CN1950169A

CN1950169A - 金属材料的接合方法

Info

Publication number: CN1950169A
Application number: CN 200580013678
Authority: CN
Inventors: 藤井英俊; 崔灵; 松冈茂树; 石川武; 玄地一夫
Original assignee: Tokyu Car Corp
Current assignee: Tokyu Car Corp
Priority date: 2004-04-30
Filing date: 2005-03-14
Publication date: 2007-04-18
Also published as: CN1950170A

Abstract

本发明提供一种金属材料的接合方法，将设置在金属的棒状的旋转工具(10)的前端的销(11)插入金属部件(1)的端部与金属部件(1’)的端部之间，使其沿着端部的纵向一面旋转一面移动。通过这样在金属部件(1、1’)与旋转工具(10)之间产生摩擦热、接合金属部件(1)和金属部件(1’)。旋转工具(10)由宽的肩部(12)和位于其前端、插入金属部件的端部间的细销(11)构成。在此，销(11)是直圆柱形的销。销(11)的侧面是光滑的曲面，不设置螺纹槽等。

Description

金属材料的接合方法

技术领域

本发明涉及金属材料的接合方法。

背景技术

金属材料的接合方法有很多种。其中一种是摩擦搅拌接合(FSW＝摩擦搅拌接合)，在专利文献1：专利第2712838号日本国专利公报、以及专利文献2：专利第2792233号日本国专利公报中进行了公开。摩擦搅拌接合是将要接合的两个金属部件的端部对接、将设置在旋转工具前端的销插入两者的端部间，通过一面使旋转工具沿着两端部的纵向旋转一面移动，将两个金属部件进行接合。

在用于这样的摩擦搅拌接合的旋转工具的销的侧面设置螺纹槽。例如，在专利文献1的图1、2、12以及13中，由于这些图是模式图，因此对销的螺纹槽没有详细记载。但是，如专利文献2的图2所述，实际上在这些旋转工具的销的侧面形成螺纹槽。设置该螺纹槽的目的是通过摩擦使可塑性的金属材料沿着销的纵向搅拌流动，提高接合强度。

但是，在销上形成螺纹槽的旋转工具的螺纹槽容易磨损。因此，具有旋转工具的使用寿命短的缺点。尤其是在对由硬金属材料构成的金属部件进行摩擦搅拌接合的情况下、或在长的接合长度上进行摩擦搅拌接合的情况下，这种倾向更为明显。并且，在旋转工具的销上形成螺纹槽的加工很费事。因此，旋转工具的制造成本很高。

本发明鉴于上述情况，提供一种可提高旋转工具的使用寿命、抑制制造旋转工具所需要的时间、劳力和制造成本的金属材料的接合方法。特别地，本发明提供一种适用于不锈钢材料的接合的接合方法。

发明内容

本发明的特征是，包括(a)使两个不锈钢制的部件的端部对接的第一步骤，和(b)向两个部件的端部间插入设置在棒状的旋转工具的前端的直圆柱形的销，使该旋转工具一面旋转一面沿着该端部的纵向移动的第二步骤，(c)含有销的旋转工具包含Si₃N₄。

根据本发明，由于在销上不设置易磨损的螺纹槽，因此提高了旋转工具的使用寿命。并且，由于无须在销上形成螺纹槽，因此降低了制造成本。

另外，本发明中的“直圆柱形”是指在侧面、即圆柱面上不进行螺纹加工的圆柱形。该“直圆柱形”包括圆柱的侧面由与底面垂直的直线母线形成的圆柱形。该“直圆柱形”的销包括在销前端的底面和侧面之间设置R的销。并且“直圆柱形”的销包括销前端的底面本身是R形状的销。

另外，旋转工具的销也可是具有直线母线形成的侧面的销。“具有直线母线形成的侧面的销”是指例如具有圆柱形、圆锥形、圆锥台等的形状的销。

附图说明

图1是本发明的第一实施方式的金属材料的接合方法的说明图。

图2是表示实验例中使用的销顶部为圆锥形的旋转工具的图。

图3是表示实验例中使用的销顶部为球形的旋转工具的图。

图4是表示实验例中使用的销为多棱柱形的旋转工具的图。

图5是表示通过销顶部为圆锥形的旋转工具接合的SUS304材料的接合部拉伸试验结果的图。

图6是表示通过销顶部为圆锥形的旋转工具接合的SUS304材料的接合部伸长试验结果的图。

图7是表示通过销顶部为球面形的旋转工具接合的SUS304材料的接合部拉伸试验结果的图。

图8是表示通过销顶部为球面形的旋转工具接合的SUS304材料的接合部伸长试验结果的图。

图9是表示通过销为棱柱形的旋转工具接合的SUS304材料的接合部拉伸试验结果的图。

图10是表示通过销为多棱柱形的旋转工具接合的SUS304材料的接合部伸长试验结果的图。

图11是表示通过销顶部为圆锥形的旋转工具接合的SUS301L-DLT材料的接合部拉伸试验结果的图。

图12是表示通过销顶部为球面形的旋转工具接合的SUS301L-DLT材料的接合部拉伸试验结果的图。

图13是表示通过销顶部为球面形的旋转工具接合的SUS301L-DLT材料的接合部伸长试验结果的图。

图14是表示通过销为棱柱形的旋转工具接合的SUS301L-DLT材料的接合部拉伸试验结果的图。

图15是表示通过销为棱柱形的旋转工具接合的SUS301L-DLT材料的接合部伸长试验结果的图。

图16是表示以试验例中的各接合速度、转速以及旋转间距接合的接合部剖面图。

图17是总结实验例的结果的对比表。

具体实施方式

以下参照附图就本发明的实施方式进行说明。

图1是表示的本发明的实施方式的金属材料的接合方法的说明图。图1(a)表示本发明的实施方式的金属材料接合方法的摩擦搅拌接合的情况，(b)是表示本发明的实施方式的金属材料的接合方法中使用的旋转工具的侧视图。另外，图1(b)也表示喷嘴的剖面。

本实施方式的金属材料的接合方法是基于摩擦搅拌接合法的不锈钢材料的接合方法。如图1(a)所示，摩擦搅拌接合是如下的一种方法，即，使金属部件1的端部3与金属部件1’的端部3’对接，将设置在棒状的旋转工具10前端的销11插入端部3和端部3’之间，使销11一面旋转一面沿着端部3和3’的纵向移动。摩擦搅拌接合利用金属部件1和1’与旋转工具10之间产生的摩擦热、接合金属部件1和金属部件1’。

现有的方法是使用由陶瓷或W等的高熔点金属构成的具有多棱柱形销或带螺纹槽销的旋转工具、接合不锈钢材料的摩擦搅拌接合法。另一方面，本实施方式的金属材料的接合方法在使用图1(b)所示的旋转工具10方面与现有的摩擦搅拌接合法不同。

该旋转工具10由宽的肩部12和位于其前端、插入金属部件的端部间的细销11构成。销11是直圆柱形。销11的侧面是光滑的曲面，不设置螺纹槽。另外，肩部12形成比销11的直径大的圆柱形，向销11的轴线方向延伸。销11设置在该肩部12的前端、即一个端面上。

本发明者发现：即使通过使用在销上无螺纹槽的旋转工具的本实施方式的接合方法，也可得到与现有的方法相同的或更高的接合部的接合强度。另外，“接合部”是指接合后的金属部件上的接合线附近的部分。

本实施方式的接合方法所使用的销由于没有形成螺纹槽，因此没有螺纹槽的磨损。因此，提高了销的使用寿命。并且，由于无须在销上形成螺纹槽，因此容易进行制造旋转工具的加工。而且，由于制造旋转工具的工序减少，因此可以降低旋转工具的价格。

利用本实施方式的接合方法也可以得到与现有的方法相同的接合强度的理由可以认为是，在不在销上设置螺纹槽的情况下，沿着销的旋转方向的金属材料的塑性流动大于沿着销的纵向的金属材料的塑性流动，这提高了接合强度。并且，历来认为在销上设置螺纹槽可促进金属材料的搅拌，但实际上如本实施方式的销那样具有光滑的侧面的直圆柱形的销可能更能促进金属材料的搅拌。

如图1(b)所示的旋转工具10除了Si₃N₄以外最好含有粘合剂。通过使旋转工具10含有粘合剂，可抑制旋转工具10的破碎。例如，旋转工具10含有90重量％的Si₃N₄，其余部分作为粘合剂含有AL₂O₃以及Y₂O₃。这种情况下的旋转工具10的硬度(HRA)为92(由钻石圆锥压头进行的试验荷重为60kg下的洛氏硬度为120°)。

并且，如图1所示，在本实施方式的接合方法中，最好使用覆盖旋转工具10的侧面地设置的喷嘴16，从该喷嘴16供给含有Ar的气体G。含有Ar的气体可一面防止不锈钢材料的硬化一面冷却旋转工具。这样可抑制旋转工具10的破碎。通过使用Ar气体等的保护气体、一面防止旋转工具的氧化一面接合金属部件，可一面保持工具的强度和韧性一面进行长距离、长时间的接合。

以下就通过本实施方式的接合方法得到的实验结果进行说明。

实验例

为了调查旋转工具形状与不锈钢的接合部的接合强度的关系，使用销的顶部为圆锥形的旋转工具(参照图2)、销的顶部为球面形的旋转工具(参照图3)、销为多棱柱形的旋转工具(参照图4)，用图1(a)所示的方法接合JIS G 4305中规定的SUS304材料以及JIS E 4049中规定的SUS301L-DLT材料。SUS304材料以及SUS301L-DLT材料的板厚为1.5mm。

图2所示的旋转工具10在前端具有圆柱形的销11。销11的直径为5mm，肩部12的直径为15mm。销11从肩部12起突出1.4mm，从其顶部起0.7mm的部分如图2所示形成圆锥形。

图3所示的旋转工具10在前端具有圆柱形的销11。销11的直径为5mm，肩部12的直径为15mm。销11从肩部12起突出1.4mm，其顶部形成SR为5.4的球面。

图4所示的旋转工具10在前端具有棱柱形的销11。销11的直径为6mm，肩部12的直径为15mm。销11从肩部12起突出1.4mm，如图4所示，销11在圆柱的侧面三处形成C倒角的形状，形成大致多棱柱形状。

以上图2～14所示的旋转工具都是由Si₃N₄为90％、其余部分为AL₂O₃以及Y₂O₃的成份构成的。在本实验例中，各旋转工具用相同的试料进行接合部拉伸试验和接合部伸长试验。

图5是表示利用销的顶部为圆锥形的旋转工具接合的SUS304材料的接合部拉伸试验结果的图，图6是表示利用销的顶部为圆锥形的旋转工具接合的SUS304材料的接合部伸长试验结果的图。在以下的图5、3、9、11、12、14中，横轴上的‘1.0ton’、‘1.0→0.9ton’表示旋转工具对母材的按压。

从图5中可看出，利用第二实施方式的接合方法，在接合速度小于等于300mm/min、旋转速度为600rpm、旋转间距小于等于0.5时，SUS304材料的接合部的接合强度大致良好。并且，如图6所示，SUS304材料的接合部的伸长，在接合速度小于等于300mm/min、旋转速度为600rpm、旋转间距小于等于0.5时，也可以得到适当的值。

在接合速度小于等于300mm/min、旋转间距小于等于0.5的情况下可得到良好的SUS304材料的接合部，是由于在接合部上不容易产生缺陷。即，在这样的接合条件下，由于向金属部件(SUS304材料)的输入热量大，金属材料的塑性流动充分，因此可得到良好的接合。可知向金属部件的热量输入与旋转工具的旋转速度和旋转工具的肩部直径的立方成正比，与接合速度成反比。考虑到上述情况可预测，在利用销的顶部为圆锥形的旋转工具接合SUS304材料的情况下，如果{(旋转工具的旋转速度[rpm]×肩部的直径[mm]³)/旋转工具的移动速度[mm/min]/板材的厚度[mm]}大于等于4.5×10³，则SUS304材料的接合部的接合强度将大致良好。

图7是表示利用销的顶部为球面形的旋转工具接合的SUS304材料的接合部拉伸试验结果的图，图8是利用销的顶部为球面形的旋转工具接合的SUS304材料的接合部伸长试验结果的图。

从图7中可以看出，在接合速度小于等于420mm/min、旋转速度为600rpm、旋转间距小于等于0.7时，尤其是在接合速度小于等于300mm/min、旋转速度为600rpm、旋转间距小于等于0.5时，SUS304材料的接合部的接合强度良好。并且，如图8所示，SUS304材料的接合部的伸长在接合速度小于等于300mm/min、旋转速度为600rpm、旋转间距小于等于0.5时，也可以得到适当的值。从这些结果中可以预测，在利用销的顶部为球面形的旋转工具接合SUS304材料的情况下，如果{(旋转工具的旋转速度[rpm]×肩部的直径[mm]³)/旋转工具的移动速度[mm/min]/板材的厚度[mm]}大于等于3.2×10³，则SUS304的接合部的接合强度是良好的。

图9是表示利用销为多棱柱形的旋转工具接合的SUS304材料的接合部拉伸试验结果的图，图10是表示利用销为多棱柱形的旋转工具接合的SUS304材料的接合部伸长试验结果的图。从图9中可以看出，在接合速度小于等于300mm/min、旋转速度为600rpm、旋转间距小于等于0.5时，可得到大致良好的接合强度的SUS304材料的接合部。并且，如图10所示，对于SUS304材料的接合部的伸长，在接合速度小于等于300mm/min、旋转速度为600rpm、旋转间距小于等于0.5时，也可以得到适当的值。

总结以上结果，对于销的顶部为球面形的旋转工具，若接合速度小于等于420mm/min、旋转间距小于等于0.7、{(旋转工具的旋转速度[rpm]×肩部的直径[mm]³)/旋转工具的移动速度[mm/min]/板材的厚度[mm]}大于等于3.2×10³，则可以得到良好的SUS304材料的接合接头。并且，对于销的顶部为圆锥形的旋转工具以及多棱柱形的旋转工具，若接合速度小于等于300mm/min、旋转间距小于等于0.5、{(旋转工具的旋转速度[rpm]×肩部的直径[mm]³)/旋转工具的移动速度[mm/min]/板材的厚度[mm]}大于等于4.5×10³，则可以得到良好的SUS304材料的接合接头。因此，根据本实施方式的接合方法，利用肩部直径为15[mm]的旋转工具，在转速为600[rpm]且旋转间距大于等于0.1[mm/r]小于等于0.7[mm/r]时，可适合接合厚度为1.5mm的SUS304材料。并且，根据本实施方式的接合方法，在{(旋转工具的旋转速度[rpm]×肩部的直径[mm]³)/旋转工具的移动速度[mm/min]/板材的厚度[mm]}大于等于3.2×10³、小于等于22.5×10³时，可适合接合SUS304材料。这样，销顶部为圆锥形的旋转工具以及销顶部为球面形的旋转工具，与用现有的销为多棱柱形的旋转工具进行接合的情况相比较，可得到更好的SUS304材料的接合部的接合强度。并且，由于销不是多棱柱形，因此旋转工具的使用寿命增长，旋转工具也容易制造。

图11是表示利用销的顶部为圆锥形的旋转工具接合的SUS301L-DLT材料的接合部拉伸试验结果的图。如图11所示，在接合速度小于等于300mm/min、旋转速度为600rpm、旋转间距小于等于0.5时，SUS301L-DLT材料的接合部的接合强度大致良好。从该结果中可以预测，在利用销的顶部为圆锥形的旋转工具的情况下，如果{(旋转工具的旋转速度[rpm]×肩部的直径[mm]³)/旋转工具的移动速度[mm/min]/板材的厚度[mm]}大于等于4.5×10³，则SUS301L-DLT材料的接合部的接合强度是良好的。

图12是表示利用销的顶部为球面形的旋转工具接合的SUS301L-DLT材料的接合部拉伸试验结果的图，图13是表示利用销的顶部为球面形的旋转工具接合的SUS301L-DLT材料的接合部伸长试验结果的图。从图12可以看出，在接合速度大于等于180mm/min小于等于300mm/min、旋转速度为600rpm、旋转间距大于等于0.3小于等于0.5时，可得到大致良好的SUS301L-DLT材料的接合部的接合强度。并且，如图13所示，接合部的伸长在接合速度大于等于180mm/min小于等于300mm/min、旋转速度为600rpm、旋转间距大于等于0.3小于等于0.5时，也可得到适当的值。从这些结果中可以预测，在利用销的顶部为球面形的旋转工具的情况下，如果{(旋转工具的旋转速度[rpm]×肩部的直径[mm]³)/旋转工具的移动速度[mm/min]/板材的厚度[mm]}大于等于4.5×10³，小于等于7.5×10³，则SUS301L-DLT的接合部的接合强度是大致良好的。

图14是表示利用销为多棱柱形的旋转工具接合的SUS301L-DLT材料的接合部拉伸试验结果的图，图15是表示利用销为多棱柱形的旋转工具接合的SUS301L-DLT材料的接合部伸长试验结果的图。从图14可以看出，在接合速度小于等于300mm/min、旋转速度为600rpm、旋转间距小于等于0.5时，可得到大致良好的SUS301L-DLT材料的接合部的接合强度。并且，如图15所示，对于接合部的伸长，在接合速度小于等于300mm/min、旋转速度为600rpm、旋转间距小于等于0.5时，也可得到适当的值。

总结以上结果可以预测，即使利用销的顶部为圆锥形的旋转工具、销的顶部为球面形的旋转工具、销为多棱柱形的旋转工具中的任何一种，在接合速度大于等于180mm/min小于等于300mm/min、旋转间距大于等于0.3小于等于0.5、{(旋转工具的旋转速度[rpm]×肩部的直径[mm]³)/旋转工具的移动速度[mm/min]/板材的厚度[mm]}大于等于4.5×10³小于等于7.5×10³时，也可得到大致良好的SUS301L-DLT材料的接头。这样，使用销的顶部为圆锥形的旋转工具以及销的顶部为球面形的旋转工具的任何一种，都可以得到与用现有的销为多棱柱形的旋转工具进行接合的情况相同的接合强度。并且，由于销不是多棱柱形，因此旋转工具的使用寿命度长，旋转工具也容易制造。

总结以上的结果，作为SUS304和SUS301L-DLT材料的接合趋势，至少在接合速度大于等于180mm/min小于等于300mm/min、旋转间距大于等于0.3小于等于0.5、{(旋转工具的旋转速度[rpm]×肩部的直径[mm]³)/旋转工具的移动速度[mm/min]/板材的厚度[mm]}大于等于4.5×10³小于等于7.5×10³时，可得到良好的接合接头。

图16的(a)(b)是实验例7中的各接合速度、转速以及旋转间距下的接合部的剖视图。图16是由销的顶部为圆锥形的旋转工具形成的接合部的剖面照片，(a)是表示转速为600rpm-接合速度为200mm/min、旋转间距为0.333的情况下的剖面照片，(b)是表示转速为600rpm-接合速度为300mm/min、旋转间距为0.5的情况下的剖面照片。

如图16(a)所示，在所有的接合部都没有产生缺陷。因此，如上述的图5所示，可得到良好的接合强度。

图17是总结以上的实验例的结果而形成的对比表。

另外，本发明的金属材料的接合方法并不局限于上述的实施方式，在不超出本发明宗旨的范围内可进行各种变更。

根据本发明，可提供一种提高旋转工具的使用寿命、抑制制造旋转工具所需的时间、劳力和制造成本的金属材料的接合方法。

Claims

1.一种金属材料的接合方法，包括使两个不锈钢制的部件的端部对接的第一步骤，和

向所述两个部件的端部间插入设置在棒状的旋转工具的前端的直圆柱形销，使该旋转工具一面旋转一面沿着该端部的纵向移动的第二步骤，

含有所述销的所述旋转工具包含Si₃N₄。

2.如权利要求1所述的金属材料的接合方法，其特征在于，

覆盖所述旋转工具的侧面地设置喷嘴，

在所述第二步骤中，从所述喷嘴向所述旋转工具以及所述部件供给含有Ar的气体。

3.如权利要求1或2所述的金属材料的接合方法，其特征在于，

含有所述销的所述旋转工具还含有粘合剂。

4.如权利要求1至3中任一项所述的金属材料的接合方法，其特征在于，

所述旋转工具具有形成比所述销的直径大的圆柱形的肩部，

所述销设置在所述肩部的一个端面，

所述两个部件是JIS G 4305中规定的SUS304板材，具有1.5mm的厚度，

所述肩部的直径为15mm，

所述旋转工具的转速为600rpm，

(旋转工具的移动速度[mm/min]/旋转工具的旋转速度[rpm])大于等于0.1小于等于0.7。

5.如权利要求1至3中任一项所述的金属材料的接合方法，其特征在于，

所述旋转工具具有形成比所述销的直径大的圆柱形的肩部，

所述销设置在所述肩部的一个端面，

所述两个部件是JIS G 4305中规定的SUS304板材，

{(旋转工具的旋转速度[rpm]×肩部的直径[mm]³)/旋转工具的移动速度[mm/min]/板材的厚度[mm]}大于等于3.2×10³小于等于22.5×10³。

6.如权利要求1至3中任一项所述的金属材料的接合方法，其特征在于，

所述旋转工具具有形成比所述销的直径大的圆柱形的肩部，

所述销设置在所述肩部的一个端面，

所述两个部件是JIS E 4049中规定的SUS301L-DLT板材，具有1.5mm的厚度，

所述肩部的直径为15mm，

所述旋转工具的转速为600rpm，

(旋转工具的移动速度[mm/min]/旋转工具的旋转速度[rpm])大于等于0.3小于等于0.5。

7.如权利要求1至3中任一项所述的金属材料的接合方法，其特征在于，

所述旋转工具具有形成比所述销的直径大的圆柱形的肩部，

所述销设置在所述肩部的一个端面，

所述两个部件是JIS E 4049中规定的SUS301L-DLT板材，

{(旋转工具的旋转速度[rpm]×肩部的直径[mm]³)/旋转工具的移动速度[mm/min]/板材的厚度[mm]}大于等于4.5×10³小于等于7.5×10³。