摩擦搅拌接合方法及接合体与流程

本申请基于2016年2月5日提出的日本专利申请第2016-020744号主张优先权，在此引用其全部内容。

本发明的实施方式涉及摩擦搅拌接合方法及接合体。

背景技术：

作为接合多个部件的方法的一种，有摩擦搅拌接合。在摩擦搅拌接合中，一边使前端具有突起的工具旋转一边向部件按压，将突起插入部件中。在插入了突起的接合部周边，通过摩擦热使母材软化，同时通过工具的旋转使接合部周边产生塑性流动。由此使多个部件在接合部周边一体化。

对于接合后的部件，期望接合部周边的疲劳寿命长。

附图说明

图1是表示实施方式涉及的摩擦搅拌接合方法中使用的摩擦搅拌接合装置的示意图。

图2是表示实施方式涉及的摩擦搅拌接合方法中使用的工具的示意图。

图3是表示通过实施方式涉及的摩擦搅拌接合而接合的被接合部件的示意图。

图4是表示通过实施方式涉及的摩擦搅拌接合方法而接合的被接合部件的示意图。

图5是表示比较例涉及的摩擦搅拌接合方法的示意图。

具体实施方式

实施方式涉及的摩擦搅拌接合方法中，相对于由第1金属部件、主元素与所述第1金属部件所含的主元素相同的第2金属部件、和夹在所述第1金属部件的至少一部分与所述第2金属部件的至少一部分之间且主元素与所述第1金属部件及所述第2金属部件所含的主元素相同的粒径为20μm以下的第3金属部件构成的被接合部件，一边使前端具有突起的工具旋转一边向所述被接合部件按压，从而将所述第1金属部件、所述第2金属部件和所述第3金属部件接合。

以下，边参照附图边对实施方式进行例示。再者，各附图中，对于相同的构成要素标注同一符号，并将详细的说明适宜省略。

图1是表示实施方式涉及的摩擦搅拌接合方法中所用的摩擦搅拌接合装置100的示意图。

图2是表示实施方式涉及的摩擦搅拌接合方法中所用的工具140的示意图。

如图1所示的那样，摩擦搅拌接合装置100具备载置部110、保持部120及接合部130。

在载置部110上载置被接合部件1。被接合部件1为多个金属部件重叠而成的部件。

保持部120保持被载置在载置部110上的被接合部件1。

接合部130在前端具备工具140(接合工具)。接合部130以中心轴130a为中心使工具140旋转。

摩擦搅拌接合装置100对由保持部120保持的被接合部件1按压通过接合部130而旋转的工具140，进行摩擦搅拌接合。

如图2所示的那样，工具140具备基部142、突起143及肩部144。在图2所示的例子中，基部142、突起143及肩部144一体地形成。

基部142例如为柱状。

突起143设在基部142的一方的端部上。突起143例如为圆锥台状，侧面形成有螺旋状的沟。

肩部144为基部142的设置有突起143的一侧的端部，设在突起143的周围。在肩部144的表面形成有凹型的锥形。

突起143及肩部144被设置成它们的中心与基部142的中心轴142a一致。

关于图1及图2所示的摩擦搅拌接合装置100及工具140的详细结构等，并不限定于图1及图2所示的形态，可根据被接合部件351的构成及特性等适宜变更。

图3是表示通过实施方式涉及的摩擦搅拌接合而接合的被接合部件1的示意图。

如图3所示的那样，被接合部件1具备第1金属部件11、第2金属部件12及第3金属部件13。

第1金属部件11及第2金属部件12是彼此接合的主要部件。

第3金属部件13是夹在第1金属部件11与第2金属部件12之间的部件。

如果将工具140向被接合部件1按压，则通过摩擦热将第1金属部件11及第2金属部件12加热。第3金属部件13是此时显示超塑性的部件。

更具体地讲，第3金属部件13含有微细的晶粒，通过在被加热至规定温度的状态下被施加应力，表示出比第1金属部件11及第2金属部件12大的延伸率。

第1金属部件11、第2金属部件12及第3金属部件13例如含有相同的主元素。作为一个例子，第1金属部件11、第2金属部件12及第3金属部件13含有铝作为主元素。更具体地讲，第1金属部件11及第2金属部件12含有铝或铝合金，第3金属部件13含有铝的微细晶粒。

除此以外，作为第1金属部件11、第3金属部件13及第2金属部件12的材料(主元素)，还可采用镁或钛、铜、钢、锌、铅或它们的合金等。

这里，对含在第3金属部件13中的晶体粒径进行说明。

例如，在第3金属部件13含有铝时，只要含在第3金属部件13中的晶粒为20μm以下，则第3金属部件13就在摩擦搅拌接合时显示超塑性。

在第3金属部件13含有其它材料时，只要是以下所述的晶体粒径，则第3金属部件13就在摩擦搅拌接合时显示超塑性。

在第3金属部件13含有铜合金时，晶体粒径为15μm以下。

在第3金属部件13含有锌合金时，晶体粒径为10μm以下。

在第3金属部件13含有钛合金时，晶体粒径为2μm以下。

在第3金属部件13含有钢铁材料时，粒径为2μm以下。

再者，含在第3金属部件13中的所有晶粒不一定必须满足上述条件。只要是摩擦搅拌接合时第3金属部件13显示超塑性的范围，第3金属部件13中也可以含有比上述粒径大的晶粒。

接着，对实施方式涉及的摩擦搅拌接合方法进行说明。

在图1所示的摩擦搅拌接合装置100的载置部110上载置被接合部件1，由保持部120保持。对准接合部130的工具140与被接合部件1的相对的位置，使旋转的工具140向被接合部件1按压而将突起143插入被接合部件1中。通过旋转的工具140与被接合部件1的摩擦使被接合部件1的温度上升，使第1金属部件11及第2金属部件12软化。软化的第1金属部件11与第3金属部件13被接合，第2金属部件12与第3金属部件13被接合，也就是说，第1金属部件11和第2金属部件12经由第3金属部件13被接合。

通过以上工序，可得到由第1金属部件11、第2金属部件12和第3金属部件13接合而成的被接合部件1。

以下对上述的摩擦搅拌接合方法中的各条件的一个例子进行说明。

关于工具140，基部142的直径为5mm，突起143的直径为2mm，突起143的高度为1.5mm。这里，直径意味为与基部142的中心轴142a垂直的方向上的尺寸，高度意味为沿着中心轴142a的方向上的尺寸。

第1金属部件11的厚度为1.0mm。第2金属部件12的厚度为1.0mm。第3金属部件13的厚度为0.3mm。

在摩擦搅拌接合时，将工具140的转速设定在1000～3000rpm，将工具140对第2金属部件12的插入速度设定在0.1～l.0mm/min。将突起143在第2金属部件12中插入1.3～1.9mm，在以此状态保持0.5～3.0秒钟后，将突起143拔出。

在上述工序中，在第1金属部件11及第2金属部件12因被按压而软化时，第3金属部件13显示超塑性，沿第1金属部件11与第2金属部件12之间延伸。

采用图4对此点进行说明。

图4是表示通过实施方式涉及的摩擦搅拌接合方法而接合的被接合部件1的示意图。

再者，图4示出从第2金属部件12一侧朝第1金属部件11按压工具140、进行摩擦搅拌接合时的样子。

如图4所示的那样，第2金属部件12通过被工具140按压而朝下方较大地弯曲。此外，第1金属部件11中形成有凹部，第2金属部件12的一部分进入到该凹部的内部。第3金属部件13根据第1金属部件11及第2金属部件12的变形而在它们之间延伸。特别是，在第2金属部件12进入第1金属部件11的凹部中的部分中，第3金属部件13的延伸量大。因此，该部分中的第3金属部件13的膜厚比其它部分的膜厚薄。

接着，参照图4及图5对本实施方式的效果进行说明。

图5是表示比较例涉及的摩擦搅拌接合方法的示意图。

具体地讲，图5(a)示出摩擦搅拌接合前的被接合部件la。图5(b)示出用比较例涉及的摩擦搅拌接合方法接合的被接合部件la。

如图5(a)所示的那样，被接合部件la只具备第1金属部件11及第2金属部件12，不具备第3金属部件13。对于该被接合部件la，在从第2金属部件12一侧朝第1金属部件11按压、进行摩擦搅拌接合时，第1金属部件11的一部分产生塑性流动，流入第2金属部件12中。此时，塑性流动的第1金属部件11的一部分过度地流入第2金属部件12中。由此，如图5(b)的被虚线围住的部分那样，第2金属部件12的厚度局部减薄。其结果是，被接合部件la的疲劳寿命缩短。

与此相对照，在本实施方式涉及的摩擦搅拌接合方法中，在进行接合的金属板彼此间配置在摩擦搅拌时示出超塑性的第3金属部件13。通过将第3金属部件13配置在中间地进行第1金属部件11及第2金属部件12的摩擦搅拌接合，如图4所示的那样，在第1金属部件11发生塑性流动时，朝第2金属部件12的流动通过第3金属部件13被抑制。此外，由于第3金属部件13具有超塑性，所以在第1金属部件11及第2金属部件12之间，第3金属部件13不会断裂，能够抑制第1金属部件11的塑性流动。所以，在接合后的第2金属部件12上不易形成图5所示那样的膜厚薄的部分。

也就是说，根据本实施方式涉及的摩擦搅拌接合方法，可延长接合后的被接合部件1的疲劳寿命。

上述的问题在第1金属部件11的300℃以上时的热变形阻抗高于第2金属部件12的300℃以上时的热变形阻抗的情况下更为显著。这是因为，在第1金属部件11朝向第2金属部件12塑性流动时，如果第1金属部件11的300℃以上时的热变形阻抗高于第2金属部件12，则第2金属部件12更容易被排斥，第2金属部件12的厚度更容易局部减薄。

所以，本实施方式涉及的摩擦搅拌接合方法在第1金属部件11的300℃以上时的热变形阻抗高于第2金属部件12的300℃以上时的热变形阻抗的情况下更有效。

再者，所谓热变形阻抗，是表示进行摩擦搅拌时的流动性的指标。热变形阻抗越低，则流动性越高。热变形阻抗例如可从摩擦搅拌中在使被接合部件1的温度变化时施加给工具140的载荷的变化来求出。例如，关于多种铝合金的热变形阻抗，在冈村久宣等的“摩擦搅拌接合(fsw)的开发状况和应用上的课题”、焊接学会志、第72卷，2003年，134-142中，通过图6及与其相关的说明进行了论述。

以上，对本发明的几个实施方式进行了说明，但这些实施方式是作为例子而示出的，其意图并非限定发明的范围。这些新颖的实施方式能够以其它各种方式实施，在不脱离发明的主旨的范围内，可以进行各种省略、置换、变更。这些实施方式和其变形包含于发明的范围、主旨中，同时包含于权利要求书中记载的发明和其均等的范围内。此外，上述各实施方式也能以相互组合的方式实施。