(57)【要約】【課題】鋼材とアルミニウム材を突合わせて、摩擦撹拌接合により接合する。【解決手段】鋼材Ｈとの硬度比が５以上のスターロッド１のピン３を、鋼材Ｈとアルミニウム材Ｓを突合わせて形成される突合わせ線ｍに対して、鋼材Ｈ側に０．０５ｍｍ以上入り込み、大部分をアルミニウム材Ｓに配置し、また、ピン３を、ピン３の移動方向で鋼材Ｈからアルミニウム材Ｓ側に向かう方向に回転しながら、突合わせ線ｍの方向に移動する。ピン３の入り込み距離（変位量）δが０．０５ｍｍ以上であれば、アルミニウム母材よりも接合部の接合力が大きく、引張り試験ではアルミニウム材Ｓの母材側で破断する。また、変位量δを０．４ｍｍにしても接合力は維持される。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
硬質材と、該硬質材より硬度の小さな軟質材からなる異種金属材を突合わせて、該突合わせ面を摩擦撹拌接合により接合する接合方法において、
硬質材との硬度比が５以上のスターロッドのピンを、前記硬質材と前記軟質材を突合わせて形成される突合わせ線に対して、該硬質材側に０．０５ｍｍ以上入り込み、大部分を前記軟質材側に配置し、また、前記ピンを、該ピンの移動方向で該硬質材から該軟質材側に向かう方向に回転しながら、該突合わせ線の方向に移動することを特徴とする異種材を摩擦撹拌接合する接合方法。
【請求項２】
スターロッドのピンを超硬合金により構成していることを特徴とする請求項１記載の接合方法。
【請求項３】
硬質材が鋼材であり、軟質材がアルミニウムであることを特徴とする請求項１、２記載の接合方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、異種金属間の摩擦撹拌接合に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、アルミニウム材を中心に摩擦撹拌接合法（Ｆｒｉｃｔｉｏｎ  Ｓｔｉｒ  Ｗｅｌｄｉｎｇ法）による接合が知られている。この摩擦撹拌接合法は、二材料を突合わせて固定し、この突合せ部に回転ピンを押し込み、回転しながらこれを移動することによって、固相状態による塑性流動現象を生じさせて接合する方法である。
【０００３】
この二材料が十分に塑性流動を起して良好な接合を得るためには、融点や硬度が近似していることが条件とされ、多くの場合、アルミニウムーアルミニウムなど同種材料に適用されている。
【０００４】
最近、摩擦撹拌接合法について異種金属材料間への適用が検討されている。
非特許文献１では、異種金属である銅材（無酸素銅）とアルミニウム材（ＪＩＳ規格１１００）との接合を試みている。ここでは、ピンの円周面に螺旋ねじを形成し、このピンを塑性流動現象を生じやすいアルミニウム材側に挿入し、ピンの螺旋ねじを銅材界面に押し当てながら摩擦接合している。これにより、アルミニウムの母材と同等の引張り強度が得られたとしている。
【０００５】
非特許文献２では、異種金属である鋼材（ＪＩＳ規格ＳＳ４００）とアルミニウム材（ＪＩＳ規格Ａ５０８３）との接合を試みている。ここでは、ピンにスターロッドとして常用されている工具鋼を使用している。突合わせ線から０．２ｍｍだけ鋼材側に入り込み、大部分がアルミニウム材側にあるように配置して挿入した試験を行っている。試験の結果、ピンの回転速度が２５０ｒｐｍで引張り強度の一番大きな接合力が得られ、回転速度が１２５０ｒｐｍでは、接合部に欠陥が多く、接合できなかったとしている。また、ピンが、突合わせ線から０．２ｍｍだけ鋼材側に入り込み、ピンのほとんどがアルミニウム材側にあるように挿入した試験を行い、突合わせ線からのその入り込み距離（以下、変位量という。）が０．２ｍｍの場合に高い接合力が得られたとしている。そして、変位量が０．２ｍｍより大きくなると、かえって引張り強度が低下していることを報告している。
【０００６】
【非特許文献１】岡村久宣  青田欣也  青野泰久，「摩擦撹拌作用を利用した異種金属の摩擦拡散接合（第１報）」，溶接学会全国大会講演概要，社団法人溶接学会，平成１４年９月３日，第７１集  ｐ．４４２，ｐ．４４３
【非特許文献２】渡辺健彦  柳沢敦  高山博史，「界面活性凝着接合法による鉄鋼とアルミニウム合金の接合  回転ニードルによる異種金属材料の界面活性凝着接合法（第１報），溶接学会全国大会講演概要，社団法人溶接学会，平成１４年９月３日，第７１集  ｐ．４４６，ｐ．４４７
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
非特許文献１に示された銅材とアルミニウムとの摩擦撹拌法では、良好な接合がなされたと報告されている。しかし、例えば、鋼材とアルミニウム材との接合に適用すると、十分な接合力を得ることができず、その適用は接合する材料間の硬度差が小さいものに限定されている。
【０００８】
非特許文献２に示された摩擦撹拌法では、鋼材とアルミニウム材との接合を試みたものであるが、ピンとして、工具鋼（ＳＫＤ）を使用しており、その硬さはビッカース硬度（Ｈｖ）で６００ｋｇｆ／ｍｍ２程度である。一方、硬質材である鋼材の硬さはＨｖ２００ｋｇｆ／ｍｍ２程度であって、硬質材との硬度比（ピン／鋼材）が３程度のピンを使用している。そして、ピンの突合わせ線からの変位量が０．２ｍｍの場合に高い接合力が得られるとしている一方、変位量が０．６ｍｍでは、その接合力が約１０分の１程度まで極めて小さくなることも報告している。従って、非特許文献２に示された発明による接合方法では、ピンの突合わせ線から鋼材側への変位量に対して極めて敏感であり、接合距離が長くなると、安定した接合力が得られないおそれがある。また、２５０ｒｐｍの低速の回転速度が望ましいとされ、１２５０ｒｐｍと高速回転では接合しないとされている。さらに、最も高い引張り強度を示した入込み距離が０．２ｍｍの試験においても、接合強度が母材強度にまで至っていない。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この発明では、硬質材と、硬質材より硬度の小さな軟質材からなる異種金属材を突合わせて、突合わせ面を摩擦撹拌接合により接合する接合方法において、硬質材との硬度比が５以上のスターロッドのピンを、硬質材と軟質材を突合わせて形成される突合わせ線に対して、硬質材側に０．０５ｍｍ以上入り込み、大部分を軟質材側に変位して配置し、また、ピンを、ピンの移動方向で硬質材から軟質材側に向かう方向に回転しながら、突合わせ線の方向に移動する。
【００１０】
なお、この明細書では、「硬質材」の語を、接合する二つの材料の内硬い材料を意味し、相対的な概念で使用している。同様に「軟質材」の語は、接合する二つの材料の対比において軟らかい方の材料を意味する。例えば、鋼材とアルミニウム材との接合においては、硬質材は鋼材であり、軟質材はアルミニウム材を意味する。また、変位量とは、硬質材と軟質材を突合わせて形成される突合わせ線に対して、大部分を軟質材側に挿入するピンが硬質材側に入り込んだ距離をいう。
【００１１】
硬質材と軟質材とを突合わせると、両端面により形成される突合わせ線に対して、スターロッドのピンが０．０５ｍｍ以上硬質材側に入り込んで、大部分を軟質材側になるようにピンを配置する。次に、スターロッドをピンの移動方向に対して前側で硬質材料から軟質材料側に向かって回転する方向に回転しながら、ピンを両材料の表面から押し込める。そして、突合わせ線に対して平行に移動して摩擦接合を行う。
【００１２】
硬質材側にわずかに入り込んでいるピンは、硬質材の端面を削り、新しい界面を削り出す。ピンが硬質材界面を削って、新しい界面の削り出しを十分に行なうには、硬質材との硬度比が大きい必要があり、硬質材との硬度比が５以上のものを使用する。硬度比が５未満では、ピンが激しく摩耗して耐久性に欠けるばかりか、ピンから生じる粗大な摩耗片が摩擦流動した軟質材中に混在して、接合強度を低下させる。硬質材が鋼材の場合には、高温硬度および靱性にも優れた超硬合金やサーメットを使用することができる。また、硬質材が硬度Ｈｖ８０ｋｇｆ／ｍｍ２程度の銅材の場合には、硬度Ｈｖ６００ｋｇｆ／ｍｍ２の工具鋼を使用することができる。
【００１３】
ピンは硬質材側にわずかに入り込んでいるために、ピンが硬質材の新しい界面を削り出すと同時に、ピンと接触している軟質材の近傍の領域では、塑性流動する。ピンの進行方向に対して後側となる領域では、塑性流動した軟質材が大きな圧縮力を受けて、新しく露出した清浄な硬質材表面との間で接合がなされる。また、ピンの硬質材側への変位量は、硬質材の界面がピンによって削られて新しい界面が十分に露出する０．０５ｍｍ以上あればよい。また、変位量を大きくしても、その接合力には影響しないが、ピンの耐久性の向上などの問題から０．０５ｍｍ以上１．０ｍｍ以下が望ましい。特に、０．０５ｍｍ以上０．５ｍｍ以下が望ましい
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、硬質材として鋼材を、軟質材としてアルミニウム材とした実施の形態を詳細に説明する。
【００１５】
（回転方向による影響試験）
回転方向が摩擦接合に及ぼす影響を試験した。
鋼材は、硬度Ｈｖが２００ｋｇｆ／ｍｍ２の一般構造鋼材（ＪＩＳ規格  ＳＳ４００）、アルミニウム材はアルミニウムダイキャスト材（ＪＩＳ規格  ＡＤＣ１２）を、ともに２０ｍｍ×２００ｍｍ×８ｍｍの寸法にフライス加工して、試験片を製作した。
【００１６】
摩擦撹拌加工装置として、エンシュウ株式会社製、Ｓ４００型のマシニングセンターを使用した。また、スターロッド１は、硬度Ｈｖが１４００ｋｇｆ／ｍｍ２の超硬合金（ＪＩＳ規格  Ｋ１０）を使用した。超硬合金は、従来スターロッドとして広く知られている工具鋼よりもはるかに硬質であり、靱性に優れている。また、接合対象である鋼材との比較において、その硬度差が極めて大きいことから使用した。図１に示すように、スターロッド１の先端のショルダー部２を直径１０ｍｍとし、ピン３を長さ２．５ｍｍ、直径４．０ｍｍのストレートピン３の形状に一体成形品を使用した。
【００１７】
試験は、図１に示すように、摩擦撹拌加工装置に鋼材Ｈとアルミニウム材Ｓの試験片の端面を突合わせた。突き合わせた両界面によって形成される突合わせ線ｍからピン３が鋼材Ｈ側に入り込んだ変位量δを０．１ｍｍにピン３を位置させ、また、スターロッド１を試験片に対して垂直方向、すなわち前進角を０°にセットした。また、ピン３の先端の押込み深さを２．３ｍｍ、スターロッド１の回転数を６０００ｒｐｍ、接合速度を５０ｍｍ／ｍｉｎ．として、突合わせ線ｍに対して平行に移動して摩擦撹拌接合を行った。
【００１８】
試験は、図２に示すように、移動方向に対して前側で硬質材の鋼材Ｈ側から軟質材であるアルミニウム材Ｓに向かって回転する方向（以下、正回転方向という。）と、これとは逆に、図３に示すように、移動方向に対して前側がアルミニウム材Ｓ側から鋼材Ｈ側に向かって回転する方向（以下、逆回転方向という。）について調べた。その結果、正回転方向で実施すると、十分な接合強度が得られた。一方、逆回転方向での試験では十分な接合強度が得られなかった。
【００１９】
スターロッド１の回転方向により相違する結果が得られた理由として、以下のメカニズムが推定される。正回転方向における実施では、図２に示すように、スターロッド１の進行方向に対して先端の領域Ｈａでは、ピン３が鋼材界面を削って、新しい界面の削り出しが行われる。また、アルミニウム材のピン３と接触している近傍の領域Ｓａでは、ピン３の回転によって撹拌が行われて塑性流動している。スターロッド１の進行方向に対して後側となる領域Ｓｂでは、塑性流動したアルミニウム材Ｓがピン３の回転力によって大きな圧縮力を受け、新しい清浄な鋼材界面との間で接合がなされる。
【００２０】
一方、図３に示すように、逆回転方向における実施において、アルミニウム材Ｓがピン３と接触している近傍の領域Ｓｂでは、ピン３の回転に伴いアルミニウム材Ｓが塑性流動している。そして、スターロッド１の進行方向に対して先端の領域Ｓａでは、塑性流動したアルミニウム材Ｓが鋼材Ｈの界面に衝突し、大きな圧縮力を受ける。しかし、ピン３は、突合わせ面の鋼材Ｈ側にわずかに侵入して配置されているために、鋼材Ｈの面を削り、新しい面の削り出しが行われる。従って、接合が行われるスターロッドの進行方向に対して後側となる領域Ｓｂでは、塑性流動したアルミニウム材に大きな圧縮力が加えられていない状態で接合がなされる。このメカニズムによって、逆回転方向で実施するとアルミニウム材に大きな圧縮力が加えられていないために十分な接合強度が得られない。
【００２１】
（ピン３の鋼材側に侵入する距離が及ぼす影響試験）
鋼材Ｈとアルミニウム材Ｓとの突合わせ線ｍに対して、ピン３の入込み距離δが接合に及ぼす影響を試験した。
【００２２】
試験材料、スターロッド１、摩擦撹拌加工装置などの多くについては、上述した回転方向による影響試験に使用したものと同じ条件、同じものを使用した。
【００２３】
試験は、図４に示すように、鋼材Ｈとアルミニウム材Ｓの試験片の突合せ面により形成される突合せ線ｍに対して、スターロッド１のピン３の変位量δを変化させて摩擦撹拌接合を行った。なお、スターロッド１の回転はいずれも正回転方向とした。摩擦接合して得られた各試験片を引張り試験用の試料に切り出して引張り試験を行い、その接合力を測定した。
【００２４】
試験の結果、表及び図５に示す結果が得られた。
【００２５】
【表】
2004255420.tif 000003
【００２６】
突合せ線ｍからのピン３の変位量δが、−０．３ｍｍと−０．２ｍｍとした鋼材Ｈの界面から大きく離れている比較例１及び比較例２では、外観上は接合されているが、その接合力（引張り強度）は極めて弱く、引張り試験用の試験片に切り出す際に破断するなど、実質的に接合していない。比較例３では、ピン３が鋼材Ｈの界面から離れているとはいえ、極めて近いために、鋼材端面の凹凸などによって、鋼材の界面の一部が削られて新しい界面を削り出している結果、摩擦撹拌接合が突合せ面の一部において行われていると考えられる。比較例４では、ピン３が鋼材Ｈの界面にあり、鋼材の界面の一部が削られて新しい界面を削り出している結果、摩擦撹拌接合が突合せ面の一部において行われていると考えられる。このため、上記入込み距離δが０ｍｍに近くなるに従って、引張り強度が高くなっている。また、実施例１〜実施例４では、引張り試験による破断位置がアルミニウム材の母材側で生じており、接合部では、アルミニウム母材よりも高い接合力を示している。なお、実施例３の引張り強度が１２６ＭＰａとわずかに小さいが、これは試験に使用したアルミニウム材がダイキャスト材であり、アルミニウム母材のばらつきと思われる。
【図面の簡単な説明】
【図１】摩擦撹拌している状態の断面図
【図２】ピンが正回転方向の場合の説明図
【図３】ピンが逆回転方向の場合の説明図
【図４】ピンの配設位置を説明する説明図
【図５】試験結果を示すグラフ
【符号の説明】
１…スターロッド
２…ショルダー部
３…ピン
Ｈ…硬質材
Ｓ…軟質材
δ…変位量
ｍ…突合せ線
【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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