JP4453682B2 - 接合方法および接合ツール - Google Patents

Description

本発明は、互いに融点が異なる２つの金属部材を重ね合わせた状態で摩擦攪拌接合する接合方法およびこれに用いる接合ツールに関する。尚、本明細書において、「アルミニウム」には、アルミニウム合金も含まれている。

融点が異なる２つの金属部材、例えば、アルミニウム部材と銅部材との接合において、ＴＩＧやＭＩＧ溶接などによる直接溶融法を用いると、接合部に金属間化合物を生成し易い。これを避けるため、上記接合には、摩擦圧接、爆発圧接、あるいは、ロウ付けなどの方法が用いられている。
しかし、アルミニウム部材と銅部材との接合に摩擦圧接を用いた場合、被接合部材の断面形状が、棒材や管材などに限定されてしまう。また、爆発圧接を用いた場合にも、被接合部材の断面形状が制限されると共に、コスト高になる。更に、ロウ付けを用いた場合、接合部における品質の安定性を欠くと共に、高温に加熱された場合に得られた接合製品が変形し易くなる、という問題があった。

以上の問題を解決して、互いに融点が異なるアルミニウム部材とその他の金属部材とを接合するため、摩擦攪拌接合を用いることが提案されている。例えば、アルミニウム部材と異種金属部材とを重ね合わせた接合部に、高速回転するプローブを接触させ、その摩擦熱により軟化させて摩擦攪拌接合するに際し、上記両部材のうち強度の高い部材側からプローブを接触させる接合方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
しかし、この接合方法では、プローブの重合部付近への挿入が困難であると共に、係るプローブを含む接合ツールの寿命も短くなるため、工程管理が煩雑で且つコスト高になるという問題があった。

特開平１０−１３７９５２号公報（第１〜５頁、図１，２） 特開平１０−３２８８５５号公報（第１〜５頁、図１，２）

また、アルミニウム部材と銅部材とを重ね合わせた重合部付近に、接合ツールの回転する円柱形の回転子における底面の中心から垂下するプローブを挿入し、上記両部材を摩擦熱により軟化して攪拌することにより接合するに際し、上記プローブを軟質のアルミニウム部材側から挿入する、という接合方法も提案されている（例えば、特許文献２参照）。
この接合方法によれば、軟質のアルミニウム部材の可塑化が容易なため、プローブの挿入も容易となり、両部材の金属同士の攪拌もスムーズに行えるため、重合部付近に欠陥が発生せず接合強度が向上する、という利点を有する。

しかしながら、プローブを含む接合ツールや接合条件の選定如何によっては、接合部に欠陥を生じることがある。即ち、前記両部材への入熱は、これらとプローブおよび底面（ショルダ）との摩擦に起因するが、その多くは係る底面との摩擦による。このため、重合部付近における入熱量は、底面寄りで多くなり、プローブの先端側で少なくなるので、軟質のアルミニウム部材側からプローブを挿入した場合、プローブの先端付近に位置する硬質の銅部材への入熱量が少なくなる。この結果、銅部材中において銅材料の流動不足が生じるため、接合部Ｗにおけるプローブの先端付近の位置に内部欠陥（空洞）を生じる、という問題がある。
一方、プローブおよび回転子の回転数を上げて、プローブの先端寄りの位置における入熱量を増やそうとすると、アルミニウム部材側への入熱量が一層増加し且つアルミニウム部材の流動抵抗が著しく低下する。この結果、前記底面の付近からアルミニウム部材の一部が外部に漏れ出すことにより表面欠陥を生じる、という問題がある。

本発明は、以上に説明した背景技術における問題点を解決し、融点が互いに異なる金属部材同士を摩擦攪拌接合するに際し、内部や表面付近に欠陥のない健全な接合部を確実に得られる接合方法およびこれに用いる接合ツールを提供する、ことを課題とする。

課題を解決するための手段および発明の効果

本発明は、前記課題を解決するため、接合ツールにおけるプローブ先端寄りの付近における入熱量を増やすこと等に着想して成されたものである。
即ち、本発明の接合方法（請求項１）は、円柱形の本体とその底面に突設したプローブ基端部とを含む第１部分と、プローブ先端部と上記第１部分の本体およびプローブ基端部の軸心を貫通する回転軸とを含む第２部分とを含むと共に、互いに同軸心で且つ個別に回転する第１・第２部分からなる接合ツールを用いる接合方法であって、融点が互いに異なる一対の金属部材を重ね合わせる工程と、この一対の金属部材のうち、低融点側の金属部材の表面付近に上記接合ツールを配置する工程と、この接合ツールをその本体側の第１部分の回転数よりもプローブ先端部側の第２部分の回転数を大きくした回転を伴って上記一対の金属部材の重合部付近に進入させ且つ係る重合部の長手方向に沿って移動させることにより、上記一対の金属部材をその重合部に沿って摩擦攪拌接合する工程と、を含む、ことを特徴とする。

これによれば、接合ツールにおけるプローブ先端部を含む第２部分の回転数が大きいため、当該第２部分の先端付近と接触する高融点側の金属部材における流動不足が解消される。このため、第１部分が接触する低温側の金属部材における発熱量に近付けるか、同様にすることができる。

従って、２つの金属部材の重合部に跨って内部欠陥や表面欠陥のない健全な接合部を確実に形成することができる。

更に、前記接合方法に用いる接合ツール（請求項２）は、円柱形の本体とその底面に突設したプローブ基端部とを含む第１部分と、プローブ先端部と上記第１部分の本体およびプローブ基端部の軸心を貫通する回転軸とを含む第２部分と、上記第１部分と第２部分との間に配置した軸受とを含む、ことを特徴とする。

これによれば、接合ツールにおけるプローブ先端部を含む第２部分を、本体およびプローブ基端部からなる第１部分よりも高速回転させることができる。このため、第２部分によって高融点側の金属部材における流動不足が容易に解消される。従って、前述した２つの金属部材の重合部に跨って内部欠陥がなく且つ表面欠陥もない健全な接合部を確実に形成させることが可能となる。

尚、前記摩擦攪拌接合は、固相状態で２つの金属部材を軟化させて接合する方法であり、接合部には金属間化合物を生成せず、且つ接合部の付近に熱的影響部も生じない。そこで、前記のように、２つの金属部材を低融点側および高融点側としたのは、それぞれの融点に応じて軟化点（軟化温度域）も同様な関係になることに着眼したためである。それ故、低融点側と高融点側とは、同じ加熱温度における軟質側と硬質側、低強度側と高強度側、または高硬度側と低硬度側と表現することも可能である。
また、前記接合ツールには、上記２つの金属部材よりも更に高融点で且つ硬質の金属または合金から成形されたものが用いられる。

以下において、本発明を実施するための最良の形態について説明する。
図１〜図４は、本発明の接合方法およびこれに用いる接合ツール２０に関する。
接合ツール２０（請求項２に相当）は、図１，図２に示すように、例えば高速度鋼からなり、円柱形の本体２１とその底面２１ａの中心部に突設したプローブ基端部２２とを含む第１部分２０ａと、このプローブ基端部２２と同軸心のプローブ先端部２４と上記本体２１およびプローブ基端部２２の軸心孔２３を貫通する回転軸２６とを含む第２部分２０ｂと、係る第１部分２０ａと第２部分２０ｂとの間に配置した複数の軸受２８と、を含む。第１部分２０ａと第２部分２０ｂとは、モータなどの専用の駆動源に対し個別に接続されている。尚、第１・第２部分２０ａ，２０ｂ間の外端部寄りには、耐熱性のシール材２９が配置される。

図３，図４は、前記接合ツール２０を用いた接合方法に関する。
図３，図４に示すように、アルミニウム合金材（低融点側の金属部材）１と無酸素銅（高融点側の金属部材）２とを重ね合わせて拘束し、重合部４を形成する。また、アルミニウム合金材１の表面付近には、上記接合ツール２０を移動方向と反対側に傾斜して配置する。この際、第２部分２０ｂを第１部分２０ａよりも大きな回転数によって回転しつつ、接合ツール２０に１〜３０ｋＮの押し込み力を加え、且つ上記重合部４付近に向けて挿入すると共に、係る接合ツール２０を図４で右方向に５０ｍｍ〜２メートル／分の移動速度で移動させる。

以上の間に、アルミニウム合金材１は、第１部分２０ａにおける本体２１の底面２１ａとプローブ基端部２２とに接触して摩擦発熱して塑性・流動化すると共に、無酸素銅２も、第２部分２０ｂのプローブ先端部２４と接触して摩擦発熱して塑性・流動化する。その結果、アルミニウム合金材１と無酸素銅２とは、互いに攪拌され、接合ツール２０が離れるに従って両金属が混合状態で固化した接合部Ｗが形成される。一方、無酸素銅２は、第２部分２０ｂのプローブ先端部２４に摩擦接触し、その回転数の増加分に応じて発熱量が増加するため、流動不足を解消することができる。これにより、内部欠陥（空洞）のない健全な接合部Ｗを重合部４に沿って形成可能となる。

ここで、前記接合方法の具他的な実施例を比較例と共に説明する。
ＪＩＳ：Ａ６０６３からなり長さ２００ｍｍ×幅１００ｍｍ×厚さ５ｍｍのアルミニウム合金材１と同じサイズの無酸素銅２とを４組用意した。
また、高速度鋼から成形され、直径２０ｍｍの本体２１および直径９ｍｍで長さ３ｍｍのプローブ基端部２２からなる第１部分２０ａと、同じ直径と長さのプローブ先端部２４および回転軸２６からなるを第２部分２０ｂとを含む接合ツール２０を用意した。更に、ツール本体とプローブとが一体である一般的な形態の接合ツールを別途用意した。
前記図３，図４に示したように、各組のアルミニウム合金材１と無酸素銅２とを重ね合わせ且つ拘束して、重合部４を形成すると共に、アルミニウム合金材１の表面付近には、上記接合ツール２０と一般的な形態の接合ツールとを、個別に且つ前記同様に傾斜して配置した。

３組のアルミニウム合金材１の表面側から、移動方向と反対側に５°傾けた接合ツール２０の第１・２部分２０ａ，２０ｂを表４の回転数で個別に回転させると共に、押し込み圧力１２．５ｋＮ、および移動速度２００ｍｍ／分の同じ条件で挿入し、前記図３，図４で示したように、重合部４に沿って移動させた。これらにより得られた接合部Ｗを実施例１〜３とした。
一方、前記一般的な形態の接合ツールを用い、その回転数を上記第１部分２０ａと同じとしたほかは上記同様の条件にして、残った１組のアルミニウム合金材１の表面側から挿入し、且つ重合部４に沿って移動させることにより、得られた接合部Ｗを比較例とした。
実施例１〜３と比較例の各接合部Ｗを切断し、露出した断面を目視により観察して欠陥の有無を調べた。それらの結果を表１に示した。

表１の結果によれば、実施例１〜３の接合部Ｗには、内部欠陥が生じなかったのに対し、比較例の接合部Ｗには、約０．２ｍｍの粗大な内部欠陥（空洞）が発見された。即ち、実施例１〜３では、接合ツール２０における回転数の大きい第２部分２０ｂにより、無酸素銅２中でも塑性流動が十分に行われ、流動不足を生じなかった。これに対し、比較例では、単一のプローブがアルミニウム材１中と無酸素銅２中とにおいて、同じ回転数（７００ｒｐｍ）で回転してこれらを攪拌したため、無酸素銅２中で流動不足を生じたものと推定される。以上の実施例１〜３によって、本発明の接合方法の優位性が容易に理解されよう。

図５，図６は、参考形態の接合ツール２０′（請求項３に相当）を示す。
図５，図６に示すように、接合ツール２０′は、円柱形の本体２１を含む第１部分２０ａと、この本体２１の軸心孔２３を貫通する回転軸２６およびその先端に位置するプローブ２５とを含む第２部分２０ｂと、係る第１部分２０ａと第２部分２０ｂとの間に配置した複数の軸受２８と、を含む。
上記第１・第２部分２０ａ，２０ｂは、モータなどの専用の駆動源に対し個別に接続され、且つ第１・第２部分２０ａ，２０ｂ間の外端部寄りには、耐熱性のシール材２９が配置されている。

以上のような接合ツール２０′を用いても、プローブ２５を含む第２部分２０ｂの回転数を本体２１の第１部分２０ａよりも大きくすることにより、前記図３，図４で示したように、摩擦による入熱量が増加して、高融点側の銅部材２において塑性・流動化が確実に行われる。一方、第１部分２０ａの回転数を小さくするので、その本体２１の底面２１ａに接触する低融点側のアルミニウム合金材１は、過度の摩擦発熱による溶融化を防ぐことができる。従って、接合ツール２０′によっても、健全な接合部Ｗを形成する接合方法（請求項１）が可能となる。

また、図７は、異なる参考形態の接合ツール２０″の断面を示す。
接合ツール２０″は、図７に示すように、円柱形の本体２１の外周部を含む第１部分２０ａと、本体２１の軸心孔２３を貫通する太径の回転軸２６およびその底面２７の中心部から同軸心に突出するプローブ２５を含む第２部分２０ｂと、係る第１部分２０ａと第２部分２０ｂとの間に配置した複数の軸受２８と、を含む。これら第１・第２部分２０ａ，２０ｂも、モータなどの専用の駆動源に対し個別に接続され、且つ第１・第２部分２０ａ，２０ｂ間の外端部寄りには、耐熱性のシール材２９が配置される。
以上のような接合ツール２０″を用いても、接合ツール２０′と同じく前記接合ツール２０における作用・効果を同様に得ることが可能である。

本発明は、以上において説明した各形態および実施例に限定されない。
例えば、本発明における低融点側と高融点側の金属部材は、両者の間における融点または軟化点の差が１００℃以上であるか、または、同じ加熱温度における引張強さなどの強度の差が１００Ｎ以上であるか、あるいは硬度の差が３０Ｈｖ以上であれば、異種金属やそれらの合金間の組合せは基より、同種金属の合金系同士でも適用可能である。
また、低融点側と高融点側の一対の金属部材における重ね合わせ部には、両部材の段部同士の間または雄・雌嵌合部も含まれ、且つ平面視で直線形に限らず、中間で屈曲する重合部やカーブする重合部も含まれる。

本発明の接合ツールを示す側面図。 上記接合ツールの断面図。 上記接合ツールを用いる本発明の接合方法を示す概略図。 上記接合方法を異なる角度で示す概略図。 参考形態の接合ツールを示す側面図。 上記接合ツールの断面図。 異なる参考形態の接合ツールを示す上記同様の断面図。

符号の説明

１…………………………アルミニウム合金材（低融点側の金属部材）
２…………………………無酸素銅（高融点側の金属部材）
４…………………………重合部
２０…………………………接合ツール
２０ａ……………………第１部分
２０ｂ……………………第２部分
２１………………………本体
２２………………………プローブ基端側
２４………………………プローブ先端側
２６………………………回転軸
２８………………………軸受

Claims (2)

1. 円柱形の本体とその底面に突設したプローブ基端部とを含む第１部分と、プローブ先端部と上記第１部分の本体およびプローブ基端部の軸心を貫通する回転軸とを含む第２部分とを含むと共に、互いに同軸心で且つ個別に回転する第１・第２部分からなる接合ツールを用いる接合方法であって、
   融点が互いに異なる一対の金属部材を重ね合わせる工程と、
   上記一対の金属部材のうち、低融点側の金属部材の表面付近に上記接合ツールを配置する工程と、
   上記接合ツールをその本体側の第１部分の回転数よりもプローブ先端部側の第２部分の回転数を大きくした回転を伴って上記一対の金属部材の重合部付近に進入させ且つ係る重合部の長手方向に沿って移動させることにより、上記一対の金属部材をその重合部に沿って摩擦攪拌接合する工程と、を含む、
   ことを特徴とする接合方法。
2. 請求項１に記載の接合方法に用いる接合ツールであって、
   円柱形の本体とその底面に突設したプローブ基端部とを含む第１部分と、
   プローブ先端部と上記第１部分の本体およびプローブ基端部の軸心を貫通する回転軸とを含む第２部分と、
   上記第１部分と第２部分との間に配置した軸受と、を含む、
   ことを特徴とする接合ツール。

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