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技術 接合方法及び複合圧延材の製造方法

出願人 日本軽金属株式会社
発明者 堀久司
出願日 2019年2月21日 (1年9ヶ月経過) 出願番号 2019-029031
公開日 2020年8月31日 (2ヶ月経過) 公開番号 2020-131246
状態 未査定
技術分野 圧接、拡散接合
主要キーワード 銅合金部材 螺旋角度 水平方向距離 段差側面 銅部材 実施例形態 両金属部材 接線速度
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (17)

課題

異なる種類の金属部材を容易に接合することができる接合方法及び複合圧延材の製造方法を提供する。

解決手段

接合工程では、回転する先端側ピンF3を第一金属部材1の表面1bのみから挿入するとともに、基端側ピンF2の外周面を第一金属部材1に接触させつつ、先端側ピンF3の外周面を少なくとも第一金属部材1に接触させた状態で、突合せ部Jの隙間に第一金属部材1を流入させながら突合せ部Jに沿って前記回転ツールFで相対移動させて第一金属部材1と第二金属部材2とを接合する。

概要

背景

例えば、特許文献1には、材料の異なる金属部材同士回転ツール摩擦攪拌接合する技術が開示されている。

概要

異なる種類の金属部材を容易に接合することができる接合方法及び複合圧延材の製造方法を提供する。接合工程では、回転する先端側ピンF3を第一金属部材1の表面1bのみから挿入するとともに、基端側ピンF2の外周面を第一金属部材1に接触させつつ、先端側ピンF3の外周面を少なくとも第一金属部材1に接触させた状態で、突合せ部Jの隙間に第一金属部材1を流入させながら突合せ部Jに沿って前記回転ツールFで相対移動させて第一金属部材1と第二金属部材2とを接合する。

目的

本発明は、異なる種類の金属部材を好適に接合することができる接合方法及び複合圧延材の製造方法を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

基端ピンと、先端側ピンとを備えた回転ツールを用いて材料の異なる一対の金属部材接合する接合方法であって、前記基端側ピンのテーパー角度は、前記先端側ピンのテーパー角度よりも大きくなっており、前記基端側ピンの外周面には階段状のピン段差部が形成されており、端部に垂直面を備えた第一金属部材と、端部に傾斜面を備え前記第一金属部材よりも融点が高く板厚が小さい第二金属部材と、を準備する準備工程と、前記第一金属部材と前記第二金属部材との端部同士を突き合わせてV字状の隙間を備えた突合せ部を形成する突合せ工程と、回転する前記先端側ピンを前記第一金属部材の表面のみから挿入するとともに、前記基端側ピンの外周面を前記第一金属部材に接触させつつ、前記先端側ピンの外周面を少なくとも前記第一金属部材に接触させた状態で、前記隙間に前記第一金属部材を流入させながら前記突合せ部に沿って前記回転ツールを相対移動させて前記第一金属部材と前記第二金属部材とを接合する接合工程と、を含むことを特徴とする接合方法。

請求項2

前記突合せ工程では、前記第一金属部材及び前記第二金属部材の裏面同士を面一とした状態で前記第一金属部材と前記第二金属部材とを突き合わせることを特徴とする請求項1に記載の接合方法。

請求項3

前記突合せ工程では、前記第一金属部材の裏面が前記第二金属部材の裏面よりも低い位置となり、前記第一金属部材の表面が前記第二金属部材の表面よりも高い位置となるように前記第一金属部材と前記第二金属部材とを付き合わせ、前記接合工程では、攪拌ピンの先端が前記第二金属部材の裏面の高さよりも下に位置するように前記先端側ピンの挿入深さを設定することを特徴とする請求項1に記載の接合方法。

請求項4

前記接合工程では、前記回転ツールの移動軌跡に形成される塑性化領域のうち、前記第二金属部材側がシアー側となり、前記第一金属部材側がフロー側となるように前記回転ツールの回転方向及び進行方向を設定することを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれかの一項に記載の接合方法。

請求項5

前記準備工程では、前記第一金属部材をアルミニウム又はアルミニウム合金で形成し、前記第二金属部材を銅又は銅合金で形成し、前記接合工程では、前記基端側ピンの外周面を前記第一金属部材のみに接触させつつ、前記先端側ピンの外周面を前記第二金属部材に接触させない状態で、前記隙間に前記第一金属部材を流入させながら前記突合せ部に沿って前記回転ツールを相対移動させて前記第一金属部材と前記第二金属部材とを接合することを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれかの一項に記載の接合方法。

請求項6

前記接合工程では、前記回転ツールの先端側ピンの外周面に基端から先端に向かうにつれて左利回りの螺旋溝刻設した場合、前記回転ツールを右回転させ、前記回転ツールの先端側ピンの外周面に基端から先端に向かうにつれて右回りの螺旋溝を刻設した場合、前記回転ツールを左回転させることを特徴とする請求項1乃至請求項5のいずれかの一項に記載の接合方法。

請求項7

基端側ピンと、先端側ピンとを備えた回転ツールを用いて材料の異なる一対の金属材料で形成された複合圧延材の製造方法であって、前記基端側ピンのテーパー角度は、前記先端側ピンのテーパー角度よりも大きくなっており、前記基端側ピンの外周面には階段状のピン段差部が形成されており、端部に垂直面を備えた第一金属部材と、端部に傾斜面を備え前記第一金属部材よりも融点が高く板厚が小さい第二金属部材と、を準備する準備工程と、前記第一金属部材と前記第二金属部材との端部同士を突き合わせてV字状の隙間を備えた突合せ部を形成する突合せ工程と、回転する前記先端側ピンを前記第一金属部材の表面のみから挿入するとともに、前記基端側ピンの外周面を前記第一金属部材に接触させつつ、前記先端側ピンの外周面を少なくとも前記第一金属部材に接触させた状態で、前記隙間に前記第一金属部材を流入させながら前記突合せ部に沿って前記回転ツールで相対移動させて前記第一金属部材と前記第二金属部材とを接合する接合工程と、前記接合工程で接合された前記金属部材同士を、その接合線圧延方向として圧延する圧延工程と、を含むことを特徴とする複合圧延材の製造方法。

技術分野

0001

本発明は、接合方法及び複合圧延材の製造方法に関する。

背景技術

0002

例えば、特許文献1には、材料の異なる金属部材同士回転ツール摩擦攪拌接合する技術が開示されている。

先行技術

0003

特開2016−150380号公報

発明が解決しようとする課題

0004

従来の接合方法では、第一金属部材及び第二金属部材の両方の端部に傾斜面を設け、これらの傾斜面同士を面接触させて突き合わせるというものであった。そのため、傾斜面を形成するのが煩雑になるとともに、両金属部材傾斜角度が一致しないと面接触しないため準備工程及び突合せ工程が煩雑になるという問題があった。また、従来の接合方法のように攪拌ピンのみを被接合金属部材に接触させる形態であるとバリが多く発生して金属不足になるおそれがある。

0005

このような観点から、本発明は、異なる種類の金属部材を好適に接合することができる接合方法及び複合圧延材の製造方法を提供することを課題とする。

課題を解決するための手段

0006

このような課題を解決するために本発明は、基端ピンと、先端側ピンとを備えた回転ツールを用いて材料の異なる一対の金属部材を接合する接合方法であって、前記基端側ピンのテーパー角度は、前記先端側ピンのテーパー角度よりも大きくなっており、前記基端側ピンの外周面には階段状のピン段差部が形成されており、端部に垂直面を備えた第一金属部材と、端部に傾斜面を備え前記第一金属部材よりも融点が高く板厚が小さい第二金属部材と、を準備する準備工程と、前記第一金属部材と前記第二金属部材との端部同士を突き合わせてV字状の隙間を備えた突合せ部を形成する突合せ工程と、回転する前記先端側ピンを前記第一金属部材の表面のみから挿入するとともに、前記基端側ピンの外周面を前記第一金属部材に接触させつつ、前記先端側ピンの外周面を少なくとも前記第一金属部材に接触させた状態で、前記隙間に前記第一金属部材を流入させながら前記突合せ部に沿って前記回転ツールを相対移動させて前記第一金属部材と前記第二金属部材とを接合する接合工程と、を含むことを特徴とする。

0007

また、本発明は、基端側ピンと、先端側ピンとを備えた回転ツールを用いて材料の異なる一対の金属材料で形成された複合圧延材の製造方法であって、前記基端側ピンのテーパー角度は、前記先端側ピンのテーパー角度よりも大きくなっており、前記基端側ピンの外周面には階段状のピン段差部が形成されており、端部に垂直面を備えた第一金属部材と、端部に傾斜面を備え前記第一金属部材よりも融点が高く板厚が小さい第二金属部材と、を準備する準備工程と、前記第一金属部材と前記第二金属部材との端部同士を突き合わせてV字状の隙間を備えた突合せ部を形成する突合せ工程と、回転する前記先端側ピンを前記第一金属部材の表面のみから挿入するとともに、前記基端側ピンの外周面を前記第一金属部材に接触させつつ、前記先端側ピンの外周面を少なくとも前記第一金属部材に接触させた状態で、前記隙間に前記第一金属部材を流入させながら前記突合せ部に沿って前記回転ツールで相対移動させて前記第一金属部材と前記第二金属部材とを接合する接合工程と、前記接合工程で接合された前記金属部材同士を、その接合線圧延方向として圧延する圧延工程と、を含むことを特徴とする。

0008

かかる方法によれば、傾斜面を形成するのは第二金属部材だけで済むため準備工程が容易になる。また、V字状の隙間を設けた状態で両金属部材を突き合わせるため、高い精度は必要なく突合せ工程も容易に行うことができる。また、例えば、第一金属部材のみに接触するように回転ツールの先端側ピンを挿入すれば、軟化温度の低い第一金属部材に合わせて接合条件を調節することができ、入熱量を抑えることができる。したがって、第一金属部材が大きく軟化してバリが過剰に発生するのを抑制することができ、金属不足による接合不良を防ぐことができる。また、基端側ピンの外周面を第一金属部材に接触させた状態で摩擦攪拌を行うためバリの発生をより抑制することができる。

0009

また、前記突合せ工程では、前記第一金属部材及び前記第二金属部材の裏面同士を面一とした状態で前記第一金属部材と前記第二金属部材とを突き合わせることが好ましい。

0010

かかる接合方法によれば、金属部材同士の裏面を面一にすることができる。

0011

また、前記突合せ工程では、前記第一金属部材の裏面が前記第二金属部材の裏面よりも低い位置となり、前記第一金属部材の表面が前記第二金属部材の表面よりも高い位置となるように前記第一金属部材と前記第二金属部材とを付き合わせ、前記接合工程では、攪拌ピンの先端が前記第二金属部材の裏面の高さよりも下に位置するように前記先端側ピンの挿入深さを設定することが好ましい。

0012

かかる接合方法によれば、第二金属部材の深さ方向全体に亘って摩擦攪拌を行うことができる。

0013

また、前記接合工程では、前記回転ツールの移動軌跡に形成される塑性化領域のうち、前記第二金属部材側がシアー側となり、前記第一金属部材側がフロー側となるように前記回転ツールの回転方向及び進行方向を設定することが好ましい。

0014

塑性化領域のうち、融点が高い第二金属部材側がフロー側となると、突合せ部での第一金属部材の温度が低下して、異なる金属同士の界面における相互拡散が促進されず、接合不良となるおそれがある。しかし、かかる接合方法によれば、融点の高い第二金属部材側がシアー側となるように設定することで、突合せ部での第一金属部材の温度を比較的高温に保つことが可能となり、異なる金属同士の界面における相互拡散が促進され、接合不良となるのを防ぐことができる。

0015

なお、シアー側とは、接合部に対する回転ツールの外周の相対速さが、回転ツールの外周における接線速度の大きさに移動速度の大きさを加算した値となる側である。フロー側とは、接合部に対する回転ツールの外周の相対速さが、回転ツールの外周における接線速度の大きさに移動速度の大きさを減算した値となる側である。

0016

また、前記準備工程では、前記第一金属部材をアルミニウム又はアルミニウム合金で形成し、前記第二金属部材を銅又は銅合金で形成し、前記接合工程では、前記基端側ピンの外周面を前記第一金属部材のみに接触させつつ、前記先端側ピンの外周面を前記第二金属部材に接触させない状態で、前記隙間に前記第一金属部材を流入させながら前記突合せ部に沿って前記回転ツールを相対移動させて前記第一金属部材と前記第二金属部材とを接合することが好ましい。

0017

かかる接合方法によれば、銅又は銅合金製の金属部材とアルミニウム又はアルミニウム合金製の金属部材とを好適に接合することができる。

0018

また、前記接合工程では、前記回転ツールの先端側ピンの外周面に基端から先端に向かうにつれて左利回りの螺旋溝刻設した場合、前記回転ツールを右回転させ、前記回転ツールの先端側ピンの外周面に基端から先端に向かうにつれて右回りの螺旋溝を刻設した場合、前記回転ツールを左回転させることが好ましい。

0019

かかる接合方法によれば、塑性流動化した金属が螺旋溝に導かれて回転ツールの先端側に流動するため、バリの発生を抑制することができる。

発明の効果

0020

本発明に係る接合方法及び複合圧延材の製造方法によれば、異なる種類の金属部材を好適に接合することができる。

図面の簡単な説明

0021

本発明の実施形態に係る回転ツールを示す側面図である。
回転ツールの拡大断面図である。
回転ツールの第一変形例を示す断面図である。
回転ツールの第二変形例を示す断面図である。
回転ツールの第三変形例を示す断面図である。
本発明の第一実施形態に係る準備工程及び突合せ工程を示す断面図である。
第一実施形態に係る接合工程を示す斜視図である。
第一実施形態に係る接合工程を示す断面図である。
第一実施形態に係る接合工程後を示す断面図である。
第一実施形態に係る圧延工程を示す斜視図である。
第一実施形態に係る圧延工程後を示す断面図である。
従来の回転ツールを示す概念図である
従来の回転ツールを示す概念図である。
本発明の第二実施形態に係る準備工程及び突合せ工程を示す断面図である。
第二実施形態に係る接合工程を示す断面図である。
第二実施形態に係る接合工程後を示す断面図である。

実施例

0022

本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら説明する。まずは、本実施形態に係る接合方法で用いる回転ツールについて説明する。回転ツールは、摩擦攪拌接合に用いられるツールである。図1に示すように、回転ツールFは、例えば工具鋼で形成されており、基軸部F1と、基端側ピンF2と、先端側ピンF3とで主に構成されている。基軸部F1は、円柱状を呈し、摩擦攪拌装置主軸に接続される部位である。

0023

基端側ピンF2は、基軸部F1に連続し、先端に向けて先細りになっている。基端側ピンF2は、円錐台形状を呈する。基端側ピンF2のテーパー角度Aは適宜設定すればよいが、例えば、135〜160°になっている。テーパー角度Aが135°未満であるか、又は、160°を超えると摩擦攪拌後の接合表面粗さが大きくなる。テーパー角度Aは、後記する先端側ピンF3のテーパー角度Bよりも大きくなっている。図2に示すように、基端側ピンF2の外周面には、階段状のピン段差部F21が高さ方向の全体に亘って形成されている。ピン段差部F21は、右回り又は左回り螺旋状に形成されている。つまり、ピン段差部F21は、平面視して螺旋状であり、側面視すると階段状になっている。本実施形態では、回転ツールFを右回転させるため、ピン段差部F21は基端側から先端側に向けて左回りに設定している。

0024

なお、回転ツールFを左回転させる場合は、ピン段差部F21を基端側から先端側に向けて右回りに設定することが好ましい。これにより、ピン段差部F21によって塑性流動材が先端側に導かれるため、被接合金属部材の外部に溢れ出る金属を低減することができる。ピン段差部F21は、段差底面F21aと、段差側面F21bとで構成されている。隣り合うピン段差部F21の各頂点F21c,F21cの距離X1(水平方向距離)は、後記する段差角度C及び段差側面F21bの高さY1に応じて適宜設定される。

0025

段差側面F21bの高さY1は適宜設定すればよいが、例えば、0.1〜0.4mmで設定されている。高さY1が0.1mm未満であると接合表面粗さが大きくなる。一方、高さY1が0.4mmを超えると接合表面粗さが大きくなる傾向があるとともに、有効段差部数(被接合金属部材と接触しているピン段差部F21の数)も減少する。

0026

段差底面F21aと段差側面F21bとでなす段差角度Cは適宜設定すればよいが、例えば、85〜120°で設定されている。段差底面F21aは、本実施形態では水平面と平行になっている。段差底面F21aは、ツールの回転軸から外周方向に向かって水平面に対して−5°〜15°内の範囲で傾斜していてもよい(マイナスは水平面に対して下方、プラスは水平面に対して上方)。距離X1、段差側面F21bの高さY1、段差角度C及び水平面に対する段差底面F21aの角度は、摩擦攪拌を行う際に、塑性流動材がピン段差部F21の内部に滞留して付着することなく外部に抜けるとともに、段差底面F21aで塑性流動材を押えて接合表面粗さを小さくすることができるように適宜設定する。

0027

図1に示すように、先端側ピンF3は、基端側ピンF2に連続して形成されている。先端側ピンF3は円錐台形状を呈する。先端側ピンF3の先端は回転軸に対いて垂直な平坦面F4になっている。先端側ピンF3のテーパー角度Bは、基端側ピンF2のテーパー角度Aよりも小さくなっている。図2に示すように、先端側ピンF3の外周面には、螺旋溝F31が刻設されている。螺旋溝F31は、右回り、左回りのどちらでもよいが、本実施形態では回転ツールFを右回転させるため、基端側から先端側に向けて左回りに刻設されている。

0028

なお、回転ツールFを左回転させる場合は、螺旋溝F31を基端側から先端側に向けて右回りに設定することが好ましい。これにより、螺旋溝F31によって塑性流動材が先端側に導かれるため、被接合金属部材の外部に溢れ出る金属を低減することができる。螺旋溝F31は、螺旋底面F31aと、螺旋側面F31bとで構成されている。隣り合う螺旋溝F31の頂点F31c,F31cの距離(水平方向距離)を長さX2とする。螺旋側面F31bの高さを高さY2とする。螺旋底面F31aと、螺旋側面F31bとで構成される螺旋角度Dは例えば、45〜90°で形成されている。螺旋溝F31は、被接合金属部材と接触することにより摩擦熱を上昇させるとともに、塑性流動材を先端側に導く役割を備えている。

0029

回転ツールFは、適宜設計変更が可能である。図3は、本発明の回転ツールの第一変形例を示す側面図である。図3に示すように、第一変形例に係る回転ツールFAでは、ピン段差部F21の段差底面F21aと段差側面F21bとのなす段差角度Cが85°になっている。段差底面F21aは、水平面と平行である。このように、段差底面F21aは水平面と平行であるとともに、段差角度Cは、摩擦攪拌中にピン段差部F21内に塑性流動材が滞留して付着することなく外部に抜ける範囲で鋭角としてもよい。

0030

図4は、本発明の回転ツールの第二変形例を示す側面図である。図4に示すように、第二変形例に係る回転ツールFBでは、ピン段差部F21の段差角度Cが115°になっている。段差底面F21aは水平面と平行になっている。このように、段差底面F21aは水平面と平行であるとともに、ピン段差部F21として機能する範囲で段差角度Cが鈍角となってもよい。

0031

図5は、本発明の回転ツールの第三変形例を示す側面図である。図5に示すように、第三変形例に係る回転ツールFCでは、段差底面F21aがツールの回転軸から外周方向に向かって水平面に対して10°上方に傾斜している。段差側面F21bは、鉛直面と平行になっている。このように、摩擦攪拌中に塑性流動材を押さえることができる範囲で、段差底面F21aがツールの回転軸から外周方向に向かって水平面よりも上方に傾斜するように形成されていてもよい。上記の回転ツールの第一〜第三変形例によっても、下記の実施形態と同等の効果を奏することができる。

0032

[第一実施形態]
次に、本発明の第一実施形態の接合方法(複合圧延材の製造方法)について説明する。本実施形態に係る複合圧延材の製造方法は、一対の金属部材同士を回転ツールFで接合した後に圧延し、複合圧延材を得るというものである。なお、以下においては、「裏面」の反対側の面を「表面」とする。

0033

図6に示すように、第一金属部材1は、板状を呈する。第一金属部材1の端面1aは、表面1b及び裏面1cに対して垂直な垂直面になっている。第一金属部材1は、本実施形態ではアルミニウム合金で形成されているが、アルミニウム、銅、銅合金、チタンチタン合金マグネシウムマグネシウム合金など摩擦攪拌可能な金属材料で形成してもよい。

0034

第二金属部材2は、板状を呈する。第二金属部材2の板厚は、第一金属部材1の板厚よりも小さくなっている。第二金属部材2の端面2aは、鉛直面に対して傾斜する傾斜面となっている。端面2aの傾斜角度βは適宜設定すればよいが、本実施形態では、先端側ピンF3の傾斜角度αと同一になっている。第二金属部材2は、第一金属部材1よりも融点が高く、かつ、摩擦攪拌可能な材料で形成されている。第二金属部材2は、例えば、銅又は銅合金で形成してもよい。

0035

本実施形態に係る複合圧延材の製造方法は、準備工程と、突合せ工程と、接合工程と、圧延工程と、を行う。なお、特許請求の範囲の接合方法は、準備工程と、突合せ工程と、接合工程と、を行う工程である。

0036

準備工程は、前記した第一金属部材1、第二金属部材2及び回転ツールFを用意する工程である。突合せ工程は、図6に示すように、第一金属部材1と第二金属部材2の端部同士を突き合わせる工程である。突合せ工程では、第一金属部材1の端面1aと、第二金属部材2の端面2aとを突き合わせて突合せ部Jを形成する。突合せ部Jは、表面1b,2bに向かうにつれて開口が広がるように断面V字状の隙間が形成される。第一金属部材1の裏面1cと、第二金属部材2の裏面2cとは面一になる。第一金属部材1及び第二金属部材2は架台Kに移動不能に固定される。

0037

接合工程は、回転ツールFを用いて第一金属部材1と第二金属部材2とを接合する工程である。図7に示すように、接合工程では、回転ツールFを回転させつつ、第一金属部材1の表面1bであり、かつ、突合せ部Jの近傍に設定した開始位置Spに回転ツールFをの先端側ピンF3を挿入する。そして、基端側ピンF2の外周面を第一金属部材1のみに接触させつつ、先端側ピンF3の外周面を第二金属部材2に接触させない状態とする。図8に示すように、第一金属部材1側の塑性流動材を突合せ部Jの隙間に流入させながら突合せ部Jに沿って前記回転ツールFを相対移動させて第一金属部材1と第二金属部材2とを接合する。図9に示すように、回転ツールFの移動軌跡には、塑性化領域Wが形成される。

0038

接合工程では、塑性化領域Wのうち、第二金属部材2側(突合せ部Jに近い側)がシアー側となり、第一金属部材1側(突合せ部Jから離間する側)がフロー側となるように設定している。つまり、本実施形態に係る接合工程では、進行方向右側に第一金属部材1が位置するように配置して、回転ツールFを右回転させる。なお、進行方向右側に第二金属部材2が位置するように配置した場合は、回転ツールFを左回転させることにより、塑性化領域Wのうち第二金属部材2側(突合せ部Jに近い側)がシアー側となる。

0039

基端側ピンF2の挿入深さは適宜設定すればよいが、本実施形態では第一金属部材1の板厚の90%程度の深さに設定している。ここで、回転ツールFの外周面と第二金属部材2とが大きく離間すると、突合せ部Jで第一金属と第二金属とが相互に拡散せず、第一金属部材1と第二金属部材2とを強固に接合することができない。一方、回転ツールFと第二金属部材2とを接触させ、両者の重なり代を大きくした状態で摩擦攪拌を行うと、第二金属部材2を軟化させるために、接合条件を調節して入熱量を大きくする必要があり、接合不良となるおれがある。したがって、突合せ部Jで第一金属と第二金属とが相互に拡散して接合するように、回転ツールFの外周面と第二金属部材2とをわずかに接触させた状態で接合するか、若しくは、回転ツールFの外周面と第二金属部材2とを接触させず極力近づけた状態で接合することが好ましい。

0040

また、本実施例形態のように、第一金属部材1がアルミニウム又はアルミニウム合金部材であり、第二金属部材2が銅又は銅合金部材である場合、接合工程において、回転ツールFの先端側ピンF3の外周面と第二金属部材2とを接触させず極力近づけた状態で接合することが好ましい。因みに、入熱量が大きくなる接合条件下で、仮に回転ツールFの外周面と第二金属部材2(銅部材)とを接触させたとすると、アルミニウム合金部材中に少量の銅部材が攪拌混入され、Al/Cuの相互拡散が促進され、アルミニウム合金部材中に分散したAl−Cu相が液相となり、アルミニウム合金部材側からバリが発生する恐れがある。

0041

圧延工程は、接合された第一金属部材1及び第二金属部材2を圧延する工程である。図10に示すように、圧延工程では、ローラR,Rを備えた圧延装置を用いて冷間圧延を行う。圧延工程では、接合工程における接合線(塑性化領域W)を圧延方向に設定して圧延する。

0042

以上により、図11に示す複合圧延材10が形成される。圧延工程における圧下率は、第一金属部材1及び第二金属部材2の材料や複合圧延材10の用途に応じて適宜設定すればよい。図9に示すように、接合工程後では第一金属部材1と第二金属部材2との間で板厚の差が生じているが、図11に示す圧延工程後ではその差が無視できる程度に圧延されている。

0043

以上説明した複合圧延材の製造方法及び接合方法によれば、接合工程において、第一金属部材1側の端面1aは、表面1b及び裏面1cに対して垂直としたため、第一金属部材1を容易に準備することができる。また、第二金属部材2の端面2aを傾斜面としたが、突合せ工程では、断面V字状の隙間をあけて突き合わせるため、突き合わせ作業を容易に行うことができる。また、第一金属部材1の板厚を、第二金属部材2の板厚よりも大きくするとともに、接合工程で突合せ部Jの隙間に塑性流動材を流入させるため、接合部の金属不足を防ぐことができる。

0044

ここで、図12に示すように、従来の回転ツール900であると、ショルダ部で被接合金属部材910の表面を押えないため段差凹溝(被接合金属部材の表面と塑性化領域の表面とで構成される凹溝)が大きくなるとともに、接合表面粗さが大きくなるという問題がある。また、段差凹溝の脇に膨出部(接合前に比べて被接合金属部材の表面が膨らむ部位)が形成されるという問題がある。一方、図13の回転ツール901のように、回転ツール901のテーパー角度E2を回転ツール900のテーパー角度E1よりも大きくすると、回転ツール900に比べて被接合金属部材910の表面を押えることはできるため、段差凹溝は小さくなり、膨出部も小さくなる。しかし、下向きの塑性流動が強くなるため、塑性化領域の下部にキッシングボンドが形成されやすくなる。

0045

これに対し、本実施形態の回転ツールFは、基端側ピンF2と、基端側ピンF2のテーパー角度Aよりもテーパー角度が小さい先端側ピンF3を備えた構成になっている。これにより、第一金属部材1に回転ツールFを挿入しやすくなる。また、先端側ピンF3のテーパー角度Bが小さいため、第一金属部材1の深い位置まで回転ツールFを容易に挿入することができる。また、先端側ピンF3のテーパー角度Bが小さいため、回転ツール901に比べて下向きの塑性流動を抑えることができる。このため、塑性化領域W1の下部にキッシングボンドが形成されるのを防ぐことができる。一方、基端側ピンF2のテーパー角度Aは大きいため、従来の回転ツールに比べ、被接合金属部材の厚さや接合の高さ位置が変化しても安定して接合することができる。

0046

また、基端側ピンF2の外周面で塑性流動材を押えることができるため、バリの発生を抑制することができ、接合部が金属不足になるのを防ぐことができる。また、基端側ピンF2の外周面で塑性流動材を押えることができるため、接合表面に形成される段差凹溝を小さくすることができるとともに、段差凹溝の脇に形成される膨出部を無くすか若しくは小さくすることができる。また、階段状のピン段差部F21は浅く、かつ、出口が広いため、塑性流動材を段差底面F21aで押えつつ塑性流動材がピン段差部F21の外部に抜けやすくなっている。そのため、基端側ピンF2で塑性流動材を押えても基端側ピンF2の外周面に塑性流動材が付着し難い。よって、接合表面粗さを小さくすることができるとともに、接合品質を好適に安定させることができる。

0047

塑性化領域Wのうち融点が高い第二金属部材2側がフロー側となると、突合せ部Jでの第一金属部材1の温度が低下して、異なる金属同士の界面における相互拡散が促進されず、接合不良となるおそれがある。入熱量を大きくするように接合条件を調節すると、シアー側となっている第一金属部材1側からバリが発生する可能性もある。しかし、本実施形態のように、塑性化領域Wのうち、融点が高い第二金属部材2側がシアー側となるように接合条件(回転ツールFの回転方向、進行方向等)を設定することで、突合せ部Jでの第一金属部材1の温度を比較的高温に保つことが可能となり、異なる金属同士の界面における相互拡散が促進され、接合不良となるのを防ぐことができる。

0048

回転ツールFの外周面を第二金属部材2にわずかに接触させてもよいが、本実施形態では回転ツールFと第二金属部材2とを接触させないように設定しているため、材料の異なる金属部材同士が攪拌されるのを防止することができる。

0049

また、本実施形態では、先端側ピンF3の外周面の傾斜角度α(図1参照)と第二金属部材2の端面2aの傾斜角度β(図3参照)は同一の角度になっている。傾斜角度α及び傾斜角度βは異なるように設定してもよいが、両者を同一とすることで回転ツールFと第二金属部材2との距離の設定が容易となる。つまり、回転ツールFの外周面と第二金属部材2とが接触しない状態で、両者を極力近づける作業が容易となる。

0050

[第二実施形態]
本発明の第二実施形態に係る接合方法(複合圧延材の製造方法)について説明する。本実施形態に係る複合圧延材の製造方法は、準備工程と、突合せ工程と、接合工程と、圧延工程と、を行う。
準備工程では、図14に示すように、段差架台KAを用意する。段差架台KAは、底部K1と、底部K1よりも一段上がった位置にある底部K2と、段差側面K3とを有している。

0051

突合せ工程では、図14に示すように、第一金属部材1と第二金属部材2との端部同士を突き合わせる。第一金属部材1は、底部K1に配置するとともに、段差側面K3に第一金属部材1の端面1aを当接させる。第一金属部材1と第二金属部材2とを突き合わせることにより突合せ部Jが形成される。突合せ部J1は第一実施形態と同様に、断面V字状の隙間が形成される。第一金属部材1と第二金属部材2とを突き合わせた状態で、第二金属部材2の表面2bよりも、第一金属部材1の表面1bの方が高い位置となるとともに、第二金属部材2の裏面2cよりも、第一金属部材1の裏面1cの方が低い位置となる。

0052

接合工程では、図15に示すように、回転ツールFを用いて第一金属部材1と第二金属部材2とを接合する工程である。接合工程では、第一実施形態と同じ要領で摩擦攪拌を行う。つまり、回転ツールFの基端側ピンF2を回転させつつ、第一金属部材1の表面1bであり、かつ、突合せ部Jの近傍に設定した開始位置に回転ツールFを挿入する。そして、突合せ部Jの延長方向と平行に回転ツールFを相対移動させる。回転ツールFは、第二金属部材2とわずかに接触させてもよいが、本実施形態では第一金属部材1のみと接触させた状態で摩擦攪拌を行う。回転ツールFの移動軌跡には、塑性化領域Wが形成される。接合工程では、主に第一金属部材1側の塑性流動材が突合せ部Jの隙間に流入するように摩擦攪拌接合を行う。

0053

本実施形態に係る接合工程では、回転ツールFの基端側ピンF2の先端(平坦面F4)が、第二金属部材2の裏面2cよりも下方に位置するように基端側ピンF2の挿入深さを設定する。圧延工程については、第一実施形態と同様である。

0054

以上説明した第二実施形態においても、第一実施形態と略同等の効果を得ることができる。第一実施形態においては、図8に示すように、第二金属部材2の高さ方向の全体に亘って接合することは困難である。しかし、第二実施形態においては、図15に示すように、第二金属部材2の裏面2cよりも深い位置に基端側ピンF2を挿入した状態で摩擦攪拌接合を行うため、第二金属部材2の板厚方向の全体に亘って接合することが可能となる(図16参照)。これにより、第一金属部材1と第二金属部材2の接合強度を高めることができる。

0055

1 第一金属部材
1a 端面
1b 表面
1c 裏面
2 第二金属部材
2a 端面
2b 表面
2c 裏面
J 突合せ部
F回転ツール
F2基端側ピン
F3 先端側ピン
F21 ピン段差部
Aテーパー角度
B テーパー角度

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