CN102821906A - 异种件接合体及其接合方法 - Google Patents

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Abstract

公开了利用摩擦搅拌接合将碳素钢件（11）和铝件（12）接合而成的异种件接合体及其接合方法。以被所述接合探针（14）接合的所述接合部（15）为基准，伴随所述摩擦搅拌接合而产生的塑性流动部（17）的卷起高度小的区域的接合部（15）位于所述铝件（12）的一方侧，所述塑性流动部（17）的卷起高度大的区域的所述接合部（15）位于所述铝件（12）的另一方侧。

Description

异种件接合体及其接合方法
技术领域
本发明涉及用于接合铝件和碳素钢件的摩擦搅拌接合技术。
背景技术
通过摩擦搅拌接合法接合两种金属件的技术，已知例如如专利文献1公开的技术。图9示出了该摩擦搅拌接合法。
参照图9，将铝板102重叠在铝板101上，在使摩擦搅拌接合工具103的接合探针104向逆时针方向（X方向）旋转的同时，使其向Y方向移动，由此铝板101与铝板102接合。
已知上述的摩擦搅拌接合法也能够应用于材质不同的异种件的接合。本申请发明人进行了如下试验：利用碳素钢板代替下面的铝板101，将铝板102重叠在该碳素钢件上，在使摩擦搅拌接合工具103的接合探针104向逆时针方向（X方向）旋转的同时，使其向Y方向移动，由此碳素钢板与铝板102接合。
然后，进行了拉伸试验。于是，发现在比目标载荷小的拉伸载荷作用下接合部断裂。即，在专利文献1中公开的技术不适合异种件接合，因此寻求更适合异种件接合的接合技术。
现有技术文件
专利文献
专利文件1：日本特开2006-192501号公报
发明内容
发明所要解决的课题
本发明的课题在于提供更适合异种件接合的接合技术。
用于解决课题的技术方案
根据本发明的一个方面，提供一种异种件接合体，利用通过摩擦搅拌接合而形成的接合部接合碳素钢件和铝件，并在以所述接合部为基准对所述铝件的一方侧施加比另一方侧大的输入载荷的形态下使用，所述异种件接合体具备：所述碳素钢件；与所述碳素钢件重叠的所述铝件；以及利用从所述铝件侧被***的接合探针形成的接合部，在所述接合部的与所述接合探针的移动轴线正交的剖面，伴随所述摩擦搅拌接合而产生的塑性流动部的卷起高度小的区域配置在所述铝件的所述一方侧，所述塑性流动部的卷起高度大的区域配置在所述铝件的所述另一方侧。
这样，在本发明中，着眼于塑性流动部的卷起高度。若卷起高度大则接合部上的完整部的长度变小。反之，若卷起高度小则接合部上的完整部的长度变大。若完整部的长度大，则接合强度（拉伸强度）提高。使塑性流动部的卷起高度小的区域位于载荷输入大的一方。其结果是，能够提高异种件接合体的整体的强度。
根据本发明的另一方面，提供一种异种件接合体的接合方法，所述异种件利用通过摩擦搅拌接合而形成的接合部接合碳素钢件和铝件，并且在以该接合部为基准对所述铝件的一方侧施加比另一方侧大的输入载荷的形态下使用，所述异种件接合体的接合方法包括如下步骤：将所述铝件与所述碳素钢件重叠的步骤；从所述铝件侧***接合探针的步骤；和以所述铝件的所述一方侧配置在如下这一侧的方式进行摩擦搅拌接合的步骤，在所述这一侧，所述接合探针的移动方向与所述接合探针的旋转方向相反。
根据本发明的另一方面，使接合探针的移动方向与接合探针的旋转方向相反的一侧成为输入载荷大的一侧来进行摩擦搅拌接合。在接合探针的移动方向与接合探针的旋转方向相反的一侧，塑性流动部的卷起高度变小，完整部的长度变大，接合强度（拉伸强度）得以提高。其结果是，能够提高异种件结合体的整体强度。
附图说明
图1是说明将铝件重叠到碳素钢件上的工序的图。
图2是说明进行摩擦搅拌接合的工序的图。
图3是说明接合探针的旋转方向和载荷作用部之间的位置关系的图。
图4是示出塑性流动部的卷起部的剖视图。
图5是通过接合而完成的异种件接合体的立体图。
图6是示出异种接合体的完整部的长度的剖视图。
图7是示出接合后的异种接合体的拉伸强度的测定法的图。
图8是示出异种接合体的完整部的长度和拉伸强度之间的关系的图。
图9是示出以往的异种件的摩擦搅拌接合法的图。
具体实施方式
下面，基于附图对本发明优选的实施例进行说明。
实施例
如图1所示，将铝件12重叠在碳素钢件11上（重叠异种件的工序）。碳素钢件11例如是经过冲压加工形成的270MPa级镀锌钢板（JIS G 3302）。
铝件12是例如铝合金铸件（AC4CH-T5（JIS H 5202））。
接着，如图2所示，从铝件12侧***摩擦搅拌接合工具13的接合探针14，通过使接合探针14高速旋转来进行摩擦搅拌接合（接合工序）。而且，支承接合探针14的部位是上述工具3的轴肩13a，该轴肩13a接触铝件12的上表面，或者没入少许。
如图2所示，以接合部15为基准，对图左侧的部分的铝件12不施加载荷，对图右侧的部分的铝件12作用载荷。这样，在铝件12上存在未作用有载荷的部位和作用有载荷的部位。将载荷作用的部位称为载荷作用部16。即，以接合部15为基准，图左侧为载荷作用相反侧，图右侧为载荷作用侧。
如图3所示，在接合探针14的移动方向是箭头（1）的情况下，箭头（3）所示的旋转方向与接合探针14的移动方向相同。另一方面，箭头（4）所示的旋转方向与接合探针14的移动方向相反。在本实施例中，将该箭头（4）侧与载荷作用侧16一致。即，在接合工序中，将载荷作用部16配置于接合探针14的移动方向（箭头（1））与接合探针的旋转方向相反的那一侧（箭头（4））。
放大接合部15的剖面，如图4所示，在接合部15的底部，能够看到塑性流动部17及在该塑性流动部17的两端产生的卷起部17a、17b。在使接合工具高速旋转的同时将该接合工具***直到轴肩接触材料并移动该接合工具，由此该卷起部17a、17b进行接合，所述接合工具在接合探针14（图2）的末端带有被称为探针的突起。另外，塑性流动部17，在接合过程中呈流动化状态，但接合后被冷却，成为凝固状态。
进行旋转的工具的轴肩13a（图2）及接合探针14（图2）与材料（铝件）12产生摩擦热，被该热软化的材料，在由工具的旋转引起的塑性流动中被搅拌而接合。在接合过程中，由于被探针14加工的螺旋效果，软化的材料向下流动。向下的流动被下侧的材料（碳素钢件）11阻挡，而变为朝向外侧扩展且方向变成朝向轴肩。于是，在塑性流动区域的外缘，周围软化的材料被牵拉而提升，并呈楔状侵入到上板（铝件）12中。该现象是卷起，在其外周部存在未接合部。
由于向上板12的侵入，原板厚只在卷起的部分处板厚减少，因此，只在该部分，强度降低。特别是在异种件接合中，除上述的卷起之外，还会引起铁或存在于界面的防锈用的镀层成分（例如锌（Zn））的卷入。因此，在铝件和碳素钢件的异种件接合部显著地产生卷起部17a、17b。
关于这些卷起部17a、17b的高度（厚度），相对于载荷作用部16侧的卷起部17b的高度H1，离载荷作用部16较远侧的卷起部17a的高度H2较大。若卷起高度H2高，则接合部上的完整部的长度变小。反之，若卷起高度H1低则接合部上的完整部的长度变大。若完整部的长度大，则期待提高接合强度（拉伸强度）。基于实验，下面叙述接合强度的大小。
即，本实施例的异种件接合体18通过如下方式使用：在因摩擦搅拌接合而产生的接合部15接合碳素钢件11和铝件12，并以所述接合部15为基准对所述铝件12的载荷作用部侧（卷起部17b侧）施加比离载荷作用部侧较远的一侧（卷起部17a侧）大的输入载荷，该异种件接合体18由如下部分组成：碳素钢件11；重叠在该碳素钢件11上的铝件12；以及接合部15，其由从该铝件12侧被***的接合探针14（图2）形成，在与该接合探针14的移动轴线（图2的箭头（1））正交的剖面中，伴随着所述摩擦搅拌接合而产生的塑性流动部17的卷起高度H1低的区域配置在载荷作用部侧（卷起部17b侧），塑性流动部17的卷起高度H2高的区域配置在离载荷作用部较远的一侧（卷起部17a）侧。
这样的异种件接合体18的结构，能够应用在车辆的车架上，也能够应用在车辆以外的金属制结构物上。
通过实验确认这样的异种件接合体18在强度方面优越。接下来说明该实验的一个例子。
（实验例）
下面叙述本发明的实验例。而且，本发明不限定于实验例。
准备：准备表1所示的铝件和碳素钢件。
【表1】
Figure BDA00002215173000051
摩擦搅拌接合工具：准备表2所示的尺寸的摩擦搅拌接合工具。
接合：在表2所示的接合条件下，接合铝件和碳素钢件。
【表2】
Figure BDA00002215173000052
从得到的异种件接合体切出如图5所示的试验片21。
观察该试验片21的切断面，如图6所示，可以看出摩擦搅拌接合工具的轴肩的压入痕迹22和，卷起部17a、17b。压入痕迹22和卷起部17a、17b之间的铝件12是完整部23。
从压入痕迹22到卷起部17b的完整部长度为H3。
从压入痕迹22到卷起部17a的完整部长度为H4。
如图所示，H4比H3小。
接着，实施了拉伸试验，所以说明其内容。
如图7（a）所示，将铝件12重叠在碳素钢件11上，使向顺时针方向旋转的摩擦搅拌接合工具13从图面近前方向里侧移动，由此进行摩擦搅拌接合。铝件12的宽度W为25mm，长度L为100mm。测量该试验片24上的载荷作用部侧的完整部长度H3（图6）。
接着，对试验片24施加空心箭头方向的拉伸载荷，记录接合部15断裂时的拉伸载荷。为方便起见，将W=25mm时对应的拉伸载荷（N）简称为“拉伸强度”（N/25mm）。
制作17个实施例的试验片24，并测定17组完整部长度和拉伸强度。这些测定值在图8的图表中，利用○标记标定。
另外，为了比较，如图7（b）所示，将铝件102重叠在碳素钢件101上，使向与图7（b）所示的实施例的旋转方向相反的逆时针方向旋转的摩擦搅拌接合工具103从图面近前方向里侧移动，由此进行摩擦搅拌接合。铝件102的宽度W为25mm，长度L为100mm。制作23个比较例的试验片105，并测定23组完整部长度和拉伸强度。这些测定值在图8的图表中，利用□标记标定。
在图8中，要求强度为（6860N/25mm）时，□标记所示的比较例的大部分不满足要求强度。
另一方面，○标记所示的实施例全部满足要求强度。
如图4所示，在输入大的一侧设置塑性流动部的卷起高度小的区域，其结果是，即能够提高异种件接合体的整体的强度，能够从实验中确认。
本实施例的异种件接合体，能够应用在车辆的车架的接合部位，也能够应用在车辆以外的金属制结构物的接合部位。
产业上的可利用性
本发明的异种件接合体适用于车架的接合部位。
标号说明
11碳素钢件；12铝件；13摩擦搅拌接合工具；14接合探针；15接合部；16载荷作用部；17塑性流动部；17a、17b卷起部；18异种件接合体；H1、H2塑性流动部的卷起高度。

Claims (2)

1.一种异种件接合体，
所述异种件接合体利用通过摩擦搅拌接合而形成的接合部接合碳素钢件和铝件，并且，所述异种件接合体使用于以所述接合部为基准对所述铝件的一方侧施加比另一方侧大的输入载荷的形态，其特征在于，
所述异种件接合体具备：
所述碳素钢件；
与所述碳素钢件重叠的所述铝件；和
以及利用从所述铝件侧被***的接合探针形成的接合部，
所述接合部构成为，在与所述接合探针的移动轴线正交的剖面中，伴随所述摩擦搅拌接合而产生的塑性流动部的卷起高度小的区域配置在所述铝件的所述一方侧，所述塑性流动部的卷起高度大的区域配置在所述铝件的所述另一方侧。
2.一种异种件接合体的接合方法，
所述异种件接合体利用通过摩擦搅拌接合而形成的接合部接合碳素钢件和铝件，并且，所述异种件接合体使用于以该接合部为基准对所述铝件的一方侧施加比另一方侧大的输入载荷的形态，其特征在于，
所述异种件接合体的接合方法包括如下步骤：
将所述铝件与所述碳素钢件重叠的步骤；
从所述铝件侧***接合探针的步骤；以及
以所述铝件的所述一方侧配置于如下这一侧的方式进行摩擦搅拌接合的步骤，在所述这一侧，所述接合探针的移动方向与所述接合探针的旋转方向相反。
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