(57)【要約】【目的】直径５０ｍｍ以上、肉厚５ｍｍ未満の鋼管と２％未満のＭｇを含有するアルミニウム合金中空部材の摩擦圧接において、優れた継手強度を得ることができる鋼管とアルミニウム合金中空部材の摩擦圧接方法を提供する。【構成】鋼管とアルミニウム合金中空部材の端面同士を突き合わせ、摩擦圧力（Ｐ１）で相対的回転摩擦を行う摩擦工程と、摩擦工程終了後回転ブレーキをかけながらＰ１以上のアプセット圧力（Ｐ２）を負荷するアプセット工程からなり、摩擦工程終了後に回転ブレーキをかけるとともに圧力がＰ１からＰ２に切り換わる際、Ｐ２到達時間ｔを１．２≦１／（ｔ／ｔ０）≦２（ｔ０：回転ブレーキをかけてから停止までの時間）の範囲とすることを特徴とする。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
直径５０ｍｍ以上、肉厚５ｍｍ未満の炭素鋼管または合金鋼管と２％（質量％、以下同じ）未満のＭｇを含有するアルミニウム合金中空部材を摩擦圧接する方法であって、鋼管とアルミニウム合金中空部材の端面同士を突き合わせ、摩擦圧力（Ｐ１）で相対的回転摩擦を行う摩擦工程と、摩擦工程終了後回転ブレーキをかけながらＰ１以上のアプセット圧力（Ｐ２）を負荷するアプセット工程とを含み、摩擦工程終了後に回転ブレーキをかけるとともに圧力がＰ１からＰ２に切り換わる際、Ｐ２到達時間ｔを１．２≦１／（ｔ／ｔ０）≦２（ｔ０：回転ブレーキをかけてから停止までの時間）の範囲とすることを特徴とする鋼管とアルミニウム合金中空部材の摩擦圧接方法。
【請求項２】
直径５０ｍｍ以上、肉厚５ｍｍ未満の炭素鋼管または合金鋼管と２％未満のＭｇを含有するアルミニウム合金中空部材をを摩擦圧接する方法であって、鋼管とアルミニウム合金中空部材の端面同士を突き合わせ、摩擦圧力（Ｐ１）を１０〜８０ＭＰａ、摩擦時間（Ｔ２）を０．０２〜０．２ｓとして相対的回転摩擦を行う摩擦工程と、摩擦工程終了後回転ブレーキをかけながら８０〜１６０ＭＰａのアプセット圧力（Ｐ２）を負荷するアプセット工程とを含み、前記相対回転摩擦における一方の周速を１．５〜３．５ｍ／ｓの範囲とし、摩擦工程終了後に回転ブレーキをかけるとともに圧力がＰ１からＰ２に切り換わる際、Ｐ２到達時間ｔを１．２≦１／（ｔ／ｔ０）≦２（ｔ０：回転ブレーキをかけてから停止までの時間）の範囲とすることを特徴とする鋼管とアルミニウム合金中空部材の摩擦圧接方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋼管とアルミニウム合金中空部材、とくに直径５０ｍｍ以上、肉厚５ｍｍ未満の鋼管と２％未満のＭｇを含有するアルミニウム合金中空部材の摩擦圧接方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、自動車のプロペラシャフト、アクスルハウジング、トーションバーなどにおいて、鋼製中空部材で構成されていた部材を部分的にアルミニウム合金中空部材に置換した構造を実現するためには、両者を接合する必要があるが、鋼とアルミニウム合金をＭＩＧ溶接、ＴＩＧ溶接あるいは電子ビーム溶接などの溶融溶接で接合しようとすると、鉄とアルミニウムが脆い金属間化合物を形成するため接合が不可能となる。
【０００３】
一方、摩擦圧接は接合時に液相を形成しないため、鋼とアルミニウム合金を接合できる数少ない方法であるが、実際には、鋼とアルミニウム合金の摩擦圧接は容易でなく、アルミニウム合金母材強度に近い継手強度を得られていないのが現状であり、接合強度改善のために多くの提案が行われているが（例えば特許文献１参照）、自動車部材の接合に適用するためには、接合強度をさらに向上させることが望まれている。
【特許文献１】特願２００４−０８６６４
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
発明者らは、直径５０ｍｍ以上、肉厚５ｍｍ未満の鋼管と、Ａｌ−Ｃｕ系（２０００系）、Ａｌ−Ｍｎ系（３０００系）、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系（６０００系）など２％未満のＭｇを含有するアルミニウム合金の中空部材とを摩擦圧接する方法についての研究過程において、摩擦圧力（Ｐ１）、摩擦時間（Ｔ１）、アプセット圧力（Ｐ２）とともに、Ｐ１からＰ２に切り替わる過程における条件が接合強度に影響することを見出した。
【０００５】
本発明は、上記の知見に基づいて試験、検討を重ねた結果としてなされたものであり、その目的は、直径５０ｍｍ以上、肉厚５ｍｍ未満の鋼管と２％未満のＭｇを含有するアルミニウム合金中空部材の摩擦圧接において、優れた継手強度が得られ、自動車部材の接合にも好適に適用し得る鋼管とアルミニウム合金中空部材の摩擦圧接方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の目的を達成するための請求項１による鋼管とアルミニウム合金中空部材の摩擦圧接方法は、直径５０ｍｍ以上、肉厚５ｍｍ未満の炭素鋼管または合金鋼管と２％未満のＭｇを含有するアルミニウム合金中空部材を摩擦圧接する方法であって、鋼管とアルミニウム合金中空部材の端面同士を突き合わせ、摩擦圧力（Ｐ１）で相対的回転摩擦を行う摩擦工程と、摩擦工程終了後回転ブレーキをかけながらＰ１以上のアプセット圧力（Ｐ２）を負荷するアプセット工程とを含み、摩擦工程終了後に回転ブレーキをかけるとともに圧力がＰ１からＰ２に切り換わる際、Ｐ２到達時間ｔを１．２≦１／（ｔ／ｔ０）≦２（ｔ０：回転ブレーキをかけてから停止までの時間）の範囲とすることを特徴とする。
【０００７】
請求項２による鋼管とアルミニウム合金中空部材の摩擦圧接方法は、直径５０ｍｍ以上、肉厚５ｍｍ未満の炭素鋼管または合金鋼管と２％未満のＭｇを含有するアルミニウム合金中空部材をを摩擦圧接する方法であって、鋼管とアルミニウム合金中空部材の端面同士を突き合わせ、摩擦圧力（Ｐ１）を１０〜８０ＭＰａ、摩擦時間（Ｔ２）を０．０２〜０．２ｓとして相対的回転摩擦を行う摩擦工程と、摩擦工程終了後回転ブレーキをかけながら８０〜１６０ＭＰａのアプセット圧力（Ｐ２）を負荷するアプセット工程とを含み、前記相対回転摩擦における一方の周速を１．５〜３．５ｍ／ｓの範囲とし、摩擦工程終了後に回転ブレーキをかけるとともに圧力がＰ１からＰ２に切り換わる際、Ｐ２到達時間ｔを１．２≦１／（ｔ／ｔ０）≦２（ｔ０：回転ブレーキをかけてから停止までの時間）の範囲とすることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、直径５０ｍｍ以上、肉厚５ｍｍ未満の鋼管と２％未満のＭｇを含有するアルミニウム合金中空部材の摩擦圧接において、優れた継手強度が得られ、自動車部材の接合にも好適に適用し得る鋼管とアルミニウム合金中空部材の摩擦圧接方法が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明は、直径５０ｍｍ以上、肉厚５ｍｍ未満の鋼管と、Ａｌ−Ｃｕ系（２０００系）、Ａｌ−Ｍｎ系（３０００系）、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系（６０００系）など２％未満のＭｇを含有するアルミニウム合金の中空部材との摩擦圧接方法である。通常、鋼とアルミニウム合金を密着した状態で高温に曝すと界面に脆弱なＦｅ−Ａｌ金属間化合物が生成し、ごく短時間高温にさらされる摩擦圧接においても金属間化合物が発生し易くなるが、Ｍｇ含有量が２％未満のアルミニウム合金においては、接合性に有害なＦｅ−Ａｌ金属間化合物の発生および成長が抑制されることが認められた。
【００１０】
本発明においては、アプセット工程で金属間化合物を排出する必要がなく、アプセット圧力Ｐ２を大きく取るにもかかわらずアプセット過程で生じるバリの量を小さくするとともにバリの流れを管の内径側と外径側で均一にすることができ、高い引張強さをそなえた継手を得ることができる。
【００１１】
（摩擦圧力Ｐ１）
摩擦工程においては、接合する突き合わせた材料の端面部を加熱することが目的であり、摩擦時間T１で入熱量が制御されるため、Ｐ１の大きさは強く制限されることはなく広範囲な値を取ることができる。実用上は、１０ＭＰａ≦Ｐ１≦８０ＭＰａの範囲が好ましい。１０ＭＰａ未満では金属結合に必要な加熱を得るために時間を要すため、界面のアルミニウム合金が酸化し易くなり、また加熱域が界面から離れた距離まで広がり易くなって接合強度低下の原因となる。８０ＭＰａを越えると、Ｐ１≦Ｐ２の条件があるためＰ２の利用域を制限してしまい実用的でなくなる。但し、Ｐ１が大きくなると界面が高温になり易くなるため、２０ＭＰａ≦Ｐ１≦６０ＭＰａの範囲がさらに好ましい。
【００１２】
（摩擦時間T１）
突き合わせた材料の端面（接合面）を、Ｐ１の圧力でＴ１の時間だけ回転摩擦することにより接合する端面を加熱する。端面部のみを局所的に加熱することが望ましく、Ｔ１は必要最小限がよい。そのためにＴ１は０．０２〜０．２ｓの範囲で行う。接合面を加熱する制御方法として、設定した摩擦寄り代Ｕ１が発生するまでＰ１の圧力で回転摩擦を続けるＵ１制御方法（特許文献１）と、上記のＴ１を特定範囲とするＴ１制御方法があるが、必要最小限の微量な入熱を制御するにはＴ１制御方法が好ましい。この理由は、Ｔ１が０．０２〜０．２ｓに相当する入熱をＵ１制御方法で制御しようとするとＵ１が０．５ｍｍ程度以下になってＵ１の検出精度が悪くなるためである。
【００１３】
Ｔ１が０．０２ｓ未満では接合に必要な加熱が得難い。Ｔ１が０．２ｓを越えると、加熱が過剰となり界面近傍の軟化が顕著になるとともに軟化域が広がる、界面の酸化層の生成を引起す、その間に発生するバリが直後のアプセット時に発生するバリのメタルフローの不均一さを誘導する、などの悪影響が現れてくる。
【００１４】
（アプセット圧力Ｐ２）
アプセット圧力Ｐ２は、鋼管とアルミニウム合金中空部材との間の結合の強さに強く影響する因子である。鋼とアルミニウム合金の界面の金属結合を強くするためにはＰ２は高いほうが望ましい。但し、Ｐ２が過剰になると全寄り代も大きくなってアルミニウム合金管など中空部材の径内外に生じるバリの流れの不均一さが増加し、界面に半径方向のせん断力が残留して接合強度が低下する。更にはアルミニウム合金中空部材の界面近傍が変形し真円度も乱れてくる。Ｐ２の上限はバリの流れの不均一さが顕著に現れない大きさで材料の変形抵抗に関係するが、Ｐ２の負荷の仕方によって接合強度を高めることができる。
【００１５】
摩擦工程後、アプセット工程に移行し回転ブレーキをかけるが、直ちにＰ２への負荷を開始せずに微小時間だけＰ１を維持したのちＰ２を負荷する方式（Ｐ２遅れ）や、直ちにＰ２への負荷を開始するがＰ２に達するまでの速度をゆっくりさせる方式（Ｐ２スロープ）などがある（図１参照）。Ｍｇ量が２％以下のアルミニウム合金に対しては、後者のＰ２スロープを適用した場合Ｐ２の上限がより高まり接合力の増加に効果がある。Ｐ２スロープを設定した条件下において、高い接合力の得られるＰ２は、８０〜１６０ＭＰａである。８０ＭＰａより低いと接合強度が不十分となり易く、１６０ＭＰａより高いと寄り代の増加に伴ってバリの流れの不均一さが増加し易く強度が低下する。
【００１６】
（Ｐ２スロープ）
上記のとおり、Ｐ２スロープはＰ２に達するまでの速度をゆっくりさせるために設定する。Ｐ２スロープを設定することでアプセット過程中の寄り代を減少させることができる。また、寄り代を定めたときＰ２を高めることができる。Ｐ２スロープは1／（ｔ／ｔ０）で定義される。これは圧力の傾きの大きさを意味する(図２参照)ものであり、ｔはＰ１がＰ２に達する時間、ｔ０は回転が停止するのに要する時間で装置能力によるが通常０．４〜０．６ｓ程度である。Ｐ２スロープを設定しなければ、装置の油圧系が許す最大速度、およそＰ２スロープが3程度で昇圧する。
【００１７】
Ｐ２スロープ値の下限は、回転が停止する少し前にＰ２に到達する傾きで、1／（ｔ／ｔ０）＝１．２である。このときＰ２がかかった状態で少量回転し停止する。傾きが１．２より小さくなるとＰ２がかかった状態での回転量が小さくなって接合力が低下し、１より小さくなればＰ２に到達する前に回転が停止するので著しく強度が低下する。１．２より大きくなるとＰ２がかかった状態での回転量が増加し接合力も増加するが、１．５〜１．７程度で極大値となった以後は全寄り代が過剰になって接合力は減少し始める。1／（ｔ／ｔ０）が２を越えるとＰ２スロープ設定の効果がなくなる。
【００１８】
（回転速度）
回転の周速は摩擦過程における発熱速度と寄り代の大きさに大きく影響する。相対回転摩擦における一方の周速を１．５〜３．５ｍ／ｓの範囲とすることにより接合力がより高められる。周速が１．５ｍ／ｓ未満では金属結合に必要な加熱を得ることができ難く、周速が３．５ｍ／ｓを越えるとアプセット過程のときに寄り代が大きくなって不均一な変形が起こり易くなる。
【実施例】
【００１９】
以下、本発明の実施例を比較例と対比して説明し、その効果を実証する。これらの実施例は、本発明の一実施態様を示すものであり、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００２０】
実施例１
鋼管ＳＴＫＭ１３Ａ（外径６０ｍｍ、厚さ３．１ｍｍ、長さ１５０ｍｍ）とアルミニウム合金管６０６１−Ｔ６（外径６０ｍｍ、厚さ３．１ｍｍ、長さ１５０ｍｍ）の組合せでブレーキ式回転摩擦圧接機を使用して両材の端面を摩擦圧接した。圧接条件を表１に示す。回転する鋼管にアルミニウム管を摩擦圧力Ｐ１でＴ１時間摩擦させた後、回転ブレーキをかけ同時にＰ１からアプセット圧力Ｐ２へ切り替えた。ここでＰ１からＰ２に変化するときの圧力変化勾配、すなわちＰ２スロープを種々変更した。回転ブレーキをかけてから回転が完全に停止するまでの時間ｔ０は０．５秒であった。圧力の実際はＰ１からＰ２に直線的に変化するのでなく、設定したＰ２をオーバーした後に振動波形を描いてＰ２に落ち着くので、Ｐ２スロープの定義は、最初のピーク圧力が発生するまでの傾きとした（図３参照）。
【００２１】
接合後、管を縦に切断して短冊形の試験片を切り出し、接合材の引張試験を実施した。引張試験結果を表１に示す。表１に示すように、試験材Ｎｏ．１〜８はＰ２スロープのみを変更しているが、Ｐ２スロープ値が１．５の試験材Ｎｏ．５で引張強さが極大になり、Ｐ２スロープ値が１．５より大きくても小さくても引張強さは低下している。
【００２２】
Ｐ２スロープ値が本発明の条件を外れたものには下線を付した。Ｐ２スロープ値が本発明の条件を外れた試験材Ｎｏ．１〜３、７〜８は引張強さが劣っている。Ｎｏ．９〜１１は回転数（回転速度）を変更しているが、Ｐ２スロープが本発明の条件内であっても回転数が本発明の条件を外れた場合には引張強さが劣る（Ｎｏ．１１）。
【００２３】
【表１】
2007296564.tif 000002
【００２４】
鋼管ＳＴＫＭ１３Ａ（外径６０ｍｍ、厚さ３．１ｍｍ、長さ１５０ｍｍ）と合金種の異なる表２のアルミニウム合金管（外径６０ｍｍ、厚さ３．１ｍｍ、長さ１５０ｍｍ）を、実施例１と同じブレーキ式回転摩擦圧接機を使用して摩擦圧接した。圧接条件は、Ｐ１：４０ＭＰａ、Ｔ１：０．０４ｓ、回転数：１０００ｒｐｍ、Ｐ２スロープ：１．３、Ｐ２：表２の試験材Ｎｏ．１〜４、７では１２０ＭＰａ、Ｎｏ．５〜６では８０ＭＰａとした。Ｎｏ．５、６のＰ２を小さくしたのは、材料の強度が小さいため他の材料と同じＰ２（１２０ＭＰａ）では過剰であるためである。Ｐ２スロープの定義は実施例１と同じである。
【００２５】
接合後、管を縦に切断して短冊形の試験片を切り出し、接合材の引張試験を実施した。引張試験結果を表２に示す。表２に示すように、本発明に従う試験材Ｎｏ．１〜４は接合材の引張強さが高い。また、Ｎｏ．５の接合材の引張強さは１７６ＭＰａであるが、母材の引張強さとの比、すなわち継手効率は８５％と高くなっている。これに対して、試験材Ｎｏ．６、７はＭｇを２％以上含有する合金であるため（Ｎｏ．６：２．８％、Ｎｏ．７：２．５％）、接合材の引張強さ、継手効率ともきわめて劣っている。
【００２６】
【表２】
2007296564.tif 000003
【００２７】
実施例３
鋼管ＳＴＫＭ１３Ａ（外径５０ｍｍ、厚さ２．４ｍｍ）を回転側とし、これと端面が鋼管と同形状の中空部位を有する６０８２合金鍛造材を摩擦圧接した（断面：図４）。条件は、Ｐ１：２５ＭＰａ、Ｐ２：１１０ＭＰａ、Ｔ１：０．０５ｓ、Ｎ：９００ｒｐｍ、ブレーキタイミングＰ２Ｌ：０ｓ、Ｐ２スロープ値１／（ｔ／ｔ０）：１．５ （ｔ０：  ０．５５ｓ）、Ｔ２：１０ｓとした。圧接後,ねじり試験を実施したところ、５０００Ｎ・ｍのトルク負荷でも接合部は破断しなかった。また、試験片を切り出して引張試験したところ引張強さは２８３ＭＰａと高い値であった。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】摩擦圧接におけるＰ２スロープとＰ２遅れとを説明するための図である。
【図２】摩擦圧接におけるＰ２スロープの定義を説明するための図である。
【図３】実施例１におけるＰ２スロープの定義を説明するための図である。
【図４】実施例３の摩擦圧接後の縦断面を示す図である。
【図１】
2007296564.tif 000004
【図２】
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【図３】
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【図４】
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