許文献１に記載の摩擦攪拌接合方法は、終端部において回転ツールを引き抜く際、金属面を露出させないようにするため、水平方向に動かしながら引き抜くことを特徴とする摩擦攪拌接合方法である。

また、上記特許文献２に記載の摩擦攪拌接合方法は、開始点において接合中心線を外れるように回転ツールを移動させることにより両金属部材を接合することを特徴とする摩擦攪拌接合方法である。

従って、上記特許文献１及び２は、摩擦攪拌接合によって生じる両金属のバリが接合強度に与える影響（問題点）ならびに金属バリを抑制するという技術的手段、更には母材の熱影響部を縮小するという技術的手段等については何ら開示されていない。

そこで、本発明は、上記従来技術の問題点に鑑み成されたものであり、その目的は、互いに異なる材質から成る異種金属を摩擦攪拌接合する際に、摩擦攪拌接合に係る母材において金属バリを好適に抑制すると共に、母材における熱影響部が占める割合を小さくすることにより両金属の接合強度を向上させることが可能な異種金属接合方法及び異種金属接合部材を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明に係る異種金属接合方法では、互いに異なる材質から成る第１金属（１１）及び第２金属（１２）が重なり合う重複部（４０）に対し、ツール（２０）を回転させながら上方より加圧すると同時に該ツール（２０）を接線方向に移動させることで該第１金属（１１）及び第２金属（１２）の該重複部を該接線方向に沿って所定の長さにわたり摩擦攪拌接合する異種金属接合方法であって、前記重複部（４０）は前記ツール（２０）によって少なくとも２回にわたり摩擦攪拌接合され、１回目の摩擦攪拌接合（４０ａ）では前記ツール（２０）が前記第１金属（１１）を貫通し前記第２金属（１２）の所定の挿入深さ（Ｄ１−ｔ１）まで入り込んだ状態で、該ツール（２０）を前記接線方向に沿って移動させると共に、２回目の摩擦攪拌接合（４０ｂ）では前記ツール（２０）の位置を前記接線方向と直交する方向に所定距離（ΔＬ）オフセットさせた状態で、該ツール（２０）を前記接線方向に沿って移動させることを特徴とする。

上記構成では、２回目の摩擦攪拌接合（４０ｂ）は、ツール（２０）の位置を接線方向と垂直する方向に所定距離（ΔＬ）ずらした状態（オフセットさせた状態）で、該ツールを接線方向に沿って移動させることによって行われる。そのため、１回目の摩擦攪拌接合（４０ａ）において発生した金属バリ（ＡＬバリ）は、ツール（２０）が加圧・回転しながら移動することによって、元の金属部位に埋め戻され再結合され、これによりツールが通過した後の母材(t=t3)が1回目(t=t2)よりも厚くなる。一方、第２金属（１２）表面の金属バリ（Steelバリ）は、ツール（２０）によって除去され、これにより攪拌部・塑性流動部の実質的な板厚減少幅が小さくなる。その結果、両金属部材が重なる接合部の接合強度が向上するようになる。

また、ツール（２０）が加圧・回転しながら母材の熱影響部を移動することによって、１回目の摩擦攪拌接合によって生じた熱影響部の組織を微細化して熱影響部を攪拌部・塑性流動部に変化させることになる。これにより摩擦攪拌接合に係る母材の熱影響部が縮小し、攪拌部・塑性部が拡大されることになる。その結果、両金属部材が重なる接合部の接合強度が向上するようになる。

本発明に係る異種金属接合方法の第２の特徴は、ツール（２０）はピン（２２）を有し、上記所定距離（ΔＬ）は該ピンの幅（Ｗ）以下であることである。

上記構成では、２回目の摩擦攪拌接合（４０ｂ）におけるツール（２０）のオフセット距離（ΔＬ）がピンの幅（Ｗ）以下である。これにより、２回目の摩擦攪拌接合（４０ｂ）においてツール（２０）が加圧・回転しながら移動する際、ピン（２２）の先端部が金属バリ（Steelバリ）に当たるようになる。その結果、金属バリ（Steelバリ）はピン（２２）によって除去されることになる。

本発明に係る異種金属接合方法の第３の特徴は、前記２回目の摩擦攪拌接合（４０ｂ）における前記ツール（２０）の前記第１金属（１１）及び第２金属（１２）に対する挿入深さ（Ｄ２）が、前記１回目の摩擦攪拌接合（４０ａ）の挿入深さ（Ｄ１）に比べ浅いことである。

上記構成では、２回目の摩擦攪拌接合（４０ｂ）における第１金属（１１）及び第２金属（１２）に対するツール（２０）の挿入深さ（Ｄ２）が１回目の摩擦攪拌接合（４０ａ）の挿入深さ（Ｄ１）に比べ浅い。これにより、ツール（２０）が加圧・回転しながら移動する際、新たな金属バリ（Steelバリ）を生じさせずに第２金属（１２）表面の金属バリ（Steelバリ）を除去することが可能となる。

本発明に係る異種金属接合方法の第４の特徴は、前記２回目の摩擦攪拌接合（４０ｂ）における前記ツール（２０）の前記第２金属（１２）に対する挿入深さ（Ｄ２−ｔ１）が、１回目の摩擦攪拌接合（４０ａ）の挿入深さ（Ｄ１−ｔ１）に比べ浅いことである。

上記構成では、２回目の摩擦攪拌接合（４０ｂ）における第２金属（１２）に対するツール（２０）の挿入深さ（Ｄ２−ｔ１）が１回目の摩擦攪拌接合（４０ａ）の挿入深さ（Ｄ１−ｔ１）に比べ浅い。これにより、ツール（２０）が加圧・回転しながら移動する際、新たな金属バリ（Steelバリ）を生じさせない、或いは金属バリ（Steelバリ）の発生を最小限に抑えることが可能となる。

本発明に係る異種金属接合方法の第５の特徴は、前記２回目の摩擦攪拌接合（４０ｂ）における前記ツール（２０）の回転方向が、１回目の摩擦攪拌接合（４０ａ）に比べ逆向きであることである。

上記構成では、２回目の摩擦攪拌接合（４０ｂ）におけるツール（２０）の回転方向が１回目の摩擦攪拌接合（４０ａ）に対し逆向きである。そのため、ツール（２０）が加圧・回転しながら移動する際、１回目の摩擦攪拌接合によって生じた金属バリ（ＡＬバリ）は、ツールから逆方向の回転速度成分に係る力を受けるため、金属バリ（ＡＬバリ）は好適に元の金属部位に戻されることになる。これにより第１金属（１１）表面の凹部（板厚減少部）は金属バリ（ＡＬバリ）によって埋められる。一方、第２金属（１２）表面の金属バリ（Steelバリ）は、ツール（２０）によって除去され、これにより攪拌部・塑性流動部の実質的な板厚減少幅が小さくなる。その結果、両金属部材が重なる接合部の接合強度が向上するようになる。

本発明に係る異種金属接合方法の第６の特徴は、前記２回目の摩擦攪拌接合（４０ｂ）における前記ツール（２０）の回転速度が、前記１回目の摩擦攪拌接合（４０ａ）に比べ遅いことである。

上記構成では、２回目の摩擦攪拌接合（４０ｂ）におけるツール（２０）の回転速度が、１回目の摩擦攪拌接合（４０ａ）に比べ遅いことである。すなわち、２回目のツール（２０）の回転速度を１回目より遅くしてツール（２０）と母材との摩擦によって発生する熱量を小さくして、新たに発生する熱影響部による接合強度への影響を最小限にしている。

本発明に係る異種金属接合方法の第７の特徴は、前記２回目の摩擦攪拌接合（４０ｂ）における前記ツール（２０）の移動方向が前記１回目の摩擦攪拌接合（４０ａ）に比べ逆向きであることである。

上記構成では、２回目の摩擦攪拌接合（４０ｂ）におけるツール（２０）の移動方向が１回目の摩擦攪拌接合（４０ａ）に対し逆向きである。この場合、金属バリ（ＡＬバリ）からツール（２０）の近接方向を見た場合、１回目のツール（２０）は例えば正面から近接するのに対し、２回目のツール（２０）は背面から近接する。つまり、金属バリ（ＡＬバリ）がツール（２０）から受ける回転速度成分に係る力の向きは１回目と２回目とでは互いに逆向きとなる。すなわち、２回目のツールの移動方向を１回目と逆向きにすることにより、２回目のツールの回転方向を１回目と逆向きにすることと同じ効果を奏するようになる。

従って、２回目の摩擦攪拌接合（４０ｂ）におけるツール（２０）の移動方向を１回目の摩擦攪拌接合（４０ａ）に対し逆向きとすることにより、第１金属（１１）表面の凹部（板厚減少部）は金属バリ（ＡＬバリ）によって埋められ、これによりツールが通過した後の母材(t=t3)が1回目(t=t2)よりも厚くなる。一方、第２金属（１２）表面の金属バリ（Steelバリ）は、ツール（２０）によって除去され、これにより攪拌部・塑性流動部の実質的な板厚減少幅が小さくなる。その結果、接合強度が向上するようになる。

本発明に係る異種金属接合方法の第８の特徴は、前記２回目の摩擦攪拌接合（４０ｂ）における前記ツール（２０）の移動速度が前記１回目の摩擦攪拌接合（４０ａ）に比べ早いことである。

上記構成では、２回目の摩擦攪拌接合（４０ｂ）におけるツール（２０）の移動速度が、１回目の摩擦攪拌接合（４０ａ）に比べ早いことである。すなわち、２回目のツール（２０）の移動速度を１回目より早くしてツール（２０）と母材との摩擦によって発生した摩擦熱を他の母材に伝わらないようにしている。つまり、熱影響部が拡大し接合部の接合強度が低下しないようにしている。

本発明に係る異種金属接合部材は、互いに異なる材質から成る第１金属（１１）及び第２金属（１２）が重なり合う重複部（４０）を上記何れかに記載の異種金属接合方法によって接合されていることを特徴とする。

上記異種金属接合部材は、上記何れかに記載の異種金属接合方法によって摩擦攪拌接合されている。従って、強度および硬度が部分的に要求される構造部材、例えばステータシャフト等に対して好適に適用することが可能である。

本発明の異種金属接合方法によれば、互いに異なる材質から成る異種金属を摩擦攪拌接合する際に、摩擦攪拌接合の母材において金属バリを好適に抑制することが可能となると共に、母材における熱影響部が占める割合を小さくし、攪拌部及び塑性流動部の占める割合を大きくすることが可能となる。これにより従来の摩擦攪拌接合に比べ接合部の接合強度が著しく向上するようになる。

本発明の一実施形態に係る異種金属接合方法が適用された異種金属シャフトを示す説明図である。 本実施形態に係る１周目の摩擦攪拌接合と２周目の摩擦攪拌接合とを示す説明図である。 １周目の摩擦攪拌接合及び２周目の摩擦攪拌接合における摩擦攪拌接合ツールの移動方向を示す説明図である。 本実施形態に係る異種金属接合方法が適用されたステータシャフトを示す説明図である。 従来の摩擦攪拌接合による鉄部材とアルミニウム部材との金属接合を示す説明図である。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る異種金属接合方法が適用された異種金属シャフト１００を示す説明図である。なお、図１（ａ）は異種金属シャフト１００の斜視図であり、図１（ｂ）は異種金属シャフト１００の要部断面説明図である。また、参考として摩擦攪拌接合ツール２０についても併せて図示されている。

この異種金属シャフト１００は、第１シャフト１１と、第１シャフト１１の内周面に圧入接合される第２シャフト１２とから構成されている。第１シャフト１１は全体が軽金属、例えばアルミニウム又はその合金から成る円筒状の中空シャフトである。対する第２シャフト１２は、鉄系金属、例えばステンレス鋼から成り第１シャフト１１と同心の円筒状の中空シャフトである。

また、摩擦攪拌接合ツール２０は、円筒回転体のショルダ２１と、ショルダ２１の下面中央部に設けられたピン２２とを具備して構成されている。詳細については図２及び図３を参照しながら後述するが、第１シャフト１１と第２シャフト１２は、第１シャフト１１の内周面１１ａと第２シャフト１２の外周面１２ｂとが軸方向に沿って重複する軸方向重複部４０（図２）を摩擦攪拌接合ツール２０によって上方より加圧しながら円周方向に沿って２周にわたり摩擦攪拌接合されている。

また、１周目の摩擦攪拌接合４０ａと２周目の摩擦攪拌接合４０ｂとにおいて、摩擦攪拌接合ツール２０の軸方向位置を異ならせると共に、摩擦攪拌接合ツール２０の第１シャフト１１及び第２シャフト１２に対する挿入深さＤについても異ならせている。

更に、その他の接合条件（摩擦攪拌接合ツール２０の回転方向及び回転速度、並びに円周方向の移動速度）についても１周目の摩擦攪拌接合４０ａと２周目の摩擦攪拌接合４０ｂとにおいて異ならせている。

第１シャフト１１の外周面１１ｂには、円周帯状の１周目の摩擦攪拌接合４０ａと２周目の摩擦攪拌接合４０ｂとが軸方向にオフセットして（ずれて）それぞれ形成されている。

図２は、本実施形態に係る１周目の摩擦攪拌接合４０ａと２周目の摩擦攪拌接合４０ｂとを示す説明図である。図２（ａ）は１周目の摩擦攪拌接合４０ａを示し、図２（ａ）は２周目の摩擦攪拌接合４０ｂを示している。

図２（ａ）に示されるように、摩擦攪拌接合ツール２０を回転させながら径方向内側に加圧しながら第１シャフト１１の円周方向に沿って移動させる。ショルダ２１は回転しながらショルダ下面２１ａにて第１シャフト１１を加圧することにより、第１シャフト１１との間に摩擦熱を発生させる。その摩擦熱によってショルダ下面２１ａに隣接する第１シャフト１１の部位が軟化し、軟化した部位はピン２２によって攪拌される。

摩擦攪拌接合ツール２０が通過した部位（摩擦攪拌接合４０ａ）には、中央部分に結晶組織が最も微細な攪拌部Ｚ１、その外側に塑性流動部Ｚ２、塑性流動部Ｚ２の外側に攪拌が十分になされていない熱影響部Ｚ３、熱影響部Ｚ３の外側に母材の原形をとどめる母材原質部Ｚ４がそれぞれ形成される。

摩擦攪拌接合ツール２０が回転しながら径方向内側に移動することにより、ピン２２が第２シャフト１２の外周面１２ｂを挿入深さ数ｍｍ程度（＝Ｄ１−ｔ１）削り込む。その結果、第２シャフト１２の外周面１２ｂに真生面が露出し、その真生面と攪拌部Ｚ１及び塑性流動部Ｚ２との間に安定した固相結合（金属結合）が形成され、これにより第１シャフト１１と第２シャフト１２が安定に結合される。

しかし、摩擦攪拌接合ツール２０が回転しながら径方向内側に移動している間、ショルダ下面２１ａは軟化したアルミニウム母材を加圧するため、アルミニウムの一部がＡＬバリ１１ｃとして第１シャフト１１の外周面１１ｂから剥離する。その剥離したＡＬバリ１１ｃによって摩擦攪拌接合４０ａには凹部（板厚ｔ２の板厚減少部）が形成される。もし、第１シャフト１１に引張り又は曲げ荷重が作用する場合、外周面１１ｂに板厚減少部（凹部）が有ると、板厚減少部に応力が集中し、結果的に接合界面近傍Ｚ０の接合強度を低下させることになる。

同様に、摩擦攪拌接合ツール２０のピン２２が、第２シャフト１２の外周面１２ｂを挿入深さ数ｍｍ程度（＝Ｄ１−ｔ１）削り込む間、ステンレス鋼の一部がSteelバリ１２ｃとして外周面１２ｂから剥離する。その剥離したSteelバリ１２ｃによって攪拌部Ｚ１及び塑性流動部Ｚ２は実質的な板厚が減少する。従って、第１シャフト１１に引張り又は曲げ荷重が作用する場合、クラック（Steelバリ）を介して攪拌部Ｚ１及び塑性流動部Ｚ２に応力が集中し、上記凹部と同様に接合界面近傍Ｚ０の接合強度を低下させることになる。

従って、２周目の摩擦攪拌接合４０ｂでは、ＡＬバリ１１ｃを第１シャフト１１の外周面１１ｂに戻して再結合させ、凹部を埋める。一方、Steelバリ１２ｃを第２シャフト１２の外周面１２ｂから除去して、攪拌部Ｚ１及び塑性流動部Ｚ２における実質的な板厚減少を解消するようにする。以下、２周目の摩擦攪拌接合４０ｂについて説明する。

図２（ｂ）に示されるように、摩擦攪拌接合ツール２０の軸方向位置は、１周目の摩擦攪拌接合４０ａの軸方向位置に対してオフセットさせている。なお、オフセットさせる距離ΔＬはピン２２の幅Ｗ以下である。

また、摩擦攪拌接合ツール２０の挿入深さ（Ｄ２）は、１周目の摩擦攪拌接合４０ａの挿入深さ（Ｄ１）に対して浅くしている。なお、２周目の摩擦攪拌接合４０ｂでは、ピン２２がSteelバリ１２ｃに当たり、これによりSteelバリ１２ｃを第２シャフト１２の外周面１２ｂに一体化させれば良い。従って、ピン２２は必ずしも第２シャフト１２の外周面１２ｂに接触していなくても良い。望ましくは、ピン２２の高さと、第１シャフト１１の板厚ｔ１とが略等しいことである。

また、摩擦攪拌接合ツール２０の回転方向は、ＡＬバリ１１ｃが多くできる方向は摩擦攪拌接合ツール２０の回転方向で決まるという特性を利用して、１周目の摩擦攪拌接合４０ａの回転方向に対し逆向きとしている。例えば、１周目の摩擦攪拌接合４０ａが反時計方向（ＣＣＷ）の場合、２周目の摩擦攪拌接合４０ｂは時計方向（ＣＷ）である。

また、摩擦攪拌接合ツール２０の回転速度は、１周目の摩擦攪拌接合４０ａの回転速度に対して遅くしている。これは、ショルダと母材との摩擦によって発生する熱量を小さくして、新たに発生する熱影響部による接合強度への影響を最小限にしている。

同様に、摩擦攪拌接合ツール２０の移動速度は、１周目の摩擦攪拌接合４０ａの移動速度に対して早くしている。これは、ショルダと母材との摩擦によって発生した摩擦熱を母材に伝わらないようして、熱影響部が新たに生成されることを防止するためである。

このように、２周目の摩擦攪拌接合４０ｂでは１周目の摩擦攪拌接合４０ａに対し、摩擦攪拌接合ツール２０の軸方向位置、挿入深さ（Ｄ２）、回転方向、回転速度、および移動速度を異ならせることによって、１周目の摩擦攪拌接合４０ａによって生じたＡＬバリ１１ｃを母材に戻して再結合させる。これにより、アルミニウム母材表面の凹部（板厚減少）について改善される。その結果、第１シャフト１１と第２シャフト１２の接合強度が向上する。

また、２周目の摩擦攪拌接合４０ｂによって、１周目の熱影響部Ｚ３は再攪拌され、組織を微細化される結果、攪拌部あるいは塑性流動部に再生される。これにより、２周目の摩擦攪拌接合４０ｂにおける攪拌部Ｚ１’および塑性流動部Ｚ２’は、１周目の攪拌部Ｚ１および塑性流動部Ｚ２に比べ拡大される。これに対し、２周目の摩擦攪拌接合４０ｂにおける熱影響部Ｚ３’は、１周目の熱影響部Ｚ３に比べ縮小される。その結果、２周目の摩擦攪拌接合４０ｂにおける接合界面近傍Ｚ０’が、１周目の接合界面近傍Ｚ０に比べ拡大される。これにより、第１シャフト１１と第２シャフト１２の接合強度が向上する。

ところで、摩擦攪拌接合ツール２０の回転方向を１周目の摩擦攪拌接合４０ａに対し逆向きとする代わりに、摩擦攪拌接合ツール２０の移動方向を１周目の摩擦攪拌接合４０ａに対し逆向きとしても、同様な効果を奏する。以下、摩擦攪拌接合ツール２０の移動方向について説明する。

図３は、１周目の摩擦攪拌接合４０ａ及び２周目の摩擦攪拌接合４０ｂにおける摩擦攪拌接合ツール２０の移動方向を示す説明図である。なお、説明の都合上、右手系の座標が図示されている。
図３（ａ）に示されるように、摩擦攪拌接合ツール２０が反時計方向（ＣＣＷ）に自転しながら第１シャフト１１の円周方向を時計方向（ＣＷ）に移動（公転）している場合、第１シャフト１１のＡ部にはプラスＹ方向に向かう回転速度成分に係る力が作用する。一方、図３（ｂ）に示されるように、摩擦攪拌接合ツール２０が同方向に自転しながら第１シャフト１１の円周方向を反時計方向（ＣＣＷ）に移動（公転）している場合、第１シャフト１１のＡ部にはマイナスＹ方向に向かう回転速度成分に係る力が作用する。つまり、２周目において摩擦攪拌接合ツール２０の移動方向を１周目の摩擦攪拌接合４０ａに対し逆向きとすることにより、同一部位に対し１周目と逆向きの回転速度成分に係る力を作用させることが可能となる。これにより、ツール２０の回転方向を１周目と２周目とにおいて逆にする場合と同様に、１周目の摩擦攪拌接合４０ａによって生じたＡＬバリ１１ｃを母材に戻して再結合させることが可能となる。

図４は、本実施形態に係る異種金属接合方法が適用されたステータシャフト５０を示す説明図である。なお、説明の都合上、第３シャフト１４及び摩擦攪拌接合ツール２０についても併せて図示されている。

このステータシャフト５０は、トルクコンバータ（図示せず）のステータ（図示せず）を支持するためのシャフトである。ステータシャフト５０は、全体が鉄系金属から作られていた従来のステータシャフトと異なり、強度が要求される先端部を鉄系金属から成る第２シャフト５２で構成され、強度が要求されない先端部以外の部位をアルミニウム系軽金属から成る第１シャフト５１で構成されている異種金属接合シャフトである。従って、上記ステータシャフト５０は先端部以外の部位がアルミニウム系軽金属によって構成されているため、軸全体の大幅な軽量化が可能となる。

第２シャフト５２のエンジン側の先端部外周面にはスプライン歯５２ｃが周方向に沿って形成されている。一方、第２シャフト５２の先端部内周面にはメインシャフト（図示せず）を回転可能に支持するベアリング５３が取り付けられている。

第１シャフト５１と第２シャフト５２は、上述した本発明の異種金属接合方法によって摩擦攪拌接合されている。すなわち、第１シャフト５１の内周面５１ａと第２シャフト５２の外周面５２ｂとが軸方向に沿って重複する軸方向重複部５２ｂｓを摩擦攪拌接合ツール２０によって上方より加圧しながら円周方向に沿って２周にわたり摩擦攪拌接合５０ａ,５０ｂされている。これにより、摩擦攪拌接合に係るアルミニウム母材（第１シャフト５１）における実質的な板厚減少ならびに等価クラック状態が改善されると共に、アルミニウム母材表面の凹部（板厚減少）についても改善される。

更に、摩擦攪拌接合に係るアルミニウム母材（第１シャフト５１）における熱影響部の占める割合が、従来の摩擦攪拌接合によって接合されたものに比べ小さくなり、攪拌部および塑性流動部の占める割合が高くなっている。従って、第１シャフト５１と第２シャフト５２の接合強度が、従来の摩擦攪拌接合によって接合されたものに比べ高いものとなっている。

なお、本実施形態に係る異種金属接合方法によって接合されるステータシャフト５０は、引張り強度が従来の摩擦攪拌接合によって接合されたものに比べ３０％程度高くなる。

以上、図面を参照しながら本実施形態に係る異種金属接合方法について説明した。しかし、本発明の実施形態は上記実施形態だけに限定されるものではなく、本発明の技術的特徴の要旨を変更しない範囲において種々の変更・修正を加えることが可能である。例えば、摩擦攪拌接合ツール２０を２周目の摩擦攪拌接合４０ｂとは逆方向にオフセットさせて、更にもう１周、つまり合計３周に渡り第１シャフト１１の円周方向に沿って移動させることも可能である。

１１ 第１シャフト
１１ａ 第１シャフトの内周面
１１ｂ 第１シャフトの外周面
１２ 第２シャフト
１２ａ 第２シャフトの内周面
１２ｂ 第２シャフトの外周面
２０ 摩擦攪拌接合ツール
２１ ショルダ
２１ａ ショルダ下面
２２ ピン
４０ 軸方向重複部
４０ａ １周目の摩擦攪拌接合
４０ｂ ２周目の摩擦攪拌接合
５０ ステータシャフト
５１ 第１シャフト
５２ 第２シャフト
５２ｃ スプライン歯
５３ ベアリング
５４ 第３シャフト
１００ 異種金属シャフト

Claims (8)

1. 互いに異なる材質から成る第１金属及び第２金属が重なり合う重複部に対し、ツールを回転させながら上方より加圧すると同時に該ツールを接線方向に移動させることで該第１金属及び第２金属の該重複部を該接線方向に沿って所定の長さにわたり摩擦攪拌接合する異種金属接合方法であって、
   前記重複部は前記ツールによって少なくとも２回にわたり摩擦攪拌接合され、
   １回目の摩擦攪拌接合では前記ツールが前記第１金属を貫通し前記第２金属の所定の挿入深さまで入り込んだ状態で、該ツールを前記接線方向に沿って移動させると共に、
   ２回目の摩擦攪拌接合では前記ツールの位置を前記接線方向と直交する方向に所定距離オフセットさせた状態で、該ツールを前記接線方向に沿って移動させ、
   前記２回目の摩擦攪拌接合における前記ツールの前記第１金属及び第２金属に対する挿入深さが、前記１回目の摩擦攪拌接合の挿入深さに比べ浅い
   ことを特徴とする異種金属接合方法。
2. 互いに異なる材質から成る第１金属及び第２金属が重なり合う重複部に対し、ツールを回転させながら上方より加圧すると同時に該ツールを接線方向に移動させることで該第１金属及び第２金属の該重複部を該接線方向に沿って所定の長さにわたり摩擦攪拌接合する異種金属接合方法であって、
   前記重複部は前記ツールによって少なくとも２回にわたり摩擦攪拌接合され、
   １回目の摩擦攪拌接合では前記ツールが前記第１金属を貫通し前記第２金属の所定の挿入深さまで入り込んだ状態で、該ツールを前記接線方向に沿って移動させると共に、
   ２回目の摩擦攪拌接合では前記ツールの位置を前記接線方向と直交する方向に所定距離オフセットさせた状態で、該ツールを前記接線方向に沿って移動させ、
   前記２回目の摩擦攪拌接合における前記ツールの回転速度が、前記１回目の摩擦攪拌接合に比べ遅い
   ことを特徴とする異種金属接合方法。
3. 互いに異なる材質から成る第１金属及び第２金属が重なり合う重複部に対し、ツールを回転させながら上方より加圧すると同時に該ツールを接線方向に移動させることで該第１金属及び第２金属の該重複部を該接線方向に沿って所定の長さにわたり摩擦攪拌接合する異種金属接合方法であって、
   前記重複部は前記ツールによって少なくとも２回にわたり摩擦攪拌接合され、
   １回目の摩擦攪拌接合では前記ツールが前記第１金属を貫通し前記第２金属の所定の挿入深さまで入り込んだ状態で、該ツールを前記接線方向に沿って移動させると共に、
   ２回目の摩擦攪拌接合では前記ツールの位置を前記接線方向と直交する方向に所定距離オフセットさせた状態で、該ツールを前記接線方向に沿って移動させ、
   前記２回目の摩擦攪拌接合における前記ツールの移動速度が前記１回目の摩擦攪拌接合に比べ早い
   ことを特徴とする異種金属接合方法。
4. 前記ツールはピンを有し、前記所定距離は該ピンの幅以下であることを特徴とする請求項１から３の何れかに記載の異種金属接合方法。
5. 前記２回目の摩擦攪拌接合における前記ツールの前記第２金属に対する挿入深さが、前記１回目の摩擦攪拌接合の挿入深さに比べ浅いことを特徴とする請求項１から４の何れかに記載の異種金属接合方法。
6. 前記２回目の摩擦攪拌接合における前記ツールの回転方向が、前記１回目の摩擦攪拌接合に比べ逆向きであることを特徴とする請求項１から５の何れかに記載の異種金属接合方法。
7. 前記２回目の摩擦攪拌接合における前記ツールの移動方向が前記１回目の摩擦攪拌接合に比べ逆向きであることを特徴とする請求項１から６の何れかに記載の異種金属接合方法。
8. 互いに異なる材質から成る第１金属及び第２金属が重なり合う重複部を上記請求項１から７の何れかに記載の異種金属接合方法によって接合されていることを特徴とする異種金属接合部材。

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