JP2003311440A

JP2003311440A - 摩擦圧接により接合された金属板及び摩擦圧接による金属板の接合方法

Info

Publication number: JP2003311440A
Application number: JP2002118408A
Authority: JP
Inventors: Kazuyoshi Kato; 数良加藤; Hikari Tokisue; 光時末
Original assignee: Nihon University
Current assignee: Nihon University
Priority date: 2002-04-19
Filing date: 2002-04-19
Publication date: 2003-11-05
Anticipated expiration: 2022-04-19
Also published as: JP4346282B2

Abstract

(57)【要約】【課題】新規な接合方法により接合されている金属薄
板、及び新規な接合方法により金属薄板を接合する方法
の提供。【解決手段】重ね合わされた金属板が摩擦圧接により
接合されていることを特徴とする金属板、及び金属板を
重ね合わせ、一方の板材の表面に回転部材を押しつけ、
回転摩擦により発生する摩擦熱により、重ね合わせた板
材を摩擦圧接することを特徴とする金属板の接合方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、摩擦熱を利用して
接合されている金属板及び金属板の接合方法に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】摩擦熱を利用する接合方法としては、摩
擦圧接及びFriction Stir Weldingなどが知られてい
る。これらは、固相接合である。固相接合方法では、隣
接する表面との間の相対運動を利用して材料の接合を行
なうものである。摩擦圧接は、従来から行われている溶
接方法がもつ問題点が解決される利点を有するものであ
る。例えば、アーク溶接では、溶接部が溶融するため鋳
造組織となり、母材強度が低下し、溶接部周辺の熱影響
部が軟化しやすく、また、ポロシテイや凝固割れなどの
溶接特有の欠陥などが生じやすい。又、ろう付けによる
接合方法では、高温度に加熱することにより、軟化する
ために、ろうが必要とする部位以外にも付着しやすく、
外観がわるい。又、接着剤による接合方法は、接合部に
熱伝導性が低い接着剤が残留し、熱発散性を阻害するこ
となどが指摘されている。これらの問題点を有しない方
法として、摩擦圧接法が開発されている。例えば、摩擦
圧接法による各種部品の製造方法がある（特開平１１−
２４５０５５号公報）。また、薄肉の金属製板状の表面
に金属製接続部材を摩擦溶接する際にも、摩擦圧接法が
利用される（特開２０００−３３４５７９号公報）。
又、棒材やボルトなどのピン状の金属接合部材を金属製
板状母材に接合する際には、スタッド溶接が用いられる
が、板状母材の肉厚が薄い場合、母材の肉厚より大きい
直径を有する接続部材を接合した場合に、表面の接合部
位に対応する裏面に溶接後の凝固収縮による小さな窪み
を生じたり、有害な熱変形が生じたりする。このような
場合に、板状の母材の接合用凸部を形成し、摩擦圧接を
行なうことにより、従来問題とされてきた問題点を解決
している。摩擦圧接は、幅広い類似材料及び異種材料を
接合する手段にも採用される。鋼等の材料では、類似の
鋼材料、ならびにアルミニウムに対して溶接されうる
が、鋼をセラミック材料に溶接することは困難とされ
る。アルミニウムをセラミックと鋼の間に介在させると
鋼とセラミックの摩擦圧接が可能となることから、摩擦
圧接が、電子写真用ローラーを製造する際に利用される
（特開平２００１−７４０３９号公報）。また、接合層
のいずれかの側部で加工物の部分に対向させて接合層に
挿入するための加工物の材料による硬い材料のプローブ
により、加工物に対して相対的に円運動により構成する
接合層により溶接を行なうことも行なわれる（特表平７
−５０５０９０号公報、特開平１０−１８０４６６号公
報、特開２００１−１３８０７３号公報など）。このよ
うに摩擦圧接法は、種々開発が進められてきたが、専
ら、丸棒や比較的厚い板材を対象としたものであり、従
来、薄板の接合の利用に取り上げられた例は、ほとんど
ない。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、新規
な接合方法により接合されている金属薄板、及び新規な
接合方法により金属薄板を接合する方法を提供すること
である。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、前記課題
について研究し、薄板を重ね合わせ、圧接する状態で重
ね合わせ、一方の板材の表面に、その板材の硬度に比較
して、より硬度の高い材料からなる回転部材と接触さ
せ、回転部材の回転に伴い発生する摩擦熱により重ね合
わされている板材を接合することができることを見出し
て、本発明を完成させた。すなわち、本発明によれば、
以下の発明が提供される。（１）重ね合わされた金属板が摩擦圧接により接合され
ていることを特徴とする金属板。（２）金属板を重ね合わせ、一方の板材の表面に回転部
材を押しつけ、回転摩擦により発生する摩擦熱により、
重ね合わせた板材を摩擦圧接することを特徴とする金属
板の接合方法。

【０００５】

【発明の実施の形態】本発明の接合に用いる板材は、薄
板である。これらの金属板は、アルミニウム板、アルミ
ニウム合金板材、銅板、鋼板など板材を用いることがで
きる。また、アルミニウム合金板材と鋼板材などの異種
金属板材に対しても適用可能である。板材の厚さは、回
転部材の回転により発生される接合に必要な摩擦熱が接
合面に伝達される範囲であれば格別限定されるものでは
ないが、通常、３ｍｍ以下のものであれば、十分に適用
可能である。下限に関しては、回転部材の回転に邪魔に
ならずに、耐えることができる厚さであれば、適宜採用
することができる。通常、工業的に用いられる０．６ｍ
ｍ程度のもの、或いはそれ以下の０．３ｍｍから０．１
ｍｍ程度の厚さに関しては十分に適用可能である。板材
の材料としては、前記のようにアルミニウム板材、アル
ミニウム合金板材、銅板、鋼板、ステンレス鋼板及びこ
れらの板材からなる異種板材の組み合わせなどに対して
適宜使用することができるが、以下では、アルミニウム
合金板材の接合について説明する。他の材料の場合に関
しても同様に行うことができる。

【０００６】板材に接触させる回転部材は、板材より硬
度が高い材料により構成される。アルミニウム合金板材
の場合には、鋼やステンレス鋼の回転部材を用いること
ができる。この他、タングステン、タングステンカーバ
イド、グラフアイト、炭化珪素、アルミナなどの耐磨耗
材からなる材料が選択される。

【０００７】異種金属板を接合する場合に、どちら側の
板材と回転部材を接触させても接合することができる。
異種金属板を比較して、熱伝導率に差が有る場合には、
熱伝導率が良好な方の板材を回転部材と接触させること
が、処理時間が短くてすみ、効果的である。

【０００８】本発明の装置の一例を示すと、図７の通り
である。重ね合わされた金属板である被接合物（１）
が、載置手段の上に載置され、固定される。載置手段の
具体例を挙げれば、台座（２）及び裏あて部（３）から
構成され、被接合物は固定される。接合部（４）に回転
部材（５）が押しつけられと、その回転摩擦により発生
する摩擦熱により、重ね合わせた被接合物の接合部は摩
擦圧接される。回転部材は、回転ロッド（６）として、
回転手段に接続固定されている。また、回転ロッドに回
転部材を固定しても差し支えない。回転ロッドは、回転
手段である回転ロッド用モータ（７）により回転され
る。回転には、ステ−ターの励磁により高速回転できる
ようにすることもできる。回転部材に与えられる圧力
は、圧力調整手段により与えられる。圧力調整手段は、
圧力調整カム（８）及びカム駆動用モーター（９）より
構成される。圧力調整カムを動作させることにより、回
転ロッド用モーターは移動され、移動は、案内手段によ
って行われる。案内手段の具体例としては、台座に設け
られているスライド用溝（１０）にそって回転ロッド用
モータが移動できる構造により構成される。案内手段と
しては、回転ロッド用モータの移動がスムースに行うこ
とができる案内手段で有れば、用いることができる。前
記圧力調整手段には、油圧又は空気圧を使用する加圧力
シリンダーを使用することができ、その結果、圧力調整
を行いやすくすることができる。回転部材の大きさを変
化させることにより接合の面積を調節することができ
る。回転部材の直径が大きなものを用いれば、大きな接
合面積のものを得ることができる。このようなことか
ら、回転部材の大きさは、接合の面積などを考慮して適
宜決定することができる。以上の装置そのものをさらに
直角方向（水平方向）に移動可能な移動台の上に設置す
ると、直線状のシーム溶接も可能になる。

【０００９】板材を摩擦圧接させるために、回転部材を
一方の板材の表面に接触させ、回転部材を所要の速度で
回転させ、その際に発生する摩擦熱を発生させ、圧接に
利用するものである。摩擦により発生する熱量は、板材
と回転部材との摩擦係数、回転速度、及び回転部材を板
材に押し付ける時の圧力の積として与えられる。回転部
材の回転速度は、一般的には、１０００〜６０００ｒｐ
ｍ程度の範囲のものである。回転部材が板材を押さえつ
ける圧力は、０．５〜５ｋｇ／ｍｍ^２程度である。

【００１０】以上により形成される圧接による接合部分
は、板材の全面にわたって形成する必要はなく、線状に
圧接する部分を形成したもの、部分的に接合部が形成さ
れるものであっても差し支えない。このような板材の接
合によっても、十分な強度を発揮することができる。部
分的に溶接されいる部分は、スポット溶接にみられるよ
うな点状の状態であってもよい。接合部分は板材の平面
の部分或いは鍔状に張り出している部分であってもよ
い。

【００１１】

【実施例】以下に、アルミニウム合金板材による圧接に
ついて具体的に説明する。他の板材の場合についても、
板材の特性を考慮して、同様に行なうことができる。こ
の具体例に限定されるものではない。

【００１２】実施例１用いたアルミニウム合金板材は、５０５２アルミニウム
合金板（板厚：０．６ｍｍ）であり、長さ８０ｍｍ、幅
２５ｍｍに切断したものである。化学的組成及び機械的
特性は以下のとおりである。Ｓｉ０．０９、Ｆｅ０．２６、Ｃｕ０．０３、Ｍｎ
０．０４、Ｍｇ２．４７、Ｃｒ０．２１、Ｚｎ０．
００、Ｔｉ０．０２、Ａｌ残部。機械的特性は、以下のとおり。引張強さ２４０ＭＰａ、
伸び７．０％、硬度６８．７ＨＶ０．１．

【００１３】２枚の前記アルミニウム板材を重ね合わ
せ、基台の上に固定する。前記２枚の板材の重ね合わせ
部を３０ｍｍとして、重ね合わせ部中心が回転側工具中
心と一致するようにした。具体的には、回転工具にＮＣ
制御全自動摩擦圧接機を用い、その回転側に接合工具と
して、ＳＵＳステンレス鋼（直径２０ｍｍ）の先端部の
直径を６ｍｍ、１０ｍｍ、１５ｍｍとしたものを用い
た。回転部材の直径（ｄ）が、６ｍｍの場合の条件は、
以下のとおりであった。回転速度Ｎ（ｒｐｓ）９．２、１０．８、１２．５、１
３．３摩擦圧力Ｐ（ＭＰａ）５０〜１２０摩擦時間ｔ（ｓ）０．５回転部材の直径（ｄ）が１０ｍｍの場合の条件は、以下
のとおりであった。回転速度Ｎ（ｒｐｓ）９．２、１０．８、１２．５、１
３．３摩擦圧力Ｐ（ＭＰａ）３０、４０摩擦時間ｔ（ｓ）０．５回転部材の直径（ｄ）が１５ｍｍの場合の条件は、以下
のとおりである。回転速度Ｎ（ｒｐｓ）９．２、１０．８、１２．５、１
３．５摩擦圧力Ｐ（ＭＰａ）１０、１５摩擦時間ｔ（ｓ）０．５

【００１４】前記接合の外観の代表例を図１（ａ）から
（ｃ）に示す。図１（ａ）は、ｄ＝５ｍｍ、Ｎ＝１０．
８ｒｐｓ、Ｐ＝１００ＭＰａの場合の外観である。図１
（ｂ）は、ｄ＝１０ｍｍ、Ｎ＝９．２ｒｐｓ、Ｐ＝３０
ＭＰａの場合の外観である。図１（ｃ）は、ｄ＝１５ｍ
ｍ、Ｎ＝１０．８ｒｐｓ、Ｐ＝１５ＭＰａの場合の外観
である。いずれもこれらの外観では、スポット溶接継手
と類似の様相を呈していることが分かる。外観では回転
部材を利用したので圧痕部は部材の端面を写し取った様
相であり、僅かであるが部材による押し込まされた状態
が観察された。部材の直径の相違による圧痕部の相違は
見られなかった。外観に関する限り問題となるところは
ない。

【００１５】図２は、継手の巨視的組織を示したもので
ある。巨視的にはスポット溶接継手と類似した様相を呈
している。ナゲットは認められない。裏側とした素材に
は殆ど変形がなく、圧痕の外周部では工具側に板が浮き
上がった状態であったことを示している。この点に関し
ても問題はない。

【００１６】図３は、継手中心部の微視的組織を示す図
である。継手中心部の接合面に若干の凹凸が認められ、
工具側の素材が裏側とした素材に比較して若干繊細な組
織を示す他は、特徴的な組織は認められなかった。この
点に関しても問題はない。

【００１７】図４は、直径６ｍｍの工具を使用した継手
の引張せん断試験結果を示す図である。主軸回転数に関
係なく、引張せん断加重は摩擦圧力の増加に伴い向上し
ている。また、摩擦圧力が小さい場合には主軸回転数が
大きいほど継手の引張せん断荷重は高い傾向を示してい
る傾向にある。しかし、摩擦圧力８０ＭＰａ以上では、
主軸回転数の大小による差は殆ど認められなかった。

【００１８】図５は、工具径１０ｍｍ及び１５ｍｍを用
いた継手の主軸回転数と引張せん断荷重の関係を示す図
である。工具径１０ｍｍを用いた場合、摩擦圧力３０Ｍ
Ｐａでは主軸回転数の大小による引張せん断荷重の差は
小さいが、摩擦圧力４０ＭＰａの継手は主軸回転数の増
加に伴い、引張せん断荷重は低下した。工具径１５ｍｍ
では、主軸回転数１０．８ｒｐｓの条件で最高値を示し
た。また、工具径の増大に伴い接合面積が拡大するため
に引張せん断荷重は高くなる傾向にあった。また、工具
径６ｍｍでは図４に示すように、かなり広範囲の条件で
接合が可能であることを示している。工具径１０ｍｍで
は摩擦圧力３０〜４０ＭＰａ、工具径１５ｍｍは摩擦圧
力１０〜１５ＭＰａ以外では接合直後に分離したり、接
合中に破断する場合が多く認められ、十分な継手が得ら
れなかった。このことは、工具径が増大すると素材に押
し付け荷重が増加し、使用した素材の板厚が０．６ｍｍ
と薄いため接合時の回転に耐えられなくなったためであ
る。

【００１９】図６は、引張せん断試験後の破断状況を示
す図である。強度の高い継手はいわゆるプラグ破断の状
態であり、強度の低い継手は接合界面では、剥離したよ
うな状態であった。

【００２０】

【発明の効果】本発明によれば、摩擦圧接により接合さ
れた比較的薄い金属板及び比較的薄い金属板を摩擦圧接
により接合することができる。接合の状態は、板材の表
面や組織を傷つけるものではなく、せん断荷重及び引張
試験などの結果も良好であり、工業的に十分に評価でき
るものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】接合の外観を示す図

【図２】継手の巨視的組織を示す図

【図３】継手中心部の微視的組織を示す図

【図４】直径６ｍｍの工具を使用した継手の引張せん断
試験結果を示す図

【図５】工具径１０ｍｍ及び１５ｍｍを用いた継手の主
軸回転数と引張せん断荷重の関係を示す図

【図６】引張せん断試験後の破断状況を示す図

【図７】本発明の装置の一例を示す図。

【符号の説明】

１被接合物２台座３裏あて部４接合部５回転部材６回転ロッド７回転ロッド用モータ８圧力調整カム９カム駆動用モーター１０スライド用溝

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】重ね合わされた金属板が摩擦圧接により
接合されていることを特徴とする金属板。
【請求項２】金属板を重ね合わせ、一方の板材の表面
に回転部材を押しつけ、回転摩擦により発生する摩擦熱
により、重ね合わせた板材を摩擦圧接することを特徴と
する金属板の接合方法。