JPH0339793B2

JPH0339793B2 -

Info

Publication number: JPH0339793B2
Application number: JP61174826A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Tanaka; Yoichiro Yoneda; Masahiro Tsukuda; Kenichiro Oochi; Hiroyuki Morimoto; Koji Hamaya; Yoshitaka Nakanishi
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1986-07-24
Filing date: 1986-07-24
Publication date: 1991-06-14
Also published as: JPS6330189A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、Al基複合材料とAl基複合材料及び
Al材料との接合方法に関する。

［従来技術］ Al基複合材料とAl基複合材料及びAl材料との
接合技術は現在のところないに等しい。

Al基複合材料の製造方法から類推すると拡散
接合が可能であると考えられる。

また、機械的に接合する方法が考えられる。

［発明が解決しようとする問題点］しかし、拡散接合による場合には形状、寸法に
大きな制限があり、また設備が巨大となるため現
実的でない。

また、機械的に接合する方法では、リークの問
題、熱伝導、電気伝導が悪い等の問題が多い。

［問題点を解決するための手段］本出願に係る第１発明は、Al基複合材料とAl
基複合材料との摩擦溶接方法において、２つの
Al基複合材料の少なくとも一方の端面の中心部
に、先端の面積が10mm²以下の突起を設け、２つの
Al基複合材料を相対的に回転させながら溶接す
ることを特徴とする摩擦溶接によるAl基複合材
料とAl基複合材料との接合方法である。

本出願に係る第２発明は、Al基複合材料とAl
材料との摩擦溶接方法において、Al基複合材料
とAl材料との少なくとも一方の端面の中心部に、
先端の面積が10mm²以下の突起を設け、Al基複合
材料とAl材料を相対的に回転させながら溶接す
ることを特徴とする摩擦溶接によるAl基複合材
料とAl材料との接合方法である。

（第１発明）本出願に係る第１発明は、Al基複合材料とAl
基複合材料との摩擦溶接方法である。

本発明においては、２つのAl基複合材料の少
なくとも一方の端面の中心部に面積が10mm²以下の
突起を設ける。

このように、２つのAl基複合材料の少なくと
も一方の端面の中心部に突起を設ける理由をまず
説明する。

Al基複合材料は常温で延性がないため、端面
の中心部に突起を設けずに接合しようとすると、
たとえば第１０図に示すように材料の中心軸と回
転軸が少しでもずれた場合、相対速度の速い外周
部が最初に接触するが、接合初期は母材温度があ
がらず、もろいため外周接合部に微小な割れが発
生したり端面が砕けたりする。

しかるに端面の中心部に突起を設けた場合に
は、回転中心部から接触していき、中心部の相対
速度は零に近いため、接触時の衝撃力は最小のも
のとなり割れの発生防止できるともに端面の砕け
も防止できる。

また、面積が10mm²以下の突起としたのは、10mm²
を超えると割れを生ずるためである。

なお、突起は２つのAl基複合材料のうちのい
ずれかに設けてもよく、また両方に設けてもよ
い。

また、Al基複合材料としては、Al金属又はAl
合金のマトリクスを各種の繊維もしくは粒子で強
化したものならば特に限定されず本発明の対象と
なる。なお、強化材としてはSiCウイスカのみで
なく、Si₃N₄等のウイスカ、Ｃ、Al₂O₃、Al₂O₃−
SiO₂、SiC等の短繊維、および長繊維さらには
SiC、Al₂O₃、Si₃N₄、ZrO₂、TiC、TiO₂等のセ
ラミツク粒子であつても良い。

（第２発明）本出願に係る第２発明においては、Al基複合
材料とAl材料の少なくとも一方の端面の中心部
に面積が10mm²以下の突起を設ける。

Al基複合材料とAl材料との間には硬度差があ
るため、端面の中心部に突起を設けずに接合しよ
うとすると、たとえば第１０図に示すように材料
の中心軸と回転軸が少しでもずれた場合、相対速
度の速い外周部が最初に接触し、その部分が優先
的に変形するため、回転中心部に酸化物が残り、
融合不良が発生する。

しかるに端面の中心部に突起を設けた場合に
は、回転中心部から接触していくため、中心部の
酸化物は外周部へ押出され、健全な接合が可能と
なる。

なお、突起は、Al基複合材料あるいはAl材料
のいずれに設けてもよいが、加工上の観点からす
るとAl材料の方に設けた方が好ましい。また、
Al基複合材料とAl材料の両方に設けてもよい。

本発明におけるAl基複合材料は第１発明にお
いて述べたと同様である。また、Al材料として
はAl，Al合金ならば特に限定されずに本発明を
適用できる。

［発明の実施例］以下に本発明の実施例を図面に基づいて説明す
る。

（第１発明の実施例）第１図に第１発明の実施例を示す。第１図中
１，２はAl基複合材料で、共に丸棒状である。
Al基複合材料２の端面は円錐状で、これが突起
をなしている。円錐の頂点２ｂは回転軸Ｘと一致
している。

２つのAl基複合材料のそれぞれ接合端面１ａ，
２ａを突合せた後、回転軸Ｘを中心に相対的に接
合させながら圧接を行ない、摩擦溶接が完了す
る。詳細には、最初に円錐の頂点２ｂが接合端面
１ａに接触し、その後全面にわたつて接合端面同
志が接触し、圧接される。

本例では、被接合材であるAl基複合材料２の
端面に円錐状の突起をつけたが、必ずしも円錐状
に限定するのではなく、要は回転中心部より徐々
に接触する形状（例えば半球状）であればよい。
また接触部分は点状である必要はなく、最初に接
触する回転中心部の面積（第９図の斜線部の面
積）が10mm²以下であればよい。またAl基複合材
料１，２の端面の両側に突起を設け、回転中心部
より接触が開始する形状にしてもよい。

以下により詳細な実施例を比較例とともに説明
する。

突起形状、突起の突出長（第１図に示すｌ）、
摩擦圧力（P1）、摩擦時間（T1）、回転数等を変
えて摩擦溶接を行なつた。

溶接後に、断面顕微鏡観察、継手引張試験及び
EPMA分析を行なつた。

断面顕微鏡写真及びEPMA分析は、第２図に
示す断面について、割れの有無及び成分分析を調
査した。

継手引張試験は溶接継手を棒状試験片に加工し
て行なつた。

以上の条件及び結果を第１表に示す。

第１表においてA1〜E1及びH1は実施例であ
り、F1，G1，I1は比較例でである。F1，G1は突
起のない比較例であり、I1は突起面積が本発明の
範囲外である比較例である。

なお、母材となるAl基複合材料は棒径15mmの
Al基複合材料（繊維：SiCウイスカー、マトリク
ス；6061合金）である。

第１表に示すように、実施例A1〜E1は健全な
接合がなされているが、比較例F1，G1は突起が
ない（ｌ＝０）ため接合部に微細な割れが発生
し、継手引張強度は低い。

なお、実施例A1，B1，C1を比較するとｌ＝
4.0の時、継手強度は最大となつた。また、実施
例1Dは溶接条件が異なり、実施例E1は突起形状
が半球状の例であるが、いずれも健全な接合がな
されている。

また、実施例H1は最初に接触する回転中心部
分の面積（円錐台の面積）が10mm²以下なので健全
な接合が可能であるが、比較例I1は先端の面積が
10mm²を越えているため、回転中心部に融合不良が
発生している。

また、第３図に第１表の実施例A1の断面顕微
鏡写真、第４図にEPMA分析結果を示す。第３
図において、１はAl基複合材料母材、２はAl基
複合材料母材、３は溶接部を示す。

共に金属間化合物や酸化物は認められない。こ
れらの結果から本発明方法によれば、接合部にぜ
い弱な金属間化合物や酸化物を形成させずに充分
強度なる接合部を得ることが可能なことがわか
る。

（第２発明の実施例）第５図及び第６図に第２発明の実施例を示す。
図中２１，２４はAl材料、２２，２３はAl基複
合材料母材であり、共に丸棒状である。すなわ
ち、第５図はAl基複合材料側に、また、第６図
はAl材料側に突起を設けた例である。

２２，２４の端面は円錐状で、円錐の頂点２２
ｂ，２４ｂは回転軸Ｘと一致している。

そして、接合端面２１ａ，２２ａ、又は２３
ａ，２４ａを突合せた後、回転軸Ｘを中心に相対
的に回転させながら圧接を行なう。詳細には最初
に円錐の頂点２２ｂ，２４ｂが接合端面２１ａ，
２３ａに接触し、その後、全面にわたつて、接合
面同志が接触し、圧接される。本発明のように硬
度差のある材料を接合する際には相対的に片方が
やわらかく変形しやすいため、突起がないと、相
対速度の速い外周部より接触し、その部分の変形
が優先的に始まり、相対速度がゼロに近い回転中
心部には接合界面に酸化物が残り融合不良が発生
し、健全な接合はできない。

ここで、本例では被接合材端面の片側に円錐状
の突起をつけたが、必ずしも同形状に限定するの
ではなく、要は回転中心部より徐々に接触する形
状（例えば半球状）であればよいことは第１発明
の実施例の場合と同様である。また接触部分は点
状である必要はなく、最初に接触する回転中心部
の面積が10mm²以下であればよいことも第１発明の
実施例と同様である。また突起はAl基複合材料、
Al材料のどちら側に設けても健全な接合が可能
であるが、Al材料側につけた方が加工費が安価
でコスト軽減に有利である。

また、被接合材端面の両側に突起を設け、回転
中心部より徐々に接触する形状でもよい。

第１発明の実施例と同様に、突起形状、突起の
突出長（第５図及び第６図に示すｌ）、摩擦圧力
（P1）、摩擦時間（T1）、回転数等を変えて摩擦溶
接を行なつた。

溶接後に外観、断面顕微鏡観察、継手引張試験
及びEPMA分析を行なつた。

断面顕微鏡観察及びEPMA分析、継手引張試
験は第１発明の実施例に述べたと同様の方法にて
行なつた。

以上の条件及び結果を第２表に示す。

第２表においてA2〜G2及びJ2は実施例であ
り、H2，I2，K2は比較例である。H2，I2は突起
のない比較例であり、K2は突起の先端の面積が
本発明の範囲外である比較例である。

なお、母材は棒径15mmのAl基複合材料（繊
維：SiCウイスカー、マトリクス：6061合金）
と、棒径15mmのAl材料（6061合金）である。こ
こで、実施例A2〜G2は健全な接合がなされてい
るが、比較例H2，I2は突起がない（ｌ＝０）た
め、回転中心部に融合不良が発生し、継手引張強
度は低い。

なお、実施例A2とC2また、B2とD2とE2を比
較するとｌ＝4.0mmの時継手強度は最大となつた。
また、実施例F2は溶接条件が異なり、実施例G2
は突起形状が半球状の例であるが、いずれも健全
な接合がなされている。

また、実施例J2は最初に接触する回転中心部分
の面積（円錐台の面積）が10mm²以下なので健全な
接合が可能であるが、比較例K2は面積が10mm²を
超えているため、回転中心部に融合不良が発生し
ている。

第７図には第２表の実施例A2の断面顕微鏡写
真を、また第８図にはEPMA分析結果を示す。
第７図において、１はAl材料、２はAl基複合材
料、３は溶接部を示す。

［発明の効果］このように本出願に係る第１発明及び第２発明
は、それぞれAl基複合材料とAl基複合材料、Al
基複合材料とAl材料を摩擦溶接することにより
健全な溶接部の形成を可能にしたものであり、こ
れによりさらに次のような効果が得られる。

継手強度の高い継手が得られる。

リークタイトな継手が得られる。

熱、電気伝導度が高い継手が得られる。

簡便な摩擦溶接機にて施工でき、特殊な装置
が不要である。

【図面の簡単な説明】

第１図は第１発明の実施例を説明するための正
面図である。第２図は第１発明の実施例における
溶接後の状態を示す正面図である。第３図は第１
発明の実施例における溶接部分近傍のAl基複合
材料の組織を示す顕微鏡組織写真であり、第４図
はそのEPMA（Ｘ線マイクロアナライザー）分析
写真である。第５図及び第６図は第２発明の実施
例を説明するための正面図である。第７図は第２
発明の実施例における溶接部近傍のAl材料及び
Al基複合材料の組織を示す顕微鏡組織写真であ
り、第８図はそのEPMA（Ｘ線マイクロアナライ
ザー）分析写真である。第９図は突起先端の面積
を示すための斜視図である。第１０図は従来例を
示すための正面図である。１……Al基複合材料、１ａ……端面、２……
Al基複合材料、２ａ……端面、２ｂ……頂点、
３，１０……溶接部、２１……Al材料、２１ａ
……端面、２２……Al基複合材料、２２ａ……
端面、２２ｂ……頂点、２３……Al基複合材料、
２３ａ……端面、２４……Al材料、２４ａ……
端面、２４ｂ……頂点、ｌ……突出長。

【表】

Claims

【特許請求の範囲】１ Al基複合材料とAl基複合材料との摩擦溶接
方法において、２つのAl基複合材料の少なくと
も一方の端面の中心部に、先端の面積が10mm²以下
の突起を設け、２つのAl基複合材料を相対的に
回転させながら溶接することを特徴とする摩擦溶
接によるAl基複合材料とAl基複合材料との接合
方法。２ Al基複合材料とAl材料との摩擦溶接方法に
おいて、Al基複合材料とAl材料との少なくとも
一方の端面の中心部に、先端の面積が10mm²以下の
突起を設け、Al基複合材料とAl材料を相対的に
回転させながら溶接することを特徴とする摩擦溶
接によるAl基複合材料とAl材料との接合方法。