特開 2023-116949 異種金属材料の接合方法

(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】P2023116949

(43)【公開日】2023-08-23

(54)【発明の名称】異種金属材料の接合方法

(51)【国際特許分類】

   B23K 20/12 20060101AFI20230816BHJP

【ＦＩ】

B23K20/12 340

B23K20/12 360

B23K20/12 364

B23K20/12 344

【審査請求】未請求

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022019367

(22)【出願日】2022-02-10

(71)【出願人】

【識別番号】000005197

【氏名又は名称】株式会社不二越

(74)【代理人】

【識別番号】100192614

【弁理士】

【氏名又は名称】梅本 幸作

(74)【代理人】

【識別番号】100158355

【弁理士】

【氏名又は名称】岡島 明子

(72)【発明者】

【氏名】船平 伸之

(72)【発明者】

【氏名】池田 恵美

(72)【発明者】

【氏名】佐竹 真紀

(72)【発明者】

【氏名】廣野 敦也

【テーマコード（参考）】

4E167

【Ｆターム（参考）】

4E167AA29

4E167BG04

4E167BG25

4E167BG26

(57)【要約】

【課題】従来の接合方法では、接合スペースの確保が困難であり、接合対象が大物部品に限定されていた。また、板材両面の接合時に板材の片面を順に接合することで加工時間が増えるという課題があった。
【解決手段】
２本の回転工具Ｔ１，Ｔ２により異種金属製の板材１０，２０，６０同士を接合する方法において、異種金属製の板材１０，２０，６０を接触させた状態で固定する第１工程、板材１０，２０の表面における２本の回転工具Ｔ１，Ｔ２が挿入予定位置の周囲を加圧する第２工程、板材１０，２０，６０を介して２本の回転工具Ｔ１，Ｔ２を各々の回転軸Ｃ１，Ｃ２が同一直線上に配置して、２本の回転工具Ｔ１，Ｔ２の回転方向を逆向きに回転しながら、２本の回転工具Ｔ１，Ｔ２の先端を板材１０，２０内へ同時挿入する第３工程、から構成する。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

２本の回転工具により異種金属製の板材同士を接合する方法であって、前記異種金属製の板材の表面を互いに接触させた状態で固定する第１工程と、前記板材の表面における前記２本の回転工具が挿入する予定位置の周囲を加圧する第２工程と、前記板材を介して前記２本の回転工具を各々の回転軸が同一直線上になるように配置して、かつ前記２本の回転工具の回転方向が互いに逆向きとなるように回転させながら、前記２本の回転工具の先端を前記板材内へ同時に挿入する第３工程と、を有することを特徴とする異種金属材料の接合方法。

【請求項2】

前記異種金属製の板材は、少なくとも３枚以上の板材から形成されていることを特徴とする請求項１に記載の異種金属材料の接合方法。

【請求項3】

前記回転工具はニッケル合金製であることを特徴とする請求項１または２に記載の異種金属材料の接合方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、２種類以上の異種金属材料（板材）同士を摩擦撹拌点接合（摩擦撹拌スポット接合）により一体化する異種金属材料の接合方法に関する。

【背景技術】

【0002】

異種金属材料同士の接合において、回転工具を直線状に移動させることで接合する摩擦撹拌接合や超音波を用いて接合する超音波接合など被接合部材を固相状態で接合する方法は、結合剤の役割をする非金属材料同士の金属間化合物の厚みなどを制御しやすいため優れた強度や特性を示すことが知られている。

【0003】

摩擦撹拌接合と超音波接合は同じ固相接合であるが、超音波接合の対象となる被接合部材は箔などの厚みが薄い素材に限られる。したがって、摩擦撹拌接合の方が被接合部材の大きさや接合方向などの制約が少なく、接合にかかる時間も短縮される。

【0004】

しかしながら、摩擦撹拌接合においても１０ｍｍ以上の厚みがある板材など被接合部材の厚みが厚い材料の接合は難しく、接合強度の低下やツール寿命が短くなるなどの課題がある。それらの課題を解決する方法として、部材の両面側から接合を行う摩擦撹拌点接合（摩擦撹拌スポット接合）が提案されている。このような接合方法は、両面側からツールを挿入することで発熱量が大きくなることが大きな特長である（特許文献１ないし３参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特許第４８３８３８５号公報

【特許文献2】特許第６８２９３４３号公報

【特許文献3】国際公開２０２１－２０９１６８号パンフレット

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかし、特許文献１ないし３に開示されている接合方法では、異種金属材料の板材を接合する際のスペースが十分に確保することが困難であり、接合対象は比較的に大物部品に限定されていた。また、板材の両面を接合する場合には、板材を片面ずつ接合することになり、全体の加工時間が増えるという問題があった。そのため、板材の表面と裏面の接合位置、特に中心の位置が離間していることで必要な接合強度が得られないという問題もあった。また、板材を片面ずつ接合することで片面側の最初の接合部分は、同一位置の反対面を接合する時に発生する熱および加圧によって当該最初の接合部分が剥離するという問題もあった。

【0007】

そこで、本発明の異種金属材料の接合方法は、異種金属材料の板材の接合スペースは最小限に抑えることができる。また、他の接合方法に比べて板材の接合品を迅速に製作できる。同時に、部品（板材）における接合に必要な面積も小さくできる異種金属材料の接合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】

【0008】

本発明の異種金属材料の接合方法は、２本の回転工具により異種金属製の板材同士を接合する方法において、異種金属製の板材の表面を互いに接触させた状態で固定する第１工程、これらの板材の表面における２本の回転工具が挿入する予定位置の周囲を加圧する第２工程、これらの板材を介して２本の回転工具を各々の回転軸が同一直線上になるように配置しつつ、かつ２本の回転工具の回転方向が互いに逆向きとなるように回転させながら、２本の回転工具の先端をこれらの板材内へ同時に挿入する第３工程から構成する。これらの異種金属製の板材は少なくとも３枚以上の板材から形成しても構わない。また、回転工具はニッケル合金製にすることもできる。

【発明の効果】

【0009】

本発明の異種金属材料の接合方法は、２本の回転工具の回転軸が同一直線上であり、異種金属材料の板材における表側と裏側の接合点が重複しても接合できるため、部品（板材）の接合スペースは最小限に抑えることができる。

【0010】

また、本発明の異種金属材料の接合方法は、異種金属材料の板材の両面側から回転工具を挿入しており、接合時においては２箇所を同時に接合できる。

【0011】

つまり、板材における中心軸を同一とする２箇所の接合位置が同時に発熱するため、短い時間で接合できるので、他の接合方法よりも迅速に接合品を製作できる。同時に、部品（板材）における接合に必要な面積が小さくできるという効果を奏する。また、本発明の異種金属材料の接合方法は、部品（板材）の両面を同時に加圧、発熱するので、片面毎に同一の部位を接合した場合における最初の接合部分が同一位置の反対面を接合する時に発生する熱および加圧により接合面が剥離するという現象も抑制できるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本発明の接合方法の第１工程を示す模式断面図である。

【図2】本発明の接合方法の第２工程を示す模式断面図である。

【図3】本発明の接合方法の第３工程を示す模式断面図である。

【図4】接合品２の模式平面図である。

【図5】接合品２の模式正面図である。

【図6】図４に示す接合部１１Ｅの拡大図である。

【図7】図６に示すＸ－Ｘ線断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

本発明の異種金属材料の接合方法である一実施形態について図面を用いて説明する。本発明の異種金属材料の接合方法における第１工程を示す模式断面図を図１、第２工程を示す模式断面図を図２、第３工程を示す模式断面図を図３にそれぞれ示す。

【0014】

まず、図１に示す様に第２の板状部材６０を２枚の板状部材（第１および第３の板状部材１０，２０）により図示しない接合装置の治具等を用いて挟み込み、異種金属製の板材（第１ないし第３の板状部材１０，２０，６０）の表面を互いに接触させた状態で固定する（第１工程）。

【0015】

その後、第１ないし第３の板状部材１０，２０，６０の表面に対向するように配置された２本の回転工具Ｔ１，Ｔ２が挿入する予定位置の周囲を加圧治具Ｐ１，Ｐ２により加圧する（第２工程）。同時に、２枚の第１および第３の板状部材１０，２０の方向から個別に２本の回転工具Ｔ１，Ｔ２を回転させながら第１および第３の板状部材１０，２０へ接近させる。

【0016】

この際、回転工具Ｔ１，Ｔ２の各回転軸Ｃ１，Ｃ２は、図２示す様に第２の板状部材６０、２枚の第１および第３の板状部材１０，２０の厚み方向（図面上左右方向）において同一直線上になるように配置する。同時に、回転工具Ｔ１と回転工具Ｔ２は互いに逆向きになるように回転させる（互いに逆回転の関係とする）。

【0017】

回転工具Ｔ１，Ｔ２の回転数が所定の状態になった後、図３に示す様に加圧治具Ｐ１，Ｐ２により第１および第３の板状部材１０，２０の表面を加圧しつつ、第１および第３の板状部材１０，２０内へ回転工具Ｔ１，Ｔ２の先端を同時に挿入する（第３工程）。回転工具Ｔ１，Ｔ２を第１および第３の板状部材１０，２０から離脱することで第２の板状部材６０と２枚の第１および第３の板状部材１０，２０の接合工程が完了する。

【0018】

なお、本実施形態では図３に示す様に接合工程における回転工具Ｔ１，Ｔ２の先端の到達位置が第１および第３の板状部材１０，２０内である場合を接合工程の完了としているが、接合時に使用する板材が３枚以上である場合には、接合工程における回転工具の先端位置（工具先端の挿入深さ）については特に限定しない。

【0019】

次に、前述した本発明の接合方法を用いて作製した接合品について図面を用いて説明する。本発明の接合方法を用いて作製した接合品２の模式平面図を図４、模式正面図を図５、図４に示した接合品２の中央部にある接合部１１の拡大図を図６、図６に示す接合品２の中央部にある接合部（凹部）１１ＥのＸ－Ｘ線断面図を図７にそれぞれ示す。

【0020】

前述した本発明の接合方法を用いて作製した接合品２は、図４および図５に示す様に２枚の第１および第３の板状部材１１，２１と１枚の第２の板状部材６１から構成されており、第１および第３の板状部材１１，２１と１枚の第２の板状部材６１は互いに異種金属製である。

【0021】

第２の板状部材６１の一部（端部）は、図５に示す様に２枚の第１および第３の板状部材１１，２１により挟み込まれており、当該挟みこまれている箇所で摩擦撹拌点接合（摩擦撹拌スポット接合）により互いの板状部材が接合されている。

【0022】

第１の板状部材１１の表面には図４に示す様に接合部（凹部）１１Ｅが形成されており、第３の板状部材２１の表面にも図７に示す様に凹部２１Ｅが形成されている。これらの凹部１１Ｅ，２１Ｅは共に図７に示す様に同心円状に形成されており、外周部分に盛り上がり部分を有し、中心側へ向かってクレータ形状の凹部１１Ｅ，２１Ｅが形成されている。

【0023】

第１の板状部材１１の凹部１１Ｅの底面１１Ｓの下方においては、図７に示す様に第１の板状部材１１と第２の板状部材６１が互いに固着している。また、第３の板状部材２１の凹部２１Ｅの底面２１Ｓの下方では第３の板状部材２１と第２の板状部材６１が互いに固着している。

【0024】

言い換えると、第１の板状部材１１の凹部１１Ｅの底面１１Ｓは、図７に示す様に第２の板状部材６１の表面まで到達しておらず、第１の板状部材１１と第２の板状部材６１は互いに所定の間隔ｄ１１を保った状態で接合されている。

【0025】

同様に、第３の板状部材２１の凹部２１Ｅの底面２１Ｓも図７に示す様に第２の板状部材６１の表面まで到達しておらず、第３の板状部材２１と第２の板状部材６１は互いに所定の間隔ｄ２１を保った状態で接合されている。

【0026】

また、第１の板状部材１１の凹部１１Ｅの中心と第３の板状部材２１の凹部２１Ｅの中心は同一である。つまり、これらの２つの凹部１１Ｅ，２１Ｅは、接合品２の厚み方向（図面の上下方向）において同じ中心軸Ｃ３上に形成されている。

【0027】

なお、本実施形態では、図７に示す様に第１の板状部材１１と第２の板状部材６１が間隔ｄ１１、第３の板状部材２１と第２の板状部材６１が間隔ｄ２１を保った状態で接合されている場合を示しているが、本発明の接合方法に使用する板材が３枚以上である場合には、接合完了時における各板材の接合部（凹部）の間隔については特に限定しない。

【符号の説明】

【0028】

１，２ 接合品
１０，１１ 第１の板状部材
１１Ｅ，２１Ｅ 凹部
１１Ｓ，２１Ｓ 凹部の底面
２０，２１ 第３の板状部材
６０，６１ 第２の板状部材
ｄ１１，ｄ２１ 間隔
Ｃ１，Ｃ２ 回転工具の回転軸
Ｃ３ 凹部の中心（軸）
Ｔ１，Ｔ２ 回転工具
Ｐ１，Ｐ２ 加圧治具

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】