(57)【要約】【課題】金属間化合物の生成を抑えて異種金属同士を接合することができる摩擦撹拌接合方法を提供する。【解決手段】軟化温度の異なる被接合材４ａ、４ｂ同士の突き合わせ部５近傍であって、軟化温度の高い被接合材４ａ側に回転方向１０に回転する摩擦撹拌接合用ツール１を挿入して、軟化領域６の材料を軟化させる。軟化した材料は、摩擦撹拌接合用ツール１の回転に伴って撹拌されながら流動し、摩擦撹拌接合用ツール１の移動によって後方に移動する。このとき、摩擦撹拌接合用ツール１の軸心から軟化温度の異なる被接合材のうち軟化温度が低い被接合材４ｂまでの距離を（ピン半径−０．５ｍｍ）以上（ピン半径＋１ｍｍ）以下に保って摩擦撹拌接合用ツール１を移動させる。【選択図】図１
2004066331.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
摩擦攪拌接合用ツールの先端部を軟化温度の異なる一対の金属製ワークの突合せ部近傍に沿って挿入状態で回転しつつ相対的に進行させて、前記一対の金属製ワークを接合する異種金属の摩擦攪拌接合方法において、
前記摩擦撹拌接合用ツールの進行は、前記摩擦撹拌接合用ツールを前記突き合わせ部近傍の軟化温度の高い金属製ワーク側に挿入して行うことを特徴とする異種金属の摩擦撹拌接合方法。
【請求項２】
前記摩擦撹拌接合用ツールの進行は、前記摩擦撹拌接合用ツールの軸心から前記一対の金属製ワークのうち軟化温度が低い前記金属製ワークまでの距離が（ピン半径−０．５ｍｍ）以上（ピン半径＋１ｍｍ）以下に保持して行われることを特徴とする請求項１記載の異種金属の摩擦撹拌接合方法。
【請求項３】
前記金属製ワークの突き合わせは、前記摩擦撹拌接合用ツールの進行方向に対し、前記摩擦撹拌接合用ツールの回転方向の下手側に軟化温度が低い前記金属製ワークを配して行われることを特徴とする請求項１または２記載の異種金属の摩擦撹拌接合方法。
【請求項４】
前記金属製ワークの突き合わせは、前記軟化温度が低い金属製ワークがアルミニウム製であり、軟化温度が高い金属製ワークが銅製であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の異種金属の摩擦撹拌接合方法
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、摩擦撹拌接合方法に関し、特に、金属間化合物の生成を抑えて異種金属同士を接合することができる摩擦撹拌接合方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図６は、従来の摩擦撹拌接合用ツールを示す。従来の摩擦撹拌接合用ツール３０は、円柱状の本体３２と、本体３２の先端に形成され被接合材４ａ、４ｂに挿入されるピン部３３と、ピン部３３と本体３２の下端周側３２ｂとの間に形成され、被接合材４ａ、４ｂを上方から押えるショルダー部３２ａとから構成される。被接合材４ａ、４ｂは、突き合わせ部５でそれらを突き合わせてある。
【０００３】
図７は、従来の摩擦撹拌接合方法の説明図を示す。従来の摩擦撹拌接合方法は、まず、板状の被接合材４ａ、４ｂの１つの辺を突き合わせ部５で突き合わせ、それら被接合材４ａ、４ｂを固定する。突き合わせ部５の一方の端部付近において、矢印４０で示す方向に回転する摩擦撹拌接合用ツール３０を押下していき、先端のピン部３３を被接合材４ａ、４ｂ間の突き合わせ部５の上方から挿入する。回転するピン部３３と被接合材４ａ、４ｂとの間の摩擦熱により被接合材４ａ、４ｂの軟化領域３６の部分が軟化する。このとき、摩擦撹拌接合用ツール３０を移動方向４１で示す方向に進行させると、移動方向の前方６ａで軟化した被接合材４ａの材料は摩擦撹拌接合用ツール３０の回転に伴い被接合材４ｂの材料と撹拌され、移動方向４１に摩擦撹拌接合用ツール３０が進行するに伴って後方側６ｂに流動させられる。流動させられた被接合材４ａ、４ｂの材料が冷却すると被接合材４ａ、４ｂが接合される。ショルダー部３２ａは、被接合材４ａ、４ｂを上方から押さえて接合部の金属が突出するのを防止し、健全な接合部の形成に役立っている。
【０００４】
摩擦撹拌接合において、接合温度は、被接合材が流動を始める温度以上である必要があり、概ねその温度は被接合材の融点の０．６〜０．７倍の温度である。そのためアルミニウムや銅など比較的低融点の金属では、接合温度は４００〜６５０℃程度であり、摩擦撹拌接合用ツールの材質は、ＦｅやＮｉやＣｏなどの金属を主成分とした耐熱合金が使用される。
【０００５】
しかし、たとえばアルミニウムと銅という軟化温度の異なる金属同士を接合しようとすると、一方の金属は軟化して流動するが、他方の金属は未だ軟化しないために流動せず接合が不十分となることがある。
【０００６】
このような問題を解決するため、例えば、特許第３０１８１７号に示す摩擦撹拌接合方法が提案されている。すなわち高融点の被接合材と低融点の被接合材とを接合する場合、接合温度のピークを高融点の被接合材側に形成しながら、両被接合材の突き合わせ部の温度を、低融点の被接合材の再結晶温度以上であって、低融点の被接合材の溶解温度未満にコントロールして接合することが記載されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の摩擦撹拌接合方法によると、接合温度のピークを高融点の被接合材側に形成するようにしても、低融点の金属と高融点の金属が同時に軟化・流動すれば、両金属が過剰に混合されて金属間化合物を生成する。例えば、アルミニウムと銅の金属間化合物は、非常に脆く、過剰に生成すれば接合強度が低下するという問題がある。
【０００８】
従って、本発明の目的は、金属間化合物の生成を抑えて異種金属同士を接合することができる摩擦撹拌接合方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するため、摩擦攪拌接合用ツールの先端部を軟化温度の異なる一対の金属製ワークの突合せ部近傍に沿って挿入状態で回転しつつ相対的に進行させて、前記一対の金属製ワークを接合する摩擦攪拌接合方法において、前記摩擦撹拌接合用ツールの進行は、前記摩擦撹拌接合用ツールを前記突き合わせ部近傍の軟化温度の高い金属製ワーク側に挿入して行うことを特徴とする異種金属の摩擦撹拌接合方法を提供する。
【００１０】
この構成によれば、軟化温度の低い金属の流動と撹拌が少ないため、接合部における金属間化合物の生成を抑制することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１および図２は、本発明の第１の実施の形態に係る摩擦撹拌接合方法を示す。摩擦撹拌接合用ツール１は、従来と同様、本体２の先端に形成され被接合材４ａ、４ｂに挿入されるピン部３と、被接合材４ａ、４ｂを上方から押えるショルダー部２ａとから構成されたものが用いられ、被接合材４ａ、４ｂは、軟化温度の異なる材料であり、例えば、被接合材４ａとして軟化温度の高い純銅、被接合材４ｂとして軟化温度の低い純アルミニウムが突き合わせ部５で突き合わされて用いられる。
【００１２】
まず、板状の被接合材４ａ、４ｂの１つの辺を突き合わせ部５で突き合わせ、それら被接合材４ａ、４ｂを固定する。ついで、軟化温度の高い純銅である被接合材４ａの突き合わせ部５付近において、回転方向１０に回転する摩擦撹拌接合用ツール１を押下していき、先端のピン部３を突き合わせ部５の近傍の被接合材４ａの側に挿入する。回転するピン部３と被接合材４ａとの間の摩擦熱により軟化領域６の材料が軟化し、摩擦撹拌接合用ツール１の回転方向に向かって材料の流動が起こる。このとき、摩擦撹拌接合用ツール１を移動方向４１で示す方向に進行させると、移動方向の前方６ａで軟化した被接合材４ａの材料は摩擦撹拌接合用ツール１の回転に伴い被接合材４ｂと撹拌されて後方側に被接合材４ａ、４ｂが流動させられる。
【００１３】
軟化温度の異なる金属製の被接合材４ａ、４ｂを摩擦撹拌接合により健全な接合を行うためには、被接合材４ａ、４ｂの流動領域を厳密に管理する必要がある。すなわち、摩擦撹拌接合用ツール１のピン部３の中心と軟化温度の低い被接合材４ｂとの距離が（ピン部半径−０．５ｍｍ）以下の場合、ピン部３の外周が軟化温度の低い被接合材４ｂに過剰に入り込むことになり、軟化温度の低い被接合材４ｂが過剰に撹拌・流動し、軟化温度の高い被接合材４ａと混じりあってしまい金属間化合物を生じる。
【００１４】
一方、摩擦撹拌接合用ツール１のピン部３の中心と軟化温度の低い被接合材４ｂの距離が（ピン部半径＋１ｍｍ）以上では軟化温度の異なる被接合材４ａ、４ｂの界面（突き合わせ部５）がピン部３の外周から遠すぎて軟化温度の低い被接合材４ｂの材料は流動せず、接合が起こらないので、ピン部３の挿入位置は上記のような範囲に制限される。
【００１５】
図２において、軟化した材料の流動は、摩擦撹拌接合用ツール１の回転方向１０に向かって起こるため、移動方向１１に摩擦撹拌接合用ツール１が移動すると、軟化した材料は、摩擦撹拌接合用ツール１の回転方向１０の上方側４ｃから摩擦撹拌接合用ツール１に沿って回転方向１０の下方側４ｄに流動する。この場合、摩擦撹拌接合用ツール１の回転方向１０の上方側４ｃに軟化温度の低い被接合材を配すると、流動を始めた軟化温度の低い被接合材の材料が摩擦撹拌接合用ツール１に沿って軟化温度の高い被接合材内を通って後方に押しやられるため、軟化温度の高い被接合材の材料と過剰に混じり合ってしまい、金属間化合物を生じてしまう。
【００１６】
しかし、軟化温度の高い被接合材を摩擦撹拌接合用ツール１の回転方向１０の上方側４ｃに配した場合、軟化温度の低い被接合材の材料の流動は限定的となり、軟化温度の高い被接合材の材料と過剰に混じり合うことはない。
【００１７】
流動させられた材料は、移動するショルダー部２ａに押えられるので、冷却すると被接合材４ａ、４ｂが接合される。
【００１８】
図４は、本発明の第２の実施の形態に係る摩擦撹拌接合方法の説明図である。純アルミニウム材２１と純銅材２２の突き合わせ部５において、純アルミニウム材２１の突き合わせ部５側の縁に所定の幅をもって１ｍｍ程度の深さの窪み２１ａを形成しておき、この窪み２１ａに純銅２２の材料が充填されるが、摩擦撹拌接合用方法は、図１に示す方法と同様である。
【００１９】
純アルミニウム材２１の縁部に窪み２１ａのある辺と純銅材２２の一片とを突き合わせて固定し、この状態で摩擦撹拌接合を行う。前述の第１の実施の形態ではショルダー部の直下１ｍｍ程度はアルミニウムと銅が混じり合った層となるが、この第２の実施の形態によれば、流動する純銅材２２の材料がショルダー部２ａによって窪み２１ａ側に引き延ばされて窪み２１ａを満たすことになるので、ショルダー部２ａの直下も純アルミニウムと純銅が過剰に混じり合うことなく健全な接合を行うことができる。
【００２０】
図５は、本発明の第３の実施の形態に係る摩擦撹拌接合方法の説明図である。この実施の形態は、純アルミニウム材２１と純銅材２２の突き合わせ部５において、摩擦撹拌接合用ツール１のショルダー部２ａが当接する部分に銅板２３を載置したものである。
【００２１】
この銅板２３の上から回転するピン部３を純銅材２２側に挿入して接合する。この銅板２３部は、後から切削などにより取り除く。この方法による接合であっても、純アルミニウムと純銅が過剰に混じり合うことなく健全な接合を行うことができる。
【００２２】
【実施例】
図３を参照して本発明の一実施例を示す。純アルミニウム材２１と純銅材２２を突き合わせ部５において突き合わせ、摩擦撹拌接合用ツール１を回転方向１０に回転させながら純銅材２２側にピン部３を挿入した。摩擦撹拌接合用ツール１は、ピン部３の径が８ｍｍφ、ショルダー部２ａの径が１５ｍｍφである。突き合わせ部５から４．１ｍｍの位置が摩擦撹拌接合用ツールの中心３ａとなるように挿入し、そのまま突き合わせ部５と平行に移動方向１１に沿って摩擦撹拌接合用ツール１を移動し接合を行った。摩擦撹拌接合用ツール１の回転方向１０は右回転とし、純アルミニウム材２１は移動方向１１に対し右側に配置してある。したがって、ピン部３の外周から純アルミニウム材２１までの距離は０．１ｍｍである。
【００２３】
得られた接合部材から接合部を切り出し表裏面を１ｍｍ切削して滑らかにして引張試験片を製作し、引張試験を行った結果、破断はアルミの母材部で起きた。比較のため突き合わせ部５から純銅側に３ｍｍの位置にピン部３の中心をおいて撹拌したものについて同様に引張試験を行ったところ、接合部で破断した。また、突き合わせ部５から純銅側に５．５ｍｍの位置にピン部３の中心をおいて撹拌したところ、突き合わせ部５での材料流動が起こらず接合部の引張強度は０であった。さらに、アルミニウム材と純銅材の配置を入れ替え、アルミニウム材を移動方向左側に配置して突き合わせ部５から純銅側に４．１ｍｍの位置に摩擦撹拌接合用ツール１のピン部３を挿入して接合を行ったところ、やはりアルミニウム材の材料が純銅材の材料と過剰に混じり合って接合部の引張強度は低下した。
【００２４】
この実施例によれば、ピン部３の外周、換言すれば摩擦撹拌接合用ツールの中心から軟化温度の低い被接合材までの距離を厳密に規定することにより、軟化温度の異なる異種の金属の接合を健全に行うことができる。
【００２５】
【発明の効果】
以上説明したとおり、本発明に係る異種金属の摩擦撹拌接合方法によれば、異種金属同士が過剰に混じり合うことがなく、接合部への金属間化合物の生成を抑えて異種金属同士の健全な接合を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る摩擦撹拌接合方法に適用する摩擦撹拌接合用ツールを示す。
【図２】摩擦撹拌接合方法の説明図である。
【図３】本発明の一実施例を示す。
【図４】本発明の第２の実施の形態に係る摩擦撹拌接合方法の説明図である。
【図５】本発明の第３の実施の形態に係る摩擦撹拌接合方法の説明図である。
【図６】従来の摩擦撹拌接合用ツールを示す。
【図７】従来の摩擦撹拌接合方法の説明図である。
【符号の説明】
１　　　摩擦撹拌接合用ツール
２　　　本体
２ａ　　ショルダー部
２ｂ　　下端周側
３　　　ピン部
３ａ　　中心
４ａ　　接合材
４ａ　　被接合材
４ｂ　　被接合材
４ｃ　　回転方向の上方側
４ｄ　　回転方向の下方側
５　　　突き合わせ部
６　　　軟化領域
６ａ　　前方
６ｂ　　後方側
１０　　回転方向
１１　　移動方向
２１　　純アルミニウム材
２２　　純銅材
２３　　銅板
３０　　摩擦撹拌接合用ツール
３２　　本体
３２ａ　ショルダー部
３２ｂ　下端周側
３３　　ピン部
３６　　軟化領域
４０　　回転方向
４１　　移動方向
【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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【図６】
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【図７】
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