(57)【要約】【課題】融点が互いに異なる金属部材どうしを接合する場合であっても、十分な接合強度を得ることができる摩擦攪拌接合方法を提供する。【解決手段】融点が互いに異なる材料どうしを接合すべく、円柱形のツール本体１０と、ツール本体１０よりも小径かつツール本体１０と同軸芯状にツール本体１０の一端に突出形成されてツール本体１０と一体回転するプローブ２０とを備えた回転ツールＸを用い、所定の融点を有する第１材料Ａと、第１材料Ａよりも低い融点を有する第２材料Ｂとを突合わせると共に、第２材料Ｂの表面高さＨ２を第１材料Ａの表面高さＨ１よりも高く設定し、回転ツールＸを、第１材料Ａと第２材料Ｂとの突合せ部Ｒに対して、プローブ２０が第２材料Ｂに埋没すると共にツール本体１０の下面の一部が第２材料Ｂの表面に接触する状態で回転させ、第２材料Ｂを軟化・固化して第１材料Ａに接合する摩擦攪拌接合方法。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
融点が互いに異なる材料どうしを接合すべく、円柱形のツール本体と、当該ツール本体よりも小径かつ前記ツール本体と同軸芯状に前記ツール本体の一端に突出形成されて前記ツール本体と一体回転するプローブと、を備えた回転ツールを用い、
所定の融点を有する第１材料と、当該第１材料よりも低い融点を有する第２材料とを突合わせると共に、前記第２材料の表面高さを前記第１材料の表面高さよりも高く設定し、
前記回転ツールを、前記第１材料と前記第２材料との突合せ部に対して、前記プローブが前記第２材料に埋没すると共に前記ツール本体の下面の一部が前記第２材料の表面に接触する状態で回転させ、前記第２材料を軟化・固化して前記第１材料に接合する摩擦攪拌接合方法。
【請求項２】
前記ツール本体の回転軸芯を、前記第１材料および前記第２材料の表面に対して接合方向に前記プローブが先行する状態に傾斜させ、
側面方向視において、前記ツール本体の下面のうち後方側から７５％以上かつ１００％未満の領域を前記第２材料に接触させて接合を行う請求項１に記載の摩擦攪拌接合方法。
【請求項３】
前記ツール本体の傾斜角度が０〜５度である請求項２に記載の摩擦攪拌接合方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、円柱形のツール本体と、当該ツール本体よりも小径かつ前記ツール本体と同軸芯状に前記ツール本体の一端に突出形成されて前記ツール本体と一体回転するプローブと、を備えた回転ツールを用い、融点が互いに異なる材料どうしを接合する摩擦攪拌接合方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属部材どうしを接合する方法として摩擦熱を利用する摩擦攪拌接合法がある。この方法では、例えばアルミニウム材と異種金属部材とを突き合わせた部位に回転ツールの先端に突出形成したプローブを高速回転させた状態で接触させ、その摩擦熱により金属部材を軟化させる。これにより、融点の低い方の金属が軟化した後に固化し、融点の高い方の金属と結合して両金属部材は接合される。
【０００３】
特許文献１には、摩擦攪拌接合法を用いてアルミニウム合金製バットのバット本体とグリップエンドとを接合する技術が記載してある。ここでは、グリップエンド面に回転ツールのプローブを当接させ、摩擦攪拌接合することで良好な外観を有し、品質の安定した接合部が得られる旨が記載してある。
【０００４】
【特許文献１】特開２００７‐２７５３９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載の金属材料は、バット本体の金属部材が７０００系アルミニウム合金であり、グリップエンドの金属部材が５０００系・６０００系のアルミニウム合金、或いは、Ａｌ‐Ｃｕ系、Ａｌ‐Ｍｇ系のアルミニウム合金である。両金属部材は融点が比較的同程度であるため、摩擦撹拌接合方法により接合処理を行うと、両金属部材は軟化し易い。
【０００６】
一方、摩擦攪拌接合法では、融点が大きく異なる金属部材どうしを接合する場合もある。
例えば、融点が互いに異なる金属部材どうしを摩擦撹拌接合により接合するとき、高速回転するプローブは、両金属部材の突合せ部において、融点の低い金属部材（低融点金属部材）を軟化させつつ当該低融点金属部材の側に埋没する。当該プローブは、融点の高い金属部材（高融点金属部材）の側面に沿って接合方向に移動し、このとき当該高融点金属部材の側面を切削等することで新生面を出しつつ移動する。その際、プローブを保持するツール本体の下面が接合表面を押圧し、軟化した低融点金属部材が当該新生面に塑性流動する。低融点金属部材が硬化すると、低融点金属部材は新生面に接合する。こうして高融点金属部材と低融点金属部材とが接合される。
【０００７】
摩擦接合に際しては、軟化した低融点金属が、プローブの回転によりプローブの周辺に流動し易くなる。例えば、当該接合表面に十分な押付加重を付加できないと、低融点金属部材の硬化後、両金属部材の表面高さに差が生じて滑らかな接合表面が得られない場合がある。その結果、両金属部材の接合強度が不十分となる等、接合部の機械的特性が低いものとなる。
【０００８】
従って、本発明の目的は、融点が互いに異なる金属部材どうしを接合する場合であっても、十分な接合強度を得ることができる摩擦攪拌接合方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するための本発明に係る摩擦攪拌接合方法の第一特徴構成は、融点が互いに異なる材料どうしを接合すべく、円柱形のツール本体と、当該ツール本体よりも小径かつ前記ツール本体と同軸芯状に前記ツール本体の一端に突出形成されて前記ツール本体と一体回転するプローブと、を備えた回転ツールを用い、所定の融点を有する第１材料と、当該第１材料よりも低い融点を有する第２材料とを突合わせると共に、前記第２材料の表面高さを前記第１材料の表面高さよりも高く設定し、前記回転ツールを、前記第１材料と前記第２材料との突合せ部に対して、前記プローブが前記第２材料に埋没すると共に前記ツール本体の下面の一部が前記第２材料の表面に接触する状態で回転させ、前記第２材料を軟化・固化して前記第１材料に接合する点にある。
【００１０】
本構成のごとく、第２材料の表面高さを第１材料の表面高さよりも高く設定することで、ツール本体の下面は、軟化した第２材料に対して確実に当接する。このとき、第１材料の表面とツール本体の下面とが直ちに干渉することがないから、第２材料も確実に押付けることができる。
【００１１】
ツール本体の下面の一部が第２材料の表面に接触しつつ回転ツールが回転すると、軟化した第２材料がツール本体の下面によって押圧される。この結果、軟化した第２材料が固体のままの第１材料の突合せ面に強く押し付けられ、十分な強度を有する接合部を得ることができる。
【００１２】
本発明に係る摩擦攪拌接合方法の第二特徴構成は、前記ツール本体の回転軸芯を、前記第１材料および前記第２材料の表面に対して接合方向に前記プローブが先行する状態に傾斜させ、側面方向視において、前記ツール本体の下面のうち後方側から７５％以上かつ１００％未満の領域を前記第２材料に接触させて接合を行う点にある。
【００１３】
本構成のごとく、ツール本体の回転軸芯をプローブが先行する状態に傾斜させることで、軟化した第２材料に対する押し付け力を高めることができる。その際に、ツール本体下面のうち後方側の領域を第２材料に接触させるようにすることで、進行するツール本体が第２材料を突っかけることがなく、軟化した第２材料を確実に押圧することができる。このようにツール本体に前進角を設ける結果、第２材料が第１材料に強く押し付けられて、より強固な接合部を得ることができる。
【００１４】
本発明に係る摩擦攪拌接合方法の第三特徴構成は、前記ツール本体の傾斜角度を０〜５度とした点にある。
【００１５】
回転軸心の傾斜角度は、双方の材料の表面高さの差や、用いる材料の流動特性等に応じて適宜設定する。例えば、両材料の表面高さの差が大きい場合には、ツール下面の後方縁部を軟化していない第１材料の表面近傍まで近付ける必要があるため、傾斜角度を大きく設定する。また、軟化した状態で流動性に富む材料を接合する場合には、ツール本体の進行方向前方側に軟化した材料が飛散するのを防止するために傾斜角度をやや少なめに設定する。
本構成のようにツール本体の傾斜角度を０〜５度とすることで、適切な押圧力を第２材料に付与し、かつ、軟化した材料の飛散を防止しながら接合することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
摩擦攪拌接合方法は、例えば、金属部材どうしを突合わせた部位に回転ツールであるプローブを高速回転させた状態で接触させて摩擦熱を発生させ、その摩擦熱により金属部材を軟化させて接合する。
本明細書における摩擦攪拌接合方法は、特に融点が互いに異なる材料どうしを接合する場合に使用される。当該材料は、例えば内燃機関用のピストンの胴部と天板部との接合に用いることができる。
【００１７】
本発明の摩擦攪拌接合方法では、図１〜３に示したように、所定の融点を有する第１材料Ａと、第１材料Ａよりも低い融点を有する第２材料Ｂとを突合わせると共に、第２材料Ｂの表面高さＨ２を第１材料Ａの表面高さＨ１よりも高く設定する。回転ツールＸを、第１材料Ａと第２材料Ｂとの突合せ部Ｒに対して第２材料Ｂの側にオフセットした状態で回転させ、プローブ２０による摩擦熱で第２材料Ｂを軟化させる。プローブ２０を第２材料Ｂの内部に埋没させ、ツール本体１０の下面の一部１３を第２材料Ｂの表面に接触させた状態で、回転ツールを接合方向に沿って移動させ、第２材料Ｂを軟化・固化して第１材料Ａに接合する。以降においては、第１材料Ａとして高融点金属部材Ａ１を用い、第２材料Ｂとして低融点金属部材Ｂ１を用いる例を示す。
【００１８】
（回転ツール）
回転ツールＸは、円柱形のツール本体１０と、当該ツール本体１０よりも小径かつツール本体１０と同軸芯状にツール本体１０の一端に突出形成されてツール本体１０と一体回転するプローブ２０とを備える。ツール本体１０およびプローブ２０は、同軸芯Ｚを中心に回転する。この両者は、別体又は一体の何れに構成しても良い。
回転ツールＸは、ツール本体１０およびプローブ２０を回転させるため、モータ駆動部（図外）と接続してある。当該モータ駆動部は、ツール本体１０およびプローブ２０の回転方向が、正逆の何れの回転も可能となるように構成する。
【００１９】
プローブ２０は、回転しつつ高融点金属部材Ａ１に当接する。これにより、高融点金属部材Ａ１の側面に打撃を与え或いは切削して、当該側面に存在する酸化膜を除去し、当該側面に凹凸加工を施す。これにより、低融点金属部材Ｂ１が高融点金属部材Ａ１に強固に接合される。尚、プローブ２０の表面形状は、任意の凹凸を設けておいても良いし、単なる円筒面に構成したものであっても良い。
【００２０】
さらに、プローブ２０の先端部は、回転軸心に対する直角方向視において、矩形状ではなく、やや丸味を帯びた形状にするのが好ましい。そのように構成すると、接合開始時にプローブ２０が低融点金属部材Ｂ１に接触する際に、プローブ２０の表面のうち低融点金属部材Ｂ１に最初に接触する点を回転軸心の近傍に得ることができる。この結果、接合開始時の回転ツールの振動が少なくなり、継ぎ手の正確な位置にプローブを進入させることができる等、操作性が大幅に改善される。この状態でプローブ２０が高速回転すると、接触した位置から低融点金属部材Ｂ１に埋没し易くなる。
【００２１】
プローブ２０の周囲であってツール本体の下面には、肩部１１を設けてある。当該肩部１１は、軟化した低融点金属部材Ｂ１を押付ける機能を有する。当該押付け効果は、肩部１１が低融点金属部材Ｂ１に接触した位置から生じ始め、肩部１１を低融点金属部材Ｂ１の側に下げるほど強い効果が発揮される。ただし、肩部１１をさらに下降させた場合でも、肩部１１が高融点金属部材Ａ１に当接するまでが限度となる。
【００２２】
（具体的接合方法）
両金属部材の接合処理前の継手形状は、両金属部材の表面高さを異ならせた突合せ継ぎ手とする。（図１，２）。本実施形態では、平板どうしを接合する場合を示す。本発明の摩擦攪拌接合方法では、低融点金属部材Ｂ１の表面高さＨ２を高融点金属部材Ａ１の表面高さＨ１よりも高く設定する。当該両金属部材の高さの差（段差）ｄは、両金属部材の厚さにも影響されるが、例えば１．０〜２．０ｍｍ程度とする。
【００２３】
接合に際しては、低融点金属部材Ｂ１の上面にプローブ２０の下面を当接させた状態でプローブ２０を回転させる。プローブ２０と低融点金属部材Ｂ１との摩擦熱により、低融点金属部材Ｂ１が軟化してプローブ２０が低融点金属ｂに埋没する（図２（ａ），（ｂ））。高融点金属部材Ａ１の側面には、埋没したプローブ２０との摩擦によって新生面３０が出現する。軟化した低融点金属ｂが高融点金属部材Ａ１の新生面３０に塑性流動したのち硬化すると、新生面３０において低融点金属部材Ｂ１が高融点金属部材Ａ１に接合する（図２（ｃ））。
【００２４】
プローブ２０の高さ設定の範囲としては、プローブ２０の高さが最も低い位置は、プローブ２０が高融点金属部材Ａ１の表面に当接する位置であり、プローブ２０の高さが最も高い位置は、プローブ２０が低融点金属部材Ｂ1の表面に当接する位置である（図２（ａ））。即ち、低融点金属部材Ｂ１の表面高さＨ２と高融点金属部材Ａ１の表面高さＨ１との段差ｄの分だけ、ツール本体１０の高さ調節を行うことができる。
【００２５】
ツール本体１０の回転軸芯Ｚは、高融点金属部材Ａ１および低融点金属部材Ｂ１の表面に対してプローブ２０が接合方向ｗに先行する状態に傾斜させる。
ツール本体１０のＺの回転軸芯Ｚの傾斜角度αは、例えば０〜１０度、好ましくは０〜５度程度に設定する。
このように接合方向ｗにプローブ２０が先行するよう前進角を設けて傾斜させると、ツール本体１０の下面のうち接合方向ｗの後方側に位置する領域を、低融点金属部材Ｂ１の表面に確実に接触させることができる。
当該傾斜角度αは、１０度を超えるとツール本体１０を接合方向ｗに移動させるときに、ツール本体１０の下面に作用する抵抗が過大となって効率よく接合できなくなる。
このときの、ツール本体１０の肩部１１と低融点金属部材Ｂ１との接触面積は、接合方向に対する側面方向視において、ツール本体１０の下面のうち後方側端部から７５％以上かつ１００％未満の領域とする（図３）。
【００２６】
このように設定する結果、ツール本体１０の進行に際して低融点金属部材Ｂ１により積極的に圧力を加えることができ、軟化した低融点金属ｂの飛散を防止し、当該軟化金属を高融点金属部材Ａ１の表面に押し付けることができる。この結果、高融点金属部材Ａ１と低融点金属部材Ｂ１とを確実に接合させ、強固な接合部を得ることができる。
【００２７】
融点が互いに異なる金属部材どうしの組み合わせとしては、例えば、アルミニウム合金と鉄鋼（一般の炭素鋼・特殊鋼・合金鋼）、或いは、マグネシウム合金と鉄鋼等が挙げられる。これら組み合わせにおいて、前記鉄鋼はチタン合金とすることも可能である。
【実施例】
【００２８】
接合対象物である内燃機関用のピストンにおいて、ピストンの頂面部Ｐ１を高融点金属部材Ａ１、本体部Ｐ２を低融点金属部材Ｂ１とし、これら両金属部材を本発明の摩擦攪拌接合方法によって接合した（図４）。回転ツールＸは、表１に示す形態のものを使用した。頂面部Ｐ１はＡＣ８Ａ製、前記本体部Ｐ２はＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ製の金属材料を使用した。
【００２９】
【表１】
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【００３０】
このピストンＰにおいては、頂面部Ｐ１および本体部Ｐ２を重ね、当該重なり部分をピストンＰの周囲に亘って接合する。両部材の重ね部は、図４に示すごとく、頂面部Ｐ１の下面には肉厚の凸部を設けてあり、この凸部を、本体部Ｐ２に設けた凹部に嵌入して形成する。
このとき、本体部Ｐ２の外径は、頂面部Ｐ１の外径よりも所定量大きく設定する。この状態でまず接合を行い、健全な接合部を得た後、ピストンＰの側面を研削して所望のサイズを有するピストンを得る。
【００３１】
本体部Ｐ２および頂面部Ｐ１の接合部に沿ってピストンＰの中心側にはクーリングチャンネルｑを設けてある。これは、エンジン運転時に冷却油を循環させるもので、特に頂面部Ｐ１を冷却するための構成である。接合に際して本体部Ｐ２と頂面部Ｐ１とを当接させる際には、接合部とクーリングチャンネルｑとの間の領域に、本体部Ｐ２と頂面部Ｐ１とが当接する部位、即ち、幅ｒの領域を設けてある（図４（ｂ））。
【００３２】
このようにピストンＰの周囲に対して行う接合は、例えば図５乃至図７に模式的に示すごとく、円筒面状の継ぎ手に係る接合となる。尚、これらの図における回転ツールと被接合物との大きさの比は必ずしも現実のものではない。
図６に示すごとく、ツール本体１０の角度は、高融点金属部材Ａ１及び低融点金属部材Ｂ１の法線方向ｎに対して所定角度βだけ傾斜させる（図６）。具体的には０〜５度である。
ピストンＰの接合処理は、両金属部材どうしを突合せ部Ｒにて突合せ、この状態で回転させながら行う。
【００３３】
本実施形態において、高融点金属部材Ａ１および低融点金属部材Ｂ１の最適な段差ｄは、例えば以下のようにして計算することができる。例えば、ツール本体１０の直径φ１＝１２ｍｍ、プローブ２０の直径φ２＝５ｍｍ、低融点金属部材Ｂ１の直径φ３＝９０ｍｍとする。回転ツールＸは、上述の表１に示す形態のものを使用した。
【００３４】
回転ツールＸを法線方向ｎに対して３度傾斜させ、プローブ２０が低融点金属部材Ｂ１を押圧する際に、肩部１１の円周の７５％以上が当該金属部材に接触する位置を設定する。このとき、埋没領域１２の長さの最低値Ｌminを８ｍｍとし（図７）、以下の計算式により段差ｄを求めた。
【００３５】
[数１]
ｄ＝Ｌmin・tan３＝０.４２
【００３６】
このとき、高融点金属部材Ａ１の直径φ４は以下の計算式により算出される。
【００３７】
[数２]
φ４＝φ３−２ｄ＝８９.１６ｍｍ
【００３８】
段差ｄは、両金属部材の曲率あるいはプローブ２０のサイズによって適宜設定することとなる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の摩擦攪拌接合方法に使用する回転ツールおよび金属部材を示した概略図
【図２】接合処理時の回転ツールおよび金属部材の概略図
【図３】接合処理時の回転ツールおよび金属部材の側面視概略図
【図４】接合対象物である内燃機関用のピストンを接合処理するときの概略図
【図５】接合対象物である円筒管を接合処理するときの概略図
【図６】接合対象物である円筒管を接合処理するときの側面視概略図
【図７】段差の算出手法を示した概略図
【符号の説明】
【００４０】
Ａ（Ａ１）  第１材料（高融点金属部材）
Ｂ（Ｂ１）  第２材料（低融点金属部材）
Ｈ１        第１材料の表面高さ
Ｈ２        第２材料の表面高さ
Ｒ          突合せ部
ｎ          法線方向
ｗ          接合方向
Ｚ          回転軸心
Ｘ          回転ツール
１０        ツール本体
１２        埋没領域
１３        ツール本体の下面の一部
２０        プローブ
α          ツール本体の角度
【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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