WO2015125659A1 - 摩擦撹拌接合方法および摩擦撹拌接合体 - Google Patents

Abstract

　異種金属材料から形成された金属部材同士を摩擦撹拌接合するに際して、その接合部において異種金属部材同士が接触する接触部の露出を防止することができる摩擦撹拌接合方法および摩擦撹拌接合体を提供する。少なくとも２つの金属部材（１，２）を重ね合わせ、一方の金属部材（１）にツール（１０）を押し付けて、これらの金属部材（１，２）同士を摩擦撹拌接合するようにした摩擦撹拌接合方法において、ツール（１０）が摩擦撹拌接合の終端部（３）に位置したところで、ツール（１０）を、水平方向に動かしながら一方の金属部材（１）から引き抜く構成としている。

Description

摩擦撹拌接合方法および摩擦撹拌接合体

　本発明は、摩擦撹拌接合方法および摩擦撹拌接合体に関し、詳しくは、金属部材同士を重ね合わせ、一方の金属部材にツールを押し付けて、一方の金属部材と他方の金属部材を摩擦撹拌接合するようにした摩擦撹拌接合方法、およびこの方法によって形成される摩擦撹拌接合体に関する。

　従来より、鉄とアルミニウムなどの異種金属材料で形成された金属部材の接合は、一般に溶融溶接や、リベットなどの機械的接合などによって行われてきたが、このようなリベットやボルトを用いた機械的接合では、接合のためにリベットなどの接合資材が必要となり、コスト上昇、重量増加などの課題があるため、近年、上記したような金属部材同士の接合方法として、摩擦撹拌接合（ＦＳＷ：Ｆｒｉｃｔｉｏｎ　Ｓｔｉｒ　Ｗｅｌｄｉｎｇ）が行われるようになった。この摩擦撹拌接合では、図１２に示すように、金属部材１０１，１０２同士を重ね合わせて、一方の金属部材１０１に接合用のツール１０３を回転させながら押し付けて、一方の金属部材１０１を摩擦熱により軟化させて貫入させるとともに、ツール１０３の回転力によって一方の金属部材１０１および他方の金属部材１０２を撹拌させて塑性流動させることで、一方の金属部材１０１と他方の金属部材１０２との接合を行うようにしたものである。

　ところで、上記摩擦撹拌接合方法では、その終端部において、ツール１０３を引き抜く際に穴（以下、ツール穴という）１０４が形成される（図１２（ｂ）および図１３参照）。ツ－ル穴１０４が形成されると、一方の金属部材１０１と他方の金属部材１０２との界面１０５が露出する。このため、界面１０５が水分などに晒されると、そこで電食が発生してしまう欠点があった。ここで、摩擦撹拌接合の終端部とは、摩擦撹拌接合が完了した部位を指す。すわなち、一端から他端まで摩擦撹拌接合した場合においてはその他端の部位、一端まで摩擦撹拌接合し、折り返して接合しながら中間まで戻ってツールを引き抜いた場合においては、接合が完了したその中間の部位を指す。
　また、上記摩擦撹拌接合により鉄とアルミニウムによって形成された異種金属部材同士を接合する場合には、溶融溶接では入熱量が大きいため、金属部材間の界面に脆弱な金属間化合物（Ｆｅ２Ａｌ５、ＦｅＡｌ３など）が生成されてしまい、接合強度が低下するという不具合があった。

　さらに、ツール１０３の先端を他方の金属１０２に貫入させないで摩擦撹拌接合を行う場合（ツール１０３の先端が一方の金属材料１０１内にあり他方の金属材料１０３に達していない状態で摩擦撹拌接合を行う場合）には、接合強度を大きくするために、界面１０５とツール１０３の先端をできるだけ近づける必要がある。その際、ツール１０３の先端を界面１０５に近づけすぎると、ツール１０３を引き抜いた時、ツール１０３に一方の金属部材１０１が付着して、ツール穴１０３の底部が破れ、該一方の金属部材１０１の終端部のツール穴１０４が他方の金属部材１０２まで貫通してしまうおそれがある。この貫通したツール穴１０４を通じて金属部材１０１，１０２同士の界面１０５（鉄とアルミニウムの接触部）が露出してしまうと、その部位で電食が生じ、接合強度の低下を引き起こす原因となった。このように、ツール１０３の先端を他方の金属材料１０２に貫入させない場合でも、摩擦撹拌接合の終端部において界面１０５が露出してしまう場合があり、このような場合に界面１０５が水分などに晒されると、該界面で電食が生じてしまう虞れがあった。また、ツール１０３の先端と界面１０５の距離が近いほど高い接合強度が得られるが、逆に接合強度が低下してしまうという問題もあった。

　そこで、従来より、特許文献１，２に示すような摩擦撹拌接合方法が提案されている。
　特許文献１には、摩擦撹拌接合の終端部の貫通したツール穴を埋めるために、一度接合を完了させた後、ツール穴に充填材を設置して、該ツール穴を再度摩擦撹拌接合することで、上記終端部の接合部における気密性及び水密性を向上させることが開示されている。
　また、特許文献２には、異なる金属材料によって形成された金属部材同士を摩擦撹拌接合するものであって、その終端部に凸部などの余肉部を設けることで、該終端部にツール穴が形成しても該ツール穴が貫通しないため、金属部材同士間の界面が露出されず、電食が防止されることが開示されている。

特開２００９－１７２６５０号公報 特開２０１２－１４３８１２号公報

　しかし、特許文献１に記載の方法では、下記のような課題がある。
　すなわち、特許文献１の方法では、一度摩擦撹拌接合した後に、その終端部のツール穴を埋めるために該ツール穴に充填材を設置する工程、および再度接合を実施する工程が必要になる。そのため、工程数が増加してしまう欠点がある。
　また、特許文献２に記載の摩擦撹拌接合方法では、下記のような課題がある。
（１）　摩擦撹拌接合の終端部に余肉部を設けるようにしているので、摩擦撹拌接合後の製品の重量が増加してしまう欠点がある。
（２）　展伸材（押出材）などの板厚が均一な金属材料の場合には、特許文献２の方法を使用することができない。そのため、材料選定の自由度が低下してしまう欠点がある。
（３）　ツール穴が形成される余肉部のところでは、該余肉部の部位に比べて、ツールの先端と界面の距離が離れている。一方、従来より、ツールの先端と界面の距離を小さく設すると接合強度が向上し、距離が大きく設定すると接合強度が低下することが知られている。そのため、特許文献２の方法では、余肉部以外の部位の界面における接合強度に対して、余肉部のところの界面における接合強度が相対的に低下してしまう。それ故、同方法により接合された部品に応力がかかると、相対的に接合強度の低い余肉部側から優先的に破損し、この破損した部位からき裂が次第に進展したり、該破損した部位に水分などが入り込んで電食が発生してしまうおそれがある。

　本発明は上記実状に鑑みてなされたものであって、その目的は、異種金属材料から形成された金属部材同士を摩擦撹拌接合するに際して、その接合部において異種金属部材同士が接触する接触部の露出を防止することができる摩擦撹拌接合方法および摩擦撹拌接合体を提供することにあり、詳しくは、特別な追加の工程を設けることなく、また、金属部材に特別な構造を設けることなく、摩擦撹拌接合の終端部と該終端部以外との部位で略同等の接合強度を有し、ツール穴が水分などに晒されても電食が発生せず、かつ、板厚が略均一な金属材料にも適用できる摩擦撹拌接合方法および摩擦撹拌接合体を提供することにある。

　本発明では、上記目的を達成するために、少なくとも２つの金属部材を重ね合わせ、一方の金属部材側からツールを押し付けて、これらの金属部材同士を摩擦撹拌接合するようにした摩擦撹拌接合方法において、上記ツールが摩擦撹拌接合の終端部に位置したところで、上記ツールを、水平方向に動かしながら上記一方の金属部材から引き抜くようにしている。
　本発明では、上記ツールの水平方向への動きは、該ツールの中心軸が略直線を描くようにしている。
　本発明では、上記ツールの水平方向への動きは、該ツールの中心軸が略直線を描きその方向はツール進行方向と異なる方向であることとしている。
　本発明では、上記ツールの水平方向への動きは、該ツールの中心軸が多角形を描くようにしている。
　本発明では、上記ツールの水平方向への動きは、該ツールの中心軸が略円形を描くようにしている。
　本発明では、上記ツールが描く略円形の軌道円の直径は、上記ツールが水平方向に動かない状態で上記一方の金属部材に形成される場合のツール穴の直径の１％以上としている。
　本発明では、上記摩擦撹拌接合の終端部において、上記ツールの先端が、上記他方の金属部材まで略達している状態で、若しくは上記他方の金属部材に貫入している状態で、摩擦撹拌接合するようにしている。
　本発明では、上記２つの金属部材は、異なる金属材料によって形成されたものとしている。
　本発明では、少なくとも２つの金属部材を重ね合わせ、一方の金属部材側からツールを押し付けて、これらの金属部材同士を摩擦撹拌接合し、上記ツールが摩擦撹拌接合の終端部に位置したところで、上記ツールを、水平方向に動かしながら上記一方の金属部材から引き抜くことによって摩擦撹拌接合接合体を形成するようにしている。

　上述の如く、本発明に係る摩擦撹拌接合方法によれば、少なくとも２つの金属部材を重ね合わせ、一方の金属部材側からツールを押し付けて、これらの金属部材同士を摩擦撹拌接合するようにした摩擦撹拌接合方法において、上記ツールが摩擦撹拌接合の終端部に位置したところで、上記ツールを、水平方向に動かしながら上記一方の金属部材から引き抜くようにしているので、上記ツールを引き抜く際に生じるツール穴を、この引き抜きの際にツールで撹拌された一方の金属部材（特に、ツールの側面部分の金属）により埋めて、露出した他方の金属部材を覆うことができる。これにより、以下のような効果を得ることができる。
・両金属部材同士の界面の露出を防止するために、摩擦撹拌接合した後に充填材などを設置する必要が無い。すなわち、摩擦撹拌接合の工程のみで良く、工程数は増加しない。
・界面の露出を防止するために、終端部に余肉部を設ける必要がない。そのため、重量が増加しない。
・展伸材などの板厚が均一な材料においても、両金属部材同士の界面の露出を防止できる。そのため、材料選定の自由度が向上する。
・摩擦撹拌接合の終端部におけるツールの先端と界面の距離を可及的に小さくすることができるため、終端部の部位と終端部以外の部位とのいずれにおいても、ツールの先端と界面の距離を略同じにすることができる。そのため、終端部の部位と終端部以外の部位のいずれにおいても、略同等の高い接合強度が得られる。したがって、同方法により接合された接合体に応力がかかっても、同接合体が全体に渡って略均一な高い接合強度を有するために破損し難くなり、仮に破損することがあったとしても、上記終端部が優先的に破損するおそれはない。結果として、同方法により接合された接合体が破損することはないため、両金属部材同士の界面のところに水が入り込むことはなく、摩擦撹拌接合の終端部が外周部に接している場合でも水が入り込む隙間が生じず、電食の発生を防止することができる。

本発明の実施形態に係る摩擦撹拌接合方法を概念的に示す斜視図である。 本発明の実施形態に係る摩擦撹拌接合方法を概念的に示す断面図であり、（ａ）は摩擦撹拌接合する前の様子を示すもので、（ｂ）は摩擦撹拌接合後の様子を示すものである。 図２（ｂ）に矢印Ａで示す円で囲む部分を拡大して示す断面図であり、（ａ）は摩擦撹拌接合している様子を示すもので、（ｂ）は摩擦撹拌接合後の様子を示すものである。 本発明の実施形態に係る摩擦撹拌接合方法で採用する摩擦撹拌接合用ツールを示す側面図である。 本発明の実施形態に係る摩擦撹拌接合方法における摩擦撹拌接合の終端部の位置を示す概念図である。 本発明の実施形態に係る摩擦撹拌接合方法によって接合された様子を平面的にみた写真である。 従来の摩擦撹拌接合方法によって接合された様子を平面的にみた写真である。 本発明の実施形態に係る摩擦撹拌接合方法を概念的に示すもので、とくに、ツールの水平方向への動きが、該ツールの中心軸が略円形を描くように移動する場合の様子を示す平面図である。 本発明の実施形態に係る摩擦撹拌接合方法を概念的に示すもので、とくに、ツールが描く略円形の軌道円の直径が、上記ツールの摩擦撹拌接合によって一方の金属部材に形成されるツール穴の直径の１％以上である場合の様子を示す平面図である。 本発明の実施形態に係る摩擦撹拌接合方法を概念的に示すもので、とくに、ツールの水平方向への動きは、略直線的である場合の様子を示す平面図である。 本発明の実施形態に係る摩擦撹拌接合方法を概念的に示すもので、とくに、ツールの水平方向への動きが、該ツールの中心軸が多角形を描くように移動する場合の様子を示す平面図である。 従来の摩擦撹拌接合方法を概念的に示す断面図であり、（ａ）は摩擦撹拌接合完了する前の様子を示すもので、（ｂ）は摩擦撹拌接合完了後の様子を示すものである。 従来の摩擦撹拌接合方法を概念的に示す平面図である。

　以下、本発明に係る摩擦撹拌接合方法および摩擦撹拌接合体の実施の形態について、図１～図１１を参照しながら詳細に説明する。
　本実施形態に係る摩擦撹拌接合方法は、図１～図３に示すように、異種の金属材料から形成された２つの金属部材１，２を重ね合わせて配置し、摩擦撹拌接合用のツール１０を回転させながら一方の金属部材１の表面に押し付けて加圧し、接触させて発熱させることにより金属部材１，２同士の接合を行うようにしたものであって、金属部材１，２の接合が終わる終端部３にツール１０が達したところで、該ツール１０全体を該終端部近傍の金属部材１，２に対して水平方向に動かしながら引き抜くようにして摩擦撹拌接合体２０を形成するようにしている。ここで、図１および図２（ａ）に示した矢印は摩擦撹拌接合に際してツール１０の移動方向を示し、同図は金属部材１，２同士が帯状に摩擦撹拌接合される様子を示している。なお、上記した接合用ツール１０としては、例えば、図４（ａ）に示すように、ショルダー１１とプローブ（突起）１２を合わせたものである。金属部材１，２を成す異種の金属材料としては、例えば、鉄、アルミニウム、マグネシウム等であり、これらのうちから選択された２種である。また、摩擦撹拌接合の終端部３とは、摩擦撹拌接合が完了した部位であって、一端から他端まで摩擦撹拌接合した場合においてはその他端の部位（図５（ａ）参照）、一端まで摩擦撹拌接合し、折り返して接合しながら中間まで戻ってツール１０を引き抜いた場合においては、接合が完了したその中間の部位（図５（ｂ））をいう。図２、図３および図５において、１３は摩擦撹拌接合の終端部３において、ツール１０を引き抜く際に形成されるツール穴であり、１４はツール１０のショルダー１１の押圧によって一方の金属部材１の上面に形成されたショルダー穴であり、１５は金属部材１，２が合わさって形成される界面である。以下、実施例について具体的に説明する。

　下記の両実施例で使用する摩擦撹拌接合用ツール１０としては、図１に一点鎖線で示すように、円筒状のショルダー１１とプローブ１２からなるものを採用した。両実施例とも、図１および図２に示すように、異種の金属材料で形成された２つの金属部材１，２を重ね合わせて、ツール１０を回転させながら被接合部材である金属部材１，２に挿入するようにして、摩擦撹拌接合を実施した。両実施例において、被接合部材である金属部材１，２として、上板に２．０ｍｍのアルミ板ＡＣ４ＣＨ、下板に２．０ｍｍの軟鋼板を採用した。両実施例の接合条件は、ショルダー径φ１２［ｍｍ］、プローブ径φ５［ｍｍ］、プローブ長さ１．７［ｍｍ］の超硬合金製の接合ツールを用いて、回転数１５００［ｒｐｍ］、ツール挿入量１．９［ｍｍ］、ツール引き抜き速度２０［ｍｍ／ｍｉｎ］とした。なお、接合ツールは前進角として３度傾けている。

＜実施例１＞　本実施例では、材質の異なる２つの金属部材１，２を重ね合わせて配置し、ツール１０を回転させながら上板である一方の金属部材１の表面に接触させ、摩擦撹拌接合の終端部においてツール１０を水平方向に動かしながら一方の金属部材１から引き抜く場合と、比較のために、従来方法として、摩擦撹拌接合の終端部３においてツール１０をそのまま上方へ垂直に引抜くだけの場合の２通りの接合を実施した。
　図６は、本実施例の場合における摩擦撹拌接合の終端部３の様子を示すもので、ツール１０を引き抜きの際に、移動速度１０［ｍｍ／ｍｉｎ］で水平方向に動かしながら該ツールを引き抜いた結果、上記終端部３付近の材料に塑性流動を生じさせ、その材料でもって上記終端部３に生じたツール穴１３が充填され、上記終端部３に他方の金属部材２の鉄の露出は認められず、異種金属接触部位の露出が防止されていることが確認できる。これに対して、図７から明らかなように、従来方法では、摩擦撹拌接合の終端部３においてツール１０をそのまま上方へ引抜いた結果、ツール穴１３が貫通して他方の金属部材２の鉄が露出しているのが確認できる。

＜実施例２＞　本実施例では、摩擦撹拌接合の終端部３において、ツール１０を引き抜く際に、図８および図９に示すように、ツール１０の中心軸が略円を描くように動かしながら引き抜く接合を行った。ツール１０の引き抜きの際の円運動の軌道円４の直径ｄ１を変化させて接合を実施した。その試験結果を下記の表１に示す。ツール１０が水平方向に動かない状態で一方の金属部材１に形成される場合のツール穴１３（表１では初期ツール穴という。）の直径ｄ２（＝５ｍｍ）に対して、ツール１０の軌道円４の直径ｄ１を０ｍｍ～２．５ｍｍ（ツール穴１３の直径ｄ１の０～５０％）として接合試験を行った結果、鉄の露出を完全に覆うことが可能であった。表１から明らかなように、本実施例におけるツール１０の引き抜き時の軌道円４の直径ｄ１は、少なくとも１％以上に設定すればよく、上記実施例１と同様な効果を得ることができる。

 

　また、上記実施例では、ツール１０の先端が、他方の金属部材２まで達しない場合、すなわち、ツール穴１３が貫通されていない場合に適用したが、本発明はこれに限らず、摩擦撹拌接合の終端部３において、ツール１０の先端が、他方の金属部材２まで略達している状態で、若しくは他方の金属部材２に貫入している状態で、摩擦撹拌接合するようにしても良い。この場合には、ツール穴１３を通して一時的に界面１５が露出するが、ツール１０を水平方向に動かしながら引き上げることにより、このツール穴１３の貫通を塞ぐことができ、上記実施例の場合と同様に、界面１５の露出を防止できる。
　なお、ツール１０の先端を他方の金属部材２に貫入させない場合においても、摩擦撹拌接合の終端部３において、一方の金属部材１から押し付けられたツール１０の先端が、他方の金属部材２まで略達していれば、すなわち、ツール１０の先端と界面１５の距離が０ｍｍを超え０．２ｍｍ以下であれば、ツール１０を水平方向に動かしながら引き上げることにより、高い接合強度が得られ、たとえツール穴１３の底をなす薄肉部が破損した場合においても、界面１５の露出を防止できる。その結果、摩擦撹拌接合の終端部３における異種金属接触部位の露出を抑制し、接合終端部の電食を防止することができる。

　なお、上記実施例では、ツール１０を引き上げる際に、該ツールを水平方向に動かしたが、このツール１０の水平方向への動きは、図１０に示すように略直線を描くようなツール１０の進行方向の往復動またはツール１０の進行方向とは異なる方向の往復動であっても良く、図１１に示すように該ツール１０の中心軸が多角形、例えば三角形や四角形などを描くように移動するようにしても良い。これにより、上記実施例の場合と同様に、摩擦撹拌接合の終端部３付近の材料が塑性流動してツール穴１３を充填することができるので、いずれの動作でも異種金属接触部位の露出を防止する効果を得ることができる。図１０および図１１において、矢印はツール１０の中心軸の軌道を示す。
　また、上記実施例では、プローブ１２を有するツール１０について説明したが、本発明はこれに限らず、プローブ１２を有さないツール１０（例えば、特開２０１２－５０９９６に開示のツール、あるいは図４（ｂ）参照）を用いても良い。このようなプローブ１２を有さないツール１０を用いて摩擦撹拌接合する際には、該ツールそのものを回転させつつ、水平方向に移動させながら引き抜くようにすればよく、同様の効果を得ることができる。これにより、ツール１０の側面部分の金属材料を塑性流動させて、摩擦撹拌接合の終端部３における異種金属接触部位の露出を防止できるとともに、接合終端部において電食が発生するのを防止することができる。
　以上、本発明の実施の形態につき述べたが、本発明は既述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づいて各種の変形及び変更が可能である。

１，２　金属部材
３　終端部
４　軌道円
１０　ツール
１１　ショルダー
１２　プローブ
１３　ツール穴
１４　ショルダー穴
１５　界面
２０　摩擦撹拌接合体
１０１、１０２　異種金属部材
１０３　ツール
１０４　ツール穴
１０５　界面

Claims (9)

1. 　少なくとも２つの金属部材を重ね合わせ、一方の金属部材側からツールを押し付けて、これらの金属部材同士を摩擦撹拌接合するようにした摩擦撹拌接合方法において、上記ツールが摩擦撹拌接合の終端部に位置したところで、上記ツールを、水平方向に動かしながら上記一方の金属部材から引き抜くことを特徴とする摩擦撹拌接合方法。
2. 　上記ツールの水平方向への動きは、該ツールの中心軸が略直線を描くことを特徴とする請求項１に記載の摩擦撹拌接合方法。
3. 　上記ツールの水平方向への動きは、該ツールの中心軸が略直線を描きその方向はツール進行方向と異なる方向であることを特徴とする請求項２に記載の摩擦撹拌接合方法。
4. 　上記ツールの水平方向への動きは、該ツールの中心軸が多角形を描くことを特徴とする請求項１に記載の摩擦撹拌接合方法。
5. 　上記ツールの水平方向への動きは、該ツールの中心軸が略円形を描くことを特徴とする請求項１に記載の摩擦撹拌接合方法。
6. 　上記ツールが描く略円形の軌道円の直径は、上記ツールが水平方向に動かない状態で上記一方の金属部材に形成される場合のツール穴の直径の１％以上であることを特徴とする請求項５に記載の摩擦撹拌接合方法。
7. 　上記摩擦撹拌接合の終端部において、上記ツールの先端が、上記他方の金属部材まで略達している状態で、若しくは上記他方の金属部材に貫入している状態で、摩擦撹拌接合することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の摩擦撹拌接合方法。
8. 　上記２つの金属部材は、異なる金属材料によって形成されたものであることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の摩擦撹拌接合方法。
9. 　少なくとも２つの金属部材を重ね合わせ、一方の金属部材側からツールを押し付けて、これらの金属部材同士を摩擦撹拌接合し、上記ツールが摩擦撹拌接合の終端部に位置したところで、上記ツールを、水平方向に動かしながら上記一方の金属部材から引き抜くことによって形成されたことを特徴とする摩擦撹拌接合体。

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