特許 6226783 部材の摩擦撹拌接合方法

(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】6226783

(24)【登録日】2017年10月20日

(45)【発行日】2017年11月8日

(54)【発明の名称】部材の摩擦撹拌接合方法

(51)【国際特許分類】

   B23K 20/12 20060101AFI20171030BHJP

【ＦＩ】

   B23K20/12 360

   B23K20/12 310

【請求項の数】2

【全頁数】6

(21)【出願番号】特願2014-52866(P2014-52866)

(22)【出願日】2014年3月17日

(65)【公開番号】特開2015-174114(P2015-174114A)

(43)【公開日】2015年10月5日

【審査請求日】2016年9月30日

(73)【特許権者】

【識別番号】000100791

【氏名又は名称】アイシン軽金属株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100114074

【弁理士】

【氏名又は名称】大谷 嘉一

(72)【発明者】

【氏名】吉田 新

(72)【発明者】

【氏名】新村 仁

【審査官】 岩見 勤

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００４−０４２１１７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−０３６２３０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−２３６２０５（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部材と、当該第１部材の上面側に一部が張出すように第２部材とを段差突き合せした状態で、
先端の第１ピン部と、当該第１ピン部よりも外径の大きい第２ピン部を有する回転ツールを第２部材側から挿入し、
第１ピン部は第２部材であって第１部材との下側突き合せ近傍に位置し、第２ピン部は第２部材の張出部に位置し、
前記回転ツールは前記第２ピン部の上側に当該第２ピン部よりも外径の大きいショルダー部を有し、
前記ショルダー部は第１及び第２ピン部の挿入により発生するバリを抑えるものであることを特徴とする部材の摩擦撹拌接合方法。

【請求項2】

前記第２部材は第１部材よりも塑性流動性であるか又は低融点であることを特徴とする請求項１記載の部材の摩擦撹拌接合方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、回転ツールを用いて部材を摩擦撹拌接合する接合方法及びそれにより得られる接合部材に関する。

【背景技術】

【0002】

接合部材の突き合せ部又はその近傍に回転ツールのピン部を挿入し、部材にその摩擦熱により塑性流動と加圧力を生じさせることで部材の突き合せ部に拡散接合層を形成する部材の接合方法は公知である。
この際に同じ材質からなる一対の部材の接合の場合には比較的接合が容易であるが、材質の異なる部材間の接合の場合には、例えば図４（ａ），（ｂ）に示すように部材１０１，１０２の突き合せ部の近傍であって、一方の部材のみに回転ツール１１０のピン部を挿入することが一般的であった。
この場合には、一対の部材の突き合せ面のみに拡散接合層が形成されることになり、接合強度が不充分になりやすかった。
そこで特許文献１には、ショルダー部が当たる部分をピン部が挿入される部材と同じ材質で覆う方法が提案されている［図４（ｃ），（ｄ）］。
しかし、同公報における上記覆う方法は、同じ材質の板を置くか、断面略三角形の突き出し形状にするものであり、これはショルダー部が両方の部材に当たり、異なる材料が入り混ざるのを防止するのが目的であるからであり、接合強度向上には充分寄与していなかった。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００４−４２１１７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

本発明は、接合強度の向上に効果的な摩擦撹拌接合方法の提供を目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本発明に係る部材の摩擦撹拌接合方法は、第１部材と、当該第１部材の上面側に一部が張出すように第２部材とを段差突き合せした状態で、先端の第１ピン部と、当該第１ピン部よりも外径の大きい第２ピン部を有する回転ツールを第２部材側から挿入し、第１ピン部は第２部材であって第１部材との下側突き合せ近傍に位置し、第２ピン部は第２部材の張出部に位置することを特徴とする。
ここで第１ピン部のみならず、第２ピン部も第２部材に挿入することで第１ピン部が段差突き合せ部のうち、下側の突き合せ部の拡散接合に寄与するとともに第２ピン部が第２部材と第１部材との段差部の重ね合せ部の拡散接合に寄与することになり、拡散接合層は断面Ｌ字状に形成されるので接合強度が向上される。

【0006】

この場合に第２ピン部も第２部材側に挿入されるので、第２ピン部の外周部付近にバリが発生しやすい。
このバリが問題となる部材にあっては、回転ツールは前記第２ピン部の上側に当該第２ピン部よりも外径の大きいショルダー部を有し、前記ショルダー部で第１及び第２ピン部の挿入により発生するバリを抑えるようにするのが好ましい。

【0007】

本発明に係る摩擦撹拌接合にあっては、第１部材と第２部材とが同じ材質の場合でも接合強度向上に寄与するが、第２部材は第１部材よりも塑性流動性であるか又は低融点である場合に特に有効である。
このような接合方法を用いると、接合強度に優れた接合部材が得られる。

【発明の効果】

【0008】

本発明に係る摩擦撹拌接合方法にあっては、断面Ｌ字状に拡散接合層が形成されるので、従来の突き合せ接合よりも接合強度が高い。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】第１の実施例に係る接合方法を示し、（ａ）は接合前、（ｂ）は接合状態を模式的に示す。

【図2】第２の実施例に係る接合方法を示し、（ａ）は接合前、（ｂ）は接合状態を示す。

【図3】接合部材の接合外観を示す。

【図4】従来の接合方法例を示す。（ａ），（ｂ）は突き合せ状態で接合する方法を示し、（ｃ），（ｄ）は特許文献１に開示する接合方法を示す。

【発明を実施するための形態】

【0010】

図面に基づいて本発明に係る接合例を以下説明するが、本発明はこれに限定されない。
図１は、第１の実施例であり、回転ツール１０のピン部が先端側の外径ｄ_１の第１ピン部１１と、この外径ｄ_１よりも大きい外径ｄ_２の第２ピン部１２からなる２段ピン形状の例である。
ピン部は、ストレート形状でもネジが切ってあるものでもよい。
接合する部材は、第１部材Ｍ_１の突き合せ部の上面側を段差状に切り欠き、第２部材Ｍ_２の突き合せ部の上面側に段差状の張出部を形成することで、第２部材Ｍ_２の上側張出部Ｕと第１部材Ｍ_１の下側張出部Ｌが重なるように段差突き合せした状態にする。
また、図１にて板厚ｔ_２は、第２部材Ｍ_２の上側張出部の肉厚ｔ_１よりも厚くなっている限りにおいて制限はなく、また第２部材Ｍ_２の板厚よりも厚くてもよい。
第２部材Ｍ_２の上側張出部Ｕの肉厚ｔ_１の大きさを考慮しつつ、回転ツール１０の第１ピン部１１の長さＬ_１が設定される。
肉厚ｔ_１は、１〜１０ｍｍ程度の範囲が好ましい。
具体的には、図１（ｂ）に示すように第１ピン部１１の外周部が第１部材Ｍ_１の下側張出部Ｌの突き合せ部の先端側近傍に位置するように回転ツール１０を回転させながら挿入する。
すると、回転ツール１０の回転による摩擦熱により第２部材Ｍ_２が塑性流動し、回転ツールによる加圧力も生じる。
これにより、第１部材Ｍ_１の下側張出部Ｌの先端部ａと第２部材の上側張出部Ｕとの重ね合せ部ｂに拡散接合層が形成される。
従って、本発明では第２ピン部１２が第２部材の上側張出部Ｕに挿入するが、第１部材Ｍ_１の下側張出部Ｌまでは到着しない範囲で挿入深さを制御する。
これにより、第１部材Ｍ_１と第２部材Ｍ_２との段差突き合せ部に断面Ｌ字状の拡散接合層が形成されるので、接合強度が高い。

【0011】

図２は、第２の実施例を示す。
回転ツール１０Ａは、先端側の外径ｄ_１からなる第１ピン部１１と、その上に外径ｄ_１より大きい外径の第２ピン部１２を有し、さらにその上に外径ｄ_２よりも大きい外径ｄ_３のショルダー部１３を有する。
第２ピン部１２の長さＬ_２は、第２部材Ｍ_２の上側張出部Ｕの肉厚ｔ_１と同等又は少し小さい。
このように設定すると、図２（ｂ）に示すように第２部材Ｍ_２の上面側に発生するバリ部ｃをショルダー部１３の下面にて押圧するので、バリの発生を抑える。

【0012】

本発明において、第１部材Ｍ_１と第２部材Ｍ_２とは同じ材質でもよいが、第２部材Ｍ_２が第１部材Ｍ_１よりも塑性流動性が良いもの、あるいは低融点である異材の組み合せに有効である。
例えば、第１部材Ｍ_１が鉄材に対して、第２部材Ｍ_２が銅系，アルミ系の部材，第１部材Ｍ_１が銅材に対する第２部材Ｍ_２がアルミ系の部材等である。
また、第１部材はセラミックス等の非金属部材であってもよい。
回転ツールの材質は、第２部材Ｍ_２よりも硬いものが選定される。
例えば鋼材である。

【0013】

次に、接合強度を評価したので説明する。
図２（ａ）に示す回転ツール１０Ａを用いて評価した。
回転ツール１０Ａのｄ_１＝Ｍ４，ｄ_２＝１２φ，ｄ_３＝２５φ，Ｌ_１＝２ｍｍ，Ｌ_２＝２ｍｍ，部材としては、第１部材Ｍ_１が鉄材で第２部材Ｍ_２がアルミ材の組み合せでｔ_１＝２ｍｍｔ_２＝４ｍｍにした
また、第１部材Ｍ_１と第２部材Ｍ_２との重ね幅（図２にて奥行方向幅）を５０ｍｍとした。
なお、重ね代は３０ｍｍである。
回転ツール１０Ａの回転数１０００ｒｐｍ，送り速度５ｍｍ／ｍｉｎとした。
接合外観を図３の＜本発明１＞に示す。
バリの発生が抑えられているのが分かる。
接合強度を第１部材と第２部材間の引張強度で評価すると、８，４４７ｋＮであった。
次に、図１に示すタイプのショルダー部１３が無い第１ピン部１１と、第２ピン部１２とからなる２段ピン形状の回転ツール１０を用いて、上記と同様の接合をした。
その外観を図３の＜本発明２＞に示す。
バリの発生が大きく、その接合部の引張強度は３，６０８ｋＮであった。
比較するために、図１のタイプの上記回転ツール１０を用いて、従来と同様に第１部材と第２部材との端部を単に付き合せた状態（段差部なし）で接合したところ、その引張強度は１，５２１ｋＮと＜本発明２＞の半分以下であった。

【符号の説明】

【0014】

１０ 回転ツール
１０Ａ 回転ツール
１１ 第１ピン部
１２ 第２ピン部
１３ ショルダー部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】