特開 2022-127105 異種金属の接合方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022127105

(43)【公開日】2022-08-31

(54)【発明の名称】異種金属の接合方法

(51)【国際特許分類】

   B23K 20/12 20060101AFI20220824BHJP

【ＦＩ】

B23K20/12 364

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021025054

(22)【出願日】2021-02-19

(71)【出願人】

【識別番号】596091956

【氏名又は名称】冨士端子工業株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】517132810

【氏名又は名称】地方独立行政法人大阪産業技術研究所

(74)【代理人】

【識別番号】100109472

【弁理士】

【氏名又は名称】森本 直之

(72)【発明者】

【氏名】長岡 亨

(72)【発明者】

【氏名】京田 猛

(72)【発明者】

【氏名】三輪 哲司

【テーマコード（参考）】

4E167

【Ｆターム（参考）】

4E167AA06

4E167AA08

4E167AA29

4E167AB01

4E167AB06

4E167BG12

4E167BG25

(57)【要約】

【課題】互いに種類が異なる２つの金属部材を重ね合わせ、摩擦攪拌を利用して良好に接合する。
【解決手段】互いに種類が異なる第１の金属部材１０と第２の金属部材２０を準備し、
上記第１の金属部材１０と上記第２の金属部材２０を重ね、
軸回転する回転工具３０を上記第１の金属部材１０の側から押し付ける加工を行うことにより、上記第１の金属部材１０と上記第２の金属部材２０との境界面３のうち、上記回転工具３０による加工領域５を接合する際に、
上記第１の金属部材１０と上記第２の金属部材２０との境界面３のうち、上記回転工具３０による加工が予定された加工予定領域５Ａの輪郭に沿った部分に、上記第１の金属部材１０と上記第２の金属部材２０の接合を促進するための第３金属層４０を介在させ、上記輪郭に沿った部分より内側には上記第３金属層４０を介在させない。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

互いに種類が異なる第１の金属部材と第２の金属部材を準備し、
上記第１の金属部材と上記第２の金属部材を重ね、
軸回転する回転工具を上記第１の金属部材の側から押し付ける加工を行うことにより、上記第１の金属部材と上記第２の金属部材との境界面のうち、上記回転工具による加工領域を接合する際に、
上記第１の金属部材と上記第２の金属部材との境界面のうち、上記回転工具による加工が予定された加工予定領域の輪郭に沿った部分に、上記第１の金属部材と上記第２の金属部材の接合を促進するための第３金属層を介在させ、上記輪郭に沿った部分より内側には上記第３金属層を介在させない
ことを特徴とする異種金属の接合方法。

【請求項2】

上記回転工具を押し付ける第１の金属部材を、第２の金属部材よりも硬度が低い金属とする
請求項１記載の異種金属の接合方法。

【請求項3】

上記第３金属層を構成する金属を、上記第２の金属部材よりも硬度が低く、上記第１の金属部材よりも硬度が高い金属とする
請求項２記載の異種金属の接合方法。

【請求項4】

上記回転工具を押し付ける第１の金属部材を、第２の金属部材よりも融点が低い金属とする
請求項１記載の異種金属の接合方法。

【請求項5】

上記第３金属層を構成する金属を、上記第２の金属部材よりも融点が低く、上記第１の金属部材よりも融点が高い金属とする
請求項４記載の異種金属の接合方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、互いに種類が異なる２つの金属部材を重ね合わせ、摩擦攪拌により接合する異種金属の接合方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

摩擦攪拌接合は、部材の接合技術のひとつである。円筒状の回転工具を用い、上記回転工具を回転させながら、部材同士の接合部に押し付けることによって接合する。上記回転工具を押し付ける際に発生する摩擦熱で部材を軟化させ、上記回転工具の回転力で接合部の周辺を塑性流動させることにより、複数の部材を一体化する。

【0003】

例えば、２枚の金属板を重ね合わせて摩擦攪拌接合で接合する先行技術文献として、出願人は下記の特許文献１を把握している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００５－２８３７８号公報

【0005】

上記特許文献１は、重ね継手の摩擦攪拌接合方法に関するものであり、下記の記載がある。
［０００５］
本発明の目的は、融点が異なる金属の摩擦攪拌接合による重ね接合を可能にすることにある。
［０００６］
［課題を解決するための手段］
本発明は、複数の部材の重ね接合において、上板側にのみ接合ツールを押圧し、上板の表面近傍のみを摩擦熱により攪拌させ、その摩擦熱により重ね合わせ面の温度を上昇させ、対向する部材同士の拡散反応により接合することにある。
［０００８］
一方の部材側にのみ接合ツールを圧入して重ね接合する方法においては、摩擦攪拌により重ね面に押圧力が作用して、重ね面が密着される。さらに、摩擦熱により、重ね面において上板の金属と下板の金属とが拡散反応により反応層が形成される。これにより上板と下板とが接合される。この方法によれば、異種金属の接合も可能になる。また、同種材の接合では、接合面に反応層は形成されず、部材間の相互拡散により接合が行われる。
［００１１］
接合部材の重ね面に軟質金属をめっきしておくと、重ね面をより密着しやすくすることができる。このため、反応層が形成されやすくなる。軟質金属としては、ニッケル，亜鉛，銅，錫などが特に有効である。

【発明の開示】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

上記特許文献１は、融点が異なる複数の金属を重ね合わせて摩擦攪拌によって接合するときに、接合部材の重ね面に軟質金属をめっきしておくことを開示する。
しかしながら、上記特許文献１の技術では、接合された全領域が、上板側の金属と下板側の金属に、めっきされた軟質金属が混じった状態となる。つまり第３成分が存在することになり、求める特性によっては好ましくない。
一方、上記軟質金属によるめっきをしないでは、接合ツールが押圧された領域の輪郭部の接合状態が不安定になり、信頼性を低下させる。

【0007】

本発明は、上記課題を解決するため、つぎの目的をもってなされたものである。
互いに種類が異なる２つの金属部材を重ね合わせ、摩擦攪拌を利用して良好に接合できる異種金属の接合方法を提供するものである。

【課題を解決するための手段】

【0008】

請求項１記載の異種金属の接合方法は、上記目的を達成するため、下記の構成を採用した。
互いに種類が異なる第１の金属部材と第２の金属部材を準備し、
上記第１の金属部材と上記第２の金属部材を重ね、
軸回転する回転工具を上記第１の金属部材の側から押し付ける加工を行うことにより、上記第１の金属部材と上記第２の金属部材との境界面のうち、上記回転工具による加工領域を接合する際に、
上記第１の金属部材と上記第２の金属部材との境界面のうち、上記回転工具による加工が予定された加工予定領域の輪郭に沿った部分に、上記第１の金属部材と上記第２の金属部材の接合を促進するための第３金属層を介在させ、上記輪郭に沿った部分より内側には上記第３金属層を介在させない。

【0009】

請求項２記載の異種金属の接合方法は、請求項１記載の構成に加え、下記の構成を採用した。
上記回転工具を押し付ける第１の金属部材を、第２の金属部材よりも硬度が低い金属とする。

【0010】

請求項３記載の異種金属の接合方法は、請求項２記載の構成に加え、下記の構成を採用した。
上記第３金属層を構成する金属を、上記第２の金属部材よりも硬度が低く、上記第１の金属部材よりも硬度が高い金属とする。

【0011】

請求項４記載の異種金属の接合方法は、請求項１記載の構成に加え、下記の構成を採用した。
上記回転工具を押し付ける第１の金属部材を、第２の金属部材よりも融点が低い金属とする。

【0012】

請求項５記載の異種金属の接合方法は、請求項４記載の構成に加え、下記の構成を採用した。
上記第３金属層を構成する金属を、上記第２の金属部材よりも融点が低く、上記第１の金属部材よりも融点が高い金属とする。

【発明の効果】

【0013】

請求項１記載の異種金属の接合方法は、互いに種類が異なる第１の金属部材と第２の金属部材を準備し、まず、上記第１の金属部材と上記第２の金属部材を重ねる。ついで、軸回転する回転工具を上記第１の金属部材の側から押し付ける加工を行い、上記第１の金属部材と上記第２の金属部材との境界面のうち、上記回転工具による加工領域を接合する。
このとき、上記第１の金属部材と上記第２の金属部材との境界面のうち、上記回転工具による加工が予定された加工予定領域の輪郭に沿った部分に、上記第１の金属部材と上記第２の金属部材の接合を促進するための第３金属層を介在させる。さらに、上記輪郭に沿った部分より内側には上記第３金属層を介在させない。
このようにすることにより、加工領域の輪郭部の接合状態を改善して信頼性を向上させる一方、上記加工領域の輪郭より内側の部分は、第３成分が存在せず、求める特性が得られる。互いに種類が異なる２つの金属部材を重ね合わせ、摩擦攪拌を利用して良好に接合できる。

【0014】

請求項２記載の異種金属の接合方法は、上記回転工具を押し付ける第１の金属部材を、第２の金属部材よりも硬度が低い金属とする。
塑性流動時の粘性が小さい第１の金属部材だけに回転工具を押し付けるため、回転工具への金属の付着が抑制され、回転工具のメンテナンスの頻度を減らすことができる。また、塑性流動を生じさせるために必要なエネルギーが小さくて済むため、動力の節減に有利である。

【0015】

請求項３記載の異種金属の接合方法は、上記第３金属層を構成する金属を、上記第２の金属部材よりも硬度が低く、上記第１の金属部材よりも硬度が高い金属とする。
このようにすることにより、加工領域の輪郭部の接合状態を改善して信頼性を向上させる。

【0016】

請求項４記載の異種金属の接合方法は、上記回転工具を押し付ける第１の金属部材を、第２の金属部材よりも融点が低い金属とする。
仮に、回転工具を押し付ける第１の金属部材のほうが融点が高ければ、第１の金属部材が塑性流動するまで高温になったころに相手材である第２の金属部材が溶融しはじめ、接合不良や欠陥が生じるおそれがある。上記回転工具を押し付ける第１の金属部材を、第２の金属部材よりも融点が低い金属とすることにより、上記のような不都合の発生を防止できる。

【0017】

請求項５記載の異種金属の接合方法は、上記第３金属層を構成する金属を、上記第２の金属部材よりも融点が低く、上記第１の金属部材よりも融点が高い金属とする。
このようにすることにより、加工領域の輪郭部の接合状態を改善して信頼性を向上させる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】本発明の異種金属の接合方法の実施形態を説明する図である。

【図2】第３金属層を説明する図である。

【発明を実施するための形態】

【0019】

つぎに、本発明を実施するための形態を説明する。

【0020】

〔基本工程〕
図１は、本発明の異種金属の接合方法の実施形態を説明する図である。

【0021】

本発明では、互いに種類が異なる第１の金属部材１０と第２の金属部材２０を準備する。上記第１の金属部材１０と上記第２の金属部材２０は、互いに種類が異なる異種金属である。上記第１の金属部材１０と第２の金属部材２０は、純金属でもよいし合金でもよい。上記第１の金属部材１０は板状に形成するのが好ましい。図示した例は、上記第１の金属部材１０と第２の金属部材２０をいずれも長方形の板材とし、上記第１の金属部材１０の厚みを上記第２の金属部材１０よりも薄く設定している。上記第２の金属部材２０は、板状に限らずブロック状等でもよい。図において符号１は金床である。

【0022】

上記第１の金属部材１０を上記第２の金属部材２０の上に重ねる。この状態で、軸回転する回転工具３０を上記第１の金属部材１０の側から押し付ける加工を行う。この例では、上記回転工具３０の端部により上記第１の金属部材１０の表面に対して垂直に圧力をかけ、その状態で、上記回転工具３０を上記第１の金属部材１０の表面に対して平行に移動させる。これにより、上記第１の金属部材１０と上記第２金属部材２０との境界面３のうち、上記回転工具３０による加工領域５を接合する。

【0023】

図示した例では、上記加工領域５は、上記回転工具３０の先端が移動した軌跡で、帯状の領域である。上記加工領域５において、上記第１の金属部材１０に塑性流動が生じ、上記第１の金属部材１０と第２の金属部材２０の上記境界３が摩擦攪拌接合により接合される。あるいは、上記第１の金属部材１０と第２の金属部材２０の上記境界面３は、固相拡散によっても接合される。

【0024】

上記回転工具１０は、第１の金属部材１０の表面から厚み方向に侵入させることができる。このときの侵入深さは、最大、第１の金属部材１０の厚み寸法までとする。

【0025】

〔第３金属層４０〕
図２は、第３金属層４０を説明する図である。
本発明では、上述した基本工程において、上記第１の金属部材１０と上記第２の金属部材２０とのあいだに、第３金属層４０を介在させる。上記第３金属層４０は、上記第１の金属部材１０と上記第２の金属部材２０の接合を促進するためのものである。

【0026】

上記第３金属層４０は、上記第１の金属部材１０と上記第２の金属部材２０との境界面３のうち、上記回転工具３０による加工が予定された加工予定領域５Ａの輪郭に沿った部分に介在させる。図示した例では、上記加工予定領域５Ａは、上述した工程によって上記加工領域５となることが予定された領域であり、上記第１の金属部材１０の表面に対して上記回転工具３０の先端が移動した軌跡になる帯状の領域である。

【0027】

また、本発明では、上記輪郭に沿った部分より内側には上記第３金属層４０を介在させていない。したがって、上記輪郭に沿った部分より内側の上記第３金属層４０が介在しない領域では、上記第１の金属部材１０と第２の金属部材２０との境界面３は、上記第１の金属部材１０と第２の金属部材２０が直接に接合される。

【0028】

〔金属材料〕
上記回転工具３０を押し付ける第１の金属部材１０を、第２の金属部材２０よりも硬度が低い金属とするのが好ましい。このようにすることにより、塑性流動時の粘性が小さい第１の金属部材１０だけに回転工具３０を挿入するため、回転工具３０への金属の付着が抑制される。また、塑性流動を生じさせるために必要なエネルギーが小さくて済む。

【0029】

上記第３金属層を構成する金属を、上記第２の金属部材よりも硬度が低く、上記第１の金属部材よりも硬度が高い金属とするのが好ましい。このようにすることにより、塑性流動時の粘性が第２の金属部材２０よりも小さく第１の金属部材１０よりも大きな第３金属層の塑性流動により、加工領域５の輪郭部の接合状態を改善して信頼性を向上させる。

【0030】

上記回転工具３０を押し付ける第１の金属部材１０を、第２の金属部材２０よりも融点が低い金属とするのが好ましい。このようにすることにより、接合不良や欠陥の発生を防止できる。仮に、回転工具３０を挿入する第１の金属部材１０のほうが融点が高ければ、第１の金属部材１０が塑性流動するまで高温になったころに相手材である第２の金属部材２０が溶融しはじめ、接合不良や欠陥が生じるおそれがある。上記回転工具３０を挿入する第１の金属部材１０を、第２の金属部材２０よりも融点が低い金属とすることにより、上記のような不都合の発生を防止できるのである。

【0031】

上記第３金属層を構成する金属を、上記第２の金属部材よりも融点が低く、上記第１の金属部材よりも融点が高い金属とするのが好ましい。このようにすることにより、塑性流動時の流動性が第２の金属部材２０よりも小さく第１の金属部材１０よりも大きな第３金属層４０の塑性流動により、加工領域５の輪郭部の接合状態を改善して信頼性を向上させる。

【0032】

たとえば、上記第１の金属部材１０としてアルミニウム系の材料を使用し、上記第２の金属部材２０として銅系の材料を使用することができる。また、上記第３金属層４０を構成する材料として、亜鉛、錫等を使用することができる。

【0033】

もちろん、本発明を上記の組み合わせに限定する趣旨ではない。

【0034】

〔実施形態の効果〕
上記実施形態の異種金属の接合方法は、互いに種類が異なる第１の金属部材１０と第２の金属部材２０を準備し、まず、上記第１の金属部材１０と上記第２の金属部材２０を重ねる。ついで、軸回転する回転工具３０を上記第１の金属部材１０の側から押し付ける加工を行い、上記第１の金属部材１０と上記第２金属部材２０との境界面のうち、上記回転工具３０による加工領域５を接合する。
このとき、上記第１の金属部材１０と上記第２金属部材２０との境界面のうち、上記回転工具３０による加工が予定された加工予定領域５の輪郭に沿った部分に、上記第１の金属部材１０と上記第２の金属部材２０の接合を促進するための第３金属層４０を介在させる。さらに、上記輪郭に沿った部分より内側には上記第３金属層４０を介在させない。
このようにすることにより、加工領域５の輪郭部の接合状態を改善して信頼性を向上させる一方、上記加工領域５の輪郭より内側の部分は、第３成分が存在せず、求める特性が得られる。互いに種類が異なる２つの金属部材を重ね合わせ、摩擦攪拌を利用して良好に接合できる。

【0035】

上記実施形態の異種金属の接合方法は、上記回転工具３０を押し付ける第１の金属部材１０を、第２の金属部材２０よりも硬度が低い金属とする。
塑性流動時の粘性が小さい第１の金属部材１０だけに回転工具を押し付けるため、回転工具３０への金属の付着が抑制され、回転工具３０のメンテナンスの頻度を減らすことができる。また、塑性流動を生じさせるために必要なエネルギーが小さくて済むため、動力の節減に有利である。

【0036】

上記実施形態の異種金属の接合方法は、上記第３金属層４０を構成する金属を、上記第２の金属部材２０よりも硬度が低く、上記第１の金属部材１０よりも硬度が高い金属とする。
このようにすることにより、加工領域５の輪郭部の接合状態を改善して信頼性を向上させる。

【0037】

上記実施形態の異種金属の接合方法は、上記回転工具３０を押し付ける第１の金属部材１０を、第２の金属部材２０よりも融点が低い金属とする。
仮に、回転工具３０を押し付ける第１の金属部材１０のほうが融点が高ければ、第１の金属部材１０が塑性流動するまで高温になったころに相手材である第２の金属部材２０が溶融しはじめ、接合不良や欠陥が生じるおそれがある。上記回転工具３０を押し付ける第１の金属部材１０を、第２の金属部材２０よりも融点が低い金属とすることにより、上記のような不都合の発生を防止できる。

【0038】

上記実施形態の異種金属の接合方法は、上記第３金属層４０を構成する金属を、上記第２の金属部材２０よりも融点が低く、上記第１の金属部材１０よりも融点が高い金属とする。
このようにすることにより、加工領域５の輪郭部の接合状態を改善して信頼性を向上させる。

【0039】

〔変形例〕
以上は本発明の特に好ましい実施形態について説明したが、本発明は図示した実施形態に限定する趣旨ではなく、各種の態様に変形して実施することができ、本発明は各種の変形例を包含する趣旨である。

【符号の説明】

【0040】

１：金床
３：境界面
５：加工領域
５Ａ：加工予定領域
１０：第１の金属部材
２０：第２の金属部材
３０：回転工具
４０：第３金属層

【図1】

【図2】