WO2016132768A1

WO2016132768A1 - 接合方法及び複合圧延材の製造方法

Info

Publication number: WO2016132768A1
Application number: PCT/JP2016/050627
Authority: WO
Inventors: 堀　久司
Original assignee: Nippon Light Metal Co Ltd
Current assignee: Nippon Light Metal Co Ltd
Priority date: 2015-02-19
Filing date: 2016-01-12
Publication date: 2016-08-25
Anticipated expiration: 2017-08-19
Also published as: KR20170066633A; US20180043465A1; CN107107255A; TWI613024B; TW201636139A; JP6350334B2; EP3260230A4; EP3260230A1; JP2016150380A; EP3260230B1

Abstract

異なる種類の金属部材を好適に接合することができる接合方法を提供する。第一上面（１ｂ）、第一下面（１ｃ）及び第一上面（１ｂ）と第一下面（１ｃ）とを繋ぐ第一傾斜面（１ａ）を備えた第一金属部材（１）と、第二上面（２ｂ）、第二下面（２ｃ）及び第二上面（２ｂ）と第二下面（２ｃ）とを繋ぐ第二傾斜面（２ａ）を備え、第一金属部材（１）よりも融点の高い第二金属部材（２）と、を準備する準備工程と、第一傾斜面（１ａ）と第二傾斜面（２ａ）とを突き合わせて突合せ部（Ｊ）を形成する突合せ工程と、回転する回転ツール（Ｆ）を第一上面（１ｂ）のみから挿入するとともに、攪拌ピン（Ｆ２）のみを少なくとも第一金属部材（１）に接触させた状態で突合せ部（Ｊ）に沿って回転ツール（Ｆ）を相対移動させて第一金属部材（１）と第二金属部材（２）とを接合する接合工程と、を含むことを特徴とする。

Description

接合方法及び複合圧延材の製造方法

　本発明は、接合方法及び複合圧延材の製造方法に関する。

　例えば、特許文献１には、材料の異なる金属部材同士を回転ツールで摩擦攪拌接合する技術が開示されている。従来の摩擦攪拌接合では、回転ツールの攪拌ピンを突合せ部に挿入してショルダ部の下端面を両方の金属部材に数ミリ程度押し込み、突合せ部に沿って回転ツールを相対移動させている。

特開２００２－６６７６５号公報

　従来の摩擦攪拌接合では、回転ツールの攪拌ピン及びショルダ部によって金属部材同士の突合せ部が摩擦攪拌されるが、金属部材同士の軟化温度の差が大きい場合には、金属部材同士の突合せ部を好適に接合することが困難であった。

　一般的に軟化温度の異なる金属部材同士の突合せ部を摩擦攪拌接合する場合には、接合条件を調節して軟化温度の高い金属部材が軟化するように入熱量を大きくする必要がある。例えば、アルミニウム合金部材と銅合金部材との突合せ部を摩擦攪拌接合する場合には、銅合金部材の軟化温度がアルミニウム合金部材の軟化温度よりも高いため、接合条件を調節して銅合金部材が軟化するように入熱量を大きくする必要がある。このように入熱量が大きくなる接合条件下で、アルミニウム合金部材と銅合金部材が攪拌混合されると、Ａｌ／Ｃｕの界面の面積が増加するとともに、Ａｌ／Ｃｕの界面において相互拡散が起こり、Ａｌ－Ｃｕ相が液相となって、接合部から多くのバリが発生して接合不良となる。また、入熱量が小さくなる接合条件下では、銅合金部材が十分に軟化していないため、回転ツールと銅合金部材との摩擦抵抗が大きくなり過ぎて、回転ツールや摩擦攪拌装置にかかる負荷が増大して接合が困難となる。

　また、入熱量が大きくなる接合条件下で摩擦攪拌接合を行う際に、回転ツールのショルダ部が異なる金属部材同士に接触すると、入熱量がさらに大きくなるため、これら部材の温度がさらに上昇し、接合部から多くのバリが発生して接合不良となるおそれがある。また、入熱量が小さくなる接合条件下で摩擦攪拌接合を行う際に、回転ツールのショルダ部が異なる金属部材同士に接触すると、摩擦抵抗がさらに大きくなるため、上記したように摩擦攪拌装置にかかる負荷が増大して接合が困難となるおそれがある。

　因みに、金属部材の軟化温度（Ｋ）は、概ね金属部材の融点（Ｋ）に比例すると仮定して差し支えないと考えられるので、本明細書において、軟化温度の高い金属部材を融点の高い金属部材として、軟化温度の低い金属部材を融点の低い金属部材として、取り扱うものとする。

　このような観点から、本発明は、異なる種類の金属部材を好適に接合することができる接合方法及び複合圧延材の製造方法を提供することを課題とする。

　このような課題を解決するために本発明は、先細りの攪拌ピンを備えた回転ツールを用いて材料の異なる一対の金属部材を接合する接合方法であって、第一上面、第一下面及び前記第一上面と前記第一下面とを繋ぐ第一傾斜面を備えた第一金属部材と、第二上面、第二下面及び前記第二上面と前記第二下面とを繋ぐ第二傾斜面を備え、前記第一金属部材よりも融点の高い第二金属部材と、を準備する準備工程と、前記第一上面と前記第一傾斜面とで構成される第一上交線が、前記第一下面と前記第一傾斜面とで構成される第一下交線よりも前記第二金属部材側に位置するとともに、前記第二下面と前記第二傾斜面とで構成される第二下交線が、前記第二上面と前記第二傾斜面とで構成される第二上交線よりも前記第一金属部材側に位置するように前記第一傾斜面と前記第二傾斜面とを突き合わせて突合せ部を形成する突合せ工程と、回転する前記回転ツールを前記第一上面のみから挿入するとともに、前記攪拌ピンのみを少なくとも前記第一金属部材に接触させた状態で前記突合せ部に沿って前記回転ツールを相対移動させて前記第一金属部材と前記第二金属部材とを接合する接合工程と、を含むことを特徴とする。

　また、本発明は、材料の異なる一対の金属部材で形成された複合圧延材の製造方法であって、第一上面、第一下面及び前記第一上面と前記第一下面とを繋ぐ第一傾斜面を備えた第一金属部材と、第二上面、第二下面及び前記第二上面と前記第二下面とを繋ぐ第二傾斜面を備え、前記第一金属部材よりも融点の高い第二金属部材と、先細りの攪拌ピンを備えた回転ツールと、を準備する準備工程と、前記第一上面と前記第一傾斜面とで構成される第一上交線が、前記第一下面と前記第一傾斜面とで構成される第一下交線よりも前記第二金属部材側に位置するとともに、前記第二下面と前記第二傾斜面とで構成される第二下交線が、前記第二上面と前記第二傾斜面とで構成される第二上交線よりも前記第一金属部材側に位置するように前記第一傾斜面と前記第二傾斜面とを突き合わせて突合せ部を形成する突合せ工程と、回転する前記回転ツールを前記第一上面のみから挿入するとともに、前記攪拌ピンのみを少なくとも前記第一金属部材に接触させた状態で前記突合せ部に沿って前記回転ツールを相対移動させて前記第一金属部材と前記第二金属部材とを接合する接合工程と、前記接合工程で接合された前記金属部材同士を、接合線を圧延方向として圧延する圧延工程と、を含むことを特徴とする。

　かかる製造方法によれば、第一金属部材及び第二金属部材に回転ツールのショルダ部を接触させないため、第一金属部材及び第二金属部材への入熱量を抑えることができる。また、例えば、第一金属部材のみに接触するように回転ツールを挿入すれば、軟化温度の低い第一金属部材に合わせて接合条件を調節することができ、入熱量を抑えることができる。したがって、第一金属部材が大きく軟化してバリが過剰に発生するのを抑制することができ、金属不足による接合不良を防ぐことができる。

　また、第一金属部材及び第二金属部材に回転ツールのショルダ部を接触させないため、摩擦抵抗を小さくすることができ、回転ツールや摩擦攪拌装置にかかる負荷を小さくすることができる。さらに、回転ツールのショルダ部を第一金属部材及び第二金属部材に接触させないため、回転ツールが高温になるのを防ぐことができる。これにより、回転ツールの材料選択が容易になるとともに、回転ツールの寿命を長くすることができる。

　また、前記接合工程では、前記回転ツールの移動軌跡に形成される塑性化領域のうち、前記第二金属部材側がシアー側となり、前記第一金属部材側がフロー側となるように前記回転ツールの回転方向及び進行方向を設定することが好ましい。

　塑性化領域のうち、融点が高い第二金属部材側がフロー側となると、突合せ部での第一金属部材の温度が低下して、異なる金属同士の界面における相互拡散が促進されず、接合不良となるおそれがある。しかし、かかる製造方法によれば、融点の高い第二金属部材側がシアー側となるように設定することで、突合せ部での第一金属部材の温度を比較的高温に保つことが可能となり、異なる金属同士の界面における相互拡散が促進され、接合不良となるのを防ぐことができる。
　なお、シアー側とは、接合部に対する回転ツールの外周の相対速さが、回転ツールの外周における接線速度の大きさに移動速度の大きさを加算した値となる側である。フロー側とは、接合部に対する回転ツールの外周の相対速さが、回転ツールの外周における接線速度の大きさに移動速度の大きさを減算した値となる側である。

　また、前記第一金属部材はアルミニウム又はアルミニウム合金で形成し、前記第二金属部材は銅又は銅合金で形成するとともに、前記接合工程では、回転する前記回転ツールを前記第一上面のみから挿入するとともに、前記攪拌ピンのみを前記第一金属部材のみに接触させた状態で前記突合せ部に沿って前記回転ツールを相対移動させて前記第一金属部材と前記第二金属部材とを接合することが好ましい。かかる製造方法によれば、銅又は銅合金製の金属部材とアルミニウム又はアルミニウム合金製の金属部材とを好適に接合することができる。

　また、前記回転ツールの外周面に基端から先端に向うにつれて左回りの螺旋溝を刻設した場合、前記回転ツールを右回転させ、前記回転ツールの外周面に基端から先端に向うにつれて右回りの螺旋溝を刻設した場合、前記回転ツールを左回転させることが好ましい。

　かかる製造方法によれば、塑性流動化した金属が螺旋溝に導かれて回転ツールの先端側に流動するため、バリの発生を抑制することができる。

　本発明に係る接合方法及び複合圧延材の製造方法によれば、異なる種類の金属部材を好適に接合することができる。

（ａ）は本実施形態の回転ツールを示した側面図であり、（ｂ）は回転ツールの接合形態を示した模式断面図である。（ａ）は本実施形態の準備工程を示す側面図であり、（ｂ）は本実施形態の突合せ工程を示す側面図であり、（ｃ）は本実施形態の接合工程を示す斜視図である。本実施形態の接合工程を示す断面図である。本実施形態の接合工程後を示す断面図である。本実施形態の圧延工程を示す斜視図である。本実施形態の複合圧延材を示す断面図である。変形例に係る接合工程を示す図であって、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は（ａ）のI-I断面図である。（ａ）は試験１の結果を示す表であり、（ｂ）は試験体１－１，１－３，１－４の平面画像であり、（ｃ）は試験体１－５，１－７，１－８の平面画像である。試験１における接合工程後の断面図であって、（ａ）は試験体１－７を示し、（ｂ）は試験体１－１１を示す。（ａ）は試験２の結果を示す表であり、（ｂ）は試験体２－１，２－２，２－３の平面画像である。（ａ）は試験３の結果を示す表であり、（ｂ）は試験体３－１，３－２，３－３の平面画像である。試験４における圧延工程後の各試験体の平面図であって、（ａ）は試験体１－５，１－６，１－７を示し、（ｂ）は試験体１－９，１－１０，１－１１を示す。試験４の結果を示す表である。

　本発明の実施形態に係る複合圧延材の製造方法について、図面を参照して詳細に説明する。まずは、本実施形態で用いる回転ツールについて説明する。

　図１の（ａ）に示すように、回転ツールＦは、連結部Ｆ１と、攪拌ピンＦ２とで構成されている。回転ツールＦは、例えば工具鋼で形成されている。連結部Ｆ１は、図１の（ｂ）に示す摩擦攪拌装置の回転軸Ｄに連結される部位である。連結部Ｆ１は円柱状を呈し、ボルトが締結されるネジ孔（図示省略）が形成されている。

　攪拌ピンＦ２は、連結部Ｆ１から垂下しており、連結部Ｆ１と同軸になっている。攪拌ピンＦ２は連結部Ｆ１から離間するにつれて先細りになっている。側面視した場合において、鉛直軸Ｃと攪拌ピンＦ２の外周面とのなす傾斜角度αは本実施形態では２０°に設定されている。傾斜角度αは１０～６０°の範囲で適宜設定される。傾斜角度αが１０°未満であると、接合時に攪拌ピンＦ２の外周面からバリが排出されてしまい接合欠陥を発生するおそれがあるため、好ましくない。傾斜角度αが６０°を超えると、回転ツールＦの径が大きくなりすぎて回転ツールＦや摩擦攪拌装置への負荷が大きくなるため、好ましくない。

　攪拌ピンＦ２の外周面には螺旋溝Ｆ３が刻設されている。本実施形態では、回転ツールＦを右回転させるため、螺旋溝Ｆ３は、基端から先端に向かうにつれて左回りに形成されている。言い換えると、螺旋溝Ｆ３は、螺旋溝Ｆ３を基端から先端に向けてなぞると上から見て左回りに形成されている。

　なお、回転ツールＦを左回転させる場合は、螺旋溝Ｆ３を基端から先端に向かうにつれて右回りに形成することが好ましい。言い換えると、この場合の螺旋溝Ｆ３は、螺旋溝Ｆ３を基端から先端に向けてなぞると上から見て右回りに形成されている。螺旋溝Ｆ３をこのように設定することで、摩擦攪拌の際に塑性流動化した金属が螺旋溝Ｆ３によって攪拌ピンＦ２の先端側に導かれる。これにより、被接合金属部材（後記する第一金属部材１、第二金属部材２）の外部に溢れ出る金属の量を少なくすることができる。

　図１の（ｂ）に示すように、回転ツールＦを用いて摩擦攪拌を行う際には、被接合金属部材に回転した攪拌ピンＦ２のみを挿入し、被接合金属部材と連結部Ｆ１とは離間させつつ移動させる。言い換えると、攪拌ピンＦ２の基端部は露出させた状態で摩擦攪拌を行う。回転ツールＦの移動軌跡には摩擦攪拌された金属が硬化することにより塑性化領域Ｗが形成される。

　次に、本実施形態の複合圧延材の製造方法について説明する。本実施形態に係る複合圧延材の製造方法は、一対の金属部材同士を回転ツールＦで接合した後に圧延し、複合圧延材を得るというものである。

　図２の（ａ）に示すように、第一金属部材１は、板状を呈する。第一金属部材１は、第一上面１ｂと、第一下面１ｃと、第一上面１ｂと第一下面１ｃとを繋ぐ第一傾斜面１ａとを有する。第一金属部材１は、本実施形態ではアルミニウム合金で形成されているが、アルミニウム、銅、銅合金、チタン、チタン合金、マグネシウム、マグネシウム合金など摩擦攪拌可能な金属材料で形成してもよい。

　第二金属部材２は、板状を呈する。第二金属部材２は、第二上面２ｂと、第二下面２ｃと、第二上面２ｂと第二下面２ｃとを繋ぐ第二傾斜面２ａとを有する。第二傾斜面２ａは、第一傾斜面１ａと平行になっている。第二金属部材２は、第一金属部材１よりも融点が高く、かつ、摩擦攪拌可能な材料で形成されている。第二金属部材２は、本実施形態では銅（Ｃｕ１０２０）で形成されている。

　本実施形態に係る複合圧延材の製造方法は、準備工程と、突合せ工程と、接合工程と、圧延工程と、を行う。なお、特許請求の範囲の接合方法は、準備工程と、突合せ工程と、接合工程と、を行う工程である。

　準備工程は、前記した第一金属部材１、第二金属部材２及び回転ツールＦを用意する工程である。

　突合せ工程は、図２の（ｂ）に示すように、第一金属部材１と第二金属部材２の端部同士を突き合わせる工程である。突合せ工程では、第一金属部材１の第一傾斜面１ａと、第二金属部材２の第二傾斜面２ａとを面接触させて突合せ部Ｊを形成する。また、第一金属部材１の第一上面１ｂと第二金属部材２の第二上面２ｂとを面一にするとともに、第一金属部材１の第一下面１ｃと第二金属部材２の第二下面２ｃとを面一にする。

　より詳しくは、突合せ工程では、側面視した場合に、第一上面１ｂと第一傾斜面１ａとで構成される第一上交線１ｄが、第一下面１ｃと第一傾斜面１ａとで構成される第一下交線１ｅよりも対向する第二金属部材２側に位置するとともに、第二下面２ｃと第二傾斜面２ａとで構成される第二下交線２ｅが、第二上面２ｂと第二傾斜面２ａとで構成される第二上交線２ｄよりも対向する第一金属部材１側に位置するように第一傾斜面１ａと第二傾斜面２ａとを突き合わせて突合せ部Ｊを形成する。

　突合せ部Ｊの傾斜角度（鉛直軸Ｃと突合せ面とのなす角度）βは、本実施形態では２０°に設定している。攪拌ピンＦ２の外周面の傾斜角度α（図１の（ａ）参照）と突合せ部Ｊの傾斜角度βは同一の角度になっている。第一金属部材１と第二金属部材２とを突き合わせたら、架台に設けられたクランプ（図示省略）で各部材を移動不能に拘束する。

　接合工程は、回転ツールＦを用いて第一金属部材１と第二金属部材２とを接合する工程である。図２の（ｃ）に示すように、接合工程では、回転ツールＦの攪拌ピンＦ２を回転させつつ、第一金属部材１の第一上面１ｂであり、かつ、突合せ部Ｊの近傍に設定した開始位置Ｓｐに回転ツールＦを挿入する。そして、突合せ部Ｊの延長方向と平行に回転ツールＦを相対移動させる。回転ツールＦの移動軌跡には、塑性化領域Ｗが形成される。

　接合工程では、塑性化領域Ｗのうち、第二金属部材２側（第二金属部材２に近い側）がシアー側となり、第一金属部材１側（第二金属部材２から離間する側）がフロー側となるように設定している。つまり、本実施形態に係る接合工程では、進行方向右側に第一金属部材１が位置するように配置して、回転ツールＦを右回転させる。なお、進行方向右側に第二金属部材２が位置するように配置した場合は、回転ツールＦを左回転させることにより、第一金属部材１側がフロー側となる。

　図３に示すように、攪拌ピンＦ２の挿入深さは、適宜設定すればよいが、本実施形態では第一金属部材１の板厚の９０％程度の深さに設定している。また、本実施形態の接合工程では、回転ツールＦが第二金属部材２に接触せず、かつ、摩擦攪拌によって第一金属部材１と第二金属部材２とが拡散接合するように開始位置Ｓｐの位置を設定している。

　ここで、回転ツールＦの外周面と第二金属部材２とが大きく離間すると、突合せ部Ｊで第一金属と第二金属とが相互に拡散せず、第一金属部材１と第二金属部材２とを強固に接合することができない。一方、回転ツールＦと第二金属部材２とを接触させ、両者の重なり代を大きくした状態で摩擦攪拌を行うと、第二金属部材２を軟化させるために、接合条件を調節して入熱量を大きくする必要があり、接合不良となるおれがある。したがって、突合せ部Ｊで第一金属と第二金属とが相互に拡散して接合するように、回転ツールＦの外周面と第二金属部材２とをわずかに接触させた状態で接合するか、若しくは、回転ツールＦの外周面と第二金属部材２とを接触させず極力近づけた状態で接合することが好ましい。

　また、本実施例形態のように、第一金属部材１がアルミニウム合金部材であり、第二金属部材２が銅部材である場合、接合工程において、回転ツールＦの外周面と第二金属部材２（銅部材）とを接触させず極力近づけた状態で接合することが好ましい。因みに、入熱量が大きくなる接合条件下で、仮に回転ツールＦの外周面と第二金属部材２（銅部材）とを接触させたとすると、アルミニウム合金部材中に少量の銅部材が攪拌混入され、Ａｌ/Ｃｕの相互拡散が促進され、アルミニウム合金部材中に分散したＡｌ－Ｃｕ相が液相となり、アルミニウム合金部材側から多くのバリが発生して接合不良となる。

　図４に示すように、塑性化領域Ｗの上面にはバリＶが形成されるとともに、突合せ部Ｊに沿って凹部Ｑが形成される。塑性化領域Ｗの傾斜角度γは、突合せ部Ｊの傾斜角度βと略同一になっている。塑性化領域Ｗと第二金属部材２とは隣接している。つまり、塑性化領域Ｗは、突合せ部Ｊを超えて第二金属部材２側には形成されていない。凹部Ｑは、摩擦攪拌によって金属が外部に溢れることによって形成される凹溝である。接合工程が終了したら、バリＶを切除するバリ切除工程を行うことが好ましい。また、第一金属部材１の第一上面１ｂ及び第二金属部材２の第二上面２ｂを薄く切削して凹部Ｑを除去する切削工程を行ってもよい。

　圧延工程は、接合された第一金属部材１及び第二金属部材２を圧延する工程である。図５に示すように、圧延工程では、ローラＲ，Ｒを備えた圧延装置を用いて冷間圧延を行う。圧延工程では、接合工程における接合線（塑性化領域Ｗ）を圧延方向に設定して圧延する。以上により、図６に示す複合圧延材１０が形成される。圧延工程における圧下率は、第一金属部材１及び第二金属部材２の材料や複合圧延材１０の用途に応じて適宜設定すればよい。

　以上説明した複合圧延材の製造方法及び接合方法によれば、接合工程において、第一金属部材１及び第二金属部材２にショルダ部を接触させないため、入熱量をできるだけ小さくすることができ、摩擦抵抗を小さくすることができるので、回転ツールＦや摩擦攪拌装置への負荷を小さくすることができる。また、本実施形態のように、第一金属部材１がアルミニウム合金部材であり、第二金属部材２が銅部材である場合、接合工程において、回転ツールＦの外周面と第二金属部材２（銅部材）とを接触させず、かつ、極力近づけた状態で接合することが好ましい。このようにすると、アルミニウム合金部材側からバリＶが過剰に発生することなく、突合せ部Ｊで第一金属部材１と第二金属部材２との相互拡散が促進され強固に接合する。したがって、従来よりも第一金属部材１及び第二金属部材２への入熱量を抑え、回転ツールＦや摩擦攪拌装置への負荷を小さくすることができるとともに、第一金属部材１側からバリＶが過剰に発生するのを抑制することができる。さらに、ショルダ部を第一金属部材１及び第二金属部材２に接触させないため、回転ツールＦが高温になるのを防ぐことができる。これにより、回転ツールＦの材料選択が容易になるとともに、回転ツールＦの寿命を長くすることができる。

　塑性化領域Ｗのうち融点が高い第二金属部材２側がフロー側となると、突合せ部Ｊでの第一金属部材１の温度が低下して、異なる金属同士の界面における相互拡散が促進されず、接合不良となるおそれがある。そこで、入熱量を大きくするように接合条件を調節すると、シアー側となっている第一金属部材１側からバリが過剰に発生して接合欠陥となる。しかし、本実施形態のように、塑性化領域Ｗのうち、融点が高い第二金属部材２側がシアー側となるように設定することで、突合せ部Ｊでの第一金属部材１の温度を比較的高温に保つことが可能となり、異なる金属同士の界面における相互拡散が促進され、接合不良となるのを防ぐことができる。

　回転ツールＦの外周面を第二金属部材２にわずかに接触させてもよいが、本実施形態では回転ツールＦと第二金属部材２とを接触させないように設定しているため、第一金属部材１と第二金属部材２とが混合攪拌されるのを防止することができ、バリＶが過剰に発生して接合不良となるのをより確実に防ぐことができる。

　また、本実施形態のように、第一金属部材１及び第二金属部材２の端部にそれぞれ第一傾斜面１ａ及び第二傾斜面２ａを備えているため、突合せ部（突合せ面）が鉛直軸Ｃに平行となる場合と比べて突合せ部Ｊの接触面積を大きくすることができる。これにより、接合強度を高めることができる。

　また、本実施形態では、攪拌ピンＦ２の外周面の傾斜角度α（図１の（ａ）参照）と突合せ部Ｊの傾斜角度β（図２の（ｂ）参照）は同一の角度になっている。傾斜角度α及び傾斜角度βは異なるように設定してもよいが、両者を同一とすることで回転ツールＦと第二金属部材２との距離の設定が容易となる。つまり、回転ツールＦの外周面と第二金属部材２とが接触しない状態で、両者を極力近づける作業が容易となる。

　次に、本発明の変形例について説明する。図７は、変形例に係る接合工程を示す図であって、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は（ａ）のI-I断面図である。図７の（ａ）に示すように、変形例にかかる突合せ工程では、第一金属部材１と第二金属部材２とからなる組を複数組（図７では三組）並設させ、架台に設けられたクランプで移動不能に拘束する。

　本変形例では、第一金属部材１Ａと第二金属部材２Ａとからなる第一組と、第一金属部材１Ｂと第二金属部材２Ｂとからなる第二組と、第一金属部材１Ｃと第二金属部材２Ｃとからなる第三組とを並設させている。第一組、第二組及び第三組の突合せ部Ｊは、それぞれ平行になるように突き合わせる。

　また、本変形例では、隣り合う組同士の突合せ部も傾斜するように突き合わせる。つまり、第一金属部材１Ａと第二金属部材２Ｂとが突き合わされて形成される突合せ部Ｊ１と、第一金属部材１Ｂと第二金属部材２Ｃとが突き合わされて形成される突合せ部Ｊ２とが傾斜するように突き合わせる。突合せ部Ｊ１及び突合せ部Ｊ２の傾斜角度（鉛直軸に対する傾斜角度）は、いずれも－２０°に設定している。突合せ部Ｊ１及び突合せ部Ｊ２の傾きは、突合せ部Ｊの傾きとは反対となる。突合せ部Ｊ１及び突合せ部Ｊ２同士は平行になっている。

　接合工程では、前記した実施形態と同じ要領で回転ツールＦを用いて摩擦攪拌を行い、各突合せ部Ｊを接合する。また、接合工程では、突合せ部Ｊ１及び突合せ部Ｊ２に対しても前記した実施形態と同じ要領で回転ツールＦを用いて摩擦攪拌を行う。

　つまり、変形例に係る接合工程では、右回転する回転ツールＦを突合せ部Ｊ１の近傍であり、かつ、第一金属部材１Ａの上面の奥側（図７の（ａ）中の奥側）に挿入し、突合せ部Ｊ１に沿って回転ツールＦを第一金属部材１Ａの手前側に移動させる。つまり、突合せ部Ｊ１において、第二金属部材２Ｂ側がシアー側となるように回転ツールＦの回転方向及び移動方向を設定する。突合せ部Ｊ２においても、突合せ部Ｊ１と同じ要領で摩擦攪拌を行う。図７の（ａ）及び（ｂ）に示すように、本変形例では、第二金属部材２（２Ａ、２Ｂ、２Ｃ）には塑性化領域Ｗが形成されず、第一金属部材１（１Ａ，１Ｂ，１Ｃ）にのみ塑性化領域Ｗが形成される。

　第一金属部材１と第二金属部材２は、異なる材料で形成されているためその硬度も異なる。本実施形態のようにアルミニウム合金で形成された第一金属部材１と銅で形成された第二金属部材２とを圧延する場合は、銅部材よりもアルミニウム合金部材の方が硬度が低いため、第一金属部材１の方が大きく変形する。そのため、圧延後に得られる複合圧延材は、第一金属部材１が外側、第二金属部材２が内側となるように平面視して弓形に湾曲してしまう（図１２の（ａ）及び（ｂ）参照）。

　しかし、変形例に係る接合工程によれば、隣り合う金属部材の組同士を並設させた状態で移動不能に拘束しているため、各金属部材が平面視して弓形に変形するのを抑制することができる。また、一回のクランプ作業で、複数の突合せ部Ｊ，Ｊ１，Ｊ２に対する摩擦攪拌を連続して行うことができるため、製造サイクルを高めることができる。

　次に、本発明の実施例について説明する。実施例では、第一金属部材１はＡ１０５０（ＪＩＳ）で形成されており、第二金属部材２はＣｕ１０２０（ＪＩＳ）で形成されている。第一金属部材１及び第二金属部材２とも厚さは１０ｍｍ、幅は６０ｍｍに設定した。回転ツールＦの先端径の外径は４ｍｍに設定した。攪拌ピンＦ２の外周面の傾斜角度α（図１の（ａ）参照）及び突合せ部Ｊの傾斜角度β（図２の（ｂ）参照）はいずれも２０°に設定した。

　なお、アルミニウム合金Ａ１０５０の成分は、Ｓｉ：０．２５％以下、Ｆｅ：０．４０％以下、Ｃｕ：０．０５％以下、Ｍｎ：０．０５％以下、Ｍｇ：０．０５％以下、Ｚｎ：０．０５％以下、Ｖ：０．０５％以下、Ｔｉ：０．０３％以下、その他：各０．０３％以下、Ａｌ：９９．５０％以上である。
　銅Ｃｕ１０２０の成分は、Ｃｕ：９９．９６％以上である。

＜試験１＞
　図８の（ａ）に示すように、試験１では、接合工程における回転ツールＦの送り速度及び回転速度の影響を確認するための試験を行った。

　試験１では、回転ツールＦの挿入深さを９．０ｍｍ、回転ツールＦと第二金属部材２間の距離を０ｍｍ、第二金属部材２側がシアー側（Ａｄ側）となるように設定し、送り速度及び回転速度をパラメータとした。回転ツールＦは、右回転に設定した。なお、「回転ツールＦと第二金属部材２間の距離」とは、攪拌ピンＦ２の外周面から第二金属部材２の第二傾斜面２ａまでの距離のことであるが、本実施例形態において回転ツールＦと第二金属部材２間の距離が０ｍｍの場合は、回転ツールＦの外周面と第二金属部材２の第二傾斜面とは接触していないものとする。

　回転ツールＦの送り速度は、１００，１５０，２００，３００ｍｍ／ｍｉｎに設定した。また、回転ツールＦの回転速度は、７５０，９００，１０５０ｒｐｍに設定した。図８の（ｂ）及び（ｃ）に示すように、接合工程では、開始位置Ｓｐで回転ツールＦを挿入し、回転ツールＦを相対移動させた後、終了位置Ｅｐで回転ツールＦを離脱させた。また、接合工程では、一対の第一金属部材１及び第二金属部材２に対して回転速度は一定とし、一パスの中で送り速度を適宜変化させて各試験体を作成した。

　作成された試験体１－１～試験体１－１２について、平面及びマクロ組織断面で接合状態を観察した。観察において、凹部Ｑの深さ寸法が１．５ｍｍ以下（金属部材の板厚の１５％以下）である場合は「○」とし、凹部Ｑの深さ寸法が１．５ｍｍを超える場合は「×」と判定した。

　図８の（ｂ）に示すように、試験体１－１であると凹部Ｑは微小であり、バリもほとんど発生せず、接合状態は「○」であった。一方、試験体１－３，１－４であると凹部Ｑは大きくなり、バリＶも多く発生して接合状態は「×」であった。試験体１－３，１－４のバリＶは、第一金属部材１側に発生し、第二金属部材２側にはほとんど発生していない。

　図８の（ｃ）に示すように、試験体１－５，１－７であると凹部Ｑはほんと発生せず、バリＶも少量であり、接合状態は「○」であった。一方、試験体１－８であると凹部Ｑは大きくなり、バリＶも多く発生して接合状態は「×」であった。回転ツールＦの回転速度が一定である場合、送り速度は遅い方が接合状態が良好となることがわかった。なお、試験体１－５，１－７，１－８のバリＶは、第一金属部材１側に発生し、第二金属部材２側にはほとんど発生していない。

　図９は試験１における接合工程後の断面図であって、（ａ）は試験体１－７を示し、（ｂ）は試験体１－１１を示す。図９の（ｂ）の回転ツールＦの回転速度が１０５０ｒｐｍであった試験体１－１１の凹部Ｑは、図９の（ａ）の回転ツールＦの回転速度が９００ｒｐｍであった試験体１－７の凹部Ｑよりも小さい。回転ツールＦの送り速度が一定である場合、回転ツールＦの回転速度は速い方が接合状態が良好であることがわかった。

　また、各試験体を接合方向（塑性化領域Ｗ）に対して直角となる方向に切出して引張り試験体（長さ１００ｍｍ×幅２０ｍｍ寸法）を作成し、当該各試験体の引張強度を計測した。回転ツールＦの送り速度が１００ｍｍ／ｍｉｎであった試験体１－５の引張強度は７９ＭＰａであった。回転ツールＦの送り速度が２００ｍｍ／ｍｉｎであった試験体１－７の引張強度は４５ＭＰａであった。回転ツールＦの回転速度が一定である場合、回転ツールＦの送り速度は遅い方が引張強度が高いことがわかった。

　また、具体的な図示は省略するが、引張強度を計測した後の第一金属部材１及び第二金属部材２の破断面のうち、第二金属部材２側（銅部材側）の破断面におけるアルミニウム合金の付着量を観察した。当該観察の結果、試験体１－５の破断面の方が試験体１－７の破断面よりもアルミニウム合金が多く付着していることがわかった。回転ツールＦの送り速度が遅い試験体１－５では、第二金属部材２側にアルミニウム合金が多く付着しており、接合時の入熱量が大きく、突合せ部ＪにおけるＡｌ/Ｃｕの相互拡散が進行していたことがわかる。

　以上をまとめると試験１では、回転ツールＦが第二金属部材２に接触しない状態であれば、回転ツールＦの送り速度が遅く、かつ、回転ツールＦの回転速度が速いほど接合状態が良好になることがわかった。言い換えると、各金属部材への入熱量が大きいほど接合状態が良好になることがわかった。

＜試験２＞
　図１０の（ａ）に示すように、試験２では、接合工程における回転ツールＦと第二金属部材２間の距離の影響を確認するための試験を行った。

　試験２では、試験体２－１，２－２，２－３を作成した。これらの試験では、回転ツールＦの挿入深さを９．０ｍｍ、回転速度を７５０ｒｐｍ、シアー側（Ａｄ側）が第二金属部材２側となるように設定し、送り速度と回転ツールＦと第二金属部材２間の距離をパラメータとした。回転ツールＦは、右回転に設定した。

　試験２では、回転ツールＦの送り速度を１００，１５０，２００ｍｍ／ｍｉｎに設定し、回転ツールＦと第二金属部材２間の距離を０ｍｍ，－１ｍｍに設定した。回転ツールＦと第二金属部材２間の距離が－１ｍｍとは、第二金属部材２と回転ツールＦの外周面との重なり代が１ｍｍであることを意味する。

　図１０の（ａ）に示すように、回転ツールＦと第二金属部材２間の距離が０ｍｍであると、回転ツールＦの送り速度が１００ｍｍ/ｍｉｎであった試験体１－１では接合状態が「○」となる。一方、回転ツールＦと第二金属部材２間の距離が－１ｍｍであると、回転ツールＦの送り速度が１００～２００ｍｍ/ｍｉｎの範囲では、接合状態が「×」となることがわかった。図８の（ｂ）の試験体１－１では、塑性化領域Ｗの表面に目立った溝は確認されないが、図１０の（ｂ）の試験体２－１では、試験体２－１の塑性化領域Ｗの中央に大きな溝ができるとともに、塑性化領域Ｗの両側に多くのバリＶが発生している。つまり、回転ツールＦの外周面を第二金属部材２側に１ｍｍ侵入させると、接合状態は不良となることがわかる。また、図１０の（ｂ）に示すように、回転ツールＦの送り速度が遅い（＝入熱量が大きい）ほど、溝が大きくなることがわかる。

　回転ツールＦを第二金属部材２に１ｍｍ侵入させると、第一金属部材１（アルミニウム合金部材）中に第二金属部材２（銅部材）が攪拌混入され、Ａｌ/Ｃｕ界面の面積の増加とともに、Ａｌ/Ｃｕの相互拡散が促進され、分散したＡｌ－Ｃｕ相の融点が低下して液相となり、アルミニウム合金部材側から多くのバリが発生して接合不良となる。

＜試験３＞
　図１１の（ａ）に示すように、試験３では、接合工程における回転ツールＦのシアー側及びフロー側の影響を確認するための試験を行った。

　試験３では、試験体３－１，３－２，３－３を作成した。これらの試験では、回転ツールＦの挿入深さ９．０ｍｍ、回転速度を９００ｒｐｍ、回転ツールＦと第二金属部材２間の距離を０ｍｍとし、回転ツールＦの送り速度をパラメータとした。回転ツールＦは、右回転に設定した。

　試験３では、回転ツールＦの送り速度を１００，１５０，２００ｍｍ／ｍｉｎに設定した。図１１の（ｂ）に示すように、試験体３－１，３－２，３－３では、第二金属部材２側が回転ツールＦのフロー（Ｒｅ）側（第一金属部材１側が回転ツールのシアー（Ａｄ）側）となるように設定した。試験体３－１，３－２，３－３では、回転ツールＦを右回転させつつ、進行方向右側に第二金属部材２が位置するように配置し、前記した実施形態と同様の要領で摩擦攪拌を行った。

　図１１の（ａ）の試験体１－５，１－６，１－７に示すように、第二金属部材２側が回転ツールＦのシアー（Ａｄ）側となるように設定すると、回転ツールＦの送り速度１００～２００ｍｍ/ｍｉｎの範囲で、接合状態が「○」になる。図８の（ｃ）の試験体１－５，１－７を見ても塑性化領域Ｗに凹溝は形成されていない。このように、塑性化領域Ｗのうち、融点が高い第二金属部材２側がシアー側となるように設定することで、第一金属部材と第二金属部材の界面における温度を比較的高温に保つことが可能となり、接合不良となるのを防ぐことができる。

　一方、図１１の（ｂ）の試験体３－１，３－２，３－３に示すように、第二金属部材２側が回転ツールＦのフロー（Ｒｅ）側（第一金属部材１側が回転ツールのシアー（Ａｄ）側）となるように設定すると、接合状態が「×」になる。図１１の（ｂ）に示すように、試験体３－１，３－２，３－３の塑性化領域Ｗの突合せ部Ｊ側には大きな凹溝が形成されていることがわかった。このように、塑性化領域Ｗのうち、融点が高い第二金属部材２側がフロー側となると、第一金属部材１と第二金属部材２の界面における温度が低下して、界面における異なる金属同士の相互拡散が促進されず、接合不良となるおそれがある。一方、融点が低い第一金属部材１側がシアー側となると、フロー側と比べて入熱量が大きくかつ熱伝導性の良好な第二金属部材２（Ｃｕ）と接していない為、摩擦熱を放出することができず、バリが過剰に発生して接合欠陥となる。

＜試験４＞
　図１２の（ａ）及び（ｂ）及び図１３に示すように、試験４では、圧延工程で形成された複合圧延材１０の接合状態及び引張強度を確認するための試験を行った。

　試験４では、試験体１－５，１－６，１－７、試験体１－９，１－１０，１－１１に対して冷間圧延を施し、各試験体の平面の接合状態を観察するとともに、各試験体における引張強度を計測した。圧延工程では、接合された第一金属部材１及び第二金属部材２を複数回に分けて圧延装置に通し、徐々に薄くしていった。圧延工程を行う際に、突合せ部Ｊに割れが発生した場合は「×」とし、割れが発生しない場合は「○」と判定した。

　図１２の（ａ）に示すように、試験体１－５，１－６，１－７では、その厚さが５．４ｍｍ（圧下率４６％）になったときに試験体１－７の部分に割れＵが発生した。一方、図１３の（ｂ）に示すように、試験体１－９，１－１０，１－１１では、その厚さが３．０ｍｍ（圧下率７０％）になっても各試験体には割れが発生しなかった。また、図１２の（ａ）及び（ｂ）に示すように、第一金属部材１及び第二金属部材２は異なる金属であるため、その硬度が異なる。本実施例では、第二金属部材２（銅部材）よりも第一金属部材１（アルミニウム合金部材）の方が硬度が低いため大きく変形する。したがって、複合圧延材１０は、第二金属部材２が内側、第一金属部材１が外側となるように平面視弓形状になっている。

　また、各試験体を接合方向（塑性化領域Ｗ）に対して直角となる方向に切出して引張り試験体（長さ１００ｍｍ×幅２０ｍｍ寸法）を作成し、各試験体の引張強度を計測した。図１３に示すように、試験体１－６の引張強度は１１２ＭＰａであり、試験体１－９の引張強度は１４７ＭＰａであり、試験体１－１０の引張強度は１３４ＭＰａであった。この結果は、接合工程のみ行う試験１の結果と同じ傾向を示している。圧延工程を経た複合圧延材１０においても、接合工程時における入熱量が大きいほど、引張強度が大きくなることがわかった。

　具体的な図示は省略するが、引張強度を計測した後の第一金属部材１及び第二金属部材２の破断面を観察すると、試験体１－９，１－１０，１－１１のうち、第二金属部材２（銅部材）側の破断面に付着したアルミニウム合金は、試験体１－９が最も多く、試験体１－１１が最も少なかった。接合時の入熱量が大きい試験体の方が、第二金属部材２側にアルミニウム合金が多く付着しており、突合せ部ＪにおけるＡｌ/Ｃｕの相互拡散が進行していたと考えられる。

　１　　　第一金属部材
　２　　　第二金属部材
　１０　　複合圧延材
　Ｆ　　　回転ツール
　Ｆ１　　連結部
　Ｆ２　　攪拌ピン
　Ｆ３　　螺旋溝
　Ｗ　　　塑性化領域

Claims

　先細りの攪拌ピンを備えた回転ツールを用いて材料の異なる一対の金属部材を接合する接合方法であって、
　第一上面、第一下面及び前記第一上面と前記第一下面とを繋ぐ第一傾斜面を備えた第一金属部材と、
　第二上面、第二下面及び前記第二上面と前記第二下面とを繋ぐ第二傾斜面を備え、前記第一金属部材よりも融点の高い第二金属部材と、を準備する準備工程と、
　前記第一上面と前記第一傾斜面とで構成される第一上交線が、前記第一下面と前記第一傾斜面とで構成される第一下交線よりも前記第二金属部材側に位置するとともに、
　前記第二下面と前記第二傾斜面とで構成される第二下交線が、前記第二上面と前記第二傾斜面とで構成される第二上交線よりも前記第一金属部材側に位置するように前記第一傾斜面と前記第二傾斜面とを突き合わせて突合せ部を形成する突合せ工程と、
　回転する前記回転ツールを前記第一上面のみから挿入するとともに、前記攪拌ピンのみを少なくとも前記第一金属部材に接触させた状態で前記突合せ部に沿って前記回転ツールを相対移動させて前記第一金属部材と前記第二金属部材とを接合する接合工程と、を含むことを特徴とする接合方法。
　前記接合工程では、前記回転ツールの移動軌跡に形成される塑性化領域のうち、前記第二金属部材側がシアー側となり、前記第一金属部材側がフロー側となるように前記回転ツールの回転方向及び進行方向を設定することを特徴とする請求項１に記載の接合方法。
　前記第一金属部材はアルミニウム又はアルミニウム合金で形成し、前記第二金属部材は銅又は銅合金で形成するとともに、
　前記接合工程では、回転する前記回転ツールを前記第一上面のみから挿入するとともに、前記攪拌ピンのみを前記第一金属部材のみに接触させた状態で前記突合せ部に沿って前記回転ツールを相対移動させて前記第一金属部材と前記第二金属部材とを接合する
ことを特徴とする請求項１に記載の接合方法。
　前記回転ツールの外周面に基端から先端に向うにつれて左回りの螺旋溝を刻設した場合、前記回転ツールを右回転させ、
　前記回転ツールの外周面に基端から先端に向うにつれて右回りの螺旋溝を刻設した場合、前記回転ツールを左回転させることを特徴とする請求項１に記載の接合方法。
　材料の異なる一対の金属部材で形成された複合圧延材の製造方法であって、
　第一上面、第一下面及び前記第一上面と前記第一下面とを繋ぐ第一傾斜面を備えた第一金属部材と、
　第二上面、第二下面及び前記第二上面と前記第二下面とを繋ぐ第二傾斜面を備え、前記第一金属部材よりも融点の高い第二金属部材と、
　先細りの攪拌ピンを備えた回転ツールと、を準備する準備工程と、
　前記第一上面と前記第一傾斜面とで構成される第一上交線が、前記第一下面と前記第一傾斜面とで構成される第一下交線よりも前記第二金属部材側に位置するとともに、
　前記第二下面と前記第二傾斜面とで構成される第二下交線が、前記第二上面と前記第二傾斜面とで構成される第二上交線よりも前記第一金属部材側に位置するように前記第一傾斜面と前記第二傾斜面とを突き合わせて突合せ部を形成する突合せ工程と、
　回転する前記回転ツールを前記第一上面のみから挿入するとともに、前記攪拌ピンのみを少なくとも前記第一金属部材に接触させた状態で前記突合せ部に沿って前記回転ツールを相対移動させて前記第一金属部材と前記第二金属部材とを接合する接合工程と、
　前記接合工程で接合された前記金属部材同士を、接合線を圧延方向として圧延する圧延工程と、を含むことを特徴とする複合圧延材の製造方法。