JP7114029B2 - metal joining method - Google Patents
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Description
特許法第30条第2項適用 富山県工業技術センター研究報告書 No.31 2017 平成29年7月28日発行第6-7ページに発表Application of
特許法第30条第2項適用 一般社団法人溶接学会全国大会講演概要 第101集(2017-9) 平成29年8月9日発行第324-325ページに発表
本発明は、異種又は同種の金属材料同士を固相の状態で接合する金属接合方法に関する。 The present invention relates to a metal joining method for joining different or similar metal materials in a solid state.
近年、例えば自動車分野において、車両の軽量化や輸送エネルギーの削減等のために、金属構成部材の複合化が進められている。特に軽量な高機能素材として、アルミニウム合金を主とした軽金属材料の活用、およびこれらを用いて複数の金属を一体化した素材、方法が種々提案されている。 2. Description of the Related Art In recent years, for example, in the field of automobiles, compounding of metal components has been promoted in order to reduce vehicle weight, reduce transportation energy, and the like. In particular, various proposals have been made on the utilization of light metal materials, mainly aluminum alloys, as lightweight and high-performance materials, and on the materials and methods in which a plurality of metals are integrated using these materials.
従来、金属材料を接合する方法としては、素材を融点以上にする溶融溶接が一般的であるが、接合時に要するエネルギーも大きく、さらには異種金属においては、脆弱な金属間化合物相を生成し、実用強度を有する接合そのものが難しいという問題もあった。例えば、自動車で最も利用されている接合方法の一つに抵抗溶接法がある。これはジュール熱で接合界面を溶融溶接するものである。しかしながら本法では、金属間化合物生成の問題により異材への適用ができないほか、同種材同士の接合であっても、例えば電気抵抗の小さいアルミにおいては、高電流が必要となるから抵抗溶接機の電極が早期に消耗し、適用が困難という問題を抱えている。 Conventionally, as a method for joining metal materials, fusion welding is generally used to heat the material above its melting point. There is also the problem that joining itself with practical strength is difficult. For example, one of the joining methods most used in automobiles is resistance welding. This melts and welds the joining interface with Joule heat. However, this method cannot be applied to dissimilar materials due to the problem of the formation of intermetallic compounds, and even when joining similar materials, for example, aluminum, which has low electrical resistance, requires a high current. The problem is that the electrodes wear out quickly and are difficult to apply.
このため、自動車車両を中心として異材接合技術の必要性が高まるなか、金属間化合物の生成を抑制するための固相接合法など、これに対応した新たな接合法が必要となっている。しかし、従来の固相接合法では、実生産への適用が極めて困難である。例えば、拡散接合では、接合性に大きな影響を及ぼす酸化膜の除去のため、接合面を十分に研磨した上で、接合中に酸化しないよう不活性ガスなどの雰囲気が必要であるほか、高温で長時間の保持が必要となり量産性に極めて乏しい。また摩擦攪拌接合(Friction stir welding: FSW)や圧延を利用した圧接等では、得られる強度が小さい上、拘束治具の制約および適用形状への制約も非常に強い。例えば、FSWでは基本的に線もしくは点接合に限られ、また圧延では平面接合に限られる。これらの手法では、従来の抵抗溶接等で行われているような、空間上の点接合など、適用形状への高い自由度かつサイクルタイム数秒以下のハイサイクル加工に対応することが困難である。 For this reason, as the need for dissimilar metal joining technology increases, especially in automobiles, new joining methods such as solid state joining methods to suppress the formation of intermetallic compounds are required. However, it is extremely difficult to apply the conventional solid phase bonding method to actual production. For example, in diffusion bonding, in order to remove the oxide film that greatly affects the bondability, the bonding surface must be sufficiently polished, and an atmosphere such as an inert gas is required to prevent oxidation during bonding. Long-term retention is required, and mass productivity is extremely poor. In addition, pressure welding using friction stir welding (FSW) or rolling does not only provide low strength, but also severely restricts the restraint jig and applicable shape. For example, FSW is basically limited to line or point bonding, and rolling is limited to planar bonding. With these methods, it is difficult to respond to high-cycle processing with a high degree of freedom in the applied shape and a cycle time of several seconds or less, such as point joining in space, which is performed by conventional resistance welding.
そこで、比較的生産性の高い固相接合技術として、特許文献1,2には、アルミニウム等の金属材料を機械的に接合するかしめ接合方法と材料が開示されている。かしめ接合は、パンチとダイにより材料を塑性変形させて、部材同士を圧接させ変形部の係合により機械的に接合するものである。また、特許文献3に開示されているように、板金を圧接により接合する板金結合方法であって、第1の板金と第2の板金とを重ね合わせて第1の板金側から局所的にピンで押圧して、膨張部により機械的に結合させる板金結合方法も提案されている。
Therefore, as a solid phase bonding technique with relatively high productivity,
また、特許文献4に開示されているように、異種金属を接合した材料として、アルミニウム合金の板材と、ニッケル合金またはチタン合金等の板材と、マグネシウム合金の板材とを積層して、圧延し一体化して成るクラッド材もある。
Further, as disclosed in
そのほか、本願発明者らは、特許文献5に開示されているように、アルミニウム合金とマグネシウム合金の組合せにおいて、油圧プレス装置を用いて、静的な荷重付加において異材の結合部材とその製造方法を開発した。この結合部材は、インサート材として、マグネシウムとは相互溶解度がほぼないが、マグネシウム合金中のアルミニウム成分との反応性が良い純チタンを用いて、アルミニウム合金とマグネシウム合金を油圧装置により高圧をかけて接合したものである。
In addition, as disclosed in
しかしながら、上記特許文献1,2,3に記載された接合構造は、いずれも冶金反応による接合方法ではなく、機械的に接合されたものであり、接合強度及び信頼性が低く、界面での剥離が生じやすいものである。また、特許文献4に開示されたクラッド材は固相状態における冶金的な接合であるが、圧延プロセスのため適用形状における自由度が極めて低いほか、その接合強度も低く、例えば自動車車両の生産ラインに用いられる従来の抵抗溶接の代替適用などは不可能である。同様に、特許文献5に開示された結合部材も、油圧プレス装置で部材を静的に加圧し接合するもので、荷重保持時間20秒、1プロセスで数十秒以上と、接合のための処理時間が掛かり、自動車車両の生産ラインに用いるには生産性に問題があった。
However, the joint structures described in
本発明は、上記背景技術に鑑みて成されたものであり、同種及び異種材に限らず金属材料同士を任意の接合形状において、固相状態で高速かつ高強度に接合することができる生産性に優れた金属接合方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-mentioned background art, and is capable of joining metal materials in an arbitrary joining shape in a solid state at high speed and high strength, regardless of whether they are the same or different materials. An object of the present invention is to provide a metal joining method excellent in
本発明は、固相状態の金属材料同士を重ね合わせた状態で所定の衝撃荷重を加えて機械的に加圧し、前記金属材料同士が接した界面で塑性流動を生じさせるとともに界面の面積を増大させ、前記界面の少なくとも一方の金属材料に他方の金属材料の原子が拡散した拡散層を形成させて前記金属材料同士を一体に接合する金属接合方法である。 In the present invention, a predetermined impact load is applied to a state in which the metal materials in a solid state are superimposed and mechanically pressurized to cause plastic flow at the interface where the metal materials are in contact with each other, and to increase the area of the interface. and forming a diffusion layer in which atoms of the other metal material are diffused into at least one of the metal materials at the interface to integrally bond the metal materials .
前記金属材料は、前記金属材料の前記塑性流動を容易にする温度であって、前記加圧時にも液相を生じない温度に加熱した状態で、前記加圧を行うことが好ましい。さらに、前記金属材料が互いに異種の金属の場合、前記金属材料同士の間に適切なインサート材を介在させて、前記加圧を行い中間層を介して接合させても良い。 The metal material is preferably pressurized while being heated to a temperature that facilitates the plastic flow of the metal material and that does not cause a liquid phase during the pressurization. Furthermore, when the metal materials are different metals, an appropriate insert material may be interposed between the metal materials, and the pressure may be applied to join the metal materials via an intermediate layer.
前記金属材料は、アルミニウム又はアルミニウム合金と、マグネシウム又はマグネシウム合金である。又は、前記金属材料は、アルミニウム又はアルミニウム合金同士でも良く、マグネシウム又はマグネシウム合金同士でも良い。これらの異材接合においては、インサート材として、シート状もしくは粒子状のチタンを介在させると良い。同種材接合においては、インサート材は無くても良い。 The metal materials are aluminum or an aluminum alloy and magnesium or a magnesium alloy. Alternatively, the metal materials may be aluminum or aluminum alloys, or magnesium or magnesium alloys. In joining these dissimilar materials, it is preferable to interpose sheet-like or particulate titanium as an insert material. The insert material may be omitted in the joining of similar materials.
前記加圧保持時間は3秒以下であり、荷重付加においては瞬間的な衝撃荷重(材料接触時の速度として100mm/s以上)を与えられると良い。 The pressing and holding time is 3 seconds or less, and it is preferable to apply an instantaneous impact load (100 mm/s or more as a speed at the time of contact with the material) when applying the load.
また本発明は、固相状態の金属材料同士を重ね合わせた状態で前記金属材料同士を支持するとともに前記金属材料の塑性変形を許容する支持部と、前記支持部に保持された前記金属材料に所定の衝撃荷重を加え、前記金属材料同士が接した界面に塑性流動を生じさせ前記界面の面積を増大させて、前記界面の少なくとも一方の金属材料に他方の金属材料の原子が拡散した拡散層を形成する機械的加圧装置とを備えた金属接合装置を用いるものである。 In addition, the present invention provides a support portion that supports the metal materials in a state where the metal materials in a solid state are superimposed on each other and allows plastic deformation of the metal materials, and the metal material held by the support portion. A diffusion layer in which atoms of at least one of the metal materials are diffused into at least one of the metal materials at the interface by applying a predetermined impact load to cause plastic flow at the interface where the metal materials are in contact with each other to increase the area of the interface. It uses a metal bonding device with a mechanical pressure device that forms a
前記機械的加圧装置は、往復動する可動部と、この可動部に力を加えて加圧動作を行う駆動部とを有し、前記駆動部により前記可動部を作動させ、前記可動部の材料接触時の速度が100mm/s以上で、前記金属材料を挟んで前記支持部と前記可動部により前記金属材料に前記加圧動作を行うものである。特に、前記機械的加圧装置は、高速動作が可能な油圧、空圧もしくは電動モーター等の単軸アクチュエータを有するC型フレーム等のロボット(ロボットガン)あるいはサーボモータ等で駆動される機械式プレス装置が好ましい。 The mechanical pressurizing device has a movable part that reciprocates and a driving part that applies force to the movable part to perform a pressurizing operation. The speed at the time of material contact is 100 mm/s or more, and the pressing operation is performed on the metal material by the support part and the movable part while sandwiching the metal material. In particular, the mechanical pressure device is a robot (robot gun) such as a C-frame having a single-axis actuator such as a hydraulic, pneumatic or electric motor capable of high-speed operation, or a mechanical press driven by a servo motor or the like. A device is preferred.
また本発明は、固相状態の金属材料同士を重ね合わせた状態で前記金属材料同士を支持するとともに前記金属材料の塑性変形を許容する支持部と、前記支持部に保持された前記金属材料に所定の衝撃荷重を加え、前記金属材料同士が接した界面に塑性流動を生じさせ前記界面の面積を増大させて、前記界面の少なくとも一方の金属材料に他方の金属材料の原子が拡散した拡散層を形成する機械的加圧装置とを有した金属接合装置を備え、互いに接合する金属部材を重ねて前記金属接合装置に供給する金属部材供給装置と、前記機械的加圧装置により接合された金属部材を前記金属接合装置から搬出する金属部材搬出装置を備えた金属部材接合システムに用いることができる。 In addition, the present invention provides a support portion that supports the metal materials in a state where the metal materials in a solid state are superimposed on each other and allows plastic deformation of the metal materials, and the metal material held by the support portion. A diffusion layer in which atoms of at least one of the metal materials are diffused into at least one of the metal materials at the interface by applying a predetermined impact load to cause plastic flow at the interface where the metal materials are in contact with each other to increase the area of the interface. A metal member supply device for overlapping metal members to be joined and supplying them to the metal bonding device, and a metal joined by the mechanical pressure device It can be used in a metal member joining system provided with a metal member unloading device for unloading a member from the metal bonding device.
前記金属接合装置は、金属製品の製造ラインに配置されるものである。特に、前記金属接合装置は、所定の制御装置により駆動されるロボットに設けられているものである。 The metal bonding apparatus is arranged in a manufacturing line of metal products. In particular, the metal bonding apparatus is provided in a robot driven by a predetermined control device.
また、前記金属接合装置は、金属製品の製造ラインに複数台配置され、順次前記金属部材供給装置と前記金属部材搬出装置により、前記金属部材を前記複数の前記金属接合装置に搬入及び搬出可能に設けられたものである。 Further, a plurality of the metal bonding apparatuses are arranged in a metal product manufacturing line, and the metal members can be sequentially carried in and out of the plurality of metal bonding apparatuses by the metal member supply device and the metal member unloading device. It was established.
本発明の金属接合方法によれば、アルミニウム部材やマグネシウム部材、鉄や銅等の合金、その他種々の金属材料を固相状態において、短時間で効率よく高強度に接合することができる。これは、瞬間的な衝撃荷重により塑性流動を生じさせ表面の酸化膜を除去するとともに極短時間の荷重保持時間により極めて薄い拡散層を形成し、脆弱な金属間化合物相の生成をナノメートルオーダーに抑え込むことによる。また、接合対象の金属の形状も問わないものであり、多くの金属製品に適用可能なものである。さらに、異種金属材料同士の接合においては、適切なインサート材の中間層を介在させることにより、より高強度な接合が可能になる。 According to the metal joining method of the present invention, aluminum members, magnesium members, alloys such as iron and copper, and various other metal materials can be joined in a solid phase state efficiently and with high strength in a short time. This causes plastic flow by instantaneous impact load, removes the oxide film on the surface, forms an extremely thin diffusion layer by holding the load for an extremely short time, and generates a brittle intermetallic compound phase on the order of nanometers. by suppressing to Moreover, the shape of the metal to be joined does not matter, and the method can be applied to many metal products. Furthermore, when dissimilar metal materials are joined together, interposing an appropriate intermediate layer of an insert material enables higher strength joining.
また、本発明によれば、従来の抵抗溶接等のライン設備や汎用プレス機から置き換えることができ、導入が容易であるとともに、特に、自動車車両生産ライン等において最も活用されている抵抗溶接法の代替として、これまで対応が困難であったアルミニウム合金同士あるいは異種金属の組合せの接合にも対応し、生産性の高い高強度接合が可能になる。 In addition, according to the present invention, it is possible to replace conventional line equipment such as resistance welding and general-purpose press machines, and it is easy to introduce, and in particular, the resistance welding method that is most utilized in automobile vehicle production lines. As an alternative, it can be used to join aluminum alloys or combinations of dissimilar metals, which has been difficult until now, and enables high-strength joining with high productivity.
以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。この実施形態の金属接合部材10は、図1、図6に示す実施例のように、マグネシウム合金からなるマグネシウム合金部材12と、アルミニウム合金からなるアルミニウム合金部材14を、後述する製造方法により接合したものである。マグネシウム合金部材12とアルミニウム合金部材14の間には、チタンのシート材から成るインサート材16の中間層16aが介在している。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. A metal-bonded
マグネシウム合金部材12は、マグネシウムを主成分とする合金である。マグネシウム合金は、添加元素としては、アルミニウム、亜鉛、カルシウム、リチウム等がある。これらの添加金属の配合を調整することにより、マグネシウム合金の特性を変えることができる。特に、添加金属は、アルミニウムや亜鉛であると、汎用性があり好ましい。
The
アルミニウム合金部材14は、アルミニウムを主成分とする合金である。アルミニウム合金の添加元素としては、銅、マンガン、ケイ素、マグネシウム、亜鉛、ニッケル等がある。これらの添加金属の配合を調整することにより、アルミニウム合金の特性を変えることができる。アルミニウム合金としては、例えばAl-Cu系合金(ジュラルミン)、Al-Mn系合金、Al-Si系合金、Al-Mg系合金、Al-Mg-Si系合金、Al-Zn-Mg系合金、Al-Zn-Mg-Cu系合金等がある。
The
インサート材16は、接合界面での脆弱な金属間化合物相の過剰な生成を抑制し、マグネシウム合金部材12とアルミニウム合金部材14の固相接合強度を高めるもので、この母材の組合せの場合は、シート状あるいは粒子状のチタンが好ましい。なお、ニッケル、又は銅でも良いが、接合強度は、チタンが最も高い。シート状の場合、インサート材16の接合処理前の厚みは、10μm~3mmの範囲であれば良い。特に0.3mm~1mmの範囲とすると、入手性も良くコスト的にも安価な上、接合面の加圧力が均等で、接合時のインサート材16の破れもない。インサート材16の厚みが10μm未満であると、加圧時にインサート材16が破れ、接合が不十分となる場合があり、接合強度にバラツキが生じる場合もある。一方、インサート材16の厚みが3mmを超えると、余分な質量が大きくなり、コスト高になる欠点もある。
The
金属接合部材10は、後述する実施例の図7(a),(b)に示す透過型電子顕微鏡明視野像の通り、マグネシウム合金部材12とインサート材16によるチタンの中間層16aとの界面には、マグネシウム合金とチタンからなる第1拡散層17が形成されている。なお、このチタンとマグネシウム合金部材の接合界面は、後述する実施例の引張試験における破壊界面となる。また、アルミニウム合金部材14とインサート材16による中間層16aとの界面には、同様に、アルミニウム合金とチタンからなる図示しない第2拡散層が形成される。
As shown in the transmission electron microscope bright-field images shown in FIGS. 7(a) and 7(b) of the embodiment to be described later, the
金属接合部材10は、マグネシウム合金部材12とチタンのインサート材16の中間層16aの界面において、成形時の塑性流動による第1拡散層17が形成され、金属原子同士の接合により冶金的にも一体的に接合し、かつ機械的なアンカー効果を有し結合している。同様に、アルミニウム合金部材14とチタンのインサート材16の中間層16aの界面においても、成形時の塑性流動による図示しない第2拡散層が形成され、金属原子同士の接合により冶金的に一体的に接合し、かつアンカー効果を有し結合している。
In the metal
次に、金属接合部材10の製造方法について説明する。金属接合部材10は、マグネシウム合金部材12とアルミニウム合金部材14を、チタンのインサート材16を介して積層し、所定の加熱を施して衝撃的な荷重により加圧する。これにより、マグネシウム合金部材12と、インサート材16による中間層16aと、アルミニウム合金部材14が一体となって接合する。
Next, a method for manufacturing the metal
以下、この実施形態の製造方法における各条件等について詳しく説明する。マグネシウム合金部材12とインサート材16及びアルミニウム合金部材14の、各々接する側の面の表面は、塑性流動による接合面積の増大により、酸化膜等が破られ、新生面にて互いに容易且つ良好に拡散層を形成するので、後述する実施例の通り、研磨処理を施してない材料でも良好に接合する。なお、各素材表面の平均算術粗さ(Ra, JIS B 0601)を、0.2μm以下に研磨しておても良い。これにより、さらに高強度に接合させることができる。
Each condition and the like in the manufacturing method of this embodiment will be described in detail below. On the surfaces of the
接合加工時の各材料の予熱温度は、チタンをインサート材としてアルミニウム合金とマグネシウム合金を接合する場合、予熱温度が250℃~450℃であり、好ましくは300℃~400℃が良い。予熱温度が250℃以下であると、温度が上記範囲内にある場合と比較して、塑性流動が小さくなる結果、接合が不十分となる場合がある。また、予熱温度が450℃以上であると、加工発熱もあるため部分的な液相化が生じる場合があり、バリやクラックが生じやすくなり、外観上にも問題が生じる場合がある。 The preheating temperature for each material during the joining process is 250° C. to 450° C., preferably 300° C. to 400° C., when joining an aluminum alloy and a magnesium alloy using titanium as an insert material. When the preheating temperature is 250° C. or less, the plastic flow becomes smaller than when the temperature is within the above range, and as a result, the bonding may become insufficient. Further, if the preheating temperature is 450° C. or higher, heat generated during processing may cause partial liquefaction, and burrs and cracks are likely to occur, which may cause problems in terms of appearance.
この場合の加圧力は、100MPa~700MPaであり、200MPa~300MPaが好ましく、必要な接合強度が得られればより低い圧力で良い。圧力が100MPa未満であると、圧力が上記範囲内にある場合と比較して、接合が不十分となる場合があり、圧力が700MPaを超えると、圧力が上記範囲内にある場合と比較して、塑性流動が大きくなり過ぎ、インサート材が破れ、マグネシウム合金とアルミニウム合金の直接反応による脆弱な金属間化合物相が生成し、さらにこの金属間化合物相においてクラックやカーケンダルボイド等の欠陥の生成により強度が低下する場合がある。 The applied pressure in this case is 100 MPa to 700 MPa, preferably 200 MPa to 300 MPa, and a lower pressure may be used if the required bonding strength is obtained. When the pressure is less than 100 MPa, bonding may be insufficient compared to when the pressure is within the above range, and when the pressure exceeds 700 MPa, compared to when the pressure is within the above range. , the plastic flow becomes too large, the insert material breaks, a brittle intermetallic compound phase is generated by direct reaction between magnesium alloy and aluminum alloy, and defects such as cracks and Kirkendall voids are generated in this intermetallic compound phase. Strength may decrease.
加圧方法は、所望の圧力を得ることができる汎用プレス機や単軸アクチュエータ等の加圧装置であれば良く、種類は問わない。本実施例における下死点までの成形時間は約0.4秒であり、後述するように、プレス機による可動部のコンタクト時のスライドの速度は、100mm/s以上が好ましい。また、加圧時間は、後述する実施例の通り極短くて良く、プレス機械等による加圧時間は5秒以下で十分あり、その下死点での荷重保持時間は1秒以下で良く、接合に必要な衝撃荷重を加えることができれば良い。また、圧力制御が行えない機械式プレスでの加工の場合、適切な荷重がかかるようにスライド調整することで、下死点保持時間は0秒としても良い。 The pressurizing method may be any pressurizing device such as a general-purpose press or a single-axis actuator capable of obtaining a desired pressure. In this embodiment, the molding time to the bottom dead center is about 0.4 seconds, and as will be described later, it is preferable that the slide speed at the time of contact of the movable portion by the press is 100 mm/s or more. In addition, the pressurization time may be extremely short as in the examples described later, the pressurization time of 5 seconds or less by a press machine or the like is sufficient, and the load holding time at the bottom dead center may be 1 second or less. It is sufficient if the necessary impact load can be applied to Further, in the case of processing with a mechanical press that cannot control pressure, the bottom dead center holding time may be set to 0 seconds by adjusting the slide so that an appropriate load is applied.
加熱加圧する方法も特に限定されず、例えば、予め電気炉等で加熱して熱間鍛造と同様に接合加工しても良く、あるいは加圧加工時にレーザ光、フレイム、通電、又は電磁誘導等により接合箇所を局所的に所定温度に加熱する方法でも良い。加熱環境は、大気圧下で行う方が生産性やコストの面で好ましいが、不活性ガス雰囲気で行っても良い。これにより、酸化皮膜の形成を抑制できる。なお、加熱により組織が焼きなまされるため、接合界面の強度よりもアルミニウム合金母材の方が、強度が小さくなる場合がある。このため、継手全体の強度を高めるため、アルミニウム合金の種類によっては、接合後、更に溶体化処理と時効処理とを行っても良い。 The method of heating and pressurizing is not particularly limited, for example, it may be heated in advance in an electric furnace or the like and then joined in the same manner as hot forging, or may be pressurized by laser light, flame, current, electromagnetic induction, or the like. A method of locally heating the joint to a predetermined temperature may also be used. As for the heating environment, it is preferable to perform the heating under atmospheric pressure in terms of productivity and cost, but it may be performed in an inert gas atmosphere. Thereby, formation of an oxide film can be suppressed. Since the structure is annealed by heating, the strength of the aluminum alloy base material may be lower than the strength of the joint interface. Therefore, in order to increase the strength of the joint as a whole, solution treatment and aging treatment may be further performed after joining, depending on the type of aluminum alloy.
この実施形態による金属接合部材10は、マグネシウム合金部材12とアルミニウム合金部材14がチタンの中間層16aを介して接合し、接合部分の界面には中間層16aの両側に、第1拡散層17及び図示しない第2拡散層が形成され、塑性流動によるアンカー効果とともに冶金的に一体的に高強度に接合している。この金属接合部材10により、軽量で耐食性及び機械的強度が高い複合金属製品を形成することができる。あるいは軽量なアルミニウム合金やマグネシウム合金の表面を、より耐食性や耐摩耗性に優れるチタンで被膜する表面改質加工技術としても利用できる。このように成形とともに接合や表面改質が可能になる。これにより、自動車のシャーシや骨格、その他各種の構造部分、足回りなどの鍛造部品等に適用可能であり、さらには車両分野以外の電気製品や住宅設備その他各種の金属構造物や金属構成部材、金属製品に適用可能なものである。
In the metal
さらに、この実施形態による金属接合部材10の製造方法によれば、マグネシウム合金部材12とアルミニウム合金部材14をチタンのインサート材16を介して、プレス機械や単軸アクチュエータ等で衝撃的な加圧を行うだけで、高強度に接合することができ、製造が容易であり、従来の抵抗溶接のような高い生産性で、かつ異材にも対応できる。特に、プレス装置や加熱装置も選ばず、製造する金属製品に合わせて適宜のプレス装置やその他の加圧装置、加熱装置を利用することができる。
Furthermore, according to the method of manufacturing the metal-bonded
次に、この発明の金属接合方法を実施するための装置について、以下に説明する。この実施形態の金属接合装置は、機械的加圧装置であるACサーボプレス装置等の機械式プレス装置が好ましく、生産性も良い。以下、図2を基に、ACサーボプレス装置を用いた金属接合装置20について説明する。金属接合装置20は、金属材料の塑性変形を許容する構造の支持部であるボルスタ22及び図示しない支持用治具を有し、支持部に設置されて保持された接合対象金属材料に所定の衝撃荷重を加え、金属材料同士が接した界面に塑性流動を生じさせ界面の面積を増大させて、界面の少なくとも一方の金属材料に他方の金属材料の原子が拡散した拡散層を形成する機械的加圧装置であるACサーボプレス装置24を備える。さらに、機械的加圧装置であるACサーボプレス装置24は、往復動する可動部であるスライド26と図示しない加圧治具と、この可動部に力を加えて加圧動作を行う図示しないACサーボモータ等の駆動部とを有し、駆動部により可動部を作動させ、接合する金属材料を挟んで支持部と可動部により、金属材料に加圧動作を行い、前記金属材料同士を接合する。
Next, an apparatus for carrying out the metal joining method of the present invention will be described below. The metal bonding apparatus of this embodiment is preferably a mechanical press apparatus such as an AC servo press apparatus, which is a mechanical pressure apparatus, and has good productivity. A
図2に示すACサーボプレス装置24は、本体フレーム21の中央部に、スライド26が上下動自在に設けられ、スライド26に対向する下方には、本体フレーム21に固定されたベッド28が位置し、ベッド28上にボルスタ22が設置されている。本体フレーム21の前側には、コントロールパネル30が設けられ、本体フレーム21の側面に、コントロールパネル30に接続された制御装置32が設けられている。
In the AC
ACサーボプレス装置24は、図示しないACサーボモータによりスライド26が上下に駆動され、スライド26の下端部に、接合する金属材料を加圧して塑性流動を生じさせる加圧治具が取り付けられる。ACサーボモータによるスライド26の駆動機構は公知の機械的機構により構成され、スライド26の降下速度は、100mm/s以上が好ましく、所望の衝撃力でプレスする。そして、支持部であるボルスタ22及び図示しない支持用治具と、可動部であるスライド26及び図示しない加圧治具は、接合する金属材料の塑性変形を許容するように構成され、支持用治具と加圧用治具により金属材料を挟持し、機械的加圧装置であるACサーボプレス装置24により、金属材料を挟持した状態で塑性変形を生じさせ、互いに接合する。
In the AC
この実施形態の金属接合装置20によれば、アルミニウム部材やマグネシウム部材等、種々の金属材料を、溶接や機械的連結と比較して、極めて効率よく安価に、且つ高強度に固相接合することができる。従来の抵抗溶接と同等なサイクルタイムで、かつ抵抗溶接では困難であった各種の異材接合や電気抵抗の小さいアルミ同士等の接合にも適用できる。しかも、接合部分の形状も問わないものであり、多くの金属製品に適用可能なものである。さらに、表面改質の用途にも適用できる。
According to the
次に、この発明の金属接合方法を実施するための他のタイプの金属接合装置について、図3を基にして説明する。この実施形態の金属接合装置30は、機械的加圧装置であるロボットガンタイプのプレス装置32により金属接合を行うものである。プレス装置32は、金属材料の塑性変形を許容する構造の支持部である固定ピン34と、固定ピン34が一端部に固定された支持用フレーム36を備える。支持用フレーム36はC字形状に形成され、その他端部には、固定ピン34と対向してプレス動作を行う可動ピン38を有している。可動ピン38は、往復動可能に設けられ、この可動ピン38に加圧力を与えて加圧動作を行う駆動部40が、支持用フレーム36の上方に設けられている。駆動部40は、モータや油圧、空圧で可動ピン38を往復動させる。駆動部40は、可動ピン38を突出方向に作動させ、接合する金属材料を挟んで支持部である固定ピン36と対向させ、接合対象金属材料に所定の衝撃荷重を加え、金属材料同士が接した界面に塑性流動を生じさせる。
Next, another type of metal bonding apparatus for carrying out the metal bonding method of the present invention will be described with reference to FIG. The
図3に示すロボットガンタイプのプレス装置32は、固定ピン34と可動ピン38が設けられた支持用フレーム36が回動軸42を介して、多関節ロボット50のアーム44に取り付けられている。多関節ロボット50は、アーム44とアーム46を有し、アーム44,46は、回動軸48で連結され、アーム48の基端部は、回動軸52を介してロボット本体駆動部54に取り付けられている。アーム46はロボット本体駆動部54により、揺動可能に設けられている。さらに、多関節ロボット50の回動軸42には、駆動モータ56が設けられ、回動軸48には駆動モータ58が設けられ、各々支持用フレーム36、アーム44を揺動可能に形成されている。
A robot gun
この実施形態の金属接合装置30によれば、従来の抵抗溶接法と同様のガンタイプのスポット溶接ロボット等の代わりに用いることができ、より簡単に金属材料同士の接合を行うことができる。また、金属材料同士の接合界面の面積を増大させつつ、界面の少なくとも一方の金属材料に他方の金属材料の原子が拡散した拡散層を形成し、金属材料同士を接合するので、従来の溶接と同様の接合強度でコストを抑えて施工することができる。さらに、アルミニウム部材やマグネシウム部材等の種々の金属材料接合を、容易に行うことができるものである。
According to the
次に、この発明の金属接合方法を実施した金属部材接合システムについて、図4、図5を基にして、以下に説明する。この実施形態の金属部材接合システム60は、マグネシウム合金部材12とアルミニウム合金部材14及びチタンのインサート材16から成る固相状態の金属材料同士を重ね合わせ、上述の金属接合装置20,30等を用いて接合するもので、その前工程として、金属接合装置20,30に対して互いに接合するマグネシウム合金部材12とアルミニウム合金部材14及びチタンのインサート材16を供給する金属部材供給装置62を備えている。金属部材供給装置62は、搬送用のコンベアや自動機、供給用ロボット等適宜選択可能である。さらに、金属接合装置20,30の機械的加圧装置であるACサーボプレス装置24やロボットガンタイプのプレス装置32により接合された金属接合部材を、搬出する金属部材搬出装置64を備えたものである。金属部材搬出装置64も、搬出用のコンベアや自動機、搬出用ロボット等適宜選択可能である。
Next, a metal member joining system that implements the metal joining method of the present invention will be described below with reference to FIGS. 4 and 5. FIG. In the metal
この金属部材接合システム60は、アルミニウムやマグネシウムの金属製品の製造ラインに、機械的加圧装置であるACサーボプレス装置24等の機械式プレス装置や、所定の制御装置により駆動されるロボットガンタイプのプレス装置32でも良い。例えば、従来の抵抗溶接用ロボットの溶接部分を、この金属接合装置に置き換えても良い。機械的加圧装置20,30の側方には、予熱装置66が設けられている。予熱装置66は、例えばレーザ光や電磁誘導、またはフレイム等により加熱するものであれば良い。
This metal
さらに、この金属接合装置は、金属製品の製造ラインに複数台配置され、順次金属部材供給装置と金属部材搬出装置により、金属部材を複数の金属接合装置に搬入及び搬出可能に設けられたものでも良い。例えば、図5に示すように、予熱装置66、金属部材供給装置62、金属接合装置20,30、金属部材搬出装置64が直列に設けられ、順次所定の加工等の処理を行うものでも良い。
Further, a plurality of this metal bonding apparatus may be arranged in a manufacturing line of metal products, and metal members may be sequentially carried in and out of the plurality of metal bonding apparatuses by a metal member supply device and a metal member unloading device. good. For example, as shown in FIG. 5, a preheating
この実施形態の金属部材接合システムによれば、これまでの各種金属材料の溶接等による接合に置き換えることができ、例えば、従来の抵抗溶接と同等なサイクルタイムで、かつ抵抗溶接では困難であった各種の異材接合や電気抵抗の小さいアルミ同士等の接合にも適用できる。各種の製品の製造工程において、金属部材の接合工程を簡易な装置で、省エネルギーで行うことができるようになり、省スペースで大幅なコストダウンも図ることができる。 According to the metal member joining system of this embodiment, it is possible to replace conventional joining of various metal materials by welding, etc., for example, with a cycle time equivalent to that of conventional resistance welding, and it was difficult with resistance welding. It can also be applied to the joining of various dissimilar materials and the joining of aluminum with low electric resistance. In the manufacturing process of various products, the joining process of metal members can be performed with a simple apparatus and energy saving, and the space can be saved and the cost can be greatly reduced.
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。金属接合部材10は、マグネシウム合金部材12とアルミニウム合金部材14を、チタンのインサート材16による中間層16aを介して、加熱下で接合加工したが、チタン以外のニッケルや銅を介して接合しても良く、接合する金属や用途によっては、インサート材16を介さずに接合加工しても良い。さらに、インサート材は、シート状以外に、粒子状のチタンを用いても良い。
Although the preferred embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above embodiments. The metal
また、この実施形態の金属接合装置は、アルミニウムやアルミニウム合金同士を、上記と同様の工程及び装置で接合するものでも良い。この場合、インサート材は不要である。例えば、アルミニウム合金であっても組成及び機械的性質が異なる、圧延材、押出材、鋳造材及び鍛造材など、種々の異なる部材からなる自動車車両のスペースフレーム構造等の各部材の接合に適用できる。 Moreover, the metal bonding apparatus of this embodiment may bond aluminum or aluminum alloys by the same process and apparatus as described above. In this case, no insert material is required. For example, even aluminum alloys can be applied to the joining of various members such as the space frame structure of automobiles made of various different members such as rolled materials, extruded materials, cast materials and forged materials that have different compositions and mechanical properties. .
さらに、この実施形態の金属接合装置は、その他の材料として、鉄と他の金属を、上記と同様の工程及び装置で接合するものでも良い。例えば、自動車車両のスペースフレーム等における構造用鋼材とアルミニウム合金押出材等との接合に適用できる。 Furthermore, the metal bonding apparatus of this embodiment may bond iron and other metals as other materials by the same process and apparatus as described above. For example, it can be applied to join structural steel materials and aluminum alloy extruded materials in space frames of automobiles and the like.
また、金属接合装置及び金属部材接合システムの構成は、上記金属製都合方法を実施可能な構成であれば、適宜の装置を用いることができ、装置の駆動方法も問わないものである。 In addition, the metal bonding apparatus and the metal member bonding system can be of any suitable type as long as they are capable of carrying out the above-described metal-made convenient method, and the method of driving the apparatus does not matter.
以下、本発明の実施例について測定結果を示す図面とともに説明する。ここでは、図6(a)に示す形状のマグネシウムと微量のアルミニウム等を含むマグネシウム合金部材12と、アルミニウムと微量の銅等を含むアルミニウム合金部材14を、純チタンのインサート材16を挟んで上記の製造方法により接合加工した。これにより、図6(b)に示す形状に塑性変形し、接合界面でマグネシウム合金部材12とアルミニウム合金部材14が中間層16aを介して一体に接合した。図6に示すマグネシウム合金部材12及びアルミニウム合金部材14のこの実施例における寸法は、プレス前の図6(a)の状態で、いずれも直径が50mmで高さが50mmの円柱状の部材を用いた。インサート材16は、直径が50mmで厚みが1mmの純チタンのシート材である。以下の実施例において、接合加工処理後の寸法は図6(b)に示す形状に塑性変形し、直径が82mm、金属接合部材10全体としての高さが38mmである。
EXAMPLES Examples of the present invention will be described below together with drawings showing measurement results. Here, a
この実施例の接合加工条件は、予熱温度380℃において実施した。また、加圧は、機械式プレス装置であるACサーボプレス装置を用いて衝撃的に行い(変形開始から下死点まで約0.4秒で成形)、下死点での保持圧力は200MPaまたその保持時間は1秒間として実施した。この場合のサイクルタイム(上死点→下死点→上死点)は約2.8秒である。 The bonding processing conditions of this example were carried out at a preheating temperature of 380°C. In addition, pressurization is performed by impact using an AC servo press device, which is a mechanical press device (formation takes about 0.4 seconds from the start of deformation to the bottom dead center), and the holding pressure at the bottom dead center is 200 MPa. The time was set to 1 second. The cycle time (top dead center→bottom dead center→top dead center) in this case is about 2.8 seconds.
作成した金属接合部材10は、図7(a),(b)に示すように、マグネシウム合金部材12と純チタンのインサート材16の界面では、塑性流動により酸化膜が除去、新生面において金属材料の原子が良好に拡散した第1拡散層17が形成され、純チタンの中間層16aを介して高強度に接合している。このときの第1拡散層17の厚さt1は、約5nmの極薄い金属反応層として形成されている。同様に、アルミニウム合金部材14と純チタンのインサート材16の界面では、塑性流動により酸化膜が除去、新生面において金属材料の原子が拡散した図示しない第2拡散層が形成され、純チタンの中間層16aを介して高強度に接合している。このときの図示しない第2拡散層の厚さも同様に、ナノメートルオーダーの薄い金属反応層として形成される。
As shown in FIGS. 7(a) and 7(b), the produced metal-bonded
この実施例の金属接合部材10は、引張試験により破断する部位が、マグネシウム合金部材12と純チタンの中間層16aの界面部分である。図8(a)にその純チタン側の破面の走査型電子顕微鏡組成像を示す。接合界面では第1拡散層17の白く見える純チタンの中間層16a中に、黒く見えるマグネシウム合金部材12のマグネシウムが介在し、両材が高強度に接合していることが分かる。さらに拡大した図8(b)の走査型電子顕微鏡組成像に示すように、第1拡散層17の白く見える純チタンの中間層16a中に、延性的破壊の証拠であるディンプルが形成されているのが分かり、良材が高強度に接合していることが分かる。
In the metal-bonded
この実施例の金属接合部材10の引張強さに及ぼす予熱温度条件の影響について試験した結果を図9に示す。マグネシウム合金部材12とアルミニウム合金部材14の柱状部材について、純チタンのインサート材16(厚さ1mm)を介して、予熱温度を250℃、320℃、380℃及び420℃の4種類において接合加工した。加圧は、高速に動作する機械式プレス装置であるACサーボプレス機を用いて行い、200MPaの圧力制御において、下死点保持時間を1秒とし実施した。これより、接合材料の予熱温度は、マグネシウム合金部材12とアルミニウム合金部材14を接合する場合は、300℃以上必要であることが分かった。特に、外観品質も考慮すると、バリやクラックが生じない380℃程度の温度で加工することが望ましいことが分かった。
FIG. 9 shows the results of a test on the effect of preheating temperature conditions on the tensile strength of the metal
次に、この実施例の金属接合部材10の加工(加圧)前のインサート材16の厚さが引張強さに及ぼす影響について試験した結果を図10に示す。試験結果から、インサート材16を用いない場合(0mm)は、マグネシウム合金部材12とアルミニウム合金部材14の接合ができなかったが、0.3mm、0.5mm及び1.0mmを用いた場合は、いずれも金属接合部材10には十分な引張強さがあることが分かった。このときの破断面は、インサート材16の何れの厚さでも、マグネシウム合金部材12と純チタンの中間層16aの界面部分であった。従って、インサート材16は、1.0mm以下、特にコスト面等からも生産性の高い0.3mmでも良好な接合強度が得られることが分かった。
Next, FIG. 10 shows the results of a test on the effect of the thickness of the
次に、この実施例の金属接合部材10の、下死点での加圧保持時間が引張強さに及ぼす影響について試験した結果を図11に示す。試験結果から、下死点での加圧保持時間を長くすれば引張強さは増加する傾向を示すものの、0.1秒でも十分な引張強さが得られることが分かった。本接合加工は、サーボプレス装置等の機械式プレスあるいは単軸アクチュエータ等により、従来の抵抗溶接相当の十分短いサイクルタイムで効率よく行うことが可能であることが分かった。
Next, FIG. 11 shows the results of a test on the effect of pressure holding time at the bottom dead center on the tensile strength of the
次に、この実施例の金属接合部材10の接合面の前処理について試験した結果を図12に示す。引張強さに及ぼす接合前の接合面研磨処理の影響である。この試験結果から、接合部材界面の引張強さは、接合面を研磨しておいた方が向上する傾向を示すものの、マグネシウム合金部材12と純チタンのインサート材16及びアルミニウム合金部材14が何れも未研磨であっても、研磨前処理したものに対しそれほど大きな強度低下無く、ほぼ同等の引張強さを示すことが分かった。これは、衝撃的な荷重による接合界面での塑性流動により、界面の面積が増大し、界面の酸化膜等が破れて新生面が生じ、母材とインサート材が良好に拡散、また下死点での保持時間が極短時間であることから、強度の高い極薄い反応相を生成したためと考えられる。従って、拡散反応でありながら当該接合加工のための研磨前処理は各母材及びインサート材とも基本的に不要であり、自動車分野など低コストで高速な加工が求められる生産ラインへの適用性がより高まる。特に当該分野では、従来の抵抗溶接に替わり、今後より必要となる異材接合にも対応した高速固相接合法として利用することができると考えられる。
Next, FIG. 12 shows the test result of the pretreatment of the joint surface of the metal
10 金属接合部材
12 マグネシウム合金部材
14 アルミニウム合金部材
16 インサート材
16a 中間層
17 第1拡散層
18 第2拡散層
20 金属接合装置
21 本体フレーム
22 ボルスタ
24 サーボプレス装置
26 スライド
28 ベッド
10
Claims (10)
前記金属材料は、接合表面の研磨処理を施してない材料同士を用い、前記金属材料の前記塑性流動を容易にする温度であって、前記加圧時にも液相を生じない温度に加熱した状態で、前記加圧を行い、
前記加圧の保持時間は3秒以下であり、
前記加圧により、前記金属材料の各々接する側の表面が、塑性流動により酸化膜が破られ互いの接合面に新生面が現れるとともに前記表面同士の接合面積が増大して前記拡散層を形成し、前記金属材料同士を一体に接合することを特徴とする金属接合方法。 A mechanical pressure device is used to apply a predetermined impact load to the metal materials in a solid phase that are superimposed on each other and mechanically pressurized to cause plastic flow at the interfaces where the metal materials are in contact with each other. and forming a diffusion layer in which atoms of the other metal material are diffused into at least one of the metal materials at the interface to integrally join the metal materials ,
The metal material is a state in which materials are used in which the bonding surface is not polished, and the metal material is heated to a temperature that facilitates the plastic flow of the metal material and does not generate a liquid phase even during the pressurization. At, the pressurization is performed,
The holding time of the pressurization is 3 seconds or less,
The pressurization causes the surfaces of the metal materials to contact each other, the oxide film is broken by plastic flow, and a new surface appears on the joint surface, and the joint area between the surfaces increases to form the diffusion layer, A metal joining method, characterized in that the metal materials are joined together.
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