專利名稱：異種金屬材料的接合方法及異種金屬材料的接合體的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及異種(不同)金屬材料的接合方法以及通過該接合方法獲得的異種金屬材料的接合體，其中，不同金屬材料通過攪拌摩擦焊而接合。
背景技術：
通常，通過熔融焊接方法或者使用鉚釘?shù)鹊臋C械接合方法來進行用于接合諸如鋼構件和鋁構件等異種金屬材料的接合操作。然而，在熔融焊接方法的情況下，待輸入到焊接部的熱量大，容易在鋼構件和鋁構件之間的交界面處形成脆弱的金屬間化合物(諸如狗^“1^“或類似物)，從而可能產生如下問題被接合的兩個構件的接合強度不利地降低。此外，在使用鉚釘或螺栓的機械接合方法的情況下，接合操作需要諸如鉚釘?shù)阮~外材料，由此導致制造成本的增加。因此，近年來，已經(jīng)推進了通過FSW(攪拌摩擦焊)方法來接合鋼構件和鋁構件的研究，在FSW方法中，待接合的構件不被熔融而是被軟化以呈現(xiàn)塑性流動，由此兩個構件被固相接合(固相焊接)。在該攪拌摩擦焊方法中，使用由一般的工具鋼制成的FSW工具，并且該FSW工具僅與鋁構件接觸，由此鋼構件和鋁構件被攪拌摩擦焊(參照專利文獻1、專利文獻2等)。例如，在專利文獻1所公開的攪拌摩擦焊方法中，用防氧化膜( 鍍層)覆蓋鋼構件的接合面，鋼構件和鋁構件疊加。在該疊加狀態(tài)下，F(xiàn)SW工具在轉動的狀態(tài)下抵靠鋁構件， 然后，F(xiàn)Sff工具被插入到鋁構件中，使得鋁構件和Si鍍層由于摩擦熱而軟化，從而呈現(xiàn)塑性流動，由此去除Si鍍層并且鋼構件的表面露出新生面(new texture surface)。結果，呈現(xiàn)塑性流動的鋁構件與鋼構件的新生面固相接合。現(xiàn)有技術文獻[專利文獻][專利文獻1]日本特開2005-34879號公報[專利文獻2]日本特開2006-239720號公報然而，在FSW工具不與鋼構件接觸而是僅與鋁構件接觸的攪拌摩擦焊方法的情況下，由于鋼構件和鋁構件未被充分地攪拌，所以不能獲得這兩個構件的高的接合強度。艮口， 在FSW工具與鋁構件接觸并且被插入到鋁構件中的情況下，當鋁構件的溫度升高到稍微低于鋁構件的熔點的溫度時，該鋁構件被軟化而呈現(xiàn)并進行塑性流動，使得FSW工具和鋁構件之間的摩擦減少。結果，不再能夠獲得額外的熱產生(進一步的摩擦熱)。因此，鋼構件的溫度不能升高到使鋼構件能夠進行塑性流動的溫度，由此導致僅鋁構件被攪拌的狀態(tài)。 因此，鋼構件和鋁構件未被充分地攪拌，從而不能獲得這兩個構件的高的接合強度。作為一種對策，在使用由一般的工具鋼制成的FSW工具并且FSW工具根據(jù)傳統(tǒng)技術一邊轉動一邊與鋼構件接觸的情況下，可能存在F SW工具由于摩擦熱而磨損或破損的擔憂。作為另一對策，已經(jīng)考慮使用由諸如PCBN(聚晶立方氮化硼)等特殊材料制成的FSW工具，其中，即使PCBN與鋼構件接觸，也幾乎不會引起磨損和破損。然而，由PCBN自身制成的這種FSW工具非常昂貴，從而可能會產生如下問題進行攪拌摩擦焊所需的成本不利地增加。

發(fā)明內容
為了解決上述問題而實現(xiàn)了本發(fā)明，因此，本發(fā)明的目的是提供異種(不同)金屬材料的接合方法以及異種金屬材料的接合體，其能夠極大地提高異種金屬材料的接合強度、特別是剝離強度。此外，本發(fā)明的另一目的是提供異種金屬材料的接合方法以及異種金屬材料的接合體，其能夠有效地防止用于攪拌摩擦焊的轉動工具破損或損壞。為了解決上述問題，本發(fā)明提供一種異種金屬材料的接合方法，所述異種金屬材料具有不同的熔點，所述接合方法包括如下步驟將高熔點金屬材料和低熔點金屬材料定位到接合位置，在所述接合位置，所述異種金屬材料將被接合；使轉動工具在轉動的狀態(tài)下與所述高熔點金屬材料壓接，并且將所述轉動工具插入到所述高熔點金屬材料中；將所述轉動工具的插入位置控制到所述轉動工具不會穿透所述高熔點金屬材料的位置；在所述高熔點金屬材料和所述轉動工具之間的部位產生摩擦熱；使所述高熔點金屬材料和所述低熔點金屬材料由于從所述摩擦熱傳導的傳導熱而部分地軟化，由此使所述高熔點金屬材料和所述低熔點金屬材料產生塑性流動；和借助于所述轉動工具部分地攪拌所述高熔點金屬材料和所述低熔點金屬材料，由此對所述高熔點金屬材料和所述低熔點金屬材料進行攪拌摩擦焊。此外，通過根據(jù)異種金屬材料的上述接合方法使高熔點金屬材料與低熔點金屬材料接合來獲得本發(fā)明的異種金屬材料的接合體。根據(jù)本發(fā)明的異種金屬材料的接合方法和異種金屬材料的接合體，當轉動工具從高熔點金屬材料側插入到高熔點金屬材料中時，高熔點金屬材料產生摩擦熱并且被加熱到如下溫度在該溫度，高熔點金屬材料被軟化而產生塑性流動，低熔點金屬材料由于從摩擦熱傳導的傳導熱也被軟化而產生塑性流動。因此，可以借助于轉動工具部分地且充分地攪拌高熔點金屬材料和低熔點金屬材料，使得能夠以高接合強度接合(焊接)兩種金屬材料。此外，轉動工具的插入位置(插入深度)被控制到轉動工具不會穿透(貫穿)高熔點金屬材料的位置，使得能夠充分地確保高熔點金屬材料和低熔點金屬材料的接合面。結果，能夠極大地提高兩種異種金屬材料的接合強度、特別是剝離強度。


圖1是示意性示出根據(jù)本發(fā)明的異種金屬材料的接合方法的一個實施方式所適用的攪拌摩擦焊方法的操作情況的側視圖。圖2是示出由圖1所示的攪拌摩擦焊方法獲得的攪拌摩擦焊接合體(軟鋼板和鋁延展板的接合體)的接合部的外觀的照片。圖3A至圖3D是示出圖2所示的接合部的周圍的截面的圖，圖3A是示出接合部的周圍的截面的照片，圖:3B是示意性示出圖3A所示的截面的圖，圖3C是示出圖3A所示的IIIC部的截面的放大照片，圖3D是示出圖3A所示的IIID部的截面的放大照片。圖4A至圖4D是示出由圖1所示的攪拌摩擦焊方法獲得的攪拌摩擦焊接合體(軟鋼板和鋁鑄造板的接合體)的接合部的周圍的截面的圖，圖4A是示出接合部的周圍的截面的照片，圖4B是示出圖4A所示的IVB部的截面的放大照片，圖4C是示出圖4A所示的IVC 部的截面的放大照片，圖4D是示出圖4A所示的IVD部的截面的放大照片。圖5A至圖5D是示出由圖1所示的攪拌摩擦焊方法獲得的攪拌摩擦焊接合體(軟鋼板和鋁壓鑄板的接合體)的接合部的周圍的截面的圖，圖5A是示出接合部的周圍的截面的照片，圖5B是示出圖5A所示的VB部的截面的放大照片，圖5C是示出圖5A所示的VC部的截面的放大照片，圖5D是示出圖5A所示的VD部的截面的放大照片。圖6是示出攪拌摩擦焊接合體的剝離強度與轉動工具的插入深度(插入位置)之間的關系的圖。圖7是示出攪拌摩擦焊接合體的剝離強度與轉動工具的直徑之間的關系的圖。圖8是示意性示出傳統(tǒng)的攪拌摩擦焊方法的操作情況的側視圖。圖9A和圖9B是示出由圖8所示的攪拌摩擦焊方法獲得的攪拌摩擦焊接合體的接合部的周圍的截面的圖，圖9A是示出接合部的周圍的截面的照片，圖9B是示意性示出圖9A 所示的截面的圖。圖10是示出圖2以及圖3A至圖3D所示的攪拌摩擦焊接合體15的剝離強度和十字抗拉強度與圖9A和圖9B所示的攪拌摩擦焊接合體的剝離強度和十字抗拉強度的比較圖。圖IlA和圖IlB是說明接合體的強度的試驗方法的圖，圖IlA是說明剝離強度的試驗方法的圖，圖1IB是說明十字抗拉強度的試驗方法的圖。
具體實施例方式接著，將參照

用于實施本發(fā)明的最佳方式。注意，本發(fā)明不限于這些實施方式。圖1是示意性示出根據(jù)本發(fā)明的異種金屬材料的接合方法的一個實施方式所適用的攪拌摩擦焊方法的操作情況的側視圖。在根據(jù)本實施方式的異種金屬材料的接合方法中，具有不同熔點的異種(不同)材料、即高熔點材料和低熔點材料被疊加并且經(jīng)受點焊。作為高熔點材料，使用鐵構件、特別是熔點為大約1500°C的鋼構件11。另一方面， 作為低熔點材料，使用熔點為大約580°C至650°C的鋁構件(包括鋁合金)12。在這點上，鋁構件12不限于諸如A6061構件等延展構件，而是也可以使用諸如AC4CH構件等鑄造構件和諸如ADC12構件等壓鑄構件。在本實施方式的攪拌摩擦焊方法中，首先，鋼構件11和鋁構件12被疊加并且被定位在將進行接合(焊接)的部位。此時，鋼構件11被定位于上側，而鋁構件12被定位于下側。接著，在轉動工具13轉動的狀態(tài)下使轉動工具13抵靠鋼構件11，然后，轉動工具 13被插入到鋼構件11中。轉動工具13由諸如SKD61等工具鋼制成或者由模具鋼制成，并且轉動工具13被形成為具有直徑為3mm至IOmm的圓棒形狀。此外，轉動工具13的轉數(shù)被設定在75rpm至750rpm的范圍內。
當轉動工具13被插入到鋼構件11中時，轉動工具13的插入位置(插入深度)被控制到轉動工具13不會穿透鋼構件11的位置。具體地，轉動工具13的插入位置被控制到如下位置轉動構件13的頂端部13A被定位在從鋼構件11和鋁構件12的配合面(mating surface) 14朝向鋼構件11側偏離距離L(L = 0. 05mm至0. 6mm)的部位。當進行上述攪拌摩擦點焊時，在鋼構件11和轉動工具13之間的部位產生摩擦熱， 使得鋼構件11軟化，從而產生塑性流動。鋁構件12的靠近轉動工具13的部分溫度升高， 使得鋁構件12也軟化，從而產生塑性流動。然后，鋼構件11的和鋁構件12的靠近轉動工具13并且呈現(xiàn)塑性流動的部分通過轉動工具13的轉動運動而被攪拌，從而對鋼構件11和鋁構件12進行攪拌摩擦點焊操作。圖2、圖3A至圖3D、圖4A至圖4D以及圖5A至圖5D分別示出了通過該攪拌摩擦點焊方法獲得的作為異種金屬材料接合體的攪拌摩擦焊接合體15、18和21。圖2以及圖3A至圖3D所示的攪拌摩擦焊接合體15以如下方式獲得作為鋼構件 11的厚度為Irnm的裸軟鋼板(抗拉強度270MPa)和作為鋁構件12的厚度為Imm的A6061 鋁延展材料(抗拉強度300MPa)被疊加，然后，在下面的接合條件下對鋼構件11(裸軟鋼板)和鋁構件12 (鋁延展板)進行攪拌摩擦點焊操作。上述接合條件如下。即，使用由SKD61制成并且具有直徑為6mm的圓棒形狀的轉動工具13。該轉動工具13的轉數(shù)被設定為500rpm。轉動工具13的插入速度被設定為20mm/ min。轉動工具13被插入到鋼構件11中，直至轉動工具13的頂端部13A到達從鋼構件11 和鋁構件12之間的配合面14朝向鋼構件11側偏離0. 3mm的距離的位置。從轉動工具13 的完成插入到取出該轉動工具13的保持時間被設定為1秒。在該攪拌摩擦焊接合體15中，被轉動工具13攪拌的鋼構件11 (裸軟鋼板)側的攪拌部16A和鋁構件12 (鋁延展板)側的攪拌部16B被接合(點焊)，由此形成接合部17。 在這些特征中，如圖3C和圖3D所示，可以確認，鋁構件12側的攪拌部16B的金屬結構被微細化，由此增大了金屬結構的強度。此外，圖4A至圖4D所示的攪拌摩擦焊接合體18以如下方式獲得作為鋼構件11 的厚度為Imm的裸軟鋼板和作為鋁構件12的厚度為2mm的AC4CH鋁鑄造構件被疊加，然后， 在下面的接合條件下對鋼構件11 (裸軟鋼板)和鋁構件12 (鋁鑄造板)進行攪拌摩擦點焊操作。此外，圖5A至圖5D所示的攪拌摩擦焊接合體21以如下方式獲得作為鋼構件11 的厚度為Imm的裸軟鋼板和作為鋁構件12的厚度為6mm的ADC12鋁壓鑄板被疊加，然后， 在下面的接合條件下對鋼構件11 (裸軟鋼板)和鋁構件12 (鋁壓鑄板)進行攪拌摩擦點焊操作。用于獲得攪拌摩擦焊接合體18和攪拌摩擦焊接合體21的攪拌摩擦點焊時的上述接合條件如下。即，使用由SKD61制成并且具有直徑為6mm的圓棒形狀的轉動工具13。該轉動工具13的轉數(shù)被設定為500rpm。轉動工具13的插入速度被設定為20mm/min。轉動工具13被插入到鋼板11中，直至轉動工具13的頂端部13A到達從鋼構件11和鋁構件12 之間的配合面14朝向鋼構件11側偏離0. 4mm的距離的位置。從轉動工具13的完成插入到取出該轉動工具13的保持時間被設定為1秒。此外，在圖4A至圖4D所示的攪拌摩擦焊接合體18的情況下，被轉動工具13攪拌的鋼構件11 (裸軟鋼板)側的攪拌部19A和鋁構件12 (鋁鑄造板)側的攪拌部19B被接合 (點焊)，由此形成接合部20。在這些特征中，如圖4D所示，可以確認，與鋁構件12的表面 (圖4B所示)的結構和鋁構件12的內部(圖4C所示)的結構相比，鋁構件12側的攪拌部 19B的金屬結構被微細化，由此增大了金屬結構的強度。圖4B、圖4C和圖4D中的黑色部分表示娃成分。此外，在圖5A至圖5D所示的攪拌摩擦焊接合體21的情況下，被轉動工具13攪拌的鋼構件11 (裸軟鋼板)側的攪拌部22A和鋁構件12 (鋁壓鑄板)側的攪拌部22B被接合 (點焊)，由此形成接合部23。在這些特征中，如圖5D所示，可以確認，與鋁構件12的內部 (圖5B所示)的結構和鋁構件12的表面(圖5C所示)的結構相比，鋁構件12側的攪拌部 22B的金屬結構被微細化，由此增大了金屬結構的強度。在圖1所示的上述攪拌摩擦點焊方法中，轉動工具13的頂端部13A的插入位置 (插入深度)被控制到從鋼構件11和鋁構件12之間的配合面14朝向鋼構件11側偏離距離L (L = 0.05mm至0.6mm)的位置的原因如下。即，通過由轉動工具13產生的摩擦熱而軟化的鋼構件11和通過從摩擦熱傳導的熱而軟化的鋁構件12被轉動工具13充分地攪拌，由此能夠進行高強度的接合。S卩，當上述偏離距離L小于0. 05mm時，在鋼構件11和鋁構件12的接合操作過程中，鋼構件11被轉動工具13穿透，使得接合部17的接合表面積減少，由此顯著地降低兩個構件的剝離強度。相反地，當上述偏離距離L超過0. 6mm時，摩擦熱不能充分地傳導或傳遞到鋁構件12，使得鋁構件12的被轉動工具13攪拌的攪拌量變少，由此降低了兩個構件的接
合強度。例如，作為鋼構件11的厚度為Imm的裸軟鋼板和作為鋁構件12的厚度為Imm的 A6061鋁延展材料被疊加，然后，在下面的接合條件下并且通過改變轉動工具13的頂端部 13A從鋼構件11和鋁構件12的配合面14偏離的距離L對鋼構件11和鋁構件12進行攪拌
摩擦點焊操作。在攪拌摩擦點焊操作時，接合條件如下。即，使用由SKD61制成并且具有直徑為 6mm的圓棒形狀的轉動工具13。該轉動工具13的轉數(shù)被設定為500rpm。從轉動工具13的完成插入到取出該轉動工具13的保持時間被設定為1秒。對于如此獲得的各攪拌摩擦焊接合體15，進行圖IlA所示的剝離強度試驗，在表1 和圖6中示出了試驗結果。根據(jù)日本工業(yè)標準(JIS Z3144)制備用于剝離強度試驗的試驗片。如表1和圖6所示，在轉動工具13以使轉動工具13的頂端部被定位在從鋼構件11 和鋁構件12的配合面14朝向鋼構件11側偏離距離L = Omm和0. 7mm的部位的方式被插入到鋼構件11中的攪拌摩擦焊接合體15的情況下，剝離強度分別低到0. 12kN和0. 20kN。相反地，在轉動工具13以使轉動工具13的頂端部被定位在從鋼構件11和鋁構件 12的配合面14朝向鋼構件11側偏離距離L = O. 05mm至0. 6mm的部位的方式被插入到鋼構件11中的攪拌摩擦焊接合體15的情況下，剝離強度是0. 25kN以上的高值。因此，可以確認，鋼構件11和鋁構件12以高的接合強度被焊接接合。[表 1]轉動工具的插入深度與剝離強度之間的關系
配合面與轉動工具的端部之間的距離L ( mm )00.050.10.20.30.40.50.60.7剝離強度(kN )0.120.260.350.530.570.560.490.410.20在圖1所示的上述攪拌摩擦點焊方法中，轉動工具13被形成為具有直徑為3mm至 IOmm的圓棒形狀的原因在于抑制由于轉動工具13與鋼構件11的接觸導致的過多的熱產生 (摩擦熱)，使得能夠防止轉動工具13的磨損或破損，并且能夠確保足夠的接合強度。S卩，當轉動工具13的直徑超過IOmm時，由轉動工具13與鋼構件11的接觸所產生的熱變得過大，使得轉動工具13易于磨損或破損。另一方面，當轉動工具13的直徑為2mm 以下時，鋼構件11和鋁構件12之間的接合部17的接合表面積變小，使得接合強度事實上降低。因此，轉動工具13的直徑被設定為3mm以上。例如，作為鋼構件11的厚度為Imm的裸軟鋼板和作為鋁構件12的厚度為Imm的 A6061鋁延展材料被疊加，并且轉動工具13的直徑如表2所示地改變，然后，在下面的接合條件下對鋼構件11和鋁構件12進行攪拌摩擦點焊操作。在攪拌摩擦點焊操作時，接合條件如下。即，使用由SKD61制成并且具有圓棒形狀的轉動工具13。該轉動工具13的轉數(shù)被設定為500rpm。該轉動工具13的插入速度被設定為20mm/min。轉動工具13以使轉動工具13的頂端部13A被定位在從鋼構件11和鋁構件12之間的配合面14朝向鋼構件11偏離0. 3mm的距離的部位的方式被插入到鋼構件11 中。從轉動工具13的完成插入到取出該轉動工具13的保持時間被設定為1秒。對于如此獲得的各攪拌摩擦焊接合體15，進行圖IlA所示的剝離強度試驗，在圖 7中示出了試驗結果。此外，在表2中示出了各攪拌摩擦點焊操作完成之后各轉動工具13 的狀態(tài)。此外，在該情況下，根據(jù)日本工業(yè)標準(JIS Z3144)制備用于剝離強度試驗的試驗片。如從表2中的結果明顯的是，在轉動工具13的直徑為Ilmm以上的情況下，由鋼構件11和轉動工具13的摩擦所產生的熱(摩擦熱)量變得過大，從而觀察到轉動工具13的磨損和損壞。此外，如圖7所示，在轉動工具13的直徑為2mm以下的情況下，鋼構件11和鋁構件12之間的接合部17的接合表面積變小，從而可以確認接合強度(剝離強度)不利地降低。因此，結果示出從鋼構件11和鋁構件12的接合強度的觀點考慮，期望使用直徑為3mm 以上的轉動工具13。[表2]轉動工具的直徑與轉動工具的磨損之間的關系
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權利要求
1.一種異種金屬材料的接合方法，所述異種金屬材料具有不同的熔點，所述接合方法包括如下步驟將高熔點金屬材料和低熔點金屬材料定位到接合位置，在所述接合位置，所述異種金屬材料將被接合；使轉動工具在轉動的狀態(tài)下與所述高熔點金屬材料壓接，并且將所述轉動工具插入到所述高熔點金屬材料中；將所述轉動工具的插入位置控制到所述轉動工具不會穿透所述高熔點金屬材料的位置；在所述高熔點金屬材料和所述轉動工具之間的部位產生摩擦熱；使所述高熔點金屬材料和所述低熔點金屬材料由于從所述摩擦熱傳導的傳導熱而部分地軟化，由此使所述高熔點金屬材料和所述低熔點金屬材料產生塑性流動；和借助于所述轉動工具部分地攪拌所述高熔點金屬材料和所述低熔點金屬材料，由此對所述高熔點金屬材料和所述低熔點金屬材料進行攪拌摩擦焊。
2.根據(jù)權利要求1所述的異種金屬材料的接合方法，其特征在于，所述轉動工具的所述插入位置被控制到如下位置所述轉動工具的端部被定位在從所述高熔點金屬材料和所述低熔點金屬材料的配合面朝向所述高熔點金屬材料側偏離0. 05mm至0. 6mm的距離的位置。
3.根據(jù)權利要求1所述的異種金屬材料的接合方法，其特征在于，所述轉動工具由鋼制成并且被形成為呈圓棒形狀，所述轉動工具的直徑被設定為3mm至10mm。
4.根據(jù)權利要求1所述的異種金屬材料的接合方法，其特征在于，所述轉動工具的轉數(shù)被設定為75rpm至750rpm。
5.根據(jù)權利要求1所述的異種金屬材料的接合方法，其特征在于，所述高熔點金屬材料是鐵構件，而所述低熔點金屬材料是鋁構件。
6.一種異種金屬材料接合體，其通過使用權利要求1至5中任一項所述的異種金屬材料的接合方法接合高熔點金屬材料和低熔點金屬材料而獲得。
全文摘要
本發(fā)明涉及異種金屬材料的接合方法及異種金屬材料的接合體，所述異種金屬材料具有不同的熔點，所述接合方法包括如下步驟將鋼構件(高熔點金屬材料)和鋁構件(低熔點金屬材料)定位到接合位置；使轉動工具在轉動的狀態(tài)下與鋼構件壓接，并且將轉動工具插入到鋼構件中；將轉動工具的插入位置控制到轉動工具不會穿透鋼構件的位置；在鋼構件和轉動工具之間的部位產生摩擦熱；使鋼構件和鋁構件由于從摩擦熱傳導的傳導熱而部分地軟化，由此使這兩個構件產生塑性流動；由轉動工具部分地攪拌鋼構件和鋁構件，由此，對鋼構件和鋁構件進行攪拌摩擦焊。根據(jù)上述結構，能夠極大地提高異種金屬材料的接合強度、特別是剝離強度。
文檔編號B23K20/12GK102380703SQ20111026195
公開日2012年3月21日 申請日期2011年8月30日 優(yōu)先權日2010年8月31日
發(fā)明者四谷剛毅, 畑山智信 申請人:鈴木株式會社