(57)【要約】      （修正有）【課題】接合強度を高いレベルで維持しながら、接合時間を短くする摩擦撹拌方法とその接合構造を提供する。【解決手段】鋼板Ｗ２として、その一方の面に亜鉛めっきを施した後合金化処理を行うことによりＺｎ−Ｆｅ合金層Ｗａを形成しているものを用意し、鋼板Ｗ２のＺｎ−Ｆｅ合金層Ｗａにアルミニウム板Ｗ１を重ね合わせ、この重ね合わせた板Ｗ１，Ｗ２の被接合部のアルミニウム板Ｗ１部分に回転ツール７を回転させながら押し込むことにより、その被接合部において、Ｚｎ−Ｆｅ合金層Ｗａの亜鉛をアルミニウム板Ｗ１に拡散させてＺｎ拡散層Ｗｂを形成しかつアルミニウム板Ｗ１のアルミニウムをＺｎ−Ｆｅ合金層Ｗａに拡散させてＡｌ−Ｆｅ中間層Ｗｃを形成する。【選択図】図２
2008212984.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼製部材とアルミニウム製部材とを重ね合わせ、該重ね合わせた部材の被接合部の該アルミニウム製部材部分に回転ツールを回転させながら押し込むことによって発生した摩擦熱で上記被接合部を軟化させて塑性流動させることにより、該被接合部を固相状態で点接合する摩擦点接合方法であって、
上記鋼製部材として、その一方の面に亜鉛めっきを施した後合金化処理を行うことによりＺｎ−Ｆｅ合金層を形成しているものを用意し、
上記鋼製部材のＺｎ−Ｆｅ合金層に上記アルミニウム製部材を重ね合わせ、該重ね合わせた部材の被接合部の上記アルミニウム製部材部分に上記回転ツールを回転させながら押し込むことにより、上記被接合部において、上記Ｚｎ−Ｆｅ合金層の亜鉛を上記アルミニウム部材に拡散させてＺｎ拡散層を形成しかつ上記アルミニウム部材のアルミニウムを上記Ｚｎ−Ｆｅ合金層に拡散させてＡｌ−Ｆｅ中間層を形成することを特徴とする摩擦点接合方法。
【請求項２】
請求項１記載の摩擦点接合方法において、
上記Ｚｎ−Ｆｅ合金層を形成している鋼製部材及び上記アルミニウム製部材は、それぞれプレス成形された車体構成部材であることを特徴とする摩擦点接合方法。
【請求項３】
鋼製部材とアルミニウム製部材とを重ね合わせ、該重ね合わせた部材の被接合部の該アルミニウム製部材部分に回転ツールを回転させながら押し込むことによって発生した摩擦熱で上記被接合部を軟化させて塑性流動させることにより、該被接合部を固相状態で点接合している摩擦点接合構造であって、
上記鋼製部材として、その一方の面に亜鉛めっきを施した後合金化処理を行うことによりＺｎ−Ｆｅ合金層を形成しているものを用意し、上記鋼製部材のＺｎ−Ｆｅ合金層に上記アルミニウム製部材を重ね合わせ、該重ね合わせた部材の被接合部の上記アルミニウム製部材部分に上記回転ツールを回転させながら押し込むことにより、上記被接合部において、上記Ｚｎ−Ｆｅ合金層の亜鉛を上記アルミニウム部材に拡散させてＺｎ拡散層を形成しかつ上記アルミニウム部材のアルミニウムを上記Ｚｎ−Ｆｅ合金層に拡散させてＡｌ−Ｆｅ中間層を形成していることを特徴とする摩擦点接合構造。
【請求項４】
請求項３記載の摩擦点接合構造において、
上記鋼製部材及び上記アルミニウム製部材は、それぞれプレス成形された車体構成部材であることを特徴とする摩擦点接合構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、摩擦点接合方法及び摩擦点接合構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、金属部材を重ね合わせ、この重ね合わせた部材の被接合部に回転ツールを回転させながら押し込むことによって発生した摩擦熱でその被接合部を軟化させて塑性流動させることにより、その被接合部を固相状態で点接合する摩擦点接合方法が知られている。
【０００３】
特許文献１には、鋼板及びアルミニウム合金板の間に亜鉛めっき層を介在させ、その被接合部のアルミニウム合金板部分に回転ツールを回転させながら押し込むことによって発生した摩擦熱でその被接合部のアルミニウム合金板部分を軟化させて塑性流動させることにより、その被接合部において、亜鉛めっき層の亜鉛を鋼板及びアルミニウム合金板に拡散させてＡｌ−Ｚｎ−Ｆｅ合金層を形成することが開示されている。
【特許文献１】特開２００２−６６７５９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、亜鉛の融点は比較的低い。このため、上記特許文献１では、回転ツールの押込み力が大き過ぎると、亜鉛めっき層が軟化して被接合部の外へ押し出されるおそれがあるので、その押込み力を抑える必要がある。しかしながら、このように回転ツールの押込み力を抑制すると、Ａｌ−Ｚｎ−Ｆｅ合金層を形成するのに時間を要してしまう。
【０００５】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、接合強度を高いレベルで維持しながら、接合時間を短くすることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
第１の発明は、鋼製部材とアルミニウム製部材とを重ね合わせ、該重ね合わせた部材の被接合部の該アルミニウム製部材部分に回転ツールを回転させながら押し込むことによって発生した摩擦熱で上記被接合部を軟化させて塑性流動させることにより、該被接合部を固相状態で点接合する摩擦点接合方法であって、上記鋼製部材として、その一方の面に亜鉛めっきを施した後合金化処理を行うことによりＺｎ−Ｆｅ合金層を形成しているものを用意し、上記鋼製部材のＺｎ−Ｆｅ合金層に上記アルミニウム製部材を重ね合わせ、該重ね合わせた部材の被接合部の上記アルミニウム製部材部分に上記回転ツールを回転させながら押し込むことにより、上記被接合部において、上記Ｚｎ−Ｆｅ合金層の亜鉛を上記アルミニウム部材に拡散させてＺｎ拡散層を形成しかつ上記アルミニウム部材のアルミニウムを上記Ｚｎ−Ｆｅ合金層に拡散させてＡｌ−Ｆｅ中間層を形成することを特徴とするものである。
【０００７】
これにより、鋼製部材として、その一方の面に亜鉛めっきを施した後合金化処理を行うことによりＺｎ−Ｆｅ合金層を形成しているものを用意し、鋼製部材のＺｎ−Ｆｅ合金層にアルミニウム製部材を重ね合わせ、この重ね合わせた部材の被接合部のアルミニウム製部材部分に回転ツールを回転させながら押し込むことにより、その被接合部において、Ｚｎ−Ｆｅ合金層の亜鉛をアルミニウム部材に拡散させてＺｎ拡散層を形成しかつアルミニウム部材のアルミニウムをＺｎ−Ｆｅ合金層に拡散させてＡｌ−Ｆｅ中間層を形成するので、接合強度を高いレベルで維持することができる。
【０００８】
また、Ｚｎ−Ｆｅ合金層の融点は比較的高いので、回転ツールの押込み力を強くしても、Ｚｎ−Ｆｅ合金層は軟化しにくい。このため、接合時間を短くすることができる。
【０００９】
以上により、接合強度を高いレベルで維持しながら、接合時間を短くすることができる。
【００１０】
第２の発明は、上記第１の発明において、上記Ｚｎ−Ｆｅ合金層を形成している鋼製部材及び上記アルミニウム製部材は、それぞれプレス成形された車体構成部材であることを特徴とするものである。
【００１１】
これにより、プレス成形された車体構成部材の被接合部を固相状態で点接合する場合において、上記第１の発明の作用・効果を発揮することができる。
【００１２】
第３の発明は、鋼製部材とアルミニウム製部材とを重ね合わせ、該重ね合わせた部材の被接合部の該アルミニウム製部材部分に回転ツールを回転させながら押し込むことによって発生した摩擦熱で上記被接合部を軟化させて塑性流動させることにより、該被接合部を固相状態で点接合している摩擦点接合構造であって、上記鋼製部材として、その一方の面に亜鉛めっきを施した後合金化処理を行うことによりＺｎ−Ｆｅ合金層を形成しているものを用意し、上記鋼製部材のＺｎ−Ｆｅ合金層に上記アルミニウム製部材を重ね合わせ、該重ね合わせた部材の被接合部の上記アルミニウム製部材部分に上記回転ツールを回転させながら押し込むことにより、上記被接合部において、上記Ｚｎ−Ｆｅ合金層の亜鉛を上記アルミニウム部材に拡散させてＺｎ拡散層を形成しかつ上記アルミニウム部材のアルミニウムを上記Ｚｎ−Ｆｅ合金層に拡散させてＡｌ−Ｆｅ中間層を形成していることを特徴とするものである。
【００１３】
第４の発明は、上記第３の発明において、上記鋼製部材及び上記アルミニウム製部材は、それぞれプレス成形された車体構成部材であることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、鋼製部材として、その一方の面に亜鉛めっきを施した後合金化処理を行うことによりＺｎ−Ｆｅ合金層を形成しているものを用意し、鋼製部材のＺｎ−Ｆｅ合金層にアルミニウム製部材を重ね合わせ、この重ね合わせた部材の被接合部のアルミニウム製部材部分に回転ツールを回転させながら押し込むことにより、その被接合部において、Ｚｎ−Ｆｅ合金層の亜鉛をアルミニウム部材に拡散させてＺｎ拡散層を形成しかつアルミニウム部材のアルミニウムをＺｎ−Ｆｅ合金層に拡散させてＡｌ−Ｆｅ中間層を形成するので、接合強度を高いレベルで維持することができ、また、Ｚｎ−Ｆｅ合金層の融点は比較的高いので、回転ツールの押込み力を強くしても、Ｚｎ−Ｆｅ合金層は軟化しにくく、接合時間を短くすることができ、以上により、接合強度を高いレベルで維持しながら、接合時間を短くすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１６】
図１は、本発明の実施形態に係る接合ガン１の概略構成図である。図１に示すように、この接合ガン１は、接合ユニット２と把持フレーム３とを備えている。そして、例えば、図示しないロボットの手首に把持フレーム３を取り付け、自動車の車体に用いられるワークＷ（図２参照）のアルミニウム製部材Ｗ１及び鋼製部材Ｗ２を厚み方向に重ねた状態で接合ユニット２により点状に固相状態で接合するようになっている。本実施形態では、アルミニウム製部材Ｗ１はアルミニウム板であり、鋼製部材Ｗ２は鋼板である。この鋼板Ｗ２は、その一方の面に亜鉛めっきを施した後合金化処理を行うことによりＺｎ−Ｆｅ合金層Ｗａを形成しているものである。このＺｎ−Ｆｅ合金層Ｗａの融点は、例えば５３０〜６００℃である。また、アルミニウム板Ｗ１及びＺｎ−Ｆｅ合金層Ｗａを形成している鋼板Ｗ２は、それぞれプレス成形された車体構成部材である。
【００１７】
上記接合ユニット２は、装置本体４と押圧軸モータ５と回転軸モータ６とを備えている。この装置本体４の下側には、鉄製の回転ツール７が取り付けられている。この回転ツール７は、底面が平面の、円柱状のショルダー部７ａと、このショルダー部７ａの底面の中心から下側に突出する、直径がショルダー部７ａ部の直径よりも小さい円柱状のピン部７ｂとを有している。回転ツール７は、回転軸モータ６によって回転軸心Ｘ回りに回転されると共に、押圧軸モータ５によって回転軸心Ｘ方向に昇降されるように構成されている。押圧軸モータ５及び回転軸モータ６は、これらをコントロールする制御盤（図示せず）に接続されている。
【００１８】
上記把持フレーム３の側面視Ｌ字状のアーム３ａの先端には、円柱状の受け部材８が取り付けられている。そして、回転ツール７及び受け部材８により、ワークＷの被接合部を挟み込むようにしている。
【００１９】
−接合ガンによるワークの摩擦点接合工程−
以下、図１〜図４を参照しながら、接合ガン１によるワークＷの摩擦点接合工程について説明する。
【００２０】
まず、１枚のアルミニウム板Ｗ１と、一方の面にＺｎ−Ｆｅ合金層Ｗａを形成している、１枚の鋼板Ｗ２とを用意する。それから、図１〜図３に示すように、鋼板Ｗ２のＺｎ−Ｆｅ合金層Ｗａにアルミニウム板Ｗ１を重ね合わせてワークＷとし、このワークＷの下面（鋼板Ｗ２側の面）を受け部材８で受ける。
【００２１】
次に、回転軸モータ６を駆動して、回転ツール７を回転軸心Ｘ回りに回転させる。回転ツール７の回転数が目標回転数に到達した後、回転ツール７を回転させながら、押圧軸モータ５を駆動して、回転ツール７を下降させる。
【００２２】
このようにして、押圧軸モータ５を駆動してピン部７ｂがワークＷの上面（アルミニウム板Ｗ１側の面）に当接するまで回転ツール７を下降させる。これにより、回転ツール７及び受け部材８でワークＷの被接合部を挟み込む。そして、図２（ａ）に示すように、このワークＷの被接合部のアルミニウム板Ｗ１部分に回転ツール７を回転軸心Ｘ方向（図２では下方向）に押し込む。この押込みにより、回転ツール７及びアルミニウム板Ｗ１の間に摩擦熱が発生する。この摩擦熱の温度は、例えば４００〜５００℃である。この摩擦熱により、ワークＷの被接合部のアルミニウム板Ｗ１部分は軟化するが、高融点のＺｎ−Ｆｅ合金層Ｗａ部分や鋼板Ｗ２部分は軟化しない。なお、上述のように、回転ツール７のショルダー部７ａの底面は平坦なので、摩擦熱が発生しやすくなっている。
【００２３】
それから、図２（ｂ）及び（ｃ）に示すように、ピン部７ｂがワークＷのＺｎ−Ｆｅ合金層Ｗａ部分にまで至らないように回転ツール７の回転及び押込みを継続させる。これにより、ワークＷの被接合部のアルミニウム板Ｗ１部分にだけ塑性流動が発生し、この被接合部において、Ｚｎ−Ｆｅ合金層Ｗａの亜鉛がアルミニウム板Ｗ１に拡散してＺｎ拡散層Ｗｂが形成されかつアルミニウム板Ｗ１のアルミニウムがＺｎ−Ｆｅ合金層Ｗａに拡散してＡｌ−Ｆｅ中間層Ｗｃが形成される。このとき、Ｚｎ−Ｆｅ合金層Ｗａの亜鉛は、ほとんどすべてアルミニウム板Ｗ１内に拡散する。このため、Ａｌ−Ｆｅ中間層Ｗｃは、亜鉛成分が少なく、アルミニウム及び鉄を主成分とするものとなる。
【００２４】
アルミニウム板Ｗ１内の塑性流動を所定時間継続させた後、回転ツール７を回転させたまま、押圧軸モータ５を逆転させて回転ツール７を上昇させ、回転ツール７をワークＷのアルミニウム板Ｗ１内から引き抜く。
【００２５】
その後、ワークＷは冷却されて硬化し、ワークＷの接合が完了する。こうして、図４に示すように、ワークＷの接合部において、Ａｌ−Ｆｅ中間層Ｗｃ及びＺｎ拡散層Ｗｂを積層形成している摩擦点接合構造が得られる。このＡｌ−Ｆｅ中間層Ｗｃの厚さは、接合前のＺｎ−Ｆｅ合金層Ｗａとほぼ同じ厚さである。そして、Ａｌ−Ｆｅ中間層Ｗｃを介して、アルミニウム板Ｗ１及び鋼板Ｗ２は接合している。
【００２６】
−実施例−
以下、本発明の実施例について説明する。
【００２７】
＜接合ユニット＞
接合ユニットを位置制御型のユニットとした。回転ツールのショルダー部の直径を１０ｍｍとした。回転ツールのピン部の直径を２ｍｍ、長さを０．３５ｍｍとした。
【００２８】
＜ワーク材料＞
図５に示すように、実施例１〜３では、アルミニウム製部材として、厚み１．４ｍｍの６０００系アルミニウム合金板を準備し、鋼製部材として、その一方の面に亜鉛めっきした後加熱処理することによりＺｎ−Ｆｅ合金層を形成している、厚み０．７ｍｍのＧＡ鋼板を準備した。このＧＡ鋼板は、防錆性に加えて、優れたプレス成形性やめっき密着性なども有している。実施例４では、アルミニウム製部材として、厚み１．２ｍｍの６０００系アルミニウム合金板を準備し、鋼製部材として、実施例１〜３と同じＧＡ鋼板を準備した。
【００２９】
＜接合方法＞
実施例１〜４では、ＧＡ鋼板のＺｎ−Ｆｅ合金層上にアルミニウム合金板を重ねてワークとし、このワークの被接合部のアルミニウム合金板部分に回転ツールを回転させながら押し入れ、その被接合部を点接合した。
【００３０】
＜接合条件＞
実施例１〜３では、回転ツールの押込み深さを１．１ｍｍ、回転ツールの回転数を２０００ｒｐｍとした。また、実施例１〜３では、接合時間をそれぞれ１０ｓ、１５ｓ、２０ｓとした。実施例４では、回転ツールの押込み深さを１．０ｍｍ、回転ツールの回転数を２７５０ｒｐｍ、接合時間を３．３ｓとした。
【００３１】
ここで、Ｚｎ−Ｆｅ合金層の融点は比較的高いので、実施例１〜４のように、回転ツールの押込み力を強くして、接合時間を短くしても、Ｚｎ−Ｆｅ合金層は軟化しなかった。
【００３２】
＜接合部の観察・分析＞
接合後の各ワークの上板及び下板の界面を反射電子像（ＢＳＥ）観察及びＥＰＭＡ分析した。図６は、接合後のワークの上板及び下板の界面の、反射電子像観察及びＥＰＭＡ分析の結果を示す写真であり、（ａ）は、反射電子像観察の結果を示す写真であり、（ｂ）は、Ａｌ特性Ｘ線像を示す写真であり、（ｃ）は、Ｆｅ特性Ｘ線像を示す写真であり、（ｄ）は、Ｚｎ特性Ｘ線像を示す写真である。図６（ｂ）〜（ｄ）では、白っぽい部分や灰色っぽい部分に、それぞれの元素が存在している。
【００３３】
図６から、ワークの接合部において、Ｚｎ−Ｆｅ合金層の亜鉛がアルミニウム合金板内に拡散してＺｎ拡散層が形成されている共に、アルミニウム合金板のアルミニウムがＺｎ−Ｆｅ合金層中に拡散してＡｌ−Ｆｅ中間層が形成されていることが分かる。
【００３４】
＜接合強度の試験＞
接合後の各ワークの上板及び下板の継手の接合強度を測定した。
【００３５】
＜接合強度の評価＞
図５に示すように、実施例１〜４では、接合強度はそれぞれ２．３１ｋＮ、３．１４ｋＮ、３．１９ｋＮ、２．６ｋＮとなり、所定の合格値（例えば、２．０ｋＮ程度）を上回った。
【００３６】
−効果−
以上により、本実施形態によれば、鋼板Ｗ１として、その一方の面に亜鉛めっきを施した後合金化処理を行うことによりＺｎ−Ｆｅ合金層Ｗａを形成しているものを用意し、鋼板Ｗ１のＺｎ−Ｆｅ合金層Ｗａにアルミニウム板Ｗ２を重ね合わせ、この重ね合わせた板Ｗ１，Ｗ２の被接合部のアルミニウム板Ｗ２部分に回転ツール７を回転させながら押し込むことにより、その被接合部において、Ｚｎ−Ｆｅ合金層Ｗａの亜鉛をアルミニウム板Ｗ２に拡散させてＺｎ拡散層Ｗｂを形成しかつアルミニウム板Ｗ２のアルミニウムをＺｎ−Ｆｅ合金層Ｗａに拡散させてＡｌ−Ｆｅ中間層Ｗｃを形成するので、接合強度を高いレベルで維持することができる。
【００３７】
また、Ｚｎ−Ｆｅ合金層Ｗａの融点は比較的高いので、回転ツール７の押込み力を強くしても、Ｚｎ−Ｆｅ合金層Ｗａは軟化しにくい。このため、接合時間を短くすることができる。
【００３８】
以上により、接合強度を高いレベルで維持しながら、接合時間を短くすることができる。
【００３９】
（その他の実施形態）
上記実施形態では、アルミニウム製部材Ｗ１及び鋼製部材Ｗ２を板状のもので構成しているが、板状以外の形状のもので構成しても良い。
【００４０】
また、上記実施形態では、アルミニウム板Ｗ１及びＺｎ−Ｆｅ合金層Ｗ２を形成している鋼板Ｗ２は、それぞれプレス成形された車体構成部材であるが、プレス加工以外の加工方法で成形された車体構成部材であっても良く、さらに、車体構成部材以外の部材であっても良い。
【００４１】
また、上記実施形態では、ワークＷの摩擦点接合工程において、ワークＷの被接合部のアルミニウム板Ｗ１部分のみ軟化して塑性流動しているが、Ｚｎ−Ｆｅ合金層Ｗａの組成によっては、アルミニウム板Ｗ１部分に加えて、Ｚｎ−Ｆｅ合金層Ｗａ部分も軟化して塑性流動する。但し、いずれの場合も、鋼板Ｗ２部分は軟化しない。
【００４２】
また、上記実施形態では、回転ツール７のショルダー部７ａの底面を平面にしているが、これに限らず、例えば、その底面の形状を円錐台状に窪んだ形状にしても良い。但し、その底面を平坦している方が、摩擦熱が発生しやすい。
【００４３】
本発明は、実施形態に限定されず、その精神又は主要な特徴から逸脱することなく他の色々な形で実施することができる。
【００４４】
このように、上述の実施形態はあらゆる点で単なる例示に過ぎず、限定的に解釈してはならない。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示すものであって、明細書には何ら拘束されない。さらに、特許請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、全て本発明の範囲内のものである。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
以上説明したように、本発明は、接合強度を高いレベルで維持しながら、接合時間を短くするための用途等について適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の実施形態に係る接合ガンの概略構成図である。
【図２】接合ガンによるワークの摩擦点接合工程を示す概略図であり、（ａ）は、回転ツールをアルミニウム板の上部まで押し込んだ時の図であり、（ｂ）は、回転ツールをアルミニウム板の中部まで押し込んだ時の図であり、（ｃ）は、回転ツールをアルミニウム板の下部まで押し込んだ時の図である。
【図３】ワークの被接合部の概略拡大断面図である。
【図４】摩擦点接合構造の概略拡大断面図である。
【図５】接合ガンによるワークの摩擦点接合の接合条件と接合強度を示す図である。
【図６】接合後のワークの上板及び下板の界面の、反射電子像観察及びＥＰＭＡ分析の結果を示す写真であり、（ａ）は、反射電子像観察の結果を示す写真であり、（ｂ）は、Ａｌ特性Ｘ線像を示す写真であり、（ｃ）は、Ｆｅ特性Ｘ線像を示す写真であり、（ｄ）は、Ｚｎ特性Ｘ線像を示す写真である。
【符号の説明】
【００４７】
１    接合ガン
２    接合ユニット
３    把持フレーム
７    回転ツール
７ａ  ショルダー部
７ｂ  ピン部
Ｗ    ワーク
Ｗ１  アルミニウム板（アルミニウム製部材）
Ｗ２  鋼板（鋼製部材）
Ｗａ  Ｚｎ−Ｆｅ合金層
Ｗｂ  Ｚｎ拡散層
Ｗｃ  Ａｌ−Ｆｅ中間層
【図１】
2008212984.tif 000003
【図２】
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【図３】
2008212984.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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