WO2025263239A1 - 異材接合方法及び異材接合体 - Google Patents

Abstract

異材接合方法は、第１被接合材及び第２被接合材を固相接合する接合工程を備え、接合工程は、第１圧力を第１被接合材及び第２被接合材に対して印加すると共に、第１被接合材及び第２被接合材の界面を所定温度まで加熱する第１工程と、第１工程後、第２圧力を印加し、第１被接合材及び第２被接合材を変形させる第２工程と、を有し、第１圧力は、所定温度における第１被接合材の降伏強さに相当すると共に、所定温度における第２被接合材の降伏強さよりも低く、第２圧力は、室温における第１被接合材の降伏強さの８０％以上１１０％以下であり、第１被接合材の温度－降伏強さ曲線と、第２被接合材の温度－降伏強さ曲線との交点が存在しない。

Description

異材接合方法及び異材接合体

　本開示は、異材接合方法及び異材接合体に関する。

　従来より、自動車の電動化、航空宇宙産業の発展に伴う構造体の軽量化などの観点から、互いに異なる金属を含む被接合材同士の接合（異材接合）が盛んに研究開発されている。上記異材接合の実施によって、鋼板同士の接合体と比較して、軽量化された接合体を製造可能になる。例えば、下記特許文献１には、一方の部材を他方の部材に当接させた状態でそれらを同一軌跡上で繰り返し相対移動させて、一方の部材を他方の部材に摩擦接合する摩擦接合装置が開示されている。

特開２０１５－１６４７３８号公報

　上述した摩擦接合装置などを利用した固相接合にて異材接合を実施する場合、良好な継手効率を得る観点から、互いの被接合材の強度が同一となる温度にて接合されることが望ましい。しかしながら、被接合材の組み合わせが鉄鋼とアルミニウム合金である場合などにおいては、互いの被接合材の強度が同一となる温度が存在しない。この場合、単に摩擦接合などの固相接合を実施したとしても、接合部には酸化物が含まれやすくなると共に未接合領域が形成されやすく、良好な継手効率を得ることができないと考えられていた。

　一方で、互いの被接合材の強度が同一となる温度が存在する組み合わせであっても、当該温度が低すぎることがある。このような被接合材の組み合わせに対して摩擦接合などの固相接合を単に実施した場合、再結晶機構による冶金的な接合界面が形成されず、良好な継手効率を得ることができない。

　本開示の一側面の目的は、互いの被接合材の強度が同一となる温度が存在しない場合、ならびに、互いの被接合材の強度が同一となる温度が低すぎる場合であっても、良好な継手効率を示す異材接合体、及びそれを製造可能な異材接合方法を提供することである。

　本開示の一側面に係る異材接合方法は、第１金属を含む第１被接合材、及び、第１金属とは異なる第２金属を含む第２被接合材を突き合わせる準備工程と、第１被接合材及び第２被接合材を固相接合する接合工程と、を備え、接合工程は、第１被接合材及び第２被接合材の突き合わせ方向に沿った第１圧力を第１被接合材及び第２被接合材に対して印加すると共に、第１被接合材及び第２被接合材の界面を所定温度まで加熱する第１工程と、第１工程後、突き合わせ方向に沿った第１圧力よりも高い第２圧力を第１被接合材及び第２被接合材に対して印加し、第１被接合材及び第２被接合材を変形させる第２工程と、を有し、第１圧力は、所定温度における第１被接合材の降伏強さに相当すると共に、所定温度における第２被接合材の降伏強さよりも低く、第２圧力は、室温における第１被接合材の降伏強さの８０％以上１１０％以下であって、前記所定温度における前記第２被接合材の降伏強さ以上であり、第１被接合材の温度－降伏強さ曲線と、第２被接合材の温度－降伏強さ曲線との交点が存在しない、もしくは、交点の温度が所定温度よりも低い。

　本開示の一側面に係る異材接合体は、所定方向において互いに重なる第１被接合材及び第２被接合材と、第１被接合材及び第２被接合材を一体化する接合部と、を備え、接合部は、所定方向において第１被接合材及び第２被接合材の間に位置する接合領域と、所定方向から見て接合領域よりも外側に位置するバリ部と、を有し、バリ部は、第１被接合材に含まれる第１金属を有する第１部分と、第２被接合材に含まれる第２金属を有する第２部分とを有し、第１被接合材の温度－降伏強さ曲線と、第２被接合材の温度－降伏強さ曲線との交点が存在しない、もしくは、交点の温度が１５０℃よりも低く、所定方向において、第１被接合材の第１最大引張強度が第２被接合材の第２最大引張強度よりも低いとき、接合部の最大引張強度が、第１最大引張強度の９０％以上である。

　本開示の一側面によれば、互いの被接合材の強度が同一となる温度が存在しない場合、ならびに、互いの被接合材の強度が同一となる温度が低すぎる場合であっても、良好な継手効率を示す異材接合体、及びそれを製造可能な異材接合方法を提供できる。

図１は、実施形態に係る接合体を示す断面模式図である。 図２は、実施形態に係る第１部材及び第２部材の材料強度の温度依存性を示す図である。 図３の（ａ），（ｂ）は、実施形態に係る異材接合方法を説明するための断面模式図である。 図４は、異材接合方法において第１部材及び第２部材に印加される圧力の変化を示す図である。 図５は、変形例に係る第１部材及び第２部材の材料強度の温度依存性を示す図である。 図６は、実験例１の第１被接合材と第２被接合材との材料強度の温度依存性を示す図である。 図７の（ａ）は、実験例１にて形成される異材接合体の要部拡大写真であり、図７の（ｂ）は、実験例６の異材接合方法後の第１被接合材と第２被接合材との要部拡大写真である。 図８は、実験例１～６の継手の最大引張強度の測定結果を示す図である。 図９の（ａ）は、実験例７にて形成される異材接合体の要部拡大写真であり、図９の（ｂ）は、実験例８にて形成される異材接合体の要部拡大写真であり、図９の（ｃ）は、実験例９にて形成される異材接合体の要部拡大写真であり、図９の（ｄ）は、実験例１０にて形成される異材接合体の要部拡大写真である。 図１０の（ａ）は、実験例８の異材接合体に形成される継手の中央部を示す断面写真であり、図１０の（ｂ）は、実験例８の異材接合体に形成される継手の端部を示す断面写真であり、図１０の（ｃ）は、実験例１０の異材接合体に形成される継手の中央部を示す断面写真であり、図１０の（ｄ）は、実験例１０の異材接合体に形成される継手の端部を示す断面写真である。 図１１の（ａ）は、実験例１０の異材接合体に形成される継手の接合界面近傍における、第２被接合材の中央部の微細組織写真を示し、図１１の（ｂ）は、実験例１０の異材接合体に形成される継手の接合界面近傍における、第２被接合材の端部の微細組織写真を示す。 図１２は、実験例７～１０の継手の最大引張強度の測定結果を示す図である。 図１３は、実験例８～１０のビッカース硬さの分布を示すグラフである。

　以下、添付図面を参照して、本開示の実施形態について詳細に説明する。以下の説明において、同一要素または同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。本明細書における「同一」及びそれに類似する単語は、「完全同一」のみに限定されない。また、図面は、実施形態を概念的に説明するためのものであるから、表された各構成要素の寸法やそれらの比は実際のものとは異なる場合もある。

（１）異材接合方法の概要
　本実施形態に係る異材接合方法では、互いに異なる金属を含む被接合材同士が、摩擦接合によって接合される。具体例としては、本実施形態に係る異材接合方法は、第１金属を含む第１被接合材、及び、第１金属とは異なる第２金属を含む第２被接合材を突き合わせる準備工程と、第１被接合材及び第２被接合材を固相接合する接合工程と、を備え、接合工程は、第１被接合材及び第２被接合材の突き合わせ方向に沿った第１圧力を第１被接合材及び第２被接合材に対して印加すると共に、第１被接合材及び第２被接合材の界面を所定温度まで加熱する第１工程と、第１工程後、突き合わせ方向に沿った第１圧力よりも高い第２圧力を第１被接合材及び第２被接合材に対して印加し、第１被接合材及び第２被接合材を変形させる第２工程と、を有し、第１圧力は、所定温度における第１被接合材の降伏強さに相当すると共に、所定温度における第２被接合材の降伏強さよりも低く、第２圧力は、室温における第１被接合材の降伏強さの８０％以上１１０％以下であって、所定温度における前記第２被接合材の降伏強さ以上であり、第１被接合材の温度－降伏強さ曲線と、第２被接合材の温度－降伏強さ曲線との交点が存在しない、もしくは、交点の温度が所定温度よりも低い。上記異材接合方法によって製造される本実施形態に係る異材接合体は、所定方向において互いに重なる第１被接合材及び第２被接合材と、第１被接合材及び第２被接合材を一体化する接合部と、を備え、接合部は、所定方向において第１被接合材及び第２被接合材の間に位置する接合領域と、所定方向から見て接合領域よりも外側に位置するバリ部と、を有し、バリ部は、第１被接合材に含まれる第１金属を有する第１部分と、第２被接合材に含まれる第２金属を有する第２部分とを有し、第１被接合材の温度－降伏強さ曲線と、第２被接合材の温度－降伏強さ曲線との交点が存在しない、もしくは、交点の温度が１５０℃よりも低く、所定方向において、第１被接合材の第１最大引張強度が第２被接合材の第２最大引張強度よりも低いとき、接合部の最大引張強度が、第１最大引張強度の９０％以上である。

（２）異材接合方法の詳細
　次に、本実施形態に係る異材接合方法の詳細について説明する。まず、図１を参照しながら、本実施形態に係る異材接合方法によって製造される接合体について説明する。

　図１は、本実施形態に係る接合体を示す断面模式図である。図１に示されるように、接合体１は、第１部材２と、第２部材３と、第１部材２及び第２部材３を接合する接合部４と、を備える構造体である。接合体１は、例えば、自動車、輸送機器などの一部として利用される。本実施形態では、接合体１は、四角柱形状を有する棒状部材であるが、これに限られない。例えば、接合体１は、円柱形状もしくは多角柱形状を有する棒状部材でもよいし、板状部材でもよい。

　第１部材２と第２部材３とのそれぞれは、接合部４によって互いに接合される被接合材である。このため、接合体１において、第１部材２（第１被接合材）と第２部材３（第２被接合材）とは、互いに一体化されている。接合体１において、第１部材２と第２部材３とは、図１に示される方向Ｄ１に沿って突き合わせ接合されており、方向Ｄ１において互いに重なる。後述するように、本実施形態では、第１部材２と第２部材３とは、線形摩擦接合によって接合されている。第１部材２と第２部材３との形状、サイズなどは、特に限定されず、板材、シート材、棒材、角材等のバルク材とすることができる。第１部材２の形状と、第２部材３の形状とは、互いに同一でもよいし、互いに異なってもよい。本実施形態では、第１部材２の形状と、第２部材３との形状とのそれぞれは、柱状である。第１部材２のサイズと、第２部材３のサイズとは、互いに同一でもよいし、互いに異なってもよい。例えば、方向Ｄ１に直交する第１部材２の断面積は、方向Ｄ１に直交する第２部材３の断面積と同一でもよいし、異なってもよい。

　第１部材２と第２部材３とのそれぞれは、接合体１の製造中に印加される圧力（詳細は後述）に耐え得る室温強度を有し得る。この場合、接合体１の製造中において意図しない箇所での変形などが防止できる。

　第１部材２と第２部材３とのそれぞれは、冶金的に接合可能な金属相を有する部材である。本実施形態では、第１部材２と、第２部材３とは、互いに異なる材料を含む。すなわち、接合体１は、異種材料接合体である。第１部材２に含まれる金属と、第２部材３に含まれる金属とのそれぞれは、例えば、アルミニウム、鉄、マグネシウム、銅、チタン、ニッケル、亜鉛、コバルト、ニオブ、ジルコニウム、銀等である。第１部材２と第２部材３とのそれぞれは、上記金属を含む合金（例えば、アルミニウム合金、炭素鋼等の鋼、ニッケルクロム鋼、インバー（不変鋼）、チタン合金、ステンレス鋼、銅合金、マグネシウム合金など）を含んでもよい。一例では、第１部材２の硬度は、第２部材３の硬度よりも低く、第１部材２に含まれる金属（第１金属）の融点は、第２部材３に含まれる金属（第２金属）の融点よりも低い。一例では、第１部材２（第１被接合材）は、アルミニウム（第１金属）を含むアルミニウム合金材であり、第２部材３（第２被接合材）は、鉄（第２金属）を含む鋼材である。

　図２は、本実施形態に係る第１部材２及び第２部材３の材料強度の温度依存性を示す図である。図２において、縦軸は降伏強さを示し、横軸は温度を示し、グラフ１１は第１部材２の温度－降伏強さ曲線を示し、グラフ１２は第２部材３の温度－降伏強さ曲線を示す。図２に示されるように、本実施形態では、第１部材２の降伏強さ（降伏応力）は、全体的に第２部材３の降伏強さよりも低く、かつ、グラフ１１，１２の交点が存在しない。なお、グラフ１１におけるプロット１３は、室温における第１部材２の降伏強さを示す。

　接合部４は、接合体１において第１部材２と第２部材３とを一体化する部分である。本実施形態では、方向Ｄ１において、第１部材２の最大引張強度（第１最大引張強度）が第２部材３の最大引張強度（第２最大引張強度）よりも低いとき、接合部４の最大引張強度が、上記第１最大引張強度の９０％以上である。接合部４は、方向Ｄ１において第１部材２及び第２部材３の間に位置する接合領域５と、方向Ｄ１から見て接合領域５よりも外側に位置するバリ部６と、を有する。

　接合領域５は、第１部材２と第２部材３との接合に寄与する部分に相当し、第１部材２と第２部材３との界面Ｂ（被接合界面）を含む。接合領域５内の金属間化合物層の厚さは、例えば１μｍ以下である。この場合、金属間化合物層による接合強度の悪影響を良好に低減できる。バリ部６は、第１部材２と第２部材３との接合時に発生するバリが冷却された部分である。バリ部６は、第１部材２に含まれる金属を有する第１部分６ａと、第２部材３に含まれる金属を有する第２部分６ｂとを有する。第１部分６ａは、第１部材２と第２部材３との接合時に発生する第１部材２の軟化部分から形成される。第２部分６ｂは、第１部材２と第２部材３との接合時に発生する第２部材３の軟化部分から形成される。図１では、第１部分６ａの形状及びサイズは、第２部分６ｂの形状及びサイズと同様であるが、これに限られない。材料強度などの観点から、第１部分６ａは、第２部分６ｂよりも大きくてもよい。なお、第１部分６ａには第２部材３に含まれる金属が含まれてもよいし、第２部分６ｂには第１部材２に含まれる金属が含まれてもよい。

（異材接合方法）
　以下では、図３の（ａ），（ｂ）及び図４を参照しながら、本実施形態に係る異材接合方法の一例について詳述する。図３の（ａ），（ｂ）は、本実施形態に係る異材接合方法を説明するための断面模式図である。図４は、異材接合方法において第１部材２及び第２部材３に印加される圧力の変化を示す図である。図４には、図２と同様のグラフ１１，１２及びプロット１３～１５が示される。プロット１４は、後述する温度Ｔ１において第１部材２及び第２部材３に対して印加される第１圧力Ｐ１を示す。プロット１５は、後述する温度Ｔ１において第１部材２及び第２部材３に対して印加される第２圧力Ｐ２を示す。図４では、プロット１４はグラフ１１に重なり、プロット１５はグラフ１２に重なるが、これに限られない。プロット１４は、グラフ１１よりも上側に位置してもよい。プロット１５はグラフ１２よりも下側に位置してもよいし、グラフ１２よりも上側に位置してもよい。

　まず、図３の（ａ）に示されるように、第１部材２を第２部材３に突き合わせる（準備工程）。当該準備工程では、第１部材２の一端２ａと第２部材３の一端３ａとを突き合わせる。これにより、第１部材２と第２部材３との界面Ｂが形成される。以上によって、異材接合方法を実施するための準備が完了する。

　次に、第１部材２及び第２部材３を固相接合する（接合工程）。本実施形態では、当該接合工程は、例えば数秒内、もしくは１秒内で実施される。このため、後述する第１工程及び第２工程は、連続的かつ迅速に実施され得る。上記接合工程では、まず図３の（ｂ）に示されるように、方向Ｄ１に沿った第１圧力Ｐ１を第１部材２及び第２部材３に対して印加すると共に、第１部材２及び第２部材３の界面Ｂを温度Ｔ１（所定温度）まで加熱する（第１工程）。本実施形態では、当該第１工程にて第１部材２における界面Ｂの周辺部分を変形（塑性変形）させて、界面Ｂの近傍にバリ８が発生している。上記第１工程にて、界面Ｂの近傍に、第１部材２の軟化領域が形成され、かつ、当該軟化領域の少なくとも一部が界面Ｂから押し出されることによって、バリ８が発生する。上記第１工程では第１部材２の変形前に、後述する第２工程が実施されてもよい。なお、上記第１工程では、第２部材３は変形しない。また、上記第１工程にて第１部材２が変形しなくてもよい。

　上記第１工程における温度Ｔ１及び第１圧力Ｐ１のそれぞれは、例えば、第１部材２及び第２部材３の降伏強さの温度依存性（第１部材２の温度－降伏強さ曲線、第２部材３の温度－降伏強さ曲線）、室温における第１部材２の降伏応力、第１部材２及び第２部材３の少なくとも一方の引張強度の温度依存性、第１部材２及び第２部材３の少なくとも一方の流動応力の温度依存性などに応じて設定される。すなわち、温度Ｔ１及び第１圧力Ｐ１のそれぞれは、第１部材２の材質及び第２部材３の材質などによって適宜設定される。一例では、第１圧力Ｐ１は、第１部材２の温度－降伏強さ曲線に応じて設定される。本実施形態では、第１圧力Ｐ１は、温度Ｔ１における第１部材２の降伏強さに相当する。加えて、第１圧力Ｐ１は、温度Ｔ１における第２部材３の降伏強さよりも低い。このため上述したように、上記第１工程にて第１部材２が変形し得る一方で、第２部材３は変形しない。一例では、第１圧力Ｐ１は、一定であり、例えば１００ＭＰａ以上２００ＭＰａ以下である。なお、第１圧力Ｐ１が温度Ｔ１における第１部材２の降伏強さに相当する場合、第１圧力Ｐ１は、温度Ｔ１における第１部材２の降伏強さに一致しなくてもよい。例えば、第１圧力Ｐ１は、温度Ｔ１における第１部材２の降伏強さを基準値とした調整値でもよい。調整値は、第１部材２及び第２部材３の少なくとも一方の引張強度の温度依存性、第１部材２及び第２部材３の少なくとも一方の流動応力の温度依存性などの影響を踏まえて上記基準値が調整された値である。

　上記第１工程における温度Ｔ１までの加熱方法は、固相接合の種類によって適宜変更される。例えば、固相接合が摩擦圧接、線形摩擦接合などの場合、第１部材２と第２部材３との摩擦が、上記加熱方法に相当する。一方、固相接合が通電圧接方法などである場合、第１部材２及び第２部材３への通電が、上記加熱方法に相当する。本実施形態では、方向Ｄ１に直交する方向Ｄ２に沿った第１部材２と第２部材３との線形摩擦によって、界面Ｂを温度Ｔ１まで加熱する。温度Ｔ１は、例えば、第１部材２の温度－降伏強さ曲線、第２部材３の温度－降伏強さ曲線、第１圧力Ｐ１、第１部材２及び第２部材３の少なくとも一方の引張強度の温度依存性（例えば、第１部材２及び／または第２部材３の温度－引張強度曲線）、第１部材２及び第２部材３の少なくとも一方の流動応力の温度依存性（例えば、第１部材２及び／または第２部材３の温度－流動応力曲線）などによって定められる。本実施形態では、所定温度は、第１部材２の温度－降伏強さ曲線もしくは第２部材３の温度－降伏強さ曲線と、第１圧力Ｐ１とによって定められる。一例では、温度Ｔ１における第１部材２の降伏強さが第１圧力Ｐ１に相当するように、温度Ｔ１が設定される。これにより、上記第１工程にて界面Ｂが温度Ｔ１まで加熱されたとき、上述したように、第１部材２の上記軟化領域が形成される。なお、第１圧力Ｐ１が決定されてから温度Ｔ１が設定されてもよいし、温度Ｔ１が決定されてから第１圧力Ｐ１が設定されてもよい。例えば、上記第１工程にて第１圧力Ｐ１が一定である場合、界面Ｂが温度Ｔ１まで加熱されたときに第１部材２の変形が発生する。あるいは、上記第１工程にて温度Ｔ１が一定である場合、第１部材２及び第２部材３に対して印加する圧力が第１圧力Ｐ１に到達したときに第１部材２の変形が発生する。

　温度Ｔ１における第２部材３の降伏強さは、例えば、室温における第１部材２の降伏強さの８０％以上１１０％以下である。この場合、上記接合工程にて、第１部材２の意図しない箇所における変形を抑制できる。上記接合工程における第１部材２の意図しない箇所の変形防止の観点から、温度Ｔ１における第２部材３の降伏強さは、室温における第１部材２の降伏強さ未満でもよい。あるいは、上記変形防止の観点から、温度Ｔ１における第２部材３の降伏強さが室温における第１部材２の降伏強さ以上である場合、第１部材２の全周が治具などで固定されてもよい。これらの場合、後に説明する第２工程にて、第１部材２の形状が良好に保たれ得る。さらに、上記接合工程にて再結晶機構による冶金的な接合界面を形成する観点から、温度Ｔ１は、第１部材２及び第２部材３の材質にもよるが、一例では、１５０℃以上、１８０℃以上、もしくは２００℃以上である。なお、第１部材２と第２部材３との線形摩擦の条件は、特に限定されないが、例えば、方向Ｄ２に沿った第１部材２及び第２部材３の相対移動の周波数は、５０Ｈｚ以上１００Ｈｚ以下である。

　上記第１工程後、方向Ｄ１に沿った第１圧力Ｐ１よりも高い第２圧力Ｐ２を第１部材２及び第２部材３に対して印加し、第１部材２及び第２部材３における界面Ｂの周辺部分を変形（塑性変形）させる（第２工程）。当該第２工程では、界面Ｂの近傍に、第１部材２の軟化領域及び第２部材３の軟化領域が形成され、かつ、各軟化領域の少なくとも一部が、界面Ｂから押し出される。これにより、第２工程にて、第１部材２の新生面と第２部材３の新生面とが接触し、再結晶機構による冶金的な接合界面が良好に形成され得る。加えて、界面Ｂからのバリの排出が発生する。これにより、界面Ｂに存在している酸化物などの不純物が、バリに含まれて排出される。以上により、上記第２工程にて、第１部材２と第２部材３とを強固に接合する接合部４が形成され、接合体１が製造される。

　上記第２工程は、上記第１工程の開始後、予め定められた条件を満たしたときに開始する。すなわち、上記第１工程の開始後に予め定められた条件を満たしたとき、上記第１工程が終了し、上記第２工程が開始する。予め定められた条件は、上記第１工程の開始から経過した時間でもよいし、界面Ｂの温度でもよいし、第１部材２の寸法変化量（寄り代消費量）でもよい。上記第１工程にて第１部材２の変形が発生する場合、第１部材２の寸法変化量が所定の閾値を超えるとき、上記第２工程が開始されてもよい。

　上記第２工程では、界面Ｂの温度が、温度Ｔ１に維持されてもよいし、温度Ｔ１より高くてもよい。例えば、上記第２工程でも第１部材２と第２部材３との線形摩擦が実施されることによって、界面Ｂの温度が、温度Ｔ１に維持されてもよいし、温度Ｔ１より高くてもよい。

　第２圧力Ｐ２は、第１部材２及び第２部材３を変形させるために、第１部材２及び第２部材３に印加される。上記第２工程にて第１部材２に加えて第２部材３も変形させる観点から、第２圧力Ｐ２は、温度Ｔ１における第２部材３の降伏強さの８０％以上もしくは８５％以上である。上記接合工程にて第２部材３を確実に変形させる観点から、第２圧力Ｐ２は、温度Ｔ１における第２部材３の降伏強さ以上でもよい。上記接合工程における第１部材２の意図しない箇所の変形抑制の観点から、第２圧力Ｐ２は、室温における第１部材２の降伏強さの８０％以上１１０％以下である。上記接合工程における第１部材２の意図しない箇所の変形防止の観点から、第２圧力Ｐ２は、室温における第１部材２の降伏強さよりも低くてもよい。もしくは、第２圧力Ｐ２が室温における第１部材２の降伏強さ以上である場合、第１部材２の全周が治具などで固定されてもよい。これにより、上記第２工程における第１部材２の意図しない箇所の変形を防止できる。

　以上に説明した本実施形態に係る異材接合方法によって製造される異材接合体の作用効果について、従来の固相接合と比較しながら説明する。例えば、互いに異なる材料から形成される２つの被接合材の間に、温度－降伏強さ曲線の交点が存在しないにもかかわらず、当該２つの被接合材同士を従来の固相接合にて接合を試みた場合、良好な継手強度を得ることができない問題がある。継手強度を得る観点から、上記２つの被接合材の降伏強さの差が極力小さい温度及び圧力にて固相接合を実施することが考えられる。しかしながら、当該固相接合を実施した場合、一方の被接合材（降伏強さが低い被接合材）の意図しない箇所にて変形等が発生してしまう。もしくは、そもそも被接合界面が形成されないこともある。一方、降伏強さが低い被接合材を考慮した温度及び圧力にて固相接合が実施される場合、降伏強さが高い被接合材が変形しない。このため、接合部内に酸化物などが残存し、良好な継手効率を有する異材接合体が得られない。したがって、従来では、温度－降伏強さ曲線の交点が存在しない被接合材同士の固相接合では、良好な継手効率及び形状を有する異材接合体を得ることができないとされていた。

　これに対して本実施形態に係る異材接合方法では、上記接合工程にて、まず、方向Ｄ１に沿った第１圧力Ｐ１を第１部材２及び第２部材３に対して印加すると共に、界面Ｂを温度Ｔ１まで加熱する上記第１工程が実施される。第１圧力Ｐ１は、温度Ｔ１における第１部材２の降伏強さに相当すると共に、温度Ｔ１における第２部材３の降伏強さよりも低いことから、上記第１工程では第１部材２のみが変形可能になる。続いて、上記第１工程後、方向Ｄ１に沿った第２圧力Ｐ２を第１部材２及び第２部材３に対して印加し、第１部材２及び第２部材３を変形させる上記第２工程が実施される。このように、第１部材２及び第２部材３の両方の降伏強さを踏まえた接合工程が実施されることによって、温度－降伏強さ曲線の交点が存在しない被接合材同士の固相接合でも、良好な継手効率を有する接合体１が得られる。加えて、第２圧力Ｐ２は、室温における第１部材２の降伏強さの８０％以上１１０％以下であることから、上記接合工程にて、第１部材２の意図しない箇所における変形等を抑制できる。

　一例では、上記第１工程及び上記第２工程では、第１部材２及び第２部材３を線形摩擦してもよい。この場合、複雑な設備などを要することなく、上記接合工程を実施できる。加えて、上記第１工程及び上記第２工程にて、界面Ｂの温度を容易に調整できる。

　一例では、第２圧力Ｐ２は、温度Ｔ１における第２部材３の降伏強さ以上でもよい。この場合、上記第２工程にて、第２部材３における界面Ｂ近傍の部分を確実に変形できる。

　一例では、第２圧力Ｐ２は、室温における第１部材２の降伏強さよりも低くてもよい。この場合、上記第２工程にて、第１部材２の意図しない箇所における変形を防止できる。

　一例では、上記第１工程では、第１部材２を変形させてもよい。もしくは、上記第１工程及び上記第２工程では、界面Ｂの近傍に、第１部材２の軟化領域が形成され、かつ、当該軟化領域の少なくとも一部が、界面Ｂから押し出され、上記第２工程では、界面Ｂの近傍に、第２部材３の軟化領域が形成され、かつ、当該軟化領域の少なくとも一部が、界面Ｂから押し出される。これらの場合、上記第１工程は、単なる界面Ｂでの加熱工程ではなく、第１部材２の変形工程も含むこととなる。

　一例では、第１部材２に含まれる第１金属はアルミニウムであり、第２部材３に含まれる第２金属は鉄でもよい。もしくは、第１部材２はアルミニウム合金材であり、第２部材３は鋼材でもよい。これらの場合、自動車などの構造体に有用な接合体１を得ることができる。

　本開示に係る異材接合方法及び異材接合体は、以下の［１］～［１０］に記載する通りであり、上記実施形態に基づいてこれらを詳細に説明した。
［１］　第１金属を含む第１被接合材、及び、前記第１金属とは異なる第２金属を含む第２被接合材を突き合わせる準備工程と、
　前記第１被接合材及び前記第２被接合材を固相接合する接合工程と、
を備え、
　前記接合工程は、
　　前記第１被接合材及び前記第２被接合材の突き合わせ方向に沿った第１圧力を前記第１被接合材及び前記第２被接合材に対して印加すると共に、前記第１被接合材及び前記第２被接合材の界面を所定温度まで加熱する第１工程と、
　　前記第１工程後、前記突き合わせ方向に沿った前記第１圧力よりも高い第２圧力を前記第１被接合材及び前記第２被接合材に対して印加し、前記第１被接合材及び前記第２被接合材を変形させる第２工程と、を有し、
　前記第１圧力は、前記所定温度における前記第１被接合材の降伏強さ以上であって、前記所定温度における前記第２被接合材の降伏強さよりも低く、
　前記第２圧力は、室温における前記第１被接合材の降伏強さの８０％以上１１０％以下であって前記所定温度における前記第２被接合材の降伏強さ以上であり、
　前記第１被接合材の温度－降伏強さ曲線と、前記第２被接合材の温度－降伏強さ曲線との交点が存在しない、もしくは、前記交点の温度が前記所定温度よりも低い、
異材接合方法。
［２］　前記第１工程及び前記第２工程では、前記第１被接合材及び前記第２被接合材を線形摩擦する、［１］に記載の異材接合方法。
［３］　前記第２圧力は、室温における前記第１被接合材の降伏強さよりも低い、［１］または［２］に記載の異材接合方法。
［４］　前記交点は、１５０℃以下である、［１］～［３］のいずれかに記載の異材接合方法。
［５］　前記第１工程では、前記第１被接合材を変形させる、［１］～［４］のいずれかに記載の異材接合方法。
［６］　前記第１工程及び前記第２工程では、前記界面の近傍に、前記第１被接合材の軟化領域が形成され、かつ、当該軟化領域の少なくとも一部が、前記界面から押し出され、
　前記第１工程及び第２工程の少なくとも一方では、前記界面の近傍に、前記第２被接合材の軟化領域が形成され、
　前記第２工程では、前記軟化領域の少なくとも一部が、前記界面から押し出される、［１］～［５］のいずれかに記載の異材接合方法。
［７］　前記第１金属はアルミニウムであり、前記第２金属は鉄である、［１］～［６］のいずれかに記載の異材接合方法。
［８］　前記第１被接合材はアルミニウム合金材であり、前記第２被接合材は鋼材である、［７］に記載の異材接合方法。
［９］　所定方向において互いに重なる第１被接合材及び第２被接合材と、
　前記第１被接合材及び前記第２被接合材を一体化する接合部と、
を備え、
　前記接合部は、前記所定方向において前記第１被接合材及び前記第２被接合材の間に位置する接合領域と、前記所定方向から見て前記接合領域よりも外側に位置するバリ部と、を有し、
　前記バリ部は、前記第１被接合材に含まれる第１金属を有する第１部分と、前記第２被接合材に含まれる第２金属を有する第２部分とを有し、
　前記第１被接合材の温度－降伏強さ曲線と、前記第２被接合材の温度－降伏強さ曲線との交点が存在しない、もしくは、前記交点の温度が１５０℃よりも低く、
　前記所定方向において、前記第１被接合材の第１最大引張強度が前記第２被接合材の第２最大引張強度よりも低いとき、前記接合部の最大引張強度が、前記第１最大引張強度の９０％以上である、
異材接合体。
［１０］　前記第１被接合材はアルミニウム合金材であり、前記第２被接合材は鋼材である、［９］に記載の異材接合体。

　しかし、本開示の一側面は、上記実施形態及び上記［１］～［１０］に限定されない。本開示の一側面は、その要旨を逸脱しない範囲でさらなる変形が可能である。

　図５は、変形例に係る第１部材及び第２部材の材料強度の温度依存性を示す図である。図５において、グラフ２１は、変形例に係る第１部材の温度－降伏強さ曲線を示し、グラフ２２は、変形例に係る第２部材の温度－降伏強さ曲線を示し、プロット２３は、グラフ２１，２２の交点を示し、プロット２４は、グラフ２１上に位置し、プロット２５は、グラフ２２上に位置する。本変形例では、プロット２３の温度Ｔ２は、１５０℃以下であると共に、プロット２４，２５の温度Ｔ３は、温度Ｔ２よりも高く、例えば２００℃以上である。プロット２４の圧力Ｐ４は、プロット２３の圧力Ｐ３よりも低い。プロット２５の圧力Ｐ５は、プロット２４の圧力Ｐ４よりも高く、例えば、室温における第１部材の降伏強さよりも低い。

　このような変形例に係る第１部材及び第２部材を、プロット２３の温度にて固相接合すると、当該温度が低すぎるため、再結晶機構による冶金的な接合界面が異材接合体に形成されない。これに対して、変形例においても、上記実施形態と同様に、第１部材と第２部材とに対して圧力Ｐ４を印加して第１部材と第２部材との界面を温度Ｔ３まで加熱した後、第１部材と第２部材とに対して圧力Ｐ５を印加する。すなわち、プロット２４からプロット２５に移動するような条件にて、変形例に係る第１部材と第２部材とを固相接合する。このような場合、再結晶機構による冶金的な接合界面が第１部材と第２部材との間に形成可能であるので、良好な継手効率を有する異材接合体が得られる。加えて、プロット２５の圧力Ｐ５が室温における第１部材の降伏強さよりも低いことにより、上記固相接合中に第１部材の意図しない箇所における変形を防止可能である。

　本開示を以下の実験例によりさらに詳細に説明するが、本開示はこれらの例に限定されるものではない。

（実験例１）
　第１被接合材としてアルミニウム合金（型番：Ａ７０７５－Ｔ６）製の棒状部材（Ａ７０７５）を準備し、第２被接合材として中炭素鋼（型番：Ｓ４５Ｃ）製の棒状部材（Ｓ４５Ｃ）を準備した。第１被接合材の長さは７１ｍｍ（突出し長さ：１０ｍｍ）であり、幅は２０ｍｍであり、厚さは５ｍｍだった。第２被接合材の長さは６５ｍｍ（突出し長さ：４ｍｍ）であり、幅は２０ｍｍであり、厚さは５ｍｍだった。図６は、実験例１の第１被接合材と第２被接合材との材料強度の温度依存性を示す図である。図６において、グラフ３１は第１被接合材の温度－降伏強さ曲線であり、グラフ３２は、第２被接合材の温度－降伏強さ曲線である。グラフ３１，３２には交点が存在しない。なお、室温における第１被接合材の引張せん断強度は５７４ＭＰａであり、室温における第２被接合材の引張せん断強度は７４２ＭＰａだった。各引張せん断強度は、オートグラフ試験機（島津製作所製、ＳＨＩＭＡＤＺＵ　Ａｕｔｏｇｒａｐｈ　ＡＧ－１０ＴＢ）を用い、つかみ具間距離を８０ｍｍとし、クロスヘッド速度を１ｍｍ／分とした条件にて測定された。

　次に、第１被接合材と第２被接合材とを線形摩擦接合試験装置（ＡＣＢ社製、ＬＦＤ１５）に設置し、第１被接合材と第２被接合材とを突き合わせた。ここで、第２被接合材において、第１被接合材と第２被接合材との界面から０．５ｍｍ離れた位置には、熱電対が溶接される。

　次に、周波数：５０Ｈｚ、振幅：２ｍｍ、寄り代：７ｍｍ、圧力：５０ＭＰａの条件にて、第１被接合材と第２被接合材とを線形摩擦接合した。そして、図７の（ａ）に示される第１被接合材と第２被接合材との異材接合体を形成した。ここで、第１被接合材及び第２被接合材には、図７の（ａ）に示される方向Ｄ１に沿って上記圧力が印加された。また、図７の（ａ）に示される方向Ｄ２に沿って、第１被接合材と第２被接合材とが相対移動した。図７の（ａ）では、第１被接合材と第２被接合材との被接合界面の周辺に第１被接合材の一部から形成されるバリ（Ａｌ　ｂｕｒｒ）が確認されたが、第２被接合材の一部から形成されるバリは確認されなかった。

（実験例２）
　圧力：１００ＭＰａとしたこと以外は実験例１と同様の条件にて線形摩擦接合が実施された。これにより、異材接合体が製造された。

（実験例３）
　圧力：２００ＭＰａとしたこと以外は実験例１と同様の条件にて線形摩擦接合が実施された。これにより、異材接合体が製造された。

（実験例４）
　圧力：３００ＭＰａとしたこと以外は実験例１と同様の条件にて線形摩擦接合が実施された。これにより、異材接合体が製造された。

（実験例５）
　圧力：４００ＭＰａとしたこと以外は実験例１と同様の条件にて線形摩擦接合が実施された。実験例５では、第１被接合材と第２被接合材との被接合界面が形成されなかった。このため、異材接合体は製造されなかった。

（実験例６）
　圧力：５００ＭＰａとしたこと以外は実験例１と同様の条件にて線形摩擦接合が実施された。実験例６では、図７の（ｂ）に示されるように、第１被接合材と第２被接合材との被接合界面が形成されなかった。このため、異材接合体は製造されなかった。

　図８は、実験例１～６の継手の最大引張強度の測定結果を示す図である。図８において、縦軸は継手の最大引張強度を示し、横軸は第１被接合材と第２被接合材に印加される圧力（印加圧力）を示す。ここで、継手の最大引張強度は、第１被接合材及び第２被接合材の引張せん断強度の測定方法と同様の手法にて測定される、異材接合体の引張せん断強度に相当する。よって、実験例５，６では異材接合体は製造されなかったので、継手の最大引張強度は得られなかった。図８に示されるように、実験例２の最大引張強度が最も高く、約２５０ＭＰａだった。実験例１の継手の最大引張強度は、実験例２の継手の最大引張強度と同程度だった。実験例３，４の継手の最大引張強度は、実験例１，２の継手の最大引張強度よりも顕著に低かった。実験例１～６における継手効率の最大値は、約４３％だった。なお、継手効率は、継手の最大引張強度を、第１被接合材の引張せん断強度で除した値である。

（実験例７）
　実験例１と同様に、第１被接合材と第２被接合材とを突き合わせた。次に、周波数：５０Ｈｚ、振幅：２ｍｍ、圧力（第１圧力）：５０ＭＰａの条件にて、第１被接合材と第２被接合材とを線形摩擦した。ここで、第１被接合材の寄り代消費量が１ｍｍになったとき、方向Ｄ１に沿った第１被接合材と第２被接合材とに印加される圧力（第２圧力）を３００ＭＰａに変化させた。そして、図９の（ａ）に示される第１被接合材と第２被接合材との異材接合体を形成した。なお、第１圧力から第２圧力への変化時において、熱電対によって測定された温度は約４００℃だった。このことから、第１被接合材と第２被接合材との異材接合における被接合界面の最高温度もまた、約４００℃程度と言える。

（実験例８）
　実験例１と同様の条件にて、第１被接合材と第２被接合材とを線形摩擦した。ここで、第１被接合材の寄り代消費量が１ｍｍになったとき、方向Ｄ１に沿った第１被接合材と第２被接合材とに印加される圧力（第２圧力）を４００ＭＰａに変化させた。そして、図９の（ｂ）に示される第１被接合材と第２被接合材との異材接合体を形成した。図９の（ｂ）に示されるように、第２被接合材の一部に変形が確認された。

（実験例９）
　実験例１と同様の条件にて、第１被接合材と第２被接合材とを線形摩擦した。ここで、第１被接合材の寄り代消費量が１ｍｍになったとき、方向Ｄ１に沿った第１被接合材と第２被接合材とに印加される圧力（第２圧力）を５００ＭＰａに変化させた。そして、図９の（ｃ）に示される第１被接合材と第２被接合材との異材接合体を形成した。図９の（ｃ）に示されるように、第２被接合材の一部から形成されるバリ（Ｆｅ　ｂｕｒｒ）が確認された。

（実験例１０）
　実験例１と同様の条件にて、第１被接合材と第２被接合材とを線形摩擦した。ここで、第１被接合材の寄り代消費量が１ｍｍになったとき、方向Ｄ１に沿った第１被接合材と第２被接合材とに印加される圧力（第２圧力）を６００ＭＰａに変化させた。そして、図９の（ｄ）に示される第１被接合材と第２被接合材との異材接合体を形成した。図９の（ｄ）に示されるように、第２被接合材の一部から形成されるバリ（Ｆｅ　ｂｕｒｒ）が確認された。

　図１０の（ａ）は、実験例８の異材接合体に形成される継手の中央部を示す断面写真である。図１０の（ｂ）は、実験例８の異材接合体に形成される継手の端部を示す断面写真である。図１０の（ａ），（ｂ）に示されるように、実験例８の異材接合体に形成される継手において、中央部では未接合領域などの欠陥は確認されなかったが、端部では５００μｍ程度の未接合領域が確認された。この未接合領域は、第２被接合材の界面拡大が不十分であり、このため、被接合界面から酸化物などを十分に排出されなかったことによって形成されたと推察される。

　図１０の（ｃ）は、実験例１０の異材接合体に形成される継手の中央部を示す断面写真である。図１０の（ｄ）は、実験例１０の異材接合体に形成される継手の端部を示す断面写真である。図１０の（ｃ），（ｄ）に示されるように、実験例１０の異材接合体に形成される継手において、中央部及び端部のいずれにも、未接合領域などの欠陥は確認されなかった。よって、実験例１０では、第２被接合材の界面拡大が十分になされたと推察される。この界面拡大は、上記最高接合温度における第２被接合材の材料強度を第２圧力が上回り、第２被接合材が良好に変形したためになされたと推察される。なお、図示しないが、実験例９でも第２被接合材の界面拡大が十分になされたと推察される。

　図１１の（ａ）は、実験例１０の異材接合体に形成される継手の接合界面近傍における、第２被接合材の中央部の微細組織写真を示す。図１１の（ｂ）は、実験例１０の異材接合体に形成される継手の接合界面近傍における、第２被接合材の端部の微細組織写真を示す。図１１の（ａ），（ｂ）に示されるように、実験例１０では、継手の中央部及び端部のいずれにおいても、パーライト組織が分断されて球状化したセメンタイトが確認された。加えて、接合界面近傍では、結晶粒の微細化も確認された。上述した通り、第１被接合材と第２被接合材との異材接合における最高接合温度は約４００℃であることから、鉄鋼材料の変態点まで至らない。よって、組織の変化はせず、パーライト組織の分断のみが確認されたと考えられる。

　図１２は、実験例７～１０の継手の最大引張強度の測定結果を示す図である。図１２において、縦軸は継手の最大引張強度を示し、横軸は第１被接合材と第２被接合材に印加される第２圧力を示す。図１２に示されるように、実験例１０の継手の最大引張強度が最も高く、５３５ＭＰａだった。実験例９の継手の最大引張強度は、実験例１０と同程度であり、５３１ＭＰａだった。実験例７，８の継手の最大引張強度は、それぞれ２６７ＭＰａ、２９１ＭＰａであり、実験例９，１０の継手の最大引張強度よりも顕著に低かったが、実験例１～６の継手の最大引張強度よりも高かった。これらの違いは、上述したように、第２被接合材の変形が良好になされたか否かによると推察される。実験例７～１０における継手効率の最大値は、約９３％であり、実験例１～６における継手効率の最大値よりも顕著に高かった。

（硬度評価）
　実験例８～１０の継手の機械的特性を以下の通り評価した。図１３は、実験例８～１０のビッカース硬さの分布を示すグラフである。図１３において、横軸は、方向Ｄ１に沿った継手の接合中心からの距離を示し、縦軸はビッカース硬さを示す。図１３において、横軸における「０」よりも左側は第１被接合材のビッカース硬さを示し、横軸における「０」よりも右側は第２被接合材のビッカース硬さを示す。図１３に示されるように、実験例９，１０における第２被接合材の上記接合中心での硬度は、実験例８における第２被接合材の上記接合中心での硬度よりも高い。これは、接合加工における硬度上昇が見られたと考えられる。ただ、上述したように第２被接合材の組織変化が発生しなかったことから、実験例８～１０の全てにおいて、大幅な硬度上昇は確認されなかった。一方、実験例８～１０のいずれにおいても、第１被接合材の硬度上昇は見られなかった。これは、第２圧力の印加前に第１被接合材の一部から形成されるバリが発生したためと推察される。

　１…接合体、２…第１部材（第１被接合材）、３…第２部材（第２被接合材）、４…接合部、５…接合領域、６…バリ部、６ａ…第１部分、６ｂ…第２部分、Ｂ…界面、Ｐ１…第１圧力、Ｐ２…第２圧力、Ｔ１…温度（所定温度）。

Claims (10)

1. 　第１金属を含む第１被接合材、及び、前記第１金属とは異なる第２金属を含む第２被接合材を突き合わせる準備工程と、
   　前記第１被接合材及び前記第２被接合材を固相接合する接合工程と、
   を備え、
   　前記接合工程は、
   　　前記第１被接合材及び前記第２被接合材の突き合わせ方向に沿った第１圧力を前記第１被接合材及び前記第２被接合材に対して印加すると共に、前記第１被接合材及び前記第２被接合材の界面を所定温度まで加熱する第１工程と、
   　　前記第１工程後、前記突き合わせ方向に沿った前記第１圧力よりも高い第２圧力を前記第１被接合材及び前記第２被接合材に対して印加し、前記第１被接合材及び前記第２被接合材を変形させる第２工程と、を有し、
   　前記第１圧力は、前記所定温度における前記第１被接合材の降伏強さに相当すると共に、前記所定温度における前記第２被接合材の降伏強さよりも低く、
   　前記第２圧力は、室温における前記第１被接合材の降伏強さの８０％以上１１０％以下であって、前記所定温度における前記第２被接合材の降伏強さ以上であり、
   　前記第１被接合材の温度－降伏強さ曲線と、前記第２被接合材の温度－降伏強さ曲線との交点が存在しない、もしくは、前記交点の温度が前記所定温度よりも低い、
   異材接合方法。
2. 　前記第１工程及び前記第２工程では、前記第１被接合材及び前記第２被接合材を線形摩擦する、請求項１に記載の異材接合方法。
3. 　前記第２圧力は、室温における前記第１被接合材の降伏強さよりも低い、請求項１または２に記載の異材接合方法。
4. 　前記交点は、１５０℃以下である、請求項１または２に記載の異材接合方法。
5. 　前記第１工程では、前記第１被接合材を変形させる、請求項１または２に記載の異材接合方法。
6. 　前記第１工程及び前記第２工程では、前記界面の近傍に、前記第１被接合材の軟化領域が形成され、かつ、当該軟化領域の少なくとも一部が前記界面から押し出され、
   　前記第１工程及び第２工程の少なくとも一方では、前記界面の近傍に、前記第２被接合材の軟化領域が形成され、
   　前記第２工程では、前記軟化領域の少なくとも一部が、前記界面から押し出される、請求項１または２に記載の異材接合方法。
7. 　前記第１金属はアルミニウムであり、前記第２金属は鉄である、請求項１または２に記載の異材接合方法。
8. 　前記第１被接合材はアルミニウム合金材であり、前記第２被接合材は鋼材である、請求項７に記載の異材接合方法。
9. 　所定方向において互いに重なる第１被接合材及び第２被接合材と、
   　前記第１被接合材及び前記第２被接合材を一体化する接合部と、
   を備え、
   　前記接合部は、前記所定方向において前記第１被接合材及び前記第２被接合材の間に位置する接合領域と、前記所定方向から見て前記接合領域よりも外側に位置するバリ部と、を有し、
   　前記バリ部は、前記第１被接合材に含まれる第１金属を有する第１部分と、前記第２被接合材に含まれる第２金属を有する第２部分とを有し、
   　前記第１被接合材の温度－降伏強さ曲線と、前記第２被接合材の温度－降伏強さ曲線との交点が存在しない、もしくは、前記交点の温度が１５０℃よりも低く、
   　前記所定方向において、前記第１被接合材の第１最大引張強度が前記第２被接合材の第２最大引張強度よりも低いとき、前記接合部の最大引張強度が、前記第１最大引張強度の９０％以上である、
   異材接合体。
10. 　前記第１被接合材はアルミニウム合金材であり、前記第２被接合材は鋼材である、請求項９に記載の異材接合体。