JP2004255388A - 異種金属スカーフ継手を有する部材及びその設計方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】強度上信頼性の高い異種金属スカーフ継手を得ることにある。
【解決手段】異種金属スカーフ継手の接合界面両端部Ａ，Ｂの自由縁３と接合界面４を直線とし、これらが交差する点のスカーフ角度θ１を応力特異性解析及び最適化解析によって求め、その角度から応力集中が緩和する角度を限定してスカーフ継手を設計する。
【選択図】 図１
【解決手段】異種金属スカーフ継手の接合界面両端部Ａ，Ｂの自由縁３と接合界面４を直線とし、これらが交差する点のスカーフ角度θ１を応力特異性解析及び最適化解析によって求め、その角度から応力集中が緩和する角度を限定してスカーフ継手を設計する。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、異種金属の継手形状として用いられるスカーフ継手及びその設計方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
異種金属の接合は、単一材料の高機能化、高性能化を図る上で有効な技術であり、既に多くの金属材料の組合せに関する研究が行なわれ、実用化も進められてきた。
【０００３】
従来、異種金属の継手としては、重ね継手（特許文献１）や自在継手（特許文献２）など種々があるが、最近では継手形状として接合面積の大きなスカーフ継手が多く用いられ、これら異種金属の接合部形状の最適化に関しては、一般的な有限要素法による解析的検討が主体で行なわれている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平５−１５６２１３号公報
【０００５】
【特許文献２】
特開平９−４２３０３号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
異種金属の組合せに関しては、接合界面に脆弱な金属化合物が形成され、高い信頼性の継手を得ることが困難で、必ずしも実用化が十分に図られているとは言えない。
【０００７】
ところで、異種金属の接合法として摩擦圧接法がある。この摩擦圧接法は塑性流動と固相接合に基づくプロセスであり、低い温度での接合が可能で金属間化合物層の制御が比較的容易なことから、異種金属接合には有効なプロセスである。既に、チタンとアルミニウムの接合、アルミニウムとステンレス鋼の接合、銅とアルミニウムの接合などについて、摩擦圧接条件の最適化、接合界面の組織、継手強度などに関して多くの研究がなされている。
【０００８】
一方、ろう付け法や拡散接合法による異種金属の継手形状としては、従来からスカーフ継手に対する応力特異性解析により、自由縁応力特異性が消失するスカーフ角度の存在が知られている。このスカーフ角度は異種金属材料、即ち弾性定数の組合せは勿論、応力状態によって異なると考えられている。
【０００９】
しかし、スカーフ継手の異種金属材料の組合せに関しては、スカーフ角度の定量的な最適化検討は行なわれていないため、継手強度を保持したスカーフ継手が得られていないのが現状である。
【００１０】
本発明は上記のような事情に鑑みてなされたもので、接合界面に金属間化合物層が形成される各種異種金属材料の組合せを対象に、スカーフ継手の接合界面端部の応力集中低減条件について解明し、継手設計指針を示すことにより、継手強度を保持した信頼性の高い異種金属スカーフ継手及びその設計方法を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記の目的を達成するため、次のような方法により異種金属スカーフ継手形状を設計する。
【００１２】
請求項１に対応する発明は、異種金属の継手材料をスカーフ形状に接合してなるスカーフ継手において、継手の接合界面の応力集中低減条件として、継手の接合界面両端部の自由縁と接合界面を直線とし、これらが交差する点のスカーフ角度を異種金属接合界面端部の応力特異性解析により求めて応力特異性消失スカーフ角度範囲を限定し、その範囲内で継手設計を行なうことを特徴とする。
【００１３】
請求項２に対応する発明は、請求項１に対応する発明の異種金属スカーフ継手の設計方法において、応力特異性解析によって求めた応力特異性消失範囲内のスカーフ角度から、最適化手法を用いて、異種金属接合界面端部の応力が最小となる角度を求めることを特徴とする。
【００１４】
請求項３に対応する発明は、請求項１に対応する発明の異種金属スカーフ継手の設計方法において、前記異種金属の薄板継手材料のヤング率比Ｅ１／Ｅ２（Ｅ１：低ヤング率材料のヤング率、Ｅ２：高ヤング率材料のヤング率）を０．７未満とした場合のスカーフ角度θ１を５５°≦θ１≦６５°として設計することを特徴とする。
【００１５】
請求項４に対応する発明は、請求項１に対応する発明の異種金属スカーフ継手の設計方法において、前記異種金属の薄板継手材料のヤング率比Ｅ１／Ｅ２（Ｅ１：低ヤング率材料のヤング率、Ｅ２：高ヤング率材料のヤング率）を０．７以上とした場合のスカーフ角度θ１を３°≦θ１≦２５°、４４°≦θ１≦９０°として設計することを特徴とする。
【００１６】
請求項５に対応する発明は、請求項１に対応する発明の異種金属スカーフ継手の設計方法において、前記異種金属の肉厚継手材料のヤング率比Ｅ１／Ｅ２（Ｅ１：低ヤング率材料のヤング率、Ｅ２：高ヤング率材料のヤング率）を０．７未満とした場合のスカーフ角度θ１を５５°≦θ１≦７０°として設計することを特徴とする。
【００１７】
請求項６に対応する発明は、請求項１に対応する発明の異種金属スカーフ継手の設計方法において、前記異種金属の肉厚継手材料のヤング率比Ｅ１／Ｅ２（Ｅ１：低ヤング率材料のヤング率、Ｅ２：高ヤング率材料のヤング率）を０．７以上とした場合のスカーフ角度θ１を３°≦θ１≦１５°、５３°≦θ１≦９０°として設計することを特徴とする。
【００１８】
請求項７に対応する発明は、請求項１乃至請求項６のいずれかに対応する発明の異種金属スカーフ継手の設計方法において、前記異種金属の継手材料は、ろう付け、拡散接合、レーザ溶接、電子ビーム溶接、狭開先アーク溶接の何れかにより接合されることを特徴とする。
【００１９】
請求項８に対応する発明は、請求項３又は請求項５に対応する発明の異種金属スカーフ継手の設計方法において、前記異種金属の継手材料は、アルミニウムを第１の金属材料とし、タングステン、モリブデン、炭素鋼、銅、ニオブのいずれかを第２の金属材料として組合せるか、又はニッケルを第１の金属材料とし、タングステン又はチタンを第２の金属材料として組合せたことを特徴とする。
【００２０】
請求項９に対応する発明は、請求項４又は請求項６に対応する発明の異種金属スカーフ継手の設計方法において、前記異種金属の継手材料は、コバルトを第１の金属材料とし、モリブデンを第２の金属材料として組合せるか、又はチタンを第１の金属材料とし、銅を第２の金属材料として組合せたことを特徴とする。
【００２１】
請求項１０に対応する発明は、請求項１乃至請求項９の何れかに対応する発明の設計方法により異種金属スカーフ継手を得ることを特徴とする。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【００２３】
図１は、本発明による異種金属スカーフ継手及びその設計方法を説明するための第１の実施形態を示すスカーフ継手形状の斜視図である。
【００２４】
まず、異種金属の継手材料として例えばアルミニウム（Ａｌ）からなる平板状の継手材料１と、例えばニオブ（Ｎｂ）からなる継手材料２のスカーフ継手について検討する。
【００２５】
二次元異種材料の接合界面端部における平面問題に関しては応力特異性を決める特性方程式が既に導かれている。そこで、本発明者等がこの特性方程式を用いて図１に示すＡｌとＮｂとの組合せによるスカーフ継手の接合界面端部の応力特異性を解析したところ、スカーフ継手の接合界面両端部Ａ，Ｂにおける自由縁応力特異性は平板の両端部２ヶ所で生じていることが分かった。
【００２６】
すなわち、図１において、スカーフ継手の接合界面両端部Ａ，Ｂの自由縁３と接合界面４を直線とし、これらが交差する点のスカーフ角度θ１が０°から１８０°まで変化した場合の平板の両端部における応力特異性を解析した。ここでは、２ヶ所の接合界面端部における応力特異性を示す指数ｐを摂動法により計算し、応力特異性を求めた。
【００２７】
図２は、その解析結果について縦軸を応力特異性指数、横軸をスカーフ角度として示すグラフである。
【００２８】
このグラフから明らかなように、ＡｌとＮｂの接合面端部に関して、Ａ点に注目するとスカーフ角度θ１がθ１≦７２°、８８°≦θ１≦１２２°の範囲において、接合界面端部における自由縁応力特異性の消失が認められる。また、Ｂ点に注目するとスカーフ角度θ１が５８°≦θ１≦９２°、θ１≧１０８°の範囲において、接合界面端部における自由縁応力特異性の消失が認められる。
【００２９】
これらのことから、接合界面両端部Ａ，Ｂ点共に自由縁応力特異性の消失が認められる範囲は、スカーフ角度θ１が５８°≦θ１≦ら７２°、８８°≦θ１≦９２°及び１０８°≦θ１≦１２２°であることが分かる。
【００３０】
このように本発明の第１の実施形態によれば、異種金属の継手材料（本例ではＡｌとＮｂ）１，２をスカーフ形状に接合するに際して、その自由縁３と接合界面４を直線とし、これらが交差する点のスカーフ角度θ１を０°〜１８０°まで変化したときの平板の両縁部における応力特異性を解析して応力特異性消失範囲を上記範囲のいずれかに特定し、そのスカーフ角度θ１で異種金属スカーフ継手を設計するものである。
【００３１】
そして、このような設計にもとづく異種金属の継手材料１，２を接合に適しているろう付け、拡散接合レーザ溶接、電子ビーム溶接、狭開先溶接等で接合することにより、応力集中を低減させた信頼性の高いスカーフ継手を得ることが可能となる。
【００３２】
上記では異種金属スカーフ継手として、ＡｌとＮｂの接合界面端部の解析結果であるが、ＡｌとＣｕ、Ａｌと炭素鋼、ＡｌとＭｏ、ＡｌとＷ、Ａｌと炭素鋼、ＮｉとＷ、ＮｉとＴｉ、ＣｏとＭｏ等異種金属の組合せによってスカーフ継手の接合界面端部における自由縁応力特異性の消失範囲も異なるが、何れにしても上述同様にスカーフ角度θ１が０°から１８０°まで変化した場合の平板の両端部における応力特異性を解析により求め、その解析結果から接合界面端部における自由縁応力特異性の消失範囲を特定し、これをもとにしてスカーフ継手を設計すれば、応力集中を低減させた信頼性の高いスカーフ継手を得ることができる。
【００３３】
図３は、本発明による異種金属スカーフ継手及びその設計方法を説明するための第２の実施形態を示すベーシスベクトル解析モデル図である。
【００３４】
このベーシスベクトル解析は、図３に示すように異種金属として例えばアルミニウム（Ａｌ）からなる継手材料５と、例えば銅（Ｃｕ）からなる継手材料６を接合するスカーフ継手を対象とし、前述同様に応力特異性解析によって求めた応力特異性消失範囲内において、以下述べるような最適化手法を用いて、継手端部の応力が最小となる角度を求めるものである。因みに、このスカーフ継手の板幅がＷ＝５ｍｍ、全長が１５ｍｍである。
【００３５】
前述した応力特異性解析では、応力特異性が消失する範囲を特定可能であるが、応力集中の低減度合い等の定量的な特定はできない。
【００３６】
そこで、まず応力特異性解析により、前述同様に応力特異性が消失する範囲を特定した後、例えば節点をグルーピング化して一つの変数として設定し、最適化を実施するベーシスベクトル法を用いることによって、最小応力となる角度を特定する。
【００３７】
以下その詳細について述べる。
【００３８】
図３は、異種金属としてＣｕとＡｌの継手材料５，６を用いたスカーフ継手のＡ点とＢ点での破壊発生に大きな影響を及ぼす引張り軸方向成分σｘが、自由縁と接合界面のなすＡｌ側の角度θ１によって受ける影響を示している。図３におけるベーシスベクトル解析は、有限要素法モデルの接合面の節点をグルーピング化して（例えば変数１と定義し）、その変数（端部角度）を変えて解析している。
【００３９】
但し、引張軸方向応力成分は一様引張応力σｎにより無次元化して示す。
【００４０】
また、図４は各角度における応力分布を求めた結果を示すグラフで、黒丸が銅側、白丸がアルミ側を示し、黒三角は銅側の両端部、白三角はアルミ側の両端部を示している。
【００４１】
このグラフから明らかなように、Ｃｕ側もＡｌ側もスカーフ角度θ１の範囲でほぼ同じ応力低下傾向を示すことが確認され、また図４からはθ１＝６３°，１１７°においてσｘ／σｎ＝１．０でＡ点、Ｂ点の応力が一致していることが確認される。このことから、異種金属としてＣｕとＡｌを継手材料とするスカーフ継手において、Ａ点とＢ点で最大の引張応力を示す引張軸方向応力成分σｘに注目し、これを最小とする継手端部の最適形状はθ１＝６３°，１１７°であることが分かる。
【００４２】
そこで、本発明の第２の実施形態では、異種金属としてＣｕとＡｌを継手材料５，６とするスカーフ継手を対象に、応力特異性解析により応力特異性消失範囲を限定して、その範囲内で前述したベーシスベクトル解析（最適化解析）を実施し、応力が最小となるスカーフ角度角度θ１を上記角度に特定してスカーフ継手を設計するものである。
【００４３】
そして、このような異種金属の継手材料５，６を接合に適しているろう付け、拡散接合レーザ溶接、電子ビーム溶接、狭開先溶接等で接合することにより、信頼性の高いスカーフ継手を得ることが可能となる。
【００４４】
図５は、本発明による異種金属スカーフ継手及びその設計方法を説明するための第３の実施形態において、異種金属のヤング率比と応力特異性が消失する角度との関係を示すグラフである。
【００４５】
図５に示すように、異種金属のヤング率比Ｅ１／Ｅ２（Ｅ１：低ヤング率材料のヤング率、Ｅ２：高ヤング率材料のヤング率）として、ＡｌとＮｂのヤング率比が０．６５、ＮｉとＷのヤング率比が０．４９５、ＡｌとＷのヤング率比が０．１８２をそれぞれ継手材料とする異種金属スカーフ継手について前述した応力特異性を解析し、その結果をもとに応力特異性が消失するスカーフ角度範囲を示すとスカーフ角度がそれぞれ黒塗り部分のように５５°≦θ１≦６５°であることが分かる。
【００４６】
また、上記とは異なる異種金属継手材料の組合せの場合には、例えばＡｌとＭｏではヤング率比が０．２２４、ＡｌとＷではヤング率比が０．１８２、ＡｌとＦｅではヤング率比が０．３５４、ＡｌとＣｕではヤング率比が０．５６６、ＴｉとＮｉではヤング率比が０．６１８と異なるが、本解析では何れの組合せにおいても自由縁応力特異性の消失領域が存在することが確認された。
【００４７】
そこで、本発明の第３ｋ実施形態では、異種金属のヤング率比Ｅ１／Ｅ２が０．７未満の薄板継手材料からなる異種金属スカーフ継手の応力最適スカーフ角度θ１の応力特異性が消失する角度範囲を５５°≦θ１≦６５°に設計するものである。
【００４８】
ここで、異種金属のヤング率比Ｅ１／Ｅ２が０．７としているのは、異種金属スカーフ継手において、異種金属の組合せとして種々あるが、解析結果からそのほとんどのヤング率比Ｅ１／Ｅ２が０．７前後にあるためである。
【００４９】
このように本発明の第３の実施形態によれば、異種金属の薄板継手材料のヤング率比と応力特異性消失範囲を関連付けることによって、応力低減角度を用いた異種金属スカーフ継手の設計が可能となり、信頼性の高いスカーフ継手を得ることができる。
【００５０】
図６は、本発明による異種金属スカーフ継手及びその設計方法を説明するための第４の実施形態において、ヤング率比と応力特異性が消失する角度との関係を示すグラフである。
【００５１】
図６に示すように、異種金属のヤング率比Ｅ１／Ｅ２（Ｅ１：低ヤング率材料のヤング率、Ｅ２：高ヤング率材料のヤング率）として、ＴｉとＣｕのヤング率比が０．９５を継手材料とする異種金属スカーフ継手について前述した応力特異性を解析し、その結果をもとに応力特異性が消失するスカーフ角度範囲を示すとスカーフ角度がそれぞれ黒塗り部分のように３°≦θ１≦２５°、４４°≦θ１≦９０°であることが分かる。
【００５２】
また、上記とは異なる異種金属継手材料の組合せの場合には、例えばＣｏとＭｏではヤング率比０．７４８と異なるが、本解析ではこの組合せにおいても自由縁応力特異性の消失領域が存在することが確認された。
【００５３】
そこで、本発明の第４の実施形態では、異種金属の継手材料のヤング率比Ｅ１／Ｅ２を０．７以上とした場合の薄板異種金属スカーフ継手の応力最適スカーフ角度θ１の特異性が消失する角度範囲を３°≦θ１≦２５°、４４°≦θ１≦９０°に設計するものである。
【００５４】
このように本発明の第４の実施形態によれば、継手材料のヤング率比と応力特異性消失範囲を関連付けることによって、応力低減角度を用いた異種金属スカーフ継手の設計が可能となり、信頼性の高いスカーフ継手を得ることができる。
【００５５】
図７は、本発明による異種金属スカーフ継手及びその設計方法を説明するための第５の実施形態において、ヤング率比と応力特異性が消失する角度との関係を示すグラフである。
【００５６】
図７に示すように、異種金属のヤング率比Ｅ１／Ｅ２（Ｅ１：低ヤング率材料のヤング率、Ｅ２：高ヤング率材料のヤング率）として、ＡｌとＮｂのヤング率比が０．６５、ＮｉとＷのヤング率比が０．４９５、ＡｌとＷのヤング率比が０．１８２をそれぞれ異種金属の肉厚の継手材料とする異種金属スカーフ継手について前述した応力特異性を解析し、その結果をもとに応力特異性が消失するスカーフ角度範囲を示すとスカーフ角度がそれぞれ黒塗り部分のように５５°≦θ１≦７０°であることが分かる。
【００５７】
また、上記とは異なる異種金属継手材料の組合せの場合には、例えばＡｌとＭｏではヤング率比が０．２２４、ＡｌとＷではヤング率比が０．１８２、ＡｌとＦｅではヤング率比が０．３５４、ＡｌとＣｕではヤング率比が０．５６６、ＴｉとＮｉではヤング率比が０．６１８と異なるが、本解析では何れの組合せにおいても自由縁応力特異性の消失領域が存在することが確認された。
【００５８】
そこで、本発明の第５の実施形態では、異種金属の肉厚継手材料のヤング率比Ｅ１／Ｅ２を０．７未満とした場合の板厚異種金属スカーフ継手の応力特異性が消失するスカーフ角度範囲を５５°≦θ１≦７０°に設計するものである。
【００５９】
このように本発明の第５の実施形態によれば、肉厚の継手材料のヤング率比と応力特異性消失範囲を関連付けることによって、応力低減角度を用いた異種金属スカーフ継手の設計が可能となり、信頼性の高いスカーフ継手を得ることができる。
【００６０】
図８は、本発明による異種金属スカーフ継手及びその設計方法を説明するための第６の実施形態において、ヤング率比と応力特異性が消失する角度との関係を示すグラフである。
【００６１】
図８に示すように、異種金属のヤング率比Ｅ１／Ｅ２（Ｅ１：低ヤング率材料のヤング率、Ｅ２：高ヤング率材料のヤング率）として、ＴｉとＣｕのヤング率比が０．９５を異種金属の肉厚の継手材料とする異種金属スカーフ継手について前述同様に応力特異性を解析し、その結果をもとに応力特異性が消失するスカーフ角度範囲を示すとスカーフ角度がそれぞれ黒塗り部分のように３°≦θ１≦１５°、５３°≦θ１≦９０°であることが分かる。
【００６２】
また、上記とは異なる異種金属継手材料の組合せの場合には、例えばＣｏとＭｏではヤング率比０．７４８と異なるが、本解析ではこの組合せにおいても自由縁応力特異性の消失領域が存在することが確認された。
【００６３】
そこで、本発明の第６の実施形態では、異種金属のヤング率比Ｅ１／Ｅ２が０．７以上の肉厚継手材料からなる異種金属スカーフ継手の応力最適スカーフ角度θ１の特異性が消失する角度範囲を３°≦θ１≦１５°、５３°≦θ１≦９０°に設計するものである。
【００６４】
このように本発明の第６の実施形態によれば、継手材料のヤング率比と応力特異性消失範囲を関連付けることによって、応力低減角度を用いた異種金属スカーフ継手の設計が可能となり、信頼性の高いスカーフ継手を得ることができる。
【００６５】
なお、薄肉、厚肉の定義として、部材の縦（Ｌ１）、横（Ｌ２）、板厚（ｔ）とした場合、有限要素法で区別する一つの目安として、Ｌ１／ｔ≧２０、かつＬ２／ｔ≦２０を肉厚とした。
【００６６】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、異種金属スカーフ継手の角度を応力特異性解析及び最適化解析によって求め、その角度から応力集中が緩和する角度を選定して継手設計することにより、強度上信頼性の高い異種金属スカーフ継手及びその設計方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態を説明するためのスカーフ継手形状を示す斜視図。
【図２】同実施形態において、応力特異性解析結果を示すグラフ。
【図３】本発明の第２の実施形態を説明するためのスカーフ継手を示すベーシスベクトル解析モデル図。
【図４】同実施形態において、最適化解析結果を示すグラフ。
【図５】本発明の第３の実施形態を説明するためのヤング率比と応力特異性が消失する角度との関係を示すグラフ。
【図６】本発明の第４の実施形態を説明するためのヤング率比と応力特異性が消失する角度との関係を示すグラフ。
【図７】本発明の第５の実施形態を説明するためのヤング率比と応力特異性が消失する角度との関係を示すグラフ。
【図８】本発明の第６の実施形態を説明するためのヤング率比と応力特異性が消失する角度との関係を示すグラフ。
【符号の説明】
１…Ａｌからなる継手材料
２…Ｎｂからなる継手材料
３…自由縁
４…接合界面
５…Ａｌからなる継手材料
６…Ｃｕからなる継手材料
Ａ，Ｂ…スカーフ継手の接合界面端部
【発明の属する技術分野】
本発明は、異種金属の継手形状として用いられるスカーフ継手及びその設計方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
異種金属の接合は、単一材料の高機能化、高性能化を図る上で有効な技術であり、既に多くの金属材料の組合せに関する研究が行なわれ、実用化も進められてきた。
【０００３】
従来、異種金属の継手としては、重ね継手（特許文献１）や自在継手（特許文献２）など種々があるが、最近では継手形状として接合面積の大きなスカーフ継手が多く用いられ、これら異種金属の接合部形状の最適化に関しては、一般的な有限要素法による解析的検討が主体で行なわれている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平５−１５６２１３号公報
【０００５】
【特許文献２】
特開平９−４２３０３号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
異種金属の組合せに関しては、接合界面に脆弱な金属化合物が形成され、高い信頼性の継手を得ることが困難で、必ずしも実用化が十分に図られているとは言えない。
【０００７】
ところで、異種金属の接合法として摩擦圧接法がある。この摩擦圧接法は塑性流動と固相接合に基づくプロセスであり、低い温度での接合が可能で金属間化合物層の制御が比較的容易なことから、異種金属接合には有効なプロセスである。既に、チタンとアルミニウムの接合、アルミニウムとステンレス鋼の接合、銅とアルミニウムの接合などについて、摩擦圧接条件の最適化、接合界面の組織、継手強度などに関して多くの研究がなされている。
【０００８】
一方、ろう付け法や拡散接合法による異種金属の継手形状としては、従来からスカーフ継手に対する応力特異性解析により、自由縁応力特異性が消失するスカーフ角度の存在が知られている。このスカーフ角度は異種金属材料、即ち弾性定数の組合せは勿論、応力状態によって異なると考えられている。
【０００９】
しかし、スカーフ継手の異種金属材料の組合せに関しては、スカーフ角度の定量的な最適化検討は行なわれていないため、継手強度を保持したスカーフ継手が得られていないのが現状である。
【００１０】
本発明は上記のような事情に鑑みてなされたもので、接合界面に金属間化合物層が形成される各種異種金属材料の組合せを対象に、スカーフ継手の接合界面端部の応力集中低減条件について解明し、継手設計指針を示すことにより、継手強度を保持した信頼性の高い異種金属スカーフ継手及びその設計方法を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記の目的を達成するため、次のような方法により異種金属スカーフ継手形状を設計する。
【００１２】
請求項１に対応する発明は、異種金属の継手材料をスカーフ形状に接合してなるスカーフ継手において、継手の接合界面の応力集中低減条件として、継手の接合界面両端部の自由縁と接合界面を直線とし、これらが交差する点のスカーフ角度を異種金属接合界面端部の応力特異性解析により求めて応力特異性消失スカーフ角度範囲を限定し、その範囲内で継手設計を行なうことを特徴とする。
【００１３】
請求項２に対応する発明は、請求項１に対応する発明の異種金属スカーフ継手の設計方法において、応力特異性解析によって求めた応力特異性消失範囲内のスカーフ角度から、最適化手法を用いて、異種金属接合界面端部の応力が最小となる角度を求めることを特徴とする。
【００１４】
請求項３に対応する発明は、請求項１に対応する発明の異種金属スカーフ継手の設計方法において、前記異種金属の薄板継手材料のヤング率比Ｅ１／Ｅ２（Ｅ１：低ヤング率材料のヤング率、Ｅ２：高ヤング率材料のヤング率）を０．７未満とした場合のスカーフ角度θ１を５５°≦θ１≦６５°として設計することを特徴とする。
【００１５】
請求項４に対応する発明は、請求項１に対応する発明の異種金属スカーフ継手の設計方法において、前記異種金属の薄板継手材料のヤング率比Ｅ１／Ｅ２（Ｅ１：低ヤング率材料のヤング率、Ｅ２：高ヤング率材料のヤング率）を０．７以上とした場合のスカーフ角度θ１を３°≦θ１≦２５°、４４°≦θ１≦９０°として設計することを特徴とする。
【００１６】
請求項５に対応する発明は、請求項１に対応する発明の異種金属スカーフ継手の設計方法において、前記異種金属の肉厚継手材料のヤング率比Ｅ１／Ｅ２（Ｅ１：低ヤング率材料のヤング率、Ｅ２：高ヤング率材料のヤング率）を０．７未満とした場合のスカーフ角度θ１を５５°≦θ１≦７０°として設計することを特徴とする。
【００１７】
請求項６に対応する発明は、請求項１に対応する発明の異種金属スカーフ継手の設計方法において、前記異種金属の肉厚継手材料のヤング率比Ｅ１／Ｅ２（Ｅ１：低ヤング率材料のヤング率、Ｅ２：高ヤング率材料のヤング率）を０．７以上とした場合のスカーフ角度θ１を３°≦θ１≦１５°、５３°≦θ１≦９０°として設計することを特徴とする。
【００１８】
請求項７に対応する発明は、請求項１乃至請求項６のいずれかに対応する発明の異種金属スカーフ継手の設計方法において、前記異種金属の継手材料は、ろう付け、拡散接合、レーザ溶接、電子ビーム溶接、狭開先アーク溶接の何れかにより接合されることを特徴とする。
【００１９】
請求項８に対応する発明は、請求項３又は請求項５に対応する発明の異種金属スカーフ継手の設計方法において、前記異種金属の継手材料は、アルミニウムを第１の金属材料とし、タングステン、モリブデン、炭素鋼、銅、ニオブのいずれかを第２の金属材料として組合せるか、又はニッケルを第１の金属材料とし、タングステン又はチタンを第２の金属材料として組合せたことを特徴とする。
【００２０】
請求項９に対応する発明は、請求項４又は請求項６に対応する発明の異種金属スカーフ継手の設計方法において、前記異種金属の継手材料は、コバルトを第１の金属材料とし、モリブデンを第２の金属材料として組合せるか、又はチタンを第１の金属材料とし、銅を第２の金属材料として組合せたことを特徴とする。
【００２１】
請求項１０に対応する発明は、請求項１乃至請求項９の何れかに対応する発明の設計方法により異種金属スカーフ継手を得ることを特徴とする。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【００２３】
図１は、本発明による異種金属スカーフ継手及びその設計方法を説明するための第１の実施形態を示すスカーフ継手形状の斜視図である。
【００２４】
まず、異種金属の継手材料として例えばアルミニウム（Ａｌ）からなる平板状の継手材料１と、例えばニオブ（Ｎｂ）からなる継手材料２のスカーフ継手について検討する。
【００２５】
二次元異種材料の接合界面端部における平面問題に関しては応力特異性を決める特性方程式が既に導かれている。そこで、本発明者等がこの特性方程式を用いて図１に示すＡｌとＮｂとの組合せによるスカーフ継手の接合界面端部の応力特異性を解析したところ、スカーフ継手の接合界面両端部Ａ，Ｂにおける自由縁応力特異性は平板の両端部２ヶ所で生じていることが分かった。
【００２６】
すなわち、図１において、スカーフ継手の接合界面両端部Ａ，Ｂの自由縁３と接合界面４を直線とし、これらが交差する点のスカーフ角度θ１が０°から１８０°まで変化した場合の平板の両端部における応力特異性を解析した。ここでは、２ヶ所の接合界面端部における応力特異性を示す指数ｐを摂動法により計算し、応力特異性を求めた。
【００２７】
図２は、その解析結果について縦軸を応力特異性指数、横軸をスカーフ角度として示すグラフである。
【００２８】
このグラフから明らかなように、ＡｌとＮｂの接合面端部に関して、Ａ点に注目するとスカーフ角度θ１がθ１≦７２°、８８°≦θ１≦１２２°の範囲において、接合界面端部における自由縁応力特異性の消失が認められる。また、Ｂ点に注目するとスカーフ角度θ１が５８°≦θ１≦９２°、θ１≧１０８°の範囲において、接合界面端部における自由縁応力特異性の消失が認められる。
【００２９】
これらのことから、接合界面両端部Ａ，Ｂ点共に自由縁応力特異性の消失が認められる範囲は、スカーフ角度θ１が５８°≦θ１≦ら７２°、８８°≦θ１≦９２°及び１０８°≦θ１≦１２２°であることが分かる。
【００３０】
このように本発明の第１の実施形態によれば、異種金属の継手材料（本例ではＡｌとＮｂ）１，２をスカーフ形状に接合するに際して、その自由縁３と接合界面４を直線とし、これらが交差する点のスカーフ角度θ１を０°〜１８０°まで変化したときの平板の両縁部における応力特異性を解析して応力特異性消失範囲を上記範囲のいずれかに特定し、そのスカーフ角度θ１で異種金属スカーフ継手を設計するものである。
【００３１】
そして、このような設計にもとづく異種金属の継手材料１，２を接合に適しているろう付け、拡散接合レーザ溶接、電子ビーム溶接、狭開先溶接等で接合することにより、応力集中を低減させた信頼性の高いスカーフ継手を得ることが可能となる。
【００３２】
上記では異種金属スカーフ継手として、ＡｌとＮｂの接合界面端部の解析結果であるが、ＡｌとＣｕ、Ａｌと炭素鋼、ＡｌとＭｏ、ＡｌとＷ、Ａｌと炭素鋼、ＮｉとＷ、ＮｉとＴｉ、ＣｏとＭｏ等異種金属の組合せによってスカーフ継手の接合界面端部における自由縁応力特異性の消失範囲も異なるが、何れにしても上述同様にスカーフ角度θ１が０°から１８０°まで変化した場合の平板の両端部における応力特異性を解析により求め、その解析結果から接合界面端部における自由縁応力特異性の消失範囲を特定し、これをもとにしてスカーフ継手を設計すれば、応力集中を低減させた信頼性の高いスカーフ継手を得ることができる。
【００３３】
図３は、本発明による異種金属スカーフ継手及びその設計方法を説明するための第２の実施形態を示すベーシスベクトル解析モデル図である。
【００３４】
このベーシスベクトル解析は、図３に示すように異種金属として例えばアルミニウム（Ａｌ）からなる継手材料５と、例えば銅（Ｃｕ）からなる継手材料６を接合するスカーフ継手を対象とし、前述同様に応力特異性解析によって求めた応力特異性消失範囲内において、以下述べるような最適化手法を用いて、継手端部の応力が最小となる角度を求めるものである。因みに、このスカーフ継手の板幅がＷ＝５ｍｍ、全長が１５ｍｍである。
【００３５】
前述した応力特異性解析では、応力特異性が消失する範囲を特定可能であるが、応力集中の低減度合い等の定量的な特定はできない。
【００３６】
そこで、まず応力特異性解析により、前述同様に応力特異性が消失する範囲を特定した後、例えば節点をグルーピング化して一つの変数として設定し、最適化を実施するベーシスベクトル法を用いることによって、最小応力となる角度を特定する。
【００３７】
以下その詳細について述べる。
【００３８】
図３は、異種金属としてＣｕとＡｌの継手材料５，６を用いたスカーフ継手のＡ点とＢ点での破壊発生に大きな影響を及ぼす引張り軸方向成分σｘが、自由縁と接合界面のなすＡｌ側の角度θ１によって受ける影響を示している。図３におけるベーシスベクトル解析は、有限要素法モデルの接合面の節点をグルーピング化して（例えば変数１と定義し）、その変数（端部角度）を変えて解析している。
【００３９】
但し、引張軸方向応力成分は一様引張応力σｎにより無次元化して示す。
【００４０】
また、図４は各角度における応力分布を求めた結果を示すグラフで、黒丸が銅側、白丸がアルミ側を示し、黒三角は銅側の両端部、白三角はアルミ側の両端部を示している。
【００４１】
このグラフから明らかなように、Ｃｕ側もＡｌ側もスカーフ角度θ１の範囲でほぼ同じ応力低下傾向を示すことが確認され、また図４からはθ１＝６３°，１１７°においてσｘ／σｎ＝１．０でＡ点、Ｂ点の応力が一致していることが確認される。このことから、異種金属としてＣｕとＡｌを継手材料とするスカーフ継手において、Ａ点とＢ点で最大の引張応力を示す引張軸方向応力成分σｘに注目し、これを最小とする継手端部の最適形状はθ１＝６３°，１１７°であることが分かる。
【００４２】
そこで、本発明の第２の実施形態では、異種金属としてＣｕとＡｌを継手材料５，６とするスカーフ継手を対象に、応力特異性解析により応力特異性消失範囲を限定して、その範囲内で前述したベーシスベクトル解析（最適化解析）を実施し、応力が最小となるスカーフ角度角度θ１を上記角度に特定してスカーフ継手を設計するものである。
【００４３】
そして、このような異種金属の継手材料５，６を接合に適しているろう付け、拡散接合レーザ溶接、電子ビーム溶接、狭開先溶接等で接合することにより、信頼性の高いスカーフ継手を得ることが可能となる。
【００４４】
図５は、本発明による異種金属スカーフ継手及びその設計方法を説明するための第３の実施形態において、異種金属のヤング率比と応力特異性が消失する角度との関係を示すグラフである。
【００４５】
図５に示すように、異種金属のヤング率比Ｅ１／Ｅ２（Ｅ１：低ヤング率材料のヤング率、Ｅ２：高ヤング率材料のヤング率）として、ＡｌとＮｂのヤング率比が０．６５、ＮｉとＷのヤング率比が０．４９５、ＡｌとＷのヤング率比が０．１８２をそれぞれ継手材料とする異種金属スカーフ継手について前述した応力特異性を解析し、その結果をもとに応力特異性が消失するスカーフ角度範囲を示すとスカーフ角度がそれぞれ黒塗り部分のように５５°≦θ１≦６５°であることが分かる。
【００４６】
また、上記とは異なる異種金属継手材料の組合せの場合には、例えばＡｌとＭｏではヤング率比が０．２２４、ＡｌとＷではヤング率比が０．１８２、ＡｌとＦｅではヤング率比が０．３５４、ＡｌとＣｕではヤング率比が０．５６６、ＴｉとＮｉではヤング率比が０．６１８と異なるが、本解析では何れの組合せにおいても自由縁応力特異性の消失領域が存在することが確認された。
【００４７】
そこで、本発明の第３ｋ実施形態では、異種金属のヤング率比Ｅ１／Ｅ２が０．７未満の薄板継手材料からなる異種金属スカーフ継手の応力最適スカーフ角度θ１の応力特異性が消失する角度範囲を５５°≦θ１≦６５°に設計するものである。
【００４８】
ここで、異種金属のヤング率比Ｅ１／Ｅ２が０．７としているのは、異種金属スカーフ継手において、異種金属の組合せとして種々あるが、解析結果からそのほとんどのヤング率比Ｅ１／Ｅ２が０．７前後にあるためである。
【００４９】
このように本発明の第３の実施形態によれば、異種金属の薄板継手材料のヤング率比と応力特異性消失範囲を関連付けることによって、応力低減角度を用いた異種金属スカーフ継手の設計が可能となり、信頼性の高いスカーフ継手を得ることができる。
【００５０】
図６は、本発明による異種金属スカーフ継手及びその設計方法を説明するための第４の実施形態において、ヤング率比と応力特異性が消失する角度との関係を示すグラフである。
【００５１】
図６に示すように、異種金属のヤング率比Ｅ１／Ｅ２（Ｅ１：低ヤング率材料のヤング率、Ｅ２：高ヤング率材料のヤング率）として、ＴｉとＣｕのヤング率比が０．９５を継手材料とする異種金属スカーフ継手について前述した応力特異性を解析し、その結果をもとに応力特異性が消失するスカーフ角度範囲を示すとスカーフ角度がそれぞれ黒塗り部分のように３°≦θ１≦２５°、４４°≦θ１≦９０°であることが分かる。
【００５２】
また、上記とは異なる異種金属継手材料の組合せの場合には、例えばＣｏとＭｏではヤング率比０．７４８と異なるが、本解析ではこの組合せにおいても自由縁応力特異性の消失領域が存在することが確認された。
【００５３】
そこで、本発明の第４の実施形態では、異種金属の継手材料のヤング率比Ｅ１／Ｅ２を０．７以上とした場合の薄板異種金属スカーフ継手の応力最適スカーフ角度θ１の特異性が消失する角度範囲を３°≦θ１≦２５°、４４°≦θ１≦９０°に設計するものである。
【００５４】
このように本発明の第４の実施形態によれば、継手材料のヤング率比と応力特異性消失範囲を関連付けることによって、応力低減角度を用いた異種金属スカーフ継手の設計が可能となり、信頼性の高いスカーフ継手を得ることができる。
【００５５】
図７は、本発明による異種金属スカーフ継手及びその設計方法を説明するための第５の実施形態において、ヤング率比と応力特異性が消失する角度との関係を示すグラフである。
【００５６】
図７に示すように、異種金属のヤング率比Ｅ１／Ｅ２（Ｅ１：低ヤング率材料のヤング率、Ｅ２：高ヤング率材料のヤング率）として、ＡｌとＮｂのヤング率比が０．６５、ＮｉとＷのヤング率比が０．４９５、ＡｌとＷのヤング率比が０．１８２をそれぞれ異種金属の肉厚の継手材料とする異種金属スカーフ継手について前述した応力特異性を解析し、その結果をもとに応力特異性が消失するスカーフ角度範囲を示すとスカーフ角度がそれぞれ黒塗り部分のように５５°≦θ１≦７０°であることが分かる。
【００５７】
また、上記とは異なる異種金属継手材料の組合せの場合には、例えばＡｌとＭｏではヤング率比が０．２２４、ＡｌとＷではヤング率比が０．１８２、ＡｌとＦｅではヤング率比が０．３５４、ＡｌとＣｕではヤング率比が０．５６６、ＴｉとＮｉではヤング率比が０．６１８と異なるが、本解析では何れの組合せにおいても自由縁応力特異性の消失領域が存在することが確認された。
【００５８】
そこで、本発明の第５の実施形態では、異種金属の肉厚継手材料のヤング率比Ｅ１／Ｅ２を０．７未満とした場合の板厚異種金属スカーフ継手の応力特異性が消失するスカーフ角度範囲を５５°≦θ１≦７０°に設計するものである。
【００５９】
このように本発明の第５の実施形態によれば、肉厚の継手材料のヤング率比と応力特異性消失範囲を関連付けることによって、応力低減角度を用いた異種金属スカーフ継手の設計が可能となり、信頼性の高いスカーフ継手を得ることができる。
【００６０】
図８は、本発明による異種金属スカーフ継手及びその設計方法を説明するための第６の実施形態において、ヤング率比と応力特異性が消失する角度との関係を示すグラフである。
【００６１】
図８に示すように、異種金属のヤング率比Ｅ１／Ｅ２（Ｅ１：低ヤング率材料のヤング率、Ｅ２：高ヤング率材料のヤング率）として、ＴｉとＣｕのヤング率比が０．９５を異種金属の肉厚の継手材料とする異種金属スカーフ継手について前述同様に応力特異性を解析し、その結果をもとに応力特異性が消失するスカーフ角度範囲を示すとスカーフ角度がそれぞれ黒塗り部分のように３°≦θ１≦１５°、５３°≦θ１≦９０°であることが分かる。
【００６２】
また、上記とは異なる異種金属継手材料の組合せの場合には、例えばＣｏとＭｏではヤング率比０．７４８と異なるが、本解析ではこの組合せにおいても自由縁応力特異性の消失領域が存在することが確認された。
【００６３】
そこで、本発明の第６の実施形態では、異種金属のヤング率比Ｅ１／Ｅ２が０．７以上の肉厚継手材料からなる異種金属スカーフ継手の応力最適スカーフ角度θ１の特異性が消失する角度範囲を３°≦θ１≦１５°、５３°≦θ１≦９０°に設計するものである。
【００６４】
このように本発明の第６の実施形態によれば、継手材料のヤング率比と応力特異性消失範囲を関連付けることによって、応力低減角度を用いた異種金属スカーフ継手の設計が可能となり、信頼性の高いスカーフ継手を得ることができる。
【００６５】
なお、薄肉、厚肉の定義として、部材の縦（Ｌ１）、横（Ｌ２）、板厚（ｔ）とした場合、有限要素法で区別する一つの目安として、Ｌ１／ｔ≧２０、かつＬ２／ｔ≦２０を肉厚とした。
【００６６】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、異種金属スカーフ継手の角度を応力特異性解析及び最適化解析によって求め、その角度から応力集中が緩和する角度を選定して継手設計することにより、強度上信頼性の高い異種金属スカーフ継手及びその設計方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態を説明するためのスカーフ継手形状を示す斜視図。
【図２】同実施形態において、応力特異性解析結果を示すグラフ。
【図３】本発明の第２の実施形態を説明するためのスカーフ継手を示すベーシスベクトル解析モデル図。
【図４】同実施形態において、最適化解析結果を示すグラフ。
【図５】本発明の第３の実施形態を説明するためのヤング率比と応力特異性が消失する角度との関係を示すグラフ。
【図６】本発明の第４の実施形態を説明するためのヤング率比と応力特異性が消失する角度との関係を示すグラフ。
【図７】本発明の第５の実施形態を説明するためのヤング率比と応力特異性が消失する角度との関係を示すグラフ。
【図８】本発明の第６の実施形態を説明するためのヤング率比と応力特異性が消失する角度との関係を示すグラフ。
【符号の説明】
１…Ａｌからなる継手材料
２…Ｎｂからなる継手材料
３…自由縁
４…接合界面
５…Ａｌからなる継手材料
６…Ｃｕからなる継手材料
Ａ，Ｂ…スカーフ継手の接合界面端部
Claims (10)
- 異種金属の継手材料をスカーフ形状に接合してなるスカーフ継手において、継手の接合界面の応力集中低減条件として、継手の接合界面両端部の自由縁と接合界面を直線とし、これらが交差する点のスカーフ角度を異種金属接合界面端部の応力特異性解析により求めて応力特異性消失スカーフ角度範囲を限定し、その範囲内で継手設計を行なうことを特徴とする異種金属スカーフ継手の設計方法。
- 請求項１記載の異種金属スカーフ継手の設計方法において、応力特異性解析によって求めた応力特異性消失範囲内のスカーフ角度から、最適化手法を用いて、異種金属接合界面端部の応力が最小となる角度を求めることを特徴とする異種金属スカーフ継手の設計方法。
- 請求項１記載の異種金属スカーフ継手の設計方法において、前記異種金属の薄板継手材料のヤング率比Ｅ１／Ｅ２（Ｅ１：低ヤング率材料のヤング率、Ｅ２：高ヤング率材料のヤング率）を０．７未満とした場合のスカーフ角度θ１を５５°≦θ１≦６５°として設計することを特徴とする異種金属スカーフ継手の設計方法。
- 請求項１記載の異種金属スカーフ継手の設計方法において、前記異種金属の薄板継手材料のヤング率比Ｅ１／Ｅ２（Ｅ１：低ヤング率材料のヤング率、Ｅ２：高ヤング率材料のヤング率）を０．７以上とした場合のスカーフ角度θ１を３°≦θ１≦２５°、４４°≦θ１≦９０°として設計することを特徴とする異種金属スカーフ継手の設計方法。
- 請求項１記載の異種金属スカーフ継手の設計方法において、前記異種金属の肉厚継手材料のヤング率比Ｅ１／Ｅ２（Ｅ１：低ヤング率材料のヤング率、Ｅ２：高ヤング率材料のヤング率）を０．７未満とした場合のスカーフ角度θ１を５５°≦θ１≦７０°として設計することを特徴とする異種金属スカーフ継手の設計方法。
- 請求項１記載の異種金属スカーフ継手の設計方法において、前記異種金属の肉厚継手材料のヤング率比Ｅ１／Ｅ２（Ｅ１：低ヤング率材料のヤング率、Ｅ２：高ヤング率材料のヤング率）を０．７以上とした場合のスカーフ角度θ１を３°≦θ１≦１５°、５３°≦θ１≦９０°として設計することを特徴とする異種金属スカーフ継手の設計方法。
- 請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の異種金属スカーフ継手の設計方法において、前記異種金属の継手材料は、ろう付け、拡散接合、レーザ溶接、電子ビーム溶接、狭開先アーク溶接の何れかにより接合されることを特徴とする異種金属スカーフ継手の設計方法。
- 請求項３又は請求項５記載の異種金属スカーフ継手の設計方法において、前記異種金属の継手材料は、アルミニウムを第１の金属材料とし、タングステン、モリブデン、炭素鋼、銅、ニオブのいずれかを第２の金属材料として組合せるか、又はニッケルを第１の金属材料とし、タングステン又はチタンを第２の金属材料として組合せたことを特徴とする異種金属スカーフ継手の設計方法。
- 請求項４又は請求項６記載の異種金属スカーフ継手の設計方法において、前記異種金属の継手材料は、コバルトを第１の金属材料とし、モリブデンを第２の金属材料として組合せるか、又はチタンを第１の金属材料とし、銅を第２の金属材料として組合せたことを特徴とする異種金属スカーフ継手の設計方法。
- 請求項１乃至請求項９の何れかに記載の設計方法により得られた異種金属スカーフ継手を有する部材。
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|---|---|---|---|
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2012105161A1 (ja) * | 2011-01-31 | 2012-08-09 | 三洋電機株式会社 | 異種金属接合体および端子接続部材 |
| CN107639343A (zh) * | 2016-07-21 | 2018-01-30 | 松下知识产权经营株式会社 | 焊接金属部件和具有该焊接金属部件的电池 |
-
2003
- 2003-02-24 JP JP2003046235A patent/JP2004255388A/ja active Pending
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN107639343A (zh) * | 2016-07-21 | 2018-01-30 | 松下知识产权经营株式会社 | 焊接金属部件和具有该焊接金属部件的电池 |
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