(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１金属部材と、主元素が前記第１金属部材に含まれる主元素と同一である第２金属部材と、前記第１金属部材の少なくとも一部と前記第２金属部材の少なくとも一部との間に挟まれ、主元素が前記第１金属部材および前記第２金属部材に含まれる主元素と同一であり、結晶粒径が２０μｍ以下である第３金属部材と、で構成された被接合部材に対して、先端に突起を有する工具を回転させながら前記被接合部材へ押圧し保持した後に引き抜くことにより、前記第１金属部材と前記第２金属部材と前記第３金属部材とを接合して、
下方に変形した部分を前記第１金属部材に形成するとともに、前記第２金属部材に窪みを形成し、前記窪みの内側に前記第１金属部材の前記部分が配され、前記窪みの内側において前記第１金属部材と前記第２金属部材との間に位置する部分の前記第３金属部材の厚みを、他の部分の前記第３金属部材の厚みよりも薄くする摩擦攪拌接合方法。
【請求項２】
第１金属部材と、第２金属部材と、前記第１金属部材の少なくとも一部と前記第２金属部材の少なくとも一部との間に挟まれ、接合時に超塑性を示す第３金属部材と、を有する被接合部材に対して、先端に突起を有する工具を回転させながら前記被接合部材へ押圧し保持した後に引き抜くことにより、前記第１金属部材と前記第２金属部材と前記第３金属部材とを接合して、
下方に変形した部分を前記第１金属部材に形成するとともに、前記第２金属部材に窪みを形成し、前記窪みの内側に前記第１金属部材の前記部分が配され、前記窪みの内側において前記第１金属部材と前記第２金属部材との間に位置する部分の前記第３金属部材の厚みを、他の部分の前記第３金属部材の厚みよりも薄くする摩擦攪拌接合方法。
【請求項３】
下方に変形した部分を有する第１金属部材と、
窪みが形成され、前記窪みの内側に前記第１金属部材の前記部分が配された第２金属部材と、
前記第１金属部材と前記第２金属部材との間に設けられ、前記第１金属部材および前記第２金属部材のそれぞれと接合され、前記第１金属部材および前記第２金属部材に含まれる結晶粒よりも小さな結晶粒を含む第３金属部材と、
を備え、
前記第３金属部材は、前記窪みの内側において前記第１金属部材と前記第２金属部材との間に位置する部分の厚みが、他の部分の厚みよりも薄い接合体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、摩擦攪拌接合方法および接合体に関する。
【背景技術】
【０００２】
複数の部材を接合する手法の１つに、摩擦攪拌接合がある。摩擦攪拌接合では、先端に突起のある工具を回転させながら部材に向けて押圧し、突起を部材中に挿入する。突起が挿入された接合部周辺では、摩擦熱により母材を軟化させるとともに、工具の回転によって接合部周辺を塑性流動させる。これにより複数の部材が接合部周辺で一体化される。
接合後の部材については、接合部周辺の疲労寿命は、長いことが望まれる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−３４６７７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明が解決しようとする課題は、接合後の部材の疲労寿命を延長することができる摩擦攪拌接合方法および接合体を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
実施形態に係る摩擦攪拌接合方法は、第１金属部材と、主元素が前記第１金属部材に含まれる主元素と同一である第２金属部材と、前記第１金属部材の少なくとも一部と前記第２金属部材の少なくとも一部との間に挟まれ、主元素が前記第１金属部材および前記第２金属部材に含まれる主元素と同一であり、結晶粒径が２０μｍ以下である第３金属部材と、で構成された被接合部材に対して、先端に突起を有する工具を回転させながら前記被接合部材へ押圧し保持した後に引き抜くことにより、前記第１金属部材と前記第２金属部材と前記第３金属部材とを接合して、下方に変形した部分を前記第１金属部材に形成するとともに、前記第２金属部材に窪みを形成し、前記窪みの内側に前記第１金属部材の前記部分が配され、前記窪みの内側において前記第１金属部材と前記第２金属部材との間に位置する部分の前記第３金属部材の厚みを、他の部分の前記第３金属部材の厚みよりも薄くする。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】実施形態に係る摩擦攪拌接合方法で用いられる摩擦攪拌接合装置を表す模式図である。
【図２】実施形態に係る摩擦攪拌接合方法で用いられる工具を表す模式図である。
【図３】実施形態に係る摩擦攪拌接合によって接合される被接合部材を表す模式図である。
【図４】実施形態に係る摩擦攪拌接合方法によって接合された被接合部材を表す模式図である。
【図５】比較例に係る摩擦攪拌接合方法を表す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下、図面を参照しつつ、実施の形態について例示をする。なお、各図面中、同様の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
図１は、実施形態に係る摩擦攪拌接合方法で用いられる摩擦攪拌接合装置１００を表す模式図である。
図２は、実施形態に係る摩擦攪拌接合方法で用いられる工具１４０を表す模式図である。
【０００８】
図１に表すように、摩擦攪拌接合装置１００は、載置部１１０、保持部１２０、および接合部１３０を備える。
【０００９】
載置部１１０には、被接合部材１が載置される。被接合部材１は、複数の金属部材が重ねられたものである。
保持部１２０は、載置部１１０上に載置された被接合部材１を保持する。
接合部１３０は、先端に工具１４０（接合ツール）を備える。接合部１３０は、中心軸１３０ａを中心として工具１４０を回転させる。
摩擦攪拌接合装置１００は、保持部１２０によって保持された被接合部材１に対して、接合部１３０によって回転させた工具１４０を押し当て、摩擦攪拌接合を行う。
【００１０】
図２に表すように、工具１４０は、基部１４２、突起１４３、およびショルダ部１４４を備える。図２に表す例では、基部１４２、突起１４３、およびショルダ部１４４は、一体に形成されている。
【００１１】
基部１４２は、例えば、柱状である。
突起１４３は、基部１４２の一方の端部に設けられている。突起１４３は、例えば、円錐台状であり、側面に螺旋状の溝が形成されている。
ショルダ部１４４は、基部１４２の突起１４３が設けられた側の端部であって、突起１４３の周りに設けられている。ショルダ部１４４の表面には、凹型のテーパが形成されている。
突起１４３およびショルダ部１４４は、これらの中心が、基部１４２の中心軸１４２ａと一致するように設けられている。
【００１２】
なお、図１および図２に表した摩擦攪拌接合装置１００および工具１４０の詳細な構造などについては、図１および図２に表した形態に限定されず、被接合部材１の構成や特性などに応じて適宜変更することが可能である。
【００１３】
図３は、実施形態に係る摩擦攪拌接合によって接合される被接合部材１を表す模式図である。
図３に表すように、被接合部材１は、第１金属部材１１、第２金属部材１２、および第３金属部材１３を備える。
第１金属部材１１および第２金属部材１２は、互いに接合される主たる部材である。
第３金属部材１３は、第１金属部材１１と第２金属部材１２との間に挟まれた部材である。
【００１４】
工具１４０が被接合部材１に押圧されると、摩擦熱により第１金属部材１１および第２金属部材１２が加熱される。第３金属部材１３は、この際に超塑性を示す部材である。
より具体的には、第３金属部材１３は、微細な結晶粒を含み、所定の温度に加熱された状態で応力が加えられることで、第１金属部材１１および第２金属部材１２よりも大きな伸びを示す。
【００１５】
第１金属部材１１、第２金属部材１２、および第３金属部材１３は、例えば、同一の主元素を含む。一例として、第１金属部材１１、第２金属部材１２、および第３金属部材１３は、アルミニウムまたはアルミニウム合金を含み、第３金属部材１３は、アルミニウムの微細な結晶粒を含む。この他に、第１金属部材１１、第３金属部材１３、および第２金属部材１２の材料として、マグネシウムやチタン、銅、鋼、亜鉛、鉛、またはこれらの合金などを用いることができる。
【００１６】
ここで、第３金属部材１３に含まれる結晶粒径について説明する。
例えば第３金属部材１３がアルミニウムを含む場合、第３金属部材１３に含まれる結晶粒が２０μｍ以下であれば、第３金属部材１３は、摩擦攪拌接合時に、超塑性を示す。
第３金属部材１３がその他の材料を含む場合、以下で述べる結晶粒径であれば、第３金属部材１３は、摩擦攪拌接合時に、超塑性を示す。
第３金属部材１３が銅合金を含む場合、結晶粒径は１５μｍ以下である。
第３金属部材１３が亜鉛合金を含む場合、結晶粒径は１０μｍ以下である。
第３金属部材１３がチタン合金を含む場合、結晶粒径は２μｍ以下である。
第３金属部材１３が鉄鋼材料を含む場合、結晶粒径は２μｍ以下である。
【００１７】
なお、第３金属部材１３に含まれる結晶粒の全てが必ずしも上述した条件を満たしている必要は無い。摩擦攪拌接合時に第３金属部材１３が超塑性を示す範囲であれば、第３金属部材１３に、上述した粒径よりも大きな結晶粒が含まれていてもよい。
【００１８】
次に、実施形態に係る摩擦攪拌接合方法について説明する。
まず、図１に表した摩擦攪拌接合装置１００の載置部１１０上に被接合部材１を載置し、保持部１２０によって保持する。次に、接合部１３０の工具１４０と被接合部材１との相対的な位置を合わせ、回転させた工具１４０を被接合部材１に押圧して突起１４３を被接合部材１中に挿入する。回転する工具１４０と被接合部材１との摩擦によって被接合部材１の温度が上昇し、第１金属部材１１および第２金属部材１２が軟化する。そして、軟化した第１金属部材１１と第３金属部材１３とが接合され、第２金属部材１２と第３金属部材１３とが接合される。すなわち、第１金属部材１１と第２金属部材１２とは、第３金属部材１３を介して接合される。
以上の工程により、第１金属部材１１と第２金属部材１２と第３金属部材１３とが接合された被接合部材１が得られる。
【００１９】
上述した摩擦攪拌接合方法において、各条件の一例を以下に述べる。
工具１４０について、基部１４２の径は５ｍｍ、突起１４３の径は２ｍｍ、突起１４３の高さは１．５ｍｍである。なお、ここでは、径は、基部１４２の中心軸１４２ａに対して垂直な方向における寸法を意味し、高さは、中心軸１４２ａに沿う方向における寸法を意味している。
第１金属部材１１の厚みは１．０ｍｍ、第２金属部材１２の厚みは１．０ｍｍ、第３金属部材１３の厚みは０．３ｍｍである。
摩擦攪拌接合時には、工具１４０の回転数を１０００〜３０００ｒｐｍ、工具１４０の第２金属部材１２に対する挿入速度を０．１〜１．０ｍｍ／ｍｉｎに設定し、突起１４３を第２金属部材１２に１．３〜１．９ｍｍ挿入し、０．５〜３．０秒間その状態で保持した後に、突起１４３を引き抜く。
【００２０】
上述した工程において、第１金属部材１１および第２金属部材１２が押圧されて軟化した際、第３金属部材１３は、超塑性を示し、第１金属部材１１と第２金属部材１２との間を延伸する。
この点について、図４を用いて説明する。
図４は、実施形態に係る摩擦攪拌接合方法によって接合された被接合部材１を表す模式図である。
なお、図４は、第２金属部材１２の側から第１金属部材１１に向けて工具１４０が押圧され、摩擦攪拌接合が行われた場合の様子を表している。
【００２１】
図４に表すように、第２金属部材１２は、工具１４０によって押圧されることで、下方に向けて大きく湾曲する。また、第１金属部材１１には窪みが形成され、第２金属部材１２の一部はこの窪みの内部に入り込む。第３金属部材１３は、第１金属部材１１および第２金属部材１２の変形に応じて、これらの間で延伸している。特に、第１金属部材１１が第２金属部材１２の窪みに入り込んでいる部分では、第３金属部材１３の伸び量が大きいため、この部分における第３金属部材１３の膜厚は、他の部分における膜厚よりも薄くなっている。
【００２２】
次に、本実施形態による効果を、図４および図５を参照しつつ説明する。
図５は、比較例に係る摩擦攪拌接合方法を表す模式図である。
具体的には、図５（ａ）は、摩擦攪拌接合される前の被接合部材１ａを表し、図５（ｂ）は、比較例に係る摩擦攪拌接合方法によって接合された被接合部材１ａを表す。
【００２３】
図５（ａ）に表すように、被接合部材１ａは、第１金属部材１１および第２金属部材１２のみを備え、第３金属部材１３を備えていない。この被接合部材１ａに対して、第２金属部材１２の側から第１金属部材１１に向けて押圧し、摩擦攪拌接合を行った場合、第１金属部材１１の一部が塑性流動し、第２金属部材１２中に流れ込む。このとき、塑性流動された第１金属部材１１の一部が、過度に第２金属部材１２中に流れこむことで、図５（ｂ）の破線で囲む部分のように、第２金属部材１２の厚みが局所的に薄くなり、被接合部材１ａの疲労寿命が短くなってしまう。
【００２４】
これに対して、本実施形態に係る摩擦攪拌接合方法では、接合を行う金属板同士の間に、摩擦攪拌時に超塑性を示す、第３金属部材１３が配されている。第３金属部材１３を間に配して第１金属部材１１および第２金属部材１２の摩擦攪拌接合を行うことで、図４に表したように、第１金属部材１１が塑性流動した際に、第２金属部材１２に向けての流動が第３金属部材１３によって抑制される。また、第３金属部材１３は超塑性を有するため、第１金属部材１１および第２金属部材１２との間において、第３金属部材１３が破断することなく、第１金属部材１１の塑性流動を抑制することができる。従って、接合後の第２金属部材１２には、図５で表したような、膜厚が薄い部分が形成され難い。
すなわち、本実施形態に係る摩擦攪拌接合方法によれば、接合後の被接合部材１の疲労寿命を延長させることが可能である。
【００２５】
なお、上述した課題は、第１金属部材１１の変形抵抗が、第２金属部材１２の変形抵抗よりも高い場合に、より顕著となりうる。これは、第２金属部材１２が第１金属部材１１に向けて塑性流動した際に、第１金属部材１１よりも第２金属部材１２の変形抵抗が高いと、第１金属部材１１がより排斥されやすく、第１金属部材１１の厚みが局所的により薄くなりやすいためである。
従って、本実施形態に係る摩擦攪拌接合方法は、第１金属部材１１の変形抵抗が、第２金属部材１２の変形抵抗よりも高い場合に、より有効である。
【００２６】
なお、変形抵抗とは、摩擦攪拌を行う際の、流動性を示す指標である。変形抵抗が低いほど、流動性が高い。変形抵抗は、例えば、摩擦攪拌中において、被接合部材１の温度を変化させた際の、工具１４０に加わる荷重の変化から求めることができる。例えば、種々のアルミニウム合金の変形抵抗については、岡村久宣等．“摩擦攪拌接合（ＦＳＷ）の開発状況と適用上の課題”．溶接学会誌．第７２巻，２００３年，１３４−１４２．において、図６およびそれに関連する説明にて述べられている。
【００２７】
以上、本発明のいくつかの実施形態を例示したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更などを行うことができる。これら実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。
【符号の説明】
【００２８】
１…被接合部材、  １１…第１金属部材、  １２…第２金属部材、  １３…第３金属部材、  １００…摩擦攪拌接合装置、  １１０…載置部、  １２０…保持部、  １３０…接合部、  １３０ａ…中心軸、  １４０…工具、  １４２…基部、  １４２ａ…中心軸、  １４３…突起、  １４４…ショルダ部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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