异种金属接合方法以及异种金属接合部件与流程

本发明涉及使用了摩擦搅拌接合的异种金属接合方法以及异种金属接合部件。

背景技术：

作为将2个异种金属部件接合的接合方法，公知有如下所谓的摩擦搅拌接合：使旋转工具旋转着从上方对两金属部件重叠的接合部(重叠部)加压并同时沿水平方向移动，由此，在不使母材熔融的情况下将两金属部件固相接合，其中所述旋转工具由设置于末端中央部的销(探针)和被称为肩部的圆柱状的旋转体构成(例如，参照专利文献1以及2。)。

图5是示出基于以往的摩擦搅拌接合的铁部件与铝部件的金属接合的说明图。

如图5的(a)所示，在以往的摩擦搅拌接合中，使旋转工具旋转着从上方垂直地对铁部件(fe部件)与铝部件(al部件)重叠的重叠部进行按压，由此，在肩部与铝部件之间产生摩擦热，通过该摩擦热使铝部件软化，并且通过设置于末端中央部的销对软化后的铝部件进行搅拌。与此同时，通过肩部下表面对软化和搅拌后的铝部件进行加压。由此，两金属部件的接合界面附近被稳定地固相接合。

如图5的(b)所示，成为如下结晶构造：旋转工具通过后的部位形成了搅拌部，在其外侧形成了塑性流动部，在塑性流动部的外侧形成了热影响部。

现有技术文献

专利文献1：日本特开2015-150610号公报

专利文献2：日本特许第5645395号

在以往的上述摩擦搅拌接合中，为了去除在铁部件表面生成的杂质，使铁部件的本质面露出，有时将销从铁部件表面向内部插入几mm(＝t0)左右的深度，削掉铁部件表面的一部分。因此，在旋转工具沿水平方向移动的情况下，在削掉后的部位产生铁毛刺(fe毛刺)。而且，铁毛刺残留在搅拌部和/或塑性流动部(铝部件)的内部。

当铁毛刺残留在搅拌部和/或塑性流动部内的情况下，搅拌部和/或塑性流动部的实质板厚从t2减少至t3。因此，在有拉伸或者弯曲载荷作用于两金属部件的重叠部的情况下，应力集中于搅拌部和/或塑性流动部，由此，存在两金属部件重叠的接合界面附近的强度(接合强度)下降的问题。

而且，有时由于接合条件(旋转工具的旋转速度、移动速度、肩部向铝部件的插入量)的不同，铝被作为毛刺(al毛刺)而排出。在al毛刺被排出的情况下，旋转工具通过后的母材的板厚(＝t2)比母材原质部的板厚(＝t1)薄。由此，在铝部件表面产生凹部，与铁毛刺同样地，存在产生应力集中、使接合界面附近的接合强度下降的问题。

此外，由于在销削掉铁部件表面时产生的热，在旋转工具所通过的部位容易产生软化层(热影响部)。其结果为，摩擦搅拌接合部处的热影响部所占的比例变大。由于热影响部是强度弱的部位，因此，与铁毛刺的产生同样地，存在使接合部的接合强度下降的问题。

另外，上述专利文献1中记载的摩擦搅拌接合方法是这样的摩擦搅拌接合方法：其特征在于，当在终端部拔出旋转工具时，为了不使金属面露出，在水平方向活动的同时进行拔出。

此外，上述专利文献2中记载的摩擦搅拌接合方法是这样的摩擦搅拌接合方法：其特征在于，在开始点处以使接合中心线偏移的方式移动旋转工具，由此将两金属部件接合。

因此，上述专利文献1以及2对于抑制因摩擦搅拌接合产生的两金属的毛刺对接合强度带来的影响(问题点)和金属毛刺的技术手段、以及进一步缩小母材的热影响部的技术手段等没有进行任何公开。

技术实现要素：

因此，本发明是鉴于上述以往技术的问题点而完成的，其目的在于提供一种异种金属接合方法以及异种金属接合部件，在对由互不相同的材质构成的异种金属进行摩擦搅拌接合时，能够地在摩擦搅拌接合的母材中恰当地抑制金属毛刺，并且通过减小母材中热影响部所占的比例来提高两金属的接合强度。

在用于达成上述目的的本发明的异种金属接合方法中，在使工具20旋转并从上方对由互不相同的材质构成的第1金属11与第2金属12相重合的重叠部40进行加压的同时使工具20沿切线方向移动，由此，对该第1金属11与第2金属12的该重叠部沿着该切线方向以规定的长度进行摩擦搅拌接合，该异种金属接合方法的特征在于，所述重叠部40被借助于所述工具20至少进行2次摩擦搅拌接合，在第1次的摩擦搅拌接合40a中，在所述工具20贯通所述第1金属11并进入至所述第2金属12的规定的插入深度(d1-t1)的状态下，使该工具20沿着所述切线方向移动，并且在第2次的摩擦搅拌接合40b中，在使所述工具20的位置在与所述切线方向垂直的方向上移动了规定距离δl的状态下，使该工具20沿着所述切线方向移动。

在上述结构中，第2次的摩擦搅拌接合40b通过下述方式进行：在使工具20的位置在与切线方向垂直的方向上错开了规定距离δl的状态(移动后的状态)下，使该工具沿着切线方向移动。因此，在第1次的摩擦搅拌接合40a中产生的金属毛刺(al毛刺)通过工具20的加压和旋转以及同时的移动而重新填充于原来的金属部位，从而进行再结合，由此，工具所通过后的母材(t＝t3)比第1次(t＝t2)厚。另一方面，第2金属12表面的金属毛刺(fe毛刺)被工具20除去，由此，搅拌部/塑性流动部的实质板厚减少幅度变小。其结果为，两金属部件相重叠的接合部的接合强度提高。

此外，通过工具20在加压和旋转的同时使母材的热影响部移动，使通过第1次的摩擦搅拌接合而产生的热影响部的组织细微化而使热影响部变化为搅拌部和/或塑性流动部。由此，摩擦搅拌接合的母材的热影响部缩小，搅拌部和塑性部扩大。其结果为，两金属部件相重叠的接合部的接合强度提高。

本发明的异种金属接合方法的第2特征在于，工具20具有销22，上述规定距离δl在该销的宽度w以下。

在上述结构中，第2次的摩擦搅拌接合40b时工具20的移动距离δl在销的宽度w以下。由此，在第2次的摩擦搅拌接合40b中，当工具20在加压和旋转的同时进行移动时，销22的末端部与金属毛刺(fe毛刺)抵接。其结果为，金属毛刺(fe毛刺)被销22除去。

本发明的异种金属接合方法的第3特征在于，所述第2次的摩擦搅拌接合40b中所述工具20相对于所述第1金属11和第2金属12的插入深度d2比所述第1次的摩擦搅拌接合40a中的插入深度d1浅。

在上述结构中，第2次的摩擦搅拌接合40b中工具20相对于第1金属11和第2金属12的插入深度d2比第1次的摩擦搅拌接合40a中的插入深度d1浅。由此，在工具20加压和旋转并同时移动时，能够在不产生新的金属毛刺(fe毛刺)的情况下除去第2金属12表面的金属毛刺(fe毛刺)。

本发明的异种金属接合方法的第4特征在于，所述第2次的摩擦搅拌接合40b中所述工具20相对于所述第2金属12的插入深度(d2-t1)比第1次的摩擦搅拌接合40a中的插入深度(d1-t1)浅。

在上述结构中，第2次的摩擦搅拌接合40b中工具20相对于第2金属12的插入深度(d2-t1)比第1次的摩擦搅拌接合40a中的插入深度(d1-t1)浅。由此，在工具20加压和旋转并同时移动时，能够不产生新的金属毛刺(fe毛刺)，或者将金属毛刺(fe毛刺)的产生抑制为最小限度。

本发明的异种金属接合方法的第5特征在于，所述第2次的摩擦搅拌接合40b中所述工具20的旋转方向是与第1次的摩擦搅拌接合40a相反的方向。

在上述结构中，第2次的摩擦搅拌接合40b中工具20的旋转方向相对于第1次的摩擦搅拌接合40a是相反方向。因此，在工具20加压和旋转并同时移动时，通过第1次的摩擦搅拌接合而产生的金属毛刺(al毛刺)从工具受到相反方向的旋转速度分量的力，因此，金属毛刺(al毛刺)很好地返回原来的金属部位。由此，第1金属11表面的凹部(板厚减少部)被金属毛刺(al毛刺)填充。另一方面，第2金属12表面的金属毛刺(fe毛刺)被工具20去除，由此，搅拌部和塑性流动部的实质的板厚减少幅度变小。其结果为，两金属部件相重叠的接合部的接合强度得以提高。

本发明的异种金属接合方法的第6特征在于，所述第2次的摩擦搅拌接合40b中所述工具20的旋转速度比所述第1次的摩擦搅拌接合40a慢。

在上述结构中，第2次的摩擦搅拌接合40b中工具20的旋转速度比第1次的摩擦搅拌接合40a慢。即，使第2次的工具20的旋转速度比第1次的工具20的旋转速度慢，减小了因工具20与母材的摩擦而产生的热量，使新产生的热影响部对接合强度的影响为最小限度。

本发明的异种金属接合方法的第7特征在于，所述第2次的摩擦搅拌接合40b中所述工具20的移动方向是与所述第1次的摩擦搅拌接合40a相反的方向。

在上述结构中，第2次的摩擦搅拌接合40b中工具20的移动方向相对于第1次的摩擦搅拌接合40a是相反方向。在该情况下，在从金属毛刺(al毛刺)观察工具20的接近方向的情况下，与第1次时工具20从例如正面接近相对地，第2次时工具20从背面接近。即，金属毛刺(al毛刺)从工具20受到的旋转速度分量的力的方向在第1次与第2次时是互相相反的方向。即，通过使第2次时工具的移动方向与第1次时工具的移动方向是相反方向，起到了与使第2次时工具的旋转方向与第1次时工具的旋转方向是相反方向的情况相同的效果。

因此，通过使第2次的摩擦搅拌接合40b中工具20的移动方向相对于第1次的摩擦搅拌接合40a是相反方向，第1金属11表面的凹部(板厚减少部)被金属毛刺(al毛刺)填充，由此，工具通过后的母材(t＝t3)比第1次的(t＝t2)厚。另一方面，第2金属12表面的金属毛刺(fe毛刺)被工具20除去，由此，搅拌部和塑性流动部的实质的板厚减少幅度变小。其结果为，接合强度提高。

本发明的异种金属接合方法的第8特征在于，所述第2次的摩擦搅拌接合40b中所述工具20的移动速度比所述第1次的摩擦搅拌接合40a快。

在上述结构中，第2次的摩擦搅拌接合40b中的工具20的移动速度比第1次的摩擦搅拌接合40a快。即，使第2次的工具20的移动速度比第1次的工具20的移动速度快，使因工具20与母材的摩擦产生的摩擦热不会传递到其他的母材。即，避免了热影响部扩大、接合部的接合强度下降。

本发明的异种金属接合部件的特征在于，由互不相同的材质构成的第1金属11与第2金属12相重合的重叠部40利用上述任意一项所述的异种金属接合方法而接合在一起。

通过上述任意一项所述的异种金属接合方法对上述异种金属接合部件进行了摩擦搅拌接合。因此，能够正好应用于局部要求强度以及硬度的构造部件，例如定子轴等。

根据本发明的异种金属接合方法，在对由互不相同的材质构成的异种金属进行摩擦搅拌接合时，能够在摩擦搅拌接合的母材中恰当地抑制金属毛刺，并且能够使母材中的热影响部所占的比例变小，使搅拌部和塑性流动部所占的比例变大。由此，与以往的摩擦搅拌接合相比，接合部的接合强度显著提高。

附图说明

图1中(a)和(b)是示出应用了本发明的一个实施方式的异种金属接合方法的异种金属轴的说明图。

图2中(a)和(b)是示出本实施方式的第1周的摩擦搅拌接合和第2周的摩擦搅拌接合的说明图。

图3中(a)和(b)是示出第1周的摩擦搅拌接合以及第2周的摩擦搅拌接合中的摩擦搅拌接合工具的移动方向的说明图。

图4是示出应用了本实施方式的异种金属接合方法的定子轴的说明图。

图5中(a)和(b)是示出基于以往的摩擦搅拌接合的铁部件与铝部件的金属接合的说明图。

标号说明

11：第1轴；11a：第1轴的内周面；11b：第1轴的外周面；12：第2轴；12a：第2轴的内周面；12b：第2轴的外周面；20：摩擦搅拌接合工具；21：肩部；21a：肩部下表面；22：销；40：轴向重叠部；40a：第1周的摩擦搅拌接合；40b：第2周的摩擦搅拌接合；50：定子轴；51：第1轴；52：第2轴；52c：花键齿；53：轴承；54：第3轴；100：异种金属轴。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的实施方式进行详细说明。

图1是示出应用了本发明的一个实施方式的异种金属接合方法的异种金属轴100的说明图。另外，图1中(a)是异种金属轴100的立体图，图1的(b)是异种金属轴100的主要部分剖面说明图。此外，作为参考，也一并图示出了摩擦搅拌接合工具20。

该异种金属轴100由第1轴11以及压入接合在第1轴11的内周面上的第2轴12构成。第1轴11整体是由轻金属、例如铝或者其合金构成的圆筒状的中空轴。对应的第2轴12是由铁系金属、例如不锈钢构成的与第1轴11同心的圆筒状的中空轴。

此外，摩擦搅拌接合工具20构成为具有为圆筒旋转体的肩部21以及设置于肩部21的下表面中央部的销22。参照图2以及图3在后文进行详细叙述，第1轴11与第2轴12是利用摩擦搅拌接合工具20从上方对第1轴11的内周面11a与第2轴12的外周面12b沿着轴向重叠的轴向重叠部40(图2)进行加压并同时沿着圆周方向在2周摩擦搅拌接合在一起。

此外，在第1周的摩擦搅拌接合40a和第2周的摩擦搅拌接合40b中，使摩擦搅拌接合工具20的轴向位置不同，并且也使摩擦搅拌接合工具20相对于第1轴11以及第2轴12的插入深度d不同。

而且，在第1周的摩擦搅拌接合40a和第2周的摩擦搅拌接合40b中，还使其他的接合条件(摩擦搅拌接合工具20的旋转方向和旋转速度以及圆周方向的移动速度)不同。

圆周带状的第1周的摩擦搅拌接合40a与第2周的摩擦搅拌接合40b在轴向上错开(偏离)地分别形成于第1轴11的外周面11b上。

图2是示出本实施方式的第1周的摩擦搅拌接合40a和第2周的摩擦搅拌接合40b的说明图。图2中(a)示出了第1周的摩擦搅拌接合40a，图2中(b)示出了第2周的摩擦搅拌接合40b。

如图2的(a)所示，使摩擦搅拌接合工具20旋转着向径向内侧进行加压并同时沿着第1轴11的圆周方向移动。肩部21旋转的同时通过肩部下表面21a对第1轴11进行加压，由此，在肩部21与第1轴11之间产生摩擦热。通过该摩擦热，与肩部下表面21a相邻的第1轴11的部位软化，软化的部位被销22搅拌。

在摩擦搅拌接合工具20所通过的部位(摩擦搅拌接合40a)，在中央部分形成有结晶组织最细微的搅拌部z1，在其外侧形成有塑性流动部z2，在塑性流动部z2的外侧形成有未被充分搅拌的热影响部z3，在热影响部z3的外侧形成有止于母材的原形的母材原质部z4。

通过摩擦搅拌接合工具20旋转着向径向内侧移动，销22以几mm左右(＝d1-t1)的插入深度切入第2轴12的外周面12b。其结果为，在第2轴12的外周面12b露出本质面，在该本质面与搅拌部z1和塑性流动部z2之间形成稳定的固相结合(金属结合)，由此，第1轴11与第2轴12被稳定地结合。

但是，在摩擦搅拌接合工具20旋转着向径向内侧移动的期间，肩部下表面21a对软化的铝母材进行加压，因此，铝的一部分被作为al毛刺11c而从第1轴11的外周面11b剥离。由于该剥离的al毛刺11c，在摩擦搅拌接合40a中形成了凹部(板厚t2的板厚减少部)。在拉伸或者弯曲载荷作用于第1轴11的情况下，若在外周面11b上具有板厚减少部(凹部)，则应力集中于板厚减少部，其结果为，使接合界面附近z0的接合强度下降。

同样地，在摩擦搅拌接合工具20的销22以几mm左右(＝d1-t1)的插入深度切入第2轴12的外周面12b的期间，不锈钢的一部分被作为fe毛刺12c而从外周面12b剥离。由于该剥离的fe毛刺12c，搅拌部z1以及塑性流动部z2的实质的板厚减少。因此，在拉伸或者弯曲载荷作用于第1轴11的情况下，经由裂纹(fe毛刺)，应力集中于搅拌部z1以及塑性流动部z2，与上述凹部同样地，使接合界面附近z0的接合强度下降。

因此，在第2周的摩擦搅拌接合40b中，使al毛刺11c返回第1轴11的外周面11b进行再结合，填充凹部。另一方面，将fe毛刺12c从第2轴12的外周面12b去除，消除了搅拌部z1以及塑性流动部z2处的实质的板厚减少。以下，对第2周的摩擦搅拌接合40b进行说明。

如图2的(b)所示，摩擦搅拌接合工具20的轴向位置相对于第1周的摩擦搅拌接合40a的轴向位置错开。另外，错开的距离δl在销22的宽度w以下。

此外，摩擦搅拌接合工具20的插入深度(d2)比第1周的摩擦搅拌接合40a的插入深度(d1)浅。另外，在第2周的摩擦搅拌接合40b中，销22与fe毛刺12c抵接，由此，只要使fe毛刺12c与第2轴12的外周面12b一体化即可。因此，销22也并非一定与第2轴12的外周面12b接触。优选的是，销22的高度与第1轴11的板厚t1大致相等。

此外，利用al毛刺11c产生得多的方向由摩擦搅拌接合工具20的旋转方向来确定的特性，摩擦搅拌接合工具20的旋转方向与第1周的摩擦搅拌接合40a的旋转方向是相反方向。例如，在第1周的摩擦搅拌接合40a是逆时针方向(ccw)的情况下，第2周的摩擦搅拌接合40b是顺时针方向(cw)。

此外，摩擦搅拌接合工具20的旋转速度比第1周的摩擦搅拌接合40a的旋转速度慢。这减小了因肩部与母材的摩擦而产生的热量，将新产生的热影响部对接合强度的影响抑制为最小限度。

同样地，摩擦搅拌接合工具20的移动速度比第1周的摩擦搅拌接合40a的移动速度快。这使得因肩部与母材的摩擦而产生的摩擦热不向母材传递，防止了新生成热影响部。

这样，在第2周的摩擦搅拌接合40b中，使摩擦搅拌接合工具20的轴向位置、插入深度(d2)、旋转方向、旋转速度以及移动速度与第1周的摩擦搅拌接合40a不同，由此，使因第1周的摩擦搅拌接合40a产生的al毛刺11c返回母材并进行再结合。由此，铝母材表面的凹部(板厚减少)也被改善。其结果为，第1轴11与第2轴12的接合强度提高。

此外，通过第2周的摩擦搅拌接合40b，第1周的热影响部z3被再搅拌，使组织细微化，结果为，在搅拌部或者塑性流动部进行再生。由此，第2周的摩擦搅拌接合40b中的搅拌部z1’以及塑性流动部z2’比第1周的搅拌部z1以及塑性流动部z2扩大。与此相对，第2周的摩擦搅拌接合40b中的热影响部z3’比第1周的热影响部z3缩小。其结果为，第2周的摩擦搅拌接合40b中的接合界面附近z0’比第1周的接合界面附近z0扩大。由此，第1轴11与第2轴12的接合强度提高。

另外，即使替代使摩擦搅拌接合工具20的旋转方向相对于第1周的摩擦搅拌接合40a为相反方向，而使摩擦搅拌接合工具20的移动方向相对于第1周的摩擦搅拌接合40a为相反方向，也起到了同样效果。以下，对摩擦搅拌接合工具20的移动方向进行说明。

图3是示出第1周的摩擦搅拌接合40a以及第2周的摩擦搅拌接合40b中的摩擦搅拌接合工具20的移动方向的说明图。另外，为了说明方便，图示了右手系的坐标。

如图3的(a)所示，在摩擦搅拌接合工具20向逆时针方向(ccw)自转并且使第1轴11的圆周方向朝向顺时针方向(cw)移动(公转)的情况下，朝向正y方向的旋转速度分量的力作用于第1轴11的a部。另一方面，如图3的(b)所示，在摩擦搅拌接合工具20向相同方向自转并且使第1轴11的圆周方向朝向逆时针方向(ccw)移动(公转)的情况下，朝向负y方向的旋转速度分量的力作用于第1轴11的a部。即，在第2周中，通过使摩擦搅拌接合工具20的移动方向相对于第1周的摩擦搅拌接合40a为相反方向，能够使与第1周相反方向的旋转速度分量的力作用于同一部位。由此，与使工具20的旋转方向在第1周和第2周中相反的情况同样地，能够使通过第1周的摩擦搅拌接合40a产生的al毛刺11c返回母材并进行再结合。

图4是示出应用了本实施方式的异种金属接合方法的定子轴50的说明图。另外，为了说明方便，也一并图示出了第3轴14以及摩擦搅拌接合工具20。

该定子轴50是用于支承转矩转换器(未图示)的定子(未图示)的轴。定子轴50与整体由铁系金属制成的以往的定子轴不同，是通过由铁系金属构成的第2轴52来构成要求强度的末端部，通过由铝系轻金属构成的第1轴51构成末端部以外的不要求强度的部位的异种金属接合轴。因此，由于上述定子轴50的末端部以外的部位由铝系轻金属构成，因此，能够实现轴整体的大幅轻量化。

在第2轴52的发动机侧的末端部外周面沿着周向形成有花键齿52c。另一方面，在第2轴52的末端部内周面安装有将主轴(未图示)支承为能够旋转的轴承53。

第1轴51与第2轴52通过上述本发明的异种金属接合方法而被摩擦搅拌接合。即，用摩擦搅拌接合工具20从上方对第1轴51的内周面51a与第2轴52的外周面52b沿着轴向重叠的轴向重叠部52bs进行加压并且沿着圆周方向在2周进行摩擦搅拌接合50a、50b。由此，摩擦搅拌接合的铝母材(第1轴51)中的实质的板厚减少以及等效裂纹状态被改善，并且铝母材表面的凹部(板厚减少)也被改善。

而且，摩擦搅拌接合涉及的铝母材(第1轴51)中的热影响部所占的比例比通过以往的摩擦搅拌接合进行接合的情况小，搅拌部以及塑性流动部所占的比例变高。因此，第1轴51与第2轴52的接合强度比通过以往的摩擦搅拌接合进行接合的情况高。

另外，通过本实施方式的异种金属接合方法接合的定子轴50的拉伸强度比通过以往的摩擦搅拌接合进行接合的情况高30％左右。

以上，参照附图对本实施方式的异种金属接合方法进行了说明。但是，本发明的实施方式不仅限于上述实施方式，能够在不变更本发明的技术特征的主旨的范围内加以各种变更和/或修正。例如，也能够使摩擦搅拌接合工具20向与第2周的摩擦搅拌接合40b相反方向错开，进一步在1周共计3周沿着第1轴11的圆周方向进行移动。