JP2002283070A

JP2002283070A - 異種金属材料の摩擦撹拌接合方法

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Publication number: JP2002283070A
Application number: JP2001082497A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Nakada; 一博中田; Akira Fuji; 明良冨士
Original assignee: JAPAN SPACE UTILIZATION PROMOTION CENTER
Current assignee: JAPAN SPACE UTILIZATION PROMOTION CENTER
Priority date: 2001-03-22
Filing date: 2001-03-22
Publication date: 2002-10-02

Abstract

(57)【要約】【課題】変形抵抗（強度）が互いに異なる金属製ワー
クを良好な品質でもって接合することができる摩擦撹拌
接合方法を提供する。【解決手段】変形抵抗の大なるワークを加熱する一
方、変形抵抗の小なるワークを必要に応じて冷却し、両
ワークを摩擦撹拌接合していく。その際、前記変形抵抗
の大なるワークの接合時の引張強さを、低変形抵抗ワー
クの室温における降伏強さ以上で、最高引張（極限）強
さの１２０％以下になるように加熱保持し、一方で低変
形抵抗側ワークの降伏強さあるいは引張強さの少なくと
もいずれか一方を室温におけるそれらの値の８０％以上
に維持するように冷却する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、異種金属材料の
摩擦撹拌接合方法に関するもので、詳しくは鉄道車両や
自動車などの輸送機器、重電・弱電機機器などの各種分
野において用いられる異種金属材料の摩擦撹拌接合方法
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】異種金属製ワーク（被接合材料）間の接
合では、金属間化合物の生成の問題や、物性の相違によ
って均一な接合部が得難いなどの問題がある。そのた
め、工業的に広く使用されているアーク溶接を代表とす
る溶融溶接法では、接合は事実上不可能とされ、溶融層
を形成しない固相接合法の適用が中心となっている。し
かし、固相接合法を利用しても、ワークの組合わせによ
っては接合困難なことが多い。この解決の手段の一つと
して、ワーク間にインサート材を用いたり、ワーク表面
に処理を施して接合するなどの方法が取られている。し
かし、これらの方法を用いる場合、接合工程が増してコ
スト的に問題がある。また、インサート材を用いた接合
法では、適正なインサート材を選定するのに時間を要し
たり、接合条件を詳細に決定する必要がある。

【０００３】ところで、近年、摩擦撹拌接合法と呼ばれ
るワークを固相状態で接合することが可能となる接合法
が注目されている。この摩擦撹拌接合法は、二つ以上の
ワークを固相接合させるもので、図４（ａ）（ｂ）に示
されるような円柱状回転子３１を撹拌ツールとして用い
る。この回転子３１は、円柱状回転子本体３２の先端軸
芯部に、この円柱状回転子本体３２よりも小径なピン状
の摩擦撹拌用プローブ３３を同軸一体に突設させたもの
で、硬質で耐熱性に優れた超硬合金鋼などの材料にて製
作されている。接合は、この回転子３１を自軸回りで回
転させながら、そのプローブ３３の先端を、ワーク３
５、３６の突き合わせ境界部３７に押付け状態に密着し
て当て、その摩擦熱で当該部分を軟化可塑化させる。そ
して、回転子３１を更にワーク３５、３６に押し付け
て、プローブ３３をワーク３５、３６の肉厚方向に挿入
させていき、円柱状回転子本体３２の先端のショルダー
３４をワーク３５、３６の表面に押付け状態にして当て
る。しかる後、その状態を維持しながら、回転子３１を
ワーク３５、３６の突き合わせ境界部３７に沿って矢印
３９（図４（ｂ））の方向に移動させていく。回転子３
１の通過する突き合わせ境界部では、周辺の材料が、回
転子３１の回転による摩擦熱で軟化撹拌され、かつ円柱
状回転子本体３２のショルダー３４にて飛散を規制され
ながらプローブ３３の通過溝を埋めるように塑性流動し
たのち、熱を急速に失って冷却固化される。こうして、
突き合わせ部３７における材料の軟化、密着変形、撹
拌、冷却固化が回転子３１の移動に伴って順次繰り返さ
れていき、突き合わせ部３７においてワーク３５、３６
が互いに一体化され、順次接合３８されていく。

【０００４】この摩擦撹拌接合法は、比較的新しい接合
法であり、材料を溶融させることなく軟化状態でワーク
３５、３６を接合させるものである。工業的には薄板状
のアルミニウムあるいはアルミニウム合金系同種材間の
接合に利用され、鉄道車両外板用の大型板材の製造に実
地適用されて、製造コストの多大な削減に成果を挙げて
いる。そのため、今後も工業的に威力を発揮し得る接合
法として大いに期待されるところである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記従来の
異種金属材料の摩擦撹拌接合方法においては、最近は、
例えば物理的及び機械的特性の大きく異なる二種類の異
種金属製ワークの接合に用いる努力が続けられている。
しかし、両材料の物性が大きく異なることから撹拌が十
分に行われず未接合部が多く発生する。すなわち機械的
特性の低い継手が得られているのが現状である。その結
果、異種金属製ワークの接合への摩擦撹拌接合法の適用
は困難とされている。この対策として、特許第３０８１
８１７号などが提案されている。この従来例において
は、ワークの融点や再結晶温度に着目して接合する方法
が示されているが、次のような致命的な問題があった。
すなわち、この従来例は、両ワークを同時に加熱／又は
冷却することで、高融点側ワークに加熱温度のピークを
位置させる一方、低融点側ワークの再結晶温度以上で融
点以下の温度で接合することを提案している。しかし、
一般に異種金属からなるワークにおいては、当然低融点
側ワークの引張強さは高融点側ワークのそれに比較して
相当低い場合が多い。そのため低融点側ワークが再結晶
温度以上で融点付近まで加熱される場合、高融点側ワー
クの変形抵抗との間に著しい差を生じ、低融点側ワーク
のみが変形する。そのため、この従来例を用いた方法で
は、高融点側ワークが変形しないことに起因して接合部
におびただしい未接合部が発生し、例えば十分な継手引
張強さを有する継手を得ることが出来ないばかりか、接
合が全く不可能になることもあった。さらに、低融点側
ワークの温度を再結晶温度以上に上昇させることによ
り、多くの場合には熱影響部が形成され、これによる金
属学的な悪影響を受けることも大きな欠点となってい
る。

【０００６】この発明は、上記従来の欠点を解決するた
めになされたものであって、その目的は、物理的及び機
械的特性が互いに異なる金属製ワークを接合するに当た
り、十分な機械的特性等の接合性能を有する継手を得る
ことが可能な異種金属材料の摩擦撹拌接合方法を提供す
ることにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この発明の特徴は、摩擦
撹拌接合方法を用いた異種金属ワーク（被接合材料）間
の接合の解決策として、ワークの変形抵抗、すなわち降
伏強さ／又は引張強さに着目したことを特徴としてい
る。すなわち、上記課題は、降伏強さ（変形抵抗）／又
は引張強さを互いに異にする金属材料を摩擦撹拌接合す
る接合方法であって、高強度側ワークを加熱して、その
強度を低強度側のワークの室温における降伏強さから最
高引張強さの１２０％までの間に位置するように加熱保
持し、降伏強さから最高引張強さの間に下げて保持する
一方、低強度側ワークを冷却することで低強度側ワーク
の降伏強さあるいは引張強さを室温の８０％以上に保持
するようにワークの温度をコントロールしながら、両ワ
ークを摩擦撹拌接合していくことを特徴とする異種金属
材料の摩擦撹拌接合方法によって解決される。即ち、摩
擦撹拌接合は、両ワークの当接部に溶融を生じさせない
で固相にて接合させるものであるという前提のなかで、
高強度側ワークの変形抵抗を下げる一方、低強度側ワー
クの変形抵抗を維持することにより、両ワークを摩擦撹
拌接合していくことにより、広い範囲にわたって両ワー
クの材料が接合用ツールの作用でよく撹拌される。従っ
て、変形抵抗が互いに異なる金属製ワーク間の接合部に
おいても未接合部の発生を防止することが可能となり、
品質良好に、かつ機械的特性の優れた継手を得ることが
可能となり、理想的な固相接合部が得られる。なお、低
強度側ワークの降伏強さあるいは引張強さが室温の７０
％以下に低下すると、撹拌時に低強度ワークのみが集中
的に変形し、高強度側ワークの変形が著しく少なくなる
ことで撹拌が十分に進まなくなり、未接合部が発生す
る。その結果、十分な機械的特性を有する継手を得るこ
とは不可能となる。また、高変形強度側ワークを低変形
強度側ワークの降伏強さ以下まで下げることは、不十分
な撹拌を生じさせる上に、無駄な加熱によるコストの増
加となり、問題が有る。なお最高引張強さとは、引張強
さ（極限強さ）を意味する。

【０００８】

【発明の実施の形態】次に、この発明の異種金属材料の
摩擦撹拌接合方法の具体的な実施の形態について、図面
を参照しつつ詳細に説明する。

【０００９】この実施の形態においては、変形抵抗の著
しく異なる炭素鋼のワーク（高変形抵抗材料）とアルミ
ニウム製のワーク（低変形抵抗材料）とを突き合わせ状
態にして摩擦撹拌接合する。炭素鋼の室温での最高引張
強さは４５０ＭＰａ、降伏強さは２４５ＭＰａである。
アルミニウムの室温での最高引張強さは９８ＭＰａ、降
伏強さは６０ＭＰａである。接合に先立ち、高温引張試
験によって両材料の高温引張特性、すなわち温度と降伏
強さおよび引張強さの関係を求めておく。なお、良く知
られているように熱伝導率は、アルミニウム製ワークが
炭素鋼製ワークよりも高い。

【００１０】図１に示されるように、炭素鋼ワーク２と
アルミニウムワーク３とが突き合わせ状態になるよう
に、作業台に置く。このとき、炭素鋼ワーク用の作業台
は通常の鋼製等の作業台４とし、アルミニウムワーク３
には熱伝導率に優れる銅などで作られた作業台７を用い
る。設置後、炭素鋼ワーク２は、上面に適当な固定治具
５を用いて固定するとともに、円柱状回転子（撹拌ツー
ル）による作業の障害とならない範囲で、出来るだけ接
合部に近づけて加熱用の高周波誘導コイル６を密着させ
る。なお、加熱方法は、火炎などの他の方法を用いるこ
とが可能である。また、アルミニウムワーク３の上面に
は熱伝導率に優れる銅などで作られた抑え板８を用いて
固定する。また、アルミニウムワーク３の冷却効果を高
めるために銅製作業台や抑え板に、水冷管９を密着させ
ることも可能である。

【００１１】次に、炭素鋼ワーク２を加熱するが、この
ときワーク２の強度が、アルミニウムワーク３の室温に
おける降伏強さ以上で、かつ最高引張強さの１２０％以
下（好ましくは最高引張強さ以下）になるように加熱す
る。一方で、加熱の影響によりアルミニウムワーク３の
降伏強さあるいは引張強さの低下を防止し、少なくとも
いずれか一方を、室温におけるそれらの値の８０％以上
に維持するために、必要な場合はアルミニウムワーク３
に設置した水冷管に冷却水を流し、さらに冷却する。所
定の温度に両ワークを保持した後撹拌ツールである回転
子１を、両ワーク２、３の突き合わせ位置／又は炭素鋼
ワーク２側に若干に偏らせて作用せしめて摩擦撹拌接合
を行っていく。これによって摩擦撹拌接合中、ワークの
変形抵抗をほぼ同一に保持することで均一な撹拌を確保
することが可能となり、未接合部の発生を防止すること
が可能となる。両ワークは溶融温度未満で接合されるこ
とから、溶融溶接の場合のように両ワークが溶融混合す
ることがないので、脆弱な金属間化合物層の発生を防止
することが可能となる。さらに、低強度側ワークの過熱
を抑えることでき、熱影響部の少ない継手を作製するこ
とが可能となる。

【００１２】図２は、アルミニウムワーク３の室温にお
ける引張強さに対する接合時の引張強さの割合、すなわ
ち接合時アルミニウム強度割合と、継手効率の関係を求
めた結果を示したものである。同図において、接合時ア
ルミニウム強度割合（％）とアルミニウム温度（℃）と
の関係は、２０％（３２５℃）、４０％（２２５℃）、
７０％（１３０℃）、８５％（７５℃）、９５％（３５
℃）となっている。図２は、アルミニウムワーク３の室
温における引張強さに対する炭素鋼ワーク２の接合時の
引張強さ、すなわち接合時炭素鋼強度を変化させて求め
たものである。同図においては、接合時炭素鋼強度が、
室温におけるアルミニウムワーク３の降伏強さと引張強
さの間とは、炭素鋼ワーク２を６００℃に加熱した状態
をいい、また接合時炭素鋼強度が、室温におけるアルミ
ニウムワーク３の引張強さの１０％高い値とは、炭素鋼
ワーク２を５５０℃に加熱した状態をいい、さらに接合
時炭素鋼強度の、室温におけるアルミニウムワーク３の
引張強さの３０％高い値とは、炭素鋼ワーク２を５００
℃に加熱した状態をいう。図２からわかるように、接合
時アルミニウム強度割合が８０%以下では、炭素鋼ワー
クの引張強さに関わらず継手効率は１００%以下とな
り、破断は接合部で生じた。しかし、接合時アルミニウ
ム強度割合が８０％以上では継手効率は１００％とな
り、破断も低強度のアルミニウムワーク中で生じた。な
お、図３は、図２のデータを、温度をパラメータとして
書替えたものである。

【００１３】また、表１は従来例による方法と、この発
明おいて炭素鋼ワーク２の接合時の引張強さをアルミニ
ウムワーク３の室温の降伏強さと引張強さの間に保持し
て作製した炭素鋼／アルミニウム継手において、継手長
さ１ｍ当たりに発生した未接合部や空隙と継手引張強さ
を求めた例を示したものである。従来例による再結晶温
度による制御を行なって作製した継手においては（実施
例３）、未接合部（未混合部）や空隙（ポロシティ）の
発生は著しく多くなり、その結果、継手引張強さは低強
度であるアルミニウムワーク３よりも著しく低い３１％
の強度となり、破断も接合部で生じている。一方、この
発明による継手においては（実施例１）、低強度側ワー
クの強度を室温時の８５％に保持して接合した継手は、
未接合部や空隙の生成は皆無であり、継手引張試験にお
いても低強度側のアルミニウム母材で破断している。す
なわち、継手効率１００％以上となり、優れた特性の継
手が得られている。なお、この発明による方法で作製し
た継手においても、低強度側ワークの強度を室温時の７
０％に保持した場合は（実施例２）、未接合部／混合不
足および空隙が若干生成し、継手の強度はアルミニウム
ワークのそれの約４０％と低いことが分かる。

【００１４】

【表１】

【００１５】以上に、この発明の実施形態を示したが、
この発明はこれら炭素鋼ワークとアルミニウムワークの
組合わせに限られるものではなく、各種の金属材料の組
合わせに適用することが可能である。また、この発明の
接合方法は、突き合わせ継手のみに関わらず、重ね継手
やＴ継手など各種継手形式において広く用いられるもの
である。また、加熱手段、冷却手段を別途用いて接合を
行う場合には、加熱手段、冷却手段として上記のような
手段のほか、各種手段が用いられてよい。なお変形抵抗
の小さいワークの冷却は、必須のものではなく、その温
度上昇を抑制するような方策、例えば熱放散を促進する
ような方策のみを実施することもある。

【００１６】

【発明の効果】以上のように、この発明の異種金属材料
の摩擦撹拌接合方法によれば、摩擦撹拌接合が両ワーク
の当接部に溶融を生じさせないで固相にて接合させるも
のであるという前提のなかで、ワークを加熱及び／又は
冷却し、両ワークの当接部位置よりも高変形抵抗ワーク
側の強度を低下させる一方、低変形抵抗側のワークの強
度を確保しながら両ワークを摩擦撹拌接合していくもの
である。そのため、両ワークの材料が接合用ツールの作
用でよく撹拌されて未接合部の発生を防止して接合さ
れ、十分な機械的特性を有する継手を得ることができ
る。また、ワークを別途に加熱及び／又は冷却しておく
方法は、作業台による冷却効果と相まって極めて有効な
方法である。また、この発明は、接合するワークの高温
引張特性などを事前に求めておくだけで、簡便に適用で
きるものであり、工業的にも価値が高いものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の異種金属製ワーク間の摩擦撹拌接合
方法の実施の形態を示す参考図である。

【図２】上記異種金属製ワーク間の摩擦撹拌接合方法の
アルミニウムワークの室温における引張強さに対する接
合時の引張強さの比と、継手効率の関係を求めた結果を
示すグラフである。

【図３】上記図２のグラフを温度を関数として書替えた
グラフである。

【図４】摩擦撹拌接合法を示すもので、図（ａ）は断面
図、図（ｂ）は平面図である。

【符号の説明】

１回転子２炭素鋼ワーク３アルミニウムワーク４作業台５固定治具６高周波誘導コイル７作業台８抑え板９水冷管２１回転子２２回転子本体２３プローブ２４ショルダー２５ワーク２６ワーク２７突き合わせ境界部２８接合

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】変形抵抗を互いに異にする異種金属材料
の摩擦撹拌接合方法であって、変形抵抗の大なるワーク
を加熱する一方、変形抵抗の小なるワークの温度上昇を
抑制し、両ワークを摩擦撹拌接合していくことを特徴と
する異種金属材料の摩擦撹拌接合方法。
【請求項２】上記変形抵抗の大なるワークの接合時の
引張強さを、変形抵抗の小なるワークの室温における降
伏強さ以上で、最高引張強さの１２０％以下になるよう
に加熱保持することを特徴とする請求項１の異種金属材
料の摩擦撹拌接合方法。
【請求項３】上記変形抵抗の小なるワークの降伏強
さ、あるいは引張強さの少なくともいずれか一方を、室
温におけるそれらの値の８０％以上に維持するように変
形抵抗の小なるワークを冷却することを特徴とする請求
項２の異種金属材料の摩擦撹拌接合方法。