JP2014108450A - 異種金属材料の接合方法及び異種金属材料接合体 - Google Patents
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Abstract
【課題】異種金属材料を高い接合強度で接合できること。
【解決手段】融点が異なる異種金属材料における鋼材11(高融点材料)とアルミニウム材12(低融点材料)を接合予定位置に位置付け、鋼材11に回転ツール14を回転させながら押し当てて挿入して、鋼材11とアルミニウム材12とを摩擦撹拌接合により接合する異種金属材料の接合方法において、鋼材11は、回転ツール14の押当箇所16の内側領域と外側領域の少なくとも一方に対応するアルミニウム材12との接合界面11Bに、アルミニウム材12側へ突出する凸部15を備えたものを用い、前記摩擦撹拌接合の際に、鋼材11の凸部15を、回転ツール14と鋼材11との摩擦熱の伝熱により軟化したアルミニウム材12に嵌合させるものである。
【選択図】 図1
【解決手段】融点が異なる異種金属材料における鋼材11(高融点材料)とアルミニウム材12(低融点材料)を接合予定位置に位置付け、鋼材11に回転ツール14を回転させながら押し当てて挿入して、鋼材11とアルミニウム材12とを摩擦撹拌接合により接合する異種金属材料の接合方法において、鋼材11は、回転ツール14の押当箇所16の内側領域と外側領域の少なくとも一方に対応するアルミニウム材12との接合界面11Bに、アルミニウム材12側へ突出する凸部15を備えたものを用い、前記摩擦撹拌接合の際に、鋼材11の凸部15を、回転ツール14と鋼材11との摩擦熱の伝熱により軟化したアルミニウム材12に嵌合させるものである。
【選択図】 図1
Description
本発明は、異種金属材料を摩擦撹拌接合により接合する異種金属材料の接合方法、及びこの接合方法により得られる異種金属材料接合体に関する。
異種金属材料、特に鋼材とアルミニウム材の接合は、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いる。ところが、溶融溶接では入熱量が大きいため、鋼材とアルミニウム材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課題がある。また、リベットやボルト等を用いた機械的接合では、接合のためにリベットなどの資材が必要になり、コストが上昇してしまう。
そこで、近年では、被接合材を溶融させずに融点以下の温度で軟化させ、塑性流動化して固相接合する摩擦撹拌接合(FSW:Friction Stir Welding)を用いて、鋼材とアルミニウム材を接合させる技術が特許文献1及び2に開示されている。
特許文献1では、回転ツールを回転させながらアルミニウム材に接触させ、その摩擦熱によって鋼材とアルミニウム材とを摩擦撹拌接合している。
特許文献2では、回転ツールを回転させながら鋼材に接触させ、その摩擦熱によって鋼材及びアルミニウム材を共に塑性流動しやすい状態とし、この塑性流動化した部位を回転ツールの回転により撹拌して摩擦撹拌接合している。
ところが、特許文献1に記載の摩擦撹拌接合では、回転ツールとアルミニウム材との摩擦によっても、アルミニウム材の融点直下までしか温度を上昇させることができず、鋼材を塑性流動化させる温度まで温度上昇させることができないので、鋼材とアルミニウム材との撹拌が十分になされず、高い接合強度を得ることができない。
また、特許文献2に記載の摩擦撹拌接合は摩擦撹拌のみによる接合であり、接合強度を更に向上させたい課題がある。
本発明の目的は、上述の事情を考慮してなされたものであり、異種金属材料を高い接合強度で接合できる異種金属材料の接合方法及び異種金属材料接合体を提供することにある。
本発明に係る異種金属材料の接合方法は、融点が異なる異種金属材料における高融点材料と低融点材料を接合予定位置に位置付け、前記高融点材料に回転ツールを回転させながら押し当てて挿入して、前記高融点材料と前記低融点材料とを摩擦撹拌接合により接合する異種金属材料の接合方法において、前記高融点材料は、前記回転ツールの押当箇所の内側領域と外側領域の少なくとも一方に対応する前記低融点材料との接合界面に、前記低融点材料側へ突出する凸部を備えたものを用い、前記摩擦撹拌接合の際に、前記高融点材料の前記凸部を、前記回転ツールと前記高融点材料との摩擦熱の伝熱により軟化した前記低融点材料に嵌合させることを特徴とするものである。
また、本発明に係る異種金属材料接合体は、前述に記載の異種金属材料の接合方法により高融点材料と低融点材料とが接合されて得られたものである。
本発明によれば、回転ツールを回転させながら高融点材料に挿入することで、高融点材料と低融点材料とを摩擦撹拌接合により接合すると共に、回転ツール挿入時の荷重により、高融点材料の接合界面に形成された凸部が、回転ツールと高融点材料との摩擦熱の伝熱により軟化した低融点材料に嵌合する。この結果、摩擦撹拌接合による接合力に加え、凸部の嵌合による機械的な接合力を付与できるので、高融点材料と低融点材料を高い接合強度で接合できる。
以下、本発明を実施するための実施形態を図面に基づき説明する。
図1は、本発明に係る異種金属材料の接合方法における一実施形態が適用された摩擦撹拌接合方法において、鋼材の凸部が回転ツールの押当箇所の外側領域対応位置に形成された場合の実施状況であり、(A)は回転ツール挿入前、(B)は回転ツール引抜後をそれぞれ示す概略断面図である。また、図2は、図1の摩擦撹拌接合において、鋼材の凸部が回転ツールの押当箇所の内側領域対応位置に形成された場合の実施状況であり、(A)は回転ツール挿入前、(B)は回転ツール引抜後をそれぞれ示す概略断面図である。
図1は、本発明に係る異種金属材料の接合方法における一実施形態が適用された摩擦撹拌接合方法において、鋼材の凸部が回転ツールの押当箇所の外側領域対応位置に形成された場合の実施状況であり、(A)は回転ツール挿入前、(B)は回転ツール引抜後をそれぞれ示す概略断面図である。また、図2は、図1の摩擦撹拌接合において、鋼材の凸部が回転ツールの押当箇所の内側領域対応位置に形成された場合の実施状況であり、(A)は回転ツール挿入前、(B)は回転ツール引抜後をそれぞれ示す概略断面図である。
これらの図1及び図2に示す異種金属材料の接合方法としての摩擦撹拌接合方法は、融点が異なる異種金属材料としての高融点材料(例えば鉄合金などの鉄材、本実施形態では融点が約1500℃の鋼材11)と、低融点材料(本実施形態ではアルミニウム合金を含む融点が580〜650℃のアルミニウム材12)とを、隙間13を有して重ね合わせて接合予定位置に位置付け、次に、回転ツール14を回転させながら鋼材11に押し当てて挿入し、この鋼材11とアルミニウム材12とを摩擦撹拌接合するものである。
ここで、回転ツール14は、SKD61等の工具鋼や金型鋼製であり、直径が3〜10mmの丸棒形状に形成されたものである。この回転ツール14は、その回転数が75rpm〜750rpmに設定され、その挿入速度が例えば20mm/分に設定される。
鋼材11は、アルミニウム材12との接合界面11Bにアルミニウム材12側へ突出する凸部15を備える。この凸部15は、鋼材11の裏面である接合界面11Bから突出することでスペーサとして機能し、鋼材11とアルミニウム材12とを接合予定位置に重ね合わせたときに、これらの鋼材11とアルミニウム材12との間に隙間13を形成する。この凸部15は、例えばプレス加工により形成され、回転ツール14の押当箇所16(後述)の中心周りに3個以上が点在してそれぞれ円形状に形成され(図3(A))、または回転ツール14の押当箇所16(後述)の中心周りにリング形状に連続して形成される(図3(B))。
また、図1及び図2に示すように、凸部15は、回転ツール14が押し当てられる鋼材11の表面11Aにおける押当箇所16の外側領域に対応する鋼材11の接合界面11Bに形成され(図1)、または上記押当箇所16の内側領域に対応する鋼材11の接合界面11Bに形成される(図2)。凸部15は、鋼材11の表面11Aにおける回転ツール14の押当箇所16の外側領域と内側領域の両領域に対応する鋼材11の接合界面11Bに形成されてもよい。特に、鋼材11の表面11Aにおける回転ツール14の押当箇所16の外側領域に対応する鋼材11の接合界面11Bに凸部15が形成される場合には、この凸部15は、図3(A)及び(B)に示すように、押当箇所16の周囲付近に形成される。
更に、図1及び図2に示すように、凸部15の接合界面11Bからの突出高さhは、鋼材11の板厚t以下に設定される。凸部15の突出高さhを鋼材11の板厚t以上に設定すると、鋼材11とアルミニウム材12とを接触させるためには回転ツール14を鋼材11の板厚t以上に挿入しなければならなくなり、鋼材11が回転ツール14により破断されて、鋼材11とアルミニウム材12とを良好に接合できなくなるからである。
上述のような凸部15が設けられた鋼材11とアルミニウム材12との摩擦撹拌接合では、回転ツール14を回転させながら鋼材11の表面11Aに押し当てると、鋼材11と回転ツール14との摩擦熱が鋼材11の凸部15からアルミニウム材12へ伝熱され、このアルミニウム材12の凸部15との接触部位が軟化する。
そして、回転ツール14を鋼材11に挿入すると、回転ツール14の挿入荷重により鋼材11の凸部15が、軟化したアルミニウム材12に嵌合する。その後、回転ツール14の挿入位置及びその周囲において鋼材11がアルミニウム材12に接触すると、摩擦熱によって鋼材11とアルミニウム材12とが共に塑性流動し易い状態になり、この塑性流動状態になった鋼材11及びアルミニウム材12の部位が回転ツール14の回転により撹拌されて摩擦撹拌接合され、異種金属接合体としての摩擦撹拌接合体17、18が得られる。
上述の摩擦撹拌接合において塑性流動化状態となった鋼材11及びアルミニウム材12の部位では、図4に示すように、回転ツール14が鋼材11に挿入されて、鋼材11がアルミニウム材12に侵入した体積分のアルミニウム材12は、鋼材11とアルミニウム材12との隙間13に充填される。このアルミニウム材12の充填体積V1を図4(B)及び(C)に示すが、この充填体積V1の範囲、つまり回転ツール14による押当箇所16の中心から充填体積V1の外縁19までの距離rは、回転ツール14が鋼材11にその板厚tと同等量だけ挿入されて、鋼材11がアルミニウム材12に最も深く侵入したときに最大となる。
鋼材11がアルミニウム材12に最も深く侵入したときの侵入体積V2は、回転ツール14の直径をdとし、鋼材11の板厚をtとし、鋼材11とアルミニウム材12との隙間13の寸法をh(このhは凸部15の突出高さと同一)とすると、
V2=πd2(t−h)/4
となる。また、鋼材11とアルミニウム材12との隙間13に充填されるアルミニウム材12の充填体積V1は、この充填体積V1における外縁19の前記距離rを用いて
V1=πr2h―π(d/2)2h
で表される。この隙間13へのアルミニウム材12の充填体積V1は、鋼材11のアルミニウム材12への侵入体積V2と等しいので、
πr2h−π(d/2)2h=πd2(t−h)/4
となる。従って、アルミニウム材12が隙間13を充填する充填体積V1の範囲を表す距離rは、
となる。
V2=πd2(t−h)/4
となる。また、鋼材11とアルミニウム材12との隙間13に充填されるアルミニウム材12の充填体積V1は、この充填体積V1における外縁19の前記距離rを用いて
V1=πr2h―π(d/2)2h
で表される。この隙間13へのアルミニウム材12の充填体積V1は、鋼材11のアルミニウム材12への侵入体積V2と等しいので、
πr2h−π(d/2)2h=πd2(t−h)/4
となる。従って、アルミニウム材12が隙間13を充填する充填体積V1の範囲を表す距離rは、
鋼材11の接合界面11Bに形成される凸部15(図1、図2)は、摩擦撹拌接合においてアルミニウム材12が隙間13に充填される充填体積V1の範囲に形成されることで、このアルミニウム材12により確実に嵌合されることになる。従って、回転ツール14の押当箇所16の中心から凸部15までの距離xは、0<x≦r、即ち
となる。但し、回転ツール14の押当箇所16の中心から凸部15までの距離xは、上記式を満たすことが望ましいが、この式に限定されるものではない。
図1に示す摩擦撹拌接合体17では、回転ツール14の押当箇所16の外側領域に対応する鋼材11の接合界面11Bに凸部15が形成されているので(x>d/2)、回転ツール14の直下の鋼材11がアルミニウム材12に侵入することにより、アルミニウム材12が鋼材11とアルミニウム材12との隙間13に充填され、この充填されたアルミニウム材12が鋼材11の凸部15に沿って流れることで、形状が潰されることなく略維持された凸部15とアルミニウム材12とが嵌合し、鋼材11とアルミニウム材12との間に機械的な結合力が付与される。この摩擦撹拌接合体17における凸部15とアルミニウム材12との嵌合状態を、図5(A)の矢印Aに示す。
また、図2に示す摩擦撹拌接合体18では、回転ツール14の押当箇所16の内側領域に対応する鋼材11の接合界面11Bに凸部15が形成されているので(x≦d/2)、凸部15の先端がアルミニウム材12に嵌合されて、鋼材11とアルミニウム材12との間に機械的な結合力が付与される。この摩擦撹拌接合体18における凸部15とアルミニウム材12との嵌合状態を、図5(B)の矢印Bに示す。
次に、図1、図2にそれぞれ示す摩擦撹拌接合体17、18と、従来の摩擦撹拌接合方法(特許文献2)により得られた摩擦撹拌接合体100(図9(C))とにおいて、接合強度(せん断引張強さ)を比較する実験例を述べる。
上述の従来の摩擦撹拌接合方法は、図9(A)〜(C)に示すように、鋼材101とアルミニウム材102とを重ね合わせて接合予定位置に位置付け、鋼材101に回転ツール103を回転させながら押し当てて挿入し、鋼材101と回転ツール103との摩擦熱により鋼材101及びアルミニウム材102を軟化させて塑性流動し易い状態とし、回転ツール103の回転により鋼材101及びアルミニウム材102の塑性流動化した部位を撹拌して接合するものである。
この実験例において、使用された鋼材11、101は板厚1.0mmの軟鋼板であり、アルミニウム材12、102は板厚2.0mmのアルミニウム材A6061−T6である。接合条件は、図6に示すように、SKD61製で直径6mmの丸棒形状の回転ツール14、103を用い、この回転ツール14、103の回転数を550rpmとし、回転ツール14、103の挿入速度を20mm/分としている。更に、接合条件は、回転ツール14、103の先端が鋼材11、101のそれぞれの接合界面11B、101Bから鋼材11、101側に0.5mmとなる位置まで回転ツール14、103を鋼材11、101に挿入し、回転ツール14、103の挿入完了からこの回転ツール14、103を引き抜くまでの保持時間を1秒とし、回転ツール14、103の引き抜き速度を200mm/分としている。
従来の摩擦撹拌接合体100が適用された継手をT0とし、本実施形態の摩擦撹拌接合体17(図1)が適用された継手をT1とし、摩擦撹拌接合体18(図2)が適用された継手をT2とする。図7に示すように、回転ツール14の押当箇所16の中心から凸部15までの距離xは、継手T1では4.0mm、継手T2では2.0mmである。また、凸部15の配置は、継手T1及びT2で共に、凸部15が円形状に8点配列されており、凸部15の突出高さhは、継手T1及びT2で共に0.4mmである。
これらの継手T0、T1、T2のそれぞれについてせん断引張強さ試験を行った。その結果を図8に示す。せん断引張強さは、継手T0が2.9kNであるのに対し、継手T1が3.9kN、継手T2が3.5kNであり、継手T1及びT2では共に高い接合強度が得られた。尚、図5(A)は継手T1の、図5(B)は継手T2の、それぞれ断面写真である。
以上のように構成されたことから、本実施形態によれば、次の効果(1)〜(3)を奏する。
(1)図1及び図2に示すように、回転ツール14を回転させながら鋼材11に挿入することで、鋼材11とアルミニウム材12とを摩擦撹拌接合により接合すると共に、回転ツール14の挿入時の荷重により、鋼材11の接合界面11Bに形成された凸部15は、回転ツール14と鋼材11との摩擦熱の伝熱により軟化したアルミニウム材12に嵌合する。この結果、摩擦撹拌接合による接合力に加え、凸部15の嵌合による機械的な接合力を付与できるので、鋼材11とアルミニウム材12とを高い接合強度で接合できる。
(1)図1及び図2に示すように、回転ツール14を回転させながら鋼材11に挿入することで、鋼材11とアルミニウム材12とを摩擦撹拌接合により接合すると共に、回転ツール14の挿入時の荷重により、鋼材11の接合界面11Bに形成された凸部15は、回転ツール14と鋼材11との摩擦熱の伝熱により軟化したアルミニウム材12に嵌合する。この結果、摩擦撹拌接合による接合力に加え、凸部15の嵌合による機械的な接合力を付与できるので、鋼材11とアルミニウム材12とを高い接合強度で接合できる。
(2)鋼材11の接合界面11Bに形成される凸部15は、回転ツール14の押当箇所16の中心周りに3点以上が点在してそれぞれ円形状に形成され、または回転ツール14の押当箇所16の中心周りにリング形状に連続して形成されている。このため、鋼材11とアルミニウム材12とを重ね合わせて接合予定位置に位置付けたとき、これらの鋼材11とアルミニウム材12とを良好な平行度に確保できる。この結果、摩擦撹拌接合体17、18においても、鋼材11とアルミニウム材12との平行度を好適に確保できる。
(3)鋼材11の接合界面11Bに形成される凸部15の突出高さhが、鋼材11の板厚t以下に設定されている。このため、回転ツール14を鋼材11に挿入するとき、鋼材11の接合界面11Bをアルミニウム材12に接触させた場合でも、鋼材11が回転ツール14により破断されることがない。この結果、摩擦撹拌接合体17、18において鋼材11とアルミニウム材12とを良好に接合できる。
以上、本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。例えば、低融点材料が、マグネシウム合金を含むマグネシウム材であってもよい。
11 鋼材(高融点材料)
11B 接合界面
12 アルミニウム材(低融点材料)
14 回転ツール
15 凸部
16 押当箇所
17、18 摩擦撹拌接合体
d 回転ツールの直径
h 凸部の突出高さ
t 鋼材の板厚
x 凸部の距離
11B 接合界面
12 アルミニウム材(低融点材料)
14 回転ツール
15 凸部
16 押当箇所
17、18 摩擦撹拌接合体
d 回転ツールの直径
h 凸部の突出高さ
t 鋼材の板厚
x 凸部の距離
Claims (6)
- 融点が異なる異種金属材料における高融点材料と低融点材料を接合予定位置に位置付け、前記高融点材料に回転ツールを回転させながら押し当てて挿入して、前記高融点材料と前記低融点材料とを摩擦撹拌接合により接合する異種金属材料の接合方法において、
前記高融点材料は、前記回転ツールの押当箇所の内側領域と外側領域の少なくとも一方に対応する前記低融点材料との接合界面に、前記低融点材料側へ突出する凸部を備えたものを用い、
前記摩擦撹拌接合の際に、前記高融点材料の前記凸部を、前記回転ツールと前記高融点材料との摩擦熱の伝熱により軟化した前記低融点材料に嵌合させることを特徴とする異種金属材料の接合方法。 - 前記凸部は、高融点材料の接合界面に3個以上点在して、またはリング形状に連続してそれぞれ形成されたことを特徴とする請求項1に記載の異種金属材料の接合方法。
- 前記凸部の突出高さは、高融点材料の板厚以下に設定されたことを特徴とする請求項1または2に記載の異種金属材料の接合方法。
- 前記回転ツールの押当箇所の中心から凸部までの距離xは、前記回転ツールの直径をd、高融点材料の板厚をt、前記凸部の突出高さをhとすると、
- 前記高融点材料が鉄材であり、低融点材料がアルミニウム材であることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に異種金属材料の接合方法。
- 請求項1乃至5のいずれか1項に記載の異種金属材料の接合方法により高融点材料と低融点材料とが接合されて得られた異種金属材料接合体。
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN105965150A (zh) * | 2016-06-07 | 2016-09-28 | 中国船舶重工集团公司第七二五研究所 | 一种异种金属板之间的搅拌摩擦焊接方法 |
CN106334870A (zh) * | 2015-07-06 | 2017-01-18 | 通用汽车环球科技运作有限责任公司 | 利用表面涂层和预成形局部纹理的增强的钢与铝之间的搅拌摩擦焊接接头强度 |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN105965150A (zh) * | 2016-06-07 | 2016-09-28 | 中国船舶重工集团公司第七二五研究所 | 一种异种金属板之间的搅拌摩擦焊接方法 |
CN105965150B (zh) * | 2016-06-07 | 2018-01-26 | 中国船舶重工集团公司第七二五研究所 | 一种异种金属板之间的搅拌摩擦焊接方法 |
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