JP2007253172A - アルミ合金と鋼板との摩擦攪拌接合方法および摩擦攪拌接合部材 - Google Patents

Abstract

【課題】異なった金属材料の摩擦攪拌接合において、接合界面を大きくしてより接合強度の高い接合継手を有する摩擦攪拌接合方法と、摩擦攪拌接合部材を提供する。
【解決手段】異なった金属材料の摩擦攪拌接合において、融点の高い金属材料としての低融点メッキ鋼板３０は、融点の低い金属材料としてのアルミ合金２０より融点の低いメッキ層３０ａを有し、摩擦攪拌接合時にアルミ合金２０に生成される塑性流動域２０ａの塑性流動によってメッキ層３０ａを拡散して、低融点メッキ鋼板３０の鋼板新生面３０ｄを露出してアルミ合金２０と固相接合することで、強度の高い接合継手を有する摩擦攪拌接合方法と、摩擦攪拌接合部材。
【選択図】図４

Description

本発明は、鋼板とアルミ合金のように異なった金属材料の摩擦攪拌接合方法および、摩擦攪拌接合部材に関するものである。

現在、比較的融点の低い金属材料（例えば、アルミ合金）に関して、その接合方法として摩擦攪拌接合が確立されている。摩擦攪拌接合は、金属材料を溶融せずに塑性流動の状態にして攪拌し固相接合するので、充分な強度が得られかつ、工法が簡単なため安価に自動化できるといったコスト面での優位さもあるため、自動車製造や鉄道車両製造などの分野で広く利用されている。

一方で、摩擦攪拌接合は異なった金属材料（例えば、鋼板とアルミ合金）の接合に関しては充分な強度が得られないという問題がある。これは、接合する金属材料の融点に差があるため、塑性流動による攪拌が充分に行われないことが主な原因である。この問題の解決策として、融点の低い金属材料側から接合用の接合ピンを挿入して、その接合ピン形状と挿入深さを調整して、異なった金属材料を摩擦攪拌接合する技術が公開されている（特許文献１参照）。
特開２００３−２６６１８２号公報

しかし、融点の高い金属材料としてＧＡ鋼板やＳＰ鋼板、融点の低い金属材料としてアルミ合金を用いた摩擦攪拌接合が多い現状に鑑みると、従来技術の摩擦攪拌接合では、充分な強度の接合継手を得られないのが現状である。

原因は、摩擦攪拌接合時に鋼板が接合ピンと接触する範囲（略接合ピン径に相当）でしかアルミ合金と固相接合できず、接合界面が非常に小さいことにある。

これは、鋼板は非常に酸化しやすくＳＰ鋼板においては常に表面が酸化膜で覆われた状態であり、またＧＡ鋼板は酸化防止のため表面に合金化溶融亜鉛メッキが施されていることに起因する。

すなわち、鋼板とアルミ合金の摩擦攪拌接合は鋼板面と塑性流動化したアルミ合金とが固相接合することで接合するが、ＳＰ鋼板を覆う酸化膜は塑性流動化したアルミ合金によって拡散されないため鋼板の新生面が現れず、アルミ合金と固相接合できない。

またＧＡ鋼板は表面に亜鉛（Ｚｎ）メッキ層が存在するが、ＧＡ鋼板は合金化溶融亜鉛メッキ処理が施されており、Ｚｎメッキ層の融点は約７５０℃以上となる。アルミ合金は約４５０℃で塑性流動化するため、アルミ合金の塑性流動によってもＺｎメッキ層は拡散されず鋼板の新生面が現れないので、アルミ合金と固相接合できない。

そして、接合ピンが回転接触して酸化膜やＺｎメッキ層を削り取った部分（鋼板の新生面）のみ、塑性流動化したアルミ合金と固相接合できるという特性による。

以上のように、従来技術においては、接合ピンが鋼板と接触する部分のみでの接合となるため、接合界面が非常に小さく充分な強度の接合継手を得られないという問題がある。

そこで、本発明は、鋼板とアルミ合金の接合においても接合界面が大きく、より接合強度の高い接合を行える摩擦攪拌接合方法と摩擦攪拌接合部材を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、請求項１に係る発明では、第１の金属材料と、前記第１の金属材料の融点よりも低い融点を有する第２の金属材料との組み合わせによる摩擦攪拌接合方法において、前記第１の金属材料の表面には、少なくとも接合面領域で前記第２の金属材料が接する側の表面に、前記第２の金属材料の融点よりも低い融点を有する皮膜を形成し、前記第１の金属材料と前記第２の金属材料を重ね合わせて前記接合面領域を形成し、前記接合面領域において前記第２の金属材料の表面から回転する接合ピンを、前記第１の金属材料と前記第２の金属材料が接合する接合界面の近傍まで挿入して摩擦攪拌し、前記第２の金属材料の塑性流動により前記皮膜を拡散して前記第１の金属材料の新生面を露出させ、前記新生面において固相接合することを特徴とする摩擦攪拌接合方法とした。この発明により、接合界面が大きく、接合強度の高い接合を行える摩擦攪拌接合方法を提供することができる。

さらに、請求項２に係る発明では、前記接合ピンを前記第２の金属材料の表面から挿入する際に、前記接合ピンの前記第１の金属材料への挿入量が、−０．１ｍｍ〜０．２ｍｍの範囲になることを特徴とする摩擦攪拌接合方法とした。この発明により、摩擦攪拌接合の加工効率を落とすことなく最適な接合強度を得ることができる。

さらに、請求項３に係る発明では、前記第１の金属材料は鋼板からなり、前記第２の金属材料はアルミ合金からなりかつ、前記皮膜は、融点が４５０℃以下であることを特徴とする摩擦攪拌接合方法とした。この発明により、アルミ合金と鋼板の摩擦攪拌接合において、好適な接合強度を有する摩擦攪拌接合を得ることができる。

さらに、請求項４に係る発明では、前記皮膜はメッキ層からなり、前記メッキ層が、亜鉛、アルミニウム、マグネシウムにより組成される合金からなることを特徴とする摩擦攪拌接合方法とした。この発明により、アルミ合金と鋼板の摩擦攪拌接合において、好適な接合強度を有する摩擦攪拌接合を得ることができる。

さらに、請求項５に係る発明は、第１の金属材料と前記第１の金属材料の融点よりも低い融点を有する第２の金属材料が請求項１から請求項４に記載の摩擦攪拌接合方法によって摩擦攪拌接合された摩擦攪拌接合部材であって、前記第１の金属材料と前記第２の金属材料が接合する接合界面に、前記摩擦攪拌接合によって金属間化合物が生成され、前記金属間化合物は、厚みが１０ｎｍ〜１μｍの粒状形態もしくは、分断された層状形態であってかつ、前記接合界面に分散することを特徴とする摩擦攪拌接合部材とした。この発明により、好適な接合強度を有する摩擦攪拌接合部材を得ることができる。

本発明によれば、鋼板とアルミ合金との間で、接合界面が大きく接合強度の高い接合を行える摩擦攪拌接合方法および、摩擦攪拌接合部材を提供することができる。

以下、本発明を実施するための最良の実施形態について、適宜図を用いて詳細に説明する。

図１は、摩擦攪拌接合に使用される接合ツール１を示す図である。接合ツール１は、図示しないモータ等の回転駆動装置によって回転軸Ａの回りに回転駆動される円筒状の回転子１２の底部から、回転軸Ａを中心に同心円状に突出した略円筒形の接合ピン１０を有する。接合ピン１０の直径は回転子１２の直径より小さく、接合ピン１０と回転子１２の直径の段差部分でショルダ部１１を形成している。

図２に本発明の実施形態を図示する。図２は、鋼板にメッキ層を設けた低融点メッキ鋼板に、アルミ合金を重ね合わせて接合面領域を形成することを示す図である。

本発明は、図２に示すように、請求項に記載する第１の金属材料としての鋼板と、請求項に記載する第２の金属材料としてのアルミ合金との摩擦攪拌接合方法であるが、前記鋼板には請求項に記載する皮膜として、前記鋼板の表面にアルミ合金２０の融点より低いメッキを施したメッキ層３０ａを有する鋼板（以後、低融点メッキ鋼板と称する）３０を用いたことを特徴とする。

なお、本実施形態では請求項に記載する皮膜としてのメッキ層を有する鋼板を使用し、前記メッキ層として亜鉛、アルミニウム、マグネシウム（Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ）から組成される合金による溶融亜鉛メッキを施したが、皮膜の融点がアルミ合金２０の融点より低いという条件を満たせば、その皮膜の種類や成分は限定しない。また、低融点メッキ鋼板３０のように鋼板全体にメッキ層（皮膜）を有する必要はなく、少なくともアルミ合金２０との接合面領域２１にメッキ層（皮膜）を有すれば本発明の効果が得られる。

図３は、アルミ合金２０の表面２０ｂにショルダ部１１が接触するまで、接合ピン１０を塑性流動域２０ａに挿入した時の、先端部１０ａの位置を示す図である。

図３に示すように、接合ツール１を回転しながら、アルミ合金２０の表面２０ｂに近づけていき接合ピン１０の先端部１０ａをアルミ合金２０の表面２０ｂに接触させ、塑性流動域２０ａを形成しながら、ショルダ部１１がアルミ合金２０の表面２０ｂに摺接するまで、接合ピン１０を回転しながらアルミ合金２０の塑性流動域２０ａに挿入していく。

このとき、接合ピン１０の先端部１０ａは、アルミ合金２０と低融点メッキ鋼表面３０ｂとの接触面２０ｃからの距離Ｌ１が、０ｍｍ〜０．１ｍｍの範囲でアルミ合金２０の塑性流動域２０ａ内にあるか（図３の（ａ）参照）もしくは、接合ピン１０の先端部１０ａは、接触面２０ｃからの距離Ｌ２が０ｍｍ〜０．２ｍｍの範囲で、低融点メッキ鋼板３０の中に挿入するか（図３の（ｂ）参照）、いずれかの位置になるように接合ピン１０のショルダ部１１からの突出量が設定される。

つまり、請求項に記載のように、第１の金属材料としての低融点メッキ鋼板３０への接合ピン１０の挿入量が、−０．１ｍｍ〜０．２ｍｍの範囲となっている。

この、接合ピン１０の低融点メッキ鋼板３０の中への挿入量は、摩擦攪拌接合による接合強度と加工効率から決定される値である。

すなわち、図３の（ｂ）に示すように、接合ピン１０を低融点メッキ鋼板３０に挿入した場合、接合ピン１０の回転接触により低融点メッキ鋼板３０のメッキ層３０ａが削られる部分と、後記するようにメッキ層３０ａの拡散による部分とに鋼板新生面３０ｄ（図４の（ｃ）参照）が現れる。ここで、接合ピン１０の回転接触により低融点メッキ鋼板３０のメッキ層３０ａが削られた部分のほうが完全にメッキ層３０ａの成分を除去できるため、メッキ層３０ａの拡散により現れる鋼板新生面３０ｄ（図４の（ｃ）参照）の部分よりも、アルミ合金２０との摩擦攪拌接合の強度が高くなる。

したがって、接合ピン１０を微少量だけ低融点メッキ鋼板３０に挿入すると、接合ピン１０を低融点メッキ鋼板３０に挿入しない場合にくらべて、若干強い摩擦攪拌接合を得られる。しかし、接合ピン１０を低融点メッキ鋼板３０に挿入することで、硬い鋼板を削らなくてはならず、加工抵抗が増えるため加工効率は落ちる。

加工抵抗は、接合ピン１０の低融点メッキ鋼板３０への挿入量が増えるほど大きくなるため、加工効率を考慮すると接合ピン１０の、低融点メッキ鋼板３０への挿入量は０．２ｍｍが限界となる。

反対に、図３の（ａ）に示すように、接合ピン１０の先端部１０ａをアルミ合金２０の塑性流動域２０ａ内に留め置く場合、後記するようにメッキ層３０ａの拡散によって鋼板新生面３０ｄ（図４の（ｃ）参照）は現れるが、先端部１０ａが接触面２０ｃから一定距離以上離れると、充分な摩擦熱をメッキ層３０ａに供給できず、充分にメッキ層３０ａが拡散されないため、摩擦攪拌接合の強度が低下することになる。

以上のことより、最適な摩擦攪拌接合の強度を得ることができかつ、加工効率に与える影響も少ない範囲として、接触面２０ｃから先端部１０ａまでの距離が設定され、図３の（ａ）におけるＬ１は０ｍｍ〜０．１ｍｍの範囲、図３の（ｂ）におけるＬ２は０ｍｍ〜０．２ｍｍの範囲とした。

図４は、本発明に係る摩擦攪拌接合方法の接合過程を示す概略図である。図４の（ａ）に示すように、ショルダ部１１がアルミ合金２０の表面２０ｂに摺接する位置で、接合ツール１は回転を続けるため、接合ピン１０およびショルダ部１１からは摩擦による熱がアルミ合金２０と低融点メッキ鋼板３０に供給され続け、アルミ合金２０の塑性流動域２０ａが、ショルダ部１１の直径と略等しい範囲かつ、アルミ合金２０の表面２０ｂから低融点メッキ鋼表面３０ｂと接触する接触面２０ｃまでの範囲に広がる。

一方、低融点メッキ鋼板３０については、アルミ合金２０の塑性流動域２０ａが持つ温度がメッキ層３０ａの融点より高いことから、塑性流動域２０ａと低融点メッキ鋼表面３０ｂが接する接触面２０ｃでは、図４の（ｂ）に示すように、メッキ層３０ａが溶けてメッキ層溶融部３０ｃが出現する。そして、メッキ層溶融部３０ｃの溶けたメッキ成分は、塑性流動域２０ａの塑性流動によって拡散されるため、図４の（ｃ）に示すようにアルミ合金２０の塑性流動域２０ａと低融点メッキ鋼板３０が接する鋼板新生面３０ｄが現れる。

摩擦攪拌接合は、アルミ合金２０の塑性流動域２０ａと低融点メッキ鋼板３０の鋼板新生面３０ｄが接する面における固相接合によって接合されるため、図４の（ｄ）に示すようにアルミ合金２０と低融点メッキ鋼板３０の接合界面３０ｅはアルミ合金２０に生成される塑性流動域２０ａと略等しい大きさとなる。

ここで、塑性流動域２０ａは、前記のように接合ツール１のショルダ部１１の直径と略等しい範囲にまで広がっているので、接合界面３０ｅは、接合ツール１のショルダ部１１の直径と略等しいといえる。

図５は、従来技術で鋼板とアルミ合金の摩擦攪拌接合を実施した場合の接合界面を示す図である。図５に示すように、ＳＰ鋼板やＧＡ鋼板などの鋼板４０とアルミ合金２０を従来技術で摩擦攪拌接合した場合に生成される接合界面２０ｄは、前記のとおり摩擦攪拌接合加工時の接合ピン１０ｂ（図５において、想像線で示される）と略等しい大きさである。

したがって、図４の（ｄ）で示される、本発明により生成される接合界面３０ｅは、図５で示される従来技術により生成される接合界面２０ｄより大きく、本発明によって従来技術よりも接合強度の高い摩擦攪拌接合を行えるといえる。

そして、前記の摩擦攪拌接合において、接合ツール１を必要な長さだけアルミ合金２０の表面２０ｂに沿って送れば、必要な接合長を有する摩擦攪拌接合を行える。

なお、ＧＡ鋼板のメッキに使用される亜鉛の融点は約４２０℃であり、摩擦攪拌接合加工時におけるアルミ合金２０の塑性流動域２０ａの約４５０℃より低いが、ＧＡ鋼板のメッキ処理は合金化溶融亜鉛メッキ処理であり、メッキ層が鋼板と一部で合金化しているためメッキ表面の融点は約７５０℃以上になり、アルミ合金２０の塑性流動域２０ａから供給される熱では拡散されない。

一方で、本実施形態で使用する低融点メッキ鋼板３０のメッキ層３０ａを構成するメッキは、Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇからなる溶融亜鉛メッキであり、メッキ層３０ａが鋼板と合金化することがないためメッキ層３０ａの融点は約４００℃となり、本発明の効果を奏する。

図６は、本実施形態による摩擦攪拌接合の接合強度試験を行うための試供材を示す図であり、図７は前記供試材による摩擦攪拌接合の引張りせん断強度を示す図である。

以下、図６に示す供試材の形状ならびに摩擦攪拌接合方法を用いて、表１に示す条件で摩擦攪拌接合を行い、引張りせん断強度を測定する接合強度試験をしたところ、図７に示す結果を得られた。

なお、図７における接合部材の表記と図６における供試材Ａ６０と供試材Ｂ６１は、表１に表記される供試材（Ａ〜Ｄ）に以下のように対応する。
接合部材：低融点メッキ鋼板
供試材Ａ６０：表１記載の供試材Ａ
供試材Ｂ６１：表１記載の供試材Ｂ
接合部材：ＧＡ鋼板
供試材Ａ６０：表１記載の供試材Ａ
供試材Ｂ６１：表１記載の供試材Ｃ
接合部材：ＳＰ鋼板
供試材Ａ６０：表１記載の供試材Ａ
供試材Ｂ６１：表１記載の供試材Ｄ
接合部材：アルミ合金
供試材Ａ６０：表１記載の供試材Ａ
供試材Ｂ６１：表１記載の供試材Ａ

図７によると、アルミ合金と低融点メッキ鋼板の摩擦攪拌接合においては、約５ｋＮの引張りせん断強度が得られ、他の組み合わせによる摩擦攪拌接合で得られる引張りせん断強度（約３．０ｋＮ〜約３．８ｋＮ）よりも大きく、接合強度が高いことがわかる。

図８に、本実施形態による摩擦攪拌接合部材の接合界面の電子顕微鏡写真を示す。図８によると、上部のアルミ合金と下部の鋼板の間の接合界面に、黒枠で囲まれた部分で示されるように金属間化合物が生成されていることが確認され、その組成はＦｅ４Ａｌ１３であった。

さらに、図８に示すように、前記の金属間化合物は厚みが１０ｎｍ〜１μｍの範囲であり、接合界面全域にわたる連続した層状形態ではなく、粒状形態もしくは分断された層状形態として接合界面内に分散していることが確認された。

一般に、金属間化合物はもろく破断を発生しやすい。したがって、接合界面に連続した層状形態で存在すると、接合界面の強度を低下する原因となる。

また、金属間化合物の厚みが増えることでも、接合界面の強度は低下することから、金属間化合物は薄いほうが、強度の高い接合界面を得ることができる。

本発明の実施形態による摩擦攪拌接合部材の接合界面は、前記のように金属間化合物が分散して存在しかつ、厚みも１０ｎｍ〜１μｍの範囲に抑えられることから、金属間化合物のもろさを金属間化合物の非存在領域で補填でき、接合界面の強度の低下を防ぐことができる。

以上、本発明の実施形態について記述したが、請求項に記載する皮膜はメッキ層に限ったものではなく、アルミ合金より融点が低く、摩擦攪拌接合時にアルミ合金に生成される塑性流動域の塑性流動によって拡散されるという条件を満たすものであれば、その種類は問わない。

摩擦攪拌接合に使用する接合ツールの概略図である。 本発明の実施形態に係る摩擦攪拌接合における接合部材を示す図である。 摩擦攪拌時の接合ピンの状態を示す図である。（ａ）は接合ピンの先端部がアルミ合金の塑性流動域にあることを示す図、（ｂ）は接合ピンの先端部が低融点メッキ鋼板に挿入していることを示す図である。 本発明の実施形態に係る摩擦攪拌接合方法の接合過程を示す概略図である。（ａ）は、接合ツールによって塑性流動域が形成されることを示す図、（ｂ）は、塑性流動域によって、メッキ層溶融部が形成されることを示す図、（ｃ）は、鋼板新生面が形成されることを示す図、（ｄ）は、接合界面を示す図である。 従来技術の摩擦攪拌接合による接合界面を示す図である。 本実施形態に係る接合強度試験に用いた供試材を示す図である。 本実施形態に係る接合強度試験の結果を示す図である。縦軸に引張りせん断強度、横軸にアルミ合金と摩擦攪拌接合した金属材料を示す。 本実施形態に係る摩擦攪拌接合部材の接合界面の電子顕微鏡写真である。

符号の説明

１ 接合ツール
１０ 接合ピン
２０ アルミ合金
２０ａ 塑性流動域
２１ 接合面領域
３０ 低融点メッキ鋼板
３０ａ メッキ層
３０ｄ 鋼板新生面

Claims (5)

1. 第１の金属材料と、前記第１の金属材料の融点よりも低い融点を有する第２の金属材料との組み合わせによる摩擦攪拌接合方法において、
   前記第１の金属材料の表面には、少なくとも接合面領域で前記第２の金属材料が接する側の表面に、前記第２の金属材料の融点よりも低い融点を有する皮膜を形成し、
   前記第１の金属材料と前記第２の金属材料を重ね合わせて前記接合面領域を形成し、
   前記接合面領域において前記第２の金属材料の表面から回転する接合ピンを、
   前記第１の金属材料と前記第２の金属材料が接合する接合界面の近傍まで挿入して摩擦攪拌し、
   前記第２の金属材料の塑性流動により前記皮膜を拡散して前記第１の金属材料の新生面を露出させ、
   前記新生面において固相接合することを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
2. 前記接合ピンを前記第２の金属材料の表面から挿入する際に、前記接合ピンの前記第１の金属材料への挿入量が、−０．１ｍｍ〜０．２ｍｍの範囲になることを特徴とする請求項１に記載の摩擦攪拌接合方法。
3. 前記第１の金属材料は鋼板からなり、前記第２の金属材料はアルミ合金からなりかつ、前記皮膜は、融点が４５０℃以下であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の摩擦攪拌接合方法。
4. 前記皮膜はメッキ層からなり、前記メッキ層が、亜鉛、アルミニウム、マグネシウムにより組成される合金からなることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１つに記載の摩擦攪拌接合方法。
5. 第１の金属材料と前記第１の金属材料の融点よりも低い融点を有する第２の金属材料が請求項１から請求項４に記載の摩擦攪拌接合方法によって摩擦攪拌接合された摩擦攪拌接合部材であって、
   前記第１の金属材料と前記第２の金属材料が接合する接合界面に、金属間化合物が生成され、
   前記金属間化合物は、厚みが１０ｎｍ〜１μｍの粒状形態もしくは、分断された層状形態であってかつ、前記接合界面に分散することを特徴とする摩擦攪拌接合部材。