JP2002066765A - 接合方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】融点が異なる一対の金属部材(例えば、銅とア
ルミニウム)を突き合わせ状態で確実に摩擦攪拌接合す
ることができる接合方法を提供する。 【解決手段】融点が異なる一対の金属部材１，２を両者
の端縁に沿って突き合わせる工程と、上記一対の金属部
材１，２の突き合わせ面４に沿って、接合ツール１０に
おける回転する本体１２およびその底面１３から突設し
たプローブ１４を移動させることにより、上記両部材
１，２を摩擦攪拌接合する工程と、を備え、係る接合工
程において、平面視で上記接合ツール１０の突き合わせ
面４に沿って移動する方向に対し、係る接合ツール１０
の回転方向が反対向きとなる位置に、上記一対の金属部
材１，２のうちで低融点側の金属(アルミニウム)部材２
を配置する、接合方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、融点が互いに異な
る一対の金属部材を突き合わせて摩擦攪拌接合する接合
方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】融点が異なる２つの金属部材、例えばア
ルミニウム部材と銅部材との接合において、ＴＩＧやＭ
ＩＧ溶接などによる直接溶融法を用いると、接合部に金
属間化合物を生成し易い。これを避けるため、上記接合
には、摩擦圧接、爆発圧接、あるいはロウ付けなどの方
法が用いられている。しかし、アルミニウム部材と銅部
材との接合に摩擦圧接を用いた場合、被接合部材の断面
形状が、棒材や管材などに限定されてしまう。また、爆
発圧接を用いた場合にも、被接合部材の断面形状が制限
されると共に、コスト高になる。更に、ロウ付けを用い
た場合、接合部における品質の安定性を欠くと共に、高
温に加熱された場合に得られた接合製品が変形し易くな
る、という問題があった。以上の問題を解決して、例え
ばアルミニウム部材と銅部材とを接合するため、摩擦攪
拌接合を用いることが提案されている。

【０００３】図３(Ａ)に示すように、アルミニウム部材
２０と銅部材２２との突き合わせ面２４に沿って、図示
しない高速回転する接合ツールのプローブを接触させつ
つ移動し、その摩擦熱により軟化させて摩擦攪拌接合す
る場合、次のような問題点がある。高融点側の銅部材２
２を十分に塑性・流動化させるため、接合ツールの回転
数を上げて入熱量を増加させると、低融点側のアルミニ
ウム部材２０が過度に加熱して溶融状態となり、図３
(Ｂ)に示すように、接合部Ｗに表面欠陥２６を生じる場
合がある。このため、アルミニウム部材２０が溶融しな
い範囲で接合ツールとの摩擦による入熱量を制御して摩
擦攪拌接合することが必要となる。しかしながら、斯様
な制御を行うと高融点側の銅部材２２への入熱量が不十
分になり、その流動抵抗が大きくなる。このため、突き
合わせ面２４付近における銅材料の攪拌・供給が不足す
る。この結果、図３(Ｃ)に示すように、接合ツールが通
過した跡に形成される接合部Ｗには、空洞からなる内部
欠陥２８を生じる、という問題があった。

【０００４】

【発明が解決すべき課題】本発明は、以上に説明した従
来の技術における問題点を解決し、融点が互いに異なる
一対の金属部材を突き合わせ状態で確実に摩擦攪拌接合
することができる接合方法を提供する、ことを課題とす
る。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するため、接合ツールの移動方向に対し、互いに突き
合わされた融点が異なる一対の金属部材の配置を、上記
接合ツールの回転方向との関係で規定する、ことに着目
して成されたものである。即ち、本発明の接合方法は、
融点が異なる一対の金属部材を両者の端縁に沿って突き
合わせる工程と、上記一対の金属部材の突き合わせ面に
沿って、接合ツールにおける回転する本体およびその底
面から突設したプローブを移動させることにより、上記
一対の金属部材を摩擦攪拌接合する工程と、を備え、係
る接合工程において、平面視で上記接合ツールの突き合
わせ面に沿って移動する方向に対し、係る接合ツールの
回転方向が反対向きとなる位置に、上記一対の金属部材
のうちで低融点側の金属部材を配置する、ことを特徴と
する。

【０００６】これによれば、接合ツールが移動した後方
において、平面視した場合に、接合ツールの回転方向に
おける先(上流)側、即ち材料が掻き出される位置に低融
点側の金属部材が配置される。このため、接合ツールの
プローブが移動して通過した突き合わせ面付近の高融点
側の金属部材付近に生じる空隙を、係るツールが回転し
且つ移動することによって塑性・流動化して掻き出され
る低融点側の金属により十分に埋め尽くすことができ
る。従って、融点が互いに異なる金属部材の突き合わせ
接合において、突き合わせ面付近に内部欠陥(空洞)や表
面欠陥(凹み)のない健全な接合部によって確実に摩擦攪
拌接合を行うことが可能となる。

【０００７】尚、前記摩擦攪拌接合は、固相状態で２つ
の金属部材を軟化させて接合する方法であり、得られる
接合部には金属間化合物が生成せず、且つ接合部の付近
に熱的影響部も生じない。このため前述したように、２
つの金属部材を低融点側および高融点側としたのは、そ
れぞれの融点に応じて軟化点(軟化温度域)も同様な関係
になることに着目したためである。それ故、低融点側と
高融点側とは、軟質側と硬質側、または低強度側と高強
度側と表現することも可能である。また、上記接合ツー
ルには、上記２つの金属部材よりも更に高融点で且つ硬
質の金属または合金から成形された前記本体およびプロ
ーブを含むものが用いられる。

【０００８】付言すると、本発明には、前記接合工程に
おいて、平面視で前記接合ツールが時計回り方向に回転
する際に、係る接合ツールの移動方向の右側に前記低融
点側の金属部材を配置するか、あるいは、平面視で前記
接合ツールが反時計回り方向に回転する際に、係る接合
ツールの移動方向の左側に前記低融点側の金属部材を配
置する、接合方法も含まれ得る。これらによる場合も、
接合ツールの移動方向および回転方向に対して、塑性・
流動化し易い低融点側の金属部材を供給側に配置するこ
とにより、高融点側の金属部材への供給がスムーズに行
える。このため、突き合わせ面付近における高融点側の
金属部材に材料供給不足を未然に防ぎ、内部欠陥(空洞)
や表面欠陥(凹部)のない健全な接合部を確実に得ること
ができる。

【０００９】また、本発明には、前記低融点側の金属部
材がアルミニウムまたはその合金からなると共に、前記
高融点側の金属部材が銅または銅合金からなる、接合方
法も含まれる。これによれば、前記接合ツールにより低
融点側のアルミニウムが掻き出され、且つ高融点側の銅
や銅合金における空洞を確実に埋め尽くすことができ、
健全な接合部を有するアルミニウム−銅部材からなる接
合製品を提供できる。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下において本発明の実施に好適
な形態を図面と共に説明する。図１(Ａ)は、本発明の接
合方法を示す平面図である。図示のように、左側の無酸
素銅からなる板状の銅部材(高融点側の金属部材)１と右
側の板状のアルミニウム部材(低融点側の金属部材)２と
を左右方向から突き合わせて、突き合わせ面４を形成し
た状態で図示しない治具により拘束する。尚、本明細書
において、アルミニウムと称する場合にはその合金も含
まれる。図１(Ａ)乃至(Ｃ)に示すように、上記突き合わ
せ面４の付近には、この突き合わせ面４に沿って回転し
つつ移動する接合ツール１０が配置される。

【００１１】上記接合ツール１０は、例えば高速度鋼か
らなる円柱形の本体１２と、その底面１３の中心部から
同軸心で突設されたプローブ１４とを含む。接合ツール
１０の本体１２とプローブ１４の軸心は、図１(Ｃ)に示
すように、両金属部材１，２の表面に対する垂線よりも
移動(前進)方向と反対側に約５°傾けた姿勢で配置され
る。係る接合ツール１０は、５００〜１５０００ｒｐｍ
の回転数で回転され、且つその軸心に沿って１〜３０ｋ
Ｎの押し込み力を加えられつつ上記突き合わせ面４付近
に向けて挿入されると共に、図１(Ａ)，(Ｃ)で上向きに
５０ｍｍ〜２メートル／分の移動速度で送られる。

【００１２】図１(Ａ)に示すように、接合ツール１０
は、平面視で時計回り方向に回転しつつ突き合わせ面４
付近に挿入され、且つこれに沿って上側に移動する。か
かる接合ツール１０の移動方向に対して、その回転方向
が反対向きとなる図１(Ａ)で右側の位置(回転方向の先
側)に低融点側のアルミニウム部材２を配置している。
そして、図１(Ｄ)に示すように、ツール１０の本体１２
の底面１３付近とプローブ１４とを、突き合わせ面４付
近の表面側から裏面側の端部６に向けて挿入すると、こ
れらとの摩擦による発熱が両金属部材１，２に生じる。
このため、金属部材１，２の金属が塑性状態となって流
動化し、且つ互いに攪拌し合った後に、固化して接合部
Ｗを形成する。

【００１３】この際、低融点側のアルミニウム部材２の
アルミニウムは、塑性・流動化し易いため、接合ツール
１０の回転に伴って流動化しにくい銅部材１側へ流れ易
くなる。更に、図２(Ａ)，(Ｂ)に示すように、接合ツー
ル１０の移動に伴い、突き合わせ面４に沿って接合部Ｗ
が形成され始める。この接合部Ｗは、突き合わせ面４に
おけるツール１０を挿入する表面側から反対側の裏面側
の端部６よりも浅い位置の間に形成される。係る接合部
Ｗにおいては、接合ツール１０のプローブ１４後方の位
置における高融点の銅部材１中に、空隙が形成され易
い。

【００１４】しかし、アルミニウム部材２の流動化した
アルミニウムが、接合ツール１０の回転および移動によ
り、掻き出され且つ上記空隙を順次埋めていく。従っ
て、図２(Ｃ)，(Ｄ)に示すように、接合ツール１０が通
過した跡における突き合わせ面４付近には、内部欠陥
(空洞)や表面欠陥(凹み)がない健全な接合部Ｗが形成さ
れ、融点が異なる銅部材１とアルミニウム部材２とを突
き合わせ状態で、強固に摩擦攪拌接合することができ
る。この結果、銅部材１とアルミニウム部材２とからな
る接合製品(例えば、トランス端子用の導電性接合体)を
得ることができる。

【００１５】尚、図１(Ａ)および図２(Ａ)において、平
面視で接合ツール１０を反時計回り方向に回転させ且つ
突き合わせ面４に沿って図示で上側に移動させる場合に
は、係る接合ツール１０の移動方向に対して、当該ツー
ル１０の回転方向が反対向きとなる図１(Ａ)および図２
(Ａ)において左側の位置に、低融点側のアルミニウム部
材２を配置すれば良い。また、両金属部材１，２との接
触面積を増やすため、接合ツール１０におけるプローブ
１４の先端面やこれに隣接する先端寄りの周面には、単
数または複数の凸条、突起群、またネジ山およびネジ谷
などの凹凸部を形成しても良い。

【００１６】

【実施例】ここで本発明の具体的な実施例について、比
較例と共に説明する。ＪＩＳ：Ａ６０６３からなり長さ
２００ｍｍ×幅１００ｍｍ×厚さ５ｍｍのアルミニウム
部材２と同じサイズの無酸素銅からなる銅部材１とを３
組用意した。また、高速度鋼から成形され且つ直径２０
ｍｍの本体１２と、直径７ｍｍで長さ５ｍｍのプローブ
１４とを含む接合ツール１０を用意した。前記図１(Ａ)
に示したように、各組の銅部材１とアルミニウム部材２
とを突き合わせて突き合わせ面４を形成するに際し、１
組のアルミニウム部材２を、平面視で接合ツール１０の
移動方向に対し、その回転方向が反対向きとなる右側に
配置し、これを実施例とした。しかも、表１に示すよう
に、実施例では、前記図１(Ａ)，図２(Ａ)と同じく接合
ツール１０を時計回り方向に回転(右回転)させることに
した。

【００１７】一方、残りの２組は、前記図１(Ａ)にて、
平面視で接合ツール１０の移動方向に対し、その回転方
向が同じ向きとなる左側に配置し、これらを比較例１，
２とした。且つ、比較例１，２では、表１に示すよう
に、前記図１(Ａ)，図２(Ａ)とは反対に、接合ツール１
０を反時計回り方向に回転(左回転)させることにした。
また、各組の突き合わせ面４における接合ツール１０の
挿入側と対向する裏面(６)側には、長さ２５０ミリ×幅
３０ミリ×厚さ１０ミリの銅板を突き合わせ面４に沿っ
てそれぞれ配置して、裏当て板とした。更に、各例にお
ける接合ツール１０の回転数および移動速度は、表１に
示す通りとし、且つ挿入圧力も１２ｋＮと同じにした。
実施例および比較例１，２により得られた接合製品を切
断して、露出した接合部Ｗを目視にて観察し、内部欠陥
および表面欠陥の有無を調査した。これらの結果も併せ
て表１に示した。

【００１８】

【表１】

【００１９】表１によれば、接合ツール１０の移動方向
に対し、当該ツール１０の回転方向が反対向きとなる位
置にアルミニウム材２を配置した実施例では、接合部Ｗ
に内部欠陥および表面欠陥の何れもなかった。これに対
し、他の条件は全て共通でありながら、接合ツール１０
の移動方向に対し、当該ツール１０の回転方向が同じ向
きとなる位置にアルミニウム材２を配置した比較例１で
は、接合部Ｗに内部欠陥(空洞)が生じていた。また、こ
れらに比べて接合ツール１０の回転数を大きくした比較
例２においては、アルミニウム材２が過度に流動化した
ことにより、接合部Ｗに表面欠陥(凹み)が生じていた。
係る結果から、本発明の接合方法のように、低融点側の
アルミニウム部材２を接合ツール１０の回転および移動
によって、高融点側の銅部材１側に掻き出して流動化す
ることにより、接合ツール１０の通過跡における空隙を
埋め易くなり、空洞や凹みのない健全な接合部Ｗが得ら
れることが裏付けられた。以上の実施例により、本発明
の優位性が容易に理解されよう。

【００２０】本発明は、以上において説明した各形態お
よび実施例に限定されない。例えば、本発明における低
融点側と高融点側の金属部材は、両者の間における融点
または軟化点の差が１００℃以上であるか、または、同
じ加熱温度における引張強さなどの強度の差が１００Ｎ
以上であるか、あるいは硬度の差が３０Ｈｖ以上であれ
ば、異種金属やそれらの合金間の組合せは基より、同種
金属の合金系同士であっても適用可能である。また、低
融点側と高融点側の一対の金属部材における突き合わせ
面には、平面視で直線形に限らず、中間で屈曲したり、
カーブする突き合わせ面も含まれ、且つ両部材の段部同
士の間または雄・雌嵌合部間の突き合わせ面も含まれ
る。更に、突き合わされる一対の金属部材は、同じ厚さ
のものに限らず、厚みが相違する場合も含まれる。この
場合、欠陥のない接合部を形成し易くするため、低融点
側の金属部材を厚くすると共に、接合ツールを薄い高融
点側の金属部材の表面側にも傾けることが望ましい。

【００２１】

【発明の効果】以上に説明した本発明の接合方法によれ
ば、融点の異なる金属部材の突き合わせ面に沿って移動
する接合ツールの移動方向に対し、平面視の場合にて係
る接合ツールの回転方向と反対向きとなる位置に低融点
側の金属部材が配置される。これにより、接合ツールの
プローブなどが移動して通過した突き合わせ面付近の高
融点側の金属部材付近に生じる空隙を、係るツールが回
転し且つ移動することによって流動化して掻き出される
低融点側の金属により埋め尽くすことができる。従っ
て、融点が互いに異なる逸対の金属部材の突き合わせ接
合において、突き合わせ面付近に内部欠陥(空洞)や表面
欠陥(凹み)のない健全な接合部を形成して確実に摩擦攪
拌接合を行うことが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】(Ａ)は本発明の接合方法を示す平面図、(Ｂ)，
(Ｃ)は(Ａ)中の矢印ＢまたはＣの視角による断面図、
(Ｄ)は接合工程当初の状態を示す概略断面図。

【図２】(Ａ)，(Ｃ)は図１に続く接合工程を示す平面
図、(Ｂ)，(Ｄ)はこれらの概略断面図。

【図３】(Ａ)は一般的な突き合わせ状態を示す断面図、
(Ｂ)，(Ｃ)は従来の接合方法による接合部を示す断面
図。

【符号の説明】

１……銅部材(高融点側の金属部材) ２……アルミニウム部材(低融点側の金属部材) ４……突き合わせ面 １０…接合ツール １２…本体 １３…底面 １４…プローブ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】融点が異なる一対の金属部材を両者の端縁
   に沿って突き合わせる工程と、 上記一対の金属部材の突き合わせ面に沿って、接合ツー
   ルにおける回転する本体およびその底面から突設したプ
   ローブを移動させることにより、上記一対の金属部材を
   摩擦攪拌接合する工程と、を備え、 上記接合工程において、平面視で上記接合ツールの突き
   合わせ面に沿って移動する方向に対し、係る接合ツール
   の回転方向が反対向きとなる位置に、上記一対の金属部
   材のうちで低融点側の金属部材を配置する、 ことを特徴とする接合方法。
2. 【請求項２】前記低融点側の金属部材がアルミニウムま
   たはその合金からなると共に、前記高融点側の金属部材
   が銅または銅合金からなる、 ことを特徴とする請求項１に記載の接合方法。