特許 5854451 異種金属板の接合方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5854451

(24)【登録日】2015年12月18日

(45)【発行日】2016年2月9日

(54)【発明の名称】異種金属板の接合方法

(51)【国際特許分類】

   B23K 20/12 20060101AFI20160120BHJP

【ＦＩ】

   B23K20/12 364

   B23K20/12 344

   B23K20/12 360

【請求項の数】5

【全頁数】27

(21)【出願番号】特願2011-33676(P2011-33676)

(22)【出願日】2011年2月18日

(65)【公開番号】特開2012-170967(P2012-170967A)

(43)【公開日】2012年9月10日

【審査請求日】2014年1月10日

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用 平成２２年８月１８日、社団法人溶接学会にて発行された溶接学会全国大会講演概要第８７集にて発表 平成２２年９月２５日、社団法人日本金属学会にて発行された日本金属学会講演概要にて発表 平成２２年１１月１２日、広島県立総合技術研究所東部工業技術センターにて発行された広島県立総合技術研究所東部工業研究報告第２３号にて発表

(73)【特許権者】

【識別番号】591079487

【氏名又は名称】広島県

(74)【代理人】

【識別番号】110001427

【氏名又は名称】特許業務法人前田特許事務所

(74)【代理人】

【識別番号】100077931

【弁理士】

【氏名又は名称】前田 弘

(74)【代理人】

【識別番号】100110939

【弁理士】

【氏名又は名称】竹内 宏

(74)【代理人】

【識別番号】100110940

【弁理士】

【氏名又は名称】嶋田 高久

(74)【代理人】

【識別番号】100113262

【弁理士】

【氏名又は名称】竹内 祐二

(74)【代理人】

【識別番号】100115059

【弁理士】

【氏名又は名称】今江 克実

(74)【代理人】

【識別番号】100117581

【弁理士】

【氏名又は名称】二宮 克也

(74)【代理人】

【識別番号】100117710

【弁理士】

【氏名又は名称】原田 智雄

(74)【代理人】

【識別番号】100124671

【弁理士】

【氏名又は名称】関 啓

(74)【代理人】

【識別番号】100131060

【弁理士】

【氏名又は名称】杉浦 靖也

(74)【代理人】

【識別番号】100131200

【弁理士】

【氏名又は名称】河部 大輔

(74)【代理人】

【識別番号】100131901

【弁理士】

【氏名又は名称】長谷川 雅典

(74)【代理人】

【識別番号】100132012

【弁理士】

【氏名又は名称】岩下 嗣也

(74)【代理人】

【識別番号】100141276

【弁理士】

【氏名又は名称】福本 康二

(74)【代理人】

【識別番号】100143409

【弁理士】

【氏名又は名称】前田 亮

(74)【代理人】

【識別番号】100157093

【弁理士】

【氏名又は名称】間脇 八蔵

(74)【代理人】

【識別番号】100163186

【弁理士】

【氏名又は名称】松永 裕吉

(74)【代理人】

【識別番号】100163197

【弁理士】

【氏名又は名称】川北 憲司

(74)【代理人】

【識別番号】100163588

【弁理士】

【氏名又は名称】岡澤 祥平

(72)【発明者】

【氏名】大石 郁

(72)【発明者】

【氏名】坂村 勝

(72)【発明者】

【氏名】竹保 義博

【審査官】 山崎 孔徳

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００７−２５３１７２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−０４６６７６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−１７０２８０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ２３Ｋ ２０／１２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１金属板と該第１金属板より融点の高い材質の第２金属板とを重ね合わせて両者を摩擦熱を利用して接合する異種金属板の接合方法であって、
先端に向かって次第に縮径する曲率半径が１ｍｍ〜１３ｍｍである湾曲面を有するピンが棒状ツール本体の長手方向一端の軸心上に突設された加工ツールを軸心回りに回転させながら重合状態の第１金属板及び第２金属板に接近させ、上記ピンを上記第１金属板に押し付けて該第１金属板を摩擦熱により軟化させつつ上記第２金属板側に０．５ｍｍ以上押し込むことにより該第２金属板をも摩擦熱により軟化させ、上記第１金属板及び第２金属板の軟化過程で上記ピンの湾曲面に沿って押しのけられた各々の軟化金属部分が一体に連続し、且つ、両軟化金属部分の境界では上記第２金属板の軟化金属部分が上記第１金属板の軟化金属部分に覆い被さってアンカー構造となり、第１金属板と第２金属板とが接合されることを特徴とする異種金属板の接合方法。

【請求項2】

請求項１に記載の異種金属板の接合方法であって、
一方側に第１金属板が、他方側に第２金属板がそれぞれ偏って配置されるように上記第１金属板及び第２金属板を複数枚重ね合わせ、
上記第１金属板及び上記第２金属板を軟化させつつ上記ピンを重合方向外側に位置する第２金属板まで押し込むことを特徴とする異種金属板の接合方法。

【請求項3】

請求項１又は２に記載の異種金属板の接合方法であって、
上記ツール本体の長手方向一端には、先端に向かって次第に縮径するショルダー面が形成され、
上記ピンを第２金属板まで押し込む際、上記ショルダー面を上記第１金属板の軟化金属部分にまで押し込むことを特徴とする異種金属板の接合方法。

【請求項4】

請求項１から３のいずれか１つに記載の異種金属板の接合方法であって、
上記第１金属板は、アルミニウム合金板、陽極酸化被膜アルミニウム合金板及びマグネシウム合金板のいずれか１つであり、
上記第２金属板は、鋼板であることを特徴とする異種金属板の接合方法。

【請求項5】

請求項１から４のいずれか１つに記載の異種金属板の接合方法であって、
高密度ポリエチレンシート、シール剤及び繊維強化プラスチックのいずれか１つの絶縁部材を上記第１金属板と上記第２金属板との間に介在させ、
上記第１金属板、上記絶縁部材及び上記第２金属板を順に軟化させつつ上記ピンを第２金属板まで押し込むことを特徴とする異種金属板の接合方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、重ね合わせた異種金属板の接合方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来より、重ね合わせた金属板同士を接合する方法として摩擦攪拌接合や摩擦攪拌点接合が知られている。例えば、特許文献１では、融点の高い金属板同士の摩擦攪拌点接合が開示されていて、長手方向一端の軸心上に嵌合凹部が形成された棒状ツール本体及び上記嵌合凹部に嵌着するピンからなる加工ツールを用い、該加工ツールを回転させながら重合状態の金属板に接近させ、上記ピンを上記金属板に押し付けて摩擦熱により軟化した軟化金属部分を攪拌させた状態で硬化させることにより金属板同士を接合している。

【0003】

ところで、軽量化や高剛性化といった構造物における各性能の向上を同時に行うのを目的として、材質・板厚等の異なる金属板を構造物の適材適所に配置するために、異種金属板同士を接合したい場合がある。これら異種金属板同士を摩擦攪拌接合する場合、融点の異なる異種金属板をそれぞれ軟化させても当該異種金属板同士の軟化金属部分が互いに混ざり難く、接合強度が安定しないことが一般的に知られている。そこで、特許文献２に開示されている異種金属板同士の摩擦攪拌接合方法では、重合状態の金属板の融点の低い金属板側から加工ツールを押し付けて上記ピン先端を融点の高い金属板側に到達させずにその手前で保持し、摩擦熱により融点の低い金属板側だけを軟化させて攪拌し、攪拌域を融点の高い金属板表面に密着させることで金属板同士を繋ぐようにしている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１０−４６６７６号公報（段落００１３〜００１６欄、図１）

【特許文献2】特開２００３−２７５８７６号公報（段落００３３〜００３６欄、図２）

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかし、特許文献２の接合方法では、融点の低い金属板だけを攪拌させ、攪拌域が融点の高い金属板に密着することで金属板同士が繋がっていて、その接合強度は、攪拌域の密着面の面積に大きく依存する。したがって、高い接合強度が必要な部位に当該接合を適用する場合、攪拌域の密着面の面積を大きくして接合強度を高めようとすると、攪拌域を広げるために加工時間を長くしたり、加工ツールの径を大きくする必要があり、それに伴って、生産性が低下したり、加工ツールが無駄に大きくなって部品コストが嵩むこととなる。

【0006】

本発明は、斯かる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、低コストで、且つ、高い生産能力を有し、必要な接合強度が得られる異種金属板の接合方法及びその方法により得られる異種金属板の接合構造を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記の目的を達成するために、本発明は、摩擦熱を利用した異種金属板の接合において、融点の低い方の金属板の摩擦力による軟化金属部分に、融点の高い方の金属板の摩擦熱による軟化金属部分が覆い被さってアンカー構造となることを特徴とする。

【0008】

具体的には、第１の発明は、第１金属板と該第１金属板より融点の高い材質の第２金属板とを重ね合わせて両者を摩擦熱を利用して接合する異種金属板の接合方法を対象とし、次のような解決手段を講じた。

【0009】

すなわち、第１の発明では、先端に向かって次第に縮径する曲率半径が１ｍｍ〜１３ｍｍである湾曲面を有するピンが棒状ツール本体の長手方向一端の軸心上に突設された加工ツールを軸心回りに回転させながら重合状態の第１金属板及び第２金属板に接近させ、上記ピンを上記第１金属板に押し付けて該第１金属板を摩擦熱により軟化させつつ上記第２金属板側に０．５ｍｍ以上押し込むことにより該第２金属板をも摩擦熱により軟化させ、上記第１金属板及び第２金属板の軟化過程で上記ピンの湾曲面に沿って押しのけられた各々の軟化金属部分が一体に連続し、且つ、両軟化金属部分の境界では上記第２金属板の軟化金属部分が上記第１金属板の軟化金属部分に覆い被さってアンカー構造となり、第１金属板と第２金属板とが接合されることを特徴とする。

【0010】

第２の発明では、第１の発明において、一方側に第１金属板が、他方側に第２金属板がそれぞれ偏って配置されるように上記第１金属板及び第２金属板を複数枚重ね合わせ、上記第１金属板及び上記第２金属板を軟化させつつ上記ピンを重合方向外側に位置する第２金属板まで押し込むことを特徴とする。

【0011】

第３の発明では、第１又は第２の発明において、上記ツール本体の長手方向一端には、先端に向かって次第に縮径するショルダー面が形成され、上記ピンを第２金属板まで押し込む際、上記ショルダー面を上記第１金属板の軟化金属部分にまで押し込むことを特徴とする。

【0012】

第４の発明では、第１から第３のいずれか１つの発明において、上記第１金属板は、アルミニウム合金板、陽極酸化被膜アルミニウム合金板及びマグネシウム合金板のいずれか１つであり、上記第２金属板は、鋼板であることを特徴とする。

【0013】

第５の発明では、第１から第４のいずれか１つの発明において、高密度ポリエチレンシート、シール剤及び繊維強化プラスチックのいずれか１つの絶縁部材を上記第１金属板と上記第２金属板との間に介在させ、上記第１金属板、上記絶縁部材及び上記第２金属板を順に軟化させつつ上記ピンを第２金属板まで押し込むことを特徴とする。

【発明の効果】

【0014】

第１の発明によれば、異種金属板の摩擦熱を利用した接合において、第１金属板より融点の高い第２金属板の軟化金属部分に形成されたアンカー構造（アンカー部）が上記第１金属板の軟化金属部分に引っ掛かるようになり、第１金属板と第２金属板とを強固に接合することができる。また、特許文献２のように、第１金属板及び第２金属板の接合強度が攪拌域の密着面の面積に依存するものではないので、接合強度を高めるために加工時間を長くしたり、加工ツールを無駄に大きくする必要はない。したがって、低コストで、且つ、高い生産能力を有する設備構成で接合することができる。

【0015】

また、第１金属板及び第２金属板の接合中において、第２金属板の軟化金属部分の一部が上記第１金属板の軟化金属部分に向かって移動し易くなり、第２金属板の軟化金属部分の一部を確実にアンカー構造にできる。

【0016】

第２の発明によれば、同種の金属板同士の重ね合わせ箇所が摩擦攪拌により接合されるとともに、第１金属板及び第２金属板の重ね合わせ箇所では、第２金属板のアンカー構造によって互いに固定されるようになるので、異種金属板の重ね合わせ箇所を１箇所含む複数枚の接合が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】本発明の実施形態に係る接合装置の構成図である。

【図2】図１のＡ部拡大図である。

【図3】重ね合わせた被接合材を接合する手順において、（ａ）は、接合開始直前の状態を、（ｂ）は、加工ツールが金属板に接触した直後の状態を、（ｃ）は、接合終了直前の状態を示す断面図である。

【図4】本発明の実施形態に係る接合装置で接合した異種金属板の接合構造を示す断面図である。

【図5】複数枚重ね合わせた被接合材を接合する手順において、（ａ）は、接合開始直前の状態を、（ｂ）は、接合途中の状態を、（ｃ）は、接合終了直前の状態を示す断面図である。

【図6】（ａ）は、本発明の実施形態に係る参考変形例１の図２相当図であり、（ｂ）は、本発明の実施形態に係る変形例１の図２相当図である。

【図7】本発明の実施形態に係る接合方法で実験した実験結果１を示し、（ａ）は、接合構造全体の断面を示す写真、（ｂ）は、アンカー構造の拡大した断面を示す写真である。

【図8】本発明の実施形態に係る接合方法で実験した実験結果１を示し、（ａ）は、せん断引張強度のデータ、（ｂ）は、十字引張強度のデータである。

【図9】本発明の実施形態に係る接合方法で実験した実験結果２を示し、（ａ）は、接合構造全体の断面を示す写真、（ｂ）は、アンカー構造の拡大した断面を示す写真である。

【図10】本発明の実施形態に係る接合方法で実験した実験結果３を示し、（ａ）は、接合構造全体の断面を示す写真、（ｂ）は、アンカー構造の拡大した断面を示す写真である。

【図11】本発明の実施形態に係る接合方法で実験した実験結果４を示し、（ａ）は、接合構造全体の断面を示す写真、（ｂ）は、アンカー構造の拡大した断面を示す写真である。

【図12】本発明の実施形態に係る接合方法で実験した実験結果５を示し、（ａ）は、接合構造全体の断面を示す写真、（ｂ）は、アンカー構造の拡大した断面を示す写真である。

【図13】本発明の実施形態に係る接合方法で実験した実験結果６を示し、（ａ）は、接合構造全体の断面を示す写真、（ｂ）は、アンカー構造の拡大した断面を示す写真である。

【図14】本発明の実施形態に係る接合方法で実験した実験結果７を示し、（ａ）は、接合構造全体の断面を示す写真、（ｂ）は、アンカー構造の拡大した断面を示す写真である。

【図15】本発明の実施形態に係る接合方法で実験した実験結果８を示し、（ａ）は、接合構造全体の断面を示す写真、（ｂ）は、アンカー構造の拡大した断面を示す写真である。

【図16】本発明の実施形態に係る接合方法で実験した実験結果９を示し、（ａ）は、接合構造全体の断面を示す写真、（ｂ）は、アンカー構造の拡大した断面を示す写真である。

【図17】本発明の実施形態に係る接合方法で実験した実験結果１０を示し、（ａ）は、接合構造全体の断面を示す写真、（ｂ）は、アンカー構造の拡大した断面を示す写真である。

【図18】本発明の実施形態に係る接合方法で実験した実験結果１１を示し、（ａ）は、接合構造全体の断面を示す写真、（ｂ）は、アンカー構造の拡大した断面を示す写真である。

【図19】本発明の実施形態に係る接合方法で実験した実験結果１２を示し、（ａ）は、接合構造全体の断面を示す写真、（ｂ）は、アンカー構造の拡大した断面を示す写真である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。尚、以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎない。

【0019】

図１は、本発明の実施形態に係る金属板同士の接合を行う際に使用する接合装置１を示す。該接合装置１は、摩擦熱を利用して金属板同士を接合する装置であり、上下に延びる箱形の装置本体１０を備え、該装置本体１０は、地面に沿って延びる板状ベース部材１９に載置されている。

【0020】

上記装置本体１０内部には、回転軸心を上下方向に向けたサーボモータ１１が設けられていて、該サーボモータ１１の出力軸には、上下に延びるボールネジ１２が取り付けられ、上記サーボモータ１１の回転駆動に連動して回転するようになっている。

【0021】

上記ボールネジ１２には、ボールナット１３が螺合していて、上記サーボモータ１１の正逆回転駆動により上記ボールネジ１２が回転すると、それに伴って上記ボールナット１３が正転・逆転して上下方向に螺進・螺退するようになっている。

【0022】

上記装置本体１０の一側面には、上下に延びるガイドレール１４が取り付けられていて、該ガイドレール１４には、当該ガイドレール１４に沿って上下に移動可能なスライダ１４ａが取り付けられている。

【0023】

該スライダ１４ａ及び上記ボールナット１３には、上下に延びる移動部材１５が取り付けられていて、記ボールナット１３が上下方向に螺進・螺退すると、上記スライダ１４ａが上記ガイドレール１４に案内されることにより上記移動部材１５が上下方向に移動するようになっている。

【0024】

上記移動部材１５の反装置本体１０側上部には、回転軸心を上下方向に向けたインダクションモータ１６が固定されていて、上記移動部材１５の反装置本体１０側下部には、上記インダクションモータ１６の出力軸１６ａを回転可能に支持する軸受部材１７が固定されている。

【0025】

上記インダクションモータ１６の出力軸１６ａ先端には、ツール保持部材２０が取り付けられていて、該ツール保持部材２０は、加工ツール２を装着保持できるようになっている。

【0026】

該加工ツール２は、図２に拡大して示すように、鋼材（機械構造用鋼の一種であるＳ４５Ｃの調質材）からなる棒状のツール本体２１を備えている。該ツール本体２１の長手方向一端側は、先端に向かって次第に縮径するショルダー面２１ａが形成されていて、上記ツール本体２１の長手方向一端の軸心上には、直径１０ｍｍの嵌合凹部２２が形成されている。尚、本実施形態では嵌合凹部２２の直径を１０ｍｍとしているが、その他の寸法に設定してもよい。

【0027】

該嵌合凹部２２には、摩擦熱に耐えうる材料、例えばセラミックス（窒化珪素）や超硬合金製の棒状ピン２３が嵌着していて、上記嵌合凹部２２に嵌着した状態で上記ツール本体２１の長手方向一端から突出するようになっている。そして、上記ピン２３のツール本体２１から突出している部分全体には、先端に向かって次第に縮径する曲率半径５ｍｍの半球状湾曲面２３ａが形成されている。尚、ピン２３の材質は、Ｃｏ合金やＰＣＢＮ等であってもよい。また、本実施形態ではピン２３は棒状をなしているが、球状のもの用いて上記嵌合凹部２２に嵌着させるようにしてもよい。

【0028】

上記ベース部材１９の上記加工ツール２に対向する位置には、接合する第１金属板３及び第１金属板３より融点の高い材質の第２金属板４を載置するワーク受け部１９ａが設けられている。

【0029】

上記装置本体１０の他側面には、上記サーボモータ１１及びインダクションモータ１６に接続された制御盤１８が取り付けられている。

【0030】

該制御盤１８は、上記サーボモータ１１の回転駆動を制御するようになっていて、当該サーボモータ１１を正逆回転駆動させることで、上記ボールナット１３及び上記移動部材１５を介して、上記加工ツール２を上下動させるようになっている。

【0031】

また、上記制御盤１８は、上記インダクションモータ１６の回転駆動を制御することにより、上記ツール保持部材２０に装着保持された上記加工ツール２の回転数を制御するようになっている。

【0032】

そして、上記制御盤１８は、図３に示すように、上記加工ツール２を回転させ、且つ、下方に移動させて、上記第１金属板３に上記ピン２３を押し付けて摩擦熱により軟化させつつ上記第２金属板４に上記ピン２３を０．５ｍｍ以上押し込み、さらには、ショルダー面２１ａを第１金属板３に押し込むように上記サーボモータ１１及びインダクションモータ１６を制御するようになっている。

【0033】

ここで、接合装置１を用いて接合した第１金属板３及び第２金属板４の接合構造について説明する。

【0034】

上記第１金属板３には、図４に示すように、上記加工ツール２の回転押し込み動作による摩擦熱で軟化した軟化金属部分３ａを上記ピン２３が押しのけることにより第１金属板３及び第２金属板４の重合方向に貫通孔３０が形成されていて、該貫通孔３０の内周面には、上記軟化金属部分３ａからなる第１硬化部３１が形成されている。

【0035】

上記第２金属板４には、上記加工ツール２の回転による摩擦熱で軟化した当該第２金属板４の軟化金属部分４ａを上記ピン２３が押しのけることにより上記貫通孔３０に連続する凹部４０が形成されていて、上記凹部４０内面には、上記第１硬化部３１に連続して繋がる軟化金属部分４ａからなる第２硬化部４１が形成されている。

【0036】

そして、上記第２硬化部４１の上記第１硬化部３１との境界には、該第１硬化部３１の第２金属板４側にアンカー状に覆い被さるアンカー部４２が形成されている。

【0037】

尚、後述する実験結果より、第２金属板４に対してピン２３を０．５ｍｍ以上押し込んだ際、軟化金属部分４ａの塑性流動する方向が、加工ツール２の軸心に対して直交する面とのなす角度３０°〜５０°のときにアンカー部４２が形成されることを確認できた。したがって、本実施形態ではピン２３先端の曲率半径を５ｍｍとしているがその他の寸法に設定してもよく、軟化金属部分４ａの塑性流動する方向から算出したピン２３先端の曲率半径の最適寸法は１〜１３ｍｍである。

【0038】

次に、重合状態の第１金属板３及び第２金属板４を上記接合装置１で接合する方法について説明する。

【0039】

まず、接合装置１のワーク受け部１９ａ上に、上記第１金属板３が加工ツール２側となるように第１金属板３及び第２金属板４を重ね合わせる。

【0040】

次に、図３（ａ）に示すように、制御盤１８からの指令により上記インダクションモータ１６が駆動して上記加工ツール２を所定の回転数で回転させるとともに上記サーボモータ１１が駆動して重合状態の第１金属板３及び第２金属板４に加工ツール２を接近させ、上記ピン２３を上記第１金属板３に押し付ける。

【0041】

そして、図３（ｂ）、（ｃ）に示すように、制御盤１８からの指令により上記サーボモータ１１が駆動して、さらにピン２３を第１金属板３に押し付けて当該第１金属板３を摩擦熱により軟化させつつ上記第２金属板４側に０．５ｍｍ以上押し込み、当該第２金属板４をも摩擦熱により軟化させ、さらには、ショルダー面２１ａを第１金属板４の軟化金属部分３ａに押し付ける。すると、第１金属板３及び第２金属板４の軟化過程で上記ピン２３の湾曲面２３ａに沿って押しのけられた各々の軟化金属部分３ａ、４ａが一体に連続するようになり、さらには、両軟化金属部分３ａ、４ａの境界では上記第２金属板４の軟化金属部分４ａが上記第１金属板３の軟化金属部分３ａに覆い被さってアンカー構造となり、上記第１金属板３と上記第２金属板４とが接合される。したがって、第１金属板３より融点の高い第２金属板４のアンカー構造（アンカー部４２）が上記第１金属板３の軟化金属部分３ａに引っ掛かるようになり、第１金属板３と第２金属板４とを強固に接合することができる。また、特許文献２のように、第１金属板３及び第２金属板４の接合強度が攪拌域の密着面の面積に依存するものではないので、接合強度を高めるために加工時間を長くしたり、加工ツール２を無駄に大きくする必要はない。したがって、低コストで、且つ、高い生産能力を有する設備構成で接合することができる。

【0042】

また、ピン２３先端に湾曲面２３ａが形成されているので、第１金属板３及び第２金属板４の接合中において、第２金属板４の軟化金属部分４ａの一部が上記第１金属板３の軟化金属部分３ａに向かって移動し易くなり、第２金属板４の軟化金属部分４ａの一部を確実にアンカー構造にできる。

【0043】

次に、第１金属板３及び第２金属板４を複数枚重ね合わせて上記接合装置１で接合する方法について説明する。

【0044】

まず、一方側（ピン２３側）に第１金属板３が１枚、他方側（ワーク受け部１９ａ側）に第２金属板４が２枚となるように上記第１金属板３及び第２金属板４を重ね合わせて上記接合装置１のワーク受け部１９ａ上に置く。

【0045】

次に、図５（ａ）に示すように、制御盤１８からの指令により上記サーボモータ１１及びインダクションモータ１６が駆動して上記加工ツール２を所定の回転数で回転させるとともに上記サーボモータ１１が駆動して重合状態の第１金属板３及び第２金属板４に加工ツール２を接近させ、上記ピン２３を上記第１金属板３に押し付ける。

【0046】

そして、図５（ｂ）に示すように、制御盤１８からの指令により上記サーボモータ１１が駆動して、さらに上記ピン２３を第１金属板３に押し付けて当該第１金属板３を摩擦熱により軟化させつつ当該第１金属板３側の第２金属板４に０．５ｍｍ以上押し込み、当該第２金属板４をも摩擦熱により軟化させ、さらには、ショルダー面２１ａを軟化金属部分３ａに押し付ける。すると、第１金属板３及び第２金属板４の軟化過程で上記ピン２３の湾曲面２３ａに沿って押しのけられた各々の軟化金属部分３ａ、４ａが一体に連続するようになり、さらには、両軟化金属部分３ａ、４ａの境界では上記第２金属板４の軟化金属部分４ａが上記第１金属板３の軟化金属部分３ａに覆い被さってアンカー構造となり、上記第１金属板３と当該第１金属板３側の第２金属板４とが接合される。

【0047】

しかる後、図５（ｃ）に示すように、制御盤１８からの指令により上記サーボモータ１１が駆動して、さらに上記ピン２３を重合方向外側に位置する第２金属板４まで押し込む。すると、第２金属板４同士が摩擦熱により軟化しつつ攪拌して互いに接合される。したがって、同種である第２金属板４同士の重ね合わせ箇所が摩擦攪拌により接合させるとともに、第１金属板３及び第２金属板４の重ね合わせ箇所では、第２金属板４のアンカー構造（アンカー部４２）によって互いに固定されるようになるので、異種金属板の重ね合わせ箇所を１箇所含む複数枚の接合が可能となる。

【0048】

尚、本実施形態では、一方側に第１金属板３が１枚、他方側に第２金属板４が２枚となるように重ねて接合したが、組み合わせはこれに限らず、一方側に第１金属板３が、他方側に第２金属板４がそれぞれ偏って配置されるように上記第１金属板３及び第２金属板４を複数枚重ね合わせるようにすれば本発明の接合方法により接合可能である。

【0049】

図６（ａ）は、本発明の実施形態の参考変形例１を示す。この参考変形例１は、以下の点が上記で詳述した実施形態と異なっている。すなわち、参考変形例１のピン２３のツール本体２１から突出している部分は円錐台状をなしていて、先端に向かって次第に縮径する傾斜面２３ｂと、該傾斜面２３ｂの先端側縁部に連続する平坦面２３ｃとを有している。

【0050】

尚、上述した実施形態と同様に、軟化金属部分４ａの塑性流動する方向（加工ツール２の軸心に対して直交する面とのなす角度３０°〜５０°）から、上記傾斜面２３ｂの上記加工ツール２の軸心に対して直交する面とのなす角度θは３０°〜５０°が最適である。

【0051】

したがって、この参考変形例１では、上述した実施形態と同様に第２金属板４の軟化金属部分４ａの一部が上記第１金属板３の軟化金属部分３ａに向かって移動し易くなり、しかも、上記第１金属板３の軟化金属部分３ａに向かって移動した第２金属板４の軟化金属部分４ａの一部がアンカー構造となるので、第１金属板３及び第２金属板４を強固に接合することができる。

【0052】

尚、この参考変形例では、ピン２３のツール本体２１から突出している部分を円錐台状としたが、平坦面２３ｃのない円錐状としてもよい。

【0053】

図６（ｂ）は、本発明の実施形態の変形例１を示す。この変形例１は、以下の点が上記で詳述した実施形態と異なっている。すなわち、変形例１のピン２３のツール本体２１から突出している部分は、先端に向かって次第に縮径する傾斜面２３ｄと、該傾斜面２３ｄの先端側縁部に連続する半球状湾曲面２３ｅとからなっている。

【0054】

尚、上述した実施形態と同様に、軟化金属部分４ａの塑性流動する方向（加工ツール２の軸心に対して直交する面とのなす角度３０°〜５０°）から、上記傾斜面２３ｄの上記加工ツール２の軸心に対して直交する面とのなす角度θは３０°〜５０°が最適であり、上記湾曲面２３ｅの曲率半径の寸法は１〜１３ｍｍが最適である。

【0055】

したがって、この変形例１では、上述した実施形態と同様に第２金属板４の軟化金属部分４ａの一部が上記第１金属板３の軟化金属部分３ａに向かって移動し易くなり、しかも、上記第１金属板３の軟化金属部分３ａに向かって移動した第２金属板４の軟化金属部分４ａの一部がアンカー構造となるので、第１金属板３及び第２金属板４を強固に接合することができる。

【0056】

また、本発明の実施形態では、ワーク受け部１９ａに第１金属板３及び第２金属板４を載置し、ワーク受け部１９ａに対して加工ツール２を下方に移動させることにより接合しているが、加工ツール２を固定した状態でワーク受け部１９ａを上方に移動させることにより接合するようにしてもよい。

【0057】

さらに、本発明の実施形態では、加工ツール２のツール本体２１を鋼材で形成しているが、摩擦熱に耐えうる材料であればその他の材料でもよく、例えば、ピン２３と同様にセラミックスや超硬合金、Ｃｏ合金、ＰＣＢＮ等で形成してもよい。

【0058】

それに加えて、本発明の実施形態では、加工ツール２をツール本体２１とピン２３との分割構造としているが、一体構造としてもよい。

【0059】

また、本発明の実施形態では、一般的な摩擦攪拌接合や摩擦攪拌点接合と同様に、ツール本体２１のショルダー面２１ａを第１金属板３に押し込むことでさらに第１金属板３と第２金属板４との間の接合が強固となる。

【0060】

次に、本発明の実施形態に係る接合方法により実験した結果について説明する。
−実験結果１−
図７は、厚さ１ｍｍのアルミニウム合金板（Ａ５０５２）と厚さ１ｍｍの鋼板（ＳＰＣＣ）とを接合した断面を示す。ピン２３の材質をセラミックス（窒化珪素）とし、接合条件は、上記ピン２３先端の湾曲面２３ａの曲率半径が５ｍｍ、嵌合凹部２２の開口周縁からピン２３の先端までの長さが１．５ｍｍ、加工ツール２の回転数を１５００ｒｐｍ、ツール押込量を１．６ｍｍ、接合時間を２．５ｓとした。

【0061】

図７の結果から判るように、鋼板の軟化金属部分がアルミニウム合金板の軟化金属部分に覆い被さってアンカー構造となっている。そして、図８（ａ）、（ｂ）に示すように、ツール押込量を１．２ｍｍ〜１．６ｍｍと変化させて得た接合材のせん断引張試験及び十字引張試験から、厚さ１ｍｍのアルミニウム合金板（Ａ５０５２）と厚さ１ｍｍの鋼板（ＳＰＣＣ）との接合において、せん断引張強度３．２ｋＮ、十字引張強度０．６〜０．７ｋＮの接合構造を得ることができることを確認した。
−実験結果２−
図９は、厚さ１ｍｍのアルミニウム合金板（Ａ５０５２）と厚さ１ｍｍの鋼板（ハイテン材：４４０ＭＰａ級）とを接合した断面を示す。ピン２３の材質をセラミックス（窒化珪素）とし、接合条件は、上記ピン２３の湾曲面２３ａの曲率半径が５ｍｍ、嵌合凹部２２の開口周縁からピン２３の先端までの長さが１．５ｍｍ、加工ツール２の回転数を１５００ｒｐｍ、設定ツール押込量を１．８ｍｍ、接合時間を２．５ｓとした。

【0062】

図９の結果から判るように、鋼板の軟化金属部分がアルミニウム合金板の軟化金属部分に覆い被さってアンカー構造となっている。
−実験結果３−
図１０は、厚さ１ｍｍのアルミニウム合金板（Ａ５０５２）と厚さ１ｍｍのステンレス鋼板（ＳＵＳ３０４）とを接合した断面を示す。ピン２３の材質をセラミックス（窒化珪素）とし、接合条件は、上記ピン２３の湾曲面２３ａの曲率半径が５ｍｍ、嵌合凹部２２の開口周縁からピン２３の先端までの長さが１．５ｍｍ、加工ツール２の回転数を１５００ｒｐｍ、設定ツール押込量を１．８ｍｍ、接合時間を３．５ｓとした。

【0063】

図１０の結果から判るように、ステンレス鋼板の軟化金属部分がアルミニウム合金板の軟化金属部分に覆い被さってアンカー構造となっている。尚、接合材のせん断引張強度は２．３ｋＮであった。
−実験結果４−
図１１は、厚さ１ｍｍのアルミニウム合金板（Ａ５０５２）と厚さ１ｍｍの亜鉛メッキ鋼板（ＳＰＣＣ）とを接合した断面を示す。ピン２３の材質をセラミックス（窒化珪素）とし、接合条件は、上記ピン２３の湾曲面２３ａの曲率半径が５ｍｍ、嵌合凹部２２の開口周縁からピン２３の先端までの長さが１．５ｍｍ、加工ツール２の回転数を１５００ｒｐｍ、設定ツール押込量を１．８ｍｍ、接合時間を２．５ｓとした。

【0064】

図１１の結果から判るように、亜鉛メッキ鋼板の軟化金属部分がアルミニウム合金板の軟化金属部分に覆い被さってアンカー構造となっている。尚、接合材のせん断引張強度は２．１ｋＮであった。
−実験結果５−
図１２は、厚さ１ｍｍのアルミニウム合金板（Ａ６０６１）と厚さ１ｍｍの鋼板（ＳＰＣＣ）とを接合した断面を示す。ピン２３の材質をセラミックス（窒化珪素）とし、接合条件は、上記ピン２３の湾曲面２３ａの曲率半径が５ｍｍ、嵌合凹部２２の開口周縁からピン２３の先端までの長さが１．５ｍｍ、加工ツール２の回転数を１０００ｒｐｍ、設定ツール押込量を１．８ｍｍ、接合時間を２．５ｓとした。

【0065】

図１２の結果から判るように、鋼板の軟化金属部分がアルミニウム合金板の軟化金属部分に覆い被さってアンカー構造となっている。尚、接合材のせん断引張強度は２．２ｋＮであった。
−実験結果６−
図１３は、厚さ１ｍｍの陽極酸化被膜アルミニウム合金（Ａ１０５０）と厚さ１ｍｍの鋼板（ＳＰＣＣ）とを接合した断面を示す。ピン２３の材質をセラミックス（窒化珪素）とし、接合条件は、上記ピン２３の湾曲面２３ａの曲率半径が５ｍｍ、嵌合凹部２２の開口周縁からピン２３の先端までの長さが１．５ｍｍ、加工ツール２の回転数を１５００ｒｐｍ、設定ツール押込量を１．８ｍｍ、接合時間を３．５ｓとした。

【0066】

図１３の結果から判るように、鋼板の軟化金属部分が陽極酸化被膜アルミニウム合金の軟化金属部分に覆い被さってアンカー構造となっている。尚、接合材のせん断引張強度は２．４ｋＮであった。
−実験結果７−
図１４は、厚さ０．８ｍｍのマグネシウム合金（ＡＺ３１）と厚さ１ｍｍの鋼板（ＳＰＣＣ）とを接合した断面を示す。ピン２３の材質をセラミックス（窒化珪素）とし、接合条件は、上記ピン２３の湾曲面２３ａの曲率半径が５ｍｍ、嵌合凹部２２の開口周縁からピン２３の先端までの長さが１．５ｍｍ、加工ツール２の回転数を１５００ｒｐｍ、設定ツール押込量を１．６ｍｍ、接合時間を２．５ｓとした。

【0067】

図１４の結果から判るように、鋼板の軟化金属部分がマグネシウム合金の軟化金属部分に覆い被さってアンカー構造となっている。
−実験結果８−
図１５は、厚さ０．５ｍｍのアルミニウム合金板（Ａ５０５２）と厚さ０．５ｍｍのアルミニウム合金板（Ａ５０５２）と厚さ１．０ｍｍの鋼板（ＳＰＣＣ）とを順に重ねて接合した断面を示す。ピン２３の材質をセラミックス（窒化珪素）とし、接合条件は、上記ピン２３の湾曲面２３ａの曲率半径が５ｍｍ、嵌合凹部２２の開口周縁からピン２３の先端までの長さが１．５ｍｍ、加工ツール２の回転数を１０００ｒｐｍ、設定ツール押込量を１．６ｍｍ、接合時間を２．５ｓとした。

【0068】

図１５の結果から判るように、鋼板の軟化金属部分がアルミニウム合金板の軟化金属部分に覆い被さってアンカー構造となるとともに、アルミニウム合金板同士は摩擦攪拌により互いに接合されている。尚、接合材のせん断引張強度は１．４ｋＮであった。
−実験結果９−
図１６は、厚さ１ｍｍのアルミニウム合金板（Ａ５０５２）と厚さ０．６ｍｍの鋼板（ＳＰＣＣ）と厚さ１ｍｍの鋼板（ＳＰＣＣ）とを順に重ねて接合した断面を示す。ピン２３の材質をセラミックス（窒化珪素）とし、接合条件は、上記ピン２３の湾曲面２３ａの曲率半径が５ｍｍ、嵌合凹部２２の開口周縁からピン２３の先端までの長さが２．０ｍｍ、加工ツール２の回転数を１５００ｒｐｍ、設定ツール押込量を２．１ｍｍ、接合時間を２．５ｓとした。

【0069】

図１６の結果から判るように、鋼板の軟化金属部分がアルミニウム合金板の軟化金属部分に覆い被さってアンカー構造となるとともに、鋼板同士は摩擦攪拌により互いに接合されている。尚、接合材のせん断引張強度は２．３ｋＮであった。
−実験結果１０−
図１７は、厚さ１ｍｍのアルミニウム合金板（Ａ５０５２）と厚さ０．３ｍｍの絶縁部材である高密度ポリエチレンシート（ＰＥ）と厚さ１ｍｍの鋼板（ＳＰＣＣ）とを順に重ねて接合した断面を示す。すなわち、本実験では、第１金属板３と第２金属板４との間に絶縁部材を介在させ、接合の際、第１金属板３、絶縁部材及び第２金属板４を順に軟化させつつピン２３を第２金属板４まで押し込んで接合を実施した。ピン２３の材質を超硬合金とし、接合条件は、上記ピン２３の湾曲面２３ａの曲率半径が５ｍｍ、嵌合凹部２２の開口周縁からピン２３の先端までの長さが１．５ｍｍ、加工ツール２の回転数を１０００ｒｐｍ、設定ツール押込量を２．３ｍｍ、接合時間を８．５ｓとした。

【0070】

図１７の結果から判るように、高密度ポリエチレンが摩擦熱により溶けるとともに鋼板の軟化金属部分がアルミニウム合金板の軟化金属部分に覆い被さってアンカー構造となっている。
−実験結果１１−
図１８は、厚さ１ｍｍのアルミニウム合金板（Ａ５０５２）と厚さ１ｍｍの鋼板（ＳＰＣＣ）との間に絶縁部材であるシール剤（シリコン系）を０．５ｍｍ塗布して重ねて接合した断面を示す。すなわち、本実験では、第１金属板３と第２金属板４との間に絶縁部材を介在させ、接合の際、第１金属板３、絶縁部材及び第２金属板４を順に軟化させつつピン２３を第２金属板４まで押し込んで接合を実施した。ピン２３の材質をセラミックス（窒化珪素）とし、接合条件は、上記ピン２３の湾曲面２３ａの曲率半径が５ｍｍ、嵌合凹部２２の開口周縁からピン２３の先端までの長さが１．５ｍｍ、加工ツール２の回転数を１５００ｒｐｍ、設定ツール押込量を２．１ｍｍ、接合時間を２．５ｓとした。

【0071】

図１８の結果から判るように、シール剤が摩擦熱により溶けるとともに鋼板の軟化金属部分がアルミニウム合金板の軟化金属部分に覆い被さってアンカー構造となっている。尚、接合材のせん断引張強度は３．０ｋＮであった。
−実験結果１２−
図１９は、厚さ１ｍｍのアルミニウム合金板（Ａ５０５２）と厚さ１ｍｍの鋼板（ＳＰＣＣ）との間に絶縁部材である接着剤を０．３ｍｍ塗布して重ねて接合した断面を示す。すなわち、本実験では、第１金属板３と第２金属板４との間に絶縁部材を介在させ、接合の際、第１金属板３、絶縁部材及び第２金属板４を順に軟化させつつピン２３を第２金属板４まで押し込んで接合を実施した。ピン２３の材質を超硬合金とし、接合条件は、上記ピン２３の湾曲面２３ａの曲率半径が５ｍｍ、嵌合凹部２２の開口周縁からピン２３の先端までの長さが１．５ｍｍ、加工ツール２の回転数を１０００ｒｐｍ、設定ツール押込量を２．１ｍｍ、接合時間を２．５ｓとした。

【0072】

図１９の結果から判るように、繊維強化プラスチックが摩擦熱により溶けるとともに鋼板の軟化金属部分がアルミニウム合金板の軟化金属部分に覆い被さってアンカー構造となっている。

【産業上の利用可能性】

【0073】

本発明は、重ね合わせた異種金属板の接合方法に適している。

【符号の説明】

【0074】

１ 接合装置
２ 加工ツール
３ 第１金属板
３ａ 軟化金属部分
４ 第２金属板
４ａ 軟化金属部分
２１ ツール本体
２１ａ ショルダー面
２３ ピン
２３ａ 湾曲面
２３ｂ 傾斜面
３１ 第１硬化部
４１ 第２硬化部
４２ アンカー部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図8】

【図7】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】