JP5690331B2 - 異種材接合体及びその接合方法 - Google Patents

Description

本発明は、アルミニウム材と炭素鋼材とを接合する摩擦撹拌接合技術に関する。

２つの金属材を摩擦撹拌接合法で接合する技術は、例えば、特許文献１で開示されているように知られている。図９は、この摩擦撹拌接合法を示している。

図９を参照すると、アルミニウム板１０１にアルミニウム板１０２を重ね、摩擦撹拌接合ツール１０３の接合プローブ１０４を反時計方向（Ｘ方向）に回転させながら、Ｙ方向に移動させることで、アルミニウム板１０１とアルミニウム板１０２とを接合する。

上記の摩擦撹拌接合法は、材質の異なる異種材接合にも適用できることが知られている。本発明者らは、下位のアルミニウム板１０１を炭素鋼板に代えて、この炭素鋼材にアルミニウム板１０２を重ね、摩擦撹拌接合ツール１０３の接合プローブ１０４を反時計方向（Ｘ方向）に回転させながら、Ｙ方向に移動させることで、炭素鋼板とアルミニウム板１０２とを接合することを試みた。

そして、引張り試験を行った。すると、目標荷重よりも低い引張り荷重で接合部が破断することが判明した。すなわち、特許文献１に開示されている技術は、異種材接合に適しないため、異種材接合に、より適合した接合技術が求められる。

特開２００６−１９２５０１公報

本発明は、異種材接合に、より適合した接合技術を提供することを課題とする。

本発明の一面によれば、炭素鋼材とアルミニウム材とを摩擦撹拌接合による接合部で接合すると共に、前記接合部を基準にして前記アルミニウム材の一方側に他方側よりも大きな入力荷重が加わる形態で使用される異種材接合体であって、前記異種材接合体は、前記炭素鋼材と、前記炭素鋼材に重ねる前記アルミニウム材と、前記アルミニウム材側から挿入される接合プローブで形成される接合部とを具備しており、前記接合部は、前記接合プローブが移動することにより形成され、前記接合部のうち、前記接合プローブの移動軸に直交する断面において、前記プローブの回転方向の前方と前記プローブの移動方向が一致する側には前記摩擦攪拌接合に伴って発生する塑性流動部の巻き上げ高さが大きい領域が形成され、前記プローブの回転方向の前方と前記プローブの移動方向が一致しない側には前記摩擦攪拌接合に伴って発生する塑性流動部の巻き上げ高さが小さい領域が形成され、前記巻き上げ高さが大きい領域が前記アルミ材の一方側に、前記巻き上げ高さが小さい領域が前記アルミ材の他方側に配置され、接合部の摩擦攪拌接合に伴って発生する前記塑性流動部の巻き上げ高さが大きい領域の健全部高さＨ４は、前記塑性流動部の巻き上げ高さが小さい領域の健全部高さＨ３よりも小さいる異種材接合体が提供される。

このように、本発明では、塑性流動部の巻き上げ高さに着目した。巻き上げ高さが大きいと接合部における健全部の長さが小さくなる。逆に、巻き上げ高さが小さいと接合部における健全部の長さが大きくなる。健全部の長さが大きいと、接合強度（引張り強度）が高まる。荷重入力の大きい方に、塑性流動部の巻き上げ高さが小さい領域を位置するようにした。その結果、異種材接合体の全体的な強度を高めることができる。

本発明の別の面によれば、炭素鋼材とアルミニウム材とを摩擦撹拌接合による接合部で接合すると共に、該接合部を基準にして前記アルミニウム材の一方側に他方側よりも大きな入力荷重が加わる形態で使用される異種材接合体の接合方法であって、前記炭素鋼材に前記アルミニウム材を重ねるステップと、前記アルミニウム材側から接合プローブを挿入するステップと、前記接合部のうち、前記接合プローブの移動軸に直交する断面において、前記プローブの回転方向の前方と前記プローブの移動方向が一致する側には、前記摩擦攪拌接合に伴って発生する塑性流動部の巻き上げ高さが大きい領域が形成され、前記プローブの回転方向の前方と前記プローブの移動方向が一致しない側には、前記摩擦攪拌接合に伴って発生する塑性流動部の巻き上げ高さが小さい領域が形成され、前記巻き上げ高さが大きい領域が前記アルミ材の一方側に、前記巻き上げ高さが小さい領域が前記アルミ材の他方側に配置するステップとを含み、前記接合部の摩擦攪拌接合に伴って発生する前記塑性流動部の巻き上げ高さが大きい領域の健全部高さＨ４は、前記塑性流動部の巻き上げ高さが小さい領域の健全部高さＨ３よりも小さくするようにした異種接合体の接合方法が提供される。

本発明の別の面によれば、接合プローブの移動方向と接合プローブの回転方向が反対となる側を、入力の大きい方となるようにして、摩擦撹拌接合を行う。接合プローブの移動方向と接合プローブの回転方向が反対となる側は、塑性流動部の巻き上げ高さが小さくなり、健全部の長さが大きくなり、接合強度（引張り強度）が高まる。その結果、異種材接合体の全体的な強度を高めることができる。

炭素鋼材にアルミニウム材を重ねる工程を説明した図である。 摩擦撹拌接合を行う工程を説明した図である。 接合プローブの回転方向と荷重作用部との位置関係を説明した図である。 塑性流動部の巻き上げ部を示した断面図である。 接合により出来上がった異種材接合体の斜視図である。 異種接合体の健全部の長さを示した断面図である。 接合された異種接合体の引張り強度の測定法を示した図である。 異種接合体の健全部の長さと引張り強度との関係を示した図である。 従来における異種材料の摩擦撹拌接合法を示した図である。

以下、本発明の好ましい実施例について、添付図面に基づいて説明する。

図１に示すように、炭素鋼材１１に、アルミニウム材１２を重ねる（異種材を重ねる工程）。炭素鋼材１１は、例えば、プレス加工済みの２７０ＭＰａ級亜鉛鋼板（ＪＩＳ Ｇ ３３０２）である。

アルミニウム材１２は、例えば、アルミニウム合金鋳物（ＡＣ４ＣＨ−Ｔ５（ＪＩＳ Ｈ ５２０２））である。

次に、図２に示すように、摩擦撹拌接合ツール１３の接合プローブ１４をアルミニウム材１２側から挿入し、高速で回転させることで摩擦撹拌接合を行う（接合工程）。なお、接合プローブ１４を支える部位が上記ツール１３のショルダ１３ａであり、該ショルダ１３ａはアルミニウム材１２の上面に接触する、又は若干埋没する。

図２に示すように、接合部１５を基準にして、図左側の部分のアルミニウム材１２には荷重が掛からず、図右側の部分のアルミニウム材１２には、荷重が作用するとする。このように、アルミニウム材１２には、荷重が作用しない部位と、荷重が作用する部位とが存在するとする。荷重が作用する部位を、荷重作用部１６と呼ぶことにする。すなわち、接合部１５を基準にして、図左側が反荷重作用側、図右側が荷重作用側になる。

図３に示すように、接合プローブ１４の移動方向が矢印（１）である場合に、矢印（３）で示す回転方向は接合プローブ１４の移動方向と同じである。一方、矢印（４）で示す回転方向は接合プローブ１４の移動方向と反対である。本実施例では、この矢印（４）側を荷重作用部１６側に合わせた。すなわち、接合工程では、接合プローブ１４の移動方向（矢印（１））と接合プローブの回転方向が反対となる側（矢印（４））に、荷重作用部１６が配置されている。

接合部１５の断面を拡大すると、図４に示すように、接合部１５の底に、塑性流動部１７及びこの塑性流動部１７の両端に発生する巻き上げ部１７ａ、１７ｂが認められた。この巻き上げ部１７ａ、１７ｂは、接合プローブ１４（図２）の先端にプローブと呼ばれる突起の付いた接合ツールを高速回転させながら材料にショルダが接するまで挿入し移動することで接合を行う。なお、塑性流動部１７は、接合中は流動化しているが、接合後は冷却され、凝固状態にあることは言うまでもない。

回転するツールのショルダ１３ａ（図２）及び接合プローブ１４（図２）は、材料（アルミニウム材）１２との摩擦熱を発生し、その熱により軟化した材料は、ツールの回転によって起こる塑性流動で撹拌され接合する。接合中は、プローブ１４に加工されているねじの効果により、軟化した材料が下向きに流動する。下向きの流れは、下側の材料（炭素鋼材）１１で遮られ、外側に向きを変えて広がり且つショルダに向かうように向きを変える。すると、塑性流動域の外縁において周囲の軟化した材料が引きずられるように持ち上がり、上板（アルミニウム材）１２にくさび状に侵入する。この現象が巻き上げであり、その外周部には未接合部が存在することとなる。

上板１２への侵入により、元の板厚は、巻き上がった分だけ、板厚が減少したことになり、その分だけ強度が低下する。特に、異種材接合では、上述した巻き上げの他、鉄や、界面に存在する防錆用のめっき成分（例えば亜鉛（Ｚｎ））の巻き込みが起こる。そのため、アルミニウム材と炭素鋼材との異種材接合部に顕著に巻き上げ部１７ａ、１７ｂが発生する。

これらの巻き上げ部１７ａ、１７ｂの高さ（厚さ）は、荷重作用部１６側の巻き上げ部１７ｂの高さＨ１に対して、荷重作用部１６から遠い側の巻き上げ部１７ａの高さＨ２が大きかった。巻き上げ高さＨ２が大きいと接合部における健全部の長さが小さくなる。逆に、巻き上げ高さＨ１が小さいと接合部における健全部の長さが大きくなる。健全部の長さが大きいと、接合強度（引張り強度）が高まることが期待される。接合強度の大きさは、実験に基づいて後述する。

すなわち、本実施例による異種材接合体１８は、炭素鋼材１１とアルミニウム材１２とを摩擦撹拌接合による接合部１５で接合すると共に、この接合部１５を基準にしてアルミニウム材１２の荷重作用部側（巻き上げ部１７ｂ側）に荷重作用部から遠い側（巻き上げ部１７ａ側）よりも大きな入力荷重が加わる形態で使用される異種材接合体１８であって、該異種接合体１８は、炭素鋼材１１と、この炭素鋼材１１に重ねるアルミニウム材１２と、該アルミニウム材１２側から挿入される接合プローブ１４（図２）で形成され、該接合プローブ１４の移動軸（図２の矢印（１））に直交する断面において、摩擦撹拌接合に伴って発生する塑性流動部１７の巻き上げ高さＨ１が小さい領域が荷重作用部側（巻き上げ部１７ｂ側）に配置され、塑性流動部１７の巻き上げ高さＨ２が大きい領域が荷重作用部から遠い側（巻き上げ部１７ａ側）に配置されている接合部１５と、からなる。

このような異種材接合体１８の構造は、車両の車体フレームに好適であるが、車両以外の金属製構造物に適用することもできる。

このような異種材接合体１８が強度的に優れていることを、実験で確認した。この実験の一例を次に説明する。

（実験例）
本発明に係る実験例を以下に述べる。なお、本発明は実験例に限定されるものではない。

準備： 表１に示すアルミニウム材と炭素鋼材とを準備する。

摩擦撹拌接合ツール： 表２に示すサイズの摩擦撹拌接合ツールを準備する。
接合： 表２に示す接合条件で、アルミニウム材と炭素鋼材とを接合する。

得られた異種材接合体から、図５に示すような試験片２１を切り出す。
この試験片２１の切断面を観察すると、図６に示すように、摩擦撹拌接合ツールのショルダによる押し込み跡２２と、巻き上げ部１７ａ、１７ｂとが認められた。押し込み跡２２と巻き上げ部１７ａ、１７ｂとの間のアルミニウム材１２が健全部２３である。

押し込み跡２２から巻き上げ部１７ｂまでの健全部長さをＨ３とする。
押し込み跡２２から巻き上げ部１７ａまでの健全部長さをＨ４とする。
図示するように、Ｈ４はＨ３より小さい。

次に、引張り試験を実施したので、その内容を説明する。
図７（ａ）に示すように、炭素鋼材１１にアルミニウム材１２を重ね、時計方向に回転する摩擦撹拌接合ツール１３を図面手前から奥に移動することで、摩擦撹拌接合を行った。アルミニウム材１２の幅Ｗは２５ｍｍで、長さＬは１００ｍｍとした。この試験片２４における、荷重作用部側の健全部長さＨ３（図６）を計測した。

次に、試験片２４に白抜き矢印の引張り荷重を加え、接合部１５が破断したときの引張り荷重を記録する。Ｗ＝２５ｍｍ当たりの引張り荷重（Ｎ）を、便宜的に、「引張り強度」（Ｎ／２５ｍｍ）と呼ぶことにする。

実施例に係る試験片２４を、１７個作製し、健全部長さと引張り強度とを１７組測定した。これらの測定値を、図８のグラフに、○印でプロットした。

また、比較のために、図７（ｂ）に示すように、炭素鋼材１０１にアルミニウム材１０２を重ね、図７（ｂ）に示した実施例の回転方向とは逆となる反時計方向に回転する摩擦撹拌接合ツール１０３を図面手前から奥に移動することで、摩擦撹拌接合を行った。アルミニウム材１０２の幅Ｗは２５ｍｍで、長さＬは１００ｍｍとした。比較例に係る試験片１０５を、２３個作製し、健全部長さと引張り強度とを２３組測定した。これらの測定値を、図８のグラフに、□印でプロットした。

図８において、要求強度が（６８６０Ｎ／２５ｍｍ）とすると、□印で示す比較例は、大部分が要求強度を満たしていない。

一方、○印で示す実施例は、全てが要求強度を満たしていた。
図４に示すように、入力の大きい方に、塑性流動部の巻き上げ高さが小さい領域を設置した結果、異種材接合体の全体的な強度を高めることができることが実験から確認できた。

本実施例の異種材接合体は、車両の車体フレームの接合部位に好適であるが、車両以外の金属製構造物の接合部位に適用することもできる。

本発明の異材接合体は、車体フレームの接合部位に好適である。

１１…炭素鋼材、１２…アルミニウム材、１３…摩擦撹拌接合ツール、１４…接合プローブ、１５…接合部、１６…荷重作用部、１７…塑性流動部、１７ａ、１７ｂ…巻き上げ部、１８…異材接合体、Ｈ１、Ｈ２…塑性流動部の巻き上げ高さ。

Claims (2)

1. 炭素鋼材とアルミニウム材とを摩擦撹拌接合による接合部で接合すると共に、前記接合部を基準にして前記アルミニウム材の一方側に他方側よりも大きな入力荷重が加わる形態で使用される異種材接合体であって、
   前記異種材接合体は、
   前記炭素鋼材と、
   前記炭素鋼材に重ねる前記アルミニウム材と、
   前記アルミニウム材側から挿入される接合プローブで形成される接合部と、
   を具備しており、
   前記接合部は、前記接合プローブが移動することにより形成され、
   前記接合部のうち、前記接合プローブの移動軸に直交する断面において、前記プローブの回転方向の前方と前記プローブの移動方向が一致する側には前記摩擦攪拌接合に伴って発生する塑性流動部の巻き上げ高さが大きい領域が形成され、
   前記プローブの回転方向の前方と前記プローブの移動方向が一致しない側には前記摩擦攪拌接合に伴って発生する塑性流動部の巻き上げ高さが小さい領域が形成され、
   前記巻き上げ高さが大きい領域が前記アルミ材の一方側に、前記巻き上げ高さが小さい領域が前記アルミ材の他方側に配置され、
   前記接合部の摩擦攪拌接合に伴って発生する前記塑性流動部の巻き上げ高さが大きい領域の健全部高さＨ４は、前記塑性流動部の巻き上げ高さが小さい領域の健全部高さＨ３よりも小さい、
   ことを特徴とする異種材接合体。
2. 炭素鋼材とアルミニウム材とを摩擦撹拌接合による接合部で接合すると共に、該接合部を基準にして前記アルミニウム材の一方側に他方側よりも大きな入力荷重が加わる形態で使用される異種材接合体の接合方法であって、
   前記炭素鋼材に前記アルミニウム材を重ねるステップと、
   前記アルミニウム材側から接合プローブを挿入するステップと、
   前記接合部のうち、前記接合プローブの移動軸に直交する断面において、前記プローブの回転方向の前方と前記プローブの移動方向が一致する側には、前記摩擦攪拌接合に伴って発生する塑性流動部の巻き上げ高さが大きい領域が形成され、
   前記プローブの回転方向の前方と前記プローブの移動方向が一致しない側には、前記摩擦攪拌接合に伴って発生する塑性流動部の巻き上げ高さが小さい領域が形成され、
   前記巻き上げ高さが大きい領域が前記アルミ材の一方側に、前記巻き上げ高さが小さい領域が前記アルミ材の他方側に配置したステップを含み、
   前記接合部の摩擦攪拌接合に伴って発生する前記塑性流動部の巻き上げ高さが大きい領域の健全部高さＨ４は、前記塑性流動部の巻き上げ高さが小さい領域の健全部高さＨ３よりも小さくするようにした、
   ことを特徴とする異種接合体の接合方法。

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