JP6387034B2 - 金属接合体およびその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、複数の金属部材にかしめを施して互いに接合した金属接合体およびその製造方法に係り、特に、接合強度を高める技術に関する。
複数の金属部材を接合する技術としては、例えば特許文献１の背景技術として開示されているように、接合する各金属部材の接合面上に存在する金属酸化被膜をワイヤブラシなどで除去して酸化していない金属（新生面）を露出させた後、加圧により変形させて金属部材間に存在する微小な空隙を潰し、露出した新生面どうしを原子間力が働く距離にまで近接させて結合する技術が知られている。同様の技術は特許文献２にも開示されている。
また、特許文献３には、互いに重ね合わせた金属板材にダイスによってかしめを施すに際して、ダイスの表面を鏡面に加工することにより、ダイスと金属板材との間の摩擦抵抗を低減し、金属板材の流れるような変形を円滑にした技術が開示されている。
しかしながら、特許文献１および２に開示されているように、ワイヤブラシで酸化被膜を除去した場合は、不規則な溝状を成す除去部が生成されるが、そのような局部的な溝では、かしめ時の金属部材の変形の際に、溝の奥まで届くほど十分な塑性流動は起き難く、材料どうしの凝着が不十分になるため接合強度は充分ではない。
また、特許文献３に記載の技術は、金属接合体の形状や大きさにバラツキが生じるのを回避することを課題とするもので、接合強度の向上に貢献するものではなかった。
一般に、金属板どうしのかしめ接合においては、接合部の面積や接合深さを充分に確保することができない場合が多く、より高い接合強度を実現することはレイアウトの制約により困難である。このため、接合部の面積や接合深さを拡大することなく、接合強度を向上させる技術が要望されていた。
したがって、本発明は、金属接合面どうしの凝着を促進してかしめの接合強度を向上させた金属接合体およびその製造方法を提供することを目的としている。
本発明者等は、接合する金属部材の金属接合面どうしの凝着を促進すべく表面の改質について鋭意研究を重ねた結果、金属接合面を溶融および凝固させて結晶を粗大化し、脆い表面改質層を形成することに思い至った。そして、表面改質層が充分に薄いと、かしめによる変形で表面改質層に微細な割れが発生し、割れを起点としてそれぞれの分割片が剥離することを見出した。これにより、極めて平滑な酸化していない金属（新生面）が露出し、新生面どうしが凝着することで接合強度が向上するとの知見を得た。
本発明の金属接合体の製造方法は、上記知見に基づいてなされたもので、金属板の表面の少なくともかしめを施す表面部に、高エネルギービームを照射して該表面の金属酸化被膜を溶融および凝固して表面改質薄膜を形成し、前記表面改質薄膜どうしが向かい合うように複数の前記金属板を重ね合わせて積層金属板を形成し、前記積層金属板を工具により加圧成形してかしめを施すことを特徴とする。
本発明によれば、金属板の表面のかしめを施す表面部に高エネルギービームを照射して該表面の金属酸化被膜を溶融および凝固させることにより、表面部の組織が粗大化して脆い表面改質薄膜が形成される。そして、表面改質薄膜どうしが向かい合うように複数の金属板を重ね合わせた積層金属板に工具によりかしめを施すと、材料の変形に伴って表面改質薄膜が微細に割れ、その割れが起点となってそれぞれの分割片が剥離し、極めて平滑な新生面が広い範囲で露出する。この新生面どうしが凝着することにより強い接合強度を得ることができる。また、金属板の僅かな深さの層を改質するため、母材の強度に影響を与えることがない。
上記のような作用および効果を確実に得るために、金属板の厚さは３ｍｍ以下が望ましく、表面改質薄膜の厚さは板厚の１／１０以下であることが望ましい。より具体的には、表面改質薄膜の厚さは５〜１００μｍであることが望ましい。表面改質薄膜の厚さを５μｍ以上とすることで、材料がアルミニウム等である場合には金属酸化被膜、材料がステンレス鋼である場合には不動態被膜を確実に改質（脆化）することができる。
一方、表面改質薄膜の厚さが１００μｍを超えると、表面改質薄膜がかしめによって割れ難く、また、割れても粗大に分割されるため剥離され難く、新生面を充分に露出させることができない。換言すると、表面改質薄膜の厚さを１００μｍ以下とすることにより、かしめ時に表面改質薄膜が微細に割れ、その割れを起点としてそれぞれの分割片が剥離されることで広い新生面を得ることができる。これにより、広い面積で凝着が行われるので、接合強度を高めることができる。
なお、特許文献４には、高温のアルミニウム連続鋳造塊の表面に高エネルギー密度ビームを照射して表面改質を行う技術が開示されている。この技術は、アルミニウム連続鋳造塊の表面における急冷凝固を利用して化合物二次相を生成するか結晶粒の微細化を図り、エッチング性、耐食性、耐衝撃性、耐疲労性等の表面特性を改良する技術であるから、脆化した表面改質薄膜を形成する本発明とは異なる技術である。本発明と特許文献４との相違は、後述する実施例において詳細に説明する。
なお、高エネルギービームとしてはパルスレーザを用いることが望ましい。パルスレーザを用いることにより、金属表面への入熱を制御して極薄い表面のみを溶融および凝固させて非常に薄くて脆い表面改質薄膜を成形することができる。これにより、かしめで付与される塑性変形の量が少なくても、表面改質薄膜が確実に割れ、その割れを起点として分割片が剥離し、広い範囲で新生面を露出させることができる。そして、新生面どうしが凝着することにより、接合強度を高めることができる。
また、金属板の材料としては、例えばアルミニウム、鉄、銅、チタン、マグネシウムなどあらゆる金属材料とそれらの合金を用いることができる。
次に、本発明の金属接合体は、複数の金属板を互いに積層した積層金属板を備え、前記積層金属板の一方の面に凹部が形成され、他方の面に前記凹部の凹みを突出させた凸部が形成され、前記金属板どうしの向かい合った面に、金属酸化被膜を溶融および凝固させてなる他の部分よりも脆化した表面改質薄膜が形成され、前記凹部において前記表面改質薄膜の一部が剥離して露出した新生面どうしが互いに凝着していることを特徴とする。また、本発明の金属接合体は、前記表面改質薄膜が前記金属板どうしの向かい合った面の双方に施される形態を含む。
本発明の金属接合体によれば、表面改質薄膜の一部が剥離した新生面どうしが互いに凝着しているので、強い接合強度を得ることができる。
本発明によれば、金属板どうしの接合面に脆い表面改質薄膜を形成することにより、加工により表面改質薄膜を剥離して新生面どうしの凝着を促進することにより、接合部の面積や接合深さを拡大することなく接合強度を向上させることができる等の効果を得ることができる。
１．表面改質処理
以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。図１はアルミニウムなどの金属板１に表面改質処理を施している状態を示す。金属板１の表裏面には金属酸化被膜２が形成されている。金属板１の一方の面にパルスレーザ３を照射しながら走査することにより、金属酸化被膜２を溶融し凝固させ、金属酸化被膜２を表面改質して表面改質薄膜４とする。このとき、表面改質は、後にかしめを施す部分の全面に隙間なく行う。表面改質薄膜４は粗大な結晶からなる脆い組織である。
以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。図１はアルミニウムなどの金属板１に表面改質処理を施している状態を示す。金属板１の表裏面には金属酸化被膜２が形成されている。金属板１の一方の面にパルスレーザ３を照射しながら走査することにより、金属酸化被膜２を溶融し凝固させ、金属酸化被膜２を表面改質して表面改質薄膜４とする。このとき、表面改質は、後にかしめを施す部分の全面に隙間なく行う。表面改質薄膜４は粗大な結晶からなる脆い組織である。
２．かしめ接合
次に、図２に示すように、２枚の金属板１を表面改質薄膜４が向かい合うように重ね合わせて積層金属板５を形成し、積層金属板５に断面円形の凹部６ａを有するダイス６と断面円形のポンチ７によって加圧成形する。ポンチ７は図示しない駆動機構によりダイス６に対して接近離間可能とされ、ポンチ７の先端部の径は、ダイス６の凹部６ａの径よりも小径とされている。
次に、図２に示すように、２枚の金属板１を表面改質薄膜４が向かい合うように重ね合わせて積層金属板５を形成し、積層金属板５に断面円形の凹部６ａを有するダイス６と断面円形のポンチ７によって加圧成形する。ポンチ７は図示しない駆動機構によりダイス６に対して接近離間可能とされ、ポンチ７の先端部の径は、ダイス６の凹部６ａの径よりも小径とされている。
ポンチ７をダイス６側へ移動させると、積層金属板５が下方へ凸となるように塑性変形する。このとき、表面改質薄膜４は脆いため積層金属板５の変形によって微細に割れ、その割れを起点としてそれぞれの分割片が剥離して金属板１の新生面が広い範囲で露出する。そして、新生面に加えられる圧力によって新生面どうしが凝着する。したがって、表面の金属酸化被膜をワイヤブラシ等で除去する特許文献１および２に開示された従来技術と比較してより広い範囲で凝着が起こり、強い接合強度を得ることができる。
特に、上記実施形態では、高熱エネルギービームとしてパルスレーザ３を用いているので、金属板１の表面への入熱を制御して極薄い表面のみを溶融および凝固させて非常に薄くて脆い表面改質薄膜を成形することができる。これにより、かしめで付与される塑性変形の量が少なくても、表面改質薄膜４が確実に割れ、その割れを起点として分割片が剥離し、広い範囲で新生面を露出させることができる。そして、新生面どうしが凝着することにより、接合強度を高めることができる
なお、上記実施形態では、２枚の金属板１からなる積層金属板５をかしめ接合しているが、３枚以上の金属板１からなる積層金属板５をかしめ接合することもできる。この場合には、金属板１どうしが向かい合う表面の全てにパルスレーザ３による表面改質を行う。
１．実施例１（表面改質処理）
以下、実施例を参照して本発明をさらに詳細に説明する。
図３は厚さ１ｍｍのアルミニウム（株式会社神戸製鋼所製アルミニウム合金：６Ｋ２１）の圧延材の表面を示す写真であり、同図（Ａ）は倍率を１００倍、（Ｂ）は倍率を５００倍にして撮影したものである。これらの図に示すように、圧延材の表面には微細な圧延ローラの痕が残っている。
以下、実施例を参照して本発明をさらに詳細に説明する。
図３は厚さ１ｍｍのアルミニウム（株式会社神戸製鋼所製アルミニウム合金：６Ｋ２１）の圧延材の表面を示す写真であり、同図（Ａ）は倍率を１００倍、（Ｂ）は倍率を５００倍にして撮影したものである。これらの図に示すように、圧延材の表面には微細な圧延ローラの痕が残っている。
次に、上記圧延材にパルスレーザ装置（クリーンレーザシステム社製、出力：１２０Ｗ、焦点距離：１５０ｍｍ、パルス周波数：１０ｋＨｚ、走査周波数：５０Ｈｚ）を用いて表面改質を行った。パルスレーザの走査は圧延材の局所部分の全面に隙間無く行った。
図４は上記の条件で表面改質を行った金属板の表面を示す写真であり、同図（Ａ）は倍率を１００倍、（Ｂ）は倍率を５００倍にして撮影したものである。図４（Ａ）から、パルスレーザによる走査は隙間無く行われたことが判る。また、図４（Ｂ）から、圧延材の表面が溶融および凝固し、圧延ローラの痕が消えて滑らかな表面になっていることが判る。すなわち、表面改質薄膜が形成されていることが確認された。この表面改質薄膜の厚さは平均で７μｍであった。
２．実施例２（Ｖ字曲げ試験）
上記圧延材および表面改質した金属板にＪＩＳＺ２２４８に準拠してＶ字曲げ試験を行った。Ｖ字曲げ試験は、Ｖ字状に所定角度で屈曲した押圧面を有する雄型および雌型に試料を挟んで屈曲させる試験である。金属板のＶ字曲げ試験では、表面改質した部分がＶ字の角側となるようにした。
上記圧延材および表面改質した金属板にＪＩＳＺ２２４８に準拠してＶ字曲げ試験を行った。Ｖ字曲げ試験は、Ｖ字状に所定角度で屈曲した押圧面を有する雄型および雌型に試料を挟んで屈曲させる試験である。金属板のＶ字曲げ試験では、表面改質した部分がＶ字の角側となるようにした。
図５（Ａ）はＶ字曲げ試験前の圧延材の表面を示す写真、図５（Ｂ）はＶ字曲げ試験後の圧延材の屈曲部の表面を示す写真である。図５（Ｂ）に示すように、圧延材の屈曲部の表面には、金属酸化被膜の比較的大きな割れが認められた。
一方、図６（Ａ）はＶ字曲げ試験前の表面改質した金属板の表面を示す写真、図６（Ｂ）はＶ字曲げ試験後の金属板の屈曲部の表面を示す写真である。図６（Ｂ）に示すように、金属板の屈曲部の表面には、表面改質薄膜の微細な割れが多数認められた。したがって、このような金属板にかしめを施すと、表面改質薄膜が微細に割れ、その割れを起点としてそれぞれの分割片が剥離して新生面が広い範囲で露出することが推察される。これに対して、表面改質していない圧延板では、金属酸化被膜の割れが大きいために剥離し難いことが推察される。このことは、特許文献４が開示した技術においても当てはまる。
ところで、特許文献４では、ＴＩＧアークを用いてアルミニウムのインゴットの表面改質を行っている。この技術では、厚さが３００ｍｍ以上のインゴットを鋳造した後、２００℃まで冷却してＴＩＧアークにより表面全体を溶融する。そして、溶融した表面に微量の合金元素を溶かし込むことにより溶融した組織の微細化を図っている。あるいは、溶融する際のシールドガスに酸素または窒素ガスを含有させることにより、酸化物や窒化物を生成させて耐摩耗性を高めている。この技術における表面改質層の厚さはインゴットの厚さの１／１０〜１／１００程度とされている。したがって、特許文献４の技術では、表面改質層の組織が微細ないし強固であることもさることながら、厚さが厚いためにＶ字曲げ試験で表面改質層は容易に割れず、したがって、かしめを施したときに表面改質層が剥離し難いことが推察される。
なお、本発明においても、表面改質においてパルスレーザを何度も重ねて走査すると、表面改質薄膜の厚さが厚くなって特許文献４と同様の不都合が生じる。したがって、パルスレーザは、隙間なくかつ厚くならないように走査し、これによって表面改質薄膜の厚さを１００μｍ以下にすることが望ましい。
３．実施例３（かしめ接合）
実施例１で用いた圧延材の片面の金属酸化被膜をワイヤブラシを用いて除去し、その面が向かい合うように２枚の圧延材を重ね合わせて積層金属板を形成した。また、実施例１で表面改質を行った面が向かい合うように２枚の金属板を重ね合わせて積層金属板を形成した。この場合において、圧延材と金属板は短冊状とし、それらを長手方向に互いにずらして積層金属板とした。これらの積層金属板に対して図７に示すかしめ装置（ＴＯＸ社製）を用いて図７に示すような形状に成形し、かしめ接合を行った。かしめ装置は、凹部６ａを有するダイス６とポンチ７とを備え、ポンチ７をダイス６に接近離間させる構造のものである。凹部６ａの底部の周縁には、一段低くなった窪みが形成され、成形された積層金属板の材料が窪みに入り込んで材料の境界部で互いに噛み合うようにかしめ成形される。
実施例１で用いた圧延材の片面の金属酸化被膜をワイヤブラシを用いて除去し、その面が向かい合うように２枚の圧延材を重ね合わせて積層金属板を形成した。また、実施例１で表面改質を行った面が向かい合うように２枚の金属板を重ね合わせて積層金属板を形成した。この場合において、圧延材と金属板は短冊状とし、それらを長手方向に互いにずらして積層金属板とした。これらの積層金属板に対して図７に示すかしめ装置（ＴＯＸ社製）を用いて図７に示すような形状に成形し、かしめ接合を行った。かしめ装置は、凹部６ａを有するダイス６とポンチ７とを備え、ポンチ７をダイス６に接近離間させる構造のものである。凹部６ａの底部の周縁には、一段低くなった窪みが形成され、成形された積層金属板の材料が窪みに入り込んで材料の境界部で互いに噛み合うようにかしめ成形される。
かしめ接合に用いたポンチ７の径は５．６ｍｍとし、ダイス６の径を８ｍｍ、ダイス６の凹部６ａの深さを１．０ｍｍとした。そして、ポンチ７の下死点の位置を調整してポンチ７を積層金属板に対して押し込んだ後の板厚ｔが０．９〜１．４ｍｍとなるようにした。それぞれの押し込み後の板厚ｔにおける各積層金属板のせん断強度を表１に示す。なお、せん断強度は、かしめ成形後の積層金属板の両端部が離間する方向で引張試験を行って測定した。
ポンチ７の押し込み量が大きくなると、加圧量が増えて押し込み後の板厚が小さくなる。逆に、押し込み後の板厚が大きくなると、ポンチによる加圧が不充分となり、かしめ成形部が完全には成形されない。本発明例では、従来例と比較していずれの押し込み深さでもせん断強度が高い。押し込み後の板厚が１．４ｍｍのときは、従来例ではかしめ成形が不充分で積層金属板１どうしの凝着が起こらなかったため、せん断強度は発現しなかったが、本発明例では、ポンチ７とダイス６に挟まれた底面領域において新生面における凝着があるため、せん断強度を発現した。
このように、ワイヤブラシで酸化被膜を除去した従来例では、加工を受けたときにワイヤブラシで形成された溝の奥まで届くほど十分な塑性流動は起き難いため、材料どうしの凝着が不十分となって接合強度は充分ではない。これに対して、本発明例においては、実施例２で示したように、表面改質薄膜が微細に割れ、その割れを起点としてそれぞれの分割片が剥離して平坦な新生面を広い範囲で露出する。このため、変形時に凝着し易く、結果として広い凝着面積を確保して接合強度を高めることができる。
なお、特許文献４に開示された技術では表面改質層の厚さが厚いため、かしめ接合によって表面改質層が本発明例のように微細に割れるとは考えられないから、得られるせん断強度は従来例と同等かそれ以下と推察される。
本発明は、複数の金属板をかしめて接合する技術に利用可能であり、特に、接合部の面積や深さに制約を受ける用途に利用して好適である。
Claims (4)
- 複数の金属板を互いに積層した積層金属板を備え、前記積層金属板の一方の面に凹部が形成され、他方の面に前記凹部の凹みを突出させた凸部が形成され、前記金属板どうしの向かい合った面に、金属酸化被膜を溶融および凝固させてなる他の部分よりも脆化した表面改質薄膜が形成され、前記凹部において前記表面改質薄膜の一部が剥離して露出した新生面どうしが互いに凝着していることを特徴とする金属接合体。
- 前記表面改質薄膜は、前記金属板どうしの向かい合った面の双方に施されることを特徴とする請求項１に記載の金属接合体。
- 金属板の表面の少なくともかしめを施す表面部に、高エネルギービームを照射して該表面の金属酸化被膜を溶融および凝固して表面改質薄膜を形成し、前記表面改質薄膜どうしが向かい合うように複数の前記金属板を重ね合わせて積層金属板を形成し、
前記積層金属板を工具により加圧成形してかしめを施すことを特徴とする金属接合体の製造方法。 - 前記高エネルギービームがパルスレーザであることを特徴とする請求項３に記載の金属接合体の製造方法。
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