JP6358126B2 - 摩擦攪拌接合用ツールを用いた三層以上の積層構造接合体の製造方法とその方法により製造された積層構造接合体 - Google Patents

Description

本発明は、摩擦攪拌接合用ツールを用いた三層以上の積層構造接合体の製造方法とその方法により製造された積層構造接合体に関するものである。

二層に重ね合わせた金属部材を接合する方法として、摩擦攪拌接合が知られている。この方法により接合をする場合、まず、二層に重ね合わせた金属部材の一方に、高速回転する摩擦攪拌接合用のツールを押し付ける。このとき、ツールと金属部材との摩擦によって、金属部材のツールが押し付けられた箇所に摩擦熱が発生する。すると、この摩擦熱を受けた金属部材は軟化し、二つの金属は接合することになる。

ここで、このような接合には、二種類のメカニズムがある。一つは、軟化した金属同士が塑性流動状態となって混ざり合って接合するものであり、もう一つは、材料同士が熱により反応生成物を作って接合するものである。後者の場合には、部材の塑性流動により酸化被膜や汚れの層が破れて、反応生成物が生じることにより固相接合する。固相接合は、金属接合のうちの界面接合の一種であり、金属を溶かして接合する溶融接合とは異なるカテゴリーに属するものである。また、固相のままで接合するということを意味し、接合される部材間の攪拌が生じるものでもない。

積層構造接合体の製造方法としては、摩擦攪拌接合による点接合と線接合が知られている。これらの接合方法をそれぞれ図５と図６を参照しながら説明する。

まず、図５は、摩擦攪拌接合により点接合する方法を示す斜視図である。摩擦攪拌接合を行う場合、図５に示すように、まず対象となる金属部材を重ねて配置する。次に、回転可能に設けた摩擦攪拌接合用ツール２１を、最上部に配置した上層部材２３の上部に、高速回転させながら押し付ける。これにより、摩擦攪拌接合用ツール２１と上層部材２３との間で摩擦熱が発生する。すると、上層部材２３の、摩擦攪拌接合用ツール２１を押し付けた箇所が局所的に高温となり軟化する。

さらに、押し付けられた摩擦攪拌接合用ツール２１は、高速回転しながら軟化した箇所に挿入していく。このとき、軟化した金属部材は、非溶融状態のまま、摩擦攪拌接合用ツール２１から加えられた力によって塑性流動する。これにより、上層部材２３の下側に重ねた部材も局所的に熱せられて軟化するか、同様に酸化被膜や汚れの膜を破る。そして、摩擦攪拌接合用ツール２１の周囲の金属部材同士が攪拌されて混ざり合い、あるいは金属間の熱による反応生成物を生じる。その後、摩擦攪拌接合用ツール２１を上部に抜きとることで、軟化した部分が冷却して凝固し、重ね合わせた金属部材同士を接合する。なお、下層部材２５の下側には、図示しない固定用の治具があり、接合対象の部材２３、２５を支えている。

次に、図６は、摩擦攪拌接合により線接合する方法を示す斜視図である。図６に示すように、軟化した上層部材に挿入した摩擦攪拌接合用ツール２１が上層部材の表面に沿って移動することで、一定の範囲を連続して接合できる。

特許文献１では、この摩擦攪拌接合により、二つの金属部材を接合している。ここでは、互いに摩擦攪拌接合が可能な材料として、ステンレス系もしくは鉄系の板状の材料を選択している。このように、摩擦攪拌接合をするためには、互いに摩擦攪拌接合可能な部材を選択する必要がある。

また、特許文献２に示すように、金属部材を三層に重ねることで、互いに摩擦攪拌接合する方法が知られている。しかしながら、この方法によれば、摩擦攪拌接合用ツールを、上層部材が下層部材に到達するように十分深く挿入する必要があり、接合に比較的時間がかかる。また、この挿入によって接合箇所に深い孔を残す傾向がある。

一方、特許文献３に示すように、三層に重ねた金属部材のうち、中間層に摩擦攪拌接合ができない金属部材を配置した場合においても、接合を可能にする方法がある。この方法によれば、中間層にあらかじめ十分な大きさの孔を設けておく。そして、ツールとの摩擦熱によって軟化した上層の金属部材が変形し、中間層に設けた孔を通って下層の金属部材と接触する。しかし、この方法によれば、あらかじめ中間層に孔を設け、その孔と接合箇所の位置合わせをするといった手間が生じる。

特開２００５−２１９３１号公報 特開２００１−３１４９８３号公報 特開２００６−１５０３８９号公報

本発明の目的は、比較的に高融点の上層部材及び下層部材の間に、少なくとも一層の比較的に低融点の中間層部材を挟んだ積層構造の接合体、及びその製造方法を提供することにある。ここでいう「高融点」または「低融点」とは、二者の間で相対的に融点が高いか、低いことを意味するものである。

本発明は、金属製の上層部材及び下層部材の間に、前記上層部材及び前記下層部材のいずれよりも融点が低く、かつ前記上層部材及び下層部材のいずれとも熱による固相接合または異種材料接合が可能である材質の中間層部材が少なくとも一層挟まれている積層構造の接合体を製造する方法であって、高速回転する摩擦攪拌接合用ツールを前記上層部材に押し当て、発生した摩擦熱によって前記上層部材を軟化させて前記摩擦攪拌接合用ツールを挿入し、軟化した前記上層部材が前記中間層部材をある程度押しのけ、かつ前記上部材が前記下層部材まで到達しない深さまで前記摩擦攪拌接合用ツールを挿入することによって、前記上層部材の下部と前記中間層部材の上部とを熱により固相接合または異種材料接合させてなる第一の接合部を形成させるとともに、第一の接合部の下方に、前記中間層部材の下部と前記下層部材の上部とを熱により固相接合または異種材料接合させてなる第二の接合部を形成させる、積層構造接合体の製造方法を提供する。

また、前記上層部材と前記下層部材とは、互いに熱により固相接合または異種材料接合できない組み合わせであってもよい。

また、前記中間層部材は、前記第一の接合部において前記上層部材の表面に露出しないものであってもよい。

また、前記中間層部材は、前記上層部材及び前記下層部材よりも硬度が低いものであってもよい。

また、前記摩擦攪拌接合用ツールは、ショルダー部と、前記ショルダー部の先端に設けた前記ショルダー部よりも外径の小さいプローブ部とを有し、前記摩擦攪拌接合用ツールを挿入する長さのうち、前記プローブ部が前記上層部材に挿入する長さは、前記中間層部材の厚さ以下であってもよい。

また、金属製の上層部材及び下層部材と、前記上層部材及び前記下層部材の間にある前記上層部材及び前記下層部材のいずれよりも融点が低く、かつ前記上層部材及び前記下層部材のいずれとも固相接合または異種材料接合が可能である少なくとも一層の中間層部材とを備え、前記上層部材は前記中間層部材に向かって変形しており、前記中間層部材は前記上層部材の変形部に対応した窪み部を有しており、前記上層部材の変形部と前記中間層部材の窪み部は熱により固相接合又は異種材料接合をして第一の接合部を形成しており、前記第一の接合部の下方で、前記中間層部材と前記下層部材が固相接合または異種材料接合して第二の接合部を形成しており、前記第一の接合部と前記第二の接合部の間に前記中間層部材が介在しており、前記中間層部材は、前記第一の接合部において前記上層部材の表面に露出していない積層構造接合体を提供する。

また、前記積層構造接合体における前記上層部材及び前記下層部材は、互いに熱により固相接合または異種材料接合できない組み合わせであってもよい。

また、前記積層構造接合体における前記中間層部材は、前記上層部材及び前記下層部材よりも接合時の温度条件において硬度が低いものであってもよい。

本発明によれば、比較的に高融点の上層部材及び下層部材の間に、少なくとも一層の比較的に低融点の中間層部材を挟んだ積層構造の接合体、及びその製造方法を提供できる。

三層の部材と接合用ツールを示す断面図である。 第１の実施形態に係る積層構造接合体の接合状態を示す断面図である。 第１の実施形態に係る積層構造接合体における接合部の断面写真である。 第１の実施形態に係る積層構造接合体における接合部断面の拡大写真である。 摩擦攪拌接合により点接合する方法を示す斜視図である。 摩擦攪拌接合により線接合する方法を示す斜視図である。

以下、本発明に係る積層構造接合体及びその接合方法について、図１〜３を用いて詳細に説明する。

［第１の実施形態］
まず、図１は、三層の部材と接合用ツールを示す断面図である。図１に示すように、ここでは接合対象の部材として、上層部材３と、下層部材５と、その間に挟んだ中間層部材７とを用意している。上層部材３と下層部材５は通常金属材料である。特に摩擦攪拌接合用ツール１の作用を受ける上層部材３は金属である必要があろう。中間層部材７としては、金属材料のほか、樹脂、特に熱可塑性樹脂を用いることができる。

また、本実施形態における摩擦攪拌接合用ツール１は、下端にプローブ１３を、その上方にショルダー１５を備えている。プローブ１３は、略円柱の形状をしており、その底面部の外径は接合をする箇所と対応した大きさになっている。また、その高さは中間層部材７の厚さよりも短くなっている。そして、プローブ１３の上部には、プローブ１３よりも外径の大きな略円柱形状のショルダー１５がある。この摩擦攪拌接合用ツール１は、ツール鋼、超鋼材のような素材で作製できる。

図２は、第１の実施形態に係る積層構造接合体の接合状態を示す断面図である。ここで、このような場合に用いる部材には、部材同士を互いに接合する際に、熱による反応生成物を生じて固相接合可能な組み合わせと、反応生成物を生じないため固相接合できない組み合わせとがある。例えば、アルミニウムやアルミニウム合金と、軟鋼、低合金鋼、ステンレス鋼とは、熱による固相接合が可能である。マグネシウム合金とアルミニウム合金とは固相接合が可能であるが、マグネシウム合金と、軟鋼、ステンレス鋼、鋼鉄とは固相接合できない。また、同種の金属同士は一般に固相接合が可能である。

本実施形態においては、摩擦攪拌接合用ツール１のプローブ１３を、最上部に配置した上層部材３の上部に、高速回転させながら押し付ける。これにより、摩擦攪拌接合用ツール１と上層部材３との間で摩擦熱が発生する。すると、上層部材３の、摩擦攪拌接合用ツール１を押し付けた箇所が局所的に高温となり軟化する。

さらに、軟化した上層部材３は、プローブ１３に押されて下方に向かって変形し、中間層部材７をその周囲に押しのける。これによって、中間層部材７は、上層部材３の変形形状に沿って変形する。そして、上層部材３は、下側に位置する中間層部材７と熱または熱と圧力とによる反応生成物を生じて固相接合し、第一の接合部６１を形成する。なお、ここでの接合は、反応生成物による接合または金属と樹脂の異種材料接合のほか、軟化した金属同士が塑性流動状態となって混ざり合って接合する態様もありうる。

また、プローブ１３と上層部材３との摩擦で発生した摩擦熱は、中間層部材７を伝わり、下層部材５へと到達する。図２に示すように、発生した摩擦熱により、中間層部材７と下層部材５とが熱による反応生成物を生じて固相接合または金属と樹脂の異種材料接合をし、第二の接合部６２を形成する。

ここで、この接合工程において、プローブ１３の上層部材３への挿入深さは、中間層部材７の厚さ以下であることが好ましい。これによって、プローブ１３は中間層部材７を貫通しないようにできる。したがって、接合部は、第一の接合部６１と第二の接合部６２との間に中間層７を挟んだ層構造にできる。

これにより、プローブ１３の挿入深さは、比較的に浅いものとなり、接合工程にかかる時間を短縮できる。また、プローブ１３の挿入によって、接合対象に残る孔の深さを比較的に浅いものにできる。

このような形状であることにより、それぞれの部材の接合に必要な接合面積を十分確保できるため、上層部材３と中間層部材７との接合強度が高まる。また、上層部材３と下層部材５とが直接接しないため、異種金属接触腐食を防止できる。さらに、中間層部材７も上層部材３又は下層部材５の表面に露出しないため、これらの部材間に水などが付着して電気的な腐食が生じるのを防止できる。

さらに、図２に示すように、上層部材３と中間層部材７との接合面は、プローブ１３によって押し込まれ、下向きの突起状の接合面を形成する。したがって、上下の部材を水平方向にずらすような力を受けた場合、接合部分がひっかかりとなり、接合箇所が外れにくくなる。

ここで、本実施形態における、各構成部材の条件の一例を示す。本実施形態においては、上層部材３として板厚約２．０ｍｍの鋼板を、中間層部材７として板厚約１．６ｍｍの国際アルミニウム合金番号が６０００番台のアルミニウム合金を、そして下層部材５として板厚約２．０ｍｍの鋼板を用いている。また、接合用ツール１は、超鋼材製の、直径約６ｍｍ、高さ約１．６ｍｍの略円柱形のプローブ１３、直径約１０ｍｍ、高さ約１０ｍｍのショルダー１５を備えている。接合時における、接合用ツール１の回転数は約７００ｒｐｍ、上層部材３への挿入量は約１．５ｍｍとしている。

また、接合用ツール１の挿入後、約２秒間この状態を保持している。この条件にあっては、上層部材３が中間層部材７を貫通することはない。したがって、上層部材３と下層部材５とは、互いに接触しない。また、中間層部材７は、接合箇所において上層部材３の表面に露出することはない。なお、ここに挙げた条件は、本実施形態の一例にすぎず、これらの条件に限られるものではない。

ところで、本実施形態においては、上層部材３が中間層部材７をある程度押しのけながら変形する。したがって、中間層部材７は、上層部材３の変形時において、上層部材３よりも硬度が低い材料であることが好ましい。また、上層部材３の変形時においては、上層部材３はプローブ１３によって摩擦熱を受けて高温となる。したがって、中間層部材７は、上層部材３が変形を始める温度よりも低い温度で変形する部材であることが好ましい。つまり、中間層部材７は、常温での硬度が上層部材３より高いものであっても、融点がこの上層部材３よりも低い部材であればよい。

表１に、本実施形態にかかる接合方法によって接合可能な三層の部材の組み合わせの一例を示す。本実施形態においては、上層部材３と中間層部材７とが、また、中間層部材７と下層部材５とが、それぞれ熱反応生成物による固相接合が可能な組み合わせとなっている。さらに、上層部材３と下層部材５も、同様に反応生成物による固相接合が可能な組み合わせとなっている。なお、表１に記載した部材の組み合わせは一例であって、ここに挙げたものには限らない。

ここで、図３は、第１の実施形態に係る積層構造接合体における接合部の断面写真である。図３に示すように、この写真における各部材は、表１におけるＮｏ．１の組み合わせとなっており、上層部材３として鉄１０３を、中間層部材７としてアルミニウム合金１０７を、下層部材５として鉄１０５を配置している。

ここで、図４は、第１の実施形態に係る積層構造接合体における接合部断面の拡大写真である。図４（ａ）に示すように、第一の接合部においては、上層部材３として配置した鉄１０３と、中間層部材７として配置したアルミニウム合金１０７との間に、層状の熱反応生成物１１１が生じている。また、図４（ｂ）に示すように、第二の接合部においては、中間層部材７として配置したアルミニウム合金１０７と、下層部材５として配置した鉄１０５との間に、層状の熱反応生成物１１２が生じている。

［第２の実施形態］
第２の実施形態について、表３を用いて説明する。本第２の実施形態は、第１の実施形態の変形例であるため、第１の実施形態と同一部分、または、類似部分には、同一符号を用いて、重複する説明を省略する。

表２には、本実施形態にかかる接合方法によって接合可能な三層の部材の組み合わせの一例を示す。本実施形態においては、上層部材３と中間層部材７とが、また、中間層部材７と下層部材５とが、それぞれ熱反応生成物による固相接合が可能な組み合わせとなっている。一方で、上層部材３と下層部材５とは、熱反応生成物による固相接合ができない組み合わせとなっている。本実施形態によれば、このような組み合わせであっても、上層部材３と中間層部材７とが、また、中間層部材７と下層部材５とが、それぞれ熱反応生成物により固相接合をする。なお、表２に記載した部材の組み合わせは一例であって、ここに挙げたものに限らない。

また、表１及び表２には、代表的な金属の名前として、アルミニウム合金やマグネシウム合金などを例に挙げているが、これらの部材はその成分や種類によって異なる硬度や融点を持つものがある。表３には、代表的な種類のアルミニウム合金とマグネシウム合金の融点を示す。表２における、Ｎｏ．１の組み合わせにおいては、マグネシウム合金の融点がアルミニウム合金と比較して高いことを想定している。しかし、表３に示すように、アルミニウム合金やマグネシウム合金などは、その種類によって融点が様々である。つまり、下層部材５にマグネシウム合金を配置する場合は、接合時の温度条件における硬度が中間層部材７よりも高いものを用いることが好ましい。

［第３の実施形態］
第３の実施形態について、表４を用いて説明する。本第３の実施形態は、第１及び第２の実施形態の変形例であるため、第１及び第２の実施形態と同一部分、または、類似部分には、同一符号を用いて、重複する説明を省略する。

表４には、上層部材３、中間層部材７、下層部材５のその他の組み合わせを示す。表４に示すように、中間層部材７には、金属以外の部材を配置することもできる。この場合、上層部材３と中間層部材７との接合部、及び、中間層部材７と下層部材５との接合部は、中間層部材が熱溶着する。例えば、表４のＮｏ．１〜Ｎｏ．９においては、中間層部材７を熱可塑性樹脂としている。このような材料を中間層部材７に用いることによって、上層部材３及び下層部材５が互いに熱による反応生成物を生じない、つまり固相接合しない組み合わせであっても、これらを接合できる。

なお、金属と樹脂を接合するための異種材料接合技術としては、金属表面に化学エッチングを行い、樹脂が食い込むための凹凸形状を形成したり、ベースになる金属表面に金属化合物皮膜を化学的に形成し、その上に反応性官能基を導入することにより樹脂に対する接合力を付与するといった技術が知られている。これらの技術を応用する場合において、樹脂と処理された金属を攪拌接合用ツールを用いて熱圧着することにより、樹脂と金属の間の異種材料接合を実現できる。

［その他の態様］
前述した実施形態の説明は、本発明にかかる積層構造接合体及びその製造方法を示す例示であって、特許請求の範囲に記載の発明を限定するものではない。また、本発明の各構成は前記した実施形態に限らず、特許請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能である。

例えば、前述した実施形態に示したプローブ１３及びショルダー１５の材質は超鋼材を用いているが、材質はこれらに限定されず、接合対象の部材よりも硬度が高く、かつ融点が高い材質であればその他の材質を用いても良い。例えばツール鋼、コバルト合金、セラミックなどを用いることもできる。

また、前述した実施形態においては、表面が平滑な板状の部材を水平に重ねて接合しているが、接合対象の部材は、このような形状に限られず、各部材の接合箇所が密着していれば、その他の形状であってもよい。例えば、各部材が凹凸を持っていても、接合部において接合対象の部材同士が密着していればよい。また、前述した金属と樹脂の異種材料接合の場合には、金属表面を粗面化することが一般に行われており、粗面化した金属部材も用いることができる。

また、前述した実施形態においては、各部材は厚さが一様な部材を接合する場合を例に挙げて説明しているが、接合対象の部材はこのような形状に限られるものではない。例えば、曲面や段差を有していて、位置に応じて厚みが変化するような部材を用いてもよい。また、中間層部材を積層する枚数は、三層や四層に限られず、それよりも多い複数枚であってもよい。この場合、積層された層のうち、互いに接触する層同士が熱による固相接合または溶着接合可能であることが好ましい。

また、中間層部材７に複数の部材を配置した場合も、本発明によって問題なく接合できる。この場合、中間層部材７を構成する複数の部材の厚みは、それぞれ同等の厚みである必要はなく、互いに異なったものであってもよい。なお、本発明は点接合にも、線接合にも、面接合にも適用できる。

１ 摩擦攪拌接合用ツール
３ 上層部材
５ 下層部材
７ 中間層部材
１３ プローブ
１５ ショルダー
２１ 摩擦攪拌接合用ツール
２３ 上層部材
２５ 下層部材
６１ 第一の接合部
６２ 第二の接合部
１０３ 鉄
１０５ 鉄
１０７ アルミ
１１１ 鉄とアルミの反応生成物
１１２ 鉄とアルミの反応生成物

Claims (8)

1. 金属製の上層部材及び下層部材の間に、前記上層部材及び前記下層部材のいずれよりも融点が低く、かつ前記上層部材及び下層部材のいずれとも熱による固相接合又は溶着接合が可能である材質の中間層部材が少なくとも一層挟まれている積層構造の接合体を製造する方法であって、
   高速回転する摩擦攪拌接合用ツールを前記上層部材に押し当て、発生した摩擦熱によって前記上層部材を軟化させて前記摩擦攪拌接合用ツールを挿入し、
   軟化した前記上層部材が前記中間層部材をある程度押しのけ、かつ前記上層部材が前記下層部材まで到達しない深さまで前記摩擦攪拌接合用ツールを挿入することによって、
   前記上層部材の下部と前記中間層部材の上部とを熱により固相接合または溶着接合させてなる第一の接合部を形成させるとともに、
   第一の接合部の下方に、前記中間層部材の下部と前記下層部材の上部とを熱により固相接合または異種材料接合させてなる第二の接合部を形成させる、積層構造接合体の製造方法。
2. 前記上層部材と前記下層部材とは、互いに熱により固相接合または異種材料接合できない組み合わせである請求項１に記載の積層構造接合体の製造方法。
3. 前記中間層部材は、前記第一の接合部において前記上層部材の表面に露出しない、請求項１又は請求項２に記載の積層構造接合体の製造方法。
4. 前記中間層部材は、前記上層部材及び前記下層部材よりも接合時の温度条件において硬度が低い、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の積層構造接合体の製造方法。
5. 前記摩擦攪拌接合用ツールは、ショルダー部と、前記ショルダー部の先端に設けた前記ショルダー部よりも外径の小さいプローブ部とを有し、
   前記摩擦攪拌接合用ツールを挿入する長さのうち、前記プローブ部が前記上層部材に挿入する長さは、前記中間層部材の厚さ以下である、請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の積層構造接合体の製造方法。
6. 金属製の上層部材及び下層部材と、前記上層部材及び前記下層部材の間にある前記上層部材及び前記下層部材のいずれよりも融点が低く、かつ前記上層部材及び前記下層部材のいずれとも熱による固相接合又は溶着接合が可能である少なくとも一層の中間層部材とを備え、
   前記上層部材は前記中間層部材に向かって変形しており、
   前記中間層部材は前記上層部材の変形に対応した窪みを有しており、
   前記上層部材の変形と前記中間層部材の窪みは熱により固相接合又は異種材料接合をして第一の接合部を形成しており、
   前記第一の接合部の下方で、前記中間層部材と前記下層部材が熱により固相接合又は異種材料接合して第二の接合部を形成しており、
   前記第一の接合部と前記第二の接合部の間に前記中間層部材が介在しており、
   前記中間層部材は、前記第一の接合部において前記上層部材の表面に露出していない積層構造接合体。
7. 前記上層部材及び前記下層部材は、互いに熱により固相接合できない組み合わせである請求項６に記載の積層構造接合体。
8. 前記中間層部材は、前記上層部材及び前記下層部材よりも接合時の温度条件において硬度が低い、請求項６又は請求項７に記載の積層構造接合体。