JP2012218009A - 異種金属材料の接合方法及び異種金属材料接合体 - Google Patents

Abstract

【課題】異種金属材料を高い接合強度で接合できると共に、摩擦撹拌接合用の回転ツールの損傷を回避できること。
【解決手段】融点が異なる異種金属材料における高融点材料である鋼材１１と、低融点材料であるアルミニウム材１２を接合予定位置に位置づけ、鋼材１１に回転ツール１３を回転させながら押し当てて挿入し、鋼材１１とアルミニウム材１２を摩擦撹拌接合させる異種金属材料の接合方法であって、回転ツール１３と鋼材１１との間に、この鋼材１１と同一材質からなる介在片１８を配置して、鋼材１１とアルミニウム材１２を摩擦撹拌接合させるものである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、異種金属材料を摩擦撹拌接合により接合する異種金属材料の接合方法、及びこの接合方法により得られる異種金属材料接合体に関する。

異種金属材料、特に鋼材とアルミニウム材の接合は、一般に溶融溶接や、リベットなどの機械的接合などによって行われている。

ところが、溶融溶接では入熱量が大きいため、鋼材とアルミニウム材の界面に脆弱な金属間化合物（Ｆｅ_２Ａｌ_５、ＦｅＡｌ_３など）が生成されてしまい、接合強度が低下するという課題がある。また、リベットやボルト等を用いた機械的接合では、接合のためにリベットなどの資材が必要になり、コストが上昇してしまう。

そこで、近年では、被接合材を溶融させずに軟化させ、塑性流動化して固相接合する摩擦撹拌接合（ＦＳＷ：Ｆｒｉｃｔｉｏｎ Ｓｔｉｒ Ｗｅｌｄｉｎｇ）を用いて、鋼材とアルミニウム材を接合させる研究が進められている。この摩擦撹拌接合では、一般的な工具鋼で作製されたＦＳＷツールを用い、このＦＳＷツールをアルミニウム材のみに接触させて、鋼材とアルミニウム材とを摩擦撹拌接合している（例えば特許文献１、特許文献２など）。

例えば、特許文献１に記載の摩擦撹拌接合では、接合面に酸化防止膜（Ｚｎメッキ）が被覆された鋼材と、アルミニウム材とを重ね合わせ、ＦＳＷツールをアルミニウム材に回転させながら押し当てて挿入し、摩擦熱によりアルミニウム材及びＺｎメッキを軟化して塑性流動化し、Ｚｎメッキを取り除いて鋼材の表面に新生面を露出させ、塑性流動化したアルミニウム材と鋼材の新生面とを固相接合している。

特開２００５−３４８７９号公報 特開２００６−２３９７２０号公報

ところが、ＦＳＷツールを鋼材に接触させず、アルミニウム材のみに接触させる摩擦撹拌接合では、鋼材とアルミニウム材とが十分に撹拌されないので、高い接合強度を得ることができない。つまり、ＦＳＷツールをアルミニウム材に接触させて挿入させた場合、アルミニウム材の融点直下まで温度上昇すると、このアルミニウム材が軟化して塑性流動化し、ＦＳＷツールとの摩擦が低下する。このため、これ以上の発熱（摩擦熱）が得られず、鋼材を塑性流動化させ得る温度まで温度上昇させることができないので、アルミニウム材のみが撹拌されることになる。このため、鋼材とアルミニウム材とが十分に撹拌されず、高い接合強度を得ることができないのである。

また、一般的な工具鋼で作製されたＦＳＷツールを、従来の手法で回転させながら鋼材に接触させた場合には、ＦＳＷツールが摩耗したり、ＦＳＷツールに鋼材が凝着してこのＦＳＷツールが損傷する恐れがある。

本発明の目的は、上述の事情を考慮してなされたものであり、異種金属材料を高い接合強度で接合できると共に、摩擦撹拌接合用の回転ツールの損傷を回避できる異種金属材料の接合方法及び異種金属材料接合体を提供することにある。

本発明に係る異種金属材料の接合方法は、融点が異なる異種金属材料における高融点材料と低融点材料を接合予定位置に位置づけ、前記高融点材料に回転ツールを回転させながら押し当てて挿入し、前記高融点材料と前記低融点材料を摩擦撹拌接合させる異種金属材料の接合方法であって、前記回転ツールと前記高融点材料との間に、この高融点材料と同一種類の材質からなる介在片を配置して、前記高融点材料と前記低融点材料を摩擦撹拌接合させることを特徴とするものである。

また、本発明に係る異種金属材料接合体は、前述に記載の異種金属材料の接合方法により高融点材料と低融点材料とが接合されて得られたものである。

本発明に係る異種金属材料の接合方法及び異種金属材料接合体によれば、回転ツールと高融点材料との間に、この高融点材料と同一種類の材質からなる介在片を配置して、高融点材料と低融点材料を摩擦撹拌接合させることから、この接合時に回転ツールと高融点材料とが直接接触することがない。このため、高融点材料が回転ツールに凝着することを防止できるので、この摩擦撹拌接合用の回転ツールの損傷を回避できる。

また、回転ツールを高融点材料側から挿入することにより、この高融点材料を軟化して塑性流動する温度まで発熱させ、この熱が伝熱することで低融点材料が軟化して塑性流動する。このため、高融点材料及び低融点材料を回転ツールにより部分的に十分に撹拌できるので、これらの両材料を高い接合強度で接合できる。

本発明に係る異種金属材料の接合方法における一実施形態が適用された摩擦撹拌接合方法の実施状況を示し、（Ａ）は概略側面図、（Ｂ）はが概略平面図。 図１の摩擦撹拌接合方法により得られた摩擦撹拌接合体の接合部の外観を示す写真。 図２の接合部周囲を示す断面写真。 図３の写真を模式的に示す断面図。 摩擦撹拌接合後の回転ツールの外観を示し、（Ａ）は図１による摩擦撹拌接合方法実施後の外観写真、（Ｂ）は介在片を用いないでした摩擦撹拌接合方法実施後の外観写真。 介在片と凝着防止効果との関係を示し、（Ａ）は介在片の寸法変化と凝着防止効果の有無との関係を示す図表、（Ｂ）は介在片の板厚変化と凝着防止効果の有無との関を示す図表、（Ｃ）は介在片の形状変化と凝着防止効果の有無との関係を示す図表。

以下、本発明を実施するための実施形態を図面に基づき説明する。但し、本発明は、これらの実施形態に限定されるものではない。

図１は、本発明に係る異種金属材料の接合方法における一実施形態が適用された摩擦撹拌接合方法の実施状況を示す概略側面図である。本実施形態の摩擦撹拌接合方法は、融点が異なる異種金属材料（高融点材料と低融点材料）を、摩擦撹拌接合用の回転ツール１３を用いて重ね点接合させるものである。

高融点材料としては鉄材、特に融点が約１５００℃の鋼材１１が、低融点材料としては、融点が約５８０℃〜６５０℃のアルミニウム材（アルミニウム合金を含む）１２が用いられる。ここで、アルミニウム材１２は、Ａ６０６１などの展伸材に限らず、ＡＣ４ＣＨなどの鋳造材や、ＡＤＣ１２などのダイカスト材などであってもよい。

本実施形態の摩擦撹拌接合方法では、まず鋼材１１とアルミニウム材１２とを重ね合せて接合予定位置に位置づける。このとき、鋼材１１が上側に、アルミニウム材１２が下側にそれぞれ位置づけられる。このアルミニウム材１２は、接合裏当て治具１０に載置される。

更に、鋼材１１の上面に介在片１８を載置する。この介在片１８は、後工程における回転ツール１３と鋼材１１との間に配置されることになる。また、この介在片１８は、鋼材１１と同一種類の材質である鉄から構成されるが、鋼材１１と同一材質の鋼製であることが最も好ましい。

介在片１８は、図１（Ｂ）に示すように、正面視で正方形状、長方形状、三角形状または円形状などいずれの形状でもよいが、その最長部分の長さＬは、回転ツール１３の先端における円形状の接触面１３Ａの直径Ｄに対して２５％以上、好ましくは２５％〜３００％の範囲に設定される。前記介在片１８の最長部分の長さＬは、例えば介在片１８が正方形状または長方形状である場合には対角線の長さ、介在片１８が円形状である場合には直径である。更に、介在片１８の板厚Ｔは０．２ｍｍ以上、好ましくは０．２ｍｍ〜３．０ｍｍの範囲に設定される。

次に、鋼材１１及びアルミニウム材１２を、固定治具１９により接合裏当て治具１０との間で挟持して固定状態に保持する。このとき、介在片１８は非固定状態に保持される。これらの状態で、回転ツール１３を用いて鋼材１１とアルミニウム材１２を摩擦撹拌点接合する。

この摩擦撹拌点接合では、回転ツール１３を回転させながら鋼材１１側から軸Ｏ方向に移動させ、まず、回転ツール１３の接触面１３Ａを介在片１８に押し当て、この介在片１８を回転ツール１３と共に回転させながら押し潰し、次に、回転ツール１３及び介在片１８を回転させながら鋼材１１に押し当てて挿入する。

このように鋼材１１と回転ツール１３との間に介在片１８が介在された状態で、鋼材１１とアルミニウム材１２が摩擦撹拌点接合されることにより、鋼材１１と回転ツール１３との直接の接触が回避されて、接合後に鋼材１１の回転ツール１３への凝着が防止される。また、上述の摩擦撹拌点接合において、介在片１８を非固定状態とすることで、この介在片１８が回転ツール１３と共に回転し、回転ツール１３と介在片１８との間に摩擦熱の発生が防止され、これにより、介在片１８の回転ツール１３への接合（凝着または付着など）が防止される。

ここで、回転ツール１３は、ＳＫＤ６１などの工具鋼や金型鋼製であり、直径が３ｍｍ〜１０ｍｍの丸棒形状に形成されたものである。また、回転ツール１３の回転数は、７５ｒｐｍ〜７５０ｒｐｍに設定されている。更に、回転ツール１３を鋼材１１に挿入させるときの挿入位置は、鋼材１１が突き破られない位置に調整される。具体的には、この回転ツール１３の挿入位置は、回転ツール１３の先端の接触面１３Ａが鋼材１１とアルミニウム材１２との合せ面１４から鋼材１１側に所定距離（例えば０．０５ｍｍ〜０．６ｍｍ）の位置にあるように調整される。

上述のような摩擦撹拌点接合では、鋼材１１を、回転ツール１３と共に回転する介在片１８との摩擦熱により、回転ツール１３の近傍部分で部分的に温度上昇させ、介在片１８と共に軟化させて塑性流動させる。また、アルミニウム材１２を前記摩擦熱により回転ツール１３近傍で部分的に温度上昇させて軟化させ、塑性流動させる。そして、これらの塑性流動化された鋼材１１及びアルミニウム材１２の回転ツール１３近傍部分を、介在片１８と共に回転ツール１３の回転により撹拌して、鋼材１１とアルミニウム材１２とを摩擦撹拌点接合させる。

この摩擦撹拌点接合により得られる異種金属材料接合体としての摩擦撹拌接合体１５を、図２及び図３に示す。この摩擦撹拌接合体１５は、鋼材１１としての板厚１ｍｍの裸軟鋼板（ＪＳＣ２７０ＣＣ）と、アルミニウム材１２としての板厚１ｍｍのＡ６０６１アルミニウム展伸板とを重ね合せ、更に鋼材１１としての裸軟鋼板の上面に、裸軟鋼板（ＪＳＣ２７０ＣＣ）製で、対角線の長さＬが６ｍｍ、板厚Ｔが１．０ｍｍの四角形状の介在片１８を載置して、下記の接合条件下で、鋼材１１（裸軟鋼板）とアルミニウム材１２（アルミニウム展伸板）とを摩擦撹拌点接合して得られたものである。

上記接合条件は、ＳＫＤ６１製で直径６ｍｍの丸棒形状の回転ツール１３を用い、この回転ツール１３の回転数を５００ｒｐｍとし、回転ツール１３の挿入速度を２０ｍｍ／分とし、回転ツール１３の先端の接触面１３Ａが鋼材１１とアルミニウム材１２との合せ面１４から鋼材１１側に０．５ｍｍとなる位置まで回転ツール１３を鋼材１１に挿入し、回転ツール１３の挿入完了からこの回転ツール１３を引き抜くまでの保持時間を１秒としている。

この摩擦撹拌接合体１５では、図４に示すように、回転ツール１３による鋼材１１（裸軟鋼板）側の撹拌部１６Ａと、アルミニウム材１２（アルミニウム展伸板）側の撹拌部１６Ｂとが接合されて接合部１７が形成されている。

上述の摩擦撹拌点接合後における回転ツール１３の接触面１３Ａ周囲の外観を図５（Ａ）に示す。図５（Ｂ）は、上述の摩擦撹拌点接合と同一の接合条件下で、介在片１８を介在させずに鋼材１１（裸軟鋼板；板厚１ｍｍ）とアルミニウム材１２（アルミニウム展伸板；板厚１ｍｍ）とを摩擦撹拌点接合した後における回転ツール１３の接触面１３Ａ周囲の外観を示す。この図５（Ｂ）では、回転ツール１３の接触面１３Ａ周囲に鋼材１１の一部が凝着物２１として凝着しているが、介在片１８を介在させた摩擦撹拌点接合後における回転ツール１３では、図５（Ａ）に示すように凝着物２１は認められない。

図１に示す摩擦撹拌点接合において、介在片１８の寸法（即ち最長部分の長さＬ）が回転ツール１３の接触面１３Ａの直径Ｄに対して２５％以上、好ましくは２５％〜３００％の範囲に設定された理由は、接合時に回転ツール１３と鋼材１１との直接の接触面積が大きくならないようにして、回転ツール１３に鋼材１１が凝着することを防止するためである。

例えば、鋼材１１としての板厚１ｍｍの裸軟鋼板と、アルミニウム材１２としての板厚１ｍｍのＡ６０６１アルミニウム展伸板とを重ね合わせ、正方形状で板厚Ｔが１．０ｍｍの介在片１８の寸法（最長部分の長さＬ）を変化させて、前述の接合条件で摩擦撹拌点接合試験を行った。そのとき、回転ツール１３の接触面１３Ａ周囲に凝着する凝着物２１の有無についての結果を図６（Ａ）に示す。

図６（Ａ）に示すように、介在片１８の最長部分である対角線の長さＬが１．０ｍｍ（つまり、回転ツール１３の接触面１３Ａの直径Ｄに対して約１７％の長さ）の介在片１８を用いた場合には、接合後の回転ツール１３に鋼材１１の凝着が認められた。これは、介在片１８が小さくなることで、鋼材１１と回転ツール１３との直接の接触面積が大きくなったためである。これに対し、介在片１８の最長部分である対角線の長さＬが１．５ｍｍ（つまり、回転ツール１３の接触面１３Ａの直径Ｄに対して２５％の長さ）以上の介在片１８を用いた場合には、接合後の回転ツール１３への鋼材１１の凝着は認められなかった。

また、図１に示す摩擦撹拌点接合において、介在片１８の板厚Ｔが０．２ｍｍ以上、好ましくは０．２ｍｍ〜３．０ｍｍの範囲に設定された理由は、接合時に回転ツール１３の回転により介在片１８が破られないようにして、回転ツール１３と鋼材１１との直接の接触を防止し、回転ツール１３への鋼材１１の凝着を防止するためである。

例えば、鋼材１１としての板厚１ｍｍの裸軟鋼板と、アルミニウム材１２としての板厚１ｍｍのＡ６０６１アルミニウム展伸板とを重ね合わせ、正方形状で対角線の長さＬが６ｍｍの介在片１８の板厚Ｔを変化させて、前述の接合条件で摩擦撹拌点接合試験を行った。そのとき、回転ツール１３の接触面１３Ａ周囲に凝着する凝着物の有無についての結果を図６（Ｂ）に示す。

図６（Ｂ）に示すように、板厚Ｔが０．１ｍｍ以下の介在片１８を用いた場合には、接合後の回転ツール１３に鋼材１１の凝着が認められた。これは、介在片１８の板厚が薄くなることで接合時に介在片１８が破れ、回転ツール１３と鋼材１１とが直接接触してしまうからである。これに対し、板厚Ｔが０．２ｍｍ以上の介在片１８を用いた場合には、接合後の回転ツール１３への鋼材１１の凝着は認められなかった。

更に、図１に示す摩擦撹拌点接合において、鋼材１１としての板厚１ｍｍの裸軟鋼板と、アルミニウム材１２としての板厚１ｍｍのＡ６０６１アルミニウム展伸板とを重ね合わせ、形状が正方形状、円形状または（正）三角形状の各介在片１８を用いて、前述の接合条件で摩擦撹拌点接合試験を行った。そのとき、回転ツール１３の接触面１３Ａ周囲に凝着する凝着物の有無についての結果を図６（Ｃ）に示す。

図６（Ｃ）に示すように、介在片１８がいずれの形状であっても、接合後における回転ツール１３の接触面１３Ａ周囲には鋼材１１の凝着は認められなかった。尚、前記介在片１８のそれぞれは、最長部分（正方形状の場合には対角線、円形状の場合には直径、正三角形状の場合には一辺）の長さＬが６ｍｍであり、板厚Ｔが１．０ｍｍのものを用いた。

以上のように構成されたことから、本実施形態によれば、次の効果（１）〜（５）を奏する。

（１）回転ツール１３と鋼材１１との間に、この鋼材１１と同一材質からなる介在片１８（鋼製）を配置して、鋼材１１とアルミニウム材１２を摩擦撹拌点接合させることから、この接合時に回転ツール１３と鋼材１１とが直接接触することがない。このため、鋼材１１が回転ツール１３に凝着することを防止できるので、この摩擦撹拌接合用の回転ツール１３の損傷を回避できる。

（２）回転ツール１３を鋼材１１側から挿入することにより、この鋼材１１を軟化して塑性流動する温度まで発熱させ、この熱が伝熱することでアルミニウム材１２が軟化して塑性流動する。このため、鋼材１１及びアルミニウム材１２を回転ツール１３により部分的に十分に撹拌できるので、これらの鋼材１１及びアルミニウム材１２を高い接合強度で接合できる。

（３）鋼材１１及びアルミニウム材１２を接合裏当て治具１０と固定治具１９とで挟持して固定状態とし、介在片１８を非固定状態として摩擦撹拌点接合させるので、回転ツール１３の接触面１３Ａが介在片１８に接触したときに、この介在片１８が回転ツール１３と共に回転する。従って、回転ツール１３と介在片１８との間に摩擦熱が発生せず、これにより、介在片１８が回転ツール１３に接合（凝着または付着など）することを防止できる。

（４）介在片１８の寸法、つまり介在片１８の最長部分の長さＬが、回転ツール１３における接触面１３Ａの直径Ｄに対して２５％以上に設定されたので、摩擦撹拌点接合時に、回転ツール１３と鋼材１１との直接の接触面積を低減できる。この結果、鋼材１１が回転ツール１３に凝着することを防止できる。

（５）介在片１８の板厚Ｔが０．２ｍｍ以上に設定されたので、摩擦撹拌点接合時に回転ツール１３が介在片１８に接触したときにも、回転ツール１３の回転によって介在片１８が破られることを防止できる。このため、回転ツール１３が鋼材１１に直接接触することがないので、回転ツール１３への鋼材１１の凝着を防止できる。

以上、本発明を上記実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々変形することができる。例えば、本実施形態では、低融点材料はアルミニウム材の場合を述べたが、マグネシウム合金を含むマグネシウム材であってもよい。

１１ 鋼材（高融点材料）
１２ アルミニウム材（低融点材料）
１３ 回転ツール
１３Ａ 回転ツールの接触面
１５ 摩擦撹拌接合体
１８ 介在片
１９ 固定治具
Ｄ 回転ツールの接触面の直径
Ｌ 介在片の最長部分の長さ
Ｔ 介在片の板厚

Claims (6)

1. 融点が異なる異種金属材料における高融点材料と低融点材料を接合予定位置に位置づけ、
   前記高融点材料に回転ツールを回転させながら押し当てて挿入し、前記高融点材料と前記低融点材料を摩擦撹拌接合させる異種金属材料の接合方法であって、
   前記回転ツールと前記高融点材料との間に、この高融点材料と同一種類の材質からなる介在片を配置して、前記高融点材料と前記低融点材料を摩擦撹拌接合させることを特徴とする異種金属材料の接合方法。
2. 前記高融点材料及び介在片が鉄材であり、低融点材料がアルミニウム材またはマグネシウム材であることを特徴とする請求項１に記載の異種金属材料の接合方法。
3. 前記高融点材料及び低融点材料を治具等により固定状態とし、介在片を非固定状態として摩擦撹拌接合させることを特徴とする請求項１に記載の異種金属材料の接合方法。
4. 前記介在片の寸法は、その最長部の長さが、回転ツールにおける円形状の接触面の直径に対して２５％以上に設定されたことを特徴とする請求項１に記載の異種金属材料の接合方法。
5. 前記介在片の板厚は、０．２ｍｍ以上に設定されたことを特徴とする請求項１に記載の異種金属材料の接合方法。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の異種金属材料の接合方法により高融点材料と低融点材料とが接合されて得られた異種金属材料接合体。