(57)【要約】【課題】  本発明は、良好な接合面が得られ、且つコストアップににつながらない金属部材の接合方法を提供することを課題とする。【解決手段】  摩擦撹拌接合法で２つの金属製被接合部材１１を接合する接合方法において、２つの被接合部材１１間にインサート材１２を挟むと共に、このインサート材の一部を被接合部材１１から突出させ、この突出部１８を摩擦撹拌の際に流動化させて被接合部材１１に被せるようにしたことを特徴とする。具体的には、回転工具を回転させ、被接合部材１１と突出部１８を備えるインサート材１２との境界面となる挟み部１３にピンを食い込ませながら、回転工具の当り面１９をインサート材１２と被接合部材１１とに当接させ、挟み部１３に沿って送り速度Ｆで送ることにより被接合部材１１同士を接合する加工であるといえる。【選択図】      図３
2006015379.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
摩擦撹拌接合法で２つの金属製被接合部材を接合する接合方法において、
前記２つの被接合部材間にインサート材を挟むと共に、このインサート材の一部を被接合部材から突出させ、この突出部を摩擦撹拌の際に流動化させて被接合部材に被せるようにしたことを特徴とする金属部材の接合方法。
【請求項２】
前記インサート材は、前記被接合部材と異なる金属材料であることを特徴とする請求項１記載の金属部材の接合方法。
【請求項３】
前記被接合部材及び前記インサート材は、アルミニウム合金材料であることを特徴とする請求項１記載の金属部材の接合方法。
【請求項４】
前記アルミニウム合金材料は、マグネシウムを含むことを特徴とする請求項３記載の金属部材の接合方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、摩擦熱と機械的撹拌を利用した摩擦撹拌接合法により、母材を溶融させないで２つの金属製被接合部材を接合する接合方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
２つの金属製被接合部材を接合する摩擦撹拌接合法において、接合後の被接合部材の表面が凹部になることなどを抑え良好な接合を得るため、回転工具をあてる被接合部材の表面を凸部に形成するという方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特許第３０１４６５４号公報（図１４）
【０００３】
特許文献１を次図に基づいて説明する。
図８は従来の技術の基本構成を説明する図であり、この摩擦撹拌接合方法は、被接合部材１０１の表面１０１ａの端部に凸部１０２を備え、被接合部材１０３の表面１０３ａの端部に凸部１０４を備え、これらの凸部を備える被接合部材１０１、１０３を準備し、被接合部材１０１、１０３の接合部１０５に回転工具１０６をあて、摩擦撹拌接合を行う。被接合部材１０１、１０３の表面端部に凸部１０２、１０４を備えることにより、接合による部材の流失を補い、空孔などのない良好な接合を得るというものである。
【０００４】
しかしながら、空孔などのない良好な接合を得るため、接合前に、被接合部材の端部表面を凸部に形成する必要があり、コストアップにつながる。
良好な接合が得られ、且つコストアップにつながらない接合法の開発が望まれる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
そこで、本発明は、良好な接合面が得られ、且つコストアップにつながらない金属部材の接合方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１に係る発明は、摩擦撹拌接合法で２つの金属製被接合部材を接合する接合方法において、２つの被接合部材間にインサート材を挟むと共に、このインサート材の一部を被接合部材から突出させ、この突出部を摩擦撹拌の際に流動化させて被接合部材に被せるようにしたことを特徴とする。
【０００７】
請求項２に係る発明は、インサート材は、被接合部材と異なる金属材料であることを特徴とする。
【０００８】
請求項３に係る発明は、被接合部材及びインサート材は、アルミニウム合金材料であることを特徴とする。
【０００９】
請求項４に係る発明は、アルミニウム合金材料は、マグネシウムを含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
請求項１に係る発明では、被接合部材に対してインサート材の一部を被接合部材から突出させ、この突出部を摩擦撹拌の際に流動化させて被接合部材に被せるようにした。
インサート材を被接合部材から所定量だけ突出させたので、接合後に、被接合部材同士の接合する被接合部材の表面が凹部とはならないという利点がある。
【００１１】
従って、被接合部材の表面が凹部とならないようにするため、接合前に、被接合部材の表面を凸部に加工する必要はない。凸部に加工する必要がないため、コストを抑制し、且つ被接合部材の表面に凹部のない好ましい接合面を得ることができるという利点がある。
【００１２】
請求項２に係る発明では、インサート材は、被接合部材と異なる金属材料としたので、接合部は、インサート材と被接合部材の合金となる。
接合部は塑性域流動を伴うので、熱影響を受けるが、合金となるため、接合部の強度を向上させることができるという利点がある。
【００１３】
請求項３に係る発明では、被接合部材及びインサート材は、アルミニウム合金材料としたので、材質を選択し、共晶反応を利用することができれば、融点を下げることができる。融点を下げることで、接合に係る送り速度を上昇できる。送り速度が上昇するので、接合に係る作業効率を向上させることができるという利点がある。
【００１４】
請求項４に係る発明では、アルミニウム合金材料は、マグネシウムを含むので、接合部はマグネシウムを含んだ合金となる。接合部はマグネシウムを含む合金となることで、接合部の強度を一層向上することができるという利点がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明を実施するための最良の形態を添付図に基づいて以下に説明する。
図１は本発明に係る被接合部材を接合することを説明する平面図であり、２つの被接合部材１１、１１を向かい合わせて配置し、これらの被接合部材１１、１１の間にインサート材１２を挟んでセットし、インサート材１２を挟んだ挟み部１３に、図手前から奥に向かって、円形のピン１４と円形のショルダ部１５とからなる回転工具１６を回転させながらあて、所定の送り速度で送りながら、被接合部材１１同士を接合することを示す。
【００１６】
図２は、図１の２−２線断面図であり、回転工具１６の向きを前側を上げ、後側を下げる要領で傾斜角度θだけ傾斜させ、ピン１４とショルダ部１５とからなる回転工具１６を回転させ、送り速度Ｆで送ることを示す。
【００１７】
なお、Ｔ１は被接合部材１１の板厚、Ｔ２はインサート材１２の板厚、Ｔ３は接合後の被接合部材１１の板厚であり、Ｔ１とＴ３が等しくなるようにインサート材１２の板厚を設定する。
以下、図３〜６に基づいて、摩擦撹拌接合法により、回転工具１６が接合部１７を接合する過程を順に説明する。
【００１８】
図３は図１の３−３線断面図であり、被接合部材１１の間にインサート材１２を挟んでセットする。このインサート材１２は、被接合部材１１の表面１１ａに対し、突出部１８により所定量ｔだけ突出させて配置することを示す。
【００１９】
被接合部材１１及びインサート材１２は、アルミニウム合金材料であることを特徴とする。
被接合部材１１及びインサート材１２は、アルミニウム合金材料としたので、材質を選択して、共晶反応を利用することができれば、融点を下げることができる。融点を下げることで、接合に係る送り速度を上昇できる。送り速度が上昇するので、接合に係る作業効率を向上することが可能となる。
【００２０】
図２に戻って、本発明に係る摩擦撹拌接合法は、回転工具１６を回転させ、被接合部材１１と突出部１８を備えるインサート材１２との境界面となる挟み部１３（図１参照）にピン１４を食い込ませながら、ショルダ部１５が有する当り面１９をインサート材１２と被接合部材１１とに当接させ、挟み部１３に沿って送り速度Ｆで送り、被接合部材１１同士を接合するという方法である。
【００２１】
図４と図５とは、被接合部材１１とインサート材１２との間に形成する挟み部１３に、回転工具１６のピン１４を食い込ませながらこのピン１４を回転させ、回転工具１６を送り速度Ｆで送ったとき、ピン１４が通過する断面の様子と、ピンが通過した後の断面の様子である。
【００２２】
すなわち、図４は図１の４−４線断面図であり、接合時における回転工具１６の中央断面の状態を示す。
被接合部材１１とインサート材１２との間に形成する挟み部１３に、回転工具１６のピン１４を食い込ませながら、このピン１４を回転すると、回転工具１６のショルダ部１５に備える当り面１９とインサート材１２とが接触する一方、ピン１４は、インサート材１２と被接合部材１１とに接触する。そして、当り面１９とピン１４の周りの双方の領域で塑性域流動を起こす。
【００２３】
図５は図１の５−５線断面図であり、接合時における回転工具１６のピン１４（図４参照）が通過した後の断面の状態を示す。回転工具１６のショルダ部１５は、角度θだけ傾斜させたので、ショルダ部１５の当り面１９と被接合部材１１の表面１１ａとが接触し、接合後に被接合部材１１の表面１１ａが凹部とならないで好ましい表面に仕上げることができる。
【００２４】
なお、回転工具１６のピン１４は接合部１７を通過した後であり、この接合部１７における塑性域流動は概ね完了した状態である。
被接合部材１１とインサート材１２とが、ショルダ部１５（図４参照）に備える当り面１９及びピン１４の作用により、挟み部１３で合金化により接合する。
【００２５】
図６は図１の６−６線断面図であり、被接合部材１１の表面１１ａは、インサート材１２の突出部１８（図３参照）が摩擦撹拌の際に流動化するため、凹部になることはなく、好ましい接合面を得ることができる。
【００２６】
図３に戻って、摩擦撹拌接合法で２つの金属製被接合部材１１を接合する接合方法において、２つの被接合部材１１間にインサート材１２を挟むと共に、このインサート材の一部を被接合部材１１から突出させ、この突出部１８を摩擦撹拌の際に流動化させて被接合部材１１に被せるようにしたことを特徴とする。
【００２７】
インサート材１２を被接合部材１１から所定量ｔだけ突出させたので、接合後に、被接合部材１１同士が接合する被接合部材の表面１１ａは、凹部とはならないという利点がある。
加えて、接合前に、被接合部材１１の表面１１ａを凸部に加工する必要はない。
表面１１ａを凸部に加工する必要がないため、コストを抑制しながら、接合後においても凹部のない好ましい表面１１ａを得ることができる。
【００２８】
（実験例）
本発明に係る実施例及び比較例を以下に述べる。なお、本発明は実験例に限定されるものではない。
【００２９】
１．共通条件
（１−１）回転工具
ピンの直径：５ｍｍ
ショルダの直径：３０ｍｍ
回転速度：１０００ｒｐｍ
【００３０】
（１−２）試験片（被接合部材及びインサート材）の寸法及び組合せ
図７に示す構成
（１−３）試験回数
３回
【００３１】
（１−４）引張試験
試験片からＪＩＳに定められた形状、大きさのテストピースを切出し、試験機にかけて破断強度を調べた。破断強度は３回の試験による平均値とした。
【００３２】
２．実施例１〜６の条件：
（２−１）被接合部材の材質
アルミニウム合金Ａ１０５０、Ａ５０５２、Ａ６０６１又はＡ７０７５
（２−２）インサート材の材質
アルミニウム合金Ａ１０５０、Ａ５１８２、Ａ５０５２、Ａ６０６１又はＡ７０７５
【００３３】
３．比較例１〜４の条件：
（３−１）被接合部材の材質
アルミニウム合金Ａ１０５０、Ａ５０５２、Ａ６０６１又はＡ７０７５
インサート材は用いない。
【００３４】
実施例１〜６及び比較例１〜４に使用したアルミニウム合金の組成を次表に示す。
【００３５】
【表１】
2006015379.tif 000003
【００３６】
４．破断強度及び評価：
実施例１〜６及び比較例１〜４の破断強度及び評価を次表に示す。
【００３７】
【表２】
2006015379.tif 000004
【００３８】
ここで、母材の破断強度（Ａ）とは、各試験片を構成する母材の引張強さ（ＪＩＳ  Ｈ  ４０００）に接合部の断面積（６０ｍｍ２）を掛けた値であり、接合部がないときに母材が通常有する破断するときの強度である。
試験片の破断強度（Ｂ）は試験で得た破断許度（但し、３回の平均値）である。
【００３９】
破断強度の特性値（Ｃ）は、試験片の破断強度（Ｂ）から母材の破断強度（Ａ）を引いた値を母材の破断強度（Ｂ）で割った値であり、この値がプラスであれば、接合部の方が母材よりも強い傾向にあり、好ましい接合であるといえる。但し、破断強度の特性値が０〜±０．１程度までは、材料上のばらつきなどにより、母材と接合部との破断強度に大きな差があるとはいえない。
【００４０】
そこで、各実施例及び各比較例において、破断した３つの試験片を調べ、破断した部位が、母材内にある場合の試験片の個数（Ｄ）を数えたものを追記した。
接合の評価（Ｅ）は、破断強度の特性値（Ｃ）が±０．１を超えた範囲のうち、Ｃが０．１を上回る領域については、Ａ≪Ｂとなることであり、破断は母材で起こる。
一方、Ｃが−０．１を下回る場合については、Ａ≫Ｂであり、接合部の強度は、母材の強度に比べ劣るといえる。
すなわち、接合部は母材に比べて弱く、好ましい接合であるとはいえないので、評価は×とした。
【００４１】
次に、Ｃは±０．１以内にはあるが、Ｄの個数が２つ以下では、破断強度に大きな差はないが、接合部に破断するケースがあることから、評価は○とした。
最後に、Ｃが±０．１以内にあり、Ｄの個数が３つの場合では、接合部において破断するケースがないことから、好ましい接合であると判断し、評価は◎とした。
【００４２】
表２において、先ず、実験例１について説明すると、２つの被接合部材Ａ１０５０の間に、突出部を有する同じ材料のインサート材Ａ１０５０を挟んだ試験片を、摩擦撹拌接合後、引張試験を行った。
【００４３】
試験片の破断強度（Ｂ）は、５．７ｋＮで、破断強度の特性値（Ｃ）は−０．０５となった。接合部が母材よりも若干弱いという結果を示したが、±０．１以内であり、接合部と母材の強度に大きな差はないといえる。
【００４４】
次に、上述したように、破断が母材内で起きた場合の試験片の個数（Ｄ）を調べると、母材内での破断個数は、３つのうち２つであり、接合部に課題が残る。
従って、評価は○とした。
【００４５】
実験例２について説明すると、２つの被接合部材Ａ１０５０の間に、突出部を有する異種材料のインサート材Ａ５１８２を挟んだ試験片を、摩擦撹拌接合し、引張試験を行う。
試験片の破断強度（Ｂ）は、６．６ｋＮで、破断強度の特性値（Ｃ）は０．１となった。接合部が母材よりも強い傾向にあるものの、±０．１以内であり、接合部と母材の強度に大きな差はないといえる。
【００４６】
次に、破断が母材内で起きた試験片の個数（Ｄ）を調べると、母材内での破断個数は、３つのうち３つである。すなわち、接合部での破断はなく好ましい接合であるといえる。
従って、評価は◎とした。
他の実施例３〜６については、実施例１又は２の場合と類似しており説明は省略する。
【００４７】
比較例１について説明すると、２つの被接合部材Ａ１０５０を突き合わせた試験片を、摩擦撹拌接合し、引張試験を行う。
試験片の破断強度（Ｂ）は、６．０ｋＮで、破断強度の特性値（Ｃ）は−０．３となった。接合部が母材よりも弱いという結果を示したので、接合部と母材の強度に大きな差がみられた。
【００４８】
加えて、破断が母材内にある場合の試験片の個数（Ｄ）を調べると、母材内での破断個数は、３つのうち０つであり、破断は接合部に集中した。
従って、評価は×とした。他の比較例２〜４も同類であり、説明を省略する。
【００４９】
実験例１〜６のうち、実験例２、４は、母材とインサート材との材質が異なる場合である。実験例２、４においてインサート材に用いるＡ５１８２材は、母材のＡ１０５０材やＡ５０５２材に対して、マグネシウム（Ｍｇ）の含有量が多い材料である。
すなわち、インサート材１２は、被接合部材１１と異なる金属材料である。
このとき、母材内で破断した試験片はなく、破断は全て母材で発生した。
【００５０】
その理由として、インサート材１２は、被接合部材１１と異なる金属材料としたので、接合部１７は、インサート材１２と被接合部材１１の合金となる。
接合部１７は塑性域流動を伴うので、熱影響を受けるが、合金となるため、接合部１７の強度を向上させることができるといえる。
【００５１】
加えて、インサート材１２を形成するアルミニウム合金材料は、マグネシウムを含む。
インサート材１２を形成するアルミニウム合金材料は、マグネシウムを含むので、接合部１７はマグネシウムを含んだ合金となる。接合部１７はマグネシウムを含む合金となることで、接合部１７の強度を一層向上することができる。
【００５２】
尚、本実施例１、３、５及び６で示したように、インサート材と被接合部材とは、同一の金属材料であっても差し支えない。
また、インサート材１２を形成するアルミニウム合金材料に、マグネシウムを含ませるか、否かは任意とする。例えば、インサート材は、Ａ１１００、Ａ１２００、Ａ２０１１、Ａ３００３としても良い。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
本発明は、アルミニウム合金製車両の製造に好適である。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明に係る被接合部材を接合することを説明する平面図である。
【図２】図１の２−２線断面図である。
【図３】図１の３−３線断面図である。
【図４】図１の４−４線断面図である。
【図５】図１の５−５線断面図である。
【図６】図１の６−６線断面図である。
【図７】実験例１に係る被接合部材とインサート材とを組合せて接合部を形成した図である。
【図８】従来の技術の基本構成を説明する図である。
【符号の説明】
【００５５】
１１…被接合部材、１１ａ…被接合部材の表面、１２…インサート材、１４…ピン、１５…ショルダ部、１６…回転工具、１７…接合面、１８…突出部。
【図１】
2006015379.tif 000005
【図２】
2006015379.tif 000006
【図３】
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【図４】
2006015379.tif 000008
【図５】
2006015379.tif 000009
【図６】
2006015379.tif 000010
【図７】
2006015379.tif 000011
【図８】
2006015379.tif 000012