(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
重ね合わされた一方の金属板の表面に、頂点が平面状の、回転する円柱状回転部材を０．５秒押しつけ、前記回転部材と前記一方の金属板により生ずる回転摩擦により発生する摩擦熱により、一方の金属板を前記円柱状回転部材により攪拌することなく、前記一方の金属板と重ね合された金属板の接合部では水平方向に塑性変動が水平面状に形成され、断面形状では、ほぼ水平の直線の状態として接合することを特徴とする一方の金属板と重ね合わされた金属板の接合方法。
【請求項２】
前記一方の金属板と重ね合された金属板の接合部はスポット状に形成されていることを特徴とする請求項１記載の一方の金属板及びこれと接合されて重ね合わされた金属板の接合方法。
【請求項３】
前記一方の金属板と重ね合された金属板の接合部はシーム状に形成されていることを特徴とする請求項１記載の一方の金属板と重ね合わされ金属板の接合方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、摩擦熱を利用して接合されている金属板、金属板の接合方法及び金属板の接合装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
摩擦熱を利用する接合方法としては、摩擦圧接及びFriction  Stir  Weldingなどが知られている。これらは、固相接合である。固相接合方法では、隣接する表面との間の相対運動を利用して材料の接合を行なうものである。
摩擦圧接は、従来から行われている溶接方法がもつ問題点が解決される利点を有するものである。例えば、アーク溶接では、溶接部が溶融するため鋳造組織となり、母材強度が低下し、溶接部周辺の熱影響部が軟化しやすく、また、ポロシテイや凝固割れなどの溶接特有の欠陥などが生じやすい。又、ろう付けによる接合方法では、高温度に加熱することにより、軟化するために、ろうが必要とする部位以外にも付着しやすく、外観がわるい。又、接着剤による接合方法は、接合部に熱伝導性が低い接着剤が残留し、熱発散性を阻害することなどが指摘されている。
これらの問題点を有しない方法として、摩擦圧接法が開発されている。例えば、摩擦圧接法による各種部品の製造方法がある（特開平１１−２４５０５５号公報）。また、薄肉の金属製板状の表面に金属製接続部材を摩擦溶接する際にも、摩擦圧接法が利用される（特開２０００−３３４５７９号公報）。又、棒材やボルトなどのピン状の金属接合部材を金属製板状母材に接合する際には、スタッド溶接が用いられるが、板状母材の肉厚が薄い場合、母材の肉厚より大きい直径を有する接続部材を接合した場合に、表面の接合部位に対応する裏面に溶接後の凝固収縮による小さな窪みを生じたり、有害な熱変形が生じたりする。このような場合に、板状の母材の接合用凸部を形成し、摩擦圧接を行なうことにより、従来問題とされてきた問題点を解決している。摩擦圧接は、幅広い類似材料及び異種材料を接合する手段にも採用される。鋼等の材料では、類似の鋼材料、ならびにアルミニウムに対して溶接されうるが、鋼をセラミック材料に溶接することは困難とされる。アルミニウムをセラミックと鋼の間に介在させると鋼とセラミックの摩擦圧接が可能となることから、摩擦圧接が、電子写真用ローラーを製造する際に利用される（特開平２００１−７４０３９号公報）。また、接合層のいずれかの側部で加工物の部分に対向させて接合層に挿入するための加工物の材料による硬い材料のプローブにより、加工物に対して相対的に円運動により構成する接合層により溶接を行なうことも行なわれる（特表平７−５０５０９０号公報、特開平１０−１８０４６６号公報、特開２００１−１３８０７３号公報など）。
このように摩擦圧接法は、種々開発が進められてきたが、専ら、丸棒や比較的厚い板材を対象としたものであり、従来、薄板の接合の利用に取り上げられた例は、ほとんどない。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、新規な接合方法により接合されている金属板、新規な金属板を接合する方法、及び金属板の接合装置を提供することである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、前記課題について研究し、薄板を重ね合わせ、圧接する状態で重ね合わせ、一方の板材の表面に、その板材の硬度に比較して、より硬度の高い材料からなる回転部材と接触させ、回転部材の回転に伴い発生する摩擦熱により重ね合わされている板材を接合することができることを見出して、本発明を完成させた。すなわち、本発明によれば、以下の発明が提供される。
（１）  重ね合わされた一方の金属板の表面に、頂点が平面状の、回転する円柱状回転部材を０．５秒押しつけ、前記回転部材と前記一方の金属板により生ずる回転摩擦により発生する摩擦熱により、一方の金属板を前記円柱状回転部材により攪拌することなく、前記一方の金属板と重ね合された金属板の接合部では水平方向に塑性変動が水平面状に形成され、断面形状では、ほぼ水平の直線の状態として接合することを特徴とする一方の金属板と重ね合わされた金属板の接合方法。
（２）  前記一方の金属板と重ね合された金属板の接合部はスポット状に形成されていることを特徴とする（１）記載の一方の金属板及びこれと接合されて重ね合わされた金属板の接合方法。
（３）  前記一方の金属板と重ね合された金属板の接合部はシーム状に形成されていることを特徴とする（１）記載の一方の金属板と重ね合わされ金属板の接合方法。
【０００５】
【発明の実施の形態】
本発明の接合に用いる板材は、薄板である。これらの金属板は、アルミニウム板、アルミニウム合金板材、銅板、鋼板など板材を用いることができる。また、アルミニウム合金板材と鋼板材などの異種金属板材に対しても適用可能である。
板材の厚さは、回転部材の回転により発生される接合に必要な摩擦熱が接合面に伝達される範囲であれば格別限定されるものではないが、通常、３ｍｍ以下のものであれば、十分に適用可能である。下限に関しては、回転部材の回転に邪魔にならずに、耐えることができる厚さであれば、適宜採用することができる。通常、工業的に用いられる０．６ｍｍ程度のもの、或いはそれ以下の０．３ｍｍから０．１ｍｍ程度の厚さに関しては十分に適用可能である。
板材の材料としては、前記のようにアルミニウム板材、アルミニウム合金板材、銅板、鋼板、ステンレス鋼板及びこれらの板材からなる異種板材の組み合わせなどに対して適宜使用することができるが、以下では、アルミニウム合金板材の接合について説明する。他の材料の場合に関しても同様に行うことができる。
【０００６】
板材に接触させる回転部材は、板材より硬度が高い材料により構成される。
アルミニウム合金板材の場合には、鋼やステンレス鋼の回転部材を用いることができる。この他、タングステン、タングステンカーバイド、グラフアイト、炭化珪素、アルミナなどの耐磨耗材からなる材料が選択される。
【０００７】
異種金属板を接合する場合に、どちら側の板材と回転部材を接触させても接合することができる。異種金属板を比較して、熱伝導率に差が有る場合には、熱伝導率が良好な方の板材を回転部材と接触させることが、処理時間が短くてすみ、効果的である。
【０００８】
本発明の装置の一例を示すと、図７の通りである。
重ね合わされた金属板である被接合物（１）が、載置手段の上に載置され、固定される。載置手段の具体例を挙げれば、台座（２）及び裏あて部（３）から構成され、被接合物は固定される。
接合部（４）に回転部材（５）が押しつけられと、その回転摩擦により発生する摩擦熱により、重ね合わせた被接合物の接合部は摩擦圧接される。
回転部材は、回転ロッド（６）として、回転手段に接続固定されている。また、回転ロッドに回転部材を固定しても差し支えない。回転ロッドは、回転手段である回転ロッド用モータ（７）により回転される。回転には、ステ−ターの励磁により高速回転できるようにすることもできる。
回転部材に与えられる圧力は、圧力調整手段により与えられる。圧力調整手段は、圧力調整カム（８）及びカム駆動用モーター（９）より構成される。圧力調整カムを動作させることにより、回転ロッド用モーターは移動され、移動は、案内手段によって行われる。案内手段の具体例としては、台座に設けられているスライド用溝（１０）にそって回転ロッド用モータが移動できる構造により構成される。案内手段としては、回転ロッド用モータの移動がスムースに行うことができる案内手段で有れば、用いることができる。
前記圧力調整手段には、油圧又は空気圧を使用する加圧力シリンダーを使用することができ、その結果、圧力調整を行いやすくすることができる。
回転部材の大きさを変化させることにより接合の面積を調節することができる。回転部材の直径が大きなものを用いれば、大きな接合面積のものを得ることができる。このようなことから、回転部材の大きさは、接合の面積などを考慮して適宜決定することができる。
以上の装置そのものをさらに直角方向（水平方向）に移動可能な移動台の上に設置すると、直線状のシーム溶接も可能になる。
【０００９】
板材を摩擦圧接させるために、回転部材を一方の板材の表面に接触させ、回転部材を所要の速度で回転させ、その際に発生する摩擦熱を発生させ、圧接に利用するものである。
摩擦により発生する熱量は、板材と回転部材との摩擦係数、回転速度、及び回転部材を板材に押し付ける時の圧力の積として与えられる。
回転部材の回転速度は、一般的には、１０００〜６０００ｒｐｍ程度の範囲のものである。回転部材が板材を押さえつける圧力は、０．５〜５ｋｇ／ｍｍ２程度である。
【００１０】
以上により形成される圧接による接合部分は、板材の全面にわたって形成する必要はなく、線状に圧接する部分を形成したもの、部分的に接合部が形成されるものであっても差し支えない。このような板材の接合によっても、十分な強度を発揮することができる。部分的に溶接されいる部分は、スポット溶接にみられるような点状の状態であってもよい。
接合部分は板材の平面の部分或いは鍔状に張り出している部分であってもよい。
【００１１】
【実施例】
以下に、アルミニウム合金板材による圧接について具体的に説明する。他の板材の場合についても、板材の特性を考慮して、同様に行なうことができる。この具体例に限定されるものではない。
【００１２】
実施例１
用いたアルミニウム合金板材は、５０５２アルミニウム合金板（板厚：０．６ｍｍ）であり、長さ８０ｍｍ、幅２５ｍｍに切断したものである。
化学的組成及び機械的特性は以下のとおりである。
Ｓｉ ０．０９、Ｆｅ ０．２６、Ｃｕ ０．０３、Ｍｎ ０．０４、Ｍｇ ２．４７、Ｃｒ ０．２１、Ｚｎ ０．００、Ｔｉ ０．０２、Ａｌ 残部。
機械的特性は、以下のとおり。
引張強さ２４０ＭＰａ、伸び７．０％、硬度６８．７ＨＶ０．１．
【００１３】
２枚の前記アルミニウム板材を重ね合わせ、基台の上に固定する。
前記２枚の板材の重ね合わせ部を３０ｍｍとして、重ね合わせ部中心が回転側工具中心と一致するようにした。
具体的には、回転工具にＮＣ制御全自動摩擦圧接機を用い、その回転側に接合工具として、ＳＵＳステンレス鋼（直径２０ｍｍ）の先端部の直径を６ｍｍ、１０ｍｍ、１５ｍｍとしたものを用いた。
回転部材の直径（ｄ）が、６ｍｍの場合の条件は、以下のとおりであった。
回転速度Ｎ（ｒｐｓ）９．２、１０．８、１２．５、１３．３
摩擦圧力Ｐ（ＭＰａ）５０〜１２０
摩擦時間ｔ（ｓ）    ０．５
回転部材の直径（ｄ）が１０ｍｍの場合の条件は、以下のとおりであった。
回転速度Ｎ（ｒｐｓ）９．２、１０．８、１２．５、１３．３
摩擦圧力Ｐ（ＭＰａ）３０、４０
摩擦時間ｔ（ｓ）    ０．５
回転部材の直径（ｄ）が１５ｍｍの場合の条件は、以下のとおりである。
回転速度Ｎ（ｒｐｓ）９．２、１０．８、１２．５、１３．５
摩擦圧力Ｐ（ＭＰａ）１０、１５
摩擦時間ｔ（ｓ）０．５
【００１４】
前記接合の外観の代表例を図１（ａ）から（ｃ）に示す。
図１（ａ）は、ｄ＝５ｍｍ、Ｎ＝１０．８ｒｐｓ、Ｐ＝１００ＭＰａの場合の外観である。
図１（ｂ）は、ｄ＝１０ｍｍ、Ｎ＝９．２ｒｐｓ、Ｐ＝３０ＭＰａの場合の外観である。
図１（ｃ）は、ｄ＝１５ｍｍ、Ｎ＝１０．８ｒｐｓ、Ｐ＝１５ＭＰａの場合の外観である。
いずれもこれらの外観では、スポット溶接継手と類似の様相を呈していることが分かる。外観では回転部材を利用したので圧痕部は部材の端面を写し取った様相であり、僅かであるが部材による押し込まされた状態が観察された。
部材の直径の相違による圧痕部の相違は見られなかった。外観に関する限り問題となるところはない。
【００１５】
図２は、継手の巨視的組織を示したものである。巨視的にはスポット溶接継手と類似した様相を呈している。ナゲットは認められない。裏側とした素材には殆ど変形がなく、圧痕の外周部では工具側に板が浮き上がった状態であったことを示している。この点に関しても問題はない。
【００１６】
図３は、継手中心部の微視的組織を示す図である。継手中心部の接合面に若干の凹凸が認められ、工具側の素材が裏側とした素材に比較して若干繊細な組織を示す他は、特徴的な組織は認められなかった。この点に関しても問題はない。
【００１７】
図４は、直径６ｍｍの工具を使用した継手の引張せん断試験結果を示す図である。
主軸回転数に関係なく、引張せん断加重は摩擦圧力の増加に伴い向上している。また、摩擦圧力が小さい場合には主軸回転数が大きいほど継手の引張せん断荷重は高い傾向を示している傾向にある。しかし、摩擦圧力８０ＭＰａ以上では、主軸回転数の大小による差は殆ど認められなかった。
【００１８】
図５は、工具径１０ｍｍ及び１５ｍｍを用いた継手の主軸回転数と引張せん断荷重の関係を示す図である。工具径１０ｍｍを用いた場合、摩擦圧力３０ＭＰａでは主軸回転数の大小による引張せん断荷重の差は小さいが、摩擦圧力４０ＭＰａの継手は主軸回転数の増加に伴い、引張せん断荷重は低下した。工具径１５ｍｍでは、主軸回転数１０．８ｒｐｓの条件で最高値を示した。また、工具径の増大に伴い接合面積が拡大するために引張せん断荷重は高くなる傾向にあった。また、工具径６ｍｍでは図４に示すように、かなり広範囲の条件で接合が可能であることを示している。工具径１０ｍｍでは摩擦圧力３０〜４０ＭＰａ、工具径１５ｍｍは摩擦圧力１０〜１５ＭＰａ以外では接合直後に分離したり、接合中に破断する場合が多く認められ、十分な継手が得られなかった。このことは、工具径が増大すると素材に押し付け荷重が増加し、使用した素材の板厚が０．６ｍｍと薄いため接合時の回転に耐えられなくなったためである。
【００１９】
図６は、引張せん断試験後の破断状況を示す図である。強度の高い継手はいわゆるプラグ破断の状態であり、強度の低い継手は接合界面では、剥離したような状態であった。
【００２０】
【発明の効果】
本発明によれば、摩擦圧接により接合された比較的薄い金属板及び比較的薄い金属板を摩擦圧接により接合することができる。接合の状態は、板材の表面や組織を傷つけるものではなく、せん断荷重及び引張試験などの結果も良好であり、工業的に十分に評価できるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】接合の外観を示す図
【図２】継手の巨視的組織を示す図
【図３】継手中心部の微視的組織を示す図
【図４】直径６ｍｍの工具を使用した継手の引張せん断試験結果を示す図
【図５】工具径１０ｍｍ及び１５ｍｍを用いた継手の主軸回転数と引張せん断荷重の関係を示す図
【図６】引張せん断試験後の破断状況を示す図
【図７】本発明の装置の一例を示す図。
【符号の説明】
１  被接合物
２  台座
３  裏あて部
４  接合部
５  回転部材
６  回転ロッド
７  回転ロッド用モータ
８  圧力調整カム
９  カム駆動用モーター
１０  スライド用溝
【図１】
0004346282.tif 000002
【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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