JP2000301364A

JP2000301364A - 異種金属材料の回転摩擦圧接方法

Info

Publication number: JP2000301364A
Application number: JP10456399A
Authority: JP
Inventors: Mitsuo Tsukada; 光男塚田
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-04-12
Filing date: 1999-04-12
Publication date: 2000-10-31

Abstract

(57)【要約】【課題】機械的な強度が大きい接合が得られると共
に、金属の外側への座屈変形の小さい異種金属材料の回
転摩擦接合方法を提供すること。【解決手段】ステンレス鋼の丸棒１の端に直円錐形の
凹部を形成し、黄銅の丸棒２の端に直円錐形の凸部を形
成する。丸棒１の凸部の直円錐は、母線と直円錐の底面
のなす角度が１０°程度のものである。丸棒２の凹部の
直円錐は、母線と直円錐の底面のなす角度が１２°程度
のものである。丸棒２の凸部の頂点を丸棒１の凹部の頂
点に接触させ、両者を加圧しながら相対回転運動させ
る。接合面の温度が溶接温度に達した後、回転を停止
し、加圧を行う。丸棒１は炭素鋼などであっても良く、
丸棒２はアルミニウム，銅などであっても良い。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、異種金属材料の回
転摩擦圧接方法の改良に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】金属材料の接合には、溶接による方法や
ろう付けによる方法，回転摩擦圧接による方法等が知ら
れている。異種金属材料，例えばステンレス鋼と銅の接
合は、溶融点の相違によりアーク，ガス溶接が不可能で
あった。また、小物部品の接合にはろう付け（軟ろう＝
はんだ、硬ろう＝銀，黄銅，銅など）による方法がある
が、フラックスやろう材の選定が難しく、設備と熟練が
必要であった。

【０００３】銅と黄銅の接合はハンダ付け又は銀ろう付
けで行われているが、接合に際しては双方の材料を加熱
し、ろうの「ぬれ性」を利用して接合していた。しかし
ながら、この方法で銅と黄銅を接合する場合、アセチレ
ン・ガスで両母材を加熱する必要があるが、銅も黄銅も
熱伝導率が高いので、加熱を長時間行う必要があり、熟
練を必要としていた。

【０００４】異種金属材料，例えばステンレス鋼の丸棒
と銅の丸棒を回転摩擦圧接することが知られている。し
かしながら、中心部分の周速が外周部分の周速より小さ
いため、中心部の温度が外周部分の温度より低く、良好
な接合が得られない。また、金属の外側への座屈変形が
大きい。

【０００５】銅と黄銅を回転摩擦圧接することも試みら
れているが、溶接温度付近になると、黄銅の接合面がぼ
ろぼろになったり，亀裂が入ったりして、溶接を行うこ
とが出来ない。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明はこの点に鑑み
て創作されたものであって、本発明の第１の目的は、機
械的強度の大きい接合が得られると共に、金属の外側へ
の座屈変形が小さい異種金属材料の回転摩擦圧接方法を
提供することにある。本発明の第２の目的は、銅と黄銅
を簡単に接合できるようになった異種金属材料の回転摩
擦圧接方法を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１の異種金属材料
の回転摩擦圧接方法は、異種金属材料の回転摩擦圧接方
法であって、硬い方の金属の母材の端に凹部を形成する
と共に、軟らかい方の金属の母材の端に凸部を形成し、
凹部の底部と凸部の頭部が接触するように２個の母材を
突き合わせて加圧し、相対回転運動させることにを特徴
とするものである。

【０００８】請求項２の異種金属材料の回転摩擦圧接方
法は、請求項１の回転摩擦圧接方法おいて、凹部が直円
錐形であり、凸部も直円錐形であることを特徴とするも
のである。

【０００９】請求項３の異種金属材料の回転摩擦圧接方
法は、請求項２の異種金属材料の回転摩擦圧接方法にお
いて、凹部の直円錐が母線と直円錐の底面のなす角度α
が１０°ないし１２°の範囲のものであり、凸部の直円
錐が母線の直円錐の底面のなす角度βがα＋２°ないし
３°のものであることを特徴とするものである。

【００１０】請求項４の異種金属の回転圧接方法は、銅
と黄銅との回転摩擦圧接方法であって、黄銅の突き合わ
せ面に銀ろうの層を設け、銀ろうの層が設けられた黄銅
と銅とを突き合わせて加圧し、相対回転運動させること
を特徴とするものである。

【００１１】

【発明の実施の形態】図１は本発明の第１実施例を説明
する図である。同図において、１は硬い金属材料の丸
棒、２は軟らかい金属材料の丸棒をそれぞれ示してい
る。丸棒１は例えばステンレス鋼や炭素鋼などであり、
丸棒２は例えば銅や黄銅，アルミニウムなどである。

【００１２】図１(a) は圧接面形状角度の例を示す図で
ある。図１(a) に示すように、丸棒１の端には直円錐の
凹みが設けられている。この直円錐において、母線と直
円錐の底面のなす角度αは、１０°ないし１２°であ
る。丸棒２の端は直円錐形に尖らされている。この直円
錐において母線と直円錐の底面のなす角度βは、α＋δ
である。δは２°ないし３°である。

【００１３】図１(b) に示すように、丸棒２を丸棒１に
向けて押し上げると、丸棒２の端に設けられている直円
錐形突起部の頂点が丸棒１に設けられている直円錐形凹
み部の頂点に突き当たる。丸棒２が丸棒１に押しつけら
れた状態で丸棒１を回転すると、最初に丸棒１の中心と
丸棒２の中心が加熱され、熱は矢印で示されるように流
れる。回転加圧を続けると徐々に外周に接触面が拡が
る。

【００１４】丸棒２は銅などで作られているので、熱伝
導率が良く、接合面の温度は速やかに一様になる。丸棒
１はステンレス鋼等で作られているので、熱伝導率が悪
く、接合面の温度はなかなか一様にならないが、中心部
が先に回転摩擦され、その後に周縁部が回転摩擦される
ので、中心部の温度が周縁部の温度より低いと言う従来
の技術の問題点を克服することが出来る。

【００１５】接合面の温度が溶接温度になった後、丸棒
１の回転を停止し、丸棒２を丸棒１に押しつけると、丸
棒１と丸棒２が接合される。図１(c) は接合された後の
状態を示す。丸棒１に設けられた凹みは、丸棒２の横方
向への座屈変形を制限する働きをする。また、図示のよ
うに、直円錐の圧接面形状角度が僅かであるので、接合
面に形成される酸化膜の排出が阻害されることはない。

【００１６】図２はフライス盤の構成例を示す図であ
り、図２(a) は正面図、図２(b) は右側面図を示す。同
図において、６は主軸、７はミーリング・チャック、８
は治具、９はマシン・バイス、１０はフライス盤テーブ
ルをそれぞれ示す。

【００１７】図２のフライス盤は縦型フライス盤と呼ば
れるものである。主軸６は回転することが出来る。主軸
６にはミーリング・チャック７が設けられている。ミー
リング・チャック７に丸棒１を差し込み、ミーリング・
チャック７を締めつけると、丸棒１は主軸６に固定され
る。丸棒２は治具８に挟まれる。マシン・バイス９を左
方向に移動させることにより、丸棒２はフライス盤テー
ブル１０に固定される。図示しないが、Ｚ軸手送りハン
ドルが設けられており、Ｚ軸手送りハンドルを回転する
ことにより、荷全体を上下することが出来る。

【００１８】図３は治具の構成例を示す図であって、図
３(a) は上面図，図３(b) は右側面図、図３(c) は側面
図を示す。同図において、１１と１２は挟み付け部材、
１３と１４は半円形の溝部をそれぞれ示している。挟み
付け部材１１には半円形の溝部１３が設けられ、挟み付
け部材１２にも半円形の溝部１４が設けられている。半
円形の溝部１３と１４の間に丸棒２を配置し、マシンバ
イス９で挟み付け部材１１，１２を締めつけると、丸棒
２は部材１１，１２によって挟み付けられる。

【００１９】図４は本発明の第１実施例の回転摩擦圧接
データの例を示す図である。真中の列部分が本発明の第
１実施例によるものであり、右端の列部分が従来の技術
によるものである。図示の例では丸棒１はＳ４５Ｃ（炭
素の含有量が０．４５％である所の鋼）であり、丸棒２
は黄銅である。丸棒１と丸棒２の直径は３０ｍｍであ
る。

【００２０】本発明の第１実施例による方法では、丸棒
１の端面に圧接面形状角度が１０°の直円錐形の凹みを
設け、丸棒２の端面に圧接面形状角度が１２°の直円錐
形の尖りを設ける（図１(a) を参照）。丸棒２の丸棒１
への加圧は、Ｚ軸手送りハンドル加圧方式で行われる。
丸棒２を丸棒１に押しつけながら、丸棒１を２０００ｒ
ｐｍで１２秒回転する。丸棒１を１２秒回転した後、丸
棒１を停止し、停止した状態で８秒間加圧を行う。接合
が行われた丸棒１と丸棒２から試験片を切り出し、圧接
材の引張り強さを調べたところ２１１．２Ｎ／ｍｍ²で
あった。なお、Ｎはニュートンを表す。

【００２１】従来の技術による方法では、丸棒１の端面
をフラットにし、丸棒２の端面もフラットにする。丸棒
２の丸棒１への加圧は、Ｚ軸手送りハンドル加圧方式で
行われる。丸棒２を丸棒１に押しつけながら、丸棒１を
２０００ｒｐｍで８秒回転する。丸棒１を８秒回転した
後、丸棒１を停止し、停止した状態で８秒間加圧を行
う。接合が行われた丸棒１と丸棒２から試験片を切り出
し、圧接材の引張り強さを調べたところ１９６．９Ｎ／
ｍｍ²であった。

【００２２】図４から判るように、本発明による異種金
属材料の回転摩擦圧接方法の方が従来の回転摩擦圧接方
法に比べて良好な接合が得られる。ステンレス鋼の丸棒
１とアルミニウムの丸棒２の回転摩擦圧接，Ｓ４５Ｃの
炭素鋼の丸棒１と銅の丸棒２の回転摩擦圧接において
も、圧接面形状角度１０°，１２°を付けた方が端面を
フラット（圧接面形状角度を０°，０°）にしたものに
比べて、良好な接合が得られた。

【００２３】図５は本発明の第２実施例を説明する図で
ある。同図において、３は銅の丸棒、４は黄銅の丸棒、
５は銀ろうの層をそれぞれ示している。銅の丸棒３と黄
銅の丸棒４を回転摩擦接合するのに先立って、図５
（ｃ）に示すように、黄銅の丸棒４の端面に浅い凹みを
設け、この中に銀ろうを流し込み、銀ろうが冷却固化し
た後、銀ろうの表面を旋盤で切削してフラットにしてお
く。凹みの深さは、０．３ｍｍ程度である。銀ろうの表
面を切削することにより、酸化膜が除去される。丸棒３
の端面もフラットにしておく。

【００２４】次に、図５(a) に示すように、丸棒３の端
面と丸棒４の端面を接触させ、丸棒４を丸棒３に押しつ
けながら丸棒３を回転させる。接合面の温度が溶接温度
になった後、丸棒３の回転を停止し、丸棒４を丸棒３に
押しつけると、図５(b) に示すように、丸棒３と丸棒４
は接合される。図２に示される縦型フライス盤を使用し
て、本発明の第２実施例を実現することが出来る。

【００２５】銅の丸棒３の端面をフラットにし、黄銅の
丸棒４の端面に銀ろうの層を設けることなくフラットに
し、両者を回転摩擦接合しようとすると、溶接温度付近
で黄銅の丸棒４の接合面がぼろぼろになったり，亀裂が
入ったりして、銅と黄銅を回転摩擦圧接することが出来
ないが、本発明の第２実施例によれば、銅と黄銅を回転
摩擦圧接することが出来る。

【００２６】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、接合すべき異種金属材料の突き合わせ面をフ
ラットにして回転摩擦圧接するものに比べて、強固な接
合が得られると共に横方向への座屈変形を小さくするこ
とが出来る。また、本発明によれば、銅と黄銅を回転摩
擦圧接方法で接合することが出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例を説明する図である。

【図２】フライス盤の構成例を示す図である。

【図３】治具の構成例を示す図である。

【図４】本発明の第１実施例の回転摩擦圧接データの例
を示す図である。

【図５】本発明の第２実施例を説明する図である。

【符号の説明】

１硬い金属材料の丸棒２軟らかい金属材料の丸棒３銅の丸棒４黄銅の丸棒５銀ろうの層６主軸７ミーリング・チャック８治具９マシン・バイス１０フライス盤テーブル

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】異種金属材料の回転摩擦圧接方法であっ
て、硬い方の金属の母材の端に凹部を形成すると共に、軟ら
かい方の金属の母材の端に凸部を形成し、凹部の底部と凸部の頭部が接触するように２個の母材を
突き合わせて加圧し、相対回転運動させることにを特徴
とする異種金属材料の回転摩擦圧接方法。
【請求項２】凹部が直円錐形をしており、凸部も直円
錐形をしていることを特徴とする請求項１の異種金属材
料の回転摩擦圧接方法。
【請求項３】凹部の直円錐は底面と母線とのなす角度
αが１０°ないし１２°の範囲のものであり、凸部の直
円錐は底面と母線とのなす角度βが角度α＋２°ないし
３°の範囲のものであることを特徴とする請求項２の異
種金属材料の回転摩擦圧接方法。
【請求項４】銅と黄銅との回転摩擦圧接方法であっ
て、黄銅の突き合わせ面に銀ろうの層を設け、銀ろうの層が設けられた黄銅と銅とを突き合わせて加圧
し、相対回転運動させることを特徴とする異種金属材料
の回転摩擦圧接方法。