專利名稱：層疊部件的摩擦攪拌接合方法以及氫反應裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種向被接合部件的接合部插入旋轉工具，利用所述旋轉 工具的旋轉所產生的摩擦熱進行接合的摩擦攪拌接合方法，尤其涉及不同 種類金屬材料的層疊接合方法。
背景技術：
摩擦攪拌接合方法是一種向被接合部件的接合部插入材質比被接合 部件的材質更硬的旋轉工具，在使所述旋轉工具旋轉的同時，利用其與被 接合部件的相對移動所產生的摩擦熱進行接合的方法。即，利用由旋轉工 具和被接合部件的摩擦熱引起的塑性流動現(xiàn)象，而不是如電弧焊接那樣熔 化被接合部件進行接合。另外，該接合方法與以往的旋轉摩擦壓接方法那 樣的方法有所不同，以往的旋轉摩擦壓接方法是使被接合部件彼此旋轉， 通過相互之間的摩擦熱進行接合。根據(jù)使用旋轉工具的摩擦攪拌接合方 法，能夠將被接合部件沿接合線方向、即長邊方向進行連續(xù)地接合。作為根據(jù)摩擦攪拌接合技術對重疊接頭進行接合的現(xiàn)有技術，是一種 利用前端面是平面狀或者在前端面有凹部的接合工具，通過將這種接合工 具壓入一方的部件一側并使其摩擦攪拌，并且，提供其它的部件也進行摩 擦攪拌來將兩者接合起來的方法。(例如，參照專利文獻l)專利文獻h日本特開2001—314981號公報例如，在城市煤氣的改質器、對有機氫化物進行脫氫反應的反應器中， 為了在降低反應溫度的同時供給高純度的氫，采用氫分離膜。氫分離膜是 以鈀(以下，記為Pb)、鈮、鋯為主體的金屬箔。因為產生氫的反應吸熱， 所以催化劑采用鋁(以下，記為A1)等熱傳導性高的材料。在反應器的制作中，在將熔點不同的金屬重疊接合時，因為不同金屬 的抵抗變形能力不同，所以使兩部件摩擦攪拌進行接合比較困難。例如在以A1、 Pd、 Al的順序依次重合， 一次性接合三張的情況下，Al的熔點是 660°C， Pd的熔點比Al遠遠要高。因此，在上板是A1的情況下，中間板 的Pd由于是高熔點，抵抗變形能力也大，所以不產生塑性流動，所以存 在不能將摩擦攪拌接合作用到在Pd板下面配置的Al板的問題。另一方面，反應器用于供給液體或氣體狀物質、進行脫氫反應，但這 時，反應器內部曝露于氫之中，存在氫脆化這樣材質性能降低的顧慮。并 且可以預見，在不同種金屬的接合部生成的金屬間化合物引起疲勞強度的 降低，并且關于氫脆化，與母材相比感受性會變高。發(fā)明內容本發(fā)明的目的是提供一種能夠對三張以上交替層疊的熔點不同的金 屬同時進行層疊接合的摩擦攪拌接合方法。本發(fā)明是一種摩擦攪拌接合方法，是對第一金屬板和熔點比第一金屬 板高的第二金屬板交替層疊三張以上而形成的層疊板進行接合的方法，其 特征在于，以所述第一金屬板的側面從第二金屬板的側面向外側突出的方式進 行層疊，只向所述第一金屬板的側面按壓接合工具，進行摩擦攪拌接合。 另外，在上述接合方法中，其特征在于，由所述第一金屬板形成的凸部通過摩擦攪拌接合而發(fā)生變形，向凹部 塑性流動，所述第二金屬板的側面被所述第一金屬板覆蓋。在本接合方法中，通過只向一方的部件按壓接合工具，來產生摩擦攪 拌，利用其按壓力和摩擦熱，能夠使所述部件向它和其它部件的接合界面 塑性流動，從而在兩部件的接合界面上形成反應層。由此，不同種類金屬 的接合成為可能。 (發(fā)明效果)根據(jù)本發(fā)明，可以提供一種能夠對三張以上交替地層疊的熔點不同的 金屬同時進行層疊接合的摩擦攪拌接合方法。


圖1是根據(jù)本發(fā)明將Al板和Pd板摩擦攪拌接合時的接合截面照片；圖2是利用激光將Al板和Pd板重疊接合時的接合截面照片；圖3是表示本發(fā)明中的部件的配置狀態(tài)的模式圖；圖4是表示根據(jù)本發(fā)明進行摩擦攪拌接合時的狀態(tài)的模式圖；圖5是表示根據(jù)本發(fā)明進行摩擦攪拌接合時的狀態(tài)的模式圖；圖6是表示本發(fā)明的第二實施方式的示意圖；圖7是表示圖6的實施例中的接合部的截面的示意圖；圖8是利用本發(fā)明進行層疊接合的第三實施方式的示意圖；圖中1一A1板；2 — Pd板；3—反應層；4 —空洞；5a、 5b—Al板的板寬； 6a、 6b — Pd板的板寬；7 —接合部；8 —接合工具；9一探針；10 — Pd板接 合面；ll一探針前端和Pd板接合面間的間隙；12—固定夾具；13 —層疊 表面；14一貫穿孔；15 —底板；16 —接合線。
具體實施方式
以下對層疊部件的情況下的接合法進行說明。為了實施基于本發(fā)明的接合，至少需要采用的裝置的構造是，具有 旋轉軸，該旋轉軸用于使接合工具旋轉；接合工具移動軸，該接合工具移 動軸用于向接合部件按壓接合工具；接合工具移動軸，該接合工具移動軸 用于使接合工具向接合線方向移動。此時，除接合工具的旋轉以外，也可 以是接合部件移動的結構。如果滿足這些必備條件，比如，用銑床或NC 銑床這樣的機床也可以實施本接合。固定接合部件時使用配合于各種接合部件的形狀的固定夾具。特別在 對薄板的層疊結構物進行重疊接合的情況下，由于接合工具的按壓，接合 部件容易變形，所以希望沿著接合線方向連續(xù)限制接合線的周圍。由于根據(jù)接合部件的材質和板厚，能夠接合的接合工具的轉速和接合 速度不同，所以不能一概而論。比如在用厚度為0.2mm的純Al板從上下 夾入厚度為O.lmm的Pd板而進行的三張的層疊接合時，只向Al板按入 接合工具，接合工具的轉速為18000rpm，以接合速度1000mm/min能夠同 時結合三張。圖1表示根據(jù)本發(fā)明的接合方法接合的Al板1和Pd板2的接合部截面照片。根據(jù)本發(fā)明，可以在Al板l和Pd板2之間形成厚度大致一定的 反應層3來實現(xiàn)兩板的接合。圖2是通過激光焊接，重疊接合A1板1和 Pd板2的情況，但是在Al板1和Pd板2之間形成了多處的被認為是氣 孔的空洞4，反應層3被空洞4分割開而變得不連續(xù)，厚度也不固定。并 且，與本發(fā)明的接合相比，反應層3吸收大量的氧。因此，本發(fā)明的接合 比用激光那樣的熔融焊接質量要好，還有能夠耐氫脆化的效果。另外，由 于具有能夠耐氫脆化的效果，所以本接合方法在接合氫分離膜的反應器中 特別有效。(實施例1)圖3是表示本發(fā)明中的層疊部件的配置方法的示意圖。本實施例的層 疊部件是氫反應器，其結構是，在催化劑板即Al板1上配置氫分離膜即 Pd板2，并且在Pd板2上配置氫流路板即Al板l，具有A1板1/Pd板2/ Al板l的層疊結構。此處，催化劑板具有在高熱傳導基板的Al基板上形 成作為催化劑載體的氧化鋁、在催化劑載體上承載作為催化劑金屬的Pt 的結構，并且形成有向催化劑供給、排出有機氫化物的流路。在氫流路板 上形成有流路，用于排出通過氫分離膜分離了的氫氣。對氫反應器的功能進行說明。首先，向氫反應器供給的有機氫化物由 于通過催化劑板上的催化劑面而引起脫氫反應，被分離為氫氣和廢液(被 脫氫化了的有機氫化物)。廢液通過催化劑板的流路被排放到氫反應器的 外面。由有機氫化物生成的氫氣透過氫分離膜并向氫流路板一側移動而與 廢液分離，通過氫流路被排放到氫反應器的外部、然后被回收。在這里， 因為脫氫反應是吸熱反應，所以氫反應器要加熱到200 30(TC再使用。接下來，對氫反應器的Al板1/ Pd板2/ Al板1的層疊部件進行接合 的方法加以說明。因為Al板1的熔點相對于Pd板2的熔點低，所以Al 板1的板寬5a、 5b比所述Pd板2的板寬6a、 6b加工得更大。本實施例 中，將Al板1的板寬5a、 5b的尺寸相對于Pd板2的板寬6a、 6b的尺寸 分別各增大2.0mm。這如圖1所示，相比于Pd板2的側面作為低熔點金 屬的所述A1板1的側面從所述Pd板2突出l.Omm，以該狀態(tài)對各板進行 層疊。因此，構成接合部的層疊部件的側面形成凹凸部，凸部是A1板1。圖4是表示根據(jù)本發(fā)明進行摩擦攪拌接合的狀態(tài)的圖。表示用接合工具8對接合部7進行摩擦攪拌接合時的接合工具8和接合部7的位置關系。 接合工具8是在摩擦攪拌接合中廣泛使用的在前端形成有探針9的工具。 探針9的前端以轉速18000rpm —邊進行旋轉， 一邊只按壓在Al板1的從 Pd板2突出的部位。此時，設在本實施例中探針9前端和Pd板2的接合 面10之間的間隙11為O.lmm。在間隙11保持一定的狀態(tài)下，使接合工 具8以1000mm/min的速度向接合方向移動，同時為了使層疊部件的全周 不產生液體泄露，將Al板1和Pd板2進行接合。在本接合中，突出的 Al板1因為摩擦攪拌接合產生變形，通過向間隙11的凹部的塑性流動， 從而覆蓋Pd板2的側面部分。在這里，在塑性流動的Al和Pd板2的側 面接觸的界面部分，通過形成Al和Pd的反應層而被接合。接合后，Pd 板2的上下表面及側面被Al板1覆蓋。通過本接合，接合后的Al板1和 Pd板2的側面的接合部的截面照片如圖1所示。在Al板1和Pd板2之 間，形成厚度大約為0.8pm且基本一定的反應層3從而將兩板接合起來。 從接合強度的觀點出發(fā)，反應層3的厚度最好設置在5pm以下。作為本實施例說明的氫反應器中可采用的有機氫化物，只要是化學方 式地重復氫的存儲和排放的有機化合物即可，其中優(yōu)選芳香族化合物，還 可以利用苯、甲苯、二甲苯、均三甲基苯、萘、甲基萘、蒽、聯(lián)苯、苯甲 酰亞甲基(7工于7 1/ 以及它們的垸基取代物的任意一種或多種的混 合物。另夕卜，作為高熱傳導基板、氫流路板，可以采用以銅、鎳、鋁、硅、 鈦等為主體的金屬或其合金、金屬包層材料。另外，作為催化劑載體，可 以使用從由氧化鋁、氧化鋅、二氧化硅、氧化鋯、硅藻土、氧化鈮、氧化 釩、活性炭、沸石、氧化銻、氧化鈦、氧化鎢、氧化鐵組成的組中選擇的 至少一種。另外，作為氫分離膜，可以采用Pd、 Nb、 Zr、 V、 Ta等金屬 或其合金。作為Nb、 V金屬，可以采用將Mo、 Co、 Ni等合金化了的物 質。在本實施例中，己經(jīng)對A1板1/Pd板2/Al板l的層疊部件的接合進 行了說明，而本發(fā)明的接合方法也同樣適用于其它的不同種類的金屬。此 時的關鍵是，在不同種類金屬之中，使低熔點金屬突出進行層疊，以將接 合工具只按壓向低熔點金屬來進行摩擦攪拌。 (實施例2)圖5表示將實施例1的A1板1、 Pd板2的配置反過來，在最下層和 最上層配置Pd板2的情況下的實施方式。在本實施例中，也和實施例1 一樣將低熔點的Al板1以突出的方式層疊，被層疊的Al板1和Pd板2 從上下方向被固定夾具U固定。固定夾具I2起到墻壁的作用，使得被接 合工具8按壓的Al金屬不會被排出向層疊部件外部。使接合工具8的前 端以轉速18000ipm進行旋轉，同時按壓在A1板1的從Pd板2突出的部 位。此時，設在本實施例中的間隙ll也為0.1mm。在將所述間隙ll保持 一定的狀態(tài)下，通過使所述接合工具8以1000mm/min向接合方向移動， 從而將所述Al板1和所述Pd板2接合起來。 (實施例3)圖6是表示利用本發(fā)明層疊接合的第三實施方式的示意圖，圖7是它 的接合部截面的示意圖。和實施例1 一樣，具有A1板1和Pd板2交替層 疊的結構，在層疊表面13 —側設有貫穿孔14，在貫穿孔14的內部接合 Al板1和Pd板2。和實施例1 一樣，以Al板1從Pd板2突出l.Omm的 方式被配置在成為接合部的貫穿孔14的內周。圖7表示在貫穿孔14中的 接合的實施方式。通過使接合工具8在貫穿孔14中一邊旋轉一邊插入， 只有所述Al板被探針9的側面摩擦攪拌。這樣，通過Al板1的塑性流動 來與Pd板2的接合面10進行接合。在本實施例中，將接合工具8的轉速 設為18000rpm來實施。本實施例的貫穿孔內的接合方法如果適用于實施例1中說明的氫反應 器，則貫穿孔的接合部變成集熱路徑，直到層疊部件的內部供給熱量也變 得容易。由此，因為能夠向催化劑板的整個面進行供熱，所以可以提高脫 氫反應的效率。此外這時，優(yōu)選的是在層疊部件的外周面和貫穿孔這雙方進行接合。(實施例4)圖8是利用本發(fā)明層疊接合的第四實施方式的示意圖。在Al板1上， 以一定的間隔縱橫排列尺寸比Al板1小的Pd板2，其上層疊Al板1。這 是交替層疊。接著，和實施例2 —樣從層疊表面?zhèn)?3的方向將接合工具8 按壓在實質上只有Al板1被層疊的部位，進行插入直到探針9的前端到 達底板15。并且使其向接合方向移動。在對所有的接合部位進行了摩擦攪拌接合之后，通過沿著接合線16切斷，可以一次制作多個層疊結構部件， 能夠實現(xiàn)制造工序的簡化。
權利要求
1.一種摩擦攪拌接合方法，是對第一金屬板和熔點比第一金屬板高的第二金屬板交替層疊三張以上而形成的層疊板進行接合的方法，其特征在于，以所述第一金屬板的側面從第二金屬板的側面向外側突出的方式進行層疊，只向所述第一金屬板的側面按壓接合工具，進行摩擦攪拌接合。
2. 如權利要求1所述的摩擦攪拌接合方法，其特征在于，由所述第一金屬板形成的凸部通過摩擦攪拌接合而發(fā)生變形，向凹部 塑性流動，所述第二金屬板的側面被所述第一金屬板覆蓋。
3. 如權利要求2所述的摩擦攪拌接合方法，其特征在于， 在所述第二金屬板的側面和塑性流動后的所述第一金屬板接觸的界面上形成兩金屬間的反應層。
4. 如權利要求2所述的摩擦攪拌接合方法，其特征在于， 所述第二金屬板的上下面及側面被所述第一金屬板覆蓋。
5. —種層疊部件，由第一金屬板和熔點比第一金屬板高的第二金屬板 交替層疊三張以上而構成，其特征在于，所述第二金屬板的上下面及側面被所述第一金屬板覆蓋。
6. 如權利要求5所述的層疊部件，其特征在于， 所述第二金屬板的側面和所述第一金屬板的界面被兩金屬間的反應層接合。
7. —種氫反應器，具有層疊了以下構件的結構催化劑板，該催化劑板用于使有機化合物發(fā)生脫氫反應，該有機化合 物化學性地反復進行氫的存儲和釋放；氫分離膜，該氫分離膜用于分離由脫氫反應產生的氫； 氫流路板，該氫流路板為透過氫分離膜的氫的流路， 所述氫反應器的特征在于，所述催化劑板、氫分離膜、以及氫流路板的接合部，通過構成各部件 的金屬材料中熔點低的部件在摩擦攪拌作用下產生的塑性流動來接合。
8. 如權利要求7所述的氫反應器，其特征在于，所述接合部是在層疊面內形成的貫穿孔的內部。
9. 如權利要求7所述的氫反應器，其特征在于， 所述氫分離膜是以Pd、 Nb、 Zr、 V、 Ta為主體的金屬或其合金，構成所述催化劑板和氫流路板的材料是以銅、鎳、鋁、硅、鈦等為主體的金 屬或其合金。
10. 如權利要求9所述的氫反應器，其特征在于， 所述催化劑板和氫流路板由同種材料構成。
全文摘要
本發(fā)明提供一種摩擦攪拌接合方法，其能夠對三張以上交替層疊的熔點不同的金屬同時進行層疊接合。本發(fā)明的摩擦攪拌接合方法，是對第一金屬板和熔點比第一金屬板高的第二金屬板交替層疊三張以上而形成的層疊板進行接合的方法，其特征在于以所述第一金屬板的側面從第二金屬板的側面向外側突出的方式進行層疊，只向所述第一金屬板的側面按壓接合工具，進行摩擦攪拌接合。
文檔編號B23K20/12GK101254571SQ20081000463
公開日2008年9月3日 申請日期2008年1月21日 優(yōu)先權日2007年2月28日
發(fā)明者佐藤章弘, 石川敬郎, 青田欣也 申請人:株式會社日立制作所