JP4413677B2 - 異種金属部材の点接合方法 - Google Patents

Description

本発明は、異種金属部材の点接合方法に係り、特に、材質が異なり且つ硬度の異なる複数の金属部材の板状部を重ね合わせて、その重合せ部分を点接合する際に、接合部の接合強度を効果的に向上せしめ得る技術に関するものである。

近年、地球環境の保護や省エネルギーの観点から、自動車の排出する有害ガスや二酸化炭素の発生の抑止、燃費の向上等が、要求されている。そして、このような要求を満たすためには、自動車の軽量化が最も有効であり、ボディ部材や各種部品において、鋼材からアルミニウム合金材への転換が盛んに検討されている。しかしながら、自動車を構成するボディ部材や各種部品の材料全てを、アルミニウム合金にすることは、コスト的にも困難であり、このため、アルミニウム合金材を用いる場合においては、鋼とアルミニウム合金との異種金属間の接合、所謂ハイブリッド接合が避けられず、この異種金属接合が、重要な課題となっているのである。

また、かかるアルミニウム合金と鋼との異種金属接合は、上述せる如き自動車に代表される輸送機分野のみならず、家電製品、建材等の構造物等、各種の分野においても、その強固な接合が求められている。更に、アルミニウム合金だけでなく、マグネシウム合金或いは銅合金と、鋼との異種金属接合においても、その強固な接合が求められている。

しかしながら、従来より金属材の接合において一般的に用いられている溶融溶接法にて、アルミニウム（合金）材と鋼等の鉄材とを接合すると、接合時に各金属が溶融して、それらの接合界面に、脆くて硬い金属間化合物（Ｆｅ₂Ａｌ₅、ＦｅＡｌ₃ 等）が生成され、これによって、接合強度が弱くなるといった問題があった。

このため、異種金属接合において、充分な接合強度を確保するために、かしめやリベット接合、ボルト接合等の機械的接合、曝着、接着、回転摩擦圧接等、各種の接合法が検討されてきているのであるが、何れの手法も、実用化するには、多かれ少なかれ、何等かの問題を内在している。

例えば、機械的接合である、トックス（Ｒ）方式やトグロック方式等のメカニカルクリンチング（非特許文献１）では、雄型及び雌型治具にて重ね継手を挟んで加圧することにより、雄型側の板材を雌型側の板材でかしめるのであるが、そのような接合法にて異種金属を接合すると、上述せる如き金属間化合物の問題はないものの、延性や熱膨張率等の特性の異なる金属同士を機械的に接合するところから、加圧時に、異種金属の重合せ面が密接した状態で、雌型内に押し込まれず、強固な接合が出来なかったり、或いは、接合後の気温の上昇等の環境負荷により、緩みが発生する恐れがあったのである。また、同様に、機械的接合であるリベット接合やボルト接合にあっても、気温の上昇等の環境負荷により、緩みが発生する恐れがあると共に、リベットやボルト等の第三の部材が必要となって、接合コストが上昇するといった問題がある。さらに、曝着は、大掛かりな設備と、爆発音が問題にならないような場所の確保が必要となる等の問題があり、接着では、劣化等が生じ易く、長期に亘る接合力の信頼性が低く、また、養生に時間が掛かるといった問題がある。更に、回転摩擦圧接にあっても、継手の信頼性が低く、また、継手形状がパイプや棒等に限定されるといった制約がある等の問題を内在している。

このため、本発明者らは、他の発明者と共に、先に、特許文献１において、接合時の入熱が少なく、被接合材を溶融させずに塑性流動化せしめた状態で固相接合する摩擦攪拌接合にて、軟質のアルミニウム合金材と硬質の鋼部材とを接合する方法を提案した。より具体的には、図１に示されるように、硬質の裏当て部材１の上に、接合対象である軟質のアルミニウム合金材２と鋼材３とを、アルミニウム合金材２が上になるように重ね合わせて拘束し、かかる重合せ部に、軸回りに高速回転せしめたロッド状の回転治具４のショルダ面５から突出するピン状の硬質プローブ６を、ショルダ面５がアルミニウム合金材２の表面に接するまで、且つ、プローブ６の先端が硬質の鋼材３に接しないように差し込んで、摩擦熱を発生せしめ、そしてその摩擦熱にて塑性流動化したアルミニウム合金材２を硬質プローブ６で攪拌して、アルミニウム合金材２と鋼材３とを接合する方法を提案した。そして、それによって、金属間化合物の発生を有利に抑制乃至は防止して、アルミニウム合金−鋼間の確実な接合を図り、引張剪断による接合強度（継手強度）を向上し得ることを明らかにしたのであるが、そのような摩擦攪拌接合法にて接合された接合材（継手）にあっても、接合強度、特に十字剥離強度が、今だ充分であるとは言い難く、接合部に加えられる変形によっては、実用上において、問題を内在するものであったのであり、このため、接合強度の更なる向上が望まれているのである。

また、特許文献２においても、異種金属材料を摩擦攪拌接合する手法が提案され、そこでは、低融点の材料側から接合界面を突き抜けて高融点側の材料まで、摩擦攪拌治具のプローブの先端を挿入する手法が明らかにされているが、プローブの材質としては、通常、鋼製のものが用いられているところから、この手法を、アルミニウム合金材と鋼材の接合に適用すると、プローブが鋼材によって損耗され、治具の寿命が極めて短くなるといった問題がある。

アルミニウム技術便覧編集委員会編，「アルミニウム技術便覧」，新版，カロス出版株式会社，１９９６年１１月１８日，ｐ８０３−８０４ 特開２００３−２７５８７６号公報 特開２００３−１７０２８０号公報

ここにおいて、本発明は、かかる事情を背景にして為されたものであって、その解決課題とするところは、材質が異なり且つ硬度の異なる複数の金属部材の板状部を重ね合わせて、その重合せ部分を点接合する際に、治具の寿命を顧慮することなく、接合強度を改善することが出来る異種金属部材の接合方法を提供することにある。

そして、本発明にあっては、上記した課題の解決のために、材質が異なり且つ硬度の異なる第一及び第二の金属部材の板状部を重ね合わせ、その重合せ部を点接合する方法にして、該第一の金属部材の板状部を、該第一の金属部材よりも硬質である前記第二の金属部材の板状部に対して重ね合わせ、それら重ね合わされた板状部の点接合されるべき部位において、該第二の金属部材側に、それら金属部材の材料が押し込まれる押込み凹所が設けられた凹型治具を配置する一方、該第一の金属部材側に、該凹型治具の押込み凹所内に該第一及び第二の金属部材の材料を押し込むための凸部がロッド状の治具本体の先端面に同心的に設けられてなる構造の、軸周りに回転可能な凸型治具を配置して、かかる点接合されるべき部位に対して、該凸型治具の凸部を該第一の金属部材の板状部の表面側から差し込むことにより、前記凹型治具の押込み凹所内に該第一及び第二の金属部材の材料を押し込んだ後、かかる差込状態下において、該凸型治具の回転を開始せしめて、少なくとも該押込み凹所に対して押し込まれた該第一の金属部材の材料の摩擦攪拌作用による塑性流動を行なうことにより、該第一の金属部材と該第二の金属部材とを密接させて点接合せしめるようにしたことを特徴とする異種金属部材の点接合方法を、その第一の態様とするものである。

また、本発明に従う異種金属部材の点接合方法における望ましい第二の態様においては、前記差し込まれた凸型治具の凸部の先端が、前記第一の金属部材の板状部と前記第二の金属部材の板状部との重合せ面よりも、該第二の金属部材側に入り込んだ位置において、前記凸型治具の回転が開始されることとなる。

さらに、本発明に従う異種金属部材の点接合方法の第三の態様においては、前記凸型治具の凸部を差し込み、前記凹型治具の押込み凹所に、前記第一及び第二の金属部材の材料を押し込んで充填せしめることにより、前記第一の金属部材の材料が、該凸型治具の凸部の差込方向前方側の先端部位において、径方向外方に拡がり、かかる部位において、該第一の金属部材が、前記第二の金属部材に対して機械的な係合状態とされる構成が、有利に採用される。

加えて、本発明の第四の態様においては、前記凹型治具として、前記押込み凹所の側面が円筒面である一方、かかる押込み凹所の底面が、外周部に形成された円環状の溝部によって、該外周部の深さが中央部の深さよりも深くされた段付面とされているものが用いられる。

また、本発明の第五の態様においては、前記凹型治具として、前記押込み凹所の側面が、底面から所定高さに至る部位において径方向外方に向かって膨出する段付円筒面とされているものが用いられる。

そして、本発明に従う異種金属部材の点接合方法における、先述した第一の態様によれば、先ず、材質が異なり且つ硬度の異なる複数の金属部材の板状部を重ね合わせた後、点接合されるべき部位を、重合せ方向において、一対の凸型治具と凹型治具にて挟み込んで、押圧することにより、二つの金属部材の板状部に凹型治具の凹所に応じた凹陥部を形成する。その際、凸型治具として、ロッド状の治具本体の先端面に同心的に配された凸部を有し、且つ軸回りに回転可能なものを用いる一方、凹型治具として、押込み凹所が設けられたものを用いる。そして、凸型治具が、軟質の金属部材（第一の金属部材）側に、また、凹型治具が、硬質の金属部材（第二の金属部材）側に、位置するように、それら一対の治具を、二つの金属部材を介在せしめた状態で、対向配置し、無回転状態の凸型治具の凸部を、軟質の金属部材の板状部の表面側から、凹型治具の押込み凹所内に向かって差し込むことにより、凹型治具の押込み凹所内に、二つの金属部材の材料を押し込んで、凹陥部を形成するのである。その後、凸型治具の凸部を凹陥部に差し込んだままの状態で、凸型治具の回転を開始することにより、少なくとも該凸型治具の治具本体と凸部に接触している軟質の金属部材（第一の金属部材）の材料を、摩擦熱にて塑性流動化せしめて攪拌することにより、軟質の金属部材（第一の金属部材）と硬質の金属部材（第二の金属部材）とが密接されて接合せしめられることとなる。

このように、第一の実施形態においては、摩擦攪拌接合に先立って、凹型治具の押込み凹所内に、材質が異なり且つ硬度の異なる二つの金属部材に押し込んで、軟質の金属部材（第一の金属部材）の板状部の表面側が凹むような凹陥部を形成した後、摩擦攪拌接合を行なうようにしているところから、従来の摩擦攪拌接合法による単なる点接合に比して、接合面積が有利に増大せしめられ、以て、接合強度が効果的に向上せしめられるようになっているのである。

しかも、少なくとも軟質の金属部材の材料を、摩擦攪拌作用によって塑性流動させているところから、凹陥部の重合せ面（接合部位）における硬質の金属部材（第二の金属部材）の表面に対して、塑性流動化された軟質の金属部材（第一の金属部材）の材料が馴染むように行き渡って、微少な隙間が形成されるようなことがなく、以て金属同士が結合し、強固な接合が実現されるのである。

また、本発明に従う異種金属部材の点接合方法の第二の態様に従って、凸型治具の凸部の先端が、二つの金属部材の板状部の、凸部が差し込まれた部位の周りにおける重合せ面よりも、硬質の金属部材（第二の金属部材）側に入り込んだ時点から、ａ）凸型治具の治具本体の先端面が軟質の金属部材（第一の金属部材）の表面に接する時点までか、或いは、ｂ）凸型治具の治具本体の先端面が軟質の金属部材（第一の金属部材）の表面より僅かに凹型治具側に入り込む時点までの位置で、凸型治具の回転を開始するようにすれば、上記した効果が、より有利に得られるのである。特に、凸型治具の凸部の先端が、重合せ面よりも、硬質の金属部材（第二の金属部材）側に入り込んだ時点で、凸型治具の回転を開始するようにすれば、より一層早く塑性流動が惹起され、短時間で点接合を行なうことが出来るようになる。

さらに、本発明に従う異種金属部材の点接合方法の第三〜第五の態様によれば、二つの金属部材が、機械的な係合状態とされた後、つまり機械的に接合された後、摩擦攪拌接合が行なわれるようになっているところから、機械的接合と摩擦攪拌接合による効果が相俟って、接合強度が極めて効果的に向上し、これにて、継手の信頼性が格段に向上する。

以下、本発明を更に具体的に明らかにするために、本発明の実施の形態について、図面を参照しつつ、詳細に説明することとする。

先ず、図２には、本発明に従って点接合される、材質が異なり且つ硬度の異なる二枚の金属板１４，１６が、上下方向に重ね合わされた状態で、対向する一対の凸型治具１０と凹型治具１２との間に配置されている。

より具体的には、それら二枚の金属板のうち、上方に位置せしめられた凸型治具１０の側に配置された上板１４は、第一の金属部材であって、例えば、アルミニウムやアルミニウム合金、マグネシウム、マグネシウム合金、銅、銅合金等、各種金属材料の中でも、比較的に軟質の材料からなる金属板である一方、下方に位置する凹型治具１２の上面に接するように配置された下板１６は、第二の金属部材であって、例えば、鋼、鉄等の、硬質材料からなる金属板である。そして、それら軟質金属板１４と硬質金属板１６は、上下方向や水平方向等に相対的に移動することがないように、図示しない固定治具によって、固定、拘束されているのである。

また、凸型治具１０は、図示しない駆動装置により軸周りに高速回転せしめられると共に、凹型治具１２に近接及び離間する方向（上下方向）に移動可能とされた治具本体１８を有して、構成されている。かかる治具本体１８は、全体として、ロッド形状を呈しており、その円形状の先端面（ショルダ面）２０の中心部には、所定長さにおいて下方に突出する円柱形状の凸部２２が同心的に設けられている。そして、かかる凸部２２とそれが設けられる先端面２０とが、少なくとも、軟質金属板１４よりも硬質の材料にて形成されており、それらの損耗が防止されるようになっている。

一方、上記二つの金属板１４，１６を介在せしめた状態において凸型治具１０に対向する凹型治具１２は、硬質の材料から形成されていると共に、図２及び図３からも明らかな如く、全体として、円柱形状を呈しており、その上面２３には、所定深さの押込み凹所２４が形成されている。より具体的には、かかる押込み凹所２４は、その側面２６が寸胴な円筒面とされている一方、その底面２８は、断面が円弧状の、外周部に形成された円環状の溝部３０によって、かかる溝部３０の形成された外周部における深さが、中央部の深さよりも深くされた段付面とされている。また、かかる押込み凹所２４の中央部の深さは、上記した凸型治具１０の凸部２２の突出長さよりも大きくされていると共に、押込み凹所２４の開口部の直径の大きさは、上記した凸型治具１０の凸部２２の直径よりも大きく、且つ、凸型治具１０の先端面２２の直径よりも小さなものとされている。

かくして、材質が異なり且つ硬度の異なる、軟質金属板１４と硬質金属板１６とを、上述せる如き一対の凸型治具１０と凹型治具１２とを用いて、点接合するに際しては、例えば、以下の手順に従って、その操作が進められることとなる。

すなわち、先ず、上述せるように、軟質金属板１４が凸型治具１０側に配置され、硬質金属板１６が凹型治具１２側に配置されるように、それら二つの金属板１４，１６を上下方向に重ね合わせる一方、重ね合わされた金属板１４，１６の点接合されるべき部位が、凹型治具１２の押込み凹所２４を覆蓋するように、それらの金属板１４，１６が、凹型治具１２の上面２３上に配置され、それらが水平方向や鉛直方向に相対的に移動しないように固定、拘束せしめられるのである。このように、軟質金属板１４が、凸型治具１０側（上側）に配置されているところから、凸型治具１０の寿命の低下が有利に防止され得るのである。けだし、硬質金属板１６が、凸型治具１０側（上側）に配置されると、後述する摩擦攪拌接合時に、凸型治具１０の先端面２０や凸部２２が、同様な材質や硬度の材料にて形成される硬質金属板１６によって損耗や損傷され、凸型治具１０の寿命が短くなるといった不具合が生じるようになるからである。

その後、凸型治具１０を、対向配置された凹型治具１２に向かって下方に移動せしめて、凸型治具１０の凸部２２を、軟質金属板１４の上面側から差し込んで、押し付けるのである。そして、凸型治具１０の凸部２２を差し込むことによって、金属板１４，１６の点接合されるべき部位の材料が押圧されて、図４に示されるように、凹型治具１２の押込み凹所２４内に、金属板１４，１６の点接合されるべき部位の材料が押し込まれるようになる。この際、凸型治具１０は、軸周りに何等回転せしめられることなく、無回転状態で、そのまま二つの金属板１４，１６の点接合されるべき部位を押圧するようになっている。このため、かかる部位において、凸型治具１０の凸部２２が、軟質金属板１４を板厚方向に貫通するようなことはなく、つまり、凸型治具１０の凸部２２の先端が硬質金属板１６に接するようなことはなく、金属板１４，１６の材料が、所謂絞り加工によって延伸して減肉されつつ、凹型治具１２の押込み凹所２４に押し込まれるようになる。

そして、金属板１４，１６の重合せ部が押し込まれて、かかる重合せ部の下面が、凹型治具１２の押込み凹所２４の底面２８に到達した状態（図４）から、更に、凸型治具１０の凸部２２を、押込み凹所２４の底面２８側に向かって、凸型治具１０の治具本体１８の先端面２０が軟質金属板１４の上面に当接するまで、或いは、軟質金属板１４の上面より下方に僅かに入り込む位置まで、差し込むと、図５に示されるように、金属板１４，１６の材料が、押込み凹所２４の底面２８側の部位において、それぞれ座屈して、押込み凹所２４の底面２８の外周部に形成された溝部３０まで、それら金属板１４，１６の材料が押し込まれて、押込み凹所２４を充填することとなるのである。

これにより、上側に位置する軟質金属板１４が、凸型治具１０の凸部２２の差込方向前方側の先端部位（図５中、Ａ部）において、径方向外方に拡がって張り出し、この部位において、軟質金属板１４が硬質金属板１６に噛み込むように、機械的に係合（機械的接合）されるのである。また、金属板１４，１６の重合せ部には、凸型治具１０の凸部２２の外面に対応した形状の内面を有する凹陥部３２が形成されることとなる。

そして、本実施形態においては、上述せるように、凸型治具１０の凸部２２を差し込んで、機械的接合を行なった後、金属板１４，１６の凹陥部３２に差し込んだままの状態において、図示しない駆動装置を作動して、凸型治具１０を軸回りに高速回転させることにより、治具本体１８と凸部２２を一体的に回転せしめるのである。

これにより、図６に示されるように、高速回転せしめられる治具本体１８の先端面２０によって押圧される軟質金属板１４との間、及び、高速回転せしめられる凸部２２と軟質金属板１４との間に、摩擦熱を発生せしめ、そしてその摩擦熱にて、その周りを加熱して、少なくとも凹陥部３２の軟質金属板１４の材料を、塑性流動が可能な状態と為す一方、凸部２２の高速回転にて、かかる塑性流動化された材料を攪拌することにより、軟質金属板１４を硬質金属板１６に密着させて、それら板材を、接合するのである。この際、凹陥部３２の硬質金属板１６の材料も、軟質金属板１４側から伝導される熱によって、界面から加熱されることとなるものの、一般には、塑性流動化されるまでには至らないことが多い。

そして、かくの如き点接合の後、図７に示されるように、凸型治具１０を、回転させたまま、上方に移動せしめて、金属板１４，１６の重合せ部の凹陥部３２から、凸型治具１０の凸部２２を引き抜くと共に、凹型治具１２を下方に移動せしめて、凹型治具１２の押込み凹所２４から、金属板１４，１６の重合せ部に形成された凹陥部３２を脱型することによって、一回の点接合操作が終了するのである。なお、本実施形態においては、凸型治具１０の凸部２２を、回転せしめた状態で引き抜いているところから、凹陥部３２の内面が、無回転状態で引き抜く場合に比べて、滑らかな面とされるのである。しかしながら、凸型治具１０の凸部２２を、無回転状態で引き抜くことも可能であり、また、凹陥部３２を、公知の手法で埋めることも、勿論、可能である。

このように、本実施形態においては、一対の凸型治具１０と凹型治具１２とを用いて、材質及び硬度の異なる二つの金属板１４，１６の重合せ部に凹陥部３２を形成した後、その凹陥部３２に、凸型治具１０の凸部２２を差し込んだままの状態で、かかる凸型治具１０の回転を開始して、摩擦攪拌接合を行なうようにしているところから、図１に示される如き従来の摩擦攪拌接合法による単なる点接合に比べて、接合面積が有利に増大化せしめられるのである。つまり、本実施形態においては、金属板１４，１６の界面における、凸型治具１０の凸部２２の先端側の部位だけではなく、凸部２２の側面側の部位においても、金属板１４，１６が密接に接合されるところから、接合強度が、従来の摩擦攪拌接合による点接合に比して、効果的に高められ得ることとなるのである。

また、凹陥部３２において、少なくとも軟質金属板１４の材料を、凸型治具１０による摩擦攪拌作用によって塑性流動させているところから、凸型治具１０の凸部２２によって攪拌された軟質金属板１４の材料が、硬質金属板１６の表面（界面）に馴染むように行き渡って、それらが密接すると共に、加熱された軟質金属板１４の材料と硬質金属板１６の材料とが結合し、強固な接合が実現され得るようになるのである。また、比較的に低融点である軟質金属板１４を溶融せしめることなく、接合を実施しているところから、軟質金属板１４と硬質金属板１６との重合せ面（界面）に、脆弱な金属間化合物が生成するようなことも極めて効果的に抑制乃至は防止され得て、接合品質が安定的に確保され得るようになっているのである。

しかも、本実施形態においては、上述せるように、摩擦攪拌接合にて、二つの金属板１４，１６が接合されていると共に、かかる軟質金属板１４と硬質金属板１６とが、凹陥部３２の底部側の部位（図５中、Ａ部）において、機械的に係合されているところから、摩擦攪拌接合による接合強度が、機械的接合によって、更に補強され、以て摩擦攪拌接合と機械的接合よる効果が相俟って、従来に比して、接合強度の大幅な向上を図ることが出来るのである。その結果、継手の信頼性が格段に向上するようになっている。

また、本実施形態においては、無回転状態の凸型治具１０の凸部２２を差し込んで、金属板１４，１６の重ね合せ部に凹陥部３２を形成した後、差し込んだ凸部２２を、一旦引き抜くことなく、その差込状態下において、そのまま凸型治具１０の回転を開始するようにしているところから、凹陥部３２の形成と摩擦攪拌接合とが連続した一連の操作で行なわれることとなり、良好な作業性をもって、迅速に且つ効果的に、点接合を行なうことが出来るのである。更に、凸型治具１０と凹型治具１２が、それぞれ、プレス加工（絞り加工）におけるポンチとダイスの如く用いられた後、更にそれらが、通常の摩擦攪拌接合における摩擦攪拌工具と裏当て治具の如くして使用されているところから、治具や工具の点数の増加も、有利に防止され得ている。このため、接合コストの上昇も有利に抑制乃至は回避され得ているのである。

従って、このような本発明に従う異種金属部材の点接合方法によれば、良好な作業性をもって、接合材の接合強度を高めることが出来、これにより、輸送機、建材、家電機器等の、材質及び硬度の異なるワークを点接合する製造ライン等において、異種金属部材の接合が、有利に実施されるようになるのである。

以上、本発明の代表的な実施形態について詳述してきたが、それは、あくまでも例示に過ぎないものであって、本発明は、そのような実施形態に係る具体的な記述によって、何等限定的に解釈されるものではないことが、理解されるべきである。

例えば、上記の実施形態では、接合されるべき部材（被接合材）として、板材である金属板１４，１６が用いられていたが、被接合材の形状としては、板材に何等限定されるものではなく、点接合が施される重合せ部が、それぞれ、板状乃至は面板状である限りにおいて、何れも採用可能である。

また、上例では、凸型治具１０の治具本体１８の先端面２０が、軟質金属板１４の上面に当接するまで、或いは、軟質金属板１４の上面より下方に僅かに入り込む位置まで、つまり、下死点乃至は最下点（図５中、Ｘ）まで、差し込んで、凹型治具１２の押込み凹所２４内に、金属板１４，１６の材料を充填した後において、凸型治具１０の回転を開始するようにしていたが、凸型治具１０の凸部２２の先端が、金属板１４，１６の重合せ面（図４及び図５中、Ｙ）よりも硬質金属板１６側に入り込んだ位置から、下死点（Ｘ）までの位置で、凸型治具１０の回転を開始するようにすれば、上述せるように、接合強度を有利に向上することが出来る。特に、金属板１４，１６の重合せ部を凹型治具１２の押込み凹所２４内に押し込んでいる最中、凸型治具１０の凸部２２の先端が、重合せ面（Ｙ）よりも硬質金属板１６側（下方側）に入り込んだ時点で、凸型治具１０の回転を開始するようにすれば、下死点（Ｘ）に到達した時点で開始する場合に比べて、金属材料の塑性流動化がより一層早く起こって、変形抵抗が低くなり、より短時間で、点接合を行なうことが出来るようになる。

なお、凸型治具１０の回転を、重合せ面（Ｙ）よりも上方側の位置で開始すると、凹型治具１２の押込み凹所２４内への金属材料の充填が不十分となって、軟質金属板１４と硬質金属板１６とが、機械的に係合され得なくなる恐れがあると共に、凸型治具１０の凸部２２が、軟質金属板１４の上面からその厚さ方向に貫入して、硬質金属板１６と接触せしめられたり、接合面積を充分に大きくすることが困難となる。

さらに、上例では、図２〜７に示されるように、凹型治具１２として、押込み凹所２４の底面２８が、外周部の深さより中央部の深さが浅い段付面とされたトックス（Ｒ）方式の金型（ダイス）が採用され、これによって、金属板１４，１６が、機械的に接合されるようになっていたのであるが、かかる構造の凹型治具１２以外にも、例えば、図８（ａ），（ｂ）及び図９において凹型治具３４として示されているトグロック方式の金型（ダイス）等、機械的接合に用いられる公知の金型（ダイス）が、何れも有利に採用され得る。具体的には、凹型治具３４は、径方向外方に向かって分割される、硬質材料からなる３つの分割型３４ａ，３４ｂ，３４ｃを組付けることによって形成され、全体として、円柱形状を呈している。また、その上面には、所定深さの押込み凹所３６が設けられている。そして、その押込み凹所３６は、その側面３８が、底面４０から略２分の１の高さに至る部位において、径方向外方に向かって、断面円弧状に膨出する段付円筒面とされている。また、かかる押込み凹所３６の深さは、上記した凸型治具の凸部の突出長さよりも大きくされていると共に、押込み凹所３６の開口部の直径の大きさは、凸型治具の凸部の直径よりも大きなものとされている。そして、図９に示されるように、その側面３８の膨出部４２に、座屈した金属板４４，４６が押し込まれることによって、凸型治具側に位置する軟質金属板４４が、凸型治具の凸部の差込方向前方側の先端部位において、径方向外方に拡がって張り出し、この部位において、軟質金属板４４が硬質金属板４６に機械的に係合されるようになっているのである。

このように、上例では、摩擦攪拌接合に先立って実施される、凹型治具１２の押込み凹所２４内への金属材料の押込み操作によって、凹陥部３２が形成される一方で、軟質金属板１４と硬質金属板１６とが機械的に係合されるようになっていたが、本発明においては、凹陥部３２の形成することによって、接合面積の増大化を図り、接合強度を改善することが出来るところから、上述せるように、軟質金属板１４と硬質金属板１６とが、必ずしも、機械的に係合される必要は無い。従って、凹型治具１２の押込み凹所２４の形状は、円柱形状であっても、円錐台形状であっても、勿論、良い。

また、上例においては、金属板１４，１６が上下方向に重ね合わされ、そのような重合せ部の上面に対して、凸型治具１０が垂直方向下方に向かって移動せしめられていたが、かかる重合せ部の下面に向かって、凸型治具１０を上方に移動せしめることも、可能であり、更には、金属板１４，１６を水平方向に重ね合わせて、水平方向に凸型治具１０を移動せしめることも、可能である。但し、これらの場合、凸型治具１０と対を為す凹型治具１２は、金属板１４，１６を間に介在せしめた状態で、凸型治具１０に対向配置されると共に、軟質金属板１４は、凸型治具１０側に、硬質金属板１６は、凹型治具１２側に位置するように配置されることとなる。

さらに、前記実施形態では、凸型治具１０の凸部２２が、円柱形状とされ、これにて、凸部２２側に位置する金属材料が、効率的に攪拌されるようになっていたが、本発明において、凸型治具１０の凸部２２の形状は、上例の形状に何等限定されるものではなく、凸部の径が先端に向かって先細りする円錐形状や円錐台形状等、公知の各種の形状が何れも採用され得る。また、凸型治具１０の先端面２０の形状にあっても、特に限定されるものではなく、平坦面であっても、中央に向かって湾曲する凹面形状であっても良く、従来から公知の形状が、適宜に採用され得る。

その他、一々列挙はしないが、本発明が、当業者の知識に基づいて、種々なる変更、修正、改良等を加えた態様において実施され得るものであり、また、そのような実施態様が、本発明の趣旨を逸脱しない限り、何れも、本発明の範囲内に含まれるものであることは、言うまでもないところである。

以下に、本発明の代表的な実施例を示し、本発明を更に具体的に明らかにすることとするが、本発明が、そのような実施例の記載によって、何等の制約をも受けるものでないことは、言うまでもないところである。

先ず、図２に示される如き構造を有する、鋼製の凸型治具（ｉ）と凹型治具とを準備した。なお、凸型治具（ｉ）の先端面の直径：１２ｍｍ、凸型治具の凸部の直径：５ｍｍ、凸型治具の突出長さ：２．５ｍｍ、凹型治具の押込み凹所の直径：６．５ｍｍ、押込み凹所の中央部の深さ：１．３ｍｍであった。また、比較のために、従来の摩擦攪拌接合を行なうべく、上記凸型治具（ｉ）とは異なる凸型治具（ii）と、鋼製の板状裏当て治具を準備した。なお、この凸型治具（ii）は、ショルダ直径：１３ｍｍ、プローブの直径：４．５ｍｍ、プローブの突出長さ：０．８ｍｍであった。

一方、軟質金属部材としては、厚さ：１ｍｍの６０００系アルミニウム合金（６０００系Ａｌ）板材と厚さ：１ｍｍの５０００系アルミニウム合金（５０００系Ａｌ）板材とを準備し、また、硬質金属部材としては、厚さ：０．７ｍｍの冷間圧延鋼板（ＳＰＣＣ）と厚さ：０．７ｍｍの合金化溶融亜鉛めっき鋼板（ＳＣＧＡ）を準備した。

そして、下記表１に示されるように、実施例１及び比較例１，２では、６０００系Ａｌ板材とＳＰＣＣ材とを組合せ、また、実施例２では、５０００系Ａｌ板材とＳＰＣＣ材とを組合せ、更に、実施例３及び比較例３では、６０００系Ａｌ板材とＳＣＧＡ材とを組合せて、それら二枚の板材をそれぞれ重ね合わせて、図２に示されるように配置した。但し、比較例２においては、凸型治具（ｉ）及び凹型治具の代わりに、上記した寸法の凸型治具（ii）と裏当て治具を配置した。

そして、実施例１〜３及び比較例１，３の被接合材に対して、無回転状態の凸型治具を差し込むことにより、金属材料を、凹型治具の押込み凹所内に押し込んで充填した。これにより、実施例１〜３及び比較例１，３の被接合材は、その凹陥部の下端側の部位において、機械的に接合された。

その後、実施例１〜３の被接合材に対しては、凸型治具を高速回転せしめることにより、摩擦攪拌接合を行なった。なお、かかる摩擦攪拌接合の条件は、回転数：１５００ｒｐｍ、接合時間：２秒とした。

一方、比較例２の被接合材に対しては、従来の摩擦攪拌接合手法による点接合を、回転数：１５００ｒｐｍ、接合時間：２秒の条件で行なった。

そして、上述せる如くして、点接合の施された接合材を用いて、引張剪断試験と十字剥離試験とを実施し、各試験で得られた接合強度を、「○」、「△」、「×」の３段階で評価し、その結果を下記表１に示した。なお、評価基準は、以下の通りである。
［引張剪断荷重］○：２．５ｋＮ以上、△：１．５〜２．５ｋＮ、×：１．５ｋＮ未満
［十字剥離荷重］○：１．５ｋＮ以上、△：１．０〜１．５ｋＮ、×：１．０ｋＮ未満

かかる表１の結果からも明らかなように、同じ組合せの金属板を接合した実施例１と比較例１，２とを比較すると、実施例１は、引張剪断強度と十字剥離強度がどちらも○であったのに対して、比較例１では、引張剪断強度が△、比較例２では、引張剪断強度が△、十字剥離強度が×となっていることが分かる。また同様に、実施例３と比較例３とを比較すると、引張剪断強度が、比較例３では×であったが、実施例３では△となっている。それ故、本発明に従って異種金属部材を点接合するようにすれば、引張剪断強度や十字剥離強度等の接合強度が、何れも有利に改善され得ることが分かる。

従来の摩擦攪拌接合手法に従って、材質及び硬度の異なる二つの金属部材を点接合する工程の一例を示す説明図である。 本発明に従って、材質及び硬度の異なる二つの金属部材を点接合する工程の一例を示す説明図であって、一対の凸型治具と凹型治具との間に、重ね合わされた二つの金属部材が配置された状態を示している。 図２に示される凹型治具の平面説明図である。 本発明に従って、材質及び硬度の異なる二つの金属部材を点接合する別の工程の一例を示す説明図であって、重ね合わされた二つの金属部材に対して、凸型治具の凸部が差し込まれている状態を示している。 本発明に従って、材質及び硬度の異なる二つの金属部材を点接合する更に別の工程の一例を示す説明図であって、凹型治具の押込み凹所内に、重ね合わされた二つの金属部材の材料が充填された状態を示している。 本発明に従って、材質及び硬度の異なる二つの金属部材を点接合する別の工程の一例を示す説明図であって、凸型治具を高速回転せしめた状態を示している。 本発明に従って、材質及び硬度の異なる二つの金属部材を点接合する更に別の工程の一例を示す説明図であって、凸型治具と凹型治具とを、接合された二つの金属部材から離間せしめた状態を示している。 本発明において採用される凹型治具の別の一例を示す説明図であって、（ａ）は、平面説明図であり、（ｂ）は、（ａ）のｂ−ｂ断面説明図である。 図８に示される凹型治具を用いて、材質及び硬度の異なる二つの金属部材を点接合する工程の一例を示す説明図であって、凹型治具の押込み凹所内に、重ね合わされた二つの金属部材の材料が充填された状態を示している。

符号の説明

１０ 凸型治具 １２，３４ 凹型治具
１４，４４ 軟質金属板 １６，４６ 硬質金属板
１８ 治具本体 ２０ 先端面
２２ 凸部 ２４，３６ 押込み凹所
２６，３８ 側面 ２８，４０ 底面
３０ 溝部 ３２ 凹陥部
４２ 膨出部

Claims (5)

1. 材質が異なり且つ硬度の異なる第一及び第二の金属部材の板状部を重ね合わせ、その重合せ部を点接合する方法であって、
   該第一の金属部材の板状部を、該第一の金属部材よりも硬質である前記第二の金属部材の板状部に対して重ね合わせ、それら重ね合わされた板状部の点接合されるべき部位において、該第二の金属部材側に、それら金属部材の材料が押し込まれる押込み凹所が設けられた凹型治具を配置する一方、該第一の金属部材側に、該凹型治具の押込み凹所内に該第一及び第二の金属部材の材料を押し込むための凸部がロッド状の治具本体の先端面に同心的に設けられてなる構造の、軸周りに回転可能な凸型治具を配置して、かかる点接合されるべき部位に対して、該凸型治具の凸部を該第一の金属部材の板状部の表面側から差し込むことにより、前記凹型治具の押込み凹所内に該第一及び第二の金属部材の材料を押し込んだ後、かかる差込状態下において、該凸型治具の回転を開始せしめて、少なくとも該押込み凹所に対して押し込まれた該第一の金属部材の材料の摩擦攪拌作用による塑性流動を行なうことにより、該第一の金属部材と該第二の金属部材とを密接させて点接合せしめるようにしたことを特徴とする異種金属部材の点接合方法。
2. 前記差し込まれた凸型治具の凸部の先端が、前記第一の金属部材の板状部と前記第二の金属部材の板状部との重合せ面よりも、該第二の金属部材側に入り込んだ位置において、前記凸型治具の回転が開始される請求項１に記載の異種金属部材の点接合方法。
3. 前記凸型治具の凸部を差し込み、前記凹型治具の押込み凹所に、前記第一及び第二の金属部材の材料を押し込んで充填せしめることにより、前記第一の金属部材の材料が、該凸型治具の凸部の差込方向前方側の先端部位において、径方向外方に拡がり、かかる部位において、該第一の金属部材が、前記第二の金属部材に対して機械的な係合状態とされる請求項１又は請求項２に記載の異種金属部材の点接合方法。
4. 前記凹型治具として、前記押込み凹所の側面が円筒面である一方、かかる押込み凹所の底面が、外周部に形成された円環状の溝部によって、該外周部の深さが中央部の深さよりも深くされた段付面とされているものが用いられる請求項３に記載の異種金属部材の点接合方法。
5. 前記凹型治具として、前記押込み凹所の側面が、底面から所定高さに至る部位において径方向外方に向かって膨出する段付円筒面とされているものが用いられる請求項３に記載の異種金属部材の点接合方法。
   

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