JPH08141755A

JPH08141755A - 異種金属材料の摩擦圧接方法

Info

Publication number: JPH08141755A
Application number: JP6285299A
Authority: JP
Inventors: Shigetoshi Jogan; 茂利成願; Kiyouhei Taguchi; 教平田口
Original assignee: Showa Aluminum Corp
Current assignee: Showa Aluminum Can Corp
Priority date: 1994-11-18
Filing date: 1994-11-18
Publication date: 1996-06-04

Abstract

(57)【要約】【目的】高い継手強度が安定して得られるともに、バ
リ仕上げが簡単で材料歩留まりも良い異種金属材料の摩
擦圧接方法を提供しようとするものである。【構成】機械的強度の異なる２種類の金属材料１、２
の接合面１ａ、２ａを突合わせ、突合わせ方向に加圧し
ながら相対的に回転させることによりこれらの金属材料
１、２を接合する摩擦圧接方法において、機械的強度の
高い金属材料２の接合面２ａに、回転軸を中心とするリ
ング状の溝３を設けることを特徴とする。また、前記溝
３は、断面形状が開口部より溝底の幅の小さいテーパ溝
３ｂであることが好ましい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、異種金属材料を突き
あわせて接合する摩擦圧接方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】金属材料を突合わせて接合する方法とし
て、金属材料を突合わせ方向に加圧しながら相対的に回
転させ、突合わせ面およびその近傍に発生する摩擦熱に
より金属を軟化させて圧接する摩擦圧接方法が知られて
いる。この摩擦圧接方法では、摩擦部の到達温度の上限
が金属材料の融点あるいはそれ以下であるから、溶融す
ると脆い合金あるいは化合物を形成するような材料の組
み合わせでも、その形成を極力押さえて接合できるた
め、異種金属材料の圧接に適している。

【０００３】前記摩擦圧接方法においては、従来、図３
（Ａ）に示すような接合面が平滑な金属材料（１１）
（１２）が用いられてきた。そして、図３（Ｂ）に示す
ように、摩擦圧接後の継手（１３）では、溶融した金属
の一部が接合界面から押し出されてバリ（１４）となる
ため、接合後にこのバリ（１４）を研削等により除去し
なければならない。なお、異種金属材料を摩擦圧接する
場合、前記バリ（１４）は、軟化溶融しやすい材料側に
より多く生じる。

【０００４】また、摩擦圧接方法により異種金属材料を
接合する場合、一方あるいは両方にアルミニウムまたは
アルミニウム合金のように表面に強硬な酸化膜を有する
金属材料を使用すると、接合性が低下する。そこで、良
好な新生面を得て接合強度を高めるために、原寸法と圧
接後の寸法との差であるアプセット量を大きく設定する
必要があった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、圧接時のアプ
セット量を大きく取ると、必然的にバリが大きくなり、
圧接後のバリ仕上げに時間がかかるとともに、材料歩留
まりも悪くなるという問題点があった。逆に、アプセッ
ト量が不十分であると、継手強度の低下やばらつきの原
因となり、やはり問題があった。特に、大口径の材料で
は前記問題点が顕著となり、直径３０mm以上の金属材料
の摩擦圧接は極めて困難であった。

【０００６】この発明は、前記問題点を解消することを
目的として、大口径の材料の接合においても、高い継手
強度が安定して得られるともに、バリ仕上げが簡単で材
料歩留まりも良い異種金属材料の摩擦圧接方法を提供し
ようとするものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この発明の異種金属材料
の摩擦圧接方法は、前記目的を達成するために、機械的
強度の異なる２種類の金属材料（１）（２）の接合面
（１ａ）（２ａ）を突合わせ、突合わせ方向に加圧しな
がら相対的に回転させることによりこれらの金属材料
（１）（２）を接合する摩擦圧接方法において、機械的
強度の高い金属材料（２）の接合面（２ａ）に、回転軸
を中心とするリング状の溝（３）を設けることをを特徴
とするものである。また、前記溝（３）は、断面形状が
開口部より溝底の幅の小さいテーパ溝（３ｂ）であるこ
とが好ましい。

【０００８】この発明の方法を適用できる機械的強度の
異なる２種類の金属材料（１）（２）とは、アルミニウ
ムまたはその合金と鉄またはその合金というように、全
く組成の異なる材料でも良く、また純アルミニウム系合
金とＡ５０００系アルミニウム合金のように同系金属ど
うしで機械的強度の異なる材料でも良い。また、金属材
料の形状は、突き合わせ接合するものであって一方を回
転させることができるものである限り限定されない。即
ち、棒、管、板あるいはこれらを組み合わせたものでも
良く、接合面の形状も円形に限らず角形でも良い。

【０００９】接合する２種類の金属材料のうち機械的強
度の高い方（２）の接合面（２ａ）に溝（３）を設ける
のは、摩擦熱により強度の低い金属材料（１）が先に軟
化溶融するため、この溶融金属を溝（３）内に収めてバ
リとして外部に押し出させないようにするためであると
ともに、接合面積を拡大して接合強度を向上させるため
である。

【００１０】前記溝（３）を形成する位置および形状
は、摩擦圧接時の回転軸を中心とするリング状とする。
これは、回転速度は回転軸を中心として内側から外側へ
と相対的に速くなり、発生する摩擦熱量も同心円状に変
化するため、同じ温度条件の位置に溝（３）を形成する
ためである。前記溝（３）の断面形状は特に限定され
ず、図２（Ａ）に示すような開口部と溝底と幅が等しい
コの字形の溝（３ａ）（４ａ）、図２（Ｂ）に示すよう
な開口部より溝底の幅の小さいテーパ溝（３ｂ）（４
ｂ）の他、断面がＶ字形の溝、Ｕ字形の溝等を例示でき
る。これらのうちでも溶融金属の収まりが良く接合面積
も大きい点で、テーパ溝（３ｂ）（４ｂ）が好ましい。
また、溝（３）の幅や深さも特に限定されない。幅は細
すぎると溶融金属を収めきれずバリを減少させる効果に
乏しく、太すぎるとアプセット量が大きくなり、接合面
積の拡大効果に乏しくなるため、１〜２０mmとするのが
良い。深さもあまり深すぎると溶融金属が十分に充填さ
れず接合不良となり、浅すぎるとバリを減少させるとと
もに接合面積を拡大する効果に乏しいため、０．５〜２
mmとするのが良い。さらに、溝（３）の数も１つに限定
されず、２以上の同心円状の溝（３）（４）を設けても
良い。

【００１１】

【作用】この発明の摩擦圧接方法においては、機械的強
度の異なる２種類の金属材料（１）（２）の相対的な回
転により発生する摩擦熱により、機械的強度の低い金属
材料（１）が先に軟化溶融する。そして、この溶融金属
は機械的強度の高い金属材料（２）の接合面（２ａ）に
形成された溝（３）に流れ込んで溝（３）内に充填され
る。そのため、２種類の金属材料（１）（２）はより広
い面積で接合されるともに、バリとして接合面から外部
に押し出される溶融金属量も少なくなる。しかも、前記
溝（３）は摩擦圧接時の回転軸を中心とするリング状に
形成されて、接合界面において摩擦熱による温度条件が
等しく溶融状態の等しい位置に前記溝（３）が存在する
ため、接合強度が安定する。

【００１２】また、前記溝（３）の断面形状を開口部よ
り溝底の幅の小さいテーパ溝（３ｂ）とすることによ
り、大きい接合面積を確保しつつ、さらに溶融金属の収
まりが良くなって、溶融金属の溝（３ｂ）への充填が良
好に行われる。

【００１３】

【実施例】次に、この発明の異種金属材料の摩擦圧接方
法の具体的実施例について、図面を参照しつつ説明す
る。

【００１４】Ａ１０５０アルミニウム合金からなる直径
３０mm×長さ１００mmの丸棒とＳＵＳ４３０ステンレス
鋼からなる直径３０mm×長さ１００mmの丸棒との突合わ
せ接合を行った。図１に示すように、アルミニウム棒
（１）は接合面（１ａ）が平らなものを使用し、ステン
レス棒（２）の接合面（２ａ）には、各実施例では下記
に詳述するようなリング状の溝（３）（４）を２本ずつ
刻設し、比較例では溝を設けず平らなものを使用した。

【００１５】（実施例１〜３）図２（Ａ）に示すよう
に、開口部と溝底の幅（Ｗ１）が等しく断面コの字形の
溝（３ａ）（４ａ）を２本形成した。幅（Ｗ１）はいず
れも３mmであり、深さ（Ｄ１）を、実施例１は０．５m
m、実施例２は１mm、実施例３は２mmとした。溝（３
ａ）（４ａ）の位置は、棒（２）の中心（回転軸）から
内側の溝（３ａ）の中心まで（Ｓ１）を４．５mm、外側
の溝（４ａ）の中心まで（Ｓ２）を１０．５mmとした。

【００１６】（実施例４）図２（Ｂ）に示すように、開
口部の幅（Ｗ２）が４mm、溝底の幅（Ｗ３）が３mm、深
さ（Ｄ２）が１mmのテーパ溝（３ｂ）（４ｂ）を２本形
成した。溝（３ｂ）（４ｂ）の位置は、棒（２）の中心
（回転軸）から内側の溝（３ｂ）の中心まで（Ｓ３）を
４mm、外側の溝（４ｂ）の中心まで（Ｓ４）を１０．５
mmとした。

【００１７】次に、イナーシャ式摩擦圧接機により、前
述のアルミニウム棒（１）およびステンレス棒（２）を
図１のように接合面（１ａ）（２ａ）を突き合わせて接
合した。圧接は、回転数３０００ＲＰＭ，加圧時間０．
５秒の条件下で、接合面における面圧を１０、２０、３
０ＭＰａの３段階に変化させて行った。

【００１８】そして、圧接した各継手について、アプセ
ット量および接合部に生じたバリの大きさを測定すると
ともに、ＪＩＳＺ３１２１（突合せ溶接部の試験方
法）およびＪＩＳＺ２２０１（金属材料引張試験片）
に基づき引張強さを測定した。これらの結果を表１に示
す。

【００１９】

【表１】

【００２０】表１の結果から明らかなように、ステンレ
ス棒（２）の接合面（２ａ）に溝（３）（４）を形成し
た各実施例では、比較例よりもアプセット量が小さいに
もかかわらず引張強さに優れていることを確認しえた。
また、各実施例はバリが小さく、バリ仕上げを簡単に行
うことができるものであった。

【００２１】

【発明の効果】以上のように、この発明にかかる異種金
属材料の摩擦圧接方法は、機械的強度の異なる２種類の
金属材料（１）（２）の接合面（１ａ）（２ａ）を突合
わせ、突合わせ方向に加圧しながら相対的に回転させる
ことによりこれらの金属材料（１）（２）を接合する摩
擦圧接方法において、機械的強度の高い金属材料（２）
の接合面（２ａ）に、回転軸を中心とするリング状の溝
（３）を設けるものであるから、先に軟化溶融する機械
的強度の低い金属材料（１）が溶融状態の等しい位置で
前記溝（３）に充填されて接合される。その結果、２種
類の金属材料（１）（２）を、少ないアプセット量で
も、高く、かつ安定した強度で接合できる。そして、こ
のような接合が達成されることにより、従来は摩擦圧接
できなかった大口径の金属材料でも接合可能となる。ま
た、溶融金属が溝（３）に充填されることによりバリの
量が減少し、圧接後の仕上げ時間も短縮できる。さら
に、アプセット量が少なくてすむため、材料歩留まりも
良い。

【００２２】また、前記溝（３）を開口部より溝底の幅
が小さいテーパ溝（３ｂ）とすることにより、大きい接
合面積を確保しつつ、さらに溶融金属の収まりが良くな
り、るとともに、接合面積も拡大され、より良好な接合
を行える。

【００２３】また、前記溝（３）の断面形状を開口部よ
り溝底の幅の小さいテーパ溝（３ｂ）とすることによ
り、大きい接合面積を確保しつつ、さらに溶融金属の収
まりが良くなり、より一層良好な接合を行える。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例において、摩擦圧接方法を示
す斜視図である。

【図２】この発明の実施例において、接合面に溝が形成
された金属材料の縦断面図であり、（Ａ）はコの字形の
溝であり、（Ｂ）はテーパ溝である。

【図３】従来の摩擦圧接方法を示し、（Ａ）は圧接前の
斜視図、（Ｂ）は圧接後の正面図である。

【符号の説明】

１…金属材料（アルミニウム棒）２…金属材料（ステンレス棒）１ａ，２ａ…接合面３…溝

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】機械的強度の異なる２種類の金属材料
（１）（２）の接合面（１ａ）（２ａ）を突合わせ、突
合わせ方向に加圧しながら相対的に回転させることによ
りこれらの金属材料（１）（２）を接合する摩擦圧接方
法において、機械的強度の高い金属材料（２）の接合面
（２ａ）に、回転軸を中心とするリング状の溝（３）を
設けることを特徴とする異種金属材料の摩擦圧接方法。
【請求項２】前記溝（３）は、断面形状が開口部より
溝底の幅の小さいテーパ溝（３ｂ）である請求項１に記
載の異種金属材料の摩擦圧接方法。