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

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

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（Ｆｅ_２Ａｌ_５、ＦｅＡｌ_３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。

特開２００５−３４８７９号公報 特開２０１２−５０９９６号公報

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。

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。 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。 図１の凸部の形状と形成位置を示す裏面図。 アルミニウム材が鋼材とアルミニウム材との隙間に充填される状況であり、（Ａ）は回転ツール挿入前、（Ｂ）は回転ツール引抜後、（Ｃ）は図４（Ｂ）の充填体積をそれぞれ模擬的に示す説明図。 （Ａ）は、図１に示す摩擦撹拌接合方法により得られた摩擦撹拌接合体を、（Ｂ）は、図２に示す摩擦撹拌接合方法により得られた摩擦撹拌接合体をそれぞれ示す断面写真。 図１、図２及び図９に示す摩擦撹拌接合方法における接合条件を示す図表。 図１、図２及び図９に示す摩擦撹拌接合方法に用いられる鋼材における凸部の仕様を示す図表。 図１、図２及び図９に示す摩擦撹拌接合方法により得られた摩擦撹拌接合体の接合強度を比較して示す図表。 従来の摩擦撹拌接合方法の実施状況を示し、（Ａ）は実施状況の斜視図、（Ｂ）は回転ツール挿入前の概略断面図、（Ｃ）は回転ツール引き抜き後の概略断面図。

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。

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＝πｄ^２（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＝πｒ^２ｈ―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、
πｒ^２ｈ−π（ｄ／２）^２ｈ＝πｄ^２（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。

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。

（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

Claims (6)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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、
   に設定されたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の異種金属材料の接合方法。
5. 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。
6. 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。