特開 2023-97858 接合体とその製造方法

(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】P2023097858

(43)【公開日】2023-07-10

(54)【発明の名称】接合体とその製造方法

(51)【国際特許分類】

   B23K 20/12 20060101AFI20230703BHJP

   B22F 10/00 20210101ALI20230703BHJP

【ＦＩ】

B23K20/12 364

B22F10/00

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021214215

(22)【出願日】2021-12-28

(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】110001427

【氏名又は名称】弁理士法人前田特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】田中 努

(72)【発明者】

【氏名】片桐 一彰

(72)【発明者】

【氏名】平田 智丈

(72)【発明者】

【氏名】中本 貴之

(72)【発明者】

【氏名】菅原 貴広

(72)【発明者】

【氏名】四宮 徳章

(72)【発明者】

【氏名】三木 隆生

(72)【発明者】

【氏名】内田 壮平

(72)【発明者】

【氏名】根津 将之

【テーマコード（参考）】

4E167

4K018

【Ｆターム（参考）】

4E167AA06

4E167AA08

4E167AA21

4E167AA23

4E167BG13

4E167BG15

4E167BG25

4K018AA30

4K018BA16

(57)【要約】

【課題】第１部材及び第２部材間の接合強度を大きくする。
【解決手段】接合体１は、金属材料、高分子材料及びセラミックス材料並びにそれらの複合材料を含む群から選択される第１材料から構成され、表側の表面に突起が設けられた第１部材１０と、第１部材１０の表側で第１部材１０と接合され、少なくとも金属材料を含む第２材料から構成された第２部材２０とを備える。第２部材２０における第１部材１０との接合する接合部２１は、最大結晶粒径が１００μｍ以下であること及び平均結晶粒径が３０μｍ以下であることの少なくとも一方を満たす、微細粒組織により構成されている。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

金属材料、高分子材料及びセラミックス材料並びにそれらの複合材料を含む群から選択される第１材料から構成され、表側の表面に突起が設けられた第１部材と、
前記第１部材の表側で前記第１部材と接合され、少なくとも金属材料を含む第２材料から構成された第２部材と
を備え、
前記第２部材における前記第１部材との接合する接合部は、最大結晶粒径が１００μｍ以下であること及び平均結晶粒径が３０μｍ以下であることの少なくとも一方を満たす、微細粒組織により構成されている、接合体。

【請求項2】

請求項１に記載の接合体において、
前記突起は、第１部材表面から離れるにともない該第１部材表面と平行な水平方向に切断した水平断面積が増大する、断面増大部を有し、
前記断面増大部は、前記第１部材表面と垂直な垂直方向に切断した垂直断面視において、周面の最下部に沿った接線が、前記第１部材表面と鋭角に交わる、接合体。

【請求項3】

請求項１又は２に記載の接合体において、
前記突起は、第１部材表面から離れるにともない該第１部材表面と平行な水平方向に切断した水平断面積が増大する、断面増大部を有し、
前記断面増大部は、前記第１部材表面と平行な水平方向に切断した水平断面視において多角形であり、隣接する前記突起同士で辺同士を互いに向かい合わせて配置されている、接合体。

【請求項4】

請求項１～３のいずれか１項に記載の接合体を製造する製造方法であって、
前記第１部材の前記突起を、付加製造法によって形成する突起形成工程を含む、製造方法。

【請求項5】

請求項４に記載の製造方法において、
前記第２部材を前記第１部材に接合する接合工程をさらに含み、
前記接合工程では、前記第２部材における前記第１部材と向かい合う部位を、固相状態で流動させることにより、非溶融凝固組織から構成された前記接合部を形成する、製造方法。

【請求項6】

請求項５に記載の製造方法において、
前記接合工程では、摩擦攪拌加工により非溶融凝固組織から構成された前記接合部を形成する、製造方法。

【請求項7】

請求項５又は６に記載の製造方法において、
前記突起形成工程よりも後で且つ前記接合工程よりも先に、前記突起の先端部の付着物を除去する処理を行う処理工程を含む、製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、複数の部材が互いに接合した接合体及びその製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、第１部材と、前記第１部材よりも熱膨張係数が大きく、前記第１部材と接合された第２部材と、を有し、前記第１部材は前記第１部材の表面の一部が突出した突起を有し、前記第１部材と前記第２部材との接合面において前記突起に前記第２部材が嵌合されていることを特徴とする異種材料接合品（接合体）が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１９－６９４５２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１に開示された接合体は、第２部材が鋳造により作製される（特許文献１の段落００１８等を参照）。しかし、第２部材を鋳造により作製すると、第２部材はその工程で溶融するため溶融凝固組織により構成されることとなる。溶融凝固組織は、結晶粒が不均一となり、第１部材及び第２部材間の接合強度の大きさが不十分となる場合がある。

【0005】

本発明は斯かる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、第１部材及び第２部材間の接合強度を大きくすることにある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示の第１の態様は、金属材料、高分子材料及びセラミックス材料並びにそれらの複合材料を含む群から選択される第１材料から構成され、表側の表面に突起が設けられた第１部材と、前記第１部材の表側で前記第１部材と接合され、少なくとも金属材料を含む第２材料から構成された第２部材とを備え、前記第２部材における前記第１部材と接合する接合部は、最大結晶粒径が１００μｍ以下であること及び平均結晶粒径が３０μｍ以下であることの少なくとも一方を満たす、微細粒組織により構成されている接合体である。

【0007】

この第１の態様では、第１部材と接合する第２部材の接合部は、最大結晶粒径が１００μｍ以下であること及び平均結晶粒径が３０μｍ以下であることの少なくとも一方を満たす微細粒組織により構成されているので、第１部材及び第２部材間の接合強度を大きくできる。

【0008】

本開示の第２の態様は、第１の態様において、前記突起は、第１部材表面から離れるにともない該第１部材表面と平行な水平方向に切断した水平断面積が増大する、断面増大部を有し、前記断面増大部は、前記第１部材表面と垂直な垂直方向に切断した垂直断面視において、周面の最下部に沿った接線が、前記第１部材表面と鋭角に交わる。なお、ここでいう「接線」とは、周面が垂直断面視で直線状である場合には、周面の形状である直線そのものを意味する。

【0009】

この第２の態様では、突起は、第１部材表面から離れるにともない水平断面積が増大し、断面増大部は、垂直断面視において、その最下部における接線が第１部材表面と鋭角に交わる周面を有する。このため、突起のアンカー効果により第１部材及び第２部材間の接合強度が大きくなる。また、断面増大部の周面の接線が第１部材表面と交わる角度を調整することにより、突起１つあたりのアンカー効果を大きくし、及び／又は単位面積あたりの突起数を多く（すなわち、突起の数密度を大きく）できる。すなわち、前記角度を調整することにより、第１部材及び第２部材間の接合強度をさらに大きくできる。

【0010】

本開示の第３の態様は、第１又は第２の態様において、前記突起は、第１部材表面から離れるにともない該第１部材表面と平行な水平方向に切断した水平断面積が増大する、断面増大部を有し、前記断面増大部は、前記第１部材表面と平行な水平方向に切断した水平断面視において多角形であり、隣接する前記突起同士で辺同士を互いに向かい合わせて配置されている。

【0011】

この第３の態様では、突起は、第１部材表面から離れるにともない水平断面積が増大し、水平断面視において多角形の断面増大部を有する。このような突起が、隣接する突起同士で、各断面増大部における辺同士を互いに向かい合わせて配置されていると、第１部材及び第２部材を互いに引き離す方向に外力をかけた際、この隣接する突起間で、第２部材にかかる応力が分散されやすくなる。その結果、第２部材が隣接する突起間で破断しにくくなり、第１部材及び第２部材間の接合強度をさらに大きくできる。

【0012】

本開示の第４の態様は、第１～第３の態様に係る接合体を製造する製造方法であって、前記第１部材の前記突起を、付加製造法によって形成する突起形成工程を含む。

【0013】

この第４の態様では、第１～第３の態様に係る接合体を製造できる。また、突起を付加製造法によって形成するので、突起を、接合強度をさらに大きくするような形状に形成しやすい。

【0014】

本開示の第５の態様は、第４の態様において、前記第２部材を前記第１部材に接合する接合工程をさらに含み、前記接合工程では、前記第２部材における前記第１部材と向かい合う部位を、固相状態で流動させることにより、非溶融凝固組織から構成された前記接合部を形成する。

【0015】

第６の態様は、第５の態様において、前記接合工程では、摩擦攪拌加工により非溶融凝固組織から構成された前記接合部を形成する。

【0016】

これら第５及び第６の態様では、非溶融凝固組織から構成された接合部を形成できるので、第１部材及び第２部材間の接合強度を大きくできる。

【0017】

第７の態様は、第５又は第６の態様において、前記突起形成工程よりも後で且つ前記接合工程よりも先に、前記突起の先端部の付着物を除去する処理を行う処理工程を含む。

【0018】

この第７の態様では、接合工程よりも先に、処理工程を行うので、突起と第２部材の表面との接合を弱める付着物を除去できる。その結果、第１部材及び第２部材間の接合強度がさらに大きくなる。

【発明の効果】

【0019】

以上説明したように、本発明によると、第１部材及び第２部材間の接合強度が大きくなる。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】第１実施形態に係る接合体における第１部材を表側から示す平面図である。

【図2】接合体の垂直断面図である。

【図3】接合体の製造方法における接合工程を示す概略図である。

【図4】第１実施形態の第１変形例に係る図１相当図である。

【図5】第１実施形態の第２変形例に係る図２相当図である。

【図6】第１実施形態の第３変形例に係る図２相当図である。

【図7】実施例１，２及び比較例１，２に係る接合体の引張試験の結果を示すグラフである。

【図8】実施例３，４に係る接合体の引張試験の結果を示すグラフである。

【図9】実施例１に係る接合体断面のＳＥＭ画像である。

【図10】比較例２に係る接合体断面のＳＥＭ画像である。

【図11】実施例３に係る接合体断面のＳＥＭ画像である。

【図12】実施例４に係る接合体断面のＳＥＭ画像である。

【図13】図９に示すＳＥＭ画像をＥＢＳＤ解析した画像である。

【図14】図１０に示すＳＥＭ画像をＥＢＳＤ解析した画像である。

【図15】図１３に示す画像における結晶粒径分布を示すグラフである。

【図16】図１４に示す画像における結晶粒径分布を示すグラフである。

【図17】実施例１０に係る接合体モデルにおける単位面積あたりの最大応力分布を示す画像である。

【図18】実施例１１に係る接合体モデルにおける単位面積あたりの最大応力分布を示す画像である。

【発明を実施するための形態】

【0021】

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。以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物又はその用途を制限することを意図しない。

【0022】

（第１実施形態）
―接合体の構成―
第１実施形態に係る接合体１は、図１及び２に示すように、金属材料である第１材料から構成された第１部材１０と、第１部材１０の表側において第１部材１０と接合された、金属材料である第２材料から構成された第２部材２０とを備える。

【0023】

具体的に、第１部材１０は、表側の表面に複数の突起１１，１１，…が設けられている。各突起１１は、図１に示すように平面視で円形であり、第１部材表面１２と平行な方向に沿って切断した水平断面が円形である。また、各突起１１は、図２に示すように第１部材表面１２からの距離に比例して径が大きくなるように形成されている。すなわち、各突起１１は、その全体が、第１部材表面１２から離れるにともない水平断面積が増大する断面増大部１１ａにより構成されている。なお、第１部材１０は、突起１１と突起１１以外の部分とで、構成する材料が異なっていてもよい。

【0024】

断面増大部１１ａの周面は、図２に示すように、第１部材表面１２と垂直な垂直方向に切断した垂直断面視において、接線が第１部材表面１２と鋭角に交わる。なお、接線とは、垂直断面視において周面に沿う直線を意味し、図２では、周面を表す直線が接線である。

【0025】

各突起１１の寸法は、特に限定されるものではなく、本発明に係る製造方法によれば、例えば数百μｍ～ｍｍのオーダーの広い範囲で形成し得る。すなわち、各突起１１高さＨ、断面増大部１１ａにおいて水平断面積が最も小さい部分（以下、この部分の面積を「最小水平断面積Ａ１」という）の直径Ｌ１、及び水平断面積が最も大きい部分（以下、この部分の面積を「最大水平断面積Ａ２」という）の直径Ｌ２は、例えば数百μｍ～ｍｍのオーダーである。

【0026】

複数の突起１１，１１，…のうち、互いに最も近くに隣接する突起１１，１１の突起中心間距離Ｄは、単位面積あたりに多くの突起を設けて（すなわち、突起１１の数密度を大きくして）全体の接合強度を大きくするという観点から、大きくしすぎないことが好ましい。

【0027】

垂直断面視（図２）における各突起の周面の接線と第１部材表面１２とのなす角度θの大きさは、１つ１つの突起１１のアンカー効果を大きくするという観点からは、突起先端面における直径Ｌ２を大きくするように、角度θを小さくすることが好ましい。その一方で、単位面積あたりに設けられる突起数をできるだけ多く（突起の数密度をできるだけ大きく）して、全体での接合強度を大きくするという観点からは、隣接する突起１１，１１間で各面積増大部１１ａの先端部同士が近づきすぎないように、角度θを大きくすることが好ましい。

【0028】

以上の観点を総合的に考慮して、角度θを設定することがより好ましい。

【0029】

第２部材２０は、第１部材１０と接合する接合部２１を有する。接合部２１は、微細粒組織により構成されている。接合部２１は、具体的には、図２に示すように、第２部材２０において、第１部材表面１２から、突起高さＨの２倍程度表側までの領域をいう。「微細粒組織」とは、例えば、本発明のように固相状態で流動させることにより得られる、非溶融凝固組織であり、このような非溶融凝固組織は、鋳造などで得られる溶融凝固組織に比べて結晶粒の大きさの均一性が高く、結晶粒が小さいという特徴がある。本発明における微細粒組織とは、最大結晶粒径が１００μｍ以下であること及び平均結晶粒径が３０μｍ以下であることの少なくとも一方を満たすことをいう。

【0030】

また、断面増大部１１ａの裏側の空間Ｓの大部分は、接合部２１を構成する第２材料で充填されている。ここで、断面増大部１１ａの裏側の空間Ｓとは、図２におけるドットハッチングで示すように、断面増大部１１ａの裏側（第１部材表面１２側）で、且つ、断面増大部１１ａの最も表側の部位の外周面で囲まれる領域（図１における符号Ａ２で表されるドットハッチング領域）の内側の空間をいう。そして、第１部材１０及び第２部材２０間の接合強度を大きくするという観点から、そのような空間Ｓの、５０％以上の体積が第２材料で充填されていることが好ましく、７０％以上の体積が第２材料で充填されていることがより好ましく、９０％以上の体積が第２材料で充填されていることがさらにより好ましい。

【0031】

また、断面増大部１１ａの最小水平断面積Ａ１を最大水平断面積Ａ２で割った比Ａ１／Ａ２は、１つの突起１１を接合部２１から抜けにくくして接合強度を大きくするという観点からは、より小さい方が好ましい。

【0032】

―接合体の製造方法―
接合体１の製造方法は、第１部材１０及び第２部材２０を、それぞれ第１材料及び第２材料から成形して準備する準備工程と、第１部材１０の突起１１を、付加製造法によって形成する突起形成工程と、第２部材２０を第１部材１０に接合する接合工程とを含む。突起形成工程で用いる付加製造法は、特に限定されないが、例えば粉末床溶融結合法、指向性エネルギー堆積法、結合剤噴射法、熱溶解積層法等が挙げられる。

【0033】

接合工程では、図３に示すように、第２部材２０における第１部材１０と向かい合う部位２２を、固相状態で、摩擦攪拌加工により、流動させることにより、非溶融凝固組織から構成された接合部２１を形成する。すなわち、接合工程では、第２部材２０における第１部材１０と向かい合う部位２２を、固相状態のまま（溶融させずに）攪拌する。

【0034】

摩擦攪拌加工は、図３に示すように、周面にネジ山が形成された略円柱状の接合ツールＴを周方向に回転させながら、摩擦熱及び回転力によって第２部材２０に挿入し、同時に固相状態の第２材料を塑性流動させながら攪拌する。このようにして、攪拌された第２材料が、突起１１の表側及び裏側を含む、突起１１の周囲全体に充填され、第１部材１０と接合した第２部材２０が得られる。

【0035】

このとき、図３に示すように、接合ツールＴのネジ山によって突起１１先端面を削るために、ネジ山を突起１１先端面に押し当てながら第２材料を攪拌することが好ましい。接合ツールＴで削る突起１１先端面の深さは、例えば０．４ｍｍ以下である。このように、突起１１先端面を削ることによって、突起１１先端面に付着した、第２部材２０の表面との接合を弱める油分、酸化物等の付着物から構成された汚染層や、後述する第２実施形態の変形例で説明する保護膜を除去できる。

【0036】

なお、接合工程では、接合ツールＴのネジ山によって突起１１先端面を削らなくてもよく、ネジ山と突起１１先端面とが間隔を空けていてもよい。

【0037】

なお、接合ツールＴを挿入する方向は、図３に示すような方向に限られず、例えば、第１部材表面１２に垂直な方向から、接合ツールＴを第２部材に挿入してもよい。第２材料を塑性流動させて、突起１１の周囲全体に充填できればよい。

【0038】

―作用・効果―
本実施形態では、第１部材１０と接合する第２部材２０の接合部２１は、微細粒組織（非溶融凝固組織）により構成されており、接合部２１が溶融凝固組織により構成されている場合よりも第１部材１０及び第２部材２０間の接合強度が大きくなる。

【0039】

また、本実施形態では、突起１１は、第１部材表面１２から離れるにともない水平断面積が増大する断面増大部１１ａを有する。断面増大部１１ａは、垂直断面視（図２）において、接線が第１部材表面１２と鋭角に交わる周面を有することにより、突起１１のアンカー効果により第１部材１０及び第２部材２０間の接合強度が大きくなる。また、突起１１の周面が第１部材表面１２と交わる角度θを調整することにより、１つ１つの突起１１のアンカー効果を大きくし、及び／又は単位面積あたりに密集させることのできる突起数を多くできる。すなわち、角度θを調整することにより、第１部材１０及び第２部材１２間の接合強度をさらに大きくできる。

【0040】

また、本実施形態では、断面増大部１１ａの裏側の空間Ｓの５０％以上の体積は接合部２１を構成する第２材料で充填されているので、接合部２１が抜け止めとして確実に機能し、突起１１のアンカー効果が大きくなる。その結果、第１部材１０及び第２部材２０間の接合強度がさらに大きくなる。

【0041】

ところで、後述の比較例１，２で示すように、第２部材２０が鋳造により作製されるとともに第１部材１０に接合される場合には、断面増大部１１ａの裏側に第２材料が十分に充填されないことが分かった。このことは、特に、突起１１のサイズが小さい場合に顕著である。ここで、本実施形態では、第２部材２０は、鋳造されるのではなく、固相状態のまま摩擦攪拌加工により第１部材１０に接合されるので、断面増大部１１ａの裏側に第２材料が確実に充填され、接合部２１が抜け止めとして確実に機能する。すなわち、接合部は高いアンカー効果を発揮する。

【0042】

また、本実施形態の製造方法では、以上説明した効果を奏する接合体１を製造できる。

【0043】

また、本実施形態の製造方法では、接合工程において、接合ツールＴで突起１１先端面を削るので、突起１１先端面に付着した、第２部材２０の表面との接合を弱める油分、酸化物等の付着物から構成された汚染層や、後述の第２実施形態の変形例で説明する保護膜を除去できる。その結果、第１部材１０及び第２部材２０間の接合強度がさらに大きくなる。

【0044】

また、本実施形態の製造方法では、融点、熱度伝導率、膨張係数、ガス溶解度の点で、溶融溶接が難しい材料（例えば、銅、アルミニウム等が挙げられる）も使用できる。

【0045】

また、本発明に係る接合体及びその製造方法は、２つの部材を接合することが必要とされる、非常に幅広い分野において有用である。例えば、車両部材である、リーンフォースメントやブラケットなどの車体強度向上を目的とした接合、ヘム加工やボックスコーナー部など立体的な構造部材の作製を目的とした接合に使用できる。また、自動車のサスペンションアームなどの棒材や厚板の突合せ継手のように、突合せ接合面が大きい（厚い）場合にも使用できる。

【0046】

さらに、本発明に係る接合体の製造方法は、異種材料から構成された第１部材１０及び第２部材２０同士を接合できる。第１部材１０及び第２部材２０が、機械的特性、電気的特性、熱的特性等の特性が互いに異なる材料から構成されていれば、各材料の長所を併せ持つユニークな部材を作製し得る。例えば、軽量化を目的とした製品のボディパネルや骨格などへの適用が考えられる。車輪ホイールのディスク部とリム部など、曲線の接合にも対応でき、モータケースのように筒形状の部材でも、外側パイプと内側パイプとを重ね合わせ接合することで、強度及び放熱性を併せ持ったハイブリッドなモータケースを作製できる。このように、様々な特性を様々な形状の部材に付与することが可能となる。

【0047】

（第１実施形態の第１変形例）
図４～６は、それぞれ第１実施形態の第１～第３変形例に係る接合体１における突起１１の形状を示す。各変形例に係る接合体１の構成は、突起１１の形状を除き、前記第１実施形態と同じである。

【0048】

具体的に、第１変形例では、図４に示すように、各突起１１が平面視で正方形であり、前記第１実施形態の各突起１１と同様に、その全体が断面増大部１１ａとなっている。本変形例では、断面増大部１１ａは、第１部材表面１２と平行な水平方向に切断した水平断面視において多角形であり、隣接する突起１１，１１同士で辺同士を互いに向かい合わせて配置されている。「辺同士を互いに向かい合わせて配置されている」とは、図４に示すように、１つの突起１１の平面視（又は水平断面視）での外形の１つの辺が、隣接する突起１１の平面視（又は水平断面視）での外形の１つの辺と略平行であることを意味し、「略平行である」とは、完全に平行であることに限られず一方の辺が他方の辺から１０°以下の小さな角度でずれていることを含む。

【0049】

本変形例のように、隣接する突起１１，１１同士で断面増大部１１ａにおける辺同士を互いに向かい合わせて配置されていると、後述の実施例５～１０で示されるように、第１部材１０及び第２部材２０を互いに引き離す方向に外力をかけた際、隣接する突起１１，１１間で第２部材２０にかかる応力が分散されやすくなる。その結果、第２部材２０が隣接する突起１１，１１間で破断しにくくなり、第１部材１０及び第２部材２０間の接合強度が大きくなる。

【0050】

（第１実施形態の第２変形例）
第２変形例では、図５に示すように、各突起１１は略球状であり、第１部材表面１２から各突起１１の垂直方向略中央までが、断面増大部１１ａとなっている。図５に示すような突起１１においても、垂直断面視で、断面増大部１１ａの周面の最下部に沿った接線が、第１部材表面１２と鋭角に交わる。このため、突起１１のアンカー効果により第１部材１０及び第２部材２０間の接合強度が大きくなる。

【0051】

（第１実施形態の第３変形例）
第３変形例では、図６に示すように、各突起１１は、第１部材表面１２に形成された支持部１１ｂと、支持部１１ｂの表側に形成された略球状の先端部１１ｃとを有する。支持部１１ｂの水平断面は、例えば円形、楕円形又は多角形であり、その水平断面積は第１部材表面１２から離れるにともない小さくなっている。このため、支持部１１ｂ及び先端部１１ｃの接続部周辺が、垂直断面視（図６）でくびれており、このくびれた接続部から先端部１１ｃの垂直方向略中央部までが断面増大部１１ａを構成している。

【0052】

図６に示すような突起１１においても、垂直断面視で、断面増大部１１ａの周面の最下部に沿った接線が、第１部材表面１２と鋭角に交わる。このため、突起１１のアンカー効果により第１部材１０及び第２部材２０間の接合強度が大きくなる。

【0053】

（第２実施形態）
第２実施形態では、接合体１の製造方法が、以下の点で第１実施形態とは異なるが、それ以外は第１実施形態と同様である。本実施形態では、突起形成工程よりも後で且つ接合工程よりも先に、突起１１先端面（先端部）の付着物を除去するための処理を行う処理工程を含む。ここで言う「付着物」とは、突起１１と第２部材２０の表面との接合を弱める油分、酸化物等の不純物（汚染層）や、後述の変形例で説明する保護膜である。処理工程では、例えば突起先端面を洗浄する。

【0054】

本実施形態では、接合工程よりも先に、処理工程を行うので、突起１１と第２部材２０の表面との接合を弱める付着物を除去できる。その結果、第１部材１０及び第２部材２０間の接合強度がさらに大きくなる。

【0055】

また、処理工程により突起１１先端面の処理を行うので、接合工程において接合ツールＴのネジ山で突起１１先端面を削らなくても、突起１１先端面から前記汚染層を除去でき、接合工程が容易になる。

【0056】

（第２実施形態の変形例）
第２実施形態の変形例では、前記第２実施形態に係る製造方法において、処理工程後、突起１１先端面を、例えば、めっきや電着などにより保護して保護膜を形成する。これにより、第１部材１０を長期間大気下で保管しても、突起１１先端面に汚染層が形成されにくくなる。長期間保管後、第１部材１０に第２部材２０を接合する際には、突起１１先端面に対して前記処理工程を行って、保護膜を除去すればよい。

【0057】

（その他の実施形態）
複数の突起１１，１１，…の形状や配置は、前記各実施形態のものに限られない。例えば、突起１１の形状としては、平面視で円形又は正方形以外に、平面視で楕円形、長方形、平行四辺形、ひし形、三角形及びその他の多角形であってもよい。また、突起１１の断面増大部１１ａは、前記各実施形態のように徐々に大きくなるのではなく、階段状に大きくなっていてもよい。また、複数の突起１１，１１，…の大きさや形状が互いに異なっていてもよい。例えば、前記第１実施形態及びその各変形例に係る突起が混在していてもよい。

【0058】

また、前記各実施形態では、第２材料を固相状態で流動させて接合部２１を形成する方法として、摩擦攪拌加工を用いるが、このほかに、摩擦圧接、プレス加工等の方法を用いてもよい。

【0059】

また、第１材料及び第２材料は、前記各実施形態のものに限られない。例えば、第１材料は、高分子材料、セラミックス材料又はこれらのすべての材料のうちの任意の組み合わせの複合材料であってもよい。また、第２材料は、金属材料と、金属以外の材料、例えばプラスプラスチック、セラミックス等、との複合材料であってもよい。第２材料がそのような複合材料である場合、第２材料に含まれる金属材料が非溶融凝固組織（微細粒組織）を構成していればよい。

【0060】

また、前記各実施形態では、接合体１は、第１部材１０及び第２部材２０から構成されるが、複数の部材が互いに接合されていればよく、例えば、第１部材１０及び第２部材２０に加え、第３部材が第１部材１０又は第２部材２０に接合されていてもよい。

【実施例0061】

―評価試験―
以下に、前記第１実施形態及びその第１変形例に係る接合体１を製造し、各接合体１における第１部材１０及び第２部材２０間の接合強度を評価した実施例１～４、及びこれらと比較するための比較例１，２について説明する。

【0062】

［実施例１］
＜準備工程＞
鉄鋼（第１材料）から構成された、長さ１５０ｍｍ×幅３５ｍｍ×厚さ１５ｍｍの直方体状の第１部材を準備した。また、アルミニウム合金（Ａ５０５２）（第２材料）から構成された、長さ１５０ｍｍ×幅３５ｍｍ×厚さ１５ｍｍの直方体状の第２部材を準備した。

【0063】

＜突起形成工程＞
次いで、第１部材の側面（幅３５ｍｍ×厚さ１５ｍｍの面）に、付加製造法により、マルエージング鋼（第１材料）を材料として突起を形成した。突起の形状は、前記実施形態と同様に図１及び２に示す形状とした。各パラメータは、Ｄ＝５．７ｍｍ、Ｌ１＝１．７ｍｍ、Ｌ２＝３．７ｍｍ及びθ＝４５°であった。そして、断面増大部の最小水平断面積Ａ１は２．３ｍｍ^２、最大水平断面積Ａ２は１１ｍｍ^２であり、両者の比Ａ１／Ａ２は０．２１であった。

【0064】

＜接合工程＞
次いで、図３に示すように、接合ツールを、回転速度１８００ｒｐｍで回転させながら、第２部材に挿入し、固相状態の第２材料を攪拌して、第２部材を第１部材に接合させた。このとき、接合ツールの周面におけるネジ山は、突起先端面から少し間隔を空けており、突起先端面を削らなかった。また、第２材料を攪拌しながら、接合ツールを第２部材の長さ方向に２５ｍｍ／ｍｉｎの速度で移動させることにより、第２部材を長さ方向全体に亘って第１部材の各突起に接合させた。以上のようにして、接合体を製造した。

【0065】

実施例１～４及び比較例１，２の突起形成工程及び接合工程の各条件を、表１に示す。

【0066】

【表1】

【0067】

［比較例１］
比較例１では、第１部材は実施例１と同様に準備したが、第２部材は、鋳造により準備した。すなわち、第２材料を溶融して、突起が形成された第１部材表面に流し込み、次いで冷却することにより、第２部材を成形するとともに第１部材に対して接合させた。また、第２材料としては、鋳造性が良好であるＡＣ４Ｃのアルミニウム合金を用いた。そのほかの条件は、実施例１と同様である。

【0068】

［実施例２］
実施例２では、表１に示すように、各パラメータが異なることを除いて、実施例１と同様に接合体を製造した。

【0069】

［比較例２］
比較例２では、各パラメータが異なることを除いて、比較例１と同様に接合体を製造した。

【0070】

［実施例３］
実施例３は、突起の形状を、図４に示すような平面視で正方形状とし、各パラメータを表１に示す値とした。また、接合工程において、接合ツールＴの周面におけるネジ山を突起に押し当て、突起先端面を約０．２ｍｍの深さで削るようにした。以上の点を除き、実施例１と同様の条件で接合体を製造した。

【0071】

［実施例４］
実施例４は、接合工程において、接合ツールＴの周面におけるネジ山は、突起先端面から少し間隔を空けており、突起先端面を削らなかった。この点を除き、実施例３と同様に接合体を製造した。

【0072】

［引張試験］
まず、各実施例及び各比較例で製造した接合体を、一端部側半分が第１部材で構成され、他端部側半分が第２部材で構成されたダンベル状の試験片に形成した。すなわち、各試験片の長さ方向中央部に、第１部材及び第２部材間の境界が位置する構成とした。次いで、引張試験機（株式会社島津製作所製、製品名：ＵＨ－１００ｋＮＸＲ）を用いて、各試験片の両端部を互いに反対方向に引っ張った。

【0073】

図７に、実施例１，２及び比較例１，２の引張試験の結果を示す。いずれの実施例及び比較例においても、試験片は引張試験機により加えられた試験力が増すとともに伸びと応力とが大きくなり、応力値が材料の限界値を超えると、材料は破断した。第２部材を摩擦攪拌加工により形成するとともに両部材間の接合を行った実施例１，２は、第２部材を鋳造して両部材間の接合を行った比較例１，２とそれぞれ比較して、最大応力がいずれもより大きい。すなわち、実施例１，２は、比較例１，２とそれぞれ比較すると、両部材間の接合強度がより大きいことが分かる。

【0074】

また、図７より、実施例２における最大応力は、実施例１における最大応力よりも大きいが、これは、実施例２の方が、実施例１よりも突起数が多く、突起全体のアンカー効果がより大きくなり、その結果、第１部材及び第２部材間の接合強度が大きくなったためと考えられる。

【0075】

図８に、実施例３，４の引張試験の結果を示す。いずれの実施例でも摩擦攪拌加工により第１部材及び第２部材間の接合を行ったが、摩擦攪拌加工の際、突起先端面を接合ツールで削った実施例３では、突起先端面を削らなかった実施例４よりも最大の応力が約２．５倍大きい、すなわち、接合強度が約２．５倍大きいことが分かる。

【0076】

［ＳＥＭ画像］
図９及び１０に、それぞれ実施例１及び比較例２に係る接合体の切断面のＳＥＭ画像を示す。図９より、実施例１に係る接合体では、突起の裏側（第１部材表面側）の空間は、その体積のほぼ１００％が第２部材のアルミニウム合金により充填されていることが分かる。このことから、実施例１では、断面増大部の裏側にアルミニウム合金が充填されているので、突起のアンカー効果が大きくなり、その結果、第１部材及び第２部材間の接合強度が大きくなったと考えられる。

【0077】

これに対して、図１０より、比較例２に係る接合体では、突起の裏側の空間において、アルミニウム合金で充填されているのは、平均すると、その体積の５０％以下であることは明らかであり、アルミニウム合金が充填されない欠陥部分の割合が大きいことが分かる。このことから、比較例２では、突起の形状が先端側で水平断面積が大きくなる断面増大部を有するにもかかわらず、突起が十分抜け止めされず、アンカー効果が十分に得られず、その結果、第１部材及び第２部材間の接合強度が小さくなったと考えられる。

【0078】

図１１及び１２に、それぞれ実施例３，４に係る接合体の切断面のＳＥＭ画像を示す。実施例３，４のいずれにおいても、各接合体は、突起の裏側（第１部材表面側）の空間は、その体積のほぼ１００％が第２部材のアルミニウム合金により充填されていることが分かる。

【0079】

また、図１２では、突起先端面に薄い隙間が確認できる（矢印で示される黒色の薄層を参照）。これは、実施例４に係る接合体では、接合工程において突起先端面を接合ツールで削らなかったので、油分、酸化物等の付着物から構成された汚染層が除去されたかったことに起因する未接合部であると考えられる。これに対して、図１１より、実施例３に係る接合体にはそのような薄い隙間は見られない。したがって、実施例４では、前記汚染層が存在することにより、実施例３と比較して第１部材及び第２部材間の接合強度が小さくなったと考えられる。

【0080】

［ＥＢＳＤ解析］
図１３及び１４に、それぞれ、図９及び１０に示すＳＥＭ画像の破線で囲む部分に対して、ＥＢＳＤ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ－ＢａｃｋＳｃａｔｔｅｒ Ｄｉｆｆｒａｔｉｏｎ、電子線後方散乱回折法）解析を行った結果をそれぞれ示す。ＥＢＳＤ解析を行った結果として、図１３及び１４では、各突起の裏側において第２材料の結晶粒の外形が黒色の線で描かれている。図１３及び１４において、その他の黒色の領域は、突起を形成するマルエージング鋼、又はいずれの材料も充填されていない欠陥領域を示す。なお、図１４では、突起の外形を白色の破線で示す。図１４に示す比較例２に係る接合体では、図１３に示す実施例１に係る接合体と比較して、突起の裏側における第２材料の結晶粒が、大きく且つその大きさが全体的に不均一であることが分かる。

【0081】

これらの結晶粒について詳細に考察するために、図１５及び１６に、それぞれ図１３（実施例１）及び図１４（比較例２）に示される前記結晶粒（第２材料）の分布比を縦軸にとり、結晶粒の粒径を横軸にとったグラフを示す。図１５（実施例１）の粒径分布は、均一性が高く、その一方で図１６（比較例２）の粒径分布は、不均一であることが分かる。また、実施例１では、前記結晶粒は、最大結晶粒径が８５μｍより小さく、平均結晶粒径が２４μｍであった。これに対して比較例１では、最大結晶粒径が１６０μｍより大きく、平均結晶粒径が７０μｍであった。このように、実施例１は、結晶粒径が全体的に小さいが、これは、接合方法が、比較例１のように鋳造ではなく、固相状態で流動させる摩擦攪拌接合によるものであったためと考えられる。

【0082】

―シミュレーション―
次に、図１に示すような平面視で円形の突起を有する第１部材と、第２部材とが接合された接合体の接合強度を、汎用ソフトウェアである「Ｓｉｍｕｆａｃｔ Ｆｏｒｍｉｎｇ ２０２１」（ＨＥＸＡＧＯＮ社製）を用いたシミュレーションにより評価した。このシミュレーションでは、１つの突起と、これに隣接するもう１つの同じ形状の突起とを有する第１部材と、この第１部材に接合された第２部材とを含む接合体モデルにおいて、第１部材及び第２部材間の接合力を評価した。

【0083】

具体的に、以下では、突起の形状を決めるパラメータであるＨ、Ｌ１、Ｌ２及びθ、突起中心間距離Ｄ並びに最近接距離Ｄ０のうち、少なくとも１つが互いに異なる、実施例５～１６に係る接合体モデルのシミュレーションを行った。各シミュレーションでは、各接合体モデルにおける第１部材及び第２部材を互いに引張った際に、両部材間の距離（ｍｍ）が増加するとともに変化する荷重の最大値（以下、「最大荷重」という）（ｋＮ）、又はこの最大荷重を両部材間界面の面積で割った値（以下、「最大応力」という）（ＭＰａ）を計算し、両部材間の接合力を評価した。

【0084】

なお、以下のシミュレーションでは、各接合体モデルにおける突起先端部の周端部が面取りされている。最近接距離Ｄ０は、突起中心間距離Ｄ及び先端面直径Ｌ２によって異なるが、この面取りの程度によっても異なっている。

【0085】

［実施例５～７］
実施例５では、各パラメータを、Ｄ＝４．２４ｍｍ、Ｄ０＝０．７２ｍｍ、Ｈ＝１．００ｍｍ、Ｌ１＝１．１０ｍｍ、Ｌ２＝３．５２ｍｍ及びθ＝３５°とした。実施例６及び７では、表２に示すように、それぞれ、θ＝４５°及び６０°とした。すなわち、実施例５、６及び７は、この順に、突起周面の角度θが大きくなり、それにともない突起先端面直径Ｌ２が小さくなるものの、突起中心間距離Ｄ及び突起高さＨは変わらない。

【0086】

【表2】

【0087】

実施例５～７の各接合体モデルについて前記最大荷重を計算した。この最大荷重は、実施例５～７で互いに比較することにより、突起の数密度によらない、突起１つあたりで得られる接合力を評価できる。

【0088】

表２に示すように、計算された最大荷重は、Ｌ２が最も大きく且つθが最も小さい実施例５で最も大きい。この結果は、実施例５では、Ｌ２が最も大きく且つθが最も小さいことにより、突起１つ分のアンカー効果が大きくなり、それによって接合強度が大きいことを反映していると考えられる。

【0089】

［実施例８～１２］
実施例８では、各パラメータを、Ｄ＝２．９０ｍｍ、Ｈ＝１．００ｍｍ、Ｌ１＝１．１０ｍｍ、Ｌ２＝２．８２ｍｍ及びθ＝４５°とした。実施例９～１２では、表３に示すように、それぞれ、Ｄ＝２．９７ｍｍ、３．１１ｍｍ、３．３９ｍｍ及び４．２４ｍｍとした。すなわち、実施例８、９、１０、１１及び１２は、この順に、突起中心間距離Ｄ及び最近接距離Ｄ０が大きくなるものの、突起の形状（Ｈ、Ｌ１、Ｌ２、θ）は変わらない。

【0090】

【表3】

【0091】

実施例８～１２の各接合体モデルについて最大応力を計算した。この最大応力を、実施例８～１２で互いに比較することにより、第１部材上に無数の突起が、等間隔Ｄ（Ｄ０）で並ぶ接合体の接合力、すなわち、突起の数密度を考慮した接合力を評価できる。

【0092】

表３に示すように、Ｄ＝３．３９ｍｍ（Ｄ０＝０．５８ｍｍ）である実施例１１で、最大応力が最も大きいことが分かる。この理由を考察するために、実施例８～１２について、突起及び第２部材にかかる最大応力の分布を計算した。すると、Ｄ（Ｄ０）が大きいほど、第２部材にかかる最大応力の局在化が小さいことが分かった。

【0093】

図１７及び１８に、それぞれ実施例１０及び１１に係る接合体モデルにおける最大応力の分布画像を示す。これらの画像は、第１部材表面から表側に１．００ｍｍ離れた水平断面（突起先端面における水平断面）において、隣接する２つの突起にかかる最大応力及びこれらの突起間での第２部材にかかる最大応力をグレースケールで表示し、その分布を示すものである。図１７及び１８に示すように、第２部材にかかる最大応力は、突起間距離が最も小さくなっている部位で最も大きくなっていることが分かる。図１７（実施例１０）において第２部材の突起間距離が最も小さくなっている部位は、図１８（実施例１１）のものと比較して、局所的にかかる最大応力がより大きく、第２部材がこの部位で破断する可能性がより高いといえる。すなわち、最近接距離Ｄ０が大きいほど、第２部材にかかる最大応力の局在化がより小さくなるので、このため、第２部材が破断しにくくなるといえる。

【0094】

その一方で、突起中心間距離Ｄは、できるだけ小さい方が突起の数密度を大きくできる。すなわち、突起の数密度を大きくして接合強度を高めるという観点では、突起中心間距離Ｄはできるだけ小さい方がよい。表３に示すように、実施例１１で、最大応力が最も大きい理由は、第２部材へかかる最大応力の非局在化及び突起の数密度の２つの要素で決まっていると考えられる。

【0095】

なお、図１７によると、第１部材に図１のような平面視で円形の突起を設ける場合には、第２部材にかかる最大応力が局在化することが分かる。このことから、突起の形状が図４のように平面視で正方形である場合、又はこれに代えてほかの多角形である場合、隣接する突起同士で多角形の辺同士が向かい合うように配置すれば、第２部材にかかる最大応力の局在化が抑えられ、第２部材が破断しやすくなるのを回避し得ると考えられる。

【0096】

［実施例１３～１６］
実施例１３では、各形状パラメータを、Ｄ＝３．３９ｍｍ（Ｄ０＝０．５８ｍｍ）、Ｈ＝１．００ｍｍ、Ｌ１＝１．１０ｍｍ、Ｌ２＝２．８２ｍｍ及びθ＝４５°とした。実施例１４～１６では、それぞれ、Ｄ＝２．５５ｍｍ、２．１２ｍｍ及び１．７５ｍｍとし、θ＝６０°、７０°及び８０°とした。すなわち、実施例１３、１４、１５及び１６は、この順に、突起周面の角度θが大きくなり、突起先端面直径Ｌ２及び突起中心間距離Ｄは小さくなるものの、突起高さＨは変わらない。

【0097】

【表4】

【0098】

実施例１３～１６の各接合体モデルについて最大応力を計算した。表４によると、最大応力は、実施例１５で最も大きいことが分かる。この結果は以下のように考察できる。まず、突起高さＨが一定の場合、Ｌ２は大きい方が（θは小さい方が）、突起１つのアンカー効果が大きくなる。また、前記考察のように、突起中心間距離Ｄは小さい方が、突起の数密度を大きくでき、最大応力が大きくなる。すなわち、最大応力が実施例１５で最も大きくなったいという結果は、突起１つのアンカー効果及び突起の数密度の２つの要素により、決まっていると考えられる。

【産業上の利用可能性】

【0099】

本発明に係る接合体及びその製造方法は、２つの部材を接合することが必要とされる、非常に幅広い分野において有用である。

【符号の説明】

【0100】

１ 接合体
１０ 第１部材
１１ 突起
１１ａ 断面増大部
１２ 第１部材表面
２０ 第２部材
２１ 接合部
２２ 第２部材における第１部材と向かい合う部位

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】